CM6150型臥式車床的數控化改造及自動回轉刀架設計機械畢業(yè)論文

蘭州理工大學 畢 業(yè) 設 計（論 文）題 目：CM6150型臥式車床的數控化改造及自動回轉刀架設計院 （系）： 專 業(yè)： 班 級： 學生姓名： 導師姓名： 職稱： 起止時間： 目錄摘要-3-Abstract-4-第一章 緒論-5-數控技術的產生和發(fā)展5-數控技術的發(fā)展趨勢-5-第二章 數控機床系統(tǒng)總體設計10-一 總體方案設計內容- 10 -二 總體方案確定11-第三章 進給系統(tǒng)設計計算- 10 -一 選擇脈沖當量- 10 -二 計算切削力- 10 -三 滾珠絲杠螺母副的計算和選型- 11 -四 齒輪進給齒輪箱傳動比計算- 20 -五 步進電機的計算和選型- 21 -第四章 數控回轉刀架發(fā)展概況-27-4.1 數控回轉刀架的發(fā)展狀況- 27-4.1.1 國外數控回轉刀架的發(fā)展狀況- 27-4.1.2 國內數控回轉刀架的發(fā)展狀況- 27 -4.1.3 未來數控回轉刀架的發(fā)展趨勢28-4.2 課題現實意義- 14 -4.3 本文主要研究內容-15 -第五章 數控刀架總體結構設計- 16-5.1 引言-17 -5.2 減速傳動機構的設計- 18 -5.3 刀架抬起機構設計-19 -5.4上刀體鎖緊與精定位機構的設計- 20 -第六章 數控回轉刀架的工作原理- 21-第七章 主要傳動部件的設計計算-22-7.1.蝸桿副的設計計算-23 -7.1.1 蝸桿的選型- 24 -7.1.2 蝸桿副的材料-25 -7.1.3 按齒面接觸疲勞強度進行設計- 26 -7.1.4 蝸桿和蝸輪的主要計算參數和幾何尺寸- 27 -7.1.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度-28 -7.2. 螺桿的設計計算- 44-7.2.1 螺距的確定- 44 -7.2.2 其它參數的確定- 45 -7.2.3 自鎖性能校核- 46 -總結-47-致謝-48-參考文獻-49-摘要本文介紹普通車床CM6150的數控化改造，重點介紹機床數控化改造方案的確定，基本步驟，目的，經濟合理性，機床數控化改造計算。數控車床采用數控回轉刀架可以在一次裝夾中完成多道工序加工，縮短輔助時間，減少多次安裝所帶來的誤差。本課題通過對數控回轉刀架的機械結構以及電氣控制進行了研究，探索數控回轉刀架的組成和工作原理。通過所學專業(yè)知識，完成了數控回轉刀架機械部分與電氣控制部分的設計，繪制了三維實體裝配圖及電氣控制原理圖，編制了數控回轉刀架的控制軟件。本課題的創(chuàng)新之處在于在設計延時鎖緊功能部件的同時，實現了刀架電動機意外短路的保護功能。問題的解決在于采用電磁式過電流繼電器來監(jiān)測電動機中的電流大小。處于調整狀態(tài)時，繼電器處于釋放狀態(tài)；當刀架鎖緊時，繼電器吸合，常開觸點閉合，8255A的PC3被置0，電動機停轉。當出現故障，電動機短路時，繼電器做出同樣的動作，以達到保護目的。所設計的數控回轉刀架很好的實現了快速準確自動換刀，提高了數控車床的加工效率。關鍵詞：數控化改造，回轉刀架，蝸桿副，微機控制，換刀裝置AbstractThis design is about the common Lathe CM6150 transformation of NC, It mainly introduce the arragments of NC Transformation, basic steps, purpose, economic rationality, and the calculation of NC Transformation。With a single setup of NC rotary turret , CNC lathe can be completed in multiple processes processing, reducing support time and errors which caused by multiple installation. This topic of NC rotary turret on the mechanical and electrical control system conducted to explore the NC rotary tool holder of the composition and working principle. With the knowledge learned of before, I have finished the completion of the NC rotary tool holder of the mechanical parts and electrical control part of the design, drawing and assembly drawings and three-dimensional entities, electrical control schematics,and developed NC rotary turret control software. The innovation of this issue is delayed locking features in the design, while achieving a turret motor accident short circuit protection. The solution to the problem is making use of electromagnetic over-current relay to monitor of the current size of the motor. In the adjustment state, the relay is in the release state; when the turret is locked, and then normally open contact closure, PC3 of 8255A is setted to 0, and then the motor stalls. When failure is come out, motor short circuit, the relay to make the same movement, to achieve the protection objective. NC rotary tool holder is designed well to achieve a fast and accurate automatic tool changment, improving the processing efficiency of the NC lathe.Key words: NC Transformation ，rotary turret，worm gear pair，micracomputer control，tool-changer第一章 緒論數控技術的產生和發(fā)展 當今世界數控技術及裝備發(fā)展的趨勢及我國數控裝備技術發(fā)展和產業(yè)化的現狀，在此基礎上討論了在我國加入WTO和對外開放進一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展我國數控技術及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性，并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數控技術及裝備的幾點看法。 數控技術，簡稱“數控”。英文：Numerical Control（NC）。是指用數字、文字和符號組成的數字指令來實現一臺或多臺機械設備動作控制的技術。它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和與機械能量流向有關的開關量。數控的產生依賴于數據載體和二進制形式數據運算的出現。1908年，穿孔的金屬薄片互換式數據載體問世；19世紀末，以紙為數據載體并具有輔助功能的控制系統(tǒng)被發(fā)明；1938年，香農在美國麻省理工學院進行了數據快速運算和傳輸，奠定了現代計算機，包括計算機數字控制系統(tǒng)的基礎。數控技術是與機床控制密切結合發(fā)展起來的。1952年，第一臺數控機床問世，成為世界機械工業(yè)史上一件劃時代的事件，推動了自動化的發(fā)展?，F在，數控技術也叫計算機數控技術，目前它是采用計算機實現數字程序控制的技術。這種技術用計算機按事先存貯的控制程序來執(zhí)行對設備的控制功能。由于采用計算機替代原先用硬件邏輯電路組成的數控裝置，使輸入數據的存貯、處理、運算、邏輯判斷等各種控制機能的實現，均可以通過計算機軟件來完成。數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品，即所謂的數字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域：(1)機械制造技術；(2)信息處理、加工、傳輸技術；(3)自動控制技術；(4)伺服驅動技術；(5)傳感器技術；(6)軟件技術等。數控技術的發(fā)展趨勢數控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、意料等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數字化已是現代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面14。11 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢 效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現代制造技術之一，國際生產工程學會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一。 在轎車工業(yè)領域，年產30萬輛的生產節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業(yè)領域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結方式拼裝，使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。 從EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min，快速為100m/min，加速度達2g，主軸轉速已達60 000r/min。加工一薄壁飛機零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*!000r/mm和1g。在加工精度方面，近10年來，普通級數控機床的加工精度已由10m提高到5m，精密級加工中心則從35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01m)。 在可靠性方面，國外數控裝置的MTBF值已達6 000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上，表現出非常高的可靠性。為了實現高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應用領域進一步擴大。1.2 5軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展 采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動數控系統(tǒng)、主機結構復雜等原因，其價格要比3軸聯(lián)動數控機床高出數倍，加之編程技術難度較大，制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展。 當前由于電主軸的出現，使得實現5軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結構大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復合加工機床（含5面加工機床）的發(fā)展。 在EMO2001展會上，新日本工機的5面加工機床采用復合主軸頭，可實現4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺機床上實現，還可實現傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。 1.3 智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21世紀的數控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內容包括在數控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。為解決傳統(tǒng)的數控系統(tǒng)封閉性和數控應用軟件的產業(yè)化生產存在的問題。目前許多國家對開放式數控系統(tǒng)進行研究，如美國的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、歐共體的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中國的ONC(Open Numerical Control System)等。數控系統(tǒng)開放化已經成為數控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數控系統(tǒng)就是數控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象（數控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現不同品種、不同檔次的開放式數控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產品。目前開放式數控系統(tǒng)的體系結構規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數控系統(tǒng)功能庫以及數控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。 網絡化數控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數控裝備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。國內外一些著名數控機床和數控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，如在EMO2001展中，日本山崎馬扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生產控制中心，簡稱CPC)；日本大隈（Okuma）機床公司展出“IT plaza”（信息技術廣場，簡稱IT廣場)；德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（開放制造環(huán)境，簡稱OME）等，反映了數控機床加工向網絡化方向發(fā)展的趨勢。1.4 重視新技術標準、規(guī)范的建立1.4.1 關于數控系統(tǒng)設計開發(fā)規(guī)范 如前所述，開放式數控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結構數控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個最大的經濟體在短期內進行了幾乎相同的科學計劃和規(guī)范的制定，預示了數控技術的一個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。 1.4.2 關于數控標準 數控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數控技術誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標準，即采用G，M代碼描述如何（how）加工，其本質特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現代數控技術高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產品整個生命周期內的統(tǒng)一數據模型，從而實現整個制造過程，乃至各個工業(yè)領域產品信息的標準化。 STEP-NC的出現可能是數控技術領域的一次革命，對于數控技術的發(fā)展乃至整個制造業(yè)，將產生深遠的影響。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下，NC程序可以分散在互聯(lián)網上，這正是數控技術開放式、網絡化發(fā)展的方向。其次，STEP-NC數控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75）、加工程序編制時間（約35）和加工時間（約50）。 目前，歐美國家非常重視STEP-NC的研究，歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計劃(1999.1.12001.12.31)。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學術機構。美國的STEP Tools公司是全球范圍內制造業(yè)數據交換軟件的開發(fā)者，他已經開發(fā)了用作數控機床加工信息交換的超級模型(Super Model)，其目標是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數據交換格式已經在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證。機床數控改造的必要性一、數控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。1.1可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。1.2可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高37倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現自動化。數控機床只要更換一個程序，就可實現另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現了"柔性自動化"。1.3加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。1.4可實現多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。1.5由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力(一個人可以看管多臺機床)，減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數控化還是推行fmc(柔性制造單元)、fms(柔性制造系統(tǒng))以及cims(計算機集成制造系統(tǒng))等企業(yè)信息化改造的基礎。數控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。二、數控化改造的內容2.1恢復原功能，對機床、生產線存在的故障部分進行診斷并恢復；2.2 CNC化，在普通機床上加數顯裝置，或加數控系統(tǒng)，改造成nc機床、cnc機床；2.3翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度；對其不滿足生產要求的cnc系統(tǒng)以最新cnc進行更新；2.4技術更新或技術創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。三、數控化改造的特點3.1減少投資額、交貨期短同購置新機床相比，一般可以節(jié)省60%80%的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的 1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費工、費錢，往往改造成本提高23倍，與購置新機床相比，只能節(jié)省投 資50%左右。3.2機械性能穩(wěn)定可靠，結構受限所利用的床身、立柱等基礎件都是重而堅固的鑄造構件，而不是那種焊接構件，改造后的機床性能高、質量好，可以作為新設備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機械結構的限制，不宜做突破性的改造。3.3熟悉了解設備、便于操作維修購買新設備時，不了解新設備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計算出機床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓時間短，見效快。改造的機床一安裝好，就可以實現全負荷運轉。3.4可充分利用現有的條件可以充分利用現有地基，不必像購入新設備時那樣需重新構筑地基。3.5可以采用最新的控制技術可根據技術革新的發(fā)展速度，及時地提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量和檔次，將舊機床改成當今水平的機床。四、數控系統(tǒng)的選擇數控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時，應根據具體情況進行選擇。4.1、步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)(滿足大部分機床的改造需要，價格便宜。)該系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機 轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要 將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的 位移精度較低。該系統(tǒng)結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。4.2、異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數控系統(tǒng)4.3、交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數控系統(tǒng)當前生產數控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司的如siemens公司、fanuc公司；國內著名公司如仁和公司(經濟實用型)和沈陽高檔數控國家工程研究中心等。選擇數控系統(tǒng)時主要是根據數控改造后機床要達到的各種精度、驅動電機的功率和用戶的要求。五、數控改造中主要機械部件改裝探討一臺新的數控機床，在設計上要達到：有高的靜動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床數控改造時應盡量達 到上述要求。不能認為將數控裝置與普通機床連接在一起就達到了數控機床的要求，還應對主要部件進行相應的改造使其達到一定的設計要求，才能獲得預期的改造 目的。5.1、滑動導軌副對數控車床來說，導軌除導向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，并要有合理的導軌防護和潤滑。5.2、齒輪副一般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床高。5.3、滑動絲杠與滾珠絲杠絲杠傳動直接關系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。一般情況滑動絲杠應不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運動時力矩相接近，可以降低電機啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。5.4、安全防護高效必須以安全為前提。在機床改造中要根據實際情況采取相應的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進 入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護罩。大拖板與滑動導軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。第二章 數控機床系統(tǒng)總體設計一 總體方案設計內容接到一個數控裝置的設計任務以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設計參數和結構，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設計。機床數控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內容：系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構的結構及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內容。一般應根據設計任務和要求提出數個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。一、 系統(tǒng)運動方式的確定數控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。二、 控制方式的選擇系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。經濟型數控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測反饋裝置，數控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不做檢測，所以機床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反應迅速，調試和維修都比較簡單。二 總體方案確定（1）、系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經濟型數控機床應具備定位，直線插補，順、逆圓弧插補，暫停，循環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達到屬于經濟型數控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。（2）、數控系統(tǒng)根據機床要求，采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾性強，具有很高的性能價格比等特點，決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現，顯示器采用數碼管顯示加工數據及機床狀態(tài)等信息。（3）、機械傳動方式為實現機床所要求的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結構。系統(tǒng)總體方案框圖如下： 圖1系統(tǒng)總體方案框圖第三章 進給系統(tǒng)設計計算一 選擇脈沖當量脈沖當量是衡量數控機床加工精度的一個基本技術參數。經濟型數控車床、銑床常采用的脈沖當量是0.010.005mm/step。根據機床精度要求確定脈沖當量：縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑)二 計算切削力用車床經驗公式F=D來計算主切削力式中D指車床身上最大加工直徑（mm）。橫切端面時主切削力可取縱切時F的1/2。求出主切削里F以后再按以下比例分別求出分力F和F。F：F：F=1 ：0.25 ：0.5式中 F：指走刀方向的切削力（N）； F：指垂直走刀方向的切削力（N）。 下圖為縱切和橫切時切削力的示意圖。圖2縱切和橫切時切削力的示意圖1、 縱車外圓主切削力F(N)按經驗公式估計算： F=D= （N）按切削力各分力比例： F：F：F=1 ：0.25 ：0.4 F（N）F（N）2、 橫切端面主切削力（N）可取縱切的1/2。 （N） （N） （N）三 滾珠絲杠螺母副的計算和選型（一） 縱向進給絲杠1、 計算進給軸向力F（N）縱向進給這里為三角形導軌：F式中K：指顛覆力矩影響的實驗系數，綜合導軌取K=1.15；：指滑動導軌摩擦系數取0.150.18之間的值；G：指流板及刀架重力，G=1100N。則 F=（N）2、 計算最大動負載Q考慮滾珠絲杠在運轉過程中沖擊擾動對壽命的影響，則最大動負載Q的計算公式為：Q L n式中 ：指滾珠絲杠導程，初選=8； n：指絲杠轉速，（r/min）； ：指最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的1/21/3，此處取=0.3； ：指使用壽命時間（h）,對于數控機床取T=15000h.。L：指壽命，以10轉為一單位；：指運動系數，見表1，選=1.3。表1運轉系數運轉狀態(tài)運轉系數無沖擊運轉1.01.2一般運轉1.21.5有沖擊運轉1.5-2.5則 n( r/min)L Q（N）3、 滾珠絲杠螺母副的選型從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應的動負載C的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結構類型，選用時應滿足Q C的條件。查表：可采用WL5008外循環(huán)調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動負載為23400N，符合Q C的條件。精度等級按表 2，選為1級。Vmm表 2滾珠絲杠行程公差項目符號有效行程（mm）精度等級12345目標行程公差e6812162331540079131825400500810152027500630911162230行程變動量公差V6812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300 mm內行程變動量V681216232弧度內行程變動量V456784、傳動效率計算 式中 ：指螺旋升角，=255 ：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數其摩擦角，約等于。則 5、剛度驗算先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3所示，最大軸向力為N，支承間距L=1500mm, 絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。圖3縱向進給系統(tǒng)計算簡圖計算如下：（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm） F=N， L=8mm, EN/mm(材料彈性模數，對鋼來說是等于這個值)，mm, R=2.477, e=0.068mm則 d( mm)A(mm) （A指滾珠絲杠按內徑定的 截面積）絲杠導程L的變化量為： 總長度L=1500mm，絲杠上的變形量，由于兩端均采用推力球軸承，則值： (mm)(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm）由d=4.763mm, F=kgf,承載滾珠數量 ZZ 由于滾珠絲杠副施加預應力，且預應力F為軸向負載的1/3，則變形 =0.0013 （mm）(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）這里采用有預緊時的推力球軸承則 查機械設計手冊中表6-2-82，采用51109型推力球軸承，其d=45mm,滾動體直徑D=3.969mm, 滾動體數量Z=22， （mm）則定位誤差 =0.01785mm0.025mm(規(guī)定定位精度)6、穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產生失穩(wěn)現象，故不需作穩(wěn)定性校核。（二） 橫向進給絲杠1、 計算進給軸向力 橫向導軌為燕尾形，計算如下： 由于是燕尾形導軌式中： K=1.4，=0.2則 N2、計算最大動負載Q n( r/min)L Q（N）查表：可采用WL2506外循環(huán)調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動負載為13100N，符合Q C的條件。精度等級按表 2滾珠絲杠行程公差表，選為1級。 Vmm4、傳動效率計算5、剛度驗算橫向進給滾珠絲杠支承方式如圖4所示，最大軸向力為2759N，支承間距L=550mm, 因絲杠長度較短，不需要預緊。圖4橫向進給系統(tǒng)計算簡圖計算如下：(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）根據 N， D=25mm, EN/mm, R=2.064, e=0.056mmd( mm)A(mm) （mm）(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm）對滾珠絲杠副施加預緊力F為軸向負載的1/3。由 mm, kgf承載滾珠數量 ZZ =0.0013 （mm）(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）這里采用有預緊時的推力球軸承則 查機械設計手冊中表6-2-82，采用51104型推力球軸承，其d=20mm,滾動體直徑D=3.175mm, 滾動體數量Z=14， （mm）則定位誤差 =0.03682 (mm) 顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度（），應該采取相應的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導軌來減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導軌=0.030.05。重新計算如下： NQ（N）由此可知：滾珠絲杠螺母副和軸承的型號可不改變。此時的變形量為：（mm）=0.0013 （mm） （mm）定位誤差 0.02412 (mm) 0.025mm(規(guī)定定位精度)6、穩(wěn)定性校核臨界負載與工作負載 之比稱為穩(wěn)定性系數，如果，則壓桿穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數，一般=2.54。計算臨界負載（N）： 式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼E（N/mm）； J：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J（為絲杠螺紋的底徑）； ：絲杠兩支承端距離（mm）；：絲杠支承方式系數，見表3，這里。表3滾珠絲杠支承方式系數方式一端固定一端自由兩端簡支一端固定一端簡支兩端固定0.251.002.004.00則 N 所以此絲杠不會產生失穩(wěn)。（三）縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數其幾何參數見表：表4WL5008及WL2506滾珠絲杠幾何參數名稱符號WL5008WL2506螺 紋 滾 道公稱直徑5025導程86接觸角鋼球直徑4.7633.969滾道法面半徑2.4772.064偏心距0.0680.056螺紋升角螺 桿絲杠外徑48.524絲杠內徑45.18220.984螺桿接觸直徑40.42417.025螺 母螺母螺紋直徑54.81829.016螺母內徑51.19025.992四 齒輪進給齒輪箱傳動比計算1、縱向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電機步距角，可計算出傳動比： 在閉式軟齒面齒輪傳動中，齒輪的彎曲強度總是足夠的，因此齒數可取多些，推薦取Z=2440。所以可選定齒輪數為：2、橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電機步距角，可計算出傳動比：可選定齒輪數為： 因進給運動齒輪受力不大，模數m取2。有關參數參照表5。表5傳動齒輪幾何參數所處位置縱 向橫 向齒數24401845分度圓直徑48803690齒頂圓直徑52844094齒根圓直徑43753185齒寬（610）m16161616中心距6463五 步進電機的計算和選型（一） 縱向進給步進電機計算1、 等效轉動慣量計算傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下式計算：式中 ：指步進電機轉子轉動慣量；、：指齒輪、的轉動慣量；：指滾珠絲杠轉動慣量；：指工件及工作臺重量（N）；：指絲杠導程（）；參考同類型機床，初選反應式步進電機150BF，其轉子轉動慣量。（分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距） 把這些數據代入上式： 2、 電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按個階段計算：（1）快速空載起動力矩 在快速空載起動階段，加速度所占的比例較大，具體計算公式如下：以上式中 ：指空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩（）； ：指折算到電機軸上的摩擦力矩（）；：指絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（）；：指傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量； ：指電機最大角加速度（）； ：指電機最大轉速（）；：指運動部件最大進給速度（）；：指脈沖當量（）；：指步進電機步距角（）；：指運動部件從停止起動到最大快進速度所需時間（s），這里是30ms；：指導程的摩擦力（N），；：指垂直方向的切削力（N）；：指工件及工作臺重量（N）；：指導軌摩擦系數，；：指運動部件的總重量（N）；：指齒輪降速比；按計算；：指傳動鏈總效率，一般可??；：指滾珠絲杠預加負載，一般取/3，為進給軸向力（N）；：指滾珠絲杠導程；：指滾珠絲杠未加預緊時的傳動效率，一般取。將以前計算所得數據代入： （） （）（）則 （）（2）快速移動時所需力矩 （）（3）最大切削負載時所需力矩 （）從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據。由表6得：當步進電機為三相六拍時，則（N）。表6步進電機起動轉距與最大靜轉距關系步進電機相 數三 相四 相五 相六 相拍 數36485106120.50.8660.7070.8090.9510.8660.866按此最大靜轉距從表中查出，150BF002型最大靜轉距為13.72，大于所需最大靜轉距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性。3、 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率可查出150BF002型步進電機允許的最高空載啟動頻率為2800運行頻率為8000，再從圖5查出150BF002步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。從圖中看出，當步進電機起動時，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（800.77），直接使用則會出現失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現），半起動頻率降到1000，起動力矩可提高到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。圖5150BF002型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性（二） 橫向進給步進電機計算和選型與縱向進給步進電機計算的方法一樣，如果縱向的步進電機能滿足條件那橫向的就也可以滿足條件，則這選用與縱向相同的步進電機。第四章 數控刀架發(fā)展概況1 各種刀架簡介1.1 簡易經濟型數控刀架目前主要為立式四工位,通常采用雙插銷機構實現轉位和預定位,電機采用右置式或轉塔式。一般只能單向轉位,采用齒輪,蝸桿傳動,螺旋副加緊,多齒盤精定位。此種刀架價格便宜,適用于要求不高的數控機床,在我國應用最為廣泛。但是,該刀架工位少,回轉空間大,易發(fā)生干涉,所以正向工序長,回轉空間小的臥式刀架過渡。1.2 高精度型數控刀架目前一般多為臥式八工位到十二工位。分為抬起式和不抬起式。抬起式仿意大利巴羅法蒂公司的 TA 刀架,其缺點是轉阻塞度不能過高,只能單向回轉；不抬起式仿意大利 IOE 型刀架,采用行星齒輪機構?；蚍旅绹娜?lián)分齒盤精定位,轉位采用平行分度凸輪(又叫共輒凸輪)或槽輪機構此種刀架目前正逐漸推廣。1.3 帶動力刀具的數控刀架此種刀架只有煙臺機床附件廠生產,全套引進意大利的生產線和專利,一般用于車削加工中心。2 方案選擇及論證2.1 傳動方案的分析和擬定2.1.1 技術關鍵（a）合理的整體布局及夾緊機構,以保證有足夠的剛性。（b）定位機構的設計。雙插銷配合多齒盤定位。（c）發(fā)訊元件的選擇。采用霍爾元件。2.1.2 數控立式四工位抬起式自動刀架傳動方案的分析和擬定（1）傳動方案的擬定采用蝸輪蝸桿傳動和螺旋副加緊、雙插銷預定位、端面多齒盤精定位、霍爾元件發(fā)訊。（2）傳動方案簡圖圖2-1 傳動方案簡圖（3）傳動方案分析a. 傳動機構采用蝸輪蝸桿傳動的主要優(yōu)點：降速比大,結構緊湊,工作平穩(wěn)無噪聲。能阻滯扭轉振動。當蝸桿螺旋升角小于摩擦角時,有反向自鎖作用。其主要缺點是 : 發(fā)熱大,加工復雜,需要有與蝸桿參數相同的渦輪滾刀,對裝配誤差較為敏感。螺旋副加緊采用絲杠螺母機構傳動,其特點是：用較小的扭矩轉動絲杠(或螺母),可使螺母(或絲杠)獲得較大的軸向牽引力。可達到很大的降速傳動比,使降速機構大為簡化,傳動鏈得以縮短。能達到較高的傳動精度。傳動平穩(wěn),無噪聲。在一定條件下能自鎖,即絲杠螺母不能進釘逆向傳動。此特點特別適用 于作部件升降傳動。由于蝸桿傳動和絲杠螺母傳動均能自鎖,即夾緊機構雙重自鎖，不必再配置制動器。b. 定位機構雙差銷預定位雙差銷定位,一般稱為反靠定位。具有較高的定位精度和可靠性,并能在有沖擊和振動的情況下穩(wěn)定工作。磨損少,定位附加沖擊小。定位精度保持性強。端面齒盤精定位優(yōu)點 :由于采用了多齒結構,所以定位精度高,一般可達，最高可達；能自動定心,定位精度不受軸承間隙和正反轉的影響(也稱自由定心)；齒面磨損對定位精度影響不大,隨著不斷使用磨合,定位精度有可能改善,精度保持性好；承載能力強,定位剛性好。其齒面嚙合長度一般不小于60%,齒數嚙合率一般不低于90%；適應性強,齒數的所有因數都可作為分度工位數,容易得到不等的分度；重復定位精度穩(wěn)定。缺點 :齒形加工較為復雜,轉位、定位時動齒盤需要升降,并要有夾緊裝置,成本高。c. 數控轉塔式四工位自動回轉刀架傳動方案的確定 :采用蝸輪-蝸桿傳動 : 螺旋副加緊；電磁離合器制動 : 雙插銷機構預定位 ；端面齒盤精定位 : 霍爾元件發(fā)訊。3 主要參數的計算3.1 刀架的設計參數 :（1） 定位精度：0.05mm;（2） 重復定位精度: 土 0.002mm;（3） 適用機床：CM6150;（4） 多齒盤直徑：175(72 齒左右 );（5） 刀架工位數：四工位;（6） 定位控制元件：霍爾元件 ;（7） 電機的選用：電機的轉速與設計刀架的回轉速度有關 .先預定為1500/min3.2 動力參數的確定3.2.1 選擇電機類型 : 根據工作要求和條件 : 功率小,起動轉矩低,運轉平穩(wěn)等,無需調速、長期反復工作，異步電動機取轉速為1400r/min。3.2.2 電機容量的設計計算 :由要求 :自鎖力Q=1000 kgf500 kgf,此處取 Q=1000kgf 。螺旋副傳動的牙型為梯形螺紋,可通過較小的扭矩獲得較大的軸向力,并要求自鎖。梯形螺紋的牙型角=,則牙型半角 P=,且有f=0.080.10。由于本刀架鎖緊系統(tǒng)中的摩擦是由封閉系統(tǒng)彈性變形力所引起的,壓力通常超過 3,其摩擦系數比一般23倍,取螺桿中徑d=85mm.a.求當量摩擦角 : ，為保證電機驅動力矩消失后刀盤仍處于鎖緊狀態(tài),絲杠螺母傳動必須滿足自鎖條件:,所以 max=11.7-1=10.7，由實驗表明=46 有滿意效果,故取 =5 。b.螺桿的轉速 n1=28r/min（設計任務書給出） 可得出傳動比： （3-1）計算電機容量 ： （3-2） 其中 ,Pd 為電機所需功率 :Pw 為工作機所需工作功率；是由電動機至工作機主動端的總效率： （3-3） （3-4） 其中 分別為軸承、蝸輪蝸桿、聯(lián)軸器、滑動絲杠的傳動效率。取=0.98, =0.45( 自鎖時傳動效率 ), , （設計任務書給出）W （3-5） c. 計算螺桿上的扭矩 : （3-6）d. ，選取150BF002電機，其技術參數如下：電壓 輸出功率轉速輸入功率質量380V120w1400r/min150w3.0kg額定電流起動轉矩/:額定轉矩最大轉矩/額定轉矩起動電流0.47(A)2.2>2.46e. 各軸的運動動力參數 各軸轉速I 軸 ( 蝸桿軸 )=1400(r/min)II 軸 ( 絲杠螺母、刀盤 )=1400/28=