普通銑床的數(shù)控化改造

1、普通銑床地?cái)?shù)控化改造系部：班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)： 2011134018第一章 普通銑床地?cái)?shù)控化改造總體方案地設(shè)計(jì)一：普通銑床地?cái)?shù)控化改造方案地設(shè)計(jì)1.原來地 XQ6125B 普通升降臺(tái)銑床地用途原 XQ6125B 臥式萬能升降臺(tái)銑床是屬于通用機(jī)床，主要適用于加工單件、小批量生產(chǎn)和工具修理部門，也可以用于成批生產(chǎn)部門 .可利用各種圓柱銑刀、圓片銑刀、成型銑刀和端面銑刀等，銑削各種平面、斜面、成型表面、溝槽及齒輪等 .還可以利用分度頭，可以加工各種螺旋槽.外觀如圖1-1.對(duì)于它地?cái)?shù)控化改造用于擴(kuò)大加工范圍，提高加工精度，提高工作效率，滿足生產(chǎn)急需是非常必要地，從經(jīng)濟(jì)角度上也是可行地.圖1-1 XQ61

2、25B 普通升降臺(tái)銑床外觀圖2.總體設(shè)計(jì)任務(wù)將原來地X6132 要改造成加工精度高、定位準(zhǔn)確、可靠，擴(kuò)大其加工范圍，提高加工效率，各性能參數(shù)有所提高，使其可以銑削圓弧面與斜面等形狀復(fù)雜地高精度零件(如凸輪軸).3.總體設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床地改造，為了保證被改造后地性能不低于原銑床，選X、Z 坐標(biāo)快進(jìn)速度不低于 2.4m/min ，水平拖動(dòng)力按15KN 計(jì)算，則所需地功率為：P=FV=152.4=0.6Kw60如果采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件，步進(jìn)電機(jī)達(dá)不到此功率要求.例如：200BF001反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，最大靜轉(zhuǎn)矩為 16.8NM ，最高運(yùn)行頻率為11000step/s，步距角為1/6

3、76;，若取最高工作頻率下地工作扭矩為靜扭矩地1/4，則高速小地功率為：PH1416.8110006180133.4W0.1334KW因此，如果選用步進(jìn)電機(jī)，必須相應(yīng)地降低機(jī)床地某些性能，主要是快速性.另一方面由于步進(jìn)電機(jī)在低速工作時(shí)有明顯地沖動(dòng)，易自激振蕩，而且激振頻率很可能落入銑削加工所用地進(jìn)給速度范圍內(nèi)，著對(duì)加工極為不利，造成工件超差.此外，由于步進(jìn)電機(jī)沒有過載能力，高速時(shí)扭矩下降很多，容易丟失，大功率步進(jìn)地驅(qū)動(dòng)較困難等，選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)是不合適地.若采用直流或交流伺服電機(jī)地閉環(huán)控制方案，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，調(diào)試和維修困難得多，造價(jià)也高.閉環(huán)控制可以達(dá)到很好地機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)系

4、統(tǒng)中各種誤差，消除間隙，干擾等對(duì)加工精度地影響，一般應(yīng)用于要求高地?cái)?shù)控設(shè)備中，由于所改造數(shù)控銑床工件地加工精度不十分高，采用閉環(huán)系統(tǒng)地必要性不大.若采用直流或交流伺服電機(jī)地半閉環(huán)控制,其性能介于開環(huán)和閉環(huán)之間.由于調(diào)速范圍寬,過載能力強(qiáng) ,有采用反饋控制因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)地開環(huán)控制。反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機(jī)械傳動(dòng)元件 , 調(diào)試比閉環(huán)簡(jiǎn)單 ,系統(tǒng)地穩(wěn)定性較易保證 ,所以比閉環(huán)容易實(shí)現(xiàn) .但是采用半閉環(huán)控制 ,調(diào)試比開環(huán)控制地步進(jìn)電機(jī)要困難些,設(shè)計(jì)上也有自身地特點(diǎn) .在直流和交流伺服電機(jī)之間進(jìn)行比較時(shí) ,交流調(diào)試逐漸擴(kuò)大了其使用范圍 ,似乎有取代直流伺服地趨勢(shì) .但是交流伺服地控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,技

5、術(shù)難度高 ,普及不廣 ,而且價(jià)格高 .直流伺服電機(jī)原理接近于直流電機(jī),控制系統(tǒng)技術(shù)比較成熟 ,普及廣 .用直流伺服電動(dòng)機(jī)地半閉環(huán)伺服系統(tǒng)地組成如圖1-2.數(shù)控裝置NC 發(fā)出地位置指令在位置控制器內(nèi)與位置反饋信號(hào)比較，然后轉(zhuǎn)換成位置誤差地模擬電壓.這個(gè)電壓是速度指令電壓 .速度指令電壓與速度反饋電壓在速度控制器內(nèi)比較和放大后轉(zhuǎn)換成速度控制電壓并輸給伺服電動(dòng)機(jī)，使電機(jī)得到一定地轉(zhuǎn)速.直流伺服電動(dòng)機(jī)地基本性能是：轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于輸入電壓，電流決定于負(fù)載力矩.因此，輸入直流伺服電動(dòng)機(jī)地，必須是速度模擬電壓.速度環(huán)地作用在于把位置誤差模擬電壓變成一個(gè)比較穩(wěn)定地速度模擬電壓.速度反饋地作用在于使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定 .位置

6、控制則用以檢查伺服電動(dòng)機(jī)地轉(zhuǎn)角是否符合位置指令地要求.圖 1-2 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)地組成圖 1-3 是直流伺服電動(dòng)機(jī)地半閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理.數(shù)控裝置來地位置指令D0 與位置反饋系統(tǒng)檢測(cè)出地實(shí)際位置檢測(cè)值Da 在位置偏差監(jiān)測(cè)器1 中比較 .其差值為位置偏差值D. D經(jīng)位置控制放大器2 放大后成為速度指令值v0.D0 、 Da、 D、 v0 都是數(shù)字量 .v0 經(jīng)數(shù)/ 模 (D/A) 轉(zhuǎn)換器3 成為模擬電壓Uc.位置偏差越大，則要求伺服電動(dòng)機(jī)地轉(zhuǎn)速越高，這時(shí)地 Uc 也越大 .因此， Uc 是速度指令電壓.Uc 于速度反饋電壓Ug 在速度偏差監(jiān)測(cè)器4 內(nèi)比較，其差值為速度偏差電壓Ua.設(shè)置速度反饋地目

7、地是穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)地轉(zhuǎn)速.由于伺服電動(dòng)機(jī)地轉(zhuǎn)速還受負(fù)載地影響，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化（如切深發(fā)生變化）時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化.加上速度反饋后轉(zhuǎn)速可以比較穩(wěn)定.速度偏差電壓Ua 經(jīng)速度控制放大器5 放大后，成為速度控制電壓Um.這個(gè)電壓加在伺服電機(jī)6 上，使它得到角速度m與.伺服電動(dòng)機(jī)相聯(lián)系地有速度反饋裝置 7 和位置反饋裝置 8.速度反饋裝置發(fā)出與伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比地速度反饋電壓 Ug，與速度指令電壓 Uc 相比較 .位置反饋裝置 8 發(fā)出與伺服電動(dòng)機(jī)地轉(zhuǎn)角成正比地實(shí)際位置檢測(cè)值 Da，與位置指令值 D0 相比較 .圖 1-3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理控制部分地設(shè)計(jì)要能控制三個(gè)坐標(biāo)軸地運(yùn)動(dòng),根據(jù)加工要求,至

8、少要控制兩軸聯(lián)動(dòng)完成圓弧插補(bǔ) ,為了在加工中使用不同尺寸地刀具,數(shù)控裝置應(yīng)具有刀具地半徑和長(zhǎng)度地補(bǔ)償功能以便數(shù)控加工按輪廓編程程序而能適應(yīng)刀具尺寸地變化.綜上所述，銑床數(shù)控改造方案確定為：直流伺服半閉環(huán)控制，采用三坐標(biāo)2.5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控裝置，整個(gè)改造方案如圖1-4,12111098765432數(shù)控裝置1圖 1-4 總體改造方案示意圖1、 3、 4-傘齒輪2 、 7、 10-直流伺服電機(jī)5 、8、 11 滾珠絲杠6 、 9、12- 滾珠絲杠螺母圖 1-5 數(shù)控改造設(shè)計(jì)總圖二：普通銑床地?cái)?shù)控化進(jìn)給系統(tǒng)地設(shè)計(jì)減少數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)地中間環(huán)節(jié)，采用步進(jìn)電機(jī) +剛性聯(lián)軸器 +滾珠螺母絲杠地傳動(dòng)方案 .并進(jìn)行計(jì)

9、算安裝 .三：普通銑床地?cái)?shù)控化系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)地設(shè)計(jì)CNC 裝置是一個(gè)機(jī)床計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其數(shù)控軟件必須完成管理和控制兩種不同性質(zhì)地任務(wù) .數(shù)控系統(tǒng)地管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)CNC 系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作地主體，它管理著數(shù)控加工程序從輸入、預(yù)處理，到插補(bǔ)運(yùn)算以及位置控制和輸入、輸出地全過程，并管理著系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，刀具參數(shù)設(shè)置，數(shù)控加工程序地編輯，數(shù)據(jù)地輸入、輸出及在各種機(jī)床運(yùn)行方式下操作員地操作處理等各種人機(jī)交互過程.除此之外，先進(jìn)地?cái)?shù)控系統(tǒng)地管理程序還能適時(shí)運(yùn)行診斷模塊以便及時(shí)判斷和消除故障，并能進(jìn)行通信、聯(lián)網(wǎng)等功能地管理.1.數(shù)控系統(tǒng)軟件功能地實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)地各功能分別由不同地軟件來實(shí)現(xiàn). 一般數(shù)控系統(tǒng)軟件主要由以

10、下幾部分組成：系統(tǒng)總控程序，零件程序地輸入輸出管理程序，譯碼程序，零件加工程序編輯程序，機(jī)床手動(dòng)控制程序，零件加工程序地解釋執(zhí)行程序，伺服控制及開關(guān)控制程序和系統(tǒng)自檢程序 .（ 1）系統(tǒng)總控程序系統(tǒng)總控程序是系統(tǒng)軟件地主循環(huán)程序.數(shù)控系統(tǒng)加電以后便進(jìn)入這部分程序運(yùn)行.其基本結(jié)構(gòu)如圖3-1 所示，它由四部分組成：1）初始化部分當(dāng) CNC 系統(tǒng)上電或重新復(fù)位時(shí)，首先需要進(jìn)行一些必要地初始化處理.2）接收命令環(huán)節(jié)它地使命是接收操作者地命令，若不是命令則循環(huán)等待.3）命令分析它地任務(wù)是把從鍵盤上接收地命令進(jìn)行分析，引導(dǎo)到執(zhí)行該命令地相應(yīng)處理程序 .4）返回環(huán)節(jié)它地任務(wù)是執(zhí)行了命圖 3-1 系統(tǒng)總控程序

11、結(jié)構(gòu)圖令處理程序后，返回到管理程序接收命令環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于等待新地操作狀態(tài) .（ 2）輸入輸出管理程序輸入程序主要完成兩個(gè)任務(wù)，一個(gè)是從光電閱讀機(jī)和鍵盤輸入零件加工源零件程序儲(chǔ)存器；另一個(gè)是從零件程序儲(chǔ)存器中把零件程序送入緩沖區(qū)中，以便加工時(shí)使用.無論是那種途徑輸入地零件程序去譯碼之前都必須經(jīng)過相應(yīng)地緩沖器，如圖3-2.零件程序緩沖器接收來自閱讀機(jī)或零件程序儲(chǔ)存器地程序段.當(dāng)正常加工時(shí)，譯碼程序從這里取出程序段.當(dāng)從MDI鍵盤輸入程序段時(shí)，程序段被存入MDI緩沖器中，此時(shí)譯碼程序則從MDI緩沖器取出程序段.圖 3-2輸入輸出管理程序輸出程序較為簡(jiǎn)單，它地功能是將調(diào)試成功地零件程序存入磁盤、磁帶

12、、或穿孔輸出，以便長(zhǎng)期保存.（ 3）譯碼程序數(shù)據(jù)段送入零件程序儲(chǔ)存器后，由程序?qū)⑤斎氲亓慵绦驍?shù)據(jù)段翻譯成本系統(tǒng)能識(shí)別地語言 .一個(gè)數(shù)據(jù)段從輸入到傳送至插補(bǔ)工作寄存器需要以下幾個(gè)環(huán)節(jié)，如圖3-3.圖 3-3 譯碼程序譯碼程序?qū)⒘慵绦虻卦闯绦蜻M(jìn)行詞法和語法分析，發(fā)現(xiàn)可能地詞法或語法錯(cuò)誤，如無錯(cuò)誤，則對(duì)程序段地語義，即它能產(chǎn)生地動(dòng)作進(jìn)行分析；識(shí)別程序段所規(guī)定地S、 T 等功能，將它們翻譯成內(nèi)部表示形式存放在結(jié)構(gòu)信息表中，供執(zhí)行使用.G、M 、（ 4）零件加工程序地編輯程序編輯程序?qū)嶋H上是一個(gè)鍵盤命令處理程序，它與鍵盤輸入通常成為一體，既可以用來從鍵盤輸入新地零件加工程序，也可以用來對(duì)已經(jīng)存儲(chǔ)在零

13、件程序儲(chǔ)存器中地零件加工程序進(jìn)行編輯和修改.常用地編輯功能包括插入、刪除、查找、移動(dòng)等.（ 5）機(jī)床手工控制程序機(jī)床手工控制程序是一個(gè)對(duì)操作面板和鍵盤來地命令進(jìn)行掃描地程序. 它不斷地讀取操作面板和鍵盤地輸入信息，分析識(shí)別輸入地命令并進(jìn)行相應(yīng)地處理.這部分程序提供了在手動(dòng)調(diào)整狀態(tài)下通過機(jī)床操作面板控制動(dòng)作地功能.機(jī)床手動(dòng)調(diào)整動(dòng)作包括：各坐標(biāo)軸地運(yùn)動(dòng)、主軸運(yùn)動(dòng)、刀架地轉(zhuǎn)位、冷卻泵地開停等.（6）插補(bǔ)運(yùn)算程序插補(bǔ)運(yùn)算程序是根據(jù)建立地插補(bǔ)數(shù)學(xué)模型而編制地運(yùn)算處理程序，常用地脈沖增量插補(bǔ)方法有逐電比較法和數(shù)字積分法等.通過運(yùn)行插補(bǔ)程序，生成控制數(shù)控機(jī)床各軸運(yùn)動(dòng)地脈沖分配規(guī)律 .采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)時(shí)，則是

14、生成各軸位置增量，該位置增量用數(shù)值表示.（ 7）伺服控制程序伺服控制程序是插補(bǔ)程序每次運(yùn)行后地結(jié)構(gòu)，通過適當(dāng)?shù)剡\(yùn)算后直接輸出控制執(zhí)行元件地程序 .當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)段開始插補(bǔ)加工時(shí)，系統(tǒng)控制程序還要準(zhǔn)備下一個(gè)數(shù)據(jù)段地讀入、讀碼、數(shù)據(jù)處理等 .（ 8）系統(tǒng)字行自檢程序在主控程序空閑時(shí)（如延時(shí)），可以安排CPU 執(zhí)行預(yù)防性診斷程序，或?qū)ι形磮?zhí)行程序段地輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理.診斷程序控制CNC 系統(tǒng)各個(gè)硬件功能地正確性，指示可能存在地故障地位置與性質(zhì)，它地存在有助于操作人員定位故障部位，縮短系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間，提高系統(tǒng)地可靠性 .2數(shù)控系統(tǒng)地軟件設(shè)計(jì)本軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，共分為：系統(tǒng)初始化模塊、工作方式選擇模塊、機(jī)

15、床控制模塊、命令處理模塊、中斷處理模塊等.2.1 系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化包括：工作單元初始化，中斷延時(shí)初始化，系統(tǒng)診斷，數(shù)據(jù)區(qū)初始化，電源有無檢查等.該模塊程序框圖為圖3-4.圖 3-4 系統(tǒng)初始化程序框圖2.2 工作方式選擇工作方式選擇包括：手動(dòng)，自動(dòng)，單段運(yùn)行，單步運(yùn)行，編輯等.該模塊程序框圖為圖 3-5.圖 3-5 工作方式選擇程序框圖2.3 機(jī)床控制機(jī)床控制包括：X 、 Y 、 Z 方向地進(jìn)給，電機(jī)地起動(dòng)、回零等.該模塊程序框圖為圖3-6.圖 3-6 機(jī)床控制模塊程序框圖四：普通銑床地?cái)?shù)控化主傳動(dòng)系統(tǒng)地設(shè)計(jì)將原機(jī)床地主軸電動(dòng)機(jī)換成變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，無級(jí)調(diào)速部分由變頻器控制. 將原機(jī)床地主軸

16、手動(dòng)變速換成有電磁離合器控制地主軸變速機(jī)構(gòu).改造后使其主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離，主軸電動(dòng)機(jī)地作用只是帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn).第二章普通銑床機(jī)械部分地?cái)?shù)控化改造一主軸傳動(dòng)系統(tǒng)地?cái)?shù)控化改造1. 數(shù)控化改造主傳動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)本題目給定地定位精度要求，初步選用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，從手冊(cè)中查得伺服電機(jī)地最高轉(zhuǎn)速nmax 為 1000r/min獲 1500r/min. 如果伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠直接連接. 即i 1 工作臺(tái)快速進(jìn)給地最高轉(zhuǎn)速達(dá)到vmax =10m/min，取電機(jī)地最高轉(zhuǎn)速nmax :,nmax1000Vmax1000 10100010mm1000所以取 Ph =10mm根據(jù)精度要求數(shù)控機(jī)床地脈沖當(dāng)量為0.00

17、1mm/ 脈沖，伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)應(yīng)發(fā)出地脈沖數(shù)達(dá)到bPh i101 1040.001伺服系統(tǒng)中常用地位置反饋器有旋轉(zhuǎn)變壓器和脈沖編碼器.旋轉(zhuǎn)變壓器地分解精度為每轉(zhuǎn)2000 個(gè)脈沖，如果采用旋轉(zhuǎn)變壓器方案，則在伺服電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器軸之間安裝5：1 地升速齒輪 .采用脈沖編碼器方案時(shí)，因脈沖編碼器有每轉(zhuǎn)2000 個(gè)、 2500 個(gè)、 5000 個(gè)脈沖等數(shù)種產(chǎn)品，故編碼器后應(yīng)加倍頻器.如選用每轉(zhuǎn) 2500 個(gè)脈沖編碼器，則倍頻器地倍數(shù)為4.速度反饋裝置中，與旋轉(zhuǎn)變壓器相配套地可采用測(cè)速發(fā)電機(jī).其性能為電機(jī)按1000r/min 輸出一定地電壓量U g （如輸出6v）如采用脈沖編碼器方案，則可在倍頻器后架頻

18、率 /電壓轉(zhuǎn)換器（ F/V ） .其轉(zhuǎn)換比例為每分鐘 10 7個(gè)脈沖，輸出電壓 U g （如 6v） .本設(shè)計(jì)伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)發(fā)出地脈沖為10 4 個(gè)，故轉(zhuǎn)換比例仍為6（ v） /1000（ r/min ） .下圖為上述兩種方案地傳動(dòng)系統(tǒng)圖.這兩種方案目前都有使用，各配不同地?cái)?shù)控系統(tǒng).本設(shè)計(jì)采用圖（ B ）方案 .圖 2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器；2 測(cè)速發(fā)電機(jī)；3 伺服電機(jī)；4 撓性連周期；5 滾珠絲杠；6工作臺(tái)；7 頻率 /電壓轉(zhuǎn)換器；8倍頻器；9 脈沖編碼器；2.主軸脈沖編碼器地選用與工作原理2.1. 主軸脈沖編碼器地選用脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，它把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是一種常

19、用地角位移傳感器.在數(shù)控銑床上只使用光電式脈沖編碼器，因?yàn)楣怆娛降鼐群涂煽啃詢?yōu)于其它.根據(jù)表4 2 選擇導(dǎo)程Ph =10mm ，選擇2500/轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)脈沖移動(dòng)量0.5 in圖 4.2 增量式光電編碼器地結(jié)構(gòu)圖增量式光電編碼器如上圖地所示，其實(shí)就是一種光電盤.在一個(gè)圓盤地圓周上分成相等地透明與不透明地部分，圓盤與工作軸一起旋轉(zhuǎn)，此外，還有一個(gè)固定不動(dòng)地扇形薄片與圓盤平行放置，并制作有辨向窄縫，當(dāng)光線通過這兩個(gè)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)地薄透光與不透光部分時(shí)，使光電元件接受到地光通量也時(shí)大時(shí)小地連續(xù)變化，經(jīng)放大、整形電路地變換后變成脈沖信號(hào) .2.2 主軸脈沖編碼器地工作原理光線透過圓光柵和指示光柵地線紋，在光

20、電元件上形成明暗交替變化地條紋，產(chǎn)生兩組近似于正弧波地電流信號(hào)A 與 B ，兩者地相位相差90 0 ，經(jīng)放大、整形電路，變成方波，如圖：圖脈沖編碼器地輸出波形若 A 相超前于B 相對(duì)應(yīng)電機(jī)作正向旋轉(zhuǎn)；若B 相超前于A 相，則對(duì)應(yīng)電機(jī)作反向旋轉(zhuǎn).若以該方波地前沿或后沿產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，可以形成代表正向位移和反向位移地脈沖序列Z 相是一轉(zhuǎn)脈沖，也稱為零位脈沖，它是用來產(chǎn)生機(jī)床地基準(zhǔn)點(diǎn)地.通常，數(shù)控銑床地機(jī)械參考點(diǎn)與各軸地脈沖編碼器發(fā)生出Z 相脈沖是一致地，即該信號(hào)與A 、 B 信號(hào)嚴(yán)格同.步.在應(yīng)用時(shí)，從脈沖編碼器輸出地 A 向和乘以倍率后，變成代表位移地測(cè)量脈沖和A ， B 和 B 四個(gè)方波被引入位

21、置控制回路，經(jīng)辨.經(jīng)頻率 /電壓變換器變成正比于頻率地電壓作為速度反饋信號(hào)、供給速度控制單元進(jìn)行速度調(diào)節(jié).二 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)地?cái)?shù)控化改造1.滾珠絲杠螺母副地設(shè)計(jì)計(jì)算與選型1.1.滾珠絲杠螺母副設(shè)計(jì)與原理由于本系統(tǒng)要求達(dá)到0.02 地定位精度，根據(jù)此要求，查閱滾珠絲杠手冊(cè).P 型是用于精確定位且能夠根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度和導(dǎo)程間接測(cè)量軸向行程地滾珠絲杠副，T 型是用于傳遞力地滾珠絲杠，其軸向行程地測(cè)量由與滾珠絲杠副地旋轉(zhuǎn)角度和導(dǎo)程無關(guān)地測(cè)量裝置來完成.所以選用P 型 .根據(jù)精度推薦表，銑床X 、 Y 軸地絲杠精度為4、 5 級(jí)， Z 軸地絲杠精度為4、 5 級(jí)，所以本設(shè)計(jì)選用4 級(jí) .控銑床上得到了廣泛地應(yīng)

22、用.它地結(jié)構(gòu)特以減少摩擦.圖 2.2 滾珠絲杠結(jié)構(gòu)圖圖中絲杠和螺母上都加工有圓弧形地螺旋槽，它們對(duì)合起來就形成了螺旋滾道 .在滾道內(nèi)裝有滾珠，當(dāng)絲杠與螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿螺旋槽向前滾動(dòng)，在絲杠上滾過數(shù)圈以后通過回程引導(dǎo)裝置，逐個(gè)地又滾回到絲杠與螺母之間，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)地回路.1.2滾珠絲杠螺母副地選用設(shè)計(jì)1、主切削力計(jì)算：在以工作壽命為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)按實(shí)際加工過程平均銑削條件為準(zhǔn)，因此取ae =2.5mm, f z =0.2mm/ 齒， a p =70mm,z=4,d0 =50mm,對(duì)圓柱高速銑刀，CFZ =68.2 ，則Fc = 9.81CFZ ae0.86 f z0.72 a p zd

23、00.865855（N ）對(duì)圓柱銑刀逆銑加工，各切削分力有Ff =1 1.2 Fc , F fN 0.2 0.3 Fc ， F0 =0.35 0.4 Fc ，取中間值即 F f =1.1 Fc ， F fN =0.25Fc ， F0 =0.38 Fc ，則：F0 =0.38 Fc =0.38 ×5855=2225Nn=2.225(kN)而插補(bǔ)平面內(nèi)合力F= F f220.25 1.13 Fc =6616(N)F fNFc 1.12在一周地切削過程中取平均切削力為22FX =F= ×6.616=4.14 （ KN ）33工作時(shí)地周向壓力為FmkFx(Fz2FyG)對(duì)于三角形形

24、導(dǎo)軌，k=1.15,=0.2,而 Fy =0， Fz = F0 =2.225(KN),G=1.4(KN),則Fm =1.15 ×3.1+0.2 （ 2.225+1.4 ） =3887（ N）2、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)滾珠絲杠地計(jì)算滾珠絲杠地名義直徑，滾珠地列數(shù)和工作圈數(shù)應(yīng)按當(dāng)量動(dòng)載荷Cm 選擇 .絲杠地最大載荷，當(dāng)切削時(shí)地最大進(jìn)給力加摩擦力，最小載荷即為摩擦力.已知最大進(jìn)給力 F f =2.225KN ，工作臺(tái)加工件地質(zhì)量M=140Kg ，導(dǎo)軌地摩擦因數(shù)為0.1，故絲杠地最小載荷（即摩擦力）Fmin = f G =0.1 ×140 ×10=140 N絲杠最大載荷Fmax =

25、2225+140=2365 N軸向工作載荷（平均載荷）Fm =3887 N其中， Fmax ， Fmin 分別為絲杠最大、最小軸向載荷；絲杠地最高轉(zhuǎn)速為1500r/min, 工作臺(tái)最小進(jìn)給速度為1mm/min, 故絲杠地最低轉(zhuǎn)速為0.1r/min, 可取為0 ，則平均轉(zhuǎn)速n=(1500+0)/2=750r/min. 故絲杠工作壽命為60nT6075015000675L10610 6式中 L 工作壽命 ，以 106r 為 1 個(gè)單位N 絲杠轉(zhuǎn)速r/minT 絲杠使用壽命，對(duì)數(shù)控機(jī)床可取T=15000h計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷Cm 為Fm3 Lk p3887 3 6751.5Cm =0.9=49 （ Kn

26、）ka式中k p 載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊1 1.2，一般情況取 1.2 1.5，有較大沖擊振動(dòng)時(shí)取 1.5 2.5.本設(shè)計(jì) k p =1.5 ka 精度影響系數(shù)，對(duì)于4、 5 級(jí)滾珠絲杠取 ka =0.9. 查表 121 13， Cm Ca ，由此確定滾珠絲杠副地型號(hào)和尺寸為內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式反向器FFZ5020 ，絲杠底徑 d1 42.8mm名義直徑 d=50,額定動(dòng)載荷 Cm =49Kn ， Cm Ca ，符合設(shè)計(jì)要求.軸向剛度 kc =1138 N/ m.預(yù)緊力 Fp = Ca /4=49/4=12.3KN ，只要軸向載荷值不達(dá)到或不超過預(yù)緊力F p 地 3 倍，就不必對(duì)預(yù)緊力提出額外地要求.本

27、設(shè)計(jì)中絲杠最大載荷為Fmax =2.36kN遠(yuǎn)小于 3 Fp .3、主傳動(dòng)系統(tǒng)地滾珠絲杠地計(jì)算滾珠絲杠地名義直徑，滾珠地列數(shù)和工作圈數(shù)應(yīng)按當(dāng)量動(dòng)載荷Cm 選擇 .絲杠地最大載荷，當(dāng)切削時(shí)地最大進(jìn)給力加摩擦力，最小載荷即為摩擦力.已知最大進(jìn)給力Ff =2.225KN ，工作臺(tái)加工件地質(zhì)量M=140Kg ，導(dǎo)軌地摩擦因數(shù)為0.1，故絲杠地最小載荷（即摩擦力）Fmin = f G =0.1 ×200 ×10=200 N絲杠最大載荷Fmax =2225+200=2425 N軸向工作載荷（平均載荷）Fm =3947 N其中， Fmax ， Fmin 分別為絲杠最大、最小軸向載荷；絲杠

28、地最高轉(zhuǎn)速為1500r/min, 工作臺(tái)最小進(jìn)給速度為1mm/min, 故絲杠地最低轉(zhuǎn)速為0.1r/min, 可取為0 ，則平均轉(zhuǎn)速n=(1500+0)/2=750r/min. 故絲杠工作壽命為60nT6075015000675L10610 6式中 L 工作壽命 ，以 106r 為 1 個(gè)單位N 絲杠轉(zhuǎn)速r/minT 絲杠使用壽命，對(duì)數(shù)控機(jī)床可取T=15000h計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷Cm 為CmFm3 Lk p3947 3 6751.5=ka=58 （ Kn ）0.9式中 k p 載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊1 1.2，一般情況取1.2 1.5，有較大沖擊振動(dòng)時(shí)取 1.5 2.5.本設(shè)計(jì) k p =1.5 k

29、a 精度影響系數(shù)，對(duì)于4、 5 級(jí)滾珠絲杠取 ka =0.9. 查表 121 13， Cm Ca ，由此確定滾珠絲杠副地型號(hào)和尺寸為內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式反向器FFZ5020 4，絲杠底徑 d1 42.8mm名義直徑d=50, 額定動(dòng)載荷 Cm =58KN , Cm Ca ，符合設(shè)計(jì)要求.軸向剛度 kc =1476 N/m.預(yù)緊力 Fp = Ca /4=60/4=15KN ，只要軸向載荷值不達(dá)到或不超過預(yù)緊力 Fp 地 3 倍，就不必對(duì)預(yù)緊力提出額外地要求.本設(shè)計(jì)中絲杠最大載荷為Fmax =2.42kN 遠(yuǎn)小于 3 Fp .4、滾珠絲杠支承地選擇本設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)地絲杠采用一端固定，一端鉸接，因?yàn)檩S向剛度k

30、c =1138 N/ m 大，而且適用于對(duì)剛度和位移精度要求高地場(chǎng)合，絲杠地靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度 .圖選定后地絲杠地支承簡(jiǎn)圖固定端采用一對(duì)60 0 地角接觸球軸承面對(duì)面相配合.5、主軸傳動(dòng)系統(tǒng)地制動(dòng)方式由于滾珠絲杠副地傳動(dòng)效率高，無自鎖作用（特別是滾珠絲杠處于垂直傳動(dòng)時(shí)），為防止因自重下降，故必須裝有制動(dòng)裝置.如下圖所示為數(shù)控銑床主軸箱進(jìn)給絲杠制動(dòng)裝置示意圖.機(jī)床工作時(shí)，電磁鐵通電，使摩擦離合器脫開 .運(yùn)動(dòng)有電機(jī)經(jīng)減速裝置傳給絲杠，使主軸箱上、下移動(dòng) .當(dāng)加工完畢或中間停車時(shí)，電機(jī)和電磁鐵同時(shí)斷電，借壓力彈簧作用合上摩擦離合器，使絲杠不能傳動(dòng)，主軸箱便不會(huì)下落.圖如

31、下所示：圖主周箱進(jìn)給絲杠制動(dòng)裝置1.3.軸承地選擇1、選擇軸承地型號(hào)由于絲杠工作時(shí)，既承受軸向載荷又承受徑向載荷,故支承絲杠地軸承選用能同時(shí)承受徑向載荷與單向軸向載荷地角接觸球軸承.絲杠在傳動(dòng)是要正反轉(zhuǎn),則軸承承受地軸向力地方向可能反復(fù)變化,故采用兩個(gè)軸成面對(duì)面安裝.如圖所示 :圖角接觸球軸承面對(duì)面安裝軸承型號(hào) : 7007 AC DFGB T 292 - -19942、計(jì)算軸承地壽命所謂軸承地壽命,是指軸承中任一滾動(dòng)體或內(nèi),外圈輥道上出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕前所經(jīng)歷地總轉(zhuǎn)數(shù)或一定轉(zhuǎn)速下工作地小時(shí)數(shù).滾動(dòng)軸承壽命計(jì)算地目地是防止軸承在預(yù)期工作時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生點(diǎn)蝕破壞 ,其壽命與所受載荷地大小有關(guān),作用載荷越大,

32、引起地接觸應(yīng)力也就越大,因而在發(fā)生點(diǎn)蝕破壞前所經(jīng)歷地總轉(zhuǎn)數(shù)也就越少,即軸承地壽命越短.滾動(dòng)軸承地疲勞曲線軸承地壽命 :106(Cf t)LhP60nC - 基本額定動(dòng)載荷P - 當(dāng)量動(dòng)載荷n - 軸承轉(zhuǎn)速f t - 溫度系數(shù)-壽命指數(shù),3； 滾子軸承10 3球軸承對(duì)角接觸球軸承,其徑向當(dāng)量動(dòng)載荷為:P XFR YFA1 1463.75 0.92 2224.93510.6( N )X -軸向動(dòng)載荷系數(shù)Y -徑向動(dòng)載荷系數(shù)FR - 軸承所承受地徑向載荷FA - 軸承所承受地軸向載荷由于軸承工作時(shí)地溫度低于120 0C ,查表地溫度系數(shù) f t =3軸承成對(duì)安裝故C'r1.65Cr1.651

33、9.532.17 (KN)故軸承地壽命106Cf t)Lh(60nP10632.1710 313601500(103)3.5108554h軸承地預(yù)期壽命一般約為5000 20000h.本設(shè)計(jì)滿足要求.2.伺服電機(jī)地選擇及計(jì)算2.1 直流電機(jī)地結(jié)構(gòu)直流伺服電機(jī)具有良好地啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可以方便地在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑無級(jí)調(diào)速，故多用在對(duì)伺服電機(jī)地調(diào)速性能要求較高地生產(chǎn)設(shè)備中 .直流伺服電機(jī)地結(jié)構(gòu)主要包括以下三大部分 .（ 1） 定子 定子磁極磁場(chǎng)由釘子地磁極產(chǎn)生 .根據(jù)產(chǎn)生磁場(chǎng)地方式，直流伺服電機(jī)可分為永磁式和他勵(lì)事 .本設(shè)計(jì)采用用此事 .（ 2） 轉(zhuǎn)子 又成為電樞，有硅鋼片疊壓而成，表面嵌優(yōu)

34、線圈，通以直流電時(shí)，在釘子磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生帶動(dòng)夫在旋轉(zhuǎn)地電磁轉(zhuǎn)矩.（ 3） 電刷與換向片 為使所產(chǎn)生地電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，轉(zhuǎn)子能沿固定方向均勻地連續(xù)旋轉(zhuǎn)，電刷域外價(jià)直流電源相接，換向片與電樞導(dǎo)體相連.2.2 選擇伺服電機(jī)伺服電機(jī)地選用，應(yīng)考慮三個(gè)要求：最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩，不得超過電機(jī)地額定轉(zhuǎn)矩；電機(jī)地轉(zhuǎn)子慣量j M 應(yīng)與負(fù)載慣量j r 相匹配；快移時(shí)，轉(zhuǎn)矩不得超過伺服電機(jī)地最大轉(zhuǎn)矩.1.最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算所選伺服電機(jī)地額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩.最達(dá)切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩T 可根據(jù)下式計(jì)算，即T= ( Fmax PhTp0 T f 0 )i22250.011.30 0.645.88N.m220.9其

35、中，從前面地計(jì)算已知最大進(jìn)給力Fmax =2225 N ，絲杠導(dǎo)程Ph =10mm ，預(yù)緊力Fp =3887 N，查手冊(cè)，滾珠絲杠副地機(jī)械效率=0.9，因滾珠絲杠預(yù)加載荷引起附加摩擦力矩 Tp0Tp 0FPPh=3887 0.01=1.30 N m29 .829.8查哈爾濱軸承總廠角接觸推力球軸承組配技術(shù)手冊(cè)得單個(gè)軸承地摩擦力矩為 0.32N.m ，故一對(duì)軸承地摩擦力矩T f 0 =0.64N.m. 另一端直接鉸接，其摩擦力可忽略不計(jì).伺服電機(jī)與絲杠直連，其傳動(dòng)比i=1.2.負(fù)載慣量計(jì)算伺服電動(dòng)機(jī)地轉(zhuǎn)子慣量j M 應(yīng)與負(fù)載慣量j r 相匹配，負(fù)載慣量可按以下次序計(jì)算 .（1） 工件、工作臺(tái)折算

36、到電機(jī)軸上地慣量j1 ，工件與工作臺(tái)地最大質(zhì)量 M=140kg ，可按下式計(jì)算，即v2p h np h20.01 22J1 =m( ( )m(2 nm()140()0.00035(kg m )w22式中：V 工作臺(tái)移動(dòng)速度，m/s。W 伺服電機(jī)地角速度，rad/s。m 直線移動(dòng)工件、工作臺(tái)地質(zhì)量，kg。（ 2）絲杠加在電機(jī)軸上地慣量J 2 ，絲杠名義直徑 D0=50mm,L=1m, 絲杠材料鋼地密度 =7.8× 33J 2 為10kg/ m .根據(jù)下式公式，絲杠加在電機(jī)軸上地慣量J2 =1lD 041×7.8 ×10 3 ×1×0.05 4=0

37、.0048 (kg m2 )3232（ 3）聯(lián)軸器加在鎖緊螺母等得慣量J3 可直接查手冊(cè)得到J 3 =0.001 (kg m2 )（ 4） 負(fù)載總慣量Jr=J1+J2+J3 =0.00035+0.0048+0.001=0.00615( kgm2)按照數(shù)控機(jī)床慣量匹配條件，1 j M/ J r 4, 所選伺服電機(jī)地轉(zhuǎn)子慣量jM應(yīng)在0.00615 0.0246 kgm2 范圍內(nèi).可選北京數(shù)控設(shè)備廠FB 15型直流伺服電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)矩大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子慣量j M=0.019 kgm2，滿足匹配要求.FB 15 型直流伺服電機(jī)地主要參數(shù)如下；最高轉(zhuǎn)速 nmax ：1500r/min額定轉(zhuǎn)矩 Te

38、 ：17.6 N.m最大轉(zhuǎn)矩 Tmax ：154 N.m轉(zhuǎn)子慣量j M ：0.019 kgm2機(jī)械時(shí)間常數(shù)t m ： 15.2ms輸出功率P：1.4kw重量 m：30kg3.空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動(dòng)（快移速度）時(shí)，所需地空載加速轉(zhuǎn)矩Ta為J n0.0251500 37.5Ta =9.60.04685.2 N.m9.6t ac0.44（1） 空載加速時(shí)，主要克服地是慣量.如選用 FB 15 型直流伺服電機(jī)總慣量J= Jr + jM =0.00615+0.019=0.025 ( kgm2 )（2） 加速時(shí)間 tac 通常取 t m 得 3倍，?。簍 ac =3 t m

39、 =3×15.2=45.6ms=0.046 s空載加速轉(zhuǎn)矩Ta 不允許超過伺服電機(jī)地最大輸出轉(zhuǎn)矩Tmax ，由此可見， FB 15 型直流伺服電機(jī)地 Tmax =154N.m Ta =85.2 N.m ，滿足設(shè)計(jì)要求 .4.伺服系統(tǒng)增益通常取伺服增益k s 為 8 25.對(duì)輪廓控制地?cái)?shù)控銑床可取較大值，如取k s = 20s 1 .伺服系統(tǒng)地時(shí)間常數(shù)ta為 k s 地倒數(shù)，t a =1/ks =1/1Jn 選 FB 15 型20s=0.05s.根據(jù)式 Ta =9.6tac直流伺服電機(jī)，執(zhí)行件（工作臺(tái)）達(dá)到地最大加速度為TmaxPh1540.019.81m / s2a2×J0

40、.0252伺服系統(tǒng)要求達(dá)到地最大加速度發(fā)生在系統(tǒng)處于時(shí)間數(shù)t a 內(nèi)，工作臺(tái)地速度從 - vmax 增加到+ vmax 時(shí)：amaxvmaxk s10206.67m / s23030由于 a 大于 amax ，因而按照加速能力選擇ks = 20s1是合適地 .5.精度驗(yàn)算本 數(shù) 控 銑 床 要 求 地 定 位 精 度 為0.02mm ， 滾 珠 絲 杠 副 允 許 地 最 大 軸 向 變 形111m ( ) 重復(fù)定位精度， m×0.01=0.0033mm. 其余誤差為伺服和系統(tǒng)誤差、絲杠343軸承地軸向跳動(dòng)和在載荷作用下各機(jī)械環(huán)節(jié)彈性變形引起地位移等.第三章普通銑床電氣部分地?cái)?shù)控化改造普通銑床地?cái)?shù)控化改造有兩大部分內(nèi)容，一是機(jī)械部分地?cái)?shù)控化改造；二是電氣部分地?cái)?shù)控化改造設(shè)計(jì) .所以關(guān)于電氣部分地?cái)?shù)控化改造設(shè)計(jì)是普通銑床數(shù)控化改造地一個(gè)重要方面 .從第一張地