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第一章 概論 一 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史 1946 年誕生了世界上第一臺電子計算機(jī) 這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動的工具 它與人類在農(nóng)業(yè) 工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動的工具相比 起了質(zhì)的飛躍 為人類進(jìn)入 信息社會奠定了基礎(chǔ) 6 年后 即在 1952 年 計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上 在美國誕生了第一臺數(shù)控 機(jī)床 從此 傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化 近半個世紀(jì)以來 數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展 二 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床狀況分析 一 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升 在大中企業(yè)已有較多的使用 在中小企業(yè)甚至個體 企業(yè)中也普遍開始使用 在這些數(shù)控機(jī)床中 除少量機(jī)床以 FMS 模式集成使用外 大都處于單機(jī)運(yùn)行 狀態(tài) 并且相當(dāng)部分處于使用效率不高 管理方式落后的狀態(tài) 2001 年 我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世 界第 5 名 機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第 3 位 達(dá) 47 39 億美元 僅次于美國的 53 67 億美元 消費(fèi) 額比上一年增長 25 但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場的需求 使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài) 勢 2001 年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第 2 位 達(dá) 24 06 億美元 比上年增長 27 3 近年來我國出口額增 幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床 數(shù)控磨床 數(shù)控特種加工機(jī)床 數(shù)控剪板機(jī) 數(shù)控成形折彎機(jī) 數(shù)控 壓鑄機(jī)等 普通機(jī)床有鉆床 鋸床 插床 拉床 組合機(jī)床 液壓壓力機(jī) 木工機(jī)床等 出口的數(shù)控 機(jī)床品種以中低檔為主 二 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 1 新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破 技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位 2 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大幅度增長 數(shù)控化率顯著提高 2001 年國內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá) 1 8 萬臺 比上年增長 28 5 金切機(jī)床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率 從 2000 年的 17 4 提高到 2001 年的 22 7 3 數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破 三 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1 繼續(xù)向開放式 基于 PC 的第六代方向發(fā)展 基于 PC 所具有的開放性 低成本 高可靠性 軟硬件資源豐富等特點(diǎn) 更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠 家會走上這條道路 至少采用 PC 機(jī)作為它的前端機(jī) 來處理人機(jī)界面 編程 聯(lián)網(wǎng)通信等問題 由 原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù) PC 機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面 將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng) 遠(yuǎn)程通訊 遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍 2 向高速化和高精度化發(fā)展 這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要 3 向智能化方向發(fā)展 隨著人工智能在計算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高 1 應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù) 數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息 并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù) 達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目 的 2 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 將熟練工人和專家的經(jīng)驗 加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中 以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐 建立具有人工智能的專家系統(tǒng) 3 引入故障診斷專家系統(tǒng) 4 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置 可以通過自動識別負(fù)載 而自動調(diào)整參數(shù) 使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行 四 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 一 微觀看改造的必要性 從微觀上看 數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性 而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含 的計算機(jī)的威力 1 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線 曲面等復(fù)雜的零件 由于計算機(jī)有高超的運(yùn)算能力 可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量 因此可以 復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面 2 可以實現(xiàn)加工的自動化 而且是柔性自動化 從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3 7 倍 由于計算機(jī)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(xiàn) 自動化 數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序 就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化 從而使單件和小批生產(chǎn)得以 自動化 故被稱為實現(xiàn)了 柔性自動化 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 4 可實現(xiàn)多工序的集中 減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn) 5 擁有自動報警 自動監(jiān)控 自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能 因而可實現(xiàn)長時間無人看 管加工 6 由以上五條派生的好處 如 降低了工人的勞動強(qiáng)度 節(jié)省了勞動力 一個人可以看管多臺機(jī)床 減少 了工裝 縮短 了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期 可對市場需求作出快速反應(yīng)等等 二 宏觀看改造的必要性 從宏觀上看 工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍 民機(jī)械工業(yè) 在 70 年代末 80 年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控 機(jī)床 由于采用信息技術(shù)對國外軍 民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造 稱之為信息化 最終使得他們的產(chǎn)品 在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng) 而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后 20 年 如我國機(jī)床擁有量中 數(shù)控機(jī)床的比重 數(shù)控化率 到 1995 年只有 1 9 而日本在 1994 年 已達(dá) 20 8 因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口 這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 數(shù)控化改造的市場空間 機(jī)床的數(shù)控制化改造是一個方興未的行業(yè) 從各種統(tǒng)計數(shù)字上看前途應(yīng)該是十分光明的 例如 在美國 日本和德國等發(fā)達(dá)國家 它們的機(jī)床改造人作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè) 生意盎然 正處在黃金 時代 由于機(jī)床以及數(shù)控技術(shù)的不斷進(jìn)步 機(jī)床改造是一個 永恒 的課題 我國的機(jī)床改造業(yè) 也從 老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)所以不難看出 1 國內(nèi)的市場 我國目前機(jī)床總量 380 余萬臺 而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 11 34 萬臺 即我國機(jī)床數(shù)控化率不到 3 近 10 年來 我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為 0 6 0 8 萬臺 年產(chǎn)值約為 18 億元 機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化 率為 6 我國機(jī)床役齡 10 年以上的占 60 以上 10 年以下的機(jī)床中 自動 半自動機(jī)床不到 20 FMC FMS 等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù) 美國和日本自動和半自動機(jī)床占 60 以上 可見我們 的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn) 加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床 而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的 舊機(jī)床 用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差 品種少 檔次低 成本高 供貨期長 從而在 國際 國內(nèi)市場上缺乏競爭力 直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品 市場 效益 影響企業(yè)的生存和發(fā)展 所 以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率 2 進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 我國自改革開放以來 很多企業(yè)從國外引進(jìn)技術(shù) 設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造 據(jù)不完全統(tǒng)計 從 1979 1988 年 10 年間 全國引進(jìn)技術(shù)改造項目就有 18446 項 大約 165 8 億美元 這些項目中 大部分項目為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用 但是有的引進(jìn)項目由于種種原因 設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn) 甚至癱瘓 使企業(yè)的效益受到影響 嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境 一些設(shè)備 生產(chǎn)線從國外引進(jìn)以后 有的消化吸收不好 備件不全 維護(hù)不當(dāng) 結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良 有的引進(jìn)時只注 意引進(jìn)設(shè)備 儀器 生產(chǎn)線 忽視軟件 工藝 管理等 造成項目不完整 設(shè)備潛力不能發(fā)揮 有的 甚至不能啟動運(yùn)行 沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用 有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好 但是因為設(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn) 達(dá)標(biāo) 有的因為能耗高 產(chǎn)品合格率低而造成虧損 有的已引進(jìn)較長時間 需要進(jìn)行技術(shù)更新 種種 原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財富 反而消耗著財富 這些不能使用的設(shè)備 生產(chǎn)線是個包袱 也是一批很大的存量資產(chǎn) 修好了就是財富 只要找出 主要的技術(shù)難點(diǎn) 解決關(guān)鍵技術(shù)問題 就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn) 爭取到最大的經(jīng)濟(jì)效 益和社會效益 這也是一個極大的改造市場 機(jī)床改造的效益分析 提高機(jī)床數(shù)控化效率有兩個途徑 一是購買新的數(shù)控機(jī)床 二是對舊的機(jī)床進(jìn)行改造而對于一個 機(jī)床擁有量大 經(jīng)濟(jì)財力又不足的發(fā)展中國家來說 采用舊機(jī)床改造來提高設(shè)備的先進(jìn)性和數(shù)控化率 是一個極其有效和使用的途徑 采用第二中方法有以下的優(yōu)點(diǎn) 1 減少了投資和交貨的期限 同購置新的數(shù)控機(jī)床相比 一般可以節(jié)省 60 到 80 的費(fèi)用 改造的費(fèi)用大大減低 2 機(jī)械的穩(wěn)定性可靠 機(jī)床的床身 立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄鐵構(gòu)件 而鑄件越久自然失效充分 內(nèi)應(yīng)力的消除 使得比新的鑄件更穩(wěn)定 這些鑄件的使用又可以節(jié)約社會資源 又減少了鑄鐵件生產(chǎn)時對環(huán)境的污染 3 熟悉了解設(shè)備結(jié)構(gòu)性能 便于操作維修 購買的新設(shè)備 事先很難前面了解機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能 以至 很難預(yù)算是否完全適合加工要求 而改造則完全可以避免這種情況 并且大大縮短了對數(shù)控機(jī)床在使 用和維修方面的培訓(xùn)時間 機(jī)床一旦改裝完成 很快就可以投入使用 見效較快 4 可以充分利用現(xiàn)有的條件 可以充分利用現(xiàn)有的地基 不必像購新機(jī)時重新構(gòu)筑新基 同時工夾具 樣板和外設(shè)備也可以在 利用 5 可更好的因地制宜合理篩選功能 購買現(xiàn)成的通用型機(jī)床 往往對一個具體的生產(chǎn)加工有一些多余的功能 又可能缺少某一個專用 的特殊功能 如向機(jī)床制造廠提出特殊定貨要求 增加某些特殊的加工要求 往往費(fèi)用大 交貨的日 期又長 而采用改造方案就可以根據(jù)生產(chǎn)加工要求 采用組合的方法再某些部件設(shè)計改造成專用的數(shù) 控機(jī)床 6 可及時采用最新技術(shù) 充分利用社會資源 由于技術(shù)進(jìn)步和我國機(jī)床功能部件專業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展 目前已有眾多的疏忽資源支持機(jī)床方面的 改造 如隨意采購各種尺寸的滾珠絲杠副 且交貨期短 采用貼塑導(dǎo)軌新技術(shù) 可使傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)軌 的摩擦系數(shù)降低五至十幾倍來防止爬行 還可以使得刮研極容易 等等例子說明有一大批社會資源 可根據(jù)技術(shù)更新的發(fā)展速度 及時地采用最新技術(shù)來提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率 提高設(shè)備質(zhì) 量和檔次 將舊機(jī)場改造成當(dāng)今水平的機(jī)床 第二章 普通車床的數(shù)控改和可行性論證 對于普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造 在考慮總體設(shè)計方案時 應(yīng)遵循的原則是 在滿足設(shè)計要求的 前途下 對機(jī)床的改動應(yīng)盡可能的少 以降低成本 一 車床的數(shù)控改造 一 數(shù)控機(jī)床工作原理及組成 1 數(shù)控機(jī)床工作原理 數(shù)控機(jī)床加工零件時 首先應(yīng)編制零件的加工程序 這是數(shù)控機(jī)床的工作指令 將加工程序輸入 到數(shù)控裝置 再由數(shù)控裝置控制機(jī)床主運(yùn)動的變化 起停 進(jìn)給運(yùn)動的方向 速度和位移量以及其它 如刀具選擇交換 工件夾緊松開和冷卻潤滑的開 關(guān)等動作 使刀具與工件及其它輔助裝置嚴(yán)格的按 照加工程序規(guī)定的順序 軌跡和參數(shù)進(jìn)行工作 從而加工出符合要求的零件 2 數(shù)控機(jī)床的組成 數(shù)控機(jī)床主要由控制介質(zhì) 數(shù)控裝置 伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等四部分組成 其組成框圖如圖 2 1 圖 2 1 數(shù)控機(jī)床的組成圖 二 設(shè)計內(nèi)容及任務(wù) 普通車床 C618 的數(shù)控改造設(shè)計內(nèi)容包括 總體方案的確定和驗證 機(jī)械改造部分的設(shè)計計算 包括縱向 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 主運(yùn)動自動變速原理及改造后的機(jī)床傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計 機(jī)床調(diào)速電動機(jī)控制電路的設(shè)計 電磁離合器的設(shè)計計算 本設(shè)計任務(wù)是對 C618 臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造 實現(xiàn)微機(jī)對車床的數(shù)控化控制 利用微機(jī)對車床 的縱向 橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字控制 并要達(dá)到縱向最小運(yùn)動單位為 0 01 脈沖 橫向最小運(yùn)動m 單位 0 005 脈沖 主運(yùn)動要實現(xiàn)自動變速 刀架要改造成自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架 要能自動的m數(shù) 控 裝 置控 制 介 質(zhì) 測 量 裝 置伺 服 系 統(tǒng) 機(jī) 床 切削螺紋 三 數(shù)控部分的設(shè)計改造 1 數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按其運(yùn)動軌跡可分為 點(diǎn)位控制系統(tǒng) 連續(xù)控制系統(tǒng) 點(diǎn)位控制系統(tǒng)只要求控制刀具從 一點(diǎn)移到另外一點(diǎn)的位置 而對于運(yùn)動軌跡原則上不加控制 連續(xù)控制系統(tǒng)能對兩個或兩個以上坐標(biāo) 方向的位移進(jìn)行嚴(yán)格的不間斷的控制 由于 C618 車床要加工復(fù)雜輪廓零件 所以本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用 連續(xù)控制系統(tǒng) 2 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計改造 數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)伺 服系統(tǒng) 閉環(huán)控制方案的優(yōu)點(diǎn)是可以達(dá)到和好的機(jī)床精度 能補(bǔ)償機(jī)械傳動系統(tǒng)中的各種誤差 消除間隙 干擾等對加工精度的影響 但他結(jié)構(gòu)復(fù)雜 技術(shù)難度大 調(diào)式和維修困難 造價高 半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調(diào)速范圍寬 過載能力強(qiáng) 又采用反饋控制 因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于以步進(jìn)電動機(jī) 驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng) 但是 采用半閉環(huán)控制其調(diào)式比開環(huán)要復(fù)雜 設(shè)計上也要有其自身的特點(diǎn) 技 術(shù)難度較大 開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有位置控制器及反饋線路 因此開環(huán)系統(tǒng)的精度較差 但其結(jié)構(gòu)簡單 易于調(diào) 整 所以常用于精度要求不高的場合 經(jīng)過上序比較 由于所改造的 C618 車床的目標(biāo)加工精度要求不高 所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng) 3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成 硬件是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ) 性能的好壞直接影響整體數(shù)控 系統(tǒng)的工作性能 數(shù)控裝置的設(shè)計方案通常有 可以全部自己設(shè)計制作 可以采用單板機(jī)或 STD 模塊或工控機(jī)改制 可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應(yīng)化改動 在普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造中 由于第一種設(shè)計周期較長且不經(jīng)濟(jì) 同時質(zhì)量也難于保證 第 二種則更加不經(jīng)濟(jì) 所以不課程設(shè)計將采取第三鐘方案 四 機(jī)械改造部分的設(shè)計 1 主傳動部分的改造設(shè)計 將原機(jī)床的主軸電動機(jī)換成變頻調(diào)速電動機(jī) 無級調(diào)速部分由變頻器控制 將原機(jī)床的主軸手動 變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機(jī)構(gòu) 改造后使其主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動分離 主軸電動機(jī)的作用 只是帶動主軸旋轉(zhuǎn) 2 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 將原機(jī)床的掛輪機(jī)構(gòu) 進(jìn)給箱 溜板箱 滑動絲杠 光杠等全部拆除 縱向 橫向進(jìn)給以步進(jìn)電 動機(jī)作為驅(qū)動元件經(jīng)一級齒輪減速后 由滾珠絲杠傳動 3 其它部件的改造 刀架部分 拆除原手動刀架和小拖板 安裝由微機(jī)控制的四工位電動機(jī)刀架 該刀架具有重復(fù)定 位精度高 剛性好 使用壽命長 工藝性好等優(yōu)點(diǎn) 二 可行性論證 根據(jù) 自動化制造系統(tǒng) 可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進(jìn)行的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分 析報告 是上級主管部門審定和批準(zhǔn)立項的基本依據(jù) 同樣 在進(jìn)行普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造之前 進(jìn)行合理的 科學(xué)的可行性論證是必要的 根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法 普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個方面進(jìn)行 即企 業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析 企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標(biāo) 改造的基礎(chǔ)條件 目標(biāo) 技術(shù)方案 投資概 算 效益分析 改造后車床的實施計劃 結(jié)論等 由于本設(shè)計僅作為大學(xué)本科生的畢業(yè)設(shè)計 故在此 設(shè)計者僅對改造的投資概算作一簡要的可行 性論證 本改造設(shè)計是對普通車床 C618 進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造 在改造設(shè)計中 采用的是廣州數(shù)控設(shè)備廠生 產(chǎn)的 GSK980T 型數(shù)控系統(tǒng) 加上兩臺伺服電機(jī) 兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副 一臺 變頻調(diào)速電動機(jī) 四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副 這樣設(shè)備改造費(fèi)用和舊設(shè)備費(fèi)用總計不 會超過 15 萬元 因此 對普通車床作經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造適合我國國情 是國內(nèi)企業(yè)提高車床的自動化能 力和精密程度的有效選擇 它具有一定的典型性和實用性 第三章 總體設(shè)計方案的確定 經(jīng)總體設(shè)計方案的論證后 確定的 C618 的車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的總體方案示意圖如下圖所顯 C618 車床的主軸轉(zhuǎn)速部分采用了變頻調(diào)速交流異步電機(jī) 有級變速部分采用電磁離合器控制機(jī)構(gòu) 車 床的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動 從而 實現(xiàn)縱向 橫向進(jìn)給運(yùn)動 刀架改成由微機(jī)控制 經(jīng)電機(jī)驅(qū)動的自動轉(zhuǎn)位刀架 為保持切削螺紋的功 能 需安裝主軸脈沖發(fā)生器 改造后的總體方案示意圖如圖 3 1 所示 圖 3 1 總體方案設(shè)計圖 步 進(jìn) 電 動 機(jī)車 床加 工 工 件 圖 紙 工 件 變 速 箱數(shù) 控 程 序編 制 變 速 箱 步 進(jìn) 電 動 機(jī)手 工 輸 入 或 計 算 機(jī) 控 制 計 算 機(jī)功 率 放 大 器存 儲 裝 置 第四章 主傳動部分改造與設(shè)計 在改造設(shè)計之前 讓我們先來看一下數(shù)控機(jī)床主傳動與普通機(jī)床相比所具有的特點(diǎn) 1 采用調(diào)速電機(jī)驅(qū)動 以滿足主軸根據(jù)數(shù)控指令進(jìn)行自動變速的需要 2 傳動路線短 從而簡化了主傳動系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu) 3 轉(zhuǎn)速高 功率大 數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床傳動要求外 還應(yīng)滿足如下要求 具有更大的調(diào)速范圍 并實現(xiàn)無極調(diào)速 數(shù)控機(jī)床就要為了保證加工時能選用合理的切削用 1 量 充分發(fā)揮刀具的切削性能 從而獲得最高的生產(chǎn)效率 加工精度和表面質(zhì)量 必須有更高的轉(zhuǎn)速 和更多的調(diào)速范圍 為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求 主運(yùn)動的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大 具有較高的精度和剛度 傳動平穩(wěn) 噪聲低 數(shù)控機(jī)床加工精度的提高 與主傳動系統(tǒng)的剛 度密切相關(guān) 為此 應(yīng)提高傳動件的制造精度與剛度 齒輪齒面進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱淬火增加耐磨性 最后一級采用斜齒輪傳動 使傳動平穩(wěn) 采用高精度軸承及合理 的支承跨距等 以提高主軸件的剛性 具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性 加工時可能由于斷續(xù)切削 加工余量不均勻 運(yùn)動部件不平衡 以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾 使主軸產(chǎn)生振動 影響加工精度和 表面粗糙度 嚴(yán)重時甚至破壞刀具和或零件 使加工無法進(jìn)行 因此在主傳動系統(tǒng)中的各主要零部件 不但要求有一定的靜剛度 而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力 抗振性 抗震性 用動剛度或動柔度來衡量 如果把主軸組件視為一個等效的單自由度系統(tǒng) 則動剛度 與動力參數(shù)的dk 關(guān)系為 4 1 dk221 nn 式中 機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜剛度 mN 外加激振力的激振頻率 Hz 主軸組件的固有頻率 為當(dāng)量質(zhì)量 為當(dāng)量靜剛度 n n kk 阻尼比 是阻尼系數(shù) 是臨界阻尼系數(shù) c c c nm 2 由上式可見 為提高主軸組件的抗震性 須使 值較大 為此應(yīng)盡量使阻尼比 當(dāng)量剛度值或固有頻dk 率的值較高 在設(shè)主傳動系統(tǒng)時 要注意選擇上述幾個參數(shù)的合理關(guān)系 一 主傳動部分改造方案擬定和設(shè)計的內(nèi)容 異步電動機(jī)的調(diào)速方法有變頻調(diào)速 變極調(diào)速 辯轉(zhuǎn)差調(diào)速三種 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 ni p60f1 從該公式中可以看出 若均勻地改變電源的頻率 f1 就可以連續(xù)地改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 這種 調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速 它完全不同于其它的調(diào)速方法 改變異步電動機(jī)的磁極對數(shù)調(diào)速的方法稱為 變極調(diào)速 改變電動機(jī)轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 表 4 1 異步電動機(jī)各種調(diào)速方法性能指標(biāo)的比較 調(diào) 速 方 法 變 轉(zhuǎn) 差 率項 目 變 頻 變 極 轉(zhuǎn)子串電阻 串極調(diào)速 調(diào)壓調(diào)速 電磁調(diào)速電機(jī) 是否改變同 步轉(zhuǎn)速 變 變 不 變 不 變 不 變 不 變 靜差率 小 好 小 好 大 差 小 好 開環(huán)時大 閉環(huán)時小 開環(huán)時大 閉環(huán)時小 調(diào)速范 圍 D 較大 10 以 上 較小 2 4 小 2 較小 2 4 閉環(huán)時 較大 閉環(huán)時 較大 調(diào)速平 滑性 好 無 級調(diào)速 差 有 級調(diào)速 差 有級 調(diào)速 好 無級 調(diào)速 好 無級 調(diào)速 好 無級調(diào)速 適應(yīng)負(fù) 載類型 恒轉(zhuǎn)矩 恒功率 恒轉(zhuǎn)矩 恒功率 恒轉(zhuǎn)矩 恒轉(zhuǎn)矩 通風(fēng)機(jī) 恒轉(zhuǎn)矩 通風(fēng)機(jī) 恒轉(zhuǎn)矩 設(shè)備 投資 多 少 少 較 多 較 少 較 少 調(diào) 速 指 標(biāo) 電能 損耗 較 小 小 大 較 小 大 大 異步電動機(jī)變頻調(diào)速有調(diào)速范圍廣 平滑性較高 機(jī)械特性較好的優(yōu)點(diǎn) 可以方便地實現(xiàn)恒功率 或恒轉(zhuǎn)矩變速 整個調(diào)速特性與直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似 并可與直流調(diào)速相媲美 目前變頻調(diào)速已成為異步電動機(jī)最主要的調(diào)速方法 通過上序的比較本課程設(shè)計中電動機(jī)的調(diào)速方法 采用變頻調(diào)速的方法 改換主軸電動機(jī) 換成調(diào)速電動機(jī) 通過對電動機(jī)的變頻調(diào)速控制再加以簡單的齒輪調(diào)速來實現(xiàn) 自動變速 齒輪調(diào)速部分用磁離合器控制齒輪嚙合 圖 4 1 主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖 數(shù)控機(jī)床主軸變速方式主要有無級調(diào)速 分段無級調(diào)速和內(nèi)置電機(jī)變速等 在本設(shè)計中采用分段 無級調(diào)速 無級變速能夠選用最合理的切削用量 可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速 操作方便 簡化機(jī)械結(jié)構(gòu) 無級 變速主要是利用直流和交流調(diào)速電動機(jī) 但直流調(diào)速電動機(jī)恒功率調(diào)速范圍很小 一般只有 1 2 很 少到 3 4 且換向有限制 現(xiàn)大多采用交流變頻主軸驅(qū)動系統(tǒng) 交流變頻調(diào)速電動機(jī)的性能與直流調(diào) 速電動機(jī)類似 在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率區(qū)域 一般主軸調(diào)速電動機(jī)的 恒功率調(diào)速范圍為 3 4 對于恒功率變速范圍大的主軸傳動系統(tǒng) 需要增加變速齒輪 以保證主軸上 較大的恒功率范圍 考慮本設(shè)計機(jī)床要求采取交流變頻電動機(jī)和有級變速箱配合的方案即分段無級變 速 主軸的正反轉(zhuǎn)和制動停止 由數(shù)控指令直接控制電動機(jī)來實現(xiàn) 利用車床的主軸交流異步電動機(jī) 變頻器 數(shù)控單元 構(gòu)成了變頻調(diào)速系統(tǒng) 交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 與頻率 電動機(jī)的級對數(shù) 及ENCnfp 轉(zhuǎn)差率 之間的關(guān)系為 由此可知 改變電源的頻率 即可改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速 且轉(zhuǎn)snpsf 1 60 速 與頻率 成正比 考慮本設(shè)計機(jī)床的要求 采取交流變頻電動機(jī)和有級變速箱配合的方案 即分nf 段無級變速 主軸的正 反轉(zhuǎn)和制動停止由數(shù)控指令直接控制電動機(jī)實現(xiàn) 其主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理 圖如圖 4 1 所示 如圖 4 2 所示是機(jī)床主軸要求的功率特性和轉(zhuǎn)矩特性 這兩條特性曲線是以計算轉(zhuǎn)速 nj為分界 從 nj至最高轉(zhuǎn)速 nmax的區(qū)域 為恒功率區(qū) 在該區(qū)域內(nèi) 任意轉(zhuǎn)速下主軸都可輸出額定的功率 在該 區(qū)域內(nèi) 最大轉(zhuǎn)矩則隨主軸轉(zhuǎn)速下降而上升 從最低轉(zhuǎn)速 nmin 至 nj的區(qū)域 為恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 在該區(qū)域內(nèi) 最大轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速下降而上升 任何轉(zhuǎn)速下可能提供的轉(zhuǎn)矩都不能超過計算轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩 這個轉(zhuǎn) 矩就是機(jī)床主軸的最大轉(zhuǎn)矩 Mmax 在區(qū)域內(nèi) 主軸可能輸出的最大功率 Pmax 則隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下 降 通常 恒功率區(qū)約占整個主軸變速范圍的 2 3 3 4 恒轉(zhuǎn)矩區(qū)約占 1 4 1 3 如圖 4 3 所示是變速電動機(jī)的功率特性 從額定轉(zhuǎn)速 nd到最高轉(zhuǎn)速 nmaxde 區(qū)域 為恒功率區(qū) 從 最低轉(zhuǎn)速 nmin 至 nd的區(qū)域 為恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 直流電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速常為 1000 r min 1500 r min 從 nd至 nmax用調(diào)節(jié)磁通的方法得到 稱為調(diào)磁調(diào)速 從 nmin至 nd用調(diào)節(jié)電驅(qū)電壓的辦法得到 稱為調(diào)壓 調(diào)速 交流調(diào)頻電動機(jī)用調(diào)節(jié)電源頻率來達(dá)到調(diào)速的目的 額定轉(zhuǎn)速常為 1500 r min 這兩種電動機(jī) 的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為 2 4 恒轉(zhuǎn)矩變速范圍則可達(dá) 100 以上 圖 4 2 主軸的功率轉(zhuǎn)矩特性 圖 4 3 變速電動機(jī)的功率特性 所謂分段無級變速就是在交流或直流電機(jī)無級調(diào)速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速 它能夠?qū)崿F(xiàn)中 高速 段的恒功率傳動 低速段的恒轉(zhuǎn)矩傳動 在該系統(tǒng)中 主軸的正 反轉(zhuǎn)和制動停止 通過數(shù)控指令直 接控制電機(jī)來實現(xiàn) 主軸的變速則有電動機(jī)的無級變速與齒輪的有機(jī)變速相配合來實現(xiàn) 二 主傳動部分改造設(shè)計計算 主傳動部分改造設(shè)計計算包括電動機(jī)的設(shè)計于選擇 主傳動系統(tǒng)分段無級變速傳動方案的確定與 分析 數(shù)控機(jī)床分級變速箱的設(shè)計 電磁離合器的設(shè)計計算 機(jī)床調(diào)速電機(jī)控制電路圖的設(shè)計 一 電動機(jī)的選擇 根據(jù)原機(jī)床參數(shù)及要求初選改造后車床主軸變速范圍 Rn 100 n max 3000r min n min 30r min 主 傳動機(jī)械總效率系數(shù) 0 9 最大切削功率為 10kw 最小切削功率為 3kw 則電機(jī)初選功率應(yīng)為 PD 10vkw 根據(jù)電機(jī)規(guī)格 可選用 11kw 或者 15kw 的電機(jī) 表格 4 2 電機(jī)選擇兩種方案對比 交 流 主 軸 電 機(jī) 主 軸 與 變 速 機(jī) 構(gòu) 型 號 PD kw RDP NDsmin RDT nj RnP RnT RF i YP160M2 4 11 3 450 3 3 83 30 3 3 10 1 18 YP160L 4 15 3 335 4 5 112 22 3 4 5 7 44 1 13 4 2 電機(jī)最小輸出功率 1 計算主軸在最底轉(zhuǎn)速達(dá)到最小功率是電機(jī)應(yīng)輸出的功率 Pdsmin 3 0 9 3 3kw 4 2 nmi 2 算電機(jī)實用的最底轉(zhuǎn)速 nDsmin r min 由式 nDsmin 4 3 DdsmiP 計算結(jié)果 11kw 的電機(jī)為 n Dsmin 450r min n d 1500r min 15kw 的電機(jī)為 n Dsmin 333r min n d 1500r min 式中 n d 電機(jī)的基本轉(zhuǎn)速 r min PD 電機(jī)額定功率 kw 由此 設(shè)計者選用功率為 11kw 型號為 YP160M2 4 的交流調(diào)頻電機(jī) 二 主傳動系統(tǒng)分段無級變速傳動方案的確定與分析 1 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的計算電機(jī)的選擇 1 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 TDd N m 為 TDd 70N M 4 4 1509n9PdD 2 電機(jī)最小轉(zhuǎn)矩 Tdmin N M Tdmin 23 2N M 4 5 dMaxn9 其中電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 ndmax 4500r min 3 電機(jī)實用恒轉(zhuǎn)矩區(qū)變速范圍 RDT 3 3 4 6 dmin 4 主軸恒轉(zhuǎn)矩區(qū)變速范圍 RnT RDT 3 3 4 7 5 電機(jī)恒功率區(qū)變速范圍 RdP 3 4 8 dmaxn 2 主軸參數(shù)計算 1 主軸計算轉(zhuǎn)速 nj nj 4 9 3 0minaxi 3 0 120r min 2 主軸恒功率變速范圍 RnP RnP 25r min 4 10 jmaxn1203 3 分級變速機(jī)構(gòu)的變速范圍 RF RF 8 3 4 11 DPnp325 其中 R nP 主軸恒功率區(qū)變速范圍 RDP 電機(jī)恒功率區(qū)變速范圍 4 主傳動系統(tǒng)總降速比 i i 1 12 5 4 12 djn1502 三 數(shù)控機(jī)床分級變速箱的設(shè)計 1 數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速自動變換過程 在數(shù)控機(jī)床上 特別是在自動換刀的數(shù)控機(jī)床上應(yīng)根據(jù)刀具與工藝要求進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速的自動變速 在零件加工工程序中用 S 兩位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速的序號 或用四位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速的沒分鐘轉(zhuǎn)數(shù) 并且用 M 兩位代碼指定主軸的正 反向啟動和停止 采用直流或交流調(diào)速電動機(jī)的主運(yùn)動無級變速系統(tǒng)中 主軸的正 反啟動和停止制動是直接控制 電動機(jī)來實現(xiàn)的 主軸轉(zhuǎn)速的變換則由電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變換與齒輪有級變速機(jī)構(gòu)的變換相配合來實現(xiàn)的 機(jī)床主運(yùn)動變速系統(tǒng)中主軸的轉(zhuǎn)速 n 是如何由電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 齒輪有級變速級數(shù)相配合來實現(xiàn)的 為 了獲得主軸的某一轉(zhuǎn)速必須接通相應(yīng)的有級變速級數(shù)和電動機(jī)的調(diào)壓轉(zhuǎn)速 nY或調(diào)磁轉(zhuǎn)速 nC 理論上說 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以無級調(diào)速 但是 主軸轉(zhuǎn)速 S 代碼最多只有 99 種 即使是使用 S 四位代碼直接指定 主軸轉(zhuǎn)速 也只能按一轉(zhuǎn)遞增 而且分級越多指令信號的個數(shù)越多 更難于實現(xiàn) 因此 實際上還是 將主軸轉(zhuǎn)速按等比數(shù)列分成若干級 根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的 S 代碼發(fā)出相應(yīng)的有級級數(shù)與電機(jī)的調(diào)速信號來 實現(xiàn)主軸的住動變速 電機(jī)的調(diào)壓或調(diào)磁變速 由電動機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)轉(zhuǎn)速指令電壓信號來變換 齒輪有級變速則才用夜壓或電磁離合器實現(xiàn) 2 分級變速箱的設(shè)計 數(shù)控機(jī)床的分級變速箱由于位于調(diào)速電機(jī)與主軸之間 因此 設(shè)計時除遵循一般有級變速箱設(shè)計原則 外 必須處理好公比的選擇 在設(shè)計數(shù)控機(jī)床分級變速箱時 公比的選取有以下三種情況 a 取變速箱的公比 等于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 RdP 即 R dP b 如果為了簡化變速箱的結(jié)構(gòu) 希望變速級數(shù)少一些 則不得不取較大的公比 c 數(shù)控車床在切削階梯軸 成行螺旋面或端面時 有時需要進(jìn)行恒線速切削 經(jīng)綜合分析比較選有第 a 種情況的公比 1 取變速箱的公比 等于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 RdP 即 RdP 則機(jī)床主軸的恒功率變速范 圍為 RnP Z 1RdP Z 4 13 變速箱的變速級數(shù) Z 2 93 4 14 lgnpl325 其中 R nP 主軸恒功率區(qū)變速范圍 R nP 25 變速箱的公比 R dP 3 Z 必須是整數(shù) 可取變速箱的變速級數(shù) Z 3 其轉(zhuǎn)速圖如圖 4 4 a 所示 電動機(jī)經(jīng)定比傳動 2 3 使變速箱的軸 得到 3000r min 1000r min 恒功率 和 1000 r min 270 r min 恒轉(zhuǎn)矩 的轉(zhuǎn)速 如果經(jīng) 軸之間的兩對 1 1 的齒輪傳動 主軸能得到 3000 r min 1000 r min 恒功 率轉(zhuǎn)速范圍 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速 n 降到 1000 r min 時 電動機(jī)轉(zhuǎn)速降到 1500 r min 額定轉(zhuǎn)速 如果電動 機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降 則將進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 最大輸出功率也將隨之下降 表現(xiàn)在圖 4 4 b 的功率特性圖 上 主軸轉(zhuǎn)速為 3000 r min 1000 r min 時 為 ab 段 是恒功率 當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時 最大輸出功率將沿 bc 段虛線下降 圖 4 4 傳動系統(tǒng)及功率特性圖 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降到 1000 r min 時 變速箱變速 經(jīng) 1 1 1 3 傳動主軸 這時電動機(jī)轉(zhuǎn)速自 動地回到最高轉(zhuǎn)速 當(dāng)電動機(jī)又從 4500 r min 降到 1500 r min 時 主軸從 1000 r min 降到 333 r min 還是為恒功率 在功率特性圖上為 bd 段 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降到 333 r min 時 變速箱變速 經(jīng) 1 3 1 3 1 9 轉(zhuǎn)動主軸 電動機(jī)又回到 最高轉(zhuǎn)速 主軸從 333 r min 降到 111 r min 在特性圖上為 df 段 主軸 111 r min 的轉(zhuǎn)速已低于原要求的計算轉(zhuǎn)速 以下進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩段 靠電動機(jī)繼續(xù)降速得到 當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速降到 405 r min 時 主軸轉(zhuǎn)速降到 405 2 3 1 9 30 r min 即為主軸的最低轉(zhuǎn) 速 這時電動機(jī)的最大輸出功率為 P2 Pd 0 27 Pd 4 15 1504 即為額定功率 Pd的 27 在圖 4 4 b 中 abdf 應(yīng)為一條直線 為了清楚起見 把它畫成三段 并略錯開 可以看出 主軸恒功率變速范圍 af 是由 3 段組成的 每段的變速范圍為電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 RdP 3 所以 變速箱的公比 RdP 電動機(jī)的功率根據(jù)主軸的需要選擇 主軸計算轉(zhuǎn)速為 f 點(diǎn)的轉(zhuǎn)速 111r min 表 4 3 為主軸轉(zhuǎn)速與有級級數(shù)和電動機(jī)調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的關(guān)系 表 4 3 主軸轉(zhuǎn)速與有級級數(shù)和電動機(jī)調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的關(guān)系 n r min 1 有級級數(shù) nY r min 1 30 n 111 2 3 20 60 20 60 405 1500 111 n 333 2 3 20 60 20 60 1500 4500 333 n 1000 2 3 40 40 20 60 1500 4500 1000 n 3000 2 3 40 40 40 40 1500 4500 圖 4 4 c 為轉(zhuǎn)矩特性 從 a 至 f 轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而上升 至 f 點(diǎn)為主軸輸出的最大轉(zhuǎn)矩 Mmax f g 為轉(zhuǎn)矩區(qū) a 至 f 也是由三段拼成的 3 分段有級變速傳動方案確定 1 傳動方案的設(shè)計計算 由前面計算得 3 3 帶傳動的傳動比 i0 2 3 z 取 i 1 1 i2 1 3 I3 1 i4 1 3 故取 40 401z 1z 20 602 2 40 403z 3z 20 604 4 2 齒輪的設(shè)計計算 大小齒輪都采用 45 號鋼調(diào)質(zhì) 選小齒輪硬度為 260HB 290HB 大齒輪硬度為 220HB 250HB 精度選用六級 模數(shù) m 2 5mm 齒寬 b 30mm 螺旋角 02 所以 mz1 2 5 40 100 4 16 dm 2 5 40 100 2 5 20 50 2 2 5 60 150 dm 2 5 40 100 3 2 5 40 100 2 5 20 50 4dm 2 5 60 150 還應(yīng)該校核齒輪表面接觸疲勞強(qiáng)度 彎曲疲勞強(qiáng)度 經(jīng)校核均合格 其校核過程略 四 電磁離合器的設(shè)計計算 有級變速的自動變換方法一般有液壓或電磁離合器兩種 液壓變速機(jī)構(gòu)是通過液壓缸 活塞桿帶動拔叉推動滑移齒輪移動來實現(xiàn)變速 雙聯(lián)滑移齒輪用 一個液壓缸 而三聯(lián)滑移齒輪必須使用兩個液壓缸實現(xiàn)三位移位 電磁離合器是應(yīng)用電磁效用接通或切斷運(yùn)動的元件 由于它便于實現(xiàn)自動操作 并有現(xiàn)成的系 列產(chǎn)品可供選用 因而它已成為自動裝置中常用的操作元件 電磁離合器用于數(shù)控機(jī)床的主轉(zhuǎn)動時 能簡化變速機(jī)構(gòu) 操作方便 通過若干個安裝在各轉(zhuǎn)動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變 齒輪的傳動路線 實現(xiàn)主軸的變速 經(jīng)分析本設(shè)計選用電磁離合器來控制數(shù)控車床的有級自動變速 圖 4 5 電磁離合器變速的主傳動系統(tǒng)圖 圖 4 5 是采用電磁離合器變速的傳動系統(tǒng)圖 該傳動系統(tǒng)由四對相互嚙合的齒輪 構(gòu)成二級齒輪變速 每對相嚙合的齒輪中有一個空套在傳動軸上 并與電磁離合器的 聯(lián)接件聯(lián)接 離合器與傳動軸采用花鍵聯(lián)接 空套齒輪與傳動軸之間只有在電磁離合 器吸合時才能傳動 因此 通過各離合器的吸合和分離的不同組合可以改變運(yùn)動的傳 動路線 實現(xiàn)主軸的變速 對 4 5 所示系統(tǒng) 四個離合器有 4 種可實現(xiàn)傳動的組合 由于有兩組齒輪的齒數(shù)一樣 因而有 4 條不同的傳動路線 可獲得 3 檔機(jī)械變速 表 4 4 表 4 4 電磁離合器動作與傳動比 電磁離合器電動機(jī)轉(zhuǎn)速 r min 1 主軸轉(zhuǎn)速 r min 1 傳動比 M1 M2 M3 M4 1500 4500 1000 n 3000 i 2 3 Z 1 Z1 Z 3 Z3 2 3 1500 4500 333 n 1000 i 2 3 Z 1 Z1 Z 4 Z4 1 3 i 2 3 Z 2 Z2 Z 3 Z3 1 3 1500 4500 111 n 333 i 2 3 Z 2 Z2 Z 4 Z4 1 9 405 1500 30 n 111 i 2 3 Z 2 Z2 Z 4 Z4 1 9 當(dāng)從 CNC 裝置中輸出一主軸轉(zhuǎn)速 n 主 時 此主軸轉(zhuǎn)速 n 主 經(jīng)過一比較器進(jìn)行比較 當(dāng) 30 r min 1 n 主 111 r min 1 時電磁離合器 M2和 M4吸合 M 1和 M3分離 此時整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動 比是 2 27 交流電動機(jī)的進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩傳動 其轉(zhuǎn)速為 n 電 n 主 I 405 r min 1 1500 r min 1 當(dāng) 111 r min 1 n 主 333 r min 1 時電磁離合器 M2和 M4吸合 M 1和 M3分離 此時整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動 比是 2 27 交流電動機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動 其轉(zhuǎn)速為 n 電 n 主 I 1500 r min 1 4500 r min 1 當(dāng) 333 r min 1 n 主 1000 r min 1 時電磁離合器 M1和 M4吸合 M 2和 M3分離 此時整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn) 動比是 2 9 交流電動機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動 其轉(zhuǎn)速為 n 電 n 主 I 1500 r min 1 4500 r min 1 當(dāng) 1000 r min 1 n 主 3000 r min 1 時電磁離合器 M1和 M3吸合 M 2和 M4分離 此時整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn) 動比是 2 3 交流電動機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動 其轉(zhuǎn)速為 n 電 n 主 I 1500 r min 1 4500 r min 1 改造后的機(jī)床為實現(xiàn)其螺紋加工還須配置主軸脈沖發(fā)生器作為車床主軸位置信號的反饋元件 它 與車床主軸同步運(yùn)行 采集主軸運(yùn)動時的數(shù)據(jù)信息 發(fā)出主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號 輸入到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi) 再由數(shù)控系統(tǒng)通過軟件控制 以保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時 螺紋車刀也同步在縱向進(jìn)給一個螺紋 并保證 螺紋加工中分幾次切削時不發(fā)生亂扣 即每次螺紋切削進(jìn)刀位置一致 主軸脈沖發(fā)生器一般采用增量 式光電編碼器 其安裝通常有兩種方式 同軸安裝 異軸安裝 同軸安裝方式是直接與車床主軸的后端相聯(lián)結(jié) 這種方式結(jié)構(gòu)簡單 但缺點(diǎn)是安裝后不能加工穿 出車床主軸孔的零件 異軸安裝方式是通過橋齒輪或同步齒形帶傳動 使主軸與光電編碼器同步轉(zhuǎn)動 其結(jié)構(gòu)復(fù)雜 但避免了前述同軸安裝的缺點(diǎn) 本設(shè)計中是采用異軸安裝方式 主軸脈沖發(fā)生器輸光學(xué)元件 安裝時應(yīng)小心輕放 不能有較大的 沖擊和振動 以防損壞玻璃光柵 盤 造成報廢 令應(yīng)注意主軸脈沖發(fā)生器的最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速 車床主軸的轉(zhuǎn)速必須小于此轉(zhuǎn)速 以免損 壞脈沖發(fā)生器 三 機(jī)床調(diào)速電機(jī)控制電路圖的設(shè)計 在本課程設(shè)計中主軸電動機(jī)的調(diào)速是有變頻器來實現(xiàn)的 一 變頻器的簡單原理 在交流異步電動機(jī)的諸多調(diào)速方法中 變頻調(diào)速的性能最好 調(diào)速范圍大 靜態(tài)穩(wěn)定性好 運(yùn)行 效率高 采用通用變頻器對籠型異步電動機(jī)調(diào)速控制 由于使用方便 可靠性高并且經(jīng)濟(jì)效率顯著 所以逐步得到推廣 1 變頻器的基本構(gòu)成 變頻器分為交 交和交 直 交兩種形式 交 交變頻器可將工頻交流直接換成頻率 電壓均可控制 的交流 又稱直接式變頻器 而交 直 交變頻器則是先把工頻交流通過整流器變成直流 然后再把直 流變換成頻率 電壓均可控制的交流 又稱間接式變頻器 在本課程設(shè)計中將采用交 直 交變頻器來 控制主軸電動機(jī) 變頻器的基本構(gòu)成如圖 4 6 所示 有主回路 包括整流器 中間直流環(huán)節(jié) 逆變器 和控制回路 組成 分析如下 圖 4 6 變頻器的基本結(jié)構(gòu) 1 整流器 電網(wǎng)側(cè)的交流器 I 是整流器 它的作用是把三相 也可以是單相 交流整流成直流 2 逆變器 負(fù)載側(cè)的交流器 II 為逆變器 最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的 三相橋式逆變電路 有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)的通與斷 可以得到任意頻率的三相交流輸出 3 中間直流環(huán)節(jié) 由于逆變器的負(fù)載為異步電動機(jī) 屬于感性負(fù)載 無任電動機(jī)處于電動或發(fā)電 制動狀態(tài) 其功率因數(shù)總不會等于 1 因此 在中間直流環(huán)節(jié)和電動機(jī)之間總會有無功功率的交換 這種無功功率的能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件 電容器或電抗器 來緩沖 所以又常稱中間直流 環(huán)節(jié)為中間儲能環(huán)節(jié) 4 控制電路 控制電路常由運(yùn)算電路 檢測電路 控制信號的輸入 輸出電路和驅(qū)動電路等構(gòu)成 其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制 對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等 控制方法可 采用數(shù)字控制或模擬控制 高性能的變頻器目前已經(jīng)采用微型計算機(jī)進(jìn)行全數(shù)字控制 采用盡可能簡 單的硬件電路 主要靠軟件來完成各種功能 由于軟件的靈活性 數(shù)字控制方式?？梢酝瓿赡M控制 方式難以完成的功能 5 關(guān)于變頻器名稱的說明 對于交 直 交變頻器 在不涉及能量傳遞方向的改變時 我們常簡單 的稱變頻器 I 為整流器 變頻器 II 為逆變器 而把圖中 I II III 總起來稱為變頻器 2 變頻器類型的選擇 這里將就交 直 交變頻器按不同角度進(jìn)行選擇如下分類 1 按直流電源的性質(zhì)分類 當(dāng)逆變器輸出側(cè)的負(fù)載為交流電動機(jī)時 在負(fù)載和直流電源之間將進(jìn)行無功功率的交換 用于緩 沖無功功率的中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件可以是電容或電感 據(jù)此 變頻器可分為電壓型變頻器和直流 型變頻器兩大類 在本課程設(shè)計中將采用電壓型變頻器進(jìn)行控制 2 電壓調(diào)節(jié)方式的選擇 變頻調(diào)速時 需要同時調(diào)節(jié)變頻器的輸出電壓和頻率 以保證電磁主磁通的恒定 對輸出電壓的 調(diào)節(jié)有兩種方式 PAM 方式和 PWM 方式 在本課程設(shè)計中將采用 PWM 型方式進(jìn)行調(diào)速控制 PWM 方式是脈沖寬度調(diào)制方式的簡稱 最常見的主電路圖如圖 4 7a 所示 變頻器中的整流器采 用不可控的二級管整流電路 變頻器的輸出變頻和輸出電壓的調(diào)節(jié)均由逆變器按 PWM 方式完成 調(diào) 壓過程的示意圖如 4 7b 所示 利用參考電壓 uR 與載頻三角波 uc 互相比較 來決定主開關(guān)的導(dǎo)通時間 而實現(xiàn)調(diào)壓 利用脈沖寬度的改變來得到幅值不同的正弦基波電壓 這種參考信號為正弦波 輸出電 壓平均值近似為征象波 PWM 方式 稱為正弦 PWM 調(diào)制 簡稱為 SPWM 方式 圖 4 7 PWM 變頻器 本課程設(shè)計采用的變頻器為富士公司生產(chǎn)的 FVR G7S 系列富士變頻器型號為 FVR11G7S 7JS 變頻器 整個機(jī)床調(diào)速電機(jī)控制電路圖如附圖所示 第五章 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計與計算 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計是普通車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的主要部分 如果說 CNC 系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的 大 腦 是發(fā)布 命令 的指揮機(jī)構(gòu) 那么 伺服驅(qū)動系統(tǒng)便是數(shù)控機(jī)床的 四肢 是執(zhí)行機(jī)構(gòu) 它忠 實而準(zhǔn)確的執(zhí)行由 CNC 系統(tǒng)發(fā)來的運(yùn)動命令 伺服控制系統(tǒng)是聯(lián)接數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床的樞紐 其性能是 影響數(shù)控機(jī)床的精度 穩(wěn)定性 可靠性 加工效率等方面的重要因素 一 伺服系統(tǒng)的組成原理和要求 一 伺服系統(tǒng)的組成原理 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)與機(jī)床進(jìn)給機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)兩大部分組成 機(jī)床進(jìn)給機(jī) 械傳動系統(tǒng)通常由減速齒輪 滾珠絲杠 機(jī)床導(dǎo)軌和工作臺拖板等組成 對于伺服驅(qū)動控制系統(tǒng) 按 其反饋信號的有無 分為開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式 對于開環(huán)伺服系統(tǒng)只能由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 它由步 進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源和電動機(jī)組成 閉環(huán)伺服系統(tǒng)則分為直流電動機(jī)和交流電動機(jī)兩種驅(qū)動方式 并且是 雙閉環(huán)系統(tǒng) 內(nèi)環(huán)是速度環(huán) 外環(huán)是位置環(huán) 速度環(huán)中用作速度反饋的檢測裝置為測速發(fā)電機(jī) 脈沖 編碼器等 速度控制單元是一個獨(dú)立的單元部件 它由速度調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器以及功率驅(qū)動放大器 等部分組成 位置環(huán)是由 CNC 裝置中的位置控制模塊 速度控制單元 位置檢測及反饋控制等部分組 成 根據(jù)其位置檢測信號所取部位不同 它又分為半閉環(huán)和全閉環(huán)兩種 半閉環(huán)采用轉(zhuǎn)角位置檢測裝 置 安裝于滾珠絲杠端部 或直接與伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)子的后端相連 與伺服電動機(jī)成一體 對于全閉環(huán) 系統(tǒng)需要采用直線位置檢測裝置 安裝于機(jī)床導(dǎo)軌與工作臺拖板之間 通常伺服驅(qū)動控制單元與電動 機(jī)由一個生產(chǎn)廠家配套提供 甚至包括位置檢測裝置 二 伺服系統(tǒng)的要求 伺服系統(tǒng)是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 為確保機(jī)床的加工質(zhì)量和效率 機(jī)床對 其伺服系統(tǒng)有 穩(wěn) 準(zhǔn) 快 寬 足 五個要求 它反映了伺服驅(qū)動系統(tǒng)的五項性能指標(biāo) 具體的內(nèi)容 如下 穩(wěn) 即穩(wěn)定性 也就是要求系統(tǒng)有較好的抗干擾性 保證電源 環(huán)境 負(fù)載等所產(chǎn)生的波動對其 影響甚小 有較硬的調(diào)速機(jī)械特性 過載能力強(qiáng) 穩(wěn)定性好 適應(yīng)性好 以確保工件加工的一致性 準(zhǔn) 及準(zhǔn)確性 為確保加工質(zhì)量 除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外 還必須有較高的準(zhǔn)確定位精度 數(shù)控機(jī)床 是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令自動完成整個加工過程 它不象普通機(jī)床那樣 中間可以由操作者測量工件后 再通過操縱手輪來修正加工偏差 由于數(shù)控機(jī)床是按加工程序一次完成加工 所以進(jìn)給系統(tǒng)的定位精 度直接決定了工件的加工精度 這也是考核數(shù)控機(jī)床的一項至關(guān)重要的性能指標(biāo) 通常影響數(shù)控加工精度的主要因素有 數(shù)控系統(tǒng)精度 主要取決于插補(bǔ)運(yùn)算精度 伺服系統(tǒng)精度 機(jī)床機(jī)械精度 如主軸 刀架 工作臺回轉(zhuǎn)精度 刀具 工件裝夾精度等 其中伺服系統(tǒng)精度起主要 作用 快 即快速響應(yīng)性 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)實際上就是一種高精度的位置隨動系統(tǒng) 它不但要求靜態(tài) 誤差小 也要求動態(tài)響應(yīng)快 具體表現(xiàn)在起 停的升降速過程短 有較高的加速度 即要求系統(tǒng)的機(jī) 電時間常數(shù)小 反應(yīng)靈敏 寬 即有較寬的調(diào)速范圍 通常數(shù)控機(jī)床在實際運(yùn)行中 對工作臺的進(jìn)給速度要求滿足兩項指標(biāo) 輕載快速趨近定位速度 即編程指令 G00 的速度 切削進(jìn)給速度 即編程指令 G01 G02 等后面的 F 值所要求的速度 足 即有足夠的輸出扭矩或驅(qū)動功率 特別是要滿足強(qiáng)力切削和高速切削的要求 并且還要求系 統(tǒng)有相應(yīng)的過載能力 以確保穩(wěn)定性 對進(jìn)給伺服系統(tǒng)除了上述五項主要性能指標(biāo)外 也要求溫升低 噪聲小 效率高 體積小 價格 低 控制方便 線性度好 如輸出速度與輸入電壓成線性 可靠性高 維修保養(yǎng)方便 對溫度 濕度 等環(huán)境要求寬等等 二 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計計算 數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)的控制方式有多種 如 開環(huán)控制閉環(huán)控制以及半閉環(huán)控制 正如總體設(shè)計方案論證中所說 本設(shè)計任務(wù)的精度要求不高 結(jié)合經(jīng)濟(jì)型改造的特點(diǎn) 設(shè)計者采 用以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動的開環(huán)控制方式來設(shè)計其伺服進(jìn)給系統(tǒng) 下面對開換系統(tǒng)的控制形式及特點(diǎn)加以 簡要分析 1 工作原理及控制特點(diǎn) 開環(huán)控制系統(tǒng)利用脈沖馬達(dá)的伺服性能 即對應(yīng)一定的脈沖 必定有一定的轉(zhuǎn)角 從而通過絲杠 螺母機(jī)構(gòu)使工作臺移動一定的距離 2 定位精度 雖然開環(huán)控制系統(tǒng)很難保證較高的位置控制精度 對于影響定位精度的機(jī)械傳動裝置的剛度 摩 擦 慣量 間隙等的要求較高 一般在 0 01 0 02mm 之間 但對于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床來說 定位精 度要求并不高 3 穩(wěn)定性 結(jié)構(gòu)簡單 調(diào)試方便 工作可靠 穩(wěn)定性好 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 1 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造一般是將絲杠 光杠及安裝座拆去 配上滾珠絲杠及相應(yīng)的安裝裝置 縱 向驅(qū)動的步進(jìn)電動機(jī)及減速箱安裝在車床的車尾 書控車床通過步進(jìn)電動機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動滾珠絲杠 帶 動刀架左右移動 縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容有 滾珠絲杠副的設(shè)計計算及選擇 減速比的確定及減速箱的設(shè)計 步進(jìn)電動機(jī)的選擇等 2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 1 已知條件 1 縱向脈沖當(dāng)量 p 0 001mm 脈沖 2 縱向最高進(jìn)給速度 V fymax 2m min 3 C618 車床工作臺質(zhì)量 w 100kg 1000N 根據(jù)圖形尺寸粗略計算 4 時間常數(shù) T 25ms 2 縱向進(jìn)給切削力 Fz 的確定 根據(jù) 機(jī)床設(shè)計手冊 查出 3 5 5 1 adfP 式中 P df 進(jìn)給系統(tǒng)所需電機(jī)功率 Pa 主傳動電機(jī)功率 由前面的設(shè)計計算可知 Pa 11kw 取比例系數(shù)為 4 則 Pdf Pa 4 0 44kw 5 2 根據(jù) 機(jī)床設(shè)計手冊 查出 Fy 5 3 fdVP6120 式中 f 進(jìn)給系統(tǒng)效率 其范圍為 0 15 0 20 取 f 0 175 Vf 進(jìn)給速度 m min 查 實用機(jī)床設(shè)計手冊 可知 Vf 1 2 1 3 V fymax 5 4 取 V f 1 2 V fymax 1 m min 則 F Z 4712 4 N 當(dāng) FZ 4712 4N 時 切削深度 ap 2mm 走刀量 f 0 3mm 以此參數(shù)作為下面計算的依據(jù) 從 實用機(jī)床設(shè)計手冊 中可知 在一般圓切削時 0 1 0 6 5 5 xzF 0 15 0 7 5 6 yz 0 5 0 5 4712 4 2356 2 xFz N 0 6 0 6 4712 4 2827 44 yz 3 滾珠絲杠的設(shè)計計算 滾珠絲杠在工作中承受軸向負(fù)載 使得滾珠和滾道型面間產(chǎn)生接觸應(yīng)力 對滾道型面上某一點(diǎn) 是交變接觸應(yīng)力 在這種交變應(yīng)力的作用下 經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后滾珠和滾道型面產(chǎn)生疲勞損 傷 從而使得滾珠絲杠喪失工作性能 這是滾珠絲杠破壞的主要形式 在設(shè)計滾珠絲杠副的時候 須 保證能夠它在一定的軸向負(fù)載的作用下 在回轉(zhuǎn) 106轉(zhuǎn)后 滾道上雖然受滾珠壓力 但不應(yīng)有點(diǎn)蝕現(xiàn) 象發(fā)生 此時所能承受的軸向負(fù)載成為這種滾珠絲杠能承受的最大動負(fù)載 Q 滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化 因此滾珠絲杠副的設(shè)計歸結(jié)為滾珠絲杠副型號的選擇 1 額定動載荷與計算動載荷 C 從 實用機(jī)床設(shè)計手冊 中查得 5 7 dHdhFfnC 式中 f h 壽命系數(shù) fd 載荷性質(zhì)系數(shù) fH 動載荷硬度系數(shù) fn 轉(zhuǎn)速系數(shù) Fd 最大工作負(fù)載 N 根據(jù) 實用機(jī)床設(shè)計手冊 可知 選工作壽命 L h 15000h 則 fh 3 107 5 8 3 1 50 選載荷性質(zhì)系數(shù) f d 1 35 選動載荷硬度系數(shù) f H 1 0 轉(zhuǎn)速系數(shù) f n 5 9 3 1 V 1000mm min 根據(jù)上述選擇的情況下 計算結(jié)果如表 5 1 所示 表 5 1 動載荷計算 絲杠導(dǎo)程 L0 mm 12 10 8 6 n V L0 r min 8303 100 125 166 7 fn 0 737 0 693 0 694 0 584 c n 26883 28590 30813 33926 綜合導(dǎo)軌車床絲杠的軸向力 5 10 W Ff kZX 式中 K 1 15 f 0 15 0 18 取 0 16 得 3623 6 N 10 472 0 162351 壽命值 5 11 810510tnL66ii 最大負(fù)載 5 12 FfLQHw3i 11395 8 N 6 231 8 查參考文獻(xiàn) 實用機(jī)床設(shè)計手冊 可選用 NL4510 型號的滾珠絲杠副 名義直徑為 45mm 絲杠導(dǎo)程 為 10 mm 螺旋角 滾珠例數(shù)為 3 系列 其額定動載荷為 33300N 所以其強(qiáng)度夠用 4o 2 支承方式 選用 單推 單推 的支承方式 3 效率計算 5 13 tg 式中 螺紋的螺旋升角 34o 摩擦角 所以 則 0 t 4513 5 14 97 4513 otg 經(jīng)驗表明 在數(shù)控化改造設(shè)計中 有普通絲杠換成滾珠絲杠 只要名義直徑相同 支承方式相同 或有改善 其絲杠的強(qiáng)度 剛度和穩(wěn)定性計算可以不計算 因為采用類比法 改善后肯定合格 4 齒輪設(shè)計 齒輪傳動比 i 5 15 517 40 36510 pLi 式中 步進(jìn)電動機(jī)的步矩角 選為 1 50 計算出 i 5 因此可以選一級傳動 大小齒輪都采用 45 號鋼調(diào)質(zhì) 選小齒輪硬度為 260HB 290HB 大齒輪硬度為 220HB 250HB 精度 選用六級 模數(shù) m 2mm 齒寬 b 20mm 螺旋角 02 齒數(shù) Z1 18 齒數(shù) Z