CA6140普通车床数控改造及其电气控制系统设计(可编辑).docx

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1、摘要数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用 , 但数控机床一次性投资较 大, 对机床进行数控化改造不失为一良策。 本设计利用数控装置对 CA6140普通车 床进行控制 , 主传动系统部分 采用交流调频主轴电动机经带轮及分级齿轮变速 箱驱动主轴 , 通过变频器和齿轮变速箱实现分段无级变速 ; 进给系统采用步进电 机通过减速后驱动滚珠丝杠运动 , 在纵向进给系统中通过一级齿轮减速后驱动滚 珠丝杠 , 在横向进给系统中通过二级齿轮减速驱动滚珠丝杠 ; 刀架改为自动转位 刀架四工位从而实现自动换刀 ; 通过 MCS-51系列 8051 单片机对数据进行计算处 理,由 I/O 接口输出步进脉冲信号控制进

2、给速度和行程 ; 为了保持切削螺纹的功 能,要在主轴外端或其它适当部位装上脉冲发生器 ; 将车床的手动尾座改造成为 可控电动尾座。本次设计的数控改造为经济适用型 , 改造简单易行 ,可降低劳动强度 , 提 高生产效率。 主要介绍了经济型数控机床进给伺服系统设计计算。 阐述了 CA6140 普通数控车床的主轴系统的改进及机床纵向、横向进给系统的改造设计及计算。 关键词: CA6140 车床;数控改造;滚珠丝杠;步进电动机ABSTRACTThe NC machine plays a very great role in mechanical engineering.Although the inv

3、estment needs a great deal of money,it is a good way to try digital modification for ordinary lathe.The spindle speed of CA6140 remains the manual function of shifting gears.The alterationis easy and it can reduce labor intensity and improve productive efficiency. but the NC Machine larger one-time

4、investment, NC machine tools for the transformation of a good after all. The design of the device using NC Lathe CA6140 control, part of the main transmission system using ACs pindle motor and graded by the pulley driven spindle gearbox, through the inverter and gearbox to achieve sub; Feed System u

5、sed by stepper motor driven ball screw slowdown after campaign vertical feed system through a gear after the ball screw drive, in the horizontal feedsystem throughtwo gear-driven ball screw; Tool to automatically transfer tool carrier 4-position, thus achieving automatic tool change; by MCS-51 serie

6、s 8051 data to be dealt with. from the I / O interface stepper pulse output signal to control the feed rate and itineraries; In order to maintain the function of cutting thread, to the outer end of spindle or other appropriate location loaded pulse generator; Lathe will be transformed into Tailstock

7、 manually controlled electric Tailstock. The design of the NC transformation of the economy - the application, transforming simple, can reduce labor intensity, improve production efficiency. Introduced a major economic NC machine tool servo system design. Expounded the CA6140 ordinary NC lathe spind

8、le system improvements and vertical machine, horizontal feed system of the design and calculationKeywords:CA6140 lathe;digital modification;ball screw;stepping motor目录第一章 概述 11.O 引言 11.1 经济型数控改造的实际意义 11.1.1 技术分析 11.1.2 经济分析 11.1.3 市场分析 21.1.4 生产分析 21.1.5 综合分析 21.2 数控机床的基本结构及工作原理 21.3 数控机床的分类 41.3.1

9、按加工工艺方法分类 41.3.2 按控制运动的方式分类 41.3.3 按驱动装置的特点分类 41.4 数控机床的特点及应用范围 61.4.1 数控机床的加工特点 61.4.2 数控机床的应用范围 7第二章 经济型车床数控改造总体方案的确定 82.1 设计任务 82.2 总体数控改造方案设计 8 第三章主传动系统设计 103.1 概述 103.1.1 数控机床主传动系统的特点 103.2 主传动系统的配置方式 113.2.1 主传动系统的主轴电动机的选型 113.2.2 交流主轴电机的调速 123.2.3 分级变速齿轮箱的传动系统设计 133.2.4 主传动系统组件的结构形式 17 第四章伺服进

10、给系统的结构设计与计算 194.1 伺服进给传动系统概述 194.2 步进电动机及开环进给控制 204.2.1 步进电动机的驱动控制 204.2.2 、步进电机的驱动放大电路 234.2.3 步进电动机参数说明 264.3 纵向进给系统的设计计算 274.3.1 设计参数 274.3.2 纵向进给切削力的确定 284.3.3 纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型 284.3.4 纵向进给减速齿轮的设计与校核 314.3.5 纵向进给步进电动机的计算和选型 324.4 横向进给系统的设计计算 354.4.1 横向进给切削力的确定 354.4.2 横向进给切削力的确定 354.4.3 横向进给滚珠丝

11、杠螺母副的计算和选型 354.4.4 横向进给减速齿轮的设计与校核 374.4.5 横向进给步进电动机的计算和选型4.5 滚珠丝杠的安装 424.5.1 滚珠丝杠的安装形式 424.5.2 滚珠丝杠轴承的校核 434.5.3 消除齿轮间隙的措施 : 46 第五章自动回转刀架的设计 485.1 自动回转刀架主要类型及特点 485.2 自动回转刀架的设计计算 485.2.1 自动回转刀架步进电动机的选用 495.2.2 自动回转刀架的蜗轮蜗杆设计计算 第六章电动尾座的设计 536.1 设计方案 536.2 电动尾座改造部分设计计算 536.2.1 电动尾座驱动电动机的选择 536.2.2 电动尾座

12、用的齿轮设计 53 第七章主轴编码器的设计 567.1 编码器工作原理 567.2 主轴编码器的安装 57第八章数控车床数控系统设计 588.1 概述 5840498.2 计算机数控 (CNC)系统的简介 598.2.1 概述 598.2.2 微处理器数控 (MNC)系统的组成8.3 CNC 系统的硬件结构 628.3.1 单微处理机与多微处理机结构8.3.2 大板式结构与功能模块式结构8.4 CNC 系统的软件 648.4.1 CNC 系统软件的组成与功能 648.4.2 CNC 系统软件的特点和结构 67 8.4.3C 系统软件结构的分类 69 8.5CNC系统的工作过程708.5.1 C

13、NC 系统的数据段历程 708.5.2 CNC 系统自动工作时的总体流程8.6 运动轨迹的插补原理 718.6.1 运动轨迹插补的概念718.6.2 运动轨迹插补的方法728.6.3 逐点比较法 72 结论 79 参考文献 80 致谢 8160626370第一章 概述1.O 引言由于现代工业的飞速发展 , 普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新换代 , 不仅资金投入太大 , 成本太高 , 而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。 所以最经济的办法就是进行普通机床 的数控改造 , 这样既可以提高生产率 , 改善加工工艺 ,还可以减少资金投入 , 采用 此方法对

14、中、小型企业来说是十分理想的选择。1.1 经济型数控改造的实际意义 目前,各企业一般都有不少普通车床 , 完 全用数控车床加以替换根本不可能。解决这个问题 , 必须走普通车床数控改造之 路。日本大企业中有 26%的机床经过数控化改造 , 而中小企业则占 74%;美国有许 多数控专业化公司为用户提供数控改造服务。我国拥有 300万台机床 ,其中大量 的是通用车床。 因此,普通车床的数控改造 , 大有可为。 数控改造一般是指对普 通车床某些部位作一定的改造 ,配上数控装置 ,从而使车床具有数控加工能力。1.1.1 技术分析在过去的几十年里 , 金属切削机床的基本动作原理变化不大。 如今科学技 术发

15、展很快 , 特别是微电子技术、计算机技术的发展更快。应用到机床控制系统 上,它既能提高机床的自动化程度 ,又能提高加工的精度 , 有些企业已在这方面做 了有益的尝试。实践证明 , 改造后的机床满足了技术发展的需要 , 提高了生产率和 产品精度 , 增大了设备适应能力和型面加工范围。1.1.2 经济分析由于新型机床价格昂贵 , 一次性投资巨大 , 如果把旧机床设备全部以新型 机床替换 , 要花费大量的资金 , 而替换下的机床又会闲置起来造成浪费 ,若采用数 控技术对旧机床加以改造 ,和购买新机床相比 , 则可以节省 50% 以上的资金。一 套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的 1/3 到

16、l/5, 一般用户都能够承 担得起 , 这为资金紧张的中小型企业的技术改造开创了新路 , 也对实力雄厚的大 型企业产生了较大的吸引力。1.1.3 市场分析据国内资料统计 , 订购新的数控机床的交货周期一般较长 , 往往不能满足 用户需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。1.1.4 生产分析在现代机械制造工业中 , 多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比 重。若要完成这些生产任务 ,不外乎选择通用机床、 专用机床或数控机床 , 其中数 控机床是最能适应这种生产需要的。1.1.5 综合分析从上述分析中不难看出 , 数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技 术与传统技术相结合

17、的基础上 , 具有可靠性高、柔性强、易于实现机电一体化、 经济性可观等优点。 为此, 在旧有机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能 , 降低生产成本 , 用较少的资金投入而得到较大的经济效益。1.2 数控机床的基本结构及工作原理数控机床加工零件的工作过程分以下几个步骤实现 :(1) 根据被加工零件的图样与工艺方案 , 用规定的代码和程序格式编写程 序。(2) 所编程序指令输入机床数控装置中。(3) 数控装置对程序 (代码)进行翻译、运算之后 , 向机床各个坐标的伺服 驱动机构和辅助控制装置发出信号 , 驱动机床的各运动部件 , 并控制所需要的辅助运动。(4) 在机床上加工出合格的零件。下面对

18、其各组成部分加以介绍。1. 输入装置数控加工程序可通过键盘 , 用手工方式直接输入数控系统。 还可由编程计 算机用 RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。零件加工程序输入过程有两种不同的方式 : 一种是边读入边加工 , 另一种 是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器 , 加工时再从存储器中逐 段调出进行加工。 2. 数控装置数控装置是数控机床的中枢。数控装置从内部存储器中取出或接受输入 装置送来的一段或几段数控加工程序 , 经过数控装置它的逻辑电路或系统软件进 行编译、运算和逻辑处理后 ,输出各种控制信息和指令 , 控制机床各部分的工作 , 使其进行规定的有序运动和动作。零

19、件的轮廓图形往往由直线、 圆弧或其他非圆弧曲线组成 , 刀具在加工过 程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动 , 即按图形轨迹移动。但输入的零件 加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据 , 不能满足要求。因此要 进行轨迹插补 , 也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”,求出一系列中间点的坐标值 , 并向相应坐标输出脉冲信号 , 控制各坐标轴 ( 即进给 运动各执行部件 ) 的进给速度、进给方向和进给位移量等。3. 驱动装置和检测装置驱动装置接受来自数控装置的指令信息 ,经功率放大后 ,严格按照指令信 息的要求驱动机床的移动部件 , 以加“出符合图样要求的零件。驱动装置

20、包括控 制器(含功率放大器 )和执行机构两大部分。 目前大都采用直流或交流伺服电动机 作为执行机构。检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来 , 经反馈系统输入 到机床的数控装置中。数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较 , 控制驱动装置按指令设定值运动。4. 辅助控制装置 辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号 , 经过 编译、逻辑判别和运算 ,再经功率放大后驱动相应的电器 , 带动机床的机械、液压、 气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变 速、换向和启停指令 , 刀具的选择和交换指令 , 冷却、润滑装置的启停 ,工件和机 床部

21、件的松开、夹紧 , 分度工作台转位分度等开关辅助动作。现广泛采用可编程控制器 (PLC) 作数控机床的辅助控制装置。5. 机床本体数控机床的机床本体与传统机床相似 , 由主轴传动装置、进给传动装置、 床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。1.3 数控机床的分类1.3.1 按加工工艺方法分类1. 金属切削类数控机床 有数控车床、铣床、钻床、磨床、齿轮加工机床和加工中心等。2. 特种加工类数控机床数控电火花线切割机床、 数控电火花成型机床、 数控等离子弧切割机床、 数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。3. 板材加工类数控机床数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。

22、4. 非加工设备 , 如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。1.3.2 按控制运动的方式分类1. 点位控制数控机床 机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位 , 在移动和 定位过程中不进行任何加工。如: 数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控 机床的数控装置称为点位数控装置。2. 点位直线控制数控机床 机床移动部件不仅要实现由一个位置到另一个位置的精确移动定位 , 而 且要控制工作台以一定的速度沿平行坐标轴方向进行直线切削加工。 主要有简易 数控车床、数控镗铣床等。3. 轮廓控制数控机床 轮廓控制数控机床不仅可完成点位及点位直线控制数控机床的加工功能

23、而且能够对两个或两个以上坐标轴进行插补 , 因而具有各种轮廓切削加工功能。常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。 轮廓控制系统的结构要比点位直线控制系统更为复杂 , 在加工过程中需要不断进 行插补运算 , 然后进行相应的速度与位移控制。1.3.3 按驱动装置的特点分类1. 开环控制数控机床其控制系统不带反馈装置 , 通常使用功率步进电动机为伺服执行机构开环控制系统结构简单 , 成本较低。不能进行误差校正 , 步进电动机的失步、 步距角误差、 齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。 开环系统仅适 用于加工精度要求不很高的中小型数控机床 , 特别是简易经济型数控机床

24、。2. 半闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床的特点是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠 上装有角度检测装置 （ 如光电编码器等 ）, 通过检测丝杠的转角间接地检测移动部 件的实际位移 , 然后反馈到数控装置中去 , 并对误差进行修正。半闭环数控系统的 调试比较方便 , 并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机 设计成一体 , 使结构更加紧凑。3. 闭环控制数控机床 闭环控制数控机床的特点是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装 置,将测量的实际位移值反馈到数控装置中 ,与输入的指令位移值进行比较 , 用差 值对机床进行控制 , 使移动部件4. 混合控制数控机床将以上三类数控

25、机床的特点结合起来 , 就形成了混合控制数控机床。 混合 控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床。混合控制系统又分为两种形式(1) 开环补偿型控制方式。 其特点是基本控制选用步进电动机的开环伺服 机构, 另外附加一个校正电路。通过装在工作台上的直线位移测量元件的反馈信 号校正机械系统的误差。(2) 半闭环补偿型控制方式。 其特点是用半闭环控制方式取得高速度控制 , 再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正 , 以获得高速度与高精度 的统一。1.4 数控机床的特点及应用范围1.4.1 数控机床的加工特点1. 加工精度高目前数控机床的脉冲当量普遍达到了 0.001 mm, 而且进给传动链

26、的反向 间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿。 数控机床的加工精度由过去的 ± 0.01 mm 提高到± 0.005 mm 。定位精度 90 年代初中期已达到± 0.002mm ± 0.005 mm 。2. 对加工对象的适应性强在数控机床上改变加工零件时 , 只需重新编制 (更换)程序, 输入新的程序 后就能实现对新零件的加工。3. 自动化程度高 , 劳动强度低数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的 , 操作者除了操 作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行外, 其他的机床动作直至加工完毕 ,都是自动连续完成 ,不需要进行繁

27、重的重复性手工操作 , 劳动强 度与紧张程度均可大为减轻 , 劳动条件也得到了相应的改善4. 生产效率高数控机床能有效的减少机动时间与辅助时间 , 每一道工序都能选用最有 利的切削用量 , 选用了很高的空行程运动时间。因而消耗在快进、快退、和定位 的时间比一般机床少得多。5. 良好的经济效益在单件、小批量生产的情况下 , 可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、 生产管理费用及降低废品率等 , 因此能够获得良好的经济效益。6. 有利于现代化管理用数控机床加工零件 ,能准确地计算零件的加工工时 , 并有效地简化了检 验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化。1.4.2 数控机床

28、的应用范围数控机床最适合加工具有以下特点的零件 :(1) 多品种小批量生产的零件 ;(2) 形状结构比较复杂的零件 ;(3) 精度要求高的零件 ;(4) 需要频繁改型的零件 ;(5) 价格昂贵 , 不允许报废的关键零件 ;(6) 需要生产周期短的急需零件 ;(7) 批量较大 , 精度要求高的零件第二章 经济型车床数控改造总体方案的确定2.1 设计任务 1 采用 ISO标准语言 ,绝对/增量方式混合编程。 2 连续方 式控制 X,Z 向二轴。 3 脉冲当量 :X 向,0. 005mm/ 脉冲;Z 向 0.Olmm/脉冲。 4 快速定位速度 :X 轴为 lm/min, Z轴为 3m/min。 5

29、最大编程尺寸 :士 9999. 99mm, 8 位数码管。 6 最大加工速度 : 直线为 1. 5m/min, 圆弧为 0. 6m/min 。 7 螺纹 加工:公制 0. 2512mm,英制 33.53 牙/?。 8 数控系统程序存储器和数据存储 器各 8KB。2.2 总体数控改造方案设计本次设计属于经济型数控化改造 , 基本原则是在满足使用要求的前提下 对机床的改动尽可能少 , 以降低成本。总体方案为 :本设计利用数控装置对 CA6140普通车床进行控制 , 主传动系统部分 采用交流调频主轴电动机经带轮及分级齿轮变速箱驱动主轴 , 通过变频器和齿轮变 速箱实现分段无级变速 ; 进给系统采用步

30、进电机通过减速后驱动滚珠丝杠运动 , 在纵向进给系统中通过一级齿轮减速后驱动滚珠丝杠 , 在横向进给系统中通过二 级齿轮减速驱动滚珠丝杠 ; 刀架改为自动转位刀架四工位从而实现自动换刀 ; 通 过 MCS-51系列 8051 单片机对数据进行计算处理 , 由 I/O 接口输出步进脉冲信号 控制进给速度和行程 ; 为了保持切削螺纹的功能 , 要在主轴外端或其它适当部位 装上脉冲发生器 ; 将车床的手动尾座改造成为可控电动尾座。第三章主传动系统设计3.1 概述主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统 , 它应具有一定的转速和 一定的变速范围 , 并能方便地实现运动的开停、变速、换向和和制动。主传动

31、系统包括电动机、 传动系统和主轴部件 , 相比普通车床的主传动系 统在结构上比较简单 , 因为变速功能由主轴电动机的无级调速来承担 ,省去了复 杂的齿轮变速机构 , 只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的变 速范围。3.1.1 数控机床主传动系统的特点与普通机床比较 , 数控机床主传动系统具有下列特点 : 转速高、功率大。使数控机床能进行大功率切削和高速切削 , 实现高效率 加工。变速范围宽。一般 Rn100,以保证加工时能选用合理的切削用量 , 从而获 得最佳的生产率、加工精度和表面质量。主轴变速迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的 , 因此变 速机构必须适应自动操作

32、的要求。主轴组件的耐磨性高 , 使传动系统具有良好的精度保持性。3.1.2 数控机床主传动系统的设计要求 主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数 , 能够实现运动的开 停、变速、换向和和制动。主电动机具有足够的功率 ,全部机构和元件具有足够的强度和刚度 , 以满 足机床的动力要求。主传动的有关结构 ,特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性 , 热变形 和噪声要小 , 传动效率要高 , 以满足机床的工作性能要求。操纵灵活可靠 ,调整维修方便 , 润滑密封良好 ,以满足机床的使用要求。 结构简单紧凑 ,工艺性好 ,成本低,以满足经济性要求。3.2 主传动系统的配置方式3.2.1 主传动系统的

33、主轴电动机的选型 数控机床的调速是按照控制指令自动执行的 , 因此变速机构必须适应自 动操作的要求。在主传动系统中 , 目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机 无级调速系统。为了扩大调速范围 , 适应低速大转矩的要求 , 也经常应用齿轮有级 调速和电动机无级调速相结合的调速方式。 我们选用交流主轴电动机配以齿轮变 速箱实现分级无级调速。由于交流调速电机体积小 , 转动惯性小 , 动态响应快 , 没有电刷 , 能达到的 最高转速比同功率的直流电动机高 , 磨损和故障也少。 在中小功率领域已占优势 , 故本次设计选用交流调速电动机。 通过调节供电频率的办法调速。 功率特性见下 图:主轴电动机在额

34、定转速时输出全部功率和最大转矩 , 随着转速的变化 ,功 率和转矩将发生变化。在额定转速至最低转速为恒转矩速度范围 , 在额定转速至 最高转速为恒功率速度范围。 恒功率的速度范围只有 1:3 的速度比。 当电动机速 度超过某一定值之后 , 其功率?速度曲线又会向下倾斜 ,不能保持恒功率。3.2.2 交流主轴电机的调速交流主轴电动机属于交流感应电动机 , 当定子三相绕组通上交流电时 , 将 建立起旋转磁场 , 其主磁通 m的空间转速为同步转速 , 其值为n0 60f1/p r/min式中 f1- 定子供电电源频率 (HZ)p? 旋转磁场极对数感应电动机转子的转数 n 为n n0(1-s)60f1

35、(1-s)/p式中 s?转差数 ,s n0-n / n0由上式可知 , 调速方法可分为两类。第一类是改变同步转数 n0 的调速 , 它分为两种方法 ,一是改变电动机极对数 p。由于 p是整数,所以只能得到级差很 大的有级调速 , 不能满足数控机床的要求 ; 二是改变电动机的供电频率 f1 。可得 到平滑的无级调速 ,是一种高效型交流调速 ,范围宽, 精度高。第二类是不改变同 步转速的调速 , 常用的有调压调速和电磁调速。由于有转差功率损耗 , 效率低,特 性软, 不适合数控机床调速。在实际调速时 , 单纯改变电源频率是不够的 , 因为由“电动机学”可知 , 旋转磁场以 n0 速度切割定绕组 ,

36、 同在每相绕组感应电势为E14.44f1k1w1mu1式中 k1w1?-定子每相绕组等效匝数 ; m?每极磁通量 ; u1? 定子相电压 所以m u1/4.44f1k1w1由上式可知 , 如在变频调速中 , 只保持定子电压 u1 不变, 则主磁通大小将 会发生变化。如果频率从工频往下调节 ,则上升,将导致铁心过热 ,功率因数下降 , 电动机带负载能力降低。因此 , 必须在降低频率的同时 , 降低电压, 以保持不变。 这就是所谓的恒磁通变频调速中的“调速控制” 。只能用变频调速 , 并且是有效方法。变频调速的主要环节是为交流电机提 供变频、变压电源的变频器 ,变频器分为 :? 交 ?直 ?交变频

37、器分电压型和电流型。 电压型先将电网的交流电经整流器 变为直流 , 再经逆变器变为频率和电压都可变的交流电压。电流型是切换一串方 波,方波电流供电 , 用于大功率。? 交 ? 交变频器该变频器没有中间环节 , 直接将电网的交流电变为频率和 电压都可变的交流电。目前对于中小功率电机 , 用得最多的是电压型交 ?直?交变频器。3.2.3 分级变速齿轮箱的传动系统设计在设计数控机床主传动时 , 必须考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问 题。由于主轴要求的恒功率变速范围 Rnp 远大于电动机的恒功率范围 Rdp,所以在主轴之间要串联一个分级变速箱 , 以扩大其恒功率变速范围 , 满足低速大功率 切削时对

38、电动机的输出功率的要求。我们先设定主轴的最高转速为 4000r/min, 最低转速为了 30r/min, 计算 转速为 150r/min, 最大切削功率为 5.5KW,交流主轴电机额定转速为 1500r/min, 最高转速为 4500r/min.主轴要求的恒功率变速范围 Rnp4000/15026.7电动机的恒功率变速范围 Rdp4500/15003 主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率变速范围 , 故必须配以分级变速箱。取变速箱的公比 f 等于电动机的恒功率变速范围 Rdp, 即fRdp3, 功 率特性图是连续的 ,无缺口无重合的。 如变速箱的变速级数为 Z, 则主轴的恒功率

39、 变速范围 Rnp等于 RnpfZ-1 Rdp fZ故变速箱的变速级数 ZlgRnp/lg f2.99取 Z3变速 齿轮箱采用一级变 速三 对齿轮副 数 , 齿数分别为: 高速级 Z1:Z2112:58; 中速级 Z1:Z268:102; 低速大转矩级 Z1:Z230:140利用原车床主轴箱内的第三轴和主轴 , 查车床图册 , 两轴的中心距为 170mm。因所选用电机与原电机功率相同 , 故轴不必另行校核。三副齿轮只校核低速重载齿轮副即可。校核如下 :已知电动机输出功率为 7.5KW,额定转速为 1500r/min, 则经同步带传动 , 第三根轴的转速为 750r/min 。经 Z1:Z230

40、/140 传动后 ,主轴转速为 160r/min.大、小齿轮均采用 45 钢并进行调质处理 , 选小齿轮硬度 HBS260290大, 齿轮硬度 HBS220250精, 度选 6 级。 m2mm,a2°0 , 齿宽 b20mm,ha*1,c*0.25, 齿轮 传动效率 0.98齿轮几何尺寸计算 : d1z1m60mm, d2z2m280mm, da1z1+2m64mm, da2z2+2m284mm, df1z1-2.5m55mm, df2z2-2.5m275mm, az1+z2m/2170mm齿轮校核 :小齿轮转矩式中 P?电动机的输出功率 ?齿轮传动效率 取 0.96 动载荷系数式中

41、 KA?使用系数取 1 Kv?动载荷系数取 1.15 KB?齿向载荷系数取 1.15 Ka?齿向载荷分配系数由 查表并插值得 K1.179则 K1*1.15*1.15*1.1791.56许用弯曲应力式中:?弯曲疲劳极限 ;460N/mm2 390N/mm2 ?弯曲寿命系数 YX?尺寸系数 取 1 SF? 安全系数取 1.3则齿要弯曲疲劳强度校核计算由式式中 ?齿形系数 2.4 2.25 ? 应力修正系数 1.6531.75 ? 重合度系数 则故齿根弯曲强度足够 , 满足要求。传动系统图见下图转速图见下图机的恒功率区 , 从 145r/min 降至 30r/min 上图中的 CD段为恒转矩区。如

42、取总效 率 0.75, 则电动机功率 P5.5/0.757.3KW 。可选用北京数控设备厂的 BESK-8型 交流主轴电动机 , 连续额定输出功率为 7.5KW。3.2.4 主传动系统组件的结构形式 在检查原有主轴轴承完好、运转正常的前提下 , 保留原有主轴支撑方式。 保留原机床的主轴手动变速。改造后使其主 /运动和进给运动分离 , 主电 机的作用仅为带动主轴旋转。增加一只电磁离合器 , 用以接收数控系统的停机制 动信号以控制原制动装置制动停车。加工螺纹时 ,为保证主轴每转一转 , 刀具准确移动一个导程 , 须配置主轴 脉冲发生器作为主轴位置信号的反馈元件。脉冲发生器采用同轴安装 , 橡胶管柔

43、 性联接,意在实现角位移信号传递的同时 , 又能吸收车床主轴的部分振动 , 从而使 主轴脉冲发生器转动平 . 稳, 传递信号准确。数控机床主轴带传动变速常用多楔带和同步带。 同步带又称为同步齿形带 按齿形不同又可分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带两种。 其中梯形齿多用在转速 不高或小功率动力传动中 , 而圆弧齿多用在数控加工中心等要求较高的数控机床 主运动传动系统中。我们选用 H 型梯形齿同步带。查手册选两梯形齿同步带用带轮为 Z1:Z222:44, 带宽为 50.8mm,小带轮节圆为 80mm, 大带轮节圆为 194mm。带高 4.3mm齿高 2.29mm节距 12.7mm。第四章伺服进给系统的

44、结构设计与计算4.1 伺服进给传动系统概述数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机 构及执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号 , 由伺服驱动电路作转换和放大后 ,经伺服驱动装置 （直流、交流伺服电动机、 功率 步进电机、电液脉冲马达等 ）和机械传动机构 , 驱动机床的工作台、 主轴刀架等执 行部件实现工作进给和快速运动。 数控机床的伺服进给系统与一般机床的进给系 统有本质上的差别 , 它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置 , 以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。伺服进给系统的基本要求 :精度要求 伺服系统必须保证机床的

45、定位精度和加工精度。 对于低档型数控 系统, 驱动控制精度一般为 0.01mm;而对于高性能数控系统 , 驱动控制精度为 1um 甚至为 0.1um。响应速度为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度 , 除了要求有较高的 定位精度外 , 还要有良好的快速响应特性 , 即要求跟踪指令信号的响应要快。调整范围 调整范围 Rn是指生产机械要求电动机能提供的最高转速 n 和最低 转速 nmin 之比。为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件 ,就要求进给驱动系 统必须具有足够宽的调整范围。低速、大转矩 根据机床的加工特点 , 经常在低速下进行重切削 , 即在低速下 进给驱动系统必须有大的转矩输出。伺服系

46、统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环三种方式。开环控制 的伺服系统存在着控制精度不高的问题 , 但步进电机具有角位移与输入脉冲的严 格对应关系 , 使步距误差不会积累。步进电机的转速和输入脉冲频率也有严格的 对应关系 , 而且具有在负载能力范围内不随电流、电压、负载、环境条件的波动 而变化的特点。此外 , 步进电机控制的开环系统不存在位置检测与反馈控制的问 题,结构比较简单 , 易于控制系统的实现与调试。 并且随着电子技术和计算机控制 技术的发展 , 在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的进展。 因此, 在一定范 围内, 这种采用步进电机傲为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求,适宜

47、于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能 , 然而由 于在系统中增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节 , 除了给安装调试增加 了工作量和复杂性外 , 从控制理论的角度看 ,要实现闭环系统的良好稳态和动态 性能 , 其难度也将大为提高。 考虑到是在普通车床上进行改造 , 精度要求不是很高 为了简化结构 , 降低成本 , 我们采用了微机控制的步进电机开环伺服系统4.2 步进电动机及开环进给控制步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的执行元件, 是一种用脉冲信号控制的电动机 ,也称为脉冲电动机 , 在负载能力及动态特性范围内 , 步进电动机将来自数控装置的进给脉冲输出 , 电动机的角位移与控制脉冲数成正 比,转速与控制脉冲频率成正比。 对于每一个电脉冲 , 步进电机都将产生一个恒定 的步进角位移 , 每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角 b, b 取为 0.75 。每脉冲代表电机一定的转角 , 这个转角经齿轮副和滚珠丝杠副使工作台移 动一定的距离 "每个脉冲所对应的执行件的移距 , 称为脉冲当量或分辨率根据机 床精度要求确定脉冲当量 p,纵向:0.01mm/步;横向:0.005 mm/step 。步进电动 机的转速决定于控制绕组与电源接通和断开的脉冲变化频率。步进电动机的优