论文设计-普通车床C6132进行机电一体化改造设计.doc

合肥工业大学论文设计 摘 要随着我国经济的持续发展，中国已成为世界加工工厂，产品畅销世界各国。但是随着世界各国经济的整体提升，人们的生活水平进一步提高，对产品的质量，美观以及价格提出了更高的要求。我国拥有庞大的制造业，但是制造业相对比较落后。机械设备落后陈旧，自动化程度低严重制约着我国制造加工业整体竞争水平。我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的机床急待更新的情况下，对机床进行机电一体化改造已迫在眉睫。机电一体化改造是一条节约资金、快速有效的途径。 本文对普通车床C6132进行机电一体化改造。包括对机床关键部件参数的计算、对机床结构的设计、对机床改造方案优化选择、选择合适的机床伺服系统、导轨以及刀架的改造。改造后的车床提高了原机床的使用价值，降低了成本，具有良好的经济性。关键词:普通车床，改造，步进电机。 第一章 绪论1.1 数控机床的历史和现状采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是40年代初提出的。当时，美国北密执安的一个小型飞机承包商派尔逊斯公司在制造飞机框架和直升飞机的机翼叶片时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使得加工精度达到10.03 81mm，这在当时水平是相当高的。1952年美国麻省理工学院成功地研制出一台3坐标联动的试验型数控铣床，这是公认的世界上第一台数控机床，当时的电子元件是电子管。1959年，开始采用晶体管元件和印制线路板，出现了带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心.从1960年开始，其他一些工业国家，比如德国、日本等也陆续开发生产出了数控机床。1965年，数控装置开始采用小规模集成电路，使数控装置的体积减小，功耗降低，可靠性提高.但仍然是硬件逻辑数控系统。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的柔性制造单元。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了用小型计算机控制的数控机床。这是第一台计算机控制的数控机床。1974年，微处理器直接用于数控系统，促进了数控机床的普及应用和数控技术的发展。80年代初，国际上出现了以加工中心为主体，再配上工件自动装卸和监控检测装置的柔性制造单元。柔性制造系统和柔性制造单元被认为是实现计算机集成制造系统的必经阶段和基础。我国从1958年开始研究数控技术，直到60年代中期处于研制、开发阶段。1965年，国内开始研制晶体管数控系统。60年代初到70年代初研制成功X53K-1G数控铣床、CJK-18数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、锉、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平低，致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能广泛推广。这一时期，数控线切割机床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80年代我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技术，并于1981年在我国开始批量生产。在此期间，我国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统，如多轴联动数控系统、分辨率为0.02um的高精度数控系统、数字仿形系统、为柔性单元配套的数控系统等。为了适应机械工业生产不同层次的需要，我国开发出了多种经济型数控系统，并得到了广泛应用。现在，我国已经建立了中、低档数控机床为主的产业体系，90年代主要发展高档数控机床。1.2 数控机床的发展趋势和研究方向随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服系统、主轴驱动、机床及结构等提出了更高的性能指标。随着FMS的迅速发展和CMS的不断成熟，又将对数控机床的可靠性、通讯功能、人工智能和自适应控制等技术提出了更高的要求。随着微电子计算机技术的发展，数控系统性能日益完善，数控技术应用领域日益扩大。当今数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。1.2.1 高速度、高精度化速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品的质量，特别是在超高速切削、超精密加工技术的实施中，它对机床各坐标轴位移速度和定位精度提出了更高的要求:另外，这两项技术指标又是互相制约的，也就是说要求位移速度越高，定位精度就越难提高。现代数控机床配备了高性能的数控系统及伺服系统，分辨率可达到lum,0.lum, 0.0lum。为实现更高速度、更高精度的指标，自前主要在下述几方面采取措施和进行研究。（1）数控系统。采用位数、频率更高的微处理器，以提高系统的基本运算速度。目前己由8位CPU过渡到16位和32位CPU，并向64位CPU发展，频率已由原来的5MHz提高到16MHz, 20MHz和32MHzo同时也采用了超大规模的集成电路和多种微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。(2) 伺服驱动系统。随着超高速切削、超精密加工等先进工艺的提出，使得在旋转伺服电动机加滚珠丝杠的传统机械进给机构已无法实现。为此采用直线电动机直接驱动机床工作台的零传动直线伺服进给方式，将极大地提高机床直线进给的各项伺服性能指标， 特别是高速度和动态响应特性是以往任何伺服机构无法比较的。(3) 前馈控制技术。过去的伺服系统是将位置指令值与所检测到的实际值比较，所得的差乘以位置环的增益，其积再作为速度指令去控制电动机。由于这种控制方式总是存在着位置跟踪滞后误差，即当进给速度为F时，其伺服系统的最终滞后位F/G，这使得在加工拐角及圆弧切削时加工精度恶化。所谓前馈控制，就是在原来的控制系统上加上速度指令的控制方式，这样将使位置跟踪滞后误差大大减小，以改善拐角切削加工精度。(4) 机床动、静摩擦的非线性补偿控制技术。机床动、静摩擦的非线性会导致机床爬行。除了在机械结构上采取措施降低静摩擦外，新型的数控伺服系统具有自动补偿机械系统动、静摩擦非线性的控制功能。(5) 伺服系统的速度环和位置环均采用软件控制。由于采用软件控制具有较高的柔性，适应不同类型的机床对不同精度及速度的要求，进行加、减速性能的调整，并能实现复杂的控制算法，以满足高性能控制的要求。(6) 采用高分辨率的位置检测装置。如高分辨率的脉冲编码器，内装微处理器组成的细分电路，使得分辨率大大提高。(7补偿技术得到发展和广泛应用。现代数控机床利用计算机控制系统的软件补偿功能对伺服系统进行多种补偿，以提高机床的位置精度和动态伺服性能，如轴向运动定点误差补偿、丝杠螺距误差补偿、齿轮间隙补偿、热变形补偿和空间误差补偿等。(8) 高速大功率电主轴的应用。由于在超高速加工中.对机床主轴转速提出了极高的要求，传统的齿轮变速主传动系统已不能适应其要求。为此，采用了所谓内装式电动机主轴，简称电主轴。它是采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，即采用外壳电动机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，即机床主轴单元的壳体就是电动机座。实现了变频电动机与机床主轴一体化，以适应主轴高速运转的要求。(9) 超高速切削刀具的应用。为适应超高速加工要求， 目前陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。(10) 配置高速、强功能的内装式可编程控制器(ProgrammableL ogicController，简称PLC)。以提高PLC的运行速度，满足数控机床高速加工的要求。新型的PLC具有专用的CPU，基本指令执行时间达0. 2us/步，可编程步数可扩大到16000步以上。利用PLC的高速处理功能，将CNC与PLC之间有机地结合起来，能够满足数控机床运行中的各种实时控制要求。1.2.2多功能化(1) 数控机床采用一机多能，提高了设备利用率。配有自动换刀机构的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、锉削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹，甚至磨削等多种工序的加工。工件一经装夹，各种工序和工艺加工过程集中到同一台设备上完成，从而避免了工件多次装夹所造成的定位误差，确保零件的形位公差，减少装夹辅助时间，减少设备台数和占地面积。为了进一步提高工效，现代数控机床采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工，如各类五面体加工中心。(2) 前台加工、后台编辑的前后台功能。现代数控系统采用了多CPU结构和分级中断控制方式，可以在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的前台加工后台编辑.即操作者可在机床进入自动循环加工的空余期间，同时利用数控系统的键盘和CRT进行零件加工的编制，并利用CRT进行动态图形模拟显示及所编程序的加工轨迹，进行程序的调试和修改，以充分提高工作效益和机床利用率。(3) 具有更高的通信功能。为了适应FMC,F MS以及进一步联网组成CIMS的要求，一般的数控系统都具有RS-232C和RS-422高速远距离串行接口，可以按照用户级的格式要求，同上一级计算机进行多种数据交换。高档的数控系统应有的DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。现 代 数 控机床，为了适应自动化技术的进一步发展，满足工厂自动化规模越来越大的要求，满足不同厂家不同类型数控机床联网的需要，采用了MAP工业控制网络，现在已经实现了MAP3.0 版本，为现代数控机床进入FMS和C工MS创造了条件。1.2.3智能化(1) 引进自适应控制技术。自适应控制的目的是要求在随机变化的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，己达到或接近最佳工作状态。由于在实际加工过程中，大约有30余种变量直接和间接影响加工效果，如工件毛坯余量不匀、材料硬度不一致、刀具磨损、工件变形、机床热变形、化学亲和力的大小、切削液的粘度等，难以用最佳参数进行切削。而自适应控制系统则能根据切削条件的变化，自动调节工作参数，如伺服进给参数、切削用量等，使加工保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。(2) 故障自诊断、自修复功能。主要是利用CNC系统的内装程序实现在线诊断，即在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自动诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并通过了CRT进行故障报警、提示发生故障的部位、原因等。并利用冗余技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保在无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，最近又提出了人工智能专家诊断系统，它主要由知识库、推理机和人机控制器三部分组成。(3) 刀具寿命自动检测更换。利用红外、声发射、激光等各种检测手段，对刀具和工件进行监测。发现工件超差、刀具磨损、破损，进行及时报警、自动补偿或更换备用刀具，以保证产品质量。(4) 进行模式识别技术。应用图像识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自然语音命令进行加工。1.2.4数控系统小型化数控系统体积小型化便于将机、电装置融合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印制电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度的安装，可以较大的缩小了系统的占有空间。此外，用新型的TFT彩色液晶薄膜型显示器，代替传统的阴极射线管CRT，即可使数控操作系统进一步小型化。这样可更方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。1.2.5数控编程自动化由于微处理机的应用，使数控编程从脱机编程发展到在线编程，实现了人机对话，给程序编辑、调试、修改带来了极大的方便。并进一步采用了前台加工后台编辑的前后台功能，使数控机床的利用率得到更大的发挥。随着计算机应用技术的发展，目前CAD被弹入图形交互式自动编程已得到应用，它是利用CAD绘制的零件加工图样，自动生成NC零件加工程序，实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，目前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，它与CAD/CAM系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必有人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得。另外，还出现了测量、编程、加工一体化系统。它是通过激光快速扫描成型系统、三坐标测量机等对样机零件进行测量，并把所测得数据直接送入计算机内，一方面通过CAD系统而获得样机零件图样，另一方面通过数控自动编程系统，将其处理生成NC加工程序，然后通过通信接口送入数控机床，进行控制自动加工。1.2.6更高的可靠性数控机床工作的可靠性是用户最关注的主要指标，它主要取决于数控系统和各伺服驱动单元的可靠性，为提高可靠性，目前主要在以下几个方面采取措施。(1) 提高系统硬件质量.采用更高集成度的电路芯片，利用大规模和超大规模的专用机混合式集成电路，以减少元器件的数量，精简外部连线和降低功耗，对元器件进行严格筛选，采用高质量的多层印制电路板，实行三维高密度安装工艺，并经过必要的老化、振动等有关考机试验。(2) 模块化、标准化和通用化。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构模块化、标准化和通用化，既提高了硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。(3) 增强故障自诊断、自恢复和保护功能。通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种自诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障;利用容错技术，对重要部件采取冗余设计，以实现故障自恢复;利用各种测试、监控技术，当产生超程、刀损、干扰、断电等各种意外事件时，自动进行相应的保护。1.3机床数控化改造的必要性从微观上看数控机床相对传统机床有以下突出的优越性。这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的特性。(1) 可以加工出传统机床无法加工的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机可以瞬时准确地计算出每个坐标轴的运动量，就可以复合成复杂的曲线和曲面。(2) 可实现加工的自动化，且是柔性自动化，效率比传统机床提高3-7倍。计算机可以将输入的程序记忆和存储，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。传统机床可以靠凸轮或挡块等实现自动化，称之为刚性自动化。但凸轮制造及调整比较费时，只有进行大批量生产时才经济合理。而数控机床只要更换一个程序就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化，称之为“柔性自动化”。(3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。加工过程自动化，不受人的情绪高低和疲劳因素的影响。计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不会因为刀具磨损而影响工件精度和一致性。此外数控系统中增加了机床误差、加工误差修正补偿的功能，使加工精度得到进一步提高。(4) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运是自动化带来的效果(可以自动更换刀具)。如加工中心在工件装夹后，可实现钻、铣、铿、攻丝、扩孔等多工序的加工。现在己出现其他工序集中的机床、如车削中心、车铣中心、磨削中心等。(5) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人加工。在配备多种传感器条件下，工人只工作8小时，而机床可工作24小时，劳动生产率的提高和生产周期的缩短等效益是非常明显的。此外，机床数控化还是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。从宏观上看工业发达国家的军、民机械工业在70年代末、80年代初己开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)的技术改造，除采用数控机床外、还包括推行CAD, CAE,CAM及MIS(管理信息系统)、CMS(计算机集成制造系统)。以及在其产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化)，最终使得产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强，而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后约20年，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性和迫切性。从20世纪80年代开始，我国的数控机床在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量的开发工作，到1995年底，我国数控机床的可供品种己超过300种，其中数控车床占40%以上。但是大型卧式锉铣床由于其精度高，加工零件曲线的不规则，对数控系统及机床结构等方面要求都高，目前国内的大部分均采用昂贵的进口设备。1.3 本文所研究的主要内容 1）根据数控化改造后车床所具备的功能，制订了车床总体改造方案，并绘制了改造后车床总体布置图； 2）为使改造后的车床主轴能够实现无级变速、正转、反转以及停止等功能，本次改造采用了变频器驱动主电机的方式，本文对主轴变频器的选用做了相应的说明；3）为使改造后的车床能够加工螺纹，改造时，拆除原来的挂轮架部分，在机床轴伸出端安装主轴脉冲编码器，本文对脉冲编码器的安装方法作了简要论述； 4）在电气改造方面，设计了车床数控系统的硬件电路图，横向步进电机的计算和选型也作了详细阐述； 5）在机械改造方面，对纵横向伺服进给机构，特别是滚珠丝杠螺母副作了详细设计研究，并对数控转位刀架的安装和选用作了介绍； 6）在软件设计方面，对MCS-51单片机做了简要的介绍，并在8031单片机的基础上编制了相应的程序。第二章 机床改造的任务及总体思想2.1机床改造的总体任务将一台C61432普通车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下：（1）床身上最大加工直径320mm；（2）最大加工长度1000mm；（3）X方向（横行）的脉冲当量0.005/脉冲,Z方向（纵向）的脉冲当量0.01/脉冲；（4）X方向最快移动速度vmax3000mmmin，Z方向为vmax6000mmmin；（5）X方向最快工进速度vmax400mmmin，Z方向为vmax800mmmin；（6）X方向定位精度0.01mm，Z方向定位精度0.02mm；（7）可以车削柱面，平面，锥面与球面等；（8）安装螺纹编码器，可以车削公/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24mm；（9）主动控制主轴的正转，反转与停止，并可输出主轴有级变速与无极变速信号；（10）安装四工位立式电动刀架，系统自动控制选刀；（11）自动控制冷却泵的起与停；（12）安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；（13）纵，横安装限位开关；（14）数控系统可与PC机串行通信；（15）显示界面采用LED数码管，编程采用ISO数控代码。 2.1机床改造的总体任务总体方案应考虑车床数控系统的运行方式，进给伺服系统的类型，数控系CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。 （1）普通数控车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补，圆弧 插 补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。（2）普通数控车床数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电动机的开环系统。（3）根据技术指标中的最大加工尺寸，最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能多，速度快，抗干扰能力强，性/价比高等优点（4）根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器，数据存储器，键盘与显示电路，IO接口电路，DA转换电路，串行接口电路等；还要选择步进电动机的驱动电动以及主轴电动机的交流变频器。（5）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵，横向进给传动应选择摩擦力小，传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠螺母应有预紧机构等。（6）计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速齿轮副，且应有消间隙机构。（7）选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。 2.3运动系统方案确定2.3.1伺服系统的选择伺服系统分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统：开环控制系统中没有检测反馈装置，数控装置的控制指令直接通过驱动装置控制步进电机的运转，然后通过机械传动系统转化成刀架或工作台的位移。这种控制系统由于没有检测反馈校正，位移精度一般不高，但其控制方便、结构简单、价格便宜。闭环控制系统又称全闭环控制系统，其检测装置安装在机床刀架或工作台等执行部件上，用以直接检测这些执行部件的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置的指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制。但是，由于很多机械传动环节包含在闭环控制的环路中，各部件的摩擦性，刚性等都是非线性量，直接影响系统的调节参数，因此，闭环系统的设计和调速都有很大难度。所以，闭环控制系统主要用于精度要求高的场合。半闭环控制系统，它的检测元件装在电机或者丝杠的端头，通过测量伺服电机的角位移间接计算出机床工作台等执行部件的实际位置（或位移），然后进行反馈控制。由于将丝杠螺母副及机床工作台等大惯量环节排除在闭环控制系统之外，不能补偿他们的运动误差，精度受到影响，但系统稳定性有所提高，调试比较方便、价格也较全闭环系统便宜。本次改造由于使用步进电机，所以可以选择开环控制系统。2.4.主传动系统的改造方案2.4.1 主轴无级变速的实现 C6132车床的主轴变速为手动、有级变速。考虑到数控车床在自动加工的过程中负载切削力随时会发生变化，为了保证工件表面加工质量的一致性、提高工件加工质量，主轴要能实现恒切削速度切削。这就要求主轴能实现无级变速。目前实现无级变速主要有两种方式，其一是采用变频器驱动电机的方式，同时保留原有的主传动系统和变速操纵机构，这样既保留了车床的原有功能，又减少了改造量；其二是用双速或者是四速电动机替代原有车床的主电动机。由于多速电机的功率是随着转速的变化而变化的，所以要选择功率较大一些的电动机，随之电动机的尺寸也变大了，机床改造相对较麻烦，另外在这种改造方式下，主传动系统也要拆除并进行重新设计，这样可以得到加工精度和稳定性更高的车床，但是加大了改造成本。 考虑到改造的成本，我决定采用第一种方式，这样可以利用原车床的三相异步电动机。即由数控系统控制变频器，变频器驱动异步电动机实现主轴无级变速。 交流异步电动机的转速与电源频率，电动机磁极对数nfp以及转差率之间的关系式为：对于C6132，电动机磁极对数和转差率是定值，因此利用变频器改变电源频率fn即可改变电动机的转速。另外，变频器能方便地与数控系统连接，控制电动机的正转、反转及停止。 变频器的控制方式主要有Uf恒定控制方式、无反馈矢量控制方式和有反馈矢量控制方式。数控车床除了在车削毛坯时，负荷大小有较大变化外，以后的车削过程中，负荷的变化通常是很小的。因此，就切削精度而言，选择Uf恒定控制方式是能够满足要求的。但在低速切削时，需要预置较大的Uf，在负载较轻的情况下，电动机的磁路常处于饱和状态，励磁电流较大。因此，从节能的角度看，并不理想。数控车床属于高精度、快响应的恒功率负载加工设备，应尽可能选用矢量控制高性能型通用变频器，而且中、小容量变频器以电压型变频器为主。有反馈矢量控制方式虽然是运行性能最为完善的一种控制方式，但由于需要增加编码器等转速反馈环节，不但增加了费用，而且编码器的安装也比较麻烦。所以，除非对加工精度有特殊要求，一般没有必要选择此种控制方式。 目前，无反馈矢量控制方式的变频器已经能够做到在05Hz时稳定运行。所以，完全可以满足主运动系统的要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服Uf控制方式的缺点，因此可以说，是一种最佳选择。 数控车床连续运转时所需的变频器容量(kVA)计算式如下：式中 PM负载所要求的电动机的轴输出功率； 电动机的效率(通常约O85)； cos电动机的功率因素(通常约O75) MU电动机的电压，380V； MI电动机工频电源时的电流，为154A； k电流波形的修正系数(PWM方式时取105-110)； PCN变频器的额定容量，kVA； ICN变频器的额定电流，A；由以上公式可得： 选择变频器时应同时满足以上三个等式的关系。综合以上分析计算，确定选用三菱FR-A540系列变频器，具体型号为FR-A540-75K-CH。 (1) 用低摩擦高精度的传动元件：如滚珠丝杠螺母副，滚动导轨。(2) 采用消隙齿轮减小传动间隙。2.5.螺纹编码器的安装方案为了使改造后的数控车床能自动加工螺纹，须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，其目的是用来检测主轴转角的位置，通过主轴脉冲编码器数控系统步进电机的信息转换系统，实现主轴转一转，刀架纵向移动一个导程的车螺纹运动。 主轴脉冲编码器的安装，通常采用两种方式：一种是同轴安装，另外一种是异轴安装。同轴安装的结构简单，缺点是安装后不能加工穿入车床主轴孔的零件，限制了工件的加工长度，而异轴安装不会遇到这种问题，因此，异轴安装较合适。主轴通过主轴箱中轴和轴的5858及轴和轴的3333两级齿轮(实现传动比1：1)把动力传递给挂轮轴X，如图2-3、2-4所示，主轴脉冲编码器1通过支架2固定，并通过联轴器3与闷头4相连，闷头4通过过盈配合与主轴箱内X轴连接。C6132主轴转速范围是202000 r/min，可以选择欧姆龙E6B2-CWZ6C型光电脉冲编码器，其允许的最高转速为6000r/ min，所以满足设计要求。2.6 横向进给传动系统的改造 2.6.1横向传动系统的改造 将车床溜板箱拆除，在原处安装滚珠丝杠螺母座，丝杠螺母固定在其上。将横溜板中的普通丝杠、螺母拆除，在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副， 伺服电机与丝杠间采用一级减速器联接, 以缩小传动链, 提高系统刚度, 并减少传动链误差。横向伺服电动机与齿轮减速器总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠通过膜片联轴器相连。膜片联轴器的特点是易平衡，不需润滑。结构简单，有一定的补偿性能和缓冲性能。因其尺寸较大，故可将其放在减速箱内。2.6.2 齿轮传动间隙的消除 齿轮传动初定传动比为2，可取Z1=24 则Z2=48,齿宽B=16.在设计齿轮传动时，为了提高传动精度，必须消除齿轮副的间隙。数控机床进给系统由于经常处于变向状态,反向时如果驱动链中的齿轮等传动副存在间隔,就会使进给运动的反向滞后于指令信号,从而影响其驱动精度,因此24/48这一对齿轮还必须采取措施消除齿轮传动中的间隙,以提高数控机床进给系统的驱动精度。齿轮间隙的调整采用圆柱薄片齿轮可调拉簧错齿法来实现2.7.进给系统的改造与设计方案（1）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找的同步轴，安装螺纹编码器。（2）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速箱总成。（3）拆除溜板箱总成与快刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座和螺母座垫架。（4）拆除四方刀架与上溜板总成，在横溜板上方安装四位工位立式电动机刀架。（5）拆除横溜板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘一段（见图一）锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。（6）将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚珠丝杠的轴头相连。（7）拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆），更换丝杆的右支承。 改造后的横向、纵向进给传给系统见图一、图二。2.8数控系统软硬件总体设计为了使数控系统能够长期、可靠、方便地在工业环镜中运行，在制定数控系统总体方案时必须重点考虑以下几个方面。(1) 加强系统可靠性。影响数控系统可靠性的因素很多，硬件规模和硬件的制造工艺水平往往是影响可靠性的关键因素。因此，应选用高性能的CPU作为系统的运算和控制核心，并尽量用软件来实现数控系统的功能。在系统的具体硬件构成上，选用可靠性高的工控PC作为数控系统硬件平台，减少自制硬件数量。此外，在软件设计、电源选用、接插件设计与选用、接地与屏蔽设计等方面采用强抗干扰、高可靠性的设计，从而全面提高系统的可靠性。(2) 提高数控系统的控制精度。数控系统的控制精度是保证机床加工精度的关键。因此，它在数控系统中处于重要位置。如提高数控系统的最小分辨率，使用高精度的步进电机，采用高速高精度插补算法，提高轨迹生成精度;增强位置环控制能力;增加补偿功能等。(3) 提高使用方便性。提高数控编程的方便性，是提高数控系统使用方便性的关键。因此，数控系统除提供全屏幕编辑进行手工编程外，还应该配置自动编程系统，从而大大提高数控编程的速度和智能化程度，大大方便普通用户的使用。另外，因为现代工人都比较熟悉个人计算机，数控系统在操作方面应采用标准计算机键盘或与其兼容的薄膜键盘等输入设备，也可用软盘、移动磁盘、串行通讯、网络系统等输入零件程序。此外，数控系统中应设置仿真功能，便于用户在加工前检查零件程序的正确性。2.9数控系统硬件结构系统由工控PC硬件平台、数控操作面板(包括LCD显示器，键盘)、数控接口板卡(工/0板，D/A板)和驱动执行机构等组成。PC硬件平台包括工控电源、无源母板、工控PC主板和软盘驱动器、硬盘驱动器等。数控操作面板上有液晶显示器和薄膜键盘等。数控接口板卡是计算机与外部执行装置间进行信息交换和转换的通道，对内通过无源母板与工控PC主板相连，对外通过屏蔽电缆与驱动执行装置相连接。该系统的驱动执行环节包括四个子系统:进给轴控制与驱动子系统;主轴控制与驱动子系统;开关量控制系统。主轴控制与驱动子系统的功能包括两方面:主轴转速的调速控制，以满足宽范围切削速度的要求;主轴转角的精确控制，以满足加工螺纹时的主轴与进给轴的联动控制和换刀时的主轴精确定位控制要求。开关量控制系统完成机床的逻辑顺序运动控制，如主轴起停控制、刀具交换、工件装夹、冷却开关、行程保护等任务。开关量控制系统与其它模块相配合，共同完成机床工作过程的控制。2.10数控系统软件结构数控系统软件为实时多任务系统，系统中的各任务在数控实时操作系统控制下协调进行。(1) 数控实时操作系统。它是数控系统软件中的核心子系统，它对系统中的资源进行统一管理，对各任务进行动态调度，协调各模块的高效运行，并辅助完成各任务间的通讯和信息交换。(2) 信息预处理。该模块完成输入信息译码，完成轨迹插补前的坐标转换和刀补运算。(3) 轨迹插补。它是数控系统的核心模块，其任务是根据信息预处理给出的希望轨迹和从检测装置获得的实际轨迹信息，实时生成机床各坐标轴的移动指令，并完成机床运动的加减速控制。(4) 运动控制。该模块是数控系统的另一核心模块，它根据插补运算结果，通过高速算法对机床各坐标轴进行高精度位置控制，并完成主轴转速与转角的控制任务。(5) 加工仿真模块。该模块以动画方式对数控加工过程进行动态仿真，从而在加工前检验参数输入正确性和机床运动合理性第三章 进给伺服系统传动计算纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杆螺母副、设计减速箱、选择步进电动机。 3.1.脉冲当量的确定根据设计任务的要求，X方向（横向）的脉冲当量为x=0.005脉冲，Z方向（纵向）为z=0.005脉冲。3.2.切削力的计算 纵向切削力的详细计算过程。设工件材料为碳素机构钢，b=650MPa;刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角，前角0=100，刃倾角s=50；切削用量为： =3mm背吃刀量，进给量f=0.6mmr，切削速度 =105mmin。查表10-1，得： =2795， =1.0， =0.75， =0.15。查表10-3，得：主偏角Kr的修正系数 =0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。由经验公式（10-2），算得主切削力 =2673.4N。由经验公 ：Ff ： =1：0.35：0.4，算得纵向进给切削力Ff=935.69N，背向力 =1069.36N。3.3.滚珠丝杆螺母副的计算和选型（纵向）（1）工作载荷F的计算 已知移动部件总重量G=1300N；车削力 =2673.4N， =1069.36N，Ff=935.69N。如图10-20所示，根据 = ， = ， =Ff的对应关系，可得：=2673.4 ， =1069.36N， =935.69N。选用矩形三角形组合滑动导轨，查表10-29，得K=1.15，=0.16代人Fm=KFX （G），得工件载荷F1712N。（2）最大动载荷FQ的计算 设本车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度v=0.8mmin，初选丝杆基本导轨Ph=6mm，则此时丝杆转速n=1000vPh 133rmin。取滚珠丝杆的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT106，得丝杠寿命L0=119.7。查表10-30，取载荷系数fm=1.15、硬质系数=1，代入式（10-23），求得最大动载荷。（3）初选型号 根据计算的最大动载荷，查表10-34，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4006型滚珠丝杆副。其公称直径为32mm，基本导程为6mm，双螺母滚珠总圈数为32=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200N，满足要求。（4）传动效率的计算 将公称直径d0=40mm，基本导程Ph=6mm，代入= Ph(d0)，得丝杆螺旋升角=2044，将摩擦角=10，代入=tantan(+)，得传动效率=94.2。（5）刚度的计算 Z向滚珠丝杆副的支承，采用一端轴向固定，一端简支的方式，见图二。固定端采用一对推力角接触球轴承，面对面组配。丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为a=1497mm；钢的弹性模量E=2.1105MPa；查表10-34，得滚珠直径=3.9688mm，算得丝杠底径d2=公称直径d0滚珠直径则丝杠截面积S=d224=1019.64mm2。忽略式（10-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉压变形量1=(ES) 0.01197mm。根据公式Z=（d0）3，求的单圈滚珠数目Z=29；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为32=6，则滚珠总数量Z=296=174。滚珠丝杆预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm3571N；则由式（10-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.00117mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取2=0.000585mm。将以上计算的1和2代入总，求得丝杠总变形量总=0.012555mm=12.555m。由表10-27知，四级精度滚珠丝杠任意300mm轴向行程内行程的变动量允许16m，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杠，总的变形量总只有12.555m，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核 根据公式（10-28）计算失稳时的临界载荷，查表10-31，取支承系数=2；由丝杠底径d2=36.0312mm，求得截面惯性矩I=d2482734.15mm4；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧底式安装）；滚动螺母至轴向固定处得距离取最大值1497mm。代入式（10-28），得临界载荷FK51012N，远大于工作载荷Fm(1712N)，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。3.4.同步带减速箱的设计（纵向）为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能的减小，传动链中常采用减速传动，本例中Z向减速箱选用同步带传动。设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传动的功率P；主动轮转速n1和传动比i;传动系统的位置和工作条件等。根据改造经验，C6132车床Z向步进电动机的最大转矩通常在1525N. m之间选择。今初步选电动机型号为130BY5501，五相混合式，最大转矩为20N.m，十拍驱动时步进角为0.720。运行矩特性曲线如下图。（1）传动比的确定 已知电动机的步距角=0.720，脉冲当量z=0.01mm脉冲，滚珠丝杠导程Ph=6mm。根据公式（10-12）算得传动比=1.2。（2）主动轮最高转速n1 由Z向拖板的最快移动速度vzmax6000mmmin，可以算出主动轮最高转速n1=(z) 360=1200rmin。（3）确定带的设计功率Pd 预选的步进电动机在转速为1200/min时，对应的步进脉冲频率为：=1200360(60)=1200360(600.72)=10000Hz。从表9-2差得，当脉冲频率为10000Hz时，电动机的输出转矩约为3.8N.m，对应的输出功率为POUT=nT9.55=12003.89.55477.5W。同步带传递的负载功率应该小于477.5，今取P=0.32KW，从表10-18中取工作情况系数FA=1.2，则由式（10-14），求得带的设计功率Pd=KAP=1.20.32KW=0.384KW。（4）选择带型和节距 根据带的设计功率Pd=0.384KW和主动轮最高转速n1=1200rmin。，从图10-14中选择同步带，型号为XL型，节。距 =5.08mm。（5）确定小带轮齿数z1和小带轮节圆直径d1 取z1=25，则小带轮节圆直径d1= Pdz1=40.43mm。当n1达到最高转速1200/min时，同步带的速度为v=d1n1601000=2.54ms，没有超过XL型带的极限速度40m/s。（6）确定大带轮齿数z2和大带轮节圆直径d2 大带轮齿数z2=iz1=30，节圆直径d2=id1=48.51mm。（7）初选中心距a0、带的节线长度L0p、带的齿数 初选中心距a=1.3(d1d2)=115.662mm，圆整后取a0=120mm。则带的节线长度为k。根据表10-13，选取接近标准节线长度F，相应齿数F。（8）计算实际中心距a 实际中心距。 （9）校验带与小带轮的啮合齿数 ，啮合齿数比6大，满足要求。（10）计算基准额定功率P0（所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率） 式中：Ta带宽为的bs0许用工作拉力，由表10-21查得Ta =50.17N； m带宽为bs0的单位长度的质量，由表10-21查得m=0.022kgm； v 同步带的带速，由上述（5）可知v=2.54ms。算得P0=0.127KW。（11）确定实际所需同步带宽度 式中：bs0 选定型号的基准宽度，由表10-21查得bs0=9.5mm； KZ 小带轮啮合齿数系数，由表10-22查得KZ=1。由上式算得bs25.07mm，再根据表10-11选定最接近的带宽bs25.4mm。（12）带的工作能力验算 根据式（10-22），计算同步带额定功率P的精确值： 式中，Kw为齿宽系数：；经计算得P=0.390KW，而Pd=0.384KW，满足PPd。因此，带的工作能力合格。3.5.步进电动机的计算和选型（纵向）（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径，总长（带接杆），导程，材料密度；纵向移动部件总重量G=1300N；同步带减速箱大带轮宽度28mm，节径48.51mm,孔径30mm，轮毂外径42mm，宽度14mm；小带轮宽度28mm，节径40.43mm，孔径19mm，轮毂外径29mm，宽度12mm；传动比i=1.2。参照表11-1，可以算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量；拖板折算到丝杠上的转动惯量；小带轮的转动惯量；大带轮的转动惯量；在设计减速箱时，初选的Z向步进电动机型号为130BYG5501，从表11-5查得该型号电动机转子的转动惯量。则步进电动机转轴上的总转动惯量为：（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩分快速空载荷启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。快速空载启动时的电动机转轴所承受的负载转矩由式（11-8）可知，包括三部分：快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高。根据（11-12）式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有： 根据式（11-9），考虑Z向传动链的总效率，计算快空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：式中： 对应Z向空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min； 步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位s。其中： 式中： Z向空载最快移动速度，任务书指定为6000mm/min； Z向步进电动机步距角，为0.720。 Z向脉冲当量，本例=0.01mm脉冲。将以上各值代入式（9-3），算得=1200rmin。设步进电动机由静止到加速至转速所需的时间Ta=0.4s，Z向传动链总效率=0.7。则由式（9-2）求得： 由式（11-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： 式中：导轨的摩擦系数，滑动导轨取0.16； 垂直方向的工作负载，空载时取0； Z向传动链总效率，取0.7。则由式（9-4），得： 最后由式（