CQ6132普通车床进行数控化改造方案研究

摘 要在数控机床发展的今天,它能够很好地适应现代产品制造的需求,主要是可以进行精确的大批量零件的生产,大大降低了劳动力。但是旧有的普通机床仍然占据了机械中很大的比例,这已经不能满足现代生产的需求.由于购买新机床成本较高,旧有的机床处理比较困难,所以对于一些高的场合,对旧机床的改造旧成为了一个不错的选择.本课题就是通过对 CQ6132 普通车床进行数控化改造方案的研究来了解和实践这项技术。关键字：车床；改造；方案设计； ABSTRACTIn NC machine tools in the development of today, it can well meet the requirement of modern manufacturing, the main is the mass production parts can be accurately, greatly reduces the labor force. But on the old machine is still occupy a great proportion in the machinery, it cannot meet the needs of modern production. Due to buy a new machine cost is higher, the old machine tool processing is difficult, so high for some occasions, the old machine tool of reforming the old becomes a good choice. This topic is based on CQ6132 ordinary lathe numerical control transformation plan of study to understand and practice the technique.Key words: lathe; transformation; plan design;目 录第一章 绪论 .11.1 本文选题的背景及意义 .11.2 机床数控技术的基本概念 .2 1.3 数控机床的组成和分类 .31.4 数控机床的特点 .5第二章 车床的总体改造和设计 .72.1 CQ6132 车床改造的总体方案 .72.2 主要参数 .82.3 进给系统的设计 .82.4 控制系统的软件部分 .82.5 改造后机床的特点 .9第三 章 机床的电气改造 .103.1 数控系统的选择 .113.2 软件功能 .113.3 系统功能 .113.4 PLC 的功能 .123.5 小结 .14第四章 主运动传动系统总体方案的确定 .154.1 主运动传动系统的设计 .154.2 数控机床主传动方式及其特点 .154.3 小结 .16第五章 机床进给传动系统的改造 .175.1 机床进给系统 .175.2 滚珠丝杠的选用及支撑方式 .175.3 滚珠丝杠传动的优点 .175.4 纵向进给系统的设计计算 .185.5 伺服驱动系统的选择 .215.6 进给系统的一些其它要求 .22第六章 支承件的改造 .236.1 支承件的特点 .236.2 导轨的现状 .236.3 导轨的类型及选取 .24第七章 辅助装置的选用 .267.1 刀架的选择 .267.2 机床设备的润滑及冷却 .267.3 小结 .26结束语 .27致 谢 .28参考文献 .29第一章 绪 论1.1 本文选题的背景及意义1.1.1 数控机床我国的发展现状我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求,而另一方面却有不少国产机床滞销积压,国外机床产品充斥市场。90 年国外数控机床在我国市场的占有率仅达 15%左右,而 95 年已达77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说,这个问题反映在下列五个方面:(1) 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为 1518 个月,其中设计时间约为58 个月,占总周期的 40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为 69 个月,其中设计约 1.52 个月,只占 25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。(2) 我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具(如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等),自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计,使设计一次成功的把握性降低,往往需要反复试制才能定型,从而可能错过新产品推向市场的良机。(3) 用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求,甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外,这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周,而在我国机床厂用手工操作就至少需 12 个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门,常会出现漏改和失误的现象,影响了产品的质量和交货期。(4) 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数,他们的专业知识和实际经验不足, 又担负着开发的重任。(5)由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立,缺乏有效的协同开发的模式,不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成产品的反复修改,延长了开发的周期。为解决这些问题,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术,发展优化和仿真技术,提高产品结构性能,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面,使企业取得良好的经济效益。1.1.2 机床数控化改造的必要性我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3%。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6%。我国机床役龄 10 年以上的占 60%以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20%，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60%以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。1.2 机床数控技术的基本概念1.2.1 概述数控技术，简称数控。它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。数控系统包括：数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给装置等部分。要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数，如：进给速度、主轴转速、主轴正反转、换刀、冷却液的开关等。这些信息按一定的格式形成加工程序，通过数控系统的译码，从而使机床准确地动作和加工出优质的零件。1.2.2 数控机床的工作流程数控机床工作时根据所输入的数控加工程序，由数控装里控制机床部件的运动零件加工轮廓，从而满足零件形状的要求。数控加工程序的编制：在零件加工前，首先根据被加工零件图样所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等，确定零件的工艺过程、工艺参数、几何参数以及切削用量等，然后根据数控机床编程手册规定的代码和程序格式编写零件加工程序。对于比较简单的零件，通常采用手工编程；对于形状复杂的零件，则在编程机上进行自动编程，或者在计算机上用 CAD/CAM 软件自动生成零件加工程序。译码：数控装置接受程序，译码程序按照一定的语法规则将信息解释成计算机能够识别的数据形式。刀具补偿：零件加工程序通常是按零件轮廓轨迹编制的。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹运动加工出所要求的零件轮廓。插补：插补的目的是控制加工运动，使刀具相对于工件作出符合零件轮廓轨迹的相对运动。位置控制和机床加工：位置控制的任务是在每个采样周期内，将插补计算出的指令位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电机，电动机使机床的运动部件带动刀具相对于工件按规定的轨迹和速度进行加工。1.3 数控机床的组成和分类1.3.1 数控机床的组成数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成，(见图 1-1)图 1-1 数控机床的组成 (1)输入输出设备输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印 。(2)数控装置数控装置是数控机床的核心。它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。(3)伺服系统伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驭动部件。它包括伺服电路和伺服电机组成。一般来说，数控机床的伺服驱动要求有好的快速响应性能，能灵敏而准确地跟踪由数控装置发出的指令信号。(4)测量反馈装置该装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。(5)机床本体机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。1.3.2 数控机床的分类按伺服系统的控制原理可分为：开环控制的数控机床、半闭环控制的数控机床和闭环控制的数控机床。(1)开环控制的数控机床这类数控机床不带有位置检测装置，数控装置将零件程序处理后，输出数字信号给伺服系统.驱动机床运动。指令信号的流程是单向的。(如图 1-2)图 1-2 开环控制的数控机床 (2)闭环控制的数控机床这类机床带有检测装置。它随时接受在工作台端测得的实际位置反馈信号，将其与数控装置发来的指令位置信号相比较，由其差值控制进给轴运动，直到差值为零，进给轴停止运动。(如图 1-3)图 1-3 闭环控制的数控机床闭环控制可以消除包括工作台传动链带在内的误差，从而定位精度高、速度调节快，但由于工作台惯量大，给系统的设计和调整带来很大的困难，主要是系统的稳定性受到不利影响。(3)半闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床与闭环控制得到数控机床的区别在于检测反馈信号不是来自工作台。而是来自电动机端或丝杠端连接的测量元件。(如图 1-4)图 1-4 半闭环控制的数控机床实际位置的反馈是通过间接测得的伺服电动机的角位移算出来的，因而控制精度没有闭环高，但机床工作的稳定性却由于大惯盆工作台被排除在控制环外，调试方便，因而广泛用于数控机床中。所以本次设计采用的是半闭环控制系统。1.4 数控机床的特点(1)加工零件的适应性强，灵活性好。(2)加工精度高，产品质量稳定。(3)生产率高。(4)减少工人的劳动强度。(5)生产管理水平高。第二章 车床的总体改造和设计2.1 CQ6132 车床改造的总休方案图 2-1 数控系统的总体框架总体框架说明:(1) PC 机：可采用工控 PC 机，可满足该控制系统的控制要求。(2)运动控制卡：采用 PCL 运动控制卡，该卡是一种高速三轴步进电机运动控制卡，它有 16 位的数字输入、输出口，可实现三轴联动。因此，它可以满足车床 X、Z 轴联动，实现直线，圆弧插补。(3)光电耦合电路的作用是能够隔离外部干扰信号对运动控制卡的信号冲击，提高系统的稳定性。(4)机床本体是由 CQ6132 改造而来，拆除原来的丝杆，溜板箱，变速箱等。 (5)步进电机及其驱动器要能够达到 0.005mm 的加工精度要求。(6)各种限位开关：减速开关，回零开关均安装在机床本体上，限位开关起着硬件硬限位的作用，当车床加工工件超出加工范围时，车床自动停止加工。减速开关的作用是当车床刀架回零并走到车床零点附近时，减速开关被开启并通知车床减速走到零位置。2.2 主要技术参数床身上回转直径320mm工作台上回转直径185mm两顶尖距离510 610 915mm主轴孔径 40mm主轴孔锥度MT5主轴转速/级数 1801930r/min/8纵向行程 500 600 900mm横向行程 170mm小刀架行程85mm公制螺距/级数0.53mm/10英制螺距/级数848t.p.i/14纵向走刀量/级数 0.10.4mm/r/3电机功率 1.5 kw机床净重/毛重 330/380kg,350/400kg,390/450kg底座净重/毛重 58/70kg主机外形尺寸 1430,1540,1845680515mm主机包装尺寸 20807901480mm底座包装尺 950790870mm2.3 进给系统的设计考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈，故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。本车床的 X、Z 两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节，直接采用了步进电机+刚性联轴器+滚珠丝杆的传动方案。拆除原来的丝杆，增加少量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副。2.4 控制系统的软件部分该车床控制系统采用西门子 808 系统。其功能主要有读取零件的加工 G 代码，编辑和编译 G 代码，仿真加工(包括加工前仿真和与加工同步仿真)，回参考点，手工对刀，加工中断，超程软限位等功能。它可处理进给速度，主轴速度及转速方向，刀具信息，M 功能等多种加工信息。加工过程中，软件界面的状态栏还可以显示出刀具当前的坐标，加工状态，加工时间等信息。2.5 改造后机床的特点(1)具有与原机床一致的刚度与强度.(2)具有与原机床一致的加工范围。(3)纵向进给直线度与原机床一样，其运动精度则有数控系统和纵向电机、滚珠丝杠的精度保证。(4)横向进给的直线度和运动精度全部有改造部分的制造和装配精度保证。(5)可充分利用机床床身部分的已加工表面作为改造部分的定位和测量基准。第三章 机床的电气改造3.1 数控系统的选择机床数控系统(CNC 系统)是数控机床的控制核心，随着机床数控技术的不断发展与进步，提高了数控机床的整体性能，尤其是它的加工精度和生产效率提高得更为显著，现在，数控机床已在机械工业生产中得到广泛应用。基于操作面板的紧凑型数控系统 SINUMERIK 808D 车削和 SINUMERIK808D 铣削极其坚固耐用 并且非常容易维护。强大的数控功能能够在很短的加工时间内实现极佳的工件加工精度。借助 SINUMERIK808D 在线向导 从调试到生产直至销售的所有机床加工步骤的培训费用可降至最低。(如图 3-1)图 3-1 西门子 808D 操作面板3.1.1 优点(1)紧凑、耐用、并且免维护的操作面板型数控系统 预装车床专用的系统软件(2)无需在机柜上钻孔的智能卡扣安装(3)使用 USB 接口的即插即用机床控制面板(4)现代化的数控系统确保了系统性能和精度(5)SINUMERIK 808D 在线向导可以帮助学习、研究、简化最新的数控系统技术(6)SINUMERIK Operate BASIC 人机界面与 SINUMERIK 828D 和 840D 类似的便捷操作(7)SINUMERIK program GUIDE BASIC 全面的工艺循环 用于通过图形输入界面方便地输入车削和钻削循环(8)手动机床功能 带有手轮控制平床身机床的简单半自动加工(9)通过 U 盘的简单数据传3.2 软件功能(1)CNC 功能系统软件的开放性和友好界面，帮助性的编程方式。定义的固定循环并使用户很方便地根据其加工特性进行编写自己的固定循环，用户集成的 G 代码功能。M 功能和 PLC 功能的调用子程序，E 参数(用户可以通过 E 参数来读取或改变 CNC 的数值)。强大的通讯功能(RS232IRS4221RS485) ，边加工边传输功能。提高了计算机的 CAD/CAM 程序的加工能力。完善的丝杠螺距补偿。FANUC 的螺距补偿为线性补偿，补偿中仅把相应的拐点坐标值输入即可。并且没有固定的距离和补偿值的限制。(2)PLC 功能梯形图的 PLC 程序，多任务的 PLC 程序的编程结构，提高了 PLC 程序的编写和可读性。梯形图 PLC 程序在屏幕上的动态显示，方便了最终用户的维修。丰富的 PLC 和 CNC 交换信息量, PLC 图形界面的管理。(3)强大的编程软件GSKCC 软件。Windows 环境下并运行在 PC 计算机上，PLC 程序的编写工具，方便的机床程序管理。简便的通讯能力(PCIONC 间为主从关系，所有操作均在PC 侧完成)，动态的 PLC 程序显示(PC 侧)。GSKCC 软件 Windows 环境并运行在 PC 计算机。调整 NC 的机床参数和伺服系统，图形的动态响应，强大的优化功能，方便地调整系统参数。3.3 系统的功能西门子 808 系统为全功能型，下列一些功能增加了系统的应用范围和操作的方便:Cs 轴轮廓控制:可以省掉 Cf 轴，用主轴的转动作为回转坐标与其它直线轴插补，加工轮廓曲线。刚性攻丝:Z 轴进给与主轴转动同步，不用弹簧卡头实现攻丝，从而提高了螺纹的加工精度。PMC 轴控制:用梯形图程序控制伺服进给轴，用于回转轴分度或定量位置进给。0-C 系统 PMC 可控制 2 个进给轴。主轴双刀架。0.1um 分辨率:系统分辨率标准设定为 1urn。可用参数设定为其 1/10.加工程序的后台编辑:自动切削过程中可以编辑新的程序。菜单编程。图形会话在线自动编程:有多种形式，最新的是符号指令形式，易学，易操作。有工艺参数语句。用户宏程序:一种参量编程软件包，用来编制加工程序(适合于成组工艺)或者用其接口变量编制 PMC 程序，控制 CNC 的运行状态。CNC 是本系统的核心部分，用以完成人机对话与通讯，解释机械加工语言，分配加工任务，以及协调各功能模块的工作等。进给控制部分选用 NUMDRIVE 交流伺服系统，根据计算以及参考同类型机床，纵向(Z 轴)选 36N.m 交流何服电机，横向(X 轴)选用 22N.m 电机，实现位置、速度双闭环控制，以实现机床精确的进给运动。辅助控制部分包括机床的冷却系统、润滑系统与主轴运动等方面的控制。同时在主轴箱内安装编码器，以构成加工螺纹所需的主输系统(c 轴)。选用 IOO Opmr 的编码器，由于主轴大齿轮为 128 齿(m=5)，故编码器前端齿轮选用 20 齿，其速比为 6.4:1,则主轴每转一转，编码器将返回 6400 个脉冲，经四分频后，每转计数脉冲为 25600，分辨率为 50.625 秒/脉冲，完全满足数控系统对 C 轴的反馈精度要求。3.4 PLC 的功能3.4.1 PLC 的基本结构及工作原理PLC 采用的是典型的计算机结构，主要包括 CPU,RAM,ROM 和输入、输出接口电路等。其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。如果把 PLC 看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为 PLC 的输入变量:它们经 PLC 外部输入端子输入到内部寄存器中，经 PLC 内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，他们是 PLC 的输出变量。由这些输出变量对外围设备进行各种控制。这里可将 PLC 看作一个中间处理器或变换器，以将输入变量变换为输出变量。(如图 4-1)图 4-1 西门子 808D 系统图3.4.2 PLC 与 CNC 机床的联接方式CNC 数控系统的控制信号有两类:一类是高速信号,主要用于各个坐标轴的插补运动;另一类是低速信号，主要用于控制主轴电机的正、反运转、接触器、电磁阀的通断等开关 t，低速信号的控制对象主要一些商电压或大电流的强电设备，其控制采用可编程序控制器，具有可靠性高，柔性好等特点，而且随粉可编程控制器本身性能价格比不断提高，在现代 CNC, FMS 系统中的应用有不断上升的趋势。目前，数控机床 PLC 的形式有两种:一种是采用单独的 CPU 完成PLC 功能，即配有专门的 PLC, PLC 在 CPU 外部，称为外装型 PLC;第二种是采用数控氛统与PLC 合用一个 CPU 的方法.PLC 在 CPU 内部，称为内装型 PLC. FANUC 数控系统采用内装型 PLC。可编程控制器与 CNC 机床的联接方式本质上是外电路联接方法，系统 I/0口发出控制指令，使可编程控制器输入端无触点开关通断，通过 CNC 数控完成可编程控制器对机床强电的逻辑控制。CNC 机床的被控对象有带动主轴旋转的主电机、大量开关量、伺服电机等，可编程控制器与 CNC 机床的强电、CNC 数控装里 1/0 口的联接可归纳为三部分。3.4.3 PLC 输入输出端与机床面板信号联接FANUC 机床操作面板有多达 39 个自定义键。面板与系统采用光纤连接。结合该机床控制操作的自身特点要求，在机床面板上定义了一些操作键，完全满足了机床控制的要求。CNC 数控机床操作面板上有按钮、旋钮开关、波段开关和指示灯等.按钮、旋钮开关和波段开关直接与可编程控制器的愉入端接线柱相连，指示灯接线直按与 PLC 输出端接线柱相连，指示灯的亮暗取决于相应的 PLC 输入端的开关状态及固化在 PCROM 卡中的梯形圈程序。3.4.4 PLC 输出端与机床强电信号联接PLC 在 CNC 机床中的主要作用是控制强电部分.如:主控电源、伺服电源、刀架电机正反转、主轴风扇、润滑电机势。由于流过强电电路的电流很大，在PLC 输出瑞都接有保护用继电器。在每一个交流缘圈两侧并联阻容电路以吸收由于线圈通断时产生的浪涌电流.为了提商电机运行的可非性，在接触移线翻电路中加有互锁保护触点。同理，每个电机的运行程序控制逻辑都固化在 PCROM 卡中，受机床操作面板开关和数控系统软件的控制。3.4.5 PLC 输入端与 CNC 机床数控装盆 I/O 接口的联接可编程控制器物出端的通断是由其物入端通断状态及梯形图程序决定的，CNC 机床数控装 I 与可编程控制器的联接是通过软开关直接控制 PLC 粕入端的通断.以决定 PLC 输出端的状态.从数控装置 I/0 口的信息流向分析，可以分为两种情况:一是数控装!从 1/0 口输出指令，控制 PLC 完成相应的动作;另一种是检测 PLC 输入口的开关状态，数控装里的 I/0 口是输入信号，数控装登根据输入信号的性质做出相应的控制。3.5 小结本次采用的西门子 808Dde 系统是由于西门子在现代社会中运用比较广泛,并且售后服务比较好,PLC 和 NC 数据都是厂家给的,应用比较方便.第四章 主运动传动系统总体方案的确定4.1 主运动传动系统的设计主传动系统的设计主要是根据变速传动系统的不同类型而决定的，而变速系统的类型应兼顾缩短变速所需的时间并能简化传动系统机构等因素综合来选择、设计。传动系统的类型主要有三种：4.2 数控机床主传动方式及其特点4.2.1 齿轮传动所谓齿轮传动是采用少数几对齿轮降速，用液压拨叉自动变速，电机主轴仍为无级变速，并实现主轴的正反启动、停止、制动。齿轮传动在扭矩输出方面没有其他的传动方式可以超过，因此一般要求极高扭矩输出的情况下使用。可以通过齿轮组的切换得到不同的转速比，从而适应更广泛的加工需求。缺点是噪音大，发热大，无法用于高转速的应用。4.2.2 皮带传动皮带传动又称为同步齿形带传动，使用直流或交流主轴伺服电机，由同步齿形带传动至主轴传动。皮带传动的主轴箱及主轴结构设计相对简单，同时主轴部件刚性好，传动效率高、平稳、噪声小，不需润滑。通常是减速传动，另外使用较小的电机也可以获得更好的低速性能，但无法实现转速比的切换。适用于中档机床，高端镗铣类数控设备上已经很少看到这种传动方式了。4.2.3 电机直联主轴电机和主轴之间使用联轴器直接联接，结构简单，避免了皮带方式皮带打滑和皮带振动等问题，这种方式应处理好散热、润滑，一般应用于高速机床、镗铣类的数控设备上。4.3 小结经过调研、查阅资料可知，大部分数控机床采用分级变速机构，并采用电磁离合器进行自动变速，而经济型数控机床大多数是在原有普通机床的基础上进行改进，并采用简单的数控系统变速进给机构，自动刀架，具有经济的突出特点，现在这种机床在小型、私营企业正被大量使用，但也存在一些如在加工过程中不能自动变速等缺点，为了使能设计的机床在时常上更具竞争力，因此采用无级变速传动系统中的机械无级变速器。第五章 机床进给传动系统的改造5.1 机床进给系统5.2 滚珠丝杠的选用及支承方式数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座、丝杠端部的轴承及其支承加工的不精确性和它们在受力后的过量变形，都会给进给系统的传动刚度带来影响。因此，螺母座的孔与螺母之间必须保持良好的配合，并应保证孔对端面的垂直度。螺母座应增加适当的肋板，并加大螺母座和机床结合部件的面积，以提高螺母座的局部刚度和接触刚度。所以我本次设计中选用的是滚珠丝杠传动。5.3 滚珠丝杠传动的优点传动效率高，以极小的滚动摩擦代替了传统的滑动摩擦，大大减小的摩擦使滚珠丝杠副的传动效率获得极大地提高，传动效率达 90%以上。进而，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠副的 1/3 左右。因此，滚珠丝杠能够顺滑地实现两种传动方式将旋转运动转化为直线运动或者将直线运动转化为旋转运动。但应注意，由于滚珠丝杠副不能自锁，有可逆性，丝杠立式和倾斜使用时，应增加制动装置或平衡装置。精度高，由于滚珠丝杠副传动效率达到 90%以上，因而发热率大大降低，热变形就小，若使用的丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，使设备获得很高的定位精度和重复定位精度。摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象；磨损小、寿命长。滚珠丝杠副中的主要零件，均经热处理，具有很高的硬度及表面光洁度，再加上滚动摩擦的摩损很小，因而具有良好的耐磨性，实际寿命往往大于理论寿命。5.4 纵向进给系统的设计计算5.4.1 切削力计算最大切削功率式中 主电动机功率，CQ6132 车床 =7.5KW主传动系统的总效率，一般 0.70.85，取 =0.8切削功率应在各种加工情况下经常遇到的最大切削力（或转矩）和最大切削速度（或速）来计算，即式中 主切削力， ；最大切削速度，按用硬质合金刀具半精车钢件时的速度取 =100m/min.在一般外圆车削时=（0.10.55） ， =（0.150.65） 取=0.48 =1728N， =0.58 =2088N；式中 、 纵向、横向切削力分力。5.4.2 滚珠丝杠副的选型和验算滚珠丝杠副的选型和验算主要是型号的选择和性能验算。 滚珠丝杠的选用设计，一般必须已知下列条件：丝杠的最大轴向载荷 （或平均工作载荷 ） 、使用寿命 T、丝杠的工作长度（或螺母的有效行程） 、丝杠的转速 （或平均转速） 、丝杠的运转状态等，以纵向为例，可按以下步骤计算：（1）滚珠丝杠轴向进给切削力的计算纵向进给为综合型导轨，滚珠丝杠轴向进给切削力=K + （ +W）=2691.2N 式中 W移动部件的质量，N；导轨上的摩擦因数，取 =0.16；K考虑颠覆力矩影响的实验系数，K=1.15。（2）滚珠丝杠平均转速的计算最大切削力下的进给速度 （r/min） ，可取最高进给速度的 1/21/3（取为1/2） ，纵向最大进给速度为 0.6m/min，丝杠导程选 =6mm，则滚珠丝杠平均转速（3）滚珠丝杠寿命的计算丝杠使用寿命取 T=20000h（2 班工作制 10a） ，则丝杠的计算寿命（4）滚珠丝杠副承受的最大当量动载荷的计算根据工作负载荷 、寿命 L，滚珠丝杠副承受的最大当量动载荷式中运转系数，取 =1.2； 精度系数，滚珠丝杠副精度取为 3 级，则取 =1（5）从滚珠丝杠尺寸系列表（或产品样本）中找出额定动载荷 略大于当量动载荷 ，同时考虑刚度要求，初选滚珠丝杠副的型号及有关参数。（6）根据机床结构和工作要求（即循环方式、预紧方式、传动精度、传动效率等方面）从初选的几个型号中挑选比较合适的公称直径、导程、负荷滚珠列数和滚珠圈数，确定某一型号。参照山东济宁博特精密丝杠制造有限公司的产品样本，CQ6132 纵向进给滚珠丝杠副的型号选为：CDM40062.5P3，是外循环插管埋入式双螺母垫片预紧丝杠副，其额定动载荷为 14820N，强度足够，刚球循环列数为 1x2.5x2，精度等级为 3 级。其几何参数如下：公称直径 = 40mm，导程 = 6mm，刚球直径 = 3.969mm，丝杠底径 = 35.2mm，预紧力 =2006N。5.4.3 刚度验算的计算滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算丝杠的拉伸或压缩变形量 、滚珠与螺纹滚道接触变形量 和支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 之和应不大于机床精度所允许变形量的 1/2。否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。滚珠丝杠的变形量计算步骤如下：（1）丝杠的拉伸或压缩变形量 式中 工作负载 引起导程 的变化量，由于两端均采用角接触球轴承，且丝杠又进行了预紧，故其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高 4 倍。其实际变形量为=1/4 =0.494x mm（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形滚珠丝杠副及轴承均进行预紧，滚珠与螺纹滚道接触变形式中 滚珠数量， ；圈数；列数；每圈螺纹滚道内的滚珠数。对于 CDM4006C2.5， ，取整为 158 个。因丝杠加有预紧力，可减少 1/2，因此实际变形量= 0.0059/2 =0.295x mm（3）支承滚珠丝杠的轴承轴向接触变形支承滚珠丝杠的轴承为 8107 型推力球轴承，几何参数为 =3.5mm，滚动体直径 =6.35mm，滚动体数量 =18，轴承的轴向接触变形因施加预紧力，故实际变形量= /2=0.0039mm根据以上计算，总变形量= + + 11.8 三级精度滚珠丝杠允许的螺距误差为 15 /m，故刚度足够。因为滚珠丝杠两端都采用推力球轴承并预紧，因此不会产生失稳现象，故不需稳定性校核。通过以上的计算，或得 CDM40062.5P3 纵向进给系统的滚珠丝杠副，在数控改造 CQ6132 车床应用后，机床工作台运转平稳、灵活、精度高、噪音低，可以满足实际生产加工要求。5.4.4.滚珠丝杠副及预紧方式的选择滚珠丝杠副根据其滚珠的回转方式可以分为外循环和内循环两种，根据螺母的结构形式又可以分为双螺母和单螺母。在进行改造时应根据具体情况和结构形式来定，由于外循环式丝杠副螺母回珠器在螺母外边，所以很容易损坏而出现卡死现象，而内循环式的回珠器在螺母副内部，不存在卡死和脱落现象。由于双螺母不仅装配、预紧调整等比单螺母方便，而且其传动刚性比单螺母也好，所以只要结构和机床空间满足要求，在普通机床数控化改造中多选内循环式双螺母结构。按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫片预紧、双螺母差齿预紧、双螺母螺纹预紧。数控机床上常用双螺母垫片式预紧，其预紧力一般为轴向载荷的 1/3。在本设计中，我们采用双螺母内循环的形式，用双螺母垫片预紧。5.4.5 滚珠丝杠的材料及热处理根据金属切削机床设计简明手册P298 表 4-156，选择的材料为CrWMn，所选热处理为整体淬火。5.5 伺服驱动系统的选择早期的数控机床采用电液伺服驱动的较多，而现代数控机床基本上都采用全电气伺服驱动系统。它可分为步进电机、直流伺服电动机和交流伺服电动机伺服驱动系统三类。5.5.1 步进驱动系统步进驱动系统一般与脉冲增量插补算法相配合，目前均选用功率型步进电机作为驱动元件。它主要有反应式和混合式两类。反应式价格较低，混合式价格较高，但混合式步进电机的输出力矩大，运行频率及升降速度快，因而性能更好。为克服步进电机低频共振的缺点，进一步提高精度，出现了性能更好的带细分功能的步进电机驱动装置，并得到了广泛的应用。步进驱动系统在我国经济型数控领域和老式机床改造中起到了极其重要的作用。5.5.2 直流伺服驱动系统直流伺服驱动系统从 20 世纪 70 年代到 20 世纪 80 年代中期，在数控机床领域占据了主导地位。大惯量直流电动机具有具有良好的宽调速特性，其输出转矩大，过载能力强。由于电动机自身惯量较大，与机床传动部件的惯量相当，因此，所构成的闭环系统安装到机床上。此类电动机大多配有晶闸管全控或半控桥 SCR-D 调速装置。为适于部分数控机床频繁启动、制动及快速定位的要求，又开发了直流中，小惯量伺服电动机以及大功率晶体管脉宽调制(PWM)驱动装置。5.5.3 交流伺服驱动系统由于直流伺服电动机使用机械换向，因此存在许多缺点。而直流伺服电动机优良的调速特性正是通过机械换向得到的，因而这些缺点无法克服。多年来，人们一直试图用交流电动机代替直流电动机，其困难在于交流电动机很难达到直流电动机的调速性能。进入 20 世纪 80 年代之后，由于交流伺服电动机的材料、结构以及控制理论与方法的突破性进展，以及微电子技术和功率半导体器件的发展，使交流驱动装置发展很快，目前已逐渐取代了直流伺服电动机。交流伺服电动机的最大优点在于不需要维护，制造简单，适合于在恶劣环境下工作。所以本次设计中采用的是西门子 808D 半闭环系统,选择的是交流伺服驱动系统。5.6 进给系统的一些其它要求5.6.1 进给系统的润滑机床在运行过程中，各运动件之间存在摩擦，必须采用一定的润滑及防护措施来减小其相对摩擦，从而提高机床的使用寿命。使用润滑剂可提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类。润滑脂的特点是黏度大，不易流失，因此不需经常加换，使用方便，密封也较简单。但其摩擦阻力大，机械效率低；流动性差，导热系数小。因此仅适用于转速不高的轴承，外露的齿轮和某些不易密封的主轴件等。润滑油一般为全损耗系统用油。在此进给系统中，齿轮的转速比较低，因此不能使油飞溅润滑，在齿轮和轴承处采用润滑脂来润滑。在滚珠丝杠副中，也只能采用润滑脂。5.6.2 防护 滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杆副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。另外，对滚珠丝杠的安装处应进行削边。第六章 支承件的改造6.1 支承件的特点支承件是机床的基础部件，包括床身、立柱、横梁、底座、工作台、箱体、升降台等。它们之间有的互相固定连接，有的在导轨上运动。支承件在加工过程中受各种力和热的作用会产生变形，从而改变执行机构的正确位置或运动轨迹，影响加工精度和表面质量。因此必须采取一定的措施进步支承件抵抗受力变形和受热变形的能力。6.2 导轨的现状导轨是伺服进给系统的重要环节之一，它对数控机床的刚度、精度与精度保持性等有着重要地影响，现代数控机床的导轨，对导向精度、精度保持性、摩擦特性、运动平稳性和灵敏度都有更高地要求，在材料和结构上起了“质”地变化，已不同于普通机床的导轨。6.3 导轨的类型及选取导轨副是数控机床的重要部件之一，导轨的作用是使运动部件能沿一定轨迹运动，并承受运动部件及工件的重量和切削力。它在很大程度上决定数控机床的刚度、精度和精度保持性。数控机床导轨必需具有较高的导向精度、高刚度、高耐磨性，机床在高速进给时不振动、低速进给时不爬行等特性。目前数控机床使用的导轨主要有 3 种：滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。 6.3.1 滑动导轨金属或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引导移动装置或设备并减少其摩擦的一种装置。导轨表面上的纵向槽或脊，用于导引、固定机器部件、专用设备、仪器等。导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。导轨按摩擦性质分为：滑动导轨、滚动导轨、静压导轨、气浮导轨。本课题采用了滑动导轨。滑动导轨分为：（1）矩形导轨如图（6-1）-a：具有刚度高，承载能力大，制造，检验和维修方便。但是导轨不可避免地存在侧间间隙，因而导向精度较差。（2）三角形导轨如图（6-1）-b：导向性能与顶角 有关， 越小导向性越好，但 减小时导轨面当量摩擦系数加大； 角加大承载能力增加。支承导轨为凸三角形时，不易积存有较大积屑，也不易存润滑油。支承导轨为凹三角形时，导轨副易产生动压效应，但防尘性差。 （3）燕尾形导轨如图（6-1）-c：其高度较小，可承受颠覆力矩；但刚度差，制造、检验和维修都不方便。燕尾槽导轨，其特点是：结构紧凑，调整间隙方便，形状较复杂，摩擦力偏大。（4）圆柱形导轨如图（6-1）-d：易制造，不易积存较大积屑和润滑油，磨损后难以调整和补偿间隙。主要用于受轴向载荷的场合。图（6-1）：滑动导轨截面形状6.3.2 滚动导轨直线滚动导轨是目前最流行的一种新形式。直线滚动导轨主要由导轨体、滑块、滚珠、保持器、端盖等组成。生产厂把滚动导轨的预紧力调整适当，成组安装，所以这种导轨又称为单元式直线滚动导轨。使用时，导轨固定在不运动部件上，滑块固定在运动部件上。当滑块沿导轨体移动时，滚珠在导轨和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道，从工作负荷区到非工作负荷区，然后再滚动到工作负荷区，不断循环，从而把导轨体和滑块之间的移动变成了滚珠的滚动。为防止灰尘和脏物进入导轨滚道，滑块两端及下部均装有塑料密封垫，滑块还有润滑油注油杯。滚动导轨的最大优点是摩擦系数小，比塑料导轨还小；运动轻便灵活，灵敏度高；低速运动平稳性好，不会产生爬行现象，定位精度高；耐磨性好，磨损小，精度保持性好；且润滑系统简单，为此滚动导轨在数控机床上得到普遍地应用。但是，滚动导轨的抗振性较差，结构复杂，对脏物较敏感，必须要有良好的防护措施。6.3.3液体静压导轨静压导轨是在两个相对运动的