CW6163型臥式車(chē)床數(shù)控化改造的總體設(shè)計(jì)及尾座設(shè)計(jì)

1、CW6163型臥式車(chē)床數(shù)控化改造的總體設(shè)計(jì)及尾座設(shè)計(jì) - -緒論數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問(wèn)題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數(shù)控機(jī)床價(jià)格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國(guó)作為機(jī)床大國(guó)，對(duì)普通機(jī)床（C6163車(chē)床）數(shù)控化改造不失為一種較好的良策。本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)企業(yè)現(xiàn)狀，提出簡(jiǎn)易型經(jīng)濟(jì)數(shù)控改造思路和設(shè)計(jì)方法供數(shù)控技術(shù)人員參考.C6163車(chē)床主要用于對(duì)小型軸類(lèi)、盤(pán)類(lèi)以及螺紋零件的加工。其數(shù)控改造后數(shù)控系統(tǒng)控制的對(duì)象有:主軸正反轉(zhuǎn)控制、主軸

2、變速；刀架的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制，刀具的選擇控制、四個(gè)刀位自動(dòng)換刀控制；冷卻泵、潤(rùn)滑泵的啟?？刂?；脈沖編碼器的加裝等。根據(jù)C6163普通車(chē)床的自身特點(diǎn)及相關(guān)資料，確定總體的改造方案。機(jī)床改造項(xiàng)目主要有：拆掉手動(dòng)刀架和小拖板后裝上數(shù)控刀架；拆掉普通絲杠、光杠進(jìn)給箱、溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副；主軸后端增加一個(gè)光電編碼器；采用波紋管聯(lián)軸器進(jìn)行連接。第一章、數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.1數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床是一種高效自動(dòng)加工機(jī)床，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。數(shù)控機(jī)床具有普通車(chē)床難以具備的特點(diǎn)。正因?yàn)樗倪@些特點(diǎn)，使它在制造業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。 1、具有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性，能適應(yīng)

3、不同零件的自動(dòng)加工。在數(shù)控機(jī)床上加工零件，一般借用通用工裝夾具，很少采用專(zhuān)用工裝夾具；當(dāng)改變被加工零件時(shí)，除更換刀具外，只需更改零件程序，而且編程工作可以離線(xiàn)進(jìn)行或邊編程邊加工。因而可大大縮短生產(chǎn)周期，有利于產(chǎn)品更新?lián)Q代。2、具有高的生產(chǎn)效率。數(shù)控機(jī)床主機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上做了較大的改變，加工是可以采用大切屑用量，加之換刀等輔助動(dòng)作的自動(dòng)化，與普通機(jī)床相比數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)率可以提高23倍。尤其是對(duì)一些復(fù)雜零件的加工，其生產(chǎn)率可提高十幾倍甚至幾十倍。3、具有高的加工精度，穩(wěn)定的加工質(zhì)量。由于數(shù)控機(jī)床是按照編寫(xiě)的零件加工程序自動(dòng)加工，因而可以避免人為因素帶來(lái)的誤差。另外，由于數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了必要的

4、措施以及機(jī)電結(jié)合的特點(diǎn)，使其本身精度比較高，而且又能利用軟件進(jìn)行精度校正和補(bǔ)償。因此，不但加工精度高，而且質(zhì)量穩(wěn)定。4、能夠完成普通機(jī)床難以完成或不能完成的復(fù)雜型面加工，如復(fù)雜型面模具、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等。5、工序集中，一機(jī)多用。數(shù)控機(jī)床，特別是帶有自動(dòng)換刀裝置的加工中心，一次裝夾后幾乎可以完成零件的全部加工。一臺(tái)數(shù)控機(jī)床可以代替數(shù)臺(tái)普通機(jī)床，節(jié)省了勞動(dòng)力以及工序間運(yùn)輸、測(cè)量和裝卡等輔助時(shí)間，同時(shí)也節(jié)省了廠房面積。6、使生產(chǎn)環(huán)境得到改善，并可大大地減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。7、可以實(shí)現(xiàn)精確的成本核算和生產(chǎn)進(jìn)度安排；可以大大減少在制品的數(shù)量，加速流動(dòng)資金周轉(zhuǎn)。因而有利于生產(chǎn)效率的提高。8、是實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)加

5、工的重要設(shè)備，使發(fā)展生產(chǎn)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)的基礎(chǔ)。1.2 數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀我國(guó)的數(shù)控機(jī)床無(wú)論從產(chǎn)品種類(lèi)、技術(shù)水平、質(zhì)量和產(chǎn)量上都取得了很大的發(fā)展，在一些關(guān)鍵技術(shù)方面也取得了重大突破。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)可供市場(chǎng)的數(shù)控機(jī)床有 1500種，幾乎覆蓋了整個(gè)金屬切削機(jī)床的品種類(lèi)別和主要的鍛壓機(jī)械。領(lǐng)域之廣，可與日本、德國(guó)、美國(guó)并駕齊驅(qū)。這標(biāo)志著國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床已進(jìn)入快速發(fā)展的時(shí)期。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量持續(xù)地以年均增長(zhǎng)超過(guò)30%的速度快速增長(zhǎng)。2004 年其產(chǎn)量達(dá) 52000 臺(tái)以上，同比年增長(zhǎng)40%，數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)量約74000 臺(tái)，同比年增長(zhǎng)32%。在數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平方面，由于市場(chǎng)需求的拉

6、動(dòng)，中高檔數(shù)控機(jī)床的開(kāi)發(fā)也取得了較大的進(jìn)展，在五軸聯(lián)動(dòng)、復(fù)合加工、高速加工、超精加工和數(shù)字化設(shè)計(jì)等一批關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破，并形成了一批中檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化基地。但是，另一方面進(jìn)口的數(shù)控機(jī)床數(shù)量也在逐年同步增加，而且進(jìn)口數(shù)控機(jī)床消費(fèi)額的增長(zhǎng)趨勢(shì)更快。2004年數(shù)控機(jī)床的進(jìn)口數(shù)量同比年增長(zhǎng)30%，而進(jìn)口消費(fèi)額的增長(zhǎng)卻達(dá)52%，從而導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)消費(fèi)額總額所占比例已不足30%。之所以出現(xiàn)這一現(xiàn)象，其主要原因在于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)技術(shù)和附加值高的高效精密和高性能大重型數(shù)控機(jī)床需求增長(zhǎng)，要依靠進(jìn)口解決。 從上世紀(jì)80 年代起，我國(guó)機(jī)床制造業(yè)的發(fā)展雖有起伏，但對(duì)數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床一直給予較大的關(guān)注，已

7、具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在中、高檔數(shù)控機(jī)床方面，與國(guó)外一些先進(jìn)技術(shù)與產(chǎn)品仍存在較大差距，效率、精度和可靠性等方面均有明顯差距，相當(dāng)歐洲在上世紀(jì)90 年代中期水平，大部分處于技術(shù)跟蹤階段。1.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對(duì)零件加工質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。隨著社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化需求的增強(qiáng)，產(chǎn)品品種增多，產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。這使得數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及主機(jī)結(jié)構(gòu)提出更高的要求。尤其是隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的興起和不斷成熟，對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性、通信功能、人工智能和自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用提出了更高

8、的要求。歸納起來(lái)，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：高速度、高精度化現(xiàn)代機(jī)床CNC系統(tǒng)多采用32位CPU，并向64位CPU發(fā)展，并且采用多微處理器并行技術(shù)，使運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)處理能力得到很大的提高。如FAND CF-1、FM-1、FS15系統(tǒng)，SIEMENS800系列的840C系統(tǒng)等，其主CPU都采用64位機(jī)，使插補(bǔ)運(yùn)算和快速進(jìn)給功能大為增強(qiáng)。64位簡(jiǎn)化指令集（RISC）微處理器告訴系統(tǒng)的采用，使運(yùn)算速度成倍增加，使復(fù)雜形狀零件的告訴、高精度加工成為可能。與高性能CNC系統(tǒng)相配合，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用了交流數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置、速度和電流環(huán)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，并采用現(xiàn)代控制理論，實(shí)現(xiàn)了不

9、受機(jī)械負(fù)荷變動(dòng)影響的高速響應(yīng)伺服驅(qū)動(dòng)。由于新型CNC系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的采用，使數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度和分辨率力得到很大提高，在100240 m /min的進(jìn)給速度下其位移分辨力可達(dá)1m在24m/min的進(jìn)給速度下其位移分辨力可達(dá)0.1m，在2.4m/min的進(jìn)給速度下其位移分辨力可達(dá)0.01m.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床還充分利用CNC系統(tǒng)的補(bǔ)償功能（如反向間隙補(bǔ)償功能、螺距誤差補(bǔ)償功能及熱補(bǔ)償功能等）來(lái)提高其加工精度和動(dòng)態(tài)性能。更高的可靠性由于現(xiàn)代機(jī)床CNC系統(tǒng)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化。便于組織批量生產(chǎn)，有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)代CNC系統(tǒng)大量采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，采用專(zhuān)用芯片及混合式集成電路

10、，提高集成度，減少了元器件數(shù)量，降低了功耗，從而提高了可靠性。通過(guò)完善的故障診斷功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)硬、軟件及外部設(shè)備的故障診斷和報(bào)警。利用報(bào)警提示及時(shí)排除故障；利用監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)發(fā)生超程、刀具損毀、過(guò)熱、干擾、斷電等各種意外自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)，從而保證了數(shù)控機(jī)床可靠的工作。3、更完善的自動(dòng)編程技術(shù)由于多維處理器并行技術(shù)的采用，使數(shù)控編程從離線(xiàn)編程發(fā)展到在線(xiàn)編程，即所謂的“前臺(tái)加工，后臺(tái)編程”。通過(guò)會(huì)話(huà)自動(dòng)編程系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)零件加工程序的編制，還可以根據(jù)機(jī)床性能、工件材料及零件加工要求自動(dòng)選擇刀具及最佳切削用量，生成工藝路線(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)切削仿真，大大提高了對(duì)復(fù)雜型面編程的效率。4、更高的通信功能為

11、了適應(yīng)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，適應(yīng)工廠自動(dòng)化規(guī)模越來(lái)越大的要求，為了使數(shù)控機(jī)床更易于進(jìn)入柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)中，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù)交換能力和通信能力在不斷加強(qiáng)。目前，已通過(guò)配置的RS-232RS-422串行接口實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服、計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口可以方便的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。如SIEMENS公司的Sinumeric850/880系統(tǒng)設(shè)置有SINEC H1網(wǎng)絡(luò)接口和MAP網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口可將數(shù)據(jù)系統(tǒng)連接到SIEMENS的SINEC H1網(wǎng)絡(luò)和MAP工業(yè)局域網(wǎng)中。FANUC公司的FANUC15系統(tǒng)也配置了類(lèi)似的網(wǎng)絡(luò)接口，為了便于接入工業(yè)局域網(wǎng)，還可配置MAP3.0接

12、口板。5、智能化計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，人工智能技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)智能化的進(jìn)程。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在：（1）將適應(yīng)控制應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中，構(gòu)成適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)（ACNC System）。在適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)中，把精細(xì)的程序的控制和連續(xù)的適應(yīng)調(diào)節(jié)結(jié)合起來(lái)，使系統(tǒng)的運(yùn)用達(dá)到最優(yōu)。其主要的追求目標(biāo)是：保護(hù)刀具和工件，適應(yīng)材料的變化；改善尺寸控制，提高加工精度，保持穩(wěn)定的質(zhì)量；尋求最高的生產(chǎn)率和最低的成本消耗；簡(jiǎn)化零件程序的編制，降低對(duì)操作人員經(jīng)驗(yàn)和熟練程度的要求等。（2）故障診斷的智能化，即數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置實(shí)時(shí)診斷軟件，在數(shù)控機(jī)床整個(gè)工作過(guò)程中進(jìn)行故障診斷并指導(dǎo)故障的排除。一旦發(fā)生故障，除采用

13、停機(jī)措施，利用CRT進(jìn)行故障報(bào)警，提示故障發(fā)生的部位和原因外，還可與利用“冗余”技術(shù)，自動(dòng)使故障模塊脫機(jī)，接通備用模塊，以滿(mǎn)足無(wú)人化工作環(huán)境的要求。在故障診斷中，除了采用專(zhuān)家系統(tǒng)外，還將模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用其中，取得了良好的效果。(3) 刀具壽命自動(dòng)監(jiān)控檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。即利用紅外、聲發(fā)射（AE）、激光的檢測(cè)手段，對(duì)刀具和工件進(jìn)行監(jiān)控。發(fā)現(xiàn)工件超差，刀具損毀，及時(shí)報(bào)警、自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償或更給備用刀具，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。 6、數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放化 隨著技術(shù)、市場(chǎng)、生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)諸多方面的快速變化，對(duì)數(shù)控機(jī)床，特別是數(shù)控系統(tǒng)提出許多更新、更高的要求，如： (1) 為了適應(yīng)不斷出現(xiàn)的新加工需求，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具用更

14、強(qiáng)的軟、硬件重構(gòu)能力，而且重構(gòu)成本要低，重構(gòu)周期要短；（2）為了適應(yīng)未來(lái)車(chē)間面向任務(wù)和訂單的生產(chǎn)組織模式，使底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更為簡(jiǎn)便、有效，必須改變數(shù)控系統(tǒng)封閉型的設(shè)計(jì)模式；（3）為了適應(yīng)機(jī)床制造廠的不同需要，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該具有高度的模塊化，可重新配置、修給、擴(kuò)充和改裝，機(jī)床制造廠家和用戶(hù)可以方便地將自己的成熟技術(shù)集成到數(shù)控系統(tǒng)中； 為了適應(yīng)新需要，尋求一種新的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展模式已成必然。美國(guó)、歐洲、日本針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)所面臨的問(wèn)題和數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放化的必然趨勢(shì)，在自動(dòng)化領(lǐng)域的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)上做了不少的研究工作。第二章、數(shù)控機(jī)床改造的必要性及優(yōu)點(diǎn)2.1 數(shù)控機(jī)床改造的必要性數(shù)控機(jī)床可以較好的解決形狀

15、復(fù)雜、精密、小批幾多變零件的加工問(wèn)題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，但是數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用也受到了其它條件的限制。（1）數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，不適用于中小型企業(yè)。 (2 ) 目前，各企業(yè)都用大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床代替不現(xiàn)實(shí)，投資巨大，而且代替下的機(jī)床會(huì)造成資源的浪費(fèi)。（3）在國(guó)內(nèi)購(gòu)置一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的狡猾周期比較長(zhǎng)，必能滿(mǎn)足生產(chǎn)的急需。 要較好的解決上述問(wèn)題，應(yīng)該把普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，在國(guó)外以發(fā)展成為一個(gè)新型的工業(yè)部門(mén)，早在60年代已經(jīng)開(kāi)始迅速發(fā)展，并用專(zhuān)門(mén)企業(yè)經(jīng)營(yíng)這門(mén)業(yè)務(wù)。從美國(guó)、日本等工業(yè)化國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)看，機(jī)床的數(shù)控化改造是必不可少的，數(shù)控改造機(jī)床占有較大比例。如日本的大企業(yè)

16、中有26%機(jī)床經(jīng)過(guò)改造，中小型企業(yè)則是74%。在美國(guó)有許多數(shù)控專(zhuān)業(yè)公司為世界各地提供數(shù)控改造業(yè)務(wù)。我國(guó)是擁有300多萬(wàn)臺(tái)機(jī)床的國(guó)家，而這些機(jī)床有大量是多年累積生產(chǎn)的普通機(jī)床，自動(dòng)化程度低，想要在近幾年使用自動(dòng)化程度高的數(shù)控機(jī)床，不論是資金還是我國(guó)機(jī)床廠都是辦不到的。因此，普通機(jī)床的數(shù)控化改造大有可為。它適應(yīng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國(guó)設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一。2.2 數(shù)控機(jī)床改造的優(yōu)點(diǎn)數(shù)控機(jī)床改造一般是對(duì)普通機(jī)床某些部位做一定的改造，配上數(shù)控裝置，從而使機(jī)床具有數(shù)控加工功能。器改造優(yōu)點(diǎn)有： （1）從提高效率出發(fā)，改造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機(jī)床原有的功能和改造后的新加功能，提高機(jī)床的

17、使用價(jià)值。 （2）適應(yīng)多品種，小批量零件生產(chǎn)。 （3）自動(dòng)化程度高，專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，加工精度高，生產(chǎn)效率高。 （4） 降低對(duì)工人技術(shù)水平的要求。 （5）數(shù)控改造費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)性好。 （6）數(shù)控改造周期短，可滿(mǎn)足生產(chǎn)急需。第三章、CW6163型臥式車(chē)床數(shù)化改造的總體設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)方案的確定利用數(shù)控裝置對(duì)縱橫進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，對(duì)C6163普通車(chē)床進(jìn)行技術(shù)改造就可以組成一個(gè)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床，實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制下的自動(dòng)加工。改造后的車(chē)床把車(chē)床的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離開(kāi)來(lái)。主電機(jī)的作用僅僅是帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，而刀架的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)則是由步進(jìn)電機(jī)直接帶動(dòng)車(chē)床的

18、縱橫絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)。其改造后結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖3-1所示單片微型機(jī)接口接口接口單片微型機(jī)接口接口接口光電耦合器光電耦合器主軸脈沖發(fā)生器功率放大器縱向步進(jìn)電機(jī)橫向步進(jìn)電機(jī)滾珠絲杠滾珠絲杠交流控制電動(dòng)刀架圖3-1 CW6163型車(chē)床的數(shù)控化改造結(jié)構(gòu)原理圖操作時(shí)，根據(jù)零件的加工工藝，按數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)定的方式編制零件的加工程序，通過(guò)數(shù)控裝置上的鍵盤(pán)輸入微機(jī)，微機(jī)對(duì)加工程序處理后發(fā)出一系列脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，按規(guī)定的方向、速度和位移量，完成刀架縱橫兩個(gè)方向的進(jìn)給，使車(chē)刀實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)或圓弧的切削。在加工螺紋時(shí)，通過(guò)主軸脈沖發(fā)生器發(fā)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而加工出各種標(biāo)準(zhǔn)螺紋。換刀時(shí)，微機(jī)發(fā)出換刀信

19、號(hào)，刀架控制箱繼電器動(dòng)作，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)，將上刀體上升至一定位置，帶動(dòng)刀體旋轉(zhuǎn)到所選刀位，然后定位，完成換刀動(dòng)作。3.2 機(jī)械部分改造的設(shè)計(jì)3.2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算與設(shè)計(jì)縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床的改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動(dòng)絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動(dòng)刀架左右移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任意一端。對(duì)車(chē)床改造來(lái)說(shuō)，外觀不必像產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的那么高，而從改造方便，實(shí)用方面來(lái)考慮。一般都把步進(jìn)電機(jī)放在縱向絲杠的右端，如圖3-2所示。 圖3-2數(shù)控改造的總體方案示意圖2. 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 已知條件： 工作臺(tái)重量： W=750N 時(shí)間常數(shù)： T=28ms

20、滾珠絲杠基本導(dǎo)程： =8mm 行程： S =700mm 脈沖當(dāng)量： 步距角： =0.75/step快速進(jìn)給速度： =2.5m/min(一) 切削力計(jì)算 由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，切削功率 式中 N電機(jī)功率，查機(jī)床說(shuō)明書(shū)，N=4kW； 主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般為0.60.7取K進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為K=0.96。則： =40.650.96=2.496 kW又因?yàn)?所以 式中 v切削線(xiàn)速度，取v=100m/min。主切削力 =61202.496/100=152.76（kg f）=1527.6（N）由金屬切削原理可知，主切削力 查表得： =188kgf/=1880MPa =1 =0.75 =1則可計(jì)算如表3

21、-1所示： 表3-1 計(jì)算結(jié)果222333f（mm）0.20.30.40.20.30.4112515241891168722872837 當(dāng)=1520N時(shí)，切削深度=2mm，走刀量=0.3mm，以此參數(shù)作為下面計(jì)算的依據(jù)。 從機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)中可得知，在一般外圓車(chē)削時(shí)： =（0.10.6） =（0.150.7） 取： =0.5Fz=0.51520=760N =0.6Fz=0.61520=912N(二) 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 A.滾珠絲杠副傳動(dòng)的特點(diǎn)：1)傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副傳動(dòng)的效率為=0.920.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高34倍（滑動(dòng)絲杠效率為0.20.4）。因此，功率消耗只相當(dāng)于常

22、規(guī)絲杠螺母副的1/41/3。2)給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空程死區(qū)，定位精度高，剛度好。3) 啟動(dòng)力矩小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高，同步性好。4) 有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，也可以從直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲杠和螺母都可以作為主傳動(dòng)。5)磨損小，使用壽命長(zhǎng)，精度保持好。6) 不能自鎖。特別是對(duì)于垂直絲杠，由于重力的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需添加制動(dòng)裝置。7）制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等原件的加工精度要求高，表面粗糙度之特別小，故制造成本高。B.滾珠絲杠副的精度與代號(hào)根據(jù)機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠副精度的規(guī)定，滾珠絲杠副

23、按其使用范圍及要求分為六個(gè)等級(jí)，即C,D,E,F,G,H級(jí)，C級(jí)精度最高，其余一次逐級(jí)降低各種類(lèi)型數(shù)控機(jī)床對(duì)滾珠絲杠副精度的要求如表3-2表3-2 滾珠絲杠 副精度要求表機(jī) 床 種 類(lèi)坐 標(biāo) 方 向XYZW開(kāi)環(huán)系統(tǒng)數(shù)控壓力機(jī)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)數(shù)控繪圖機(jī)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)數(shù)控車(chē)床標(biāo)準(zhǔn)級(jí)精密級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)數(shù)控磨機(jī)精密級(jí)精密級(jí)數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)精密級(jí)精密級(jí)數(shù)控鉆床標(biāo)準(zhǔn)級(jí)普通級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)數(shù)控銑床標(biāo)準(zhǔn)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)數(shù)控鏜床精密級(jí)精密級(jí)精密級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)數(shù)控坐標(biāo)鏜床精密級(jí)超精密級(jí)精密級(jí)超精密級(jí)精密級(jí)超精密級(jí)精密級(jí)自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床精密級(jí)超精密級(jí)精密級(jí)超精密級(jí)精密級(jí)超精密級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)坐標(biāo)鏜床、螺紋磨床精密級(jí)超精密級(jí)精密級(jí)超精密級(jí)精密級(jí)超精密級(jí)精密

24、級(jí)儀表機(jī)床精密級(jí)超精密級(jí)精密級(jí)超精密級(jí)精密級(jí)超精密級(jí)普通機(jī)床、通用機(jī)床普通級(jí)普通級(jí)普通級(jí) 滾珠絲杠副的精度包括各元件的精度和裝配后的綜合精度，其中包括導(dǎo)程誤差，絲杠大徑對(duì)螺紋軸線(xiàn)的徑向圓跳動(dòng)，絲杠和螺母表面粗糙度，由預(yù)加載荷時(shí)螺母安裝端面對(duì)絲杠螺紋軸線(xiàn)的圓跳動(dòng)，有預(yù)加載荷時(shí)螺母安裝端面對(duì)絲杠螺紋軸線(xiàn)的徑向圓跳動(dòng)以及滾珠絲杠公稱(chēng)直徑尺寸變動(dòng)量等。在開(kāi)環(huán)數(shù)控機(jī)床和其他精度機(jī)床中，滾珠絲杠的精度直接影響定位精度和隨動(dòng)精度。對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，絲杠的制造誤差使得它在工作時(shí)負(fù)載分布不均勻，從而降低承載能力和接觸剛度，并使預(yù)緊力和驅(qū)動(dòng)力矩不穩(wěn)定，因此傳動(dòng)精度始終是滾珠絲杠的最重要的質(zhì)量指標(biāo)。 C.綜合

25、導(dǎo)軌車(chē)床絲杠的軸向力： 式中 K=1.15， =0.150.18，取為0.16。則 P=1.15763.8+0.16（1527.6+800） =1250.8N1) 強(qiáng)度計(jì)算： 壽命值 取工件直徑 D=80mm，查表得 =15000h 則： =10001000.3/3.14806=20r/min =602015000/=18最大動(dòng)負(fù)載 Q= 查表得： 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) =1.2 硬度系數(shù) =1則 Q=1.211250.8=3933.6N 根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào)。例如，滾珠絲杠參照漢江機(jī)床廠的產(chǎn)品樣本選取FB系列，滾珠絲杠直徑選為32mm，型號(hào)為其額定動(dòng)載荷是10689N，所以強(qiáng)度足夠

26、用。2) 效率計(jì)算： 根據(jù)機(jī)械原理的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： 式中 摩擦角=10 螺旋升角=325則 =0.9533) 剛度驗(yàn)算： 滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量 式中 =6mm=0.6cm； E=20.6滾珠絲杠截面積 則 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略，即：。所以：導(dǎo)程變形總誤差為 查表知E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差（1m長(zhǎng)）為15m/m，故剛度足夠。4）穩(wěn)定性驗(yàn)算： 由于機(jī)床原絲杠直徑為32mm，支承方式不變，所以穩(wěn)定性不存在問(wèn)題，不在驗(yàn)算。(3) 齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算1) 有關(guān)齒輪計(jì)算傳動(dòng)比 故取 =32 =40m=2mm b=20mm =20 2) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)

27、算工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略。因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： =3) 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算：快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 +最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 +快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 + 式中 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩； 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩； 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩； 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩； 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。 當(dāng)時(shí) 當(dāng)時(shí) =12.40824.88/9.60.025=0.1286 N.m=1.286kgf.cm當(dāng)=0.8 =0.16時(shí) =1.223=12.23當(dāng)=0.9時(shí)預(yù)加載荷Po=1/3則：

28、 =76.30.6/23.140.81.25=7.297kgf.cm=72.97N.cm所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩 =21.5+1.223+0.462=23.185kgf.cm=231.85N.cm切削時(shí)所需力矩： =1.286+1.223+0.462+7.297 =10.268kgf.cm=102.68N.cm快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 =1.223+0.462=1.685kgf.cm=16.85N.cm由以上分析計(jì)算可知：所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)，3.2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算與設(shè)計(jì)1. 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，使刀架

29、橫向運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上，用法蘭盤(pán)將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來(lái)，以保證其同軸度，提高轉(zhuǎn)動(dòng)精度，如圖2-2所示。2. 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與縱向類(lèi)似，所用到的公式不在詳細(xì)說(shuō)明，只計(jì)算結(jié)果。已知條件：工作臺(tái)重量： W=30kgf=300N時(shí)間常數(shù)： T=25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： =4mm左旋行程： S =190mm脈沖當(dāng)量: p=0.005mm/step 步距角： =0.75/step快速進(jìn)給速度： =1m/min(一)切屑力計(jì)算 橫向進(jìn)給量為縱向的1/2-1/3，取1/2，則切屑力為縱向的1/2。=1/2152.76=76.38kgf=763.8N在切

30、斷工件時(shí)： （2）滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算1)強(qiáng)度計(jì)算： 對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌： 取K=1.4 =0.2則 P=1.438.19+0.2（76.38+30） =74.74kgf=747.4N壽命值 最大動(dòng)負(fù)載Q=根據(jù)最大動(dòng)負(fù)荷Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào)。例如，滾珠絲杠參照漢江機(jī)床廠的產(chǎn)品樣本選取系列，滾珠絲杠公稱(chēng)直徑為20mm，型號(hào)為，其額定動(dòng)負(fù)荷為5393N，所以強(qiáng)度足夠用。2) 效率計(jì)算： 螺旋升角=338，摩擦角=10則傳動(dòng)效率由公式 得 3) 剛度驗(yàn)算：由公式（2-10）得滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量 =74.74100.44/3.1420.6=5.96cm滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量

31、很小，可忽略，即：所以，導(dǎo)程變形總誤差為=100L/Lo=1005.96/0.4=14.9m/m 查表知E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差（1m長(zhǎng)）為15m/m，故剛度足夠。4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算： 由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來(lái)的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不再驗(yàn)算。(3) 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算1)有關(guān)齒輪計(jì)算傳動(dòng)比 故取 =20 2)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，因此，總的慣量 3) 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 所以，快速空載啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩 =2.23+0.287+0.116=2.6

32、33kgf.cm=26.33N.cm切削時(shí)所需力矩： =0.1774+0.287+0.116+1.824 =2.40kgf.cm=24.04N.cm快速進(jìn)給時(shí)所需轉(zhuǎn)矩： =0.287+0.116=0.403kgf.cm=4.03N.cm以上計(jì)算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)3.3 電氣部分改造的設(shè)計(jì)3.3.1 步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則合理選用步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問(wèn)題，需要根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況，經(jīng)過(guò)分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則介紹如下： 1.步矩角 步矩角應(yīng)滿(mǎn)足： 式中 傳動(dòng)比；系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件的最小轉(zhuǎn)角。2.精度 步進(jìn)電機(jī)的精度可用步矩誤差或積累誤差衡

33、量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開(kāi)始，經(jīng)過(guò)任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實(shí)用。所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿(mǎn)足 式中 步進(jìn)電機(jī)的積累誤差；系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差。3.轉(zhuǎn)矩 為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行（不失步、不越步），正常啟動(dòng)并滿(mǎn)足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮：1）啟動(dòng)力矩 一般啟動(dòng)力矩選取為： 式中 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩； 電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載力矩。 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)，啟動(dòng)力矩選取如表1-2所示。為步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，是步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。44

34、.啟動(dòng)頻率 由于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿(mǎn)足：極限啟動(dòng)頻率要求步進(jìn)電機(jī)最高啟動(dòng)頻率。3.3.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定為滿(mǎn)足最小步矩要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知： 所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：4步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)，能滿(mǎn)足使用要求。3.3.3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定仍選用三相六拍工作方式，查表知： 所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為： 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 為了便于設(shè)計(jì)和采購(gòu)，仍選用110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)，能滿(mǎn)足使用要求。第四章 CW6163型臥式車(chē)床數(shù)

35、控化改造的尾座設(shè)計(jì)4.1 CW6163尾座功能 改造前機(jī)床尾座可用手柄移動(dòng)尾座，使其沿床身導(dǎo)軌移動(dòng)至所需位置上，并用兩個(gè)壓板1(如圖4-1)和兩個(gè)螺釘2及螺母3夾緊固定。但必須注意，手柄擺動(dòng)方向與尾座移動(dòng)方向相反。若利用尾座中心線(xiàn)與主軸中心線(xiàn)偏移加工錐型零件時(shí)，先松開(kāi)螺母3和螺釘，利用兩個(gè)螺釘5（圖4-2），使尾座本體相對(duì)下座橫向移動(dòng)到所需位置，然拎緊螺釘和螺母3.把尾座本體調(diào)回原位時(shí)，使本體后面的標(biāo)牌刻度線(xiàn)與下座上的標(biāo)牌線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)即可。 A-A圖4-1 尾座圖圖4-2 A向剖視圖轉(zhuǎn)動(dòng)尾座上的手輪，可使尾座套筒縱向移動(dòng)。當(dāng)尾座套筒退回本體內(nèi)接近極限位置時(shí)，絲杠斷部可將頂尖頂出。向后（向床體尾端）拉

36、近手柄3（如圖4-3），就可把尾座套筒夾緊固定在所需要的位置上。若加緊力不夠時(shí)，可放松手柄3，松開(kāi)螺釘1，旋動(dòng)螺母2，進(jìn)行調(diào)整，調(diào)完后拎緊螺釘1即可。 圖4-3 尾座手輪4.2 尾座的液壓改造4.2.1 CW6163尾座改造的必要性目前,普通車(chē)床上使用的尾座,都是人工搖動(dòng)尾座螺桿手輪,實(shí)現(xiàn)支頂工件。在大批量車(chē)加工生產(chǎn)中,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率低，難以提高企業(yè)的效益。數(shù)控車(chē)床改裝液壓系統(tǒng)可以平均提高生產(chǎn)效率為60%，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，每個(gè)人平均可以操作2-3臺(tái)數(shù)控機(jī)床，將人工搖動(dòng)螺桿尾座改為液壓尾座很有必要性和實(shí)際意義。所以本次設(shè)計(jì)將針對(duì)CW6163車(chē)床尾座進(jìn)行液壓尾座的改裝。預(yù)期改裝后可以在大批量生產(chǎn)中取得較好的效益。4.2.2 改造后液壓尾座的原理改造后液壓尾座（圖4-4）是拆去原車(chē)床尾座裝置中套筒、螺桿、螺桿手輪、螺母、端蓋、導(dǎo)向鍵及套筒鎖緊手柄的基