X5230普通铣床数控化改造设计含5张CAD图
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外文资料 Numerical Control One of the most fundamental concepts in the area of advanced manufacturing technol-ogies is Numerical Control(NC). Prior to the advent of NC, all machine tools were manually operated and controlled. Among the many limitations associated with manual control machine tools. Perhaps none is more prominent than the limitation of operator skills. With manual control, the quality of the product are directly related to and limited to the skills of the operator. Numerical Control represented the first major step away from human control of machine tools. Numerical Control means the control of machine tools and other manufacturing systems through the use of prerecorded, written symbolic instructions. Rather than operating a machine tool. For a machine tool to be numerically controlled, it must be interfaced with a device for accepting and decoding the programmed instructions, known as a reader. Numerical Control was developed to overcome the limitation of human operators, and it has done so. Numerical Control machines are more accurate than manually operated machines,they can produce parts more uniformly, they are faster, and the long-run tooling costs are lower. The development of NC led to the development of several other innovations in manufacturing technology:(1) Electrical discharge machining.(2) Laser cutting.(3) Electron beam welding. Numerical Control has also made machine tools more versatile than their manually operated predecessors. An NC machine tool can automatically produce a wide variety of parts, each involving an assortment of widely varied and comples machining processes. Numerical Control has allowed manufacturers to undertake the production of products that would not have been feasible from an economic perspective using manually controlled machine tools and processes. Like so many advanced technologies, NC was born in the laboratories of the Massachusetts Institute of Technology. The concept of NC was developed in the early 1950s with funding provided by the U.S. Air Force. In its earliest stages, NC machines were able to make straight cuts efficiently and effectively. However, curved paths were a problem because the machine tool han to be programmed to undertake a series of horizontal and vertical steps to produce a curve. The shorter the straight lines making up the steps had to be calculated. This problem led to the development in 1959 of the Auto matically Programmed Tools (APT) language. This a special programming language for NC that uses statements similar to English language to define the part geometry, descrile the cutting similar to English language to define the part geometry, describe the cutting tool configuration, and specify the necessary motions. The development of the APT language was a major step forward in the further development of NC technology. The original NC systems were vastly different from those used today. The machines had hardwired logic circuits. The instructional programs were written on punched paper, which was later to be replaced by magnetic plastic tape. Atape reader was used to interpredt the instructions written on the tape for the machine. Together, all of this represented a giant step forward in the control of machine tools. However, there were a number of problems with NC at this point in its development. A major proble was the fragility of the punched paper tape medium. It was common for the paper tape containing the programmed instructions to break or tear during a machjining process. This problem was exacerbated by the fact that each successive time a part was produced on a machine tool, the paper tape carrying the programmed instructions had to be rerun through the reader. If it was necessary to produce 100 separate times. Fragile paper tapes simply could not withstand the rigors of a shop floor environment and this kind of repeated use. This led to the development of a special magnetic plastic tape. Whereas the paper tape carried the programmed instructions as a series of holes punched in the tape. The plastic tape carried the instructions as a series of magnetic dots. The plastic tape was much stronger than the paper tape, which solved the problem of frequent tearing and breakage. However, it still left two other problems. The most important of these was that it was difficult or impossible to change the instructions entered on the tape. To make even the most minor adjustments in aprogram of instructions, it was necessary to interrupt machining operations and make a new tape. It was also still necessary to run the tape through the reader as many times as there were solved the problems of NC associated with punched paper and plastic tape. The development of a concept known as Direct Numerical Control(DNC) solved the paper and plastic tape problems associated with Numerical Control by simply eliminating tape as the medium for carrying the programmed instructions. In Direct Numerical Control, machine tool are tied, via a data transmission linkage. Direct Numerical Control represented a major step forward over punched tape and plastic tape. However, it is subject to the same limitations as all technologies that depend on a host computer. When the host computer goes down, the machine tools also experience downtime. This problem led to the development of Computer Numerical Control. The development of the microprocessor allowed for the development of Programmable Logic Controller (PLC) and microcomputer. These two technologies allowed for the development of Computer Numerical Control (CNC). With CNC, each machine tool has a PLC or a microcomputer that serves the same purpose. This allows programs to be input and stored at each individual machne tool. It also allows programs to be developed offline and downloaded at the individual machine tool. CNC solved the problems associated with downtime of the host computer, but it introduced another problem known as data management. The same program might be loaded on ten different microcomputers with no communication among them. This problem is in the process of being solved by lacal area networks that connect microcomputers for better data management.中文译文 数字控制先进制造技术中的一个最基本的概念是数字控制(NC)。在数控技术出现之前,所有的机床都是由人工操纵和控制的。人工控制机床有很多局限性,其中操作者的技能水平大概是最突出的问题。采用人工控制时,产品的质量直接与操作者的技能相关。数字控制代表了从人工控制机床走出来的第一步。数字控制意味着采用预先录制、存储的符号指令来控制机床和其他制造系统。一个数控技师的工作不是去操纵机床,而是编写能够对机床发出操纵指令的程序。对于一台数控机床,必须安有一个被称为阅读机的界面装置,用来接受和解译出编程指令。发展数控技术是为了克服人类操作者的局限性,它已经完成了这项工作。数字控制的机器比人工操纵的机器精度更高,生产出的零件一致性更好,生产速度更快,而且长期的工艺装备成本也更低。数控技术的发展导致了制造工艺中其他几项新发明的产生:(1)电火花加工技术;(2)激光切割;(3)电子束焊接。数字控制还使得机床比之前的人工操作有着更为广泛的用途。一台数控机床可以自动生产很多种类的零件,每一个零件都可以有不同的、复杂的加工过程。数控可以使生产厂家承担那些对于采用人工控制的机床和工艺来说在经济上不划算的生产任务。同许多先进技术一样,数控诞生于麻省理工学院的实验室中。数控这个概念是20世纪50年代初在美国空军的资助下提出来的。在其最初的阶段,数控机床便可经济、有效地进行直线切割。然而,曲线轨迹成为机床加工的一个难题,在编程时时应用一系列的水平与垂直的台阶来生成曲线。构成台阶的每一段线越短,曲线就越光滑。台阶中的每一个线段都必须经过计算。在这个难题的推动下,于1959年诞生了自动编程工具(APT)语言。这是一个针对数控加工的编程语言,使用类似于英语语句的叙述来定义零件的几何形状,描述切削刀具的形状,规定必要的运动。APT语言的研究和发展是数控技术发展过程中的一大进步。最初的数控系统与今天应用的数控系统是有很大差别的。最初的数控机床中,只有硬线逻辑电路。指令程序写在穿孔纸带上,它后来被塑料磁带所替代。采用带阅读机将写在纸带或磁带上的指令给机器翻译出来。所有这些共同构成了机床数字控制方面的巨大进步。然而,在数控发展的这个阶段中还存在着许多问题。一个主要问题便是穿孔纸带很容易损坏。在机械加工过程中,载有编程指令信息的纸带断裂或被撕坏是常见的事情。在机床上每加工一个零件,都需要将载有编程指令的纸带读入阅读机中重新运行一次,这是一个严重的问题。如果需要制造100个某种零件,则应该将纸带分别通过阅读机100次。易损坏的纸带显然不能承受严酷的车间环境和这样的重复使用。这就导致了一种专门的塑料磁带的研制。在纸带上通过采用一系列的小孔来载有编程指令,而在塑料带上通过采用一系列的磁点来载有编程指令。塑料带的强度比纸带高很多,这就可以解决常见的撕坏和断裂问题。然而,它仍然存在着两个问题。其中最重要的一个问题是,对输入到带中的指令进行修改是非常困难的,甚至是根本不可能的。即使对指令程序进行最微小的调整,也必须中断加工,制作一条新带。而且带通过阅读机的次数还必须与要加工零件的个数相同。幸运的是,计算机技术的实际应用很快解决了数控技术中与穿孔纸带和塑料带有关的问题。在形成了直接数字控制(DNC)这上概念之后,可以不再采用纸带或塑料带作为编程指令的载体,这样就解决了与之相关的问题。在直接数字控制中,几台机床通过数据传输线路连接到一台主计算机上。操纵这些机床所需要的程序都存储在这台主计算机中。当需要时,通过数据传输线路提供给每台机床。直接数字控制是在穿孔纸带和塑料带基础上的一大进步。然而,它也有着同其他依赖于主计算机技术一样的局限性。当主计算机出现故障时,由其控制的所有机床都将停止工作。这个问题促使了计算机数字控制技术的产生。X5230普通铣床数控化改造摘 要数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构,较好的解决了形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题,能够获得稳定的加工质量并提高生产效率,其应用越来越广泛,然而,很多资深的老企业还存在着许多原有的普通机床,如何将普通机床改造成数控机床,已成为机械加工行业设备改造工作的重点。本文针对X5230普通铣床进行数控化改造。机械部分改造主要对三个进给方向的普通滑动丝杠改为滚珠丝杠,用直流伺服步进电机和减速齿轮来实现进给部分的调速,这样不仅提高了传动效率而且可以实现快速定位和准确的启、停;数字控制系统选用南京华兴数控设备有限责任公司生产的WA310M数控系统,该系统是我国具有自主版权的高性能数控系统。它采用开放式的体系结构,适应各种类型的数控机床系统。配置彩色液晶显示屏和通用工程面板,全汉字操作界面、故障诊断与报警、多种形式的图形加工轨迹显示和仿真,操作简便,易于掌握和使用,具有直线、圆弧、刀具补偿、宏程序等功能,支持硬盘以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能,具有价格低、性能高、配置灵活、结构紧凑、可靠性高的特点。 关键词:数控机床;数控化改造;数控系统AbstractCNC machine tools compared with the ordinary machine, so as to increase the functions and improves the performance, the structure is simplified, the better solution of the complex shape, precision, small volume and shape changeable machining, can obtain stable machining quality and the production efficiency is improved, its application is more and more widely, however, many of the old enterprises senior still exist many of the original general machine tools, how to transform an ordinary machine tools to CNC machine tools has become a mechanical processing equipment industry transformation of the key. This paper gives numerical control transformation for X5230 ordinary milling machine. The mechanical part of the transformation mainly on three feed direction sliding screw changed for ball screw, DC servo step motor and reduction gear to realize feed speed, which can improve the transmission efficiency and to achieve fast positioning and accurate startup and shutdown; digital control system selection of Huaxin CNC Equipment Co., Ltd. production WA310MCNC system, the system is in China with independent intellectual property rights of high performance CNC system. It uses open architecture and the various types of numerical control machine tool system is suitable in. To configure the color liquid crystal display and general engineering panel And all Chinese operation interface, fault diagnosis and alarm, various forms of graphics processing trajectory display and simulation, operation is simple, is easy to learn and use with a straight, arc, tool compensation, macro program function, support for hard disk and floppy drive, DNC, Ethernet, etc. program exchange function, with low price and high performance, flexible configuration, compact structure, high reliability characteristics.After the transformation of machine tools were all kinds of precision test, results satisfy the requirements of the precision of the machine tool, and the test results prove the feasibility and reliability of the transformation of the milling machine, which not only increased the processing range and greatly reduces the labor intensity, processing efficiency is obviously enhanced, product quality can also be guaranteed. With less investment, quick has many advantages, which determine the method is worthy of popularization.Keywords: NC machine tool,modifieation of machinetool,NC system目 录第一章 绪论1第一节 课题的研究目的和意义1第二节 本文的选题及主要研究内容3一、主要研究内容3二、数控化改造的主要环节3第二章 X5230普通铣床数控化改造方案的设计5第一节 设计要求5一、总体改造方案5二、数控铣床改造后技术参数8第二节 传动系统改装设计与计算9一、纵向进给系统的设计与计算9二、横向进给系统的改造设计与计算21三、垂向进给系统的改造设计与计算26第三节 步进电机的选择33一、纵向进给系统步进电机的确定33二、横向进给系统步进电机的确定35三、垂向进给系统步进电机的确定36第三章 X5230铣床数控化改造的数控系统37第一节 数控系统选型37第二节 步进电动机的驱动器选型40一、驱动器选型40二、分配器42三、放大器44四、系统连接45第三节 驱动器信号输入输出46一、信号输入输出46二、面板开关说明48第四章 XK5230电气系统数控改造设计49第一节 概述49第二节 电气系统数控改造设计49第三节 强电柜的安装与连接50结 论51参考文献52- III -第一章 绪论第一节 课题的研究目的和意义机械制造行业是国民经济发展的重要基础,是其发展的先导。随着我国经济的发展,机械制造业也将扮演越来越重要的作用,而机械制工业未来的发展方向之一就是数字化制造。利用数控机床来加工越来越复杂的机械零件,则成了数字化制造中的一个重部分。数控技术的迅猛发展,使其在效率、精度要组成方面可以满足机械制造业越来越高的要求。利用现有闲置的旧机床,通过数控化改造,使其成为一台高效、多功能的数控机床,是目前低成本实现自动化的最有效方法。而且,消费向着个性化发展,单件小批量多品种产品占到70%80%,这种产品的零件经常采用通用机床来加工。但是当对产品需求改变时,这种普通机床以及工艺装备均需作相应的变换和调整,而此类通用机床的自动化程度不高,基本上是由人工操作,难于进一步提高生产效率和保证质量。特别是一些曲线、曲面组成的复杂零件,只能借助靠模和仿形机床或者借助划线和样板,用手工操作的方法来完成,其加工精度和生产效率会受到极大的影响。产品结构越来越合理,性能、精度和效率日趋提高,因此对产品零部件的生产设备(机床)也相应提出了高性能、高精度与高自动化的要求。为了解决单件小批量多品种产品在生产中日愈增加的质量与效益矛盾,特别是复杂型面零件的加工生产问题,数控机床的应用在机械加工中得到了广泛的应用。但是,数控机床的应用也受到其他条件的限制。 (1)数控机床价格昂贵,一次性投资较大,对中小企业常是心有余而力不足。 (2)目前,各企业都有大量的通用机床,完全用数控机床替换不太可能,而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费。 (3)在国内,订购新数控机床的交货周期一般较长,往往不能满足生产需要。 (4)通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。 要较好的解决上述问题,应走通用机床数控化改造之路。通用机床的数控化改造就是在通用机床上增加微机控制装置,使其具有一定的自动化能力,以实现预定加工工艺目标。这一工作早在20世纪60年代已经开始迅速发展,并有专门的企业经营此业务、目前,在国外已经发展为一个新兴的工业部门。从美国、日本等工业国家的发展经验看,机床的数控化改造也必不可少,如日本的大企业中有26%的机床经过数控化改造,中小企业则多达74%。在美国,有许多数控专业化公司为世界各地提供数控化改造业务。我国拥有300多万台机床,其中大部分都是多年累积生产的通用机床,如卧式车床和各种铣床等,自动化程度低,要想在近几年内用自动和精密设备更新现有机床,不论是资金还是我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此,通用数控化改造大有可为。它适合我国的经济水平、生产水平和教育水平,已成为我国设备技术改造的主要方向之一。而且我国是制造大国,但不是制造强国。制造业水平的相对落后,设备陈旧,技术水平差距大,国际竞争力弱,直接影响了生产力的发展。大批量生产的产品,如汽车、拖拉机与家用电器的零件,为了提高产量和品质,广泛采用了组合机床、专用机床、自动化生产线和自动化车间来组织生产,但是这类专用机床和生产设备生产加工出来的产品普遍存在质量差、准备周期长,更新产品和修改生产工艺不易、档次低、成本高、供货期长等缺点制约了产品的更新换代。我国现正处于从以劳动密集型产业为主向以技术密集型产业为主的发展阶段,对自动化设备的需求会越来越大、越来越积极。尽管数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批量多品种零件的加工问题,能够稳定加工质量和提高生产率但从我国机械加工行业来看,机床总量约 400万台,其中数控机床总数只有 12万多台,数控机床占有率不足 3,而一些工业发达国家早已达到30以上。逐步提高数控机床的占有率,已经成为我国制造技术发展的总趋势也是我国制造业发展所需要解决的一个现实问题。因为数控机床的机械制造中很好地解决了机械制造中结构复杂、精密、小批量、多变零件的加工问题,数控机床的大量使用,为我国机械制造整体水平的提高提供了广阔的空间。然而提高机床数控率目前只有有两个途径:一是增加新的数控机床。从目前企业面临的情况看各企业均有大量的普通机床,数控机床价格昂贵,一次性投资较大,并且面临着交货周期短。使许多中小型企业和职业院校难以承受,企业完全用数控机床替代是根本不可能的;二是对旧机床进行数控化改造。我国是一个普通机床拥有量极大的国家,而且约有半数以上是役龄在10年以上的旧机床,采取对旧机床进行改造来提高设备的先进性和数控化率,投入少、收效大,是一个极其有效和实用的途径,而且符合中国的国情,是企业实现前期技术提升的必经之路。第二节 本文的选题及主要研究内容一、主要研究内容为了使X5230普通铣床满足加工小批量、精度高、形状复杂的零件,同时在加工过程中不仅可以减轻劳动强度,而且保证加工质量以及从经济方面考虑,本次设计对X5230进行数控化改造,节约资金的同时,又能够满足生产需求。使其在效率、精度要组成方面可以满足机械制造业越来越高的要求。设计的目的主要是以下几个方面:1、节约资源,降低数控化成本。利用原来的普通机床进行数控化改造,提高机械设备的数控化率。2、实现多工序的集中,减少零件在机床间的频繁搬动,从而可以提高零件加工精度,减小尺寸分散度,使装配容易,不需再“修配”。3、实现加工的自动化,效率可比传统机床提高三到七倍。4、数控加工降低工人的劳动强度,节省劳动力,减少工装缩短新试品试制周期和生产周期,并对市场作出快速反应。 X5230普通铣床进行数控改造后,系统应能控制主轴转速并实现其正反转;控制工作台实现纵向、横向和垂直方向的进给运动;控制冷却和润滑;通过键盘输入加工程序;由显示器显示加工状态等。 数控部分:机床中的主轴、冷却、润滑和进给等均需系统自动控制,为此需设计接口转换电路和强电控制电路。电器元件可保留使用原机床中的变压器、自动断路器、接触器等。拆除原电控箱,原位安装改制后的电控箱。机械部分:X5230型铣床主要用于对中小型轴类、盘类及箱体类零件的加工,改造后的机床可进行铣、钻等工序,可以加工各种斜面、沟槽。可适用于企业的机械设备生产,特别适用于工夹模具的制造。二、数控化改造的主要环节普通机床数控化改造主要从主传动部分、进给传动部分、数控系统三个环节进行方案制定和改造实施。(一)主传动改造主轴部件直接带动工件或刀具参加切削运动,它除承受本身重量外,还需承接较大的切削载荷,主轴本身的刚性和旋转精度以及支撑的刚性都将直接影响零件的加工精度,因此主轴部分的数控改造,首先应保证本身的刚性以及修复和提高本身的旋转精度。由于中、小型机床,本身价格较低,如果将其主传动改为交流变速,其费用太高,因此,在一般情况下,为了降低改装的费用,保持机床的原有精度,主传动系统基本不变,保持原机床的手动变速,改造后使主运动和进给运动分离,数控系统只用于控制主轴的起、停、升、降和正、反转及冷却液的开、关。主传动系统仍采用原电动机驱动,只是将主轴改装成由直流伺服步进电机经滚珠丝杠带动的可升降主轴。(二)进给传动的改造为了加工出符合要求的零部件,对进给传动的要求一般为:1高精度即高的定位精度和重复定位精度以及加工零件的综合精度;2高品质即响应快,频带宽,动静态速降小,调速范围宽;3高速度即能快速定位,以提高效率;4大功率即能输出大的力矩和功率,以满足加工要求;机床进给传动链中,需将旋转运动变成直线运动,普通机床常采用普通丝杠,虽有许多优点,但其摩擦阻力大,传动效率低(= 0.200.40),动静摩擦系数相差大,在低速时容易出现爬行,而数控机床要求进给部分的移动元件灵敏度好,精度高,反应快,无爬行。采用滚珠丝杠副可能满足要求。综上所述,我们选择滚珠丝杠传动,由于其高效率、温升小、高精度、高速度、高刚性、可逆性、长寿命、低能耗、同步性、高灵敏度、无间隙、维护简单等优点而得到广泛应用,为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求,必须合理选择滚珠丝杠副,并进行必要的校核计算。此外,从转动惯量、转动力矩、最大静转矩和频率等方面对纵、横、垂向步进电机分别进行计算,进而选择纵、横、垂向步进电动机;通过设计计算选择纵、横、垂向步进电机和滚珠丝杠之间配套的减速齿轮。(三)电气部分改造机床的主轴、冷却等均需系统自动控制,为此需设计接口转换电路和强电控制电路。电器元件可保留原机床中的变压器、自动断路器、接触器等。拆除电控箱,原位安装改造后的电控箱。此部分任务是确定控制方式、选择伺服系统。 数控系统控制方式基本上可以分为开环、闭环、半闭环三种方式。机床数控化改造选择哪种方式,需根据具体情况决定。一般小型机床或精度要求较低的机床,多采用开环控制方式,大、中型机床多采用半闭环控制方式。在机床数控化改造中,小型机床多采用步进电机驱动系统,这种系统价格低、结构简单,但控制精度和速度低。 第二章 X5230普通铣床数控化改造方案的设计第一节 设计要求X5230普通铣床进行数控化改造后,系统应能控制主轴实现其正反转;控制工作台实现纵向、横向和垂直方向的进给运动;控制冷却和润滑;通过键盘输入加工程序;由显示器显示加工状态等。1铣头装能在垂直面内作纵横两个方向运动,便于加工各种复杂形状的零件。2主轴可以在垂直方向上下运动。3X、Y、Z三轴均由步进电动机实现开环伺服驱动,可实现三轴任意两两联动,进行直线和圆弧插补。X、Y轴脉冲当量为0.01mm,Z轴脉冲当量为0.005mm。据设计要求,改造后的数控铣床应具有以下功能:1提高原机床加工工件时所能达到的精度;2能实现工件加工的自动循环要求,缩短辅助时间,提高加工效率;3可以实现程序的存储和编辑功能;4主传动系统可以实现电机正、反转,转速仍保持原机床的手动变速;5可以在平面或空间范围内按设定曲线(直线、圆弧等)恒速或变速运行;6控制系统可靠,拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自动功能;7铣床总体造型要美观、大方;一、总体改造方案普通铣床经过多次大修后,其零部件相互连接尺寸变化较大,主要传动零件几经更换和调整,故障率仍然较高,采用传统的修理方案很难达到大修验收标准,而且费用较高。因此合理选择改造方案是工作得以成功的主要环节。数控机床的改造目的是要求机床稳定可靠,以尽可能低的故障率运转。因此,用来进行改造的机床最好是七八成新的机床。根据各机床制造厂对普通铣床进行数控改造的主要形式,并结合现有型号和实际情况,拟定出以下两种改造方案:(一)方案1技改要点主传动甩掉现有铣床主轴箱(包括主轴)、进给箱等,只保留床身立柱、导轨、等,重新设计制造主轴(高转速)及箱体。进给传动采用半闭环伺服系统。这一类系统的位置检测元件从机械传动链的中间取得信号,检测元件大多是装在伺服电动机后端或滚珠丝杠驱动端。由于位置反馈信号不包括滚珠丝杠螺母副及工作台等执行部件误差因素影响,能获得比闭环伺服系统稳定性好的控制特性,而且也较经济。当采用高分辨率的检测元件,且半闭环外的传动部件(滚珠丝杠副、导轨以及工作台等工作部件)又有足够高的工作精度时,即使在半闭环数控机床上也可以获得较满意的精度和运动速度。但在加工使用中,环境温度变化和滚珠丝杠工作温度变化引起的热变形,机械原点漂移等未消除时,常成为高精密加工的主要误差因素。进给箱变为交流伺服电机支撑箱,需重新设计制造;三台步进电机支撑件、联接件,三丝杠支撑与溜板联接件,电气柜、防护罩等主要件需设计制作;各主要部件需装配、安装与调整。2技术难点主轴和主轴箱技术要求高,设计难度大,我们无设计条件、经验和设计时间,其制造难度也大,一般加工企业无法加工;三丝杠的支撑、联接技术与安装调整、工艺要求较高;三个伺服电机支撑、联接技术要求较高。改造后属于半闭环系统控制,加工精度较高但改造费用也需要较高。(二)方案1技改要点主传动保留主轴箱、床身立柱、导轨,而甩掉现有铣床进给箱。进给传动采用开环伺服系统,开环伺服系统没有检查机械运动的检测元件,即没有来自位置传感器的反馈信号。由步进电动机驱动,运动速度和精度较低,运动中容易产生振荡、丢步等现象,因此主要用于经济型或简易型数控机床,其精度和速度的提高受到限制。进给箱变为步进电机支撑,需重新设计制造;三台步进电机支撑件、联接件,三丝杠支撑工作台联接件,电气柜、防护等主要件需设计制作;各主要部件需装配、安装与调整。2技术难点三丝杠的支撑、联接技术与安装调整工艺要求较高;三步进电机支撑、联接技术要求较高。改造后属于开环系统控制,加工精度相对低但改造费用也需要较低。根据以上两种普通机床数控化改造方案的比较,经过察看X5230铣床本体以及其性能指标、工作状况,采用价格相对较低的数控系统,并配以混合式步进电机驱动与滚珠丝杠螺母副对X5230铣床的X、Y、Z三轴进行改造;并且参照数控铣床的改造经验,确定总体改造方案。1、基本保留机床原主轴的运动系统,主轴的正、反转以及启动、停车的由数控系统控制;2、拆除机床工作台的X、Y、Z轴原进给系统,将滑动丝杠副更换为滚动丝杠副,并改装减速齿轮、选用伺服电机。3、数控系统选用南京华兴数控设备有限责任公司WA310M数控系统;4、电气系统的设计。在进给驱动中使用步进电机,由于改造设计的是简易型经济数控,所以在考虑具体方案时,基本原则是在满足需要的前提下,对于机床尽可能减小改动量,以降低成本。(1)床身:床身采用分离式结构,立柱和底座用螺栓连接,立柱正面的燕尾导轨,用于安装垂直移动的升降台。立柱后面安装电气箱,床身底座上安装升降台垂直移动丝杠座。(2)进给箱:拆除原手动操作机构,改用步进电动机通过齿轮副传动带动滚珠丝杠实现,脉冲当量为0.01mm,进给由数控系统控制。(3)主轴进给:主轴进给由步进电动机通过齿轮副带动滚珠丝杠副实现,脉冲当量为0.005mm,主轴锥孔的锥度为R8,用于安装弹簧夹头和钻夹头,夹头用拉杆拉紧在主轴锥孔内。(4)工作台:整个部件靠升降台支撑在立柱正面的燕尾槽和垂直升降滚珠丝杠上,升降台顶面的燕尾导轨和滑板相配,滑板上的燕尾导轨于工作台相配。工作台纵横两向运动由步进电动机通过齿轮副带动滚珠丝杠副实现,脉冲当量为0.01mm。(5)冷却部分:冷却部分由切削液泵、出液泵、回液管、开关及喷嘴等组成。切削液泵安装在机床底座的内腔里,将切削液从底座内储液池泵至出液管,在经喷嘴喷出,对切削区进行冷却。(6)润滑部分:润滑部分采用机动润滑方式,用润滑油泵通过分油器对主轴套筒导轨及滚珠丝杠进行润滑,以提高机床的使用寿命。改造的三轴在机械上采用了滚珠丝杠通过齿轮副进行传动联接;工作台进行贴塑处理;滚珠丝杠和工作台润滑采用手动泵注入,整个改造工作包括机械设计、电气设计、机械零部件加工、机床大修及整机的安装和调试等。改造后机床传动示意图如图2-1所示。图2-1 传动系统示意图二、数控铣床改造后技术参数数控铣床改造设计参数包括铣床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需的参数。 工作台工作面: 长度 1220 宽度 300工作台最大行程:纵向(X轴) 550横向(Y轴) 320垂向(Z轴) 380XY轴脉冲当量 0.01Z 轴脉冲当量 0.005T 型槽数及宽度 316T 型槽间距 65主轴孔锥度 R8(7度7分30)主轴端面至工作台面距离 40420主轴中心线至垂直导轨距离 170780主轴转速范围 604000r/min摇臂行程 590摇臂回转角度 360铣头电机 1.5KW数控系统总功率 360w机床外型尺寸(长宽高) 142017802187机床净重 1500改造后,设备的操作改由系统控制,实现了自动化加工和柔性加工,加工精度也得到了提高。同时,使设备的故障率明显降低,维护费用也减少了,工人的劳动强度也跟着减轻,而工作效率得到了极大的提高,从前一些无法加工的工件,现在也可以加工了。总之,该机床改造后的可靠性和加工效率得到了很大提升,避免了人为因素的影响。整个改造所用费用少、见效快,系统运行平稳,可以达到预期的目的。第二节 传动系统改装设计与计算一、纵向进给系统的设计与计算(一)铣削力的计算根据简明铣工手册1,对高速钢圆柱铣刀,铣削力的计算公式为: (2-1)式中:系数,其值取决于切削条件和工件材料,当工件为碳钢时,根据简明铣工手册1表3-13,取=96.7,=2mm;每齿进给量,取=0.2mm;背吃刀量, 取=40mm; 铣刀齿数, 取=4;铣刀直径, 取=40mm;n铣刀转数;、 、及公式中各个参数的指数;切削条件改变时,切削力的修正系数。其中参数按实际加工过程中平均铣削条件为标准来选择。由已知条件,取=1.0、=0.75、=0.88、=0、=0.87加工碳钢时, =637Mpa,其修正系数由简明铣工手册1表3-14得:由公式2-1可得:图2-2 纵向进给系统图用圆柱铣刀进行顺铣加工时:(容易打刀,但能保证工件的表面质量)纵向铣削分力=(0.800.90),取=0.85 垂直铣削分力=(0.750.80),取=0.775 横向铣削分力=(0.350.40),取=0.375 各系数分别取中间值,则:=0.85=0.775=0.375=由此可算出周向铣削力:(切削合力) (二)滚珠丝杠螺母副的计算和选型1强度校核计算由机床设计手册2知,燕尾形导轨工作时的轴向力为: (2-2)式中:考虑颠覆力矩影响的系数,取1.4;导轨上的摩擦系数,取0.2;工作台重量,G=909.8=882N=0.882(kN) 、x,y,z各方向切削分力由,=0,=1264.875N代入2-2可得:其寿命值为:L=60NT=601015000=9106(r)式中:L工件寿命(r);N滚珠丝杠的转速(r/min);T使用寿命时间(h),数控机床一般为15000h;滚珠丝杠承受的最大动负载计算: (2-3)式中:滚珠丝杠工作载荷,、代入公式2-3可得滚珠丝杠最大动负荷为:2传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为: (2-4)丝杠螺旋升角=226,滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,10,则:3滚珠丝杠螺母副的选型若将数控铣床的进给传动链中旋转运动转换为直线运动,方案很多,例如采用滚珠丝杠螺母副就是常用的方法之一。滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动相互转换的新型传动装置。并且具有好多优点。(1)滚珠丝杠螺母副工作原理与特点1 螺母 2滚珠 3丝杠图2-3 滚珠丝杠副的结构原理示意图滚珠丝杠副(简称滚珠丝杠副)是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杠副,其结构原理如图2-3所示。在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽,当它们套装在一起便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道,将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道,并在滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时,滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动。因而迫使螺母(或丝杠)轴向移动。由此可知,滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦。滚珠丝杠副的特点:(1)传动效率高,摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率=0.920.96,是普通丝杠螺母副的34倍(=0.200.40),功率消耗只相当于普通丝杠螺母副的1/41/3。(2)定位精度高,刚度好。给予适当预紧,可消除丝杠和螺母的螺纹间隙,反向时就可以消除空程死区;(3)运动平稳,无爬行现象,传动精度高;(4)有可逆性,可以从旋转运动转换为直线运动,也可以从直线运动转换为旋转运动,即丝杠和螺母都可以作为主传动件。(5)磨损小,使用寿命长。(6)制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高,表面粗糙度也要求高,故制造成本高。(7)不能自锁。特别是对垂直丝杠,由于自重惯力的作用,下降时当传动切断后,不能立即停止运动,故常需附加制动装置。4滚珠丝杠螺母副的选用我国目前滚珠丝杠螺母副的精度标准分为四级:普通级P、标准级B、精密级J和超精密级C。根据不同的应用场合,滚珠丝杠副分为定位型和传动型,普通的数控铣床进给系统用的是定位型滚珠丝杠副,精度主要采用14级。设计和选用滚珠丝杠螺母副之时,首要确定螺距t、名义直径D0、滚珠直径d0等主要参数。在确定名义直径和滚珠直径参数时,经常采用和验算滚珠轴承相类似的方法,就是规定在最大轴向载荷Q作用下,滚珠丝杠能以33.3r/min的转速运转500小时而不出现点蚀。在选择螺距t时,经常应根据滚珠丝杠的刚度要求和承载能力,先要确定名义直径D0,其次根据名义直径D0 尽量取较大的螺距。一般常用的螺距t=4、5、6、8、10、12mm。螺距愈小,在一定轴向力作用下摩擦力矩愈小;但t小时(滚珠也小),导致滚珠丝杠承载能力下降。另外,如丝杠名义直径D0一定时,t减小、螺距升角随之减小,传动效率也随之降低。丝杠名义直径D0是指滚珠中心圆的直径,根据承受的载荷来选取。D0愈大,丝杠承载能力和刚度愈大。为了满足数控铣床的稳定性和传动刚度要求,通常资料推荐滚珠丝杠副的名义直径应大于丝杠工作长度的1/30。数控机床常用的进给丝杠,名义直径=3080mm。滚珠直径应根据轴承厂提供的尺寸选用。滚珠直径大,则承载能力也大,但在导程已确定的条件下,滚珠直径受到相邻螺纹间的凸起部分宽度所限制。 一般情况下d00.6t,最后尺寸应按滚滚的选取标准选用。设滚珠的工作圈数为J和滚珠总数N及列数K,由实验结果可知,每一个循环回路中,各圈滚珠所受的轴向负载不均匀。第一圈滚珠承受总负载的50%左右,第二圈约承受30%,第三圈约承受20%。因此,滚珠丝杠副中的每个循环回路的滚珠工作圈数取为J=2.53.5圈,工作圈数大于3.5没有实际意义。滚珠的总数为N,有关资料介绍不要超过150个。若设计计算时超过规定的最大值,则因流通不畅容易产生堵塞现象。若出现此种情况,可从单回路式改为双回路式或加大滚珠丝杠的名义直径或加大滚珠直径来解决。反之,若工作滚珠的总数太少,将使得每个滚珠的负载加大,引起过大的弹性形变。若工作圈数必须超过三圈半时,可制成双列或三列,列数多,增加了接触刚度,提高了承载能力。但并不能成比例增加,列数越多,增加的承载能力并不特别显著,反而加大了螺母的轴向尺寸。一般K=23列。(1)丝杠的导程和转速设电动机最大转速为1430r/min,取其使用时最高转速为1000r/min,步进电动机经过联轴器、减速齿轮传动和滚珠丝杠相连,取铣床工作台最大速度,按照上述滚珠丝杠导程选取原则,选滚珠丝杠的导程为。 丝杠转速:强力切削35r/min,一般切削55r/min,精细车削65r/min,快移80r/min。(2)当量载荷和当量转速(3)初选滚珠丝杠副 选取滚珠丝杠的尺寸规格时,应按照额定动载荷Ca大于等于最大动载荷C原则,即CaC。若滚珠丝杠副在低速或静态运转(即N10r/min)下工作并受载荷,那么还必须要考虑另一种失效形式滚珠丝杠接触面上的塑性变形。即滚珠丝杠的额定载荷C0a是不是已经大大超过了滚珠丝杠的工作载荷,一般使Ca/Fm=23。参考上述最大动载荷C的计算值,并且根据南京工艺装备制造有限公司所生产的滚珠丝杠及导轨,查表2-1选取滚珠丝杠的型号,如选用FFZD4006-3(表示内循环浮动反向器双螺母垫片预紧,公称直径为40mm,基本导程为6mm,钢珠直径,螺纹旋向为右旋),其Ca的值为15.1kN,所以强度足够,预紧力=0.25Ca=2.825kN,大于最大轴向载荷的三分之一,这种丝杠是可用的。图2-4 纵向丝杠零件图表2-1 滚珠丝杠技术参数表规格代号公称直径d0公称导程Ph0丝杠外径d1钢球直径D0丝杠底径D2循环圈数基本额定负荷刚度KC螺母安装连接尺寸CaKNC0aKND1D2L2D3BD4D5D6hD7MDL1FFZD1204-312411.32.3819.5346.7417222210448324.88.54.532M2.51663FFZD1604-316415.32.38113.534.89.74422828105210385.810632M62065FFZD1605-316515.53.512.937.613.24002828105210385.810632M62283FFZD2004-320419.319.12.381317.516.935.37.312.115.45193636106211485.810640M62572FFZD2005-320519.53.516.939.118.35363636106211485.810640M62583FFZD2504-325424.1321.938.320.26544040106611535.810646M63074FFZD2505-325524.53.521.9310.223.66574040106611535.810646M63084FFZD2506-325623.9420.9311.323.76364040106611535.810646M63097FFZD3204-332431.1328.939.627.98235050107611635.810656M63873FFZD3204-532431.1328.951545.613405050107611635.810656M63892(4)丝杠螺纹部分长度等于工作台最大行程(550mm)加螺母长度(130mm),再加上两端余量(47.5mm)。即:=550+130+47.52=775mm。(5)支撑跨距 按要求支撑跨距 应略大于,故取为=800mm。(6)临界转速 = 查机床设计手册2表3.737,可知两端固定时,f2=3.93LC= 由于采用两端固定,稳定性足够,所以不再进行压杆稳定性校核核算。(7)预拉伸计算温升引起的伸长量,设温升为,则螺线部分伸长量为: 丝杠全长的伸长量为:为此,丝杠的目标行程可定为比公比行程最小0.03/0.8mm。丝杠在安装时,要进行预拉伸,拉伸量为0.030mm。因此预拉伸力Ft,根据材料力学3欧拉公式:5滚珠丝杠螺母副选取的支承形式以及制动方式为了提高滚珠丝杠螺母副的传动刚度,所以要合理选取滚珠丝杠螺母座的结构,丝杠俩端的支撑形式及丝杠螺母副的参数,这些参数对机床的连接刚度也有较大的影响。所以,丝杠螺母座的孔与螺母之间必须要有好的配合,一定要保证孔与端面的垂直度,而且螺母座应增添加强筋,以此增加螺母座和铣床结合面的接触面积,这些工艺过程都可以加大螺母座的接触刚度和局部刚度。为了增加螺母支承的轴向刚度,必须选择合理的滚动轴承和支承方式。一般经常用的支承方式有如下几种,如图 2-5所示。图2-5 螺母副支承方式(1)一端装止推轴承,另一端自由。 如图2-5(a)所示。这种安装方式结构简单,承载能力小,压杆稳压性较差和临界转速低,轴向刚度低,适用于较短的丝杠和垂直丝杠。如数控机床的调整环节或升降台式铣床的垂直坐标中。(2)一端装止推轴承,另一端(浮动)装向心球轴承 如上图(b)所示。当滚珠丝杠比较长时,其中一端装止推轴承加以固定,另一自由端装上向心球轴承。由于滚珠丝杠有热膨胀的余地,需保证螺母与两支撑同轴,结构较复杂,工艺较困难。适用于较长丝杠或卧式丝杠。(3)两端装止推轴承及俩端固定 如上图(c)所示。此支撑结构丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍,压杆的稳压性好,固有频率比一端固定的高,可旋加预紧力提高传动刚度,结构和工艺都较复杂。适用于长丝杠以及对刚度和位移精度要求较高的场合。(4)两端装止推轴承及向心球轴承 如上图(d)所示。为了增加刚度,滚珠丝杠两端均采用双重支承,例如俩边加止推轴承和向心球轴承,并且施加预紧力。此种结构可使滚珠丝杠的热变形及时转化为止推轴承的预紧力,但是,设计者在设计时一定要注意增加止推轴承的承载能力以及支架刚度。近来出现了一种滚珠丝杠专用轴承,其结构如下图2-6所示。这是一种能够承受很大轴向力的特殊角接触球轴承,与一般角接触球轴承相比,接触角增大到60,增加了滚珠丝杠的数目并相应减小滚珠的直径。这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高到2倍以上,使用极为方便。产品成对出售,而且在出厂时已经选配好内、外环的厚度,装配调试时只要用螺母和端盖将内环和外环压紧,就能获得出厂时已经调好的预紧力,使用极为方便。由于滚珠丝杠螺母副的传动效率非常高,无自锁作用(特别是滚珠丝杠处于垂直传动时),为防止因自重下降,故必须有制动装置。一般用的制动方式有电磁摩擦离合器、超越离合器、或者是配置具有制动装置伺服驱动电机等。 图2-6 滚珠丝杠专用轴承滚珠丝杠螺母副必须定期维护。支承轴承的定期检查。应定期检查丝杠支承与床身的连接是否有松动以及支承轴承是否有损坏等。(2)滚珠丝杠副的润滑和密封。滚珠丝杠副也可用润滑剂来提高耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油及润滑脂两大类。润滑油一般为机油或90180号透平油或140号主轴油。润滑脂可采用锂基油脂。润滑脂加在螺纹滚道和安装螺母壳体空间内,而润滑油则经过壳体上的油孔注入螺母的空间内。(3)滚珠丝杠副常用防护罩和防尘密封圈。密封圈装在滚珠螺母的两端。接触式的弹性密封圈系用耐油橡皮或尼龙等材料制成,其内孔制成与丝杠螺纹滚道相配合的形状。接触式密封圈的防尘效果好,但因有接触压力,使摩擦力距略有增加。非接触式的密封圈又称为迷宫式密封圈。防护罩,对于暴露在外面的丝杠一般采用螺旋钢带、伸缩套筒、锥形套筒以及折叠式塑料或人造革等形式的防护罩,以防止尘埃和磨粒粘附到丝杠的表面。这几种防护罩与导轨的防护罩有相似之处,一端连接在滚珠螺母的端面,另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。滚珠丝杠的轴承载荷以轴向载荷为主,径向载荷除丝杠自重外,通常无外加载荷,对滚珠丝杠轴承的重要要求是轴向精度及刚度要高,并且摩擦力矩要尽可能小。根据实用机床设计手册4知,游动支撑方式多采用深沟球轴承,固定支撑一般采用的有圆锥滚子轴承,双向推力角接触球轴承,角接触球轴承,及圆锥滚子轴承和深沟球轴承的组合。经过计算,适合选用双列推力角接触球轴承,由机床设计手册4 可得:应选择轴承型号为30TAC62A,查表其内径d=30mm,外径D=62mm,基本额定动载荷Ca=26700N,双列承载43600N.静载荷为32500N,最大轴向力Fa max=8060N(1)预负荷由经验知:轴承的负荷应大于等于最大载荷的1/3,滚珠丝杠一端固定,所以轴承的最大载荷等于预拉伸力Ft和最大外载荷的一半之和。 故符合要求。(2)疲劳寿命的计算轴承所要求的动载负荷可按公式来计算由于考虑到数控铣床自身的特点,以上公式中系数KpKlKNKn均取1。因为机床进给力的方向是变化的,所以轴承负荷也可能是P=Fm,或者是P=Ft-,并且两者机会均等。为了计算简便,所以取其平均值P=Ft。当量转速nm=58.25r/min,故fn=0.932,一般轴承的寿命为15000h,则fh=3.11,CC=由此可以看出,7602017TVP型号的轴承的额定动载负荷足够用,所以选取轴承型号为7602017TVP是合理的。6刚度验算滚珠丝杠螺母副工作时,负载Fm引起的导程变化量按公式 计算。式中 L0=6mm,弹性模量,工作负载Fm=2415N,滚珠丝杠截面积则: 滚珠丝杠螺母副受扭矩引起的导程变化量为,由于引起的导程变化量很小,可以忽略不计。根据机床设计手册2可知,3级精度的滚珠丝杠允许的轴向误差为4mm,所以刚度足够。(三)减速齿轮副的设计1脉冲当量的选择根据原铣床x5230的机械加工精度,并且由前面的计算已知:滚珠丝杠螺母副中滚珠丝杠的导程,初步选择伺服步进电动机步距角,脉冲当量。则每个脉冲滚珠丝杠螺母移动的距离为:若要实现p=0.01mm/step,那么就必须在伺服步进电机和滚珠丝杆间加上一对减速齿轮,此对减速齿轮的降速比为:2减速齿轮副的设计该处设计的减速齿轮副应是开式齿轮传动副,由于为了防止轮齿齿数太小从而引起的意外轮齿断裂,设计一般使用的齿轮传动时,通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算选取。传递动力的齿轮模数一般大于等于1.53mm,所以,该减速齿轮副齿轮的模数取为m=2mm,选取直齿圆柱齿轮,所以直齿圆柱齿轮分度圆压力角=20,齿顶高系数,顶隙系数。开式齿轮传动,由于齿轮主要为磨损失效,为了增加开式齿轮副齿轮传动的耐磨性,故而小齿轮齿数不应选用过多,因此选取=40,故= =401.2=24,取=48。表2-2 纵向进给齿轮参数表齿轮1齿轮2齿数Z4048模数m(mm)22分度圆 d(mm)8096齿顶圆 (mm)88100齿根圆 (mm)7591中心距 a(mm)8888二、横向进给系统的改造设计与计算 (一)铣削力的计算横向滚珠丝杠螺母副的铣削力与纵向计算方法相同,其周向铣削力: 工作台横向进给方向载荷:=0.375=(二)滚珠丝杠螺母副的选型及计算1强度校核计算由机床设计手册2 知,燕尾形导轨工作时的轴向力为: 式中:考虑颠覆力矩影响的系数,取1.4;导轨上的摩擦系数,取0.2;工作台重量,G=1109.8=1078=1.078(kN) 、切削分力由,=0,=1265N代入2-2可得: 其寿命值为:L=60NT=601015000=9106(r)式中:L工件寿命(r);N滚珠丝杠螺母副丝杆的转速(r/min);T使用寿命(h),一般数控机床的使用寿命为15000h;滚珠丝杠螺母副的滚珠丝杠承受的最大动载负载计算 式中:滚珠丝杠工作载荷,、代入公式2-3计算得滚珠丝杠最大动载负荷为:2传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为: 丝杠螺旋升角=226,滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,10,则:3滚珠丝杠螺母副的选型(1)丝杠的导程和转速设电动机最大转速为1430r/min,取其使用时最高转速为1000r/min,步进电动机经过联轴器、减速齿轮传动和滚珠丝杠相连,取铣床工作台最大速度,按照上述滚珠丝杠导程选取原则,选滚珠丝杠的导程为。 丝杠转速:强力切削35r/min,一般切削55r/min,精细车削65r/min,快移80r/min。(2)当量载荷和当量转速(3)初选滚珠丝杠副选取滚珠丝杠的尺寸规格时,应按照额定动载荷Ca大于等于最大动载荷C原则,即CaC。若滚珠丝杠副在低速或静态运转(即N10r/min)下工作并受载荷,那么还必须要考虑另一种失效形式滚珠丝杠接触面上的塑性变形。即滚珠丝杠的额定载荷C0a是不是已经大大超过了滚珠丝杠的工作载荷,一般使Ca/Fm=23。参考上述最大动载荷C的计算值,并且根据南京工艺装备制造有限公司所生产的滚珠丝杠及导轨,查表2-1选取滚珠丝杠的型号,如选用FFZD2506-3(表示内循环浮动反向器双螺母垫片预紧,公称直径为25mm,基本导程为6mm,钢珠直径,螺纹旋向为右旋),其Ca的值为11.3kN,所以强度足够,预紧力=0.25Ca=2.825kN,大于最大轴向载荷的三分之一,这种丝杠是可用的。(4)
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