机械机床毕业设计157设计数控车床控制系统Word文档下载推荐.docx
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1引言
1.1设计题目及说明
设计任务:
设计数控车床控制系统
设计要求:
a)通过研究以往的数控机床了解数控车床的机械及机电的内容。
b)数控车床的进给系统的机械部分的设计;
c)数控车床的进给系统的步进电动机驱动电路的设计;
d)在所有备选方案中选择最经济的方案并考虑到投入生产中的问题。
1.2数控车床的现在及发展
1.2.1目前国外NC车床的技术水平
a.高性能∶目前国外NC车床全面向高性能发展,依靠改进工艺、布局、结构、驱动和控制五方面来提高精度、效率、自动化。
如工艺上车、铣、磨结合;
布局上立、卧、倾斜式、倒立式变化,结构上多主轴、多刀架;
驱动上电主轴、滚珠丝杆、直线电机并用;
控制上多轴联动、网络化等。
在提高复合加工性能方面更加引人瞩目,量大面广的一般NC车床不断向高性能车削中心和车铣中心发展的配置。
b.高精度∶加工精度普遍提高,精密车床代替了过去的普通精度NC车床。
加工精度从过去的1T6-1T7提高到1T5-1T6。
重复定位精度达1-2微米(高精度车床为0.3Mm),工件精度达0.3微米,圆度达1微米,表面粗糙度达Ra0.3微米。
NC系统分辨率为1微米(高精度NC车床达0.1微米或0.01微米),还在继续提高。
c.高效率∶通过高速化和复合化不断提高加工效率。
高速化方面,一般中规格NC车床主轴转速已从过去的3000-5000r/min提高到4000-8000r/min(NC单轴自动车床达1.2万、1.5万、甚至2万r/min),快速进给从过去的10-20m/min提高到30、甚至40m/min。
主传动功率也大大提高。
在复合化方面,具有铣削功能、Y轴功能的车削中心数量大增,约占15%。
具有X、Z、Y、B、C5轴功能的也逐步增多,出现了车-磨结合、车床-加工中心结合的复合加工机,实现“全部加工”。
d.高自动化∶采用现场交互式编程和机内自动对刀,有些还与CAD/CAM相结合;
带AWC、ATC和AJC等自动化外围设备的越来越多;
监控和自诊断能力日益增强,有些还可进行远程监控与诊断;
能自动测量和进行误差补偿,包括加工误差的实时补偿;
更易於集成入自动化加工系统中。
e.模块化设计∶针对市场需求,为加速发展系列产品、降低成本和缩短交货期,国外NC车床已普遍采用模块化设计,利用基本模块和各种功能部件灵活配置,组成各式NC车床、车削中心等。
1.2.2国外NC车床的技术发展方向
主要有几方面∶不断开发新工艺、新材料、新结构、新元件,比如开发硬面车削工艺(HRC50-68),公差带在5微米,表面粗糙度达Ra0.4微米,又如开发倒立式车―磨结合的车削中心等;
进一步提高加工精度,发展精密化、超精密化车床;
提高效率,加速发展高速化,尤其是复合化;
在现有自动化基础上进一步发展智能化、无人化、集成化;
发展网络化,与车间、工厂、外界联网;
发展环保化车床,实现节能、省地、干和半干切削等。
1-1德国Emag公司的VSC400型车-磨结合的车削中心
1.2.3国内NC车床的技术水平和存在差距
在改革开放的20年,中国NC车床的技术水平提高较快,在设计、制造、使用上进步很大。
2001年中国NC车床产量3900台,进口约3500台。
1995年中国NC车床拥有量2.1万台(占NC机床之33%)。
2002年3月的上海中国数控机床展(CCMT2002),展出200台整机,包括64台NC车床,代表了当前中国NC车床的最高技术水平,另有车削中心9台,占14%。
沈阳机床公司与德国合作生产的SSCKZ63-5型5轴车铣中心,可控制X、Y、Z、B、C轴,床身最大回转直径φ800mm,主轴2000r/min,主电机37kw,刀库有12把刀,配西门子840DNC系统。
成都宁江机床厂的CKE1112型NC纵切自动车床,加工棒料直径φ12mm,主轴转速12000r/min,为5轴2联动,配用FANUCD-ONC系统。
上海第二机床厂的HM-O15型倒置立式车削中心,主轴4000r/min,主电机40kw,采用INDRAMATNC系统,机床带自动上下料装置。
在2000年3月的CCMT展上,上海重型机床厂展出自行设计的SHZ1044型双主轴立式车削中心(见图4),具有特色,可侧面反映出目前中国NC车床的设计和制造水平。
该车床用於电梯曳引轮涡轮组件的半精加工和精加工,有倒置立车和正置立车两部分。
带自动上下料装置,为能完成零件全部加工的车削中心。
配SINUMERIK840CNC系统,定位精度∶X轴0.016mm/500mm,Z轴0.032mm,C轴60"
;
重复定位精度∶X轴7微米,Z轴0.01mm,C轴20"
,机床配用进口的内装式电主轴、高精度轴承、直线滚动导轨、高精度光栅尺、滚珠丝杆、自动定心卡盘等。
存在的主要差距为∶在精度、效率、自动化上存在一定差距;
主机设计基本功差,缺乏创新,模块化设计少;
重要基础元部件、NC系统主要依靠进口;
缺乏深入系统的科研工作,设计、试验手段较落后;
在NC车床的产品水平和总体技术水平上,差距明显。
2.总体方案的拟定
2.1数控车床的组成
数控车床由主轴箱、卡盘、刀架、尾座、数控系统、排泄装置、电控厨、自动拉门以及床身等装置组成。
数控车床的床身按照导轨面与水平面的相关位置可分为:
平床身、斜床身、平床身斜滑板和立床身4种布局本车床选用平车身。
2.2设计参数
设计参数包括数控进给伺服系统所需要的参数。
最大加工直径在床面上400mm
在床鞍上210mm
最大加工长度1000mm
快进速度纵向2.4m/min
横向1.2m/min
最大切削进给速度纵向0.5m/min
横向0.25m/min
溜板及刀架重力纵向800N
横向600N
代码制ISO
脉冲分配方式逐点比较法
输入方式增量值、绝对值通用
控制坐标数2
脉冲当量纵向0.01mm/脉冲
横向0.005mm/脉冲
机床定位精度±
0.015mm
刀具补偿量0mm---99.99mm
进给传动链间隙补偿量纵向0.15mm
横向0.075mm
自动升降速性能有
3进给伺服系统机械部分设计与计算
3.1进给系统整体方案的研究及制定
数控机床进给运动系统,尤其是轮廓控制的进给运动系统,必须对进给运动的位置和运动的速度两个方面同时实现自动控制,与普通机床相比,要求其进给系统有较高的定位精度和良好的动态响应特性。
一个典型数控机床闭环控制的进给系统,通常由位置比较放大单元、驱动单元、机械传动装置及检测反馈元件等几部分组成。
这里所说的机械传动装置是指将驱动源的旋转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链,包括减速装置、转动变移动的丝杠螺母副及导向元件等等。
为确保数控机床进给系统的传动精度、灵敏度和工作的稳定性,对机械部分设计总的要求是消除间隙,减少摩擦,减少运动惯量,提高传动精度和刚度。
另外,进给系统的负载变化较大,响应特性要求很高,故对刚度、惯量匹配都有很高的要求。
为了满足上述要求,数控机床一般采用低摩擦的传动副,如减摩滑动导轨、滚动导轨及静压导轨、滚珠丝杠等;
保证传动元件的加工精度,采用合理的预紧、合理的支承形式以提高传动系统的刚度;
选用最佳降速比,以提高机床的分辨率,并使系统折算到驱动轴上的惯量减少;
尽量消除传动间隙,减少反向死区误差,提高位移精度等。
3.1.1电机与丝杠之间的联接
数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高的要求。
实现进给驱动的电机主要有三种:
步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。
目前,步进电机只适应用于经济型数控机床,直流伺服电机在我国正广泛使用,交流伺服电机作为比较理想的驱动元件已成为发展趋势。
数控机床的进给系统当采用不同的驱动元件时,其进给机构可能会有所不同。
电机与丝杠间的联接主要有三种形式,如下图所示。
1.带有齿轮传动的进给运动
数控机床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求,如图3-1a)所示。
由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面要求,总存在着一定的齿侧间隙才能正常工作,但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量,对闭环系统来说,齿侧间隙会影响系统的稳定性。
因此,齿轮传动副常采用消除措施来尽量减小齿轮侧隙。
但这种联接形式的机械结构比较复杂。
3-1电机与丝杠间的联接形式
2.经同步带轮传动的进给运动
如图3-1b)所示,这种联接形式的机械结构比较简单。
同步带传动综合了带传动和链传动的优点,可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声,但只能适于低扭矩特性要求的场所。
安装时中心距要求严格,且同步带与带轮的制造工艺复杂。
3.电机通过联轴器直接与丝杠联接
如图3-1c)所示,此结构通常是电机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高精度十字联轴器联接,从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度,并大大简化了机械结构。
在加工中心和精度较高的数控机床的进给运动中,普遍采用这种联接形式。
本系统采用方案1带有齿轮传动的进给运动。
3.1.2滚珠丝杠螺母副
滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置,在数控机床上得到了广泛的应用。
它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件,以减少摩擦。
1.滚珠丝杠螺母副工作原理
滚珠丝杠螺母副工作原理,如图3-2a所示。
图中丝杠和螺母上都加工有圆弧形的螺旋槽,当它们对合起来就形成了螺旋滚道。
在滚道内装有滚珠,当丝杠与螺母相对运动时,滚珠沿螺旋槽向前滚动,在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置,逐个地又滚回到丝杠与螺母之间,构成一个闭合的回路。
图3-2a滚珠丝杠螺母副工作原理图图3-2b螺纹滚道法向截面形式
2.滚珠丝杠螺母副结构
滚珠丝杠的螺纹滚道法向截面有单圆弧和双圆弧两种不同的形状,如图3-3b所示(a)为单圆弧、b)为双圆弧)。
其中单圆弧工艺简单,双圆弧性能较好。
故采用双圆弧。
3.滚珠的循环方式
滚珠循环方式分为外循环和内循环两种方式,本系统采用外循环。
外循环:
滚珠在循环过程结束后,通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠间重新进入循环。
如图3-3a)所示为插管式,它用弯管作为返回管道,这种形式结构工艺性好,但由于管道突出于螺母体外,径向尺寸较大。
如图3-3b)所示为螺旋槽式,它是在螺母外圆上铣出螺旋槽,槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切,形成返回通道,这种形式的结构比插管式结构径向尺寸小,但制造较复杂。
3-3外循环滚珠丝杠
4.滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整
滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。
为了保证反向传动精度和丝杠的刚度,必须消除轴向间隙。
消除间隙的方法常采用双螺母结构,利用两个螺母的相对轴向位移,使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。
用这种方法预紧消除轴向间隙时,应注意预紧力不宜过大,预紧力过大会使空载力矩增加,从而降低传动效率,缩短使用寿命。
此外还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。
本系统的螺母丝杠消除间隙方法:
垫片调隙式。
如下图所示,调整垫片厚度使左右两螺母不能相对旋转,只产生轴向位移,即可消除间隙和产生预紧力。
这种方式结构简单,刚性好,调整时需要卸下调整垫圈修磨,滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。
3-4垫片调隙式
5.滚珠丝杠的支承方式
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。
滚珠丝杠的不正确及支承结构的刚度不足,会使滚珠丝杠的寿命大大下降。
因此要注意轴承的选用和组合,尤其是轴向刚度要求较高,为了提高支承的轴向刚度,选择适当的滚动轴承及其支承方式是十分重要的。
常用的支承方式有下列几种,如下图所示。
(1)一端装止推轴承(固定-自由式)。
这种安装方式如图3-5a)所示。
其承载能力小,轴向刚度低,仅适用于短丝杠,如用于数控机床的调整环节或升降台式数控机床的垂直坐标中。
图3-5滚珠丝杠的支承结构
(2)一端装止推轴承,另一端装深沟球轴承(固定-支承式)这种安装方式如图3-5b)所示。
当滚珠丝杠较长时,一端装止推轴承固定,另一端由深沟球轴承支承。
为了减小丝杠热变的影响,止推轴承的安装位置应远离热源(如液压马达)。
(3)两端装止推轴承。
这种安装方式如图3-5c)所示。
将止推轴承装在滚珠丝杠的两端,并施加预紧拉力,有助于提高传动刚度。
但这种安装方式对热伸长较为敏感。
(4)两端装双重止推轴承及深沟球轴承(固定-固定式)。
这种安装方式如图3-5d)所示。
为了提高刚度,丝杠两端采用双重支承,如止推轴承和深沟球轴承,并施加预紧拉力。
这种结构形式,可使丝杠的热变形能转化为止推轴承的预紧力。
综上所述,本系统采用方案(4)。
6.滚珠丝杠的保护
滚珠丝杠副可用润滑来提高耐磨性及传动效率。
润滑剂分为润滑油及润滑脂两大类。
润滑油用机油、90~180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的壳体空间内,而润滑油通过壳体上的油孔注入螺母空间内。
滚珠丝杠副和其它滚动摩擦的传动元件,只要避免磨料微粒及化学活性物质进入,就可以认为这些元件几乎是不产生磨损的情况下工作的。
但如果在滚道上落入脏物,或使用肮脏的润滑油,不仅会妨碍滚珠的正常运转,而且使磨损急剧增加。
通常采用毛毡圈对螺母副进行密封,毛毡圈的厚度为螺距的2~3倍,而且内孔做成螺纹的形状,使之紧密地包住丝杠,并装入螺母或套筒两端的槽孔内。
密封圈除了采用柔软的毛毡之外,还可以采用耐油橡胶或尼龙材料。
由于密封圈和丝杠直接接触,因此防尘效果较好,但也增加了滚珠丝杠螺母副的摩擦阻力矩。
为了避免这种摩擦阻力矩,可以采用由较硬塑料制成的非接触式迷宫密封圈,内孔做成与丝杠螺纹滚道相反的形状,并留有一定的间隙。
对于暴露在外面的丝杠,一般采用螺旋刚带、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表面。
除与导轨的防护罩相似外,这几种防护罩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。
在本系统中采用上端加防沉盖和伸缩套筒的方式做防沉密封。
3.1.3.进给统传动间隙的补偿机构
数控机床进给系统由于经常处于自动变向状态,齿侧间隙会造成进给反向时丢失指令脉冲,并产生反向死区从而影响加工精度,因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙。
3-6圆柱齿轮间隙的几种调整结构
上图所示为圆柱齿轮间隙的几种调整结构。
图3-6a)为偏心套间隙调整结构。
将偏心套转过一定角度,可调整两齿轮的中心距,从而得以消除齿侧间隙。
图3-6b)是带有锥度的齿轮间隙调整结构。
两个相互啮合的齿轮都制成带有小锥度,使齿厚沿轴线方向稍有变化。
通过修磨垫片的厚度,调整两齿轮的轴向相对位置,即可消除齿侧间隙。
图3-6c)为斜齿圆柱齿轮轴向垫片间隙调整结构。
与宽齿轮同时啮合的两个薄片齿轮,用键与轴相联接,彼此不能相对转动。
两个薄片齿轮的轮齿是拼装在一起进行加工的,加工时在它们之间垫入一定厚度的垫片。
装配时将厚度比加工时所用垫片稍大或稍小的垫片垫入它们之间,并用螺母拧紧,于是两薄片齿轮的螺旋齿产生错位,分别与宽齿轮的左、右齿侧贴紧,从而消除了它们之间的齿侧间隙。
显然,采用这种调整结构,无论齿轮正转或反转,都只有一个薄片齿轮承受载荷。
上述几种齿侧间隙的调整方法,结构比较简单,传动刚性好,但调整之后间隙不能自动补偿,且必须严格控制齿轮的齿厚和齿距公差,否则将影响传动的灵活性。
齿侧间隙可自动补偿的调整结构,如下图所示。
相互啮合的一对齿轮中的一个做成两个薄片齿轮,两薄片齿轮套装在一起,彼此可作相对运动。
两个齿轮的端面上,分别装有螺纹凸耳,拉簧的一端钩在一个凸耳上,另一端钩在穿过另一个凸耳后的螺钉上,在拉簧的拉力作用下,两薄片齿轮的轮齿相互错位,分别贴紧在与之啮合的齿轮(图中未示出)左、右齿廓面上,消除了它们之间的齿侧间隙,拉簧的拉力大小,可用调整螺母调整。
这种调整方法能自动补偿间隙,但结构复杂,传动刚度差,能传递的转矩小。
3-7双齿轮拉簧错齿间隙的调整结构
考虑到经济问题,本机床进给设计采用开环系统步进电动机作为驱动单元。
电机与丝杠的连接采用齿轮传动。
3.2进给系统的具体设计计算
进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括:
确定脉冲当量、计算切削力、滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。
计算简图如下图所示:
3-8进给系统计算简化
3.2.1确定系统的脉冲当量
脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。
因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。
对经济型数控机床来说,常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在一般经济型数控车床的技术参数中,要求纵向脉冲当量fp为0.01mm/step。
横向脉冲当量为fp=0.005mm/step。
3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤
1.最大工作荷载计算
滚珠丝杠的工作载荷Fm(N)是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力,也叫做进给牵引力。
它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。
由于本车床的纵向导轨是三角形导轨,则用公式3-1计算工作载荷的大小。
Fm=KFL+f’(Fv+G)(3-1)
1)车削抗力分析
车削外圆时的切削抗力有Fx﹑Fy﹑Fz,主切削力Fz与主切削速度方向一致垂直向下,是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。
切深抗力Fy与纵向进给垂直,影响加工精度或已加工表面质量。
进给抗力Fx与进给方向平行且相反指向,设计或校核进给系统是要用它。
纵切外圆时,车床的主切削力Fz可以用下式计算:
Fz=CFzαPXFzfyFzVnFzKFz(3-2)
=5360(N)
由《金属切削原理》知:
Fz:
Fx:
Fy=1:
0.25:
0.4(3-3)
得Fx=1340(N)
Fy=21
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