C6136 數(shù)控車床的改造 內(nèi)容摘要 由于 C6136 數(shù)控車床已經(jīng)使用了 3 年多時間，其各部分傳動零件和電器部分及加工零件所要求的精度 c6136 都無法達(dá)到，故我們要對C6136 數(shù)控車床進(jìn)行升級改造使其達(dá)到生產(chǎn)精度要求和工藝要求。此次改造主要是對其系統(tǒng)，橫向和縱向絲杠的改動及更換步進(jìn)電機(jī)等。 關(guān)鍵詞 ： 數(shù)控機(jī)床改造、 滾珠絲杠 步進(jìn)電機(jī) 數(shù)控系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī) 1 緒 論 1.1 C6136 數(shù)控車床的改造方案 1.2 原 C6136 數(shù)控車床由于使用 年份比較長，使用頻率比較多故其步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的磁力圈已經(jīng)磨損嚴(yán)重導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)丟步嚴(yán)重精度誤差嚴(yán)重。故我們要選型更換步進(jìn)電機(jī)。我們知道伺服電機(jī)的精度及工作性能要比步進(jìn)電機(jī)好的多，但是為了節(jié)約成本我們還是選用步進(jìn)電機(jī)。 1.3 原 C6136 的數(shù)控系統(tǒng)為 GSK928TC 現(xiàn)我們改換其升級版本 GSK928TCA。GSK928TCA 數(shù)控系統(tǒng)，采用 32 位高性能工業(yè)級 CPU 構(gòu)成控制核心，實現(xiàn)UM 級精度運(yùn)動控制，系統(tǒng)功能及參數(shù)比較多我這里就不一一說明了。主要是性能比較穩(wěn)定，界面顯示直觀簡明，操作方便。 1.4 原數(shù)控車床的絲桿屬于滑動螺旋傳動 ， 主要缺點(diǎn)就是機(jī)械效率低，一般僅為 3060%，與改造后的精度相差很多。數(shù)控機(jī)床除了具有較高的定位精度外，還應(yīng)良好的動態(tài)間應(yīng)特征，滾珠絲杠副的特點(diǎn)，傳動效率高，一般達(dá)到 90%以上，通過預(yù)緊力可消除絲杠間隙，運(yùn)動平穩(wěn)，傳動精度高，有可靠性，磨損小，使用壽命長，但制造復(fù)雜，成本高。要使系統(tǒng)指令好，有能滿足精度要求，本次改造采用滾動螺旋機(jī)構(gòu)。 1.5 原數(shù)控車床的主軸電機(jī)功率為 3.7KW，在其工作中發(fā)現(xiàn)其功率完全不夠。車床的切削力不足不可以大刀量進(jìn)給，導(dǎo)致加工效率不高。故這里我們選用 7.5.KW 的主軸電機(jī)以提高數(shù)控車床的 切削力和生產(chǎn)效率問題。 1.6 原 C6136 數(shù)控車床的變頻器我們用的是 富凌 變頻器 3.7KW。其缺點(diǎn)就是工作性能不穩(wěn)定，沒有自動電壓調(diào)整導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)速不穩(wěn)及主軸啟動延時比較厲害等。故我們這次選用 安邦信 AM100-7.5KW 變頻器 380V 級 其優(yōu)點(diǎn)就是1 具有自動電壓調(diào)整，自動節(jié)能運(yùn)行，自動限流對運(yùn)行期間電流自己限制，防止頻率過流故障跳閘等優(yōu)點(diǎn)。 1.7 由于改動了上述部件故這里我們要考慮步進(jìn)電動機(jī)距角和絲桿導(dǎo)程只能按 2 標(biāo)準(zhǔn)選擇，要達(dá)到 0.001 秒的分辨率的要求，縱橫向均要用錯齒調(diào)隙的齒輪做減速運(yùn)動。 要求改造更新后的 C6136 數(shù)控車床的參數(shù)如下： 最大回轉(zhuǎn)直徑： 360MM 電機(jī)功率： 7.5KW 快速進(jìn)給：縱向 2.4 m/min 橫向 1.2m/min 切削速度：縱向 0.5m/min 橫向 0.25m/min 定位精度： 0.015mm 運(yùn)動部件重量：縱向 800N 橫向 600N 脈沖當(dāng)量：縱向 0.01mm 橫向 0.005m 一 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 1 原 C6136 數(shù)控車床使用的是廣數(shù) GSK928TC 數(shù)控車床系統(tǒng)，此系統(tǒng)由于使用時間比較長其內(nèi)部的電器 部分已經(jīng)老化，導(dǎo)致機(jī)床在工作中突然停機(jī)。嚴(yán)重影響加工質(zhì)量與人身安全?，F(xiàn)在我們更換成 GSK928TC 的升級版本 GSK928TCA， GSK928TCA 具有以下特點(diǎn)： 1 Z、 X、 Y 三軸控制，兩軸聯(lián)動，可控 Y 軸或伺服主軸， 0.001mm（即m 級）插補(bǔ)精度，系統(tǒng)切削速度可達(dá) 15000 mm/min；定位最高快速速度輸出可達(dá) 30000 mm/min。 2 圓弧加工的最大半徑可達(dá) 1000m。 3 加工性能好：系統(tǒng)輸出脈沖平穩(wěn)、均勻，加工后工件表面波紋均勻細(xì)膩、銜接處無頓痕。 4 高效加工與靈活的實時檢測并行執(zhí)行處理機(jī)制；程序段 間過渡不占時間；輔助指令與定位指令可以同步執(zhí)行；靈活應(yīng)用系統(tǒng)的語句編程功能，能有效提升綜合效率和安全性。 3 5 最大限度的安全措施：提供了多種有關(guān)安全方面的參數(shù)選項，確保安全使用；具有雙重軟限位保護(hù)功能等。 具體參數(shù)這里不詳細(xì)說明了，主要選擇此系統(tǒng)是因為價格相對比較便宜，工作性能比較穩(wěn)定。還有就是其系統(tǒng)界面與 GSK928TC 基本一致方便操作人員快速熟悉掌握。 一 滾珠絲桿的選型與計算 1 我們現(xiàn)在要計算一下縱向絲杠的進(jìn)給牽引力 Fm： 縱向進(jìn)給的綜合型導(dǎo)軌 采 用三角型或綜合導(dǎo)軌 : Fm=kFx+ f (Fz+G) （ 3.1） 式中 :Fx,Fy,Fz, 切削分力 (N): G-移動部件的重量 (N) f 導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) ,隨導(dǎo)軌形式而不同 K 考慮顛復(fù)力距影響的實驗系數(shù) . f=0.16 則 Fm=1.15 877.5+0.16(3510+800)=1698.75N 再計算一下最大動 負(fù)載 C: C=3L fwFm （ 3.2） 選用滾珠絲杠副的直徑 d.時必須保證在一定軸向負(fù)載 作用下 .絲杠在回轉(zhuǎn) 100 萬轉(zhuǎn)后 ,在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕 現(xiàn)象 .這個軸向負(fù)載的最大值稱為該滾珠絲杠能承受的最大動 負(fù)載 C 可用 C= 3L fw.Fm （ 3.3） L=61060nT （ 3.4） n=01000LVS 4 （ 3.5） 式中滾珠絲杠導(dǎo)程 L=6mm.可取最高進(jìn)給速度的 (1/2 1/3)此處 VS=0.5 0.5=0.25m/min T: 使用壽命按 15000h 計算 L: 壽命以 106 轉(zhuǎn)為 1 單位 Fw: 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 fw:121.5 取 fw=1.3 N=6 25.01000 =42r/min L=61060nT =610150004260 =38 小時 C=3L .fw.Fm C=338 1.3 1698.75=7508.47 計算出以上數(shù)據(jù)后 查一下 -山東濟(jì)寧 選取滾珠絲杠公稱直徑為 40 選用的型號為 CDM4006-2.5 作為縱向絲桿因為其額定動載荷 15470N,所用強(qiáng)度足夠用。 2 現(xiàn)在算下縱向絲桿的定位精度： 最大牽引力為 1698.75N, 支承間距 L=1700mm 絲杠螺母及軸承均采用預(yù)緊 ,預(yù)緊力為最大牽引力為 1698.75N. 公式如下： L=EFLFm 0. : Fm 工作負(fù)載 (N) L.:滾珠絲 杠 L=6mm E:材料彈性模數(shù)對鋼 E=20.6 106 (N/mm2 ) F:滾珠絲杠面積 mm2 F=1/4 D2 =1/4 402 =1256m L= 0.1256106.20 673.169 8 60.394 104mm2 5 再算滾珠絲杠總長度上拉伸或壓 縮的變形量 mm =0.394 10-4 L/6=0.011 對滾珠絲杠經(jīng)過預(yù)拉拉伸 ,拉壓剛度可提高 4 倍 其實際變量 =1/4 0.011=2.75 10 3 mm 3 =0.00756mm定位精度 0.015mm 計算值滿足改裝所需要求，顧縱向絲桿選擇型號 CDM4006-2.5 的絲桿。 2 計算橫向絲杠進(jìn)給牽引力 Fm： 橫向?qū)к墳檠辔残螌?dǎo)軌 其計算公式如下 : Fm=KFx+f (Fz+2Fy+G) 式中 K:考慮顛復(fù)力矩的影響實驗系數(shù) K=1.4 f :導(dǎo)軌上摩擦系數(shù)為 f =0.2,G 移動部件重量 G=600N Fm=1.4 702+0.2(1755+2 438.75+600)=1629.3N 3計算最大動負(fù)載 (N) n=01000LVS.=4 5.025.01000 =31.25 L=6101500025.3160 =28.125 C= 3 125.28 1.2 1629.3=5865.48N 得出以上數(shù)據(jù)后 查 叢書 山東濟(jì)寧 選用滾珠絲杠為 CDM2504-2.5 其額定的動載荷為 6638 d=25mm 1d =24.5mm 循環(huán)列數(shù)為 1 2.5 2 Coa=16826 螺旋導(dǎo)程角 r=Dparctan=arctan2514.3 4 r=2 5 選擇精度等級為 3 級。其數(shù)據(jù)滿足橫向絲桿要求。 得知以上數(shù)據(jù)后算出橫向絲桿的定位精度： 已知橫向進(jìn)給最大牽引力為 2612.1N 支承間距 L=450mm 因絲杠長度較短不需要預(yù)緊 6 滾珠絲杠的拉伸或壓縮變形量 L=EFFmL=26 254/106.2043.1629 =0.6448 10 4 滾珠絲杠經(jīng)過預(yù)拉伸 =1/4 0.007254=0.0018 3 =0.0054 小于定位精度 定位精度為 0.015mm 計算值滿足改裝要求，所以橫向絲桿我們選用 CDM2504-2.5。 二 步進(jìn)電機(jī)的計算與選型： 1 縱向步進(jìn)電機(jī)力矩計算 機(jī)床在不同工況下 ,其所需要的轉(zhuǎn)距不同 ,下面分別按各階段計算 快速空載啟動時所需要的力矩起M 起M=Mmax+Mf+M0 （ 3.8） 式中 :M 起 -快速空載啟動力矩 (N.m) Mmax-折算到電機(jī)軸上的加速力矩 (N.m) Mf-折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 (M.m) 起動加速時間 ta=30ms Mmax= J .e= Jtan60max2 10 2 nmax=360. .maxp bV J 傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量 (Kg.cm2) 電機(jī)最大角加速度 nmax-電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 (r/min) p 脈沖當(dāng)量 b 步進(jìn)電機(jī)的步距角 nmax=360. .maxp bv =36001.0 75.02400 =500r/min 7 Mmax=23 10)10302/60( 5009.28 =504.4N.cm 摩擦力矩 Mf(N.m) Mf=iLF2 00=iGLf 2 0 F. 導(dǎo)軌摩擦力 (N)了發(fā) G 運(yùn)動部件總重量 (N) i 齒輪降速比按 i=Z1/Z2 計算 傳動鏈總效率一般 =0.70.85 取 0.8 Mf=25.18.02 6.080016.0 =12.22N.cm 附加摩擦力 M0 M0= )1(2 0.0 2 iLFP 式中 FP0-滾珠絲杠預(yù)加載荷一 般取 1/3F m Fm 為進(jìn)給牽引力 (N) L0 滾珠絲杠導(dǎo)程 (cm) N 滾珠絲杠未預(yù)緊時傳動效率 94.24% M0= )1(2 0.0 2 iLFP= )1(2 003/1 2 i LFm M0= )9.01(25.18.02 6.073.1 6 9 83/1 2 起M=Mmax+Mf+M0=504.4+12.22+10.28=526.9N.cm (2)快速移動時所需力矩快M 快M=M f +M0 Mf = 02 )( Li GFZf = 6.025.18.02 )8003 5 1 0(16.0 =65.88N.cm (3)最大切削力負(fù)載時所需力矩切M 切M=M f +M0+Mt 8 Mt=iLF 2 0.max 式中 Fmax-進(jìn)給方向上的 切削力取 Fx=877.5N Mt-折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 (N.cm) Mt=25.18.02 6.05.877 =83.84(N.cm) 切M=Mt+M0+Mt=65.88+10.28+83.84=160N.cm 從上面可以看出起M, 快M,切M,三種情況下 ,以快速空載時 所 需力矩最大 ,以此項工作為選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù) 2 步進(jìn)電機(jī)的選擇： 對于工作方式為五相十拍的步進(jìn)電機(jī) Mjmax=maxM=526.9/0951=554.048 查表選用 130BF001 型直流步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)距為 930N.cm，滿足改裝要求。 3 橫向步進(jìn)電機(jī) 力矩的計算： 機(jī)床在不同工況下其所需的轉(zhuǎn)距不同 ,下面分別按各段計算 1.快速空載起動時所需的力矩 M 起 起M=Mmax+Mf+M0 Mmax= J .e= J 21060max2 tan nmax=360max p bV =360005.0 75.01200 =500r/min Mmax=2.41432103060 105002 =42.1N.cm 折算電機(jī)軸上的摩擦力力矩 Mf Mf=iLF2 00=3/514.32 4.060016.0 =4.58N.cm 附加摩擦力矩 M0 M0=21(2 0.0 iLFP)= 21(3/58.02 3/1 Fm) 9 = )9.01(3/58.02 3.16293/1 2 =11.07Ncm Mmax=42.1+4.58+11.07=57.75N.cm (3)快速進(jìn)給時所需力矩 M 快 快M=fM+M0 Mf=iGfiLF 2 2 00 =4.58N.cm M0=1/3Fm/2paini(1-n2)=11.07N.cm 快M=4.58+11.07=15.65N.cm (4)最大切削負(fù)載所需力矩 M 切 切M=Mf+M0+Mt Mt=itF2 00=3/58.014.32 4.0702 =33.4N.cm Mf=iLF2 00=2 )( GFZf = 3/58.014.32 )600175516.0 （17.96N.cm M 切 =33.4+17.96+11.07=62.43N.cm 上面計算可以看出起M,快M,和切M三種工況下 , 以最大切削負(fù)載所需力矩切M作為選用電機(jī)的依據(jù)當(dāng) 步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時 =切M/Mmax Mjmax=切M/ =62.43/0.951=65.64 算出后查表選擇 90BF002 的步進(jìn)電機(jī)其最大靜轉(zhuǎn)距為 400，滿足改裝要求。 （一） 主軸電動機(jī)與變頻器的選擇； 1 原 C6136 數(shù)控車床的主軸電動機(jī)功率為 3.7KW 不能滿足生產(chǎn)要求。我們現(xiàn)在把電動機(jī)換成功率為 7.5KW 的 YVP 變頻調(diào)速三相異步電動機(jī) 。其主要特點(diǎn)： 1、起動電流小，不用附加起動設(shè)備； 2、低頻起動時力矩對負(fù)載沖擊??； 10 3、體積小、重量輕、安裝尺寸和 Y 系列相同； 4、在風(fēng)罩內(nèi)裝有軸流風(fēng)機(jī)，在各種轉(zhuǎn)速下，均有良好的冷卻效果； 5、應(yīng)用范圍廣，在 50Hz 以下可作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，在 50Hz 以上可作恒功率運(yùn)行； 6、調(diào)速平滑能在 5 100Hz 范圍內(nèi)無級調(diào)速； 7、較電磁調(diào)速電機(jī)節(jié)能降耗，調(diào)速范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，維修方便 等優(yōu)點(diǎn)足夠滿足改裝要求，其價格為 1230 元在同型號中性價比比較高 。 3 變頻器我們用 安邦信 AM100-7.5KW 變頻器 其主要點(diǎn)前面以闡述這里就不詳細(xì)說明了，其連接圖如下： 11 此變頻器工作穩(wěn)定性比較好，滿足改裝要求。 三 C6136 數(shù)控車床的系統(tǒng)硬件電路改造 由于原機(jī)床使用年限比較長導(dǎo)致部分接線與電器元件老化，導(dǎo)致數(shù)控車床整體的 12 問題嚴(yán)重比如指令輸入后系統(tǒng)沒反應(yīng)及有時工作狀態(tài)中突然停機(jī)等問題。所以我們此次要把系統(tǒng)硬件的電路更換掉我們選用的是 GSK928TCA 數(shù)控系統(tǒng)。拆下原來的數(shù)控系統(tǒng)，把數(shù)控系統(tǒng)的連接線與驅(qū)動器的插口對應(yīng)接在一起其中 PA 口為輸入口， PA0 與 PA5 是功能健其主要控制刀架 編程 空運(yùn)行自動與手動把PA0 與 PA5 連接到驅(qū)動器對應(yīng)的輸入接口。把 PB0 連接到驅(qū)動器的對應(yīng)的輸出口其主要是控制啟動連續(xù)單段急停等。把 PB5 連接到驅(qū)動器的對應(yīng)輸出口其主要功能是換刀。 PB6 主要是接光電編碼器的輸出零位接口。把 PA0 與 PA7的輸出端接到驅(qū)動器的輸入口其主要功能是控制 Z 軸和 X 軸的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。PC4 是報警接口 .PB4 和 PB7 是控制數(shù)控車床的行程開關(guān)的。 四 主軸編碼器的選擇與安裝 編碼器我們選擇 F58 系列增量型編碼器 -實心軸。 其主要特點(diǎn)是：自動測量數(shù)控車床上的作角度和橫，縱坐標(biāo)的測量等 內(nèi)部采用 ASIC 器件，可靠性高壽命長抗干擾能力強(qiáng)不銹鋼主軸有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和防護(hù)性金屬外殼更加牢固出線插頭有防水功能等。 安裝示意圖： 13 安裝注意事項： 必須選擇柔性聯(lián)軸器 徑向、軸向、角度安裝偏差不允許超過 聯(lián)軸器允許范圍，以 1/10最大值為佳。 徑向偏差