把X62W銑床改造成數(shù)控銑床，主要改造的部位是：在主電動(dòng)機(jī)端面加一電磁離合器，以便用指令控制主軸停轉(zhuǎn)：把工作臺(tái)的縱橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)改造成用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)控制。垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)仍采用機(jī)動(dòng)和手動(dòng)方式。下面主要介紹橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造和數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。
1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造中，拆掉了原機(jī)床的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，更換上用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和一對(duì)齒輪驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠螺母副。
1. 工作臺(tái)重量的估算
縱向工作臺(tái)約重100kg，床鞍和回轉(zhuǎn)盤約重200kg，總重量G=100+200=300kg。
2. 切削力計(jì)算
切削功率為
Nc=NhK (1)
式中：N——主電動(dòng)機(jī)功率，7.5kW
h——主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般為0. 6～0. 7，取0.6
K——進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取0.96
根據(jù)式(1)可得：Nc=4.32kW。又因?yàn)镹c=FzV/6120，則Fz=6120Nc/V，V為切削線速度，取100mm/min，所以主切削力Fz=2.59kN。通常：縱向切削分力F縱=(0.6～0.9)Fz，垂直切削分力F垂=(0.45～0.7)Fz，橫向切削分力F橫=(0.5～0.55)Fz。取F縱=0.6Fz=1.55kN，F(xiàn)垂=0.45Fz=1.165kN，F(xiàn)橫=0.5Fz=1.295kN。
3. 滾珠絲杠設(shè)計(jì)
工作臺(tái)橫向進(jìn)給絲杠的軸向力
F軸=KF橫+f'(F垂+W) (2)
式中：K——考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，K=1.1
F橫——橫向切削分力f'——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，f'=0.15
W——工作臺(tái)、床鞍和回轉(zhuǎn)盤重力，W≈10G=3kN
根據(jù)式(2)可得：F軸=2.049kN。
1. 強(qiáng)度計(jì)算
滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速：n=Vf/p，其中，進(jìn)給速度Vf=60mm/min，滾珠絲杠的螺距p=6mm，則得：n=Vf/p=10r/min。取壽命時(shí)間T=15000h，則壽命值L1=60nT/106=9。取運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)fw=1.2，硬度系數(shù)fH=1.1，則最大負(fù)載Q=(L)?1fwfHF軸=5.625kN。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選取滾珠絲杠的型號(hào)ND3506-1×2/E左，即內(nèi)循環(huán)，雙螺母墊片調(diào)隙式、公稱直徑為35mm、螺距為6mm、一圈二列、E級(jí)精度、左旋、滾珠直徑為3.969mm。其額定動(dòng)負(fù)荷為12.847kN>Q，其強(qiáng)度夠用。
2. 效率計(jì)算
由于所選滾珠絲杠的螺旋升角a=3°7'，摩擦角f=10'，則滾珠絲杠的傳動(dòng)效率h=tga/tg(a+f)=tg3°7'/tg(3°7'+10')=0.95。
縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類似，計(jì)算從略。
2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及齒輪的選用
1. 橫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選取
1. 確定步距角取系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量dp=0.01mm/脈沖，選用步距角qb=0.75°
2. 啟動(dòng)力矩的計(jì)算
絲杠牽引力
Fs=F橫+1.414f當(dāng)W (3)
式中f當(dāng)——當(dāng)量摩擦系數(shù)，f當(dāng)=0.01
代入式(3)得
Fs=1.337kN
設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等效負(fù)載力矩為M，負(fù)載力為F負(fù)，根據(jù)能量守恒原理，電動(dòng)機(jī)所作的功與負(fù)載所作的功相等，即Mfh=F負(fù)L，則
M=F負(fù)L/hf (4)
又F負(fù)=Fs+μ(W+F1)，數(shù)控裝置發(fā)出一個(gè)脈沖后，工作臺(tái)的位移量L為一個(gè)脈沖當(dāng)量0.001cm，這時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度f(wàn)=2pqb/360°，代入式(4)得
M=F負(fù)L/hf=360°dp[Fs+μ(G+F1)]/2pqbh=167N·cm
式中：μ——機(jī)床導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取μ=0.18
F1——與重力方向一致，作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力，F(xiàn)1=F垂=1.165kN
如果不考慮啟動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)力矩Mq=M/0.3～0.5，取安全系數(shù)為0.3，Mq=556N·cm。對(duì)于工作方式為四相八拍的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，Mmax=Mq/0.707=786N·cm。
3. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高頻率
取橫向進(jìn)給速度最大為Vmax=1m/min，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高頻率為fmax=1000Vmax/(60×dp)=1667Hz。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，選用110BFG型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)較合適，該電動(dòng)機(jī)步距角為0.75°/1.5°，最大靜轉(zhuǎn)距為800N·cm，最高空載啟動(dòng)頻率為1800Hz。
2. 齒輪設(shè)計(jì)(橫向)
據(jù)步距角qb、滾珠絲杠螺距p、脈沖當(dāng)量dp，則在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠之間所加的一對(duì)齒輪的傳動(dòng)比為：I=Z1/Z2=dp×360°/(qb·p)=0.8，選Z1=48，Z2=60，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，齒輪模數(shù)取1.5mm。
3 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
所用數(shù)控系統(tǒng)是我們最近開(kāi)發(fā)的BKC2-Ⅷ型數(shù)控系統(tǒng)，主要由主控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)兩部分組成。主控制系統(tǒng)用于控制鍵盤的輸入和輸出，工作臺(tái)在 X、Y方向上的超程，側(cè)門關(guān)閉，查詢，X和Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相位及主軸正反轉(zhuǎn)等。顯示系統(tǒng)用于控制H716501液晶顯示器。這兩部分都采用了新型的單片機(jī) GMS90C32作中央處理器，它可以與MCS-51系列單片機(jī)兼容，具有快速脈沖編程算法，采用了CMOS技術(shù)，最高工作頻率可達(dá)40MHz(本設(shè)計(jì)采用18MHz)，有良好的性能價(jià)格比。
