數控車床橫向進給部件改進設計及故障維修

本論文的課題是數控車床橫向進給部件改進設計及故障維修的。首先對設計任務進行分析，擬定總體方案。其次，對數控機床各功能部分計算和選型，并對橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分的結構設計，最后對橫向進給伺服系統(tǒng)故障維修。主要設計原理，包含橫向進給系統(tǒng)的動力設計與計算，滾珠絲桿螺母副、步進電機的選型與計算，裝配圖等。關鍵詞：橫向進給部件改進；滾珠絲杠；步進電機AbstractThetopicofthispaperisthenumericalcontrollathetransversefeedcomponentstoimprovedesignandfaultmaintenance.Firstanalyzethedesigntask,andformulateoverallplan.Second,thencmachinetoolseachfunctionpartofthecalculationandselection,andthemechanicalpartoftransversefeedservosystemstructuredesign,finally,thetransversefeedservosystemfaultmaintenance.Maindesignprinciple,includingtransversefeedsystemofdynamicdesignandcalculationofballscrewnutpair,theselectionandcalculationofstepmotor,assemblydrawings,etc.Keywords:traversecomponentsforimprovement;Ballscrew;Steppermotor目錄TOC\o"1-3"\h\u第1章緒論 11.1數控機床的產生與發(fā)展11.2數控機床的發(fā)展趨勢 21.3數控機床的改造意義 2第2章設計參數及方案 332.2進給系統(tǒng)的總體方案3第3章橫向進給系統(tǒng)的設計 53.1選擇脈沖當量53.2切削力的確定53.3計算與選型滾珠絲桿螺母副63.4齒輪減速器的設計103.5步進電動機的計算與選擇113.5.1步進電動機的類型 113.5.2轉動慣量的計算 11第4章進給伺服系統(tǒng)故障及維修 184.1進給伺服系統(tǒng)常見故障184.2滾珠絲桿副的故障及維修2021第五章總結 23參考文獻 24致謝 25第1章緒論隨著市場競爭的加劇，制造企業(yè)需不斷提升自身制造自動化水平以增強競爭力，對機床的需求結構已發(fā)生了很大的變化，普及型數控機床漸漸成為市場的主體。當前數控化改造舊有機床是國情所需，數控化改造機床作為企業(yè)當前發(fā)展階段的過渡型機床，順應了制造企業(yè)的快速發(fā)展，彌補了資金短缺，又逐步提升了制造裝備水平。數控機床的維修是一門比較復雜的維修技術，隨著數控機床的廣泛使用，一些常見的故障的診斷、分析和維修排除技術成為制造行業(yè)十分重要和緊缺的技術。維修難度也很大。隨社會上不斷加強各種的產品的多樣化，使產品品種數量升高，加快時代的更新。一個歷史必然的選擇的趨勢主要是數車不斷改造而且被廣泛的應用。制造行業(yè)柔性化、自動化、集成化生產的基地的產生來自于數機的技術，也是制造行業(yè)的重要部分，反映一個國家技術核心重要標志之一主要在于數控機床的行業(yè)健康發(fā)展可以確保我國制造水平技術的重要條件。主要對數控車床的橫向的進給部件的設計進行改進和故障維修，以原有的步進電機驅動相關機構聯接加工零件，讓傳動變得更加不復雜，傳動鏈的長度也會變短，從而使數控車床的加工精度更加精準，但由于數車的結構不簡單，所以對其的結構跟原理的熟悉后進行故障排除。在網上查閱大量的有關數車橫向的相關資料；還有在圖書館收集很多有關的書刊和文獻，也了解數控車床的相關知識，還有他們的發(fā)展歷史的概況及工作原理，同時也能夠對數控車床工作過程中出現的故障進行排查和維修。1.1數控機床的產生與發(fā)展1、數控車床的產生很早美國對數控機床探索。于1948年，美國研制加工出的直升機架葉輪廓，于1949年，對數控機床開始研究和制造，到1952年，第一臺數控的驗性樣機的產出，于1995年，開進入實用階段，2、數控車床的發(fā)展在1952年中，第一臺數控機床在美國誕生，，數控機床也在發(fā)展和更新換代。第一代數控，1952年-1959年電子管無件機構的使用。第二代的數控：于1959年，NC系統(tǒng)的開始使用。第三代的數控：于1965年，小中規(guī)模電路中的NC系統(tǒng)運用。第四代的數控：1974年，微型電子計算控制系統(tǒng)的開發(fā)。數車加工效率提升，、、、。數控車床的的技術很大取決于進給部件的改善，并且數車對加工的伺系統(tǒng)位置的控制、制、伺服電機、機械傳動的等等方面都比普通的車床要求不低。近年來，計算機技術和微電子的成熟在各個領域中不斷滲透計算機集成制造系統(tǒng)，計算機直接數控系統(tǒng)代表著數控機床今后的發(fā)展。1.2數控機床的發(fā)展趨勢于1958年，我國在研究和研制成了第一臺電子管數控機床，于1965年，開始進入實用階段，直到二十世紀五十年代末，到六十年代，有晶體管的應用。從而推動數控技術的發(fā)展，并且性能上、品種上、性能上以及水平上數機上都很好的，使數控機床更上一層樓。根據數控系統(tǒng)，當前有幾出名的數控生產的廠家，例如：日本的FANCU，德國的SIEMENS，美國的A-B公司，模塊僅系列化，高性能的方向發(fā)展，都運用十六位跟32位的微機處理器機硬件，標準總線。有1MB以上的內存，分辨率非常小只有0.1um，軸數有16個，進給速度達到100m/min。交流傳動也有模擬式向數字方向的發(fā)展，微處理器為主的數字集成取代了運算放大器等模擬器件為主的控制器，從而克服溫度漂移零點，漂移的弱點。1.3數控機床的改造意義數車以自有優(yōu)越柔性的自動化性能、及靈敏操作的功能得到很多企業(yè)的信用，數車開發(fā)了新一代改進向朝機電一體化的發(fā)展，而且在世界中的先進制造技術的一項核心技術。數控系統(tǒng)的突飛猛進的發(fā)展并成為數車的發(fā)展有利的條件。

1、數控車床慢慢走高速化發(fā)展道路，能有效提高加工效率、降低加工零件的成本，并且更能有效提高加工零件的表面的質量及其加工的精度。數控加工的加工技術為一些企業(yè)提供更有效的服務，能加工優(yōu)質零件成品，降低了加工成本。從當前來看，有一些發(fā)達的國家的數控車床的主軸高速運行能達到例如：德國、美國、日本等，切削進給速度可達快移速度在的范圍內，所以對數控車床的改進是時代進步要求，也是世界的要求。

2、改進之后的數車比以前的普通加工車床的加工零件的精度精確，精密加工不斷的提高技術，而且從普通車床的絲級提升到當前的數車的微米級，使加工精度跟精確。甚至有些零件的更高。通過對車床的結構優(yōu)化設計，且采用高精度的閉環(huán)控制，從而提高車床的加工的幾何精度，以及降低行為誤差和表面的粗糙度等等。3、數車智能化操作，普通設備的生產率遠遠低于數控設備。有自身的自行換速和換刀以及其他的輔助操作等功，而且在工序上節(jié)省了輔助時間。有利于生產管理。第2章設計參數及方案最大加工直徑（mm）：在床身上：400在床鞍上：210最大加工長度（mm）：1000溜板及刀架重量（N）：縱向：800橫向：400刀架快移速度（m/min）：縱向：2橫向：1最大進給速度（m/min）：縱向：0.8橫向：0.4定位精度（mm）：±0.02mm主電機功率（KW）：3起動加速時間（ms）：30控制坐標數：22.2進給系統(tǒng)的總體方案普通車床數控化改造主要是對進給系統(tǒng)進行改造，改造后主運動跟進給運動分離，改造的主要工作是對進給部件改進，因為改造進給部件是機械裝置的一個核心1、改造橫向進給系統(tǒng)的方案原手動操作沒變，微機進給機床中的刀具對一些結構也要保留，例如：對零件的操作、對支撐結構及調整等。為了橫向溜板的有效行程沒有受到影響，在這里我要改齒輪的大小從而使齒輪箱不大，這樣目的就會達到。所以采用二級齒輪去降速。并且托板的后側安裝上步進電機和齒輪箱。2、電動機的傳動形式主要有以下三種：（1）帶有齒輪傳動的進給運動。a圖。在制造齒輪的時候達到理想的齒面是不會的，通常會存在齒側間隙，從而系統(tǒng)穩(wěn)定性就會受到影響。所以，要采用相應的措施去減小齒輪的測隙，比如齒輪傳動副的消除。這種連接方式不簡單。（2）通過同步帶輪傳動。如圖2.1的圖b，這種聯接方式一點都不復雜，利用到鏈傳動以及帶傳動的一些優(yōu)點在同步帶輪上。這樣不僅可以減少噪音和振動。不過這只適用于比較的扭矩特性的一些場所。而且很重視中心距在安裝的時候。在制造帶輪跟同步帶中工藝一點都不簡單（3)絲桿跟聯軸器的聯接。如圖2.1圖c，一般是電動機跟絲桿通過十字聯軸器連接，有一些用錐環(huán)無鍵聯軸器。通過這些聯接使傳動系統(tǒng)的傳動剛度跟精度都很高。結構簡單。并且在加工中心和較高精度的數控車床中普遍運用這種連接方式。圖2.1電動機跟絲桿的聯接形式第3章橫向進給系統(tǒng)的設計最大加工直徑（mm）：在床身上：400在床鞍上：210最大加工長度（mm）：1000溜板及刀架重量（N）：縱向：800橫向：400刀架快移速度（m/min）：縱向：2橫向：1最大進給速度（m/min）：縱向：0.8橫向：0.4最小分辨率（mm）：縱向：0.01定位精度（mm）：±0.02mm主電機功率（KW）：3起動加速時間（ms）：30控制坐標數：23.1選擇脈沖當量由給定的定位精度參數則可取橫向脈沖當量為。3.2切削力的確定1、主切削力（縱車)其中——加工最大直徑（mm）最大直徑為400×=5360N根據《機床加工手冊》得出：=(0.1～)；5～)式中——進給抗力（N）——走刀抗力（N）——吃刀抗力（N）按切削力各分力比例：：：×5360N=1340N=0.4×5360N=2144N2、主切削力（橫切)=1/2Fz=5360×1/2=2680為進給抗力，為切深抗力。仍按上述比列粗略計算：：：′×2680N=670N′=0.4×5360N=1072N3.3計算與選型滾珠絲桿螺母副1、的計算，選取橫向的導軌為燕尾型，燕尾導軌取，f′可取0.2，G=400，由公式得：Fm=+f′×（+2Fx′+G）Fm××（2680+2×1072+400）Fm=1982.8Nf——滑動導軌摩擦因數G——溜板及刀架重力2、計算最大動負載C(N)=C=其中——工作壽命以r為一單位——絲杠轉速（r/min）——最大切削力的進給速度（m/min）=0.4/2m/min.——導程（mm）——運轉系數——硬度系數查表取=1壽命L，初選導程L0=6mm；取Vs=0.2m/min；T按15000h來計算；取，取。帶入數據計算得：最大動負載為：3、滾珠絲桿螺母選型由相關滾珠絲桿數據可得表3.1滾珠絲桿螺母數據4、滾珠絲杠副的驗算(1)傳動效率計算其中——升角；——絲杠基本導程（mm）——絲杠公稱直徑（mm）又因為0.956>0.9滿足傳動要求。5、剛度的驗算（1）；滾珠絲桿受到工作負載引的變化量按取Fm=1982.8N，×N/，。由公式公式中；——進給牽引力（N）——滾珠絲杠的導程（mm）——材料彈性模數，對于鋼×N/——滾珠絲杠的截面積（），——滾珠絲杠的截面半徑（mm），——滾珠絲杠的公稱直徑（mm）——偏心距（mm）——接觸角（），=45——螺紋滾道的半徑（mm），，取——滾珠直徑（mm）；×mm=mm=（2.89/2）sin45mm=mm=20＋2×0.078－2×mm=mm=cm/m=×mm壓縮的變形量：因為用推力球的軸承，所以，實際變形量（2）。查閱有關的資料可得，滾珠接觸變形為因進行了預緊，有（3)絲桿軸承軸向的接觸變形。用8140型（新型號51104）推力球軸承，滾動體直徑，滾動體的數量Z=14，軸向力Fm=1982.8N，由公式可得，Fm單位需換成，則Fm=196.08kgf，帶入計算得：其中——軸承所受軸向載荷（）——軸承的滾動體數目——軸承的滾動體直徑（mm）因施加預緊力，故根據以上的計算，得:表3.2行程偏差（）如表3.2可知，允許絲桿的偏差為21um，所以剛度滿足。6、滾珠絲杠副穩(wěn)定校核當最大的軸向負載承受時，應驗算有沒有產生失穩(wěn)的危險。則失穩(wěn)的零界負載為：其中——絲桿的材料彈性模量，（N/）——截面慣性矩（），==——滾珠絲杠兩端的支承距離（mm），=1000mm如圖取表3.3絲桿支承系數方式一端固定一端自由兩端簡支一端固定一端簡支兩端固定則=N=N若穩(wěn)定性安全系數[]則絲杠不失穩(wěn)。，一般可取[]=2.4～4>[]固絲杠不失穩(wěn)3.4齒輪減速器的設計1、齒輪傳動比的確定其中，初取——絲杠導程（mm），=5mm，0.005mm/脈沖為了橫向溜板的有效行程沒有受到影響，在這里我要求齒輪的大小從而使齒輪箱不大，這樣目的就會達到。所以采用二級齒輪去降速?？蛇x定的齒數為：模數M=2齒數Z24402025分度圓d=mz48804050齒頂圓da=d=2m52844454齒根圓df43753545齒寬b20202020中心距A=60453.5步進電動機的計算與選擇3.5.1步進電動機的類型從原理上來看混合式步（HS）進電動機反應式（VR）步進電動機永磁式（PM）步進電動機特色種類平面步進電動機微型步進電動機直線步進電動機通過控制脈沖的個數去控制角位移量，則可達到精準的定位；控制轉動加速度跟速度來控制脈沖頻率，調速目的就達到了。3.5.2轉動慣量的計算種類說明計算公式簡圖及符號意義2）J1、J2、J3——齒輪Z1、Z2、Z3及其軸的轉動慣量J4——齒輪Z4及其軸的轉動慣量Js——絲桿轉動慣量L0——絲桿導程G——工件及工作臺重量如表3-2去計算轉動慣量的計，其它傳動元件的轉動慣量由下式其中——圓柱體的直徑（cm）——零件軸向長度（cm）絲桿的轉動慣量：齒輪的轉動慣量：kg·=kg·kg·=kg·kg·=kg·kg·=kg·工作臺到絲桿軸上的的轉動慣量為其中v——移動速度（mm/min）n——絲桿轉速（r/min）G——工作臺重量（N）g——2L0——絲桿導程（cm）則總轉動慣量由下式計算：2、所需轉動力矩計算（1）空載M起(起動時的力矩）其中快速空載啟動時所需的轉矩(N·cm)?！朔Σ了璧霓D矩(N·cm)?！郊幽Σ亮?N·cm)。（2）M快（快速進給所需力矩）（3）M切（最大切削負載的力矩)采用絲桿螺母副傳動時，可用下式進行計算:其中；——電動機的最大轉速（rad/min）；nmax——電動機最大轉速（r/min）；——脈沖當量（mm/步）；——步進電動機的步距角（°）當根據式當，時，根據式式中F0——導軌的摩擦力（N）；Fz——垂直方向的切削力（N）；G——運動部件的總重量（N）；——導軌摩擦因數；i——齒輪降速比；——傳動鏈總效率，的范圍為（0.7~0.85）一般取預加的負荷，根據其中——滾珠絲桿的預加負荷（N）；——滾珠絲桿導程（cm）的傳動效率取≥0.9。向切削力為軸向最大切削力，可根據公式，所以快速進給時所需力矩為（4)電動機的最高工作頻率（HZ）=其中為運動部件的進給速度——脈沖當量（5)選擇步進電動機表3.3起動的轉矩和最大的轉矩選擇110BF003型直流步進電動機，因為方便的去設計和購買，最大轉矩為800N.cm，其起動矩的特性如下a圖。選擇步進電動機驅動器DF3A-06對該步進電動機實現有效的驅動。運行矩頻特性見圖b，同樣采用速度控制子程序，防止丟步。圖3.1a起動矩的特性第4章進給伺服系統(tǒng)故障及維修4.1進給伺服系統(tǒng)常見故障表4—1進給系統(tǒng)的故障三種表現方式一在操作面板或CRT上可以看到報警信息和內容二用數碼管或報警燈看出驅動單元的故障三沒有報警信息表4-2常見的進給伺服故障超程如果超過軟件設定的機床把限位開關壓下去然后也就發(fā)出超程報警，發(fā)生故障時通過指示燈顯示或在CRT上報警，運用機床的操作面板中的“超程解鎖”鍵即可以排除觸硬限位超程的故障過載發(fā)生過載報警主要原因是1、進給運動時正反向運動不良2、負載比較大3、傳動鏈潤滑。報警就會在CRT中看到過流、過熱的信息。而且提示驅動單元、指示燈的過載和過電流在數碼管上。竄動進給時發(fā)生竄動的原因是：1、由于接觸不良的接線端子，進給傳動鏈的伺服系統(tǒng)增大，或者反向間隙增益過大，竄動就會發(fā)生在由正方向運動反方向運動中。2、速度控制信號沒有穩(wěn)定下來，而且速度控制信號還受到干擾；3、不穩(wěn)定的測速信號。爬行主要發(fā)生在低速進給或起動加速段時，主要由于1、外界負載變大2、不良的進給傳動鏈，增益過低的伺服系統(tǒng)等因素所致。造成伺服電動機和滾珠絲桿轉動轉動不同步，讓進給運動有時快有時慢，爬行也就會產生。振動1、如果跟進給速度有關，可能與該軸的速度反饋故障或速度環(huán)增益太高有關；2、如果跟進給速度無關，可能跟位置反饋故障或位置環(huán)增益太高有關；3、往往是由于系統(tǒng)的加減速時間設定超過而在加減速過程中產生造成的振動。位置誤差的故障輪廓誤差、定位誤差和跟隨誤差。主要原因：1、所允差范圍過?。?、伺服系統(tǒng)增益設置不當；3、位置檢測裝置有污染；4、傳動鏈累積的誤差變大；5、主軸箱的平衡裝置不穩(wěn)。漂移通過零速調整和漂移補償來去除指令值的位置誤差?；貐⒖键c故障機床不準或回參考點伺服電動機不轉除了速度控制信號外，還有控制信號，一般都是直流開關量信號。(1)檢查使能信號是否接通。；(2)檢查電磁制動是否釋放；(3)進給驅動單元故障；(4)伺服電動機故障。表4-3伺服系統(tǒng)故障實例序號1故障設備日本本田公司的數控車床，主要配置有FANUC—A4系統(tǒng)故障的現象空載2小時運行之后，主軸突然然發(fā)生停車，并且顯示出（AL-2或AL12）報警故障檢測與分析從所發(fā)生的報警號來看，主要引起該故障的原因可能1、是電動機的偏離指令值（例如再回路的故障、電動機的過載、脈沖發(fā)生器故障等，）2、直流回路電流過大（例如晶體管模塊損壞，電動機繞組短路等）。經過檢查，上述的原因都可以排除。從偶然停車入手，可以得出有一些器件還在處于零件狀態(tài)，有時好，有時不好，而這時就會想到應該跟電源電壓相關，所以要重要檢查電源電壓。發(fā)現+5v、±15v都正常，然而+24v卻在18~20之間，處于偏低的狀態(tài)。然后進一步的區(qū)檢查之后發(fā)現，交流輸入電壓為190~200v，電壓的開關卻設制在220v的一檔故障處理把電壓的開關設置在220v之后系統(tǒng)既就可以恢復到正常。4.2滾珠絲桿副的故障及維修一、常見的滾珠絲桿副故障：（1）加工件表面質量差（2）精度不穩(wěn)定，反向誤差變大（3）在運轉的滾珠絲桿中轉矩變大（4）滾珠絲桿運動不靈活（5）滾珠絲桿副的噪聲二、滾珠絲桿的故障維修實例：表4—4滾珠絲桿的故障維修序號1故障現象某加工中心，數控系統(tǒng)主要A950MC，Y軸的珠絲桿發(fā)生的故障，開始啟動液壓之后，手動移動y軸時，CRT發(fā)生報警，然后液壓自動中斷，驅動失敗。故障原因分析這故障涉及到了機械、電氣、液壓等部分，按照故障的檢查順序：伺服驅動系統(tǒng)到電動機及測量元件到電動機與絲桿聯接部分到液壓平衡裝置到開口螺母和滾珠絲桿到滾針排到其他的機械部分故障排除方法（1)通過檢查驅動的裝置內部元件及外部接線的狀態(tài)還好，測量系統(tǒng)跟電動機均正常（2）Y軸被拆下時液壓系統(tǒng)抱閘后情況均正常然后有以下形式1、把絲桿跟電動機的同步傳動帶脫離；2、手搖Y軸時絲桿感覺非常吃力.（3）通過檢查Y軸調節(jié)閥、液壓平衡缸等，均正常，還有滾珠絲桿上的軸承座也正常.(4）Y軸螺母脫開后，手搖絲桿仍很緊（5）滾珠絲桿下軸承座拆開后發(fā)現，由于軸瓦與軸向推力軸承的緊固螺母抱住，導致手搖絲桿很吃力。在正常狀態(tài)下，左右轉動的絲桿應力大致均衡，而且較省力。故障原因確認（1）因為緊固螺母的松動，所以滾珠絲桿的上下竄動，導致伺服電動機帶動絲桿空轉了一圈。（2）數控系統(tǒng)中，當NC的指令發(fā)出之后，測量系統(tǒng)就會有反饋信號，如果間隙的距離超過了數控系統(tǒng)所規(guī)定的范圍之內，電動機空走許多個脈沖信號后光柵尺沒有反饋信號，數控系統(tǒng)就會報警，機床不能運行，導致驅動失敗。（3）故障處理排除故障必須把緊固螺母擰好，讓滾珠絲桿不在竄動。伺服系統(tǒng)的最終的執(zhí)行元件是伺服電動機，它又可以分為交流電動機和直流伺服電動機兩類。直流伺服電動機采用換向環(huán)和電刷，所以容易出現問題比較容易，而且要經常維護和換電刷。具有免維護的特點的交流伺服電動機，不容易損壞。發(fā)那科系統(tǒng)使用的交流伺服電動機。而西門子系統(tǒng)中使用的是1FT5與1FT6系列永磁伺服電動機。一、伺服電機的維修案例示例：一臺數控車床出現報警“421SERVOALARM：Z-AXISEXCESSＥＲＲＯＲ”，“421SERVOALARM：Z-AXISＳＹＳＴＥＭＥＲＲＯＲ”數控系統(tǒng)：FANUC0iTC系統(tǒng)。1、故障現象：這臺機床在自動加工時突然出現，指示Z軸移動發(fā)現問題。2、故障分析與檢查：根據報警信息的提示，411號報警指示Z軸移動過程中偏差過大，414號報警指示伺服系統(tǒng)出錯，都是指示Z軸伺服系統(tǒng)出現問題。3、這臺機床采用了FANUC的交流數字伺服系統(tǒng)，進行對Z軸伺服驅動模塊檢查，然而發(fā)現伺服驅動模塊的數碼管顯示