CN108746669A - 一种机床系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床系统，系统包括：数控程序模块、控制模块、功率放大器、步进电机、变速箱、数控车床；所述数控程序模块与所述控制模块相连，所述控制模块与所述功率放大器相连，所述功率放大器分别与所述步进电机和所述变速箱相连，所述变速箱与所述步进电机相连，所述变速箱由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠传动，实现所述数控车床的纵向进给模块运动、横向进给模块运动，所述步进电机包括第一步进电机和第二步进电机。应用本发明的实施例，机床的改动少，降低机床改造成本。

Description

一种机床系统

技术领域

本发明涉及机床改造技术领域，更具体地说，它涉及一种机床系统。

背景技术

1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。数控机床精力了数控(NC)阶段(1952～1970年)；1952年的第一代--电子管；1959年的第二代--晶体管；1965年的第三代--小规模集成电路。

计算机数控(CNC)阶段(1970年～现在)：到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控(CNC)阶段(把计算机前面应有的“通用”两个字省略了)。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件--运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器(MICROPROCESSOR)，又可称为中央处理单元(简称CPU)。

基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。

未来的数据控机床向高速化和高精度化发展、智能化方向发展；因此，将普通机床改造为数控机床，是一项技术性很强的工作，必须根据加工对象的要求和工厂实际情况，确定切实可行的技术改造方案，搞好机床的改造设计。

机床改造则是围绕某台机床进行工作，不仅要考虑机床本身结构的改造，还要考虑工艺系统中的刀具、夹具及其它辅具的改进，以满足生产的需要。

目前由于技术的进步，社会上有众多的机床需要进行改造成数控机床，因此，提供一种有效的机床改造方案是亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种机床系统，旨在实现机床的改动少，降低机床改造成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种机床系统，所述系统包括：数控程序模块、控制模块、功率放大器、步进电机、变速箱、数控车床；

所述数控程序模块与所述控制模块相连，所述控制模块与所述功率放大器相连，所述功率放大器分别与所述步进电机和所述变速箱相连，所述变速箱与所述步进电机相连，所述变速箱由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠传动，实现所述数控车床的纵向进给模块运动、横向进给模块运动，所述步进电机包括第一步进电机和第二步进电机；

所述纵向进给模块包括：

数控车床的改造在第一步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动，所述第一步进电机的布置在丝杠的任意一端；

所述横向进给模块包括：

数控改造的横向进给模块是第二步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动，所述第二步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将所述第二步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度

通过采用上述技术方案，通过数控程序模块、控制模块、功率放大器实现对步进电机的控制，通过经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，控制机床的纵向、横向进给运动，实现器件的自动加工。本发明的机床改造系统采用开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。因此，改造的机床不仅能满足技术性能的要求，还要获得最佳的经济效益，使技术的先进性与经济的合理性较好地统一。

进一步地，所述纵向进给模块中纵向切削功率N_c的具体表达为：

N_c＝NηK

其中，N是电机功率，η是主传动系统功率，K是进给系统功率系数。

通过采用上述技术方案，可以实现机床的纵向进给模块中纵向切削功率，通过纵向切削功率的控制对实现机床改造的过程设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便的优点。

进一步地，所述纵向进给模块中滚珠丝杠副的导程确定公式为：

其中，p_h是滚珠丝杠副的导程，v_max是工作台最高移动速度，n_max是电机最高转速，i是传动比。

通过采用上述技术方案，实现纵向进给模块中滚珠丝杠副的进城控制，实现机床上零件加工的精确性。

进一步地，所述纵向进给模块中当量转速与当量载荷的表达为：

其中，n_m是当量转速，n_j为j时刻的当量转速，t_j为j时刻的工作时间百分比，A为预先设定的数量值；F_m为当量荷载。

通过采用上述技术方案，通过获取纵向进给模块中当量转速与当量载荷，作为确定改造机床的运行稳定性的参数。

进一步地，所述纵向进给模块中预期额定动载荷的具体表达为：

式中：C_am是预期额定动载荷，f_w为轻微冲击值，f_c为预载值，f_a为预设值。

通过纵向进给模块中预期额定动载荷，能够及时将纵向进给模块中的当前荷载与纵向进给模块中预期额定动载荷进行比较，从而防止纵向进给模块中载荷超标。

进一步地，所述纵向进给模块中滚珠丝杠副预紧力具体确定公式为：

其中，F_max为滚珠丝杠副预紧力最大值；

所述纵向进给模块中行程补偿值与拉伸力的表达为：

行程补偿值C：

C＝11.8ΔtL_u×10^-3

其中，L_u＝L_k+L_n+2L_a，其中L_k,L_n为根据行程补偿查表得到的样值，Δt为温差取值；

所述纵向进给模块中滚珠丝杠副支承用所承受的最大轴向载荷:

F_Bmax＝F_t+F_max

其中，F_t为滚珠丝杠副预拉伸力，F_max为滚珠丝杠副最大承受力力。

进一步地，所述步进电机的步距角α徐满足条件为：

其中i为传动比，α_m、n为所述机床改造系统对步进电机所驱动部件的最小转角。

通过采用上述技术方案，通过步进电机的步距角α的条件设置，能够提高电机在转动过程中的安全性和节能型保证，防止步进电机的步距角过大造成能耗过多，且对在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。

进一步地，所述横向进给模块的验算临界转速n_c为：

其中，n_c为临界转速，f为支承设定系数，d₂为丝杠底径，L_c2为临界转速计算长度。

通过采用上述技术方案，当提高电机转速后，还应考虑到对其轴承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过热，一般可以通过设定最高频率来进行限定，因此，通过变频器与数控装置微机的连接能够实现对电机故障的发送以及实现电机控制信号的接收。

进一步地，所述横向进给模块的滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度K_C：

其中，K_C为滚珠和滚道的接触刚度，K_C'为预设的刚度设置刚，F_p为滚珠丝杠副预紧力，C_a为额定动载荷。

进一步地，齿轮接触强度范围为：

其中，φ_d为齿宽系数，Z_E为弹性影响系数，T₁为齿轮传递的转矩，σ_H为接触疲劳强度极限，K为齿轮转动系数，u为齿轮摩擦系数。

通过采用上述技术方案，通过设定的接触强度范围值，可以确保齿轮在零件加工过程中免受大强度的冲击造成齿轮的破坏问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种实施方式的机床改造系统结构示意图；

图2为变频器与数控装置微机的连接示意图。

标号说明：

11、数控程序模块；12、控制模块；13、功率放大器；14、步进电机；15、变速箱；16数控车床。

具体实施方式

实施例：

以下结合附图1-2对本发明作进一步详细说明。

一种机床系统1，如图1所示，所述系统包括：数控程序模块11、控制模块12、功率放大器13、步进电机15、变速箱14、数控车床16；

所述数控程序模块11与所述控制模块12相连，所述控制模块12与所述功率放大器13相连，所述功率放大器13分别与所述步进电机15和所述变速箱14相连，所述变速箱14与所述步进电机15相连，所述变速箱14由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠传动，实现所述数控车床16的纵向进给模块运动、横向进给模块运动，所述步进电机15包括第一步进电机15和第二步进电机15；

所述纵向进给模块包括：

数控车床16的改造在第一步进电机15经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动，所述第一步进电机15的布置在丝杠的任意一端；

所述横向进给模块包括：

数控改造的横向进给模块是第二步进电机15经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动，所述第二步进电机15安装在大拖板上，用法兰盘将所述第二步进电机15和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度。

纵向进给模块的设计计算：

可以理解的是，在设计的过程中，机床改造系统中的已知条件为：

纵向工作台重量W，假设W＝500Kg，f＝5000N；时间常数T＝25ms；滚珠丝杠基本导程L₀＝6mm；行程S＝1000mm；脉冲当量δ＝0.01mm/step；步距角快速进给速度v_max＝2m/min。

切削力计算

切削功率公式：

N_c＝NηK

其中，N是电机功率，η是主传动系统功率，K是进给系统功率系数。假设，N＝4KW，η＝0.65，K＝0.96，则：N_c＝4×0.65×0.96＝2.496KW。

又因为所以v为切削线速度，取v＝100m/min；主切削力主切削力公式

滚珠丝杠副的设计：

其中，p_h为滚珠丝杠副的导程，v_max为工作台最高移动速度，n_max为电机最高转速，i为传动比。

确定当量转速与当量载荷

其中，n_i为丝杠转速，v_i为进给速度。

各种切削方式下，丝杠轴向载荷：

F_i＝P_xi+μ(W+P_zi)

其中，F_i为丝杠轴向载荷，P_xi为纵向切削力，P_zi为垂直切削力。

当量转速：

其中，n_m是当量转速，n_j为j时刻的当量转速，t_j为j时刻的工作时间百分比，A为预先设定的数量值；F_m为当量荷载。

一种具体实现方式中，变频器输出电机正反转信号、速度信号，并向所述数控装置微机11发送电机故障信号。如图2所示，为变频器在数控机床的应用，其中变频器与数控装置微机的联系通常包括:(1)数控装置微机到变频器的正反转信号；(2)数控装置微机到变频器的速度或频率信号；(3)变频器到数控装置微机的故障等状态信号。

预期额定动载荷，按预期工作时间估算：

其中，C_am为预期额定动载荷，轻微冲击取f_w＝1.3，取f_a＝1，f_c＝0.44，L_h＝20000小时。代入得C_am＝21833N

拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载F_max计算：

C_am＝f_cF_max

取f_c＝4.5，代入，得C_am＝11790N，取以上两种结果的最大值C_am＝21833N。

确定允许的最小螺纹底径，估算丝杆允许的最大轴向变形量：

δ_m为最大轴向变形量，重复定位精度10μm，定位精度25μm，假设①δ_m＝3，②δ_m＝6，取两种结果的小值δ_m＝3μm

估算最小螺纹底径：

丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式

其中，d_2m为最小螺纹底径，静摩擦力F₀＝μ₀W₁，已知:行程为1000mm，W＝5000N，μ₀＝0.2，代入，得L＝1280mm，F₀＝1000N，d_2m＝25.5mm。

选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预形式，由计算出的P_h，C_am，d_2m在样本中取相应规格的滚珠丝杠副：FFZD4008为5，

P_h＝8，C_a＝30700＞C_am＝21833d＝34.9＞d_2m＝25.5

确定滚珠丝杠副预紧力：

行程补偿值与拉伸力，行程补偿值C：

C＝11.8ΔtL_u×10^-3

轴承所承受的最大轴向载荷:F_Bmax＝F_t+F_max

两端固定的支承形式，选背对背60°角接触推力球轴承，轴承内径：

轴承预紧力，预加负荷≥F_BP，按样本选轴承型号规格:d＝30mm，预加负荷为：≥F_BP，所以选7602030TVP轴承d＝30mm，预加负荷为：2900>F_BP＝2853。

刚度验算及精度：

其中，F₀为静摩擦力N，μ₀为静摩擦系数，W为正压力N，验算传动系统刚度：

K_min为传动系统刚度N/μm，已知反向差值或重复定位精度为10μm，K_min＝323>160。

验算临界转速：

其中，n_c为临界转速，f为与支承形式有关的系数，d₂为丝杠底径，L_c2为临界转速计算长度。

基本轴向额定静载荷C_0a验算

f_sF_amax≤C_0a

其中，C_0a为滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷，f_s为静态安全系数。

进一步地，所述横向进给模块的验算临界转速n_c为：

其中，n_c为临界转速，f为支承设定系数，d₂为丝杠底径，L_c2为临界转速计算长度。

通过采用上述技术方案，当提高电机转速后，还应考虑到对其轴承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过热，一般可以通过设定最高频率来进行限定，因此，通过变频器与数控装置微机的连接能够实现对电机故障的发送以及实现电机控制信号的接收。

进一步地，所述横向进给模块的滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度K_C：

其中，K_C为滚珠和滚道的接触刚度，K_C'为预设的刚度设置刚，F_p为滚珠丝杠副预紧力，C_a为额定动载荷。

进一步地，齿轮接触强度范围为：

其中，φ_d为齿宽系数，Z_E为弹性影响系数，T₁为齿轮传递的转矩，σ_H为接触疲劳强度极限，K为齿轮转动系数，u为齿轮摩擦系数。

通过采用上述技术方案，通过设定的接触强度范围值，可以确保齿轮在零件加工过程中免受大强度的冲击造成齿轮的破坏问题。

齿轮的设计与计算，通过选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数，

丝杠为慢速工作机器，速度不高，故选7级精度，材料选择。由表10-1选择小齿轮为40Cr(调质)，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢(调质)，硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。选小齿轮齿数Z₁＝20，大齿轮齿数Z₂＝20×1.67＝33.4，取Z₂＝34，其中i＝1.67。

按齿面接触强度设计，

可以理解的是，大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径(即模数与齿数的乘积)由关，可取由弯曲强度算得的模数1.35并就近圆整为标准值m＝2mm，按接触强度算得的分度圆直径d₁＝45.68mm，算出小齿轮齿数

大齿轮齿数Z₂＝1.67×23＝38.41，取Z₂＝39。

这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。

横向进给模块的设计与计算：

经济型数控改造的横向进给模块的设计比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。

已知条件：横向工作台重量W＝150Kg，f＝1500N，时间常数T＝25ms，滚珠丝杠基本导程L₀＝4mm左旋，行程S＝500mm，脉冲当量δ＝0.005mm/step，步距角快速进给速度v_max＝1m/min。

切削力计算

切削功率公式N_c＝NηK，其中N为电机功率，η为主传动系统功率，K为进给系统功率系数。

确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号，规格，轴承所承受的最大轴向载荷:

F_Bmax＝F_t+F_max

滚珠丝杠副工作图设计，丝杠螺纹长度L_s：L_s＝L_u+2L_e。

绘制工作图，两端定支承距离L₁，按样本查出螺母安装联接尺寸，丝杠全长L，行程起点离固定支承距离L₀。

在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量(包括负载的转动惯量)引起的惯性矩之和。

由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：

f_t≥[f_cp]_m

其中，f_t为极限启动频率，[f_cp]_m为要求步进电机最高启动频率。

本发明实施例中，直流步进电机为90BF002型，能够满足上述要求。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、开放式数控系统是数控系统发展的必然趋势，而基于Windows的微机开放式数控系统具有较强灵活性，可以充分利用PC机丰富的软硬件资源和强大的技术优势，有利于更完美地实现数控系统的用户界面、图形显示、动态仿真以及网络通讯等功能。模块化的程序设计使系统的通用性和可移植性大大增强，同时也有利于系统日后的功能扩展。

2、对于数控机床的主轴电机，使用了无速度传感器的变频调速器的矢量控制后，具有以下显著优点:大幅度降低维护费用，甚至是免维护的；可实现高效率的切割和较高的加工精度；实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种机床系统，其特征在于，所述系统包括：数控程序模块、控制模块、功率放大器、步进电机、变速箱、数控车床；

所述数控程序模块与所述控制模块相连，所述控制模块与所述功率放大器相连，所述功率放大器分别与所述步进电机和所述变速箱相连，所述变速箱与所述步进电机相连，所述变速箱由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠传动，实现所述数控车床的纵向进给模块运动、横向进给模块运动，所述步进电机包括第一步进电机和第二步进电机；

所述纵向进给模块包括：

数控车床的改造在第一步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动，所述第一步进电机的布置在丝杠的任意一端；

所述横向进给模块包括：

数控改造的横向进给模块是第二步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动，所述第二步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将所述第二步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度。

2.根据权利要求1所述的机床改造系统，其特征在于，所述纵向进给模块中纵向切削功率N_c的具体表达为：

N_c＝NηK

其中，N是电机功率，η是主传动系统功率，K是进给系统功率系数。

3.根据权利要求1所述的机床改造系统，其特征在于，所述纵向进给模块中滚珠丝杠副的导程确定公式为：

其中，p_h是滚珠丝杠副的导程，v_max是工作台最高移动速度，n_max是电机最高转速，i是传动比。

4.根据权利要求1所述的机床改造系统，其特征在于，所述纵向进给模块中当量转速与当量载荷的表达为：

其中，n_m是当量转速，n_j为j时刻的当量转速，t_j为j时刻的工作时间百分比，A为预先设定的数量值；F_m为当量荷载。

5.根据权利要求1-4任一项所述的机床改造系统，其特征在于，所述纵向进给模块中预期额定动载荷的具体表达为：

式中：C_am是预期额定动载荷，f_w为轻微冲击值，f_c为预载值，f_a为预设值。

6.根据权利要求5所述的机床改造系统，其特征在于，所述纵向进给模块中滚珠丝杠副预紧力具体确定公式为：

其中，F_max为滚珠丝杠副预紧力最大值；

所述纵向进给模块中行程补偿值与拉伸力的表达为：

行程补偿值C：

C＝11.8ΔtL_u×10^-3

其中，L_u＝L_k+L_n+2L_a，其中L_k,L_n为根据行程补偿查表得到的样值，Δt为温差取值；

所述纵向进给模块中滚珠丝杠副支承用所承受的最大轴向载荷:

F_Bmax＝F_t+F_max

其中，F_t为滚珠丝杠副预拉伸力，F_max为滚珠丝杠副最大承受力力。

7.根据权利要求1所述的机床改造系统，其特征在于，所述步进电机的步距角α徐满足条件为：

其中i为传动比，α_m、n为所述机床改造系统对步进电机所驱动部件的最小转角。

8.根据权利要求1所述的机床改造系统，其特征在于，所述横向进给模块的验算临界转速n_c为：

其中，n_c为临界转速，f为支承设定系数，d₂为丝杠底径，L_c2为临界转速计算长度。

9.根据权利要求1所述的机床改造系统，其特征在于，所述横向进给模块的滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度K_C：

其中，K_C为滚珠和滚道的接触刚度，K_C'为预设的刚度设置刚，F_p为滚珠丝杠副预紧力，C_a为额定动载荷。

10.根据权利要求1所述的机床改造系统，其特征在于，齿轮接触强度范围为：

其中，φ_d为齿宽系数，Z_E为弹性影响系数，T₁为齿轮传递的转矩，σ_H为接触疲劳强度极限，K为齿轮转动系数，u为齿轮摩擦系数。