0引言企业要在当前市场需求多变,竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品 ,以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。在现代制造系统中,数控加 工设备是主要设备,它集数控技术、计算机技术、自动控制、自动检测和现代机械于一体的机电一 体化装备,具有高精度、高效率、柔性自动化等特点,对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化 起着举足轻重的作用。数控机床最适宜加工高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加 工对象时一般只需要换零件加工程序,无需对机床作任何调整,因此能很好地适应多品种、中小批 量零件的加工。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛,无论是高精度、形状复杂的零件加 工,还是一般精度、形状比较复杂的零件加工,数控加工都能获得高的技术经济效果<1>。本文 研制的数控缩管机加工的对象是如图1所示的零件。目前该企业在生产这一配件时主要是在某一仪 表车床上完全采用手工操作控制大、小拖板生产的方式。加工这个配件的质量和精度主要靠工人的 经验和熟练程度,对工人的技术要求较高,而且工人的劳动强度大。数控缩管机在加工零件过程中 是采用冷挤压加工方法,使零件发生塑性变形,形成所需要的形状和尺寸。图1零件图1数控缩管 机的CNC控制系统数控缩管机是在手动缩管机的基础上改造设计的,主轴传动维持原方案,需要 由CNC控制的执行部件主要是机床的X轴和Z轴的进给(大、小拖板)。数控缩管机CNC系统 的结构框图如图2所示。目前市场上生产数控系统的厂家较多。数控系统的选择应依据零件加工后 要达到的精度、性价比等因素。在充分调研比较的基础上,根据研制的目的和成本要求,本次研制选用了科林数控公司研制的数控系图2CNC系统的结构框图统KSK28T。该数控系统采用主板为高性能高速单片机GMS97C52 作为控制单元的基于实时操作系统的结构模式。它在对步进电机的驱动上采用了目前国内最先进的 VMOS驱动技术,实现高低压自动切换,并可实现10细分,使得电机低频转动平稳,高频扭矩 增大,发热量显著减小,矩频特性大为改善。该系统价格低,界面简捷,操作简单,便于工人很快 熟悉和掌握。2数控缩管机的伺服驱动系统数控机床伺服系统是以数控机床移动部件(如工作台、 主轴或刀具等)的位置和速度为控制对象的自动控制系统。它接受CNC装置输出的插补指令,并 将其转换为移动部件的机械运动。伺服系统是数控机床的重要组成部分,是数控装置和机床主体的 联系环节,其性能直接影响数控机床的精度、工作台的移动速度和跟踪精度等技术指标。2.1数 控缩管机的伺服系统结合数控缩管机研制的具体要求,我们在研制中采用了开环进给伺服系统。如 图3所示。图3数控缩管机进给伺服系统示意图数控缩管机开环伺服系统没有检测反馈装置,即数 控装置发出的信号流程是单向的,故不能补偿系统精度。数控装置按程序经过计算,分配出指令脉 冲,该脉冲直接变换为步进电机的角位移,再通过丝杆,转换为工作台的直接位移。工作台的移动 速度和移动量是由输出脉冲的频率和脉冲数决定的。数控缩管机的进给伺服系统结构简单易于控制 ,调试、维修和使用都很方便,工作可靠,而且成本低廉。2.2电机型号选择及转矩验算步进电 机是一种可将电脉冲转换成机械角位移的控制电动机,并通过丝杠带动工作台移动。通常该系统中 无位置、速度检测环节,其精度主要取决于步进电机的步距角和与之相联的传动链的精度。但步进 电机伺服系统的制造与控制比较容易,同时步进电机细分技术的应用,使步进电机开环伺服系统的 定位精度显著提高,并可有有效的措施来降低步进电机的低速振动,从而使步进电机伺服系统得到 更加广泛的应用。基于以上所述的原因并结合数控缩管机的实际结构,笔者选用了五相混合式步进 电机。根据要求并经过计算,加工零件时的工作阻力约为125N。根据机床特点和从研制成本两 方面来综合考虑,电机选用90BYG5803型混合式步进电机,其步距角α=0.45°/脉 冲,输出力矩为6.5N.m。(1)脉冲当量的计算传动比计算公式为:i=αph360°δ 式中:i—传动比;α—步进电机的步距角;ph—丝杠导程;δ—脉冲当量由于电机和丝杠采取 直联的方式,所以上式中i=1,由此可以计算出脉冲当量:δ=i..αph/360°=0. 00375mm(2)电机转矩验算M=Fh2π.i.η式中:M—电机转矩;F—工作阻力; i—电机和丝杠连接的传动比;η—丝杠传动效率。经计算M≈0.2N.m<6.5N.m加速时:M=J∑.ε式中:M—电机转矩;ε—加速度J∑=Jmot+Js+JT其中:Jmot为电机转子转动惯量,Js为丝杠转动惯量,JT为工作台转动惯 量。经计算M≈1.1N.m<6.5N.m所以选用该型号步进电机完全可以满足使用要求。3 数控缩管机的机械传动结构<2>数控缩管机是一种高精度、高效率的自动化机床,其加工过程中 的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能,都是通过数字信息自动控制的。它的机械部分较普 通机床有更高的要求,如高刚度、高精度、高速度、底摩擦等。数控缩管机的机械传动结构主要可 分为主传动系统和进给传动系统。机械传动结构是数控缩管机进给伺服系统的重要组成部分,它包 括联轴器、滚珠丝杠螺母副、丝杠支承、导轨副等。数控缩管机的主体结构主要包括床头箱、床身、导轨、纵向拖板、横向拖板等,如图4所示。3.1X轴方向设计方案此方向在设计过程中由于受数控缩管机工作导轨间距的影响,若丝杠选用双螺母结 构则无法满足工作行程为50mm的要求,所以只能采用单螺母结构;并且对于螺母座的设计、支 座的设计要充分地考虑满足其工作行程要求和装配方便。X方向设计方案图如图5所示。步进电机 通过套筒联轴器和丝杠直联,从而带动小拖板运动。支座总成通过螺钉固定在大拖板上。图4数控缩管机结构布局图图5X轴方向设计方案3.2 Z轴方向设计方案此方向在设计过程中除了受数控缩管机工作导轨间距的影响外,还需考虑Z轴方向 螺母座的固定问题(X方向螺母座可以直接固定在小拖板上)。此螺母座在机床床身的定位以对机床本身加工最少和螺母座最简单为原则。最终Z轴方向设计方案图如图6所示。图6Z轴方向设计方案4总结本研制方案经济实用,研制完成后已投入使用。投入使用后的数控缩管机不 仅加工精度提高了,而且操作方便、大大降低了工人的劳动强度,适合于批量生产。由于该机床床 床身结构尺寸较小,大、小拖板的定位和相关零件的加工较困难,因此,本次研制为设计其它相类 似结构的机床提供了一个很好的范例。数控缩管机的研制@许良元$安徽农业大学工学院!合肥2 30036文章详细分析了数控缩管机的工作原理、CNC控制系统和伺服驱动系统的组成和机械 传动方案的选择与设计,对其研制的方案和方法进行了详细讨论并给出了研制成功后X轴方向和Z 轴方向的装配图。研制成功后的数控缩管机运行稳定,投入使用后收到了良好的经济效益和社会效 益。缩管机;;伺服系统;;机械传动;;设计<1>文广,马宏伟.数控技术的现状及发展趋势
.机械工程师,2003(1).
<2>许良元.数控缩管机的研制.合肥:合肥工业大学,2005.旄钡取Ｊ厮豕芑闹魈褰峁怪饕ù餐废洹⒋采怼⒌脊臁⒆菹蛲习濉⒑嵯蛲习宓?如图4所示。3.1 X轴方向设计方案此方向在设计过程中由于受数控缩管机工作导轨间距的影响,若丝杠选用双螺母结 构则无法满足工作行程为50mm的要求,所以只能采用单螺母结构;并且对于螺母座的设计、支 座的设计要充分地考虑满足其工作行程要求和装配方便。X方向设计方案图如图5所示。步进电机 通过套筒联轴器和丝杠直联,从而带动小拖板运动。支座总成通过螺钉固定在大拖板上。图4数控缩管机结构布局图图5X轴方向设计方案3.2 Z轴方向设计方案此方向在设计过程中除了受数控缩管机工作导轨间距的影响外,还需考虑Z轴方向 螺母座的固定问题(X方向螺母座可以直接固定在小拖板上)。此螺母座在机床床身的定位以对机床本身加工最少和螺母座最简单为原则。最终Z轴方向设计方案图如图6所示。图6Z轴方向设计方案4总结本研制方案经济实用,研制完成后已投入使用。投入使用后的数控缩管机不 仅加工精度提高了,而且操作方便、大大降低了工人的劳动强度,适合于批量生产。由于该机床床 床身结构尺寸较小,大、小拖板的定位和相关零件的加工较困难,因此,本次研制为设计其它相类 似结构的机床提供了一个很好的范例。数控缩管机的研制@许良元$安徽农业大学工学院!合肥2 30036文章详细分析了数控缩管机的工作原理、CNC控制系统和伺服驱动系统的组成和机械 传动方案的选择与设计,对其研制的方案和方法进行了详细讨论并给出了研制成功后X轴方向和Z 轴方向的装配图。研制成功后的数控缩管机运行稳定,投入使用后收到了良好的经济效益和社会效 益。缩管机;;伺服系统;;机械传动;;设计<1>文广,马宏伟.数控技术的现状及发展趋势.机械工程师,2003(1).
<2>许良元.数控缩管机的研制.合肥:合肥工业大学,2005.
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