齿轮在数控机床改装中的应用.doc

齿轮数控机床改装中的应用事项 姓名：陈金瑞 学号：201001061 数控机床之传动来源均来自伺服电动马达，然后主要由齿轮传动系统将动能传到执行系统中。随着工业之进步，齿轮也一直在朝着精密、效率高、控制简单、方向创新上发展。在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用齿轮改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。机床改造主要内容有以下几点：其一是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，增加或变成齿轮数量及形式；其二是恢复原功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。本文主要对第一项进行讨论。数控化改造的优缺点(1) 减少投资额。同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50左右。 (2) 机械性能稳定可靠，结构受限 所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 (3) 熟悉了解设备、便于操作维修 购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。 (4) 可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 (5) 可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。 数控系统主要有三种类型 (1) 步进电机拖动的开环系统 该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。 (2) 异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统 该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。 (3) 交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统 半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。 当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。 选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。 齿轮数控改造中主要机械部件改装探讨一台新的齿轮数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。齿轮机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了齿轮数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。 新旧系统接口的转换设计 根据每台设备改造范围不同，需事先设计接口部分转换，若全部改造的，应设计机电转换接口、操作面板控制与配置、互联部分接点、参数测量点、维修位置等，要求操作与维修方便、合理，线路走向通顺、中小连接点少，强弱电干扰最小，备有适当裕量等。局部改造的，还需要考虑新旧系统的性能匹配、电压极性与大小变换、安装位置、数模转换等，必要时需自行制作转换接口。 数控改造中主要机械部件改装探讨 一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。 (1) 滑动导轨副 对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。 (2) 齿轮副 一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。 (3) 滑动丝杠与滚珠丝杠 丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。 滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。 (5) 安全防护改造效果必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。机械搭配也由传统螺杆进步到精密滚珠螺杆，但因机床本身加工，负载进给系统之条件差异颇大，必要附加减速机来增加扭矩，提高负载端惯量匹配，使进给运转平顺。普通减速机效率差、体积大、寿命短，更无法作精密之定位控制，所以采用高精密低背隙行星式齿轮减速机仍是最佳搭配，可以排除以上所述之困难。采用高精密低背隙行星式齿轮减速机大部份均用在进给装置，由于此型减速机能承受较高的输入速度，产生高扭矩密度、高强度扭转刚性、低背隙、低噪音值、安装容易，适用于任何组装方向，减速比充分且完整，使数控机床之菜单现进入更平稳、更精密之境界。 三、高精密低背隙行星式齿轮减速机的优点 结构紧凑、体积小、刚性强，能产生高扭矩密度，同轴的输入与输出使设计上更具弹性、重量轻。96以上的高传动效率，免保养、寿命长，模块化的设计应用及安装容易，正反转均可适用，导热性佳，不易温升，故为数控机床最佳之选用组件。应用实例1.加工中心及数控铣床可使用至少四颗以上。 X、Y轴进给及快速进给，可增加进给平顺、减低噪音、降低伺服马达之成本。由于扭矩高使控制更容易，虽负载不同，却不影响其进给平顺。Z轴因地心引力上下行之负载完全不同，加装高精密低背隙行星式齿轮减速机可减轻伺服马达之负荷，增加机械之寿命。换刀机构要求快速、定位精准、震动低，高精密低背隙行星式齿轮减速机仍是最佳选择。2.数控车床及车削中心可使用至少三颗以上。 X、Z轴之进给及快速进给，快速、平顺。高精密低背隙行星式齿轮减速机配合精密滚珠螺杆使用，使机械故障率降低，精密度提高。伺服控制之高低文件转换装置使时间缩短，转档快速平稳。 3.数字磨床及放电加工机可使用至少三颗以上。 X、Y、Z三轴同动平顺，使控制器之参数设定更简单，让成品得到高精密、圆弧接点平滑，及降低表面粗度。 五、实际应用中的几点说明 由于高精密、低背隙配合精密滚珠螺杆使用，使控制系统设定简单，能制出高精密度之产品。高强度刚性之结构使用寿命长、效率高、免保养换油等，使机械故障减低。由于齿轮均经过离子氮化处理，表面磁层耐磨，基材保持其韧性。硬质切削法，变型少、齿型正确，能制造出高精密低背隙行星式齿轮减速机。