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寧XX 大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )CA6140 普通車床改造為經(jīng)濟型數(shù)控車床所 在 學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名學(xué) 號指 導(dǎo) 老 師年 月 日需要 CAD 圖紙，咨詢 Q：414951605 或 1304139763優(yōu)秀畢業(yè)論文，支持預(yù)覽，答辯通過，歡迎下載摘 要購買新的數(shù)控機床是提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的重要途徑,但是成本高，許多企業(yè)在短時間內(nèi)無法實現(xiàn)，這嚴重阻礙企業(yè)設(shè)備更新的步伐。為此把普通機床數(shù)控化改造，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的捷徑，提升企業(yè)競爭力，在我國成為制造強國的進程中，占有一席之地。本文的主要內(nèi)容有：1．對普通車床數(shù)控化改造經(jīng)濟性評價詳細論證，確定普通車床數(shù)控化改造方案；2．對進給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號選擇與裝配設(shè)計，支承方式的設(shè)計與軸承型號選擇，步進電機選擇等進行了詳細研究；3．對常用進口數(shù)控裝置系統(tǒng)和國產(chǎn)數(shù)控裝置系統(tǒng)進行仔細比較，根據(jù)所改造的性能和精度指標來選配數(shù)控裝置系統(tǒng)和自動刀架型號，提出選擇方法；4.為保持切削螺紋的功能，仔細研究了在主軸上安裝脈沖發(fā)生器的選型，脈沖發(fā)生器直接與主軸間連接方法，并形成了相應(yīng)的技術(shù)圖；5.拆卸普通機床，甩掉原有進給箱等，對主傳動系統(tǒng)的進行大修，滑板貼塑與鏟刮調(diào)試，對機床相關(guān)部件和參數(shù)進行測繪、測量；6.繪出相應(yīng)的零件圖和裝備圖；7、給出普通車床數(shù)控化改造的安裝、調(diào)試方法。關(guān)鍵詞：普通車床、數(shù)控、改造IIIAbstractPurchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises’ equipment updating step are counteracted severly. So General lathe's numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises’ competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The main contents is:1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimum’s synthesize adjudicate principle.2. The ball screw’s type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motor of feeding system is designed.3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming.4. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a technique diagram.5. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe.6. Draw out parts diagrams and assemble diagram.7 .Methods of installing and testing of general purpose lathe’s numerically controlled reforming were put forward.Key words: General purpose lathe、 Numerical control(NC)、ReformIV目 錄摘 要 ........................................................................................................................................IIAbstract.....................................................................................................................................III目 錄 ......................................................................................................................................IV第 1 章 緒 論.............................................................................................................................11.1 課題研究的意義 ..........................................................................................................11.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢和研究方向 ..............................................................................11.2.1 高速度、高精度化 ...........................................................................................21.2.2 多功能化 ............................................................................................................31.2.3 智能化 ................................................................................................................41.2.4 數(shù)控系統(tǒng)小型化 ................................................................................................51.2.5 數(shù)控編程自動化 ................................................................................................51.2.6 更高的可靠性 ....................................................................................................51.3 機床數(shù)控改造的意義 ..................................................................................................61.4 本課題研究的參數(shù)要求 ..............................................................................................7第 2 章 總體方案設(shè)計...............................................................................................................82.1 數(shù)控車床的總體任務(wù) ...................................................................................................82.2 運動系統(tǒng)方案確定 .......................................................................................................82.2.1 伺服系統(tǒng)的選擇 ................................................................................................82.2.2 傳動方式的選擇 ................................................................................................82.3 數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計 ...........................................................................................92.4 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) .......................................................................................................92.5 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) .....................................................................................................10第 3 章 縱向進給伺服進給結(jié)構(gòu)設(shè)計.....................................................................................113.1 確定脈沖當量 ............................................................................................................113.2 切削力的計算 ............................................................................................................113.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 .................................................................................123.3.1 精度的選擇 .....................................................................................................12V3.3.2 絲杠導(dǎo)程的確定 ..............................................................................................123.3.3 最大工作載荷的計算 .....................................................................................133.3.4 最大動載荷的計算 .........................................................................................133.3.5 滾珠絲杠螺母副的選型 .................................................................................143.3.6 滾珠絲杠副的支承方式 .................................................................................143.4.3 傳動效率的計算 .............................................................................................153.3.8 剛度的驗算 .....................................................................................................153.3.9 穩(wěn)定性校核 .....................................................................................................163.3.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 ...........................................................................................163.4 齒輪傳動的計算 ......................................................................................................173.5 步進電動機的選擇 ....................................................................................................173.6 導(dǎo)軌的特點 .................................................................................................................20第 4 章 橫向進給伺服進給結(jié)構(gòu)設(shè)計.....................................................................................244.1 切削力的計算 .............................................................................................................244.2 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 ................................................................................244.2.1 最大工作載荷的計算 .....................................................................................244.2.2 最大動載荷的計算 .........................................................................................244.2.3 滾珠絲杠螺母副的選型 ..................................................................................254.2.4 滾珠絲杠副的支承方式 .................................................................................254.2.5 傳動效率的計算 .............................................................................................254.2.6 剛度的驗算 .....................................................................................................254.2.7 穩(wěn)定性校核 .....................................................................................................264.2.8 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 ..............................................................................................264.3 進給伺服系統(tǒng)傳動計算 ............................................................................................274.3.1 確定傳動比 ......................................................................................................274.3.2 齒輪參數(shù)的計算 ..............................................................................................274.4.步進電機的計算和選用 .............................................................................................274.4.1 轉(zhuǎn)動慣量的計算 ..............................................................................................274.4.2 電機力矩的計算 ..............................................................................................29VI4.5 步進電機的選擇 .........................................................................................................31第 5 章 單片機控制應(yīng)用系統(tǒng)電路設(shè)計.................................................................................325.1 硬件電路設(shè)計 .............................................................................................................325.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) .....................................................................................325.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 .............................................................................325.2 關(guān)于各線路元件之間線路連接 .................................................................................335.3.關(guān)于電路原理圖的一些說明 .....................................................................................34參考文獻...................................................................................................................................37致 謝.........................................................................................................................................381第 1 章 緒 論1.1 課題研究的意義機床是裝備制造業(yè)的工作母機，是實現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石。數(shù)控機床是一種高效率、高精度，能保證加工質(zhì)量，解決工藝難題，而且又有一定柔性的生產(chǎn)設(shè)備。自五十年代末世界上第一臺數(shù)控機床在美國研制成功的半個多世紀以來，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在美國、日本和德國等發(fā)達國家，他們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，正處在黃金時代，由于技術(shù)的不斷進步，機床改造是個永恒的課題。在國內(nèi)，機床的數(shù)控化改造是發(fā)展我國數(shù)控設(shè)備的一個重要方面。車床是金屬切削加工最常用的一類機床，它能夠加工內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋等。普通車床由于造價低廉在我國運用十分廣泛，但是因為其進給軸不能聯(lián)動，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且無法加工復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件。對普通車床的數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改成用單片機控制的并能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)；將手動刀架換成能自動換刀的電動刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進行切削加工。數(shù)控車床針對性高，專業(yè)性強，可以加工出普通車床加工不了的曲線、曲面等復(fù)雜零件。加工精度高，尺寸分散度小，易于裝配?？梢詫崿F(xiàn)多工序集中加工，提高了相關(guān)加工精度，同時減少被加工零件在機床間的頻繁搬運。擁有自動補償?shù)裙δ埽喕藗鹘y(tǒng)機床加工工藝中的工序，機床利用率大幅度提高。由于采用自動化加工技術(shù)，可大大降低操作者的勞動強度，減少廢品的產(chǎn)生，提高工作效率。另外其改造成本同購置新機床相比，節(jié)省的費用十分可觀，國產(chǎn)數(shù)控機床價格也要 4～8 萬元，進口機床有的近 20 萬元，而對普通車床進行數(shù)控化改造也能滿足實際生產(chǎn)要求，其改造費用僅2～3 萬元，非常符合我國國情。1.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢和研究方向隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界先進制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、主軸驅(qū)動、機床及結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標。隨著 FMS 的迅速發(fā)展和2CMS 的不斷成熟，又將對數(shù)控機床的可靠性、通訊功能、人工智能和自適應(yīng)控制等技術(shù)提出了更高的要求。隨著微電子計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日益完善，數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。當今數(shù)控機床正在不斷采用最新技術(shù)成就，朝著高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等方向發(fā)展。1.2.1 高速度、高精度化速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要指標，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，特別是在超高速切削、超精密加工技術(shù)的實施中，它對機床各坐標軸位移速度和定位精度提出了更高的要求:另外，這兩項技術(shù)指標又是互相制約的，也就是說要求位移速度越高，定位精度就越難提高?，F(xiàn)代數(shù)控機床配備了高性能的數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)，分辨率可達到 lum,0.lum, 0.0lum。為實現(xiàn)更高速度、更高精度的指標，自前主要在下述幾方面采取措施和進行研究。（1）數(shù)控系統(tǒng)。采用位數(shù)、頻率更高的微處理器，以提高系統(tǒng)的基本運算速度。目前己由 8 位 CPU 過渡到 16 位和 32 位 CPU，并向 64 位 CPU 發(fā)展，頻率已由原來的5MHz 提高到 16MHz, 20MHz 和 32MHzo 同時也采用了超大規(guī)模的集成電路和多種微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補運算的速度和精度。(2) 伺服驅(qū)動系統(tǒng)。隨著超高速切削、超精密加工等先進工藝的提出，使得在旋轉(zhuǎn)伺服電動機加滾珠絲杠的傳統(tǒng)機械進給機構(gòu)已無法實現(xiàn)。為此采用直線電動機直接驅(qū)動機床工作臺的零傳動直線伺服進給方式，將極大地提高機床直線進給的各項伺服性能指標， 特別是高速度和動態(tài)響應(yīng)特性是以往任何伺服機構(gòu)無法比較的。(3) 前饋控制技術(shù)。過去的伺服系統(tǒng)是將位置指令值與所檢測到的實際值比較，所得的差乘以位置環(huán)的增益，其積再作為速度指令去控制電動機。由于這種控制方式總是存在著位置跟蹤滯后誤差，即當進給速度為 F 時，其伺服系統(tǒng)的最終滯后位 F/G，這使得在加工拐角及圓弧切削時加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來的控制系統(tǒng)上加上速度指令的控制方式，這樣將使位置跟蹤滯后誤差大大減小，以改善拐角切削加工精度。(4) 機床動、靜摩擦的非線性補償控制技術(shù)。機床動、靜摩擦的非線性會導(dǎo)致機床爬行。除了在機械結(jié)構(gòu)上采取措施降低靜摩擦外，新型的數(shù)控伺服系統(tǒng)具有自動補償機械系統(tǒng)動、靜摩擦非線性的控制功能。(5) 伺服系統(tǒng)的速度環(huán)和位置環(huán)均采用軟件控制。由于采用軟件控制具有較高的柔3性，適應(yīng)不同類型的機床對不同精度及速度的要求，進行加、減速性能的調(diào)整，并能實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，以滿足高性能控制的要求。(6) 采用高分辨率的位置檢測裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內(nèi)裝微處理器組成的細分電路，使得分辨率大大提高。(7〕補償技術(shù)得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代數(shù)控機床利用計算機控制系統(tǒng)的軟件補償功能對伺服系統(tǒng)進行多種補償，以提高機床的位置精度和動態(tài)伺服性能，如軸向運動定點誤差補償、絲杠螺距誤差補償、齒輪間隙補償、熱變形補償和空間誤差補償?shù)取?8) 高速大功率電主軸的應(yīng)用。由于在超高速加工中.對機床主軸轉(zhuǎn)速提出了極高的要求，傳統(tǒng)的齒輪變速主傳動系統(tǒng)已不能適應(yīng)其要求。為此，采用了所謂內(nèi)裝式電動機主軸，簡稱電主軸。它是采用主軸電動機與機床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式，即采用外殼電動機，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)，即機床主軸單元的殼體就是電動機座。實現(xiàn)了變頻電動機與機床主軸一體化，以適應(yīng)主軸高速運轉(zhuǎn)的要求。(9) 超高速切削刀具的應(yīng)用。為適應(yīng)超高速加工要求， 目前陶瓷刀具和金剛石涂層刀具已開始得到應(yīng)用。(10) 配置高速、強功能的內(nèi)裝式可編程控制器(Programmable Logic Controller，簡稱 PLC)。以提高 PLC 的運行速度，滿足數(shù)控機床高速加工的要求。新型的 PLC 具有專用的 CPU，基本指令執(zhí)行時間達 0. 2us/步，可編程步數(shù)可擴大到 16000 步以上。利用 PLC 的高速處理功能，將 CNC 與 PLC 之間有機地結(jié)合起來，能夠滿足數(shù)控機床運行中的各種實時控制要求。1.2.2 多功能化(1) 數(shù)控機床采用一機多能，提高了設(shè)備利用率。配有自動換刀機構(gòu)的各類加工中心，能在同一臺機床上同時實現(xiàn)銑削、銼削、鉆削、車削、鉸孔、擴孔、攻螺紋，甚至磨削等多種工序的加工。工件一經(jīng)裝夾，各種工序和工藝加工過程集中到同一臺設(shè)備上完成，從而避免了工件多次裝夾所造成的定位誤差，確保零件的形位公差，減少裝夾輔助時間，減少設(shè)備臺數(shù)和占地面積。為了進一步提高工效，現(xiàn)代數(shù)控機床采用了多主軸、多面體切削，即同時對一個零件的不同部位進行不同方式的切削加工，如各類五面體加工中心。(2) 前臺加工、后臺編輯的前后臺功能。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用了多 CPU 結(jié)構(gòu)和分級4中斷控制方式，可以在一臺機床上同時進行零件加工和程序編制，實現(xiàn)所謂的前臺加工后臺編輯.即操作者可在機床進入自動循環(huán)加工的空余期間，同時利用數(shù)控系統(tǒng)的鍵盤和 CRT 進行零件加工的編制，并利用 CRT 進行動態(tài)圖形模擬顯示及所編程序的加工軌跡，進行程序的調(diào)試和修改，以充分提高工作效益和機床利用率。(3) 具有更高的通信功能。為了適應(yīng) FMC,F MS 以及進一步聯(lián)網(wǎng)組成 CIMS 的要求，一般的數(shù)控系統(tǒng)都具有 RS-232C 和 RS-422 高速遠距離串行接口，可以按照用戶級的格式要求，同上一級計算機進行多種數(shù)據(jù)交換。高檔的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)有的 DNC 接口，可以實現(xiàn)幾臺數(shù)控機床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對幾臺數(shù)控機床進行控制。現(xiàn) 代 數(shù) 控機床，為了適應(yīng)自動化技術(shù)的進一步發(fā)展，滿足工廠自動化規(guī)模越來越大的要求，滿足不同廠家不同類型數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)的需要，采用了 MAP 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了 MAP3.0 版本，為現(xiàn)代數(shù)控機床進入 FMS 和 C 工 MS 創(chuàng)造了條件。1.2.3 智能化(1) 引進自適應(yīng)控制技術(shù)。自適應(yīng)控制的目的是要求在隨機變化的加工過程中，通過自動調(diào)節(jié)加工過程中所測得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評價指標自動校正自身的工作參數(shù)，己達到或接近最佳工作狀態(tài)。由于在實際加工過程中，大約有 30 余種變量直接和間接影響加工效果，如工件毛坯余量不勻、材料硬度不一致、刀具磨損、工件變形、機床熱變形、化學(xué)親和力的大小、切削液的粘度等，難以用最佳參數(shù)進行切削。而自適應(yīng)控制系統(tǒng)則能根據(jù)切削條件的變化，自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，如伺服進給參數(shù)、切削用量等，使加工保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較小的表面粗糙度，同時也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。(2) 故障自診斷、自修復(fù)功能。主要是利用 CNC 系統(tǒng)的內(nèi)裝程序?qū)崿F(xiàn)在線診斷，即在整個工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時對 CNC 系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進行自動診斷、檢查。一旦出現(xiàn)故障時，立即采用停機等措施，并通過了 CRT 進行故障報警、提示發(fā)生故障的部位、原因等。并利用冗余技術(shù)，自動使故障模塊脫機，而接通備用模塊，以確保在無人化工作環(huán)境的要求。為實現(xiàn)更高的故障診斷要求，最近又提出了人工智能專家診斷系統(tǒng)，它主要由知識庫、推理機和人機控制器三部分組成。(3) 刀具壽命自動檢測更換。利用紅外、聲發(fā)射、激光等各種檢測手段，對刀具和工件進行監(jiān)測。發(fā)現(xiàn)工件超差、刀具磨損、破損，進行及時報警、自動補償或更換備用刀具，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。5(4) 進行模式識別技術(shù)。應(yīng)用圖像識別和聲控技術(shù)，使機器自己辨認圖樣，按照自然語音命令進行加工。1.2.4 數(shù)控系統(tǒng)小型化數(shù)控系統(tǒng)體積小型化便于將機、電裝置融合為一體。目前主要采用超大規(guī)模集成元件、多層印制電路板，采用三維安裝方法，使電子元器件得以高密度的安裝，可以較大的縮小了系統(tǒng)的占有空間。此外，用新型的 TFT 彩色液晶薄膜型顯示器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陰極射線管 CRT，即可使數(shù)控操作系統(tǒng)進一步小型化。這樣可更方便地將它安裝在機床設(shè)備上，更便于對數(shù)控機床的操作使用。1.2.5 數(shù)控編程自動化由于微處理機的應(yīng)用，使數(shù)控編程從脫機編程發(fā)展到在線編程，實現(xiàn)了人機對話，給程序編輯、調(diào)試、修改帶來了極大的方便。并進一步采用了前臺加工后臺編輯的前后臺功能，使數(shù)控機床的利用率得到更大的發(fā)揮。隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD 被彈入圖形交互式自動編程已得到應(yīng)用，它是利用 CAD 繪制的零件加工圖樣，自動生成 NC 零件加工程序，實現(xiàn) CAD 與 CAM 的集成。隨著 CIMS 技術(shù)的發(fā)展，目前又出現(xiàn)了 CAD/CAPP/CAM 集成的全自動編程方式，它與 CAD/CAM 系統(tǒng)編程的最大區(qū)別是其編程所需的加工工藝參數(shù)不必有人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的 CAPP 數(shù)據(jù)庫獲得。另外，還出現(xiàn)了測量、編程、加工一體化系統(tǒng)。它是通過激光快速掃描成型系統(tǒng)、三坐標測量機等對樣機零件進行測量，并把所測得數(shù)據(jù)直接送入計算機內(nèi)，一方面通過 CAD 系統(tǒng)而獲得樣機零件圖樣，另一方面通過數(shù)控自動編程系統(tǒng)，將其處理生成 NC 加工程序，然后通過通信接口送入數(shù)控機床，進行控制自動加工。1.2.6 更高的可靠性數(shù)控機床工作的可靠性是用戶最關(guān)注的主要指標，它主要取決于數(shù)控系統(tǒng)和各伺服驅(qū)動單元的可靠性，為提高可靠性，目前主要在以下幾個方面采取措施。(1) 提高系統(tǒng)硬件質(zhì)量.采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模和超大規(guī)模的專用機混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，精簡外部連線和降低功耗，對元器件進行嚴格篩選，采用高質(zhì)量的多層印制電路板，實行三維高密度安裝工藝，并經(jīng)過必要的老化、振動等有關(guān)考機試驗。(2) 模塊化、標準化和通用化。通過硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種控制功能的要求，6同時采用硬件結(jié)構(gòu)模塊化、標準化和通用化，既提高了硬件生產(chǎn)批量，又便于組織生產(chǎn)和質(zhì)量把關(guān)。(3) 增強故障自診斷、自恢復(fù)和保護功能。通過自動運行啟動診斷、在線診斷、離線診斷等多種自診斷程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進行故障診斷和報警。利用報警提示，及時排除故障;利用容錯技術(shù)，對重要部件采取冗余設(shè)計，以實現(xiàn)故障自恢復(fù);利用各種測試、監(jiān)控技術(shù)，當產(chǎn)生超程、刀損、干擾、斷電等各種意外事件時，自動進行相應(yīng)的保護。1.3 機床數(shù)控改造的意義 制造技術(shù)和自動化水平的高低已成為一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志，而其中最具代表性的就是數(shù)控機床。目前，我國是機床生產(chǎn)大國，但不是機床制造強國，國產(chǎn)機床的發(fā)展仍然難以支撐國民經(jīng)濟和國防軍工的需要。與世界先進水平相比差距仍然十分明顯。因為一方面我國普通機床保有量大，要將普通機床淘汰掉是不經(jīng)濟的，也是不現(xiàn)實的；另一方面，從我國目前生產(chǎn)狀況來看，仍然以生產(chǎn)普通機床為主。然而，用普通機床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、精度低、成本高、供貨期長等缺點，從而使產(chǎn)品在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，這將直接影響一個企業(yè)的生產(chǎn)效益以及生存和發(fā)展。所以大力提高機床的數(shù)控化率已迫在眉睫，有很大的意義，而且普通機床的數(shù)控化改造將會長期存在，并會不斷的發(fā)展。1）節(jié)省資金。 機床的數(shù)控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省 60%左右的費用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的 1/3。即使將原機床的結(jié)構(gòu)進行徹底改造升級也只需花費購買新機床 60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。2）性能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。3）提高生產(chǎn)效率。機床經(jīng)數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機床提高 3至 5 倍。對復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產(chǎn)準備周期。4）可以采用最新的控制技術(shù)?？梢愿鶕?jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機床改造為具有當今水平的機床。71.4 本課題研究的參數(shù)要求根據(jù)下列參數(shù)進行設(shè)計數(shù)控車床的橫向進給機構(gòu)，縱向進給機構(gòu)和電路控制原理圖主要技術(shù)參數(shù)：最大加工直徑：在床面上，400mm,在床鞍上 210mm,最大加工長度 1000mm行程：縱向 1000mm 橫向 200mm快速進給：縱向 2400mm/min 橫向 1200mm/min最大切削進給速度：縱向 500mm/min 橫向 250mm/min溜板及刀架質(zhì)量：縱向 81.63kg 橫向 61.22kg主電動機功率 7.5kw定位精度：0.04mm/全行程重復(fù)定位精度：0.016mm/全行程程序輸入方式：增加值，絕對值通用控制坐標數(shù)量：2脈沖當量：縱向 0.01mm/脈沖橫向 0.005mm/脈沖8第 2 章 總體方案設(shè)計2.1 數(shù)控車床的總體任務(wù)橫向和縱向進給系統(tǒng)設(shè)計計算：此部分為設(shè)計計算部分，用以確定脈沖當量，進給牽引力，選擇絲杠螺母副，計算傳動效率，確定傳動比，選擇伺服電機等，并繪制機床的橫向和縱向的裝配圖及電路控制原理圖。2.2 運動系統(tǒng)方案確定2.2.1 伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置的控制指令直接通過驅(qū)動裝置控制步進電機的運轉(zhuǎn)，然后通過機械傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成刀架或工作臺的位移。這種控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋校正，位移精度一般不高，但其控制方便、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜。閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱全閉環(huán)控制系統(tǒng)，其檢測裝置安裝在機床刀架或工作臺等執(zhí)行部件上，用以直接檢測這些執(zhí)行部件的實際運行位置（直線位移） ，并將其與 CNC 裝置的指令位置（或位移）相比較，用差值進行控制。但是，由于很多機械傳動環(huán)節(jié)包含在閉環(huán)控制的環(huán)路中，各部件的摩擦性，剛性等都是非線性量，直接影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，因此，閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)速都有很大難度。所以，閉環(huán)控制系統(tǒng)主要用于精度要求高的場合。半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測元件裝在電機或者絲杠的端頭，通過測量伺服電機的角位移間接計算出機床工作臺等執(zhí)行部件的實際位置（或位移） ，然后進行反饋控制。由于將絲杠螺母副及機床工作臺等大慣量環(huán)節(jié)排除在閉環(huán)控制系統(tǒng)之外，不能補償他們的運動誤差，精度受到影響，但系統(tǒng)穩(wěn)定性有所提高，調(diào)試比較方便、價格也較全閉環(huán)系統(tǒng)便宜。本次改造由于使用步進電機，所以可以選擇開環(huán)控制系統(tǒng)。2.2.2 傳動方式的選擇為保證改造后的數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度及工作臺的平穩(wěn)性，在設(shè)計機床的傳動系統(tǒng)時，應(yīng)努力保證傳動系統(tǒng)低摩擦、低慣量、高效率、高剛度。因此在傳動系統(tǒng)中注意以下幾點：9(1) 用低摩擦高精度的傳動元件：如滾珠絲杠螺母副，滾動導(dǎo)軌。(2) 采用消隙齒輪減小傳動間隙。2.3 數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計為了使數(shù)控系統(tǒng)能夠長期、可靠、方便地在工業(yè)環(huán)鏡中運行，在制定數(shù)控系統(tǒng)總體方案時必須重點考慮以下幾個方面。(1) 加強系統(tǒng)可靠性。影響數(shù)控系統(tǒng)可靠性的因素很多，硬件規(guī)模和硬件的制造工藝水平往往是影響可靠性的關(guān)鍵因素。因此，應(yīng)選用高性能的 CPU 作為系統(tǒng)的運算和控制核心，并盡量用軟件來實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的功能。在系統(tǒng)的具體硬件構(gòu)成上，選用可靠性高的工控 PC 作為數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺，減少自制硬件數(shù)量。此外，在軟件設(shè)計、電源選用、接插件設(shè)計與選用、接地與屏蔽設(shè)計等方面采用強抗干擾、高可靠性的設(shè)計，從而全面提高系統(tǒng)的可靠性。(2) 提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度。數(shù)控系統(tǒng)的控制精度是保證機床加工精度的關(guān)鍵。因此，它在數(shù)控系統(tǒng)中處于重要位置。如提高數(shù)控系統(tǒng)的最小分辨率，使用高精度的步進電機，采用高速高精度插補算法，提高軌跡生成精度;增強位置環(huán)控制能力;增加補償功能等。(3) 提高使用方便性。提高數(shù)控編程的方便性，是提高數(shù)控系統(tǒng)使用方便性的關(guān)鍵。因此，數(shù)控系統(tǒng)除提供全屏幕編輯進行手工編程外，還應(yīng)該配置自動編程系統(tǒng)，從而大大提高數(shù)控編程的速度和智能化程度，大大方便普通用戶的使用。另外，因為現(xiàn)代工人都比較熟悉個人計算機，數(shù)控系統(tǒng)在操作方面應(yīng)采用標準計算機鍵盤或與其兼容的薄膜鍵盤等輸入設(shè)備，也可用軟盤、移動磁盤、串行通訊、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等輸入零件程序。此外，數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置仿真功能，便于用戶在加工前檢查零件程序的正確性。2.4 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由工控PC硬件平臺、數(shù)控操作面板(包括LCD顯示器，鍵盤)、數(shù)控接口板卡(工/0板，D/A板)和驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)等組成。PC硬件平臺包括工控電源、無源母板、工控PC主板和軟盤驅(qū)動器、硬盤驅(qū)動器等。數(shù)控操作面板上有液晶顯示器和薄膜鍵盤等。數(shù)控接口板卡是計算機與外部執(zhí)行裝置間進行信息交換和轉(zhuǎn)換的通道，對內(nèi)通過無源母板與工控PC主板相連，對外通過屏蔽電纜與驅(qū)動執(zhí)行裝置相連接。10該系統(tǒng)的驅(qū)動執(zhí)行環(huán)節(jié)包括四個子系統(tǒng):進給軸控制與驅(qū)動子系統(tǒng);主軸控制與驅(qū)動子系統(tǒng);開關(guān)量控制系統(tǒng)。主軸控制與驅(qū)動子系統(tǒng)的功能包括兩方面:主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)速控制，以滿足寬范圍切削速度的要求;主軸轉(zhuǎn)角的精確控制，以滿足加工螺紋時的主軸與進給軸的聯(lián)動控制和換刀時的主軸精確定位控制要求。開關(guān)量控制系統(tǒng)完成機床的邏輯順序運動控制，如主軸起?？刂啤⒌毒呓粨Q、工件裝夾、冷卻開關(guān)、行程保護等任務(wù)。開關(guān)量控制系統(tǒng)與其它模塊相配合，共同完成機床工作過程的控制。2.5 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件為實時多任務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各任務(wù)在數(shù)控實時操作系統(tǒng)控制下協(xié)調(diào)進行。(1) 數(shù)控實時操作系統(tǒng)。它是數(shù)控系統(tǒng)軟件中的核心子系統(tǒng)，它對系統(tǒng)中的資源進行統(tǒng)一管理，對各任務(wù)進行動態(tài)調(diào)度，協(xié)調(diào)各模塊的高效運行，并輔助完成各任務(wù)間的通訊和信息交換。(2) 信息預(yù)處理。該模塊完成輸入信息譯碼，完成軌跡插補前的坐標轉(zhuǎn)換和刀補運算。(3) 軌跡插補。它是數(shù)控系統(tǒng)的核心模塊，其任務(wù)是根據(jù)信息預(yù)處理給出的希望軌跡和從檢測裝置獲得的實際軌跡信息，實時生成機床各坐標軸的移動指令，并完成機床運動的加減速控制。(4) 運動控制。該模塊是數(shù)控系統(tǒng)的另一核心模塊，它根據(jù)插補運算結(jié)果，通過高速算法對機床各坐標軸進行高精度位置控制，并完成主軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的控制任務(wù)。(5) 加工仿真模塊。該模塊以動畫方式對數(shù)控加工過程進行動態(tài)仿真，從而在加工前檢驗參數(shù)輸入正確性和機床運動合理性。11第 3 章 縱向進給伺服進給結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 確定脈沖當量一個進給脈沖，使機床運動部件產(chǎn)生位移量，也稱為機床的最小設(shè)定單位。脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床銑床常采用的脈沖當量是 0.01～0.005mm/脈沖。根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量，縱向：0.01mm/脈沖，橫向：0.005mm/ 脈沖。3.2 切削力的計算切削力是指在切屑過程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的講是在切削加工時，工件材料抵抗刀具切削時產(chǎn)生的阻力。車削外圓時的切削力如圖 3-1 所示。主切削力 與切削速度的方向一致，垂直向下，是計算車zF床主軸電動機切削功率的依據(jù)；進給力 與進給方向平行且方向相反；背向力 與進x yF給方向相垂直，對加工精度的影響較大。FzFxFy12圖 3-1 車削力分析由《機床設(shè)計手冊》可知，切削功率 KPc??式中： —主軸電動機功率， ；PkW5.7—主傳動系統(tǒng)總效率，一般為 0.75～0.85，取 =0.85；? ?—進給系統(tǒng)功率系數(shù)，一般取 =0.96。K則 )(12.69.085.7kc???切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力和最大切削速度來計算，即 ，式中切削速度 v 取 0.5 ,縱向 500mm/min 則主切削力：3106???vFPZc min/= =7344003106??PFcz 3105.26?)(N根據(jù)經(jīng)驗公式 : : =1:0.4:0.35，計算出：zyx=734400×0.4=293760 )(=734400×0.35=257040xFN133.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，其螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長工作壽命，可設(shè)置潤滑件和密封件。3.3.1 精度的選擇滾珠絲杠副的精度直接影響數(shù)控機床的定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對機床定位精度最明顯。一般在初步設(shè)計時設(shè)定絲杠的任意 300 行程變動量m應(yīng)小于目標設(shè)定定位精度值的 1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。對于車床，選用30V滾珠絲杠的精度等級 X 軸為 1～3 級（1 級精度最高） ，Z 軸為 2～5 級，考慮到本設(shè)計的定位精度要求和改造的經(jīng)濟性，選擇 X 軸精度等級為 3 級，Z 軸為 4 級。3.3.2 絲杠導(dǎo)程的確定選擇導(dǎo)程跟所需要的運動速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導(dǎo)程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚） 。在速度滿足的情況下，一般選擇較小導(dǎo)程（利于提高控制精度） ，本設(shè)計中初選縱向絲杠導(dǎo)程為 8 ，m橫向絲杠導(dǎo)程為 5 。m3.3.3 最大工作載荷的計算最大工作載荷 是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動工作臺時所承受的最大軸向力，也叫mF進給牽引力,其實驗計算公式如表 3-1 所示。表 3-1 實驗計算公式及參考系數(shù)mF導(dǎo)軌類型 實驗公式 K?矩形導(dǎo)軌 )(GKyzx???1.1 0.15燕尾導(dǎo)軌 2m1.4 0.2綜合或三角導(dǎo)軌 )(Fzx 1.15 0.15-0.18表中 為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數(shù)； 為滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)； 為移動部K?G件總重量。溜板及刀架質(zhì)量：縱向 81.63kg 橫向 61.22kg14G=816 N 查表 3-1 選擇綜合導(dǎo)軌， 取 1.15, 取 0.18, 為 816 ；K?GN算得 =1.15×257040+0.18×（734400+816 ）)(GFzxm???=427934.883.3.4 最大動載荷的計算載荷隨時間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力） ，此類載荷為動載荷。比如起重機以等速度吊起重物，重物對吊索的作用為靜載，起重機以加速度吊起重物，重物對吊索的作用為動載。對于滾珠絲杠螺母副的最大動載荷 計算公式如下：QFmhwQfL3?式中： —滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為 r， （T 為使用壽命，普通L610610/nL?機床 T 取 5000-10000h，數(shù)控機床 T 取 15000h；n 為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速） ；—載荷系數(shù)，一般取 1.2～1.5，本設(shè)計取 1.2；wf—硬度系數(shù)（HRC 58 時取 1.0 ；等于 55 時取 1.11；等于 52.5 時取 1.35；h?等于 50 時取 1.56；等于 45 時取 2.40） ；—滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為 N。mF本設(shè)計中車床縱向承受最大切削力條件下最快的進給速度 ,初選絲杠min/5.0axVj?基本導(dǎo)程 ，則絲杠轉(zhuǎn)速 。取滾珠絲杠mPh8?7/10marPnhj?使用壽命 ，帶入 得 =90；取 ， 代入T1506/TLL2.1wf