普通機(jī)床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)
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目 錄
1 概論
1.1數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史 2
1.2國內(nèi)數(shù)控機(jī)床狀況分析 2
1.3數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 2
1.4機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 3
2 普通車床數(shù)控改造的可行性論證
2.1 車床的數(shù)控改造 4
2.2可行性論證 7
3 設(shè)計(jì)方案
3.1總體設(shè)計(jì)方案的確定 8
3.2橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與校核 10
3.2.1 選擇脈沖當(dāng)量 11
3.2.2計(jì)算切削 11
3.2.3滾珠絲桿螺母副的計(jì)算與選型 12
3.2.4齒輪傳動比的計(jì)算 16
3.2.5步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算,校核與選型 17
4 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
4.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 22
4.2單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 24
4.2.1 硬件電路的組成 24
4.2.2機(jī)械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì)總結(jié) 26
4.3數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 29
5 小結(jié) 48
參考文獻(xiàn) 48
摘 要
應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對普通車床進(jìn)行自動化和精密化改造，改造技術(shù)主要為：在車床上附加數(shù)控裝置和執(zhí)行元件，選擇合適的機(jī)床伺服系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。結(jié)果表明：經(jīng)改造后的機(jī)床完全能實(shí)現(xiàn)加工外圓、錐度、螺紋、端面等的自動控制，提高了原機(jī)床的生產(chǎn)效率，降低了勞動強(qiáng)度。采用數(shù)控技術(shù)對企業(yè)原有機(jī)床進(jìn)行改造，即發(fā)展經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前工礦企業(yè)機(jī)床技術(shù)改造的有效途徑。
關(guān)鍵詞；車床；數(shù)控改造；經(jīng)濟(jì)型
Abstract
After analyzing and studying the over all structure of ordinary lathe, we use numerical control technology to re-equip ordinary lathe for automation and precision. We attach the numerical control device and execution elements to the lathe and choose an appropriate machinery servo-system and computer system. The result shows that after the innovation,the machine can sufficiently execute automatic control on outside diameter,taper,screw,ends,etc..It improves the production rate of the machine and decreases the labor stress from the operator.Using numerical control technology to improve existing machinery for enterprises. ie: developing economically-typed numerial control control machinay is an effective way to the engineering innovation for factories ,works and mine.
Key Words； lathe; innovation of the numerical control; economical
1 概 論
1.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史
1946年誕生了世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。
1.2國內(nèi)數(shù)控機(jī)床狀況分析
1.2.1國內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀：近年來我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以FMS模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世界第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第3位，達(dá)47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費(fèi)額比上一年增長25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場的需求，使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)24.06億美元，比上年增長27.3%。 近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎機(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。
1.2.2 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) ：
(1) 新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位。
(2) 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。
2001年國內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá)1.8萬臺，比上年增長28.5%。金切機(jī)床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率 從2000年的17.4%提高到2001年的22.7%
(3) 數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。
1.3 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
1.3.1繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展：基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。
1.3.2向高速化和高精度化發(fā)展：這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
1.3.3向智能化方向發(fā)展：隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
(1)應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)
數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。
(2) 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
(3) 引入故障診斷專家系統(tǒng)
(4) 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置
可以通過自動識別負(fù)載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。
1.4機(jī)床數(shù)控化改造的必要性
1.4.1微觀看改造的必要性：從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。
(1) 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
(2) 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了"柔性自動化"。
(3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。
(4) 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。
(5) 擁有自動報(bào)警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人看管加工。
(6) 由以上五條派生的好處。
如：降低了工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了勞動力（一個(gè)人可以看管多臺機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。
1.4.2宏觀看改造的必要性
小結(jié)
通過幾個(gè)月的努力，本課題的學(xué)習(xí)終于到了最后。做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程學(xué)到了很多課本上沒有學(xué)到的知識，也通過本論文的準(zhǔn)備，查資料把大學(xué)四年的知識整理了一番。以前好多遺忘的知識又回到了大腦。
本篇論文是關(guān)于普通機(jī)床的自動化改造，通過這次學(xué)習(xí)在機(jī)床改造中獲的了意想不到的快樂與成就感。會為以后的工作積累下豐富的經(jīng)驗(yàn)。
但是本篇論文還有不禁如意的地方：
1）所研究的東西只是停留在理論方面，很多東西現(xiàn)在還不是很明白
2）在零件的設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，還有些是不明白之處，設(shè)計(jì)的依據(jù)和其中的很多術(shù)語
3）對普通機(jī)床的改造還不是很徹底，只是對其中的一些主要部件進(jìn)行了改造，如時(shí)間在寬裕一些，我想我可以做的更好。
但本次畢業(yè)論文，在指導(dǎo)教師的精心指導(dǎo)下，掌握了設(shè)備自動化改造的主要技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對數(shù)控設(shè)備、數(shù)控技術(shù)有了更進(jìn)一步的了解和掌握，了解了數(shù)控設(shè)備、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢，指明了以后的發(fā)展方向，必將為以后的學(xué)習(xí)和工作起到很大的作用。
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畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 一． 題目與技術(shù)要求 通機(jī)床數(shù)控化改造； 機(jī)床類型：按所附樣圖機(jī)床型號 (1)進(jìn)給兩坐標(biāo)聯(lián)動，采用單片機(jī)的半閉環(huán)控制系統(tǒng)； (2)脈沖當(dāng)量：縱向（ X）： 沖，橫向（ Y）： 床）， 床） 沖。 （ 3）系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)； （ 4）電動刀架轉(zhuǎn)位數(shù)： 4（適用車床） （ 5）其他要求； 二．機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求： 文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫開題報(bào)告 2000 字左右的文獻(xiàn)綜述。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題，閱讀三篇以上與課題相關(guān)的專業(yè)外文資料，并完成一萬印刷符號以上的譯文（或譯成 3 千漢字）。 確定改造的機(jī)床數(shù)控半閉環(huán)系統(tǒng)由哪些功能模塊組成，并用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方塊圖表示出它們之間的關(guān)系。 （ 1）擬定縱向，橫向送給系統(tǒng)的傳動鏈，選擇合適的各傳動機(jī)構(gòu)，畫出傳動鏈的示意圖； （ 2）具體選擇傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型，并對各零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 （ 3）根據(jù)傳動系統(tǒng)運(yùn)動鏈的等效力學(xué)模型計(jì)算傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性，即諧振頻率，傳動剛度，阻尼，轉(zhuǎn)動慣量及 摩擦等。 （ 4）設(shè)計(jì)確定機(jī)械系統(tǒng)其它部件，如導(dǎo)軌，支架，機(jī)座等。 （ 1） 系統(tǒng) 以選用 16 位單片機(jī)； （ 2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)由 展存儲器，相關(guān)的芯片（如譯碼，鎖存等），接口電路，輔助電路，以及顯示和鍵盤等部分組成。 （ 3）合理選擇系統(tǒng)中的各芯片及正確連接 3 總線。 （ 1）選擇直流伺服電機(jī) ; (2)電動機(jī)類型的選擇與計(jì)算； （ 3）驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算； （ 1）檢測元件的正確選用（建議選擇光電編碼器），并分析功能與特點(diǎn)； （ 2）反饋系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)； （ 1）用匯編 C 語言設(shè)計(jì)直線，圓弧插補(bǔ)子程序； （ 2）繪制該程序的流程框圖。 三．圖紙的內(nèi)容與數(shù)量 ； ， 4 和 5 的設(shè)計(jì)結(jié)果，繪制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制原理圖一張（ 四．說明書： 析，計(jì)算，圖文并茂。 模板自下載 5000 字，并附有 200字的中文摘要及對應(yīng)的外文摘要。 000 漢字，英文翻譯需 2000漢字或 10000 個(gè)英文字符。 文）以及前期工作材料必須符合規(guī)定要求，否則不能取得答辯資格。 000 字左右的小論文（詳細(xì)論文摘要）。 五．參考文獻(xiàn) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )外文資料翻譯 系 部： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動化 姓 名： 學(xué) 號： 外文出處： 附 件： 指導(dǎo)教師評語： 該英文原材料基本符合本科畢業(yè)翻譯的要求，所選 原文與該生的論文無關(guān)，翻譯的語句比較通順，語義基本正確，譯文基本能夠反映原文的原意，全文的格式基本正確，字?jǐn)?shù)滿足學(xué)校規(guī)定的要求，但是有一些局部的語義不夠準(zhǔn)確，局部格式的編輯不夠完善，需要更加努力，綜合全譯文，評定為中。 簽名： 機(jī)械設(shè)計(jì)理論 機(jī)械設(shè)計(jì)是一門通過設(shè)計(jì)新產(chǎn)品或者改進(jìn)老產(chǎn)品來滿足人類需求的應(yīng)用技術(shù)科學(xué)。它涉及工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，主要研究產(chǎn)品 的尺寸、形狀和詳細(xì)結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)思，還要研究產(chǎn)品在制造、銷售和使用等方面的問題。 進(jìn)行各種機(jī)械設(shè)計(jì)工作的人員通常被稱為設(shè)計(jì)人員或者機(jī)械設(shè)計(jì)工程師。機(jī)械設(shè)計(jì)是一項(xiàng)創(chuàng)造性的工作。設(shè)計(jì)工程師不僅在工作上要有創(chuàng)造性，還必須在機(jī)械制圖、運(yùn)動學(xué)、工程材料、材料力學(xué)和機(jī)械制造工藝學(xué)等方面具有深厚的基礎(chǔ)知識。 如前所訴，機(jī)械設(shè)計(jì)的目的是生產(chǎn)能夠滿足人類需求的產(chǎn)品。發(fā)明、發(fā)現(xiàn)和科技知識本身并不一定能給人類帶來好處，只有當(dāng)它們被應(yīng)用在產(chǎn)品上才能產(chǎn)生效益。因而，應(yīng)該認(rèn)識到在一個(gè)特定的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，必須先確定人 們是否需要這種產(chǎn)品。 應(yīng)當(dāng)把機(jī)械設(shè)計(jì)看成是機(jī)械設(shè)計(jì)人員運(yùn)用創(chuàng)造性的才能進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析和制定產(chǎn)品的制造工藝學(xué)的一個(gè)良機(jī)。掌握工程基礎(chǔ)知識要比熟記一些數(shù)據(jù)和公式更為重要。僅僅使用數(shù)據(jù)和公式是不足以在一個(gè)好的設(shè)計(jì)中做出所需的全部決定的。另一方面，應(yīng)該認(rèn)真精確的進(jìn)行所有運(yùn)算。例如，即使將一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的位置放錯(cuò)，也會使正確的設(shè)計(jì)變成錯(cuò)誤的。 一個(gè)好的設(shè)計(jì)人員應(yīng)該勇于提出新的想法，而且愿意承擔(dān)一定的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)新的方法不適用時(shí)，就使用原來的方法。因此，設(shè)計(jì)人員必須要有耐心，因?yàn)? 所花費(fèi)的時(shí)間和努力并不 能保證帶來成功。一個(gè)全新的設(shè)計(jì)，要求屏棄許多陳舊的，為人們所熟知的方法。由于許多人墨守成規(guī)，這樣做并不是一件容易的事。一位機(jī)械設(shè)計(jì)師應(yīng)該不斷地探索改進(jìn)現(xiàn)有的產(chǎn)品的方法，在此過程中應(yīng)該認(rèn)真選擇原有的、經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)原理，將其與未經(jīng)過驗(yàn)證的新觀念結(jié)合起來。 新設(shè)計(jì)本身會有許多缺陷和未能預(yù)料的問題發(fā)生，只有當(dāng)這些缺陷和問題被解決之后，才能體現(xiàn)出新產(chǎn)品的優(yōu)越性。因此，一個(gè)性能優(yōu)越的產(chǎn)品誕生的同時(shí)，也伴隨著較高的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，如果設(shè)計(jì)本身不要求采用全新的方法，就沒有必要僅僅為了變革的目的而采用新方法。 在設(shè)計(jì)的初始階段，應(yīng)該允許設(shè)計(jì)人員充分發(fā)揮創(chuàng)造性，不受各種約束。即使產(chǎn)生了許多不切實(shí)際的想法，也會在設(shè)計(jì)的早期，即繪制圖紙之前被改正掉。只有這樣，才不致于堵塞創(chuàng)新的思路。通常，要提出幾套設(shè)計(jì)方案，然后加以比較。很有可能在最后選定的方案中，采用了某些未被接受的方案中的一些想法。 心理學(xué)家經(jīng)常談?wù)撊绾问谷藗冞m應(yīng)他們所操作的機(jī)器。設(shè)計(jì)人員的基本職責(zé)是努力使機(jī)器來適應(yīng)人們。這并不是一項(xiàng)容易的工作，因?yàn)閷?shí)際上并不存在著一個(gè)對所有人來說都是最優(yōu)的操作范圍和操作過程。 另一個(gè)重要問題，設(shè)計(jì)工程師必 須能夠同其他有關(guān)人員進(jìn)行交流和磋商。在開始階段，設(shè)計(jì)人員必須就初步設(shè)計(jì)同管理人員進(jìn)行交流和磋商，并得到批準(zhǔn)。這一般是通過口頭討論，草圖和文字材料進(jìn)行的。為了進(jìn)行有效的交流 ，需要解決下列問題： （ 1） 所設(shè)計(jì)的這個(gè)產(chǎn)品是否真正為人們所需要？ （ 2） 此產(chǎn)品與其他公司的現(xiàn)有同類產(chǎn)品相比有無競爭能力？ （ 3） 生產(chǎn)這種產(chǎn)品是否經(jīng)濟(jì)？ （ 4） 產(chǎn)品的維修是否方便？ （ 5） 產(chǎn)品有無銷路？是否可以盈利？ 只有時(shí)間能對上述問題給出正確答案。但是， 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和銷售只能在對上述問題的初步肯定答案的基礎(chǔ)上 進(jìn)行。設(shè)計(jì)工程師還應(yīng)該通過零件圖和裝配圖，與制造部門一起對最終設(shè)計(jì)方案進(jìn)行磋商。 通常 ，在制造過程中會出現(xiàn)某個(gè)問題?？赡軙髮δ硞€(gè)零件尺寸或公差作一些更改，使零件的生產(chǎn)變得容易。但是，工程上的更改必須要經(jīng)過設(shè)計(jì)人員批準(zhǔn)，以保證不會損傷產(chǎn)品的功能。有時(shí)，在產(chǎn)品的裝配時(shí)或者裝箱外運(yùn)前的試驗(yàn)中才發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的某種缺陷。這些事例恰好說明了設(shè)計(jì)是一個(gè)動態(tài)過程?？偸谴嬖谥玫姆椒▉硗瓿稍O(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該不斷努力，尋找這些更好的方法。 近些年來，工程材料的選擇已經(jīng)顯得重要。此外，選擇過程應(yīng)該是 一個(gè)對材料的連續(xù)不斷的重新評價(jià)過程。新材料不斷出現(xiàn)，而一些原有的材料的能夠獲得的數(shù)量可能會減少。環(huán)境污染、材料的回收利用、工人的健康及安全等方面經(jīng)常會對材料選擇附加新的限制條件。為了減輕重量或者節(jié)約能源，可能會要求使用不同的材料。來自國內(nèi)和國際競爭、對產(chǎn)品維修保養(yǎng)方便性要求的提高和顧客的反饋等方面的壓力，都會促使人們對材料進(jìn)行重新評價(jià)。由于材料選用不當(dāng)造成的產(chǎn)品責(zé)任訴訟，已經(jīng)產(chǎn)生了深刻的影響。此外，材料與材料加工之間的相互依賴關(guān)系已經(jīng)被人們認(rèn)識得更清楚。因此，為了能在合理的成本和確保質(zhì)量的前提下獲得滿意的結(jié) 果，設(shè)計(jì)工程師的制造工程師都必須認(rèn)真仔細(xì)地選擇、確定和使用材料。 制造任何產(chǎn)品的第一步工作都是設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)通?？梢苑譃閹讉€(gè)明確的階段：（ a）初步設(shè)計(jì)；（ b）功能設(shè)計(jì)；（ c）生產(chǎn)設(shè)計(jì)。在初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者著重考慮產(chǎn)品應(yīng)該具有的功能。通常要設(shè)想和考慮幾個(gè)方案，然后決定這種思想是否可行；如果可行，則應(yīng)該對其中一個(gè)或幾個(gè)方案作進(jìn)一步的改進(jìn)。在此階段，關(guān)于材料選擇唯一要考慮的問題是：是否有性能符合要求的材料可供選擇；如果沒有的話，是否有較大的把握在成本和時(shí)間都允許的限度內(nèi)研制出一種新材料。 在功能設(shè)計(jì) 和工程設(shè)計(jì)階段，要做出一個(gè)切實(shí)可行的設(shè)計(jì)。在這個(gè)階段要繪制出相當(dāng)完整的圖紙，選擇并確定各種零件的材料。通常要制造出樣機(jī)或者實(shí)物模型，并對其進(jìn)行試驗(yàn)，評價(jià)產(chǎn)品的功能、可靠性、外觀和維修保養(yǎng)性等。雖然這種試驗(yàn)可能會表明，在產(chǎn)品進(jìn)入到生產(chǎn)階段之前，應(yīng)該更換某些材料，但是，絕對不能將這一點(diǎn)作為不認(rèn)真選擇材料的借口。應(yīng)該結(jié)合產(chǎn)品的功能，認(rèn)真仔細(xì)地考慮產(chǎn)品的外觀、成本和可靠性。一個(gè)很有成就的公司在制造所有的樣機(jī)時(shí)，所選用的材料應(yīng)該和其生產(chǎn)中使用的材料相同，并盡可能使用同樣的制造技術(shù)。這樣對公司是很有好處的。功能完備的樣 機(jī)如果不能根據(jù)預(yù)期的銷售量經(jīng)濟(jì)地制造出來，或者是樣機(jī)與正式生產(chǎn)的裝置在質(zhì)量和可靠性方面有很大不同，則這種樣機(jī)就沒有多大的價(jià)值。設(shè)計(jì)工程師最好能在這一階段完全完成材料的分析、選擇和確定工作，而不是將其留到生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段去做。因?yàn)?，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段材料的更換是由其他人進(jìn)行的，這些人對產(chǎn)品的所有功能的了解不如設(shè)計(jì)工程師。 在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段中，與材料有關(guān)的主要問題是應(yīng)該把材料完全確定下來，使它們與現(xiàn)有的設(shè)備相適應(yīng)，能夠利用現(xiàn)有設(shè)備經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行加工，而且材料的數(shù)量能夠比較容易保證供應(yīng)。 在制造過程中，不可避免 地會出現(xiàn)對使用中的材料做一些更改的情況。經(jīng)驗(yàn)表明，可采用某些便宜材料作為替代品。然而，在大多數(shù)情況下，在進(jìn)行生產(chǎn)以后改換材料要比在開始生產(chǎn)前改換材料所花費(fèi)的代價(jià)要高。在設(shè)計(jì)階段做好材料選擇工作，可以避免多數(shù)這樣的情況。在生產(chǎn)制造開始后出現(xiàn)了可供使用的新材料是更換材料的最常見的原因。當(dāng)然，這些新材料可能降低成本、改進(jìn)產(chǎn)品的性能。但是，必須對新材料進(jìn)行認(rèn)真的評價(jià)，以確保其所有性能都滿足要求。應(yīng)當(dāng)記住，新材料的性能和可靠性很少像現(xiàn)有材料那樣為人們所了解。大部分的產(chǎn)品失效和產(chǎn)品責(zé)任事故案件是由于在選用新材料作為替代 材料之前，沒有真正了解它們的長期使用性能而引起的。 產(chǎn)品的責(zé)任訴訟迫使設(shè)計(jì)人員和公司在選擇材料時(shí)，采用最好的程序。在材料過程中，五個(gè)最常見的問題為：（ a）不了解或者不會使用關(guān)于材料應(yīng)用方面的最新最好的信息資料； (b)未能預(yù)見和考慮擦黑年品可能的合理用途（如有可能，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)進(jìn)一步預(yù)測和考慮由于產(chǎn)品使用方法不當(dāng)造成的后果。在近年來的許多產(chǎn)品責(zé)任訴訟案件中，由于錯(cuò)誤地使用產(chǎn)品而受到傷害的原告控告生產(chǎn)廠家，并且贏得判決）； (c)所使用的材料的數(shù)據(jù)不全或是有些數(shù)據(jù)不確定，尤其是當(dāng)其長期性能數(shù)據(jù)是如此的時(shí)候 ； (d)質(zhì)量控制方法不適當(dāng)和未經(jīng)驗(yàn)證； (e)由一些完全不稱職的人員選擇材料。 通過對上述五個(gè)問題的分析，可以得出這些問題是沒有充分理由存在的結(jié)論。對這些問題的研究分析可以為避免這些問題的出現(xiàn)指明方向。盡管采用最好的材料選擇方法也不能避免發(fā)生產(chǎn)品責(zé)任訴訟，設(shè)計(jì)人員和工業(yè)界按照適當(dāng)?shù)某绦蜻M(jìn)行材料選擇，可以大大減少訴訟的數(shù)量。 從以上的討論可以看出，選擇材料的人們應(yīng)該對材料的性質(zhì)，特點(diǎn)和加工方法有一個(gè)全面而基本的了解。 he is or to It in so on on of to be or is a in in so on If is to on to on in a do of as is on a to to is is to in a On be on if a to A to is to is to to to A of is an A of in it to a is at is a if to is to In to to of if in in of is to up of in in to s is to is an to to in is be to on In to to on on is is In to on to (1) is (2) (3) of is (4) is (5) is to be to to in on to on of to in to or to in to to in of or in in of is a a to to be In be to so on s to of In to or to s so on to on to In is by in to in to to to of is (a) (b) (c) In of is If is to or In of to to to be to If a in in of In to a up in of or on to so of in to in in be as as to if to to or is in is of is in is it to is on in by to to In is to to on be to In to to to in in on to to in to to to to be of in to to is on to to on of by is in to in of In (a) or (b) to to to to be to In to (c) as is in (d) is (e) is by to is to of to be to on of to 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 題 目 姓 名 教育層次 本 科 學(xué) 號 省級電大 專 業(yè) 分 校 指 導(dǎo)教師 教 學(xué) 點(diǎn) 論文（設(shè)計(jì)）題目 普通機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)綜述： 1. 課題目的、意義 針對現(xiàn)有常規(guī)普遍 機(jī)床 的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對進(jìn)行機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。采用以 8031 為 控制系統(tǒng)對信號進(jìn)行處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動。 本課題的設(shè)計(jì)提高了機(jī)床加 工精度和擴(kuò)大機(jī)床使用范圍，并提高生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動強(qiáng)度，縮短訂購新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期時(shí)間。實(shí)踐已經(jīng)證明普通 機(jī)床 的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重大的實(shí)際價(jià)值，為此，在舊有 機(jī)床 上進(jìn)行數(shù)控改造有著較好的市場前景 [1 2. 相關(guān)研究動態(tài)，國內(nèi)外現(xiàn)狀： 現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是能源部門的需求，使高溫高壓水廣泛應(yīng)用于相關(guān)的領(lǐng)域中，對國民生產(chǎn)和人民生活起著越來越重要的作用，例如：機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)床的 控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動化控制的新一代機(jī)床－數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)使人們對傳統(tǒng)的機(jī)床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機(jī)床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。 數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機(jī)床電機(jī)的啟動和停止，主軸變速，工件松開和 夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)，經(jīng)過譯碼，運(yùn)算，發(fā)出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件 [4 國外利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制加工是從 40 年代開始的。 1952 年美國麻省理工學(xué)院在一臺立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制三軸的運(yùn)動，它成了世界上第一臺數(shù)控機(jī)床。此后，從 60 年代開始，其他一些工業(yè)國家如德國、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床。 1974 年微處理機(jī)直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn) 一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機(jī)床的功能越來越完善，可靠性和性能越來越高，它在制造業(yè)中逐漸擔(dān)當(dāng)了越來越重要的角色 [8 我國數(shù)控機(jī)床的研制是從 1958 年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至 80 年代后引進(jìn)了日本、美國、西班牙等國數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，普通機(jī)床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全 部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動強(qiáng)度，縮短訂購新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期時(shí)間。實(shí)踐已經(jīng)證明普通 機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重大的實(shí)際價(jià)值，為此，在舊有 機(jī)床 上進(jìn)行數(shù)控改造有著較好的市場前景 [13 方案論證： 計(jì)任務(wù) 本設(shè)計(jì)任務(wù)是對 普通機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 。利用單片機(jī)對縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行控制，縱向（ Z 向）脈沖當(dāng)量為 沖，橫向（ X 向）沖，驅(qū)動元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副。 體方案的論證 對于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對機(jī)床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。 械部分的改造設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠。為了保 證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載荷的結(jié)構(gòu)。傳動齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。此設(shè)計(jì)過程主要是縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給的改造，關(guān)鍵是步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠的選用。 改進(jìn)后的 機(jī)床 簡易傳動系統(tǒng)如圖 1 圖 1進(jìn)后的 機(jī)床 傳動系統(tǒng) 服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開環(huán)、半 閉環(huán)和閉環(huán)之分。 因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。所以，本設(shè)計(jì)決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。 在設(shè)計(jì)的數(shù)控裝置中， 選擇是關(guān)鍵，選擇 考慮以下要素： 2. 可擴(kuò)展存儲器的容量與數(shù)控功能 的強(qiáng)弱相關(guān)； 3. I/O 口擴(kuò)展的能力與對外設(shè)控制的能力相關(guān)。 在我國，普通機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的是 列單片機(jī)，主要是因?yàn)樗鼈兊呐涮仔酒阋?，普及性、通用性?qiáng)，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造需要。本設(shè)計(jì)以 8031 芯片為核心，增加存儲器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。 體方案的確定 經(jīng)總體設(shè)計(jì)方案的論證后，確定 機(jī)床 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造方案。 機(jī)床 的主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機(jī)床的功能，即手動變速。 機(jī)床 的縱向（ Z 軸）和橫向（ X 軸）進(jìn)給運(yùn)動采用步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動。將原來機(jī)床的普通絲杠改為滾珠絲杠以減小摩擦力。并將 8031 單片機(jī)組成的微機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，由 I/O 接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床 的縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動。 參考文獻(xiàn) [1]李洪 實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社 1997 [2]杜君文 鄧廣敏 數(shù)控技術(shù) 天津：天津大學(xué)出版社 2002 年 [3]成大先 機(jī)械設(shè)計(jì) 圖冊 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 2003 [4]王炳實(shí) 機(jī)床電氣控制 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2005 [5]李福生 實(shí)用數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊 北京：北京出版社 1993 [6]上海紡織工學(xué)院等 機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 1979 [7]余英良 機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 1997 [8]陳紹廉 數(shù)控機(jī)床改造技術(shù) 北京：航空工業(yè)出版社 1988 [9] 于淘 通機(jī)床的數(shù)控改造 . 北華大學(xué)學(xué) 報(bào) [10]谷風(fēng)金 床的數(shù)控改造與設(shè)計(jì) . 煤礦機(jī)械 [11]趙美林 床的改造 . 機(jī)床與液壓 [12]陳繼振 床數(shù)控改造的安裝及調(diào)試 . 設(shè)備與維護(hù) [13]白文慶 普通車床的數(shù)控改造 . 機(jī)械產(chǎn)品與科技 [14]張麗芳 普通車床的數(shù)控改造設(shè)計(jì) . 船電技術(shù) [15]賈傳圣 普通機(jī)床的數(shù)控改造與應(yīng)用 . 改裝與維修 [16]李朝陽 單片機(jī)原理及接口技術(shù) 北京：北京航天航空大學(xué) 2005 進(jìn)程計(jì)劃： 查閱、搜索相關(guān)資料和專業(yè)英語翻譯； 畢業(yè)實(shí)習(xí)與調(diào)研及開題報(bào)告階段； 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要工作階段，完成各種運(yùn)動和動力設(shè)計(jì)計(jì)算、校核及所有圖紙； 完成說明書的編寫和收尾工作。 指導(dǎo)教師意見： 簽名： 年 月 日 開 題 報(bào) 告 會 紀(jì) 要 時(shí) 間 地 點(diǎn) 與 會 人 員 姓 名 職務(wù)（職稱） 姓 名 職務(wù)（職稱） 姓 名 職務(wù)（職稱） 會議記錄摘要： 會議主持人： 記 錄 人： 年 月 日 系工作小組意見 負(fù)責(zé)人簽名： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì) (說明書 ) 普通機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué)院名稱 專業(yè)名稱 指導(dǎo)教師 2011 年 09 月 02 日 目 錄 1 概論 .......................... 2 ...................... 2 ........................ 2 .................... 3 2 普通車床數(shù)控改造的可行性論證 床的數(shù)控改造 ........................... 4 ................................ 7 3 設(shè)計(jì)方案 ........................ 8 分的計(jì)算與校核 .... 選擇脈沖當(dāng)量 .......................... 計(jì)算切削 ............................... 滾珠絲桿螺母副的計(jì)算與選型 ............. 齒輪傳動比的計(jì)算 ....................... 16 進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 ,校核與選型 .............. 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) .......................................... 硬件電路的組成 ........................機(jī)械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì)總結(jié) ........................ 小結(jié) ........................................考文獻(xiàn) ......................................摘 要 應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對普通 車床進(jìn)行自動化和精密化改造，改造技術(shù)主要為：在車床上附加數(shù)控裝置和執(zhí)行元件，選擇合適的機(jī)床伺服系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。結(jié)果表明：經(jīng)改造后的機(jī)床完全能實(shí)現(xiàn)加工外圓、錐度、螺紋、端面等的自動控制，提高了原機(jī)床的生產(chǎn)效率，降低了勞動強(qiáng)度。采用數(shù)控技術(shù)對企業(yè)原有機(jī)床進(jìn)行改造，即發(fā)展經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前工礦企業(yè)機(jī)床技術(shù)改造的有效途徑。 關(guān)鍵詞；車床；數(shù)控改造；經(jīng)濟(jì)型 of we to We to an on It of to is an to of 1 概 論 控系統(tǒng)發(fā)展簡史 1946年誕生了世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會奠定了基礎(chǔ)。 6 年后，即在 1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。 內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀：近年來我國 企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以 都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世界第 5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第 3位，達(dá) 次于美國的 費(fèi)額比上一年增長 25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場的需求，使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第 2位，達(dá) 美元，比上年 增長 近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎機(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。 內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) ： (1) 新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位。 (2) 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。 2001年國內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá) 上年增長 金切機(jī)床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率 從 2000年的 高到 2001年的 (3) 數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。 控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 于 于 成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。 普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。 發(fā)展：這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。 智能化方向發(fā)展：隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。 (1)應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù) 數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。 (2) 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 (3) 引入故障診斷專家系統(tǒng) (4) 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置 可以通過自動識別負(fù)載，而自 動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。 微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。 (1) 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 (2) 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3～ 7倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲能力，可以將輸入的 程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了 "柔性自動化 "。 (3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要 "修配 "。 (4) 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 (5) 擁有自動報(bào)警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人看管加工。 (6) 由以上五條派生的好處。 如：降低了工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了勞動力 （一個(gè)人可以看管多臺機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。 從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在 70 年代末、 80 年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落 20年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到 1995年只有 而日本在 1994年已達(dá) 因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。 數(shù)控化改造的市場空間 機(jī)床的數(shù)控化改造是一個(gè)方興未艾的行業(yè)，從各種統(tǒng)計(jì)數(shù)字上看前途應(yīng)該是十分光明的，例如： "在美國，日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們的機(jī)床改造能作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及數(shù)控技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是一個(gè) "永恒 "的課題。我國的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)所以不難看出： ` (1) 國內(nèi)的市場 我國目前機(jī)床總量 380余萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 我國機(jī)床數(shù)控化率不到 3％。近 10 年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為 產(chǎn)值約為 18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6％。我國機(jī)床役齡 10 年以上的占 60％以上； 10 年以下的機(jī)床中，自動 /半自動機(jī)床不到 20％， 自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機(jī)床占 60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上 缺乏競爭力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 (2) 進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從 1979～ 1988 年 10 年間，全國引進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目就有 18446 項(xiàng)，大約 這些項(xiàng)目中，大部分項(xiàng)目為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進(jìn)項(xiàng)目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè) 備、生產(chǎn)線從國外引進(jìn)以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時(shí)只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管 理等，造成項(xiàng)目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運(yùn)行，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因?yàn)樵O(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)；有的因?yàn)槟芎母摺a(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進(jìn)較長時(shí)間，需要進(jìn)行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財(cái)富，反而消耗著財(cái)富。 這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個(gè)包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財(cái)富。只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn)，解 決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。這也是一個(gè)極大的改造市場。 機(jī)床改造的效益分析 提高機(jī)床數(shù)控化效率有兩個(gè)途徑：一是購買新的數(shù)控機(jī)床；二是對舊的機(jī)床進(jìn)行改造而對于一個(gè)機(jī)床擁有量大，經(jīng)濟(jì)財(cái)力又不足的發(fā)展中國家來說，采用舊機(jī)床改造來提高設(shè)備的先進(jìn)性和數(shù)控化率是一個(gè)極其有效和使用的途徑，采用第二種方法有以下的優(yōu)點(diǎn)： a) 減少了投資和交貨的期限 同購置新的數(shù)控機(jī)床相比，一般可以節(jié)省 60%到 80%的費(fèi)用，改造的費(fèi)用大大減低。 b) 機(jī)械的穩(wěn)定性可靠 機(jī)床的 床身，立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄鐵構(gòu)件，而鑄件越久自然失效充分，內(nèi)應(yīng)力的消除使得比新的鑄件更穩(wěn)定，這些鑄件的使用又可以節(jié)約社會資源，又減少了鑄鐵件生產(chǎn)時(shí)對環(huán)境的污染。 c) 熟悉了解設(shè)備結(jié)構(gòu)性能，便于操作維修，購買的新設(shè)備，事先很難前面了解機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能，以至很難預(yù)算是否完全適合加工要求，而改造則完全可以避免這種情況，并且大大縮短了對數(shù)控機(jī)床在使用和維修方面的培訓(xùn)時(shí)間，機(jī)床一旦改裝完成，很快就可以投入使用，見效較快。 d) 可以充分利用現(xiàn)有的條件 可以充分利用現(xiàn)有的地基，不必像購新機(jī)時(shí)重新構(gòu)筑 新基，同時(shí)工夾具、樣板和外設(shè)備也可以在利用。 f) 可更好的因地制宜合理篩選功能 購買現(xiàn)成的通用型機(jī)床，往往對一個(gè)具體的生產(chǎn)加工有一些多余的功能，又可能缺少某一個(gè)專用的特殊功能，如向機(jī)床制造廠提出特殊定貨要求，增加某些特殊的加工要求，往往費(fèi)用大，交貨的日期又長。而采用改造方案就可以根據(jù)生產(chǎn)加工要求，采用組合的方法再某些部件設(shè)計(jì)改造成專用的數(shù)控機(jī)床。 e) 可及時(shí)采用最新技術(shù)，充分利用社會資源 由于技術(shù)進(jìn)步和我國機(jī)床功能部件專業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，目前已有眾多的疏忽資源支持機(jī)床方面的改造 ，如隨 意采購各種尺寸的滾珠絲杠副，且交貨期短；采用貼塑導(dǎo)軌新技術(shù)，可使傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)降低五至十幾倍來防止爬行，還可以使得刮研極容易，等等例子說明有一大批社會資源，可根據(jù)技術(shù)更新的發(fā)展速度，及時(shí)地采用最新技術(shù)來提高生產(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(jī)場改造成當(dāng)今水平的機(jī)床。 2 普通車床數(shù)控改造的可行性論證 對于普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在考慮總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)遵循的原則是：在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對機(jī)床的改動應(yīng)盡可能的少，以降低成本。 車床的數(shù)控改造 (1) 數(shù)控機(jī)床工作原理： 數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，首先應(yīng)編制零件的加工程序，這是數(shù)控機(jī)床的工作指令。將加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機(jī)床主運(yùn)動的變化、起停，進(jìn)給運(yùn)動的方向、速度和位移量以及其它如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的開、關(guān)等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴(yán)格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出符合要求的零件。 (2) 數(shù)控機(jī)床的組成： 數(shù)控機(jī)床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等四部分組成， 其組成框圖如圖 2 2控機(jī)床的組成圖 普通車床的數(shù)控改造設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：總體方案的確定和驗(yàn)證、機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)計(jì)算（包括縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算）、主運(yùn)動自動變速原理及改造后的機(jī)床傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)、機(jī)床調(diào)速電動機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)任務(wù)是對臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造，實(shí)現(xiàn)微機(jī)對車床的數(shù)控化控制。利用微機(jī)對車床的縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字控制，并要達(dá)到縱向最小運(yùn)動單位為 脈數(shù)控裝置控制介質(zhì)測量裝置伺服系統(tǒng) 機(jī) 床 沖，橫向最小運(yùn)動單位 脈沖，主運(yùn)動要實(shí)現(xiàn)自動變速，刀架要改造成自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架，要能自動的切削螺紋。 控部分的設(shè)計(jì)改造 (1) 數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按其運(yùn)動軌跡可分為：點(diǎn)位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點(diǎn)位控制系統(tǒng)只要求控制刀具從一點(diǎn)移到另外一點(diǎn)的位置，而對于運(yùn)動軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)方向 的位移進(jìn)行嚴(yán)格的不間斷的控制。由于車床要加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 (2)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造 數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)控制方案的優(yōu)點(diǎn)是可以達(dá)到高的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾對加工精度的影響。但他結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、調(diào)式和維修困難、造價(jià)高。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調(diào)速范圍寬，過載能力強(qiáng)，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于以步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其 調(diào)式比開環(huán)要復(fù)雜，設(shè)計(jì)上也要有其自身的特點(diǎn)，技術(shù)難度較大。 開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有位置控制器及反饋線路，因此開環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但其結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，所以常用于精度要求不高的場合。 經(jīng)過上序比較，由于所改造的車床的目標(biāo)加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 (3) 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。 數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)方案通常有： a) 可以全部自己設(shè)計(jì)制作 b) 可以采用單板機(jī)或 c) 可以選用現(xiàn)成 的數(shù)控裝置作少量的適應(yīng)化改動 跟據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求采用第一種設(shè)計(jì)方案。 (1) 主傳動部分的改造設(shè)計(jì) 將原機(jī)床的主軸電動機(jī)換成變頻調(diào)速電動機(jī)，無級調(diào)速部分由變頻器控制。將原機(jī)床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機(jī)構(gòu)。改造后使其主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動分離，主軸電動機(jī)的作用只是帶動主軸旋轉(zhuǎn)。 (2) 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 將原機(jī)床的掛輪機(jī)構(gòu)、進(jìn)給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除?？v向、橫向進(jìn)給以步進(jìn)電動機(jī)作為驅(qū)動元件經(jīng)一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動。 可行性論證 根據(jù) 《自動化制造系統(tǒng)》，可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項(xiàng)目前所進(jìn)行的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析報(bào)告，是上級主管部門審定和批準(zhǔn)立項(xiàng)的基本依據(jù)。同樣，在進(jìn)行普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造之前進(jìn)行合理的、科學(xué)的可行性論證是必要的。 根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法，普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行，即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標(biāo)，改造的基礎(chǔ)條件、目標(biāo)、技術(shù)方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實(shí)施計(jì)劃，結(jié)論等。 由于本設(shè)計(jì)僅作為大學(xué)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，故在此，設(shè)計(jì)者僅對改造的投資概算作一簡要的可行 性論證。 本改造設(shè)計(jì)是對普通車床進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造。在改造設(shè)計(jì)中，采用自己設(shè)置的數(shù)控裝置，加上兩臺伺服電機(jī)，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調(diào)速電動機(jī)，四個(gè)電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設(shè)備改造費(fèi)用和舊設(shè)備費(fèi)用總計(jì)不會超過 8萬元。因此，對普通車床作經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造適合我國國情，是國內(nèi)企業(yè)提高車床的自動化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實(shí)用性。 3 設(shè)計(jì)方案 體方案的確定 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床應(yīng) 具有定位、直線插補(bǔ)、順圓和逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工公英螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 算機(jī)系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)床要求，采用 8位微機(jī)。由于 51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，決定采用 51系列的 8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、 I/O 接口及光隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作 實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 械傳動方式 為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿。為了保證一定的傳動精度跟平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 動方式的確定 數(shù)按系統(tǒng)運(yùn)動方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位 /直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。由于車床要加工復(fù)雜輪廓零件，所以本次設(shè)計(jì)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉 環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)過比較，由于車床加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 構(gòu)傳動方式的確定 為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動裝置時(shí)，通常提出低摩、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： (1) 盡量采用低磨擦的傳動和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。 (2) 盡量消除傳動間隙。例如采用隙齒輪等。 (3) 提高系統(tǒng)剛度。縮短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差。可采用預(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如 采用預(yù)加負(fù)載導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。 機(jī)的選擇 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由 儲器擴(kuò)展電路、 I/O 接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動電路、檢測電路等幾部分組成。 體方案框圖 微機(jī)光隔離功率放大功率放大光隔離步進(jìn)電機(jī) 運(yùn)動部件步進(jìn)電機(jī)圖 3向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與校核實(shí)例 算切削力 橫切端面 查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》 式中 車床床身上加工最大直徑橫切端面時(shí)主切削力 可取縱切時(shí) 21 ? ? 5 9 a x ??? ? ?:: 9 5 9 421???????? 式中 — 走刀方向的切削力（ N） — 垂直走刀方向的切削力（ N） ? ?NF x 5 9 ??? ? ?NF y 1 9 ??? 螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型 (1) 計(jì)算牽引力 橫向進(jìn)給選為三角型或綜合導(dǎo) 軌 參考《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊 ? ?????? 查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》 式中： —— 切削分力（Ｎ） G—— 移動部件的重量（ N） 表 100N f? —— 滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式而不同 取 f? =K—— 考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) 取 K= ? ? ? ? ? 8 75 0 9 5 ?????????? (2) 計(jì)算最大動負(fù)載 C 選用滾珠絲桿導(dǎo)軌 參考《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊 ?查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》 式中： L—— 壽命，以 610 轉(zhuǎn)為一單位 n—— 絲桿轉(zhuǎn)速（ r/ 為 最大切削條件下進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的 1/2 取 ? ?m ?? 絲桿導(dǎo)程（ 初選—— 為使用壽命（ h） ,對于數(shù)控機(jī)床取 15000h 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，查表 3 ? ?m 0 01 0 0 0 ??? 7510 6 ????? ? ????? (3) 螺母副的選型 查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》 附表Ａ 采用 循環(huán)墊片調(diào)整緊的雙螺母滾珠絲桿副， 1列 額定動負(fù)載為 9700N,精度等級按表 3 (4) 傳動效率計(jì)算 ? ??? ?? ?? ? —— 螺旋升角， '383??? ? —— 摩擦角取 01? 滾動摩擦系數(shù) ? ? ? 83t 383t an t ????? ?????? (5) 剛度驗(yàn)算 橫向進(jìn)給絲桿支承方式圖２所示，最大牽引力 承間距Ｌ＝ 350絲桿長度較短，不需預(yù)緊螺母及軸承預(yù)緊。 圖 3算如下 : a) 絲桿的拉伸或壓縮變形量 1? (b) 查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》 圖 3據(jù) =30 ??算出： ? ?51 ? ??????? ?? c) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量 2? 查圖 3? 進(jìn)行了預(yù)緊 ?? ???d) 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形3?采用推力球軸承 5204 查閱 《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊 d=20動體直徑量 Z=13 ? ?223 2 ?????? 綜合以上幾項(xiàng)變形量之和： ? ? 0 7 321 ???????? ????? 〈定位精度 > (6) 穩(wěn)定性校核 計(jì)算臨界負(fù)載) 2? 式中 :E—— 材料彈性模量 ( 2/ I—— 截面慣性矩 ( 4 L—— 絲桿兩軸承端距離 (— 絲桿支承方式系數(shù)，從表 查出，一端固定，一端簡支 ( 441 ??? ??? ? 2 6 3 450 622 ??????? ?? 一般 ? ?,所以? ? (7) 橫向滾珠絲桿副的幾何參數(shù) (見表 1) 表 1 參數(shù)名稱 符號 關(guān)系式 紋 滾 道 公稱直徑 程 觸角 ?'383? 鋼球直徑 道法面半徑 R 心距 e ? ? ?s ?紋升角 ? 383? 螺 桿 外徑 d ? ? qo ??徑 1o 221 ??? 觸直徑 2d?co s2 qo ? 母 螺紋直徑 D o 22 ??? 徑 1D? ? qo ?? 齒輪傳動比計(jì)算 已確定橫向脈沖當(dāng)量 ，滾珠直徑導(dǎo)程初選步進(jìn)電動機(jī)步距角 ?計(jì)算傳動比 i : ???? ? 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板有行程，故此處可采用兩級齒輪降速。 32,20,45,1832204518855243214231?????????因進(jìn)給運(yùn)動齒輪受力不大，模數(shù) ````取 2，有關(guān)參數(shù)參照表 2 表 2: 傳動齒輪幾何參數(shù) 齒數(shù) Z 18 45 20 32 分度圓 d=6 90 40 64 齒頂圓 a 2?? 40 94 44 68 齒根圓 f ?? 31 85 35 59 齒寬 (6m 20 中心距 2 21? 63 52 向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算，校核和選型 (1) 初選步進(jìn)電機(jī) a) 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩??T 236? 查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》 式中 : p?—— 脈沖當(dāng)量，取 進(jìn)給牽引力 (N) b?—— 步距角，初選雙拍制為 ?? —— 電機(jī) — 絲桿傳動效率為齒輪、軸承、絲桿效率之積分別為 2 、、 ? ??????????????? b) 估算步進(jìn)電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩? ? ??? c) 計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩表 3 9 5 a x ?? T?? ? 79 5 99 5 a x ??? d) 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率f ?601000?01000 式中 : 最大切削進(jìn)給速度 最大快移速度 p?—— 脈沖當(dāng)量，取 ? ? 6 0 0601 0 0 0 ?? ??? ?? ? 3 0 0601 0 0 0 m a x ?? ??? ? 根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩該選用稍大轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)，以留有一定余 量，另一方面與國內(nèi)同類型機(jī)床進(jìn)行類比的要求。決定采用150從 《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》 進(jìn)電機(jī)最高空載啟動頻率為 4000足空載時(shí)要求。 (2) 校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩 前面所述初選步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算，均為估算，初選后，應(yīng)該進(jìn)行校核計(jì)算。 a) 等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算 計(jì)算簡圖見圖 2，根據(jù)表 3二對齒輪降速時(shí)，傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 ? ?2?可由下式計(jì)算 : ? ? ? ??????????????????? ?????????????????????????????242433222112 ? 式中 :321 、—— 齒輪321 、及其軸的轉(zhuǎn)動慣量 ? ?2 4J —— 齒輪 4Z 的轉(zhuǎn)動慣量 ? ?2 絲桿轉(zhuǎn)動慣量 ? ?2 絲桿導(dǎo)程 (G—— 工件及工作臺重量 (N) G=500(N) b) 齒輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計(jì)算 表 3 對于鋼材， 34 ?? 式中 :M—— 圓柱體質(zhì)量 ? ?D—— 圓柱體直徑 (L—— 圓柱體長度或原長 (鋼材的密度為 ? ? ?24314131 8 2 ??????? ?? ? ?24324232 2 3 ??????? ?? ? ?24334333 3 9 ??????? ??? ?24344434 9 7 ??????? ?? ? ?24343 ??????? ??因此 ? ? ? ? ???????????????????????????????????????????????24243322211 2 ?? ? ?? ????????????????????????????????????????????? 基本滿足慣量匹配的要求。 c) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算 : ○ 1 快速空載起動轉(zhuǎn)矩 M 在快速空載起動階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計(jì)算如下： ?? m a M —— 快速空載起動轉(zhuǎn)矩 ? ? 空載起動時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 ? ? 折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 ? ? 由于絲桿預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 ? ? 在采用絲桿螺母副傳動時(shí)，上述各種轉(zhuǎn)矩 ? ?可用下式計(jì)算： 2m a a xm a x 106021060 ????? ?????aa ? ??360式中 :?J—— 傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量 ? ?2 ? —— 電機(jī)最大角速度 ? ?2 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 ? ? 運(yùn)動部件最快速度 ? ?p?—— 脈沖當(dāng)量 ? ?b?—— 步進(jìn)電機(jī)的步距角 ??? 運(yùn)動部件從停止到起動加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間 (s) ? ?m i 60 0 0 03 6 0 m a xm a x ? ??? ???起動加速時(shí)間0( ? ???????? ?? 626 7 m a xm a x ??折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩?2?? ? ? ? ? ? 95 0 9 ?????2512 ?? 導(dǎo)軌的摩擦力 (N) — 垂直方向的切削力 (N) G—— 運(yùn)動部件的總重量 (N) f? —— 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取 f? =i —— 齒輪降速比 ? —— 傳動鏈總效率，一般可取 ??????? ??附加摩擦轉(zhuǎn)矩 : ? ?212 ?? ??式中 : 滾珠絲桿預(yù)加負(fù)荷，一般取N) 滾珠絲桿導(dǎo)程 (o?—— 滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動效率，一般取 9.0?o?? ? ? ? ? ?????????? 8 73112 22???? 上述三項(xiàng)合計(jì) : ? ???????? a x ○ 2 快速移動時(shí)所需轉(zhuǎn)矩 M? ? ??????? 3 最大切削負(fù)載時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩 M? ?2????????式中 : 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ? ???? ??? 1 82 ???從上面計(jì)算看出 M 、 M? 、 M? 三種工況下，以快速空載所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。 從表 3步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)為 9 5 a x ?? M?則最大靜轉(zhuǎn)矩為 : ? ??? 09 3m a 50大轉(zhuǎn)矩為為 245? ?，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足此項(xiàng)要求。 d) 校核步進(jìn)電動機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性 前面已經(jīng)計(jì)算出機(jī)床最大快移時(shí)，需步進(jìn)電機(jī)的最高起動頻率削進(jìn)給時(shí)所需步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率表 350000行頻率為 16000從圖 33出 150進(jìn)電機(jī)起動矩頻 特性和運(yùn)行矩頻特性如圖 3所示 : 當(dāng)快速運(yùn)動和切削進(jìn)給時(shí)， 150 算切削力 主切削力 F（ N）按經(jīng)驗(yàn)公式估算： F Z ? 走刀方向的切削分力（ N） 車床身上加工 最大直徑（ mm）30 . a x 6 3 ?? =N） ： 1： F — 走刀方向的切削力 垂直走刀方向的切削力 ) ) 桿螺母副的計(jì)算和造型 (1) 計(jì)算進(jìn)給牽引力 縱向進(jìn)給選為綜合導(dǎo)軌。參考表 2， 3兩表〈〈機(jī)床設(shè)計(jì)手冊 查書《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》 (' ?? 在正常情況下： k — 考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取 K=f — 滑動導(dǎo)軌磨擦系數(shù) — 溜板及刀架重力查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表 1— 1，取 G =800N )(' ?? =(00)=) (2) 計(jì)算最大動負(fù)載 C C=310660nT?床設(shè)計(jì)手冊 用滾珠絲桿導(dǎo)軌 式中：0L— 滾珠絲桿導(dǎo)程。 初選0 ?為最大切削力條件下的進(jìn)給速度 ，可取最高進(jìn)給速度的 1/2～ 1/3 取m/T— 使用壽命（ h），對于數(shù)控機(jī)車取 =15000h 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 表 3— 14《綜合作業(yè)指導(dǎo)》 — 壽命以 610 轉(zhuǎn)為 1單位 n — 絲桿轉(zhuǎn)速 r/?01000s ??8 11000 125 ?? 1060 6?? 610 1500 012560 113 C=3) 滾珠絲桿螺母副的選型 可采用 1列 額定功動負(fù)載為 18200（ N），精度等級按表《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表 3級。 (4) 傳功效率計(jì)算： ? = )?式中： r— 螺旋升角， r= '2530 ? — 磨擦角取 10’ 滾動磨擦系數(shù) 0253t a n ( )253t a n ()t a n (t a n ''0 '0 ????? ?? r r (5) 剛度驗(yàn)算 先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如 大牽引力 )。支承L=1500桿螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷 1/3。 ① 絲杠的拉伸或壓縮變形 量 1? 圖 3《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖 3據(jù) ), 00 ? 查出 ?? 0 可算出 1? = =(101500)10于兩端均采用向心推力球軸承，且絲桿進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高 4倍。其實(shí)際變形量 '1? ( '1? =1/4 1? =10=10 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 2? 查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖 3列 ?=m 因進(jìn)行預(yù)緊 2? =1/2Q?=1/2× m ③ 支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形3?采用 1d =35動體直徑動體數(shù)量 Z=18, Q 0 9 0 5 0 5 0 5 3 2222 ?????注意此公式中單位應(yīng)為 N 因施加預(yù)緊力，故 3?=1/2×c?=1/2× 據(jù)以上計(jì)算 ? =3?＋ 2? ＋ 1? =9N 可以滿足要求，，但從表中看出 130進(jìn)電機(jī)最高空載起動頻率為 3000能滿足333要求，此項(xiàng)指標(biāo)可暫不考慮，可以采用軟件開降速程序來解決。 (2) 校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩 前面所初步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算，均為估算，初迭之后，應(yīng)該進(jìn)行校核計(jì)算。 效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算計(jì)算簡圖如前（ a）所示，根據(jù)《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表 3動系統(tǒng)計(jì)算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 ? ?J=1J ＋ 2)(21 2J ＋2)2( 0?L)] 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（ 1J . 2J — 矢輪 滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣車（ 參考同類型機(jī)床，初步反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量： (???w＝ (?)2× 80＝ 輪轉(zhuǎn)動慣量： 102=· 2＝ 102=桿傳動慣量： 1064× 140=· 機(jī)轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略。 因此，總的轉(zhuǎn)動慣量： Ｊ＝21i (2)+4 = · 1) 所需轉(zhuǎn)動力矩計(jì)算。 快速空載啟動所需力矩：?? m a x 最大切削力負(fù)載時(shí)所需力矩：???式中：空載啟動時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 由于絲桿預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 a ??? ? ，i n/ 0 0m a xm a x rL ??? k g fc 63 30 4m a x ??? ?? ?當(dāng)，M ? 01 0 0 01 0 0 000??? ?????? mk g ????? ?? ? f ?? 22 0'00 ?? 當(dāng) ， ?f 時(shí)， ???? ??? ??? ?? 12 000 時(shí)，預(yù)加載荷 30 則 ? ? g ????? ???? 3 7 7 t ??????????? 8 ??所以，快速空載啟動所需力矩： g f ?????????? 0 00 0 0 02 3 7 3 3m a x 0 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩： g ??????? 0 0 0 7 3 ??? 07 4 8 7 3 ??? g f ???? 由以上分析計(jì)算可知： 所需最大力矩? 3400m a x，所以選擇型號 校核步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 已計(jì)算出機(jī)床最大快移時(shí)需步進(jìn)電機(jī)的最高起動頻率333削進(jìn)入時(shí)所需步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率 從《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表 3— 23中查出型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空 000行頻率為 16000從〈〈綜合作業(yè)指導(dǎo)書〉〉圖 3— 15， 3— 16查出