普通機床數(shù)控化改造設計
47頁 16000字數(shù)+論文說明書+5張CAD圖紙【詳情如下】
普通機床數(shù)控化改造床鞍裝配圖.dwg
普通機床數(shù)控化改造總裝圖.dwg
普通機床數(shù)控化改造方案圖.dwg
普通機床數(shù)控化改造橫向進給圖.dwg
普通機床數(shù)控化改造電路原理圖.dwg
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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國內數(shù)控機床狀況分析 2
1.3數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 2
1.4機床數(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 設計方案
3.1總體設計方案的確定 8
3.2橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與校核 10
3.2.1 選擇脈沖當量 11
3.2.2計算切削 11
3.2.3滾珠絲桿螺母副的計算與選型 12
3.2.4齒輪傳動比的計算 16
3.2.5步進電機的計算,校核與選型 17
4 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計
4.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 22
4.2單片機控制系統(tǒng)的設計 24
4.2.1 硬件電路的組成 24
4.2.2機械控制系統(tǒng)原理及電路設計總結 26
4.3數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)軟件的設計 29
5 小結 48
參考文獻 48
摘 要
應用數(shù)控技術對普通車床進行自動化和精密化改造，改造技術主要為：在車床上附加數(shù)控裝置和執(zhí)行元件，選擇合適的機床伺服系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)等。結果表明：經(jīng)改造后的機床完全能實現(xiàn)加工外圓、錐度、螺紋、端面等的自動控制，提高了原機床的生產(chǎn)效率，降低了勞動強度。采用數(shù)控技術對企業(yè)原有機床進行改造，即發(fā)展經(jīng)濟型的數(shù)控機床是當前工礦企業(yè)機床技術改造的有效途徑。
關鍵詞；車床；數(shù)控改造；經(jīng)濟型
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算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強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)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。
1.2國內數(shù)控機床狀況分析
1.2.1國內數(shù)控機床現(xiàn)狀：近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達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)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。
1.2.2 國內數(shù)控機床的特點 ：
(1) 新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導地位。
(2) 數(shù)控機床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。
2001年國內數(shù)控金切機床產(chǎn)量已達1.8萬臺，比上年增長28.5%。金切機床行業(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)控機床發(fā)展的關鍵配套產(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，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機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠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：這是適應機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：隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
(1)應用自適應控制技術
數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調整系統(tǒng)的有關參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。
(2) 引入專家系統(tǒng)指導加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗，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)字伺服驅動裝置
可以通過自動識別負載，而自動調整參數(shù)，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行。
小結
通過幾個月的努力，本課題的學習終于到了最后。做畢業(yè)設計的過程學到了很多課本上沒有學到的知識，也通過本論文的準備，查資料把大學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。
本篇論文是關于普通機床的自動化改造，通過這次學習在機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。
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）在零件的設計計算過程中，還有些是不明白之處，設計的依據(jù)和其中的很多術語
3）對普通機床的改造還不是很徹底，只是對其中的一些主要部件進行了改造，如時間在寬裕一些，我想我可以做的更好。
但本次畢業(yè)論文，在指導教師的精心指導下，掌握了設備自動化改造的主要技術關鍵環(huán)節(jié)，對數(shù)控設備、數(shù)控技術有了更進一步的了解和掌握，了解了數(shù)控設備、數(shù)控技術的發(fā)展趨勢，指明了以后的發(fā)展方向，必將為以后的學習和工作起到很大的作用。
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畢業(yè)設計 (說明書 ) 普通機床數(shù)控化改造設計 學生姓名 學院名稱 專業(yè)名稱 指導教師 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 設計方案 ........................ 8 分的計算與校核 .... 選擇脈沖當量 .......................... 計算切削 ............................... 滾珠絲桿螺母副的計算與選型 ............. 齒輪傳動比的計算 ....................... 16 進電機的計算 ,校核與選型 .............. 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 .......................................... 硬件電路的組成 ........................機械控制系統(tǒng)原理及電路設計總結 ........................ 小結 ........................................考文獻 ......................................摘 要 應用數(shù)控技術對普通 車床進行自動化和精密化改造，改造技術主要為：在車床上附加數(shù)控裝置和執(zhí)行元件，選擇合適的機床伺服系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)等。結果表明：經(jīng)改造后的機床完全能實現(xiàn)加工外圓、錐度、螺紋、端面等的自動控制，提高了原機床的生產(chǎn)效率，降低了勞動強度。采用數(shù)控技術對企業(yè)原有機床進行改造，即發(fā)展經(jīng)濟型的數(shù)控機床是當前工礦企業(yè)機床技術改造的有效途徑。 關鍵詞；車床；數(shù)控改造；經(jīng)濟型 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算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強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)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。 6 年后，即在 1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 內數(shù)控機床現(xiàn)狀：近年來我國 企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以 都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進入世界第 5名，機床消費額在世界排名上升到第 3位，達 次于美國的 費額比上一年增長 25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第 2位，達 美元，比上年 增長 近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。 內數(shù)控機床的特點 ： (1) 新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導地位。 (2) 數(shù)控機床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。 2001年國內數(shù)控金切機床產(chǎn)量已達 上年增長 金切機床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率 從 2000年的 高到 2001年的 (3) 數(shù)控機床發(fā)展的關鍵配套產(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，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務。 普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。 發(fā)展：這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。 智能化方向發(fā)展：隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。 (1)應用自適應控制技術 數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調整系統(tǒng)的有關參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。 (2) 引入專家系統(tǒng)指導加工 將熟練工人和專家的經(jīng)驗，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)字伺服驅動裝置 可以通過自動識別負載，而自 動調整參數(shù)，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行。 微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 (1) 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 (2) 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高 3～ 7倍。由于計算機有記憶和存儲能力，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，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(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) 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 (5) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 (6) 由以上五條派生的好處。 如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力 （一個人可以看管多臺機床），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等等。 從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在 70 年代末、 80 年代初已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（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。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落 20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到 1995年只有 而日本在 1994年已達 因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。 數(shù)控化改造的市場空間 機床的數(shù)控化改造是一個方興未艾的行業(yè)，從各種統(tǒng)計數(shù)字上看前途應該是十分光明的，例如： "在美國，日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造能作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及數(shù)控技術的不斷進步，機床改造是一個 "永恒 "的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術為主的新的行業(yè)所以不難看出： ` (1) 國內的市場 我國目前機床總量 380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 我國機床數(shù)控化率不到 3％。近 10 年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為 產(chǎn)值約為 18億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6％。我國機床役齡 10 年以上的占 60％以上； 10 年以下的機床中，自動 /半自動機床不到 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)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上 缺乏競爭力，直接影響一個企業(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床的數(shù)控化率。 (2) 進口設備和生產(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)從國外引進技術、設備和生產(chǎn)線進行技術改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從 1979～ 1988 年 10 年間，全國引進技術改造項目就有 18446 項，大約 這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產(chǎn)線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設 備、生產(chǎn)線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結果運轉不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管 理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設備故障不能達產(chǎn)達標；有的因為能耗高、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。 這些不能使用的設備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解 決關鍵技術問題，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)濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。 機床改造的效益分析 提高機床數(shù)控化效率有兩個途徑：一是購買新的數(shù)控機床；二是對舊的機床進行改造而對于一個機床擁有量大，經(jīng)濟財力又不足的發(fā)展中國家來說，采用舊機床改造來提高設備的先進性和數(shù)控化率是一個極其有效和使用的途徑，采用第二種方法有以下的優(yōu)點： a) 減少了投資和交貨的期限 同購置新的數(shù)控機床相比，一般可以節(jié)省 60%到 80%的費用，改造的費用大大減低。 b) 機械的穩(wěn)定性可靠 機床的 床身，立柱等基礎件都是重而堅固的鑄鐵構件，而鑄件越久自然失效充分，內應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)時對環(huán)境的污染。 c) 熟悉了解設備結構性能，便于操作維修，購買的新設備，事先很難前面了解機床的結構性能，以至很難預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)控機床在使用和維修方面的培訓時間，機床一旦改裝完成，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，不必像購新機時重新構筑 新基，同時工夾具、樣板和外設備也可以在利用。 f) 可更好的因地制宜合理篩選功能 購買現(xiàn)成的通用型機床，往往對一個具體的生產(chǎn)加工有一些多余的功能，又可能缺少某一個專用的特殊功能，如向機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計改造成專用的數(shù)控機床。 e) 可及時采用最新技術，充分利用社會資源 由于技術進步和我國機床功能部件專業(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；采用貼塑導軌新技術，可使傳統(tǒng)的滑動導軌的摩擦系數(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)技術更新的發(fā)展速度，及時地采用最新技術來提高生產(chǎn)設備的自動化水平和效率，提高設備質量和檔次，將舊機場改造成當今水平的機床。 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)濟型數(shù)控改造，在考慮總體設計方案時，應遵循的原則是：在滿足設計要求的前提下，對機床的改動應盡可能的少，以降低成本。 車床的數(shù)控改造 (1) 數(shù)控機床工作原理： 數(shù)控機床加工零件時，首先應編制零件的加工程序，這是數(shù)控機床的工作指令。將加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變化、起停，進給運動的方向、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、關等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進行工作，從而加工出符合要求的零件。 (2) 數(shù)控機床的組成： 數(shù)控機床主要由控制介質、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體等四部分組成， 其組成框圖如圖 2 2控機床的組成圖 普通車床的數(shù)控改造設計內容包括：總體方案的確定和驗證、機械改造部分的設計計算（包括縱向、橫向進給系統(tǒng)的設計與計算）、主運動自動變速原理及改造后的機床傳動系統(tǒng)圖的設計、機床調速電動機控制電路的設計。 本設計任務是對臥式車床進行數(shù)控化改造，實現(xiàn)微機對車床的數(shù)控化控制。利用微機對車床的縱向、橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)字控制，并要達到縱向最小運動單位為 脈數(shù)控裝置控制介質測量裝置伺服系統(tǒng) 機 床 沖，橫向最小運動單位 脈沖，主運動要實現(xiàn)自動變速，刀架要改造成自動控制的自動轉位刀架，要能自動的切削螺紋。 控部分的設計改造 (1) 數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按其運動軌跡可分為：點位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點位控制系統(tǒng)只要求控制刀具從一點移到另外一點的位置，而對于運動軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對兩個或兩個以上坐標方向 的位移進行嚴格的不間斷的控制。由于車床要加工復雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 (2)伺服進給系統(tǒng)的設計改造 數(shù)控機床的伺服進給系統(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)點是可以達到高的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾對加工精度的影響。但他結構復雜、技術難度大、調式和維修困難、造價高。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調速范圍寬，過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠優(yōu)于以步進電動機驅動的開環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其 調式比開環(huán)要復雜，設計上也要有其自身的特點，技術難度較大。 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，但其結構簡單，易于調整，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)的硬件電路設計 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，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。 數(shù)控裝置的設計方案通常有： a) 可以全部自己設計制作 b) 可以采用單板機或 c) 可以選用現(xiàn)成 的數(shù)控裝置作少量的適應化改動 跟據(jù)本次設計的要求采用第一種設計方案。 (1) 主傳動部分的改造設計 將原機床的主軸電動機換成變頻調速電動機，無級調速部分由變頻器控制。將原機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構。改造后使其主運動和進給運動分離，主軸電動機的作用只是帶動主軸旋轉。 (2) 進給機構的改造 將原機床的掛輪機構、進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除。縱向、橫向進給以步進電動機作為驅動元件經(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)項目前所進行的技術和經(jīng)濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準立項的基本依據(jù)。同樣，在進行普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造之前進行合理的、科學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)濟型數(shù)控改造的可行性論證應圍繞以下幾個方面進行，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，改造的基礎條件、目標、技術方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實施計劃，結論等。 由于本設計僅作為大學本科生的畢業(yè)設計，故在此，設計者僅對改造的投資概算作一簡要的可行 性論證。 本改造設計是對普通車床進行經(jīng)濟型數(shù)控改造。在改造設計中，采用自己設置的數(shù)控裝置，加上兩臺伺服電機，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調速電動機，四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設備改造費用和舊設備費用總計不會超過 8萬元。因此，對普通車床作經(jīng)濟型數(shù)控改造適合我國國情，是國內企業(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用性。 3 設計方案 體方案的確定 由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應 具有定位、直線插補、順圓和逆圓插補、暫停、循環(huán)加工公英螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 算機系統(tǒng) 根據(jù)機床要求，采用 8位微機。由于 51系列單片機具有集成度高，可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、性能價格比高等特點，決定采用 51系列的 8031單片機擴展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、 I/O 接口及光隔離電路、步進電機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 實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。 械傳動方式 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(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，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的結構。 動方式的確定 數(shù)按系統(tǒng)運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位 /直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。由于車床要加工復雜輪廓零件，所以本次設計采用連續(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，在設計機械傳動裝置時，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。在設計中應考慮以下幾點： (1) 盡量采用低磨擦的傳動和導向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌、貼塑導軌等。 (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?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差?？刹捎妙A緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如 采用預加負載導軌和滾珠絲杠副等。 機的選擇 微機數(shù)控系統(tǒng)由 儲器擴展電路、 I/O 接口電路、伺服電機驅動電路、檢測電路等幾部分組成。 體方案框圖 微機光隔離功率放大功率放大光隔離步進電機 運動部件步進電機圖 3向進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核實例 算切削力 橫切端面 查《綜合作業(yè)指導書》 式中 車床床身上加工最大直徑橫切端面時主切削力 可取縱切時 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 ??? 螺母副的設計、計算與選型 (1) 計算牽引力 橫向進給選為三角型或綜合導 軌 參考《機床設計手冊 ? ?????? 查閱《綜合作業(yè)指導書》 式中： —— 切削分力（Ｎ） G—— 移動部件的重量（ N） 表 100N f? —— 滑動導軌摩擦系數(shù)，隨導軌形式而不同 取 f? =K—— 考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù) 取 K= ? ? ? ? ? 8 75 0 9 5 ?????????? (2) 計算最大動負載 C 選用滾珠絲桿導軌 參考《機床設計手冊 ?查閱《綜合作業(yè)指導書》 式中： L—— 壽命，以 610 轉為一單位 n—— 絲桿轉速（ r/ 為 最大切削條件下進給速度，可取最高進給速度的 1/2 取 ? ?m ?? 絲桿導程（ 初選—— 為使用壽命（ h） ,對于數(shù)控機床取 15000h 運轉系數(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)指導書》 附表Ａ 采用 循環(huán)墊片調整緊的雙螺母滾珠絲桿副， 1列 額定動負載為 9700N,精度等級按表 3 (4) 傳動效率計算 ? ??? ?? ?? ? —— 螺旋升角， '383??? ? —— 摩擦角取 01? 滾動摩擦系數(shù) ? ? ? 83t 383t an t ????? ?????? (5) 剛度驗算 橫向進給絲桿支承方式圖２所示，最大牽引力 承間距Ｌ＝ 350絲桿長度較短，不需預緊螺母及軸承預緊。 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? 進行了預緊 ?? ???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 《機床設計手冊 d=20動體直徑量 Z=13 ? ?223 2 ?????? 綜合以上幾項變形量之和： ? ? 0 7 321 ???????? ????? 〈定位精度 > (6) 穩(wěn)定性校核 計算臨界負載) 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 ?? 齒輪傳動比計算 已確定橫向脈沖當量 ，滾珠直徑導程初選步進電動機步距角 ?計算傳動比 i : ???? ? 考慮到結構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?????????因進給運動齒輪受力不大，模數(shù) ````取 2，有關參數(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 向步進電機的計算，校核和選型 (1) 初選步進電機 a) 計算步進電機負載轉矩??T 236? 查閱《綜合作業(yè)指導書》 式中 : p?—— 脈沖當量，取 進給牽引力 (N) b?—— 步距角，初選雙拍制為 ?? —— 電機 — 絲桿傳動效率為齒輪、軸承、絲桿效率之積分別為 2 、、 ? ??????????????? b) 估算步進電機起動轉矩? ? ??? c) 計算最大靜轉矩表 3 9 5 a x ?? T?? ? 79 5 99 5 a x ??? d) 計算步進電機運行頻率f ?601000?01000 式中 : 最大切削進給速度 最大快移速度 p?—— 脈沖當量，取 ? ? 6 0 0601 0 0 0 ?? ??? ?? ? 3 0 0601 0 0 0 m a x ?? ??? ? 根據(jù)估算出的最大靜轉矩該選用稍大轉矩的步進電機，以留有一定余 量，另一方面與國內同類型機床進行類比的要求。決定采用150從 《綜合作業(yè)指導書》 進電機最高空載啟動頻率為 4000足空載時要求。 (2) 校核步進電機轉矩 前面所述初選步進電機的轉矩計算，均為估算，初選后，應該進行校核計算。 a) 等效轉動慣量計算 計算簡圖見圖 2，根據(jù)表 3二對齒輪降速時，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量 ? ?2?可由下式計算 : ? ? ? ??????????????????? ?????????????????????????????242433222112 ? 式中 :321 、—— 齒輪321 、及其軸的轉動慣量 ? ?2 4J —— 齒輪 4Z 的轉動慣量 ? ?2 絲桿轉動慣量 ? ?2 絲桿導程 (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算 表 3 對于鋼材， 34 ?? 式中 :M—— 圓柱體質量 ? ?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) 電機轉矩計算 機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按各階段計算 : ○ 1 快速空載起動轉矩 M 在快速空載起動階段，加速轉矩占的比例較大，具體計算如下： ?? m a M —— 快速空載起動轉矩 ? ? 空載起動時折算到電機軸上的摩擦轉矩 ? ? 折算到電機軸上的摩擦轉矩 ? ? 由于絲桿預緊時折算到電機軸上的附加摩擦轉矩 ? ? 在采用絲桿螺母副傳動時，上述各種轉矩 ? ?可用下式計算： 2m a a xm a x 106021060 ????? ?????aa ? ??360式中 :?J—— 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉動慣量 ? ?2 ? —— 電機最大角速度 ? ?2 電機最大轉速 ? ? 運動部件最快速度 ? ?p?—— 脈沖當量 ? ?b?—— 步進電機的步距角 ??? 運動部件從停止到起動加速到最大快進速度所需時間 (s) ? ?m i 60 0 0 03 6 0 m a xm a x ? ??? ???起動加速時間0( ? ???????? ?? 626 7 m a xm a x ??折算到電機軸上的摩擦轉矩?2?? ? ? ? ? ? 95 0 9 ?????2512 ?? 導軌的摩擦力 (N) — 垂直方向的切削力 (N) G—— 運動部件的總重量 (N) f? —— 導軌摩擦系數(shù)，取 f? =i —— 齒輪降速比 ? —— 傳動鏈總效率，一般可取 ??????? ??附加摩擦轉矩 : ? ?212 ?? ??式中 : 滾珠絲桿預加負荷，一般取N) 滾珠絲桿導程 (o?—— 滾珠絲桿未預緊時的傳動效率，一般取 9.0?o?? ? ? ? ? ?????????? 8 73112 22???? 上述三項合計 : ? ???????? a x ○ 2 快速移動時所需轉矩 M? ? ??????? 3 最大切削負載時所需要的轉矩 M? ?2????????式中 : 折算到電機軸上的切削負載轉矩 ? ???? ??? 1 82 ???從上面計算看出 M 、 M? 、 M? 三種工況下，以快速空載所需轉矩最大，即以此項作為校核步進電機轉矩的依據(jù)。 從表 3步進電機為五相十拍時為 9 5 a x ?? M?則最大靜轉矩為 : ? ??? 09 3m a 50大轉矩為為 245? ?，大于所需最大靜轉矩，可以滿足此項要求。 d) 校核步進電動機起動矩頻特性和運行矩頻特性 前面已經(jīng)計算出機床最大快移時，需步進電機的最高起動頻率削進給時所需步進電機運行頻率表 350000行頻率為 16000從圖 33出 150進電機起動矩頻 特性和運行矩頻特性如圖 3所示 : 當快速運動和切削進給時， 150 算切削力 主切削力 F（ N）按經(jīng)驗公式估算： 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 ) ) 桿螺母副的計算和造型 (1) 計算進給牽引力 縱向進給選為綜合導軌。參考表 2， 3兩表〈〈機床設計手冊 查書《綜合作業(yè)指導書》 (' ?? 在正常情況下： k — 考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取 K=f — 滑動導軌磨擦系數(shù) — 溜板及刀架重力查《綜合作業(yè)指導書》表 1— 1，取 G =800N )(' ?? =(00)=) (2) 計算最大動負載 C C=310660nT?床設計手冊 用滾珠絲桿導軌 式中：0L— 滾珠絲桿導程。 初選0 ?為最大切削力條件下的進給速度 ，可取最高進給速度的 1/2～ 1/3 取m/T— 使用壽命（ h），對于數(shù)控機車取 =15000h 運轉系數(shù)，按一般運轉取 表 3— 14《綜合作業(yè)指導》 — 壽命以 610 轉為 1單位 n — 絲桿轉速 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 額定功動負載為 18200（ N），精度等級按表《綜合作業(yè)指導書》表 3級。 (4) 傳功效率計算： ? = )?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) 剛度驗算 先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖如 大牽引力 )。支承L=1500桿螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷 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，且絲桿進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高 4倍。其實際變形量 '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)指導書》圖 3列 ?=m 因進行預緊 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為 N 因施加預緊力，故 3?=1/2×c?=1/2× 據(jù)以上計算 ? =3?＋ 2? ＋ 1? =9N 可以滿足要求，，但從表中看出 130進電機最高空載起動頻率為 3000能滿足333要求，此項指標可暫不考慮，可以采用軟件開降速程序來解決。 (2) 校核步進電機轉矩 前面所初步電機的轉矩計算，均為估算，初迭之后，應該進行校核計算。 效轉動慣量計算計算簡圖如前（ a）所示，根據(jù)《綜合作業(yè)指導書》表 3動系統(tǒng)計算到電機軸上的總的轉動慣量 ? ?J=1J ＋ 2)(21 2J ＋2)2( 0?L)] 步進電機轉子轉動慣量（ 1J . 2J — 矢輪 滾珠絲桿轉動慣車（ 參考同類型機床，初步反應式步進電機 作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量： (???w＝ (?)2× 80＝ 輪轉動慣量： 102=· 2＝ 102=桿傳動慣量： 1064× 140=· 機轉動慣量很小，可以忽略。 因此，總的轉動慣量： Ｊ＝21i (2)+4 = · 1) 所需轉動力矩計算。 快速空載啟動所需力矩：?? m a x 最大切削力負載時所需力矩：???式中：空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩 折算到電機軸上的摩擦力矩 由于絲桿預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩 切削時折算到電機軸上的加速度力矩 折算到電機軸上的切削負載力矩 a ??? ? ，i n/ 0 0m a xm a x rL ??? k g fc 63 30 4m a x ??? ?? ?當，M ? 01 0 0 01 0 0 000??? ?????? mk g ????? ?? ? f ?? 22 0'00 ?? 當 ， ?f 時， ???? ??? ??? ?? 12 000 時，預加載荷 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 快速進給時所需力矩： g ??????? 0 0 0 7 3 ??? 07 4 8 7 3 ??? g f ???? 由以上分析計算可知： 所需最大力矩? 3400m a x，所以選擇型號 校核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。 已計算出機床最大快移時需步進電機的最高起動頻率333削進入時所需步進電機運行頻率 從《綜合作業(yè)指導書》表 3— 23中查出型步進電機允許的最高空 000行頻率為 16000從〈〈綜合作業(yè)指導書〉〉圖 3— 15， 3— 16查出