C618數(shù)控車(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（全套含CAD圖紙）,c618,數(shù)控車(chē)床,傳動(dòng)系統(tǒng),設(shè)計(jì),全套,cad,圖紙 目 錄 目 錄 ...............................................................................................................................................1 第一章 概論 .................................................................................................................................2 1.1 數(shù)控系 統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史 ..............................................................................................................2 1.2 國(guó)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(shì) ...........................................................................................................2 1.4 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 ...................................................................................................3 第二章 普通車(chē)床的數(shù)控改和可行性論證 ...................................................................................6 第三章 總體設(shè)計(jì)方案的確定 .......................................................................................................9 第四章 主傳動(dòng)部分改造與設(shè)計(jì) ...............................................................................................10 第五章 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)與計(jì)算 .................................................................................25 5.1 伺服系統(tǒng)的組成原理和要求 .............................................................................................25 5.2 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)計(jì)算 .............................................................................27 第六章 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的選擇設(shè)計(jì) ...........................................................................................41 6.1 數(shù)控車(chē)床刀架的基本要求 .................................................................................................41 6.2 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的選擇 .........................................................................................................41 第七章 編碼盤(pán)的安裝設(shè)計(jì) .......................................................................................................43 7.1 編碼盤(pán)的工作原理 .............................................................................................................43 7.2 步進(jìn)電機(jī)頻率對(duì)編碼盤(pán)的限制 .........................................................................................43 7.3 編碼盤(pán)的安裝 .....................................................................................................................43 第八章 數(shù)控系統(tǒng)的選擇設(shè)計(jì) ...................................................................................................44 8.1 典型機(jī)床數(shù)控裝置的硬件組成 .........................................................................................44 8.2 典型 CNC 系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)）技術(shù)性能 ...........................................................................45 第九章 典型零件的加工程序設(shè)計(jì) .............................................................................................48 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................53 致 謝 .............................................................................................................................................54 附錄 ...............................................................................................................................................55 第一章 概論 1.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史 1946 年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類(lèi)創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。 它與人類(lèi)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類(lèi)進(jìn)入 信息社會(huì)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(guó)誕生了第一臺(tái)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(lái)，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(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床狀況分析 （一）國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀 近年來(lái)我國(guó)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(kāi)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(guó)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(guó)的 53.67 億美元，消費(fèi) 額比上一年增長(zhǎng) 25%。但由于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場(chǎng)的需求，使我國(guó)機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài) 勢(shì)，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(zhǎng) 27.3%。 近年來(lái)我國(guó)出口額增 幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車(chē)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?rùn)C(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。 （二）國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 1、新產(chǎn)品開(kāi)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(zhǎng)，數(shù)控化率顯著提高。 2001 年國(guó)內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá) 1.8 萬(wàn)臺(tái)，比上年增長(zhǎng) 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(shì) 1.繼續(xù)向開(kāi)放式、基于 PC 的第六代方向發(fā)展 基于 PC 所具有的開(kāi)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(huì)走上這條道路。至少采用 PC 機(jī)作為它的前端機(jī)，來(lái)處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問(wèn)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。 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。 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(cè)過(guò)程中一些重要信息，并自動(dòng)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(zhuān)家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 將熟練工人和專(zhuān)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(kù)為支撐， 建立具有人工智能的專(zhuān)家系統(tǒng)。 （3）引入故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng) （4）智能化數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)裝置 可以通過(guò)自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)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 （一）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(lái)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(lái)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(dòng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 37 倍。由于計(jì)算機(jī)有 記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來(lái)，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)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(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以 自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了柔性自動(dòng)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(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)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(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)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(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。 （二）宏觀看改造的必要性 從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在 70 年代末、80 年代初已開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控 機(jī)床。由于采用信息技術(shù)對(duì)國(guó)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(guó)際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落后 20 年。如我國(guó)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 1.9，而日本在 1994 年 已達(dá) 20.8，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(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。 數(shù)控化改造的市場(chǎng)空間 機(jī)床的數(shù)控制化改造是一個(gè)方興未的行業(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(guó)，日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，它們的機(jī)床改造人作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)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(guó)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(guó)內(nèi)的市場(chǎng) 我國(guó)目前機(jī)床總量 380 余萬(wàn)臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 11.34 萬(wàn)臺(tái)，即我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到 3。近 10 年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為 0.60.8 萬(wàn)臺(tái)，年產(chǎn)值約為 18 億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化 率為 6。我國(guó)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(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到 20，F(xiàn)MC/FMS 等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占 60以上） ?？梢?jiàn)我們 的大多數(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(lái)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(zhǎng)，從而在 國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、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(chǎng) 我國(guó)自改革開(kāi)放以來(lái)，很多企業(yè)從國(guó)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 19791988 年 10 年間，全國(guó)引進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目就有 18446 項(xiàng)，大約 165.8 億美元。 這些項(xiàng)目中，大部分項(xiàng)目為我國(guó)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(guó)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(dòng)運(yùn)行，沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷(xiāo)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(zhǎng)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(méi)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(wèn)題，就可以最小的投資盤(pán)活最大的存量資產(chǎn)，爭(zhēng)取到最大的經(jīng)濟(jì)效 益和社會(huì)效益。這也是一個(gè)極大的改造市場(chǎng)。 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(gòu)買(mǎi)新的數(shù)控機(jī)床；二是對(duì)舊的機(jī)床進(jìn)行改造而對(duì)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(guó)家來(lái)說(shuō)，采用舊機(jī)床改造來(lái)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，采用第二中方法有以下的優(yōu)點(diǎn)： 1、 減少了投資和交貨的期限 同購(gòu)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。 2、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(huì)資源，又減少了鑄鐵件生產(chǎn)時(shí)對(duì)環(huán)境的污染。 3、熟悉了解設(shè)備結(jié)構(gòu)性能，便于操作維修，購(gòu)買(mǎi)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(duì)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(jiàn)效較快。 4、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(gòu)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。 5、可更好的因地制宜合理篩選功能 購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的通用型機(jī)床，往往對(duì)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(zhuān)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(zhǎng)。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(zhuān)用的數(shù) 控機(jī)床。 6、可及時(shí)采用最新技術(shù)，充分利用社會(huì)資源 由于技術(shù)進(jìn)步和我國(guó)機(jī)床功能部件專(zhuān)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(gòu)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(dòng)導(dǎo)軌 的摩擦系數(shù)降低五至十幾倍來(lái)防止爬行，還可以使得刮研極容易，等等例子說(shuō)明有一大批社會(huì)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(lái)提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì) 量和檔次，將舊機(jī)場(chǎng)改造成當(dāng)今水平的機(jī)床。 第二章 普通車(chē)床的數(shù)控改和可行性論證 對(duì)于普通車(chē)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 前途下，對(duì)機(jī)床的改動(dòng)應(yīng)盡可能的少，以降低成本。 一 車(chē)床的數(shù)控改造 （一） 、數(shù)控機(jī)床工作原理及組成 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(dòng)的變化、起停，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(kāi)和冷卻潤(rùn)滑的開(kāi)、關(guān)等動(dòng)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 2-1 圖 2-1 數(shù)控機(jī)床的組成圖 （二） 、設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù) 普通車(chē)床（C618）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(dòng)自動(dòng)變速原理及改造后的機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)、 機(jī)床調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)、電磁離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算。 。 本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì) C618 臥式車(chē)床進(jìn)行數(shù)控化改造，實(shí)現(xiàn)微機(jī)對(duì)車(chē)床的數(shù)控化控制。利用微機(jī)對(duì)車(chē)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(dòng)單位為 0.01 /脈沖，橫向最小運(yùn)動(dòng)m 單位 0.005 /脈沖，主運(yùn)動(dòng)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速，刀架要改造成自動(dòng)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，要能自動(dòng)的m 切削螺紋。 數(shù) 控 裝 置控 制 介 質(zhì) 測(cè) 量 裝 置伺 服 系 統(tǒng) 機(jī) 床 （三） 、數(shù)控部分的設(shè)計(jì)改造 1、數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按其運(yùn)動(dòng)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(duì)于運(yùn)動(dòng)軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對(duì)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 C618 車(chē)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(wú)位置檢測(cè)和反饋可分為開(kāi)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)到和好的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、 干擾等對(duì)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(guò)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(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其調(diào)式比開(kāi)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(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中沒(méi)有位置控制器及反饋線路，因此開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào) 整，所以常用于精度要求不高的場(chǎng)合。 經(jīng)過(guò)上序比較，由于所改造的 C618 車(chē)床的目標(biāo)加工精度要求不高，所以決定采用開(kāi)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： 可以全部自己設(shè)計(jì)制作 可以采用單板機(jī)或 STD 模塊或工控機(jī)改制 可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應(yīng)化改動(dòng) 在普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造中，由于第一種設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)且不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)質(zhì)量也難于保證。第 二種則更加不經(jīng)濟(jì)。所以不課程設(shè)計(jì)將采取第三鐘方案。 （四） 、機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì) 1、主傳動(dòng)部分的改造設(shè)計(jì) 將原機(jī)床的主軸電動(dòng)機(jī)換成變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，無(wú)級(jí)調(diào)速部分由變頻器控制。將原機(jī)床的主軸手動(dòng) 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(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離，主軸電動(dòng)機(jī)的作用 只是帶動(dòng)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(dòng)絲杠、光杠等全部拆除。縱向、橫向進(jìn)給以步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動(dòng)。 3、其它部件的改造 刀架部分：拆除原手動(dòng)刀架和小拖板，安裝由微機(jī)控制的四工位電動(dòng)機(jī)刀架，該刀架具有重復(fù)定 位精度高、剛性好、使用壽命長(zhǎng)、工藝性好等優(yōu)點(diǎn)。 二 可行性論證 根據(jù)自動(dòng)化制造系統(tǒng) ，可行性論證使用戶建造自動(dòng)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(jí)主管部門(mén)審定和批準(zhǔn)立項(xiàng)的基本依據(jù)。同樣，在進(jìn)行普通車(chē)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(chē)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(yíng)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題分析，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)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(chē)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(duì)改造的投資概算作一簡(jiǎn)要的可行 性論證。 本改造設(shè)計(jì)是對(duì)普通車(chē)床 C618 進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造。在改造設(shè)計(jì)中，采用的是廣州數(shù)控設(shè)備廠生 產(chǎn)的 GSK980T 型數(shù)控系統(tǒng)，加上兩臺(tái)伺服電機(jī)，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動(dòng)部分以及齒輪副，一臺(tái) 變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，四個(gè)電磁離合器以及主傳動(dòng)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(huì)超過(guò) 15 萬(wàn)元。因此，對(duì)普通車(chē)床作經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造適合我國(guó)國(guó)情，是國(guó)內(nèi)企業(yè)提高車(chē)床的自動(dòng)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。 第三章 總體設(shè)計(jì)方案的確定 經(jīng)總體設(shè)計(jì)方案的論證后，確定的 C618 的車(chē)床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的總體方案示意圖如下圖所顯： C618 車(chē)床的主軸轉(zhuǎn)速部分采用了變頻調(diào)速交流異步電機(jī)，有級(jí)變速部分采用電磁離合器控制機(jī)構(gòu)；車(chē) 床的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪減速后帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而 實(shí)現(xiàn)縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；刀架改成由微機(jī)控制，經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。為保持切削螺紋的功 能，需安裝主軸脈沖發(fā)生器。 改造后的總體方案示意圖如圖 3-1 所示： 圖 3-1 總體方案設(shè)計(jì)圖 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)車(chē) 床加 工 工 件 圖 紙 工 件 變 速 箱數(shù) 控 程 序編 制 變 速 箱 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)手 工 輸 入 或 計(jì) 算 機(jī) 控 制 計(jì) 算 機(jī)功 率 放 大 器存 儲(chǔ) 裝 置 第四章 主傳動(dòng)部分改造與設(shè)計(jì) 在改造設(shè)計(jì)之前，讓我們先來(lái)看一下數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)與普通機(jī)床相比所具有的特點(diǎn)： 1）采用調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以滿足主軸根據(jù)數(shù)控指令進(jìn)行自動(dòng)變速的需要； 2）傳動(dòng)路線短，從而簡(jiǎn)化了主傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)； 3）轉(zhuǎn)速高、功率大； 數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床傳動(dòng)要求外，還應(yīng)滿足如下要求： 具有更大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速。 數(shù)控機(jī)床就要為了保證加工時(shí)能選用合理的切削用 1 量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)效率、加工精度和表面質(zhì)量，必須有更高的轉(zhuǎn)速 和更多的調(diào)速范圍。為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求，主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。 具有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。 數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主傳動(dòng)系統(tǒng)的剛 度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動(dòng)件的制造精度與剛度，齒輪齒面進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱淬火增加耐磨性； 最后一級(jí)采用斜齒輪傳動(dòng)，使傳動(dòng)平穩(wěn)；采用高精度軸承及合理 的支承跨距等，以提高主軸件的剛性。 具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動(dòng)部件不平衡 以及切削過(guò)程中的自激振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和 表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具和或零件，使加工無(wú)法進(jìn)行。因此在主傳動(dòng)系統(tǒng)中的各主要零部件 不但要求有一定的靜剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動(dòng)的能力抗振性?？拐鹦?用動(dòng)剛度或動(dòng)柔度來(lái)衡量。如果把主軸組件視為一個(gè)等效的單自由度系統(tǒng)，則動(dòng)剛度 與動(dòng)力參數(shù)的dk 關(guān)系為： = (4-1)dk 221nn 式中: 機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜剛度（ ） ；mN/ 外加激振力的激振頻率（Hz） ； 主軸組件的固有頻率（ = ， 為當(dāng)量質(zhì)量， 為當(dāng)量靜剛度） ；n nkk 阻尼比（ = ， 是阻尼系數(shù)， 是臨界阻尼系數(shù)， = ） 。cccnm2 由上式可見(jiàn)，為提高主軸組件的抗震性，須使 值較大，為此應(yīng)盡量使阻尼比、當(dāng)量剛度值或固有頻dk 率的值較高。在設(shè)主傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，要注意選擇上述幾個(gè)參數(shù)的合理關(guān)系。 一、主傳動(dòng)部分改造方案擬定和設(shè)計(jì)的內(nèi)容 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有變頻調(diào)速、變極調(diào)速、辯轉(zhuǎn)差調(diào)速三種。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 ni= p60f1 從該公式中可以看出，若均勻地改變電源的頻率 f1，就可以連續(xù)地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。這種 調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速，它完全不同于其它的調(diào)速方法。改變異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)調(diào)速的方法稱為 變極調(diào)速。改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。 表 4.1 異步電動(dòng)機(jī)各種調(diào)速方法性能指標(biāo)的比較 調(diào) 速 方 法 變 轉(zhuǎn) 差 率項(xiàng) 目 變 頻 變 極 轉(zhuǎn)子串電阻 串極調(diào)速 調(diào)壓調(diào)速 電磁調(diào)速電機(jī) 是否改變同 步轉(zhuǎn)速 變 變 不 變 不 變 不 變 不 變 靜差率 小 （好） 小 （好） 大 （差） 小 （好） 開(kāi)環(huán)時(shí)大 閉環(huán)時(shí)小 開(kāi)環(huán)時(shí)大 閉環(huán)時(shí)小 調(diào)速范 圍 （D） 較大 （ 10 以 上） 較小 （2 4） 小 （2） 較小 （24） 閉環(huán)時(shí) 較大 閉環(huán)時(shí) 較大 調(diào)速平 滑性 好（無(wú) 級(jí)調(diào)速） 差（有 級(jí)調(diào)速） 差（有級(jí) 調(diào)速） 好（無(wú)級(jí) 調(diào)速） 好（無(wú)級(jí) 調(diào)速） 好 （無(wú)級(jí)調(diào)速） 適應(yīng)負(fù) 載類(lèi)型 恒轉(zhuǎn)矩 恒功率 恒轉(zhuǎn)矩 恒功率 恒轉(zhuǎn)矩 恒轉(zhuǎn)矩 通風(fēng)機(jī) 恒轉(zhuǎn)矩 通風(fēng)機(jī) 恒轉(zhuǎn)矩 調(diào) 速 指 標(biāo) 設(shè)備 投資 多 少 少 較 多 較 少 較 少 電能 損耗 較 小 小 大 較 小 大 大 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速有調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較好的優(yōu)點(diǎn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)恒功率 或恒轉(zhuǎn)矩變速，整個(gè)調(diào)速特性與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似，并可與直流調(diào)速相媲美。 目前變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)最主要的調(diào)速方法。通過(guò)上序的比較本課程設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 采用變頻調(diào)速的方法。 改換主軸電動(dòng)機(jī)，換成調(diào)速電動(dòng)機(jī).通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制再加以簡(jiǎn)單的齒輪調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)變速，齒輪調(diào)速部分用磁離合器控制齒輪嚙合。 圖 4 -1 主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖 數(shù)控機(jī)床主軸變速方式主要有無(wú)級(jí)調(diào)速、分段無(wú)級(jí)調(diào)速和內(nèi)置電機(jī)變速等。在本設(shè)計(jì)中采用分段 無(wú)級(jí)調(diào)速。無(wú)級(jí)變速能夠選用最合理的切削用量，可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，操作方便，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)。無(wú)級(jí) 變速主要是利用直流和交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。但直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)恒功率調(diào)速范圍很小，一般只有 12，很 少到 34，且換向有限制，現(xiàn)大多采用交流變頻主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的性能與直流調(diào) 速電動(dòng)機(jī)類(lèi)似，在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率區(qū)域。一般主軸調(diào)速電動(dòng)機(jī)的 恒功率調(diào)速范圍為 34，對(duì)于恒功率變速范圍大的主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，需要增加變速齒輪，以保證主軸上 較大的恒功率范圍?？紤]本設(shè)計(jì)機(jī)床要求采取交流變頻電動(dòng)機(jī)和有級(jí)變速箱配合的方案即分段無(wú)級(jí)變 速，主軸的正反轉(zhuǎn)和制動(dòng)停止，由數(shù)控指令直接控制電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用車(chē)床的主軸交流異步電動(dòng)機(jī)、 變頻器、數(shù)控單元 構(gòu)成了變頻調(diào)速系統(tǒng)。交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 與頻率 ，電動(dòng)機(jī)的級(jí)對(duì)數(shù) 及ENCnfp 轉(zhuǎn)差率 之間的關(guān)系為 = ,由此可知，改變電源的頻率 ，即可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)snpsf/)1(60 速 與頻率 成正比?？紤]本設(shè)計(jì)機(jī)床的要求，采取交流變頻電動(dòng)機(jī)和有級(jí)變速箱配合的方案，即分nf 段無(wú)級(jí)變速。主軸的正、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)停止由數(shù)控指令直接控制電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。其主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理 圖如圖 4-1 所示； 如圖 4-2 所示是機(jī)床主軸要求的功率特性和轉(zhuǎn)矩特性。這兩條特性曲線是以計(jì)算轉(zhuǎn)速 nj為分界， 從 nj至最高轉(zhuǎn)速 nmax的區(qū)域?yàn)楹愎β蕝^(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，任意轉(zhuǎn)速下主軸都可輸出額定的功率，在該 區(qū)域內(nèi)，最大轉(zhuǎn)矩則隨主軸轉(zhuǎn)速下降而上升。從最低轉(zhuǎn)速 nmin 至 nj的區(qū)域?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)， 最大轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速下降而上升，任何轉(zhuǎn)速下可能提供的轉(zhuǎn)矩都不能超過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩，這個(gè)轉(zhuǎn) 矩就是機(jī)床主軸的最大轉(zhuǎn)矩 Mmax。在區(qū)域內(nèi)，主軸可能輸出的最大功率 Pmax，則隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下 降。通常，恒功率區(qū)約占整個(gè)主軸變速范圍的 2/33/4；恒轉(zhuǎn)矩區(qū)約占 1/41/3。 如圖 4-3 所示是變速電動(dòng)機(jī)的功率特性。從額定轉(zhuǎn)速 nd到最高轉(zhuǎn)速 nmaxde 區(qū)域?yàn)楹愎β蕝^(qū)；從 最低轉(zhuǎn)速 nmin 至 nd的區(qū)域 為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。直流電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速常為 1000 r/min1500 r/min。從 nd至 nmax用調(diào)節(jié)磁通的方法得到，稱為調(diào)磁調(diào)速；從 nmin至 nd用調(diào)節(jié)電驅(qū)電壓的辦法得到，稱為調(diào)壓 調(diào)速。交流調(diào)頻電動(dòng)機(jī)用調(diào)節(jié)電源頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。額定轉(zhuǎn)速常為 1500 r/min。這兩種電動(dòng)機(jī) 的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為 24；恒轉(zhuǎn)矩變速范圍則可達(dá) 100 以上。 圖 4-2 主軸的功率轉(zhuǎn)矩特性 圖 4-3 變速電動(dòng)機(jī)的功率特性 所謂分段無(wú)級(jí)變速就是在交流或直流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速。它能夠?qū)崿F(xiàn)中、高速 段的恒功率傳動(dòng)，低速段的恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。在該系統(tǒng)中，主軸的正、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)停止，通過(guò)數(shù)控指令直 接控制電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。主軸的變速則有電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)變速與齒輪的有機(jī)變速相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。 二、主傳動(dòng)部分改造設(shè)計(jì)計(jì)算 主傳動(dòng)部分改造設(shè)計(jì)計(jì)算包括電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)于選擇, 主傳動(dòng)系統(tǒng)分段無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)方案的確定與 分析, 數(shù)控機(jī)床分級(jí)變速箱的設(shè)計(jì),電磁離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算,機(jī)床調(diào)速電機(jī)控制電路圖的設(shè)計(jì). （一） 、電動(dòng)機(jī)的選擇 根據(jù)原機(jī)床參數(shù)及要求初選改造后車(chē)床主軸變速范圍 Rn=100，n max=3000r/min，n min=30r/min；主 傳動(dòng)機(jī)械總效率系數(shù) =0.9，最大切削功率為 10kw，最小切削功率為 3kw。則電機(jī)初選功率應(yīng)為 PD10vkw,根據(jù)電機(jī)規(guī)格，可選用 11kw 或者 15kw 的電機(jī)。 表格 4。2 電機(jī)選擇兩種方案對(duì)比 交 流 主 軸 電 機(jī) 主 軸 與 變 速 機(jī) 構(gòu) 型 號(hào) PD（kw ） RDP NDsmin RDT nj RnP RnT RF i YP160M2-4 11 3 450 3.3 83 30 3.3 10 1/18 YP160L-4 15 3 335 4.5 112 22.3 4.5 7.44 1/13.4 2、電機(jī)最小輸出功率 1） 、計(jì)算主軸在最底轉(zhuǎn)速達(dá)到最小功率是電機(jī)應(yīng)輸出的功率 Pdsmin= =3/0.9=3.3kw (4-2)nmi 2） 、算電機(jī)實(shí)用的最底轉(zhuǎn)速 nDsmin（r/min） 由式 nDsmin= (4-3) DdsmiP 計(jì)算結(jié)果 : 11kw 的電機(jī)為：n Dsmin=450r/min （n d=1500r/min） 15kw 的電機(jī)為：n Dsmin=333r/min （n d=1500r/min） 式中：n d---電機(jī)的基本轉(zhuǎn)速 r/min； PD---電機(jī)額定功率 kw。 由此，設(shè)計(jì)者選用功率為 11kw、型號(hào)為 YP160M2-4 的交流調(diào)頻電機(jī)。 （二） 、主傳動(dòng)系統(tǒng)分段無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)方案的確定與分析 1、電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的計(jì)算電機(jī)的選擇 1） 、電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 TDd（N/m）為 TDd= =70NM (4-4)1509n9PdD 2） 、電機(jī)最小轉(zhuǎn)矩 Tdmin（NM） Tdmin= =23.2NM (4-5)dMaxn9 其中電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 ndmax=4500r/min 3） 、電機(jī)實(shí)用恒轉(zhuǎn)矩區(qū)變速范圍 RDT= =3.3 (4-6)dmin 4） 、主軸恒轉(zhuǎn)矩區(qū)變速范圍 RnT=RDT=3.3 (4-7) 5） 、電機(jī)恒功率區(qū)變速范圍 RdP= =3 (4-8)dmaxn 2、主軸參數(shù)計(jì)算 1） 、主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速 nj nj= (4-9)3.0minaxi)( = 3.0 =120r/min 2） 、主軸恒功率變速范圍 RnP RnP= = =25r/min (4-10)jmaxn1203 3） 、分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的變速范圍 RF RF= = =8.3 (4-11)DPnp325 其中：R nP-----主軸恒功率區(qū)變速范圍 RDP-----電機(jī)恒功率區(qū)變速范圍 4） 、主傳動(dòng)系統(tǒng)總降速比 i i = = =1/12.5 (4-12)djn1502 (三)、數(shù)控機(jī)床分級(jí)變速箱的設(shè)計(jì) 1、數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速自動(dòng)變換過(guò)程 在數(shù)控機(jī)床上,特別是在自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床上應(yīng)根據(jù)刀具與工藝要求進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速的自動(dòng)變速。 在零件加工工程序中用 S 兩位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速的序號(hào)，或用四位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速的沒(méi)分鐘轉(zhuǎn)數(shù)， 并且用 M 兩位代碼指定主軸的正、反向啟動(dòng)和停止。 采用直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的主運(yùn)動(dòng)無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)中，主軸的正、反啟動(dòng)和停止制動(dòng)是直接控制 電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主軸轉(zhuǎn)速的變換則由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變換與齒輪有級(jí)變速機(jī)構(gòu)的變換相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 機(jī)床主運(yùn)動(dòng)變速系統(tǒng)中主軸的轉(zhuǎn)速 n 是如何由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、齒輪有級(jí)變速級(jí)數(shù)相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為 了獲得主軸的某一轉(zhuǎn)速必須接通相應(yīng)的有級(jí)變速級(jí)數(shù)和電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓轉(zhuǎn)速 nY或調(diào)磁轉(zhuǎn)速 nC。理論上說(shuō) 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以無(wú)級(jí)調(diào)速，但是，主軸轉(zhuǎn)速 S 代碼最多只有 99 種，即使是使用 S 四位代碼直接指定 主軸轉(zhuǎn)速，也只能按一轉(zhuǎn)遞增，而且分級(jí)越多指令信號(hào)的個(gè)數(shù)越多，更難于實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)際上還是 將主軸轉(zhuǎn)速按等比數(shù)列分成若干級(jí)，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的 S 代碼發(fā)出相應(yīng)的有級(jí)級(jí)數(shù)與電機(jī)的調(diào)速信號(hào)來(lái) 實(shí)現(xiàn)主軸的住動(dòng)變速。電機(jī)的調(diào)壓或調(diào)磁變速，由電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)轉(zhuǎn)速指令電壓信號(hào)來(lái)變換。 齒輪有級(jí)變速則才用夜壓或電磁離合器實(shí)現(xiàn)。 2、分級(jí)變速箱的設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的分級(jí)變速箱由于位于調(diào)速電機(jī)與主軸之間,因此,設(shè)計(jì)時(shí)除遵循一般有級(jí)變速箱設(shè)計(jì)原則 外,必須處理好公比的選擇.在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床分級(jí)變速箱時(shí),公比的選取有以下三種情況: a、取變速箱的公比 等于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 RdP ,即 = R dP 。 b、如果為了簡(jiǎn)化變速箱的結(jié)構(gòu)，希望變速級(jí)數(shù)少一些，則不得不取較大的公比。 c、數(shù)控車(chē)床在切削階梯軸、成行螺旋面或端面時(shí)，有時(shí)需要進(jìn)行恒線速切削。 經(jīng)綜合分析比較選有第 a 種情況的公比。 (1)、取變速箱的公比 等于電機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 RdP ,即 = RdP .則機(jī)床主軸的恒功率變速范 圍為 RnP= Z-1RdP= Z (4-13) 變速箱的變速級(jí)數(shù) Z= = =2.93 (4-14)lgnpl325 其中: R nP-----主軸恒功率區(qū)變速范圍 R nP=25 -----變速箱的公比 = R dP=3 Z 必須是整數(shù)，可取變速箱的變速級(jí)數(shù) Z=3。其轉(zhuǎn)速圖如圖 4-4（a）所示。電動(dòng)機(jī)經(jīng)定比傳動(dòng) 2：3，使變速箱的軸得到 3000r/min1000r/min（恒功率）和 1000 r/min--270 r/min（恒轉(zhuǎn)矩） 的轉(zhuǎn)速。如果經(jīng)--軸之間的兩對(duì) 1：1 的齒輪傳動(dòng)，主軸能得到 3000 r/min --1000 r/min 恒功 率轉(zhuǎn)速范圍。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速 n 降到 1000 r/min 時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降到 1500 r/min（額定轉(zhuǎn)速） 。如果電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，則將進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，最大輸出功率也將隨之下降。表現(xiàn)在圖 4-4（b）的功率特性圖 上，主軸轉(zhuǎn)速為 3000 r/min--1000 r/min 時(shí)，為 ab 段，是恒功率。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)， 最大輸出功率將沿 bc 段虛線下降。 圖 4-4 傳動(dòng)系統(tǒng)及功率特性圖 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降到 1000 r/min 時(shí)，變速箱變速，經(jīng)（1/1）*（1/3）傳動(dòng)主軸。這時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自 動(dòng)地回到最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動(dòng)機(jī)又從 4500 r/min 降到 1500 r/min 時(shí)，主軸從 1000 r/min 降到 333 r/min，還是為恒功率。在功率特性圖上為 bd 段。 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降到 333 r/min 時(shí)，變速箱變速，經(jīng)（1/3）*（1/3）=1/9 轉(zhuǎn)動(dòng)主軸。電動(dòng)機(jī)又回到 最高轉(zhuǎn)速。主軸從 333 r/min 降到 111 r/min，在特性圖上為 df 段。 主軸 111 r/min 的轉(zhuǎn)速已低于原要求的計(jì)算轉(zhuǎn)速，以下進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩段?？侩妱?dòng)機(jī)繼續(xù)降速得到， 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降到 405 r/min 時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速降到 405*（ 2/3）*（1/9）=30 r/min，即為主軸的最低轉(zhuǎn) 速，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率為： P2= Pd=0.27 Pd (4-15)1504 即為額定功率 Pd的 27% 。 在圖 4-4（b）中，abdf 應(yīng)為一條直線。為了清楚起見(jiàn)，把它畫(huà)成三段，并略錯(cuò)開(kāi)?？梢钥闯?， 主軸恒功率變速范圍 af 是由 3 段組成的，每段的變速范圍為電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍 RdP=3。所以， 變速箱的公比 = RdP 。電動(dòng)機(jī)的功率根據(jù)主軸的需要選擇。主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速為 f 點(diǎn)的轉(zhuǎn)速 （111r/min） 。表 4.3 為主軸轉(zhuǎn)速與有級(jí)級(jí)數(shù)和電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的關(guān)系. 表 4.3 主軸轉(zhuǎn)速與有級(jí)級(jí)數(shù)和電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的關(guān)系 n/rmin-1 有級(jí)級(jí)數(shù) nY/rmin-1 30n<111 （2/3）（20/60）（20/60） 405--1500 111n<333 （2/3）（20/60）（20/60） 1500--4500 333n<1000 （2/3）（40/40）（20/60） 1500--4500 1000n3000 （2/3）（40/40）（40/40） 1500--4500 圖 4-4（c）為轉(zhuǎn)矩特性。從 a 至 f，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而上升。至 f 點(diǎn)為主軸輸出的最大轉(zhuǎn)矩 Mmax。f-g 為轉(zhuǎn)矩區(qū)。a 至 f 也是由三段拼成的。 3、分段有級(jí)變速傳動(dòng)方案確定 (1) 、傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)計(jì)算 由前面計(jì)算得： =3，=3 帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比 i0=2/3 z 取 i 1=1 i2=1/3 I3=1 i4=1/3 故?。?=40 =401z1z =20 =6022 =40 =403z3z =20 =6044 (2) 、齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 大小齒輪都采用 45 號(hào)鋼調(diào)質(zhì)，選小齒輪硬度為 260HB290HB，大齒輪硬度為 220HB250HB， 精度選用六級(jí)，模數(shù) m=2.5mm , 齒寬 b=30mm, 螺旋角 = 02 所以： =mz1=2.540=100（ ） (4-16)dm =2.540=100（ ） =2.520=50（ ）2 =2.560=150（ ）dm =2.540=100（ ）3 =2.540=100（ ） =2.520=50（ ）4dm =2.560=150（ ） 還應(yīng)該校核齒輪表面接觸疲勞強(qiáng)度，彎曲疲勞強(qiáng)度。經(jīng)校核均合格，其校核過(guò)程略。 (四) 、電磁離合器的設(shè)計(jì)計(jì)算 有級(jí)變速的自動(dòng)變換方法一般有液壓或電磁離合器兩種。 液壓變速機(jī)構(gòu)是通過(guò)液壓缸、活塞桿帶動(dòng)拔叉推動(dòng)滑移齒輪移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用 一個(gè)液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪必須使用兩個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)三位移位。 電磁離合器是應(yīng)用電磁效用接通或切斷運(yùn)動(dòng)的元件，由于它便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，并有現(xiàn)成的系 列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動(dòng)裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機(jī)床的主轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 能簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)，操作方便，通過(guò)若干個(gè)安裝在各轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來(lái)改變 齒輪的傳動(dòng)路線，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。 經(jīng)分析本設(shè)計(jì)選用電磁離合器來(lái)控制數(shù)控車(chē)床的有級(jí)自動(dòng)變速。 圖 4-5 電磁離合器變速的主傳動(dòng)系統(tǒng)圖 圖 4-5 是采用電磁離合器變速的傳動(dòng)系統(tǒng)圖，該傳動(dòng)系統(tǒng)由四對(duì)相互嚙合的齒輪 構(gòu)成二級(jí)齒輪變速。每對(duì)相嚙合的齒輪中有一個(gè)空套在傳動(dòng)軸上，并與電磁離合器的 聯(lián)接件聯(lián)接，離合器與傳動(dòng)軸采用花鍵聯(lián)接，空套齒輪與傳動(dòng)軸之間只有在電磁離合 器吸合時(shí)才能傳動(dòng)。因此，通過(guò)各離合器的吸合和分離的不同組合可以改變運(yùn)動(dòng)的傳 動(dòng)路線，實(shí)現(xiàn)主軸的變速。對(duì) 4-5 所示系統(tǒng)，四個(gè)離合器有 4 種可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的組合， 由于有兩組齒輪的齒數(shù)一樣，因而有 4 條不同的傳動(dòng)路線，可獲得 3 檔機(jī)械變速（表 4.4） 表 4.4 電磁離合器動(dòng)作與傳動(dòng)比 電磁離合器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 (rmin-1) 主軸轉(zhuǎn)速 (rmin-1) 傳動(dòng)比 M1 M2 M3 M4 15004500 1000n3000 i=（2：3）*（Z 1/Z1）*（Z 3/Z3） =2：3 + - + - 15004500 333n<1000 i=（2：3）*（Z 1/Z1）*（Z 4/Z4） =1:3 + - - + i==（2：3）*（Z 2/Z2）*（Z 3/Z3） =1:3 - + + - 15004500 111n<333 i==（2：3）*（Z 2/Z2）*（Z 4/Z4） =1:9 - + - + 4051500 30n<111 i==（2：3）*（Z 2/Z2）*（Z 4/Z4） =1:9 - + - + 當(dāng)從 CNC 裝置中輸出一主軸轉(zhuǎn)速 n 主 時(shí)，此主軸轉(zhuǎn)速 n 主 經(jīng)過(guò)一比較器進(jìn)行比較： 當(dāng) 30 rmin-1n 主 <111 rmin-1 時(shí)電磁離合器 M2和 M4吸合，M 1和 M3分離，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng) 比是 2：27，交流電動(dòng)機(jī)的進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。其轉(zhuǎn)速為 n 電 =n 主 /I=405 rmin-11500 rmin-1 。 當(dāng) 111 rmin-1n 主 <333 rmin-1 時(shí)電磁離合器 M2和 M4吸合，M 1和 M3分離，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng) 比是 2：27，交流電動(dòng)機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動(dòng)。其轉(zhuǎn)速為 n 電 =n 主 /I=1500 rmin-14500 rmin-1 。 當(dāng) 333 rmin-1n 主 <1000 rmin-1 時(shí)電磁離合器 M1和 M4吸合，M 2和 M3分離，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn) 動(dòng)比是 2：9，交流電動(dòng)機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動(dòng)。其轉(zhuǎn)速為 n 電 =n 主 /I=1500 rmin-14500 rmin-1 。 當(dāng) 1000 rmin-1n 主 <3000 rmin-1 時(shí)電磁離合器 M1和 M3吸合，M 2和 M4分離，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn) 動(dòng)比是 2：3，交流電動(dòng)機(jī)的進(jìn)行恒功率傳動(dòng)。其轉(zhuǎn)速為 n 電 =n 主 /I=1500 rmin-14500 rmin-1 。 改造后的機(jī)床為實(shí)現(xiàn)其螺紋加工還須配置主軸脈沖發(fā)生器作為車(chē)床主軸位置信號(hào)的反饋元件。它 與車(chē)床主軸同步運(yùn)行，采集主軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)信息，發(fā)出主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號(hào)，輸入到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)， 再由數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)軟件控制，以保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)，螺紋車(chē)刀也同步在縱向進(jìn)給一個(gè)螺紋，并保證 螺紋加工中分幾次切削時(shí)不發(fā)生亂扣，即每次螺紋切削進(jìn)刀位置一致。主軸脈沖發(fā)生器一般采用增量 式光電編碼器，其安裝通常有兩種方式：同軸安裝、異軸安裝。 同軸安裝方式是直接與車(chē)床主軸的后端相聯(lián)結(jié)，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是安裝后不能加工穿 出車(chē)床主軸孔的零件；異軸安裝方式是通過(guò)橋齒輪或同步齒形帶傳動(dòng)，使主軸與光電編碼器同步轉(zhuǎn)動(dòng)， 其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但避免了前述同軸安裝的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中是采用異軸安裝方式。 主軸脈沖發(fā)生器輸光學(xué)元件，安裝時(shí)應(yīng)小心輕放，不能有較大的 沖擊和振動(dòng)，以防損壞玻璃光柵 盤(pán)，造成報(bào)廢。令應(yīng)注意主軸脈沖發(fā)生器的最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速，車(chē)床主軸的轉(zhuǎn)速必須小于此轉(zhuǎn)速，以免損 壞脈沖發(fā)生器。 三、機(jī)床調(diào)速電機(jī)控制電路圖的設(shè)計(jì) 在本課程設(shè)計(jì)中主軸電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是有變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 （一） 、變頻器的簡(jiǎn)單原理 在交流異步電動(dòng)機(jī)的諸多調(diào)速方法中，變頻調(diào)速的性能最好。調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運(yùn)行 效率高。采用通用變頻器對(duì)籠型異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制，由于使用方便、可靠性高并且經(jīng)濟(jì)效率顯著， 所以逐步得到推廣。 1、 變頻器的基本構(gòu)成 變頻器分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交流直接換成頻率，電壓均可控制 的交流，又稱直接式變頻器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流通過(guò)整流器變成直流，然后再把直 流變換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱間接式變頻器。在本課程設(shè)計(jì)中將采用交-直-交變頻器來(lái) 控制主軸電動(dòng)機(jī)。 變頻器的基本構(gòu)成如圖 4-6 所示，有主回路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制回路 組成，分析如下: 圖 4-6 變頻器的基本結(jié)構(gòu) （1） 、整流器 電網(wǎng)側(cè)的交流器 I 是整流器，它的作用是把三相（也可以是單相）交流整流成直流。 （2） 、逆變器 負(fù)載側(cè)的交流器 II 為逆變器。最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)半導(dǎo)體主開(kāi)關(guān)器件組成的 三相橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中的主開(kāi)關(guān)的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。 （3） 、中間直流環(huán)節(jié) 由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載。無(wú)任電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電 制動(dòng)狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會(huì)等于 1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無(wú)功功率的交換。 這種無(wú)功功率的能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件（電容器或電抗器）來(lái)緩沖。所以又常稱中間直流 環(huán)節(jié)為中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。 （4） 、控制電路 控制電路常由運(yùn)算電路、檢測(cè)電路、控制信號(hào)的輸入、輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。 其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)控制，對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等。控制方法可 采用數(shù)字控制或模擬控制。高性能的變頻器目前已經(jīng)采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行全數(shù)字控制，采用盡可能簡(jiǎn) 單的硬件電路，主要靠軟件來(lái)完成各種功能。由于軟件的靈活性，數(shù)字控制方式?？梢酝瓿赡M控制 方式難以完成的功能。 （5）關(guān)于變頻器名稱的說(shuō)明 對(duì)于交- 直-交變頻器，在不涉及能量傳遞方向的改變時(shí)，我們常簡(jiǎn)單 的稱變頻器 I 為整流器，變頻器 II 為逆變器，而把圖中 I、II、III 總起來(lái)稱為變頻器。 2、變頻器類(lèi)型的選擇 這里將就交-直-交變頻器按不同角度進(jìn)行選擇如下分類(lèi) （1） 、按直流電源的性質(zhì)分類(lèi) 當(dāng)逆變器輸出側(cè)的負(fù)載為交流電動(dòng)機(jī)時(shí)，在負(fù)載和直流電源之間將進(jìn)行無(wú)功功率的交換。用于緩 沖無(wú)功功率的中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件可以是電容或電感，據(jù)此，變頻器可分為電壓型