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1、哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 C6140數(shù)控機(jī)床改造 摘 要 由于目前國(guó)內(nèi)的數(shù)控機(jī)床數(shù)量需求量大，達(dá)到300萬(wàn)臺(tái)之巨，要進(jìn)行全部翻新在實(shí)踐，物質(zhì)尚不具有足夠的條件，為了達(dá)到的條件，為達(dá)到較高的精度，實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)普通車床實(shí)行數(shù)控開(kāi)環(huán)改造。 了解數(shù)控機(jī)床的概念，所謂數(shù)字控制是按照含有機(jī)床(刀具)運(yùn)動(dòng)信息程序所指定的順序自動(dòng)執(zhí)行操作的過(guò)程。而計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床就是數(shù)控機(jī)床在計(jì)算機(jī)監(jiān)控下進(jìn)行工作。它的優(yōu)點(diǎn)很多,可以在同一機(jī)床上一次裝夾可完成多個(gè)操作，生產(chǎn)率顯著提高等優(yōu)點(diǎn)，但它的價(jià)格昂貴。由于我國(guó)現(xiàn)在使用的機(jī)床大多數(shù)為普通車床，自動(dòng)化程度低,要更新現(xiàn)有機(jī)床需要很多資金。為了解決這個(gè)問(wèn)題,

2、也為了適應(yīng)多品種中、小批量零件加工我們選擇機(jī)床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造。本次設(shè)計(jì)主要為縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括縱向進(jìn)給系統(tǒng)改造方案的確定，各零部件的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 數(shù)控；車床；改造； - I - C6140 ordinary lathe of numerical control technology transformation Abstract Due to the current number of domestic CNC machine tool demand to reach300 million units of the giant,to be totally re

3、furbished at the time, the material is not yet sufficient condition,in order to achieve the conditions to achieve high accuracy to achieve better economic nature of the open-loop CNC lathe to implement reform. Understand the concept of CNC machine tools,in accordance with the so-called digital cont

4、rol machine tools(tool)motion information in the order specified by the program automatically performs the operation.CNC machine tool sand CNC machine tools is to work under the supervision of the computer.It has many advantages,can be a fixture on the same machine can perform multiple operations,si

5、gnificantly improve productivity, etc., but its expensive.Since China is now mostly used lathe machine,low degree of automation, to update existing machines need a lot of money.To solve this problem, but also to adapt to many varieties,small batch machining parts we choose economical CNC machine too

6、ls transformation.This design is mainly vertical feed system design, including vertical feed system transformation program to determine various parts of the design. Keywords　 NC; lathe; transform; - 29 - 目錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1 課題背景 1 1.1.1 國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀 1 1.1.2 國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 1 1.2

7、數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況 2 1.2.1 繼續(xù)向開(kāi)放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 2 1.2.2 向高速化和高精度化發(fā)展 2 1.2.3 向智能化方向發(fā)展 2 1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 2 1.3.1 微觀看改造的必要性 2 1.3.2 宏觀看改造的必要性 3 1.4 數(shù)控化改造的市場(chǎng)空間 3 1.4.1 國(guó)內(nèi)的市場(chǎng) 3 1.4.2 進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場(chǎng) 4 1.5 機(jī)床改造的效益分析 4 第2章 普通車床的數(shù)控改造和可行性論證 6 2.1 車床的數(shù)控改造 6 2.1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù) 6 2.1.2 數(shù)控機(jī)床工作原理及組成 6 2.2 可行性論證 7

8、 第3章 總體方案的擬定和論證 8 3.1 總體方案的擬定 8 3.2 控制方式類型選擇 9 3.3 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 10 3.3.1 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 10 3.3.2 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 10 3.3.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用 10 3.3.4 絲杠螺母副 10 3.3.5 機(jī)床導(dǎo)軌改造 10 3.4 總體設(shè)計(jì)方案的確定 11 第4章 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 4.1 伺服系統(tǒng)的組成原理 12 4.2 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 12 4.2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 13 4.2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 17 4.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 20 4

9、.3.1 C6140縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)確定 20 4.3.2 C6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 20 4.4 伺服系統(tǒng)說(shuō)明 21 4.4.1 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 21 第5章 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架 22 5.1 數(shù)控車床刀架的基本要求 22 5.2 數(shù)控車床刀架結(jié)構(gòu) 22 5.3 工作原理 23 5.4 刀架的安裝 24 第6章 編碼盤的安裝部分 25 6.1 光電編碼器工作原理 25 6.2 編碼盤的安裝 25 結(jié)論 27 致謝 28 參考文獻(xiàn) 29 附錄 30 第1章 緒 論 1.1 課題背景 1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表

10、明人類創(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。 1.1.1 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

11、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。 1.1.2 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。

12、 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． 控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。 1.2 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況 1.2.1 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

13、和維修將更加普遍。 1.2.2 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。 1.2.3 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(kù)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) 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

14、得最佳的運(yùn)行。 1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 1.3.1 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(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3～7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

15、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。 1.3.2 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

16、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。 1.4 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

17、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： 1.4.1 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0.6～0.8萬(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

18、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。 1.4.2 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1979～1988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

19、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?、產(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活最大的存量資產(chǎn)，爭(zhēng)取到最大的經(jīng)濟(jì)

20、效益和社會(huì)效益。這也是一個(gè)極大的改造市場(chǎng)。 1.5 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)

21、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

22、貨的日期又長(zhǎng)。而采用改造的方案就可以根據(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。 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2章 普通車床的數(shù)控改造和可行性論證 2.1 車

23、床的數(shù)控改造 2.1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù) 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（伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的選擇或設(shè)計(jì)、編碼盤安裝部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）、主運(yùn)動(dòng)自動(dòng)變速原理、部分系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì)臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造，實(shí)現(xiàn)微機(jī)對(duì)車床的數(shù)控化控制。利用微機(jī)對(duì)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(dòng)單位為0.01/脈沖，橫向最小運(yùn)動(dòng)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)的切削螺紋。 2.1.2 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

24、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 2.2 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)主管部門審定和

25、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(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)普通車床C1640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)，費(fèi)用約為4萬(wàn)余元；兩套滾珠絲杠副和相配的傳動(dòng)

26、部分以及齒輪副、貼塑導(dǎo)軌等零件，費(fèi)用約為1萬(wàn)余元，總的改造費(fèi)用約為5～6萬(wàn)元。舊車床估計(jì)截至在6～7萬(wàn)元。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)13萬(wàn)元。因此，對(duì)普通車床作經(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3章 總體方案的擬定和論證 3.1 總體方案的擬定 C6140車床主要用于對(duì)中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工，這些零件加工工藝要求機(jī)床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有：控制主軸正反轉(zhuǎn)和實(shí)現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速；刀架能實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并具備在換刀點(diǎn)自動(dòng)改變四個(gè)刀位完成選擇刀具；冷卻泵、潤(rùn)滑泵的啟停；加工螺紋

27、時(shí)，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動(dòng)一個(gè)被加工螺紋的螺距或?qū)С?。這些工作內(nèi)容，就是數(shù)控化改造數(shù)控系統(tǒng)控制的對(duì)象。察看C616車床及有關(guān)資料，并且參照數(shù)控車床的改造經(jīng)驗(yàn)，確定總體改造方案。 1． 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造 對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控改造時(shí)，一般可保留原有的主傳動(dòng)系統(tǒng)和變速操作機(jī)構(gòu)，以減少改造量。但本設(shè)計(jì)中為了提高車床的自動(dòng)化程度，以便于在加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變換切削速度，對(duì)其作了相應(yīng)的簡(jiǎn)化改造。 采用交流調(diào)速電機(jī)做車床主軸電機(jī)以取代原來(lái)的主軸電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；并簡(jiǎn)化原來(lái)傳動(dòng)系統(tǒng)，以達(dá)到多檔調(diào)速范圍的確定。 2． 數(shù)控系統(tǒng)的選擇設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC）即控制裝置是數(shù)控機(jī)床的中心環(huán)節(jié)

28、。它通過(guò)對(duì)加工程序的運(yùn)行處理，發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的自動(dòng)控制。 在本設(shè)計(jì)中，由于時(shí)間較短、設(shè)計(jì)人員少，因而我們決定引進(jìn)江蘇東方數(shù)控新技術(shù)公司生產(chǎn)的NIM-9702數(shù)控系統(tǒng)。 3． 自動(dòng)轉(zhuǎn)為到家選擇設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的刀架是機(jī)床的重要組成部分。其結(jié)構(gòu)直接影響車床的切削性能和效率。臥式車床數(shù)控改造應(yīng)將原來(lái)機(jī)床的普通手動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架替換成自動(dòng)換位刀架，本設(shè)計(jì)決定采用常州武進(jìn)數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4四工位螺旋轉(zhuǎn)位刀架。 4． 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造 由于改造設(shè)計(jì)的是簡(jiǎn)易型經(jīng)濟(jì)數(shù)控，所以在考慮具體方案時(shí)，基本原則是在滿足需要的前提下，對(duì)于機(jī)床盡可能減小改動(dòng)量，以降低成本?？傮w改造如下圖3-1所示：

29、 圖3-1 總體改造的示意圖 3.2 控制方式類型選擇 數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制之分。 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉，但影響定位精度的機(jī)械傳動(dòng)裝置的摩擦、慣量、間隙的存在，故精度和快速性較差。開(kāi)環(huán)控制的定位精度一般為0.01～0.02，不能滿足橫向最小運(yùn)動(dòng)單位0.005/脈沖的要求。 閉環(huán)系統(tǒng)：控制精度高、快速性好，但對(duì)機(jī)床的要求比較高，且造價(jià)較昂貴。 閉環(huán)控制的定位精度一般為0.001～0.003，本設(shè)計(jì)屬經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，無(wú)須達(dá)到此精度。 半閉環(huán)系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便，在中小型性能要求較高的數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較多，故本設(shè)計(jì)采用半閉環(huán)控制。

30、半閉環(huán)控制系統(tǒng)組成原理圖如圖3-2 圖3-2半閉環(huán)控制原理圖 3.3 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 3.3.1 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 拆除原來(lái)機(jī)床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座，裝上滾珠絲杠及其相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)及減速箱安裝在絲杠的右端，采用滾珠絲杠可以提高系統(tǒng)的精度和縱向進(jìn)給的整體剛度。 3.3.2 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 拆除原來(lái)橫向進(jìn)給的絲杠，換上滾珠絲杠；保留原來(lái)的橫向手柄機(jī)構(gòu)，橫向步進(jìn)電機(jī)和減速箱安裝在機(jī)床后側(cè)。 3.3.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，通常希望步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率高，步距誤差小。但是，增大轉(zhuǎn)矩與快速運(yùn)行存在一定的

31、矛盾，高性能與低成本相矛盾。因此在實(shí)際選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，要考慮各方面因素。 首先要保證機(jī)床的定位精度，而脈沖當(dāng)量直接影響機(jī)床的定位精度。脈沖當(dāng)量越小，機(jī)床的定位精度越高，但機(jī)床的快速進(jìn)給速度就越小。為兼顧精度與速度的要求，應(yīng)在滿足精度的條件下，選擇盡可能大的脈沖當(dāng)量。脈沖當(dāng)量確定后，以此為依據(jù)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。 3.3.4 絲杠螺母副 臥式車床的進(jìn)給絲杠都是滑動(dòng)絲杠，即絲杠與螺母之間的摩擦為滑動(dòng)摩擦。由于，滑動(dòng)絲杠螺母副的摩擦大、轉(zhuǎn)動(dòng)效率低。在精度要求不高的情況下，可以仍用原機(jī)床的滑動(dòng)絲杠。若要求機(jī)床精度和被加工精度較高的情況下，應(yīng)將原機(jī)床的滑動(dòng)絲杠螺母副改換成滾

32、珠絲杠螺母副。考慮本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，選用滾珠絲杠螺母副代替原機(jī)床的滑動(dòng)絲杠螺母副。 3.3.5 機(jī)床導(dǎo)軌改造 臥式車床上的運(yùn)動(dòng)部件，如刀架、工作臺(tái)都是沿著機(jī)床的導(dǎo)軌面運(yùn)動(dòng)的。導(dǎo)軌的作用就是支承和導(dǎo)向，即支承運(yùn)動(dòng)部件，并保證運(yùn)動(dòng)部件在外力作用下，能準(zhǔn)確的沿著一定方向運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度、精度保持性和低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，直接影響機(jī)床的加工精度要求、支承能力和使用性能。數(shù)控改造時(shí)根據(jù)原機(jī)床導(dǎo)軌的磨損程度和加工精度要求，來(lái)確定導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式。 一般是將原機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行修整后貼塑，使其成為貼塑導(dǎo)軌。貼塑導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小，且動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差很小，能防止低速爬行現(xiàn)象；耐磨性、抗咬傷能力強(qiáng)、加工性和化學(xué)性能穩(wěn)定

33、，具有良好的自潤(rùn)滑性和抗振性；工藝簡(jiǎn)單，成本低。 3.4 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C6140的車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的總體方案：C6140車床的主軸轉(zhuǎn)速部分采用了變頻調(diào)速交流異步電機(jī)；車床的縱向和橫向進(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。 第4章 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是普通車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的主要部分，如果說(shuō)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機(jī)構(gòu)，那么，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)便是數(shù)控機(jī)床的“

34、四肢”，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它忠實(shí)而準(zhǔn)確的執(zhí)行由系統(tǒng)發(fā)來(lái)的運(yùn)動(dòng)命令。伺服控制系統(tǒng)是聯(lián)接數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床的樞紐，其性能是影響數(shù)控機(jī)床的精度、穩(wěn)定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。 4.1 伺服系統(tǒng)的組成原理 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與機(jī)床進(jìn)給機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大部分組成。機(jī)床進(jìn)給機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)通常由減速齒輪、滾珠絲杠、機(jī)床導(dǎo)軌和工作臺(tái)拖板等組成。對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，按其反饋信號(hào)的有無(wú)，分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式。對(duì)于開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)只能由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源和電動(dòng)機(jī)組成。閉環(huán)伺服系統(tǒng)則分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩種驅(qū)動(dòng)方式，并且是雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)中

35、用作速度反饋的檢測(cè)裝置為測(cè)速發(fā)電機(jī)、脈沖編碼器等。速度控制單元是一個(gè)獨(dú)立的單元部件，它由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器以及功率驅(qū)動(dòng)放大器等部分組成。位置環(huán)是由裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測(cè)及反饋控制等部分組成。根據(jù)其位置檢測(cè)信號(hào)所取部位不同，它又分為半閉環(huán)和全閉環(huán)兩種。半閉環(huán)采用轉(zhuǎn)角位置檢測(cè)裝置，安裝于滾珠絲杠端部，或直接與伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的后端相連（與伺服電動(dòng)機(jī)成一體）；對(duì)于全閉環(huán)系統(tǒng)需要采用直線位置檢測(cè)裝置，安裝于機(jī)床導(dǎo)軌與工作臺(tái)拖板之間。通常伺服驅(qū)動(dòng)控制單元與電動(dòng)機(jī)由一個(gè)生產(chǎn)廠家配套提供（甚至包括位置檢測(cè)裝置）。 4.2 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 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包

36、括：縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算、橫行進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算、步進(jìn)電機(jī)的選擇三大部分，該部分設(shè)計(jì)的總體方案示意圖如圖4-1所示。要使這三大部分與數(shù)控系統(tǒng)的配合達(dá)到好的效果，伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造設(shè)計(jì)部分除了主要的三大部分內(nèi)容外，還包括與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電源、功率放大電路、輔助電路；與滾珠絲杠副相關(guān)的機(jī)床導(dǎo)軌等內(nèi)容的設(shè)計(jì)選擇。 圖4-1 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)總體方案 4.2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動(dòng)絲杠，螺母固定溜板箱上，帶動(dòng)刀架左右移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任意一端，從改造方便、實(shí)用方面來(lái)考慮，一般都把步進(jìn)電機(jī)放在縱向絲杠的右端，

37、即尾架部位。 已知的條件： 工作臺(tái)數(shù)量： （根據(jù)圖紙錯(cuò)略計(jì)算） 時(shí)間常數(shù)： 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： 行程： 脈沖當(dāng)量： 步距角： 最大進(jìn)給速度： 1． 切削力計(jì)算 由《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知： 切削功率： 電機(jī)功率 主傳動(dòng)鏈的總效率 取 進(jìn)給系統(tǒng)的功率系數(shù)，取 則： 又因?yàn)椋?

38、 則： 切削線速度，取所以： 由《金屬切學(xué)原理》可知： 主切削力： 查表得： 計(jì)算如下： 表4-1 切削參數(shù) 2 2 2 3 3 3 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 1103 1495 1855 1654 2242 2782 由表4-1得： 當(dāng)時(shí)，切削深度，走刀量 以此參數(shù)作為下面計(jì)算的依據(jù)，從

39、《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》中可知，在一般外圓切削時(shí)： 2． 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)歸結(jié)為滾珠絲杠副型號(hào)的選擇。 綜合車床導(dǎo)軌絲杠的軸向力： 由于上選用的是矩形導(dǎo)軌，根據(jù)《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》查出， , 則： （1） 強(qiáng)度計(jì)算： 壽命值：

40、 所以： 取工件直徑： 查表得： （自動(dòng)控制機(jī)床即及機(jī)床通常的取值） 所以： 最大動(dòng)載荷： 表4-2運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)值表 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 無(wú)沖擊的圓滑運(yùn)轉(zhuǎn) 1.0~1.2 一般運(yùn)轉(zhuǎn) 1.2~1.5 有沖擊的運(yùn)轉(zhuǎn) 1.5~2.5 表4-3硬度系數(shù)表 硬度（HRC） 60 57.5 55 52.5 50 47.5 45 42.5 40 30 2

41、5 硬度系數(shù)， 1.0 1.1 1.2 1.4 2.0 2.5 3.3 4.5 5.0 10 15 查表4-2和表4-3得： 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)： 硬度系數(shù)： 根據(jù)最大動(dòng)載荷的值和原機(jī)床參數(shù)，選擇滾珠絲杠的型號(hào),基本參數(shù)如表4-5即內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)反向器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副，公稱直徑為Ф，導(dǎo)程為，滾珠列數(shù)為列，精度等級(jí)為級(jí)（一般數(shù)控機(jī)床精度等級(jí)為級(jí)），額定動(dòng)載荷為。 公稱直徑 基本導(dǎo)程 鋼球直徑 絲杠大徑 軸端直徑 額定載荷（） 剛度 動(dòng)載荷 靜載荷 40 6 4 38.9 ≤35 26 84 22

42、20 螺 母 安 裝 連 接 尺 寸 D D3 B h M T E L1 L2 60 94 75 15 9 15 9 48 M6 3 6 68 128 表4-5型滾珠絲杠具體參數(shù) 因?yàn)?，所以?qiáng)度不是問(wèn)題。 （2） 效率計(jì)算： 根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： 摩擦角： 螺旋升角： （3） 剛度驗(yàn)算： 滾珠絲杠受工作負(fù)載引起導(dǎo)成的變化量：

43、 滾珠絲杠截面積： 則： 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略，即： 所以導(dǎo)程變形總誤差為： 即 查表知級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差為，故剛度滿足要求。 （4） 穩(wěn)定性驗(yàn)算 根據(jù)公式：≥ (為絲桿長(zhǎng)度) ≈ 故穩(wěn)定性也沒(méi)問(wèn)題

44、。 4.2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 普通車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)車大拖板連接起來(lái)，以保證其同軸度，提高傳動(dòng)精度。 由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與縱向進(jìn)給系統(tǒng)類似，所用到的公式不詳細(xì)說(shuō)明，只計(jì)算結(jié)果。 已知條件： 工作臺(tái)重（根據(jù)圖紙粗略計(jì)算）： 時(shí)間常數(shù)： 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： 行程： 脈沖當(dāng)量： 步距角：

45、 快速僅給速度： 1． 切削力計(jì)算 橫向進(jìn)給量為縱向的1/2~1/3，取1/2，切削力約為縱向的1/2： 在切斷工件時(shí)： 2． 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 （1） 強(qiáng)度計(jì)算： 對(duì)于矩形導(dǎo)軌： 取 ， 則： 取工件直徑： 走刀量： 壽命值： 最大動(dòng)負(fù)荷： 根據(jù)最大動(dòng)負(fù)荷值，選擇滾珠絲杠的型號(hào)為左，其直徑為Ф，導(dǎo)程為,滾珠列數(shù)為5列，精

46、度為B級(jí)，額定動(dòng)載荷是13000N，所以其強(qiáng)度符合要求。型滾珠絲杠具體參數(shù)如表4-6： 表4-6 FFZD3204型滾珠絲杠參數(shù) 公稱直徑 基本導(dǎo)程 鋼球直 徑 絲杠大徑 軸 端 直 徑 額 定 載 荷（） 剛度 動(dòng)載荷 靜 載 荷 32 4 3 31.2 ≤28 13 43 1780 螺母安裝連接尺寸 50 76 63 11 5.8 10 6 38 6 3 4 48 68 （2） 效率計(jì)算： 摩擦角： = 螺旋升角：

47、 = 則傳動(dòng)效率： ===0.956 （3） 剛度計(jì)算： 滾珠絲杠受工作負(fù)載引起導(dǎo)程的變化量： = （4－12） 式中： =6=0.6 =20.6106 滾珠絲杠截面積： F==3.14=12.56102（） 則： = =10.1510-8（） 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略，即：= 所以導(dǎo)程變形總誤差為： =

48、 （4－13） 即 ==16.92（） 查表知級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差（1長(zhǎng)）為25，故剛度足夠。 （4）穩(wěn)定性驗(yàn)算 根據(jù)公式: FK=fk2EI/KL2≥Fmax （4－14） 式中: fk=2(雙推—簡(jiǎn)支); =20.610Pa; I===12.56 (cm4) K=4; L=Ls=35d1=354=140 (cm) (Ls為絲桿長(zhǎng)度) FK=23.1422.0610712.56/41402 ≈8857

49、7>> Fmax=6286.5 故穩(wěn)定性也沒(méi)有問(wèn)題. 4.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 4.3.1 C6140縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)確定 啟動(dòng)力矩： ≥ （4－15） 所以 ≥==1222.45（） 為滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查步進(jìn)電機(jī)相數(shù)、拍數(shù)、啟動(dòng)力矩表：查表4-8知=0.866，所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為： （4－16） 表4-8步進(jìn)電機(jī)相數(shù)、拍數(shù)、啟動(dòng)力矩表 運(yùn)

50、行方式 相數(shù) 3 3 4 4 5 5 6 6 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 即 ==1411.61（） 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率： = （4－17） 即 ==3333.33（） 綜合考慮，查表選用型直流步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求。 4.3.2 C6140

51、橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 ===76.58（） 電機(jī)仍選用三相六拍工作方式，查表知=0.866，所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為： ===87.39） 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率： ===3333.33（） 為了便于購(gòu)買和設(shè)計(jì),選用型直流步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求。 4.4 伺服系統(tǒng)說(shuō)明 4.4.1 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 1． 進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說(shuō)明 拆除原機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)絲杠，帶動(dòng)刀沿軸、軸移動(dòng)（如圖4-2）。采用減速機(jī)構(gòu)，可達(dá)到所需要的脈沖當(dāng)量，還可滿足結(jié)構(gòu)要求和增大轉(zhuǎn)矩。檢

52、測(cè)元件裝在齒輪減速器上，通過(guò)檢測(cè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向和齒數(shù)，輸入到數(shù)控單元，通過(guò)其運(yùn)算得出進(jìn)給的方向和距離，達(dá)到半閉環(huán)控制的目的。 圖4-2 伺服進(jìn)給系統(tǒng)改造示意圖 2． 數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)工作原理 驅(qū)動(dòng)器的電源電壓是專用變壓器把380變成80，接到驅(qū)動(dòng)器、電源輸入端。 軸和軸步進(jìn)電機(jī)皆為三相六拍，分別受軸和軸驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)控制，并把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移角，角位移和角速度分別與指令脈沖的數(shù)量和頻率成正比，旋轉(zhuǎn)方向決定于脈沖電流的通電順序。 根據(jù)加工程序要求，數(shù)控單元發(fā)出指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器接到指令信號(hào)，轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)傳遞給步進(jìn)電機(jī)。裝在減速器上的角位移傳感器將減速齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)過(guò)的個(gè)數(shù)反饋給數(shù)

53、控單元，該反饋信號(hào)和步進(jìn)電機(jī)的通電相序，即可算出工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向、速度及位移量，并和加工程序相比較，以便修改數(shù)控單元的輸出指令信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了半閉環(huán)控制。 第5章 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架 臥式車床數(shù)控改造應(yīng)將原機(jī)床的普通手動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架替換成自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架由數(shù)控系統(tǒng)控制，效率高，工藝性能可靠。根據(jù)所加工零件的工藝要求及機(jī)床控制方式確定自動(dòng)刀架的刀位數(shù)和刀架類型。 5.1 數(shù)控車床刀架的基本要求 數(shù)控車床的刀架是機(jī)床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平，所以有如下要求： 1． 轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確可靠，工作平穩(wěn)安全； 2． 按最短線

54、路就近選擇，轉(zhuǎn)位時(shí)間短； 3． 重復(fù)定位精度高； 4． 防水、防屑，密封性能優(yōu)良； 5． 夾緊剛性高，適宜重負(fù)荷切削。 5.2 數(shù)控車床刀架結(jié)構(gòu) 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架尺寸簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5-1 圖5-1 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架大致尺寸圖 本設(shè)計(jì)采用的是常州宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠立式轉(zhuǎn)位刀架，其結(jié)構(gòu)表詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表5-1 表5-1 參數(shù) 型號(hào) 190 81 40 192 20 20 152 152 192 12 168 13 375 242 162 23 90 5.3 工作

55、原理 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架工作原理如圖5-2所示，微電機(jī)經(jīng)彈簧安全離合器至渦輪副帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，螺母抬起刀架使定位用的端齒盤的上盤與下盤分離，隨即帶動(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)到位。然后發(fā)信號(hào)使電機(jī)反轉(zhuǎn)鎖緊，完成刀架換位后，再進(jìn)行切削加工。 其具體過(guò)程是：當(dāng)微機(jī)發(fā)出換刀信號(hào)后，刀架控制器中繼電器動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，螺桿升降機(jī)構(gòu)使上刀架上升, 當(dāng)上刀架上升到一定高度時(shí)，離合轉(zhuǎn)盤起作用，帶動(dòng)上刀體旋轉(zhuǎn)。刀架上端的發(fā)信盤中對(duì)應(yīng)每個(gè)刀位都安裝一個(gè)霍爾元件，當(dāng)( 1-電機(jī)；2-固定安裝絲杠；3-安全離合器；4-刀架)上刀體旋轉(zhuǎn)到某一刀位時(shí)，該刀架上霍爾元件輸出高電平。在上刀體旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，發(fā)信盤不斷的向數(shù)控系

56、統(tǒng)反饋刀位信號(hào)。數(shù)控系統(tǒng)將反饋刀位信號(hào)與指令刀位信號(hào)相比較，當(dāng)兩信號(hào)相同時(shí)，說(shuō)明上刀體已旋轉(zhuǎn)到所選刀位。此時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)立即控制刀架控制繼電器使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，活動(dòng)銷反靠在反靠盤上初定位。在活動(dòng)銷反靠作用下，螺桿帶動(dòng)上刀體下降，直至齒牙盤嚙合，完成精定位，并通過(guò)渦輪蝸桿鎖緊螺母，使刀架緊固。向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)位完成信號(hào)，切斷電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，完成選刀過(guò)程。 圖5-2 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架工作原理圖 5.4 刀架的安裝 圖5-3 刀架的安裝尺寸 如圖5-3所示，該刀架安裝時(shí)，需先拆除原機(jī)床上的小拖板和原刀架，然

57、后把電動(dòng)刀架置于中拖板上。此時(shí)，刀架高度應(yīng)使車刀前刀面基本通過(guò)車床主軸軸心線，否則要在刀架下面加墊板，調(diào)整其高度。然后，卸掉刀架電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇罩殼，逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使上刀體相當(dāng)于下刀體轉(zhuǎn)動(dòng)450左右。打裝螺孔，再用內(nèi)六角螺栓將刀架與中拖板固定，固定時(shí)應(yīng)注意，將刀架的兩側(cè)面分別與車床縱向和橫向的進(jìn)給方向平行。電動(dòng)刀架與系統(tǒng)的連線應(yīng)如下安裝：沿橫向工作臺(tái)右側(cè)面先走線到車床后面，再沿車床后導(dǎo)軌下方拉出一鐵絲滑線，走線到系統(tǒng)。其好處在于:避免走線雜亂無(wú)章，而使得加工時(shí)切屑、切削液以及其它雜物磕碰電動(dòng)刀架連線。 第6章 編碼盤的安裝部分 我們知道在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床上加工螺紋或絲杠時(shí)，須培植主軸脈沖發(fā)

58、生器（即編碼盤）作為車床主軸位置信號(hào)的反饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)出主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號(hào)，輸送到計(jì)算機(jī)。 6.1 光電編碼器工作原理 脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，它把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是一種常用的角位移傳感器。編碼盤按一定的編碼形式如二進(jìn)制編碼，二-十進(jìn)制編碼等，將一個(gè)圓盤分成若干等 份，并利用電子、光電或電磁器件， 把代表被 測(cè)位移的個(gè)等份上的數(shù)碼轉(zhuǎn)換成便于應(yīng)用的二進(jìn)制或其它表達(dá)方式。脈沖編碼器分為光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。就精度與可靠性來(lái)講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種。數(shù)控機(jī)床上只用光電式脈沖編碼器。由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁感應(yīng)式脈沖發(fā)生器也有作速度檢測(cè)元件用。(如圖

59、6—1) 圖6-1 脈沖發(fā)生器 6.2 編碼盤的安裝 編碼盤的安裝一般有兩種方式，即同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，聯(lián)接方便，但安裝后不能加工穿出主軸孔的較長(zhǎng)的工件； 而異軸安裝無(wú)此缺陷?？紤]到這一點(diǎn)，本設(shè)計(jì)為使改造設(shè)計(jì)的車床具有較強(qiáng)的通用性，決定采用異軸安裝的方式來(lái)安裝編碼盤。如圖6-2中，編碼盤通過(guò)傳動(dòng)比為1：1的同步齒形帶與主軸聯(lián)系起來(lái)。工作時(shí)，編碼器與主軸同步旋轉(zhuǎn)，數(shù)控裝置控制進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 保證主軸每轉(zhuǎn)

60、一轉(zhuǎn)， 螺紋車刀移動(dòng)一個(gè)螺紋導(dǎo)程，同時(shí)還保證每次走刀都在工作的同一點(diǎn)切入，而不亂扣。 圖6-2 增量式編碼盤安裝示意圖 千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印?！敖Y(jié)論”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫在此行之前。 結(jié) 論 基于對(duì)C6140普通車床進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)過(guò)程中，我認(rèn)為普通機(jī)床的數(shù)控改造具有很多的優(yōu)點(diǎn)、必要性及其良好的發(fā)展趨勢(shì)。 本文經(jīng)過(guò)對(duì)普通車床數(shù)控化改造經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)詳細(xì)論證，確定普通車床數(shù)控化改造方案；對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號(hào)選擇與裝配設(shè)計(jì)，支承

61、方式的設(shè)計(jì)與軸承型號(hào)選擇，步進(jìn)電機(jī)選擇等進(jìn)行了詳細(xì)研究；繪出相應(yīng)的零件圖和裝備圖；給出普通車床數(shù)控化改造的安裝、調(diào)試方法。改造后的車床，可手 動(dòng)、機(jī)動(dòng)操作，操作簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格低廉 ，其性能價(jià)格比適中；而且還能解決復(fù)雜零件的加工精度控制問(wèn)題，節(jié)約大量工裝費(fèi)用，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工人素質(zhì)。 致 謝 在我的本論文完成之際，特向在畢業(yè)設(shè)計(jì)中始終給予我辛勤指導(dǎo)的張寶海老師表示忠心的感謝。張寶海老師在我整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，給予我悉心的指導(dǎo)，在學(xué)習(xí)中給了我極大的幫助和教誨。 設(shè)計(jì)中的每一點(diǎn)進(jìn)步都凝聚著老師的心血和汗水。張寶海老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、孜孜以求的學(xué)習(xí)精神和親切和藹的待人態(tài)度

62、，給我留下了極為深刻的印象。張寶海老師淵博的知識(shí)、敏銳的思維、民主而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)使學(xué)生受益匪淺，并終生難忘。在同張寶海老師接觸的過(guò)程中，不僅學(xué)會(huì)如何運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決工程問(wèn)題，同時(shí)學(xué)會(huì)了如何處理生活中的實(shí)際問(wèn)題。并彌補(bǔ)了我知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的不足，使得設(shè)計(jì)得以順利完成，在此向張寶海老師表示誠(chéng)摯的謝意。同時(shí)感謝四年來(lái)教過(guò)我的各位老師，是你們讓我從一名高中生逐步成長(zhǎng)為適合社會(huì)需要的人，是你們教會(huì)了我要敢于面對(duì)困難，迎難而上。 當(dāng)然，我的一些同學(xué)給予了熱心的幫助，給我提出了許多寶貴建議，借此我也向他們表示衷心的感謝。也感謝我的父母，是你們給我提供了這個(gè)機(jī)會(huì)，是你們?yōu)槲覄?chuàng)造了這個(gè)條件。 書山有路勤為徑，學(xué)海無(wú)

63、涯苦作舟，本人愿以此為勉。 參 考 文 獻(xiàn) 1 張新義主編.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社,1998:120~125 2 余英良主編.機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例.機(jī)械工業(yè)出版社,1994:40~47 3 孫桓等主編.機(jī)械原理，高等教育出版社，1995 4 王貴明主編.數(shù)控實(shí)用技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2001：12~15 5 張建綱、胡大鋒主編.數(shù)控技術(shù).華中科技大學(xué)出版社，2000：15~22 6 張建明主編.機(jī)電一體華系統(tǒng)控制．高等教育出版社，2001:135~140 7 鄧星鐘主編.機(jī)電傳動(dòng)控制．華中科技大學(xué)出版社，2001:77~80 8 王愛(ài)玲主編．現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床

64、結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)．兵器工業(yè)出版，1997:223~280 9 卜云峰主編．機(jī)械工業(yè)及自動(dòng)化簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)上下冊(cè)．機(jī)械工業(yè)出版社，1999:200~247 10 李洪主編．實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)．遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999:155~173 11 陶曉杰主編. 伺服電機(jī)用于車床進(jìn)給系統(tǒng).制造業(yè)自動(dòng)化，2004:20~158 12 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組. 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三冊(cè)）. 機(jī)械工業(yè)出版社 ，1986:65~95 13 English for Numerical Control Technology.高等教育出版社，2009 14 John L.Feirer.Machine Tool Metalworking.1973