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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(chǎng)的需求，使我國機(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。 數(shù)控機(jī)床是機(jī)械、電子、自動(dòng)化及電機(jī)拖動(dòng)于一體化的裝備。它是有計(jì)算機(jī)作為控制核心，來控制異步電機(jī)，從而控制機(jī)床的換刀、走刀、停頓的。隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，使機(jī)械制造進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段，是機(jī)械制造業(yè)中的一次技術(shù)革命。數(shù)控機(jī)床作為期間的產(chǎn)品價(jià)格也十分昂貴，對(duì)大對(duì)數(shù)企業(yè)來說，更換設(shè)備所需資金太大，老的設(shè)備得不到利用。結(jié)合我國的實(shí)際國情，所以把普通機(jī)床改造成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床就有十分重大的意義。也是我國發(fā)展數(shù)控產(chǎn)品的主要渠道之一。 第一章、 數(shù)控機(jī)床改造的目的 1．1數(shù)控機(jī)床的概述 數(shù)字控制是近代發(fā)展起來的一種自動(dòng)控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法，簡(jiǎn)稱數(shù)控。 數(shù)控機(jī)床是一個(gè)裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號(hào)碼，或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。其實(shí)程序控制系統(tǒng)就是所說的數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字植，并將其譯碼，從而使機(jī)床動(dòng)作和加工零件。數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置，可編程序控制器，主軸驅(qū)動(dòng)及進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置等部分。所以數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，也是集多種新技術(shù)于一體的機(jī)電一體化裝備。數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化產(chǎn)品的典型代表，在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域里起著至關(guān)重要的作用。 1．2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 數(shù)控機(jī)床是一種高效的自動(dòng)化機(jī)床，它較好地滿足了機(jī)械行業(yè)零部件加工的高性能，高精度與高動(dòng)化的要求。在機(jī)械產(chǎn)品中，是機(jī)械制造業(yè)中的一次技術(shù)革命。 1952年美國PARSONS公司與麻省理工學(xué)院合作試制了世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床。54年美國Bendix-Cooperation公司生產(chǎn)了第一臺(tái)工業(yè)用數(shù)控機(jī)床。先是由電子管控制，隨后經(jīng)歷了晶體管控制，集成電路控制（NC）,計(jì)算機(jī)控制（CNC）,直到現(xiàn)在的微處理器控制（MNC）。 我國從1958年開始研制數(shù)控機(jī)床，70年代初得到廣泛發(fā)展，數(shù)控技術(shù)在車床，銑床，鉆床，鏜床，磨床，齒輪加工機(jī)床。電加工機(jī)床等得到應(yīng)用，并指出加工中心。 目前我國能夠生產(chǎn)多種類型的數(shù)控機(jī)床，生產(chǎn)幾千臺(tái)，并有向國外出口。但我國生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床在精度，速度，數(shù)控系統(tǒng)的功能及傳感元件等方面比先進(jìn)國家都有一定差距，近幾年我國機(jī)床業(yè)受到世界市場(chǎng)的沖擊，迫使我國的機(jī)床質(zhì)量有很大的提高，面向21世紀(jì)，我國數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)一定能達(dá)到國際先進(jìn)水平。 數(shù)控機(jī)床也向（1）具有先進(jìn)的自檢能力。（2）向高速，高精度發(fā)展（3）更高的生產(chǎn)率和利用率。（4）單元模塊化。（5）有更強(qiáng)的通訊功能，圖像編程和顯示功能的方向發(fā)展。 機(jī)床作為工作母機(jī)和維修工具，早已成為各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的必要裝備。數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展，更是制造高質(zhì)量、高效率、高一致性產(chǎn)品的有力保障。隨著人類社會(huì)的飛速發(fā)展與進(jìn)步，各種新材料、新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)、新配件不斷涌現(xiàn)，各個(gè)領(lǐng)域不斷提出新的要求，這一切都使得機(jī)床的結(jié)構(gòu)、性能千變?nèi)f化。計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展又使得機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)正在以更短的周期更新。面對(duì)如此的形勢(shì)，機(jī)床制造者在不斷努力跟蹤時(shí)代的步伐，機(jī)床的使用者、維修者也要努力跟上。為使讀者及時(shí)了解數(shù)控機(jī)床的技術(shù)與知識(shí)，加深數(shù)控機(jī)床使用與維修理念上的認(rèn)識(shí)。 1．3 21世紀(jì)初切削加工技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì) 21世紀(jì)，我們正處于制造技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)期。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，也進(jìn)入了以發(fā)展高速切削、開發(fā)新的切削工藝和加工方法、提供成套技術(shù)為特征的發(fā)展新階段。其主要趨勢(shì)有四個(gè)方面： (1)高速切削將成為切削加工的新工藝 當(dāng)前，以高速切削為代表的干切削、硬切削等新型切削工藝已經(jīng)顯示出很多的優(yōu)點(diǎn)和強(qiáng)大的生命力，這是制造技術(shù)為提高加工效率和質(zhì)量、降低成本、縮短開發(fā)周期對(duì)切削加工提出的要求。因此，發(fā)展高速切削等新型切削工藝，促進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展是現(xiàn)代切削技術(shù)發(fā)展最顯著的特點(diǎn)。當(dāng)代高速切削不只是切削速度的提高，而是需要制造技術(shù)全面進(jìn)步和進(jìn)一步創(chuàng)新達(dá)到切削速度和進(jìn)給速度的成倍提高，并帶動(dòng)傳統(tǒng)切削工藝的變革和創(chuàng)新，使制造業(yè)整體切削加工效率有顯著的提高。 (2)實(shí)現(xiàn)難加工材料加工技術(shù)的重大突破 長期以來，難加工材料如奧氏體不銹鋼、高猛鋼、淬硬鋼、復(fù)合材料、耐磨鑄鐵等一直是切削加工中的難題，不僅切削效率低，而且刀具壽命短。隨著制造業(yè)的發(fā)展，21世紀(jì)這些材料的用量將迅速增加，加工矛盾將更加突出。與此同時(shí)，產(chǎn)品的材料構(gòu)成將不斷優(yōu)化，新的工程材料也不斷問世，而每一種新型材料的采用都對(duì)切削加工提出了新的要求。 (3)滿足制造業(yè)對(duì)切削加工新技術(shù)和新產(chǎn)品需求 進(jìn)入21世紀(jì)以后，產(chǎn)品多樣化和個(gè)性化的趨勢(shì)將進(jìn)一步加劇，制造業(yè)的產(chǎn)品更新速度也勢(shì)必大大加快。每一種新產(chǎn)品的開發(fā)都意味著零件功能、結(jié)構(gòu)、材料的重大變更，也是對(duì)切削加工提出新的開發(fā)任務(wù)。制造業(yè)對(duì)切削加工新技術(shù)、新產(chǎn)品的需求在21世紀(jì)初將達(dá)到空前的高度。 (4)環(huán)境保護(hù)對(duì)切削加工行業(yè)提出挑戰(zhàn) 隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)诃h(huán)境保護(hù)、生態(tài)平衡等方面獲得了高度共識(shí)，并成為全球的共同行動(dòng)綱領(lǐng)。以降耗、節(jié)能、節(jié)材、減廢、有利于環(huán)境保護(hù)和人身健康、實(shí)行清潔安全生產(chǎn)的“綠色工程”已在工業(yè)發(fā)達(dá)國家興起。實(shí)行“綠色工程”，開發(fā)“綠色制造技術(shù)”是新世紀(jì)切削加工發(fā)展的重要課題。 1．4數(shù)控機(jī)床改造的意義 數(shù)控機(jī)床改造在國外已發(fā)展成一個(gè)新心的工業(yè)部門。早在60年代已經(jīng)開始迅速發(fā)展，并有專門企業(yè)經(jīng)營這門業(yè)務(wù)。其發(fā)展的原因是多方面的。 首先是技術(shù)的原因。在過去的20年里，金屬切削的基本原理變化不大，但社會(huì)生產(chǎn)力的巨大發(fā)展，要求制造技術(shù)向自動(dòng)化及精密化前進(jìn)。而刀具材料和電子技術(shù)卻有很大進(jìn)步，特別是微電子技術(shù)，電子計(jì)算機(jī)進(jìn)步，反映到控制系統(tǒng)中來，它既能幫助機(jī)床自動(dòng)化又能提高加工準(zhǔn)確度。這些技術(shù)進(jìn)步和高生產(chǎn)率的要求，精密加工和型面加工的增多等，突出了舊機(jī)床技術(shù)改造的必要性及迫切性。 其次是經(jīng)濟(jì)上的原因。舊機(jī)床設(shè)備更新，支付很多費(fèi)用。若采用“改造”技術(shù)（主要是數(shù)控技術(shù)）加以現(xiàn)代化，則可以節(jié)約50%還多的資金。這種事半功倍的技術(shù)，不僅為資金不充沛的小型企業(yè)技術(shù)改造開創(chuàng)了新路，而且對(duì)實(shí)力雄厚的大型企業(yè)也有極大的經(jīng)濟(jì)吸引力。 第三是市場(chǎng)的原因。目前許多國家設(shè)備更新所需的數(shù)控機(jī)床數(shù)量，按機(jī)床工業(yè)現(xiàn)狀是無力及時(shí)提供的。因此，機(jī)床“改造”就成為滿足機(jī)床市場(chǎng)需求的主要補(bǔ)足手段。 第四是生產(chǎn)上的原因。在工業(yè)生產(chǎn)中，多品種，中批量及小批量生產(chǎn)是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的基本特征，占有相當(dāng)大的比重。完成這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機(jī)床專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床，根據(jù)幾者的相比較，得知數(shù)控機(jī)床最能適應(yīng)這一需要。 1．5 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)越特性和發(fā)展前景 數(shù)控機(jī)床之所以在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防尖端工業(yè)建設(shè)中 占有重要的地位和作用，而且受到各國的重視，主要是數(shù)控機(jī)床 具有如下的優(yōu)越性和發(fā)展前景： (1)能加工具有復(fù)雜形狀曲線或曲面的零件 數(shù)控機(jī)床可以加工傳統(tǒng)機(jī)床所不能加工的具有復(fù)雜形狀曲線或曲面的零件。如變螺距螺紋、錐面上的螺旋線、非圓齒輪、拋物面、雙曲面等。特別是那些由一定的數(shù)字理論方程式所描述的并要求有足夠精度的曲線和曲面，如螺旋槳、葉片、高速飛行 不可的。 (2)提高加工精度并保證加工重復(fù)精度的一致性 數(shù)控機(jī)床是按預(yù)先編制好的加工程序進(jìn)行工作的，I旺過程中無需人的參與或調(diào)整，因此不受操作工人的技術(shù)水平和情緒的影響，故加工精度穩(wěn)定。另外，數(shù)控機(jī)床可以通過采用在線自動(dòng)補(bǔ)償(實(shí)時(shí)補(bǔ)償)技術(shù)來消除或減少熱變形、力變形、重量變形和刀具磨損的影響，使加工精度的一致性得到保證。這在傳統(tǒng)機(jī)床上則是無法做到的。 (3)稱為柔性自動(dòng)化加工裝備 數(shù)控機(jī)床被稱為柔性自動(dòng)化加工裝備。是因?yàn)橛脭?shù)控}幾床加工零件時(shí)不需要制作專用的模具或模板，加工對(duì)象(零件)的改變，也不用改變機(jī)床結(jié)構(gòu)裝置和進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整，一般只要變換加工程序軟件即可，而程序軟件可以由編程人員在機(jī)外預(yù)先編好。因此，大大減少了加工前的生產(chǎn)準(zhǔn)備和調(diào)整時(shí)間；另外，部分現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床，具有更為優(yōu)異的柔性加工功能，如柔性加工單元具有自動(dòng)上、下料，更換刀具和變速乃至檢測(cè)等功能。因比可以進(jìn)行混流加工(即在一臺(tái)機(jī)床上連續(xù)交替加工不同的零件)，又如數(shù)控銑鏜加工中心、車削加工中心等能夠在工件一次裝夾后．完成全部或大部分多種工序(如鉆、銑、鏜、擴(kuò)孔和攻絲等)的加 工，從而使加工周期縮短，生產(chǎn)效率提高，機(jī)床利用率也大大提高，最終導(dǎo)致加工成本的降低。數(shù)控機(jī)床的柔性具備了傳統(tǒng)輔鏜床的萬能性和剛性自動(dòng)化機(jī)床的高效率性，兩種特性兼?zhèn)鋬?yōu)點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床除單臺(tái)機(jī)床的柔性外，還可以組成柔性制造單元(FMC)、柔性制造生產(chǎn)線(FMS)，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展成計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(C『MS)。 (4)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化和較長時(shí)間的“無人看管加工” 數(shù)控機(jī)床是由電腦控制的設(shè)備，在配有適當(dāng)?shù)牡稁?、工件毛坯庫、上下料裝置和多種傳感器的條件下，不僅具有全自動(dòng)∞加工功能，而且具有對(duì)加工過程進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控、檢測(cè)、報(bào)警及修正誤差等功能。因此，可以實(shí)現(xiàn)白班有人看管和做好各種準(zhǔn)備工作后，二、三、班則可以在“無人看管”的條件下(國外稱為“熄燈生產(chǎn)”)進(jìn)行24小時(shí)乃至72小時(shí)的連續(xù)加工。這不僅改善了镕動(dòng)條件，解決了晚上和節(jié)假日(含周六、周日)連續(xù)工作的問題，也大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，設(shè)備利用率，縮短生產(chǎn)周期和增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。 (5)適應(yīng)信息化的發(fā)展 數(shù)控機(jī)床通過因特網(wǎng)(Intemet)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)(¨ranef)、外聯(lián)目(Extranet)現(xiàn)在已可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷、維修，已初步具備遠(yuǎn)程控制和調(diào)度，進(jìn)行異地分散網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)的可能。從而為今后進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)制造過程網(wǎng)絡(luò)化、智能化提供必備的基礎(chǔ)條件。 第二章、數(shù)控機(jī)床改造的方法及原理 一 總體方案的設(shè)計(jì)內(nèi)容 2．1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)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)。如果工件相對(duì)于刀具移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控制方式。例如數(shù)控鉆床，在工作臺(tái)移動(dòng)過程中鉆頭并不進(jìn)行鉆孔加工，因此數(shù)控系統(tǒng)可采用點(diǎn)為控制方式。對(duì)點(diǎn)位控制系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。 如果要求工作臺(tái)或刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運(yùn)動(dòng)的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機(jī)床可以加工各種外形輪廓復(fù)雜的零件，所以連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)。例如數(shù)控銑床，數(shù)控車床等均屬于此種運(yùn)動(dòng)方式。在點(diǎn)位控制系統(tǒng)中不具有連續(xù)控制系統(tǒng)中才具有的軌跡計(jì)算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻具有點(diǎn)位系統(tǒng)的功能。 還有一些采用點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床，例如數(shù)控鏜床等，不但要求工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)坐標(biāo)，還要求工作臺(tái)沿坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)過程中切削工作。這種系統(tǒng)叫點(diǎn)位/直線系統(tǒng)。其控制方法與點(diǎn)位系統(tǒng)十分相似，故有時(shí)也將這兩種系統(tǒng)統(tǒng)稱為點(diǎn)位控制系統(tǒng) 2．2伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)中，設(shè)有反饋電路，不帶檢測(cè)裝置，指令信號(hào)是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，容易掌握，調(diào)試和維修都比較簡(jiǎn)單。目前國內(nèi)大力發(fā)展的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測(cè)反饋元件來檢測(cè)實(shí)際 位移量，能補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，閉環(huán)系統(tǒng)造價(jià)高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場(chǎng)合。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)不同，不直接檢測(cè)工作臺(tái)的位移量，而是用檢測(cè)元件測(cè)出驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺(tái)實(shí)際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。 2．3執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定 為確?？刂葡到y(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出低摩擦，低慣量，高剛度，無間隙，高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： （1） 盡量采用低摩擦的轉(zhuǎn)動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副， 滾動(dòng)導(dǎo)軌，塑導(dǎo)軌等。 （2）盡量消除傳動(dòng)間隙。例如采用消除齒輪等。 （3）提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛減小傳動(dòng)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)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。 2．4計(jì)算機(jī)的選擇 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU，存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路I/O接口電路，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)電路等幾部分組成。 微機(jī)市數(shù)控系統(tǒng)的核心，其他裝置均是在指揮下進(jìn)行的。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用微機(jī)直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對(duì)微機(jī)的要求是多方面的，但主要指標(biāo)是字長和速度。字長不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運(yùn)算的精度。字長較長的計(jì)算機(jī)，價(jià)格顯著上升，而字長較短的計(jì)算機(jī)，要進(jìn)行雙字長或三字長的運(yùn)算，就會(huì)影響速度。目前一些高檔的CNC系統(tǒng)，已普遍使用32位微機(jī)，主機(jī)頻率由5MHz提高到20-30MHz，有的采用多CPU系統(tǒng)，減輕主CPU的負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步提高控制速度。標(biāo)準(zhǔn)型的CNC系統(tǒng)多使用16位微機(jī) ，經(jīng)濟(jì)型CNC系統(tǒng)則普遍采用8位機(jī)?？刹捎肕CS-51系列單片微機(jī)或Z-80單板機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)。 2．5總體方案框圖 2--1 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)框圖 第三章、機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)、計(jì)算 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括： 確定系統(tǒng)的負(fù)載，確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載起動(dòng)及切削力矩計(jì)算。確定伺服電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)，計(jì)算及選用，繪制機(jī)械部分裝配圖及零件工作圖等。 將普通車床CA6140改造成MCS-51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，縱向和橫向均具有直線和圓狐插補(bǔ)功能，也具有升降功能。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 加工最大直徑：在床面上 Ф 400mm 在床鞍上 Ф 210mm 加工最大長度：1000mm 溜板及刀架重量： 橫向600N 刀架快速速度： 橫向 1.2m/min 最大進(jìn)給速度： 橫向 0.3m/min 主電機(jī)功率： 7.5kw 起動(dòng)加速時(shí)間： 30ms 機(jī)床定位精度： +0.015mm;-0.015mm 此機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力計(jì)算如下： 3． 1脈沖當(dāng)量 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，橫向：0.005mm/步（半徑) 3．2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 （一）橫向進(jìn)給絲杠 1計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm（N）， 橫向?qū)к墳檠辔残螌?dǎo)軌 Z 1,J1 Fm= kFy′+f′（Fz+G′+2F′X） = 1.15*670+0.04*（2680+600+2*1072） = 1155 N 式中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=1.4 f，---滑動(dòng)導(dǎo)軌摩檫系數(shù)0.03~0.05 G----溜板及刀架重力：G=600N 2計(jì)算最大負(fù)載C： C = L= n= 式中L0---滾珠絲杠導(dǎo)程。初始L0=5mm Vs----最大切削力下的進(jìn)給速度，可提高進(jìn)給速度（1/2----1/3）此處VS =0.6m/min T----使用壽命，按15000h； fw—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw=1.2-1.5； L---壽命，以106轉(zhuǎn)為1單位。 L= = n== C = ==4158N 3滾珠絲杠螺母的原型 查閱附錄A表示可采用W1L2005外循環(huán)螺母紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈。其額定動(dòng)負(fù)載為8800N，精度等級(jí)按表4—15選為3級(jí). 4傳動(dòng)效率計(jì)算 式子中r—螺旋升角，W1L2005=4033’ φ---摩擦角取10’ 滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.003~0.004 ==0.965 5剛度驗(yàn)算： （1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1： △L=±Fm×L0／E×F=1.4×10-4 = （2）珠滾與羅紋滾道間接觸變形δ2 。 查圖4-7，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量δQ ；因此進(jìn)行預(yù)緊， δ2=1/2δq=3μm （3）支撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3， δ3=2μm 綜合以上變形量之和：計(jì)算如下 δ2=δ1′+δ2+δ3′=0.00815mm（定位精度） 從上面計(jì)算可以看出，設(shè)計(jì)過程要反復(fù)修改參數(shù)，反復(fù)計(jì)算，才能達(dá)到滿足的要求。 6穩(wěn)定性較核： 滾珠絲杠兩端采用了專用的滾珠絲杠軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需要穩(wěn)定性較核。 （二）橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 表4-25 W1L2005滾珠絲杠幾何參數(shù) 名稱 符號(hào) W1L2005 螺 紋 滾 道 公稱直徑 do 20 導(dǎo)程 Lo 5 接觸角 β 4033ˊ 鋼球直徑 dq 3.915 滾道法面直徑 R R=0.52 dq 1.651 偏心矩 e e=( R- dq/2)sinβ 0.045 螺紋升角 γ γ=arc tg(Lo/∏do) 4033ˊ 螺 桿 螺紋外徑 d d= do-(0.2～0.25) dq 19.4 螺桿內(nèi)徑 d1 d1 = do +2e-2R 16.788 螺桿接觸直徑 dz dz = do - dq cosβ 16.835 螺紋 螺母螺紋直徑 D D= do -2e+2R 23.212 螺母內(nèi)徑 D1 D1= do +(0.2～0.25) dq 20.635 表3--1 3．4 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 一、橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算： 以確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量δp=0.005，滾珠絲杠導(dǎo)程L0=50mm； 初選步進(jìn)電機(jī)步距角為0.750?？捎?jì)算出傳動(dòng)比i； i=(360 ×δp)/(θb×L0) =(360×0.01) ÷(0.75×5) =0.48 考慮結(jié)構(gòu)問題，不當(dāng)使大齒輪直徑過大，以免影響橫向溜板有效行程，故用兩級(jí)齒輪將速： 可選齒輪齒數(shù)為 i= Z1 =24 Z2=40 Z3 =20 Z4=25 因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取2。有關(guān)參數(shù)請(qǐng)參照表4-26 表4-26傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù) 齒 數(shù) 24 40 20 25 分度圓 d=mz 48 80 40 50 齒頂圓 da=d+2m 52 84 44 54 齒根圓 df=d-2×1.25m 43 75 35 45 齒 寬 ( 6～8)m 20 20 20 20 中心矩 A=( d1+d2)/2 64 45 表3--2 3．5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 1．等效傳動(dòng)慣量計(jì)算： 計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖4-20，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的傳動(dòng)慣量Jε(㎏·cm2)可由下式計(jì)算： Jε=JM+J1+( Z1/Z2)2{（J2+Js）+[(G/g) ×(L0/2∏)2]} 式中JM---步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子傳動(dòng)慣量(㎏·cm2)； J1 ，J2---齒輪Z1，Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(㎏·cm2)； Js---滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(㎏·cm2)； 參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)慣量JM =10㎏·cm2； J1=0.78×10-3×d14×L1 =0.78×10-3×6.44×2 =2062㎏·cm2 J2=0.78×10-3×d24×L2 =0.78×10-3×84×2 =6.39㎏·cm2 Js=0.78×10-3×44×150 =29.952㎏·cm2 G=1000N 代如上式： Jε=JM+J1+( Z1/Z2)2{（J2+Js）+[(G/g) ×(L0/2∏)2]} =10+2.62+（32/40）2{（6.39+29.952）+[（1000/9.8）×（0.5/2∏）2]} =36.478㎏·cm2 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問題 JM/ Jε=10/36.478 =0.274 基本滿足匹配的要求。 2．電機(jī)力矩計(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(dòng)力矩M起 在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： M起=Mamax+Mf+M0 Mamax= Jε×ε = Jε×{nmax÷[(60/2∏) ×ta]×10-2} = Jε×[(2∏nmax×10-2)/(60×ta)] nmax =(vmax/δp)×(θb/3600) 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號(hào)意義同前。 nmax =(vmax/δp)×(θb/3600) =（2400/0.01）×（0.75/360） =500r/min 起動(dòng)加速時(shí)間ta=30ms； Mamax= Jε×[(2∏nmax×10-2)/(60×ta)] =636.3N·cm 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩Mf： Mf=(F0×L0)/( 2∏ηi) =[f′(Fz+G) ×L0]/[ 2∏η( Z1/Z2)] =[0.16(5360+1000) ×0.6]/( 2∏×0.8 ×1.25) =97 N·cm 附加摩擦力矩M0 M0 =(Fp0×L0)/ (2∏ηi) ={(1/3×Fm×L0)/ [ 2∏η( Z1/Z2)]}(1-η02) =[(1/3×2560×0.6) ÷(2∏×0.8×1.25)] ×(1-0.92) =15.5N·cm 上述三項(xiàng)合計(jì)： M起=Mamax+Mf+M0 =634+97+15.5 =747 N·cm （2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩M快 M快 = Mf+M0 =97+15.5 =112.5 N·cm (3)最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩M切 M切= Mf+M0+Mt = Mf+M0+(Fx×L0)/( 2∏ηi) =97+15.5+(1340×0.6)/ (2∏×0.8×1.25) =240.5 N·cm 從上面計(jì)算可以看出： M起 ， M快和M切三種工況下，以快速空載起動(dòng)力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 從表4-23查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)， λ=Mq/Mjmax =0.951 最大靜力矩Mjmax =747/0.951 =785 N·cm 按此最大靜轉(zhuǎn)矩從表4-23查出，150BF002型最大轉(zhuǎn)矩為13.72N·m，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 3．計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作效率 fk=(1000× vmax)/(60×δp) =(1000×2.4) ÷(60×0.001) =4000Hz fe=(1000× vs)/(60×δp) =(1000×0.6) ÷(60×0.01) =1000 Hz 從表4-23查出，150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為2800 Hz，運(yùn)行頻率為8000 Hz，再從圖4-18中查出150BF002步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線如圖4-22所示。 從圖（4-22a）看出， 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)， f起=2500 Hz時(shí)， M=100 N·cm ，運(yùn)行不能滿足此機(jī)床所要求得空載起動(dòng)力矩（747 N·cm）直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），將起動(dòng)頻率降到1000 Hz時(shí)，起動(dòng)力矩可增高到588.4 N·cm，然后在電路上在采用低壓驅(qū)動(dòng)帶內(nèi)陸，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。 圖3--1 圖3--2 圖（4-22b） 150BF002型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性 當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性圖（4-22b）完全可以滿足要求。 第四章、單片機(jī)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容 一：繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 機(jī)床硬件電路由以下五部分組成： （1）主控制器：即中央處理單元CPU。 （2）總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線。 （3）存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 （4）接口：即I/O輸入/輸出接口電路。 （5）外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機(jī)等。見下圖 圖4--1 40根引腳按其功能可以分為四類： 1．電源線：2根 Vcc Vss Vcc：編程和正常操作時(shí)的電源電壓，接+5伏。 Vss：地電平 2. 晶振： 2根 XTAL1 XTAL2 振蕩器的反相放大器輸入。使用外部振蕩器時(shí)必須接地。 振蕩器的反相放大器輸出和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào)。 3. I/O口共有P0、P1、P2、P3四個(gè)8位口，32根I/O線。其功能如下： （1） P0.0～P0.7(AD0～AD7)是I/O端口0的引腳。 （2）P1.0～P1.7是端口1的引腳，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。 （3）P2.0～P2.7(A8～A15)是端口2的引腳。 （4）P3.0～P3.7是端口3的引腳 4．控制線 （1）PSEN：程序存儲(chǔ)器的使用引腳，是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，低電平有效。從外部程序存儲(chǔ)器取數(shù)時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)二次有效。 （2）EA/VPP: EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 （3）ALE/PAOG: ALE是地址所存儲(chǔ)能信號(hào)。 （4）RST/VPP:是復(fù)位/備用電源端。 由于單片機(jī)8031芯片的P0口是分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片是74L373。74L373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器。 8031單片機(jī)允許擴(kuò)展64K程序存儲(chǔ)器和64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（包括I/O口芯片），這樣就需要擴(kuò)展多個(gè)外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲(chǔ)器各芯片之間，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各芯片之間（包括I/O口芯片）地址互相不重疊，以使單片機(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，避免發(fā)生沖突。當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時(shí)地與各個(gè)外圍新品進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，首先要進(jìn)行偏選（指選中某一個(gè)芯片）。而當(dāng)片內(nèi)有多字節(jié)單元時(shí)，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。 8031單片機(jī)共有四個(gè)6位并行I/O口，但可供用產(chǎn)使用的只有P1口和部分P3口,因此。在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都需要擴(kuò)展I/O口芯片。 本設(shè)計(jì)采用8155：可編程的RAM/IO擴(kuò)展接口電路（有256個(gè)RAM單元、2個(gè)8位口、1個(gè)6位口、1個(gè)14位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器）。 8031單片機(jī)允許擴(kuò)展64K程序存儲(chǔ)器和64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（包括I/O口芯片），這樣就需要擴(kuò)展多個(gè)外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲(chǔ)器各芯片之間，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各芯片之間（包括I/O口芯片）地址互相不重疊，以使單片機(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，避免發(fā)生沖突。當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時(shí)地與各個(gè)外圍新品進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，首先要進(jìn)行偏選（指選中某一個(gè)芯片）。而當(dāng)片內(nèi)有多字節(jié)單元時(shí)，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。 六、典型零件的加工程序設(shè)計(jì) 圖中Φ86mm處不加工。編制加工程序步驟如下： （1） 數(shù)控機(jī)床的選擇 被加工零件為回轉(zhuǎn)體零件，需進(jìn)行倒角，螺紋，錐度，圓弧加工，選書空車床可滿足要求/ （2） 加工程序劃分 經(jīng)分析確定工藝路線如下： 1） 從右到左切削外輪廓沒秒年 ，其路線為：倒角—車螺紋M48mm×1.5mm 的外圓—車錐度部分——車Φ62mm外圓——車Φ80mm外圓——切R70圓弧——車Φ80mm外圓。 2） 切3mm×Φ45mm槽。 3） 車M48mm×1.5mm螺紋。 （3）選擇刀具、確定換刀點(diǎn) 根據(jù)加工要求選用三把刀具，1號(hào)刀 車外圓，1 號(hào)刀切槽，3 號(hào)刀車螺紋。繪制刀具布置圖（如下圖所示），要注意正確選用換刀點(diǎn)，以避免刀具與車床、工件、夾具在換到時(shí)發(fā)生碰撞現(xiàn)象，本例換刀點(diǎn)選A（200，350） （4）正確切削用量 根據(jù)數(shù)控加工的特點(diǎn)，本例切削用量確定如下：車外圓時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速取630r/min（S630），進(jìn)給量取0.15mm/r。切槽時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速取315r/min（S315）。進(jìn)給量取0.16mm/r。車螺紋時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速取200r/min（S200），進(jìn)給量為1.5mm/r，螺距F1.5），切削深度為精加工余量。 圖8-16 車削零件圖 （5）編制精加工程序如下： NOO1 G92 X200 Z350.MO6 T01 N002 S630 MO3 N003 G00 G90 Z292 MO8 NOO4 G43 X41.8 H01 N005 G01 X48 Z289 G95 F0.15 N006 Z227 N007 X50 NOO8 X62 Z167.0 NOO9 Z155 N010 X78 N011 X80 Z154 N012 Z135 N013 G03 Z75 I63.25K-30 N014 G01 Z65 N015 X90 N016 G00 Z350 H00 M09 N017 M06 T02 N018 G43 X200 H02 N019 S315 M03 M020 G00 X51 Z227 M08 N021 G01 X45 F50 N022 G04 X500 N023 G00 X51 N024 Z350 H00 M09 N025 MO6 T03 NO26 G43 X200 H03 N027 S200 M03 N028 G00 X47 Z296 M08 NO29 G33Z233 K1.5 N030 G01 X50 N031 G00 Z296 N032 G01X46.373 N033 G33 Z233 K1.5 N034 G01 X50 N035 G00 X200 Z350 H00 M09 N036 M05 N037 M30 體會(huì)與感受 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，完成了對(duì)普通機(jī)床縱向的數(shù)控化改造，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行了一次鞏固和系統(tǒng)的綜合考察，感到收益非淺，收獲很大。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)又一次鍛煉了我獨(dú)立思考，深入研究及和別人融洽配合等的能力。同時(shí)讓我學(xué)會(huì)了查閱資料的方法，使我也認(rèn)識(shí)搞好各自的工作不僅需要個(gè)人的獨(dú)立工作，更需要其他人的密切配合，才能把工作做的更好。我對(duì)普通機(jī)床改造進(jìn)行了認(rèn)真的設(shè)計(jì)，是我深刻的認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)越性，以及數(shù)控機(jī)床在整個(gè)制造業(yè)中所起的重要作用。 也希望我國能研究發(fā)展新型數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控功能部件、數(shù)控機(jī)床整機(jī)等的具體技術(shù)途徑。我們衷心希望，我國科技界、產(chǎn)業(yè)界和教育界通力合作，把握好知識(shí)經(jīng)濟(jì)給我們帶來的難得機(jī)遇，迎接競(jìng)爭(zhēng)全球化帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，為在21世紀(jì)使我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)走向世界的前列，使我國經(jīng)濟(jì)繼續(xù)保持強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭而共同努力奮斗！ 同時(shí)在設(shè)計(jì)中，我也發(fā)現(xiàn)自己的不足。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間短，任務(wù)重，缺乏實(shí)踐基礎(chǔ)，再加上我們的能力有限，在設(shè)計(jì)中難免有考慮不周之處，還有代于實(shí)際調(diào)試中不斷完善。這將是我今后努力和學(xué)習(xí)的方向。指導(dǎo)老師在設(shè)計(jì)中給予了，關(guān)鍵性的指導(dǎo)與幫助。再此我表示忠心的感謝！ 不過，由于我個(gè)人對(duì)知識(shí)的疏淺和經(jīng)驗(yàn)不足，難免還會(huì)有很多不足之處，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)與指正。 孫志金 2006年5月 參考資料 繆常初 主編《可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)》重慶大學(xué)出版社 楊有軍 主編 《數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機(jī)床》機(jī)械工業(yè)出版社 陳紹廉 主編 《數(shù)控機(jī)床改造技術(shù)》航空工業(yè)出版社 畢承恩 ，丁乃鍵 主編《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床》上下冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 盧頌峰 主編《機(jī)械零件課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》中央廣播電視大學(xué)出版社 張柱銀 主編《數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床》化學(xué)工業(yè)出版社 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 指導(dǎo)教師評(píng)語： 建議此次畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)?yōu)椋? 指導(dǎo)教師簽名： 答辯委員會(huì)組成人員名單 姓 名 性 別 職 稱 單 位 答辯委員會(huì)意見 答辯評(píng)語： 成績(jī)： 答辯委員會(huì)主任：________(簽名) 年 月 日 - 26