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河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 1 摘 要 眾所周知 ,制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè) ,是推動國家技術進步的力量。我國制造業(yè)較落后 ,想要改變此現(xiàn)狀就必須提高制造業(yè)裝備水平 ,特別是機床的數(shù)控化 率。數(shù)控機床是屬于高新技術集成的機電一體化機械加工設備 ,受到世界各工業(yè)發(fā)達國 家的高度重視。成為當今世界機械加工設備中最引人注目的產(chǎn)品 ,但其價格昂貴。因此 ,普通車床的數(shù)控化改造成為熱點。 本次設計是對普通車床 這個團隊主要包括 :主傳動系統(tǒng)的改造、縱向進給系統(tǒng)的改造、橫向進給系統(tǒng)的改造。而我主要是針對縱向進給系統(tǒng)進行機械改 造。這次畢業(yè)設計對設計工作的基本技能的訓練 ,提高了分析和解決工程技術問 題的能力 ,并為進行一般機械的設計創(chuàng)造了一定條件。 數(shù)控改造主要傳動系統(tǒng)的機械改造。由于對經(jīng)濟型數(shù)控機床的加工精度要求不高 ,為簡化結(jié)構(gòu)、降低成本。通過控制縱向進給系統(tǒng) ,保證改造后的車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停等功能。為實現(xiàn)機床所要求的傳動效率 ,采用步進電機經(jīng)聯(lián)軸器再傳動 絲杠 :為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性 ,盡量減小摩擦力 ,選用滾珠絲杠螺母副。 關鍵詞 :車床 數(shù)控改造 聯(lián)軸器 滾珠絲杠 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 2 s we is of is to of of s if we to we of NC NC s of It s is s C a is C. of of at on of to a NC is a of of NC it is to By it of of we us a To a of a is 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 3 目錄 摘要 ............................................................................................................ 錯誤 !未定義書簽。 ................................................................................................................ 錯誤 !未定義書簽。 第一章 概 述 ....................................................................................................................................... 5 題背景 .............................................................................................................................. 5 床數(shù)控化改造的必要性 ................................................................................................... 5 控技術發(fā)展趨勢 .............................................................................................................. 6 速、高精加工技術及裝備的新趨勢 ....................................................................... 8 能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 ................................ 8 視新技術標準、規(guī)范的建立 .................................................................................... 9 床數(shù)控化改造的目的和意義 ........................................................................................... 9 床數(shù)控化改造的內(nèi)容 ..................................................................................................... 10 第二章 控改造總體方案 ........................................................................ 12 計任務和要求 ............................................................................................................................... 12 體 設計 方案的內(nèi)容 ...................................................................................................................... 12 體方案的確定 ............................................................................................................................... 13 統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 .................................................................................... 13 控系統(tǒng) ..................................................................................................................................... 14 械傳動方式 ............................................................................................................................ 14 第三章 縱向進給系統(tǒng)設計 ........................................................................................... 15 向進給部分 ..................................................................................................................... 15 述 .............................................................................................................................. 15 統(tǒng)脈沖當量的確定 .................................................................................................. 15 床導軌副的確定 .................................................................................................................... 15 向進給傳動鏈的設計計算 .................................................................................................. 16 向進給傳動鏈部件的裝配圖設計 .................................................................................... 17 珠絲杠螺母副的計算和選型 ............................................................................................. 17 進電機的計算和選型 ........................................................................................................... 19 動軸承的選型和壽命驗算 .................................................................................................. 22 輪的設計和校核 .................................................................................................................... 24 第四章 微機數(shù)控系統(tǒng)電路設計 .................................................................................... 27 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 4 片微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計內(nèi)容 ........................................................................................ 27 列單片機簡介 ................................................................................................................. 28 儲器擴展電路的設計 ................................................................................................................... 37 第六章 結(jié)論 ........................................................................................................ 58 參考文獻 .............................................................................................................. 59 致謝 ...................................................................................................................... 60 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 5 第一章 概 述 題背景 數(shù)控機床作為機電一體化的典型產(chǎn)品 ， 在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用 ， 很好的 解決了現(xiàn)代機械制造中結(jié)構(gòu)復雜 ， 精密 ， 批量小 ， 多變零件的加工問題 ， 且能穩(wěn)定產(chǎn)品 的和、加工質(zhì)量。大幅度 的提高生產(chǎn)效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看 ， 因數(shù)控機床間 隔較貴 ，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。另外從目前國內(nèi)機床使用的現(xiàn)狀來看 ， 普通機床擁有量巨大 ， 在生產(chǎn)中 ， 數(shù)控機床相對于普通機床的優(yōu)勢較為明顯 ， 而由于數(shù) 控機床價格昂貴 ， 所以有必要對普通機床加以數(shù)控改造 ， 使之能完成數(shù)控機床能完成的 部分生產(chǎn)任務。 我們這組的畢業(yè)設計是對普通車床 行經(jīng)濟型改造 ， 本車床主要由床身 、床頭箱、刀架、進給系統(tǒng)、液壓、冷卻、潤滑等部分組成 ， 本次本車床的設計主要分為 三大部分 ： 主運動部分、縱向 （ Z 軸 ） 進給運 動部分和橫向 （ X 軸 ） 進給運動部分。三 部分由我團隊三人分別完成。本人針對橫向進給進行機械改造。進行完善 構(gòu)上先天性的不足。 畢業(yè)設計作為我們在大學校園里的最后一堂課 ， 它既是一次鍛煉也是一次檢驗 ， 它的目的在于 ： 1、 畢業(yè)設計屬于機械系統(tǒng)設計課的延續(xù) ， 通過設計實踐 ， 進一步學習掌握機械系 設計的一般方法。 2、 培養(yǎng)綜合運用機械制圖、機械設計基礎、精度設計、金屬工藝學、材料熱處理及結(jié)構(gòu)工藝等相關知識 ， 進行工程設計的能力。 3、 培養(yǎng)使用手冊、圖冊、有關資料及設計標準規(guī)范的能力。 4、 提高技術總結(jié)及編制技術文件的能力。 大學四年的學習生活即將結(jié)束 ， 因此 ， 我大膽的提出了對普通 控化改造 。為我們中國制造業(yè) ， 盡一份力微薄的力量。用我們所學的知識為我們最后的考驗做一份 完美的答卷。 由于畢業(yè)設計是我的第一次綜合性設計 ， 無論是設計本人還是經(jīng)驗上的缺乏都難免 導致設計的一些失誤和不足 ， 在此 ， 懇請老師和同學們給予指正。 床數(shù)控化改造的必要性 數(shù)控機床可以較好的解決形狀復雜、精密、小批幾多變零件的加工問題 ， 能 夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率 ， 但是數(shù)控機床的應用也受到了其它 條件的限制。 （ 1） 數(shù)控機床價格昂貴 ， 一次性投資巨大 ， 不適用于中小型企業(yè)。 (2) 目前 ， 各企業(yè)都用大量的普通機床 ， 完全用數(shù)控機床代替不現(xiàn)實 ， 投 資巨大 ， 而 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 6 且代替下的機床會造成資源的浪費。 (3） 在國內(nèi)購置一臺數(shù)控機床的狡猾周期比較長 ， 必能滿足生產(chǎn)的急需。 要較好的解決上述問題 ， 應該把普通機床進行數(shù)控化改造 ， 在國外以發(fā)展 成為一個新型的工業(yè)部門 ，早在 60 年代已經(jīng)開始迅速發(fā)展 ， 并用專門企業(yè)經(jīng)營 這門業(yè)務。從美國、日本等工業(yè)化國家的經(jīng)驗看 ， 機床的數(shù)控化改造是必不可少 的 ， 數(shù)控改造機床占有較大比例。如日本的大企業(yè)中有 26%機床經(jīng)過改造 ， 中小 型企業(yè)則是 74%。在美國有許多數(shù)控專業(yè)公司為世界各地提供數(shù)控改造業(yè)務。我國是擁有 300多萬臺機床的國家 ， 而這些機床有大量是多年累積生產(chǎn)的普通機 床 ， 自動化程度低 ， 想要在近幾年使用自動化程度高的數(shù)控機床 ， 不論是資金還 是我國機床廠都是辦不到的。因此 ， 普通機床的數(shù)控化改造大有可為。它適應我 國的經(jīng)濟水平、教育水平和生產(chǎn)水平 ， 已成為我國設備技術改造主要方向之一。 控技術發(fā)展趨勢 隨著科學技術的發(fā)展 ， 機械產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進 ， 對零件加工質(zhì)量的 要求也越來越高。隨著社會對產(chǎn)品多樣化需求的增強 ， 產(chǎn)品品種 增多 ， 產(chǎn)品更新 換代加速。這使得數(shù)控機床在生產(chǎn)中得到廣泛的應用 ， 同時也對數(shù)控機床的數(shù)控 系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)及主機結(jié)構(gòu)提出更高的要求。尤其是隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機集成制造系統(tǒng)的興起和不斷成熟 ， 對數(shù)控機床的可靠性、通信功 能、人工智能和自適應控制技術的應用提出了更高的要求。歸納起來 ， 數(shù)控機床機械設計服務 的發(fā)展體現(xiàn)在以下幾個方面 ： 1,、高速度、高精度化 現(xiàn)代機床 2位 并向 64位 并且采用多微處 理器并行技術 ，使運算速度和數(shù)據(jù)處理能力得到很大的提高。如 統(tǒng) ， 40 其主 4位機 ， 使插補 運算和快速進給功能大為增強。 64位簡化指令集 （ 微處理器告訴系統(tǒng)的 采用 ， 使運算速度成倍增加 ， 使復雜形狀零件的告訴、高精度加工成為可能。 與高性能 現(xiàn)代數(shù)控機床采用了交流數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)。伺 服驅(qū)動系統(tǒng)的位置、速度和電流環(huán)都實現(xiàn)了數(shù)字化 ， 并采用現(xiàn)代控制理論 ， 實現(xiàn) 了不受機械負荷變動影響的高速響應伺服驅(qū)動。 由于新型 使數(shù)控機床的進給速度和分辨率 力得到很大提高 ， 在 100~240 m /進給速度下其位移分辨力可達 1μ m 在 24m/進給速度下其位移分辨力可達 m， 在 m. 現(xiàn)代數(shù)控機床還充分利用 如反向間隙補償功能、螺距 誤差補償功能及熱補償功能等 ） 來提高其加工精度和動態(tài)性能。 2、更高的可靠性 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 7 由于現(xiàn)代機床 準化、通用化和系列化。便于組織批量生產(chǎn) ， 有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。現(xiàn)代 統(tǒng)大量采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路 ， 采用專用芯片及混合式集成電路 ， 提高集成度 ， 減少了元 器件數(shù)量 ， 降低了功耗 ， 從而提高了可靠性。 通過完善的故障診斷功能 ， 實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬、軟件及外部設備的故障診斷和 報警。利用報警提示及時排除故障 利用監(jiān)測技術 ， 對發(fā)生超程、刀具損毀、過 熱、干擾、斷電等各種意外自動進行相應保護 ， 從而保證了數(shù)控機床可靠的工作。 3、更完善的自動編程技術 由于多維處理器并行技術的采用 ， 使數(shù)控編程從離線編程發(fā)展到在線編程 ， 即所謂的“前臺加工 ， 后臺編程”。通過會話自動編程系統(tǒng) ， 不僅實現(xiàn)了在線零 件加工程序的編制 ，還可以根據(jù)機床性能、工件材料及零件加工要求自動選擇刀 具及最佳切削用量 ， 生成工藝路 線 ， 并實現(xiàn)切削仿真 ， 大大提高了對復雜型面編 程的效率。 4、更高的通信功能 為了適應自動化技術的不斷發(fā)展 ， 適應工廠自動化規(guī)模越來越大的要求 ， 為 了使數(shù)控機床更易于進入柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡中 ， 機 床數(shù)控系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù)交換能力和通信能力在不斷加強。目前 ， 已通過配置 的 行接口實現(xiàn)了對伺服、計算機的數(shù)據(jù)交換。通過網(wǎng)絡接口可以方便的實現(xiàn)網(wǎng)絡連接。如 80系統(tǒng)設置有 通過網(wǎng)絡接口可將數(shù)據(jù)系統(tǒng)連 接到 絡和 業(yè)局域網(wǎng)中。 司的 統(tǒng)也配置了類似的網(wǎng)絡接口 ， 為了便于接入工業(yè)局域網(wǎng) ， 還可配置 口板。 5、智能化機械設計服務 計算機軟、硬件技術的發(fā)展 ， 人工智能技術的發(fā)展促進了機床數(shù)控系統(tǒng)智能 化的進程。機床數(shù)控系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在 ： （ 1） 將適應控制應用于數(shù)控系統(tǒng)中 ， 構(gòu)成適應數(shù)控系統(tǒng) （ 。在適應數(shù)控系統(tǒng)中 ， 把精細的程序的控制和連續(xù)的適應調(diào)節(jié)結(jié)合起來 ， 使系統(tǒng)的 運用達到最優(yōu)。其主要的追求目標是 。 保護刀具和工件 ， 適應材 料的變化 ； 改善 尺寸控制 ， 提高加工精度 ， 保持穩(wěn)定的質(zhì)量 ： 尋求最高的生產(chǎn)率和最低的成本消 耗 ： 簡化零件程序的編制 ， 降低對操作人員經(jīng)驗和熟練程度的要求等。 （ 2） 故障診斷的智能化 ， 即數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置實時診斷軟件 ， 在數(shù)控機床整個 工作過程中進行故障診斷并指導故障的排除。一旦發(fā)生故障 ， 除采用停機措施 ， 利用 提示故障發(fā)生的部位和原因外 ， 還可與利用“冗余”技 術 ， 自動使故障模塊脫機 ， 接通備用模塊 ， 以滿足無人化工作環(huán)境的要求。在故 障診斷中 ， 除了采用專家系統(tǒng)外 ， 還將模糊數(shù)學、神經(jīng)網(wǎng)絡應用其中 ， 取得了良 好的效果。 (3) 刀具壽命自動監(jiān)控檢測技術的應用。即利用紅外、聲發(fā)射 （ 、激光 的檢測手段 ， 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 8 對刀具和工件進行監(jiān)控。發(fā)現(xiàn)工件超差 ， 刀具損毀 ， 及時報警、自 動進行補償或更給備用刀具 ， 以確保產(chǎn)品質(zhì)量。 6、數(shù)控系統(tǒng)的開放化 隨著技術、市場、生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)諸多方面的快速變化 ， 對數(shù)控機床 ， 特別 是數(shù)控系統(tǒng)提出許多更新、更高的要求 ， 如 ： (1) 為了適應不斷出現(xiàn)的新加工需求 ， 數(shù)控系統(tǒng)應具用更強的軟、硬件重 構(gòu)能力 ， 而且重構(gòu)成本要低 ， 重構(gòu)周期要短 ； （ 2） 為了適應未來車間面向任務和訂單的生產(chǎn)組織模式 ， 使底層生產(chǎn)控制 系統(tǒng)的集成更為簡便、有效 ， 必須改變數(shù)控系統(tǒng)封閉型的設計模式 ； （ 3） 為了適應機床制造廠的不同需要 ， 數(shù)控系統(tǒng)應該具有高度的模塊化 ， 可重新配置、修給、擴充和改裝 ， 機床制造廠家和用戶可以方便地將自己的成熟 技術集成到數(shù)控系統(tǒng)中 ；為了適應新需要 ， 尋求一種新的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展模式已成必然。美國、歐洲 、日本針對數(shù)控系統(tǒng)所面臨的問題和數(shù)控系統(tǒng)開放化的必然趨勢 ， 在自動化領域的 開放式體系結(jié)構(gòu)上做了不少的研究工作。 速、高精加工技術及裝備的新趨勢 盡管十多年前就出現(xiàn)高精度高速度的趨勢，但是科學技術的發(fā)展是沒有止境的，高精度、高速度的內(nèi)涵也在不斷 變化，目前正在向著精度和速度的極限發(fā)展。 效率、質(zhì)量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術之一，國際生產(chǎn)工程學會將其確定為 21世紀的中心研究方向之一。在轎車工業(yè)領域，年產(chǎn) 30 萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是 40 秒 /輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業(yè)領域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行 加工。近來采用大型整體鋁合金坯料 "掏空 "的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。 能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、 自動識別負自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 9 的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。 目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實 現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢。 視新技術標準、規(guī)范的建立 如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范 (研究和制定，世界 3 個最大的經(jīng)濟體在短期內(nèi)進行了幾乎相同的科學計劃和規(guī)范的制定，預示了數(shù)控技術的一個新的變革時期的來臨。我國在 2000 年也開始進行中國的 床數(shù)控化改造的目的和意義 目前機床數(shù)控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機床數(shù)控化率不到3％。用普通機床加工 出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(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。本文以車床的數(shù)控改造為例，介紹了機床數(shù)控改造的方法，包括其結(jié)構(gòu)的改造設計，性能與精度的選擇以及最后改造方案的確定。 機床數(shù)控改造的意義 1）節(jié)省資金。 機床的數(shù)控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省 60%左右的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的 1/3。即使將原機床的結(jié)構(gòu)進行徹底改造升級也只需花 費購買新機床 60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。 2）性能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應力變形而影響精度。 3） 提高生產(chǎn)效率。 機床經(jīng)數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機床提高 3 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 10 至 5倍。對復雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產(chǎn)準備周期。 床數(shù)控化改造的 內(nèi)容 1 普通車床的數(shù)控化改造設計 機床的數(shù)控改造，主要是對原有機床的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。數(shù)控車床是機電一體化的典型代表，其機 械結(jié)構(gòu)同普通的機床有諸多相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機床不是簡單地將傳統(tǒng)機床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機床的基礎上，僅對局部加以改進而成（那些受資金等條件限制，而將傳統(tǒng)機床改裝成建議數(shù)控機床的另當別論）。傳統(tǒng)機床存在著一些弱點，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機床對加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)率以及使用壽命等要求?，F(xiàn)代的數(shù)控技術，特別是加工中心，無論是其支承部件、主傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、輔助功能等部件結(jié)構(gòu)，還是整體布局、外部造型等都已經(jīng)發(fā)生 了很大變化，已經(jīng)形成了數(shù)控機床的獨特機械結(jié)構(gòu)。因此，我們在對普通機床進行數(shù)控改造的過程中，應在考慮各種情況下，使普通機床的各項性能指標盡可能地與數(shù)控機床相接近。 2 數(shù)控車床的性能和精度的選擇 并不是所有的舊機床都可以進行數(shù)控改造，機床的改造主要應具備兩個條件：第一，機床基礎件必須有足夠的剛性。第二，改造的費用要合適，經(jīng)濟性好。在改裝車床前，要對機床的性能指標做出決定。改裝后的車床能加工工件的最大回轉(zhuǎn)直徑以及最大長度、主電動機功率等一般都不會改變。加工工件的平面度、直線度、圓柱度以及粗糙度等基本上仍 決定于機床本身原有水平。主要有下述性能和精度的選擇需要在改裝前確定。 1）軸變速方法、級數(shù)、轉(zhuǎn)速范圍、功率以及是否需要數(shù)控制動停車等。 2）進給運動： 進給速度： 常為 8～ 400mm/ 常為 2～ 100 mm/ 快速移動： 常為 4m/ 常為 3m/ 脈沖當量：在 常 Z 向為 倍。 加工螺距范圍：包括能加工螺距類型（公制、英制、模數(shù)、徑節(jié)和錐螺紋等），一般螺距在 10不難達到。 3）進給運動驅(qū)動方式（一般都選用步進電機驅(qū)動）。 4）給運動傳動是否需要改裝成滾珠絲杠傳動。 5）刀架是否需要配置自動轉(zhuǎn)位刀架，若配置需要確定工位數(shù)。 6）其他性能指標選擇： 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 11 插補功能：車床加工需具備直線和圓弧插補功能。 刀具補償和間隙補償：為了保證一定的加工精度，一般需考慮設置刀補和間隙補償功能。 顯示：采用數(shù)碼管還是液晶或者顯示器顯示，顯示的位數(shù)多少等問題要根據(jù)車床加工功能實際需要確定，一般來說，顯示越簡單成本越低，也容易實現(xiàn)。 診斷功能：為防止操作者輸入的 程序有錯和隨之出現(xiàn)的錯誤動作，可在數(shù)控改造系統(tǒng)設計時加入必要的器件和軟件，使其能指示出機床出現(xiàn)故障或者功能失效的部分等，實現(xiàn)有限的診斷功能。 以上是車床數(shù)控改造時需要考慮的一些通用性能指標，有的車床改造根據(jù)需要還會有些專門的要求，如車削大螺距螺紋、在惡劣的環(huán)境下工作的防塵干擾、車刀高精度對刀等，這個時候應有針對性的專門設計。 3 車床數(shù)控改造方案選擇 當數(shù)控車床的性能和精度等內(nèi)容基本選定后，可根據(jù)此來確定改造方案。目前機床數(shù)控改造技術已經(jīng)日趨成熟，專用化的機床數(shù)控改造系統(tǒng)所具備的性能和功能一般均 能滿足車床的常規(guī)加工要求。因此，較典型的車床數(shù)控改造方案可選擇為：配置專用車床數(shù)控改造系統(tǒng)，更換進給運動的滑動絲杠傳動為滾珠絲杠傳動、采用步進電機驅(qū)動進給運動、配置脈沖發(fā)生器實現(xiàn)螺紋加工功能、配置自動轉(zhuǎn)位刀架實現(xiàn)自動換刀功能。 目前較典型的經(jīng)濟型專用車床數(shù)控改造系統(tǒng)具有下列基本配置和功能： 1）采用單片微機為主控 有直線和圓弧插補、代碼編程、刀具補償和間隙補償功能、數(shù)碼管二坐標同時顯示、自動轉(zhuǎn)位刀架控制、螺紋加工等控制功能。 2） 配有步進電機驅(qū)動系統(tǒng)，脈沖當量或控制精度一般為： Z 為 X 向為 與相應導程的絲杠相配套）。 3）加工程序大多靠面板按鍵輸入，代碼編制，掉電自動保護存儲器存儲；可以對程序進行現(xiàn)場編輯修改和試運行操作。 4）具有單步或連續(xù)執(zhí)行程序、循環(huán)執(zhí)行程序、機械極限位置自動限位、超程報警，以及進給速度程序自動終止等各類數(shù)控基本功能。 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 12 第二章 控改造總體方案 計任務和要求 設計內(nèi)容 1、 縱向伺服進給機構(gòu)設計與計算 設計與計算的主要內(nèi)容有：滾珠絲杠副的設計計算及選擇，中間齒輪設計計算，軸承選擇，步進電機的選擇，繪制改 造部分的機械結(jié)構(gòu)裝配圖。 2、 數(shù)控系統(tǒng)設計（包括微機數(shù)控系統(tǒng)框圖設計，微機數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖設計和繪制） 3、 用 維造型軟件對車床某主軸進行三維造型設計并用 件進行數(shù)控加工編程與仿真加工。 設計要求 1、對滾珠絲杠的設計，是考慮在最大負荷作用下的使用壽命。絲杠的長度，絲杠的轉(zhuǎn)速，滾道的硬度計運轉(zhuǎn)情況滿足工作要求。選出的絲杠型號，要計算其傳動效率，并演算其剛度及穩(wěn)定性。 2、所選電機要滿足設計要求 3、數(shù)控系統(tǒng)的設計定位在開環(huán)控制的數(shù)控系統(tǒng)，相關的硬件元件的設計和選擇要 滿足設計要求。 4、數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的設計采用脈沖增量插補法對各象限的直線和圓弧進行插補程序設計。 體設計方案的內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應包括以下內(nèi)容 :系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定、計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。 一、 系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)和點位 /直線控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。例如，數(shù)控鉆床，在工作臺移動過程中鉆頭并不進行鉆孔加工，因此數(shù)控系統(tǒng)可采用點位控制方式。對于點 位控制系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。 連續(xù)控制系統(tǒng)要求工作臺和刀具沿各坐標軸的運動有確定的函數(shù)關系，能夠控制刀具沿任意直線或曲線運動，控制每一個軸的位置和速度，使得各個軸同步協(xié)調(diào)到達目標點。連續(xù)控制系統(tǒng)不僅控制目標點，而且控制刀具到達這些目標點的整個路徑，使刀具始終接觸工件并制造出希望的形狀，所以具有連續(xù)控制系統(tǒng)的數(shù)控機床可以加工各種外形輪廓復 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 13 雜的零件，故而連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)或仿型系統(tǒng)。在點位控制系統(tǒng)中不具有連續(xù)控制系統(tǒng)中所具有的軌跡計算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻具有點位系統(tǒng)的功能。例如，數(shù) 控銑床、數(shù)控車床等。 點位 但要求工作臺運動的終點坐標，還要求工作臺沿坐標軸運動過程中切削工作，進行簡單的車削和銑削作業(yè)。其控制方法與點位系統(tǒng)十分相似，故有時也將這兩種系統(tǒng)統(tǒng)稱為點位控制系統(tǒng)。例如，數(shù)控鏜銑床等。 二、 伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)可以分為開環(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，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱為開環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，容易掌握，調(diào)試和維修都比較 簡單。目前國內(nèi)大力發(fā)展的經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件，用來檢測實際位移量，能補償系統(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或交流伺服電機驅(qū)動。但閉環(huán)系統(tǒng)造價高、結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復雜，多用于精度要求高的場合。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位移半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位移量，而是檢測元件測出驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺實際的位移量，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。 三、執(zhí) 行機構(gòu)傳動方式的確定 為確定數(shù)控系統(tǒng)傳動精度和工件平穩(wěn)性，在設計機械傳動裝置時，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及適當?shù)淖枘岜纫?。在設計中應考慮以下幾點： （ 1） 盡量采用低摩擦的傳動和導向元件。例如，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，采用消隙齒輪等。 （ 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。也可以 用預緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如，采用預加負載的滾動導軌和滾動絲杠副等。 四、 計算機的選擇 微機數(shù)控系統(tǒng)由 儲擴展電路、 I/O 接 口電路、伺服電機驅(qū)動電路、檢測電路等組成。 體方案的確定 統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 14 由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應具有定位、直線插補、順圓插補、逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本容易調(diào)試和維護，經(jīng)濟型數(shù)控車床應選用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 控系統(tǒng) 根據(jù)機床要求采用 8 位微機。由于 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 列的 80片機擴展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤、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)齒輪減速再傳動給絲杠。為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，應盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負載的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 15 第三章 機械改造部分 向進給部分 述 機床的主運動提供金屬切削所需要的能量，而進給運動則根據(jù)被加工工件的形狀，保持工件和刀具的相對位置。這樣設計機床的運動，則主運動一般為旋轉(zhuǎn)運動，要求驅(qū)動力源的功率大，其控制問題主要是進行調(diào)試，要求較低；而進給運動驅(qū)動動力源的功率較小，為了保證生成被加工的工件所要求的型線和一定的加工精度，一般應進行伺服控制，因此控制上的要求較低。 統(tǒng)脈沖當量的確定 一個進給脈沖使機床運動部件產(chǎn)生的位移量稱為脈沖當量，也稱機床的最小設定單位。脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本 技術參數(shù)，經(jīng)濟型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當量為 根據(jù)任務書上的定位精度 ? 以在設計時選擇脈沖當量為 床導軌副的確定 傳統(tǒng)機床上使用的均為鑄鐵 鐵 靜摩擦系數(shù)大，動摩擦系數(shù)隨速度變化而變化，摩擦損失大，低速時易出現(xiàn)爬行而降低運動部件的定位精度，因此目前在數(shù)控機床上已不采用，而代之為鑄鐵 塑料導軌。它們主要包括以下兩種類型。 一 、涂塑導軌 涂塑導軌是以環(huán)氧樹脂為基體，加入二硫化鉬和膠體石墨以及鐵份混合而成，再配以固化劑均勻涂刮或注入導軌面。這種涂料導軌具有良好的摩擦特性和耐磨性，可使用在大型、重型數(shù)控機床上。 二、貼塑導軌 聚四氟乙烯膠帶，是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合而成。 磨性好、減震性好等特點。已成功用在中、小型數(shù)控機床上。這種軟帶可以在原有滑動導軌面上用粘結(jié)劑粘結(jié)，加壓固化后進行精加工，故一般稱之為貼塑導輪。由于其工藝較簡單，對原有滑動導軌不需作大的改動，故在普通機床 數(shù)控化改裝上應用廣泛。 根據(jù)綜合作業(yè)任務書和以上分析可知，本次數(shù)控化改造采用在原有三角形導軌上進行貼塑改造，即采用三角形貼塑導軌。 河北工程大學成教學院畢業(yè)設計 16 一、主切削力及其切削分力的計算 (1)主切削力及其切削分力計算 已知機床電動機的額定功率1大工件直徑 D=800軸計算轉(zhuǎn)速n=85r/此轉(zhuǎn)速下， V=6014.3 s 取機床的機械效率η = η 1000/V=2)計算各切削力 走刀方向的切削力 垂直方向的切削分力 ： F =F =F =、導軌摩擦力的計算 (1)計算在切削狀態(tài)下的導軌摩擦力時，導軌受到的垂向切削力向切削分力動部件全部質(zhì)量（包括機床夾具和工件質(zhì)量） m=434受重力 W=查表 2500N，取導軌動摩擦系數(shù)μ = （ W+gf+vF+=2)計算在不切削狀態(tài)下的導軌摩擦力0（ W+g