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河北工程大學(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 摘 要 眾所周知 ,制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè) ,是推動國家技術(shù)進(jìn)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(jī)床的數(shù)控化 率。數(shù)控機(jī)床是屬于高新技術(shù)集成的機(jī)電一體化機(jī)械加工設(shè)備 ,受到世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國 家的高度重視。成為當(dāng)今世界機(jī)械加工設(shè)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(diǎn)。 本次設(shè)計(jì)是對普通車床 這個團(tuán)隊(duì)主要包括 :主傳動系統(tǒng)的改造、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造。而我主要是針對縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械改 造。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對設(shè)計(jì)工作的基本技能的訓(xùn)練 ,提高了分析和解決工程技術(shù)問 題的能力 ,并為進(jìn)行一般機(jī)械的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一定條件。 數(shù)控改造主要傳動系統(tǒng)的機(jī)械改造。由于對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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(jìn)給系統(tǒng) ,保證改造后的車床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停等功能。為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的傳動效率 ,采用步進(jìn)電機(jī)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(guān)鍵詞 :車床 數(shù)控改造 聯(lián)軸器 滾珠絲杠 河北工程大學(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(shù)發(fā)展趨勢 .............................................................................................................. 6 速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢 ....................................................................... 8 能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 ................................ 8 視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、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(jì)任務(wù)和要求 ............................................................................................................................... 12 體 設(shè)計(jì) 方案的內(nèi)容 ...................................................................................................................... 12 體方案的確定 ............................................................................................................................... 13 統(tǒng)的運(yùn)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(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........................................................................................... 15 向進(jìn)給部分 ..................................................................................................................... 15 述 .............................................................................................................................. 15 統(tǒng)脈沖當(dāng)量的確定 .................................................................................................. 15 床導(dǎo)軌副的確定 .................................................................................................................... 15 向進(jìn)給傳動鏈的設(shè)計(jì)計(jì)算 .................................................................................................. 16 向進(jìn)給傳動鏈部件的裝配圖設(shè)計(jì) .................................................................................... 17 珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 ............................................................................................. 17 進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 ........................................................................................................... 19 動軸承的選型和壽命驗(yàn)算 .................................................................................................. 22 輪的設(shè)計(jì)和校核 .................................................................................................................... 24 第四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) .................................................................................... 27 河北工程大學(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 片微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容 ........................................................................................ 27 列單片機(jī)簡介 ................................................................................................................. 28 儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì) ................................................................................................................... 37 第六章 結(jié)論 ........................................................................................................ 58 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 59 致謝 ...................................................................................................................... 60 河北工程大學(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第一章 概 述 題背景 數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品 ， 在機(jī)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(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)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(jī)床使用的現(xiàn)狀來看 ， 普通機(jī)床擁有量巨大 ， 在生產(chǎn)中 ， 數(shù)控機(jī)床相對于普通機(jī)床的優(yōu)勢較為明顯 ， 而由于數(shù) 控機(jī)床價格昂貴 ， 所以有必要對普通機(jī)床加以數(shù)控改造 ， 使之能完成數(shù)控機(jī)床能完成的 部分生產(chǎn)任務(wù)。 我們這組的畢業(yè)設(shè)計(jì)是對普通車床 行經(jīng)濟(jì)型改造 ， 本車床主要由床身 、床頭箱、刀架、進(jìn)給系統(tǒng)、液壓、冷卻、潤滑等部分組成 ， 本次本車床的設(shè)計(jì)主要分為 三大部分 ： 主運(yùn)動部分、縱向 （ Z 軸 ） 進(jìn)給運(yùn) 動部分和橫向 （ X 軸 ） 進(jìn)給運(yùn)動部分。三 部分由我團(tuán)隊(duì)三人分別完成。本人針對橫向進(jìn)給進(jìn)行機(jī)械改造。進(jìn)行完善 構(gòu)上先天性的不足。 畢業(yè)設(shè)計(jì)作為我們在大學(xué)校園里的最后一堂課 ， 它既是一次鍛煉也是一次檢驗(yàn) ， 它的目的在于 ： 1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)屬于機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課的延續(xù) ， 通過設(shè)計(jì)實(shí)踐 ， 進(jìn)一步學(xué)習(xí)掌握機(jī)械系 設(shè)計(jì)的一般方法。 2、 培養(yǎng)綜合運(yùn)用機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、精度設(shè)計(jì)、金屬工藝學(xué)、材料熱處理及結(jié)構(gòu)工藝等相關(guān)知識 ， 進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的能力。 3、 培養(yǎng)使用手冊、圖冊、有關(guān)資料及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的能力。 4、 提高技術(shù)總結(jié)及編制技術(shù)文件的能力。 大學(xué)四年的學(xué)習(xí)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(xué)的知識為我們最后的考驗(yàn)做一份 完美的答卷。 由于畢業(yè)設(shè)計(jì)是我的第一次綜合性設(shè)計(jì) ， 無論是設(shè)計(jì)本人還是經(jīng)驗(yàn)上的缺乏都難免 導(dǎo)致設(shè)計(jì)的一些失誤和不足 ， 在此 ， 懇請老師和同學(xué)們給予指正。 床數(shù)控化改造的必要性 數(shù)控機(jī)床可以較好的解決形狀復(fù)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(jī)床的應(yīng)用也受到了其它 條件的限制。 （ 1） 數(shù)控機(jī)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(jī)床 ， 完全用數(shù)控機(jī)床代替不現(xiàn)實(shí) ， 投 資巨大 ， 而 河北工程大學(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 且代替下的機(jī)床會造成資源的浪費(fèi)。 (3） 在國內(nèi)購置一臺數(shù)控機(jī)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(yīng)該把普通機(jī)床進(jìn)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(wù)。從美國、日本等工業(yè)化國家的經(jīng)驗(yàn)看 ， 機(jī)床的數(shù)控化改造是必不可少 的 ， 數(shù)控改造機(jī)床占有較大比例。如日本的大企業(yè)中有 26%機(jī)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(wù)。我國是擁有 300多萬臺機(jī)床的國家 ， 而這些機(jī)床有大量是多年累積生產(chǎn)的普通機(jī) 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(jī)床 ， 不論是資金還 是我國機(jī)床廠都是辦不到的。因此 ， 普通機(jī)床的數(shù)控化改造大有可為。它適應(yīng)我 國的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水平 ， 已成為我國設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一。 控技術(shù)發(fā)展趨勢 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ， 機(jī)械產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn) ， 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(qiáng) ， 產(chǎn)品品種 增多 ， 產(chǎn)品更新 換代加速。這使得數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用 ， 同時也對數(shù)控機(jī)床的數(shù)控 系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)及主機(jī)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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的興起和不斷成熟 ， 對數(shù)控機(jī)床的可靠性、通信功 能、人工智能和自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用提出了更高的要求。歸納起來 ， 數(shù)控機(jī)床機(jī)械設(shè)計(jì)服務(wù) 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(jī)床 2位 并向 64位 并且采用多微處 理器并行技術(shù) ，使運(yùn)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(jī) ， 使插補(bǔ) 運(yùn)算和快速進(jìn)給功能大為增強(qiáng)。 64位簡化指令集 （ 微處理器告訴系統(tǒng)的 采用 ， 使運(yùn)算速度成倍增加 ， 使復(fù)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(jī)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(shí)現(xiàn)了數(shù)字化 ， 并采用現(xiàn)代控制理論 ， 實(shí)現(xiàn) 了不受機(jī)械負(fù)荷變動影響的高速響應(yīng)伺服驅(qū)動。 由于新型 使數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度和分辨率 力得到很大提高 ， 在 100~240 m /進(jìn)給速度下其位移分辨力可達(dá) 1μ m 在 24m/進(jìn)給速度下其位移分辨力可達(dá) m， 在 m. 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床還充分利用 如反向間隙補(bǔ)償功能、螺距 誤差補(bǔ)償功能及熱補(bǔ)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(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 由于現(xiàn)代機(jī)床 準(zhǔn)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?，F(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(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬、軟件及外部設(shè)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(shù) ， 對發(fā)生超程、刀具損毀、過 熱、干擾、斷電等各種意外自動進(jìn)行相應(yīng)保護(hù) ， 從而保證了數(shù)控機(jī)床可靠的工作。 3、更完善的自動編程技術(shù) 由于多維處理器并行技術(shù)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(shí)現(xiàn)了在線零 件加工程序的編制 ，還可以根據(jù)機(jī)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(shí)現(xiàn)切削仿真 ， 大大提高了對復(fù)雜型面編 程的效率。 4、更高的通信功能 為了適應(yīng)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展 ， 適應(yīng)工廠自動化規(guī)模越來越大的要求 ， 為 了使數(shù)控機(jī)床更易于進(jìn)入柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)中 ， 機(jī) 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(qiáng)。目前 ， 已通過配置 的 行接口實(shí)現(xiàn)了對伺服、計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。通過網(wǎng)絡(luò)接口可以方便的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。如 80系統(tǒng)設(shè)置有 通過網(wǎng)絡(luò)接口可將數(shù)據(jù)系統(tǒng)連 接到 絡(luò)和 業(yè)局域網(wǎng)中。 司的 統(tǒng)也配置了類似的網(wǎng)絡(luò)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(jī)械設(shè)計(jì)服務(wù) 計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展 ， 人工智能技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)智能 化的進(jìn)程。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在 ： （ 1） 將適應(yīng)控制應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中 ， 構(gòu)成適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng) （ 。在適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)中 ， 把精細(xì)的程序的控制和連續(xù)的適應(yīng)調(diào)節(jié)結(jié)合起來 ， 使系統(tǒng)的 運(yùn)用達(dá)到最優(yōu)。其主要的追求目標(biāo)是 。 保護(hù)刀具和工件 ， 適應(yīng)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(yàn)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(shí)時診斷軟件 ， 在數(shù)控機(jī)床整個 工作過程中進(jìn)行故障診斷并指導(dǎo)故障的排除。一旦發(fā)生故障 ， 除采用停機(jī)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(shù) ， 自動使故障模塊脫機(jī) ， 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(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(shù)的應(yīng)用。即利用紅外、聲發(fā)射 （ 、激光 的檢測手段 ， 河北工程大學(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 對刀具和工件進(jìn)行監(jiān)控。發(fā)現(xiàn)工件超差 ， 刀具損毀 ， 及時報警、自 動進(jìn)行補(bǔ)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(shù)、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(jī)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(yīng)不斷出現(xiàn)的新加工需求 ， 數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具用更強(qiáng)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(yīng)未來車間面向任務(wù)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(shè)計(jì)模式 ； （ 3） 為了適應(yīng)機(jī)床制造廠的不同需要 ， 數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該具有高度的模塊化 ， 可重新配置、修給、擴(kuò)充和改裝 ， 機(jī)床制造廠家和用戶可以方便地將自己的成熟 技術(shù)集成到數(shù)控系統(tǒng)中 ；為了適應(yīng)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(lǐng)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(shù)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(xué)技術(shù)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(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)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(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會將其確定為 21世紀(jì)的中心研究方向之一。在轎車工業(yè)領(lǐng)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(diǎn)問題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)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(jìn)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(jī)翼、機(jī)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(qiáng)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(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21世紀(jì)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(yīng)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(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、 自動識別負(fù)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(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 的自動編程、智能化的人機(jī)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(yīng)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(jìn)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(yùn)行平臺上，面向機(jī)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(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí) 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(yùn)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(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會的一個新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機(jī)，反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。 視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、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(yīng)性、擴(kuò)展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實(shí)施戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，并進(jìn)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(jì)體在短期內(nèi)進(jìn)行了幾乎相同的科學(xué)計(jì)劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個新的變革時期的來臨。我國在 2000 年也開始進(jìn)行中國的 床數(shù)控化改造的目的和意義 目前機(jī)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(jī)床數(shù)控化率不到3％。用普通機(jī)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(jī)床的數(shù)控化率。本文以車床的數(shù)控改造為例，介紹了機(jī)床數(shù)控改造的方法，包括其結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計(jì)，性能與精度的選擇以及最后改造方案的確定。 機(jī)床數(shù)控改造的意義 1）節(jié)省資金。 機(jī)床的數(shù)控改造同購置新機(jī)床相比一般可節(jié)省 60%左右的費(fèi)用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購置費(fèi)的 1/3。即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級也只需花 費(fèi)購買新機(jī)床 60%的費(fèi)用，并可以利用現(xiàn)有地基。 2）性能穩(wěn)定可靠。因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。 3） 提高生產(chǎn)效率。 機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3 河北工程大學(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 至 5倍。對復(fù)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(fèi)用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)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(shè)計(jì) 機(jī)床的數(shù)控改造，主要是對原有機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，最終使機(jī)床達(dá)到比較理想的狀態(tài)。數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型代表，其機(jī) 械結(jié)構(gòu)同普通的機(jī)床有諸多相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床不是簡單地將傳統(tǒng)機(jī)床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上，僅對局部加以改進(jìn)而成（那些受資金等條件限制，而將傳統(tǒng)機(jī)床改裝成建議數(shù)控機(jī)床的另當(dāng)別論）。傳統(tǒng)機(jī)床存在著一些弱點(diǎn)，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(jī)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(shù)，特別是加工中心，無論是其支承部件、主傳動系統(tǒng)、進(jìn)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(jī)床的獨(dú)特機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，我們在對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造的過程中，應(yīng)在考慮各種情況下，使普通機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)盡可能地與數(shù)控機(jī)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(jī)床都可以進(jìn)行數(shù)控改造，機(jī)床的改造主要應(yīng)具備兩個條件：第一，機(jī)床基礎(chǔ)件必須有足夠的剛性。第二，改造的費(fèi)用要合適，經(jīng)濟(jì)性好。在改裝車床前，要對機(jī)床的性能指標(biāo)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(jī)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(jī)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(jìn)給運(yùn)動： 進(jìn)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(dāng)量：在 常 Z 向?yàn)?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(dá)到。 3）進(jìn)給運(yùn)動驅(qū)動方式（一般都選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動）。 4）給運(yùn)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(biāo)選擇： 河北工程大學(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 插補(bǔ)功能：車床加工需具備直線和圓弧插補(bǔ)功能。 刀具補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償：為了保證一定的加工精度，一般需考慮設(shè)置刀補(bǔ)和間隙補(bǔ)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(shí)際需要確定，一般來說，顯示越簡單成本越低，也容易實(shí)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(shè)計(jì)時加入必要的器件和軟件，使其能指示出機(jī)床出現(xiàn)故障或者功能失效的部分等，實(shí)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(biāo)，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(yīng)有針對性的專門設(shè)計(jì)。 3 車床數(shù)控改造方案選擇 當(dāng)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(jī)床數(shù)控改造技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，專用化的機(jī)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(jìn)給運(yùn)動的滑動絲杠傳動為滾珠絲杠傳動、采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動進(jìn)給運(yùn)動、配置脈沖發(fā)生器實(shí)現(xiàn)螺紋加工功能、配置自動轉(zhuǎn)位刀架實(shí)現(xiàn)自動換刀功能。 目前較典型的經(jīng)濟(jì)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(jī)為主控 有直線和圓弧插補(bǔ)、代碼編程、刀具補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償功能、數(shù)碼管二坐標(biāo)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，脈沖當(dāng)量或控制精度一般為： Z 為 X 向?yàn)?與相應(yīng)導(dǎo)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(hù)存儲器存儲；可以對程序進(jìn)行現(xiàn)場編輯修改和試運(yùn)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(jī)械極限位置自動限位、超程報警，以及進(jìn)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(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 第二章 控改造總體方案 計(jì)任務(wù)和要求 設(shè)計(jì)內(nèi)容 1、 縱向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 設(shè)計(jì)與計(jì)算的主要內(nèi)容有：滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇，中間齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算，軸承選擇，步進(jìn)電機(jī)的選擇，繪制改 造部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖。 2、 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（包括微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)和繪制） 3、 用 維造型軟件對車床某主軸進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)并用 件進(jìn)行數(shù)控加工編程與仿真加工。 設(shè)計(jì)要求 1、對滾珠絲杠的設(shè)計(jì)，是考慮在最大負(fù)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(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)情況滿足工作要求。選出的絲杠型號，要計(jì)算其傳動效率，并演算其剛度及穩(wěn)定性。 2、所選電機(jī)要滿足設(shè)計(jì)要求 3、數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)定位在開環(huán)控制的數(shù)控系統(tǒng)，相關(guān)的硬件元件的設(shè)計(jì)和選擇要 滿足設(shè)計(jì)要求。 4、數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)采用脈沖增量插補(bǔ)法對各象限的直線和圓弧進(jìn)行插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)。 體設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容 :系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。 一、 系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)和點(diǎn)位 /直線控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控制方式。例如，數(shù)控鉆床，在工作臺移動過程中鉆頭并不進(jìn)行鉆孔加工，因此數(shù)控系統(tǒng)可采用點(diǎn)位控制方式。對于點(diǎn) 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(biāo)軸的運(yùn)動有確定的函數(shù)關(guān)系，能夠控制刀具沿任意直線或曲線運(yùn)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(dá)目標(biāo)點(diǎn)。連續(xù)控制系統(tǒng)不僅控制目標(biāo)點(diǎn)，而且控制刀具到達(dá)這些目標(biāo)點(diǎn)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(jī)床可以加工各種外形輪廓復(fù) 河北工程大學(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(diǎn)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(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。例如，數(shù) 控銑床、數(shù)控車床等。 點(diǎn)位 但要求工作臺運(yùn)動的終點(diǎn)坐標(biāo)，還要求工作臺沿坐標(biāo)軸運(yùn)動過程中切削工作，進(jìn)行簡單的車削和銑削作業(yè)。其控制方法與點(diǎn)位系統(tǒng)十分相似，故有時也將這兩種系統(tǒng)統(tǒng)稱為點(diǎn)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(jìn)電機(jī)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(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)床移動部件上的檢測反饋元件，用來檢測實(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)或交流伺服電機(jī)驅(qū)動。但閉環(huán)系統(tǒng)造價高、結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)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(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。 三、執(zhí) 行機(jī)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(shè)計(jì)機(jī)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(dāng)?shù)淖枘岜纫?。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： （ 1） 盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。例如，采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)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。縮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(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如，采用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾動絲杠副等。 四、 計(jì)算機(jī)的選擇 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由 儲擴(kuò)展電路、 I/O 接 口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動電路、檢測電路等組成。 體方案的確定 統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 河北工程大學(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順圓插補(bǔ)、逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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(hù)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床應(yīng)選用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 控系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)床要求采用 8 位微機(jī)。由于 列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)性能價格比高等特點(diǎn)，決定采用 列的 80片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤、顯示器， I/O 接口及光隔離電路，步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 械傳動方式 為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)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(yīng)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(yù)加負(fù)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(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 第三章 機(jī)械改造部分 向進(jìn)給部分 述 機(jī)床的主運(yùn)動提供金屬切削所需要的能量，而進(jìn)給運(yùn)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(shè)計(jì)機(jī)床的運(yùn)動，則主運(yùn)動一般為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，要求驅(qū)動力源的功率大，其控制問題主要是進(jìn)行調(diào)試，要求較低；而進(jìn)給運(yùn)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(yīng)進(jìn)行伺服控制，因此控制上的要求較低。 統(tǒng)脈沖當(dāng)量的確定 一個進(jìn)給脈沖使機(jī)床運(yùn)動部件產(chǎn)生的位移量稱為脈沖當(dāng)量，也稱機(jī)床的最小設(shè)定單位。脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個基本 技術(shù)參數(shù)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量為 根據(jù)任務(wù)書上的定位精度 ? 以在設(shè)計(jì)時選擇脈沖當(dāng)量為 床導(dǎo)軌副的確定 傳統(tǒng)機(jī)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(yùn)動部件的定位精度，因此目前在數(shù)控機(jī)床上已不采用，而代之為鑄鐵 塑料導(dǎo)軌。它們主要包括以下兩種類型。 一 、涂塑導(dǎo)軌 涂塑導(dǎo)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(dǎo)軌面。這種涂料導(dǎo)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(jī)床上。 二、貼塑導(dǎo)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(diǎn)。已成功用在中、小型數(shù)控機(jī)床上。這種軟帶可以在原有滑動導(dǎo)軌面上用粘結(jié)劑粘結(jié)，加壓固化后進(jìn)行精加工，故一般稱之為貼塑導(dǎo)輪。由于其工藝較簡單，對原有滑動導(dǎo)軌不需作大的改動，故在普通機(jī)床 數(shù)控化改裝上應(yīng)用廣泛。 根據(jù)綜合作業(yè)任務(wù)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(dǎo)軌上進(jìn)行貼塑改造，即采用三角形貼塑導(dǎo)軌。 河北工程大學(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 一、主切削力及其切削分力的計(jì)算 (1)主切削力及其切削分力計(jì)算 已知機(jī)床電動機(jī)的額定功率1大工件直徑 D=800軸計(jì)算轉(zhuǎn)速n=85r/此轉(zhuǎn)速下， V=6014.3 s 取機(jī)床的機(jī)械效率η = η 1000/V=2)計(jì)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(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算 (1)計(jì)算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力時，導(dǎo)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(jī)床夾具和工件質(zhì)量） m=434受重力 W=查表 2500N，取導(dǎo)軌動摩擦系數(shù)μ = （ W+gf+vF+=2)計(jì)算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力0（ W+g