論文設(shè)計(jì)普通車床C6132進(jìn)行機(jī)電一體化改造設(shè)計(jì)

1、 摘 要隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，中國(guó)已成為世界加工工廠，產(chǎn)品暢銷世界各國(guó)。但是隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)的整體提升，人們的生活水平進(jìn)一步提高，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量，美觀以及價(jià)格提出了更高的要求。我國(guó)擁有龐大的制造業(yè)，但是制造業(yè)相對(duì)比較落后。機(jī)械設(shè)備落后陳舊，自動(dòng)化程度低嚴(yán)重制約著我國(guó)制造加工業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)水平。我國(guó)目前擁有大量超期服役和技術(shù)陳舊的機(jī)床急待更新的情況下，對(duì)機(jī)床進(jìn)行機(jī)電一體化改造已迫在眉睫。機(jī)電一體化改造是一條節(jié)約資金、快速有效的途徑。 本文對(duì)普通車床C6132進(jìn)行機(jī)電一體化改造。包括對(duì)機(jī)床關(guān)鍵部件參數(shù)的計(jì)算、對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、對(duì)機(jī)床改造方案優(yōu)化選擇、選擇合適的機(jī)床伺服系統(tǒng)、導(dǎo)軌以及刀架的改造。改造后的

2、車床提高了原機(jī)床的使用價(jià)值，降低了成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。關(guān)鍵詞:普通車床，改造，步進(jìn)電機(jī)。 第一章 緒論1.1 數(shù)控機(jī)床的歷史和現(xiàn)狀采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的思想，最早是40年代初提出的。當(dāng)時(shí)，美國(guó)北密執(zhí)安的一個(gè)小型飛機(jī)承包商派爾遜斯公司在制造飛機(jī)框架和直升飛機(jī)的機(jī)翼葉片時(shí)，利用全數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對(duì)葉片輪廓的加工路徑進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，并考慮了刀具半徑對(duì)加工路徑的影響，使得加工精度達(dá)到10.03 81mm，這在當(dāng)時(shí)水平是相當(dāng)高的。1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院成功地研制出一臺(tái)3坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的試驗(yàn)型數(shù)控銑床，這是公認(rèn)的世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，當(dāng)時(shí)的電子元件是電子管。1959年，開(kāi)始采用晶體管元件和印制線路

3、板，出現(xiàn)了帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為加工中心.從1960年開(kāi)始，其他一些工業(yè)國(guó)家，比如德國(guó)、日本等也陸續(xù)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出了數(shù)控機(jī)床。1965年，數(shù)控裝置開(kāi)始采用小規(guī)模集成電路，使數(shù)控裝置的體積減小，功耗降低，可靠性提高.但仍然是硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng)。1967年，英國(guó)首先把幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的柔性制造單元。1970年，在美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，首次展出了用小型計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床。這是第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控機(jī)床。1974年，微處理器直接用于數(shù)控系統(tǒng)，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。80年代初，國(guó)際上出現(xiàn)了以加工中心為主體，再配上工件自動(dòng)裝卸和監(jiān)控檢測(cè)裝置的柔

4、性制造單元。柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的必經(jīng)階段和基礎(chǔ)。我國(guó)從1958年開(kāi)始研究數(shù)控技術(shù)，直到60年代中期處于研制、開(kāi)發(fā)階段。1965年，國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。60年代初到70年代初研制成功X53K-1G數(shù)控銑床、CJK-18數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)。從70年代開(kāi)始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、鉆、銼、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開(kāi)，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。但由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平低，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性問(wèn)題沒(méi)有得到解決，因此未能廣泛推廣。這一時(shí)期，數(shù)控線切割機(jī)床由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，在模具加工中得到了推廣。80年代我

5、國(guó)先后從日本、美國(guó)等國(guó)家引進(jìn)了部分?jǐn)?shù)控裝置和伺服系統(tǒng)技術(shù)，并于1981年在我國(guó)開(kāi)始批量生產(chǎn)。在此期間，我國(guó)在引進(jìn)、消化吸收的基礎(chǔ)上，跟蹤國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)出了一些高檔的數(shù)控系統(tǒng)，如多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、分辨率為0.02um的高精度數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)字仿形系統(tǒng)、為柔性單元配套的數(shù)控系統(tǒng)等。為了適應(yīng)機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)不同層次的需要，我國(guó)開(kāi)發(fā)出了多種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，我國(guó)已經(jīng)建立了中、低檔數(shù)控機(jī)床為主的產(chǎn)業(yè)體系，90年代主要發(fā)展高檔數(shù)控機(jī)床。1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技

6、術(shù)的應(yīng)用，對(duì)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、主軸驅(qū)動(dòng)、機(jī)床及結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標(biāo)。隨著FMS的迅速發(fā)展和CMS的不斷成熟，又將對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性、通訊功能、人工智能和自適應(yīng)控制等技術(shù)提出了更高的要求。隨著微電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日益完善，數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床正在不斷采用最新技術(shù)成就，朝著高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等方向發(fā)展。1.2.1 高速度、高精度化速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，特別是在超高速切削、超精密加工技術(shù)的實(shí)施中，它對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸位移速度和定位精度提出了更高的要求:另外，這兩項(xiàng)技術(shù)指

7、標(biāo)又是互相制約的，也就是說(shuō)要求位移速度越高，定位精度就越難提高?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床配備了高性能的數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)，分辨率可達(dá)到lum,0.lum, 0.0lum。為實(shí)現(xiàn)更高速度、更高精度的指標(biāo)，自前主要在下述幾方面采取措施和進(jìn)行研究。（1）數(shù)控系統(tǒng)。采用位數(shù)、頻率更高的微處理器，以提高系統(tǒng)的基本運(yùn)算速度。目前己由8位CPU過(guò)渡到16位和32位CPU，并向64位CPU發(fā)展，頻率已由原來(lái)的5MHz提高到16MHz, 20MHz和32MHzo同時(shí)也采用了超大規(guī)模的集成電路和多種微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補(bǔ)運(yùn)算的速度和精度。(2) 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。隨著超高速切削、超精密加工等先進(jìn)工藝的

8、提出，使得在旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)加滾珠絲杠的傳統(tǒng)機(jī)械進(jìn)給機(jī)構(gòu)已無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為此采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)的零傳動(dòng)直線伺服進(jìn)給方式，將極大地提高機(jī)床直線進(jìn)給的各項(xiàng)伺服性能指標(biāo)， 特別是高速度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是以往任何伺服機(jī)構(gòu)無(wú)法比較的。(3) 前饋控制技術(shù)。過(guò)去的伺服系統(tǒng)是將位置指令值與所檢測(cè)到的實(shí)際值比較，所得的差乘以位置環(huán)的增益，其積再作為速度指令去控制電動(dòng)機(jī)。由于這種控制方式總是存在著位置跟蹤滯后誤差，即當(dāng)進(jìn)給速度為F時(shí)，其伺服系統(tǒng)的最終滯后位F/G，這使得在加工拐角及圓弧切削時(shí)加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來(lái)的控制系統(tǒng)上加上速度指令的控制方式，這樣將使位置跟蹤滯后誤差大大減小，以改善拐

9、角切削加工精度。(4) 機(jī)床動(dòng)、靜摩擦的非線性補(bǔ)償控制技術(shù)。機(jī)床動(dòng)、靜摩擦的非線性會(huì)導(dǎo)致機(jī)床爬行。除了在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采取措施降低靜摩擦外，新型的數(shù)控伺服系統(tǒng)具有自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)、靜摩擦非線性的控制功能。(5) 伺服系統(tǒng)的速度環(huán)和位置環(huán)均采用軟件控制。由于采用軟件控制具有較高的柔性，適應(yīng)不同類型的機(jī)床對(duì)不同精度及速度的要求，進(jìn)行加、減速性能的調(diào)整，并能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，以滿足高性能控制的要求。(6) 采用高分辨率的位置檢測(cè)裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內(nèi)裝微處理器組成的細(xì)分電路，使得分辨率大大提高。(7補(bǔ)償技術(shù)得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件補(bǔ)償功能對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行多種補(bǔ)

10、償，以提高機(jī)床的位置精度和動(dòng)態(tài)伺服性能，如軸向運(yùn)動(dòng)定點(diǎn)誤差補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償、齒輪間隙補(bǔ)償、熱變形補(bǔ)償和空間誤差補(bǔ)償?shù)取?8) 高速大功率電主軸的應(yīng)用。由于在超高速加工中.對(duì)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速提出了極高的要求，傳統(tǒng)的齒輪變速主傳動(dòng)系統(tǒng)已不能適應(yīng)其要求。為此，采用了所謂內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)主軸，簡(jiǎn)稱電主軸。它是采用主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式，即采用外殼電動(dòng)機(jī)，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機(jī)床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)，即機(jī)床主軸單元的殼體就是電動(dòng)機(jī)座。實(shí)現(xiàn)了變頻電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸一體化，以適應(yīng)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。(9) 超高速切削刀具的應(yīng)用。為適應(yīng)超高速加工要求， 目前陶瓷刀具和

11、金剛石涂層刀具已開(kāi)始得到應(yīng)用。(10) 配置高速、強(qiáng)功能的內(nèi)裝式可編程控制器(ProgrammableL ogicController，簡(jiǎn)稱PLC)。以提高PLC的運(yùn)行速度，滿足數(shù)控機(jī)床高速加工的要求。新型的PLC具有專用的CPU，基本指令執(zhí)行時(shí)間達(dá)0. 2us/步，可編程步數(shù)可擴(kuò)大到16000步以上。利用PLC的高速處理功能，將CNC與PLC之間有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，能夠滿足數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中的各種實(shí)時(shí)控制要求。1.2.2多功能化(1) 數(shù)控機(jī)床采用一機(jī)多能，提高了設(shè)備利用率。配有自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的各類加工中心，能在同一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)實(shí)現(xiàn)銑削、銼削、鉆削、車削、鉸孔、擴(kuò)孔、攻螺紋，甚至磨削等多種工序的加工。

12、工件一經(jīng)裝夾，各種工序和工藝加工過(guò)程集中到同一臺(tái)設(shè)備上完成，從而避免了工件多次裝夾所造成的定位誤差，確保零件的形位公差，減少裝夾輔助時(shí)間，減少設(shè)備臺(tái)數(shù)和占地面積。為了進(jìn)一步提高工效，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用了多主軸、多面體切削，即同時(shí)對(duì)一個(gè)零件的不同部位進(jìn)行不同方式的切削加工，如各類五面體加工中心。(2) 前臺(tái)加工、后臺(tái)編輯的前后臺(tái)功能?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用了多CPU結(jié)構(gòu)和分級(jí)中斷控制方式，可以在一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)進(jìn)行零件加工和程序編制，實(shí)現(xiàn)所謂的前臺(tái)加工后臺(tái)編輯.即操作者可在機(jī)床進(jìn)入自動(dòng)循環(huán)加工的空余期間，同時(shí)利用數(shù)控系統(tǒng)的鍵盤和CRT進(jìn)行零件加工的編制，并利用CRT進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖形模擬顯示及所編程序的加工軌跡

13、，進(jìn)行程序的調(diào)試和修改，以充分提高工作效益和機(jī)床利用率。(3) 具有更高的通信功能。為了適應(yīng)FMC,F MS以及進(jìn)一步聯(lián)網(wǎng)組成CIMS的要求，一般的數(shù)控系統(tǒng)都具有RS-232C和RS-422高速遠(yuǎn)距離串行接口，可以按照用戶級(jí)的格式要求，同上一級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行多種數(shù)據(jù)交換。高檔的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)有的DNC接口，可以實(shí)現(xiàn)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對(duì)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制?，F(xiàn) 代 數(shù) 控機(jī)床，為了適應(yīng)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，滿足工廠自動(dòng)化規(guī)模越來(lái)越大的要求，滿足不同廠家不同類型數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)的需要，采用了MAP工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了MAP3.0 版本，為現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)入FMS和C工MS創(chuàng)造了條件

14、。1.2.3智能化(1) 引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)。自適應(yīng)控制的目的是要求在隨機(jī)變化的加工過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)加工過(guò)程中所測(cè)得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評(píng)價(jià)指標(biāo)自動(dòng)校正自身的工作參數(shù)，己達(dá)到或接近最佳工作狀態(tài)。由于在實(shí)際加工過(guò)程中，大約有30余種變量直接和間接影響加工效果，如工件毛坯余量不勻、材料硬度不一致、刀具磨損、工件變形、機(jī)床熱變形、化學(xué)親和力的大小、切削液的粘度等，難以用最佳參數(shù)進(jìn)行切削。而自適應(yīng)控制系統(tǒng)則能根據(jù)切削條件的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)工作參數(shù)，如伺服進(jìn)給參數(shù)、切削用量等，使加工保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較小的表面粗糙度，同時(shí)也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。(2)

15、故障自診斷、自修復(fù)功能。主要是利用CNC系統(tǒng)的內(nèi)裝程序?qū)崿F(xiàn)在線診斷，即在整個(gè)工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)CNC系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)診斷、檢查。一旦出現(xiàn)故障時(shí)，立即采用停機(jī)等措施，并通過(guò)了CRT進(jìn)行故障報(bào)警、提示發(fā)生故障的部位、原因等。并利用冗余技術(shù)，自動(dòng)使故障模塊脫機(jī)，而接通備用模塊，以確保在無(wú)人化工作環(huán)境的要求。為實(shí)現(xiàn)更高的故障診斷要求，最近又提出了人工智能專家診斷系統(tǒng)，它主要由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和人機(jī)控制器三部分組成。(3) 刀具壽命自動(dòng)檢測(cè)更換。利用紅外、聲發(fā)射、激光等各種檢測(cè)手段，對(duì)刀具和工件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。發(fā)現(xiàn)工件超差、刀具磨損、破損，進(jìn)行及時(shí)報(bào)警、自動(dòng)補(bǔ)償或更換備用刀具，以保證產(chǎn)

16、品質(zhì)量。(4) 進(jìn)行模式識(shí)別技術(shù)。應(yīng)用圖像識(shí)別和聲控技術(shù)，使機(jī)器自己辨認(rèn)圖樣，按照自然語(yǔ)音命令進(jìn)行加工。1.2.4數(shù)控系統(tǒng)小型化數(shù)控系統(tǒng)體積小型化便于將機(jī)、電裝置融合為一體。目前主要采用超大規(guī)模集成元件、多層印制電路板，采用三維安裝方法，使電子元器件得以高密度的安裝，可以較大的縮小了系統(tǒng)的占有空間。此外，用新型的TFT彩色液晶薄膜型顯示器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陰極射線管CRT，即可使數(shù)控操作系統(tǒng)進(jìn)一步小型化。這樣可更方便地將它安裝在機(jī)床設(shè)備上，更便于對(duì)數(shù)控機(jī)床的操作使用。1.2.5數(shù)控編程自動(dòng)化由于微處理機(jī)的應(yīng)用，使數(shù)控編程從脫機(jī)編程發(fā)展到在線編程，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話，給程序編輯、調(diào)試、修改帶來(lái)了極大的方便

17、。并進(jìn)一步采用了前臺(tái)加工后臺(tái)編輯的前后臺(tái)功能，使數(shù)控機(jī)床的利用率得到更大的發(fā)揮。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD被彈入圖形交互式自動(dòng)編程已得到應(yīng)用，它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，自動(dòng)生成NC零件加工程序，實(shí)現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術(shù)的發(fā)展，目前又出現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集成的全自動(dòng)編程方式，它與CAD/CAM系統(tǒng)編程的最大區(qū)別是其編程所需的加工工藝參數(shù)不必有人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫(kù)獲得。另外，還出現(xiàn)了測(cè)量、編程、加工一體化系統(tǒng)。它是通過(guò)激光快速掃描成型系統(tǒng)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等對(duì)樣機(jī)零件進(jìn)行測(cè)量，并把所測(cè)得數(shù)據(jù)直接送入計(jì)算機(jī)內(nèi)，一方面通過(guò)CAD系統(tǒng)而獲得樣機(jī)

18、零件圖樣，另一方面通過(guò)數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)，將其處理生成NC加工程序，然后通過(guò)通信接口送入數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行控制自動(dòng)加工。1.2.6更高的可靠性數(shù)控機(jī)床工作的可靠性是用戶最關(guān)注的主要指標(biāo)，它主要取決于數(shù)控系統(tǒng)和各伺服驅(qū)動(dòng)單元的可靠性，為提高可靠性，目前主要在以下幾個(gè)方面采取措施。(1) 提高系統(tǒng)硬件質(zhì)量.采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模和超大規(guī)模的專用機(jī)混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，精簡(jiǎn)外部連線和降低功耗，對(duì)元器件進(jìn)行嚴(yán)格篩選，采用高質(zhì)量的多層印制電路板，實(shí)行三維高密度安裝工藝，并經(jīng)過(guò)必要的老化、振動(dòng)等有關(guān)考機(jī)試驗(yàn)。(2) 模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。通過(guò)硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種控制功能的要求

19、，同時(shí)采用硬件結(jié)構(gòu)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，既提高了硬件生產(chǎn)批量，又便于組織生產(chǎn)和質(zhì)量把關(guān)。(3) 增強(qiáng)故障自診斷、自恢復(fù)和保護(hù)功能。通過(guò)自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)診斷、在線診斷、離線診斷等多種自診斷程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進(jìn)行故障診斷和報(bào)警。利用報(bào)警提示，及時(shí)排除故障;利用容錯(cuò)技術(shù)，對(duì)重要部件采取冗余設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)故障自恢復(fù);利用各種測(cè)試、監(jiān)控技術(shù)，當(dāng)產(chǎn)生超程、刀損、干擾、斷電等各種意外事件時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。1.3機(jī)床數(shù)控化改造的必要性從微觀上看數(shù)控機(jī)床相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性。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)的特性。(1) 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床無(wú)法加工的曲線、曲面等復(fù)雜的零

20、件。由于計(jì)算機(jī)可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)量，就可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線和曲面。(2) 可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，且是柔性自動(dòng)化，效率比傳統(tǒng)機(jī)床提高3-7倍。計(jì)算機(jī)可以將輸入的程序記憶和存儲(chǔ)，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。傳統(tǒng)機(jī)床可以靠凸輪或擋塊等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，稱之為剛性自動(dòng)化。但凸輪制造及調(diào)整比較費(fèi)時(shí)，只有進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)才經(jīng)濟(jì)合理。而數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批量生產(chǎn)得以自動(dòng)化，稱之為“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”。加工過(guò)程自動(dòng)化，不受人的情緒高低和疲勞因素的影響。計(jì)算機(jī)還可以自動(dòng)進(jìn)

21、行刀具壽命管理，不會(huì)因?yàn)榈毒吣p而影響工件精度和一致性。此外數(shù)控系統(tǒng)中增加了機(jī)床誤差、加工誤差修正補(bǔ)償?shù)墓δ?，使加工精度得到進(jìn)一步提高。(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)是自動(dòng)化帶來(lái)的效果(可以自動(dòng)更換刀具)。如加工中心在工件裝夾后，可實(shí)現(xiàn)鉆、銑、鏗、攻絲、擴(kuò)孔等多工序的加工?，F(xiàn)在己出現(xiàn)其他工序集中的機(jī)床、如車削中心、車銑中心、磨削中心等。(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)人加工。在配備多種傳感器條件下，工人只工作8小時(shí)，而機(jī)床可工作24小時(shí)，勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)周期的縮短等效益是非常明顯的。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC(柔性制造

22、單元)、FMS(柔性制造系統(tǒng))以及CIMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。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年代初己開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)(包括軍、民機(jī)械工業(yè))的技術(shù)改造，除采用數(shù)控機(jī)床外、還包括推行CAD, CAE,CAM及MIS(管理信息系統(tǒng))、CMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))。以及在其產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對(duì)國(guó)外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造(稱之為信息化)，最終使得產(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)，而我國(guó)在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家落后約20年，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)

23、口。這也就從宏觀上說(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性和迫切性。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床在引進(jìn)、消化國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的開(kāi)發(fā)工作，到1995年底，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的可供品種己超過(guò)300種，其中數(shù)控車床占40%以上。但是大型臥式銼銑床由于其精度高，加工零件曲線的不規(guī)則，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床結(jié)構(gòu)等方面要求都高，目前國(guó)內(nèi)的大部分均采用昂貴的進(jìn)口設(shè)備。1.3 本文所研究的主要內(nèi)容 1）根據(jù)數(shù)控化改造后車床所具備的功能，制訂了車床總體改造方案，并繪制了改造后車床總體布置圖； 2）為使改造后的車床主軸能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)變速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及停止等功能，本次改造采用了變頻器驅(qū)動(dòng)主電機(jī)的方式，本文對(duì)主軸變頻器

24、的選用做了相應(yīng)的說(shuō)明；3）為使改造后的車床能夠加工螺紋，改造時(shí)，拆除原來(lái)的掛輪架部分，在機(jī)床軸伸出端安裝主軸脈沖編碼器，本文對(duì)脈沖編碼器的安裝方法作了簡(jiǎn)要論述； 4）在電氣改造方面，設(shè)計(jì)了車床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路圖，橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型也作了詳細(xì)闡述； 5）在機(jī)械改造方面，對(duì)縱橫向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)，特別是滾珠絲杠螺母副作了詳細(xì)設(shè)計(jì)研究，并對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架的安裝和選用作了介紹； 6）在軟件設(shè)計(jì)方面，對(duì)MCS-51單片機(jī)做了簡(jiǎn)要的介紹，并在8031單片機(jī)的基礎(chǔ)上編制了相應(yīng)的程序。第二章 機(jī)床改造的任務(wù)及總體思想2.1機(jī)床改造的總體任務(wù)將一臺(tái)C61432普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標(biāo)如下：（

25、1）床身上最大加工直徑320mm；（2）最大加工長(zhǎng)度1000mm；（3）X方向（橫行）的脈沖當(dāng)量0.005/脈沖,Z方向（縱向）的脈沖當(dāng)量0.01/脈沖；（4）X方向最快移動(dòng)速度vmax3000mmmin，Z方向?yàn)関max6000mmmin；（5）X方向最快工進(jìn)速度vmax400mmmin，Z方向?yàn)関max800mmmin；（6）X方向定位精度±0.01mm，Z方向定位精度±0.02mm；（7）可以車削柱面，平面，錐面與球面等；（8）安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導(dǎo)程為24mm；（9）主動(dòng)控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級(jí)變速與無(wú)極變速信號(hào)

26、；（10）安裝四工位立式電動(dòng)刀架，系統(tǒng)自動(dòng)控制選刀；（11）自動(dòng)控制冷卻泵的起與停；（12）安裝電動(dòng)卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開(kāi)；（13）縱，橫安裝限位開(kāi)關(guān)；（14）數(shù)控系統(tǒng)可與PC機(jī)串行通信；（15）顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用ISO數(shù)控代碼。 2.1機(jī)床改造的總體任務(wù)總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行方式，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型，數(shù)控系CPU的選擇，以及進(jìn)給傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。 （1）普通數(shù)控車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)，圓弧 插 補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。（2）普通數(shù)控車床數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提

27、下，應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。（3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸，最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機(jī)具有功能多，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性/價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，鍵盤與顯示電路，IO接口電路，DA轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)以及主軸電動(dòng)機(jī)的交流變頻器。（5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱，橫向進(jìn)給傳動(dòng)應(yīng)選擇摩擦力小，傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動(dòng)間隙提高傳動(dòng)剛度，滾珠絲杠螺母應(yīng)有

28、預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。（6）計(jì)算選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速齒輪副，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。（7）選擇四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架與電動(dòng)卡盤，選擇螺紋編碼器等。 2.3運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案確定2.3.1伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)分為開(kāi)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(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置的控制指令直接通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，然后通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成刀架或工作臺(tái)的位移。這種控制系統(tǒng)由于沒(méi)有檢測(cè)反饋校正，位移精度一般不高，但其控制方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱全閉環(huán)控制系統(tǒng)，其檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床刀架或工作臺(tái)等執(zhí)行部件上，用以直接檢測(cè)這些執(zhí)行部件的實(shí)際運(yùn)行位置（直線位移

29、），并將其與CNC裝置的指令位置（或位移）相比較，用差值進(jìn)行控制。但是，由于很多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)包含在閉環(huán)控制的環(huán)路中，各部件的摩擦性，剛性等都是非線性量，直接影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，因此，閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)速都有很大難度。所以，閉環(huán)控制系統(tǒng)主要用于精度要求高的場(chǎng)合。半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測(cè)元件裝在電機(jī)或者絲杠的端頭，通過(guò)測(cè)量伺服電機(jī)的角位移間接計(jì)算出機(jī)床工作臺(tái)等執(zhí)行部件的實(shí)際位置（或位移），然后進(jìn)行反饋控制。由于將絲杠螺母副及機(jī)床工作臺(tái)等大慣量環(huán)節(jié)排除在閉環(huán)控制系統(tǒng)之外，不能補(bǔ)償他們的運(yùn)動(dòng)誤差，精度受到影響，但系統(tǒng)穩(wěn)定性有所提高，調(diào)試比較方便、價(jià)格也較全閉環(huán)系統(tǒng)便宜。本次改造由于使用步進(jìn)電機(jī)，所以可

30、以選擇開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。2.4.主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案2.4.1 主軸無(wú)級(jí)變速的實(shí)現(xiàn) C6132車床的主軸變速為手動(dòng)、有級(jí)變速?？紤]到數(shù)控車床在自動(dòng)加工的過(guò)程中負(fù)載切削力隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化，為了保證工件表面加工質(zhì)量的一致性、提高工件加工質(zhì)量，主軸要能實(shí)現(xiàn)恒切削速度切削。這就要求主軸能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。目前實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速主要有兩種方式，其一是采用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式，同時(shí)保留原有的主傳動(dòng)系統(tǒng)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣既保留了車床的原有功能，又減少了改造量；其二是用雙速或者是四速電動(dòng)機(jī)替代原有車床的主電動(dòng)機(jī)。由于多速電機(jī)的功率是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，所以要選擇功率較大一些的電動(dòng)機(jī)，隨之電動(dòng)機(jī)的尺寸也變大了，機(jī)床改造相

31、對(duì)較麻煩，另外在這種改造方式下，主傳動(dòng)系統(tǒng)也要拆除并進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，這樣可以得到加工精度和穩(wěn)定性更高的車床，但是加大了改造成本。 考慮到改造的成本，我決定采用第一種方式，這樣可以利用原車床的三相異步電動(dòng)機(jī)。即由數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器，變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)主軸無(wú)級(jí)變速。 交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率，電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)nfp以及轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系式為：對(duì)于C6132，電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)差率是定值，因此利用變頻器改變電源頻率fn即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外，變頻器能方便地與數(shù)控系統(tǒng)連接，控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止。 變頻器的控制方式主要有Uf恒定控制方式、無(wú)反饋矢量控制方式和有反饋矢量控制方式。數(shù)控車床

32、除了在車削毛坯時(shí)，負(fù)荷大小有較大變化外，以后的車削過(guò)程中，負(fù)荷的變化通常是很小的。因此，就切削精度而言，選擇Uf恒定控制方式是能夠滿足要求的。但在低速切削時(shí)，需要預(yù)置較大的Uf，在負(fù)載較輕的情況下，電動(dòng)機(jī)的磁路常處于飽和狀態(tài)，勵(lì)磁電流較大。因此，從節(jié)能的角度看，并不理想。數(shù)控車床屬于高精度、快響應(yīng)的恒功率負(fù)載加工設(shè)備，應(yīng)盡可能選用矢量控制高性能型通用變頻器，而且中、小容量變頻器以電壓型變頻器為主。有反饋矢量控制方式雖然是運(yùn)行性能最為完善的一種控制方式，但由于需要增加編碼器等轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，不但增加了費(fèi)用，而且編碼器的安裝也比較麻煩。所以，除非對(duì)加工精度有特殊要求，一般沒(méi)有必要選擇此種控制方式。

33、目前，無(wú)反饋矢量控制方式的變頻器已經(jīng)能夠做到在05Hz時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。所以，完全可以滿足主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的要求。而且無(wú)反饋矢量控制方式能夠克服Uf控制方式的缺點(diǎn)，因此可以說(shuō)，是一種最佳選擇。 數(shù)控車床連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻器容量(kVA)計(jì)算式如下：式中 PM負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率； 電動(dòng)機(jī)的效率(通常約O85)； cos電動(dòng)機(jī)的功率因素(通常約O75) MU電動(dòng)機(jī)的電壓，380V； MI電動(dòng)機(jī)工頻電源時(shí)的電流，為154A； k電流波形的修正系數(shù)(PWM方式時(shí)取105-110)； PCN變頻器的額定容量，kVA； ICN變頻器的額定電流，A；由以上公式可得： 選擇變頻器時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足以上三個(gè)等式的關(guān)

34、系。綜合以上分析計(jì)算，確定選用三菱FR-A540系列變頻器，具體型號(hào)為FR-A540-75K-CH。 (1) 用低摩擦高精度的傳動(dòng)元件：如滾珠絲杠螺母副，滾動(dòng)導(dǎo)軌。(2) 采用消隙齒輪減小傳動(dòng)間隙。2.5.螺紋編碼器的安裝方案為了使改造后的數(shù)控車床能自動(dòng)加工螺紋，須配置主軸脈沖編碼器作為車床主軸位置信號(hào)的反饋元件，其目的是用來(lái)檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)角的位置，通過(guò)主軸脈沖編碼器數(shù)控系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架縱向移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程的車螺紋運(yùn)動(dòng)。 主軸脈沖編碼器的安裝，通常采用兩種方式：一種是同軸安裝，另外一種是異軸安裝。同軸安裝的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是安裝后不能加工穿入車床主軸孔的零件，限制了工件的

35、加工長(zhǎng)度，而異軸安裝不會(huì)遇到這種問(wèn)題，因此，異軸安裝較合適。主軸通過(guò)主軸箱中軸和軸的5858及軸和軸的3333兩級(jí)齒輪(實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比1：1)把動(dòng)力傳遞給掛輪軸X，如圖2-3、2-4所示，主軸脈沖編碼器1通過(guò)支架2固定，并通過(guò)聯(lián)軸器3與悶頭4相連，悶頭4通過(guò)過(guò)盈配合與主軸箱內(nèi)X軸連接。C6132主軸轉(zhuǎn)速范圍是202000 r/min，可以選擇歐姆龍E6B2-CWZ6C型光電脈沖編碼器，其允許的最高轉(zhuǎn)速為6000r/ min，所以滿足設(shè)計(jì)要求。2.6 橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 2.6.1橫向傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 將車床溜板箱拆除，在原處安裝滾珠絲杠螺母座，絲杠螺母固定在其上。將橫溜板中的普通絲杠、螺母拆除，

36、在該處安裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副， 伺服電機(jī)與絲杠間采用一級(jí)減速器聯(lián)接, 以縮小傳動(dòng)鏈, 提高系統(tǒng)剛度, 并減少傳動(dòng)鏈誤差。橫向伺服電動(dòng)機(jī)與齒輪減速器總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠通過(guò)膜片聯(lián)軸器相連。膜片聯(lián)軸器的特點(diǎn)是易平衡，不需潤(rùn)滑。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有一定的補(bǔ)償性能和緩沖性能。因其尺寸較大，故可將其放在減速箱內(nèi)。2.6.2 齒輪傳動(dòng)間隙的消除 齒輪傳動(dòng)初定傳動(dòng)比為2，可取Z1=24 則Z2=48,齒寬B=16.在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，為了提高傳動(dòng)精度，必須消除齒輪副的間隙。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)由于經(jīng)常處于變向狀態(tài),反向時(shí)如果驅(qū)動(dòng)鏈中的齒輪等傳動(dòng)副存在間隔,就會(huì)使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的反向滯后于指令信號(hào),從而影響其驅(qū)動(dòng)

37、精度,因此24/48這一對(duì)齒輪還必須采取措施消除齒輪傳動(dòng)中的間隙,以提高數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)精度。齒輪間隙的調(diào)整采用圓柱薄片齒輪可調(diào)拉簧錯(cuò)齒法來(lái)實(shí)現(xiàn)2.7.進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找的同步軸，安裝螺紋編碼器。（2）拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與同步帶減速箱總成。（3）拆除溜板箱總成與快刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座和螺母座墊架。（4）拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四位工位立式電動(dòng)機(jī)刀架。（5）拆除橫溜板下的滑動(dòng)絲杠螺母副，將滑動(dòng)絲杠靠刻度盤一段（見(jiàn)圖一）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個(gè)推力軸

38、承，換上滾珠絲杠副。（6）將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)法蘭座安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相連。（7）拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支承。 改造后的橫向、縱向進(jìn)給傳給系統(tǒng)見(jiàn)圖一、圖二。2.8數(shù)控系統(tǒng)軟硬件總體設(shè)計(jì)為了使數(shù)控系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期、可靠、方便地在工業(yè)環(huán)鏡中運(yùn)行，在制定數(shù)控系統(tǒng)總體方案時(shí)必須重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面。(1) 加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。影響數(shù)控系統(tǒng)可靠性的因素很多，硬件規(guī)模和硬件的制造工藝水平往往是影響可靠性的關(guān)鍵因素。因此，應(yīng)選用高性能的CPU作為系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，并盡量用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的功能。在系統(tǒng)的具體硬件構(gòu)成上，選用可靠性高的工控PC作為數(shù)控系統(tǒng)硬件

39、平臺(tái)，減少自制硬件數(shù)量。此外，在軟件設(shè)計(jì)、電源選用、接插件設(shè)計(jì)與選用、接地與屏蔽設(shè)計(jì)等方面采用強(qiáng)抗干擾、高可靠性的設(shè)計(jì)，從而全面提高系統(tǒng)的可靠性。(2) 提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度。數(shù)控系統(tǒng)的控制精度是保證機(jī)床加工精度的關(guān)鍵。因此，它在數(shù)控系統(tǒng)中處于重要位置。如提高數(shù)控系統(tǒng)的最小分辨率，使用高精度的步進(jìn)電機(jī)，采用高速高精度插補(bǔ)算法，提高軌跡生成精度;增強(qiáng)位置環(huán)控制能力;增加補(bǔ)償功能等。(3) 提高使用方便性。提高數(shù)控編程的方便性，是提高數(shù)控系統(tǒng)使用方便性的關(guān)鍵。因此，數(shù)控系統(tǒng)除提供全屏幕編輯進(jìn)行手工編程外，還應(yīng)該配置自動(dòng)編程系統(tǒng)，從而大大提高數(shù)控編程的速度和智能化程度，大大方便普通用戶的使用。另外

40、，因?yàn)楝F(xiàn)代工人都比較熟悉個(gè)人計(jì)算機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)在操作方面應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)鍵盤或與其兼容的薄膜鍵盤等輸入設(shè)備，也可用軟盤、移動(dòng)磁盤、串行通訊、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等輸入零件程序。此外，數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置仿真功能，便于用戶在加工前檢查零件程序的正確性。2.9數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由工控PC硬件平臺(tái)、數(shù)控操作面板(包括LCD顯示器，鍵盤)、數(shù)控接口板卡(工/0板，D/A板)和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。PC硬件平臺(tái)包括工控電源、無(wú)源母板、工控PC主板和軟盤驅(qū)動(dòng)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器等。數(shù)控操作面板上有液晶顯示器和薄膜鍵盤等。數(shù)控接口板卡是計(jì)算機(jī)與外部執(zhí)行裝置間進(jìn)行信息交換和轉(zhuǎn)換的通道，對(duì)內(nèi)通過(guò)無(wú)源母板與工控PC主板相連，對(duì)外通過(guò)屏蔽

41、電纜與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置相連接。該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)包括四個(gè)子系統(tǒng):進(jìn)給軸控制與驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng);主軸控制與驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng);開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)。主軸控制與驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的功能包括兩方面:主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)速控制，以滿足寬范圍切削速度的要求;主軸轉(zhuǎn)角的精確控制，以滿足加工螺紋時(shí)的主軸與進(jìn)給軸的聯(lián)動(dòng)控制和換刀時(shí)的主軸精確定位控制要求。開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)完成機(jī)床的邏輯順序運(yùn)動(dòng)控制，如主軸起停控制、刀具交換、工件裝夾、冷卻開(kāi)關(guān)、行程保護(hù)等任務(wù)。開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)與其它模塊相配合，共同完成機(jī)床工作過(guò)程的控制。2.10數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各任務(wù)在數(shù)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制下協(xié)調(diào)進(jìn)行。(1) 數(shù)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是數(shù)

42、控系統(tǒng)軟件中的核心子系統(tǒng)，它對(duì)系統(tǒng)中的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)各任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，協(xié)調(diào)各模塊的高效運(yùn)行，并輔助完成各任務(wù)間的通訊和信息交換。(2) 信息預(yù)處理。該模塊完成輸入信息譯碼，完成軌跡插補(bǔ)前的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和刀補(bǔ)運(yùn)算。(3) 軌跡插補(bǔ)。它是數(shù)控系統(tǒng)的核心模塊，其任務(wù)是根據(jù)信息預(yù)處理給出的希望軌跡和從檢測(cè)裝置獲得的實(shí)際軌跡信息，實(shí)時(shí)生成機(jī)床各坐標(biāo)軸的移動(dòng)指令，并完成機(jī)床運(yùn)動(dòng)的加減速控制。(4) 運(yùn)動(dòng)控制。該模塊是數(shù)控系統(tǒng)的另一核心模塊，它根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)果，通過(guò)高速算法對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸進(jìn)行高精度位置控制，并完成主軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的控制任務(wù)。(5) 加工仿真模塊。該模塊以動(dòng)畫方式對(duì)數(shù)控加工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，

43、從而在加工前檢驗(yàn)參數(shù)輸入正確性和機(jī)床運(yùn)動(dòng)合理性第三章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算縱、橫向進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型主要包括：確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力、選擇滾珠絲桿螺母副、設(shè)計(jì)減速箱、選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 3.1.脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，X方向（橫向）的脈沖當(dāng)量為x=0.005脈沖，Z方向（縱向）為z=0.005脈沖。3.2.切削力的計(jì)算 縱向切削力的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。設(shè)工件材料為碳素機(jī)構(gòu)鋼，b=650MPa;刀具材料為硬質(zhì)合金YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角，前角0=100，刃傾角s=50；切削用量為： =3mm背吃刀量，進(jìn)給量f=0.6mmr，切削速度 =105mmin。查表10-1，得： =27

44、95， =1.0， =0.75， =0.15。查表10-3，得：主偏角Kr的修正系數(shù) =0.94；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0。由經(jīng)驗(yàn)公式（10-2），算得主切削力 =2673.4N。由經(jīng)驗(yàn)公 ：Ff ： =1：0.35：0.4，算得縱向進(jìn)給切削力Ff=935.69N，背向力 =1069.36N。3.3.滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型（縱向）（1）工作載荷F的計(jì)算 已知移動(dòng)部件總重量G=1300N；車削力 =2673.4N， =1069.36N，F(xiàn)f=935.69N。如圖10-20所示，根據(jù) = ， = ， =Ff的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可得：=2673.4 ， =1069.36N， =9

45、35.69N。選用矩形三角形組合滑動(dòng)導(dǎo)軌，查表10-29，得K=1.15，=0.16代人Fm=KFX （G），得工件載荷F1712N。（2）最大動(dòng)載荷FQ的計(jì)算 設(shè)本車床Z向在承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度v=0.8mmin，初選絲桿基本導(dǎo)軌Ph=6mm，則此時(shí)絲桿轉(zhuǎn)速n=1000vPh 133rmin。取滾珠絲桿的使用壽命T=15000h，代入L0=60nT106，得絲杠壽命L0=119.7。查表10-30，取載荷系數(shù)fm=1.15、硬質(zhì)系數(shù)=1，代入式（10-23），求得最大動(dòng)載荷。（3）初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算的最大動(dòng)載荷，查表10-34，選擇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL4006型滾

46、珠絲桿副。其公稱直徑為32mm，基本導(dǎo)程為6mm，雙螺母滾珠總?cè)?shù)為3×2=6圈，精度等級(jí)取4級(jí)，額定動(dòng)載荷為13200N，滿足要求。（4）傳動(dòng)效率的計(jì)算 將公稱直徑d0=40mm，基本導(dǎo)程Ph=6mm，代入= Ph(d0)，得絲桿螺旋升角=2044，將摩擦角=10，代入=tantan(+)，得傳動(dòng)效率=94.2。（5）剛度的計(jì)算 Z向滾珠絲桿副的支承，采用一端軸向固定，一端簡(jiǎn)支的方式，見(jiàn)圖二。固定端采用一對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距離約為a=1497mm；鋼的彈性模量E=2.1×105MPa；查表10-34，得滾珠直徑=3.968

47、8mm，算得絲杠底徑d2=公稱直徑d0滾珠直徑則絲杠截面積S=d224=1019.64mm2。忽略式（10-25）中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉壓變形量1=(ES) 0.01197mm。根據(jù)公式Z=（d0）3，求的單圈滾珠數(shù)目Z=29；該型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)?shù)為3×2=6，則滾珠總數(shù)量Z=29×6=174。滾珠絲桿預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力FYJ=Fm3571N；則由式（10-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2=0.00117mm。因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可減小一半，取2=0.000585mm。將以上計(jì)算的1和2代入

48、總，求得絲杠總變形量總=0.012555mm=12.555m。由表10-27知，四級(jí)精度滾珠絲杠任意300mm軸向行程內(nèi)行程的變動(dòng)量允許16m，而對(duì)于跨度為1497mm的滾珠絲杠，總的變形量總只有12.555m，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（10-28）計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷，查表10-31，取支承系數(shù)=2；由絲杠底徑d2=36.0312mm，求得截面慣性矩I=d2482734.15mm4；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥底式安裝）；滾動(dòng)螺母至軸向固定處得距離取最大值1497mm。代入式（10-28），得臨界載荷FK51012N，遠(yuǎn)大于工作載荷Fm(1712N)，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)

49、。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。3.4.同步帶減速箱的設(shè)計(jì)（縱向）為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量盡可能的減小，傳動(dòng)鏈中常采用減速傳動(dòng)，本例中Z向減速箱選用同步帶傳動(dòng)。設(shè)計(jì)同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳動(dòng)的功率P；主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n1和傳動(dòng)比i;傳動(dòng)系統(tǒng)的位置和工作條件等。根據(jù)改造經(jīng)驗(yàn)，C6132車床Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩通常在1525N. m之間選擇。今初步選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為130BY5501，五相混合式，最大轉(zhuǎn)矩為20N.m，十拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步進(jìn)角為0.720。運(yùn)行矩特性曲線如下圖。（1）傳動(dòng)比的確定 已知電動(dòng)機(jī)的步距角=0.720，脈沖當(dāng)量z=0.01

50、mm脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程Ph=6mm。根據(jù)公式（10-12）算得傳動(dòng)比=1.2。（2）主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速n1 由Z向拖板的最快移動(dòng)速度vzmax6000mmmin，可以算出主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速n1=(z) ×360=1200rmin。（3）確定帶的設(shè)計(jì)功率Pd 預(yù)選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1200/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的步進(jìn)脈沖頻率為：=1200×360(60×)=1200×360(60×0.72)=10000Hz。從表9-2差得，當(dāng)脈沖頻率為10000Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為3.8N.m，對(duì)應(yīng)的輸出功率為POUT=n×T9.55=1200×

51、3.89.55477.5W。同步帶傳遞的負(fù)載功率應(yīng)該小于477.5，今取P=0.32KW，從表10-18中取工作情況系數(shù)FA=1.2，則由式（10-14），求得帶的設(shè)計(jì)功率Pd=KAP=1.2×0.32KW=0.384KW。（4）選擇帶型和節(jié)距 根據(jù)帶的設(shè)計(jì)功率Pd=0.384KW和主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速n1=1200rmin。，從圖10-14中選擇同步帶，型號(hào)為XL型，節(jié)。距 =5.08mm。（5）確定小帶輪齒數(shù)z1和小帶輪節(jié)圓直徑d1 取z1=25，則小帶輪節(jié)圓直徑d1= Pdz1=40.43mm。當(dāng)n1達(dá)到最高轉(zhuǎn)速1200/min時(shí)，同步帶的速度為v=d1n160×1000=

52、2.54ms，沒(méi)有超過(guò)XL型帶的極限速度40m/s。（6）確定大帶輪齒數(shù)z2和大帶輪節(jié)圓直徑d2 大帶輪齒數(shù)z2=iz1=30，節(jié)圓直徑d2=id1=48.51mm。（7）初選中心距a0、帶的節(jié)線長(zhǎng)度L0p、帶的齒數(shù) 初選中心距a=1.3(d1d2)=115.662mm，圓整后取a0=120mm。則帶的節(jié)線長(zhǎng)度為k。根據(jù)表10-13，選取接近標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)度F，相應(yīng)齒數(shù)F。（8）計(jì)算實(shí)際中心距a 實(shí)際中心距。 （9）校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) ，嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。（10）計(jì)算基準(zhǔn)額定功率P0（所選型號(hào)同步帶在基準(zhǔn)寬度下所允許傳遞的額定功率） 式中：Ta帶寬為的bs0許用工作拉力，由表10-2

53、1查得Ta =50.17N； m帶寬為bs0的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，由表10-21查得m=0.022kgm； v 同步帶的帶速，由上述（5）可知v=2.54ms。算得P0=0.127KW。（11）確定實(shí)際所需同步帶寬度 式中：bs0 選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度，由表10-21查得bs0=9.5mm； KZ 小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，由表10-22查得KZ=1。由上式算得bs25.07mm，再根據(jù)表10-11選定最接近的帶寬bs25.4mm。（12）帶的工作能力驗(yàn)算 根據(jù)式（10-22），計(jì)算同步帶額定功率P的精確值： 式中，Kw為齒寬系數(shù)：；經(jīng)計(jì)算得P=0.390KW，而Pd=0.384KW，滿足PPd。因此，帶

54、的工作能力合格。3.5.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型（縱向）（1）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已知：滾珠絲杠的公稱直徑，總長(zhǎng)（帶接桿），導(dǎo)程，材料密度；縱向移動(dòng)部件總重量G=1300N；同步帶減速箱大帶輪寬度28mm，節(jié)徑48.51mm,孔徑30mm，輪轂外徑42mm，寬度14mm；小帶輪寬度28mm，節(jié)徑40.43mm，孔徑19mm，輪轂外徑29mm，寬度12mm；傳動(dòng)比i=1.2。參照表11-1，可以算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；小帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；大帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；在設(shè)計(jì)減速箱時(shí)，初選的Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為130BYG5501，從表11-5

55、查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：（2）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩分快速空載荷啟動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算?？焖倏蛰d啟動(dòng)時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式（11-8）可知，包括三部分：快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩，滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高。根據(jù)（11-12）式可知，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： 根據(jù)式（11-9），考慮Z向傳動(dòng)鏈的總效率，計(jì)算快空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：式中： 對(duì)應(yīng)Z向空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)

56、電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位s。其中： 式中： Z向空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為6000mm/min； Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，為0.720。 Z向脈沖當(dāng)量，本例=0.01mm脈沖。將以上各值代入式（9-3），算得=1200rmin。設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間Ta=0.4s，Z向傳動(dòng)鏈總效率=0.7。則由式（9-2）求得： 由式（11-10）可知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： 式中：導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.16； 垂直方向的工作負(fù)載，空載時(shí)取0； Z向傳動(dòng)鏈總效率，取0.7。則由式（9-4），得： 最后由式（9-1），求得快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式(11-1