臥式車床數控化改造設計

臥式車床數控化改造設計,臥式,車床,數控,改造,設計 目錄 摘要…………………………………………………………………………………….1 前言……………………………………………………………………………………2 第一章 概論…………………………………………………………………………..3 一、 系統(tǒng)發(fā)展史……………………………………………………………………3 二、 國內數控機床的狀況分析……………………………………………………3 三、 數控系統(tǒng)能發(fā)展趨勢…………………………………………………………4 四、 數控機床的改造的必要性……………………………………………………5 五、 數控化改造的空間……………………………………………………………6 六、 數控機床改造的效益分析……………………………………………………7 第二章 普通機床的數控化改造和可行性論證……………………………………..9 第一節(jié) 車床的數控化改造………………………………………………………9 一、設計的內容及任務…………………………………………………………….9 第二節(jié) 可行性論證………………………………………………………………….10 第三章 總體方案的擬訂和論證……………………………………………………..11 第一節(jié) 總體設計方案的擬訂……………………………………………………..11 1．主傳動系統(tǒng)的設計改造………………………………………………………..11 2．數控系統(tǒng)的選擇………………………………………………………………..11 3．自動轉位刀架選擇設計………………………………………………………..12 4．驅動系統(tǒng)的設計改造……………………………………………………………..12 第二節(jié) 可行性分析………………………………………………………………..15 第三節(jié) 總體方案的確定 …………………………………………………………16 第四章 主傳動部分改造與設計……………………………………………………17 一、主傳動部分方案擬訂和設計的內容………………………………………….18 二、主軸部分改造設計計算……………………………………………………….19 第五章 伺服進給結構設計………………………………………………………….20 第一節(jié)伺服系統(tǒng)的組成原理和要求……………………………………………….27 一、 伺服系統(tǒng)的組成原理………………………………………………………….27 二、 伺服系統(tǒng)的要求……………………………………………………………….27 第二節(jié) 伺服進給系統(tǒng)的設計內容和設計計算…………………………………...29 一、 縱向進給系統(tǒng)的設計…………………………………………………….……29 二、 橫向進給系統(tǒng)餓設計計算……………………………………………….……40 第三節(jié) 步進電機的選擇……………………………………………………….….47 一、 CA6140縱向進給系統(tǒng)步進電機確定………………………………………….47 二、 CA6140橫向進給系統(tǒng)步進電機確定……………………………………….…48 第四節(jié) 伺服系統(tǒng)說明………………………………………………………….….48 一、 機床進給系統(tǒng)的結構及工作原理……………………………………….……48 二、 步進電機………………………………………………………………………50 三、 步進電機的驅動電源…………………………………………………………50 四、 滾珠絲杠………………………………………………………………………51 五、 機床導軌………………………………………………………………………52 第六章 自動轉位刀架………………………………………………………..…….53 一、數控車床刀架的基本要求……………………………………………..…….53 二、車床刀架結構…………………………………………………………..…….53 三、 工作原理………………………………………………………………..…….54 四、 刀架的安裝…………………………………………………………………….55 第七章 編碼盤安裝部分的結構設計……………………………………………….56 一、 光電編碼器工作原理………………………………………………………….56 二、 步進電機頻率對編碼盤的限制…………………………………….................57 三、 編碼盤的安裝………………………………………………………………….57 第八章 經濟型數控系統(tǒng)中常用軟件模塊設計…………………………………….59 第一節(jié) 插補原理及其程序設計…………………………………………………...59 一、 插補方法概述………………………………………………………………….59 二、 逐點插補原理及其程序設計………………………………………………….60 三、 插補控制軟件………………………………………………………………….69 第二節(jié) 接口電路設計………………………………………………………………78 一、 單片機和主機（PC機）的連接………………………………………………78 二、 8031單片機接口的擴展……………………………………………………….80 三、 鍵盤/顯示器接口芯片（8279）……………………………………………….82 四、 中斷優(yōu)先電路…………………………………………………………………..85 五、 光電隔離電路…………………………………………………………………..86 第三節(jié) 伺服電路……………………………………………………………………87 一、 系統(tǒng)的組成……………………………………………………………..............87 二、 接口電路………………………………………………………………………..89 三、 位置和速度接口……………………………………………………………….89 四、 步進電機控制程序設計……………………………………………………….89 五、 單片機控制的自動換刀程序設計…………………………………………….96 六、 參考文獻……………………………………………………………………….97 前 言 大學四年的學習生活即將結束，大學學習生活中的最后一個環(huán)節(jié)也是最重要一個環(huán)節(jié)———畢業(yè)設計，是對所學知識和技能的綜合運用和檢驗。 本人的畢業(yè)設計課題是對普通車床（CA6140）進行經濟型數控改造，其內容包括：總體方案的確定和驗證、機械改造部分的設計計算（伺服進給機構設計、自動轉位刀架的選擇或設計、編碼盤安裝部分的結構設計）、主運動自動變速原理等。對普通車床進行經濟型數控改造符合我國國情，即適合我國目前的經濟水平、教育水平和生產水平，又是國內許多企業(yè)提高生產設備自動化水平和精密程度的主要途徑，在我國有著廣闊的市場。從另一個角度來說，該設計既有機床結構方面內容，又有機加工方面內容，還有數控技術方面的內容，有利于將大學所學的知識進行綜合運用。雖然設計者未曾系統(tǒng)的學習過機床設計的課程，但通過該設計拓寬了知識面，增強了實踐能力，對普通機床和數控機床都有了進一步的了解。 畢業(yè)設計作為我們在大學校園里的最后一堂課、最后一項測試，它既是一次鍛煉，也是一次檢驗，在整個設計過程中，我獲益匪淺。在此，我要衷心感謝梁潔萍老師對我的關心和細致指導。 由于畢業(yè)設計是我的第一次綜合性設計，無論是設計本人的紕漏還是經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以指正。 摘 要 本設計說明書包括：概論、總體設計方案的擬定和驗證、主傳動部分的改造設計、伺服進給系統(tǒng)的改造設計、自動轉位刀架的選擇設計、編碼盤安裝部分的結構設計等幾個部分。改造后的機車，主運動實現(xiàn)自動變速，縱向、橫向進給系統(tǒng)進行數控控制，并要求達到縱向最小運動單位為0.01/脈沖，橫向最小運動單位0.005/脈沖，刀架要是自動控制的自動轉位刀架，要能自動切削螺紋。 關鍵字：數控改造 進給系統(tǒng) 滾珠絲杠 自動刀架 Abstract This introduction of the design included:The draw-up of the general outline, the decision and verify of the total designal projection, the reforms design to the parts of the lord spreads to move,the reforms design to the system of serve enters ,the choice and design to the knife which turn automatically, the constructions design of coding dish gearing part ,and so on.while the Motorcycle been reformed, the lord exercises realize to change speed automatically. lengthways, horizontal enter to proceed to system the number controls the control, and request to attain lengthways minimum sport unit as 0.01 mm/ pulse, horizontal minimum sport unit as 0.005 mm/ pulse, knife must be the automatic control a knife which is turning automatically,and it is able to slice the thread automatically. Key word: The number controls to reforms the system of enters roll the bead in silk automatic knife 第一章 概論 一、數控系統(tǒng)發(fā)展簡史 　　1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數控機床。從此，傳統(tǒng)機床產生了質的變化。近半個世紀以來，數控系統(tǒng)經歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 二、國內數控機床狀況分析 （一）國內數控機床現(xiàn)狀 近年來我國企業(yè)的數控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。?2001年，我國機床工業(yè)產值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產數控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達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控機床有數控車床、數控磨床、數控特種加工機床、數控剪板機、數控成形折彎機、數控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數控機床品種以中低檔為主。? （二）國內數控機床的特點? 1、新產品開發(fā)有了很大突破，技術含量高的產品占據主導地位。? 2、數控機床產量大幅度增長，數控化率顯著提高。? 2001年國內數控金切機床產量已達1.8萬臺，比上年增長28.5%。金切機床行業(yè)產值數控化率 從2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。? 3、數控機床發(fā)展的關鍵配套產品有了突破。?? 三、數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1.　繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 　　基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數控系統(tǒng)生產廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數控的任務。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。 2.　向高速化和高精度化發(fā)展 　　這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。 3.　向智能化方向發(fā)展 　　隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。 　?。?）應用自適應控制技術 　　數控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調整系統(tǒng)的有關參數，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。 　?。?）引入專家系統(tǒng)指導加工 　　將熟練工人和專家的經驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數數據庫為支撐，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) 　?。?）智能化數字伺服驅動裝置 　　可以通過自動識別負載，而自動調整參數，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行。 四、機床數控化改造的必要性 （一）微觀看改造的必要性 　　從微觀上看，數控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 1 、可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 2 、可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。 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 、可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。 5、 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看 管加工。 6、 由以上五條派生的好處。 　　如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少 了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。 （二）宏觀看改造的必要性 　　從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用數控機床。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數控機床的比重（數控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達20.8％，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數控化改造的必要性。 五、 數控化改造的市場空間 機床的數控制化改造是一個方興未的行業(yè)，從各種統(tǒng)計數字上看前途應該是十分光明的，例如："在美國，日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造人作為新的經濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及數控技術的不斷進步，機床改造是一個"永恒"的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數控技術為主的新的行業(yè)所以不難看出： 1．國內的市場 我國目前機床總量380余萬臺，而其中數控機床總數只有11.34萬臺，即我國機床數控化率不到3％。近10年來，我國數控機床年產量約為0.6～0.8萬臺，年產值約為18億元。機床的年產量數控化率為6％。我國機床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產線更屈指可數（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）。可見我們的大多數制造行業(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大數是傳統(tǒng)的機床，而且半數以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、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控化率。 2. 進口設備和生產線的數控化改造市場 　　我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產線進行技術改造。據不完全統(tǒng)計，從1979～1988年10年間，全國引進技術改造項目就有18446項，大約165.8億美元。 　　這些項目中，大部分項目為我國的經濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、生產線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結果運轉不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產線的產品銷路很好，但是因為設備故障不能達產達標；有的因為能耗高、產品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。 　　這些不能使用的設備、生產線是個包袱，也是一批很大的存量資產，修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解決關鍵技術問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產，爭取到最大的經濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。 六、 機床改造的效益分析 提高機床數控化效率有兩個途徑：一是購買新的數控機床；二是對舊的機床進行改造而對于一個機床擁有量大，經濟財力又不足的發(fā)展中國家來說，采用舊機床改造來提高設備的先進性和數控化率是一個極其有效和使用的途徑，采用第二中方法有以下的優(yōu)點： 1、減少了投資和交貨的期限 同購置新的數控機床相比，一般可以節(jié)省60%到80%的費用，改造的費用大大減低。 2、機械的穩(wěn)定性可靠 機床的床身，立柱等基礎件都是重而堅固的鑄鐵構件，而鑄件越久自然失效充分，內應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)約社會資源，又減少了鑄鐵件生產時對環(huán)境的污染。 3、熟悉了解設備結構性能，便于操作維修 購買的新設備，事先很難前面了解機床的結構性能，以至很難預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，并且大大縮短了對數控機床在使用和維修方面的培訓時間，機床一旦改裝完成，很快就可以投入使用，見效較快。 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，不必像購新機時重新構筑新基，同時工夾具、樣板和外設備也可以在利用。 5、可更好的因地制宜合理篩選功能 購買現(xiàn)成的通用型機床，往往對一個具體的生產加工有一些多余的功能，又可能缺少某一個專用的特殊功能，如向機床制造廠提出特殊定貨要求，增加某些特殊的加工要求，往往費用大，交貨的日期又長。而采用改造的方案就可以根據生產加工要求，采用組合的方法再某些部件設計改造成專用的數控機床。 6、可及時采用最新技術，充分利用社會資源 由于技術進步和我國機床功能部件專業(yè)化生產的發(fā)展，目前已有眾多的疏忽資源支持機床方面的改造 ，如隨意采購各種尺寸的滾珠絲杠副，且交貨期短；采用貼塑導軌新技術，可使傳統(tǒng)的滑動導軌的摩擦系數降低五至十幾倍來防止爬行，還可以使得刮研極容易，等等例子說明有一大批社會資源，可根據技術更新的發(fā)展速度，及時地采用最新技術來提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量和檔次，將舊機場改造成當今水平的機床。 第二章 普通車床的數控改和可行性論證 第一節(jié) 車床的數控改造 一、設計內容及任務 普通車床（）的數控改造設計內容包括：總體方案的確定和驗證、機械改造部分的設計計算（伺服進給機構設計、自動轉位刀架的選擇或設計、編碼盤安裝部分的結構設計）、主運動自動變速原理、部分系統(tǒng)控制軟件設計。 本設計任務是對臥式車床進行數控化改造，實現(xiàn)微機對車床的數控化控制。利用微機對車床的縱向、橫向進給系統(tǒng)進行數字控制，并要達到縱向最小運動單位為0.01/脈沖，橫向最小運動單位0.005/脈沖，主運動要實現(xiàn)自動變速，刀架要改造成自動控制的自動轉位刀架，要能自動的切削螺紋。 二、數控機床工作原理及組成 1. 數控機床工作原理： 數控機床加工零件時，首先應編制零件的加工程序，這是數控機床的工作指令。將加工程序輸入到數控裝置，再由 數控裝置控制機床主運動的變化、起停，進給運動的方向、速度和位移量以及其它如刀具 圖2-1 數控機床的組成圖 選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的開、關等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數進行工作，從而加工出符合要求的零件。 2.數控機床的組成： 數控機床主要由控制介質、數控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體等四部分組成，其組成框圖如圖2-1 第二節(jié) 可行性論證 根據《自動化制造系統(tǒng)》，可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進行的技術和經濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準立項的基本依據。同樣，在進行普通車床的經濟型數控改造之前進行合理的、科學的可行性論證是必要的。 根據傳統(tǒng)的論證方法，普通車床的經濟型數控改造的可行性論證應圍繞以下幾個方面進行，即企業(yè)生產經營現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產經營目標，改造的基礎條件、目標、技術方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實施計劃，結論等。 由于本設計僅作為大學本科生的畢業(yè)設計，故在此，設計者僅對改造的投資概算作一簡要的可行性論證。 本改造設計是對普通車床CA1640進行經濟型數控改造。在改造設計中，采用的是廣州數控設備廠生產的GSK980T型數控系統(tǒng)，加上兩臺伺服電機，費用約為4萬余元；兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副、貼塑導軌等零件，費用約為1萬余元，總的改造費用約為5～6萬元。舊車床估計截至在6～7萬元。這樣設備改造費用和舊設備費用總計不會超過13萬元。因此，對普通車床作經濟型數控改造適合我國國情，是國內企業(yè)提高車床的自動化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實用性。 第三章 總體方案的擬定和論證 數控機床作為機電一體化的典型產品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結構復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產品的加工質量，大幅度地提高生產效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數控機床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國作為機床大國，對普通機床數控化改造不失為一種較好的良策。 第一節(jié) 總體設計方案的擬定 C6140車床主要用于對中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工，這些零件加工工藝要求機床應完成的工作內容有：控制主軸正反轉和實現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速；刀架能實現(xiàn)縱向和橫向的進給運動，并具備在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具；冷卻泵、潤滑泵的啟停；加工螺紋時，應保證主軸轉一轉，刀架移動一個被加工螺紋的螺距或導程。這些工作內容，就是數控化改造數控系統(tǒng)控制的對象。察看C616車床及有關資料，并且參照數控車床的改造經驗，確定總體改造方案。 1、主傳動系統(tǒng)的設計改造 對普通車床進行數控改造時，一般可保留原有的主傳動系統(tǒng)和變速操作機構，以減少改造量。但本設計中為了提高車床的自動化程度，以便于在加工過程中實現(xiàn)自動變換切削速度，對其作了相應的簡化改造。 采用交流調速電機做車床主軸電機以取代原來的主軸電機，以實現(xiàn)無級調速；并簡化原來傳動系統(tǒng)，以達到多檔調速范圍的確定。 2、數控系統(tǒng)的選擇設計 計算機數控裝置（CNC）即控制裝置是數控機床的中心環(huán)節(jié)。它通過對加工程序的運行處理，發(fā)出控制信號，實現(xiàn)對加工過程的自動控制。 在本設計中，由于時間較短、設計人員少，因而我們決定引進江蘇東方數控新技術公司生產的NIM-9702數控系統(tǒng) NIM-9702數控系統(tǒng)有以下特點： 3.自動轉位刀架選擇設計 數控機床的刀架是機床的重要組成部分。其結構直接影響車床的切削性能和效率。臥式車床數控改造應將原來機床的普通手動轉位刀架替換成自動換位刀架，本設計決定采用常州武進數控設備廠生產的LD4四工位螺旋轉位刀架。 4.驅動系統(tǒng)的設計改造： 由于改造設計的是簡易型經濟數控，所以在考慮具體方案時，基本原則是在滿足需要的前提下，對于機床盡可能減小改動量，以降低成本?？傮w改造如下圖所示： 圖7-1 總體改造的示意圖 （1） 控制方式類型選擇 數控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制之分。 開環(huán)系統(tǒng)：結構簡單、工作可靠、造價低廉，但影響定位精度的機械傳動裝置的摩擦、慣量、間隙的存在，故精度和快速性較差。開環(huán)控制的定位精度一般為±0.01～±0.02，不能滿足橫向最小運動單位0.005/脈沖的要求。 閉環(huán)系統(tǒng)：控制精度高、快速性好，但對機床的要求比較高，且造價較昂貴。 閉環(huán)控制的定位精度一般為±0.001～±0.003，本設計屬經濟型數控改造，無須達到此精度。 半閉環(huán)系統(tǒng)：結構簡單、調整方便，在中小型性能要求較高的數控機床中應用較多，故本設計采用半閉環(huán)控制。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)組成原理圖如下： 圖7-2半閉環(huán)控制原理圖 （2）伺服進給機構的改造 縱向進給機構的改造： 拆除原來機床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座，裝上滾珠絲杠及其相應的安裝裝置，縱向驅動的步進電機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)的精度和縱向進給的整體剛度。 橫向進給機構的改造： 拆除原來橫向進給的絲杠，換上滾珠絲杠；保留原來的橫向手柄機構，橫向步進電機和減速箱安裝在機床后側。 （3）步進電動機的選用 選用步進電動機，通常希望步進電動機的輸出轉矩大，啟動頻率和運行頻率高，步距誤差小。但是，增大轉矩與快速運行存在一定的矛盾，高性能與低成本相矛盾。因此在實際選用步進電動機時，要考慮各方面因素。 首先要保證機床的定位精度，而脈沖當量直接影響機床的定位精度。脈沖當量越小，機床的定位精度越高，但機床的快速進給速度就越小。為兼顧精度與速度的要求，應在滿足精度的條件下，選擇盡可能大的脈沖當量。脈沖當量確定后，以此為依據選擇步進電動機的步距角和傳動機構的傳動比。 （4）絲杠螺母副 臥式車床的進給絲杠都是滑動絲杠，即絲杠與螺母之間的摩擦為滑動摩擦。由于，滑動絲杠螺母副的摩擦大、轉動效率低。在精度要求不高的情況下，可以仍用原機床的滑動絲杠。若要求機床精度和被加工精度較高的情況下，應將原機床的滑動絲杠螺母副改換成滾珠絲杠螺母副。考慮本設計的設計要求，選用滾珠絲杠螺母副代替原機床的滑動絲杠螺母副。 （5）機床導軌改造 臥式車床上的運動部件，如刀架、工作臺都是沿著機床的導軌面運動的。導軌的作用就是支承和導向，即支承運動部件，并保證運動部件在外力作用下，能準確的沿著一定方向運動。導軌的導向精度、精度保持性和低速運動平穩(wěn)性，直接影響機床的加工精度要求、支承能力和使用性能。數控改造時根據原機床導軌的磨損程度和加工精度要求，來確定導軌的結構形式。 一般是將原機床導軌進行修整后貼塑，使其成為貼塑導軌。貼塑導軌摩擦系數小，且動、靜摩擦系數差很小，能防止低速爬行現(xiàn)象；耐磨性、抗咬傷能力強、加工性和化學性能穩(wěn)定，具有良好的自潤滑性和抗振性；工藝簡單，成本低。 第二節(jié) 可行性論證 可行性論證是用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進行的技術和經濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準立項的基本依據。同樣，在進行普通車床的經濟型數控改造之前進行合理的、科學的可行性論證是必要的。 根據傳統(tǒng)的論證方法，普通車床經濟型數控改造的可行性論證應圍繞以下幾個方面進行，即從企業(yè)生產經營現(xiàn)狀及存在的問題分析；從企業(yè)生產經營目標，改造的基礎條件、目標、技術方案、投資概算、效益分析；改造后車床的實施計劃，結論等。 由于原因限制，設計者只能就改造的投資概算作一簡要的可行性論證。 本改造設計是對普通車床進行經濟型數控改造。在改造設計中，采用的是蘇東方數控新技術公司生產的NIM-9702型數控系統(tǒng)，常州宏達機床數控設備廠的電動刀架，加上兩臺伺服電機，費用約為5萬余元；一臺交流調速電動機和齒輪減速機構，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副、貼塑導軌等零件，費用約為2萬余元，總的改造費用約為7～8萬元。舊車床估計截至在6～7萬元。這樣設備改造 費用和舊設備費用總計不會超過15萬元。因此，對普通車床作經濟型數控改造適合我國國情，是國內企業(yè)提高車床的自動化能力和加工精度的有效選擇，具有一定的實用性。 第三節(jié) 總體設計方案的確定 經總體設計方案的論證后，確定的CA6140的車床經濟型數控改造的總體方案示意圖如下圖所顯：CA6140車床的主軸轉速部分采用了變頻調速交流異步電機；車床的縱向和橫向進給運動采用步進電機驅動，經步進電機驅動，齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉動，從而實現(xiàn)縱向、橫向進給運動；刀架改成由微機控制，經電機驅動的自動轉位刀架。為保持切削螺紋的功能，需安裝主軸脈沖發(fā)生器。將一臺C6140臥式車床改造成經濟型數控車床，主要技術指標如下： 1）床身最大加工直徑400mm 2）最大加工長度1000mm 3）可以車削柱面，平面，錐面與球面等； 微 機 光電阻隔 微電機 刀架 光阻 編碼 器 光電阻隔 功率放大 功率放大 光電阻隔 功率放大 變頻調速電 機 步 進 電 機 步 進 電 機 主 軸 縱向工作臺 橫向工作臺 圖3-3總體方案設計圖 第四章 主傳動部分改造與設計 在改造設計之前，讓我們先來看一下數控機床主傳動與普通機床相比所具有的特點： 1）采用調速電機驅動，以滿足主軸根據數控指令進行自動變速的需要； 2）傳動路線短，從而簡化了主傳動系統(tǒng)機械結構； 3）轉速高、功率大； 數控機床的主傳動系統(tǒng)除應滿足普通機床傳動要求外，還應滿足如下要求： 具有更大的調速范圍，并實現(xiàn)無極調速。 數控機床就要為了保證加工時能選用合理的切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產效率、加工精度和表面質量，必須有更高的轉速和更多的調速范圍。為了適應各種工序和各種加工材質的要求，主運動的調速范圍還應進一步擴大。 ②具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。 數控機床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關。為此，應提高傳動件的制造精度與剛度，齒輪齒面進行高頻感應加熱淬火增加耐磨性；最后一級采用斜齒輪傳動，使傳動平穩(wěn)；采用高精度軸承及合理 的支承跨距等，以提高主軸件的剛性。 ③具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。 數控機床上一般既要進行粗加工，又要精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運動部件不平衡以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時甚至破壞刀具和或零件，使加工無法進行。因此在主傳動系統(tǒng)中的各主要零部件不但要求有一定的靜剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力——抗振性?？拐鹦杂脛觿偠然騽尤岫葋砗饬俊Ｈ绻阎鬏S組件視為一個等效的單自由度系統(tǒng)，則動剛度與動力參數的關系為： = (4-1) 式中: —機床主軸結構系統(tǒng)的靜剛度（）； —外加激振力的激振頻率（Hz）； —主軸組件的固有頻率（=，為當量質量，為當量靜剛度）； —阻尼比（=，是阻尼系數，是臨界阻尼系數，=）。 由上式可見，為提高主軸組件的抗震性，須使值較大，為此應盡量使阻尼比、當量剛度值或固有頻率的值較高。在設計數控機床的主傳動系統(tǒng)時，要注意選擇上述幾個參數的合理關系。 一、 主傳動部分改造方案擬定和設計的內容 改換主軸電動機，換成調速電動機，通過對電動機的變頻調速控制再加以簡單的齒輪調速來實現(xiàn)自動變速，齒輪調速部分用磁離合器控制齒輪嚙合。 主傳動方式的選擇、主軸電機的選擇、齒輪傳動系統(tǒng)的設計計算、繪制主傳動系統(tǒng)結構圖。 圖4 -1主軸變頻調速系統(tǒng)原理圖 數控機床主軸變速方式主要有無級調速、分段無級調速和內置電機變速等。在本設計中采用分段無級調速。無級變速能夠選用最合理的切削用量，可在運轉中變速，操作方便，簡化機械結構。無級變速主要是利用直流和交流調速電動機。但直流調速電動機恒功率調速范圍很小，一般只有1～2，很少到3～4，且換向有限制，現(xiàn)大多采用交流變頻主軸驅動系統(tǒng)。交流變頻調速電動機的性能與直流調速電動機類似，在額定轉速以下為恒轉矩區(qū)，在額定轉速以上為恒功率區(qū)域。一般主軸調速電動機的恒功率調速范圍為3～4，對于恒功率變速范圍大的主軸傳動系統(tǒng)，需要增加變速齒輪，以保證主軸上較大的恒功率范圍?？紤]本設計機床要求采取交流變頻電動機和有級變速箱配合的方案即分段無級變速，主軸的正反轉和制動停止，由數控指令直接控制電動機來實現(xiàn)。利用車床的主軸交流異步電動機、變頻器、數控單元構成了變頻調速系統(tǒng)。交流電動機的轉速與頻率，電動機的級對數及轉差率之間的關系為=,由此可知，改變電源的頻率，即可改變電動機轉速，且轉速與頻率成正比?？紤]本設計機床的要求，采取交流變頻電動機和有級變速箱配合的方案，即分段無級變速。主軸的正、反轉和制動停止由數控指令直接控制電動機實現(xiàn)。 　所謂分段無級變速就是在交流或直流電機無級調速的基礎上配以齒輪變速。它能夠實現(xiàn)中、高速段的恒功率傳動，低速段的恒轉矩傳動。在該系統(tǒng)中，主軸的正、反轉和制動停止，通過數控指令直接控制電機來實現(xiàn)。主軸的變速則有電動機的無級變速與齒輪的有機變速相配合來實現(xiàn)。 四、主傳動部分改造設計計算 根據機車要求粗選車床主軸變速范圍： =100 =2500 =25 粗步估算電動機功率 根據統(tǒng)計分析法： =36.5 取400 (據車床說明書，—機床的最大加工直徑) 所以 =36.5×0.41.54=8.9() 1. 切削力參數的確定 切削力： =9.81... (據《實用機床設計手冊》，以后若無說明則源于《實用機床設計手冊》) 查表2.2-4得： =1 =0.75 =0 =1 =188 查表2.1-16（據《金屬切削原理》） 粗加工 精加工 切削深度 4～6 1.0～2.0 進給量 0.8～0.4 0.2～0.4 切削速度 80～110 120～150 估算最大最小的切削力： =6286.5（） =1121.4（） 切削功率： =（） (4-4) 則最大最小的切削功率為： =9.95（） =2.52（） 主電動機功率： =（） (4-5) —主轉動鏈的總效率 取=0.9 則最大最小的總效率 ： =11（） =2.8（） 根據計算選用11的電動機： 最高轉速 =3500 額定轉速 =1460 2.確定變速級數z和公比j 主軸計算轉速： = （4－6）則 =15=99.5（） 主軸恒功率變速范圍： = （4－7） 即 ==25.12 電動機恒功率變速范圍：= （4－8） 即 ==2.40 公比： = （4－9） 即 ==14.7 齒輪變速級通常為2～4 當取2時： j=13.25 當取3時： j=3.64 當取4時： j=2.37 ①若選用=2 j=13.25 = （4－10） 即 ==2.0（） ②若選用=3 j=3.64 ==7.25（） 功率降低區(qū)的最小輸出滿載功率僅為2.0、7.25，與機床要求的最大功率相差太大，古不能采用。 ③若選用=4 j=2.37 ==11.14（） 符合機床功率要求。 3.主軸參數計算 主軸恒轉矩變速范圍： = （4－11） 即 ==3.98 因為主軸和電動機的恒轉矩變速范圍應相等，即： = 主電動機的最低轉速： = （4－12） 即 ==366.8 電動機額定轉矩： = （4－13） 即 ==71.95（） 主軸計算轉速： =44.04() 主軸恒功率變速范圍： = （4－14） 即 ==35.07 分級變速機構的變速范圍： = （4－15） 即 ==14.6 主傳動系統(tǒng)總降速比： = （4－16） 即 ==0.068=1/16 4.分段無級變速傳動方案確定 由前面計算得：=4，j=2.37 令：Φ1=Φ2=j 試取≈1 查表2.3-4取=1.12 則： =2.66 =0.47 故?。?23 =61 =50 =56 =64 =30 由以上計算得： =3.556 取=3.55 故?。?20 =70 根據原機床的《機床說明書》?。? =2.5，=2，=2.25，=2.25 =35, α= 所以： ==2.5×23=57.5（） =2.5×61=152.5（） =2×50=100（） =2×56=112（） =2.25×65=144（） =2.25×31=67.5（） =2.25×20=45（） =2.25×70=157.5（） 因為齒輪、軸、軸承的型號大小與原機床無大的改動，所以這里就不再作強度、剛度的校核。 根據《實用機床設計手冊》知：當j＞時，在變速箱的每檔內會使一部分低轉速的傳動功率下降，按恒轉矩方式變速，在曲線上會出現(xiàn)“缺口”，曲線上的缺口則稱為功率降低區(qū)；當j≤時，可保證主軸在自計算轉速（）至最高轉速（）范圍內全部為恒功率，曲線上無“缺口”，可以充分利用主電動機的功率（該機床主軸傳動系統(tǒng)圖4-3）。 圖4-3 主軸傳動系統(tǒng) 電磁離合器是應用電磁效應接通或切斷運動的元件，它便于實現(xiàn)自動操作，能簡化變速系統(tǒng)。給圖中齒輪裝上電磁離合器，通過傳動軸上的離合器吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現(xiàn)自動變速。 改造后的機床為實現(xiàn)其螺紋加工還須配置主軸脈沖發(fā)生器作為車床主軸位置信號的反饋元件。它與車床主軸同步運行，采集主軸運動時的數據信息，發(fā)出主軸轉角位置變化信號，輸入到數控系統(tǒng)內，再由數控系統(tǒng)通過軟件控制，以保證主軸每轉一轉時，螺紋車刀也同步在縱向進給一個螺紋，并保證螺紋加工中分幾次切削時不發(fā)生亂扣，即每次螺紋切削進刀位置一致。主軸脈沖發(fā)生器一般采用增量式光電編碼器，其安裝通常有兩種方式：同軸安裝、異軸安裝。 同軸安裝方式是直接與車床主軸的后端相聯(lián)結，這種方式結構簡單，但缺點是安裝后不能加工穿出車床主軸孔的零件；異軸安裝方式是通過橋齒輪或同步齒形帶傳動，使主軸與光電編碼器同步轉動，其結構復雜，但避免了前述同軸安裝的缺點。本設計中是采用異軸安裝方式。 主軸脈沖發(fā)生器輸光學元件，安裝時應小心輕放，不能有較大的 沖擊和振動，以防損壞玻璃光柵盤，造成報廢。令應注意主軸脈沖發(fā)生器的最高運行轉速，車床主軸的轉速必須小于此轉速，以免損壞脈沖發(fā)生器。 第五章 伺服進給機構設計 伺服進給機構的設計是普通車床經濟型數控改造的主要部分，如果說系統(tǒng)是數控機床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機構，那么，伺服驅動系統(tǒng)便是數控機床的“四肢”，是執(zhí)行機構，它忠實而準確的執(zhí)行由系統(tǒng)發(fā)來的運動命令。伺服控制系統(tǒng)是聯(lián)接數控系統(tǒng)與機床的樞紐，其性能是影響數控機床的精度、穩(wěn)定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。 第一節(jié) 伺服系統(tǒng)的組成原理和要求 一、伺服系統(tǒng)的組成原理 機床進給伺服系統(tǒng)主要由伺服驅動控制系統(tǒng)與機床進給機械傳動機構兩大部分組成。機床進給機械傳動系統(tǒng)通常由減速齒輪、滾珠絲杠、機床導軌和工作臺拖板等組成。對于伺服驅動控制系統(tǒng)，按其反饋信號的有無，分為開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式。對于開環(huán)伺服系統(tǒng)只能由步進電機驅動，它由步進電機驅動電源和電動機組成。閉環(huán)伺服系統(tǒng)則分為直流電動機和交流電動機兩種驅動方式，并且是雙閉環(huán)系統(tǒng)，內環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)中用作速度反饋的檢測裝置為測速發(fā)電機、脈沖編碼器等。速度控制單元是一個獨立的單元部件，它由速度調節(jié)器、電流調節(jié)器以及功率驅動放大器等部分組成。位置環(huán)是由裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及反饋控制等部分組成。根據其位置檢測信號所取部位不同，它又分為半閉環(huán)和全閉環(huán)兩種。半閉環(huán)采用轉角位置檢測裝置，安裝于滾珠絲杠端部，或直接與伺服電動機轉子的后端相連（與伺服電動機成一體）；對于全閉環(huán)系統(tǒng)需要采用直線位置檢測裝置，安裝于機床導軌與工作臺拖板之間。通常伺服驅動控制單元與電動機由一個生產廠家配套提供（甚至包括位置檢測裝置）。 二、伺服系統(tǒng)的要求 伺服系統(tǒng)是把數控信息轉化為機床進給運動的執(zhí)行機構。為確保機床的加工質量和效率，機床對其伺服系統(tǒng)有“穩(wěn)、準、快、寬、足”五個要求，它反映了伺服驅動系統(tǒng)的五項性能指標,具體的內容如下: 穩(wěn) 即穩(wěn)定性，也就是要求系統(tǒng)有較好的抗干擾性，保證電源、環(huán)境、負載等所產生的波動對其影響甚小，有較硬的調速機械特性，過載能力強，穩(wěn)定性好，適應性好，以確保工件加工的一致性。 準 及準確性，為確保加工質量，除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外，還必須有較高的準確定位精度。數控機床是由數控系統(tǒng)發(fā)出指令自動完成整個加工過程，它不象普通機床那樣，中間可以由操作者測量工件后再通過操縱手輪來修正加工偏差。由于數控機床是按加工程序一次完成加工，所以進給系統(tǒng)的定位精度直接決定了工件的加工精度，這也是考核數控機床的一項至關重要的性能指標。 通常影響數控加工精度的主要因素有：數控系統(tǒng)精度（主要取決于插補運算精度）；伺服系統(tǒng)精度；機床機械精度（如主軸、刀架、工作臺回轉精度，刀具、工件裝夾精度等）。其中伺服系統(tǒng)精度起主要作用。 快 即快速響應性。機床進給伺服系統(tǒng)實際上就是一種高精度的位置隨動系統(tǒng)，它不但要求靜態(tài)誤差小，也要求動態(tài)響應快，具體表現(xiàn)在起、停的升降速過程短，有較高的加速度，即要求系統(tǒng)的機電時間常數小，反應靈敏。 寬 即有較寬的調速范圍。通常數控機床在實際運行中，對工作臺的進給速度要求滿足兩項指標：輕載快速趨近定位速度（即編程指令的速度）、切削進給速度（即編程指令、等后面的值所要求的速度）。 足 即有足夠的輸出扭矩或驅動功率。特別是要滿足強力切削和高速切削的要求，并且還要求系統(tǒng)有相應的過載能力，以確保穩(wěn)定性。 對進給伺服系統(tǒng)除了上述五項主要性能指標外，也要求溫升低、噪聲小、效率高、體積小、價格低、控制方便、線性度好（如輸出速度與輸入電壓成線性）、可靠性高，維修保養(yǎng)方便，對溫度、濕度等環(huán)境要求寬等等。 第二節(jié) 伺服進給機構的設計內容和設計計算 伺服進給機構的設計內容包括：縱向進給系統(tǒng)的設計與計算、橫行進給系統(tǒng)的設計與計算、步進電機的選擇三大部分，該部分設計的總體方案示意圖如圖5-1所示。要使這三大部分與數控系統(tǒng)的配合達到好的效果，伺服進給機構的改造設計部分除了主要的三大部分內容外，還包括與步進電動機相關的驅動電源、功率放大電路、輔助電路；與滾珠絲杠副相關的機床導軌等內容的設計選擇 圖5-1 伺服進給機構設計總體方案 一、縱向進給系統(tǒng)的設計 普通車床的經濟型數控改造一般是步進電機經減速驅動絲杠，螺母固定溜板箱上，帶動刀架左右移動。步進電機的布置，可放在絲杠的任意一端，從改造方便、實用方面來考慮，一般都把步進電機放在縱向絲杠的右端，即尾架部位。 已知的條件： 工作臺重量： =100=1000 （根據圖紙粗略計算） 時間常數： =25 滾珠絲杠基本導程： =6 行程： =600 脈沖當量： =0.01 步距角： =0.750 最大進給速度： =2 1.切削力計算 由《實用機床設計手冊》可知： 切削功率： = （5－1） —電機功率 =11 —主傳動鏈的總效率 取=0.90 —進給系統(tǒng)的功率系數，取=0.96 則： =11×0.90×0.96=9.504（） 又因為： = （5－2） 則： =