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第一章 概論
一、數(shù)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(nóng)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(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。
二、國內(nèi)數(shù)控機床狀況分析
（一）國內(nèi)數(shù)控機床現(xiàn)狀
近年來我國企業(yè)的數(shù)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(shù)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(dāng)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(chǎn)值已進(jìn)入世界第5名，機床消費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，消費額比上一年增長25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進(jìn)口機床躍升至世界第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)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)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(shù)控機床品種以中低檔為主。?
（二）國內(nèi)數(shù)控機床的特點?
1、新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位。?
2、數(shù)控機床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。?
2001年國內(nèi)數(shù)控金切機床產(chǎn)量已達(dá)1.8萬臺，比上年增長28.5%。金切機床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率 從2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。?
3、數(shù)控機床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。??
三、數(shù)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(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)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(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)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(yīng)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(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
（1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)
數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。
（2）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
將熟練工人和專家的經(jīng)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(shù)數(shù)據(jù)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)
（4）智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置
可以通過自動識別負(fù)載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。
四、機床數(shù)控化改造的必要性
（一）微觀看改造的必要性
從微觀上看，數(shù)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(shù)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(fù)雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)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(shù)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(chǎn)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?shù)榷喾N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(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。
（二）宏觀看改造的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)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(yīng)用數(shù)控機床。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)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(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達(dá)20.8％，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。
數(shù)控化改造的市場空間
機床的數(shù)控制化改造是一個方興未的行業(yè)，從各種統(tǒng)計數(shù)字上看前途應(yīng)該是十分光明的，例如："在美國，日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們的機床改造人作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及數(shù)控技術(shù)的不斷進(jìn)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(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)所以不難看出：
1．國內(nèi)的市場
我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)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(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)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(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。
2. 進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)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(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1979～1988年10年間，全國引進(jìn)技術(shù)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(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進(jìn)項目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國外引進(jìn)以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當(dāng)，結(jié)果運轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)；有的因為能耗高、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進(jìn)較長時間，需要進(jìn)行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)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(shè)備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。只要找出主要的技術(shù)難點，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。
機床改造的效益分析
提高機床數(shù)控化效率有兩個途徑：一是購買新的數(shù)控機床；二是對舊的機床進(jìn)行改造而對于一個機床擁有量大，經(jīng)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(shè)備的先進(jìn)性和數(shù)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(shù)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(chǔ)件都是重而堅固的鑄鐵構(gòu)件，而鑄件越久自然失效充分，內(nèi)應(yīng)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(chǎn)時對環(huán)境的污染。
3、熟悉了解設(shè)備結(jié)構(gòu)性能，便于操作維修，購買的新設(shè)備，事先很難前面了解機床的結(jié)構(gòu)性能，以至很難預(yù)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(shù)控機床在使用和維修方面的培訓(xùn)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(gòu)筑新基，同時工夾具、樣板和外設(shè)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(chǎn)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。而采用改造方案就可以根據(jù)生產(chǎn)加工要求，采用組合的方法再某些部件設(shè)計改造成專用的數(shù)控機床。
6、可及時采用最新技術(shù)，充分利用社會資源
由于技術(shù)進(jìn)步和我國機床功能部件專業(yè)化生產(chǎn)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(dǎo)軌新技術(shù)，可使傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)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(jù)技術(shù)更新的發(fā)展速度，及時地采用最新技術(shù)來提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機場改造成當(dāng)今水平的機床。
第二章 普通車床的數(shù)控改和可行性論證
對于普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在考慮總體設(shè)計方案時，應(yīng)遵循的原則是：在滿足設(shè)計要求的前途下，對機床的改動應(yīng)盡可能的少，以降低成本。
一 車床的數(shù)控改造
（一）、數(shù)控機床工作原理及組成
1. 數(shù)控機床工作原理：
數(shù)控機床加工零件時，首先應(yīng)編制零件的加工程序，這是數(shù)控機床的工作指令。將加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變化、起停，進(jìn)給運動的方向、速度和位移量以及其它如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的開、關(guān)等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴(yán)格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出符合要求的零件。
2.數(shù)控機床的組成：
數(shù)控機床主要由控制介質(zhì)、數(shù)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
圖2-1 數(shù)控機床的組成圖
（二）、設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)
普通車床（C618）的數(shù)控改造設(shè)計內(nèi)容包括：總體方案的確定和驗證、機械改造部分的設(shè)計計算（包括縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算）、主運動自動變速原理及改造后的機床傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計、機床調(diào)速電動機控制電路的設(shè)計、電磁離合器的設(shè)計計算。。
本設(shè)計任務(wù)是對C618臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造，實現(xiàn)微機對車床的數(shù)控化控制。利用微機對車床的縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字控制，并要達(dá)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(zhuǎn)位刀架，要能自動的切削螺紋。
（三）、數(shù)控部分的設(shè)計改造
1、數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按其運動軌跡可分為：點位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點位控制系統(tǒng)只要求控制刀具從一點移到另外一點的位置，而對于運動軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對兩個或兩個以上坐標(biāo)方向的位移進(jìn)行嚴(yán)格的不間斷的控制。由于C618車床要加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。
2、伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計改造
數(shù)控機床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
閉環(huán)控制方案的優(yōu)點是可以達(dá)到和好的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾等對加工精度的影響。但他結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、調(diào)式和維修困難、造價高。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調(diào)速范圍寬，過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于以步進(jìn)電動機驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其調(diào)式比開環(huán)要復(fù)雜，設(shè)計上也要有其自身的特點，技術(shù)難度較大。
開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有位置控制器及反饋線路，因此開環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但其結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，所以常用于精度要求不高的場合。
經(jīng)過上序比較，由于所改造的C618車床的目標(biāo)加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。
3、數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計
數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。
數(shù)控裝置的設(shè)計方案通常有：
l 可以全部自己設(shè)計制作
l 可以采用單板機或STD模塊或工控機改制
l 可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應(yīng)化改動
在普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造中，由于第一種設(shè)計周期較長且不經(jīng)濟，同時質(zhì)量也難于保證。第二種則更加不經(jīng)濟。所以不課程設(shè)計將采取第三鐘方案。
（四）、機械改造部分的設(shè)計
1、主傳動部分的改造設(shè)計
將原機床的主軸電動機換成變頻調(diào)速電動機，無級調(diào)速部分由變頻器控制。將原機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構(gòu)。改造后使其主運動和進(jìn)給運動分離，主軸電動機的作用只是帶動主軸旋轉(zhuǎn)。
2、進(jìn)給機構(gòu)的改造
將原機床的掛輪機構(gòu)、進(jìn)給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除。縱向、橫向進(jìn)給以步進(jìn)電動機作為驅(qū)動元件經(jīng)一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動。
3、其它部件的改造
刀架部分：拆除原手動刀架和小拖板，安裝由微機控制的四工位電動機刀架，該刀架具有重復(fù)定位精度高、剛性好、使用壽命長、工藝性好等優(yōu)點。
二 可行性論證
根據(jù)《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(jìn)行的技術(shù)和經(jīng)濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準(zhǔn)立項的基本依據(jù)。同樣，在進(jìn)行普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造之前進(jìn)行合理的、科學(xué)的可行性論證是必要的。
根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法，普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個方面進(jìn)行，即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標(biāo)，改造的基礎(chǔ)條件、目標(biāo)、技術(shù)方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實施計劃，結(jié)論等。
由于本設(shè)計僅作為大學(xué)本科生的畢業(yè)設(shè)計，故在此，設(shè)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(shè)計是對普通車床C618進(jìn)行經(jīng)濟型數(shù)控改造。在改造設(shè)計中，采用的是廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的GSK980T型數(shù)控系統(tǒng)，加上兩臺伺服電機，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調(diào)速電動機，四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設(shè)備改造費用和舊設(shè)備費用總計不會超過15萬元。因此，對普通車床作經(jīng)濟型數(shù)控改造適合我國國情，是國內(nèi)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 總體設(shè)計方案的確定
經(jīng)總體設(shè)計方案的論證后，確定的C618的車床經(jīng)濟型數(shù)控改造的總體方案示意圖如下圖所顯：C618車床的主軸轉(zhuǎn)速部分采用了變頻調(diào)速交流異步電機，有級變速部分采用電磁離合器控制機構(gòu)；車床的縱向和橫向進(jìn)給運動采用步進(jìn)電機驅(qū)動，經(jīng)步進(jìn)電機驅(qū)動，齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向進(jìn)給運動；刀架改成由微機控制，經(jīng)電機驅(qū)動的自動轉(zhuǎn)位刀架。為保持切削螺紋的功能，需安裝主軸脈沖發(fā)生器。
改造后的總體方案示意圖如圖3-1所示：
圖3-1總體方案設(shè)計圖
第四章 主傳動部分改造與設(shè)計
在改造設(shè)計之前，讓我們先來看一下數(shù)控機床主傳動與普通機床相比所具有的特點：
1）采用調(diào)速電機驅(qū)動，以滿足主軸根據(jù)數(shù)控指令進(jìn)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(jié)構(gòu)；
3）轉(zhuǎn)速高、功率大；
數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機床傳動要求外，還應(yīng)滿足如下要求：
具有更大的調(diào)速范圍，并實現(xiàn)無極調(diào)速。 數(shù)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(chǎn)效率、加工精度和表面質(zhì)量，必須有更高的轉(zhuǎn)速和更多的調(diào)速范圍。為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求，主運動的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴大。
②具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。 數(shù)控機床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動件的制造精度與剛度，齒輪齒面進(jìn)行高頻感應(yīng)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。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(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時甚至破壞刀具和或零件，使加工無法進(jìn)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?。如果把主軸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(shù)的關(guān)系為：
= (4-1)
式中: —機床主軸結(jié)構(gòu)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(dāng)量質(zhì)量，為當(dāng)量靜剛度）；
—阻尼比（=，是阻尼系數(shù)，是臨界阻尼系數(shù)，=）。
由上式可見，為提高主軸組件的抗震性，須使值較大，為此應(yīng)盡量使阻尼比、當(dāng)量剛度值或固有頻率的值較高。在設(shè)主傳動系統(tǒng)時，要注意選擇上述幾個參數(shù)的合理關(guān)系。
一、 主傳動部分改造方案擬定和設(shè)計的內(nèi)容
異步電動機的調(diào)速方法有變頻調(diào)速、變極調(diào)速、辯轉(zhuǎn)差調(diào)速三種。異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為
ni=
從該公式中可以看出，若均勻地改變電源的頻率f1，就可以連續(xù)地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速，它完全不同于其它的調(diào)速方法。改變異步電動機的磁極對數(shù)調(diào)速的方法稱為變極調(diào)速。改變電動機轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。
表4.1 異步電動機各種調(diào)速方法性能指標(biāo)的比較
項 目
調(diào) 速 方 法
變 頻
變 極
變 轉(zhuǎn) 差 率
轉(zhuǎn)子串電阻
串極調(diào)速
調(diào)壓調(diào)速
電磁調(diào)速電機
是否改變同步轉(zhuǎn)速
變
變
不 變
不 變
不 變
不 變
調(diào)
速
指
標(biāo)
靜差率
小
（好）
小
（好）
大
（差）
小
（好）
開環(huán)時大
閉環(huán)時小
開環(huán)時大
閉環(huán)時小
調(diào)速范圍（D）
較大（10以上）
較小
（2—4）
小
（2）
較小
（2—4）
閉環(huán)時
較大
閉環(huán)時
較大
調(diào)速平滑性
好（無級調(diào)速）
差（有級調(diào)速）
差（有級調(diào)速）
好（無級
調(diào)速）
好（無級
調(diào)速）
好
（無級調(diào)速）
適應(yīng)負(fù)載類型
恒轉(zhuǎn)矩
恒功率
恒轉(zhuǎn)矩
恒功率
恒轉(zhuǎn)矩
恒轉(zhuǎn)矩
通風(fēng)機
恒轉(zhuǎn)矩
通風(fēng)機
恒轉(zhuǎn)矩
設(shè)備
投資
多
少
少
較 多
較 少
較 少
電能
損耗
較 小
小
大
較 小
大
大
異步電動機變頻調(diào)速有調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機械特性較好的優(yōu)點，可以方便地實現(xiàn)恒功率或恒轉(zhuǎn)矩變速，整個調(diào)速特性與直流電動機調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似，并可與直流調(diào)速相媲美。目前變頻調(diào)速已成為異步電動機最主要的調(diào)速方法。通過上序的比較本課程設(shè)計中電動機的調(diào)速方法采用變頻調(diào)速的方法。
改換主軸電動機，換成調(diào)速電動機.通過對電動機的變頻調(diào)速控制再加以簡單的齒輪調(diào)速來實現(xiàn)自動變速，齒輪調(diào)速部分用磁離合器控制齒輪嚙合。
圖4 -1主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖
數(shù)控機床主軸變速方式主要有無級調(diào)速、分段無級調(diào)速和內(nèi)置電機變速等。在本設(shè)計中采用分段無級調(diào)速。無級變速能夠選用最合理的切削用量，可在運轉(zhuǎn)中變速，操作方便，簡化機械結(jié)構(gòu)。無級變速主要是利用直流和交流調(diào)速電動機。但直流調(diào)速電動機恒功率調(diào)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(qū)動系統(tǒng)。交流變頻調(diào)速電動機的性能與直流調(diào)速電動機類似，在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率區(qū)域。一般主軸調(diào)速電動機的恒功率調(diào)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(shè)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(zhuǎn)和制動停止，由數(shù)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(shù)控單元構(gòu)成了變頻調(diào)速系統(tǒng)。交流電動機的轉(zhuǎn)速與頻率，電動機的級對數(shù)及轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系為=,由此可知，改變電源的頻率，即可改變電動機轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速與頻率成正比?？紤]本設(shè)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(zhuǎn)和制動停止由數(shù)控指令直接控制電動機實現(xiàn)。其主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖4-1所示；
如圖4-2所示是機床主軸要求的功率特性和轉(zhuǎn)矩特性。這兩條特性曲線是以計算轉(zhuǎn)速nj為分界，從nj至最高轉(zhuǎn)速nmax的區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，任意轉(zhuǎn)速下主軸都可輸出額定的功率，在該區(qū)域內(nèi)，最大轉(zhuǎn)矩則隨主軸轉(zhuǎn)速下降而上升。從最低轉(zhuǎn)速nmin 至nj的區(qū)域Ⅱ為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)，最大轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速下降而上升，任何轉(zhuǎn)速下可能提供的轉(zhuǎn)矩都不能超過計算轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩，這個轉(zhuǎn)矩就是機床主軸的最大轉(zhuǎn)矩Mmax。在區(qū)域內(nèi)，主軸可能輸出的最大功率Pmax，則隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。通常，恒功率區(qū)約占整個主軸變速范圍的2/3—3/4；恒轉(zhuǎn)矩區(qū)約占1/4—1/3。
如圖4-3所示是變速電動機的功率特性。從額定轉(zhuǎn)速nd到最高轉(zhuǎn)速nmaxde 區(qū)域Ⅰ為恒功率區(qū)；從最低轉(zhuǎn)速nmin 至nd的區(qū)域Ⅱ為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。直流電動機的額定轉(zhuǎn)速常為1000 r/min—1500 r/min。從nd至nmax用調(diào)節(jié)磁通的方法得到，稱為調(diào)磁調(diào)速；從nmin至nd用調(diào)節(jié)電驅(qū)電壓的辦法得到，稱為調(diào)壓調(diào)速。交流調(diào)頻電動機用調(diào)節(jié)電源頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。額定轉(zhuǎn)速常為1500 r/min。這兩種電動機的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為2—4；恒轉(zhuǎn)矩變速范圍則可達(dá)100以上。
圖4-2 主軸的功率轉(zhuǎn)矩特性 圖4-3 變速電動機的功率特性
所謂分段無級變速就是在交流或直流電機無級調(diào)速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速。它能夠?qū)崿F(xiàn)中、高速段的恒功率傳動，低速段的恒轉(zhuǎn)矩傳動。在該系統(tǒng)中，主軸的正、反轉(zhuǎn)和制動停止，通過數(shù)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)。
二、主傳動部分改造設(shè)計計算
主傳動部分改造設(shè)計計算包括電動機的設(shè)計于選擇, 主傳動系統(tǒng)分段無級變速傳動方案的確定與分析, 數(shù)控機床分級變速箱的設(shè)計,電磁離合器的設(shè)計計算,機床調(diào)速電機控制電路圖的設(shè)計.
（一）、電動機的選擇
根據(jù)原機床參數(shù)及要求初選改造后車床主軸變速范圍Rn=100，nmax=3000r/min，nmin=30r/min；主傳動機械總效率系數(shù)η=0.9，最大切削功率為10kw，最小切削功率為3kw。則電機初選功率應(yīng)為PD>10vkw,根據(jù)電機規(guī)格，可選用11kw或者15kw的電機。
表格 4。2電機選擇兩種方案對比
交 流 主 軸 電 機
主 軸 與 變 速 機 構(gòu)
型 號
PD（kw）
RDP
NDsmin
RDT
nj
RnP
RnT
RF
i∑
YP160M2-4
11
3
450
3.3
83
30
3.3
10
1/18
YP160L-4
15
3
335
4.5
112
22.3
4.5
7.44
1/13.4
2、電機最小輸出功率
1）、計算主軸在最底轉(zhuǎn)速達(dá)到最小功率是電機應(yīng)輸出的功率
Pdsmin==3/0.9=3.3kw (4-2)
2）、算電機實用的最底轉(zhuǎn)速nDsmin（r/min）
由式nDsmin= (4-3)
計算結(jié)果 : 11kw的電機為：nDsmin=450r/min （nd=1500r/min）
15kw的電機為：nDsmin=333r/min （nd=1500r/min）
式中：nd---電機的基本轉(zhuǎn)速r/min；
PD---電機額定功率kw。
由此，設(shè)計者選用功率為11kw、型號為YP160M2-4的交流調(diào)頻電機。
（二）、主傳動系統(tǒng)分段無級變速傳動方案的確定與分析
1、電機額定轉(zhuǎn)速的計算電機的選擇
1）、電機額定轉(zhuǎn)矩TDd（N/m）為
TDd==70N·M (4-4)
2）、電機最小轉(zhuǎn)矩Tdmin（N·M）
Tdmin= =23.2N·M (4-5)
其中電機最大轉(zhuǎn)速ndmax=4500r/min
3）、電機實用恒轉(zhuǎn)矩區(qū)變速范圍
RDT= =3.3 (4-6)
4）、主軸恒轉(zhuǎn)矩區(qū)變速范圍
RnT=RDT=3.3 (4-7)
5）、電機恒功率區(qū)變速范圍
RdP= =3 (4-8)
2、主軸參數(shù)計算
1）、主軸計算轉(zhuǎn)速nj
nj= (4-9)
=
=120r/min
2）、主軸恒功率變速范圍RnP
RnP= ==25r/min (4-10)
3）、分級變速機構(gòu)的變速范圍RF
RF= ==8.3 (4-11)
其中：RnP-----主軸恒功率區(qū)變速范圍
RDP-----電機恒功率區(qū)變速范圍
4）、主傳動系統(tǒng)總降速比i∑
i∑= ==1/12.5 (4-12)
(三)、數(shù)控機床分級變速箱的設(shè)計
1、數(shù)控機床主軸轉(zhuǎn)速自動變換過程
在數(shù)控機床上,特別是在自動換刀的數(shù)控機床上應(yīng)根據(jù)刀具與工藝要求進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速的自動變速。在零件加工工程序中用S兩位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速的序號，或用四位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速的沒分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，并且用M兩位代碼指定主軸的正、反向啟動和停止。
采用直流或交流調(diào)速電動機的主運動無級變速系統(tǒng)中，主軸的正、反啟動和停止制動是直接控制電動機來實現(xiàn)的，主軸轉(zhuǎn)速的變換則由電動機轉(zhuǎn)速的變換與齒輪有級變速機構(gòu)的變換相配合來實現(xiàn)的。機床主運動變速系統(tǒng)中主軸的轉(zhuǎn)速n是如何由電動機的轉(zhuǎn)速、齒輪有級變速級數(shù)相配合來實現(xiàn)的，為了獲得主軸的某一轉(zhuǎn)速必須接通相應(yīng)的有級變速級數(shù)和電動機的調(diào)壓轉(zhuǎn)速nY或調(diào)磁轉(zhuǎn)速nC。理論上說電動機的轉(zhuǎn)速可以無級調(diào)速，但是，主軸轉(zhuǎn)速S代碼最多只有99種，即使是使用S四位代碼直接指定主軸轉(zhuǎn)速，也只能按一轉(zhuǎn)遞增，而且分級越多指令信號的個數(shù)越多，更難于實現(xiàn)。因此，實際上還是將主軸轉(zhuǎn)速按等比數(shù)列分成若干級，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的S代碼發(fā)出相應(yīng)的有級級數(shù)與電機的調(diào)速信號來實現(xiàn)主軸的住動變速。電機的調(diào)壓或調(diào)磁變速，由電動機的驅(qū)動電路根據(jù)轉(zhuǎn)速指令電壓信號來變換。齒輪有級變速則才用夜壓或電磁離合器實現(xiàn)。
2、分級變速箱的設(shè)計
數(shù)控機床的分級變速箱由于位于調(diào)速電機與主軸之間,因此,設(shè)計時除遵循一般有級變速箱設(shè)計原則外,必須處理好公比的選擇.在設(shè)計數(shù)控機床分級變速箱時,公比的選取有以下三種情況:
a、取變速箱的公比Φ等于電機的恒功率調(diào)速范圍RdP ,即Φ= RdP 。
b、如果為了簡化變速箱的結(jié)構(gòu)，希望變速級數(shù)少一些，則不得不取較大的公比。
c、數(shù)控車床在切削階梯軸、成行螺旋面或端面時，有時需要進(jìn)行恒線速切削。
經(jīng)綜合分析比較選有第a種情況的公比。
(1)、取變速箱的公比Φ等于電機的恒功率調(diào)速范圍RdP ,即Φ= RdP .則機床主軸的恒功率變速范圍為
RnP=ΦZ-1RdP=ΦZ (4-13)
變速箱的變速級數(shù)
Z= = =2.93 (4-14)
其中: RnP-----主軸恒功率區(qū)變速范圍 RnP=25
Φ-----變速箱的公比 Φ= RdP=3
Z必須是整數(shù)，可取變速箱的變速級數(shù)Z=3。其轉(zhuǎn)速圖如圖4-4（a）所示。電動機經(jīng)定比傳動2：3，使變速箱的軸Ⅰ得到3000r/min—1000r/min（恒功率）和1000 r/min--270 r/min（恒轉(zhuǎn)矩）的轉(zhuǎn)速。如果經(jīng)Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ軸之間的兩對1：1的齒輪傳動，主軸能得到3000 r/min --1000 r/min恒功率轉(zhuǎn)速范圍。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n降到1000 r/min時，電動機轉(zhuǎn)速降到1500 r/min（額定轉(zhuǎn)速）。如果電動機轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，則將進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，最大輸出功率也將隨之下降。表現(xiàn)在圖4-4（b）的功率特性圖上，主軸轉(zhuǎn)速為3000 r/min--1000 r/min時，為ab段，是恒功率。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時，最大輸出功率將沿bc段虛線下降。
圖4-4 傳動系統(tǒng)及功率特性圖
當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降到1000 r/min時，變速箱變速，經(jīng)（1/1）*（1/3）傳動主軸。這時電動機轉(zhuǎn)速自動地回到最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動機又從4500 r/min降到1500 r/min時，主軸從1000 r/min降到333 r/min，還是為恒功率。在功率特性圖上為bd段。
當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降到333 r/min時，變速箱變速，經(jīng)（1/3）*（1/3）=1/9轉(zhuǎn)動主軸。電動機又回到最高轉(zhuǎn)速。主軸從333 r/min降到111 r/min，在特性圖上為df段。
主軸111 r/min的轉(zhuǎn)速已低于原要求的計算轉(zhuǎn)速，以下進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩段?？侩妱訖C繼續(xù)降速得到，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速降到405 r/min時，主軸轉(zhuǎn)速降到405*（2/3）*（1/9）=30 r/min，即為主軸的最低轉(zhuǎn)速，這時電動機的最大輸出功率為：
P2=Pd=0.27 Pd (4-15)
即為額定功率Pd的27% 。
在圖4-4（b）中，abdf應(yīng)為一條直線。為了清楚起見，把它畫成三段，并略錯開?？梢钥闯?，主軸恒功率變速范圍af是由3段組成的，每段的變速范圍為電動機的恒功率調(diào)速范圍RdP=3。所以，變速箱的公比Φ= RdP 。電動機的功率根據(jù)主軸的需要選擇。主軸計算轉(zhuǎn)速為f點的轉(zhuǎn)速（111r/min）。表4.3為主軸轉(zhuǎn)速與有級級數(shù)和電動機調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的關(guān)系.
表4.3 主軸轉(zhuǎn)速與有級級數(shù)和電動機調(diào)壓調(diào)磁轉(zhuǎn)速的關(guān)系
n/r?min-1
有級級數(shù)
nY/r?min-1
30≦n<111
Ⅰ[（2/3）?（20/60）?（20/60）]
405--1500
111≦n<333
Ⅱ[（2/3）?（20/60）?（20/60）]
1500--4500
333≦n<1000
Ⅲ[（2/3）?（40/40）?（20/60）]
1500--4500
1000≦n≦3000
Ⅳ[（2/3）?（40/40）?（40/40）]
1500--4500
圖4-4（c）為轉(zhuǎn)矩特性。從a至f，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而上升。至f點為主軸輸出的最大轉(zhuǎn)矩Mmax。f-g為轉(zhuǎn)矩區(qū)。a至f也是由三段拼成的。
3、分段有級變速傳動方案確定
(1) 、傳動方案的設(shè)計計算
由前面計算得：
=3，j=3 帶傳動的傳動比i0=2/3
取 i1=1 i2=1/3
I3=1 i4=1/3
故?。?40 =40
=20 =60
=40 =40
=20 =60
(2) 、齒輪的設(shè)計計算
大小齒輪都采用45號鋼調(diào)質(zhì)，選小齒輪硬度為260HB—290HB，大齒輪硬度為220HB—250HB，精度選用六級，模數(shù)m=2.5mm , 齒寬b=30mm, 螺旋角α=
所以： =mz1=2.5×40=100（） (4-16)
=2.5×40=100（）
=2.5×20=50（）
=2.5×60=150（）
=2.5×40=100（）
=2.5×40=100（）
=2.5×20=50（）
=2.5×60=150（）
還應(yīng)該校核齒輪表面接觸疲勞強度，彎曲疲勞強度。經(jīng)校核均合格，其校核過程略。
(四) 、電磁離合器的設(shè)計計算
有級變速的自動變換方法一般有液壓或電磁離合器兩種。
液壓變速機構(gòu)是通過液壓缸、活塞桿帶動拔叉推動滑移齒輪移動來實現(xiàn)變速，雙聯(lián)滑移齒輪用一個液壓缸，而三聯(lián)滑移齒輪必須使用兩個液壓缸實現(xiàn)三位移位。
電磁離合器是應(yīng)用電磁效用接通或切斷運動的元件，由于它便于實現(xiàn)自動操作，并有現(xiàn)成的系列產(chǎn)品可供選用，因而它已成為自動裝置中常用的操作元件。電磁離合器用于數(shù)控機床的主轉(zhuǎn)動時，能簡化變速機構(gòu)，操作方便，通過若干個安裝在各轉(zhuǎn)動軸上的離合器的吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實現(xiàn)主軸的變速。
經(jīng)分析本設(shè)計選用電磁離合器來控制數(shù)控車床的有級自動變速。
圖4-5 電磁離合器變速的主傳動系統(tǒng)圖
圖4-5是采用電磁離合器變速的傳動系統(tǒng)圖，該傳動系統(tǒng)由四對相互嚙合的齒輪構(gòu)成二級齒輪變速。每對相嚙合的齒輪中有一個空套在傳動軸上，并與電磁離合器的聯(lián)接件聯(lián)接，離合器與傳動軸采用花鍵聯(lián)接，空套齒輪與傳動軸之間只有在電磁離合器吸合時才能傳動。因此，通過各離合器的吸合和分離的不同組合可以改變運動的傳動路線，實現(xiàn)主軸的變速。對4-5所示系統(tǒng)，四個離合器有4種可實現(xiàn)傳動的組合，由于有兩組齒輪的齒數(shù)一樣，因而有4條不同的傳動路線，可獲得3檔機械變速（表4.4）
表4.4 電磁離合器動作與傳動比
電動機轉(zhuǎn)速(r?min-1)
主軸轉(zhuǎn)速(r?min-1)
傳動比
電磁離合器
M1
M2
M3
M4
1500——4500
1000≦n≦3000
i=（2：3）*（Z′1/Z1）*（Z′3/Z3）=2：3
+
-
+
-
1500——4500
333≦n<1000
i=（2：3）*（Z′1/Z1）*（Z′4/Z4）=1:3
+
-
-
+
i==（2：3）*（Z′2/Z2）*（Z′3/Z3）=1:3
-
+
+
-
1500——4500
111≦n<333
i==（2：3）*（Z′2/Z2）*（Z′4/Z4）=1:9
-
+
-
+
405——1500
30≦n<111
i==（2：3）*（Z′2/Z2）*（Z′4/Z4）=1:9
-
+
-
+
當(dāng)從CNC裝置中輸出一主軸轉(zhuǎn)速n主 時，此主軸轉(zhuǎn)速n主經(jīng)過一比較器進(jìn)行比較：
當(dāng)30 r?min-1≦n主<111 r?min-1 時電磁離合器M2和M4吸合，M1和M3分離，此時整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動比是2：27，交流電動機的進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩傳動。其轉(zhuǎn)速為n電=n主/I=405 r?min-1—1500 r?min-1 。
當(dāng)111 r?min-1≦n主<333 r?min-1 時電磁離合器M2和M4吸合，M1和M3分離，此時整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動比是2：27，交流電動機的進(jìn)行恒功率傳動。其轉(zhuǎn)速為n電=n主/I=1500 r?min-1—4500 r?min-1 。
當(dāng)333 r?min-1≦n主<1000 r?min-1 時電磁離合器M1和M4吸合，M2和M3分離，此時整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動比是2：9，交流電動機的進(jìn)行恒功率傳動。其轉(zhuǎn)速為n電=n主/I=1500 r?min-1—4500 r?min-1 。
當(dāng)1000 r?min-1≦n主<3000 r?min-1 時電磁離合器M1和M3吸合，M2和M4分離，此時整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動比是2：3，交流電動機的進(jìn)行恒功率傳動。其轉(zhuǎn)速為n電=n主/I=1500 r?min-1—4500 r?min-1 。
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(shù)據(jù)信息，發(fā)出主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號，輸入到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)，再由數(shù)控系統(tǒng)通過軟件控制，以保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時，螺紋車刀也同步在縱向進(jìn)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(jìn)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(jié)，這種方式結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但避免了前述同軸安裝的缺點。本設(shè)計中是采用異軸安裝方式。
主軸脈沖發(fā)生器輸光學(xué)元件，安裝時應(yīng)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(yīng)注意主軸脈沖發(fā)生器的最高運行轉(zhuǎn)速，車床主軸的轉(zhuǎn)速必須小于此轉(zhuǎn)速，以免損壞脈沖發(fā)生器。
三、機床調(diào)速電機控制電路圖的設(shè)計
在本課程設(shè)計中主軸電動機的調(diào)速是有變頻器來實現(xiàn)的。
（一）、變頻器的簡單原理
在交流異步電動機的諸多調(diào)速方法中，變頻調(diào)速的性能最好。調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運行效率高。采用通用變頻器對籠型異步電動機調(diào)速控制，由于使用方便、可靠性高并且經(jīng)濟效率顯著，所以逐步得到推廣。
1、 變頻器的基本構(gòu)成
變頻器分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交流直接換成頻率，電壓均可控制的交流，又稱直接式變頻器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱間接式變頻器。在本課程設(shè)計中將采用交-直-交變頻器來控制主軸電動機。
變頻器的基本構(gòu)成如圖4-6所示，有主回路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制回路組成，分析如下:
圖4-6 變頻器的基本結(jié)構(gòu)
（1）、整流器 電網(wǎng)側(cè)的交流器I是整流器，它的作用是把三相（也可以是單相）交流整流成直流。
（2）、逆變器 負(fù)載側(cè)的交流器II為逆變器。最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。
（3）、中間直流環(huán)節(jié) 由于逆變器的負(fù)載為異步電動機，屬于感性負(fù)載。無任電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會等于1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功功率的能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖。所以又常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間儲能環(huán)節(jié)。
（4）、控制電路 控制電路常由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅(qū)動電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制，對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等?？刂品椒刹捎脭?shù)字控制或模擬控制。高性能的變頻器目前已經(jīng)采用微型計算機進(jìn)行全數(shù)字控制，采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數(shù)字控制方式?？梢酝瓿赡M控制方式難以完成的功能。
（5）關(guān)于變頻器名稱的說明 對于交-直-交變頻器，在不涉及能量傳遞方向的改變時，我們常簡單的稱變頻器I為整流器，變頻器II為逆變器，而把圖中I、II、III總起來稱為變頻器。
2、變頻器類型的選擇
這里將就交-直-交變頻器按不同角度進(jìn)行選擇如下分類
（1）、按直流電源的性質(zhì)分類
當(dāng)逆變器輸出側(cè)的負(fù)載為交流電動機時，在負(fù)載和直流電源之間將進(jìn)行無功功率的交換。用于緩沖無功功率的中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件可以是電容或電感，據(jù)此，變頻器可分為電壓型變頻器和直流型變頻器兩大類。在本課程設(shè)計中將采用電壓型變頻器進(jìn)行控制。
（2）、電壓調(diào)節(jié)方式的選擇
變頻調(diào)速時，需要同時調(diào)節(jié)變頻器的輸出電壓和頻率，以保證電磁主磁通的恒定。對輸出電壓的調(diào)節(jié)有兩種方式：PAM方式和PWM方式。在本課程設(shè)計中將采用PWM型方式進(jìn)行調(diào)速控制。
PWM方式是脈沖寬度調(diào)制方式的簡稱。最常見的主電路圖如圖4-7a所示。變頻器中的整流器采用不可控的二級管整流電路。變頻器的輸出變頻和輸出電壓的調(diào)節(jié)均由逆變器按PWM方式完成。調(diào)壓過程的示意圖如4-7b所示。利用參考電壓uR與載頻三角波uc互相比較，來決定主開關(guān)的導(dǎo)通時間而實現(xiàn)調(diào)壓。利用脈沖寬度的改變來得到幅值不同的正弦基波電壓。這種參考信號為正弦波，輸出電壓平均值近似為征象波PWM方式，稱為正弦PWM調(diào)制，簡稱為SPWM方式。
圖4-7 PWM變頻器
本課程設(shè)計采用的變頻器為富士公司生產(chǎn)的FVR—G7S系列富士變頻器型號為FVR11G7S—7JS變頻器。整個機床調(diào)速電機控制電路圖如附圖所示
第五章 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計與計算
伺服進(jìn)給機構(gòu)的設(shè)計是普通車床經(jīng)濟型數(shù)控改造的主要部分，如果說CNC系統(tǒng)是數(shù)控機床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機構(gòu)，那么，伺服驅(qū)動系統(tǒng)便是數(shù)控機床的“四肢”，是執(zhí)行機構(gòu)，它忠實而準(zhǔn)確的執(zhí)行由CNC系統(tǒng)發(fā)來的運動命令。伺服控制系統(tǒng)是聯(lián)接數(shù)控系統(tǒng)與機床的樞紐，其性能是影響數(shù)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。
一、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(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)與機床進(jìn)給機械傳動機構(gòu)兩大部分組成。機床進(jìn)給機械傳動系統(tǒng)通常由減速齒輪、滾珠絲杠、機床導(dǎo)軌和工作臺拖板等組成。對于伺服驅(qū)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(jìn)電機驅(qū)動，它由步進(jìn)電機驅(qū)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(qū)動方式，并且是雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)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(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器以及功率驅(qū)動放大器等部分組成。位置環(huán)是由CNC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(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)軌與工作臺拖板之間。通常伺服驅(qū)動控制單元與電動機由一個生產(chǎn)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(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機床進(jìn)給運動的執(zhí)行機構(gòu)。為確保機床的加工質(zhì)量和效率，機床對其伺服系統(tǒng)有“穩(wěn)、準(zhǔn)、快、寬、足”五個要求，它反映了伺服驅(qū)動系統(tǒng)的五項性能指標(biāo),具體的內(nèi)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(fù)載等所產(chǎn)生的波動對其影響甚小，有較硬的調(diào)速機械特性，過載能力強，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性好，以確保工件加工的一致性。
準(zhǔn) 及準(zhǔn)確性，為確保加工質(zhì)量，除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外，還必須有較高的準(zhǔn)確定位精度。數(shù)控機床是由數(shù)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(shù)控機床是按加工程序一次完成加工，所以進(jìn)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(shù)控機床的一項至關(guān)重要的性能指標(biāo)。
通常影響數(shù)控加工精度的主要因素有：數(shù)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(zhuǎn)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(yīng)性。機床進(jìn)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(yīng)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(shù)小，反應(yīng)靈敏。
寬 即有較寬的調(diào)速范圍。通常數(shù)控機床在實際運行中，對工作臺的進(jìn)給速度要求滿足兩項指標(biāo)：輕載快速趨近定位速度（即編程指令G00的速度）、切削進(jìn)給速度（即編程指令G01、G02等后面的F值所要求的速度）。
足 即有足夠的輸出扭矩或驅(qū)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(yīng)的過載能力，以確保穩(wěn)定性。
對進(jìn)給伺服系統(tǒng)除了上述五項主要性能指標(biāo)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。
二 伺服進(jìn)給機構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計計算
數(shù)控機床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)的控制方式有多種，如：開環(huán)控制閉環(huán)控制以及半閉環(huán)控制。
正如總體設(shè)計方案論證中所說，本設(shè)計任務(wù)的精度要求不高，結(jié)合經(jīng)濟型改造的特點，設(shè)計者采用以步進(jìn)電機為驅(qū)動的開環(huán)控制方式來設(shè)計其伺服進(jìn)給系統(tǒng)。下面對開換系統(tǒng)的控制形式及特點加以簡要分析。
1、工作原理及控制特點
開環(huán)控制系統(tǒng)利用脈沖馬達(dá)的伺服性能，即對應(yīng)一定的脈沖，必定有一定的轉(zhuǎn)角，從而通過絲杠螺母機構(gòu)使工作臺移動一定的距離。
2、定位精度
雖然開環(huán)控制系統(tǒng)很難保證較高的位置控制精度，對于影響定位精度的機械傳動裝置的剛度、摩擦、慣量、間隙等的要求較高，一般在0.01～0.02mm之間；但對于經(jīng)濟型數(shù)控車床來說，定位精度要求并不高。
3、穩(wěn)定性
結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，工作可靠，穩(wěn)定性好。
<一> 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算
1、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容
經(jīng)濟型數(shù)控車床的改造一般是將絲杠、光杠及安裝座拆去，配上滾珠絲杠及相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動的步進(jìn)電動機及減速箱安裝在車床的車尾。書控車床通過步進(jìn)電動機經(jīng)減速驅(qū)動滾珠絲杠，帶動刀架左右移動。
縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容有：滾珠絲杠副的設(shè)計計算及選擇、減速比的確定及減速箱的設(shè)計、步進(jìn)電動機的選擇等。
2、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算
（1）已知條件：
1）、縱向脈沖當(dāng)量 δp=0.001mm/脈沖；
2）、縱向最高進(jìn)給速度 Vfymax=2m/min；
3）、C618車床工作臺質(zhì)量 w=100kg=1000N（根據(jù)圖形尺寸粗略計算）。
4）、時間常數(shù) T=25ms
（2）、縱向進(jìn)給切削力Fz的確定
根據(jù)《機床設(shè)計手冊》查出，
=3～5%