2074 CW6163型臥式車床的數(shù)控化改造總體設(shè)計(jì)及橫向進(jìn)給設(shè)計(jì),cw6163,臥式,車床,數(shù)控,改造,總體,整體,設(shè)計(jì),橫向,進(jìn)給
- I -XX 大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）題 目：CW6163 型臥式車床的數(shù)控化改造總體設(shè)計(jì)及橫向進(jìn)給設(shè)計(jì)院 （系）： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué)生姓名： 導(dǎo)師姓名： 職稱： 起止時(shí)間： - II -摘要現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是未來工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)。舊機(jī)床數(shù)控化改造范圍大、潛力大、投資少、見效快，已經(jīng)成為適合我國(guó)國(guó)情，促進(jìn)制造業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要手段。因此，數(shù)控系統(tǒng)改造車床的研究具有重要意義。本文在敘述了數(shù)控技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過對(duì)舊機(jī)床的分析，結(jié)合機(jī)床改造的總體思想，提出了數(shù)控化改造的技術(shù)方案和新數(shù)控系統(tǒng)的選型配置方案;針對(duì)舊機(jī)床的要求，進(jìn)行了傳動(dòng)系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)，提高了傳動(dòng)的精度，重新設(shè)計(jì)機(jī)床的控制邏輯，通過對(duì)伺服系統(tǒng)的分析，完成了機(jī)床各主要參數(shù)的優(yōu)化和匹配。本機(jī)床改造后將會(huì)展示出強(qiáng)大的功能、穩(wěn)定的性能，將完全符合機(jī)床的技術(shù)規(guī)格和精度標(biāo)準(zhǔn)，加工出合格的零件，大大提高了車床的性能，是一次有益的嘗試。關(guān)鍵詞：CW6163;機(jī)床;改造;數(shù)控系統(tǒng)。 - III -AbstractThe modern Computer Numerical Control （CNC ）machine is the foundation of the modern manufactory. The remaking of old machine for CNC is an efficient means to promote the progress of the manufactory, which is adapted to the circumstance for our country. Its range is wide, its cost is low and its period is short. Therefore, it is very important to study a remarking the lathe machine by using CNC system.This paper introduces the history and the development of CNC system. Based on its theory, through the analysis about the components of the old machine, presents the remaking transmission system to raise the precision of the lathe。Presents the remaking schemes of the CNC system. According to the old machine, the detail design and adjustment of the electric system have been completed, including the design of hardware and control software：Have introduced the one-chip computer system briefly, and has designed the electric control circuit of the numerical control lathe with the one-chip computer；And also redesign the control logic of the machine, through analyzing of the servo system, the main parameters of the machine have been confirmed and optimized also.Have discussed two kinds interpolation numerical control lathes with thematic part, and design the interpolation forms for the numerical control lathe.The remarked machine will show its powerful ability and high reliability, it conforms to the technical regulation and the accuracy standard of the machine.，and will process the qualified part, it has improved the performance of the lathe greatly, it’s a beneficial try.Keywords：CW6163;lathe ; Remake ; CNC system ; One-chip computer.- IV -目錄第一章 緒論 .............................................................11.1 數(shù)控機(jī)床的歷史和現(xiàn)狀..............................................11.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向......................................21.2.1 高速度、高精度化.............................................21.2.2 多功能化.....................................................31.2.3 智能化.......................................................41.2.4 數(shù)控系統(tǒng)小型化...............................................51.2.5 數(shù)控編程自動(dòng)化...............................................51.2.6 更高的可靠性.................................................51.3 床數(shù)控化改造的必要性..............................................6第二章 機(jī)床改造的任務(wù)及總體思想 .........................................82.1 機(jī)床改造的總體任務(wù)................................................82.2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案確定..................................................82.2.1 伺服系統(tǒng)的選擇...............................................82.2.2 傳動(dòng)方式的選擇...............................................82.3 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件總體設(shè)計(jì)............................................92.4 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)..................................................92.5 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu).................................................10第三章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 ............................................113.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量.................................................113.2 切削力的確定.....................................................113.3 計(jì)算進(jìn)給牽引力...................................................123.4 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 C.................................................123.5 傳動(dòng)效率計(jì)算.....................................................133.6 剛度計(jì)算.........................................................143.7 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算.............................................143.7.1 確定傳動(dòng)比..................................................143.7.2 齒輪參數(shù)的計(jì)算..............................................143.8 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用.............................................15- V -3.8.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算..............................................153.8.2 電機(jī)力矩的計(jì)算..............................................163.9 步進(jìn)電機(jī)的選擇...................................................19結(jié)論 ...................................................................20參考文獻(xiàn): ..............................................................21致謝 ...................................................................22附錄：外文翻譯 .........................................................23- 1 -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，開始采用晶體管元件和印制線路板，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年開始，其他一些工業(yè)國(guó)家，比如德國(guó)、日本等也陸續(xù)開發(fā)生產(chǎn)出了數(shù)控機(jī)床。1965年，數(shù)控裝置開始采用小規(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年開始研究數(shù)控技術(shù)，直到60年代中期處于研制、開發(fā)階段。1965年，國(guó)內(nèi)開始研制晶體管數(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，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)定性問題沒有得到解決，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- 2 -模具加工中得到了推廣。80年代我國(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)指標(biāo)又是互相制約的，也就是說要求位移速度越高，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過渡到16位和32位CPU，并向64位CPU發(fā)展，頻率已由原來的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)無法比較的。- 3 -(3) 前饋控制技術(shù)。過去的伺服系統(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?，F(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)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， 目前陶瓷刀具和金剛石涂層刀具已開始得到應(yīng)用。(10) 配置高速、強(qiáng)功能的內(nèi)裝式可編程控制器(Programmable Logic Controller，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，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。- 4 -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。工件一經(jīng)裝夾，各種工序和工藝加工過程集中到同一臺(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，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。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)變化的加工過程中，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)加工過程中所測(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) 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。- 5 -一旦出現(xiàn)故障時(shí)，立即采用停機(jī)等措施，并通過了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)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、修改帶來了極大的方便。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CAD系統(tǒng)而獲得樣機(jī)零件圖樣，另一方面通過數(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- 6 -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。通過硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種控制功能的要求，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)床無法加工的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。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)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埽辜庸ぞ鹊玫竭M(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)間無人- 7 -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)口。這也就從宏觀上說明了機(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。- 8 -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)進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算：此部分為設(shè)計(jì)計(jì)算部分，用以確定脈沖當(dāng)量，進(jìn)給牽引力，選擇絲杠螺母副，計(jì)算傳動(dòng)效率，確定傳動(dòng)比，選擇伺服電機(jī)等，并繪制改造后機(jī)床的總裝配圖及箱體。2.2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案確定2.2.1 伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)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)中沒有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置的控制指令直接通過驅(qū)動(dòng)裝置控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，然后通過機(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） ，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)，所以可以選擇開環(huán)控制系統(tǒng)。- 9 -2.2.2 傳動(dòng)方式的選擇為保證改造后的數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度及工作臺(tái)的平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)努力保證傳動(dòng)系統(tǒng)低摩擦、低慣量、高效率、高剛度。因此在傳動(dòng)系統(tǒng)中注意以下幾點(diǎn)：(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。2.3 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，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。2.4 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- 10 -/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)通過無源母板與工控PC主板相連，對(duì)外通過屏蔽電纜與驅(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?？刂?、刀具交換、工件裝夾、冷卻開關(guān)、行程保護(hù)等任務(wù)。開關(guān)量控制系統(tǒng)與其它模塊相配合，共同完成機(jī)床工作過程的控制。2.5 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)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)控加工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，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- 11 -第三章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算CW6163 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)如表 3-1：最大回轉(zhuǎn)直徑 630mm電機(jī)功率 10KWLmax 2000mm快進(jìn)速度 縱向 2.4m/min橫向 1.2m/min切削速度 縱向 0.5m/min橫向 0.25m/min定位精度 0.015mm移動(dòng)部件重量 縱向 1200N橫向 800N加速時(shí)間 30ms機(jī)床效率 0.7表 3-1 CW6163 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)3.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量- 12 -車床縱向脈沖當(dāng)量為 0.01/mm 脈沖；橫向脈沖當(dāng)量為 0.005mm/脈沖。3.2 切削力的確定縱切端面時(shí)的主切削力 =0.67 =10595(N)zF5.1maxD)(2649138.0NFzxy?橫切端面時(shí)的主切削力 )(2194.03)(571''''' NFzxyzz?其中： 。， 單 位 為車 床 床 身 加 工 最 大 直 徑 mDmax3.3 計(jì)算進(jìn)給牽引力作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因此其數(shù)值的大小與導(dǎo)軌的類型有關(guān)。 縱向采用三角形導(dǎo)軌： )(493)12059(16.024915.)(' NGFfKzxm ???????橫向采用燕尾形導(dǎo)軌： )(08)(..)(''''' fyzxm ?式中：G 為移動(dòng)部件的重量（N） ；為導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形勢(shì)而不同；'fK 為考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)。在正常情況下，K 及 可取如下數(shù)值：'f燕尾形導(dǎo)軌： K=1.4 2.0?‘三角形導(dǎo)軌： K=1.15 18.~5'f3.4 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 C選用滾珠絲杠副的直徑 d0時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn) 100 萬- 13 -轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載 C，計(jì)算如下：縱向：初選絲杠基本導(dǎo)程 mL80?。。。。 kNCmdLFZDfCvnamws 25508 )(8.10493.1.28105.36036????? )(1207548.1507.6.61130kNCLvns????，初 選 絲 杠 基 本 導(dǎo) 程橫 向 ：查表選擇 FFZD2506, kCdLa13,,6?均為 FFZD 型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副 23150, 3/1~2min/0??。 。。 。。。。wsf hThTmLv運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)無沖擊狀態(tài) 1.0~1.2一般運(yùn)轉(zhuǎn) 1.2~1.5有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.5~2.5表 3-2 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)3.5 傳動(dòng)效率計(jì)算- 14 -滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 )(?????tg其中： 分 。其 摩 擦 角 約 為滾 動(dòng) 摩 擦 系 數(shù)摩 擦 角 ， 滾 珠 絲 杠 副 的絲 杠 螺 旋 升 角 10,04.~3.??f??縱向： %3.94)17.092.(2.58arctnarct0?????tgdL??橫向： 25.96)17.03.4(7.arctnarc?????tgdL??3.6 剛度計(jì)算滾珠絲杠副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量 ：1?縱向： )(076.925016.208493· 5mEFLm ???????）（?預(yù) 緊 后 滿 足 要 求 )(036.12.03 )(1.87951L?????橫向；預(yù) 緊 后 滿 足 要 求 )(0132.561042. )(4.)(.8·401 420 mLEFm????????? ???3.7 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算3.7.1 確定傳動(dòng)比- 15 -確定當(dāng)機(jī)床脈沖當(dāng)量和滾珠絲杠導(dǎo)程確定以后，可以先初選步進(jìn)電機(jī)的步距角，計(jì)算伺服系統(tǒng)的降速比 I縱向： 3401.68??i橫向： 253.7.2 齒輪參數(shù)的計(jì)算摸數(shù) m 取 2。計(jì)算如下：縱向：取小圓齒數(shù)為 36，小齒輪： )(5.2.125.7361 mhzdfa????大齒輪： 9648mzd橫向：取小圓齒數(shù)為 18小齒輪： )(5.2.125.3681 mhzdfa????大齒輪： 736zd3.8 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用3.8.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算（1）齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計(jì)算（ ）2.cmkg82MDJ?對(duì)于鋼材：34107.??LJ式中：PbLi??360?- 16 -M—圓柱體質(zhì)量（ ）kgD—圓柱體直徑（ ）cmL—圓柱體長(zhǎng)度（ ）—鋼材的密度?23/108.7c????對(duì)于齒輪：D 可取分度圓直徑，L 取齒輪寬度； 對(duì)于絲杠：D 可近似取絲杠公稱直徑 —滾珠直徑，L 取絲杠長(zhǎng)度。具體計(jì)算如下：縱向： ).(19402.7805369.75. 24 24cmkgJz ?????小大絲 杠橫向： ).(236.018.637.072.85.5. 24 234ckgJz ?????小大絲 杠（2）絲杠傳動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的總傳動(dòng)慣量步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一對(duì)齒輪降速后傳到絲杠，此傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： ])2()[()021?LgGJzJs???式中： ） 。絲 杠 的 導(dǎo) 程 （ ） ；件 的 重 量 （工 作 臺(tái) 及 工 件 等 移 動(dòng) 部 ；絲 杠 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 （ ；大 齒 輪 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 ；小 齒 輪 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 動(dòng) 慣 量 （cmLNGkgJcJS??0 22 21 2).(. );kg.cm上上具體計(jì)算如下：縱向： ).706(])28.0(91)5.72.13[()49. 2cmkgJ ?????橫向： 941.2603.8.2 電機(jī)力矩的計(jì)算- 17 -電機(jī)的負(fù)載力矩在各種工況下是不同的，下面分快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩、快速進(jìn)給時(shí)所需力矩、最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩等幾部分介紹其計(jì)算方法。（1） 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 起M0'maxMf??起式中： ） 。矩 （電 機(jī) 軸 上 的 附 加 摩 擦 力由 于 絲 杠 預(yù) 緊 時(shí) 折 算 到 ）力 矩 （折 算 到 電 機(jī) 軸 上 的 摩 擦 ） ；軸 上 的 加 速 力 矩 （空 載 起 動(dòng) 時(shí) 折 算 到 電 機(jī) ） ；快 速 空 載 起 動(dòng) 力 矩 （起 mNMmNf .;...0max?（2） 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 快M0f??‘快因此對(duì)運(yùn)動(dòng)部件已起動(dòng)，固不包含 ，顯然 。max起快 M?（3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 切tfM??0切式中： ） 。負(fù) 載 力 矩 （折 算 到 電 機(jī) 軸 上 的 切 削 mNt .在采用絲杠螺母副傳動(dòng)時(shí)，上述各種力矩可用下式計(jì)算 2max2max106106????????amx tnJnJM???式中： ） 。時(shí) 間 （最 大 進(jìn) 給 速 度 所 需 要 的運(yùn) 動(dòng) 部 件 從 停 止 加 速 到 ） ；步 進(jìn) 電 機(jī) 的 步 距 角 （） ；脈 沖 當(dāng) 量 （ ） ；電 機(jī) 最 大 轉(zhuǎn) 速 （） ；電 機(jī) 最 大 角 加 速 度 （ ） ；上 的 總 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 （傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 折 算 到 電 機(jī) 軸 stmrnsNcmkgJabp???????in/ .max 2 2摩擦力矩 ）（ NMf.iLFf·20???- 18 -式中： 。取傳 動(dòng) 鏈 總 效 率 ， 一 般 可 計(jì) 算 ；齒 輪 降 速 比 ， 按導(dǎo) 軌 摩 擦 系 數(shù) ； ） ；運(yùn) 動(dòng) 部 件 總 重 量 （引 力 處 摩 擦 力 的 計(jì) 算 ； ） ， 其 計(jì) 算 如 計(jì) 算 牽（， 進(jìn) 行 切 削 加 工 時(shí)空 載 快 速 起 動(dòng) 時(shí) ） ；垂 直 方 向 切 削 力 （‘85.0~7/ ''12000 ?? ??????ziif NG GFzfGfFF附加摩擦力矩 ）（ mNM.0）（ 2001·???iLFp式中： ?！?dòng) 效 率 ， 一 般 取滾 珠 絲 杠 未 預(yù) 緊 時(shí) 的 傳滾 珠 絲 杠 導(dǎo) 程 ； ） ；為 進(jìn) 給 牽 引 力 （，般 取滾 珠 絲 杠 預(yù) 加 載 荷 ， 一 9.03/00 ????L NFFmP折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 ）（ cNMt.iLFtt·20???式中： 其 于 參 數(shù) 如 上 。 ） ；進(jìn) 給 方 向 最 大 切 削 力 （ NFt?具體計(jì)算：橫向： ).(264.108.2619 ).(05.%5.9.3/40.728.108.26.57. ).(95.0. .71234291'max mNMNmMtff ??????????????）（）（- 19 -).(047.26.105.728. 8900'max mNMtff ?????切起縱向：由上面計(jì)算知，在 、 、 三種工況下，快速空載起動(dòng)所需力矩最大，起 快 切所以只需計(jì)算 。起 ).(32.416.029.87.3%41/8.02.493).(.0.16. .4591342700'max0 2'max mNMNff ?????????????起 ）（??3.9 步進(jìn)電機(jī)的選擇目前，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床中大多數(shù)采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。1. 首先根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)距 初 選 電 機(jī) 型 號(hào)maxj從表中查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)，86.0M/jax?起?縱向： ).(2.586.032.4/ NM?起按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表（三相）可查出，110BYG3500 型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為 8N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)頻率 Hz401.6201max???pqvf?最高工作頻率 Hz3.8psgf從電機(jī)表中查出，110BYG3500 型步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率為 1600Hz，運(yùn)行頻率為30000Hz，滿足要求。橫向： mNM.3086./2/??起按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表（三相）可查出，90BYGH3502 型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為 5N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性- 20 -和運(yùn)行矩頻特性。步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)頻率 Hz405.62101max???pqvf?最高工作頻率 Hz3.psgf從電機(jī)表中查出，90BYGH3500 型步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率為 1800Hz，運(yùn)行頻率為30000Hz，滿足要求。機(jī)的具體型號(hào)選取。- 21 -結(jié)論本文論述了CW6163型車床的數(shù)字化改造的方法和原理，通過計(jì)算和論證，設(shè)計(jì)了車床改造后的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高了車床的加工精度，并利用單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)車床電氣控制的方案，并為改造后的車床編制了控制程序。 從車床數(shù)控改造，得到如下結(jié)論:1.改造后的數(shù)控車床采用開環(huán)控制系統(tǒng)直接通過驅(qū)動(dòng)裝置控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，控制方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，高精度的步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，經(jīng)過計(jì)算采用絲杠作為傳動(dòng)部件提高車床的加工精度。 2.數(shù)字控制系統(tǒng)硬件部分使用8031作為主控器，2764進(jìn)行外部存貯器擴(kuò)展，8155與三相電機(jī)直連，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制達(dá)到要求。3.為改造后的車床編制了控制程序，包括直線和圓弧兩種基本插補(bǔ)方式，可以完成車床的多種加工要求?？傊?，通過此課題的設(shè)計(jì)研究，本人收獲甚大：1.本人對(duì)機(jī)床，特別是車床有了深刻地了解，對(duì)車床的工作原理、組成、結(jié)構(gòu)等方面的知識(shí)有了一個(gè)系統(tǒng)而全面地認(rèn)識(shí)2.系統(tǒng)學(xué)習(xí)了數(shù)控機(jī)床的相關(guān)知識(shí)，閱讀了大量關(guān)于CNC系統(tǒng)、NC系統(tǒng)的說明書及相關(guān)資料，為今后從事控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作奠定了基礎(chǔ).3.學(xué)習(xí)了一些網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，訓(xùn)練了綜合運(yùn)用知識(shí)和電腦繪圖的能力，鍛煉了實(shí)踐操作能力。本次設(shè)計(jì)改造的經(jīng)驗(yàn)，使我對(duì)機(jī)械產(chǎn)生了更加濃厚的興趣，同時(shí)對(duì)機(jī)械這門學(xué)科也有了比較具體的認(rèn)識(shí)，這必將對(duì)我以后的學(xué)習(xí)和工作帶來很大的好處。- 22 -參考文獻(xiàn):[1] 蔡春源 雷天覺 任興機(jī)，等. 機(jī)電液設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.[2] 徐炳松，張秀艷，張茵麥，等. 畫法幾何及機(jī)械制圖. 北京：高等教育出版社，1999.[3] 劉杰. 機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)與產(chǎn)品設(shè)計(jì). 沈陽：東北大學(xué)出版社，2002，101-102.[4] 王仁德，趙春雨，張耀滿. 機(jī)床數(shù)控技術(shù). 沈陽：東北大學(xué)出版社，2002，57-73.[5] 蔡光起，原所先，高航. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ). 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