C6140車床數(shù)控改造設計論文

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1、哈爾濱理工大學學士學位論文 C6140數(shù)控機床改造 摘 要 由于目前國內的數(shù)控機床數(shù)量需求量大，達到300萬臺之巨，要進行全部翻新在實踐，物質尚不具有足夠的條件，為了達到的條件，為達到較高的精度，實現(xiàn)較好的經濟性，對普通車床實行數(shù)控開環(huán)改造。 了解數(shù)控機床的概念，所謂數(shù)字控制是按照含有機床(刀具)運動信息程序所指定的順序自動執(zhí)行操作的過程。而計算機數(shù)控機床就是數(shù)控機床在計算機監(jiān)控下進行工作。它的優(yōu)點很多,可以在同一機床上一次裝夾可完成多個操作，生產率顯著提高等優(yōu)點，但它的價格昂貴。由于我國現(xiàn)在使用的機床大多數(shù)為普通車床，自動化程度低,要更新現(xiàn)有機床需要很多資金。為了解決這個問題,

2、也為了適應多品種中、小批量零件加工我們選擇機床經濟型數(shù)控改造。本次設計主要為縱向進給系統(tǒng)的設計，其中包括縱向進給系統(tǒng)改造方案的確定，各零部件的設計。 關鍵詞 數(shù)控；車床；改造； - I - C6140 ordinary lathe of numerical control technology transformation Abstract Due to the current number of domestic CNC machine tool demand to reach300 million units of the giant,to be totally re

3、furbished at the time, the material is not yet sufficient condition,in order to achieve the conditions to achieve high accuracy to achieve better economic nature of the open-loop CNC lathe to implement reform. Understand the concept of CNC machine tools,in accordance with the so-called digital cont

4、rol machine tools(tool)motion information in the order specified by the program automatically performs the operation.CNC machine tool sand CNC machine tools is to work under the supervision of the computer.It has many advantages,can be a fixture on the same machine can perform multiple operations,si

5、gnificantly improve productivity, etc., but its expensive.Since China is now mostly used lathe machine,low degree of automation, to update existing machines need a lot of money.To solve this problem, but also to adapt to many varieties,small batch machining parts we choose economical CNC machine too

6、ls transformation.This design is mainly vertical feed system design, including vertical feed system transformation program to determine various parts of the design. Keywords　 NC; lathe; transform; - 29 - 目錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1 課題背景 1 1.1.1 國內數(shù)控機床現(xiàn)狀 1 1.1.2 國內數(shù)控機床的特點 1 1.2

7、數(shù)控機床發(fā)展概況 2 1.2.1 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 2 1.2.2 向高速化和高精度化發(fā)展 2 1.2.3 向智能化方向發(fā)展 2 1.3 機床數(shù)控化改造的必要性 2 1.3.1 微觀看改造的必要性 2 1.3.2 宏觀看改造的必要性 3 1.4 數(shù)控化改造的市場空間 3 1.4.1 國內的市場 3 1.4.2 進口設備和生產線的數(shù)控化改造市場 4 1.5 機床改造的效益分析 4 第2章 普通車床的數(shù)控改造和可行性論證 6 2.1 車床的數(shù)控改造 6 2.1.1 設計內容及任務 6 2.1.2 數(shù)控機床工作原理及組成 6 2.2 可行性論證 7

8、 第3章 總體方案的擬定和論證 8 3.1 總體方案的擬定 8 3.2 控制方式類型選擇 9 3.3 伺服進給機構的改造 10 3.3.1 縱向進給機構的改造 10 3.3.2 橫向進給機構的改造 10 3.3.3 步進電動機的選用 10 3.3.4 絲杠螺母副 10 3.3.5 機床導軌改造 10 3.4 總體設計方案的確定 11 第4章 伺服進給機構設計 12 4.1 伺服系統(tǒng)的組成原理 12 4.2 伺服進給機構的設計內容和設計計算 12 4.2.1 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 13 4.2.2 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 17 4.3 步進電機的選擇 20 4

9、.3.1 C6140縱向進給系統(tǒng)步進電機確定 20 4.3.2 C6140橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 20 4.4 伺服系統(tǒng)說明 21 4.4.1 機床進給系統(tǒng)的結構及工作原理 21 第5章 自動轉位刀架 22 5.1 數(shù)控車床刀架的基本要求 22 5.2 數(shù)控車床刀架結構 22 5.3 工作原理 23 5.4 刀架的安裝 24 第6章 編碼盤的安裝部分 25 6.1 光電編碼器工作原理 25 6.2 編碼盤的安裝 25 結論 27 致謝 28 參考文獻 29 附錄 30 第1章 緒 論 1.1 課題背景 1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表

10、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(shù)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(shù)控系統(tǒng)經歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 1.1.1 國內數(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

11、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(shù)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(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。 1.1.2 國內數(shù)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(jù)主導地位。

12、 2． 數(shù)控機床產量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。2001年國內數(shù)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(shù)控化率 從2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。 3． 控機床發(fā)展的關鍵配套產品有了突破。 1.2 數(shù)控機床發(fā)展概況 1.2.1 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)承擔數(shù)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(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷

13、和維修將更加普遍。 1.2.2 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。 1.2.3 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(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。 1． 應用自適應控制技術 　　數(shù)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(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。 2． 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(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) 智能化數(shù)字伺服驅動裝置 　　可以通過自動識別負載，而自動調整參數(shù)，使驅動系統(tǒng)獲

14、得最佳的運行。 1.3 機床數(shù)控化改造的必要性 1.3.1 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(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加

15、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?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，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。 1.3.2 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(shù)控機床。由

16、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(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(shù)控化改造的必要性。 1.4 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(shù)控技術的不斷

17、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(shù)控技術為主的新的行業(yè)所以不難看出： 1.4.1 國內的市場 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)控機床年產量約為0.6～0.8萬臺，年產值約為18億元。機床的年產量數(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等自動化生產線更屈指可數(shù)（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(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產、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

18、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(shù)控化率。 1.4.2 進口設備和生產線的數(shù)控化改造市場 我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產線進行技術改造。據(jù)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

19、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

20、效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。 1.5 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(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

21、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(shù)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

22、貨的日期又長。而采用改造的方案就可以根據(jù)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(shù)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(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2章 普通車床的數(shù)控改造和可行性論證 2.1 車

23、床的數(shù)控改造 2.1.1 設計內容及任務 普通車床（）的數(shù)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(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、橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)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。 2.1.2 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

24、時，首先應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(shù)進行工作，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、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 2.2 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)項目前所進行的技術和經濟性分析報告，是上級主管部門審定和

25、批準立項的基本依據(jù)。同樣，在進行普通車床的經濟型數(shù)控改造之前進行合理的、科學的可行性論證是必要的。 根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法，普通車床的經濟型數(shù)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C1640進行經濟型數(shù)控改造。在改造設計中，采用的是廣州數(shù)控設備廠生產的GSK980T型數(shù)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

26、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(shù)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3章 總體方案的擬定和論證 3.1 總體方案的擬定 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

27、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(shù)控化改造數(shù)控系統(tǒng)控制的對象。察看C616車床及有關資料，并且參照數(shù)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(shù)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(shù)控系統(tǒng)的選擇設計 計算機數(shù)控裝置（CNC）即控制裝置是數(shù)控機床的中心環(huán)節(jié)

28、。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(shù)控新技術公司生產的NIM-9702數(shù)控系統(tǒng)。 3． 自動轉為到家選擇設計 數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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3-1所示：

29、 圖3-1 總體改造的示意圖 3.2 控制方式類型選擇 數(shù)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(shù)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(shù)控機床中應用較多，故本設計采用半閉環(huán)控制。

30、半閉環(huán)控制系統(tǒng)組成原理圖如圖3-2 圖3-2半閉環(huán)控制原理圖 3.3 伺服進給機構的改造 3.3.1 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。 3.3.2 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。 3.3.3 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

31、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(jù)選擇步進電動機的步距角和傳動機構的傳動比。 3.3.4 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

32、珠絲杠螺母副?？紤]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。 3.3.5 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(shù)控改造時根據(jù)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(shù)小，且動、靜摩擦系數(shù)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

33、，具有良好的自潤滑性和抗振性；工藝簡單，成本低。 3.4 總體設計方案的確定 經總體設計方案的論證后，確定的C6140的車床經濟型數(shù)控改造的總體方案：C6140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。 第4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(shù)控改造的主要部分，如果說系統(tǒng)是數(shù)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(shù)控機床的“

34、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(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。 4.1 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

35、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(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）。 4.2 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

36、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4-1所示。要使這三大部分與數(shù)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4-1 伺服進給機構設計總體方案 4.2.1 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 普通車床的經濟型數(shù)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，

37、即尾架部位。 已知的條件： 工作臺數(shù)量： （根據(jù)圖紙錯略計算） 時間常數(shù)： 滾珠絲杠基本導程： 行程： 脈沖當量： 步距角： 最大進給速度： 1． 切削力計算 由《實用機床設計手冊》可知： 切削功率： 電機功率 主傳動鏈的總效率 取 進給系統(tǒng)的功率系數(shù)，取 則： 又因為：

38、 則： 切削線速度，取所以： 由《金屬切學原理》可知： 主切削力： 查表得： 計算如下： 表4-1 切削參數(shù) 2 2 2 3 3 3 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 1103 1495 1855 1654 2242 2782 由表4-1得： 當時，切削深度，走刀量 以此參數(shù)作為下面計算的依據(jù)，從

39、《實用機床設計手冊》中可知，在一般外圓切削時： 2． 滾珠絲杠設計計算 滾珠絲杠副已經標準化，因此滾珠絲杠副的設計歸結為滾珠絲杠副型號的選擇。 綜合車床導軌絲杠的軸向力： 由于上選用的是矩形導軌，根據(jù)《機床設計手冊》查出， , 則： （1） 強度計算： 壽命值：

40、 所以： 取工件直徑： 查表得： （自動控制機床即及機床通常的取值） 所以： 最大動載荷： 表4-2運轉系數(shù)值表 運轉狀態(tài) 運轉系數(shù) 無沖擊的圓滑運轉 1.0~1.2 一般運轉 1.2~1.5 有沖擊的運轉 1.5~2.5 表4-3硬度系數(shù)表 硬度（HRC） 60 57.5 55 52.5 50 47.5 45 42.5 40 30 2

41、5 硬度系數(shù)， 1.0 1.1 1.2 1.4 2.0 2.5 3.3 4.5 5.0 10 15 查表4-2和表4-3得： 運轉系數(shù)： 硬度系數(shù)： 根據(jù)最大動載荷的值和原機床參數(shù)，選擇滾珠絲杠的型號,基本參數(shù)如表4-5即內循環(huán)浮動反向器雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副，公稱直徑為Ф，導程為，滾珠列數(shù)為列，精度等級為級（一般數(shù)控機床精度等級為級），額定動載荷為。 公稱直徑 基本導程 鋼球直徑 絲杠大徑 軸端直徑 額定載荷（） 剛度 動載荷 靜載荷 40 6 4 38.9 ≤35 26 84 22

42、20 螺 母 安 裝 連 接 尺 寸 D D3 B h M T E L1 L2 60 94 75 15 9 15 9 48 M6 3 6 68 128 表4-5型滾珠絲杠具體參數(shù) 因為，所以強度不是問題。 （2） 效率計算： 根據(jù)《機械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率為： 摩擦角： 螺旋升角： （3） 剛度驗算： 滾珠絲杠受工作負載引起導成的變化量：

43、 滾珠絲杠截面積： 則： 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可以忽略，即： 所以導程變形總誤差為： 即 查表知級精度絲杠允許的螺距誤差為，故剛度滿足要求。 （4） 穩(wěn)定性驗算 根據(jù)公式：≥ (為絲桿長度) ≈ 故穩(wěn)定性也沒問題

44、。 4.2.2 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 普通車床經濟型數(shù)控改造的橫向進給系統(tǒng)的設計相對比較簡單，一般是步進電機經減速后驅動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進電機和機車大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。 由于橫向進給系統(tǒng)的設計計算與縱向進給系統(tǒng)類似，所用到的公式不詳細說明，只計算結果。 已知條件： 工作臺重（根據(jù)圖紙粗略計算）： 時間常數(shù)： 滾珠絲杠基本導程： 行程： 脈沖當量： 步距角：

45、 快速僅給速度： 1． 切削力計算 橫向進給量為縱向的1/2~1/3，取1/2，切削力約為縱向的1/2： 在切斷工件時： 2． 滾珠絲杠設計計算 （1） 強度計算： 對于矩形導軌： 取 ， 則： 取工件直徑： 走刀量： 壽命值： 最大動負荷： 根據(jù)最大動負荷值，選擇滾珠絲杠的型號為左，其直徑為Ф，導程為,滾珠列數(shù)為5列，精

46、度為B級，額定動載荷是13000N，所以其強度符合要求。型滾珠絲杠具體參數(shù)如表4-6： 表4-6 FFZD3204型滾珠絲杠參數(shù) 公稱直徑 基本導程 鋼球直 徑 絲杠大徑 軸 端 直 徑 額 定 載 荷（） 剛度 動載荷 靜 載 荷 32 4 3 31.2 ≤28 13 43 1780 螺母安裝連接尺寸 50 76 63 11 5.8 10 6 38 6 3 4 48 68 （2） 效率計算： 摩擦角： = 螺旋升角：

47、 = 則傳動效率： ===0.956 （3） 剛度計算： 滾珠絲杠受工作負載引起導程的變化量： = （4－12） 式中： =6=0.6 =20.6106 滾珠絲杠截面積： F==3.14=12.56102（） 則： = =10.1510-8（） 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可以忽略，即：= 所以導程變形總誤差為： =

48、 （4－13） 即 ==16.92（） 查表知級精度絲杠允許的螺距誤差（1長）為25，故剛度足夠。 （4）穩(wěn)定性驗算 根據(jù)公式: FK=fk2EI/KL2≥Fmax （4－14） 式中: fk=2(雙推—簡支); =20.610Pa; I===12.56 (cm4) K=4; L=Ls=35d1=354=140 (cm) (Ls為絲桿長度) FK=23.1422.0610712.56/41402 ≈8857

49、7>> Fmax=6286.5 故穩(wěn)定性也沒有問題. 4.3 步進電機的選擇 4.3.1 C6140縱向進給系統(tǒng)步進電機確定 啟動力矩： ≥ （4－15） 所以 ≥==1222.45（） 為滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查步進電機相數(shù)、拍數(shù)、啟動力矩表：查表4-8知=0.866，所以，步進電機最大靜轉矩為： （4－16） 表4-8步進電機相數(shù)、拍數(shù)、啟動力矩表 運

50、行方式 相數(shù) 3 3 4 4 5 5 6 6 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 即 ==1411.61（） 步進電機最高工作頻率： = （4－17） 即 ==3333.33（） 綜合考慮，查表選用型直流步進電機，能滿足使用要求。 4.3.2 C6140

51、橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 ===76.58（） 電機仍選用三相六拍工作方式，查表知=0.866，所以，步進電機最大靜轉矩為： ===87.39） 步進電機最高工作頻率： ===3333.33（） 為了便于購買和設計,選用型直流步進電機，能滿足使用要求。 4.4 伺服系統(tǒng)說明 4.4.1 機床進給系統(tǒng)的結構及工作原理 1． 進給系統(tǒng)結構說明 拆除原機床的機械傳動機構，用步進電機經齒輪減速機構驅動絲杠，帶動刀沿軸、軸移動（如圖4-2）。采用減速機構，可達到所需要的脈沖當量，還可滿足結構要求和增大轉矩。檢

52、測元件裝在齒輪減速器上，通過檢測齒輪轉動方向和齒數(shù)，輸入到數(shù)控單元，通過其運算得出進給的方向和距離，達到半閉環(huán)控制的目的。 圖4-2 伺服進給系統(tǒng)改造示意圖 2． 數(shù)控進給系統(tǒng)工作原理 驅動器的電源電壓是專用變壓器把380變成80，接到驅動器、電源輸入端。 軸和軸步進電機皆為三相六拍，分別受軸和軸驅動器輸出信號控制，并把脈沖信號轉換為位移角，角位移和角速度分別與指令脈沖的數(shù)量和頻率成正比，旋轉方向決定于脈沖電流的通電順序。 根據(jù)加工程序要求，數(shù)控單元發(fā)出指令信號，驅動器接到指令信號，轉換成脈沖信號傳遞給步進電機。裝在減速器上的角位移傳感器將減速齒輪轉動方向和轉過的個數(shù)反饋給數(shù)

53、控單元，該反饋信號和步進電機的通電相序，即可算出工作臺運動方向、速度及位移量，并和加工程序相比較，以便修改數(shù)控單元的輸出指令信號，實現(xiàn)了半閉環(huán)控制。 第5章 自動轉位刀架 臥式車床數(shù)控改造應將原機床的普通手動轉位刀架替換成自動轉位刀架。自動轉位刀架由數(shù)控系統(tǒng)控制，效率高，工藝性能可靠。根據(jù)所加工零件的工藝要求及機床控制方式確定自動刀架的刀位數(shù)和刀架類型。 5.1 數(shù)控車床刀架的基本要求 數(shù)控車床的刀架是機床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的結構和性能體現(xiàn)了機床的設計和制造技術水平，所以有如下要求： 1． 轉位準確可靠，工作平穩(wěn)安全； 2． 按最短線

54、路就近選擇，轉位時間短； 3． 重復定位精度高； 4． 防水、防屑，密封性能優(yōu)良； 5． 夾緊剛性高，適宜重負荷切削。 5.2 數(shù)控車床刀架結構 自動轉位刀架尺寸簡圖見圖5-1 圖5-1 自動轉位刀架大致尺寸圖 本設計采用的是常州宏達機床數(shù)控設備廠立式轉位刀架，其結構表詳細參數(shù)見表5-1 表5-1 參數(shù) 型號 190 81 40 192 20 20 152 152 192 12 168 13 375 242 162 23 90 5.3 工作

55、原理 自動轉位刀架工作原理如圖5-2所示，微電機經彈簧安全離合器至渦輪副帶動螺母旋轉，螺母抬起刀架使定位用的端齒盤的上盤與下盤分離，隨即帶動刀架旋轉到位。然后發(fā)信號使電機反轉鎖緊，完成刀架換位后，再進行切削加工。 其具體過程是：當微機發(fā)出換刀信號后，刀架控制器中繼電器動作，電動機正轉驅動渦輪蝸桿減速機構，螺桿升降機構使上刀架上升, 當上刀架上升到一定高度時，離合轉盤起作用，帶動上刀體旋轉。刀架上端的發(fā)信盤中對應每個刀位都安裝一個霍爾元件，當( 1-電機；2-固定安裝絲杠；3-安全離合器；4-刀架)上刀體旋轉到某一刀位時，該刀架上霍爾元件輸出高電平。在上刀體旋轉過程中，發(fā)信盤不斷的向數(shù)控系

56、統(tǒng)反饋刀位信號。數(shù)控系統(tǒng)將反饋刀位信號與指令刀位信號相比較，當兩信號相同時，說明上刀體已旋轉到所選刀位。此時，數(shù)控系統(tǒng)立即控制刀架控制繼電器使電動機反轉，活動銷反靠在反靠盤上初定位。在活動銷反靠作用下，螺桿帶動上刀體下降，直至齒牙盤嚙合，完成精定位，并通過渦輪蝸桿鎖緊螺母，使刀架緊固。向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出轉位完成信號，切斷電源，電機停轉，完成選刀過程。 圖5-2 自動轉位刀架工作原理圖 5.4 刀架的安裝 圖5-3 刀架的安裝尺寸 如圖5-3所示，該刀架安裝時，需先拆除原機床上的小拖板和原刀架，然

57、后把電動刀架置于中拖板上。此時，刀架高度應使車刀前刀面基本通過車床主軸軸心線，否則要在刀架下面加墊板，調整其高度。然后，卸掉刀架電動機風扇罩殼，逆時針方向轉動電動機，使上刀體相當于下刀體轉動450左右。打裝螺孔，再用內六角螺栓將刀架與中拖板固定，固定時應注意，將刀架的兩側面分別與車床縱向和橫向的進給方向平行。電動刀架與系統(tǒng)的連線應如下安裝：沿橫向工作臺右側面先走線到車床后面，再沿車床后導軌下方拉出一鐵絲滑線，走線到系統(tǒng)。其好處在于:避免走線雜亂無章，而使得加工時切屑、切削液以及其它雜物磕碰電動刀架連線。 第6章 編碼盤的安裝部分 我們知道在經濟型數(shù)控車床上加工螺紋或絲杠時，須培植主軸脈沖發(fā)

58、生器（即編碼盤）作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉動，發(fā)出主軸轉角位置變化信號，輸送到計算機。 6.1 光電編碼器工作原理 脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發(fā)生器，它把機械轉角變成電脈沖，是一種常用的角位移傳感器。編碼盤按一定的編碼形式如二進制編碼，二-十進制編碼等，將一個圓盤分成若干等 份，并利用電子、光電或電磁器件， 把代表被 測位移的個等份上的數(shù)碼轉換成便于應用的二進制或其它表達方式。脈沖編碼器分為光電式、接觸式和電磁感應式三種。就精度與可靠性來講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種。數(shù)控機床上只用光電式脈沖編碼器。由霍爾效應構成的電磁感應式脈沖發(fā)生器也有作速度檢測元件用。(如圖

59、6—1) 圖6-1 脈沖發(fā)生器 6.2 編碼盤的安裝 編碼盤的安裝一般有兩種方式，即同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝的結構簡單，聯(lián)接方便，但安裝后不能加工穿出主軸孔的較長的工件； 而異軸安裝無此缺陷?？紤]到這一點，本設計為使改造設計的車床具有較強的通用性，決定采用異軸安裝的方式來安裝編碼盤。如圖6-2中，編碼盤通過傳動比為1：1的同步齒形帶與主軸聯(lián)系起來。工作時，編碼器與主軸同步旋轉，數(shù)控裝置控制進給步進電機準確地配合主軸的旋轉而產生進給運動。 保證主軸每轉

60、一轉， 螺紋車刀移動一個螺紋導程，同時還保證每次走刀都在工作的同一點切入，而不亂扣。 圖6-2 增量式編碼盤安裝示意圖 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印?！敖Y論”以前的所有正文內容都要編寫在此行之前。 結 論 基于對C6140普通車床進行經濟型數(shù)控改造設計過程中，我認為普通機床的數(shù)控改造具有很多的優(yōu)點、必要性及其良好的發(fā)展趨勢。 本文經過對普通車床數(shù)控化改造經濟性評價詳細論證，確定普通車床數(shù)控化改造方案；對進給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號選擇與裝配設計，支承

61、方式的設計與軸承型號選擇，步進電機選擇等進行了詳細研究；繪出相應的零件圖和裝備圖；給出普通車床數(shù)控化改造的安裝、調試方法。改造后的車床，可手 動、機動操作，操作簡單，使用方便，價格低廉 ，其性能價格比適中；而且還能解決復雜零件的加工精度控制問題，節(jié)約大量工裝費用，減輕工人的勞動強度，提高工人素質。 致 謝 在我的本論文完成之際，特向在畢業(yè)設計中始終給予我辛勤指導的張寶海老師表示忠心的感謝。張寶海老師在我整個畢業(yè)設計過程中，給予我悉心的指導，在學習中給了我極大的幫助和教誨。 設計中的每一點進步都凝聚著老師的心血和汗水。張寶海老師嚴謹?shù)闹螌W作風、孜孜以求的學習精神和親切和藹的待人態(tài)度

62、，給我留下了極為深刻的印象。張寶海老師淵博的知識、敏銳的思維、民主而嚴謹?shù)淖黠L使學生受益匪淺，并終生難忘。在同張寶海老師接觸的過程中，不僅學會如何運用專業(yè)知識解決工程問題，同時學會了如何處理生活中的實際問題。并彌補了我知識和經驗的不足，使得設計得以順利完成，在此向張寶海老師表示誠摯的謝意。同時感謝四年來教過我的各位老師，是你們讓我從一名高中生逐步成長為適合社會需要的人，是你們教會了我要敢于面對困難，迎難而上。 當然，我的一些同學給予了熱心的幫助，給我提出了許多寶貴建議，借此我也向他們表示衷心的感謝。也感謝我的父母，是你們給我提供了這個機會，是你們?yōu)槲覄?chuàng)造了這個條件。 書山有路勤為徑，學海無

63、涯苦作舟，本人愿以此為勉。 參 考 文 獻 1 張新義主編.經濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計.機械工業(yè)出版社,1998:120~125 2 余英良主編.機床數(shù)控改造設計與實例.機械工業(yè)出版社,1994:40~47 3 孫桓等主編.機械原理，高等教育出版社，1995 4 王貴明主編.數(shù)控實用技術，機械工業(yè)出版社，2001：12~15 5 張建綱、胡大鋒主編.數(shù)控技術.華中科技大學出版社，2000：15~22 6 張建明主編.機電一體華系統(tǒng)控制．高等教育出版社，2001:135~140 7 鄧星鐘主編.機電傳動控制．華中科技大學出版社，2001:77~80 8 王愛玲主編．現(xiàn)代數(shù)控機床

64、結構與設計．兵器工業(yè)出版，1997:223~280 9 卜云峰主編．機械工業(yè)及自動化簡明設計手冊上下冊．機械工業(yè)出版社，1999:200~247 10 李洪主編．實用機床設計手冊．遼寧科學技術出版社，1999:155~173 11 陶曉杰主編. 伺服電機用于車床進給系統(tǒng).制造業(yè)自動化，2004:20~158 12 機床設計手冊編寫組. 機床設計手冊（第三冊）. 機械工業(yè)出版社 ，1986:65~95 13 English for Numerical Control Technology.高等教育出版社，2009 14 John L.Feirer.Machine Tool Metalworking.1973