c616普通車床的數(shù)控改造—橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計

1、1 前言1.1數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床 1.1.1數(shù)字控制與數(shù)控技術(shù)數(shù)字控制（Numerical Control NC）是一種借助數(shù)字、字符或其它符號對某一工作過程（如加工、測量、裝配等）進行可編程控制的自動化方法。 數(shù)控技術(shù)（Numerical Control Technology）采用數(shù)字控制的方法對某一工作過程實現(xiàn)自動控制的技術(shù)。 數(shù)控機床（Numerical Control Machine Tools）是采用數(shù)字控制技術(shù)對機床的加工過程進行自動控制的一類機床。數(shù)控系統(tǒng)（Numerical Control System）實現(xiàn)數(shù)字控制的裝置。計算機數(shù)控系統(tǒng)（Computer Numerical

2、Control CNC）以計算機為核心的數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控化技術(shù)就是以數(shù)字程序的形式實現(xiàn)控制的一門技術(shù)，它是隨著電子計算機的發(fā)展而發(fā)展起來的，綜合了各個技術(shù)領(lǐng)域里的新成就，具有廣泛的通用性，是高自動化程度的工業(yè)自動控制技術(shù)?，F(xiàn)代數(shù)控技術(shù)所涉及到的技術(shù)領(lǐng)域、學(xué)科很多，范圍較廣，需要信息技術(shù)來解決問題。計算機在數(shù)控技術(shù)方面的應(yīng)用，出現(xiàn)于70年代，突出的應(yīng)用產(chǎn)品就是CNC。計算機數(shù)控技術(shù)多以通用的小型或微型計算機為核心，再增加適當(dāng)?shù)慕涌陔娐芳巴鈬O(shè)備，來代替NC數(shù)控柜中的專用電子計算裝置。計算機數(shù)控系統(tǒng)不僅比原來的NC數(shù)控系統(tǒng)使用范圍廣、功能全，而且還有相當(dāng)大的通用性，改善了對機床操作的控制。計算機數(shù)控

3、系統(tǒng)具有以下特點：靈活性強,這是CNC系統(tǒng)的突出特點，對于傳統(tǒng)的NC系統(tǒng)，一旦提供了某些控制，就不能改變，除非改變相應(yīng)的硬件。而對于CNC系統(tǒng)，硬件是通用的、標準化的，對于各種不同的機床進行控制的要求，只需改變相應(yīng)的控制程序即可，不必制造新的硬件；通用性好；可靠性高，在CNC系統(tǒng)中，加工程序常常是一次送入計算機存儲器內(nèi)，避免了在加工過程中由于紙帶輸入機的故障而產(chǎn)生的停機現(xiàn)象，由于許多功能均由軟件實現(xiàn)，硬件系統(tǒng)所需元器件數(shù)目大為減少，整個系統(tǒng)的可靠性大大改善，特別是隨著大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的采用，系統(tǒng)的可靠性大為提高；易于實現(xiàn)多功能、高復(fù)雜程度的控制，由于計算機有豐富的指令系統(tǒng)，能高

4、速的進行復(fù)雜的計算，所以實現(xiàn)多功能高復(fù)雜程度控制比用硬件系統(tǒng)方便的多；使用維修方便；具有通信功能。1.1.2數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機床的組成數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機床的組成如圖1所示，它可分為六個部分。計算機數(shù)控系統(tǒng)操作面板PLC機床I/O電路和裝置主軸伺服單元主軸驅(qū)動裝置輸入輸出 設(shè) 備計算機數(shù)控 裝 置進給伺服單元測量裝置進給驅(qū)動裝置機床主 進 輔運 給 助動 傳 控機 動 置構(gòu) 機 機 構(gòu) 構(gòu) 圖1.1數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機床的組成（1）操作面板它是操作人員與數(shù)控裝置進行信息交流的工具。組成：按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列和顯示器，它是數(shù)控車床特有部件。（2）控制介質(zhì)與輸入輸處設(shè)備控制介質(zhì)是記錄零件加工程序的媒介。

5、輸入輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外部設(shè)備進行交互裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將編好的記錄在控制介質(zhì)上的零件加工程序輸入CNC系統(tǒng)或?qū)⒄{(diào)試好了的零件加工程序通過輸出設(shè)備存放或記錄在相應(yīng)的控制介質(zhì)上。（3）CNC裝置組成：計算機系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板、通訊接口板、特殊功能模塊以及相應(yīng)的控制軟件。作用：根據(jù)輸入的零件加工程序進行相應(yīng)的處理，然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件，所有這些工作是由CNC裝置內(nèi)硬件和軟件協(xié)調(diào)配合，合理組織，使整個系統(tǒng)有條不紊的進行工作的，CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心。（4）伺服單元、驅(qū)動裝置和測量裝置1）伺服單元和驅(qū)動裝置主軸伺服驅(qū)動裝置和主軸電機進給伺服驅(qū)動裝置

6、和進給電機2）測量裝置位置和速度測量裝置，以實現(xiàn)進給伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。作用 ：保證靈敏、準確的跟蹤CNC裝置指令。進給運動指令：實現(xiàn)零件加工的成形運動。 主軸運動指令：實現(xiàn)零件加工的切削運動。（5）PLC、機床I/O電路和裝置PLC：用于完成與邏輯運算有關(guān)順序動作的I/O控制，它由硬件和軟件組成。機床I/O電路和裝置：實現(xiàn)I/O控制的執(zhí)行部件，由繼電器、電磁閥、行程開關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路。功能：接受CNC的M、S、T指令，對其進行譯碼并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的控制信號，控制輔助裝置完成機床相應(yīng)的開關(guān)操作。接受操作面板和機床側(cè)的I/O信號，送給CNC裝置，經(jīng)其處理后，輸出指令控制CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)

7、和機床的工作。（6）機床機床：數(shù)控機床的主體，是實現(xiàn)制造加工的執(zhí)行部件。組成：主要由主運動部件、進給運動部件（工作臺、托板以及相應(yīng)的傳動機構(gòu)）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置(刀具自動交換系統(tǒng)、工件自動交換系統(tǒng))和輔助裝置（如排屑裝置等）組成。1.1.3數(shù)控機床特點(1)數(shù)控車床的優(yōu)點數(shù)控機床的操作和監(jiān)控全部在這個數(shù)控單元完成，它是數(shù)控機床的大腦。與普通機床相比，數(shù)控機床有如下特點：1）加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量；2）可進行多坐標的聯(lián)動，能加工形狀復(fù)雜的零件；3）加工零件改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準備時間；4)機床本身的精度高、剛性大，可選擇有力的加工用量，生產(chǎn)率高（一

8、般為普通機床的35倍）；5) 機床自動化程度高，可以減輕勞動強度；6) 對操作人員的素質(zhì)要求較高，對維修人員的技術(shù)要求更高。（2）數(shù)控車床的適用范圍數(shù)控車床確存在一般車床所不具備的許多優(yōu)點，但是這些優(yōu)點都是以一定條件為前提的。數(shù)控車床的應(yīng)用范圍正在不斷擴大，但它并不能完全代替其他類型的機床，也還不能以最經(jīng)濟的方式解決機械加工中的所有問題。數(shù)控車床通常最適合加工具有以下特點的零件。1) 多品種小批量生產(chǎn)的零件；2) 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件；3) 需要頻繁改變的零件；4) 價格昂貴、不允許報廢的關(guān)鍵零件；5) 需要最短生產(chǎn)周期的急需零件。1.2數(shù)控化改造的內(nèi)容普通車床的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點：(

9、1)恢復(fù)原功能：對機床存在的故障部分進行診斷并恢復(fù)；(2)NC化：在普通車床上增加豎線裝置，或者增加數(shù)控系統(tǒng)，將其改造成NC車床、CNC車床；(3)翻新：為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC盡行更新；(4)技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新:為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度大地提高水平和檔次的更新改造。本次設(shè)計的主要指導(dǎo)思想是將原車床原來純機械結(jié)構(gòu)改造為有數(shù)控裝置控制的機電一體化產(chǎn)品，改造費用低，經(jīng)濟性好，加工精度高，生產(chǎn)效率高。改造后的簡易數(shù)控車

10、床既能保持原普通車床的功能，又能使小批量，多品種復(fù)雜的零件的加工精度和生產(chǎn)率得到提高。其中主要應(yīng)解決的問題是如何將機械傳動的進給和手工控制的刀架轉(zhuǎn)位，進給改造成單片機控制的刀架，自動轉(zhuǎn)位以及自動進給的自動加工車床?？v橫向進給部件，采用微機數(shù)控裝置進行開環(huán)控制。1.3數(shù)控技術(shù)的發(fā)展狀況 1.3.1產(chǎn)生背景從工業(yè)化革命以來人們實現(xiàn)機械加工自動化的手段由：自動機床、組合機床、專用自動生產(chǎn)線。這些設(shè)備的使用大大提高了機械加工自動化的程度，提高了勞動生產(chǎn)率，促進了制造業(yè)地發(fā)展。但它也存在固有的缺點：1）初始投資大；2）準備周期長；3）柔性差。數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的內(nèi)在動力：市場競爭日趨激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代加

11、快，大批量產(chǎn)品越來越少，小批量產(chǎn)品生產(chǎn)的比重越來越大，迫切需要一種精度高、柔性好的加工設(shè)備來滿足上述需求。電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展則為NC機床的進步提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。數(shù)可能高技術(shù)正是在正是背景下誕生和發(fā)展起來的。它的產(chǎn)生給自動化技術(shù)帶來了新的概念，推動了加工自動技術(shù)的發(fā)展。1.3.2發(fā)展戰(zhàn)略從我國的基本國情出發(fā)，以我國的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需要，選擇能夠主導(dǎo)我國21世紀初期制造裝備業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)以及能夠支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)與配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨越發(fā)展。強調(diào)市場需要為導(dǎo)向，以數(shù)控的終端產(chǎn)品為主，以整機帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)與相關(guān)功能部件

12、的可能性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可能性產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品；沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備就最終難以有出頭之日。在競爭數(shù)控技術(shù)前，要強調(diào)創(chuàng)新，強調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。1.3.3發(fā)展趨勢進入九十年代以來，隨著國際上計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不斷采用計算機、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著下述方向發(fā)展:運行高速化、加工高精化、功能復(fù)合化、控制智能化、體系開放化、驅(qū)動并聯(lián)化、交互網(wǎng)絡(luò)化。1(1)運行高速化、加工高精化 速度和精度是數(shù)控設(shè)備的兩個重要指標，它們是數(shù)控技術(shù)永恒追求

13、的目標。因為直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，新一代數(shù)控設(shè)備在運行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。由于計算機技術(shù)的不斷進步，促進了數(shù)控技術(shù)水平的提高，數(shù)控裝置、進給伺服驅(qū)動裝置和主軸伺服驅(qū)動裝置的性能也隨之提高，使得現(xiàn)代的數(shù)控設(shè)備在新的技術(shù)水平下，可同時具備運行高速化、加工高精化的性能。（2）功能復(fù)合化 復(fù)合化是指在一臺設(shè)備能實現(xiàn)多工藝手段加工的方法。（3）控制智能化 隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，并為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化發(fā)展需求，數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，具體體現(xiàn)在以下三個方面：加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)、加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇和智能故障與自修復(fù)技術(shù)。（4）體系開放化 具有在

14、不同的工作臺上均能實現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其它的系統(tǒng)應(yīng)用進行互操作的系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點：系統(tǒng)的構(gòu)件（軟件和硬件）具有標準化、多樣化和互換性的特征。允許通過對構(gòu)件的增減來構(gòu)造系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)“積木式”的集成。構(gòu)造應(yīng)該是可移植的和透明的。向未來技術(shù)開放:由于軟硬件接口都遵循公認的標準協(xié)議，只需少量的重新設(shè)計和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容這就意味著系統(tǒng)的開放費用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期。（5）驅(qū)動并聯(lián)化 并聯(lián)加工中心（又稱6條退數(shù)控化機床、虛軸機床）是數(shù)控機床在結(jié)構(gòu)上取得的重大突破。其特點是：并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床是現(xiàn)代機器人與傳統(tǒng)加工技術(shù)相

15、結(jié)合的產(chǎn)物；由于它沒有傳統(tǒng)機床所必需的床身、立柱、導(dǎo)軌等制約機床性能提高的結(jié)構(gòu)；具有現(xiàn)代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點。（6）交互網(wǎng)絡(luò)化 支持網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，既滿足單機需要，又能滿足FMC、FMS、CIMS對基層設(shè)備集成要求的數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是形成“全球制造”的基礎(chǔ)單元。網(wǎng)絡(luò)資源共享、數(shù)控系統(tǒng)的遠程監(jiān)視與控制、數(shù)控系統(tǒng)的遠程培訓(xùn)與教學(xué)、數(shù)控裝備的數(shù)字化服務(wù)。2設(shè)計方案的確定C616型車床是一種加工效率高，操作性能好，社會擁有量大的普通車床。實踐證明，把這種車床改造為數(shù)控車床，已經(jīng)收到了良好的經(jīng)濟效果。2.1設(shè)計任務(wù) 本次設(shè)計是對c616普通車床的數(shù)控改造橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計，數(shù)控車床的

16、改造一般是對某些部位做一定的改造，配上數(shù)控裝置，從而使車床有數(shù)控加工的能力。此次設(shè)計的基本要求是：工作臺重w=30kg f=300n , 時間常數(shù)t=25ms,行程s=190mm,基本導(dǎo)程：l0=4mm,脈沖當(dāng)量sp=0.005mm/step,步距角a=0.75d/step,快速進給速度Vmax=1m/min2.2 總體設(shè)計方案的確定總體方案的設(shè)計應(yīng)考慮數(shù)控系統(tǒng)的運動方式，伺服系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。（1）車床數(shù)控化改造屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證其加工精度的前提下，應(yīng)該簡化其結(jié)構(gòu)，降低其成本。所以，橫向進給系統(tǒng)采用步進電機的開環(huán)控制。 （2）為保證進給伺服系統(tǒng)

17、傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小和傳動效率高的滾珠絲杠副，并加有預(yù)緊機構(gòu)，從而提高剛度和消除間隙。（4）縱、橫向進給是兩套獨立傳動鏈，它們是由步進電機、齒輪副和滾珠絲杠副組成，其傳動比要滿足機床所需要的分辨率。（5）刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架。（6）根據(jù)普通車床的最大加工尺寸、加工精度、控制速度和經(jīng)濟性要求，經(jīng)濟型的數(shù)控車床一般采用8位的微機。在8位微機中，優(yōu)先考慮MCS-51系列單片機，因為它的集成度高、功能強、可靠性好、抗干擾能力強、速度快，還具有很高的性能價格比。所以可選擇MCS-51系列單片機的擴展系統(tǒng)。綜上所述，數(shù)控改造的方案圖如下圖所示： 圖2.1數(shù)控改造方案圖其工作的原理是：由MCS-51

18、單片機控制步進電機的動作，步進電機經(jīng)齒輪箱減速后驅(qū)動滾珠絲杠，從而使刀架橫向運動。3結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1傳動裝置的設(shè)計 3.1.1 齒輪的設(shè)計齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，C616機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。齒輪傳動裝置設(shè)計的準則：精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快。為了保證其傳動精度，數(shù)控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床的要高，以保證機床加工精度。數(shù)控機床的進給系統(tǒng)中常用齒輪副來達到一定的傳動比和轉(zhuǎn)矩要求。由于齒輪加工不可能達到理想齒面的要求，總是存在著一定的誤差，因此一對嚙合齒輪，總應(yīng)有一定的齒側(cè)間隙才能正常的工作。但是齒側(cè)間隙會造成進給系統(tǒng)的反向失動量，并產(chǎn)生反向死區(qū)從而影響加

19、工精度，因此必須采取措施消除齒輪傳動中的間隙。常用的有剛性調(diào)整法和柔性調(diào)整法：剛性調(diào)整法又包括偏心套調(diào)整法和軸向墊片調(diào)整法，柔性調(diào)整又包括軸向彈簧調(diào)整法和周向調(diào)整法?？v、橫向進給機構(gòu)都采用了一級齒輪減速，并用雙片齒輪錯齒法消除間隙，雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙，因為彈簧的彈力很難適應(yīng)負載的變化情況。當(dāng)負載較大時彈簧的彈力顯小，起不到自動消除間隙的作用；當(dāng)負載較小時，彈簧的彈力顯大，則加速齒輪的磨損。為此采用人工定期調(diào)整螺釘緊固的辦法來消除間隙。3.1.2滾珠絲杠的設(shè)計滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠及滾珠循環(huán)返回裝置等組成。（1）滾珠絲杠副的傳動特點：傳動效率高，摩擦損失??；定位精度高，剛度

20、好；啟動力矩小，運動平穩(wěn)無爬行現(xiàn)象，傳動精度高；有可逆性；磨損小使用壽命長，精度保持性好；制造工藝復(fù)雜；不能自鎖。（2）滾珠絲杠副的支撐：滾珠絲杠采用推力軸承支承，以提高軸向剛度。安裝支撐的方式有：1）一端裝推力軸承，這種方式承載能力小，軸向剛度低，適用于短絲杠；2）一端裝推力軸承，另一端裝向心球軸承，適用于較長的絲杠；3）兩端裝推力軸承，這種方式有助于提高剛度但對絲杠的熱變形較為敏感；4）兩端裝推力軸承及向心球軸承，但這種方式不能預(yù)先測定預(yù)緊力不能提高其承載能力和支架的剛度。（3）滾珠絲杠副制動方式有：采用具有剎車作用的制動電機；在傳動鏈中配置逆轉(zhuǎn)效率低的高減速比系統(tǒng)；采用超越離合器。（4）

21、滾珠絲杠副的防護：絲杠預(yù)緊后，軸向間隙減小，當(dāng)雜質(zhì)落入滾道內(nèi)時，會阻止?jié)L珠的運轉(zhuǎn)，所以需要加有防護裝置。常用的有：密封圈和防護罩。3.1.3數(shù)控機床改造的設(shè)計步驟 將普通機床改造成為數(shù)控機床，是一件技術(shù)要求很高的工作，必須根據(jù)加工對象實際情況，確定改造的方案，故改造設(shè)計的一般過程如下：（1）對加工的對象進行工藝分析，并確定工藝方案 被加工的工件既是機床改造的依據(jù)，也是機床改造后的加工對象。不同的形狀，不同的技術(shù)要求工件，其加工的方法也不同，對機床的要求也不盡不同。如，對于圓柱形的零件可用車削與外圓磨等方法加工，而平面則一般用銑削或平面磨等方法加工；對精度和表面粗糙度要求不高的外圓柱表面，常用車

22、削加工；對于精度高和表面粗糙度要求低的則可在外圓磨床上加工。在工藝分析的基礎(chǔ)上，繪制了工序圖，初步選定了切削用量和刀具運動路線，并計算生產(chǎn)率。最后計算切削力和切削功率，從而計算得出進給系統(tǒng)需要的功率和力矩。這是選擇方案和驅(qū)動部件的依據(jù)，現(xiàn)在多用類比法或測定法完成。（2）.分析被改造的機床，確定被改造機床的類型 改造機床和設(shè)計機床是大不相同的，機床的設(shè)計是根據(jù)設(shè)計的任務(wù)書，對機床整機進行設(shè)計，然后將機床各組成零、部件逐一制造，最后裝成機床；而機床的改造則是圍繞著某臺機床進行工作得，不僅要考慮機床本身結(jié)構(gòu)改造，還要考慮工藝系統(tǒng)中刀具、夾具和其它輔具的改進，以滿足生產(chǎn)需要。在制定機床改造的方案時，可

23、現(xiàn)根據(jù)制定的工藝方案，初步選定改造機床的類型，然后對被選定的機床進行認真的分析，了解被改造機床的技術(shù)規(guī)格，技術(shù)狀況，各部聯(lián)系尺寸等，分析機床的強度和剛度，分析被改造機床能否適應(yīng)改造的要求以和經(jīng)濟性等。最后確定被改造機床型號。（3）.擬定技術(shù)措施制定改造的方案 根據(jù)加工對象要求和被改造機床實際情況，擬定應(yīng)采取的技術(shù)措施，制定出機床的改造方案，選用外購件時一定要保證質(zhì)量。在擬定技術(shù)措施，制定改造方案的過程中，應(yīng)充分進行技術(shù)經(jīng)濟分析，力求是改造的機床不僅能滿足技術(shù)性能的要求，還要獲得最佳的的經(jīng)濟效益，是技術(shù)的先進性與經(jīng)濟的合理性較好的統(tǒng)一起來。（4）.設(shè)計或選用數(shù)控裝置 在滿足加工零件要求的同時，盡

24、量使設(shè)計的數(shù)控裝置功能強，穩(wěn)定可靠，通用性好，價格低，或選用國內(nèi)生產(chǎn)較好的專用數(shù)控裝置。（5）.進行機床改造的技術(shù)設(shè)計。（6）.繪制機床改造的工作圖。（7）.整機安裝調(diào)試。以上七步，并非一成不變，而是依據(jù)實際的情況而定。3.2導(dǎo)軌的設(shè)計無論是數(shù)控機床還是普通機床，都有導(dǎo)軌。在導(dǎo)軌面上安裝工作臺、刀架等部件。導(dǎo)軌的作用不僅承受這些部件的載荷，而且還保證各部件的相對位置和相對運動精度。導(dǎo)軌主要由運動件和承導(dǎo)件兩部分組成，運動件是指需要做直線運動的零部件，承導(dǎo)件用于支持并限制運動件，時使其只能按給定的要求和規(guī)定的方向作直線運動。（1）導(dǎo)軌設(shè)計的基本要求：導(dǎo)向精度高、剛度大、耐磨、運動靈活和平穩(wěn)。（2

25、）滑動導(dǎo)軌的特點：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，接觸剛度大；缺點是摩擦阻力大，磨損快，動靜摩擦系數(shù)差別大，低速易產(chǎn)生爬行。（3）滑動導(dǎo)軌間隙的調(diào)整：為保證導(dǎo)軌的正常運動，運動件與承導(dǎo)件之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)拈g隙。間隙過小會增加摩擦力，使運動不靈活；間隙過大，會使導(dǎo)向精度降低。調(diào)整的方法有：1）采用磨、刮相應(yīng)的結(jié)合面或加墊片的方法，以獲取適當(dāng)?shù)拈g隙。2)鑲條的調(diào)整，這是側(cè)向間隙常用的調(diào)整方法，鑲條有直鑲條和斜鑲條兩種。(4)滾動導(dǎo)軌的特點：優(yōu)點是摩擦因數(shù)小，動、靜摩擦因數(shù)差小，運動輕便靈活，摩擦發(fā)熱少、磨損小，精度保持性好。缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、制造比較困難、成本比較高、抗振性較差。對贓物比較敏感，還必須要

26、有良好的防護裝置。（5）導(dǎo)軌的選擇：數(shù)控機床上，常使用滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小，動靜摩擦系數(shù)接近，因而運動靈活輕便，低速運行時不易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。精度高，但價格貴。經(jīng)濟型數(shù)控一般不使用滾動導(dǎo)軌，尤其數(shù)控改造，若使用滾動導(dǎo)軌，將大大增加機床床身的改造工作量和改造成本。因此，數(shù)控改造一般仍使用滑動導(dǎo)軌。為了使結(jié)構(gòu)緊湊，能承受傾側(cè)力矩，選用滑動燕尾形導(dǎo)軌。如圖3.1所示： 圖3.1燕尾形導(dǎo)軌（6）導(dǎo)軌材料：滑動導(dǎo)軌常用材料是灰鑄鐵和耐磨鑄鐵。灰鑄鐵通常以HT200或HT300做固定導(dǎo)軌，以HT150或HT200做動導(dǎo)軌。（7）導(dǎo)軌的熱處理：一般重要的導(dǎo)軌，鑄件粗加工后進行一次時效處理，高

27、精度導(dǎo)軌鑄件半精加工后還需進行第二次時效處理。3.3自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計是普通機床的數(shù)控改造方面的關(guān)鍵。由微機控制的自動轉(zhuǎn)位刀架具有工作剛性好、性能可靠、重復(fù)定位精度高、使用壽命長和工藝性好等特點。這類刀架由控制系統(tǒng)直接控制，刀架能自動完成抬起回轉(zhuǎn)、選位、下降、定位和壓緊這樣一系列的動作。（1）刀架的抬起 利用壓縮彈簧的恢復(fù)力來完成刀架的抬起或者是利用螺紋傳動，將旋轉(zhuǎn)運動變成軸向直線運動，從而達到抬起刀架的目的。（2）刀架的回轉(zhuǎn)和選位 刀架由一個微電機通過傳動系統(tǒng)來帶動。刀架的轉(zhuǎn)動軸線是豎直的，而轉(zhuǎn)速比起電機來要慢的多。刀架轉(zhuǎn)過一定角度后要選位，即看一看轉(zhuǎn)到這個位置的刀具是符合

28、加工要求。這一功能是由微機程序來實現(xiàn)。具體地說，當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)到此位置是，程序自動的將該位置的編碼與所需刀具編碼加以比較。若相同，該刀具就選定此位；否則，再轉(zhuǎn)動重復(fù)上述過程。（3）刀架的下降、定位和壓緊 刀架選定位置后，斜面銷插入斜面槽中，使之粗定位。然后由微機控制使微電機正反轉(zhuǎn)。由于斜面銷的棘輪作用，只是下降，再由精定位元件來精確定位。定位完畢，需要壓緊刀架壓緊力是由刀架下降到底后，電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動后所產(chǎn)生的。壓緊力的大小應(yīng)是切削力大小的兩倍以上，而且能調(diào)整，當(dāng)達到調(diào)整數(shù)值時，電機停轉(zhuǎn)。考慮到重復(fù)定位精度高、工作剛性好、使用壽命長、工藝性好等特點，經(jīng)濟型數(shù)控車床一般選用-I型四工位自動刀架。3.4開環(huán)

29、控制系統(tǒng)的設(shè)計 數(shù)控機床所采用的開環(huán)控制系統(tǒng)，大都采用了步進電機作為工作臺的運動控制器件，所以，也可稱為開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)之分。采用閉環(huán)控制的優(yōu)點是可以達到很好的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差、傳動間隙及干擾等對加工精度的影響。但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，調(diào)試和維修困難，造價高。所以采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的必要性不大。采用半閉環(huán)控制，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)之間，由于調(diào)速范圍寬，過載能力強，又具有反饋控制，因此性能遠優(yōu)于以步進電機驅(qū)動的開環(huán)控制。由于反饋調(diào)節(jié)不包括大部分機械傳動元件，調(diào)試比閉環(huán)簡單系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證，所以比閉環(huán)容易實現(xiàn)。但是，采用半閉

30、環(huán)控制，調(diào)試比開環(huán)控制要復(fù)雜得多，設(shè)計上有其自身的特點，技術(shù)難度較大。由于是經(jīng)濟型數(shù)控改造，通常情況下均采用以步進電機驅(qū)動的開環(huán)控制。因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計制造容易，控制精度較好，容易調(diào)試，價格便宜，使用維修方便等優(yōu)點。開環(huán)控制系統(tǒng)圖如下：機 床 工作 臺數(shù)控裝置步進電機指令輸入圖3.2開環(huán)控制系統(tǒng)的圖4設(shè)計計算4.1橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算4.1.1橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)濟型數(shù)控改造橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計比較簡單，一般是將步進電機經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大托板上，用法蘭盤將步進電機和機床大托板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。4.1.2橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計

31、算已知條件：工作臺重w=30kgf=300n，時間常數(shù)t=25ms，行程s=190mm,基本導(dǎo)程l0=4mm,脈沖當(dāng)量sp=0.005mm/step,步距角a=0.75d/step,快速進給速度Vmax=1m/min （1）切削力計算由機床設(shè)計手冊得，切削功率 （4.1）式中 N電機功率，查機床說明書，N=4kW；主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.60.7取K進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為K=0.96所以 =40.650.96=2.5 kW 又因為 （4.2）所以 式中 v切削線速度，取v=100m/min。主切削力 =61202.5/100=1530（N） 由機械制造技術(shù)基礎(chǔ)得，主切削力 （4.3）查表得

32、： =187kgf/=1870MPa =1 =0.75 =1則可計算如下表所示：表 4.122 2333 0.20.30.40.20.30.4112515241891168722872837 把=1520N時，切削深度=2mm，走刀量=0.3mm，作為下面計算的依據(jù)。由機床設(shè)計手冊得，在一般外圓車削時： =（0.10.6） =（0.150.7） 所以 =0.5Fz=0.51530=765(N)=0.6Fz=0.61530=918(N)則橫向進給系統(tǒng)的切削力為: =1/21530=765(N)在切斷工件時: =0.5765=383(N)（2）滾珠絲杠設(shè)計計算1)強度計算 對于燕尾型導(dǎo)軌： （4.

33、4）取K=1.4 =0.2則 P=1.438.3+0.2（76.5+30）=74.92(kgf)=749.2（N）壽命值： （4.5） = 最大動負載：Q= （4.6） 根據(jù)最大動負荷Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號。例如，可選取系列，滾珠絲杠公稱直徑為20mm，基本導(dǎo)程為4mm,負荷總?cè)?shù)為5圈，型號為204-5-E2左，其額定動負荷為5393N，故強度滿足。2) 效率計算：螺旋升角=338，摩擦角=10則傳動效率由公式（3-7）得 （4.7） =0.963) 剛度驗算：滾珠絲杠受工作負載P引起的導(dǎo)程的變化量由公式（3-8）得 （4.8） 所以滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略，即：所以

34、，導(dǎo)程變形總誤差為 （4.9）即 =100/0.4=14.9(um/m) 表4.2絲杠彈性變形允許的螺距誤差（1m長）絲杠精度等級允許誤差(um/m)絲杠精度等級允許誤差(um/m)C5F30D10G60E15H100 查表4.2可得E級精度絲杠彈性變形允許的螺距誤差（1m長）為15m/m，故剛度滿足。4) 穩(wěn)定性驗算： 由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強，故穩(wěn)定性也滿足。（3）齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算1）有關(guān)齒輪的計算傳動比 （4.10） =1.67取 2）轉(zhuǎn)動慣量的計算工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 （4.

35、11） 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量電機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略，因此，總的轉(zhuǎn)動慣量 （4.12）3）所需轉(zhuǎn)動力矩的計算快速空載啟動時所需的力矩 最大切削負載時所需的力矩 快速進給時所需力矩 式中 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩； 折算到電機軸上的摩擦力矩； 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩； 切削時折算到電機軸上的加速度力矩； 折算到電機軸上的切削負載力矩。 （4.13） （4.14） （4.15） （4.16） = （4.17） (4.18) 所以，快速空載啟動所需轉(zhuǎn)矩 (4.19)切削時所需力矩： (4.20) 快速進給時所需轉(zhuǎn)矩： (4.21) 以上計算可知：最大轉(zhuǎn)矩

36、發(fā)生在快速啟動時 4.2傳動軸的校核4.2.1軸的強度校核（1）徑向支撐力：由圓柱齒輪的圓周力可知 由材料力學(xué)可得:解得: （2）水平支撐力：解得： 故 M= （4.22） (4.23)校核軸的強度 (4.24) 軸的材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)淬火處理，查表=故： 即強度滿足。4.2.2軸的剛度校核軸的扭轉(zhuǎn)變形用扭轉(zhuǎn)角來表示，圓周扭轉(zhuǎn)角的計算公式： (4.25) 經(jīng)查表得， 即，故滿足要求要求。4.3步進電機的選擇 步進電機也叫脈沖電機，是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁機械裝置，是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖對應(yīng)的增量驅(qū)動元件。當(dāng)給步進電機一個電脈沖信號時，步進電機便轉(zhuǎn)動一個步距角。如按一定

37、規(guī)律給步進電機一串連續(xù)電脈沖信號，步進電機便一步一步的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。步進電機可廣泛用于數(shù)模轉(zhuǎn)換速度控制和位置控制系統(tǒng)中，是開換控制系統(tǒng)的理想執(zhí)行元件。4.3.1選用的基本原則步進電機的選擇是一個比較復(fù)雜的問題，要根據(jù)電機的工作情況，經(jīng)分析后正確選用。（1）步距角 步距角應(yīng)滿足： (4.26) 式中 傳動比；系統(tǒng)對步進電機所驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角。（2）轉(zhuǎn)矩為了保證步進電機正常運行，正常啟動并能滿足對轉(zhuǎn)速的需要，必須考慮：1）啟動力矩 一般啟動力矩選取為： 式中 電動機啟動力矩； 電動機靜負載力矩。 根據(jù)步進電機的相數(shù)和拍數(shù)，啟動力矩選取如表4.3所示。為步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩，是步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的

38、。表4.3步進電機相數(shù)、拍數(shù)、啟動力矩表運行方式相數(shù)33445566拍數(shù)36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.8662）在要求的運行頻率范圍內(nèi)，電動機運行力矩應(yīng)大于電動機的靜載力矩與電動機轉(zhuǎn)動慣量（包括負載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性矩之和。（3）精度步進電機的精度可用積累誤差或步矩誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實用。所選用的步進電機應(yīng)滿足： (4.27) 式中 步進電機的積累誤差；系統(tǒng)對步進電機驅(qū)動部分允許的角度誤差。（4）啟動頻率由于步進電機的啟動頻率隨著負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足： 式中 極限啟動頻率要求步進電機最高啟動頻率。4.3.2 步進電機 (4 .28) 則 仍選用三相六拍工作方式，查表知： (4.29) 所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩為： （4.30） 步進電機最高工作頻率 （4.31） 所以選用110B