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

1、摘要現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是未來(lái)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(jiàn)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(guò)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.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：ca6160a;機(jī)床;改造。 目錄第一章 緒論31.1數(shù)控機(jī)床

2、的歷史和現(xiàn)狀31.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向41.2.1高速度、高精度化.41.2.2多功能化.61.2.3智能化.71.2.4數(shù)控系統(tǒng)小型化.71.2.5數(shù)控編程自動(dòng)化.81.2.6更高的可靠性.81.3床數(shù)控化改造的必要性.9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).102.2運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案確定.102.3傳動(dòng)方式的選擇.10第三章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算3.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量113.2縱向切削力的確定113.3縱向滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算113.4縱向傳動(dòng)鏈與轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算133.5縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用163.6橫向切削力的確定.173.7橫向滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算.173.8橫向

3、傳動(dòng)鏈與轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算203.9橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用.21參考文獻(xiàn):23致謝24 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(kāi)始采用晶體管元件和印制線路板，出現(xiàn)了

4、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(kāi)始，其他一些工業(yè)國(guó)家，比如德國(guó)、日本等也陸續(xù)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出了數(shù)控機(jī)床。1965年，數(shù)控裝置開(kāi)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

5、。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(kāi)始研究數(shù)控技術(shù)，直到60年代中期處于研制、開(kāi)發(fā)階段。1965年，國(guó)內(nèi)開(kāi)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(kāi)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(kāi)，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(wèn)題沒(méi)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，在模具加工中得到了推廣。80年代我國(guó)先后從日

6、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(kāi)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(kāi)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(kāi)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)

7、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

8、的，也就是說(shuō)要求位移速度越高，定位精度就越難提高。現(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(guò)渡到16位和32位cpu，并向64位cpu發(fā)展，頻率已由原來(lái)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

9、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(wú)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(wú)法比較的。(3) 前饋控制技術(shù)。過(guò)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(lái)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

10、。(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。現(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

11、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

12、已開(kāi)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(programmablel ogiccontroller，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(lái)，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。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，

13、各種工序和工藝加工過(guò)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)

14、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(lái)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

15、能化應(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(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)加工過(guò)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(guò)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

16、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。一旦出現(xiàn)故障時(shí)，立即采用停機(jī)等措施，并通過(guò)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(wú)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

17、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(yǔ)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(lái)了極大的方便。并進(jìn)一步采用了前臺(tái)加工后臺(tái)編

18、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(guò)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(guò)cad系統(tǒng)而獲得樣機(jī)零件圖樣，另一方面通過(guò)數(shù)控自動(dòng)

19、編程系統(tǒng)，將其處理生成nc加工程序，然后通過(guò)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(guò)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(guò)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)

20、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(guò)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(lái)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(wú)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

21、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(guò)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

22、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?，使加工精度得到進(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(lái)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。現(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(wú)人加工。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cim

23、s(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(kāi)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(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的

24、必要性和迫切性。從20世紀(jì)80年代開(kāi)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(kāi)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(guò)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。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)2.2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零件圖和機(jī)床傳動(dòng)原理圖,并編寫零件加工工藝規(guī)程.用低摩擦高精

25、度的傳動(dòng)元件：如滾珠絲杠螺母副，滾動(dòng)導(dǎo)軌. 第三章 機(jī)械計(jì)算部分本次設(shè)計(jì)是ca6140普通機(jī)床的微機(jī)數(shù)控改造，采用mcs-51型系列單片機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能,具有降速控制功能,其他設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 已知條件:工作臺(tái)重量 w=80千克時(shí)間常數(shù) t=25ms滾珠絲杠基本導(dǎo)程 ph=6mm行程 s=1000mm快速進(jìn)給速度 vmax=4m/min3.1選擇脈沖當(dāng)量根據(jù)機(jī)床精度要求脈沖當(dāng)量,縱向0.01mm/脈沖，橫向?yàn)?.005mm/脈沖3.2切削力計(jì)算 縱切外圓時(shí),車床的切削力fz可以用下式計(jì)算: fz=0.67式中:dmax為在車床床面上加工的最大直徑(mm),dm

26、ax=21mm 則 fz=0.67210=2039(n)進(jìn)給抗力fx和切深抗力可按下列比例分別求出 fz : fx : fy = 1 : 0.25 : 0.4則 fx=0.252039=510(n) fy = 0.4 2039 = 815.6(n)3.3滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 (1) 實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力,可用下列進(jìn)給牽引力實(shí)際公式計(jì)算,對(duì)于三角形或綜合導(dǎo)軌機(jī)床: f = kfx + f(fz + w)式中: fx fz x z方向上的切削分力,單位為n w 移動(dòng)部件的重量 f 導(dǎo)軌上的摩檫系數(shù) k 考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)對(duì)于三角形或綜合性導(dǎo)軌機(jī)床: k = 1.15 f = 0.15

27、-0.18 取f = 0.16則 fm = 1.15 510 + 0.16 (2039 + 800) = 1040.7(n)(2) 最大動(dòng)負(fù)載c的計(jì)算及主要尺寸初選 滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動(dòng)載荷ca選用,最大動(dòng)載荷計(jì)算原理與滾珠軸承相似,滾珠絲杠最大c可用下式計(jì)算: c = fm fm式中: l為工作壽命,單位為10r , l=60nt/10 ; n 為絲杠轉(zhuǎn)速(r/min),n =1000v/lo, v 為最大切削力條件下的進(jìn)給速度(m/min),可取最高進(jìn)給速度的1/2-1/3 ;lo為絲杠基本導(dǎo)程(mm) ;計(jì)算時(shí),可根據(jù)快進(jìn)速度vmax和絲杠最大轉(zhuǎn)速nmax初選一個(gè)數(shù)值lo1000vmax

28、/nmax,待剛度驗(yàn)算后再確定t為額定使用壽命(h)可取t =1500h;fm為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù),一般情況取1.2-1.5; fm為滾珠絲杠工作載荷(n) v = 1/2vmax = 1/2 4 = 2 m/min min = 1440 1.129 = 1625.8r/minlo1000vmax/nmax=10004/1625.8=2.46mm 取lo=6mm則 n=1000v/lo=10002/6=333r/minl=60nt/10=6033315000/10=300 (10r)c=fm fm= 1.31040. 7=9056.8 (n)初選滾珠絲桿副的尺寸,相應(yīng)的額定動(dòng)載荷ca不得小于最大動(dòng)載

29、荷ccac,選用內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)螺旋副: dw=3.696, dm=40mm, ca=16300, coa=47100,=244, lo=6, 12 (3) 傳動(dòng)效率計(jì)算:滾動(dòng)絲杠螺紋的傳動(dòng)效率為：=tg/ tg () 式中: 為絲杠螺紋升角,可根據(jù)初選型號(hào)查出,=244;為摩檫絲杠副的滾動(dòng)摩檫系數(shù)f=0.003-0.004,其摩檫角約等于10 則 =tg244/ tg (244+10)94.31%(4) 剛度驗(yàn)算滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化,從而影響其定位精和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性,滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形,絲杠與螺母之間滾道的接觸變形,絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形

30、和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形.滾珠絲杠的扭矩變形較小,對(duì)縱向變形的影響更 小,可忽略不計(jì),螺母座只要設(shè)計(jì)合理,其變形量也可忽略不計(jì).絲杠軸承的軸向接觸變形計(jì)算方法可參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).可供滾珠絲杠支承使用的滾動(dòng)軸承種類很多,目前占優(yōu)勢(shì)的有:接觸角為60的推力角接觸球軸承,可以背靠背或面對(duì)面組配,還可以三聯(lián)組配,四聯(lián)組配等,為提高剛度和承載能力.因此,只要滾珠絲杠的剛度設(shè)計(jì)得好,軸承的軸夏管內(nèi)接觸變形在此可以不予考慮. 絲杠的拉壓變形量 滾珠絲杠應(yīng)計(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量1= fml/ea 式中: 為在工作載荷 作用下絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量(mm):為絲杠的工作載荷(n); l為滾珠絲杠在支承間

31、的受力長(zhǎng)度(mm); e材料彈性模量,對(duì)鋼e=20.610mpa;a為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面 (mm), + 號(hào)用于拉伸, - 號(hào)用于壓縮. fm = 1040.7 (n) l = 1600 mm e =20.610 mpa a= (dm-dm) 則1=fml/ea=1040.71600/20.6/4(40-3.969)=0.0079mm 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2 該變形量與滾珠列.圈數(shù)有關(guān),即與滾珠總數(shù)量有關(guān),與滾珠絲杠的長(zhǎng)度無(wú)關(guān),有預(yù)緊力時(shí)2=0.013fm/式中: dw為滾珠直徑(mm);z 為滾珠總數(shù)量, z=z圓數(shù)列數(shù); z為一圈的滾珠數(shù),z=(dm/dm)-3(內(nèi)循環(huán));

32、dm為滾珠絲杠的公稱直徑(mm);fxj為預(yù)緊力(kgf); fm為滾珠絲杠工作載荷(kgf); dw = 3.969 mm z = 40/ (3.969-3) 12 fm = 1040.7 (n) fxj = 1/3 fx = 1/3 510 = 170 (n) 所以, 2=0.0013=0.0022mm絲杠的總變形量 = 1+2=0.0079+0.0101c,選用內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)螺旋副: dw=3.175mm, dm=25mm, ca=9650n, coa=23100n,=339, lo=5, 12 (3) 傳動(dòng)效率計(jì)算:滾動(dòng)絲杠螺紋的傳動(dòng)效率為=tg/tg（+） 式中: 為絲杠螺紋升角,可根據(jù)

33、初選型號(hào)查出,=339;為摩檫絲杠副的滾動(dòng)摩檫系數(shù)f=0.003-0.004,其摩檫角約等于10 則 =tg339/tg（339+10）(4) 剛度驗(yàn)算滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化,從而影響其定位 絲杠的拉壓變形量 滾珠絲杠應(yīng)計(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量1= fml/ea 式中: 為在工作載荷 作用下絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量(mm):為絲杠的工作載荷(n); l為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度(mm); e材料彈性模量,對(duì)鋼e=20.610mpa;a為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面 (mm), + 號(hào)用于拉伸, - 號(hào)用于壓縮. fm =784 (n) l = 500 mm e =20.610

34、 mpa a=/4(dm-dm)則 1= fml/ea=784 500/20.610 /4(25-3.175) =0.0051mm 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2 該變形量與滾珠列.圈數(shù)有關(guān),即與滾珠總數(shù)量有關(guān),與滾珠絲杠的長(zhǎng)度無(wú)關(guān),有預(yù)緊力時(shí)2=0.0013式中: dw為滾珠直徑(mm);z 為滾珠總數(shù)量, z=z圓數(shù)列數(shù); z為一圈的滾珠數(shù),z=(dm/dm)-3(內(nèi)循環(huán)); dm為滾珠絲杠的公稱直徑(mm);fxj為預(yù)緊力(kgf); fm為滾珠絲杠工作載荷(kgf); dw = 3.175 mm z = 25/ (3.175-3) 12 fm = 784 (n) fxj = 1/3 f

35、x = 1/3 255= 85 (n) 所以, 2 = 0.0013絲杠的總變形量 = 1+2=0.0051+0.0028 =0.00790.015由此可得滾珠絲杠副剛度滿足條件(5) 壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算: 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿,若軸向工作載荷過(guò)大,將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲,即失穩(wěn).失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為: fk = e i / (fzl) (n)式中: e為絲杠材料彈性模量,對(duì)鋼e=20.610 mpa;i為截面慣性矩,對(duì)絲杠圓截面i=d1/64(mm) (d1為絲杠底徑);為絲杠最大工作長(zhǎng)度(mm); fz為絲杠支承方式系數(shù) i = (25-9) / 64 = fz=0.2(一端

36、固定一端自由) l=500mm fk = ei/ (fzl ) = 20.6 10 /500(=5224(n)38傳動(dòng)鏈及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算: 傳動(dòng)比: i= ph / 360p=0.365/3600.005=1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算:工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: j1=(180p/ )w=(180 0.005/0.36) 30/100kg.cm=0.19kg.cm絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: js=7.8 10dl=7.8102.5500=1.52kg.cm電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略,因此總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 jl=(ls+jz)/i+jz1+j1=1.52+0.19=1.71kg.cm所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 快速空載啟動(dòng)

37、時(shí)所需力矩: m = mamax + mf + mo 最大切削負(fù)載所需力矩: m = mat + mf + mo+mt 快速進(jìn)給所需力矩: m = mf + mo式中:mamax- 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速度力矩 mf- 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩檫力矩 mo- 由于絲杠預(yù)緊力所引起折算到電動(dòng)機(jī)軸的附加摩檫力矩 mt- 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 ma = j.n 0.0001/ 9.6t n.m當(dāng)n=nmax時(shí) mamax =ma nmax = vmax i / ph = 2000 1/5 = 400r/min mamax = jl nmax/9.6t =1.714000.0001/9

38、.60.025 = 0.286 n.m當(dāng)n=nt時(shí) ma = mat nt = n f i / ph = 1000vf i / dph = 10001000.3 1/25 5 = 76.4 mat=1.7176.40.0001 / 9.60.025 = 0.054 n.m mf =foph(1-o)/2i=fwph/2i當(dāng)=0.8時(shí) f=0.16 mf = 0.2300.5/20.8 n.cm= 0.0597n.m mo=pvph(1-o)/2i當(dāng)o=0.9時(shí),預(yù)加載荷po=fx/3 mo=fxph(1-o)/6i =407.85(1-0.90.9)/60.8 =0.0257n.m mt =

39、fx ph/2i = 407.85 / 20.8 = 0.405 n.m所以,快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩:m = mamax + mf + mo =0.286+0.0597+0.0257=0.37 n.m 最大切削負(fù)載所需力矩: m = mat + mf + mo+mt = 0.054+0.0597+0.0257+0.405=0.54 n.m 快速進(jìn)給所需力矩: m = mf + mo = 0.0597+0.0257=0.0854 n.m所需最大力矩發(fā)生在快速空載啟動(dòng)時(shí)mmax = 0.54 n.m39步進(jìn)電機(jī)的選擇縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定:(3) 步距角b blo/360i = 0.365/1360 = 0.005(4) 矩頻特性 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)在(靜止?fàn)顟B(tài)),可以查出.步進(jìn)電機(jī)的名義轉(zhuǎn)矩mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩所示的關(guān)系即 mmq = mjmax 步進(jìn)電機(jī)選用五相十拍,則 = 0.951mjmax = 2.156 n.mmmq = mjmax = 0.9512.156= 2.05所選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩mmq 即mkqmmq顯然所選電機(jī)滿足要求,電機(jī)型號(hào)為90byg550a參考文獻(xiàn)：1 孫志禮，何