C6150臥式車床數(shù)控化改造畢業(yè)論文

1、尤初饑a #2016屆畢業(yè)設計（論文）題目：c6150臥式車床數(shù)控化改造站 點：年 級：2014級專 業(yè)：機械設計制造及其自動化姓 名：指導老師：完成日期：二o六年四月二十丸ec6150臥式車床數(shù)控化改造內(nèi)容摘要了解數(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(chǎn)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)為普通不床，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，也為了適應多品種中、小批量零 件加工

2、我們選擇機床經(jīng)濟型數(shù)控改造。木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、縱向進給abstract to understand the concept of nc machine tool, the so-called digital control machine tool (cutter) is according to the process of sports information program specified order automatic operation. and the cnc machine is

3、cnc machine tools to work in computer monitoring. it has many advantages, can be on the same machine on a fixture can complete a plurality of operations, the advantages greatly improves the production efficiency, but it is expensive. because our country now use the machine for the majority of ordina

4、ry lathe, the low degree of automation, to update the existing tools need a lot of money. in order to solve this problem, in order to adapt to many varieties, small batch processing of parts we choose cnc machine tools of economic transformation. this design mainly for the design of vertical feed sy

5、stem, including the determination of retrofit scheme of longitudinal feedsystem, the design of the parts.keywords cnc, lathe, transformation, the longitudinal feed內(nèi)容摘要1刖呂5一、概述5（一）數(shù)控發(fā)展簡史5（二）數(shù)控機床及其特點7（三）數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度（四）數(shù)控機床的經(jīng)濟分析10（五）數(shù)控機床的發(fā)展趨勢13（六）數(shù)控化改造的必要性及如何改造進行論述14二、總體方案的制度與比較19（一）車床數(shù)控化改造的實踐準備及資料收集

6、19（二）數(shù)控化改造方案的制定20（三）c6150臥式車床數(shù)控化改造總體方案的比較與選擇22三、機械部分改造設計與計算23（一）縱向進給系統(tǒng)的設計與計算23（二）脈沖發(fā)生器的選擇28（三）刀架的選用29（四）拖板箱29四、電氣控制的設計計算29（一）數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成29（二）單片機控制系統(tǒng)的設計30(三) 軟件系統(tǒng)31五、其它32(-)齒輪傳動消除間隙的方法33()潤滑與密封34結束語35參考文獻36致謝37冃ijs數(shù)控機床經(jīng)濟型改造，實質(zhì)是機械工程技術與微電子技術的結合。經(jīng) 改造后的機床加工的精度、效率、速度都有了很明顯的提高，適合我國 現(xiàn)在經(jīng)濟水平的發(fā)展要求。本次畢業(yè)設計中，我們對有關

7、數(shù)控機床及數(shù)控改造的相關書籍、刊物 進行大量閱讀，收集了很多資料，了解了數(shù)控機床的基本概念，數(shù)控機床 的發(fā)展概況，數(shù)控機床的組成及其工作原理，擴大了我們的知識面。隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代機械制造要求產(chǎn)品的形狀和結構不斷改進， 對零件的加工質(zhì)量的要求也越來越高。隨著社會對產(chǎn)品多樣化要求的增 強，產(chǎn)品品種增多，產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。數(shù)控機床代替普通機床被廣泛應 用是一個必然的趨勢。同時，數(shù)控機床將向著更高的速度、精度、可靠 性及完善性的功能發(fā)展。一、概述（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

8、只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)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(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀以來， 數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。1、數(shù)控（nc）階段（19521970年）早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數(shù)據(jù)處理影響還不 大，但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路搭 成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控(hard-wired nc),簡稱為數(shù)控(nc)。隨著元器件的發(fā)展，這個階段 歷經(jīng)了三代，即1952年的第一代一電子管；1959年的第二代一晶

9、體管； 1965年的第三代一小規(guī)模集成電路。2、計算機數(shù)控(cnc)階段(1970年現(xiàn)在)到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過 來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控(cnc)階段(把計 算機前面應有的通用兩個字省略了)。到1971年，美國intel公司在 世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件一運算器和控制器，采用大 規(guī)模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之為微處理器(microprocessor),又可稱為中央處理單元(簡稱cpu)。到1974年微處理器被應用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太 強，控制一臺機床能力有富裕(故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群

10、 控)，不如采用微處理器經(jīng)濟合理。而但當時的小型機可靠性也不理想。 早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結構來解 決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數(shù)控。到了 1990年，pc機(個人計算機，國內(nèi)習慣稱微機)的性能已發(fā)展 到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此 進入了基于pc的階段?？倆,計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代一小型計 算機；1974年的第五代一微處理器和1990年的第六代一基于pc （國外 稱為 pc-based） o還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數(shù)控（即cnc） 了， 而我國仍習慣稱數(shù)控（nc）

11、。所以我們?nèi)粘Ｖv的數(shù)控，實質(zhì)上已是指 計算機數(shù)控''了。（二）數(shù)控機床及其特點數(shù)控機床（numerical control machine tools）是指采用 數(shù)字形式信息控制機床。詳言之，凡是用數(shù)字化的代碼將零件 加工過程中所需的各種操作和步驟以及刀具與工件之間的相對 位移量等記錄在程序介質(zhì)上，送入計算機或數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過譯 碼、運算以及處理，控制機床的刀具與工件的相對運動，加工 出所需要的工件的一類機床即為數(shù)控機床。數(shù)控機床較好地解決了復雜、精密、小批、多變的零件加 工問題，是一種靈活的、高效能的自動化機床，尤其對于約占 機械加工總量80%的單件、小批量零件的加工，更顯示出

12、其特有 的靈活性。概括起來，采用數(shù)控機床有以下幾方面的好處： 提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定； 提高生產(chǎn)效率，一般約提高效率35倍，使用數(shù)控加工 屮心機床則可提高生產(chǎn)率510倍； 可加工形狀復雜的零件； 減輕了勞動強度，改善了勞動條件； 有利于生產(chǎn)管理和機械加工綜合自動化的發(fā)展。然而，數(shù)控機床畢竟是一種高度自動化的機床，技術復雜, 成本較高。在實際采用時，一定要充分考慮其技術經(jīng)濟效 杲。冃前，選用數(shù)控機床時主要考慮以下三種因數(shù)：即單 件、屮小批量的生產(chǎn)；形狀比較復雜，精度要求高的加工;產(chǎn)品更新頻繁，生產(chǎn)周期要求短的加工。凡是符合這三種 因素之一的情況，采用數(shù)控機

13、床，對于改進產(chǎn)品質(zhì)量、減輕工人勞動強度、提高經(jīng)濟效益等，都會獲得顯著的效果（三）數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度1. 數(shù)控機床的工藝范圍:根據(jù)數(shù)控加工的優(yōu)缺點及國內(nèi)外大量應用實踐，一般可按適用程度將零件分為三類：（1）最適用類1）形狀復雜，加工精度要求高，用通用機床無法加工或雖然 能加工但很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的零件。2）用數(shù)學模型描述的復朵曲線或曲面輪廓零件。3）有難測量、難控制進給、難控制尺寸的不開敞內(nèi)腔的殼體 或盒型零件。4）必須在依次裝夾中合并完成銃、鋰、較或螺紋等多工序的 零件。（2）較適用類1）在通用機床加工時極易受人為因素（如：情緒波動、體力 強弱、技術水平高低等）干擾，零件價值又高，一旦

14、質(zhì)量失控 會造成重大經(jīng)濟損失的零件；2）在通用機床上加工時必須制造復雜的專用工裝的零件。3）需要多次更改設計后才能定型的零件。4）在通用機床上加工需要作長時間調(diào)整的零件。5）用通用機床加工時，生產(chǎn)率很低或體力勞動強度很大的零 件。（3）不適用類1）生產(chǎn)批量大的零件。2）裝夾困難或完全靠找正定位來保證加工精度的零件。3）加工余量不穩(wěn)定，且數(shù)控機床上無在線檢測系統(tǒng)可自動調(diào) 整零件處標位置的零件。4）必須用特定的工藝裝備協(xié)調(diào)加工的零件。2. 數(shù)控機床的加工精度：看一臺機床水平的高低，要看它的重復定位精度，一臺機 床的重復定位精度如果能達到0. 005mm（is0標準、統(tǒng)計法），就 是一臺高精度機床，

15、在0. 005mm（is0標準、統(tǒng)計法）以下，就 是超高精度機床，高精度的機床，要有最好的軸承、絲杠。超精密加工冃前是指尺寸和位置精度為0.010.3um,形 狀和輪廓精度為0. 003-0. 1 u m,表面粗糙度鋼件rawo. 05 u m、銅件rao. 01 n mo國內(nèi)研制的超精密數(shù)控車床、數(shù)控銃床已投 入生產(chǎn)使用。當前在品種上需發(fā)展超精密磨床和超精密復合加 工機床，同時要進一步提升超精密主軸單元、超精密導軌副單 元、超精密平穩(wěn)驅動系統(tǒng)、超精密輪廓控制技術及納米級分辨 率數(shù)控系統(tǒng)的性能并加快其工程化。超精密機床主要用于解決國內(nèi)高新技術和國防關鍵產(chǎn)品的 超精密加工，雖然需求量不很大，但它

16、是一項受國外技術封鎖 的敏感技術。另一方面，超精密加工技術的深化研究，它的成 果的下延將有助于需要量大的加工精度在亞微米級的高精密機 床的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機床的加工精度 已由1011 m提高到5u m,精密級加工屮心則從35 u m,提高 到11.5 11 m,并且超精密加工精度己開始進入納米級 (0. 01 u m) o在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的mtbf值已達6 000h 以上，伺服系統(tǒng)的mtbf值達到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的 可靠性。(四) 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析1 實用性。選購數(shù)控機床時，企業(yè)要有明確的目的和出發(fā) 點，首先考慮的是數(shù)控機床的實用性

17、。(1) 數(shù)控機床規(guī)格、精度的實用性。在選擇數(shù)控機床時，首 先應確定數(shù)控機床上加工的典型零件。零件的尺寸決定機床的 加工范圍；零件關鍵部位的精度決定了所選機床的精度等級。 機床精度的評定指標較多，因數(shù)控機床類別而異，但共有的關 鍵項目是定位精度、重復定位精度以及綜合加工精度。定位精 度與傳動鏈各環(huán)節(jié)的彈性、間隙等因素有關，反映了機械系統(tǒng) 中的扭劇、撓度、爬行、共振等諸因素造成的綜合誤差。這些 指標既反映了伺服機構的剛度，也說明了位置反饋測量系統(tǒng)的 質(zhì)量。重復定位精度反映了數(shù)控軸在全行程內(nèi)定位點的穩(wěn)定 性，傳動鏈剛性直接影響重復定位精度。綜合加工精度指最后 加工出來的工件尺寸與所要求尺寸之間的誤

18、差。選購時應避免 盲目追求高精度，注意機床精度與工件精度相匹配。(2) 數(shù)控系統(tǒng)功能的實用性。數(shù)控系統(tǒng)功能可分為基本功 能與選用功能，各知名品牌數(shù)控系統(tǒng)的基本功能差別不大。除 基本功能以外，數(shù)控系統(tǒng)還為用戶提供多種可選功能。通常數(shù) 控系統(tǒng)具備的基本功能比較便宜，而特定選擇的功能很貴。在 可供選擇的功能模塊中，性能差別很大，價格也相差數(shù)倍，所 以要根據(jù)加工要求和機床性能的需要來選擇。從控制方式、驅 動形式、反饋形式、檢測、操作方式、接口形式和故障診斷等 方面來衡量，合理地選擇適合機床的可選功能，放棄可有可無 或不實用的可選功能。比如，自動換刀裝置(atc)是加工中心 的基本特征，atc裝置的投資

19、往往占整機的30%50%。因此在 滿足使用要求的前提下盡量選用結構簡單和可靠性高的atc, 以提高機床的可靠性和降低整機的價格。應當注意，單獨簽訂 合同購買附件的單價大大高于隨同主機一起供貨的附件單價, 應盡可能在購買主機時一并購置部分易損部件及其他附件。2. 經(jīng)濟性。經(jīng)濟性是指選用的數(shù)控機床在滿足加工要求的 條件下，所支付的“錢”最少或較為合理的。經(jīng)濟性往往是和 實用性緊密相連的，機床選得實用、經(jīng)濟，可避免不必要的浪 費，避免以高代價換來功能過多而又不實用的較復雜的數(shù)控機 床，避免在操作使用、維護保養(yǎng)等諸多方面帶來困難。數(shù)控機床的設計使用壽命一般為7年，主要以數(shù)控方面的 使用壽命為準。同時還

20、得考慮市場占有率，市場占有率高的數(shù) 控設備說明是旺銷產(chǎn)品，已受到多數(shù)用戶的青睞和肯定，一般 不會有太多的質(zhì)量問題。選購數(shù)控機床應考慮投資回報，能夠在短期內(nèi)收回投資的 機床才是好機床。因為數(shù)控機床的主要優(yōu)勢是實現(xiàn)工序集屮， 從而提高生產(chǎn)率和加工精度，所以數(shù)控機床既適于單件小批生 產(chǎn)，乂適于大批量生產(chǎn)。多數(shù)中小型企業(yè)購買的數(shù)控機床用于 批量生產(chǎn)，因為批量生產(chǎn)不僅節(jié)省編程、對刀等輔助時間，提 高機床利用率；而且對操作者的技術要求不高，人工費用也相 對較低。所以用于大批量生產(chǎn)的機床投資冋報較快。少數(shù)產(chǎn)品 附加值高，具有一定經(jīng)濟實力的企業(yè)，為了生產(chǎn)組織方便而購 買用于單件綸產(chǎn)的數(shù)控機床。機床利用率較低時

21、，不僅要考慮 設備的使用費用，比如潤滑油、冷卻液、電力消耗等，還耍計 算設備折舊。另外一個不可忽視的因素是設備的貶值，數(shù)控機 床的升級、更新較快，同配置的一臺機床，現(xiàn)在售價40萬，三 年后可能降至35萬，這樣算起來貶值和折舊一樣不可忽視。所 以沒有定型產(chǎn)品或產(chǎn)品附加值較低的屮小型企業(yè)，在購置貴重 數(shù)控設備之前，一定要充分研究收回投資的周期。有些企業(yè)事 先確定較穩(wěn)定的批量加工意向，甚至已經(jīng)接到訂單，選購機床 時要求機床廠為其準備工裝、編制程序、培訓工人，即所謂“交 鑰匙”工程，這是投資數(shù)控機床最理想的情況。3. 穩(wěn)定可靠性。數(shù)控設備的可靠性是廣大數(shù)控設備用戶必 須關心的焦點問題，因此在選用數(shù)控設

22、備時應注意生產(chǎn)廠家的 規(guī)模和市場占有率，確認其產(chǎn)品是否達到國家規(guī)定的平均無故 障時間標準（規(guī)定為500h）o目前多數(shù)機床廠都采購成熟的數(shù)控 系統(tǒng)和零部件進行組裝。國內(nèi)應用較多的數(shù)控系統(tǒng)有日本 fanuc、德國的西門子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京 的居多，而床身中的直線導軌、主軸又分別來自德國和臺灣等 地。所以機床的主要零部件的質(zhì)量一般是可靠的，需要重點考 察的是數(shù)控機床組裝企業(yè)的售后服務網(wǎng)絡是否健全，服務隊伍 的素質(zhì)是否能勝任工作，服務能否及時，是否能履行承諾等。（五）數(shù)控機床的發(fā)展趨向1. 繼續(xù)開放式，基于pc的第六代發(fā)展方向，基于pc的所 具有的開放性的成本，高可靠性，軟硬件資源豐

23、富等特點，更 多的數(shù)控系統(tǒng)，生產(chǎn)廠家會走上這條路，至少采用pc機作為他 的前端機來處理人機界面、編程、聯(lián)絡通訊等問題，由原有的 系統(tǒng)擔任數(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)。2. 向高速化和高精度發(fā)展這是適應機床向高速和高精度發(fā) 展方向的需要。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深入和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng) 的智能化程度將不斷提高。（1）自適應控制技術，數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中的一部分重 要信息，并自動調(diào)整好系統(tǒng)的有關系數(shù)，達到改進整個系統(tǒng)運 行狀態(tài)的冃的。（2 ）引入專家系統(tǒng)指導加工，將熟練工人和專家的經(jīng)驗以 及加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)

24、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)字伺服驅動裝置，可以通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行狀態(tài)。（六）數(shù)控化改造的必要性及如何改造進行論述我國目前機床總量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0.60.8萬臺，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，口動/半口動機床不到20%, fmc/fms等口 動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和li本自動和半自動機床占60% 以上）?？梢娢覀?/p>

25、的大多數(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。經(jīng)過大量實踐證明普通機床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟性、 實用性和穩(wěn)定性。所以很多企業(yè)紛紛將現(xiàn)有機床改造成經(jīng)濟型 數(shù)控機床，這種做法具有投資少、見效快的特點。事實證明： 用較少的資金，將普通機床改造升級為數(shù)控機床，可以為企業(yè) 帶來可觀的經(jīng)濟效益。2.如何進行機床數(shù)控化改造（1）國外改造業(yè)的興起：在美

26、國、日本和德國等發(fā)達國家, 它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃 金時代，由于機床以及技術的不斷進步，機床改造是個”永恒” 的話題，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 主的新行業(yè)，在美國、日本和德國用數(shù)控技術改造機床和生產(chǎn) 線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行 業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生業(yè)，從事再生業(yè)的著名 公司有：bertsche x程公司，orgbon機床公司等。在日本，機 床改造業(yè)稱為機床改造業(yè)，從事改裝的公司有：大限工程集團， 山本工程公司等。（2）數(shù)控化改造的優(yōu)缺點1）減小投資額，交貨期短，同購置新機床相比，一般可節(jié) 省60%8

27、0%的費用，改造費用低，特別是大型、特殊機床尤其明 顯，一般大型機床改造，只要新機床購置費用的1/3,交貨期短, 但有些情況比較特殊。如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作 與安裝過于費工費錢，往往改造成本提高23倍，與購置新機 床相比，只能節(jié)約50%左右。2）機械性能穩(wěn)定可靠，結構受限制，所利用的床身、立柱 等機床件都是重而堅固的鑄造件，兒不是焊接構件，改造后的 機床性能高，質(zhì)量好，可以作為新設備繼續(xù)使用多年，但是受 到后來機械結構的限制，不宜做突破性的改造。3）可采用最新的控制技術，可充分利用現(xiàn)有的條件，可以 利用現(xiàn)有基礎，不必像購入新設備時那樣需要重新構建地基。4）可以采用最新的控制技術，可

28、根據(jù)技術革新的發(fā)展速度, 及時提高生產(chǎn)設備的自動化水平和效率，提高設備質(zhì)量和檔次, 將舊機床改造成為今水平的機床。3. 數(shù)控系統(tǒng)的改造型數(shù)控系統(tǒng)主耍有三種類型，改造時，應根據(jù)具體情況進行 選擇，即步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)，異步電動機或直流電動機 拖動，當檢測量反饋的閉環(huán)系統(tǒng)以及交/直流伺服電機拖動，編 碼器反饋的半閉環(huán)系統(tǒng)這三種。（1）步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)該系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電動機，功率步進電機 電液脈沖馬達等，由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅動電 路控制和功率放人后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲 杠幅驅動執(zhí)行部件，只需控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電 順序，便可控制執(zhí)行部件

29、運動的位移量，速度和運動方向，這 種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱 為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要取決于步進電機的角位移 精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度 較低，該系統(tǒng)結構簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低易 改裝成功。(2) 異步電動機或直流電動機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán) 數(shù)控系統(tǒng)該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是，由光柵感應同步器等位置檢 測裝置測得的實際位置反饋信號，隨吋與給的的值進行比較， 將兩者的差值放大和變換，驅動執(zhí)行機構，以給定速度向著消 除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際值差距等于零 為止，閉環(huán)進給系統(tǒng)在結構上比開環(huán)系統(tǒng)復雜、成本高

30、，對環(huán) 境室溫耍求嚴，設計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難，但是可以獲得比 開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅動功率更大的特性 指標，可根據(jù)產(chǎn)品技術要求決定是否采用這樣系統(tǒng)。(3) 交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系 統(tǒng)，半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行 部件的位置，它只能補償系統(tǒng)環(huán)內(nèi)部部分元件的誤差，因此它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結構與調(diào)試都比閉環(huán)系 統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件的安裝問題，當前國內(nèi)生產(chǎn)線數(shù) 控系統(tǒng)的公司廠家比較多，如珠峰公司、北京航天機床數(shù)控系 統(tǒng)集團公司、華中數(shù)控公司等。選擇數(shù)控系統(tǒng)時主耍是依據(jù)數(shù) 控改造后機床要達到的各種精度，驅動電機的功率

31、和用戶的要 求。4、數(shù)控化改造中主要部件的改造探討一臺新的數(shù)控機床，在設計上要達到：有高的靜動態(tài)剛度,運動幅之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙，功率大,便于操作和維修，機床數(shù)控改造時，盡量達到上述要求，不能認為將數(shù)控裝置與普通機床連接在一起就達到了數(shù)控機床的要求，還應對主要部件進行相應的改造，使其達到一定的設計要求，才能得 到預期的改造目的。（1）滑動導軌幅對數(shù)控車床來說，導軌除應具有的普通車 床的導向和工藝性外，還要有良好的耐磨損特性，并減少因摩 擦阻力而致死區(qū)，同時要有足夠的剛度，以減少導軌變形對加 工精度的影響，要有合理的導軌防護和潤滑。（2）齒輪幅一般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱 中，

32、為了保證傳動精度，數(shù)控機床上使用的齒輪精度等級都比 普通機床高，在結構上要能達到無間隙傳動，因而改造時，機 床只要齒輪必須滿足數(shù)控機床的要求，以保證機床的加工精度。（3）滑動絲杠和滾珠絲杠，絲杠的傳動直接關系到傳動鏈 精度，絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和0拖動扭矩 要求，以保證機床的加工精度，一般情況滑動絲杠不低于6級, 螺母間隙過大則應更換螺母，采用滑動絲杠相對滾珠絲杠摩擦 損失小、效率高，其傳動效率可在90%以上，精度高、壽命長， 啟動力距和運動時力距相近，因此可以滿足較高精度、零件加 工要求。（4）安全防護改造效果必須以安全為前提，在機床改造中，要根據(jù)實際 情況采取相應的措施，滾

33、珠絲杠是精密元件，工作時耍嚴防灰 塵，特別是切削及硬沙粒進入滾道，在縱向絲杠上也可以加整 體鐵板防護罩，大托板與滑動導軌接觸的兩端面要密封好，絕 對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。二、總體方案的制度與比較（一）車床數(shù)控化改造的實踐準備及資料收集在車床數(shù)控化改造這個工程設計之前進行了畢業(yè)實習這一 環(huán)節(jié)。在這期間，接觸了大量的數(shù)控化改造實例，使我對車床 數(shù)控化改造有了初步了解。在與工人師傅的交流中初步了解到 他們對數(shù)控裝備的要求。在工程設計課題接到手后，借閱了大量關于普通機床及數(shù) 控機床的書籍，通過借閱這些書籍，了解了普通車床的基本性 能參數(shù)及結構特點，通過與成型數(shù)控車床進行比較，明確了設

34、 計任務。（二）數(shù)控化改造方案的制定通過閱讀資料及參觀成熟數(shù)控車床的結構設計，初步擬定 以下三個總體改造方案。一）方案一，此方案考慮到盡可能保留車床原有功能，減 化改造量，做好以下幾個方面工作。1. 機械部分改造：保留原車床的主傳動系統(tǒng)和變速操縱機 構，也保留了原有車床的尾座及車身部分，但為了減化操作量, 將原車床的刀架換為電動刀架。為了便于加工螺紋和絲桿，避 免加工螺紋或絲桿時發(fā)生亂扣現(xiàn)象，在主軸箱內(nèi)配置了與主軸 轉角位置變化信號，輸送給計算機處理。拆除原進給箱中進給傳動鏈內(nèi)容，改用步進電機作動力源, 經(jīng)齒輪減速組傳遞動力，驅動滾珠絲杠，帶動刀架作縱向進給, 由此構成簡易的開環(huán)控制系統(tǒng)。拆除

35、原刀架，安裝電動刀架，以減少操作量，實現(xiàn)自動化 控制。2. 數(shù)控裝置的設計此方案中采用mcs-51系列中單片機作為核心芯片，設計了 一個能夠實現(xiàn)圓弧插補和直線插補運算的數(shù)控系統(tǒng)，它能完成 設計任務書中要求的各項功能。3. 方案一的初步評價此方案保留了原有車床結構，進行了小部分改造。改造周 期短，見效快、成本低是此方案的亮點，但其自動化控制程度 低，一般適用于生產(chǎn)線上工序較穩(wěn)定的零件的加工。二）方案二此方案改動量較大，主要做了以下兒點改造：1 機械方而：要求主運動能實現(xiàn)自動變速，采用液壓拔叉 和電磁離合器實現(xiàn)口動變速。保留了原車床的尾座及床身部分。采用電動刀架，實現(xiàn)轉位換刀，提高加工效率，減少輔

36、 助時間。采用液壓尾座、液壓卡盤，實現(xiàn)工件的快速夾持，以利 于提高生產(chǎn)率。其他機械方面的改造與方案一相似，不再贅述。2數(shù)控方面：選用成熟的華屮系統(tǒng)，實現(xiàn)軟硬件合理配置 來實現(xiàn)控制功能。3.方案二的初步評價此改造方案實現(xiàn)了車床的全自動化控制，無論是從提高生 產(chǎn)率方面考慮，還是從減輕工人勞動強度方面考慮均有極大優(yōu) 勢。但它對原車床改動量太大，必然使其改造周期延長，改造 費用大幅上升，改造的經(jīng)濟性下降，影響它的實施。三）方案三為進一步提高機床的性能，解決機械有級變速的附加問題, 形成了方案三。除拆除主軸箱外，還須采用交流伺服電機作主 電機替代原主電機，并配置相應的變頻調(diào)速裝置，以此實現(xiàn)寬 范圍無極平

37、滑變速，其它機械方面與設計方案二相同。方案三的初步評價此方案對原車床的機械部分改動過人，拆除的部分過多， 外購件太多，使得改造費用大幅上升，周期長、見效慢，使改 造的經(jīng)濟性下降，一般中小型企業(yè)不宜采用。（三）c6150臥式車床數(shù)控化改造總體方案的比較與選擇此次設計是在普通車床上增加數(shù)顯裝置,增加數(shù)控系統(tǒng)， 將其改造成nc車床。這設計到機械改造方面和數(shù)控系統(tǒng)的設置 兩大方面的問題，并帶來附加的電氣與液壓控制系統(tǒng)的更改及 設計問題。綜合上述對三個總體方案的初步評價，方案一有以下幾方 面的優(yōu)勢：1. 機械方面:方案一在機械方面保留了原車床上大部分部件，這樣不僅 保留了原車床的加工工藝范圍，并在配置了

38、簡單數(shù)控系統(tǒng)的條 件下，進一步擴大了加工工藝范圍，在低投入的情況下，達到 了較好的改造經(jīng)濟性。適合于中小企業(yè)實現(xiàn)普通車床nc化。2. 數(shù)控配置方面方案一在數(shù)控配置上采用mcs-51系列中8031單片機做成簡 易數(shù)控系統(tǒng)，與機械方面對軟件控制系統(tǒng)的要求達成統(tǒng)一。二方 案二方案三對數(shù)控系統(tǒng)的要求過高，可能造成數(shù)控資源閑置，降 低改造經(jīng)濟性。3 人文方面對操作者而言，方案一機械部分改動較少，操作者熟悉原機 床，便于操作維修，降低了對操作者的技術要求。由于多年使用， 操作者對機床的特性早已了解，在操作使用時只需短時間培訓， 縮短了培訓時間，見效快。4 經(jīng)濟性方面由于方案一在機械改造方面改造量小，外購件

39、少，可降低改 造費用，縮短改造周期，交貨期短，可滿足生產(chǎn)急需。綜合上述優(yōu)勢，選定方案一為c6150臥式車床數(shù)控化改造方 案。三、機械部分改造設計與計算（一）縱向進給系統(tǒng)的設計與計算已知條件：工件工作臺重量：w二lookgf二1000n（根據(jù)圖紙粗略計算）時間常數(shù)：t=25ms滾珠絲杠基本導程：l0=6mm行程：s=900mm脈沖當量：縱向5 p1 =0. 01mm/step步距角:a =0. 75° /step快速進給速度：vm際二2m/ min1切削力計算：由機床設計手冊可知，切削功率nc=n n k式中：電動機功率n二5. 5kwh : 一般為07508 取n二0.75k：進給系

40、統(tǒng)功率系數(shù)，取為k=0. 95貝 ij nc= n n k 二5. 5x 0. 75 x0. 95 = 3 92kw又因為由金屬切削原理可知，主切削力:fl=cfiapxfif yfi kfi查表得：cfi = 188kg. f/mm2=1880mpaxfliyfi二0. 75kf】二 1則再計算fi如表7-1所示： 表1 fi計算結果a.p (mm)333444555f (mm)0. 40. 50. 60. 40. 50. 60. 40. 50. 6fi(n)28373352384531825127478555896408當fi二5953. 5n吋，切削深度ap=5mm,走刀量f=0. 6m

41、m,以此參數(shù)作為下面計算的依據(jù)。從機床設計手冊中可得知，在一般外圓車削時：fx 二（0. p0. 6） fify二（0. 150 7） fi取 =0. 5 fi=0. 5 x 5953. 5=2976. 8nfy二0.6 f（ =0. 6x 5953. 5 = 3572. in2 滾珠絲杠的設計計算由經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計中式（6-3）知，綜合導軌 車床絲杠的軸向力：p二kfx+f（0 +w）式中 k二 1. 15f' =0. 150. 18取為 0.17則 p-1. 15 x 2976. 8+0. 17 （5953. 5 + 1000）=4605.4n1）強度計算：壽命值：取工件直徑

42、d二100mm,查表6-6 得二15000h查表6-7 運轉系數(shù)fw=l. 2查表6-8 硬度系數(shù)件二10則根據(jù)最大動荷q的可供選用的滾珠絲杠副型號有：w3006wch2506w1l3006wil2506wd3006n3006nch3006nl3000nd3006nd3506選擇內(nèi)循環(huán)，螺紋式預緊，基本導程lo=6mmnl3006型內(nèi)循環(huán)螺紋調(diào)整預緊的雙螺母副：【）。二30螺旋升角入=3。39 , c=1600kgf2）效率計算根據(jù)機械原理中公式（5-5）,知絲杠副的傳動效率：式中摩擦角0 = 1°；螺旋升角"3°3丁3）剛度驗算滾珠絲杠在受工作負載p引起的導程的

43、變化量 （6-13）式中 彈性模量e,對鋼e=21x106n/cm2l0=6mm=0. 6cm滾珠絲杠截面積滾珠絲杠因扭矩作用而引起的導程變化量很小，可忽 略。bp al-al1o所以，查表6-9知，一級精度絲杠允許的螺距誤羌為15u m/m,故 剛度足夠。4）穩(wěn)定性驗算滾珠絲杠的兩端裝推力軸承，絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故 不必驗算。3 齒輪及轉矩的有關計算1）有關齒輪計算傳動比2）轉動慣量計算：（以下用及公式見表6-30）工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉動慣量：絲杠的轉動慣量:式中d圓柱零件的直徑（c加）忽略電動機轉動慣量，則總的轉動慣量:3）所需轉動力距計算式中t時間常數(shù)當 n-nmax 時,m

44、amaxma當 n=nt 時,ma=mat故快速空載啟動所需力矩:4.步進電機的選擇縱向進給系統(tǒng)步進電動機的確定mq-電機啟動力距啟動力距取為ml0-hi動機靜負載力距為滿足最小步距要求，三相六拍工作方式 查表t-2知：步進電機最高工作頻率綜合考慮，查表選用130bf001型直流步進電動機，可滿足 使用要求（二）脈沖發(fā)生器的選擇加工螺紋或絲桿時，也保證主軸每轉一轉，刀具準確移動 一個導程，須配置主軸脈沖發(fā)生器作為主軸位置信號的反饋元 件，脈沖發(fā)生器，采用同軸安裝，接膠管柔性聯(lián)接意在實現(xiàn)角 位移信號傳遞的同時，又能吸收車床主軸的部分振動，從而使 主軸脈沖發(fā)生器轉動平穩(wěn)，信號傳遞準確，其聯(lián)接方式如

45、下圖：脈沖發(fā)生器安裝時須注意： 小心輕放，不能有較人的沖擊和振動以防損傷光柵盤。 車床主軸的轉速必須小于丄軸脈沖發(fā)生器的最高允許轉 速以免損壞脈沖發(fā)生器。（三）刀架的選用拆除原手動刀架和小托板，安裝由微機控制的四位電動 刀架，自動換刀裝置應滿足換刀時間短，刀具復定位精度高， 刀具存儲量大，刀座占地面積小及安全可靠等特點。在進行普 通車床的經(jīng)濟數(shù)控改造時，多采用外購直動轉位刀架（螺旋升降轉位刀架）。自動轉位刀架能自動完成抬起、回轉、轉位、下降、定位、 和壓緊。刀架的抬起利用壓縮彈簧的恢復力，利用螺紋傳動，將旋 轉運動變成軸向直線運動，從而達到刀架的抬起。刀架的回轉采用微電機通過蝸桿渦輪使刀架抬起

46、到一定高 度時，由撥塊帶動刀架轉動。刀架的選位由刀架位置的偏碼和 微機程序來實現(xiàn)。刀架的下降采用微機控制使微電機反轉，由于斜面銷的齒 輪作用，刀架不跟隨轉，只是下降，壓緊刀架的壓緊力由微機 下降到位后繼續(xù)轉動產(chǎn)生。（四）拖板箱拆除原拖板箱，利用此位置安裝新拖板箱，新拖板箱上裝 有固定滾珠絲桿的螺母，并在內(nèi)部設儲油箱和手壓泵用于潤滑絲桿副。!1!電氣控制的設計計算（一）數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，硬件是數(shù) 控系統(tǒng)的基礎，其性能的好壞不直接彩響整個系統(tǒng)的工作性能。 有了硬件，軟件才能有效地運行。機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件市電路 概括起來由以下幾部分組成

47、： 中央處理單元cpu 總線：包括數(shù)據(jù)總線（db），地址總線（ab）和控制單 元（cb） 存儲器：包括只讀可編程存貯器和隨機讀寫存貯器。 i/o輸入/輸出接口電路。其中cpu是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進行數(shù)據(jù)運算處理和 控制各部分電路協(xié)作。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應用程序和 運行中所需的各種數(shù)據(jù)。i/o接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的 橋梁，總線是cpu與存儲器，接口以及其它轉換電路鏈接的紐帶是cpu各部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。mls-51系列單片機在我國機床數(shù)控改造方面應用較為普 遍，其配套芯片低廉，普及性通用性強，制造方便，完全能夠 滿足經(jīng)濟型數(shù)控車床的改造需要。本方案對c6150

48、的數(shù)控化改 造以8031組成的單片機作為數(shù)控控制系統(tǒng)。（二）單片機控制系統(tǒng)的設計1、主要的技術特性及硬件配置中央處理器為8301cpu,系統(tǒng)時鐘為12mhz,存貯器選用8 片8kx8位的2764 l=pkom和8kx8位的6264k4m,監(jiān)控程序和 各功能模塊程序固化在2764 一塊epk0m內(nèi)。剩下的一片epk0m 芯片內(nèi)用于存放常用零件的加工程序。這樣安排的好處是更換 零件加工程序時，只需更換一塊芯片即可。調(diào)試程序和運行程 序的中間數(shù)據(jù)也存放在6264內(nèi)。i/o接口芯片選用2片8155, 2#8155的pa 口作為輸出口 , 向l291輸出z向電機的速度，指令pcd也定為輸出口，向其中 p

49、0p2用于微處理，對z向電機速度反饋速度的轉向信號°p3p1 用于對x向電機反饋信號。pb 口定義為輸出口向l2p1輸出x向 電機的速度指令。1#8155的pa 口 pb 口定義為輸入口，用于鍵 盤信號的輸入。2、存儲器空間的分配8000h8fffh9000h9fffh6000h7fffhepromepromeprom4000h、5fffhsrnm存放監(jiān)控程序存放功能模塊程序存放常用零件加工程序3、i/o地址分配地址lfooh'lfffhbfooh bfffh8155內(nèi)部寄存器編址 名稱芯片名稱8155(1)8155(2)8155 (1)8155命令狀態(tài)寄存器1ff8h0bf

50、f8hpa 口1ffyh0bff9hpb 口1ffahobffahpc 口1ffbhobffbh定時器低8位寄存器1ffchobffch定時器高6位寄存器1ffdhobffdh和2位定時方式寄存器三、軟件系統(tǒng)本系統(tǒng)通過軟件來實現(xiàn)對步進電機的控制，使其完成加工 中要求的正反轉及傳動速度。系統(tǒng)軟件的設計采用模塊化設計, 主要模塊如下：下面介紹其中幾個主耍模塊的設計思想1. 顯示模塊本系統(tǒng)在零件加工過程中顯示加工零件的段號及加工剩 余步數(shù)，顯示模塊的功能顯示上述內(nèi)容。在調(diào)用該模塊前要顯 示的數(shù)據(jù)已寫入顯示緩沖區(qū)。其流程圖如圖1。2. 鍵盤掃描模塊該模塊功能：識別是否有鍵按下。如有則進行鍵譯碼，找 出

51、按下的鍵，若無鍵，按下返回鍵。經(jīng)鍵譯碼如是數(shù)字鍵按下 則將鍵值送顯示緩沖區(qū)，若為功能鍵按下則轉到對應的服務程 序。程序流程圖見圖2o3圓弧插補模塊該模塊的功能完成圓弧插補計算，入口參數(shù)：ki、r2分別 為動點kij的坐標 ，ui物態(tài)為圓弧的起點坐標 為動點k 的偏差，初值為出口參數(shù)，a中，為 坐標運算完成，標志置1, 系統(tǒng)中圓弧加工分8個走向，由圓弧加工的數(shù)控字中給出確定 圓弧起點坐標的橫向步數(shù)和縱向步數(shù)。并且給出步數(shù)表示的計數(shù)長度，偏羌計算為負值時，走縱向電機步進支路，縱向步數(shù) 遞增，偏為止，走橫向電機步進支路，橫向步數(shù)，計數(shù)長度遞 減。4. 步進電機控制模塊該模塊功能是判斷步進電機的轉向，然后按順序輸出控制 脈沖。五、其它（一）齒輪傳動消除間隙的方法數(shù)控機床進給系統(tǒng)市于經(jīng)常處于自動變向狀態(tài)，如果齒輪 幅存在間隙，反向時就會使進給運動滯后于指令系統(tǒng)，從而影 響加工精度，因此必須采用措施消除齒輪傳動幅中的間隙，以