數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)設(shè)計

1、第一章 概論一、 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(chǔ)。6 年后，即在1952 年，計算機技術(shù)應(yīng)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。二、國內(nèi)數(shù)控機床狀況分析（一）國內(nèi)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

2、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，我國機床工業(yè)產(chǎn)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(chǎn)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

3、種以中低檔為主。（二）國內(nèi)數(shù)控機床的特點1 、新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位。2、數(shù)控機床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。2001 年國內(nèi)數(shù)控金切機床產(chǎn)量已達1.8 萬臺，比上年增長28.5%。金切機床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率從2000年的17.4%提高到2001 年的 22.7%。3、數(shù)控機床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。三、數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢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(chǎn)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

4、數(shù)控的任務(wù)。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，遠程診斷和維修將更加普遍。2. 向高速化和高精度化發(fā)展這是適應(yīng)機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。3. 向智能化方向發(fā)展隨著人工智能在計算機領(lǐng)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(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)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(dǎo)加工將熟練工人和專家的經(jīng)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)（4）智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置可以通過自

5、動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。四、 機床數(shù)控化改造的必要性（一）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(fù)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(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)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37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)

6、另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)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(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。（二）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)

7、模應(yīng)用數(shù)控機床。由于采用信息技術(shù)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(chǎn)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(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)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(chǎn)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。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(yīng)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(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以

8、及數(shù)控技術(shù)的不斷進步，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(shù)為主的新的行業(yè)所以不難看出：1 國內(nèi)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(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，自動/半自動機床不到20，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?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

9、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。2. 進口設(shè)備和生產(chǎn)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(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從19791988年10年間，全國引進技術(shù)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(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使

10、企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)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(jié)果運轉(zhuǎn)不良；有的引進時只注意引進設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設(shè)備故障不能達產(chǎn)達標；有的因為能耗高、產(chǎn)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(shù)更新。種種原因使有的設(shè)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(shè)備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。只要找出主要的技術(shù)難點，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和

11、社會效益。這也是一個極大的改造市場。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(jīng)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(shè)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(chǔ)件都是重而堅固的鑄鐵構(gòu)件，而鑄件越久自然失效充分，內(nèi)應(yīng)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(chǎn)時對環(huán)境的污染。3、熟悉了解

12、設(shè)備結(jié)構(gòu)性能，便于操作維修，購買的新設(shè)備，事先很難前面了解機床的結(jié)構(gòu)性能，以至很難預(yù)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(gòu)筑新基，同時工夾具、樣板和外設(shè)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(chǎn)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，交貨的日期又長。而采用改造方案就可以根據(jù)生產(chǎn)加工

13、要求，采用組合的方法再某些部件設(shè)計改造成專用的數(shù)控機床。6、可及時采用最新技術(shù)，充分利用社會資源由于技術(shù)進步和我國機床功能部件專業(yè)化生產(chǎn)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(dǎo)軌新技術(shù)，可使傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)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(shù)更新的發(fā)展速度，及時地采用最新技術(shù)來提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機場改造成當今水平的機床。第二章 普通車床的數(shù)控改和可行性論證對于普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在考慮總體設(shè)計方案時，應(yīng)遵循的原則是：在滿足設(shè)計

14、要求的前途下，對機床的改動應(yīng)盡可能的少，以降低成本。一車床的數(shù)控改造（一）、數(shù)控機床工作原理及組成1 . 數(shù)控機床工作原理：數(shù)控機床加工零件時，首先應(yīng)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(guān)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(zhì)、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（二）、設(shè)計內(nèi)普通車床

15、改造設(shè)計內(nèi)容 的確定和驗證、 的設(shè)計計算（包 給系統(tǒng)的設(shè)計機床的組成圖容及任務(wù)動自動變速原理及改造后的機床傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計、機床調(diào)速電動機控制電路的設(shè)計、（C618）的數(shù)控 包括：總體方案 機械改造部分 括縱向、橫向進 與計算）、主運 電磁離合器的設(shè)計計算。本設(shè)計任務(wù)是對C618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 mm/脈沖，橫向最小運動單位0.005 mm/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(zhuǎn)位刀架，要能自動的切削螺紋。（三）、數(shù)控部分的設(shè)計改造1、數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)

16、控系統(tǒng)按其運動軌跡可分為：點位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點位控制系統(tǒng)只要求控制刀具從一點移到另外一點的位置， 而對于運動軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對兩個或兩個以上坐標方向的位移進行嚴格的不間斷的控制。由于C618車床要加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。2、伺服進給系統(tǒng)的設(shè)計改造數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺 服系統(tǒng)。閉環(huán)控制方案的優(yōu)點是可以達到和好的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾等對加工精度的影響。但他結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、調(diào)式和維修困難、造價高。半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調(diào)速范圍寬，過載能力強，

17、又采用反饋控制，因此性能遠優(yōu)于以步進電動機驅(qū)設(shè)計上也要有其自身的特點，技術(shù)難動的開環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其調(diào)式比開環(huán)要復(fù)雜, 度較大。開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有位置控制器及反饋線路，因此開環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但其結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，所以常用于精度要求不高的場合。經(jīng)過上序比較，由于所改造的C618車床的目標加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。3、數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。數(shù)控裝置的設(shè)計方案通常有：可以全部自己設(shè)計制作可以采用單板機或 STD模塊或工控機改制可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應(yīng)化改

18、動在普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造中，由于第一種設(shè)計周期較長且不經(jīng)濟，同時質(zhì)量也難于保證。第二種則更加不經(jīng)濟。所以不課程設(shè)計將采取第三鐘方案。（四） 、機械改造部分的設(shè)計1 、主傳動部分的改造設(shè)計將原機床的主軸電動機換成變頻調(diào)速電動機，無級調(diào)速部分由變頻器控制。將原機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構(gòu)。改造后使其主運動和進給運動分離，主軸電動機的作用只是帶動主軸旋轉(zhuǎn)。2、進給機構(gòu)的改造將原機床的掛輪機構(gòu)、進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除?？v向、橫向進給以步進電動機作為驅(qū)動元件經(jīng)一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動。3、其它部件的改造刀架部分：拆除原手動刀架和小拖板，安裝由微機控制的

19、四工位電動機刀架，該刀架具有重復(fù)定位精度高、剛性好、使用壽命長、工藝性好等優(yōu)點。二 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(shù)和經(jīng)濟性分析報告， 是上級主管部門審定和批準立項的基本依據(jù)。同樣， 在進行普通車床的經(jīng)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(jīng)濟型數(shù)控改造的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個方面進行，即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標，改造的基礎(chǔ)條件、目標、技術(shù)方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實施計劃，結(jié)論等。由于本設(shè)計僅作為大學本科生的畢業(yè)設(shè)計，故在此， 設(shè)計者僅對改造的投資概算作

20、一簡要的可行性 論證。本改造設(shè)計是對普通車床C618進行經(jīng)濟型數(shù)控改造。在改造設(shè)計中，采用的是廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的GSK980TW數(shù)控系統(tǒng)，加上兩臺伺服電機，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調(diào)速電動機，四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設(shè)備改造費用和舊設(shè)備費用總計不會超過15萬元。因此，對普通車床作經(jīng)濟型數(shù)控改造適合我國國情，是國內(nèi)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。第三章總體設(shè)計方案的確定經(jīng)總體設(shè)計方案的論證后，確定的C618的車床經(jīng)濟型數(shù)控改造的總體方案示意圖如下圖所顯：C618車床的主軸轉(zhuǎn)速部分采用了變頻調(diào)速交流異步電機，有

21、級變速部分采用電磁離合器控制機構(gòu)；車床的縱 向和橫向進給運動采用步進電機驅(qū)動，經(jīng)步進電機驅(qū)動，齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向進給運動；刀架改成由微機控制，經(jīng)電機驅(qū)動的自動轉(zhuǎn)位刀架。為保持切削螺紋的功能，需安裝主 軸脈沖發(fā)生器。改造后的總體方案示意圖如圖3-1所示：手工輸入計算機存儲裝置或步進電動機控制計算機工件變速箱功率放大器LJ車床變速箱數(shù)控程序 編制加工工件 圖紙步進電動電圖3-1總體方案設(shè)計圖第四章主傳動部分改造與設(shè)計在改造設(shè)計之前，讓我們先來看一下數(shù)控機床主傳動與普通機床相比所具有的特點：1）采用調(diào)速電機驅(qū)動，以滿足主軸根據(jù)數(shù)控指令進行自動變速的需要；2）傳動路線短，從而簡化了主傳動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)；3）轉(zhuǎn)