C618數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、C618數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。 它與人類在農(nóng)業(yè)、 工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞 動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。 6 年后，即在 1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此， 傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。 近半個(gè)世紀(jì)以來， 數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的 發(fā)展。二、國內(nèi)數(shù)控機(jī)床狀況分析（一）國內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)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(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。 在

2、這些數(shù)控機(jī)床中， 除少量機(jī) 床以FMS模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)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(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世界第 5 名， 機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第 3 位，達(dá) 47.39 億美元，僅次于美國的 53.67 億美元，消費(fèi)額比上一年增長 25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場的需求， 使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢， 2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第 2 位，達(dá) 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(jī)床有數(shù) 控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎機(jī)、數(shù)控壓 鑄機(jī)等，普通機(jī)床

3、有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī) 床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。（二）國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)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(jī)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(jī)床產(chǎn)量已達(dá) 1.8 萬臺(tái)，比上年增長 28.5%。金切機(jī) 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(jī)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(diǎn)，更 多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)走上這條道路。至

4、少采用 PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來處 理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面， 將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。 遠(yuǎn)程通訊， 遠(yuǎn)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(jī)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(jì)算機(jī)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(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)， 達(dá)到改 進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)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(yàn)， 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

5、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(dòng)裝置 可以通過自動(dòng)識別負(fù)載，而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。四、機(jī)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(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)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(jì)算機(jī)的威力。1 、可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力， 可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng) 的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。2、可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高37 倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸

6、入的程序記住和存儲(chǔ)下來，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。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， 從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化， 故被稱為 實(shí)現(xiàn)了"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"。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)。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)長時(shí)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(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)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

7、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(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在 70 年代末、 80年代初已 開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。 由于采用信息技術(shù)對國外軍、 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(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后 20 年。如我國 機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到 1995 年只有 1.9 ，而日本在 1994 年已達(dá) 20.8 ，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。數(shù)控化改造的市場空間 機(jī)床的數(shù)控制化改造是一個(gè)方興未的行業(yè)， 從

8、各種統(tǒng)計(jì)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(dá)國家，它們的機(jī)床改造人作 為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)， 生意盎然， 正處在黃金時(shí)代。 由于機(jī)床以及數(shù)控技術(shù)的不 斷進(jìn)步， 機(jī)床改造是一個(gè) "永恒"的課題。 我國的機(jī)床改造業(yè)， 也從老的行業(yè)進(jìn)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(jī)床總量 380 余萬臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 11.34 萬臺(tái)，即我國機(jī) 床數(shù)控化率不到 3。近 10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為 0.6 0.8 萬臺(tái)，年產(chǎn)值約為 18 億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6。我國機(jī)床役齡 10 年以上的占 60%

9、以上；10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20%, FMC/FM等自動(dòng)化 生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)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(jī)床， 而且半數(shù)以上是 役齡在 10 年以上的舊機(jī)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(gè)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(jī) 床的數(shù)控化率。2. 進(jìn)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(jìn)技術(shù)、 設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改 造。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1979198

10、8年10年間，全國引進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目就有18446 項(xiàng)，大約 165.8 億美元。這些項(xiàng)目中， 大部分項(xiàng)目為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。 但是有的引 進(jìn)項(xiàng)目由于種種原因， 設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)， 甚至癱瘓， 使企業(yè)的效益受 到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國外引進(jìn)以后，有的消化 吸收不好，備件不全，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時(shí)只注意引進(jìn)設(shè)備、 儀器、生產(chǎn)線， 忽視軟件、 工藝、管理等， 造成項(xiàng)目不完整， 設(shè)備潛力不能發(fā)揮； 有的甚至不能啟動(dòng)運(yùn)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?yàn)樵O(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)； 有的因?yàn)槟芎母摺?產(chǎn)品合格率低而造成

11、虧損； 有 的已引進(jìn)較長時(shí)間，需要進(jìn)行技術(shù)更新。 種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財(cái)富， 反而消耗著財(cái)富。這些不能使用的設(shè)備、 生產(chǎn)線是個(gè)包袱， 也是一批很大的存量資產(chǎn)， 修好了 就是財(cái)富。 只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn)， 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(jì)效益和社會(huì)效益。 這也是一個(gè)極大的改造 市場。機(jī)床改造的效益分析提高機(jī)床數(shù)控化效率有兩個(gè)途徑： 一是購買新的數(shù)控機(jī)床； 二是對舊的機(jī)床進(jìn)行 改造而對于一個(gè)機(jī)床擁有量大， 經(jīng)濟(jì)財(cái)力又不足的發(fā)展中國家來說， 采用舊機(jī)床 改造來提高設(shè)備的先進(jìn)性和數(shù)控化率是一個(gè)極其有效和使用的途徑， 采用第二中 方法有以下的優(yōu)點(diǎn)：

12、1、減少了投資和交貨的期限同購置新的數(shù)控機(jī) 1ff8 床相比，一般可以節(jié)省 60%到 80%的費(fèi)用，改造的費(fèi)用 大大減低。2、機(jī)械的穩(wěn)定性可靠 機(jī)床的床身，立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)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(huì)資源， 又 減少了鑄鐵件生產(chǎn)時(shí)對環(huán)境的污染。3、熟悉了解設(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(jī)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(jī)床在使用和維修方面的培訓(xùn)時(shí)間， 機(jī)床一旦 改裝完成，很快就可以投入使用，見效較快。4、可以

13、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(jī)時(shí)重新構(gòu)筑新基， 同時(shí)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(jī)床，往往對一個(gè)具體的生產(chǎn)加工有一些多余的功能， 又可能缺少某一個(gè)專用的特殊功能， 如向機(jī)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(fèi)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)加工要求，采用組合的方法再某些部件設(shè)計(jì)改造成專用的數(shù)控機(jī)床。6、可及時(shí)采用最新技術(shù)，充分利用社會(huì)資源 由于技術(shù)進(jìn)步和我國機(jī)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(jī)床方面的改造， 如隨意采購各種尺寸的滾珠絲杠

14、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(dòng)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(huì)資源， 可根據(jù)技術(shù)更新的發(fā)展 速度，及時(shí)地采用最新技術(shù)來提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平和效率， 提高設(shè)備質(zhì)量 和檔次，將舊機(jī)場改造成當(dāng)今水平的機(jī)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(jì)型數(shù)控改造， 在考慮總體設(shè)計(jì)方案時(shí)， 應(yīng)遵循的原則是： 在 滿足設(shè)計(jì)要求的前途下，對機(jī)床的改動(dòng)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(jī)床工作原理及組成1. 數(shù)控機(jī)床工作原理： 數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，首先應(yīng)編制零件的加工程序，這是數(shù)控機(jī)床

15、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(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變化、 起停，進(jìn)給 運(yùn)動(dòng)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(dòng)作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴(yán)格的按照加工程序規(guī)定的順序、 軌跡和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出符合要求的零件。2. 數(shù)控機(jī)床的組成： 數(shù)控機(jī)床主要由控制介質(zhì)、 數(shù)控裝置、 伺服系統(tǒng)和機(jī)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(jī)床的組成圖（二）、設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)普通車床（C618的數(shù)控改造設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：總體方案的確定和驗(yàn)證、機(jī)械改造 部分的設(shè)計(jì)計(jì)算（包括縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算）、主運(yùn)動(dòng)自動(dòng)變速原

16、 理及改造后的機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)、 機(jī)床調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)、 電磁離 合器的設(shè)計(jì)計(jì)算。本設(shè)計(jì)任務(wù)是對C618臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造，實(shí)現(xiàn)微機(jī)對車床的數(shù)控化控制。 利用微機(jī)對車床的縱向、 橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字控制， 并要達(dá)到縱向最小運(yùn)動(dòng)單 位為 0.01 / 脈沖，橫向最小運(yùn)動(dòng)單位 0.005 / 脈沖，主運(yùn)動(dòng)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速，刀 架要改造成自動(dòng)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，要能自動(dòng)的切削螺紋。（三）、數(shù)控部分的設(shè)計(jì)改造1、數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按其運(yùn)動(dòng)軌跡可分為： 點(diǎn)位控制系統(tǒng)、 連續(xù)控制系統(tǒng)。 點(diǎn)位控制系統(tǒng)只 要求控制刀具從一點(diǎn)移到另外一點(diǎn)的位置， 而對于運(yùn)動(dòng)軌跡原則上不加控制。 連 續(xù)

17、控制系統(tǒng)能對兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)方向的位移進(jìn)行嚴(yán)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(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。2、伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)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(diǎn)是可以達(dá)到和好的機(jī)床精度， 能補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)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(jià)高。半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調(diào)速范圍寬， 過載能力強(qiáng)， 又采用反饋控制， 因此性能遠(yuǎn)優(yōu) 于以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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，設(shè)計(jì)上也要有其自身

18、的特點(diǎn)，技術(shù)難度較大。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(biāo)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(jì)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(jì)方案通常有：l 可以全部自己設(shè)計(jì)制作l可以采用單板機(jī)或STD模塊或工控機(jī)改制l 可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應(yīng)化改動(dòng) 在普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造中， 由于第一種設(shè)計(jì)周期較長且不經(jīng)濟(jì)， 同時(shí)質(zhì)量 也難于保證。第二種則更加不經(jīng)濟(jì)。所以不課程設(shè)計(jì)將采取第三鐘方案。（四）、機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)1 、主傳動(dòng)部分的改造設(shè)計(jì) 將原機(jī)床的主軸電動(dòng)機(jī)換成變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)， 無級調(diào)速部分由變頻器控制。 將原 機(jī)床的主軸手動(dòng)變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機(jī)構(gòu)。 改造后使其主運(yùn)動(dòng) 和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離，主軸電動(dòng)機(jī)的作用只是帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。2、進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 將原機(jī)床的掛輪機(jī)構(gòu)、進(jìn)給箱、溜板箱、