CA6140車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)【說明書+CAD】

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由于是對車床進(jìn)行數(shù)控改造，所以在考慮具體方案時(shí)，基本原則是在滿足使用前提下，對同床的改動(dòng)盡可能少，以降低成本。根據(jù)這一原則，決定數(shù)控系統(tǒng)采用開環(huán)控制；傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母傳動(dòng)；驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；數(shù)控系統(tǒng)采用JWK型系統(tǒng)；刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。這樣車床既保留原有功能，又減少了改造數(shù)量。 二 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì)與計(jì)算 將普通車床改造成數(shù)控機(jī)床，除了增加控制系統(tǒng)外，機(jī)械部分也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的改造，其中包括：縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型，以及自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的選型。 技術(shù)參數(shù) 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，已知條件： 工作臺重量：W=80kgf=800N 時(shí)間常量： T=25ms 行 程： s=640mm 步 驅(qū) 角： 2=0.75o/step 快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/ms 脈沖當(dāng)量： 8p=0.01mm/8tep 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，已知條件 工作臺重量：W=30kgf=300N 時(shí)間常量：T=25ms 行 程：s=190mm 步 驅(qū) 角：2=0.75度/step 脈沖當(dāng)量：8p=0.005mm/step 快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/min 開題報(bào)告 1、數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展 　　1946年誕生了世界上第一臺電子計(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。 2、國內(nèi)外發(fā)展的動(dòng)向 （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，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。? 3、數(shù)控系統(tǒng)的趨勢 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)廠家會走上這條道路。至少采用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。 4、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3～7倍。由于計(jì)算機(jī)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(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，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺，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，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％以上；10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS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1979～1988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?、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；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)： 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。 5. 改造的內(nèi)容 普通車床（CA6140）進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，其內(nèi)容包括：總體方案的確定、機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)計(jì)算（伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、主軸交流伺服電機(jī)的選擇、微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)）等。對普通車床進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造符合我國國情，即適合我國目前的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水平，又是國內(nèi)許多企業(yè)提高生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化水平和精密程度的主要途徑，在我國有著廣闊的市場。從另一個(gè)角度來說，該設(shè)計(jì)既有機(jī)床結(jié)構(gòu)方面內(nèi)容，又有機(jī)加工方面內(nèi)容，還有數(shù)控技術(shù)方面的內(nèi)容，有利于將大學(xué)所學(xué)的知識進(jìn)行綜合運(yùn)用。雖然設(shè)計(jì)者未曾系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過機(jī)床設(shè)計(jì)的課程，但通過該設(shè)計(jì)拓寬了知識面，增強(qiáng)了實(shí)踐能力，對普通機(jī)床和數(shù)控機(jī)床都有了進(jìn)一步的了解。 參考文獻(xiàn) 1、《實(shí)用數(shù)控加工技術(shù)》 作者《實(shí)用數(shù)控加工技術(shù)》編委會 出版社：北京、兵器工業(yè)出版社 1995年 2、《實(shí)用數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊》 作者《實(shí)用數(shù)控加工技術(shù)》編委會 出版社：北京出版社 1993年 3、《機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例》 作者：余英良 出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 1998年 4、《數(shù)控加工程序編制》 作者：范炳炎 出版社：航空工業(yè)出版社 1992年 5、《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 作者：張新義 出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 1994年 6、《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》 作者：《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》編委會 出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 1979年 7、《畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》 作者：李恒權(quán) 出版社：青島海洋大學(xué)出版社 1993年 8、《數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊》 作者：李福生 出版社：北京出版社 1996年 9、《AutoCAD習(xí)題精解》 作者：姜勇 出版社：人民郵電出版社 2000年 10、《機(jī)床數(shù)控技術(shù)應(yīng)用》 作者：李宏勝 出版社：高等教育出版社 2001年 目錄 0摘要…………………………………………-3- 1引言……………………………………….-6- 第一章 設(shè)計(jì)方案的確定 - 9 - 一 總體設(shè)計(jì)方案的確定 - 9 - 二 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì)與計(jì)算 - 10 - （一）縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型 - 10 - (二) 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 - 15 - 第二章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 - 19 - 一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用原則 - 19 - 二步進(jìn)電機(jī)的選型 - 20 - （一）C620縱向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定 - 20 - （二）C620橫向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定 - 20 - （三）110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) - 20 - （四）110BF004型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) - 21 - 第三章經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)選型 - 21 - 第四章 電動(dòng)刀架的選型 - 22 - 第五章 編制零件工序及數(shù)控程序?qū)嵗?- 23 - 一機(jī)床改造參數(shù)的選擇 - 23 - （一）車床縱向運(yùn)動(dòng)由Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制 - 23 - （二）車床橫向運(yùn)動(dòng)由X向步時(shí)電動(dòng)機(jī)控制 - 23 - 二程序設(shè)計(jì) - 23 - （一）數(shù)控機(jī)床參數(shù)及約定 - 23 - (二) 編程參數(shù)說明 - 23 - 參考文獻(xiàn) - 27 - 體會 - 28 - 摘要 1947年，Parsons公司的John Parsons著手進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他想用空間數(shù)據(jù)控制機(jī)床加工飛機(jī)零件。1949年，Parsons公司與美國空軍簽定了制造第一臺數(shù)控機(jī)床的合同。1951年， 美國麻省理工學(xué)院承擔(dān)了這一項(xiàng)目。1952年，麻省理工學(xué)院（MIT）使用實(shí)驗(yàn)室制造的控制器和辛辛那提立式主軸展示三軸聯(lián)動(dòng)獲得成功，這標(biāo)志著數(shù)控時(shí)代的到來。到了1955年，幾經(jīng)改進(jìn)之后，數(shù)空技術(shù)開始應(yīng)用于生產(chǎn)。 早期的NC機(jī)床能運(yùn)行穿孔卡和穿孔帶，兩者中以穿孔帶更為通用。但是，鑒于更換、編輯紙帶費(fèi)時(shí)費(fèi)力，后來便采用計(jì)算機(jī)作為編程的輔助工具。計(jì)算機(jī)在數(shù)控中的應(yīng)用有兩種形式：一是計(jì)算機(jī)輔助編程語言，二是實(shí)施直接數(shù)字控制（DNC），有了計(jì)算機(jī)輔助編程語言，程序員可用一套通用“混雜英語”命令編寫NC程序，然后由計(jì)算機(jī)將其釋譯為機(jī)器碼并制成穿孔帶。直接數(shù)字控制是指用一臺計(jì)算機(jī)對一臺或多臺數(shù)控機(jī)床實(shí)施部分或整體控制。雖然有些公司運(yùn)用DNC已獲得成功，但是，擴(kuò)大計(jì)算機(jī)容量、購買軟件、協(xié)調(diào)DNC系統(tǒng)等花費(fèi)使這種系統(tǒng)并不適合所有公司，而只適用于一些大公司。 最近，一種叫做分布式數(shù)字控制的新型DNC系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來，它用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來協(xié)調(diào)多臺DNC機(jī)床的運(yùn)行。這種方式最終有可能用來協(xié)調(diào)整個(gè)工廠的運(yùn)轉(zhuǎn)。這種分布式數(shù)字控制方法解決了協(xié)調(diào)直接數(shù)字控制系統(tǒng)時(shí)遇到的一些難題。在此基礎(chǔ)上，人們還開發(fā)出另一種分布式數(shù)字控制系統(tǒng)，其整個(gè)NC程序可從主機(jī)直接傳輸?shù)綑C(jī)床控制器。另外，該系統(tǒng)也可在必要時(shí)將程序從主機(jī)傳輸?shù)杰囬g的個(gè)人電腦（PC），然后再傳輸?shù)綑C(jī)床控制器 工業(yè)機(jī)器人是在生產(chǎn)環(huán)境中用以提高生產(chǎn)效率的工具,它能做常規(guī)乏味的裝配線工作,或能做那些對于工人來說是危險(xiǎn)的工作,例如,第一代工業(yè)機(jī)器人是用來在核電站中更換核燃料棒,如果人去做這項(xiàng)工作,將會遭受有害放射線的輻射。工業(yè)機(jī)器人亦能工作在裝配線上將小元件裝配到一起，如將電子元件安放在電路印制板，這樣，工人就能從這項(xiàng)乏味的常規(guī)工作中解放出來。機(jī)器人也能按程序要求用來拆除炸彈，輔助殘疾人，在社會的很多應(yīng)用場合下履行職能。 機(jī)器人可以認(rèn)為是將手臂末端的工具、傳感器和（或）手爪移到程序指定位置的一種機(jī)器。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)位置后，它將執(zhí)行某種任務(wù)。除了編程以及系統(tǒng)的開停之外，一般來說這些工作可以在無人干預(yù)下完成。 關(guān)鍵字：加工精度，設(shè)計(jì)方案，分配，參數(shù) 0 引言 回顧即將過去的20世紀(jì)，人類取得的每一項(xiàng)重大科技成果，無不與制造技術(shù)，尤其與超精密加工技術(shù)密切相關(guān)。在某種意義上，超精密加工擔(dān)負(fù)著支持最新科學(xué)發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的重要使命。超精密加工技術(shù)在航天運(yùn)載工具、武器研制、衛(wèi)星研制中有著極其重要的作用。有人對海灣戰(zhàn)爭中美國及盟國武器系統(tǒng)與超精密加工技術(shù)的關(guān)系做了研究，發(fā)現(xiàn)其中在間諜衛(wèi)星、超視距空對空攻擊能力、精確制導(dǎo)的對地攻擊能力、夜戰(zhàn)能力和電子對抗技術(shù)方面，與超精密加工技術(shù)有密切的關(guān)系?？梢哉f，沒有高水平的超精密加工技術(shù)，就不會有真正強(qiáng)大的國防。 超精密車床要求其數(shù)控系統(tǒng)具有高編程分辨率（1nm）和快速插補(bǔ)功能（插補(bǔ)周期0.1ms）。基于PC機(jī)和數(shù)字信號處理芯片（DSP）的主從式硬件結(jié)構(gòu)是超精密數(shù)控的潮流，如美國的NAN OPATH和PRECITECH'S ULTRAPATH TM都采用了這一結(jié)構(gòu)。數(shù)控系統(tǒng)的硬件運(yùn)動(dòng)控制模塊（PM AC）開發(fā)應(yīng)用越來越廣泛，使此類數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和可重構(gòu)性得到提高。我國國防科技大學(xué)研制開發(fā)的YH－1型數(shù)控系統(tǒng)采用ASW－824工業(yè)一體化PC工作站為主機(jī)，用ADSP2181信號處理器模塊構(gòu)成高速下位伺服控制器。 模塊化、構(gòu)件化是超精密車床進(jìn)入市場的重要技術(shù)手段，如美國ANORAD公司生產(chǎn)各種主軸、導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺，用戶可根據(jù)各自的需要組成一維、兩維和多維超精密運(yùn)動(dòng)控制平臺和車床。研制超精密車床時(shí)，布局就顯得非常關(guān)鍵。超精密車床往往與傳統(tǒng)車床在結(jié)構(gòu)布局上有很大差別，流行的布局方式是“T”型布局，這種布局使車床整體剛度較高，控制也相對容易，如Pneumo公司生產(chǎn)的大部分超精密車床都采用這一布局。模塊化使車床布局更加靈活多變，如日本超硅晶體研究株式會社研制的超精密車床，用于車削超大硅晶片,采用三角菱形五面體結(jié)構(gòu)，用于提高剛度；德國蔡司公司研制了4軸精密車床AS100，用于加工自由形式表面，該車床除了X、Z和C軸外，附加了A軸，用于加工自由表面時(shí)控制砂輪的車削點(diǎn)。此外，一些超精密加工車床是針對特殊零件而設(shè)計(jì)的，如大型高精度天文望遠(yuǎn)鏡采用應(yīng)力變形盤加工，一些非球面鏡的研拋加工采用計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)（CCOS）加工，這些車床都具有和通用車床完全不同的結(jié)構(gòu)。由此可見，超精密車床的結(jié)構(gòu)有其鮮明的個(gè)性，需要特殊的設(shè)計(jì)考慮和設(shè)計(jì)手段。 為保證超精密車床有足夠的定位精度和跟蹤精度，數(shù)控系統(tǒng)必須采用全閉環(huán)結(jié)構(gòu)，高精度運(yùn)動(dòng)檢測是進(jìn)行全閉環(huán)控制的必要條件。雙頻激光干涉儀具有高分辨率（如ZYGO AX10MTM 2/20分辨率為1.25nm）與高穩(wěn)定性，測量范圍大，適合作車床運(yùn)動(dòng)線位移傳感器使用。但是雙頻激光干涉儀對環(huán)境要求過于苛刻，使用和調(diào)整非常困難，使用不當(dāng)會大大降低精度。根據(jù)我們的使用經(jīng)驗(yàn)，德國Heidenhain公司生產(chǎn)的光柵尺更適合超精密車床運(yùn)動(dòng)檢測，如該公司LI P401,材料長度220mm，分辨率為2nm，采用Zerodur材料制成幾乎達(dá)到零膨脹系數(shù)（0.1ppm/k），動(dòng)靜尺間隙為0.6±0.1mm，對環(huán)境要求低，安裝和使用方便，如Nanoform2500和Opt imum2400超精密車床都使用了Heidenhain光柵尺。 在數(shù)控軟件方面，開放性是一個(gè)發(fā)展方向。國外有關(guān)開放性數(shù)控系統(tǒng)的研究有歐共體的OS ACA、美國的OMAC和日本的OSEC。我國國防科技大學(xué)在此基礎(chǔ)上提出了構(gòu)件化多自由度運(yùn)動(dòng)控制軟件，可根據(jù)車床成形系統(tǒng)的布局任意組裝軟件，符合車床模塊化發(fā)展的方向。 1.序言 課題簡介： 本課題是圍繞將普通機(jī)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床展開設(shè)計(jì)的，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床是指價(jià)格低廉、操作使用方便，適合我國國情的裝有簡易數(shù)控系統(tǒng)的高效自動(dòng)化機(jī)床。中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，常希望對原有舊機(jī)床進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、自動(dòng)化。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)就是結(jié)合現(xiàn)實(shí)的的生產(chǎn)實(shí)際，結(jié)合我國國情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價(jià)格。價(jià)格便宜、性能價(jià)格比適中是其最主要的特點(diǎn)，特別適合在設(shè)備中占有較大比重的普通車床改造，適合在生產(chǎn)第一線大面積推廣。企業(yè)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控型系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行改造后，將提高產(chǎn)品加工精度和批量生產(chǎn)的能力，同時(shí)又能保持“萬能加工”和“專用高效”這兩種屬性，提高設(shè)備自身對產(chǎn)品更新?lián)Q代的應(yīng)變能力，增強(qiáng)企業(yè)的競爭能力。 利用微機(jī)改造現(xiàn)有的普遍車床，主要應(yīng)該解決的問題是如何將機(jī)械傳動(dòng)的進(jìn)給和手工控制的刀架轉(zhuǎn)位，進(jìn)給改造成由計(jì)算機(jī)控制的刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位以及自動(dòng)進(jìn)給加工車床，即經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。 進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的改造是非常有必要的。數(shù)控機(jī)床可以很好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批量及多變零件的加工問題。能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，但是數(shù)控機(jī)床的運(yùn)用也受到其他條件的限制。如：數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大等，因此，普通車床的數(shù)控改造，大有可為。它適合我國的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一。 現(xiàn)我選用C620普通車床為例進(jìn)行數(shù)控改造。 第一章 設(shè)計(jì)方案的確定 C620型普通車床是一種加工效率高，操作性能好，并且社會擁有量較大的普通型車床。經(jīng)過大量實(shí)踐證明，將其改造為數(shù)控機(jī)床，無論是經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)都是確實(shí)可行了。 一般說來，如果原有車床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的數(shù)控車床，同時(shí)具有數(shù)控控制和原機(jī)床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。 本設(shè)計(jì)主要是對C620普通型車床進(jìn)行數(shù)控改造，用微機(jī)對縱、橫進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)可采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制，開環(huán)控制雖然有不穩(wěn)定、振動(dòng)等缺點(diǎn)，但其成本較低，經(jīng)濟(jì)性較好，車床本身所進(jìn)行的加工尺寸是粗、半精加工。驅(qū)動(dòng)原件采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)傳動(dòng)主要有：滑動(dòng)絲杠螺母傳動(dòng)和滾珠絲杠螺母傳動(dòng)兩種，經(jīng)比較分析：前者傳動(dòng)效率及精度較低，后者精度和效率高，但成本高，考慮對車床的性能要求，故采用滾珠絲杠螺母傳動(dòng)。刀架性能要求是準(zhǔn)確快速的換刀，因此采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。 一 總體設(shè)計(jì)方案的確定 由于是對車床進(jìn)行數(shù)控改造，所以在考慮具體方案時(shí)，基本原則是在滿足使用前提下，對同床的改動(dòng)盡可能少，以降低成本。根據(jù)這一原則，決定數(shù)控系統(tǒng)采用開環(huán)控制；傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母傳動(dòng)；驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；數(shù)控系統(tǒng)采用JWK型系統(tǒng)；刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。這樣車床既保留原有功能，又減少了改造數(shù)量。 二 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì)與計(jì)算 將普通車床改造成數(shù)控機(jī)床，除了增加控制系統(tǒng)外，機(jī)械部分也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的改造，其中包括：縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型，以及自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的選型。 （一）縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型 1、經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床的改造，采用步進(jìn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)縱向進(jìn)給，有兩種方案：一種是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母固定在溜板箱上；第二種是縱絲杠固定、電機(jī)安裝在溜板箱上，驅(qū)動(dòng)螺母傳動(dòng)。對于車床的改造而言，采用第一種方案顯然簡單易行。所以步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任意一端。從改裝方便，實(shí)用等方面考慮，所以將步進(jìn)電機(jī)放在絲杠的左端。 2、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，已知條件： 工作臺重量：W=80kgf=800N 時(shí)間常量： T=25ms 行 程： s=640mm 步 驅(qū) 角： 2=0.75o/step 快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/ms 脈沖當(dāng)量： 8p=0.01mm/8tep （1）切削力的計(jì)算 由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》得公式 No=Ndη （公式一） 其中 NO — 為傳動(dòng)件的額定功率 Nd—主電機(jī)的額定功率，見使用說明書得：Nd=4.5 kw η — 從電機(jī)到所計(jì)算的傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率（不含軸承的效率） 從電機(jī)到傳動(dòng)軸經(jīng)過皮帶輪和齒輪兩種傳動(dòng)件傳動(dòng)，所以 η=n1×n2 由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》得n1 =0.96 n2=0.99 所以：η=0.96×0.99=0.9504 取 η=0.95 η即N=4×0.95=3.8（kw） 又因?yàn)橹鱾鲃?dòng)系統(tǒng)效率一般為0.6～0.7 之間，所以取0.65 所以NC（進(jìn)給效率）=3.8×0.65=2.47（kw） 由《機(jī)械加工工藝手冊》得Pm= ×9.8 （公式二） ≈ 式中Vs ——切削速度，設(shè)當(dāng)其為中等轉(zhuǎn)速，工件直徑為中等 時(shí)，如D=40mm時(shí)，取Vs=100m/min 主切削力 FZ = =151.164（Rgf）=1511.64N 由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》得主切削力 FZ=CFzapxfx×fyfz×kfz(經(jīng)驗(yàn)公式) CFzapxfx fyfz kfz (公式三) 對于一般切削情況，切削力中的指數(shù)xfx≈1 ?FZ=0.75 Kfz≈0 CFZ=188kg/㎜2=1880Mpa F2的計(jì)算結(jié)果如下：  ap(㎜) 2 2 2 3 3 3 f(㎜) 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 Fz(N) 105 1524 1891 1681 2287 2837 為便于計(jì)算,所以取Fz=1511.7N,以切削深度ap=2㎜ 走刀量f=0.3㎜為以下計(jì)算以此為依據(jù)。 由《機(jī)械床設(shè)計(jì)手冊》得，在一般外圓車削時(shí)，F(xiàn)x≈（0.1～0.6）FZ Fy≈(0.15～0.7)Fz 取Fx=0.5 Fz Fy=0.6Fz ∴Fx=0.5×1511.7=755.9(N) Fy=0.6 Fz=0.6×1511.7=907.0(N) （2）滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 由《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床總設(shè)計(jì)》，綜合車床導(dǎo)軌絲杠的軸向力得 P=RGx+f′（Fz+w） (公式四) 其中R=1.15 , f′=0.15～0.18 取f′=0.16 P=1.15×755.9+0.16(1511.7+800) =1239.2(N) 強(qiáng)度計(jì)算 壽命值Li= （公式五） ni= （公式六） 由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》得Ti=15000h,原機(jī)床絲杠螺距為60㎜， D=80㎜ ni= =19.9≈20(r/min) Li==18 最大動(dòng)負(fù) Q=PfwfH (公式七) 其中 運(yùn)載系數(shù)fw=1.2 硬度系數(shù)Fh=1 Q=×1.2×1239.2×1 =3897.1(N) 根據(jù)最大動(dòng)力負(fù)載荷Q的值，查表選擇滾珠絲杠的型號為W5010—3.5×1，查表得數(shù)控車床的縱向精度為B級，左旋 即型號為W5010—3.5×1/B—900×1000 其額定載荷是3970N 效率計(jì)算 根據(jù)《機(jī)械基礎(chǔ)》得，絲杠螺母副傳動(dòng)效率為 η= (公式八) 由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》得4一般為8′～12′取4=10′ 即：摩擦角4=10′，螺旋升角（中徑處）r=3O25′ 則η= =0.953 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程變化量 △L1=± (公式九) 其中 LO=10㎜=1㎝ E=20.6×106N/㎝2 滾珠絲杠橫截面積 F=()π d為滾珠絲杠外徑 =（）2×3.14 =18.47(㎝2) 則△L1==3.256×10-6≈3.27um 查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》，B級精度絲杠允許的螺距誤差（900㎜螺絲長度）為25nm/m ，因此，絲杠的剛度符合要求。即剛度足夠。 ④穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于原機(jī)床杠徑為Φ30㎜，現(xiàn)選用的滾珠絲杠為Φ50㎜，支承方式不變。所以，穩(wěn)定性不成問題，無需驗(yàn)算。 齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計(jì)算 此齒輪為普通減速器的齒輪且減速器為一般機(jī)器，沒有特殊要求，從降低成本，減小結(jié)構(gòu)尺寸和易于取材的原則出發(fā)，決定小齒輪選用45鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬定為217～255HBS。大齒輪選用45正火，齒面硬度169～217 HBS。 傳動(dòng)比i= 其中2表示步驅(qū)角，89表示脈沖當(dāng)量 i==2.1 取齒數(shù)z1=30, Z2=63 模數(shù)m=2mm, 嚙合角為200， 小齒輪齒寬為25㎜，大齒輪齒寬20㎜。 d1=mz1=2×30=30 d2=mz2=2×63=126 da1=m(z1+2)=2×(30+2)=64 a===93 齒輪傳動(dòng)精度 計(jì)算齒輪圓周速度V V===4.2(m/s) 根據(jù)齒輪圓周速度和對噪音的要求確定齒輪精度等級側(cè)隙分別為： 小齒輪：8GJ 大齒輪：8FL 傳動(dòng)慣量的選擇 工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J1=()2W =()2×80 = 0.467kg. ㎝2 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=7.8×10-4D4L1=7.8×-4×(50㎜)4×14.9 =7.26(kg. ㎝2) 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JZ1=7.8×10-4×(60㎜)4×2=2.02(kg. ㎝2) JZ1=7.8×10-4×(126㎜)4×2=39.32(kg. ㎝2) 由于電機(jī)的傳動(dòng)慣量很小，一般可忽略不記 所以總的傳動(dòng)慣量為 J總=×(Js+Jz2)+Jz1+J1 =×(7.26+39.32)+2.022+0.467 =14.50(kg. ㎝2) =145.0(N. ㎝2) 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 M=Mmamx+Mf+MO （公式十二） 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M=Mat+Mf+MO+Mt （公式十三） 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M=Mf+MO （公式十四） 式中Mmamx —— 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩。 Mf —— 折算到電機(jī)軸上的磨擦力矩。 MO —— 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。 Mat —— 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩。 Mt —— 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。 Ma=×10-4（N.m）其中T=0.025 (公式十五) 當(dāng)n=nmax時(shí)，Mamax=Ma nmax====400(r/min) Mamat=×10-4=24.17(kgf.cm) =241.7(N.cm) nt= ==25.08(r/min) Mat=×10-4=1.51(kgf.cm) =15.1(N.cm) Mf== 當(dāng)?=0.8，f′=0.16時(shí)， Mf==1.213(kg.cm) =12.13(kg.cm) MO=(1-?o2) 當(dāng)?=0.9時(shí)，預(yù)加荷PO=Fx MO== =0.4033≈4.03(N.cm) Mt== =6.368(kg.cm)=63.68(N.m) 所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩 M快空= Mamax+Mf+MO ＝ 241.7+1.213+4.03 =257.86(N.cm) 切削時(shí)所需力矩 M切= Mat+ Mf+ MO +Mt =15.1+12.13+4.03+63.69 =94.95(N.cm) 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M快速= Mf+MO =12.13+4.03 =16.16(N.cm) 由以上計(jì)算可得 所需最大力矩Mamax發(fā)生快速啟動(dòng)時(shí) Mamax= M快速=257.86(N.cm) (二) 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 （1） 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床改造的橫向進(jìn)給系統(tǒng)一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠,使刀架橫向運(yùn)動(dòng).步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上,用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來,以保證其同軸度,提高傳動(dòng)精度。 （2） 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，已知條件 工作臺重量：W=30kgf=300N 時(shí)間常量：T=25ms 行 程：s=190mm 步 驅(qū) 角：2=0.75度/step 脈沖當(dāng)量：8p=0.005mm/step 快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/min 切削力的計(jì)算 橫向進(jìn)給量約為縱向的～,取則橫向切削約為縱向切削力 ∴Fz=F縱z=×1511.64 =755.82(N) 在切斷工件時(shí) Fy=0.6 F縱z=0.6×755.82=453.492(N) (3) 滾珠絲杠的計(jì)算 強(qiáng)度的計(jì)算 對于燕尾型導(dǎo)軌 P=Kfy+f′(Fz+W) 其中，K=1.4，f′=0.2 P=1.4×453.492+0.2×(755.82+300) =846.05(N) 壽命值Li===13.5 最大動(dòng)負(fù)載Q=fwfr1p 其中 fw（運(yùn)載系數(shù)）=1.2 fh(硬定系數(shù))=1 Q=×1.2×1×846.05 =2417.4(N) 根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載荷的值,可選擇滾珠絲杠的型號,其公稱直徑為35㎜,型號為W3508-3.5×1/B左190×290，額定動(dòng)負(fù)載荷為2520W，所以強(qiáng)度夠用。 效率計(jì)算 ?= r（螺紋升角）=3O38′ 4（磨擦角）=10′ ?==0.956 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載，P引起的導(dǎo)程變化量 △L1== F=（）2其中為滾珠絲杠的外徑 =（）2×3.14 =9.0746 △ L1 = ±=±3.62×10-6(㎝) 因?yàn)闈L珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化化量△L2很小，可忽略不計(jì)，即△L=△L1， 即導(dǎo)程變化總誤差為 △=△L=×3.62×10. -6 =4.52(min/m) 查表知B級精度絲杠允許的螺矩誤差（在300㎜之內(nèi)）為15um/n ，所以剛度足夠。 穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相等，而支承方式由原來的一端固定，一端懸空變?yōu)橐欢艘欢斯潭ǎ欢藦较蛑С?，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不再驗(yàn)算。 ⑤、齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計(jì)算 減速器為一般機(jī)器，沒有什么特殊要求，從降低成本，減小結(jié)構(gòu)、尺寸和易于取材等原則出發(fā)，決定小齒輪選用45鋼、調(diào)質(zhì)，齒面硬度為217～255HBS；大齒輪選用45鋼正火、齒面硬度為169～217HBS 傳動(dòng)比 i = 其中8表示步驅(qū)角；8P表示脈沖當(dāng)量 i= 所以，取Z1=30，Z2=99 M=2mm，嚙合角為20° 小齒輪齒寬為25mm；大齒輪齒寬為20mm。 d1=mZ1=2×30=60 d2=mZ2=2×99=198 da1=m(Z1+2)=2×(30+2)=64 da2=m(Z2+2)=2×(99+2)=202 a= 齒輪傳動(dòng)精度 計(jì)算齒輪圓周速度V V= 根據(jù)圓周速度和對噪音的要求確定齒輪精度等級及側(cè)隙分別為： 小齒輪：8GJ 大齒輪：8FL ⑥、傳動(dòng)慣量計(jì)算 工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的傳動(dòng)慣量 J1= =0.04378(Kg.cm2) 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： JS=7.8×10-4×D4×L1=7.8×10-4×3.54×13.3 =1.556(㎏.㎝2) 齒輪的傳動(dòng)的慣量 JZ1=7.8×10-4×D4×M=7.8×10-4×64×2 =2.02(㎏.㎝2) JZ2=7.8×10-4×D4×M=7.8×10-4×（198㎜）2×2 =239.76(㎏.㎝2) 由于電機(jī)傳動(dòng)慣量很小，可以忽略不計(jì)，因此總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J= (JS+JZ2）+JZ1+J1 = (1.556+239.76）+2.022+0.04378 =24.22(㎏.㎝2) ⑦所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 nmax= Mamax= =4.16(N.m) nt =43.79(r/min) Mat= =0.4419(N.m) Mf= 其中，f’=0.2 η=0.8時(shí) Mf= =0.029（N.m） M0= =0.1386≈0.0139（N.m） Mt= =2.19(kgf.cm) ≈0.219（N.m） 所以，快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩 M=Mamax+Mf=Mo =4.16+0.029+0.0139 =4.2079(N.m) 切削的所需力矩 M切=Mat+Mf+Mo+Mt =0.4419+0.029+0.0139+0.219 =0.6938(N.m) 快速啟動(dòng)時(shí)所需力矩 M快進(jìn)= Mf+Mo =0.029+0.0139 =0.0429(N.m) 即最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí) 即 Mamax=4.2079(N.m) 第二章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用原則 合理選用步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問題，需根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確的選擇。 （一）α，步距角應(yīng)滿足：α= 式中i——傳動(dòng)比 amin——系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件的最小轉(zhuǎn)角 （二） 精度 步進(jìn)電機(jī)的精度可用步距誤差或積累誤差衡量。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(shí)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(shí)用，所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足。 △Qm≤i[△Qs] 式中△Qm——步進(jìn)電機(jī)的積累誤差。 [△Qs]——系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差。 （三）轉(zhuǎn)距 為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行（不失步、不越步）正常啟動(dòng)并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮； ①啟動(dòng)力矩，一般啟動(dòng)力矩選取為 Mq≥ 式中Mq——電機(jī)啟動(dòng)力矩 ML0——電機(jī)靜負(fù)載力矩 ②在要求在運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包含負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。 (四) 啟動(dòng)頻率 由于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率隨負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足： fi≥[fop]m 其中fi——極限啟動(dòng)頻率 [fop]m——要求步進(jìn)電機(jī)最高啟動(dòng)頻率 二步進(jìn)電機(jī)的選型 （一）C620縱向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定 Mq= 取參數(shù)為0.4 = =644.6（N.m） 為了滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式。查手冊得知：Mq/Mjm=0.866，所以步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjm為 fmax===3333.3（HZ） 綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)能滿足使用要求。 （二）C620橫向進(jìn)給系流步進(jìn)電機(jī)的確定 Mq= 電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式 查手冊得Mq/mjm=0.866 Mjm= =1.215(N.m) 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率 fmax= 綜合考慮，查表選用110BF004型直流步進(jìn)電機(jī)，能夠滿足使用要求。 （三）110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 電機(jī)型號 相數(shù) 步驅(qū)角 電壓 相電流 最大轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動(dòng)率 110BF003 3 0.75 80 6 7.84（80） 1500 運(yùn)行頻率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 線圈電阻 分配方式 重量 外徑 長度 軸徑 7000 46.06(4.7) 0.37 三相六拍 6 110 160 11 參考價(jià) 原型號 350 BFG090811 （四）110BF004型直流步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 電機(jī)型號 相數(shù) 步驅(qū)角 電壓 相電流 最大轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動(dòng)率 110BF004 3 0.75 30 4 4.9（50） 500 運(yùn)行頻率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 線圈電阻 分配方式 重量 外徑 長度 軸徑 34.3(3.5) 0.76 三相六拍 5.5 110 110 11 參考價(jià) 原型號 350 BFG09041111 第三章經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)選型 用數(shù)控機(jī)床工工件時(shí)，首先應(yīng)編制零件加工程序。這是數(shù)控機(jī)床的工作指令。將加工程序輸入數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機(jī)床主動(dòng)的變速、啟動(dòng)、停止、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向速度和位移量，以及刀具選擇交換，工件裝夾和冷卻潤滑的開關(guān)等動(dòng)作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴(yán)格按照加工程序規(guī)定的順序、運(yùn)行軌跡和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行工作，從而達(dá)到加工出符含合要求零件的目的。 C620數(shù)控車床改造后聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為二軸聯(lián)動(dòng)且傳動(dòng)精度要求比較高，主要有A850CNC系統(tǒng)和JWK兩種系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)際比較分析，JWK系統(tǒng)的核心是MCS-51系列的8031單片微機(jī)，其采用ISO國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼編程，能自動(dòng)完成車削端面、內(nèi)外圓、倒角等功能，并配有完備的S、T、M功能。該系統(tǒng)爾采用模塊化設(shè)計(jì)，內(nèi)部有計(jì)算機(jī)等四種模塊。更換維修方便快速。A850CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，工藝先進(jìn)，性能穩(wěn)定，可維修性很大。 根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，以及數(shù)控系統(tǒng)的要求，經(jīng)過實(shí)際比較分析，選用JWK系列。其中又以JWK-15T型系統(tǒng)應(yīng)用最廣、功能較強(qiáng)、操作使用更方便。所以，決定使用JWK-15T型數(shù)控系統(tǒng)。 JWK-15T主要性能參數(shù)如下： 生產(chǎn)廠家 南京微分電機(jī)廠江南機(jī)床數(shù)控工程公司 型 號 JWK-15T 用戶容量 24K 設(shè)定單位 X=0.005，Z=0.01 控制軸數(shù) X、Z 聯(lián)動(dòng)軸數(shù) 二軸 編程尺寸 ±9999.99 快速（X/Z）向 3/6m/min G功能 M00～M09，M20～M29，M97～M99 S功能 S01～S04，S05～S10 T功能 T、X～T8X 步進(jìn)電機(jī) 110BF003 工作電源 220V±10% 50HZ 控制精度 1步 功耗W 360 環(huán)境溫度 0～40℃ 相對濕度 80%（25℃） 外形尺寸（mm） 340×400×200 系流重量（kg） 17 第四章 電動(dòng)刀架的選型 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)是普通機(jī)床，數(shù)控改造的關(guān)鍵。它要求刀架要具有抬起、回轉(zhuǎn)、下降、定位和壓緊這一系功能。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各方面要求不，但它保持了原本床工件最大回轉(zhuǎn)直徑的條件下，提供選用的多把刀的可能性。 電動(dòng)刀架的安裝較方便，只要將原車床上的刀架拆下將電動(dòng)刀架裝即可但要注意兩點(diǎn)： 1) 電動(dòng)刀臺的兩側(cè)面應(yīng)與車床的橫向進(jìn)給方向平行。 2) 電動(dòng)刀臺與系統(tǒng)的連線建議如下安裝：沿橫向工作臺右側(cè)面先走線到車床后面，再沿車床后導(dǎo)軌下方拉出的鐵絲滑線，走線到系統(tǒng)。其好處在于：避免走線雜亂無章，而使得加工時(shí)切屑、冷卻液以及其它雜物磕碰電動(dòng)刀架系統(tǒng)。 綜合各方面因素，選用常州武進(jìn)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4-I型系列四工位自動(dòng)刀架。 機(jī)床型號 C620 刀位數(shù) 4 電機(jī)功率（W） 120 電機(jī)轉(zhuǎn)速 1400r/min 夾緊力 1 切體尺寸 152×152 下刀體尺 161×171 LD4-I型刀架技術(shù)指標(biāo) 配車床型號 C620 重復(fù)定位精度 ≤0.005mm 工作可靠性 >30000次 換刀時(shí)間 90° 2.9（秒） 180° 3.4（秒） 270° 3.9（秒） 第五章 編制零件工序及數(shù)控程序?qū)嵗? 一機(jī)床改造參數(shù)的選擇 （一）車床縱向運(yùn)動(dòng)由Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制 110BF003型直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 配套絲杠螺距為10㎜ 泳沖當(dāng)量：0.01㎜ 改造后的泳沖當(dāng)量：0.01㎜ （二）車床橫向運(yùn)動(dòng)由X向步時(shí)電動(dòng)機(jī)控制 110BF003型步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 配套絲杠螺距為8㎜ 脈沖當(dāng)量：0.05㎜ 改造后的脈沖當(dāng)量：0.05㎜ 二程序設(shè)計(jì) （一）數(shù)控機(jī)床參數(shù)及約定 脈沖當(dāng)量：X向（橫向）為0.05㎜ Z向（縱向）為： 0.01㎜ 坐標(biāo)原點(diǎn)為：0點(diǎn) 加工起點(diǎn)為：A點(diǎn) 安裝方法：零件裝夾于床頭主軸與尾座頂尖之間。采用專用芯軸方式定位。 使用方法：專用組合車刀、切刀 加工工序說明：此工序?yàn)榫嚰庸?，零件外部形狀尺寸全部成型。零件各部分尺寸預(yù)留精車余量0.8～1.2㎜ (二) 編程參數(shù)說明 加工編程中以球頭車刀圓心與加工起點(diǎn)相重合φ187外圓處侄角計(jì)算， 見圖一。 因?yàn)锳O1=R=2 所以BC=2－2×sin45°=0.585784 CD=O1O=BC/sin45°=0.828 O2E=1－0.828=0.172 02F=03F=2+0.172=2.172 見立體圖 3、編制程序 JWK-15T型數(shù)控裝置零件加工程序如下： NO10 NO20 N030 N040 N050 N060 N070 N080 N090 N110 F140 N120 N130 N140 N150 N160 N170 F140 N180 G92 M03 G04 G01 X38、48 G04 G01 G04 G01 G03 G04 G01 G04 G01 G021 G02 G04 X300 Z76 F2.0 X44 F400 F80 F2.0 X42、48 F80 F2.0 V4 W4 F140 N100 G04 F2.0 V17.52 W-22 I46.48 K-22 F2.0 X76 F100 F2.0 W-8 F100 F2.0 V6 W-3 I6 K0 F2.0 N190 N200 N210 N220 N230 N240 N250 N260 N270 N280 N290 N300 N310 N320 N330 N340 N350 N360 N370 N380 N390 N400 G01 G04 G01 G04 G01 G01 G04 G01 G04 G01 G04 G01 G01 G04 G01 G04 G01 T22 G04 G01 G04 G01 X188.98 F80 F2.0 V4.344 W-2.172 F100 G04 F2.0 W-28.828 F100 X187 F80 F2.0 V2 W-1 F100 F2.0 X57 F100 F2.0 W-5 F80 X201 F260 F2.0 W52 F260 F2.0 W4 F80 F2.0 X73 F260 F2.0 X66 F80 N410 N420 N430 N440 N450 N460 N470 N480 N490 N500 N510 N520 G04 G01 G04 G01 G04 G01 G04 G01 T01 G01 Z76 M02 F2.0 X60 F80 F2.0 X58 F80 F2.0 X201 F260 F2.0 V108 W32 F300 X300 F100 參考文獻(xiàn) 1、《實(shí)用數(shù)控加工技術(shù)》 作者《實(shí)用數(shù)控加工技術(shù)》編委會 出版社：北京、兵器工業(yè)出版社 1995年 2、《實(shí)用數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊》 作者《實(shí)用數(shù)控加工技術(shù)》編委會 出版社：北京出版社 1993年 3、《機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例》 作者：余英良 出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 1998年 4、《數(shù)控加工程序編制》 作者：范炳炎 出版社：航空工業(yè)出版社 1992年 5、《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 作者：張新義 出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 1994年 6、《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》 作者：《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》編委會 出版社：機(jī)械工業(yè)出版社 1979年 7、《畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》 作者：李恒權(quán) 出版社：青島海洋大學(xué)出版社 1993年 8、《數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊》 作者：李福生 出版社：北京出版社 1996年 9、《AutoCAD習(xí)題精解》 作者：姜勇 出版社：人民郵電出版社 2000年 10、《機(jī)床數(shù)控技術(shù)應(yīng)用》 作者：李宏勝 出版社：高等教育出版社 2001年 11、《機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊》作者：李益民 出版社：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 1994 體會 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對我們?nèi)陮W(xué)知識的一次總結(jié)和應(yīng)用，是對我們自身能力的一次檢驗(yàn)，通過這次檢驗(yàn)，能讓我們知道自己的不足，在以后的工作生活中，不斷的改進(jìn)、學(xué)習(xí)、以原野高自己的綜合能力。 三年專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，其間也做過課程設(shè)計(jì)，對所學(xué)課程進(jìn)行過知識的系統(tǒng)運(yùn)用，但各課程綜合運(yùn)用較少。本次設(shè)計(jì)，讓我們對三年的知識有了總體的綜合運(yùn)用，提高了我們綜合能力和靈活運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論的能力。各科之間的聯(lián)系有了清晰的認(rèn)識。 機(jī)械專業(yè)雖然是一門很成熟的專業(yè)，然而對我們來說，我們懂得知識還很有限。要在這方面有所提高。我們還必須在基礎(chǔ)理論上下功夫，以理論聯(lián)系實(shí)際，才能使我們的知識有一個(gè)量變到質(zhì)變的飛躍。 以后的學(xué)習(xí)道路還很長，人生就是在不斷地學(xué)習(xí)中提高自己，而畢業(yè)設(shè)計(jì)也給了我們自信，讓我們相信以后會做得更好。 在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，由于首先接觸這燈課題的設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)的資料準(zhǔn)備不足，時(shí)間的緊迫可能在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)很大的問題。盡管在指導(dǎo)老師的全力指導(dǎo)下，錯(cuò)誤也再所難免，這樣，讓我有了一次知識的重新積累。 - 28 -