2074 CW6163型臥式車床的數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計,cw6163,臥式,車床,數(shù)控,改造,總體,整體,設計,橫向,進給
- I -XX 大學畢 業(yè) 設 計（論 文）題 目：CW6163 型臥式車床的數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計院 （系）： 專 業(yè)： 班 級： 學生姓名： 導師姓名： 職稱： 起止時間： - II -摘要現(xiàn)代數(shù)控機床是未來工廠自動化的基礎。舊機床數(shù)控化改造范圍大、潛力大、投資少、見效快，已經(jīng)成為適合我國國情，促進制造業(yè)技術進步的重要手段。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)控技術的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎上，通過對舊機床的分析，結合機床改造的總體思想，提出了數(shù)控化改造的技術方案和新數(shù)控系統(tǒng)的選型配置方案;針對舊機床的要求，進行了傳動系統(tǒng)的重新設計，提高了傳動的精度，重新設計機床的控制邏輯，通過對伺服系統(tǒng)的分析，完成了機床各主要參數(shù)的優(yōu)化和匹配。本機床改造后將會展示出強大的功能、穩(wěn)定的性能，將完全符合機床的技術規(guī)格和精度標準，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。關鍵詞：CW6163;機床;改造;數(shù)控系統(tǒng)。 - III -AbstractThe modern Computer Numerical Control （CNC ）machine is the foundation of the modern manufactory. The remaking of old machine for CNC is an efficient means to promote the progress of the manufactory, which is adapted to the circumstance for our country. Its range is wide, its cost is low and its period is short. Therefore, it is very important to study a remarking the lathe machine by using CNC system.This paper introduces the history and the development of CNC system. Based on its theory, through the analysis about the components of the old machine, presents the remaking transmission system to raise the precision of the lathe。Presents the remaking schemes of the CNC system. According to the old machine, the detail design and adjustment of the electric system have been completed, including the design of hardware and control software：Have introduced the one-chip computer system briefly, and has designed the electric control circuit of the numerical control lathe with the one-chip computer；And also redesign the control logic of the machine, through analyzing of the servo system, the main parameters of the machine have been confirmed and optimized also.Have discussed two kinds interpolation numerical control lathes with thematic part, and design the interpolation forms for the numerical control lathe.The remarked machine will show its powerful ability and high reliability, it conforms to the technical regulation and the accuracy standard of the machine.，and will process the qualified part, it has improved the performance of the lathe greatly, it’s a beneficial try.Keywords：CW6163;lathe ; Remake ; CNC system ; One-chip computer.- IV -目錄第一章 緒論 .............................................................11.1 數(shù)控機床的歷史和現(xiàn)狀..............................................11.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢和研究方向......................................21.2.1 高速度、高精度化.............................................21.2.2 多功能化.....................................................31.2.3 智能化.......................................................41.2.4 數(shù)控系統(tǒng)小型化...............................................51.2.5 數(shù)控編程自動化...............................................51.2.6 更高的可靠性.................................................51.3 床數(shù)控化改造的必要性..............................................6第二章 機床改造的任務及總體思想 .........................................82.1 機床改造的總體任務................................................82.2 運動系統(tǒng)方案確定..................................................82.2.1 伺服系統(tǒng)的選擇...............................................82.2.2 傳動方式的選擇...............................................82.3 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件總體設計............................................92.4 數(shù)控系統(tǒng)硬件結構..................................................92.5 數(shù)控系統(tǒng)軟件結構.................................................10第三章 進給伺服系統(tǒng)傳動計算 ............................................113.1 確定系統(tǒng)脈沖當量.................................................113.2 切削力的確定.....................................................113.3 計算進給牽引力...................................................123.4 計算最大動負載 C.................................................123.5 傳動效率計算.....................................................133.6 剛度計算.........................................................143.7 進給伺服系統(tǒng)傳動計算.............................................143.7.1 確定傳動比..................................................143.7.2 齒輪參數(shù)的計算..............................................143.8 步進電機的計算和選用.............................................15- V -3.8.1 轉動慣量的計算..............................................153.8.2 電機力矩的計算..............................................163.9 步進電機的選擇...................................................19結論 ...................................................................20參考文獻: ..............................................................21致謝 ...................................................................22附錄：外文翻譯 .........................................................23- 1 -第一章 緒論1.1 數(shù)控機床的歷史和現(xiàn)狀采用數(shù)字控制技術進行機械加工的思想，最早是40年代初提出的。當時，美國北密執(zhí)安的一個小型飛機承包商派爾遜斯公司在制造飛機框架和直升飛機的機翼葉片時，利用全數(shù)字電子計算機對葉片輪廓的加工路徑進行了數(shù)據(jù)處理，并考慮了刀具半徑對加工路徑的影響，使得加工精度達到10.03 81mm，這在當時水平是相當高的。1952年美國麻省理工學院成功地研制出一臺3坐標聯(lián)動的試驗型數(shù)控銑床，這是公認的世界上第一臺數(shù)控機床，當時的電子元件是電子管。1959年，開始采用晶體管元件和印制線路板，出現(xiàn)了帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為加工中心.從1960年開始，其他一些工業(yè)國家，比如德國、日本等也陸續(xù)開發(fā)生產出了數(shù)控機床。1965年，數(shù)控裝置開始采用小規(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，英國首先把幾臺數(shù)控機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，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了用小型計算機控制的數(shù)控機床。這是第一臺計算機控制的數(shù)控機床。1974年，微處理器直接用于數(shù)控系統(tǒng)，促進了數(shù)控機床的普及應用和數(shù)控技術的發(fā)展。80年代初，國際上出現(xiàn)了以加工中心為主體，再配上工件自動裝卸和監(jiān)控檢測裝置的柔性制造單元。柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元被認為是實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)的必經(jīng)階段和基礎。我國從1958年開始研究數(shù)控技術，直到60年代中期處于研制、開發(fā)階段。1965年，國內開始研制晶體管數(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。從70年代開始，數(shù)控技術在車、銑、鉆、銼、磨、齒輪加工、電加工等領域全面展開，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)定性問題沒有得到解決，因此未能廣泛推廣。這一時期，數(shù)控線切割機床由于結構簡單、使用方便、價格低廉，在- 2 -模具加工中得到了推廣。80年代我國先后從日本、美國等國家引進了部分數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)技術，并于1981年在我國開始批量生產。在此期間，我國在引進、消化吸收的基礎上，跟蹤國外先進技術的發(fā)展，開發(fā)出了一些高檔的數(shù)控系統(tǒng)，如多軸聯(lián)動數(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。為了適應機械工業(yè)生產不同層次的需要，我國開發(fā)出了多種經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，并得到了廣泛應用?，F(xiàn)在，我國已經(jīng)建立了中、低檔數(shù)控機床為主的產業(yè)體系，90年代主要發(fā)展高檔數(shù)控機床。1.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢和研究方向隨著科學技術的發(fā)展，世界先進制造技術的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工技術提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術的應用，對數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、主軸驅動、機床及結構等提出了更高的性能指標。隨著FMS的迅速發(fā)展和CMS的不斷成熟，又將對數(shù)控機床的可靠性、通訊功能、人工智能和自適應控制等技術提出了更高的要求。隨著微電子計算機技術的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日益完善，數(shù)控技術應用領域日益擴大。當今數(shù)控機床正在不斷采用最新技術成就，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)控機床的兩個重要指標，它直接關系到加工效率和產品的質量，特別是在超高速切削、超精密加工技術的實施中，它對機床各坐標軸位移速度和定位精度提出了更高的要求:另外，這兩項技術指標又是互相制約的，也就是說要求位移速度越高，定位精度就越難提高?，F(xiàn)代數(shù)控機床配備了高性能的數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)，分辨率可達到lum,0.lum, 0.0lum。為實現(xiàn)更高速度、更高精度的指標，自前主要在下述幾方面采取措施和進行研究。（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)的基本運算速度。目前己由8位CPU過渡到16位和32位CPU，并向64位CPU發(fā)展，頻率已由原來的5MHz提高到16MHz, 20MHz和32MHzo同時也采用了超大規(guī)模的集成電路和多種微處理器結構，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補運算的速度和精度。(2) 伺服驅動系統(tǒng)。隨著超高速切削、超精密加工等先進工藝的提出，使得在旋轉伺服電動機加滾珠絲杠的傳統(tǒng)機械進給機構已無法實現(xiàn)。為此采用直線電動機直接驅動機床工作臺的零傳動直線伺服進給方式，將極大地提高機床直線進給的各項伺服性能指標， 特別是高速度和動態(tài)響應特性是以往任何伺服機構無法比較的。- 3 -(3) 前饋控制技術。過去的伺服系統(tǒng)是將位置指令值與所檢測到的實際值比較，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機。由于這種控制方式總是存在著位置跟蹤滯后誤差，即當進給速度為F時，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加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來的控制系統(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。(4) 機床動、靜摩擦的非線性補償控制技術。機床動、靜摩擦的非線性會導致機床爬行。除了在機械結構上采取措施降低靜摩擦外，新型的數(shù)控伺服系統(tǒng)具有自動補償機械系統(tǒng)動、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，適應不同類型的機床對不同精度及速度的要求，進行加、減速性能的調整，并能實現(xiàn)復雜的控制算法，以滿足高性能控制的要求。(6) 采用高分辨率的位置檢測裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內裝微處理器組成的細分電路，使得分辨率大大提高。(7〕補償技術得到發(fā)展和廣泛應用?，F(xiàn)代數(shù)控機床利用計算機控制系統(tǒng)的軟件補償功能對伺服系統(tǒng)進行多種補償，以提高機床的位置精度和動態(tài)伺服性能，如軸向運動定點誤差補償、絲杠螺距誤差補償、齒輪間隙補償、熱變形補償和空間誤差補償?shù)取?8) 高速大功率電主軸的應用。由于在超高速加工中.對機床主軸轉速提出了極高的要求，傳統(tǒng)的齒輪變速主傳動系統(tǒng)已不能適應其要求。為此，采用了所謂內裝式電動機主軸，簡稱電主軸。它是采用主軸電動機與機床主軸合二為一的結構形式，即采用外殼電動機，將其空心轉子直接套裝在機床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體內，即機床主軸單元的殼體就是電動機座。實現(xiàn)了變頻電動機與機床主軸一體化，以適應主軸高速運轉的要求。(9) 超高速切削刀具的應用。為適應超高速加工要求， 目前陶瓷刀具和金剛石涂層刀具已開始得到應用。(10) 配置高速、強功能的內裝式可編程控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC)。以提高PLC的運行速度，滿足數(shù)控機床高速加工的要求。新型的PLC具有專用的CPU，基本指令執(zhí)行時間達0. 2us/步，可編程步數(shù)可擴大到16000步以上。利用PLC的高速處理功能，將CNC與PLC之間有機地結合起來，能夠滿足數(shù)控機床運行中的各種實時控制要求。- 4 -1.2.2 多功能化(1) 數(shù)控機床采用一機多能，提高了設備利用率。配有自動換刀機構的各類加工中心，能在同一臺機床上同時實現(xiàn)銑削、銼削、鉆削、車削、鉸孔、擴孔、攻螺紋，甚至磨削等多種工序的加工。工件一經(jīng)裝夾，各種工序和工藝加工過程集中到同一臺設備上完成，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，減少裝夾輔助時間，減少設備臺數(shù)和占地面積。為了進一步提高工效，現(xiàn)代數(shù)控機床采用了多主軸、多面體切削，即同時對一個零件的不同部位進行不同方式的切削加工，如各類五面體加工中心。(2) 前臺加工、后臺編輯的前后臺功能?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用了多CPU結構和分級中斷控制方式，可以在一臺機床上同時進行零件加工和程序編制，實現(xiàn)所謂的前臺加工后臺編輯.即操作者可在機床進入自動循環(huán)加工的空余期間，同時利用數(shù)控系統(tǒng)的鍵盤和CRT進行零件加工的編制，并利用CRT進行動態(tài)圖形模擬顯示及所編程序的加工軌跡，進行程序的調試和修改，以充分提高工作效益和機床利用率。(3) 具有更高的通信功能。為了適應FMC,F MS以及進一步聯(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高速遠距離串行接口，可以按照用戶級的格式要求，同上一級計算機進行多種數(shù)據(jù)交換。高檔的數(shù)控系統(tǒng)應有的DNC接口，可以實現(xiàn)幾臺數(shù)控機床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對幾臺數(shù)控機床進行控制?，F(xiàn) 代 數(shù) 控機床，為了適應自動化技術的進一步發(fā)展，滿足工廠自動化規(guī)模越來越大的要求，滿足不同廠家不同類型數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)的需要，采用了MAP工業(yè)控制網(wǎng)絡，現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了MAP3.0 版本，為現(xiàn)代數(shù)控機床進入FMS和C工MS創(chuàng)造了條件。1.2.3 智能化(1) 引進自適應控制技術。自適應控制的目的是要求在隨機變化的加工過程中，通過自動調節(jié)加工過程中所測得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評價指標自動校正自身的工作參數(shù)，己達到或接近最佳工作狀態(tài)。由于在實際加工過程中，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、機床熱變形、化學親和力的大小、切削液的粘度等，難以用最佳參數(shù)進行切削。而自適應控制系統(tǒng)則能根據(jù)切削條件的變化，自動調節(jié)工作參數(shù)，如伺服進給參數(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，同時也能提高刀具的使用壽命和設備的生產效率。(2) 故障自診斷、自修復功能。主要是利用CNC系統(tǒng)的內裝程序實現(xiàn)在線診斷，即在整個工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時對CNC系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設備進行自動診斷、檢查。- 5 -一旦出現(xiàn)故障時，立即采用停機等措施，并通過了CRT進行故障報警、提示發(fā)生故障的部位、原因等。并利用冗余技術，自動使故障模塊脫機，而接通備用模塊，以確保在無人化工作環(huán)境的要求。為實現(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)，它主要由知識庫、推理機和人機控制器三部分組成。(3) 刀具壽命自動檢測更換。利用紅外、聲發(fā)射、激光等各種檢測手段，對刀具和工件進行監(jiān)測。發(fā)現(xiàn)工件超差、刀具磨損、破損，進行及時報警、自動補償或更換備用刀具，以保證產品質量。(4) 進行模式識別技術。應用圖像識別和聲控技術，使機器自己辨認圖樣，按照自然語音命令進行加工。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、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)進一步小型化。這樣可更方便地將它安裝在機床設備上，更便于對數(shù)控機床的操作使用。1.2.5 數(shù)控編程自動化由于微處理機的應用，使數(shù)控編程從脫機編程發(fā)展到在線編程，實現(xiàn)了人機對話，給程序編輯、調試、修改帶來了極大的方便。并進一步采用了前臺加工后臺編輯的前后臺功能，使數(shù)控機床的利用率得到更大的發(fā)揮。隨著計算機應用技術的發(fā)展，目前CAD被彈入圖形交互式自動編程已得到應用，它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，自動生成NC零件加工程序，實現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術的發(fā)展，目前又出現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集成的全自動編程方式，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)內的CAPP數(shù)據(jù)庫獲得。另外，還出現(xiàn)了測量、編程、加工一體化系統(tǒng)。它是通過激光快速掃描成型系統(tǒng)、三坐標測量機等對樣機零件進行測量，并把所測得數(shù)據(jù)直接送入計算機內，一方面通過CAD系統(tǒng)而獲得樣機零件圖樣，另一方面通過數(shù)控自動編程系統(tǒng)，將其處理生成NC加工程序，然后通過通信接口送入數(shù)控機床，進行控制自動加工。1.2.6 更高的可靠性數(shù)控機床工作的可靠性是用戶最關注的主要指標，它主要取決于數(shù)控系統(tǒng)和各伺服驅動單元的可靠性，為提高可靠性，目前主要在以下幾個方面采取措施。(1) 提高系統(tǒng)硬件質量.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- 6 -機混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，精簡外部連線和降低功耗，對元器件進行嚴格篩選，采用高質量的多層印制電路板，實行三維高密度安裝工藝，并經(jīng)過必要的老化、振動等有關考機試驗。(2) 模塊化、標準化和通用化。通過硬件功能軟件化，以適應各種控制功能的要求，同時采用硬件結構模塊化、標準化和通用化，既提高了硬件生產批量，又便于組織生產和質量把關。(3) 增強故障自診斷、自恢復和保護功能。通過自動運行啟動診斷、在線診斷、離線診斷等多種自診斷程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)內硬件、軟件和各種外部設備進行故障診斷和報警。利用報警提示，及時排除故障;利用容錯技術，對重要部件采取冗余設計，以實現(xiàn)故障自恢復;利用各種測試、監(jiān)控技術，當產生超程、刀損、干擾、斷電等各種意外事件時，自動進行相應的保護。1.3 機床數(shù)控化改造的必要性從微觀上看數(shù)控機床相對傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性。這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的特性。(1) 可以加工出傳統(tǒng)機床無法加工的曲線、曲面等復雜的零件。由于計算機可以瞬時準確地計算出每個坐標軸的運動量，就可以復合成復雜的曲線和曲面。(2) 可實現(xiàn)加工的自動化，且是柔性自動化，效率比傳統(tǒng)機床提高3-7倍。計算機可以將輸入的程序記憶和存儲，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。傳統(tǒng)機床可以靠凸輪或擋塊等實現(xiàn)自動化，稱之為剛性自動化。但凸輪制造及調整比較費時，只有進行大批量生產時才經(jīng)濟合理。而數(shù)控機床只要更換一個程序就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批量生產得以自動化，稱之為“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”。加工過程自動化，不受人的情緒高低和疲勞因素的影響。計算機還可以自動進行刀具壽命管理，不會因為刀具磨損而影響工件精度和一致性。此外數(shù)控系統(tǒng)中增加了機床誤差、加工誤差修正補償?shù)墓δ?，使加工精度得到進一步提高。(4) 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運是自動化帶來的效果(可以自動更換刀具)。如加工中心在工件裝夾后，可實現(xiàn)鉆、銑、鏗、攻絲、擴孔等多工序的加工?，F(xiàn)在己出現(xiàn)其他工序集中的機床、如車削中心、車銑中心、磨削中心等。(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- 7 -加工。在配備多種傳感器條件下，工人只工作8小時，而機床可工作24小時，勞動生產率的提高和生產周期的縮短等效益是非常明顯的。此外，機床數(shù)控化還是推行FMC(柔性制造單元)、FMS(柔性制造系統(tǒng))以及CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))等企業(yè)信息化改造的基礎。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年代初己開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。其本質是，采用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)(包括軍、民機械工業(yè))的技術改造，除采用數(shù)控機床外、還包括推行CAD, CAE,CAM及MIS(管理信息系統(tǒng))、CMS(計算機集成制造系統(tǒng))。以及在其產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造(稱之為信息化)，最終使得產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強，而我國在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家落后約20年，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性和迫切性。從20世紀80年代開始，我國的數(shù)控機床在引進、消化國外技術的基礎上，進行了大量的開發(fā)工作，到1995年底，我國數(shù)控機床的可供品種己超過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，對數(shù)控系統(tǒng)及機床結構等方面要求都高，目前國內的大部分均采用昂貴的進口設備。- 8 -第二章 機床改造的任務及總體思想2.1 機床改造的總體任務進給伺服系統(tǒng)設計計算：此部分為設計計算部分，用以確定脈沖當量，進給牽引力，選擇絲杠螺母副，計算傳動效率，確定傳動比，選擇伺服電機等，并繪制改造后機床的總裝配圖及箱體。2.2 運動系統(tǒng)方案確定2.2.1 伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置的控制指令直接通過驅動裝置控制步進電機的運轉，然后通過機械傳動系統(tǒng)轉化成刀架或工作臺的位移。這種控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋校正，位移精度一般不高，但其控制方便、結構簡單、價格便宜。閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱全閉環(huán)控制系統(tǒng)，其檢測裝置安裝在機床刀架或工作臺等執(zhí)行部件上，用以直接檢測這些執(zhí)行部件的實際運行位置（直線位移） ，并將其與 CNC 裝置的指令位置（或位移）相比較，用差值進行控制。但是，由于很多機械傳動環(huán)節(jié)包含在閉環(huán)控制的環(huán)路中，各部件的摩擦性，剛性等都是非線性量，直接影響系統(tǒng)的調節(jié)參數(shù)，因此，閉環(huán)系統(tǒng)的設計和調速都有很大難度。所以，閉環(huán)控制系統(tǒng)主要用于精度要求高的場合。半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測元件裝在電機或者絲杠的端頭，通過測量伺服電機的角位移間接計算出機床工作臺等執(zhí)行部件的實際位置（或位移） ，然后進行反饋控制。由于將絲杠螺母副及機床工作臺等大慣量環(huán)節(jié)排除在閉環(huán)控制系統(tǒng)之外，不能補償他們的運動誤差，精度受到影響，但系統(tǒng)穩(wěn)定性有所提高，調試比較方便、價格也較全閉環(huán)系統(tǒng)便宜。本次改造由于使用步進電機，所以可以選擇開環(huán)控制系統(tǒng)。- 9 -2.2.2 傳動方式的選擇為保證改造后的數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度及工作臺的平穩(wěn)性，在設計機床的傳動系統(tǒng)時，應努力保證傳動系統(tǒng)低摩擦、低慣量、高效率、高剛度。因此在傳動系統(tǒng)中注意以下幾點：(1) 用低摩擦高精度的傳動元件：如滾珠絲杠螺母副，滾動導軌。(2) 采用消隙齒輪減小傳動間隙。2.3 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件總體設計為了使數(shù)控系統(tǒng)能夠長期、可靠、方便地在工業(yè)環(huán)鏡中運行，在制定數(shù)控系統(tǒng)總體方案時必須重點考慮以下幾個方面。(1) 加強系統(tǒng)可靠性。影響數(shù)控系統(tǒng)可靠性的因素很多，硬件規(guī)模和硬件的制造工藝水平往往是影響可靠性的關鍵因素。因此，應選用高性能的CPU作為系統(tǒng)的運算和控制核心，并盡量用軟件來實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的功能。在系統(tǒng)的具體硬件構成上，選用可靠性高的工控PC作為數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺，減少自制硬件數(shù)量。此外，在軟件設計、電源選用、接插件設計與選用、接地與屏蔽設計等方面采用強抗干擾、高可靠性的設計，從而全面提高系統(tǒng)的可靠性。(2) 提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度。數(shù)控系統(tǒng)的控制精度是保證機床加工精度的關鍵。因此，它在數(shù)控系統(tǒng)中處于重要位置。如提高數(shù)控系統(tǒng)的最小分辨率，使用高精度的步進電機，采用高速高精度插補算法，提高軌跡生成精度;增強位置環(huán)控制能力;增加補償功能等。(3) 提高使用方便性。提高數(shù)控編程的方便性，是提高數(shù)控系統(tǒng)使用方便性的關鍵。因此，數(shù)控系統(tǒng)除提供全屏幕編輯進行手工編程外，還應該配置自動編程系統(tǒng)，從而大大提高數(shù)控編程的速度和智能化程度，大大方便普通用戶的使用。另外，因為現(xiàn)代工人都比較熟悉個人計算機，數(shù)控系統(tǒng)在操作方面應采用標準計算機鍵盤或與其兼容的薄膜鍵盤等輸入設備，也可用軟盤、移動磁盤、串行通訊、網(wǎng)絡系統(tǒng)等輸入零件程序。此外，數(shù)控系統(tǒng)中應設置仿真功能，便于用戶在加工前檢查零件程序的正確性。2.4 數(shù)控系統(tǒng)硬件結構系統(tǒng)由工控PC硬件平臺、數(shù)控操作面板(包括LCD顯示器，鍵盤)、數(shù)控接口板卡(工- 10 -/0板，D/A板)和驅動執(zhí)行機構等組成。PC硬件平臺包括工控電源、無源母板、工控PC主板和軟盤驅動器、硬盤驅動器等。數(shù)控操作面板上有液晶顯示器和薄膜鍵盤等。數(shù)控接口板卡是計算機與外部執(zhí)行裝置間進行信息交換和轉換的通道，對內通過無源母板與工控PC主板相連，對外通過屏蔽電纜與驅動執(zhí)行裝置相連接。該系統(tǒng)的驅動執(zhí)行環(huán)節(jié)包括四個子系統(tǒng):進給軸控制與驅動子系統(tǒng);主軸控制與驅動子系統(tǒng);開關量控制系統(tǒng)。主軸控制與驅動子系統(tǒng)的功能包括兩方面:主軸轉速的調速控制，以滿足寬范圍切削速度的要求;主軸轉角的精確控制，以滿足加工螺紋時的主軸與進給軸的聯(lián)動控制和換刀時的主軸精確定位控制要求。開關量控制系統(tǒng)完成機床的邏輯順序運動控制，如主軸起?？刂?、刀具交換、工件裝夾、冷卻開關、行程保護等任務。開關量控制系統(tǒng)與其它模塊相配合，共同完成機床工作過程的控制。2.5 數(shù)控系統(tǒng)軟件結構數(shù)控系統(tǒng)軟件為實時多任務系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各任務在數(shù)控實時操作系統(tǒng)控制下協(xié)調進行。(1) 數(shù)控實時操作系統(tǒng)。它是數(shù)控系統(tǒng)軟件中的核心子系統(tǒng)，它對系統(tǒng)中的資源進行統(tǒng)一管理，對各任務進行動態(tài)調度，協(xié)調各模塊的高效運行，并輔助完成各任務間的通訊和信息交換。(2) 信息預處理。該模塊完成輸入信息譯碼，完成軌跡插補前的坐標轉換和刀補運算。(3) 軌跡插補。它是數(shù)控系統(tǒng)的核心模塊，其任務是根據(jù)信息預處理給出的希望軌跡和從檢測裝置獲得的實際軌跡信息，實時生成機床各坐標軸的移動指令，并完成機床運動的加減速控制。(4) 運動控制。該模塊是數(shù)控系統(tǒng)的另一核心模塊，它根據(jù)插補運算結果，通過高速算法對機床各坐標軸進行高精度位置控制，并完成主軸轉速與轉角的控制任務。(5) 加工仿真模塊。該模塊以動畫方式對數(shù)控加工過程進行動態(tài)仿真，從而在加工前檢驗參數(shù)輸入正確性和機床運動合理性- 11 -第三章 進給伺服系統(tǒng)傳動計算CW6163 機床主要技術參數(shù)如表 3-1：最大回轉直徑 630mm電機功率 10KWLmax 2000mm快進速度 縱向 2.4m/min橫向 1.2m/min切削速度 縱向 0.5m/min橫向 0.25m/min定位精度 0.015mm移動部件重量 縱向 1200N橫向 800N加速時間 30ms機床效率 0.7表 3-1 CW6163 機床主要技術參數(shù)3.1 確定系統(tǒng)脈沖當量- 12 -車床縱向脈沖當量為 0.01/mm 脈沖；橫向脈沖當量為 0.005mm/脈沖。3.2 切削力的確定縱切端面時的主切削力 =0.67 =10595(N)zF5.1maxD)(2649138.0NFzxy?橫切端面時的主切削力 )(2194.03)(571''''' NFzxyzz?其中： 。， 單 位 為車 床 床 身 加 工 最 大 直 徑 mDmax3.3 計算進給牽引力作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力。因此其數(shù)值的大小與導軌的類型有關。 縱向采用三角形導軌： )(493)12059(16.024915.)(' NGFfKzxm ???????橫向采用燕尾形導軌： )(08)(..)(''''' fyzxm ?式中：G 為移動部件的重量（N） ；為導軌上的摩擦系數(shù)，隨導軌形勢而不同；'fK 為考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)。在正常情況下，K 及 可取如下數(shù)值：'f燕尾形導軌： K=1.4 2.0?‘三角形導軌： K=1.15 18.~5'f3.4 計算最大動負載 C選用滾珠絲杠副的直徑 d0時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉 100 萬- 13 -轉后，在它的滾道上不產生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載 C，計算如下：縱向：初選絲杠基本導程 mL80?。。。。 kNCmdLFZDfCvnamws 25508 )(8.10493.1.28105.36036????? )(1207548.1507.6.61130kNCLvns????，初 選 絲 杠 基 本 導 程橫 向 ：查表選擇 FFZD2506, kCdLa13,,6?均為 FFZD 型內循環(huán)浮動返向器雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副 23150, 3/1~2min/0??。 。。 。。。。wsf hThTmLv運轉狀態(tài) 運轉系數(shù)無沖擊狀態(tài) 1.0~1.2一般運轉 1.2~1.5有沖擊運轉 1.5~2.5表 3-2 運轉系數(shù)3.5 傳動效率計算- 14 -滾珠絲杠螺母副的傳動效率 )(?????tg其中： 分 。其 摩 擦 角 約 為滾 動 摩 擦 系 數(shù)摩 擦 角 ， 滾 珠 絲 杠 副 的絲 杠 螺 旋 升 角 10,04.~3.??f??縱向： %3.94)17.092.(2.58arctnarct0?????tgdL??橫向： 25.96)17.03.4(7.arctnarc?????tgdL??3.6 剛度計算滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性，因此應考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量 ：1?縱向： )(076.925016.208493· 5mEFLm ???????）（?預 緊 后 滿 足 要 求 )(036.12.03 )(1.87951L?????橫向；預 緊 后 滿 足 要 求 )(0132.561042. )(4.)(.8·401 420 mLEFm????????? ???3.7 進給伺服系統(tǒng)傳動計算3.7.1 確定傳動比- 15 -確定當機床脈沖當量和滾珠絲杠導程確定以后，可以先初選步進電機的步距角，計算伺服系統(tǒng)的降速比 I縱向： 3401.68??i橫向： 253.7.2 齒輪參數(shù)的計算摸數(shù) m 取 2。計算如下：縱向：取小圓齒數(shù)為 36，小齒輪： )(5.2.125.7361 mhzdfa????大齒輪： 9648mzd橫向：取小圓齒數(shù)為 18小齒輪： )(5.2.125.3681 mhzdfa????大齒輪： 736zd3.8 步進電機的計算和選用3.8.1 轉動慣量的計算（1）齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計算（ ）2.cmkg82MDJ?對于鋼材：34107.??LJ式中：PbLi??360?- 16 -M—圓柱體質量（ ）kgD—圓柱體直徑（ ）cmL—圓柱體長度（ ）—鋼材的密度?23/108.7c????對于齒輪：D 可取分度圓直徑，L 取齒輪寬度； 對于絲杠：D 可近似取絲杠公稱直徑 —滾珠直徑，L 取絲杠長度。具體計算如下：縱向： ).(19402.7805369.75. 24 24cmkgJz ?????小大絲 杠橫向： ).(236.018.637.072.85.5. 24 234ckgJz ?????小大絲 杠（2）絲杠傳動時折算到電機軸上的總傳動慣量步進電機經(jīng)一對齒輪降速后傳到絲杠，此傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的轉動慣量為： ])2()[()021?LgGJzJs???式中： ） 。絲 杠 的 導 程 （ ） ；件 的 重 量 （工 作 臺 及 工 件 等 移 動 部 ；絲 杠 的 轉 動 慣 量 （ ；大 齒 輪 的 轉 動 慣 量 ；小 齒 輪 的 轉 動 慣 量 動 慣 量 （cmLNGkgJcJS??0 22 21 2).(. );kg.cm上上具體計算如下：縱向： ).706(])28.0(91)5.72.13[()49. 2cmkgJ ?????橫向： 941.2603.8.2 電機力矩的計算- 17 -電機的負載力矩在各種工況下是不同的，下面分快速空載起動時所需力矩、快速進給時所需力矩、最大切削負載時所需力矩等幾部分介紹其計算方法。（1） 快速空載起動時所需力矩 起M0'maxMf??起式中： ） 。矩 （電 機 軸 上 的 附 加 摩 擦 力由 于 絲 杠 預 緊 時 折 算 到 ）力 矩 （折 算 到 電 機 軸 上 的 摩 擦 ） ；軸 上 的 加 速 力 矩 （空 載 起 動 時 折 算 到 電 機 ） ；快 速 空 載 起 動 力 矩 （起 mNMmNf .;...0max?（2） 快速進給時所需力矩 快M0f??‘快因此對運動部件已起動，固不包含 ，顯然 。max起快 M?（3）最大切削負載時所需力矩 切tfM??0切式中： ） 。負 載 力 矩 （折 算 到 電 機 軸 上 的 切 削 mNt .在采用絲杠螺母副傳動時，上述各種力矩可用下式計算 2max2max106106????????amx tnJnJM???式中： ） 。時 間 （最 大 進 給 速 度 所 需 要 的運 動 部 件 從 停 止 加 速 到 ） ；步 進 電 機 的 步 距 角 （） ；脈 沖 當 量 （ ） ；電 機 最 大 轉 速 （） ；電 機 最 大 角 加 速 度 （ ） ；上 的 總 等 效 轉 動 慣 量 （傳 動 系 統(tǒng) 折 算 到 電 機 軸 stmrnsNcmkgJabp???????in/ .max 2 2摩擦力矩 ）（ NMf.iLFf·20???- 18 -式中： 。取傳 動 鏈 總 效 率 ， 一 般 可 計 算 ；齒 輪 降 速 比 ， 按導 軌 摩 擦 系 數(shù) ； ） ；運 動 部 件 總 重 量 （引 力 處 摩 擦 力 的 計 算 ； ） ， 其 計 算 如 計 算 牽（， 進 行 切 削 加 工 時空 載 快 速 起 動 時 ） ；垂 直 方 向 切 削 力 （‘85.0~7/ ''12000 ?? ??????ziif NG GFzfGfFF附加摩擦力矩 ）（ mNM.0）（ 2001·???iLFp式中： ?！?效 率 ， 一 般 取滾 珠 絲 杠 未 預 緊 時 的 傳滾 珠 絲 杠 導 程 ； ） ；為 進 給 牽 引 力 （，般 取滾 珠 絲 杠 預 加 載 荷 ， 一 9.03/00 ????L NFFmP折算到電機軸上的切削負載力矩 ）（ cNMt.iLFtt·20???式中： 其 于 參 數(shù) 如 上 。 ） ；進 給 方 向 最 大 切 削 力 （ NFt?具體計算：橫向： ).(264.108.2619 ).(05.%5.9.3/40.728.108.26.57. ).(95.0. .71234291'max mNMNmMtff ??????????????）（）（- 19 -).(047.26.105.728. 8900'max mNMtff ?????切起縱向：由上面計算知，在 、 、 三種工況下，快速空載起動所需力矩最大，起 快 切所以只需計算 。起 ).(32.416.029.87.3%41/8.02.493).(.0.16. .4591342700'max0 2'max mNMNff ?????????????起 ）（??3.9 步進電機的選擇目前，經(jīng)濟型數(shù)控車床中大多數(shù)采用反應式步進電機。1. 首先根據(jù)最大靜轉距 初 選 電 機 型 號maxj從表中查出，當步進電機為三相六拍時，86.0M/jax?起?縱向： ).(2.586.032.4/ NM?起按此最大靜轉矩產步進電機型號表（三相）可查出，110BYG3500 型最大靜轉矩轉矩為 8N.m，大于所需靜轉矩，可作為初選型號。但必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。步進電機起動頻率 Hz401.6201max???pqvf?最高工作頻率 Hz3.8psgf從電機表中查出，110BYG3500 型步進電機的空載起動頻率為 1600Hz，運行頻率為30000Hz，滿足要求。橫向： mNM.3086./2/??起按此最大靜轉矩產步進電機型號表（三相）可查出，90BYGH3502 型最大靜轉矩轉矩為 5N.m，大于所需靜轉矩，可作為初選型號。但必須進一步考核步進電機起動矩頻特性- 20 -和運行矩頻特性。步進電機起動頻率 Hz405.62101max???pqvf?最高工作頻率 Hz3.psgf從電機表中查出，90BYGH3500 型步進電機的空載起動頻率為 1800Hz，運行頻率為30000Hz，滿足要求。機的具體型號選取。- 21 -結論本文論述了CW6163型車床的數(shù)字化改造的方法和原理，通過計算和論證，設計了車床改造后的傳動機構，提高了車床的加工精度，并利用單片機，實現(xiàn)車床電氣控制的方案，并為改造后的車床編制了控制程序。 從車床數(shù)控改造，得到如下結論:1.改造后的數(shù)控車床采用開環(huán)控制系統(tǒng)直接通過驅動裝置控制步進電機的運轉，控制方便、結構簡單、價格便宜，高精度的步進電機作為驅動裝置，經(jīng)過計算采用絲杠作為傳動部件提高車床的加工精度。 2.數(shù)字控制系統(tǒng)硬件部分使用8031作為主控器，2764進行外部存貯器擴展，8155與三相電機直連，結構簡單，控制達到要求。3.為改造后的車床編制了控制程序，包括直線和圓弧兩種基本插補方式，可以完成車床的多種加工要求?？傊ㄟ^此課題的設計研究，本人收獲甚大：1.本人對機床，特別是車床有了深刻地了解，對車床的工作原理、組成、結構等方面的知識有了一個系統(tǒng)而全面地認識2.系統(tǒng)學習了數(shù)控機床的相關知識，閱讀了大量關于CNC系統(tǒng)、NC系統(tǒng)的說明書及相關資料，為今后從事控制系統(tǒng)的設計工作奠定了基礎.3.學習了一些網(wǎng)絡知識，訓練了綜合運用知識和電腦繪圖的能力，鍛煉了實踐操作能力。本次設計改造的經(jīng)驗，使我對機械產生了更加濃厚的興趣，同時對機械這門學科也有了比較具體的認識，這必將對我以后的學習和工作帶來很大的好處。- 22 -參考文獻:[1] 蔡春源 雷天覺 任興機，等. 機電液設計手冊. 北京：機械工業(yè)出版社，1997.[2] 徐炳松，張秀艷，張茵麥，等. 畫法幾何及機械制圖. 北京：高等教育出版社，1999.[3] 劉杰. 機電一體化技術基礎與產品設計. 沈陽：東北大學出版社，2002，101-102.[4] 王仁德，趙春雨，張耀滿. 機床數(shù)控技術. 沈陽：東北大學出版社，2002，57-73.[5] 蔡光起，原所先，高航. 機械制造技術基礎. 沈陽：東北大學出版社，2002.[6] 宋宏遠，楊天怡. 單片微型計算機原理及應用. 重慶：重慶大學出版社，1990，92-93.[7] 呂京建，韓長風. 單片微機與系統(tǒng)設計. 天津：能源出版社，1987.[8] Mach inability Date Center. 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