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目錄
任務(wù)書
開題報告
本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語
本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語
本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會記錄
摘要…………………………………………………………………………………….1
前言……………………………………………………………………………………2
第一章 概論…………………………………………………………………………..3
一、 系統(tǒng)發(fā)展史……………………………………………………………………3
二、 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的狀況分析……………………………………………………3
三、 數(shù)控系統(tǒng)能發(fā)展趨勢…………………………………………………………4
四、 數(shù)控機(jī)床的改造的必要性……………………………………………………5
五、 數(shù)控化改造的空間……………………………………………………………6
六、 數(shù)控機(jī)床改造的效益分析……………………………………………………7
第二章 普通機(jī)床的數(shù)控化改造和可行性論證……………………………………..9
第一節(jié) 車床的數(shù)控化改造………………………………………………………9
一、設(shè)計的內(nèi)容及任務(wù)…………………………………………………………….9
第二節(jié) 可行性論證………………………………………………………………….10
第三章 總體方案的擬訂和論證……………………………………………………..11
第一節(jié) 總體設(shè)計方案的擬訂……………………………………………………..11
1．主傳動系統(tǒng)的設(shè)計改造………………………………………………………..11
2．?dāng)?shù)控系統(tǒng)的選擇………………………………………………………………..11
3．自動轉(zhuǎn)位刀架選擇設(shè)計………………………………………………………..12
4．驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計改造……………………………………………………………..12
第二節(jié) 可行性分析………………………………………………………………..15
第三節(jié) 總體方案的確定 …………………………………………………………16
第四章 主傳動部分改造與設(shè)計……………………………………………………17
一、主傳動部分方案擬訂和設(shè)計的內(nèi)容………………………………………….18
二、主軸部分改造設(shè)計計算……………………………………………………….19
第五章 伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………….20
第一節(jié)伺服系統(tǒng)的組成原理和要求……………………………………………….27
一、 伺服系統(tǒng)的組成原理………………………………………………………….27
二、 伺服系統(tǒng)的要求……………………………………………………………….27
第二節(jié) 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計計算…………………………………...29
一、 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計…………………………………………………….……29
二、 橫向進(jìn)給系統(tǒng)餓設(shè)計計算……………………………………………….……40
第三節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的選擇……………………………………………………….….47
一、 CA6140縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)確定………………………………………….47
二、 CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)確定……………………………………….…48
第四節(jié) 伺服系統(tǒng)說明………………………………………………………….….48
一、 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理……………………………………….……48
二、 步進(jìn)電機(jī)………………………………………………………………………50
三、 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源…………………………………………………………50
四、 滾珠絲杠………………………………………………………………………51
五、 機(jī)床導(dǎo)軌………………………………………………………………………52
第六章 自動轉(zhuǎn)位刀架………………………………………………………..…….53
一、數(shù)控車床刀架的基本要求……………………………………………..…….53
二、車床刀架結(jié)構(gòu)…………………………………………………………..…….53
三、 工作原理………………………………………………………………..…….54
四、 刀架的安裝…………………………………………………………………….55
第七章 編碼盤安裝部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………………….56
一、 光電編碼器工作原理………………………………………………………….56
二、 步進(jìn)電機(jī)頻率對編碼盤的限制…………………………………….................57
三、 編碼盤的安裝………………………………………………………………….57
第八章 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中常用軟件模塊設(shè)計…………………………………….59
第一節(jié) 插補(bǔ)原理及其程序設(shè)計…………………………………………………...59
一、 插補(bǔ)方法概述………………………………………………………………….59
二、 逐點(diǎn)插補(bǔ)原理及其程序設(shè)計………………………………………………….60
三、 插補(bǔ)控制軟件………………………………………………………………….69
第二節(jié) 接口電路設(shè)計………………………………………………………………78
一、 單片機(jī)和主機(jī)（PC機(jī)）的連接………………………………………………78
二、 8031單片機(jī)接口的擴(kuò)展……………………………………………………….80
三、 鍵盤/顯示器接口芯片（8279）……………………………………………….82
四、 中斷優(yōu)先電路…………………………………………………………………..85
五、 光電隔離電路…………………………………………………………………..86
第三節(jié) 伺服電路……………………………………………………………………87
一、 系統(tǒng)的組成……………………………………………………………..............87
二、 接口電路………………………………………………………………………..89
三、 位置和速度接口……………………………………………………………….89
四、 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計……………………………………………………….89
五、 單片機(jī)控制的自動換刀程序設(shè)計…………………………………………….96
六、 典型零件的加工程序設(shè)計…………………………………………………….97
參考文獻(xiàn)
前 言
大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束，大學(xué)學(xué)習(xí)生活中的最后一個環(huán)節(jié)也是最重要一個環(huán)節(jié)———畢業(yè)設(shè)計，是對所學(xué)知識和技能的綜合運(yùn)用和檢驗(yàn)。
本人的畢業(yè)設(shè)計課題是對普通車床（CA6140）進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，其內(nèi)容包括：總體方案的確定和驗(yàn)證、機(jī)械改造部分的設(shè)計計算（伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計、自動轉(zhuǎn)位刀架的選擇或設(shè)計、編碼盤安裝部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計）、主運(yùn)動自動變速原理等。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。從另一個角度來說，該設(shè)計既有機(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)計者未曾系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過機(jī)床設(shè)計的課程，但通過該設(shè)計拓寬了知識面，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。
畢業(yè)設(shè)計作為我們在大學(xué)校園里的最后一堂課、最后一項(xiàng)測試，它既是一次鍛煉，也是一次檢驗(yàn)，在整個設(shè)計過程中，我獲益匪淺。在此，我要衷心感謝梁潔萍老師對我的關(guān)心和細(xì)致指導(dǎo)。
由于畢業(yè)設(shè)計是我的第一次綜合性設(shè)計，無論是設(shè)計本人的紕漏還是經(jīng)驗(yàn)上的缺乏都難免導(dǎo)致設(shè)計的一些失誤和不足，在此，懇請老師和同學(xué)們給以指正。
設(shè)計者：楊永波
2004年4月
摘 要
本設(shè)計說明書包括：概論、總體設(shè)計方案的擬定和驗(yàn)證、主傳動部分的改造設(shè)計、伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計、自動轉(zhuǎn)位刀架的選擇設(shè)計、編碼盤安裝部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計等幾個部分。改造后的機(jī)車，主運(yùn)動實(shí)現(xiàn)自動變速，縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控控制，并要求達(dá)到縱向最小運(yùn)動單位為0.01/脈沖，橫向最小運(yùn)動單位0.005/脈沖，刀架要是自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架，要能自動切削螺紋。
關(guān)鍵字：數(shù)控改造 進(jìn)給系統(tǒng) 滾珠絲杠 自動刀架
Abstract
This introduction of the design included:The draw-up of the general outline, the decision and verify of the total designal projection, the reforms design to the parts of the lord spreads to move,the reforms design to the system of serve enters ,the choice and design to the knife which turn automatically, the constructions design of coding dish gearing part ,and so on.while the Motorcycle been reformed, the lord exercises realize to change speed automatically. lengthways, horizontal enter to proceed to system the number controls the control, and request to attain lengthways minimum sport unit as 0.01 mm/ pulse, horizontal minimum sport unit as 0.005 mm/ pulse, knife must be the automatic control a knife which is turning automatically,and it is able to slice the thread automatically.
Key word: The number controls to reforms the system of enters roll the bead in silk automatic knife
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(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)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(qiáng)體力勞動的工具相比，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。近半個世紀(jì)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(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。??
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。
?。?）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(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。
?。?）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)
?。?）智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置
可以通過自動識別負(fù)載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(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。
由于計算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
2 、可以實(shí)現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。由于計算機(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)定的順序自動去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序，就可實(shí)現(xiàn)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(shí)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(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、 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)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(qiáng)度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機(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。
五、 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(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"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/半自動機(jī)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(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，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(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。這也是一個極大的改造市場。
六、 機(jī)床改造的效益分析
提高機(jī)床數(shù)控化效率有兩個途徑：一是購買新的數(shù)控機(jī)床；二是對舊的機(jī)床進(jìn)行改造而對于一個機(jī)床擁有量大，經(jīng)濟(jì)財力又不足的發(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)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(jī)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(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。而采用改造的方案就可以根據(jù)生產(chǎn)加工要求，采用組合的方法再某些部件設(shè)計改造成專用的數(shù)控機(jī)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(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(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
第一節(jié) 車床的數(shù)控改造
一、設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)
普通車床（）的數(shù)控改造設(shè)計內(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)計計算（伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計、自動轉(zhuǎn)位刀架的選擇或設(shè)計、編碼盤安裝部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計）、主運(yùn)動自動變速原理、部分系統(tǒng)控制軟件設(shè)計。
本設(shè)計任務(wù)是對臥式車床進(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)動單位為0.01/脈沖，橫向最小運(yùn)動單位0.005/脈沖，主運(yùn)動要實(shí)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。
二、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，首先應(yīng)編制零件的加工程序，這是數(shù)控機(jī)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(jī)床主運(yùn)動的變化、起停，進(jìn)給運(yùn)動的方向、速度和位移量以及其它如刀具
圖2-1 數(shù)控機(jī)床的組成圖
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(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
第二節(jié) 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(xiàng)目前所進(jìn)行的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析報告，是上級主管部門審定和批準(zhǔn)立項(xiàng)的基本依據(jù)。同樣，在進(jìn)行普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造之前進(jìn)行合理的、科學(xué)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(jì)型數(shù)控改造的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個方面進(jìn)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(biāo)，改造的基礎(chǔ)條件、目標(biāo)、技術(shù)方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實(shí)施計劃，結(jié)論等。
由于本設(shè)計僅作為大學(xué)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一簡要的可行性論證。
本改造設(shè)計是對普通車床CA1640進(jìn)行經(jīng)濟(jì)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GSK980T型數(shù)控系統(tǒng)，加上兩臺伺服電機(jī)，費(fèi)用約為4萬余元；兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副、貼塑導(dǎo)軌等零件，費(fèi)用約為1萬余元，總的改造費(fèi)用約為5～6萬元。舊車床估計截至在6～7萬元。這樣設(shè)備改造費(fèi)用和舊設(shè)備費(fèi)用總計不會超過13萬元。因此，對普通車床作經(jīng)濟(jì)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(shí)用性。
第三章 總體方案的擬定和論證
數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數(shù)控機(jī)床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國作為機(jī)床大國，對普通機(jī)床數(shù)控化改造不失為一種較好的良策。
第一節(jié) 總體設(shè)計方案的擬定
C6140車床主要用于對中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工，這些零件加工工藝要求機(jī)床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有：控制主軸正反轉(zhuǎn)和實(shí)現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速；刀架能實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動，并具備在換刀點(diǎn)自動改變四個刀位完成選擇刀具；冷卻泵、潤滑泵的啟停；加工螺紋時，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動一個被加工螺紋的螺距或?qū)С?。這些工作內(nèi)容，就是數(shù)控化改造數(shù)控系統(tǒng)控制的對象。察看C616車床及有關(guān)資料，并且參照數(shù)控車床的改造經(jīng)驗(yàn)，確定總體改造方案。
1、主傳動系統(tǒng)的設(shè)計改造
對普通車床進(jìn)行數(shù)控改造時，一般可保留原有的主傳動系統(tǒng)和變速操作機(jī)構(gòu)，以減少改造量。但本設(shè)計中為了提高車床的自動化程度，以便于在加工過程中實(shí)現(xiàn)自動變換切削速度，對其作了相應(yīng)的簡化改造。
采用交流調(diào)速電機(jī)做車床主軸電機(jī)以取代原來的主軸電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速；并簡化原來傳動系統(tǒng)，以達(dá)到多檔調(diào)速范圍的確定。
2、數(shù)控系統(tǒng)的選擇設(shè)計
計算機(jī)數(shù)控裝置（CNC）即控制裝置是數(shù)控機(jī)床的中心環(huán)節(jié)。它通過對加工程序的運(yùn)行處理，發(fā)出控制信號，實(shí)現(xiàn)對加工過程的自動控制。
在本設(shè)計中，由于時間較短、設(shè)計人員少，因而我們決定引進(jìn)江蘇東方數(shù)控新技術(shù)公司生產(chǎn)的NIM-9702數(shù)控系統(tǒng)
NIM-9702數(shù)控系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：
3.自動轉(zhuǎn)位刀架選擇設(shè)計
數(shù)控機(jī)床的刀架是機(jī)床的重要組成部分。其結(jié)構(gòu)直接影響車床的切削性能和效率。臥式車床數(shù)控改造應(yīng)將原來機(jī)床的普通手動轉(zhuǎn)位刀架替換成自動換位刀架，本設(shè)計決定采用常州武進(jìn)數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4四工位螺旋轉(zhuǎn)位刀架。
4.驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計改造：
由于改造設(shè)計的是簡易型經(jīng)濟(jì)數(shù)控，所以在考慮具體方案時，基本原則是在滿足需要的前提下，對于機(jī)床盡可能減小改動量，以降低成本?？傮w改造如下圖所示：
圖7-1 總體改造的示意圖
（1） 控制方式類型選擇
數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制之分。
開環(huán)系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉，但影響定位精度的機(jī)械傳動裝置的摩擦、慣量、間隙的存在，故精度和快速性較差。開環(huán)控制的定位精度一般為±0.01～±0.02，不能滿足橫向最小運(yùn)動單位0.005/脈沖的要求。
閉環(huán)系統(tǒng)：控制精度高、快速性好，但對機(jī)床的要求比較高，且造價較昂貴。
閉環(huán)控制的定位精度一般為±0.001～±0.003，本設(shè)計屬經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，無須達(dá)到此精度。
半閉環(huán)系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便，在中小型性能要求較高的數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較多，故本設(shè)計采用半閉環(huán)控制。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)組成原理圖如下：
圖7-2半閉環(huán)控制原理圖
（2）伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造
縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：
拆除原來機(jī)床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座，裝上滾珠絲杠及其相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)及減速箱安裝在絲杠的右端，采用滾珠絲杠可以提高系統(tǒng)的精度和縱向進(jìn)給的整體剛度。
橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：
拆除原來橫向進(jìn)給的絲杠，換上滾珠絲杠；保留原來的橫向手柄機(jī)構(gòu)，橫向步進(jìn)電機(jī)和減速箱安裝在機(jī)床后側(cè)。
（3）步進(jìn)電動機(jī)的選用
選用步進(jìn)電動機(jī)，通常希望步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大，啟動頻率和運(yùn)行頻率高，步距誤差小。但是，增大轉(zhuǎn)矩與快速運(yùn)行存在一定的矛盾，高性能與低成本相矛盾。因此在實(shí)際選用步進(jìn)電動機(jī)時，要考慮各方面因素。
首先要保證機(jī)床的定位精度，而脈沖當(dāng)量直接影響機(jī)床的定位精度。脈沖當(dāng)量越小，機(jī)床的定位精度越高，但機(jī)床的快速進(jìn)給速度就越小。為兼顧精度與速度的要求，應(yīng)在滿足精度的條件下，選擇盡可能大的脈沖當(dāng)量。脈沖當(dāng)量確定后，以此為依據(jù)選擇步進(jìn)電動機(jī)的步距角和傳動機(jī)構(gòu)的傳動比。
（4）絲杠螺母副
臥式車床的進(jìn)給絲杠都是滑動絲杠，即絲杠與螺母之間的摩擦為滑動摩擦。由于，滑動絲杠螺母副的摩擦大、轉(zhuǎn)動效率低。在精度要求不高的情況下，可以仍用原機(jī)床的滑動絲杠。若要求機(jī)床精度和被加工精度較高的情況下，應(yīng)將原機(jī)床的滑動絲杠螺母副改換成滾珠絲杠螺母副?？紤]本設(shè)計的設(shè)計要求，選用滾珠絲杠螺母副代替原機(jī)床的滑動絲杠螺母副。
（5）機(jī)床導(dǎo)軌改造
臥式車床上的運(yùn)動部件，如刀架、工作臺都是沿著機(jī)床的導(dǎo)軌面運(yùn)動的。導(dǎo)軌的作用就是支承和導(dǎo)向，即支承運(yùn)動部件，并保證運(yùn)動部件在外力作用下，能準(zhǔn)確的沿著一定方向運(yùn)動。導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度、精度保持性和低速運(yùn)動平穩(wěn)性，直接影響機(jī)床的加工精度要求、支承能力和使用性能。數(shù)控改造時根據(jù)原機(jī)床導(dǎo)軌的磨損程度和加工精度要求，來確定導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式。
一般是將原機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行修整后貼塑，使其成為貼塑導(dǎo)軌。貼塑導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小，且動、靜摩擦系數(shù)差很小，能防止低速爬行現(xiàn)象；耐磨性、抗咬傷能力強(qiáng)、加工性和化學(xué)性能穩(wěn)定，具有良好的自潤滑性和抗振性；工藝簡單，成本低。
第二節(jié) 可行性論證
可行性論證是用戶建造自動化制造系統(tǒng)項(xiàng)目前所進(jìn)行的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析報告，是上級主管部門審定和批準(zhǔn)立項(xiàng)的基本依據(jù)。同樣，在進(jìn)行普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造之前進(jìn)行合理的、科學(xué)的可行性論證是必要的。
根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法，普通車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個方面進(jìn)行，即從企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析；從企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標(biāo)，改造的基礎(chǔ)條件、目標(biāo)、技術(shù)方案、投資概算、效益分析；改造后車床的實(shí)施計劃，結(jié)論等。
由于原因限制，設(shè)計者只能就改造的投資概算作一簡要的可行性論證。
本改造設(shè)計是對普通車床進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造。在改造設(shè)計中，采用的是蘇東方數(shù)控新技術(shù)公司生產(chǎn)的NIM-9702型數(shù)控系統(tǒng)，常州宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠的電動刀架，加上兩臺伺服電機(jī)，費(fèi)用約為5萬余元；一臺交流調(diào)速電動機(jī)和齒輪減速機(jī)構(gòu)，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副、貼塑導(dǎo)軌等零件，費(fèi)用約為2萬余元，總的改造費(fèi)用約為7～8萬元。舊車床估計截至在6～7萬元。這樣設(shè)備改造
費(fèi)用和舊設(shè)備費(fèi)用總計不會超過15萬元。因此，對普通車床作經(jīng)濟(jì)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加工精度的有效選擇，具有一定的實(shí)用性。
第三節(jié) 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CA6140的車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的總體方案示意圖如下圖所顯：CA6140車床的主軸轉(zhuǎn)速部分采用了變頻調(diào)速交流異步電機(jī)；車床的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動；刀架改成由微機(jī)控制，經(jīng)電機(jī)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。
微
機(jī)
光電阻隔
微電機(jī)
刀架
光阻
編碼
器
光電阻隔
功率放大
功率放大
光電阻隔
功率放大
變頻調(diào)速電 機(jī)
步 進(jìn)
電 機(jī)
步 進(jìn)
電 機(jī)
主 軸
縱向工作臺
橫向工作臺
圖3-3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(jī)床主傳動與普通機(jī)床相比所具有的特點(diǎn)：
1）采用調(diào)速電機(jī)驅(qū)動，以滿足主軸根據(jù)數(shù)控指令進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)；
3）轉(zhuǎn)速高、功率大；
數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)除應(yīng)滿足普通機(jī)床傳動要求外，還應(yīng)滿足如下要求：
具有更大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。 數(shù)控機(jī)床就要為了保證加工時能選用合理的切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，從而獲得最高的生產(chǎn)效率、加工精度和表面質(zhì)量，必須有更高的轉(zhuǎn)速和更多的調(diào)速范圍。為了適應(yīng)各種工序和各種加工材質(zhì)的要求，主運(yùn)動的調(diào)速范圍還應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。
②具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。 數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動件的制造精度與剛度，齒輪齒面進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱淬火增加耐磨性；最后一級采用斜齒輪傳動，使傳動平穩(wěn)；采用高精度軸承及合理 的支承跨距等，以提高主軸件的剛性。
③具有良好的抗振性和熱穩(wěn)定性。 數(shù)控機(jī)床上一般既要進(jìn)行粗加工，又要精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動部件不平衡以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時甚至破壞刀具和或零件，使加工無法進(jìn)行。因此在主傳動系統(tǒng)中的各主要零部件不但要求有一定的靜剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力——抗振性?？拐鹦杂脛觿偠然騽尤岫葋砗饬?。如果把主軸組件視為一個等效的單自由度系統(tǒng)，則動剛度與動力參數(shù)的關(guān)系為：
= (4-1)
式中: —機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜剛度（）；
—外加激振力的激振頻率（Hz）；
—主軸組件的固有頻率（=，為當(dāng)量質(zhì)量，為當(dāng)量靜剛度）；
—阻尼比（=，是阻尼系數(shù)，是臨界阻尼系數(shù)，=）。
由上式可見，為提高主軸組件的抗震性，須使值較大，為此應(yīng)盡量使阻尼比、當(dāng)量剛度值或固有頻率的值較高。在設(shè)計數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)時，要注意選擇上述幾個參數(shù)的合理關(guān)系。
一、 主傳動部分改造方案擬定和設(shè)計的內(nèi)容
改換主軸電動機(jī)，換成調(diào)速電動機(jī)，通過對電動機(jī)的變頻調(diào)速控制再加以簡單的齒輪調(diào)速來實(shí)現(xiàn)自動變速，齒輪調(diào)速部分用磁離合器控制齒輪嚙合。
主傳動方式的選擇、主軸電機(jī)的選擇、齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算、繪制主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖4 -1主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖
數(shù)控機(jī)床主軸變速方式主要有無級調(diào)速、分段無級調(diào)速和內(nèi)置電機(jī)變速等。在本設(shè)計中采用分段無級調(diào)速。無級變速能夠選用最合理的切削用量，可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，操作方便，簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)。無級變速主要是利用直流和交流調(diào)速電動機(jī)。但直流調(diào)速電動機(jī)恒功率調(diào)速范圍很小，一般只有1～2，很少到3～4，且換向有限制，現(xiàn)大多采用交流變頻主軸驅(qū)動系統(tǒng)。交流變頻調(diào)速電動機(jī)的性能與直流調(diào)速電動機(jī)類似，在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率區(qū)域。一般主軸調(diào)速電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍為3～4，對于恒功率變速范圍大的主軸傳動系統(tǒng)，需要增加變速齒輪，以保證主軸上較大的恒功率范圍?？紤]本設(shè)計機(jī)床要求采取交流變頻電動機(jī)和有級變速箱配合的方案即分段無級變速，主軸的正反轉(zhuǎn)和制動停止，由數(shù)控指令直接控制電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)。利用車床的主軸交流異步電動機(jī)、變頻器、數(shù)控單元構(gòu)成了變頻調(diào)速系統(tǒng)。交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率，電動機(jī)的級對數(shù)及轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系為=,由此可知，改變電源的頻率，即可改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速與頻率成正比?？紤]本設(shè)計機(jī)床的要求，采取交流變頻電動機(jī)和有級變速箱配合的方案，即分段無級變速。主軸的正、反轉(zhuǎn)和制動停止由數(shù)控指令直接控制電動機(jī)實(shí)現(xiàn)。
所謂分段無級變速就是在交流或直流電機(jī)無級調(diào)速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速。它能夠?qū)崿F(xiàn)中、高速段的恒功率傳動，低速段的恒轉(zhuǎn)矩傳動。在該系統(tǒng)中，主軸的正、反轉(zhuǎn)和制動停止，通過數(shù)控指令直接控制電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。主軸的變速則有電動機(jī)的無級變速與齒輪的有機(jī)變速相配合來實(shí)現(xiàn)。
四、主傳動部分改造設(shè)計計算
根據(jù)機(jī)車要求粗選車床主軸變速范圍：
=100 =2500 =25
粗步估算電動機(jī)功率
根據(jù)統(tǒng)計分析法： =36.5
取400 (據(jù)車床說明書，—機(jī)床的最大加工直徑)
所以 =36.5×0.41.54=8.9()
1. 切削力參數(shù)的確定
切削力： =9.81...
(據(jù)《實(shí)用機(jī)床設(shè)計手冊》，以后若無說明則源于《實(shí)用機(jī)床設(shè)計手冊》)
查表2.2-4得：
=1 =0.75 =0 =1 =188
查表2.1-16（據(jù)《金屬切削原理》）
粗加工
精加工
切削深度
4～6
1.0～2.0
進(jìn)給量
0.8～0.4
0.2～0.4
切削速度
80～110
120～150
估算最大最小的切削力： =6286.5（）
=1121.4（）
切削功率： =（） (4-4)
則最大最小的切削功率為： =9.95（）
=2.52（）
主電動機(jī)功率： =（） (4-5)
—主轉(zhuǎn)動鏈的總效率 取=0.9
則最大最小的總效率 ： =11（）
=2.8（）
根據(jù)計算選用11的電動機(jī)：
最高轉(zhuǎn)速 =3500
額定轉(zhuǎn)速 =1460
2.確定變速級數(shù)z和公比j
主軸計算轉(zhuǎn)速： = （4－6）則
=15=99.5（）
主軸恒功率變速范圍： = （4－7）
即 ==25.12
電動機(jī)恒功率變速范圍：= （4－8）
即 ==2.40
公比： = （4－9）
即 ==14.7
齒輪變速級通常為2～4
當(dāng)取2時： j=13.25
當(dāng)取3時： j=3.64
當(dāng)取4時： j=2.37
①若選用=2 j=13.25
= （4－10）
即 ==2.0（）
②若選用=3 j=3.64
==7.25（）
功率降低區(qū)的最小輸出滿載功率僅為2.0、7.25，與機(jī)床要求的最大功率相差太大，古不能采用。
③若選用=4 j=2.37
==11.14（）
符合機(jī)床功率要求。
3.主軸參數(shù)計算
主軸恒轉(zhuǎn)矩變速范圍： = （4－11）
即 ==3.98
因?yàn)橹鬏S和電動機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩變速范圍應(yīng)相等，即：
=
主電動機(jī)的最低轉(zhuǎn)速： = （4－12）
即 ==366.8
電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩： = （4－13）
即 ==71.95（）
主軸計算轉(zhuǎn)速： =44.04()
主軸恒功率變速范圍： = （4－14）
即 ==35.07
分級變速機(jī)構(gòu)的變速范圍： = （4－15）
即 ==14.6
主傳動系統(tǒng)總降速比： = （4－16）
即 ==0.068=1/16
4.分段無級變速傳動方案確定
由前面計算得：=4，j=2.37
令：Φ1=Φ2=j
試取≈1
查表2.3-4取=1.12
則： =2.66 =0.47
故取：=23 =61
=50 =56
=64 =30
由以上計算得： =3.556 取=3.55
故?。?20 =70
根據(jù)原機(jī)床的《機(jī)床說明書》?。?
=2.5，=2，=2.25，=2.25
=35, α=
所以： ==2.5×23=57.5（）
=2.5×61=152.5（）
=2×50=100（）
=2×56=112（）
=2.25×65=144（）
=2.25×31=67.5（）
=2.25×20=45（）
=2.25×70=157.5（）
因?yàn)辇X輪、軸、軸承的型號大小與原機(jī)床無大的改動，所以這里就不再作強(qiáng)度、剛度的校核。
根據(jù)《實(shí)用機(jī)床設(shè)計手冊》知：當(dāng)j＞時，在變速箱的每檔內(nèi)會使一部分低轉(zhuǎn)速的傳動功率下降，按恒轉(zhuǎn)矩方式變速，在曲線上會出現(xiàn)“缺口”，曲線上的缺口則稱為功率降低區(qū)；當(dāng)j≤時，可保證主軸在自計算轉(zhuǎn)速（）至最高轉(zhuǎn)速（）范圍內(nèi)全部為恒功率，曲線上無“缺口”，可以充分利用主電動機(jī)的功率（該機(jī)床主軸傳動系統(tǒng)圖4-3）。
圖4-3 主軸傳動系統(tǒng)
電磁離合器是應(yīng)用電磁效應(yīng)接通或切斷運(yùn)動的元件，它便于實(shí)現(xiàn)自動操作，能簡化變速系統(tǒng)。給圖中齒輪裝上電磁離合器，通過傳動軸上的離合器吸合和分離的不同組合來改變齒輪的傳動路線，實(shí)現(xiàn)自動變速。
改造后的機(jī)床為實(shí)現(xiàn)其螺紋加工還須配置主軸脈沖發(fā)生器作為車床主軸位置信號的反饋元件。它與車床主軸同步運(yùn)行，采集主軸運(yùn)動時的數(shù)據(jù)信息，發(fā)出主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號，輸入到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)，再由數(shù)控系統(tǒng)通過軟件控制，以保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時，螺紋車刀也同步在縱向進(jìn)給一個螺紋，并保證螺紋加工中分幾次切削時不發(fā)生亂扣，即每次螺紋切削進(jìn)刀位置一致。主軸脈沖發(fā)生器一般采用增量式光電編碼器，其安裝通常有兩種方式：同軸安裝、異軸安裝。
同軸安裝方式是直接與車床主軸的后端相聯(lián)結(jié)，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但缺點(diǎn)是安裝后不能加工穿出車床主軸孔的零件；異軸安裝方式是通過橋齒輪或同步齒形帶傳動，使主軸與光電編碼器同步轉(zhuǎn)動，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但避免了前述同軸安裝的缺點(diǎn)。本設(shè)計中是采用異軸安裝方式。
主軸脈沖發(fā)生器輸光學(xué)元件，安裝時應(yīng)小心輕放，不能有較大的 沖擊和振動，以防損壞玻璃光柵盤，造成報廢。令應(yīng)注意主軸脈沖發(fā)生器的最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速，車床主軸的轉(zhuǎn)速必須小于此轉(zhuǎn)速，以免損壞脈沖發(fā)生器。
第五章 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計
伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計是普通車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的主要部分，如果說系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機(jī)構(gòu)，那么，伺服驅(qū)動系統(tǒng)便是數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它忠實(shí)而準(zhǔn)確的執(zhí)行由系統(tǒng)發(fā)來的運(yùn)動命令。伺服控制系統(tǒng)是聯(lián)接數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床的樞紐，其性能是影響數(shù)控機(jī)床的精度、穩(wěn)定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。
第一節(jié) 伺服系統(tǒng)的組成原理和要求
一、伺服系統(tǒng)的組成原理
機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)與機(jī)床進(jìn)給機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)兩大部分組成。機(jī)床進(jìn)給機(jī)械傳動系統(tǒng)通常由減速齒輪、滾珠絲杠、機(jī)床導(dǎo)軌和工作臺拖板等組成。對于伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)，按其反饋信號的有無，分為開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式。對于開環(huán)伺服系統(tǒng)只能由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，它由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源和電動機(jī)組成。閉環(huán)伺服系統(tǒng)則分為直流電動機(jī)和交流電動機(jī)兩種驅(qū)動方式，并且是雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)中用作速度反饋的檢測裝置為測速發(fā)電機(jī)、脈沖編碼器等。速度控制單元是一個獨(dú)立的單元部件，它由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器以及功率驅(qū)動放大器等部分組成。位置環(huán)是由裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及反饋控制等部分組成。根據(jù)其位置檢測信號所取部位不同，它又分為半閉環(huán)和全閉環(huán)兩種。半閉環(huán)采用轉(zhuǎn)角位置檢測裝置，安裝于滾珠絲杠端部，或直接與伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)子的后端相連（與伺服電動機(jī)成一體）；對于全閉環(huán)系統(tǒng)需要采用直線位置檢測裝置，安裝于機(jī)床導(dǎo)軌與工作臺拖板之間。通常伺服驅(qū)動控制單元與電動機(jī)由一個生產(chǎn)廠家配套提供（甚至包括位置檢測裝置）。
二、伺服系統(tǒng)的要求
伺服系統(tǒng)是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為確保機(jī)床的加工質(zhì)量和效率，機(jī)床對其伺服系統(tǒng)有“穩(wěn)、準(zhǔn)、快、寬、足”五個要求，它反映了伺服驅(qū)動系統(tǒng)的五項(xiàng)性能指標(biāo),具體的內(nèi)容如下:
穩(wěn) 即穩(wěn)定性，也就是要求系統(tǒng)有較好的抗干擾性，保證電源、環(huán)境、負(fù)載等所產(chǎn)生的波動對其影響甚小，有較硬的調(diào)速機(jī)械特性，過載能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性好，以確保工件加工的一致性。
準(zhǔn) 及準(zhǔn)確性，為確保加工質(zhì)量，除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外，還必須有較高的準(zhǔn)確定位精度。數(shù)控機(jī)床是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令自動完成整個加工過程，它不象普通機(jī)床那樣，中間可以由操作者測量工件后再通過操縱手輪來修正加工偏差。由于數(shù)控機(jī)床是按加工程序一次完成加工，所以進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度直接決定了工件的加工精度，這也是考核數(shù)控機(jī)床的一項(xiàng)至關(guān)重要的性能指標(biāo)。
通常影響數(shù)控加工精度的主要因素有：數(shù)控系統(tǒng)精度（主要取決于插補(bǔ)運(yùn)算精度）；伺服系統(tǒng)精度；機(jī)床機(jī)械精度（如主軸、刀架、工作臺回轉(zhuǎn)精度，刀具、工件裝夾精度等）。其中伺服系統(tǒng)精度起主要作用。
快 即快速響應(yīng)性。機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)實(shí)際上就是一種高精度的位置隨動系統(tǒng)，它不但要求靜態(tài)誤差小，也要求動態(tài)響應(yīng)快，具體表現(xiàn)在起、停的升降速過程短，有較高的加速度，即要求系統(tǒng)的機(jī)電時間常數(shù)小，反應(yīng)靈敏。
寬 即有較寬的調(diào)速范圍。通常數(shù)控機(jī)床在實(shí)際運(yùn)行中，對工作臺的進(jìn)給速度要求滿足兩項(xiàng)指標(biāo)：輕載快速趨近定位速度（即編程指令的速度）、切削進(jìn)給速度（即編程指令、等后面的值所要求的速度）。
足 即有足夠的輸出扭矩或驅(qū)動功率。特別是要滿足強(qiáng)力切削和高速切削的要求，并且還要求系統(tǒng)有相應(yīng)的過載能力，以確保穩(wěn)定性。
對進(jìn)給伺服系統(tǒng)除了上述五項(xiàng)主要性能指標(biāo)外，也要求溫升低、噪聲小、效率高、體積小、價格低、控制方便、線性度好（如輸出速度與輸入電壓成線性）、可靠性高，維修保養(yǎng)方便，對溫度、濕度等環(huán)境要求寬等等。
第二節(jié) 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計計算
伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容包括：縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算、橫行進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算、步進(jìn)電機(jī)的選擇三大部分，該部分設(shè)計的總體方案示意圖如圖5-1所示。要使這三大部分與數(shù)控系統(tǒng)的配合達(dá)到好的效果，伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造設(shè)計部分除了主要的三大部分內(nèi)容外，還包括與步進(jìn)電動機(jī)相關(guān)的驅(qū)動電源、功率放大電路、輔助電路；與滾珠絲杠副相關(guān)的機(jī)床導(dǎo)軌等內(nèi)容的設(shè)計選擇
圖5-1 伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計總體方案
一、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計
普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動絲杠，螺母固定溜板箱上，帶動刀架左右移動。步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任意一端，從改造方便、實(shí)用方面來考慮，一般都把步進(jìn)電機(jī)放在縱向絲杠的右端，即尾架部位。
已知的條件：
工作臺重量： =100=1000 （根據(jù)圖紙粗略計算）
時間常數(shù)： =25
滾珠絲杠基本導(dǎo)程： =6
行程： =600
脈沖當(dāng)量： =0.01
步距角： =0.750
最大進(jìn)給速度： =2
1.切削力計算
由《實(shí)用機(jī)床設(shè)計手冊》可知：
切削功率： = （5－1）
—電機(jī)功率 =11
—主傳動鏈的總效率 取=0.90
—進(jìn)給系統(tǒng)的功率系數(shù)，取=0.96
則： =11×0.90×0.96=9.504（）
又因?yàn)椋? =