机械毕业设（论文）-C6140车床数控化改造设计【全套图纸】.doc

第一章 绪论一、数控机床的发展简史数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。全套图纸，加153893706二、国内数控机床的发展概况（一）国内数控机床现状 我国从1958年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始，研制晶体管数控系统，直到60年代末和70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。1972-1979年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从80年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。（二）国内数控机床的特点 数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点： 1、加工精度高，具有稳定的加工质量； 2、可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 3、加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；4、机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）； 5、机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 6、对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。 数控机床一般由下列几个部分组成：7、主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。 8、数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 9、驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。 10、辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 11、编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。三、数控系统的发展趋势性能发展方向 (1) 高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。 (2) 柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。 (3) 工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。 (4) 实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。四、机床数控化改造的必要性随着我国国民经济的高速发展,数字控制技术的高度成熟,数控机床在制造业中发挥着重要作用,特别是近几年来应用比例越来越大,有效地保证了产品的质量,使得人们对其有了更清楚的认识,但由于产品零件的类型、形状、尺寸和用途的差异很大,零件的加工批量相差悬殊,其质量和精度的要求也有显著的不同,因此制造业需要不同类型的数控机床,在同一类型数控机床中需要高、中、低档不同层次的数控机床,购买新的数控机床是提高数控化率的途径,对旧机床进行数控化改造,也是提高数控化率的重要途径。我国现有400多万台数控机床,数控机床占有量约占2%,这些机床的结构一般比较陈旧,操作部分复杂,控制系统落后,但如果把这些落后机床全部闲置或淘汰,全部购买新的数控机床去代替,必然耗费巨额资金,显然不符合我国国情,因此,用数控这一高新技术对现有机床进行数控化改造,是一条符合国家急需与产业政策且又可行的途径,于是人民为了降低采购数控设备的成本,开始尝试将机械尚有70%以上残留价值的一部分普通机床进行数控化改造,使老设备焕发青春,为企业作出更大的贡献。而近几年,美、日、德等先进工业国,在大量制造数控机床的同时,十分重视对机床进行数控化改造,并已形成一个新兴的产业。1、 节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。2、 性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。3、 提高生产效率。 机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。数控化改造的市场空间 机床的数控制化改造是一个方兴未艾的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如：在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出：1国内的市场我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 2. 进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。五 机床改造的效益分析提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采用第二中方法有以下的优点：1、减少了投资和交货的期限 同购置新的数控机床相比，一般可以节省60%到80%的费用，改造的费用大大减低。2、机械的稳定性可靠 机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。3、熟悉了解设备结构性能，便于操作维修 购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。 4、可以充分利用现有的条件 可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。5、可更好的因地制宜合理筛选功能 购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造的方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。6、可及时采用最新技术，充分利用社会资源 由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造 ，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还可以使得刮研极容易，等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机场改造成当今水平的机床。第二章 普通车床的数控改造可行性论证 第一节 车床的数控改造一、设计内容及任务C6140普通车床的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（伺服进给机构设计、自动转位刀架的选择或设计、编码盘安装部分的结构设计）、主运动自动变速原理、部分系统控制软件设计。本设计任务是对C6140卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的横向、纵向进给系统进行数字控制，并要达到横向最小运动单位0.005/脉冲，纵向最小运动单位为0.01/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。二、数控机床工作原理及组成1. 数控机床工作原理：数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。2.数控机床的组成：数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图2-1图2-1 数控机床的组成图 第二节 可行性论证 根据自动化制造系统，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性论证。本改造设计是对普通车床CA1640进行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是广州数控设备厂生产的GSK980T型数控系统，加上两台伺服电机，费用约为4万余元；两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副、贴塑导轨等零件，费用约为1万余元，总的改造费用约为56万元。旧车床估计截至在67万元。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过13万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。第三章 总体方案的拟定和论证数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。第一节 总体设计方案的拟定C6140车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制的对象。察看C616车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体改造方案。1、主传动系统的设计改造对普通车床进行数控改造时，一般可保留原有的主传动系统和变速操作机构，以减少改造量。但本设计中为了提高车床的自动化程度，以便于在加工过程中实现自动变换切削速度，对其作了相应的简化改造。采用交流调速电机做车床主轴电机以取代原来的主轴电机，以实现无级调速；并简化原来传动系统，以达到多档调速范围的确定。2、数控系统的选择设计计算机数控装置（CNC）即控制装置是数控机床的中心环节。它通过对加工程序的运行处理，发出控制信号，实现对加工过程的自动控制。在本设计中，由于时间较短、设计人员少，因而我们决定引进江苏东方数控新技术公司生产的NIM-9702数控系统NIM-9702数控系统有以下特点：3.自动转位刀架选择设计数控机床的刀架是机床的重要组成部分。其结构直接影响车床的切削性能和效率。卧式车床数控改造应将原来机床的普通手动转位刀架替换成自动换位刀架，本设计决定采用常州武进数控设备厂生产的LD4四工位螺旋转位刀架。4.驱动系统的设计改造：由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。总体改造如下图所示： 图7-1 总体改造的示意图 （1） 控制方式类型选择 数控机床的伺服进给系统有开环控制、闭环控制和半闭环控制之分。开环系统：结构简单、工作可靠、造价低廉，但影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在，故精度和快速性较差。开环控制的定位精度一般为0.010.02，不能满足横向最小运动单位0.005/脉冲的要求。闭环系统：控制精度高、快速性好，但对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环控制的定位精度一般为0.0010.003，本设计属经济型数控改造，无须达到此精度。半闭环系统：结构简单、调整方便，在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多，故本设计采用半闭环控制。 半闭环控制系统组成原理图如下： 图7-2半闭环控制原理图伺服进给机构的改造横向进给机构的改造：拆除原来横向进给的丝杠，换上滚珠丝杠；保留原来的横向手柄机构，横向步进电机和减速箱安装在机床后侧。（3）步进电动机的选用选用步进电动机，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小。但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素。首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。为兼顾精度与速度的要求，应在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以此为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。（4）丝杠螺母副卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠，即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。由于，滑动丝杠螺母副的摩擦大、转动效率低。在精度要求不高的情况下，可以仍用原机床的滑动丝杠。若要求机床精度和被加工精度较高的情况下，应将原机床的滑动丝杠螺母副改换成滚珠丝杠螺母副。考虑本设计的设计要求，选用滚珠丝杠螺母副代替原机床的滑动丝杠螺母副。（5）机床导轨改造卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床的导轨面运动的。导轨的作用就是支承和导向，即支承运动部件，并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工精度要求、支承能力和使用性能。数控改造时根据原机床导轨的磨损程度和加工精度要求，来确定导轨的结构形式。一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。贴塑导轨摩擦系数小，且动、静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定，具有良好的自润滑性和抗振性；工艺简单，成本低。 纵向进给机构的改造：拆除原来机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，装上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在丝杠的右端，采用滚珠丝杠可以提高系统的精度和纵向进给的整体刚度。 第三节 总体设计方案的确定经总体设计方案的论证后，确定的C6140的车床经济型数控改造的总体方案示意图如下图所显：C6140车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机；车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安装主轴脉冲发生器。微机光电阻隔微电机刀架光阻编码器光电阻隔功率放大功率放大光电阻隔功率放大 变频调速电 机步 进电 机步 进电 机主 轴纵向工作台横向工作台图3-3总体方案设计图 第四章 主传动部分改造与设计在改造设计之前，让我们先来看一下数控机床主传动与普通机床相比所具有的特点：1）采用调速电机驱动，以满足主轴根据数控指令进行自动变速的需要；2）传动路线短，从而简化了主传动系统机械结构；3）转速高、功率大；数控机床的主传动系统除应满足普通机床传动要求外，还应满足如下要求：具有更大的调速范围，并实现无极调速。 数控机床就要为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产效率、加工精度和表面质量，必须有更高的转速和更多的调速范围。为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。 数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理 的支承跨距等，以提高主轴件的刚性。具有良好的抗振性和热稳定性。 数控机床上一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具和或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中的各主要零部件不但要求有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗振性。抗震性用动刚度或动柔度来衡量。如果把主轴组件视为一个等效的单自由度系统，则动刚度与动力参数的关系为： = (4-1)式中: 机床主轴结构系统的静刚度（）；外加激振力的激振频率（Hz）；主轴组件的固有频率（=，为当量质量，为当量静刚度）；阻尼比（=，是阻尼系数，是临界阻尼系数，=）。由上式可见，为提高主轴组件的抗震性，须使值较大，为此应尽量使阻尼比、当量刚度值或固有频率的值较高。在设计数控机床的主传动系统时，要注意选择上述几个参数的合理关系。一、 主传动部分改造方案拟定和设计的内容改换主轴电动机，换成调速电动机，通过对电动机的变频调速控制再加以简单的齿轮调速来实现自动变速，齿轮调速部分用磁离合器控制齿轮啮合。主传动方式的选择、主轴电机的选择、齿轮传动系统的设计计算、绘制主传动系统结构图。 图4 -1主轴变频调速系统原理图数控机床主轴变速方式主要有无级调速、分段无级调速和内置电机变速等。在本设计中采用分段无级调速。无级变速能够选用最合理的切削用量，可在运转中变速，操作方便，简化机械结构。无级变速主要是利用直流和交流调速电动机。但直流调速电动机恒功率调速范围很小，一般只有12，很少到34，且换向有限制，现大多采用交流变频主轴驱动系统。交流变频调速电动机的性能与直流调速电动机类似，在额定转速以下为恒转矩区，在额定转速以上为恒功率区域。一般主轴调速电动机的恒功率调速范围为34，对于恒功率变速范围大的主轴传动系统，需要增加变速齿轮，以保证主轴上较大的恒功率范围。考虑本设计机床要求采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案即分段无级变速，主轴的正反转和制动停止，由数控指令直接控制电动机来实现。利用车床的主轴交流异步电动机、变频器、数控单元构成了变频调速系统。交流电动机的转速与频率，电动机的级对数及转差率之间的关系为=,由此可知，改变电源的频率，即可改变电动机转速，且转速与频率成正比。考虑本设计机床的要求，采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案，即分段无级变速。主轴的正、反转和制动停止由数控指令直接控制电动机实现。所谓分段无级变速就是在交流或直流电机无级调速的基础上配以齿轮变速。它能够实现中、高速段的恒功率传动，低速段的恒转矩传动。在该系统中，主轴的正、反转和制动停止，通过数控指令直接控制电机来实现。主轴的变速则有电动机的无级变速与齿轮的有机变速相配合来实现。四、主传动部分改造设计计算根据机车要求粗选车床主轴变速范围：=100 =2500 =25粗步估算电动机功率根据统计分析法： =36.5 取400 (据车床说明书，机床的最大加工直径)所以 =36.50.41.54=8.9()1. 切削力参数的确定 切削力： =9.81. (据实用机床设计手册，以后若无说明则源于实用机床设计手册)查表2.2-4得：=1 =0.75 =0 =1 =188 查表2.1-16（据金属切削原理） 粗加工精加工切削深度461.02.0进给量0.80.40.20.4切削速度80110120150估算最大最小的切削力： =6286.5（） =1121.4（）切削功率： =（） (4-4) 则最大最小的切削功率为： =9.95（） =2.52（）主电动机功率： =（） (4-5)主转动链的总效率 取=0.9 则最大最小的总效率 ： =11（） =2.8（）根据计算选用11的电动机： 最高转速 =3500 额定转速 =14602.确定变速级数z和公比j主轴计算转速： = （46）则 =15=99.5（）主轴恒功率变速范围： = （47）即 =25.12电动机恒功率变速范围：= （48）即 =2.40 公比： = (49）即 =14.7齿轮变速级通常为24当取2时： j=13.25当取3时： j=3.64当取4时： j=2.37 选用=2 j=13.25 = （410）即 =2.0（）若选用=3 j=3.64 =7.25（）功率降低区的最小输出满载功率仅为2.0、7.25，与机床要求的最大功率相差太大，古不能采用。若选用=4 j=2.37 =11.14（）符合机床功率要求。3.主轴参数计算主轴恒转矩变速范围： = （411）即 =3.98因为主轴和电动机的恒转矩变速范围应相等，即：=主电动机的最低转速： = （412）即 =366.8 电动机额定转矩： = （413）即 =71.95（）主轴计算转速： =44.04()主轴恒功率变速范围： = （414）即 =35.07分级变速机构的变速范围： = （415）即 =14.6主传动系统总降速比： = （416）即 =0.068=1/164.分段无级变速传动方案确定由前面计算得：=4，j=2.37令：1=2=j试取1 查表2.3-4取=1.12则： =2.66 =0.47故取：=23 =61=50 =56=64 =30由以上计算得： =3.556 取=3.55故取：=20 =70根据原机床的机床说明书取：=2.5，=2，=2.25，=2.25 =35, =所以： =2.523=57.5（） =2.561=152.5（） =250=100（） =256=112（） =2.2565=144（） =2.2531=67.5（） =2.2520=45（） =2.2570=157.5（）因为齿轮、轴、轴承的型号大小与原机床无大的改动，所以这里就不再作强度、刚度的校核。根据实用机床设计手册知：当j时，在变速箱的每档内会使一部分低转速的传动功率下降，按恒转矩方式变速，在曲线上会出现“缺口”，曲线上的缺口则称为功率降低区；当j时，可保证主轴在自计算转速（）至最高转速（）范围内全部为恒功率，曲线上无“缺口”，可以充分利用主电动机的功率（该机床主轴传动系统图4-3）。 图4-3 主轴传动系统电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，它便于实现自动操作，能简化变速系统。给图中齿轮装上电磁离合器，通过传动轴上的离合器吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现自动变速。改造后的机床为实现其螺纹加工还须配置主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件。它与车床主轴同步运行，采集主轴运动时的数据信息，发出主轴转角位置变化信号，输入到数控系统内，再由数控系统通过软件控制，以保证主轴每转一转时，螺纹车刀也同步在纵向进给一个螺纹，并保证螺纹加工中分几次切削时不发生乱扣，即每次螺纹切削进刀位置一致。主轴脉冲发生器一般采用增量式光电编码器，其安装通常有两种方式：同轴安装、异轴安装。同轴安装方式是直接与车床主轴的后端相联结，这种方式结构简单，但缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件；异轴安装方式是通过桥齿轮或同步齿形带传动，使主轴与光电编码器同步转动，其结构复杂，但避免了前述同轴安装的缺点。本设计中是采用异轴安装方式。主轴脉冲发生器输光学元件，安装时应小心轻放，不能有较大的 冲击和振动，以防损坏玻璃光栅盘，造成报废。令应注意主轴脉冲发生器的最高运行转速，车床主轴的转速必须小于此转速，以免损坏脉冲发生器。第五章 伺服进给机构设计伺服进给机构的设计是普通车床经济型数控改造的主要部分，如果说系统是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么，伺服驱动系统便是数控机床的“四肢”，是执行机构，它忠实而准确的执行由系统发来的运动命令。伺服控制系统是联接数控系统与机床的枢纽，其性能是影响数控机床的精度、稳定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。第一节 伺服系统的组成原理和要求一、伺服系统的组成原理机床进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。机床进给机械传动系统通常由减速齿轮、滚珠丝杠、机床导轨和工作台拖板等组成。对于伺服驱动控制系统，按其反馈信号的有无，分为开环和闭环两种控制方式。对于开环伺服系统只能由步进电机驱动，它由步进电机驱动电源和电动机组成。闭环伺服系统则分为直流电动机和交流电动机两种驱动方式，并且是双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器以及功率驱动放大器等部分组成。位置环是由装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。根据其位置检测信号所取部位不同，它又分为半闭环和全闭环两种。半闭环采用转角位置检测装置，安装于滚珠丝杠端部，或直接与伺服电动机转子的后端相连（与伺服电动机成一体）；对于全闭环系统需要采用直线位置检测装置，安装于机床导轨与工作台拖板之间。通常伺服驱动控制单元与电动机由一个生产厂家配套提供（甚至包括位置检测装置）。二、伺服系统的要求伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构。为确保机床的加工质量和效率，机床对其伺服系统有“稳、准、快、宽、足”五个要求，它反映了伺服驱动系统的五项性能指标,具体的内容如下:稳 即稳定性，也就是要求系统有较好的抗干扰性，保证电源、环境、负载等所产生的波动对其影响甚小，有较硬的调速机械特性，过载能力强，稳定性好，适应性好，以确保工件加工的一致性。准 及准确性，为确保加工质量，除要求系统稳定外，还必须有较高的准确定位精度。数控机床是由数控系统发出指令自动完成整个加工过程，它不象普通机床那样，中间可以由操作者测量工件后再通过操纵手轮来修正加工偏差。由于数控机床是按加工程序一次完成加工，所以进给系统的定位精度直接决定了工件的加工精度，这也是考核数控机床的一项至关重要的性能指标。通常影响数控加工精度的主要因素有：数控系统精度（主要取决于插补运算精度）；伺服系统精度；机床机械精度（如主轴、刀架、工作台回转精度，刀具、工件装夹精度等）。其中伺服系统精度起主要作用。快 即快速响应性。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，它不但要求静态误差小，也要求动态响应快，具体表现在起、停的升降速过程短，有较高的加速度，即要求系统的机电时间常数小，反应灵敏。宽 即有较宽的调速范围。通常数控机床在实际运行中，对工作台的进给速度要求满足两项指标：轻载快速趋近定位速度（即编程指令的速度）、切削进给速度（即编程指令、等后面的值所要求的速度）。足 即有足够的输出扭矩或驱动功率。特别是要满足强力切削和高速切削的要求，并且还要求系统有相应的过载能力，以确保稳定性。对进给伺服系统除了上述五项主要性能指标外，也要求温升低、噪声小、效率高、体积小、价格低、控制方便、线性度好（如输出速度与输入电压成线性）、可靠性高，维修保养方便，对温度、湿度等环境要求宽等等。伺服进给机构的设计内容和设计计算伺服进给机构的设计内容包括：纵向进给系统的设计与计算、横行进给系统的设计与计算、步进电机的选择三大部分，该部分设计的总体方案示意图如图5-1所示。要使这三大部分与数控系统的配合达到好的效果，伺服进给机构的改造设计部分除了主要的三大部分内容外，还包括与步进电动机相关的驱动电源、功率放大电路、辅助电路；与滚珠丝杠副相关的机床导轨等内容的设计选择图5-1 伺服进给机构设计总体方案一、纵向进给系统的设计普通车床的经济型数控改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端，从改造方便、实用方面来考虑，一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端，即尾架部位。已知的条件：工作台重量： =100=1000 （根据图纸粗略计算）时间常数： =25ms滚珠丝杠基本导程： =6行程： =600脉冲当量： =0.01步距角： =0.750最大进给速度： =21.切削力计算由实用机床设计手册可知：切削功率： = （51）电机功率 =11主传动链的总效率 取=0.90进给系统的功率系数，取=0.96则： =110.900.96=9.504（）又因为： = （52）则： = （53）切削线速度，取v=100所以： =581.64（kgf）=5700（）由金属切削原理可知：主切削力：=9.81查表得： =188 =1 =0.75 =1计算如下：2223330.20.30.40.20.30.41103.11495.21855.21654.72242.82782.9当=1495.2时，切削深度=2，走刀量=0.3以此参数作为下面计算的依据，从实用机床设计手册中可知，在一般外圆切削时：=（0.10.6） =（0.150.7）=0.5=0.55700=2850（）=0.6=0.65700=3420（）2.滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。综合车床导轨丝杠的轴向力： = （54）式中 由于上选用的是矩形的导轨，根据机床设计手册查出，=1.1 ，=0.15则： =1.12850+0.15（5700+1176）=4166.4（）（1）强度计算：寿命值： = （ 55）所以： = （56）取工件直径： =80查表得： =15000（自动控制机床及机床通常的取值）所以： =20（r/min） =18最大动载荷： = （57）表51 运转系数值表：运转状态运转系数fW无冲击的圆滑运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击的运转1.52.5 表5 2硬度系数表硬度（HRC）6057.55552.55047.54542.5403025硬度系数fH1.01.11.21.42.02.53.34.55.0