数控毕业设计论文

1 毕 业 设 计（论 文） 普通车床数控化改造设计 学生姓名： 陈燊 学 号： 01320131在系部： 机械工程系 专业班级： 13控 1 班 指导教师： 马丽 教授 日 期： 二 一六 年 五 月 2 摘 要 目前鉴于机械制造行业对于加工精度与加工效率的要求不断提升，普通车床已难以承担以上重任。但基于普通车床基数大数控车床价格昂贵的前提，普通车床数控化改造势在必 行。改造完成的 新型机床具有适应性 较 强 、 加工精度 较 高 、生产效率 较高和 加工质量 相对 稳定等优点。它综合 地 应用了计算机 应用 、自动控制、伺服驱动、 高精度 测量和 创新的 机械结构等多方面的 前沿 技术，是今后机床控制的 明确 发展方向 之一 。 关键词： 普通车床 控化改造 伺服系统 滚珠丝杠 3 目 录 摘 要 . 2 1 绪论 . 4 控机床的产生 . 4 控机床的发展 . 4 国数控机床的发展概况 . 5 控机床的发展趋势 . 6 . 6 2 床数控系统总体设计方案 的拟定 . 7 体方案确定 . 7 . 7 制系统 . 7 械传动方式 . 7 计 系统 . 8 3 床进给伺服系统机械部分 设计计算 . 9 统脉冲当量的选择 . 9 的计算削力 . 10 . 10 4 气部分改造 . 21 4 1 绪论 随着社会生产 力 和科学技术的迅速发展，机械产品 越来越 精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求， 所以 数控机床应运而生。 但随之而来的是普通机床的安置问题，单纯地弃之不用对于企业来说太过浪费；另一方 面，数控车床价格较之普通车床太过昂贵。因此，市场对普通机床的数控化改造的呼吁之声，日益高涨。 控机床的产生 美国最 早开始研制数 控机床。 1948年，在美国帕森 斯公司研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机 床任务时， 首先 提出了研制数 控机床的设想。 1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺 服机构实验室 建立 合作，开始从事数控机床的研制工作。并 在 1952 年试制成功世界上第一台数控机床实验样机 （ 这是一台采用 了 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 机床的 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 的发展 不仅 仅 在机床上得到实际应用，而且逐步推广到 其它机械设备的升级上 ， 因此 使数控技术不断扩展应用 的 范围 直至今天 。 控机床的发展 从 美国研制第一台数 控机床以来，随着 与数控相关技术 的 不断发展 发展，数控机床也在迅速地发展 和 更新换代，先后经 过 了五个阶段 。 第一代数控： 1952 第二代数控：从 1959年开始采用晶体管电路 控制 的 数控 系统。 第三代数控：从 1965年开始采用小、中规模集成电路 控制 的 数控 系统。 5 第四代数控：从 1970 年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的 数控 系统。 第五代数控：从 1974年开始采用微机控制的 数控 系统。 第五代微机数控系统基本上 代替 了以往的 绝大多数的 普通数控系统，形成了现代 化的 数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能 是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，只需改变 相应的输入 软件，就可以适应不同类型 不同功能 机床的控制要求，具有很大的 适应性 。随着集成 电 路规模的日益扩大，光缆通信技术 广泛 应用于数 控装置中，使其体积日益 变小 ，价格逐年降 低 ，可靠性显著提高，功能也更加完善 和稳定 。 近年来，微 型 电子和计算机技术的日益 进步 ，它的成果正在不断 扩张 到机械制造的各个领域中 以及随之 出现 的 计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产 控制 系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的 发展 前景 。 国数控机床的发展概况 我国从 1958 年由北京机床研究所和清华大学等首先 开始 研制数控机床，并研 制 了 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 司的 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 济型数控系统和 空航天部 706所研制出 而推动了我国数控技术的发展， 借此 我国数控机床 的发展 在品种上、性能上以及 技术上均有了 质 的 变化 。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。 6 控机床的发展趋势 从数控机床技术水平看，高精 度、高速度、高 适应 性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有更高 要求 的柔性制造系统和计算机集成 自动化 制造系统的适应能力。 在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的国的 美国的 司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了 16位以及 32位微机处理 器 、 数据总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到 1床分辨率 精度高达 米，高速进给 速度高 达 100m/制轴数 高 达 16 个 轴 ，并采用 非常先进的电装工艺 等等 。 至于 驱动系统，交流驱动系统 也 发展 得非常 迅速。交流传动已由模拟向数字方向发展，以运放器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成电路 所取代，从而 解决 了零点漂移、温度漂移等 干扰精度的因素 。 控机床改造的意义 数控机床改造在 西方各国 已发展成一个新兴的 行业 ，早在 60 年代已经开始便已诞生 ，其发展的原因是多方面 因素导致的 ，主要有技术、经济、市场和生产上的 众多因素 。我国是拥有 300多万台机床的 机械制造大国 。而这些机床又大多是 使用多年的老旧 机床， 全 部替换为数控机床以 我国机床制造厂的 经济实力 是 无法承受 的。因此，尽快将我国现有普通机床实现 数控化 改装，是我国现有设备技术改造迫切要求 处理 的 难题 。 数控化改造 是建立在微电子 控制 技术与传统技术相结合的基础上 的 。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性 ，而且在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的 推广 性与 适应 性。而且改造费用 较 低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的 百分之三十左右（具体视情况而定） ，用户 可以承受 。从 相关 成功应用的 事 例可以证明，投入使用后，成倍地提高了生产效率，减少了废品率， 获 得了显 著 的 经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我国的 机械加工环境 ， 普通机床的数控化改造 已成为我国 机械 设备技术改造主要方向。同时，它还可以 成 为全功能数控机床 换代 的准备 时期 ，为今后使 7 用全功能数控机床，培养 技术 人才，积累维护 经验 、 熟练 使用经验，而且实现 了我国传统的机械制造技术 向 机电一体化 制造技术发展 。 2 床数控系统总体设计方案 的拟定 体方案确定 统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控 车 床应具有定 位、直 线插补、顺、逆 时 针 插补、暂 停、循 环加工、公英制螺 纹加工等功能， 并且 在 车 削加工中，要求刀具沿 X 定的函 数关系 （ 即 ： 刀具以给定的速 率相对于工件沿加工路径运动 ） ， 所以不能选用点位 控制 系统，因为点位 控制系统 要求工件相对 于刀 具移动过程中 不进行切削。因此， 改造后的机床 应选用连续控制系统。 车 床改造属 于 经济型数控机床 ，加工精度 要求不高，为了简化结 构，降低 成本，采用步进电 机开 环控 制系统，因 为 闭 环 控制系统适 用于精 度 要求 较高的机床设计，且闭环 控制系统的造价昂贵。 制系统 根据机床要求，采用 于 制系统具有稳定性好，工作环境 不挑剔，易于检修等特点，且对 此采用 械传动方式 为实现机 床所要求的分 辨率，采用步进电机 经过 齿轮减速再传 向传动杠 ，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力， 所以 选用滚珠丝杠螺母副以及滚动导轨。 同时，为提高传动刚度和消除 齿间 间隙， 所以 采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠 副机构。 齿轮传动也采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。 8 计 控工作台及其控制系统 设 计任务及参数在任务书中已经给出。系统总体方案见图 1据设计任务的要求，采用连续控制系统和步进电机开环控制系统。这样可使控制系统结构简单、成本低廉，调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，尽量采用低摩擦的传动和导向元件 以避免 上述不利因素的产生 。此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙。计算机系统仍采 用 列单片机扩 展系统。 X 向 图 1 济型数控车床总体方案框图 电隔离 功率放大 步进电机 上拖板 光电隔离 功率放大 步进电机 下拖板 9 3 床进给伺服系统机械部分 设计计算 一台 通车床改造成数控车床，采用 制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆 弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下： 加工最大直径：在床面上 320 加工最大长度： 700 溜板及刀架重力： 纵向 960N 横向 600N 刀架快速速度 : 纵向 向 大进给速度 : 纵向 向 电机功率 动加速时间 25床定位精度 : 服系统机械部分设计：确定系统的负 载、确定系统脉 冲当量，运动部件惯 量计算，空 载起动及切削力计算，确定伺服电机，传动及导 向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图。现分述如下： 统脉冲当量的选择 一个进给脉冲，使机床运动部件产生 的 位移量，也称为机床的最小设定单位（ 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个 最 基本技术参数 ） 。经济型数控车床 10 车 床常采用的脉冲当量是 冲。 根据 机床精度要求 调研 确定脉冲当量 ， 纵向： 冲，横向： 冲 的计算削力 在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要根据 切削力 计算 ， 以下是 数控车床中的切削力的计算。 车外圆 主切削力 (N)按 齿轮传动的效率计算 : 3835 切削力各分力比例 如下 ： : =3835 59 3835 53 切端面 主切削力 )( 取纵切 里的二分之一 191821 N),吃刀抗力为 )( 仍按上述比例粗略计算 : 1:1918 80 1918 67 11 珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠螺母副的 选型 首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式 等。 结构类型确定之后， 即可 计算和确定其他技术参数， 例如 ：公称直径 杠外径 d） ， 导程 ， 圈数 j， 列数 滚珠丝杠副的 滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插 管式。在此选用螺旋槽式外循环：在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔， 与 螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆 形型 钢弯成弧形，并焊 接 上螺栓，固定在螺母上。它的优点是：工艺简单，螺母外径尺寸较小。 与此同时 缺点是：螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠器钢性差、耐磨性差。 滚珠丝杠副的预紧方法有 以下几种， 双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。 本 次 设计 选用 双螺母螺纹式预紧结构，它通过调 整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移 ， 其特点是结构 比 较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍。 向进给丝杠 计算进给率引力) 滚珠丝杠上的进给率 牵 引力主要包括切削时的走 刀抗力以及移 动部件的重 量 以及 切 削分力作用在导轨上的摩 擦力 ， 其数值大小和导 轨 有关。 纵向进给 导轨 为综合型导轨 由 上可 知： 959 N 3835 N G =960 N K =f =12 得： )= K f ( G) =959+(3835+960)=1870 N 式中 K 考虑 受 力矩影响的实验系数 ,综合导轨取 K=f G G =960 N. 算最大动负载 滚珠丝杠副的直径 须保证在一定轴向负载 的 作用下，丝杠在回转 100万转后在滚道上不产生点蚀 磨损和变形 等 现象。这个轴向负载的最大值即为该滚珠丝杠能承受的最大动负载， 由此 ： c =61060 01000s 式中 0初选0L=6 ; 取最高进给速度的 ( 21 31 ),此处 按 15000h; ，按一般运转取L 106 转为 1个单位。 将数据分别带入 上 式得： 01000s = 6 =83r/ =61060 =610150008360 =75 13 c 375 1870=9463 N 珠丝杠螺母副的选型 查阅 下表 ,可采用 江汉机床厂 珠丝杠副 ,循环列数 ,其额定动负载为 9610 N.（ 序号 7） 动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为： =) 中 螺旋升角 , =4 22 0滚动摩擦系数 各数据带入 上 式得 ： 14 =) = 9 10224224o 度验算 滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性因此应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量；滚珠与螺纹滚道间的接触变形；支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形；滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量；和螺母 座及轴承支座的变形。最后一种常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。 因此滚珠丝杠副刚度的验算，主要是前三种变形量，他们的和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。 纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图 2大牵引力为 1870 =700 ，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷 的1/3图 2于一端轴向固定的长丝杆在工作中可能会产生失稳，所以在设计时应验算其安全系数 S，其值应大于丝杠副传动结构的允许安全系数（ S），见下表。 15 丝杠不发生失稳的最大载荷称为临界载荷 其计算公式为 2)( 于钢， E=206工作长度； 2)( = ）（ = N 安全系数 S=上表，（ S） =3S(S),丝杠 是安全的，不会失稳。 高速长丝杠工作是可能产生共振，因此需验证其不会发生共振的最高转速 要求丝杠的最大转速 910222)( 9910 5 7 ）（ 10927 r/0000 r/以丝杠工作时不会产生共振。 滚珠丝杠副还受 常要求 410 r/ 50 mi n/105mi n/100 3 mi n/107 4 所以该丝杠副工作稳定。 16 轮传 动比计算 向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量 P =珠丝杠导程0L=6 ，初选步进电机步距角 可计算出传动比 i i =0360Lb p =选定齿轮齿数为 : i =21向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向进给脉冲当量 P =滚珠丝杠导程0L=6 ,初选步进电机步距角 计算传动比 i : i =0360Lb p =虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程 ,故此处可采用两级齿轮降速 : i =21354=402425201Z =24、 2Z =40、3Z=20、 4Z =25 因进给运动齿轮受力不大，模数 m 取 2。有关参数如下 : 表 217 进电机的计算和选型 选用步进电机时，必须首先根据机械结 构草图 计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转 动惯 量 的数据 分别计算各种工况下所需的等 效力矩，在根据步进电机最大静 转矩和起动、运行矩 频特性选择合适的步进电机。 向进给步进电机计算 效转动惯量计算 计算见图 2动系统折算到电机轴上的总的惯量J（ 2 ）可由下式计算： J= 1J + 221)( 202 2 2 ） ; 1J 、 2J z 、 2z 的传动惯量（ 2 ） ; 2 ）。 参 考市场上较常见的数控 机床，初选反应式步进电机 ，型号 150 转 转子转动惯量 10 2 。 1J =103 41d 1L =103 2= 2 2J =103 42d 2L =03 84 2= 2 齿数 32 40 24 40 20 25 分度圆 64 80 48 80 40 50 齿顶圆 a 2 68 84 52 84 44 54 齿根圆 f 59 75 43 75 35 45 齿宽 （ 610） m 20 20 20 20 20 20 中心距 2/)( 21 72 64 45 18 103 44 150= 2 G =1000 N 代入上式： J= 1J + 221)( 202 2 0+24032 0 09 5 2 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 J=10/本满足匹配的要求。 机力矩的计算 机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面按个阶段计算： 快速空载起动力矩 M 起 。 在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： M 起 =J =260102 =J 60102 2 pv360b 将前面数据代入，式中各符号意义同前。 pv360b = =500 起动加速时间 0J02 =0 500*2 102 = 19 折算到电机轴上的摩擦力矩 fM=2 00=120 /2 )( =0 053 60( =94 N 附加摩擦力矩0M： 0M= 2000 12 p =120/231 201 = )=53 N 上述三项合计： M 起 = 0M =4+153= 快速移动时所需力矩 M 快 M 快 =M=94+153=247 N 最大切削负载时所需力矩 M 切 M 切 =M+xM=M+2 0=94+153+ =94+153+375 N 从上面的计算可以看出， M 起 、 M 快 和 M 切 三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以次作为初选步进电机的依据。 从表中查出，当步 进电机为五相十拍时， =M= 最大静力矩27 N 。 按此最大静转距从表查出， 002150 最大静转距为 。大于所需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动距频特性和运行距频特性。 算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 20 kf=601000 =4000 HZ ef=601000=1000 表中查出 002150 型步进电机允许的最高空载起动频率为 2800 行频率为 8000 130行矩频特性曲线如图 22以看出，当步进电机起动时， f 起 =2500M=100 ，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（ 881.5 ）直接使用将会产生失步现象，所以必须采取升降速控制，将起动频率将到 1000，起动力矩可增到 588.4 ，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 21 当快速运动和 切削进给时， 130 2全可以满足要求。 向进给步进电机计算和选型 电机选为 00290算步骤如上所述，经计算满足要求，此处计算略。 4 气部分改造 电气控制线路主电路如图 a 所示， 空气开关， 熔断器，这些开关对控制 电路实现短路保护。 7. 5 电机，选择三菱 7. 5H 变频器实现变频调速，交流接触器 制变频器的通 电和断电。 当变频器无故障时， B 端触头闭合， 变频器通电；当变频器有故障时， B 端触头断开， 圈失电，其常开触 头断开，变频器 自动断电，同时 A 端 触头 闭合， 指示灯 示报 警。 热继电器，对主 轴 电 机实现过载保护， 三相 灭弧器，构成三相负 载的阻容 吸收回 路，能够抑制接 触器吸合释放时 的干 扰 噪声。 L 是为改善 功率因素而使用的