C6150车床主传动系统电气化改造【优秀机械机电毕业设计论文】【A6084】
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c6150
车床
传动系统
电气化
改造
优秀
优良
机械
机电
电机
毕业设计
论文
a6084
- 资源描述：
-
文档包括:
说明书一份,29页,11600字左右.
PPT答辩稿一份.
开题报告一份.
设计任务书一份.
图纸共3张:
A0-C6150车床主轴箱装配图.dwg
A0-电路原理图.dwg
A1-主轴.dwg
- 内容简介：
-
北京理工大学现代远程教育学院毕业设计（论文） 论文题目 ： 统电气化改造 专 业： 机电工程 班 级： 深 圳 (教学站） 学生姓名： 岑 啟 佳 目 录 第 1章 绪论 第 2章 车床总体改造方案 车床改造的基本思路 车床改造方案和要求 第 3章 主轴部分的改造设计 动部分设计 轴组件的设计 第 4章 主轴驱动及控制 4 控装置系统 4.3 制设计所需实现的最终结果 结论 致谢 第 1章 绪论 随着产品更新换代的加快和人们需求的多样化，产品的生产也趋向种类多样化、批量中小型化。为适应这一变化，数控 (备在企业中的作用愈来愈大。数控车床具有加工精度高、质量稳定，生产效率高、适应性强等特点。因此它能较好地解决形状复杂、精密度高、批量小、零件多变的加工问题，使得机床柔性得以提高。我国作为机床大国，如果对绝大多数传统的落后机床，都改用先进的自动化控制，实现机电一体化改造，将会适应多品种、小批量、复杂零件加工的需求，不但能提高机加工精度和生产率，而且会减少工人劳动强度、为节省资源，降低企业固定资产采购成本，使资源利用最大化，对普通机床的数控电气化改造是非常有必要的 。该篇论文是针对 第 2章 车床总体改造方案 2 1 车床改造设计的基本思路 类零件及螺纹加工。由床身主轴箱、刀架、尾座、进给箱、溜板箱组成。其传动系统有主运动传动和进给运动传动。电动机经主运动传动键把运动传给主轴，实现主运动，主运动传动键经过转换机构传给进给运动传动键，实现进给运动。主运动和进给运动通过机械装置联系在一起。 对 是要把上述的主运动和进给运动的机械联系分离，把横向、纵向进给运动从原来的机械传动系统总分离出来，使其与主运动脱开，成为相互独立的运动。主运动（主轴）和横向、纵向进给运动分别由各自的驱动源驱动。 对于主轴来说，多由配置变频调速器的交流电动机驱动。对于横向、纵向进给系统来说，分别由步进电机驱动。对于车床的控制则通过由单片机、驱动电源、步进电机、专用控制器组成的开环控制。由单片机或单板机按照输入的加工程序进行插补运算，由软件或硬件实现脉冲分配输出一系列脉冲，经功率放大后，驱动横向、纵向的步进电动机实现进给。数控装置通过一定方式控制主轴驱动，实现主轴的无极变速。 2 2 车床改造方案和要求 车床改造的具体做法是： 1、把原来的机床进行大修，保留机床导轨、主轴、溜板、尾架部件，其余拆 除。大修时应当维持原机床的运动精度，尽量减小导轨副、丝杠副的阻力，以提高 步进电机驱动转矩的有效率。 2、主轴由配置变频调速器的三相异步电动机驱动。改造原有的主轴箱，扩大调速范围，根据车床的使用范围设计传动系统和主轴组件，实现分段无极调速。 为加工螺纹，在主轴后端加光电编码器，它是一种角位移传感器，伴随着主轴旋转连续发出脉冲信号。主轴应有准停控制和正反转控制。 对主轴传动的一般要求是，机床要有较宽的调速范围，以保证加工时选用合理的切削用量，获得最佳的生产率；加工精度和表面质量；要求主轴在全速度范围内均能提供切削所需功率，尽可能在全速度范围内提供主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽；要求主轴在正、反向转动时均可以自动加、减速控制，而且控制时间要短。 3、横向、纵向系统分别由步进电动机和减速器以及滚珠丝杠螺母副、丝杠轴承、运动部件组成系统。 4、进给系统传动要求具有较高的定位精度和良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应快、稳定性好。 第 3章 主轴部分的改造设计 根据 大原车床的调速范围，拟定新的主传动图和转速图，组成新的主传动系统。设计主轴组件（主轴、主轴支撑、装在轴上的传动件、密封件等）并校核主轴刚度。 动部分设计 通过计算得出本机床采用主轴最高转速 3000r/算转速1200r/主轴最低转速 20r/削功率为 轴组件的设计 主轴组件是机床的一个重要组成部分。主轴组件由主轴、轴承、传动件（如齿轮、带轮）和固定件（如螺母）等组成。 主轴组件的基本要求，在与一般传动轴共同之处：都要在一定的转速下传递一定的转矩；保证轴上的传动件和轴承的正常的工作条件。但是主轴又是直接带着工件或刀具进行切削的。机床的加工质量，在很大程度上要靠主轴组件保证。主轴直接承受切削力，通常机床（包括数控车床）转速变化范围很大。因此又要求主轴组件：旋转精度、静刚度、抗振性、温升和热变性、耐磨性。 提高主轴组件性能的一些措施：提高精度，提高主轴组件的精度，除了保证主轴的精度外，还可采用定向装配法；控制温升、提高转速、减少热变性；改善动态性能。 以下分别介绍了主轴轴承的选择 、主轴组件的传动、主轴直径的选择、主轴跨距的选择、润滑与密封等。 第 4章 主轴驱动及控制 曾经 触器控制方式为主，采用多速电机加齿轮调速箱达到车床要求的调速功能，而这种控制方式存在很多缺点，控制线路复杂，控制元器件容易坏，检修需要拥有多年的专业技术人员，且安装面积大，不能集中控制，调速系统成本高、且不能获得更多的调速范围，控制精度低等。 4 1 主轴变频控制 我们知道要想使电机获得多种转速，通过三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1知，改变供电频率 f、电动机的极对数 调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。 多速电机存在价格高、调速范围窄等缺点，在改造过程中调速系统将采用目前最先进的调速方式 变频器的工作原理是把市电（ 380V、 50过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件 直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器（ 程的正弦脉宽调制（ 法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为 直交）变频方式。 数控装置系统简介 数控装置采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业 ，高性能 32 位中央处理器（ 集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式 口于一体采用大容量电子盘程序存储方式，支持 以太网、 程序交换功能主要适用于数控车、铣床和简易加工中心的控制具有高性能、结构紧凑、易于使用、可靠性高、价格低等特点。由华中数控生产的 9i 系列数控装置具有如下特点： 1. 最大联动轴数为 3 轴； 2. 可选配各种类型的脉冲指令交流伺服驱动器或步进电机驱动器； 3. 配置标准机床工程面板不占用 输入 /输出接口； 4. 配置 32 路输入接口和 24 路功率放大光电隔离开关量输出接口手持单元接口模拟主轴控制接口与主轴编码器接口； 5. 采用 单色 18i 系列 /彩色 19i 系列液晶显示器分辨率； 6. 为 240 320 全汉字操作界面具有故障诊断与报警设置图形加工轨迹显示和仿真功能 操作简便易于掌握和使用； 7. 采用国际标准 G 代码编程与各种流行的 动编程系统兼容具有直线圆弧螺旋线插补固定循环旋转缩放镜像刀具补偿宏程序等功能； 8. 小线段连续加工功能特别适合于复杂模具零件加工，加工断点保存、恢复功能为用户安全方便使用提供保证； 9. 反向间隙和单双向螺距误差补偿功能有效提高加工精度； 10. 巨量程序加工能力配置大容量存储器时可直接加工高达 2 G 代码程序； 11. 内置以太网 口易于实现机床联网， 512K 用户存储区其中 400K 可用作用户零件程序存储区其余的为用户数据区。 4. 3 控制简介 机床： 两坐标卧式车床带四刀位自动刀架 控制柜结构：强电控制柜 +操作站 主轴： 变频器 +普通异步电机 车床数控系统设计主要器件 总体框图 主电路系统 主轴单元控制系统 伺服驱动 变频器接线端子注释 1， 电机正转 2， 电机反转 3， X 3 继电器输入、输出回路。光偶隔离输入，输入阻抗 2000欧，最高输入频率 200, 8 高速脉冲输入端， 0 50实现设定频率，输出频率等物理量输出，阻抗 2000欧，最高输入频率 50入电压范围 15 24V 5, +24V 对外提供 24端为 大输出电流为 150频器参数设置 功能码 名称 设定值 设定值注释 率输入通道选择 7 端子脉冲（ 定频率 行命令通道选择 1 端子运行命令控制 限频率设定 400 上限频率设定为 400反转死区时间设定 2 正反转死区时间设定为 2秒 入端子 9 外部设备故障输入 入端子 14 变频器停止运行 入端子 38 脉冲频率输入 入端子 38 脉冲频率输入 4 4 控制设计所需实现的最终结果 本设计是将普通车床改造为具有数控车床性能车床，特别是车床的主传动方面的设计则是整个车床数控改造的关键，为了实现数控车床主轴变速要求，本课题控制系统采用变频器调速，与机械部分所设计的传动链共同组成车床主传动的运动，整体采用数控装置全面控制。 结 论 本论文对普通车床 整个电气系统实行全自动化改造 ,目的是在基于原车床一些结构下，对其主传动部分进行彻底的改造，把普通车床的变速系统改为数控车床的无机调速系统，而本课题的关键是扩大原车床的调速范围，因为普通车床的调速范围及运动特性不能适应数控系统的要求，因此在进行设计改造过程中，对其机械部分的主传动系统重新设计、计算、布局，组成一个新的传动系统，此传动部分与控制部分的变频调速结合起来共同组成了新车床的主传动系统，新的主传动系统能够在数控装置系统下控制变频器进行无级调速，并且其调速范围与转矩特性都适应数控系统的要求，这次改造达到了机电一体化改造所要求的目的，为 致 谢 通过几个月的查阅资料和张老师的辛勤指导，终于在最后的时间里完成这次论文。通过这次论文设计，使我把在北京理工大学这四年里学的很多知识点又整体的结合起来，在不断完善的情况下又温习了一次课本，同时翻阅了很多相关的课外书籍，对我以后的工作有很重要的意义，在工作中如果遇到难题知道怎么去解决，在生活中遇到困难知道怎么去处理，再次感谢北京理工大学的老师们对我们的培养和教诲，使我们又站在一个更高的起点来面对以后的工作和生活。 谢 谢！ 北京 毕业设计 （论文）开题报告 论文题目 ： 床 主传动系统 电气化改造 专 业： 机电工程 班 级： 教学站 ) 学生姓名 ： 导老师 ： 一、 选题依据 随着产品更新换代的加快和人们需求的多样化，产品的生产也趋向种类多样化、批量中小型化 为适应这一变化，数控 (备在企业中的作用愈来愈大。随着电子技术、计算机技术、信息技术以及激光 技术等发展并用于机床领域，使机床的发展进入了一个新时代。数控车床具有加工精度高、质量稳定，生产效率高、适应性强等特点。因此它能较好地解决形状复杂、精密度高、批量小、零件多变的加工问题，使得机床柔性得以提高。 目前我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大部分数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不能使用等等。因此目 前我国企业机床数控化比例极低，各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。为节省资源，降低企业固定资产采购成本，使资源利用最大化，对普通机床的数控电气化改造是非常有必要的。 我国作为机床大国，如果对绝大多数传统的落后机床，都改用先进的自动化控制，实现机电一体化改造，将会适应多品种、小批量、复杂零件加工的需求，不但能提高机加工精度和生产率，而且会减少工人劳动强度、降低生产成本，缩短生产周期，特别适合我国国情，所以在当前我国现有机床的技术设备的基础上，进行必要的改造是机床研究 学者的重要任务。 数控机床对比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 (1)可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。这是由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴应该运动的运动量，这就可以加工复杂的曲线和曲面。 (2)可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，效率可比传统机床提高 3 到 7 倍。计算机有记忆和存储能力，可以记忆输入的程序并存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行实现自动化。传统机床可以靠凸轮或挡块等实现自动化，但凸轮制造及调整很费 时，只有进行大批量生产时，才经济合理。而数控机床只要更换一个程序就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，这是过去所不敢想像的重大突破，称之为实现了“柔性自动化”。 (3)加工的零件精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要”修配”。这是由于加工过程自动化，不受人的情绪和疲劳影响的结果。计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不会因刀具磨损而影响工件精度和其一致性。最近，数控系统中增加了机床误差、加工误差修正补偿的功能，使加工精度得到进一步提高。 (4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁 搬运。这是自动化带来的效果 (可以自动更换刀具 )，如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、攻丝、扩孔等多工序的加工。这些多工序是在同一基面、同一次装夹下实现的，提高了相关的加工精度。现已出现其他工序集中的机床，如车削中心、车铣中心、磨削中心等。 (5)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。这是在配备多种传感器条件下，计算机威力的体现。可以实现白班有人看管并做好充分准备工作，使得二班、三班在无人条件下自动加工。由此带来的劳动生产率的提高和生产周期的缩短等是非常明显的。 (6)数控加工降低了工人的劳动程度，节省了劳动力 (一个人可以看管多台机床 )，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，并可对市场需求做出快速反应。此外，机床数控化还是推行 性制造单元 )、 性制造系统 )以及 算机集成制造系统 )等企业信息化改造的基础。 终上所述，对传统的普通机床进行数控电气化改造是一个推动科学生产力发展、改进生产劳动力配置、降低企业生产成本的利国利民的好事情。所以我们必须对传统的机床进行数控电气化改造。 二、 设计内容 床主要用于加工中小型轴类、盘类零件及螺纹加工。由床身主轴箱、刀架、尾座、进给箱、溜板箱组成。其传动系统有主运动传动和进给运动传动。电动机经主运动传动键把运动传给主轴，实现主运动，主运动传动键经过转换机构传给进给运动传动键，实现进给运动。主运动和进给运动通过机械装置联系在一起。 对 床进行数字化改造，就是要把上述的主运动和进给运动的机械联系分离，把横向、纵向进给运动从原来的机械传动系统总分离出来，使其与主运动脱开，成为相互独立的运动。主运动（主轴）和横向、纵向进给运动分别由各自的驱动源驱 动。 对于主轴来说，多由配置变频调速器的交流电动机驱动。对于横向、纵向进给系统来说，分别由步进电机驱动。对于车床的控制则通过由单片机、驱动电源、步进电机、专用控制器组成的开环控制。由单片机或单板机按照输入的加工程序进行插补运算，由软件或硬件实现脉冲分配输出一系列脉冲，经功率放大后，驱动横向、纵向的步进电动机实现进给。数控装置通过一定方式控制主轴驱动，实现主轴的无极变速。 三、 设计方案 车床主传动改造的具体方案是： 1， 把原来的机床进行大修，保留机床导轨、主轴、溜板、尾架部件，其余拆除。大修时应当维持原机床的运 动精度，尽量减小导轨副、丝杠副的阻力，以提高步进电机驱动转矩的有效率。 2， 主轴由配置变频调速器的三相异步电动机驱动。改造原有的主轴箱，扩大调速范围，根据车床的使用范围设计传动系统和主轴组件，实现分段无极调速。 为加工螺纹，在主轴后端加光电编码器，它是一种角位移传感器，伴随着主轴旋转连续发出脉冲信号。主轴应有准停控制和正反转控制。 对主轴传动的一般要求是，机床要有较宽的调速范围，以保证加工时选用合理的切削用量，获得最佳的生产率；加工精度和表面质量；要求主轴在全速度范围内均能提供切削所 需功率，尽可能在全速度范围内提供主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽；要求主轴在正、反向转动时均可以自动加、减速控制，而且控制时间要短。 3， 横向、纵向系统分别由步进电动机和减速器以及滚珠丝杠螺母副、丝杠轴承、运动部件组成系统。 4， 进给系统传动要求具有较高的定位精度和良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应快、稳定性好。 四、 工作进度排 1. 明确设计任务、熟悉设计课题、搜集有关资料； 8 月 7 日前完成 2. 在熟悉课题要求的前提下，进入课题实施阶段，进行有关方面知识的准备、撰写开题报告、翻译一篇与 设计课题相关的英文资料 ； 8 月 30 日前完成 3. 根据改造的要求提出改造的思路、拟定改造的方案； 9 月 5 日前完成 4. 进行机械结构改造设计（主轴箱装配图及 2 个零件图）； 9 月 10 日前完成 5. 进行系统的动态特性分析、列写系统方程； 9 月 25 日前完成 6. 进行主传动电机控制系统的设计（绘制控制系统图）； 10 月 10 日前完成 7. 编写毕业设计说明书并打印； 10 月 20 日前完成 8. 程序文件的整理、存储介质的 制作、准备答辩。 11 月 9 日前完成 五、 最终目标 本设计是将普通车床改造为具有数控车床性能车床，特别是车床的主传动方面的设计则是整个车床数控改造的关键，为了实现数控车床主轴变速要求，本课题控制系统采用变频器调速，与机械部分所设计的传动链共同组成车床主传动的运动，整体采用数控装置全面控制。 六、 研究基础 对 通车床电气化改造应用到了普通车床加工工艺、车加工技术，普通车床制造原理、机械制造技术；机电一体化设计；数控车床加工工艺、数控车床加工技术，数控车床制造原理； 步进电机技术；数控装置技 术 ;变频器技术等基础知识。 七、 指导老师审核意见 指导老师签名 年 月 日 北京 毕业设计任务书 类 别： 床 主传动系统 电气化改造 专 业： 机电工程 班 级： 教学站 ) 姓 名： 业设计题目： 本设计是将普通车床改造为具有数控车床性能车床，特别是车床的主传动方面的设计则是整个车床数控改造的关键，为了实现数控车床主轴变速要求，本课题控制系统采用变频器调速，与机械部分所设计的传动链共同组成车床主传动的运动，整体采用数控装置全面控制。 指导教师姓名： 负责人签字： 年 月 日 内容和要求： 床主传动系统机电一体化改造设计内容包括：设计方案；主传动系统；转速图；主轴组件；主轴驱动及控制 要求：原理正确，方案合理，计算准确，论文系统条理清晰，图纸清晰，符合有关标准。 指导教师 （ 签字 ） ： 年 月 日 毕业设计（论文）评语表（一） 指导教师对毕业设计（论文）的评语： 指导教师（签字）： 年 月 日 评阅人对毕业设计（论文）的评语： 评阅人（签字）： 年 月 日 答辩委员会（小组）成员 姓名 职务 工作单位 备注 答辩中提出的主要问题及回答的简要情况： 答辩委员会代表（签字）： 年 月 日 毕业设计（论文）评语表（二） 答辩委员会的评语： 答辩委员会代表（签字）： 年 月 日 答辩委员会给定的成绩： 答辩委员会代表（签字）： 年 月 日 毕业设计（论文）起止日期： 年 月 日 至 年 月 日 毕业设计（论文）答辩日期 : 年 月 日 北京理 院毕业设计（论文） 摘 要 随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高，加工设备的机械加工设备的加工的精密程度也要求越来越高。而在中国的机械加工设备的车床中普通车床占了很大比例。这已经越来越制约着当今工业的发展。而数控机床由于价格昂贵，且需要较高技术的加工工人。所以对机床进行自动化改造很是必要。 本文论述了 床主传动系统机电一体化改造设计的过程。内容包括：车床改造的整体方案和要求；主传动系统及其转速图；主轴组件的设计；变频调速的基本原理和主轴的驱动及控制。 关键词 ： 主轴传动；变频器；数控装置 北京理 院毕业设计（论文） of of is of is a in of N is So it is a to to 6150 of of of of ey 北京理 院毕业设计（论文） 目 录 摘 要 ： . . 第 1章 绪论 . 1 第 2章 车床总体改造方案 . 3 . 7 床改造方案和要求 . 7 第 3章 主轴部分的改造设计 . 4 动部分设计 . 4 算转速的确定 . 4 传动 系统设计 . 5 运动链转速图的拟定 . 5 轴组件的设计 . 7 述 . 7 轴轴承的选择 . 8 轴组件的传动 . 8 轴直径选择 . 8 轴悬伸量的确定 . 8 轴的跨距的选择 . 8 轴组件的验算 . 11 润滑与密封 . 14 第 4章 主轴驱动及控制 . 15 . 15 主轴变频调速系统 . 15 2 变频器原理 . 15 控装置系统简介 . 16 1 数控装置的特点 . 16 2 数控装置的结构介绍 . 17 3 输入开关量接口注释 . 18 4 输出开关量接口注释 . 20 北京理 院毕业设计（论文） 4.3 . 21 统简介 . 21 体框图 . 22 电路系统 . 23 电器与输入、输出开关量系统 . 24 轴单元控制系统 . 26 服驱动 X 轴、 . 26 频器接线端子注释 . 27 频器参数设置 . 27 制设计所需实现的最终结果 . 27 结论 . 28 致谢 . 28 参考文献 . 29 北京理 院毕业设计（论文） 第 1 页 第一章 绪论 随着产品更新换代的加快和人们需求的多样化，产品的生产也趋向种类多样化、批量中小型化 为适应这一变化，数控 (备在企业中的作用愈来愈大。随着电子技术、计算机 技术、信息技术以及激光技术等发展并用于机床领域，使机床的发展进入了一个新时代。数控车床具有加工精度高、质量稳定，生产效率高、适应性强等特点。因此它能较好地解决形状复杂、精密度高、批量小、零件多变的加工问题，使得机床柔性得以提高。 目前我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大部分数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原 因不能使用等等。因此目前我国企业机床数控化比例极低，各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。为节 省资源，降低企业固定资产采购成本，使资源利用最大化，对普通机床的数控电气化改造是非常有必要的。 我国作为机床大国，如果对绝大多数传统的落后机床，都改用先进的自动化控制，实现机电一体化改造，将会适应多品种、小批量、复杂零件加工的需求，不但能提高机加工精度和生产率，而且会减少工人劳动强度、降低生产成本，缩短生产周期，特别适合我国国情，所以在当前我国现有机床的技术设备的基础上，进 行必要的改造是机床研究学者的重要任务。 数控机床对比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 (1)可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。这是由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴应该运动的运动量，这就可以加工复杂的曲线和曲面。 (2)可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，效率可比传统机床提高 3 到 7 倍。计算机有记忆和存储能力，可以记忆输入的程序并存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行实现自动化。传统机床可以靠凸轮或挡块等实现自动 化，但凸轮制造及调整很费时，只有进行大批量生产时，才经济合理。而数控机床只要更换一个程序就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，这是过去所不敢想像的重大突破，称之为实现了“柔性自动化”。 (3)加工的零件精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要”修配”。这是由于加工过程自动化，不受人的情绪和疲劳影响的结果。计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不会因刀具磨损而影响工件精度和其一致性。最近，数控系统中增加了机床误差、加工误差修正补偿的功能， 北京理 院毕业设计（论文） 第 2 页 使加工精度得到进一步提高。 (4)可实现多工序的集中 ，减少零件在机床间的频繁搬运。这是自动化带来的效果 (可以自动更换刀具 )，如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、攻丝、扩孔等多工序的加工。这些多工序是在同一基面、同一次装夹下实现的，提高了相关的加工精度。现已出现其他工序集中的机床，如车削中心、车铣中心、磨削中心等。 (5)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。这是在配备多种传感器条件下，计算机威力的体现。可以实现白班有人看管并做好充分准备工作，使得二班、三班在无人条件下自动加工。由此带来的劳动生产率的提高和生产周期 的缩短等是非常明显的。 (6)数控加工降低了工人的劳动程度，节省了劳动力 (一个人可以看管多台机床 )，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，并可对市场需求做出快速反应。此外，机床数控化还是推行 性制造单元 )、 性制造系统 )以及 算机集成制造系统 )等企业信息化改造的基础。 终上所述，对传统的普通机床进行数控电气化改造是一个推动科学生产力发展、改进生产劳动力配置、降低企业生产成本的利国利民的好事情。所以我们必须对传统的机床进行数控电气化改造。 北京理 院毕业设计（论文） 第 3 页 第 2章 车床总体改造方案 2 1 车床改造 设计 的 基本思路 要用于加工中小型轴类、盘类零件及螺纹加工。由床身主轴箱、刀架、尾座、进给箱、溜板箱组成。其传动系统有主运动传动和进给运动传动。电动机经主运动传动键把运动传给主轴，实现主运动，主运动传动键经过转换机构传给进给运动传动键，实现进给运动。主运动和进给运动通过机械装置联系在一起。 对 床进行数字化改造，就是要把上述的主运动和进给运动的机械联系分离，把横向、纵向进给 运动从原来的机械传动系统总分离出来，使其与主运动脱开，成为相互独立的运动。主 运动（主轴）和横向、纵向进给运动分别由各自的驱动源驱动。 对于主轴来说，多由配置变频调速器的交流电动机驱动。对于横向、纵向进给系统来说，分别由步进电机驱动。对于车床的控制则通过由单片机、驱动电源、步进电机、专用控制器组成的开环控制。 由单片机或单板机按照输入的加工程序进行插补运算，由软件或硬件实现脉冲分配输出一系列脉冲，经功率放大后，驱动横向、纵向的步进电动机实现进给。数控装置通过一定方式控制主轴驱动，实现主轴的无极变速。 2 2 车床 改造方案 和要求 车 床改造的具 体做法是： 1， 把原来的机床进行大修，保留机床导 轨、 主轴、溜板、尾架部件，其余拆除。大修时应当维持原机床的运动精 度，尽量减小导轨副、丝杠副的阻力，以提高步进电机驱动转矩的 有效率。 2， 主轴由配置变频调速器的三相异步电动机驱动。改造原有的主轴箱，扩大调速范围，根据车床的使用范围设计传动系统和主轴组件，实现分段无极调速。 为加工螺纹，在主轴后端加光电编码器，它是一种角位移传感器，伴随着主轴旋转连续发出脉冲信号。主轴应有准停控制和正反转控制。 对主轴传动的一般要求是，机床要有较宽的调速范围，以保证加工时选用合理的切削用量，获得最佳的生产率； 加工精度和表面质量；要求主轴在全速度范围内均能提供切削所需功率，尽可能在全速度范围内提供主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽；要求主轴在正、反向转动时均可以自动加、减速控制，而且控制时间要短。 3， 横向、纵向系统分别由步进电动机和减速器以及滚珠丝杠螺母副、丝杠轴承、运动部件组成系统。 4， 进给系统传动要求具有较高的定位精度和良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应快、稳定性好。 在本文中，只对主轴部分的改造设计进行论述。 北京理 院毕业设计（论文） 第 4 页 第三章 主轴传动系统的改造设计 根据 工艺的需要，扩大原车床的调速范围，拟定新的主 传动图和转速图，组成新的主传动系统。设计主轴组件（主轴、主轴支撑 、装在轴上的传动件、密封件等）并校核主轴刚度。 动部分设计 算转速的确定 主轴的计算转速在主轴调速范围中所居的地位，是因机床种类而异的。对大型机床，由于调速范围广，调速范围很宽，计算转速可取的高一些。对与精密机床，钻床、滚齿机等，由于应用范围较窄，调速范围较小，计算转速应取的底一些，根据金属切屑机床表 轴计算转速的统计公式，轻型机床的计算转速的计算转速应取的比表中推 荐的高。而数控机床由于考虑切削轻金属，调速范围比普通机床宽，计算转速可比表中推荐的高。 根据原 改造的实际工作情况，选用计算转速： 1 2 0 / m 表 3机床类型 计 算 转 速 等比传动 双公比或无极传动 中 型 机 床 车床、升降台铣床、仿真半自动车床、夺刀板自动车床、单轴和多周自动和半自动车床卧式铣床 13m in zj 计算转速为主轴从最低转速起 ,第一个1/3转速范围内的最高一级转速 0 in 立式钻床 14m in zj 计算转速为主轴从最低转速起 ,第一个1/4速范围内的最高一级转速 0 m in 大 型 机 床 卧式车床 立式车床 卧式和落地式鏜铣床（ 160 ） 3zj 计算转速为主轴第一个 1/3转速范围内的最低级转速 0 m in 落地式鏜铣床( 160 260) in zj 0 in 北京理 院毕业设计（论文） 第 5 页 传动系统设计 本机床采用主轴最高转速 3000r/算转速 120r/主轴最低转速 20r/削功率 用电动机额定转速 1440r/电动机最高转速 4000r/主轴要求的恒定功率调速范围 =25 电动机的恒功率调速范围 :4 0 0 0 r / m i n = 2 1 4 4 0 r / m i 故必须配以分级调速箱 . 如果取变速箱的公比 : =由于无级变速时 : 1p 故变速箱的变速级数为 : 252 . 7 8l g l g 3 . 0 4 则取 Z=3 运动链转速图的拟定 已知条件为机床类型 床，增加中间变速箱的转速级数 Z=3、公比 =各级转速分别为 20， 120， 380， 1000， 3000r/计步骤为：确定有几个转动组，各传动组的传动副 数；拟定结构网；拟定转速图。 由于 Z=3，级数比较简单，则可顺利画出其转速图 北京理 院毕业设计（论文） 第 6 页 图 齿轮数的确定：当传动比 数可从金属切削机床表 8 当传动比 i 采用标准公比的整数次方时，齿数和 查得。既当传动组 a， 1 , 2 , 3 14 .查 i 为 4 的三行。有数字的既为可能的传动方案。其结果如下 1 .， 106， 107， 109， 110， 112， 113， 115， 116， 118， 119， 120 .， 108， 109， 110， 112， 113， 114， 115， 117， 118， 119， 120 314 .105， 109， 110， 114， 115， 119， 120 从以上三行中可以挑出， 109， 110， 115， 119， 120是共同适用的。如取 20，则从表中查出小齿轮齿数分别为 42、 48、 24。即 142/78， 272/48， 396/24。 有时为了满足传动比的要求，可以使同一传动组内各传动副的齿数和不等，然后采用变位的方法使中心距、相等。但各传动组的齿 数和相差不能太多。 由于 床采用三联滑移齿轮时，还应检查滑移齿轮时，还应检查滑移齿轮之间的齿数关系与各齿轮之间的距离，以防止发生干涉现象。 北京理 院毕业设计（论文） 第 7 页 根据变速箱级数设计下面传动系统图和主轴转速图 : 图 在图 电动机经 30/76 定比传动降速后，经过 78/42 传动主轴，当电动机转速从 4000 降至1440r/功率区）， 主轴转速从 3000降至 1000r/ 48/72传动主轴。电动机又恢复从 4000r/至 1440r/轴则从 1000 降至 300r/4/96传动主轴时，主轴转速为 380见主轴从 3000恒功率，电动机从 130 电动机的选择： 若取总效率 =电动机功率为 p=可选用 续额定输出 轴组件的设计 述 主轴组件是机床的一个重要组成部分。主轴组件由主轴、轴承、传动件（如齿轮、带轮）和固定件（如螺母）等组成。 主轴组件的基本要求，在与一般传动轴共同之处：都要在一定的转速下传递一定的转矩；保证轴上的传动件和轴承的正常的工作条件。但是主轴又是直接带着工件或刀具进行切削的。机床的加工质量，在很大程度上要靠主轴组件保证。主轴直接承受切削力，通常机床（包括数控车床）转速变化范围很大。因此又要求主轴组件：旋转精度、静刚度、抗振性、温升和热变性、耐磨性。 提高主轴组件性能的一些措施：提高 精度，提高主轴组件的精度，除了保证主轴的精度外，还可采用定向装配法；控制温升、提高转速、减少热变性；改善动态性能。 北京理 院毕业设计（论文） 第 8 页 轴轴承的选择 根据经验，在一般情况下尽量采用滚动轴承。特别是大多数立式主轴用滚动轴承可以采用脂润滑以避免漏油。只有要求加工表面粗糙度数值较小，主轴又是水平的机床如外圆和平面磨床、高精度车床等才用滑动轴承。主轴组件的抗振性主要决定于前轴承。因此本课题 轴承采用双列圆柱滚子轴承（ 轴组件的传动 传动方式，主轴上的传动件，主要有齿轮和带。齿轮能传递较大的转矩，是一般机床最常用的传动副。缺点是线速度不能很高，传递也不够平稳，通常，线速度 v 12 15m/s，为使主轴运转平稳，可采用 v 型带；主轴传动件的布置，多数主轴是由齿轮传动的。 轮尽量靠近前轴承，这样做可以减少主轴的弯曲变形。此外， 由于主轴上传递转矩的部分较短，扭转变性也较小。 轴直径选择 在设计之初，由于确定的只是一个设计方案，尚未确定具体构造。因此，只能根据统计资料初选主轴的直径，车床，铣床，镗床加工中心等机床因装配的需要，主轴直径经常是从前向后逐段减少的。后轴承的直径 通常，车床和铣床 )轴经相等，中段较粗。 110 ， 80 轴前轴径直径 主电动机功率 1 15 卧式车床 6090 75110 90120 100160 升降台铣床 6090 75100 90110 100120 外圆磨床 6070 7080 7590 75100 轴悬伸量的确定 主轴悬伸量 a,指的是主轴前端端面到前支承径径向支反力作用点之间的距离。根据分析和实验，缩短悬伸量，可以明显地提高主轴组件的刚度和抗振性。因此，设计时应努力缩短悬伸量。金属切削机床图 106150车床工作情况选其悬伸量为 a=150 轴的跨距的选择 由于主轴跨距（前、后轴承之间的距离）对于主轴组件的性能，有很大的影响。 下面讨论选择的方法： 北京理 院毕业设计（论文） 第 9 页 图 轴最佳跨距示意图 查金属切削机床主轴的计算简图。如假设轴承为刚性支座，主轴为弹性体，则主轴在前端受力 s 。如图 s = 3 13Fa a，3 I a i （ 柔度s F对跨距与悬伸之比 戴署金属切削机床图 10 曲 线 a。 如果假设主轴为刚体，支承为弹性体，则情况应如图 虑到支承的变形不大，近似地认为支承受力后作为线性变形。如前后支承的支反力为度为前后支承的变形A和B分别为 A= B = Z=A 1 又1 ，Z=2211l l (z F与 戴署金属切削机床图 10b。 主轴端部的总挠度 北京理 院毕业设计（论文） 第 10 页 32221 1 13 a l F a a K K l l （ F 与 署金 属切削机床图 10c。显然存在一个最佳的 时，柔度 F 最小，也就是主轴组件的综合刚度最大。如果 存在着一个最佳跨距0l。通常， 线图上也可以看到， 在 度变化不大。当 l 0度的增加比 l 0此，设计时首先应争取符合最佳跨距。如结构上 不允许，则宁愿取实际跨距略大于最佳值。下面讨论确定0 最小挠度的条件为 0。这时的 l 应为最佳跨距0l。 32320022103 a l F a a K K l l （ 整理后得 : 30066 10 E K (可以证明，这个三次方程只存在唯一的正实根。解这个方程比较麻烦。因此，可用计算线性图解决。 令综合变量3 代入式（ 可以得出 : 300161l ( 是 0一个无量纲量。可以用 出 0如 戴署金属切削机床中图 10算单位：长度均为 m，力均为 N，弹性模量为 2度为 （ 1）根据表 轴颈应为 75 110。初步选定1d=110。后轴颈2d=（ d，取2d=80。根据设计方案，选前轴承为 ，后轴承为 。根据结构，定悬伸长度 a=150。 （ 2） 轴承刚度 主轴最大输出转矩（未考虑机械效率） 7 . 59 5 5 0 9 5 5 0 1 4 3 2 . 550 m N 北京理 院毕业设计（论文） 第 11 页 机床上最大加工直径约为最大回转直径的 60%，即 240半径为 切削力（沿 1 4 3 2 . 5 119380 . 1 2 N背向力（沿 0 . 5 5 9 3 9 N故总作用力 22 13347 F N 此力作用于顶在顶尖间的工件上，主轴和尾架各承受一半，故主轴端受力为 F/26670N 。 在估算时，先假设初值 ， 3 1 2 0 3 6 0l m m m m 。前后支承的支反力3 6 0 1 5 06 6 7 0 8 8 9 02 3 6 0A F l 1506 6 7 0 2 2 2 02 3 6 0B 根据式（ 10求出前、后轴承的刚度 2 1 1 6 / m ； 1 4 8 8 / m （ 3）求最佳跨距 2116 1 . 4 21488 初步计算时，可假定主轴的当量外径实际主轴具有相同抗弯刚度的等直径轴的直径）为前、后轴承颈的平均值， 1 1 0 8 0 / 2 9 5ed m m m m 。故惯性矩为 4 4 8 40 . 0 5 0 . 0 9 0 . 0 8 3 0 1 . 5 1 0 1 1 83 3 62 . 1 1 0 3 0 1 . 5 1 0 0 . 1 72 1 1 6 0 . 1 2 1 0 查线图0计算出的0根据0再计算支反力和支承刚度，再求最佳跨距。这时算出的 2 1 4 0 / m， 1 5 5 0 / m， / ，0以看出，这是一个迭代过程，0佳跨距0 1 5 0 2 . 8 6 4 3 0l m m m m 。 计算主轴时通常不考虑传动力。这当然与实际使用情况有所出入。但是，只要计算条件是统一的，都按轴端受一集中载荷计算，在同一条件下对比，则计算结果仍能用以评判主轴组件。 轴组件的验算 对一般机床主轴 ,主要进行刚度验算。通常，如果能满足刚度要求，也就是能够满足强度要求。只要对粗加工、重载荷的主轴，才需进行强度演算。对一些高速主轴组件，有时还需进行临界转速的 验算，以防止发生共振。 北京理 院毕业设计（论文） 第 12 页 对于一定的机床，在规定的切削条件下，存在一个不出现切削自激振动的最大（极限）切削宽度 。在设计机床时，可以根据机床的尺寸和性能，规定一个极限切削宽度，从而求得对机床的刚度要求。机床系统在切削处 按下式计算： (式中 N/（ m ; ; 工件切削表面垂直线的夹角 ; 对于一定的机床和一定的切削方式， 是一定的。但是不同的切削速度 V 和不同的进给量 s， 虑到实际使用时的切削用量是各式各样的，所以取稳定的下限来决定极限切削宽度 -。从实验得出， V=50m/s=r 左右时， 最大，即要求= m = 式（ 算出 是整个机床系统在 虑到自激振动主要是主轴的振动，因此就近似地把主轴系统的阻尼比代入式中的 -，计算出 就作为主轴组件的刚度要求。主轴组件的阻尼比 ：主轴前轴承为双列圆柱滚子轴承与双向推力角接触球轴承的配合， 考虑到主轴前悬伸量端较粗较短，其变形可以忽略。根据对许多机床计算和测量的结果，主轴端部由主 轴产生的变形量占主轴组件总变形量的 50 70%,平均为 60 ;由支承产生的变形量占 30 50 ,平均为 40 = (主轴本身端部的刚度 : = (主轴可按简支承梁计算。如轴承为深沟球轴承、单列或双列圆柱滚子轴承，简化后的支承点在轴承中 部。如轴承为圆锥滚子轴承或角接触球轴承，则支点在接触线与轴心的交点处。如 北京理 院毕业设计（论文） 第 13 页 为三联角接触轴承，则支点在前面第二个轴承的接触线与中心线的交点处。轴承刚度等于一个轴承的 主轴的计算简图见图 式中主轴支承之间那一段的当量惯性矩（ ）； - ); 、 主轴支承之间的当量外径 和孔径（） 把和之值代入，得钢制主轴的刚度为 (当 对刚度的影响可以忽略，则 : (按式 (出的 应大于或等于得出的刚度要求。此 床：跨距l=470量外径 轴刚度 由于 / =52/106=根据 (， N/ m 1240N/ m 对于这种机床的刚度要求 由于这种机床属于高效通用机床，主轴的刚度可根据自激振动稳定性决定。取 50m/s=r 时， - m = 北京理 院毕业设计（论文） 第 14 页 这种机床要求切削稳定性良好 ，取 : 4入式 ( N/ m=69 N/ m 根据稳定性指标的规定，工件长度 L=120上卡盘，共长 200据式 (=69 N/ m=619 N/ m 根据式 ( =1028 N/ m 69 N/ m 则机床主轴是合格的。 3 2 8 润滑与密封 润滑的作用是降低摩擦，降低温升，并与密封装置在一起，保护轴承不受外物侵入和防止腐蚀。润滑剂和润滑方式决定于轴承的类型、速度和工作负荷。如果选择的合适，可以降低轴承的工作温度个延长使用期限。 1. 主轴滚动轴承的润滑：滚动轴承润滑理论基础，与滑动轴承润滑是不同的。计算动压滑动轴承的雷诺方程，是基于不考虑轴承接触处的变形和液体不可被压缩、流体的粘度不随压强而变化两个 假设推导的。这两个假设，在滚动轴承，都不成立。滚动轴承的滚动体和滚倒处接触压强可达数千兆帕，滚动体和滚道都产生接触变形。在接触区，油被压缩了。油的粘度，急剧升高。可升至常压下的数十倍。这样瞬时局部高粘度的油，可以在接触区形成油膜，把滚动体和滚道分隔开。滚动轴承的润滑，应用了弹性流体动力润滑理论。滚道与滚动体接触区的面积是很小的。因此，滚动轴承需要的润滑剂很少。 滚动轴承可以用润滑脂或润滑油润滑。试验证明，在速度较低时，用润滑脂比油温升底，速度较高时，用润滑油较好。 2. 密封：主轴组件密封的作用，对于油润滑 的主轴组件，主要是防止油外漏和灰尘屑末和冷却液进入。对于脂润滑的主轴组件，由于脂不会外漏，主要是防止外物进入。脂润滑的主轴组件多用不接触的曲路（迷宫）密封。件 1固定在主轴上，件 2固定于壳体上。两者之间形成一条曲曲折折的通道，宽道不超过 防止外物的进入。油润滑的主轴组件的密封：螺母 2的外圆有锯齿形环槽。锯齿方向应逆着油流的方向。主轴旋转时将油甩向压盖 1内的空腔，经回油孔回油箱。锯齿槽可有 2被甩入空腔后可能有少量溅回。前面的槽还可以再甩。回油孔直径应尽量大些，使回油畅通。 北京理 院毕业设计（论文） 第 15 页 第 4 章 主轴驱动及控制 曾经 通车床采用的控制方式主要以继电器接触器控制方式为主，采用多速电机加齿轮调速箱达到车床要求的调速功能，而这种控制方式存在很多缺点，控制线路复杂，控制元器件容易坏，检修需要拥有多年的专业技术人员，且安装面积大，不能集中控制 ，调速系统成本高、且不能获得更多的调速范围，控制精度低等。 4 1 主轴变频控制 4 1 1 主轴变频调速系统 我们知道 要想使电机获得多种转速，通过 三相异步电动机转速公式为： n=60f/p(1知，改变供电频率 f、电动机的极对数 太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。 而多速电机存在价格高、调速范围窄等缺点，在改造过程中调速系统将采用目前最先进的调速方式 极 调速系统。 4 1 2 变频调速原理 变频器的工作原理是把市电（ 380V、 50过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件 成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器（ 编程的正弦脉宽调制（ 法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为 直交）变频方式。供电频率低于电机额定值时，称为基频以下调速，高于额定值时，称为基频以上调速。基频以下调速保持定子绕组电流不变，电机的电磁转矩为常数，称为恒转矩调速，以满足数控机床主轴恒转矩调速运行的要求。基频以上调速，因转速提高，使输出功率不变，因此称为恒功率调速，满足数控机床主轴恒功率调速要求。当频率很低时，定子阴抗压降已不能忽略，必须人为提高定子电压，所以补偿定子阻抗压降。利用变频器可以根据电机负载的 变化实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点 。 北京理 院毕业设计（论文） 第 16 页 变频器 原理 4 2 数控装置 系统 简介 4 2 1 数控装置的特点 数控装置 采用先进的开放式体系结构 ， 内置嵌入式工业 ，高性能 32 位中央处理器（ ，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式 口于一体采用大容量电子盘程序存储方式，支持 以太网、 程序交换功能主要适用于数控车 、 铣床和简易加工中心的控制具有高性能 、 结构紧凑 、 易于使用 、 可靠性高 、价格低等 特点 。由华中数控生产的 9i 系列数控装置 具有如下特点： 1. 最大联动轴数为 3 轴 ； 2. 可选配各种类型的脉冲指令交流伺服驱动器或步进电机驱动器 ； 3. 配置标准机床工程面板不占用 输入 /输出接口 ； 4. 配置 32 路输入接口和 24 路功率放大光电隔离开关量输出接口手持单元接口模拟主轴控制接口与主轴编码器接口 ； 5. 采用 单色 18i 系列 /彩色 19i 系列液晶显示器分辨率 ； 6.
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