正文 结论 参考文献 致谢

1、东北大学本科生毕业设计（论文）专用纸第一章 绪 论1.1 概述1.1.1 国内外数控机床的发展状况1946年世界上第一台计算机在美国诞生，1952年世界上第一台数控机床也在美国诞生，用于三轴镋铣床的加工，自此，数控机床的发展紧随着微电子技术和计算机技术的发展而发展，近50年来，其数控系统经历了两个阶段，六个时代的发展历程。即第一阶段叫逻辑数字控制(NC)阶段，其经历了电子管、晶体管和小规模集成电路三个时代:第二阶段叫计算机数字逻辑控制(CNC)阶段，其经历了小型计算机、微处理器和PC机三个时代阴。目前，世界上数控机床每隔23年就发展一代，日本、美国、德国、西班牙等国家在数控机床的研制、开发方面

2、走在世界前列，其中德国SIEMENS系列、日本FANUC系列、西班牙FAGOR系列、美国CINCINATI系列、法国NUM系列，以其高的可靠性和卓越的性能在世界各地赢得用户的青睐。进入八十年代以来，市场竞争激烈，产品更新换代极为迅速，规模生产效益显著，而且随着航空工业、汽车工业以及轻工业生产的高速增长，复杂型面零件越来越多，精度要求也越来越高，这就迫切要求加工这些零件的母机-机床向高度柔性的数控机床方向发展，其在加工设备所占比例越来越高，其拥有量是衡量一个国家工业水平的标准。因此，世界其他各国也都在大力开发机械制造自动化技术。据统计，美国通用电器公司数控机床占70%。从1982年起，日本机床产

3、值数控化率超过80%，且主要生产高档数控机床。我国从1958年开始数控机床的研制，其主要工作是剖析国外数控机床。70年代中期，由于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使国产数控机床的稳定性、可靠性问题未从根本上得到解决。另外，售价也较贵，未能及时推广。我国数控机床从八十年代重新开始起步发展，到1993年产量已增长1828倍，产值数控化率从1%以下增长到12%。数控机床生产逐渐形成批量，开始出现了一批以北京机床研究所为龙头的机床厂。主要生产BF7、BF3等数控系统，后来又组建了许多经济型数控系统的生产厂家，如:武汉华中数控有限公司、南京大方股份有限公司、常州宝马集团、西安微电子研究所等。数控机床

4、一方面向大型、多功能方向发展;一方面向经济型方向发展。所谓经济型数控机床就是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有数控系统的高效自动化机床。由此可见，我国在作为机械制造自动化的数控机床设备，无论是在品种上、质量上，还是在使用上，同世界先进水平比均有很大差距，这也是制约我国机械工业发展的重要因素。1.1.2 国内外数控机床改造的状况数控机床的逐渐普及，数控系统的价格不断降低，使得旧机床进行数控化改造的优点更明显，促使越来越多的机械加工厂选择旧机床数控化改造作为设备更新的途径。世界各国，包括许多工业发达的国家相继成立了机床修复公司、翻新公司或改造公司，承担旧机床数控改造的任务，并成功的改造了

5、一些大型和重型机床。德国的Shiness公司在1981年把一台加工直径为19m的超重型立式车床改装成数控机床。该机床是1929年生产的，当时曾是世界上最大的机床，其改造内容有:工作台导轨改装为静压导轨，承载能力增加了50%:主传动采用半导体可控硅控制，取代老式机组的传动;刀架的滑动导轨改为滚动导轨:增加测量显示装置，配置数控系统等。该机床的全部改造费用仅为当时同类规格新机床价格1200万马克的28.9%，其中大修费用占7.9%，数控改造费用占20%。该公司还改造了一台最大加工直径为14m的超重型立式车床，全部改造费用为当时同类规格新机床价格800万马克的。香港理工大学的工业中心是国际上现代培训

6、公认的楷模，它的数控化机床占机床总数72%，其中就约有10%的数控化机床便是旧机床改造而来的，从设备运行情况来看，改造后的设备取得令人满意的效果。我国常柴股份公司曾经改造一台仿形铣床，改造费用40万，节约投资近250万元，用其加工N485柴油机铸造用模具，每套外协加工费用270万元，不到三个月时间，此台仿形铣床完成了两套N485模具和20套空调模具的加工。根据常柴股份公司对已完成数控化改造的11台加工中心和1台仿形铣床投入运行后统计，新增产值达到3000多万元，取得了良好的经济效益。当然，也有许多失败的例子。如:航天部国营507厂，在八十年代曾经对70年代产品牡丹江厂的一台C620-1型旧车床

7、进行数控化改造，但由于对机床数控化改造工艺论证不充分，所选用的数控系统性能不稳定等原因导致失败。我国从八十年代初期开始进行机床数控化改造技术研究和推广，到现在已有二十多年的历史。这中间取得了不少经验，但失败的教训也不少。由于机床数控化改造工艺的不完善，使得改造目前大都局限在中、小型车、铣床的数控化改造上，这和工业发达国家的水平尚有很大差距，因此，笔者对具体机床数控化改造工艺方案研究为例，提出了对机床数控化改造工艺的研究模式。1.1.3 机床数控化改造的优点采用国内外先进工艺、先进技术对旧机床进行改造有以下优点:1.机床改造针对性强，容易适宜生产的要求。因为机床的改造方案是根据原机床中存在的问题

8、提出的，需要改哪些地方，改到什么程度都有的放矢，能与生产紧密结合，可以直接将科学技术转化为生产力，使企业有积极性。2.机床改造可以充分利用原机床的绝大部分，大大节约原材料和资金，同时见效快，改造周期短，可满足生产急需。因为旧机床数控化改造大部分床身、立柱等主要基础件和许多传动部分不需更换，与新机床制造格比只需其1/10-1/15的时间，工期大大缩短，从而节约了成本，解决了生产急需。3.改造后的机床性能稳定可靠，机床应用范围得到扩大，适应多品种、小批量的零件生产。这是因为机床的大型结构件一般是铸铁制成的，而铸铁件年代越久则时效越充分，精度比新铸件更加稳定。改造不需要改变支撑类大型构件，只需修复或

9、更换若干中小型部件就可获得与新机床类似效果。改造后的机床功能有较好的提高，除了保留原有功能外，还可以满足各种复杂型面类零件加工，极大地扩大了机床的应用范围。4、经过数控化改造，可以有效提高工件加工精度和生产效率。因为改造时可根据生产技术的发展要求，及时提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次。如某单位的立式车床改造后，加工球体轴承座零件，其2m直径偏差仅为0.035mm，满足了设计要求，并且机床改造后的工作效率提高了5-6倍。5、可以充分发挥企业现有技术力量的作用，调动技术人员的积极性；同时降低对工人技术水平的要求。6、通过数控化改造，可以掌握设备的构造和性能，为工科院校培养了数控技

10、术人才，为学生更好地服务。在改造期间，工科院校通过拆解旧机床，装配新部件等改造过程，间接培养了数控人才，对机床的特性有了较详细的了解，在操作使用和维护方面培训时间短、见效快。1.1.4 机床数控化改造的必要性和可能性数控机床在现代机械加工中起着举足轻重的作用，机床数控化率己成为衡量一个国家工业水平的重要标志。提高机床数控化率有两个途径;一是购买新的数控机床，即更新设备;二是改造旧机床，配置数控系统，把旧机床改造成数控机床。所谓机床的数控化改造是指应用现代的数控成熟技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，改变现有机床的结构，给旧机床换上新部件、新装置、新附件，提高现有机床的技术性指标，使之全部或

11、局部达到新数控机床的水平。机床数控化改造主要内容有以下几点:其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复;其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度，对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新;其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。我国现有机床大约四百多万台，其中40%以上是车床，多数机床役龄都很长，尤其是大型和重型机床

12、的役龄更长，这些机床结构一般陈旧，操作部分复杂，测量系统，控制系统落后。把这些性能落后、生产率低的机床全部闲置或淘汰，用新的机床去取代是不现实的。重型机床，特别是现代化的数控机床价格都非常昂贵，我国是一个发展中国家，国家财力薄弱、资金短缺，不可能花大量的资金添置新的数控机床，把旧机床改造成经济型数控机床的意义就更加明显了。对普通机床和旧机床进行数控化改造是可行的。首先国家政策是支持的，我国经济增长方式正在由粗放型向集约型转变，集约型经济增长方式就是以经济效益为中心，主要依靠科技进步和提高劳动者素质，重点放在现有企业的挖潜改造、充实和提高上，也就是运用高新技术对老设备进行改造，以大幅度提高产品质

13、量，降低成本，达到提高经济效益的目的:二是技术上的保障，近年来，微电子技术的发展、电子计算机的应用、传感技术、粘结技术等新工艺、新产品出现都为机床数控化改造提供了充足的后备力量;三是在经济方面，机床数控化改造针对性强、投资少、资金利用率高，许多基础部件仍可利用，可以缩短改造周期并降低生产成本。另外筹集资金相对容易一些。购买一台新的数控机床一般需几十到几百万元，改造一台只需几万到十几万元即可，资金回收快。1.2 课题研究背景和目标加入世贸组织后，中国正在逐步成为“世界制造中心”。制造设备的大规模数控化，使企业急需一大批数控编程、数控设备操作及其维修、CAD/CAM应用人员。然而，目前掌握数控技术

14、的机电复合人才奇缺，“月薪6000元难聘数控技工”、“年薪16万招不到模具技工”成为全社会普遍关注的热点问题。数控人才奇缺已引起中央领导、教育部、劳动保障部等政府部门高度重视。为社会培养急需的数控人才，是各高校、高职、中职、技校义不容辞的责任!据机械主管部门统计，工科院校用于实践教学的机床约有1万台，但数控化率不到4%。绝大多数是传统机床，且半数役龄在10年以上。随着学生人数的增加，新科目的普及，高科技的实验、实习因为条件差而不能达到要求。加之目前工科院校机床设备投入资金都十分有限，为此我们必须推广投入少，收效大的旧机床数控化改造。以最小的投资盘活庞大的存量资产，以促进工科院校的实践教学。我国

15、机床数控化改造起步较晚，对其工艺深入研究还不够，虽然有成功的经验，但也走了不少弯路，其原因大概有以下几个方面；1.改造以前没有可行性分析或只定性分析；2.所设计的数控系统或选择系统性能不稳定；3.机床的关键部件选择不合理；4接口电路设计不合理。随着电子技术的高速发展，许多专门为工业环境下使用的电子元器件大量涌现，它们的性能价格比越来越高，在改造中自己设计制造单片机，单板机扩展系统存在许多弊端，如:不易实行规范化设计，安装、调试、维护的工作量大，系统不稳定等，因此，逐渐被性能价格比高的批量生产的数控系统和可编程控制器等所取代。这样，对这些系统如何选型越来越引起人们的关注。第二章 CA614O普通

16、车床数控化改造的可行性分析2.1 机床简介2.1.1 原机床功能CA614O旧车床是沈阳第一机床厂于1995年5月出厂的一台普通卧式车床，它的万能性较大，适用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面，如车削内外圆柱面、圆锥面、环槽及成形回转表面；车削端面及各种常用螺纹；在其上还能作钻孔、扩孔、铰孔、滚花等工作2.1.2 原机床精度CA614D旧车床在数控化改造前进行了整体修复，修复后对机床原始精度和 加工精度检测结果如下:床身导轨调平： 纵向:导轨在垂直平面内的直线度 0.004mm/250mm横向:导轨应在同一平面内的平面度 0.4mm/1000mm机床主轴： 主轴轴向串动 0.01mm

17、 主轴轴肩支承面的跳动 0.015mm 主轴定心轴颈的径向跳动 0.008mm 主轴轴线的径向跳动 0.015mm/300mm 主轴顶尖的径向跳动 0.01mm 主轴轴线的平行度 0.01mm/100mm 加工精度： 精车外圆的圆度 0.01mm精车外圆的圆柱度 0.01mm/100mm 精车端面的平面度 0.02mm/300mm精车的表面粗糙度 Ra=1.252.5um 原机床主要技术参数: 床身上最大工件回转直径 400mm 最大工件长度 50mm 最大车削一长度 600mm 刀架上最大工件回转直径 210mm 主轴内孔直径 52mm 主轴转速正转24级 101400r/min 反转12级

18、 141580r/min 主电机型号 Y132M-4-B3左 主电机功率、转速 7.5KW,1450r/min 润滑冷却系统： 润滑叶片泵型号 R12-1 润滑叶片泵流量 5L/min冷却泵流量 25L/min 机床轮廓尺寸(长x宽 x高) 241810001267mm 机床净重 1990kg2.1.3 原机床传动系统原机床的传动系统主要由两大部分组成.一是主运动传动链，它的功能是把动力源(电动机)的运动及动力传给主轴，使主轴带动工件旋转实现主运动，并满足卧式车床主轴变速和换向的要求。二是进给运动传动链，它用来实现刀架的纵向和横向移动及车螺纹运动，运动及动力是由电动机经主轴箱、主轴、进给运动传

19、动链、溜板传至刀架。2.1.4 原机床电气控制原机床电气控制线路图如下：其中，Ml为主电机;MZ为控制冷却液的冷却泵;M3为控制溜板横、纵向移动的快速电机。图2-1机床电气控制线路图1.主电路分析三相交流电源通过转换开关QS1引入，主轴电动机M1由接触器KM1控制起动，热继电器FRI为主轴电动机Ml的过载保护。冷却泵电机M2由接触器KM2控制起动，热继电器FR2为冷却泵电机M2的过载保护。接触器KM3为控制刀架快速移动电机M3起动用，因快速移动电机M3是短期工作，故可不设过载保护。2.控制电路分析：控制变压器TC二次侧输出110V电压，作为控制回路的电源。1)主轴电动机Ml的控制。按下起动按钮

20、开关SB2，接触器KM1的线圈获电吸合，KM1主触头闭合，主轴电动机Ml起动。按下蘑菇形停止按钮开关SB1，电动机停转。(2)冷却泵电动机M2的控制。只能在接触器KM1获电吸合，主轴电动机Ml起动后，合上开关SA，使接触器KM2线圈获电吸合，冷却泵电动机M2才能起动。(3)刀架快速移动电动机的控制。刀架快速移动电动机M3的起动，是由安装在进给操纵手柄顶端的按钮开关SB3来控制，它与交流接触器KM3组成电动控制环节。将操纵手柄扳到所需的方向，按下按钮开关SB2，接触器KM3获电吸合，电动机M3获电起动，刀架就向指定方向快速移动。3.照明、信号灯电路分析控制变压器二次侧分别输出24v和6v电压，作

21、为作为机床照明灯和信号灯的电源。EL为机床的低照明灯，由开关QS2控制，HL为电源信号灯。2.2 CA6140普通车床数控化改造的可行性论证机床改造的基本原则是:把技术可行性和经济合理性有机的结合起来。所谓机床数控化改造的可行性论证就是指从技术和经济两个方面对机床数控化改造进行论证，判断进行数控化改造是否合理，改造方案是否最佳。技术可行性的指标之一是技术实用性;经济合理性就是以最少的投资获取最大的效益。2.2 技术可行性论证机床改造的技术可行性论证就是对机床改造在技术上是否能够保障改造成功以及从改造后维护角度论证。具体的应从机床本身、加工对象、技术性和市场可供性等四方面分析:一机床本身分析能否

22、进行机床数控化改造主要取决于机床本身的条件，如:机床磨损程度、刚度等以及机床的技术寿命。1.机床磨损程度、刚度我校CA614O，主要用来学生实习，没有批量生产过产品，机床本身机械部分磨损很小，导轨和齿轮等的磨损也不大，根据改造前对原机床精度检测，可见原机床综合精度比较高。根据航天部机动设备完好标准规定，机床几何精度仍等于原新机床的精度，所以原机床从磨损程度上看能够保证。普通机床结构上有先天性不足，刚度低、抗振性差、滑动摩擦阻力较大及传动元件存在间隙等。在后面改造中将有目的改造其中部分结构，以满足数控机床最基本的要求。2.技术寿命的计算机床的技术寿命是指从机床开始使用到因技术落后而被淘汰所经历的

23、时间。随电子技术和计算机技术的发展，加速了机电产品的更新换代，原机床结构复杂而且自动化程度低，所以只适用于单件、小批量生产及修配车间。现在数控机床以其高自动化、高精度化、高速化及高复合化的发展趋势，数控化率逐年提高，大有取代普通机床的趋势，而且数控机床的数控装置(CNC)技术寿命一般为2-3年，数控技术发展迅猛。故为了改善原机床性能满足教学和加工要求，对原机床进行数控化改造，同时也延长了原机床的技术寿命。二.加工对象分析机床的加工对象分析主要涉及被加工对象的几何参数及公差要求。零件的几何形状决定了所选数控系统应具备的功能，公差范围决定了数控系统的控制精度、脉冲当量。改造后的数控车床，主要用来学

24、生实习，其加工范围为车台肩、外圆、内孔、螺纹、锥形体、球体、切槽、切断等及带有复杂型面的卡盘类零件。加工精度要求小于0.0llmm，现在市场上出售的一般经济型数控系统其脉冲当量为0.005-0.1mm，能够满足上述型面的加工要求，在技术上是可行的。三.技术性分析目前，我国在机床的数控化改造方面有许多成功的经验可供参考，机床的数控化改造技术方面也有一定的基础，充分利用现有的成功经验与技术基础并结合我们的具体条件，完成本课题在技术上也是可行的。四、市场可供性所谓市场可供性就是研究市场是否能够方便及时地提供改造用的各种备件，以保证备件的供应。机床数控化改造计划实施应有本地区机电一体化供应的基本条件，

25、这样不仅改造周期短，而且有利于保证维修及技术咨询服务。就本机床改造而言，市场上已建立了一套机电一体化配套产品代理机构，并且我校比邻北京，选购元器件非常方便，对于CA6140改造而言市场可供性好。综上所述，对原机床进行数控化改造符合技术可行性要求。第三章 CA6140普通车床的数控化改造3.1 总体设计思想3.1.1 设计任务本设计任务是对CA6140普通车床进行数控化改造。（1）、利用微机对纵向进给、刀架系统进行半闭环控制，纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠，刀架采用自动转位刀架。(2)、利用CNC系统对机床进行自动

26、控制。3.1.2 总体设计方案的确定由于是经济性数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求前提下，对机床改动尽可能少，以降低成本。根据CA6140车床有关资料以及数控机床的改造经验，确定总体方案为:采用工控微型机对数据进行计算处理，由FO接口输出步进脉冲，经一级齿轮变速箱减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；由I/O接口输出信号控制电动机达到刀架旋转的自动控制；为加工螺纹在主轴上加装主轴脉冲编码器。其方案结构见图3-1。3.2 纵向进给系统的改造设计3.2.1 纵向进给系统的设计与计算1.纵向进给系统的设计经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定

27、在溜板箱上.带动刀架左右移动。其结构示意图如图3-2图3-2纵向进给系统结构示意图2.纵向进给系统的设计计算已知条件：工作台重量： W=100Kgf=1100N(根据图纸粗略估算)时间常数： T=25ms滚珠丝杠基本导程： L0=10mm行程： S=650mm脉冲当量： p=0.01mm/step步距角： =0.36o/step快速进给速度： Vmax=2m/min（1）切削力的计算由机床设计手册可知，切削功率 Nc=NK 式中N-电机功率,N=7.5KW;主传动系统总效率,一般取为0.6-0.7 取=0.65；K为进给系统功率系数,取为K=0.96。则Nc=7.50.650.96=4.68K

28、W又因为 Nc=所以Fz= 式中v为切削线速度，取v=100m/min主切削力Fz=286.42（Kgf）=2864.2（N）由金属切削原理可知，主切削力 Fz=CFzpXFzfYFzKFz查表得CFz =188Kgf/mm2=1880KPa XFz=1 YFz=0.75 KFz=1则可计算Fz如表3-1所示： Ap (mm） 222333F（ (mm） 0.20.30.40.20.30.4Fz (N） 112515241891168722872837当Fz=2840N时，切削深度ap=3mm，进给量f=0.4mm，以次参数作为下面计算的依据。从机床设计手册中可知，在一般外圆切削时：Fx=（0

29、.1-0.6）Fz Fy=（0.15-0.7）Fz取：Fx=0.5Fz=0.52864.2=1432.1N Fy=0.6Fz=0.62864.2=1718.52N3.2.2 滚珠丝杠的设计计算由机床设计手册可知，综合导轨车床丝杠的轴向力为：P=KFx+f（Fz+W）式中K-考虑颠覆矩影响的实验系数，取K=1.15F导轨上的摩擦系数，f0.15-0.18，取f=0.16则P=1.151432.1+0.16（2864.2+1100）=2281.2N1)强度计算 当机床以线速度V=100m/min,进给量为f=0.4mm/r,车削直径D=80mm外圆时，丝杠的转速为：n=15.92r/min则寿命值

30、为 L=14.33(查表得使用寿命为15000h)根据工作负荷P，寿命L，计算出滚珠丝杠副承受的最大动载荷Fq =fwfhP 查表得运转系数fw=1.2,硬度系数fh=1则Fq=x1.2x12281.2=6649.06N由Fq查滚珠丝杠的产品样本，选择丝杠为汉江丝杠导轨厂生产的型号为Fc1B40x10-2.5-E2(1200/1130)其额定动载荷为30303N，满足强度要求。2 ） 效率计算根据机械原理的公式，丝杠螺母的传动效率为：=式中的为-螺纹的螺旋升角，该丝杠为=4o33 为摩擦角，约等于 10 则传动效率：=0.9643 ） 刚度验算滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，他将引起导程L

31、0发生变化，因滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量L（cm），为 L=PL0/ES 式中 E为弹性模量，对钢E=20.6106N/cm2；S为滚珠丝杠截面积（按丝杠螺纹底径确定d=3.405cm）S=9.1cm2 “+”用于拉伸, “-”用于压缩时。则L=12.1710-6cm滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，所以丝杠1m长度上导程变形总误差为= =12.17m/m,查手册知E级精度丝杠允许的螺距误差为15m/m，故刚满足要求。4 ） 稳定性验算由于机床元丝杠直径为40mm,现选用的滚珠丝杠直径为40mm，支撑方式不变，所以稳定性不存在问题，

32、不必再进行验算。3.2.3 齿轮有关计算 传动比i=1 故取：齿数ZA= ZB=30 模数m=2mm 齿宽b=20mm 压力角=200分度圆直径dA=dB=mZA=302=60mm齿顶圆直径dA=dB=Da2ham=64mm 中心距=dA+dB/2 =60mm3.2.4 步进电机的选择 1)转动惯量的计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 Jg=( )2W=()2x=2.7892Kg.cm2 丝杠的转动惯量: Js=7.8x10-4x44 x140.3=28.015Kg.cm2 齿轮的转动惯量: Jza=Jzb=7.8x10-4x64x2=2.0218Kg.cm2 电机的转动惯量很小可忽略不

33、计.因此总的转动惯量: J=+Jza+Jg= +2.0218+2.7892=34.8478kg.cm22) 所需要的转动力矩计算 快速空转启动时所需力矩 M=Mmax+Mf+MO 最大切削负载时所需力矩 M=Mat+Mf+MO+Mt快速进给时所需力矩 M=Mf+MO 式中Mmax 为空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩；Mf 为折算到电机轴上的摩擦力矩；MO 由于丝杠预紧所引起的折算到电机轴上的附加摩擦力矩；Mat为切削时折算到电机轴上的加速度力矩；Mt 为折算到电机轴上的切削负载力矩；由Ma=N.m T-时间差常数当n=nmax时，Mamax=Ma,而nmax=2000x1/10=200r/

34、min所以，Mamax=Ma=10-4=2.904N.m当n=nt时，Ma=Mat,而nt= = =15.924r/min则Mat=0.2132N.m由Mf= 式中f为摩擦系数，当=0.8时，f=0.16则Mf=0.61101/3.1420.81=3.5032Kgf.cm=0.3503N,m由M0=式中， P0 为预加载荷，当0=0.9时， P0=1/3Fx则M0=1.8053Kgf.cm=0.1805N.m由Mt=则Mt=28.505 Kgf.cm =280505N.m所以快速空载起动所需力矩:M=Mmax+Mf+M0 =2.904+0.3503+0.1805+2.8505=3.4348N.

35、m；切削时所需力矩:M=Mat+Mf+M0 +Mt=0.2312+0.3503+0.1805+2.8505=3.6125N.m;快速进给市所需力矩:M=Mf+M0 =0.3503+0.1805=0.5308N.m;由以上计算可知：所需最大力矩发生在切削时，即Mmax=3.6125N.m3) 步进电机最大静力矩计算一般启动力矩选取为:Mq式中ML0-电动机静负载力矩(快速启动最大力矩 ),则Mq= =9.0313N.m为了满足最小步距要求,电动机选用五相十拍工作方式,由手册步进电机相数,拍数力矩表可知:Mq/Mjm=0.951所以步进电机最大静转矩Mjm为：Mjm= =9.4967N.m4）步进

36、电机最大空载频率fmax= =3333.3Hzfmin=83.3HzfF= =333.3Hz综合考虑，选用北京四通电机产品，步进电机型号为110BYG550B-0301，能满足使用要求。3.3 横向进给系统的设计与计算 3.3.1 横向进给系统的设计经济性数控改造的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度，其结构示意图如图所示 图3-3 横向进给系统结构示意图2.横向进给系统的设计计算已知条件：工作台重量： W=40Kgf=400N时间常数： T=25ms滚珠丝杠发

37、的基本导程： L0=5mm行程： S=190mm脉冲当量： p=0.005mm/step步距角： =0.36o/step快速进给速度： Vmax=1m/min （1）切削力的计算 横向进给量为纵向的1/3-1/2，取1/2，则切削力为纵向的1/2，即 Fz=1432.1N 在切断工作时：Fx=0.5Fz=0.5x1432.1=716.05N3.3.2 滚珠丝杠设计计算（2）强度计算 对于燕尾型导轨：P=KFx+f（Fz+W） 取K=1.4 f=0.2 则P=1.4716.05+0.2（1432.1+400）=1368.89N 寿命值：L=21.5N（其中n= =23.89r/min）最大动负荷

38、：Fq=fwfhP=1.211368.89=4567.68N由Fq查滚珠丝杠产品样本，选择丝杠的型号为汉江生产的Fc1B20x5-2.5-F2左，其额定横载荷是8630N，所以强度足够用。 （3）效率计算 由螺旋升角 =4o33 摩擦角=10 则传动效率：=0.964（4）刚度验算 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量 L= =14.9510-6cm 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化很小，可忽略不计。所以丝扛1m长度上导程变形总误差= =m/m=29.9m/m，查手册知F级精度丝杠允许的螺距误差为30m/m，故刚度满足要求。(5 )稳定性验算由于选用的滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支撑方式由

39、原来的一端固定，一端悬空，变为一端固定，一端轴承支撑，所以稳定性强， 故不再验算。3.3.3 齿轮有关计算 传动比i=1 故取：齿数ZA= ZB=20 模数m=2mm 齿宽b=20mm 压力角=200分度圆直径dA=dB=40mm 齿顶圆直径dA=dB=44mm 中心距 =40mm3.3.4 步进电机的选择 1)转动惯量的计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量: Jg=()2W=()2x=0.2536Kg.cm2 丝杠的转动惯量: Js=7.8x10-4x24 x50=0.624Kg.cm2 齿轮的转动惯量: Jza=Jzb=7.8x10-4x24x2=0.3994Kg.cm2 电机的转动惯

40、量很小可忽略不计.因此总的转动惯量: J=+Jza+Jg=(1/1)2(0.624+0.3994)+0.3994+0.2536=1.6764Kg.cm2 2) 所需要的转动力矩计算 nmax= =200r/min Mmax= x10-4 =x10-4=0.1397N.m nt= = =31.85r/min Mat=0.02225N.m Mf= =0.6369Kgf.cm=0.0637N.m M= = 0.4513kgf.cm=0.04513N.m Mt= =7.1263kgf.cm=0.7126N.m所以,快速空载启动所需力矩M=Mmax+Mf+M0=0.1397+0.0637+0.04513

41、=0.2485N.m切削时所需力矩 M=Mat+ Mf+ M0+Mt=0.02225+0.0637+0.04513+0.7126=0.8437N.m快速进给时所需力矩 M= Mf+ M0=0.0637+0.04513=0.1088N.m由以上分析计算可知:所需最大力矩Mmax发生切削时,Mmax=0.8437N.m3)步进电机最大静力矩计算一般启动力矩选取为:Mq式中ML0-电动机静负载力矩(快速启动最大力矩 ),则Mq= =2.1093N.m为了满足最小步距要求,电动机选用五相十拍工作方式,由手册步进电机相数,拍数力矩表可知:Mq/Mjm=0.951所以步进电机最大静转矩Mjm为：Mjm=

42、=2.218N.m 4）步进电机最大空载频率fmax= =3333.3Hzfmin=166.6HzfF= =333.3Hz综合考虑，选用北京四通电机产品，步进电机型号为110BYG550B-0301，能满足使用要求。3.4 电动刀架的选择及原理刀架是车床的一个重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，其结构直接影响到机床切削的效率和性能。根据车床的型号和主轴中心高度，选用常州宏达机床数控设备厂生产的LD4-C6140型四工位电动刀架。其电动刀架的工作原理如下： 图 3-4 换刀过程原理图当微机发出焕刀信号后，刀架控制器中继电器动作，电动机正转驱动涡轮蜗杆减速机构，蜗杆升降机构使上刀体上升，当上刀

43、体升到一定高度时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转刀架上端的发信盘中对应每个刀位都安装一个霍尔元件，当上刀体旋转到某一刀位时，该刀架上霍尔元件向数控系统输出低电平，而其他刀位的霍尔元件输出高电平。在刀架旋转的过程中，发信盘不断向数控系统反馈刀位信号。数控系统将反馈刀位信号与指令刀位信号相比较，当两信号相同时说明上刀体已旋转到所选刀位。此时，数控系统立即控制刀架控制继电器使电机反转，活动销反靠在反靠盘上初定位。在活动销反靠的作用下，蜗杆带动刀体下降，直至齿牙盘啮合，完成精定位，并通过涡轮蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。向数控系统发出转位完成信号，切断电源，电机停转完成换刀过程。3.5 电气系统的改造设计

44、3.5.1 电气控制技术的发展电气控制技术随着科学技术的发展、生产工艺不断提出新的要求而不断发展的，从手动控制到自动控制从简单的控制设备到复杂的自动控制系统、从有触点的硬接线控制系统到以计算机为中心的存储控制系统。现代电气控制技术已经综合了应用了计算机、自动控制、电子技术、自动检测等先进的科学技术成果。作为生产机械动力的电动机拖动，其拖动方式已由初期的集中拖动发展成为单独拖动，后又发展为多电动机拖动。随着电力拖动方式的演变和发展，电力拖动的控制方式也有手动控制向自动控制方向发展。自动控制方式又分为断续系统和连续控制系统。一般普通机床使用断续控制系统，由于这种控制系统采用固定的接线方式，存在灵活

45、性差，触头易损坏、可靠性差难以适应频繁操作的缺点。数控系统都采用了连续控制系统，它把计算机的功能设备、灵活性、通用好等优点和电接触器控制系统的操作方便、价格低、简单易懂等优点结合起来成为一种适应工业环境的通用控制系统。现在可编程控制器的应用，使之成为电气自动化控制中应用最为广泛的装置。3.5.2 数控电气控制系统的组成一台典型的数控机床其全部电气控制系统如下图所示。数据输入装置数控系统CNC接口电器硬件电路 机床电器部分外部设备进给伺服系统主轴驱动系统速 度 测 量速 度 测 量可编程逻辑控制器 图 3-5数控机床电气控制系统 3.5.3数控系统的特点目前，在数控机床中都使用了现代电气控制系统

46、。采用以PC机控制技术为主的现代电气控制系统，不仅保留了传统控制系统的优点，同时具有体积小、功能强、通用性和灵活性强、使用维护方便等优点。由于现代电气控制系统能用软件实现逻辑控制，可以省去大量的控制电器及线路连接，又能实现继电接触系统难以完成的功能，当改变控制要求和参数时只需改动程序的相应部分，外部线路基本上不用改动，因而也节省了资源。同时因执行程序时间短，一些电器元件的触点可以用无触点开关代替，所以整个系统的动作频率高、寿命长，这些都较好的 克服了传统控制系统存在的缺点。3.5.4 电气系统改造的现实意义设备改造是企业提高技术装备水平的重要手段。一台机床一般电气系统的无故障运行期为57年，随

47、后即进入故障高发期，而一般设备的机械和液压部件通常可以使用20年，甚至25年以上，且能够保证较高的精度、可靠性及稳定性。从价值上讲，机械部分的价值远远大于电气系统。因此用少量的投资对原有设备的电气部分进行改造，可使旧设备再生，并获得巨大的经济效益，同时可使旧设备升值。设备电气系统改造的另一现实意义在于原有的电气系统由于受当时技术水平的限制，与现有的系统相比，技术上落后，功能一较弱。通过改造可以提高设备的技术水平，扩展系统的功能。3.5.5 电气控制系统设计的一般技术原则在电气控制系统的设计中，应遵循以下几个原则：1) 最大限度的满足生产机械对电气控制的要求，这些生产机械的生产工艺要求是电气控制

48、设计的依据。2) 在满足控制要求的前提下，设计方案力求简单、经济、合理，不宜盲目追求自动化和高指标，力求控制系统操作简使用和维修方便。3) 正确、合理选用电器元件，确保控制系统安全可靠地工作；同时考虑技术进步、造型美观。4) 为适应生产的发展和工艺的改进，在选择控制设备时，设备能力应留有适当裕量。3.5.6 数控改造的控制方式的选择数控改造的控制方式按伺服驱动方式不同基本上分为开环控制，半闭环控制和闭环控制三种类型，改造时应根据具体情况进行选择。1）步进电机拖动的开环控制方式该方式的伺服驱动装置主要是步进电机，功率步进电机，电液脉冲马达等，由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和脉冲放大

49、后，使步进电机转动，通过齿轮副和滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种方式不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，因此，系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度。因此该控制方式不具有反馈装置，对移动部件实际位移量不进行测量，无反馈与原指令进行比较，不能进行误差校正，所以系统的位移精度低。但具有结构简单，调试维修方便、成本低易改装成功等特点。2 ) 交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环方式半闭环控制方式检测元件安装在中间传动部件上，间接测量执行部件的位置，它只能补偿系统环路部部分元

50、件的误差，因此，它的精度比闭环控制系统的进度低，但是它的结果与调试都较闭环方式简单。在将角位移测量元件和伺服电机做成一个整体时，则无需考虑位置测量装置的安装问题。该方式移动部件的传动丝杠螺母结构不包括在闭环之内，由丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的误差难以消除，可用误差补偿的方法消除，仍可得到满意的精度。系统的闭环环路内部包括或只包括少量机械传动环节，可获得稳定的控制性能。具有调试方便，稳定性好的优点，目前应以十分广泛。3 ） 异步电机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环控制方式该方式与开环方式的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和

51、变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置和反馈的实际的位置的差值等于零为止。该方式在结构上比开环控制方式复杂，成本也高，对环境室温要求严格。设计和调试都比开环方式难。但可获得比开环方式更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的性能指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种方式。该方式可以消除整个放大和传动环节的误差、间隙和失动，具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，很容易造成系统的不稳定，是系统的设计安装，调试都很困难。全闭环控制方式主要用于精度要求很高的镗铣床，超精度车床和超精度磨床等。结论：根据本章确定的设计任务和总体设计方案，我们决定采用半闭环控制方式，这样既经济又易改造，同时也能满足改造后的性能要求。3.5.7 普通车床电气部分的数控化改造 机床电气的改造，是将原机床电气电路改为与数控系统连接，并受数控系统控制的电路，以实现车床原有的纵向和横向进给，主轴启动和停止，正反转，以及无极调速，切削液的开关等功能;并增加了紧急停止，机床原点的设置，各坐标轴的限位等功能。其线路改造如图：（1） 主轴电机M1的转速控制采用三菱变频器与CNC系统相连接，以改变频率来实现主轴电机的无极调速。（2） 刀台电机M2正反