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1、机械制造与自动化毕业设计论文 前 言数控机床经济型改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。本次毕业设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。同时，数控机床将向着更高的
2、速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。摘 要摘要:了解数控机床的概念，所谓数字控制是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。本次设计主要为纵向进给系统的设计，其中包括纵向进给系统改造方案的确定，各零部件的设计。关键词:数控、车床、改造、纵向进给第一章 概 述一、数控系统
3、发展简史1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1、数控（NC）阶段（19521970年）早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRE
4、D NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代-电子管；1959年的第二代-晶体管；1965年的第三代-小规模集成电路。 2、计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的通用两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件-运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。到1974年
5、微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代-小型计算机；1974年的第五代-微处理器和1990年的第六代-基于PC（国外称为PC-BASED）
6、。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的数控，实质上已是指计算机数控了。二、数控机床及其特点数控机床（Numerical Control Machine Tools）是指采用数字形式信息控制机床。详言之，凡是用数字化的代码将零件加工过程中所需的各种操作和步骤以及刀具与工件之间的相对位移量等记录在程序介质上，送入计算机或数控系统，经过译码、运算以及处理，控制机床的刀具与工件的相对运动，加工出所需要的工件的一类机床即为数控机床。 数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机
7、械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。概括起来，采用数控机床有以下几方面的好处： 提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定； 提高生产效率，一般约提高效率35倍，使用数控加工中心机床则可提高生产率510倍； 可加工形状复杂的零件； 减轻了劳动强度，改善了劳动条件； 有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。 然而，数控机床毕竟是一种高度自动化的机床，技术复杂，成本较高。在实际采用时，一定要充分考虑其技术经济效果。目前，选用数控机床时主要考虑以下三种因数：即单件、中小批量的生产；形状比较复杂，精度要求高的加工；产品更新频繁，生产周期要求短的加工。凡
8、是符合这三种因素之一的情况，采用数控机床，对于改进产品质量、减轻工人劳动强度、提高经济效益等，都会获得显著的效果三、数控机床的工艺范围及加工精度1. 数控机床的工艺范围： 根据数控加工的优缺点及国内外大量应用实践，一般可按适用程度将零件分为三类：（1）最适用类1）形状复杂，加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件。2）用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件。3）有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒型零件。4）必须在依次装夹中合并完成铣、镗、铰或螺纹等多工序的零件。（2）较适用类1）在通用机床加工时极易受人为因素（如：情绪波动、体力强弱、技术水平高
9、低等）干扰，零件价值又高，一旦质量失控会造成重大经济损失的零件；2）在通用机床上加工时必须制造复杂的专用工装的零件。3）需要多次更改设计后才能定型的零件。4）在通用机床上加工需要作长时间调整的零件。5）用通用机床加工时，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。（3）不适用类1）生产批量大的零件。2）装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件。3）加工余量不稳定，且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的零件。4)必须用特定的工艺装备协调加工的零件。2.数控机床的加工精度：看一台机床水平的高低，要看它的重复定位精度，一台机床的重复定位精度如果能达到0.005mm(ISO标准.、统计法),就
10、是一台高精度机床，在0.005mm(ISO标准.、统计法)以下，就是超高精度机床，高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。 超精密加工目前是指尺寸和位置精度为0.010.3m，形状和轮廓精度为0.0030.1m，表面粗糙度钢件Ra0.05m、铜件Ra0.01m。国内研制的超精密数控车床、数控铣床已投入生产使用。当前在品种上需发展超精密磨床和超精密复合加工机床，同时要进一步提升超精密主轴单元、超精密导轨副单元、超精密平稳驱动系统、超精密轮廓控制技术及纳米级分辨率数控系统的性能并加快其工程化。 超精密机床主要用于解决国内高新技术和国防关键产品的超精密加工，虽然需求量不很大，但它是一项受国外技术封锁的敏
11、感技术。另一方面，超精密加工技术的深化研究，它的成果的下延将有助于需要量大的加工精度在亚微米级的高精密机床的研发和产业化。 在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。 在可靠性方面，国外数控装置的mtbf值已达6 000h以上，伺服系统的mtbf值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性四、 数控机床的经济分析1.实用性。选购数控机床时，企业要有明确的目的和出发点，首先考虑的是数控机床的实用性。(1)数控机床规格、精度的实用性。在选择数控机床时,首先应确定数控机床上加
12、工的典型零件。零件的尺寸决定机床的加工范围；零件关键部位的精度决定了所选机床的精度等级。机床精度的评定指标较多，因数控机床类别而异,但共有的关键项目是定位精度、重复定位精度以及综合加工精度。定位精度与传动链各环节的弹性、间隙等因素有关,反映了机械系统中的扭曲、挠度、爬行、共振等诸因素造成的综合误差。这些指标既反映了伺服机构的刚度,也说明了位置反馈测量系统的质量。重复定位精度反映了数控轴在全行程内定位点的稳定性，传动链刚性直接影响重复定位精度。综合加工精度指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸之间的误差。选购时应避免盲目追求高精度，注意机床精度与工件精度相匹配。(2)数控系统功能的实用性。数控系统
13、功能可分为基本功能与选用功能, 各知名品牌数控系统的基本功能差别不大。除基本功能以外, 数控系统还为用户提供多种可选功能。通常数控系统具备的基本功能比较便宜, 而特定选择的功能很贵。在可供选择的功能模块中, 性能差别很大,价格也相差数倍，所以要根据加工要求和机床性能的需要来选择。从控制方式、驱动形式、反馈形式、检测、操作方式、接口形式和故障诊断等方面来衡量, 合理地选择适合机床的可选功能,放弃可有可无或不实用的可选功能。比如，自动换刀装置(ATC) 是加工中心的基本特征，ATC装置的投资往往占整机的30%50%。因此在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的ATC, 以提高机床的可靠性
14、和降低整机的价格。应当注意，单独签订合同购买附件的单价大大高于随同主机一起供货的附件单价,应尽可能在购买主机时一并购置部分易损部件及其他附件。2.经济性。经济性是指选用的数控机床在满足加工要求的条件下, 所支付的“钱”最少或较为合理的。经济性往往是和实用性紧密相连的, 机床选得实用、经济, 可避免不必要的浪费, 避免以高代价换来功能过多而又不实用的较复杂的数控机床，避免在操作使用、维护保养等诸多方面带来困难。数控机床的设计使用寿命一般为7年, 主要以数控方面的使用寿命为准。同时还得考虑市场占有率, 市场占有率高的数控设备说明是旺销产品, 已受到多数用户的青睐和肯定, 一般不会有太多的质量问题。
15、选购数控机床应考虑投资回报, 能够在短期内收回投资的机床才是好机床。因为数控机床的主要优势是实现工序集中，从而提高生产率和加工精度，所以数控机床既适于单件小批生产，又适于大批量生产。多数中小型企业购买的数控机床用于批量生产，因为批量生产不仅节省编程、对刀等辅助时间，提高机床利用率；而且对操作者的技术要求不高，人工费用也相对较低。所以用于大批量生产的机床投资回报较快。少数产品附加值高，具有一定经济实力的企业，为了生产组织方便而购买用于单件生产的数控机床。机床利用率较低时，不仅要考虑设备的使用费用，比如润滑油、冷却液、电力消耗等，还要计算设备折旧。另外一个不可忽视的因素是设备的贬值，数控机床的升级
16、、更新较快，同配置的一台机床，现在售价40万，三年后可能降至35万，这样算起来贬值和折旧一样不可忽视。所以没有定型产品或产品附加值较低的中小型企业，在购置贵重数控设备之前，一定要充分研究收回投资的周期。有些企业事先确定较稳定的批量加工意向，甚至已经接到订单，选购机床时要求机床厂为其准备工装、编制程序、培训工人，即所谓“交钥匙”工程，这是投资数控机床最理想的情况。3. 稳定可靠性。数控设备的可靠性是广大数控设备用户必须关心的焦点问题, 因此在选用数控设备时应注意生产厂家的规模和市场占有率, 确认其产品是否达到国家规定的平均无故障时间标准(规定为500h)。目前多数机床厂都采购成熟的数控系统和零部
17、件进行组装。国内应用较多的数控系统有日本FANUC、德国的西门子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直线导轨、主轴又分别来自德国和台湾等地。所以机床的主要零部件的质量一般是可靠的，需要重点考察的是数控机床组装企业的售后服务网络是否健全,服务队伍的素质是否能胜任工作,服务能否及时,是否能履行承诺等。五、数控机床的发展趋向1.继续开放式，基于PC的第六代发展方向，基于PC的所具有的开放性的成本，高可靠性，软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统，生产厂家会走上这条路，至少采用PC机作为他的前端机来处理人机界面、编程、联络通讯等问题，由原有的系统担任数控的任务，PC机所具有的友好的人机
18、界面，将普及到所有的数控系统。2.向高速化和高精度发展这是适应机床向高速和高精度发展方向的需要。3.向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断深入和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（1）.自适应控制技术，数控系统能检测过程中的一部分重要信息，并自动调整好系统的有关系数，达到改进整个系统运行状态的目的。（2）.引入专家系统指导加工，将熟练工人和专家的经验以及加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（3）.引入故障诊断专家系统。（4）.智能化数字伺服驱动装置，可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行状态。六、数控化改造
19、的必要性及如何改造进行论述我国目前机床总量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
20、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。 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。2.如何进行机床数控化改造（1）国外改造业的兴起：在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代，由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个”永恒”的话题,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行业，在美国、日本和德
21、国用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生业，从事再生业的著名公司有：bertsche工程公司，orgbon机床公司等。在日本，机床改造业称为机床改造业，从事改装的公司有：大限工程集团，山本工程公司等。（2）数控化改造的优缺点1）减小投资额，交货期短，同购置新机床相比，一般可节省60%80%的费用，改造费用低，特别是大型、特殊机床尤其明显，一般大型机床改造，只要新机床购置费用的1/3，交货期短，但有些情况比较特殊。如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节约50%
22、左右。2）机械性能稳定可靠，结构受限制，所利用的床身、立柱等机床件都是重而坚固的铸造件，儿不是焊接构件，改造后的机床性能高，质量好，可以作为新设备继续使用多年，但是受到后来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。3）可采用最新的控制技术，可充分利用现有的条件，可以利用现有基础，不必像购入新设备时那样需要重新构建地基。4）可以采用最新的控制技术，可根据技术革新的发展速度，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，将旧机床改造成为今水平的机床。3. 数控系统的改造型数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择，即步进电机拖动的开环系统，异步电动机或直流电动机拖动，当检测量反馈的
23、闭环系统以及交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环系统这三种。（1）步进电机拖动的开环系统该系统的伺服驱动装置主要是步进电动机，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，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠幅驱动执行部件，只需控制指令脉冲的数量、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，这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称为开环系统，该系统的位移精度主要取决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，所以系统的位移精度较低，该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低易改装成功。（2）异步电动机
24、或直流电动机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统该系统与开环系统的区别是，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，随时与给的的值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际值差距等于零为止，闭环进给系统在结构上比开环系统复杂、成本高，对环境室温要求严，设计和调试都比开环系统难，但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标，可根据产品技术要求决定是否采用这样系统。（3）交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统，半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置，它只能补偿系统环内
25、部部分元件的误差，因此它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都比闭环系统简单。在将角位移检测元件的安装问题，当前国内生产线数控系统的公司厂家比较多，如珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司等。选择数控系统时主要是依据数控改造后机床要达到的各种精度，驱动电机的功率和用户的要求。4、数控化改造中主要部件的改造探讨一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度，运动幅之间的摩擦系数小，传动无间隙，功率大，便于操作和维修，机床数控改造时，尽量达到上述要求，不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造，使其达到一定的设计要求，才能得
26、到预期的改造目的。（1）滑动导轨幅对数控车床来说，导轨除应具有的普通车床的导向和工艺性外，还要有良好的耐磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区，同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。（2）齿轮幅一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中，为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高，在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床只要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床的加工精度。（3）滑动丝杠和滚珠丝杠，丝杠的传动直接关系到传动链精度，丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和0拖动扭矩要求，以保证机床的加工精度，一般情况滑动丝杠不低于6级，螺母间
27、隙过大则应更换螺母，采用滑动丝杠相对滚珠丝杠摩擦损失小、效率高，其传动效率可在90%以上，精度高、寿命长，启动力距和运动时力距相近，因此可以满足较高精度、零件加工要求。（4）安全防护改造效果必须以安全为前提，在机床改造中，要根据实际情况采取相应的措施，滚珠丝杠是精密元件，工作时要严防灰尘，特别是切削及硬沙粒进入滚道，在纵向丝杠上也可以加整体铁板防护罩，大托板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。第二章 总体方案的制度与比较一、车床数控化改造的实践准备及资料收集在车床数控化改造这个工程设计之前进行了毕业实习这一环节。在这期间，接触了大量的数控化改造实例，使我
28、对车床数控化改造有了初步了解。在与工人师傅的交流中初步了解到他们对数控装备的要求。在工程设计课题接到手后，借阅了大量关于普通机床及数控机床的书籍，通过借阅这些书籍，了解了普通车床的基本性能参数及结构特点，通过与成型数控车床进行比较，明确了设计任务。二、数控化改造方案的制定通过阅读资料及参观成熟数控车床的结构设计，初步拟定以下三个总体改造方案。一）方案一，此方案考虑到尽可能保留车床原有功能，减化改造量，做好以下几个方面工作。1. 机械部分改造：保留原车床的主传动系统和变速操纵机构，也保留了原有车床的尾座及车身部分，但为了减化操作量，将原车床的刀架换为电动刀架。为了便于加工螺纹和丝杆，避免加工螺纹
29、或丝杆时发生乱扣现象，在主轴箱内配置了与主轴转角位置变化信号，输送给计算机处理。拆除原进给箱中进给传动链内容，改用步进电机作动力源，经齿轮减速组传递动力，驱动滚珠丝杠，带动刀架作纵向进给，由此构成简易的开环控制系统。拆除原刀架，安装电动刀架，以减少操作量，实现自动化控制。2. 数控装置的设计此方案中采用MCS-51系列中单片机作为核心芯片，设计了一个能够实现圆弧插补和直线插补运算的数控系统，它能完成设计任务书中要求的各项功能。3. 方案一的初步评价此方案保留了原有车床结构，进行了小部分改造。改造周期短，见效快、成本低是此方案的亮点，但其自动化控制程度低，一般适用于生产线上工序较稳定的零件的加工
30、。二）方案二此方案改动量较大，主要做了以下几点改造：1.机械方面：要求主运动能实现自动变速，采用液压拔叉和电磁离合器实现自动变速。保留了原车床的尾座及床身部分。采用电动刀架，实现转位换刀，提高加工效率，减少辅助时间。采用液压尾座、液压卡盘，实现工件的快速夹持，以利于提高生产率。其他机械方面的改造与方案一相似，不再赘述。2.数控方面：选用成熟的华中系统，实现软硬件合理配置来实现控制功能。3.方案二的初步评价此改造方案实现了车床的全自动化控制，无论是从提高生产率方面考虑，还是从减轻工人劳动强度方面考虑均有极大优势。 但它对原车床改动量太大，必然使其改造周期延长，改造费用大幅上升，改造的经济性下降，
31、影响它的实施。三）方案三为进一步提高机床的性能，解决机械有级变速的附加问题，形成了方案三。除拆除主轴箱外，还须采用交流伺服电机作主电机替代原主电机，并配置相应的变频调速装置，以此实现宽范围无极平滑变速，其它机械方面与设计方案二相同。方案三的初步评价此方案对原车床的机械部分改动过大，拆除的部分过多，外购件太多，使得改造费用大幅上升，周期长、见效慢，使改造的经济性下降，一般中小型企业不宜采用。三、C6150卧式车床数控化改造总体方案的比较与选择此次设计是在普通车床上增加数显装置，增加数控系统，将其改造成NC车床。这设计到机械改造方面和数控系统的设置两大方面的问题，并带来附加的电气与液压控制系统的更
32、改及设计问题。综合上述对三个总体方案的初步评价，方案一有以下几方面的优势：1.机械方面：方案一在机械方面保留了原车床上大部分部件，这样不仅保留了原车床的加工工艺范围，并在配置了简单数控系统的条件下，进一步扩大了加工工艺范围，在低投入的情况下，达到了较好的改造经济性。适合于中小企业实现普通车床NC化。2.数控配置方面方案一在数控配置上采用MCS-51系列中8031单片机做成简易数控系统，与机械方面对软件控制系统的要求达成统一。二方案二方案三对数控系统的要求过高，可能造成数控资源闲置，降低改造经济性。3.人文方面对操作者而言，方案一机械部分改动较少，操作者熟悉原机床，便于操作维修，降低了对操作者的
33、技术要求。由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用时只需短时间培训，缩短了培训时间，见效快。4.经济性方面由于方案一在机械改造方面改造量小，外购件少，可降低改造费用，缩短改造周期，交货期短，可满足生产急需。综合上述优势，选定方案一为C6150卧式车床数控化改造方案。第三章机械部分改造设计与计算一、纵向进给系统的设计与计算已知条件：工件工作台重量：W=100kgf=1000N (根据图纸粗略计算)时间常数：T=25ms滚珠丝杠基本导程：L0=6mm行程： S=900mm脉冲当量： 纵向p1 =0.01mm/step步距角： =0.75/step快速进给速度： Vmax=2m/ min
34、1.切削力计算： 由机床设计手册可知，切削功率NC=NK 式中：电动机功率N=5.5KW ：一般为0.750.8 取=0.75K：进给系统功率系数，取为K=0.95则NC= NK =5.50.750.95=3.92KW又因为 由金属切削原理可知，主切削力：查表得：CFI=188kg.f/mm2=1880MpaXFI=1 YFI=0.75 KFI=1则再计算FI如表7-1所示：表 1 FI计算结果 ap(mm)333444555f(mm)0.40.50.60.40.50.60.40.50.6FI(N)28373352384531825127478555896408当FI=5953.5N时，切削深
35、度ap=5mm,走刀量f=0.6mm,以此参数作为下面计算的依据。从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时：Fx =(0.10.6) FI FY= (0.150.7) FI取Fx =0.5 FI=0.55953.5=2976.8N FY=0.6 FI =0.65953.5=3572.1N2.滚珠丝杠的设计计算由经济型数控机床系统设计中式（6-3）知，综合导轨车床丝杠的轴向力：P=KFx+F(FI +W)式中 K=1.15 F=0.150.18 取为0.17则 P=1.152976.8+0.17(5953.5+1000) =4605.4N1) 强度计算：寿命值： 取工件直径D=100mm,查表6
36、-6 得Ti=15000h查表6-7 运转系数fW=1.2查表6-8 硬度系数fH=1.0则根据最大动荷Q的可供选用的滚珠丝杠副型号有：W3006 WCh2506 WiL3006 WiL2506 WD3006 N3006 Nch3006 NL3000 ND3006 ND3506选择内循环，螺纹式预紧，基本导程L0=6mmNL3006型内循环螺纹调整预紧的双螺母副：D0=30 螺旋升角=339，C=1600kgf2) 效率计算 根据机械原理中公式（5-5），知丝杠副的传动效率：式中摩擦角，螺旋升角3) 刚度验算滚珠丝杠在受工作负载P引起的导程的变化量 （6-13）式中 弹性模量E,对钢E=211
37、06N/cm2L0=6mm=0.6cm滚珠丝杠截面积滚珠丝杠因扭矩作用而引起的导程变化量L1很小，可忽略。即L=L1。所以，查表6-9知，一级精度丝杠允许的螺距误差为15m/m，故刚度足够。4）稳定性验算滚珠丝杠的两端装推力轴承，丝杠不会发生失稳现象，故不必验算。3.齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算传动比2)转动惯量计算：（以下用及公式见表6-30）工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：丝杠的转动惯量：式中圆柱零件的直径（）; 零件轴向长度（）。忽略电动机转动惯量，则总的转动惯量：3）所需转动力距计算 式中T时间常数当n=nmax时，Mamax=Ma当n=nt时，Ma=Mat故快速空载启动所
38、需力矩：4.步进电机的选择纵向进给系统步进电动机的确定Mq_电机启动力距 ML0_电动机静负载力距启动力距取为为满足最小步距要求，三相六拍工作方式 查表T-2知： 步进电机最高工作频率综合考虑，查表选用130BF001型直流步进电动机，可满足使用要求二、 脉冲发生器的选择加工螺纹或丝杆时，也保证主轴每转一转，刀具准确移动一个导程，须配置主轴脉冲发生器作为主轴位置信号的反馈元件，脉冲发生器，采用同轴安装，接胶管柔性联接意在实现角位移信号传递的同时，又能吸收车床主轴的部分振动，从而使主轴脉冲发生器转动平稳，信号传递准确，其联接方式如下图：脉冲发生器安装时须注意：小心轻放，不能有较大的冲击和振动以防
39、损伤光栅盘。车床主轴的转速必须小于主轴脉冲发生器的最高允许转速以免损坏脉冲发生器。三、 刀架的选用 拆除原手动刀架和小托板，安装由微机控制的四位电动刀架，自动换刀装置应满足换刀时间短，刀具复定位精度高，刀具存储量大，刀座占地面积小及安全可靠等特点。在进行普通车床的经济数控改造时，多采用外购直动转位刀架（螺旋升降转位刀架）。自动转位刀架能自动完成抬起、回转、转位、下降、定位、和压紧。刀架的抬起利用压缩弹簧的恢复力，利用螺纹传动，将旋转运动变成轴向直线运动，从而达到刀架的抬起。刀架的回转采用微电机通过蜗杆涡轮使刀架抬起到一定高度时，由拨块带动刀架转动。刀架的选位由刀架位置的偏码和微机程序来实现。刀
40、架的下降采用微机控制使微电机反转，由于斜面销的齿轮作用，刀架不跟随转，只是下降，压紧刀架的压紧力由微机下降到位后继续转动产生。四、 拖板箱拆除原拖板箱，利用此位置安装新拖板箱，新拖板箱上装有固定滚珠丝杆的螺母，并在内部设储油箱和手压泵用于润滑丝杆副。第四章 电气控制的设计计算一、数控系统基本硬件组成数控系统基本硬件组成任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成，硬件是数控系统的基础，其性能的好坏不直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。机床数控系统的硬件由电路概括起来由以下几部分组成： 中央处理单元CPU 总线：包括数据总线（DB）,地址总线（AB）和控制单元（CB） 存储器：
41、包括只读可编程存贮器和随机读写存贮器。 I/O输入/输出接口电路。其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协作。存贮器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁，总线是CPU与存储器，接口以及其它转换电路链接的纽带是CPU各部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。MLS-51系列单片机在我国机床数控改造方面应用较为普遍，其配套芯片低廉，普及性通用性强，制造方便，完全能够满足经济型数控车床的改造需要。本方案对C6150的数控化改造以8031组成的单片机作为数控控制系统。二、单片机控制系统的设计（一）主要的技术特性及硬件配置中
42、央处理器为8301CPU，系统时钟为12MHZ，存贮器选用8片8K8位的2764 L=PKOM和8K8位的6264K4M，监控程序和各功能模块程序固化在2764一块EPKOM内。剩下的一片EPKOM芯片内用于存放常用零件的加工程序。这样安排的好处是更换零件加工程序时，只需更换一块芯片即可。调试程序和运行程序的中间数据也存放在6264内。I/O接口芯片选用2片8155,2#8155的PA口作为输出口，向L291输出Z向电机的速度，指令PCD也定为输出口，向其中P0P2用于微处理，对Z向电机速度反馈速度的转向信号。P3P1用于对X向电机反馈信号。PB口定义为输出口向L2P1输出X向电机的速度指令。
43、1#8155的PA口PB口定义为输入口，用于键盘信号的输入。（二）存储器空间的分配8000H8FFFH EPROM 存放监控程序9000H9FFFH EPROM 存放功能模块程序6000H7FFFH EPROM 存放常用零件加工4000H5FFFH SRNM 程序(三) I/O地址分配地址 芯片名称 1FOOH1FFFH 8155 (1)BFOOHBFFFH 8155 (2)8155内部寄存器编址名称 8155（1） 8155（2） 命令状态寄存器 1FF8H OBFF8HPA口 1FFYH OBFF9HPB口 1FFAH OBFFAHPC口 1FFBH OBFFBH定时器低8位寄存器 1FF
44、CH OBFFCH定时器高6位寄存器 1FFDH OBFFDH和2位定时方式寄存器三、软件系统本系统通过软件来实现对步进电机的控制，使其完成加工中要求的正反转及传动速度。系统软件的设计采用模块化设计，主要模块如下：下面介绍其中几个主要模块的设计思想1.显示模块 本系统在零件加工过程中显示加工零件的段号及加工剩余步数，显示模块的功能显示上述内容。在调用该模块前要显示的数据已写入显示缓冲区。其流程图如图1。2.键盘扫描模块该模块功能：识别是否有键按下。如有则进行键译码，找出按下的键，若无键，按下返回键。经键译码如是数字键按下则将键值送显示缓冲区，若为功能键按下则转到对应的服务程序。程序流程图见图2。3.圆弧插补模块该模块的功能完成圆弧插补计算，入口参数：K1、R2分别为动点Kij的坐标 ，Ui物态为圆弧的起点坐标 为动点K的偏差，初值为出口参数，A中，为 坐标运算完成，标志置1，系统中圆弧加工分8个走向，由圆弧加工的数控字中给出确定圆弧起点坐标的横向步数和纵向步数。并且给出步数表示的计数长度，偏差计算为负值时，走纵向电机步进支路，纵向步数递增，偏为正，走横向电机步进支路，横向步数，计数长度递减。4. 步进电机控制模块该模块功能是判
