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1 南 京 理 工 大 學 畢業(yè)設(shè)計說明書 論文 作 者 學 號 學院 系 專 業(yè) 題 目 普通機床數(shù)控化改造 CK6163 車床 指導者 姓 名 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 評閱者 姓 名 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 年 月 II 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 論 文 中 文 摘 要 隨著當今工業(yè)設(shè)備對精密程度的要求越來越高 加工設(shè)備的機械加工設(shè)備的加 工的精密程度也要求越來越高 而在中國的機械加工設(shè)備的車床中普通車床占了 很大比例 這已經(jīng)越來越制約著當今工業(yè)的發(fā)展 而數(shù)控機床由于價格昂貴 且 需要較高技術(shù)的加工工人 所以對機床進行自動化改造很是必要 本篇論文是在 對普通臥式車床的基礎(chǔ)上對其進行自動化改造 在搜索 查閱研究大量有關(guān)資料的基礎(chǔ)上 對機床自動化改造技術(shù)進行了深 入的研究和分析 并描述了機床控制系統(tǒng)的設(shè)計 整個改造過程主要對車床縱 橫向進給系統(tǒng)進行改造 選用自動轉(zhuǎn)位刀架 由脈沖發(fā)生器來加工所需要的螺紋 整個控制系統(tǒng)以 SPCE061A 型號的單片機為中心 通過編程對機床的驅(qū)動設(shè)備進行 控制以達到所需要的加工程度 關(guān)鍵詞 機床改造 自動化機床 控制系統(tǒng) III 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 論 文 外 文 摘 要 Title General CNC transformation Abstract With the development of industry equipment the precision required of industry equipment is more and more high The more and more precision of equipment which machined the industry equipment is required But in China the common lathe have a very great comparison in the machined equipment this already restrict the development of industrial nowadays But the CN lathe is more expensive and needed workers with higher technically So it is a necessity very much to modify the common lathe to lathes automatic This paper is in the foundation of the commonness horizontal lather and modified it to Lathes automatic The author has performed the further research and for the lathes automatic modification on the basis of the constant consultation of abundant relative documents which focuses on describing the design of control of the machine The main to modify the lathe is to modify the portrait horizontal enter to the system in the Whole modification process and choose the automatic knife rest and be processed the thread need by pulser The whole control system with the CPU of SPCE061A is to control the machine for center through a plait distance drive tool machine an equipments to carry on control to attain need of process degree Keywords Machinery Tool Reform Lathes automatic Servo system IV 目 錄 目 錄 IV 第 1 章 緒論 1 1 1 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 1 1 1 1 數(shù)控機床與發(fā)展趨勢 1 1 1 2 數(shù)控技術(shù) 2 1 1 3 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 4 1 1 4 數(shù)控技術(shù)在機械工業(yè)中的進展 6 1 2 數(shù)控改造的必要性 7 1 2 1 機床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場 7 1 2 2 機床數(shù)控化改造的必要性 8 1 3 數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點 9 1 4 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略見解 10 1 4 1 形勢考慮 10 1 5 2 發(fā)展策略 11 1 5 本文的選題及主要研究內(nèi)容 11 1 5 1 本文的選題 11 1 5 2 主要研究內(nèi)容 12 第 2 章 普通車床數(shù)控改造的設(shè)計步驟 13 2 1 車床的數(shù)控改造概述 13 2 1 1 數(shù)控機床工作原理及組成 13 2 1 2 設(shè)計內(nèi)容及任務(wù) 13 2 1 3 數(shù)控部分的設(shè)計改造 14 2 1 4 機械改造部分的設(shè)計 15 2 2 可行性論證 15 第 3 章 數(shù)控改造方案確定 16 3 1 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 16 3 2 計算機系統(tǒng) 16 V 3 3 機械傳動方式 16 3 4 運動方式的確定 16 3 5 系統(tǒng)的選擇 16 3 6 機構(gòu)傳動方式的確定 16 3 7 微機的選擇 17 3 8 總體方案框圖 17 第 4 章 機械部分改造設(shè)計與計算 含電機計算與選擇 18 4 1 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核實例 18 4 1 1 計算切削力 18 4 1 2 滾珠絲桿螺母副的設(shè)計 計算與選型 18 4 1 3 齒輪傳動比計算 22 4 1 4 橫向直流伺服電機的計算 校核和選型 22 5 2 縱向進給伺服系機械部分計算與校核 28 5 2 1 計算切削力 28 5 2 2 絲桿螺母副的計算和造型 29 5 2 3 齒輪傳動比計算 32 5 2 4 直流伺服電機的計算和選型 33 第 5 章 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 38 5 1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 38 5 2 單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計 40 5 3 車床數(shù)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計 42 5 3 1 直線插補程序設(shè)計 42 5 3 2 圓弧插補程序的設(shè)計 45 總結(jié)與展望 51 參考文獻 52 致 謝 53 普通機床數(shù)控化改造 1 第 1 章 緒論 1 1 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 1 1 1 數(shù)控機床與發(fā)展趨勢 1 數(shù)控機床 1946 年誕生了世界上第一臺電子計算機 這表明人類創(chuàng)造了可增 強和部分代替腦力勞動的工具 它與人類在農(nóng)業(yè) 工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體 力勞動的工具相比 起了質(zhì)的飛躍 為人類進入信息社會奠定了基礎(chǔ) 6 年后 即在 1952 年 計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上 在美國誕生了第一臺數(shù)控機 床 從此 傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化 近半個世紀以來 數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和 六代的發(fā)展 數(shù)控 NC 階段 1952 1970 年 早期計算機的運算速度低 對當時的科學計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大 但不能適 應(yīng)機床實時控制的要求 人們不得不采用數(shù)字邏輯電路 搭 成一臺機床專用計算機作 為數(shù)控系統(tǒng) 被稱為硬件連接數(shù)控 HARD WIRED NC 簡稱為數(shù)控 NC 隨著元 器件的發(fā)展 這個階段歷經(jīng)了三代 即 1952 年的第一代 電子管 1959 年的第二代 晶體管 1965 年的第三代 小規(guī)模集成電路 計算機數(shù)控 CNC 階段 1970 年 現(xiàn)在 到 1970 年 通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn) 于是將它移植過來作為數(shù)控系 統(tǒng)的核心部件 從此進入了計算機數(shù)控 CNC 階段 把計算機前面應(yīng)有的 通用 兩 個字省略了 到 1971 年 美國 INTEL 公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的 部件 運算器和控制器 采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上 稱之為微處理器 MICROPROCESSOR 又可稱為中央處理單元 簡稱 CPU 到 1974 年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng) 這是因為小型計算機功能太強 控制一臺 機床能力有富裕 故當時曾用于控制多臺機床 稱之為群控 不如采用微處理器經(jīng)濟 合理 而且當時的小型機可靠性也不理想 早期的微處理器速度和功能雖還不夠高 但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決 由于微處理器是通用計算機的核心部件 故仍稱為 計算機數(shù)控 到了 1990 年 PC 機 個人計算機 國內(nèi)習慣稱微機 的性能已發(fā)展到很高的階 普通機床數(shù)控化改造 2 段 可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求 數(shù)控系統(tǒng)從此進入了基于 PC 的階段 總之 計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代 即 1970 年的第四代 小型計算機 1974 年 的第五代 微處理器和 1990 年的第六代 基于 PC 國外稱為 PC BASED 還要指出的是 雖然國外早已改稱為計算機數(shù)控 即 CNC 了 而我國仍習慣稱 數(shù)控 NC 所以我們?nèi)粘Ｖv的 數(shù)控 實質(zhì)上已是指 計算機數(shù)控 了 1 1 2 數(shù)控技術(shù) 隨著計算機 微電子 信息 自動控制 精密檢測及機械制造技術(shù)的高速發(fā)展 機床數(shù)控技術(shù)有了長足的進步 近幾年一些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 如刀具及新材料的發(fā)展 主軸伺服和進給伺服 超高速切削等技術(shù)的發(fā)展 以及對機械產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越 高等 加速了數(shù)控機床的發(fā)展 目前數(shù)控機床正朝著高速度 高精度 高工序集中度 高復合化和高可靠性等方向發(fā)展 世界數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾 個方面 高速高效高精度 高生產(chǎn)率 由于數(shù)控裝置及伺服系統(tǒng)功能的改進 主軸轉(zhuǎn)速和進給速度大大提高 減少了切削時間和非切削時間 加工中心的進給速度已達到 80m min 120m min 進 給加速度達 9 8m s2 19 6m s2 換刀時間小于 1s 高加工精度 以前汽車零件精度的 數(shù)量級通常為 10 m 對精密零件要求為 1 m 隨著精密產(chǎn)品的出現(xiàn) 對精度要求提 高到 0 1 m 有些零件甚至已達到 0 01 m 高精密零件要求提高機床加工精度 包括 采用溫度補償?shù)?微機電加工 其加工零件尺寸大小一般在 1mm 以下 表面粗糙度 為納米數(shù)量級 要求數(shù)控系統(tǒng)能直接控制納米機床 柔性化 柔性化包括兩個方面的柔性 一是數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性 數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè) 計 功能覆蓋面大 便于不同用戶的需求 二是 DNC 系統(tǒng)的柔性 同一 DNC 系統(tǒng)能 夠依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求 使物料流和信息流自動進行動態(tài)調(diào)整 從而最大限度地 發(fā)揮 DNC 系統(tǒng)的效能 工藝復合化和多軸化 數(shù)控機床的工藝復合化 是指工件在一臺機床上裝夾后 通過自動換刀 旋轉(zhuǎn)主 軸頭或旋轉(zhuǎn)工作臺等各種措施 完成多工序 多表面的復合加工 已經(jīng)出現(xiàn)了集鉆 鏜 銑功能于一身的數(shù)控機床 可完成鉆 鏜 銑 擴孔 鉸孔 攻螺紋等多工序的 普通機床數(shù)控化改造 3 復合數(shù)控加工中心 以及車削加工中心 鉆削 磨削加工中心 電火花加工中心等 此外數(shù)控技術(shù)的進步也提供了多軸控制和多軸聯(lián)動控制功能 實時智能化 早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境 其作用是如何調(diào)度任務(wù) 以確保 任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成 而人工智能 則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為 科學發(fā)展到今天 實時系統(tǒng)與人工智能已實現(xiàn)相互結(jié)合 人工智能正向著具有實時響 應(yīng)的更加復雜的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展 由此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域 在數(shù)控技術(shù) 領(lǐng)域 實時智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個主要分支發(fā)展 如自適應(yīng)控制 模糊控 制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 專家控制 學習控制 前饋控制等 例如 在數(shù)控系統(tǒng)中配置編 程專家系統(tǒng) 故障診斷專家系統(tǒng) 參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理及補償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié) 系統(tǒng) 在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能 動態(tài)前饋功能 在 壓力 溫度 位置 速度控制等方面采用模糊控制 使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高 從而達到最佳控制的目的 結(jié)構(gòu)新型化 20 世紀 90 年代一種完全不同于原來數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的新型數(shù)控機床被開發(fā)成功 這種新型數(shù)控機床被稱為 6 條腿 的加工中心或稱虛擬軸機床 有的還稱為并聯(lián)機床 它能在沒有任何導軌和滑臺的情況下 采用能夠伸縮的 6 條腿 伺服軸 支撐并聯(lián) 并與安裝主軸頭的上平臺和安裝工件的下平臺相連 它可實現(xiàn)多坐標聯(lián)動加工 其控 制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜 加工精度 加工效率較普通加工中心高 2 10 倍 這種數(shù)控機床的 出現(xiàn)將給數(shù)控機床技術(shù)帶來重大變革和創(chuàng)新 編程技術(shù)自動化 隨著數(shù)控加工技術(shù)的迅速發(fā)展 設(shè)備類型的增多 零件品種的增加以及零件形狀 的日益復雜 迫切需要速度快 精度高的編程 以便于對加工過程的直觀檢查 為彌 補手工編程和 NC 語言編程的不足 近年來開發(fā)出多種自動編程系統(tǒng) 如圖形交互式 編程系統(tǒng) 數(shù)字化自動編程系統(tǒng) 會話式自動編程系統(tǒng) 語音數(shù)控編程系統(tǒng)等 其中 圖形交互式編程系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛 圖形交互式編程系統(tǒng)是以計算機輔助設(shè)計 CAD 軟件為基礎(chǔ) 首先形成零件的圖形文件 然后再調(diào)用數(shù)控編程模塊 自動編制加 工程序 同時可動態(tài)顯示刀具的加工軌跡 其特點是速度快 精度高 直觀性好 使 用簡便 已成為國內(nèi)外先進的 CAD CAM 軟件所采用的數(shù)控編程方法 目前常用的圖 普通機床數(shù)控化改造 4 形交互式軟件有 Master CAM Cimatron Pro E UG CAXA Solid Works CATIA 等 集成化 數(shù)控系統(tǒng)采用高度集成化芯片 可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟 硬件運行速度 應(yīng)用平板顯示技術(shù)可提高顯示器性能 平板顯示器 FPD 具有科技含量高 質(zhì)量小 體 積小 功耗低 便于攜帶等優(yōu)點 可實現(xiàn)超大規(guī)模顯示 成為與 CRT 顯示器抗衡的新 興顯示器 是 21 世紀顯示器主流 它應(yīng)用先進封裝和互連技術(shù) 將半導體和表面安裝 技術(shù)融于一體 通過提高集成電路密度 減小互連長度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價格 改進性 能 減小組件尺寸 提高系統(tǒng)的可靠性 開放式閉環(huán)控制模式 采用通用計算機組成的總線式 模塊化 開放 嵌入式體系結(jié)構(gòu) 便于裁減 擴 展和升級 可組成不同檔次 不同類型 不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng) 閉環(huán)控制模式是 針對傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型封閉式開環(huán)控制模式提出的 由于制造過程是一個有 多變量控制和加工工藝綜合作用的復雜過程 包括諸如加工尺寸 形狀 振動 噪聲 溫度和熱變形等各種變化因素 因此 要實現(xiàn)加工過程的多目標優(yōu)化 必須采用多變 量的閉環(huán)控制 在實時加工過程中動態(tài)調(diào)整加工過程變量 在加工過程中采用開放式 通用型實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式 易于將計算機實時智能技術(shù) 多媒體技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技 術(shù) CAD CAM 伺服控制 自適應(yīng)控制 動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償 動態(tài)仿真等 高新技術(shù)融于一體 構(gòu)成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系 從而實現(xiàn)集成化 智能化 網(wǎng)絡(luò)化 1 1 3 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 1 數(shù)控技術(shù)裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn) 代化程度 數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè) 如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 航空 航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè) 的使能技術(shù)和最基本的裝備 馬克思 曾經(jīng)說過 各種經(jīng)濟時代的區(qū)別 不在于生產(chǎn)什么 而在于怎樣生產(chǎn) 用什么勞動資 料生產(chǎn) 制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料 而數(shù)控技術(shù)又是當 今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù) 當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù) 以提 高制造能力和水平 提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力 此外世界上各工業(yè) 發(fā)達國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資 不僅采取重大措施來發(fā)展自 普通機床數(shù)控化改造 5 己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè) 而且在 高精尖 數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖 和限制政策 總之 大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達國 家加速經(jīng)濟發(fā)展 提高綜合國力和國家地位的重要途徑 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù) 數(shù)控裝備是以數(shù) 控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品 即所謂的數(shù)字化裝備 其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域 1 機械制造技術(shù) 2 信息處理 加工 傳輸技術(shù) 3 自動控制技術(shù) 4 伺服驅(qū)動技術(shù) 5 傳感器技術(shù) 6 軟件技術(shù)等 2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 使制造業(yè)成為工業(yè)化的 象征 而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大 他對國計民生的一些重要行 業(yè) IT 汽車 輕工 醫(yī)療等 的發(fā)展起著越來越重要的作用 因為這些行業(yè)所需裝備的 數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢 從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看 其 主要研究熱點有以下幾個方面 高速 高精加工技術(shù)是裝備的新趨勢 效率 質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體 高速 高精加工技術(shù)可極大地提高效率 提 高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力 為此日本先端技術(shù)研究會 將其列為 5 大現(xiàn)代制造技術(shù)之一 國際生產(chǎn)工程學會 CIRP 將其確定 21 世紀的中心研 究方向之一 在轎車工業(yè)領(lǐng)域 年產(chǎn) 30 萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是 40 秒 輛 而且多品種加工是轎車裝 備必須解決的重點問題之一 在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域 其加工的零部件多為薄壁和薄筋 剛度很差 材料為鋁或鋁合金 只有在高切削速度和切削力很小的情況下 才能對這 些筋 壁進行加工 近來采用大型整體鋁合金坯料 掏空 的方法來制造機翼 機身 等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘 螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝 使構(gòu)件的強 度 剛度和可靠性得到提高 這些都對加工裝備提出了高速 高精和高柔性的要求 目前高速加工中心進給速度可達 80m min 甚至更高 空運行速度可達 100m min 左右 目前世界上許多汽車廠 包括我國的上海通用汽車公司 己經(jīng)采用以高速加工 中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床 美國 CINCINNAT 工公司的 HyperMach 機床進 給速度最大達 60m min 快速為 100m min 加速度達 2g 主軸轉(zhuǎn)速已達 60000r min 加工一薄壁飛機零件 只用 30min 而同樣的零件在一般高速銑床加工需 3h 在普通 普通機床數(shù)控化改造 6 銑床加工需 8h 德國 DMG 公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達 12000r mm 在加工精度方面 近 10 年來 普通級數(shù)控機床的加工精度已由 l0um 提高到 5 m 精密級加工中心則從 3 5um 提高到 1 一 1 5 m 并且超精密加工精度已開始進入 納米級 在可靠性方面 國外數(shù)控裝置的 MTBF 值己達 6000h 以上 伺服系統(tǒng)的 MTBF 值 達到 30000h 以上 表現(xiàn)出非常高的可靠性 為了實現(xiàn)高速 高精加工 與之配套的功 能部件如電主軸 直線電機得到 了快速的發(fā)展 應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大 智能化 開放式 網(wǎng)絡(luò)化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21 世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) 智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中 的各個方面 為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 如加工過程的自適應(yīng)控制 工 藝參數(shù)自動生成 為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化 如前饋控制 電機參數(shù)的 自適應(yīng)運算 自動識別負載自動選定模型 自整定等 簡化編程 簡化操作方面的智能 化 如智能化的自動編程 智能化的人機界面等 還有智能診斷 智能監(jiān)控方面的內(nèi)容 方便系統(tǒng)的診斷及維修等 數(shù)控設(shè)備更注重安全性 操作性 數(shù)控設(shè)備是集機電一體化的產(chǎn)品 由于其自動化程度高 所以對其安全性和可操 作性有了更高的要求 1 1 4 數(shù)控技術(shù)在機械工業(yè)中的進展 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升 在大中企業(yè)已有較多 的使用 在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用 2001 年國內(nèi)數(shù)控金切機床產(chǎn)量已達 1 8 萬臺 比上年增長 28 5 機床行業(yè)產(chǎn)值 數(shù)控化率從 2000 年的 17 4 提高到 2001 年的 22 7 2001 年 我國機床工業(yè)產(chǎn)值己進入世界第 5 名 機床消費額在世界 排名上升到第 3 位 達 47 39 億美元 僅次于美國的 53 67 億美元 消費 額比上一年增長 25 但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求 使我國機床的 進口額呈逐年上升態(tài)勢 2001 年進口機床躍升至世界第 2 位 達 24 06 億美元 比上 年增長 27 近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床 數(shù)控磨床 數(shù)控特種加工機 普通機床數(shù)控化改造 7 床 數(shù)控剪板機 數(shù)控成形折彎機 數(shù)控壓鑄機等 普通機床有鉆床 鋸床 插床 拉床 組合機床 液壓壓力機 木工機床等 出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主 1 2 數(shù)控改造的必要性 1 2 1 機床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場 1 機床數(shù)控化改造的市場 我國目前機床總量 380 余萬臺 而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11 34 萬臺 即我國機床數(shù) 控化率不到 3 近 10 年來 我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為 0 6 0 8 萬臺 年產(chǎn)值約為 18 億元 機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6 我國機床役齡 10 年以上的占 60 以上 10 年以 下的機床中 自動 半自動機床不到 20 FMC FMS 等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù) 美 國和日本自動和半自動機床占 60 以上 可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn) 加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床 而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床 用這種裝 備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差 品種少 檔次低 成本高 供貨期長 從而在國 際 國內(nèi)市場上缺乏競爭力 直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品 市場 效益 影響企業(yè)的生 存和發(fā)展 所以必須大力提高機床的數(shù)控化率 2 進口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 我國自改革開放以來 很多企業(yè)從國外引進技術(shù) 設(shè)備和生產(chǎn)線進行技術(shù)改造 據(jù)不完全統(tǒng)計 從 1979 1988 年 10 年間 全國引進技術(shù)改造項目就有 18446 項 大 約 165 8 億美元 這些項目中 大部分項目為我國的經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用 但是有的引進項 目由于種種原因 設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn) 甚至癱瘓 使企業(yè)的效益受到影響 嚴重的使企業(yè)陷入困境 一些設(shè)備 生產(chǎn)線從國外引進以后 有的消化吸收不好 備 件不全 維護不當 結(jié)果運轉(zhuǎn)不良 有的引進時只注意引進設(shè)備 儀器 生產(chǎn)線 忽 視軟件 工藝 管理等 造成項目不完整 設(shè)備潛力不能發(fā)揮 有的甚至不能啟動運 行 沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用 有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好 但是因為設(shè)備故障不能達產(chǎn) 達標 有的因為能耗高 產(chǎn)品合格率低而造成虧損 有的已引進較長時間 需要進行 技術(shù)更新 種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財富 反而消耗著財富 這些不能使用的設(shè)備 生產(chǎn)線是個包袱 也是一批很大的存量資產(chǎn) 修好了就是財 富 只要找出主要的技術(shù)難點 解決關(guān)鍵技術(shù)問題 就可以最小的投資盤活最大的存 普通機床數(shù)控化改造 8 量資產(chǎn) 爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益 這也是一個極大的改造市場 1 2 2 機床數(shù)控化改造的必要性 1 微觀看改造的必要性 從微觀上看 數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性 而且這些優(yōu)越性均來自 數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線 曲面等復雜的零件 由于計算機有高超的運算能力 可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應(yīng)該運動 的運動量 因此可以復合成復雜的曲線或曲面 可以實現(xiàn)加工的自動化 而且是柔性自動化 從而效率可比傳統(tǒng)機床提高 3 7 倍 由于計算機有記憶和存儲能力 可以將輸入的程序記住和存儲下來 然后按程序 規(guī)定的順序自動去執(zhí)行 從而實現(xiàn)自動化 數(shù)控機床只要更換一個程序 就可實現(xiàn)另 一工件加工的自動化 從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化 故被稱為實現(xiàn)了 柔性自動 化 加工零件的精度高 尺寸分散度小 使裝配容易 不再需要 修配 可實現(xiàn)多工序的集中 減少零件 在機床間的頻繁搬運 擁有自動報警 自動監(jiān)控 自動補償?shù)榷喾N自律功能 因而可實現(xiàn)長時間無人看 管加工 由以上五條派生的好處 如 降低了工人的勞動強度 節(jié)省了勞動力 一個人可以看管多臺機床 減少了 工裝 縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期 可對市場需求作出快速反應(yīng)等等 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的 是一個極為重大的突破 此外 機床數(shù)控化 還是推行 FMC 柔性制造單元 FMS 柔性制造系統(tǒng) 以及 CIMS 計算機集成制造 系統(tǒng) 等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ) 數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ) 技術(shù) 2 宏觀看改造的必要性 從宏觀上看 工業(yè)發(fā)達國家的軍 民機械工業(yè) 在 70 年代末 80 年代初已開始 大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床 其本質(zhì)是 采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) 包括軍 民機械工業(yè) 進行技術(shù)改造 除在制造過程中采用數(shù)控機床 FMC FMS 外 還包括在產(chǎn)品開發(fā)中 普通機床數(shù)控化改造 9 推行 CAD CAE CAM 虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MIS 管理信息系統(tǒng) CIMS 等等 以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù) 包括人工智能等的含量 由于采用 信息技術(shù)對國外軍 民機械工業(yè)進行深入改造 稱之為信息化 最終使得他們的產(chǎn)品 在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強 而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比 發(fā)達國家約落后 20 年 如我國機床擁有量中 數(shù)控機床的比重 數(shù)控化率 到 1995 年只有 1 9 而日本在 1994 年已達 20 8 因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口 這也 就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性 1 3 數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點 1 國外改造業(yè)的興起 在美國 日本和德國等發(fā)達國家 它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè) 生意 盎然 正處在黃金時代 由于機床以及技術(shù)的不斷進步 機床改造是個 永恒 的課題 我國的機床改造業(yè) 也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè) 在美國 日本 德國 用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場 已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改 造的新的行業(yè) 在美國 機床改造業(yè)稱為機床再生 Remanufacturing 業(yè) 從事再生 業(yè)的著名公司有 Bertsche 工程公司 ayton 機床公司 Devlieg Bullavd 得寶 服務(wù) 集團 US 設(shè)備公司等 美國得寶公司已在中國開辦公司 在日本 機床改造業(yè)稱為機 床改裝 Retrofitting 業(yè) 從事改裝業(yè)的著名公司有 大隈工程集團 崗三機械公司 千代田工機公司 野崎工程公司 濱田工程公司 山本工程公司等 2 數(shù)控化改造的內(nèi)容 機床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點 其一是恢復原功能 對機床 生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復 其二是 NC 化 在普通機床上加數(shù)顯裝置 或加數(shù)控系統(tǒng) 改造成 NC 機床 CNC 機床 其三是翻新 為提高精度 效率和自動化程度 對機械 電氣部分進行翻新 對 機械部分重新裝配加工 恢復原精度 對其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以最新 CNC 進行更新 其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新 為提高性能或檔次 或為了使用新工藝 新技術(shù) 在原有基礎(chǔ)上進行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新 較大幅度地提高水平和檔次的更 新改造 普通機床數(shù)控化改造 10 3 數(shù)控改造中主要機械部件改裝探討 一臺新的數(shù)控機床 在設(shè)計上要達到 有高的靜動態(tài)剛度 運動副之間的摩擦系 數(shù)小 傳動無間隙 功率大 便于操作和維修 機床數(shù)控改造時應(yīng)盡量達到上述要求 不能認為將數(shù)控裝置與普通機床連接在一起就達到了數(shù)控機床的要求 還應(yīng)對主要部 件進行相應(yīng)的改造使其達到一定的設(shè)計要求 才能獲得預(yù)期的改造目的 滑動導軌副 對數(shù)控車床來說 導軌除應(yīng)具有普通車床導向精度和工藝性外 還要有良好的耐 摩擦 磨損特性 并減少因摩擦阻力而致死區(qū) 同時要有足夠的剛度 以減少導軌變 形對加工精度的影響 要有合理的導軌防護和潤滑 齒輪副 一般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中 為了保證傳動精度 數(shù)控機床上 使用的齒輪精度等級都比普通機床高 在結(jié)構(gòu)上要能達到無間隙傳動 因而改造時 機床主要齒輪必須滿足數(shù)控機床的要求 以保證機床加工精度 滑動絲杠與滾珠絲杠 絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度 絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖 動扭矩要求 被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠 但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況 如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙 一般情況滑動絲杠應(yīng)不低于 6 級 螺 母間隙過大則更換螺母 采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低 但難以滿足精度較高 的零件加工 滾珠絲杠摩擦損失小 效率高 其傳動效率可在 90 以上 精度高 壽命長 啟 動力矩和運動時力矩相接近 可以降低電機啟動力矩 因此可滿足較高精度零件加工 要求 安全防護 必須以安全為前提 在機床改造中要根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的措施 切不可忽視 滾珠絲杠副是精密元件 工作時要嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進入滾道 在縱向絲 杠上也可加整體鐵板防護罩 大拖板與滑動導軌接觸的兩端面要密封好 絕對防止硬 質(zhì)顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌 普通機床數(shù)控化改造 11 1 4 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略見解 1 4 1 形勢考慮 我國是制造大國 在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移 即要掌 握先進制造核心技術(shù) 否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中 我國制造業(yè)將進一步 空 芯 我們以資源 環(huán)境 市場為代價 交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國 際 加工中心 和 組裝中心 而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位 這樣將會嚴重 影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程 我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題 首先從社會安全看 因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè) 制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平 而 且還可緩解我國就業(yè)的壓力 保障社會的穩(wěn)定 其次從國防安全看 西方發(fā)達國家把高 精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì) 對我國實現(xiàn)禁運和限制 東芝事件 和 考克 斯報告 就是最好的例證 1 5 2 發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā) 以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導向 以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標 用系統(tǒng)的方法 選擇能夠 主導 21 世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù) 配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容 實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展 強調(diào)市場需求為導向 即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主 以整機 如量大面廣的數(shù)控車床 銑床 高速高精高性能數(shù)控機床 典型數(shù)字化機械 重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 帶動數(shù)控產(chǎn) 業(yè)的發(fā)展 重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機 高速電主軸系 統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題 沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品 沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品 當然 沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終 難以有出頭之日 在高精尖裝備研發(fā)方面 要強調(diào)產(chǎn) 學 研以及最終用戶的緊密結(jié)合 以 做得 出 用得上 賣得掉 為目標 按國家意志實施攻關(guān) 以解決國家之急需 在競爭前數(shù)控技術(shù)方面 強調(diào)創(chuàng)新 強調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn) 品 為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè) 裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ) 普通機床數(shù)控化改造 12 1 5 本文的選題及主要研究內(nèi)容 1 5 1 本文的選題 用普通臥式車床去加工有時一個人加工的東西都會誤差很大 這樣給所造設(shè)備帶 來很多的小問題 而如果要新買一臺新的數(shù)控車床 一是總體成本太高 因為性價比 不是太高 容易浪費資源 二是建材廠沒有工人精通數(shù)控車床 所以要培訓工人一定 又要花費很多時間影響生產(chǎn)進度 所以設(shè)想決定對其數(shù)控改造 改造的同時讓操作人員一直在旁邊學習 學習怎么 改裝 怎么安裝 并講解如何使用 把所要加工的零件程序輸入到存儲器中 用到時直接調(diào)用即可 這樣一個人即可 操作兩臺機床 而且效率提高了好大 精度也會提高很高 會為廠帶來很大經(jīng)濟利益 1 5 2 主要研究內(nèi)容 1 車床數(shù)控化改造總體機械部件設(shè)計 2 進給系統(tǒng)的設(shè)計和選用 包括了進給滾珠絲杠的設(shè)計與選用 消隙減速齒輪系 的設(shè)計計算與校核 進給用直流伺服電機的選擇與校核 普通機床數(shù)控化改造 13 第 2 章 普通車床數(shù)控改造的設(shè)計步驟 對于普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造 在考慮總體設(shè)計方案時 應(yīng)遵循的原則是 在 滿足設(shè)計要求的前提下 對機床的改動應(yīng)盡可能的少 以降低成本 2 1 車床的數(shù)控改造概述 2 1 1 數(shù)控機床工作原理及組成 1 數(shù)控機床工作原理 數(shù)控機床加工零件時 首先應(yīng)編制零件的加工程序 這是數(shù)控機床的工作指令 將加工程序輸入到數(shù)控裝置 再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變化 起停 進給運動 的方向 速度和位移量以及其它如刀具選擇交換 工件夾緊松開和冷卻潤滑的開 關(guān) 等動作 使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格的按照加工程序規(guī)定的順序 軌跡和參數(shù) 進行工作 從而加工出符合要求的零件 2 數(shù)控機床的組成 數(shù)控機床主要由控制介質(zhì) 數(shù)控裝置 伺服系統(tǒng)和機床本體等四部分組成 其組 成框圖如圖 2 1 數(shù) 控 裝 置控 制 介 質(zhì) 測 量 裝 置伺 服 系 統(tǒng) 機 床 普通機床數(shù)控化改造 14 圖 2 1 數(shù)控機床的組成圖 2 1 2 設(shè)計內(nèi)容及任務(wù) 普通車床的數(shù)控改造設(shè)計內(nèi)容包括 總體方案的確定和驗證 機械改造部分的設(shè) 計計算 包括縱向 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 主運動自動變速原理及改造后的機 床傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計 機床調(diào)速電動機控制電路的設(shè)計 本設(shè)計任務(wù)是對臥式車床進行數(shù)控化改造 實現(xiàn)微機對車床的數(shù)控化控制 利用 微機對車床的縱向 橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)字控制 并要達到縱向最小運動單位為 0 01 脈沖 橫向最小運動單位 0 005 脈沖 主運動要實現(xiàn)自動變速 刀架要改造成mm 自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架 要能自動的切削螺紋 2 1 3 數(shù)控部分的設(shè)計改造 1 數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按其運動軌跡可分為 點位控制系統(tǒng) 連續(xù)控制系統(tǒng) 點位控制系統(tǒng)只要 求控制刀具從一點移到另外一點的位置 而對于運動軌跡原則上不加控制 連續(xù)控制 系統(tǒng)能對兩個或兩個以上坐標方向的位移進行嚴格的不間斷的控制 由于車床要加工 復雜輪廓零件 所以本微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng) 2 伺服進給系統(tǒng)的設(shè)計改造 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺 服系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)控制方案的優(yōu)點是可以達到高的機床精度 能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差 消除間隙 干擾對加工精度的影響 但他結(jié)構(gòu)復雜 技術(shù)難度大 調(diào)式和維修困難 造價高 半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調(diào)速范圍寬 過載能力強 又采用反饋控制 因此性能遠優(yōu)于 以直流伺服電動機驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng) 但是 采用半閉環(huán)控制其調(diào)式比開環(huán)要復雜 設(shè)計上也要有其自身的特點 技術(shù)難度較大 開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有位置控制器及反饋線路 因此開環(huán)系統(tǒng)的精度較差 但其結(jié)構(gòu) 簡單 易于調(diào)整 所以常用于精度要求不高的場合 經(jīng)過上序比較 由于所改造的車床的目標加工精度要求不高 所以決定采用開環(huán)控 制系統(tǒng) 普通機床數(shù)控化改造 15 3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成 硬件是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ) 性能的好壞直 接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能 數(shù)控裝置的設(shè)計方案通常有 a 可以全部自己設(shè)計制作 a 可以采用單板機或 STD 模塊或工控機改制 b 可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應(yīng)化改動 跟據(jù)本次設(shè)計的要求采用第一種設(shè)計方案 2 1 4 機械改造部分的設(shè)計 1 主傳動部分的改造設(shè)計 將原機床的主軸電動機換成變頻調(diào)速電動機 無級調(diào)速部分由變頻器控制 將原 機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構(gòu) 改造后使其主運動和進 給運動分離 主軸電動機的作用只是帶動主軸旋轉(zhuǎn) 2 進給機構(gòu)的改造 將原機床的掛輪機構(gòu) 進給箱 溜板箱 滑動絲杠 光杠等全部拆除 縱向 橫向 進給以直流伺服電動機作為驅(qū)動元件經(jīng)一級齒輪減速后 由滾珠絲杠傳動 2 2 可行性論證 根據(jù) 自動化制造系統(tǒng) 可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進行的 技術(shù)和經(jīng)濟性分析報告 是上級主管部門審定和批準立項的基本依據(jù) 同樣 在進行 普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造之前進行合理的 科學的可行性論證是必要的 根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法 普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個 方面進行 即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析 企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標 改造的基礎(chǔ) 條件 目標 技術(shù)方案 投資概算 效益分析 改造后車床的實施計劃 結(jié)論等 由于本設(shè)計僅作為大學本科生的畢業(yè)設(shè)計 故在此 設(shè)計者僅對改造的投資概算 作一簡要的可行性論證 本改造設(shè)計是對普通車床進行經(jīng)濟型數(shù)控改造 在改造設(shè)計中 采用自己設(shè)置的 數(shù)控裝置 加上兩臺伺服電機 兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副 一臺 變頻調(diào)速電動機 四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副 這樣設(shè)備改造費用和舊 普通機床數(shù)控化改造 16 設(shè)備費用總計不會超過 8 萬元 因此 對普通車床作經(jīng)濟型數(shù)控改造適合我國國情 是國內(nèi)企業(yè)提高車床的自動化能力和精密程度的有效選擇 它具有一定的典型性和實 用性 第 3 章 數(shù)控改造方案確定 3 1 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應(yīng)具有定位 直線插補 順圓和逆圓插補 暫停 循環(huán)加工公英螺紋加工等功能 故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng) 考慮到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床 加工精度要求不高 為了簡化結(jié)構(gòu) 降低成本 采用直流伺服電機開環(huán)控制系統(tǒng) 3 2 計算機系統(tǒng) 根據(jù)機床要求 采用 16 位單片機 選擇市場上常用的 SPCE061A 單片機 由 SPCE061A 是繼 nSP Microcontroller and Signal Processor 系列產(chǎn)品 SPCE500A 等之后凌陽 點擊此處添加圖片說明科技推出的又一款 16 位結(jié)構(gòu)的微控制 器 與 SPCE500A 不同的是 在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便 于程序調(diào)試 等功能 SPCE061A 里只內(nèi)嵌 32K 字的閃存 FLASH 較高的處理速度 使 nSP 能夠非常容易地 快速地處理復雜的數(shù)字信號 因此 與 SPCE500A 相比 以 nSP 為核心的 SPCE061A 微控制器是適用于數(shù)字語音識別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種 最經(jīng)濟的選擇 控制系統(tǒng)由微機部分 鍵盤及顯示器 I O 接口及光隔離電路 直流伺 服電機功率放大電路等組成 系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn) 顯示器 采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息 3 3 機械傳動方式 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率 采用直流伺服電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿 為了保證 普通機床數(shù)控化改造 17 一定的傳動精度跟平穩(wěn)性 盡量減少摩擦力 選用滾珠絲桿螺母副 同時 為了提高 傳動剛度和消除間隙 采用有預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu) 齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié) 構(gòu) 3 4 運動方式的確定 數(shù)按系統(tǒng)運動方式可分為點位控制系統(tǒng) 點位 直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng) 由于車 床要加工復雜輪廓零件 所以本次設(shè)計采用連續(xù)控制系統(tǒng) 3 5 系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng) 半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng) 經(jīng)過比較 由于車 床加工精度要求不高 所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng) 3 6 機構(gòu)傳動方式的確定 為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性 在設(shè)計機械傳動裝置時 通常提出低 摩 低慣量 高剛度 無間隙 高諧振以及有適宜尼比的要求 在設(shè)計中應(yīng)考慮以下 幾點 1 盡量采用低磨擦的傳動和導向元件 如采用滾珠絲杠螺母傳動副 滾動導軌 貼塑導軌等 2 盡量消除傳動間隙 例如采用隙齒輪等 3 提高系統(tǒng)剛度 縮短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度 減小傳動鏈誤差 可采 用預(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度 例如采用預(yù)加負載導軌和滾珠絲杠副等 3 7 微機的選擇 微機數(shù)控系統(tǒng)由 CPU 存儲器擴展電路 I O 接口電路 伺服電機驅(qū)動電路 檢測 電路等幾部分組成 3 8 總體方案框圖 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率 采用電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿 為保證一定 的傳動精度和平穩(wěn)性 盡量減少摩擦力 選用滾珠絲桿螺母副 同時 為提高傳 動剛度和消除間隙 采用預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu) 齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結(jié) 構(gòu) 普通機床數(shù)控化改造 18 系統(tǒng)總體方案框圖如下 圖 3 1 總體方案框圖 第 4 章 機械部分改造設(shè)計與計算 含電機計算與選擇 4 1 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核實例 4 1 1 計算切削力 橫切端面 查 綜合作業(yè)指導書 P13 頁 5 1max670DFZ 式中 車床床身上加工最大直徑橫切端面時主切削力 可取縱切時 的max ZF Z21 NFZ 63 10594637 06 5 1max 2 94 yxz 式中 走刀方向的切削力 N F 垂直走刀方向的切削力 N y 普通機床數(shù)控化改造 19 NFx 46 10593 275 0 y 284 4 1 2 滾珠絲桿螺母副的設(shè)計 計算與選型 1 計算牽引力 橫向進給選為三角型或綜合導軌 參考 機床設(shè)計手冊 2 6 2 2 6 2 3 表 查閱 綜合作業(yè)指導書 P22 頁 GFfKzxm 式中 切削分力 y G 移動部件的重量 N 表 1 1 查得橫向溜板及刀架重力 500N 滑動導軌摩擦系數(shù) 隨導軌形式而不同 取 0 15 0 18 f f K 考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù) 取 K 1 15 NFfzxm 98 207531 297 046159 2 計算最大動負載 C 選用滾珠絲桿導軌 參考 機床設(shè)計手冊 3 P185 P210 查閱 綜合作業(yè)指導書 P22 頁 os mwLVnTfC1063 式中 L 壽命 以 轉(zhuǎn)為一單位610 n 絲桿轉(zhuǎn)速 r min 為最大切削條件下進給速度 可取最高進給速度的 1 2 1 3 sV 取 min 5 012 絲桿導程 mm 初選 6mmoLoL T 為使用壽命 h 對于數(shù)控機床取 15000h 運轉(zhuǎn)系數(shù) 查表 3 14 一般取 1 2 1 5wf min 3 865 010rLVnos 普通機床數(shù)控化改造 20 75103 86106 nTL NFfCmw 1 3698 2 753 3 螺母副的選型 查閱 綜合作業(yè)指導書 附表 2 可采用 WD3006 外循環(huán)墊片調(diào)整緊的雙螺母 滾珠絲桿副 1 列 2 5 圈 其額定動負載為 9700N 精度等級按表 3 17 選為 級 4 傳動效率計算 tan 式中 螺旋升角 WD3006 38 摩擦角取 滾動摩擦系數(shù) 0 003 0 004 01 971 0 38tanta 5 剛度驗算 橫向進給絲桿支承方式圖 所示 最大牽引力 2087 98N 支承間距 350mm 因 絲桿長度較短 不需預(yù)緊螺母及軸承預(yù)緊 圖 4 2 計算如下 a 絲桿的拉伸或壓縮變形量 mm 1 b 查閱 綜合作業(yè)指導書 圖 3 4 根據(jù) 2087 98N D 30mm 查出 mF 可算出 5108 L L 35108 23108 c 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量 普通機床數(shù)控化改造 21 查圖 3 5 得 系列 列 2 5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 Q mQ 5 4 因進行了預(yù)緊 212 d 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形 3 采用推力球軸承 5204 查閱 機床設(shè)計手冊 表 5 9 137 d 20mm 滾動體直徑 5 556mm 數(shù)量 Z 13Qd mZdFQmc 0573 156 98207 052 323 綜合以上幾項變形量之和 定位精度 8 7 28 3321 6 穩(wěn)定性校核 計算臨界負載 N kF 2LEIfzk 式中 E 材料彈性模量 2 cmN I 截面慣性矩 4 L 絲桿兩軸承端距離 cm 絲桿支承方式系數(shù) 從表 3 15 中查出 一端固定 一端簡支 為zf zf 2 00 124 78 641 cmdI NLEIfFzk 49 826350 226 一般 2 5 4 0 所以 nkF n 此滾珠絲桿不會產(chǎn)生失穩(wěn) 7 橫向滾珠絲桿副的幾何參數(shù) 見表 1 表 1 參數(shù)名稱 符號 關(guān)系式 WD3006 普通機床數(shù)控化改造 22 公稱直徑 od 30 導程 OL 6 接觸角 38 鋼球直徑 qd 3 175 滾道法面半 徑 R qdR52 0 1 651 偏心距 e sine 0 045 螺 紋 滾 道 螺紋升角 odL arct 38 外徑 d qod25 0 29 365 內(nèi)徑 1 Re1 26 788 螺 桿 接觸直徑 2 cs2qo 26 83 螺紋直徑 D d 34 112螺 母 內(nèi)徑 1 qod25 01 30 635 4 1 3 齒輪傳動比計算 已確定橫向脈沖當量 滾珠直徑導程 6mm setpmp05 OL 初選直流伺服電動機步距角 可計算傳動比 7i 4 65 036 obpLi 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因不使大齒輪直徑太大 以免影響到橫向溜板有行程 故此處 可采用兩級齒輪降速 32 0 45 181824323 ZZi 因進給運動齒輪受力不大 模數(shù) 取 2 有關(guān)參數(shù)參照表 2 表 2 傳動齒輪幾何參數(shù) 齒數(shù) Z 18 45 20 32 普通機床數(shù)控化改造 23 分度圓 d mz 36 90 40 64 齒頂圓 mda2 40 94 44 68 齒根圓 f 5 1 31 85 35 59 齒寬 6 10 m 20 中心距 21dA 63 52 4 1 4 橫向直流伺服電機的計算 校核和選型 1 初選直流伺服電機 a 計算直流伺服電機負載轉(zhuǎn)矩 mT 查閱 綜合作業(yè)指導書 P22 頁 bmpFT236 式中 脈沖當量 取 p setpp05 進給牽引力 N m 步距角 初選雙拍制為b 7 電機 絲桿傳動效率為齒輪 軸承 絲桿效率之積分別為 94 08 2 NFTbmpm 67 94 0 98 0752273636 b 估算直流伺服電機起動轉(zhuǎn)矩 qT 根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩 除以一定的安全系數(shù)來估算直流伺服電機起動轉(zhuǎn)矩 N cm m qT 5 03 qT 一般橫向進給伺服系統(tǒng)取 0 4 0 5 cmNmq 18694 7 c 計算最大靜轉(zhuǎn)矩 axjT 查表 3 22 如取五相十拍 則 951 0max jqT 普通機床數(shù)控化改造 24 cmNTqj 89175 069 max d 計算直流伺服電機運行頻率 和最高啟動頻率efkf pseVf 601 pkfmax 式中 最大切削進給速度 sV 最大快移速度max 脈沖當量 取p setpmp05 Hzfpse 7 16 601 Vfpk 3 5 max 根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩 在表 3 23 中查出 150BFG2815 最大靜轉(zhuǎn)矩為maxjT 245N cm 可以滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床有可能使用較大的切削用量 應(yīng)該選用稍大轉(zhuǎn)maxjT 矩的直流伺服電機 以留有一定余量 另一方面與國內(nèi)同類型機床進行類比的要求 決定采用 150BFG2915 但從 綜合作業(yè)指導書 P24 頁查出 直流伺服電機最高空載 啟動頻率為 4000Hz 滿足空載時 3335 23Hz 的要求 kf 2 校核直流伺服電機轉(zhuǎn)矩 前面所述初選直流伺服電機的轉(zhuǎn)矩計算 均為估算 初選后 應(yīng)該進行校核計算 a 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 計算簡圖見圖 2 根據(jù)表 3 24 經(jīng)二對齒輪降速時 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的 總轉(zhuǎn)動慣量 可由下式計算 cmkgJ 242321 oSLgGJZJZ 式中 齒輪 及其軸的轉(zhuǎn)動慣量321J 321 2cmk 齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量442cmkg 普通機床數(shù)控化改造 25 絲桿轉(zhuǎn)動慣量sJ 2cmkg 絲桿導程 cm OL G 工件及工作臺重量 N G 500 N b 齒輪 軸 絲桿等圓柱體慣量計算 表 3 24 所示圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式如下 對于鋼材 341078 LDJ 式中 M 圓柱體質(zhì)量 kg D 圓柱體直徑 cm L 圓柱體長度或原長 cm 鋼材的密度為 cmkg5108 7 243431 8 02 1078 cmkgLdJ 22 3519 243343 078 4 70251781 ckgLdJ 24343 6 1 mss 因此 242321 oSLgGJZJZJ 2 22267 5 0986 1975 0839 05 18 0cmkg 基本滿足慣量匹配的要求 c 電機轉(zhuǎn)矩計算 機床在不同的工況下 其所需轉(zhuǎn)矩不同 下面分別按各階段計算 快速空載起動轉(zhuǎn)矩 1 M 在快速空載起動階段 加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大 具體計算如下 ofa mx 普通機床數(shù)控化改造 26 式中 快速空載起動轉(zhuǎn)矩M cmN 空載起動時折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩max cmN 折算到