CA6132普通車床的數(shù)控技術(shù)改造

1、第一章 緒論亠4-數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢 -4 -第二章數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計 -8-一總體方案設計容 -8 -二總體方案確定-9 -第三章進給系統(tǒng)設計計算 -10 -一選擇脈沖當量-10 -二計算切削力-11 -三滾珠絲杠螺母副的計算和選型 -12-四齒輪進給齒輪箱傳動比計算 -18-五步進電機的計算和選型 -19-第四章微機數(shù)控系統(tǒng)的設計 -24 -一微機數(shù)控系統(tǒng)的設計綱要 -24 -一硬件電路設計 -24 -二軟件電路設計 -25 -二8031單片機及其擴展 -26 -一 8031 單片機的簡介 -26 -二8031 單片機的系統(tǒng)擴展 26-三存儲器擴展-28 -四 I/O 口 的擴展-

2、29 -三 步進電機驅(qū)動電路 -30 -一脈沖分配器（環(huán)行分配器） -31 -二光電隔離電路-31 -三 功率放大器-31-四其他輔助電路-32 -四 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設計 -33 -一 軟件脈沖分配器 -34-二逐點比較法插補程序 - 35 -三步進電機升降速軟件設計 -37 -第五章數(shù)控機床零件加工程序 -38-第六章 總結(jié)與展望-40 -當今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn) 狀，在此基礎(chǔ)上討論了在我國加入WTO和對外開放進一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性，并從戰(zhàn) 略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及

3、裝備的幾點看法。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

4、大 措施來發(fā)展自己的數(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?？傊?，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)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。關(guān)鍵詞：普通車床； 數(shù)控改造；伺服系統(tǒng)； 數(shù)控系統(tǒng)The tr

5、an sformatio n and desig n of the econo mic CNC latheABSTRACTThe survey found that most en terprises of chi na still have largeamounts general-purposemachine tools which have Iongevity of, lowprecisi on, can not adapt to mass producti on , low automatizati on andadaptability ,but can not be washed o

6、ut because of its low cost and con ti nuity of en terprises product ionPurchas ing new nu merically con trolled mach ines is an importa nt wayto improve product ion precisi on and efficie ncy, but it may not cometrue to manyen terprises because it cost much. En terprises equipme nt updat ing step ar

7、e coun teracted severly. So Gen eral lathesnu merically con trolledreforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprisescompetitive power. So itcan takes its place in our way to a powerful manu facturi ng coun try.The econo mical effici

8、e ncy of the reform and the applicati on of NCtech no logyin Gen eral purpose lathe CA6132s nu mericallycon trolledreforming is researched in this paper according to our practice of CA6132s nu merically con trolled reformi ng. And the reformi ng scheme and main points are formed. The main contents i

9、s:The econo mical efficie ncy of the reform is evaluated in detailand the rerorming scheme is makedaccording to misty optimums synthesize adjudicate prin ciple.The ball screws type, assembli ng, support ing,bearing type, and stepping motor of feeding system is designed.he import and domestic NC syst

10、ems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest accord ing to the function.Methods of installingand testing of general purpose lathesnu merically con trolled reformi ng were put forward.KEY WORDS: Ge neral purpose lathe; NC reform ; Servo sy

11、stem ; CNC system第一章緒論數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢數(shù)控技術(shù)的應用不但給傳統(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、意料等）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14 。1. 1高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢效率、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

12、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）將其確定為 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。從EMO2001展會情況來看，

13、高速加工中心進給速度可達 空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，已經(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。80m/min，甚至更高,包括我國的通用汽車公司，美國CINCINNATI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60 000r/min 。加工一薄壁飛機零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銃床加工需3h，在普通銃床加工需8h ;德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達 12*!000r/mm 和1g。在加工精度方面，近 5卩m精密級加工中心則從 始進入納米級（0.01卩

14、m）。35 1 m,提咼到11.5 1 m并且超精密加工精度已開10年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10m提高到在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6 OOOh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，應用領(lǐng)域進一步擴大。1.2 5軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銃刀進行高速銃削淬硬鋼零件 時，

15、5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復雜等原因，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了 5軸聯(lián)動機床的發(fā)展。當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化,其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復合加工機床(含在EMO2001展會上，新日本工機的 個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 實現(xiàn)，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。5面加工機床)的發(fā)展。5面加工機床采用復合主軸頭，可實現(xiàn)45面加工和 5軸加工可在同一臺機床上 德國DMG公司展出 DMUVoution

16、系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和 5軸聯(lián)動加工，可由CNC系統(tǒng)控制或 CAD/CAM直接或間接控制。1.3 智能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(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)控方面的容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和

17、數(shù)控應用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，如美國的NGC(The Next Gen erati onWork-Station/MachineControl)、歐共體的 OSACA(Open System Architecture forControl within AutomationSystems)、日本的 OSEC(Open System Environment forCon troller) ，中國的 ONC(Ope n Numerical Con trol System)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可

18、以在統(tǒng) 一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象(數(shù) 控功能)，形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng) 中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn) 品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)、通信規(guī)、配置規(guī)、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功 能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制 造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國外一些著名數(shù)控機床和數(shù) 控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出

19、了相關(guān)的新概念和樣機，如在EMO2001展中，日本山崎馬扎克（ Mazak）公司展出的CyberProductionCenter （智能生產(chǎn)控制中心，簡稱CPC）;日本大隈（Okuma）機床公司展出“ IT plaza ” （信息技術(shù)廣場，簡稱IT 廣場）;德國西門子（Siemens）公司展出的 Open ManufacturingEnvironment （開放制造環(huán)境，簡稱OME等，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢。1.4重視新技術(shù)標準、規(guī)的建立1.4.1 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設計開發(fā)規(guī)如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，

20、并進行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)（OMAG OSACA OSEC）的研究和制定，世界3個最大的經(jīng)濟體在短期進行了幾乎相同的科學計劃和規(guī)的制定，預示了數(shù)控技術(shù)的一個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)框架的研究和制定。1.4.2 關(guān)于數(shù)控標準數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標準，即采用G, M代碼描述如何（how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISO14649 （ STEP- NC），其目的是提供一種不

21、依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型， 從而實現(xiàn)整個制造過程，乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標準化。STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠的影響。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的NC程序可以分散STEP-NC數(shù)控系35 %）和加工時間（約STEP-NC 的 IMS 計劃20個制造理念中，NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下，在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡化發(fā)展的方向。其次， 統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75%）、加工程序編制時間（約50 %）。目前，歐美國家非常重視STEP-NC的

22、研究，歐洲發(fā)起了（1999.1.12001.12.31）。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學術(shù)機構(gòu)。美國的STEP Tools 公司是全球圍制造 業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模型（Super Model），其目標是用統(tǒng)一的規(guī)描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格 式已經(jīng)在配備了SIEMENS FIDIA以及歐洲 OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證。2 對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計我國數(shù)控技術(shù)起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展

23、階段。在此階段，由于國外的技術(shù)封鎖 和我國的基礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六 五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術(shù)，消化吸收，初步建立起國 產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際 環(huán)境的改善，我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究， 進入市場競爭階段。在此階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進步。在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機床的國市場占有率達50 %，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了 10 %?？傮w縱觀我國數(shù)控技術(shù)近50年

24、的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過 4個5年計劃的攻關(guān)，來看取得了以下成績。a. 奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)。我國現(xiàn)在已基本掌 握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、數(shù)控主機、專機及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù)，其中大部分 技術(shù)已具備進行商品化開發(fā)的基礎(chǔ)，部分技術(shù)已商品化、產(chǎn)業(yè)化。b. 初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。在攻關(guān)成果和部分技術(shù)商品化的基礎(chǔ)上，建立了 諸如華中數(shù)控、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠。電機廠、華中數(shù) 控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機生產(chǎn)廠以及北京第一機床廠、第一機床廠等若干數(shù)控 主機生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。c. 建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊伍。雖然

25、在數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足的進步，但我們也要清醒地 認識到，我國高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我 國的現(xiàn)實需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快，但橫向比（與 國外對比）不僅技術(shù)水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距，即一些高精尖的 數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴大趨勢。從國際上來看，對我國數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè) 化水平估計大致如下。a. 技術(shù)水平上，與國外先進水平大約落后1015年，在高精尖技術(shù)方面則更大。b. 產(chǎn)業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低；外觀質(zhì)量相對差；可靠性不高，商品

26、化程度 不足；國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應，用戶信心不足。c. 可持續(xù)發(fā)展的能力上，對競爭前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱；數(shù) 控技術(shù)應用領(lǐng)域拓展力度不強；相關(guān)標準規(guī)的研究、制定滯后。分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面。a. 認識方面。對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進程艱巨性、復雜性和長期性的特點認識不足； 對市場的不規(guī)、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計不足；對我國數(shù)控技術(shù)應用水 平及能力分析不夠。b. 體系方面。從技術(shù)的角度關(guān)注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候多，從系統(tǒng)的、產(chǎn)業(yè)鏈 的 角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候少；沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善 的培訓、服務網(wǎng)絡等支撐體系。c. 機制方面。不

27、良機制造成人才流失，又制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng) 新，且制約了規(guī)劃的有效實施，往往規(guī)劃理想，實施困難。d. 技術(shù)方面。企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強，核心技術(shù)的工程化能力不強。機床標準落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標準研究不夠。3對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考3.1 戰(zhàn)略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

28、造業(yè)的發(fā)展進程。我們應站在國家安全戰(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。3.2 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

29、研究開發(fā)的容，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、銃床、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。第二章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計一 總體方案設計容接到一個數(shù)控裝置的設計任務以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖， 才能決定各種設計參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設計。機床數(shù)控系統(tǒng)總體

30、方案的擬定包括以下容：系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等容。一般應根據(jù)設計任務和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。一、系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。控制方式的選擇系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)中， 沒有檢測反饋裝置， 數(shù) 控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的， 也正是由于信號的單向流程， 它對機床移動部件的 實際位置不做檢測， 所以機床加工精度要求不太高， 其精度主要取決于伺

31、服系統(tǒng)的性能。 開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。 這類機床工作比較穩(wěn)定， 反應迅速， 調(diào)試和維修都 比較簡單。二 總體方案確定（1）、系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控機床應具備定位，直線插補，順、逆圓弧插補，暫停，循 環(huán)加工， 公英制螺紋加工等功能， 故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。 考慮達到屬于經(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，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。（2）、數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高， 可靠性好， 功能強，速度快，抗干擾性強，具有很高的性能價格比等特點，決定采用MCS-51 系列的 8031 單片機擴展系統(tǒng)。

32、控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、 I/O 接口及光電隔離電路、步進電機功率放 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）、機械傳動方式為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(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)。系統(tǒng)總體方案框圖如下：DOA圖1系統(tǒng)總體方案框圖第三章進給系統(tǒng)設計計算選擇脈沖當量脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床、銃床常采用的脈沖當量是

33、0.010.005mm/step。根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量：縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step（半徑）B3-IFI一 二 mm尊Cv % I let ,曙于BL基牛嚴電出 厚Ji| 1 CJU I 1#*亠 F T 橫切端而縱車夕卜圓圖2縱切和橫切時切削力的示意圖1、縱車外圓主切削力Fz(N)按經(jīng)驗公式估計算：Fz = 0.67Dm：x=0.67 5001.5 7491.751 ( N按切削力各分力比例：F z : Fx : Fy=1 : 0.25 : 0.4F x 7491.751 0.25 1872.711 (N)Fy 7491.751 0.42996.33

34、5 (N)2、橫切端面主切削力Fz (N)可取縱切的1/2。1Fz 艮 3745.421 (N)2 sFx 3745.421 0.25 936.340 (N)Fy 3745.421 0.4 1498.165 (N)三滾珠絲杠螺母副的計算和選型(一) 縱向進給絲杠1、計算進給軸向力 Fm (N)縱向進給這里為三角形導軌：Fm kFxf (Fz G)式中K:指顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取 K=1.15 ；f :指滑動導軌摩擦系數(shù)取 0.150.18之間的值；G:指流板及刀架重力， G=1100N則 F m = 1.15 1872.7070.17(7490.816 1101)3614.052

35、(N)2、計算最大動負載 Q考慮滾珠絲杠在運轉(zhuǎn)過程中沖擊擾動對壽命的影響，則最大動負載Q的計算公式為：Q 3 LfwFmL 60 n T1061000vsnL0式中1-0 :指滾珠絲杠導程，初選1-0=8；n :指絲杠轉(zhuǎn)速，(r/min )；Vs:指最大切削力條件下的進給速度(m/min),可取最高進給速度的1/21/3，此處取vs=0.3 mm ；T :指使用壽命時間（h）,對于數(shù)控機床取 T=15000h.。L:指壽命，以10 6轉(zhuǎn)為一單位；fw :指運動系數(shù)，見表1，選fw=1.3。表1運轉(zhuǎn)系數(shù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)運轉(zhuǎn)系數(shù)無沖擊運轉(zhuǎn)1.01.2一般運轉(zhuǎn)1.21.5有沖擊運轉(zhuǎn)1.5-2.5嗨 1000

36、 06 O537.47( r/min)L060 n T10660 3747 1500033.761063 LfwFm3 33.76 1.3 3614.054 15183.1748(N)3、滾珠絲杠螺母副的選型C的滾珠絲杠副的2.5圈1列，其額定動負從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應的動負載尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型，選用時應滿足Q C的條件。查表：可采用 WJL5008外循環(huán)調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲杠副,載為23400N,符合Q C的條件。精度等級按表 2，選為1級。3V300p610 mm表2 滾珠絲杠行程公差項目符號有效行程Lu（mm精度等級12345目標行程公差eP31568121

37、62331540079131825400500810152027500630911162230行程變動量公差Vmp3156812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300 mm行程變動量V300p681216232弧度行程變 動量V p45678Jl圖3縱向進給系統(tǒng)計算簡圖計算如下:(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量1 (mr)Fm = 3614.054N,0=8mm,A3縱向號配團縱向AutoCAD 圖形X幽二著商裝配國jA.it craEDft F6*4r?.527 KB畢業(yè)設計開題抿備MiF0E*ft ffird 9 54 O畢

38、業(yè)設計:論文Microsoft Ward 91.01& ES需要圖紙請聯(lián)系QQi 1940527833有優(yōu)惠tgtg4 220.958 tg( ) tg(4 2210)5、剛度驗算橫向進給滾珠絲杠支承方式如圖4所示，最大軸向力為 2759N,支承間距L=550mm,因計算如下:(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量1 ( mm根據(jù) Fm 2759 N, D 0=25mm, E 20.6 104N/mm , R=2.064, e=0.056mm d1 D0 2e 2R 25 2 0.056 2 2.064 20.9832( mm) A (蟲)2?(20.984)2 3.14 345.8341(mm)2 2

39、(mm1L Fm L27595502.13 10L0EA 20.6 10345.833(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形2 ( mm對滾珠絲杠副施加預緊力F為軸向負載的1/3。由 db 3.969 mm, Fm 275.9 kgf承載滾珠數(shù)量Z Z圈數(shù)列數(shù)D。db圈數(shù)列數(shù)3.14 253.9692.5 149.462 =0.0013db?Fp?Z0.0013275.93 3.969 275.9/349.4623.72 10 3 ( mr)(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變3 (mn)這里采用有預緊時的推力球軸承則1.746Fm10 43 DwZ2Fp查機械設計手冊中表6-2-82，采用511

40、04型推力球軸承，其 d=20mm,滾動體直徑 DW =3.175 mm,滾動體數(shù)量 Z=14,31.746 10Fm43 DwZ2Fp1.746 1027595.8 103 3.1751422759/3(mm則定位誤差2.13 103V300p3333.72 105.8 106 10=0.03682 (mm)顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度（0.025mm），應該采取相應的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導軌來減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導軌f=0.030.05。重新計算如下:F m kFxf (Fz 2Fy G)1.4936.355 0.03(3745.

41、4142 1498.166 500)1528NQ 3 LfwFm 3 22.5 1.3 1527 5606 (N)由此可知：滾珠絲杠螺母副和軸承的型號可不改變。 此時的變形量為：1占LL0FmEA20.6152845501.17 10 2 ( mm10345.8332=0.0013Fm0.00133 db2?Fp?Z31.746 104Fm3 DwZ2Fp1.746152.83 3.969152.8/3 49.47“小 4152810 -.2.5110 3(mr)i定位誤差23V300 p1.17 10-22.51 10 33.913 3.175 142 1528/33.91 10 36 10

42、 3103 ( mm0.02412 （mm）0.025m m（規(guī)定定位精度6、穩(wěn)定性校核臨界負載Fk與工作負載 Fm之比稱為穩(wěn)定性系數(shù)nk，如果nkFkF nk1 m，則壓桿穩(wěn)定，nk為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般nk =2.54。2(N/mm)；J :指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J464d1（ d1為絲杠螺紋的底徑）；計算臨界負載Fk （N）： Fk一EJk k （ l）2I :絲杠兩支承端距離（mn）;:絲杠支承方式系數(shù)，見表3，這里2.00。表3滾珠絲杠支承方式系數(shù)方式一端固疋一端自由兩端簡支一端固疋一端簡支兩端固定0.251.002.004.00Fk2Ed14643.14220.7

43、 104 31420.9744卑155993N(2.00 551)2nkFk 155992Fm152810.47nk所以此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。（三）縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 其幾何參數(shù)見表:表4 W1L5008及W/L2506滾珠絲杠幾何參數(shù)名稱符號WL5008WL2506螺紋滾道公稱直徑D。5025導程L。86接觸角2 554 22鋼球直徑db4.7633.969滾道法面半徑RR 0.52db2.4772.064偏心距ee (R db/2)sin0.0680.螺紋升角arctgD02 554 22螺 桿絲杠外徑dd D0 (0.2 0.25)db48.524絲杠徑d1d1 D0 2e 2R

44、45.18220.984螺桿接觸直徑dzd z d1 db cos40.42417.025螺 母螺母螺紋直徑DD D0 2e 2R54.81829.016螺母徑D1D1D0 (0.2 0.25)db51.19025.992四齒輪進給齒輪箱傳動比計算1、縱向進給齒輪箱傳動比計算b 0.75，可計算出傳動比:i12bL0360 p0.75 8360 0.011.668在閉式軟齒面齒輪傳動中，齒輪的彎曲強度總是足夠的，因此齒數(shù)可取多些，推薦取Z=2440。所以可選定齒輪數(shù)為:i12Z240Z1242、橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量0.005，滾珠絲杠導程 L06mm，初選步進電機步距

45、360 p可選定齒輪數(shù)為:i124518因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2。有關(guān)參數(shù)參照表 5。角b 0.75，可計算出傳動比:i12b L0表5傳動齒輪幾何參數(shù)所處位置縱向橫向齒數(shù)24401845分度圓直徑d mz48803690齒頂圓直徑da d 2m52844094齒根圓直徑df d 2 1.25m43753185齒寬(610) m16161616中心距1A m(Z1 Z2)26463五步進電機的計算和選型（一） 縱向進給步進電機計算1、等效轉(zhuǎn)動慣量計算傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量J （kg ?cm2）可由下式計算:JM 山（J2 Js）詈 ）2式中Jm :指步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量

46、 （kg ?cm2）；Ji、J2:指齒輪 乙、Z2的轉(zhuǎn)動慣量（kg?cm2）；Js:指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量（kg ?cm2）；W :指工件及工作臺重量（N）；Lo :指絲杠導程（cm）；參考同類型機床，初選反應式步進電機150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 JM 10kg? cm2。Ji0.7810 3dL （ d和L分別表示齒輪Z2的分度圓直徑和齒寬）0.7810 34.841.60.66( kg? cm2)J20.7810 3dL（ d和L分別表示齒輪乙的分度圓直徑和齒寬）0.7810 38421.65.11(kg?cm2)Js0.7810 3dL（d和L分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距）0.7

47、810 354150273.134(kg?cm2)把這些數(shù)據(jù)代入上式:JMJ1 自2(J2 Js)號p224 211000.8100.66 (40)(5.11 73.125)藥(F)43.97021（ kg? cm2）2、電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按個階段計算：（1）快速空載起動力矩 M起在快速空載起動階段，加速度所占的比例較大，具體計算公式如下:M 起 M amax M f M 0M a max J ?n max210 史ta2,2 ?nmax 10 J60tamaxbp 360F0L02G iMo邑0(12)2 i(10 )以上式中Mamax :指空載起動時折

48、算到電機軸上的加速度力矩（N ?cm)；M f ：指折算到電機軸上的摩擦力矩（N ?cm）；M。：指絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（N ?cm)；J :指傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量（kg?cm2）；2:指電機最大角加速度（rad / s2）； nmax:指電機最大轉(zhuǎn)速（r/min）；max:指運動部件最大進給速度（mm/min）；p ：指脈沖當量（mm/step）；b :指步進電機步距角（deg）；s），這里是30msta :指運動部件從停止起動到最大快進速度所需時間（F0 :指導程的摩擦力（N）, F f （Fz W）；Fz :指垂直方向的切削力（N）;W :指工件及工作臺

49、重量（N ；f :指導軌摩擦系數(shù)，f 0.15 0.18 ；G :指運動部件的總重量（N ；i :指齒輪降速比；按i Z1計算；乙:指傳動鏈總效率，一般可取0.7 0.85 ;F p :指滾珠絲杠預加負載，一般取Fm/3 , Fm為進給軸向力（N）；L0 :指滾珠絲杠導程；0 :指滾珠絲杠未加預緊時的傳動效率，一般取0.9 。將以前計算所得數(shù)據(jù)代入:nmax b 2000nmax360 0.020 75416.56(r/mi n)360M a max J22?n max 1043.971!060 0.032639.424( N?cm)f (Fz W) L0.17Z2/Z1(7490.827 1

50、100)20.8 1.66708139.38(N ?cm)M01/3FmL2 Z2/Z1 (102)1/33614.055 0.820.8 1.667(10.92)21.84( N ?cm)M 起 M a maxM0639.424 139.3821.84800.644 ( N ?cm)(2)快速移動時所需力矩139.38 21.84161.22( N ?cm)(3)最大切削負載時所需力矩M切M f M 0 MtFxLoM f M0139.38 21.841872.707 0.82 i20.81.667340.036( N ?cm)從上面計算可以看出，M起、M快和M切三種工況下，以快速空載起動所

51、需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。由表6得：當步進電機為三相六拍時，M q / M jmax 0.866 ，則表6步進電機起動轉(zhuǎn)距M q與最大靜轉(zhuǎn)距 M jmax關(guān)系步進電機相數(shù)三相四相五相六相拍數(shù)3648510612Mq/M jmax0.50.8660.7070.8090.9510.8660.866按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72 N ?M，大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性。M j max800.770.886903.8 (N)o3、計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率1000 max60 p1000 2.060 0.013333.33Hzfe1000 s60 p1000 0.660 0.011000Hz可查出150BF002型步進電機允許的最高空載啟動頻率為2800 Hz運行頻率為8000 Hz，再從圖 5查出150BF002步進電機起動矩頻特性