数控技术及装备发展毕业综述论文

第1章 概论1.1 研究背景数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能力。工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产业，而且在高精尖数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。因此大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。数控技术应用非常广泛，在工业当中，典型的应用领域为数控机床。数控机床相比普通机床能较好地解决复杂、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。数控技术在逐步地深入制造工业当中，未来数控技术将在工业领域当中占据着主导的地位。1.2 数控系统发展简史1、硬件链接数控（NC）阶段（1952年1970年）早期的计算机运算速度低，不能适应机床实时控制的要求，人们只好用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，这就是硬件链接系统，简称数控（NC）。随着电子元器件的发展，这个阶段经历了三代： 1952年起的第一代 电子管数控机床; 1959年起的第二代 晶体管数控机床; 1965年起的第三代 集成电路数控机床。 2、计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）1970年，通用小型计算机已出现并投入批量生产，人们将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入计算机数控（CNC）阶段。这个阶段也经历了三代： 1970年起的第四代 小型计算机数控机床； 1974年起的第五代 微型计算机数控机床； 1990年起的第六代 基于PC平台的数控机床。随着微电子技术和计算机技术的不断发展，数控技术也不断更新，发展非常迅速，几乎每5年更新换代一次，其在制造领域的加工又是逐渐体现出来。1.3国内外数控机床状况分析1.3.1国内数控机床的发展 我国的数控技术起步较晚，普通机床众多，且机床数控化率并不高。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需求的、性能合适的产品，而产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的影响。直接购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径，但是成本很高，同时大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床。由于普通机场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，生产的自动化程度不高。从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，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。而如今，我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟产品走向市场。同时，我国也已进人世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。我国现有数控机床生产厂家100多家，生产数控产品几千种以上。产品主要分为经济型、普及型和高档型三种类型。这既体现了中国机床市场的需求趋势，也反映了中国在数控机床产业化方面取得了突破性进展。表1-1和表1-2列出近年来我国不同档次的数控机床年产量比例的变化和市场销售情况。表1-1 各技术档次数控机床占年产量比例按技术水平归类2004年2006年2008年高档1.5%5%13.5%中档（普及型）43.5%52.5%60%低挡（经济性）55%42.5%26.5%表1-2 进口数控机床的数量和金额占市场消费的比例按技术水平归类市场消费量比例市场消费金额比例国产进口总量国产进口总量高档1%25%26%2.5%55%57.5%中档（普及型）24%20%44%21%18%39%低挡（经济性）30%30%3.5%3.5%1.3.2国外数控机床的发展 数控机床出现至今的50年，随科技、特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。美国的特点是，政府重视机床工业，美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研，因而在机床技术上不断创新。由於美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国不仅生产宇航等使用的高性能数控机床，也为中小企业生产廉价实用的数控机床(如Haas、Fa dal公司等)。德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。在发展大量大批生产自动化的基础上，於1956年研制出第一台数控机床后，一直坚持实事求是，讲求科学精神，不断稳步前进。德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对用户产品、加工工艺、机床布局结构、数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出於蓝而胜於蓝。日本也和美、德两国相似，充分发展大量大批生产自动化，继而全力发展中小批柔性生产自动化的数控机床。在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。在策略上，首先通过学习美国全面质量管理(TQC)，变为职工自觉群体活动，保产品质量。进而加速发展电子、计算机技术，进入世界前列，为发展机电一体化的数控机床开道。日本在发展数控机床的过程中，狠抓关键，突出发展数控系统。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。1.4数控系统的发展趋势数控技巧的利用不但给传统制作业带来了革命性的变更，使制作业成为工业化的象征，而且随着数控技巧的不断发展和利用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（it、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需设备的数字化已是现代发展的大趋向。从目前世界上数控技巧及其设备发展的趋向来看，有以下几个方面：1、高速、高精加工技巧及设备的新趋向效率、质量是先进制作技巧的主体。高速、高精加工技巧可极大地前进效率，前进产品的质量和档次，缩短生产周期和前进市场竞争能力。2、5轴联动加工和复合加工机床快速发展。采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高,而且效率也大幅度前进。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床,特别是应用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工施展更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技巧难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的涌现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制作难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此增进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。3、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的重要趋向：21世纪的数控设备将是具有必定智能化的系统，智能化的内容包含在数控系统中的各个方面；为寻求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应把持，工艺参数主动生成；为前进驱动性能及应用连接轻易的智能化，如前馈把持、电机参数的自适应运算、主动辨认负载主动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的主动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、轻易系统的诊断及维修等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过转变、增长或剪裁结构对象（数控功效），形成系列化，并可轻易地将用户的特别利用和技巧诀窍集成到把持系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的系统结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功效库以及数控系统功效软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控设备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控设备的网络化将极大地满足生产线、制作系统、制作企业对信息集成的需求，也是实现新的制作模式如迅速制作、虚拟企业、全球制作的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制作公司都在近两年推出了相干的新概念和样机，如在o2001展中，日本山崎马扎克（mazak）公司展出的“cyber production center”（智能生产把持中心，简称cpc）；日本大隈（okuma）机床公司展出“it plaza”（信息技巧广场，简称it广场）；德国西门子（siens）公司展出的open manufacturing environment（开放制作情形，简称ome）等，反响了数控机床加工向网络化方向发展的趋向。1.5机床数控化改造的必要性1.5.1微观看改造的必要性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。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瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 2、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。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，故被称为实现了“柔性自动化”。3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。4、可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。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。由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，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，可对市场需求作出快速反应等等。这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。1.5.2宏观看改造的必要性 从宏观上看，数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但我国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。同时现在大多数企业从国外购买的数控车床已经远超过了服役期，但这些设备价值不菲，单价在几百万元甚至上千万元。如果直接购买新的数控机床，就等于是说要让以前的普通机床报废，从而构成两方面的浪费。而且从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使大多数企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。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。1.6数控化改造的市场空间和效益分析机床制造业是我国高端装备制造业的重要体现，随着机床产业对产品生产精密度及效率要求的提升，我国机床行业当前急需通过对数量庞大的普通机床数控化改造相契合。近几年，我国机床行业经济增长迅速，生产机床的数控化率有所提升。但是我国有各类普通机床400多万台，其中有1/4的机床是超过30年役龄的，这些机 床已无改造价值，需淘汰更新，剩余约七成的机床是可进行数控化改造。对众多台普通机床实施改造和更新，可形成上千亿的更新市场需求，对保持经济增长可发挥 一定的作用。所以，数控化改造工程可形成数千亿元的工业增加值。从国外成熟经验来看，再制造是数控机床再次利用的最有效办法。数控机床改造就是运用技术创新与技术改造相结合，改造传统产业与发展新兴产业相结合，突出重点与全面提升相结合，并将促进安全生产作为技术改造的重点任务。在中国，再制造领域可谓刚刚兴起，市场巨大。 效益方面：1) 减少机床成本，提高加工效率。普通机床数控化改造与购置新机床相比，特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只需新机床购置费用的1/3。在节约成本的同时，数控化改造还可以节省因全部更新而造成相应的能源消耗和污染排放。根据以往改造经验，普通机床数控化改造后，机床效率明显提高。原来一台机床需要一个人控制，改造后一个工人可以同时操控两台机床。同时，机床经改造后加工精度大幅提高，由人为失误造成的废品率显著降低。同时，降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，缩短了新产品试制周期和生产周期，给企业带来巨大的经济效益。2）提高数控机床的安全水平。目前，我国所使用的机床中绝大多数是普通机床。普通机床数量庞大，安全问题凸显。所以，安全问题成为制约其发展的一大阻碍。增加安全性能，提高机床本质安全水平，解决数控化程度较低、人员伤害事故频发、安全水平较低、生产效率不高的问题。普通机床完成数控化改造后，可大幅提高机床的加工效率和自动化、智能化程度。降低了操作者接触危险部位的可能性;操作系统和操作界面越来越符合人机工程学的要求，可有效减少操作者的失误率，减少因失误产生的事故。华夏模具网指出，机床经数控化改造后，安全性能得到明显改善，事故率显著降低，将带来巨大的安全效益。第二章 数控化改造设计内容和工作原理2.1车床的数控化改造设计内容及任务总体设计内容对CA6140普通卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲，横向最小运动单位0.005/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹，在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。设计参数如下：最大加工直径：在床身上：400mm 最大加工长度： 1000mm溜板及刀架重量：纵向（z轴）：800N 横向（X轴）：600N刀架快移速度：纵向： 2.4m/min 横向：1.2m/min最大进给速度：纵向：0.6m/min 横向：0.3m/min最小分辨率：纵向：0.01mm 横向：0.005mm定位精度： 0.015mm自动升降速性能： 有主电机功率： 7.5KW起动加速时间： 30ms2.2数控机床工作原理及组成数控机床的工作原理：数控机床是用数字信息进行控制的机床。凡是用代码化的数字信息将刀具移动轨迹信息记录在程序介质上，然后送入数控系统经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为数控机床。数控加工的基本过程。在数控机床加工零件前，要分析零件图、拟定零件加工工艺方案，明确加工工艺参数，然后按编程规则编制数控加工程序。当加工零件的几何信息和工艺信息转换为数字化信息后，可以用不同的方法输入到机床的数控系统中，经检查无误即可启动机床，运行数控加工程序数控装置自动完成数控加工程序发出的各种指令。如果不出现故障，直到加工程序运行结束，零件加工完毕为止。 图2-1数控机床的工作原理图 数控机床的组成：数控机床由控制介质、输入输出设备、计算机数控装置、伺服系统及机床本体组成。1、控制介质控制介质又称信息载体，是人与数控机床之间联系的中间媒介物质，反映了数控加工中的全部信息。常用的有RAM,ROM,存储卡等。2、输入、输出装置是CNC系统与外部设备进行交互的装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。3、数控装置CNC装置是数控机床实现自动加工的核心，主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件等组成。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。4、伺服系统它是数控系统与机床本体之间的电传动联系环节，主要由伺服电动机、驱动控制系统以及位置检测反馈装置组成。伺服电机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电机的动力源。数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，再经过驱动系统的功率放大后，带动机床移动部件作精确定位或按照规定的轨迹和进给速度运动，使机床加工出符合图样要求的零件。5、检测反馈系统测量反馈系统由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测机床的实际位置、速度等信息，并将其反馈给数控装置与指令信息进行比较和校正，构成系统的闭环控制。6、机床本体机床本体指的是数控机床机械机构实体，包括床身、主轴、进给机构等机械部件。由于数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，它与传统的普通机床相比，应具有更好的刚性和抗振性，相对运动摩擦系数要小，传动部件之间的间隙要小，而且传动和变速系统要便于实现自动化控制。第3章 总体方案的拟定和论证3.1总体设计方案的拟定C6140车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作内容，就是机电一体化改造数控系统控制的对象。察看C616车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体改造方案。3.1.1主传动系统的设计改造对普通车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动系统和变速操作机构，以减少改造量。但本设计中为了提高车床的自动化程度，以便于在加工过程中实现自动变换切削速度，对其作了相应的简化改造。3.1.2数控系统的选择设计根据机床要求，采用8位微机。由于8051系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8051单片机系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。3.1.3自动转位刀架选择设计机电一体化机床的刀架是机床的重要组成部分。其结构直接影响车床的切削性能和效率。卧式车床机数控改造应将原来机床的普通手动转位刀架替换成自动换位刀架，本设计决定采用常州武进数控设备厂生产的LD4-6140四工位螺旋转位刀架。3.1.4驱动系统的设计改造由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。总体改造如下图3-1所示：图3-1 总体改造的示意图1、控制方式的选择数控机床的伺服进给系统有开环控制、闭环控制和半闭环控制之分。开环系统：结构简单、工作可靠、造价低廉，但影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在，故精度和快速性较差。开环控制的定位精度一般为0.01到0.02，不能满足横向最小运动单位0.005/脉冲的要求。闭环系统：控制精度高、快速性好，但对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环控制的定位精度一般为0.0010.003，本设计属经济型机电一体化改造，无须达到此精度。半闭环系统：结构简单、调整方便，在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多，故本设计采用半闭环控制。半闭环控制系统组成原理图如图3-2所示。 半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角，半闭环控制系统间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。由于半闭环控制系统将移动部件的传动丝杠螺母不包括在内，所以传动丝杠螺母机构的误差仍会影响移动部件的位移精度，由于半闭环控制系统调试维修方便，稳定性好，目前应用比较广泛。半闭环控制系统的伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构。图3-2 半闭环控制原理图2、步进电机的选用选用步进电动机，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小。但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素。首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。为兼顾精度与速度的要求，应在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以此为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。3.2可行性论证机床改造的基本原则是：把技术先进性和经济性有机的结合起来。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。根据传统的论证方法，普通车床经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即从企业生产经营现状及存在的问题分析；从企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析；改造后车床的实施计划，结论等。3.2.1技术可行性 1、机床本身。能否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、刚度以及机床的技术寿命等。普通机床结构上有先天性的不足，刚度低、抗震性差、滑动摩擦阻力较大及传动元件存在间隙等。改造中将有目的的改造其中部分结构，以满足数控机床最基本的精度。2、技术寿命。现在数控机床以其高自动化、高精度化、高速化以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。3、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，加工精度要求小于0.01mm，现在市场上出售的一般经济型数控系统其脉冲当量为0.005mm - 0.01mm，能够满足一般加工要求，在技术上是可行的。4、市场可供性。市场可供性就是指研究市场是否能够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，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。对于C6140机床而言，市场的可供性是很好的。3.2.2经济的合理性在机床的数控化改造中，不仅要考虑到数控机床的技术先进性，同时还必须考虑它的经济、社会效益，这就要对决策方案进行严密论证和科学分析。1、资金投入少，改造周期短：可采用自行改造或与专业公司联合的方法，使改造周期缩短。在一些特殊情况下，如增设高速主轴、刀具自动交换装置、托盘自动交换装置等，其制作与安装虽然较费时、费钱，使改造成本提高，但与新购置机床相比，还是能节省投资。2、节省培训操作、维修的经费：由于旧设备已使用多年，机床操作者和维修人员已对其机械性能和结构了解透彻，对机床的加工能力也心中有数。机床一旦改造调试完毕，就可很快投入正常生产。3、合理选用数控功能，发挥资源最大效能：合理选用数控功能，就是要依据数控机床类型、改造的技术指标及性能选择相应的数控系统。4、机床数控改造后经济效益明显：机床改造后，具有加工对象适应性强、精度高、质量稳定、生产效率高的特点，并能实现复杂零件的加工，有利于实现现代化生产管理。5、社会效益：由于机床本身的特点，机床改造所利用的床身、立柱等基础件多数都是重而坚固的铸铁构件，而不是焊接构件。机床大部分铸铁件可重复使用，即节约了社会资源，又减少了重新生产铸铁时对环境的污染。改造机床还可以充分利用原有地基，不需要重新构筑地基，同时工夹具、样板及外围设备也能利用，也可节约大量社会资源。3.2.3可行性论证由于原因限制，设计者只能就改造的投资概算作一简要的可行性论证。本设计是针对普通卧式车床C6140进行的数控化改造。在改造设计中，在改造设计中，采用的是MCS-51系列的8051单片机系统，常州特舒隆机电设的电动刀架，费用约为5万余元；一台交流调速电动机和齿轮减速机构，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副、贴塑导轨等零件，费用约为2万余元，总的改造费用约为78万元。旧车床估计截至在67万元。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过15万元。因此，对普通车床作机电一体化改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和加工精度的有效选择，具有一定的实用性。3.3总体设计方案的确定 经总体设计方案的论证后，确定的C6140的车床数控化改造的总体方案示意图如下图3-3所显：C6140车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机；车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安装主轴脉冲发生器。图3-3 总体方案设计图 第4章 进给系统设计计算4.1选择脉冲当量 一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲。 根据机床精度要求确定脉冲当量： 纵向： 0.01mm/step,横向： 0.005mm/step(半径)4.2计算切削力用车床经验公式F=D【7】(式4-1)来计算主切削力式中D指车床身上最大加工直径（mm）。横切端面时主切削力可取纵切时F的1/2。求出主切削里F以后再按以下比例分别求出分力F和F。F：F：F=1 ：0.25 ：0.5式中 F：指走刀方向的切削力（N）； F：指垂直走刀方向的切削力（N）。 下图为纵切和横切时切削力的示意图。图4-1 纵切和横切时切削力的示意图1、 纵车外圆主切削力F(N)按经验公式估计算： F=D （N）按切削力各分力比例： F：F：F F（N） F（N）2、 横切端面主切削力（N）可取纵切的1/2。 （N） （N） （N）4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型4.3.1纵向进给丝杠1、 计算进给轴向力F（N）纵向进给这里为三角形导轨：F 【8】 (式4-2)式中K：指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15；：指滑动导轨摩擦系数取0.150.18之间的值,取0.17；G：指流板及刀架重力，G=800N。则 F=（N）2、 计算最大动负载Q考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响，则最大动负载Q的计算公式为：Q (式4-3)L (式4-4) n (式4-5)式中 ：指滚珠丝杠导程，初选； n：指丝杠转速，（r/min）； ：指最大切削力条件下的进给速度（m/min）,可取最高进给速度的1/21/3，此处取=0.3； ：指使用寿命时间（h）,对于数控机床取T=15000h.。 L：指寿命，以10转为一单位； ：指运动系数，见表4-1，选=1.3。表4-1运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.5-2.5则 ： n( r/min) L Q（N）3、 滚珠丝杠螺母副的选型从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找到相应的动负载C的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应满足Q C的条件。查表：可采用WL5008外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5圈1列，其额定动负载为23400N，符合Q C的条件。选为1级。Vmm表4-2滚珠丝杠行程公差项目符号有效行程（mm）精度等级12345目标行程公差e6812162331540079131825400500810152027500630911162230行程变动量公差V6812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300 mm内行程变动量V681216232弧度内行程变动量V456784、传动效率计算 (式4-6)式中 ：指螺旋升角，=255 ：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数其摩擦角，约等于。则 5、刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如图4-2所示，最大支承间距L=1500mm, 丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。 图4-2纵向进给系统计算简图 计算如下：1） 丝杠的拉伸或压缩变形量（mm） F=N， L=8mm, EN/mm(材料弹性模数，对钢来说是等于这个值)，mm, R=2.477, e=0.068mm则 d( mm) (式4-7)A(mm) (式4-8)（A指滚珠丝杠按内径定的截面积）丝杠导程L的变化量为： (式4-9)总长度L=1500mm，丝杠上的变形量，由于两端均采用推力球轴承，则值： (mm) (式4-10)2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形（mm）由d=4.763mm, F=kgf,承载滚珠数量 ZZ 由于滚珠丝杠副施加预应力，且预应力F为轴向负载的1/3，则变形 =0.0013 (式4-11) （mm）(3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变（mm）这里采用有预紧时的推力球轴承则 【8】 (式4-12)查机械设计手册中表6-2-82，采用51109型推力球轴承，其d=45mm,滚动体直径D=3.969mm, 滚动体数量Z=22， （mm）则定位误差 =0.01069mm0.025mm(规定定位精度)6、稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，故不需作稳定性校核。4.3.2横向进给丝杠1、 计算进给轴向力 横向导轨为燕尾形，计算如下： 【8】 (式4-13) 由于是燕尾形导轨式中： K=1.4，=0.2则 N2、计算最大动负载Q n( r/min) L Q（N）查表：可采用WL2506外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5圈1列，其额定动负载为13100N，符合Q C的条件。精度等级按表2-滚珠丝杠行程公差表，选为1级。 Vmm4、传动效率计算【8】 (式4-14)5、刚度验算横向进给滚珠丝杠支承方式如图4-3所示，最大轴向力为2421N，支承间距L=550mm, 因丝杠长度较短，不需要预紧。图4-3横向进给系统计算简图计算如下：1) 丝杠的拉伸或压缩变形量（mm）根据 N， D=25mm, EN/mm, R=2.064, e=0.056mmd( mm)A(mm) （mm）2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形（mm）对滚珠丝杠副施加预紧力F为轴向负载的1/3。由 mm, kgf承载滚珠数量 ZZ =0.0013 （mm）(3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变（mm）这里采用有预紧时的推力球轴承则 (式4-15)查机械设计手册中表6-2-82，采用51104型推力球轴承，其d=20mm,滚动体直径D=3.175mm, 滚动体数量Z=14， (式4-16) （mm）则定位误差 =0.01623 (mm) 显然变形量已大于规定的定位精度（），应该采取相应的措施修改，因横向溜板空间限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨来减少摩擦力，从而减少轴向力，采用贴塑导轨=0.030.05。重新计算如下： N Q（N）由此可知：滚珠丝杠螺母副和轴承的型号可不改变。此时的变形量为：（mm）=0.0013 （mm） （mm）定位误差 0.01367 (mm) 0.025mm(规定定位精度)6、稳定性校核临界负载与工作负载 之比称为稳定性系数，如果，则压杆稳定，为许用稳定性安全系数，一般=2.54。计算临界负载（N）：【8】 (式4-17)式中 E：指丝杠材料弹性模量，对钢E（N/mm）； J：指截面惯性矩（mm）,丝杠截面惯性矩J（丝杠螺纹的底径）；：丝杠两支承端距离（mm）；：丝杠支承方式系数，见表4-3，这里。表4-3滚珠丝杠支承方式系数方式一端固定一端自由两端简支一端固定一端简支两端固定0.251.002.004.00则 N 经上面计算可知，此丝杠不会产生失稳。4.3.3纵向及横向滚珠丝杠副的几何参数其几何参数见表：表4-4 WL5008及WL2506滚珠丝杠几何参数名称符号WL5008WL2506螺 纹 滚 道公称直径5025导程86接触角钢球直径4.7633.969滚道法面半径2.4772.064偏心距0.0680.056螺纹升角螺 杆丝杠外径48.524丝杠内径45.18220.984螺杆接触直径40.42417.025螺 母螺母螺纹直径54.81829.016螺母内径51.19025.9924.4进给齿轮箱传动比计算1、纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角，可计算出传动比：【9】 在闭式软齿面齿轮传动中，齿轮的弯曲强度总是足够的，因此齿数可取多些，推荐取Z=2440。所以可选定齿轮数为：2、横向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角，可计算出传动比：【9】可选定齿轮数为： 因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。有关参数参照表4-5。表4-5传动齿轮几何参数所处位置纵 向横 向齿数Z24401845分度圆直径48803690齿顶圆直径52844094齿根圆直径43753185齿宽（610）m16161616中心距64634.5 步进电机的计算和选用（一） 纵向进给步进电机计算1、 等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算： 【1】 (式4-18)式中 ：指步进电机转子转动惯量；、：指齿轮、的转动惯量；：指滚珠丝杠转动惯量；：指工件及工作台重量（N）；：指丝杠导程（）；参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量。 （分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽） （分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽） （分别表示纵向滚珠丝杠的公称直径和支承间距） 把这些数据代入上式： 2、 电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按个阶段计算：1）快速空载起动力矩 在快速空载起动阶段，加速度所占的比例较大，具体计算公式如下： (式4-19) (式4-20) (式4-21) (式4-22) 【1】 (式4-23)以上式中 ：指空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩（）； ：指折算到电机轴上的摩擦力矩（）；：指丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（）；：指传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量； ：指电机最大角加速度（）； ：指电机最大转速（）；：指运动部件最大进给速度（）； ：指脉冲当量（）； ：指步进电机步距角（）； ：指运动部件从停止起动到最大快进速度所需时间（s），这里是30ms；：指导程的摩擦力（N），；：指垂直方向的切削力（N）；：指工件及工作台重量（N）；：指导轨摩擦系数，；：指运动部件的总重量（N）； ：指齿轮降速比；按计算；：指传动链总效率，一般可取；：指滚珠丝杠预加负载，一般取/3，为进给轴向力（N）；：指滚珠丝杠导程；：指滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取。将以前计算所得数据代入：（）（） （）则 （）2）快速移动时所需力矩（）3）最大切削负载时所需力矩 （）从上面计算可以看出，、和三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。【1】由表4-6得：当步进电机为三相六拍时，则（N）。表4-6步进电机起动转距与最大静转距关系步进电机相 数三 相四 相五 相六 相拍 数36485106120.50.8660.7070.8090.9510.8660.8660.866按此最大静转距从表中查出，150BF002型最大静转距为13.72，大于所需最大静转距，可作初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运动矩频特性。3、 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率可查出150BF002型步进电机允许的最高空载启动频率为2800运行频率为8000，再从图4-4查出110BF003步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。从图中看出，当步进电机起动时，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（800.77），直接使用则会出现失步，所以必须采用升降速控制（用软件实现），半起动频率降到1000，起动力矩可提高到588.4，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频则完全可以满足要求。图4-4 150BF002型步进电机起动矩频特性图4-5 150BF002型步进电机运行矩频特性 横向进给步进电机计算和选型与纵向进给步进电机计算的方法一样，如果纵向的步进电机能满足条件那横向的就也可以满足条件，则这选用与纵向相同的步进电机。 第5章 伺服进给机构设计5.1机床的改造要求与伺服电机的选用5.1.1机床的改造要求在数控机床的进给系统机械部分改造设计中，机械传动是数控机床进给系统的重要组成部分，其作用是将伺服电动机的旋转运动转换为执行部件的直线运动和回转运动。为了确保进给系统的定位精度，快速响应特性和稳定性要求，所以，机械传动装置必须具有高刚度、无传动间隙、低摩擦、高灵敏度、长寿命等要求。对数控机床进给系统机械部分的要求有以下几点：1、高的传动精度和定位精度数控机床的进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性作用，其中应采取的措施是通过在进给系统中加入减速齿轮，以减小脉冲当量，预紧传动滚珠丝杠，齿轮，蜗轮传动件的间隙方法。2、减小运动件的摩擦力尤其是减小丝杠传动和工作台运动导轨摩擦，以消除爬行，提高系统稳定性。3、减小运动部件的惯量进给系统中每个零件的惯量对进给系统的启动，制动特性有直接的影响。因此，在满足传动强度和刚度的前提下，应尽可能减小零件的惯性。4、阻尼选择适当一方面，阻尼可降低进给伺服系统的快速响应性，另一方面，阻尼有增加系统的稳定性，因此，传动机构的阻尼要选择适当。5、稳定性好，寿命长稳定性是进给伺服系统能够正常工作最基本的条件，在低速进给情况下不产生爬行，并能够适应外加系统的变化而不发生共振，采取适当的润滑方式和防护措施延长其寿命。5.1.2伺服电机的工作原理伺服电机的工作原理是：当某相定子励磁后，它吸引转子，使转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐。所以，伺服电机的工作原理实际上是电磁铁的工作原理。【10】1、伺服电机的定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子就转过一定角度，及电动机的步距角。2、改变伺服电机定子的绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之改变。3、伺服电机定子绕组的通电状态的改变速度越快，既通电状态的频率越高，转子的转速就越高。4、伺服电机的步角距与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k可以用下式表示：=360/zmk。5.1.3伺服电机的选用伺服电动机是一种用脉冲信号控制的电动机，在动载能力及动态特性范围内电动机的角位移与控制脉冲数成正比，转速与控制脉冲频率成反比。在通常情况下，用伺服电动机作执行元件的数控系统中不需进行A/D或D/A转换，且可以采用较为简单的开环控制系统进行工作。因此，在数控的进给系统中广泛采用。伺服电动机有两条重要的特性曲线，一条是反映启动频率和负载转矩关系的启动频矩特性曲线；一条是反映转距与连续运行频率之间关系的工作矩频特性曲线。这两条曲线是选用伺服电动机的重要依据。数控机床的进给分为快速进给和切削进给，快速进给速度远远大于切削进给的速度。在这两种情况下，对转矩和进给速度要不同的要求，选择伺服电动机时应使这两种情况都能满足要求。【10】5.2丝杠螺母副5.2.1滚珠丝杠副传动部件滚珠丝杠副是在具有螺旋槽的丝杠和螺旋母之间装有滚珠，是螺旋传动机构的一种，其作用是将旋转运动变为直线运动或将直线运动转换为旋转运动。卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠，即丝杠与螺母之间的滑动摩擦。因此滑动丝杠螺母副的摩擦大、转动效率低。在精度要求不高的情况下，可以采用原机床的滑动丝杠。但是，螺母要适