x5032銑床主傳動系統(tǒng)數(shù)控改造畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文在X5032數(shù)控銑床改造設(shè)計時主要從經(jīng)濟性、方便性、實用性、可靠性四方面因素出發(fā)，對X5032型銑床進行了數(shù)控銑床主傳動機械系統(tǒng)設(shè)計。使改造后的機床的機械傳動部分具有高靜態(tài)、動態(tài)剛度；運動副之問的摩擦因數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。改造后的數(shù)控銑床可以實現(xiàn)主傳動系統(tǒng)電機正、反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速分為兩檔，并在各檔內(nèi)可以實

2、現(xiàn)無級調(diào)速；可以在平面或空問范圍內(nèi)按設(shè)定曲線(直線、圓弧等)恒速或變速運行；可以實現(xiàn)數(shù)值的任意設(shè)定并顯示；可以實現(xiàn)輔助控制系統(tǒng)的任意起停和故障報警；可以實現(xiàn)與上位機的通訊。</p><p>　　X5032數(shù)控銑床機械系統(tǒng)設(shè)計包括伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計計算，絲杠螺母副的設(shè)計計算，主傳動系統(tǒng)的參數(shù)計算，主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。進給傳動系統(tǒng)設(shè)計中，全部拆除縱向、橫向、垂向進給箱齒輪，拆除縱向、橫向、垂向進給手柄，在該處將手輪軸

3、通過一對減速齒輪和縱向、橫向及垂向步進電機相連。絲杠拆去，換上滾珠絲杠，并由齒輪箱與滾珠絲杠連接，改造后的X5032銑床的定位精度為±0.01mm，重復定位精度為±0.005mm。X、Y電機能夠拖動工作臺以6-3200r／min的切削進給速度進行X向、Y向運動，Z相電機能使主軸箱獲得3-1600r／min的進給速度。主傳動系統(tǒng)設(shè)計拆除機床主軸，重新設(shè)計主軸。為了保證主軸在運動時有準確的定位，安裝主傳動的定位檢測裝置。

4、采用電氣式主軸準停裝置，利用磁力傳感器檢測定位。只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號，主軸就可以準確的定位。將主傳動改為采用變頻交流電動機無級調(diào)速。低檔轉(zhuǎn)速為270-1500r/min，高檔轉(zhuǎn)速為1500-4500r/min，在各檔內(nèi)可以實現(xiàn)無級調(diào)速。與原立式銑床的機械結(jié)構(gòu)相比比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調(diào)速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構(gòu)</p><p>　　關(guān)鍵詞：X5032銑床 數(shù)控變頻

5、調(diào)速 模塊化設(shè)計</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Based on the aspects of the improvement on X5032 milling machine as follows: the Economy, convenience, function and reliability. This dis

6、sertation conducts the systematic design，hardware circuit design and software design .These work improve the functions of milling machine on some aspects as follows：The large static and dynamic stiffness of the mechanica

7、l drive parts，the little friction factor of the motion pairs，no clearance in driving，the large power and the convenient operation and maintenan</p><p>　　The system design of X5032 numerical machine's mec

8、hanical include the design and the calculation of the servo drive system, of the lead screw nut pair, parameters calculation of the main drive system, and its structure design. in the design of the feed motion's driv

9、e system ,it should be removed that all the longitudinal and the traverse and the vertical feed change gears. Joint the handle wheel axle with the vertical stepping motor through a pair of reduction gear there. The ball

10、screw is used </p><p>　　Keywords: X5032 milling machine numerical control frequency conversion regulating speed modularity design</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前

11、 言1</b></p><p><b>　　1 緒 論3</b></p><p><b>　　1.1 引 言3</b></p><p>　　1.1.1 微觀看改造的必要性3</p><p>　　1.1.2 宏觀看改造的必要性4</p><p>　　1.

12、2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀4</p><p>　　1.2.1 數(shù)控機床發(fā)展趨勢5</p><p>　　1.3 機床數(shù)控化改造的優(yōu)越性7</p><p>　　1.3.1 機床數(shù)控化改造的技術(shù)優(yōu)越性7</p><p>　　1.3.2 機床數(shù)控化改造的客觀優(yōu)越性7</p><p>　　1.4 機床數(shù)控化改造的現(xiàn)實意義與市

13、場前景8</p><p>　　1.5 X5032數(shù)控銑床改造設(shè)計總體要求和內(nèi)容8</p><p>　　1.5.1 數(shù)控銑床改造設(shè)計總體要求8</p><p>　　1.5.2 數(shù)控銑床改造設(shè)計內(nèi)容9</p><p>　　1.5.3 改造后的數(shù)控銑床功能分析10</p><p>　　2 數(shù)控機床及控制方式12

14、</p><p>　　2.1 數(shù)控機床的組成及工作原理12</p><p>　　2.1.1 數(shù)控機床的組成12</p><p>　　2.1.2 數(shù)控機床的工作原理13</p><p>　　2.2 數(shù)控機床控制方式選擇13</p><p>　　2.2.1 位置控制方式分類13</p><p&

15、gt;　　2.2.2 步進電機的開環(huán)控制15</p><p>　　2.2.3 數(shù)控機床開環(huán)系統(tǒng)速度計算16</p><p>　　3 機械傳動系統(tǒng)的改造設(shè)計17</p><p>　　3.1 主傳動系統(tǒng)的參數(shù)計算17</p><p>　　3.1.1 主傳動的變速方式的選擇17</p><p>　　3.1.2 主

16、軸電機的選擇18</p><p>　　3.1.3 分級變速箱的設(shè)計18</p><p>　　3.1.4 主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計37</p><p><b>　　4 結(jié)束語44</b></p><p><b>　　5 致 謝45</b></p><p>　　6 參考

17、文獻46</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標志著該國或地區(qū)經(jīng)濟的實力，科技水平，生活水準和國防實力。國際市場的競爭歸根到底是各國制造生產(chǎn)能力及機械制造裝備的競爭。機床是制造業(yè)的主要生產(chǎn)設(shè)備，而數(shù)控機床是高精度、高效率的自動化生產(chǎn)設(shè)備。目前，國內(nèi)、外數(shù)控機床正朝著高性能、高精度、高效

18、率、高柔性、高自動化和模塊化方向迅速發(fā)展。盡管我國數(shù)控機床的制造、設(shè)計、檢測等技術(shù)得到了一定的發(fā)展，但與國外相比，差距還是很大，主要表現(xiàn)在：可靠性差、應(yīng)變能力差、產(chǎn)品開發(fā)周期長、設(shè)計手段落后等，這種差距尤其表現(xiàn)在高精度、高速度等尖端機床方面。因此，我們必須緊跟國際機床技術(shù)發(fā)展的前沿，發(fā)展機床的設(shè)計、檢測、制造等技術(shù)。</p><p>　　最初的數(shù)控機床只是在機械結(jié)構(gòu)上對普通機床進行了局部改進。但是，隨著數(shù)字控制技

19、術(shù)在數(shù)控機床上的發(fā)展，以及數(shù)控機床高剛度、高精度、高速度的要求，逐步發(fā)展到目前數(shù)控機床獨特的結(jié)構(gòu)特點。它在總體布局、傳動系統(tǒng)、刀具裝置以及操作輔助機構(gòu)等方面發(fā)生了很大變化，最基本的表現(xiàn)是改進了普通機床傳動鏈長、傳動結(jié)構(gòu)剛度不足、抗振性能差、滑動面的摩擦阻力大以及傳動元件的間隙大等缺點，經(jīng)濟型數(shù)控機床機械基本功能的構(gòu)成模式仍然沒有脫離普通機床的基本模式，如機床支承件、導軌、主傳動及進給傳動系統(tǒng)等組成部件是不可缺少的。</p>

20、<p>　　我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀五十年代，通過“六五”期間引進數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”， 從20世紀70年代開始，由于打破國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件不斷改善，我國的數(shù)控銑床等數(shù)控技術(shù)全面開展，并成功研制了一些簡單的數(shù)控銑床。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3%和34.9%。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從

21、2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主機消費高達94.6億美元，國內(nèi)數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識與能力欠缺、數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。

22、因此我們應(yīng)看清形勢，充分認識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達國家之間的差距。</p><p>　　數(shù)控機床具有高精度、高效、高速、高可靠性等優(yōu)點，并且機床結(jié)構(gòu)趨于模塊化、數(shù)控功能專門化。數(shù)控機床是集計算機技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制、傳感測量、機械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體的典型的機電一體化產(chǎn)品。它的發(fā)展和運用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時代，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方

23、式、使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大的變化。數(shù)控技術(shù)水平的高低已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標志，實現(xiàn)加工機床及生產(chǎn)過程數(shù)控化，已成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向。我國是世界上機床產(chǎn)量最多的國家，但在數(shù)控機床的產(chǎn)品競爭力仍然處于較低的水平。因為開發(fā)一臺新的數(shù)控機床的周期比較長，不能及時針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。為此我們應(yīng)該在普通機床上考慮，不能一味的大量添置全新的數(shù)控機床，這樣會造成資金投資量大，成本高，而且又會造成原有設(shè)備閑置浪費

24、。把普通機床改造為數(shù)控機床不失為一條提高數(shù)控化率的有效途徑。普通機床數(shù)控化改造，顧名思義就是在機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預定的加工工藝目標。這種機床改造花費少，改造針對性強，時間短，改造后的機床大多能克服原機床缺點和存在的問題，生產(chǎn)效率高，尤其適合中國機床擁</p><p>　　銑床是普通機床中比較常見的一種，而數(shù)控銑床則是數(shù)控機床中應(yīng)用比較廣泛的一種。與普通機床相比，數(shù)控機床具有傳

25、動鏈短、傳動結(jié)構(gòu)剛度好、抗振性好、滑動面的摩擦阻力小以及傳動元件的間隙小等優(yōu)點。對數(shù)控銑床的設(shè)計，無疑會有助于理解各類數(shù)控機床的工作原理和結(jié)構(gòu)特性。</p><p>　　通過這次畢業(yè)設(shè)計，可以達到以下目的：</p><p>　　1.培養(yǎng)綜合運用專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)技能來解決工程實際問題的能力；</p><p>　　2.強化工程實踐能力和意識,提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力

26、；</p><p>　　3.使本人受到從事本專業(yè)工程技術(shù)和科學研究工作的基本訓練，提高工程繪圖、計算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻閱讀、使用計算機、使用文獻資和手冊、文字表達等各方面的能力；</p><p>　　4.培養(yǎng)正確的設(shè)計思想和工程經(jīng)濟觀點，理論聯(lián)系實際的工作作風，嚴肅認真的科學態(tài)度以及積極向上的團隊合作精神。</p><p><b>　　1 緒 論&

27、lt;/b></p><p><b>　　1.1 引 言 </b></p><p>　　數(shù)控機床具有高精度、高效、高速、高可靠性等優(yōu)點，并且機床結(jié)構(gòu)趨于模塊化、數(shù)控功能專門化。數(shù)控機床是集計算機技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制、傳感測量、機械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體的典型的機電一體化產(chǎn)品。它的發(fā)展和運用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時代，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式、

28、使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大的變化。數(shù)控技術(shù)水平的高低已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標志，實現(xiàn)加工機床及生產(chǎn)過程數(shù)控化，已成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向。我國是世界上機床產(chǎn)量最多的國家，但在數(shù)控機床的產(chǎn)品競爭力仍然處于較低的水平。因為開發(fā)一臺新的數(shù)控機床的周期比較長，不能及時針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。為此我們應(yīng)該在普通機床上考慮，不能一味的大量添置全新的數(shù)控機床，這樣會造成資金投資量大，成本高，而且又會造成原有設(shè)備閑置浪費。把

29、普通機床改造為數(shù)控機床不失為一條提高數(shù)控化率的有效途徑。普通機床數(shù)控化改造，顧名思義就是在機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預定的加工工藝目標。這種機床改造花費少，改造針對性強，時間短，改造后的機床大多能克服原機床缺點和存在的問題，生產(chǎn)效率高，尤其適合中國機床擁</p><p>　　1.1.1 微觀看改造的必要性</p><p>　　微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有突出

30、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。數(shù)控機床可以加工出傳統(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?？梢詫崿F(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

31、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

32、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</p><p>　　1.1.2 宏觀看改造的必要性</p><p>　　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)中推行CAD、C

33、AE、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年己達20．8％，因此每年都有大量機

34、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。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀</p><p>　　當今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高精、高效、高自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，已形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計算機技術(shù)的進步，數(shù)控機床在20世紀80年代以后加速發(fā)展，各方

35、用戶提出更多需求，早已成為四大國際機床展上各國機床制造商競相展示先進技術(shù)、爭奪用戶、擴大市場的焦點。較著名的控制系統(tǒng)有：日本FANUC系列、Mitsubishi系列、OKUMA系列、SoDICK系列、日立系列、德國SIEMENS系列、DECKEL系列、Heidenhain系列、HELLER系列、美國ALLEN．BRADLEYfAB)系列、CINClNNANTI系列、法國Num系列、意大利FIDIA系列、西班牙FACK)R系列、瑞士的AG

36、系列、國產(chǎn)系列等。</p><p>　　在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們將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(Remanufacmring)業(yè)

37、。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsehe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。</p><p>　　趕上計算機體系結(jié)構(gòu)前進的步伐、加快數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)速度，已

38、成為數(shù)控發(fā)展的最主要趨勢。以第四代計算機的工程結(jié)構(gòu)和微電子工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用現(xiàn)有微機的硬件、軟件資源，發(fā)展總線式、模塊式、開放型、嵌入式的柔性數(shù)控系統(tǒng)，使之即適合加工復雜零件、分立式機床用的數(shù)控系統(tǒng)的組成，又適合未來自動化升級時功能可擴展的要求。</p><p>　　我國數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展具有以下3個特征：</p><p>　　(1) 高檔數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)突破。如華中I型等數(shù)控系統(tǒng)，都具有

39、多軸聯(lián)動功能，快速進給速度在1．67m／s以上，具有較強的通信、管理功能。</p><p>　　(2) 普及型數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟。如北京機床研究所的BS91系統(tǒng)，這些系統(tǒng)一般配有CRT顯示器，可配置直流和交流司服驅(qū)動，2～4軸聯(lián)動。</p><p>　　(3) 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)仍有廣闊的市場前景。由于這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，非常適合中小型企業(yè)，目前仍是我國應(yīng)用面最廣的數(shù)控系統(tǒng)。比較典型

40、的有南京大方的JWK系列。</p><p>　　我國是機床生產(chǎn)大國，又是使用大國。數(shù)控機床是機械工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵產(chǎn)品，我國的數(shù)控機床在機床產(chǎn)品中的比例總體水平低。但是我國是發(fā)展中國家，許多企業(yè)財力薄弱，不可能花費大量的資金添置許多全新的數(shù)控機床，同時大量的通用機床不可能全部淘汰。因此，把普通機床改造為數(shù)控機床則不失為是一條提高數(shù)控化率的有效途徑，機床改造花費少，改造針對性強，時間短，改造后的機床大多能克服原機床的缺

41、點和存在的問題，生產(chǎn)效率高。 </p><p>　　1.2.1 數(shù)控機床發(fā)展趨勢</p><p>　　高速、高效、高精度、高可靠性</p><p>　　1) 高速、高效加工</p><p>　　進入21世紀，機床向高速化方向發(fā)展，大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。上世紀90年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應(yīng)用新一

42、代高速數(shù)控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。</p><p>　　2) 高精度、超精密化加工</p><p>　　當前，機械加工高精度的要求較普通的加工精度提高了一倍，達到5um；精密加工精度提高了兩個數(shù)量級，超精密加丁精度進入納米級(0.001um)，主軸回轉(zhuǎn)精度要求達到0.01-0.05um，加工圓度為0.1um，加工表面粗糙度Ra=0.003um等。從精密加工發(fā)展到超精密加工(特高精度加

43、工)，是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級(<10nm)，其應(yīng)用范圍日趨廣泛。</p><p><b>　　高可靠性</b></p><p>　　是指數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設(shè)備的可靠性在一個數(shù)量級以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是適度可靠。對于每天工作兩班的無人工廠而言．如果要求在16小時內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率P(t)=9

44、9％以上的話，則數(shù)控機床的平均無故障運行時間MTBF就必須大于3000小時。當前國外數(shù)控裝置的MTBF值已達60000小時以上，驅(qū)動裝置達30000小時以上。</p><p>　　模塊化、智能化、柔性化和集成化</p><p>　　1）模塊化、專門化與個性化</p><p>　　為了適應(yīng)數(shù)控機床多品種、小批量的特點，機床結(jié)構(gòu)模塊化，數(shù)控功能專門化，機床性能價格比顯著

45、提高并加快優(yōu)化。個性化是近幾年來特別明顯的發(fā)展趨勢。</p><p><b>　　2）智能化</b></p><p>　　在數(shù)控系統(tǒng)中智能化的內(nèi)容包括：①為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成；②為提高驅(qū)動性能及使用連接方便方面的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算等：③簡化編程、簡化操作方面的智能化；④智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容等

46、。</p><p><b>　　2）柔性化和集成化</b></p><p>　　數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點(數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復合加工機床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨立制造島、工廠自動化FA)、體(cIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。</p><p&g

47、t;<b>　　開放性</b></p><p>　　為適應(yīng)數(shù)控進線、聯(lián)網(wǎng)、普及型個性化、多品種、小批量、柔性化及數(shù)控迅速發(fā)展的要求，最重要的發(fā)展趨勢是體系結(jié){每的開放性，設(shè)計生產(chǎn)開放式的數(shù)控系統(tǒng)，例如美國的OMAC、歐共體的OSACA及日本的OSEC發(fā)展開放式數(shù)控的計劃等。</p><p>　　出現(xiàn)新一代數(shù)控加工工藝與裝備</p><p>　　

48、1.3 機床數(shù)控化改造的優(yōu)越性</p><p>　　1.3.1 機床數(shù)控化改造的技術(shù)優(yōu)越性</p><p>　　(1) 數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)中計算機的作用。</p><p>　　(2) 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。</p><p>　　(3) 可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，效率可

49、比傳統(tǒng)機床提高3到7倍。傳統(tǒng)機床靠凸輪或擋等可實現(xiàn)“剛性自動化”，且只有進行大批量生產(chǎn)時，才經(jīng)濟合算；而數(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)得以白動化，故稱之為“柔性自動化”。</p><p>　　(4) 加工的零件精度高，尺寸分散度小，裝配容易，不再需要“修配”。這是由于加工過程自動化，不受人的情緒和疲勞影響的結(jié)果。計算機還可以自動進行刀具壽命管理，不會因刀具磨損而影響工件

50、精度和其一致性。數(shù)控系統(tǒng)中增加的機床誤差、加工誤差修正補償?shù)墓δ?，使加工精度得到進一步提高。</p><p>　　(5) 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床問的頻繁搬運。這是自動化帶來的效果(可以自換刀)，如加工中心，在工件裝夾好后，可實現(xiàn)鉆、銑、攻絲、擴孔等多工序的加工。這些多工序是在同一基面、同一次裝夾下實現(xiàn)的，提高了相關(guān)的加工精度?，F(xiàn)已出現(xiàn)其他工序集中的機床。如車削中心、車銑中心、磨削中心等。</p&

51、gt;<p>　　(6) 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。</p><p>　　(7) 數(shù)控加工降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，并可對市場需求做出快速反應(yīng)。</p><p>　　1.3.2 機床數(shù)控化改造的客觀優(yōu)越性</p><p>　　(1) 費用低，經(jīng)濟性

52、好，改造周期短可滿足生產(chǎn)急需，同購置新機床相比，一般可以節(jié)省60%～80%的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的1/3，以大型的龍門加工中心為例，進口新的需要1000-5000萬元，而升級改造只需要100～500萬元，僅占成本的1/10，且交貨期短。</p><p>　　(2) 改造后的機床機械性能穩(wěn)定可靠、功能增強、質(zhì)量好、效率高，可作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。&l

53、t;/p><p>　　(3) 降低了對操作者的技術(shù)要求，更易提高管理水平，操作者只需編程、裝夾工件和按開關(guān)，加工全部由電腦控制自動完成，即使再復雜的工件也能快速完成，省去了對技術(shù)要求的煩惱，同時提高了定額管理水平。</p><p>　　(4) 可以采用雖新的控制技術(shù)，可根據(jù)技術(shù)革新的速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機床改成具有當今水平的機床。</p&g

54、t;<p>　　1.4 機床數(shù)控化改造的現(xiàn)實意義與市場前景</p><p>　　目前在我國400余萬臺機床擁有量中，數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，機床數(shù)控化率不到3%，而陳舊普通機床占到60％之多。這些舊裝備(機床)大部分結(jié)構(gòu)陳舊，操作系統(tǒng)復雜，控制系統(tǒng)落后。用這種舊裝備加工出來的產(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、

55、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。如果購置新機床全部去取代舊機床，顯然義會導致舊機床的閑置和巨大浪費，也不現(xiàn)實：況且購買一臺數(shù)控機床動輒十幾萬、幾十萬，甚至上百萬，在我國一些企業(yè)是很難承受的。因此如何用較少的費用，獲得具有數(shù)控功能的機床就成為一個值得探討的問題。普通機床數(shù)控化升級改造不失為一種行之有效的方法，并可為企業(yè)節(jié)約大量資金，具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的市場前景。如：國防科技工業(yè)完成了3000多臺普通機床數(shù)控化改造，改造后生產(chǎn)效率提高約3

56、倍，加工精度提高20%，與新購設(shè)備相比可節(jié)約資金50％以上。</p><p>　　1.5 X5032數(shù)控銑床改造設(shè)計總體要求和內(nèi)容</p><p>　　1.5.1 數(shù)控銑床改造設(shè)計總體要求</p><p>　　數(shù)控銑床改造設(shè)計主要考慮以下四方面因素：</p><p><b>　　(1) 經(jīng)濟性</b></p>

57、;<p>　　既然是用于普通銑床的數(shù)控化改造，因此，必須充分考慮系統(tǒng)的成本，這是保證達到系統(tǒng)設(shè)計目的關(guān)鍵。這里的成本包括數(shù)控系統(tǒng)，主傳動系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)及機械傳動系統(tǒng)等。</p><p><b>　　(2) 方便性</b></p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)的方便性主要反映在系統(tǒng)的人機界面。人機界面應(yīng)當對用戶友好，對此系統(tǒng)應(yīng)從以下幾個途徑來體現(xiàn)： <

58、/p><p>　　漢化按鍵，方便各種層次的操作者使用。</p><p>　　輸入、檢索、修改盡量一體化。即輸入時可以檢索、修改，檢索時可以修改、輸入，并且自動顯示程序段號。</p><p>　　快速檢索，即能對程序進行上下翻頁顯示。</p><p><b>　　(3) 實用性</b></p><p>

59、　　經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計不應(yīng)追求功能的大而全，應(yīng)以實用為原則。一般的機械加工只要能具有以下功能即可滿足需要：</p><p><b>　　直線、圓弧插補。</b></p><p>　　插補速度要充分考慮被改造機床本身的內(nèi)在素質(zhì)，如剛性、抗震性、耐磨性等，不宜過高。</p><p>　　速度銜接技術(shù)，即速度升/降速控制。速度銜接技術(shù)可以保證系統(tǒng)在

60、加工過程中實現(xiàn)2段程序問的速度平滑連接，從而避免造成加工刀痕，保證精度。</p><p><b>　　變頻調(diào)速。</b></p><p>　　加工程序的掉電保護能力。</p><p><b>　　(4) 可靠性</b></p><p>　　由于數(shù)控系統(tǒng)工作環(huán)境十分惡劣，必須有足夠的可靠性才能保證系統(tǒng)

61、穩(wěn)定運行。</p><p>　　1.5.2 數(shù)控銑床改造設(shè)計內(nèi)容</p><p>　　(1) 主傳動系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　拆除機床主軸，重新設(shè)計主軸。為了保證主軸在運動時有準確的定位，安裝主傳動的定位檢測裝置。采用電氣式主軸準停裝置，利用磁力傳感器檢測定位。只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號，主軸就可以準確的定位。這種磁力傳感器的工作原理是，在主軸上裝上永磁鐵和主軸一

62、起旋轉(zhuǎn)，在距離磁鐵l-2mm的旋轉(zhuǎn)軌跡外，固定一個磁傳感器，當傳感器發(fā)出信號后經(jīng)過放大，由定向電路使電動機準確的停止在規(guī)定的周向位置上。將主傳動改為采用變頻交流電動機無級調(diào)速。低檔轉(zhuǎn)速為270-1500r/min，高檔轉(zhuǎn)速為1500-4500r/min，在各檔內(nèi)可以實現(xiàn)無級調(diào)速。與原立式銑床的機械結(jié)構(gòu)相比比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調(diào)速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構(gòu)，主傳動系統(tǒng)是一個開環(huán)控制的交流變頻調(diào)速系

63、統(tǒng)，通過軟件來實現(xiàn)它的調(diào)速。</p><p>　　(2) 進給傳動系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　縱向、橫向、垂向進給箱齒輪全部拆除，拆除縱向、橫向、垂向進給手柄，在該處將手輪軸通過一對減速齒輪和縱向、橫向及垂向步進電機相連。絲杠拆去，換上滾珠絲杠，并由齒輪箱與滾珠絲杠連接，使改造后的機床的機械傳動部分具有高靜態(tài)、動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦因數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。改造后的

64、X5032銑床傳動示意圖如圖1.1所示，其定位精度為±0.01mm，重復定位精度為±0．005mm。X、Y電機能夠拖動工作臺以6-3200r／min的切削進給速度進行x向、Y向運動，Z向電機能使主軸箱獲得3-1600r／min的進給速度。</p><p>　　(3) 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　采用AT89C58單片機控制系統(tǒng)。采用模塊化設(shè)計方案，從總體上分為人

65、機界面模塊、坐標進給模塊、變頻調(diào)速控制模塊、串行通信模塊、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及基于89C58單片機的主控模塊。利用變頻調(diào)速的原理，設(shè)計主軸的無級變頻調(diào)速系統(tǒng)；通過插補算法，實現(xiàn)步進電機的準確定位以便達到工件的精確度；通過鍵盤和顯示模塊，實現(xiàn)程序的編輯和顯示；通過其他輔助系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)機床功能的完善化。</p><p>　　1—雙聯(lián)齒輪 2—雙聯(lián)齒輪 3—齒輪軸 4—主軸電機 5—齒輪 6—

66、主軸齒輪 7—主軸齒輪 8—縱向滾珠絲杠 9—薄片齒輪 10—縱向步進電機 11—橫向步進電機</p><p>　　12—薄片齒輪 13—橫向滾珠絲杠 14—垂直步進電機 15—薄片齒輪</p><p>　　16—圓錐齒輪 17—垂直進給絲杠</p><p>　　圖1.1 X5032銑床傳動示意圖</p><p>　　1.

67、5.3 改造后的數(shù)控銑床功能分析 </p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，改造后的數(shù)控銑床應(yīng)具有以下功能：</p><p>　　以實現(xiàn)程序的存儲和編輯功能；</p><p>　　以實現(xiàn)主傳動系統(tǒng)電機正、反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速分為兩檔，并在各檔內(nèi)可以實現(xiàn)無級調(diào)速；</p><p>　　可以在平面或空間范圍內(nèi)按設(shè)定曲線(直線、圓弧等)恒速或變速運行；</p

68、><p>　　以實現(xiàn)數(shù)值的任意設(shè)定并顯示；</p><p>　　以實現(xiàn)輔助控制系統(tǒng)的任意起停和故障報警；</p><p>　　以實現(xiàn)與上位機的通訊。</p><p>　　2 數(shù)控機床及控制方式 </p><p>　　2.1 數(shù)控機床的組成及工作原理</p><p>　　數(shù)控機床是采用了數(shù)控技術(shù)的機

69、床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。國際信息處聯(lián)盟(International Federation of Information Processing，IFIP)第五技術(shù)委員會，對數(shù)控機床作了如下定義：數(shù)控機床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床。該系統(tǒng)能邏輯地處理具有使用號碼或其它符號指令規(guī)定的程序。</p><p>　　2.1.1 數(shù)控機床的組成</p><p>　　圖2.1數(shù)控機床組成與工作

70、過程框圖</p><p>　　數(shù)控機床通常由程序載體(控制介質(zhì))、輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、位置反饋系統(tǒng)和機床本體組成，如圖2-1所示。其中實線部分為開環(huán)控制數(shù)控機床框圖，上述系統(tǒng)再加上虛線部分，就構(gòu)成具有測量反饋功能的閉環(huán)控制數(shù)控機床框圖。</p><p>　　(1) 控制介質(zhì)(信息載體)</p><p>　　數(shù)控機床加工時，為了得到圖樣上所規(guī)定的零件形狀和加

71、工精度，在加工過程中，機床所需要的全部操作動作和刀具相對于工件的運動軌跡，都是由我們按著一定的要求和順序編成控制指令即加工程序，并把它存放在一種存儲物上。此存儲物就是在人和機床之間建立聯(lián)系的媒介物，也就是控制介質(zhì)或稱信息載體?？刂平橘|(zhì)可以是穿孔紙帶，磁帶、磁盤或其他可存儲物質(zhì)。</p><p><b>　　(2) 數(shù)控裝置</b></p><p>　　數(shù)控裝置是數(shù)控機

72、床的中心環(huán)節(jié)，它接受控制介質(zhì)輸入的信息，經(jīng)過處理與運算去控制機床動作。數(shù)控裝置由輸入裝置、存儲器、控制器及一套處理數(shù)控加工的相關(guān)軟件、運算器和輸出裝置組成。</p><p><b>　　(3) 伺服系統(tǒng)</b></p><p>　　伺服系統(tǒng)(英文Servo的音譯)是數(shù)控裝置與機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它把來自數(shù)控裝置的指令轉(zhuǎn)變?yōu)闄C床部件的運動，使工作臺和主軸按規(guī)定的動作運動，加

73、工出合格產(chǎn)品。</p><p>　　2.1.2 數(shù)控機床的工作原理</p><p>　　在使用數(shù)控機床進行數(shù)控加工時，把零件的加工信息(如零件尺寸、形狀和技術(shù)條件)編出工件加工程序，將加工工件時刀具相對于工件的位置和機床全部動作順序，按規(guī)定格式和代碼記錄在信息載體上；</p><p>　　把信息載體(控制介質(zhì))即工件加工程序輸入計算機數(shù)控裝置；</p>

74、<p>　　控裝置接收由穿孔帶、閱讀機、磁盤、鍵盤等送入的代碼信息，經(jīng)過識別與譯碼之后送到指定存儲區(qū)，作為控制與運算的原始數(shù)據(jù)；</p><p>　　伺服驅(qū)動系統(tǒng)把來自數(shù)控裝置的運動指令轉(zhuǎn)變成機床移動部件的運動，使工作臺按規(guī)定軌跡移動或定位，加工出符合圖樣要求的工件；</p><p>　　輔助裝置把計算機送來的輔助控制指令，經(jīng)機床接口電路轉(zhuǎn)換成強電信號，用來控制機床主軸電機的啟

75、動停車，主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整，冷卻泵啟停以及轉(zhuǎn)位換刀；</p><p>　　反饋系統(tǒng)將機床移動的實際位置，速度參數(shù)檢測出來。轉(zhuǎn)換成電信號。并反饋到計算機中，使計算機隨時判斷機床的實際位置、速度是否與指令一致，并發(fā)出相應(yīng)指令，糾正所產(chǎn)生的誤差。零件在機床上加工過程如圖2-1所示，當改變加工工件時，在數(shù)控機床上只需改變加工程序即可進行新零件加工。</p><p>　　2.2 數(shù)控機床控制方式選擇<

76、;/p><p>　　2.2.1 位置控制方式分類</p><p>　　伺服系統(tǒng)是位置控制系統(tǒng)，是數(shù)控裝置與機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，位置控制按其結(jié)構(gòu)分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。</p><p>　　(1) 開環(huán)控制形式</p><p>　　如圖2-2是典型的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，其中沒有位置檢測反饋裝置，指令是單方向傳送的，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。

77、開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)主要使用步進電機。插補器進行插補，發(fā)出指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動放大電路放大后，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，一個進給脈沖使步進電機轉(zhuǎn)動一個角度，通過齒輪減速，絲杠傳動使工作臺移動一定距離，因此，工作臺的位移量與步進電機的轉(zhuǎn)角成正比，即與進給脈沖數(shù)目成正比。改變進給脈沖數(shù)目和頻率，可以控制工作臺的移動量和速度。開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，容易維修，成本較低，但控制精度不高，適宜于經(jīng)濟型數(shù)控機床及數(shù)控改造。</p><p&

78、gt;　　圖2.2 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　(2) 閉環(huán)控制形式</p><p>　　安裝在工作臺上的檢測元件將工作臺的實際位移量反饋到計算機中，與所要求的位移量相比較，用比較的差值進行控制，直到差值消除為止，從而使精度大大提高，如圖2-3所示。閉環(huán)控制加工精度高，移動速度快，但電機控制電路比較復雜，檢測原件價格昂貴，調(diào)試維修費用高。</p><p>

79、　　圖2.3閉環(huán)系統(tǒng)框圖</p><p>　　(3) 半閉環(huán)控制形式</p><p>　　半閉環(huán)控制沒有直接檢測工作臺的位移量，原因是檢測元件安裝在電機的端頭或絲杠的端頭，閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括絲杠螺母副工作，所以可獲得較穩(wěn)定的控制特性。控制精度比閉環(huán)控制的要差，但控制系統(tǒng)調(diào)試維修方便。如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 半閉環(huán)控制系統(tǒng)</p>

80、<p>　　目前，機床數(shù)控化改造大多采用經(jīng)濟型數(shù)控改造即開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)來提高機床的自動化程度和機床的加工精度，X5032升降臺銑床數(shù)控化改造采用的即是開環(huán)控制形式。</p><p>　　2.2.2 步進電機的開環(huán)控制</p><p>　　步進電機是典型的開環(huán)驅(qū)動裝置，與所選定的WA-21M數(shù)控系統(tǒng)相匹配，是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的電磁機械裝置。其角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格的

81、成正比，在時間上與輸入脈沖同步。</p><p><b>　　步進電機的工作原理</b></p><p>　　(1) 步進電機的定子繞組每換接一次通電相序，步進電機轉(zhuǎn)子就沿某旋向旋轉(zhuǎn)一個角度即步距角。</p><p>　　其中-步距角；m-定子繞組相數(shù)，通常有三相，四相，五相等；Z-轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K-與通電方式有關(guān)的系數(shù)，K=拍數(shù)/相數(shù)。</

82、p><p>　　(2) 步進電機的輸出轉(zhuǎn)角與輸入的脈沖個數(shù)嚴格的成正比例，控制輸入步進電機的脈沖個數(shù)就能控制位移量。</p><p>　　(3) 進電機的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比，控制脈沖頻率就能調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　其中n-轉(zhuǎn)速(r/min)；f-控制脈沖頻率(Hz)；-步距角(度數(shù))。</p><p>　　(4) 改變通

83、電相序即可改變電機轉(zhuǎn)向。</p><p>　　步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成</p><p>　　圖2-5 步進電機控制系統(tǒng)構(gòu)成及原理圖</p><p>　　如圖2-5是步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及原理框圖，它由脈沖信號源、脈沖分配器、功率放大器、步進電機組成。</p><p>　　脈沖信號源是一個脈沖發(fā)生器，脈沖的頻率可以連續(xù)調(diào)整，送出的脈沖個數(shù)

84、和脈沖頻率由控制信號控制。在CNC系統(tǒng)由計算機根據(jù)程序控制脈沖個數(shù)和脈沖頻率，對步進電機實行各種運行狀態(tài)的控制。</p><p>　　脈沖分配器一方面接受輸入脈沖和方向指令，另一方面面向功率驅(qū)動器供給控制信號。在方向指令的作用下，脈沖分配器將輸入CP脈沖信號按一定順序分配，然后送到驅(qū)動器進行功率放大，驅(qū)動步進電機使其轉(zhuǎn)子按順時針或逆時針方向轉(zhuǎn)動。</p><p>　　功率驅(qū)動器是一功率開關(guān)

85、電路，其作用就是將從脈沖分配器送來的弱電信號經(jīng)功率放大，控制步進電機各項繞組電流按一定的順序切換，步進電機按要求運轉(zhuǎn)。</p><p>　　步進電機是拖動負載的執(zhí)行元件。</p><p>　　2.2.3 數(shù)控機床開環(huán)系統(tǒng)速度計算</p><p>　　在開環(huán)系統(tǒng)中，坐標軸運動速度是通過控制向步進電機輸出脈沖的頻率來實現(xiàn)的，系統(tǒng)每發(fā)出一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)過一個角度，從

86、而驅(qū)動坐標軸移動一定距離即脈沖當量（δmm）。插補程序根據(jù)零件輪廓要求向各個坐標軸分配脈沖，提供位置指令。而脈沖發(fā)送到步進電機的頻率則確定了進給速度，進給速度V與脈沖發(fā)送頻率f有如下關(guān)系：</p><p>　　其中V-進給速度(m/s)；f-脈沖發(fā)送頻率(Hz)；δ-脈沖當量(mm)。</p><p>　　3 機械傳動系統(tǒng)的改造設(shè)計</p><p>　　在機床數(shù)控

87、化改造中，很重要的工作之一便是進行機械傳動系統(tǒng)的改造設(shè)計，這里所提到的機械傳動系統(tǒng)與一般的機械系統(tǒng)相比，除要求有較高的定位精度外，還應(yīng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，就是說響應(yīng)要快。穩(wěn)定性要好。為此在設(shè)計中，常提出無間隙，低摩擦．低慣量，高剛度，高諧振頻率，適當?shù)淖枘岜纫?。X5032數(shù)控銑床機械系統(tǒng)設(shè)計包括伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計計算，絲杠螺母副的設(shè)計計算，主傳動系統(tǒng)的參數(shù)計算，主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。主傳動系統(tǒng)的參數(shù)計算包括主傳動的變速方式的選擇，主

88、軸電機的選擇及分級變速箱的設(shè)計，主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計包括主軸部件的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，主軸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。</p><p>　　機械系統(tǒng)一般由減速裝置、絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副等各種線性傳動部件，以及連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等非線性傳動部件、導向支承件、旋轉(zhuǎn)支承件、軸系及架體等機構(gòu)組成。常用的機械傳動部件有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶、高速帶以及各種非線性傳動部件等。</p><p>　　3.1 主傳動

89、系統(tǒng)的參數(shù)計算</p><p>　　3.1.1 主傳動的變速方式的選擇</p><p>　　主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速(速度)和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動等。</p><p>　　為了適應(yīng)不同的加工要求，目前主傳動系統(tǒng)主要有三種變速方式：

90、</p><p>　　1) 一級帶傳動變速方式優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試方便，且在一定條件下能滿足轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出要求。但系統(tǒng)的調(diào)速范圍受電動機的調(diào)速范圍的約束，適用于低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸，因此不適于本改造。</p><p>　　2) 調(diào)速電機直接驅(qū)動方式優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，但是主軸轉(zhuǎn)數(shù)的變化及轉(zhuǎn)矩的輸出和電動機的輸出特性完全一致，電動機的發(fā)熱對主軸的精度影響大，因而也不適于本改造。

91、</p><p>　　3) 二級以上齒輪變速系統(tǒng) 雖然此種結(jié)構(gòu)復雜，制造和維修費用高，但和以上兩種驅(qū)動方式比，變速裝置多采用齒輪變速結(jié)構(gòu)，可以使用可調(diào)的交、直流無級變速電動機，經(jīng)齒輪變速后，實現(xiàn)分段無級變速，調(diào)速范圍增加，且能滿足各種切削運動的轉(zhuǎn)矩輸出，因此選用二級以上齒輪變速系統(tǒng)作為主傳動的變速方式。</p><p>　　3.1.2 主軸電機的選擇</p><p>

92、;　　主軸電動機是數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的主要部件之一，它的選擇涉及到主傳動系統(tǒng)的變速方式。</p><p>　　(1)采用交流電動機無級調(diào)速</p><p>　　伺服電動機和脈沖步進電動機都是恒轉(zhuǎn)矩的，而且功率不大，所以只能用于直線進給運動和輔助運動。直流電動機結(jié)構(gòu)復雜，價格高。又因為換向器和電刷，在運行中容易出故障。所以對X5032銑床進行數(shù)控改造時選擇交流調(diào)速電動機，因為交流調(diào)速電動機體

93、積小、轉(zhuǎn)動貫量小、動態(tài)相應(yīng)快，沒有電刷，能達到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流電動機高，磨損和故障也少。</p><p>　　目前適用于這類機床的系列交流主軸電機，其連續(xù)運轉(zhuǎn)額定功率分別為7.5、1l、15、18.5、22 kW五種規(guī)格，電機的最高轉(zhuǎn)速ndmax=4500r/min，額定轉(zhuǎn)速nd=1500r/min，，最低轉(zhuǎn)速ndmin=45r/min。。其功率轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖2．15所示。</p><

94、;p>　　圖2．15 電機功率轉(zhuǎn)矩特性圖</p><p>　　由圖2.15看出，電機在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)功率隨轉(zhuǎn)速降低而減小，當電機轉(zhuǎn)速低于</p><p>　　ndmin時因功率的減小而不能利用，實際可用的電機最低轉(zhuǎn)速取決于機床所要求的最小切削功率和電機的額定輸出功率。</p><p>　　3.1.3 分級變速箱的設(shè)計</p><p>　　(1

95、) 銑削力的計算：</p><p>　　根據(jù)《簡明銑工手冊》，對高速鋼圓柱銑刀，切削力的計算公式：</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　C-系數(shù)，值取決于切削條件和工作材料，當工件為碳鋼時，查《簡明銑工手冊》表3-13，取C

96、FZ=65</p><p>　　ap-銑削寬度(銑刀每轉(zhuǎn)一個齒間角時，工件與銑刀的相對移動量)</p><p><b>　　ae-背吃刀量</b></p><p><b>　　z-銑刀齒數(shù)</b></p><p><b>　　d0-銑刀直徑</b></p><

97、;p><b>　　n-銑刀轉(zhuǎn)數(shù)</b></p><p>　　XF、YF、uF和WF，——公式中各個系數(shù)的指數(shù)。</p><p>　　KFC——切削條件改變時，切削力的修正指數(shù)，其中參數(shù)按實際加工過程</p><p>　　中平均銑削條件為標準來選擇。查《簡明銑工手冊》表3-13取</p><p>　　d0=27mm；

98、ae=4mm；z=4；ap=30mm</p><p>　　fz=0.1 mm，n取r/min，</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　xF=1.0；yF=0.72；uF=0.86；WF=0；qF=0.73；</p><p>　　加工碳鋼時，σb=673MPa修正系數(shù)由《簡明銑工手冊》3-14得：&

99、lt;/p><p><b>　　則</b></p><p>　　利用圓柱銑刀進行逆銑時，工作臺的工作載荷：</p><p>　　工作臺縱向進給方向載荷：Fl=(1～1.2)Fz</p><p>　　工作臺垂向進給方向載荷：Fv=(0.2～0.3)Fz</p><p>　　工作臺橫向進給方向載荷：Fc=

100、(0.35～0.4)Fz</p><p>　　各系數(shù)分別取中間值，則：</p><p>　　Fl=1.1Fz=1.1×4366.6=4803N</p><p>　　Fv=0.25Fz=0.25×4366.6=1092N</p><p>　　FC=0.375FZ=0.375×4366.6=1637N</p&g

101、t;<p>　　由此可以算出周向銑削力:</p><p>　　(2) 初選交流調(diào)速主軸電動機的功率</p><p>　　nd為主軸傳遞全部功率時的最低切削速度，即電動機的額定轉(zhuǎn)數(shù),為</p><p>　　1500r/min。</p><p><b>　　所以</b></p><p>

102、　　Pm=Fv≈Fzv=4366.6×πd0nd/(60×1000)</p><p>　　=4366.6×π×27×1500/(60×1000)=9259.7W=9.3KW，</p><p>　　取總效率η=0.75，</p><p>　　則初選電動機功率Pd=9.3/0.75=12KW</p>

103、<p>　　電動機額定轉(zhuǎn)速為nd=1500/min；</p><p>　　額定最高轉(zhuǎn)速為ndmax=4500r/min；</p><p>　　最低轉(zhuǎn)速ndmin=45r/min；</p><p>　　(3) 主軸電動機的功率的確定</p><p>　　由2中初選電動機功率Pd為12KW，</p><p>

104、　　則電動機的恒功率調(diào)速范圍</p><p>　　Rdp=ndmax/nd=4500/1500=3</p><p>　　X5032主軸的計算轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　=83r/min</b></p><p>　　主軸恒功率調(diào)速范圍Rnp=nmax/nj=4500/83=54.22≈54</p>&l

105、t;p>　　因此，主軸要求的恒功率變速范圍Rnp遠大于電動機所能提供的恒功率變速范圍Rdp，所以在電動機與主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，來擴大電動機的恒功率變速范圍。如圖2-15所示。</p><p>　　圖2-15 串聯(lián)變速組特性</p><p>　　調(diào)速電動機的恒功率變速范圍為ψm，如圖2-15所示，在保證無級變速連續(xù)的前提下，串聯(lián)一個雙速變速組，獲得的最大變速范圍為ψm2，此時

106、，Z=Pa=2，ψm2=ψfZ，ψm=ψf；串聯(lián)兩個雙速變速組后，能得到的連續(xù)無極變速范圍是ψm4，這時，Z=PaPb=22=4,ψm4=ψfZ，因而，調(diào)速電動機串聯(lián)K級變速變速組后，能獲得的最大變速組范圍是Rpn=ψfZ，Z=2k，分級傳動公比ψf=ψm。即串聯(lián)的分機傳動系統(tǒng)的公比等于電動機恒功率變速范圍時，輸出的無極變速范圍最大。換言之，變速范圍一定，當分級傳動系統(tǒng)的公比ψm=ψf時，需串聯(lián)的變速組數(shù)最小。設(shè)計無極變速系統(tǒng)時，主軸的

107、變速范圍一定，可用如下關(guān)系式得到至少需要串聯(lián)的變速組數(shù)。</p><p>　　(4)分級變速箱的傳動系統(tǒng)的設(shè)計 </p><p><b>　　變速級數(shù)Z的確定</b></p><p><b>　　如取變速箱的公比</b></p><p><b>　　ψf=Rnp=3</b>&l

108、t;/p><p><b>　　則由于無級變速時</b></p><p>　　Rnp=ψfZ-1Rdp=ψfz</p><p>　　故變速箱的變速級數(shù)可以取</p><p><b>　　Z=4</b></p><p>　　變速箱所需要的變速組數(shù)</p><p&g

109、t;<b>　　即</b></p><p>　　K=2 Z=4</p><p>　　分級傳動系統(tǒng)的實際公比為</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)式為</b></p><p>　　分級傳動系統(tǒng)的最小傳動比為</p><p>　　根據(jù)前緩后急的原則取</p>

110、<p>　　其他傳動副的傳動比為</p><p>　　調(diào)速電動機的最低工作轉(zhuǎn)速為</p><p>　　電動機最低工作轉(zhuǎn)速時所傳遞的功率為</p><p><b>　　.</b></p><p>　　圖2-16 X5032銑床轉(zhuǎn)速圖</p><p>　　轉(zhuǎn)速圖如圖2-16所示，從轉(zhuǎn)速圖

111、中可知，電動機的額定轉(zhuǎn)速產(chǎn)生主軸的計算轉(zhuǎn)速；電動機的最高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生主軸的最高轉(zhuǎn)速；電動機的最低工作轉(zhuǎn)速產(chǎn)生主軸的最低轉(zhuǎn)速；區(qū)域I是橫轉(zhuǎn)矩變速范圍，有分級傳動的最小傳動比產(chǎn)生，電動機的恒轉(zhuǎn)矩變速范圍等于主軸的主軸的恒轉(zhuǎn)矩變速范圍。區(qū)域II為恒功率變速范圍，有四段部分重合的無極轉(zhuǎn)速，分別是209~250r/min，572~655r/min，1500~1717r/min。段與段值間是等比的，比值就是分級傳動的公比。每段的無極變速范圍。因此，無極