數控車床的改造畢業(yè)設計

1、<p><b>　　前 言</b></p><p>　　數控機床經濟型改造,實質是機械工程技術與微電子技術的結合。經改造后的機床加工的精度、效率、速度都有了很明顯的提高，適合我國現在經濟水平的發(fā)展要求。  本次畢業(yè)設計中，我們對有關數控機床及數控改造的相關書籍、刊物進行大量閱讀,收集了很多資料,了解了數控機床的基本概念，數控機床的發(fā)展概況，數控機床的組成及其

2、工作原理，擴大了我們的知識面。  隨著科學技術的發(fā)展,現代機械制造要求產品的形狀和結構不斷改進，對零件的加工質量的要求也越來越高。隨著社會對產品多樣化要求的增強，產品品種增多,產品更新換代加速。數控機床代替普通機床被廣泛應用是一個必然的趨勢。同時，數控機床將向著更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能發(fā)展。</p><p><b>　　摘 要</b></p&g

3、t;<p>　　摘要:了解數控機床的概念，所謂數字控制是按照含有機床(刀具)運動信息程序所指定的順序自動執(zhí)行操作的過程。而計算機數控機床就是數控機床在計算機監(jiān)控下進行工作。它的優(yōu)點很多,可以在同一機床上一次裝夾可完成多個操作，生產率顯著提高等優(yōu)點，但它的價格昂貴。由于我國現在使用的機床大多數為普通車床，自動化程度低,要更新現有機床需要很多資金。為了解決這個問題,也為了適應多品種中、小批量零件加工我們選擇機床經濟型數控改造。

4、本次設計主要為縱向進給系統(tǒng)的設計，其中包括縱向進給系統(tǒng)改造方案的確定，各零部件的設計。</p><p>　　關鍵詞:數控、車床、改造、縱向進給</p><p><b>　　概 述</b></p><p>　　一、數控系統(tǒng)發(fā)展簡史</p><p>　　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

5、代替腦力勞動的工具。它與人類在農業(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，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。</p><p>　　6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數控機床。從此，傳統(tǒng)機床產生了質的變化。近半個世紀以來，數控系統(tǒng)經歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 </p><p>　　1、數控（NC）階段（1952～1970年）</p&

6、gt;<p>　　早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數據處理影響還不大，但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數字邏輯電路"搭"成一臺機床專用計算機作為數控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數控（HARD-WIRED NC），簡稱為數控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經了三代，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。</p>

7、<p>　　2、計算機數控（CNC）階段（1970年～現在）</p><p>　　到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現并成批生產。于是將它移植過來作為數控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數控（CNC）階段（把計算機前面應有的"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)模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之

8、為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。</p><p>　　到1974年微處理器被應用于數控系統(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構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數控。&l

9、t;/p><p>　　到了1990年，PC機（個人計算機，國內習慣稱微機）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數控系統(tǒng)核心部件的要求。數控系統(tǒng)從此進入了基于PC的階段。</p><p>　　總之，計算機數控階段也經歷了三代。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）。</p><p>

10、　　還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數控（即CNC）了，而我國仍習慣稱數控（NC）。所以我們日常講的"數控"，實質上已是指"計算機數控"了。</p><p>　　二、數控機床及其特點</p><p>　　數控機床（Numerical Control Machine Tools）是指采用數字形式信息控制機床。詳言之，凡是用數字化的代碼將零件加工過

11、程中所需的各種操作和步驟以及刀具與工件之間的相對位移量等記錄在程序介質上，送入計算機或數控系統(tǒng)，經過譯碼、運算以及處理，控制機床的刀具與工件的相對運動，加工出所需要的工件的一類機床即為數控機床。 </p><p>　　數控機床較好地解決了復雜、精密、小批、多變的零件加工問題，是一種靈活的、高效能的自動化機床，尤其對于約占機械加工總量80%的單件、小批量零件的加工，更顯示出其特有的靈活性。概括起來，采用數控機床有以

12、下幾方面的好處： </p><p>　?、偬岣呒庸ぞ?，尤其提高了同批零件加工的一致性，使產品質量穩(wěn)定； </p><p>　　②提高生產效率，一般約提高效率3～5倍，使用數控加工中心機床則可提高生產率5～10倍； </p><p>　?、劭杉庸ば螤顝碗s的零件； </p><p>　　④減輕了勞動強度，改善了勞動條件； </p>

13、<p>　?、萦欣谏a管理和機械加工綜合自動化的發(fā)展。 </p><p>　　然而，數控機床畢竟是一種高度自動化的機床，技術復雜，成本較高。在實際采用時，一定要充分考慮其技術經濟效果。目前，選用數控機床時主要考慮以下三種因數：即單件、中小批量的生產；形狀比較復雜，精度要求高的加工；產品更新頻繁，生產周期要求短的加工。凡是符合這三種因素之一的情況，采用數控機床，對于改進產品質量、減輕工人勞動強度、提高

14、經濟效益等，都會獲得顯著的效果</p><p>　　三、數控機床的工藝范圍及加工精度</p><p>　　1. 數控機床的工藝范圍： </p><p>　　根據數控加工的優(yōu)缺點及國內外大量應用實踐，一般可按適用程度將零件分為三類：</p><p><b>　?。?）最適用類</b></p><p>

15、;　　1）形狀復雜，加工精度要求高，用通用機床無法加工或雖然能加工但很難保證產品質量的零件。</p><p>　　2）用數學模型描述的復雜曲線或曲面輪廓零件。</p><p>　　3）有難測量、難控制進給、難控制尺寸的不開敞內腔的殼體或盒型零件。</p><p>　　4）必須在依次裝夾中合并完成銑、鏜、鉸或螺紋等多工序的零件。</p><p>

16、;<b>　?。?）較適用類</b></p><p>　　1）在通用機床加工時極易受人為因素（如：情緒波動、體力強弱、技術水平高低等）干擾，零件價值又高，一旦質量失控會造成重大經濟損失的零件；</p><p>　　2）在通用機床上加工時必須制造復雜的專用工裝的零件。</p><p>　　3）需要多次更改設計后才能定型的零件。</p>

17、<p>　　4）在通用機床上加工需要作長時間調整的零件。</p><p>　　5）用通用機床加工時，生產率很低或體力勞動強度很大的零件。</p><p><b>　?。?）不適用類</b></p><p>　　1）生產批量大的零件。</p><p>　　2）裝夾困難或完全靠找正定位來保證加工精度的零件。&l

18、t;/p><p>　　3）加工余量不穩(wěn)定，且數控機床上無在線檢測系統(tǒng)可自動調整零件坐標位置的零件。</p><p>　　4)必須用特定的工藝裝備協(xié)調加工的零件。</p><p>　　2.數控機床的加工精度：</p><p>　　看一臺機床水平的高低，要看它的重復定位精度，一臺機床的重復定位精度如果能達到0.005mm(ISO標準.、統(tǒng)計法),就是

19、一臺高精度機床，在0.005mm(ISO標準.、統(tǒng)計法)以下，就是超高精度機床，高精度的機床，要有最好的軸承、絲杠。 超精密加工目前是指尺寸和位置精度為0.01～0.3μm，形狀和輪廓精度為0.003～0.1μm，表面粗糙度鋼件Ra≤0.05μm、銅件Ra≤0.01μm。國內研制的超精密數控車床、數控銑床已投入生產使用。當前在品種上需發(fā)展超精密磨床和超精密復合加工機床，同時要進一步提升超精密主軸單元、超精密導軌副單元、超精密平

20、穩(wěn)驅動系統(tǒng)、超精密輪廓控制技術及納米級分辨率數控系統(tǒng)的性能并加快其工程化。 超精密機床主要用于解決國內高新技術和國防關鍵產品的超精密加工，雖然需求量不很大，但它是一項受國外技術封鎖的敏感技術。另一方面，超精密加工技術的深化研究，它的成果的下延將有助于需要量大的加工精度在亞微米級的高精密機床的研發(fā)和產業(yè)化。 在加工精度方面，近10年來，普通級數控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高

21、</p><p><b>　　數控機床的經濟分析</b></p><p>　　1.實用性。選購數控機床時，企業(yè)要有明確的目的和出發(fā)點，首先考慮的是數控機床的實用性?！　?1)數控機床規(guī)格、精度的實用性。在選擇數控機床時,首先應確定數控機床上加工的典型零件。零件的尺寸決定機床的加工范圍；零件關鍵部位的精度決定了所選機床的精度等級。機床精度的評定指標較多，因數控機床類別

22、而異,但共有的關鍵項目是定位精度、重復定位精度以及綜合加工精度。定位精度與傳動鏈各環(huán)節(jié)的彈性、間隙等因素有關,反映了機械系統(tǒng)中的扭曲、撓度、爬行、共振等諸因素造成的綜合誤差。這些指標既反映了伺服機構的剛度,也說明了位置反饋測量系統(tǒng)的質量。重復定位精度反映了數控軸在全行程內定位點的穩(wěn)定性，傳動鏈剛性直接影響重復定位精度。綜合加工精度指最后加工出來的工件尺寸與所要求尺寸之間的誤差。選購時應避免盲目追求高精度，注意機床精度與工件精度相匹配。

23、　　(2)數控系統(tǒng)功能的實用性。數控系統(tǒng)功能可分為基本功能與選用功能, 各知名品牌數控系統(tǒng)的基本功能差別不大。除基本功能以外, 數控系統(tǒng)還為用戶提供多種可選功能。通常數控系統(tǒng)具備的基本功能比較便宜, 而特定選擇的功能很貴。在可供選擇的功能模塊中, 性能差別很大,價格也</p><p>　　2.經濟性。經濟性是指選用的數控機床在滿足加工要求的條件下, 所支付的“錢”最少或較為合理的。經濟性往往是和實用性緊密相連的,

24、 機床選得實用、經濟, 可避免不必要的浪費, 避免以高代價換來功能過多而又不實用的較復雜的數控機床，避免在操作使用、維護保養(yǎng)等諸多方面帶來困難。　　數控機床的設計使用壽命一般為7年, 主要以數控方面的使用壽命為準。同時還得考慮市場占有率, 市場占有率高的數控設備說明是旺銷產品, 已受到多數用戶的青睞和肯定, 一般不會有太多的質量問題?！　∵x購數控機床應考慮投資回報, 能夠在短期內收回投資的機床才是好機床。因為數控機床的主要優(yōu)勢是實現

25、工序集中，從而提高生產率和加工精度，所以數控機床既適于單件小批生產，又適于大批量生產。多數中小型企業(yè)購買的數控機床用于批量生產，因為批量生產不僅節(jié)省編程、對刀等輔助時間，提高機床利用率；而且對操作者的技術要求不高，人工費用也相對較低。所以用于大批量生產的機床投資回報較快。少數產品附加值高，具有一定經濟實力的企業(yè)，為了生產組織方便而購買用于單件生產的數控機床。機床利用率較低時，不僅要考慮設備的使用費用，比如潤滑油、冷卻液、電力消耗等<

26、;/p><p>　　五、數控機床的發(fā)展趨向　　1.繼續(xù)開放式，基于PC的第六代發(fā)展方向，基于PC的所具有的開放性的成本，高可靠性，軟硬件資源豐富等特點，更多的數控系統(tǒng)，生產廠家會走上這條路，至少采用PC機作為他的前端機來處理人機界面、編程、聯絡通訊等問題，由原有的系統(tǒng)擔任數控的任務，PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數控系統(tǒng)。</p><p>　　2.向高速化和高精度發(fā)展這是適應機

27、床向高速和高精度發(fā)展方向的需要。</p><p>　　3.向智能化方向發(fā)展</p><p>　　隨著人工智能在計算機領域的不斷深入和發(fā)展，數控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。</p><p>　　（1）.自適應控制技術，數控系統(tǒng)能檢測過程中的一部分重要信息，并自動調整好系統(tǒng)的有關系數，達到改進整個系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。</p><p>　?。?）.

28、引入專家系統(tǒng)指導加工，將熟練工人和專家的經驗以及加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數數據庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。</p><p>　?。?）.引入故障診斷專家系統(tǒng)。</p><p>　　（4）.智能化數字伺服驅動裝置，可以通過自動識別負載，而自動調整參數，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行狀態(tài)。</p><p>　　六、數控化改造的必要性及如何改造進行

29、論述</p><p>　　我國目前機床總量380余萬臺，而其中數控機床總數只有11.34萬臺，即我國機床數控化率不到3%。近10年來，我國數控機床年產量約為0.6～0.8萬臺，年產值約為18億元。機床的年產量數控化率為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等自動化生產線更屈指可數（美國和日本自動和半自動機床占60%以上）。可見我們的大多數制造行業(yè)

30、和企業(yè)的生產、加工裝備絕大數是傳統(tǒng)的機床，而且半數以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、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控化率。 </p><p>　　經過大量實踐證明普通機床數控化改造具有一定經濟性、實用性和穩(wěn)定性。所以很多企業(yè)紛紛將現有機床改造成經濟型數控機床

31、，這種做法具有投資少、見效快的特點。事實證明：用較少的資金，將普通機床改造升級為數控機床，可以為企業(yè)帶來可觀的經濟效益。</p><p>　　2.如何進行機床數控化改造</p><p>　　（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，由于機床以及技術的不斷進步，機床改造是個”永恒”的話題,我國的機床改造業(yè)也從老的行業(yè)進

32、入到以數控技術為主的新行業(yè)，在美國、日本和德國用數控技術改造機床和生產線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產線數控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生業(yè)，從事再生業(yè)的著名公司有：bertsche工程公司，orgbon機床公司等。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改造業(yè)，從事改裝的公司有：大限工程集團，山本工程公司等。</p><p>　?。?）數控化改造的優(yōu)缺點</p><p>　　1）減

33、小投資額，交貨期短，同購置新機床相比，一般可節(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，只要新機床購置費用的1/3，交貨期短，但有些情況比較特殊。如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費工費錢，往往改造成本提高2~3倍，與購置新機床相比，只能節(jié)約50%左右。</p><p>　　2）機械性能穩(wěn)定可靠，結構受限制，所利用的床身、立柱等機床件都是重而堅固的鑄造件，兒不是

34、焊接構件，改造后的機床性能高，質量好，可以作為新設備繼續(xù)使用多年，但是受到后來機械結構的限制，不宜做突破性的改造。</p><p>　　3）可采用最新的控制技術，可充分利用現有的條件，可以利用現有基礎，不必像購入新設備時那樣需要重新構建地基。</p><p>　　4）可以采用最新的控制技術，可根據技術革新的發(fā)展速度，及時提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量和檔次，將舊機床改造成為今

35、水平的機床。</p><p>　　3. 數控系統(tǒng)的改造型</p><p>　　數控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時，應根據具體情況進行選擇，即步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)，異步電動機或直流電動機拖動，當檢測量反饋的閉環(huán)系統(tǒng)以及交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)系統(tǒng)這三種。</p><p>　　（1）步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)</p><p>　　該系統(tǒng)

36、的伺服驅動裝置主要是步進電動機，功率步進電機電液脈沖馬達等，由數控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠幅驅動執(zhí)行部件，只需控制指令脈沖的數量、頻率以及通電順序，，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量，速度和運動方向，這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要取決于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低，該系統(tǒng)結構

37、簡單，調試維修方便，工作可靠，成本低易改裝成功。</p><p>　　（2）異步電動機或直流電動機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數控系統(tǒng)</p><p>　　該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是，由光柵感應同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給的的值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅動執(zhí)行機構，以給定速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際值差距等于零為止，閉環(huán)進給系統(tǒng)在結構上比

38、開環(huán)系統(tǒng)復雜、成本高，對環(huán)境室溫要求嚴，設計和調試都比開環(huán)系統(tǒng)難，但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅動功率更大的特性指標，可根據產品技術要求決定是否采用這樣系統(tǒng)。</p><p>　?。?）交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數控系統(tǒng)，半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置，它只能補償系統(tǒng)環(huán)內部部分元件的誤差，因此它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結構與調試都比閉環(huán)系

39、統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件的安裝問題，當前國內生產線數控系統(tǒng)的公司廠家比較多，如珠峰公司、北京航天機床數控系統(tǒng)集團公司、華中數控公司等。選擇數控系統(tǒng)時主要是依據數控改造后機床要達到的各種精度，驅動電機的功率和用戶的要求。</p><p>　　4、數控化改造中主要部件的改造探討</p><p>　　一臺新的數控機床，在設計上要達到：有高的靜動態(tài)剛度，運動幅之間的摩擦系數小，傳動無間隙，功率大

40、，便于操作和維修，機床數控改造時，盡量達到上述要求，不能認為將數控裝置與普通機床連接在一起就達到了數控機床的要求，還應對主要部件進行相應的改造，使其達到一定的設計要求，才能得到預期的改造目的。</p><p>　?。?）滑動導軌幅對數控車床來說，導軌除應具有的普通車床的導向和工藝性外，還要有良好的耐磨損特性，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。&

41、lt;/p><p>　?。?）齒輪幅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，數控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床高，在結構上要能達到無間隙傳動，因而改造時，機床只要齒輪必須滿足數控機床的要求，以保證機床的加工精度。</p><p>　?。?）滑動絲杠和滾珠絲杠，絲杠的傳動直接關系到傳動鏈精度，絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和0拖動扭矩要求，以保證機床的加工精度，一

42、般情況滑動絲杠不低于6級，螺母間隙過大則應更換螺母，采用滑動絲杠相對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，啟動力距和運動時力距相近，因此可以滿足較高精度、零件加工要求。</p><p><b>　　（4）安全防護</b></p><p>　　改造效果必須以安全為前提，在機床改造中，要根據實際情況采取相應的措施，滾珠絲杠是精密元件，工作時

43、要嚴防灰塵，特別是切削及硬沙粒進入滾道，在縱向絲杠上也可以加整體鐵板防護罩，大托板與滑動導軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。</p><p>　　總體方案的制度與比較</p><p>　　一、車床數控化改造的實踐準備及資料收集</p><p>　　在車床數控化改造這個工程設計之前進行了畢業(yè)實習這一環(huán)節(jié)。在這期間，接觸了大量的數控化改

44、造實例，使我對車床數控化改造有了初步了解。在與工人師傅的交流中初步了解到他們對數控裝備的要求。</p><p>　　在工程設計課題接到手后，借閱了大量關于普通機床及數控機床的書籍，通過借閱這些書籍，了解了普通車床的基本性能參數及結構特點，通過與成型數控車床進行比較，明確了設計任務。</p><p>　　二、數控化改造方案的制定</p><p>　　通過閱讀資料及參觀

45、成熟數控車床的結構設計，初步擬定以下三個總體改造方案。</p><p>　　一）方案一，此方案考慮到盡可能保留車床原有功能，減化改造量，做好以下幾個方面工作。</p><p>　　機械部分改造：保留原車床的主傳動系統(tǒng)和變速操縱機構，也保留了原有車床的尾座及車身部分，但為了減化操作量，將原車床的刀架換為電動刀架。為了便于加工螺紋和絲桿，避免加工螺紋或絲桿時發(fā)生亂扣現象，在主軸箱內配置了與主軸

46、轉角位置變化信號，輸送給計算機處理。</p><p>　　拆除原進給箱中進給傳動鏈內容，改用步進電機作動力源，經齒輪減速組傳遞動力，驅動滾珠絲杠，帶動刀架作縱向進給，由此構成簡易的開環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　拆除原刀架，安裝電動刀架，以減少操作量，實現自動化控制。</p><p><b>　　數控裝置的設計</b></p>

47、<p>　　此方案中采用MCS-51系列中單片機作為核心芯片，設計了一個能夠實現圓弧插補和直線插補運算的數控系統(tǒng)，它能完成設計任務書中要求的各項功能。</p><p><b>　　方案一的初步評價</b></p><p>　　此方案保留了原有車床結構，進行了小部分改造。改造周期短，見效快、成本低是此方案的亮點，但其自動化控制程度低，一般適用于生產線上工序較

48、穩(wěn)定的零件的加工。</p><p><b>　　二）方案二</b></p><p>　　此方案改動量較大，主要做了以下幾點改造：</p><p>　　1.機械方面：要求主運動能實現自動變速，采用液壓拔叉和電磁離合器實現自動變速。保留了原車床的尾座及床身部分。</p><p>　　采用電動刀架，實現轉位換刀，提高加工效率，

49、減少輔助時間。</p><p>　　采用液壓尾座、液壓卡盤，實現工件的快速夾持，以利于提高生產率。</p><p>　　其他機械方面的改造與方案一相似，不再贅述。</p><p>　　2.數控方面：選用成熟的華中系統(tǒng)，實現軟硬件合理配置來實現控制功能。</p><p>　　3.方案二的初步評價</p><p>　　此改

50、造方案實現了車床的全自動化控制，無論是從提高生產率方面考慮，還是從減輕工人勞動強度方面考慮均有極大優(yōu)勢。 但它對原車床改動量太大，必然使其改造周期延長，改造費用大幅上升，改造的經濟性下降，影響它的實施。</p><p><b>　　三）方案三</b></p><p>　　為進一步提高機床的性能，解決機械有級變速的附加問題，形成了方案三。除拆除主軸箱外，還須采用交流伺服

51、電機作主電機替代原主電機，并配置相應的變頻調速裝置，以此實現寬范圍無極平滑變速，其它機械方面與設計方案二相同。</p><p><b>　　方案三的初步評價</b></p><p>　　此方案對原車床的機械部分改動過大，拆除的部分過多，外購件太多，使得改造費用大幅上升，周期長、見效慢，使改造的經濟性下降，一般中小型企業(yè)不宜采用。</p><p>

52、;　　三、C6150臥式車床數控化改造總體方案的比較與選擇</p><p>　　此次設計是在普通車床上增加數顯裝置，增加數控系統(tǒng)，將其改造成NC車床。這設計到機械改造方面和數控系統(tǒng)的設置兩大方面的問題，并帶來附加的電氣與液壓控制系統(tǒng)的更改及設計問題。</p><p>　　綜合上述對三個總體方案的初步評價，方案一有以下幾方面的優(yōu)勢：</p><p><b>

53、　　1.機械方面：</b></p><p>　　方案一在機械方面保留了原車床上大部分部件，這樣不僅保留了原車床的加工工藝范圍，并在配置了簡單數控系統(tǒng)的條件下，進一步擴大了加工工藝范圍，在低投入的情況下，達到了較好的改造經濟性。</p><p>　　適合于中小企業(yè)實現普通車床NC化。</p><p><b>　　2.數控配置方面</b>

54、;</p><p>　　方案一在數控配置上采用MCS-51系列中8031單片機做成簡易數控系統(tǒng)，與機械方面對軟件控制系統(tǒng)的要求達成統(tǒng)一。二方案二方案三對數控系統(tǒng)的要求過高，可能造成數控資源閑置，降低改造經濟性。</p><p><b>　　3.人文方面</b></p><p>　　對操作者而言，方案一機械部分改動較少，操作者熟悉原機床，便于操作

55、維修，降低了對操作者的技術要求。由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，在操作使用時只需短時間培訓，縮短了培訓時間，見效快。</p><p><b>　　4.經濟性方面</b></p><p>　　由于方案一在機械改造方面改造量小，外購件少，可降低改造費用，縮短改造周期，交貨期短，可滿足生產急需。</p><p>　　綜合上述優(yōu)勢，選定方案一

56、為C6150臥式車床數控化改造方案。</p><p>　　第三章機械部分改造設計與計算</p><p>　　一、縱向進給系統(tǒng)的設計與計算</p><p><b>　　已知條件：</b></p><p>　　工件工作臺重量：W=100kgf=1000N (根據圖紙粗略計算)</p><p>

57、　　時間常數：T=25ms</p><p>　　滾珠絲杠基本導程：L0=6mm</p><p>　　行程： S=900mm</p><p>　　脈沖當量： 縱向δp1 =0.01mm/step</p><p>　　步距角： α=0.75°/step</p><p>　

58、　快速進給速度： Vmax=2m/ min</p><p><b>　　1.切削力計算：</b></p><p>　　由《機床設計手冊》可知，切削功率NC=NηK

59、 </p><p>　　式中：電動機功率N=5.5KW</p><p>　　η：一般為0.75~0.8 取η=0.75</p><p>　　K：進給系統(tǒng)功率系數，取為K=0.95</p><p>　　則NC= NηK =5.5×0.75×0.95=3.92KW</p><p><b&g

60、t;　　又因為</b></p><p>　　由《金屬切削原理》可知，主切削力：</p><p>　　查表得：CFI=188kg.f/mm2=1880Mpa</p><p>　　XFI=1 YFI=0.75 KFI=1</p><p>　　則再計算FI如表7-1所示：</p><p>　　表 1

61、 FI計算結果 </p><p>　　當FI=5953.5N時，切削深度ap=5mm,走刀量f=0.6mm,以此參數作為下面計算的依據。</p><p>　　從《機床設計手冊》中可得知，在一般外圓車削時：</p><p>　　Fx =(0.1~0.6) FI FY= (0.15~0.7) FI</p><

62、p>　　取Fx =0.5 FI=0.5×5953.5=2976.8N</p><p>　　FY=0.6 FI =0.6×5953.5=3572.1N</p><p>　　2.滾珠絲杠的設計計算</p><p>　　由《經濟型數控機床系統(tǒng)設計》中式（6-3）知，綜合導軌車床絲杠的軸向力：P=KFx+F′(FI +W)</p>&

63、lt;p>　　式中 K=1.15 F′=0.150.18 取為0.17</p><p>　　則 P=1.15×2976.8+0.17(5953.5+1000)</p><p><b>　　=4605.4N</b></p><p><b>　　強度計算：</b></p>&

64、lt;p>　　壽命值： </p><p>　　取工件直徑D=100mm,查表6-6 得Ti=15000h</p><p>　　查表6-7 運轉系數fW=1.2</p><p>　　查表6-8 硬度系數fH=1.0</p><p><b>　　則</b></p><

65、p>　　根據最大動荷Q的可供選用的滾珠絲杠副型號有：</p><p>　　W3006 WCh2506 WiL3006 WiL2506 WD3006 N3006 Nch3006 NL3000 ND3006 ND3506</p><p>　　選擇內循環(huán)，螺紋式預緊，基本導程L0=6mm</p><p>　　NL3006型內循環(huán)螺紋調整預緊的雙螺母

66、副：</p><p>　　D0=30 螺旋升角λ=3°39′，C=1600kgf</p><p><b>　　效率計算</b></p><p>　　根據《機械原理》中公式（5-5），知絲杠副的傳動效率：</p><p>　　式中摩擦角，螺旋升角</p><p><b>　　

67、剛度驗算</b></p><p>　　滾珠絲杠在受工作負載P引起的導程的變化量</p><p>　?。?-13）式中 彈性模量E,對鋼E=21×106N/cm2</p><p>　　L0=6mm=0.6cm</p><p><b>　　滾珠絲杠截面積</b></p><p&g

68、t;　　滾珠絲杠因扭矩作用而引起的導程變化量△L1很小，可忽略。</p><p><b>　　即△L=△L1。</b></p><p><b>　　所以，</b></p><p>　　查表6-9知，一級精度絲杠允許的螺距誤差為15μm/m，故剛度足夠。</p><p><b>　　4）穩(wěn)定

69、性驗算</b></p><p>　　滾珠絲杠的兩端裝推力軸承，絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)現象，故不必驗算。</p><p>　　3.齒輪及轉矩的有關計算</p><p><b>　　1）有關齒輪計算</b></p><p><b>　　傳動比</b></p><p>　　2

70、)轉動慣量計算：（以下用及公式見表6-30）</p><p>　　工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量：</p><p><b>　　絲杠的轉動慣量：</b></p><p>　　式中——圓柱零件的直徑（）;</p><p>　　——零件軸向長度（）。</p><p>　　忽略電動機轉動慣量，則總的

71、轉動慣量：</p><p>　　3）所需轉動力距計算</p><p><b>　　式中T——時間常數</b></p><p>　　當n=nmax時，Mamax=Ma</p><p>　　當n=nt時，Ma=Mat</p><p>　　故快速空載啟動所需力矩：</p><p>

72、;<b>　　4.步進電機的選擇</b></p><p>　　縱向進給系統(tǒng)步進電動機的確定</p><p>　　Mq___電機啟動力距 ML0___電動機靜負載力距</p><p><b>　　啟動力距取為</b></p><p>　　為滿足最小步距要求，三相六拍工作方式

73、</p><p><b>　　查表T-2知： </b></p><p>　　步進電機最高工作頻率</p><p>　　綜合考慮，查表選用130BF001型直流步進電動機，可滿足使用要求</p><p><b>　　脈沖發(fā)生器的選擇</b></p><p>　　加工螺紋或絲桿時

74、，也保證主軸每轉一轉，刀具準確移動一個導程，須配置主軸脈沖發(fā)生器作為主軸位置信號的反饋元件，脈沖發(fā)生器，采用同軸安裝，接膠管柔性聯接意在實現角位移信號傳遞的同時，又能吸收車床主軸的部分振動，從而使主軸脈沖發(fā)生器轉動平穩(wěn)，信號傳遞準確，其聯接方式如下圖：</p><p>　　脈沖發(fā)生器安裝時須注意：</p><p>　?、傩⌒妮p放，不能有較大的沖擊和振動以防損傷光柵盤。</p>

75、<p>　?、谲嚧仓鬏S的轉速必須小于主軸脈沖發(fā)生器的最高允許轉速以免損壞脈沖發(fā)生器。</p><p><b>　　刀架的選用</b></p><p>　　拆除原手動刀架和小托板，安裝由微機控制的四位電動刀架，自動換刀裝置應滿足換刀時間短，刀具復定位精度高，刀具存儲量大，刀座占地面積小及安全可靠等特點。在進行普通車床的經濟數控改造時，多采用外購直動轉位刀架（

76、螺旋升降轉位刀架）。</p><p>　　自動轉位刀架能自動完成抬起、回轉、轉位、下降、定位、和壓緊。</p><p>　　刀架的抬起利用壓縮彈簧的恢復力，利用螺紋傳動，將旋轉運動變成軸向直線運動，從而達到刀架的抬起。</p><p>　　刀架的回轉采用微電機通過蝸桿渦輪使刀架抬起到一定高度時，由撥塊帶動刀架轉動。刀架的選位由刀架位置的偏碼和微機程序來實現。<

77、/p><p>　　刀架的下降采用微機控制使微電機反轉，由于斜面銷的齒輪作用，刀架不跟隨轉，只是下降，壓緊刀架的壓緊力由微機下降到位后繼續(xù)轉動產生。</p><p><b>　　拖板箱</b></p><p>　　拆除原拖板箱，利用此位置安裝新拖板箱，新拖板箱上裝有固定滾珠絲桿的螺母，并在內部設儲油箱和手壓泵用于潤滑絲桿副。</p>&

78、lt;p>　　第四章 電氣控制的設計計算</p><p>　　一、數控系統(tǒng)基本硬件組成</p><p>　　數控系統(tǒng)基本硬件組成</p><p>　　任何一個數控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，硬件是數控系統(tǒng)的基礎，其性能的好壞不直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。機床數控系統(tǒng)的硬件由電路概括起來由以下幾部分組成：</p>

79、<p><b>　　中央處理單元CPU</b></p><p>　　總線：包括數據總線（DB）,地址總線（AB）和控制單元（CB）</p><p>　　存儲器：包括只讀可編程存貯器和隨機讀寫存貯器。</p><p>　　I/O輸入/輸出接口電路。</p><p>　　其中CPU是數控系統(tǒng)的核心，作用是進行數據運

80、算處理和控制各部分電路協(xié)作。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應用程序和運行中所需的各種數據。I/O接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁，總線是CPU與存儲器，接口以及其它轉換電路鏈接的紐帶是CPU各部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。</p><p>　　MLS-51系列單片機在我國機床數控改造方面應用較為普遍，其配套芯片低廉，普及性通用性強，制造方便，完全能夠滿足經濟型數控車床的改造需要。本方案對C6150的數控化改造

81、以8031組成的單片機作為數控控制系統(tǒng)。</p><p>　　二、單片機控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　（一）主要的技術特性及硬件配置</p><p>　　中央處理器為8301CPU，系統(tǒng)時鐘為12MHZ，存貯器選用8片8K×8位的2764 L=PKOM和8K×8位的6264K4M，監(jiān)控程序和各功能模塊程序固化在2764一塊EPKOM內。剩下

82、的一片EPKOM芯片內用于存放常用零件的加工程序。這樣安排的好處是更換零件加工程序時，只需更換一塊芯片即可。調試程序和運行程序的中間數據也存放在6264內。</p><p>　　I/O接口芯片選用2片8155,2#8155的PA口作為輸出口，向L291輸出Z向電機的速度，指令PCD也定為輸出口，向其中P0~P2用于微處理，對Z向電機速度反饋速度的轉向信號。P3~P1用于對X向電機反饋信號。PB口定義為輸出口向L2

83、P1輸出X向電機的速度指令。1#8155的PA口PB口定義為輸入口，用于鍵盤信號的輸入。</p><p>　?。ǘ┐鎯ζ骺臻g的分配</p><p>　　8000H~8FFFH EPROM 存放監(jiān)控程序</p><p>　　9000H~9FFFH EPROM 存放功能模塊程序</p><p>　　6000H~7FF

84、FH EPROM 存放常用零件加工</p><p>　　4000H~5FFFH SRNM 程序</p><p>　　(三) I/O地址分配</p><p>　　地址 芯片名稱</p><p>　　1FOOH~1FFFH 8155 (1)</

85、p><p>　　BFOOH~BFFFH 8155 (2)</p><p>　　8155內部寄存器編址</p><p>　　名稱 8155（1） 8155（2）</p><p>　　命令狀態(tài)寄存器 1FF8H OB

86、FF8H</p><p>　　PA口 1FFYH OBFF9H</p><p>　　PB口 1FFAH OBFFAH</p><p>　　PC口 1FFBH OBF

87、FBH</p><p>　　定時器低8位寄存器 1FFCH OBFFCH</p><p>　　定時器高6位寄存器 1FFDH OBFFDH</p><p>　　和2位定時方式寄存器</p><p><b>　　三、軟件系統(tǒng)</b><

88、/p><p>　　本系統(tǒng)通過軟件來實現對步進電機的控制，使其完成加工中要求的正反轉及傳動速度。系統(tǒng)軟件的設計采用模塊化設計，主要模塊如下：</p><p>　　下面介紹其中幾個主要模塊的設計思想</p><p><b>　　1.顯示模塊</b></p><p>　　本系統(tǒng)在零件加工過程中顯示加工零件的段號及加工剩余步數，顯示

89、模塊的功能顯示上述內容。在調用該模塊前要顯示的數據已寫入顯示緩沖區(qū)。其流程圖如圖1。</p><p><b>　　2.鍵盤掃描模塊</b></p><p>　　該模塊功能：識別是否有鍵按下。如有則進行鍵譯碼，找出按下的鍵，若無鍵，按下返回鍵。經鍵譯碼如是數字鍵按下則將鍵值送顯示緩沖區(qū)，若為功能鍵按下則轉到對應的服務程序。程序流程圖見圖2。</p><

90、;p><b>　　3.圓弧插補模塊</b></p><p>　　該模塊的功能完成圓弧插補計算，入口參數：K1、R2分別為動點Kij的坐標 ，Ui物態(tài)為圓弧的起點坐標 為動點K的偏差，初值為出口參數，A中，為 坐標運算完成，標志置1，系統(tǒng)中圓弧加工分8個走向，由圓弧加工的數控字中給出確定圓弧起點坐標的橫向步數和縱向步數。并且給出步數表示的計數長度，偏差計算為負值時，走縱向電機步進

91、支路，縱向步數遞增，偏為正，走橫向電機步進支路，橫向步數，計數長度遞減。</p><p><b>　　步進電機控制模塊</b></p><p>　　該模塊功能是判斷步進電機的轉向，然后按順序輸出控制脈沖。</p><p><b>　　第五章 其它</b></p><p>　　一、齒輪傳動消除間

92、隙的方法</p><p>　　數控機床進給系統(tǒng)由于經常處于自動變向狀態(tài)，如果齒輪幅存在間隙，反向時就會使進給運動滯后于指令系統(tǒng)，從而影響加工精度，因此必須采用措施消除齒輪傳動幅中的間隙，以提高數控機床進給系統(tǒng)的傳動精度和定位精度。</p><p>　　1.直齒圓柱齒輪傳動間隙消除方法</p><p>　?。?）偏向軸承調整法，在這種消除間隙的方法中，其中一個齒輪裝在

93、偏心套上，通過轉動偏心套相對齒輪的轉角，就可調節(jié)兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉時的齒側間隙。</p><p>　?。?）軸向墊片調整法：兩個嚙合的齒輪，其分度圓齒厚沿軸線方向略有錐度，利用軸向墊片使其中一個齒輪沿軸向移動，從而消除兩齒輪正、反轉時的齒側間隙。裝配時墊片厚度應使得兩齒輪之間既消除間隙，又運轉靈活。</p><p>　　（3）雙片薄齒輪錯齒調整法</p>

94、;<p>　　這種方法可消除一對相嚙合齒輪的齒側間隙，其中一個是寬齒輪，另一個是由兩片齒輪組成，安裝時，使一片齒輪的齒左側及另一片齒輪的齒右側分別緊貼在寬齒輪的齒槽左右兩側，并用螺釘彈簧力使兩片齒輪緊固。正轉時，另一片齒輪與寬齒輪嚙合，傳遞動力和運動。這樣錯齒后就消除了齒側間隙，正反轉時不會出現間隙。</p><p>　　雙片薄齒輪錯齒調整法的結構有螺釘固定式的，有 向彈簧式的等，本設計中就采用了

95、第三種方法消除間隙。</p><p>　　2.斜齒圓柱齒輪和直齒錐齒輪間隙消除方法</p><p>　　斜齒圓柱齒輪和直齒錐齒輪傳動件，消除齒側間隙的原理，基本與上述直齒圓柱齒輪的消防方法相似。其結構形式有利于雙片齒輪錯齒調整法和軸向壓簧調整法，可根據數控機床的使用要求合理地選取和設計。</p><p><b>　　二、潤滑與密封</b><

96、;/p><p>　　潤滑的作用是減少摩擦，降低溫升，并與密封裝置一起保護軸承不受到外物的損失與腐蝕。潤滑劑和潤滑方式決定于軸承的類型、速度和工作負荷。如果選擇的合適，可以降低軸承的工作溫度和延長使用壽命。</p><p>　　滾動軸承的潤滑基于彈性流體動力潤滑理論。滾動體和滾道接觸處壓強很高，會產生接觸變形。接觸區(qū)是一小塊面積的接觸，而不是一條線或一個點的接觸。潤滑劑在高壓下坐壓縮，粘度急劇升

97、高。瞬時局部高粘度的油可以在接觸區(qū)形成油膜，把滾動體和滾道隔開。滾動體與滾道的接觸面積很小，所以需要的潤滑劑也很少。</p><p>　　滾動軸承可以用潤滑脂或潤滑油潤滑。在速度較低時，用脂潤滑比用油潤滑溫升低，速度較高時用油潤滑較好。</p><p>　　密封主要就是防止油外泄和塵埃屑末等進入。</p><p><b>　　參考文獻</b>&

98、lt;/p><p>　　[1].羅永順主編,機床數控化改造技術，-北京：機械工業(yè)出版社，2007.5； [2].廖效果、朱啟逑主編，數字控制機床，-武漢：華中科技大學出版社，2006.7； [3].顧維邦主編，金屬切削機床概論，-北京：機械工業(yè)出版社，1999.7； [4].孔凡才編著，自動控制原理與系統(tǒng)（第三版），-北京：機械工業(yè)出版社，2006.7；</p><p>

99、;　　[5].張新義主編，經濟型數控機床系統(tǒng)設計，-北京：機械工業(yè)出版社，1994.7；</p><p>　　[6].陳嬋娟主編，車床設計，-北京：化學工業(yè)出版社，2006.3；[7].關穎主編，數控應用技術，-成都：西南交通大學出版社，2006.8；</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本課題的主要任務是完成對

100、普通車床的數控化改造，當然，數控化改造并不是簡單的裝上數控裝置就行了，它是一項繁瑣的工作。我們的設計和改造任務主要包括主運動和進給運動的改造設計，通過改造使其具有數控機床的一般特性。</p><p>　　應該來說，對普通車床的數控化改造具有一定的經濟性和可行性。目前機床數控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間，現在我國機床數控化率不到3％。用普通機床加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，

101、從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、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控化率。</p><p>　　在設計過程中，我們也學到了很多東西，我們通過查閱大量的資料，把所學的知識應用到設計中，這樣既溫故了我們在大學期間所學的專業(yè)知識，又培養(yǎng)了我們一種獨立思考問題、解決問題的能力，對今后的工作必將產生深遠的影響。</p><p>　　在這次的畢業(yè)設計中