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C6163型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)
1 概 論
1.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史
1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國(guó)誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。
1.2國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床狀況分析
1.2.1國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀
近年來我國(guó)企業(yè)的數(shù)控機(jī)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(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以FMS模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。?2001年，我國(guó)機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世界第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第3位，達(dá)47.39億美元，僅次于美國(guó)的53.67億美元，消費(fèi)額比上一年增長(zhǎng)25%。但由于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場(chǎng)的需求，使我國(guó)機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢(shì)，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)24.06億美元，比上年增長(zhǎng)27.3%。?近年來我國(guó)出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。?
1.2.2 國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)?：
(1) 新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位。?
(2) 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大幅度增長(zhǎng)，數(shù)控化率顯著提高。?
2001年國(guó)內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá)1.8萬臺(tái)，比上年增長(zhǎng)28.5%。金切機(jī)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%。?
(3) 數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。??
1.3 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
1.3.1繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。
1.3.2向高速化和高精度化發(fā)展
這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
1.3.3向智能化方向發(fā)展
隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
(1)應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)
數(shù)控系統(tǒng)能檢測(cè)過程中一些重要信息，并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。
(2) 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，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(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
(3) 引入故障診斷專家系統(tǒng)
(4) 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)裝置
可以通過自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。
1.4機(jī)床數(shù)控化改造的必要性
1.4.1微觀看改造的必要性
從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)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(jì)算機(jī)的威力。
(1) 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
(2) 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了"柔性自動(dòng)化"。
(3) 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"。
(4) 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。
(5) 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無人看管加工。
(6) 由以上五條派生的好處。
如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)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(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。
1.4.2宏觀看改造的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軍、民機(jī)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(jī)床。由于采用信息技術(shù)對(duì)國(guó)外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國(guó)際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落20年。如我國(guó)機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達(dá)20.8％，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。
數(shù)控化改造的市場(chǎng)空間
機(jī)床的數(shù)控化改造是一個(gè)方興未艾的行業(yè)，從各種統(tǒng)計(jì)數(shù)字上看前途應(yīng)該是十分光明的，例如："在美國(guó)，日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，它們的機(jī)床改造能作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及數(shù)控技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是一個(gè)"永恒"的課題。我國(guó)的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)所以不難看出：`
(1) 國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)
我國(guó)目前機(jī)床總量380余萬臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺(tái)，即我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺(tái)，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。我國(guó)機(jī)床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)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(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)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(zhǎng)，從而在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。
(2) 進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場(chǎng)
我國(guó)自改革開放以來，很多企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1979～1988年10年間，全國(guó)引進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目就有18446項(xiàng)，大約165.8億美元。
這些項(xiàng)目中，大部分項(xiàng)目為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進(jìn)項(xiàng)目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國(guó)外引進(jìn)以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時(shí)只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項(xiàng)目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動(dòng)運(yùn)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?yàn)樵O(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)；有的因?yàn)槟芎母?、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進(jìn)較長(zhǎng)時(shí)間，需要進(jìn)行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財(cái)富，反而消耗著財(cái)富。
這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個(gè)包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財(cái)富。只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn)，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭(zhēng)取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這也是一個(gè)極大的改造市場(chǎng)。
機(jī)床改造的效益分析
提高機(jī)床數(shù)控化效率有兩個(gè)途徑：一是購(gòu)買新的數(shù)控機(jī)床；二是對(duì)舊的機(jī)床進(jìn)行改造而對(duì)于一個(gè)機(jī)床擁有量大，經(jīng)濟(jì)財(cái)力又不足的發(fā)展中國(guó)家來說，采用舊機(jī)床改造來提高設(shè)備的先進(jìn)性和數(shù)控化率是一個(gè)極其有效和使用的途徑，采用第二種方法有以下的優(yōu)點(diǎn)：
a) 減少了投資和交貨的期限
同購(gòu)置新的數(shù)控機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60%到80%的費(fèi)用，改造的費(fèi)用大大減低。
b) 機(jī)械的穩(wěn)定性可靠
機(jī)床的床身，立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄鐵構(gòu)件，而鑄件越久自然失效充分，內(nèi)應(yīng)力的消除使得比新的鑄件更穩(wěn)定，這些鑄件的使用又可以節(jié)約社會(huì)資源，又減少了鑄鐵件生產(chǎn)時(shí)對(duì)環(huán)境的污染。
c) 熟悉了解設(shè)備結(jié)構(gòu)性能，便于操作維修，購(gòu)買的新設(shè)備，事先很難前面了解機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能，以至很難預(yù)算是否完全適合加工要求，而改造則完全可以避免這種情況，并且大大縮短了對(duì)數(shù)控機(jī)床在使用和維修方面的培訓(xùn)時(shí)間，機(jī)床一旦改裝完成，很快就可以投入使用，見效較快。
d) 可以充分利用現(xiàn)有的條件
可以充分利用現(xiàn)有的地基，不必像購(gòu)新機(jī)時(shí)重新構(gòu)筑新基，同時(shí)工夾具、樣板和外設(shè)備也可以在利用。
e) 可更好的因地制宜合理篩選功能
購(gòu)買現(xiàn)成的通用型機(jī)床，往往對(duì)一個(gè)具體的生產(chǎn)加工有一些多余的功能，又可能缺少某一個(gè)專用的特殊功能，如向機(jī)床制造廠提出特殊定貨要求，增加某些特殊的加工要求，往往費(fèi)用大，交貨的日期又長(zhǎng)。而采用改造方案就可以根據(jù)生產(chǎn)加工要求，采用組合的方法再某些部件設(shè)計(jì)改造成專用的數(shù)控機(jī)床。
f)可及時(shí)采用最新技術(shù)，充分利用社會(huì)資源
由于技術(shù)進(jìn)步和我國(guó)機(jī)床功能部件專業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，目前已有眾多的疏忽資源支持機(jī)床方面的改造 ，如隨意采購(gòu)各種尺寸的滾珠絲杠副，且交貨期短；采用貼塑導(dǎo)軌新技術(shù)，可使傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)降低五至十幾倍來防止爬行，還可以使得刮研極容易，等等例子說明有一大批社會(huì)資源，可根據(jù)技術(shù)更新的發(fā)展速度，及時(shí)地采用最新技術(shù)來提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)場(chǎng)改造成當(dāng)今水平的機(jī)床。
2 普通車床數(shù)控改造的可行性論證
對(duì)于普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在考慮總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)遵循的原則是：在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)機(jī)床的改動(dòng)應(yīng)盡可能的少，以降低成本。
2.1 車床的數(shù)控改造
2.1.1數(shù)控機(jī)床工作原理及組成
(1) 數(shù)控機(jī)床工作原理：
數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，首先應(yīng)編制零件的加工程序，這是數(shù)控機(jī)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(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變化、起停，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(rùn)滑的開、關(guān)等動(dòng)作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴(yán)格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出符合要求的零件。
(2) 數(shù)控機(jī)床的組成：
數(shù)控機(jī)床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等四部分組成，其組成框圖如圖2-1
圖2-1數(shù)控機(jī)床的組成圖
2.1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)
普通車床（C6163）的數(shù)控改造設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：總體方案的確定和驗(yàn)證、機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)計(jì)算（包括縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算）、主運(yùn)動(dòng)自動(dòng)變速原理及改造后的機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)、機(jī)床調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)。
本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì)C6163臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造，實(shí)現(xiàn)微機(jī)對(duì)車床的數(shù)控化控制。利用微機(jī)對(duì)車床的縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字控制，并要達(dá)到縱向最小運(yùn)動(dòng)單位為0.01/脈沖，橫向最小運(yùn)動(dòng)單位0.005/脈沖，主運(yùn)動(dòng)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速，刀架要改造成自動(dòng)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，要能自動(dòng)的切削螺紋。
2.1.3 數(shù)控部分的設(shè)計(jì)改造
(1) 數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按其運(yùn)動(dòng)軌跡可分為：點(diǎn)位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點(diǎn)位控制系統(tǒng)只要求控制刀具從一點(diǎn)移到另外一點(diǎn)的位置，而對(duì)于運(yùn)動(dòng)軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)方向的位移進(jìn)行嚴(yán)格的不間斷的控制。由于C6163車床要加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。
(2)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造
數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)按有無位置檢測(cè)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(diǎn)是可以達(dá)到高的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾對(duì)加工精度的影響。但他結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、調(diào)式和維修困難、造價(jià)高。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調(diào)速范圍寬，過載能力強(qiáng)，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(fù)雜，設(shè)計(jì)上也要有其自身的特點(diǎn)，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(jiǎn)單，易于調(diào)整，所以常用于精度要求不高的場(chǎng)合。
經(jīng)過上序比較，由于所改造的C6163車床的目標(biāo)加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。
(3) 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)
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(jì)方案通常有：
a) 可以全部自己設(shè)計(jì)制作
b) 可以采用單板機(jī)或STD模塊或工控機(jī)改制
c) 可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應(yīng)化改動(dòng)
跟據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求采用第一種設(shè)計(jì)方案。
2.1.4機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)
(1) 主傳動(dòng)部分的改造設(shè)計(jì)
將原機(jī)床的主軸電動(dòng)機(jī)換成變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，無級(jí)調(diào)速部分由變頻器控制。將原機(jī)床的主軸手動(dòng)變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機(jī)構(gòu)。改造后使其主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離，主軸電動(dòng)機(jī)的作用只是帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。
(2) 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造
將原機(jī)床的掛輪機(jī)構(gòu)、進(jìn)給箱、溜板箱、滑動(dòng)絲杠、光杠等全部拆除?？v向、橫向進(jìn)給以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動(dòng)。
2.2 可行性論證
根據(jù)《自動(dòng)化制造系統(tǒng)》，可行性論證使用戶建造自動(dòng)化制造系統(tǒng)項(xiàng)目前所進(jìn)行的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析報(bào)告，是上級(jí)主管部門審定和批準(zhǔn)立項(xiàng)的基本依據(jù)。同樣，在進(jìn)行普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造之前進(jìn)行合理的、科學(xué)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(jì)型數(shù)控改造的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行，即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)，改造的基礎(chǔ)條件、目標(biāo)、技術(shù)方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實(shí)施計(jì)劃，結(jié)論等。
由于本設(shè)計(jì)僅作為大學(xué)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，故在此，設(shè)計(jì)者僅對(duì)改造的投資概算作一簡(jiǎn)要的可行性論證。
本改造設(shè)計(jì)是對(duì)普通車床C6136進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造。在改造設(shè)計(jì)中，采用自己設(shè)置的數(shù)控裝置，加上兩臺(tái)伺服電機(jī)，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動(dòng)部分以及齒輪副，一臺(tái)變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，四個(gè)電磁離合器以及主傳動(dòng)部分的齒輪副。這樣設(shè)備改造費(fèi)用和舊設(shè)備費(fèi)用總計(jì)不會(huì)超過8萬元。因此，對(duì)普通車床作經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造適合我國(guó)國(guó)情，是國(guó)內(nèi)企業(yè)提高車床的自動(dòng)化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實(shí)用性。
3 設(shè)計(jì)方案
3.1 總體方案的確定
3.1.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順圓和逆圓插補(bǔ)、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)?？紤]到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
3.1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。由于MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，決定采用MCS—51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光隔離電路、步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。
3.1.3 機(jī)械傳動(dòng)方式
為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲桿。為了保證一定的傳動(dòng)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(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。
3.1.4 運(yùn)動(dòng)方式的確定
數(shù)按系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。由于C6163車床要加工復(fù)雜輪廓零件，所以本次設(shè)計(jì)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。
3.1.5 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C6163車床加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。
3.1.6 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定
為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，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(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
(1) 盡量采用低磨擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。
(2) 盡量消除傳動(dòng)間隙。例如采用隙齒輪等。
(3) 提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)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(fù)載導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。
3.1.7 微機(jī)的選擇
微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、I/O接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路等幾部分組成。
3.1.8 總體方案框圖
圖3-1
3.2 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與校核實(shí)例
3.2.1 計(jì)算切削力
橫切端面
查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P13頁(yè)
式中——車床床身上加工最大直徑橫切端面時(shí)主切削力可取縱切時(shí)的
式中 ——走刀方向的切削力（N）
——垂直走刀方向的切削力（N）
3.2.2 桿螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型
(1) 計(jì)算牽引力
橫向進(jìn)給選為三角型或綜合導(dǎo)軌 參考《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).2》6.2-2；6.2-3表
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P22頁(yè)
式中：，，——切削分力（Ｎ）
G——移動(dòng)部件的重量（N） 表1-1查得橫向溜板及刀架重力500N
——滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式而不同 取=0.15-0.18
K——考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) 取K=1.15
(2) 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C
選用滾珠絲桿導(dǎo)軌 參考《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).3》P185-P210
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P22頁(yè)
式中：L——壽命，以轉(zhuǎn)為一單位
n ——絲桿轉(zhuǎn)速（r/min）
——為最大切削條件下進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2-1/3
取
——絲桿導(dǎo)程（mm） 初選=6mm
T——為使用壽命（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)床取15000h
——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，查表3-14一般取1.2-1.5
(3) 螺母副的選型
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》附表Ａ-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(dòng)負(fù)載為9700N,精度等級(jí)按表3-17選為３級(jí)。
(4) 傳動(dòng)效率計(jì)算
式中：——螺旋升角，WD3006
——摩擦角取 滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.003-0.004
(5) 剛度驗(yàn)算
橫向進(jìn)給絲桿支承方式圖２所示，最大牽引力2087.98N,支承間距Ｌ＝350mm，因絲桿長(zhǎng)度較短，不需預(yù)緊螺母及軸承預(yù)緊。
圖3-2
計(jì)算如下:
a) 絲桿的拉伸或壓縮變形量(mm)
b) 查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖3-4,根據(jù)＝2087.98N,D=30mm查出 可算出：
c) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量
查圖3-5得Ｗ系列１列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量
因進(jìn)行了預(yù)緊
d) 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形
采用推力球軸承5204查閱《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).２》表5.9-137,d=20mm,滾動(dòng)體直徑=5.556mm,數(shù)量Z=13
綜合以上幾項(xiàng)變形量之和：
〈定位精度>
(6) 穩(wěn)定性校核
計(jì)算臨界負(fù)載(N)
式中:E——材料彈性模量()
I ——截面慣性矩()
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(jiǎn)支為2.00
一般=2.5-4.0,所以>>
此滾珠絲桿不會(huì)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(hào)
關(guān)系式
WD3006
螺
紋
滾
道
公稱直徑
30
導(dǎo)程
6
接觸角
鋼球直徑
3.175
滾道法面半徑
R
1.651
偏心距
e
0.045
螺紋升角
螺
桿
外徑
d
29.365
內(nèi)徑
26.788
接觸直徑
26.83
螺
母
螺紋直徑
D
33.212
內(nèi)徑
30.635
3.2.3 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算
已確定橫向脈沖當(dāng)量，滾珠直徑導(dǎo)程=6mm,
初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角可計(jì)算傳動(dòng)比:
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(jí)齒輪降速。
因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(dòng)齒輪幾何參數(shù)
齒數(shù)
Z
18
45
20
32
分度圓
d=mz
36
90
40
64
齒頂圓
40
94
44
68
齒根圓
31
85
35
59
齒寬
(6-10)m
20
中心距
63
52
3.2.4 橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算，校核和選型
(1) 初選步進(jìn)電機(jī)
a) 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P22頁(yè)
式中: ——脈沖當(dāng)量，取
——進(jìn)給牽引力(N)
——步距角，初選雙拍制為
——電機(jī)—絲桿傳動(dòng)效率為齒輪、軸承、絲桿效率之積分別為
b) 估算步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩除以一定的安全系數(shù)來估算步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(N.cm)
一般橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)取0.4-0.5
c) 計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩
查表3-22如取五相十拍，則
d) 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率和最高啟動(dòng)頻率
式中:——最大切削進(jìn)給速度
——最大快移速度
——脈沖當(dāng)量，取
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245N.cm >可以滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床有可能使用較大的切削用量，應(yīng)該選用稍大轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)，以留有一定余量，另一方面與國(guó)內(nèi)同類型機(jī)床進(jìn)行類比的要求。決定采用150BFG2915，但從《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P24頁(yè)查出，步進(jìn)電機(jī)最高空載啟動(dòng)頻率為4000Hz,滿足空載時(shí)(3333.33Hz)的要求。
(2) 校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩
前面所述初選步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算，均為估算，初選后，應(yīng)該進(jìn)行校核計(jì)算。
a) 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2，根據(jù)表3-24，經(jīng)二對(duì)齒輪降速時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算:
式中:——齒輪及其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——絲桿導(dǎo)程(cm)
G——工件及工作臺(tái)重量(N) G=500(N)
b) 齒輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計(jì)算
表3-24所示圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式如下:
對(duì)于鋼材，
式中:M——圓柱體質(zhì)量
D——圓柱體直徑 (cm)
L——圓柱體長(zhǎng)度或原長(zhǎng)(cm)
鋼材的密度為
因此
基本滿足慣量匹配的要求。
c) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算
機(jī)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(jì)算:
快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
在快速空載起動(dòng)階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計(jì)算如下：
式中: ——快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
——空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
——折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
——由于絲桿預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩
在采用絲桿螺母副傳動(dòng)時(shí)，上述各種轉(zhuǎn)矩可用下式計(jì)算：
式中: ——傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——電機(jī)最大角速度
——電機(jī)最大轉(zhuǎn)速
——運(yùn)動(dòng)部件最快速度
——脈沖當(dāng)量
——步進(jìn)電機(jī)的步距角
——運(yùn)動(dòng)部件從停止到起動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間(s)
起動(dòng)加速時(shí)間=30(ms)
折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
式中: ——導(dǎo)軌的摩擦力(N)
——垂直方向的切削力(N)
G——運(yùn)動(dòng)部件的總重量(N)
——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取=0.15
——齒輪降速比
——傳動(dòng)鏈總效率，一般可取0.7-0.8
附加摩擦轉(zhuǎn)矩:
式中: ——滾珠絲桿預(yù)加負(fù)荷，一般取，為進(jìn)給牽引力(N)
——滾珠絲桿導(dǎo)程(cm)
——滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取
上述三項(xiàng)合計(jì):
快速移動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩
最大切削負(fù)載時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩
式中: ——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩
從上面計(jì)算看出、、三種工況下，以快速空載所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。
從表3-22查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)為
則最大靜轉(zhuǎn)矩為:
從表3-23查出150BFG2815最大轉(zhuǎn)矩為為245，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足此項(xiàng)要求。
d) 校核步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性
前面已經(jīng)計(jì)算出機(jī)床最大快移時(shí)，需步進(jìn)電機(jī)的最高起動(dòng)頻率為3333.33Hz,切削進(jìn)給時(shí)所需步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率為1666.7Hz
從表3-23中查出150BFG2815型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為4000Hz，運(yùn)行頻率為16000Hz，再?gòu)膱D3-15，3-16查出150BFG2815步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性如圖3所示:
當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，150BFG2815型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性可以滿足要求。
3.3縱向進(jìn)給伺服系機(jī)械部分計(jì)算與校核
3.3.1 計(jì)算切削力
主切削力F（N）按經(jīng)驗(yàn)公式估算：
—走刀方向的切削分力（N）
—車床身上加工最大直徑（mm）=630mm
=10594.63（N）
：：=1：0.25：0.4
—走刀方向的切削力
—垂直走刀方向的切削力
=0.25=2648.66(N)
=0.4=4237.85(N)
3.3.2 絲桿螺母副的計(jì)算和造型
(1) 計(jì)算進(jìn)給牽引力
縱向進(jìn)給選為綜合導(dǎo)軌。參考表6.2—2，6.2—3兩表〈〈機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).3〉〉
查書《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P22
在正常情況下：
—考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15
—滑動(dòng)導(dǎo)軌磨擦系數(shù)0.15～0.18
—溜板及刀架重力查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表1—1，取=800N
=1.152648.66+0.16(4237.85+500)=2175.94(N)
(2) 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C
C=
參考《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).3》P185～P210 選用滾珠絲桿導(dǎo)軌
式中：—滾珠絲桿導(dǎo)程。 初選
—為最大切削力條件下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2～1/3
取=1m/min
—使用壽命（h），對(duì)于數(shù)控機(jī)車取 =15000h
—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取1.2～1.5（查表3—14《綜合作業(yè)指導(dǎo)》取為1.2
—壽命以 轉(zhuǎn)為1單位
—絲桿轉(zhuǎn)速r/min
125
113
C==19512.57
(3) 滾珠絲桿螺母副的選型
可采用WD6008外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母珠絲桿副，1列2.5圈，其額定功動(dòng)負(fù)載為18200（N），精度等級(jí)按表《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-17選為3級(jí)。
(4) 傳功效率計(jì)算：
=
式中：r—螺旋升角，WD6008 r=
—磨擦角取10’ 滾動(dòng)磨擦系數(shù)0.003～0.004
(5) 剛度驗(yàn)算
先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如A圖所示，最大牽引力2175.94(N)。支承L=1500mm，絲桿螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷1/3。
① 絲杠的拉伸或壓縮變形量
圖3-5
查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖3-4，根據(jù)
=2175.94(N),
查出10-5 可算出
==(0.65×10-5×1500)mm=0.975×10-2 mm
由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲桿進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實(shí)際變形量(mm)為
=1/4=0.975×10-2/2=0.244×10-2mm
② 滾珠與螺紋滾道間接觸變形
查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖3-5，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量
=6.0μm
因進(jìn)行預(yù)緊
=1/2=1/2×6.0=3.0μm
③ 支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形
采用D8208型推力球軸承，=35mm,滾動(dòng)體直徑=6.35mm,滾動(dòng)體數(shù)量Z=18,
注意此公式中單位應(yīng)為N
因施加預(yù)緊力，故
=1/2×=1/2×0.009065=0.004528mm
根據(jù)以上計(jì)算
=＋＋=0.00244＋0.0030＋0.004528=0.009968<定位精度
因?yàn)椴楸磉_(dá)1-1《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》定位精度為±0.01
(6) 穩(wěn)定性校核
滾珠絲桿兩端采用推力球軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。
(7) 縱向滾珠絲桿副幾何參數(shù)
表3：WD6008滾珠絲桿副幾何參數(shù)
參數(shù)名稱
符號(hào)
關(guān)系式
WD6008
螺
紋
滾
道
公稱直徑
60
導(dǎo) 程
8
接觸角
2.183
鋼球直徑
3.969
滾道法面半徑
2.064
偏心距
0.0030
螺紋升角
=
螺
桿
外 徑
=-(0.2～0.25)
59.2
內(nèi) 徑
=＋2－2
55.878
接觸直徑
=－Cos
56.034
螺
母
螺紋直徑
=－2＋2
64.122
內(nèi) 徑
=＋(0.2～0.25)
60.7938
3.3.3 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算
已知縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.01mm/step,滾珠絲桿導(dǎo)程=8mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，可計(jì)算出傳動(dòng)比：
=
－脈沖當(dāng)量（mm/step）
－滾珠絲桿的基本導(dǎo)程（mm）
－步進(jìn)電機(jī)的步距角
===3/8
因?yàn)榭蛇M(jìn)定齒輪齒數(shù)為
=/=24/64
=24 ，=64
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》，又因進(jìn)給給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取2，
則有關(guān)參數(shù)如下表所示(見表4)：
表4：傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù)
齒 數(shù)
24
64
分度圓
=
48
128
齒頂圓
=＋2
52
132
齒根圓
=－21.25
46.5
126.5
齒 寬
(6～10)
20
20
中心距
=(＋)/2
88
3.3.4 進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型
(1)初選步進(jìn)電機(jī)
① 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩
=
－脈沖當(dāng)量（mm/step）取 =0.01mm/step
－進(jìn)給牽引力（N）取 =2175.94N
－步距角，初選雙拍制為
－電機(jī)－絲桿的傳動(dòng)效率，為齒輪、軸承、絲桿效率之積，分別為0.98、0.99、0.99和0.94。
=N.cm
② 算步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩
根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩除以一定的安全系數(shù)來估算步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩
=/0.3～0.5
一般縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)的安全系數(shù)取0.3～0.4
= /0.4=182.36/0.4=455.9N.mm
③ 計(jì)算最大靜扭矩
查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-22，如取五相十拍，則==0.951
=/0.951=455.9/0.951=479.39N.mm
計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的頻率和最高起動(dòng)頻率
=HZ
=HZ
式中：－最大切削進(jìn)給速度m/min , =1m/min
－最大快移速度m/min, =2m/min
－脈沖當(dāng)量, =0.01mm/step
根據(jù)估算出的最大的靜轉(zhuǎn)矩=479.39N.mm在表3-23中查出130BF001最大靜扭矩為931N>479.39N可以滿足要求，，但從表中看出130BF001步進(jìn)電機(jī)最高空載起動(dòng)頻率為3000HZ，不能滿足=3333HZ的要求，此項(xiàng)指標(biāo)可暫不考慮，可以采用軟件開降速程序來解決。
(2) 校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩
前面所初步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算，均為估算，初迭之后，應(yīng)該進(jìn)行校核計(jì)算。
①效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
計(jì)算簡(jiǎn)圖如前（a）所示，根據(jù)《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-24，傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 可由下式計(jì)算：
=＋＋[(＋)＋()]
—步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）
.—矢輪Z1Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）
—滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣車（）
參考同類型機(jī)床，初步反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)BF1，
作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
I4＝() 2w＝()2×80＝0.468kg·cm2＝4.68N·cm2
齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J1＝7.8×10-4×4.84×2=8.281kg·cm2=82.81 N·cm2
J2＝7.8×10-4×12.84×2=53.678kg·cm2
絲桿傳動(dòng)慣量：
J3=7.8×10-4×64×140=141.52kg·cm2=1415.2 N·cm2
電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略。
因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
Ｊ＝(J3+J2)+J1+J4
=(141.52+53.68)+0.468+8.281
= 130.52 kg·cm2=1305.2 N·cm2
(1) 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算。
快速空載啟動(dòng)所需力矩：
最大切削力負(fù)載時(shí)所需力矩：
式中：－－空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩
――折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩
――由于絲桿預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩
――切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩
――折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩
當(dāng)時(shí)，
當(dāng)時(shí)，
當(dāng)，時(shí)，
N·cm
當(dāng)時(shí)，預(yù)加載荷則
所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩：
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：
切削時(shí)所需力矩：
由以上分析計(jì)算可知：
所需最大力矩發(fā)生快速啟動(dòng)時(shí)： ，所以選擇型號(hào)WD6008
③ 校核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。
已計(jì)算出機(jī)床最大快移時(shí)需步進(jìn)電機(jī)的最高起動(dòng)頻率為3333Hz，切削進(jìn)入時(shí)所需步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率為1333.3Hz。
從《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3—23中查出型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空BF1-160載起動(dòng)頻率為3000Hz，運(yùn)行頻率為16000Hz，再?gòu)摹础淳C合作業(yè)指導(dǎo)書〉〉圖3—15，3—16查出BF1-160步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線如（C）圖所示，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，時(shí)，,不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩222.916N.cm。直接使用則會(huì)施行失步現(xiàn)象，所以必須采取開降進(jìn)控制〈用軟件實(shí)現(xiàn)〉，將起動(dòng)頻率到1000Hz起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可增高到588.4N.cm，然后電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，可將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)大一倍左右。
當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，BF1-160型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性（D）圖完全可以滿足要求：
圖3-6
4 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
4.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成
任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，硬件是數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)，其性能的好壞，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能，有了硬件，軟件就能發(fā)揮作用。
機(jī)床數(shù)控機(jī)床的硬件電路概括起來又以下四部分組成：
（1） 中央處理單元CPU。CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心。
（2） 總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB） 地址總線（AB）和控制總線（CB）。
（3） 存儲(chǔ)器。包括只讀可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器。
（4） 輸入輸出接口電路。
由于8031只有P1口和P3口部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴(kuò)展輸入輸出接口電路。從附錄H圖H—2可以看出，系統(tǒng)擴(kuò)展了一片8155和一片8255可編程I/O接口芯片。8155的片選信號(hào)CE接74LS138的Y0，8255芯片片選信號(hào)CS接到74LS138的Y2端。74LS138三—八譯碼器有三個(gè)輸入A、B、C分別接到8031的P2。5，P2。6、P2。7，輸出Y0~Y7 8個(gè)輸出，低電平有效。Y0~Y7對(duì)應(yīng)輸入A、B、C的000至111的8種組合，其中Y0對(duì)應(yīng)A、B、C為000，Y7對(duì)應(yīng)A、B、C為111。74LS138還有三個(gè)使能端，其中2個(gè)（GA和GB）為低電平使能，另一個(gè)G1為高電平使能。吸有當(dāng)使能端均處于有效電平時(shí)，輸出才能產(chǎn)生，否則輸出處于高電平無效狀態(tài)。
I/O接口芯片與外設(shè)的連接是這樣安排的：8155芯片PA0~PA7作為顯示器段選信號(hào)輸出，PB0~PB7是顯示器的位選信號(hào)輸出，PC0~PC4 5根線是鍵盤掃描輸入。8155芯片的IO/M引腳接8031芯片的P2。0，因?yàn)槭褂?155的I/O口故P2。0高電平。
8255芯片PA0~PA6接X向、Y向和Z向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器，為輸出，PB0~PB7為三個(gè)方向的點(diǎn)動(dòng)及回零輸入，PC0~PC5為面板上的選擇開頭是輸入，設(shè)有編輯、單步運(yùn)行、單段運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)I、手動(dòng)II等方式。
系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲(chǔ)器及I/O接口芯片的地址編碼如表4—19所示：
X向，Y向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器采用YB015，3—2相通電五相十拍方式工作，故A0，A1引腳均接+5V，Z向步進(jìn)電機(jī)配件環(huán)形分配采用YB014，是以2—3相通電四相八拍方式工作。A0、A1接高電平。三個(gè)芯片的選通輸出控制E0分別接8255的PA0、PA3、PA5，清零R接8255的PA1，正、反轉(zhuǎn)控制端分別接8255的PA2、PA4、PA6，時(shí)鐘輸入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以決定脈沖分配器輸出脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)時(shí)不同的進(jìn)給速度，可給8155芯片的定時(shí)/計(jì)數(shù)器中設(shè)置不同的時(shí)間常數(shù)。
表5
芯 片
接74LS138引腳
地址選擇線
片內(nèi)地址單元（B）
地址編碼
2764（1）
000xxxxxxxxxxxxx
8K
0000H～1FFFH
2764 (2 )
001xxxxxxxxxxxxx
8K
2000H～3FFFH
6264
010xxxxxxxxxxxxx
8K
4000H～5FFFH
8155
RAM
10011110xxxxxxxx
6
61009EFFH
I/O
1001111111111xxx
6
9FF8H～9FFDH
8255
01011111111111xx
4
5FFCH～5FFFH
作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作，存儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù)，輸入輸出接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行交換的
橋梁?？偩€則是CPU與存儲(chǔ)器，接口以及其它轉(zhuǎn)換的紐帶，是CPU與部分電路進(jìn)行交換和通訊的必由之路。
數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖為：
圖4-1
4.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1 向和X向進(jìn)給伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)
2 鍵盤顯示
3 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架控制
4 螺紋加工控制
5 面板控制
6 行程控制
7其他功能 報(bào)警電路、急停電路、復(fù)位電路、光隔離電路、功能電路等。
4.2.1 硬件電路的組成
采用MCS-5系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下：
a) 采用8031作CPU
b) 擴(kuò)展了兩片2764芯片、一片6264芯片
c) 兩片8155可編程并行I/O接口。
d) CPU、存儲(chǔ)器及I/O接口
CPU采用8031芯片，選用6MHz晶體振蕩器。它的作為數(shù)據(jù)總線和地址共用。16位地址線由經(jīng)地址鎖存器74LS373提供8位地址，高8位地址由8031的口直接提供。ALE為地址鎖存允許。為低電平時(shí)選通外部存儲(chǔ)器（EPROM），相應(yīng)的指令字節(jié)出現(xiàn)在EPROM的數(shù)據(jù)線（）上，輸入到口，8031將指令讀入。RESET為復(fù)位控制，當(dāng)RESET輸入端出現(xiàn)高電平時(shí)，8031被初始化復(fù)位，在復(fù)位有效期向ALE、PSEN也輸出高電平。當(dāng)RESET輸入端返回低電平后，CPU從O地址開始執(zhí)行程序。（故設(shè)計(jì)中一定有一片2764芯片連到74LS138的）設(shè)計(jì)中采用上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。另外，兩片8155的RESET也與8031的RESET管腳相連，它們可同時(shí)復(fù)位。
8031的是片內(nèi)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器溢出中斷申請(qǐng)，由主軸后面的光電編碼器輸入。當(dāng)車床車螺紋時(shí)，主軸光電編碼器向8031發(fā)出進(jìn)給脈沖，用以控制不同導(dǎo)程的螺紋加工。光電編碼器還發(fā)出一個(gè)零位螺紋信號(hào)，輸入8155(1)的，用以防止車螺紋亂扣。
8155(1)主要用于功能鍵的控制，刀架轉(zhuǎn)位控制以及報(bào)警等。其中PA口為輸入口，作為功能鍵的控制管理，刀架控制編輯、空運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)I，手動(dòng)和回零。PB口也是輸入口，由面板上的按鍵分別控制起動(dòng)、暫停、單段、連續(xù)、急停等功能。是換刀回答，當(dāng)自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架按指令轉(zhuǎn)位、夾緊，刀架電機(jī)停轉(zhuǎn)之后，發(fā)出此信號(hào)，開始執(zhí)行進(jìn)給指令。接光電編碼器輸出的零位螺紋信號(hào)。PC口是輸出口，控制自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架四個(gè)刀位的選刀。用于報(bào)警顯示，系統(tǒng)正常工作時(shí)，輸出低電平，綠色發(fā)光二極管亮，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，輸出高電平，經(jīng)反向后，紅色發(fā)光二極管亮，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。
8155(2)控制步進(jìn)電機(jī)，行程控制，以及鍵盤，顯示電路。其中為輸出口，用于控制Z向、X向步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，Z向步進(jìn)電機(jī)為五相，X向?yàn)槿?。此系統(tǒng)采用軟件分配。鍵盤顯示電路為46鍵和6位顯示器。作為鍵盤的6條列線，是鍵盤掃描線，是輸出口。接行線作為鍵盤輸入口。是6位數(shù)碼顯示器的位選信號(hào)，8031的口是數(shù)碼顯示器的段選信號(hào)。接越程限位控制電路，當(dāng)床鞍或拖板在Z向或X向越程時(shí)，即向計(jì)算機(jī)輸入此信號(hào)，使進(jìn)給系統(tǒng)停止。
表6 ：數(shù)控車床控制系統(tǒng)芯片地址分配
芯片
接74LS1
38引腳
地址選擇線
片內(nèi)地
址單元
地址編碼
2764(1)
000xxxxxxxxxxxxx
8K
0000H-1FFFH
2764(2)
001xxxxxxxxxxxxx
8K
2000H-3FFFH
6264
010xxxxxxxxxxxxx
8K
4000H-5FFFH
8155(1)I/O
0110000100000xxx
6
6100H-6105H
8155(2)I/O
1000000100000xxx
6
8100H-8105H
4.3 C6163經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
直線圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)
在電機(jī)設(shè)備中，執(zhí)行部件如果要實(shí)行平行斜線和圓弧曲線的路經(jīng)運(yùn)動(dòng)，必須通過兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的合成來完成。在數(shù)控機(jī)床中，這是由X、Y兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)，按照插補(bǔ)控制原理來實(shí)現(xiàn)的。
4.3.1 直線插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)
(1) 逐點(diǎn)比較法
用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算，沒走一步，都需要以下四個(gè)步驟：
偏差判別：判別偏差Fm≧0或Fm≦0，從而啊決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算公式。
坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號(hào)，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個(gè)方向進(jìn)給。
偏差計(jì)算：進(jìn)給每一步，計(jì)算新的加工偏差。
終點(diǎn)判別：進(jìn)給每一步后，終點(diǎn)計(jì)數(shù)器減1，若為0，表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ)不為0，則返回到第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)算判別可用兩個(gè)方向的坐標(biāo)植來判別，也可以由一個(gè)方向的坐標(biāo)植來判別。當(dāng)Xe﹥Ye，可用X方向的總步數(shù)Xe作為終點(diǎn)判別的依據(jù)，如動(dòng)點(diǎn)X等于終點(diǎn)Xe則停止。當(dāng)Xe
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