CA6140車床經(jīng)濟型數(shù)控改造.doc

徐州師范大學本科生畢業(yè)設計 CA6140車床經(jīng)濟型數(shù)控改造 CA6140車床經(jīng)濟型數(shù)控改造摘要:了解數(shù)控機床的概念，所謂數(shù)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(shù)控機床就是數(shù)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(xiàn)在使用的機床大多數(shù)為普通車床，自動化程度低,要更新現(xiàn)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(jīng)濟型數(shù)控改造?？v向進給機構的改造：拆去原機床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座,配上滾珠絲杠及相應的安裝裝置，縱向驅動的步進電機及減速箱安裝在車床的床尾,不占據(jù)絲杠空間。橫向進給機構的改造：拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠,由步進電機帶動?？傮w設計方案:CA6140車床主軸轉速部分保留圓機床的手動變速功能。車床的縱向和橫向進給運動采用步進電機驅動。最后,根據(jù)已知條件對縱向橫向伺服進給機構進行設計與計算。關鍵詞:數(shù)控、車床、改造Abstract:Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the vertical mechanism: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. The overall master design: the spindles gearshift of the CA6140 mechanism controlled by the former operating lever. The moving of the vertical table and the horizontal table is drove by the ball screw, which is drove by the Stepper motors. The last, we design the vertical and horizontal mechanism on the basis of known numbers.Key word: Numerical Control、 machining、 information 前 言 數(shù)控機床經(jīng)濟型改造,實質是機械工程技術與微電子技術的結合。經(jīng)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(xiàn)在經(jīng)濟水平的發(fā)展要求。 本次畢業(yè)設計主要是對機床機械部分進行改造,以步進電機驅動橫向進給運動、縱向進給運動以及刀架的快速換刀,使傳動系統(tǒng)變得十分簡單，傳動鏈大大縮短,傳動件數(shù)減少,從而提高機床的精度。 設計中，我們對有關數(shù)控機床及數(shù)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(shù)控機床的基本概念，數(shù)控機床的發(fā)展概況，數(shù)控機床的組成及其工作原理，擴大了我們的知識面。 隨著科學技術的發(fā)展,現(xiàn)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?lián)Q代加速。數(shù)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(shù)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。 第一章數(shù)控機床的基本知識 一. 數(shù)控機床的基本概念 數(shù)控機床是由普通機床發(fā)展而來,它們之間最明顯的區(qū)別是數(shù)控機床可以按事先編制的程序自動地對工件加工,而普通機床的整個加工過程必須通過技術工人的手工操作來完成。 數(shù)控機床又稱數(shù)字控制機床,是相對于模擬控制而言的。在數(shù)字控制系統(tǒng)中所處理的信息的最主要離散的數(shù)字量，而不像模擬控制系統(tǒng)那樣主要處理一些連續(xù)的模擬量。早期的數(shù)字控制系統(tǒng)是采用數(shù)字邏輯電路聯(lián)結而成的，而目前則是采用了計算機的計算機數(shù)空系統(tǒng),即CNC。機床數(shù)控技術就是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機床的自動控制的一門技術。其中,刀具與工件的運動軌跡的自動控制,刀具與工件相對運動的速度自動控制是機床數(shù)字控制的最主要的控制內容。 數(shù)控機床工作前，要預先根據(jù)工件要求,確定工件加工工藝過程、工藝參數(shù),并按一定的規(guī)則形成數(shù)控系統(tǒng)能理解的數(shù)控加工程序。即:將工件的幾何信息和工藝信息數(shù)字化,按規(guī)定的代碼和格式編制成數(shù)控加工程序。然后用適當?shù)姆绞綄?shù)控加工程序輸入到數(shù)控機床的數(shù)控裝置中,這樣便可起動機床運行數(shù)控加工程序。在運行數(shù)控加工程序的過程中,數(shù)控裝置會根據(jù)數(shù)控加工程序的內容發(fā)出各種控制命令,如起動主軸電動機、開切削液、進行刀具軌跡計算,同時向特殊的執(zhí)行單元發(fā)出數(shù)字位移脈沖并進行進給速度控制,正常情況下 直到程序進行結束,工件加工完畢為止。二. 國內外數(shù)控機床發(fā)展概況 1952年美國帕森斯公司和麻省理工學院伺服機構實驗室合作研制成功世界上第一臺三坐標數(shù)控立式銑床,用它來加工直升飛機葉片輪廓檢查研樣扳。這是一臺采用專用計算機進行運算與控制的直線插補輪廓控制數(shù)控銑床,專用計算機采用電子管元件,邏輯運算與控制采用硬件聯(lián)結的電路。 1955年，該類機床進入實用化階段,在復雜曲面的加工中發(fā)揮了重要作用,這就是第一代數(shù)控系統(tǒng)。從那時起40多年來，隨著自動控制技術、微電子技術、計算機技術、精密測量技術及機械制造技術的發(fā)展，數(shù)控機床得到了迅速發(fā)展，不斷地更新?lián)Q代。 1959年,晶體管元件問世,數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印制板電路,從此數(shù)控系統(tǒng)跨入第二代。 1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路,由于其體積小，功耗低,使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得到進一步提高,數(shù)控系統(tǒng)從而發(fā)展到第三代。 以上三代數(shù)控機床的控制系統(tǒng)均為硬接線數(shù)控系統(tǒng),稱為普通數(shù)控系統(tǒng),即NC系統(tǒng)。 由于當時控制計算機的價格十分昂貴,為了提高系統(tǒng)的性能價格比,出現(xiàn)了用一臺計算機控制多臺機床插補運算的直接數(shù)控系統(tǒng),即DNC系統(tǒng)。由于計算機負擔較重,系統(tǒng)可靠性和實用性均較差。 隨著計算機技術的發(fā)展，出現(xiàn)了小型計算機代替專用硬接線裝置,以控制軟件實現(xiàn)數(shù)控功能的計算機數(shù)控系統(tǒng)，即CNC系統(tǒng)，使數(shù)控機床進入第四代。 1970年前后，美國英特爾公司首先開發(fā)和使用了4位微處理器,1974年美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)。由于中、大規(guī)模集成電路的集成度和可靠性高、價格低廉,所以微處理器數(shù)控系統(tǒng)得到了廣泛的應用。這就是微機數(shù)控系統(tǒng)，即MNC系統(tǒng)，從而使數(shù)控機床進入第五代。 現(xiàn)代數(shù)控機床為了進一步擴展功能，增強實時控制能力和可靠性，常采用多微處理器結構,由多個微處理器構成功能模塊,各功能模塊之間的互連與通信,或采用共享總線結構，或采用共享存儲器結構。 我國是從1958年開始研制數(shù)控機床的,到20世紀60年代末70年代初,已經(jīng)研制出一些晶體管式的數(shù)控系統(tǒng)，并用于生產。但由于歷史的原因，一直沒有取得實質性的成果。數(shù)控機床的品種和數(shù)量都很少,穩(wěn)定性和可靠性也比較差,只在一些復雜的、特殊的零件加工中使用。 直到20世紀80年代,我國先后從日本、德國、美國等國家引進一些先進CNC裝置及主軸、伺服系統(tǒng)的生產技術，并陸續(xù)投入了生產。這些數(shù)控系統(tǒng)性能比較完善，穩(wěn)定性和可靠性都比較好，在數(shù)控機床上采用后,得到了用戶的認可，結束了我國數(shù)控機床發(fā)展徘徊不前的局面,使我國數(shù)控機床在質量、性能及水平上有了一個飛躍。到1985年，我國數(shù)控機床的品種累計80多種,數(shù)控機床進入實用階段。 1986年至1990年期間，是我國數(shù)控機床大發(fā)展的時期。在此期間，通過實施國家重點科技攻關項目“柔性制造系統(tǒng)技術及設備開發(fā)研究”,以及重點科技開發(fā)項目“數(shù)控機床引進技術消化吸收”等，推進了我國數(shù)控機床的發(fā)展。 1991年以來,一方面從日本、德國、美國等國家購進數(shù)控系統(tǒng)，另一方面積極開發(fā)、設計、制造具有自主版權的中、高檔數(shù)控系統(tǒng),并且取得了可喜的成果。我國的數(shù)控產品已覆蓋了車、銑、鏜銑、鉆、磨、加工中心及齒輪機床、折彎機、火焰切割機、柔性制造單元等，品種達300多種。中、抵擋數(shù)控系統(tǒng)已達到小批量生產能力。 機床的數(shù)控化率是標志一個國家機床工業(yè)和機械制造業(yè)水平的一個重要指標。數(shù)控機床不斷發(fā)展與完善的目的在于擴大使用范圍、提高工作可靠性和數(shù)控精度、降低成本以及便于使用維修等。20世紀末,隨著數(shù)控技術的不斷完善和數(shù)控加工的廣泛應用，不僅使數(shù)控機床的自動診斷和自動編程系統(tǒng)有了很大發(fā)展，而且也出現(xiàn)了各種新型的數(shù)控系統(tǒng),其中主要的幾個發(fā)展動向是: 1.小型計算機數(shù)控(CNC) 小型計算機數(shù)控就是用一臺小型通用計算機代替原來數(shù)控裝置中的電路完成數(shù)控功能。為了使小型計算機具有規(guī)定的數(shù)控功能，必須預先為其編制程序，并將它儲存到內存儲器中，稱此為“系統(tǒng)程序”。系統(tǒng)程序一經(jīng)輸入，小型計算機的控制邏輯即被確定。改變系統(tǒng)程序，就是改變其數(shù)控功能。這里須指出的是系統(tǒng)程序與用來控制機床的加工的“零件程序”不同，系統(tǒng)程序決定小型計算機中固定的工作邏輯，零件程序則決定機床的運動指令。 2危機數(shù)控系統(tǒng)(MNC) 目前微機數(shù)控系統(tǒng)逐漸取代NC系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)。由于微機體積小,內存容量大,可充分利用軟件設計擴大其使用性能。一般MNC均兼有穿孔紙帶和鍵盤輸入,在只讀存儲器中固化有大量典型的循環(huán)子程序可供調用,以減輕編程工作量。全功能MNC系統(tǒng)均備有熒光屏顯示,顯示編程、加工執(zhí)行程序的情況。該系統(tǒng)還能對微機各組成部分如輸入裝置、伺服放大裝置等進行監(jiān)控,當出現(xiàn)故障時,則自動停車、報警及故障顯示,根據(jù)顯示的代碼便能容易地找出故障的位置與原因。 3.經(jīng)濟型數(shù)控(ENC) 經(jīng)濟型數(shù)控又稱簡易數(shù)控,是根據(jù)生產需要而制造的功能比較單一、系統(tǒng)比較簡單、價格低廉的一種簡易數(shù)控系統(tǒng),主要是針對普通機床的改造。這類數(shù)控機床結構小巧、工作可靠、操作方便、易用于成批生產、加工形狀較簡單的零件。由于它特別適用于普通機床的改造,所以目前我國正大力推廣這種經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng),即采用單板機或單片機作控制機,用鍵盤輸入,具有直線和圓弧插補、刀具補償、螺紋切削、單一固定循環(huán)選擇等功能,伺服電動機一般采用功率步進電動機。國外的簡易數(shù)控幾乎都采用了微機處理器,操作者可以直接利用操作板上的數(shù)碼按鍵,把加工數(shù)據(jù)輸入到內存儲器中,加工時則從存儲器中取出數(shù)據(jù)。這種簡易數(shù)控的工作方法基本上與CNC一樣,但系統(tǒng)和功能要簡單的多。 4.自動換刀數(shù)控系統(tǒng)(MC) 自動換刀系統(tǒng)也稱加工中心(Machining Center ,簡稱MC),如圖0-2所示,是一種能實現(xiàn)多工序加工的數(shù)控系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制的機床一般配有機械手和刀庫(可存放16-100把刀具),工件經(jīng)一次裝夾,數(shù)控系統(tǒng)就能控制機床自動地更換刀具,連續(xù)對工件的各個加工面自動的完成銑削、鏜削、鉸孔、擴孔及攻螺紋等多工序加工。 5.自適應控制系統(tǒng)(AC) 自適應控制系統(tǒng)(Adaptive Control,簡稱AC)是20世紀60年代末發(fā)展起來的高精度、高效益的數(shù)控系統(tǒng),目前有的MNC系統(tǒng)兼有AC功能。數(shù)控機床一般是按預先編好的程序進行控制,但隨機因素難以預測,如毛坯余量和硬度的不均勻,刀具的磨損等。為了確保質量,勢必在編程時采用較保守的切削用量,從而降低了加工效率。AC系統(tǒng)可對機床主軸轉速、功率、切削力、切削溫度、刀具磨損等參數(shù)值進行自動檢測,并由中央處理單元(Central Processing Unit,簡稱CPU)進行比較運算后,發(fā)出修改主軸轉速和進給量大小的信號,確保AC處于最佳切削用量狀態(tài),從而在保證質量條件下使加工成本最低或生產率最高。AC系統(tǒng)主要在宇航等工業(yè)部門用于特種材料的加工。 6.計算機群控(DNC) 計算機群控是用一臺大型通用計算機為數(shù)臺數(shù)控機床進行自動編程,并直接控制一群數(shù)控機床的系統(tǒng)。根據(jù)機床與計算機結合方式的不同,計算機群控大致可分為間接型、直接型和計算機網(wǎng)絡等三種不同的方式。間接型群控系統(tǒng)中，把來自通用計算機存儲的程序，通過連接裝置分別送到機床群中每臺機床的普通數(shù)控裝置中去。大型通用計算機也稱中央計算機，它具有足夠的內存容量，可以統(tǒng)一存儲和管理大量的零件程序。 在直接型群控系統(tǒng)中,機床群中的每臺數(shù)控機床不必再帶有普通機床的數(shù)控裝置，只需裝設具有伺服控制電路和操作板的機床控制裝置即可，而機床的說能夠功能和插補運算功能全部由中央計算機來完成，這些功能集中到一個“分時多路數(shù)控裝置”中，再與中央計算機構成一個完整的群控系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中各臺數(shù)控機床不能獨立工作，一旦計算機出了故障,各臺數(shù)控機床都將停止運行。 在計算機網(wǎng)絡群控系統(tǒng)中，各臺數(shù)控機床都有其獨立的、有小型計算機構成的數(shù)控系統(tǒng),并與中央計算機聯(lián)成網(wǎng)絡，實現(xiàn)分級控制。由于每臺控制專用計算機價格比較便宜，又都有應用軟件，并且相對具有獨立性,所以整個網(wǎng)絡不再有一臺計算機去分時完成所有數(shù)控裝置的功能，全部機床可連續(xù)進行工作。 7.柔性制造系統(tǒng)FMS 柔性制造系統(tǒng)也叫計算機群控自動線(Flexible Manufacturing System),就是將一群數(shù)控機床用自動傳輸系統(tǒng)連接起來，并置于一臺住計算機的統(tǒng)一控制之下，形成一個用于制造的整體。也就是說，它有若干CNC設備、物料運儲裝置和計算機控制系統(tǒng)組成的整體，并能根據(jù)制造任務和生產品種的變化而迅速進行調整的自動化制造系統(tǒng)。 柔性制造系統(tǒng)的特點是由一臺主計算機對全部的硬、軟件進行管理，DNC方式控制兩臺或兩臺以上的數(shù)控加工中心機床，對各臺機床之間的工件有調度和自動傳送的功能。利用交換工作臺或工作機器人等裝置實現(xiàn)工件的自動上料和下料,能使機床每天24h均能在無人或極少人的監(jiān)督控制下進行生產。如FANUC公司有FNS,有60臺數(shù)控機床、52個工業(yè)機器人、兩臺無人自動搬運車、一個自動化倉庫組成，這個系統(tǒng)每月能加工10000臺伺服電動機。 8.計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS) 計算機集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing System)是在信息技術、自動化技術、計算機技術及制造技術的基礎上通過計算機及其軟件將制造工廠生產、經(jīng)營的全部活動(包括市場調研、生產決策、生產計劃、生產管理、產品開發(fā)、產品設計、加工制造、質量檢驗及銷售經(jīng)營等)與整個生產過程有關的物料流與信息流實現(xiàn)計算機系統(tǒng)話的管理,把各種分散的自動化系統(tǒng)有機地集成起來，構成一個優(yōu)化的完整生產系統(tǒng)，從而獲得更高的整體效率，縮短產品開發(fā)制造周期，提高產品的質量，提高生產率,提高企業(yè)的應變能力。三. 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代機械制造要求產品的形狀和結構不斷改進，對零件加工質量的要求也越來越高。隨著社會對產品多樣話需求的增強，產品品種增多，產品更新?lián)Q代加速。這就要求數(shù)控機床成為一種具有高效率、高質量、高柔性和抵成本的新一代制造設備。尤其是FMS的迅猛發(fā)展CIMS的興起和不斷成熟，對機床數(shù)控系統(tǒng)提出了更高的要求?，F(xiàn)代數(shù)控機床正向著更高的速度、更高的精度、更高的可靠性及更完善的功能發(fā)展。1. 智能化在數(shù)控機床控機床采用了交流數(shù)字伺服系統(tǒng)。伺服電動機的位置環(huán)、速度環(huán)、及電流環(huán)都實現(xiàn)了數(shù)字化，并采用了不受機械負荷變動影響的高速響應伺服驅動技術。同時，高分辨率、高響應的絕對位置檢測器也已應用到數(shù)字伺服系統(tǒng)中，這種檢測器每轉可進行100萬細分,可在1000r/min的高速運轉中使用。此外，提高主軸轉速、減少非切削時間，采用快速插補、超高速通信技術都使現(xiàn)代數(shù)控機床的切削速度得到很大的提高。2. 高精度化 高精度化一直是機床數(shù)控技術發(fā)展追求的目標，在20世紀末一取得明顯的效果。普通級中等規(guī)格的加工中心的定位精度已從20世紀80年代初的+12 m提高到+0.5 m. 現(xiàn)代數(shù)控機床通常采用以下技術來提高精度: 利用數(shù)控系統(tǒng)的補償功能，提高其加工精度和動態(tài)特性。例如補償軸向運動誤差、絲杠導程誤差、齒輪間隙誤差、刀具磨損誤差等。在新一代數(shù)控系統(tǒng)中，還開發(fā)了具有熱補償、空間誤差補償功能的傳感器件和軟件。 采用高分辨率、高響應性的絕對位置傳感器技術，實現(xiàn)切削加工的精密檢測。如這種傳感器檢測到的絕對位置信號，通過專用微處理器進行細分處理，可達到極高的分辨率,現(xiàn)已生產出配套的專用芯片,大大提高了使用精度和可靠性。 采用數(shù)字式伺服控制技術，該技術是基于現(xiàn)代控制理論而構成的反饋控制技術。該技術引進的現(xiàn)代控制技術有:非線性補償技術，消除機床靜摩檫引起的誤差；魯棒控制技術，實現(xiàn)加速度反饋，減小因負載變動而引起的誤差；前饋控制技術，使伺服系統(tǒng)的追蹤滯后減少一半,改善拐角切削加工精度；加減速控制技術，可在插補前后進行平滑的加減速控制.可使系統(tǒng)形狀誤差減至最小，保證系統(tǒng)具有高精度、高速度雙重性能；低噪聲電動機技術，保證控制系統(tǒng)獲得高增益,目前生產的低噪聲電動機，其噪聲水平已降到額定值到0.5 以下,提高數(shù)控機床機械本體中基礎大件的結構剛性和熱穩(wěn)定性。 3. 高可靠性. 現(xiàn)代數(shù)控機床的可靠性是在設計階段就開始進行，即預先確定可靠性指標，在生產過程中模擬實際工作條件，進行檢測并提高可靠性的措施予以保證。通常采用的可靠性技術有：冗余技術，故障診斷技術，自動檢錯、糾錯技術，系統(tǒng)恢復技術，軟件可靠性技術等。 4.現(xiàn)代數(shù)控機床還采取了以下措施來提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性：(1)提高元器件和系統(tǒng)的可靠性。新型的數(shù)控系統(tǒng)大量采用大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成 電路，采用專用芯片及混合式集成電路，使電路的集成度提高，元器件數(shù)量減小,供耗降低，從而大幅度降低系統(tǒng)的故障率。 (2)采用抗干擾技術，提高數(shù)控系統(tǒng)對環(huán)境的適應能力。例如采取濾波、隔離、屏蔽、合理接地等抗干擾措施。使數(shù)控系統(tǒng)模塊化、通用化和標準化。數(shù)控系統(tǒng)的硬件被制成多種功能模塊，根據(jù)機床數(shù)控功能的要求，選擇不同的模塊，還可以自行擴展或裁剪,組成滿意的數(shù)控系統(tǒng)。模塊化、標準化、通用化的實現(xiàn)，不但便于組織開發(fā)、生產和應用，而且提高了可靠性。 (3)提高自診斷及保護功能。數(shù)控系統(tǒng)一般都具有軟件、硬件及故障的自診斷程序,為了防止超程,可以在系統(tǒng)內預先設定工作范圍，避免由于限位開關的不可靠而造成軸端超程,數(shù)控系統(tǒng)還具有自動返回功能，當機床在加工過程中，出現(xiàn)某種特殊情況時,例如由于刀具斷裂等原因造成加工中斷時,數(shù)控系統(tǒng)能力將刀具位置保存起來。在更換刀具后，只要重新輸入刀具的有關數(shù)據(jù),刀具就能自動回到正確位置，保證通電后繼續(xù)工作，不讓工件報廢。 (4)多功能復合化 現(xiàn)代數(shù)控機床的功能復合化發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面: 大多數(shù)數(shù)控機床都具有人機對話功能，都有很“友好”的人機界面,借助CRT與鍵盤的配合，可以實現(xiàn)程序的輸入、編輯、修改、刪除等功能。此外還具有前臺操作、后臺編輯的功能，并大量采用菜單選擇操作方式，操作更加方便四.數(shù)控機床的組成數(shù)控機床的工作原理:首先根據(jù)零件圖樣制定工藝方案,采用手工或計算機進行零件的程序編制，把加工零件所需的機床各種運作及全部工藝參數(shù)變成機床數(shù)控裝置能接受的信息代碼，并把這些代碼存儲在信息載體(上穿孔紙帶、磁盤等)。另一種方法是利用計算機和數(shù)控機床的借口直接進行通信,實現(xiàn)零件程序的輸入和輸出。 進入數(shù)控裝置的信息，經(jīng)過一系列處理和運算轉變成脈沖信號。有的信號送到機床的伺服系統(tǒng)，通過伺服機構對其進行轉換和放大，再經(jīng)過傳動機構驅動機床有關部件,使刀具和工件嚴格執(zhí)行零件加工程序所規(guī)定的相應運動。還有的信號送到可編程控制器中，用以順序控制機床的其他輔助動作,如實現(xiàn)刀具的自動更換和變速、松夾工件、開關切削液等動作。 數(shù)控機床主要有信息載體、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體等四個基本部分組成。 1.信息載體 信息載體(又稱控制介質)的功能是用于記載以數(shù)控加工程序表示的各種加工信息，如零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)等以控制機床的運動和和各種動作,實現(xiàn)零件的機械。常用的信息載體有穿孔紙帶,磁盤和磁帶。信息載體上的各種加工信息要經(jīng)輸入裝置輸送給控制裝置。對于用微型計算機控制的數(shù)控機床，還可以通過信息接口從其他計算機獲取加工信息。也可用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息直接手動鍵盤輸入，并將數(shù)控加工程序存入數(shù)控裝置的存儲器中。 2.數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的運算和控制系統(tǒng)，在普通數(shù)控機床中一般由輸入裝置、控制器、運算器、和輸出裝置組成，它接受信息載體的信息，并將其代碼加以識別、儲存、運算、輸出相應的指令脈沖以驅動伺服系統(tǒng)，進而控制機床動作。 3.伺服系統(tǒng) 系統(tǒng)的作用是來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉換為機床移動部件的運動，它相映于手工操作時人的手，使工作臺精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動，最后加工出符合圖樣要求的零件。因此伺服系統(tǒng)的性能是決定數(shù)控機床的加工精度、表面質量和生產率的主要因素之一。 4.機床本體 數(shù)控機床中的機床本體,在開始階段沿用普通機床，只是在自動變速、刀架或工作臺自動轉位和手柄等方面作些改變。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，數(shù)控機床的外部造型、整體布局、機械傳動系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)的部件結構以及操作結構等機床的技術性能要求更高了。與傳統(tǒng)的普通機床相比，數(shù)控機床采用了高性能主軸部件及傳動系統(tǒng)，機械傳動結構簡化，傳動鏈較短;機械結構具有較高剛度和耐磨性，熱變形??；更多地采用高效部件,如滾珠絲杠,靜壓導軌、滾動導軌等。五.機床的運動性能指標1.主軸轉速 機床的主軸一般均采用直流或交流調速主軸電動機驅動，選用高速精數(shù)控密軸承支承,保證主軸具有較寬的調速范圍和足夠高的回轉精度、剛度及抗振性。目前，數(shù)控機床主軸轉速已普遍達到5000-10000r/min,甚至更高，這樣對各種小孔加工以及提高專用零件加工質量和表面質量都極為有利。 2.進給速度 數(shù)控機床的進給速度是影響零件加工質量、生產率以及刀具壽命的主要因素。它受數(shù)控系統(tǒng)裝置的運算速度、機床動特性及工藝系統(tǒng)剛度等因素的限制。目前國內數(shù)控機床的進給速度可達10-15m/min,國外數(shù)控機床的進給速度一般可達15-30m/min. 3.坐標行程 數(shù)控機床坐標軸X、Y、Z的行程大小，構成數(shù)控機床的空間加工范圍，即加工零件的大小。坐標行程是直接體現(xiàn)機床加工能力的指標參數(shù)。 4.擺角范圍 具有擺角坐標的數(shù)控機床，其轉角大小也直接影響到加工零件空間部位的能力。但轉角太大又造成機床的剛度下降，因此給機床設計帶來許多困難。 5.刀庫容量和換刀時間 刀庫容量和換刀時間對數(shù)控機床的生產率有直接影響。刀庫容量是指刀庫能存放加工所需要的刀具數(shù)量，目前常見的中小型數(shù)控加工中心多為16-60把刀具，大型數(shù)控加工中心達100把刀具。換刀時間制帶有自動交換刀具系統(tǒng)的數(shù)控機床，將主軸上使用的刀具與裝在刀庫上的下一工序需用的刀具進行交換所需的時間，目前國內數(shù)控機床均在10-20s內完成換刀,國外不少數(shù)控機床的換刀時間僅為4-5s.六.數(shù)控機床的精度指標 1.定位精度 是指數(shù)控機床工作臺等移動部件在確定的終點所達到的實際位置精度，即實際位置與指令位置的一致程度，不一致量表現(xiàn)為誤差，因此移動部件實際位置與指令位置之間的誤差稱為定位誤差，被控制的機床坐標的誤差(即定位誤差),包括驅動此坐標的控制系統(tǒng)(伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、進給系統(tǒng)等)的誤差在內，也包括移動部件導軌的幾何誤差等。定位將直接影響零件加工的位置精度。 2.重復定位精度 是指在同一條件下，用相同的方法，重復進行同一動時控制對象位置的一致程度。即在同一臺數(shù)控機床上，應用相同的程序相同的代碼加工一批零件，所得到的連續(xù)結果的一致程度，也稱為精密度。重復定位精度受伺服系統(tǒng)特性、進給系統(tǒng)的間隙與剛性以及摩檫特性等因素的影響。一般情況下，重復定位精度是成正態(tài)分布的偶然性誤差，它影響一批加工的一致性，是一項非常重要的性能指標。 3.分度精度 是指分度工作臺在分度時,理論要求回轉的角度角度值和回轉的角度值的差值。分度精度既影響零件加工部位在空間的角度位置，也影響孔系加工的同軸度等。 4.分辨率與脈沖當量 分辨率是指兩個相鄰的分散細節(jié)之間可以分辨的最小間隔。對測量系統(tǒng)而言分辨率是可以測量的最小增量；對控制系統(tǒng)而言，分辨率是可以控制的最小量。數(shù)控發(fā)出的每個脈沖信號，機床移動部件的位移量叫做脈沖當量。坐標計算單位是一個脈沖當量，它標志著數(shù)控機床的精度分辨率。脈沖當量是設計數(shù)控機床的原始數(shù)據(jù)之一,其數(shù)值的大小決定數(shù)控機床的加工精度和表面質量。目前普通精度級的數(shù)控機床的脈沖當量一般采樣0.001mm/p,簡易數(shù)控機床的脈沖當量一般采用0.01mm/p,精密或超精密數(shù)控機床的脈沖當量采樣.0.0001mm/p.脈沖當量越小，數(shù)控機床的加工精度和加工表面質量越好。七.步進式伺服系統(tǒng) 步進式伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)位置伺服系統(tǒng)。其執(zhí)行元件是步進電動機，它受驅動控制電路的控制，將進給脈沖信號直接變換為具有一定方向、大小和速度的機械轉角位移,并且通過齒輪和絲杠螺母副帶動工作臺移動。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，它的精度較差,速度受到步進電動機的限制。但它結構和控制簡單，容易調整，故在速度和精度要求不太高的場合，是具有一定的使用價值。 按力矩產生的原理步進電動機分為:1.反應式 轉子無繞組,由被勵磁的定子繞組產生反應力矩實現(xiàn)步進運行；2勵磁式定子、轉子均有勵磁繞組（或轉子用永久磁鋼）,由電磁力矩實現(xiàn)步進運動。步進電動機的主要特性:1 步距角及步距誤差 步進電動機的步距角是反映步進電動機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次,轉子轉過的角度。數(shù)控機床中常見的反應式步進電動機的步距角為0.5-3,步距角越小，加工精度越高。步距誤差是指理論的步距角和實際的步距角之間有誤差，在轉子一轉內各步誤差的最大值。由于步進電機每轉一轉又恢復到原來位置，所以誤差不會累積。它的大小主要由步進電動機齒距的制造誤差、定子和轉子氣隙不均勻、各相電磁轉距不均勻等因素決定 2.靜態(tài)距角特性、最大靜態(tài)轉矩Tsmax和起動轉矩Tst當步進電動機不改變通電狀態(tài)時,轉子狀態(tài)為靜態(tài)。當步進電動機軸上加一個負載轉矩T,使轉子按一定方向轉過一個角度才能重新穩(wěn)定下來,這時轉子上手到的電磁轉距Ts和負載轉矩T相等，稱Ts為靜態(tài)轉矩,為失調角,靜態(tài)轉矩Ts和失調角的關系稱為靜態(tài)矩角特性，Tsmax越大,步進電動機帶負載的能力越強，運行的快速性和穩(wěn)定性越好。負載轉矩小于Tst時,步進電動機才能正常起動運行。否則，容易造成步進電動機失步,步進電動機不能正常起動。步進電動機的失步包括丟步和超步,即轉子前進的步數(shù)小于脈沖數(shù)為丟步;多脈沖數(shù)為超步。在最大靜態(tài)轉矩相同的情況下，步進電動機相數(shù)的增加,因矩角特性曲線變密相鄰兩相矩角特性曲線的交點上移,會Tst變大。改變通電方式有時也會受到類似的效果。2 起動頻率fst和起動時的慣頻特性 空載時,步進電動機由靜止突然起動，并進入不失步的正常運行所允許的最高頻率，稱為起動頻率或突跳頻率。若起動時頻率突跳頻率，步進電動機就不能正常起動。因此，空載起動時,步進電動機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不呢功能高于突跳頻率。所謂起動時的慣頻特性是指步進電動機帶動純慣性負載時起動頻率和負載轉動慣量之間的關系。一般來說,隨著負載轉動慣量的增加，起動頻率會下降。 4加減速特性 步進電動機的加減特性是步進電動機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關系。當要求步進電動機起動到大于突跳頻率的工作頻率時,變化速度必須逐漸上升;同樣，從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時,變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和逐漸下降的加速時間、減速時間不能過小，否則會出現(xiàn)丟步或超步。一般用加速Ta和減速時間Td來描述步進電動機的升速和降速特性。 第二章 數(shù)控機床機械結構一、 數(shù)控機床機械結構的組成、特點1 數(shù)控機床的機械組成 由于數(shù)控機床主軸驅動、進給驅動和CNC技術的發(fā)展，數(shù)控機床的機械結構已從初期對通用機床局部結構的改進，逐步發(fā)展形成數(shù)控機床的獨特機械結構。數(shù)控機床的機械結構主要下列個部分組成：1） 機床的基礎件,又稱為機床大件,通常指床身、底座、立柱、橫梁、滑座和工作臺 等2） 主運動傳動系統(tǒng)3） 進給運動傳動系統(tǒng)。4） 實現(xiàn)主軸回轉、定位的裝置。5） 實現(xiàn)某些部件動作和輔助功能的系統(tǒng)和裝置，如液壓、氣動、潤滑、冷卻、排屑、防護等。6） 刀架或自動換刀裝置。7） 特殊功能裝置8） 各種反饋裝置和元件。 2數(shù)控機床結構的特點： 1）高剛度 因為數(shù)控機床要在高速度和高重載下工作，所以機 床的床身、主軸、立柱和刀架等主要部件,均需具有很高的剛度，工件中應無變形或振動。例如：床身應合理布置加強肋,能承受重載與重切削力;工作臺與溜板應具有足夠的剛度，能承受工作重量并使工作平穩(wěn)；主軸在高速下運轉，應承受大的徑向扭矩和軸向推力;立柱在床身上移動，應平穩(wěn)且能承受大的切削加工中應十分平穩(wěn)且無振動。 2）高靈敏性 數(shù)控機床工作時,要求精度比較通用機床高，因而運動部件應具有高靈敏度。導軌部件通常用于滾動導軌、靜壓導軌和塑料導軌等,以減少摩檫力,在低速運動時無爬行現(xiàn)象。工作臺的移動,有直流或交流伺服電動機驅動，經(jīng)滾珠絲杠或靜壓絲杠傳動。主軸既要在高剛度和高速下回轉，又要有高靈敏度，因而多數(shù)采用滾動軸承或靜壓軸承。 3）高抗振性 數(shù)控機床的運動部件、除了應具有高剛度、高靈敏度外，還應具有高抗振性,在高速重載下應無振動,一保證加工工作的高精度和高表面質量。 4）熱變形小 機床的主軸、工作臺、刀架等運動部件,.在運動中常易產生熱量，為保證部件的運動精度，要求各運動部件的發(fā)熱量少，以防止產生熱量變形。 5）高精度保持性 為了保證數(shù)控機床在長期內具有穩(wěn)定的加工精度,要求數(shù)控機床具有高的精度保持性。除了各有關零件應正確選材外，還要求采取一些工藝措施，如淬火和磨削導軌，一提高運動部件的耐磨性。 6）高可靠性 數(shù)控機床在自動或半自動條件下工作，尤其是在柔性制造系統(tǒng)中的數(shù)控機床，這24h運轉中無人看管,因此要求機床具有高的可靠性。 7）刀具先進 數(shù)控機床要能充分發(fā)揮效能,實現(xiàn)高精度、高自動化,除了機床本身應滿足上述要求外，必須保證長期可靠地工作。二、 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的特點及其要求1數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的特點 1）精度高 由于數(shù)控機床的主軸部件本身的精度高、傳動鏈短, 故數(shù)控的主傳動系統(tǒng)的精度高。 2)轉速高、功率大 它能使數(shù)控機床進行大功率切削和高速切削，提高生產率 3)調速范圍寬 數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)有較寬的調速范圍，以保證加工時能選用合理的切削用量,獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量。 4)主軸組件的耐磨性高 凡有機械摩檫的部位如軸承、錐孔等都有較高的硬度，軸承處潤滑良好，因此耐磨性高，精度保持性好4對進給傳動系統(tǒng)的要求 1）傳動精度高 從機械結構方面考慮，進給傳動系的傳動精度主要去取決與傳動間隙和傳動件的精度。傳動間隙主要來自于傳動齒輪副、絲杠螺母副之間，因此進跟傳動系統(tǒng)中廣泛采用施加預緊力或其它消除間隙的措施?？s短傳動及采用高精度的傳動裝置，也可提高傳動精度。 2）摩檫阻力小 為了提高數(shù)控機床進給系統(tǒng)的快速響應性能，必須減小運動件之間的摩檫阻力和動、靜摩檫力之差。欲滿足上述要求，數(shù)控機床進給系統(tǒng)普通采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、滾動導軌、靜壓導軌和塑料導軌。 3）運動部件慣量小 運動部件的慣量對伺服機構的起動和制動特性都有影響。因此，在滿足部件強度和剛度的前提下，應盡可能減小運動部件的質量、減小旋轉零件的直徑，以降低其慣量。滾珠絲杠副 在數(shù)控機床上，將回轉運動轉換為直線運動一般采用滾珠絲杠螺母機構。 滾珠絲杠的特點:傳動效率高,一般為=0.92-0.96;傳動靈敏,不易產生爬行；;使用壽命長；具有可逆性,不僅可將旋轉運動變?yōu)橹本€運動，亦可將直線運動變成旋轉運動；施加預緊力后,可消除軸向間隙，反向時無空行程;成本高,不能自鎖,垂直安裝時需有平衡裝置。 滾珠絲杠的結構和工作原理; 滾珠絲杠螺母的結構有內循環(huán)和外循環(huán)兩種方式 在外循環(huán)中,當絲杠相對于螺母旋轉時絲杠的旋轉面經(jīng)滾珠推動螺母軸向移動,同時滾珠沿螺旋形滾道滾動，使絲杠和螺母之間的滑動摩檫變?yōu)闈L珠與絲杠、螺母之間的滾動摩檫,螺母螺旋槽的兩端用回株管連接起來，使?jié)L珠能夠從一端重新回到另一端,構成一個閉合的循環(huán)回路。 在內循環(huán)中，在螺母的測孔中裝有圓柱凸輪式反向器反向器上銑有S形回珠槽,將相等兩螺紋滾道聯(lián)結起來。滾珠從螺紋滾道進入反向器,借助反向器迫使反向器越過絲杠牙頂進入相鄰滾道，實現(xiàn)循環(huán)。滾珠絲杠螺母副間隙的調整方法,為了保證滾珠絲杠副的反向傳動精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。常采用雙螺母施加預緊力的方法消除軸向間隙，但必須注意預緊力不能太大，預緊力過大會造成傳動效率降低、摩檫力增大，磨損增大、使用壽命降低。常用的雙螺母消除間隙的方法有: （1）調整墊片4的厚度使左右兩螺 母產生軸向位移,從而消除間隙 和產生預緊力,這種方法簡單、 可靠、但調整費時,使用于一 般精度的機床。 （2）齒輪調整間隙法 如圖所示, 兩螺母的凸輪緣為圓柱外齒輪, 而且齒數(shù)差為1,兩只內齒輪用 螺釘、定位銷緊固在螺母座上。 調整時先將內齒輪取出，根據(jù) 間隙大小使兩螺母分別向相同 方向轉過1個齒或幾個齒,然后 再插入內齒輪，使螺母在軸向 彼此移動了相應的距離，從而 消除兩個螺母的軸向間隙。這 種方法的結構復雜,尺寸較大, 適應于高精度傳動。 （3）螺紋調整間隙法 如圖所示, 右螺紋2外圓上有普通螺紋,在 用兩圓螺母4、5固定。當轉動 圓螺母5鎖緊,這種結構的特點 是結構緊湊、工作可靠，滾道 磨損后可隨時調整，但預緊量 不準確。 （4）齒輪傳動間隙的消除 在數(shù)控機床上，齒側間隙會造成進給運動反向時丟失指令脈沖，并產生反向死區(qū),影響加工精度，因此在齒輪傳動中必須消 除間隙。 直齒圓柱齒輪傳動間隙的消除 直齒圓柱齒輪間隙的消除方法主要有:軸向墊片調整法、偏 心套調整法和雙片薄齒輪錯齒調整法等。 軸向墊片調整法 如圖所示,兩齒輪沿齒寬方向制成稍有錐度，當齒輪1不動時調整,調整軸向墊片3的厚度，使齒輪2作軸向位移從而減少嚙合間隙。 偏心套調整法 如圖電動機通過偏心套2裝在殼體上。轉動偏心套2就能調整兩圓柱齒輪的中心距,從而減少齒輪的側隙。 雙片薄齒輪錯齒調整法 如圖相互嚙合的一對齒輪中的一個做成兩個薄片齒輪,兩薄片齒輪套裝在一起，彼此可作相對轉動。兩齒輪的端面上,分別裝有螺紋凸耳1和2,彈簧8的一端鉤在吊耳2上上，另一端鉤在穿過凸耳1上的螺釘5上。在拉簧的拉力作用下,兩薄片齒輪的輪齒相互錯位,分別貼緊在與之嚙合的輪齒左右齒廓面上,消除了它們之間的齒側間隙拉簧8的拉力大小，可由螺母6、7調整。 上面三種方法中，前兩種方法簡單，傳動剛性好，但調整后間隙不能自動補償。第三種方法能自動補償間隙，但傳動剛性差,能傳動的扭矩較小。 第三章數(shù)控機床的機械結構一、設計任務 本設計任務是利用數(shù)控裝置對CA6140普通車床進行數(shù)控改造.對縱、橫進給開環(huán)控制,縱向脈沖當量為0.01mm/脈沖,橫向脈沖當量為0.005mm/脈沖,驅動元件采用步進電機,傳動裝置采用滾珠絲杠副,刀架采用自動轉位刀架.二、被改造機床分析 CA6140車床主要用于加工中小型軸類、盤類以及螺紋零件,這些零件加工工藝要求機床應完成的內容有:控制主軸正反轉,通過主軸變速實現(xiàn)不同切削速度,刀架能實現(xiàn)縱向和橫向的進給運動,并且具備在換刀點自動改變刀位,完成刀具的選擇,控制冷卻泵的起停,加工螺紋時應保證主軸轉一轉刀架移動一個被加工螺紋的螺距或導程.三、總體設計的方案確定 考慮到具體方案時,基本原則是在滿足使用要求的前提下對機床的改動盡可能少,以降低成本.確定機械部分改造總體方案為: 1縱向進給機構的改造.拆除原機床的進給箱,利用原機床進給箱的安裝孔和銷孔安裝步進 電動機減速齒輪箱,滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置,兩端采用原固定方式,這樣可減少改造工作量,由于滾珠絲杠的摩檫系數(shù)小于原絲杠所以縱向進給機構整體剛性優(yōu)于以前. 2橫向進給機構改造 保留原手動機構,用于調整操作,原有的支撐結構也保留,步進電動機,齒輪箱體安裝在中滑板的后側. 3縱向進給機構改造 采用一級齒輪減速,縱向齒輪箱和絲杠全部加防護罩. 4刀架改造 拆除原刀架和小滑板,替換為一個四工位電動刀架.四、縱向進給系統(tǒng)的設計計算 已知條件:工作臺重量 w=80千克(根據(jù)圖樣粗略估計)時間常數(shù) t=25ms滾珠絲杠基本導程 Ph=6mm行程 s=1000mm脈沖當量 p=0.01/脈沖步距角 =0.75mm/脈沖快速進給速度 Vmax=4m/min1切削力計算 縱切外圓時,車床的切削力Fz可以用下式計算: FZ=0.67式中:Dmax為在車床床面上加工的最大直徑(mm),Dmax=21mm 則 Fz=0.67210=2039(N)進給抗力Fx和切深抗力可按下列比例分別求出 Fz : Fx : Fy = 1 : 0.25 : 0.4則 Fx=0.252039=510(N) Fy = 0.4 2039 = 815.6(N)2 滾珠絲杠設計計算 (1) 實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力,可用下列進給牽引力實際公式計算,對于三角形或綜合導軌機床: f = KFx + f(Fz + W)式中: Fx Fz X Z方向上的切削分力,單位為N W 移動部件的重量,單位為 F 導軌上的摩檫系數(shù) K 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)對于三角形或綜合性導軌機床: K = 1.15 f = 0.15-0.18 取f = 0.16則 Fm = 1.15 510 + 0.16 (2039 + 800) = 1040.7(N)(2) 最大動負載C的計算及主要尺寸初選 滾珠絲杠應根據(jù)額定動載荷Ca選用,最大動載荷計算原理與滾珠軸承相似,滾珠絲杠最大C可用下式計算: C = fm Fm式中: L為工作壽命,單位為10r , L=60nt/10 ; n 為絲杠轉速(r/min),n =1000v/Lo, v 為最大切削力條件下的進給速度(m/min),可取最高進給速度的1/2-1/3 ;Lo為