本科毕业设计说明书（论文）第 2 页 共 33 页1 绪论1.1 课题背景1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。1.2 车床改造的内容与意义1.2.1 改造意义企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0.01至0.02mm，已能满足CK6140车床改造后加工零件的精度要求。1.2.2 主要研究内容及技术路线 1)纵向和横向滚珠丝杠的选型及校核。 2)纵向和横向步进电机的选择。 3)主轴交流伺服电机的选择与校核。 4)微机控制系统硬件电路设计。1.2.3 数控化改造后机床的优越性 1)机床数控化改造可以提高零件的加工精度和生产效率。 2)机床数控化改造可以提高机床的性能和质量，加工出普通机床难以加工或者不能加工的复杂型面零件。 3)机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高3-7倍。 4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运，降低工件的定位误差。 5)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床加工状态。还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。 6)数控加工降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期很生产周期，并可对市场需求做出快速反应。1.3 机床的经济型数控化改造主要解决的问题(1) 恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复。(2) NC化在普通机床上加数显装置或加数控系统，改造成NC机床CNC机床。(3) 翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新。(4) 技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。2 设计方案的确定2.1 数控机床伺服系统的选择数控机床按伺服控制主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。2.1.1 开环控制系统系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称该之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功，该机床数控化改造纵向和横向进给伺服驱动选择开环步进电机控制。2.1.2 闭环控制系统该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。由于闭环控制代价高，适用于精密和高精密数控机床，对于经济型数控机床选择此系统，无疑提高了它的成本和调试难度。2.1.3 半闭环控制系统半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。由于它的性价比高，大部分普通机床数控化改造都采用此系统。2.2 机械部分的改造为了充分发挥数控系统的技术性能，保证改造后的车床在系统控制下重复定位精度，微机进给无爬行，使用寿命长、外型美观，机械部分作了如下改动。2.2.1 床身为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零件、部件的耐磨性，尤其是机床导轨的耐磨性。增加耐磨性的方法有：增加导轨的表面强度如：淬火；降低摩擦系数等。当前国内外数控机床的床身等大件多采用普通铸铁。而导轨则采用淬硬的合金钢材料，其耐磨性比普通铸铁导轨高5至10倍。据此，在改造中利用旧床身，采用淬火制成导轨，贴塑用螺钉和粘剂固定在铸铁床身上。粘接前的导轨工作表面采用磨削加工，表面粗糙度Ra0.8mm，以提高粘接强度。2.2.2 主轴变速箱选用数控系统,主运动方式和传统机床一样都要求有十分宽广的变速范围（116）来保证加工时选择合理的切速，从而获得较高的生产率和表面质量,所以要根据具体情况对主轴变速箱进行改造。2.2.3 拖板拖板是数控系统直接控制的对象，不论是点位控制还是连续控制，对被加工零件的最后坐标精度将受拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响。对于应用步进电机作拖动元件的开环系统尤其是这样。因为数控系统发出的指令仅使拖板运动而没有位置检测和信号反馈，故实际移动值和系统指令值如果有差别就会造成加工误差。因此，除了拖板及其配件精度要求较高外，还应采取以下措施来满足传动精度和灵敏度要求。 1)在传动装置的布局上采用减速齿轮箱来提高传动扭矩和传动精度(分辨率为0.01mm)。传动比计算公式为： 式（2-1）式中：为步进电机的步距角(度)；p为丝杠螺距，mm；为脉冲当量，即要求的分辨率，mm。 2)在齿轮传动中，为提高正、反传动精度必须尽可能的消除配对齿轮之间的传动间隙，其方法有两种，柔性调整法和刚性调整法。柔性调整法是指调整之后的齿轮侧隙可以自动补偿的方法，在齿轮的齿厚和齿距有差异的情况下，仍可始终保持无侧隙啮合。但将影响其传动平稳性，而且这种调整法的结构比较复杂，传动刚度低。刚性调整法是指调整之后齿轮侧隙不能自动补偿的调整方法，它要求严格控制齿轮的齿厚及齿距误差，否则传动的灵活性将受到影响。但用这种方法调整的齿轮传动有较好的传动刚度，而且结构比较简单。在设备改造中应用的配对齿轮侧隙方法是刚性调整法。 3)采用滚珠丝杠代替原滑动丝杠，提高传动灵敏性和降低功率、步进电机力矩损失。 2.2.4 自动换刀装置为了满足在一台机床上一次装夹完成多工序加工，可采用自动刀架。自动刀架不但可代替普通车床手动刀架，还可用作数控机床微机控制元件。刀架体积小，重复定位精度高，适用于强力车削并安全可靠。2.2.5 拖板箱采用数控系统控制。拆除原拖板箱，利用此位置安装新拖板箱，新拖板箱除固定在滚珠丝杠的螺母上。挂轮箱、走刀箱拆除，在此两个位置分别装控制螺纹加工的主轴脉冲编码器和拖板轴向伺服元件功率步进电机及减速箱。使改造后的机床外型美观、合理。改造后机床的启动、停机均由数控系统完成，故拆除原机床操纵杆，变向杠、立轴等杠杆零件。2.3 主轴交流伺服电机2.3.1 主轴的变速范围主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围, 即=,数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化很大，所以主轴变速范围很宽。 由于 =1800 =14 = 式（2-2） 则 =113r/min 这里为电动机的额定转速该机床主轴要求的恒功率调速范围为：= =1800/113=15.9 式（2-3）主轴电机的功率是：7.5kw2.3.2 初选主轴电机的型号选主轴电机的型号为：SIMODRIVE系列交流主轴驱动系统型号为1HP6167-4CB4，连续负载PH/KW=14.5，间歇负载（60%）/ =17.5kw,短时负载（20min）/=19.25,额定负载n=5000，最大转速=8000,额定转矩277N.m,惯性矩0.206/kg.m晶体管PWM变频器型号为6SC6058-4AA022.3.3 主轴电机的校核电动机恒功率调速范围：=8000/500=16所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围。2.4 进给电机的选择对于经济型数控化改造，我们选用步进电机进行伺服控制。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。2.4.1 步进电动机的选用原则选用步进电动机时，通常希望步进电动机的输出转距，启动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转距也快速运行存在一定矛盾，高性能也低成本存在矛盾，因此实际选用时，必须全面考虑。 1)应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。故因兼顾精度也速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。 2)对位移误差的要求。步进电动机的步距角从理论上说是固定的，但实际上还是有误差的。此外，负载转距也将引起步进电动机的定位误差。应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。 3)步进电动机的特性曲线对步进电动机参数选择有影响的特性