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1、目录摘要1前言2第一章概论3、系统发展史3二、国内数控机床的状况分析3三、数控系统能发展趋势4四、数控机床的改造的必要性5五、数控化改造的空间6六、数控机床改造的效益分析7第二章普通机床的数控化改造和可行性论证9第一节车床的数控化改造9、设计的内容及任务9第二节可行性论证10第三章总体方案的拟订和论证11第一节总体设计方案的拟订111 .主传动系统的设计改造112 .数控系统的选择113 .自动转位刀架选择设计124 .驱动系统的设计改造12第二节 可行性分析15第三节 总体方案的确定 16第四章主传动部分改造与设计17、主传动部分方案拟订和设计的内容18二、主轴部分改造设计计算19第五章伺服
2、进给结构设计20第一节伺服系统的组成原理和要求27一、伺服系统的组成原理27二、伺服系统的要求27第二节伺服进给系统的设计内容和设计计算29、纵向进给系统的设计29二、横向进给系统饿设计计算40第三节步进电机的选择47一、CA6140纵向进给系统步进电机确定47二、CA6140横向进给系统步进电机确定48第四节伺服系统说明48、机床进给系统的结构及工作原理48二、步进电机50三、步进电机的驱动电源50四、滚珠丝杠51五、机床导轨52第六章自动转位刀架53一、数控车床刀架的基本要求53二、车床刀架结构53三、工作原理54四、刀架的安装55第七章编码盘安装部分的结构设计56、光电编码器工作原理56
3、二、步进电机频率对编码盘的限制57三、编码盘的安装57第八章经济型数控系统中常用软件模块设计59第一节插补原理及其程序设计59一插补方法概述59二、逐点插补原理及其程序设计60三、插补控制软件69第二节 接口电路设计78一、单片机和主机(PC机)的连接78二、8031单片机接口的扩展80三、键盘/显示器接口芯片(8279) 82四、中断优先电路85五、光电隔离电路86第三节伺服电路87、系统的组成87二、接口电路89三、位置和速度接口89四、步进电机控制程序设计89五、单片机控制的自动换刀程序设计96六、参考文献97前 言大学四年的学习生活即将结束,大学学习生活中的最后个环节也是最重要一个环
4、节毕业设计,是对所学知识和技能的综合运用和检验。本人的毕业设计课题是对普通车床（CA6140）进行经济型数控改造,其内容包括: 总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（伺服进给机构设计、自动转位刀架 的选择或设计、编码盘安装部分的结构设计）、主运动自动变速原理等。对普通车床进 行经济型数控改造符合我国国情,即适合我国目前的经济水平、教育水平和生产水平, 又是国内许多企业提高生产设备自动化水平和精密程度的主要途径,在我国有着广阔的 市场。从另个角度来说,该设计既有机床结构方面内容,又有机加工方面内容，还有 数控技术方面的内容,有利于将大学所学的知识进行综合运用。虽然设计者未曾系统的 学习过
5、机床设计的课程，但通过该设计拓宽了知识面,增强了实践能力,对普通机床和 数控机床都有了进步的了解。毕业设计作为我们在大学校园里的最后一堂课、最后一项测试,它既是一次锻炼, 也是一次检验,在整个设计过程中,我获益匪浅。在此,我要衷心感谢梁洁萍老师对我 的关心和细致指导。由于毕业设计是我的第一次综合性设计,无论是设计本人的维漏还是经验上的缺乏 都难免导致设计的些失误和不足，在此,恳请老师和同学们给以指正。本设计说明书包括:概论、总体设计方案的拟定和验证、主传动部分的改造设计、 伺服进给系统的改造设计、自动转位刀架的选择设计、编码盘安装部分的结构设计等儿 个部分。改造后的机车,主运动实现自动变速,纵
6、向、横向进给系统进行数控控制,并 要求达到纵向最小运动单位为0.01 mm/脉冲,横向最小运动单位0.005加加/脉冲,刀架 要是自动控制的自动转位刀架,要能自动切削螺纹。关键字:数控改造进给系统滚珠丝杠自动刀架AbstractThis introduction of the design included:The draw-up of the general outline, the decision and verify of the total designal projection, the reforms design to the parts of the lord spreads
7、 to move,the reforms design to the system of serve enters ,the choice and design to the knife which turn automatically, the constructions design of coding dish gearing part ,and so on.while the Motorcycle been reformed, the lord exercises realize to change speed automatically, lengthways, horizontal
8、 enter to proceed to system the number controls the control, and request to attain lengthways minimum sport unit as 0.01 mm/ pulse, horizontal minimum sport unit as 0.005 mm/ pulse, knife must be the automatic control a knife which is turning automatically,and it is able to slice the thread automati
9、cally.Key word: The number controls to reforms the system of entersroll the bead insilk automatic knife第一章概论、数控系统发展简史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 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。从此,传统机床产生了质的变 化。近半个世纪以来,数控系统经历了两个阶段和六代的发展。二、
10、国内数控机床状况分析(-)国内数控机床现状近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升,在大中企业已有较多的使用,在中 小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式 集成使用外,大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落 后的状态。2001年,我国机床工业产值已进入世界第5名,机床消费额在世界排名上 升到第3位,达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元,消费额比上一年增长25% 但由于国产数控机床不能满足市场的需求,使我国机床的进额呈逐年上升态势,2001 年进口机床跃升至世界第2位,达24.06亿美元,比上年增长27.3%。近年来我国出
11、口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、 数控成形折弯机、数控压铸机等,普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、 液压压机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。(二)国内数控机床的特点1、新产品开发有了很大突破,技术含量高的产品占据主导地位。2、数控机床产量大幅度增长,数控化率显著提高。2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台,比上年增长28.5%。金切机床行业 产值数控化率 从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。三、数控系统的发展趋势1 .继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具
12、有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点,更多的 数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机,来处理人机界 面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人 机界面,将普及到所有的数控系统。远程通讯,远程诊断和维修将更加普遍。2 .向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。3 .向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展,数控系统的智能化程度将不断提 高。(1)应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息,并自动调整系统的有关参数，达到改进系 统运行状态的目的。(2)引入专家系统指导加工将熟练工人
13、和专家的经验,加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数 数据库为支撑,建立具有人工智能的专家系统。(3)引入故障诊断专家系统(4)智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载,而自动调整参数,使驱动系统获得最佳的运行。四、机床数控化改造的必要性(-)微观看改造的必耍性从微观上看,数控机床比传统机床有以下突出的优越性,而且这些优越性均来自 数控系统所包含的计算机的威力。1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动 的运动量,因此可以复合成复杂的曲线或曲面。2、可以实现加工的自动化,而且是柔性自动化,从而效率可
14、比传统机床提高37 倍。由于计算机有记忆和存储能力,可以将输入的程序记住和存储下来,然后按程序 规定的顺序自动去执行,从而实现自动化。数控机床只要更换个程序,就可实现另 工件加工的自动化,从而使单件和小批生产得以自动化,故被称为实现了柔性自动 化。3、加工零件的精度高,尺寸分散度小,使装配容易,不再需要修配。4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能,因面可实现长时间无人看 管加工。6、由以上五条派生的好处。如:降低了工人的劳动强度,节省了劳动(个人可以看管多台机床),减少 了 装,缩短了新产品试制周期和生产周期,可对市场需求作出快速
15、反应等等。（二）宏观看改造的必要性从宏观上看,业发达国家的军、民机械工业,在70年代末、80年代初已开始 大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之 为信息化）,最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们 在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机 床的比重（数控化率）到1995年只有1.9%,而日本在1994年已达20.8%,因此每年 都有大量机电产品进。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。五、数控化改造的市场空间机床的数控制化改造是个方兴未的行业,从各种统计数字上看前途应该是十分光 明的,例如:
16、在美国,日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长 行业,生意盎然,正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步,机床改造是 个永恒的课题。我国的机床改造业,也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业 所以不难看出:1 .国内的市场我国目前机床总量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 （美国和日本自动和半自动
17、机床占60%以上）。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。2 .进设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来,很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。 据不完全统计,从19791988年10年间,全国引进技术改造项目就有18446项,大 约165.8亿美元。这些项目中,大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。
18、但是有的引进项 目由于种种原因,设备或生产线不能正常运转,甚至瘫痪,使企业的效益受到影响, 严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后,有的消化吸收不好,备 件不全,维护不当，结果运转不良:有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线,忽 视软件、艺、管理等,造成项目不完整,设备潜不能发挥;有的甚至不能启动运 行,没有发挥应有的作用:有的生产线的产品销路很好,但是因为设备故障不能达产 达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间,需要进行 技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富,反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱,也是批很大的存量资产,修好了就是
19、财富。只要找出主要的技术难点,解决关键技术问题,就可以最小的投资盘活最大的 存量资产,争取到最大的经济效益和社会效益。这也是个极大的改造市场。六、机床改造的效益分析提高机床数控化效率有两个途径:一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行 改造而对于个机床拥有量大,经济财又不足的发展中国家来说,采用旧机床改造 来提高设备的先进性和数控化率是个极其有效和使用的途径,采用第二中方法有以 下的优点:1、减少了投资和交货的期限同购置新的数控机床相比,一般可以节省60%到80%的费用,改造的费用大大减低。2、机械的稳定性可靠 机床的床身,立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件,而 铸件越久自然失效充分,内应力的
20、消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可 以节约社会资源,又减少了铸铁件生产时对环境的污染。3、熟悉了解设备结构性能,便于操作维修购买的新设备,事先很难前面了解机床的结构性能,以至很难预算是否完全适合加工要求,而改造则完全可以避免这种情 况,并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间,机床一旦改装完成, 很快就可以投入使用,见效较快。4、可以充分利用现有的条件可以充分利用现有的地基,不必像购新机时重新构筑新基，同时夹具、样板和外设备也可以在利用。5、可更好的因地制宜合理筛选功能 购买现成的通用型机床,往往对个具体 的生产加工有一些多余的功能,又可能缺少某个专用的特殊功能,如向机床制
21、造厂 提出特殊定货要求,增加某些特殊的加工要求,往往费用大,交货的日期又长。而采 用改造的方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用 的数控机床。6、可及时采用最新技术,充分利用社会资源 由于技术进步和我国机床功能部 件专业化生产的发展,目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造，如随意采购各 种尺寸的滚珠丝杠副,且交货期短;采用贴塑导轨新技术,可使传统的滑动导轨的摩 擦系数降低五至十儿倍来防止爬行,还可以使得刮研极容易,等等例子说明有一大批 社会资源,可根据技术更新的发展速度,及时地采用最新技术来提高生产设备的自动 化水平和效率,提高设备质量和档次,将旧机场改造成当今水
22、平的机床。第二章普通车床的数控改和可行性论证第一节车床的数控改造、设计内容及任务普通车床（CA6140）的数控改造设计内容包括:总体方案的确定和验证、机械改 造部分的设计计算（伺服进给机构设计、自动转位刀架的选择或设计、编码盘安装部分 的结构设计）、主运动自动变速原理、部分系统控制软件设计。本设计任务是对CA6140卧式车床进行数控化改造,实现微机对车床的数控化控制。 利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制,并要达到纵向最小运动单位为 . 01,”/脉冲,横向最小运动单位0.005/,/脉冲,主运动要实现自动变速,刀架要改 造成自动控制的自动转位刀架,要能自动的切削螺纹。二、数控机床工
23、作原理及组成1,数控机床工作原理:数控机床加工零件时,首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将 加工程序输入到数控装置,再由数控装置控制机床主运动的变化、起停,进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀 具测量装置图2-1数控机床的组成图选择交换、件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作,使刀具与工件及其它辅助装 置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作,从而加工出符合要求的零件。2 .数控机床的组成:数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成,其组成 框图如图2-1第二节可行性论证根据自动化制造系统,可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的 技术和
24、经济性分析报告,是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样,在进行普 通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。根据传统的论证方法,普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方 面进行,即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标,改造的基础条件、 目标、技术方案、投资概算、效益分析,改造后车床的实施计划,结论等。由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计,故在此,设计者仅对改造的投资概算作 简要的可行性论证。本改造设计是对普通车床CA1640进行经济型数控改造。在改造设计中,采用的是 广州数控设备厂生产的GSK980T型数控系统,加上两台伺服电机,费用约为4
25、万余元; 两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副、贴塑导轨等零件,费用约为1万余元, 总的改造费用约为56万元。旧车床估计截至在67万元。这样设备改造费用和旧设 备费用总计不会超过13万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情,是 国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用 性。第三章总体方案的拟定和论证数控机床作为机电一体化的典型产品,在机械制造业中发挥着巨大的作用,很好地 解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题,且能稳定产品 的加工质量,大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看,因数控机床价格较 贵,一次性投资较大使企
26、业心有余而力不足。我国作为机床大国,对普通机床数控化改 造不失为种较好的良策。第一节总体设计方案的拟定C6140车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工,这些零件加艺要 求机床应完成的工作内容有:控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速;刀架 能实现纵向和横向的进给运动,并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具;冷却 泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转转,刀架移动个被加工螺纹的螺距 或导程。这些工作内容,就是数控化改造数控系统控制的对象。察看C616车床及有关资 料，并且参照数控车床的改造经验,确定总体改造方案。1、主传动系统的设计改造对普通车床进行数控改造时,一般可保留
27、原有的主传动系统和变速操作机构,以减 少改造量。但本设计中为了提高车床的自动化程度,以便于在加工过程中实现自动变换 切削速度,对其作了相应的简化改造。采用交流调速电机做车床主轴电机以取代原来的主轴电机，以实现无级调速；并简 化原来传动系统,以达到多档调速范围的确定。2、数控系统的选择设计计算机数控装置(CNC)即控制装置是数控机床的中心环节。它通过对加工程序的运 行处理,发出控制信号,实现对加工过程的自动控制。在本设计中,由于时间较短、设计人员少,因而我们决定引进江苏东方数控新技术 公司生产的NIM-9702数控系统NIM-9702数控系统有以下特点:3 .自动转位刀架选择设计数控机床的刀架是
28、机床的重要组成部分。其结构直接影响车床的切削性能和效率。 卧式车床数控改造应将原来机床的普通手动转位刀架替换成自动换位刀架,本设计决定 采用常州武进数控设备厂生产的LD,四工位螺旋转位刀架。4 .驱动系统的设计改造:由于改造设计的是简易型经济数控,所以在考虑具体方案时,基本原则是在满足 需要的前提下,对于机床尽可能减小改动量,以降低成本。总体改造如下图所示:图7-1总体改造的示意图(1)控制方式类型选择数控机床的伺服进给系统有开环控制、闭环控制和半闭环控制之分。开环系统:结构简单、工作可靠、造价低廉,但影响定位精度的机械传动装置的摩 擦、惯量、间隙的存在，故精度和快速性较差。开环控制的定位精度
29、一般为0.01 0. 02mm ,不能满足横向最小运动单位0. 005Mmi/脉冲的要求。闭环系统:控制精度高、快速性好,但对机床的要求比较高,且造价较昂贵。 闭环控制的定位精度一般为0.0010. 003mm,本设计属经济型数控改造,无须达 到此精度。半闭环系统:结构简单、调整方便,在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多, 故本设计采用半闭环控制。半闭环控制系统组成原理图如下:进结脉冲澈环节反馈脉冲伺服工作台I ,II/Z/，人服 放大器则量角度图7-2半闭环控制原理图(2)伺服进给机构的改造纵向进给机构的改造:拆除原来机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座,装上滚珠丝杠及其相应的安装装 置,
30、纵向驱动的步进电机及减速箱安装在丝杠的右端,采用滚珠丝杠可以提高系统的精 度和纵向进给的整体刚度。横向进给机构的改造:拆除原来横向进给的丝杠,换上滚珠丝杠;保留原来的横向手柄机构,横向步进电 机和减速箱安装在机床后侧。(3)步进电动机的选用选用步进电动机,通常希望步进电动机的输出转矩大,启动频率和运行频率高,步 距误差小。但是,增大转矩与快速运行存在一定的矛盾,高性能与低成本相矛盾。因此 在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素。首先要保证机床的定位精度,而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量越小, 机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。为兼顾精度与速度的要求,应在 满足精度的条
31、件下，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后,以此为依据选择步进 电动机的步距角和传动机构的传动比。(4)丝杠螺母副卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠,即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。由于, 滑动丝杠螺母副的摩擦大、转动效率低。在精度要求不高的情况下,可以仍用原机床的 滑动丝杠。若要求机床精度和被加工精度较高的情况下,应将原机床的滑动丝杠螺母副 改换成滚珠丝杠螺母副。考虑本设计的设计要求，选用滚珠丝杠螺母副代替原机床的滑 动丝杠螺母副。(5)机床导轨改造卧式车床上的运动部件,如刀架、工作台都是沿着机床的导轨面运动的。导轨的作 用就是支承和导向,即支承运动部件,并保证运动部件在外力作用下，能准确的
32、沿着 定方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工精 度要求、支承能力和使用性能。数控改造时根据原机床导轨的磨损程度和加工精度要求, 来确定导轨的结构形式。一般是将原机床导轨进行修整后贴塑,使其成为贴塑导轨。贴塑导轨摩擦系数小, 且动、静摩擦系数差很小,能防止低速爬行现象;耐磨性、抗咬伤能力强、加工性和化 学性能稳定,具有良好的自润滑性和抗振性;艺简单,成本低。第二节可行性论证可行性论证是用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告,是 上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样,在进行普通车床的经济型数控改造之 前进行合理的、科学的可行性论证是必要的
33、。根据传统的论证方法,普通车床经济型数控改造的可行性论证应围绕以下儿个方面 进行,即从企业生产经营现状及存在的问题分析；从企业生产经营目标,改造的基础条 件、目标、技术方案、投资概算、效益分析；改造后车床的实施计划,结论等。由于原因限制,设计者只能就改造的投资概算作一简要的可行性论证。本改造设计是对普通车床。6140进行经济型数控改造。在改造设计中,采用的是 苏东方数控新技术公司生产的NIM-9702型数控系统,常州宏达机床数控设备厂的 厶。4。6140电动刀架,加上两台伺服电机,费用约为5万余元；一台交流调速电动机 和齿轮减速机构,两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副、贴塑导轨等零件,费
34、 用约为2万余元,总的改造费用约为78万元。旧车床估计截至在67万元。这样设 备改造费用和旧设备费用总计不会超过15万元。因此,对普通车床作经济型数控改造适合我 国国情,是国内企业提高车床的自动化能力和加工精度的有效选择,具有一定的实用性。第三节总体设计方案的确定经总体设计方案的论证后,确定的CA6140的车床经济型数控改造的总体方案示意图 如下图所显:CA6140车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机;车床的纵向和 横向进给运动采用步进电机驱动,经步进电机驱动,齿轮减速后带动滚珠丝杠转动,从 而实现纵向、横向进给运动;刀架改成由微机控制,经电机驱动的自动转位刀架。为保 持切削螺纹的功能
35、,需安装主轴脉冲发生器。将一台C6140卧式车床改造成经济型数控 车床,主要技术指标如下:1）床身最大加工直径400mm2）最大加工长度1000mm3）可以车削柱面,平面,锥面与球面等;光 电 阻 隔功 率 放 大光 电 阻 隔光 电 阻 隔功率放进机 步电主轴图3-3总传方案设计图刀架编码器第四章主传动部分改造与设计在改造设计之前,让我们先来看一下数控机床主传动与普通机床相比所具有的特 占1）采用调速电机驱动,以满足主轴根据数控指令进行自动变速的需要;2）传动路线短,从而简化了主传动系统机械结构;3）转速高、功率大:数控机床的主传动系统除应满足普通机床传动要求外,还应满足如下要求；具有更大的
36、调速范围,并实现无极调速。数控机床就要为了保证加工时能选用 合理的切削用量,充分发挥刀具的切削性能,从而获得最高的生产效率、加工精度和表 面质量,必须有更高的转速和更多的调速范围。为了适应各种序和各种加工材质的要 求,主运动的调速范围还应进步扩大。具有较高的精度和刚度，传动平稳,噪声低。数控机床加工精度的提高,与主 传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度,齿轮齿面进行高频 感应加热淬火增加耐磨性；最后级采用斜齿轮传动,使传动平稳；采用高精度轴承及 合理的支承跨距等,以提高主轴件的刚性。具有良好的抗振性和热稳定性。数控机床上一般既要进行粗加工，又要精加工; 加工时可能由于断续
37、切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振 动等原因引起的冲击或交变的干扰,使主轴产生振动,影响加工精度和表面粗糙度, 严重时甚至破坏刀具和或零件,使加工无法进行。因此在主传动系统中的各主要零部件不但要求有一定的静刚度,而且要求具有足够的抑制各种干扰引起振动的能抗 振性。抗震性用动刚度或动柔度来衡量。如果把主轴组件视为个等效的单自由度系统,则动刚度与动参数的关系为:(4-1)式中:上机床主轴结构系统的静刚度（N 1pm ）；一外加激振力的激振频率（Hz）；叫主轴组件的固有频率（叫=K，m为当量质量,k为当量静刚度）;V m自阻尼比（戸,是阻尼系数,九是临界阻尼系数,九=2加）。
38、 九由上式可见,为提高主轴组件的抗震性,须使原值较大,为此应尽量使阻尼比、当 量刚度值或固有频率的值较高。在设计数控机床的主传动系统时,要注意选择上述几个 参数的合理关系。、主传动部分改造方案拟定和设计的内容改换轴电动机,换成调速电动机,通过对电动机的变频调速控制再加以简单的齿轮调速来实现自动变速,齿轮调速部分用 磁离合器控制齿轮啮合。主传动方式的选择、主轴电机的选择、齿轮传动系统的设计计算、绘制主传动系统 结构图。图4 -1主轴变频调速系统原理图数控机床主轴变速方式主要有无级调速、分段无级调速和内置电机变速等。在本设 计中采用分段无级调速。无级变速能够选用最合理的切削用量,可在运转中变速,操
39、作 方便，简化机械结构。无级变速主要是利用直流和交流调速电动机。但直流调速电动机 恒功率调速范围很小,一般只有12,很少到34,且换向有限制,现大多采用交流 变频主轴驱动系统。交流变频调速电动机的性能与直流调速电动机类似，在额定转速以 下为恒转矩区,在额定转速以上为恒功率区域。般主轴调速电动机的恒功率调速范围 为3-4,对于恒功率变速范围大的主轴传动系统,需要增加变速齿轮，以保证主轴上较 大的恒功率范围。考虑本设计机床要求采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案即 分段无级变速，主轴的正反转和制动停止,由数控指令直接控制电动机来实现。利用车 床的主轴交流异步电动机、变频器、数控单元ENC构成了
40、变频调速系统。交流电动机 的转速与频率，,电动机的级对数p及转差率s之间的关系为 = 60/(l-s)/p,由此可 知,改变电源的频率/,即可改变电动机转速,且转速与频率/成正比。考虑本设计 机床的要求,采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案,即分段无级变速。主轴的 正、反转和制动停止由数控指令直接控制电动机实现。所谓分段无级变速就是在交流或直流电机无级调速的基础上配以齿轮变速。它能 够实现中、高速段的恒功率传动,低速段的恒转矩传动。在该系统中，主轴的正、反转 和制动停止，通过数控指令直接控制电机来实现。主轴的变速则有电动机的无级变速与 齿轮的有机变速相配合来实现。四、主传动部分改造设计计算
41、根据机车要求粗选车床主轴变速范围:=100=2500r/min -=25r/minamaxmin粗步估算电动机功率根据统计分析法:P =36. 5 D54（kw）。取400mm （据车床说明书,。机床的最大加工直径）所以 P=36.5X0.4 =8. 9（的）1.切削参数的确定切削:=9.81展.aj .,产z統（据实用机床设计手册,以后若无说明则源于实用机床设计手册）查表2. 2-4得：X&=1 厶=0.75 ZFz=0 kFz=lC & =188 kgf/m疝查表2. 176 （据金属切削原理）切削功率:P =5m 60000(4-4)粗加工精加工切削深度461.02.0进给量/0. 80
42、. 40.20.4切削速度80110120150估算最大最小的切削:FZmax=6286. 5 （）则最大最小的切削功率为：匕max =9. 95 （ hv ）%=2.52 （一）主电动机功率:P. = C kw )n主转动链的总效率取=0. 9则最大最小的总效率:Pzmax=(姪)?Z min =2. 8 ( kw )根据计算选用11 kw的电动机:YD160L-4(4-5)最高转速Mmax =3500 r/min额定转速n =1460r/min2.确定变速级数z和公比p主轴计算转速:c = min 吧lmin 丿1/2500丫 QQ R / / . n .=15 =99. 5 ( r/mi
43、n )(25丿主轴恒功率变速范围:Rp =(46)则(4-7)=25.12电动机恒功率变速范围：Rdp=頃(4-8)即生”二2. 40DP 1460公比：=殳Rdp即zt 25.12 _(P =14. 72.4(49)齿轮变速级通常为24当 z 取 2 吋:(p=13. 25当z取3时:当z取4时:若选用z =2(p=3. 64(p=2. 37(p=13. 25(4-10)P应即若选用z =3(p=3. 64員鶴Uo)与机床要求的最大功率相(4-11)(4-12)11x2.40 =7 25(卬)功率降低区的最小输出满载功率仅为2.0kvv、7.25kw,差太大,古不能采用。若选用z =4(p2
44、. 37 11x2.40 ,Pn=11. 14 ( hv )2.37符合机床功率要求。3 .主轴参数计算主轴恒转矩变速范围:=minQQ 5即=二=3.9825因为主轴和电动机的恒转矩变速范围应相等,即:RdT= Rt主电动机的最低转速:min 厶Kdt即电动机额定转矩：1460 c min 二=366. 8T =9550(4-13)LDdd即9550xH=71 % (n/w)Dd 1460主轴计算转速:nt,=44. 04 (r / min)主轴恒功率变速范围:r max (4-14)即2500 =35 799.5分级变速机构的变速范围:Rf =8Rdp(4-15)即n 35.07 % =1
45、4. 62.4主传动系统总降速比：i =厶 nd(4-16)即99 5i戸=0. 068=1/161 14604 .分段无级变速传动方案确定 由前面计算得:z=4,屮=2. 37 令:中1=中2=屮试取i2 & 1查表2. 3-4取72=1. 12则:=2.66j3=0.47故取:z,=23z；=61z2=50z2=56Z3=64Z3W0由以上计算得:=3. 556取,彳=3. 55故取:z4=20z；=70根据原机床的机床说明书取：加=2. 5,iiiy =2. 25? w4=2. 25b=35mm, a =20所以:4 = wjZ=2. 5X23=57. 5 ( mm )4 =2.5X61=152.5 (mm )d2 =2X50=100 (mm)J2=2X56=112 (mm )=2. 25X65=144 (mm)dj=2. 25X31=67. 5 ( mm )d4 =2.25X20=45 (mm )J4=2. 25X70=157. 5 (mm )因为齿轮、轴、轴承的型号大小与原机床无大的改动,所以这里就不再作强度、刚 度的校核。根据实用机床设计手册