【正文】 .....68 41 緒論 改造的可行性隨著社會生產(chǎn)和科學技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的質(zhì)量和性能不斷提高，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加快，因此對機床不僅要求具有較高的精度和生產(chǎn)率，而且應能迅速地更換產(chǎn)品的零件。生產(chǎn)需要促使了數(shù)控機床的產(chǎn)生，隨著電子技術(shù)，特別是計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床也迅速地發(fā)展起來。從第一臺數(shù)控機床問世至今，世界上主要工業(yè)化國家的數(shù)控機床進入了批量生產(chǎn)。機床的數(shù)控化程度在不斷地提高。我國從開放搞活以來，加快了數(shù)控機床技術(shù)的引進，促進了我國機床數(shù)控技術(shù)的普及和發(fā)展。各大企業(yè)不斷地購進數(shù)控機床，擴大生產(chǎn)和替換陳舊設備，數(shù)控機床在企業(yè)中也不是鳳毛麟角，而是不斷地提高普及率。在這種情況下，普通機床的數(shù)控改造是重要的。如以下幾個方面的說明： 機床改造的必要性數(shù)控機床可以較好地解決形狀復雜、精密、小批量和多變零件的加工問題,能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率,但是應用數(shù)控機床還受到其他條件的限制。（1）數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資大，對中小型企業(yè)是心有余而力不足。（2）目前各企業(yè)都有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床替換根本可能，而且替換下來的普通機床閑置下來又會造成浪費。（3）在國內(nèi)訂購新數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不可能滿足生產(chǎn)的需要。（4）通用數(shù)控機床對具體生產(chǎn)有多余功能。要較好地解決上述問題，應走普通機床的數(shù)控化改造之路，從美國、日本等工業(yè)化國家的經(jīng)驗看，機床地數(shù)控化改造必不可少，數(shù)控機床占有很大比例。因此，普通機床的數(shù)控化改造不但有存在的必要，而且大有可為，尤其對一些中小型企業(yè)更是如此。 數(shù)控改造的優(yōu)點（1）易對現(xiàn)有的機床實現(xiàn)自動化，而且專業(yè)性強，沒有多余功能。（2）減少輔助加工時間，提高機床的生產(chǎn)效率。（3）降低對工人技術(shù)等級的要求。（4）數(shù)控改造費用低，可充分利用原有機床設備。（5）數(shù)控改造周期短，可滿足生產(chǎn)急需。所有這些目的都是圍繞一點，即提高機床的性能價格比，用較少的價格得到較高的機床性能。因此數(shù)控改造具有以下幾點：（1）易于對現(xiàn)有機床實現(xiàn)自動化、而且專業(yè)性強，沒有多余的功能。（2）減少輔助加工時間，提高機床的生產(chǎn)效率。（3）降低對工人技術(shù)等級的要求。（4）數(shù)控改造費用低，可充分利用原有機床設備。（5）數(shù)控改造的周期短，可滿足生產(chǎn)急需。 機床的設計改造數(shù)控機床業(yè)的發(fā)展，機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加快， 5因此對機床位不僅要求具有較高的精度和生產(chǎn)率，而且應該能迅速的適應零件的變換。生產(chǎn)的需要促進數(shù)控機床的產(chǎn)生，隨著電子技術(shù)，特別是計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床迅速地發(fā)展起來。從第一代數(shù)控機床問世以來，世界上主要工業(yè)化國家得數(shù)控機床已經(jīng)進入批量生產(chǎn)。機床的數(shù)控化率在不斷的提高到 1998 年，日本生產(chǎn)機床的數(shù)控率達到 70%。我國從改革開放以來，加快了數(shù)控機床技術(shù)的引進，促使我國機床數(shù)控技術(shù)的普及和發(fā)展。各大企業(yè)不斷購進數(shù)控機床擴大再生產(chǎn)和替換陳舊設備，數(shù)控機床在企業(yè)中再不是鳳毛麟角，而是不斷提高普及率。廣泛的運用到個工業(yè)領(lǐng)域。數(shù)控機床作為機電一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著重要作用，其可以很好的解決現(xiàn)代制造業(yè)中的復雜、精密、小批、多變零件的加工問題，能穩(wěn)定加工質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率。但其價格昂貴，一次性投入大，往往使企業(yè)心有余而力不足，我國作為機床大國，數(shù)控化的道路漫長，走改革之路為上策。我們對 C6140 進行了數(shù)控改造，效果良好。 62 C6140型普通車床數(shù)控化改造方案的設計與確定 總體方案設計設計任務：利用單片機控制技術(shù)對 C6140 型車床的橫向系統(tǒng)進行控制。其橫向脈沖當量為 ，驅(qū)動元件采用步進電機。改造后的車床能夠完成機床主軸的啟動，停止和變速，縱向和橫向進給運動的行程和變速，刀具的變速和冷卻，都可以自動控制。并具有螺紋和錐螺紋等自動循環(huán)機能。在該機床中采用液壓尾座快換刀架和機床外對刀裝置。該機床適用于加工形狀復雜，中小批量的零件。對一般車削加工任意錐面、球面、螺紋端面、回轉(zhuǎn)面等加工工序，能控制主軸的開停變速及一些輔助功能，使加工實現(xiàn)自動化。自動轉(zhuǎn)位刀架的設計是普通機床改造機械方面的關(guān)鍵。由微型控制的自動轉(zhuǎn)位具重復定位精度高、工作剛性好、性能可靠、使用壽命長以及工藝性能好等特點。 總體方案的確定C6140 車床改造總體設計方案的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇，執(zhí)行機構(gòu)及傳動方式的確定、數(shù)控系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容，應仔細考慮各種高性能、自動化等要求，也要考慮被改造機床的具備條件，是技術(shù)的先進性與經(jīng)濟性的合理性交好的統(tǒng)一。 對于橫向進給機構(gòu)，保留原手動于調(diào)刀，原支承結(jié)構(gòu)也保留。和縱向進給一樣步進電機與縱向滾珠絲杠間任何需一級齒輪減速，絲杠螺母與橫向施板任用一螺母座連接。施板后部開軸承孔以便滾珠絲杠的連通與支承，后接減速箱與步進電機?？v、橫向進給機構(gòu)減速齒輪采用雙片齒輪，靠錯位消除嚙合間隙。絲杠外加防塵罩，溜板箱上安裝急停按鈕，以適應意外情況的急停。硬件方面控制系統(tǒng)的硬件配置是，基本系統(tǒng)包括單片機 AT89C5鎖存器、EPROM 和RAM 存儲器。并行接口 8255 用作連接開關(guān)量的輸入輸出和對伺服電機進行控制。8279 為鍵盤顯示器接口。軟件方面，軟包裝件設計采用模塊化結(jié)構(gòu)，以便于系統(tǒng)功能的擴展。分為三塊：手動操作、加工、編輯。圖 2—1 機床的操作模式圖根據(jù)設計任務，系統(tǒng)采用輪廓控制形式，控制系統(tǒng)硬件由微機控制部分、鍵盤及顯示器、I/O 接口及光電隔離器、步進電機、功率放大器等組成。在其縱橫向均采用步進電機 7減速齒輪 滾珠絲杠螺母副 溜板的傳動方式，刀架更換為四刀位回轉(zhuǎn)刀架。改造前的機床傳動系統(tǒng)圖如圖 2—2 所示： 圖 22 改造后車床傳動系統(tǒng)圖 83 C6140數(shù)控車床橫向傳動結(jié)構(gòu)設計 C6140數(shù)控車床的主要技術(shù)參數(shù)C6140 車床是開環(huán)式的數(shù)字程序控制車床。能進行內(nèi)外圓柱面，圓錐面，圓弧面，圓柱螺紋和圓錐螺紋等加工。機床主軸的啟動，停止和變速，縱向和橫向進給運動的行程和變速，刀具的變速和冷卻，都可以自動控制。并具有螺紋和錐螺紋等自動循環(huán)機能。在該機床中采用液壓尾座快換刀架和機床外對刀裝置。該機床適用于加工形狀復雜，中小批量的零件。車床橫向進給機構(gòu)主要由其相應的步進電動機，齒輪變速箱，滾珠絲杠副及一些連桿，密封，支撐等組成。在設計時主要考慮和選擇步進電動機的相數(shù)，拍數(shù)，步距角，最大靜轉(zhuǎn)距及外形和配合尺寸，齒輪的模數(shù)，齒數(shù)，主要尺寸及和軸的配合，滾珠絲杠副的承載能力，支撐，潤滑，配合要求，間隙的調(diào)整和有關(guān)結(jié)構(gòu)設計，傳動軸的結(jié)構(gòu)和零件的安裝，連接和密封。主要參數(shù)機械部分：工件最大回轉(zhuǎn)直徑在床面上 320 毫米；在床鞍上 175 毫米；工件最大長度 750 毫米；主軸孔徑 35 毫米；主軸前端孔錐度：莫氏 5 號；主軸轉(zhuǎn)速范圍（18 級）19~2022 轉(zhuǎn)/分；刀架縱進給量和螺紋的螺距范圍 ~ 毫米；刀架橫進給量范圍 ~ 毫米；刀架縱向與橫向進給的脈沖當量 毫米；刀架快速移動速度： 米/分 米/分；數(shù)控部分：數(shù)控部分坐標數(shù)：2；插補運算原理：逐點比較法； 數(shù)控機床的改造要求與伺服電機的選用 數(shù)控機床的改造要求 在數(shù)控機床的進給系統(tǒng)機械部分改造設計中，機械傳動是數(shù)控機床進給系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為執(zhí)行部件的直線運動和回轉(zhuǎn)運動。為了確保進給系統(tǒng)的定位精度，快速響應特性和穩(wěn)定性要求，所以，機械傳動裝置必須具有高剛度、無傳動間隙、低摩擦、高靈敏度、長壽命等要求。對數(shù)控機床進給系統(tǒng)機械部分的要求有以下幾點：（1）高的傳動精度和定位精度數(shù)控機床的進給傳動裝置的傳動精度和定位精度對零件的加工精度起著關(guān)鍵性作用，其中應采取的措施是通過在進給系統(tǒng)中加入減速齒輪，以減小脈沖當量，預緊傳動滾珠絲杠，齒輪，蝸輪傳動件的間隙方法。 9（2）減小運動件的摩擦力尤其是減小絲杠傳動和工作臺運動導軌的摩擦，以消除爬行，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（3）減小運動部件的慣量進給系統(tǒng)中每個零件的慣量對進給系統(tǒng)的啟動，制動特性有直接的影響。因此，在滿足傳動強度和剛度的前提下，應盡可能減小零件的慣性。（4）阻尼適當一方面，阻尼可降低進給伺服系統(tǒng)的快速響應性，另一方面，阻尼有增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，傳動機構(gòu)的阻尼要選擇適當。（5）穩(wěn)定性好，壽命長穩(wěn)定性是進給伺服系統(tǒng)能夠正常工作最基本的條件，在低速進給情況下不產(chǎn)生爬行，并能夠適應外加系統(tǒng)的變化而不發(fā)生共振，采取適當?shù)臐櫥绞胶头雷o措施延長其壽命。 伺服電機的工作原理伺服電機的工作原理是：當某相定子勵磁后，它吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的齒與該相定子磁極上的齒對齊。所以，伺服電機的工作原理實際上是電磁鐵的工作原理。（1）伺服電機的定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一定角度，及電動機的步距角 θ；（2）改變伺服電機定子的繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也隨之改變；（3）伺服電機定子繞組的通電狀態(tài)的改變速度越快，既通電狀態(tài)的頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就越高；（4）伺服電機的步角距 θ 與定子繞組的相數(shù) m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù) z、通電方式 k 可以用下式表示：θ=360186。/zmk 伺服電動機的選用伺服電動機是一種用脈沖信號控制的電動機，在動載能力及動態(tài)特性范圍內(nèi)電動機的角位移與控制脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率成反比。在通常情況下，用伺服電動機作執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)中不需進行 A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換，且可以采用較為簡單的開環(huán)控制系統(tǒng)進行工作。因此，在數(shù)控的進給系統(tǒng)中廣泛采用。選用伺服電動機時，通常希望伺服電動機的輸出轉(zhuǎn)矩大，啟動頻率和運行頻率大，步距誤差小。但是，增大轉(zhuǎn)矩和快速運行存在一定的矛盾，高性能與低成本相矛盾。因此，在選用伺服電動機時，需要考慮各方面的因素。首先要保證機床的定位精度，而脈沖當量直接影響到機床的定位精度。脈沖當量越小，機床的定位精度越高，但機床的快速進給速度就越小。為了兼顧精度與速度的要求，在滿足精度的條件下，選擇盡可能大的脈沖當量。脈沖當量確定后，以此為依據(jù)選擇伺服電動機的步矩角和傳動機械的傳動比。伺服電動機有兩條重要的特性曲線，一條是反映啟動頻率和負載轉(zhuǎn)矩關(guān)系的啟動頻矩特性曲線；一條是反映轉(zhuǎn)距與連續(xù)運行頻率之間關(guān)系的工作矩頻特性曲線。這兩條曲線是選用伺服電動機的重要依據(jù)。數(shù)控機床的進給分為快速進給和切削進給，快速進給速度遠遠大于切削進給的速度。在這兩種情況下，對轉(zhuǎn)矩和進給速度要不同的要求，選擇伺服電動機時應使這兩種情況都能滿足要求。假設在切削進給時轉(zhuǎn)矩為 Me,其最大切削速度為 Vmax；在快速進給時間的轉(zhuǎn)矩為Mk，其最大快速進給速度為 Vmax1,將 Vmax, Vmax1 分別帶入下式中的 V，可以分別求到切削進給時的最大工作頻率 fe 和快速進給時的最大工作頻率 fk。 F=1000V/60Δ 10式中 V—進給速度（m/min） Δ—脈沖當量（mm/脈沖） F—伺服電動機工作頻率（Hz）根據(jù) fe 、fk 從工作矩頻特性曲線中查出對應的極限轉(zhuǎn)矩值 Mdme若有 MeMdme 和 MkMdmk,表明伺服電動機滿足要求，否則不滿足要求，需重新選擇電動機。 絲杠螺母副 滾珠絲杠副傳動部件滾珠絲杠副是在具有螺旋槽的絲杠和螺旋母之間裝有滾珠，是 螺旋傳動機構(gòu)的一種，其作用是將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。臥式車床的進給絲杠都是滑動絲杠，即絲杠與螺母之間的滑動摩擦。因此滑動絲杠螺母副的摩擦大、轉(zhuǎn)動效率低。在精度要求不高的情況下，可以采用原機床的滑動絲杠。但是，螺母要適當預緊，同時配合數(shù)控系統(tǒng)軟件間隙補償消除絲杠與螺母之間的間隙。若要求機床精度和被加工工件精度較高的情況應將原機床的滑動絲杠螺母副改換成滾珠絲杠螺母副。其工作原理圖如圖 3—1 所示： 234圖 3—1 滾珠絲杠螺母機構(gòu)工作原理圖1－絲杠 2－反向器 3－滾珠