【正文】 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 1 第一章 概述 引言 由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，普通機(jī)床已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新?lián)Q代，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造，這樣既可以提高生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，采用此方法對(duì)中、小型企業(yè)來(lái)說(shuō)是十分理想的選擇。 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的實(shí)際意義 目前，各企業(yè)一 般都有不少普通車床，完全用數(shù)控車床加以替換根本不可能。解決這個(gè)問(wèn) 題，必須走普通車床數(shù)控改造之路。日本大企業(yè)中 有 26%的機(jī)床經(jīng)過(guò)數(shù)控化改造，而中小企業(yè)則占 74%。美國(guó)有許多數(shù)控專業(yè)化公司為用戶提供數(shù)控改造服務(wù)。我國(guó)擁有 300 萬(wàn)臺(tái)機(jī)床，其中大量的是通用車床。因此，普通車床的數(shù)控改造，大有可為。 數(shù)控改造一般是指對(duì)普通車床某些部位作一定的改造，配上數(shù)控裝置，從而使車床具有數(shù)控加工能力。 技術(shù)分析 在過(guò)去的幾十年里，金屬切削機(jī)床的基本動(dòng)作原理變化不大。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快。應(yīng)用到機(jī)床控制系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，又能提高加工的精度，有些企業(yè)已在這方面做 了有益的嘗試。實(shí)踐證明，改造后的機(jī)床滿足了技術(shù)發(fā)展的需要，提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品精度，增大了設(shè)備適應(yīng)能力和型面加工范圍。 經(jīng)濟(jì)分析 由于新型機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機(jī)床設(shè)備全部以新型機(jī)床替換，要花費(fèi)大量的資金，而替換下的機(jī)床又會(huì)閑置起來(lái)造成浪費(fèi)，若采用數(shù)控技術(shù)對(duì)舊機(jī)床加以改造，和購(gòu)買新機(jī)床相比，則可以節(jié)省 50％ 以上的資金。一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功能數(shù)控裝置的 1／ 3到 l／ 5， 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 2 一般用戶都能夠承擔(dān)得起，這為資金緊張的中小型企業(yè)的技術(shù)改造開創(chuàng)了新路，也對(duì)實(shí)力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了較大的 吸引力。 市場(chǎng)分析 據(jù)國(guó)內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)，訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿足用戶需要。因此機(jī)床的數(shù)控改造就成為滿足市場(chǎng)需求的主要補(bǔ)充手段。 生產(chǎn)分析 在現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)中，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重。若要完成這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機(jī)床、專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床，其中數(shù)控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。 綜合分析 從上述分析中不難看出，數(shù)控技術(shù)用于機(jī)床改造是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，具有可靠性高、柔性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化、經(jīng)濟(jì)性 可觀等優(yōu)點(diǎn)。為此，在舊有機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控改造可以提高機(jī)床的使用性能，降低生產(chǎn)成本，用較少的資金投入而得到較大的經(jīng)濟(jì)效益。 數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 數(shù)控機(jī)床加工零件的工作過(guò)程分以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)： （ 1）根據(jù)被加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫程序。 （ 2）所編程序指令輸入機(jī)床數(shù)控裝置中。 （ 3）數(shù)控裝置對(duì)程序（代碼）進(jìn)行翻譯、運(yùn)算之后，向機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和輔助控制裝置發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的各運(yùn)動(dòng)部件，并控制所需要的輔助運(yùn)動(dòng)。 （ 4）在機(jī)床上加工出合格的零件。 下面對(duì)其 各組成部分加以介紹。 1．輸入裝置 數(shù)控加工程序可通過(guò)鍵盤，用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)。還可由編程計(jì)算機(jī)用 RS232C 或采用網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。 零件加工程序輸入過(guò)程有兩種不同的方式：一種是邊讀入邊加工，另一 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 3 種是一次將零件加工程序全部讀入數(shù)控裝置內(nèi)部的存儲(chǔ)器，加工時(shí)再?gòu)拇鎯?chǔ)器中逐段調(diào)出進(jìn)行加工。 2．?dāng)?shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的中樞。數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲(chǔ)器中取出或接受輸入裝置送來(lái)的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置它的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控 制機(jī)床各部分的工作，使其進(jìn)行規(guī)定的有序運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作。 零件的輪廓圖形往往由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成，刀具在加工過(guò)程中必須按零件形狀和尺寸的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，即按圖形軌跡移動(dòng)。但輸入的零件加工程序只能是各線段軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值等數(shù)據(jù)，不能滿足要求。因此要進(jìn)行軌跡插補(bǔ)，也就是在線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”，求出一系列中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，并向相應(yīng)坐標(biāo)輸出脈沖信號(hào)，控制各坐標(biāo)軸（即進(jìn)給運(yùn)動(dòng)各執(zhí)行部件）的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量等。 3．驅(qū)動(dòng)裝置和檢測(cè)裝置 驅(qū)動(dòng)裝置接受來(lái)自數(shù)控裝置的指令信息， 經(jīng)功率放大后，嚴(yán)格按照指令信息的要求驅(qū)動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件，以加“出符合圖樣要求的零件。驅(qū)動(dòng)裝置包括控制器（含功率放大器）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 檢測(cè)裝置將數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的實(shí)際位移量檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機(jī)床的數(shù)控裝置中。數(shù)控裝置將反饋回來(lái)的實(shí)際位移量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制驅(qū)動(dòng)裝置按指令設(shè)定值運(yùn)動(dòng)。 4．輔助控制裝置 輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的開關(guān)量指令信號(hào)，經(jīng)過(guò)編譯、邏輯判別和運(yùn)算，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電器，帶動(dòng)機(jī)床的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等輔 助裝置完成指令規(guī)定的開關(guān)量動(dòng)作。這些控制包括主軸運(yùn)動(dòng)部件的變速、換向和啟停指令，刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤(rùn)滑裝置的啟停，工件和機(jī)床部件的松開、夾緊，分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)位分度等開關(guān)輔助動(dòng)作。 現(xiàn)廣泛采用可編程控制器（ PLC）作數(shù)控機(jī)床的輔助控制裝置。 5．機(jī)床本體 數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體與傳統(tǒng)機(jī)床相似，由主軸傳動(dòng)裝置、進(jìn)給傳動(dòng)裝置、床身、工作臺(tái)以及輔助運(yùn)動(dòng)裝置、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 4 數(shù)控機(jī)床的分類 按加工工藝方法分類 1．金屬切削類數(shù)控機(jī)床 有數(shù)控車床、銑床、鉆床、磨床、齒輪加 工機(jī)床和加工中心等。 2．特種加工類數(shù)控機(jī)床 數(shù)控電火花線切割機(jī)床、數(shù)控電火花成型機(jī)床、數(shù)控等離子弧切割機(jī)床、數(shù)控火焰切割機(jī)床以及數(shù)控激光加工機(jī)床等。 3．板材加工類數(shù)控機(jī)床 數(shù)控壓力機(jī)、數(shù)控剪板機(jī)和數(shù)控折彎?rùn)C(jī)等。 4．非加工設(shè)備，如數(shù)控多坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、自動(dòng)繪圖機(jī)及工業(yè)機(jī)器人等。 按控制運(yùn)動(dòng)的方式分類 1．點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 機(jī)床移動(dòng)部件只能實(shí)現(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確定位，在移動(dòng)和定位過(guò)程中不進(jìn)行任何加工。 如：數(shù)控坐標(biāo) 鏜 床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)等。點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置稱為 點(diǎn)位數(shù)控裝置。 2．點(diǎn)位直線控制數(shù)控機(jī)床 機(jī)床移動(dòng)部件不僅要實(shí)現(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)定位，而且要控制工作臺(tái)以一定的速度沿平行坐標(biāo)軸方向進(jìn)行直線切削加工。主要有簡(jiǎn)易數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床等。 3．輪廓控制數(shù)控機(jī)床 輪廓控制數(shù)控機(jī)床不僅可完成點(diǎn)位及點(diǎn)位直線控制數(shù)控機(jī)床的加工功能，而且能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸進(jìn)行插補(bǔ)，因而具有各種輪廓切削加工功能。 常用的數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床就是典型的輪廓控制數(shù)控機(jī)床。輪廓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要比點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，在加工過(guò)程中需要不斷 進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，然后進(jìn)行相應(yīng)的速度與位移控制。 按驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)分類 1．開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 其控制系統(tǒng)不帶反饋裝置，通常使用功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。不能進(jìn)行誤差校正，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的失步、 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 5 步距角誤差、齒輪與絲杠等傳動(dòng)誤差都將影響被加工零件的精度。開環(huán)系統(tǒng)僅適用于加工精度要求不很高的中小型數(shù)控機(jī)床，特別是簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。 2．半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是在伺服電動(dòng)機(jī)的軸或數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)絲杠上裝有角度檢測(cè)裝置（如光電編碼器等），通過(guò)檢測(cè)絲 杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測(cè)移動(dòng)部件的實(shí)際位移，然后反饋到數(shù)控裝置中去，并對(duì)誤差進(jìn)行修正。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試比較方便，并且具有很好的穩(wěn)定性。目前大多將角度檢測(cè)裝置和伺服電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成一體，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。 3．閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是在機(jī)床移動(dòng)部件上直接安裝直線位移檢測(cè)裝置，將測(cè)量的實(shí)際位移值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位移值進(jìn)行比較，用差值對(duì)機(jī)床進(jìn)行控制，使移動(dòng)部件 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 6 4．混合控制數(shù)控機(jī)床 將以上三類數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，就形成了混合控制數(shù)控機(jī)床。混合控制數(shù)控機(jī)床特別適用于大型或 重型數(shù)控機(jī)床。混合控制系統(tǒng)又分為兩種形式： （ 1）開環(huán)補(bǔ)償型控制方式。其特點(diǎn)是基本控制選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)，另外附加一個(gè)校正電路。通過(guò)裝在工作臺(tái)上的直線位移測(cè)量元件的反饋信號(hào)校正機(jī)械系統(tǒng)的誤差。 （ 2）半閉環(huán)補(bǔ)償型控制方式。其特點(diǎn)是用半閉環(huán)控制方式取得高速度控制，再用裝在工作臺(tái)上的直線位移測(cè)量元件實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)修正，以獲得高速度與高精度的統(tǒng)一。 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍 數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn) 1．加工精度高 目前數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量普遍達(dá)到了 0． 001 mm，而且進(jìn)給傳動(dòng)鏈的反向間隙與絲 杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進(jìn)行補(bǔ)償。數(shù)控機(jī)床的加工精度由過(guò)去的 177。 0． 01 mm 提高到177。 0． 005 mm。定位精度 90 年代初中期已達(dá)到177。 ～177。 0． 005 mm。 2．對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng) 在數(shù)控機(jī)床上改變加工零件時(shí)，只需重新編制（更換）程序，輸入新的程序后就能實(shí)現(xiàn)對(duì)新零件的加工。 3．自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 7 數(shù)控機(jī)床對(duì)零件的加工是按事先編 好的程序自動(dòng)完成的 ,操作者除了操作面板、裝卸零件、關(guān)鍵工序的中間測(cè)量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行外，其他的機(jī)床動(dòng)作直至加工完畢，都是自動(dòng)連續(xù)完成，不需要進(jìn)行繁 重的重復(fù)性手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度與緊張程度均可大為減輕，勞動(dòng)條件也得到了相應(yīng)的改善。 4．生產(chǎn)效率高 數(shù)控機(jī)床能有效的減少機(jī)動(dòng)時(shí)間與輔助時(shí)間，每一道工序都能選用最有利的切削用量，選用了很高的空行程運(yùn)動(dòng)時(shí)間。因而消耗在快進(jìn)、快退、和定位的時(shí)間比一般機(jī)床少得多。 5．良好的經(jīng)濟(jì)效益 在單件、小批量生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省工藝裝備費(fèi)用、輔助生產(chǎn)工時(shí)、生產(chǎn)管理費(fèi)用及降低廢品率等，因此能夠獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。 用數(shù)控機(jī)床加工零件，能準(zhǔn)確地計(jì)算零件的加工工時(shí)，并有效地簡(jiǎn)化了檢驗(yàn)和工夾具、半成品的管理工作 。這些特點(diǎn)都有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍 數(shù)控機(jī)床最適合加工具有以下特點(diǎn)的零件： （ 1）多品種小批量生產(chǎn)的零件； （ 2）形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件； （ 3）精度要求高的零件； （ 4）需要頻繁改型的零件； （ 5）價(jià)格昂貴，不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件； （ 6）需要生產(chǎn)周期短的急需零件； （ 7）批量較大，精度要求高的零件。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 8 第二章 經(jīng)濟(jì)型車床數(shù)控改造總體方案的確定 設(shè)計(jì)任務(wù) (1)采用 ISO 標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，絕對(duì) /增量方式混合編程。 (2)連續(xù)方式控制 X,Z 向二軸。 (3)脈沖當(dāng)量 :X 向， 0. 005mm/脈沖 。Z向 。 (4)快速定位速度 :X 軸為 lm/min, Z 軸為 3m/min。 (5)最大編程尺寸 :士 9999. 99mm, 8 位數(shù)碼管。 (6)最大加工速度 :直線為 1. 5m/min，圓弧為 0. 6m/min。 (7)螺紋加工 :公制 0. 25～ 12mm，英制 ～ 3 牙 /吋。 (8)數(shù)控系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各 8KB。 總體數(shù)控改造方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造， 基本原則是 在滿足使用要求的前提下對(duì)機(jī)床的改動(dòng)盡可能少 ,以降低成本 ?？傮w方案為： 本設(shè)計(jì)利用數(shù)控裝置對(duì) CA6140 普通車床進(jìn)行 控制 ,主傳動(dòng)系統(tǒng)部分 采用交流 調(diào)頻 主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)帶輪及 分 級(jí)齒輪 變 速 箱 驅(qū)動(dòng)主軸 ， 通過(guò)變頻器 和齒輪變速箱實(shí)現(xiàn)分段無(wú)級(jí)變速 ； 進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng) ， 在縱向進(jìn)給系統(tǒng)中通過(guò)一級(jí)齒輪 減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，在橫向進(jìn)給系統(tǒng)中通過(guò)二級(jí)齒輪減速驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠 ； 刀架改為自