【文章內(nèi)容簡介】 系數(shù)為 ，產(chǎn)量增幅的相關(guān)系數(shù)是 [8] 。 我國機(jī)床行業(yè)發(fā)展前景廣闊。根據(jù)我國數(shù)控車床 1996~2021 年消費(fèi)數(shù)量，通沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 過模型擬合，預(yù)計(jì) 2021年數(shù)控車床銷售數(shù)量將達(dá) ，年均增長率為 %。根據(jù)我國加工中心 1996~2021 年消費(fèi)增長模型，預(yù)計(jì) 2021 年加工中心消費(fèi)數(shù)量將達(dá) 萬臺(tái)，較 2021 年年均增長率為 %。 我國數(shù)控機(jī)床開發(fā)的重點(diǎn)：一是重點(diǎn)發(fā)展關(guān)鍵功能部件和數(shù)控系統(tǒng)，為數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品升級奠定基礎(chǔ)。主要發(fā)展項(xiàng)目包括中高檔數(shù)控系統(tǒng)、高速主軸及其伺服單元、高性能刀庫及機(jī)械手、高速滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌副、直線電機(jī)、全 功能數(shù)控刀架和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、高速防護(hù)裝置等。二是高精度數(shù)字化測量儀器和數(shù)控刀具。三是滿足國家重點(diǎn)工程需要，實(shí)施高級型數(shù)控機(jī)床示范工程。重點(diǎn)發(fā)展的高級數(shù)控機(jī)床范圍有：高速、精密數(shù)控車床，車削中心類及四軸以上聯(lián)動(dòng)的復(fù)合加工機(jī)床；高速、高精度數(shù)控銑鏜床，高速、高精度立臥式加工中心；重型、超重型數(shù)控機(jī)床；數(shù)控磨床；數(shù)控電加工機(jī)床；數(shù)控金屬成形機(jī)床 (鍛壓設(shè)備 )；數(shù)控專用機(jī)床及生產(chǎn)線等 [9] 。 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 微觀改造的必要性 微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自 數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～ 7倍。 由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了 “ 柔性自動(dòng)化 ” 。 加工 零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要 “ 修配 ” 。 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 無人看管加工。 由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行 FMC（柔性制造單元）、 FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) ）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù) [10][11]。 宏 觀改造的必要性 宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在 70 年代末、 80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、 FMC、 FMS 外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行 CAD、 CAE、 CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MIS（管理信息系統(tǒng)）、 CIMS 等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對 國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后 20 年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到 1995 年只有 ％，而日本在 1994 年已達(dá) ％，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。 本設(shè)計(jì)的目的和意義 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展 ,對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。機(jī)械加工工藝過程的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)上述要求的最重要的措施。它不僅能夠提高產(chǎn) 品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，還能夠大大改善工人的勞動(dòng)條件。 和普通車床相比較，數(shù)控化車床具有很多優(yōu)勢， 例如與 普通車床比較，加入了數(shù)控裝置，在操作上更加方便、快捷 ； 使用了滾珠絲杠螺母副，改進(jìn)了普沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 通車床結(jié)構(gòu)剛性不足，抗振性差，滑動(dòng)面的摩擦阻力較大以及傳動(dòng)元件中的間隙等弱點(diǎn) ； 綜合考慮，大大提高了生產(chǎn)效率，約為普通車床的 23倍 [12] 。 目前 ,在市場上購買一臺(tái)數(shù)控車床的價(jià)格遠(yuǎn)大于改裝一臺(tái)普通車床所需花費(fèi)，且在有技術(shù)條件下，對普通車床的數(shù)控化改造更可行。所以 ，本課題 著重對普通車床的數(shù)控化改造 設(shè) 計(jì) 。 設(shè)計(jì)過程 (1) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算：此部分為設(shè)計(jì)計(jì)算部分，用以確定脈沖當(dāng)量，進(jìn)給牽引力，選擇絲杠螺母副，計(jì)算傳動(dòng)效率，確定傳動(dòng)比，選擇伺服電機(jī)等，并繪制改造后機(jī)床的總裝配圖及箱體零件圖。 (2) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)電路原理圖 。 沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 2 章 機(jī)床改造的任務(wù)及總體思路 機(jī)床改造的總體任務(wù) 機(jī)床的數(shù)控改造，主要是對原有機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，最終使機(jī)床達(dá)到比較理想的狀態(tài)。數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型代表，其機(jī)械結(jié)構(gòu)同普通的機(jī)床有諸多相似之處。然 而，現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床不是簡單地將傳統(tǒng)機(jī)床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上，僅對局部加以改進(jìn)而成。傳統(tǒng)機(jī)床存在著一些弱點(diǎn)，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動(dòng)面的摩擦阻力大及傳動(dòng)元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機(jī)床對加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)率以及使用壽命等要求?，F(xiàn)代的數(shù)控技術(shù)，特別是加工中心，無論是其支承部件、主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、輔助功能等部件結(jié)構(gòu)，還是整體布局、外部造型等都已經(jīng)發(fā)生了很大變化，已經(jīng)形成了數(shù)控機(jī)床的獨(dú)特機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，我們在對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造的過程中，應(yīng)在考慮各種 情況下，使普通機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)盡可能地與數(shù)控機(jī)床相接近。 1）節(jié)省資金。機(jī)床的數(shù)控改造同購置新機(jī)床相比一般可節(jié)省 60%左右的費(fèi)用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購置費(fèi)的 1/3.即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級也只需花費(fèi)購買新機(jī)床 60%的費(fèi)用，并可以利用現(xiàn)有地基。 2）性能穩(wěn)定可靠。因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時(shí)效，幾乎不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。 3）提高生產(chǎn)效率。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3 至 5 倍。對復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費(fèi)用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案確定 1）伺服系統(tǒng)的選擇：本次改造由于使用步進(jìn)電機(jī)，所以可以選擇開環(huán)控制系統(tǒng) 沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 2）傳動(dòng)方式的選擇： 滾珠絲杠螺母副 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件總體設(shè)計(jì) 為保證改造后的數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度及工作臺(tái)的平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)努力保證傳動(dòng)系統(tǒng)低摩擦、低慣量、高效率、高剛度。 制定數(shù)控系統(tǒng)總體方案時(shí)必須重點(diǎn)考慮： (1) 加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。 (2) 提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度。 (3) 提高使用方便性。 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由 工控 PC硬件平臺(tái)、數(shù)控操作面板 (包括 LCD顯示器，鍵盤 )、數(shù)控接口板卡 (工 /0 板， D/A 板 )和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。 PC硬件平臺(tái)包括工控電源、無源母板、工控 PC 主板和軟盤驅(qū)動(dòng)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器等。數(shù)控操作面板上有液晶顯示器和薄膜鍵盤等。數(shù)控接口板卡是計(jì)算機(jī)與外部執(zhí)行裝置間進(jìn)行信息交換和轉(zhuǎn)換的通道，對內(nèi)通過無源母板與工控 PC 主板相連，對外通過屏蔽電纜與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置相連接。 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各任務(wù)在數(shù)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制下協(xié)調(diào)進(jìn)行。 (1) 數(shù)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 。它是數(shù)控系統(tǒng)軟件中的核心子系統(tǒng)，它對系統(tǒng)中的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，對各任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，協(xié)調(diào)各模塊的高效運(yùn)行，并輔助完成各任務(wù)間的通訊和信息交換。 (2) 信息預(yù)處理。該模塊完成輸入信息譯碼，完成軌跡插補(bǔ)前的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和刀補(bǔ)運(yùn)算。 (3) 軌跡插補(bǔ)。它是數(shù)控系統(tǒng)的核心模塊，其任務(wù)是根據(jù)信息預(yù)處理給出的沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 希望軌跡和從檢測裝置獲得的實(shí)際軌跡信息，實(shí)時(shí)生成機(jī)床各坐標(biāo)軸的移動(dòng)指令，并完成機(jī)床運(yùn)動(dòng)的加減速控制。 (4) 運(yùn)動(dòng)控制。該模塊是數(shù)控系統(tǒng)的另一核心模塊，它根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)果，通過高速算法對機(jī)床各坐標(biāo)軸進(jìn)行高精度位置控 制，并完成主軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的控制任務(wù)。 (5) 加工仿真模塊。該模塊以動(dòng)畫方式對數(shù)控加工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，從而在加工前檢驗(yàn)參數(shù)輸入正確性和機(jī)床運(yùn)動(dòng)合理性。 沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 3 章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)計(jì)算 已知參數(shù) 最大回轉(zhuǎn)直徑 :630mm。電機(jī)功率 :10KW。Lmax:2021mm。定位精度 :。 加速時(shí)間 :30ms。機(jī)床效率 :。 快進(jìn)速度 :橫向 :。切削速 :橫向 :。移動(dòng)部件重量 :橫向 :800N。 縱向 :。 縱向 :。 縱向 :1200N。 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 車床縱向脈沖當(dāng)量為 ； 橫向脈沖當(dāng)量為 切削力的確定 縱切端面時(shí)的主切削力 N1 0 5 9 5 8 1 1 . 5m a x ＝＝＝ ??zF )(4 2 3 NFF zy ?? )(26 4941 NFF zx ?? )(52 972139。 NFF zz ?? )(13 2441 39。39。 NFF zy ?? )(2 1 1 39。39。 NFF zx ?? 計(jì)算進(jìn)給牽引力 作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因此其數(shù)值的大小與導(dǎo)軌的類型有關(guān)。 縱向采用三角形導(dǎo)軌： )(4 9 3 4)1 2 0 01 0 5 9 5( 6 4 )(39。 NGFfKFF zxm ????????? （ 3－ 1） 橫向采用燕尾形導(dǎo)軌： )(4 0 8 0)8001 3 2 422 1 1 9( 1 1 )2( 39。39。39。39。39。 NGFFfKFF yzxm ???????????? （ 3－ 2） 式中： G 為移動(dòng)部件的重量（ N）； 39。f 為導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形勢而不同； K為考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)。 在正常情況下， K 及 39。f 可取如下數(shù)值： 燕尾形導(dǎo)軌： K= ?‘f 三角形導(dǎo)軌： K= ~39。 ?f 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 C 選用滾珠絲杠副的直徑 d0時(shí)，必須保證在一定 軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn) 100 萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載 C，計(jì)算如下： 縱向： 初選絲杠基本導(dǎo)程 mmL 80 ? 0 ?? Lvs （ 3－ 3） 6 ????L （ 3－ 4） 沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 )( kNFfLC mw ??????? （ 3－ 5） 查表取 000 25,50,8,5 0 0 8 kNCmmdmmLF F Z D a ??? 橫向： 初選絲杠基本導(dǎo)程 mmL 60 ? 0010 000 ???? L vn s 1510 6 ????L )(1 2 0 7 54 0 8 kNC ???? 查表選擇 FFZD2506, kNCdL a 13,25,6 00 ??? 均為 FFZD 型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副 ,其中： 表 32 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 無沖擊狀態(tài) ~ 一般運(yùn)轉(zhuǎn) ~ 有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) ~ 傳動(dòng)效率的計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 : )( ???? ??tg tg （ 3－ 6） 沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 其中： 分。其摩擦角約為滾動(dòng)摩擦系數(shù)摩擦角，滾珠絲杠副的絲杠螺旋升角 10,~??? f??縱向： %)( r c t a na r c t a n00???? ?????