【文章內容簡介】 系數為 ，產量增幅的相關系數是 [8] 。 我國機床行業(yè)發(fā)展前景廣闊。根據我國數控車床 1996~2021 年消費數量，通沈陽工業(yè)大學工程學院本科生畢業(yè)設計（論文） 5 過模型擬合，預計 2021年數控車床銷售數量將達 ，年均增長率為 %。根據我國加工中心 1996~2021 年消費增長模型，預計 2021 年加工中心消費數量將達 萬臺，較 2021 年年均增長率為 %。 我國數控機床開發(fā)的重點：一是重點發(fā)展關鍵功能部件和數控系統(tǒng)，為數控機床產品升級奠定基礎。主要發(fā)展項目包括中高檔數控系統(tǒng)、高速主軸及其伺服單元、高性能刀庫及機械手、高速滾珠絲杠和直線導軌副、直線電機、全 功能數控刀架和數控轉臺、高速防護裝置等。二是高精度數字化測量儀器和數控刀具。三是滿足國家重點工程需要，實施高級型數控機床示范工程。重點發(fā)展的高級數控機床范圍有：高速、精密數控車床，車削中心類及四軸以上聯動的復合加工機床；高速、高精度數控銑鏜床，高速、高精度立臥式加工中心；重型、超重型數控機床；數控磨床；數控電加工機床；數控金屬成形機床 (鍛壓設備 )；數控專用機床及生產線等 [9] 。 機床數控化改造的必要性 微觀改造的必要性 微觀上看，數控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自 數控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～ 7倍。 由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現自動化。數控機床只要更換一個程序，就可實現另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現了 “ 柔性自動化 ” 。 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 ” 。 可實現多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能，因而可實現長時間沈陽工業(yè)大學工程學院本科生畢業(yè)設計（論文） 6 無人看管加工。 由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數控化還是推行 FMC（柔性制造單元）、 FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS（計算機集成制造系統(tǒng) ）等企業(yè)信息化改造的基礎。數控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術 [10][11]。 宏 觀改造的必要性 宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在 70 年代末、 80年代初已開始大規(guī)模應用數控機床。其本質是，采用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術改造。除在制造過程中采用數控機床、 FMC、 FMS 外，還包括在產品開發(fā)中推行 CAD、 CAE、 CAM、虛擬制造以及在生產管理中推行 MIS（管理信息系統(tǒng)）、 CIMS 等等。以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對 國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家約落后 20 年。如我國機床擁有量中，數控機床的比重（數控化率）到 1995 年只有 ％，而日本在 1994 年已達 ％，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數控化改造的必要性。 本設計的目的和意義 隨著科學技術的不斷發(fā)展 ,對機械產品的質量和生產率提出了越來越高的要求。機械加工工藝過程的自動化是實現上述要求的最重要的措施。它不僅能夠提高產 品的質量，提高生產效率，降低生產成本，還能夠大大改善工人的勞動條件。 和普通車床相比較，數控化車床具有很多優(yōu)勢， 例如與 普通車床比較，加入了數控裝置，在操作上更加方便、快捷 ； 使用了滾珠絲杠螺母副，改進了普沈陽工業(yè)大學工程學院本科生畢業(yè)設計（論文） 7 通車床結構剛性不足，抗振性差，滑動面的摩擦阻力較大以及傳動元件中的間隙等弱點 ； 綜合考慮，大大提高了生產效率，約為普通車床的 23倍 [12] 。 目前 ,在市場上購買一臺數控車床的價格遠大于改裝一臺普通車床所需花費，且在有技術條件下，對普通車床的數控化改造更可行。所以 ，本課題 著重對普通車床的數控化改造 設 計 。 設計過程 (1) 進給伺服系統(tǒng)設計計算：此部分為設計計算部分，用以確定脈沖當量，進給牽引力，選擇絲杠螺母副，計算傳動效率，確定傳動比，選擇伺服電機等，并繪制改造后機床的總裝配圖及箱體零件圖。 (2) 控制系統(tǒng)設計：采用單片機控制系統(tǒng)，設計電路原理圖 。 沈陽工業(yè)大學工程學院本科生畢業(yè)設計（論文） 8 第 2 章 機床改造的任務及總體思路 機床改造的總體任務 機床的數控改造，主要是對原有機床的結構進行創(chuàng)造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。數控車床是機電一體化的典型代表，其機械結構同普通的機床有諸多相似之處。然 而，現代的數控機床不是簡單地將傳統(tǒng)機床配備上數控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機床的基礎上，僅對局部加以改進而成。傳統(tǒng)機床存在著一些弱點，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等，難以勝任數控機床對加工精度、表面質量、生產率以及使用壽命等要求。現代的數控技術，特別是加工中心，無論是其支承部件、主傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、輔助功能等部件結構，還是整體布局、外部造型等都已經發(fā)生了很大變化，已經形成了數控機床的獨特機械結構。因此，我們在對普通機床進行數控改造的過程中，應在考慮各種 情況下，使普通機床的各項性能指標盡可能地與數控機床相接近。 1）節(jié)省資金。機床的數控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省 60%左右的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的 1/3.即使將原機床的結構進行徹底改造升級也只需花費購買新機床 60%的費用，并可以利用現有地基。 2）性能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎件經過長期時效，幾乎不會產生應力變形而影響精度。 3）提高生產效率。機床經數控改造后即可實現加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機床提高 3 至 5 倍。對復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)約了費用而且可以縮短生產準備周期。 運動系統(tǒng)方案確定 1）伺服系統(tǒng)的選擇：本次改造由于使用步進電機，所以可以選擇開環(huán)控制系統(tǒng) 沈陽工業(yè)大學工程學院本科生畢業(yè)設計（論文） 9 2）傳動方式的選擇： 滾珠絲杠螺母副 數控系統(tǒng)軟硬件總體設計 為保證改造后的數控系統(tǒng)的傳動精度及工作臺的平穩(wěn)性，在設計機床的傳動系統(tǒng)時，應努力保證傳動系統(tǒng)低摩擦、低慣量、高效率、高剛度。 制定數控系統(tǒng)總體方案時必須重點考慮： (1) 加強系統(tǒng)可靠性。 (2) 提高數控系統(tǒng)的控制精度。 (3) 提高使用方便性。 數控系統(tǒng)硬件結構 數控系統(tǒng)硬件結構系統(tǒng)由 工控 PC硬件平臺、數控操作面板 (包括 LCD顯示器，鍵盤 )、數控接口板卡 (工 /0 板， D/A 板 )和驅動執(zhí)行機構等組成。 PC硬件平臺包括工控電源、無源母板、工控 PC 主板和軟盤驅動器、硬盤驅動器等。數控操作面板上有液晶顯示器和薄膜鍵盤等。數控接口板卡是計算機與外部執(zhí)行裝置間進行信息交換和轉換的通道，對內通過無源母板與工控 PC 主板相連，對外通過屏蔽電纜與驅動執(zhí)行裝置相連接。 數控系統(tǒng)軟件結構 數控系統(tǒng)軟件結構數控系統(tǒng)軟件為實時多任務系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各任務在數控實時操作系統(tǒng)控制下協(xié)調進行。 (1) 數控實時操作系統(tǒng) 。它是數控系統(tǒng)軟件中的核心子系統(tǒng)，它對系統(tǒng)中的資源進行統(tǒng)一管理，對各任務進行動態(tài)調度，協(xié)調各模塊的高效運行，并輔助完成各任務間的通訊和信息交換。 (2) 信息預處理。該模塊完成輸入信息譯碼，完成軌跡插補前的坐標轉換和刀補運算。 (3) 軌跡插補。它是數控系統(tǒng)的核心模塊，其任務是根據信息預處理給出的沈陽工業(yè)大學工程學院本科生畢業(yè)設計（論文） 10 希望軌跡和從檢測裝置獲得的實際軌跡信息，實時生成機床各坐標軸的移動指令，并完成機床運動的加減速控制。 (4) 運動控制。該模塊是數控系統(tǒng)的另一核心模塊，它根據插補運算結果，通過高速算法對機床各坐標軸進行高精度位置控 制，并完成主軸轉速與轉角的控制任務。 (5) 加工仿真模塊。該模塊以動畫方式對數控加工過程進行動態(tài)仿真，從而在加工前檢驗參數輸入正確性和機床運動合理性。 沈陽工業(yè)大學工程學院本科生畢業(yè)設計（論文） 11 第 3 章 進給伺服系統(tǒng)計算 已知參數 最大回轉直徑 :630mm。電機功率 :10KW。Lmax:2021mm。定位精度 :。 加速時間 :30ms。機床效率 :。 快進速度 :橫向 :。切削速 :橫向 :。移動部件重量 :橫向 :800N。 縱向 :。 縱向 :。 縱向 :1200N。 確定系統(tǒng)脈沖當量 車床縱向脈沖當量為 ； 橫向脈沖當量為 切削力的確定 縱切端面時的主切削力 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 ?? 計算進給牽引力 作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的沈陽工業(yè)大學工程學院本科生畢業(yè)設計（論文） 12 重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力。因此其數值的大小與導軌的類型有關。 縱向采用三角形導軌： )(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 為移動部件的重量（ N）； 39。f 為導軌上的摩擦系數，隨導軌形勢而不同； K為考慮顛覆力矩影響的實驗系數。 在正常情況下， K 及 39。f 可取如下數值： 燕尾形導軌： K= ?‘f 三角形導軌： K= ~39。 ?f 計算最大動負載 C 選用滾珠絲杠副的直徑 d0時，必須保證在一定 軸向負載作用下，絲杠在回轉 100 萬轉后，在它的滾道上不產生點蝕現象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載 C，計算如下： 縱向： 初選絲杠基本導程 mmL 80 ? 0 ?? Lvs （ 3－ 3） 6 ????L （ 3－ 4） 沈陽工業(yè)大學工程學院本科生畢業(yè)設計（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 型內循環(huán)浮動返向器雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副 ,其中： 表 32 運轉系數 運轉狀態(tài) 運轉系數 無沖擊狀態(tài) ~ 一般運轉 ~ 有沖擊運轉 ~ 傳動效率的計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率 : )( ???? ??tg tg （ 3－ 6） 沈陽工業(yè)大學工程學院本科生畢業(yè)設計（論文） 14 其中： 分。其摩擦角約為滾動摩擦系數摩擦角，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???? ?????