【正文】 成功自適應(yīng)控制機(jī)床（Adaptive Control Machine Tools） ，使機(jī)床具有一定的智能，可以有效提高加工質(zhì)量。進(jìn)入 20 世紀(jì) 70 年代以來，以大規(guī)模集成電路和微型電子計(jì)算機(jī)為代表中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2022 界本科畢業(yè)設(shè)計(jì)3的微電子技術(shù)，迅速地被應(yīng)用到機(jī)械工業(yè)中，促進(jìn)了機(jī)械工業(yè)突飛猛進(jìn)發(fā)展，出現(xiàn)了種類繁多的微電子技術(shù)控制的機(jī)械、儀器和軍械裝備，以及柔性制造線 FML、柔性制造系統(tǒng) FMS 和自動(dòng)化制造系統(tǒng)，這樣就大幅度地提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，適應(yīng)了市場對產(chǎn)品多樣化的要求，豐富了熱門類的物質(zhì)文明。 機(jī)電一體化改造的必要性 機(jī)床改造的意義通常說“機(jī)床的真正價(jià)值在于使用” 。 據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家里，設(shè)備的平均役齡控制在 10~20年之間，設(shè)備的“技術(shù)老化”期已短于 10 年，10 年役齡以內(nèi)的設(shè)備能夠達(dá)到設(shè)備總數(shù)的 50%左右。例如，美國和西歐的一些工業(yè)先進(jìn)國家，在鋼鐵企業(yè)中雖然早已實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化，可是舊設(shè)備并沒有全部毀棄，而是通過技術(shù)改造的方法，使一些舊的設(shè)備能夠達(dá)到使用新技術(shù)，新工藝的需要，繼續(xù)生產(chǎn)出具有競爭能力的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。為實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化，我們同樣要?jiǎng)?chuàng)造和引進(jìn)新技術(shù)，新工藝，新設(shè)備，進(jìn)行必要的設(shè)備更新。而改造機(jī)床是深受大家歡迎的一種革新形式，為滿足生產(chǎn)的需要已經(jīng)做出了重大的貢獻(xiàn)。為了滿足生產(chǎn)的需要，如果設(shè)計(jì)制造一條新的加工作業(yè)線，需要投資 20 余萬元，便改裝成了專用加工作業(yè)線。又如，這個(gè)廠利用一臺報(bào)廢了的皮帶傳動(dòng)龍門刨的床身，改裝成了一臺行程 8 米的導(dǎo)軌磨，從 1972 年改裝成功到現(xiàn)在，共大修本廠機(jī)床 400 多臺次，協(xié)助兄弟廠大修床身百余臺，并且修磨精度高，光潔度好；然而改裝這臺機(jī)床只投資 5000 元，可是購買一臺新的導(dǎo)軌磨床卻要花費(fèi) 10 幾萬元。通過上述事例不難看出，機(jī)床改造不但是解決設(shè)備“技術(shù)老化”的重要途徑，能夠滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，而且可以獲得十分客觀的經(jīng)濟(jì)效果。近 10 年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為～ 萬臺，年產(chǎn)值約為 18 億元。我國機(jī)床役齡 10 年以上的占 60％以上；10 年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到 20％，F(xiàn)MC/FMS 等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占 60％以上）。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2022 界本科畢業(yè)設(shè)計(jì)6貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。（2）進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場　　我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造?！　∵@些項(xiàng)目中，大部分項(xiàng)目為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國外引進(jìn)以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時(shí)只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項(xiàng)目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動(dòng)運(yùn)行，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因?yàn)樵O(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)；有的因?yàn)槟芎母摺a(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進(jìn)較長時(shí)間，需要進(jìn)行技術(shù)更新?！　∵@些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個(gè)包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財(cái)富。這也是一個(gè)極大的改造市場。利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的機(jī)電一體化改造的方法有兩種，一種是以微機(jī)為中心設(shè)計(jì)控制部件；另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置，前者需要重新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，比較復(fù)雜；后者選用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機(jī)空控制系統(tǒng)，比較簡單。對機(jī)床的控制過程大多是用單片機(jī)單板機(jī)按照輸入的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，產(chǎn)生進(jìn)給，由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖，凈功率放大、驅(qū)動(dòng)刀架、縱橫軸運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)刀具按規(guī)定的輪廓線軌跡運(yùn)動(dòng)。二．機(jī)械部分機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比，除要求具有較高的定位精度之外，還應(yīng)有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，就是說相應(yīng)要快、穩(wěn)定性要好。為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)中，常提出無間隙、低摩擦、地慣量、高剛度、高諧振頻率、適當(dāng)?shù)淖枘岜鹊纫蟆＃?） 采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支承部件，如采用滾珠絲杠副、滾動(dòng)導(dǎo)向支承、動(dòng)（靜）壓導(dǎo)向支承等。（3） 選用最佳傳動(dòng)比，以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，盡可能提高加速能力。（5） 改進(jìn)支承及架體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以提高剛性、減少振動(dòng)、降低噪聲。 刀 架電 機(jī)刀 架 控 制 電 路繼 電 器回轉(zhuǎn)刀架 （ ）車床縱橫等軸限位主軸脈沖發(fā)生器 光電隔離驅(qū)動(dòng)器 功率放大電路/口擴(kuò)展存儲(chǔ)器擴(kuò)展微機(jī) 急 停 、清 零 等功 能 按 鈕 電機(jī)電機(jī)電機(jī) 圖 11 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2022 界本科畢業(yè)設(shè)計(jì)9 本文的選題及主要研究內(nèi)容 本文的選題目前，我國的工廠企業(yè)，除了一些新建單位外，大多數(shù)都存在“技術(shù)老化”的問題設(shè)備役齡在 15 年以上的，所占比重相當(dāng)大，面對這么多陳舊設(shè)備應(yīng)該怎么辦？這是一個(gè)急待解決的大問題。而如果要新買一臺新的數(shù)控車床，一是總體成本太高，因?yàn)樾詢r(jià)比不是太高，容易浪費(fèi)資源，二是工廠沒有工人精通數(shù)控車床，所以要培訓(xùn)工人一定又要花費(fèi)很多時(shí)間影響生產(chǎn)進(jìn)度。把所要加工的零件程序輸入到存儲(chǔ)器中，用到時(shí)直接調(diào)用即可，這樣一個(gè)人即可操作兩臺機(jī)床，而且效率提高了好大，精度也會(huì)提高很高，會(huì)為廠帶來很大經(jīng)濟(jì)利益。3．主軸脈沖發(fā)生器的安裝4．刀架的選用中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2022 界本科畢業(yè)設(shè)計(jì)10 車床總體改造方案 設(shè)計(jì)基本思路普通車床（如 C616,C618,C620,CA6140,C630）等是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床。當(dāng)工件隨主軸回轉(zhuǎn)時(shí)，通過刀架的縱向和橫向移動(dòng)，能加工出內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋面等。普通車床刀架的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進(jìn)給箱變速后，由光杠或絲杠帶動(dòng)溜板箱、縱溜板、橫溜板移動(dòng)。刀架的縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給不能聯(lián)動(dòng)，切削次序也由人工控制。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。 設(shè)計(jì)要求 總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式，伺服系統(tǒng)的類型，計(jì)算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇。 （2）車床數(shù)控改裝設(shè)計(jì)后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，再保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。 （3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用 8 位微機(jī)。因此，可選擇 MCS51 系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。（6）縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。（8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。以 CA6140 改裝為例，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2022 界本科畢業(yè)設(shè)計(jì)13最大加工直徑 在床面上 400㎜ 在床鞍上 210 ㎜最大加工長度 1000㎜快進(jìn)速度 縱向 橫向 溜板及刀架重力 縱向 800N 橫向 600N主電動(dòng)機(jī)功率 代碼制 ISO脈沖分配方式 逐點(diǎn)比較法輸入方式 增量值，絕對值通用控制坐標(biāo)數(shù) 2最小指令值（脈沖當(dāng)量） 縱向 ㎜/脈沖 橫向 ㎜/脈沖機(jī)床定位精度 177。（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證安裝、調(diào)試、拆卸方便；需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2022 界本科畢業(yè)設(shè)計(jì)14第二章車床改造的機(jī)械部分設(shè)計(jì) 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)改裝設(shè)計(jì)需要改動(dòng)的主要部件有掛輪架、進(jìn)給箱、溜板箱、溜板、刀架等，改裝的方案不唯一的，一下以 C630 車床為例，介紹其中的一種方案。進(jìn)給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與齒輪減速箱總成。滾珠絲杠的另一端支承座按章在車廠尾座端原來裝軸承座的部分。溜板部分：將原橫（縱）溜板中的絲杠、螺母拆除，改裝橫（縱）向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副，橫（縱）向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速器總成安裝在橫（縱）溜板后部并與滾珠絲杠相連。改裝后機(jī)床總體布局如圖 21 所示中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2022 界本科畢業(yè)設(shè)計(jì)15螺釘 件螺釘 件 鍵61件鍵61件：1：急停拆去防護(hù)罩向旋轉(zhuǎn)徐繼敏徐海學(xué)院機(jī)自042學(xué)號：269圖 21 車床改裝總體布置圖中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2022 界本科畢業(yè)設(shè)計(jì)16 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當(dāng)量，計(jì)算切削力，滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型，齒輪傳動(dòng)計(jì)算，步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型等。因此，脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床精度的要求來確定。前述 CA6140 的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當(dāng)量為，橫向脈沖當(dāng)量為 ?？v切外圓時(shí)，車床的主切削力 Fz 可以用下式計(jì)算：??DFZ式中：D 為在車床床面上加工的最大直徑（mm） 。ZF21走刀方向的切削分力 和垂直走刀方向的切削分力 可按以下比例求出：X ：：：： ?YXZF切削力的示意圖見圖 23 橫 切 端 面縱 車 外 圓圖 23 縱車外圓及橫切端面切削力示意 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算與選用 滾珠絲杠簡介滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到 1/3 以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的 1/3。 2)高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度 3)微進(jìn)給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。 5)高速進(jìn)給可能 滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))。絲杠螺母副材料硬度5060HRC，工作溫度小于 100℃，溫升 =4℃，可靠性要求 96%，采用雙推t?雙推（FF）支承組合方式，運(yùn)轉(zhuǎn)一般。公稱直徑 d0=40mm,基本導(dǎo)程 =5mm。型號為 FFZD40*55,查《實(shí)用Ph?WD機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》表 序號 8，額定動(dòng)載荷 =22KN 大于算出的ac（） ，預(yù)緊力 = =925N，大于最大軸得載荷 2050N 的acPFmax1/3，這種絲杠是可用的。絲杠彎曲振動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 2022 界本科畢業(yè)設(shè)計(jì)22查《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》表 得 f=式中 = =臨界轉(zhuǎn)速的支承距離 =1200mm=???計(jì)算得 ＝crmax(3)預(yù)拉伸計(jì)算1） 溫升引起是我伸長量 ,溫升為 4℃，則螺紋部分伸長量為：t?=a = =????絲杠全長的伸長量 為ta =?t ?l為此絲杠的目標(biāo)行程可定為比公稱行程小 ，絲杠在安裝時(shí)，進(jìn)行預(yù)拉伸，拉伸量 為 拉伸方式可參看《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》圖0?2）預(yù)拉伸力 tF根據(jù)材料力學(xué)歐拉公式=2050/315.`0 ?????utlAE?（4）軸承的選擇采用成對較 60176。PF?。╊A(yù)負(fù)荷軸承的預(yù)負(fù)荷不應(yīng)小于軸承最大載荷的 1/3，絲杠兩端固定，故軸承的最大載荷等于預(yù)拉伸力 加最大外載荷的一半。????Ft2）疲勞壽命計(jì)算軸承要求的動(dòng)負(fù)荷可按式 計(jì)算nNFhCfK1?考慮到數(shù)控機(jī)床本身特點(diǎn)，上式中系數(shù) ， ， ， 均取 1fK1Nnk進(jìn)給力的方向是可變的，軸承負(fù)荷，可能是 P= ,也可能是 ,mFmtFP2??兩者機(jī)會(huì)均等，故取其平均值 P= t當(dāng)量轉(zhuǎn)速 184R/min,故 =?nf壽命為 10000h ,則 ==?C可以看出，7603020TVP 型軸承額定動(dòng)載荷 24500 N 符合。接觸角推力接觸球軸承的軸向剛度按下式計(jì)算 31052)sin( FDK???式中 Z滾動(dòng)體個(gè)數(shù)，這里 Z=13接觸角，這里 =60176。絲杠螺母副材料硬度 5060HRC，工作溫度小于 100℃，溫升 =4℃，可靠性要求 96