【正文】 rosswise smallest movement unit , tool rest if the automatic control automatic indexing tool rest, must be able the automatic screw cutting. Key word: Conventional lathe, numerical control transformation design, numerical control engine bed 第一章 緒論 數(shù)控機(jī)床改造是目前國(guó)內(nèi)的新興產(chǎn)業(yè)。 規(guī)模較大的機(jī)床改造企業(yè)尚未形成。 隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)加工產(chǎn)品的要求也不斷地提高，而數(shù)控機(jī)床具有加工精度高，加工復(fù)雜多變的零件，加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率等都很高的特點(diǎn)，自然就 成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中主流的設(shè)備。普通機(jī)床的堆積閑置，數(shù)控機(jī)床的缺乏已使企業(yè)面臨的重大問(wèn)題，因此，投入較少的資金把原有的普通機(jī)床改進(jìn)升級(jí)，變成數(shù)控機(jī)床，成為當(dāng)今企業(yè)的頭等大事。 ▲ 節(jié)省資金。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購(gòu)置費(fèi)的 1/3 。 ▲ 性能穩(wěn)定可靠。 ▲ 提高生產(chǎn)效率。對(duì)復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多。 大量實(shí)踐證明，普通機(jī)床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和穩(wěn)定性。進(jìn)行數(shù)控改造時(shí)，應(yīng)該做好改造前的技術(shù)準(zhǔn)備。 總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑。 我國(guó)機(jī)床總量 380余萬(wàn)臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 萬(wàn)臺(tái)，即我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到 3%。 我國(guó)機(jī)床 年 齡 在 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%， FMC/FMS 等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù) (美國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占 60%以上 )。即使是數(shù)控機(jī)床，多數(shù)是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，生產(chǎn)裝備和技術(shù)陳舊而落后。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2021 年民營(yíng)企業(yè)和家庭組合式工藝成套企業(yè)大約需要簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床和其他數(shù)控設(shè)備大于 3 萬(wàn)臺(tái)以上，這些設(shè)備的特點(diǎn)是低價(jià)位，功能要求專用，易操作，但這些企業(yè)設(shè)備更新速度較快，是一個(gè)持續(xù)發(fā)展，潛力巨大的市場(chǎng)。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè) “ 永恒 ” 的課題。在美國(guó)，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生 (Remanufacturing)業(yè)。美國(guó)得寶公司已在中國(guó)開(kāi)辦公司。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。 第 二是 NC 化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機(jī)床、CNC 機(jī)床 。 其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新 改造。數(shù)控系統(tǒng)的選擇主要有三種類型： 步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng) ； 異步電動(dòng)機(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng) ， 光柵測(cè)量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) ； 交 /直流伺服電機(jī)拖 動(dòng)， 編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 ▲ 機(jī)械部件的改造。 ▲ 刀架的改造。 機(jī)床數(shù) 控化改造后雖然有很多優(yōu)點(diǎn)了，但是還是有一些不足這處。受到原來(lái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。利用微機(jī)對(duì)縱，橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。繪制縱、橫向坐標(biāo)軸機(jī)械傳動(dòng)裝配圖： 完成單片機(jī)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，繪制數(shù)控系統(tǒng)硬件電氣原理圖： 繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及編程流程圖一張： 編制 8000 字左右的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份： （二 ） 設(shè)計(jì)要求 本次設(shè)計(jì)要求是將一臺(tái) CA6140 型普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床 。要求改造后的車床及數(shù)控系統(tǒng)具有以下功能： ▲ 縱、橫向直線，圓弧插補(bǔ)： ▲ 螺紋切削： ▲ 刀架自動(dòng)回轉(zhuǎn)換刀： ▲ 軟件環(huán)分，軟件自動(dòng)變速驅(qū) 動(dòng)步進(jìn)電機(jī)： ▲ 鍵盤現(xiàn)場(chǎng)輸入、修改程序數(shù)據(jù)、數(shù)碼實(shí)時(shí)顯示： ▲ 編輯、空運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)、回零工作方式選擇： ▲ 回零、連續(xù)、暫停運(yùn)行方式設(shè)置： ▲ 掉電保護(hù)、越位報(bào)警、急停、復(fù)位等輔助功能。 5 溜板及刀 架重力 縱向： 800N 橫向： 600N 自動(dòng)升降性能： 有 啟動(dòng)加速時(shí)間： 30ms 主電機(jī)功率： 6 第三章 機(jī)械部分改造 設(shè)計(jì)及計(jì)算 一、 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動(dòng)絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動(dòng)刀架左右移動(dòng)。對(duì)車床改造來(lái)說(shuō)，外觀不必產(chǎn)生產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的那么高，而從改造方面，實(shí)用方面來(lái)考慮。 如下圖所示。 則： K= = 又∵ 6120FzvNc? ∴ 6120NcFz v? 式中 V切削線速度，取 V=100m/min。 從《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》中可得知，在一般外圓車削時(shí)： ( ~ )XZFF? ( ~ )ZZFF? 0 . 5 0 . 5 2 8 6 4 . 1 6 1 4 3 2 . 0 8XZF F N? ? ? ? 0 .6 0 .6 2 8 6 4 .1 6 1 7 1 8 .4 9 6YZF F N? ? ? ? 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 39。f =~，取為 。10 螺旋升角 ? = 039。0 39。3 2 5 0 .9 5 3( 3 2 5 1 0 )tgtg? ??? 剛度驗(yàn) 算 ：滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程的變化量 01 PLL EF? ?? 式中 0L =6mm=； E= 216 /N cm 。所以：導(dǎo)程變形總誤差為 0100L?? ? 6100 1 .0 6 1 00 .6L ?? ? ? ? 穩(wěn)定性驗(yàn)算：由于機(jī)床原絲杠直徑為 ? 30mm，現(xiàn)在選用的滾珠絲杠直徑為? 32mm，支承方式不變，所以穩(wěn)定性不存在問(wèn)題。 因此，總的傳動(dòng)慣量： 2 1 121 ()S Z ZJ J J J Ji? ? ? ? 21 ( 1 1 . 4 7 5 6 . 3 9 ) 2 . 6 1 7 0 . 4 6 81 . 2 5? ? ? ?221 4 .5 1 9 1 4 5 .1 9kg cm N cm?? 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 m a x 0afM M M M? ? ? 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 0a t f tM M M M M? ? ? ? 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 0fM M M?? 式中 maxaM —— 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的 加速度力矩； 10 fM —— 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩； 0M —— 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩； atM —— 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩； tM —— 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。0 0 022f F L f WLM ii?? ???? 當(dāng) ? = 39。()yZP KF f F W? ? ? 取 K = 39。338 ，摩擦角 39。0 39。3 3 8 0 . 9 5 6( ) ( 3 3 8 1 0 )tgtgtg tg?? ??? ? ??? 剛度驗(yàn)算：滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程的變化量 601 627 4 . 7 4 1 0 0 . 4 4 5 . 6 9 1 03 . 1 4 2 0 . 6 1 0 1 . 7 6 1 9PLL c mEF ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 2L? 很小，可忽略，即： L? = 1L? 所以，導(dǎo)程變形總誤差為 601 0 0 1 0 05 . 9 6 1 0 1 4 . 9 /0 . 4L m mL ??? ? ? ? ? ? ? 查表知 E 級(jí)精度絲杠允許的落腳誤差（ 1m長(zhǎng)）為 15 /mm? ，故剛度足夠。 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算 有關(guān)齒輪計(jì)算 傳動(dòng)比 0 0 . 7 5 4 51 . 6 73 6 0 3 6 0 0 . 0 5 3pLi ? ? ?? ? ? ?? 故取 1Z =18 2Z =30 m =2mm b =20mm ? = 020 1d =36mm 2d =60mm 1ad =40mm 2ad =64mm 13 a=48mm 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2 2 21 180 1 8 0 0 . 0 0 5 1( ) ( ) 3 0 0 . 0 4 3 93 . 1 4 0 . 7 5 1 0 0pJ W k g c m??? ?? ? ? ? ?? 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 4 4 27 . 8 1 0 2 5 0 0 . 6 2 4sJ k g c m?? ? ? ? ? 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 4 4 21 7 . 8 1 0 3 . 6 2 0 . 2 6 2ZJ k g c m?? ? ? ? ? 4 4 22 7 . 8 1 0 6 2 2 . 0 2 2ZJ k g c m?? ? ? ? ? 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 22 1 12 ( ) ( ) (0 . 6 2 4 2 . 0 2 2 ) 0 . 2 6 2 0 . 0 4 3 913 5S Z ZJ J J JiJ ? ? ? ? ? ? ?? cm? 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 m a xm a x04 1 6 . 7 / m i n51000 34vi rLn ? ? ?? 44m a xm a x 1 0 1 0 0 .2 1 8 4 2 .2 31 . 2 5 8 4 1 6 . 79 . 6 9 . 6 0 . 0 2 5a JnM N m k g f c mT ??? ? ? ? ? ??? 1001 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 . 1 5 5 3 3 . 1 7 / m i n3 . 1 4 6 0 6 3t nf v finrL D L? ? ? ?? ? ? ?? ? ?主 41 . 2 5 8 3 3 . 1 7 1 0 0 . 0 1 7 4 0 . 1 7 7 59 . 6 0 . 0 2 5atM N m k g f c m??? ? ? ?? 39。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開(kāi)始，經(jīng)過(guò)任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實(shí)用。 轉(zhuǎn)矩 為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行（不失步，不越步），正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)矩的要求，必須考慮： 啟動(dòng)力矩 一般啟動(dòng)力矩選取為： ~ MM ? 式中 qM —— 電動(dòng)機(jī) 啟動(dòng)力矩； 0IM —— 電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載力矩。 jmM 為步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，是步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)給出的。 步 進(jìn)電機(jī)相數(shù)、拍數(shù)、啟動(dòng)力矩表 運(yùn) 行 方 式 相數(shù) 3 3 4 4 5 5 6 6 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 /g jmMM 在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。 （二）步進(jìn)電機(jī)的選擇 CA6140 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 0 2 7 . 4 0 5 1 06 8 5 . 1 2 50 . 4 0 . 4Iq MM N c m?? ? ? 為滿足最小步矩要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知 / jmMM ? 所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 jmM 為： 6 8 5 . 1