車削中心主傳動(dòng)及進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
車削中心主傳動(dòng)及進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),車削,中心,傳動(dòng),進(jìn)給,結(jié)構(gòu),控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)
上海電機(jī)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
課 題 車削中心主傳動(dòng)及進(jìn)給
傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
專 業(yè) 機(jī)械電子工程
年 級(jí) 2009級(jí)
姓 名 學(xué) 號(hào)
指 導(dǎo) 教 師 （簽字）
學(xué) 院（系）院長(zhǎng)（簽字）
2012 年 12 月 10 日
課題來源
□國家級(jí) □省部級(jí) □教師科研 □企業(yè)項(xiàng)目 √自選項(xiàng)目
課題的目的
、
意義
數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化的杰出代表，在當(dāng)前的生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用非常的普遍，隨著近幾年加工精度和要求的提高，車削中心得到了廣泛的應(yīng)用，考慮檔次較高的車削中心的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，因此考慮以開環(huán)控制的系統(tǒng)作為課題入手，使學(xué)生對(duì)這種快速發(fā)展的加工設(shè)備有個(gè)初步的了解。
本課題設(shè)計(jì)的車削中心,采用開環(huán)控制,用電機(jī)驅(qū)動(dòng),微機(jī)控制,作為機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生而言,通過該課題的畢業(yè)設(shè)計(jì),能夠?qū)⑸险n所學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)、控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)技術(shù)等課程所學(xué)知識(shí)有機(jī)的結(jié)合起來，并最終達(dá)到模擬工程實(shí)際設(shè)計(jì)的目的，使學(xué)生初步掌握工程設(shè)計(jì)基本方法，達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)大綱的要求。
要求
課題主要技術(shù)要求：
采用開環(huán)控制，主傳動(dòng)由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給傳動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；微機(jī)控制，最大加工直徑為600mm；
主軸的轉(zhuǎn)速范圍為50～4000轉(zhuǎn)/min，最大切削功率為6KW,
X軸方向的脈沖當(dāng)量為0.003mm/脈沖，最大切削阻力為2000N；
Z軸方向的脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，最大切削阻力為2500N；
X軸的行程為350mm，X軸的最快移動(dòng)速度為2000mm/min；
Z軸的行程為500mm，Z軸的最快移動(dòng)速度為3000mm/min。
課題工作量要求：1、設(shè)計(jì)說明書一份（不少有1.5W字）；
2、英文資料翻譯2萬個(gè)英文字符；
3、圖紙的總工作量不少于2張A0圖紙；
4、進(jìn)給系統(tǒng)裝配圖(X軸和Z軸)，圖幅不小于A1；
5、主傳動(dòng)系統(tǒng)裝配圖一份，圖幅不小于A1；
6、控制系統(tǒng)圖一份(A1)及零件圖一份（A1）。
課題主要內(nèi)容及進(jìn)度
課題主要內(nèi)容：
1、根據(jù)課題要求，查詢相關(guān)資料，了解課題的背景，完成要求的文獻(xiàn)翻譯；
2、根據(jù)技術(shù)要求擬定總體設(shè)計(jì)方案，包括機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；
3、主要機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括重要的標(biāo)準(zhǔn)件（如鍵和軸承等），并繪制相應(yīng)的裝配圖、部件圖，且應(yīng)有相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算過程及數(shù)據(jù)；
4、挑選部分典型零件繪制相應(yīng)的零件圖，應(yīng)符合制圖和標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)的國家標(biāo)準(zhǔn)；
5、完成微機(jī)控制系統(tǒng)電路圖的設(shè)計(jì)和繪制,并應(yīng)編寫相應(yīng)的控制程序
6、撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書
工作進(jìn)度：
2012.12.10-12.17 收集、研究資料；
2012.12.18-12.31 開題，擬定總體設(shè)計(jì)方案；
2013.1.1-1.31 修改、完善開題報(bào)告；完成文獻(xiàn)翻譯；
2013.2.1-3.31 系統(tǒng)有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制總裝配圖
2013.4.1-4.10 繪制主要零件的零件圖
2013.4.11-4.20 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，繪制微機(jī)控制接線圖
2013.4.21-4.30 撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書
2013.5.1-5.10 修改及準(zhǔn)備答辯
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數(shù)控車床主傳動(dòng)及進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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上海電機(jī)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
課題名稱 車削中心主傳動(dòng)及進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué) 院 機(jī)械學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械電子工程
班 級(jí) BJ0908
學(xué) 號(hào) BJ090806
姓 名 孫自強(qiáng)
指導(dǎo)教師 周俊嫵
定稿日期： 2013 年3 月 1日
2
數(shù)控車床主傳動(dòng)及進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 選題目的及意義
數(shù)控機(jī)床是一種高科技的機(jī)電一體化產(chǎn)品,是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密測(cè)量及現(xiàn)在機(jī)械制造技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)控機(jī)床作為實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和未來工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)已成為現(xiàn)在制造技術(shù)中不可缺少的生產(chǎn)手段,是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。數(shù)控機(jī)床已成為現(xiàn)在機(jī)械制造業(yè)中的主要技術(shù)裝備。
機(jī)床是工業(yè)之母，它的技術(shù)含量的高低直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量的高低。隨著產(chǎn)品質(zhì)量的精密化、個(gè)性化，產(chǎn)品品種的多樣化，這對(duì)機(jī)床設(shè)備的要求越來越高！當(dāng)前我國正在大力發(fā)展先進(jìn)制造和振興裝備制造業(yè)，我們看到當(dāng)前在越來越多的企業(yè)采用數(shù)控設(shè)備，在此可見此題的時(shí)代意義！同時(shí)它涉及多門機(jī)械課程，可以說此次設(shè)計(jì)是對(duì)過去四年學(xué)習(xí)的檢驗(yàn)和提高！通過此次設(shè)計(jì)能夠提高個(gè)人的專業(yè)素質(zhì)和培養(yǎng)同學(xué)們的團(tuán)體協(xié)作精神！此次結(jié)合實(shí)際分工做主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我們知道此部分在整個(gè)系統(tǒng)中有著重要的作用，它的精確性、可靠性直接決定著數(shù)控車床的精確性、可靠性；同時(shí)此部分在設(shè)計(jì)過程中要求作者有著良好的專業(yè)功底和求實(shí)精神；總之此選題具有一定實(shí)際可操作性和實(shí)際意義！
2 （文獻(xiàn)綜述）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
20世紀(jì)50年代初第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，使制造技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了日新月異的局面。特別是近20年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和微電子技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)也發(fā)生了革命性的變化。數(shù)控技術(shù)正在朝著高精度、高速度、高柔性、高可靠性以及復(fù)合化的方向發(fā)展。當(dāng)前數(shù)控技術(shù)在德國和日本發(fā)展相當(dāng)順利，無論在理論還是實(shí)踐應(yīng)用都處于領(lǐng)先水平，然而我國比他們有相當(dāng)大的差距，國內(nèi)數(shù)控設(shè)備在很大程度上依賴國外進(jìn)口！不過經(jīng)過幾十年的努力我們已取得了一定的發(fā)展，據(jù)最新報(bào)道華中數(shù)控的技術(shù)在許多方面已與國外的差距縮小很多，可以預(yù)見只要我們堅(jiān)持自主創(chuàng)新、勇攀高峰的精神，我們一定能夠在此領(lǐng)域有一席之地的！
近年來，隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)也呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展趨勢(shì)、如主軸轉(zhuǎn)速的高速化、功能結(jié)構(gòu)的復(fù)合化和肉性化。在高速化的方面，采用了電主軸，又稱內(nèi)置式電動(dòng)機(jī)主軸單元，就是將高速電動(dòng)機(jī)置于機(jī)床主軸部件內(nèi)部，通過交流變頻控制系統(tǒng)，使主軸獲得所需要的工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、主軸一體化功能；另外，在復(fù)合化和肉性化方面，主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)生了很大的變化，數(shù)控車床由單主軸發(fā)展為雙主軸，在此基礎(chǔ)上增設(shè)附加控制軸——C軸，成為車削中心，并可配備刀庫和其他輔助功能。在車削中心基礎(chǔ)上增加自動(dòng)裝卸工件的機(jī)械手和更換卡盤裝置等，則成為適合于中小批量加工自動(dòng)化的車削肉性制造單元。由此可見，現(xiàn)代數(shù)控加工完全打破了傳統(tǒng)工藝規(guī)程規(guī)定，由機(jī)床單一化走向多元化、復(fù)合化。
3 研究?jī)?nèi)容
1.課題主要任務(wù)
2.總體設(shè)計(jì)方案擬定
3車削中心主傳動(dòng)及進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
交流伺服電機(jī)→帶傳動(dòng)→主軸（同軸安裝脈沖編碼器，安裝在主軸后面）
3.1.1交流伺服電機(jī)的計(jì)算與選型
3.1.2 同步帶的計(jì)算與選型
3.1.3主軸的主要尺寸計(jì)算
3.1.4主軸滾動(dòng)軸承的計(jì)算與選型
3.1.5主軸鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1.6潤(rùn)滑與密封
3.1.7脈沖編碼器的選擇
3.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)→帶傳動(dòng)→絲杠傳動(dòng)→螺母位移→工作臺(tái)位移
3.2.1 X軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1）滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型
2）直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型
3）同步帶的計(jì)算與選型
4）步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型
3.2.2 Y軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1）滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型
2）直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型
3）同步帶的計(jì)算與選型
4）步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型
3.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.3.1 總體方案設(shè)計(jì)
3.3.2 微機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源和控制器構(gòu)成了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
3.3.3 微機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制器控制驅(qū)動(dòng)器使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)工作臺(tái)工作。
4 研究方案
4.1 主傳動(dòng)
4.1.1 控制系統(tǒng)——單片機(jī)的選型
控制系統(tǒng)在此采用單片機(jī)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.它的體積小、質(zhì)量輕便于攜帶；
2.USB接口通訊及供電，通訊速度快，無需外接電源；
3.有電源狀態(tài)指示燈，可直觀了解編程器當(dāng)前狀態(tài)；
4.可靠性好，在制造芯片時(shí)將已開發(fā)好的程序?qū)懭隦OM, 用戶本身無法改變；
5.易于擴(kuò)展，芯片外部有許多供擴(kuò)展用的三總線以及并行、串行I/0管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)；
6.價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件
4.1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——交流伺服電機(jī)的選型
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在此采用交流伺服電機(jī)。
交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動(dòng)機(jī)一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)很快就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。 通入勵(lì)磁繞組及控制繞組的電流在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向就發(fā)生改變，電機(jī)的方向也發(fā)生改變。?同時(shí)交流伺服電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.無電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低。
2.定子繞組散熱比較方便。
3.慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。
4.同功率下有較小的體積和重量。
5.適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。
4.1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)——同步帶的選型
傳動(dòng)系統(tǒng)在此采用同步帶。
4.2 進(jìn)給傳動(dòng)
X軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)
4.2.1 控制系統(tǒng)——單片機(jī)的選型
控制系統(tǒng)同主傳動(dòng)，采用單片機(jī)
4.2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——步進(jìn)電機(jī)的選型
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同主傳動(dòng)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)
控制程序通過控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有快速啟停、高精度、能夠直接接受數(shù)字信號(hào)和不需要位移傳感器就可達(dá)到較精確定位等特點(diǎn)，因而在需要精確定位的場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)相對(duì)普通電機(jī)來說，他可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，即通過驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入端輸入的脈沖數(shù)量和頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的角度和速度控制，無需反饋信號(hào)。
4.2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)——同步帶、滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的選型
同步帶傳動(dòng)是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動(dòng)力。 傳輸用同步帶傳動(dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大，一般可達(dá)1:10。允許線速度可達(dá)50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98%，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，不需潤(rùn)滑，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所下正常工作。其作用：傳動(dòng)比準(zhǔn)確,傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果好。
滾珠絲杠螺母副由絲杠、螺母、滾珠和反向器（滾珠循環(huán)反向裝置）四部分組成。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋軌道滾動(dòng)，為防止?jié)L珠從滾珠道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置構(gòu)成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動(dòng)的閉合通道。其所起作用：將直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小，運(yùn)動(dòng)靈活；動(dòng)、靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動(dòng)阻力小，而不易產(chǎn)生爬行；可預(yù)緊，剛度高；壽命長(zhǎng)；精度高；潤(rùn)滑方便，可采用脂潤(rùn)滑，一次填裝，長(zhǎng)期使用；有專業(yè)長(zhǎng)生產(chǎn)，可以直接外購選用。其所起作用：起導(dǎo)向的作用。
傳動(dòng)系統(tǒng)采用同步帶、滾珠絲杠螺母副和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。因?yàn)闈L珠絲杠螺母副和線滾動(dòng)導(dǎo)軌副具有以下特點(diǎn)：
滾珠絲杠螺母副特點(diǎn)：
1）傳動(dòng)具有可逆性。
2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，摩擦力小，靈敏度高。
3）軸向剛度高、反向定位精度高。
4）摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，同步性好。
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副具有以下特點(diǎn)：
1）摩擦系數(shù)小
2）易爬行
3）動(dòng)效率高
4）構(gòu)緊湊，安裝預(yù)緊方便
4.3 Y軸進(jìn)給傳動(dòng)
4.3.1 控制系統(tǒng)——單片機(jī)的選型
控制系統(tǒng)同主傳動(dòng)，采用單片機(jī)
4.3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)——步進(jìn)電機(jī)的選型
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同主傳動(dòng)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)
4.3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)——同步帶、滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的選型
傳動(dòng)系統(tǒng)同X軸進(jìn)給傳動(dòng)，采用同步帶、滾珠絲杠螺母副和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副
4.4 控制部分
4.41總體方案設(shè)計(jì)
4.4.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源和控制器構(gòu)成了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
單片機(jī)→驅(qū)動(dòng)器→步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖
4.4.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
進(jìn)給系統(tǒng)流程圖
5 計(jì)劃進(jìn)度安排
2012年12月10日-12月17日 收集、研究資料；
2012年12月18日-12月31日 開題，擬定總體設(shè)計(jì)方案；
2013年1月1日-1月31日 修改、完善開題報(bào)告；完成文獻(xiàn)翻譯；
2013年2月1日-3月31日 系統(tǒng)有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制總裝配圖；
2013年4月1日-4月15日 繪制主要零件的零件圖；
2013年4月16日-4月30日 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，繪制微機(jī)控制接線圖；
2013年5月1日-5月20日 撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書；
2013年5月21日-5月25日 修改及準(zhǔn)備答辯；
6 參考文獻(xiàn)
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指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
開題答辯小組意見
1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實(shí)用價(jià)值；□意義不大。
2、論文的難度：□偏高；□適當(dāng)；□偏低。
3、論文的工作量：□偏大；□適當(dāng)；□偏小。
4、設(shè)計(jì)或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。
5、學(xué)生對(duì)文獻(xiàn)資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。
6、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的綜合能力和表達(dá)能力：
□好；□較好；□一般；□較差。
7、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的創(chuàng)新能力：
□好；□較好；□一般；□較差。
8、對(duì)論文選題報(bào)告的總體評(píng)價(jià)：□好；□較好；□一般；□較差
（在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號(hào)“√”）
建議結(jié)論
評(píng)議小組組長(zhǎng)簽名：
評(píng)議小組組員簽名：
年 月 日
上海電機(jī)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)
車削中心主傳動(dòng)及進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
作 者:
學(xué) 號(hào)：
學(xué)院(系):
專 業(yè):
指導(dǎo)者：
評(píng)閱者：
年 月
80
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要
隨著當(dāng)今工業(yè)設(shè)備對(duì)精密程度的要求越來越高，加工設(shè)備的機(jī)械加工設(shè)備的加工的精密程度也要求越來越高。而在中國的機(jī)械加工設(shè)備的車床中普通車床占了很大比例。這已經(jīng)越來越制約著當(dāng)今工業(yè)的發(fā)展。而數(shù)控機(jī)床由于價(jià)格昂貴，且需要較高技術(shù)的加工工人。所以對(duì)機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)化很是必要。本篇論文是在對(duì)普通臥式車床的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化。
在搜索、查閱研究大量有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和分析，并描述了機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。整個(gè)過程主要對(duì)車床縱、X向(橫向)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行，選用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，由脈沖發(fā)生器來加工所需要的螺紋。整個(gè)控制系統(tǒng)以SPCE061A型號(hào)的單片機(jī)為中心，通過編程對(duì)機(jī)床的驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行控制以達(dá)到所需要的加工程度。
關(guān)鍵詞： 機(jī)床 自動(dòng)化機(jī)床 控制系統(tǒng)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）外文摘要
Title General CNC transformation
Abstract
With the development of industry equipment, the precision required of industry equipment is more and more high. The more and more precision of equipment which machined the industry equipment is required. But in China the common lathe have a very great comparison in the machined equipment, this already restrict the development of industrial nowadays. But the CN lathe is more expensive, and needed workers with higher technically. So it is a necessity very much to modify the common lathe to lathes automatic. This paper is in the foundation of the commonness horizontal lather and modified it to Lathes automatic.
The author has performed the further research and for the lathes automatic modification on the basis of the constant consultation of abundant relative documents, which focuses on describing the design of control of the machine. The main to modify the lathe is to modify the portrait, horizontal enter to the system in the Whole modification process and choose the automatic knife rest and be processed the thread need by pulser. The whole control system with the CPU of SPCE061A is to control the machine for center, through a plait distance drive tool machine an equipments to carry on control to attain need of process degree.
Keywords Machinery Tool Reform Lathes automatic Servo system
目 錄
目 錄 2
第1章 緒論 5
1.1 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 5
1.1.1數(shù)控機(jī)床與發(fā)展趨勢(shì) 5
1.1.2數(shù)控技術(shù) 6
1.1.3數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 9
1.1.4數(shù)控技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的進(jìn)展 11
1.2數(shù)控的必要性 11
1.2.1機(jī)床與生產(chǎn)線數(shù)控化的市場(chǎng) 11
1.2.2機(jī)床數(shù)控化的必要性 12
1.3數(shù)控化的內(nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn) 13
1.4對(duì)我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略見解 15
1.4.1形勢(shì)考慮 15
1.5.2發(fā)展策略 15
1.5本文的選題及主要研究?jī)?nèi)容 16
1.5.1本文的選題 16
1.5.2主要研究?jī)?nèi)容 16
第2章 車床數(shù)控設(shè)計(jì)步驟 17
2.1 車床的數(shù)控概述 17
2.1.1數(shù)控機(jī)床工作原理及組成 17
2.1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù) 18
2.1.3 數(shù)控部分的設(shè)計(jì) 18
2.1.4機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 19
2.2 可行性論證 19
第3章 數(shù)控方案確定 20
3.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 20
3.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 20
3.3 機(jī)械傳動(dòng)方式 21
3.4 運(yùn)動(dòng)方式的確定 21
3.5 系統(tǒng)的選擇 21
3.6 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定 21
3.7 微機(jī)的選擇 21
3.8 總體方案框圖 21
第4章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算(含電機(jī)計(jì)算與選擇) 22
4.1 X向(橫向)進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與校核實(shí)例 22
4.1.1 計(jì)算切削力 22
4.1.2 滾珠絲桿螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型 23
4.1.3 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 26
4.1.4 X向(橫向)直流伺服電機(jī)的計(jì)算，校核和選型 27
5.2Z向(縱向)進(jìn)給伺服系機(jī)械部分計(jì)算與校核 33
5.2.1 計(jì)算切削力 33
5.2.2 絲桿螺母副的計(jì)算和造型 33
5.2.3 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 37
5.2.4 直流伺服電機(jī)的計(jì)算和選型 38
第5章 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 42
5.1車床主參數(shù)和基本參數(shù) 42
5.2擬定參數(shù)的步驟和方法 42
5.2.1 極限切削速度Vmax、Vmin 42
5.2.2 主軸的極限轉(zhuǎn)速 43
5.2.3 主電機(jī)功率——?jiǎng)恿?shù)的確定 43
5.2.4確定結(jié)構(gòu)式 44
5.2.5確定結(jié)構(gòu)網(wǎng) 44
5.2.6繪制轉(zhuǎn)速圖和傳動(dòng)系統(tǒng)圖 45
5.3 確定各變速組此論傳動(dòng)副齒數(shù) 46
5.4 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 47
5.5 計(jì)算轉(zhuǎn)速的計(jì)算 48
5.6 齒輪模數(shù)計(jì)算及驗(yàn)算 49
5.7 傳動(dòng)軸最小軸徑的初定 53
第6章 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 54
6.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 54
6.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 56
6.3 總體程序控制 59
6.3.1流程圖 59
6.3.2主程序 59
6.4 鍵盤設(shè)計(jì) 61
6.4.1鍵盤定義及功能 61
6.4.2 鍵盤程序設(shè)計(jì) 61
6.5 顯示器設(shè)計(jì) 66
6.5.1顯示器顯示方式的選用 66
6.5.2顯示器接口 67
6.5.3 8155擴(kuò)展I/O端口的初始化 67
6.6 車床數(shù)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 68
6.6.1 直線插補(bǔ)程序設(shè)計(jì) 68
6.6.2 圓弧插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì) 71
6.7 光電隔離電路 76
總結(jié)與展望 78
參考文獻(xiàn) 79
致 謝 80
第1章 緒論
1.1 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
1.1.1數(shù)控機(jī)床與發(fā)展趨勢(shì)
（1）數(shù)控機(jī)床：1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。
6年后，即在1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。
①數(shù)控（NC）階段（1952～1970年）
早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡(jiǎn)稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段歷經(jīng)了三代，即1952年的第一代--電子管；1959年的第二代--晶體管；1965年的第三代--小規(guī)模集成電路。
②計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970年～現(xiàn)在）
到1970年，通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（把計(jì)算機(jī)前面應(yīng)有的"通用"兩個(gè)字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件--運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡(jiǎn)稱CPU）。
到1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺(tái)機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺(tái)機(jī)床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時(shí)的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計(jì)算機(jī)的核心部件，故仍稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控。
到了1990年，PC機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)，國內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī)）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的階段。
總之，計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代--小型計(jì)算機(jī)；1974年的第五代--微處理器和1990年的第六代--基于PC（國外稱為PC-BASED）。
還要指出的是，雖然國外早已改稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習(xí)慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的"數(shù)控"，實(shí)質(zhì)上已是指"計(jì)算機(jī)數(shù)控"了。
1.1.2數(shù)控技術(shù)
隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息、自動(dòng)控制、精密檢測(cè)及機(jī)械制造技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)床數(shù)控技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。近幾年一些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，如刀具及新材料的發(fā)展，主軸伺服和進(jìn)給伺服、超高速切削等技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高等，加速了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。目前數(shù)控機(jī)床正朝著高速度、高精度、高工序集中度、高復(fù)合化和高可靠性等方向發(fā)展。世界數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
① 高速高效高精度
高生產(chǎn)率。由于數(shù)控裝置及伺服系統(tǒng)功能的改進(jìn)，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度大大提高，減少了切削時(shí)間和非切削時(shí)間。加工中心的進(jìn)給速度已達(dá)到80m/min～120m/min，進(jìn)給加速度達(dá)9.8m/s2～19.6m/s2，換刀時(shí)間小于1s。高加工精度。以前汽車零件精度的數(shù)量級(jí)通常為10 μm，對(duì)精密零件要求為1 μm，隨著精密產(chǎn)品的出現(xiàn)，對(duì)精度要求提高到0.1 μm，有些零件甚至已達(dá)到0.01 μm，高精密零件要求提高機(jī)床加工精度，包括采用溫度補(bǔ)償?shù)?。微機(jī)電加工，其加工零件尺寸大小一般在1mm 以下，表面粗糙度為納米數(shù)量級(jí)，要求數(shù)控系統(tǒng)能直接控制納米機(jī)床。
②柔性化
柔性化包括兩個(gè)方面的柔性：一是數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，功能覆蓋面大，便于不同用戶的需求；二是DNC 系統(tǒng)的柔性，同一DNC系統(tǒng)能夠依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮DNC 系統(tǒng)的效能。
③工藝復(fù)合化和多軸化
數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化，是指工件在一臺(tái)機(jī)床上裝夾后，通過自動(dòng)換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。已經(jīng)出現(xiàn)了集鉆、鏜、銑功能于一身的數(shù)控機(jī)床，可完成鉆、鏜、銑、擴(kuò)孔、鉸孔、攻螺紋等多工序的復(fù)合數(shù)控加工中心，以及車削加工中心，鉆削、磨削加工中心，電火花加工中心等。此外數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步也提供了多軸控制和多軸聯(lián)動(dòng)控制功能。
④ 實(shí)時(shí)智能化
早期的實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常針對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能，則試圖用計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)人類的各種智能行為?？茖W(xué)發(fā)展到今天，實(shí)時(shí)系統(tǒng)與人工智能已實(shí)現(xiàn)相互結(jié)合，人工智能正向著具有實(shí)時(shí)響應(yīng)的更加復(fù)雜的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，由此產(chǎn)生了實(shí)時(shí)智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)時(shí)智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個(gè)主要分支發(fā)展，如自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等。例如，在數(shù)控系統(tǒng)中配置編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動(dòng)設(shè)定和刀具自動(dòng)管理及補(bǔ)償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；在高速加工時(shí)的綜合運(yùn)動(dòng)控制中引入提前預(yù)測(cè)和預(yù)算功能、動(dòng)態(tài)前饋功能；在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達(dá)到最佳控制的目的。
⑤ 結(jié)構(gòu)新型化
20 世紀(jì)90 年代一種完全不同于原來數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的新型數(shù)控機(jī)床被開發(fā)成功。這種新型數(shù)控機(jī)床被稱為“6條腿”的加工中心或稱虛擬軸機(jī)床(有的還稱為并聯(lián)機(jī)床)，它能在沒有任何導(dǎo)軌和滑臺(tái)的情況下，采用能夠伸縮的“6條腿”(伺服軸)支撐并聯(lián)，并與安裝主軸頭的上平臺(tái)和安裝工件的下平臺(tái)相連。它可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度、加工效率較普通加工中心高2～10 倍。這種數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)將給數(shù)控機(jī)床技術(shù)帶來重大變革和創(chuàng)新。
⑥ 編程技術(shù)自動(dòng)化
隨著數(shù)控加工技術(shù)的迅速發(fā)展，設(shè)備類型的增多，零件品種的增加以及零件形狀的日益復(fù)雜，迫切需要速度快、精度高的編程，以便于對(duì)加工過程的直觀檢查。為彌補(bǔ)手工編程和NC 語言編程的不足，近年來開發(fā)出多種自動(dòng)編程系統(tǒng)，如圖形交互式編程系統(tǒng)、數(shù)字化自動(dòng)編程系統(tǒng)、會(huì)話式自動(dòng)編程系統(tǒng)、語音數(shù)控編程系統(tǒng)等，其中圖形交互式編程系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。圖形交互式編程系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件為基礎(chǔ)，首先形成零件的圖形文件，然后再調(diào)用數(shù)控編程模塊，自動(dòng)編制加工程序，同時(shí)可動(dòng)態(tài)顯示刀具的加工軌跡。其特點(diǎn)是速度快、精度高、直觀性好、使用簡(jiǎn)便，已成為國內(nèi)外先進(jìn)的CAD/CAM 軟件所采用的數(shù)控編程方法。目前常用的圖形交互式軟件有Master CAM、Cimatron、Pro/E、UG、CAXA、Solid Works、CATIA等。
⑦ 集成化
數(shù)控系統(tǒng)采用高度集成化芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟、硬件運(yùn)行速度，應(yīng)用平板顯示技術(shù)可提高顯示器性能。平板顯示器(FPD)具有科技含量高、質(zhì)量小、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模顯示，成為與CRT 顯示器抗衡的新興顯示器，是21 世紀(jì)顯示器主流。它應(yīng)用先進(jìn)封裝和互連技術(shù)，將半導(dǎo)體和表面安裝技術(shù)融于一體,通過提高集成電路密度，減小互連長(zhǎng)度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價(jià)格、改進(jìn)性能、減小組件尺寸、提高系統(tǒng)的可靠性。
⑧ 開放式閉環(huán)控制模式
采用通用計(jì)算機(jī)組成的總線式、模塊化、開放、嵌入式體系結(jié)構(gòu)，便于裁減、擴(kuò)展和升級(jí)，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數(shù)控系統(tǒng)。閉環(huán)控制模式是針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)僅有的專用型封閉式開環(huán)控制模式提出的。由于制造過程是一個(gè)有多變量控制和加工工藝綜合作用的復(fù)雜過程，包括諸如加工尺寸、形狀、振動(dòng)、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此，要實(shí)現(xiàn)加工過程的多目標(biāo)優(yōu)化，必須采用多變量的閉環(huán)控制，在實(shí)時(shí)加工過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整加工過程變量。在加工過程中采用開放式通用型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式，易于將計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)智能技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理及動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，構(gòu)成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系，從而實(shí)現(xiàn)集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。
1.1.3數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
（1）數(shù)控技術(shù)裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)(如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè))的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟(jì)時(shí)代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動(dòng)資料生產(chǎn)”。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國實(shí)行封鎖和限制政策。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)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域:(1)機(jī)械制造技術(shù);(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù);(3)自動(dòng)控制技術(shù);(4)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù):(5)傳感器技術(shù):(6)軟件技術(shù)等。
（2）數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對(duì)國計(jì)民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。
①高速、高精加工技術(shù)是裝備的新趨勢(shì)
效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)將其確定21世紀(jì)的中心研究方向之一。
在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)問題之一;在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對(duì)這些筋、壁進(jìn)行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個(gè)零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對(duì)加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
目前高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá)80m/min，甚至更高，空運(yùn)行速度可達(dá)100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，己經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。美國CINCINNAT工公司的HyperMach機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá)60m/min，快速為100m/min，加速度達(dá)2g，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)60000r/min。加工一薄壁飛機(jī)零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h;德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達(dá)12000r/mm
在加工精度方面，近10年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由l0um提高到5} m，精密級(jí)加工中心則從3}5um，提高到1一1.5}m，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)。
在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值己達(dá)6000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到
了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。
②智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)
21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成;為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等;簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等;還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
③數(shù)控設(shè)備更注重安全性、操作性
數(shù)控設(shè)備是集機(jī)電一體化的產(chǎn)品，由于其自動(dòng)化程度高，所以對(duì)其安全性和可操作性有了更高的要求。
1.1.4數(shù)控技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的進(jìn)展
近年來我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多
的使用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。
2001年國內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá)1. 8萬臺(tái)，比上年增長(zhǎng)28. 5%，機(jī)床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率從2000年的17. 4%提高到2001年的22. 7%。
2001年，我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值己進(jìn)入世界第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界
排名上升到第3位，達(dá)47. 39億美元，僅次于美國的53. 67億美元，消費(fèi)
額比上一年增長(zhǎng)25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場(chǎng)的需求，使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢(shì)，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)24. 06億美元，比上年增長(zhǎng)27％。
近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。
1.2數(shù)控的必要性
1.2.1機(jī)床與生產(chǎn)線數(shù)控化的市場(chǎng)
（1）機(jī)床數(shù)控化的市場(chǎng)
我國目前機(jī)床總量380余萬臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺(tái)，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺(tái)，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。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）。可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。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、供貨期長(zhǎng)，從而在國際、國內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。
（2）進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化市場(chǎng)
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)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1979～1988年10年間，全國引進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目就有18446項(xiàng)，大約165.8億美元。
這些項(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。但是有的引進(jìn)項(xiàng)目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。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(zhǎng)時(shí)間，需要進(jìn)行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財(cái)富，反而消耗著財(cái)富。
這些不能使用的設(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。只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn)，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭(zhēng)取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這也是一個(gè)極大的市場(chǎng)。
1.2.2機(jī)床數(shù)控化的必要性
（1）微觀看的必要性
從微觀上看，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(zhǎng)時(shí)間無人看管加工。
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(duì)市場(chǎng)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)。
（2）宏觀看的必要性
從宏觀上看，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(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)。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(duì)國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入（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(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)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1.9％，而日本在1994年已達(dá)20.8％，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)控化的必要性。
1.3數(shù)控化的內(nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn)
（1）國外業(yè)的興起
在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們的機(jī)床作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床是個(gè)"永恒"的課題。我國的機(jī)床業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場(chǎng)，已形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控的新的行業(yè)。在美國，機(jī)床業(yè)稱為機(jī)床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機(jī)床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務(wù)集團(tuán)、US設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機(jī)床業(yè)稱為機(jī)床改裝（Retrofitting）業(yè)。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。
（2）數(shù)控化的內(nèi)容
機(jī)床與生產(chǎn)線的數(shù)控化主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：
其一是恢復(fù)原功能，對(duì)機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)；
其二是NC化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，成NC機(jī)床、CNC機(jī)床；
其三是翻新，為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，對(duì)機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對(duì)機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對(duì)其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進(jìn)行更新；
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。
（3）數(shù)控中主要機(jī)械部件改裝探討
一臺(tái)新的數(shù)控機(jī)床，在設(shè)計(jì)上要達(dá)到：有高的靜動(dòng)態(tài)剛度；運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)無間隙；功率大；便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控時(shí)應(yīng)盡量達(dá)到上述要求。不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對(duì)主要部件進(jìn)行相應(yīng)的使其達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求，才能獲得預(yù)期的目的。
①滑動(dòng)導(dǎo)軌副
對(duì)數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時(shí)要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對(duì)加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤(rùn)滑。
②齒輪副
一般機(jī)床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動(dòng)精度，數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等級(jí)都比普通機(jī)床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無間隙傳動(dòng)，因而時(shí)，機(jī)床主要齒輪必須滿足數(shù)控機(jī)床的要求，以保證機(jī)床加工精度。
③滑動(dòng)絲杠與滾珠絲杠
絲杠傳動(dòng)直接關(guān)系到傳動(dòng)鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動(dòng)扭矩要求。被加工件精度要求不高時(shí)可采用滑動(dòng)絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計(jì)誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動(dòng)絲杠應(yīng)不低于6級(jí)，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動(dòng)絲杠相對(duì)滾珠絲杠價(jià)格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。
滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動(dòng)效率可在90%以上；精度高，壽命長(zhǎng)；啟動(dòng)力矩和運(yùn)動(dòng)時(shí)力矩相接近，可以降低電機(jī)啟動(dòng)力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。
④安全防護(hù)
必須以安全為前提。在機(jī)床中要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時(shí)要嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn)入滾道。在Z向(縱向)絲杠上也可加整體鐵板防護(hù)罩。大拖板與滑動(dòng)導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對(duì)防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動(dòng)面損傷導(dǎo)軌。
1.4對(duì)我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略見解
1.4.1形勢(shì)考慮
我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè)將進(jìn)一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場(chǎng)為代價(jià)，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會(huì)嚴(yán)重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。
我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會(huì)安全看，因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會(huì)的穩(wěn)定;其次從國防安全看，西方發(fā)達(dá)國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對(duì)我國實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制，“東芝事件”和“考克斯報(bào)告”就是最好的例證。
1.5.2發(fā)展策略
從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。
強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機(jī)(如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、典型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等)帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件(數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等)的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)格低廉而富有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品;當(dāng)然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。
在高精尖裝備研發(fā)方面，要強(qiáng)調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標(biāo)，按國家意志實(shí)施攻關(guān)，以解決國家之急需。
在競(jìng)爭(zhēng)前數(shù)控技術(shù)方面，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)研究開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個(gè)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
1.5本文的選題及主要研究?jī)?nèi)容
1.5.1本文的選題
用普通臥式車床去加工有時(shí)一個(gè)人加工的東西都會(huì)誤差很大，這樣給所造設(shè)備帶來很多的小問題。而如果要新買一臺(tái)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，二是建材廠沒有工人精通數(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。
所以設(shè)想決定對(duì)其數(shù)控，的同時(shí)讓操作人員一直在旁邊學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)怎么改裝，怎么安裝，并講解如何使用。
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(tái)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。
1.5.2主要研究?jī)?nèi)容
采用開環(huán)控制，主傳動(dòng)由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給傳動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；微機(jī)控制，最大加工直徑為600mm；
主軸的轉(zhuǎn)速范圍為50～4000轉(zhuǎn)/min，最大切削功率為6KW,
X軸方向的脈沖當(dāng)量為0.003mm/脈沖，最大切削阻力為2000N；
Z軸方向的脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，最大切削阻力為2500N；
X軸的行程為350mm，X軸的最快移動(dòng)速度為2000mm/min；
Z軸的行程為500mm，Z軸的最快移動(dòng)速度為3000mm/min。
課題工作量要求：1、設(shè)計(jì)說明書一份（不少有1.5W字）；
2、英文資料翻譯2萬個(gè)英文字符；
3、圖紙的總工作量不少于2張A0圖紙；
4、進(jìn)給系統(tǒng)裝配圖(X軸和Z軸)，圖幅不小于A1；
5、主傳動(dòng)系統(tǒng)裝配圖一份，圖幅不小于A1；
6、控制系統(tǒng)圖一份(A1)及零件圖一份（A1）。
第2章 車床數(shù)控設(shè)計(jì)步驟
對(duì)于車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控，在考慮總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)遵循的原則是：在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)機(jī)床的改動(dòng)應(yīng)盡可能的少，以降低成本。
2.1 車床的數(shù)控概述
2.1.1數(shù)控機(jī)床工作原理及組成
(1) 數(shù)控機(jī)床工作原理：
數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，首先應(yīng)編制零件的加工程序，這是數(shù)控機(jī)床的工作指令。將加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變化、起停，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向、速度和位移量以及其它如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤(rùn)滑的開、關(guān)等動(dòng)作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴(yán)格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出符合要求的零件。
(2) 數(shù)控機(jī)床的組成：
數(shù)控機(jī)床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等四部分組成，其組成框圖如圖2-1
圖2-1數(shù)控機(jī)床的組成圖
2.1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)
普通車床的數(shù)控設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：總體方案的確定和驗(yàn)證、機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算（包括Z向(縱向)、X向(橫向)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算）、主運(yùn)動(dòng)自動(dòng)變速原理及后的機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)、機(jī)床調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)。
本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì)臥式車床進(jìn)行數(shù)控化，實(shí)現(xiàn)微機(jī)對(duì)車床的數(shù)控化控制。利用微機(jī)對(duì)車床的Z向(縱向)、X向(橫向)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字控制，并要達(dá)到Z向(縱向)最小運(yùn)動(dòng)單位為0.01/脈沖，X向(橫向)最小運(yùn)動(dòng)單位0.005/脈沖，主運(yùn)動(dòng)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速，刀架要成自動(dòng)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，要能自動(dòng)的切削螺紋。
2.1.3 數(shù)控部分的設(shè)計(jì)
(1) 數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按其運(yùn)動(dòng)軌跡可分為：點(diǎn)位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點(diǎn)位控制系統(tǒng)只要求控制刀具從一點(diǎn)移到另外一點(diǎn)的位置，而對(duì)于運(yùn)動(dòng)軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)方向的位移進(jìn)行嚴(yán)格的不間斷的控制。由于車床要加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。
(2)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)按有無位置檢測(cè)和反饋可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
閉環(huán)控制方案的優(yōu)點(diǎn)是可以達(dá)到高的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾對(duì)加工精度的影響。但他結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、調(diào)式和維修困難、造價(jià)高。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調(diào)速范圍寬，過載能力強(qiáng)，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于以直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其調(diào)式比開環(huán)要復(fù)雜，設(shè)計(jì)上也要有其自身的特點(diǎn)，技術(shù)難度較大。
開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有位置控制器及反饋線路，因此開環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整，所以常用于精度要求不高的場(chǎng)合。
經(jīng)過上序比較，由于所的車床的目標(biāo)加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。
(3) 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)
數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。
數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)方案通常有：
a) 可以全部自己設(shè)計(jì)制作
a) 可以采用單板機(jī)或STD模塊或工控機(jī)改制
b) 可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應(yīng)化改動(dòng)
跟據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求采用第一種設(shè)計(jì)方案。
2.1.4機(jī)械部分的設(shè)計(jì)
(1) 主傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)
將原機(jī)床的主軸電動(dòng)機(jī)換成變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，無級(jí)調(diào)速部分由變頻器控制。將原機(jī)床的主軸手動(dòng)變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機(jī)構(gòu)。后使其主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離，主軸電動(dòng)機(jī)的作用只是帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。
(2) 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的
將原機(jī)床的掛輪機(jī)構(gòu)、進(jìn)給箱、溜板箱、滑動(dòng)絲杠、光杠等全部拆除。Z向(縱向)、X向(橫向)進(jìn)給以直流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動(dòng)。
2.2 可行性論證
根據(jù)《自動(dòng)化制造系統(tǒng)》，可行性論證使用戶建造自動(dòng)化制造系統(tǒng)項(xiàng)目前所進(jìn)行的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析報(bào)告，是上級(jí)主管部門審定和批準(zhǔn)立項(xiàng)的基本依據(jù)。同樣，在進(jìn)行普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控之前進(jìn)行合理的、科學(xué)的可行性論證是必要的。
根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法，普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行，即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)，的基礎(chǔ)條件、目標(biāo)、技術(shù)方案、投資概算、效益分析，后車床的實(shí)施計(jì)劃，結(jié)論等。
由于本設(shè)計(jì)僅作為大學(xué)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，故在此，設(shè)計(jì)者僅對(duì)的投資概算作一簡(jiǎn)要的可行性論證。
本設(shè)計(jì)是對(duì)普通車床進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控。在設(shè)計(jì)中，采用自己設(shè)置的數(shù)控裝置，加上兩臺(tái)伺服電機(jī)，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動(dòng)部分以及齒輪副，一臺(tái)變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，四個(gè)電磁離合器以及主傳動(dòng)部分的齒輪副。這樣設(shè)備費(fèi)用和舊設(shè)備費(fèi)用總計(jì)不會(huì)超過8萬元。因此，對(duì)普通車床作經(jīng)濟(jì)型數(shù)控適合我國國情，是國內(nèi)企業(yè)提高車床的自動(dòng)化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實(shí)用性。
第3章 數(shù)控方案確定
3.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇
由于后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順圓和逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工公英螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用直流伺服電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
3.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
根據(jù)機(jī)床要求，采用16位單片機(jī)。選擇市場(chǎng)上常用的SPCE061A單片機(jī)。
由SPCE061A 是繼μ’nSP?（Microcontroller and Signal Processor）系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽 點(diǎn)擊此處添加圖片說明科技推出的又一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試 等功能，SPCE061A里只內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH）。較高的處理速度使μ’nSP?能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。因此，與 SPCE500A相比，以μ’nSP?為核心的SPCE061A微控制器是適用于數(shù)字語音識(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟(jì)的選擇?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光隔離電路、直流伺服電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。
3.3 機(jī)械傳動(dòng)方式
為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用直流伺服電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲桿。為了保證一定的傳動(dòng)精度跟平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。
3.4 運(yùn)動(dòng)方式的確定
數(shù)按系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。由于車床要加工復(fù)雜輪廓零件，所以本次設(shè)計(jì)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。
3.5 系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)過比較，由于車床加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。
3.6 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定
為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出低摩、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
(1) 盡量采用低磨擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。
(2) 盡量消除傳動(dòng)間隙。例如采用隙齒輪等。
(3) 提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負(fù)載導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。
3.7 微機(jī)的選擇
微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、I/O接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路等幾部分組成。
3.8 總體方案框圖
為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲桿，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)總體方案框圖如下：
圖3-1總體方案框圖
第4章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算(含電機(jī)計(jì)算與選擇)
4.1 X向(橫向)進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與校核實(shí)例
4.1.1 計(jì)算切削力
X軸方向的脈沖當(dāng)量為0.003mm/脈沖，最大切削阻力為2000N；
橫切端面: 查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P13頁
式中——車床床身上加工最大直徑橫切端面時(shí)主切削力可取縱切時(shí)的
式中 ——走刀方向的切削力（N）
——垂直走刀方向的切削力（N）
4.1.2 滾珠絲桿螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型
(1) 計(jì)算牽引力
X向(橫向)進(jìn)給選為三角型或綜合導(dǎo)軌 參考《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).2》6.2-2；6.2-3表
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P22頁
式中：，，——切削分力（Ｎ）
G——移動(dòng)部件的重量（N） 表1-1查得X向(橫向)溜板及刀架重力500N
——滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式而不同 取=0.15-0.18
K——考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) 取K=1.15
(2) 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C
選用滾珠絲桿導(dǎo)軌 參考《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).3》P185-P210
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P22頁
式中：L——壽命，以轉(zhuǎn)為一單位
n ——絲桿轉(zhuǎn)速（r/min）
——為最大切削條件下進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2-1/3
取
——絲桿導(dǎo)程（mm） 初選=6mm
T——為使用壽命（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)床取15000h
——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，查表3-14一般取1.2-1.5
(3) 螺母副的選型
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》附表Ａ-2，可采用WD3006外循環(huán)墊片調(diào)整緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動(dòng)負(fù)載為9700N,精度等級(jí)按表3-17選為３級(jí)。
(4) 傳動(dòng)效率計(jì)算
式中：——螺旋升角，WD3006
——摩擦角取 滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.003-0.004
(5) 剛度驗(yàn)算
X向(橫向)進(jìn)給絲桿支承方式圖２所示，最大牽引力2087.98N,支承間距Ｌ＝350mm，因絲桿長(zhǎng)度較短，不需預(yù)緊螺母及軸承預(yù)緊。
圖4-2
計(jì)算如下:
a) 絲桿的拉伸或壓縮變形量(mm)
b) 查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖3-4,根據(jù)＝2087.98N,D=30mm查出 可算出：
c) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量
查圖3-5得Ｗ系列１列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量
因進(jìn)行了預(yù)緊
d) 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形
采用推力球軸承5204查閱《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).２》表5.9-137,d=20mm,滾動(dòng)體直徑=5.556mm,數(shù)量Z=13
綜合以上幾項(xiàng)變形量之和：
〈定位精度>
(6) 穩(wěn)定性校核
計(jì)算臨界負(fù)載(N)
式中:E——材料彈性模量()
I ——截面慣性矩()
L——絲桿兩軸承端距離(cm)
——絲桿支承方式系數(shù)，從表3.15中查出，一端固定，一端簡(jiǎn)支為2.00
一般=2.5-4.0,所以>>
此滾珠絲桿不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。
(7) X向(橫向)滾珠絲桿副的幾何參數(shù) (見表1)
表1
參數(shù)名稱
符號(hào)
關(guān)系式
WD3006
螺
紋
滾
道
公稱直徑
30
導(dǎo)程
6
接觸角
鋼球直徑
3.175
滾道法面半徑
R
1.651
偏心距
e
0.045
螺紋升角
螺
桿
外徑
d
29.365
內(nèi)徑
26.788
接觸直徑
26.83
螺
母
螺紋直徑
D
34.112
內(nèi)徑
30.635
4.1.3 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算
已確定X向(橫向)脈沖當(dāng)量，滾珠直徑導(dǎo)程=6mm,
初選直流伺服電動(dòng)機(jī)步距角可計(jì)算傳動(dòng)比:
考慮到結(jié)構(gòu)上的原因不使大齒輪直徑太大，以免影響到X向(橫向)溜板有行程，故此處可采用兩級(jí)齒輪降速。
因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)````取2，有關(guān)參數(shù)參照表2
表2: 傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù)
齒數(shù)
Z
18
45
20
32
分度圓
d=mz
36
90
40
64
齒頂圓
40
94
44
68
齒根圓
31
85
35
59
齒寬
(6-10)m
20
中心距
63
52
4.1.4 X向(橫向)直流伺服電機(jī)的計(jì)算，校核和選型
(1) 初選直流伺服電機(jī)
a) 計(jì)算直流伺服電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P22頁
式中: ——脈沖當(dāng)量，取
——進(jìn)給牽引力(N)
——步距角，初選雙拍制為
——電機(jī)—絲桿傳動(dòng)效率為齒輪、軸承、絲桿效率之積分別為
b) 估算直流伺服電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩除以一定的安全系數(shù)來估算直流伺服電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(N.cm)
一般X向(橫向)進(jìn)給伺服系統(tǒng)取0.4-0.5
c) 計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩
查表3-22如取五相十拍，則
d) 計(jì)算直流伺服電機(jī)運(yùn)行頻率和最高啟動(dòng)頻率
式中:——最大切削進(jìn)給速度
——最大快移速度
——脈沖當(dāng)量，取
根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩在表3-23中查出150BFG2815最大靜轉(zhuǎn)矩為245N.cm >可以滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床有可能使用較大的切削用量，應(yīng)該選用稍大轉(zhuǎn)矩的直流伺服電機(jī)，以留有一定余量，另一方面與國內(nèi)同類型機(jī)床進(jìn)行類
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