490 機(jī)床C616型普通車床改造為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床

490 機(jī)床C616型普通車床改造為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床,機(jī)床,c616,普通,車床,改造,經(jīng)濟(jì)型,數(shù)控車床 C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)71 概 論1.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史1946 年誕生了世界上第一臺電子計(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的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會奠定了基礎(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。近半個世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。1.2 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床狀況分析1.2.1 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀近年來我國企業(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)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以 FMS 模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001 年，我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(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 25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場的需求，使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢，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 27.3%。 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)控成形折彎機(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。 1.2.2 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) ：(1) 新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位。 (2) 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。 2001 年國內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá) 1.8 萬臺，比上年增長 28.5%。金切機(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%。 (3) 數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。 1.3 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1.3.1 繼續(xù)向開放式、基于 PC 的第六代方向發(fā)展基于 PC 所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用 PC 機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC 機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。1.3.2 向高速化和高精度化發(fā)展這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。1.3.3 向智能化方向發(fā)展隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。(1)應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。(2) 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。(3) 引入故障診斷專家系統(tǒng)(4) 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置可以通過自動識別負(fù)載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)81.4 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性1.4.1 微觀看改造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。(1) 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，可以瞬時準(zhǔn)確地計(jì)算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。(2) 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 37 倍。由于計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了柔性自動化 。(3) 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。(4) 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)。(5) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時間無人看管加工。(6) 由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機(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。1.4.2 宏觀看改造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。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 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)控化改造的必要性。數(shù)控化改造的市場空間機(jī)床的數(shù)控化改造是一個方興未艾的行業(yè)，從各種統(tǒng)計(jì)數(shù)字上看前途應(yīng)該是十分光明的，例如：在美國，日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們的機(jī)床改造能作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機(jī)床以及數(shù)控技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是一個永恒 的課題。我國的機(jī)床改造業(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)所以不難看出：(1) 國內(nèi)的市場我國目前機(jī)床總量 380 余萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 11.34 萬臺，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 0.60.8 萬臺，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/半自動機(jī)床不到 20，F(xiàn)MC/FMS 等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機(jī)床占 60以上） ?？梢娢覀兊拇蠖鄶?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，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、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。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從 19791988 年 10 年間，全國引進(jìn)技術(shù)改造項(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。C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)9一些設(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)，爭取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。機(jī)床改造的效益分析提高機(jī)床數(shù)控化效率有兩個途徑：一是購買新的數(shù)控機(jī)床；二是對舊的機(jī)床進(jìn)行改造而對于一個機(jī)床擁有量大，經(jīng)濟(jì)財(cái)力又不足的發(fā)展中國家來說，采用舊機(jī)床改造來提高設(shè)備的先進(jìn)性和數(shù)控化率是一個極其有效和使用的途徑，采用第二種方法有以下的優(yōu)點(diǎn)：a) 減少了投資和交貨的期限 同購置新的數(shù)控機(jī)床相比，一般可以節(jié)省 60%到 80%的費(fèi)用，改造的費(fèi)用大大減低。b) 機(jī)械的穩(wěn)定性可靠 機(jī)床的床身，立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄鐵構(gòu)件，而鑄件越久自然失效充分，內(nèi)應(yīng)力的消除使得比新的鑄件更穩(wěn)定，這些鑄件的使用又可以節(jié)約社會資源，又減少了鑄鐵件生產(chǎn)時對環(huán)境的污染。c) 熟悉了解設(shè)備結(jié)構(gòu)性能，便于操作維修，購買的新設(shè)備，事先很難前面了解機(jī)床的結(jié)構(gòu)性能，以至很難預(yù)算是否完全適合加工要求，而改造則完全可以避免這種情況，并且大大縮短了對數(shù)控機(jī)床在使用和維修方面的培訓(xùn)時間，機(jī)床一旦改裝完成，很快就可以投入使用，見效較快。d) 可以充分利用現(xiàn)有的條件 可以充分利用現(xiàn)有的地基，不必像購新機(jī)時重新構(gòu)筑新基，同時工夾具、樣板和外設(shè)備也可以在利用。e) 可更好的因地制宜合理篩選功能 購買現(xiàn)成的通用型機(jī)床，往往對一個具體的生產(chǎn)加工有一些多余的功能，又可能缺少某一個專用的特殊功能，如向機(jī)床制造廠提出特殊定貨要求，增加某些特殊的加工要求，往往費(fèi)用大，交貨的日期又長。而采用改造方案就可以根據(jù)生產(chǎn)加工要求，采用組合的方法再某些部件設(shè)計(jì)改造成專用的數(shù)控機(jī)床。f)可及時采用最新技術(shù)，充分利用社會資源 由于技術(shù)進(jìn)步和我國機(jī)床功能部件專業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，目前已有眾多的疏忽資源支持機(jī)床方面的改造 ，如隨意采購各種尺寸的滾珠絲杠副，且交貨期短；采用貼塑導(dǎo)軌新技術(shù)，可使傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)降低五至十幾倍來防止爬行，還可以使得刮研極容易，等等例子說明有一大批社會資源，可根據(jù)技術(shù)更新的發(fā)展速度，及時地采用最新技術(shù)來提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)場改造成當(dāng)今水平的機(jī)床。C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)102 普通車床數(shù)控改造的可行性論證對于普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在考慮總體設(shè)計(jì)方案時，應(yīng)遵循的原則是：在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對機(jī)床的改動應(yīng)盡可能的少，以降低成本。2.1 車床的數(shù)控改造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，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)動的變化、起停，進(jìn)給運(yùn)動的方向、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滑的開、關(guān)等動作，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（C6163）的數(shù)控改造設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：總體方案的確定和驗(yàn)證、機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)計(jì)算（包括縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算） 、主運(yùn)動自動變速原理及改造后的機(jī)床傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)、機(jī)床調(diào)速電動機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)任務(wù)是對 C6163 臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造，實(shí)現(xiàn)微機(jī)對車床的數(shù)控化控制。利用微機(jī)對車床的縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字控制，并要達(dá)到縱向最小運(yùn)動單位為 0.01 /脈沖，橫m向最小運(yùn)動單位 0.005 /脈沖，主運(yùn)動要實(shí)現(xiàn)自動變速，刀架要改造成自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀m架，要能自動的切削螺紋。2.1.3 數(shù)控部分的設(shè)計(jì)改造(1) 數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按其運(yùn)動軌跡可分為：點(diǎn)位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點(diǎn)位控制系統(tǒng)只要求控制刀數(shù) 控 裝 置控 制 介 質(zhì) 測 量 裝 置伺 服 系 統(tǒng) 機(jī) 床C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)11具從一點(diǎn)移到另外一點(diǎn)的位置，而對于運(yùn)動軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對兩個或兩個以上坐標(biāo)方向的位移進(jìn)行嚴(yán)格的不間斷的控制。由于 C6163 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)改造數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(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)械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾對加工精度的影響。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)于以步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的開環(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)簡單，易于調(diào)整，所以常用于精度要求不高的場合。經(jīng)過上序比較，由于所改造的 C6163 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b) 可以采用單板機(jī)或 STD 模塊或工控機(jī)改制c) 可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應(yīng)化改動跟據(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)械改造部分的設(shè)計(jì)(1) 主傳動部分的改造設(shè)計(jì)將原機(jī)床的主軸電動機(jī)換成變頻調(diào)速電動機(jī)，無級調(diào)速部分由變頻器控制。將原機(jī)床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機(jī)構(gòu)。改造后使其主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動分離，主軸電動機(jī)的作用只是帶動主軸旋轉(zhuǎn)。(2) 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造將原機(jī)床的掛輪機(jī)構(gòu)、進(jìn)給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除?？v向、橫向進(jìn)給以步進(jìn)電動機(jī)作為驅(qū)動元件經(jīng)一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動。2.2 可行性論證根據(jù)自動化制造系統(tǒng) ，可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項(xiàng)目前所進(jìn)行的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析報告，是上級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)控改造之前進(jìn)行合理的、科學(xué)的可行性論證是必要的。C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)12根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法，普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個方面進(jìn)行，即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標(biāo)，改造的基礎(chǔ)條件、目標(biāo)、技術(shù)方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實(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)者僅對改造的投資概算作一簡要的可行性論證。本改造設(shè)計(jì)是對普通車床 C6136 進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造。在改造設(shè)計(jì)中，采用自己設(shè)置的數(shù)控裝置，加上兩臺伺服電機(jī)，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調(diào)速電動機(jī)，四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設(shè)備改造費(fèi)用和舊設(shè)備費(fèi)用總計(jì)不會超過 8 萬元。因此，對普通車床作經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造適合我國國情，是國內(nèi)企業(yè)提高車床的自動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。C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)133 設(shè)計(jì)方案3.1 總體方案的確定3.1.1 系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(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)?？紤]到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。3.1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)機(jī)床要求，采用 8 位微機(jī)。由于 MCS51 系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性能價格比高等特點(diǎn)，決定采用 MCS51 系列的 8031 單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)?？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、步進(jìn)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。3.1.3 機(jī)械傳動方式為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿。為了保證一定的傳動精度跟平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。3.1.4 運(yùn)動方式的確定數(shù)按系統(tǒng)運(yùn)動方式可分為點(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 C6163 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)。3.1.5 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 C6163 車床加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。3.1.6 機(jī)構(gòu)傳動方式的確定為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動裝置時，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和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。(2) 盡量消除傳動間隙。例如采用隙齒輪等。(3) 提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差?？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。3.1.7 微機(jī)的選擇微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由 CPU、存儲器擴(kuò)展電路、I/O 接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動電路、檢測電路等幾C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)14部分組成。3.1.8 總體方案框圖微機(jī) 光隔離 功率放大功率放大光隔離 步 進(jìn)電 機(jī) 運(yùn)動部件步 進(jìn)電 機(jī)圖 3-13.2 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與校核實(shí)例3.2.1 計(jì)算切削力橫切端面查綜合作業(yè)指導(dǎo)書P13 頁5.1max670DFZ式中 車床床身上加工最大直徑橫切端面時主切削力 可取縱切時 的ZFZ21NZ 63.1059463.5.1max.:2501:7.94yxzF式中 走刀方向的切削力（N）垂直走刀方向的切削力（N）yFx 46.10593.275.0 Ny 2843.2.2 桿螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型(1) 計(jì)算牽引力C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)15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.26.2-2；6.2-3 表查閱綜合作業(yè)指導(dǎo)書P22 頁 GFfKzxm式中： ， ， 切削分力（）yzG移動部件的重量（ N） 表 1-1 查得橫向溜板及刀架重力 500N滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式而不同 取 =0.15-0.18 f fK考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) 取 K=1.15NFfzxm 98.207531.297.046159. (2) 計(jì)算最大動負(fù)載 C選用滾珠絲桿導(dǎo)軌 參考機(jī)床設(shè)計(jì)手冊.3P185-P210查閱綜合作業(yè)指導(dǎo)書P22 頁 osmwLVnTf106式中：L壽命，以 轉(zhuǎn)為一單位610n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 sV取 min/5.012s絲桿導(dǎo)程（mm） 初選 =6mmoLoLT為使用壽命（h）,對于數(shù)控機(jī)床取 15000h運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，查表 3-14 一般取 1.2-1.5wf min/3.865.010rLVnos7.6TNFfCmw 15.3698.205.1733 (3) 螺母副的選型查閱綜合作業(yè)指導(dǎo)書附表-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，其額定動負(fù)載為 9700N,精度等級按表 3-17 選為級。C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)16(4) 傳動效率計(jì)算 tan式中： 螺旋升角，WD3006 38摩擦角取 滾動摩擦系數(shù) 0.003-0.00401971.038tanta(5) 剛度驗(yàn)算橫向進(jìn)給絲桿支承方式圖所示，最大牽引力 2087.98N,支承間距350mm，因絲桿長度較短，不需預(yù)緊螺母及軸承預(yù)緊。圖 3-2計(jì)算如下:a) 絲桿的拉伸或壓縮變形量 (mm)1b) 查閱綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖 3-4,根據(jù) 2087.98N,D=30mm 查出 mF可算出：5108.L35108.23. c) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量 2查圖 3-5 得系列列 2.5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 QmQ5.4因進(jìn)行了預(yù)緊 mQ25.412C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)17d) 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形 3采用推力球軸承 5204 查閱機(jī)床設(shè)計(jì)手冊.表 5.9-137,d=20mm,滾動體直徑=5.556mm,數(shù)量 Z=13Qd mZdFQmc 0573.156.98207.052. 323 綜合以上幾項(xiàng)變形量之和：定位精度8.7.28. 3321(6) 穩(wěn)定性校核計(jì)算臨界負(fù)載 (N)kF2LEIfzk式中:E材料彈性模量( )2/cmNI截面慣性矩 ( )4L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，一端簡支 為 2.00zf zf)(124.78.641 cmdINLEIfFzk 49.1826350.6.22一般 =2.5-4.0,所以 knkFn此滾珠絲桿不會產(chǎn)生失穩(wěn)。 (7) 橫向滾珠絲桿副的幾何參數(shù) (見表 1)C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)18表 1參數(shù)名稱 符號 關(guān)系式 WD3006公稱直徑 od 30導(dǎo)程 OL 6接觸角 38鋼球直徑 qd 3.175滾道法面半徑 R qdR52.01.651偏心距 e sine0.045螺紋滾道螺紋升角 odLarct38外徑 d qod25.029.365內(nèi)徑 1 Re126.788螺桿接觸直徑 2 cs2qo26.83螺紋直徑 D ed33.212螺母 內(nèi)徑 1qod25.0130.6353.2.3 齒輪傳動比計(jì)算已確定橫向脈沖當(dāng)量 ，滾珠直徑導(dǎo)程 =6mm,setpmp05.OL初選步進(jìn)電動機(jī)步距角 可計(jì)算傳動比 :7.i4.065.36obpLi考慮到結(jié)構(gòu)上的原因不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板有行程，故此處可采用兩級齒輪降速。C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)1932,0,45,181824323ZZi因進(jìn)給運(yùn)動齒輪受力不大，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 mda240 94 44 68齒根圓 f 5.131 85 35 59齒寬 (6-10)m 20中心距 21dA63 523.2.4 橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算，校核和選型(1) 初選步進(jìn)電機(jī)a) 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 mT查閱綜合作業(yè)指導(dǎo)書 P22 頁bpmFT236式中: 脈沖當(dāng)量，取 p setpp05.進(jìn)給牽引力(N )mF步距角，初選雙拍制為b7.電機(jī)絲桿傳動效率為齒輪、軸承、絲桿效率之積分別為94.08.2、NFTbmpm 67.94.0.98.0752273636 b) 估算步進(jìn)電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩 qT根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 除以一定的安全系數(shù)來估算步進(jìn)電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩 (N.cm)m qTC6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)205.03mqT一般橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)取 0.4-0.5 cNq .18694.7.c) 計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩 maxjT查表 3-22 如取五相十拍，則 951.0maxjqTcNTqj .81795.06.maxd) 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率 和最高啟動頻率efkfpseVf601pkfmax式中: 最大切削進(jìn)給速度 sV最大快移速度max脈沖當(dāng)量，取psetpmp05.HzVfpse 7.16.601fpk 3.05.max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 axjT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)矩的步進(jìn)電機(jī)，以maxjT留有一定余量，另一方面與國內(nèi)同類型機(jī)床進(jìn)行類比的要求。決定采用 150BFG2915，但從綜合作業(yè)指導(dǎo)書P24 頁查出，步進(jìn)電機(jī)最高空載啟動頻率為 4000Hz,滿足空載時 (3333.33Hz)的kf要求。(2) 校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)21前面所述初選步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算，均為估算，初選后，應(yīng)該進(jìn)行校核計(jì)算。a) 等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算計(jì)算簡圖見圖 2，根據(jù)表 3-24，經(jīng)二對齒輪降速時，傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量可由下式計(jì)算:cmkgJ 242321 oSLgGJZJZ式中: 齒輪 及其軸的轉(zhuǎn)動慣量321J、 321、2cmk齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量44cmkg絲桿轉(zhuǎn)動慣量sJ2絲桿導(dǎo)程(cm)OLG工件及工作臺重量(N) G=500(N)b) 齒輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計(jì)算表 3-24 所示圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算公式如下:對于鋼材， 341078.LDJ式中:M圓柱體質(zhì)量 kgD圓柱體直徑 (cm)L圓柱體長度或原長(cm)鋼材的密度為 cmkg5108.7243431 8.02.1078. cmkgLdJ 22 3519.243343 .078 ckJ 44 70251781. mgLd2433 6.1. ckJss 因此C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)22 242321 oSLgGJZJZJ2 22267. 5.0986.1975.0839.05.18.0cmkg 基本滿足慣量匹配的要求。c) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算:快速空載起動轉(zhuǎn)矩 1 M在快速空載起動階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計(jì)算如下：ofamx式中: 快速空載起動轉(zhuǎn)矩 cmN空載起動時折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩max cmN折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩fMc由于絲桿預(yù)緊時折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩o c在采用絲桿螺母副傳動時，上述各種轉(zhuǎn)矩 可用下式計(jì)算：cmN2ax2maxmax 106106tnJnJpbUn30axa式中: 傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量J 2cmkg電機(jī)最大角速度2srad電機(jī)最大轉(zhuǎn)速maxnmin運(yùn)動部件最快速度Ui脈沖當(dāng)量psetp步進(jìn)電機(jī)的步距角bC6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)23運(yùn)動部件從停止到起動加速到最大快進(jìn)速度所需時間(s)atmin67.4105.3610maxa rUnpb起動加速時間 =30(ms)atcmNtnJMaa 06.13.607427.10622mxmx 折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 fiLFof2NGfzo 6.895031.297.0251Zi式中: 導(dǎo)軌的摩擦力(N)oF垂直方向的切削力(N)zG運(yùn)動部件的總重量(N)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取 =0.15f f齒輪降速比i傳動鏈總效率，一般可取 0.7-0.8cmNiLFMof 69.2758.0269附加摩擦轉(zhuǎn)矩:21opoiL式中: 滾珠絲桿預(yù)加負(fù)荷，一般取 ， 為進(jìn)給牽引力(N)poFmF31滾珠絲桿導(dǎo)程(cm)L滾珠絲桿未預(yù)緊時的傳動效率，一般取o 9.0oC6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)24cmNiLFMopo 43.9.01258.09731222上述三項(xiàng)合計(jì): cofa 21.34.697.1mx快速移動時所需轉(zhuǎn)矩 2 cmNMof 25.34.6927最大切削負(fù)載時所需要的轉(zhuǎn)矩 3 iLFoyftof 2式中: 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩tcmNiLFMoyt 48.67258.0912從上面計(jì)算看出 、 、 三種工況下，以快速空載所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。從表 3-22 查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時為 951.0maxjqM則最大靜轉(zhuǎn)矩為:cmNMj 07.1495.23max從表 3-23 查出 150BFG2815 最大轉(zhuǎn)矩為為 245 ，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足此cN項(xiàng)要求。d) 校核步進(jìn)電動機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性前面已經(jīng)計(jì)算出機(jī)床最大快移時，需步進(jìn)電機(jī)的最高起動頻率 為 3333.33Hz,切削進(jìn)給時kf所需步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率 為 1666.7Hzef從表 3-23 中查出 150BFG2815 型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動頻率為 4000Hz，運(yùn)行頻率為16000Hz，再從圖 3-15，3-16 查出 150BFG2815 步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性如圖 3 所示:C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)25當(dāng)快速運(yùn)動和切削進(jìn)給時，150BFG2815 型步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性可以滿足要求。3.3 縱向進(jìn)給伺服系機(jī)械部分計(jì)算與校核3.3.1 計(jì)算切削力主切削力 F（N ）按經(jīng)驗(yàn)公式估算： 5.1max670DZ走刀方向的切削分力（N ）車床身上加工最大直徑（mm） =630mmax maxD=10594.63（N）1.55.1max630760DFZ： ： =1：0.25：0.4XY走刀方向的切削力垂直走刀方向的切削力YF= 0.25=2648.66(N)XZ= 0.4=4237.85(N)YC6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)263.3.2 絲桿螺母副的計(jì)算和造型(1) 計(jì)算進(jìn)給牽引力縱向進(jìn)給選為綜合導(dǎo)軌。參考表 6.22，6.23 兩表機(jī)床設(shè)計(jì)手冊.3 查書綜合作業(yè)指導(dǎo)書P22 )(GFfkZxm在正常情況下：考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取 K=1.15滑動導(dǎo)軌磨擦系數(shù) 0.150.18f溜板及刀架重力查綜合作業(yè)指導(dǎo)書表 11，取 =800NGG=1.15 2648.66+0.16 (4237.85+500)=2175.94(N)(GFfkZxm(2) 計(jì)算最大動負(fù)載 CC= 3Lwf106nT0Lvs參考機(jī)床設(shè)計(jì)手冊.3P185P210 選用滾珠絲桿導(dǎo)軌式中： 滾珠絲桿導(dǎo)程。 初選0 mL80為最大切削力條件下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的 1/21/3sv取 =1m/mins使用壽命（h） ，對于數(shù)控機(jī)車取 =15000h 0T運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 1.21.5（查表 314綜合作業(yè)指導(dǎo)取 為 1.2wf wf壽命以 轉(zhuǎn)為 1 單位L6絲桿轉(zhuǎn)速 r/minn12501Lvs811316nT61502C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)27C= =19512.57mwFfL3(3) 滾珠絲桿螺母副的選型可采用 WD6008 外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母珠絲桿副， 1 列 2.5 圈，其額定功動負(fù)載為18200（N） ，精度等級按表 綜合作業(yè)指導(dǎo)書表 3-17 選為 3 級。(4) 傳功效率計(jì)算：=)tan(/r式中：r螺旋升角，WD6008 r= 2530磨擦角取 10 滾動磨擦系數(shù) 0.0030.004953.0)1253tan()ta(0r(5) 剛度驗(yàn)算先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如 A 圖所示，最大牽引力 2175.94(N)。支承L=1500mm，絲桿螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷 1/3。 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1圖 3-5查綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖 3-4，根據(jù)=2175.94(N), mFmD60查出 10-5 可算出65.0L= =(0.6510-51500)mm=0.97510-2 mm1C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)28由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲桿進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高 4 倍。其實(shí)際變形量 (mm)為1=1/4 =0.97510-2/2=0.24410-2mm1 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 2查綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖 3-5，W 系列 1 列 2.5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 Q=6.0mQ因進(jìn)行預(yù)緊=1/2 =1/26.0=3.0m2 支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形 3采用 D8208 型推力球軸承， =35mm,滾動體直徑 =6.35mm,滾動體數(shù)量 Z=18,1dQdmZFQmc 0956.1835.6290.052.3 22 注意此公式中單位應(yīng)為 N因施加預(yù)緊力，故=1/2 =1/20.009065=0.004528mm3c根據(jù)以上計(jì)算= =0.002440.00300.004528=0.009968479.39N 可以滿足要求， ，但從表中看出 130BF001 步進(jìn)電機(jī)最高空載起動頻率為 3000HZ，不能滿足 =3333HZ 的要求，此項(xiàng)指標(biāo)可暫不考慮，可以采用軟件開降速程序來解決。kf(2) 校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩前面所初步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算，均為估算，初迭之后，應(yīng)該進(jìn)行校核計(jì)算。效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算計(jì)算簡圖如前（a）所示，根據(jù)綜合作業(yè)指導(dǎo)書表 3-24，傳動系統(tǒng)計(jì)算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 可由下式計(jì)算：JC6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)32= ( ) ( )Jm12)(1ZJSgG2)0L步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（ ）2.cmk. 矢輪 Z1Z2 的轉(zhuǎn)動慣量（ ）1J2滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣車（ ）S 2.ckg參考同類型機(jī)床，初步反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) BF1，作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量：I 4( )2w( )2800.468kgcm 24.68Ncm 2p18075.01438齒輪轉(zhuǎn)動慣量：J 17.810 -44.842=8.281kgcm2=82.81 Ncm2J27.810 -412.842=53.678kgcm2絲桿傳動慣量：J3=7.810-464140=141.52kgcm2=1415.2 Ncm2電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略。因此，總的轉(zhuǎn)動慣量： (J3+J2)+J1+J4i= (141.52+53.68)+0.468+8.2815.= 130.52 kgcm2=1305.2 Ncm2(1) 所需轉(zhuǎn)動力矩計(jì)算?？焖倏蛰d啟動所需力矩： afaMmx最大切削力負(fù)載時所需力矩： toff式中： 空載啟動時折算到電機(jī)軸上的加速度力矩maxM折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩f由于絲桿預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩o切削時折算到電機(jī)軸上的加速度力矩af折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩tMC6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)33MNTJna4106.9當(dāng) 時，mxnaxmin/5.678/.20max rLiVokgfcNM3.15.697134ax當(dāng) 時，tnat6.188014.325.10LfDvifit mkgfNMat .025.6983niwfiFf 當(dāng) ， 時，8.016.fNcm763.0.284.32fM10niLP當(dāng) 時，預(yù)加載荷 則9.030xFcmNckgfM37.2273.068.14695.20CMfiLFXt 483.48.30所以，快速空載啟動所需力矩：cmNckgfMaf 06.3406.3427.063.mx0快速進(jìn)給時所需力矩：mff .1.1.7.0C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)34切削時所需力矩：tfat MM07483.2.763.15.0cmNckgf9894由以上分析計(jì)算可知：所需最大力矩 發(fā)生快速啟動時： ，所以選擇型號 WD6008max 340ax 校核步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。已計(jì)算出機(jī)床最大快移時需步進(jìn)電機(jī)的最高起動頻率 為 3333Hz，切削進(jìn)入時所需步進(jìn)電kf機(jī)運(yùn)行頻率 為 1333.3Hz。ef從綜合作業(yè)指導(dǎo)書表 323 中查出型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空 BF1-160 載起動頻率為3000Hz，運(yùn)行頻率為 16000Hz，再從綜合作業(yè)指導(dǎo)書 圖 315，316 查出 BF1-160 步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線如（C）圖所示，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動時， 時，Hzf250,不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動力矩 222.916N.cm。直接使用則會施行失步現(xiàn)cmNM10象，所以必須采取開降進(jìn)控制用軟件實(shí)現(xiàn) ，將起動頻率到 1000Hz 起動轉(zhuǎn)矩可增高到588.4N.cm，然后電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，可將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動和切削進(jìn)給時，BF1-160 型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性（D）圖完全可以滿足要求：圖 3-6C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)354 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，硬件是數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)，其性能的好壞，直接影響整個系統(tǒng)的工作性能，有了硬件，軟件就能發(fā)揮作用。機(jī)床數(shù)控機(jī)床的硬件電路概括起來又以下四部分組成：（1） 中央處理單元 CPU。CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心。（2） 總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB） 地址總線（AB）和控制總線（CB） 。（3） 存儲器。包括只讀可編程存儲器和隨機(jī)讀寫存儲器。（4） 輸入輸出接口電路。OI由于 8031 只有 P1 口和 P3 口部分能提供用戶作為 I/O 口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴(kuò)展輸入輸出接口電路。從附錄 H 圖 H2 可以看出，系統(tǒng)擴(kuò)展了一片 8155 和一片8255 可編程 I/O 接口芯片。8155 的片選信號 CE 接 74LS138 的 Y0，8255 芯片片選信號 CS 接到74LS138 的 Y2 端。74LS138 三八譯碼器有三個輸入 A、B、C 分別接到 8031 的P2。5，P2。6、P2。7，輸出 Y0Y7 8 個輸出，低電平有效。Y0Y7 對應(yīng)輸入 A、B、C 的 000 至111 的 8 種組合，其中 Y0 對應(yīng) A、B、C 為 000，Y7 對應(yīng) A、B、C 為 111。74LS138 還有三個使能端，其中 2 個（GA 和 GB）為低電平使能，另一個 G1 為高電平使能。吸有當(dāng)使能端均處于有效電平時，輸出才能產(chǎn)生，否則輸出處于高電平無效狀態(tài)。I/O 接口芯片與外設(shè)的連接是這樣安排的：8155 芯片 PA0PA7 作為顯示器段選信號輸出，PB0PB7 是顯示器的位選信號輸出，PC0PC4 5 根線是鍵盤掃描輸入。8155 芯片的 IO/M 引腳接8031 芯片的 P2。0，因?yàn)槭褂?8155 的 I/O 口故 P2。0 高電平。8255 芯片 PA0PA6 接 X 向、Y 向和 Z 向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器，為輸出，PB0PB7 為三個方向的點(diǎn)動及回零輸入，PC0PC5 為面板上的選擇開頭是輸入，設(shè)有編輯、單步運(yùn)行、單段運(yùn)行、自動、手動 I、手動 II 等方式。系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲器及 I/O 接口芯片的地址編碼如表 419 所示：X 向，Y 向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器采用 YB015，32 相通電五相十拍方式工作，故 A0，A1引腳均接+5V，Z 向步進(jìn)電機(jī)配件環(huán)形分配采用 YB014，是以 23 相通電四相八拍方式工作。A0、A1 接高電平。三個芯片的選通輸出控制 E0 分別接 8255 的 PA0、PA3、PA5，清零 R 接 8255的 PA1，正、反轉(zhuǎn)控制端分別接 8255 的 PA2、PA4、PA6，時鐘輸入端 CP 接 8155 芯片的TIMROUT，用以決定脈沖分配器輸出脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)時不同的進(jìn)給速度，可給 8155 芯片的定時/計(jì)數(shù)器中設(shè)置不同的時間常數(shù)。C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)36表 5芯 片 接 74LS138 引腳 地址選擇線 片內(nèi)地址單元（B）地址編碼2764（1） 0Y000xxxxxxxxxxxxx 8K 0000H1FFFH2764 (2 ) 1001xxxxxxxxxxxxx 8K 2000H3FFFH6264 2010xxxxxxxxxxxxx 8K 4000H5FFFHRAM 410011110xxxxxxxx 6 61009EFFH8155 I/O Y1001111111111xxx 6 9FF8H9FFDH8255 201011111111111xx 4 5FFCH5FFFH作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作，存儲器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù)， 輸入輸出接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行交換的OI橋梁?？偩€則是 CPU 與存儲器，接口以及其它轉(zhuǎn)換的紐帶，是 CPU 與部分電路進(jìn)行交換和通訊的必由之路。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖為：圖 4-14.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 向和 X 向進(jìn)給伺服系統(tǒng)運(yùn)動2 鍵盤顯示3 自動轉(zhuǎn)位刀架控制4 螺紋加工控制5 面板控制6 行程控制7 其他功能 報警電路、急停電路、復(fù)位電路、光隔離電路、功能電路等。C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)374.2.1 硬件電路的組成采用 MCS-5 系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下：a) 采用 8031 作 CPUb) 擴(kuò)展了兩片 2764 芯片、一片 6264 芯片c) 兩片 8155 可編程并行 I/O 接口。d) CPU、存儲器及 I/O 接口CPU 采用 8031 芯片，選用 6MHz 晶體振蕩器。它的 作為數(shù)據(jù)總線和地址共用。 16 位地址oP線由 經(jīng)地址鎖存器 74LS373 提供 8 位地址 ，高 8 位地址 由 8031 的 口直接oP70A158A2P提供。ALE 為地址鎖存允許。 為低電平時選通外部存儲器（EPROM） ，相應(yīng)的指令字節(jié)出PSEN現(xiàn)在 EPROM 的數(shù)據(jù)線（ ）上，輸入到 口，8031 將指令讀入。RESET 為復(fù)位控制，70DoP當(dāng) RESET 輸入端出現(xiàn)高電平時，8031 被初始化復(fù)位，在復(fù)位有效期向 ALE、PSEN 也輸出高電平。當(dāng) RESET 輸入端返回低電平后，CPU 從 O 地址開始執(zhí)行程序。 （故設(shè)計(jì)中一定有一片 2764芯片連到 74LS138 的 ）設(shè)計(jì)中采用上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。另外，兩片 8155 的 RESET 也與0Y8031 的 RESET 管腳相連，它們可同時復(fù)位。8031 的 是片內(nèi)的定時器/計(jì)數(shù)器溢出中斷申請，由主軸后面的光電編碼器輸入。當(dāng)車床車0T螺紋時，主軸光電編碼器向 8031 發(fā)出進(jìn)給脈沖，用以控制不同導(dǎo)程的螺紋加工。光電編碼器0T還發(fā)出一個零位螺紋信號，輸入 8155(1)的 ，用以防止車螺紋亂扣。6PB8155(1)主要用于功能鍵的控制，刀架轉(zhuǎn)位控制以及報警等。其中 PA 口為輸入口，作為功能鍵的控制管理，刀架控制編輯、空運(yùn)行、自動、手動 I，手動 和回零。PB50PA口也是輸入口， 由面板上的按鍵分別控制起動、暫停、單段、連續(xù)、急停等功能。40B是換刀回答，當(dāng)自動轉(zhuǎn)位刀架按指令轉(zhuǎn)位、夾緊，刀架電機(jī)停轉(zhuǎn)之后，發(fā)出此信號，開始執(zhí)5B行進(jìn)給指令。 接光電編碼器輸出的零位螺紋信號。PC 口是輸出口， 控制自動轉(zhuǎn)6P 30PC位刀架四個刀位的選刀。 用于報警顯示，系統(tǒng)正常工作時，輸出低電平，綠色發(fā)光二極管亮，4C當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，輸出高電平，經(jīng)反向后，紅色發(fā)光二極管亮，實(shí)現(xiàn)報警功能。 8155(2)控制步進(jìn)電機(jī)，行程控制，以及鍵盤，顯示電路。其中 為輸出口，用于控70PA制 Z 向、 X 向步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)， Z 向步進(jìn)電機(jī)為五相，X 向?yàn)槿?。此系統(tǒng)采用軟件分配。鍵盤顯C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)38示電路為 4 6 鍵和 6 位顯示器。 作為鍵盤的 6 條列線，是鍵盤掃描線，是輸出口。50PC接行線作為鍵盤輸入口。 是 6 位數(shù)碼顯示器的位選信號，8031 的 口是30PB 1P數(shù)碼顯示器的段選信號。 接越程限位控制電路，當(dāng)床鞍或拖板在 Z 向或 X 向越程時，74B即向計(jì)算機(jī)輸入此信號，使進(jìn)給系統(tǒng)停止。 表 6 ：數(shù)控車床控制系統(tǒng)芯片地址分配芯片接 74LS138 引腳地址選擇線片內(nèi)地址單元地址編碼2764(1) 0Y000xxxxxxxxxxxxx 8K 0000H-1FFFH2764(2) 1001xxxxxxxxxxxxx 8K 2000H-3FFFH6264 2Y010xxxxxxxxxxxxx 8K 4000H-5FFFH8155(1)I/O 40110000100000xxx 6 6100H-6105H8155(2)I/O 4Y1000000100000xxx 6 8100H-8105H4.3 C6163 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)直線圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)在電機(jī)設(shè)備中，執(zhí)行部件如果要實(shí)行平行斜線和圓弧曲線的路經(jīng)運(yùn)動，必須通過兩個方向運(yùn)動的合成來完成。在數(shù)控機(jī)床中，這是由 X、Y 兩個方向運(yùn)動的工作臺，按照插補(bǔ)控制原理來實(shí)現(xiàn)的。4.3.1 直線插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)(1) 逐點(diǎn)比較法用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算，沒走一步，都需要以下四個步驟：偏差判別：判別偏差 Fm0 或 Fm0，從而啊決定哪個方向進(jìn)給和采用哪個偏差計(jì)算公式。坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y 的哪個方向進(jìn)給。偏差計(jì)算：進(jìn)給每一步，計(jì)算新的加工偏差。終點(diǎn)判別：進(jìn)給每一步后，終點(diǎn)計(jì)數(shù)器減 1，若為 0，表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ)不為 0，則返回C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)39到第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)算判別可用兩個方向的坐標(biāo)植來判別，也可以由一個方向的坐標(biāo)植來判別。當(dāng) XeYe ，可用 X 方向的總步數(shù) Xe 作為終點(diǎn)判別的依據(jù)，如動點(diǎn) X 等于終點(diǎn) Xe 則停止。當(dāng) XeYe，則用 Y 方向走的總步數(shù) Ye 作為終點(diǎn)判別的依據(jù)。由此，第一象限直線插補(bǔ)程序的算法如下：a) 判別 Fm 是大于 0 還是小于 0。b) 若 Fm0，則想+X 方向輸出一進(jìn)給脈沖，計(jì)算新的偏差 Fm=Fm-Ye，并修改動點(diǎn)坐標(biāo)為X=X+1；若 Fm0則向+Y 方向輸出一進(jìn)給脈沖，計(jì)算新偏差 Fm=Fm+Xe，并修改動點(diǎn)坐標(biāo)為 Y=Y+1。c) 終點(diǎn)判別：若 X=Xe（Y=Ye） ，則停止插補(bǔ)運(yùn)算。否則轉(zhuǎn)入第一步，重復(fù)上述步驟。第一象限直線插補(bǔ)程序框圖如(2) 程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)程序時，在 RAM 數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點(diǎn)坐標(biāo)值 Xe，Ye，動點(diǎn)坐標(biāo)值 X、Y，偏差 Fm。對 8 位機(jī)，一般可用 2 字節(jié)，而行程較大時則需用 3 字節(jié)或 4 字節(jié)才能滿足長度和精度的要求。此外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進(jìn)行初始化，如置初始值、X 、 Y 向步進(jìn)電機(jī)初態(tài)（控制字） 。 插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下：電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)框圖如下：28H 29H 2AH 2BH 2CH 70HXe Ye X Y Fm 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字C6163 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)40圖 4-