C618數控車床的主傳動系統(tǒng)設計

1、C618數控車床的主傳動系統(tǒng)設計第一章 概論一、數控系統(tǒng)發(fā)展簡史1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數控機床。從此，傳統(tǒng)機床產生了質的變化。近半個世紀以來，數控系統(tǒng)經歷了兩個階段和六代的發(fā)展。二、國內數控機床狀況分析（一）國內數控機床現狀    近年來我國企業(yè)的數控機床占有率逐年上升，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。

2、在這些數控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我國機床工業(yè)產值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產數控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達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控機床有數控車床、數控磨床、數控特種加工機床、數控剪板機、數控成形折彎機、數控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力

3、機、木工機床等。出口的數控機床品種以中低檔為主。（二）國內數控機床的特點1、新產品開發(fā)有了很大突破，技術含量高的產品占據主導地位。2、數控機床產量大幅度增長，數控化率顯著提高。    2001年國內數控金切機床產量已達1.8萬臺，比上年增長28.5%。金切機床行業(yè)產值數控化率從2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。3、數控機床發(fā)展的關鍵配套產品有了突破。 三、數控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢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，更多的數控系統(tǒng)生產廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界

4、面、編程、聯(lián)網通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數控的任務。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。2.向高速化和高精度化發(fā)展這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。3.向智能化方向發(fā)展隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。（1）應用自適應控制技術數控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調整系統(tǒng)的有關參數，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。（2）引入專家系統(tǒng)指導加工將熟練工人和專家的經驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數數據庫為支撐，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）智能化數字伺

5、服驅動裝置可以通過自動識別負載，而自動調整參數，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行。四、機床數控化改造的必要性（一）微觀看改造的必要性從微觀上看，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。1 、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。2 、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37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

6、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"。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 、可實現多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。5、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

7、出快速反應等等。（二）宏觀看改造的必要性從宏觀上看，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。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1.9，而日本在1994年已達20.8，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。數控化改造的市場空間    機床的數控制化改造是一個方興未的行業(yè)，從各種統(tǒng)計數字上看前途應該

8、是十分光明的，例如："在美國，日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造人作為新的經濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及數控技術的不斷進步，機床改造是一個"永恒"的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數控技術為主的新的行業(yè)所以不難看出：1國內的市場我國目前機床總量380余萬臺，而其中數控機床總數只有11.34萬臺，即我國機床數控化率不到3。近10年來，我國數控機床年產量約為0.60.8萬臺，年產值約為18億元。機床的年產量數控化率為6。我國機床役齡10年以上的占60以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20，FMC/FMS等自動化生產線更屈

9、指可數（美國和日本自動和半自動機床占60以上）。可見我們的大多數制造行業(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大數是傳統(tǒng)的機床，而且半數以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、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床的數控化率。2. 進口設備和生產線的數控化改造市場我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產線進行技術改造。據不完全統(tǒng)計，從19791988年10年間，全國引進技術改造項目就有18446項，大約165.8億美元。這些項目中，大部分項目為我國的經濟建

10、設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、生產線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結果運轉不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產線的產品銷路很好，但是因為設備故障不能達產達標；有的因為能耗高、產品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。這些不能使用的設備、生產線是個包袱，也是一批很大的存量資產，

11、修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解決關鍵技術問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產，爭取到最大的經濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。機床改造的效益分析提高機床數控化效率有兩個途徑：一是購買新的數控機床；二是對舊的機床進行改造而對于一個機床擁有量大，經濟財力又不足的發(fā)展中國家來說，采用舊機床改造來提高設備的先進性和數控化率是一個極其有效和使用的途徑，采用第二中方法有以下的優(yōu)點：1、 減少了投資和交貨的期限 同購置新的數控機 1ff8 床相比，一般可以節(jié)省60%到80%的費用，改造的費用大大減低。2、機械的穩(wěn)定性可靠   機床的床身，立柱等基礎件都是重而堅固

12、的鑄鐵構件，而鑄件越久自然失效充分，內應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時對環(huán)境的污染。3、熟悉了解設備結構性能，便于操作維修，購買的新設備，事先很難前面了解機床的結構性能，以至很難預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控機床在使用和維修方面的培訓時間，機床一旦改裝完成，很快就可以投入使用，見效較快。4、可以充分利用現有的條件     可以充分利用現有的地基，不必像購新機時重新構筑新基，同時工夾具、樣板和外設備也可以在利用。5、可更好的因地制宜合理篩選功能 &

13、#160;   購買現成的通用型機床，往往對一個具體的生產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，往往費用大，交貨的日期又長。而采用改造方案就可以根據生產加工要求，采用組合的方法再某些部件設計改造成專用的數控機床。6、可及時采用最新技術，充分利用社會資源   由于技術進步和我國機床功能部件專業(yè)化生產的發(fā)展，目前已有眾多的疏忽資源支持機床方面的改造，如隨意采購各種尺寸的滾珠絲杠副，且交貨期短；采用貼塑導軌新技術，可使傳統(tǒng)的滑動導軌的摩擦系數降低五至十幾倍來防止爬行，還可以使得刮研極容易，

14、等等例子說明有一大批社會資源，可根據技術更新的發(fā)展速度，及時地采用最新技術來提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量和檔次，將舊機場改造成當今水平的機床。第二章 普通車床的數控改和可行性論證對于普通車床的經濟型數控改造，在考慮總體設計方案時，應遵循的原則是：在滿足設計要求的前途下，對機床的改動應盡可能的少，以降低成本。一 車床的數控改造（一）、數控機床工作原理及組成1. 數控機床工作原理：數控機床加工零件時，首先應編制零件的加工程序，這是數控機床的工作指令。將加工程序輸入到數控裝置，再由數控裝置控制機床主運動的變化、起停，進給運動的方向、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

15、卻潤滑的開、關等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數進行工作，從而加工出符合要求的零件。2.數控機床的組成：數控機床主要由控制介質、數控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體等四部分組成，其組成框圖如圖2-1                                 圖2-1 數控機床的組成圖（二）、設計內容及任務普通車床（C618）的數控改造設計內

16、容包括：總體方案的確定和驗證、機械改造部分的設計計算（包括縱向、橫向進給系統(tǒng)的設計與計算）、主運動自動變速原理及改造后的機床傳動系統(tǒng)圖的設計、機床調速電動機控制電路的設計、電磁離合器的設計計算。本設計任務是對C618臥式車床進行數控化改造，實現微機對車床的數控化控制。利用微機對車床的縱向、橫向進給系統(tǒng)進行數字控制，并要達到縱向最小運動單位為0.01 /脈沖，橫向最小運動單位0.005 /脈沖，主運動要實現自動變速，刀架要改造成自動控制的自動轉位刀架，要能自動的切削螺紋。（三）、數控部分的設計改造1、數控系統(tǒng)運動方式的確定數控系統(tǒng)按其運動軌跡可分為：點位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點位控制系統(tǒng)只要求

17、控制刀具從一點移到另外一點的位置，而對于運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方向的位移進行嚴格的不間斷的控制。由于C618車床要加工復雜輪廓零件，所以本微機數控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。2、伺服進給系統(tǒng)的設計改造     數控機床的伺服進給系統(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)點是可以達到和好的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾等對加工精度的影響。但他結構復雜、技術難度大、調式和維修困難、造價高。半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調速范圍寬，過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠

18、優(yōu)于以步進電動機驅動的開環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其調式比開環(huán)要復雜，設計上也要有其自身的特點，技術難度較大。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，但其結構簡單，易于調整，所以常用于精度要求不高的場合。經過上序比較，由于所改造的C618車床的目標加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。3、數控系統(tǒng)的硬件電路設計    數控系統(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，性能的好壞直接影響整體數控系統(tǒng)的工作性能。數控裝置的設計方案通常有：l 可以全部自己設計制作l 可以采用單板機或STD模塊或工控機改制l 可以選用現成的數控裝置作少量的適應化改動在普通機床的經濟型數控改造中，由于第一種設計周期較長且不經濟，同時質量也難于保證。第二種則更加不經濟。所以不課程設計將采取第三鐘方案。（四）、機械改造部分的設計1、主傳動部分的改造設計將原機床的主軸電動機換成變頻調速電動機，無級調速部分由變頻器控制。將原機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構。改造后使其主運動和進給運動分離，主軸電動機的作用只是帶動主軸旋轉。2、進給機構的改造將原機床