计算机数字控制cnc机床学位论文Word文档下载推荐.docx
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我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。
但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。
旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。
随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。
在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。
许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。
我国机床需要量大，但是经济资源有限，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。
4、综合分析
从上述分析中不难看出，数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上，具有可靠性高、柔性强、易于实现机电一体化、经济性可观等优点。
为此，在旧有机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较大的经济效益。
（二）、数控车床的基本结构﹑结构特点及工作原理
下面对其各组成部分加以介绍。
数控车床的外形与普通车床相似，即由床身、主轴箱、刀架、进给系统压系统、冷却和润滑系统等部分组成。
数控车床的进给系统与普通车床有质的区别，传统普通车床有进给箱和交换齿轮架，而数控车床是直接用伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架实现进给运动，因而进给系统的结构大为简化。
（1）输入装置
数控加工程序可通过键盘，用手工方式直接输入数控系统。
零件加工程序输入过程有两种不同的方式：
一种是边读入边加工，另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从存储器中逐段调出进行加工。
（2）数控装置
数控装置是数控车床的中枢。
数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置它的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制车床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。
零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。
但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求。
因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动各执行部件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。
（3）驱动装置和检测装置
驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的移动部件，以加“出符合图样要求的零件。
驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。
目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。
检测装置将数控车床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到车床的数控装置中。
数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按指令设定值运动。
（4）辅助控制装置
辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动车床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。
这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和车床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。
现广泛采用可编程控制器（PLC）作数控机床的辅助控制装置。
（5）车床本体
数控车床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。
与传统车床相比，数控车床的结构有以下特点：
（1）由于数控车床刀架的两个方向运动分别由两台伺服电动机驱动，所以它的传动链短。
不必使用挂轮、光杠等传动部件，用伺服电动机直接与丝杠联结带动刀架运动。
伺服电动机丝杠间也可以用同步皮带副或齿轮副联结。
（2）多功能数控车床是采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，按控制指令作无级变速，主轴之间不必用多级齿轮副来进行变速。
为扩大变速范围，现在一般还要通过一级齿轮副，以实现分段无级调速，即使这样，床头箱内的结构已比传统车床简单得多。
数控车床的另一个结构特点是刚度大，这是为了与控制系统的高精度控制相匹配，以便适应高精度的加工。
（3）数控车床的第三个结构特点是轻拖动。
刀架移动一般采用滚珠丝杠副。
滚珠丝杠副是数控车床的关键机械部件之一，滚珠丝杠两端安装的滚动轴承是专用铀承，它的压力角比常用的向心推力球辆承要大得多。
这种专用轴承配对安装，是选配的，最好在轴承出厂时就是成对的。
（4）为了拖动轻便，数控车床的润滑都比较充分，大部分采用油雾自动润滑。
（5）由于数控机床的价格较高、控制系统的寿命较长，所以数控车床的滑动导轨也要求耐磨性好。
数控车床一般采用镶钢导轨，这样机床精度保持的时间就比较长，其使用寿命也可延长许多。
（6）数控车床还具有加工冷却充分、防护较严密等特点，自动运转时一般都处于全封闭或半封闭状态。
（7）数控车床一般还配有自动排屑装置。
数控车床加工零件的工作过程分以下几个步骤实现：
（1）根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序。
（2）所编程序指令输入机床数控装置中。
（3）数控装置对程序（代码）进行翻译、运算之后，向车床各个坐标的伺服
驱动机构和辅助控制装置发出信号，驱动车床的各运动部件，并控制所需要的辅助运动。
（4）在车床上加工出合格的零件。
（三）、数控车床的特点及应用范围
1、数控车床的加工特点
（1）加工精度高
目前数控车床的脉冲当量普遍达到了0．001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿。
数控车床的加工精度由过去的±
0．01mm提高到±
0．005mm。
定位精度90年代初中期已达到±
0.002mm～±
0．005mm。
（2）对加工对象的适应性强
在数控车床上改变加工零件时，只需重新编制（更换）程序，输入新的程序后就能实现对新零件的加工。
（3）自动化程度高，劳动强度低
数控车床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的,操作者除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察车床的运行外，其他的车床动作直至加工完毕，都是自动连续完成，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到了相应的改善。
（4）生产效率高
数控车床能有效的减少机动时间与辅助时间，每一道工序都能选用最有利的切削用量，选用了很高的空行程运动时间。
因而消耗在快进、快退、和定位的时间比一般车床少得多。
（5）良好的经济效益
在单件、小批量生产的情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率等，因此能够获得良好的经济效益。
（6）有利于现代化管理
用数控车床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。
这些特点都有利于使生产管理现代化。
2、数控车床的应用范围
与传统车床相比，数控车床比较适合于车削具有以下要求和特点的回转体零件：
（1）
精度要求高的零件。
由于数控车床的刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿甚至自动补偿，所以它能够加工尺寸精度要求高的零件。
在有些场合可以以车代磨。
此外，由于数控车削时刀具运动是通过高精度插补运算和伺服驱动来实现的，再加上机床的刚性好和制造精度高，所以它能加工对母线直线度、圆度、圆柱度要求高的零件。
（2）
表面粗糙度好的回转体零件。
数控车床能加工出表面粗糙度小的零件，不但是因为机床的刚性好和制造精度高，还由于它具有恒线速度切削功能。
在材质、精车留量和刀具已定的情况下，表面粗糙度取决于进给速度和切削速度。
使用数控车床的恒线速度切削功能，就可选用最佳线速度来切削端面，这样切出的粗糙度既小又一致。
数控车床还适合于车削各部位表面粗糙度要求不同的零件。
粗糙度小的部位可以用减小进给速度的方法来达到，而这在传统车床上是做不到的。
（3）轮廓形状复杂的零件。
数控车床具有圆弧插补功能，所以可直接使用圆弧指令来加工圆弧轮廓。
数控车床也可加工由任意平面曲线所组成的轮廓回转零件，既能加工可用方程描述的曲线，也能加工列表曲线。
如果说车削圆柱零件和圆锥零件既可选用传统车床也可选用数控车床，那么车削复杂转体零件就只能使用数控车床。
（4）
带一些特殊类型螺纹的零件。
传统车床所能切削的螺纹相当有限，它只能加工等节距的直、锥面公、英制螺纹，而且一台车床只限定加工若干种节距。
数控车床不但能加工任何等节距直、锥面，公、英制和端面螺纹，而且能加工增节距、减节距，以及要求等节距、变节距之间平滑过渡的螺纹。
数控车床加工螺纹时主轴转向不必像传统车床那样交替变换，它可以一刀又一刀不停顿地循环，直至完成，所以它车削螺纹的效率很高。
数控车床还配有精密螺纹切削功能，再加上一般采用硬质合金成型刀片，以及可以使用较高的转速，所以车削出来的螺纹精度高、表面粗糙度小。
可以说，包括丝杠在内的螺纹零件很适合于在数控车床上加工。
（5）超精密、超低表面粗糙度的零件。
磁盘、录象机磁头、激光打印机的多面反射体、复印机的回转鼓、照相机等光学设备的透镜及其模具，以及隐形眼镜等要求超高的轮廓精度和超低的表面粗糙度值，它们适合于在高精度、高功能的数控车床上加工。
以往很难加工的塑料散光用的透镜，现在也可以用数控车床来加工。
超精加工的轮廓精度可达到0.1μm，表面粗糙度司达0.02μm。
超精车削零件的材质以前主要是金属，现已扩大到塑料和陶瓷。
第二章经济型车床数控改造总体方案的确定
（一）、设计任务
现我选用C616普通车床为例进行数控改造。
C616型车床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通车床。
因此对该型号机床进行数控化改装具有良好的社会价值。
本设计任务是对C616普通车床进行数控改造。
利用微机对纵向以及横向进给系统进行开环控制。
纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用常州武进机床数控设备厂生产的LD4—工型系列四工位自动刀架。
（二）、设计方案
由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能减少，以降低成本。
根据C616车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为：
进给系统采用步进电机通过减速后驱动滚珠丝杠运动，在纵向进给系统中通过一级齿轮减速后驱动滚珠丝杠，在横向进给系统中通过一级齿轮减速驱动滚珠丝杠；
刀架改为自动转位刀架（四工位）从而实现自动换刀；
通过MCS-51系列8051单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲信号控制进给速度和行程。
图2－1数控化改造示意图
第三章机械部分改造设计与计算
（一）、纵向进给动力需求的计算
1、纵向进给系统的设计
经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。
步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。
对车床改造来说，外观不必象产品设计要求那么高，而从改造方便、实用方面来考虑，把步进电机放在纵向丝杠的右端。
步进电机的布局示意图如下:
图3－1步进电机纵向布局示意图
2、纵向进给系统的计算
已知条件：
工作台重量：
W=80kgf=80N（根据图纸粗略计算）
时间常数：
T=25ms
滚珠丝杠基本导程：
L0=6mm
行程：
S=640mm
脉冲当量：
δp=0.01mm/step
步距角：
α=0.75°
/step
快速进给速度：
Vmax=2mm/min
（1）切削计算由〈〈机床设计手册〉〉可知，切削功率
Nc=NηK
式中N——电机功率，查机床说明书，N=4KW；
η——主传动系统总效率，一般为0.6～0.7取η=0.65；
K——进给系统功率系数，取为K=0.96。
则：
Nc=4×
0.65×
0.96=2.496KW
又因为
NC=
FZ=
所以
式中v——切削线速度，取v=100m/min。
主切削力
FZ=152.76（kgf）=1527.6（N）
由〈〈金属切削原理〉〉可知，主切削力
FZ=CFzapxFzfYFzKFz
查表得：
CFz=188kgf/mm21880Mpa
XFz=1YFz=0.75KFz=1
则可计算FZ如表1所示：
表3－1FZ计算结果
ap（mm）
2
8
f（mm）
0.2
0.3
0.4
FZ（N）
1125
1524
1891
1687
2287
2837
当FZ=1520N时，切削深度ap=2mm,走刀量f=0.3mm，以此参数做为下面计算的依据。
从〈〈机床设计手册〉〉中可知，在一般外圆车削时：
FX=（0.1～0.6）FZFZ=（0.15～0.7）FZ
取：
FX=0.5FZ=0.5×
1527.6=763.8N
FY=0.6FZ=0.6×
1527.6=916.5N
（2）滚珠丝杠设计计算
综合导轨车床丝杠的轴向力：
P=KFX+f′（FZ+W）
式中K=1.15，f′=0.15～0.18，取为0.16。
则
P=1.15×
763.8+0.16×
（1527.6+800）=1250.8N
1）强度计算：
寿命值L1=
n1=
=
取工件直径D=80mm,查表得TI=15000h
=20r/min
L1=
=18
最大动负载Q=
运转系数fw=1.2硬度系数fH=1
Q=
×
1.2×
1×
1250.8=39933.6N
根据最大动负载Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。
例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列，滚珠丝杠直径为φ32mm,型号为FC1B32×
6—5—E2，其额定动载荷是10689N，所以强度足够用。
2）效率计算：
根据〈〈机械原理〉〉的公式，丝杠螺母副的传动效率η为：
η=
式中摩擦角ψ=10′ 螺旋升角γ=3°
25′
η=
3）刚度验算：
滚珠丝杠受到工作负载P引起的导程的变化量
△L1=±
式中L0=6mm=0.6cm；
E=20.6×
166N/cm2。
滚珠丝杠截面积F=（
）2π=（
）2×
3.14
△L1=±
=±
5.9×
10-6㎝
滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量△L2很小,可忽略,即：
△L=△L1。
所以：
导程变形总误差△为
△=
10-6=9.8μm/m
查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15μm/m，故刚度足够。
4）稳定性验算：
由于机床原丝杠直径为φ30mm，现选用的滚珠丝杠直径为φ32mm，支承方式不变，所以稳定性不存在问题。
（3）齿轮及转距的有关计算
1）有关齿轮计算
传动比
i=
=1.25
故取Z1=32mmZ2=40
m=2mmb=20mmα=20°
d1=mZ1=2×
32=64mm
d2=mZ2=2×
40=80mm
dα1=d1+2ha*=68mm
dα2=d2+2ha*=84mm
α=
=72㎜
2）转动惯量计算
工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：
J1=（
）2W=（
80=0.468㎏·
㎝2
=4.68N·
丝杠的转动惯量：
JS=7.8×
10-4×
D4L1=7.8×
3.24×
140.3
=11.475㎏·
㎝2=114.75N·
齿轮的转动惯量：
JZ1=7.8×
6.44×
2=2.617㎏·
㎝2=26.17N·
JZ2=7.8×
84×
2=6.39㎏·
㎝2=63.9N·
电机转动惯量很小可以忽略。
因此,总的转动惯量：
J=
（JS+JZ2）+JZ1+J1
（11.475+6.39）+2.617+0.468
=14.519㎏·
㎝2=145.19N·
3）所需转动力矩计算
快速空载启动时所需力矩
M=Mamax＋Mf＋M0
最大切削负载时所需力矩
M=Mat＋Mf＋M0＋Mt
快速进给时所需力矩
M=Mf＋M0
式中Mamax——空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；
Mf——折算到电机轴上的摩擦力矩；
M0——由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；
Mat——切削时折算到电机轴上的加速度力矩；
Mt——折算到电机轴上的切削负载力矩。
Ma=
10-4N·
m
当n=nmax时Mamax=Ma
nmax=
=416.7r/min
Mamax=
10-4=2.52N·
m=25.72㎏f·
㎝
当n=nt时Ma=Mat
nt=
=24.88r/min
Mat=
10-4=0.1505N·
m=1.536㎏f·
Mf=
当η0=0.8f′=0.16时
=1.223㎏f·
M0=
（1-η02）
●当η0=0.9时预加载荷P0=
Fx则：
M0=
=0.462㎏f·
㎝=4.62N·
Mt=
=7.297㎏f·
㎝=72.97N·
所以,快速空载启动时所需力矩：
=25.72＋1.223＋0.462=27.405㎏f·
=274.05N·
切削时所需力矩：
M=Mat＋Mf＋M0＋Mt
=1.536＋1.223＋0.462＋7.297=10.518㎏f·
=105.18N·
快速进给时所需力矩：
M=Mf＋M0=1.223＋0.462=1.685㎏f·
=16.85N·
由以上分析计算可知：
所需最大力矩Mmax发生在快速启动时，
Mmax=27.405㎏f·
㎝=274.05N·
（二）、横向进给动力需求的计算
1、横向进给系统的设计
经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单,一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠,使刀架横向运动。
步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。
2、横向进给系统的计算
由于横向进给系统的设计和计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。
已知条件：
工作台重（根据图纸粗略计算）W=30㎏f=300N
时间常数T=25ms
滚珠丝杠基本导程L0=4㎜左旋
行程S=190㎜
脉冲当量δp=0.005㎜/step
步距角α=0.75°
/step
快速进给速度vmax=1m/min
（1）切削力计算横向进给量为纵向的1/2～1/3，取1/2，则切削力约为纵向的1/2
FZ=0.5×
152.76=76.38㎏f=763.8N
在切断工件时：
Fy=0.5FZ=0.5×
76.38=38.19㎏f=381.9N
1）强度计算：
对于燕尾型导轨：
P=KFy＋f′（Fz＋W）
取K=1.4f′=0.2
则
P=1.4×
38.19＋0.2（76.38＋30）
=74.74㎏f=747.4N
寿命值
=13.5
最大动负载
=213.55㎏f=2135.5N
例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FC1B系列，滚珠丝杠公称直径为φ20㎜，型号为FC1B20×
4—5—E2左，其额定动负载为5393N，所以强度足够用。
螺旋升角γ=3°
38′，摩擦角ψ=10′
则传动效率
=0.956
滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量
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