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畢業(yè)設計說明書
設計題目：C6143型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計
學 生
班 級
學 號
指導教師
繼 續(xù) 教 育 學 院
二零一三年十月
畢業(yè)設計任務書
設計題目：C6143型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計
學 生
班 級
學 號
指導教師 胡世軍
繼 續(xù) 教 育 學 院
二零一三年十月
蘭 州 理 工 大 學
畢 業(yè) 設 計 任 務 書
學 生 ` 指導教師 胡世軍
班 級 職 稱 副教授
一． 畢業(yè)設計題目
CM6132型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計
CM6132型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及縱向進給設計
CM6132型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及液壓尾座設計
CM6132型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及四方回轉刀架設計
CM6132型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及六角回轉刀架設計
C6142型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及液壓尾座設計
C6142型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及四方回轉刀架設計
C6142型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及六角回轉刀架設計
C6142型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及縱向進給設計
C6142型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計
C6142型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及液壓尾座設計
C6142型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及四方回轉刀架設計
C6142型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及六角回轉刀架設計
C6142型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及縱向進給設計
C6142型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計
C6143型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及液壓尾座設計
C6143型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計
C6143型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及四方回轉刀架設計
C6143型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及六角回轉刀架設計
C6143型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及縱向進給設計
C6150型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及液壓尾座設計
C6150型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及四方回轉刀架設計
C6150型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及六角回轉刀架設計
C6150型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及縱向進給設計
C6150型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計
CW6163型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及液壓尾座設計
CW6163型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及四方回轉刀架設計
CW6163型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及六角回轉刀架設計
CW6163型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及縱向進給設計
CW6163型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計
二、主要設計參數(shù)及技術指標
1、 X軸(橫向)、Z軸(縱向)改為微機控制，采用步進電機或直流伺服電機驅動，滾珠絲杠傳動。其中X軸(橫向)脈沖當量：0.005mm/脈沖，Z軸(縱向)脈沖當量：0.010mm/脈沖。
2、 實現(xiàn)功能：車削外圓、端面、圓弧、圓錐及螺紋加工
3、 操作要求：起動、點動、單步運行、自動循環(huán)、暫停、停止
4、 采用回轉刀架及液壓尾座
5、 其余參數(shù)見原機床
三、畢業(yè)設計內容及工作量
（一） 設計計算說明書 一份0.8—1.0萬字
（二）、 圖紙部分
1、普通車床數(shù)控化改造總體方案圖 A0一張
2、機床尺寸聯(lián)系圖 A0一張
3、主要部件裝配圖（主軸箱等） A0一張
4、數(shù)控機床硬件電路圖 A0一張（選做）
四． 畢業(yè)設計的基本要求：
能按時獨立完成畢業(yè)設計規(guī)定的全部內容，方案選擇正確，論據(jù)充分，對設計中的主要問題分析深入，解決合理，有獨立見解，能很好運用所學理論和提供的資料解決設計中的問題，能獨立查閱和正確引用中外文參考資料，說明書文字通順、清楚、選用數(shù)據(jù)論證合理、計算準確，圖面整潔。
五、 進程安排
序號
主 要 任 務
時間
備注
1
查閱文獻、調研、收集資料、實習
0.5周
2
總體方案圖
1.0周
3
機床尺寸聯(lián)系圖
2.5周
4
主要部件裝配圖
2.5周
5
編寫設計計算說明書
1.0周
6
準備答辯
0.5周
六.主要參考文獻
《數(shù)控機床設計》 陳嬋娟主編 化學工業(yè)出版社
《經濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計》張新義主編 機械工業(yè)出版社
《新編機床數(shù)控技術》 任玉田主編 北京理工大學出版社
《機床設計圖冊》 上海紡織工學院等主編 上?？茖W技術出版社
《機械設計手冊》 成大先主編 化學工業(yè)出版社
7、 設計書的裝訂及格式
裝訂必須采用橫向翻頁方式。內容順序為：封面，任務書，目錄，中文摘要，中文關鍵詞，引言，正文，結論（計算結果），參考文獻，致謝。
摘 要
針對現(xiàn)有常規(guī)C6143普遍車床的缺點提出數(shù)控改裝方案和單片機系統(tǒng)設計，提高加工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設計過程，較詳盡地介紹了C6143機械改造部分的設計及數(shù)控系統(tǒng)部分的設計。采用以8031為CPU的控制系統(tǒng)對信號進行處理，由I/O接口輸出步進脈沖，經一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。
結合我國實際國情，經濟型數(shù)控車床是我國從普通車床向數(shù)控車床發(fā)展的及其重要的臺階。利用現(xiàn)有的普通車床，對其進行數(shù)控化改造是一條低成本，高效益的途徑。數(shù)控車床作為機電一體化的典型產品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結構復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產品的加工質量，大幅度地提高生產效率。我國作為機床大國，數(shù)控機床的占有率還不足百分之三，但是在歐美等發(fā)達國家數(shù)控機床的占有率達到了百分之三十六以上，單從數(shù)字上來看我過和歐美等發(fā)達國家還有相當大的距離。其主要原因為數(shù)控車床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。對普通機床數(shù)控化改造不失為一種較好的良策。在金屬加工行業(yè)中車床在所有加工設備中占有最大比重，例如最常見的軸類零件，就是由車床加工而成本論文針對目前國內企業(yè)現(xiàn)狀，以C6143普通車床為例提出簡易型經濟數(shù)控改造思路和設計方法。
關鍵詞：普通車床，數(shù)控，改造，伺服電機，傳動系統(tǒng)
Abstract
Conventional existing C6143 universal lathe numerical control refitting scheme shortcomings and single-chip system design, improve the processing precision and extend the machine's usage, and to improve productivity. This paper describes the general transformation of CNC lathes of the design process, a more detailed description of the transformation part of the C6143 mechanical design and numerical control system design. Using 8031 as the CPU control system of signal processing by the I/O interface, and output the step pulse, through a gear reducer, drive the leading screw to roll, thus achieve the vertical, transverse to the feed motion.
Combined with the actual situation in our country, the economic type NC lathe is our country from the ordinary lathe to numerical control lathe development and the important step. Use of the existing ordinary lathe, the numerical control transformation is a low cost, high efficiency. CNC lathe is a typical product of electromechanical integration, machinery manufacturing plays an enormous role, good solution to the modern mechanical manufacturing complex, precision, small batches, changeable parts processing, and can stabilize the product processing quality, greatly improve production efficiency. As the machine power, numerical control machine has rate of less than three percent, but in the developed countries such as Europe and America CNC machine share has reached more than thirty-six percent, looking at the figures alone I and other developed countries there is still a considerable distance. The main reason for the CNC lathe the price more expensive, one-time investment is relatively large enterprises weak. On the general transformation of NC machine tools is a kind of good way. In the metal processing industry in the lathe in all the processing equipment has the biggest proportion, for example, the most common shaft parts, lathe processing cost is by aiming at the domestic enterprise present situation, to C6143 ordinary lathe as an example, presents simple economic NC transformation of thinking and design method.
Key words: ordinary lathes, CNC, transformation, servo motor, drive system
目 錄
第1章 概述 1
1.1問題提出 1
1.2 數(shù)控機床的產生 1
1.3 數(shù)控機床的發(fā)展 2
1.4 我國數(shù)控機床的發(fā)展概況 2
1.5 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 3
1.6 數(shù)控機床改造的意義 3
1.7 數(shù)控技術發(fā)展趨勢 4
1.8 普通機床數(shù)控化改造經濟性評價 5
1.8.1 微觀看改造的必要性 5
1.8.2宏觀看改造的必要性 6
第2章 C6143普通車床數(shù)控改造總體方案的設計要求 7
2.1總體方案 7
2.2設計要求 8
2.3 其他要求 10
2.4主軸脈沖發(fā)生器 11
第3章 確定切削用量及選擇刀具 13
3.1刀具選擇 13
3.2切削用量確定 13
3.3切削三要素 14
3.4加工精度和表面粗糙度 14
3.5刀具材料 17
第4章 傳動系統(tǒng)圖的設計計算 18
4.1 參數(shù)的確定 18
4. 2 傳動設計 20
4.3轉速圖的擬定 22
第5章 橫向進給機構的設計計算 26
5.1進給系統(tǒng)機械結構改造設計 26
5.2橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型 26
5.2.1確定系統(tǒng)的脈沖當量 27
5.2.2橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟 27
5.2.3齒輪有關計算 28
第6章 步進電動機的計算與選型 35
6.1步進電動機選用的基本原則 35
6.1.1步距角α 35
6.1.2 精度 35
6.1.3 轉矩 35
6.1.4啟動頻率 36
6.2 C6143橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 36
第7章 安裝調整中應注意的問題 37
7.1滾珠絲杠螺母副的選擇 37
7.2滾珠絲杠螺母副的調整 37
7.3聯(lián)軸器的安裝 37
7.4主軸脈沖發(fā)生器的安裝 37
總 結 38
參考文獻 39
致 謝 40
41
C6143型臥式車床數(shù)控化改造總體設計及橫向進給設計論文
第1章 概述
1.1問題提出
企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、求得發(fā)展,就必須在最短的時間內以優(yōu)異的質量、低廉的成本,制造出合乎市場需要的、性能合適的產品,而產品質量的優(yōu)劣,制造周期的快慢,生產成本的高低,又往往受工廠現(xiàn)有加工設備的直接影響。
購買新的數(shù)控機床是提高數(shù)控化率的主要途徑,但是成本太高，很多工廠在短時間內都無法有那么多的資金，這嚴重阻礙企業(yè)的設備更新和設備改造的步伐；同時目前大多數(shù)企業(yè)還有數(shù)量眾多，而且還具有較長使用壽命的普通機床，由于普通機床加工精度相對較低、不能批量生產，生產的自動化程度不高，生產自適應性差，但考慮投資成本，產業(yè)的連續(xù)性和轉型周期，又不能馬上淘汰。而改造現(xiàn)有舊機床、配備與之相適應的數(shù)控系統(tǒng)，把普通機床改裝成數(shù)控機床，是當前許多企業(yè)對現(xiàn)有設備改造換代的首選辦法，也是提高機床數(shù)控化率的一條有效途徑，不失為一條投資少、提升產品加工精度及質量，提高生產效率的捷徑，使企業(yè)提升競爭力，在我國成為世界制造業(yè)中心及制造強國的進程中，占有一席之地。
1.2 數(shù)控機床的產生
數(shù)控機床最早是從美國開始研制的。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務時，提出了研制數(shù)控機床的初始設想。1949年，帕森斯公司與麻省理工學院伺服機構實驗室合作，開始從事數(shù)控機床的研制工作。并于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床實驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床。經過三年改進和自動編程研究，于1955年進入實用階段。一直到20世紀50年代末，由于價格和技術原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了60年代，由于晶體管的應用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點位控制的機床。數(shù)控技術不僅在機床上得到實際應用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數(shù)控技術不斷的擴展應用范圍。
1.3 數(shù)控機床的發(fā)展
自1952年，美國研制成功第一臺數(shù)控機床以來，隨著電子技術、計算機技術、自動控制和精密測量等相關技術的發(fā)展，數(shù)控機床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經歷了五個發(fā)展階段。
第一代數(shù)控：1952-1959年采用電子管元件構成的專用數(shù)控裝置。
第二代數(shù)控：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。
第三代數(shù)控：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。
第四代數(shù)控：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)。
第五代數(shù)控：從1974年開始采用微型電子計算機控制的系統(tǒng)。
目前，第五代微機數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路，具有很強的程序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實現(xiàn)的。這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強，幾乎只需改變軟件，就可以適應不同類型機床的控制要求，具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴大，光纜通信技術應用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。
近年來，微電子和計算機技術的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機械制造的各個領域中，先后出現(xiàn)了計算機直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)。所有這些高級的自動化生產系統(tǒng)均是以數(shù)控機床為基礎，它們代表著數(shù)控機床今后的發(fā)展趨勢。
1.4 我國數(shù)控機床的發(fā)展概況
我國從1958年由北京機床研究所和清華大學等首先研制數(shù)控機床，并試制成功第一臺電子管數(shù)控機床。從1965年開始，研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到60年代末和70年代初，研制的劈錐數(shù)控銑床、非圓錐插齒機等獲得成功。與此同時，還開展了數(shù)控加工平面零件自動編程的研究。1972-1979年是數(shù)控機床的生產和使用階段。例如：清華大學研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控技術在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領域開始研究與應用；數(shù)控加工中心機床研制成功；數(shù)控升降臺銑床和數(shù)控齒輪加工機床開始小批生產供應市場。從80年代初開始，隨著我國開放政策的實施，先后從日本、美國、德國等國家引進先進的數(shù)控技術。上海機床研究所引進美國GE公司的MTC-1數(shù)控系統(tǒng)等。在引進、消化、吸收國外先進技術基礎上，北京機床研究所又開發(fā)出BSO3經濟型數(shù)控系統(tǒng)和BSO4全功能數(shù)控系統(tǒng)，航空航天部706所研制出MNC864數(shù)控系統(tǒng)等。進而推動了我國數(shù)控技術的發(fā)展，使我國數(shù)控機床在品種上、性能上以及水平上均有了新的飛躍。我國的數(shù)控機床已跨入一個新的發(fā)展階段。
1.5 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢
從數(shù)控機床技術水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是數(shù)控機床的重要發(fā)展趨勢。對單臺主機不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求具有進入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)的適應能力。
在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產廠家，諸如日本的FANCU，德國的SIEMENS和美國的A-B公司，產品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位和32位微機處理機、標準總線及軟件模塊和硬件模塊結構，內存容量擴大到1MB以上，機床分辨率可達0.1微米，高速進給可達100m/min,控制軸數(shù)可達16個，并采用先進的電裝工藝。
在驅動系統(tǒng)方面，交流驅動系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。
1.6 數(shù)控機床改造的意義
數(shù)控機床改造在國外已發(fā)展成一個新興的工業(yè)部門，早在60年代已經開始迅速發(fā)展，其發(fā)展的原因是多方面的，主要有技術、經濟、市場和生產上的原因。我國是擁有300多萬臺機床的國家。而這些機床又大多是多年累積生產的通用機床，不論資金和我國機床制造廠的能力都是辦不到的。因此，盡快將我國現(xiàn)有一部分普通機床實現(xiàn)自動化和精密化改裝，是我國現(xiàn)有設備技術改造迫切要求解決的課題。用數(shù)控技術改造機床，正是適應了這一要求。它是建立在微電子現(xiàn)代技術與傳統(tǒng)技術相結合的基礎上。在機床改造中引入微機的應用，不但技術上具有先進性，同時，在應用上比其它傳統(tǒng)的自動化改裝方案，有較大的通用性與可調性。而且所投入的改造費用低，一套經濟型數(shù)控裝置的價格僅為全功能數(shù)控裝置的1/3至1/5，用戶承擔的起。從若干單位成功應用的實例可以證明，投入使用后，確實成倍地提高了生產效率，減少了廢品率，取得了顯著的技術經濟效益。因此，我國提出從大力推廣經濟型數(shù)控這一中間技術的基礎上，再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路，適合我國的經濟水平、教育水平和生產水平，已成為我國設備技術改造主要方向之一。同時，它還可以作為全功能數(shù)控機床應用的準備階段，為今后使用全功能數(shù)控機床，培養(yǎng)人才，積累維護、使用經驗，而且也是實現(xiàn)我國傳統(tǒng)的機械制造技術朝機電一體化的方向過渡的主要內容之一。
對普通車床進行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改為用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動換刀的回轉刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預先輸入的加工指令進行切削加工。由于加工過程中的切削參數(shù)，切削次序和刀具都會按程序自動調節(jié)和更換，再加上縱向和橫向進給聯(lián)動的功能，數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復雜的回轉零件，并能實現(xiàn)多工序自動車削，從而提高了生產效率和加工精度，也能適應小批量多品種復雜零件的加工。
1.7 數(shù)控技術發(fā)展趨勢
??(1) 高速高精高效化
?? 速度、精度和效率是機械制造技術的關鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。
??(2) 柔性化
? ?包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。
? (3) 工藝復合性和多軸化
??以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉主軸頭或轉臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工。數(shù)控技術軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達24軸。
??(4) 實時智能化
??早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調度任務，以確保任務在規(guī)定期限內完成。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為。科學技術發(fā)展到今天，實時系統(tǒng)和人工智能相互結合，人工智能正向著具有實時響應的、更現(xiàn)實的領域發(fā)展，而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復雜的應用發(fā)展，由此產生了實時智能控制這一新的領域。在數(shù)控技術領域，實時智能控制的研究和應用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應控制、模糊控制、神經網絡控制、專家控制、學習控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動設定和刀具自動管理及補償?shù)茸赃m應調節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預測和預算功能、動態(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，從而達到最佳控制的目的。
1.8 普通機床數(shù)控化改造經濟性評價
根據(jù)對市場的調研，目前新的經濟數(shù)控車床，8.5萬/臺，普通新車床C6142，售價3.8萬/臺，使用壽命8-10年，而已使用了6-8年的舊車床C6142，估價0.5萬/臺，通過改造還可使用4-6年。普通車床C6142每臺數(shù)控化改造所需價格大約3萬，數(shù)控加工的生產率可提高20-30%。因此需要對普通車床的數(shù)控化改造進行經濟性評價。
設備現(xiàn)代化改造是指應用現(xiàn)代技術成就和先進經驗，適應生產的需要，改變現(xiàn)有設備的結構（包括更換新部件、新裝置、新附件等），改善現(xiàn)有設備的技術性能，使之全部或局部達到新設備的性能。
1.8.1 微觀看改造的必要性
從微觀上看，數(shù)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(shù)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(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7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(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)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(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) 可實現(xiàn)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?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
由以上五條派生的優(yōu)點：(1)降低了工人的勞動強度；(2)節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床）；(3)減少了工裝；縮短了新產品試制周期和生產周期；(4)可對市場需求作出快速反應等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(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（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技術已經成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。
1.8.2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(shù)控機床。其本質是，采用信息技術對傳統(tǒng)產業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS外，還包括在產品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。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(shù)控機床的比重（數(shù)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(shù)控化改造的必要性。
第2章 C6143普通車床數(shù)控改造總體方案的設計要求
2.1總體方案
總體方案應考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。
普通車床數(shù)控化改造后應具有單坐標定位，兩坐標直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。
普通車床經數(shù)控化改造后屬于經濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，應結構簡化，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。
根據(jù)技術指標中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經濟性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機具有功能多、速度快、抗干擾能力強、性/價比高等優(yōu)點。
根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉換電路、串行接口電路等，還要選擇步進電動機的驅動電源以及主軸電動機的交流變頻器等。
為了達到技術指標中的速度和精度要求，縱、橫向的進給傳動應選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應有預緊機構等。
計算選擇步進電動機，為了圓整脈沖當量，可能需要減速齒輪副，且應有消間隙機構。
選擇四工位自動回轉刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。
總體方案應考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。
數(shù)控車床后應具有單坐標定位，兩坐標直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。
屬于經濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，應結構簡化，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。
比較項目
方案一
方案二
確定后的方案
具體原因
主軸箱
分級變速采用
調速電機+
齒輪傳動
采用三相異步
電機+減速器
方案一
變速級數(shù)比較多
滿足多種加工
需要，也符合
任務書要求
進給機構
滾珠絲杠
+步進電機
滾珠絲杠
+伺服電機
方案一
脈沖當量
步進電機控制
的準確
刀架
四工位回轉
刀架
六工位回轉
刀架
都可以
各有各的好處
尾座
液壓尾座
手動普通尾座
液壓尾座
可通過數(shù)控系統(tǒng)
調整方便
數(shù)控系統(tǒng)
8位單片機
16位單片機
方案一
基本需求可以滿足
總體方案設計圖如2.1圖所示
2.2設計要求
設計參數(shù)包括車床的部分技術參數(shù)和設計數(shù)控進給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)。
現(xiàn)列出C6143臥式車床的技術數(shù)據(jù)：
名稱 技術參數(shù)
在床身上 430mm
工件最大直徑
在刀架上 225mm
頂尖間最大距離 650;900;1400;1900mm
公制螺紋 mm 1---12(20種)
加工螺紋范圍 英制螺紋 t/m 2---24(20種)
模數(shù)螺紋 mm 0.25---3(11種)
徑節(jié)螺紋 t/m 7---96(24種)
最大通過直徑 48mm
孔錐度 莫氏6#
主軸 正轉轉速級數(shù) 24
正轉轉速范圍 10—1400r/min
反轉轉速級數(shù) 12
反轉轉速范圍 14---1580r/min
縱向級數(shù) 64
進給量 縱向范圍 0.028---6.33mm/r
橫向級數(shù) 64
橫向范圍 0.014---3.16mm/r
滑板行程 橫向 320mm
縱向 650;900;1400;1900mm
最大行程 140mm
刀架 最大回轉角 ±90°
刀杠支承面至中心的距離 26mm
刀杠截面B×H 25×25mm
頂尖套莫氏錐度 5#
尾座
橫向最大移動量 ±10mm
外形尺寸 長×寬×高 2418×1000×1267mm
圓度 0.01mm
工作精度 圓柱度 200:0.02
平面度 0.02/φ300mm
表面粗糙度Ra 1.6---3.2μm
主電動機 7.5kw
電動機功率
總功率 7.84kw
改造設計參數(shù)如下:
最大加工直徑 在床面上 430mm
在床鞍上 225mm
最大加工長度 1000mm
快進速度 縱向 2.4m/min
橫向 1.2m/min
最大切削進給速度 縱向 0.5m/min
橫向 0.25m/min
溜板及刀架重力 縱向 800N
橫向 600N
代碼制 ISO
脈沖分配方式 逐點比較法
輸入方式 增量值、絕對值通用
控制坐標數(shù) 2
脈沖當量 縱向 0.01mm/脈沖
橫向 0.005mm/脈沖
機床定位精度 ±0.015mm
刀具補償量 0mm---99.99mm
進給傳動鏈間隙補償量 縱向 0.15mm
橫向 0.075mm
自動升降速性能 有
2.3 其他要求
（1） 原機床的主要結構布局基本不變，盡量減少改動量 ，以降低成本縮短改造周期。
（2）機械結構改裝部分應注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正安裝、調試、拆卸方便，需經常調整的部位調整應方便。
2.4主軸脈沖發(fā)生器
為保持切削螺紋的功能，必須在主軸上安裝脈沖發(fā)生器，采用脈沖發(fā)生器直接與主軸由無間隙傳動聯(lián)軸器連接，達到傳動系統(tǒng)結構簡化，傳動鏈短，傳動剛度提高。主軸與脈沖發(fā)生器同步旋轉，發(fā)出兩路信號：每轉發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步信號，經隔離電路以及I/O接口送給數(shù)控裝置（CNC），脈沖發(fā)生器及光柵編碼器安裝位置如圖
光柵編碼器安裝位置
主軸脈沖發(fā)生器的結構及原理:
脈沖發(fā)生器的組成部分包括白熾燈、聚光鏡、光柵盤、光闌板、光敏管及其光電整形放大電路組成。光柵盤和光闌板都是玻璃材料制成，玻璃表面經過研磨拋光后用鍍膜法鍍上一層不透光的鉻層，透光條及用照相腐蝕法制成。在光柵盤上刻有明暗條紋，有單條和1024個條兩組。當平行光束經過光柵盤時，在光柵盤的另一面就產生明暗光帶，這光帶通過一個光闌狹縫，照在對應的光敏管上，從而產生光電脈沖信號，經斯密特電路整形后輸出。單條紋的一組產生同步脈沖，每轉發(fā)一個脈沖；1024條紋的一組通過光欄上兩個相位差π/4間距的狹縫，產生兩組每轉1024個脈沖組相差為π/4的脈沖序列，供給微機處理，借以判斷主軸正、反轉，且可以從1024個脈沖中均勻地取出F個脈沖，作為中斷信號控制插補速度，實現(xiàn)F進給控制的目的。
脈沖發(fā)生器的結構原理圖
第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1刀具選擇
（一）刀具選擇：
銑平面：硬質合金端銑刀或立銑刀，盡是采用二次走刀。
凸臺、凹槽、箱口面：立銑刀。
毛坯表面或粗加工孔：鑲硬質合金刀片的玉米銑刀（粗皮刀）。
立體型面和變斜角輪廓外形：球刀、環(huán)形刀、錐形刀、盤形刀。
（二）原則：
安裝調整方便、剛性好、耐用和精度高。盡是用較短刀柄，保證剛性。
（三）排序原則
減少刀具數(shù)量；
裝夾一次，盡是加工完；
即使刀具規(guī)格相同，粗、精加工刀具分開；
先銑后鉆；
精加工，先曲面后二維輪廓；
盡可能自動換刀。
3.2切削用量確定
粗：效率；半精、精：質量、兼顧效率。
1、主軸轉速n：根據(jù)線速度v確定：π
V=
2、切深t：最好是t等于加工余量。
3、切寬L：與刀具直徑成正比，與切深成反比。
L＝0.6－0.9d
粗加工：大切深、大進給、低切速。
精加工：小切深、小進給、高切速。
3.3切削三要素
主軸轉速、切削深度、進給速度。少切削，快進給。
3.4加工精度和表面粗糙度
1、加工精度：尺寸精度、形狀精度、位置精度。
（1）尺寸精度：公差與配合國家標準（GB1800－1804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2、IT18。
新公差等級與舊公差等級的對照及應用
新公差等級
舊精度等級
加工方法
應用
軸
孔
IT01－IT2
無
研磨
用于量塊、量儀制造
IT3－IT4
研磨
用于精密儀表、精密機件的光整加工
IT5
1
無
研磨、珩磨、精磨、精鉸、精拉
用于一般精密配合。IT7－IT6在機床和較精密的機器、儀器制造中用得最為普遍
IT6
2
1
IT7
3
2
磨削、拉削、鉸孔、精銑、精鏜、精銑、粉末冶金
IT8
3－4
IT9
4
銑、鏜、銑、刨、插
用于一般要求。主要用于長度尺寸的配合外，如鍵和鍵槽的配合
IT10
5
IT11
6
粗銑、粗鏜、粗銑、粗刨、插、鉆、沖壓、壓鑄
用于不重要的配合。IT12－IT13也用于非配合
IT12－IT13
7
IT14
8
沖壓、壓鑄
用于非配合
IT15－IT18
9－12
鑄、鍛、焊、氣割
?。?）形狀精度：零件上的線、面要素的實際形狀相對于理想形狀的準確程度。
國家標準（GB1182－1184-80）規(guī)定了六項形狀公差：直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度、面輪廓度。
?。?）位置公差：零件上點、線、面要素的實際位置相對于理想位置的準確程度。
國家標準（GB1182－1184-80）規(guī)定了八項位置公差：
定向：平行度、垂直度、傾斜度。
定位：同軸度、對稱度、位置度。
跳動：圓跳動、全跳動。
2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。國家標準（GB3503-83、GB1031－83、GB131-83）
輪廓算術平均偏差：
Ra＝ 或近似于Ra＝
微觀不平十點高度：
Rz＝(+)
在常用數(shù)值范圍內（Ra＝0.25－4.5μm，Rz＝0.1－25μm），在圖樣上應優(yōu)先選用Ra。
表面粗糙度Ra、Rz允許值及加工方法表
表面要求
表面特征
Ra(μm)
Rz(μm)
加工方法
舊國際光潔度級別代號
第1系列
第2系列
第1系列
第2系列
不
加
工
毛坯表面清除毛刺
1600
∽
1250
1000
800
630
500
100
400
粗
加
工
明顯可見的刀紋
80
320
粗銑
粗銑
粗刨
鉆
粗銼
▽1
63
250
50
200
可見刀紋
40
160
▽2
32
125
25
100
微見刀紋
20
80
▽3
16.0
63
12.5
50
半
精
加
工
可見加工痕跡
10
40
半精銑
精銑
精銑
精刨
粗磨
▽4
8
32
4.5
25
微見加工痕跡
5
20
▽5
4
16
3.2
12.5
不見加工痕跡
2.5
10
▽6
2
8
1.6
精
加
工
可辨加工痕跡的方向
1.25
4.5
精鉸
刮
精拉
精磨
▽7
1.00
5
0.8
4
微辨加工痕跡的方向
0.63
3.2
▽8
0.5
2.5
0.4
2.0
不辨加工痕跡的方向
0.32
1.6
▽9
0.25
1.25
0.2
1.00
精
密
加
工
暗光澤面
0.16
0.80
精密磨削
珩磨
研磨
超精加工
拋光
▽10
0.125
0. 63
0.1
0.50
亮光澤面
0.080
0.40
▽11
0.063
0.32
0.05
0.25
鏡狀光澤面
0.040
0.20
▽12
0.032
0.16
0.025
0.125
霧狀光澤面
0.020
0.10
▽13
0.016
0.080
0.012
0.063
鏡面
0.010
0.050
鏡面磨削
研磨
▽14
0.008
0.040
0.025
0.032
3.5刀具材料
碳素工具鋼T10A、T12A：HRC60-64,200 -250℃，V＜8m/min。
合金工具鋼CrWMn、9SiCr：350-400℃，V＜10m/min。
高速鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600℃，V＜30m/min；
110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，＞600℃
4、硬質合金：HRA89-93（HRC74-82），850-1000℃，V＝100-300m/min。
另外，還有新型硬質合金、陶瓷材料、人造金剛石、立方氮化硼等。
第4章 傳動系統(tǒng)圖的設計計算
主要技術參數(shù)：?
床身最大工件回轉直徑(主參數(shù)mm)
430
最大工件長度（第二主參數(shù)，mm?）
1000
最大加工長度/mm??????
900
主傳動調速范圍r·min-1
10/1400
4.1 參數(shù)的確定
了解車床的基本情況和特點---車床的規(guī)格系列和類型
1. 通用機床的規(guī)格和類型有系列型譜作為設計時應該遵照的基礎。因此，對這些基本知識和資料作些簡要介紹。本次設計中的車床是普通型車床，其品種，用途，性能和結構都是普通型車床所共有的，在此就不作出詳細的解釋和說明了。
2.車床的主參數(shù)（規(guī)格尺寸）和基本參數(shù)（GB1582-79，JB/Z143-79）
最大的工件回轉直徑D是430mm；刀架上最大工件回轉直徑D1大于或等于215mm；主軸通孔直徑d要大于或等于80mm；主軸頭號（JB2521-79）是4.5；最大工件長度L是1800mm；主軸轉速范圍是：10～1400r/min可無級調速.
參數(shù)確定的步驟和方法
a) 極限切削速度umax﹑umin
根據(jù)典型的和可能的工藝選取極限切削速度要考慮：工序種類 ﹑工藝要求 刀具和工件材料等因素。允許的切速極限參考值如《機床主軸變速箱設計指導書》。然而，根據(jù)本次設計的需要選取的值如下：
取umax=300m/min；
umin=8m/min。
b) 主軸的極限轉速
計算車床主軸的極限轉速時的加工直徑，按經驗分別?。?.1～0.2）D和（0.45～0.5）D。由于D=430mm，則主軸極限轉速應為：
加工條件
硬質合金刀具粗加工鑄鐵件
30～50
硬質合金刀具半精或精加工碳鋼工件
150～300
螺紋（絲杠等）加工鉸孔
3～8
nmax=r/min （2.1）
=758～1517r/min ，取=1000r/m；
nmin=r/min （2.2）
在中考慮車螺紋和絞孔時，其加工最大直徑應根據(jù)實際加工情況選取0.1D和50左右。
所以 nmin==32r/min
由于轉速范圍 R= =
=31.25 ；
因為級數(shù)Z已知：
Z=16級 。
現(xiàn)以Φ=1.26和Φ=1.41代入R=
得R=32和173 ，因此取Φ=1.26更為合適。
各級轉速數(shù)列可直接從標準數(shù)列表中查出。標準數(shù)列表給出了以Φ=1.06的從1～10000的數(shù)值，因Φ=1.26=，從表中找到nmax=1000r/min，就可以每隔4個數(shù)值取一個數(shù)，得： 1000，800，630，500，400，315，250，200，160，125，100，80，63，50，40，30。
c) 主軸轉速級數(shù)z和公比￠
已知 =Rn
Rn=且： z=
因機床的電動機轉速往往比主軸的大多數(shù)轉速高，變速系統(tǒng)以降速傳動居多，因此，傳動系統(tǒng)中若按傳動順序在前面的各軸轉速較高，根據(jù)轉矩公式（單位N.m）
T=，當傳遞功率一定時，轉速較高的軸所傳遞的扭矩就較小，在其他條件相同時，傳動件（如軸、齒輪）的尺寸就較小，因此，常把傳動副數(shù)較多的變速組安排在前面的高速軸上，這樣可以節(jié)省材料，減少傳動系統(tǒng)的轉動慣量。因此選擇結構式如下：
16=。
d) 主電機功率—動力參數(shù)的確定
合理地確定電機功率N，使用的功率實際情況既能充分的發(fā)揮其使用性能，滿足生產需要，又不致使電機經常輕載而降低功率因素。
目前，確定機床電機功率的常用方法很多，而本次設計中采用的是：估算法，它是一種按典型加工條件（工藝種類、加工材料、刀具、切削用量）進行估算。根據(jù)此方法，中型車床典型重切削條件下的用量：
根據(jù)設計書表中推薦的數(shù)值：
取 P=7.5kw
4. 2 傳動設計
1) 傳動結構式、結構網的選擇
結構式、結構網對于分析和選擇簡單的串聯(lián)式的傳動不失為有用的方法，但對于分析復雜的傳動并想由此導出實際的方案，就并非十分有效，可考慮到本次設計的需要可以參考一下這個方案。
確定傳動組及各傳動組中傳動副的數(shù)目
級數(shù)為Z的傳動系統(tǒng)有若干個順序的傳動組組成，各傳動組分別有Z1、Z2、Z3…個傳動副。即
Z=Z1Z2Z3…
傳動副數(shù)由于結構的限制以2和3的因子積為合適，即變速級數(shù)Z應為2和3的因子:
Z=
可以有幾種方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已經選定了的和本次設計所須的正確的方案列出，具體的內容如下：
傳動齒輪數(shù)目 2x（2+2+1）+2x(2+1)+1=17個
軸向尺寸 19b
傳動軸數(shù)目 8根
操縱機構 簡單，兩個雙聯(lián)滑移齒輪
根據(jù)以上分析及計算，擬定主軸箱、變速箱傳動結構圖如下：
圖二中，第Ⅰ軸至第Ⅲ軸，其結構式為： 4=
圖一中，第Ⅳ軸至第Ⅷ軸，機床主軸箱傳動系統(tǒng)采用分離傳動，其主要特點是：
（1） 在滿足傳動副極限傳動比的條件下，可以得到較大的變速范圍。
（2） 高速由短支傳動，有助于減少高速時機床的空運轉功率損失。而且高速分支的尺寸可相對小些。
（3） 變速級數(shù)不像常規(guī)變速系統(tǒng)那樣受2，3因子的限制，如與部分轉速重合的方法配合，幾乎可以得到任意的變速級數(shù)，大大增加了可供選擇方案的數(shù)目。
2) 主傳動順序的安排
16級轉速傳動系統(tǒng)的傳動組，可以安排成：2x2x2x2，選擇傳動組安排方式時，要考慮到機床主軸變速箱的具體結構、裝置和性能。在Ⅰ軸上如果安裝摩擦離合器時，應減小軸向尺寸，第一傳動組的傳動副不能多，以2為宜，本次設計中就是采用的2，一對是傳向正傳運動的，另一個是傳向反向運動的。
主軸對加工精度、表面粗糙度的影響大，因此主軸上齒輪少些為好，最后一個傳動組的傳動副選用2，或者用一個定比傳動副。
(5) 傳動系統(tǒng)的擴大順序的安排
對于16級的傳動只有一種方案，準確的說應該不只有這一個方案，可為了使結構和其他方面不復雜，同時為了滿足設計的需要，選擇的設計方案是：
16=2［2］x 2［1］+ 2［2］x 2[1]+ 2[2］x 2[1]x2[8]
傳動方案的擴大順序與傳動順序