C618数控车床的主传动系统设计

第一章 概论

一、数控系统发展简史

1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。

二、国内数控机床状况分析

（一）国内数控机床现状

近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。 近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。

（二）国内数控机床的特点

1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。 2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。

2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率 从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。

3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。

三、数控系统的发展趋势

1. 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展

基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 2. 向高速化和高精度化发展

这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 3. 向智能化方向发展

随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。 （1）应用自适应控制技术

数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （2）引入专家系统指导加工

将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （3）引入故障诊断专家系统

（4）智能化数字伺服驱动装置

可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。

四、机床数控化改造的必要性

（一）微观看改造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。

1 、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。

2 、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了\柔性自动化\。

3、 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要\修配\。 4 、可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。

5、 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看 管加工。 6、 由以上五条派生的好处。

如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少 了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 （二）宏观看改造的必要性

从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已达20.8％，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 数控化改造的市场空间

机床的数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如：\在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个\永恒\的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出： 1．国内的市场

我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3％。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6％。我国机床役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20％，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60％以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。

2. 进口设备和生产线的数控化改造市场

我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从1979～1988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。

这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。

这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 机床改造的效益分析

提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采用第二中方法有以下的优点： 1、 减少了投资和交货的期限

同购置新的数控机床相比，一般可以节省60%到80%的费用，改造的费用大大减低。 2、机械的稳定性可靠

机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。 3、熟悉了解设备结构性能，便于操作维修，购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。 4、可以充分利用现有的条件

可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。

5、可更好的因地制宜合理筛选功能

购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。 6、可及时采用最新技术，充分利用社会资源

由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造 ，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还可以使得刮研极容易，等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机场改造成当今水平的机床。

第二章 普通车床的数控改和可行性论证

对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的原则是：在满足设计要求的前途下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。

一 车床的数控改造

（一）、数控机床工作原理及组成 1. 数控机床工作原理：

数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。 2.数控机床的组成： 数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图2-1 图2-1 数控机床的组成图 （二）、设计内容及任务 普通车床（C618）的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（包括纵向、横向进给系统的设计与计算）、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床调速电动机控制电路的设计、电磁离合器的设计计算。。

本设计任务是对C618卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01mm/脉冲，横向最小运动单位0.005mm/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。

（三）、数控部分的设计改造 1、数控系统运动方式的确定

测量装置控制介质数控装置伺服系统机 床数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。由于C618车床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。

2、伺服进给系统的设计改造

数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。

闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。

半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。

开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。

经过上序比较，由于所改造的C618车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。 3、数控系统的硬件电路设计

数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。

数控装置的设计方案通常有： ? 可以全部自己设计制作

? 可以采用单板机或STD模块或工控机改制 ? 可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动

在普通机床的经济型数控改造中，由于第一种设计周期较长且不经济，同时质量也难于保证。第二种则更加不经济。所以不课程设计将采取第三钟方案。 （四）、机械改造部分的设计 1、主传动部分的改造设计

将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。 2、进给机构的改造

将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。

的正、反转和制动停止由数控指令直接控制电动机实现。其主轴变频调速系统原理图如图4-1所示；

如图4-2所示是机床主轴要求的功率特性和转矩特性。这两条特性曲线是以计算转速nj为分界，从nj至最高转速nmax的区域Ⅰ为恒功率区，在该区域内，任意转速下主轴都可输出额定的功率，在该区域内，最大转矩则随主轴转速下降而上升。从最低转速nmin 至nj的区域Ⅱ为恒转矩区。在该区域内，最大转矩不再随转速下降而上升，任何转速下可能提供的转矩都不能超过计算转速下的转矩，这个转矩就是机床主轴的最大转矩Mmax。在区域内，主轴可能输出的最大功率Pmax，则随主轴转速的下降而下降。通常，恒功率区约占整个主轴变速范围的2/3—3/4；恒转矩区约占1/4—1/3。

如图4-3所示是变速电动机的功率特性。从额定转速nd到最高转速nmaxde 区域Ⅰ为恒功率区；从最低转速nmin 至nd的区域Ⅱ为恒转矩区。直流电动机的额定转速常为1000 r/min—1500 r/min。从nd至nmax用调节磁通的方法得到，称为调磁调速；从nmin至nd用调节电驱电压的办法得到，称为调压调速。交流调频电动机用调节电源频率来达到调速的目的。额定转速常为1500 r/min。这两种电动机的恒功率转速范围为2—4；恒转矩变速范围则可达100以上。

图4-2 主轴的功率转矩特性 图4-3 变速电动机的功率特性

所谓分段无级变速就是在交流或直流电机无级调速的基础上配以齿轮变速。它能够实现中、高速段的恒功率传动，低速段的恒转矩传动。在该系统中，主轴的正、反转和制动停止，通过数控指令直接控制电机来实现。主轴的变速则有电动机的无级变速与齿轮的有机变速相配合来实现。

二、主传动部分改造设计计算

主传动部分改造设计计算包括电动机的设计于选择, 主传动系统分段无级变速传动方案的确定与分析, 数控机床分级变速箱的设计,电磁离合器的设计计算,机床调速电机控制电路图的设计. （一）、电动机的选择

根据原机床参数及要求初选改造后车床主轴变速范围Rn=100，nmax=3000r/min，nmin=30r/min；主传动机械总效率系数η=0.9，最大切削功率为10kw，最小切削功率为3kw。则电机初选功率应为PD>10vkw,根据电机规格，可选用11kw或者15kw的电机。 表格 4。2电机选择两种方案对比

型 号 YP160M2-4 YP160L-4 交 流 主 轴 电 机 PD（kw） 11 15 RDP 3 3 NDsmin 450 335 RDT 3.3 4.5 nj 83 112 主 轴 与 变 速 机 构 RnP 30 22.3 RnT 3.3 4.5 RF 10 i∑ 1/18 7.44 1/13.4 2、电机最小输出功率

1）、计算主轴在最底转速达到最小功率是电机应输出的功率

Pdsmin=

Pnmin?=3/0.9=3.3kw (4-2)

2）、算电机实用的最底转速nDsmin（r/min）

由式nDsmin=

Pdsmin?nd (4-3)

PD 计算结果 : 11kw的电机为：nDsmin=450r/min （nd=1500r/min）

15kw的电机为：nDsmin=333r/min （nd=1500r/min）

式中：nd---电机的基本转速r/min；

PD---电机额定功率kw。

由此，设计者选用功率为11kw、型号为YP160M2-4的交流调频电机。 （二）、主传动系统分段无级变速传动方案的确定与分析 1、电机额定转速的计算电机的选择 1）、电机额定转矩TDd（N/m）为 TDd=

9550PD11?9550?=70N2M (4-4) nd15002）、电机最小转矩Tdmin（N2M）

Tdmin=

9550Pd =23.2N2M (4-5)

ndMax其中电机最大转速ndmax=4500r/min 3）、电机实用恒转矩区变速范围

RDT=

ndn =3.3 dmin4）、主轴恒转矩区变速范围

RnT=RDT=3.3 (4-7) 5）、电机恒功率区变速范围

RndP=

maxn =3 (4-8)d2、主轴参数计算 1）、主轴计算转速nj nnj=nmaxmin?(n)0.3 min=30?(30000.30)3 =120r/min

2）、主轴恒功率变速范围RnP RnP=

nmaxn =3000=25r/min (4-10) j1203）、分级变速机构的变速范围RF RF=

RnpR =

25DP3=8.3 (4-11) 其中：RnP-----主轴恒功率区变速范围

RDP

-----电机恒功率区变速范围

4）、主传动系统总降速比i∑

i∑=

njn =

120d1500=1/12.5 (4-12) (4-6) (4-9) (三)、数控机床分级变速箱的设计 1、数控机床主轴转速自动变换过程

在数控机床上,特别是在自动换刀的数控机床上应根据刀具与工艺要求进行主轴转速的自动变速。在零件加工工程序中用S两位代码指定主轴转速的序号，或用四位代码指定主轴转速的没分钟转数，并且用M两位代码指定主轴的正、反向启动和停止。

采用直流或交流调速电动机的主运动无级变速系统中，主轴的正、反启动和停止制动是直接控制电动机来实现的，主轴转速的变换则由电动机转速的变换与齿轮有级变速机构的变换相配合来实现的。机床主运动变速系统中主轴的转速n是如何由电动机的转速、齿轮有级变速级数相配合来实现的，为了获得主轴的某一转速必须接通相应的有级变速级数和电动机的调压转速nY或调磁转速nC。理论上说电动机的转速可以无级调速，但是，主轴转速S代码最多只有99种，即使是使用S四位代码直接指定主轴转速，也只能按一转递增，而且分级越多指令信号的个数越多，更难于实现。因此，实际上还是将主轴转速按等比数列分成若干级，根据主轴转速的S代码发出相应的有级级数与电机的调速信号来实现主轴的住动变速。电机的调压或调磁变速，由电动机的驱动电路根据转速指令电压信号来变换。齿轮有级变速则才用夜压或电磁离合器实现。 2、分级变速箱的设计

数控机床的分级变速箱由于位于调速电机与主轴之间,因此,设计时除遵循一般有级变速箱设计原则外,必须处理好公比的选择.在设计数控机床分级变速箱时,公比的选取有以下三种情况: a、取变速箱的公比Φ等于电机的恒功率调速范围RdP ,即Φ= RdP 。

b、如果为了简化变速箱的结构，希望变速级数少一些，则不得不取较大的公比。 c、数控车床在切削阶梯轴、成行螺旋面或端面时，有时需要进行恒线速切削。 经综合分析比较选有第a种情况的公比。

(1)、取变速箱的公比Φ等于电机的恒功率调速范围RdP ,即Φ= RdP .则机床主轴的恒功率变速范围为

RnP=ΦRdP=Φ

变速箱的变速级数

Z-1

Z

(4-13)

Z=

lgRnplg? =

lg25 =2.93 (4-14) lg3其中: RnP-----主轴恒功率区变速范围 RnP=25 Φ-----变速箱的公比 Φ= RdP=3

Z必须是整数，可取变速箱的变速级数Z=3。其转速图如图4-4（a）所示。电动机经定比传动2：3，使变速箱的轴Ⅰ得到3000r/min—1000r/min（恒功率）和1000 r/min--270 r/min（恒转矩）的转速。如果经Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ轴之间的两对1：1的齿轮传动，主轴能得到3000 r/min --1000 r/min恒功率转速范围。当主轴转速n降到1000 r/min时，电动机转速降到1500 r/min（额定转速）。如果电动机转速继续下降，则将进入恒转矩区，最大输出功率也将随之下降。表现在图4-4（b）的功率特性图上，主轴转速为3000 r/min--1000 r/min时，为ab段，是恒功率。当电动机转速低于额定转速时，最大输出功率将沿bc段虚线下降。

图4-4 传动系统及功率特性图

当主轴转速降到1000 r/min时，变速箱变速，经（1/1）*（1/3）传动主轴。这时电动机转速自动地回到最高转速。当电动机又从4500 r/min降到1500 r/min时，主轴从1000 r/min降到333 r/min，还是为恒功率。在功率特性图上为bd段。

当主轴转速降到333 r/min时，变速箱变速，经（1/3）*（1/3）=1/9转动主轴。电动机又回到最高转速。主轴从333 r/min降到111 r/min，在特性图上为df段。

主轴111 r/min的转速已低于原要求的计算转速，以下进入恒转矩段。靠电动机继续降速得到，当电动机转速降到405 r/min时，主轴转速降到405*（2/3）*（1/9）=30 r/min，即为主轴的最低转速，这时电动机的最大输出功率为：

P2=

450Pd=0.27 Pd (4-15) 1500即为额定功率Pd的27% 。

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