Ⅰ 急需機電一體化專業畢業設計範文！！！！
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Ⅱ 畢業設計的開題報告怎麼寫急！！！
開題報告
一、設計題目
卧式加工中心的機械手升降機構
二、課題研究的目的、意義
在機械工業中，應用機械手的意義可以概括如下：
1）以提高生產過程中的自動化程度
應用機械手有利於實現材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。
2）以改善勞動條件，避免人身事故
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、雜訊、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業，使勞動條件得以改善。
在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由於操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
3）可以減輕人力，並便於有節奏的生產
應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由於應用機械手可以連續的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更准確的控制生產的節拍，便於有節奏的進行工作生產。
綜上所述，有效的應用機械手，是發展機械工業的必然趨勢。
三、國內外現狀和發展趨勢
工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。工業機械手的是工業機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業的准確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。
機械手是在機械化，自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。在現代生產過程中，機械手被廣泛的運用於自動生產線中，機械人的研製和生產已成為高技術鄰域內，迅速發殿起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，並越來越廣泛地得到了應用
自動換刀裝置是數控加工中心在工件的一次裝夾中實現多道工序加工不可缺少的裝置, 主要由刀庫、機械手和驅動裝置幾部分組成。機械手和驅動裝置是兩個關鍵部分, 根據驅動裝置的不同, 自動換刀裝置可分為凸輪式、液壓式、齒輪式、連桿式及各種機構復合式, 其中以凸輪式用得較多。發達國家數控加工中心的立式自動換刀機械手主要採用凸輪式, 我國加工中心技術起步較晚, 對自動換刀機械手研究較少。進入20 世紀90 年代後, 北京機床研究所、大連組合機床研究所、濟南第一機床廠、青海機床廠以及陝西省的秦川機床廠都對立式自動換刀機械手進行了研究和開發。迄今為止, 我國製造的加工中心配置的自動換刀機械手大多數是進口的。其主要原因: 一是國內生產的換刀機械手質量較差, 成本也不低; 二是進口換刀機械手價格雖然較高, 但在整個加工中心中所佔份額不大。作為加工中心的配套技術, 自動換刀機械手的研究和開發將直接影響到我國自動化生產水平的提高, 從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。
立式換刀機械手和卧式換刀機械手已得到廣泛應用20 世紀90 年代以來, 數控加工技術得到迅速的普及和發展, 數控機床在製造業得到了越來越廣泛的應用。帶有自動換刀系統的數控加工中心在現代先進製造業中起著愈來愈重要的作用, 它能縮短產品的製造周期, 提高產品的加工精度, 適合柔性加工。加工中心是數控機床中較為復雜的加工設備, 由於其具有多種加工能力而得到廣泛的應用, 其強大的加工能力和效率得益於其配置的自動換刀裝置(A u2tomat ic Too l Changer)。換刀裝置作為加工中心的重要組成部分, 其主要作用在於減少加工過程中的非切削時間, 提高生產率, 降低生產成本, 進而提升機床乃至整個生產線的生產力。加工中心自動換刀裝置是實現多工序連續加工的重要裝置, 其結構設計及其控制是實現加工中心設計製造的關鍵。加工中心的換刀過程較為復雜, 動作多, 動作間的相互協調關系多, 因而自動換刀系統性能的好壞直接影響加工效率的高低。
四、研究內容及方案擬定
各已知的參數和要求如下：
①機械手裝置的行程：1260mm；
②機械手重：m1=40kg；
③刀具的最大質量：m2=10kg；
④機械手的回轉及裝卸刀具裝置質量：m3=200kg；
⑤換刀時間：t1=3s；
⑥刀具的升降時間：t2=6s。
機械手基本形式的選擇：
常見的工業機械手根據手臂的動作形態,按坐標形式大致可以分為以下4種:
(1)直角坐標型機械手;
(2)圓柱坐標型機械手;
(3)球坐標(極坐標)型機械手;
(4)多關節型機械手。其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊,定位精度較高,佔地面積小,能夠較容易地實現凸輪軸加工機床的運動要求。
（5）機械手主要由執行機構、驅動機構和控制系統三大部分組成。
（6） 機械手的工藝流程: 機械手原位→機械手前伸→機械手上升→機械手抓取並夾緊→機械手後退→機械手前進（小車）→小車停止→機械手左轉90°→機械手前伸→機械手鬆開→機械手後退（小車）→機械手下降→機械手右轉90°→小車後退→退至原位
控制系統的選擇：1.考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們採用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制.
2.國際上生產可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考慮到本機械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到製造成本，因此在本次設計中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。
3.氣動機械手的工作流程如下：
（1） 當按下機械手啟動按鈕之後，首先立柱右轉電磁閥通電，機械手右轉，至右限位開關動作。
（2） 立柱上升電磁閥通電，立柱上升，至上限位開關動作。
（3） 手臂伸長電磁閥通電，手臂開始伸長，至限位開關動作。
（4） 手腕逆時針轉電磁閥通電，手腕逆時針轉動，至逆時針轉限位開關動作。
（5） 立柱下降電磁閥通電，立柱下降，至下限位開關動作。
（6） 手爪抓緊電磁閥通電，手爪抓緊，至限位開關動作。
（7） 立柱上升電磁閥通電，立柱上升，至上限位開關動作。
（8） 手腕逆時針轉電磁閥通電，手腕逆時針轉動，至逆時針轉限位開關動作。
（9） 手腕收縮電磁閥通電，手腕收縮，至限位開關動作。
（10） 立柱左轉電磁閥通電，機械手左轉，至左限位開關動作。
（11） 手臂伸長電磁閥通電，手臂開始伸長，至限位開關動作。
（12） 手腕逆時針轉電磁閥通電，手腕逆時針轉動，至逆時針轉限位開關動作。
（13） 立柱下降電磁閥通電，立柱下降，至下限位開關動作。
（14） 手爪松開電磁閥通電，手爪松開，至限位開關動作。
（15） 手腕收縮電磁閥通電，手腕收縮，至限位開關動作。完成一次循環，然後重復以上循環動作。
按下停止按鈕或停電時，機械手停止在現行的工步上，重新啟動時，機械手按上一工步繼續工作。
電動機的選擇：
本系統採用110BF 反應式步進電機為執行元件, 其步距角為每步0.75o , 整個控制系統硬體組成如圖：
步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執行元件, 廣泛應用於工業控制系統中。其機械角位移和轉速分別與輸入電機繞組的脈沖個數和脈沖頻率成比例, 通過改變電脈沖頻率可在大范圍內進行調速; 同時, 該電機還能快速啟動、制動、反轉和自鎖; 此外, 步進電機易於實現與計算機或其它數字元件介面, 適用於數字控制系統。
步進電機通電相序的方向控制以軟體代替環形脈沖分配器, 實現對相序的直接控制, 各相脈沖輸出由並行口直接控制, 將控制字(步進電機各相通斷電順序) 從內存中讀出, 然後送到單片機並行口中輸出, 從而實現步進電機的正、反轉。使用這種方案不僅簡化了系統的硬體線路, 降低了成本,而且還可以根據控制系統的需要, 靈活地改變步進電機的運行方式。採用三相六拍步進電機, 電機正轉時通電順序為:A - AB- B- BC- C- CA - A; 反轉時的通電順序為:A - AC- C- CB- B- BA - A。此外, 控制進給脈沖的頻率, 改變單片機輸出埠狀態代碼(輸出字) 之間的間隔時間, 即可調整電機的轉速, 實現刀盤的加速-恆速- 減速之間的轉換, 從而縮短換刀時間, 提高換刀效率。
應收集的資料及參考文獻:
⑴金屬切削機床與數控機床 張俊生主編 1994年8月第一版
⑵數控機床的結構與傳動 北京航空學院機械加工教研室編 1977年9月第一版
⑶數字控制技術與數控機床 楊有君主編 1999年10月
⑷實用數控機床技術手冊 1993年8月第一版
⑸現代數控機床結構設計 王愛玲主編 1999年9月
⑹現代數控機床 畢承恩 丁乃建等 1991年12月第一版
⑺試談數控機床加工中心的結構設計 機械製造出版社 1994年1月
五、進度安排
1、2010.3.1～3.14 畢業設計調研，完成科技譯文及開題報告；
(科技譯文不少於3000漢字)
2、2010.3.15～6.6 完成總體設計、零部件設計、控制電路設計等；
（完成4張零號圖，要求CAD出圖；具體落實到每個人內容
有所不同，時間段相同）
3、2010.6.7～6.20 完成設計（論文）說明書
（40～60頁，要求列印）；
4、2010.6.21～6.25 評審、答辯。
（給出成績及評語，注意答辯時間2010年6月15——20日，
請在15日前完成所有任務）
六、參考文獻
1.《機械設計手冊》（1-5卷） 徐灝 主編 機械工業出版社
2．《簡明實用機械手冊》（第二版） 上海市機械工程學會 編機械工業出版社
3.《汽車構造（下冊）》陳家瑞主編 機械工業出版社
4．《機械設計圖冊》 成大先 主編 化學工業出版社
5．《機械設計》（第六版）西北工業大學濮良貴、紀名剛 主編 高等教育出版社
6．《機械製造裝備設計》 馮辛安 主編 機械工業出版社
7．《現代機構手冊》（上、下冊）孟憲源 主編 機械工業出版社
8．《機械設計常用元器件手冊》（上、下冊） 劉仁家等編 機械工業出版社
9．《機床課程設計指導書》吉林工業大學機床教研室 宋在明 陶永蘭 編 1997.2
10.《幾何量公差與檢測》（第三版）甘永立 主編 上海科學技術出版社
11.《新編液壓工程手冊(上,下冊)》 雷天覺 北京理工大學出版社
Ⅲ 數控機床畢業論文
數控機床旋轉進給系統的狀態空間模型及性能分析
摘要：高性能多坐標數控機床的擺頭、轉台等旋轉進給系統多採用永磁同步伺服電機進行直接驅動，其控制問題較常規進給系統更為復雜。因此建立更為科學的適用於直接驅動的永磁同步電機的數學模型對提高旋轉進給系統的控制水平具有重要意義。本文提出在矢量控制的基礎上建立直接驅動用永磁同步電機的狀態空間模型的方法，並運用現代控制理論對系統的能控性、可觀測性及穩定性等進行分析和計算以及對系統進行極點配置，並用Simulink進行了系統模擬，為數控機床旋轉進給伺服系統的設計和分析提供了理論基礎和分析方法。
關鍵詞：旋轉進給；直接驅動；永磁同步電機；
中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-0134(2007)08-0040-05State space model and performance analysis of numerical controlmachine rotary feed systemZHANG Ao, ZHOU Kai(Department of Precision Instrument and Mechanics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract: Rotary feed system such as penlum head and revolving table of high-powered multicoordinatesnumerical control machine adopts PMSM to drive directly. It's more complex tocontrol than the conventional feed system. So it's significative to set up mathematic modelof PMSM which is applicable for the direct drive more scientifically in order to improve thecontrol level of rotary feed system. Thus a modeling of PMSM method for state spaceequation modeling of PMSM based on vector control is proposed. The controllability,observability, stability and Pole assignment are analysed by modern control theory. And thesystem emulation is finished by Simulink. This method offers theoretical basic and analyticalmethod for rotary feed servo system designing of numerical control machine.Key words: rotary feed; direct drive; PMSM; state space equation0
前言
高性能數控機床的旋轉進給伺服系統，特別是直接驅動伺服系統（即取消了從電動機到執行機構或負載之間的一切機械中間傳動環節，把傳動鏈的長度縮短為零。）廣泛使用永磁同步電機(permanentmagnet synchronous motor, PMSM)作為控制對象。其優點是結構簡單，運行可靠，通過在結構上採取措施，如採用高剩磁感應、高矯頑力和稀土類磁鐵等，可比直流電動機的外形尺寸約減少1/2，重量輕60%，轉子慣量可減小到直流電動機的1/5 。[2]還應該看到，傳統驅動系統由於傳動環節的存在，控制環節的受力較小，系統對擾動的敏感度相對較低，而直接驅動伺服系統，負載與控制環節之間幾乎是直接相聯，沒有傳動鏈的緩沖，因此控制環節受力較大，對擾動比較敏感，這可能會對系統的動態性能造成影響；同時，擺頭與轉台的特點是要承受低速大負載，因此其大負載條件下的低速平穩性也是系統設計中的一個重要問題。因此，對於此類數控機床轉台、擺頭等旋轉進給直接驅動系統而言，其控制問題較常規進給系統更為復雜。在工程實際中多採用基於矢量變換控制的經典3 環控制方法進行系統控制，其建立控制模型的基礎是經典控制理論，即對系統使用傳遞函數加以描述，將某個單變數（如轉速等）作為輸出，直接和輸入（如電壓等）聯系起來。但實際上系統除了輸出量外還包含其它相互獨立的變數，而微分方程或傳遞函數對這些內部的中間變數是不便描述的，因而不能包含系統的所有信息，不能完全揭示系統的全部運動狀態。而若應用現代控制理論的狀態空間法分析系統，其動態特性是由狀態變數構成的一階微分方程組來描述的，它能反映系統全部獨立變數的變化，確定系統全部內部運動狀態，方便地處理初始條件。因此可以更為全面的表徵系統以及系統內部變數的關系，尤其適合應用於非線性、多輸入－多輸出系統。[5]綜上所述，旋轉進給直接驅動伺服系統是一個強耦合、非線性的復雜系統，因此用狀態空間法來進行建模是更為科學和有效的。本文在矢量控制的基礎上通過狀態空間法建立永磁同步電機狀態空間模型，並應用現代控制理論的各種方法對模型進行全面的分析，為進一步應用先進的控制方法對系統進行控制打下堅實的基礎。1 PMSM 的數學模型我們考慮的是正弦型永磁同步電動機系統。該電動機具有正弦形的反電動勢波形，其定子電壓、電流也為正弦波形。假設電動機是線性的，參數不隨溫度等變化，忽略磁滯、渦流損耗，轉子無阻尼繞組。基於電動機統一理論的結論可以得到，轉子坐標系（d－q軸系）中永磁同步電動機定子磁鏈方程為：
（1）其中：——轉子磁鋼在定子上的耦合磁鏈；Ld、Lq——永磁同步電動機的直、交軸主電感；、 ——定子電流矢量的直、交軸分量。PMSM 定子電壓方程為： （2）其中， 、——定子電壓矢量us的d、q軸分量；w——轉子電角頻率。PMSM 的轉矩方程為： （3）電動機轉矩系數Kt 為：Kt ＝ pmyr此外，電動機系統還要滿足基本運動方程：（ 4）其中，n ——電動機轉速；wr ——轉子機械角速度，w=pmwr ；Td、TL ——電動機的電磁轉矩和負載轉矩。採用現代控制理論的狀態方程對永磁同步電機進行數學建模。若採取矢量控制，一般要求id=0，但是狀態方程中不出現md和id是不合理的。因為在id=0的控制模式中，只是要求id的取值等於0，但id的實際值並不一定總是等於0（特別是在動態過程中）。同時，ud的實際數值也不會等於0。因此，必須將ia也作為狀態變數，將md 也作為控制變數，由控制器根據所有狀態變數（包括id）的取值進行控制。因此取狀態變數 ，q 為轉子位置角。將（1）式帶入（2）式的第2 式，由（3）式和（4）式可得，則永磁同步電機的狀態方程為( ) ：(5)由此可見，該系統是一個非線性時變系統，且在系數矩陣中含有wr，id，iq狀態變數的交叉相乘項，因此需要進行系統解耦，令因此採取id=0的矢量控制方法，uq'=uq，TL'=TL，系統可化為線性系統。取ud，uq 為控制量，負載轉矩TL 作為擾動處理，因此單獨提出，則系統化為=AX+BU+B0TL 的形式，則原系統化為：(6)2 PMSM 系統的分析PMSM 的參數如下：則系統狀態空間方程為：2.1 多項式模型將狀態空間模型轉換為多項式模型，系統的傳遞矩陣為：2.2 能控性與可觀測性分析狀態完全能控的充分必要條件是系統的能控矩陣的秩為n。狀態完全能觀測的充分必要條件是能觀測矩陣的秩為n。計算可得，系統的能控矩陣秩為4，滿秩，則系統狀態是完全能控的。系統的能觀測矩陣的秩為4，滿秩，則系統狀態是完全可觀測的。2.3 控制系統的穩定性分析對於由狀態空間模型表示的系統，其系統穩定的充分必要條件是：系統矩陣A 的特徵值全部具有負實部。eig(a)'=1.0e+002 *[0 -1.2069 - 0.8066i -1.2069 +0.8066i -2.1212]由於系統矩陣a 的特徵值中有一個是零，因此該系統是臨界穩定的。由於能控矩陣的秩為4，滿秩，因此可以通過狀態反饋配置極點使得系統穩定。2.4 多輸入控制系統的極點配置對於多輸入系統的極點配置的基本思路是：首先求一狀態反饋，使得其閉環系統對某一輸入（例如第一個輸入）是能控的，再按單輸入系統配置極點的方法進行極點配置[5]。圖1 極點配置的閉環系統框圖期望極點為：1.0e+002 *[-0.1 -1.2069 -0.8066i -1.2069 + 0.8066i -2.1212]（1）構造Q、S 矩陣。，由系統可得，n=4,m=2，u1+u2=4，a 為Q-1 的最後一行向量。（2）先按能控標准型進行極點配置。對 單輸入系統進行極點配置。的特徵多項式為，所期望的特徵多項式為，則增益陣為:（3）求化為能控標准型的變換矩陣T，即則增益陣返回原坐標系為（4）使原系統（A，B）實現極點配置的狀態反饋為:2.5 系統模擬系統位置狀態向量對階躍信號的響應：圖2 極點配置前位置狀態向量的階躍響應圖3 極點配置後位置狀態向量的階躍響應系統位置狀態向量對速度信號的響應（虛線為輸入位置信號，實線為輸出位置信號）：圖4 極點配置前的速度信號跟蹤曲線系統位置狀態向量對正弦信號的響應（虛線為輸入位置信號，實線為輸出位置信號）圖5 極點配置後的速度信號跟蹤曲線圖6 極點配置前的正弦信號跟蹤曲線圖7 極點配置後的正弦信號跟蹤曲線由此可見，通過極點配置使系統穩定，且對各種輸入信號的響應有很大改善，具有很好的跟蹤性能，這對於隨動系統來說是十分重要的。3 總結使用狀態空間方程表徵系統，可以把系統的狀態與系統的輸入和輸出聯系起來，並在系統的內部變數與外部輸入和測量輸出之間建立聯系，保存系統內部特性的信息，因此模型更為精確和科學。本文即在矢量控制的基礎上提出了一種建立完整的永磁同步電機狀態空間模型的方法。根據此模型，運用現代控制理論的各種方法對系統性能進行了分析和計算，分析表明該系統具有完全能控性、完全可觀測性以及臨界穩定性，通過狀態反饋配置極點的方法使得系統穩定，使狀態變數對輸入信號有很好的跟蹤性能。為進一步分析和設計控制系統提供了有效的方法和思路。
參考文獻：[1] 歐陽黎明.MATLAB控制系統設計[M].北京:國防工業出版社,2001.[2] 張崇巍,李漢強.運動控制系統[M].武漢:武漢理工大學出版社,2002.[3] 李三東,薛花.基於Matlab永磁同步電機控制系統的模擬建模[J].江南大學學報,2004,(2):115-120.[4] 楊平,馬瑞卿,張雲安.基於Matlab永磁同步電機控制系統的建模模擬方法 [J].沈陽工業大學學報,2005,(4):195-199.[5] 侯媛彬,嵇啟春,張建軍,杜京義.現代控制理論基礎[M].北京大學出版社,2006.[6] 孫亮. MATLAB語言與控制系統模擬[M].北京:北京工業大學出版社,2006國物流管理逐漸走向社會化和供應鏈化的形勢下，必須接合具體企業的物流運作管理實際，根據精益物流的基本原則和企業信息化狀況，通過理論與應用的研究，在精益供應鏈物流管理原型系統的基礎上不斷修改和完善，不斷地進行研究和實踐，以此來推動我國製造企業精益供應鏈物流管理信息系統的發展。參考文獻：[1] 烏躍.論精益物流系統[J].中國流通經濟,2001(5):11-13.[2] (美)詹姆斯·P. 沃麥克, (英)丹尼爾·T. 瓊斯, 沈希瑾,張文傑,李京生.精益思想:消滅浪費,創造財富[M].北京:商務印書館,1999．[3] RICHARD Wilding. Lean, Leaner, Leanest[J]. InternationalJournal of Physical Distribution & Logistics Management1996,25(3/4)20.[4] 王之泰. 物流工程研究[M].北京:首都經濟貿易大學出版社,2004．[5] 田宇,朱道立.精益物流[J].物流技術,1999(6):19-21.[6] LIU X Q, MA S H. Supply chain logistics circulation quantityand response time calculation model[J].WSEAS Transactionson Systems, 2006,5(4):643-650.__
PLC 在機床數控改造中的典型應用
邵曉嵬, 任有志, 王燕麗(河北科技大學機械電子工程學院, 石家莊050054)
摘要: 討論了利用可編程式控制制器對機床進行數控改造的具體方案和一般步驟,並以鋸片切割機的改造為例介紹了利用西門子公司S7 - 200 系列可編程式控制制器進行改造的具體過程,闡述了機床數控改造後的應用效果及其未來的社會和經濟效益。關鍵詞: 可編程式控制制器; 機床; 數控改造
中圖分類號: TG51 文獻標志碼: A 文章編號:100320794 (2007) 1120147202
Typical Application of PLC in NC Transformation for Machine ToolSHAO Xiao - wei , REN You - , WANGYan - li(College of Mechanical and Electronic Engineering ,Hebei University of Science & Technology , Shijiazhuang 050054 ,China)Abstract :Discussed how to use the programmable logical controller (PLC) to deal with the transformation inmachine tool , particularly introced the whole process of transformation on incise machine based on SIEMENSS7 - 200 PLC. Finally expatiate the effect of NC transformation and its coming benefit .Key words :programmable logical controller (PLC) ; machine tool ; NC transformation0
前言在我國現有的機床中有一部分仍採用傳統的繼電器- 接觸器控制方式,這些機床觸點多、線路復雜,使用多年後,故障多、維修量大、維護不便、可靠性差,嚴重影響了正常的生產。還有一些舊機床雖然還能正常工作,但其精度、效率、自動化程度已不能滿足當前生產工藝要求。對這些機床進行改造勢在必行,改造既是企業資源的再利用,走持續化發展的需要,也是滿足企業新生產工藝,提高經濟效益的需要。
1 解決方案利用PLC 對舊機床控制系統進行改造是一種行之有效的手段。採用PLC 進行控制後,機床控制電路的接線量大大減少,故障率大大降低,提高了設備運行的穩定性和使用率,增強了可靠性,減小了維修,維護工作強度。當機床加工程序發生變化時,只需要修改PLC的程序就可以進行新的加工,更改較方便,有助於提升機床的應用。由於具有通信功能,採用可編程式控制制器進行機床改造後,可以與其他智能設備聯網通信,在今後的進一步技術改造升級中,可根據需要聯入工廠自動化網路中。
2 改造過程、步驟及應用實例(1) 深入了解原有機床的工作過程,分析整理其控制的基本方式、完成的動作時序和條件關系,以及相關的保護和聯鎖控制,盡可能地與實際操作人員充分交流,了解是否需要對現有機床的控制操作加以改進,提高精度、可操作性和安全性等;如有需要,在後續的設計中予以實現。(2) 根據分析整理的結果,確定所需要的用戶輸入P輸出設備。由於是對舊機床的改造,在保證完成工藝要求的前提下,最大限度地使用原有機床的輸入P輸出設備,如: 按鈕、行程開關、接觸器、電磁閥等,以降低改造成本。(3) PLC 機型選擇。根據輸入P輸出設備的數量與類型,確定所需的IPO 點數。確定IPO 點數時,應留有20 %左右的裕量,以適應今後的生產工藝變化,為系統改造留有餘地。由IPO 點數,利用一條經驗公式:總內存字數= (開關量輸入點數+ 開關量輸出點數) ×10 + 模擬量點數×150來估算內存容量。在估算出內存字數後,再留25 %的裕量。據此,選擇合適的機型。(4) 設計並編制IPO 分配表,繪制IPO 接線圖。應注意到:同類型的輸入點或輸出點應盡量集中在一起,連續分配。(5) 進行程序設計。可借鑒機床原有繼電器控制電路圖,加以修改和完善。完成程序設計後,應進行模擬調試。(6) 模擬調試後,進行現場系統調試。調試中出現的問題逐一排除,直至調試成功。最後還應進行技術資料整理、歸檔。圖1 IPO 接線圖下面是對某鋸片切割機的數控改造過程,機床的各控制過程如下:(1) 主軸電機的控制。起動,停止;(2) 進給電機控制。工作台縱向進給到與鋸片相切的位置,之後工作台橫向快速進給鋸片,完成後工作台慢速移動後退,其間鋸片主工作台變速旋轉一個鋸齒的角度,兩運動同時進行插補出一個鋸齒圓弧;(3) 冷卻泵電機的起動控制以及相關的保護、聯鎖控制,工作台的各運動方向的超程保護,各運動方向的聯鎖控制等。確定所需的用戶輸入P輸出設備。根據設備的硬體條件分析出,面板上有6 個按鈕需佔6 個數字輸入口,一個BCD 撥碼開關佔用4 個輸入口,一條直線光柵尺佔用3 個輸入口,一個三位狀態旋鈕佔2 個輸入口,執行元件為3 個步進電機和2 個非同步電機,其中3 個步進電機共需8 個數字輸出口,砂輪主電機和冷卻泵各需1 個輸出口,報警指示燈和上電指示燈各需1 個輸出口。為保證安全起見,熱繼電器不接入輸入端,而直接接在PLC 的輸出端;合計輸入點數15 點,輸出點數12 點。考慮到要留有20 %左右的裕量,所以IPO 點數要在30 個點以上。因此,選用西門子公司S7 - 200 系列226 型號的PLC ,其輸入點數24 點,輸出點數16 點, IPO 總點數40 點;編制IPO 分配表(見表1) ,繪制IPO 接線圖(見圖1) ;藉助機床原有的繼電器控制電路圖,進行程序設計,編寫STL 結構化程序語言;模擬調試及現場系統調試,完成技術資料的歸檔。表1 IPO 分配表輸入輸出I0. 0 BCD 撥碼開關1 位Q0. 0 W軸CP 端I0. 1 BCD 撥碼開關2 位Q0. 1 X軸PY軸CP 端I0. 2 BCD 撥碼開關3 位Q0. 2 W軸DIR 端I0. 3 BCD 撥碼開關4 位Q0. 3 W軸FREE 端I0. 4 啟動Q0. 4 X軸DIR 端I0. 5 暫停Q0. 5 X軸FREE 端I0. 6 光柵尺A 相輸入Q0. 6 Y軸DIR 端I0. 7 光柵尺B 相輸入Q0. 7 Y軸FREE 端I1. 0 光柵尺Z相復位Q1. 0 主電機繼電器I1. 1 鋸片直徑輸入確定Q1. 1 冷卻泵繼電器I1. 2 砂輪直徑輸入確定Q1. 2 報警指示燈I1. 3 三位狀態旋鈕輸入1 Q1. 3 上電指示燈I1. 4 三位狀態旋鈕輸入2I1. 5 冷卻泵啟動I1. 6 急停3 改造後效果可實現加工的柔性自動化,效率比傳統鋸片機提高5～6 倍。加工的鋸齒精度高,尺寸分散度小,提高了鋸齒的強度。擁有自動報警、自動監控、補償等多種自我調節功能,可實現長時間無人看管加工。由於鋸片採用的是某新型合金鋼,齒磨損後修補的成本很高,採用該鋸片機以後,為工廠節省了可觀的維修成本,真正提高了工廠的效益。4 結語利用PLC 對傳統機床進行數控化改造,能夠有效地解決復雜、精密和小批多變的零件加工問題,滿足高質量、高效益和多品種、小批量的柔性生產方式的要求,適應各種機械產品迅速更新換代的需要,同時為企業節省了大量的設備改造成本,提高了企業的經濟效益和社會效益,提升了企業的產品競爭力,使企業更容易在競爭激烈的市場環境里生存與發展。參考文獻:[1 ]陳立定. 電氣控制與可編程式控制制器[M] . 廣州:華南理工大學出版社,2001.[2 ]張新義. 經濟型數控機床系統設計[M] . 北京:機械工業出版社,1994.作者簡介: 邵曉嵬(1981 - ) ,河北邯鄲人,河北科技大學研究生,研究方向為機電一體化,電話:0310 - 5368092.
基於網路的數控機床遠程管理
汪惠芬, 劉婷婷, 張友良(南京理工大學機械工程學院, 江蘇南京210094)
摘要: 網路化製造是21世紀的主要生產模式, 採用網路技術來管理數控機床也就成為必然。本文在分析數控機床聯網及遠程管理的需求基礎上, 提出一種基於TCP / IP的、能夠與企業其它信息管理系統實現無縫集成的數控機床聯網及遠程管理系統方案, 詳細介紹該系統的結構和功能, 並給出了應用實例。
關鍵詞: 網路化製造; 數控機床; 遠程管理中圖分類號: TG659 文獻標識碼: A
文章編號: 1001 - 3881 (2007) 10 - 070 - 4RemoteManagemen t of NC Mach ine Tool Ba sed on NetworkWANG Huifen, L IU Tingting, ZHANG Youliang( School ofMechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)Abstract: Networked manufacturing ismain manufacturing paradigm in 21 st century, so that it is necessary trend to manage NCmachine tool based on network. Based on the analysis of requirements for networking and remote management of NC machine tools,TCP / IP2based networking scheme and remote management system that can be integrated with other information management systems inenterp rise forNC machine toolswas put forward. Then architecture and main functions of this system was discussed. An examp le ofapp lication was introced.Keywords: Networked manufacturing; NC machine tool; Remote management0
引言網路化製造是21 世紀製造業的主要生產模式,網路化設計製造系統是一種由多種、異構、分布式的製造資源, 以一定互聯方式, 利用計算機網路組成的、開放式的、多平台的、相互協作的、能及時靈活地響應市場需求變化的系統。其特點是在組織上的動態聯盟, 其目標是將現有的各種在地理位置上或邏輯上分布的製造系統連接到計算機網路中, 以提高各單位間的信息交流與合作能力, 進而實現各種資源的共享, 快速地設計和製造產品, 響應市場的需要。它是21世紀製造企業縮短產品開發周期、改善產品質量、降低產品成本, 增強企業的競爭能力的主要技術措施[ 1 - 3 ]。數控機床與計算機通信是實現製造設備集成控制和管理的基礎和必要條件, 也是實現網路化製造的關鍵之一。隨著數控技術使用的不斷深入, 計算機技術、網路技術的不斷發展, 企業數控機床的數量越來越多, 而傳統的單機管理模式因技術手段落後、生產效率低、管理與維護費用高昂等弊端已不能適應企業發展的需要, 採用網路技術來管理數控機床也就成為必然[ 4 ]。數控機床網路DNC技術在我國經過二十多年的發展, 也經歷了從紙帶到單機, 再到簡單網路,最後發展成為高級網路的艱難歷程。紙帶方式已經基本完全拋棄; 在機床數量較少時, 有些用戶還在使用單機通訊模式; 當機床數量發展到一定數量時, 機床用戶一般都採用了網路DNC的方式[ 5 ]。我國數控機床的網路DNC目前主要存在著兩種結構: 一種是採用單台計算機對應單台機床的方式, 這些計算機再通過區域網聯結; 另一種是採用單台計算機對應多台機床的方式, 其中大部分是基於RS2232串口通訊或基於國外的通訊軟體產品[ 6 - 10 ] , 也有部分基於TCP / IP的國產軟體[ 11 - 13 ]。但是, 隨著市場經濟和企業信息化的發展, 企業使用了多種信息管理系統, 如ERP、PDM、MES、CAD /CAPP /CAM 等, 各種系統之間還必須考慮信息共享, 以避免信息化孤島, 因此, 使用集成式DNC技術對數控設備群進行管理勢在必行。本文在分析數控機床聯網及遠程管理的需求基礎上, 提出一種基於TCP / IP的、能夠與企業其它信息管理系統實現無縫集成的數控機床聯網及遠程管理系統方案, 並詳細介紹了該系統的實現技術及應用實例。
1 數控機床遠程管理系統結構111 系統需求分析目前, 在實施網路化製造的進程中, 越來越多的企業逐步實施了企業信息化工程, 單機作業的數控機床成為制約企業快速響應市場的瓶頸, 為了更好地滿足生產發展的需求, 迫切需要將企業的數控機床進行聯網改造, 實現信息系統對數控機床的遠程管理以及車間生產任務的實時調度。數控機床遠程管理系統的設計需要滿足以下要求:(1) 開放性。隨著新技術的發展, 系統應具有可擴展性和可裁剪性, 易於增加和更新系統的功能,系統的配置應具有良好的通用性、兼容性、可移植性和互操作性。(2) 靈活性。系統支持多操作系統(Windows98 /NT 410 /2000) , 應適應控制器類型、設備數量、任務
Ⅳ 數控專業畢業設計
給你一些數控專業的題目，希望對你有所幫助（1）XX零件加工工藝分析與程序設計（數控車或數控銑或加工中心）包括零件圖、工藝分析與程序設計、數控程序編制、零件加工過程中出現的問題、編程心得。（2）數控機床XX部件電氣控制系統設計包括部件功能描述、實現原理設計、方案選擇、線路圖及零件圖、設計說明等。（3）XX型數控機床參數設置技術包括機床簡介、參數說明、設置技巧、注意事項等方面內容。（4）數控機床日常維護技術包括數控機床結構系統、維護原則、日常維護項目及原因分析等方面內容。（5）XX型數控機床XX故障分析與維修包括數控機床簡單介紹、故障現象描述、故障可能產生原因理論分析、故障診斷過程及維修方法等方面內容。（6）數控工藝編程綜合設計（7）數控機床維修（8）塑料模的設計與數控模擬加工（9）淺淡工藝結構合理性（10）減速箱的設計（11）粗鏜活塞銷孔專用機床及夾具設計（12）帶式輸送機傳動裝置設計（13）軸類零件的工藝設計（14）零件的數控編程設計（15）專用鑽夾具的設計 網上有很多範文啊，可以上網查啊 畢業設計嗎，做出自己的東西，有新意又有個性當然是最好啦！做不了那麼好，那也沒關系。不能做所有事情，卻總能做些事情的加油，就能有收獲啊！ 畢業設計是完成高職數控技術專業培養目標所必須的實踐性教學環節，畢業設計為6周。一、畢業設計的一般步驟數控技術專業畢業設計大體分為三個階段：方案選擇及分析階段，設計階段和實施階段。方案分析階段大致包括熟悉課題、收集資料和可行性分析等階段，設計階段包括總體和詳細兩個階段。二、 編寫畢業設計（論文）1． 目錄和前言：簡述本課題的背景和理論根據。2． 系統功能和使用說明（1） 環境要求（2） 敘述對所做課題的系統分析、設計思想和實現方法。詳細說明本人所做的工作，鼓勵有創意或改進（此點是論文的主題）。（3） 實驗調試情況。系統在調試過程中出現的問題及解決方法。（4） 結論。對本系統作一個較全面的評價：包括主要功能、有何特點、存在的問題、改進意見等。（5） 列出參考文獻。3． 編寫要求（1） 畢業論文要條理清楚，文字通順，整齊美觀，用計算機列印。（2） 字數一般不少於3000字，包括圖表。畢業設計 ( 論文 ) 說明書規范化要求1．書寫格式要求：用電腦列印，符合下列次序： (1) 畢業設計( 論文) 題目； (2) 畢業設計( 論文) 評語； (3) 目錄； (4) 內容摘要(100 字，最好用中英文) ； (5) 引言； (6) 正文； (7) 參考文獻( 或資料) ； 2．文字要求：文字通順，語言流暢，無錯別字。3．圖紙要求：圖面整潔，布局合理，線條粗細均勻，圓弧連接光滑，尺寸標注規范，文字注釋必須使用工程字書寫。4．圖表要求：所有曲線、圖表、線路圖、流程圖、程序框圖、示意圖等不準徒手畫，必須按國家規定標准或工程要求繪制。5．份量要求：畢業設計( 論文) 字數不少於 0.3萬字。論文選題1、利用CAD/CAM軟體加工復雜曲面零部件指導教師：劉立群學生：藏大鵬、范雪峰、張曉佩、張雙林、劉標、范加俊、陳瑋、姜冰葵、寧城儒、黃峰、朱珠2、數控機床故障診斷的技巧指導教師：常平樹學生：許艷、邵佳、夏軍先、劉立中、李治德、武連成、逯海珍、方仲之、鄧源平、劉孝頂、除院生、姚英子3、結合實習內容，選擇一台設備進行剖析，分析其工作原理、功能，繪制傳動原理圖。說明其特點並繪制必要的圖樣，以及在設計和使用中應注意的問題。指導教師：邵冶群學生：周春、周紅花、韋小超、鄭禮明、劉佳路、張婷婷、董軍、邢二寬、張夢影、陶靜靜4、設計一台兩級減速器用於皮帶機傳動，要求繪制傳動原理圖，編制設計計算書，進行一級齒輪和軸的強度校核，並用AUTOCAD繪制圖樣。其參數如下：輸入轉速1500r/min、公稱輸入功率160KW，公稱傳動比4。
Ⅳ CM6132普通車床電氣控制電路設計
1.序言
本次課程設計任務是CM6132車床主傳動設計。由於CM6132車床是精密，高精密加工車床，要求車床加工精度高，主軸運轉可靠，並且受外界，振動，溫度干擾要小，因此，本次設計是將車床的主軸箱傳動和變速箱傳動分開設計，以盡量減小變速箱，原電機振動源對主軸箱傳動的影響。
本次課程設計包括CM6132車床傳動設計，動力計算，結構設計以及主軸校核等內容，其中還有A0大圖紙的CM6132車床主傳動的結構圖、
本次課程設計師畢業課程設計前一次對我們大學四年期間機械專業基礎知識的考核和檢驗。它囊括了理論力學，材料力學，機械原理，機械設計，機械製造裝備設計等許多機械學科的專業基礎知識，因此稱之為專業課程設計。它不僅僅是對我們專業知識掌握情況的考核和檢驗，也是一次對我們所學的知識去分析，去解決生產實踐問題的運用。由於本次課程設計實踐恰與2010年考研沖刺期沖突，因此在編寫課程設計說明書，設計CM6132主傳動結構圖的過程中難免有不少紕漏和錯誤，懇請老師指正。
2.傳動設計
本次設計在分析研究所掌握的資料的基礎上，用計演算法或類比法確定所設計主軸變速箱的極限轉速公比，求出轉速極速，選擇電動機的轉速和功率，擬定合適的結構式，結構網和轉速圖，然後擬定傳動方案並繪制傳動系統圖，確定轉速比和齒輪齒數及帶輪直徑等。
2.1確定轉速極速
根據任務要求，Nmax=2000rpm，Nmin=45rpm，轉速公比φ=1.41.則轉速范圍Rn：
Rn=Nmax/Nmin=44.4 （1）
依據φ，Rn，可求得主軸轉速級數Z:
Z=lgRn/lgφ+1=11.98=12 （2）
2.2確定結構式及結構網
由於結構上的限制，變速組中的傳動副數目通常選用2或3為宜，故其結構式為：Z=2^（n）*3^（m）.對於12級傳動，其結構式可為以下三種形式：
12=3*2*2；12=2*3*2；12=2*2*3；
在電動機功率一定的情況下，所需傳遞的轉矩越小，傳動件和傳動軸的集合尺寸就越小。因此，從傳動順序來講，盡量使前面的傳動件多以些，即前多後少原則。故本設計採用結構式為：
12=3*2*2
圖1中，從軸I到軸II有三隊齒輪分別嚙合，可得到三種不同的傳動速度；從軸II到軸III有兩對齒輪分別嚙合，可得到兩種不同的傳動速度，故從軸II到軸III可得到3*2=6種不同的傳動速度；同理，軸III到軸IV有兩對齒輪分別嚙合，可得到兩種不同的傳動速度，故從軸I到軸IV共可得到3*2*2=12種不同的傳動轉速。
圖1 3*2*2傳動方案
在制定機床傳動方案時，常將傳動鏈特性的相關關系畫成圖，以供比較選擇。該圖即為結構網圖。結構網只表示各傳動副傳動比的相關關系，而不表示數值， 因而繪製成對稱形式(圖2)。由於主軸的轉速應滿足級比規律（從低到高間成等比數列，公比為φ），故結構網上相鄰兩橫線間代表一個公比φ。
為了使一根軸上變速范圍不超過允許值，傳動副輸越多，級比指數應小一些。考慮到傳動順序中有前多後少原則，擴大順序應採用前小後大的原則，即所謂的前密後疏原則。故本設計採用的結構式為：
12=3（1）*2（3）*2（6）
12:級數。
3，2，2：按傳動順序的各傳動組的傳動副數。
1，3，6：各傳動組中級比間的空格數，也反映傳動比及擴大順序。
該傳動形式反映了傳動順序和擴大順序，且表示傳動方向和擴大順序一致。圖2為該傳動的結構式。
圖2 12=3(1)*2(3)*2(6)結構網
2.3繪制轉速圖
繪制CM6132車床轉速圖前，有必要說明兩點：
（1）為了結構緊湊，減小振動和雜訊，通常限制：
a：Imin>=1/4;
b：Imax<=2(斜齒輪<=2.5);
所以，在一個變速組中，變速范圍要小於等於8，對應本次設計，轉速圖中，一個軸上的傳動副間最大不能相差6格。
c：前緩後急原則；
即傳動在前的傳動組，其降速比小，而在後的傳動組，其降速比大。
（2）CM6132車床轉速圖與它的主傳動系統圖密切相關。故在繪制它的轉速圖錢，先要確定其主傳動系統圖。
圖3 CM6132普通車床主傳動系統圖
如圖3所示，CM6132型普通車床採用分離式傳動，即變速箱和主軸箱分離。III，IV軸為皮帶傳動。在主軸箱的傳動中採用了背輪機構（IV，V同軸線），解決了傳動比不能過大（受極限傳動比限制）的問題。
CM6132型普通車床（12級轉速，公比φ=1.41）採用了背輪機構後的轉速圖，如圖4所示。圖中軸號的順序對應傳動系統圖圖3.
圖4 CM6132型普通車床轉速圖
由於最高轉速Nmax=2000rpm，且CM6132機床功率一般為3.0KW左右。為滿足轉速和功率要求，選擇Y系列三相非同步電動機型號為：Y100L2-4,其技術參數見下表.
表1 Y100L2-4型電動機技術數據
2.4 齒輪齒數的估算
為了便於設計和製造，同一傳動組內各齒輪的模數常取為相同。此時，各傳動副的齒輪齒數和相同。
顯然，齒數和太小，則小齒輪的齒數少，將會發生根切，或造成其加工齒輪中心孔的尺寸不夠（與傳動軸直徑有關），或造成加工鍵槽（傳遞運動需要）時切穿齒根；若齒數和太大，則齒輪結構尺寸大，造成主傳動系統結構龐大。因此，應根據傳動軸直徑等適當選取。
本次設計共包含I-II軸傳動組，II-III軸傳動組，IV-V傳動組和V-VI(主軸)傳動組四個齒輪副傳動組。現根據各傳動組內傳動副的傳動比草擬出多種齒數和，見下表2，至於具體
每對傳動副齒數和和各齒輪齒數的確定留待各軸直徑估算確定後再確定。
表2 各種傳動比齒輪齒數和及齒數
2.5帶輪直徑的確定
本次設計中，存在著電動機到I軸，III軸到VI的兩組皮帶輪傳動，其傳動比分別為1.43：1和1:1.一般機床上採用V帶，根據電動機轉速和功率即可確定帶型號，傳動帶數2~5個最佳。
根據帶輪傳遞功率和轉速，對於電動機到I軸選擇A型帶，I軸上帶輪直徑D2=180mm，電動機軸上帶輪直徑D1=176mm，採用5根帶。
III軸到IV軸選擇A型帶（A帶直徑小，承載能力強），III軸上帶輪直徑D3=140mm，IV軸上帶輪直徑D4=140mm，採用2根帶。
3.動力計算
3.1電機功率的確定
如前所述，對於國產CM6132普通車床，機床功率一般為3.0KW.選擇Y100L2-4型號非同步電動機。其額定功率為3KW.
3.2主軸的估算
在設計之初，由於確定的僅僅是一個方案，具體構造尚未確定，因此只能根據統計資料，初步確定主軸的直徑。
3.2.1主軸前端軸頸的直徑D1
表3 各類機床主軸前端軸頸的直徑D1
圖5 機床主軸結構圖
如表3所示，本次設計，選擇D1=80mm。
3.2.2主軸後軸頸D2
一般機床主軸後軸頸D2=（0.7~0.85）D1,取D2=60mm。
需要說明的是，主軸的前後軸頸一般指主軸上與滾動軸承配合的那段軸頸，故D1,D2應為5的整數倍。
3.3中間傳動軸的初算
根據生產經驗，一般機床每根軸的當量直徑d與其傳遞的功率P,計算轉速Nj，以及允許的扭轉角[Ф]有如下經驗公式：
d>=11sqrt(sqrt(P/Nj[Ф])) （3）
式中，P：該傳動軸傳遞的額定功率，P=η*Pe，單位KW。
η：電機到該軸傳動件傳動效率總值。
d：當量直徑，單位cm。
Nj：計算轉速，單位rpm。
對於花鍵軸，軸內徑一般要比d小7%。
3.3.1允許扭轉角[Ф]的確定
一般，機床各軸的允許扭轉角參考值見表4.
表4 機床各軸允許扭轉角[Ф]
本次設計，中間傳動軸允許扭轉角[Ф]均取1.2°。
3.3.2計算轉速Nj的確定
計算轉速Nj是指主軸或其他傳動軸傳遞全部功率的最低轉速，對於等比傳動的中型通用機床，主軸計算轉速一般為：
Nj=Nmin*φ^(Z/3 -1)
故本次設計，Nj=125rpm。根據轉速圖圖4，即可確定各軸的計算轉速見下表。
表5 各軸的計算轉速
3.3.3 各軸傳遞功率的確定
各軸的傳遞功率N=η*Pe。在確定各軸效率時，不考慮軸承的影響，但在選取各軸齒輪傳遞效率時，取小值以彌補軸承帶來的誤差。一般機床上格傳動元件的效率見下表。
表6 機械傳動效率
變速箱圓柱齒輪傳動選取8級精度，主軸箱精度要求高，選取7級精度。由表4，表5，表6以及公式（3）即可確定各軸傳遞效率以及當量直徑。見下表：
表7 機床各中間傳動軸傳遞功率及計算直徑
3.4齒輪模數的估算
按接觸疲勞強度或彎曲強度計算齒輪模數比較復雜，而且有些系統各參數都已知道的情況後方可確定，所以，只在草圖完成後校核用。在畫草堂前，先估算，再選用標准齒輪模數，一般同一變速組中的齒輪取同一模數，一個主軸，變速箱中的齒輪採用1~2種模數。傳動功率的齒輪模數一般取大於2mm。在中型機床中，主軸變速箱中的齒輪模數常取2.5，3，4mm。
由中心距A及齒數Z1,Z2，可求齒輪模數為：
m=2A/(Z1+Z2) (4)
根據生產實踐經驗，按齒面點蝕估算的齒輪中心距有如下公式：
A>=370(P/Nj)^(1/3) （5）
式中，Nj：大齒輪的計算轉速，單位為rpm。
P：該齒輪傳遞功率，單位為KW。
從I軸到II軸，P=2.85KW,Nj=1400rpm，則AI II>=46.9mm。
從II軸到III軸，P=2.76KW,Nj=1000rpm，則AII III>=52.0mm。
從III軸到IV 軸，P=2.55KW,Nj=355rpm，則AIII IV>=71.4mm。
由（4）以及表2各軸齒輪傳動齒數和，對於最小齒數和，則有各軸應滿足的最低模數。
故對於I軸，II軸，（Z1+Z2）min=48，AI II>=46.9mm，則m>=1.95mm。
對於II軸，III軸，（Z1+Z2）min=46，AI II>=52.0mm，則m>=2.26mm。
對於III軸，IV軸，（Z1+Z2）min=76，AI II>=71.4mm，則m>=1.87mm。
因而，對於變速箱內圓柱齒輪傳動，統一取m=2.5mm。由於主軸傳遞扭矩大，故對於主軸箱內齒輪模數取3mm。
3.5各軸直徑及各齒輪齒數的確定。
在生產實際中，軸上齒輪的傳動主要靠周向鍵連接來實現的，花鍵連接以其對中性好，導向性能好，應力集中小等優點獲得廣泛應用。因而本次設計中，所有的傳動軸均採用花鍵軸，通過各軸的當量直徑來選取適當標準的花鍵軸徑，再通過花鍵軸徑來選取軸上各齒輪傳動副的齒數。具體各花鍵軸尺寸，齒輪齒數和的選取見下表。
表8 各花鍵軸參數以及相應傳動副齒輪齒數和
這里需要說明三點：
（1）花鍵軸參數尺寸代表Z-D*d*b。Z表示花鍵軸齒數，D表示花鍵軸大徑，d表示小徑，b表示齒寬，具體圖樣見下圖：
圖6 矩形花鍵軸
（2）齒輪齒數的選取，應保證齒輪齒根與花鍵軸大徑配合的輪轂面不得小於3~5mm。
（2）如A0圖紙繪制的CM6132車床主傳動系統圖所示，軸IV做成帶有齒輪的中空軸套，起卸荷左右，這樣可將帶輪的張緊力引起的徑向力通過軸套，滾動軸承傳至機身上，保證主軸的運轉不受帶輪張緊力的影響。
（4）III軸和IV軸間為皮帶輪1：1傳功。
4 結構設計
結構設計包括主軸箱，變速箱的結構，以及傳動件（傳動軸，軸承，齒輪，帶輪，離合器，卸荷裝置等），主軸組件，箱體以及連接件的結構設計和布置等等。
4.1齒輪的軸向布置
本次設計中有多處使用了滑移齒輪，而滑移齒輪必須保證當一對齒輪完全脫離後，令一對齒輪才能進入嚙合，否則會產生干涉或變速困難。所以與之配合的固定齒輪間的距離應保證留有足夠的空間，至少不少於齒寬的兩倍，並留有Δ=1~2mm的間隙。
齒輪齒寬一般取b1=（6~12）m，對變速箱內齒輪傳動副模數m=2.5mm，我設計的齒輪寬度b=6m=15mm 。而對於主軸箱內m=3mm，b2=20mm，故變速箱內相鄰固定齒輪間距離B應不小於32mm。
圖7 齒輪的軸向布置
4.2傳動軸及其上傳動元件的布置
4.2.1 I軸的設計
圖8 I軸及其上傳動元件布置圖
I軸上為三聯滑移齒輪，相應的花鍵軸段尺寸為6-32*28*7。左右端均選取深溝球軸承，其型號分別為6205，6206。右端為5齒皮帶輪，與I軸平鍵連接，電機工頭右端V帶輪將動力傳至I軸，又通過滑移齒輪傳動力至II軸。
4.2.2 II軸的設計
圖9 II軸及其上傳動元件布置圖
II軸上為5個固連齒輪，左邊3個為與I軸配合的齒輪，右邊2各與III軸配合。相應花鍵軸段尺寸為6-32*28*7，左，右端均為型號為6205的深溝球軸承。動力從I軸傳至II軸，並通過右邊兩齒輪傳動力至III軸。
4.2.3 III軸的設計
圖10 III軸及其上傳動元件布置圖
III軸上有2聯滑移齒輪，與II軸的2個固定齒輪嚙合。與之配合的相應花鍵軸段尺寸為6-35*30*10。左，右均為型號為6206的深溝球軸承。左端為2齒皮帶輪，動力從II軸傳至III軸，再通過左邊的V帶輪傳動力至IV軸。
4.2.4 IV軸的設計
圖11 IV軸及其上傳動元件布置圖
IV 軸實際上是帶有齒輪，並套在主軸左端的套筒。兩個型號為6214的深溝球軸承支撐套筒增加其剛度。左端為2齒皮帶輪，左邊螺母可調整其軸向位置。動力從III軸徑皮帶輪傳至IV軸，再通過右邊齒輪將動力傳出。
4.2.5 V軸的設計
圖12 V軸及其上傳動元件布置圖
V軸實際上是背輪機構，其上2個滑移齒輪，與控制主軸內齒離合器滑動的撥叉盤用螺栓固連在一起，進而達到變速目的。與之配合的花鍵軸尺寸參數為6-40*35*10。左右均為型號為6206的深溝球軸承。當撥動滑移齒輪，使左端齒輪與IV軸齒輪嚙合時，主軸將得到低6級轉速。若撥動滑移齒輪，使與之故連得撥叉主軸上齒輪直接與IV軸齒輪嚙合時，主軸將得到高8級轉速。
4.2.6主軸的設計
圖13 主軸及其上傳動元件布置圖
主軸上裝有受V軸（背輪機構）上撥叉盤控制的內齒離合器，以及固連在主軸上的與V軸右端小齒輪的齒輪。當IV軸齒輪直接與內齒離合器嚙合時，主軸將得到高6級轉速。當脫開時，故連齒輪與背輪機構恰好接通，通過兩個1：2.8的減速，主軸將得到低6級轉速。
由於主軸比較長，為提高其剛度，本設計採用三支撐方式，其結構要求箱上的3個支撐孔應有高的同軸度，否則溫升和空載功率增大。但3孔同軸加工難度大，一般選中或後支撐為輔助支撐，只有載荷較大，軸產生彎曲變形時，輔助支撐才起作用。
本設計，前支撐作為主要支撐點，選擇雙列短圓柱滾子軸承，型號為NU316型，它承載能力大，摩擦系數小，溫升低，極限轉速高，能很好的滿足設計要求，但不能承受軸向力。本設計在中支撐處選擇兩列51214型推力球軸承，在作輔助支撐的同時，配合前支撐承受軸向力。後支撐採用內圓外錐式滑動軸承，一方面，它能滿足高速，高精度，重載，以及同時承受較大軸，徑向力的要求；另一方面，它能將主軸由前向後的軸向力，充分的傳至機身上，保證主軸良好的運轉精度和動力性能。各滾動軸承均有螺母調整其軸向間隙，內圓外錐式滑動軸承可通過雙向背帽調整其徑向間隙。
4.3主軸的強度校核
主軸作為車床的輸出軸，一方面，通過卡盤帶動被夾工件回轉，另一方面，由於主軸精度，性能要求較高，導致其結構及其上傳動元件布置較復雜，因而主軸一般都較粗，且均做成中空軸，以保證在同等材料用量下，有較高的強度，剛度以及疲勞強度。
本次設計，只針對主軸進行強度校核，其它軸，以及剛度，疲勞強度校核限於篇幅不作討論。
本次設計，主軸的動力來源有兩種，一是通過背輪機構獲得低6級轉速，一是通過內齒離合器獲得高6級轉速。這兩種情況下，主軸的受力狀況顯然不同，因而應分別進行受力分析並校核。
另外，車床主軸前端一般布置卸荷裝置，可將切削過程中的切削力傳至機身上，故在強度校核時不考慮切削力的影響。
由於主軸同時承受彎矩和轉矩，在進行校核時，按彎矩和轉矩的合成強度條件進行校核，根據第三強度理論，可推得：
σc=Mc/W=sqrt（M^2+（ε*T）^2）/W <=[σ-1b] （6）
本設計主軸的材料為經調質處理的45鋼，它的許用疲勞強度[σ-1b]=60Mpa。
在驗算前，先進行一些簡略處理一簡化計算。主軸的結構簡圖如圖13所示，其上傳動元件具體的軸向位置如A0圖紙所示。這里，由於中間支撐僅做輔助支撐，在進行受力分析時，並不將其看做是支撐反力點。左右軸承集中反力作用點，均看做作用在軸承支撐的中點處。現將主軸上各傳動元件的作用點位置和距離表示如下：
圖14 主軸及其上元件軸向位置簡圖
4.3.1 高6級傳動時強度驗算
這種情況下，主軸上右邊的固定齒輪受力，其受力簡圖如圖15所示。
轉矩 T1=9.55*10^3*P1/N1 =9.55*10^3*3*0.84/45 =531N*m
圓周力 Ft1=T1*10^3/（d1/2） =531*10^3/（76*3/2）=4658N
徑向力 Fr1=Ft1*tan（20°）=1695N
水平面上的支反力：FA1=db/（da+db）*Ft1=132/（280+132）*4658N=1492N
FB1= Ft1-FA1=3166N
垂直面上的支反力：FA1』= db/（da+db）*Fr1=543N
FB1』=Fr1-FA1』=1152N
截面C處的水平彎矩：Mc=280*FA1*10^（-3）=418N*m
截面C處的垂直彎矩：Mc』=280*FA1』*10^（-3）=152N*m
截面C處的合成彎矩：Mc1=sqrt（Mc^2+Mc』^2）=445N*m
因主軸單向回轉，視轉矩為脈動循環，ε=[σ-1b]/ [σ0b]=0.6，則截面C處的當量彎矩為：
Mvc1= sqrt（Mc1^2+（ε*T1）^2）=547N*m
軸的受力圖，轉矩圖，彎矩圖如圖15所示。
按彎扭合力來校核軸的強度：
截面C處當量彎矩最大，故可能為危險截面。已知Mc=Mvc1=547N*m。[σ-1b]=60Mpa，
σc=Mc/W=Mc/0.1dc^3 =547*10^3/（0.1*75^3）=13.0Mpa< [σ-1b]=60Mpa
所以其強度足夠。
圖15 低6級軸的強度計算
4.3.2 高6級傳動時強度計算
這種情況下，主軸左邊的內齒離合器直接與IV軸外齒嚙合。其受力簡圖如圖16所示。同理有：
轉矩 T2=9.55*10^3*P2/N2 =9.55*10^3*3*0.84/355 =67.8N*m
圓周力 Ft2=T2*10^3/（d2/2） =67.8*10^3/（27*3/2）=1674N
徑向力 Fr2=Ft2*tan（20°）=609N
水平面上的支反力：FA2=db/（db-da）*Ft2=552/（552-140）*1674N=2242N
FB2= Ft2-FA2=-568N
垂直面上的支反力：FA2』= db/（db-da）*Fr2=816N
FB2』=Fr2-FA2』=-207N
截面A處的水平彎矩：Ma=140*Ft2*10^（-3）=234N*m
截面A處的垂直彎矩：Ma』=280*Fr2』*10^（-3）=85.2N*m
截面A處的合成彎矩：Ma1=sqrt（Ma^2+Ma』^2）=249N*m
同理，截面A處的當量彎矩為：
Mva1= sqrt（Ma1^2+（ε*T2）^2）=252N*m
軸的受力圖，轉矩圖，彎矩圖如圖16所示。
同樣，截面A處當量彎矩最大，故可能為危險截面。已知Ma=Mva1=252N*m。[σ-1b]=60Mpa，
σa=Ma/W=Ma/0.1dc^3 =252*10^3/（0.1*65^3）Mpa =9.2Mpa< [σ-1b]=60Mpa
所以其強度也足夠。
圖16 高6級軸的強度計算
綜上所述，兩種情況下主軸的強度均足夠，故本次設計的主軸尺寸滿足要求。
5.小節
這次專業課程設計師大四上學期進行一次非常關鍵，非常重要的課程設計，它也是畢業設計前最後一次關於機械專業基礎知識的課程設計。我個人對這次設計非常重視。
由於這次課程設計時間與考研沖突，因此很多內容特別是A0圖紙的CM6132機床傳動系統的結構圖完成得比較倉促，其中不乏一些小錯誤和不合理之處。比如I軸上的三聯滑移齒輪布置安排不合理，直接導致滑移齒輪間間距比較大（為了留出空間，保證齒輪之間不幹涉），進而影響了I軸的軸向尺寸乃至整個變速箱的尺寸大小。再比如，變速箱內的多對齒輪嚙合時，沒有考慮採用公用齒輪，以減少II軸上固定齒輪的個數，從而減小II軸的軸向尺寸。還有，連接變速箱與主軸箱的V帶輪尺寸較小，與龐大的主軸箱不是很協調，主軸兩邊端蓋設計得也不盡合理……
當然，通過這次課程設計，也讓我學習了很多，使我本人對機械專業的認識更深，對機床內部傳動系統的結構更加清晰，而這些都是大學里課堂上的書本知識所不可能獲得的，普通的考試所不可能考核檢驗的。從這個方面來說，課程設計不僅僅是考試以外一種考核和檢驗學生知識掌握情況以及運用能力方面的重要補充方式，同時學生通過課程設計，對專業基礎知識和專業領域方面的信息掌握得更加牢固，更加扎實，為以後從事機械工作，以及進行生產實踐活動，奠定了良好的基礎。
6.參考文獻
1.彭文生等主編. 機械設計. 第1版. 北京：高等教育出版社，2002
2.李余慶等主編. 機械製造裝備設計. 第2版. 北京：機械工業出版社，2008
3.唐增寶等主編. 機械設計課程設計. 第1版. 武漢：華中科技大學出版社，2006
4.吳宗澤 主編. 機械零件設計設計受冊[M]. 第1版. 北京：機械工業出版社，2004
Ⅵ 數控車床畢業論文 （畢業設計）數控加工工藝
摘要:介紹了普通車床的數控改造條件,同時介紹了對CA6140車床的主傳動系統和進給傳動系統進行了數控化改造
的過程。改造後的數控車床的加工能力、自動化水平和加工精度明顯提高。同時介紹了該車床機電聯動調試的經驗。
關鍵詞:普通車床;數控改造
中圖分類號: TG659 文獻標識碼: B 文章編號: 1001-3881 (2006) 4-208-2
企業要在激烈的市場競爭中獲得生存、得到發展,它必須在最短的時間內以優異的質量、低廉的成本,製造出合乎市場需要的、性能合適的產品,而產品質量的優劣,製造周期的快慢,生產成本的高低,又往往受工廠現有加工設備的直接影響。目前,採用先進的數控機床,已成為我國製造技術發展的總趨勢。購買新的數控機床是提高數控化率的主要途徑,而改造舊機床、配備數控系統把普通機床改裝成數控機床也是提高機床數控化率的一條有效途徑。我校為適應現代化生產和教學,對CA6140車床進行了數控化改造。
1 機床數控化改造的條件
1·1 機床基礎件有足夠的剛性
數控機床屬於高精度機床,工件移動或刀具移動的位置精度要求很高,必須在0·001~0·01mm之間,高的定位精度和運動精度要求原有機床基礎件具有很高的靜剛度和動剛度。本次用於改造的CA6140車床自購進後一直保養良好,機床基礎件剛性滿足要求。
1·2 機床數控改裝的總費用合適,經濟性好
機床數控改裝分兩部分進行:一是維修機械部分。更換或修理磨損零件,調試大型基礎零件,增加新的功能裝置,提高機床的精度和性能,另一方面是舍棄原有的一部分進給系統,用新的數控系統和相應的裝置來替代。改造總費用由機械維修和增加的數控系統兩部分組成。若機床的數控改造的總費用僅為同類型車床價格的50% ~60%時,該機床數控改造在經濟上適宜。經過考查,若購買同樣配置的車床約需10萬元,而我校機床數控改造的總費用為5·1萬元,僅佔51%,因此該機床數控改造在經濟上是合適的。
2 系統配置及主要技術規格
該系統由SIEMENS 802S系統、介面電路、驅動線路及步進電機等組成,另外還配有自動轉塔刀架、主軸變頻調速器及主軸編碼器等,系統屬開環控制系統。其主要技術性能和參數如下:
(1)系統控制部分。採用SIEMENS 802S系統,鍵盤和顯示部分裝在面板上。
(2)系統軟體具有若干指令。其中加工指令有
直線、斜線、螺紋、錐螺紋和圓弧等5條指令。可實現車削外圓、端面、台階、割槽、錐度、倒角、螺紋、順圓弧和逆圓弧等操作。控制指令有結束循環、暫停、延時、延時換刀、編碼換刀、通訊等,與加工指令配合,可加工出各種較復雜的零件。
(3)系統環境工作條件。溫度-10~+40℃;濕度為40% ~80%。
(4)輸入電網電壓。交流(220±22)V;頻率為50Hz;電流為1·5A。
(5)步進電機。BYG550C-2型電機兩台,驅動電壓為110V;相電流為2·5A;步距角為0·36°/步;靜力距為12N·m。
3 主傳動的數控化改造
機床主傳動的作用是把電機的轉速和轉矩通過一定途徑傳給主軸,使工件以不同的速度運動,主傳動性能的好壞,直接影響零件的加工質量和生產效率。考慮到改造的經濟性,可乘用機床原有的普通三相非同步交流電動機拖動。考慮到加工過程中當電網電壓和切削力矩發生變化時,電機的轉速也會隨之波動,直接影響加工零件的表面粗糙度。因此為提高加工精度,實現主軸自動無級變速,在主軸上增加了交流非同步電動機變頻調速系統,從而不需進行機械換檔。針對機床要求具有螺蚊切削功能,在主軸部位安裝主軸脈沖發生器,如圖1所示。為保證脈沖發生器與主軸等速旋轉,即主軸轉一周,主軸脈沖發生器也
圖1 主軸脈沖發生器安裝示意圖轉一周,主軸脈沖發生器的安裝方式很重要。改裝時,主軸傳動必須經過原有CA6140車床主軸箱中58/58和33/33兩級齒輪(實現1∶1)傳遞到原有CA6140車床的掛輪軸X,拆除掛輪留出空間,安裝脈沖發生器,並用法蘭盤固定。
4 進給傳動的數控化改造
進給傳動的作用是接受數控系統的指令,驅動刀具作精確定位或按規定的軌跡作相對運動,加工出符合要求的零件,對進給傳動的要求是高精度、高速度。改造中我們採用步進電機驅動系統實現開環控
圖2 進給傳動系統制,這樣結構簡單,安裝調試和維修都非常方便。
4·1 進給傳動鏈
圖2為普通車床改造後的進給傳動鏈,刀具縱向(Z軸)移動由步進電機,經介面箱內一對減速齒輪,轉動縱向移動的絲桿而實現。刀具的徑向(X軸)移動由步進電機,經介面箱內一對減速齒輪,轉動橫向移動絲桿而實現,該傳動鏈與原機床的傳動鏈相比,擺脫了結構復雜的進給箱和拖板箱。
4·2 介面箱內減速齒輪的齒數比
該車床要求的控制精度為: Z向0·005mm, X向為0·0025mm,即當執行一個脈沖指令時,工件的長度和直徑均變化0·005mm。BYG550C-2型步進電機的步距角為0·36°,每周步距數為360/0·36=1000(步/周), X向絲杠螺距為4mm,脈沖當量為0·0025mm,Z向絲杠螺距為6mm,脈沖當量0·005mm。按公式
主動輪齒數
從動輪齒數=步/周×脈沖當量絲杠螺距則X向:Z主/Z從=1000×2·5/4000=5/8Z向:Z主/Z從=1000×5/6000=5/6
4·2 介面箱內減速齒輪的齒數比
該車床要求的控制精度為: Z向0·005mm, X向為0·0025mm,即當執行一個脈沖指令時,工件的長度和直徑均變化0·005mm。BYG550C-2型步進電機的步距角為0·36°,每周步距數為360/0·36=1000(步/周), X向絲杠螺距為4mm,脈沖當量為0·0025mm,Z向絲杠螺距為6mm,脈沖當量0·005mm。按公式
主動輪齒數
從動輪齒數=步/周×脈沖當量絲杠螺距則X向:Z主/Z從=1000×2·5/4000=5/8Z向:Z主/Z從=1000×5/6000=5/6
4·3 傳動滾珠絲杠副
數控機床要求進給部分移動元件靈敏度高、精度高、反應快、無爬行,採用滾珠絲杠副可以滿足上述要求。在結構中,用普通滾珠絲杠副實現將旋轉運動變換為直線運動。滾珠絲杠螺母副安裝時需預緊,通過預緊可消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙,提高傳動剛度。預緊的方法是採用雙螺母齒差調隙式結構(圖3)。通過改變兩個螺母的軸向相對位置,使每個螺母中滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩側來實現的。
圖3 雙螺母齒差調隙式結構
一般需要幾次調整才能保證機床在最大軸向載荷下,既消除間隙,又能靈活運轉。
4·4 刀架
根據需要,拆除原方刀架,安裝620型四方刀架(圖4)。該刀架由120W的三相交流非同步電機正轉驅動,使刀架正轉選刀,到預定刀位時,電機則反轉,使刀架夾緊。換刀方式有手控和機控兩種。機控時當零件在加工過程中需要換刀時,數控系統發出預先編制好的換刀控制指令,控制器接到換刀指令時,立即驅動刀架回轉。手控時,按動面板上的按鈕,刀架能轉一個刀位(90°),也可連續按動按鈕,直至任一刀位。
5 機電聯動調試
5·1 機械調試
絲杠上,側母線和橫、縱導軌的平行度誤差控制在0·01mm/全長之內;轉動絲杠,絲杠軸向竄動在0·01mm之內;絲杠螺母同軸度誤差控制在0·01mm之內。
5·2 機電聯動調試
(1)單坐標點動,主要調試其有無動作,運動方向是否符合要求,機械傳動是否正常,有無不正常響聲等。
1·上刀體 2·活動銷 3·反靠盤 4·定軸 5·蝸輪 6·下刀體 7·螺桿 8·離合器盤 9·霍爾元件 10·磁鋼
圖4 四方刀架結構圖
(2)點動合格後,做連續運動。反復多次,若出現故障或異常,排除後方可繼續進行。
(3)先試Z坐標方向,後試X坐標方向,這是因為Z坐標方向調試方便。
(4)測量兩坐標重復定位精度。在Z向坐標做連續移動時,若發現與絲杠相聯的齒
額定轉速: 2000r/min
額定輸出功率: 2kW
編碼器:絕對位置檢測方式,解析度1000000p/r 軸端形式:錐軸伺服放大器採用與電機配套的SJV2系列20型,其驅動能力為2kW。對於2kW電機,也可採用SJV2系列的10型放大器,但此時的輸出扭矩要比20型減少1/3,不利於大功率切削。I/O設備選用型號為HR341的基本I/O單元,主要用於機床操作面板及與機床間的輸入輸出控制。另外附加一個遠程I/ODX110,主要用於教學功能的「故障模擬設置」的輸入輸出。伺服及I/O單元連接原理圖如圖2所示。
圖2 電氣連接原理圖
2·2·2 主軸控制
主軸電機採用交流變頻控制電機,由變頻器進行控制,轉速范圍60~6000r/min。模擬量由基本I/O單元的A0埠輸出0~10V的直流電壓,變頻器根據輸入的電壓變化而輸出相應的轉速。由於模擬主軸電機沒有編碼器,因此在發出轉速命令後,系統無法檢測到主軸的是否運行。為解決這一問題,我們利用變頻器上的功能端子,將其通過參數設置成「到達指令頻率閉合」狀態,並通過PLC檢測此信號,從而實現對電機的運轉進行監控。
2·3 教學功能的附加
本機改造後除保證加工功能和精度外,還要滿足一定的教學功能。所謂的教學功能主要是針對學習數
控系統調試及維修人員而設立的附加功能。該功能通過參數設置及調整PLC程序人為地設置故障,讓學生通過故障現象先判斷故障種類,再分析故障產生的原因,直至排除故障。通過這種實訓,學生可全面學習工業現場可能出現的故障現象,掌握故障排除方法,提高學生解決現場問題的綜合能力。
3 結束語
我國現有機床中,近幾年急需技術改造的約佔25%,這將蘊藏著無限商機。機床改造主要是採用數控和計算機控制技術,我國數控機床發展和機床數控化改造應緊跟世界潮流,發展多軸聯動數控系統,開發高速、高精度、高效加工中心等關鍵技術,向智能化方向發展