目录
1 引言 (2)
2 数控车床与数控介质 (3)
2.1 数控车床的组成 (3)
2.2 数控技术的发展 (4)
3 数控改造方法及设计 (5)
3.1 数控机床在国内的前景 (5)
3.2 机床数控改造 (5)
3.2.1机床改造的意义 (5)
3.2.2 数控车床的性能和精度的选择 (6)
3.2.3 车床数控改造方案选择 (7)
4 伺服系统 (8)
4.1伺服系统的组成 (8)
4.2 伺服系统的结构及分类 (8)
4.2.1 进给伺服系统的现状与展望 (9)
4.2.2 步进伺服系统 (9)
4.2.3 直流伺服系统 (9)
4.2.4 交流伺服系统 (10)
4.2.5 直线伺服系统 (10)
4.3 主轴伺服系统的现状及展望 (11)
4.3.1交流异步伺服系统 (11)
4.3.2交流同步伺服系统 (11)
4.3.3 电主轴 (12)
4.4 交流电机和直流电机直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 (12)
4.5 异步伺服驱动系统改造方案 (13)
结论 (18)
参考文献： (19)
致谢 (20)
1 引言
作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床－数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。
数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。
数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： 1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。 2. 加工精度高； 3. 生产效率高； 4. 减轻劳动强度，改善劳动条件； 5. 良好的经济效益； 6. 有利于生产管理的现代化。
数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。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。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，
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。 1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。
2 数控车床与数控介质
2.1 数控车床的组成
1、输入输出装置
输入装置可将不同加工信息传递于计算机。在数控机床产生的初期，输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰；目前，使用键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。输出指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等），一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。
2、数控装置
数控装置是数控机床的核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的电路，各种接口电路、CRT显示器等硬件及相应的软件。
3、可编程控制器
即PLC，它对主轴单元实现控制，将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速；管理刀库，进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理；控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作；还对机床外部开关（行程开关、压力开关、温控开关等）进行控制；对输出信号（刀库、机械手、回转工作台等）进行控制。
4、检测反馈装置
由检测元件和相应的电路组成，主要是检测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，
实现闭环控制以保证数控机床加工精度。
5、机床主机
数控机床的主体，包括床身、主轴、进给传动机构等机械部件。
2.2 数控技术的发展
随着科学技术不断发展，数控机床的发展也越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。高性能：随着数控系统集成度的增强，数控机床也实现多台集中控制，甚至远距离遥控。高精度：数控机床本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度的保持性要好。高速度：数控机床各轴运行的速度将大大加快。高柔性：数控机床的柔性化将向自动化程度更高的方向发展，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。模块化：数控机床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商又有利于客户。我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。
为了缩小与世界先进水平的差距，有关专家建议机床企业应在以下6个方面着力研究：
1．加大力度实施质量工程，提高数控机床的无故障率。
2．跟踪国际水平，使数控机床向高效高精方面发展。
3．加大成套设计开发能力上求突破。
4．发挥服务优势，扩大市场占有率。
5．多品种制造，满足不同层次的用户。
6．模块化设计，缩短开发周期，快速响应市场。
数控机床使用范围越来越大，国内国际市场容量也越来越大，但竞争也会加剧，我们只有紧跟先进技术进步的大方向，并不断创新，才能赶超世界先进水平。
3 数控改造方法及设计
3.1 数控机床在国内的前景
目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3％。用普通机床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。本文以车床的数控改造为例，介绍了机床数控改造的方法，包括其结构的改造设计，性能与精度的选择以及最后改造方案的确定。
3.2 机床数控改造
3.2.1机床改造的意义
1）节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。
2）性能稳定
3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而用而且可以缩短生产准备周期。
言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费
普通车床的数控化改造设计
机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论）。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无
论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。
3.2.2 数控车床的性能和精度的选择
并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件：第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。
1）轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。
2）进给运动：
进给速度：Z向（通常为8～400mm/min）；X向（通常为2～100 mm/min）。
快速移动：Z向（通常为1.2～4m/min）；X向（通常为1.2～3m/min）。
脉冲当量：在0.025～0.005mm内选取，通常Z向为X向的2倍。
加工螺距范围：包括能加工螺距类型（公制、英制、模数、径节和锥螺纹等），一般螺距在10mm以内都不难达到。
3）进给运动驱动方式（一般都选用步进电机驱动）。
4）给运动传动是否需要改装成滚珠丝杠传动。
5）刀架是否需要配置自动转位刀架，若配置需要确定工位数。
6）其他性能指标选择：
插补功能：车床加工需具备直线和圆弧插补功能。
刀具补偿和间隙补偿：为了保证一定的加工精度，一般需考虑设置刀补和间隙补偿
功能。
显示：采用数码管还是液晶或者显示器显示，显示的位数多少等问题要根据车床加工功能实际需要确定，一般来说，显示越简单成本越低，也容易实现。
诊断功能：为防止操作者输入的程序有错和随之出现的错误动作，可在数控改造系统设计时加入必要的器件和软件，使其能指示出机床出现故障或者功能失效的部分等，实现有限的诊断功能。
以上是车床数控改造时需要考虑的一些通用性能指标，有的车床改造根据需要还会有些专门的要求，如车削大螺距螺纹、在恶劣的环境下工作的防尘干扰、车刀高精度对刀等，这个时候应有针对性的专门设计。
3.2.3 车床数控改造方案选择
当数控车床的性能和精度等内容基本选定后，可根据此来确定改造方案。目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。因此，较典型的车床数控改造方案可选择为：配置专用车床数控改造系统，更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。
目前较典型的经济型专用车床数控改造系统具有下列基本配置和功能：1）采用单片微机为主控CPU，具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。
2）配有步进电机驱动系统，脉冲当量或控制精度一般为：Z为0.01mm，X向为0.005mm （要与相应导程的丝杠相配套）。
3）加工程序大多靠面板按键输入，代码编制，掉电自动保护存储器存储；可以对程序进行现场编辑修改和试运行操作。
4）具有单步或连续执行程序、循环执行程序、机械极限位置自动限位、超程报警，以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能。
4 伺服系统
4.1伺服系统的组成
伺服驱动系统（Servo System）简称伺服系统，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量.（使用在机电系统中的伺服电机的转动惯量较大，为了能够和丝杠等机械部件直接相连。伺服电机有一种专门的小惯量电机，为了得到极高的响应速度。但这类电机的过载能力低，当使用在进给伺服系统中时，必须加减速装置。转动惯量反映了系统的加速度特性，在选择伺服电机时，系统的转动惯量不能大于电机转动惯量的3倍。）较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。当然，其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环。
伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。
作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多，本文通过分析其结构及简单归分，对其技术现状及发展趋势作简要探讨
4.2 伺服系统的结构及分类
从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机（附图）。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的
电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。
4.2.1 进给伺服系统的现状与展望
进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。
4.2.2 步进伺服系统
步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数，如500步、1000步、50 000步等等，从理论上讲其步距误差不会累计。
步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高，特别是随着智能超微步驱动技术的发展，将把步进伺服的性能提高到一个新的水平。
4.2.3 直流伺服系统
直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。
然而，从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械
换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。
4.2.4 交流伺服系统
针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性。其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。
目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。
交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。
4.2.5 直线伺服系统
直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式（Direct Drive），与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式，带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，
如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10～20倍，进给速度是传统的4～5倍。从电动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度高频响小行程直线电动机与大推力长行程高精度直线电动机两类。
4.3 主轴伺服系统的现状及展望
主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。与进给伺服一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。
4.3.1交流异步伺服系统
交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。其中，正弦电流的幅值可分解为给定或可调的励磁电流与等效转子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和，以实现矢量化控制。
4.3.2交流同步伺服系统
近年来，随着高能低价永磁体的开发和性能的不断提高，使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统的性能日益突出，为解决交流异步伺服存在的问题带来了希望。与采用矢量控制的异步伺服相比，永磁同步电动机转子温度低，轴向连接位置精度高，要求的冷却条件不高，对机床环境的温度影响小，容易达到极小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒转矩运行，特别适合强力切削加工。同时其转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性好，特别适合高生产率运行。较容易达到很高的调速比，允许同一机床主轴具有多种加工能力，既可以加工像铝一样的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，为机床进行最优切削创造了条件。
4.3.3 电主轴
电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，它将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，电动机的转子即为主轴的旋转部分，由于取消了齿轮变速箱的传动与电动机的连接，实现了主轴系统的一体化、“零传动”。因此，其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。
从理论上讲，电主轴为一台高速电动机，其既可使用异步交流感应电动机，也可使用永磁同步电动机。电主轴的驱动一般使用矢量控制的变频技术，通常内置一脉冲编码器，来实现厢位控制及与进给的准确配合。由于电主轴的工作转速极高，对其散热、动平衡、润滑等提出了特殊的要求。在应用中必须妥善解决，才能确保电主轴高速运转和精密加工。
4.4 交流电机和直流电机直流伺服电机分为有刷和无刷电机。
直流伺服电机分为有刷和无刷电机。
有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。
交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。
无刷电机结构解析
结构上，无刷电机和有刷电机有相似之处，也有转子和定子，只不过和有刷电机的结构相反；有刷电机的转是线圈绕组，和动力输出轴相连，定子是永磁磁钢；无刷电机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线圈，去掉了有刷电机用
来交替变换电磁场的换向电刷，故称之为无刷电机（Brushless motor）。
无刷电机简明运行原理
简单而言，依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心全转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，电机就转起来了，电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关，更与无刷电机的控制性能有很大关系，因为输入的是直流电，电流需要电子调速器将其变成3相交流电，还需要从遥控器接收机那里接收控制信号，控制电机的转速，以满足模型使用需要。总的来说，无刷电机的结构是比较简单的，真正决定其使用性能的还是无刷电子调速器，好的电子调速器需要有单片机控制程序设计、电路设计、复杂加工工艺等过程的总体控制，所以价格要比无刷电机高出很多。
4.5 异步伺服驱动系统改造方案
异步机就是电机的转子转动的速度与定子所产生的旋转磁场的旋转速度不一致，有一个差值（不同步）。我们叫转差。这个转差与定子所产生的旋转磁场的转速的比率叫转差率。同步机与异步机的区别在于：从供电方面说，异步机只是在定子侧加上电压（也有转子上加电压的），而同步机要在定子和转子上都加上电压。也就是说异步机是单边励磁，同步机是双边励磁。从转速方面说，异步机的转速只与负荷大小有关（当然有一定的范围），而同步机的转速只与电网的频率有关。
从结构上说，同步电机与异步机转子的构造也不一样。异步机的转子是有夕钢片和铝条（或夕钢片和线圈组成），而同步机一般由数块磁钢和线圈组成（也有隐极式的不太一样）。当然还有许多差别，如工艺要求、设计问题等等.。异步机相对结构简单，制造方便，价格便宜，维护量少，调速范围较小，必需从电网吸取滞后的励磁电流，功率因数低。广泛应用于各种场合。但大多数用于电动机，作用于发电机的很少。
20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经
商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：
⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
⑵定子绕组散热比较方便。
⑶惯量小，易于提高系统的快速性。
⑷适应于高速大力矩工作状态。
⑸同功率下有较小的体积和重量。
自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的In分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，称为永磁交流伺服系统。
到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。
日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24％降低到7％，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。
以生产机床数控装置而著名的日本法奴克（Fanuc）公司，在20世纪80年代中期也推出了S系列（13个规格）和L系列（5个规格）的永磁交流伺服电动机。L系列，有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。
日本其他厂商，例如：三菱电动机（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、东芝精机（SM系列）、大隈铁工所(BL系列）、三洋电气（BL系列）、立石电机（S系列）等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。
德国力士乐公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格。
德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比，重量只有后者的1／2，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。
德国宝石（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的SD系列（17个规格）和稀土永磁的SE系列（8个规格）交流伺服电动机和Servodyn SM系列的驱动控制器。
美国著名的伺服装置生产公司Gettys曾一度作为Gould 电子公司一个分部（Motion Control Division），生产M600系列的交流伺服电动机和A600 系列的伺服驱动器。后合并到AEG，恢复了Gettys名称，推出A700全数字化的交流伺服系统。
美国A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流PWM伺服控制器。电动机包括3个机座号共30个规格。I.D.（Industrial Drives）是美国著名的科尔摩根（Kollmorgen）的工业驱动分部，曾生产BR-210、BR-310、BR-510 三个系列共41个规格的无刷伺服电动机和BDS3型伺服驱动器。自1989年起推出了全新系列设计的掺鹣盗袛（Goldline）永磁交流伺服电动机，包括B（小惯量）、M（中惯量）和EB（防爆型）三大类，有10、20、40、60、80五种机座号，每大类有42个规格，全部采用钕铁硼永磁材料，力矩范围为0.84～111.2N.m，功率范围为0.54～15.7kW。配套的驱动器有BDS4（模拟型）、BDS5（数字型、含位置控制）和Smart Drive（数字型）三个系列，最大连续电流55A。Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。
爱尔兰的Inland原为Kollmorgen在国外的一个分部，现合并到AEG，以生产直流伺
服电动机、直流力矩电动机和伺服放大器而闻名。生产BHT1100、2200、3300三种机座号共17种规格的SmCo永磁交流伺服电动机和八种控制器。
法国Alsthom集团在巴黎的工厂生产LC系列（长型）和GC系列（短型）
交流伺服电动机共14个规格，并生产AXODYN系列驱动器。
原苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电动机。其中ДBy 系列采用铁氧体永磁，有两个机座号，每个机座号有3种铁心长度，各有两种绕组数据，共12个规格，连续力矩范围为7～35N.m。2ДBy系列采用稀土永磁，6个机座号17个规格，力矩范围为0.1～170N.m，配套的是3ДБ型控制器。
近年日本松下公司推出的全数字型MINAS系列交流伺服系统，其中永磁交流伺服电动机有MSMA系列小惯量型，功率从0.03～5kW，共18种规格；中惯量型有MDMA、MGMA、MFMA三个系列，功率从0.75～4.5kW，共23种规格,MHMA系列大惯量电动机的功率范围从0.5～5kW，有7种规格。
韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统，其中FAGA交流伺服电动机系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多种型号，功率从15W～5kW。
现在常采用摴β时浠 蕯（Powerrate）这一综合指标作为伺服电动机的品质因数，衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。功率变化率表示电动机连续（额定）力矩和转子转动惯量之比。
按功率变化率进行计算分析可知，永磁交流伺服电动机技术指标以美国I.D 的Goldline系列为最佳，德国Siemens的IFT5系列次之。
交流异步伺服通常有模拟式、数字式两种方式。与模拟式相比，数字式伺服加速特性近似直线，时间短，且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度，操作方便，是机床主轴驱动采用的主要形式。然而交流异步伺服存在两个主要问题：一是转子发热，效率较低，转矩密度较小，体积较大；二是功率因数较低，因此，要获得较宽的恒功率调速范围，要求较大的逆变器容量。
ADSD-AS系列是安迪公司自主研发、生产的交流异步伺服控制器。具有集成度高、
体积小、可靠性高等一系列优点，可以方便的实现高精度铣削、车削、磨削等加工，比传统的变频器更胜一筹。
产品特点：
采用32位DSP为核心的控制单元，结合FPGA芯片的先进技术，实现高速高性能的控制。
根据负载整定PID高中低速和加减速参数，系统根据负载变化，自动调整增益。
功能齐全，支持位置控制模式，速度控制模式，转矩控制模式。
支持混合控制模式，可以随意动态切换。
操作灵活，可以按用户工艺要求，实现软PLC功能。
可在线存储三套用户根据工艺要求编制的程序。
多种频率设定方式，模拟端子可以接受±10V、±2.65V、±20mA等范围信号。
转速追踪启动与断电再恢复运行功能。
支持标准的RS485与Can Bus，符合RTU 通信协议。
人性化显示菜单，中文液晶显示，配以LED显示，同时显示3个状态参数。逆变模块（IGBT）温升监控功能，风扇调节可控，适时降低电机噪音和温升。完善的过流、过压、过热、欠压、过负载、编码器故障等保护机制。故障查询与记录功能，方便排除故障。
结论
作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。
2010年3月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然不知，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。经过了几个月的写作，毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了难忘的回忆和收获。
3月初，我的论文题目定了下来，是：CAK6150普通车床的数控化改造。当开题报告定下来的时候，我便着手资料的收集，当时面对这真是有些茫然，不知如何下手。在与同学的交流后，终于使我对自己现在的状况有了一定的掌握。
当我终于完成了所有资料的收集整理后，整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。
我不会忘记这难忘的几个月的时间。毕业论文的制作给了我难忘的回忆。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。
参考文献：
[1] 李明.数控机床.机械工业出版社，2000.6.
[2] 李铁尧.金属切削机床[M]．北京：机械工业出版社，1989.
[3] 罗永顺.普通机床数控化改造设计中关键问题的研究[J].机床与液压，2005
[4] 吴孜越.C620普通车床的数控化改造[J].机床与液压，2005
[5] 孟俊焕.经济型数控机床改造的优化方案研究[J].机床与液压，2005
[6] 赵云龙.数控机床及应用[M]．北京：机械工业出版社，2001.
[7] 秦曾煌.电工学（上册）第5版［M］.北京：高等教育出版社，1999
[8] 邓则名，邝穗芳.电器与可编程控制器应用技术［M］.北京：机械工业出版社，1999
[9] 吴道悌，王建华.电动学实验［M］.北京：高等教育出版社，1995
[10] 编写组.机床设计手册（1,2.3）[M].北京:机械工业出版社,1978
[11] 李力，向敬忠.机械设计基础（近机.非机）.清华大学出版社,2007
[12] 孙岩，陈晓罗，熊涛等.械设计课程设计.北京理工大学出版社,2007
[13] 徐锦康.机械设计.北京机械工业出版社,2003
[14] 邹青.机械制造技术基础课程设计指导教程.北京：机械工业出版社,2004
[15] 陆现柱.机械设计基础.学院出版社出版,2005
致谢
在此更要感谢我的导师和专业老师，是你们的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文。在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。
课程设计说明书 设计题目：普通车床的数控化改造设计指导老师： 设计： 班级： 学号： 时间：
一、概述 普通车床是金属切削加工中最常见的一类机床，当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向移动和横向移动，车床能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等。借助成形刀具，车床还能加工各种成形回转表面。普通车床刀架纵向、横向的进给运动由主轴的回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杆或丝杠带动溜板箱、纵溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，如果改变参数，则要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动。 对普通车床进行数控改造，主要是将纵向和横向进给系统改造为CNC装置控制的，能独立运动的进给伺服系统，将刀架改造成为能自动换刀的回转刀架，这样利用CNC装置，车床就可以按顺序进行切削加工。由于切削参数、切削次序和刀具选择都可以由程序控制和调整，再加上纵向进给和横向进给联动的功能，数控化改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动切削，从而提高生产效率和加工精度，还能适应小批量、多品种负责零件的加工 二、总体方案设计 总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式、伺服系统的类型计算机以及传动方式的选择等。 1.数控系统的选择。 普通车床数控化改造后应具有定位、快速进给、直线查补、圆弧查补、暂停、循环加工和螺纹加工等功能，因此，普通车床数控化改造所选用的数控系统应为连续控制系统。目前，市场上适用于普通车床数控化改造的数控系统较多，如西门子公司的SIEMENS802S型系统、华中数控公司的“世纪星”21/22型系统、广州数控公司的980T型系统等。 2.伺服系统的选择。 普通车床数控化改造后一般为经济型数控机床。在保证具有一定加工精度的前提下，从改造的成本考虑，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统采用一步进电动机为驱动装置的开环系统为宜。当然，也可以采用以伺服电动机为驱动装置的半闭环系统。这主要取决于加工精度的要求。 3.功能部件的选择。 这主要是滚珠丝杆及其支承方式的选择、电动回转刀架的选择等等。 4.结构设计与电气设计。 这主要是纵向进给传动系统、横向进给传动系统的设计和机床导轨的维护，一般采用贴塑导轨以减小摩擦力。机床电气设计包括机床原理图设计和PLC梯形设计等等。 在上述方案的基础上，若条件允许，可以进一步对普通车床的主传动系统进行改造，以实现车床主传动系统的自动调速与控制，使加工过程实现全自动化。 三、参数设计 将C6140普通车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率：纵向：0.01mm横向：0.005mm。设计参数如下： 1.最大加工直径： 630mm 2.最大加工长度： 1400mm
CK6125数控车床主传动系统设计 摘要：数控车床不仅能够车外圆还能用于镗孔、车端面、钻孔与铰孔。与其他种类的机床相比，车床在生产中使用最广。 本论文首先介绍了我国数控机床发展的过程与现状,并分析了其存在的问题;对数控机床的发展趋势进行了探讨；并对c6140数控车床主轴箱传动系统进行了设计与计算。 主轴箱有安装在精密轴承中的空心主轴和一系列变速齿轮组成。数控车床主轴可以获得在调速范围内的任意速度，以满足加工切削要求。 目前，数控车床的发展趋势是通过电气与机械装置进行无级变速。变频电机通过带传动和变速齿轮为主轴提供动力。通常变频电机调速范围3—5，难以满足主轴变速要求；串联变速齿轮则扩大了齿轮的变速范围。 本设计将原来的带轮不卸荷结构变为了带轮卸荷结构，使输入轴在带处只受转矩，将轴上的径向力传动到车床机体上,改善了输入轴的受力情况。 关键词：主轴箱，无级调速，传动系统
Abstract：NC lathe can do boring, facing, drilling and Reaming in addition to turning.The use of lathes in the production than the other types of machine tools and more. And compared to other types of machine tools, lathes in the production is the most widely used. In this design ,the development and current situation of NC machine in China was introduced and a series of problems were presented .The development trend to NC lathe was discussed.Some countermeasures was presented for the development of NC machine in China and then the headstock of ck6125NC lathe has been calculatly designed . Headstocks is composed of the hollow spindle which is installed in precision bearings and a series of transmission gears. The spindle can obtain any speed in the speed range to meet the processing requirements of cutting. At present, the development trend is to provide a continuously variable speed through the electrical or mechanical devices . Variable Frequency Motor conveys the power through belt drive and a set of transmission gears. The speed range of Variable Frequency Motor is usually 3-5 , which is difficult to meet the speed range requirements of the spindle speed; The transmission gears is to expand the scope of a variable-speed to meet the speed range of the spindle . In addition, in this design the design of the belt drive has been changed from the original unloading structure into the loading structure, transmissed the force to the lathe body so that input shaft is only forced torque, improved the forcing state of the input shaft. Key words: headstocks, a continuously variable speed , transmission Systerm
一、设计目的: 通过本课程设计的训练,使学生在学完机床数控技术及相应的机床电器及PLC等课程之后,能够运用所学的知识独立完成数控车,数控铣和加工中心的进给系统的自动控制系统设计,从而使学生进一步加深和巩固对所学的知识的理解和掌握,并提高学生的实际操作能力。 ⑴运用所学的理论知识,进行数控系统设计的初步训练,培养学生的综合设计能力； ⑵掌握三相反应式步进电机进给驱动的原理和控制方法； ⑶掌握PLC控制系统设计的基本技能,具备查阅和运用标准、手册、图册等有关技术资料的能力； ⑷基本掌握编写技术的能力。 二、设计内容和要求： 参考课程设计指导书[1]，对于普通车床数控化改造设计，纵向进给驱动由三相感应式步进电机实现，完成其选型计算，用4位拨动开关设定转动速度，并设计其启动停止、正反转、加减速和步数控制系统，数控系统的脉冲当量为0.01mm/脉冲。 三、设计工作任务及工作量的要求： ⑴设计任务 ①.步进电机选型计算； ②.PLC控制程序设计 ⑵设计工作量要求： ①.电路接线图和电器件清单； ②.控制程序T形图及其对应的程序清单； ③.编写课程设计说明书一份。（A4不少于10页） ⑶三个同学分为一组，同学们之间可以互相讨论研究工作内容和设计方法，但每位同学的设计任务必须各有侧重独立完成，不能有雷同现象。 四、设计参数： 设计参数包括车床的部分技术参数和车床拟实施数控化改造所需要的参数。以CA6140型车床的改造,设计参数如下： 最大加工直径：在床面上,400mm；在床鞍上, 210mm。 最大加工长度：1000mm。 行程：纵向,1000mm。 快速进给：纵向,2400mm／min 最大切削进给速度：纵向,500mm／min 溜板及刀架质量：纵向,81.63kg 主电动机功率：7.5kw 定位精度：0.04mm／全行程 重复定位精度：0.016mm／全行程 程序输入方式：增量值、绝对值通用 控制坐标数：2 脉冲当量：纵向,0.01mm／脉冲
第一章机床特点及性能参数 1.1概述 6150数控车床是我公司设计制造的高性能数控产品，整机配置本着一切为用户设想的原则，具备功能齐全，加工效率高，精度稳定性好，可靠性高且自动化程度高等特点，是高效生产的理想设备。 本系列数控车床可据用户要求选配不同的数控系统、伺服驱动系统、液压系统、动力卡盘及动力刀架等。 1.2主要技术参数 *床身上最大回转直径………………………? 500mm *过拖板最大加工直径………………………? 210mm *顶间距………………………………………1500mm -5 *主轴端部……………………………………A 2 *主轴头锥孔…………………………………1∶20 *主轴通孔直径………………………………?82mm *主轴最高转速………………………………2000r/min *刀架…………………………………………四工位 *刀具截面尺寸………………………………25mm×25mm *最大行程……………………………………X轴:250mm Z轴:1500mm *尾座套筒直径………………………………?75mm *尾座套筒锥孔………………………………莫氏5# *尾座套筒行程………………………………150mm *主轴电机功率………………………………4KW/伺服5.5KW *X轴电机……………………………………1KW *Z轴电机……………………………………1.5KW *最大轮廓尺寸………………………………1760mm×1190mm×1470mm *重量…………………………………………2200kg 以上参数为6150标准型数控机床参数。由于用户的特殊性，您订购的机床参数可能会有部分改变，请用户在加工操作时认真核对，若有不清，请迅速与我公司联系。
毕业设计（论文）任务书 系部： 专业： 学生姓名：学号： 设计(论文)题目：CK6150数控车床主轴箱设计 起迄日期: 20**年3月9日~ 6月14日 设计(论文)地点: 指导教师: 专业负责人: 发任务书日期:20** 年2月26日
毕业设计（论文）任务书 1．本毕业设计（论文）课题应达到的目的： 通过这次毕业设计使学生初步掌握机床设计和机械零件设计的一般方法，学会查阅技术文献。掌握技术文件编写的格式。 2．本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： 1、课题任务的内容：进行CK6150数控车床主轴箱设计。 2、课题任务的要求： 该主轴箱设计完成以后能够实现主轴12档转速，最低转速70 rpm、最高转速1400rpm，半自动换档变速。机床主轴中心高为250mm。
5．本毕业设计（论文）课题工作进度计划： 起迄日期工作内容20**年 3月9日~ 3月15日3月16日~ 3月22日3月23日~ 4月5日4月6日~ 4月19日4月20日~ 4月30日5月1日~5月17日5月17日~ 5月30日6月1日~ 6月7日6月8日~ 6月14日熟悉课题，调研，确定设计方案，完成开题报告。完成外文翻译。 总体设计，方案论证。 完成部件设计初稿。 部件设计定稿。 完成零件设计初稿。 零件设计定稿。 完成说明书初稿 毕业设计定稿，论文答辩 所在专业审查意见： 负责人： 20**年月日系部意见： 系部主任： 20**年月日
毕业设计(论文)开题报告 学生姓名：学号： 专业： 设计(论文)题目：CK6150数控车床主轴箱设计指导教师:
CAK6150普通车床的数控化改造 NC Transformation of The CAK6150 Common Lathe 学院： 专业/班级： 学生姓名： 指导教师： 2008 年9 月
摘要 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。制造业是国民经济的基础产业，它的发展直接影响到国民经济各部门的发展，也影响到国计民生和国防力量的加强，因此，各国都把制造业的发展放在首要位置。21世纪的制造业发展的总趋势是柔性化、灵捷化、智能化和信息化，而数控机床则是实现柔性化、灵捷化、智能化和信息化加工制造的基本单元。因此，数控加工技术是制造业中的一项关键的迅速发展的新技术之一，在机械制造行业中具有重要的地位和作用。 数控化加工是机械加工行业朝高质量，高精度，高成品率，高效率发展的趋势。结合我国实际国情，经济型数控机床是我国从普通机床向数控机床发展的及其重要的台阶。利用现有的普通机床，对其进行数控化改造是一条低成本，高效益的途径。 车床数控化改造研究是提高我国技术装备水平的重要项目，在我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的机床急待更新的情况下，由于数控车床的加工能力和资金受限，对车床进行数控化改造是一条节约资金、快速上马的有效途径。数控机床的通用性、柔性、适应性、扩展性，并迅速向智能化、网络化方向发展，成为当前数控技术发展的主要方向。 关键词：车床; 数控改造; 结构 I
数控机床系统设计说明书 第一章数控技术的地位 数控技术是永数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是20世纪后半叶最重要，发展最快的工业技术之一。它以制造过程为对象，以信息技术为手段，以数控坐标方式对运动部件进行位置控制为主要特征，为单件、小批量生产的自动化开辟了可行的技术途径，也为现代柔性制造技术奠定了重要的技术基础。 数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统制造业和新兴制造业的渗透 形成的机电一体化产品，其技术覆盖很多领域，其中，精密机械制造技术、信息处理、加工、传输技术、自动控制技术、伺服驱动技术、传感器及检测技术和计算机技术是数控技术涵盖的主要领域。数控技术还是运用高新技术对传统产业进行改进和提升的重要载体。 以信息化带动工业化，实现社会生产力的跨越式发展，将在一定程度上取 决于数控机床的技术进步。它代表着装备工业的技术水平和现代化程度，而装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和重要装备。数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。现在世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外，世界上各个工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高、精、尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国历和国家地位的重要途径。 目前，数控技术在我国国民经济的各行各业发挥着越来越重要的作用，数 控技术已经成为企业技术改造的首先设备之一，我国已经成为数控机床的生产大国、消费大国和进口大国。国民经济各个行业需要大量数控机床的开发人才和应用人才。． 第二章系统设计与计算 一、总体方案的确定
目录 一、课程设计的目的和要求 (2) 二、总体方案的设计 (3) 三、机械部分设计 (5) 四、数控系统设计 (10) 五、总结与参考书 (14)
第一章课程设计的目的和要求 一.课程设计的目的 机床数控系统课程设计是机械类专业机电一体化课程的重要实践性教学环节之一.是综合运用所学过的机械、电子和计算机知识而进行的一项机电结合的基本训练。其目的是： 1.能够正确运用机床数控技术等课程的基本理论和有关知识，学会设备数控化改 造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算。 2.通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法以及正确 的结构设计方法。 3.通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单数控系统硬件及软件设计的基 本方法。 4.通过课程设计，初步树立正确的设计思想，培养分析问题和解决问题的能力。 5.提高应用手册、标准及编写文件等资料的能力。 二．课程设计的内容 完成一台CA6140普通车床的数控化改造。利用微机对纵、横进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量0.01mm，横向脉冲当量0.005mm。刀架采用电动自动转位刀架，主轴变速采用电磁离合器有极变速。具体内容如下： 1.总体方案的分析、比较、论证。 2.机械部分设计。重点是进给传动系统机构的结构设计及伺服电机的选择计算。 3.数控系统设计。硬件部分完成微机控制系统电气原理图设计；软件部分包括主要程 序框图和部分汇编程序设计。 4.编写课程设计说明书 说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件及其参数的说明，软件设计及其说明等。 5.图纸 （1）机械结构装配图A1图纸2张，要求视图基本完整、符合标准。其中应有一个坐标轴的完整剖视图。 （2）数控系统组成框图A2图纸1张 （3）数控系统电气原理图A1图纸1张 （4）软件框图A2图纸1张 6.课程设计时间分配建议 本课程设计用3周时间完成，各部分所占时间分配大致如下： （1）方案论证1天 （2）机械部分设计6天 （3）电气部分设计4天 （4）软件设计2天 （5）编写说明书1天
毕业设计（论文）开题报告 题目: CA6150数控车床主轴箱及 传动系统设计 专业:机电一体化 班级: 05415班 学号: 28号 姓名: 李长军 指导老师: 罗垂敏 成都电子机械高等专科学校 二〇〇八年三月
概述 主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料，不同尺寸，不同要求的工件，并能方便的实现运动的开停，变速，换向和制动等。 数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，剩去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。 数控机床主传动系统的特点 与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点。 4转速高、功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。 5变速范围宽。数控机床的主传动系统有较宽的调速范围，一般Ra>100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的 生产率、加工精度和表面质量。 6主轴变速迅速可靠，数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流主 轴电动机的调速系统日趋完善，所以不仅能够方便地实现宽范围 无级变速，而且减少了中间传递环节，提高了变速控制的可靠性。 7主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持性。凡有机械摩擦的部位，如轴承、锥孔等都有足够的硬度，轴承处还有 良好的润滑。 1.2 主传动系统的设计要求 ①主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动 的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。 ②主电机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度， 以满足机床的动力要求。 ③主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗震性， 热变形和噪声要小，传动效率高，以满足机床的工作性能要求。 ④操纵灵活可靠，维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要 求。 ⑤结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。 1.3 数控机床主传动系统配置方式
CA6150普通车床的数控技术改造 0 引言 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的 技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：1）机械制造技术；2）信息处理、加工、传输技术；3）自动控制技术；4）伺服驱动技术；5）传感器技术；6）软件技术等。 1 数控机床系统总体方案确定 1.1系统的运动方式伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 1.2数控系统 根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制命
令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 1.3机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。 2 微机数控系统的硬件电路设计 硬件是组成系统的基础，也是软件编程的前提，数控系统硬件设计包括以下几部分内容。 绘制系统电气控制的结构框图： 据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。 机床硬件电路由5部分组成： 1）主控制器，即中央处理单元CPU； 2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线； 3）存储器，包括程序存储器和数据存储器； 4）接口，即输入/输出接口电路； 5）外围设备，如键盘、显示器等。 机床数控系统硬件框图如图1所示： 1）选择中央处理单元CPU的类型 根据设计要求，CNC系统的主CPU采用8031单片机。
CK6150小型数控车床，是一种高精度、高效率的自动化机床。配备多工位刀塔或动力刀塔，CK6150精密数控车床具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹、槽、蜗杆等复杂工件，具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。 CK6150小型数控车床厂家为您提供CK6150精密数控车床的特点： CK6150数控车床外形采用流线型设计美观大方，结构设计采用国际先进的防护一体化技术设计，功能完善，运行稳定，可以对有高难度高精度要求的零件进行操作加工，同时本CK6150数控车床可以对各种形状和螺纹的材料进行车削加工，同时也是数控院校内对学员进行实习、数控编程和培训的最佳数控机床！ CK6150数控车床基本组成： 数控车床由数控装置、床身、主轴箱、刀架进给系统、尾座、液压系统、冷却系统、润滑系统、排屑器等部分组成。数控车床分为立式数控车床和卧式数控车床两种类型。 变频器在CK6150数控车床上的节能改造应用 数控车床在启动时，电机的电流会比额定高5-6倍的，不但会影响电机的使用寿命而且消耗较多的电量系统在设计时在电机选型上会留有一定的余量，电机的速度是固定不变，但在实际使用过程中，有时要以较低或者较高的速度运行，因此进行变频改造是非常有必要的。CK6150数控车床使用变频器，变频器可实现电机软启动、通过改变设备输入电压频率达到节能调速的目的，而且能给设备提供过流、过压、过载等保护功能。国内比较有名气变频器厂家有三.晶、英威腾等CK6150小型数控车床价格，CK6150数控车床的使用条件 数控车床的正常使用必须满足如下条件，机床所处位置的电源电压波动小，环境温度低于30摄示度，相对温度小于80%。 一. 机床位置环境要求 机床的位置应远离振源、应避免阳光直接照射和热辐射的影响，避免潮湿和气流的影响。如机床附近有振源，则机床四周应设置防振沟。否则将直接影响机床的加工精度及稳定性，将使电子元件接触不良，发生故障，影响机床的可靠性。 二. 电源要求 一般数控车床安装在机加工车间，不仅环境温度变化大，使用条件差，而且各种机电设备多，致使电网波动大。因此，安装数控车床的位置，需要电源电压有严格控制。电源电压波动必须在允许范围内，并且保持相对稳定。否则会影响数控系统的正常工作。 三. 温度条件
【关键字】设计 毕业论文方案设计 篇一：毕业论文设计方案 XX届旅游管理专业毕业论文（毕业设计）方案 毕业论文是学生完成全部课程学习之后，结合毕业实习进行的一项综合性实践教学活动。学生撰写毕业论文是实现培养目标的重要教学环节，也是检验学生运用所学基本知识去发现问题、分析问题、解决问题能力，培养大学生创新精神的重要手段，为加强这一教学环节的管理，根据有关规定，结合旅游专业特点，对毕业论文撰写的要求、步骤、时间安排如下： 一、毕业论文撰写的基本要求 毕业论文是学生在老师指导下进行的一项独立工作，每位学生应充分认识毕业论文对自己全面素质培养的重要性。在论文选题上，要勤于实践、敢于创新；在论文完成质量上，要以认真的态度进行工作，按质，按量，按时独立完成毕业论文。对未按要求完成毕业论文的学生，不得取得相应的学分，不能取得毕业证书。 毕业论文文体形式不限，采用理论论文、调查（调研）报告、案例剖析、改革方案、创业方案、可行性研究、实习报告等等均可。论文要求有观点、有材料、论据充分、言知有物，顺理成章，结构合理、文句通畅。严禁抄袭、剽窃他人成果，一经发现按不及格处理。 二、论文撰写步骤和时间 1、论文选题 XX年10月15日前完成论文选题及论文提纲。每位学生先自行选择论文题目，在与指导老师沟通后最终确定论文题目。所选题目不宜过大、过泛，尽量小一点，一事一议。 2、撰写论文正文 XX年11月10日前完成论文初稿（3500字-4500字），通过网络或当面交指导老师辅导批阅；12月15日前完成第二稿、第三稿等并及时与指导老师沟通；XX年12月30日完成论文终稿。 旅游教研室 篇二：毕业论文设计方案 毕业论文设计 一、时间安排 1、论文题目确定：XX年4月20日-5月中旬，原则上题目不许有重复的。 2、论文修改：XX年5月中旬-6月下旬 3、论文定稿、打印、上交：7月11日前（期末考试前） 4、论文答辩：XX年9月中旬 二、论文题目 （一）会计和会电专业的备选题目（不拘泥于此） （1）试论企业亏损的内因分析与治理对策 （2）××公司的应收账款分析
C6150普通车床数控改造 第一章总体方案设计 1-1设计目的： 本设计是针对CA6150普通车床进行数控改造。利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电动机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架，主轴采用变频器控制。对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 1-2总体方案确定 根据设计任务，车床的横向、纵向（Z轴）进给运动采用步进电机、减速齿轮、滚珠丝杠副、滑板的传动方式。由8031单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向进给运动。 1-3机械改造设计与计算 机械设计内容包括：滚珠丝杠的设计计算与选用，齿轮减速机构的计算与选择，进给系统的步进电动机的计算与选择 第二章伺服系统机械部分设计计算 伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用
2-1 确定系统的脉冲当量 脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6150的技术参数中，要求纵向脉冲当量pf为0.01mm/step。横向脉冲当量为pf=0.005mm/step。 2-2纵向进给系统切削力与滚珠丝杠的设计计算 已知条件 工作台重量：W=80kg=800N 时间常量： T=25ms 行程： s=950mm 步距角： 2=0.75o/step 快速进给速度：Vmax=0.5m/ms 脉冲当量：pf=0.01mm/step（纵向） 1、切削力的计算 由机床设计手册可知，切削功率Pc=Pηk 主电机功率: p= 5.5 kw 主传动系统总效率：η=0.8 进给系统功率系数：K=0.96 Pc=Pηk=5.5×0.8×0.96=4.224kw 纵车外圆： 计算切削力F
12机制对口课程设计： C616型普通车床 目录 序言--------------------------------------------------------------------------------------3 一、设计方案的确定-----------------------------------------------------------------4 （一）设计任务------------------------------------------------------------------------4 （二）总体设计方案的确定---------------------------------------------------------4 二、机械部分改造与设计------------------------------------------------------------4 （一）纵向进给系统的设计与计算------------------------------------------------4 （二）横向进给系统的设计与计算------------------------------------------------10 三、步进电机的选择------------------------------------------------------------------13 （一）步进电机选用的基本原则---------------------------------------------------13 （二）步进电机的选择---------------------------------------------------------------14 四、机床导轨改造---------------------------------------------------------------------15 五、自动转位刀架的选用------------------------------------------------------------16 六、经济型数控机床改造时数控系统的选用------------------------------------17 七、典型零件的工艺设计及应用程序的编制------------------------------------18 （一）工艺分析------------------------------------------------------------------------18 （二）工作坐标系的设定------------------------------------------------------------19 （三）手动钻孔------------------------------------------------------------------------19 （四）编制加工程序------------------------------------------------------------------19 小结---------------------------------------------------------------------------------------21
第一章绪论 1.1本文选题的背景及意义 1.1.1 概述 整个人类社会的文明史，就是制造技术不断演变和发展的历史。任何国家的制造业都是国民经济的基础产业，也是国民经济的主要来源。没有发达的制造业，就不可能有国家真正的繁荣和强大。制造技术是制造业的技术支柱，是一个国家科技水平、综合国力的重要体现，制造技术的发展是一个国家经济增长的根本动力。而制造业中机床是其基础装备。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。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，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。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。 数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物,是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比,其优越性是显而易见的,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,且自动化程度极高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。 我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求,而另一方面却有不少国产机床滞销积压,国外机床产品充斥市场。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右,而95年已达77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。 这种现象的出现,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说,这个问题反映在下列五个方面: (1) 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为15～18个月,其中设计时间约为5～8个月,占总周期的40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开
前言 毕业设计是学校对我们在大学中所学知识的一个检验，它几乎包含了我们学习的全部专业知识。课程设计工作做的好坏，直接体现了个人现阶段实力的强弱，我们必须拿出百分之百的热情，用心搞好毕业设计。 随着科技的进步和生产的发展，机械产品和机械制造技术的内涵正在不断的发生变化。在企业的生产第一线，从事机电产品设计、制造、质量、销售、服务、维修等技术和管理工作的人员，强调要有较宽的知识面和跨学科综合解决工程实际问题的能力。因此，在高等教育的专业技术人才培养上，不仅要求他们学习和掌握计算机技术等多方面的新知识、新技术，而且对切削原理、切削机床和机械制造工艺等必备的理论和知识，要运用全新的观念，重新进行科学的优化组合，以形成新的课程体系与结构。而随着机械技术、微电子技术的飞速发展与应用，机械技术与微电子技术的相互渗透，则标志着机电有机结合的机电一体化技术也在飞速发展。机电有机结合的本质是从系统的观点出发，用机械技术与微机控制技术构造最佳的一体化系统，从而实现系统或产品的短小轻薄和智能化，达到节能省源，节省材料，多功能、高性能和高可靠性的目的。 机床技术是70年代发展起来的一种机床自动控制技术。数控机床是典型的机电一体化产品，是高新技术的重要组成部分。采用数空机床，提高机械工业的自动化生产水平和产品质量，是当前机械制造业技术改造的必由之路。现代数控机床是柔性制造单元，柔性制造系统乃至计算机集成组成制造系统中不可缺少的基础设备。 目前被广泛应用的数控机床就是典型的机电结合。数控，即数字控制（NumbericalＣontrol，NC），在机床领域是指用数字华信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。如果采用存储程序的专用计算机来实现部分或全部基本数控功能，则称为计算几数控（Computeized Numerical Control，CNC）。数控机床即是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。 数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术产物，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。数控机床具有加工零件精度高、产品质量稳定、自动化程度高、减轻工人劳动强度、大大提高生产率、能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面零件加工的特点，
C6150普通车床的数控化改造 摘要：与普通车床相比较，数控机床作为机电液气一体化的典型产品，可以解决在机械加工中结构比较复杂多变的零件加工的问题，而且加工质量好，生产效率也高。随着科学技术的快速发展，数控机床的占有率已经成为衡量一个国家机械制造业水平的重要标志。 购买新的数控机床或者从国外进口是提高产品质量和效率的主要方法，但是费用高，许多工厂在较短时间内没有办法实现，这样就严重阻碍企业设备更新的脚步。采用经济型数控系统对普通机床进行数控化改造，特别适合我国普通机床拥有量大，生产规模小的具体国情。 本次设计是对C6150普通车床的数控化改造设计计算，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。其中主要对伺服系统、数控系统等方面做了详细的计算和设计。设计时我先对数控机床系统进行了总体方案的设计，然后对进给系统、齿轮箱传动比及步进电机进行了设计、选型和计算，最后对微机数控系统硬件电路进行了设计。 关键词：数控改造步进电动机单片微机
Reforming design of NC for C6150 general l -athe Author’s Name: Qi Yan-ting Tutor: Xue Xiao-lan ABSTRACT: As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining.Along with the science technical fast fierce development, numerical controlling tool machine has already become the important marking which measures a national machine manufacture industry level. Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Adopt the economic number controls system to carry on a number to control to turn a reformation to the common tool machine, particularly in keeping with our country the common tool machine own to have great capacity, the small concrete state of the nation of the production scale. This design is to control to turn a reformation to the number of C6150 common lather，mainly on the creative design of original structure of lathe to make lathe relative perfect. While in the process, we do detailed calculation and design of servo system, NC and so on. Design when I first CNC machine tool system, the overall design, and then calculated the feeding system, the gearbox ratio and the stepper motor, computer numerical control system hardware circuit design. KEYWORDS：Numerical transformation of Mechatronics Steppin g motor Single chip microcomputer 目录