毕业设计（论文）-普通车床的机电一体化改造.doc

1 摘 要 随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高，加工设备的机械加工 设备的加工的精密程度也要求越来越高。而在中国的机械加工设备的车床 中普通车床占了很大比例。这已经越来越制约着当今工业的发展。而数控 机床由于价格昂贵，且需要较高技术的加工工人。所以对机床进行自动化 改造很是必要。本篇论文是在对普通卧式车床 ca6140 的基础上对其进行 机电一体化改造。 作者在搜索、查阅研究大量有关资料的基础上，对机床自动化改造技 术进行了深入的研究和分析，并描述了机床控制系统的设计。整个改造过 程主要对车床纵、横向进给系统进行改造，丝杠选用摩擦损失小，效率高， 精度高，寿命长的滚珠丝杠,电机选用步进电机,电动机与滚珠丝杠用齿轮减 速；刀架改造成能自动换刀的回转刀架，由脉冲发生器来加工所需要的螺 纹；整个控制系统以 jkw-15t 型号的单片机为中心，通过编程对机床的驱 动设备进行控制以达到所需要的加工程度。 关键词关键词：机床改造； 自动化机床； 控制系统 2 abstract with the development of industry equipment, the precision required of industry equipment is more and more high. the more and more precision of equipment which machined the industry equipment is required. but in china the common lathe have a very great comparison in the machined equipment, this already restrict the development of industrial nowadays. but the cn lathe is more expensive, and needed workers with higher technically. so it is a necessity very much to modify the common lathe to lathes automatic. this paper is in the foundation of the commonness horizontal lather ca6140 and modified it to lathes automatic. the author has performed the further research and for the lathes automatic modification on the basis of the constant consultation of abundant relative documents, which focuses on describing the design of control of the machine. screw on the choice of friction loss, high efficiency, high precision, long life of the ball screw, the electrical selected stepper motor, motor and the ball screw with gear deceleration.the main to modify the lathe is to modify the portrait, horizontal enter to the system in the whole modification process and choose the automatic knife rest and be processed the thread need by pulser. the whole control system with the cpu of jkw-15t is to control the machine for center, through a plait distance drive tool machine an equipments to carry on control to attain need of process degree. key words: machinery tool reform； lathes automatic； servo system 3 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 机电一体化的发展 .1 1.1.1 机电一体化技术 .1 1.1.2 机电一体化发展概述 .2 1.2 机电一体化改造的必要性 .3 1.2.1 机床改造的意义 .3 1.2.2 机床改造的市场 .4 1.3 机电改造的内容 .6 1.4 本文的选题及主要研究内容 .8 1.4.1 本文的选题 .8 1.4.2 主要研究内容 .8 1.5 车床总体改造方案 .9 1.5.1 设计基本思路 .9 1.5.2 设计要求 10 第二章车床改造的机械部分设计第二章车床改造的机械部分设计13 2.1 进给系统机械结构改造设计 13 2.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型 15 2.2.1 确定系统的脉冲当量 15 2.2.2 切削力计算 16 2.3 滚珠丝杠的设计计算与选用 17 2.3.1 滚珠丝杠简介 17 2.3.2 纵向滚珠丝杠的设计与计算 18 2.3.3 横向滚珠丝杠的设计与计算 26 2.3.4 滚珠丝杠的安装与使用 33 2.4 电机与滚珠丝杠连接用减速齿轮的设计与校核36 2.4.1 齿轮传动 36 2.4.2 纵向减速齿轮的设计与校核 37 2.4.3 横向减速齿轮的设计与校核41 2.5 进给系统的步进电动机的计算与选择 45 2.5.1 步进电动机45 4 2.5.2 纵向电机的计算与选择48 2.5.3 横向电机的计算与选择51 2.6 电动刀架选择与介绍55 第第 3 3 章章 主轴脉冲发生器介绍与选型主轴脉冲发生器介绍与选型.58 3.1 光电编码器原理58 3.2 主轴脉冲发生器的安装60 3.3 主轴脉冲发生器的选择60 第四章第四章 控制装置的选用控制装置的选用.63 4.1 jwk-15t 的简介63 4.2 功能分配65 4.3 程序设计67 第五章第五章 结论结论78 参考文献参考文献79 英文原文英文原文81 中文译文中文译文90 致致 谢谢97 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 机电一体化的发展机电一体化的发展 1.1.11.1.1 机电一体化技术机电一体化技术 机电一体化的实质是机械工程技术与微电子技术的结合。机电一体化技 术是一门跨学科的综合性的复合技术，它随机械工程技术、微电子技术、 计算机技术、激光技术、材料工程技术的发展而进步。机电一体化的一些 共性关键技术有：信息处理技术、检测传感技术、自动控制技术、伺服传 动技术、精密机械技术、系统总体技术等。 把机电一体化技术应用于生产和生活所开发出来的新产品叫做机电一体 化产品。数控机床、机器人、全自动智能洗衣机等是典型的机电一体化产 品。在发达国家中，机床的数控化已达 25%以上，而我国还不到 1%。但是， 随着国民经济的发展，各行业对数控机床的需求量将增加。世界机器人的 拥有量在未来 10 年将以 25%30%的速度增长，将进入生产自动化、航天、 深海以及军事、农业、办公、医院、家庭、社区等诸多领域。像全自动智 能洗衣机这样生活领域中的许许多多机电一体化产品已经被人们所喜爱， 还在被大量地开发出来。 以信息为主要工作对象，既有控制功能的系统工程可称为机电一体化系 统。比如，cims 是比较大的机电一体化系统工程。它将制造系统、设计系 统、经营管理系统、信息数据系统通过计算机系统及通信网络联系起来。 它是一个闭环反馈系统，输入的是关于产品的概念和需要，输出的是经检 验合格可交付使用的产品，实现机械工厂综合自动化。 2 1.1.1.21.2 机电一体化发展概述机电一体化发展概述 人类用机器体系代替手工劳动生产是在 1785 年蒸汽机在纺织工厂的使用 而开始的。1873 年出现的第一台凸轮控制车床，开始了机械自动化的进程。 19101920 年美国福特汽车公司通过设计制造大量专用机床，首先建立生产 流水线，创造平均每分钟生产一辆汽车的记录，并使生产成本大大降低。 20 世纪 40 年代后期，人们利用机器的、电气的和液压的自动化装置，设计 制造出各种高效的自动化机床，并用自动输送带将各个单独的机床连接成 自动生产线，从而使单一的品种大量生产为特征的刚性自动化生产达成成 熟阶段。自动化生产对提高劳动生产率、保证产品质量，降低产品成本和 推动社会进步起了不可估量的作用。 20 世纪 40 年代世界上诞生了第一台数字计算机，使数控技术 （numerical control-nc）的出现成为可能，1952 年美国麻省理工学院首先 研制成专用电子计算机控制的三坐标立式数控铣床，解决了单件小屁生产 自动化问题，开创了将计算机应用于机械装备自动控制的新时代。1958 年， 第一台具有自动换刀装置和刀库的数控机床即加工中心（machining center- mc）在美国研制成功，进一步提高了数控机床的自动化程度。第一台工业 机器人（industrial robot）于 1959 年出现于美国。最早的工业机器人是极 坐标式的，它的出现对自动化制造技术具有很大的意义。工业机器人可自 动进程装配、焊接、喷漆、热处理、清砂、浇注铸件以及在恶劣环境中工 作等。1960 年，美国研制成功自适应控制机床（adaptive control machine tools） ，使机床具有一定的智能，可以有效提高加工质量。1962 年和 1963 年又相继在美国出现了圆柱坐标式工业机器人和计算机辅助设计及绘图系 统（computer aided design-cad） ，后者为自动化设计与制造之间的集成奠 定了基础。 进入 20 世纪 70 年代以来，以大规模集成电路和微型电子计算机为代表 3 的微电子技术，迅速地被应用到机械工业中，促进了机械工业突飞猛进发 展，出现了种类繁多的微电子技术控制的机械、仪器和军械装备，以及柔 性制造线 fml、柔性制造系统 fms 和自动化制造系统，这样就大幅度地提 高了产品质量和劳动生产率，适应了市场对产品多样化的要求，丰富了热 门类的物质文明。今天，机械装备的面貌已焕然一新，成为机与电高度融 合的整体，不仅成为人类体力的延伸，而且成为人类智力的延伸。 1.2 机电一体化改造的必要性机电一体化改造的必要性 1.2.1 机床改造的意义机床改造的意义 通常说“机床的真正价值在于使用” 。随着科学技术的发展，即使原来属 于新颖，先进的机床也会逐渐变得陈旧，落后，满足不了产品种类的日益 增加，质量不断提高的需要，因此， “技术老化”是客观规律。 据有关资料报导，在一些工业发达国家里，设备的平均役龄控制在 1020 年之间，设备的“技术老化”期已短于 10 年，10 年役龄以内的设备能够达 到设备总数的 50%左右。由此可见，设备速度相当快，一是用技术更为先 进的新设备来代替技术性能“老化”了的旧设备；另一是进行有效的技术 改进，使旧设备适应新的生产需要。例如，美国和西欧的一些工业先进国 家，在钢铁企业中虽然早已实现了现代化，可是旧设备并没有全部毁弃， 而是通过技术改造的方法，使一些旧的设备能够达到使用新技术，新工艺 的需要，继续生产出具有竞争能力的优质产品。 目前，我国的工厂企业，除了一些新建单位外，大多数都存在“技术老 化”的问题设备役龄在 15 年以上的，所占比重相当大，面对这么多陈旧设 备应该怎么办？这是一个急待解决的大问题。 为实现工业现代化，我们同样要创造和引进新技术，新工艺，新设备， 进行必要的设备更新。另一方面动员机械制造业的广大职工，坚持自力更 4 生和勤俭本企业的方针，大搞技术革新，挖掘设备潜力，更具有现实意义。 而改造机床是深受大家欢迎的一种革新形式，为满足生产的需要已经做出 了重大的贡献。例如，某机械厂生产的只要产品是板框压滤机，生产批量 很大，仅虑压板每年需要两万多块，总重量 2200 多吨。为了满足生产的需 要，如果设计制造一条新的加工作业线，需要投资 20 余万元，便改装成了 专用加工作业线。此作业线自 1960 年投产以来，到现在已使用了 20 多年 了，一直负担者全部虑压板的生产任务，并且加工质量很稳定。又如，这 个厂利用一台报废了的皮带传动龙门刨的床身，改装成了一台行程 8 米的 导轨磨，从 1972 年改装成功到现在，共大修本厂机床 400 多台次，协助兄 弟厂大修床身百余台，并且修磨精度高，光洁度好；然而改装这台机床只 投资 5000 元，可是购买一台新的导轨磨床却要花费 10 几万元。 改造机床的效益是多方面的，再从提高生产率看，假设改造机床 100 万 台，每台生产率提高 20%，这就等于多生产 20 万台新机床；反之，如果不 对旧机床实行技术改造，当前生产的新机床在技术水平上或数量上又不能 及时地满足生产需要时，那就势必会影响国民经济的高速发展。 通过上述事例不难看出，机床改造不但是解决设备“技术老化”的重要 途径，能够满足生产发展的需要，而且可以获得十分客观的经济效果。 1.2.2 机床改造的市场机床改造的市场 （1）机床数控化改造的市场 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 0.60.8 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 5 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 19791988 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。 6 1.3 机电改造的内容机电改造的内容 一.控制部分 目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制、 实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工， 不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用 微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种，一种是以微机为中心设计 控制部件；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置， 前者需要重新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机空控 制系统，比较简单。这种标准的微机控制系统通常采用单板机、单片机、 驱动电源、步进电机及专用控制程序组成的开环控制，如图 1-1 所示，其 结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是用单片机单板机按照输入 的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输出 一系列脉冲，净功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具 按规定的轮廓线轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单板机 没完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速度。 二机械部分 机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的 定位精度之外，还应有较好的动态响应特性，就是说相应要快、稳定性要 好。一个典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大 电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感部件等部 分组成。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出无 间隙、低摩擦、地惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。为 达到上述要求主要从一下几个方面采取措施。 （1） 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、 7 滚动导向支承、动（静）压导向支承等。 （2） 缩短传动链，提高传动与支承刚度，如用加预紧的方法提高滚珠 丝杠副和滚珠导轨副的传动与支承刚度；采用大扭矩、宽调速的 直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构； 丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或拉伸支承机构等。 （3） 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件 输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。 （4） 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施。 （5） 改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。 如选用复合材料等来提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积使结 构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化。 刀架 电机 刀架控制电路 继电器 回 转 刀 架 （ ） 车 床 纵 横 等 轴 限 位 主 轴 脉 冲 发 生 器 光 电 隔 离 驱 动 器 功 率 放 大 电 路 / 口 扩 展 存 储 器 扩 展 微 机 急停、 清 零 等 功能按钮 电 机 电 机 电 机 8 图 1-1 开环控制系统框图 1.4 本文的选题及主要研究内容本文的选题及主要研究内容 1.4.11.4.1 本文的选题本文的选题 目前，我国的工厂企业，除了一些新建单位外，大多数都存在“技术老 化”的问题设备役龄在 15 年以上的，所占比重相当大，面对这么多陈旧设 备应该怎么办？这是一个急待解决的大问题。 用普通卧式车床去加工有时一个人加工的东西都会误差很大，这样给所 造设备带来很多的小问题。而如果要新买一台新的数控车床，一是总体成 本太高，因为性价比不是太高，容易浪费资源，二是工厂没有工人精通数 控车床，所以要培训工人一定又要花费很多时间影响生产进度。 所以设想决定对其数控改造，改造的同时让操作人员一直在旁边学习，学 习怎么改装，怎么安装，并讲解如何使用。 把所要加工的零件程序输入到存储器中，用到时直接调用即可，这样一个 人即可操作两台机床，而且效率提高了好大，精度也会提高很高，会为厂 带来很大经济利益。 1.4.21.4.2 主要研究内容主要研究内容 1. ca6140 车床数控化改造总体机械部件设计。 2.进给系统的设计和选用。包括了进给滚珠丝杠的设计与选用，消隙 9 减速齿轮系的设计计算与校核，进给用步进电机的选择与校核。 3主轴脉冲发生器的安装 4刀架的选用 5.数控系统的选择 1.5 车床总体改造方案车床总体改造方案 1.5.11.5.1 设计基本思路设计基本思路 普通车床（如 c616,c618,c620,ca6140,c630）等是金属切削加工最常 用的一类机床。400普通车床的布局如图如图 1-21-2 所示所示。当工件随主轴回 转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工出内外圆柱面、圆锥面、端 面、螺纹面等。借助成形刀具，还能加工出各种成形回转面。 普通车床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而 来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜板、横溜板移 动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架 的纵向进给和横向进给不能联动，切削次序也由人工控制。 10 图图 1-2 400mm 普通车床的结构布局图普通车床的结构布局图 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改造成为 微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成能自动换刀的回 转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行 切削加工。由于切削加工中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自 动进行调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的 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车削， 从而提高了生产率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。 1.5.21.5.2 设计要求设计要求 1.总体设计要求 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 11 算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择。 （1）普通车床数控化改造后应具有定位，纵向和横向的直线插补，圆 弧插补功能；还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控 系统选择连续控制系统。 （2）车床数控改装设计后属于经济型数控机床，再保证一定加工精度 的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电机 开环控制系统。 （3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性 要求，经济型数控机床一般采用 8 位微机。再 8 位微机中，mcs-51 系 列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强， 具有很高的性能价格比。因此，可选择 mcs-51 系列单片机扩展系统。 （4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 cpu 外，还包括扩展 程序存储器、扩展数据存储器、i/o 接口电路；包括能输入加工程序和控 制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器；包括光电隔 离电路和步进电机驱动电路。此外，系统中还应包括螺纹加工用的光电 脉冲发生器和其他辅助电路。 （5）设计自动回转刀架及其控制电路。 （6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、 丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。 （7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动 效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构。 （8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。 进给伺服系统总体方案方框图如图如图 1-3 所示所示 12 向 向 步进 电机 床鞍及拖板 中拖板 步进 电机 功 率 放 大 功 率 放 大 光 电 隔 离 光 电 隔 离 微 机 图图 1-3 车床进给伺服系统总体方案框图车床进给伺服系统总体方案框图 2.设计参数 设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的 参数。以 ca6140 改装为例，设计参数如下： 最大加工直径 在床面上 400 在床鞍上 210 最大加工长度 1000 快进速度 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 溜板及刀架重力 纵向 800n 横向 600n 主电动机功率 7.5kw 代码制 iso 脉冲分配方式 逐点比较法 13 输入方式 增量值，绝对值通用 控制坐标数 2 最小指令值（脉冲当量） 纵向 0.01/脉冲 横向 0.005/脉冲 机床定位精度 0.015 刀具补偿量 099.99 进给传动链间隙补偿量 纵向 0.15 横向 0.075 自动升降速性能 有 3.其他要求 （1）原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本，缩 短改造周期。 （2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证 安装、调试、拆卸方便；需经常调整的部位调整应方便 第二章车床改造的机械部分设计第二章车床改造的机械部分设计 2.1 进给系统机械结构改造设计进给系统机械结构改造设计 进给系统改装设计需要改动的主要部件有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜 板、刀架等，改装的方案不唯一的，一下以 c630 车床为例，介绍其中的一 种方案。 挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。 14 进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱 总成。丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠。滚珠丝杠的另一 端支承座按章在车厂尾座端原来装轴承座的部分。 溜板箱部分：全部拆除，在原处安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部 分操作按钮。 溜板部分：将原横（纵）溜板中的丝杠、螺母拆除，改装横（纵）向进 给滚珠丝杠螺母副，横（纵）向进给步进电机与齿轮减速器总成安装在横 （纵）溜板后部并与滚珠丝杠相连。 刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。 改装后机床总体布局如图 2-1 所示 15 螺钉 件 螺钉 件 键6-16 1件 键 6-16 1件 ：1 1.5：1 急停 拆去防护罩 向旋转 徐继敏 徐海学院机自 04-2 学号：22062229 图图 2-1 车床改装总体布置图车床改装总体布置图 16 2.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型 进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量，计算切 削力，滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型，齿轮传动计算，步进电机的 计算与选型等。计算简图如图如图 2-2 所示所示 图图 2-2 进给系统计算简图进给系统计算简图 (a)纵向进给纵向进给 (b)横向进给横向进给 2.2.12.2.1 确定系统的脉冲当量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技术参数。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/脉冲 0.005mm/脉冲。前述 ca6140 的技术参数中，要求纵向脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为 0.005mm/脉冲。 2.2.22.2.2 切削力计算切削力计算 17 在进给系统的传动计算、选用步进电机时，都要用到切削力（机床的主要 负载） ，切削力的分析和计算可以参考以下简单而实用的经验公式。 纵切外圆时，车床的主切削力 fz 可以用下式计算： n5 . 167 . 0 dfz 式中：d 为在车床床面上加工的最大直径（mm） 。 横切断面时，主切削力约为。 z f 2 1 走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力可按以下比例求出： x f y f 4 . 025 . 0 1： yxz fff 切削力的示意图见图图 2-3 横切端面 纵车外圆 图图 2-3 纵车外圆及横切端面切削力示意纵车外圆及横切端面切削力示意 2.3 滚珠丝杠的设计计算与选用滚珠丝杠的设计计算与选用 2.3.12.3.1 滚珠丝杠滚珠丝杠简介简介 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运 动的理想的产品。 18 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直 线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将 轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广 泛应用于各种工业设备和精密仪器。 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是 将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具 高精度、可逆性和高效率的特点。 1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能 得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下,即 达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮 助。 2)高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的， 特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度湿度进行了严格 的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3)微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动 那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 4)无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较 高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚 珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 5)高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。 19 2.3.22.3.2 纵向滚珠丝杠的设计与计算纵向滚珠丝杠的设计与计算 以下公式参考自以下公式参考自实用机床设计手册实用机床设计手册 已知条件： 工作台重量=80kg=800n 工件及夹具最大重量=200n 工作台 1 w 2 w 最大行程=1000mm 工作台导轨的摩擦系数为 u=0.05 快速进给速度 lk =2.4m/min 定位精度为 15um/300mm,全行程 25um,重复定位精度为 max v 10um 要求寿命为 10000 小时（单班制工作十年） 。丝杠螺母副材料硬度 50-60hrc，工作温度小于 100，温升=4，可靠性要求 96%，采用双推t -双推（f-f）支承组合方式，运转一般。 各种切削方式的纵向切削力 fa,速度 v 和时间比例 q 及其他见下表 表一表一 各种切削方式的纵向切削力各种切削方式的纵向切削力 fa, ,速度速度 v 和时间比例和时间比例 q 切削方 式 纵向切削 力 pxi(n) 垂向切削 力 pzi(n) 进给速度 vi(m/min) 工作时间百 分比 % 丝杠轴向载 荷 (n) 丝杠转 速 r/min 强力切 削 20001200 0.6 10220060 一般切 削 1000500 0.8 30115080 精切削500200150620100 快速进 给 002.451000375 20 ffzd4005-3-p3 图图 2-4 进给用滚珠丝杠装配图进给用滚珠丝杠装配图 （1）计算负荷与转速 导轨摩擦力: =0.05(800+200)=50n f fw 不计重负荷引起的导轨摩擦力，丝杠轴向负荷分别为： 强力切削：2050；一般切削：1050；精切削：550；快速进给：50 伺服电机最高工作转速：=1500r/min max n 丝杠转速： =600r/min 5 . 2 1 1500 s n 丝杠导程 ：=4mm 表 3.7-21 得5mmp h 600 1000 4 . 2p h 丝杠转速: vi ni ph 由上表查的=0.6m/min,=0.8m/min,=1m/min,=2.4m/min 1 v 2 v 3 v 4 v 代入得120r/min，160r/min，200r/min，480r/min 1 n 2 n 3 n 4 n 等效等效转速： 此处省略 nn nnnnn 21 nnn nn 字 航空插头输出 图图 3-13-1 主轴脉冲发生器的型号代号说明主轴脉冲发生器的型号代号说明 表七表七 主轴脉冲发生器接线表、技术参数主轴脉冲发生器接线表、技术参数 接线表接线表 （航空插头：xs16-7） 插 座 号1234567 导线颜色红黑绿棕白铜网 - 信 号 +5v sig z sig a0vsig b 屏蔽线 - 22 注： 电缆侧出：信号按表中所示的导线颜色连接，输出电缆标准长度为 1m，最长可达 100m。 电缆屏蔽线应接编码器插座的 6 脚，6 脚已接编码器外壳，另一端 屏蔽线应悬空。 根据用户需要，可选配其他航空插头，如 cx22-10 或 yzm-10 等。 实际接线以编码器标牌为准。 技术参数技术参数 电源电 压 vcc dc+5v5%或 +4.513.2v、+10.826 .4v 最大机械 转数 5000rpm 输出电 压 高电平85%vcc，低电 平0.3v 抗 震 动 50m/s2，10200hz， xyz 方向各 2h 消耗电 流 180ma 抗 冲 击 980m/s2，6ms，xyz 方向各 2 次 响应频 率 0100khz （或按用 户要求） 防 护 防水、防油、防尘 ip54 输出波 形 方波工作寿命 mtbf50000h （+25，2000rpm） 载 空 比 0.5 t 0.1 t 工作温度 -25100 23 启动力 矩 610-3nm（+25） 储存温度 -40110 转动惯 量 7.510-6kgm2 工作湿度 3085% （无结霜） 轴最大 负载 径向： 35n，轴向： 25n 重 量 约 0.32kg 安装尺寸安装尺寸（单位：mm） 第四章第四章 控制装置的选用控制装置的选用 针对车床的特点可选用 jbm-30k、bk-600、jwk-15t 等型号数控系统， 并根据需要控制坐标数及联动坐标数的多少和分辨率的高低选择数控系统 的功能。系统应具有编辑、空运行、回零、手动、自动、mdi 方式及 g 功 能、m 功能、s 功能、刀具半径补偿、平面设定、尖角过渡等功能。 jwk-15t 型单片微是一种开环的数控系统，可用于卧式车床的改造。 适合中小批量、多品种、多规格的异形零件加工。其效果好，精度高，能 保证零件的加工质量。 4.14.1 jwk-15tjwk-15t 的简介的简介 jwk-15t 数控系统的核心是 mcs-51 系列的 8031 单片微机。8031 单 片机与 8051 单片机的区别仅在于其内部没有 rom。jwk-15t 用三路驱动 电路，分别控制 x 向、y 向和 z 向步进电动机，来进行机床位移的运动， 并能实现任意二坐标联动和三坐标联动。 8031 单片机是 mcs-51 系列单片微机的典型代表产品，特别是其硬件 24 功能远远高于 tp-801 单板机，尤其适合实时控制、智能仪器仪表、自动机 床，是控制类型应用领域中最理想的八位微型计算机，在全世界得到了广 泛的应用。 一、工作原理 用数控机床加工工件时，首先应编制零件加工程序。这是数控机床的 工作指令。将加工程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变 速、启动、停止、仅给运动的方向、速度和位移量，以及刀具选择交换， 工件装夹和冷却润滑的开关等动作，使刀具与被加工零件以及其它辅助装 置严格按照加工程序规定的顺序、运动轨迹和运动参数进行工作，从而达 到加工出符合要求零件的目的。 二、组成 根据数控机床的工作原理，数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服 系统、机床本体和测量装置等五部分组成。其组成框图如图如图 4-1 所示所示。 机床 测量装置 伺服系统数控装置控制介质 图图 4-1 数控机床的组成数控机床的组成 1. 控制介质 它是用于记载各种加工信息的载体，以控制机床的运动，实现零件的加 工。 在普通机床上加工零件时，都由工人按图样和工艺要求手工操作完成。在 数控机床上加工时，则把加工零件所需的全部动作、相关数据及刀具相对 25 零件的位置等参数，用数控装置做能接受的数字和文字代码来表示，并将 这些代码存储在控制介质上。 控制介质可以是穿孔织带、穿孔卡、磁带、软磁盘或其它可以存储信息的 载体。对于经济型数控系统，一般直接用存储器作为载体，用操作面板上 的按键和键盘将加工程序直接键入，并且可以在数码显示器或 crt 显示器 上显示出来。 2. 数控装置 数控装置是数控机床的核心。它由输入装置、存储器、控制器、运算器 和输出装置组成。它的功能是接受输入装置输入的加工信息，经过数控系 统的系统软件对代码进行处理后，输出相应的指令脉冲，驱动伺服系统， 来控制机床的各个运动部件按规定的要求实现各个动作。 3. 伺服系统 伺服系统由伺服驱动电机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部 分。其作用是把来自数控装置的各种指令，转换成机床移动部件的运动速 度、运动方向和位移量。机床中每个运动的执行部件，都有各自的伺服系 统。 数控机床的伺服系统中，常用的伺服驱动系统有开环系统、闭环系统和 半闭环系统之分。其驱动元件主要有功率步进电动机，电液脉冲马达和大 惯量直流电动机等。 4. 机床本体 与普通机床相比，数控机床应具有更好的刚性和抗振性，尤其是相对表 面的摩擦系数要小、传动件之间的间隙要小外，还要求具有自动变速、自 动换刀和自动诊断故障的功能，以便与实现自动加工的需要。 5. 测量装置 测量装置的作用是将机床的实际位置、速度等参数，转换成电信号，反 馈回数控装置，以校核执行部件实际运动的速度、方向和位移，并使之与 26 加工部件相一致。 开环数控系统无测量装置 4.24.2 功能分配功能分配 为了各种操作，可设置相应的开关，jwk-15t 型机床微机控制装置的面 板上，共有 8 个控制键，8 个状态键，一个急停开关，一个电源开关，另 一组 40 键的 iso 编码键盘，和一组 4 排或 3 排显示器，如图如图 4-2 所示所示 27 编辑 空运行 自动 回零 手动 手动 手动 急停 功放 电源 启动暂停连续 单段 显示 图图 4-2 jwk 系统面板图系统面板图 28 4.34.3 程序设计程序设计 此零件为轴类零件。零件图见图图 4-3 所示所示 1. 数控机床参数及约定 脉冲当量：x 向（横向）为 0.005mm y 向（纵向）为 0.01mm 坐标原点：o 加工起点：a 安装方式：零件装夹于床头主轴与尾座顶尖间。采用双顶尖鸡心加紧方式 定位 使用刀具：强力车刀/切刀 0 90 工序加工说明：此工序为精车加工。零件外部形状尺寸（除螺纹外） ，全部 成形。零件各部尺寸预留精车余量为 0.81.2mm。 2. 编程参数计算 零件右端坐标计算结果见图图 4-4 所示所示 零件左端坐标计算结果及图图 4-5 所示所示 3. 工艺走刀路线 走刀路线见图图 4-4、图图 4-5 30 图图 4-3 零件图（立轴）零件图（立轴） 31 图图 4-4 坐标及走刀路线（右）坐标及走刀路线（右） 32 ?50 ?72 ?138 ?146 r0.5 图图 4-5 坐标及走刀路线（左坐标及走刀路线（左） 4. 编程 jwk-15t 数控装置零件加工程序如下(零号程序略)： 零件加工程零件加工程(右端右端) n0010 g92 x300 z214.5 “a” n0020 g01 x33 f800 “近” 1 n0030 g01 x23 f80 “” 1 n0210 g01 u154 w32 f400 “过 a” n0220 g04 f2.0 33 n0230 g01 x300 f80 “a” n0240 g01 u214.5 f80 m02 “a” 第五章第五章 结结 论论 本篇论文是关于普通机床的机电一体化改造，通过这次学习在机床改 造中获的了意想不到的快乐与成就感，为以后的工作积累下丰富的经验。 整个改造过程主要对车床纵、横向进给系统进行改造，经过设计与计算， 丝杠选用摩擦损失小，效率高，精度高，寿命长的滚珠丝杠，型号为 ffzd4005，电机选用步进电机，型号为 110bf003，电动机与滚珠丝杠用齿 轮减速；刀架改造成能自动换刀的回转刀架，由脉冲发生器来加工所需要 的螺纹；整个控制系统以 jkw-15t 型号的单片机为中心，通过编程对机床 的驱动设备进行控制以达到所需要的加工程度。 这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。 34 由于切削加工中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动进行调节和 更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装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车削，从而提高了生产 率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。 但是本篇论文还有不尽如意的地方： 1）所研究的东西只是停留在理论方面，很多东西现在还不是很明白 2）在零件的设计计算过程中，还有些是不明白之处，设计的依据和其 中的很多术语 3）对 ca6140 车床的改造还不是很彻底，只是对其中的一些主要部件 进行了改造，如时间在宽裕一些，我想我可以做的更好。 但本次毕业论文，在指导教师刘同冈老师的精心指导下，掌握了设备自 动化改造的主要技术关键环节，对数控设备、数控技术有了更进一步的了 解和掌握，了解了数控设备、数控技术的发展趋势，指明了以后的发展方 向，必将为以后的学习和工作起到很大的作用。 参考文献参考文献 1李洪.实用机床设计手册.北京：机械工业出版社，1997 2杜君文 邓广敏.数控技术.天津：天津大学出版社，2002 3成大先.机械设计图册.北京：化学工业出版社，2003 27程志红.机械设计.南京：东南大学出版社，2006 5李福生.实用数控机床技术手册.北京：北京出版社，1993 6上海纺织工学院等.机床设计图册.上海：上海科学技术出版社，1979 7余英良.机床数控改造设计与实例.北京：机械工业出版社，1997 8陈绍廉.数控机床改造技术.北京：航空工业出版社，1988 9 于淘. c6132 普通机床的数控改造. 北华大学学报 35 10谷风金. c6140 车床的数控改造与设计. 煤矿机械 11赵美林. ca6140 车床的改造. 机床与液压 12陈继振.ca6140 车床数控改造的安装及调试. 设备与维护 13白文庆.普通车床的数控改造. 机械产品与科技 14张丽芳.普通车床的数控改造设计. 船电技术 15贾传圣.普通机床的数控改造与应用. 改装与维修 16李朝阳.单片机原理及接口技术.北京：北京航天航空大学，2005 17林平勇 高嵩.电工电子技术.北京：高等教育出版社，2000 18张建明.机电一体化系统设计.北京：高等教育出版社，2001 19张树森.机械制造工程学.沈阳：东北大学出版社，2005 20顾维邦.金属切削机床概论.北京：机械工业出版社，2005 21周开勤 唐蓉城等.机械设计师实用手册.天津：天津科学技术出版