(论文)数控维修设计最新优秀毕业论文资料搜集呕血奉献

技术学院 毕 业 论 文 题 目：CK5116A 立式车床数控设计 专 业：数控维修 年 级： 姓 名： 指导教师： 完成时间： 年 月 日 毕 业 论 文 I CK5116A 立式车床数控的数控化改造 摘摘 要要 针对现有常规 CK5116A 立式车床数控 的缺点提出数控改装方案和单 片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本 论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了 CK5116A 机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031 为 CPU 的控制系统对信号进行处理，由I/O 接口输出步进脉冲，经 一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给 运动。改造过程如下： （1）机械部分的改造，包括纵向进给方向的改 造和横向进给方向的改造。主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电 机的计算选择及纵向 、横向机构装配图方案的制定。 （2）电气控制 部分的设计，主要包括 MCS-51 系列单片机及扩展芯片的选用 和电气 控制图的设计。 关关键键词词： 数控;单片机;步进电机 ;滚珠丝杠 ;改造 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 II ABSTRACT To remedy the defects of ordinary lather CK5116A, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machines usage, and to improve production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface。After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。Thus achieve the verticalmovement and the crosswise movement。 Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart. Key words : numerical control ;single-chip ;stepping motor ; ball screw haft ,reform 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 II 目目录录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 引言 - 1 - 第 1 章 总体方案的设计 - 3 - 1.1 设计任务 - 3 - 1.2 总体方案的论证 - 3 - 1.2.1 机械部分的改造设计 - 5 - 1.2.2 伺服进给系统的改造设计 - 7 - 1.2.3 数控系统的硬件电路设计 - 7 - 1.3 总体方案的确定 - 7 - 第 2 章 机械部分的改造设计 - 9 - 2.1 纵向进给系统的改造设计 - 9 - 2.1.1 纵向滚珠丝杠副的选用 - 10 - 2.1.2 步进电机的选用 - 15 - 2.2 横向进给系统的改造设计 - 18 - 2.2.1 横向进给系统滚珠丝杠螺母副的选用 - 19 - 2.2.2 横向步进电机的选用 - 24 - 2.3 齿轮传动间隙的调整 - 26 - 第 3 章 电气控制部分的设计 - 29 - 3.1 单片机的选择 - 29 - 3.2 步进电机的驱动 - 30 - 3.2.1 环形脉冲分配器的选择 - 30 - 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 III 3.2.2 功率放大器的选用 - 32 - 3.3 步进电机的微机控制 - 35 - 结论 - 37 - 参考文献 - 38 - 致谢 - 39 - 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 1 - 引言 毕业设计是机械设计制造及其自动化专业教学计划的一个重要组成部分， 是各教学环节的继续深化和检验，其实践性和综合性是其他教学环节所不能 替代的，通过毕业设计使学生获得综合训练，对培养学生的实际工作能力具 有十分重要的作用。 毕业设计还是高等学校工科学院学生毕业前进行的全面综合训练，是培 养学生综合运用所学知识与技能解决实际问题的教学环节，是学生在校获得 的最后训练机会，也是对学生在校期间所获得知识的体验。 这次设计的题目是： CK5116A 立式车床数控 的数控化改造 现代工业技术的发展，特别是能源部门的需求，使高温高压水广泛 应用于相关的领域中，对国民生产和人民生活起着越来越重要的作用，例如： 机床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； 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 2 - 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。 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 3 - 第1章 总体方案的设计 1.1 设计任务 本设计任务是对 CK5116A 普通车床进行数控改造。利用 单片机对纵、 横向进给系统进行控制，纵向（ Z 向）脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向 （X 向）脉冲当量为 0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采 用滚珠丝杠副 。 1.2 总体方案的论证 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。 一般数控系统应包括以下五大要素和功能，其图如下： 动力设备（运转） 传感器（检测） - 微机（控制） - 执行机构（驱动） 机械主体（加工） 此五个要素的工作结构示意图如下： 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 4 - 控 制 设 备 伺服 系统 辅助控制 装置 测量反馈装 置 机械传动部 1、输入、输出设备 主要作用：编制程序、输入数据，程序输出、显示器。 2、微机控制设备 可先用专用计算机 PC、PLC、或者单片机。 功能：完成零件的测量及精度的保证，产生脉冲信号。 在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU 和 MCS- 51 系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制 造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以 MCS-51 系列单片机， 51 系列相对 48 系列指令更丰富，相对 96 系列价格 更便宜， 51 系列中，是无 ROM 的 8051，8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。目前，工控机中应用最多的是8031 单片机。本设计以 8031 芯 片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。 3、伺服系统 包括：伺服电机、伺服控制 系统线路、驱动电路、执行机构 功能：将微机控制设备产生的脉冲信号转化为电机执行机构的速度和 位移。 输入、输出 设备 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 5 - 伺服电机有：功率步进电机、直流伺服电机、交流电机。本设计选 用 步进电机作拖动元件。因为数控系统发出的指令仅使床鞍运动而没有位置 检测和信号反馈，故实际移动值和系统指令如果有差别就会造成加工误差。 4、测量反馈装置 测量系统有接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成，是 数控机床在线检测系统的关键部分，直接影响着在线检测的精度。其中关键 部件为测头，使用测头可在加工过程中进行尺寸测量，将执行机构的速度、 位置信号测量出来反馈到控制装置中。 根据测量结果 修改加工程序，改善 加工精度，使得数控机床既是加工设备，又兼具测量机的某种功能。 我的这次车床的改造，因为是简易的改造，我们这次改造就没有使 用测量反馈装置 。 5、机械传动 包括传动机构、工作台、床身、支柱等。 6、辅助控制 、 手动（点动）、限位、紧急停车的实现 。 1.2.1 机械部分的改造设计 数控机床的机械部分在刚度、精度、速度、摩擦磨损等方面较普通机床 有更高的要求。因此，不能简单地认为将数控装置与普通机床连接在一起就 达到了机床数控改造的目的。而是应该从机床自身的价值考虑，分析改造要 达到的目标和所需投入。从该机床在本单位产品制造中的地位和重要程度来 分析改造价值。对被改造机床的结构、性能、精度等技术现状作全面分析。 其中包括机床原来的结构设计是否符合改造要求，部件结构是否仍然完好， 各坐标轴的机械传动结构及导轨副的形式等是否适用，各项精度是否满足要 求，机床在加工中是否存在故障和历史上有无出现过重大故障。从该机床的 投入产出率估算，确定最终改造方案。 为了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杠。为了保证一定的传动精度和平稳性， 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 6 - 尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间 隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。此 设计过程主要是纵向进给和横向进给的改造，关键是步进电机和滚珠丝杠的 选用。 改进后的车床简易传动系统如图1-1： 图 1-1 改进后的车床传动系统 1.小刀架 2.横向步进电动机 3.横向滚珠丝杆 4.大拖板 5.纵向滚珠丝杆 6.纵向步进电动机 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 7 - 1.2.2 伺服进给系统的改造设计 伺服系统是数控机床的重要组成部分，它既是数控系统CNC 系统与 刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节。它的性能在很 大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度、跟踪精 度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态性能。数控机 床的伺服系统按控制方式分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系 统三类。 因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容 易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制 系统。 1.2.3 数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础， 性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地 运行。 在设计的数控装置中， CPU 的选择是关键，选择 CPU 应考虑以下要素： 1.时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； 2. 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； 3. I/O 口扩展的能力与对外设控制的能力相关 。 在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU 和 MCS-51 系 列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维 修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计以8031 芯片为 核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。 1.3 总体方案的确定 经总体设计方案的论证后，确定CK5116A 车床经济型数控改造 方案。 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 8 - CK5116A 车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向 （Z 轴）和横向（ X 轴）进给运动采用步进电机驱动。 将原来机床的普通 丝杠改为滚珠丝杠以减小摩擦力。并将8031 单片机组成 的微机作为数控 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、横向进给运动。 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 9 - 第2章 机械部分的改造设计 2.1 纵向进给系统的改造设计 在对进给传动系统进行改造时，一般都应该把原来的进给变速传动装置 及操纵机构全部拆除。而每个方向的进给传动都改由各自独立的功率步进电 机，经减速齿轮直接与带动滑板移动的丝杠连接，分别实现各坐标方向的运 动，进行各坐标的控制。例如普通机床的简易化数控改装，通常都是把原来 由主轴箱到进给箱的传动路线切断，且将溜板箱拆除，直接把齿轮减速箱和 功率步进电机安装在纵向丝杠的右端和横向丝杠的外端。在对机床进给传动 系统改装的同时，也要对此传动系统中的传动装置元件进行相应的改造。具 体如下： （1）丝杠。丝杠是将回转运动转换为直线运动的传动装置。改造时，为 了满足数控机床上较高精度零件的加工要求，应该用滚珠丝杠螺母副替换原 普通机床上的梯形丝杠螺母副。滚珠丝杠螺母副把传动丝杠与螺母之间的滑 动摩擦变为了滚动摩擦，使摩擦损失减小，精度保持性、传动平稳性、传动 效率等都得以提高。其传动效率可达到92%98%，是普通丝杠螺母副的 34 倍。 （2）机床导轨。为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，应 充分考虑机床导轨的耐磨性。当前国内普通机床床身等大件多采用普通铸铁， 其摩擦系数较大。改造中，在对达不到预定要求的原机床导轨进行修磨、刮 研后，要在上面贴上耐磨、吸振的聚四氟飞烯软带。 （3）拖板。拖板是数控系统直接控制的对象。不论是点位控制、直线 控制，还是轮廓控制，被加工零件的最终坐标精度都将受到拖板运动精度、 灵敏度和稳定性的影响。除拖板及相配件精度要高外，由驱动电机到丝杠间 的传动齿轮也要采用间隙消除结构。以满足传动精度和灵敏度的要求。常用 的消隙方法有刚度调整法和柔性调整法两种。刚性调整法传动刚度较好，结 构简单，但调整起来很费时；柔性调整法，一般用弹簧弹力自动消除齿侧间 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 10 - 隙，传动刚度较低，传动平稳性差，结构复杂。改造中，可根据机床加工目 标选用。具体选用可参考有关资料。 2.1.1 纵向滚珠丝杠副的选用 滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生 滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与 螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过 盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。 滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比，有下列特点： (1) 传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达9095，耗费能 量仅为滑动丝杆的 1/3。 (2) 运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很 小。启动时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。 (3) 工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度 (HRC5862)、 高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的 410 倍以上。 (4) 定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杆副摩擦小、温升小、 无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高的定 位精度和重复定位精度。 (5) 同步性好 用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部 件，可得到较好的同步运动。 (6) 可靠性高 润滑密封装置结构简单，维修方便。 (7) 不能自锁 用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 11 - (8) 制造工艺复杂 滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要 求高，故制造成本较高。 2.1.1.1 确定系统的脉冲当量 在数控机床中，一个脉冲所产生的坐标轴位移量叫做脉冲当量，通常用 表示，也称机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一 个基本技术参数 ，按机床设计的加工精度选定。本设计所要求的 CK5116A 的脉冲当量为： 纵向（Z 向）脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向 （X 向）脉冲当量为 0.005mm/脉冲。 2.1.1.2 车削力的计算 在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都 要用到切削力。 现我们利用经验公式计算主切削力。 车床的主切削力可用下式计算：)(NFZ 5 . 1 max 67 . 0 DFZ 式中车床床身加工的最大直径单位为mm。 max D 因 CK5116A 床身加工的最大直径 410mm，则： NFZ 3 . 556241067 . 0 5 . 1 按以下比例分别求出 分力和， x F y F4 . 0:25 . 0 :1: yxZ FFF 则：，NFx1391NFy2226 2.1.1.3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型：确定滚轴循环方式，滚珠 丝杠副的预紧方式。结构类型确定后，再计算和确定其他参数，包括：公称 直径、导程、滚珠的工作圈数、列数、精度等级等。d 0 Ljk 本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式。滚珠丝杠副的预 紧方法选择双螺母螺纹预紧。 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 12 - 图2-1 双螺母螺纹调隙式结构 1、2-单螺母 3-平键 4-调整螺母 1 23 4 (1)计算进给率牵引力 m F 作用在滚珠丝杠上的进给率牵引力主要包括切削力时的走刀抗力以及移 动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的形 式有关。的计算公式如下 : m F 纵向进给导轨为三角形，则：)( GFfKFF zxm N)8003 .5562(15 . 0 139115. 1 ( N2554 三角形导轨选取参数：NGfK800,15 . 0 ,15 . 1 (2)计算最大动负荷C 选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠 0 d 在回转 100 万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大 值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负荷。计算步骤如下：C 丝杠转速其中= 0 1000 L n s s min75 . 0 m6 0 L min125 6 75 . 0 1000 rn 寿命（） 6 10 60Tn L r 6 1025.11 10 150012560 6 最大动负荷 NFjLC Mw 13.858425545 . 125.11 33 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 13 - (3)计算最大静负荷 当滚珠丝杠副在静态或低速（）情况下工作时，滚珠丝杠min10rn 副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生变形，当塑性变形超过一定限度就 会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万 分之一。产生大的塑性变形量的负载称为允许的最大静负荷。选取静 0 C 态安全系数=2，滚珠丝杠的最大轴向负荷 故最大静 s f2254 maxm FF 负荷为：。510825542 max0 FfC s (4)选择滚珠丝杠副 见表 2-1 5)传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 943 . 0 0506 . 0 0477 . 0 542tan 442tan tan tan 0 0 表 2-1滚珠丝杠副参数 型号 公称 直径 mm 基本导 程 mm 螺旋升 角 丝杠外 径 )(mm 丝杠内 径 )(mm 额定动 载荷 )(N 丝杠长 度 mm 额定静载荷 )(N 5 . 34006406 442o 2 . 3998.3524100120082400 (6)刚度校核 主要校核滚珠丝杠在工作负载和扭矩 T 共同作用下引起的每导程变 m F 形量是否符合丝杠精度要求。L 每导程变形量可按以下公式计算L 2 00 21 L EF LF LLL m 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 14 - GJ TL0 选取 )(10 6 . 20 4 mmNE 2 2 1 )(88.1017 4 mm d F mm EF LF L m5 4 0 1 103 . 7 88.101710 6 . 20 62554 mm L L 4 4 0 2 102 . 2 2 1028 . 2 6 2 其中： 444 1 102 . 8 64 mmdJ mmmm 4 4 1028 . 2 102 . 8824 62554 则： 21 LLL 45 102 . 2103 . 7 mm 4 1093 . 2 mmmL L /000293 . 0 6 100100 1 mmm/0049 . 0 查表所得，所选用的级丝杠精度允许误差 为，满足要求。Dmm/10 (7) 稳定性校核 机床在进给时滚珠丝杠通常 是受轴向力的一压杆。若轴向力过大， 将使丝杠失去稳定而产生翘曲，所以选用时必须进行稳定性校核。如果满足 稳定性安全系数大于许用稳定性安全系数 ()，则丝杠安全，不会失稳 ： k n k n )( k m k k n F p n 式中 ()许用稳定性安全系数，一般取2.54。 k n 丝杠失稳时的临界负载，由 ： k p 2 )( l EJ pk 式中 丝杠长度 l 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 15 - 丝杠轴端系数，由支承条件定 。 截面惯性矩，对实心圆 J 4 1 64 dJ 对于水平丝杠要考虑自重影响可取 ()4。 k n 将相关数据代入上式中可得 Npk115776 )12001 ( 102 . 810 6 . 20 2 462 )(45 2554 115776 kk nn 丝杠不会失稳。 2.1.2 步进电机的选用 CK5116A 型普通车床数控化改造 ，采用了一种比较简单但是较为典型 的改装方案，改造后的车床进给运动由步进电机A 和 B 驱动，它们分别安 装在床头箱内（或床身尾部）和 拖板后方，通过减速齿轮和纵横向丝杠带 动车床的纵横进给运动。 为使改造后的车床能充分发挥数控车床的效能， 纵横向丝杠螺母副一般需要调换成滚珠丝杠螺母副。当利用原丝杠螺母副时， 为了减少改造工作量，纵向驱动电机及减速箱一般装在床身尾部，这时连接 车床原传动系统（主轴系统）和纵向丝杠传动的离合器尚未拆除，工作时应 使处于脱开位置。同理，脱落蜗杆等原横向自动进给机构若未拆除，工作时 也应使其处于空档（空挡）位置。改造后的进给脉冲当量的量值靠步进电机 步距角、减速齿轮比、丝杠导程三者协调确定。三者之间换算关系可以以下 式表示： （/360）（ac/bd）T= 式中 步进电机步聚角（度）； T所驱动丝杠导程（ mm）; a,b,c,d齿轮齿数，当单级减数时，令c、d 等于 1； 脉冲当量值（ mm）。 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 16 - 步进电机的参数根据阻力矩及切屑用量的大小和机床型号来选择，普通 车床（如 C6140、CK5116A 等）的数控改造中多采用 0.08 0.15（Nm）静力矩的步进电机， 本设计选 0.08（Nm）的作为横向进给 电机；选 0.15（Nm）的作为纵向进给电机。 2.1.2.1 脉冲量的选择 初选三相步进电动机的步距角为，当三相六拍（ 12 00 5 . 175 . 0 相励磁）运行时，步距角其妹转脉冲数 0 75 . 0 rpS480 75 . 0 360360 0 00 脉冲当量： 由此可得中间齿轮传动比为pmm01 . 0 i 25 . 1 48001 . 0 6 S L i 2.1.2.2 等效负载转矩计算 1.空载时的摩擦转矩 LF T m i L T s LF 046 . 0 25 . 1 8 . 02 006 . 0 80006 . 0 2 2.车削加工时的负载转矩 L T m LFWF T Si yx L 5 . 1 25 . 1 8 . 02 006 . 0 222680006 . 0 1391 2 2.1.2.3 等效转动惯量 的计算 1.滚珠丝杠的转动惯量 S J 2 344 0 00237 . 0 32 1085 . 7 2 . 104 . 0 32 m ld JS 2.拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量 J 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 17 - m i L g W Jw 5 2 2 2 2 1076 . 4 25 . 1 1 2 006 . 0 8 . 9 8001 2 3.大齿轮的转动惯量 2g J 选取大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。45 2 Z36 1 Zmmm2 2 34 2 4 2 2 0005056 . 0 32 1085 . 7 01 . 0 09 . 0 32 m bd Jg 4.小齿轮的转动惯量 1g J 2 34 1 4 1 1 0004142 . 0 32 1085 . 7 02 . 0 072 . 0 32 m bd Jg 换算到电动机轴上的总惯性负载 L J 2 2 1 i JJ JJJ sg wgL 2 2 0023. 0 25 . 1 00237 . 0 0005056 . 0 0000476. 00004142. 0 m 2.1.2.4 步进电动机型号 的选择 已知 初选步进电机型号为 110BF003，mTL5 . 1 23 103 . 2mJL 步距角三相六拍。其中最大静扭矩，转子惯量 0 75 . 0 mT 8 max ，由此可得： 23 10 8 . 36mkgJm , 5 . 018 . 0 8 5 . 1 max T TL 2 3 3 25 . 0 10 8 . 36 103 . 2 m L J J 1 4 1 max T JL 经验算可知电动机合格。 110BF003 步进电机的外观图及矩频特性图如图2.2： 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 18 - 外型图: 图 2-2 110BF003 步进电机的外观图及矩频特性图 2.2 横向进给系统的改造设计 1 横向进给系统的设计 经济性数控改造的横向进给系统的设计比较简单，-般是步进电机经减速 后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰将步 进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。其结构示 意图见图 23 所示 图 2-3 车床纵向传动的支承结构 1-步进电机； 2-床身；3-左支架； 4-齿轮副； 5-右支架； 6-丝杠左支承； 7-手轮；8-轴套；9-丝杠右支承； 10-螺母座架； 11-螺母座； 12-丝杠； 13-盖；14-轴承。 滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置上，为了便于手动 与对刀，在丝杠的右端设有手轮，使用时安装上，不用即卸下，以防造成伤 害，原机床拖板予以保留，并设有 -螺母座架，安装在拖板上，以实现丝 杠螺母与拖板之间的联接。步进电机安装在丝杠的左端原进给箱的位置上， 由电机上的止口定位，靠四个螺钉和二个定位销与床体相连。丝杠左右 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 19 - 端分别用支架与轴承支承，左端用向心球轴承，右端用推力球轴承支承。 2. 横向滚珠丝杠 横向滚珠丝杠也采用三点支承形式。保留原手动机械，用子手动与对刀， 步进电机安装在床鞍的后部。靠近操作者 -端，布置 -根支承短轴，通过 -个联轴套与滚珠丝杠连接起来。利用原机床滑动轴承作为径向支承，并对 原支承处进行适当改装，布置 -对推力球轴承，以实现轴向支承。在远离 操作者-端，用-个联轴套和 -根连接短轴把滚珠丝杠与减速箱输出轴连 接起来。与纵向进给 -样，丝杠螺母与横向拖板间仍用 -螺母座联接。横 向进给机构改造设计如图 2-4 所示。 1 -步进电机： 2 -消隙减速箱： 3 -支承架； 4 、5 、8 -联轴套； 于螺母座； 7 -滚珠丝杠螺母副：于支承短轴 图 24 车床横向传动的支承结构 2.2.1 横向进给系统滚珠丝杠螺母副的选用 滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生 滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与 螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过 盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。 滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比，有下列特点： (1) 传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达9095，耗费能 量仅为滑动丝杆的 1/3。 (2) 运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 20 - 小。启动时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。 (3) 工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度 (HRC5862)、 高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的 410 倍以上。 (4) 定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杆副摩擦小、温升小、 无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高的定 位精度和重复定位精度。 (5) 同步性好 用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部 件，可得到较好的同步运动。 (6) 可靠性高 润滑密封装置结构简单，维修方便。 (7) 不能自锁 用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。 (8) 制造工艺复杂 滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求 高，故制造成本较高。 2.2.1.1 确定系统的脉冲当量 横向（X 向）脉冲当量为 0.005mm/脉冲。 2.2.1.2 车削力的计算 车床的主切削力可用下式计算 ：)(NFZ 5 . 1 max 67 . 0 DFZ 式中车床刀架加工的最大直径单位为 mm。 max D 因 CK5116A 床身加工的最大直径 210mm，则： NFZ203921067 . 0 5 . 1 按以下比例分别求出分力和， x F y F4 . 0:25 . 0 :1: yxZ FFF 则:，NFx510NFy 6 . 815 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 21 - 2.2.1.3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型：确定滚轴循环方式，滚珠 丝杠副的预紧方式。结构类型确定后，再计算和确定其他参数，包括：公称 直径、导程、滚珠的工作圈数、列数、精度等级等。d 0 Ljk 本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式。滚珠丝杠副 的预紧方法选择双螺母 螺纹预紧。 (1)计算进给率牵引力 m F 作用在滚珠丝杠上的进给率牵引力主要包括切削力时的走刀抗力以及移 动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的形 式有关。的计算公式如下 : m F 横向进给导轨为 燕尾形，则：)2( GFFfKFF xzym N 6 . 1873 )60051022039(2 . 0 6 . 8154 . 1 燕尾形导轨选取参数：NGfK600, 2 . 0, 4 . 1 (2)计算最大动负荷C 选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠 0 d 在回转 100 万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大 值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负荷。计算步骤如下：C 丝杠转速其中= 0 1000 L n s s min6 . 0m5 0 L min120 5 6 . 01000 rn 寿命（） 6 10 60Tn L r 6 10 8 . 10 10 150012060 6 最大动负荷 MwF fLC 3 6212 6 . 18735 . 1 8 . 10 3 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 22 - (3)计算最大静负荷 当滚珠丝杠副在静态或低速（）情况下工作时，滚珠丝杠min10rn 副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生变形，当塑性变形超过一定限度就 会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万 分之一。产生大的塑性变形量的负载称为允许的最大静负荷。选取静 0 C 态安全系数=2，滚珠丝杠的最大轴向负荷 故最大静 s f 6 . 1873 maxm FF 负荷为 2 . 3747 6 . 18732 max0 FfC s (4)选择滚珠丝杠副 表 2-2 滚珠丝杠 副参数 型号 公称 直径 mm 基本导 程 mm 螺旋升 角 丝杠外 径 )(mm 丝杠内 径 )(mm 额定动 载荷 )(N 丝杠长 度 mm 额定静载荷 )(N 5 . 22005205 334 3 . 19 2 . 171265028031600 (5)传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 965 . 0 0825 . 0 0796 . 0 434tan 334tan tan tan 0 0 (6)刚度校核 主要校核滚珠丝杠在工作负载和扭矩 T 共同作用下引起的每导程变 m F 形量是否符合丝杠精度要求。L 每导程变形量可按以下公式计算L 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 23 - 2 00 21 L EF LF LLL m GJ TL0 选取 )(10 6 . 20 4 mmNE 2 2 1 )(23.232 4 mm d F mm EF LF L m4 4 0 1 100 . 2 23.23210 6 . 20 5 6 . 1873 mm L L 3 3 0 2 101 . 2 2 1064 . 2 5 2 其中： 434 1 103 . 4 64 mmdJ mmmm 3 5 1064 . 2 43 . 0 10 4 . 82 5 6 . 1873 则 21 LLL 34 101 . 2100 . 2 mm 3 103 . 2 mmmL L /0023 . 0 5 100100 1 mmm/046 . 0 查手册所得，所选用的级丝杠精度允许误差为，满足要求。Gmm/60 (7) 稳定性校核 机床在进给时滚珠丝杠通常是受轴向力的一压杆。若轴向力过大，将使 丝杠失去稳定而产生翘曲，所以选用时必须进行稳定性校核。如果满足稳定 性安全系数大于许用稳定性安全系数 ()，则丝杠安全，不会失稳 ： k n k n )( k m k k n F p n 式中()许用稳定性安全系数，一般取2.54。 k n 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 24 - 丝杠失稳时的临界负载，由 ： k p 2 )( l EJ pk 式中 丝杠长度l 丝杠轴端系数，由支承条件定。 截面惯性矩，对实心圆J 4 1 64 dJ 对于水平丝杠要考虑自重影响可取 ()4。 k n 将相关数据代入上式中可得 Npk 7 2 362 1012 . 1 )2801 ( 103 . 410 6 . 20 )(6000 6 . 1873 1012 . 1 7 kk nn 丝杠不会失稳。 2.2.2 横向步进电机的选用 电动机工作时会发热，它不仅取决于负载的大小，也和负载持续的 时间的长短密切相关，这是选择额定功率时必须考虑的。按电动机的不 同发热情况，可以分为三种工作方式（或称工作制），即连续工作方式、 短时工作方式和断续周期性工作方式。 CK5116A 车床其工作时间一 般较长，温升可以达到稳定值，电机的负载可能是恒定或大小基本恒定 的常值负载或变化负载，因此属于连续工作方式。 由于电动机为连 续工作方式，负载平稳，且经常启动、制动和正反转，因此因优先采用 鼠笼式异步电动机。 2.2.2.1 脉冲量的选择 初选三相步进电动机的步距角为，当三相六拍（ 12 相励 00 5 . 175 . 0 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 - 25 - 磁）运行时，步距角其妹转脉冲数 ： 0 75 . 0 rpS480 75 . 0 360360 0 00 初选脉冲当量： 由此可得中间齿轮传动比为pmm005 . 0 i 08 . 2 480005 . 0 5 S L i 2.2.2.2 等效负载转矩计算 1.空载时的摩擦转矩 LF T m Li T s LF 017 . 0 8 . 02 48 . 0 005 . 0 60006 . 0 2 2.车削加工时的负载转矩 L T m LiFWF T S yx L 29 . 0 8 . 02 48 . 0 005 . 0 6 . 81580006 . 0 510 2 2.2.2.3 等效转动惯量 的计算 1.滚动丝杠的转动惯量 S J 2 344 0 000034 . 0 32 28 . 0 1085 . 7 02 . 0 32 m ld JS 2.拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量 w J mi L g W Jw 52 2 2 2 1089 . 0 48 . 0 2 005 . 0 8 . 9 600 2 3.大齿轮的转动惯量 2g J 选取大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。50 2 Z24 1 Zmmm2 2 34 2 4 2 2 00077 . 0 32 1085