(论文)设计--普通车床微机数控化改装设计最新优秀毕业论文资料搜集呕血奉献

二二 一一 届届 毕毕 业业 设设 计计 C6132 普通车床微机数控化改装设计 C6132 普通车床微机数控化改装设计 学学 院：院： 工程机械学院工程机械学院 专专 业：机械设计制造及其自动化业：机械设计制造及其自动化 姓姓 名：名： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 完成时间：完成时间： 毕业设计 装 订 线 摘 要 机床数控化改造的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， 由于数控机床的加工能力和资金受 限，对机床进行数控化改造是一条节约资金、快速有效的途径。 本文对 C6132 普通车床数控化改造进行了深入研究，包括对机床改造进行可行 性分析、 对机床关键部件参数的计算、 对机床结构的设计、 对机床改造方案优化选择、 选择合适的机床伺服系统和计算机系统， 以及在改造中应注意的事项等进行了详细的 论述。结果表明:经改造后的机床已达到预期的功能和精度，完全能实现加工外圆、 锥度、螺纹、端面等的自动控制，提高了原机床的生产效率，降低了劳动强度。 关键词:普通车床，数控改造，步进电机，经济型数控系统，MCS-51 毕业设计 装 订 线 ABSTRACT The research of retrofitting machine tool into numerical control type is an improving the level of equipment technology in our country. Based on the condition of our country, a large number of machine tools which are used over their service life are in need of immediate renewing, but it is difficult because of the limitation of the machine tools production and foundation, it is an efficient rapid and economical method to retrofit machine tools. The paper studied thoroughly the retrofitting technology on C6132 lathe, including the analysis of feasibility, the computation of the key components, the design of lathe structure, optimization of the retrofitting scheme and choose an appropriate machinery servo-system and computer system, as well as matters needing attention of reform in detail, etc. The result shows that the machine tool achieved expected function and precision after retrofitting, the machine can sufficiently execute automatic control on outside diameter, screw, ends, etc. It improves the production rate of the machine and decreases the labor stress from the operator. Key words: the general lathes, CNC transformation, the stepper motor, the economy NC system,MCS-51 毕业设计 I 装 订 线 目 录 第一章第一章 绪论绪论 .1 1.1 数控技术与数控机床 .1 1.2 机床数控化改造的兴起及意义 .1 1.2.1 国外机床改造业的兴起 .1 1.2.2 我国机床数控化改造的意义 .1 1.3 本文所研究的主要内容 .2 第二章第二章 车床总体改造方案设计车床总体改造方案设计.4 2.1 设计任务 .4 2.2 主传动系统的改造 .5 2.2.1 主轴无级变速的实现 .5 2.2.2 主轴脉冲编码器的安装 .7 2.3 纵横向进给传动系统的改造 .9 2.3.1 系统的运动方式与伺服系统的选择 .9 2.3.2 机械传动方式 .9 2.3.3 纵向传动系统的改造 .10 2.3.4 横向传动系统的改造 .12 2.3.5 齿轮传动间隙的消除 .12 2.4 刀架部分的改造 .14 2.5 导轨的改造 .15 2.6 数控系统的类型及选择 .16 2.6.1 数控系统的分类 .16 2.6.2 数控系统的选择 .17 2.7 计算机系统的选择 .17 第三章第三章 纵横向进给系统的设计计算纵横向进给系统的设计计算.19 3.1 纵向进给系统的设计计算 .19 3.1.1 纵车外圆切削力的计算 .19 3.1.2 纵向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .19 3.1.3 纵向减速齿轮的设计 .23 3.1.4 纵向步进电机计算和选型 .25 3.2 横向进给系统的设计计算 .33 3.2.1 横切端面时切削力计算 .33 毕业设计 II 装 订 线 3.2.2 横向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .33 3.2.3 横向减速齿轮的设计 .36 3.2.4 横向进给步进电机计算和选型 .37 第四章第四章 硬件电路设计硬件电路设计.45 4.1 单片机数控系统硬件电路设计内容 .45 4.2 MCS-51 系列单片机简介.46 4.3 存储器扩展电路设计 .47 4.3.1 地址锁存器的选择 .47 4.3.2 外部程序存储器的扩展 .48 4.3.3 外部数据存储器的扩展 .49 4.3.4 外部I/O接口电路的扩展50 4.3.5 键盘接口电路的设计 .51 4.4 译码电路设计 .53 4.5 其他辅助电路设计 .53 4.6 步进电机的控制 .55 4.6.1 步进电机的工作原理 .55 4.6.2 步进电机的控制 .55 4.6.3 步进电机接口及驱动电路 .57 4.7 C6132 普通车床微机数控化改装硬件设计说明61 第五章第五章 软件设计软件设计 .64 5.1 总体方案设计 .64 5.2 环形分配器软件设计 .64 5.3 逐点比较法的直线插补软件设计 .66 5.4 逐点比较法的圆弧插补软件设计 .68 5.5 步进电机自动升降速控制 .69 总总 结结 .71 致致 谢谢 .72 参考文献参考文献 .73 附录附录 控制软件程序控制软件程序.74 毕业设计 共 87 页 第 1 页 装 订 线 第一章 绪论 1.1 数控技术与数控机床 数控技术，简称数控(Numerical CorltrolNC)，是利用数字化信息对机械运动 及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也 可以称为计算机数控(Computer Numerical ControlCNC)。 采用了数控技术进行控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。 它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技 术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础，它很好地解决了形状结构复杂、 精度要求高及小批量零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，降低工人劳动强度， 大幅度提高生产效率。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控 机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。与普通机床相比，数控机床能够 自动换刀、自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线的加工，加工精度和生 产效率都比较高，因而应用日益广泛。 1.2 机床数控化改造的兴起及意义 1.2.1 国外机床改造业的兴起 在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造业作为新的经济增长行业，生 气盎然， 正处在黄金时期。 由于机床以及数控技术的不断进步， 机床改造成了一个 “永 恒“的课题。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场， 这已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国,机床改造业称为机床再生 (Remanufacturing)业。 从事再生业的著名公司有： Bertsche 工程公司、 ayton 机床公司、 DeVliegBuUavd(得宝)服务集团、 US 设备公司等。 美国得宝公司已在中国开办公司。 在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有：大限 工程集团、岗三机械公司、千代田工机械公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本 工程公司等。 1.2.2 我国机床数控化改造的意义 我国目前机床总量约 400 万台，其中数控机床总数只有 20 万台，即我国机床数 控化率仅为 5左右，而国外发达国家的机床数控化率，多年前就达到 20以上。我 国机床役龄 10 年以上的占 60以上；役龄 10 年以下的机床中，自动半自动机床 不到 20， FMCFMS 等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占 60以上)。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的 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、供货期长等现象，从而在国际、国内市场上 毕业设计 共 87 页 第 2 页 装 订 线 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。 目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床来替换根本不现实，而且替换 下来的旧机床闲置起来又会造成浪费，要解决这些问题，应走普通机床的数控化改造 之路。从美国、日本等国家工业现代化进程看，机床的数控化改造也必不可少，数控 改造机床占有较大比例。如日本的大企业中有 26的机床经过数控改造，中小型企 业则是 74，在美国有许多数控专业化公司，为世界各地提供机床数控化改造服务。 因此，普通机床的数控化改造不但有存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小型 企业更是如此。 利用现有闲置的旧机床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数控机 床，投资少、见效快，是一种盘活存量资产的有效方法，也是低成本实现自动化的有 效方法，也是在短期内提高我国机床的数控化率的一条有效途径。 另外对普通机床进行数控化改造有许多积极的意义: 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。 2）性能稳定可靠。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。 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， 不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。 4） 可实现多工序的集中,提高了相关的加工精度,同时减少了零件在机床间的频繁 运转。 5）可缩短新产品试制周期和生产周期,对市场需求做出快速反应。机床数控化还 是推行 FMC、FMS 以及 CIMS 等企业信息化改造的基础。 6）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床的 加工状态。还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。 1.3 本文所研究的主要内容 1）根据数控化改造后车床所具备的功能，制订了车床总体改造方案，并绘制了 改造后车床总体布置图； 2）为使改造后的车床主轴能够实现无级变速、正转、反转以及停止等功能，本 次改造采用了变频器驱动主电机的方式，本文对主轴变频器的选用做了相应的说明； 毕业设计 共 87 页 第 3 页 装 订 线 3）为使改造后的车床能够加工螺纹，改造时，拆除原来的挂轮架部分，在机床 轴伸出端安装主轴脉冲编码器，本文对脉冲编码器的安装方法作了简要论述； 4）在利用聚四氟乙烯软带对原车床导轨贴塑的工作中，粘接工艺的好坏将直接 影响改造后导轨的性能。本文对粘接工艺的控制作了简要论述； 5）在电气改造方面，设计了车床数控系统的硬件电路图，对纵横向步进电机的 计算和选型也作了详细阐述； 6）在机械改造方面，对纵横向伺服进给机构，特别是滚珠丝杠螺母副作了详细 设计研究，并对数控转位刀架的安装和选用作了介绍； 7）在软件设计方面，对 MCS-51 单片机做了简要的介绍，并在 8031 单片机的基 础上编制了相应的程序。 装 订 线 毕业设计 第二章 车床总体改造方案设计 2.1 设计任务 将 C6132 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： 最大加工直径： 在床身上 320mm 在刀架上 175mm 最大加工长度： 750mm 快进速度： 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 最大切削进给速度： 纵向 0.5m/min 横向 0.25m/min 溜板及刀架重力： 纵向 800N 横向 500N 代码制 ISO 脉冲分配方式 逐点比较法 空载启动时间 25ms 输入方式 增量值、绝对值通用 控制坐标数 2 最小指令值： 纵向 0.01mm/脉冲 横向 0.005mm/脉冲 定位精度 0.01mm 刀具补偿量 0 99.99mm 自动升降速性能 有 共 87 页 第 4 页 装 订 线 毕业设计 2.2 主传动系统的改造 2.2.1 主轴无级变速的实现 C6132 车床的主轴变速为手动、有级变速。考虑到数控车床在自动加工的过程中 负载切削力随时会发生变化，为了保证工件表面加工质量的一致性、提高工件加工质 量，主轴要能实现恒切削速度切削。这就要求主轴能实现无级变速。目前实现无级变 速主要有两种方式，其一是采用变频器驱动电机的方式，同时保留原有的主传动系统 和变速操纵机构，这样既保留了车床的原有功能，又减少了改造量；其二是用双速或 者是四速电动机替代原有车床的主电动机。 由于多速电机的功率是随着转速的变化而 变化的，所以要选择功率较大一些的电动机，随之电动机的尺寸也变大了，机床改造 相对较麻烦，另外在这种改造方式下，主传动系统也要拆除并进行重新设计，这样可 以得到加工精度和稳定性更高的车床，但是加大了改造成本。 考虑到改造的成本，我决定采用第一种方式，这样可以利用原车床的三相异步电 动机。即由数控系统控制变频器，变频器驱动异步电动机实现主轴无级变速。 交流异步电动机的转速与电源频率，电动机磁极对数nfp以及转差率 之间的 关系式为： s )1 ( 60 sp f n 对于 C6132，电动机磁极对数和转差率是定值，因此利用变频器改变电源频率即可 改变电动机的转速。 f n 另外，变频器能方便地与数控系统连接，控制电动机的正转、反转及停止。 变频器的控制方式主要有 Uf 恒定控制方式、无反馈矢量控制方式和有反馈矢 量控制方式。数控车床除了在车削毛坯时，负荷大小有较大变化外，以后的车削过程 中，负荷的变化通常是很小的。因此，就切削精度而言，选择 Uf 恒定控制方式是 能够满足要求的。但在低速切削时，需要预置较大的 Uf，在负载较轻的情况下， 电动机的磁路常处于饱和状态，励磁电流较大。因此，从节能的角度看，并不理想。 数控车床属于高精度、快响应的恒功率负载加工设备，应尽可能选用矢量控制高性能 型通用变频器，而且中、小容量变频器以电压型变频器为主。有反馈矢量控制方式虽 然是运行性能最为完善的一种控制方式，但由于需要增加编码器等转速反馈环节，不 但增加了费用，而且编码器的安装也比较麻烦。所以，除非对加工精度有特殊要求， 一般没有必要选择此种控制方式。 目前，无反馈矢量控制方式的变频器已经能够做到在 05Hz 时稳定运行。所以， 完全可以满足主运动系统的要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服 Uf 控制方式 的缺点，因此可以说，是一种最佳选择。 共 87 页 第 5 页 装 订 线 毕业设计 数控车床连续运转时所需的变频器容量(kVA)计算式如下： cos M CN kP P 3 103 MMCN IkUP MCN kII 式中 负载所要求的电动机的轴输出功率； M P 电动机的效率(通常约O85)； cos电动机的功率因素(通常约O75) M U电动机的电压，380V； M I电动机工频电源时的电流，为154A； k电流波形的修正系数(PWM方式时取105-110)； CN P变频器的额定容量，kVA； CN I变频器的额定电流，A； 由以上公式得，）（kVA kP P M CN 7 75 . 0 5.80 4.11 cos )(15.1110 4 . 153801 . 13103 33 kVAIkUP MMCN )(94.16 4 . 151 . 1AkII MCN 选择变频器时应同时满足以上三个 等式的关系。 综合以上分析计算， 确定选 用三菱FR-A540系列变频器， 具体型号为 FR-A540-75K-CH。其最大输出功率为 7.5kW，额定容量为13kVA，额定电流为 17A，过载能力为15060秒，2000.5 秒，额定输出电压为3相380V50Hz，电 源电压允许波动范围为323V至528V。 其外形如图 2-1、接线端子如图 2-2 所示。 图 2-1 三菱 FR-A540-7.5K-CH 外形图 共 87 页 第 6 页 装 订 线 毕业设计 图 2-2 三菱 FR-A540-7.5K-CH 端子接线图 2.2.2 主轴脉冲编码器的安装 为了使改造后的数控车床能自动加工螺纹， 须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴 位置信号的反馈元件，其目的是用来检测主轴转角的位置，通过主轴脉冲编码器 数控系统步进电机的信息转换系统，实现主轴转一转，刀架纵向移动一个导程的车 螺纹运动。 主轴脉冲编码器的安装，通常采用两种方式：一种是同轴安装，另外一种是异轴 安装。同轴安装的结构简单，缺点是安装后不能加工穿入车床主轴孔的零件，限制了 工件的加工长度，而异轴安装不会遇到这种问题，因此，异轴安装较合适。主轴通过 主轴箱中轴和轴的 5858 及轴和轴的 3333 两级齿轮(实现传动比 1：1) 把动力传递给挂轮轴 X，如图 2-3、2-4 所示，主轴脉冲编码器 1 通过支架 2 固定， 并通过联轴器 3 与闷头 4 相连，闷头 4 通过过盈配合与主轴箱内 X 轴连接。 共 87 页 第 7 页 装 订 线 毕业设计 图 2-3 主轴编码器实物图 图 2-4 主轴编码器装配图 C6132 主轴转速范围是，可以选择欧姆龙min/200020r min/6000r E6B2-CWZ6C型光电脉冲 编码器，其允许的最高转速为，所以满足设计要求。 共 87 页 第 8 页 装 订 线 毕业设计 2.3 纵横向进给传动系统的改造 2.3.1 系统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、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，采用步进电机开环系统。控制框 图如图 2-5。 加工外圆时，控制系统不需要主轴与滚珠丝杠螺母副之间有同步关系，所以脉冲 发生器不发挥作用，只有通过 I/O 接口输入到 MCS-51 的程序控制整个加工过程，控 制路径为：MCS-51脉冲分配器光电隔离装置功率放大器步进电机减速器 机械传动部分。 加工螺纹时，要求主轴每转一转，刀架纵向移动一个导程，所以在进行车外圆的 控制指令时， 通过安装在主轴上的脉冲发生器给单片机实时反馈信号， 完成螺纹加工。 图 2-5 控制原理框图 2.3.2 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将动力传递给丝杠；为保 证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，用滚珠丝杠螺母副替换掉丝杠。 滚珠丝杠螺母副具有与滚动轴承相似的特征。与滑动丝杠副或液压缸传动相比， 有以下主要特点： 1)传动效率高 滚珠丝杠螺母副的传动效率可达 85%-98%，为滑动丝杠副的 2-4 倍，由于滚珠丝杠螺母副的传动效率高，对机械小型化，减少启动后的颤动和滞后时 间以及节约能源等方面，都具有重要意义。 2)运动平稳 滚珠丝杠螺母副在工作过程中摩擦阻力小，灵敏度高，而且摩擦系 数几乎与运动速度无关，启动摩擦力矩与运动时的摩擦力矩的差别很小。所以滚珠丝 杠螺母副运动平稳，启动时无颤动，低速时无爬行。 3)传动可逆性 与滑动丝杠副相比， 滚珠丝杠螺母副突出的特点是具有运动的可 逆性。正逆传动的效率几乎高达 98%。滚珠丝杠螺母副具有运动的可逆性，但是没有 像滑动丝杠副那样运动具有自锁性。因此，在某些机构中，特别是垂直升降机构中使 共 87 页 第 9 页 装 订 线 毕业设计 用滚珠丝杠螺母副时，必须设置防止逆转的装置。 4)可以预紧 通过对螺母施加预紧力能消除滚珠丝杠螺母副的间隙， 提高轴向接 触刚度，但摩擦力矩却增加不大。 5)定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杠螺母副具有传动效率高，运动平 稳，可以预紧等特点，所以滚珠丝杠螺母副在工作过程中温升较小，无爬行。并可消 除轴向间隙和对丝杠进行预紧拉伸以补偿热膨胀， 能获得较高的定位精度和重复定位 精度。 6)同步性好 用几套相同的滚珠丝杠螺母副同时驱动相同的部件和装置时， 由于 反应灵敏，无阻滞，无滑移，其启动的同时性，运行中的速度和位移等，都具有准确 的一致性，这就是所谓同步性好。 7)使用寿命长 滚珠丝杠和螺母的材料均为合金钢， 螺纹滚道经过热处理， 并淬硬至HRC58-62，经磨削达到所需的精度和表面粗糙度。实践证明，滚珠丝杠螺 母副的使用寿命比普通滑动丝杠副高5-6倍。 jmax M 8)使用可靠，润滑简单，维修方便 与液压传动相比，滚珠丝杠螺母副在正常使 用条件下故障率低，维修保养也极为方便；通常只需进行一般的润滑与防尘。在特殊 使用场合，如核反应堆中的滚珠丝杠螺母副，可在无润滑状态下正常工作。 除了选用滚珠丝杠螺母副外，为提高传动刚度和消除间隙，滚珠丝杠螺母副要采 用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。 2.3.3 纵向传动系统的改造 纵向传动系统的改造如图2-6所示。首先拆除原来的进给箱，在该处安装纵向进 给步进电机与齿轮减速箱，丝杠、光杠和操纵杠全部拆除，滚珠丝杠一段由减速箱支 承，另一端支承座安装在车床尾座原来装轴承座的部分。 车床进行纵向进给时，由步进电机1通过减速箱2将动力传递给滚珠丝杠4，再由 滚珠丝杠带动螺母座5，通过螺母托架6带动刀架做纵向运动。滚珠丝杠螺母副采用双 螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，调整方便。 滚珠丝杠与减速齿轮的连接可以通过套筒式联轴器进行连接， 这种联轴器用两个 互相垂直的锥销将支撑轴与丝杠连接起来，结构简单，径向尺寸小，可防止被连接轴 的位移和偏斜所带来的装配困难和附加应力，但是会降低传动效率。由于本设计中的 减速器比原来的进给箱结构简单、体积小，调整方便，所以装配相对简单，可以直接 将滚珠丝杠的一段做为减速器的一根轴，这样减少了传动链，提高了传动效率。 共 87 页 第 10 页 装 订 线 毕业设计 1 2 3 56 7 4 8 1纵向步进电机 2减速齿轮 3、8锁紧螺母 4滚珠丝杠 5螺母座 6螺母托架 7支承座 图 2-6 纵向传动结构布置图 滚珠丝杠的支撑形式有一端固定一端自由、 一端固定一端游动和两端固定三种形 式，对比显示，两端固定的形式有以下优点： 1）只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍； 2）丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高； 3）可以预拉伸，预拉伸后可减少因丝杠自重而引起的丝杠下垂和热膨胀； 4）只要实际温升不超过预计的温升，这种支承方式就不会产生轴向间隙。 所以本设计中滚珠丝杠的支撑方式选择两端固定的形式， 为了实现预拉伸，在滚 珠丝杠两端利用两对锁紧螺母对滚珠丝杠进行预拉伸。 滚珠丝杠两端轴承使用一对角 接触球轴承进行支承。 如图2-7所示，滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，其螺母座通过螺母托架连接在 床鞍的底部，托架的固定位置保持和床鞍原来的孔系位置一样。 1 2 3 4 5 1床身 2螺母托架 3螺母座 4滚珠丝杠 5防护板 图 2-7 纵向滚珠丝杠结构图 共 87 页 第 11 页 装 订 线 毕业设计 2.3.4 横向传动系统的改造 如图2-8所示是横向传动系统的改造布置图， 步进电机和减速箱安装在远离操作 者的床鞍一端，拆除床鞍上原来的手动操作装置，在原来支承丝杠的轴承位置，安装 角接触球轴承进行支撑，同纵向一样，滚珠丝杠一端直接充当减速器的输出轴，滚珠 丝杠两端同样有两对锁紧螺母对滚珠丝杠进行预拉伸， 滚珠丝杠螺母副采用双螺母螺 纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙。 螺母座和中拖板的连接可以利用原来的螺钉孔 进行连接。 1纵向步进电机 2减速齿轮 3滚珠丝杠 4螺母座 5中拖板 6床鞍 7床身 图 2-8 横向传动结构布置图 车床进行横向进给时，由步进电机1通过减速箱2将动力传递给滚珠丝杠3，再 由滚珠丝杠带动螺母座，再通过螺母座带动中拖板做横向运动。滚珠丝杠螺母副继续 采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙。 2.3.5 齿轮传动间隙的消除 数控车床在加工过程中，会经常变换移动方向。当进给方向改变时，如果齿侧存 在间隙会造成进给运动滞后于指令信号，丢失指令脉冲并产生反向死区，影响传动精 度和系统稳定。因此，必须消除齿侧间隙。通常齿侧间隙的消除主要有刚性调整法和 柔性调整法。刚性调整法虽然结构简单，但侧隙调整后不能自动补偿，柔性调整法是 调整后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法。 因此决定采用柔性调整法中的双片齿轮错齿 消隙法和周向弹簧调整法。 1）双片齿轮错齿消隙法 图2-9是双片齿轮错齿式消除间隙结构。两个相同齿 数的薄齿轮1和2与另一个厚齿轮(图中未画出)啮合。齿轮l空套在齿轮2上并可作 相对回转。每个齿轮的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳3和8。齿轮1的端 共 87 页 第 12 页 装 订 线 毕业设计 1、2薄齿轮 3、8凸耳 4弹簧 5、6螺母 7调节螺钉 图 2-9 双圆柱薄片齿轮错齿消隙结构 面还有另外四个通孔，凸耳8可以在其中穿过。弹簧4的两端分别钩在凸耳3和调节 螺钉7上，通过转动螺母5就可以调节弹簧4的拉力，调节完毕用螺母6锁紧。弹簧 的拉力使薄片齿轮1和2错位，即两个薄齿轮的左、右齿面分别紧贴在厚齿轮齿槽的 左、右齿面上，消除了齿侧间隙。这种方法适合直径较大，有充分安装螺钉空间的圆 柱齿轮。 2）周向弹簧调整法 图2-10是周向弹簧消隙结构。同样是两个齿数、模数相同 的两片薄齿轮2和3。齿轮2空套在齿轮3上可以做相对回转运动。在齿轮3上开有 三个周向圆弧槽， 齿轮2上均布着三个螺纹孔， 装配时在齿轮3的槽中放置3个弹簧， 1螺钉 2、3齿轮 4弹簧 图 2-10 周向弹簧消隙结构 利用齿轮2上安装的螺钉顶住弹簧，装配完成后两片齿轮在弹簧力作用下错齿，从而 达到消除间隙的目的。这种结构适合齿轮直径偏小，安装空间较小的情况下。 共 87 页 第 13 页 装 订 线 毕业设计 2.4 刀架部分的改造 拆除原手动刀架和小拖板，安装由数控系统控制的四工位电动刀架。根据车床的 型号及主轴中心高度，选用常州市宏达机床数控设备厂生产的LD4-C6132型电动刀 架，该刀架内带120W三相交流异步电动机用于驱动正转选刀。内置的4只霍尔元件检 测刀位位置，电动机反转完成刀具定位锁紧。安装时，拆除车床上的原小拖板，置刀 架于中拖板上，卸掉电机风罩，逆时针方向转动电机，使刀架转动到左右时，装 上螺钉，然后固定刀架即可。电机安装好如图2-11所示。 45 图 2-11 电动刀架安装实物图 LD4-C6132型电动刀架技术参数见表2-1。电动刀架的安装较为方便，安装时 须注意以下两点： 1)电动刀架的两侧面与原车床纵、横向的进给方向平行； 2)电动刀架与系统的连线在安装时应合理，以免加工时切屑、冷却液及其它杂物 磕碰电动刀架连线。 表 2-1 LD4-C6132型电动刀架技术参数 换刀时间（s） 最大许用力矩 （mN ） 90 180 270 q M Mx s M 重复定位精 度（mm） 电机功率 （w） 电机转速 （） min/r 净重 （）Kg 2.1 2.6 3.1 500 1100 350 005. 0 120 1400 25 根据以上分析可初步确定车床改造的总体布置方案，如图2-12所示： 共 87 页 第 14 页 装 订 线 毕业设计 图 2-12 车床改造总体布置图 2.5 导轨的改造 由于导轨表面有明显的划痕，摩擦系数变大，会产生进给运动的失真。为了恢复 导轨的精度，增加耐磨性，提高机床的稳定性，提高机床的防爬行和吸振性能，对机 床导轨选用填充聚四氟乙烯软带来改造。 填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加青铜 粉、二硫化硅、玻璃纤维粉、二硫化铜、石墨、聚苯等填充剂，使聚四氟乙烯的性能 改善如下：(1)耐负荷变形可提高5倍；(2)刚性提高45倍；(3)热膨胀系数减小1 312；(4)导热率提高2倍；(5)硬度提高10；(6)抗压强度增加23倍。 在利用填充聚四氟乙烯软带对原车床导轨贴塑的工作中， 主要是对粘接工艺的控 制。 具体工艺为： 首先对原导轨进行刮研， 保证粘贴前导轨的表面粗糙度1.66.3um， 平面度达到0011000精度；选用厚度为1.5mm的软带，用钠基溶液处理聚四氟 乙烯软带表面；粘接前需对金属导轨粘接面除锈去油，可先用砂布、砂纸或钢丝刷清 除锈斑杂质，然后再用丙酮擦洗干净、晾干；专用胶须随配随用，按A组份B组 份=1l的重量比混合，搅拌均匀后即可涂胶。可用“带齿刮板”或lmm厚的胶木片 进行涂胶。专用胶可纵向涂布于金属导轨上，横向涂布于软带上，涂布应均匀，胶层 不宜过薄或太厚，胶层厚度控制在0.080.12mm之间；软带刚粘贴在金属导轨上时 需前后左右蠕动一下，使其全面接触，要用手或器具从软带长度中心向两边挤压，以 赶走气泡。用重物加压或扣压于床身导轨上，加压均匀，压强通常为0.050.1MPa。 加压前在软带面上覆盖一层油纸或在加压面上涂一薄层润滑脂或机油， 防止胶粘剂粘 接加压物。软带粘接后约24小时固化(环境温度15以上)，可清除余胶，切去软带 工艺余量，并倒角；对软带进行开油槽和刮研，油槽深度可为软带厚度的122 3，油槽离开软带边缘至少6mm以上，刮研要求达到与导轨面接触面积为：全长不少 于75，全宽上不少于50。 共 87 页 第 15 页 毕业设计 共 87 页 第 16 页 装 订 线 2.6 数控系统的类型及选择 2.6.1 数控系统的分类 目前,数控系统的品种规格繁多,功能各异,分类方法不一,通常可按下面两种方 法进行分类。 1.按加工路线分类 1.按加工路线分类 1）点位控制系统 其特点是，只要求控制机床移动部件从一点移动到另一点的准确位置，至于点与 点之间的移动轨迹（路径和方向）并不严格要求。各坐标轴之间的运动是不相关的， 并且在移动过程中不进行切削。 2）直线切削控制系统 其特点是，除了控制移动部件从一点到另一点之间的准确定位外，还要控制两相 关点之间的移动速度和路线（即轨迹） ，但其路线只是与机床坐标轴平行的直线。也 就是说，同时控制的坐标轴只有一个，且在移动过程中刀具能以给定的进给速度进行 切削，一般只能加工矩形、台阶形零件。 3）连续切削控制系统 也称为轮廓控制系统， 其特点是能够对两个或两个以上运动坐标的位移和速度同 时进行连续相关控制。在这类控制方式中，要求数控装置具有插补运算的功能，即根 据程序输入的基本数据，通过数控系统内的插补运算器的数学处理，把直线或曲线的 形状描述出来，并一边运算，一边根据计算结果向各坐标轴控制器分配脉冲，从而控 制各坐标轴的联动位移量与所要求的轮廓相符合。 2.按伺服系统的类型分类 2.按伺服系统的类型分类 1）开环控制系统 采用开环控制系统的机床，没有检测反馈装置。指令信号单方向传送，并且指令 发出后，不再反馈回来，故称为开环控制系统。其驱动电动机采用步进电机。这种机 床采用开环进给伺服系统，数控装置根据所给的进给速度和进给位移，输出一定的频 率和数量的进给指令脉冲，经驱动电路放大后，每一个进给脉冲控制步进电机旋转一 个步距角，再经减速齿轮、丝杠螺母副转换成工作台的一个当量直线位移。 2）闭环控制系统 数控装置将位移指令与位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时进行比较， 根据其差值与指令进给速度的要求，按一定的规律进行转换后，得到进给伺服系统的 速度指令。闭环控制系统的特点是定位精度高，但由于这类系统采用直流伺服电动机 或交流伺服电动机作为驱动元件，所以电动机的控制线路比较复杂。另外检测元件昂 贵，调试和维修比较困难，成本高，所以主要用于精度要求很高的大型或精密数控机 毕业设计 共 87 页 第 17 页 装 订 线 床。 3）半闭环控制系统 这种机床是将位置检测装置安装在驱动电机端部，或安装在传动丝杠端部，间接 测量部件的实际位置或位移，然后反馈到控制装置的比较器中，与输入原指令位移值 进行比较，用比较后的差值进行控制，直到差值消除为止。 2.6.2 数控系统的选择 本设计中由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、 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 步进电机开环系统，虽然开环控制系统中，没有速度反馈和位移反馈电路，不带检测 装置，指令信号单向发送，但开环伺服系统结构简单、成本低，容易掌握，调试和维 修都比较简单。如果采用螺距误差补偿和径向间隙补偿等措施，定位精度可提高到 0.01mm，可以满足设计要求。 2.7 计算机系统的选择 微型机数控系统由CPU、ROM、RAM扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动 电路等几部分组成。 由于MCS-51单片微型机具有各种寻址方式并有硬件乘法和除法指令， 具有很强 的位寻址和运算功能， 特别适合于控制应用场合， 使用MCS-51来构成各种控制系统， 可大大简化硬件结构，降低成本。 1）单片机的选择 MCS-51系列中的8031单片机片内无ROM，适于需外接ROM、能在现场进行 修改和更新程序存储器的应用场合，价格低，使用灵活，从实用性与经济性考虑，采 用8031作为控制系统的单片机。 2）存储器扩展 8031的片内没有程序存储器， 必须外接扩展电路， 具有扩展2片2764共16K 的程序扩展电路。 数据存储器的扩展 8031内部有128个字节RAM存储器。它可以作为寄存器，堆栈，软件标志和数 据缓冲器，CPU对其内部RAM有丰富的操作指令。因此，这个RAM是十分珍惜的 资源。我们应合理地充分地应用片内RAM存储器，但片内RAM存储器往往是不够 的。 外接RAM扩展电路可扩大存储器容量。 本设计扩展一个6264（8K） 的外部RAM。 接口电路，伺服电机驱动电路等 接口电路主要用于控制纵向和横向步进电机，刀架电机等。键盘有32个键。此 装 订 线 毕业设计 外，还有伺服电机驱动电路，光电耦合器电路，报警电路，8031时钟电路，复位电 路等。 由此可得车床伺服系统控制方案，如图2-13所示。 图 2-13 车床改造伺服系统控制方案图 共 87 页 第 18 页 装 订 线 毕业设计 第三章 纵横向进给系统的设计计算 C6132普通车床改造成经济型数控车床，根据总体方案设计采用MCS-51系列单 片机控制系统，步进电动机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功 能 。 根 据 设 计 任 务 书 要 求确定脉冲当量，纵向为mm p 1.00 纵 ，横向为 mm p 05.00 横 ，其主要设计参数见2.1节。 3.1 纵向进给系统的设计计算 3.1.1 纵车外圆切削力的计算 纵车外圆时，主切削力由切削用量简明手册表1.29得： z F c c F c F c F c F n c yx pFz kvfaCF 查切削用量简明手册表 1.29 得到上式中各系数，则 NNvc z 380598. 03.3051770F 05.701 按切削力各力比例： :1:0.25:0.4 zxy FFF 得到进给抗力和切深抗力 x F y F NNFx25.95125. 03805 NNFy15224 . 03805 3.1.2 纵向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠螺母副依据国标GBT1758731998，分为定位型滚珠丝杠副(P类) 和传动型滚珠丝杠副(T类)。数控机床进给系统采用的是定位型滚珠丝杠副。滚珠丝 杠副的精度等级共分1、2、3、4、5、7、10等七个等级，1级精度最高，依次递减。 而JB3162282标准规定滚珠丝杠副的精度分为C、D、E、F、G、H等6个等级， 最高精度为C级，最低为H级。在数控机床上，精密机床上用于开环和半闭环进给 系统的滚珠丝杠，可根据定位精度和重复定