【毕业设计论文】卧式车床数控化改造设计—横向进给系统设计本文【有对应的CAD图】

订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕业设计说明书( 论文) 题 目: 卧式车床数控化改造设计 - - 横向进给系统设计 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用 到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济 的办法就是进行普通机床的数控改造。 本文主要是采用微机数控技术对最大加工直径为 4 0 0 m m的普通卧式车床进行 改造设计。首先对卧式车床的改造任务和功能需求进行了认真分析，其次确定了 普通卧式车床数控改造的总体方案，包括主传动系统的改造方案、换装自动回转 刀架、螺纹编码器的安装方案、进给系统的改造与设计方案。最后经过计算切削 力、滚珠丝杠设计计算、齿轮及转矩有关计算对丝杠、齿轮等进行了选型，详细 设计出了横向进给系统。 关键词 数控技术 改造设计 横向进给 车床 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 T i t l e D e s i g n o f H o r i z o n t a l M a c h i n e b a s e d o n N u m e r i c a l C o n t r o l T e c h n o l o g y - - D e s i g n o f L a t e r a l F e e d i n g S y s t e m A b s t r a c t T o d a y , r a p i d d e v e l o p m e n t o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y m i c r o - e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y a n d c o m p u t e r t e c h n o l o g y h a v e e x p a n d e d r a p i d l y , a n d a p p l i e d t o t h e n u m e r i c a l c o n t r o l s y s t e m , i t c a n i n c r e a s e t h e d e g r e e o f a u t o m a t i o n , m a c h i n e t o o l s , c a n i m p r o v e t h e m a c h i n i n g a c c u r a c y , s o t h e m o s t e c o n o m i c a l w a y i s t o c a r r y o u t g e n e r a l t r a n s f o r m a t i o n o f t h e N C m a c h i n e t o o l . I n t h i s p a p e r , u s i n g c o m p u t e r n u m e r i c a l c o n t r o l m a c h i n i n g t e c h n o l o g y t o t h e m a x i m u m d i a m e t e r o f 4 0 0 m m f o r t h e g e n e r a l t r a n s f o r m a t i o n o f t h e d e s i g n o f h o r i z o n t a l l a t h e . F i r s t o f a l l , t h e t r a n s f o r m a t i o n o f t h e h o r i z o n t a l l a t h e t a s k s a n d f u n c t i o n s c a r r i e d o u t a c a r e f u l a n a l y s i s o f n e e d s , a n d s e c o n d l y t o d e t e r m i n e t h e g e n e r a l h o r i z o n t a l l a t h e C N C o v e r a l l t r a n s f o r m a t i o n p r o g r a m , i n c l u d i n g t h e m a i n d r i v e s y s t e m o f t h e t r a n s f o r m a t i o n p r o g r a m , i n s t a l l e d a u t o m a t i c r o t a r y t o o l , t h e i n s t a l l a t i o n o f e n c o d e r t h r e a d p r o g r a m , t h e t r a n s f o r m a t i o n o f f e e d s y s t e m a n d d e s i g n . F i n a l l y , a f t e r c a l c u l a t i n g t h e c u t t i n g f o r c e , b a l l s c r e w d e s i g n , t h e g e a r a n d t h e c a l c u l a t i o n o f t o r q u e o n t h e s c r e w , g e a r s e l e c t i o n , e t c . , t h e d e t a i l e d d e s i g n o f a h o r i z o n t a l f e e d s y s t e m . K e y w o r d s C N C t e c h n o l o g y T r a n s f o r m a t i o n d e s i g n L a t e r a l f e e d L a t h e 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 目 录 1 绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 1 国内外数控机床的发展 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 2 机床进行数控化改造的意义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 . 3 机床数控化改造的设计任务 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 总体方案的确定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 . 1 主传动系统的改造方案 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 . 2 换装自动回转刀架 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 . 3 螺纹编码器的安装方案 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 . 4 进给系统的改造与设计方案 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 . 5 数控系统部分设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3 横向进给系统的改造设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 3 . 1 横向进给系统的设计与计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 3 . 2 数控车床的传动装置设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 3 . 3 自动转位刀架的设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 4 微机数控部分设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 4 . 1 概述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 4 . 2 数控系统的硬件电路设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 4 . 3 软件设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 结束语 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 致谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 1 绪论 1 . 1 国内外数控机床的发展 美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、 经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。 1 . 1 . 1 美国的数控发展史 美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床 的发展方向、科研任务, 并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率” 和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如 1 9 5 2年研制出世界第 一台数控机床、1 9 5 8年创制出加工中心、7 0年代初研制成 F M S 、1 9 8 7 年首创开放式 数控系统等。由於美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动 化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、 制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界 也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重於 基础科研，忽视应用技术，且在上世纪 8 0代政府一度放松了引导，致使数控机床产 量增加缓慢，于 1 9 8 2 年被后进的日本超过，并大量进口。从 9 0 年代起，纠正过去偏 向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。 1 . 1 . 2 德国的数控发展史 德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。于 1 9 5 6年研 制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应 用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行 深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真 价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主 机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能 部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相 采用。 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 1 . 1 . 3 日本的数控发展史 日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规( 如“机振法”、“机电 法”、“机信法”等) 引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量 管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自 1 9 5 8年研制出第一台 数控机床后，1 9 7 8年产量( 7 , 3 4 2台) 超过美国( 5 , 6 8 8台) ，至今产量、出口量一直居 世界首位( 2 0 0 1 年产量 4 6 , 6 0 4 台，出口 2 7 , 4 0 9 台，占 5 9 % ) 。战略上先仿后创，先生 产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪 8 0年代开始 进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本 F A N U C 公司战略正确，仿创结合，针 对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。 该公司现有职工 3 , 6 7 4 人，科研人员超过 6 0 0 人，月产能力 7 , 0 0 0 套，销售额在世界 市场上占 5 0 % ，在国内约占 7 0 % ，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作 用。 1 . 1 . 4 我国的数控发展史 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技 术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当 大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，1 9 9 8 2 0 0 4 年国产数控机床产 量和消费量的年平均增长率分别为 3 9 . 3 % 和 3 4 . 9 % 。尽管如此，进口机床的发展势头 依然强劲，从 2 0 0 2年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第 一大国，2 0 0 4年中国机床主机消费高达 9 4 . 6亿美元，国内数控机床制造企业在中高 档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，7 0 % 以上的此类设备和绝 大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍 然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平 依然落后、服务意识与能力欠缺、数控, 系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。 我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新 与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距 1 。 1 . 2 机床进行数控化改造的意义 国外利用数字计算机进行控制加工是从 4 0年代开始的。1 9 5 2年美国麻省理工学 院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动， 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 它成了世界上第一台数控机床。此后，从 6 0年代开始，其他一些工业国家如德国、 日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1 9 7 4 年微处理机直接用于数控机床，进一步 促进了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和 性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色 2 。 我国数控机床的研制是从 1 9 5 8 年开始的，经历了几十年的发展，直至 8 0 年代后 引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质 的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。 由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至 单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生 产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备 的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技 术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精 度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。这样既可以提高加工生产率， 改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床 的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为 此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景 3 。 1 . 3 机床数控化改造的设计任务 本课题来源于生产实践。将 C A 6 1 4 0型普通车床改造成经济型数控车床，应能实 现 C A 6 1 4 0 车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。 在整个设计过程中满足以下几点要求： （1 ）横向（X 向） 进给脉冲当量为 0 . 0 0 5 m m / 脉冲； （2 ）横向最快的工进速度：4 0 0 m m / m i n （无级调速） ； （3 ）床身上最大加工直径：4 0 0 m m ；最大加工长度：1 0 0 0 m m ； （4 ）C N C 系统主 C P U 采用单片机。 该设计的总体思路是采用以 8 0 3 1单片机为核心的数控装置控制加工过程。微机 通过 I / O 接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制 线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各 定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠转 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 动，从而使工作台产生移动，实现纵向、横向的进给运动。由于步进电机需要的驱动 电压较高，电流较大，如果将 I / O 输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干 扰，轻则影响单片机程序运行，重则导致单片机接口电路的损坏，所以在接口电路与 功率放大器之间加上隔离电路，实现电气隔离 4 。 2 总体方案的确定 卧式车床是金属切削加工最常用的一类机床。它主要用车刀对旋转的工件进行车 削加工。在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的 加工。车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配 工厂中使用最广的一类机床。C A 6 1 4 0 卧式车床的机构布局如图 2 . 1 所示。 图 2 . 1 C A 6 1 4 0 卧式车床的结构布局 对其进行改造应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 CPU 的选择，以及进给系统传动方式和执行机构的选择等。 （1）卧式车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以 及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。 （2）卧式车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前 提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电机的开环控制系统。 （3）根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济型 要求，决定选用 MCS51 系列的 8 位单片机作为数控系统的 CPU。MCS51 系列 8 位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。 （4）根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电 路、I/O 接口电路、D/A 转换电路、串行接口电路等；还要选择步进电机的驱动电源 以及主轴电动机的交流变频器等。 （5）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给系统应选用摩擦 力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杠 的螺母应有预紧机构等。 （6）计算选择步进电机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速齿轮副，且应有消 间隙机构。 （7 ）选择四工位立式自动回转刀架，选择螺纹编码器等 5 8 。 总体布局图如图 2 . 2 所示。 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 1 0 - 床身部件 2 0 - 车头箱部件 3 0 - 纵向进给部件 4 0 - 横向进给部件 5 0 - 尾架部件 图 2 . 2 总体布局图 2 . 1 主传动系统的改造方案 经济型的数控机床动力系统可分为三类： （1 ）步进电机式 采用步进电机驱动与定位，是开环系统，同时限于造价，不再采用其它措施补偿 位置误差。由于目前功率步进电机力矩还不太大，所以机床的空选种速度较低，一般 用于半精加工。这种系统具有 2 3种插补功能，通过软件控制接口，可加工锥面， 螺纹，简单外形的曲面等十分灵活。由于性价比较恰当，一般中小型企业在技术力量 和财力上都比较容易实现，因此在全国较容易推广，普及。 （2 ）交流点位式 采用交流电机变频驱动，用光栅数字点位控制，与步进电机相比，提高了定位精 度。光栅分辨率可达 0 . 0 0 1 m m ，重复定位精度为 0 . 0 0 5 m m ，所以加工精度较高。由于 采用交流电机驱动，功率大，可进行大切屑量加工零件加工中，效果尤为显著。目前， 交流点式系统只能加工柱面，不能加工曲面和螺纹功能上有限，而且成本高，使性能 价格比相对下降，一般用于大企业或专业化工厂使用，国内用的很少。 （3 ）半闭环连续控制式 采用直流伺服电机驱动，以脉冲编码器检测位置，实现半闭环连续控制。由于采 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 用高性能直流伺服电机驱动，扭矩大，速度高，过载能力强，可进行强力切削。当丝 杠螺在 6 m m左右时，快速可达 8 9 m / m i n ，且不丢步，效率高。该系统功能齐全，还 带有可编程序控制器，使强电计大大简化。 对卧式车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构， 这样可减少机械改造的工作量。主轴的正传、反转和停止可由数控系统来控制。 若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用 24 速的多速电 动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来 控制主轴电动机，已实现无极变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率 低于 70Hz，原来的电动机可以不换，但所选变频器的功率应比电机大） 9 。 2 . 2 换装自动回转刀架 为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自 动回转刀架。常见的自动回转刀架有四工位立式自动回转刀架和六工位卧式自动回转 刀架。如图 2 . 3 所示。 自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗 力。为了保证转位之后具有高的复杂定位精度，自动回转刀架还要选择可靠的定位方 案和合理的定位结构。自动回转刀架的自动换刀由控制系统和驱动电路来实现的。 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 2 . 3 自动回转刀架的外形 2 . 3 螺纹编码器的安装方案 螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴 脉冲发生器，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动。 螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将编码器 直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异 轴安装是指将编码器安装在主轴箱的后端，一般尽量装在与主轴同步的旋转输出轴， 如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比为 1：1 的同步齿形带与主轴联接起 来。需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性联接，且车床主 轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。 2 . 4 进给系统的改造与设计方案 （1）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹编码器。 （2）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速箱总成。 （3）拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在床鞍的下面安装纵向滚珠丝杠的 螺母座与螺母座托架。 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 （4）拆除四方刀架与小滑板总成，在中滑板上方安装四工位立式电动刀架。 （5）拆除中滑板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘一段锯断保留，拆 掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。 （6）将横向进给步进电动机通过法兰座安装到中滑板后部的床鞍上，并与滚珠 丝杠的轴头相联。 （7）拆去三杠（丝杠、光杠与操纵杠） ，更换丝杠的右支承 1 0 。 2 . 5 数控系统部分设计 数控系统按运动方式分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续( 轮廓) 控制系 统根据设计要求，C A 6 1 4 0 车床要加工复杂零件轮廓，其各坐标轴的运动有着确定的函 数关系。根据设计要求，本微机数控系统采用连续控制系统。 采用以步进电机驱动的开环控制。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。开环控制多用于负载变 化不大或要求不高的经济型数控设备中。 采用简易数控装置，以步进电机为驱动机构，实现在微机控制下的自动加工。其 工作原理是：根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程 序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机在监控程序的管理下工作，并通过专用控 制程序，把用户加工程序转化成一定频率和数量的脉冲信号，经驱动电路放大后驱动 纵横向二台步进电机转动，通过机械接口传动丝杠实现刀架纵、横两个方向的频率。 自动回转刀架由单片机发出换刀转位指令，由自动刀架驱动电源驱动三相电机使刀架 松开、抬起、旋转后再自动锁紧而完成转位换刀过程。 该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。微机通过 I / O 接口发出驱动 脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床 控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断 电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠传动，丝杠转动使工作台 产生移动。如图 2 . 4 所示。 光 电 隔 离 微 机 功 率 放 大 步 进 电 机 横向工作台 x x 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 图 2 . 4 C A 6 1 4 0 车床数控改造的方案示意图 综上所述，本设计改造的总体方案为：采用 M C S - 5 1 单片机对数据进行计算处理， 由 I / O 接口输出步进脉冲，步进电机经一级齿轮减速后，带动滚动丝杠转动，从而实 现纵向、 横向的进给运动。 数控改造后的车床不仅提高了原车床的精度和自动化程度， 达到快速调整且仍能保持车床的通用性，而且提高了原车床的功能，利用数控方法准 确地加工任意面的旋转体 1 1 。 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 3 横向进给系统的改造设计 3 . 1 横向进给系统的设计与计算 3 . 1 . 1 横向进给系统的设计 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， 用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证同轴度，提高传动精度。 3 . 1 . 2 横向进给系统的设计计算 已知条件： 工作台重（根据图纸粗略计算） 300N30kgf =W 时间常数 25ms=T 滚珠丝杠基本导程 4mm=L左旋 行程 230mm=S 脉冲当量 ep0.005mm/st= p d 步距角 step750/.a ? = 快速进给速度 1mm/min= max V （1 ）切削力计算 查参考文献 1 可得知，横向进给量为纵向的 1 / 2 1 / 3 , 取 1 / 2 , 则切削力约为纵 向的 1 / 2 763.8N76.38kgf152.76(1/2)= z F （3 . 1 ） 在切断工件时： 381.9N38.19kgf76.380.500.5= zz FF （3 . 2 ） （2 ）滚珠丝杠设计计算 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 （a ）强度计算 对于燕尾型导轨： W)(F fKFP zy += （3 . 3 ） 取1.4=K 0.2= f 则 30)(76.380.238.191.4+=P 747.4N74.74kgf = （3 . 4 ） 寿命值 513 10 150001560 10 60 66 . Tin L i i = = （3 . 5 ） 最大动负载 N52135kgf552137474121513 3 3 .LQ i = （3 . 6 ） 根据最大动负荷 Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。查参考文献 2 可知，选用型 号为 W L 2 0 0 4 - 2 . 5 X 1 B 左，其额定动负荷为 6 1 0 0 N ，所以强度足够用。 （b ）效率计算 螺旋升角933= ? r，摩擦角01 = 则传动效率 9560 01833 833 . )tan( tan )tan( tan = + = + = ? ? （3 . 7 ） （c ）刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 cm10965 7619110620143 440107474 6 26 = =. . EF PL ?L 0 1 （3 . 8 ） 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 2 ?L很小，可忽略，即： 1 ?L?L =。所以，导 程变形总误差为 m/m91410965 40 100 6 . ?L L 100 ? 0 = （3 . 9 ） 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差 1m长为 1 5m/m，故刚度足够。 （d ）稳定性验算 由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一 端悬空，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不用验算。 （3 ）齿轮及转矩有关计算 （a ）有关齿轮计算 传动比 671 3 5 0050360 4750 . . . d360 L i p 0 = = （3 . 1 0 ） 故取 18= 1 Z 30= 2 Z 2mm=m 20mm=b ? 20= 36mm= 1 d 60mm= 2 d 40mm= 1a d 64mm= 2a d 48mm=a 齿轮传动示意图。如图 3 . 1 所示。 图 3 . 1 齿轮传动示意图 （b ）齿轮传动间隙的消除措施 进给伺服系统中的减速齿轮，除了本身要求较高的运动精度和工作平稳性外，还 必须尽可能消除齿侧传动间隙，否则，进给运动会产生反向死区，影响传动精度和系 统稳定性。常用的齿轮传动间隙消除的方法有以下两种。 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 偏心套调整法 如图 3 . 2 所示，电动机 2 通过偏心套 1 装在壳体上，通过转动偏心套 1 能够方便 地调整两齿轮的中心距，从而达到消除侧间隙的目的。该方法结构简单，传动刚度好， 能传递较大的转矩，但齿轮磨损后齿侧间隙不能自动补偿。 1 - 偏心套 2 - 电动机 图 3 . 2 偏心套调整机构 双片薄齿轮错齿调整法 如图 3 . 3所示，两个齿数相同的薄片齿轮 1 、2与另外一个宽齿轮 6啮合。薄片 齿轮 1 与轴整体铸造而成，保证了机构的强度。薄片齿轮 2 套装在轴上，两片薄齿轮 之间可作相对回转运动。每个薄齿轮上分别连接三个沉头螺钉 4 、5 ，并在齿轮 2 上开 有三个较大通孔。齿轮 1 上的三个沉头螺钉 5 从齿轮 2 上三个大孔中穿过后，再通过 拉簧 7 与齿轮 2 上的螺钉 4 相联，螺母 3 可防止拉簧滑出。由于拉簧 7 的拉力作用使 齿轮 1 、2相互之间产生回转，分别与宽齿轮 6的两侧贴紧，从而消除了齿侧间隙。 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 1 、2 、6 - 齿轮 3 - 螺母 4 、5 - 螺钉 7 - 拉簧 图 3 . 3 双片薄齿轮错齿调整机构 （c ）转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 222 cmkgf0439001030 750143 0050180 = =) . (W) p d180 (J p 1 （3 . 1 1 ） 丝杠转动惯量 24- 4 cm0.624kgf502107.8= s J （3 . 1 2 ） 齿轮的转动惯量 cm0.262kgf23.6107.8 24- 4 = 1z J （3 . 1 3 ） cm2.022kgf26107.8 24- 4 = 2z J （3 . 1 4 ） 电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量 ()()04390262002226240 5 3 2 JJJJ i 1 J I1Z2ZS 2 + =+= 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 cm1.258kgf 2 = （3 . 1 5 ） （d ）所需转动力矩计算 r/min7416 4 3 5 1000 . L i? n o max max = = （3 . 1 6 ） mN2184010 025069 74162581 10 44 = = . T9.6 iJn M max amax （3 . 1 7 ） r/min1733 3460143 51501001000 . . . pDL ?fi1000 L fn n oo 1? t = = （3 . 1 8 ） cmkgf17750mN0174010 025069 17332581 4 = = Mat （3 . 1 9 ） mN028. 0cmkgf2870 5801432 3403020 = = =. p?i2 Wf p?i2 LF M 00 f （3 . 2 0 ） ()()mN0110cmkgf1160901 5801436 3401938 2 . ?1 p?i6 LF M 2 o oY o = = （3 . 2 1 ） mN1790cmkgf8241 5801432 3401938 . p?i2 LF M oY t = = （3 . 2 2 ） 所以，快速空载启动所需转矩 cmN3326cmkgf633211602870232.MMMM ofamax =+=+= （3 . 2 3 ） 切削时所需力矩： cmN0424cmkgf404282411160287017740.MMMMM tofat =+=+= （3 . 2 4 ） 快速进给时所需力矩： cmN034cmkgf403011602870.MMM of =+=+= （3 . 2 5 ） 从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时，mN3326cmkgf6332M= max 3 . 1 . 3 步进电机的选择 C 6 1 4 0 横向进给系统步进电机的确定 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 cmN28565 40 106332 . . . 0.4 M M Lo q = = （3 . 2 6 ） 电动机选用三相六拍工作方式，查参考文献 1 表 7 - 2 知： 8660. M M im q = （3 . 2 7 ） 所以，步进电机最大静转矩 im M为： cmN0176 8660 82565 . . . 0.866 M M q im = （3 . 2 8 ） 步进电机最高工作频率 Hz33333 005060 1000 . .d60 ? f p max max = = （3 . 2 9 ） 为了便于设计和计算，选用 1 1 0 B F 0 0 3型三相六拍步进电机，能满足使用要求。步进 电机的安装尺寸见表 3 . 1 ，图 3 . 4 所示 1 2 。 表 3 . 1 反应式/ 磁阻式步进电动机的安装尺寸 型号 D D1 h1 h2 d E b L d1 D2 键 MS 1 1 0 B F 0 0 3 1 1 0 8 5 4 8 1 4 2 9 1 1 2 1 8 6 9 1 3 2 平键 4 2 0 无 图 3 . 4 步进电动机外型及安装尺寸 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 31 页 订做机械设计 (有图纸 CAD 和 WORD 论文） QQ 1003471643 或 QQ 2419131780 3 . 2 数控车床的传动装置设计 数控机床的传动装置是指将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机 械传动链及其附属机构。包括丝杠螺母副、导轨、工作台等。在数控机床数字调节技 术领域，传动装置是伺服系统中的一个重要环节。因此，数控车床的传动装置与普通 车床中传动装置在概念上有