毕业设计（论文）-用单片机控制普通车床CA6140的数控化改造.doc

青岛黄海职业学院 毕 业 设 计（论 文）设计(论文)题：用单片机控制普通车床CA6140的数控化改造姓 名 : 学 号 :系 部 : 机电工程系 专 业 : 机电一体化 年 级 : 07级2班 指导教师 : 2010年10 月 28日前 言 大学四年的学习生活即将结束，大学学习生活中的最后一个环节也是最重要一个环节毕业设计，是对所学知识和技能的综合运用和检验。本人的毕业设计课题是对普通车床（CA6140）进行经济型数控改造，其内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（伺服进给机构设计、自动转位刀架的选择或设计、编码盘安装部分的结构设计）、主运动自动变速原理等。对普通车床进行经济型数控改造符合我国国情，即适合我国目前的经济水平、教育水平和生产水平，又是国内许多企业提高生产设备自动化水平和精密程度的主要途径，在我国有着广阔的市场。从另一个角度来说，该设计既有机床结构方面内容，又有机床加工方面内容，还有数控技术方面的内容，有利于将大学所学的知识进行综合运用。虽然设计者未曾系统的学习过机床设计的课程，但通过该设计拓宽了知识面，增强了实践能力，对普通机床和数控机床都有了进一步的了解。毕业设计作为我们在大学校园里的最后一堂课、最后一项测试，它既是一次锻炼，也是一次检验，在整个设计过程中，我获益匪浅。在此，我要衷心感谢曹传剑老师对我的关心和细致指导。由于毕业设计是我的第一次综合性设计，无论是设计本人的纰漏还是经验上的缺乏都难免导致设计的一些失误和不足，在此，恳请老师和同学们给以指正。 设计者：董士庆 2010年10月28日摘 要本设计说明书包括：概论、总体设计方案的拟定和验证、主传动部分的改造设计、伺服进给系统的改造设计、自动转位刀架的选择设计、编码盘安装部分的结构设计等几个部分。改造后的机车，主运动实现自动变速，纵向、横向进给系统进行数控控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲，横向最小运动单位0.005/脉冲，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。关键字：数控改造 进给系统 滚珠丝杠 自动刀架 Abstract This introduction of the design included:The draw-up of the general outline, the decision and verify of the total designal projection, the reforms design to the parts of the lord spreads to move,the reforms design to the system of serve enters ,the choice and design to the knife which turn automatically, the constructions design of coding dish gearing part ,and so on.while the Motorcycle been reformed, the lord exercises realize to change speed automatically. lengthways, horizontal enter to proceed to system the number controls the control, and request to attain lengthways minimum sport unit as 0.01 mm/ pulse, horizontal minimum sport unit as 0.005 mm/ pulse, knife must be the automatic control a knife which is turning automatically,and it is able to slice the thread automatically.Key word: The number controls to reforms the system of enters roll the bead in silk automatic knife .目 录 第一章 概论5一、数控系统的发展简史5二、数控系统的发展趋势5三、机床数控化改造的必要性5四、机床改造的效益分析6第二章 普通车床的数控改和可行性论证8第一节 车床的数控改造8一、设计内容及任务8二、数控机床工作原理及组成8第二节可行性论证9第三章 总体方案的拟定和论证10第一节 总体设计方案的拟定10一、主传动系统的设计改造10二、数控系统的选择设计10三、自动转位刀架选择设计11四、驱动系统的设计改造：11第二节 总体设计方案的确定12第四章 主传动部分改造与设计14第一节主传动部分改造方案拟定和设计的内容14第二节 主传动部分改造设计计算15第五章 伺服进给机构设计21第一节 伺服系统的组成原理和要求21第一节伺服进给机构的设计内容和设计计算21一、纵向进给系统的设计22二、横向进给系统的设计计算29第三节 步进电机的选择34一、CA6140纵向进给系统步进电机确定34二、CA6140横向进给系统步进电机的确定35第四节 伺服系统说明35一、机床进给系统的结构及工作原理35二、步进电动机36三、步进电动机的驱动电源36四、滚珠丝杠副37第六章 自动转位刀架39第一节 数控车床刀架的基本要求39第二节 自动转位刀架的工作原理39第三节 刀架的安装40第七章 编码盘安装部分的结构设计42第一节 光电编码器工作原理42第二节步进电机频率对编码盘的限制和编码盘的安装43第八章 控制电路中硬件和常用软件模块设计44第一节 系统硬件设计44一、8031单片机44二、程序存储器45三、数据存储器45四、地址锁存器46五、接口芯片46六、译码器46七、脉冲分配器47第二节 软件设计47一、插补方法概述48二、逐点插补原理48三、插补程序设计49四、诊断程序53五、步进电机控制程序设计55六、单片机控制的自动换刀程序设计60七、典型零件的加工程序设计61设计小结64参考文献65第一章 概论一、 数控系统的发展简史1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。二、数控系统的发展趋势1. 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统、远程通讯、远程诊断和维修将更加普遍。2. 向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。3. 向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（1）应用自适应控制技术 数控系统能检测生产过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（2）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（3）引入故障诊断专家系统 （4）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。三、机床数控化改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的能力。 1 、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2 、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。 3、 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。 4 、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5、 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看 管加工。6、 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。四、 机床改造的效益分析提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和实用的途径，采用第二中方法有以下的优点：1、减少了投资和交货的期限同购置新的数控机床相比，一般可以节省60%到80%的费用，改造的费用大大减低。2、 机械的稳定性可靠机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。3、 熟悉了解设备结构性能，便于操作维修购买的新设备，事先很难当面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。4、 可以充分利用现有的条件可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以再利用。5、 可更好的因地制宜合理筛选功能购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造的方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法把某些部件设计改造成专用的数控机床。6、 可及时采用最新技术，充分利用社会资源由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造 ，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改造成当今水平的机床。第二章 普通车床的数控改和可行性论证 第一节 车床的数控改造一、设计内容及任务普通车床（）的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（伺服进给机构设计、自动转位刀架的选择或设计、编码盘安装部分的结构设计）、主运动自动变速原理、部分系统控制软件设计。本设计任务是对卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲，横向最小运动单位0.005/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。二、数控机床工作原理及组成1. 数控机床工作原理：数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。图2-1 数控机床的组成图 2.数控机床的组成：数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图2-1。 第二节 可行性论证可行性论证是用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。根据传统的论证方法，普通车床经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即从企业生产经营现状及存在的问题分析；从企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析；改造后车床的实施计划，结论等。由于原因限制，设计者只能就改造的投资概算作一简要的可行性论证。本改造设计是对普通车床进行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是苏东方数控新技术公司生产的NIM-9702型数控系统，常州宏达机床数控设备厂的电动刀架，加上两台伺服电机，费用约为5万余元；一台交流调速电动机和齿轮减速机构，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副等零件，费用约为2万余元，总的改造费用约为78万元。旧车床估计截至在67万元。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过15万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和加工精度的有效选择，具有一定的实用性。第三章 总体方案的拟定和论证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。第一节 总体设计方案的拟定CA6140车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制的对象。察看CA6140车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体改造方案。一、主传动系统的设计改造对普通车床进行数控改造时，一般可保留原有的主传动系统和变速操作机构，以减少改造量。但本设计中为了提高车床的自动化程度，以便于在加工过程中实现自动变换切削速度，对其作了相应的简化改造。采用交流调速电机做车床主轴电机以取代原来的主轴电机，以实现无级调速；并简化原来传动系统，以达到多档调速范围的确定。二、数控系统的选择设计计算机数控装置（CNC）即控制装置是数控机床的中心环节。它通过对加工程序的运行处理，发出控制信号，实现对加工过程的自动控制。在本设计中，由于时间较短、设计人员少，因而我们决定引进江苏东方数控新技术公司生产的NIM-9702数控系统。NIM-9702数控系统有以下特点： （1）是以单片机为核心的两坐标联动经济型数控系统； （2）图形跟踪CRT显示； （3）最小输出增量：X轴0.005，Z轴0.01； （4）具有直线、圆弧、螺纹插补和间隙、刀具补偿功能； （5）程序输入方式：键盘、RS-232C。三、自动转位刀架选择设计数控机床的刀架是机床的重要组成部分。其结构直接影响车床的切削性能和效率。卧式车床数控改造应将原来机床的普通手动转位刀架替换成自动换位刀架，本设计决定采用常州武进数控设备厂生产的LD4四工位螺旋转位刀架。四、驱动系统的设计改造：由于改造设计的是简易型经济数控机床，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。（1） 控制方式类型选择 数控机床的伺服进给系统有开环控制、闭环控制和半闭环控制之分。开环系统：结构简单、工作可靠、造价低廉，但影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在，故精度和快速性较差。开环控制的定位精度一般为0.010.02，不能满足横向最小运动单位0.005/脉冲的要求。闭环系统：控制精度高、快速性好，但对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环控制的定位精度一般为0.0010.003，本设计属经济型数控改造，无须达到此精度。半闭环系统：结构简单、调整方便，在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多，故本设计采用半闭环控制。半闭环控制系统组成原理图如下： 图3-1半闭环控制原理图（2）伺服进给机构的改造 纵向进给机构的改造：拆除原来机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，装上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在丝杠的左端，采用滚珠丝杠可以提高系统的精度和纵向进给的整体刚度。横向进给机构的改造：拆除原来横向进给的丝杠，换上滚珠丝杠；保留原来的横向手柄机构，横向步进电机和减速箱安装在机床后侧。（3）步进电动机的选用选用步进电动机，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小。但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素。首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。为兼顾精度与速度的要求，应在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以此为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。（4）丝杠螺母副卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠，即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。由于，滑动丝杠螺母副的摩擦大、转动效率低。在精度要求不高的情况下，可以仍用原机床的滑动丝杠。若要求机床精度和被加工精度较高的情况下，应将原机床的滑动丝杠螺母副改换成滚珠丝杠螺母副。考虑本设计的设计要求，选用滚珠丝杠螺母副代替原机床的滑动丝杠螺母副。 第二节 总体设计方案的确定经总体设计方案的论证后，确定的CA6140的车床经济型数控改造的总体方案示意图如下图所显：CA6140车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机；车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安装主轴脉冲发生器。微机光电阻隔微电机刀架光阻编码器光电阻隔功率放大功率放大光电阻隔功率放大变频调速电 机步 进电 机步 进电 机主 轴纵向工作台横向工作台 图3-2总体方案设计图第四章 主传动部分改造与设计在改造设计之前，让我们先来看一下数控机床主传动与普通机床相比所具有的特点：1）采用调速电机驱动，以满足主轴根据数控指令进行自动变速的需要；2）传动路线短，从而简化了主传动系统机械结构；3）转速高、功率大；数控机床的主传动系统除应满足普通机床传动要求外，还应满足如下要求：具有更大的调速范围，并实现无极调速。 数控机床就要为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产效率、加工精度和表面质量，必须有更高的转速和更多的调速范围。为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。 数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理的支承跨距等，以提高主轴件的刚性。具有良好的抗振性和热稳定性。 数控机床上一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具和或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中的各主要零部件不但要求有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗振性。抗振性用动刚度或动柔度来衡量。第一节 主传动部分改造方案拟定和设计的内容 改换主轴电动机，换成调速电动机，通过对电动机的变频调速控制再加以简单的齿轮调速来实现自动变速，齿轮调速部分用磁离合器控制齿轮啮合。数控机床主轴变速方式主要有无级调速、分段无级调速和内置电机变速等。在本设计中采用分段无级调速。无级变速能够选用最合理的切削用量，可在运转中变速，操作方便，简化机械结构。无级变速主要是利用直流和交流调速电动机。但直流调速电动机恒功率调速范围很小，一般只有12，很少到34，且换向有限制，现大多采用交流变频主轴驱动系统。交流变频调速电动机的性能与直流调速电动机类似，在额定转速以下为恒转矩区，在额定转速以上为恒功率区域。一般主轴调速电动机的恒功率调速范围为34，对于恒功率变速范围大的主轴传动系统，需要增加变速齿轮，以保证主轴上较大的恒功率范围。考虑本设计机床要求采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案即分段无级变速。利用车床的主轴交流异步电动机、变频器构成了变频调速系统。交流电动机的转速与频率，电动机的级对数及转差率之间的关系为=,由此可知，改变电源的频率，即可改变电动机转速，且转速与频率成正比。考虑本设计机床的要求，采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案，即分段无级变速。所谓分段无级变速就是在交流或直流电机无级调速的基础上配以齿轮变速。它能够实现中、高速段的恒功率传动，低速段的恒转矩传动。主轴的变速则有电动机的无级变速与齿轮的有级变速相配合来实现。第二节 主传动部分改造设计计算根据机车要求粗选车床主轴变速范围：=100 =2500 =25粗步估算电动机功率根据统计分析法： =36.5 取400 (据车床说明书，机床的最大加工直径)所以 =36.50.41.54=8.9()1. 切削力参数的确定 切削力： =9.81. (据实用机床设计手册，以后若无说明则源于实用机床设计手册)查表2.2-4得：=1 =0.75 =0 =1 =188 查表2.1-16（据金属切削原理） 粗加工精加工切削深度461.02.0进给量0.80.40.20.4切削速度80110120150估算最大最小的切削力： =6286.5（） =1121.4（）切削功率： =（） (4-4) 则最大最小的切削功率为： =9.95（） =2.52（）主电动机功率： =（） (4-5)主转动链的总效率 取=0.9 则最大最小的总效率 ： =11（） =2.8（）根据计算选用11的电动机： 最高转速 =3500 额定转速 =14602.确定变速级数z和公比j主轴计算转速： = （46）则 =25=99.5（）主轴恒功率变速范围： = （47）即 =25.12电动机恒功率变速范围：= （48）即 =2.40 公比： = （49）即 =14.7齿轮变速级通常为24当取2时： j=13.25当取3时： j=3.64当取4时： j=2.37若选用=2 j=13.25 = （410）即 =2.0（）若选用=3 j=3.64 =7.25（）功率降低区的最小输出满载功率仅为2.0、7.25，与机床要求的最大功率相差太大，故不能采用。若选用=4 j=2.37 =11.14（）符合机床功率要求。3.主轴参数计算主轴恒转矩变速范围： = （411）即 =3.98因为主轴和电动机的恒转矩变速范围应相等，即：=主电动机的最低转速： = （412）即 =366.8 电动机额定转矩： = （413）即 =71.95（）主轴计算转速： =44.04()主轴恒功率变速范围： = （414）即 =35.07分级变速机构的变速范围： = （415）即 =14.6主传动系统总降速比： = （416）即 =0.068=1/164.分段无级变速传动方案确定由前面计算得：=4，j=2.37令：1=2=j试取1 查表2.3-4取=1.12则： =2.66 =0.47故取：=23 =61=50 =56=64 =30由以上计算得： =3.556 取=3.55故取：=20 =70根据原机床的机床说明书取：=2.5，=2，=2.25，=2.25 =35, =所以： =2.523=57.5（） =2.561=152.5（） =250=100（） =256=112（） =2.2565=144（） =2.2531=67.5（） =2.2520=45（） =2.2570=157.5（）因为齿轮、轴、轴承的型号大小与原机床无大的改动，所以这里就不再作强度、刚度的校核。 根据实用机床设计手册知：当j时，在变速箱的每档内会使一部分低转速的传动功率下降，按恒转矩方式变速，在曲线上会出现“缺口”，曲线上的缺口则称为功率降低区；当j时，可保证主轴在自计算转速（）至最高转速（）范围内全部为 图4-1 主轴传动系统恒功率，曲线上无“缺口”，可以充分利用主电动机的功率（该机床主轴传动系统图4-1）。电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，它便于实现自动操作，能简化变速系统。给图中齿轮装上电磁离合器，通过传动轴上的离合器吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现自动变速。改造后的机床为实现其螺纹加工还须配置主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件。它与车床主轴同步运行，采集主轴运动时的数据信息，发出主轴转角位置变化信号，输入到数控系统内，再由数控系统通过软件控制，以保证主轴每转一转时，螺纹车刀也同步在纵向进给一个螺纹，并保证螺纹加工中分几次切削时不发生乱扣，即每次螺纹切削进刀位置一致。主轴脉冲发生器一般采用增量式光电编码器，其安装通常有两种方式：同轴安装、异轴安装。同轴安装方式是直接与车床主轴的后端相联结，这种方式结构简单，但缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件；异轴安装方式是通过齿轮或同步齿形带传动，使主轴与光电编码器同步转动，其结构复杂，但避免了前述同轴安装的缺点。本设计中是采用异轴安装方式。主轴脉冲发生器属光学元件，安装时应小心轻放，不能有较大的冲击和振动，以防损坏玻璃光栅盘，造成报废。应注意主轴脉冲发生器的最高运行转速，车床主轴的转速必须小于此转速，以免损坏脉冲发生器。第五章 伺服进给机构设计伺服进给机构的设计是普通车床经济型数控改造的主要部分，如果说系统是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么，伺服驱动系统便是数控机床的“四肢”，是执行机构，它忠实而准确的执行由系统发来的运动命令。伺服控制系统是联接数控系统与机床的枢纽，其性能是影响数控机床的精度、稳定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。第一节 伺服系统的组成原理和要求机床进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。机床进给机械传动系统通常由减速齿轮、滚珠丝杠、机床导轨和工作台拖板等组成。对于伺服驱动控制系统，按其反馈信号的有无，分为开环和闭环两种控制方式。对于开环伺服系统只能由步进电机驱动，它由步进电机驱动电源和电动机组成。闭环伺服系统则分为直流电动机和交流电动机两种驱动方式，并且是双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器以及功率驱动放大器等部分组成。位置环是由装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。根据其位置检测信号所取部位不同，它又分为半闭环和全闭环两种。半闭环采用转角位置检测装置，安装于滚珠丝杠端部，或直接与伺服电动机转子的后端相连（与伺服电动机成一体）；对于全闭环系统需要采用直线位置检测装置，安装于机床导轨与工作台拖板之间。通常伺服驱动控制单元与电动机由一个生产厂家配套提供（甚至包括位置检测装置）。伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构。为确保机床的加工质量和效率，机床对其伺服系统有“稳、准、快、宽、足”五个要求，它反映了伺服驱动系统的五项性能指标。第一节 伺服进给机构的设计内容和设计计算伺服进给机构的设计内容包括：纵向进给系统的设计与计算、横行进给系统的设计与计算、步进电机的选择三大部分，该部分设计的总体方案示意图如图5-1所示。要使这三大部图5-1 伺服进给机构设计总体方案分与数控系统的配合达到好的效果，伺服进给机构的改造设计部分除了主要的三大部分内容外，还包括与步进电动机相关的驱动电源、功率放大电路、辅助电路；与滚珠丝杠副相关的机床导轨等内容的设计选择。一、纵向进给系统的设计普通车床的经济型数控改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端，从改造方便、实用方面来考虑，一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端，即尾架部位。已知的条件：工作台重量： =100=1000 （根据图纸粗略计算）时间常数： =25滚珠丝杠基本导程： =6行程： =600脉冲当量： =0.01步距角： =0.750最大进给速度： =21.切削力计算由实用机床设计手册可知：切削功率： = （51）电机功率 =11主传动链的总效率 取=0.90进给系统的功率系数，取=0.96则： =110.900.96=9.504（）又因为： = （52）则： = （53）切削线速度，取v=100所以： =581.64（kgf）=5700（）由金属切削原理可知：主切削力：=9.81查表得： =188 =1 =0.75 =1计算如下：2223330.20.30.40.20.30.41103.11495.21855.21654.72242.82782.9当=1495.2时，切削深度=2，走刀量=0.3以此参数作为下面计算的依据，从实用机床设计手册中可知，在一般外圆切削时：=（0.10.6） =（0.150.7）=0.5=0.55700=2850（）=0.6=0.65700=3420（）2.滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。综合车床导轨丝杠的轴向力： = （54）式中 由于上选用的是矩形的导轨，根据机床设计手册查出，=1.1 ，=0.15则： =1.12850+0.15（5700+1176）=4166.4（）（1）强度计算：寿命值： = （ 55）所以： = （56）取工件直径： =80查表得： =15000（自动控制机床及机床通常的取值）所以： =20（r/min） =18最大动载荷： = （57）表51 运转系数值表：运转状态运转系数fW无冲击的圆滑运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击的运转1.52.5 表5 2硬度系数表硬度（HRC）6057.55552.55047.54542.54030硬度系数fH1.01.11.21.42.02.53.34.55.010查表取： 运转系数： =1.2硬度系数： =1 =13767.26（）根据最大动载荷的值和原机床参数，选择滚珠丝杠的型号，即内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，公称直径为40，导程为6，滚珠列数为5列，精度等级为级（一般数控机床精度等级为级），额定动载荷为26000。 表53 型滚珠丝杠具体参数：公称直径基本导程钢球直径丝杠大径轴端直径额定载荷（）刚度动载荷静载荷406438.93526842220螺 母 安 装 连 接 尺 寸DD3BhMTEL160947515915948M63668因为： 2600013767.26, 所以强度不成问题。（2）效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为：= （58）式中： 摩擦角： j= 螺旋升角： = =0.953（3）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载引起导程的变化量： = （59）式中： =6=0.6 =20.6106滚珠丝杠截面积： F=3.14=12.56102（）则： =10.1510-8（）滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可以忽略，即：=所以导程变形总误差为： = （510）即 =16.92（）查表知级精度丝杠允许的螺距误差（1长）为25，故刚度足够。（4）稳定性验算 根据公式: FK=fk2EI/KL2Fmax （511） 式中: fk=2(双推简支); =20.610Pa; I=12.56 (cm4)K=4; L=Ls=35d1=354=140 (cm) (Ls为丝杆长度)FK=2