毕业设计（论文）-CA6140普通车床数控改造设计.doc

1 第一章第一章 引言引言 1.11.1 问题的提出问题的提出 数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少 的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、 精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以 优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质 量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接 影响。 购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高，很多工厂在 短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步 伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床， 由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生 产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。 而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床， 是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一 条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的 捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中， 占有一席之地。 1.1.11.1.1 国内外数控系统发展概况国内外数控系统发展概况 2 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。 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发 达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在 现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自 动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特 点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前， 数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式 实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超 小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多 学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、 调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上， CAD/CAM 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加 工。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC 只能作为非智 能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工 程序在实际加工前用手工方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。 CAD/CAM 和 CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 CNC 只是一个封 闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、 工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加 工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通 过反馈控制环节随机修正 CAD/CAM 中的设定量，因而影响 CNC 的工作效率 和产品加工质量。由此可见，传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式 体系结构，限制了 CNC 向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过 程，因此，对数控技术实行变革势在必行。 1.1.21.1.2 国内外数控技术发展趋势国内外数控技术发展趋势 (1)高速高精高效化 3 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速 CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交 流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高 速高精高效化已大大提高。 (2)柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖 面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系 统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最 大限度地发挥群控系统的效能。 (3)工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制 功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通 过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。 数控技术轴，西门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。 (4)实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务， 以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种 智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正 向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、 更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领 域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊 控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中 配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿 等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、 动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控 系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 1.1.31.1.3 智能化新一代智能化新一代 PCNCPCNC 数控系统数控系统 4 当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化 新一代 PCNC 数控系统已成为可能。 智能化新一代 PCNC 数控系统将计算机智能技术、网络技术、 CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿 真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。 1.21.2 普通机床数控改造的经济性评价普通机床数控改造的经济性评价 根据对市场的调研，目前新的经济数控车床，8.5 万/台，普通新车床 CA6140，售价 3.8 万/台，使用寿命 8-10 年，而已使用了 6-8 年的旧车床 CA6140，估价 0.5 万/台，通过改造还可使用 4-6 年。普通车床 CA6140 每台数 控化改造所需价格大约 3 万，数控加工的生产率可提高 20-30%。因此需要对普 通车床的数控化改造进行经济性评价。 设备现代化改造是指应用现代技术成就和先进经验，适应生产的需要， 改变现有设备的结构（包括更换新部件、新装置、新附件等） ，改善现有设备的 技术性能，使之全部或局部达到新设备的性能。 1.2.11.2.1 微观看改造的必要性微观看改造的必要性 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威力。 (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。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应 该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 (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。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下 来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换 一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动 化，故被称为实现了柔性自动化。 (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 (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。 由以上五条派生的优点：(1)降低了工人的劳动强度；(2)节省了劳动力 （一个人可以看管多台机床） ；(3)减少了工装；缩短了新产品试制周期和生产 周期；(4)可对市场需求作出快速反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床 数控化还是推行 FMC（柔性制造单元） 、FMS（柔性制造系统）以及 CIMS（计算 机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化 的核心技术和基础技术。 1.2.21.2.2 宏观看改造的必要性宏观看改造的必要性 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。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、 民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS 外， 还包括在产品开发中推行 CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推 行 MIS（管理信息系统） 、CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术， 包括人工智能等的含量。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。 第二章第二章 CA6140CA6140 普通车床数控改造总体方案的设计要求普通车床数控改造总体方案的设计要求 2.12.1 总体方案总体方案 总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式 和执行机构的选择等。 （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 6 补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续 控制系统。 （2）车床数控化改装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。在 8 位微机中，MCS51 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、具有很高的性价比， 因此，可选 MCS51 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中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，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副 也应有消除齿侧间隙的机构。 （8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。 （9）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。 （10）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，保正 安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。 总体方案设计图如图 2-1 所示 7 图 2-1 CA6140 普通车床数控改造总体方案示意图 2.2.2 2 设计要求设计要求 将 CA6140 普通车床改造成经济型数控车床。要求该车床具有切削螺纹的功 能，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： 在床面上400mm 在床鞍上210mm 最大加工长度：1000mm 快进速度 纵向2.4m/min 横行1.2m/min 最大切削进给速度 纵向0.5m/min 横行0.25m/min 代码制ISO 脉冲分配方式逐点比较法 输入方式增量值、绝对值通用 控制坐标数2 8 最小指令值 纵向0.01mm/pulse 横行0.005mm/pulse 刀具补偿量099.99mm 进给传动链间隙补偿量 纵向0.15mm 横行0.075mm 自动升降速性能有 2.2.3 3 主传动系统和进给系统的改造主传动系统和进给系统的改造 CA6140 型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制，而改造后 的车床则把主传动系统和进给系统的运动分离开。分别由各自的步进电机来控 制，但是为保证车床在车螺纹时主传动运动与进给运动之间的联系，所以在拆 掉进给系统的同时，必须在主轴上安装一个脉冲发生器，来实现主轴传动和进 给运动之间的联系。同时，为了提高机床的精度和效率，用滚珠丝杠来代替原 机床的光杠，并且采用单独的步进电机来控制。这样不仅提高了机床的性能和 精度，还提高了机床的使用性能。 (1) 机械部分的改造 首先拆去进给箱、溜板箱；还要对车床的床鞍进行部分的改造，拆去纵向 小拖板、 横向拖板，将丝杠换成滚珠丝杠，并且由一端驱动的步进电机来控制。 (2) 刀架的改造 CA6140 普通车床的刀架不能满足数改后的车床的性能和精度的要求。所以， 必须要换成数控自动刀架。 2.2.4 4 主轴脉冲发生器主轴脉冲发生器 为保持切削螺纹的功能，必须在主轴上安装脉冲发生器，采用脉冲发生器 直接与主轴由无间隙传动联轴器连接，达到传动系统结构简化，传动链短，传 动刚度提高。主轴与脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个 9 数和一个同步信号，经隔离电路以及 I/O 接口送给数控装置（CNC） ，脉冲发生 器及光栅编码器安装位置如图 2-2 所示 图 2-2 光栅编码器安装位置 主轴脉冲发生器的结构及原理: 脉冲发生器的组成部分包括白炽灯、聚光镜、光栅盘、光阑板、光敏管及 其光电整形放大电路组成。光栅盘和光阑板都是玻璃材料制成，玻璃表面经过 研磨抛光后用镀膜法镀上一层不透光的铬层，透光条及用照相腐蚀法制成。在 光栅盘上刻有明暗条纹，有单条和 1024 个条两组。当平行光束经过光栅盘时， 在光栅盘的另一面就产生明暗光带，这光带通过一个光阑狭缝，照在对应的光 敏管上，从而产生光电脉冲信号，经斯密特电路整形后输出。单条纹的一组产 生同步脉冲，每转发一个脉冲；1024 条纹的一组通过光栏上两个相位差 /4 间距的狭缝，产生两组每转 1024 个脉冲组相差为 /4 的脉冲序列，供给微机 处理，借以判断主轴正、反转，且可以从 1024 个脉冲中均匀地取出 F 个脉冲， 作为中断信号控制插补速度，实现 F 进给控制的目的。 10 图 2-3 脉冲发生器的结构原理图 第三章第三章 进给伺服系统机械部分设计与计算进给伺服系统机械部分设计与计算 3.13.1 进给系统机械结构改造设计进给系统机械结构改造设计 进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板 刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案： 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。 进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电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安 装在车床尾座端原来装轴承座的部分。 溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分 操作按钮。 横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠 螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部与滚珠丝杠相 连。 刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。 3.23.2 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、步进电机的计算和选型 等。计算简图如图 3-1、3-2 所示： 11 图 3-1 纵向进给 图 3-2 进给系统计算简图 3.2.13.2.1 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/step 和 0.005mm/step,在 CA6140 的技术参数中，要求纵向脉冲当量为 0.01mm/step。横向脉冲当量 p f =0.005mm/step。 p f 3.2.23.2.2 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。滚珠丝杠 副的结构原理示意图如图所示，它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线 运动转变为旋转运动。因此，滚珠丝杠副既是传动元件，也是直线运动与旋转 运动相互转换的元件。 组成：主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器） 、螺母座等组成。 工作原理：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形 成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而 复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。 特点：传动效率高：机械效率可高达 92%98%。 摩擦力小：主要是用 滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。 轴向间隙可消除：也是由于滚珠 的作用，提高了系统的刚性。经预紧后可消除间隙。 使用寿命长、制造成本 12 高：主要采用优质合金材料，表面经热处理后获得高的硬度。 图 3-3 滚珠丝杠螺母副的结构原理图 3.33.3 纵向进给系统的设计与计算纵向进给系统的设计与计算 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱 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。对车床改造 来说，外观不必象产品设计要求的那么高，而从改造方便，实用方面来考虑。一 般都把步进电机放在纵向滚珠丝杠的左端。 3.3.13.3.1 纵向进给系统的设计计算纵向进给系统的设计计算 电机初步估算转速为 1500r/min，进给速度 Vmax=4m/min, 传动比 i 为 1.25 根据机械设计手册可知： ； h P max max in V 为滚珠丝杠的基本导程 mm； h P Vmax丝杠的最大移动速度 mm/min； nmax丝杠副最大相对转速 r/min； i传动比 则： 13 mmPh13 . 2 150025 . 1 4000 所以根据滚珠丝杠基本导程的基本系列可在机械设计手册中查到 Ph， 选 Ph=6mm。 已知条件： 工作台重量： W=95kgf=950N 步距角： 0.75 /setp 滚珠丝杠基本导程： L0=6mm 行程： S=1000mm 脉冲当量 快速进给速度： =4m/min max V 切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 c NN K 式中 N电机功率，查机床说明书，N=7.5kw； 主传动系统总效率，一般为 0.6-0.7 取=0.65； K进给系统功率系数，取为 K=0.96。 则： =7.5 0.65 0.96=4.68kw c N 又因为 61200 vF N z c v N F c z 61200 式中 切削线速度，取 =150m/min。 vv 主切削力 （N） 44.1909 150 68 . 4 61200 z F 由金属切削原理可知，主切削力： FF ZZ ZZ Y X ZFpF FC afK 0.01/ p mm setp 14 式中： 切削深度（mm） ； 进给量（mm/r） ； p a f 总修正系数； FZ K 从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时： (0.1 0.6) XZ FF(0.15 0.7) YZ FF 取： =0.5 1909.44=954.72N； 0.5 XZ FF =0.6 1909.44=1145.664N。 0.6 YZ FF 3.3.23.3.2 滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠设计计算 根据经济型数控机床系统设计可知，综合导轨车床丝杠的轴向力： ； () XZ PKFfFW 式中、为 X、Z 方向上的切削力； X F Z F 导轨的摩擦系数； W为工作台的重量； f K考虑颠覆力矩影响的实验系数。 其中 K=1.15， =0.150.18，取为 0.16； f 则： P=1.15 954.72+0.16 (1909.44+950)=1555.45N; （1）计算： 寿命值： =； i L 6 60 10 ii nT 为滚珠丝杠当量转速； 使用寿命时间（h） ； i n i T 由以上条件，可以确定步进电机与滚珠丝杠齿轮之间的传动比： =1.25； p L i 360 0 0.75 6 360 0.01 15 由于电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动，所以滚珠丝杠的转速为： =； max n 1 n i 电机 1 1500 /min1200 /min 1.25 rr 由机械设计手册可知，当量转速在之间变化时： i n maxmin n与n ； maxmin 2 i nn n 取为 1r/min； min n 则： ； 1200 1 600.5 /min 2 i nr 取 =600； i n /minr 则： =(转) 6 60 600 15000 10 Li 6 540 10 最大动负载： 3 iWH QL Pff 其中： P滚珠丝杠的轴向力； 寿命值； i L 运动系数； 硬度系数； W f H f 从经济型数控机床系统设计表中可查到：=1.2 ； =1； W f H f 则： 。 3 540 1.2 1 1555.4515199.5899QN 根据最大动负载荷 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。可在机械计手册中 查到适合的滚珠丝杠。型号为 CMFZD40063.53 额定动载荷 18，800N，所以 强度足够用。 (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： ； () tg tg 式中：为螺旋升角； 为摩擦角。 16 其中： 0 0 L tg d 为滚珠丝杠基本导程； 为滚珠丝杠的公称直径； 0 L 0 d =； 6 3.14 40 arctgarc 2 44 滚珠丝杠副的滚动摩擦系数=,其中摩擦角可计算为： f 0.003 0.004 =arctg=； f 2 1 则： 。 93 . 0 )21442( 442 tg tg (3) 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程变化量： ； EF PL L 0 1 式中： 滚珠丝杠的基本导程（cm） ； P工作负载（N） ； 0 L E弹性模量； F滚珠丝杠截面积（按内径定） （cm2） ； 滚珠丝杠截面积： ； 2 2 d F 其中： ； 022ddeR 式中： 滚珠丝杠滚道圆弧偏心距； R滚道圆弧半径； e 其中： ； /2 cos W eRD 17 ； 1.04/2 W RD 式中： 滚珠直径； 接触角； W D 根据机械设计手册中的滚珠标准系列选=4mm；=45 W D 则： R=； 4 1.04/21.042.08 2 W Dmm ； 4 /2 cos2.08cos450.057 2 W eRDmm ； 022402 0.0572 2.0835.95ddeRmm ； 22 2 3.5953 3.1410.147 22 d Fcm 因此： ； cm EF PL L 6 6 0 1 1046 . 4 147.1010 6 . 20 6 . 045.1555 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略。 2 L 即： ； 1 LL 所以，导程变形总误差为： 。 mmL L /43 . 7 1046 . 4 6 . 0 100100 6 0 查表可知 3 级精度滚珠丝杠允许的螺距误差（1 米）长为 19，故刚度 /um m 够用。 (4) 稳定性验算 由于滚珠丝杠两端采用固定支承，所以稳定性没有问题。 3.3.33.3.3 齿轮及转距的有关计算齿轮及转距的有关计算 18 (1) 有关齿轮计算 传动比 ： i ； 25 . 1 01 . 0 360 675 . 0 360 0 p L i 故取： Z1=32； Z2=40； m=2； b=20mm； =20； a ； ； 11 2 3264dmZmm 22 2 4080dmZmm ； ； 11 2*68 aa ddhmm 22 2*84 aa ddhmm 。 12 6480 72 22 dd amm (2) 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： ； 2222 1 55 . 5 5 . 5595) 75 . 0 14 . 3 01 . 0 180 () 180 (NgcmkggmmWJ p 丝杠的转动惯量： ； 44 1 7.8 10 s JD L 式中： 滚珠丝杠的公称直径； 丝杠长度； D 1 L 则： 2244 52.299952.291504108 . 7NgcmkgcmJs 齿轮的转动惯量： ； 244 1 17.2624 . 6108 . 7NgcmJz ； 244 2 9 . 6328108 . 7NgcmJz 电机的转动惯量很小可忽略。 因此，总转动惯量： 211 2 1 sZZ JJJJJ i 19 2 2 3 . 26455 . 5 17.26) 9 . 6352.299( 25 . 1 1 Ngcm (3) 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩： ； max0f MMMM 最大切削负载时所需力矩： ； 0atft MMMMM 快速进给时所需力矩： ； 0f MMM 式中： 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； max M 折算到电机轴上的摩擦力矩； f M 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩； 0 M 切削时折算到电机轴上的加速度力矩； at M 折算到电机轴上的切削负载力矩； t M ； Ngm T Jn Ma 4 10 6 . 9 当时： max nn ； maxaa MM ；min/33.833 6 25 . 1 4000 max max r P iV n h ； kgfgcmNgmMa77.91177 . 9 10 025 . 0 6 . 9 33.83343.26 4 max 当时： t nn ； aat MM 20 ； min/17.142 6 25 . 1 3 . 0 2114 . 300 r L fi D v L fin n i t ； kgfgcmNgmMat 7 . 1557 . 1 10 025 . 0 6 . 9 17.14243.26 4 ； 0 0 0 22 f F L f WL M ihi 当时，时： 0.8h 0.16f ； NgcmkgfgcmM f 522.144522 . 1 25 . 1 8 . 014 . 3 2 6 . 09516 . 0 ； 0 0 2 00 1 2 P L M i 当=0.9 时预加载荷，则： 0 1 3 bX PF Ngcmkgfgcm i LF M x 776 . 5 5776. 0 25 . 1 8 . 014 . 3 6 )9 . 01 (6 . 0472.95 6 )1 ( 2 2 00 0 ； Ngcmkgfgcm i LF M x t 2 .9112. 9 25 . 1 8 . 014 . 3 2 6 . 0472.95 2 0 所以，快速空载启动所需力矩： max0af MMMM =917.7+14.522+5.776=738.000Ngcm； 切削时所需力矩： 0atft MMMMM =15.7+1.4522+0.5776+9.12=26.85kgfgcm=268.5Ngcm； 快速进给时所需力矩： M=Mf+M0=1.4522+0.5776=2.0298kgfgcm=20.298Ngcm； 由上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时： max M Mmax=738.000Ngcm。 21 第四章第四章 自动回转刀架的选型自动回转刀架的选型 卧式车床数控化改造应将原车床的普通手动转位刀架替换成自动转位刀架。 自动转位刀架由数控系统控制，效率高，工艺性能可靠。根据所加工零件的工 艺要求及车床控制方式确定自动刀架的刀位数和刀架类型。 4.14.1 数控车床刀架的基本要求数控车床刀架的基本要求 数控车床的刀架是车床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，在 一定程度上，刀架的结构和性能体现了车床的设计和制造技术水平，所以有如 下要求： (1)转位准确可靠，工作平稳安全； (2)按最短线路就近选择，转位时间短； (3)重复定位精度高； (4)防水、防屑，密封性能优良； (5)夹紧刚性高，适宜重负荷切削。 4.24.2 自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的工作原理 当数控系统发出换刀信号后，刀架控制器中继电器动作，电动机正转驱动 涡轮蜗杆减速机构转动，驱动螺杆升降机构旋转使上刀架上升,当上刀架上升到 一定高度时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转。刀架上端的发信盘中对应每 个刀位都安装一个霍尔传感器元件，当(1-电动机；2-固定安装丝杠；3-安全离 合器；4-刀架)上刀体旋转到某一刀位时，该刀架上霍尔元件输出高电平。在上 刀体旋转过程中，发信盘不断的向数控系统反馈刀位信号。数控系统将反馈刀 位信号与指令刀位信号相比较，当两信号相同时，说明上刀体已旋转到所选刀 位。此时，数控系统立即控制刀架控制继电器使电动机反转，活动销反靠在反 靠盘上初定位。在活动销反靠作用下，螺杆带动上刀体下降，直至齿牙盘啮合， 完成精定位，并通过涡轮蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。向数控系统发出转位完 成信号，切断电源，电动机停转，完成选刀过程。 第五章第五章 CA6140CA6140 数控改造步进电机的设计数控改造步进电机的设计 22 步进电机是受脉冲信号控制的，脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成， 而信号的放大由放大电路来完成。由于强弱信号的原因，我们在放大电路前加 上光电耦合电路，以防止电源串路。 5.15.1 步进电机的工作方式步进电机的工作方式 步进电机的工作方式和一般电机的不同，是采用脉冲控制方式工作的。只 有按一定的规律对各相绕组轮流通电，步进电机才能实现转动。数控机床中采 用的功率步进电机有三相、四相、五相、和六相等。工作方式有单 m 拍，双 m 拍、三 m 拍及 2m 拍，m 是电机的相数。所谓单 m 拍是指每拍只有一相通电， 循环拍数为 m；双 m 拍是指每拍同时有两相通电，循环拍数为 m；三 m 拍是每拍 有三相通电，循环拍数为 m 拍；2m 拍是各拍既有单相通电，也有两相或三相 通电。一般电机的相数越多，工作方式越多。 由步距角计算可知，循环拍数越多，步距角越小，因此定位精度越高。另 外，通电循环拍数和每拍通电相数对步进电机的矩频特性、稳定性等都有很大 的影响。步进电机的相数也对步进电机的运行性能有很大影响。为提高步进电 机输出转矩、工作频率和稳定性，可选用多相步进电机，并采用 2m 拍工作方 式。 5.25.2 步进电机的选择步进电机的选择 5.2.15.2.1 步进电机选用的基本原则步进电机选用的基本原则 合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统的实际工 作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如 下： (1) 步距角 步距角应满足：； mn a i 式中： 传动比； i 系统对步进电机所驱动部件的最小转角。 mn a 23 (2) 精度 步进电机的精确可用步距误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意 位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用积累 误差衡量精度比较实用。所选用的步进电机应满足： Qi 式中： 步进电机的积累误差； m 系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。 s (3) 转距 为了使步进电机正常运行（不失步、不越步） ，正常启动并满足对转速的要 求，必须考虑： (4) 启动力矩 一般启动力矩选取为： 0 0.30.5 L M M : 式中： 电动机启动力矩； q M 电动机静负载力矩。 0L M 在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电 动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 (5) 启动频率 由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相 应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： top m ff 式中： 极限启动频 t f 要求步进电机最高启动频率； op m f 24 5.2.25.2.2 CA6140CA6140 纵向进给系统步进电机的确定纵向进给系统步进电机的确定 0 938.078 1876.16 0.50.5 L q M MN cm: 为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： ； /0.866 qjm MM 所以，步进电机最大静转距为： jm M 1876.16 2166.46 0.8660.866 q jm M MN cm: 步进电机最高工作频率： max max 4000 6666.6 6060 0.01 p v fHz 综合考虑，查表选用 130BF003 型直流步进电动机，能满足要求。 5.2.35.2.3 CA6140CA6140 横向进给系统步进电机的确定横向进给系统步进电机的确定 0 101.61 203.22 0.50.5 L q M MN cm: 为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： ； /0.866 qjm MM 所以，步进电机最大静转距为： jm M 203.23 234.67 0.8660.866 q jm M MN cm: 步进电机最高工作频率： max max 2000 6666.6 6060 0.005 p v fHz 综合考虑，查表选用 110BF003 型直流步进电动机，能满足要求。 第第 6 6 章章 CA6140CA6140 普通车床数控化改造的数控系统普通车床数控化改造的数控系统 6.16.1 数控车床及数控系统概述数控车床及数控系统概述 25 第五技术委员会，对数控机床的定义：数控机床是一种装有程序控制系统 的机床，该系统能够处理用号码或其它符号编码指令规定的程序。定义中所指 的程序控制系统，就是数控系统或数控装置。它是一种控制系统，能自动阅读 读入载体事先给定的数字值，并将其译码，从而控制机床动作，进行零件加工。 数控机床的结构主要由机床主机、驱动装置、辅助装置、CNC 装置和编程装置 等组成。 图 6-1 数控机床的主要结构 6.1.16.1.1 机床主机机床主机 机床主机是数控机床的机械主体，由能实现各可控运动主轴和主运动的带 传动、齿轮传动（变速箱）系统、工作部件和支承件等组成。在结构上数控机 床主机与相应的非数控机床虽有类似的部分，但也有自己的特点：采用高性能 的主轴及进给伺服传动系统；能长时间连续自动化加工，又能保持加工质量稳 定性；通常采用预加载荷的滚珠丝杠副、直线滚动导轨副以及贴塑导轨等。 6.1.26.1.2 驱动装置驱动装置 数控机床主传动一般都由直流或交流主轴伺服电动机驱动。主轴调速功能 由主轴伺服电动机的伺服单元接受数控装置给出的电位信号或数码转换信号控 制，使电动机达到指定的转速。电动机上带速度反馈元件，它把电动机实际转 速反馈给控制单元。 图 6-2 进给传动表明每一个可控轴进给机构伺服系统的基本构成，按反馈 控制形式分为以下三类： 26 图 6-2 数控机床进给机构伺服系统 (1) 开环伺服系统。如图 6-2 中虚线方框内结构，开环伺服系统没有检查 机械运动的检测元件，即没有来自位置传感器的反馈信号。典型的开环伺服系 统由步进电动机或电液脉冲马达驱动，运动速度和精度较低，运动中容易产生 振荡、丢步等现象，因此仅用于经济型或简易型数控机床，其精度和速度的提 高受到限制。 (2) 半闭环伺服系统。这一类系统的位置检测元件从机械传动链的中间取 得信号，检测元件大多是装在伺服电动机后端或滚珠丝杠驱动端，能获得比闭 环伺服系统稳定性好的控制特性，而且也较经济，是全功能数控机床广泛采用 的一种控制形式。 (3) 闭环伺服系统。如图 6-2 所示，这类系统接受数控装置输出的指令信 号，同时又接受由位置传感器检测的实际位置反馈信号，两者进行比较处理并 由其差值不断进行误差修正；因此可以消除由于传动系统中存在的误差（如滚 珠丝杠的导程误差)和热变形等的影响，得到较高的定位精度和加工精度。主要 用于一些精度要求较高的数控机床，特别是精密、高精密数控机床，如精密卧 式加工中心。 6.1.36.1.3 辅助装置辅助装置 数控机床和非数控机床类似，包括液压和气动装置，冷却系统、润滑系统、 自动排屑装置、防护装置等。数控机床对这些装置的工作质量、可靠性和技术 性能都要求较高。 27 6.1.46.1.4 数控装置系统数控装置系统 数控装置是数控机床的控制核心，包括运算和存储等计算机硬件、CRT 显 示器，操作面板和键盘、各种不同形式纷输入输出装置，以及相应配套的运算 控制软件等。多数数控机床一般都采用计算机数控装置(CNC 装置)，即按微机 结构原理的硬件平台(有的采用少量专用芯片)配置专用软件，构成软件数控系 统。数控装置通常具备的功能有：各可控轴控制及多轴联动控制、各种插补运 算、代码转换、人机对话、局部加工功能选择、各种补偿功能、CRT 显示、故 障自诊断功能、与管理系统联网通信功能。数控系统功能档次可分为经济型(简 易型)、全功能普及型和全功能高级型。全功能高级型还可有 MAP 通信协议接口， 具有计算机联网和集成信息通信功能。 6.1.56.1.5 编程装置编程装置 数控机床程序编制(简称编程)方法有手工和自动编程。对于点位加工或形 状不太复杂的零件，编程计算较简单，程序段不多，用手工即可实现。但对于 复杂零件，特别是空间曲面零件，编程计算相当繁琐，编程工作量大，必须采 用自动编程方法。自动可分为离线编程和在线编程。与数控系统相脱离单独的 自动编程系统实现离线编程，可为多台数控机床，编程时不占用机床工作时间。 自动编程系统与数控系统连在一起时，可进行在线编程。例如有的 CNC 装置具 有人机对话型编程功能，就是将离线编程机的许多功能移植到了数控系统。按 输入方式的不同，自动有语言输入、图形输入和语音输入三种方式。 6.26.2 微机控制系统硬件电路设计微机控制系统硬件电路设计 6.2.16.2.1 控制系统的功能要求控制系统的功能要求 (1) z 向和 x 向进给伺服运动控制 (2) 自动回转刀架控制 (3) 螺纹加工控制 (4) 行程控制 (5) 键盘及显示 28 (6) 面板管理 (7) 其他功能：光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。 6.2.26.2.2 硬件电路的组成硬件电路的组成 电路的组成如下： (1) CPU 采用 8031 芯片； (2) 扩展程序存储器 2764 两片，6264 一片； (3) 扩展可编程接口芯片 8155 两片； (4) 地址锁存器，译码器个一个； (5) 键盘电路，显示电路； (6) 光电隔离电路，功率放大功率； (7) 越程报警电路，急停电路，复位电路； (8) 面板管理电路。 由于 MCS51 系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套芯片 价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控车床改 造的需要。C6140 数控改造以 8031CPU 组成的单板机为数控控制系统。也可直 接购买国内较好的数控系统系列产品做为数控装置。 第七章第七章 安装调整中应注意的问题安装调整中应注意的问题 7.17.1 滚珠丝杠螺母副的选择滚珠丝杠螺母副的选择 滚珠丝杠螺母副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂。都是由专业工厂 按系列化进行生产。因此在进行设备改造时，要按厂家生产标准进行选择。选 择合适以后再决定被改造设备的 其他相关