毕业设计（论文）-3160A普通磨床数控改造.doc

西南科技大学本科生毕业论文 第1章 绪论1.1 数控技术发展趋势当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状，在此基础上讨论了在我国加入WTO和对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在高精尖数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行（IT、汽车、轻工、意料等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。1.1.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12000r/mm和1g。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。1.1.2 5轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。1.2 对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50，配国产数控系统（普及型）也达到了10。1、战略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。2、发展策略从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。1.3 数控机床机构的特点在数控机床发展的最初阶段，其机械结构与通用机床相比没有多大的变化，只是在自动变速、刀架和工作台自动转位和手柄操作等方面作些改变。随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，才对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。数控机床的主体机构有以下特点：1、由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动结构大为简化，传动链也大大缩短；2、为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小；3、为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度，更多地采用了高效传动部件，如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等；4、为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率。 1.4 本章小结制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。第2章 3160A普通磨床数控改造总体方案由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。根据3160A磨床有关资料以及数控磨床的改造经验，确定总体方案为：采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现Z向、X向进给运动。系统总体方案框图如下：图2-1 总体方案示意图2.1 数控磨床改造设计步骤3160A型普通磨床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制，而改造后的磨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，但是为保证磨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。首先拆去进给箱、溜板箱；还要对磨床的床鞍进行部分的改造，拆去纵向小拖板、 X向拖板的丝杠换成滚珠丝杠，并且由一端驱动的步进电机来控制。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。其改造设计的一般过程为：1、对加工对象进行工艺分析，确定工艺方案。被加工工件既是机床改造的依据，又是机床改造后加工的对象。不同形状，不同技术要求的工件，其加工方法就不同。对机床的要求也不同。在工艺分析的基础上，绘制工序图，初步选定磨削用量、磨具运动路线，计算（或估算）生产率。然后计算磨削力及磨削功率，从而计算出进给系统需要的功率和力矩等。这是选择方案及驱动部件的依据，目前多采用类比法或着测量法来完成。2、分析被改造机床，确定被改造机床类型。机床改造是围绕某台机床进行工作，不仅要考虑机床本身结构的改造，还要考虑工艺系统的磨具及其他辅具的改进，以满足生产的需要。在制定改造方案时，可先根据制定的工艺方案。初步选定被改造机床的类型，然后对被选定的机床进行认真分析，了解被改造机床的技术规格，技术状况，各部联系尺寸等，分析机床刚度和强度，分析被改造机床能否适应改造要求以及经济性等。3、拟定技术措施，制定改造方案。4、设计或选用数控装置。5、进行机床改造的技术设计。6、绘制机床改造工作图。7、整机安装调试。2.2 控制方式方案比较与确定1、开环控制数控机床图2-2开环系统控制框图在开环控制中，机床没有检测反馈装置，如图2-2所示，数控装置发出信号的流程是单向的，所以不存在系统稳定性问题。也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不作检测，所以机床加工精度不高，其精度主要取决于伺服系统的性能。其工作过程是：输入的数据经过数控装置运算分配出指令脉冲，通过伺服机构（伺服元件常为步进电机）使被控工作台移动。这种机床工作比较稳定，反应迅速，调试方便，维修简单，但其控制精度受到限制。它适用于一般要求的中、小型数控机床。2、半闭环控制数控机床半闭环数控系统的组成框图如图2-3所示。这种控制方式对工作台的图2-3半闭环系统控制框图实际位置进行检查测量，而是通过与伺服电机有联系的测量元件，如测速发电机A和光电编码盘B等间接检测出伺服电机的转角，推算出工作台的实际位置量，用此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有完全包括在控制回路内，因而称之为半闭环控制。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，高度却比闭环方便。图2-4闭环系统控制框图3、闭环控制数控机床由于开环控制精度达不到精密机床和大型机床的要求，所以必须检测它的实际工作位置。为此，在开环控制数控机床上增加检测反馈装置，在加工中时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置相符合，以期达到很高的加工精度。闭环控制系统框图如图14所示。图中A为速度测量元件，C为位置测量元件。由于设计系统是经济型，考虑成本问题选用开环系统。2.3 传动丝杠选择滚珠丝杠摩擦损失小、效率高，普通磨床其传动效率可在90以上，且精度高、寿命长。特点如下：1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。2、高精度的保证滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。3、微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。4、无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。5、高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。综合分析选用滚珠丝杠替换机床原有的普通梯形丝杠2.4 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2-5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。数控机床传动的设计要求除了具有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。为确保数控机床进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械传动装置时，通常提出了无间隙、低磨擦、低惯量、高刚度、高谐振频率能及有适宜的阻尼比的要求。为了达到这些要求，采取主要措施如下：1、尽量采用低摩擦的传动，如采用静压导轨、滚动导轨和滚动丝杠等，以减少摩擦力。2、选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能大地加速，以达到跟踪指令，系统折算到驱动轴上的转动惯量尽量小的要求。3、缩短传动链以及预紧的办法提高传动系统的刚度。如采用大扭矩宽调速的直流电机与丝杠直接联接，应用预加负载的滚动导轨和滚动丝杠副，丝杠支承设计成两端轴向固定的，并可用预拉伸的结构等办法来提高传动系统的刚度。4、尽量消除传动间隙，减少反向死区误差。如采用消除间隙的联轴器（如用加锥销固定的联轴套，用键加顶丝紧固的联轴套以及用无扭转间隙的挠性联轴器等），采用有消除间隙措施的传动副等。图2-5滚珠丝杠螺母副结构原理图2.4.1 滚珠丝杠副的工作原理、特点及类型弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道b，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道，滚道内装满滚珠。当丝杠在滚道内既自转又沿滚道循环转动。因而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。滚珠丝杠副的特点是：1、磨擦损失小、传动效率高，高达0.920.96（滑动丝杠为0.20.40）。2、螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，传动精度高、刚性好。3、磨擦阻力小，且几乎与运动速度无关，动静磨擦力之差极小，不易产生低速爬行现象，保证了运动的平稳性。4、磨损小，寿命长，精度保持性好。5、不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，也能将直线运动转换为旋转运动，可满足一些特殊要求的传动场合，但当立式使用时，应增加制动装置。6、工艺复杂，成本高。国产的标准滚珠丝杠副分为两类：定位滚珠丝杠副（P类），即通过旋转角度和导程控制轴向位移量的滚珠丝杠副；传动滚珠丝杠副（T类），即与旋转角度无关，用于传递动力的滚珠丝杠副。此外，滚珠丝杠副通常还可根据其特征进行分类，如按制造方法的不同分为普通滚珠丝杠副和滚轧滚珠丝杠副；按螺母类型式分为单侧法兰盘单螺母型、双法兰盘双螺母型、圆柱双螺母型、圆柱单螺母型、简易螺母型及方螺母型等；按螺旋滚道型面分为单圆弧面和双圆弧面；按滚珠的循环方式分为：外循环和内循环式。目前国内外生产的滚珠丝杠副，尽管在结构上各种各样，其主要区别是在螺旋滚道型面的形状、滚珠的循环方式以及轴向间隙的调整和预加载的方法等方面。1、 螺纹滚道型面的形状及其主要尺寸螺旋滚道型面（即滚道法向截形）的形状有多种，常见的截形有单圆弧面和双圆弧型面两种。图2-6为螺旋滚道型面的简图，图中钢球与滚道表面接触点处的公法线与螺纹轴线的垂线间的夹角称为接触角。理想接触角=45。（a） 单圆弧 （b）双圆弧2-6滚珠丝杠副螺旋滚道型面的形状（1）型面 如图（a）所示，通常滚道半径rn稍大于滚珠半径rw，通常2rn=（1.041.11）Dw。对于单弧型面的螺纹滚道，接触角是随轴向负荷F的大小而变化。当F=0时，=0，承载后，随F的增大，的大小由接触变形的大小决定。当接触角增大后，传动效率Ed、轴向刚度Rc以及承载能力随之增大。（2） 圆弧型面 如图（b）所示，滚珠与滚道只在内相切的两点接触，接触角不变。两圆弧交接处有一小空隙，可容纳一些脏物。这对滚珠的流动有利。单圆弧型面，接触角是随负载的大小而变化，因而轴承刚度和承载能力也随之而变化，应用较少。双圆弧型面，接触角选定后是不变的，应用较广。 2、丝杠副的循环方式常用的循环方式有两种：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。图2-7插管式外循环方式原理图1压板 2弯管（回珠管） 3螺母 4滚珠（1）外循环 外循环多用螺旋槽式和插管式。上图所示为常用的插管式，被压板1压住的弯管2的两端插入螺母3上与螺纹滚道相切的两个孔内，引导滚珠4构成循环回路。特点是结构简单、制造方便。但径向尺寸较大，弯管端部容易磨损。若不用弯管，在螺母3的两个孔内装上反向器，引导滚珠通过螺母外表面的螺旋凹槽形成滚珠循环回路，则称为螺旋槽式，其径向尺寸较小，工艺也较简单。外循环式使用较广，其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性。（2）内循环 内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种型式。如图2-7(a)所示为圆柱凸键反向器，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向器槽2。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键1定位，以保证对准螺纹滚道方向。图 2-7(b) 为扁圆镶块反向器，反向器为一半圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽3，用镶块的外廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。图2-7内循环方式原理图1凸键 2、3反向器内循环反向器和外循环反向器相比，其结构紧凑、定位可靠、刚性好、且不易磨损、返回滚道短、不易发生滚珠堵塞、磨擦损失也小。其缺点是反向器结构复杂、制造困难、且不能用于多头螺纹传动。由于滚珠在进入和离开循环反向装置时容易产生较大的阻力，而且滚珠在反向通道中的运动多属前珠扒后珠的滑移运动，很少有“滚动”，因此滚珠在反向装置中的摩擦力矩M反在整个滚珠丝杠的摩擦力矩Mt中所占比重较大，而不同的循环反向装置由于回珠通道的动轨迹不同，以及曲率半径的差异，因而M反/Mt值较小。2.4.2 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法滚珠丝杠副的轴向间隙，是指负载时滚珠与滚道型面接触的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。滚珠丝杠副的轴向间隙直接影响其传动刚度和传动精度，尤其是反向传动精度。因此，滚珠丝杠副除了对本身单一方面的进给运动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格的要求。滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧，通常采用双螺母预紧方式，其结构型式有三种。基本原理是使两个螺母间产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的。1、垫片调隙式如2-8图所示结构。是通过改变垫片的厚度，使螺母产生轴向位移。这种结构简单可靠、刚性好，但调整费时，且不能在工作中随意调整。图2-8双螺母垫片式结构图2、螺帽调隙式 如2-9图所示为利用螺帽来实现预紧的结构，两个螺母以平键与外套相联，键可限制螺母在外套内移动，其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。用两个锁紧螺帽1、2能使螺母相对丝杠作轴向移动。这种结构既紧凑，工作又可靠，调整也方便，故应用较广。但调整位移量不易精确控制。这种结构既紧凑，工作又可靠，调整也方便，帮应用较广。但调整位移量不易精确控制，因此，预紧力也不能准确控制。图2-9双螺母帽式结构图3、齿差调隙式 如2-10图所示为齿差式调整结构。在两个螺母的凸缘上分别有齿数为Z1、Z2的齿轮，而且Z1、Z2与相应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开内齿圈，使两个螺母同向转过相同的齿数，然后再合上内齿圈。两螺线的轴向相对位置发生变化从而实现间隙的调整和施加预紧力。如下图所示图2-10双螺母齿差式结构图一个螺母转过n个齿时则其轴向位移量为（Ph为丝杠导程，Z1为齿轮齿数）。如两齿轮沿同方向各转过n个齿时，其两螺母间相对轴向位移量（Z2为另一齿轮齿数）或。例如：当n=1，Z1=99，Z2=100，,即两个螺母在轴向产生1的位移。这种调整方式的结构复杂，但调整准确可靠，精度较高。除上述三种双螺母加预紧力的方式外，还有单螺母变导程自预紧和单螺母钢球过盈预紧方式，综合考虑采用双螺母垫片式结构。为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承及其支承方式是十分重要的。常用的支承方式有下列几种，1、一端装止推轴承（固定自由式）这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠。如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直坐标中。2、一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承（固定支承式）滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减少丝杠热变形的影响，止推轴承的安装位置应远离热源（如液压马达）。3、两端装止推轴承 将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。4、三端装止推轴承滚珠丝杠较长时，有助于提高传动刚度，为了减少丝杠热变形的影响，止推轴承的安装位置应远离热源。综合考虑采用第4种方案1、采用减速箱的目的及注意事项为了保证步进电机的启动性能，要特别考虑负载惯性矩。当所带负载的惯性矩增大时，由于步进电机是按电磁铁吸力原理来动作，所以当惯性矩增大到某一值时，就会使步进电机产生擅动就会产生启动不良效果，所以，使用步进电机时尽量选小的负载。在本次设计过程中我们采用减速齿轮来联结滚珠丝杠和步进电机，以达到改变惯性矩的目的。同时，应该尽可能地消除配对齿轮之间的间隙，否则就会产生使运动滞后的指示信号的误差，对加工件的精度就会产生很大的影响。2、减少或消除空程的必要性数控机床的传动精度，除了机床的几何精度、丝杆精度影响外，又受其本身因素的影响，产生滞后现象而引起的间隙误差。在这次设计改造过程中只能采用开环系统，数控系统不能对磨床的误差进行修改，所以只能通过机械的方式对其各部分传动误差进行修改。3、消除方法本次设计采用双片齿轮来达到消隙的目的，通常将一对齿轮的从动齿制成两片，其中一片固定在轴上，两片之间装有弹簧，弹簧力使两片齿轮的齿廓分别与主动齿轮的齿廓贴紧，从而完全消除了齿侧间隙2.5 本章小结本章首先分析了数控改造机床的基本步骤，然后从原机床3610A机床的基本结构入手，根据目前数控改造现状，制定出本次数控改造的总体方案。主要方案内容包括步进电机的开环控制方式，进给系统的机械传动方式，硬件电路工作示意图及软件设计思想。然后又对传动部分中占重要位置的滚珠丝杠螺母副进行了简单的介绍，然后通过实际应用选择了滚珠丝杠的调整预紧方式和支承方式。第3章 进给系统设计计算3.1 机床规格机床重量6000KG工件最大直径300mm磨削最小直径10mm最大中心距1000mm磨削厚度1000mm砂轮75075305mm最大磨削速度35m/s最小磨削速度28m/s外形尺寸（长宽高）332022251500mm脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控机床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/step。根据机床精度要求确定脉冲当量：Z向：0.01mm/step, X向：0.005mm/step(半径)3.2 磨削力计算用机床经验公式F=D来计算主磨削力式中D指磨床身上最大加工直径（mm）。X向切端面时主磨削力可取纵切时F的1/2。求出主磨削里F以后再按以下比例分别求出分力F和F。F：F：F=1 ：0.25 ：0.5式中 F：指磨削方向的磨削力（N）；F：指垂直磨削方向的磨削力（N）。Z向磨外圆主磨削力F(N)按经验公式估计算：F=D= （N）按磨削力各分力比例：F：F：F=1 ：0.25 ：0.4F（N）F（N）X向磨端面主磨削力（N）可取纵切的1/2。 （N） （N） （N）3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型3.3.1 Z向进给丝杠计算进给轴向力F（N）磨床丝杠的轴向力：F式中K：指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15；：指滑动导轨摩擦系数取0.150.18之间的值；(取0.17)G：工作台重力，G=1100N。则 F=（N）计算最大动负载Q考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响，则最大动负载Q的计算公式为：QL式中 ：指滚珠丝杠导程，初选=8；n：指丝杠转速，（r/min）；：指最大磨削力条件下的进给速度（m/min）,可取最高进给速度的1/21/3，此处取=0.3；：指使用寿命时间（h）,对于数控机床取T=15000h.。L：指寿命，以10转为一单位；：指运动系数，见3.1表，选=1.3。表3.1运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.5-2.5则 n( r/min)L Q（N）1、滚珠丝杠螺母副的选型根据最大动负荷Q值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝扛参照汉江机床厂的产品样本选取FYC2D系列，滚珠丝杠宜径选为32mm，型号为FYC2D 3208-2.5额定动载荷足18437度足够用。3.5 传动效率计算 式中 ：指螺旋升角，=455：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数其摩擦角，约等于。则 2、刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量=式中 E：指丝杠材料弹性模量，对钢E（N/mm）；式中=8mm=0.8cmE=20.616N/cm。滚珠丝杠截面积 F=（）3.14则=12.095 mm查表知3级精度丝杠允许的螺距误差(1m长)为19mm，故刚度足够。稳定性验算：由于机床原丝杠直径为30mm，现选用的滚珠丝扛直径为32mm，支承方式不变，所以稳定性不存在问题。3.3.2 X向进给丝杠1、计算进给轴向力X向导轨为燕尾形，计算如下：由于是燕尾形导轨式中： K=1.4，=0.2则 N2、计算最大动负载Qn( r/min)L Q（N）根据最大动负荷Q值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝扛参照汉江机床厂的产品样本选取FYC2D系列，滚珠丝杠宜径选为25mm，型号为FYC2D 2506.3额定动载荷足12945度足够用。3、传动效率计算式中 ：指螺旋升角，=275：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数其摩擦角，约等于。则 4、刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量=式中=6mm=0.6cmE=20.616N/cm。滚珠丝杠截面积 F=（）3.14则=9.071 mm查表知3级精度丝杠允许的螺距误差(1m长)为19mm，故刚度足够。稳定性验算：由于机床现选用的滚珠丝扛直径与原丝杠直径相同，支承方式不变，所以稳定性不存在问题。3.4 齿轮传动比计算1、Z向进给齿轮箱传动比计算已确定Z向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角，可计算出传动比：在闭式软齿面齿轮传动中，齿轮的弯曲强度总是足够的，因此齿数可取多些，推荐取Z=2440。所以可选定齿轮数为：2、X向进给齿轮箱传动比计算已确定X向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角，可计算出传动比：可选定齿轮数为： 因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。有关参数参照表。表3.2传动齿轮几何参数所处位置Z 向X 向齿数24401845分度圆直径48803690齿顶圆直径52844094齿根圆直径43753185齿宽（610）m16161616中心距64633.5 步进电动机的计算和选型等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算：式中 ：指步进电机转子转动惯量；、：指齿轮、的转动惯量；：指滚珠丝杠转动惯量；：指工件及工作台重量（N）；：指丝杠导程（）；参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量。（分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽）（分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽）（分别表示Z向滚珠丝杠的公称直径和支承间距）把这些数据代入上式： 电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按个阶段计算：1、快速空载起动力矩在快速空载起动阶段，加速度所占的比例较大，具体计算公式如下：以上式中 ：指空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩（）； ：指折算到电机轴上的摩擦力矩（）；：指丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（）；：指传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量；：指电机最大角加速度（）；：指电机最大转速（）；：指运动部件最大进给速度（）；：指脉冲当量（）；：指步进电机步距角（）；：指运动部件从停止起动到最大快进速度所需时间（s），这里是30ms；：指导程的摩擦力（N），；：指垂直方向的切削力（N）；：指工件及工作台重量（N）；：指导轨摩擦系数，；：指运动部件的总重量（N）；：指齿轮降速比；按计算；：指传动链总效率，一般可取；：指滚珠丝杠预加负载，一般取/3，为进给轴向力（N）；：指滚珠丝杠导程；：指滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取。Z向进给步进电机计算将以前计算所得数据代入： （）（）（）则 （）2、快速移动时所需力矩（）3、最大切削负载时所需力矩（）从上面计算可以看出，、和三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。由表3.3得：当步进电机为三相六拍时，则（N）表3.3步进电机起动转距与最大静转距关系步电机相 数三 相四 相五 相六 相拍 数36485106120.50.860.770.890.910.860.86按此最大静转距从表中查出，150BF002型最大静转距为13.72，大于所需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运动矩频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率可查出150BF002型步进电机允许的最高空载启动频率为2800运行频率为8000，再从图5查出150BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。从图中看出，当步进电机起动时，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（800.77），直接使用则会出现失步，所以必须采用升降速控制（用软件实现），半起动频率降到1000，起动力矩可提高到588.4，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频则完全可以满足要求。图3-1 150BF002型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性X向进给步进电机计算和选型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：；所以，步进电机最大静转距为：步进电机最高工作频率：综合考虑，查表选用130BF003型直流步进电动机，能满足要求。3.6 本章小结通过对数控改造进给系统的机械传动部分进行了设计和计算。在这些基本结构选择好之后，通过对机床加工中磨屑力的计算最终得出所选滚珠丝杠需满足的动载荷，并以此为依据选择出最终需要的滚珠丝杠副型号。在滚珠丝杠选好之后，再根据传动比设计出减速箱的减速齿轮组合，最终根据选好的滚珠丝杠副的齿轮副计算出所需步进电机启动力矩和启动频率，最终选择好步进电机完成机械传动部分的设计和计算。参数总结 参数方向进给丝杠直径和型号进给齿轮箱传动比进给脉冲当量滚珠丝杠导程进给步进电机型号Z向直径mm，型号为FYC2D 3208-2.5额定动载荷1843740/240.01mm/step8mm130BF003型直流步进电动机X向直径mm，型号为FYC2D 2506.3额定动载荷足1294545/180.005mm/step6mm150BF002型直流步进电动机第4章 微机数控系统的设计4.1 微机数控系统的设计纲要4.1.1 硬件电路设计硬件是组成系统的基础，也是软件编程的前提，数控系统硬件设计包括以下几部分内容：1、绘制系统电气控制的结构框图2、据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。机床硬件电路由五部分组成：（1）主控制器，即中央处理单元CPU；（2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；（3）存储器，包括程序存储器和数据存储器；（4）接口，即输入/输出接口电路；（5）外围设备，如键盘、显示器等。机床数控系统硬件框图如图41所示： 图41机床数控系统硬件框图（开环系统）选择中央处理单元CPU的类型根据设计要求，CNC系统的主CPU采用8031单片机。存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。选EPROM作程序存储器时，应考虑：速度应与CPU时钟匹配；容量适中。I/O接口电路设计，设计内容包括：据外部要求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。这部分设计要求考虑系统的驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。在存储器扩展和I/O接口电路中，均涉及到地址译码问题。4.1.2 软件电路设计软件是硬件的补充。确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。软件设计步骤分为以下几步：1、据软件要求实现的功能，制定出软件技术要求；2、将整个软件模块化，确定个模块的编制要求，包括个模块功能，入口参数，出口参数；3、据硬件资源，合理分配好存储单元；4、分别对个模块编程，并调试；5、连接各模块，进行统一调试及优化；6、固化到程序存储器中。7、数控系统中常用的软件模块8、软件实现环形分配器；9、插补运算模块；自动升降速控制模块等。4.2 8031单片机及其扩展4.2.1 8031单片机的简介1、8031芯片引脚及片外总线结构（1）8031芯片引脚功能8031芯片有40个引脚，引脚配置见图4-2： 图4-28031芯片引脚（2）各引脚按功能可分为三部分：I/O口线：P0，P1，P2，P3共4个8位口；控制口线：，ALE，RST； 电源及时钟：V、V；XTAL1，XTAL2。（3）应用特性：I/O口线不能都用作用户I/O口线；I/O口的驱动能力，P0口可驱动8个TTL门电路，P1，P2，P3则只能驱动4个；P3是双重功能口。2、8031单片机片内结构8031单片机由7个部件组成，既微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定时/计数器及中断系统，它们都是通过片内单一总线连接而成的。4.2.2 8031单片机的系统扩展8031单片机内无程序存储器，如不扩展外部程序存储器则不能工作，且片内仅有128字节数据存储器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片内RAM也不够用，须扩展。8031片内四个I/O口中仅P1口可作为8位双向的I/O接口用户使用，也须扩展，有些情况还须扩展定时/计数器等。1、8031的片外总线结构所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展：数据总线（DB）：由P0口提供，数据总线要连接到连接的所有外围芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。地址总线（AB）：16位，可寻址范围为64K字节，AB由P0口提供低8位地址，与数据分时传送，传送数据时将低8位地址锁存。高8位地址由P2口提供。控制总线（CB）：系统扩展用控制总线有、ALE、。2、系统扩展能力据地址总线的宽度，在片外可扩展的存储器最大容量为64K字节。片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号。允许两者的地址重复。故片外可扩展的数据存储器与程序存储器分别为64K。扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。3、地址锁存器8031扩展系统时，由P0口提供数据及低8位地址，分时传送，故须地址锁存。常用的地址锁存器芯片是74LS373（带三态缓冲输出的8D触发器），其引脚及连接见图 图4-374LS373引脚及连接图图中：DD：信号输入端；QQ：信号输出端；G：下降沿时，将DD锁存于内部；E：使能端，E=0时，三态门处于导通状态，输出端QQ与输入端DD连通，当E=1时，输出三态门断开，输入数据锁存。4、地址译码8031扩展电路中，都涉及到外部地址空间分配问题，即当8031数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选，然后再进行片内地址选择。地址译码实现片选的方法可分为三种：线选法、全地址译码法和部分地址译码法。这里选用部分地址译码法。这种方法是线选与地址译码相结合。图9为74LS138码器的引脚图。当G时，74LS138工作。C、B、A的输出决定译码器的输出引脚。4.2.3 存储器扩展1、存储器常用芯片（1）EPROM芯片 常用的程序存储器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均为28脚双列直插式扁平封装长片，图10为常用EPROM引脚。图4-4常用EPROM引脚排列EPROM选用原则：据控制对象和任务的复杂程度，以及是否需要大量计算来确定存储系统容量（粗略估计，留有一定余地，以备系统的功能扩展用），为使电路简化，尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合。芯片的工作速度满足系统的时序要求。8031访问EPROM时，其所提供的读取时间t与所选的晶体时钟有关，约为3T，不同型号的EPROM工作速度一般为200450ns，故选取芯片时，应使其工作速度小于t。（2）数据存储器数据存储器有动态和静态之分，两者相比，静态RAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，扩展简单，在数据存储器扩展电路中应用较广泛。常用的静态RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它们都由单一的+5V电源供电，28脚双列直插式扁平封装，典型存取时间为150200ns。其引脚如图4-5所示：图4-5常用RAM的引脚2、存储器的扩展8031芯片与存储器的连接存储器扩展实质是三总线的连接。据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。数据线的连接：将8031芯片的PP按位与RAM数据线DD直连。地址总线的连接：据确定的地址线根数，将相应的低位地址线相连，剩余高位地址线作片选。控制总线的连接：对应控制线连接。4.2.4 I/O口的扩展MCS51单片机共有四个8位并行I/O口，可提供给用户使用的只有P1口和部分P3口线，因此不可避免的要进行I/O端口的扩展。Intel公司常用的外围接口芯片有：8155、8255及8279等。此外还有74LS系列的TTL电路和CMOS电路锁存器、三态门电路也可以为扩展I/O口。I/O口扩展方法据扩展并行I/O口时数据线的连接方式，I/O口扩展方式可分为三种：总线扩展方法串行口扩展方法通过单片机片内I/O口的扩展方法常用接口芯片（1）8155芯片8155芯片内具有256个字节RAM、2个8位、1个6位的可编程I/O口和1个14位计数器。8155的结构和引脚见图4-6： （a） (b)图4-68155的逻辑结构与引脚 (2)8255芯片8255具有3个8位的并行I/O口，分别为PA、PB、PC口，其中PC口又分为高4位（PCPC）和低4位（PCPC）。（3）8279芯片8279内部有168显示数据RAM，通过命令字可选择显示器的4种工作方式，内部还有6字节。4.3 步进电机驱动电路在经济型数控机床中，大多采用步进电机开环控制。而单片机的I/O口或I/O扩展口的驱动能力有限，为使步进电机正常运行并输出一定功率，需有功功率放大环节；为避免强电干扰，因此还需采用隔离电路。其控制电路框图如图4-7所示： 图4-7步进电机控制框图4.3.1 脉冲分配器（环行分配器）有硬件和软件分配器两种，硬件分配器需要的I/O接口连线少，执行速度快，需要专用的芯片，软件则用程序实现。脉冲分配器的芯片目前采