卧式车床数控化改造设计—横向进给系统设计.doc

本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页目 录1 绪论11.1 国内外数控机床的发展11.2 机床进行数控化改造的意义21.3 机床数控化改造的设计任务32 总体方案的确定42.1 主传动系统的改造方案52.2 换装自动回转刀架62.3 螺纹编码器的安装方案72.4 进给系统的改造与设计方案72.5 数控系统部分设计83 横向进给系统的改造设计103.1 横向进给系统的设计与计算103.2 数控车床的传动装置设计163.3 自动转位刀架的设计224 微机数控部分设计254.1 概述254.2 数控系统的硬件电路设计264.3 软件设计27结束语29致谢30参考文献31 本科毕业设计说明书（论文） 第 35 页 共 31 页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1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987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80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90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1956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。 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1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台，出口27,409台，占59%)。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80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC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3,674人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，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，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002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，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，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，70%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40年代开始的。1952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，它成了世界上第一台数控机床。此后，从60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。1974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1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80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CA6140型普通车床改造成经济型数控车床，应能实现CA6140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0.005mm /脉冲；（2）横向最快的工进速度：400mm/min（无级调速）；（3）床身上最大加工直径：400mm；最大加工长度：1000mm；（4）CNC系统主CPU采用单片机。该设计的总体思路是采用以8031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。CA6140卧式车床的机构布局如图2.1所示。图2.1 CA6140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58。总体布局图如图2.2所示。10-床身部件 20-车头箱部件 30-纵向进给部件 40-横向进给部件 50-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23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0.001mm，重复定位精度为0.005mm，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6mm左右时，快速可达89m/min，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。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。（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10。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，CA6140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，丝杠转动使工作台光电隔离微机功率放大步进电 机横向工作台xx产生移动。如图2.4所示。 图 2.4 CA6140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MCS-51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11。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） 时间常数 滚珠丝杠基本导程 左旋行程 脉冲当量 步距角 快速进给速度 （1）切削力计算 查参考文献1可得知，横向进给量为纵向的1/21/3,取1/2,则切削力约为纵向的1/2 （3.1）在切断工件时： （3.2）（2）滚珠丝杠设计计算（a）强度计算对于燕尾型导轨： （3.3）取 则 （3.4）寿命值 （3.5）最大动负载 （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WL2004-2.5X1B左，其额定动负荷为6100N，所以强度足够用。（b）效率计算螺旋升角，摩擦角则传动效率 （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 （3.8）滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即：。所以，导程变形总误差为 （3.9）查表知E级精度丝杠允许的螺距误差1长为15，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 （3.10）故取 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。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。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 （3.11）丝杠转动惯量 （3.12）齿轮的转动惯量 （3.13） （3.14）电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量 （3.15）（d）所需转动力矩计算 （3.16） （3.17） （3.18） （3.19） （3.20） （3.21） （3.22）所以，快速空载启动所需转矩 （3.23）切削时所需力矩： （3.24）快速进给时所需力矩： （3.25）从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时，3.1.3 步进电机的选择C6140横向进给系统步进电机的确定 （3.26）电动机选用三相六拍工作方式，查参考文献1表7-2知： （3.27）所以，步进电机最大静转矩为： （3.28）步进电机最高工作频率 （3.29）为了便于设计和计算，选用110BF003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12。表3.1 反应式/磁阻式步进电动机的安装尺寸型号DD1h1h2dEbLd1D2键MS110BF003110854814291121869132平键420无图3.4 步进电动机外型及安装尺寸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重要差别，它的设计与普通车床传动装置的设计不同。数控车床传动装置的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态特性，即系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。为确保数控车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、低摩擦、高刚度等要求。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，以减少摩擦力；（2）链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度；（3）量消除传动间隙，减少反向死区误差13。3.2.1 螺旋传动（1）概述 螺旋传动主要用来把旋转运动变为直线运动，或把直线运动变为旋转运动。其中，有以传递能量为主的传力螺旋，有以传递运动为主，并要求有较高传动精度的传动螺旋，还有调整零件相互位置的调整螺旋。螺旋传动机构又有滑动丝杠螺母、滚珠丝杠螺母和液压丝杠螺母机构。 在经济型数控车床的进给系统中，螺旋传动主要用来实现精密进给运动，并广泛采用滚珠丝杠副传动机构。 滚珠丝杠副传动是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间放入适当数量的滚珠。这些滚珠作为中间传动件，使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种传动装置。它由丝杠、螺母、滚珠及滚珠循环返回装置等四个部分组成。当螺杆转动螺母移动时，滚珠则沿螺杆螺旋滚道面滚动，在螺杆上滚动数圈后，滚珠从滚道的一端滚出并沿返回装置返回另一端，重新进入滚道，从而构成闭和回路。（2）滚珠丝杠副传动的特点（a）传动效率高，摩擦损失小。（b）给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。（c）启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。（d）有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。（e）磨损小，使用寿命长，精度保持性好。（f）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值别别小，故制造成本高。（g）不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于中立的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，所以需要添加制动装置。（3）滚珠丝杠副的支承方式为了满足高精度、高刚度进给系统的需要，必须充分重视滚珠丝杠副支承的设计。（a）一端固定 一端自由丝杠的静态稳定性和动态稳定性都很低。结构简单轴向刚度小适用于较短的滚珠丝杠安装和垂直的滚珠丝杠安装（b）两端铰支结构简单轴向刚度小适用于对刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠安装对丝杠的热伸长较敏感适用于中等回转速度（c）一端固定 一端铰支丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高，适用于中等回转速度结构稍复杂轴向刚度大适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠安装推力球轴承应安置在离热源（步进电机）较远的一端（d）两端固定丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高速回转结构复杂，两端轴承均调整预紧，丝杠的温度变形可转化为推力轴承的预紧力轴向刚度最大适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装适用于较长的丝杠安装详见表3.2。表3.2 滚珠丝杠副的支承形式支承形式简图特点双推-自由1.刚度、临界转速、压杆稳定性低2.设计时尽量使丝杠受拉伸3.适用于较短和垂直安装的丝杠双推-简支1.临界转速、压杆稳定性较高2.丝杠有热膨胀的余地3.适用于较长的卧式安装的丝杠单推-单推可根据预计温升产生的热膨胀量进行预拉伸双推-双推1.丝杠的轴向刚度高2.丝杠一般不会受压，无压杆稳定性问题3.可用预拉伸减小因丝杠自重引起的下垂4.适用于对刚度和位移精度要求高的场合综上所述，本设计中滚珠丝杠副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。（4）滚珠丝杠副轴向间隙的调整滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。消除间隙的方法采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外，还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙14。3.2.2 轴的结构设计（1）轴CAJJX6140-02-04的结构设计由前面滚珠丝杠副的设计可知：滚珠丝杠的直径为20mm。由于丝杠与轴CAJJX6140-02-04通过联接套联接，考虑到轴的加工方便性和整体的连贯性，轴CAJJX6140-02-04的轴身部分直径与滚珠丝杠的直径相同，均为20mm，其长度根据原车床实际需要的尺寸而定，轴颈部分直径为17mm。如图3.5所示。图3.5 轴CAJJX6140-02-04（2）轴CAJJX6140-02-08的结构设计考虑与轴承内经的配合，所以该轴两端支承部分直径为17mm。由于该轴需与法兰盘联接，而且该轴相对较长，因此在设计时为了方便安装，降低装配难度，将轴身部分增加一个轴肩，直径适当减小，使其有一过渡，轴身直径为15mm。因为该轴的右端还需安装一个透盖，用双螺母对其紧固。轴与透盖用一键使其周向固定。查参考文献3可知，根据轴的直径选用型号为GB/T1098-1979的键，键槽宽度为3mm，深度为3.8mm。如图3.6所示。图3.6 轴CAJJX6140-02-083.2.3 透盖的结构设计透盖的内径和长度由与之配合的轴CAJJX6140-02-08的直径和长度决定，所以透盖的直径为16mm,长33mm。因为选用型号为GB/T1098-1979的键，查参考文献3可知，毂t1=1.4mm，上偏差为+0.1，下偏差为0。外圆的直径由法兰盘的直径决定，为96mm。如图3.7所示。图3.7 透盖CAJJX6140-02-013.2.4螺母座的结构设计螺母座的长度根据滚珠螺母的长度而定。螺母座与滚珠螺母通过键进行轴向固定，查参考文献4可知，该键型号选用GB/T1096-1979，4430。滚珠丝杠副通过螺母座带动工作台移动，因此螺母座通过螺钉与工作台联接。查参考文献4可知，螺钉型号选用GB/T70-1985。如图3.8所示。图3.8 螺母座CAJJX6140-02-073.3 自动转位刀架的设计 自动转位刀架的设计是普通机床数控改造机械方面的关键。在进行普通车床的经济型数控改造时，多采用外购自动转位刀架。由微机控制的自动转位刀架具有重复定位精度高,工件刚性好,性能可靠,使用寿命长以及工艺性好等特点。自动转位刀架设计时,刀架要能自动完成抬起、回转、选位、下降、定位和压紧,即要设计出合理的机构又要检测出个顺序动作的电信号,以便由控制系统加以控制。自动回转刀架的传动结构示意图如图3.9所示。1-发信盘 2-推力轴承 3-螺杆螺母副 4-端面齿盘 6-三相异步电动机 7-联轴器 8-蜗杆副9-反靠销 10-圆柱销 11-上盖圆盘 12-上刀体图3.9 自动回转刀架的传动结构示意图刀架的回转常采用微电机通过蜗轮蜗杆使刀架抬到一定高度时,由拨块带动刀架转动。刀架的选位由刀架位置的编码和微机程序来15实现。这里选用的是LD4-1型自动刀架，其工作原理是由微机发出换刀信号,使微电机正转,通过减速机构和升降机构将上刀体升至一定位置时,离合转盘起作用,带动上刀体旋转,旋转到所选刀位,发信盘发出刀位信号,使微电机反转,反靠初定位,上刀体下降,齿牙盘啮合，完成精定位，并通过蜗轮蜗杆，锁紧螺母，使刀架固紧。当夹紧力达到预先调好的状态时，过流继电器动作，切断电源，电机停转，并向微机发出回答信号，开始执行下道工序。刀架的动作顺序简明地表示为：微电机减速机构升降机构上刀体上升转位信号符合粗定位机构上刀体下降精定位刀体锁紧微电机停转换刀回答信号加工顺序执行。自动刀架的换刀流程如图3.10所示。图3.10 自动回转刀架的换刀流程图4 微机数控部分设计4.1 概述数控机械的开环数控系统一般用步进电机作为执行驱动元件，因此又称为开换步进控制系统。由于这种系统不使用位置、速度检测和反馈装置，没有闭环控制系统中的稳定性问题，因此具有结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低等一系列优点，适用于精度要求不太高的中小型数控设备。开环系统主要由脉冲分配器、驱动电源、步进电机组成。步进电机是一种多相脉冲电机，它的各相绕组必须按一定的规律轮流供电，步进电机才能按一定的方向旋转。为实现步进电机各绕组间有规律轮流供电，可以采用硬件逻辑来实现，也可以用计算机软件来实现。单片机通过运算不断地向步进电机发出脉冲分配信号，这样就使步进电机朝一个方向不断转动。单片机发出的脉冲速度快，步进电机也转得快，单片机发出的脉冲速度慢，步进电机也转得慢，这样单片机就可以通过改变输出脉冲的速度来改变步进电机的速度。单片机还可以通过改变脉冲分配的顺序来改变电机的转动方向。再通过机械传动使电机的转向、转速、转角变为工作台的进退、移动速度和位移量。单片机就是这样通过步进电机驱动系统来控制工作台运动的。由于单片机脉冲输出的脉冲功率很小，不足以推动步进电机，因而必须有一个把脉冲信号放大到足以推动步进电机转动的放大器，这就是步进电机驱动电源。由于步进电机是一个电感性负载，电流的上升率受电感大小的影响而在高频运行时扭矩将有较大的下降。所以在设计驱动电源时必须采取适当的措施来提高电流的上升率以保证运行时有足够的扭矩。由此可见步进电机和步进电机驱动电源的性能好坏将对开环数控系统的性能起很重要的作用。如图4.1所示。CPUI/O接口光电隔 离功率放 大步进电 机RAMROM外 设键盘、显示器图4.1 数控系统结构框图4.2 数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床数控系统硬件电路概括起来由CPU、总线、存储器以及I/O接口四部分组成。其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU与存储器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路16。控制系统的原理框图如图4.2所示。图4.2 控制系统原理框图4.3 软件设计车床数控系统设计与应用工作中，软件设计是一个重要方面。实际上，软件设计与硬件设计工作是不可分割的，二者必须结合进行。软件设计工作，按其功能可分二类：一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能；另一类是监控（管理）软件，它是控制微机系统按预定的操作方式运转的程序。但执行软件和监控软件没有明确的界限和固定的功能划分。习惯上把键盘解释程序作为监控程序，其它任务都分散在特定功能的执行程序中，并由监控程序来调用必要的功能模块，完成预定的任务17。在进行软件设计时，应从全局着眼，先将整个系统的任务按功能分成一个一个的模块，并为每一个执行模块定义，然后设计出每一个具体模块的程序，最后组成一个系统。不仅整个系统的程序结构可具有模块化的特性，而且其模块内部也可以分为小模块。模块特性对测试很有利，功能扩充也很方便。要增加新功能，只要增加新模块就能实现，像搭积木一样。因此，这样的模块程序设计方法，思路清晰，逻辑性强，柔性较大。如图4.3所示。数控系统加工程序管理与操作模块插补功能间隙补偿步进电机控制速度控制环行分配管理模块程序设计自动换刀程序设计键盘程序显示程序键盘诊断中断功能诊断图4.3 数控系统框图结束语迄今为止，经过3个多月的努力，毕业设计已基本完成。课题的主要设计内容有以下几点：（1） 分析国内外数控机床的发展趋势、机床改造的意义以及设计任务（2） 对CA6140卧式车床进行了总体方案的确定（3） 对横向进给系统进行了详细的改造设计（4） 微机部分的改造设计通过以上设计了解掌握了一种系统设计的思维方法。不仅提高收集、阅读、分析和运用资料的能力，独立工作的能力，理论联系实际的设计和计算能力，和结构设计与编制技术文件的能力，而且使我的专业知识得到了进一步的巩固。在此之中遇到了一些问题，在老师和同学的帮助下得到了解决。由于自身的经验有限，面对这些关键性问题只能从理论上去寻求解决的方法。因此，自己所设计的结构和运用到生产实践中仍相距甚远。总而言之，这次毕业设计使我收益非浅，为我今后的工作打下了良好的基础。致 谢本论文由张少文指导老师审阅全搞。从课题的选择、方案制定、工作实施到论文的撰写、修改无不渗透着老师的心血。张老师以他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。在学习和毕业设计过程中给予我很大的启迪与帮助，给我留下了极为深刻的印象，使我对以后的工作充满信心。同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀。许多同组设计人员和其他同学都提出了热情而中肯的建议，都对提高本论文质量给予了很大的帮助，我在此致以衷心的感谢。最后，由于我的水平和时间所限，误漏之处恐属难免，殷切期望广大老师和专家随时予以批评指正。参 考 文 献1 张新义.经济型数控车床系统设计M.北京：机械工业出版社，1994.2 机床设计手册编写组编.机床设计手册2零件设计（上册）M北京：机械工业出版社，1980.3 成大先机械设计手册单行本联接与紧固M.北京：化学工业出版社，2004.4 徐灏.机械设计手册M. 第二版,北京：机械工业出版社,2000.5 赵松年、戴志义.机电一体化数控系统设计M.北京：机械工业出版社，1994.6 赵松年、张奇鹏.机电一体化机械系统设计M.上海：同济大学出版社，1990.7 黄家善.计算机数控技术M.北京：机械工业出版社，2004.8 李善术.数控机床及其应用M.北京：机械工业出版社，2001.9 国家教委高等教育司、北京市教育委员会编.高等学校毕业设计（论文）指 导手册M.北京：高等教育出版社，1998.10 尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书M. 北京：机械工业出版 社,2007.11 陈秀宁、施高义.机械设计课程设计M.浙江：浙江大学出版社出版，1995.12 李国农普通车床的经济型数控改造实例J水利电力机械，2001.13 龙世杰.CA6140车床的经济型数控改造J.机电一体化，1998.14 王宗荣、左晓名、鲁屏宇.工程图学M.北京：机械工业出版社，2001.15 成大先机械设计手册单行本机械传动M北京：化学工业出版社，2004.16 胡光耀.普通卧式车床的经济型数控改造J.贵州农机化，2001.17 甘永立几何量公差与检测 M第五版,上海：上海科学技术出版社，2001.09/20 11:46 102机体齿飞面孔双卧多轴组合机床及CAD设计09/08 20:02 3kN微型装载机设计09/20 15:09 45T旋挖钻机变幅机构液压缸设计08/30 15:32 5吨卷扬机设计10/30 17:12 C620轴拨杆的工艺规程及钻2-16孔的钻床夹具设计09/21 13:39 CA6140车床拨叉零件的机械加工工艺规程及夹具设计83100308/30 15:37 CPU风扇后盖的注塑模具设计09/20 16:19 GDC956160工业对辊成型机设计08/30 15:45 LS型螺旋输送机的设计10/07 23:43 LS型螺旋输送机设计09/20 16:23 P-90B型耙斗式装载机设计09/08 20:17 PE10自行车无级变速器设计10/07 09:23 话机机座下壳模具的设计与制造09/08 20:20 T108吨自卸车拐轴的断裂原因分析及优化设计09/21 13:39 X-Y型数控铣床工作台的设计09/08 20:25 YD5141SYZ后压缩式垃圾车的上装箱体设计10/07 09:20 ZH1115W柴油机气缸体三面粗镗组合机床总体及左主轴箱设计09/21 15:34 ZXT-06型多臂机凸轮轴加工工艺及工装设计10/30 16:04 三孔连杆零件的工艺规程及钻35H6孔的夹具设计08/30 17:57 三层货运电梯曳引机及传动系统设计10/29 14:08 上盖的工工艺规程及钻6-4.5孔的夹具设计10/04 13:45 五吨单头液压放料机的设计10/04 13:44 五吨单头液压放料机设计09/09 23:40 仪表外壳塑料模设计09/08 20:57 传动盖冲压工艺制定及冲孔模具设计09/08 21:00 传动系统测绘与分析设计10/07 23:46 保护罩模具结构设计09/20 15:30 保鲜膜机设计10/04 14:35 减速箱体数控加工工艺设计10