CA6150普通车床的数控技术改造

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321 毕 业 设 计（论 文）题目： CA6150普通车床的数控技术改造 （英文）： The CNC technological innovation of CA6150 lathe 院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： CA6150普通车床的数控技术改造摘要本文介绍普通车床的数控化改造，重点介绍机床数控化改造方案的确定，基本步骤，目的，经济合理性，机床数控化改造计算（各种设计参数和结构，机械部分和电气部分）。关键词：普通机床；数控化改造；传动装置；伺服驱动系统；计算机系统The CNC technological innovation of CA6150 latheABSTRACTThis text introduces the number of the common lather to control to turn a reformation, the point introduction tool machine number controls to turn the reformation project to really settle, basic step, purpose, economic rationality, the tool machine number controls to turn the reformation calculation(various design parameter and structure, the machine part and electricity part).Key words:Common tool machine;The number controls to turn a reformation;Spread to move device;Servo drive system;Calculator system目录1绪论11.1数控技术和装备发展趋势11.1.1数控技术的发展趋势21.1.2对我国数控技术及其产业发展的基本估计51.1.3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考72 数控机床系统总体设计92.1总体设计方案的拟定92.1.1设计参数102.1.2总体方案的确定103进给伺服系统的设计计算133.1选择脉冲当量133.2纵向机械传动部分的数控化改造和设计技计算133.2.1计算切削力133.2.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型143.2.3齿轮进给齿轮箱传动比的计算183.2.4步进电动机的计算和选型193.3横向机械传动部分的数控化改造和设计技计算223.3.1计算切削力223.3.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型223.3.3齿轮进给齿轮箱传动比计算263.3.4步进电动机的计算和选型274 微机数控系统的设计304.1 微机数控系统的设计纲要304.1.1 硬件电路设计304.1.2软件电路设计314.2 80C51单片机及其扩展314.2.1 80C51单片机的简介314.2.2 80C51单片机的系统扩展334.2.3存储器扩展364.2.4 I/O口的扩展404.2.5 外围接口434.3 步进电机驱动电路464.3.1脉冲分配器（环行分配器）474.3.2光电隔离电路484.3.3功率放大器484.3.4 其他辅助电路494.4数控系统的软件设计504.4.1软件脉冲分配器514.4.2逐点比较法插补程序534.4.3步进电机升降速软件设计555总结与展望57参考文献58致谢59附录A 电路图60附录B 装配图61CA6150普通车床的数控技术改造1绪论1.1数控技术和装备发展趋势 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。1.1.1数控技术的发展趋势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业（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、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Hyper Mach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120000r/mm和1g。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。 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。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。 当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。 在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。3、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“Cyber Production Center”（智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。4、重视新技术标准、规范的建立（1）关于数控系统设计开发规范 如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。（2）关于数控标准 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649(STEPNC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75）、加工程序编制时间（约35）和加工时间（约50）。 目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.12001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEP Tools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。1.1.2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。 纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。 a.奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。 b.初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。 c.建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。 a.技术水平上，与国外先进水平大约落后1015年，在高精尖技术方面则更大。 b.产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。 c.可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。 分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。 a.认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够。 b.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。 c.机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。 d.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。1.1.3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考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。 我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。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。 强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品。2 数控机床系统总体设计普通车床（如C616/C6132、C618/C6136、C620/C6140、C630等）是金属切削加工最常用的一类机床。C6150普通车床的结构布局如图2.1所示。当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等，借助成型刀具，还能加工各种成形回转表面。图2.1 C6140普通车床的结构布局图1-床脚 2-挂轮 3-进给箱 4-主轴箱 5-纵溜板 6-溜板箱 7-横溜板8-刀架 9-上溜板 10-尾座 11-丝杠 12-光杠 13-床身普通车床刀架的纵向和横向进给运动，是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杆或丝杆带动溜板箱、纵溜板以及横溜板产生移动。进给参数依靠手工调整，改变参数时需要停车。刀架的纵向进给和横向进给不能联动，切削次序需要人工控制。 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数、切削次序和刀具都可按程序自动进行调节和更换，再加上纵、横向的联动进给功能，所以，改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序集中车削，从而提高生产效率和加工精度。2.1总体设计方案的拟定数控改造主要包括传动系统的机械改造和数控装置的设计。当数控机床的性能和精度等内容基本选定之后，就可以据此来确定改造方案。要求将CA6150卧式车床改造成用80C51系列单片机控制的经济型数控机床，采用步进电机开环控制，纵向和横向均具有直线和圆弧插补功能。要求该车床增配自动回转刀架和螺纹编码器，具有自动换刀和螺纹切削的功能。系统横向分辨率达到0.005mm。2.1.1设计参数1、确定机床的设计参数（1）、机床加工最大直径：在床身上500mm，在床鞍上210mm。（2）、机床加工最大长度：1000mm。（3）、拖板及刀架重力G：纵向1200N，横向800N。（4）、刀架快进速度：纵向4m/min，横向2m/min。（5）、最大进给速度：纵向1m/min，横向0.5m/min。（6）、主电机功率P：7.5KW。（7）、启动加速时间t：30ms。（8）、机床定位精度：0.015mm。（9）、脉冲当量：纵向 0.01mm/步，横向 0.005mm/步。（10）、最小分辨率:纵向：0.01mm,横向0.005mm。2.1.2总体方案的确定 1、系统的运动方式和伺服控制系统的选择由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、米/英制螺纹加工等功能，故选择连续控制系统。根据设计要求，采用步进电机开环控制系统。控制系统原理图如图2.2所示。2、计算机控制系统的选择根据系统运动方式，可以采用8位微机。由于80C51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，具有很高的性能价格比等特点，故采用80C51系列的80C51单片机扩展系统。该控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电动机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。3、机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用齿轮丝杠减速方式；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副取代原车床丝杠；为提高传动精度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。4、自动换刀装置及电机的选择为了提高加工精度，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，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4-CK6140型四工位立式电动刀架。根据机床上的空间位置和初步设计计算的夹紧力情况，选择电动机AO4524型微异步电动机。5、螺纹编码器的选择与安装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。本设计中选用MCZ-2型光电脉冲发生器。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床头箱的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴，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。本设计中采用同轴安装，如图2.3所示。 图2.2 控制系统原理图图2.3 主轴脉冲发生器的安装图3进给伺服系统的设计计算3.1选择脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣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：纵向：0.01mm/step, 横向：0.005mm/step(半径)3.2纵向机械传动部分的数控化改造和设计技计算3.2.1计算切削力由机械设计手册可知，切削功率 (3.1)式中 P-主轴电动机功率，P=7.5kW; -主传动系统总效率，一般为0.750.85，取=0.8； K-进给系统功率系数，取K=0.96；则=切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削速度来计算，即 = (3.2)式中 -主切削力（N）； v-切削速度（m/min）。按最大切削速度计算，取v=100mm/min,则主切削力=N=3456N由机械设计手册可知，在外圆车削时：=(0.10.55),=(0.150.65)。取纵向切削分力=0.5，横向切削分力=0.6,则3.2.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型1、螺纹滚道型面的选择（1）单圆弧型面。这种滚道加工简单，滚道与滚子的接触角随轴向载荷大小变化，影响传动精度，应用较少。4（2）双圆弧型面。这种滚道结构加工较复杂，间隙理论上为零，接触角稳定，不随载荷变化，消隙和预紧可采用双螺母，也可采用单螺母结构，应用广泛。2要求：经济、易调试、稳定。方案：选用双圆弧型面。原因：双圆弧型面接触角不变，双圆弧交接处尚有小空隙可容纳一些赃物，这对滚珠丝杠有利而不致与堵塞。22、滚珠循环方式（1）内循环。这种循环靠螺母上安装的反相器接通相邻滚道，循环过程中滚珠始终与丝杠保持接触。4（2）外循环（插管式）。这种循环用插管作为返回管道。4方案：选用外循环。原因：结构简单、工艺性良好、适合成批生产。回珠管可设计，制造成较理想的运动通道。经济适用，适用于重载荷传动、高速驱动和精密定位系统，是目前应用最广泛的结构。23、轴向间隙的调整和预紧力的选择为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度，必须消除滚珠丝杠螺母副的传动间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构，它的基本原理是使两个螺母产生轴向位移。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力矩增大，将增加摩擦力，降低传动效率，缩短使用寿命。所以，一般需要经过多次调整才能保证机床在最大轴向载荷下既消除了间隙又能灵活运转。常用的双螺母丝杠消除间隙方法有以下几种。4（1）垫片调隙式。这种结构通过调整垫片的厚度使左右螺母产生轴向位移，就可达到消除间隙和产生预紧力的作用。这种方法结构简单、刚性好、装卸方便、可靠。但缺点是调整费时，很难在一次修磨中调整完成，调整精度不高，仅适用于一般精度的数控机床。4（2）螺纹调隙式。螺纹调隙式用键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，拧动圆螺母将圆螺母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后用另一种圆螺母将其锁紧。这种调整方法的结构简单紧凑，调整方便但调整精度差。4（3）齿差调隙式。齿差调隙式的结构较为复杂，尺寸较大，但调整方便，可获得精确的调整量，预紧可靠不会松动，适用于高精度传动。4要求：经济可靠、易拆装、刚度高。方案：选用双螺母垫片式预紧。原因：结构简单、装卸方便、刚度高。4、计算最大的工作载荷由机械设计手册可知，最大工作载荷 （3.3）式中 -切削分力（N）； K-颠覆力矩影响的实验系数，K=1.15；f-滑动导轨摩擦因数，f=0.150.18，取f=0.16；G-溜板及刀架重力，G=1200N。则5、计算最大动载荷C(N) （3.4）其中式中 t-寿命，以为一单位； n-丝杠转速； -滚珠丝杠导程，初选=6mm； -最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/31/2,取=1/2； -运转系数，按一般运转=1.21.5，取=1.4； -硬度系数，为60HRC时，=1，小于60HRC时，1，本机取1； T-使用寿命，按15000h计算。则初选CDM4006-5。符合的选择条件。6、传动效率的验算 （3.5）-丝杠螺旋升角-摩擦角（滚珠丝杠副的滚动摩擦系数tan=f=0.0030.004,约等于10。）通常要求值在90%95%之间。丝杠公称直径，丝杠导程。符合的条件。7、稳定性 （3.6）式中 -实际承受载荷的能力；-丝杠稳定的支撑系数（双推-双推时为4，单推-单推时为1，双推简支时为2，双推自由式时为0.25）；E-丝杠材料的弹性模量，通常取钢，； I-丝杠小径的截面惯性()； K-丝杠稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取小值，取K=3；L-丝杠工作长度，取L=1.8m。丝杠小底径 则符合,所以丝杠是安全的，不会失稳。8、刚度验算 （3.7） (3.8)式中 -工作负载和扭矩M共同作用下所产生的每一导程的变形量； E-钢的弹性模量，； S-丝杠的最小面积，； M-扭矩，可由进行计算； -摩擦角，其正切函数值为摩擦因数； I-丝杠小径的截面惯性矩； -丝杠导程。 杠在1m长度上导程变形总量误差为3.2.3齿轮进给齿轮箱传动比的计算根据系统的脉冲当量，选步进电机的步距角。X向与Z向的齿轮减速装置结构相似，为简化其结构，均采用以及齿轮传动，其从动齿轮孔与丝杠轴径向配合，主动齿轮空与步进电动机输出轴相配合，步进电动机用固定板安装在机床上。3Z向齿轮减速装置中传动齿轮齿数得确定：步进电机每转一周所需的步数为（步/周），则主动齿轮与从动齿轮之比等于主动齿轮齿数/从动齿轮齿数=（步/周）脉冲当量/丝杠螺距=齿轮传动比。取齿轮齿数齿，齿，齿轮模数为m=2mm，齿轮传动时效率为有关参数参照表 3.1。表3.1 传动齿轮几何参数所处位置纵 向（mm）齿数2430分度圆直径4860齿顶圆直径5264齿根圆直径4355齿宽（610）m1616中心距543.2.4步进电动机的计算和选型选步进电机时，首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，应先计算机械系统的负载转矩，使电机的矩频特性能有一定的余量以保证运行可靠。即在实际工作中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般来说，最大静力矩大的电机，负载力矩M也大。通常取M/M=0.20.5，对于相数较多突跳频率要求不高的情况取大值，反之取小值。选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床使用时所要求的脉冲当量。而在选择功率步进电机时，应当估计机械系统的负载惯量和机床所要求的启动频率，使之与步进电机的频率特性相匹配还要有一定余量，并使最高连续工作频率能满足机床工作台快速移动的需要。101、负载转动惯量的估算等效折算到步进电动机轴上的转动惯量可由下面式子算出 （3.9）式中 -折算到电动机轴上的转动惯量（）； -齿轮的转动惯量（）； -齿轮的转动惯量（）； -丝杠的转动惯量（）； -估算参数，取0.01。对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算 (3.10)式中 D-圆柱零件的直径; (cm) L-零件轴的长度；(cm)负载转动惯量2、 负载转矩计算及最大静转矩选择 根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩 （3.11）若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩 （3.12）取安全系数为0.4，则查实用微电机手册，由表1.2得：对于工作方式为三相六拍的步进电动机，选步进电机的启动转矩和最大静转矩的关系 （3.13） 表3.2 步进电机起动转距与最大静转距关系步进电机相 数三 相四 相五 相六 相拍 数36485106120.50.8660.7070.8090.9510.8660.866因为数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩适应满足快速空载启动时所需转矩T的要求 (3.14)式中 -空载快速启动时所需的转矩（）； -克服摩擦所需转矩（）； -丝杠预紧所引起的折算到电动机轴上的附加转矩()。当工作台快速移动时，电动机的转速： (3.15)由动力学可知 (3.16)式中 -角加速度，计算公式为。则 (3.17) (3.18)式中 -预加载荷，一般为最大轴向载荷的1/3，即/3。则3、步进电动机的最高工作频率 (3.19)根据计算综合考虑，查实用微电机手册选用110BF003型步进电动机。3.3横向机械传动部分的数控化改造和设计技计算3.3.1计算切削力由机械设计手册可知，切削功率式中 P-主轴电动机功率，P=7.5kW; -主传动系统总效率，一般为0.750.85，取=0.8； K-进给系统功率系数，取K=0.96；则 =切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削速度来计算，即=式中 -主切削力（N）； v-切削速度（m/min）。按最大切削速度计算，取v=80mm/min,则主切削力=N=3456N由机械设计手册可知，在外圆车削时：=(0.10.55),=(0.150.65)取纵向切削分力=0.5，横向切削分力=0.6,则=3.3.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型1、螺纹滚道型面的选择（1）单圆弧型面。这种滚道加工简单，滚道与滚子的接触角随轴向载荷大小变化，影响传动精度，应用较少。4（2）双圆弧型面。这种滚道结构加工较复杂，间隙理论上为零，接触角稳定，不随载荷变化，消隙和预紧可采用双螺母，也可采用单螺母结构，应用广泛。2要求：经济、易调试、稳定。方案：选用双圆弧型面。原因：双圆弧型面接触角不变，双圆弧交接处尚有小空隙可容纳一些赃物，这对滚珠丝杠有利而不致与堵塞。22、滚珠循环方式（1）内循环。这种循环靠螺母上安装的反相器接通相邻滚道，循环过程中滚珠始终与丝杠保持接触。4（2）外循环（插管式）。这种循环用插管作为返回管道。4方案：选用外循环。原因：结构简单、工艺性良好、适合成批生产。回珠管可设计，制造成较理想的运动通道。经济适用，适用于重载荷传动、高速驱动和精密定位系统，是目前应用最广泛的结构。23、轴向间隙的调整和预紧力的选择为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度，必须消除滚珠丝杠螺母副的传动间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构，它的基本原理是使两个螺母产生轴向位移。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力矩增大，将增加摩擦力，降低传动效率，缩短使用寿命。所以，一般需要经过多次调整才能保证机床在最大轴向载荷下既消除了间隙又能灵活运转。常用的双螺母丝杠消除间隙方法有以下几种。4（1）垫片调隙式。这种结构通过调整垫片的厚度使左右螺母产生轴向位移，就可达到消除间隙和产生预紧力的作用。这种方法结构简单、刚性好、装卸方便、可靠。但缺点是调整费时，很难在一次修磨中调整完成，调整精度不高，仅适用于一般精度的数控机床。4（2）螺纹调隙式。螺纹调隙式用键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，拧动圆螺母将圆螺母沿轴向移动一定距离，在消除间隙之后用另一种圆螺母将其锁紧。这种调整方法的结构简单紧凑，调整方便但调整精度差。4（3）齿差调隙式。齿差调隙式的结构较为复杂，尺寸较大，但调整方便，可获得精确的调整量，预紧可靠不会松动，适用于高精度传动。4要求：经济可靠、易拆装、刚度高。方案：选用双螺母垫片式预紧。原因：结构简单、装卸方便、刚度高。4、计算最大的工作载荷式中 -切削分力（N）；K-颠覆力矩影响的实验系数，K=1.15；f-滑动导轨摩擦因数，f=0.150.18，取f=0.16；G-溜板及刀架重力，G=800N。则 5、计算最大动载荷C(N)其中式中 t-寿命，以为一单位； n-丝杠转速； -滚珠丝杠导程，初选=5mm -最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/31/2,取=1/2； -运转系数，按一般运转=1.21.5，取=1.4； -硬度系数，为60HRC时，=1，小于60HRC时，1，本机取1； T-使用寿命，按15000h计算。则 初选CDM4005-5。符合的选择条件6、传动效率的验算-丝杠螺旋升角-摩擦角（滚珠丝杠副的滚动摩擦系数tan=f=0.0030.004,约等于10。）通常要求值在90%95%之间。丝杠公称直径，丝杠导程。符合的条件。7、稳定性式中 -实际承受载荷的能力；-丝杠稳定的支撑系数（双推-双推时为4，单推-单推时为1，双推简支时为2，双推自由式时为0.25）；E-丝杠材料的弹性模量，通常取钢，； I-丝杠小径的截面惯性()； K-丝杠稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取小值，取K=3； L-丝杠工作长度，取L=0.55m。丝杠小底径 。符合,所以丝杠是安全的，不会失稳。8、刚度验算式中 -工作负载作用下所产生的每一导程的变形量； E-钢的弹性模量，； S-丝杠的最小面积，； -丝杠导程。丝杠在1m长度上导程变形总量误差为3.3.3齿轮进给齿轮箱传动比计算根据系统的脉冲当量，选步进电机的步距角。X向与Z向的齿轮减速装置结构相似，为简化其结构，均采用以及齿轮传动，其从动齿轮孔与丝杠轴径向配合，主动齿轮空与步进电动机输出轴相配合，步进电动机用固定板安装在机床上。3Z向齿轮减速装置中传动齿轮齿数得确定：步进电机每转一周所需的步数为（步/周），则主动齿轮与从动齿轮之比等于主动齿轮齿数/从动齿轮齿数=（步/周）脉冲当量/丝杠螺距=齿轮传动比。取齿轮齿数齿，齿，齿轮模数为m=2mm，齿轮传动