单片机控制的数控车床改造设计

摘 要随着数控技术的飞速发展，机械制造业的生产方式、产品结构、发生了深刻的变化。在我国数控机床的发展过程中，MCS-51系列单片机在数控技术领域中得到广泛应用，经济型数控系统大多采用MCS-51系列单片机。本文在分析了数控车床的特点和应该具备的功能后，确定将普通机床改造成经济型数控机床，对 C616 车床进行了具体的分析改造，普通车床（C616）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（包括纵向、横向进给系统的设计与计算） 、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床调速电动机控制电路的设计、电磁离合器的设计计算。此次毕业设计中，我熟悉了机电一体化设计的基本过程，并把各门所学的知识融会贯通形成一个有机的整体，为以后的设计工作打下了良好的基础，同时我也深深的体会到了不足之处，我一定会在今后的工作中不断学习，不断实践。关键词：数字控制，单片机系统，数控车床ABSTRACTWith the development of NC, there have been many changes in mechanical industry, such as producing method and struture of product. MCS-51 single microcomputers have been used widely in NC, especially in ecomical NC equipments in china. Based on MCS-51 single microcomputers, the NC lathe training equipment is designed with less money for the professional NC courses.After analyzing the feature of NC lathe and defining the functions of training equipment, Make sure to ordinary machine tools into economic numerical control machine tools， Ordinary lathe (C616) numerical control transformation design contents include: overall scheme determined and validation of the mechanical design and calculation of the transformation part (including longitudinal horizontal feeding system design and calculation) automatic transmission principle and main movement after reforming machine drive system of the machine speed motor design diagram control circuit design of design and calculation of the electromagnetic clutchIn this graduation design, I acquainted with the machine electricity integral whole to turn the basic process of design, and integrate the knowledge that each one learn to become an organic whole, for later design work to lay a good foundation, I also realized the place of the shortage deeply at the same time, I will keep learning and practicing constantly in futureKey words: traininge quipment, numeric control, single microcomputer,system第 1 章 绪论数字控制（numerical controlNC）简称数控，是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的一种自动化技术。数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。数控机床全面涵盖了集计算机、微电子、信息、传感、测试、机械制造技术各个领域为一体的高度机电一体化的产品，是一种高效自动化机床。数控系统能够控制机床动作的先后顺序和机床运动部件的运动速度以及刀具的运动轨迹。因为机床的主要发展方向是向着时间效率最大化，精度精密化和高柔性，所以它已经成为现代工艺自动化生产过程中最有代表意义的主力军。1.1 数控机床的产生与发展1.1.1 数控机床的产生随着时代的进步和科学的发展，在现在的快节奏社会，各种产品的质量和生产效率都需要大步的加快。而生产的自动化是实现这一要求的一种最有效的措施。例如飞机、汽车等生产企业，大多采用自动机床、组合机组成的流水生产线，即保证了产品质量，又提高了生产效率，减轻了操作者人数和劳动强度。但是，占大部分加工总量的80以上的是单独零件，少量批次生产的情况。对于这些繁复类型、小批量、形状复杂、高精度的零件的加工，采用专业化程度高的自动机床和自动生产线并不符合经济规律。在在现代的经济快速发展的中国，各个公司生产的产品竞争愈发激烈，为了保证效益，必须推陈出新提高产品的质量、增加种类，减少生产周期和实验时间，对于其他可以大批量生产的零件，也不能一直一成不变，也需要更新换代。这样，传统的自动化生产线难以适应现在经济大潮中对其的严格要求。为了解决上述问题，一种灵活、高精度、高效率的自动化设备数控机床应运而生。1.1.2 数控机床的发展1948年，在美国一家名叫帕森斯的公司接受USAF的委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的制造装置。由于空军所给的图纸形状繁复多样，精度要求较高，当时的加工设备难以胜任，于是有人提出用计算机控制机床的想法。1949年，该公司委托麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室专门研究数控机床，3年后试制成功第一台三坐标数控铣床，并开始正式投入生产，于1957年正式投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着数字控制技术正式涉足制造领域。到现在，数控加工已经成为现代制造技术的重中之重。由此可见，数控机床对于制造行业而言，很大得影响了制造业的格局，具有划时代的意义。但当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，而且只在像航空工业等少数的领域使用加工复杂零件；1959年，晶体管元件和印刷电路板发明，数控装置正式进入了第二代，体积缩小，价格下降。1960年以后，点位控制数控钻床和直线控制数控铣床充分发展了，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。我国于1958年开始研制数控机床，成功试制出配有电子管数控系统的数控机床，1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。1965年，第三代的集成电路数控装置面世，极大地促进了数控机床品种和产量的发展趋势。60年代以来，一种根本性的改变：计算机控制机床的数控装置出现了，分为（DNC）一台计算机直接控制多台机床的数控系统；（CNC）小型计算机控制的计算机数控系统,数控装置发展到了第四代：小型计算机化。1974年，简称MNC研制成功，作为第五代数控系统。相比第三代，数控装置的功能增加了1倍，而体积却只是第三代的原来的二十分之一，价格也便宜了四分之三，系统也更加稳定，可靠性提高。 1980年以后，计算机技术出现了井喷式的发展，各种新技术被应用到数控装置，比如能够进行人机对话式的自动编制程序；一些数控装置的体积已经能直接装在机床上；的自动化程度又攀新高，具备了类似自动检查刀具状态和自动检测工件状态的功能。数字控制系统的许多优点使数控机床得到广泛发展。1.2 我国数控机床的发展历史数控机床是当代机械制造业的主流装备，是市场热门商品。我国的数控机床的发展经历了30多年的跌宕起伏，已经由成长期进入成熟期。2008年年产已达12.2万台。“十一五”期间，随着一系列关键技术的突破和自主生产能力的形成，我国开始突出“外国制造”的“重围” ，进入世界高速数控机床和高精度数控机床生产国的行列。在需求的拉动下，我国数控机床产量保持高速增长，年均复合增长率达到37.4%。2010年我国数控机床产量达到23.6万台，同比增长62.2%；2010年我国数控机床消费超过60亿美元，台数超过10万台，数控机床已成为机床消费的主流。2009年至今“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项的持续投入，显示了政府对于发展高档数控机床与基础制造装备的决心。 “十二五”期间我国将持续投入，且力度加大，每年重大专项将带动资金投入100亿以上。在经济的发展、国家政策大力支持、上下游产业振兴等背景下，我国数控机床行业的旺盛需求仍将保持高速增长，尤其是高档数控机床将迎来更大的市场空间，未来3-5年，我国数控机床行业市场增长率将达到12%左右。这必将带动我国国产数控机床及其数控系统和相关功能部件的市场发展，也无疑为国内数控系统生产厂商不断发展自己的技术，扩大市场提供了极好的机遇。展望“十二五” ，我国数控机床的发展将努力解决主机大而不强、数控系统和功能部件发展滞后、高档数控机床关键技术差距大、产品质量稳定性不高、行业整体经济效益差等问题，将培育核心竞争力、自主创新、量化融合以及品牌建设等方面提升到战略高度，实现工业总产值8000亿元的目标。并力争通过10-15年的时间，实现由机床工具生产大国向机床工具强国转变，实现国产中高档数控机床在国内市场占有主导地位等一系列中长期目标。1.3 本课题研究的背景1.3.1 国外数控机床状况分析 12010年美国芝加哥国际制造技术（机床）展览会（IMTS2010）展示了国际机床行业最新技术动态和发展趋势。IMTS展览会展示了高技术数控机床、数控系统，展示最新科技和生产方式，突出展示未来数控机床发展趋势。国外数控机床技术现状高速高精与多轴加工成为数控机床的主流，纳米控制已经成为高速高精加工的潮流、多任务和多轴加工数控机床越来越多地应用到能源、航空航天等行业、机床与机器人的集成应用日趋普及，且结构形式多样化，应用范围扩大化，运动速度高速化，多传感器融合技术实用化，控制功能智能化，多机器人协同普及化、智能化加工与监测功能不断扩充，车间的加工监测与管理可实时获取机床本身的状态信息，分析相关数据，预测机床的状态，提前进行相关的维护，避免事故的发生，减少机床的故障率，提高机床的利用率、最新的机床误差检测与补偿技术能够在较短的时间内完成对机床的补偿测量，与传统的激光干涉仪相比，对机床误差的补偿精度能够提高34倍，同时效率得到大幅度提升、最新的CAD/CAM技术为多轴多任务数控机床的加工提供了强有力的支持，可以大幅度提高加工效率、刀具技术发展迅速，众多刀具的设计涵盖了整个加工过程，并且新型刀具能够满足平稳加工以及抗振性能的要求。国外数控系统的发展趋势平台数字化、运行高速化、加工高精化、功能复合化、控制智能化、伺服驱动高性能控制。 1.3.2 数控机床的发展预测 1高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向。数控机床的功能复合化的发展,其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序,从而提高了机床的效率和加工精度,提高生产的柔性。高速化:提高进给速度与提高主轴转速。高精度化:其精度从微米级到亚微米级,乃至纳米级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；为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等,以及智能诊断、智能监控等方面的内容,方便系统的诊断及维修。柔性化、集成化当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是:从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展,另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段,是各国制造业发展的主流趋势,是先进制造领域的基础技术。我国目前数控技术与一些发达国家还有一些差距,要积极鼓励数控机床的普及及研发,使中国的数控技术不仅能跟上世界水平,还要赶超,相信数控机床是未来制造业的主角。出口前景良好1998 年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在 5 亿美元左右，2000 年上升到 7.85 亿美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和巩固，我国加入世界贸易组织后的几年里，我国机床出口一直处于实现平稳、持续增长。向国外输出了一系列优秀的机床，证明着中国在这个领域的地位第 2 章 数控车床改造的性能要求2.1 数控机床的组成及工作原理2.1.1 数控机床的组成数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分组成，如图 1-1 所示 计算机数控系统 伺服系统 机床信息载体图 1-1 数控机床的组成1. 信息载体在信息传播中携带信息的媒介,是信息赖以附载的物质基础。即用于记录、传输、积累和保存信息的实体。在数控车床中它用来记载零件加工位置数据、工艺参数等这样的加工这个零件所需要的信息，用以保证机床的正常工作运转，来实现加工目的。数控机床中信息载体有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等，用对应的输入装置把信息传送到数控系统中。当然数控机床也可采用自带的操作面板将加工信息直接输入系统，或通过窜行口将电脑上已经编辑好的的加工程序直接传输。高级的数控系统自身有一套完整的可以输入程序的编程机或 CADCAM 系统。由这些设备实现编制程序、输入程序、输入数据以及显示、模拟显示、存储和打印等功能。2. 计算机数控系统作为数控机床的核心，计算机数控系统的功能是接受载体送来的加工信息，经过一些列计算和处理后直接控制机床的动作。包括硬件和软件两大部分。硬件在除计算机以外，还包括像光电阅读机、显示器、键盘、棉板、机床接口这些外围设备。光电阅读机是输入系统程序和零件加工程序；显示器直观的表达加工信息与进度；键盘用于输入操作命令及编辑、修改程序段，也可输入零件加工程序；操作面板是进行人机互动的不可缺少的一部分；机床接口是计算机和机床之间联系的桥梁。总的来说数控设备控制机床四大动作：（1）机床主运动：主轴的启动、停止、转向和速度选择；（2）机床的进给运动：直线轴运动（X 轴，Y 轴，Z 轴，等直线轴）和旋转轴运动（A 轴，B 轴，C 轴，等旋转轴） 。（3）刀具的选择补偿（长度、半径） ；（4）其它辅助运动：如数控分度头、自动换刀装置、液压气压系统和冷却润滑装置3. 伺服系统 作为执行部分，伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统、。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自 CNC 装置（插补装置或插补软件）的进给指令脉冲，经过一定的信号变换及电压、功率放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动，这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。4. 机床它是用于完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上改造提高后得到的，它的主要特点是：（1）与普通机床相比，数控机床采用了高性能的主轴和伺服传动系统，使数控机床简化了其机械传动机构，因此传动链比较短。（2）由于数控机床有连续自动加工零件的特点，机床结构都具有较高的阻尼精度及耐磨性，热变形都比较小；（3）更多的采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等；2.1.2 数控机床的工作原理数控加工与普通机加工最大的不同点是其控制方式。普通机床加工零件时，基本每一步都需要操作者自行确定，而且随时控制使其能正常运行。操作者需要一直注意零件和工序卡，在加工过程中随时改变刀具与工件的运动轨迹和加工参数，使刀具能对工件进行正确切削，最后得到合格零件，非常费时费力。而在计算机数字控制机床上，自动控制取代了普通车床加工过程中繁琐的人工操作。其工作过程大概包括：刀具与工件的运动轨迹的确定、主轴速度和进给速度的变换、开关冷却液、交换工件和刀具之类的操作，然后将代码和格式编入加工程序，输入数控系统。数控系统即可按照加工程序的具体要求，进行一系列计算、处理，发出控制指令，机床各个部件包括主轴以及辅助设备开始工作，配合。从而实现刀具对工件的切割，完成工件件的加工。如图2-2所示。图2-2 CNC系统的数据转换过程图译码程序的的意思是：把文本形式的加工程序，分解为程序小段后，转换为刀补处理程序可以识别的，需要的数据结构（格式） 。转换后的数据格式用来解释程序段的格式信息。主要包括：坐标系的坐标值，进给速度，主轴转速，G代码，M代码，刀具号等等。编制零件加工程序的主要依据一般是按零件具体轮廓或者按工艺要求设计的进给路线。而数控机床的刀位点轨迹是被控制的，在加工过程中。刀补处理程序就是用来在加工前将编程的运行轨迹具体化到刀位点的轨迹。刀具运动的起点、终点和运动轨迹都可以用数控编程轻易做到，而数控系统的插补装置或软件控制刀具用什么方式使其起点沿运动轨迹走向终点。 是该程序的插补T周期且由系统规定。它将由各种线形（直线、圆弧等）构成的零件轮廓，将程序给定的进给速度 ，筹算出每个进给轴在插补周期内的位移（ 、 ） ，并送给进给伺F 1xy服系统，以实现成形运动。CNC系统对机床的控制分为两种：控制机床动作的顺序控制；每个坐标轴的轨迹。前者是指当数控机床正在运行的时候，以CNC内部和机床各行程开关、按钮开关、继电器开关等状态为依据，并依照预先规定的逻辑关系对包括主轴的起停和换向、转换刀具，工件的夹紧、松开，辅助系统的运行等进行的控制。以上的解释和介绍可推出：数控加工原理数控机床加工工件，首先要将被加工工件图上的几何信息和工艺信息数字化，用规定的代码程序格式编写加工程序，并存储到程序在体内，然后用相应的输入装置将所编的程序指令输入到CNC单元。CNC单元将程序（代码）进行译码、运算后，向机床各坐标的伺服系统和辅助控制装置发出信号，以驱动机床的各部运动部件，并控制所需要的辅助动作，最后加工出合格的产品。2.2 数控车床的特点数控车床一般由床身、主轴箱、刀架、进给系统，冷却系统和伺服系统等几部分组成,其结构特点主要体现在进给系统、刀架上。伺服电机驱动数控机床的进给装置,用连续控制刀具的在两个坐标位移的运动方式,完成类似回转体零件的加工。而进给系统是直接用伺服电机通过滚珠丝杠副来驱动溜板和刀架进行进给，极大地减少进给系统的结构，传动链路线短，刚性好,加工精度高。并且因为装配了滚珠丝杠副进行刀架移动,所以运动轻巧。作为数控车床的一个重要部件，刀架对车床的整体布局有很大的影响力，两坐标连续控制的数控车床通常有4、8、10工位的回转刀盘。加工零件时,三爪卡盘上夹装需要加工的工件,并随着主轴一起旋转。车刀固定在走刀架上,随刀架一起沿车床的纵轴(Z轴)和横轴(X 轴 )移动。从而形成切削表面。因为工件只随主轴旋转，在车床上加工零件的基本形状是一个绕主轴( Z轴)的回转体。车床加工的工件以柱面、锥面和球面为基本形状，其它形状都是由这些基本形状组合而成。上述三种基本形状的图形都要求车刀刀尖走出二种基本的轨迹，即直线和圆弧。以上分析的运动均为连续动作，即要求车刀在平面走出连续的轨迹。然后车床还有一些辅助运动，比如：主轴的正反转与停止冷却泵的启动与停止等运动。这些辅助运动属于断续的开关动作。所以，车床的动作包括连续动作和开关动作。2.3 普通车床数控化改造的方案设计2.3.1 普通车床数控化改造的条件并不是所有的旧机床都适合于数控改造。改造的机床应具备如下几个条件。(1)机床基础件必须有足够的刚度数控机床属于高精密机床，要求有很高的移动精度。通常闭环系统的脉冲当量为0.001mm，开环系统的脉冲当量为0.005mm或0.01mm。高的定位精度和轮廓加工精度要求机床的基础件具有很高的动、静刚度。基础件刚性不好则受力后容易变形，且这种变形具有很大的不确定性，无法用数控系统中的补偿功能进行补偿。因此，基础件刚性不好的机床不适宜改造为数控机床。(2)改造费用合适、经济性好机床改造费用分为机床和电气两部分。一方面是维修和改动原机床部分，更换已磨损的部件；另一方面是更换原机床控制柜，用新的数控系统和强电装置代替。改造费用与原机床零件的利用多少有关，也与采用何种控制系统有关。由于经济上的考虑，目前通常采用步进电动机驱动的经济型数控系统进行机床改造。改造总费用多少才算合适要因用户而异。一般来说；不超过同类规格设备价格的一半，在经济上就算合适。2.3.2 普通车床数控化改造的一般步骤(1)旧机床的设备选型通常对一台旧机床，是否需要进行数控化改造，首先应对该设备进行基本估价，这也就是设备选型。以判断该设备是否具有改造价值，改造后是否满足要求，改造成功的可能性等，选择设备是满足这些条件的重中之重，所以选择型号是设备改造的第一环节，应重点研究七个主要参数：设备的型号规格、生产厂家、投产时间、目前运行状况、剩余价值(机械、电气)、改造后预计达到的效果。所以应尽量采用1990年以后后出厂的机床，这类机床由于使用年限比较短，其几何精度保持较好，可以改造出很好的效果。(2)确定改造方案确定了所选的设备以后，就要落实确定的技术改造方案。一般应该从这两个方面论证：一是确定该设备改造后的主要加工对象和应该达到的要求；二是各方面投入的预算，也就是资金投入的评估。上述两项的确定，最好综合考虑，因为投入的改造费用主要与以下几点有关。选定数控系统。机床本身固有几何精度的修复及保养。更换机床电器及附件。维护和保养的机床辅助系统(液压系统、冷却系统等)。修复机床外观质量。机床改造的技术的开销。改造机床完成后的综合调试、参数补偿等。(3)改造前的准备工作技术改造方案确定以后，检测机床的精度，若精度太低，就必须修复其本身的精度。从两方面入手：恢复机械精度；二是电气部分的恢复。例如恢复主轴的精度、恢复机床导轨精度 (平行度、垂直度等)，来提高传动精度和效率。并对机床的各个系统和I/O接口进行检测、恢复、改造、维护、保养。(4)机床的改造对机床的改造主要包括施工、安装和连结；机床改造后的实验；机床及控制系统各部分功能联合行动实验；机床工作是否稳定；机床定位和重复定位是否准确、精度是否达到标准、各种补偿功能的测试；实验机床加工切削。(5)改造结束后的检验检查外观、调试机床的系统的种种功能、确定机床精度 (定位&重复定位精度)、机床能够承受多大负荷、实验切削标准工件、加工典型零件等。(6)操作及维修人员的培训若操作和维修的工作人员素质不高，数控机床并不会得到很好的使用，所以操作及维修人员本身一定对其进行全面的、系统的、专业化的技术培训，使其能完全地了解和使用数控系统的基本原理、操作规程、维修常识，并懂得对一般故障的判断和的及时处理。综上所述 我决定改造C616型车床2.1 设计方案的确定利用数控装置对纵横进给系统进行开环控制，以步进电机为驱动元件，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架，技术改造C616这种普通车床就已经可以完成一个经济型的数控车床，来实现微机控制下的自动加工。车床改造会把车床的主运动和进给运动这两种完全分离开来。带动工件旋转成为主电机的唯一任务，而步进电机直接带动车床的纵横丝杠来实现刀架的进给运动。其改造后结构原理示意图如图2-1所示。单片微型机接口接口接口光电耦合光电耦合主轴脉冲发生器功率放大器纵向步进电机横向步进电机变速箱变速箱滚珠丝杆滚珠丝杆功率放大 交流控制 电动机 电动刀架图2-1 C616型车床的数控化改造结构原理图操作时，根据零件的加工工艺，按数控系统的规定的方式编制零件的加工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，处理完加工程序后微机发出一连串脉冲信号，经过功率放大器放大功率后使两个步进电机开始按已经设计好的方向、速度和位移量动作，从而完成对刀架X轴Y轴两个方向的运行，使车刀能实现的切削。换刀时，微机发出换刀信号，使刀架控制箱继电器动作，通过升降机构，将上刀体上升至指定位置，带动刀体旋转到所选刀位，通过减速机构定位，完成换刀动作 20。2.2 机械部分改造 42.2.1 计算与设计纵向进给系统1）设计纵向进给系统一般的经济型数控车床的改造方式：将步进电机经减速驱动丝杠，螺母锁定在溜板箱上，来带着刀架向左或者向右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对车床改造来说，外观不必像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丝杠的右端，如图2-2所示。加工工件图纸 程序编制 手工输入 控制计算机功率放大器步进电机变速箱变速箱步进电机变速箱图2-2 数控改造的总体方案示意图2）纵向进给系统的设计计算 已知条件：车床的重量： W=750N时间常数： T=28ms 滚珠丝杠基本导程： =8mm0L行程： S =700mm脉冲当量: p=0.02mm/step 步距角： =0.75/step快速进给速度： =2.5m/minmaxV(1) 切削力，切削功率计算（2-1）KNc式中 N：电机功率，查机床说明书，N=4kW；：主传动系统总效率 通常为0.60.7取65.0K：进给系统功率系数，设K=0.96。则： =40.650.96=2.496 kW又因为 （2-2）6120/vFNzc所以 cz/式中 v:切削线速度，取v=100m/min。主切削力 =61202.496/100=152.76（kg f）=1527.6（N）zF又 （2-3）ZFZYXpFzKfC查表得： =188kgf/=188O000 PaZFc =1 =0.75 =1ZFXZFYZFK则可计算 如表2-1所示：Z表2-1 计算结果ZF当 =1520N时，切削深度 =2mm，走刀量 =0.3mmZFpf从手册可得，在通常的外圆车削时：=（0.10.6） =（0.150.7） （2-4）XFZFYZF取： =0.5Fz=0.51527.6=763.8NX=0.6Fz=0.61527.6=916.5NYF(2) 滚珠丝杠设计计算 A.滚珠丝杠副传动的特点：（1）传动效率高滚珠丝杠副的传动效率高达90%98%，为滑动丝杠副的24倍，能高效地将扭力转化为推力，或将推力转化为扭力。 ）（ mp2 2 2 3 3 3f（mm） 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4）（ NZ1125 1524 1891 1687 2287 2837（2）传动灵敏平稳滚珠丝杠副为点接触滚动摩擦，摩擦阻力小、灵敏度好、启动时无颤动、低速时无爬行，可级控制微量进给。 （3）定位精度高滚珠丝杠副传动过程中温升小、可预紧消除轴向游隙和初级弹性形变、可对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，故可获得较高的定位精度和重复定位精度。 （4）精度保持性好滚珠及滚道硬度达HRC5863，滚道形状准确，滚动摩擦磨损极小，具有良好的精度保持性、可靠性和使用寿命。 （5）传动刚度高滚珠丝杠副内外滚道均为偏心转角双圆弧面、在滚道间隙极小的时也能灵活传动。需要时加一定的预紧载荷则可消除轴向游隙和初级弹性形变以获得良好的刚性（此时使用寿命有所减少）。 （6）同步性能好在需要同步传动的场合，用几套相同导程的滚珠丝杠副可获得良好的同步性能。B.滚珠丝杠副的精度与代号根据机械工业部标准滚珠丝杠副精度的规定，滚珠丝杠副按其使用范围及要求分为六个等级，即C,D,E,F,G,H级，C级精度最高，其余一次逐级降低各种类型数控机床对滚珠丝杠副精度的要求如表2-2表 2-2 滚珠丝杠 副精度要求表机 床 种 类 坐 标 方 向X Y Z W数控压力机 标准级 标准级数控绘图机 标准级 标准级数控车床标准级精密级标准级数控磨机 精密级 精密级数控线切割机 精密级 精密级数控钻床 标准级 普通级 标准级数控铣床 标准级 标准级 标准级数控镗床 精密级 精密级 精密级 标准级数控坐标镗床精密级超精密级精密级超精密级精密级超精密级精密级开 环 系 统自动换刀数控机床精密级超精密级精密级超精密级精密级超精密级标准级坐标镗床、螺纹磨床精密级超精密级精密级超精密级精密级超精密级精密级普通机床、通用机床 普通级 普通级 普通级滚珠丝杠副的精度包括各元件的精度和装配后的综合精度，其中包括导程误差，丝杠大径对螺纹轴线的径向圆跳动，丝杠和螺母表面粗糙度，由预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的圆跳动，有预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的径向圆跳动以及滚珠丝杠公称直径尺寸变动量等。在开环数控机床和其他精度机床中，滚珠丝杠的精度直接影响定位精度和随动精度。对于闭环系统的数控机床，丝杠的制造误差使得它在工作时负载分布不均匀，从而降低承载能力和接触刚度，并使预紧力和驱动力矩不稳定，因此传动精度始终是滚珠丝杠的最重要的质量指标。C.综合导轨车床丝杠的轴向力： （2-5）（ WFfKPZX式中 K =1.15， =0.150.18，取为 0.16。f则 P =1.15763.8+0.16（1527.6+800）=1250.8N1) 强度计算：寿命值 （2-6）60/1iiLnT（2-7）/ioofvfDL主取工件直径 D=80mm，查表得 =15000hiT则： =10001000.3/3.14806=20r/minin=602015000/ =18iL610最大动负载 = （2-8）QHWifP3查表得： 运转系数 =1.2 硬度系数 =1f Hf则 = 1.211250.8=3933.6N318根据最大动负载 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂Q的产品样本选取 F B 系列，滚珠丝杠直径选为 32mm，型号为 F B326-5- ，1C 1C2E其额定动载荷是 10689N，所以强度足够用。2) 效率计算： 根据公式，丝杠螺母副的传动效率 为：（2-9）/tg（ ）式中 摩擦角 =10 螺旋升角 =325则 =0.953）（ 01523/tgt3) 刚度验算： 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量（2-10）EFL/01式中 =6mm=0.6cm；0L=20.610-6E2/cmN滚珠丝杠截面积 2/.8031/.4Fd（ ） （ ）则 cmL 6261 109.5./.20/8.5 ）（滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2很小，可忽略，即： 。所以：1L导程变形总误差 为mL/8.960/19.50/1查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15m/m，故刚度足够。4）稳定性验算： 由于机床原丝杠直径为32mm，支承方式不变，所以稳定性不存在问题，不在验算。(3) 齿轮及转矩的有关计算1) 有关齿轮计算传动比 /360.756/30.125opiL故取 =32 =401Z2m=2mm b=20mm =20md6431mZd80422haa6*1d84222) 转动惯量计算车床重量折算到电机轴上的转动惯量： cmNckgWJp .674.467.0875.0143/.80/180 222 ）（）（ 滚珠丝杠的转动惯量：22444 .8.7 cckLDJs 齿轮的转动惯量： 4 221.80.7ZJkgcmNc42227.39.9电机转动惯量很小可以忽略不计。因此，总转动惯量： 467.01.239.6178.25/1122 ）（）（ JJiJZS= 2.084.408. cmNckg3) 计算需要的转动力矩：所需力矩（快速空载时）+ +maxMfo所需力矩（最大切削负载时）+ + +atfot所需力矩（快速进给时） + fMo式中 为车床空载启动时映射到电机的轴上的加速力矩；max映射到电机的轴上的摩擦力矩；f由丝杠预紧所导致的，映射到电机的轴上的额外摩擦力矩；oM车床切削时映射到电机的轴上的加速度力矩；at映射到电机的轴上的切削负载力矩。t（2-11）TJnMa6.9/104当 时 maxaamxmin/7.416/25.0/a rLivn cmkgfNMa .521.0.9/7.4168.2mx 当 时 tnat 68014.3/25.01/10/0 DLvfiLfit 主24.8mnr=12.40824.88 /9.60.025=0.1286 N.m=1.286kgf.cmatM4iWLfiLFf 2/2/00当 =0.8 =0.16 时f0.168./23.1408.25fM=1.223 =12.23cmkgf.cN.当 =0.9 时预加载荷 Po=1/3 则：0XF25.1804.36/9.01.3876/12200 ）（）（ iLFMX= mNckgf.4.46.=76.30.6/5=7.297kgf.cm=72.97N.cm/2txoLi所以，所需力矩（快速空载启动时）：maxfOM=21.5+1.223+0.462=23.185kgf.cm=231.85N.cm所需力矩（切削时）：atfot=1.286+1.223+0.462+7.297=10.268kgf.cm=102.68N.cm所需力矩（快速进给时） foM=1.223+0.462=1.685kgf.cm=16.85N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩 发生在快速启动时，maxcmNckgfM.85231.185.23ax2.2.2 横向进给系统的计算与设计1. 横向进给系统的设计：相对于纵向进给系统，改造横向进给系统的设计就比较简单，一般是将安装在大拖板上的步进电机减速，使其能够驱动滚珠丝杠带动刀架横向运动，再将步进电机和大拖板用法兰盘连接安装，保证其同轴度，以提高转动精度。2. 横向进给系统的计算：由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所用到的公式不在详细说明，只计算结果。已知条件：工作台重量： W=30kgf=300N时间常数： T=25ms 滚珠丝杠基本导程： =4mm 左旋0L行程： S =190mm脉冲当量: p=0.005mm/step 步距角： =0.75/step快速进给速度： =1m/minmaxV(1) 计算切削力 纵向进给量为横向的 23 倍，取 2 倍，即切削力约为纵向的 1/2。=1/2152.58=76.29kg =762.9NZFF切断工件时NcmkgfZy 9.3650. （2）滚珠丝杠设计计算强度： 若为燕尾型导轨则 （2-）（ WFfKPZY12）取 K=1.4 =0.2f则 P=1.438.19+0.2（76.38+30）=74.74kgf=747.4N寿命值 5.130/15601/606iiTnL最大动负载Q= 根据最大动负荷 Q 的值，选NkgfPfLHWi 5.233 择滚珠丝杠的型号。参照汉江机床厂的产品样本，滚珠丝杠选取 系列，滚珠丝杠BFC1直径：20mm，型号为 204-5-E2 左，其额定动负荷为 5393N，所以强度足够用。BFC12) 效率计算： 螺旋升角 =338，摩擦角 =10则传动效率由公式（2-9）得 956.0)183(/tgt3) 刚度验算：由公式（2-10）得滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 = 74.74100.44/3.1420.6 = 5.96 cm1L62719.610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2L1L总误差为=100L/Lo=1005.96 /0.4=14.9m/m610查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（1m 长）为 15m/m，故刚度足够。4) 稳定性验算： 由于选择了一样的滚珠丝杠直径和滚珠丝杆尺寸，而把的一端悬空的支撑方式改造成径向支承，从而提高稳定性，故无需验算。(3) 齿轮及转矩有关计算1)有关齿轮计算传动比 67.13/50.36/475.036/0 PLi故取18Z2=20m0bm 136dm260d140a24a8（2）转动惯量计算机床质量折兑计算后到电机的轴上的转动惯量 2 2 2(180/)(180.5/3.1407)31/0.439.tpJWkgcm丝杠的转动惯量 4 27.2.6.sJkgcm齿轮的转动惯量 4 212.803.0.762ZJkcg电机的转动惯量相对很小可忽略不计因此，总的惯量 2 2 2211/()(3/5)0.64.2)0.6.4391.58.SZtJiJJ kgcm（3）所需转动力矩计算max/0/.7/minonviLr4 4ax19.6.258160/3.MJTNmkgfc / 367/intioofvfiDL r主 4.25.at NmkgfcmNckgfiWfiLFf .0 58.01432/.032./002 2(1)/638.194(.9)/6.6.01.ovoMi kgfcmN0/0851479tyFL f所以迅速空载启动时需要的转矩 maxfM=2.23+0.287+0.116=2.633kgf.cm=26.33N.cm切削时需要的力矩： atfotM=0.1774+0.287+0.116+1.824=2.40kgf.cm=24.04N.cm快速进给时需要的转矩：foM=0.287+0.116=0.403kgf.cm=4.03N.cm以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时 maxMkgfcNm3 电气部分改造3.1 步进电机选用的基本原则4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中的实际工作情况，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.步矩角 步矩角应满足： imn/式中 传动比；i系统对步进电机所驱动部件的最小转角。mn2.精度 步进电机的精度可用步矩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smiQ式中 步进电机的积累误差；系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。s3.转矩 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：1）启动力矩 一般启动力矩选取为：5.03/0LqM式中 电动机启动力矩；电动机静负载力矩。0L根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表 1-2 所示。 为步进电机的最大jmM静转矩，是步进电机技术数据中给出的。在要求的运行频率范围内，操作扭矩动机应该大于静态负载力矩电机和电机转动惯量(包括载荷)引起的转动惯量之和4.启动频率：因为步进电机负载力矩和转动惯量的增大会使启动频率降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： topmf极限启动频率tf要求步进电机最高启动频率。opmf3.2 步进电机的选择43.2.1 纵向进给系统步进电机的确定 cmNMLq .625794.0/185.234.0/ 为满足最小步矩要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： 所86.0/imqM以，步进电机最大静转矩为：N.cm31.698.0/625.798.0/ aim步进电机最高工作频率 max/602/60.13.pfv Hz综合考虑，查表选用 110BF003 型直流步进电机，能满足使用要求。3.2.2 横向进给系统步进电机的确定 /0.426310/.465.82qLoMNcm仍选用三相六拍工作方式，查表知：/.8qim所以，步进电机最大静转矩为：/0.65.2/0.867.1imaMNcm步进电机最高工作频率max/1/.53.pfv Hz为了便于设计和采购，仍选用 110BF003 型直流步进电机，能满足使用要求。2.4 数控车床改造的性能要求 2.4.1 控制（1）运动控制应该能够实现控制 X 轴和 Z 轴直线运动的两轴联动控制能力；启停主轴，主轴正反向运动，反馈旋转位置之后，主轴的控制能力；手动控制: 手摇脉冲发生器控制，逐点行动进给, 手动速度调整；进给速度控制:包括运动进给速度设置，速度倍率调整,自动加减速度控制等；（2）刀具控制可以自动换刀；监视刀具状态；设置刀具的各参数值。（3）辅助功能包括冷却系统、照明系统、排屑系统。2.4.2 操作(1)