CK5116A立式车床数控的数控化改造

CK5116A 立 式 车 床 数 控 的 数 控 化 改 造摘 要针 对 现 有 常 规 CK5116A 立 式 车 床 数 控 的 缺 点 提 出 数 控 改 装 方 案 和 单片 机 系 统 设 计 ， 提 高 加 工 精 度 和 扩 大 机 床 使 用 范 围 ， 并 提 高 生 产 率 。 本论 文 说 明 了 普 通 车 床 的 数 控 化 改 造 的 设 计 过 程 ， 较 详 尽 地 介 绍 了CK5116A 机 械 改 造 部 分 的 设 计 及 数 控 系 统 部 分 的 设 计 。 采 用 以 8031为 CPU 的 控 制 系 统 对 信 号 进 行 处 理 ， 由 I/O 接 口 输 出 步 进 脉 冲 ， 经一 级 齿 轮 传 动 减 速 后 ， 带 动 滚 动 丝 杠 转 动 ， 从 而 实 现 纵 向 、 横 向 的 进 给运 动 。 改 造 过 程 如 下 ： （ 1） 机 械 部 分 的 改 造 ， 包 括 纵 向 进 给 方 向 的 改造 和 横 向 进 给 方 向 的 改 造 。 主 要 包 括 对 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 及 反 应 式 步 进 电机 的 计 算 选 择 及 纵 向、 横 向 机 构 装 配 图 方 案 的 制 定 。 （ 2） 电 气 控 制 部 分 的 设 计 ， 主 要 包括 MCS-51 系 列 单 片 机 及 扩 展 芯 片 的 选 用 和 电 气 控 制 图 的 设 计 。关 键 词 ： 数 控 ;单 片 机 ;步 进 电 机 ;滚 珠 丝 杠 ;改 造ABSTRACTTo remedy the defects of ordinary lather CK5116A, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machines usage, and to improve production rate。 This paper presents the process of designing numerical control reform， and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。 We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal， and output the step pulse through the I/O interface。 After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。 Thus achieve the verticalmovement and the crosswise movement。Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart.Key words : numerical control ;single-chip ;stepping motor ; ball screw haft ,reform 目 录摘 要 IABSTRACT II引言 - 1 -第 1 章 总体方案的设计 - 3 -1.1 设计任务 - 3 -1.2 总体方案的论证 - 3 -1.2.1 机 械 部 分 的 改 造 设 计 - 5 -1.2.2 伺 服 进 给 系 统 的 改 造 设 计 - 7 -1.2.3 数 控 系 统 的 硬 件 电 路 设 计 - 7 -1.3 总体方案的确定 - 7 -第 2 章 机械部分的改造设计 - 9 -2.1 纵向进给系统的改造设计 - 9 -2.1.1 纵 向 滚 珠 丝 杠 副 的 选 用 - 10 -2.1.2 步 进 电 机 的 选 用 - 15 -2.2 横向进给系统的改造设计 - 18 -2.2.1 横 向 进 给 系 统 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 选 用 - 19 -2.2.2 横 向 步 进 电 机 的 选 用 - 24 -2.3 齿轮传动间隙的调整 - 26 -第 3 章 电气控制部分的设计 - 29 -3.1 单片机的选择 - 29 -3.2 步进电机的驱动 - 30 -3.2.1 环 形 脉 冲 分 配 器 的 选 择 - 30 -3.2.2 功 率 放 大 器 的 选 用 - 32 -3.3 步进电机的微机控制 - 35 -结论 - 37 -参考文献 - 38 -致谢 - 39 -引 言毕 业 设 计 是 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 专 业 教 学 计 划 的 一 个 重 要 组 成 部 分 ，是 各 教 学 环 节 的 继 续 深 化 和 检 验 ， 其 实 践 性 和 综 合 性 是 其 他 教 学 环 节 所 不 能替 代 的 ， 通 过 毕 业 设 计 使 学 生 获 得 综 合 训 练 ， 对 培 养 学 生 的 实 际 工 作 能 力 具有 十 分 重 要 的 作 用 。毕 业 设 计 还 是 高 等 学 校 工 科 学 院 学 生 毕 业 前 进 行 的 全 面 综 合 训 练 ， 是 培养 学 生 综 合 运 用 所 学 知 识 与 技 能 解 决 实 际 问 题 的 教 学 环 节 ， 是 学 生 在 校 获 得的 最 后 训 练 机 会 ， 也 是 对 学 生 在 校 期 间 所 获 得 知 识 的 体 验 。这 次 设 计 的 题 目 是 ： CK5116A 立 式 车 床 数 控 的 数 控 化 改 造现 代 工 业 技 术 的 发 展 ， 特 别 是 能 源 部 门 的 需 求 ， 使 高 温 高 压 水 广 泛应 用 于 相 关 的 领 域 中 ， 对 国 民 生 产 和 人 民 生 活 起 着 越 来 越 重 要 的 作 用 ， 例 如 ：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 。 计 算机 的 出 现 和 应 用 ， 为 人 类 提 供 了 实 现 机 械 加 工 工 艺 过 程 自 动 化 的 理 想 手 段 。随 着 计 算 机 的 发 展 ， 数 控 机 床 也 得 到 迅 速 的 发 展 和 广 泛 的 应 用 ， 同 时 使 人 们对 传 统 的 机 床 传 动 及 结 构 的 概 念 发 生 了 根 本 的 转 变 。 数 控 机 床 以 其 优 异 的 性能 和 精 度 、 灵 捷 而 多 样 化 的 功 能 引 起 世 人 瞩 目 ， 并 开 创 机 械 产 品 向 机 电 一 体化 发 展 的 先 河 。 数 控 机 床 是 以 数 字 化 的 信 息 实 现 机 床 控 制 的 机 电 一 体 化 产 品 ， 它 把 刀 具和 工 件 之 间 的 相 对 位 置 ， 机 床 电 机 的 启 动 和 停 止 ， 主 轴 变 速 ， 工 件 松 开 和 夹紧 ， 刀 具 的 选 择 ， 冷 却 泵 的 起 停 等 各 种 操 作 和 顺 序 动 作 等 信 息 用 代 码 化 的 数字 记 录 在 控 制 介 质 上 ， 然 后 将 数 字 信 息 送 入 数 控 装 置 或 计 算 机 ， 经 过 译 码 ，运 算 ， 发 出 各 种 指 令 控 制 机 床 伺 服 系 统 或 其 它 的 执 行 元 件 ， 加 工 出 所 需 的 工件 。 数 控 机 床 与 普 通 机 床 相 比 ， 其 主 要 有 以 下 的 优 点 ： 1. 适 应 性 强 ， 适 合 加 工 单 件 或 小 批 量 的 复 杂 工 件 ； 在 数 控 机 床 上 改变 加 工 工 件 时 ， 只 需 重 新 编 制 新 工 件 的 加 工 程 序 ， 就 能 实 现 新 工 件 加 工 。 2. 加 工 精 度 高 ； 3. 生 产 效 率 高 ； 4. 减 轻 劳 动 强 度 ， 改 善 劳 动 条 件 ； 5. 良 好 的 经 济 效 益 ； 6. 有 利 于 生 产 管 理 的 现 代 化 。 数 控 机 床 已 成 为 我 国 市 场 需 求 的 主 流 产 品 ， 需 求 量 逐 年 激 增 。 我 国 数 控机 机 床 近 几 年 在 产 业 化 和 产 品 开 发 上 取 得 了 明 显 的 进 步 ， 特 别 是 在 机 床 的 高速 化 、 多 轴 化 、 复 合 化 、 精 密 化 方 面 进 步 很 大 。 但 是 ， 国 产 数 控 机 床 与 先 进国 家 的 同 类 产 品 相 比 ， 还 存 在 差 距 ， 还 不 能 满 足 国 家 建 设 的 需 要 。 我 国 是 一 个 机 床 大 国 ， 有 三 百 多 万 台 普 通 机 床 。 但 机 床 的 素 质 差 ， 性 能落 后 ， 单 台 机 床 的 平 均 产 值 只 有 先 进 工 业 国 家 的 1/10 左 右 ， 差 距 太 大 ，急 待 改 造 。 旧 机 床 的 数 控 化 改 造 ， 顾 名 思 义 就 是 在 普 通 机 床 上 增 加 微 机 控 制 装 置 ，使 其 具 有 一 定 的 自 动 化 能 力 ， 以 实 现 预 定 的 加 工 工 艺 目 标 。 随 着 数 控机 床 越 来 越 多 的 普 及 应 用 ， 数 控 机 床 的 技 术 经 济 效 益 为 大 家 所 理 解 。 在 国 内工 厂 的 技 术 改 造 中 ， 机 床 的 微 机 数 控 化 改 造 已 成 为 重 要 方 面 。 许 多 工 厂 一 面购 置 数 控 机 床 一 面 利 用 数 控 、 数 显 、 PC 技 术 改 造 普 通 机 床 ， 并 取 得 了 良 好的 经 济 效 益 。 我 国 经 济 资 源 有 限 ， 国 家 大 ， 机 床 需 要 量 大 ， 因 此 不 可 能 拿 出相 当 大 的 资 金 去 购 买 新 型 的 数 控 机 床 ， 而 我 国 的 旧 机 床 很 多 ， 用 经 济 型 数 控系 统 改 造 普 通 机 床 ， 在 投 资 少 的 情 况 下 ， 使 其 既 能 满 足 加 工 的 需 要 ， 又 能 提高 机 床 的 自 动 化 程 度 ， 比 较 符 合 我 国 的 国 情 。 1984 年 ， 我 国 开 始 生 产 经济 型 数 控 系 统 ， 并 用 于 改 造 旧 机 床 。 到 目 前 为 止 ， 已 有 很 多 厂 家 生 产 经 济 型数 控 系 统 。 可 以 预 料 ， 今 后 ， 机 床 的 经 济 型 数 控 化 改 造 将 迅 速 发 展 和 普 及 。所 以 说 ， 本 毕 业 设 计 实 例 具 有 典 型 性 和 实 用 性 。第 1章 总 体 方 案 的 设 计1.1 设 计 任 务本 设 计 任 务 是 对 CK5116A 普 通 车 床 进 行 数 控 改 造 。 利 用 单 片 机 对 纵 、横 向 进 给 系 统 进 行 控 制 ， 纵 向 （ Z 向 ） 脉 冲 当 量 为 0.01mm/脉 冲 ， 横 向（ X 向 ） 脉 冲 当 量 为 0.005mm/脉 冲 ， 驱 动 元 件 采 用 步 进 电 机 ， 传 动 系 统 采用 滚 珠 丝 杠 副 。1.2 总 体 方 案 的 论 证 对 于 普 通 机 床 的 经 济 型 数 控 改 造 ， 在 确 定 总 体 设 计 方 案 时 ， 应 考 虑 在 满足 设 计 要 求 的 前 提 下 ， 对 机 床 的 改 动 应 尽 可 能 少 ， 以 降 低 成 本 。一 般 数 控 系 统 应 包 括 以 下 五 大 要 素 和 功 能 ， 其 图 如 下 ：动 力 设 备 （ 运 转 ）传 感 器 （ 检 测 ） - 微 机 （ 控 制 ） - 执 行 机 构 （ 驱 动 ）机 械 主 体 （ 加 工 ） 此 五 个 要 素 的 工 作 结 构 示 意 图 如 下 ：控制设备伺 服系 统辅 助 控 制装 置测 量 反 馈 装置机械传动部1、 输 入 、 输 出 设 备 主 要 作 用 ： 编 制 程 序 、 输 入 数 据 ， 程 序 输 出 、 显 示 器 。2、 微 机 控 制 设 备可 先 用 专 用 计 算 机 PC、 PLC、 或 者 单 片 机 。功 能 ： 完 成 零 件 的 测 量 及 精 度 的 保 证 ， 产 生 脉 冲 信 号 。在 我 国 ， 普 通 机 床 数 控 改 造 方 面 应 用 较 普 遍 的 是 Z80CPU 和 MCS-51 系 列 单 片 机 ， 主 要 是 因 为 它 们 的 配 套 芯 片 便 宜 ， 普 及 性 、 通 用 性 强 ， 制造 和 维 修 方 便 ， 完 全 能 满 足 经 济 型 数 控 机 床 的 改 造 需 要 。 本 设 计 中 是 以MCS-51 系 列 单 片 机 ， 51 系 列 相 对 48 系 列 指 令 更 丰 富 ， 相 对 96 系 列 价 格更 便 宜 ， 51 系 列 中 ， 是 无 ROM 的 8051， 8751 是 用 EPROM 代 替 ROM的 8051。 目 前 ， 工 控 机 中 应 用 最 多 的 是 8031 单 片 机 。 本 设 计 以 8031 芯片 为 核 心 ， 增 加 存 储 器 扩 展 电 路 、 接 口 和 面 板 操 作 开 关 组 成 的 控 制 系 统 。 3、 伺 服 系 统包 括 ： 伺 服 电 机 、 伺 服 控 制 系 统 线 路 、 驱 动 电 路 、 执 行 机 构功 能 ： 将 微 机 控 制 设 备 产 生 的 脉 冲 信 号 转 化 为 电 机 执 行 机 构 的 速 度 和位 移 。输入、输出设备伺 服 电 机 有 ： 功 率 步 进 电 机 、 直 流 伺 服 电 机 、 交 流 电 机 。 本 设 计 选用步 进 电 机 作 拖 动 元 件 。 因 为 数 控 系 统 发 出 的 指 令 仅 使 床 鞍 运 动 而 没 有 位 置检 测 和 信 号 反 馈 ， 故 实 际 移 动 值 和 系 统 指 令 如 果 有 差 别 就 会 造 成 加 工 误 差 。4、 测 量 反 馈 装 置测 量 系 统 有 接 触 触 发 式 测 头 、 信 号 传 输 系 统 和 数 据 采 集 系 统 组 成 ， 是数 控 机 床 在 线 检 测 系 统 的 关 键 部 分 ， 直 接 影 响 着 在 线 检 测 的 精 度 。 其 中 关 键部 件 为 测 头 ， 使 用 测 头 可 在 加 工 过 程 中 进 行 尺 寸 测 量 ， 将 执 行 机 构 的 速 度 、位 置 信 号 测 量 出 来 反 馈 到 控 制 装 置 中 。 根 据 测 量 结 果 修 改 加 工 程 序 ， 改 善加 工 精 度 ， 使 得 数 控 机 床 既 是 加 工 设 备 ， 又 兼 具 测 量 机 的 某 种 功 能 。我 的 这 次 车 床 的 改 造 ， 因 为 是 简 易 的 改 造 ， 我 们 这 次 改 造 就 没 有 使用 测 量 反 馈 装 置 。5、 机 械 传 动包 括 传 动 机 构 、 工 作 台 、 床 身 、 支 柱 等 。6、 辅 助 控 制 、 手 动 （ 点 动 ） 、 限 位 、 紧 急 停 车 的 实 现 。1.2.1 机 械 部 分 的 改 造 设 计 数 控 机 床 的 机 械 部 分 在 刚 度 、 精 度 、 速 度 、 摩 擦 磨 损 等 方 面 较 普 通 机 床有 更 高 的 要 求 。 因 此 ， 不 能 简 单 地 认 为 将 数 控 装 置 与 普 通 机 床 连 接 在 一 起 就达 到 了 机 床 数 控 改 造 的 目 的 。 而 是 应 该 从 机 床 自 身 的 价 值 考 虑 ， 分 析 改 造 要达 到 的 目 标 和 所 需 投 入 。 从 该 机 床 在 本 单 位 产 品 制 造 中 的 地 位 和 重 要 程 度 来分 析 改 造 价 值 。 对 被 改 造 机 床 的 结 构 、 性 能 、 精 度 等 技 术 现 状 作 全 面 分 析 。其 中 包 括 机 床 原 来 的 结 构 设 计 是 否 符 合 改 造 要 求 ， 部 件 结 构 是 否 仍 然 完 好 ，各 坐 标 轴 的 机 械 传 动 结 构 及 导 轨 副 的 形 式 等 是 否 适 用 ， 各 项 精 度 是 否 满 足 要求 ， 机 床 在 加 工 中 是 否 存 在 故 障 和 历 史 上 有 无 出 现 过 重 大 故 障 。 从 该 机 床 的投 入 产 出 率 估 算 ， 确 定 最 终 改 造 方 案 。 为 了 实 现 机 床 所 要 求 的 分 辨 率 ， 采用 步 进 电 机 经 齿 轮 减 速 再 传 动 丝 杠 。 为 了 保 证 一 定 的 传 动 精 度 和 平 稳 性 ，尽 量 减 小 摩 擦 力 ， 选 用 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 。 同 时 ， 为 了 提 高 传 动 刚 度 和 消 除 间隙 ， 采 用 有 预 加 负 载 荷 的 结 构 。 传 动 齿 轮 也 要 采 用 消 除 齿 侧 间 隙 的 结 构 。 此设 计 过 程 主 要 是 纵 向 进 给 和 横 向 进 给 的 改 造 ， 关 键 是 步 进 电 机 和 滚 珠 丝 杠 的选 用 。改 进 后 的 车 床 简 易 传 动 系 统 如 图 1-1：图 1-1 改 进 后 的 车 床 传 动 系 统1.小 刀 架 2.横 向 步 进 电 动 机 3.横 向 滚 珠 丝 杆 4.大 拖 板5.纵 向 滚 珠 丝 杆 6.纵 向 步 进 电 动 机 1.2.2 伺 服 进 给 系 统 的 改 造 设 计 伺 服 系 统 是 数 控 机 床 的 重 要 组 成 部 分 ， 它 既 是 数 控 系 统 CNC 系 统 与刀 具 、 主 轴 间 的 信 息 传 递 环 节 ， 又 是 能 量 放 大 与 传 递 的 环 节 。 它 的 性 能 在 很大 程 度 上 决 定 了 数 控 机 床 的 性 能 。 例 如 ， 数 控 机 床 的 最 高 移 动 速 度 、 跟 踪 精度 、 定 位 精 度 等 重 要 指 标 均 取 决 于 伺 服 系 统 的 动 态 和 静 态 性 能 。 数 控 机床 的 伺 服 系 统 按 控 制 方 式 分 为 开 环 控 制 系 统 、 半 闭 环 控 制 系 统 和 闭 环 控 制 系统 三 类 。 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 。 所 以 ， 本 设 计 决 定 采 用 开 环 控 制系 统 。 1.2.3 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 ，性 能 的 好 坏 直 接 影 响 整 体 数 控 系 统 的 工 作 性 能 。 有 了 硬 件 ， 软 件 才 能 有 效 地运 行 。 在 设 计 的 数 控 装 置 中 ， CPU 的 选 择 是 关 键 ， 选 择 CPU 应 考 虑 以 下 要 素 ：1.时 钟 频 率 和 字 长 与 被 控 对 象 的 运 动 速 度 和 精 度 密 切 相 关 ； 2. 可 扩 展 存 储 器 的 容 量 与 数 控 功 能 的 强 弱 相 关 ；3. I/O 口 扩 展 的 能 力 与 对 外 设 控 制 的 能 力 相 关 。 在 我 国 ， 普 通 机 床 数 控 改 造 方 面 应 用 较 普 遍 的 是 Z80CPU 和 MCS-51 系列 单 片 机 ， 主 要 是 因 为 它 们 的 配 套 芯 片 便 宜 ， 普 及 性 、 通 用 性 强 ， 制 造 和 维修 方 便 ， 完 全 能 满 足 经 济 型 数 控 机 床 的 改 造 需 要 。 本 设 计 以 8031 芯 片 为核 心 ， 增 加 存 储 器 扩 展 电 路 、 接 口 和 面 板 操 作 开 关 组 成 的 控 制 系 统 。1.3 总 体 方 案 的 确 定 经 总 体 设 计 方 案 的 论 证 后 ， 确 定 CK5116A 车 床 经 济 型 数 控 改 造 方 案 。CK5116A 车 床 的 主 轴 转 速 部 分 保 留 原 机 床 的 功 能 ， 即 手 动 变 速 。 车 床 的 纵 向（ Z 轴 ） 和 横 向 （ X 轴 ） 进 给 运 动 采 用 步 进 电 机 驱 动 。 将 原 来 机 床 的 普 通丝 杠 改 为 滚 珠 丝 杠 以 减 小 摩 擦 力 。 并 将 8031 单 片 机 组 成 的 微 机 作 为 数 控装 置 的 核 心 ， 由 I/O 接 口 、 环 形 分 配 器 与 功 率 放 大 器 一 起 控 制 步 进 电 机 转动 ， 经 齿 轮 减 速 后 带 动 滚 珠 丝 杠 转 动 ， 从 而 实 现 车 床 的 纵 向 、 横 向 进 给 运 动 。第 2章 机 械 部 分 的 改 造 设 计2.1 纵 向 进 给 系 统 的 改 造 设 计在 对 进 给 传 动 系 统 进 行 改 造 时 ， 一 般 都 应 该 把 原 来 的 进 给 变 速 传 动 装 置及 操 纵 机 构 全 部 拆 除 。 而 每 个 方 向 的 进 给 传 动 都 改 由 各 自 独 立 的 功 率 步 进 电机 ， 经 减 速 齿 轮 直 接 与 带 动 滑 板 移 动 的 丝 杠 连 接 ， 分 别 实 现 各 坐 标 方 向 的 运动 ， 进 行 各 坐 标 的 控 制 。 例 如 普 通 机 床 的 简 易 化 数 控 改 装 ， 通 常 都 是 把 原 来由 主 轴 箱 到 进 给 箱 的 传 动 路 线 切 断 ， 且 将 溜 板 箱 拆 除 ， 直 接 把 齿 轮 减 速 箱 和功 率 步 进 电 机 安 装 在 纵 向 丝 杠 的 右 端 和 横 向 丝 杠 的 外 端 。 在 对 机 床 进 给 传 动系 统 改 装 的 同 时 ， 也 要 对 此 传 动 系 统 中 的 传 动 装 置 元 件 进 行 相 应 的 改 造 。 具体 如 下 ：（ 1） 丝 杠 。 丝 杠 是 将 回 转 运 动 转 换 为 直 线 运 动 的 传 动 装 置 。 改 造 时 ， 为了 满 足 数 控 机 床 上 较 高 精 度 零 件 的 加 工 要 求 ， 应 该 用 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 替 换 原普 通 机 床 上 的 梯 形 丝 杠 螺 母 副 。 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 把 传 动 丝 杠 与 螺 母 之 间 的 滑动 摩 擦 变 为 了 滚 动 摩 擦 ， 使 摩 擦 损 失 减 小 ， 精 度 保 持 性 、 传 动 平 稳 性 、 传 动效 率 等 都 得 以 提 高 。 其 传 动 效 率 可 达 到 92% 98%， 是 普 通 丝 杠 螺 母 副 的3 4 倍 。（ 2） 机 床 导 轨 。 为 了 使 改 造 后 的 机 床 有 较 高 的 开 动 率 和 精 度 保 持 性 ， 应充 分 考 虑 机 床 导 轨 的 耐 磨 性 。 当 前 国 内 普 通 机 床 床 身 等 大 件 多 采 用 普 通 铸 铁 ，其 摩 擦 系 数 较 大 。 改 造 中 ， 在 对 达 不 到 预 定 要 求 的 原 机 床 导 轨 进 行 修 磨 、 刮研 后 ， 要 在 上 面 贴 上 耐 磨 、 吸 振 的 聚 四 氟 飞 烯 软 带 。（ 3） 拖 板 。 拖 板 是 数 控 系 统 直 接 控 制 的 对 象 。 不 论 是 点 位 控 制 、 直 线控 制 ， 还 是 轮 廓 控 制 ， 被 加 工 零 件 的 最 终 坐 标 精 度 都 将 受 到 拖 板 运 动 精 度 、灵 敏 度 和 稳 定 性 的 影 响 。 除 拖 板 及 相 配 件 精 度 要 高 外 ， 由 驱 动 电 机 到 丝 杠 间的 传 动 齿 轮 也 要 采 用 间 隙 消 除 结 构 。 以 满 足 传 动 精 度 和 灵 敏 度 的 要 求 。 常 用的 消 隙 方 法 有 刚 度 调 整 法 和 柔 性 调 整 法 两 种 。 刚 性 调 整 法 传 动 刚 度 较 好 ， 结构 简 单 ， 但 调 整 起 来 很 费 时 ； 柔 性 调 整 法 ， 一 般 用 弹 簧 弹 力 自 动 消 除 齿 侧 间隙 ， 传 动 刚 度 较 低 ， 传 动 平 稳 性 差 ， 结 构 复 杂 。 改 造 中 ， 可 根 据 机 床 加 工 目标 选 用 。 具 体 选 用 可 参 考 有 关 资 料 。2.1.1 纵 向 滚 珠 丝 杠 副 的 选 用滚 珠 螺 旋 传 动 是 在 丝 杠 和 螺 母 滚 道 之 间 放 人 适 量 的 滚 珠 ， 使 螺 纹 间 产 生滚 动 摩 擦 。 丝 杠 转 动 时 ， 带 动 滚 珠 沿 螺 纹 滚 道 滚 动 。 螺 母 上 设 有 返 向 器 ， 与螺 纹 滚 道 构 成 滚 珠 的 循 环 通 道 。 为 了 在 滚 珠 与 滚 道 之 间 形 成 无 间 隙 甚 至 有 过盈 配 合 ， 可 设 置 预 紧 装 置 。 为 延 长 工 作 寿 命 ， 可 设 置 润 滑 件 和 密 封 件 。滚 珠 螺 旋 传 动 与 滑 动 螺 旋 传 动 或 其 它 直 线 运 动 副 相 比 ， 有 下 列 特 点 ：(1) 传 动 效 率 高 一 般 滚 珠 丝 杠 副 的 传 动 效 率 达 90 95 ， 耗 费 能量 仅 为 滑 动 丝 杆 的 1/3。(2) 运 动 平 稳 滚 动 摩 擦 系 数 接 近 常 数 ， 启 动 与 工 作 摩 擦 力 矩 差 别 很小 。 启 动 时 无 冲 击 ， 预 紧 后 可 消 除 间 隙 产 生 过 盈 ， 提 高 接 触 刚 度 和 传 动 精 度 。(3) 工 作 寿 命 长 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 摩 擦 表 面 为 高 硬 度 (HRC5862)、高 精 度 ， 具 有 较 长 的 工 作 寿 命 和 精 度 保 持 性 。 寿 命 约 为 滑 动 丝 杆 副 的410 倍 以 上 。(4) 定 位 精 度 和 重 复 定 位 精 度 高 由 于 滚 珠 丝 杆 副 摩 擦 小 、 温 升 小 、无 爬 行 、 无 间 隙 ， 通 过 预 紧 进 行 预 拉 伸 以 补 偿 热 膨 胀 。 因 此 可 达 到 较 高 的 定位 精 度 和 重 复 定 位 精 度 。(5) 同 步 性 好 用 几 套 相 同 的 滚 珠 丝 杆 副 同 时 传 动 几 个 相 同 的 运 动 部件 ， 可 得 到 较 好 的 同 步 运 动 。(6) 可 靠 性 高 润 滑 密 封 装 置 结 构 简 单 ， 维 修 方 便 。(7) 不 能 自 锁 用 于 垂 直 传 动 时 ， 必 须 在 系 统 中 附 加 自 锁 或 制 动 装 置 。 (8) 制 造 工 艺 复 杂 滚 珠 丝 杆 和 螺 母 等 零 件 加 工 精 度 、 表 面 粗 糙 度 要求 高 ， 故 制 造 成 本 较 高 。2.1.1.1 确 定 系 统 的 脉 冲 当 量在 数 控 机 床 中 ， 一 个 脉 冲 所 产 生 的 坐 标 轴 位 移 量 叫 做 脉 冲 当 量 ， 通 常 用表 示 ， 也 称 机 床 的 最 小 设 定 单 位 。 脉 冲 当 量 是 衡 量 数 控 机 床 加 工 精 度 的 一个 基 本 技 术 参 数 ， 按 机 床 设 计 的 加 工 精 度 选 定 。 本 设 计 所 要 求 的CK5116A 的 脉 冲 当 量 为 ： 纵 向 （ Z 向 ） 脉 冲 当 量 为 0.01mm/脉 冲 ， 横 向（ X 向 ） 脉 冲 当 量 为 0.005mm/脉 冲 。2.1.1.2 车 削 力 的 计 算在 设 计 机 床 进 给 伺 服 系 统 时 ， 计 算 传 动 和 导 向 元 件 ， 选 用 伺 服 电 机 等 都要 用 到 切 削 力 。 现 我 们 利 用 经 验 公 式 计 算 主 切 削 力 。车 床 的 主 切 削 力 可 用 下 式 计 算 ：)(NFZ 5.1max670DFZ式 中 车 床 床 身 加 工 的 最 大 直 径 单 位 为 mm。maxD因 CK5116A 床 身 加 工 的 最 大 直 径 410mm， 则 ：FZ3.2407.按 以 下 比 例 分 别 求 出 分 力 和 ，xFy 4.0:251:yxZF则 ： ，Nx19y62.1.1.3 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 设 计 、 计 算 和 选 型滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 设 计 首 先 要 选 择 机 构 类 型 ： 确 定 滚 轴 循 环 方 式 ， 滚 珠丝 杠 副 的 预 紧 方 式 。 结 构 类 型 确 定 后 ， 再 计 算 和 确 定 其 他 参 数 ， 包 括 ： 公 称直 径 、 导 程 、 滚 珠 的 工 作 圈 数 、 列 数 、 精 度 等 级 等 。d0Ljk本 设 计 中 选 择 滚 珠 循 环 方 式 为 内 循 环 方 式 中 的 固 定 式 。 滚 珠 丝 杠 副 的 预紧 方 法 选 择 双 螺 母 螺 纹 预 紧 。图 2-1 双 螺 母 螺 纹 调 隙 式 结 构、 单 螺 母 3平 键 4调 整 螺 母(1)计 算 进 给 率 牵 引 力 mF作 用 在 滚 珠 丝 杠 上 的 进 给 率 牵 引 力 主 要 包 括 切 削 力 时 的 走 刀 抗 力 以 及 移动 件 的 重 量 和 切 削 分 力 作 用 在 导 轨 上 的 摩 擦 力 。 因 而 其 数 值 大 小 和 导 轨 的 形式 有 关 。 的 计 算 公 式 如 下 :mF纵 向 进 给 导 轨 为 三 角 形 ， 则 ： )(GFfKzxmN)803.562(1.03915.( N24三 角 形 导 轨 选 取 参 数 ： f8,.,. (2)计 算 最 大 动 负 荷 C选 用 滚 珠 丝 杠 副 的 直 径 时 ， 必 须 保 证 在 一 定 轴 向 负 载 作 用 下 ， 丝 杠0d在 回 转 100 万 转 后 ， 在 它 的 滚 道 上 不 产 生 点 蚀 现 象 。 这 个 轴 向 负 载 的 最 大值 即 称 为 该 滚 珠 丝 杠 能 承 受 的 最 大 动 负 荷 。 计 算 步 骤 如 下 ：C丝 杠 转 速 其 中 = 0Lnssmin75.060Li126.1rn寿 命 （ ）610Tr5.056最 大 动 负 荷 NFjLCMw 13842.133 (3)计 算 最 大 静 负 荷当 滚 珠 丝 杠 副 在 静 态 或 低 速 （ ） 情 况 下 工 作 时 ， 滚 珠 丝 杠min10r副 的 破 坏 形 式 主 要 是 在 滚 珠 接 触 面 上 产 生 变 形 ， 当 塑 性 变 形 超 过 一 定 限 度 就会 破 坏 滚 珠 丝 杠 副 的 正 常 工 作 。 一 般 允 许 其 塑 性 变 形 量 不 超 过 滚 珠 直 径 的 万分 之 一 。 产 生 大 的 塑 性 变 形 量 的 负 载 称 为 允 许 的 最 大 静 负 荷 。 选 取 静0C态 安 全 系 数 =2， 滚 珠 丝 杠 的 最 大 轴 向 负 荷 故 最 大 静sf 254maxF负 荷 为 ： 。51084max0FC(4)选 择 滚 珠 丝 杠 副见 表 2-15)传 动 效 率 计 算滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 传 动 效 率 943.056.742tanta0 表 2-1 滚 珠 丝 杠 副 参 数型 号公 称直 径m基 本 导程螺 旋 升角丝 杠 外径 )(m丝 杠 内径额 定 动载 荷 )(N丝 杠 长度m额 定 静 载 荷)(N5.3406642o.398.524108240(6)刚 度 校 核主 要 校 核 滚 珠 丝 杠 在 工 作 负 载 和 扭 矩 T 共 同 作 用 下 引 起 的 每 导 程 变mF形 量 是 否 符 合 丝 杠 精 度 要 求 。L每 导 程 变 形 量 可 按 以 下 公 式 计 算L2021LEFLmGJTL0选 取 )(106.24mNE 221)(8.74mdFEL501 103.06.54402 2218其 中 ： 441.86mdJ441028.02.5则 ： 1L45.3.7m4092L/293.61/049.查 表 所 得 ， 所 选 用 的 级 丝 杠 精 度 允 许 误 差 为 ， 满 足 要 求 。Dm/10(7) 稳 定 性 校 核机 床 在 进 给 时 滚 珠 丝 杠 通 常 是 受 轴 向 力 的 一 压 杆 。 若 轴 向 力 过 大 ，将 使 丝 杠 失 去 稳 定 而 产 生 翘 曲 ， 所 以 选 用 时 必 须 进 行 稳 定 性 校 核 。 如 果 满 足稳 定 性 安 全 系 数 大 于 许 用 稳 定 性 安 全 系 数 ( )， 则 丝 杠 安 全 ， 不 会 失 稳 ：knkn)(kmkFpn式 中 ( )许 用 稳 定 性 安 全 系 数 ， 一 般 取 2.5 4。k丝 杠 失 稳 时 的 临 界 负 载 ， 由 ：kp )(lEJpk式 中 丝 杠 长 度l 丝 杠 轴 端 系 数 ， 由 支 承 条 件 定 。截 面 惯 性 矩 ， 对 实 心 圆J 416dJ对 于 水 平 丝 杠 要 考 虑 自 重 影 响 可 取 ( ) 4。kn将 相 关 数 据 代 入 上 式 中 可 得 Npk 1576)120(.86.42 457kknn丝 杠 不 会 失 稳 。2.1.2 步 进 电 机 的 选 用CK5116A 型 普 通 车 床 数 控 化 改 造 ， 采 用 了 一 种 比 较 简 单 但 是 较 为 典 型的 改 装 方 案 ， 改 造 后 的 车 床 进 给 运 动 由 步 进 电 机 A 和 B 驱 动 ， 它 们 分 别 安装 在 床 头 箱 内 （ 或 床 身 尾 部 ） 和 拖 板 后 方 ， 通 过 减 速 齿 轮 和 纵 横 向 丝 杠 带动 车 床 的 纵 横 进 给 运 动 。 为 使 改 造 后 的 车 床 能 充 分 发 挥 数 控 车 床 的 效 能 ，纵 横 向 丝 杠 螺 母 副 一 般 需 要 调 换 成 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 。 当 利 用 原 丝 杠 螺 母 副 时 ，为 了 减 少 改 造 工 作 量 ， 纵 向 驱 动 电 机 及 减 速 箱 一 般 装 在 床 身 尾 部 ， 这 时 连 接车 床 原 传 动 系 统 （ 主 轴 系 统 ） 和 纵 向 丝 杠 传 动 的 离 合 器 尚 未 拆 除 ， 工 作 时 应使 处 于 脱 开 位 置 。 同 理 ， 脱 落 蜗 杆 等 原 横 向 自 动 进 给 机 构 若 未 拆 除 ， 工 作 时也 应 使 其 处 于 空 档 （ 空 挡 ） 位 置 。 改 造 后 的 进 给 脉 冲 当 量 的 量 值 靠 步 进 电 机步 距 角 、 减 速 齿 轮 比 、 丝 杠 导 程 三 者 协 调 确 定 。 三 者 之 间 换 算 关 系 可 以以 下 式 表 示 ： （ /360） （ ac/bd） T= 式 中 步 进 电 机 步 聚 角 （ 度 ） ； T所 驱 动 丝 杠 导 程 （ mm） ; a,b,c,d齿 轮 齿 数 ， 当 单 级 减 数 时 ， 令 c、 d 等 于 1； 脉 冲 当 量 值 （ mm） 。步 进 电 机 的 参 数 根 据 阻 力 矩 及 切 屑 用 量 的 大 小 和 机 床 型 号 来 选 择 ， 普 通车 床 （ 如 C6140、 CK5116A 等 ） 的 数 控 改 造 中 多 采 用 0.080.15（ Nm） 静 力 矩 的 步 进 电 机 ， 本 设 计 选 0.08（ Nm） 的 作 为 横 向 进 给电 机 ； 选 0.15（ Nm） 的 作 为 纵 向 进 给 电 机 。2.1.2.1 脉 冲 量 的 选 择初 选 三 相 步 进 电 动 机 的 步 距 角 为 ， 当 三 相 六 拍 （ 1 205.17相 励 磁 ） 运 行 时 ， 步 距 角 其 妹 转 脉 冲 数075.rpS48.360脉 冲 当 量 ： 由 此 可 得 中 间 齿 轮 传 动 比 为pm01. i25.1480.6SLi2.1.2.2 等 效 负 载 转 矩 计 算1.空 载 时 的 摩 擦 转 矩 LFTmis 046.25.1806.22.车 削 加 工 时 的 负 载 转 矩 LFWTSiyxL 5.125.180.6.1392.1.2.3 等 效 转 动 惯 量 的 计 算1.滚 珠 丝 杠 的 转 动 惯 量 SJ 23440 07.32185.7.32 mldJS 2.拖 板 运 动 惯 量 换 算 到 电 动 机 轴 上 的 转 动 惯 量 JmiLgWJw 522 1076.45.106.8.913.大 齿 轮 的 转 动 惯 量 gJ选 取 大 齿 轮 齿 数 ， 小 齿 轮 齿 数 ， 模 数 。452Z31Z242 056.285.709.3 mbdJg 4.小 齿 轮 的 转 动 惯 量 1gJ 23441 041.32185.70.32bdJg换 算 到 电 动 机 轴 上 的 总 惯 性 负 载 LJ21iJJsgwgL2 203. 5.10376.047.4m2.1.2.4 步 进 电 动 机 型 号 的 选 择已 知 初 选 步 进 电 机 型 号 为 110BF003，TL52310.mJL步 距 角 三 相 六 拍 。 其 中 最 大 静 扭 矩 ， 转 子 惯 量07. T8ax， 由 此 可 得 ：23186mkgJm, 5.018.axTL 235.01.62mLJ4axT经 验 算 可 知 电 动 机 合 格 。110BF003 步 进 电 机 的 外 观 图 及 矩 频 特 性 图 如 图 2.2：外型图:图 2-2 110BF003 步 进 电 机 的 外 观 图 及 矩 频 特 性 图2.2 横 向 进 给 系 统 的 改 造 设 计1 横 向 进 给 系 统 的 设 计经 济 性 数 控 改 造 的 横 向 进 给 系 统 的 设 计 比 较 简 单 ， -般 是 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 将 步进 电 机 和 机 床 大 拖 板 连 接 起 来 ， 以 保 证 其 同 轴 度 ， 提 高 传 动 精 度 。 其 结 构 示意 图 见 图 23 所 示图 2-3 车 床 纵 向 传 动 的 支 承 结 构1-步 进 电 机 ； 2-床 身 ； 3-左 支 架 ； 4-齿 轮 副 ； 5-右 支 架 ； 6-丝 杠 左 支 承 ；7-手 轮 ； 8-轴 套 ； 9-丝 杠 右 支 承 ； 10-螺 母 座 架 ； 11-螺 母 座 ； 12-丝 杠 ；13-盖 ； 14-轴 承 。 滚 珠 丝 杠 仍 安 装 在 原 丝 杠 的 位 置 上 ， 为 了 便 于 手 动与 对 刀 ， 在 丝 杠 的 右 端 设 有 手 轮 ， 使 用 时 安 装