CA6140普通车床微机数控化改装设计

摘 要针对大多数企业,具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性，又不能马上被淘汰。数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。为此把普通机床数控化改造，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，提升企业竞争力，在我国成为制造强国的进程中，占有一席之地。本文的主要内容有：1对普通车床数控化改造经济性评价详细论证，确定普通车床数控化改造方案；2对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型号选择，步进电机选择等进行了详细研究；3对常用进口数控装置系统和国产数控装置系统进行仔细比较，根据所改造的性能和精度指标来选配数控装置系统和自动刀架型号，提出选择方法；4根据普通车床 CA6140 电气控制系统和原理图与普通车床数控化改造 CJK6140-A 的数控系统对比分析，形成普通车床数控化改造完整的电气控制技术图；5.为保持切削螺纹的功能，仔细研究了在主轴上安装脉冲发生器的选型，脉冲发生器直接与主轴间连接方法，并形成了相应的技术图；6.拆卸普通机床，甩掉原有进给箱等，对主传动系统的进行大修，滑板贴塑与铲刮调试，对机床相关部件和参数进行测绘、测量；7.绘出相应的零件图和装备图；8给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。关键词：普通车床、数控、改造ABSTRACTMost enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production, low automatization and adaptability, but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprises production.As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining.Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises equipment updating step are counteracted severly. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The main contents is:1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimums synthesize adjudicate principle.2. The ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motorof feeding system is designed.3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming.4. The complete electricity control diagram was drawn out according to the result of comparing CA6140s electricity control system and principle with the reforming CJK6140-As NC system.5. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a techniquediagram.6. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe.7. Draw out parts diagrams and assemble diagram.8 .Methods of installing and testing of general purpose lathes numerically controlled reforming were put forward.Key words: General purpose lathe、 Numerical control(NC)、Reform目 录第一章 前言 .61.1 问题的提出 -61.1.1 国内外数控系统发展概况 -61.1.2 国内外数控技术发展趋势 -71.1.3 智能化新一代 PCNC 数控系统 -71.2 普通机床数控改造的经济性评价 -81.2.1 微观看改造的必要性 -81.2.2 宏观看改造的必要性 -91.3 普通机床数控化改造市场 -91.3.1 改造的市场 -91.3.2 进口设备和生产线的数控化改造市场 -10第二章 CA6140 普通车床数控改造总体方案的设计要求 .102.1 设计要求 -102.2 主传动系统和进给系统的改造 -112.3 主轴脉冲发生器 -12第三章 进给伺服系统机械部分设计与计算 .143.1 进给系统机械结构改造设计 -143.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型 -143.2.1 确定系统的脉冲当量 -153.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤 -153.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 -193.3.1 横向进给系统的设计计算 -193.3.2 滚珠丝杠设计计算 -203.3.3 齿轮及转矩有关计算 -223.4 滚珠丝杠螺母副的精度等级 -233.5 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧 -233.6 进给系统传动齿轮间隙的消除 -253.6.1 采用减速箱的目的及注意事项 -253.6.2 减少或消除空程的必要性和方法 -25第四章 CA6140 数控改造步进电机的设计 .264.1 步进电机的工作方式 -264.2 步进电机的选择 -264.2.1 步进电机选用的基本原则 -264.2.2 CA6140 纵向进给系统步进电机的确定 -274.2.3 CA6140 横向进给系统步进电机的确定 -28第五章 自动回转刀架的选型 .285.1 数控车床刀架的基本要求 -285.2 自动回转刀架的工作原理 -29第六章 CA6140 普通车床数控化改造的数控系统 .296.1 数控车床及数控系统概述 -296.1.1 机床主机 -304.1.2 驱动装置 -304.1.3 辅助装置 -304.1.4 数控装置系统 -314.1.5 编程装置 -316.2 微机控制系统硬件电路设计 -316.2.1 控制系统的功能要求 -316.2.2 硬件电路的组成 -316.3 单板控制系统的设计 -326.3.1 硬件配置 -326.3.2 贮存器空间分配 -326.3.3 I/O 口地址分配 -326.3.4 光电隔离电路 -336.4 8031 单片机简介 -336.5 存储器扩展电路设计 -346.5.1 程序存储器的扩展 -346.5.2 数据存储器的扩展 -346.6 译码电路设计 -386.7 其他辅助电路设计设计 -386.7.1 8031 的时钟电路单片机的时钟的产生方式 -386.7.2 复位电路 -406.7.3 越界报警电路 -406.7.4 掉电保护电路 -41第七章 安装调整中应注意的问题 .427.1 滚珠丝杠螺母副的选择 -427.2 滚珠丝杠螺母副的调整 -427.3 联轴器的安装 -427.4 主轴脉冲发生器的安装 -42第八章 结束语 .42致谢 .43参考文献-44第一章 前言1.1 问题提出数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。1.1.1 国内外数控系统发展概况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。随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC 只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。CAD/CAM 和 CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 CNC 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正 CAD/CAM 中的设定量，因而影响 CNC 的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了 CNC 向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。1.1.2 数控技术发展趋势1 性能发展方向 (1) 高速高精高效化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速 CPU 芯片、RISC 芯片、多 CPU 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。(2) 柔性化包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。(3) 工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。(4) 实时智能化早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。1.1.3 智能化新一代 PCNC数控系统当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代 PCNC数控系统已成为可能。 智能化新一代 PCNC 数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。1.2 普通机床数控化改造经济性评价根据对市场的调研，目前新的经济数控车床，8.5 万/台，普通新车床 CA6140，售价3.8 万/台，使用寿命 8-10 年，而已使用了 6-8 年的旧车床 CA6140，估价 0.5 万/台，通过改造还可使用 4-6 年。普通车床 CA6140 每台数控化改造所需价格大约 3 万，数控加工的生产率可提高 20-30%。因此需要对普通车床的数控化改造进行经济性评价。设备现代化改造是指应用现代技术成就和先进经验，适应生产的需要，改变现有设备的结构（包括更换新部件、新装置、新附件等） ，改善现有设备的技术性能，使之全部或局部达到新设备的性能。1.2.1 微观看改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。(1) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。(2) 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了柔性自动化。(3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。(4 ) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。(5) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的优点：(1)降低了工人的劳动强度；(2)节省了劳动力（一个人可以看管多台机床） ；(3)减少了工装；缩短了新产品试制周期和生产周期；(4)可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 FMC（柔性制造单元） 、FMS（柔性制造系统）以及 CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。1.2.2 宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、80 年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS 外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS（管理信息系统） 、CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化） ，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。1.3 普通机床数控化改造市场1.3.1 改造的市场我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益。所以必须大力提高机床的数控化率。1.3.2 进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从 19791988 年 10 年间，全国引进技术改造项目就有 18446 项，大约 165.8 亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。第二章 CA6140 普通车床数控改造总体方案的设计要求2.1 总体方案总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装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，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用 8 位微机。在 8 位微机中，MCS51 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、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51 系列单片机扩展系统。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 CPU 外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O 接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。（9） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本缩短改造周期。（10）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。总体方案设计图如 2.1 图所示2.2 设计要求将 CA6140 普通车床改造成经济型数控车床。要求该车床具有切削螺纹的功能，纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm，横向：0.005mm。设计参数如下：最大加工直径： 500mm大加工长度： 1000mm丝杆长度： 13001500mm溜板及刀架重力 横向 700N 快进速度 横行 1.2m/min最大切削进给速度 横行 0.3m/min代码制 ISO脉冲分配方式 逐点比较法输入方式 增量值、绝对值通用控制坐标数 2定位精度 +-0.015mm主电机功率 5.5kw启动加速时间 30ms 自动升降速性能 有2.3 主传动系统和进给系统的改造CA6140 型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制，而改造后的车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，但是为保证车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。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。1. 机械部分的改造首先拆去进给箱、溜板箱；还要对车床的床鞍进行部分的改造，拆去纵向小拖板、 横向拖板，将丝杠换成滚珠丝杠，并且由一端驱动的步进电机来控制。2. 刀架的改造CA6140 普通车床的刀架不能满足数改后的车床的性能和精度的要求。所以，必须要换成数控自动刀架。2.4 主轴脉冲发生器为保持切削螺纹的功能，必须在主轴上安装脉冲发生器，采用脉冲发生器直接与主轴由无间隙传动联轴器连接，达到传动系统结构简化，传动链短，传动刚度提高。主轴与脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及 I/O接口送给数控装置（CNC） ，脉冲发生器及光栅编码器安装位置如图光栅编码器安装位置主轴脉冲发生器的结构及原理:脉冲发生器的组成部分包括白炽灯、聚光镜、光栅盘、光阑板、光敏管及其光电整形放大电路组成。光栅盘和光阑板都是玻璃材料制成，玻璃表面经过研磨抛光后用镀膜法镀上一层不透光的铬层，透光条及用照相腐蚀法制成。在光栅盘上刻有明暗条纹，有单条和 1024个条两组。当平行光束经过光栅盘时，在光栅盘的另一面就产生明暗光带，这光带通过一个光阑狭缝，照在对应的光敏管上，从而产生光电脉冲信号，经斯密特电路整形后输出。单条纹的一组产生同步脉冲，每转发一个脉冲；1024 条纹的一组通过光栏上两个相位差 /4间距的狭缝，产生两组每转 1024 个脉冲组相差为 /4 的脉冲序列，供给微机处理，借以判断主轴正、反转，且可以从 1024 个脉冲中均匀地取出 F 个脉冲，作为中断信号控制插补速度，实现 F 进给控制的目的。脉冲发生器的结构原理图第三章 进给伺服系统机械部分设计与计算3.1 进给系统机械结构改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。3.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。计算简图如下图所示：图 2.1 纵向进给图 2.2 进给系统计算简图3.2.1 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为 0.01mm/step 和 0.005mm/step,在 CA6140 的技术参数中，要求纵向脉冲当量 为 0.01mm/step。横向脉冲当量为 =0.005mm/step。pf pf3.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤经济型数控改造的横向进给的设计比较简单，一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，用法兰盘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。3.3.1 横向进给系统的设计计算由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。电机初步估算转速为 1500r/min，进给速度 =2 。maxV/in根据机械设计手册可知；inVPhmax则：；mi07.125.1ax根据机械设计手册可查到滚珠丝杠的标准系列，初选 。4hPm已知条件如下：工作台重量：W=700N ； 脉冲当量： ；0.5/step步距角： ；7a进给速度： ；mx2/inV滚珠丝杠基本导程： ；04L滚珠丝杠行程： ；65S(1) 削力计算横向进给量为纵向的 ，取 ，则切削力约为纵向的 ：12312；90.45.72ZFN在切断工件时：；.4.36yZ3.3.2 滚珠丝杠设计计算(1) 强度计算对于燕尾型导轨：；()yZPKFfW取 K=1.4， =0.2；f则： ；1.47.3602954.73091.248PN寿命值：；6iinTL由以上条件，可以确定步进电机与滚珠丝杠齿轮传动比：；7.105.3470pi由于电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动则：;max1509/minnVri电 ax由机械设计手册可知，当量转速 在 之间变化时：Vaxi与；axin2m取 为 时， ；取 ；minV1/ir450./iVr450/inmr因此：；661iinTL根据经济型数控机床可知，最大动负载为：。334059.28.16.42iWHQPf N根据最大负载 Q 值，可选择滚珠丝杠的型号,外循环插管埋入式双螺母预紧式的滚珠丝杠，型号为 20042.53 左，其中额定动载荷为 14200N，所以强度够用。(2) 效率计算经计算螺旋升角 ，摩擦角 ；2010则：。3.926()()tgt(3) 刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量：；6016291.2480.710.3(96)L cmEF滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 很小，即： 。所以，导程变形总误差为：2L:L；60.71.8/4查表可知 3 级精度丝杠允许的螺距误差（1m）为 15 ，故刚度足够。/m(4) 稳定性由于选用的滚珠丝杠的直径与丝杠直径相同，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，故不再验算。3.3.3 齿轮及转矩有关计算(1) 有关齿轮计算传动比：；0.7541.673603pLi故取：， ， ， ， ， ，18Z22mb20a136dm， ， ， 。20d14ad64ad8(2) 转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：；22218180.530.49347pJWkgc丝杠转动惯量：；4 27.0.26.9s kgcm齿轮的转动惯量：；4 21.83.0.ZJ；2 kc电机转动惯量很小可忽略，因此转动惯量为：(3) 所需转动力矩计算；max052383./min4VnrL4axax0109.739.69.625JMNcT；01./in343tfin rD主；2.8.70.8965at cm00 .273.145FLfWf Nii207610.9.146.84.023.5YtMcmmi所以，快速空载启动所需转矩： max09.780.14.6f Nc切削时需力矩：2 21214.907.20.6.439.8015sZJJJ kgcmi 0.58027.142.83.91attMNcm快速进给时所需力矩：。0.3f Ncm从上计算可，最大转矩发生在快速进给启动时： ax0.6Mc3.4 滚珠丝杠螺母副的精度等级：数控机床根据定位精度的要求通常选用 1-5 级精度的滚珠丝杠，1-5 级度丝杠的行程公差数值如下表所示：精度等级项目 符号 有效行程 lm/mm 1 2 3 4 5315 6 8 12 16 23315400 7 9 13 18 25400500 8 10 15 20 27 目标行程公差 ep500630 9 11 16 22 30315 6 8 12 16 23315400 6 8 12 17 25400500 7 10 13 19 26行程变动量公差 Vmp500630 7 11 14 21 29任意 300mm 内行程变动量 V300p 6 8 12 16 232rad 内行程变动量 V2p 4 5 6 7 83.5 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垫片调隙式图 35 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 35 双螺母垫片式结构图2螺帽调隙式 图 36 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 36 双螺母帽式结构图1、2 锁紧螺帽 图 37 双螺母齿差式结构图3齿差调隙式 图 37 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、Z 2 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。如果其中一个螺母转过 n 个齿时则其轴向位移量为 （P h 为丝1nsZ杠导程，Z 1 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（Z 2 为另一齿轮齿数）或 。例如：当2112hhnPsn 12hsZn=1，Z 1=99，Z 2=100， ,即两个螺母在轴向产生 1 的位移。这种调整方式09humum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。3.6 进给系统传动齿轮间隙的消除3.6.1 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。3.6.2 减少或消除空程的必要性和方法1. 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，数控系统不能对车床的误差进行修改，所以只能通过机械的方式对其各部分传动误差进行修改。2. 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。第四章 CA6140 数控改造步进电机的设计步进电机是受脉冲信号控制的，脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成，而信号的放大由放大电路来完成。由于强弱信号的原因，我们在放大电路前加上光电耦合电路，以防止电源串路。4.1 步进电机的工作方式步进电机的工作方式和一般电机的不同，是采用脉冲控制方式工作的。只有按一定的规律对各相绕组轮流通电，步进电机才能实现