数控机床的改造

摘 要本设计说明书包括：概论、总体设计方案的拟定和验证、主传动部分的改造设计、伺服进给系统的改造设计、自动转位刀架的选择设计、编码盘安装部分的结构设计等。改造后的车床，主运动可实现自动变速，纵向、横向进给系统进行数控控制，并达到纵向最小运动单位为0.01 /脉冲，横向最小运动单位 0.005 /脉冲，刀架是自动控制的自动转位刀架，能自动切削mm螺纹。关键字：数控改造 进给系统 滚珠丝杠 自动刀架 河南工业职业技术学院毕业设计任务书2目录摘 要 .3第一章 绪论 .51.1 数控机床的发展史 .51.2机床数控改造的意义 .51.3设计内容及任务 .61.4数控机床工作原理及组成 .6第二章 总体方案的拟定和论证 .72.1 总体设计方案的拟定 .72.1.1主传动系统的设计改造 .72.1.2数控系统的选择设计 .72.1.3自动转位刀架选择设计 .82.1.4、 驱动系统的设计改造 .82.2 可行性论证 .102.3 总体设计方案的确定 .10第三章 主传动部分改造与设计 .123.1主传动部分改造方案拟定和设计的内容 .12第四章 伺服进给机构设计 .164.1伺服系统的组成原理和要求 .164.1.1伺服系统的组成原理 .164.1.2伺服系统的要求 .164.2伺服进给机构的设计内容和设计计算 .164.2.1纵向进给系统的设计 .174.2.2 横向进给系统的设计计算 .214.3 步进电机的选择 .234.4 伺服系统说明 .244.4.1机床进给系统的结构及工作原理 .244.4.2步进电动机 .254.4.3步进电动机的驱动电源 .254.4.4滚珠丝杠副 .264.4.5机床导轨 .26第五章 自动转位刀架 .275.1 数控车床刀架的基本要求 .275.2工作原理 .27第六章微机数控系统的设计 .306.1 微机数控系统设计的内容 .306.2机床数控系统软件设计 .316.3 单片机的系统扩展概述 .32设计小结 .36河南工业职业技术学院毕业设计任务书3参考文献 .37第一章 绪论1.1 数控机床的发展史1946年诞生了世界上第一台电子计算机。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。（注：两个阶段：数控NC阶段和计算机数控CNC阶段。六代：即电子管时代、晶体管时代、小规模集成电路时代、小型计算机时代、微处理器时代和基于PC时代）。必须指出，数控系统发展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便（主要是编程困难）等极为关键的问题。因此，数控技术经过了近30年的发展才走向普及应用。1.2机床数控改造的意义 节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60% 左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。 2)性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 3)提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。 1.3机床数控化改造的必要性数控技术是先进制造技术的核心技术，它的整体水平标志着一个国家工业现代化的水平和综河南工业职业技术学院毕业设计任务书4合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。目前我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大部分数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不能使用等等。因此目前我国企业机床数控化比例极低，不到5%，各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造为数控机床是一种必然性和趋势。普通车床（ ）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6140CA计计算（伺服进给机构设计、自动转位刀架的选择或设计、编码盘安装部分的结构设计）、主运动自动变速原理、部分系统控制软件设计。1.4设计内容及任务本设计任务可实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01 /脉冲，横向最小运动单位0.005 /脉冲，mm主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。1.5数控机床工作原理及组成1. 数控机床工作原理：1-1 数控机床的组成图数 控 装 置控 制 介 质 测 量 装 置伺 服 系 统 机 床河南工业职业技术学院毕业设计任务书5数控机床加工零件时，首先应编写零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。 第二章 总体方案的拟定和论证数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。2.1 总体设计方案的拟定CA6140车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制的对象。2.1.1主传动系统的设计改造对普通车床进行数控改造时，一般可保留原有的主传动系统和变速操作机构，以减少改造量。但本设计中为了提高车床的自动化程度，以便于在加工过程中实现自动变换切削速度，对其作了相应的简化改造。河南工业职业技术学院毕业设计任务书6采用交流变频调速电机做车床主轴电机以取代原来的主轴电机， （电机型号为 TD-4011ZXC10-MSJ，功率 11KW） 以实现无级调速；并简化原来传动系统，以达到多档调速范围的确定。2.1.2数控系统的选择设计计算机数控装置（CNC）即控制装置是数控机床的中心环节。它通过对加工程序的运行处理，发出控制信号，实现对加工过程的自动控制。在本设计中，由于时间较短、设计人员少，因而我们决定引进江苏东方数控新技术公司生产的NIM-9702数控系统。2.1.3自动转位刀架选择设计数控机床的刀架是机床的重要组成部分。其结构直接影响车床的切削性能和效率。卧式车床数控改造应将原来机床的普通手动转位刀架替换成自动换位刀架，本设计决定采用常州武进数控设备厂生产的LD 4四工位螺旋转位刀架。2.1.4、 驱动系统的设计改造由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。总体改造如下： 图2-1 总体改造的示意图河南工业职业技术学院毕业设计任务书7（1）控制方式类型选择数控机床的伺服进给系统有开环控制、闭环控制和半闭环控制之分。开环系统：结构简单、工作可靠、造价低廉，但影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在，故精度和快速性较差。开环控制的定位精度一般为0.010.02 ，不m能满足横向最小运动单位0.005 /脉冲的要求。m闭环系统：控制精度高、快速性好，但对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环控制的定位精度一般为0.0010.003 ，本设计属经济型数控改造，无须达到此精度。半闭环系统：结构简单、调整方便，在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多，故本设计采用半闭环控制。闭环控制系统组成原理图如下：图2-2半闭环控制原理图（2）伺服进给机构的改造纵向进给机构的改造：拆除原来机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，装上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在丝杠的右端，采用滚珠丝杠可以提高系统的精度和纵向进给的整体刚度。 横向进给机构的改造：拆除原来横向进给的丝杠，换上滚珠丝杠；保留原来的横向手柄机构，横向步进电机和减速箱安装在机床后侧测 量 角 度 伺 服放 大 器反馈脉冲进 结 脉 冲 比 较 环 节 工 作 台齿 轮 箱伺 服电 动 机河南工业职业技术学院毕业设计任务书8（3）步进电动机的选用选用步进电动机，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小。但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素。首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。为兼顾精度与速度的要求，应在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以此为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。（4）丝杠螺母副卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠，即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。由于，滑动丝杠螺母副的摩擦大、转动效率低。在精度要求不高的情况下，可以仍用原机床的滑动丝杠。若要求机床精度和被加工精度较高的情况下，应将原机床的滑动丝杠螺母副改换成滚珠丝杠螺母副。考虑本设计的设计要求，选用滚珠丝杠螺母副代替原机床的滑动丝杠螺母副。（5）机床导轨改造卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床的导轨面运动的。导轨的作用就是支承和导向，即支承运动部件，并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工精度要求、支承能力和使用性能。数控改造时根据原机床导轨的磨损程度和加工精度要求，来确定导轨的结构形式。2.2 可行性论证可行性论证是用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。根据传统的论证方法，普通车床经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即从企业生产经营现状及存在的问题分析；从企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析；改造后车床的实施计划，结论等。由于原因限制，设计者只能就改造的投资概算作一简要的可行性论证。河南工业职业技术学院毕业设计任务书92.3 总体设计方案的确定经总体设计方案的论证后，确定的CA6140的车床经济型数控改造的总体方案示意图如下图所显：CA6140车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机；车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。图2-3总体方案设计图微机光电阻隔微电机刀架光阻编码器光电阻隔功率放大功率放大光电阻隔功率放大变频调速电 机步 进电 机步 进电 机主 轴纵向工作台横向工作台河南工业职业技术学院毕业设计任务书10第三章 主传动部分改造与设计3.1主传动部分改造方案拟定和设计的内容首先要强调的是，主轴部件。它是机床的一个关键部件，主轴对零件加工质量有着直接影响。主轴的轴承配置有以下几种形式：（1） 中等转速、高强度。（2） 中等刚度、较高转速。（3） 高转速、低刚度。（4） 高刚度、低转速。再者就是主轴编码器。普通机床安装了主轴同步运转的脉冲编码器，以便发出检测脉冲信号，使主轴电机的旋转与切削进给同步，从而实现螺纹的切削。另外，车削螺纹一般都需要多次走刀才能完成，为防止乱牙，脉冲编码器在发出进给脉冲时，还要发出同步脉冲，以保证每次走刀刀具在工件的同一点切入。主轴脉冲编码器可通过一对齿轮或同步齿形带与主轴联系起来，由于主轴要求与编码器同步旋转，所以此连接必须做到无间隙。河南工业职业技术学院毕业设计任务书11第三就是主轴电动机，在本设计中我们将其换成变频调速电动机，（电机型号为TD-4011ZXC10-MSJ，功率11KW）通过对电动机的变频调速控制再加以简单的齿轮调速来实现自动变速，齿轮调速部分用磁离合器控制齿轮啮合。图3 -1主轴变频调速系统原理图数控机床主轴变速方式主要有无级调速、分段无级调速和内置电机变速等。在本设计中采用分段无级调速。无级变速能够选用最合理的切削用量，可在运转中变速，操作方便，简化机械结构。无级变速主要是利用直流和交流调速电动机。但直流调速电动机恒功率调速范围很小，一般只有12，很少到34，且换向有限制，现大多采用交流变频主轴驱动系统。交流变频调速电动机的性能与直流调速电动机类似，在额定转速以下为恒转矩区，在额定转速以上为恒功率区域。一般主轴调速电动机的恒功率调速范围为34，对于恒功率变速范围大的主轴传动系统，需要增加变速齿轮，以保证主轴上较大的恒功率范围。考虑本设计机床要求采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案即分段无级变速，主轴的正反转和制动停止，由数控指令直接控制电动机来实现。利用车床的主轴交流异步电动机、变频器、数控单元 构成了变频ENC调速系统。交流电动机的转速 与频率 ，电动机的级对数 及转差率 之间的关系为 =nfpsn,由此可知，改变电源的频率 ，即可改变电动机转速，且转速 与频率 成正psf/)1(60 f比。本次设计机床的要求，采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案，即分段无级变速。反 转正 转DCM2ES1VRFABM1 4WU3PE.TKA375+24V6DYx8Rz5874324ENC6河南工业职业技术学院毕业设计任务书12主传动部分改造设计计算本设计主轴传动选择V带传送，选择计算如下：图3-2 V带的节线和基准圆1、带轮的计算 （计算所需图表均来自 机械设计基础 第五章内容）（1）确定计算功率： =PcAK-工作情况系数 取值 1.2。=1.2x11=13.2（Kw）c河南工业职业技术学院毕业设计任务书13图3-3 V带的受力情况（2） 选普通V带型号： 据 =13.2 Kw ， =1160r/min由图5-10，得B型。Pc1n求大小带轮基准直径 ， ，验算带速：由表5-8得取 =125mm，1d2 d= =1160/250X125X0.98=568.4mm， 由表5-2d1n8得取600mm。则实际传动比i，从动轮实际转速分别为i= / =600/125=4.8 n2=n1/i=1160/4.8 =241.721从动轮转速误差率为（241.7-250）/250=-3.2%在 以内，可以。%5验算带速：v=Pi /60X1000=7.59m/s1dn带速在（525）m/s之间，合适。求V带基准长度 和中心距a：dL初步选取中心距 =1.5x（ + ）=1.5x（125+600）=1087.5mm，012d取 =1100mm符合0.7（ + ） 2（ + ）。0a0a12d=2 + （ + ）+（ - ）x（ - ）/4 =3370.11mm，0L21d212d120a查表5.2得 =3550mm，再得实际中心距ada +（ - ）/2=1100+89.4=1189.4mm0dL0验算小带轮包角 。1=180。 -（ - ）/a x 57.3。 =157.12120。 可以。a21河南工业职业技术学院毕业设计任务书14图3-4 V带的带轮结构剖片图求V带根数：z=laCKP)(0查表5-2，5-4，5-5得 =2.33、 =0.38、 =0.95、 =0.88。p0aklZ=5.86根第四章 伺服进给机构设计4.1伺服系统的组成原理和要求4.1.1伺服系统的组成原理机床进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。机床进给机械传动系统通常由减速齿轮、滚珠丝杠、机床导轨和工作台拖板等组成。对于伺服驱动河南工业职业技术学院毕业设计任务书15控制系统，按其反馈信号的有无，分为开环和闭环两种控制方式。对于开环伺服系统只能由步进电机驱动，它由步进电机驱动电源和电动机组成。闭环伺服系统则分为直流电动机和交流电动机两种驱动方式，并且是双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器以及功率驱动放大器等部分组成。位置环是由 装置中的位置控制模CN块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。根据其位置检测信号所取部位不同，它又分为半闭环和全闭环两种。半闭环采用转角位置检测装置，安装于滚珠丝杠端部，或直接与伺服电动机转子的后端相连（与伺服电动机成一体）；对于全闭环系统需要采用直线位置检测装置，安装于机床导轨与工作台拖板之间。通常伺服驱动控制单元与电动机由一个生产厂家配套提供（甚至包括位置检测装置）。4.1.2伺服系统的要求伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构。为确保机床的加工质量和效率，机床对其伺服系统有“稳、准、快、宽、足”五个要求，它反映了伺服驱动系统的五项性能指标。4.2伺服进给机构的设计内容和设计计算伺服进给机构的设计内容包括：纵向进给系统的设计与计算、横行进给系统的设计与计算、步进电机的选择三大部分，该部分设计的总体方案示意图如图4-1所示。要使这三大部分与数控系统的配合达到好的效果，伺服进给机构的改造设计部分除了主要的三大部分内容外，还包括与步进电动机相关的驱动电源、功率放大电路、辅助电路；与滚珠丝杠副相关的机床导轨等内容的设计选择。河南工业职业技术学院毕业设计任务书16图4-1 伺服进给机构设计总体方案4.2.1纵向进给系统的设计普通车床的经济型数控改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端，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，即尾架部位。已知的条件：工作台重量： =100 =1000 （根据图纸粗略计算）WkgfN时间常数： =25TmS滚珠丝杠基本导程： =60L行程： =600脉冲当量： =0.01Pstep/步距角： =0.750最大进给速度： =2maxvin/1.切削力计算由实用机床设计手册可知：切削功率： = （ 4 1）cNk电机功率 =11Nw河南工业职业技术学院毕业设计任务书17主传动链的总效率 取 =0.90进给系统的功率系数，取 =0.96kk则： =110.900.96=9.504（ ）cNkw又因为： = （ 4 2）c6120vF则： = （ 4 3）zvc切削线速度，取v=100 所以： vmin/=581.64（kgf）=5700（ ）zFN由金属切削原理可知：主切削力： =9.81zZFCZXPaFYfZK查表得： =188 =1 =0.75 =1Z2/mkgfZZFZFK计算 如下：zF)(maP2 2 2 3 3 3f0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4)(NFz1103.1 1495.2 1855.2 1654.7 2242.8 2782.9当 =1495.2 时，切削深度 =2 ，走刀量 =0.3zFNPamfm以此参数作为下面计算的依据，从实用机床设计手册中可知，在一般外圆切削时：=（0.10.6）xFzF=（0.150.7）yz=0.5 =0.55700=2850（ ）xz N=0.6 =0.65700=3420（ ）yFz2.滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。河南工业职业技术学院毕业设计任务书18综合车床导轨丝杠的轴向力：= （ 4 4）PWFfKzx式中 由于上选用的是矩形的导轨，根据机床设计手册查出，=1.1 ， =0.15f则： =1.12850+0.15（5700+1176）=4166.4（ ）PN（1）强度计算：寿命值： = （ 4 5）iL610iTn所以： = = （ 4 6）i0f主 0Dvf取工件直径： =80m查表得： =15000 （自动控制机床及机床通常的取值）iTh所以： = =20（r/min）in68014.3.= =18iL52最大动载荷： = （ 4 7）QHWifp3表42运转系数值表：运转状态 运转系数f W无冲击的圆滑运转 1.0-1.2一般运转 1.2-1.5有冲击的运转 1.5-2.5表4 3硬度系数表硬度（HRC）60 57.555 52.550 47.545 42.540 3025硬度系 1. 1. 1. 1. 2. 2. 3. 4. 5. 1 1河南工业职业技术学院毕业设计任务书19数fH0 1 2 4 0 5 3 5 0 0 5查表取： 运转系数： =1.2Wf硬度系数： =1H= =13767.26（ ）Q12.643718N根据最大动载荷 的值和原机床参数，选择滚珠丝杠的型号 ，即BFZD5406内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，公称直径为40 ，导程为6 ，滚珠m列数为5列，精度等级为 级（一般数控机床精度等级为 级），额定动载荷为26000 。BBN因为： 26000 13767.26 , 所以强度不成问题。N（2）效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为：= （ 4 8）)(tg式中： 摩擦角： = 螺旋升角： =100253= =0.953)1253(0tg（3）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载 引起导程的变化量：P= （ 4 9）0LEF式中： =6 =0.60mc=20.6106 N/滚珠丝杠截面积： F= = 3.14=12.56102（ ）2d24cm河南工业职业技术学院毕业设计任务书20则： =0L26105.2437= 10.1510-8（ ）cm滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 很小，可以忽略，即： =2LL1所以导程变形总误差 为：= （ 4 10）L01即 = =16.92（ ）815.6m/查表知 级精度丝杠允许的螺距误差（1 长）为25 ，故刚度足够。B/4.2.2 横向进给系统的设计计算普通车床经济型数控改造的横向进给系统的设计相对比较简单，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车大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。由于横向进给系统的设计计算与纵向进给系统类似，所用到的公式不详细说明，只计算结果。已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算）： =40 =400WkgfN时间常数： =25Tms滚珠丝杠基本导程： =40L行程： =190S脉冲当量： =0.005Pstep/步距角： =0.750快速进给速度： =1maxvin/1.切削力计算河南工业职业技术学院毕业设计任务书21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：= 5700=285( )=2850（ ）zF21kgfcmN在切断工件时：= = 285=142.5( )=1425（ ）yz f2.滚珠丝杠设计计算（1）强度计算：对于矩型导轨： = +PykF)(Wfz取 =1.1， =0.15kf则： =1.1142.5+0.15（285+30）=204( )=2040（ ）kgfcmN取 工件直径： =80Dm走刀量： =0.15f= = =15（ ）in01Lvf4801.35.in/r寿命值： = = =13.5i6iT6最大动负荷： =QPfLHWi3= 1.21204=582.89( )=5829.9（ ）5.1kgfcmN摩擦角： =0螺旋升角： =38则传动效率： = = =0.956)(tg)1038(0tg（3）刚度计算：滚珠丝杠截面积： = = 3.14=7.06510-2F2d2.)(2cm滚珠丝杠受工作负载 引起导程的变化量：P河南工业职业技术学院毕业设计任务书22=1LEFP0= 26105.7.24= 5.6110-8 )(cm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2LL1差为：= = =18.18（ ）018107.4/查表知 级精度丝杠允许的螺距误差（1 长）为25 ，故刚度足够。Bm/4.3 步进电机的选择CA6140纵向进给系统步进电机确定：启动力矩： （ 4 24）qM5.03L所以 = =1222.45（ ）q4.L.98Nm为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查步进电机相数、拍数、启动力矩表：查表知 =0.866，所以，步进电机最大静转矩 为： jmqM/ jmM86.0q（4-25）相数 3 3 4 4 5 5 6 6运行方式拍数 3 6 4 8 5 10 6 12jmqM/0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866河南工业职业技术学院毕业设计任务书23即 = =1411.61（ ）jmM86.04512Ncm步进电机最高工作频率： = （ 4 26）axfv即 = =3333.33（ ）maxf01.62HZ综合考虑，查表选用 型直流步进电机，能满足使用要求。3150BF4.4 伺服系统说明4.4.1机床进给系统的结构及工作原理1.进给系统结构说明拆除原机床的机械传动机构，用步进电机经齿轮减速机构驱动丝杠，带动刀沿 轴、 轴xz移动（如图4-27）。采用减速机构，可达到所需要的脉冲当量，还可满足结构要求和增大转矩。检测元件装在齿轮减速器上， 图4-27 伺服进给系统改造示意图通过检测齿轮转动方向和齿数，输入到数控单元 ，通过其运算得出进给的方向和距离，ENC达到半闭环控制的目的。2.数控进给系统工作原理驱动器的电源电压是专用变压器 把380 变成80 ，接到驱动器 、 电源输入端。TvLN步 进 电 动 机编 码 器 刀 架工 件 变 速 箱 步 进 电 动 机变 速 箱河南工业职业技术学院毕业设计任务书24x轴和 轴步进电机皆为三相六拍，分别受 轴和 轴驱动器输出信号控制，并把脉冲信z xz号转换为位移角，角位移和角速度分别与指令脉冲的数量和频率成正比，旋转方向决定于脉冲电流的通电顺序。4.4.2步进电动机步进电动机是一种将脉冲信号变换成角位移（或线位移）的电磁装置。其转子的 转角（或位移）与输入的脉冲数成正比，而运动方向是由步进电动机的各相通电顺序来绝对定，并且保持电动机各相通电状态就能使电动机自锁。因而步进电动机具有控制简单、运行可靠、惯性小等优点。但其缺点是调速范围窄、升降速响应慢、矩频特性软、输出力矩受限。4.4.3步进电动机的驱动电源环形脉冲分配器输出的电流很小（毫安级），必须经过功率放大。步进电动机的矩频特性中表明，随着频率增大，电动机带负载能力将下降。其主要原因是电动机绕组电感 的影响，由于L步进电动机绕组本身的直流电阻 很小，而绕组电感 较大，所以当频率 增大时，其绕组的aRL阻抗 = 也很快增大，从而使得绕组电流 = 减小，即使输出力矩降低。ZLjRaIZV/1.功率放大电路功率放大电路分为单电源和双电源型，单电源型线路简单，但效率不高，所以选用双电源型，双电源型采用高低压供电电路。在功率放大器导通初始， 、 、 全导通，并使脉冲变压134器 的副边产生一定宽度的脉冲电流，使 导通，高压电源 通过 、 为步进电动机某一B2VHE2V1相绕组通电，使其电流上升沿变陡，同时 处于反相偏置，将低压 与绕组 切断。经过DnALbt时间后脉冲电流消失，使 截止，高压电源与绕组之间被切断。22.辅助电路为防止机床行程越界，所以在机床上装有行程控制开关；为了防止意外，装有急停按钮。由于这些开关都安装在机床上，距控制箱较近，容易产生电气干扰，为了避免这种情况发生，在电路和接口之间实行光电隔离，为了报警，还设有报警电路。当绿色的发光二极管亮时表示工作正河南工业职业技术学院毕业设计任务书25常，当红色发光二极管亮时，表示溜板箱已到极限位置4.4.4滚珠丝杠副滚珠丝杠副能保证机床进给动作灵敏、装配效率和传动精度要求。在滚珠丝杠副中是滚动摩擦，它具有以下特点：摩擦损失小，传动效率高，可达9096；采用双螺母预紧后，可以很好的消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象。磨损小、寿命长、精度保持好； 不能自锁、有可逆转性，既能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运动。因此丝杠立式使用时， 应增加制动装置；运动速度受一定限制，传动速度过高时,滚珠在其回路管道内易产生卡珠现象。滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法有垫片调隙式、螺母调隙式、齿差调隙式。为保证反向传动精度和机构的轴向间隙，并应适当预紧，本设计采用双螺母垫片式调隙法即双螺母结构来解决。图5-5所示为垫片式调整机构，修磨垫片3的厚的，使螺母2相对于螺母1产生轴向位移，从而消除轴向间隙并获得适当的预紧.4.4.5机床导轨滑动导轨具有结构简单，制造方便，接触刚度大的优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动静摩擦系数差特别大，低速时易产生爬行现象。除简易数控机床外，在其它数控机床上已不采用。在数控机床上常采用有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有良好的摩擦性能及使用寿命长的特点，尤其是塑料导轨将有代替滚动导轨的趋势。河南工业职业技术学院毕业设计任务书26第五章 自动转位刀架5.1 数控车床刀架的基本要求数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平，所以有如下要求：转位准确可靠，工作平稳安全；按最短线路就近选择，转位时间短；重复定位精度高；防水、防屑，密封性能优良；夹紧刚性高，适宜重负荷切削。图5-1 自动转位刀架大致尺寸图5.2工作原理自动转位刀架工作原理如图5-2所示，微电机经弹簧安全离合器至涡轮副带动螺母旋转，螺母抬起刀架使定位用的端齿盘的上盘与下盘分离，随即带动刀架旋转到位。然后发信号使电机反转锁紧，完成刀架换位后，再进行切削加工。其具体过程是：当微机发出换刀信号后，刀架控制器中继电器动作，电动机正转驱动涡轮蜗杆减速机构，螺杆升降机构使上刀架上升,当上刀架上升到一定高度时，离合转盘 H1E1DAFCB4-ED3L1224L河南工业职业技术学院毕业设计任务书27起作用，带动上刀体旋转。刀架上端的发信盘中对应每个刀位都安装一个霍尔元件，当 ( 1-电机；2-固定安装丝杠；3-安全离合器；4-刀架)上刀体旋转到某一刀位时，该刀架上霍尔元件输出高电平。在上刀体旋转过程中，发信盘不断的向数控系统反馈刀位信号。数控系统将反馈刀位信号与指令刀位信号相比较，当两信号相同时，说明上刀体已旋转到所选刀位。此时，数控系统立即控制刀架控制继电器使电动机反转，活动销反靠在反靠盘上初定位。在活动销反靠作用。图5-2 自动转位刀架工作原理图5.3刀架的安装图5-3