用微机数控系统改造C6132型车床的设计说明书

摘 要数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，结构简单，系统的定位精度较高。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，由光杆或丝杆带动纵溜板、横溜板的移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作，刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。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造成为微机控制的，能独立运动的进给系统，刀架改造为能自动换刀的回转刀架。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。由于切削过程中切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动运行，调节和更换，再加上纵向和横向联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复查的回转零件，并能实现多工序自动加工车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适合小批量多品种复查零件的加工。C6132 车床改造属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机，车床通过步进电动机带动滚珠丝杠转动。关键词：微机控制；伺服系统；回转刀架；自动车削ABSTRACTThe numerical control engine bed is more and more widespread in machine-finishing profession application. Numerical control engine bed development, on the one hand is the entire function, the high performance; On the other hand is the simple practical economy numerical control engine bed, has the automatic processing the basic function, the operation service is convenient. The economy numerical control system passes commonly used is the split-ring step-by-steps the control system, the power step-by-steps the electrical machinery for to actuate the part, does not have the examination feedback organization, the system pointing accuracy is high. Knife rest vertical to enter, give sport and horizontal to stock for sport to can be linked, cut order by artificial control even.Carry on the numerical control transformation to the ordinary lathe. Mainly vertical and horizontal enter give system transform into by what computer control.The knife rest is transformed into the gyration knife rest that can be changed one hundred sheets automatically. Introduces the engine bed the microcomputer numerical control system the transformation to be possible to enhance the engine bed the operational performance,Reduces the production cost,Obtains the high economic efficiency with the few funds investmentTake the C6132 lathe numerical control transformation as the example,In line with are as far as possible few to the lathe modification,Control section anti-jamming,Transformation cost low principle,Carries on the numerical control transformation to the lathe. Lathe for the NC transformation is mainly vertical and horizontal feed system into a computer-controlled, The independence movement can feed system can transform Tool Automatic Tool Change of Rotary Tool. Thus, the use of NC devices, lathe can be imported at a pre-processing machining instructions. As the cutting process of cutting parameters, priorities and cutting tool will automatically by operation, regulation and replacement, coupled with the vertical and horizontal linkage functions, CNC lathe after the conversion can be processed into various shapes review the rotating parts, and multiple processes can be automatically processed turning, thus enhancing the efficiency of production and processing accuracy, also suitable for small batch multiple types of review parts of the processing. C6132 lathe belongs to economic numerical control lathes transformation of transformation, mainly in the numerical control system by using nc system transformation, of transverse and longitudinal feeding system, open loop control by stepping motor driver components, lathe, through the stepper motor driving ball screw rotation. Key words：the computer controls; servo system; turn the knife rest round; automatic turning目 录1 前 言 .12 设计方案 .32.1 总体方案的确定 .32.1.1 系统的运动方式与伺服系统的选择 .32.1.2 计算机系统 .32.1.3 机械传动方式 .32.2 系统运动方式的确定 .32.3 伺服系统的选择 .32.4 执行机构传动方式的确定 .42.5 计算机的选择 .42.6 总体方案框图绘制 .43 横向进给伺服系统机械部分计算与校核 .53.1 计算切削力 .53.2 滚珠丝杆螺母副的设计、计算、选型 .53.2.1 计算进给牵引力 .53.2.2 计算最大动负载 C .63.2.3 滚珠丝杆螺母副的选型 .63.2.4 传动效率计算 .73.2.5 刚度验算 .73.2.6 稳定性校核 .83.2.7 横向滚珠丝杆副的几何参数 .93.3 齿轮传动比计算 .103.4 横向步进电机计算和选型 .113.4.1 初选步进电机 .113.4.2 校核步进电机转矩 .123.5 横向进给伺服系统机械部分结构设计 .173.5.1 横向进给伺服系统总图设计 .173.5.2 进给伺服系统的装配图 .184 纵向进给伺服系统机械部分计算与校核 .204.1 计算切削 .204.2 滚珠丝杆螺母副的计算和造型 .204.2.1 计算进给牵引力 .204.2.2 计算最大动负载 C .214.2.3 滚珠丝杆螺母副的选型 .214.2.4 传功效率计算： .214.2.5 刚度验算 .224.2.6 稳定性校核 .234.2.7 纵向滚珠丝杆副几何参数 .234.3 齿轮传动比计算 .244.3.1 进给齿轮箱传比计算 .244.4 步进进电机的计算和选型 .254.4.1 初选步进电机 .254.4.2 校核步进电机转矩 .274.5 纵向进给伺服系统机械部分结构设计 .314.5.1 纵向进给伺服系统总图设计 .324.5.2 进给伺服系统的装配图 .325 微机数控系统硬件电路的设计 .345.1 硬件电路一般要求 .345.2 控制系统的组成及功能 .345.2.1 CPU、存储器、I/O 接口电路扩展 .345.2.2 控制系统的功能 .365.3 步进电机控制电路 .365.3.1 步进电机开环驱动原理 .365.3.2 脉冲分配 .375.3.3 驱动电路 .375.3.4 其他辅助电路 .386 微机控制系统的软件设计 .396.1 监控程序 .396.2 直线圆弧插补程序设计 .396.3 升降速处理软件 .416. 4 步进电机的软件控制及转程序设计 .437 机床的加工程序编制 .46致 谢 .49参考文献 .50附 录 .5111 前 言经济型数控是我国 80 年代科技发展的产物。这种数控系统由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快，成为我国“七五” 、 “八五”重点推广的新技术之一。数控机床与通用机床相比，增加了功能，提高了性能，简化了结构，较好地解决形状复杂、精密、小批及形状多变零件的加工问题，能够获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。（1） 数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小企业常是心有余而力不足。（2） 目前，各企业都有大量的通用机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费。（3） 在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。（4） 通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。要较好地解决上述问题，通用机床数控化改造便是很好的对策。通用机床的数控化改造就在通用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。这一工作早在 20 世纪 60 年代已经开始时迅速发展，并有专门企业经营这门业务。目前，在国外已发展成为一个新兴的工业部门。从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有 26%的机床经过数控改造，中小企业则多达 74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地担供数控化改造业务。中国是拥有 300 多万台机床的国家，其中大部分都是多年累积生产的通用机床，如卧式车床和各种铣床等，自动化程度低，要想在近几年来内用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，通用机床的数控化改造大有可为。它适合中国的经济水平、生产水平和教育水平，已成为中国设备技术改造主要方向之一。十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增2强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是 80 年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。CA6132 是金属切削机床加工中比较常用的一类机床。属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机，车床通过步进电动机带动滚珠丝杠转动。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，借助于成型刀具，还能加工各种回转表面。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，由光杆或丝杆带动纵溜板、横溜板的移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作，刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。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造成为微机控制的，能独立运动的进给系统，刀架改造为能自动换刀的回转刀架。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。由于切削过程中切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动运行，调节和更换，再加上纵向和横向联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复查的回转零件，并能实现多工序自动加工车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适合小批量多品种复查零件的加工。毕业设计是学生在校学习阶段的最后一个教学环节，也是学生完成工程师基本训练的重要环节。其目的是培养学生综合运用所学的专业和基础理论知识，独立解决本专业一般工程技术问题的能力，树立正确的设计思想和工作作风。毕业设计说明书不只反映了设计的思想内容，方法和步骤，而且还反映了学生的文理修养和作风。本说明书介绍了此次设计的任务，将普通卧式车床（C6132）改造为经济型数控车床；有关经济型数控车床改造总体方案确定及框图、进给伺服系统机械部分设计计算及校核、数控系统硬件电路的设计、加工程序编制。 32 设计方案2.1 总体方案的确定2.1.1 系统的运动方式与伺服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、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。2.1.2 计算机系统根据机床要求，采用 8 位微机。由于 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、性能价格比高等特点，决定采用MCS51 系列的 8031 单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O 接口及光隔离电路、步进电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。 2.1.3 机械传动方式为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杆。为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。2.2 系统运动方式的确定数控系统运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。2.3 伺服系统的选择伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向送的。指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环系统主要由步进电机驱动。闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位4移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或位流伺服电机驱动。半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元件出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。2.4 执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点： 尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。 尽量消除传动间隙。例如采用间隙齿轮等。 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。2.5 计算机的选择微机数控系统由 CPU、存储器扩展电路、I/O 接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。2.6 总体方案框图绘制微机 步 进电 机 运动部件步 进电 机功率放大光隔离光隔离 功率放大5图 1 总体方案框图3 横向进给伺服系统机械部分计算与校核3.1 计算切削力根据数控机床精度要求确定脉冲当量 0.005mm/setp横切端面5.1max670DFZ查综合作业指导书P13 页式中 车床床身上加工最大直径max横切端面时主切削力 可取纵切时 的ZFZ21NDFZ 30.85267.0. 35.1max4.:51:9.382yxz式中 走刀方向的切削力（N）xF垂直走刀方向的切削力（ N）yx 41.7965.12.0Fy 043.2 滚珠丝杆螺母副的设计、计算、选型3.2.1 计算进给牵引力横向导轨为燕尾形， 参考机床设计手册.26.2-2；6.2-3 表2GFfKFyzxm查阅综合作业指导书P22 页 式中： ， ， 切削分力（）xyzG移动部件的重量（N） 表 1-1 查得横向溜板及刀架重力 800N6滑动导轨摩擦系数，随导轨形式而不同 fK考虑颠复力矩影响的实验系数 取 K=1.4NGFfFyzxm 97.5823.2.2 计算最大动负载 C选用滚珠丝杆导轨 参考机床设计手册.3P185-P210osmwLVnTf1063查阅综合作业指导书P22 页 式中： L寿命，以 转为一单位610n丝杆转速（r/min）为最大切削条件下进给速度，可取最高进给速度的 1/2-sV1/3 取 min/4.0Vs丝杆导程（ mm） 初选 =5mmoLoLT为使用寿命（h）,对于数控机床取 15000h运转系数，查表 3-14 一般取 1.2-1.5wf min)/(8054.10rnvs7266TLNFfCmw 9.583.9.133 3.2.3 滚珠丝杆螺母副的选型查阅综合作业指导书附表-2，可采用 WD2505 外循环垫片调整紧的双螺母滚珠丝杆副，1 列 2.5 圈，其额定动负载为 9700N,精度等级按表 3-17 选为级。73.2.4 传动效率计算 tan式中： 螺旋升角，WD2505 93摩擦角取 滚动摩擦系数 0.003-0.00401971.03tanta3.2.5 刚度验算横向进给丝杆支承方式图 2 所示，最大牵引力 958.97N,支承间距350mm，因丝杆长度较短，不需预紧螺母及轴承预紧。L计算如下: 丝杆的拉伸或压缩变形量 (mm)1查 阅综合作业指导书图 3-4,根据 958.97N,D=25mm 查出mF可5108.L算出：图 2 横向进给丝杆支承方式8mL351 108.23108. 滚珠与螺纹滚道间接触变形量 2查图 3-5 得系列列 2.5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 QmQ5.4因进行了预紧 mQ25.412 支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形 3采用推力球轴承 8104 查阅机床设计手册.表 5.9-137,d=20mm,滚动体直径 =5.556mm,数量 Z=13Qd mZdFQmc 05.1356.97802.052. 3232 综合以上几项变形量之和： 定位精78.7.8. 3321度3.2.6 稳定性校核计算临界负载 (N)kF2LEIfzk式中:E材料弹性模量( )2/cmNI截面惯性矩( )4L丝杆两轴承端距离(cm)丝杆支承方式系数，从表 3.15 中查出，一端固定，一端简支zf为 2.00zf)(124.7.2641 cmdI9NLEIfFzk 49.1826350.16.22 一般 =2.5-4.0,所以 knkFn此滚珠丝杆不会产生失稳。 3.2.7 横向滚珠丝杆副的几何参数其参数如表 1表 1 WD2505 滚珠丝杠几何参数参数名称 符号 关系式 WD2505公称直径 od 25导程 OL 5接触角 93钢球直径 qd 3.175滚道法面半径 R qd52.01.651偏心距 e sinq0.045螺纹滚道螺纹升角 odLarct93外径 d qo25.024.365内径 1 Red121.788螺杆接触直径 2dcos2q21.83螺纹直径 D edo28.212螺母 内径 1qd25.0125.635103.3 齿轮传动比计算已确定横向脉冲当量 ，滚珠直径导程 =5mm,setpmp05.OL初选步进电动机步距角 可计算传动比 :7.i43.057.32obpLi考虑到结构上的原因不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板有行程，故此处可采用两级齿轮降速。 25,0,4,253431 ZZi因进给运动齿轮受力不大，模数 m 取 2，有关参数参照表 2表 2 传动齿轮几何参数齿数 Z 24 40 20 25分度圆 d=mz 48 80 40 50齿顶圆 mda252 84 44 54齿根圆 f 5.143 75 35 45齿宽 (6-10)m 20中心距 21dA64 45113.4 横向步进电机计算和选型3.4.1 初选步进电机a 计算步进电机负载转矩 mTbpF236查阅综合作业指导书P22 页式中: 脉冲当量，取 psetpmp05.进给牵引力(N)mF步距角，初选双拍制为b7.电机丝杆传动效率为齿轮、轴承、丝杆效率之积分别为94.08.2、NFTbmpm 85.934.0.98.0752736362b 估算步进电机起动转矩 qT根据负载转矩 除以一定的安全系数来估算步进电机起动转矩m(N.cm)qT5.03mqT一般横向进给伺服系统取 0.4-0.5 cNq .7924.1c 计算最大静转矩 maxjT查表 3-22 如取五相十拍，则 951.0maxjqTcNTqj .37.2951.0max12d 计算步进电机运行频率 和最高启动频率efkfpseVf601pkfmax式中: 最大切削进给速度 sV最大快移速度max脉冲当量，取psetpmp05.HzVfpse 36.1.6401fpk 9.05.2maxe 初选步进电机型号根据估算出的最大静转矩 在表 3-23 中查出 90BF004 最大静转矩为maxjT245N.cm 可以满足经济型数控机床有可能使用较大的切削用量，应该选maxjT用稍大转矩的步进电机，以留有一定余量，另一方面与国内同类型机床进行类比的要求。决定采用 90BF004，但从综合作业指导书 P24 页查出，步进电机最高空载启动频率为 4000Hz,满足空载时 (3333.33Hz)的要求。kf3.4.2 校核步进电机转矩前面所述初选步进电机的转矩计算，均为估算，初选后，应该进行校核计算。 等效转动惯量计算计算简图见图 2，根据表 3-24，经二对齿轮降速时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量 可由下式计算:2cmkgJ 242321 oSLgGJZZJ式中: 齿轮 及其轴的转动惯量321、 321、 2cmk齿轮 的转动惯量4J42cmkg13丝杆转动惯量sJ2cmkg丝杆导程(cm)OLG工件及工作台重量(N) G=800(N)a 齿轮、轴、丝杆等圆柱体惯量计算表 3-24 所示圆柱体转动惯量计算公式如下:对于钢材， 81078.334MDLJ式中: M圆柱体质量 kgD圆柱体直径 (cm)L圆柱体长度或原长(cm)钢材的密度为 3108.7cmk24431 8.02.0 cmkgLdJ 322 9624343 .1078.78. ckJ 344 75210 mgLd243 06.1. ckJss 因此 242321 oSLgGJZJZJ222286.3 5.09806.1975.39.0.5.0cmkg 基本满足惯量匹配的要求。b 电机转矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算:1） 快速空载起动转矩 M在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算如下：14ofaMmx式中: 快速空载起动转矩McmN空载起动时折算到电机轴上的摩擦转矩max cmN折算到电机轴上的摩擦转矩f c由于丝杆预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩o c在采用丝杆螺母副传动时，上述各种转矩 可用下式计算：cmN2ax2maxmax 106106tnJnJMpbU3axa式中: 传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量J 2cmkg电机最大角速度2srad电机最大转速maxnmin运动部件最快速度Ui脉冲当量psetp步进电机的步距角b运动部件从停止到起动加速到最大快进速度所需时间(s)atmin67.4105.3610maxa rUnpb起动加速时间 =30(ms)atcmNtnJMaa 06.13.607428.310622mxmx 折算到电机轴上的摩擦转矩 fMiLFof215NGFfzo 2.463802.15.0312Zi式中: 导轨的摩擦力(N)oF垂直方向的切削力(N)zG运动部件的总重量(N)导轨摩擦系数，取 =0.15f f齿轮降速比i传动链总效率，一般可取 0.7-0.8cmNiLFMof 26.7358.0246附加摩擦转矩:21opoiL式中: 滚珠丝杆预加负荷，一般取 ， 为进给牵引力(N)poFmF3滚珠丝杆导程 (cm)L滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取o 9.0ocmNiLFMopo 5.8.1358.0297122上述三项合计: cofa 97.1324.67.1mx2） 快速移动时所需转矩 cmNMof 9.32.473） 最大切削负载时所需要的转矩 iLFoyftof 216式中: 折算到电机轴上的切削负载转矩tMcmNiLFoyt 68.543.0291从上面计算看出 、 、 三种工况下，以快速空载所需转矩最大，即M以此项作为校核步进电机转矩的依据。从表 3-22 查出，当步进电机为五相十拍时为 951.0maxjqM则最大静转矩为:cNj 82.1395.07max从表 3-23 查出 90BF004 最大转矩为为 245 ，大于所需最大静转矩，可以满足此项要求。 校核步进电动机起动矩频特性和运行矩频特性前面已经计算出机床最大快移时，需步进电机的最高起动频率 为kf3333.33Hz,切削进给时所需步进电机运行频率 为 1666.7Hzef从表 3-23 中查出 90BF004 型步进电机允许的最高空载起动频率为4000Hz，运行频率为 16000Hz，再从图 3-15，3-16 查出 90BF004 步进电机起动矩频特性和运行矩频特性如图 3 所示。当快速运动和切削进给时，90BF004 型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性可以满足要求。17.cm.cm图 3 电机起动矩频特性和运行矩频特性3.5 横向进给伺服系统机械部分结构设计机械部分