CK5116A立式车床数控毕业论文.doc

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;改造目 录摘 要 1引 言 3第1章 总体方案的设计 -51.1 设计任务-51.2 总体方案的论证-51.2.1 机械部分的改造设计 -71.2.2 伺服进给系统的改造设计 -81.2.3 数控系统的硬件电路设计 -81.3 总体方案的确定 -9第2章 机械部分的改造设计 - -102.1 纵向进给系统的改造设计 -102.1.1 纵向滚珠丝杠副的选用-102.1.2 步进电机的选用-162.2 横向进给系统的改造设计-192.2.1 横向进给系统滚珠丝杠螺母副的选用 -202.2.2 横向步进电机的选用 -252.3 齿轮传动间隙的调整 -27第3章 电气控制部分的设计 -303.1 单片机的选择 -303.2 步进电机的驱动 -313.2.1 环形脉冲分配器的选择-313.2.2 功率放大器的选用-323.3 步进电机的微机控制-35结论 -37-参考文献 -38-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： 输入、输出设备控 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。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34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9095，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：式中车床床身加工的最大直径单位为mm。因CK5116A床身加工的最大直径410mm，则：按以下比例分别求出分力和，则：，2.1.1.3 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。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。(1)计算进给率牵引力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:纵向进给导轨为三角形，则：三角形导轨选取参数：(2)计算最大动负荷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：丝杠转速其中= 寿命（）最大动负荷 (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。选取静态安全系数=2，滚珠丝杠的最大轴向负荷 故最大静负荷为：。(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表2-1滚珠丝杠副参数型号公称直径基本导程螺旋升角丝杠外径丝杠内径额定动载荷丝杠长度额定静载荷(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形量是否符合丝杠精度要求。 每导程变形量可按以下公式计算选取 其中：则： 查表所得，所选用的级丝杠精度允许误差为，满足要求。(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：式中()许用稳定性安全系数，一般取2.54。丝杠失稳时的临界负载，由：式中丝杠长度丝杠轴端系数，由支承条件定。截面惯性矩，对实心圆对于水平丝杠要考虑自重影响可取()4。将相关数据代入上式中可得丝杠不会失稳。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（12相励磁）运行时，步距角其妹转脉冲数脉冲当量： 由此可得中间齿轮传动比为2.1.2.2 等效负载转矩计算1.空载时的摩擦转矩2.车削加工时的负载转矩2.1.2.3 等效转动惯量的计算1.滚珠丝杠的转动惯量2.拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量3.大齿轮的转动惯量 选取大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。4.小齿轮的转动惯量换算到电动机轴上的总惯性负载 2.1.2.4 步进电动机型号的选择已知 初选步进电机型号为110BF003，步距角三相六拍。其中最大静扭矩，转子惯量，由此可得：, 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，使用时安装上，不用即卸下，以防造成伤害，原机床拖板予以保留，并设有-螺母座架，安装在拖板上，以实现丝杠螺母与拖板之间的联接。步进电机安装在丝杠的左端原进给箱的位置上，由电机上的止口定位，靠四个螺钉和二个定位销与床体相连。丝杠左右端分别用支架与轴承支承，左端用向心球轴承，右端用推力球轴承支承。2. 横向滚珠丝杠横向滚珠丝杠也采用三点支承形式。保留原手动机械，用子手动与对刀，步进电机安装在床鞍的后部。靠近操作者-端，布置-根支承短轴，通过-个联轴套与滚珠丝杠连接起来。利用原机床滑动轴承作为径向支承，并对原支承处进行适当改装，布置-对推力球轴承，以实现轴向支承。在远离操作者-端，用-个联轴套和-根连接短轴把滚珠丝杠与减速箱输出轴连接起来。与纵向进给-样，丝杠螺母与横向拖板间仍用-螺母座联接。横向进给机构改造设计如图2-4所示。1 -步进电机：2 -消隙减速箱：3 -支承架；4 、5 、8 -联轴套；于螺母座；7 -滚珠丝杠螺母副：于支承短轴图24 车床横向传动的支承结构2.2.1 横向进给系统滚珠丝杠螺母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9095，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。2.2.1.1 确定系统的脉冲当量横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲。2.2.1.2 车削力的计算车床的主切削力可用下式计算：式中车床刀架加工的最大直径单位为mm。因CK5116A床身加工的最大直径210mm，则：按以下比例分别求出分力和，则:，2.2.1.3 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。 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。(1)计算进给率牵引力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:横向进给导轨为燕尾形，则：燕尾形导轨选取参数：(2)计算最大动负荷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：丝杠转速其中= 寿命（）最大动负荷 (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。选取静态安全系数=2，滚珠丝杠的最大轴向负荷 故最大静负荷为(4)选择滚珠丝杠副表2-2 滚珠丝杠副参数型号公称直径基本导程螺旋升角丝杠外径丝杠内径额定动载荷丝杠长度额定静载荷(5)传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率(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形量是否符合丝杠精度要求。每导程变形量可按以下公式计算选取 其中：则 查手册所得，所选用的级丝杠精度允许误差为，满足要求。(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：式中()许用稳定性安全系数，一般取2.54。丝杠失稳时的临界负载，由：式中丝杠长度丝杠轴端系数，由支承条件定。截面惯性矩，对实心圆对于水平丝杠要考虑自重影响可取()4。将相关数据代入上式中可得丝杠不会失稳。2.2.2 横向步进电机的选用 电动机工作时会发热，它不仅取决于负载的大小，也和负载持续的时间的长短密切相关，这是选择额定功率时必须考虑的。按电动机的不同发热情况，可以分为三种工作方式（或称工作制），即连续工作方式、短时工作方式和断续周期性工作方式。 CK5116A车床其工作时间一般较长，温升可以达到稳定值，电机的负载可能是恒定或大小基本恒定的常值负载或变化负载，因此属于连续工作方式。 由于电动机为连续工作方式，负载平稳，且经常启动、制动和正反转，因此因优先采用鼠笼式异步电动机。2.2.2.1 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（12相励磁）运行时，步距角其妹转脉冲数：初选脉冲当量： 由此可得中间齿轮传动比为2.2.2.2 等效负载转矩计算1.空载时的摩擦转矩2.车削加工时的负载转矩2.2.2.3 等效转动惯量的计算1.滚动丝杠的转动惯量2.拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量3.大齿轮的转动惯量选取大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。4.小齿轮的转动惯量换算到电动机轴上的总惯性负载2.2.2.4 步进电动机型号的选择已知 初选步进电机型号为90BF002，步距角三相六拍。其中最大静扭矩，转子惯量，由此可得：,经验算可知电动机合格。电动机外形图及矩频图如图2-5：图2-5 110BF003步进电机的外观图及矩频特性图2.3 齿轮传动间隙的调整在横向进给和纵向进给的步进电机和滚珠丝杠间都是通过一对减速直齿轮传动的，这就要求我们对齿轮的传动间隙进行调整。常用的直齿轮调整齿侧间隙的方法有以下几种。(1)偏心套(轴)调整法 如图2-6所示，将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴上，并将电机2安装在偏心套1(或偏心轴)上，通过转动偏心套(偏心轴)的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。图2-6 偏心套式间隙消除机构1偏心套 2电动机 3减速箱 4、5减速齿轮(2) 轴向垫片调整法 如图2-7所示，齿轮1和2相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙。装配时轴向垫片3的厚度应使得齿轮1和2之间既齿侧间隙小，运转又灵活。特点同偏心套(轴)调整法。图2-7 圆柱齿轮轴向垫片间隙消除机构(3) 双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区，具体调整措施如下：周向弹簧式(图2-8) 在两个薄片齿轮2和4上各开了几条周向圆弧槽，并在齿轮3和4的端面上有安装弹簧2的短柱1。在弹簧2的作用下使薄片齿轮3和4错位而消除齿侧间隙。这种结构形式中的弹簧2的拉力必须足以克服驱动转矩才能起作用。因该方法受到周向圆弧槽及弹簧尺寸限制，故仅适用于读数装置而不适用于驱动装置。可调拉簧式(图2-9) 在两个薄片齿轮1和2上装有凸耳3，弹簧的一端钩在凸耳3上，另一端钩在螺钉7上。弹簧4的拉力大小可用螺母5调节螺钉7的伸出长度，调整好后再用螺母6锁紧。本设计所选用的是双片薄齿轮错齿调整法中的可调拉簧式。由此就可以将纵向及横向进给系统的装配图设计并画出，具体请见图纸。图2-8 薄片齿轮周向拉簧错齿调隙机构 图2-9 可调拉簧式调隙第3章 电气控制部分的设计在这一部分我们采用MCS-51系列单片机控制主控系统，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。3.1 单片机的选择图3-1 8031引脚图本设计选用8031芯片，片内无ROM或者EPROM，使用时必须配置外部的程序存储器EPROM。本设计选用了27128扩展其空间，8031的引脚分3大功能：（1）I/O口线P0,P1,P2,P3共4个八位口。（2）控制口线PSEN(片外取指控制)、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存储器选择）、RESET（复位控制）。（3）电源和时钟。8031最小应用系统。8031内部不带ROM，需要外接EPROM作为外部程序存储器。又因为8031在外接程序存储器或数据存储器时地址的低8位信息和数据信息分时送出，故还需要采用一片6264数据存储器储存数据。这样，一片27128EPROM和一片6264组成了一个最小的计算机应用系统。图3-2 系统存储器3.2 步进电机的驱动步进电机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系。驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成，驱动电源是将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动的循环供给电机各组绕组，以驱动电机转子正反向旋转。3.2.1 环形脉冲分配器的选择步进电机的各组绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器，又称环形脉冲分配器。所以不同相的电机应选用不同的环形分配器。本设计中所选用的电机，纵向部分为110BF003三相反应式步进电机，与其相配的环形脉冲分配器为CH250，其管脚图见图3-3：图3-3 CH250管脚图CH250有A、B、C三个输出端，当输入端CL或EN加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电机的要求，输出电流能力为0.5mA，经推动级、驱动级放大后即可驱动电动机绕组。CH250在供三相六拍步进电机工作时，线路中的接线见图3-4：图3-4 三相六拍时CH250接线图横向部分为90BF002五相反应式步进电机，与其相配的环形脉冲分配器为PMM8714，其管脚图见图3-5。3.2.2 功率放大器的选用从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电机运转。步进电机所使用的功率放大器有电压型和电流型。电压型又有单电压型、双电压型（高低压型）。电流型中有恒流驱动、斩波驱动等。图3-5 PMM8714管脚图(1) 单电压功率放大电路 此电路的优点是电路结构简单，不足之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后沿不够陡，在改善了高频性能后，低频工作时会使振荡有所增加，使低频特性变坏。(2) 高低电压功率放大电路电源U1为高电压，电源大约为80150V，U2为低电压电源，大约为520V。在绕组指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1和VT2导通。图3-6 单电压功率放大器由于二极管VD1的作用，使绕组只加上高电压U1，绕组的电流很快达到规定值。到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成下降沿，使VT1截止，电动机由低电压U2供电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下降沿到来VT2截止。不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶部有下凹，影响电动机运行的平稳性。图3-7 高低电压功率放大电路（3）斩波恒流功放电路 该电路的特点是工作时Vin端输入方波步进信号：当Vin为“0”电平，由与门A2输出Vb为“0”电平，功率管（达林顿管）VT截止，绕组W上无电流通过，采样电阻上R3上无反馈电压，A1放大器输出高电平；而当Vin为高电平时，由与门A2输出的Vb也是高电平，功率管VT导通，绕组W上有电流，采样电阻上R3上出现反馈电压Vf，由分压电阻R1、R2得到设定电压与反馈电压相减，来决定A1输出电平的高低，来决定Vin信号能否通过与门A2。若VrefVf时Vin信号通过与门，形成Vb正脉冲，打开功率管VT；反之，VrefVf时Vin信号被截止，无Vb正脉冲，功率管VT截止。这样在一个Vin脉冲内，功率管VT会多次通断，使绕组电流在设定值上下波动。图3-8 斩波恒流功放电路通过比较选择，本设计中选用单电压功率放大电路。为了避免功放后强电对弱电产生干扰，应在环形分配器和功率放大电路之间加一个光电隔离电路。3.3 步进电机的微机控制步进电机的工作过程一般由控制器控制，控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程，使功率放大电路按照要求的规律驱动步进电机运行。简单地控制过程可以用各种逻辑电路来实现，但缺点是线路复杂，控制方案改变困难，自从微处理器问世以来，给步进电机控制器设计开辟了新的途径。各种单片微型计算机的迅速发展和普及，为设计功能很强而价格低廉的步进电机控制器提供了条件。使用微型计算机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式。串行控制。具有串行控制功能的单片机系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线。将信号送入步进电机驱动电源的环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器。这种控制方式的示意图见图3-9。 方式信号方向信号CP脉冲图3-9 串行控制示意图P1.0 P1.1 8031P1.2 步进电机环形分配器 功率放大电路并行控制。用微型计算机系统的数个接口直接去控制步进电机各相驱动电路的方法称为并行控制。在电机驱动电源内，还包括环形分配器，而其功能必须由微型计算机系统完成。由系统实现脉冲分配器的功能又有两种方法：一种是纯软件方法，即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号。第二种是软、硬件相结合的方法，这里有专门设计的一种编程器接口，计算机向接口输入简单形式的代码数据，而接口输出的是步进电机各相导通或截止的信号。并行控制方案的示意图见图3-10： P1.0 P1.18031 P1.2 P1.3 P1.4A相B相C相 驱动器D相E相图3-10并行控制示意图最后我们将选择的元件用线连接，就可以画出设计所需要的电气控制图了。详细图纸内容见图纸。结 论面对目前国家的数控普及程度，现实要求我们必须进行普通机床的数控改造。使我们国家在花最少钱的情况下，提高我们的数控化水平。本设计的内容即是对普通车床的数控化改造，目前已有很多人对其进行了研究。在数控改造领域内，车床的数控改造是最普及、最简单也是最重要的。本设计通过对机械部分和电气控制部分中的硬件部分进行了设计，真正实现了机电一体。经过本次改造，CK5116A车床实现了MCS-51系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能。可大大提高加工工效，加工质量可以得到稳定，并保留了原机床的特性。参考文献1 赵玉刚，宋现春等编.数控技术.机械工业出版社，2003.6 2 张建民主编.机电一体化系统设计.高考教育出版社,2001.83 李朝青主编.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社，1995.3 4 李云主编.机械制造工艺及设备设计指导手册.机械工业出版社，1997.8 5 王兰美主编.画法几何及工程制图.机械工业出版社，2002.126 蔡美琴，张为民等编.MCS-51 系列单片机系统及其应用.高等教育出版社，1992.8 7 张新义主编经济型数控机床系统设计北京：机械工业出版社，1998 8 余英良主编机床数控改造设计与实例北京：机械工业出版社，19949 王贵明主编数控实用技术北京：机械工业出版社，200110 张建纲，胡大锋主编数控技术武汉：华中科技大学出版社，200011 邓星钟主编机电传动控制武汉：华中科技大学出版社，200112 王爱玲主编.现代数控机床结构与设计北京：兵器工业出版社，199913 卜云峰主编.机械工业及自动化简明设计手册上下册北京：机械工业出版社，199914 刘跃南主编.机床计算机数控及应用,北京:机械工业出版社,199715 李洪主编.实用机床设计手册.沈阳:辽宁科学技术出版社,199916 李群芳，黄建等编.单片机微型计算机及接口技术北