CA6140车床数控改造结构设计说明书.doc

CA6140车床数控改造设计说明书CA6140车床数控改造结构设计说明书1 概 论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。1.1 数控机床应用的局限性（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一1.2机床数控化改造的优点（1） 改造闲置设备，能发挥机床的原有功能 和改造后的新增功能，提高机床的使用价值。可以提高固定资产的使用效率。（2） 适应多类、小批量零件生产。（3） 自动化程度高，专业性强，加工精度高，生产效率高。（4） 降低对工人操作技术水平的要求。（5） 数控改造费用低，经济性好。（6） 数控改造的周期较短，可满足生产急需。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；而且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。2总体方案设计CA6140是金属切削机床加工中最常用的一类机床，CA6140普通车床的布局如下图2.1所示。图2.1 CA6140普通车床的结构布局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。本设计属经济型数控化改造，基本原则是在满足使用要求的前提下，对车床的改动尽可能少，总体方案如下：（1）数控系统选用连续控制系统，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及圆弧插补功能，还要能暂停，进行循环加工和螺纹加工等。（2）进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。车床数控化改造设计后属于经济型数控车床，在保证一定加工精度的前提下，既简化了结构又降低了成本。（3）选择MCS-51系列单片机扩展系统，根据普通车床最在加大尺寸，加工精度，控制速度以及经济性要求，经济型数控改造一般采用8位微机。在8位微机中，MCS-51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，具有很高的性能价格比。（4）根据系统的功能要求机数控系统中除了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；包括输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床加工状态信息的显示器，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到的光电脉冲编码器和其它辅助电路。（5）设计自动回转刀具其控制电路。（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，滚珠丝杆螺母副组成，其传动比满足机床所有要求的分辨率。（7）选用摩擦小，传动效率高的滚珠丝杆螺母副，并有预紧机构，以提高传动系统的刚度和消除间隙，齿轮副采用双片齿轮消除间隙的机构，这样才能保证进给伺服系统的传动精度和平稳性。（8）为减少导轨的摩擦力，采用贴塑导轨。（9）原机床的主要结构布局不变，尽量减少改动方案，以降低成本，缩短改造周期。（10）机械结构改装部分注意装配工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便；需经常调整的部位调整方便。系统改造总图方框图如图2.2所示。图2.2 CA6140型改装数控进给伺服系统总体方框3 进给伺服系统机械部分设计计算与校核3.1机械结构改装设计3.1.1方案的确定进给系统改装设计需改动的主要部件有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板及刀架等。当然改造方案不是唯一的，下面是我的改装方案:挂轮架部分：全部拆除，在原挂轮主传动轴处安装光电脉冲编码器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与一级齿轮减速机构，原丝杆，光杆和操作杆拆去，齿轮减速机构直接与纵向滚珠丝杆相连，滚珠丝杆另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座部位。溜板箱部分：全部拆除，在原处安装滚珠丝杆中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横向溜板部分：将原横溜板中的丝杆螺母副拆除，将横向进给步进电机与二级齿轮减速箱总成安装在横向溜板后并与滚珠丝杆相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。改装后机床总体布置见附图1进给伺服系统机械部分的计算与选型包括：确定脉冲当量，导轨的选型与计算，计算切削力，滚珠丝杆的设计，计算与选型，齿轮传动计算，步进电机的计算和选型等。根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/step,横向：.005mm/step。3.2计算切削力3.2.1 纵车外圆主切削力Fz(N)按经验公式估算： Fz=0.67D -3.1 =(0.67400)N=5360N按切削力各分力比例:Fz：Fx：Fy=1：0.25：0.4 -3.2 Fx=(53600.25)N=1340N Fy=(53600.4)N=2144N 3.2.2 横切端面主切削力Fz(N)可取纵切的1/2Fz=1/2 Fz=2680N此时走刀抗力为Fy(N),吃刀抗力为Fx(N). 仍按上述比例粗略计算：Fz：Fx：Fy=1：0.25：0.4 -3.3Fy= (26800.25)N=670NFx=（26800.4）N=1072N切削力示意图如图3.1图3.1 纵切外圆及横切端面切削力示意图3.3滚珠丝杠副的计算和选型3.3.1纵向进给丝杠 (1)计算进给牵引力Fm(N)纵向进给为综合型导轨,参考机床设计手册.3及综合作业指导书P22Fm=KFx+f(Fz+G) -3.4=1.151340+0.16(5360+1500)N=2638.6N式中 K-考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15； f-滑动导轨摩擦系数：0.150.18； G-溜板及刀架重力,取1500N。 （2）计算最大动负载C C=fFm -3.5 L=60nT/10 n=1000 Vs /L。式中 L。-滚珠丝杠导程，初选6mm； Vs-最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/21/3，此处Vs为0.5m/min； T-使用寿命，按15000h； f-运转系数，按一般运转取1.21.5； L-寿命以10转为1单位。 n=1000Vs/L。=10000.50.5/6 r/min=41.67r/min L=60nT/10=6041.6715000/10=37.5 C= fFm=37.51.22368.6N=10598.2N（3）滚珠丝杠螺母副的选型查阅综合作业指导书附录A表A-3，可采用CD4006外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级按综合作业指导书表3-17选为3级（大致相当于老标准E级）。（4）传动效率计算 =tan/tan(+) -3.6式中 -螺旋升角，CD4006 =244 -摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004 = tan/tan(+)=tan244/tan(244+10)=0.94（5）刚度验算先画出此向进给滚珠丝杠支承方式草图如图1所示。最大牵引力为2368.6N。支承间距L=1500mm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。图3.2 车床纵向进给系统计算简图 丝杠的拉伸或压缩变形量查综合作业指导书图3-4，根据Fm=2639N,D。=40mm,查出/L=0.810,可算出：=/L 1500=（0.8101500）mm=1.2x10mm由于两端均采用推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量（mm）为:=1/4=0.310mm 滚珠与螺纹滚道间接触变形查综合作业指导书图3-5，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量： =6.4m因进行了预紧，=1/2=1/2 6.4m=3.2m 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形采用8206型推力球轴承，d1=35mm,滚动体直径dQ=6.35mm,滚动体数量z=18, =0.00052=0.00052mm=0.0078mm注意，此公式中Fm单位应为N。因施加预紧力，故 =1/2=1/2 0.0078mm=0.0039mm根据以上计算： =+=（0.003+0.0032+0.0039）mm=0.0101mm n一般 n=2.54，此滚珠丝杠不会产生失稳。3.3.3纵向及横向滚珠丝杠副几何参数其几何参数见表3.1。表3.1 CD4006及W2505 滚珠丝杠几何参数 单位（mm）参数名称符号号号关系式CD4006W2505螺纹滚道公称直径d。4025导程L。65接触角244339钢球直径d3.9693.175滚道法面半径径RR=0.52 d2.0641.651偏心距ee=(R- d/2)sin0.0560.045螺纹升角=arctan L。/d。244339螺杆外径dd= d。-(0.20.25) d3924.5内径dd= d。+2e-2R35.98416.788接触直径dzDz= d。- dcos36.035521.5螺母螺纹直径DD= d。-2e+2R44.01627.453内径D1D1= d。+(0.20.25) d40.79425.6353.4齿轮传动比计算3.4.1纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量=0.01滚珠丝杠导程L。=6mm,初选步进电机步距角为0.75。可计算出传动比i： i=360/L。=3600.01/0.756=0.8 -3.8 可选定齿轮齿数为： i=Z/Z=32/40或20/25Z=32，Z=40，或 Z=20， Z=253.4.2横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量=0.005,滚雪球珠丝杠导程L。=5mm，初选步进电机步距角为0.75可计算出传动比i： i=360/L。=3600.005/0.755=0.48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的有效行程，故此处可采用两级齿轮降速： i= ZZ/ZZ=3/54/5=24/4020/50Z=24，Z=40、Z=20、 Z=25因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。有关参数请参照表3.2表3.2 传动齿轮几何参数齿数Z324024402025分度圆d=mz648048804050齿顶圆dz=d+2m688452844454齿根圆d1=d-21.25m597543753545齿宽(610)m202020202020中心距A=(d1+d2)/27264453.5步进电机的计算和选型3.5.1纵向进给步进电机1初选步进电机（1）计算步进电机负载转矩Tm Tm =36Fm/2 -3.9=(360.012638.6)/(20.750.980.990.990.94) =223.96N.cm式中 脉冲当量（mm/step）； Fm进给牵引力（N） 步距角，初选双拍制为0.75； 电机一丝杠的传动效率，为齿轮、轴承、丝杠效率之积，分别为0.98、0.99、0.99和0.94；（2） 估算步进电机起动转矩Tq Tq=Tm/0.30.5 =223.26/0.3=744.2Ncm (3)计算最大静转矩Tjmax查综合作业指导书表3-22，如取五相10拍，则 Tjmax=Tq/0.951=782.5Ncm(4)计算步进电机运行频率f和最高起动频率f f=1000v/60 =833.3Hz f=1000v/60=4000Hz式中 v最大切削进给速度（m/min）,此题为0.5m/min； v最大快速移动速度（m/min）, 此题为2.4 m/min； 脉冲当量，取0.01mm/step。（5）初选步进电机型号 根据估算出的最大静转矩Tjmax在综合作业指导书表3-23中查出130BF001最大静转矩为931NcmTjmax可以满足要求。考虑到此经济型数控车床有可能使用较大的切削用量，应该选稍大转矩的步进电机，以留有一定的余量。另一方面，与国内同类型机床类比，决定采用150BF002步进电机。从表中看出，150BF002步进电机最高空载起动频率为2800Hz，不能满足f=4000Hz的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件升降速程序来解决。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，初选之后，应该进行校核计算（1）计算简图见综合作业指导书图3-17。根据综合作业指导书表3-24，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J（kgcm）可由下式计算： J=J+J+()J+J+G/g(L。/2) -3.10式中 J 步进电机转子转动惯量（kgcm） J、J齿轮的转动惯量（kgcm） J滚珠丝杠转动惯量（kgcm）参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转惯量J=10 kgcmJ=0.7810d1L1=(0.78106.42)=2.62 kgcmJ=0.7810d2L2=(0.781082)=6.39 kgcmJ=(0.78104150)=29.952 kgcm G=1500N代入上式：J=J+J+()J+J+G/g(L。/2)*1500/9.8 =10+2.62+（32/40）(6.39+29.952)+ (0.6/2) kgcm考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 J/ J=10/39.452=0.253基本满足惯量匹配的要求。（2）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，具体计算公式如下：M=M+M+M。M= J= Jn=将前面数据代入，式中各符号意义同前。起动加速时间t=30msM= J= J=634.5Ncm折算到电机轴上的摩擦转矩MM=(1-)=104.8Ncm附加摩擦转矩M。： M。=(1-)=(1-)=15.96 Ncm上述三项合计：M=M+M+M。=634.5+104.8+15.96=755.26 Ncm2)快速移动时所需转矩M= M+M。=104.8+15.96=120.76 Ncm3)最大切削负载时所需转矩= M+M。+M= M+M。+=(104.8+15.96+127.96)=248.72 Ncm从上面计算可以看出，M 、M和三种工况下，以快速空载起动所需转矩最大，即以此项作为校核步进电机转矩的依据。从综合作业指导书表3-22查出，当步进电机为五相十拍时=0.951，则最大静转矩为=(755.26/0.951)=794.2Ncm从综合作业指导书表3-23查出150BF002型步进电机最大转矩为13.72Nm,大于所需最大静转矩，可以满足此项要求。(3)校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。前面已经计算出此机床最快移动时需步进电机的最高起动频率f为4000Hz，切削进给时所需步进电机运行频率f为833 Hz。从综合作业指导书表3-23中查出150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800Hz运行频率为8000Hz，再从图3-15、3-16查出1500BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图3-19所示。看出，当步进电机起动时，f=2500Hz时，M=100Ncm，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩(755.26 Ncm)直接使用将会产生丢步现象，所以必须采取升降速控制（用软件控制），将起动频率降到1000Hz时，起动转矩可增高到588.4 Ncm,然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出转矩扩大一倍左右。 图3.43.5.2横向进给步进电机1.初选步进电机（1）计算步进电机负载转矩TmTm=36Fm/2=(360.0052063)/(20.750.960.990.990.965) =86.83N.cm式中 脉冲当量（mm/step）；此处为0.005mm/step Fm进给牵引力（此处为2063N） 步距角，初选双拍制为0.75； 电机丝杠的传动效率，为齿轮、轴承、丝杠效率之积，分别为0.96、0.99、0.99和0.965；（2）估算步进电机起动转矩Tq Tq=Tm/0.30.5 =86.83/0.4=217.08Ncm (3) 计算最大静转矩Tjmax查综合作业指导书表3-22，如取五相10拍，则 Tjmax=Tq/0.951=228.26Ncm(4)计算步进电机运行频率f和最高起动频率f f=1000v/60 =833.3Hz f=1000v/60=4000Hz式中 v最大切削进给速度（m/min）,此题为0.25m/min； v最大快速移动速度（m/min）, 此题为1.2 m/min； 脉冲当量，取0.005mm/step。（5）初选步进电机型号根据估算出的最大静转矩Tjmax在表3-23中查出130BF001最大静转矩为931N cmTjmax可以满足要求。但从表中看出，130BF001步进电机最高空载起动频率为3000Hz，不能满足f=4000Hz的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件升降速程序来解决。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，初选之后，应该进行校核计算。（1）等效转动惯量计算计算简图见综合作业指导书图3-18。根据综合作业指导书表3-24，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J（kgcm）可由下式计算：J=J+J+()（J+J）+（）J+J+G/g(L。/2)式中 J 步进电机转子转动惯量（kgcm） J、J、J、J齿轮的转动惯量（kgcm）J滚珠丝杠转动惯量（kgcm）参考同类型机床，初选反应式步进电机130BF，其转子转惯量J=4.7kgcmJ=0.7810d1L1=(0.78104.82)=0.828kgcmJ=0.7810d2L2=(0.781082)=6.39 kgcmJ=0.7810d3L2=(0.781042)=0.39 kgcmJ=0.7810d4L2=(0.781052)=0.975 kgcmJ=(0.7810235)=0.4378 kgcm G=800N代入上式：J=J+J+()（J+J）+（）J+J+G/g(L。/2) =19.98 kgcm考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 J/ J=4.7/19.98 =0.235基本满足惯量匹配的要求。（2）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，具体计算公式如下： M=M+M+M。M= J= = Jn= 此处v=1.2m/min =0.005mm/step将前面数据代信，式中各符号意义同前。起动加速时间t=30msM= J= J=348.5Ncm折算到电机轴上的摩擦转矩MM=(1-)= =6.96Ncm附加摩擦转矩M。M。=(1-)=(1-)=8.49 Ncm上述三项合计：M=M+M+M。=348.5+6.96+8.49=363.95Ncm2)快速移动时所需转矩M= M+M。=6.96+8.49=15.45 Ncm3)最大切削负载时所需转矩= M+M。+M= M+M。+=(6.96+8.49+53.6)=69.05 Ncm从上面计算可以看出，M 、M和 三种工况下，以快速空载起动所需转矩最大，即以此项作为校核步进电机转矩的依据。从表综合作业指导书3-22查出，当步进电机为五相十拍时=0.951，则最大静转矩为=(363.95/0.951)=382.7Ncm从综合作业指导书表3-23查出130BF001型步进电机最大转矩为9.31Nm,大于所需最大静转矩，可以满足此项要求。(3)校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。前面已经计算出此机床最大快速移动时需步进电机的最高起动频率f为4000Hz，切削进给时所需步进电机运行频率f为833 Hz。从综合作业指导书表3-23中查出130BF001型步进电机允许的最高空载起动频率为3000Hz运行频率为16000Hz，再从综合作业指导书图3-15、3-16查出1300BF001步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图3.5所示。看出，当步进电机起动时，f=2400Hz时，M=190Ncm，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩(382.7 Ncm)直接使用会产生丢步现象，所以必须采取升降速控制（用软件控制），将起动频率降到1000Hz时，便可以正常工作。 图3.54 进给伺服系统机械部分结构设计机械部分结构设计的任务是画出进给伺服系统的装配图，以表达设计者构思、设计特点与计算结果统一。4.1进给伺服系统总图设计在进行纵向进给伺服系统结构设计之前，必须对整个机床的布局有所了解，在附图中给出了经济型数控车床的总图。从图中可以看出来，纵向进给机构，在原机床装进给箱的位置，将进给箱拆除，装伺服系统齿轮箱，在箱体的左面装步进电机，滚珠丝杆右端轴承座仍装在原机床滑动丝杆后轴承座处。滚珠丝杆装有挡板，以防止切屑掉下损坏滚珠丝杠。将CA6140床的溜板箱拆除，在原横溜板处装有急停，电源开关等几个按钮，便于工人操作。总图上还必须画出此车床上加工螺纹的控制部件-光电编码器，利用光电编码器装在主轴或在主轴箱与主轴保持一定传动比的伸出轴上，当主轴旋转一圈时，光电编码器就发出一定数量的脉冲，输入计算中，经过微机运算，控制步进电机，带功滚珠丝杠，使刀架按所需螺距进给。而光电编码器用弯板装在主轴箱左端面，通过弹性联轴器与主轴箱中一伸出轴相连，因伸出轴不可能与弹性联轴器的尺寸完全一致，故中间还要设计一个中间过渡套。4.2进给伺服系统的装配图经过计算，已知此纵向进给系统采用150BF002型步进电机，经过一对齿轮减速，齿轮系数=32。=40。模数m=2滚珠丝杆公称直径为=40mm。滚珠丝杠螺母副选用的是CD型外循环垫片调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠副，即CD4006。进行结构设计时，注意考虑以下问题：（1）进行改造设计时，将原CA6140车床进给箱拆掉，利用原来的安装基面安装齿轮箱体。因而必须注意齿轮箱体螺钉中心距的尺寸，应保证箱的安装螺钉和销钉均在原来的安装基础面上，床尾的轴承座仍要装在原CA6140车床尾部轴承座处。（2）为保证滚珠丝杠与导轨平行，设计时应注意使齿轮箱体的丝杠中心，与床尾轴承座中心线距安装基面尺寸一致以保证水平面的丝杠与导轨平行。齿轮箱体在床身上的安装螺钉的位置与车尾座轴承座安装螺钉的位置，必须根据床身具体情况确定，以保证在垂直面内丝杆与导轨平行。水平面内的平行度达不到要求可刮研齿轮箱体或床尾轴承座的安装基面，如垂直面内平行度达不到要求，可安装螺钉进行调整，调好后，插入定位销。（3）保证滚珠丝杠转动平稳，轻快，必须使滚珠丝杆螺母座板定19与丝杠两端支承同轴，设计时，在螺母座与弯板之间设计垫片58，装配时可以修磨垫片来保证螺母座在平面内与两面端支承同轴，垂而直面内的同轴，靠螺钉调整，调好后，打入销钉。（4）在水平面内应使丝杠中心线距导轨的距离尽量小，否则将会产生颠复力矩，增大摩擦力，使运动不平稳。（5）步进电机装在箱体左侧，利用步进电机的短圆柱面在箱体上定位，由于是定位面，一定要在图上标注出孔的尺寸及配合。（6）设计中滚珠丝杠螺母副采用了调整垫片方式预紧，即调整垫片的厚度，使螺母产生轴向位移，从而达到预紧的目的。（7）为提高机床的精度，避免在反向失步，在此设计中，是采用两个薄片齿轮予以消隙，在两片齿轮中间开有三个月芽形的槽放入弹簧，并用三个内六角螺钉固定。（8）当车床床鞍移动时，滚珠丝杠要受到轴向力，此轴向力由床身前端的两个止推轴承承受，向左的轴向力通过挡圈21。止推轴承22，挡块23，传到齿轮箱体上，向右的轴向力则通螺母37，齿轮31，径向轴承28，轴套27，挡圈26。到左边的止推轴承22，经挡块23传到端盖24上，此端盖与齿轮箱体用螺钉固定，绘图注意止推轴承22的动圈和不动圈的画法，与挡块23接触的一边是不动圈，其内孔和轴颈之间要画出间隙。床尾部分的圆螺母2是用来对丝杠进行预拉伸，以增加丝杠的刚度，外侧的圆螺母是锁紧用的，由于旋转螺母2进行预拉伸时，端面的摩擦力大，故要用止推轴承5以减小端面摩擦力。（9）横向进给伺服系统设计与纵向类似，将原来横向溜板中的丝杆，螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杆螺母副。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杆相连。经计算，已知此横向进给系统采用130BF001型步进电机，经过两对齿轮减速，齿轮齿数。齿轮模数m=2,滚珠丝杆直径为=25mm, 滚珠丝杆螺母选用的是W2505。因为丝杠支承距离比较短，所以不需要预紧。步进电机经两对齿轮减速后，将动力传给丝杆螺母副并带动横溜板前后移动。滚珠螺母为外循环插管式，丝杆左支承为一对深沟球轴承，右支承用一对推力球轴承和一对深沟球轴承，并用双向螺母调节。齿侧间隙采用双薄片齿轮弹簧错齿调整法。滚珠螺母座在垂直方向上采用垫片微调，在水平方向上利用螺钉孔间隙微调以保证螺母与两端支承同轴，调整好后再打定位销，此时，滚珠丝杆转动灵活，无阻滞现象。5微机控制系统硬件电路设计5.1硬件电路一般要求1.较完善的中断系统。2.足够的内存。3.一定数量的输入输出通道（接口）。4.高可靠性。因此本设计中采用MCS-51系列单片机组成的控制系统，该系统采用8031作CPU，扩展了两片2764芯片、一片6264芯片、两片8155可编程并行I/O接口。5.2控制系统的组成及功能5.2.1 CPU、存储器、I/O接口电路扩展1CPU采用8031芯片，由于8031片内无程序存储器，需要有外部程序存储器的支持，同时8031内部只有128B的数据存储器，也远不能满足控制系统的要求。故扩展了16KB程序存储器由两片2764组成，又扩展了一片6264数据存储器。8031芯片的P0和P2用来传送外部存储器的地址和数据，故要采用74LS373地址锁存器，锁存低8位地址，ALE作为其选通信号，当ALE为高电平，锁存器的输入和输出透明，即输入的低8位存储器地址在输出端出现，此时不需锁存。当ALE从高电平变低电平，出现下降沿时，低8位地址锁存入地址锁存器中，74LS373送出读写的数据了。8031芯片的P2口和74LS373送出的P0口共组成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址线。A0A7低8位接74LS373芯片的输出，A8A12接8031芯片的P2。0P2。4。系统采用全地址译码，两片2764芯片片选信号CE分别接74LS138译码器的Y0和Y1，系统复位以后程序从0000H开始执行。6264芯片的片选信号CE1也接74LS138的Y1单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即允许地址重叠），8031芯片控制信号PSEN接2764的OE引脚，读写控制信号WR和RD分别接6264芯片的WE和OE，以实现外部数据存储器的读写。由于8031芯片内部没有ROM故始终要选外部程序存储器，故其EA必须接地。8031的是片内的定时器/计数器溢出中断申请，由主轴后面的光电编码器输入。当车床车螺纹时，主轴光电编码器向8103发出进给脉冲，用以控制不同导程的螺纹加工。光电编码器还发出一个零位螺纹信号，输入8155(1)的，用以防止车螺纹乱扣。2I/O接口电路扩展8155(1)主要用于功能键的控制，刀架转位控制以及报警等。其中PA口为输入口，作为功能键的控制管理，刀架控制编辑、空运行、自动、手动I，手动和回零。PB口也是输入口，由面板上的按键分别控制起动、暂停、单段、连续、急停等功能。是换刀回答，当自动转位刀架按指令转位、夹紧，刀架电机停转之后，发出此信号，开始执行进给指令。接光电编码器输出的零位螺纹信号。PC口是输出口，控制自动刀架转位四个刀位的选刀。用于报警显示，系统正常工作时，输出低电平，绿色发光二极管亮，当系统出现异常情况时，输出高电平，经反向后，红色发光二极管亮，实现报警功能。 8155(2)控制步进电机，行程控制，以及键盘，显示电路。其中为输出口，用于控制Z向、X向步进电机运转，Z向步进电机为五相，X向为三相。此系统采用软件分配。键盘显示电路为46键和6位显示器。作为键盘的6条列线，是键盘扫描线，是输出口。接行线作为键盘输入口。是6位数码显示器的位选信号，8031的口是数码显示器的段选信号。接越程限位控制电路，当床鞍或拖板在Z向或X向越程时，即向计算机输入此信号，使进给系统停止。3存储器及I/O口芯片地址分配（表5.1） 表5.1 数控车床控制系统芯片地址分配芯片接74LS138引脚地址选择线片内地址单元地址编码2764(1)000xxxxxxxxxxxxx8K0000H-1FFFH2764(2)001xxxxxxxxxxxxx8K2000H-3FFFH6264010xxxxxxxxxxxxx8K4000H-5FFFH8155(1)0110000100000xxx66100H-6105H8155(2)1000000100000xxx68100H-8105H5.2.2控制系统的功能（1） Z向和X向进给伺服系统运动（2） 键盘显示（3） 自动转位刀架控制（4） 螺纹加工控制（5） 面板控制（6） 行程控制（7） 其他功能 报警电路、急停电路、复位电路、光隔离电路、功能电路等。5.3步进电机控制电路5.3.1步进电机开环驱动原理每输入一个脉冲，步进电机就完成一次进给，其种类很多，在本设计中采用反应式步进电机，其工作原理是：数字脉冲信号控制定子磁极上的控制绕组，按一定顺序通电，在定子和转子的空隙间形成步进式的磁极轴旋转。其原理图如下图5.1图5.1步进电机开环伺服系统原理图脉冲信号源它是一个脉冲发生器，通常脉冲频率连续可调，送到脉冲分配器的脉冲个数和频率脉冲由控制信号进行控制。脉冲发生器将脉冲按一定顺序送到功率放大器中进行放大，驱动步进电机工作。功率放大器将脉冲分配器送来的脉冲进行放大，使步进电机获得必要的功率。步进电动机伺服系统的执行原件，它带动工作机构，如减速装置，丝杆，工作台。5.3.2脉冲分配脉冲分配器是将控制脉冲按规定的通电方式分配到各相，该分配可由硬件电路实现也可由软件完成P1.0,P1.1,P1.2三位分别输出时序脉冲经光电隔离，驱动放大使步进电机运转，延时的长短决定了步进电机运行一拍的时间，也就决定了的步进电机的转速。5.3.3驱动电路由微机按控制要求发出脉冲，并依次将脉冲分配给各相绕组,因其功率很小,电压幅度不足5V,电流为mA级。必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培,才能驱动步进电机。因此, 步进电动驱动器实际上是一个功率放大器。驱动器的质量直接影响到步进电机性能。驱动器的负载是电机绕组是强电感性负载。对驱动器的要求是:失真要小,有较好的前后沿和足够的幅度,效率要高；工作可靠,安装,调试和维修方便。此处采用高低压驱动电路,其原理如图5.2所示:图5.2步进电机高低压驱动电路上图是一个La绕组的高低压驱动电路，脉冲变压器Tp组成的高低压控制电路，无脉冲输入时，T1,T2,T3,T4均截止，电动机绕组中无电流通过电机不转有脉冲输入时, T1,T2,T4饱和导通在T2由截止到饱和期间，其集电极电流也就是脉冲变压器的电流急速增加，在变压器次级产生一个电压，使T3导通80V高压经高压管T3加到绕组La上，使电流迅速上升，经过数百微秒，当T2进入导通状态后，Tp初级电流恒定，次级的感应电流经D2加到绕组La，维持La中的电流为恒定值，T1,T2,T3,T4又均截止，储存在La中的能量通过18电阻和二极管，18的电阻作用是减少放电回路的时间常数，改善电流波形后沿由于采用了高低压驱动，电流增长快电机的力矩和运行频率都得到改善，但由于电机转动时产生反电势，使电流波形顶部下凹，使平均电流下降，转矩下降5.3.4其他辅助电路此控制系统中设有越界报警和急停处理电路。+X，+Z方向的越界和急停信号经或门引入8031的P3.2，中断源INT0，同时又接到8031的P1口，采用硬件申请中断软件查询的方法，这无论哪个方向越界都会引起中断，在中断服务程序中通过软件查询的办法，便可确定是哪个方向越界，当+X，+Z一方向越界，则相应的红灯亮报警。6 微机控制系统的软件设计控制系统的软件是