普通车床C616的数控改造

1 摘摘要要 本文主要是将传统的 C616 车床的电气控制系统改造成为数字控制的开环控制系 统。随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高，对机械加工设备的加工精密程度 也要求越来越高。而在中国的机械加工设备的车床中，普通车床占了很大比例。这已 经越来越制约着当今工业的发展。而数控机床由于价格昂贵，且需要较高技术的加工 工人。所以对普通机床进行数控改造具有很大的意义。 本人在搜索、查阅和研究大量有关资料的基础上，对机床 的数控改造技术进行 了研究和分析，并描述了机床控制系统的设计。整个改造过程主要对车床纵、横向进 给系统进行了改造，选用自动转位刀架，由脉冲发生器来加工所需要的螺纹。整个控 制系统以 8031 型号的单片机为中心，通过编程对机床的驱动设备进行控制以达到所 需要的加工程度。 关关键键词词：C616 车床 数控改造 8031 单片机 步进电机 2 目目录录 摘要摘要.1 1 ABSTRACTABSTRACT.2 2 第第 1 1 章章 绪论绪论.1 1 1.1 普通机床数控化改造概述.1 1.2 机床数控化改造的意义.1 1.2.1 微观看改造的必要性 .1 1.2.2 宏观看改造的必要性 .2 1.3 国内外机床改造业的发展概况.2 1.3.1 国外机床改造业的发展 .2 1.3.2 国内机床改造业的发展 .3 1.4 数控机床未来的发展方向.4 第第 2 2 章章 C616C616 普通车床数控改造总体方案的设计普通车床数控改造总体方案的设计 .5 5 2.1 本毕业设计的选题及主要任务.5 2.2 总体方案设计.5 第第 3 3 章章 机械部分改造机械部分改造.7 7 3.1 纵向（Z 向）进给系统的设计 .7 3.2 横向（X）向进给系统的计算与设计.13 3.3 机床导轨改造.17 3.4 自动刀架的选择.18 3.5 主轴脉冲发生器.18 第第 4 4 章章 电气系统控制部分改造电气系统控制部分改造.2020 4.1 步进电机的选择.20 4.1.1 步进电机选用的基本原则.20 3 4.1.2 C616 纵向进给系统步进电机的确定.21 4.1.3 C616 横向进给系统步进电机的确定.21 4.2 数控装置硬件设计.21 4.2.1 数控系统硬件组成 .21 4.2.2 单片机的选择 .22 4.2.3 存储器的选择 .23 4.2.4 I/O 接口电路.23 4.2.5 步进电机驱动电路.24 4.3 数控系统软件设计.25 总结总结.2727 致谢致谢.2828 参考文献参考文献.2929 1 第第 1 章章 绪绪论论 1.1 普通机床数控化改造概述普通机床数控化改造概述 随着机电一体化技术的迅猛发展，数控机床的应用已日趋普及，机械制造业正在 越来越多地采用数控技术来改善其生产加工方式，用以解决现代机械制造中结构复杂、 紧密、批量小、多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，但是数控机 床的应用也受到其他条件的限制。首先，数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小 企业常是心有余而力不足；目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换 根本不可能，而且被替代下的机床闲置起来又会造成浪费；在国内，订购新数控机床 的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；通用数控机床对具体生产存在冗余功 能。要较好的解决上述问题，应走普通机床数控改造之路。低成本普通车床数控化改 造是一项适合我国实际情况的先进适用技术，也是一项提升我国机床数控化率的有效 途径。 机床的数控改造，就是在普通机床上增加计算机控制装置，使其具有一定的自动 化能力，以实现预定的加工工艺目标。 数控化改造的优点 （1）减少投资额、交货期短。 （2）机械性能稳定可靠，结构受限。 （3）熟悉了解设备、便于操作维修。 （4）可充分利用现有的条件。可以充分利用现有地基，不必重新构筑地基。 （5）可以采用最新的控制技术。 1.2 机床数控化改造的意义机床数控化改造的意义 1.2.1 微观看改造的必要性微观看改造的必要性 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。 （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。 2 （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。 由以上五条派生的好处。比如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人 可以看管多台机床） ，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需 求做出快速反应等等。这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。 1.2.2 宏观看改造的必要性宏观看改造的必要性 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用、民用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。 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。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 1.3 国内外机床改造业的发展概况国内外机床改造业的发展概况 1.3.1 国外机床改造业的发展国外机床改造业的发展 在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意 盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个 永恒的课 题。 在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了 机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生 3 （Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有： Bertsche 工程公司、ayton 机 床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US 设备公司等。美国得宝公司已在中 国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（ Retrofitting）业。从事改装业的著 名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工 程公司、山本工程公司等。 在德国，机床改造业已经成为一个新兴的工业部门。在不太景气的机床市场上， 二手机床的销售相当红火。据统计，早在 1998 年德国二手机床销售额就达到 25 亿 马克。德国在机床数控化改造方面，不仅考虑了如何通过机床的数控化改造来适应生 产技术的发展、劳动组织的变革，而且还全面地考虑了如何充分利用技术工人现有的 经验知识。因此，在德国除了企业从事机床改造工作外，还有一些高校、研究机构等 也参与了机床改造的研究与指导工作，对机床改造过程中的生产技术、劳动组织和人 员素质之间的相互关系进行了全面、系统地研究，联邦政府和州政府专门拨款支持该 领域的研究工作。 在德国可以将改造后的旧机床的质量和性能做得与新机床差不多，而且，改造后 的二手机床的用户也同样能够得到供应商或改造厂提供的配套服务。这样，可以消除 二手机床用户的后顾之忧，他们也就更乐意改造本厂原有的旧机床或者从市场上购买 改造过的二手机床，从而更有力地推动了机床改造行业的发展。 1.3.2 国内机床改造业的发展国内机床改造业的发展 目前我国机床市场的需求结构已经发生了很大变化，我国的机床改造业，也从老 的行业进入到以数控技术为主的新的行业。数控机床，特别是普及型数控机床将逐步 成为市场需求的主体。 自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、机床设备和生产线进行技术改造。 据不完全统计，从 1979-1988 年，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。然而， 有一些设备、生产线从国外引进后，由于消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果 运转不良；还有一些项目只注意引进设备、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。 这些引进项目不仅没有创造财富，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 4 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。 2005 年，我国数控金属切削机床生产 59639 台，进口 30746 台。除部分出口外， 总消费数量约 85000 台。在生产的数控金属切削机床中，经济型数控机床约占 60% 以上（生产的数控车床中经济型数控车床占 89%90%） ，中档以上的数控金属切削 机床不足 40%。2006 年，我国机床工业的产值和销售收入保持较高的增长速度，其 中数控金属切削机床产量快速增长，全年生产 85756 台，同比增长 32.8%，增幅高 于金属切削机床产量增幅的 18.4%。国产机床市场占有率进一步回升，由 2001 年的 39.3%提高到 2006 年的 44.8%。2007 年 110 月我国进口金属加工机床 57.06 亿美元， 其中金属切削机床进口达 41.98 亿美元，同比减少 8.18%，所占比例为 73.57%；成 形机床进口达 15.08 亿美元，同比增长 5.68%，所占比例为 26.43%。 国内的机床制造企业在努力开拓高档数控机床市场的同时，一定要加速普及型数 控机床产业化的步伐。通过生产和进口数控机床并不能满足我国日益增长的制造业需 求，而且淘汰大型企业原有的大量普通金属切削机床不但造成了很大的浪费，而且会 因为缺乏资金购买大量的数控机床来填补淘汰普通金属切削机床后的机床空缺，造成 停产。所以，目前数控化改造是适应我国制造业迅猛发展、资金短缺、旧有机床所占 比例大的国情所需。 1.4 数控机床未来的发展方向数控机床未来的发展方向 电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水 平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术的快速发展。 数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿 色化方面取得了长足的进步。现代制造业正在迎来一场新的技术革命。数控系统未来 分以下几个发展方向： 1、数控系统向开放式体系结构发展 2、数控系统向软数控方向发展 3、数控系统控制性能向智能化方向发展 4、数控系统向网络化方向发展 5、数控系统向高可靠性方向发展 6、数控系统向复合化方向发展 5 7、数控系统向多轴联动化方向发展 第第 2 章章 C616 普普通通车车床床数数控控改改造造总总体体方方案案的的设设计计 2.1 本毕业设计的选题及主要任务本毕业设计的选题及主要任务 本设计是将一台 C616 普通车床改造成经济型数控车床。 对 C616 普通车床进行数控化改造的车床能进行生产加工，纵向脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为 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，刀架采用自动转位刀架。其加工质量和精度达到或超过改造前车床 出厂时的水平，接近同档次数控车床的水平，数控改造的车床其生产效率、安全性超 过改造前普通车床出厂时的水平。 2.2 总体方案设计总体方案设计 由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的 前提下，对机床的改动尽可能减少，以降低成本 。 C616 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 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 且具备在换刀点自动改变刀位 并完成选择刀 具，加工螺纹时应保证主轴转一转，刀架移动 1 个被加工螺纹的螺距或导程。这些 工作就是数控化改造数控系统控制的对象。 根据 C616 车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为 ：采用单片 机对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出步进脉冲。经一级齿轮减速后 ，带动滚珠 丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。 对现有的普通车床进行数控改造，包括以下两个方面： 机械部分改造： 主传动系统不作变动，横向进给系统和纵向进给系统采用滚 珠丝杠螺母副替换进给轴原有的普通丝杆副 ，由电动刀架代替普通刀架 。 电气控制系统改造： 伺服控制采用开环控制，在机械部分改造完成后，采用 8031 单片机作为数控系统，控制步进电动机驱动纵向和横向进给运动。其系统框图 如图 2-2。 6 图 2-2 系统框图 数控改造主要完成以下内容： 用数控系统控制纵横两方向的步进电机，实现 X、Z 两轴的进给运动； 将手动刀架拆除换成电动刀架； 拆除丝杠、光杠进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副； 在主轴后端加一主轴编码器，以便加工螺纹。 改造过程中，只保留机床导轨、主轴、溜板、尾座等部件，其余的全部撤除。带 之以滚珠丝杠和步进电机，用数控系统来驱动各轴的运动。 总体改造如图 2-1 所示。 图 2-1 C616 普通车床的数控改造 1-电动刀架；2-横向步进电机；3-横向滚珠丝杠；4-溜板；5-纵向滚珠丝杠；6-纵向步进电机 7 第第 3 章章 机机械械部部分分改改造造 C616 车床的主要运动是：主轴的旋转运动称为主运动，刀架的左右运动称为纵 向（Z 向）进给运动，刀架的前后运动称为横向（ X 向）进给运动。C616 车床机械 部分主要改造部位是：纵向和横向进给用滚珠丝杠 副代替原来的丝杠和光杠；将原 来的手动刀架改造成电动刀架；在主轴后端加一编码器（又称脉冲发生器），以便加 工螺纹。 3.1 纵向（纵向（Z 向）进给系统的设计向）进给系统的设计 纵向进给系统的改造：拆掉原机床的进给箱和溜板箱，利用原机床进给箱的安装 孔和销钉孔安装内有步进电机和一对齿轮的箱体，将原来的普通丝杠改换成滚珠丝杠 螺母副。 1. 纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝 杠，螺母固定在溜板箱上，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。对车床改造来说，外观不必像产品设计要求的那么高，而从改造方便，实用方 面来考虑。一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端，如图 3-1 所示。 加工工件图纸程序编制手工输入控制计算机 功率放大器 步进电机 变速箱 变速箱 步进电机 变速箱 图 3-1 数控改造的总体方案示意图 8 2. 纵向进给系统的设计计算 已知条件： 工作台重量： W=750N 时间常数： T=28ms 滚珠丝杠基本导程： =8mm 0 L 行程： S =700mm 脉冲当量: p=0.01mm/step 步距角： =0.75/step 快速进给速度： =2.5m/min max V (1) 切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 （3-1）KNNc 式中 N电机功率，查机床说明书， N=4kW； 主传动系统总效率，一般为 0.60.7 取65 . 0 K进给系统功率系数，取为 K=0.96。 则： =40.650.96=2.496 kW c N 又因为 （3-2）6120/vFN zc 所以 vNF cz /6120 式中 v切削线速度，取 v=100m/min。 主切削力 =61202.496/100=152.76（kg f）=1527.6（N） z F 由金属切削原理可知，主切削力 （3-3） Z Z F Z F Z F YX pFz KfCF 查表得： =188kgf/=1880MPa Z F C =1 =0.75 =1 Z F X Z F Y Z F K 9 则可计算如表 3-1 所示： Z F 表 3-1 计算结果 Z F ）（mmp 222333 f（mm） 0.20.30.40.20.30.4 ）（NFZ 112515241891168722872837 当=1520N 时，切削深度=2mm，走刀量=0.3mm，以此参数作为下面计算的 Z F p f 依据。 从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时： =（0.10.6） =（0.150.7） （3-4） X F Z F Y F Z F 取： =0.5Fz=0.51527.6=763.8N X F =0.6Fz=0.61527.6=916.5N Y F (2) 滚珠丝杠设计及计算 综合导轨车床丝杠的轴向力： （3-5）（WFfKFP ZX 式中 K=1.15， =0.150.18，取为 0.16。 f 则 P=1.15763.8+0.16（1527.6+800） =1250.8N 1) 强度计算： 寿命值 （3-6） 6 60/10 iii LnT （3-7） /1000/ ioo nn fLvfDL 主 10 取工件直径 D=80mm，查表得 =15000h i T 则： =10001000.3/3.14806=20r/min i n =602015000/=18 i L 6 10 最大动负载 Q= （3-8） HWi fPfL 3 查表得： 运转系数 =1.2 硬度系数 =1 W f H f 则 Q=1.211250.8=3933.6N 3 18 根据最大动负载 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机 床厂的产品样本选取 FB 系列，滚珠丝杠直径选为 32mm，型号为 FB326- 1 C 1 C 5-，其额定动载荷是 10689N，所以强度足够用。 2 E 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： （3-9） /tgtg（） 式中 摩擦角=10 螺旋升角=325 则 =0.953）（01523/523 tgtg 3) 刚度验算： 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 （3-10）EFPLL/ 01 式中 =6mm=0.6cm； 0 L E=20.6 6 10 2 /cmN 滚珠丝杠截面积 22 /22.8031/23.14Fd（）（） 则 cmL 626 1 109 . 514 . 3 2/8031 . 2 10 6 . 20/6 . 0 8 . 1250 ）（ 11 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即：。 2 L 1 LL 所以，导程变形总误差 为： mmLL/8 . 96 . 0/109 . 5100/100 6 0 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（ 1m 长）为 15m/m，故刚度足够。 4）稳定性验算： 由于机床原丝杠直径为 32mm，支承方式不变，所以稳定 性不存在问题，不再验算。 (3) 齿轮及转矩的有关计算 1) 有关齿轮计算 传动比 /3600.75 6/360 0.011.25 op iL 故取 =32 =40 1 Z 2 Z m=2mm b=20mm =20 mmmZd64322 11 mmmZd80402 22 mmhdd aa 682 * 11 mmhdd aa 842 * 22 2) 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： cmNcmkgWJ p .67 . 4 .467 . 0 8075 . 0 14 . 3 /01 . 0 180/180 222 1 ）（）（ 丝杠的转动惯量： 224444 .789.81.1789. 81002 . 3108 . 7108 . 7cmNcmkgLDJs 齿轮的转动惯量： 4422 1 7.8 106.422.617.26.17. Z Jkg cmN cm 4422 2 7.8 10826.39.63.9 . Z Jkg cmN cm 电机转动惯量很小可忽略。 因此，总的转动惯量： 12 467 . 0 617 . 2 39 . 6 1789 . 8 25 . 1 /1/1 2 112 2 ）（）（JJJJiJ ZZS = 22 .08.124.408.12cmNcmkg 3) 所需转动力矩计算： 快速空载启动时所需力矩 + maxa MM f M o M 最大切削负载时所需力矩 + at MM f M o M t M 快速进给时所需力矩 + f MM o M 式中 空载启动时折算到电机轴上的加速力矩； maxa M 折算到电机轴上的摩擦力矩； f M 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩； o M 切削时折算到电机轴上的加速度力矩； at M 折算到电机轴上的切削负载力矩。 t M （3-11）TJnMa6 . 9/10 4 当时 max nn aa MM max min/ 7 . 4166/25 . 1 2000/ 0maxmax rLivn cmkgfmNMa. 5 . 21.15 . 2 025 . 0 6 . 9/10 7 . 416408.12 4 max 当时 t nn ata MM 68014 . 3 /25 . 1 3 . 01001000/100/ 00 DLvfiLfinnt 主 24.88 /minr =12.40824.88/9.60.025=0.1286 N.m=1.286kgf.cm at M 4 10 iWLfiLFM f 2/2/ 000 13 当=0.8 =0.16 时 f 0.16 80 0.6/2 3.14 0.8 1.25 f M =1.223=12.23cmkgf.cmN. 当=0.9 时预加载荷 Po=1/3则： 0 X F 25 . 1 8 . 014 . 3 6/9 . 016 . 038.766/1 2 2 000 ）（）（iLFM X =mNcmkgf.62 . 4 .462 . 0 =76.30.6/23.140.81.25=7.297kgf.cm=72.97N.cm /2 txo MF Li 所以，快速空载启动所需力矩 maxafO MMMM =21.5+1.223+0.462=23.185kgf.cm=231.85N.cm 切削时所需力矩： atfot MMMMM =1.286+1.223+0.462+7.297 =10.268kgf.cm=102.68N.cm 快速进给时所需力矩 fo MMM =1.223+0.462=1.685kgf.cm=16.85N.cm 由以上分析计算可知： 所需最大力矩Mmax发生在快速启动时， cmNcmkgfM.85.231.185.23 max 3.2 横向（横向（X）向进给系统的计算与）向进给系统的计算与设计设计 横向进给机构改造：保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留， 步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。 1. 横向进给系统的设计 经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单，一 14 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，提高转动精度。 2. 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 到的公式不在详细说明，只计算结果。 已知条件： 工作台重量： W=30kgf=300N 时间常数： T=25ms 滚珠丝杠基本导程： =4mm 左旋 0 L 行程： S =190mm 脉冲当量: p=0.005mm/step 步距角： =0.75/step 快速进给速度： =1m/min max V (1) 切削力计算 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。 =1/2152.76=76.38kgf=763.8N Z F 在切断工件时： NcmkgfFF Zy 9 . 381.19.3838.765 . 05 . 0 （2）滚珠丝杠设计计算 1)强度计算： 对于燕尾型导轨： （3-12）（WFfKFP ZY 取 K=1.4 =0.2 f 则 P=1.438.19+0.2（76.38+30） =74.74kgf=747.4N 寿命值 5 . 131060 66 iii TnL 最大动负载 15 Q=NkgfPffL HWi 5 . 213555.21374.7412 . 1 5 . 13 3 3 根据最大动负荷 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机 床厂的产品样本选取系列，滚珠丝杠公称直径为 20mm，型号为BFC1 204-5-E2 左，其额定动负荷为 5393N，所以强度足够用。BFC1 2) 效率计算： 螺旋升角=338，摩擦角=10 则传动效率由公式（2-9）得 956 . 0 )01833(/833tgtg 3) 刚度验算：由公式（2-10）得滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 =74.74100.44/3.1420.6=5.96cm 1 L 6 10 2 1.7619 6 10 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 2 L 1 LL 变形总误差为 =100L/Lo=1005.96/0.4=14.9m/m 6 10 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（1m 长）为 15m/m，故刚度足够。 4) 稳定性验算： 由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，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) 齿轮及转矩有关计算 1)有关齿轮计算 传动比 67 . 1 3/5005 . 0 360/475 . 0 360/ 0 P Li 故取 1 18Z 2 30Z =20 2mmm20bmm 1 36dmm 2 60dmm 1 40 a dmm 2 64 a dmm 48mm 16 2)转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 222 (180/)(180 0.005/3.14 0.75)30 1/1000.0439. tp JWkg cm 丝杠的转动惯量 442 7.8 102500.624. s Jkg cm 齿轮的转动惯量 442 1 442 2 7.8 103.620.262. 7.8 10622.022. Z Z Jkg cm Jkg cm 电机转动惯量很小可忽略，因此，总的惯量 222 21 1/()(3/5) (0.6242.022)0.2620.04391.258. SZZt JiJJJJkg cm 3) 所需转动力矩计算 maxmax /1000 5/3/4416.7 /min o nvi Lr 44 maxmax 10/9.61.258 416.7 10/9.6 0.0250.2184 .2.23. a MJnTN mkgf cm /1000/1000 100 0.15 5/3.14 60 4 333.17 /min tioo nn fLvfiDLr 主 4 1.258 33.17 10/9.6 0.0250.0174 .0.1775. at MN mkgf cm mNcmkgf iWLfiLFM f .028. 0.287 . 0 58 . 014 . 3 2/34 . 0302 . 02/2/ 000 22 (1)/638.19 0.4 3(1 0.9 )/6 3.14 0.8 50.116.0.011 . ovoo MF Likgf cmN m /238.19 0.4 3/2 3.14 0.8 51.824.0.179 . tyo MF Likgf cmN m 所以，快速空载启动所需转矩 maxaf MMMM =2.23+0.287+0.116=2.633kgf.cm=26.33N.cm 17 切削时所需力矩： atfot MMMMM =0.1774+0.287+0.116+1.824 =2.40kgf.cm=24.04N.cm 快速进给时所需转矩： fo MMM =0.287+0.116=0.403kgf.cm=4.03N.cm 以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时 max 2.633.26.33 . a Mkgf cmN m 3.3 机床导轨改造机床导轨改造 卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床导轨面运动的。导轨就是 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，能准确的沿着一定的方 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、 承载能力和使用性能。 数控机床上，常使用滑动导轨和滚动导轨。滚动导轨摩擦系数小，动静摩擦系数 接近，因而运动灵活轻便，低速运行时不易产生爬行现象。精度高，但价格贵。经济 型数控一般不使用滚动导轨，尤其是数控改造，若使用滚动导轨，将太大增加机床床 身的改造工作量和改造成本。因此，数控改造一般仍使用滑动导轨。 滑动导轨具有结构简单，刚性好，抗振性强等优点。普通机床的导轨一般是铸铁 铸铁或铸铁淬火钢导轨。这种导轨的缺点是静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度 的变化而变化，低速时易产生爬行现象，影响行动平稳性和定位精度，为克服滑动导 轨的上述缺点，数控改造一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。 贴塑导轨摩擦系数小，且动静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、 抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定； 且有良好的自润滑性和抗振性，加工简单， 成本低。 目前应用较多的聚四氟乙稀（ PTEE）贴塑软带，如美国生产的 TwrciteB 和我 国生产的 TSF 软带材料，此种软带厚度为 0.8、1.6、3.2等几种规格。考虑到 承载变形，宜选用厚度小的规格；如果考虑到加工余量，选用厚度为 1.6为宜。 18 贴塑软带粘贴工艺非常简单，可直接粘结在原有的滑动导轨面上，不受导轨形式 的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘结。粘结前按导轨精度要求对金属导轨面进 行加工修理。根据导轨尺寸长度放大 34，切下贴塑软带。金属粘结面与软带结 面应清洗干净，用特殊配制的粘合剂粘结，加压固化，待其完全固化后进行修整加工。 作为导轨面的表面，根据需要可进行磨、铣、刮研、开油槽、钻孔等加工，以满足装 配要求。 3.4 自动刀架的选择自动刀架的选择 自动刀架的选用是普通机床数控改造机械方面的关键，而由数控系统控制的 电 动刀架，具有重复定位精度高，工件刚性好，性能可靠，使用寿命长以及工艺性能 好等优点。 经济型数控车床的自动刀架，在生产中最常用的是常州武进机床数控设备厂生产 的系列刀架，具有重复定位精度高，工作刚性好，使用寿命长，工艺性能好等优点达 到国内先进水平，在生产中大量使用。现选用常州武进机床数控设备厂生产的LD4 工型系列四工位自动刀架作为 C616 的适配刀架。 刀架技术参数如下： 刀位数：4 电动功率：60W 电机转速：1400r/min 夹紧力：1t 上刀体尺寸：152152 下刀体尺寸：161171 技术指标：重复定位精度： 0.005 工作可靠性：30000 次 换刀时间：90 180 270 2.9s 3.4s 3.9s 3.5 主轴脉冲发生器主轴脉冲发生器 主轴脉冲发生器也叫光电编码器。其作用是当数控机床加工螺纹时，用主轴脉 冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它应与车床主轴同步转动，并发出主 19 轴转角位置变化信号，输送给计算机。计算机按所需加工的螺距进行处理，控制机 床纵向或横向步进电动机运转，实现加工螺纹的目的。其加工螺距为 6、5、3.5、3、2.5、2、1.75、1.5、1.25、1、0.75 等十八种。 在使用主轴脉冲发生器时，受到步进电动机频率的限制。如采用 1000Hz 工作频 率，加工 3mm 螺距的螺纹时，步进电动机频率为 300Hz，而主轴脉冲发生器频率为 1000 x60Hz=60000Hz，所以车床主轴转速 n=1000 x60/300r/min=200r/min，即车床主 轴转速不得超过 200r/min，如果主轴脉冲发生器的频率提高到 2000Hz 转速也仅达到 400r/min。由此可知，当螺距越大时，允许的车床主轴转速也就越低。 在经济型数控系统改造卧式车床，多采用同轴方式安装。因为同轴安装的结构简 单，联接方便。 须要注意的是，主轴脉冲发生器属精密光学元件，安装时应格外小心，以免损坏 光栅盘。另外，在使用中还应注意最高许用转速，使用时车床主轴不能超过此转速。 最后做到使用时可将其装上，不使用时将其脱开，以延长其使用寿命。 20 第第 4 章章 电电气气系系统统控控制制部部分分改改造造 4.1 步进电机的选择步进电机的选择 4.1.1 步步进进电电机机选选用用的的基基本本原原则则 合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作 情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下： 1.步矩角 步矩角应满足： i mn/ 式中 i传动比； mn 系统对步进电机所驱动部件的最小转角。 2.精度 步进电机的精度可用步矩误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任 意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用积累误差 衡量精度比较实用。所选用的步进电机应满足 sm iQ 式中 步进电机的积累误差； m Q 系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。 s 3.转矩 为了使步进电机正常运行（不失步、不越步），正常启动并满足对转速 的要求，必须考虑： 启动力矩 一般启动力矩选取为： 5 . 03 . 0/ 0 Lq MM 式中 电动机启动力矩； q M 电动机静负载力矩。 0 L M 在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机 转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 4.启动频率 由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低， 因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： 21 top m ff 极限启动频率 t f 要求步进电机最高启动频率。 op m f 4.1.2 C616 纵向进给系统步进电机的确定纵向进给系统步进电机的确定 cmNMM Lq .625.5794 . 0/10185.234 . 0/ 0 为满足最小步矩要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： 所以，步进电机最大静转矩为：866 . 0 / imq MM cmNMM aim .31.669866 . 0 /625.579866 .