CA6140车床经济型数控改造设计【含cad图纸+文档全套资料】
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山西工程技术学院山西工程技术学院毕毕业业设设计计说说明明书书 学生姓名李晋军学号150514008专业机制本对口1班指导教师荆忠亮所属系（部）机械电子工程系2019 年年 6 月月iCA6140车床经济型数控改造摘 要数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用，但数控机床一次性投资较大，对机床进行数控化改造不失为一个良策。本设计利用数控装置对CA6140普通车床进行控制,主传动系统部分采用交流调频主轴电动机经带轮及分级齿轮变速箱驱动主轴，通过变频器和齿轮变速箱实现分段无级变速；进给系统采用步进电机通过减速后驱动滚珠丝杠运动，在纵向进给系统中通过一级齿轮减速后驱动滚珠丝杠，在横向进给系统中通过二级齿轮减速驱动滚珠丝杠；刀架改为自动转位刀架(四工位)从而实现自动换刀；通过MCS-51系列8051单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲信号控制进给速度和行程；为了保持切削螺纹的功能，要在主轴外端或其它适当部位装上脉冲发生器；将车床的手动尾座改造成为可控电动尾座。本次设计的数控改造为经济适用型，改造简单易行，可降低劳动强度，提高生产效率。主要介绍了CA6140普通数控车床的主轴系统的改进及机床纵向、横向进给系统的改造设计及计算。关键词： CA6140车床；数控改造；滚珠丝杠；步进电动机iiABSTRACT The NC machine plays a very great role in mechanical engineeringAlthough the investment needs a great deal of money，it is a good way to try digital modification for ordinary lathe.The spindle speed of CA6140 remains the manual function of shifting gearsThe alteration is easy and it can reduce labor intensityand improve productive efficiency but the NC Machine larger one-time investment, NC machine tools for the transformation of a good after all. The design of the device using NC Lathe CA6140 control, part of the main transmission system using AC spindle motor and graded by the pulley driven spindle gearbox, through the inverter and gearbox to achieve sub; Feed System used by stepper motor driven ball screw slowdown after campaign vertical feed system through a gear after the ball screw drive, in the horizontal feed system through two gear-driven ball screw; Tool to automatically transfer tool carrier (4-position), thus achieving automatic tool change; by MCS-51 series 8051 data to be dealt with. from the I / O interface stepper pulse output signal to control the feed rate and itineraries; In order to maintain the function of cutting thread, to the outer end of spindle or other appropriate location loaded pulse generator; Lathe will be transformed into Tailstock manually controlled electric Tailstock. The design of the NC transformation of the economy - the application, transforming simple, can reduce labor intensity, improve production efficiency. Introduced a major economic NC machine tool servo system design. Expounded the CA6140 ordinary NC lathe spindle system improvements and vertical machine, horizontal feed system of the design and calculation. Keywords：CA6140 lathe；digital modification；ball screw；stepping motor目 录摘 要.IABSTRACT.II1 概述.11.1 经济型数控改造的实际意义 .11.1.1 技术分析 .11.1.2 经济分析 .11.1.3 市场分析 .21.1.4 生产分析 .21.1.5 综合分析 .21.2 数控机床的工作原理 .21.3 数控机床的特点及应用范围 .31.3.1 数控机床的加工特点 .31.3.2 数控机床的应用范围 .42 经济型车床数控改造总体方案的确定.52.1 总体数控改造方案设计 .53 主传动系统设计.63.1 概述 .63.1.1 数控机床主传动系统的特点 .63.1.2 数控机床主传动系统的设计要求 .63.2 主传动系统的配置方式 .63.2.1 主传动系统的主轴电动机的选型 .63.2.2 交流主轴电机的调速 .73.2.3 分级变速齿轮箱的传动系统设计 .83.2.4 主传动系统组件的结构形式 .114 伺服进给系统的结构设计与计算.124.1 伺服进给传动系统 .124.2 步进电动机及开环进给控制 .124.2.1 步进电动机的驱动控制 .134.2.2 步进电机的驱动放大电路 .134.3 纵向进给系统的设计计算 .164.3.1 设计参数 .164.3.2 纵向进给切削力的确定 .164.3.3 纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .174.3.4 纵向进给减速齿轮的设计与校核 .194.3.5 纵向进给步进电动机的计算和选型 .214.4 横向进给系统的设计计算 .244.4.1 横向进给切削力的确定 .244.4.2 横向进给切削力的确定 .244.4.3 横向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .254.4.4 横向进给减速齿轮的设计与校核 .274.4.5 横向进给步进电动机的计算和选型 .304.5 滚珠丝杠的安装 .334.5.1 滚珠丝杠的安装形式 .334.5.2 滚珠丝杠轴承的校核 .334.5.3 消除齿轮间隙的措施： .345 自动回转刀架的设计.365.1 自动回转刀架的设计 .365.1.1 自动回转刀架步进电动机的选用 .365.1.2 自动回转刀架的蜗轮蜗杆设计计算 .376 电动尾座的设计.406.1 设计方案 .406.2 电动尾座改造部分设计计算 .406.2.1 电动尾座驱动电动机的选择 .406.2.2 电动尾座用的齿轮设计 .407 主轴编码器的设计.4371 编码器工作原理 .4372 主轴编码器的安装 .448 数控车床数控系统设计.458.1 概述 .458.2 计算机数控（CNC）系统的简介 .458.2.1 概述 .458.2.2微处理器数控（MNC）系统的组成 .458.3 CNC系统的硬件结构 .458.3.1 单微处理机与多微处理机结构 .458.4 CNC系统的软件 .468.4.1 CNC系统软件的组成与功能 .468.4.2 CNC系统软件的特点和结构 .498.4.3 CNC系统软件结构的分类 .508.5 CNC系统的工作过程 .508.5.1 CNC系统的数据段历程 .508.5.2 CNC系统自动工作时的总体流程 .518.6 运动轨迹的插补原理 .528.6.1 运动轨迹插补的概念 .528.6.2 运动轨迹插补的方法 .528.6.3 逐点比较法 .53结 论.60参考文献.61外文文献.63中文翻译.72致 谢.79山西工程技术学院毕业设计说明书11 概述由于现代工业的飞速发展，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新换代，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。所以最经济的办法就是对普通机床的数控改造，这样既可以提高生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，采用此方法对中、小型企业来说十分理想。1.1 经济型数控改造的实际意义目前，各企业一般都有不少普通车床，完全用数控车床加以替换根本不可能。解决这个问题，必须走普通车床数控改造之路。日本大企业中有26%的机床经过数控化改造，而中小企业则占74%;美国有许多数控专业化公司为用户提供数控改造服务。我国拥有300万台机床，其中大量的是通用车床。因此，普通车床的数控改造，大有可为。数控改造一般是指对普通车床某些部位作一定的改造，配上数控装置，从而使车床具有数控加工能力。1.1.1 技术分析在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术、计算机技术的发展更快。应用到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，有些企业已在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床满足了技术发展的需要，提高了生产率和产品精度，增大了设备适应能力和型面加工范围。1.1.2 经济分析由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用数控技术对旧机床加以改造，和购买新机床相比，则可以节省50 以上的资金。一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的13到l5，一般山西工程技术学院毕业设计说明书2用户都能够承担得起，这为资金紧张的中小型企业的技术改造开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了较大的吸引力。1.1.3 市场分析据国内资料统计，订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足用户需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。1.1.4 生产分析在现代机械制造工业中，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重。要完成这些生产任务，选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。1.1.5 综合分析从上述分析中不难看出，数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上，具有可靠性高、柔性强、易于实现机电一体化、经济性可观等优点。为此，在旧有机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较大的经济效益。1.2 数控机床的工作原理 数控机床加工零件的工作过程分以下几个步骤实现：（1）根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序。（2）所编程序指令输入机床数控装置中。（3）数控装置对程序（代码）进行翻译、运算之后，向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床的各运动部件，并控制所需要的辅助运动。（4）在机床上加工出合格的零件。下面对其各组成部分加以介绍。1输入装置数控加工程序可通过键盘，用手工方式直接输入数控系统。零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工，另一种是一山西工程技术学院毕业设计说明书3次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从存储器中逐段调出进行加工。2数控装置数控装置是数控机床的中枢。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置它的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求。因此要进行轨迹插补3驱动装置和检测装置驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的移动部件，以加“出符合图样要求的零件。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置中。4辅助控制装置辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。1.3 数控机床的特点及应用范围1.3.1 数控机床的加工特点1加工精度高 2对加工对象的适应性强 3自动化程度高，劳动强度低4生产效率高 5良好的经济效益 6.有利于现代化管理山西工程技术学院毕业设计说明书41.3.2 数控机床的应用范围数控机床最适合加工具有以下特点的零件：（1）多品种小批量生产的零件；（2）形状结构比较复杂的零件；（3）精度要求高的零件；（4）需要频繁改型的零件；（5）价格昂贵，不允许报废的关键零件；（6）需要生产周期短的急需零件；（7）批量较大，精度要求高的零件。山西工程技术学院毕业设计说明书52 经济型车床数控改造总体方案的确定2.1 总体数控改造方案设计本次设计属于经济型数控化改造，总体方案为：本设计利用数控装置对CA6140普通车床进行控制,主传动系统部分 采用交流调频主轴电动机经带轮及分级齿轮变速箱驱动主轴，如图2.1通过变频器和齿轮变速箱实现分段无级变速；进给系统采用步进电机通过减速后驱动滚珠丝杠运动，在纵向进给系统中通过一级齿轮减速后驱动滚珠丝杠，在横向进给系统中通过二级齿轮减速驱动滚珠丝杠；刀架改为自动转位刀架(四工位)从而实现自动换刀；通过MCS-51系列8051单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲信号控制进给速度和行程；为了保持切削螺纹的功能，要在主轴外端或其它适当部位装上脉冲发生器。图2.1山西工程技术学院毕业设计说明书63 主传动系统设计3.1 概述主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速和一定的变速范围，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和和制动。主传动系统包括电动机、传动系统和主轴部件，相比普通车床的主传动系统在结构上比较简单，因为变速功能由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的变速范围。3.1.1 数控机床主传动系统的特点与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点：1) 转速高、功率大。2) 变速范围宽。一般Rn100,以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。3) 主轴变速迅速可靠。3.1.2 数控机床主传动系统的设计要求1) 主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和和制动。2) 主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。3) 操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。4) 结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。3.2 主传动系统的配置方式3.2.1 主传动系统的主轴电动机的选型数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作山西工程技术学院毕业设计说明书7的要求。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统。由于交流调速电机体积小，转动惯性小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流电动机高，磨损和故障也少。在中小功率领域已占优势，故本次设计选用交流调速电动机。通过调节供电频率的办法调速。功率特性如图3. 1所示。图3.1主轴电动机在额定转速时输出全部功率和最大转矩，随着转速的变化，功率和转矩将发生变化。在额定转速至最低转速为恒转矩速度范围，在额定转速至最高转速为恒功率速度范围。3.2.2 交流主轴电机的调速交流主轴电动机属于交流感应电动机,当定子三相绕组通上交流电时,将建立起旋转磁场,其主磁通m的空间转速为同步转速,其值为n0 = 60f1/p (r/min) （31）式中 f1-定子供电电源频率（HZ）p旋转磁场极对数感应电动机转子的转数n为n= n0（1-s）=60f1（1-s）/p (32)式中 s转差数,s= n0-n / n0山西工程技术学院毕业设计说明书8由上式可知，调速方法可分为两类。第一类是改变同步转数n0的调速，它分为两种方法，一是改变电动机极对数p。由于p是整数，所以只能得到级差很大的有级调速，不能满足数控机床的要求；二是改变电动机的供电频率f1。可得到平滑的无级调速，是一种高效型交流调速，范围宽，精度高。第二类是不改变同步转速的调速，常用的有调压调速和电磁调速。由于有转差功率损耗，效率低，特性软，不适合数控机床调速。由此可知变频调速，并且是有效方法。 3.2.3 分级变速齿轮箱的传动系统设计在设计数控机床主传动时，必须考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。我们先设定主轴的最高转速为4000r/min,最低转速为了30r/min,计算转速为150r/min，最大切削功率为5.5KW，交流主轴电机额定转速为1500r/min,最高转速为4500r/min.主轴要求的恒功率变速范围=4000/150=26.7电动机的恒功率变速范围 =4500/1500=3主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率变速范围，故必须配以分级变速箱。取变速箱的公比f等于电动机的恒功率变速范围, 即f=3，功率特性图是连续的，无缺口无重合的。如变速箱的变速级数为Z，则主轴的恒功率变速范围等于=fZ-1 =fZ故变速箱的变速级数 Z=lg/lgf=2.99取Z=3变速齿轮箱采用一级变速三对齿轮副数,齿数分别为:高速级Z1:Z2=112:58；中速级Z1:Z2=68：102；低速大转矩级Z1:Z2=30：140利用原车床主轴箱内的第三轴和主轴，查车床图册，两轴的中心距为170mm。因所选用电机与原电机功率相同。三副齿轮只校核低速重载齿轮副即可。校核如下：已知电动机输出功率为7.5KW,额定转速为1500r/min,则经同步带传动，第三根轴的转速为750r/min。经Z1:Z2=30/140传动后，主轴转速为160r/min.山西工程技术学院毕业设计说明书9大、小齿轮均采用45钢并进行调质处理,选小齿轮硬度HBS260290,大齿轮硬度HBS220250,精度选6级。m=2mm,a=20,齿宽b=20mm,ha*=1,c*=0.25,齿轮传动效率=0.97齿轮几何尺寸计算:d1=z1m=60mm, d2=z2m=280mm, da1=(z1+2)m=64mm, da2=(z2+2)m=284mm, df1=(z1-2.5)m=55mm, df2=(z2-2.5)m=275mm, a=(z1+z2)m/2=170mm齿轮校核:1) 小齿轮转矩 1=9550 750= 91.6m式中 P电动机的输出功率 齿轮传动效率 取0.972) 动载荷系数 AVKKKKK式中 KA使用系数取1 Kv动载荷系数取1.15 KB齿向载荷系数取1.15 Ka齿向载荷分配系数由12111.883.2()cos1.758ZZ查表并插值得K=1.179则K=1*1.15*1.15*1.179=1.563) 许用弯曲应力 FFlim=/NXFY YS (3-3)式中：Flim弯曲疲劳极限；Flim1=460N/mm2 Flim2=390N/mm2 NY弯曲寿命系数 1NY21NY YX尺寸系数取1 SF安全系数取1.3则2F1Flim1=/353.85/NXFY YSN mm山西工程技术学院毕业设计说明书102F2Flim2=/300/NXFY YSN mm4) 齿要弯曲疲劳强度校核计算由式F1FaSa1F=2KTY Y Y /bd m式中 FaY齿形系数 Fa1Y=2.4 Fa2Y=2.25 SaY应力修正系数 Sa1Y=1.653 Sa2Y=1.75 Y重合度系数 Y0.250.75/0.677则 1=211=2 1.56 9170020 60 2 2.4 1.653 0.677 = 320.17 2=212=2 1.56 9170020 280 2 2.25 1.75 0.677 = 68.09 故齿根弯曲强度足够，满足要求。传动系统图如图3.2所示图3.2转速图如图3.3所示山西工程技术学院毕业设计说明书11图3.3主轴转速从4000r/min至145r/min由AB、BC、CD在段连接而成，属电动机的恒功率区，从145r/min降至30r/min上图中的CD段为恒转矩区。取总效率=0.75，则电动机功率P=5.5/0.75=7.3KW。 选用BESK-8型交流主轴电动机，连续额定输出功率为7.5KW。3.2.4 主传动系统组件的结构形式在检查原有主轴轴承完好、运转正常的前提下，保留原有主轴支撑方式。保留原机床的主轴手动变速。改造后使其主运动和进给运动分离，主电机的作用仅为带动主轴旋转。增加空挡位，用以接收数控系统的停机制动信号以控制原制动装置制动停车。加工螺纹时，为保证主轴每转一转，刀具准确移动一个导程，须配置主轴脉冲发生器作为主轴位置信号的反馈元件。脉冲发生器采用同轴安装。数控机床主轴带传动变速常用多楔带和同步带。我们选用H型梯形齿同步带。查手册选两梯形齿同步带用带轮为Z1:Z2=22：44，带宽为50.8mm,小带轮节圆为80mm, 大带轮节圆为194mm。带高4.3mm齿高2.29mm节距12.7mm。山西工程技术学院毕业设计说明书124 伺服进给系统的结构设计与计算4.1 伺服进给传动系统伺服进给系统的基本要求：1) 精度要求:伺服系统必须保证机床的定位精度和加工精度。对于低档型数控系统，驱动控制精度一般为0.01mm。2) 响应速度:为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要有良好的快速响应特性。3) 调整范围:调整范围Rn是指生产机械要求电动机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比。为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动系统必须具有足够宽的调整范围。4) 低速、大转矩:根据机床的加工特点，经常在低速下进行重切削，即在低速下进给驱动系统必须有大的转矩输出。伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环三种方式。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能。考虑到是在普通车床上进行改造，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，我们采用了微机控制的步进电机开环伺服系统。4.2 步进电动机及开环进给控制步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的执行元件，是一种用脉冲信号控制的电动机，也称为脉冲电动机,在负载能力及动态特性范围内，步进电动机将来自数控装置的进给脉冲输出，电动机的角位移与控制脉冲数成正比，转速与控制脉冲频率成正比。对于每一个电脉冲,步进电机都将产生一个恒定的步进角位移,每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角b, b取为0.75。每个脉冲代表电机一定的转角,这个转角经齿轮副和滚珠丝杠副使工作台移动一定的距离，每个脉冲所对应的执行件的移距,称为脉冲当量或分辨率根据机床精度要求确定脉冲当量p，纵向：001mm步；横向：0005 山西工程技术学院毕业设计说明书13mm。步进电动机的转速决定于控制绕组与电源接通和断开的脉冲变化频率。步进电动机的优点:可以开环驱动而无需反馈,无稳定性问题,无累积定位误差,能响应数字信号,适合于数字计算机控制,机械结构简单。步进电动机的缺点：运动的增量和步距是固定的，在步进分辩率上缺乏灵活性，承受大惯性负载的能力有限，可供使用的电机尺寸和输出功率是有限的。4.2.1 步进电动机的驱动控制步进电机是一种特殊的机电元件，不能直接接到交直流电源上工作，必须使用专用的驱动器。步进电机的驱动控制系统框图如图4.1所示。CNC环形分配器步进电动机功率放大器指令脉冲n电源步进电动机齿轮箱CNC环形分配器步进电动机功率放大器指令脉冲n电源步进电动机齿轮箱图4.1环形分配器用来接收来自控制器的脉冲信号，每来一个脉冲，环形分配器的输出转换一次。因此，步进电机转速的高低、升或降速、启动和停止都完全取决于控制器的有无频率。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定步进电机的转动方向。脉冲分配控制步进电机驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电机各相驱动器的输入端以控制励磁绕组的导通或截止。同时，由于电动机有正反转要求，所以脉冲环分配既是周期性的，又是可逆的。4.2.2 步进电机的驱动放大电路一般步进电机需要几个安培的电流，而环形分配器的输出电流很小，不能直接驱动步进电机，因此需要功率放大电路实现对脉冲分配回路弱信号的放大，产生电机脉冲信号工作所需的激磁电流。驱动放大器的作用：将环形分配器发出的电平信号放大至几安培到十几安培的山西工程技术学院毕业设计说明书14电流，送至步进电动机的各绕组。单电压功率放大电路是步进电动控制中最简单的一种驱动电路。其中L是步进电机的电感；RL是绕组电阻；D是二续流二极管；它为绕组放电提供回路；Rc是一个外接的功率电阻，也是一个限流电阻，V是大功率开关晶体管。电路的时间常数为T=L/（RL+RC） (4-1)时间常数表示开关回路在导通时允许步进电机绕组电流上升的速率。T越小，则在晶体管V从截止变成导通时允许步进电机按指数曲线上升越快，达到稳定时间越短，T越大，电流上升越慢，达到稳定值的时间就越长。驱动电路时间常数T对电机绕组的电流到达稳态值的时间有极大的关系，它影响步进电机的工作频率。T越小，电流到达稳态的时间越短，则电机的工作频率就可越高；反之，T越大，电流到达稳态的时间越长，电机的工作频率就越低。单电压功率放大电路最大的特点是结构简单，但它的缺点是工作效率低，在高频工作状态时其效率很差。它的外接电阻Rc消耗相当大的一部分能量，并且Rc还会发热影响到电路工作的正常稳定状态。如图4.2所示图图4.24.2 单电压功率放大电路单电压功率放大电路 单电压基本改进电路如图4.3所示山西工程技术学院毕业设计说明书15图图4.34.3 单电压基本改进电路单电压基本改进电路它在外接电阻Rc的两端并联了一个电容C，同时在贯注回路中串联一个电阻Rd。在Rc上并联电容C可以改善步进电机绕组的电流前沿特性。在功率晶体管V导通的瞬间，电容相当于短路，迫使流过绕组的电流上升进一步加快，这样可使电流的前沿明显变陡，从而提高了步进电机的高频性能。在Rc上并联C，在一个步进周期中，注入绕组的平均电流值相对增加了，从而提高了步进电机的转矩。特别是在高频段工作时更为明显。这种电路在实际应用中有着较多的应用。步进电机驱动电路的主要功能是功率放大，它将光电隔离电路进来的弱信号经功率放大，变成较强的电信号，直接驱动步进电机，如图4.4所示。图4.4速度控制：进给脉冲频率f定子绕组通电/断电状态变化频率f 山西工程技术学院毕业设计说明书16步进电机转速 工作台的进给速度V。V=60f (4-2)硬件环分：控制CLK（时钟）的频率，控制电动机的速度。软件环分：控制相邻两次软件环分状态之间的延时时间，可电动机线圈通电状态的变化频率。光电隔离电路：在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制电动机励磁绕组，由于步进电机需要的驱动电压较高(约80v)，电流较大(约6A)，若将输出信号与功率放大器直接相联，将会引起强电干扰。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要接上隔离电路（光电耦合器）。4.3 纵向进给系统的设计计算4.3.1 设计参数加工最大直径：在床面上400mm；加工最大长度：1000 mm；溜板及刀架重力：纵向800N；刀架快速速度：纵向2.4m/min；最大进给速度：纵向O.8 mmin；主电动机功率：P主=7.5 kW；起动加速时间：30 ms；机床定位精度：0.015 mm。根据机床精度要求确定脉冲当量p，纵向：0.01mm步；横向：0.005 mm步。4.3.2 纵向进给切削力的确定P主主Pm/m=FzV*10-3/m (4-3)式中m =0.750.85;V-主轴传递全部功率时的最低速度主切削力Fz按经验公式估算：Fz=0.67Dmax1.5=5360N山西工程技术学院毕业设计说明书17式中Dmax为车床床面上加工的最大直径按切削力各分力比Fz：Fx ：Fy =1：025：04Fx=5360025=1340NFy=5360O40=2144N4.3.3 纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠工作原理及特点：滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服系统中使用最广泛的传动装置。在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道，在滚道内装入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚动，迫使二者发生轴向相对位移。为了防止滚珠从螺母中滚出来， 在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路。(1)计算进给牵引力FmFm= KFx+f(Fz+G) =1151340+016(5360+800)=2530N式中 K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=115；f滑动导轨摩擦系数，取：015018；G溜板及刀架重力，G=800N。(2)计算最大动负载Cm=fwFmL3 (4-4)L=60nT/106 n=1000Vs/L。式中L滚珠丝杠导程，初选L。=8mm；Vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(1213)，此处 Vmax=08mmin；T使用寿命，数控机床用滚动丝杠寿命15000h；山西工程技术学院毕业设计说明书18fw运转系数，按一般运转取121.5L寿命，以106r为1单位。n=1000Vs/L。=10000805/8=50rmin，L=60nT/106 = L=60*50*15000/106=45Cm=fwFmL3= C=N7.107982530*2.1*453(3) 纵向进给滚珠丝杠螺母副的选型滚珠丝杠副选择的主要依据是工作动负荷Cm (N)必须小于滚珠丝杠的额定动负荷Ca(N),即必须满足: Cm Ca。公称直径dm越大,承载能力和刚度越大,数控机床常用进给丝杠的公称直径dm为3080mm取dm=40mm滚珠丝杠副按其使用范围及要求分为7个精度等级,即1、2、3、4、5、7、10,1级最高,其余依次降低一般选用47级,数控机床及精密机械可选23级,滚珠丝杠副的精度直接影响定位精度、承载能力和接触刚度,故选择3级精度。查表可采用CDM4008-5外循环双螺母垫片预紧的双螺母滚珠丝杠副。其几何参数如下： 公称直径 do=40mm 导 程 Lo=8mm 钢球直径 Dw=4.736mm 螺 旋 角 r=338丝杠外径 d1=39mm循环列圈数 2*2.5*2额定动载荷 Ca=31714N额定静压载荷 Coa=101702N刚 度 1240N/um kc(4)传动效率计算丝杠副传动效率=tgrtg(r+)=O956式中y 螺旋升角(CDM4008-5滚珠丝杠)，y=338；摩擦角，=10。滚动摩擦系数00030004。山西工程技术学院毕业设计说明书19(5)丝杠的刚度验算工作时受轴向力和扭转作用，因丝杠受扭时引起的导程变化很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量 L=FmLo/Es (4-5)式中： Lo- 丝杠导程0.8mm 进给牵引力Fm=2530N E-弹性模量20.6*610N/cm2 s-滚珠丝杠截面积（按外径d1=3.9cm确定s=11.94cm2）则L=FmLo/ES=8.229*10-6cm丝杠1m长度上导程变形总误差L总=100L/Lo=10.286um/m三级精度滚珠丝杠允许误差为15um/m故刚度足够。(6)丝杠的稳定性计算滚珠丝杠失稳时临界负载 Pc=22()EIul (4-6)式中： u丝杠轴端系数，两端铰支取u=1l丝杠长度，取2000mmE丝杠弹性模量，对钢材质取E=20.6*610N/cm2I丝杠截面惯性矩，对实心圆柱体I=cm4d464Pcr =65KN2()2许用安全系数nst=4稳定性安全系数n= Pcr/Fm=65000/2530=25.6914故滚珠丝杠满足稳定性要求不失稳。4.3.4 纵向进给减速齿轮的设计与校核1. 齿轮的设计山西工程技术学院毕业设计说明书20传动比的选定对于步进电机,当脉冲当量p确定,并且滚珠丝杠导程L0和电机步距角b选定后,则该轴伺服传动系统的传动比i=bL0/(360p)=0.75*8/(360*0.01)=1.667齿轮的设计大、小齿轮均采用45钢并进行调质处理,选小齿轮硬度HBS260290,大齿轮硬度HBS220250,精度选6级。m=2mm,a=20,z1=42,z2=70,齿宽b=17mm,ha*=1,c*=0.25,齿轮传动效率=0.98齿轮几何尺寸计算:d1=z1m=84mm, d2=z2m=140mm, da1=(z1+2)m=88mm,da2=(z2+2)m=144mm, df1=(z1-2.5)m=79mm, df2=(z2-2.5)m=135mm,a=(z1+z2)m/2=112mm2 齿轮校核:小齿轮转矩 T1=T*K1 (4-7)式中 T电动机的输出功率 K1J电动机效率 取0.96则T1=9600Nmm小齿轮的转速 max1625 /min360yvnr小齿轮的圆周速度 1 1/600002.75/Vd nm s动载荷系数 AVKKKKK (4-8)式中 KA使用系数取1 Kv动载荷系数取1.15 KB齿向载荷系数取1.15 Ka齿向载荷分配系数由12111.883.2()cos1.758ZZ山西工程技术学院毕业设计说明书21查表并插值得K=1.179则K=1*1.15*1.15*1.179=1.56许用弯曲应力FFlim=/NXFY YS （4-10）式中：Flim弯曲疲劳极限；Flim11=460N/mm2 Flim22=390N/mm2 NY弯曲寿命系数 1NY21NY YX尺寸系数取1 SF安全系数取1.3则2F1Flim1=/353.85/NXFY YSN mm2F2Flim2=/300/NXFY YSN mm齿要弯曲疲劳强度校核计算由式F1FaSa1F=2KTY Y Y /bd m式中 FaY齿形系数 Fa1Y=2.4 Fa2Y=2.25 SaY应力修正系数 Sa1Y=1.653 Sa2Y=1.75 Y重合度系数 Y0.250.75/0.677 则F11FaSa1F2*1.56*9600=2KTY Y Y /bd m=*2.4*1.653*0.677=23.94220*84*2 F21FaSa2F2*1.56*9600=2KTY Y Y /bd m=*2.25*1.75*0.677=21.73420*84*2故齿根弯曲强度足够，满足要求。4.3.5 纵向进给步进电动机的计算和选型 (1)等效转动惯性量计算传动系统折算到电机轴上总的转动惯量：12222M1S0J=J +J +(Z /Z ) ( J +J )+G(L /2 ) /g （4-11）式中 JM 步进电机转子转动惯量kg/cm2，山西工程技术学院毕业设计说明书22J1,J2 齿轮z1，z2的转动惯量kg/cm2Js 滚珠丝杠转动惯量kg/cm2参考同类机床，初选磁滞式(反应式)步进电机150BF，其转子转动惯量JM=10 kg/cm2对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量计算:J = 7.8 10 44式中 D圆柱形零件直径 L零件轴向长度J1=7.810-4d4*1.7kg/cm2：J1=6.6 kg/cm2，J2=7.810-4d4*1.7kg/cm2：J2=50.94 kg/cm2，Js查表查出:1m长丝杠转动惯量为15.18 kg/cm2，则Js=15.18*2=30.36 kg/cm2G=800 N，得20G(L /2 ) /g=1.325 kg/cm2则总的转动惯量2J=10+6.6+(42/70) 50.94+30.36+1.325=46.345 kg/cm2(2)负载转矩计算及最大静转矩选择a.快速空载起动时所需力矩Mq=Mamax+Mf+M0式中 Mq-快速起动时所需力矩 Mamax快速空载时折算到电动机轴上的最大加速力矩 Mf-折算到电动机轴的摩擦力矩 M0-丝杠预紧时折算到电动机轴上的附加摩擦力矩当工作台快速移动时,电动机转速 max=Vmaxb /(y*360)=2400*0.75/0.01/360=500r/min Mamax=J*2*nmax/(60T)=46.345*2*500*10-2/60/0.03=808.87Ncm折算到电动机轴上的摩擦力矩Mf=FoLo/2i式中 Fo-导轨的摩擦力Fo=f(Fz+G) Fc-垂直方向切削力 -主传动效率=0.8Mf=FoLo/2i= f(Fc+G) Lo/2i 山西工程技术学院毕业设计说明书23=0.16*(5360+800)*0.8/(2*0.8*1.667)=88.218 Ncm附加摩擦力矩Mo=FpoLo(1-s2)/2i=28.980Ncm式中Fpo-滚珠丝杠预加负荷取1/3Fm=2530/3=843N s-滚珠丝杠未预紧时的传动效率取为0.9Mq=Mamax+Mf+M0=808.87+88.218+28.980=926.07Ncmb. 快速移动时所需力矩Mk= Mf+M0=88.218+28.980=117.198Ncmc. 最大切削负载时所需力矩MQ= Mf+M0+Mt式中 Mt-折算到电动机轴上的切削负载力矩=FxLo/2i=127.96 Ncm则MQ=88.218+28.980+127.96=245.158Ncm从上面计算可以看出，Mq ，Mk ，MQ三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大。以此项作为初选步进电机的依据。查表，查表，当步进电机为五相十拍时= Mq Mjmax = 0951。最大静力矩 Mjmax= Mq/=926.07/0.951=973.786Ncm按此最大静转矩，查表，150BF002型最大静转矩为1372 Ncm。大于所需最大静力矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。(3)计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率步进电动机的最高工作频率Fmax=1000Vmax/60=1000*2.4/60/0.01=4000Hz150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2 800 Hz，运行频率为8 000 Hz。由150BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线看出当步进电机起动时， =2 500 Hz时，M=100 Ncm。远不能满足此机床所需求的空载起动力矩(926.07Ncm)，直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制(用软件实现)，将运动频率降到1 000H2时，起动力矩可增到5884 Ncm，然后在电路上采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大1倍左右。当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行频率特性完全可以满足要求。根据计算综合考虑选150BF002型步进电动机山西工程技术学院毕业设计说明书24磁阻式步进电动机技术数据:型号: 150BF002相数: 5步距角(): 0.75电压/V: 80/12相电流/A: 13最大静转矩/(Nm): 13.72空载起动频率/(step/s): 2800空载运行频率/(step/s): 80电阻/: 0.121分配方式: 五相十拍外形尺寸/mm: 150155质量/kg: 14纵向进给机构改造时拆除原机床的进给箱及丝杠,将步进电机减速齿轮箱安装在原机床的尾端,滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置, 两端仍采用原固定方式,这样可以减小改装工作量，并由于滚珠丝杠的磨擦系数小于原丝杠,从而使纵向进给机构整体刚度增大。为了便于安装滚珠丝杠副，丝杠轴不是整体的，而是分移式的，用套筒刚性联接。采用一级齿轮减速。4.4 横向进给系统的设计计算4.4.1 横向进给切削力的确定设计参数：溜板及刀架重力：横向600 N；刀架快速速度：横向1.2 m/min；最大进给速度：横向0.4 m/min；主电动机功率：P主=7.5 kW；起动加速时间：30 ms；机床定位精度：0.015 mm。滚珠丝杠导程取为6mm山西工程技术学院毕业设计说明书254.4.2 横向进给切削力的确定横向进给力为纵向的1/21/3，取为1/2，则Fz=1/2F纵=2680N按切削力各分力比Fz：Fx ：Fy =1：025：04Fx=2680025=670NFy=2680O40=1072N4.4.3 横向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型(1)选型横向为燕尾导轨，则轴向进给切削力FmFm= KFx+f(Fz+2Fy+G) =14670+02(2680+2*670+600)=1754N式中 K考虑颠覆力矩影响的实验系数，燕尾导轨取K=1.4；f滑动导轨摩擦系数，取：0.2；G溜板及刀架重力，G=600N。(2)计算最大动负载Cm=fwFmL3,L=60nT/106 n=1000Vs/L。式中 L滚珠丝杠导程，初选L。=6mm；Vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(1213)，此处Vmax=04mmin；T使用寿命，数控机床用滚动丝杠寿命15000h；fw运转系数，按一般运转取121.5L寿命，以106r为1单位。n=1000Vs/L。=10000405/6=33.33rmin，L=60nT/106 = L=60*33.333*15000/106=30Cm=fwFmL3= C=330*1.2*17546540N根据Cm值，Cm Ca的原则查表可采用CDM3206-山西工程技术学院毕业设计说明书265外循环双螺母垫片预紧的双螺母滚珠丝杠副。字母含意：C：外循环插管 D：垫片预紧 M：插管埋入式。其几何参数如下：公称直径 do=32mm导 程 Lo=6mm钢球直径 Dw=3.969mm螺 旋 角 r=325丝杠外径 d1=31.5mm循环列圈数 2*2.5*2额定动载荷 Ca=22780N刚 度 1240N/um kc(3)传动效率计算丝杠副传动效率=tgrtg(r+)=O953式中 y 螺旋升角(CDM3206-5滚珠丝杠)，y=325； 摩擦角，=10。滚动摩擦系数00030004。(4)丝杠的刚度验算工作时受轴向力和扭转作用，因丝杠受扭时引起的导程变化很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量 L=FmLo/ES （4-12）式中： Lo- 丝杠导程0.6cm 进给牵引力Fm=1754N E-弹性模量20.6*610N/cm2 s-滚珠丝杠截面积（按底径直d1=2.77cm确定s=11.94cm2）则L=FmLo/ES=7.07*10-6cm丝杠1m长度上导程变形总误差L总=100L/Lo=11.78um/m三级精度滚珠丝杠允许误差为15um/m故刚度足够。山西工程技术学院毕业设计说明书27(5)丝杠的稳定性计算滚珠丝杠失稳时临界负载Pc=22()EIul （4-13）式中：u丝杠轴端系数，两端铰支取u=1l丝杠长度，取1000mmE丝杠弹性模量，对钢材质取E=20.6*610N/cm2I丝杠截面惯性矩，对实心圆柱体I=464dcm4Pcr= =22()EIul=65KN许用安全系数nst=4稳定性安全系数n= Pcr/Fm=65000/1754=37.0584故滚珠丝杠满足稳定性要求不失稳。4.4.4 横向进给减速齿轮的设计与校核1齿轮的设计传动比的选定对于步进电机,当脉冲当量p确定,并且滚珠丝杠导程L0和电机步距角b选定后,则该轴伺服传动系统的传动比i=bL0/(360p)=0.75*6/(360*0.005)=2.5齿轮的设计采用二级齿轮传动,i1=2;i2=1.25取Z1=36；Z2=72；Z3=40；Z4=50大、小齿轮均采用45钢并进行调质处理,选小齿轮硬度HBS260290,大齿轮硬度HBS220250,精度选6级。m=2mm,a=20,齿宽b=20mm,ha*=1,c*=0.25,齿轮传动效率=0.98齿轮几何尺寸计算:d1=z1m=72mm, 山西工程技术学院毕业设计说明书28d2=z2m=144mm,da1=(z1+2)m=76mm,da2=(z2+2)m=148mm,df1=(z1-2.5)m=67mm,df2=(z2-2.5)m=139mm,a1=(z1+z2)m/2=108mmd3=z3m=80mm,d4=z4m=100mm,da3=(z3+2)m=84mm,da4=(z4+2)m=104mm,df3=(z3-2.5)m=75mm,df4=(z4-2.5)m=95mm,a3=(z3+z4)m/2=90m2齿轮校核:一级齿轮副强度校核：(1)小齿轮转矩 T1=T*K1 （4-14）式中 T电动机的输出功率 K1J电动机效率 取0.96则T1=9600Nmm(2)小齿轮的转速 max1625 /min360yvnr(3)小齿轮的圆周速度 1 1/600002.355/Vd nm s(4)动载荷系数 AVKKKKK (4-15)式中 KA使用系数取1 Kv动载荷系数取1.15 KB齿向载荷系数取1.15山西工程技术学院毕业设计说明书29 Ka齿向载荷分配系数由12111.883.2()cos1.747ZZ查表并插值得K=1.174则K=1*1.15*1.15*1.174=1.553(4)许用弯曲应力FFlim=/NXFY YS (4-16)式中：Flim弯曲疲劳极限；Flim11=460N/mm2 Flim22=390N/mm2 NY弯曲寿命系数 1NY21NY YX尺寸系数取1 SF安全系数取1.3则2F1Flim1=/353.85/NXFY YSN mm2F2Flim2=/300/NXFY YSN mm(5)齿要弯曲疲劳强度校核计算由式F1FaSa1F=2KTY Y Y /bd m式中 FaY齿形系数 Fa1Y=2.45 Fa2Y=2.24 SaY应力修正系数 Sa1Y=1.65 Sa2Y=1.75 Y重合度系数 Y0.250.75/0.679则F11FaSa1F2*1.553*9600=2KTY Y Y /bd m=*2.45*1.65*0.679=28.4220*72*2 F21FaSa2F2*1.553*9600=2KTY Y Y /bd m=*2.24*1.75*0.679=27.55720*72*2故齿根弯曲强度足够，满足要求。二级齿轮副强度校核：21/312.5 /minnnir(1)小齿轮转矩 T2=9550P2/n2式中 P2= P1*=615.7山西工程技术学院毕业设计说明书30 T2=9550P2/n2=18816N/mm2(2)小齿轮的圆周速度 1 1/600001.308/Vd nm s(3)动载荷系数 AVKKKKK (4-17)式中 KA使用系数取1 Kv动载荷系数取1.15 KB齿向载荷系数取1.15 Ka齿向载荷分配系数由12111.883.2()cos1.736ZZ查表并插值得K=1.168则K=1*1.15*1.15*1.168=1.273 (4)许用弯曲应力FFlim=/NXFY YS式中：Flim弯曲疲劳极限；Flim11=460N/mm2 Flim22=390N/mm2 NY弯曲寿命系数 1NY21NY YX尺寸系数取1 SF安全系数取1.3则2F1Flim1=/353.85/NXFY YSN mm2F2Flim2=/300/NXFY YSN mm齿要弯曲疲劳强度校核计算由式F1FaSa1F=2KTY Y Y /bd m式中 FaY齿形系数 Fa1Y=2.4 Fa2Y=2.33 SaY应力修正系数 Sa1Y=1.653 Sa2Y=1.7 Y重合度系数 Y0.250.75/0.682 则F11FaSa1F2*1.273*1881.6=2KTY Y Y /bd m=*2.4*1.653*0.682=40.520*80*2山西工程技术学院毕业设计说明书31 F21FaSa2F2*1.73*1881.6=2KTY Y Y /bd m=*2.33*1.7*0.682=40.4420*80*2故齿根弯曲强度足够，满足要求。4.4.5 横向进给步进电动机的计算和选型(1)等效转动惯性量计算传动系统折算到电机轴上总的转动惯量： (4-18) = + 1+ (1+ 2)2(2+ ) + 0)2/式中 JM 步进电机转子转动惯量kg/cm2，J1,J2 齿轮z1，z2的转动惯量kg/cm2Js 滚珠丝杠转动惯量kg/cm2参考同类机床，初选磁滞式(反应式)步进电机150BF，其转子转动惯量JM=10 kg/cm2对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量计算: = 7.8 10 44式中 D圆柱形零件直径 L零件轴向长度J1=7.810-4d4：J1=4.19 kg/cm2，J2=7.810-4d4：J2=67.08 kg/cm2，J3=7.810-4d4：J1=6.39 kg/cm2，J4=7.810-4d4：J2=15.6kg/cm2，Js查表查出:1m长丝杠转动惯量为11.45 kg/cm2，则Js=11.45*2=22.901 kg/cm2G=600 N，得20G(L /2 ) /g=0.994 kg/cm2则总的转动惯量2236 4072 50J=10+4.19+36/72 67.08+6.39+ 15.6+0.994=35.212 kg/cm2(2)负载转矩计算及最大静转矩选择a.快速空载起动时所需力矩山西工程技术学院毕业设计说明书32Mq=Mamax+Mf+M0 (4-19)式中 Mq-快速起动时所需力矩 Mamax快速空载时折算到电动机轴上的最大加速力矩 Mf-折算到电动机轴的摩擦力矩 M0-丝杠预紧时折算到电动机轴上的附加摩擦力矩当工作台快速移动时,电动机转速 max=Vmaxb /(y*360)=1200*0.75/0.005/360=500r/min Mamax=J*2*nmax/(60T)=35.212*2*500*10-2/60/0.03=615.444Ncm折算到电动机轴上的摩擦力矩Mf=FoLo/2i (4-20)式中 Fo-导轨的摩擦力Fo=f(Fz+G) Fc-垂直方向切削力 -主传动效率=0.8Mf=FoLo/2i= f(Fc+G) Lo/2i =0.2*(2680+600)*0.6/(2*0.8*2.5)=31.321 Ncm附加摩擦力矩Mo=FpoLo(1-s2)/2i=5.3040Ncm式中 Fpo-滚珠丝杠预加负荷取1/3Fm=17541/3=584.66N s-滚珠丝杠未预紧时的传动效率取为0.9Mq=Mamax+Mf+M0=615.444+31.321+5.304=652.069Ncmb. 快速移动时所需力矩Mk= Mf+M0=31.321+5.304=36.625Ncmc. 最大切削负载时所需力矩MQ= Mf+M0+Mt (4-21)式中 Mt-折算到电动机轴上的切削负载力矩=FxLo/2i=31.990Ncm则MQ=31.321+5.304+31.990=68.615Ncm从上面计算可以看出，Mq ，Mk ，MQ三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大。以此项作为初选步进电机的依据。查表，查表，当步进电机为五相十拍时山西工程技术学院毕业设计说明书33= Mq Mjmax = 0951最大静力矩 Mjmax _= Mq*=652.069/0.951=685.666Ncm按此最大静转矩，查表， 130BF001型最大静转矩为931 Ncm。大于所需最大静力矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 步进电动机的最高工作频率 Fmax=1000Vmax/60=1000*1.2/60/0.005=4000Hz根据计算综合考虑选130BF001型步进电动机磁阻式步进电动机技术数据:型号: 130BF001相数: 5步距角(): 0.75电压/V: 80/12相电流/A: 10最大静转矩/(Nm): 9.31空载起动频率/(step/s): 3000空载运行频率/(step/s): 16000电感/mH: 电阻/: 0.162分配方式: 五相十拍外形尺寸/mm: 130170质量/kg: 9.24.5 滚珠丝杠的安装4.5.1 滚珠丝杠的安装形式采用两端固定，可在丝杠一端安装碟形弹簧和调整螺母，既能对丝杠施加预紧力，又能让弹簧来补偿丝杠的热变形，保持预紧力近乎不变。滚珠丝杠的支承轴承应采用滚珠丝杠专用轴承，这是一种特殊的向心推力球轴承，其接触角增大到60度山西工程技术学院毕业设计说明书34，增加了滚珠数目并相应减小了滚珠直径，使轴向刚度增大到普通向心推力球轴承的两倍。该轴承一般是成套出售，出厂时已调好预紧力，使用极为方便。我们纵向进给系统中左端选用成对滚珠丝杠专用轴承，右端选用深沟球轴承。横向进给系统中选用深沟球轴承。4.5.2 滚珠丝杠轴承的校核纵向右端深沟球轴承的校核左端选用了滚珠丝杠专用双列成对向心推力球轴承，不需要校核。已知：d=30mm,n=50r/min.轴承所受轴向载荷A=2.53KN,所受径向载R=1.34KN,Lh=15000h选用6306 型轴承，查手册：Cr=20.8KN,Cor=14.2KN由:A/Cor=2.53/14.2=0.178得：e=0,34由:A/R=2.53/1.34=1.888 A/Re查表得：径向载荷系数X=0.56 轴向载荷系数Y=1.31则Pr=XR+YA=0.56*1.34+1.31*2.53=4.065因轴承工作温度不高故查表取ft=1,fp=1.5663331060n3101*20.8*10Lh=()()16231Pr60*50 1.5*4.065*10ftCrhfpLhLh =15000故轴承满足设计要求。改造后的纵向进给机构，由于用步进电机作驱动元件，所以要拆除原车床上的进给箱、溜板箱、刀架光杆、操作杆等，用滚珠丝杠螺母副代替原梯形螺纹丝杠螺母副。滚珠丝杠仍安装在原梯形丝杠的位置上，两端采用滚动轴承固定，减速机端的固定仍采用原方式。由于滚珠丝杠的摩擦因数小于原丝杠，使纵向进给整体刚度增加。横向进给机构仍保留手动机构，用于微进给及手动操作。原来支承结构保留，步进电机及减速箱体安装在车床后侧。溜板箱上安装了纵、横向快速进给按钮和急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和意外情况时山西工程技术学院毕业设计说明书354.5.3 消除齿轮间隙的措施：由于步进电机和滚珠丝杠之间采用齿轮传动后，引入了传动间隙，步进电机转一个步距角未能使滚珠丝杠同步转一个相应的角度，从而降低加工精度。这种传动间隙如不加以补偿，可能使零件加工积累误差越来越大，造成死区和回程误差。消除齿轮间隙的措施，一方面利用计算机软件修正，另一方面采用无隙齿轮传动。纵、横向进给机构均采用双片齿轮错齿法消除齿轮副间隙,采用双齿轮错齿式消隙结构相同齿数的两薄片同时与另一宽齿轮啮合，两薄片齿轮之间依靠弹簧力使其张开一定角度，使两薄片齿轮的左右齿面分别接触宽齿轮的右左齿面以消除侧隙。结构如图4.5所示：图4.5山西工程技术学院毕业设计说明书365 自动回转刀架的设计5.1 自动回转刀架的设计自动换刀装置应满足换刀时间短,刀具重复定位精度高,刀具存储量大,刀库占地面积小及安全可靠等特点,在进行普通车床的经济型数控改造时多采用外购自动转位刀架(螺旋升降转位刀架).自动刀架有四个刀位，可安装四把车刀。刀架的自动转位是通过一台微型交流异步电动机、蜗轮蜗杆副带动刀架转位实现的。自动转位刀架能自动完成刀架的抬起、回转、选位、下降、定位和压紧。刀架的抬起5.1.1 自动回转刀架步进电动机的选用查LD4CA6140技术参数可知：P=90W，n=1400r/minT=9550P/n=614Ncm由安装尺寸可知：电动机外形直径为90mm综合考虑选90BF006反应式步进电动机磁阻式步进电动机技术数据:型号: 90BF006相数: 5步距角(): 0.36电压/V: 24相电流/A: 3最大静转矩/(Nm): 2.156空载起动频率/(step/s): 2400空载运行频率/(step/s): 8000电感/mH: 17.4电阻/: 0.76分配方式: 五相十拍外形尺寸/mm: 9065山西工程技术学院毕业设计说明书37质量/kg: 2.25.1.2 自动回转刀架的蜗轮蜗杆设计计算1. 选择材料及确定齿数蜗杆选用45#钢表面淬火，表面硬度HRC4550蜗轮选用ZcuSn10Pb1，砂模铸造取i=60 m=1mm 变位系数X=0 ha*=1 c*=0.2 =0.8Z1=1 d1=18 Z2=i* Z1=60d2=m*Z2=602. 转速转矩的计算21n =n /i=1400/60=23.33r/min222v = d n /60000=3.14*60*23.33/60000=0.073m/s2229550/29.472TPnN m3. 确定许用接触应力 7810HHN (5-1)式中H-基本接触应力 查表=200N-应力循环次数=72602.1*10hjn L Lh=15000 H=182.286N/mm24. 载荷系数 AVBKKKK (5-2)式中AK -使用系数取为1VK -动载荷系数取为1BK -载荷分布不均匀系数，载荷平稳、跑合良好则AVBKKKK=1山西工程技术学院毕业设计说明书385. 许用弯曲应力 6910FFN (5-3)式中F-基本许用弯曲应力 查表取为51N/mm则F=36.363N/mm26. 蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核公式： 221 2cosFFFKTYd d m (5-3)式中FY-齿形系数 查表取为2.20 11tan/Z m d 31047221 2cosFFKTYd d m=12N/mm2F=36.363故弯曲强度足够7. 热平衡计算求所需的散热面积A公式 11000 (1)()oPAKa tt (5-4)式中Ka-散热系数 按通风良好取Ka=14w/(m2C) t-油的工作温度 取为85摄氏度 t0-周围空气温度 取为20摄氏度传动效率123 1tan=tan( -)v v当量摩擦角由滑动速度Vs=V2/sin=0.073/sin31047=1.316m/s查表得v=2 242则1tan310470.575tan(310472 242)山西工程技术学院毕业设计说明书39 20.99 滚动轴承效率 30.95 搅油效率则=0.543321P =P*=90*10 *0.5448.6*10KW39550*10*0.54219.89423.33T则311000*90*10* 10.541000(1)0.0455()14(8520)oPAKa tt8. 其它主要几何尺寸计算蜗杆顶圆直径da1=d1+2m=20蜗杆根圆直径df1=d1-2(ha*m+c*)=15.6蜗杆螺纹部分长度b1=(11+0.06Z1)m=14.75mm 取为15mm蜗轮喉圆直径da2=d2+2m=62mm蜗轮外圆直径de2da2+1.5m=63.5mm 取为65mm蜗轮宽度b20.75da1=15 取为15mm山西工程技术学院毕业设计说明书406 电动尾座的设计6.1 设计方案将原手动操作部分拆除，改换成由电动机通过一级齿轮减速驱动丝杠时尾座前进或后退，当尾座前进顶紧工件后，能自动切断电动机电源，完成顶紧过程。6.2 电动尾座改造部分设计计算6.2.1 电动尾座驱动电动机的选择预估计预紧力为10KN 进给速度0.08m/s则P=FV=800W选用Y90S-4型交流三相异步电动机，其额定功率1.1KW,额定转矩2.2Nm6.2.2 电动尾座用的齿轮设计1. 齿轮的设计取i=2 m=2mmZ1=21 Z2=42d1=42 d2=84小齿轮悬臂布置齿宽系数取=0.4B=*d1=16.8mm 取为16mm2. 预紧力的计算选取丝杠螺距P=5mmn2=n1/i=1400/2=700r/min螺母移动速度32700*5*100.058/VnPm s传动效率123 式中电动机效率1取为0.98山西工程技术学院毕业设计说明书41轴承效率2取为0.99丝杠传动效率3取为0.55则=0.98*0.99*0.55=0.534P=P*=1100*0.534=587.4N则F=P/V=587.4/0.08=7.342KN3齿轮校核:1) 小齿轮转矩 T1=T*K1 (6-1)式中 T=2200Nmm K1J电动机效率 取0.96则T1=21120Nmm2) 小齿轮的转速 max11440 /min360yvnr3) 小齿轮的圆周速度 1 1/600003/Vd nm s4) 动载荷系数 AVKKKKK (6-2)式中 KA使用系数取1 Kv动载荷系数取1.15 KB齿向载荷系数取1.15 Ka齿向载荷分配系数由12111.883.2()cos1.65ZZ查表并插值得K=1.126则K=1*1.15*1.15*1.179=1.585) 许用弯曲应力 FFlim=/NXFY YS (6-3)式中：Flim弯曲疲劳极限；Flim11=460N/mm2 Flim22=390N/mm2山西工程技术学院毕业设计说明书42 NY弯曲寿命系数 1NY21NY YX尺寸系数取1 SF安全系数取1.3则2F1Flim1=/353.85/NXFY YSN mm2F2Flim2=/300/NXFY YSN mm6) 齿要弯曲疲劳强度校核计算由式F1FaSa1F=2KTY Y Y /bd m式中 FaY齿形系数 Fa1Y=2.8 Fa2Y=2.4 SaY应力修正系数 Sa1Y=1.55 Sa2Y=1.653 Y重合度系数 Y0.250.75/0.704则F11FaSa1F2*1.58*2112=2KTY Y Y /bd m=*2.8*1.55*0.784=14.2817*42*2 F21FaSa2F2*1.58*2112=2KTY Y Y /bd m=*2.4*1.653*0.764=13.53617*42*2故齿根弯曲强度足够，满足要求。山西工程技术学院毕业设计说明书437 主轴编码器的设计71 编码器工作原理编码器是一种光电式转角测量装置。它是通过直接编码进行测量的元件，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字信量，指示其绝对位置，没有累积误差。它广泛应用于数控车床、回转台、伺服传动、机器人等需要检测角度的装置和设备中。主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，通过中间轴上的齿轮1:1地同步传动。数控车床主轴的转动与进给运动之间，没有机械方面的直接联系，为了加工螺纹，就要求给进给伺服电机的脉冲数与主轴的转速应有相对应的关系，主轴脉冲发生器起到了对主轴转动与进给运动的联系作用。下图是光电脉冲发生器的原理图。在漏光盘上，沿圆周刻有两圈条纹，外圈为圆周等分线条，例如：1024条，作为发送脉冲用，内圈仅1条。在光栏上，刻有透光条纹A、B、C，A与B之间的距离应保证当条纹A与漏光盘上任一条纹重合时，条纹B应与漏光盘上另一条纹的重合度错位1/4周期。在光栏的每一条纹的后面均安置光敏三极管一只，构成一条输出通道，如图7.1所示。光栏板光敏管漏光盘聚光镜灯泡CA B图7.1 光电脉冲发生器的原理图灯泡发出的散射光线经过聚光镜聚光后成为平行光线，当漏光盘与主轴同步旋转时，由于漏光盘上的条纹与光栏上的条纹出现重合和错位，使光敏管受到光线亮、暗的变化，引起光敏管内电流大小发生变化，变化的信号电流经整流放大电路输山西工程技术学院毕业设计说明书44出矩形脉冲。由于条纹A与漏光盘条纹重合时，条纹B与另一条纹错位1/4周期，因此A、B两通道输出的波形相位也相差1/4周期。脉冲发生器中漏光盘内圈的一条刻线与光栏上条纹C重合时输出的脉冲为同步（起步，又称零位）脉冲。利用同步脉冲，数控车床可实现加工控制，也可作为主轴准停装置的准停信号。数控车床车螺纹时，利用同步脉冲作为车刀进刀点和退刀点的控制信号，以保证车削螺纹不会乱扣。72 主轴编码器的安装利用挂轮箱中的三星齿轮,找到与主轴传动比为11的传动齿轮,采用同心套与光电编码器相联,结构示意图如图7.2所示。M2主轴X轴IX轴 主轴脉冲发生器图7.2山西工程技术学院毕业设计说明书458 数控车床数控系统设计8.1 概述在经济型数控系统中，大多采用8位处理器的微型计算机，可采用ZSOCPU或MCS一51系列单片机组成的微机应用系统。由于单片机具有集成度高、性能价格比高、可靠性好、功能强和速度快等特点，本系统采用MCS一51系列8051单片机作为控制微机。8.2 计算机数控（CNC）系统的简介8.2.1 概述 计算机数控（简称 CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能由一台计算机完成以前机床数控装置所完成的硬件功能，对机床运动进行实时控制。 8.2.2微处理器数控（MNC）系统的组成MNC一般由中央处理单元（CPU）和总线、存储器（ROM，RAM）、输入/输出（IO）接口电路及相应的外部设备、PLC、主轴控制单元、速度进给控制单元等组成。8.3 CNC系统的硬件结构8.3.1 单微处理机与多微处理机结构单微处理机结构这种结构只有个微处理机，采用集中控制、分时方法处理数控的各个任务。有的装置虽有个以上的微处理机，但其中只有个微处理机能够控制系统总线，占有总线资源，而其他微处理机成为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器，它们组成主从结构。这类结构也属于单微机结构。 山西工程技术学院毕业设计说明书46在这种单微机结构中，所有的数控功能和管理功能都由个微机来完成，因此装置的功能将受到微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的影响和限制。多微处理机结构有些多微处理机结构中，有个或个以上的微处理机构成处理部件，处理部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，并共享资源。有些多微处理结构则有个或个以上的微处理机构成的功能模块，功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统，能有效地实现并行处理。（1）多微处理机的结构特点性能价格比高。采用模块化结构，有良好的适应性和扩展性。硬件易于组织规模生产有很高的可靠性。如果某个模块出了故障，其他模块仍照常工作，而不像单微机那样一旦出故障就造成整个系统瘫痪。而且插件模块更换方便，可使故障对系统的影响减到最小。 8.4 CNC系统的软件8.4.1 CNC系统软件的组成与功能CNC系统软件可分为管理软件与控制软件两部分。管理软件包括零件程序的输入、输出，显示，诊断和通信功能软件；控制软件包括译码、刀具补偿、速度处理、插补运算和位置控制等功能软件。输入程序输入程序的功能有两个：一是把零件程序从阅读机或键盘经相应的缓冲器输入到零件程序存储器；二是将零件程序从零件程序存储器取出送入缓冲器。 译码程序在输入的零件加工程序中，含有零件的轮廓信息（线型，起点、终点坐标值）、工艺要求的加工速度及其他辅助信息（换刀、冷却液开/关等）。这些信息在计算机作插补运算与控制操作之前，需按一定的语法规则解释成计算机容易处理的数据形式，并以一定的数据格式存放在给定的内存专用区间，即把各程序段中的数据根山西工程技术学院毕业设计说明书47据其前面的文字地址送到相应的缓冲寄存器中。译码就是从数控加工程序缓冲器或缓冲器中逐个读入字符，先识别出其中的文字码和数字码，然后根据文字码所代表的功能，将后续数字码送到相应译码结果缓冲器单元中。 数据处理程序数据处理程序有三个任务，即刀具半径补偿，根据合成速度算出各轴的分速度以及辅助功能的处理等。刀具半径补偿是把零件的轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹；速度计算确定加工数据段的运动速度，开环系统根据给定进给速度计算出频率f，而闭环、半闭环系统则根据算出位移量（）；辅助功能处理是指换刀，主轴启动、停止，冷却液开、停等辅助功能的处理（即M,S,T）功能的传送及其先后顺序的处理）。数据处理是为了减轻插补工作及速度控制程序的负担，提高系统的实时处理能力，故也称为预计算。（1）刀具半径补偿的概念为了分析问题方便ISO标准规定，当刀具中心轨迹在编程轨迹（零件轮廓）前进方向的左边时，称为左刀补，用G41指令代码表示，图中所示零件轮廓内部的虚线轨迹。反之，当刀具处于编程轨迹前进方向的右边时，称右刀补，用G42表示，如图中所示零件轮廓外部的虚线轨迹。当不需要进行刀补时，用G40表示。G41，G42和G40均属于模态代码，一旦执行便一直有效，直到同组其他代码出现后才被取消。如图8.1所示山西工程技术学院毕业设计说明书48 图8.1为保证一定的零件轮廓，实现刀具半径补偿，要计算刀具半径补偿矢量（简称刀补矢量）。此矢量是大小等于刀具半径、方向垂直于零件表面轮廓的二维矢量，随着刀具的移动，刀具半径补偿矢量也不断变化。在刀具补偿程序中，需要计算出每个程序段中的刀补矢量，即计算出刀具的偏移量和旋转角度。其计算方法有刀具半径分量法（r2法或逐点比较法）、极坐标输入法（三角函数法）等。4插补计算程序在系统中，常采用数据采样的插补方法，将插补功能分割成软件插补和硬件插补两部分，控制软件把刀具轨迹分割成若干段，而硬件电路再在段的起点和终点之间进行数据的“密化”，使刀具轨迹控制在允许的误差之内。即软件实现粗插补，硬件实现细插补。5伺服（位置）控制软件伺服位置控制软件的主要功能是对插补值进行处理（取全值或取其半值），计算出位置的命令值，同时读一次实际的反馈值，然后计算出命令值与反馈值间的差值（称为位置跟随误差），再乘上增益系数，并加上补偿量从而得到速度命令值。6输出程序输出程序的功能有如下几项：（1）进行伺服控制，如上所述。（2）反向间隙补偿处理 反向间隙值由程序预置。若某一轴由正向变成负向运动，则在反向前输出 Q个正向脉冲；反之，若由负向变成正向运动，则在反向前输出 Q个负向脉冲（Q为反向间隙，因实际情况而异）。（3）进行丝杠螺距误差补偿（方法见后面相关内容）（4）M，S，T辅助功能的输出 M，S，T代码大多是开关量控制，由机床强电执行。7管理程序 当一个数据段开始插补加工时，管理程序即准备下一个数据段的读入、译码、处理，调用各功能子程序，准备好下一段数据。一旦本数据段加工完毕便立即开始下一段插补。为数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序均由管理程序进行山西工程技术学院毕业设计说明书49调度。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。8、诊断程序完善的诊断程序可以防止故障的发生或扩大，在故障出现后，还可以迅速查明故障的类型和部位，减少故障停机时间。诊断分多种情况，有启动诊断、在线诊断、停机诊断、远程通信诊断等。8.4.2 CNC系统软件的特点和结构系统软件的特点（1）多任务并行处理系统是一个专用的实时多任务计算机系统，在它的控制软件中融合了当今计算机软件技术中的许多先进技术，其中最突出的是多任务并行处理技术。多任务 指系统软件必须同时进行管理和控制工作。如 工作在加工控制状态时，为了使操作人员能及时地了解的工作状态，管理软件中的显示模块必须与控制软件同时运行。又如为保证加工连续性，译码、刀补和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补又必须与位置控制同时进行。并行处理 指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作。这大大提高了运算速度。资源分时共享 在单的装置中，主要采用分时共享的原则来解决多任务的同时运行。首先要解决各任务占用CPU时间的分配原则，包括各任务何时占用CPU和允许各任务占用的时间长短两个内容。在装置中，采用循环轮流和中断优先相结合的方法解决各任务使用CPU的问题。系统在完成初始化以后自动进入时间分配环中，依次轮流处理各任务。而对于系统中一些实时性很强的任务则按优先级排队，分别放在不同中断优先级上，环外的任务可以随时中断环内各任务的执行。每个任务允许占有CPU的时间受到一定限制，对于某些占有CPU时间比较多的任务（如插补准备），可在其中的某些地方设置断点，当程序运行到断点处时自动让出 CPU，待到下一个运行时间里自动跳到断点处继续执行。山西工程技术学院毕业设计说明书50资源重叠流水处理 当 CNC装置处在 NC作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备（包括译码、刀补和速度处理）、插补、位置控制4个子过程组成。如果每个子过程的处理时间分别为t1，t2，t3，t4，那么一个零件程序段的数据转换时间将是tt1t2t3t4。流水处理的关键是时间重叠，即在一段时间间隔内不是处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。（2）多重实时中断处理所谓中断是指中止现行程序转而去执行另一程序、待另一程序处理完毕后，再转回来继续执行原程序。所谓多重中断，就是将中断按级别优先权排队，高级中断源能中断低级的中断处理，等高级中断处理完毕后，再返回来接着处理低级中断尚未完成的工作。8.4.3 CNC系统软件结构的分类数控系统的基本功能是由各种功能若干程序实现的，不同的软件结构对这些子程序的安排方式不同管理的方法不同。（1）前后台型结构前台程序是中断服务程序，几乎承担了全部实时功能（插补、位置控制、机床相关逻辑和面板扫描监控等功能）这些功能和机床的动作直接相关。后台程序是指实现输入、译码、数据处理及管理功能的程序，称背景程序，是循环运行程序，在运行过程中，前台实时中断程序不断插入，与背景程序相配合，共同完成零件加工任务。前后台型结构适用于单微机系统。（2）多重中断型结构除初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中。也就是说，所有功能子程序均安排成级别不同的中断程序，整个软件就是一个大的中断系统，管理功能主要通过各级中断程序之间的相互通信来解决。山西工程技术学院毕业设计说明书518.5 CNC系统的工作过程8.5.1 CNC系统的数据段历程一个数据段从输入到传送至输出位置控制值需要经过图所示的几个环节。经过输入系统的工作，将数据段送入零件程序缓冲器，然后由译码程序将输入的零件程序数据段翻译成本系统能识别的语言，送入译码结果寄存器。再通过数据处理程序将预计算出的刀补参数（刀补后的本程序段终点坐标）、速度分量（L，L）及有关辅助功能送入数据处理结果缓冲器，经插补后将本次插补周期的输出位置增量值（X2，Y2 ）送至插补工作寄存器，再经伺服（位置）控制处理，将段值（X2，Y2）经计算成为新指令位置值，同时将反馈的位置增量（X1，Y1）加上原实际位置得出现在的实际位置值。经比较计算出新指令位置和实际位置的差值（即跟随误差），乘上位置增益，得到位置控制的输出值也X3，Y3，即为速度指令。之后便进行DA转换，如图8.2所示。 图8.28.5.2 CNC系统自动工作时的总体流程CNC系统的自动工作状态是其最主要的加工方式，图3.5.2所示为它的总体流程。零件加工程序通过纸带输入机、盒式磁带机或MDI键盘（磁盘，或上级DNC接口输入），按一定标准通过输入程序输入到内存中的零件程序存储区。又在输入程序的支持下将零件加工程序从存储区调出至缓冲区。然后，程序段逐段进行译码，即置文字地址码的标志位，并将ASC码由数控内部码译成系统能识别的二进制码或特征码。接着进行数据的预计算，包括刀具半径补偿计算刀心坐标值，速度处理计算山西工程技术学院毕业设计说明书52各轴分速度，算出线段长（L及）以及，T代码处理，为插补提供各种必要的数据。接着再进行插补运算。控制程序将根据零件加工程序中的进给速度（F）和坐标位移量，由预计算算出线段长（L及），再计算出分配给每个坐标的段值，即每个插补中断周期中坐标的位移量（，）。最后，在位置控制比较环节中，将插补输出的段值（位移量）加上原坐标指令值作为新的指令位置值。又将反馈位置增量加上原实际位置坐标值作为新的实际位置值。将新的指令值与新的实际位置值相比较，算出跟随误差。通过计算机的软件放大倍数调节功能乘上系数后，即为伺服输入的速度指令值。再通过数模转换成为速度命令电压（或频率），最后驱动伺服电动机，带动工作台或刀具位移。如图8.3所示图8.38.6 运动轨迹的插补原理8.6.1 运动轨迹插补的概念在数控机床中，刀具的运动轨迹为折线，并不是光滑的曲线。刀具不能严格地沿着所加工的曲线运动，只能用折线轨迹逼近所加工的曲线。在数控加工中，根据给定的信息进行某种预定的数学计算，不断向各个坐标轴发出相互协调的进给脉冲或数据，使被控机械部件按指定路线移动，这就是插补。山西工程技术学院毕业设计说明书538.6.2 运动轨迹插补的方法1脉冲增量法（行程标量插补）把每次插补运算产生的指令脉冲输出到步进电动机等伺服机构，并且每次产生一个单位的行程增量，这就是脉冲增量插补。这类插补法比较简单，仅需几次加法和移位操作就可完成，用硬件和软件模拟都可实现。进给速度指标和精度指标都难以满足现在零件加工的要求，因此，这种插补法只适用于中等精度和中等速度的机床系统。 数据采样法（时间标量插补）在这种方法中，整个控制系统通过计算机而形成闭环，输出的不是单个脉冲，而是数据，即标准二进制字。这类插补算法适用于以直流或交流伺服电动机作为执行元件的闭环或半闭环数控系统。 8.6.3 逐点比较法l逐点比较法的原理它的原理是以区域判别为特征，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与规定的图形轨迹相比较，判断其偏差，然后决定下一步的走向。如果加工点走到图形外面，那么下一步就要向图形里面走；如果加工点在图形里面，则下一步就要向图形外面走，以缩小偏差。每次只进行一个坐标轴的插补进给。通过这种方法能得到一个接近规定图形的轨迹，而最大偏差不超过一个脉冲当量。在逐点比较法中，每进给一步都要4个节拍，如图8.4所示。山西工程技术学院毕业设计说明书54图8.4（1）偏差判别 判别偏差符号，确定加工点是在规定图形的外面还是里面。（2）坐标进给 根据偏差情况，控制X坐标或Y坐标进给一步，使加工点向规定图形靠拢，缩小偏差。（3）新偏差计算 进给一步后，计算加工点与规定图形的新偏差，作为下一步偏差判别的依据。（4）终点判别 根据这一步的进给结果，判定（比较）终点是否到达。如未到达终点，继续插补工作循环，如果已到终点就停止插补。2逐点比较法I象限直线插补（1）基本原理偏差函数值的判别 如图所示，OE为象限直线，起点O为坐标原点，终点E的坐标为E（Xe，Ye），还有一个动点为N（Xi，Yi）。现假设动点 N正好处于直线OE上，则有下式成立： XeYeXiYi 即 XeYiXiYe0 (8-1) 假设动点处于 OE的下方N处，则直线 ON的斜率小于直线OE的斜率，从而有 XeYeXiYi 即 XeYiXiYe 由以上关系式可以看出，（Xe YiXi Ye）的符号反映了动点N与直线OE之间的偏离情况。为此取偏差函数为山西工程技术学院毕业设计说明书55 FXe Yi - Xi Ye (8-2)依此可总结出动点 N（Xi ，Yi）与设定直线 OE之间的相对位置关系如下：当 F0时，动点 N（Xi ，Yi）正好处在直线 OE上；当 F0时，动点 N（Xi ，Yi）落在直线 OE上方的区域；当 F0时，动点 N（Xi ，Yi）落在直线OE下方的区域。坐标进给 以下图为例。设OE为要加工的直线轮廓，而动点N（Xi ，Yi）对应于切削刀具的位置，终点 E坐标为Xe4，Ye6，起点为 O，即 Xo0，Yo0。显然，当刀具处于直线下方区域时（F0），为了更靠拢直线轮廓，则要求刀具向（Y）方向进给一步；当刀具处于直线上方区域时（），为了更靠拢直线轮廓，则要求刀具向（）方向进给一步；当刀具正好处于直线上时（），理论上既可向（）方向进给一步，也可向（）方向进给一步，但一般情况下约定向（）方向进给，从而将F和两种情况归一类（）。根据上述原则，从原点（，）开始走一步，计算并判别的符号，再趋向直线进给，步步前进，直至终点。这样，通过逐点比较的方法，控制刀具走出一条尽量接近零件轮廓直线轨迹，如图8.5所示的折线所示。当每次进给的台阶（即脉冲当量）很小时，就可以将这折线近似当作直线来看待。显然，逼近程度的大小与脉冲当量的大小直接相关。图8.5新偏差计算每次求时要作乘法和减法运算，而这在使用硬件或汇编语言软件实现插补时不大方便，还会增加运算的时间。因此，为了简化运算，通常采用递推法，即每进给一山西工程技术学院毕业设计说明书56步后新加工点的加工偏差值通过前一点的偏差递推算出。现假设第次插补后动点坐标为（i，i），偏差函数为 ieiie (8-3)若i，则向（）方向进给一步，新的动点坐标值为 i+1ii+1i这里，设坐标值单位是脉冲当量，进给一步即走一个脉冲当量的距离（）。新的偏差函数为 i+1ei+1i+1ei一iee所以 i+1i 同样，若，则向（）方向进给一步，新的动点坐标值为i+1i，i+1i+1因此新的偏差函数为 i+1ei+1i+1ei一iee所以 i+1ie 根据式和可以看出，采用递推算法后，偏差函数的计算只与终点坐标值，e有关，而不涉及动点坐标i，i的值，且不需要进行乘法运算，新动点的偏差函数可由上一个动点的偏差函数值递推出来（减Y或加e）。因此，该算法相当简单，易于实现。但要一步步速推，且需知道开始加工点处的偏差值。一般是采用人工方法将刀具移到加工起点（对刀），这时刀具正好处于直线上，当然也就没有偏差，所以递推开始时偏差函数的初始值为0。终点判别 由于插补误差的影响，刀具的运动轨迹可能不通过被加工直线的终点（，e）。即在有些情况下，刀具的横坐标i与纵坐标i不可能同时满足以下两式 YeYiXeXi因此，不能用以上条件来判断直线是否加工完毕。通常根据刀具沿、Y轴所走的总步数判断终点。从直线的起点移动到终点，刀具沿轴应走的步数为e，沿轴应走的步数为e，沿，两坐标轴应走的总步数为山西工程技术学院毕业设计说明书57十 (8-4)刀具运动到点P（i，Yi）时，沿，轴已经走过的步数为iYi若与相等，说明直线已加工完毕，插补过程应该结束。否则，说明直线还没有加工完毕。对于逐点比较插补法，每进行一个插补循环，刀具或者沿轴走一步，或者沿轴走一步，因此插补循环数与刀具沿，轴已走的总步数相等。这样就可以根据插补循环数与具沿，轴应进给的总步数是否相等判断终点，即直线加工结束的条件为 i=N 3逐点比较法象限逆圆插补（1）基本原理偏差判别 在圆弧加工过程中，要描述刀具位置与被加工圆弧之间的相对关系，可用动点到圆心的距离大小来反映。图8.6如图8.6所示，假设被加工的零件轮廓为象限逆圆弧SE，刀具在动点N（Xi，Yi）处，圆心为O（0，0），半柱为R。通过比较动点N到圆心的距离RN与圆弧半径R之间的大小，就可反映出动点与圆弧之间的相对位置关系，即当动点N（Xi，Yi）正好落在圆弧SE上时，则有下式成立 山西工程技术学院毕业设计说明书58 22222RYXYXeeii当动点N落在圆弧SE外侧（如在N处）时，则有下式成立 22222RYXYXeeii 当动点N落在圆弧SE内侧（如在N”处）时，则有下式成立 22222RYXYXeeii 为此，可取圆弧插补时的偏差函数表达式为 222RYXFii (8-5) 进一步可以从图中直观看出，当动点处于圆外时，为了减小加工误差，应向圆内进给，即向（一X）轴方向走一步。当动点落在圆弧内部时，为了缩小加工误差，则应向圆外进给，即向（Y）轴方向走一步。当动点正好落在圆弧上时，为了使加工进给继续下去，（Y）和（一X）两个方向均可以进给，但一般情况下约定向（一）轴方向进给。坐标进给 综上所述，可总结出逐点比较法象限逆圆弧插补的规则如下：当时，N，动点在圆外，向（）轴进给一步；当时，N，动点正好在圆上，向（）轴进给一步；当 时，N，动点在圆内，向（）轴进给一步；新偏差计算 在式中，要求出偏差之值必须进行平方运算，而且在用硬件或汇编语言实现插补时也不太方便。为简化计算，可进一步推导其相应的递推形式表达式。现假设第次擂补后动点坐标为（i，i），对应的偏差函数为 222RYXFiii 若i，则向（一）轴方向进给一步，获得新的动点坐标值为 1iXiX1iYiY 因此，新的偏差函数为 222221211) 1(RYXRYXFiiiii所以 1iFiFiX 同理，若i，则向（）轴方向进给一步，获得新的动点坐标值为山西工程技术学院毕业设计说明书59 1iXiX，1iYiY 因此可求得新的偏差函数为 222221211) 1(RYXRYXFiiiii所以 1iFiFiY 通过公式可以看出：递推形式的偏差计算公式中除加减运算外，只有乘以的运算，而乘以的运算可等效为二进制数左移一位，显然比原来平方运算简单得多。另外，进给后新的偏差函数值除与前一点的偏差值有关外，还与动点坐标（i，i）有关（这与直线插补不相同），而动点坐标值随着插补的进行是变化的，所以在插补的同时还必须修正新的动点坐标，以便为下一步的偏差计算作好准备。终点判别圆弧是所要加工的圆弧，起点为（s，s），终点为（e，）。加工完这段圆弧，刀具在轴方向应走的步数为（e，s），在轴方向应走的步数为（es），在 ，两个坐标轴方向应走的总步数为 eses 此式对顺圆插补同样适用。加工完圆弧时，插补循环数应与相等，即。 I=N 这就是判别圆弧是否加工完毕的依据。山西工程技术学院毕业设计说明书60结 论CA6140普通车床数控改造设计，针对现有常规CA6140普遍车床的缺点，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。经过本次改造后，CA6140车床实现MCS一51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，具有升降速控制功能。可大大地提高加工工效，加工质量可以得到稳定，并保留了原机床的特性。加工有效行程 X/Z 轴分别为 390/1400 mm；最大速度 X/Z 轴分别为 1200/3000 mm/min；手动速度为400 mm/min；手动 快速为 X/Z 轴分别为1200/3000 mm/min；纵向进给 脉冲当量为 0.01mm/p，横向进给脉冲当量为 0.005 mm/p，数控刀架可进行4 个方位的转换选择， 其重复定位精度在 0.005 mm 以下，夹紧力在 4000 N 以上，实现了开环数控自动化加工，增强了其适用性，稳定了零件的加工质量， 并保留了原机床的基本结构和部分工作性能，能节约资金，缩短生产周期，是工厂进行机械设备技术 化改造的趋势。山西工程技术学院毕业设计说明书61参考文献1王洪欣 机械设计 中国矿业大学出版社 20032黄定坚 机床设计图册 上海科技技术出版社 19793李善术 数控机床及其应用 机械工业出版社 20014董玉红 邵俊明 机床数控技术 哈尔滨工业大学出版社 20005刘又午 杜君文数字控制机床 机械工业出版社， 20036张新义 经济型数控机床系统设计与实例 机械工业出版 20027余英良 机床数控改造设计与实例 机械工业出版社 20018谢超 王铂 周强，浅谈专用车床数控进给系统J，科技风,20199曾军华，普通车床数控化改造的探索研究J，山东工业技术,201810蔡晓宇，普通车床数控改造需注意的问题分析J，南方农机,201811苏利晓，普通车床进给传动系统数控改造J，现代制造技术与装备,201712孙克华，普通CA6140车床的经济型数控化改造设计J，化工管理,201613孙业明，经济型数控车床电动刀架控制系统的设计与实现J，张家口职业技术学院学报,200914李文元 明兴祖，基于MCS-51单片机的普通车床数控化改造设计J，组合机床与自动化加工技术,200715邹文学，车床机械结构的数控化改造探索J，科技经济导刊,201816张继红，MCS51单片机在普通车床数控改造中的应用J，株洲工学院学报,200217王令其 匡庆明 胡燕华，MCS-51A车床控制系统J，机械工业自动化,198818吴胜强 赵利颇 王傲冰，CA6140普通车床全闭环数控再制造J，邢台职业技术学院学报,201519于春明 董彦宏，浅谈车床数控化改造的必要性及特点，科技经济导刊,201820刘旭东 李晓岗，数控车床自动化改造实践，内燃机与配件,201821李明洲 葛明军军，MJ-460数控车床维修改造,201822方辉 ; 谭峰 ; 黄纪刚.Design and construction of desktop CNC turning latheJ.山西工程技术学院毕业设计说明书6223 Design and construction of desktop CNC turning latheJ. 机械.24Simple centre finders for lathesJ. Model engineers workshop.2011.25JL Nayler.LATHE CENTRESJ. Newnes Engineers Pocket Book , 1971.197126Rafael0 Lizarralde;Ander Azkarate;Oier Zelaieta.New Developments in Lathes and Turning CentresJ. Machine Tools for High Performance Machining.2009.27郝忠军，综合作业指导书，机械部工程师进修大学电气学院出版社，199528张君安，机电一体化系统设计，兵器工业出版社。199729任为民，电子技术基础课程设计，中央广 播电视大学出版社。30陈婵娟，数控车床设计，化学工业出版社，200631张建民，机电一体化系统设计，高等学校机械工程及自动化32伍宏，常用机械设备及电气控制，广东科技出版社. 200133姜培刚，机电体化系统设计，机械工业出版社2003山西工程技术学院毕业设计说明书63外文文献Economic CNC Reform Design of Lathe1.Foreword The NC machine tool has the characteristics of high machining precision and high stability. It realizes the linkage between several coordinate points in machining, and it has a complex shape and high machining precision, especially for parts whose machining position tolerance is high. A number of machined surfaces are realized in a single tooling. When the machining parts change, the process preparation can be completed, the production time can be saved, and the working efficiency can be improved if the NC program is changed. According to the calculation of machining man-hour quota issued by the Ministry of Mechanical Industry, the machining efficiency of NC lathe is more than 5 times that of common lathe. Therefore, the processing cost can be reduced greatly and the economic benefit can be improved. Current domestic machinery The general lathe is widely used in the processing and manufacturing industry, and the ownership of NC lathe is only 7%, which is far from that of the developed countries. From the point of view of this data, the technological equipment in our countrys machining and manufacturing industry is still relatively backward. Although numerical control lathe has obvious characteristics and advantages over ordinary lathe, the price of CNC lathe is 3-5 times higher than that of common lathe. Limited by national economy and enterprise equipment renewal funds, it is impossible to replace the existing technological equipment in large quantities. In order to make full use of the existing resources and give full play to the ability of technological innovation and technological transformation, it is proposed to implement the revamping party on the basis of common lathe. in that invention , a CNC numerical control lathe control system and a hardware are use on the software , and corresponding control and executing mechanism are arranged on the upper bed of the common lathe to realize that the common lathe is turned into an automatic and semi - automatic lathe , and the common lathe is provided with a part of the function of the 山西工程技术学院毕业设计说明书64numerical control lathe , and the technical level of the process equipment in the machining and manufacturing industry is improved .2 . lathe reform design scheme 2.1 CNC lathe compositionNumerical control machine tools usually consist of control system, step or servo system, multi-tool combination tool table, detection system, mechanical transmission system, lubrication system, cooling system, auxiliary system, machine bed and shield. The control system is used for the operation, management and control of NC machine tools. The stepper or servo system drives the machine according to the instructions of the control system, enabling the tools and parts to perform the movement specified in the NC code. The detection system is used to detect the status of the machine tool actuator, such as the combined tool table, all kinds of fixtures, spindle rotation The displacement and velocity changes such as speed, worktable and slide are fed back to the control system, and compared with the executing instructions, the lathe motion is adjusted according to the operation results. The error control system can eliminate the gap error caused by the mechanical transmission system, and can compensate the error caused by tool wear quantitatively to improve the machining accuracy.2.2 Design of NC lathe control systemAt present, there are many kinds of CNC lathe control systems at home and abroad, usually classified according to the following forms:（1）Classification according to motion trajectory: typical bit position control system, linear control system, contour control system, etc.（2）Classified by servo system: typical open loop control system, semi open loop control system, closed loop control system and so on.According to the requirements of the types and precision of the machining parts, the appropriate control system is chosen, that is, the reasonable use of resources and the reduction of the cost of equipment transformation. For example, in rough machining of shaft and disk parts, the principle of combination of linear control system and open-loop control system is preferred.山西工程技术学院毕业设计说明书652.3 PC Interface Design for NC Lathe（1） PC Port description: there are two output ports and one input port in the parallel port of PC, which are 0378H 037AH and 0379H respectively. Among them, 0378H is an 8-bit binary output port and 037AH is a four-bit binary output port. In order to improve the safety and reliability of port communication, optoelectronic coupling isolation and protection measures should be used. （2）Interface design of CNC lathe feed system: the control method of NC lathe to the coordinate points of X axis and Z axis is to use step motor to drive the feed device to realize the control of coordinate points. According to the working principle of the stepping motor, two groups of data need to be input to the stepping motor driver, one is the steering of the step motor, the other is the pulse of the angle of the step motor. In order to simplify the design scheme, The digital circuit is used directly on the PLT port of the PC to control the XY axis stepping motor. See figure 1. The output port 0378H in the LPTI of the PC machine is connected with the peripheral circuit through the optoelectronic coupler (74LS04). The output port 0378H in the LPTI of the PC machine is connected with the peripheral circuit through the photoelectric coupler. The function of the non-gate circuit is to process the transmitted data signal in order to remove the influence of the clutter of the signal, and play the role of filtering. 74LS125 is a three-state gate circuit. The output is a normal value of 0 or 1 of the logic circuit, while it can maintain a high impedance state. In the high resistance state, the input and output are equivalent to the disconnected state without any logic control function. There is an en enabling control end in the three-state gate. When en = 1, under the action of the three-state gate control gate circuit, the input is connected to the output, the signal is directly output to the stepping motor driver, and then the step motor driver drives the step motor and other transmission devices. Feed motion into the XY axis.（3）NC lathe spindle control interface design: this design includes two aspects, one is spindle steering, the other is spindle speed. The main shaft steering is controlled by changing the connection phase sequence of the spindle motor, the frequency of the main shaft motor power supply is changed, and the spindle speed is controlled.山西工程技术学院毕业设计说明书66图图1 步进电机驱动器接口电路步进电机驱动器接口电路1Spindle steering control: use the first two bits of 037AH port to control spindle steering, as shown in figure 2. Since the PC has to self-check and reset the parallel ports when it starts up, this will result in the data conversion from FH to 0H output from 037AH port at startup moment. In order to avoid that the port is 1 at the same time in an instant, the spindle motor and other control equipment appear wrong action, the digital circuit is used to judge its logic, when the output of 037AH is FH, the output is OH, otherwise it is output by the original code. In this way, the influence of PC self-test on CNC lathe is shielded from the moment of startup, and the spindle motor is solved. Reverse interlocking problem. This design scheme is suitable for direct control of the main shaft gearbox of the general lathe without the need of frequency conversion speed regulation on the lathe.图图2 主轴电机接口控制电路主轴电机接口控制电路2Spindle speed control: after using 037AH port to control the spindle speed, the specific scheme is to use vector converter to change the frequency of spindle motor power supply. The main shaft drive device of the general lathe is a step speed regulation which uses multistage gear gearbox to control the spindle speed. The general horizontal lathe is generally 24 grade speed, and its speed adjustment range is 10rpm- 1400rpm. In order to 山西工程技术学院毕业设计说明书67meet the requirement of cutting speed of different parts processing technology, the transmission system of the main shaft of the lathe was changed to the method of direct connection between the primary belt drive and the frequency conversion motor, as shown in figure 3, thus the transmission chain was shortened to the greatest extent. It also reduces the motor vibration to the main motor. The influence of shaft, also can play the role of overload protection. The belt transmission ratio is generally set at about 1:2, and the original spindle gearbox of the ordinary lathe is eliminated, especially some old lathes used for the Spring Festival. The gears in the spindle gearbox are worn seriously. The working speed is low, the machinery noise is big, through this transformation, thoroughly solves the problem. Using frequency converter to realize stepless speed regulation, the speed range of spindle motor is wide, the structure of spindle box of lathe is greatly simplified, and the cutting torque is not obviously different from the original main shaft variable speed system. But the smoothness of speed and the precision of spindle movement have been greatly improved. Good. The specific speed regulation method provides the standard 010V analog interface in the frequency converter, which is completely compatible with the CNC lathe system interface, has strong versatility, is convenient to use, and has the characteristics of sensitive braking. At the same time, the inverter has the protection circuit for the motor, which can realize overload, overvoltage, short circuit and lack of equal protection.图图3 数控车床主轴调速示意图数控车床主轴调速示意图3Spindle speed measurement: install a set of counter plate that rotates synchronously with spindle on the main axis of NC lathe, and detect the instantaneous speed of spindle by photoelectric switch. The lowest bit of PC 0379H port is used to receive the pulse signal from the photoelectric switch of the spindle, and it is displayed in 山西工程技术学院毕业设计说明书68the CNC lathe system. The purpose of measuring this speed can be used as the basis for controlling the cutting feed and processing various kinds of threads.（4）Design of Control Interface for CNC Lathe automatic tool Table: in order to improve the machining speed and to change the cutting tool conveniently and quickly, the multi-position automatic tool table is usually used in the numerical control lathe, according to the working principle of the automatic tool table, The automatic tool table motor is controlled by the free position needle in the PC 0378H port to realize the operation of tool changing and locking, and the positioning signal of the automatic cutter transmitter is received by four bits in the port of PC 0379H, in order to select different tools.（5）In order to improve the automation degree of NC lathe and improve production efficiency, various special pneumatic, hydraulic and electric devices can be introduced to realize automatic clamping of workpiece, no operation, free labor force and save labor resources. The control of these special devices comes from the control instructions of the PC, so the limited ports in the PC must be expanded. The concrete method is to insert the parallel port extension card LPT2 to the main board, which makes the control port increase exponentially and expand the control ability of PC to a greater extent. Especially used in semi-open loop control system and closed-loop control system. Using PC as a The control core of lathe system has the characteristics of simple configuration, low price, convenient operation and strong versatility.This paper introduces a simple and convenient CNC lathe system software mach3, which is developed by ArtSoft Company and developed by Windows. The LPT or USB port of PC computer is used as the input and output of CNC equipment, the pulse and direction signal is output, the stepper motor or servo motor driver is controlled, and the NC machine tool is controlled. The software supports standard G code, controls multi-axis linkage, and has linear interpolation function. It can realize high precision machining of complex parts. For complex control process, only two parallel ports can be realized, and the peripheral switch points can be set by VB. The input and output of the program control port. Therefore, the machined parts are compiled into G code program according to the 山西工程技术学院毕业设计说明书69process requirements, which is automatically machined by NC lathe. The concrete implementation method is described in mach3 software.2.4The retrofit scheme of feed drive device of 2.5 NC lathe（1）Selection of stepping motor: the technical parameters of step motor are mainly two indexes: step angle and static moment. The step angle is the angle of each step pulse and the static moment is the load capacity of the stepping motor. According to the precision requirement of the lathe and the transmission parameters of the wire rod feed system, the step angle of the stepping motor is selected, and the feed equivalent of the stepping motor driver is reasonably utilized. In addition, the static torque of the stepping motor is selected according to the friction force of the guide rail during the movement of the feed system and the maximum tool resistance during machining. For the larger inertia of the feed movement, should choose a large seat number step motor.（2）Design scheme of feed device: the feed device of general lathe is to realize feed motion by using gearbox connected with main shaft to drive wire rod and other transmission devices. This kind of drive mode chain is relatively long, the gear combination structure in the feed gearbox is quite complex, the transmission clearance is difficult to control, such kind of drive method is not suitable for automatic control, therefore, the original feed device is cancelled in the revamping scheme. The step motor or servo motor is used to drive the ball wire rod directly to realize the feed motion. In order to reduce the transmission error, the double wire mother ball wire rod is adopted. The greatest advantage of this improved scheme is that it shortens the transmission chain of the feed system, has high power factor, low noise, and works A characteristic of stability, etc. The error is directly determined by the ball wire rod, which is convenient to compensate and control the error, especially for the modification of the old machine tool and the machine tool which is short of feed system.2.5Inspection and error Analysis of 2.6 CNC Lathe1） accuracy inspection items: selecting suitable measuring tools, external circle accuracy, radial circle runout, surface roughness, length and groove size, etc.2） Error analysis山西工程技术学院毕业设计说明书701The outer circle is conical: the reason is that the front and rear center line is not coaxial with the spindle axis and the center position of the lathe tail seat is adjusted.2The workpiece produces vibration or the surface roughness is too high during turning: the tail seat cover is too long or the top of the workpiece is too loose, the clearance of the bearing with the center of rotation is too large and the gap of the slide is too large.3）Radial circle beating: the circular beating of the front top tip which has been worn away from the bearings of different axes or revolving centers of the spindle axis, and the center hole error of the workpiece.3. Results of implementation of the renovation programmeThrough the exploration of technical transformation in the past few years, the revamping scheme of CA6140 ordinary lathe which has been in service for many years has been carried out respectively, and the traditional general lathe has been transformed into a semi-automatic NC lathe with four-pole position, which has achieved the desired transformation effect. It is mainly reflected in the following aspects:Rational utilization of resources: the most prominent feature of the NC transformation scheme for general lathe is to make full use of resources on the basis of existing technology and equipment. In particular, in some old enterprises, the technical equipment is relatively backward, so that the old machinery and equipment which has been idle for many years can be utilized, and in the past two years, it has completed the task of transforming six ordinary lathes successively. These include the extensive repair of two extended CA6140 common lathe guideways used in the 1980s, the improved lathes have greatly improved both in terms of accuracy and appearance quality, and the transformation from waste to treasure has given rise to a second life. By the factory technicians and operators of the praise. Save for the enterprise Investment in equipment. Liberation of labor: after the transformation of the CNC lathe, according to the pre-designed procedures, the process of automation. Due to the high degree of automation of machine tools, the labor intensity of the operators is reduced, and the machinery industry moves one step forward from the intensive labor operation to the operation of one person and more machines. In addition, the lathe spindle stepless speed regulation, with automatic 山西工程技术学院毕业设计说明书71workpiece clamping, unloading tools and special manipulator and other tools, reduce the labor intensity of operators, improve labor productivity. At the same time, the wide application of CNC machine tools will also drive the staff to learn new knowledge of the urgent requirements, the largest scope of the popularization of advanced technology.Safety and civilization in production: the improved CNC lathe is equipped with a fully closed or semi-closed protective device, which can prevent chip, cutting fluid and workpiece from flying out, put
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