CA6163普通车床数控化改造的设计

1、摘要现代数控机床是未来工厂自动化的基础。 旧机床数控化改造范围大、 潜力大、投资少、 见效快，已经成为适合我国国情，促进制造业技术进步的重要手段。因此，数控系统改造 车床的研究具有重要意义。本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过对旧机床的分析，结合机 床改造的总体思想，提出了数控化改造的技术方案和新数控系统的选型配置方案 ; 针对旧 机床的要求，进行了传动系统的重新设计， 提高了传动的精度， 重新设计机床的控制逻辑， 通过对伺服系统的分析，完成了机床各主要参数的优化和匹配。本机床改造后将会展示出强大的功能、稳定的性能，将完全符合机床的技术规格和精 度标准，加工出合格的零件，大大提

2、高了车床的性能，是一次有益的尝试。关键词：CA6163;机床；改造;数控系统。AbStraCtThe modern Computer Numerical Control（CNC）machine is the foundation of the modern manufaCtory. The remaking of old maChine for CNC iS an effiCient meanS to promote the progreSS of the manufaCtory, whiCh iS adapted to the CirCumStanCe for our Country. It

3、S range iS wide, itS CoSt iS low and itS period iS Short. Therefore, it iS very important to Study a remarking the lathe maChine by uSing CNC SyStem.ThiS paper introduCeS the hiStory and the development of CNC SyStem. BaSed on itS theory, through the analySiS about the ComponentS of the old maChine,

4、 preSentS the remaking tranSmiSSion SyStem to raiSe the preCiSion of the lathe 。 PreSentS the remaking SChemeS of the CNC SyStem. ACCording to the old maChine, the detail deSign and adjuStment of the eleCtriC SyStem have been Completed, inCluding the deSign of hardware and Control Software： Have int

5、roduCed the one-Chip Computer SyStem briefly, and haS deSigned the eleCtriC Control CirCuit of the numeriCal Control lathe with the one-Chip Computer ；And alSo redeSign the Control logiC of the maChine, through analyzing of the Servo SyStem, the main parameterS of the maChine have been Confirmed and

6、 optimized alSo.Have diSCuSSed two kindS interpolation numeriCal Control latheS with thematiC part, and deSign the interpolation formS for the numeriCal Control lathe.The remarked maChine will Show itS powerful ability and high reliability, it ConformS to the teChniCal regulation and the aCCuraCy St

7、andard of the maChine.，andwill proCeSS thequalified part, it haS improved the performanCe of the lathe greatly, itS a benefiCial tr'y. KeywordS ： CA6163;lathe ; Remake ; CNC SyStem ; One-Chip Computer.目录第一章 绪论 . 11.1 数控机床的历史和现状 11.2 数控机床的发展趋势和研究方向 21.2.1 高速度、高精度化 21.2.2 多功能化 31.2.3 智能化 41.2.4 数控

8、系统小型化 51.2.5 数控编程自动化 51.2.6 更高的可靠性 51.3 床数控化改造的必要性 6第二章 机床改造的任务及总体思想 . 82.1 机床改造的总体任务 82.2 运动系统方案确定 82.2.1 伺服系统的选择 82.2.2 传动方式的选择 82.3 数控系统软硬件总体设计 92.4 数控系统硬件结构 92.5 数控系统软件结构 10第三章 进给伺服系统传动计算 . 113.1 确定系统脉冲当量 113.2 切削力的确定 113.3 计算进给牵引力 123.4 计算最大动负载 C. 123.5 传动效率计算 133.6 刚度计算 143.7 进给伺服系统传动计算 143.7.

9、1 确定传动比 143.7.2 齿轮参数的计算 153.8 步进电机的计算和选用 15- II3.8.1 转动惯量的计算 153.8.2 电机力矩的计算 163.9 步进电机的选择 19结论 . 20参考文献 : . 21致谢 . 22附录：外文翻译 . 23III第一章 绪论1.1 数控机床的历史和现状采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是 40年代初提出的。当时，美国北密执 安的一个小型飞机承包商派尔逊斯公司在制造飞机框架和直升飞机的机翼叶片时，利用全 数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的 影响，使得加工精度达到1003 81mm,这在当时水平

10、是相当高的。1952年美国麻省理工学院成功地研制出一台 3坐标联动的试验型数控铣床，这是公认 的世界上第一台数控机床，当时的电子元件是电子管。1959年，开始采用晶体管元件和印制线路板，出现了带自动换刀装置的数控机床，称 为加工中心 .从1960年开始， 其他一些工业国家， 比如德国、 日本等也陆续开发生产出了数控机床。1965年，数控装置开始采用小规模集成电路，使数控装置的体积减小，功耗降低，可 靠性提高 . 但仍然是硬件逻辑数控系统。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的柔性制 造单元。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上， 首次展出了用小型计算机控制

11、的数控机床。 这是第一台计算机控制的数控机床。1974年，微处理器直接用于数控系统， 促进了数控机床的普及应用和数控技术的发展。 80年代初，国际上出现了以加工中心为主体，再配上工件自动装卸和监控检测装置的 柔性制造单元。柔性制造系统和柔性制造单元被认为是实现计算机集成制造系统的必经阶 段和基础。我国从1 958年开始研究数控技术，直到 60年代中期处于研制、开发阶段。 1965年，国 内开始研制晶体管数控系统。60年代初到70年代初研制成功X53K-1G控铣床、CJK-18数 控系统和数控非圆齿轮插齿机。从 70年代开始，数控技术在车、铣、钻、锉、磨、齿轮加 工、电加工等领域全面展开，数控加

12、工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的 质量和制造工艺水平低，致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能广 泛推广。这一时期，数控线切割机床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中 得到了推广。 80年代我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技术， 并于1981年在我国开始批量生产。在此期间，我国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外 先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统，如多轴联动数控系统、分辨率为 0.02um 的高精度数控系统、数字仿形系统、为柔性单元配套的数控系统等。为了适应机械工业生 产不同层次的需要，我国开发出了多种经济型数控系统，并得到

13、了广泛应用。现在，我国 已经建立了中、低档数控机床为主的产业体系， 90年代主要发展高档数控机床。1.2 数控机床的发展趋势和研究方向 随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了 更高的要求， 超高速切削、 超精密加工等技术的应用， 对数控机床的数控系统、 伺服系统、 主轴驱动、机床及结构等提出了更高的性能指标。随着 FMS勺迅速发展和CM的不断成熟， 又将对数控机床的可靠性、通讯功能、人工智能和自适应控制等技术提出了更高的要求。 随着微电子计算机技术的发展，数控系统性能日益完善，数控技术应用领域日益扩大。当 今数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速度化、高

14、精度化、多功能化、智能化、 系统化与高可靠性等方向发展。1.2.1 高速度、高精度化 速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品的质量，特别是在超高速切削、超精密加工技术的实施中，它对机床各坐标轴位移速度和定位精度提出 了更高的要求 : 另外，这两项技术指标又是互相制约的，也就是说要求位移速度越高，定 位精度就越难提高。现代数控机床配备了高性能的数控系统及伺服系统，分辨率可达到 lum,0.lum, 0.0lum 。为实现更高速度、更高精度的指标，自前主要在下述几方面采取措 施和进行研究。(1) 数控系统。采用位数、频率更高的微处理器，以提高系统的基本运算速度。目前己由8位

15、CPl过渡到16位和32位CPU并向64位CP发展，频率已由原来的5MH提高到16MHz, 20MH和32MHz同时也采用了超大规模的集成电路和多种微处理器结构，以提高系统的数 据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。(2) 伺服驱动系统。随着超高速切削、超精密加工等先进工艺的提出，使得在旋转伺 服电动机加滚珠丝杠的传统机械进给机构已无法实现。为此采用直线电动机直接驱动机床 工作台的零传动直线伺服进给方式， 将极大地提高机床直线进给的各项伺服性能指标， 特 别是高速度和动态响应特性是以往任何伺服机构无法比较的。(3) 前馈控制技术。过去的伺服系统是将位置指令值与所检测到的实际值比较，所得 的差

16、乘以位置环的增益，其积再作为速度指令去控制电动机。由于这种控制方式总是存在 着位置跟踪滞后误差，即当进给速度为F时，其伺服系统的最终滞后位F/G,这使得在加工 拐角及圆弧切削时加工精度恶化。所谓前馈控制，就是在原来的控制系统上加上速度指令 的控制方式，这样将使位置跟踪滞后误差大大减小，以改善拐角切削加工精度。(4) 机床动、静摩擦的非线性补偿控制技术。机床动、静摩擦的非线性会导致机床爬 行。除了在机械结构上采取措施降低静摩擦外，新型的数控伺服系统具有自动补偿机械系 统动、静摩擦非线性的控制功能。(5) 伺服系统的速度环和位置环均采用软件控制。由于采用软件控制具有较高的柔 性，适应不同类型的机床

17、对不同精度及速度的要求，进行加、减速性能的调整，并能实现 复杂的控制算法，以满足高性能控制的要求。(6) 采用高分辨率的位置检测装置。如高分辨率的脉冲编码器，内 装微处理器组成的细分电路，使得分辨率大大提高。(7 补偿技术得到发展和广泛应用。现代数控机床利用计算机控制系统的软件补偿功 能对伺服系统进行多种补偿，以提高机床的位置精度和动态伺服性能，如轴向运动定点误 差补偿、丝杠螺距误差补偿、齿轮间隙补偿、热变形补偿和空间误差补偿等。(8) 高速大功率电主轴的应用。由于在超高速加工中 . 对机床主轴转速提出了极高的 要求，传统的齿轮变速主传动系统已不能适应其要求。为此，采用了所谓内装式电动机主 轴

18、，简称电主轴。它是采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，即采用外壳电动 机，将其空心转子直接套装在机床主轴上， 带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内， 即机床主轴单元的壳体就是电动机座。实现了变频电动机与机床主轴一体化，以适应主轴 高速运转的要求。(9) 超高速切削刀具的应用。为适应超高速加工要求， 目前陶瓷刀具和金刚石涂层 刀具已开始得到应用。(10) 配置高速、强功能的内装式可编程控制器 (ProgrammableL ogicController ，简 称PLC)O以提高PLC勺运行速度，满足数控机床高速加工的要求。新型的PLC具有专用的CPU 基本指令执行时间达0. 2us步，

19、可编程步数可扩大到16000步以上。利用PLC的高速处理 功能，将CNCf PLC之间有机地结合起来，能够满足数控机床运行中的各种实时控制要求。1.2.2 多功能化(1) 数控机床采用一机多能， 提高了设备利用率。 配有自动换刀机构的各类加工中心， 能在同一台机床上同时实现铣削、锉削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹，甚至磨削等 多种工序的加工。工件一经装夹，各种工序和工艺加工过程集中到同一台设备上完成，从 而避免了工件多次装夹所造成的定位误差，确保零件的形位公差，减少装夹辅助时间，减 少设备台数和占地面积。 为了进一步提高工效， 现代数控机床采用了多主轴、 多面体切削， 即同时对一个零件的不同

20、部位进行不同方式的切削加工，如各类五面体加工中心。(2) 前台加工、后台编辑的前后台功能。现代数控系统采用了多CP结构和分级中断控制方式，可以在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的前台加工后台编辑即操作者可在机床进入自动循环加工的空余期间，同时利用数控系统的键盘和CR进行零件加工的编制，并利用CRTa行动态图形模拟显示及所编程序的加工轨迹，进行程序的 调试和修改，以充分提高工作效益和机床利用率。(3) 具有更高的通信功能。为了适应FMC,F M以及进一步联网组成ClMS勺要求，一般的数控系统都具有RS-232(和RS-422高速远距离串行接口，可以按照用户级的格式要求， 同上一级计

21、算机进行多种数据交换。高档的数控系统应有的DN接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。现 代 数 控机床，为了适 应自动化技术的进一步发展，满足工厂自动化规模越来越大的要求，满足不同厂家不同类 型数控机床联网的需要，采用了 MA工业控制网络，现在已经实现了 MAP3.0版本，为现代 数控机床进入FMSnCXMSJ造了条件。1.2.3 智能化(1) 引进自适应控制技术。自适应控制的目的是要求在随机变化的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作 参数，己达到或接近最佳工作状态。由于在实际加工过程中，大约有30

22、余种变量直接和间接影响加工效果，如工件毛坯余量不匀、材料硬度不一致、刀具磨损、工件变形、机床热 变形、化学亲和力的大小、切削液的粘度等，难以用最佳参数进行切削。而自适应控制系 统则能根据切削条件的变化，自动调节工作参数，如伺服进给参数、切削用量等，使加工 保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的 使用寿命和设备的生产效率。(2) 故障自诊断、自修复功能。主要是利用 CN係统的内装程序实现在线诊断，即在整个工作状态中，系统随时对CN係统本身以及与其相连的各种设备进行自动诊断、检查。 一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并通过了CRTa行故障报警、提示发生故障

23、的部位、原因等。并利用冗余技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保在无人化 工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，最近又提出了人工智能专家诊断系统，它 主要由知识库、推理机和人机控制器三部分组成。(3) 刀具寿命自动检测更换。利用红外、声发射、激光等各种检测手段，对刀具和工 件进行监测。发现工件超差、刀具磨损、破损，进行及时报警、自动补偿或更换备用刀具， 以保证产品质量。(4) 进行模式识别技术。应用图像识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自然 语音命令进行加工。1.2.4 数控系统小型化数控系统体积小型化便于将机、 电装置融合为一体。 目前主要采用超大规模集成元件、 多层印制

24、电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度的安装，可以较大的缩小 了系统的占有空间。此外，用新型的 TFT彩色液晶薄膜型显示器，代替传统的阴极射线管 CRT即可使数控操作系统进一步小型化。这样可更方便地将它安装在机床设备上，更便 于对数控机床的操作使用。1.2.5 数控编程自动化 由于微处理机的应用，使数控编程从脱机编程发展到在线编程，实现了人机对话，给程序编辑、调试、修改带来了极大的方便。并进一步采用了前台加工后台编辑的前后台功能，使数控机床的利用率得到更大的发挥。随着计算机应用技术的发展，目前CAD被弹入图形交互式自动编程已得到应用，它是利用 CAD绘制的零件加工图样，自动生成 N(

25、零件加 工程序，实现CA与CA啲集成。随着ClM战术的发展，目前又出现了 CADCAPPCAM成的 全自动编程方式，它与CAD/CA系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必有 人工参与，直接从系统内的CAP数据库获得。另外，还出现了测量、编程、加工一体化系 统。它是通过激光快速扫描成型系统、三坐标测量机等对样机零件进行测量，并把所测得 数据直接送入计算机内，一方面通过 CAD系统而获得样机零件图样，另一方面通过数控自 动编程系统，将其处理生成N(加工程序，然后通过通信接口送入数控机床，进行控制自动 加工。1.2.6 更高的可靠性 数控机床工作的可靠性是用户最关注的主要指标，它主要取决于

26、数控系统和各伺服驱动单元的可靠性，为提高可靠性，目前主要在以下几个方面采取措施。(1) 提高系统硬件质量 . 采用更高集成度的电路芯片，利用大规模和超大规模的专用 机混合式集成电路，以减少元器件的数量，精简外部连线和降低功耗，对元器件进行严格 筛选，采用高质量的多层印制电路板，实行三维高密度安装工艺，并经过必要的老化、振 动等有关考机试验。(2) 模块化、标准化和通用化。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求， 同时采用硬件结构模块化、标准化和通用化，既提高了硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关(3) 增强故障自诊断、自恢复和保护功能。通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线 诊断等多种自

27、诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。 利用报警提示，及时排除故障 ; 利用容错技术，对重要部件采取冗余设计，以实现故障自 恢复; 利用各种测试、监控技术，当产生超程、刀损、干扰、断电等各种意外事件时，自 动进行相应的保护。1.3 机床数控化改造的必要性 从微观上看数控机床相对传统机床有以下突出的优越性。这些优越性均来自数控系统 所包含的计算机的特性。(1) 可以加工出传统机床无法加工的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机可以瞬时 准确地计算出每个坐标轴的运动量，就可以复合成复杂 的曲线和曲面。(2) 可实现加工的自动化，且是柔性自动化，效率比传统机床提高 3-7 倍

28、。计算机可 以将输入的程序记忆和存储，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。传统 机床可以靠凸轮或挡块等实现自动化，称之为刚性自动化。但凸轮制造及调整比较费时， 只有进行大批量生产时才经济合理。而数控机床只要更换一个程序就可实现另一工件加工 的自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化，称之为“柔性自动化”。(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”。加工过程 自动化，不受人的情绪高低和疲劳因素的影响。计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不 会因为刀具磨损而影响工件精度和一致性。此外数控系统中增加了机床误差、加工误差修 正补偿的功能，使加工精度得到进一步提高。(

29、4) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运是自动化带来的效果 ( 可以 自动更换刀具 ) 。如加工中心在工件装夹后，可实现钻、铣、铿、攻丝、扩孔等多工序的 加工。现在己出现其他工序集中的机床、如车削中心、车铣中心、 磨削中心等。(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加 工。在配备多种传感器条件下，工人只工作 8 小时，而机床可工作 24小时，劳动生产率的 提高和生产周期的缩短等效益是非常明显的。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。从宏观上看工业发达国家的

30、军、民机械工业在 70年代末、 80年代初己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 ） 的技术改造，除采 用数控机床外、还包括推行 CAD, CAE,CA及MIS（管理信息系统）、CMS计算机集成制造系 统）。以及在其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、民机械工业进行深入改造 （称之为信息化 ） ，最终使得产品在国际军品和民品的市场上 竞争力大为增强，而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后约20年，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性和迫切性。从20世纪 80年代开始，我国的数

31、控机床在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量 的开发工作，到 1995年底，我国数控机床的可供品种己超过 300种，其中数控车床占 40%以 上。但是大型卧式锉铣床由于其精度高，加工零件曲线的不规则，对数控系统及机床结构 等方面要求都高，目前国内的大部分均采用昂贵的进口设备。10 -第二章 机床改造的任务及总体思想2.1 机床改造的总体任务 进给伺服系统设计计算：此部分为设计计算部分，用以确定脉冲当量，进给牵引力， 选择丝杠螺母副，计算传动效率，确定传动比，选择伺服电机等，并绘制改造后机床的总 装配图及箱体。2.2 运动系统方案确定2.2.1 伺服系统的选择 伺服系统分为开环控制系统、半闭环

32、控制系统和闭环控制系统： 开环控制系统中没有检测反馈装置，数控装置的控制指令直接通过驱动装置控制步进 电机的运转，然后通过机械传动系统转化成刀架或工作台的位移。这种控制系统由于没有 检测反馈校正，位移精度一般不高，但其控制方便、结构简单、价格便宜。闭环控制系统又称全闭环控制系统，其检测装置安装在机床刀架或工作台等执行部件上，用以直接检测这些执行部件的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置的指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制。但是，由于很多机械传动环节包含在闭环控制 的环路中，各部件的摩擦性，刚性等都是非线性量，直接影响系统的调节参数，因此，闭 环系统的设计和调速都有很大难度。所以，

33、闭环控制系统主要用于精度要求高的场合。半闭环控制系统，它的检测元件装在电机或者丝杠的端头，通过测量伺服电机的角位 移间接计算出机床工作台等执行部件的实际位置（或位移） ，然后进行反馈控制。由于将 丝杠螺母副及机床工作台等大惯量环节排除在闭环控制系统之外，不能补偿他们的运动误 差，精度受到影响，但系统稳定性有所提高，调试比较方便、价格也较全闭环系统便宜。本次改造由于使用步进电机，所以可以选择开环控制系统。2.2.2 传动方式的选择 为保证改造后的数控系统的传动精度及工作台的平稳性，在设计机床的传动系统时，应努力保证传动系统低摩擦、 低惯量、高效率、高刚度。因此在传动系统中注意以下几点：（1）用低

34、摩擦高精度的传动元件：如滚珠丝杠螺母副，滚动导轨。（2）采用消隙齿轮减小传动间隙。2.3 数控系统软硬件总体设计为了使数控系统能够长期、可靠、方便地在工业环镜中运行，在制定数控系统总体方 案时必须重点考虑以下几个方面。(1) 加强系统可靠性。影响数控系统可靠性的因素很多，硬件规模和硬件的制造工艺 水平往往是影响可靠性的关键因素。因此，应选用高性能的CP作为系统的运算和控制核心，并尽量用软件来实现数控系统的功能。在系统的具体硬件构成上，选用可靠性高的工 控PC乍为数控系统硬件平台，减少自制硬件数量。此外，在软件设计、电源选用、接插件 设计与选用、接地与屏蔽设计等方面采用强抗干扰、高可靠性的设计，

35、从而全面提高系统 的可靠性。(2) 提高数控系统的控制精度。数控系统的控制精度是保证机床加工精度的关键。因 此，它在数控系统中处于重要位置。如提高数控系统的最小分辨率，使用高精度的步进电 机，采用高速高精度插补算法， 提高轨迹生成精度 ; 增强位置环控制能力 ;增加补偿功能等。(3) 提高使用方便性。提高数控编程的方便性，是提高数控系统使用方便性的关键。 因此，数控系统除提供全屏幕编辑进行手工编程外，还应该配置自动编程系统，从而大大 提高数控编程的速度和智能化程度，大大方便普通用户的使用。另外，因为现代工人都比 较熟悉个人计算机，数控系统在操作方面应采用标准计算机键盘或与其兼容的薄膜键盘等 输

36、入设备，也可用软盘、移动磁盘、串行通讯、网络系统等输入零件程序。此外，数控系 统中应设置仿真功能，便于用户在加工前检查零件程序的正确性。2.4 数控系统硬件结构系统由工控PC硬件平台、数控操作面板(包括LCt显示器，键盘)、数控接口板卡(工/0 板，D/A板)和驱动执行机构等组成。P(硬件平台包括工控电源、无源母板、工控 PC主板和 软盘驱动器、硬盘驱动器等。数控操作面板上有液晶显示器和薄膜键盘等。数控接口板卡 是计算机与外部执行装置间进行信息交换和转换的通道，对内通过无源母板与工控PC主板相连，对外通过屏蔽电缆与驱动执行装置相连接。该系统的驱动执行环节包括四个子系统 :进给轴控制与驱动子系统

37、 ; 主轴控制与驱动 子系统;开关量控制系统。主轴控制与驱动子系统的功能包括两方面 :主轴转速的调速控制，以满足宽范围切削 速度的要求 ;主轴转角的精确控制，以满足加工螺纹时的主轴与进给轴的联动控制和换刀 时的主轴精确定位控制要求。开关量控制系统完成机床的逻辑顺序运动控制，如主轴起停控制、刀具交换、工件装 夹、冷却开关、行程保护等任务。开关量控制系统与其它模块相配合，共同完成机床工作 过程的控制。2.5 数控系统软件结构数控系统软件为实时多任务系统，系统中的各任务在数控实时操作系统控制下协调进 行。(1) 数控实时操作系统。它是数控系统软件中的核心子系统，它对系统中的资源进行 统一管理，对各任

38、务进行动态调度，协调各模块的高效运行，并辅助完成各任务间的通讯 和信息交换。(2) 信息预处理。 该模块完成输入信息译码， 完成轨迹插补前的坐标转换和刀补运算(3) 轨迹插补。它是数控系统的核心模块，其任务是根据信息预处理给出的希望轨迹 和从检测装置获得的实际轨迹信息，实时生成机床各坐标轴的移动指令，并完成机床运动 的加减速控制。(4) 运动控制。该模块是数控系统的另一核心模块，它根据插补运算结果，通过高速 算法对机床各坐标轴进行高精度位置控制，并完成主轴转速与转角的控制任务。(5) 加工仿真模块。该模块以动画方式对数控加工过程进行动态仿真，从而在加工前 检验参数输入正确性和机床运动合理性第三

39、章进给伺服系统传动计算CA6163机床主要技术参数如表 3-1:最大回转直径630mm电机功率10KWLmaX2000mm快进速度纵向2.4mmin横向1.2mmin切削速度纵向0.5mmin横向0.25mmin定位精度0.015mm移动部件重量纵向1200N横向800N加速时间30ms机床效率0.7表3-1CA6163机床主要技术参数3.1确定系统脉冲当量车床纵向脉冲当量为0.01/mm脉冲；横向脉冲当量为0.005mm/脉冲3.2切削力的确定纵切端面时的主切削力FZ =0.67Dmi= 10595N)Fy 0.4Fz 4238(N)1FX -FZ 2649(N)横切端面时的主切削力1FZ

40、2 Fz 5297(N)1Fy FZ 1324(N)4FX 0.4F；2119(N)其中：DmaX车床床身加工最大直径，单位为mm。3.3计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削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。因此其数值的大小与导轨的类型有关。纵向采用三角形导轨：FmKFXf'(FzG) 1.1526490.16 (105951200)4934(N)横向采用燕尾形导轨：FmKFXf'(F；2Fy G)1.4 2119 0.2 (2119 2 1324 800)4080(N)式中：G为移动部件的重量(N)；f'为导轨上的摩擦系数

41、，随导轨形势而不同；K为考虑颠覆力矩影响的实验系数。在正常情况下，K及f'可取如下数值：燕尾形导轨：K=1.4f' 0.2三角形导轨：K=1.15 f' 0.15 0.183.4计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径d0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 大动负载C,计算如下：纵向：初选丝杠基本导程L0 8mm20 -1000VSS 31.25L060 31.25 1500028.1251063LC查表取FFZD 5008,Fm 3 28.125 1.2 49341800

42、5.8(kN)L0 8mm,do50mm, Ca25kN。横向:初选丝杠基本导程1000VS1000LOLO0.16mm,16.760 16.7151.2 408012075(kN)查表选择 FFZD2506,L0 6,d0 25,Ca 13kN均为FFZD型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副其中：VS为最大切削力条件下的 进给速度（m/min）。可取最高进给速度 的1/2 1/3 ； L0为丝杠导程，（mm）;T为使用寿命，（h）,对于数控机床取 T 15000h;fw运转系数见表3 2运转状态运转系数无冲击状态1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.5

43、2.5表3-2运转系数3.5传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率tg-tg（ ）其中：丝杠螺旋升角摩擦角，滚珠丝杠副的 滚动摩擦系数f 0.003 0.004,其摩擦角约为10分L。8r arcta narcta n2.92纵向：d050tg2.9294.33%tg(2.920.17 )L。6r arcta narcta n4.37横向：d。25tg4.3796.25%tg(4.370.17 )3.6刚度计算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量纵向:Fm LO4934 8EF420.6 10(50)259.76 1

44、0 (mm)LIL 9.76 10 58 10000.0122(mm)LO3 I 0.0122 30.0366(mm)预紧后满足要求横向;Fm L。EF4080 62°6 1。4 (發41.42 10 (mm)占 L 2.42 1046 500 0.0132(mm)预紧后满足要求3.7进给伺服系统传动计算3.7.1确定传动比确定当机床脉冲当量和滚珠丝杠导程确定以后，可以先初选步进电 机的步距角，计算伺服系统的降速比Ii360 P纵向：0.6 84i360 0.013横向：0.6 6 Oi2360 0.0053.7.2齿轮参数的计算摸数m取2。计算如下：纵向：取小圆齿数为36,d1 z

45、1m 36272( mm)小齿轮：ha ham 1 22(mm)hf 1.25m1.25 22.5(mm)大齿轮：d2 z2m 48 296(mm)横向：取小圆齿数为18小齿轮：d1 z1m 18 2 36( mm)ha ha m 1 2 2( mm)hf1.25m 1.25 2 2.5(mm)大齿轮:d2 z2m 36 272(mm)3.8步进电机的计算和选用3.8.1转动惯量的计算（1）齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算（kg.cm2）MD对于钢材:0.78D4L10式中:M 圆柱体质量（kg）D圆柱体直径（Cm）L圆柱体长度（Cm）钢材的密度7.8 103cm2对于齿轮:D可取分度圆直径，L

46、取齿轮宽度；对于丝杠：D可近似取丝杠公称直径一滚珠直径，L取丝杠长度。具体计算如下:纵向:J丝杠0.785420010 3297.5(kg.cm )JZ大0.789.64210 3213.25(kg .cm )JZ小0.787.24210 34.19(kg.cm2)横向:J丝杠0.782.547510322.285(kg.cm )JZ大0.787.241.810323.77(kg.cm )JZ小0.783.641.81030.236(kg.cm2)（2）丝杠传动时折算到电机轴上的总传动惯量步进电机经一对齿轮降速后传到丝杠，此传动系统折算到电机轴上的转动惯量为:J JI (KJ2 JS)防)2式

47、中:J传动系统折算到电机轴上的转动惯量（kg.cm2）;J1小齿轮的转动惯量（kg.cm2）;J2大齿轮的转动惯量（kg.cm2）;JS丝杠的转动惯量（kg.cm2）;G 工作台及工件等移动部件的重量（N）;LO丝杠的导程（Cm）O具体计算如下：1200 0.827C2 X97.5)() (67.70kg.cm )9.822.285) 800(0)2(1.94kg .cm2)9.8 23 2纵向：J 4.19（一）（13.254横向：J 0.236（1）2（3.7723.8.2电机力矩的计算电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩、最大切削负载时所需

48、力矩等几部分介绍其计算方法（1）快速空载起动时所需力矩M起M 起 MmaX Mf M 0式中:M起快速空载起动力矩（Nm）;MmaX空载起动时折算到电机 轴上的加速力矩（Nm）;M f折算到电机轴上的摩擦 力矩（Nm）;M 0由于丝杠预紧时折算到 电机轴上的附加摩擦力 矩（Nm）（2）快速进给时所需力矩M快M 快 Mf Mo因此对运动部件已起动，固不包含MamaX ,显然M快M起。（3）最大切削负载时所需力矩 M切M 切 Mf M0 Mt式中：Mt折算到电机轴上的切削 负载力矩（N.m）。在采用丝杠螺母副传动时，上述各种力矩可用下式计算M amx Jnmax更210 2nmax60ta10J传

49、动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量（kg.cm2）;电机最大角加速度（Ns）;式中：nmax电机最大转速（rmin）;P 脉冲当量（mm）;b步进电机的步距角（）；ta运动部件从停止加速到 最大进给速度所需要的 时间（S）O摩擦力矩M f（ N.m）FoLo2i式中:F0垂直方向切削力(N);空载快速起动时F。 f'G,进行切削加工时Fo 引力处摩擦力的计算；G 运动部件总重量(N)；f'导轨摩擦系数；i齿轮降速比，按i z2z1计算；传动链总效率，一般可 取0.70.85o附加摩擦力矩M 0( N .m)f'(Fz G)，其计算如计算牵式中:F po Lo2Mo -

50、 712)2FPO滚珠丝杠预加载荷，-L0滚珠丝杠导程；O滚珠丝杠未预紧时的传般取13Fm, Fm为进给牵引力动效率，一般取O 0.9。N )；折算到电机轴上的切削负载力矩 Mt(N .cm)F丄O2i式中:Ft进给方向最大切削力(其于参数如上。具体计算:M a max1.94240060 0.03102.71(N.m)M f横向：M f0.2 800 0.62 0.8 2100.0955(N.m)Mt0.2(800 5297) 0.62 0.8 210 20.728( N.m)4080 1/3 0.62 0.8 22119 0.6102 0.8 296.25%2) 101.264( N.m)

51、0.055(N.m)M 起 MmaX M fM02.710.09550.0552.86( N.m)M切 MfM O Mt 0.7280.0551.2642.047(N.m)纵向：由上面计算知，在M起、M快、M切三种工况下，快速空载起动所需力矩最大,所以只需计算M起amax67.70001060 0.039.45(N .m)M 'f0.229(N.m)016 1200 08 10M0M起49341/3 0.8/(120.8 4/3M max Mf M 020.8 4/32294.33%)100.216(N.m)3.8870.2290.2164.332( N.m)3.9步进电机的选择目前，

52、经济型数控车床中大多数采用反应式步进电机。1. 首先根据最大静转距MjmaX初选电机型号从表中查出，当步进电机为三相六拍时，M 起 /Mjmax O*866纵向：M 起 /4.332/0.8665.002( N.m)按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，110BYG3500型最大静转矩转矩为8N.m ,大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。步进电机起动频率ffq 1000VmaX1000 24 4000 HZq 60 P 60 0.01最咼工作频率f1000vs 1000 0.8 1333 HZ g 60 P 60 0.01从电机表中查出，

53、300OoHZ满足要求。110BYG3500型步进电机的空载起动频率为1600HZ运行频率为横向：M 起 /2.86/0.8663.30N.m按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，90BYGH350型最大静转矩转矩为 5N.m,大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运 行矩频特性。步进电机起动频率f1000VmaX1000 124000 HZq60 P60 0.005最咼工作频率fC 1000VS 1000 0.4LS1333 HZg 60 P 60 0.005从电机表中查出，30000Hz满足要求。90BYGH3500型步进电机的空载起动频率为 180

54、0HZ运行频率为机的具体型号选取。结论本文论述了 CA616型车床的数字化改造的方法和原理，通过计算和论证，设计了车床 改造后的传动机构，提高了车床的加工精度，并利用单片机，实现车床电气控制的方案， 并为改造后的车床编制了控制程序。从车床数控改造，得到如下结论：1. 改造后的数控车床采用开环控制系统直接通过驱动装置控制步进电机的运转，控制 方便、结构简单、价格便宜，高精度的步进电机作为驱动装置，经过计算采用丝杠作为传 动部件提高车床的加工精度。2. 数字控制系统硬件部分使用8031作为主控器，2764进行外部存贮器扩展，8155与三 相电机直连，结构简单，控制达到要求。3. 为改造后的车床编制

55、了控制程序，包括直线和圆弧两种基本插补方式，可以完成车 床的多种加工要求。总之，通过此课题的设计研究，本人收获甚大：1. 本人对机床，特别是车床有了深刻地了解，对车床的工作原理、组成、结构等方面 的知识有了一个系统而全面地认识2. 系统学习了数控机床的相关知识，阅读了大量关于CN係统、NC系统的说明书及相关资料，为今后从事控制系统的设计工作奠定了基础 3. 学习了一些网络知识，训练了综合运用知识和电脑绘图的能力，锻炼了实践操作能 力。本次设计改造的经验，使我对机械产生了更加浓厚的兴趣，同时对机械这门学科也有 了比较具体的认识，这必将对我以后的学习和工作带来很大的好处。参考文献 :1 蔡春源 雷天觉 任兴机，等 . 机电液设计手册 . 北京：机械工业出版社， 1997.2 徐炳松，张秀艳，张茵麦，等 . 画法几何及机械制图 . 北京：高等教育出版社， 1999.3 刘杰 . 机电一体化技术基础与产品设计 . 沈阳：东北大学出版社， 2