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C616
数控车床
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1目目 录录目 录.11.1 数控设备与技术现状1.21.1.1 数控设备.21.1.2 数控技术.21.1.3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考.31.2 数控机床发展概况2.41.2.1 数控机床的一般原理.41.2.2 机床数控系统的分类.81.2.3 国内数控机床的特点1.101.2.4 国外数控机床状况分析1.101.2.5 数控机床的发展预测1.111.3 本文的选题及主要研究内容.121.3.1 本文的选题.121.3.2 主要研究内容.122 机械部分改造.132.1 设计方案的确定.132.2 机械部分改造4.142.2.1 纵向进给系统的计算与设计.142.2.2 横向进给系统的计算与设计.223 电气部分改造.263.1 步进电机选用的基本原则4.263.2 步进电机的选择4.273.2.1 纵向进给系统步进电机的确定.273.2.2 横向进给系统步进电机的确定.273.3 数控系统的硬件电路设计.2823.3.1 数控系统基本硬件组成.283.3.2 单片机控制系统的设计11.293.4 光电隔离电路4.313.5 功率放大电路4.324 总结.33参考文献.34附 录.355 软件编程.35致 谢.3931 绪论绪论1.1 数控设备与技术现状数控设备与技术现状11.1.1 数控设备数控设备近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以 FMS 模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。2001 年，我国机床工业产值已进入世界第 5 名，机床消费额在世界排名上升到第 3 位，达 47.39 亿美元，仅次于美国的 53.67 亿美元，消费额比上一年增长 25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001 年进口机床跃升至世界第 2 位，达 24.06 亿美元，比上年增长 27.3%。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等，出口的数控机床品种以中低档为主。1.1.2 数控技术数控技术装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，有什么劳动资料生产” 。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用的数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控4装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：（1）机械制造技术；（2）信息处理、加工、传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感器技术；（6）软件技术等。1.1.3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考对我国数控技术和产业化发展的战略思考一 、战略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯” 。我们以资源。环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心” ，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，多我国实现禁运和限制， “东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。二 、发展战略从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数5控技术、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、买得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。1.2 数控机床发展概况数控机床发展概况21949 年，美国帕森公司与美国空军合作，研制了一种计算装置，用于满足日益复杂的飞机叶片的自动加工，于是，帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。在半个世纪里，数控技术经历了电子管数控系统、晶体管数控系统、集成电路数控系统到微型计算机数控系统（CNC）四个阶段。现代数控技术是 20 世纪 70 年代发展起来的机床控制新技术，它综合了微电子技术、计算机技术、现代控制技术、传感器检测技术、信息处理技术和机械制造技术，是先进制造技术的核心。而采用数控技术的典型产品数控机床是机电工业的重要基础装备，是汽车、石化、电子等支柱产业现代化的重要手段。从 20 世纪 80 年代开始，我国的数控机床在引进、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已超过 300种，其中数控车床占 40%以上。1.2.1 数控机床的一般原理数控机床的一般原理一 、数字控制的基本概念数字控制（Numerical ControlNC） ，简称为数控，是一种自动控制技6术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。数字控制是相对于模拟控制而言的，数字控制系统中的控制信息是数字量，而模拟控制系统中的控制量是模拟量。数字控制与模拟控制相比有许多优点，如可用不同的字长表示不同精度的信息，可对数字化信息进行逻辑运算、数学运算等复杂的信息处理工作，特别是可用软件来改变信息处理的方式或过程，而不用改动电路或机械机构，从而使机械设备具有很大的“柔性” 。因此数字控制已被广泛用于机械运动的轨迹控制和机械系统的开关量控制，如机床的控制、机器人的控制等。数字控制的对象是多种多样的，但数控机床是最早应用数控技术的控制对象，也是最典型的数控化设备。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟（International Federation of Information ProcessingIFIP）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其它符号编码指令规定的程序。定义中所提的程序控制系统，就是数控系统（Numerical Control System） 。数控系统是一种控制系统，它自动输入载体上事先给定数字量，并将其译码，在进行必要的信息处理和运算后，控制机床动作和加工零件。最初的数控系统是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控系统。随着微型计算机的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控系统（Computer Numerical Control）简称 CNC。CNC 系统是由计算机承担数控中的命令发生器和控制器的数控系统。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而具有真正的“柔性” ，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。二、 数控机床的组成数控机床是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分组成，如图 1-1 所示 计算机数控系统伺服系统机床信息载体图 1-1 数控机床的组成71. 信息载体信息载体又称控制介质，用于记录数控机床加工一个零件所必需的各种信息，如零件加工位置数据、工艺参数等，以控制机床的运动，实现零件的机械加工。常用的信息载体有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等，并通过相应的输入装置将信息输入到数控系统中。数控机床也可采用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接输入，或通过窜行口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。高级的数控系统可能还包括一套自动编程机或者 CAD/CAM 系统。由这些设备实现编制程序、输入程序、输入数据以及显示、模拟显示、存储和打印等功能。2. 计算机数控系统计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制机床的动作。它由硬件和软件组成。硬件除计算机外，其外围设备主要包括光电阅读机、CRT、键盘、棉板、机床接口等。光电阅读机是输入系统程序和零件加工程序；CRT 供显示和监控用；键盘用于输入操作命令及编辑、修改程序段，也可输入零件加工程序；操作面板可供操作人员改变操作方式、输入整定数据、启停加工等；机床接口是计算机和机床之间联系的桥梁，机床接口包括伺服驱动接口及机床输入/输出接口。伺服驱动接口主要是进行数/模转化，以及对反馈元件的输出进行数字化处理并记录，以供计算机采样；机床输入/输出接口是用于处理辅助功能。软件由管理软件和控制软件组成。管理软件主要包括输入输出、显示、诊断等程序；控制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制等部分组成。数控装置控制机床的动作可概括为：（1）机床主运动，包括主轴的启动、停止、转向和速度选择等 ；（2）机床的进给运动，如点位、直线、圆弧、循环进给的选择，坐标方向进给速度的选择等；（3）刀具的选择和刀具的补偿（长度、半径） ；（4）其它辅助运动，如各种辅助操作，工作台的锁紧和松开，工作台的旋转与分度和冷却泵的开、停等。3. 伺服系统 它是数控系统的执行部分，包括驱动机构和机床移动部件，它接受数控装8置发来的各种动作命令，驱动受控设备运动。伺服电动机可以是步进电机、电液马达、直流伺服电机或交流伺服电机。4. 机床它是用于完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上发展来的，但也做了很多改进和提高，它的主要特点是：（1）由于大多数数控机床采用了高性能的主轴和伺服传动系统，因此数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短；（2）为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机床结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形较小；（3）更多的采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等；（4）不少数控技术还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床各种效率。三、 计算机控制系统的工作原理1.输入 输入给数控系统的有零件加工程序、控制参数和补偿数据等。 2.译码 输入的程序段含有零件的轮廓信息（起点、终点、直线还是圆弧等） 、要求的加工速度以及其它的辅助信息（换刀、换档、冷却液开关等） 。计算机依靠译码程序来识别这些符号，将加工程序翻译成计算机内部能识别的语言。3.数据处理 数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算是解决该加工数据段以什么样的速度运动的问题。加工速度的确定也是一个工艺问题。数控系统仅仅是保证这个编程速度的可靠实现。另外，辅助功能如换刀、换档等亦在这个程序中实现。4.插补 即根据给定的曲线类型（如直线、圆弧或高次曲线） 、起点、终点以及速度，在起点和终点之间进行数据点的密化。计算机数控系统的插补功能主要由软件来实现，目前主要有两类插补方法：一是脉冲增量插补，它的特点是每次插补运算结束产生一个进给脉冲；二是数字增量插补，它的特点是插补运算在每个插补周期进行一次，根据指令进行速度计算出一个微小的直线数据段。5.伺服控制 将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令，经变换和放大后转化为伺服电机（步进电机或交、直流伺服电机）的转动，从而带动机床9工作台移动。6.管理程序 当一个数据段开始插补时，功能程序即着手准备下一个数据段的读入、译码、数据处理。即由它调用各个功能子程序，且保证一个数据段加工过程中将下一个程序段准备就绪。一旦本数据段加工完成，即开始下一个数据段的插补加工。整个零件加工就是在这种周而复始的工程中完成。1.2.2 机床数控系统的分类机床数控系统的分类机床数控系统的种类很多，为了便于了解和研究，可以从不同的角度对其分类。可以按伺服系统的控制方式，机床的运动轨迹，数控系统功能水平分类。一般地，按伺服系统的控制方式进行分类。伺服系统包括驱动机构和机床移动部件，它是数控系统的执行部分，按其控制原理可分为以下三类。1.开环控制系统（Open Loop Control System）典型的开环伺服系统如图 1-2 所示，是采用步进电机的伺服系统。对于数控装置发来的每一个进给脉冲经驱动线路放大并驱动步进电机转动一个步距（即一个固定的角度，如 1.5） ，再经减速齿轮带动丝杠旋转，并通过丝杠螺母副传东工作台的移动。可以看出工作台的移动量与进给脉冲的数量成正比。显然这种开环系统的精度完全依赖于步进电机的步距精度及齿轮、丝杠的传动精度。它没有测量反馈矫正措施，所以对高精度的数控机床往往不能满足要求，但开环系统的结构简单、调试容易、造价低，在数控机床的发展过程中占有一定的重要地位，现在仍普遍采用。数控装置放大步进电机减速齿轮丝杠螺母工作台图 1-2 开环伺服系统方框图 2. 半闭环控制系统（Semi-closed Loop Control System）如图 1-3 所示，采用装在丝杠上的角位测量丝杠或电机轴的转动量间接地测量工作台的移动量。它的优点就是不论工作台位移的长短，角位移测量元件10制成可循环使用。360数控装置伺服电机放大减速齿轮工作台比较装置测量装置测量装置丝杠螺母图 1-3 半闭环伺服系统方框图半闭环的意思就是用丝杠（或电机轴）的转动量与数控装置的命令相比较（闭环） ，而另一部分丝杠螺母工作台的位移量不受闭环控制（开环） ，故称为半闭环。显然，从理论上讲，半闭环的精度低于闭环，但半闭环调试方便，稳定性好，角位移的测量元件简单、价廉，所以配备传动精度较高的齿轮、丝杠的半闭环系统得到广泛应用。3.闭环控制系统（Closed Control System）如图 1-4 所示，采用直线位移测量元件，测量机床移动部件工作台（主轴箱）的位置并将测量结果送回与数控装置命令的移动量相比较，二者不相等而有差值时，将此差值放大外控制伺服电机带工作太继续移动；直至测量值与命令值相等差值为零或接近于零时停止移动。从理论上讲，闭环伺服系统的精度取决于测量工作台的精度，但实际上机床的结构、传动装置以及传动间隙等非线形因素都会影响精度，严重的还会使闭环伺服系统的品质下降甚至引起振荡。数控装置比较装置放大丝杠螺母减速齿轮伺服电机测量装置工作台11图 1-4 闭环伺服系统方框图1.2.3 国内数控机床的特点国内数控机床的特点11.新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位 例如：全长 33 公里的上海磁悬浮快速列车线，是“十五”期间国家重点建设项目，其中组成列车线的 2550 根轨道梁是整个工程的最关键部分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。前年年初，沈阳机床集团机床股份有限公司中捷友谊厂以工期 6 个月、标的 6200 万元在磁悬浮轨道专用数控机床项目公开招标中折挂，并于 8 月低将一次性验收合格的 8 台数控镗铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，目前这套铣镗加工中心已加工出轨道梁 1100 根，确保了轨道梁的加工精度和速度，为实现今年年底试车打下了良好了基础。2. 数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高2001 年国内数控金切机床产量已达 1.8 万台，比上年增长 28.5%。金切机床产值数控化率从 2000 年的 17.4%提高到 2001 年的 22.7%。3. 数控机床发展的关键配套产品有了突破今年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展，如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台；烟台第二机床附件厂开发了为数控龙门镗铣床、数控落地镗铣床及数控锻压设备等 30 多个系列 100 多个品种的数控配套产品。1.2.4 国外数控机床状况分析国外数控机床状况分析11.国际机床市场的消费主流是数控机床1998 年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达70%，我国为 60%。目前世界数控机床消费额趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。2.国外数控机床的网络化随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另一角度来看，目前流行的 ERP 即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的12管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的 ERP 就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例；第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。以 FANUC 和 SIEMENS 为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统，在这些系统中，除了传统的 RS232 接口外，还备有以太网，为数控机床联网提供了基本条件。由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。1.2.5 数控机床的发展预测数控机床的发展预测11. 数控机床推广应用逐步由经济型为主普及型为主转变据预测分析，到 2006 年我国机床的数控化率为 9.5%10.36%，到 2010 年将达到 16.5%19.27%。经济型所占比重继续减少，普及型所占比重继续增长，高级型的需求缓慢增长。2. 数控金切机床的构成比逐渐趋于合理数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的构成比不同于传统的机床构成比。3. 数控机床的应用由单机向单元（系统）方向发展目前欧、美、日等国应用 DNC 已很普遍，柔性制造单元已占数控机床销售量的 30%以上。而我国 FMC、FMS 和 FML 的拥有量不足 50 套，相当于日本 80 年代的水平，占数控机床消费额不到 5%。 4. 出口前景良好1998 年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在 5 亿美元左右，2000 年上升到 7.85 亿美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和巩固，13以及我国加入 WTO，今后几年我国机床出口将实现平稳、持续增长。预计到2006 年出口创汇可达到 12 亿美元。1.3 本文的选题及主要研究内容本文的选题及主要研究内容1.3.1 本文的选题本文的选题对 C616 型车床进行数控化改造1.3.2 主要研究内容主要研究内容1.机械部分改造2.电气部分改造3.软件设计（编程）142 机械部分改造机械部分改造2.1 设计方案的确定设计方案的确定利用数控装置对纵横进给系统进行开环控制，以步进电机为驱动元件，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架，对 C616 普通车床进行技术改造就可以组成一个经济型数控车床，实现微机控制下的自动加工。改造后的车床把车床的主运动和进给运动分离开来。主电机的作用仅仅是带动工件旋转，而刀架的进给运动则是由步进电机直接带动车床的纵横丝杠来实现。其改造后结构原理示意图如图 2-1 所示。单片微型机接口接口接口光电耦合光电耦合主轴脉冲发生器功率放大器纵向步进电机横向步进电机变速箱变速箱滚珠丝杆滚珠丝杆功率放大交流控制电动机电动刀架图 2-1 C616 型车床的数控化改造结构原理图操作时，根据零件的加工工艺，按数控系统的规定的方式编制零件的加工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机对加工程序处理后发出一系列脉冲信号，经过功率放大器放大后驱动 2 台步进电机，按规定的方向、速度和位移量，完成刀架纵横两个方向的进给，使车刀实现直线或圆弧的切削。在加工螺纹时，通过主轴脉冲发生器发生进给运动，从而加工出各种标准螺纹。换刀时，微机发出换刀信号，刀架控制箱继电器动作，电机正转，通过减速机构和升降机构，将上刀体上升至一定位置，带动刀体旋转到所选刀位，然后定位，完成换刀动作。20152.2 机械部分改造机械部分改造42.2.1 纵向进给系统的计算与纵向进给系统的计算与设计设计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2-2 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 2-2 数控改造的总体方案示意图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： =8mm0L 行程： S =700mm16 脉冲当量: p=0.02mm/step 步距角： =0.75/step快速进给速度： =2.5m/minmaxV (1) 切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 （2-KNNc1） 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. 0K进给系统功率系数，取为 K=0.96。 则： =40.650.96=2.496 kWcN 又因为 （2-6120/vFNzc2） 所以 vNFcz/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）zF 由金属切削原理可知，主切削力 （2-ZZFZFZFYXpFzKfCF3）查表得： =188kgf/=1880MPaZFC =1 =0.75 =1ZFXZFYZFK则可计算如表 2-1 所示：ZF 表 2-1 计算结果ZF17）（mmp222333f（mm）0.20.30.40.20.30.4）（NFZ112515241891168722872837 当=1520N 时，切削深度=2mm，走刀量=0.3mm，以此参数作为下面ZFpf计算的依据。 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） （2-XFZFYFZF4）取： =0.5Fz=0.51527.6=763.8NXF =0.6Fz=0.61527.6=916.5NYF(2) 滚珠丝杠设计计算 A.滚珠丝杠副传动的特点：1)传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副传动的效率为=0.920.96，比常规的丝杠螺母副提高 34 倍（滑动丝杠效率为 0.20.4） 。因此，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的 1/41/3。2)给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。3) 启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。4) 有可逆性，可以从旋转运动换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主传动。5)磨损小，使用寿命长，精度保持好。6) 不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于重力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需添加制动装置。B.滚珠丝杠副的精度与代号根据机械工业部标准滚珠丝杠副精度的规定，滚珠丝杠副按其使用18范围及要求分为六个等级，即 C,D,E,F,G,H 级，C 级精度最高，其余一次逐级降低各种类型数控机床对滚珠丝杠副精度的要求如表 2-2表 2-2 滚珠丝杠 副精度要求表坐 标 方 向机 床 种 类XYZW数控压力机标准级标准级数控绘图机标准级标准级数控车床标准级精密级标准级数控磨机精密级精密级数控线切割机精密级精密级数控钻床标准级普通级标准级数控铣床标准级标准级标准级数控镗床精密级精密级精密级标准级数控坐标镗床精密级超精密级精密级超精密级精密级超精密级精密级开环系统自动换刀数控机床精密级超精密级精密级超精密级精密级超精密级标准级坐标镗床、螺纹磨床精密级超精密级精密级超精密级精密级超精密级精密级普通机床、通用机床普通级普通级普通级 滚珠丝杠副的精度包括各元件的精度和装配后的综合精度，其中包括导程误差，丝杠大径对螺纹轴线的径向圆跳动，丝杠和螺母表面粗糙度，由预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的圆跳动，有预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的径向圆跳动以及滚珠丝杠公称直径尺寸变动量等。19在开环数控机床和其他精度机床中，滚珠丝杠的精度直接影响定位精度和随动精度。对于闭环系统的数控机床，丝杠的制造误差使得它在工作时负载分布不均匀，从而降低承载能力和接触刚度，并使预紧力和驱动力矩不稳定，因此传动精度始终是滚珠丝杠的最重要的质量指标。 C.综合导轨车床丝杠的轴向力： （2-）（WFfKFPZX5）式中 K=1.15， =0.150.18，取为 0.16。f 则 P=1.15763.8+0.16（1527.6+800） =1250.8N1) 强度计算： 寿命值 （2-660/10iiiLnT6） （2-/1000/ioonn fLvfDL主7） 取工件直径 D=80mm，查表得 =15000hiT 则： =10001000.3/3.14806=20r/minin =602015000/=18iL610最大动负载 Q= （2-HWifPfL38）查表得： 运转系数 =1.2 硬度系数 =1WfHf20则 Q=1.211250.8=3933.6N318 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1CFB326-5-，其额定动载荷是 10689N，所以强度足够用。1C2E2) 效率计算： 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为： （2-/tgtg（）9）式中 摩擦角=10 螺旋升角=325则 =0.953）（01523/523tgtg3) 刚度验算： 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 （2-EFPLL/0110）式中 =6mm=0.6cm；0L E=20.66102/cmN滚珠丝杠截面积 22/22.8031/23.14Fd（）（）则 cmL6261109 . 514. 32/8031. 2106 .20/6 . 08 .1250）（滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即：。2L1LL所以：导程变形总误差 为 mmLL/8 . 96 . 0/109 . 5100/10060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。214）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，不在验算。(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 0.011.25opiL 故取 =32 =401Z2Zm=2mm b=20mm =20mmmZd6432211mmmZd8040222mmhddaa682*11mmhddaa842*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：cmNcmkgWJp.67. 4.467. 08075. 014. 3/01. 0180/1802221）（）（ 丝杠的转动惯量： 224444.789.81.1789. 81002 . 3108 . 7108 . 7cmNcmkgLDJs齿轮的转动惯量：442217.8 106.422.617.26.17.ZJkg cmN cm442227.8 10826.39.63.9 .ZJkg cmN cm电机转动惯量很小可忽略。因此，总的转动惯量：467. 0617. 239. 61789. 825. 1/1/121122）（）（JJJJiJZZS =22.08.124.408.12cmNcmkg3) 所需转动力矩计算：22快速空载启动时所需力矩 +maxaMMfMoM最大切削负载时所需力矩 +atMMfMoMtM快速进给时所需力矩 + fMMoM式中 空载启动时折算到电机轴上的加速力矩；maxaM 折算到电机轴上的摩擦力矩；fM 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；oM 切削时折算到电机轴上的加速度力矩；atM 折算到电机轴上的切削负载力矩。tM （2-TJnMa6 . 9/10411）当时 maxnn aaMMmax min/7 .4166/25. 12000/0maxmaxrLivncmkgfmNMa.5 .21.15. 2025. 06 . 9/107 .416408.124max当时 tnn ataMM 68014. 3/25. 13 . 01001000/100/00DLvfiLfinnt主 24.88 /minr=12.40824.88/9.60.025=0.1286 N.m=1.286kgf.cmatM410iWLfiLFMf2/2/000当=0.8 =0.16 时f 23 0.16 80 0.6/2 3.14 0.8 1.25fM =1.223=12.23cmkgf.cmN.当=0.9 时预加载荷 Po=1/3则：0XF25. 18 . 014. 36/9 . 016 . 038.766/122000）（）（iLFMX =mNcmkgf.62. 4.462. 0=76.30.6/23.140.81.25=7.297kgf.cm=72.97N.cm/2txoMF Li所以，快速空载启动所需力矩 maxafOMMMM =21.5+1.223+0.462=23.185kgf.cm=231.85N.cm切削时所需力矩： atfotMMMMM =1.286+1.223+0.462+7.297 =10.268kgf.cm=102.68N.cm快速进给时所需力矩foMMM =1.223+0.462=1.685kgf.cm=16.85N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩发生在快速启动时，maxMcmNcmkgfM.85.231.185.23max2.2.2 横向进给系统的计算与横向进给系统的计算与设计设计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，如图 2-2 所示。242. 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0L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/minmaxV(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=763.8NZF在切断工件时： NcmkgfFFZy9 .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： （2-）（WFfKFPZY12）取 K=1.4 =0.2f 则 P=1.438.19+0.2（76.38+30） =74.74kgf=747.4N寿命值 5 .1310/15000156010/6066iiiTnL最大动负载Q=根据最大动负NkgfPffLHWi5 .213555.21374.7412 . 15 .133325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204-5-E2 左，BFC1BFC1其额定动负荷为 5393N，所以强度足够用。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(/833tgtg3) 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=5.96cm1L61021.7619610滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即：所以，2L1LL导程变形总误差为=100L/Lo=1005.96/0.4=14.9m/m610 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. 13/5005. 0360/475. 0360/0PLi故取 118Z 230Z =202mmm20bmm 136dmm260dmm 140admm264admm48mm262)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.tpJWkg cm丝杠的转动惯量 4427.8 102500.624.sJkg cm齿轮的转动惯量442144227.8 103.620.262.7.8 10622.022.ZZJkg cmJkg cm电机转动惯量很小可忽略，因此，总的惯量222211/()(3/5) (0.6242.022)0.2620.04391.258.SZZtJiJJJJkg cm 3) 所需转动力矩计算 maxmax/1000 5/3/4416.7 /minonvi Lr44maxmax10/9.61.258 416.7 10/9.6 0.0250.2184 .2.23.aMJnTN mkgf cm/1000/1000 100 0.15 5/3.14 60 4 333.17 /mintioonn fLvfiDLr 主41.258 33.17 10/9.6 0.0250.0174 .0.1775.atMN mkgf cmmNcmkgfiWLfiLFMf.028. 0.287. 058 . 014. 32/34 . 0302 . 02/2/00022(1)/638.19 0.4 3(1 0.9 )/6 3.14 0.8 50.116.0.011 .ovooMF Likgf cmN m /238.19 0.4 3/2 3.14 0.8 51.824.0.179 .tyoMF Likgf cmN m所以，快速空载启动所需转矩maxafMMMM =2.23+0.287+0.116=2.633kgf.cm=26.33N.cm切削时所需力矩： atfotMMMMM =0.1774+0.287+0.116+1.824 =2.40kgf.cm=24.04N.cm27快速进给时所需转矩： foMMM =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max2.633.26.33 .aMkgf cmN m283 电气部分改造电气部分改造3.1 步进电机选用的基本原则步进电机选用的基本原则4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： imn/ 式中 传动比；i系统对步进电机所驱动部件的最小转角。mn2.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 smiQ式中 步进电机的积累误差；mQ系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。s3.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：1）启动力矩 一般启动力矩选取为： 5 . 03 . 0/0LqMM 式中 电动机启动力矩；qM 电动机静负载力矩。0LM 根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表 1-2 所示。为步进jmM电机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的。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。294.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：topmff极限启动频率tf要求步进电机最高启动频率。opmf3.2 步进电机的选择步进电机的选择43.2.1 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cmNMMLq.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/imqMM cmNMMaim.31.669866. 0/625.579866. 0/步进电机最高工作频率 maxmax/602000/60 0.013333.3pfvHz综合考虑，查表选用 110BF003 型直流步进电机，能满足使用要求。3.2.2 横向进给系统步进电机的确定横向进给系统步进电机的确定/0.42.633 10/0.465.825 .qLoMMN cm仍选用三相六拍工作方式，查表知： /0.866qimMM所以，步进电机最大静转矩为： /0.86665.825/0.86676.01 .imaMMN cm步进电机最高工作频率 maxmax/601000/60 0.0053333.3pfvHz30为了便于设计和采购，仍选用 110BF003 型直流步进电机，能满足使用要求。3.3 数控系统的硬件电路设计数控系统的硬件电路设计3.3.1 数控系统基本硬件组成数控系统基本硬件组成4任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成。1.中央处理单元 CPU。2.总线。包括数据总线（DB） 、地址总线（AB）和控制总线（CB） 。3.存贮器。包括只读可编程存贮器和随机读写存贮器。4.I/O 输入/输出接口电路。其中 CPU 是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存贮器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。I/O 接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是 CPU 与存贮器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是 CPU 与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图如图 3-1 所示。31存储器RAMROMCPUI/O接口信号变换控制对象外设图 3-1 数控系统硬件框图由于 Z80CPU 以及 MCS-51 系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控车床改造的需要。C616 数控改造以 Z80CPU 组成的单板机作为数控控制系统。也可直接购买国内较好的数控系统系列产品做作为数控装置，如南京大方数控设备公司生产的 JWK 系列数控产品。3.3.2 单片机控制系统的设计单片机控制系统的设计11 考虑到通用性及普遍性，选择 MCS-51 系列中的 8031 芯片。如图所示为用8031 单片机控制的数控系统设计的框图。该系统主要由中央处理器 8031 单片机、一片只读存贮器 2764（8K8） ，一片静态存贮器 6264（8K8） 、一片可编程接口芯片 8155、一片可编程键盘/显示器接口芯片 8279、一片地址锁存器74LS373 和两片译码器 74LS138 等组成。1. 单片机的选择8031 属 8 位单片机，它是集 CPU、I/O 端口及部分 RAM 等为一体的控制器，具有价格低、功能全、体积小、编程灵活性大、开发手段齐全、硬件资源丰富等特点。在国内的经济型数控系统中多数使用 8031 单片机。328031 芯便内部具有 128 个字节的数据存贮器 RAM，内部地址为00H7FH，CPU 对片内数据存贮器有很丰富的操作指令，通过直接寻址或间接寻址方式进行访问。这 128 个字节单元可作为数据缓冲器、堆栈和工作寄存器。但应用片内的 RAM 往往不够，故外接 6264 芯便来扩展 8031 的 RAM 存贮器。8031 是一个无 ROM/EPROM 的单片机，必须扩展程序存贮器，存放控制程序，所以外接了一片 2764 芯片。8031 本身提供给用户使用的输入、输出口线不够，只有口和部分口线用来与外部设备连接，但若处设较多时，不能满足需要，1P3P所以在该应用系统中还要在 8031 外接一片 8155 芯片以扩展 I/O 口。8031 为 40 引脚的双列直插式器件，有 4 个双向 8 位 I/O 口。）（0 . 30 . 0 PP口和作为地址总线使用。16 位地址总线由口经地址锁存器 74LS3730.0P0 . 2P0 . 0P提供低 8 位（） 。高 8 位（）由口直接提供。8 位数据总线70 AA158 AA2P由口提供。这样数据总线与地址总线共用，SLE 为地址锁存允许，当送低 80 . 0P位地址时，使 ALE 有效并锁存到 74LS373，当送数据时使 ALE 无效。33图 3-2 8031 控制的数控系统设计原理图2. 存储器芯片的选择 在选择存储器时，要考虑到 CPU 与存储器的时序匹配，若不匹配，进行读写操作的数据就不可靠。为解决时间匹配问题，应尽量选用高速存储器芯片。另外，还要考虑最大的读取速度、工作温度及存储容量。2764 芯片是一种高速、容量为 8KB8 的 EPROM 存储器电路，读取时间为250ns，而 8031 选用晶振频率为 6MHz，则读取时间为 480ns，都满足要求。2764 为 28 脚器件，其中，为 13 位地址线，为 8 位数据线。120 AA70 DDCE 为片选信号，低电平有效。6264 芯片是 8KB8 的 RAM 存储器，集成度很高，读芯片读取时间为200ns，也为 28 脚器件，其中为13 位地址线，为 8 位数据线。120 AA70 DD34由于 2764 和 6264 芯片都是 8KB8，需要 13 根地址线。低 8 位接70 AA任何硬件逻辑，是单片机应用系统中广泛使用的一种芯片，其中 A 口作为控制纵横向步进电机接口，B 口控制主轴正反转、进给速度调整，C 口控制回转刀架等。 8279 芯片是一种可编程的键盘、显示接口器件，单个芯片就能完成键盘扫描输入和 LED 显示控制两种功能，能对显示器自动扫描，能识别键盘上按下键的键号，这样可充分提高 CPU 的工作效率，大大减少软件工作量。3.4 光电隔离电路光电隔离电路4在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将输出信号与功率放大器直接相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计算机和接口电路损坏，所以一般在接口电路与功率驱动器之间都要接上隔离电路，光电耦合电路如图 3-3 所示：图 3-3 光电耦合电路353.5 功率放大电路功率放大电路4功率放大电路分为单电源和双电源型.单电源型线路简单,但效率不高,所以选用双电源型.双电源型采用高低压供电电路,如图 3-4 所示图 3-4 功率放大电路在功率放大器导通初始,V1,V3,V4 全导通,并使脉冲变压器 B 的副边产生一定宽的脉冲电流,使 V2 导通,高压电源通过 V2, V1 为步进电机某一相绕组供nE电,使其电上升沿变陡,同时 VD 处于反向偏置,将低压 Ea 与绕组 L4 切断。经过时间后脉冲电流消失,使 V2 截止,高压电源与绕组之间被切断 。通过 VD, btnEV1 为绕组 L4 供电,提供所需的额定电流。通过调整脉冲变压器的磁芯和 R4 可改变高压供电的时间宽度。以上只是从原理上分析说明,由于我国目前步进电bt机的功率放大器已由生产厂家出系列化产品,在设计数控机床控制电路时只需根据步进电机的容量大小进行选择,所以不再进行计算。364 总结总结数控机床是自动化加工必不可少的组成部分,根据我国的国情对旧机床进行数控化改造不失为一条经济有效的途径。我国拥有机床 300 万台,其中大部分为通用机床,特别是地方中小型企业,普通设备拥有量巨大,数控改造的前景相当大。在对 C616 车床的数控化改造设计中,用单片机作为中央微处理器较好。改造后大大提高原有机床的自动化程度和生产率,其成本仅为全功能数控机床的1/31/4。改造 C616 车床充分考虑到其实用性，操作方便，技术参数设置合理，极大地提高了加工效率。另外，该技术也可以用于其它车床，只需要根据相应机床的切削功
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