毕业设计（论文）ca6140普通机床的数控化改造

1、CA6140普通机床的数控化改造摘 要本论文对我国现有的普通机床的现状进行分析，运用数控技术对CA6140普通车床进行自动化和精密化改装，改装技术主要涉及到：在普通车床上附加数控装置和执行元件，选择合适的机床伺服系统。结果表明：经改造后的机床完全能实现外圆、锥度、螺纹、端面等加工内容的自动控制，提高了原机床的生产效率，降低了劳动强度。采用数控技术对企业原有机床进行改造，是当前工矿、企业普通机床技术改造的有效途径。关键词：CA6140、普通车床、数控改造、数控技术目 录 TOC o 1-3 f h z HYPERLINK l _Toc176949184 HYPERLINK l _Toc17694

2、9185 1 绪论 PAGEREF _Toc176949185 h 1 HYPERLINK l _Toc176949186 1.1数控加工技术的发展趋势 PAGEREF _Toc176949186 h 1 HYPERLINK l _Toc176949187 1.1.1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展 PAGEREF _Toc176949187 h 1 HYPERLINK l _Toc176949188 1.1.2向高速化和高精度化发展 PAGEREF _Toc176949188 h 1 HYPERLINK l _Toc176949189 1.1.3向智能化方向发展 PAGEREF _To

3、c176949189 h 2 HYPERLINK l _Toc176949190 1.1.4数控车床的发展方向 PAGEREF _Toc176949190 h 2 HYPERLINK l _Toc176949191 1.2 改造的必要性 PAGEREF _Toc176949191 h 3 HYPERLINK l _Toc176949192 1.2.1微观看改造的必要性 PAGEREF _Toc176949192 h 3 HYPERLINK l _Toc176949193 1.2.2宏观看改造的必要性 PAGEREF _Toc176949193 h 4 HYPERLINK l _Toc17694

4、9194 1.3 数控化改造的优缺点 PAGEREF _Toc176949194 h 5 HYPERLINK l _Toc176949195 2 CA6140车床的数控改造总体方案的设计 PAGEREF _Toc176949195 h 6 HYPERLINK l _Toc176949196 2.1数控改造后的结构及工作原理 PAGEREF _Toc176949196 h 6 HYPERLINK l _Toc176949197 2.1.1 PC机 PAGEREF _Toc176949197 h 6 HYPERLINK l _Toc176949198 2.1.2 数控控制板 PAGEREF _To

5、c176949198 h 6 HYPERLINK l _Toc176949199 2.1.3 机床本体 PAGEREF _Toc176949199 h 6 HYPERLINK l _Toc176949200 2.2数控机床改造的设计步骤 PAGEREF _Toc176949200 h 7 HYPERLINK l _Toc176949201 2.2.1设计任务 PAGEREF _Toc176949201 h 7 HYPERLINK l _Toc176949202 2.2.2总体方案的论证 PAGEREF _Toc176949202 h 7 HYPERLINK l _Toc176949203 2.

6、2.3总体方案的确定 PAGEREF _Toc176949203 h 8 HYPERLINK l _Toc176949204 3 机械部分改造设计与计算 PAGEREF _Toc176949204 h 10 HYPERLINK l _Toc176949205 3.1 纵向进给系统的设计计算 PAGEREF _Toc176949205 h 10 HYPERLINK l _Toc176949206 3.1.1 纵向进给系统的设计 PAGEREF _Toc176949206 h 10 HYPERLINK l _Toc176949207 3.1.2 纵向进给系统的设计计算 PAGEREF _Toc17

7、6949207 h 10 HYPERLINK l _Toc176949208 3.2 横向进给系统的设计计算 PAGEREF _Toc176949208 h 19 HYPERLINK l _Toc176949209 3.2.1横向进给系统的设计 PAGEREF _Toc176949209 h 19 HYPERLINK l _Toc176949210 3.2.2横向进给系统的设计计算 PAGEREF _Toc176949210 h 19 HYPERLINK l _Toc176949211 3.3 滚珠丝杠的设计 PAGEREF _Toc176949211 h 25 HYPERLINK l _To

8、c176949212 3.3.1滚珠丝杠螺母副的特点 PAGEREF _Toc176949212 h 25 HYPERLINK l _Toc176949213 3.3.2滚珠丝杠的主要技术参数 PAGEREF _Toc176949213 h 25 HYPERLINK l _Toc176949214 3.3.3滚珠丝杠副的标注和精度验算 PAGEREF _Toc176949214 h 26 HYPERLINK l _Toc176949215 3.4步进电动机的选择 PAGEREF _Toc176949215 h 28 HYPERLINK l _Toc176949216 3.4.1步进电动机选用的

9、基本原则 PAGEREF _Toc176949216 h 28 HYPERLINK l _Toc176949217 3.4.2 步进电机的选择 PAGEREF _Toc176949217 h 29 HYPERLINK l _Toc176949218 4 自动回转刀架的选型 PAGEREF _Toc176949218 h 31 HYPERLINK l _Toc176949219 4.1数控车床刀架的基本要求 PAGEREF _Toc176949219 h 31 HYPERLINK l _Toc176949220 4.2数控车床刀架结构 PAGEREF _Toc176949220 h 31 HYP

10、ERLINK l _Toc176949221 4.3自动回转刀架的工作原理 PAGEREF _Toc176949221 h 32 HYPERLINK l _Toc176949222 5 数控系统设计 PAGEREF _Toc176949222 h 33 HYPERLINK l _Toc176949223 5.1 机床数控系统的工作原理 PAGEREF _Toc176949223 h 33 HYPERLINK l _Toc176949224 5.2 系统硬件结构 PAGEREF _Toc176949224 h 33 HYPERLINK l _Toc176949225 5.2.1 主控制器 PAG

11、EREF _Toc176949225 h 33 HYPERLINK l _Toc176949226 5.2.2存储器扩展设计 PAGEREF _Toc176949226 h 33 HYPERLINK l _Toc176949227 5.2.3 步进电机接口电路 PAGEREF _Toc176949227 h 34 HYPERLINK l _Toc176949228 5.3 数控系统软件设计 PAGEREF _Toc176949228 h 35 HYPERLINK l _Toc176949229 5.3.1 监控与操作软件 PAGEREF _Toc176949229 h 35 HYPERLINK

12、 l _Toc176949230 5.3.2 步进电机控制软件 PAGEREF _Toc176949230 h 35 HYPERLINK l _Toc176949231 6 结束语 PAGEREF _Toc176949231 h 37 HYPERLINK l _Toc176949232 参考文献 PAGEREF _Toc176949232 h 38 HYPERLINK l _Toc176949233 致谢 PAGEREF _Toc176949233 h 39 TOC o 1-3 h z u 1 绪论企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,它必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出

13、合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前,采用先进的数控机床,已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金；而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的一条有效途径。我校为适应现代化生产和教学,特此对CA6140普通车床进行了数控化改造。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高

14、生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。1.1数控加工技术的发展趋势1.1.1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的

15、开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。1.1.2向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。1.1.3向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（1）应用自适应控制技术数控系统能在运行过程中检测一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（2）引入专家系统指导加工将熟练工人

16、和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（3）引入故障诊断专家系统（4）智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行状态。1.1.4数控车床的发展方向数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国际民生的一些重要行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前数控车床呈现以下发展趋势。（1）高速、高精密化高速精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要

17、求也越来越高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机地成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷地低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器地直线导轨副等机床功能部件地面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动地转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动地振动和噪音问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上。直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。用直线

18、电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙，运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。通过直线电机和直线滚动导轨副地应用，可使机床的快速移动速度由目前的10-20m/min提高到60-80m/min，甚至高达120m/min。（2）高可靠性数控车床的可靠性是产品质量地一项关键性指标。数控车床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好地效益，关键取决于其可靠性的高低。（3）数控车床设计CAD化、结构设计模块化随着计算机应用的普及以及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展。CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和

19、机床整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟防真。在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次性成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。（4）功能复合化功能复合化的目的是进一步提高生产效率，使加工辅助时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。（5）智能化、网络化、柔性化和集成化21世纪的数控车床将是具有一定智能化的系统。1.2

20、 改造的必要性1.2.1微观看改造的必要性（1）微观上看，数控车床比传统车床有以下突出的优越性，可以加工出传统车床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动地运动量，因此可以复合成复杂地曲线或曲面。（2）可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传动机床提高3-7倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。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，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现

21、了“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”。（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，还有：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，可对市场需求作出快速反应等等。此外，机床数控化还是推动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。1.2.2宏观看改造的必要性宏观上

22、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CIMS等等。以及在其中生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。数控技术是先进制造技术的核心技术，它的整体水平标志着一个国家工业现代化的水平和综合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。目前我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大部分数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另外

23、数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不能使用等等。因此目前我国企业机床数控化比例极低还不到5%，各企业使用的绝大部分为传统老式机床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造为数控机床是一种必然性和趋势。1.3 数控化改造的优缺点（1）减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省60%80%的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高

24、速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50%左右。（2）机械性能稳定可靠所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。（3）熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。（4）可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑

25、地基。（5）可以采用最新的控制技术可根据技术更新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。 2 CA6140车床的数控改造总体方案的设计2.1数控改造后的结构及工作原理该系统是由PC机和数控控制板两级控制组成，其组成如图2-1所示。主要功能部件有：图2-1 系统的组成2.1.1 PC机可选用市面上任何一种机型，也可利用闲置低档配置的机型。在PC平台上可以开发出具有良好开放数控系统，从而增强经济型数控改造的整体效果。2.1.2 数控控制板考虑到经济型数控改造的特点，数控板没有采用常见的ISA总线插卡，而是采用以8031单片机为核心的数控控制

26、板。它主要成实EI性任务，如机床状态检测、紧急情况处理、细插补运算、脉冲分配等。PC机利用标准并行打印口与8031进行通信，将预处理后的数控加工信息通过数控控制板完成对机床的控制这种结构省去了打开机箱的麻烦，方便安装和维护。为提高可靠性和处理速度，采用硬件环形分配器产生脉冲控机的运转。为增强系统的抗干扰能力，输入输出信号要经过光电隔离。2.1.3 机床本体为满足数控加工的要求，对原机床机械的改造主要有：（1）进给系统拆除原机床进给箱、溜板箱内的零部件及光杠、滑动丝杠、挂轮。纵、横向以步进电机作为驱动元件，经一级齿轮减速后由滚珠丝杠传动。（2）主变速系统保持原机床的主轴手动变速，数控系统仅控制主

27、轴电机的起、停和正、反转。为实现螺纹加工功能，往机床主轴末端安装脉冲发生器作为主轴位信号的反馈元件。（3）刀架部分原机床手动转位刀架改造为电动转位刀架应用是最为普通的。2.2数控机床改造的设计步骤2.2.1设计任务本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X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。2.2.2总体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。

28、 （1）数控系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续轮廓控制系统。由于要求CA6140普通车床改造后能够加工复杂轮廓零件，所以本数控系统采用两轴联动连续控制系统。（2）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。 因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计采用开环控制系统。 （3）数控系统的硬件电路设计 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体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。 在设计数控装置时，CP

29、U的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素： 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关；可扩展存储器（包括ROM和RAM）的容量与数控功能的强弱相关；指令系统功能，影响编程的灵活性；I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。除此之外，还应根据数控系统的应用场合、经济价格比、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定CPU。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列

30、价格更便宜，51系列中，是无ROM的8031，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。2.2.3总体方案的确定经总体设计方案的论证后，确定的CA6140普通车床经济型数控改造结构示意图如图2-2所示。图2-2 卧式车床数控改造的组成1-机床本体 2-Z向步进电动机 3-数控箱 4-X向步进电动机 5-电机转位刀架6-主轴脉冲编码器 7-Z向滚珠丝杠 8-X向滚珠丝杠CA6140车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用

31、步进电机驱动。由8031单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给微机。如图2-3所示：图2-3 主轴编码器安装图3 机械部分改造设计与计算伺服进给机构的设计内容包括：纵向进给系统的设计与计算、横行进给系统的设计与计算、滚珠丝杠螺母副的选型、步进电机的选择四大部

32、分，该部分设计的总体方案示意图如图3.1所示。要使这四大部分与数控系统的配合达到好的效果，伺服进给机构的改造设计部分除了主要的四大部分内容外，还包括与步进电动机相关的驱动电源、功率放大电路、辅助电路；与滚珠丝杠副相关的机床导轨等内容的设计选择。3.1 纵向进给系统的设计计算3.1.1 纵向进给系统的设计图3-1 数控改造总体方案示意图普通车床的经济型数控改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定溜板箱上，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，对改造来说，外观不必像产品设计要求那么高，而从改造方便、使用方面来考虑，一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端，即尾坐部位，如图3-1所示。

33、3.1.2 纵向进给系统的设计计算已知的条件：工作台重量： （根据图纸粗略计算）时间常数：=25滚珠丝杠基本导程：行程：脉冲当量：步距角：最大进给速度： （1） 切削力计算由实用机床设计手册可知：切削功率： （31）电机功率 =7.5主传动链的总效率 取=0.90进给系统的功率系数，取=0.96则： =7.50.900.96=6.48（）又因为： （32）则： = （33）切削线速度，取v=100所以：=396.576（kgf）=3965.76（）由金属切削原理可知：主切削力：查表得： 则可计算出的值如表3-1所示：表3-1 计算结果2223330.20.30.40.20.30.41103.1

34、1495.21855.21654.72242.82782.9当=1495.2时，切削深度=2，走刀量=0.3以此参数作为下面计算的依据，从实用机床设计手册中可知，在一般外圆切削时：=（0.10.6）=（0.150.7）=0.5=0.53965.76=1982.88（） =0.6=0.63965.76=2379.46（）（2）滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。综合车床导轨丝杠的轴向力：= （34）式中 由于上选用的是矩形的导轨，根据机床设计手册查出，=1.1 ， =0.15则： =1.11982.88+0.15（3965.76+1000）=29

35、26.03（）强度计算：寿命值： = （ 35）所以： = （36）取工件直径： =80查表得：=15000（自动控制机床及机床通常的取值）所以：=20（r/min）=18最大动载荷： = （37）式中的运转系数与硬度系数的参数查表3-2与3-3：表 3-2 运转系数参数运转状态运转系数fW无冲击的圆滑运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击的运转1.52.5表3-3 硬度系数表硬度（HRC）6057.55552.55047.54542.5403025硬度系数fH1.01.11.21.42.02.53.34.55.01015查取以上参数取：运转系数：=1.2硬度系数：=1=9202.04（）

36、根据最大动载荷的值和原机床参数，选择滚珠丝杠的型号，即内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，公称直径为40，导程为6，滚珠列数为5列，精度等级为级（一般数控机床精度等级为级），额定动载荷为26000。表3-4 型滚珠丝杠具体参数公 称 直 径基 本 导程钢 球 直径丝杠大径轴端 直 径额 定 载 荷（）刚 度动载荷静载荷406438.93526842220螺母安装连接尺寸DD3BhMTEL1L260947515915948M63668128因为： 260009202.04, 所以强度不成问题。效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为： = （38）式中： 摩擦角： = 螺旋升角

37、： =0.953刚度验算：滚珠丝杠受工作负载引起导程的变化量： = （39）式中：=6=0.6=20.6106滚珠丝杠截面积： F=3.14=12.56102（）则： =10.1510-8（）滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可以忽略，即：=所以导程变形总误差为： = （310）即：=16.92（）查表知级精度丝杠允许的螺距误差（1长）为25，故刚度足够。稳定性验算根据公式: FK=fk2EI/KL2Fmax （311） 式中: fk=2(双推简支)；=20.610Pa；I=12.56 (cm4)K=4；L=Ls=35d1=354=140 (cm) (Ls为丝杆长度)FK=23.1422.0

38、610712.56/4140288577 Fmax=6286.5故稳定性也没有问题。（3）齿轮及转矩的有关计算有关齿轮计算：传动比： = （312）则：=1.25故取齿轮齿数： =32 =40 模数： =2 =20 分度圆直径：= =232=64（） = =240=80（） 齿顶圆：=+=68（）=+=84（） =72（）转动惯量计算：工作台折算到电机轴上的转动惯量： = （313）即：=100=0.468（）=4.68（）丝杠的转动惯量： =7.810-4 （314）式中： 丝杠的名义直径，=4.0 丝杠两固定端的间距，=150所以： =7.810-444150=29.952（）=299.5

39、2）齿轮的转动惯量： =7.810-4（）42=7.810-46.44=2.617（）=26.17（）=7.810-4842=6.39（）=63.9(）电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量： =+ （315）=+2.617+0.468=26.343)=263.43 ()所需转动力矩计算：快速空载启动时所需力矩： = （316）最大切削负载时所需力矩： = （317）快速进给时所需力矩： = (318)式中： 空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩； 折算到电动机轴上的摩擦力矩； 由于丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加摩擦力矩； 切削时折算到电动机轴上的加速度力矩； 折算到电机轴上的切

40、削负载力矩。 =10-4（） （319）式中： 为时间常数，=2510-3当=时，= = （320）即：=416.67（） =10-4=45.736（）=457.36（）当=时，= = （321） =24.88（） =10-4 =0.273（）=2.73（） = （322）当=0.8，=0.16时， =1.529()=15.29() = （323）当=0.9时预加载荷： P0=1.202()=12.02() = （324）即： =18.943()=189.43（）所以，快速空载启动所需力矩： =45.736+1.529+1.202=48.494()=484.94（）切削时所需力矩：=2.73+

41、1.529+1.102+18.943=24.304()=243.04(）快速进给时所需力矩：= =1.529+1.202 =2.731()=27.31（）由以上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动：=48.494()= 484.94()3.2 横向进给系统的设计计算3.2.1横向进给系统的设计普通车床经济型数控改造的横向进给系统的设计相对比较简单，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车大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。3.2.2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进给系统类似，所用到的公式不详细说明

42、，只计算结果。已知的条件：工作台重（根据图3.1粗略计算）：=40=400时间常数：=25滚珠丝杠基本导程：=4行程：=190脉冲当量：=0.005步距角：=0.750快速进给速度：=1（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： =3965.76=198.288()=1982.88（）在切断工件时： =1982.88=99.144()=991.44（）（2）滚珠丝杠设计计算强度计算：对于矩型导轨：=+取 =1.2，=0.15则：=1.299.144+0.15（198.288+40） =238.116()=2381.16（）取工件直径：=80 走刀量：

43、=0.15 =15（）寿命值： =13.5最大动负荷：=1.21238.11=680.35()=6803.5（）根据最大动负荷值，选择滚珠丝杠的型号为左，其直径为32，导程为4，滚珠列数为5列，精度为级，额定动载荷是13000，所以其强度符合要求。表3-5 型滚珠丝杠具体参数公称直径基本导程钢球直径丝杠大径轴端 直 径额定载荷（）刚度动载荷静载荷324331.22813431780螺母安装连接尺寸DD3BhMTEL1L2507663115.810638M6344868效率计算：摩擦角： =螺旋升角： =则传动效率： =0.956刚度计算：滚珠丝杠截面积：=3.14=7.06510-2滚珠丝杠受

44、工作负载引起导程的变化量： = =5.6110-8滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即=，所以，导程变形总误差为：=18.18（）查表知级精度丝杠允许的螺距误差（1长）为25，故刚度足够。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。（3）齿轮及转矩有关计算有关齿轮计算：传动比： =故取： =18，=30 =2 =20 =200 =36 =120 =40 =64 =48转动惯量计算：工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：=40=0.0284（）丝杠转动惯量： =7.8 =7.850=0.624（）齿

45、轮的转动惯量： =7.82=0.262（） =7.82=2.022（）电动机转动惯量很小可忽略，因此总的转动惯量：=1.242（）所需转动力矩计算： =416.7（） = =0.218=2.18（）=24.88（）=0.0129（）=0.129（） 当=0.8，=0.2时：=0.3822（）=0.03822（） 当=0.9时： =0.901（）=0.090（）=4.736（）=0.474（）所以，快速空载启动所需转矩：=2.81+0.3822+0.901=4.0932（）=40.93（） 切削时所需力矩： =0.0129+0.3822+0.901+4.736= 6.032（）=60.32（）

46、快速进给时所需转矩： = =0.3822+0.901=1.283（）=12.83（）从以上计算可知，最大转矩发生在快速启动时：max=6.032（）=60.32（）3.3 滚珠丝杠的设计在机械部分的设计与计算中就已经确定了纵、横向的滚珠丝杠的型号，现特此对滚珠丝杠作其介绍。3.3.1滚珠丝杠螺母副的特点滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦，高精度，高效率的机构。它的机构效率 ()比滑动丝杠()高34倍。滚珠丝杠螺母副的动（静）摩擦系数基本相等，配以滚动导轨，启动力矩很小，运动极灵敏，低速时不会出现爬行。滚珠丝杠螺母副可以完全消除间隙并可预紧，故有较高的轴向刚度，且反向无空程死区，反向定位精度高。滚珠丝杠

47、螺母摩擦系数小，无自锁，能实现可逆传动。滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式一般分外循环和内循环两种，如图3-2所示。图3-2 滚珠丝杠螺母的循环方式a)外循环；b)内循环1-外滚道；2-内滚道；3-反向器；4-反向器3.3.2滚珠丝杠的主要技术参数名义直径滚珠丝杠的名义直径是指滚珠中心圆的直径。值越大，丝杠的承载能力和刚度越大。用于数控机床进给驱动中的滚珠丝杠，取。选择值应大于丝杠长度的1/35-1/30。基本导程Ph导程Ph应根据机床的脉冲指令要求和负载情况来选择。当名义直径确定后，Ph值变大，可使螺纹的升角变大。一般2，通常取3.5。滚珠直径 一般取0.6Ph。滚珠的工作圈数j和工作滚珠总数N工

48、作圈数j一般取2.5-3.5圈，而工作滚珠总数N以不大于150个为宜。列数K 要求工作圈数较多的场合，可采用双列或多列式螺母的结构形式。3.3.3滚珠丝杠副的标注和精度验算滚珠丝杠副的型号中包含有它的结构，规格，精度，螺纹旋向等特征。如图3-3所示：图3-3 滚珠丝杠副的标注方法（1）滚珠丝杠螺母副的设计精度的选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度， 在滚珠丝杠精度参数中，其导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意 300mm行程变动量应小于目标设定位的定位精度值的1/3-1/2，在最后精度验算中确定滚珠丝杠导程的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速

49、度为、步进电机的最高转速及电机与丝杠的传动比来确定，基本丝杠导程应满足下式为： （3-25）按额定动载荷初步确定滚珠丝杠规格滚珠丝杠副设计时一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠副的尺寸规格。额定动载荷是指一批相同规格的滚珠丝杠经过运转一百万次后，90的丝杠副(螺纹表面或滚珠)不产生疲劳剥伤(点蚀)时的轴向载荷。在实际运用中额定动载荷值可按下式计算 （3-26）式中：为寿命系数，按滚珠丝杠预期寿命选取；为载荷性质系数，按工作载荷性质选取；为动载荷硬度影响系数，按滚珠及滚道表面硬度选取；为转速系数，按丝杠平均转速选取；为平均轴向载荷。不同工况下，平均轴向载荷及平均转速计算方法有多种，对车床而言，可认为属

50、通用型设备，针对的是不同的用户和不同的工况，其工作条件及所占工作时间并无一定规律，平均轴向载荷及平均转速可按下面公式计算为 （3-27） （3-28）式中：最大轴向载荷； 为最高转速；为最小轴向载荷；为最小转速。最小轴向载荷为工作台和工件作用下的导轨摩擦力，最大轴向载荷的计算即为机器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力，它为切削力在滚珠丝杠轴向的分力与导轨摩擦力之和(此时导轨摩擦力是由工作台、 工件、夹具三者总的重量以及切削力在垂直导轨方向 的分量共同引起。在计算出额定载荷后，可按额定动载荷从样本中选取滚珠丝杠的公称直径和型号。丝杠安装方式的选择包括丝杠支承方式和丝杠专用轴承的选择，滚珠丝杠不同的

51、支承方式也对丝杠的刚度、回转精度，临界转速有很大的影响，一般要根据丝杠的长度、回转精度、刚度要求及转速来选择不同的安装方式。3.4步进电动机的选择3.4.1步进电动机选用的基本原则合理选用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据电动机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才正确选择。现仅就选用步进电动机最基本的原则介绍如下。（1）步距角步距角应满足 （3-29）式中为传动比； 为系统对步进电动机所驱动部件的最小转角。（2）精度步进电机的精度可用步距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

52、足 （3-30）式中为步进电机的积累误差；为系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。（3）转矩为了使步进电机正常运行（不失步、不越步），正常起动并满足对转速的要求，必须考虑：起动力矩，一般起动力矩取为 （3-31）式中为电动机起动力矩；为电动机静力负载力矩根据步进电动机的相数和拍数，起动力矩选取如表3-6所示。为步进电动机的最大静转矩，是步进电动机技术数据中给出的。表3-6 步进电机相数、拍数、起动力矩表运行方式相数33445566拍数36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866再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

53、机转动惯量（包括负载转矩惯量）引起的惯性矩之和。（4）起动频率由于步进电动机的起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起动频率应满足 （3-32）式中为极限启动频率为要求步进电机的最高起动频率。3.4.2 步进电机的选择（1）CA6140纵向进给系统步进电动机的确定 （3-33）为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： =0.866。所以，步进电动机最大转矩为步进电动机的最高工作频率为 （3-34）综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。（2）CA6140横向进给系统步进电动机的确定电动机仍选用三相六拍工作方式，查表

54、知=0.866.所以，步进电机最大静转矩为步进电机最高工作频率为为了便于设计和采购，仍然选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。4 自动回转刀架的选型卧式车床数控改造应将原机床的普通手动转位刀架替换成自动转位刀架。自动转位刀架由数控系统控制，效率高，工艺性能可靠。根据所加工零件的工艺要求及机床控制方式确定自动刀架的刀位数和刀架类型。4.1数控车床刀架的基本要求数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平，所以有如下要求：(1) 转位准确可靠，工作平稳安全；(2) 按最短线路就近选择，转位时间短；(3) 重

55、复定位精度高；(4) 防水、防屑，密封性能优良；(5) 夹紧刚性高，适宜重负荷切削。4.2数控车床刀架结构图4-1 自动转位刀架大致尺寸图本设计采用的是常州宏达机床数控设备厂立式转位刀架，其转位刀架结构参数尺寸表4-1：表4-1 参数型号1928140192202015215219212168133752421622390其大致尺寸如图4-1和表4-1所示。4.3自动回转刀架的工作原理自动转位刀架工作原理如图4-2所示，微电机经弹簧安全离合器至涡轮副带动螺母旋转，螺母抬起刀架使定位用的端齿盘的上盘与下盘分离，随即带动刀架旋转到位。然后发信号使电机反转锁紧，完成刀架换位后，再进行切削加工。图4-

56、2 自动转位刀架工作原理图其具体过程是：当微机发出换刀信号后，刀架控制器中继电器动作，电动机正转驱动涡轮蜗杆减速机构，螺杆升降机构使上刀架上升, 当上刀架上升到一定高度时，离合转盘 起作用，带动上刀体旋转。刀架上端的发信盘中对应每个刀位都安装一个霍尔元件，当 ( 1-电机；2-固定安装丝杠；3-安全离合器；4-刀架)上刀体旋转到某一刀位时，该刀架上霍尔元件输出高电平。在上刀体旋转过程中，发信盘不断的向数控系统反馈刀位信号。数控系统将反馈刀位信号与指令刀位信号相比较，当两信号相同时，说明上刀体已旋转到所选刀位。此时，数控系统立即控制刀架控制继电器使电动机反转，活动销反靠在反靠盘上初定位。在活动销

57、反靠作用下，螺杆带动上刀体下降，直至齿牙盘啮合，完成精定位，并通过涡轮蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。向数控系统发出转位完成信号，切断电源，电机停转，完成选刀过程。5 数控系统设计随着科学技术的进步，人们对机械制造技术提出了许多新的和更高的要求，数控机床作为典型的机电一体化产品，其适用范围越来越广泛，而经济型数控机床以自身极佳的性能价格比得到广泛应用。数控系统作为机床的核心部分也正向多样化、多层次化方向发展。先期由单板机开发的经济型数控系统多数存在通用性差、不易于用户进行功能扩展的问题，可靠性与稳定性也较差，主要表现为抗干扰能力差，经常会由于外界干扰出现误动作，这种现象以单板机Z-8O为CPU的数控

58、系统尤为突出。为此，本设计采用大多数科技人员较熟悉、性能价格比较高的MCS-51系列8031单片机,MCS-51系列8031单片机作成的数控系统具有通用性强、抗干扰能力强等特点。5.1 机床数控系统的工作原理本系统采用步进电机作为驱动元件，步进电机采用脉冲方式工作，且各相需按一定规律分配脉冲，这些工作由数控系统来完成。数控系统对步进电机的控制包括方向控SU(通过改变定子绕组的相序实现)和速度控制(通过改变通电频率实现)。其基本原理是：系统中的键盘用于向计算机输入和编辑零件加工程序；采用数码管显示加工数据及机床状态等信息；存储器用来存放监控程序、键盘扫描程序、显示驱动程序及用户控制代码程序等；功

59、率放大器用来对计算机送来的脉冲进行功率放大，以驱动步进电机带动负载运行。5.2 系统硬件结构5.2.1 主控制器采用性能价格比高的8031单片机作为主控制器，具有体积小、重量轻、功能强、抗干扰能力强等优点。5.2.2存储器扩展设计由于8031无内部ROM，所以需外扩程序存储器用来固化系统监控程序的数控代码编译程序，同时存放各功能模块程序以及常用零件加工程序。2764芯片是一种高速、容量为8KB8的EPROM存储器电路，读出时间为250ns，而8031选用晶振频率为6MHz，则读取时间为480ns，都满足要求。8031内部只有128字节的数据存储器，也不能满足控制系统的要求，故扩展了数据存储。6

60、264芯片是8KB8的RAM存储器电路，集成度很高，该芯片读写时间为200ns，系统原理图见图5-1所示。图5-1 8031控制的数控系统设计原理图5.2.3 步进电机接口电路本系统采用110BF003步进电机作为驱动元件，110BF003步进电机是一种将脉冲信号变为角位移的控制电机，结构上分为定子和转子两大部分。定子上分有6个大极，每个大极绕有绕组，对称的大极绕组形成一组绕组，6个大极可形成ABC三项绕组。其转子由软磁材料制成齿状，没有绕组。如果定子ABC三相绕组按顺序供电，则步进电机将按顺时针方向转动。其特点是给步进电机脉冲信号电机就转，不给就不转。脉冲频率低，电机转得慢。改变通电顺序，可