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2056
CA6140车床数控化改造
CA6140
车床
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改造
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2056 CA6140车床数控化改造,2056,CA6140车床数控化改造,CA6140,车床,数控,改造
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I ICA6140车床数控化改造车床数控化改造摘摘 要要针对现有常规 CA6140 普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了 CA6140 机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以单片机为 CPU 的控制系统对信号进行处理，由 I/O 接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。关键词: 数控机床 单片机数控系统 改装设计AbstractTo remedy the defects of ordinary lather CA6140, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machines usage, and to improve production rate. This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms. We adopt control system which has single chip as CPU to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface. After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll. Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement.Keyword: Numerical control machine tool ；Single chip microcomputer；system Reform designI I目录目录摘 要.IABSTRACT.II第一章 绪论.11.1 数控系统发展及趋势 .11.1.1 国内外数控系统发展概况 .11.1.2 数控技术发展趋势 .11.1.3 智能化新一代 PCNC 数控系统 .11.2 普通机床数控改造的目的与意义 .21.2.1 微观看改造的目的与意义 .21.2.2 宏观看改造的目的与意义 .21.3 数控改造的研究内容及优缺点 .31.3.1 国外改造业的兴起 .31.3.2 数控化改造的内容 .31.3.3 机床数控化改造的优缺点 .3第二章 普通车床数改的总体方案.42.1 总体方案 .42.1.1 主传动系统和进给系统的改造 .42.1.2 主轴脉冲发生器 .52.1.3 主轴脉冲发生器的结构及原理 .5第三章 车床进给系统的数控化改造.73.1 滚珠丝杠螺母副 .73.1.1 滚珠丝杠副的工作原理、特点及类型 .73.1.2 滚珠丝杠副的结构 .83.1.3 螺纹滚道型面的形状及其主要尺寸 .83.1.4 丝杠副的循环方式 .93.2 纵向进给系统的设计与计算 .103.2.1 纵向进给系统的设计计算 .103.2.2 滚珠丝杠设计计算 .123.2.3 齿轮及转距的有关计算 .153.3 横向进给系统的设计与计算 .183.3.1 横向进给系统的设计计算 .18IIII3.3.2 滚珠丝杠设计计算 .193.3.2 齿轮及转矩有关计算 .213.4 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法 .223.5 滚珠丝杠副的安装结构 .243.5.1 支承结构 .243.6 进给系统传动齿轮间隙的消除 .253.6.1 采用减速箱的目的及注意事项 .253.6.2 减少或消除空程的必要性和方法 .254.1 自动刀架的分类 .264.2 自动刀架的设计 .26第五章 数改 CA6140 步进电机的设计.285.1 步进电机的工作方式 .285.2 步进电机的选择 .285.2.1 步进电机选用的基本原则 .285.2.2 数改 CA6140 纵向进给系统步进电机的确定 .295.2.3 数改 CA6140 横向进给系统步进电机的确定 .30第六章 数控系统硬件电路设计.316.1 数控系统基本硬件组成 .316.2 单片机控制系统的设计 .316.2.1 硬件配置 .316.2.2I/O 口地址分配 .316.2.3 步进电机与微型机的接口电路.326.2.4 方向控制.32结 论.34参考文献.35致 谢.36附录.371 1第一章第一章 绪论绪论 1.1 数控系统发展及趋势数控系统发展及趋势1.1.1 国内外数控系统发展概况国内外数控系统发展概况随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC 只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过 CAD/CAM 及自动编程系统进行编制。1.1.2 数控技术发展趋势数控技术发展趋势1. 性能发展方向(1) 高速高精高效化 (2) 柔性化(3) 工艺复合性和多轴化(4) 实时智能化2. 功能发展方向(1) 用户界面图形化(2) 科学计算可视化(3) 插补和补偿方式多样化(4) 内装高性能 PLC(5) 多媒体技术应用3. 体系结构的发展(1) 集成化(2) 模块化(3) 网络化(4) 通用型开放式闭环控制模式1.1.3 智能化新一代智能化新一代 PCNC 数控系统数控系统当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代 PCNC 数控系统已成为可能。智能化新一代 PCNC 数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。2 21.2 普通机床数控改造的目的与意义普通机床数控改造的目的与意义1.2.1 微观看改造的目的与意义微观看改造的目的与意义从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 (1) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。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的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 (2) 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 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。由以上五条派生的优点：(1)降低了工人的劳动强度；(2)节省了劳动力（一个人可以看管多台机床） ；(3)减少了工装；缩短了新产品试制周期和生产周期；(4)可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 FMC（柔性制造单元） 、FMS（柔性制造系统）以及 CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。1.2.2 宏观看改造的目的与意义宏观看改造的目的与意义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） ，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已达 20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。3 31.3 数控改造的研究内容及优缺点数控改造的研究内容及优缺点1.3.1 国外改造业的兴起国外改造业的兴起在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US 设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。1.3.2 数控化改造的内容数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：（1）恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；（2）NC 化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成 NC 机床、CNC 机床；（3）翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的 CNC 系统以最新 CNC 进行更新；（4）技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术,在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。1.3.3 机床数控化改造的优缺点机床数控化改造的优缺点1. 减少投资额、交货期短 2. 机械性能稳定可靠，结构受限 3. 熟悉了解设备、便于操作维修 4. 可充分利用现有的条件 5. 可以采用最新的控制技术4 4第二章第二章 普通车床数改的总体方案普通车床数改的总体方案2.1 总体方案总体方案由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。根据 CA6140 车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为：采用微机对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。如图 21 所示。2.1.1 主传动系统和进给系统的改造主传动系统和进给系统的改造CA6140 型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制，而改造后的车床则把主传动系统和进给系统的运动分离开。分别由各自的电机来控制，但是为保证车床在车螺纹时主传动运动与进给运动之间的联系，所以在拆掉进给系统的同时，必须在主轴上安装一个脉冲发生器，来实现主轴传动和进给运动之间的联系。同时，为了提高机床的精度和效率，用滚珠丝杠来代替原机床的光杠，并且采用单独的步进电机来控制。这样不仅提高了机床的性能和精度，还提高了机床的使用性能。1. 机械部分的改造首先拆去进给箱、溜板箱；还要对车床的床鞍进行部分的改造，拆去纵向小拖板、 横向拖板的丝杠换成滚珠丝杠，并且由一端驱动的步进电机来控制。2. 刀架的改造CA6140 普通车床的刀架不能满足数改后的车床的性能和精度的要求。所以，必须要换成数控自动刀架。图 2-1 数改 CA6140 车床总体方案示意图5 5齿轮图2-2 车螺纹及控制电路8086PID光电隔离电路主轴脉冲发生器主轴2.1.2 主轴脉冲发生器主轴脉冲发生器由于 CA6140 普通车床的主传动系统的精度及其灵活性基本满足数改后车床精度的要求。改造后的车床既需要考虑一定的技术要求，以实现造价低廉。经济方便的要求。所以在改造时，仍然保留原有的主传动系统，只是为了在车螺纹时保证主运动与进给运动的联系，在原床头 X 轴输出端上安装一个脉冲发生器，发生脉冲以使步进电机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动，从而完成车削螺纹的动作，其车螺纹的控制电路如图 22 所示：CA6140 普通车床在加工螺纹时，为了得到符合加工要求的螺距，就必须保证主轴和进给之间的联系。但是，在数改后的车床上，由于主轴的运动与进给运动之间没有机构上的直接联系，为了变成这些功能，就设置了主轴脉冲发生器，发出脉冲以使步进电机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动，这样既可以解决了主轴转一转，车刀进给一个螺距的动作的问题，进而在单片机系统的控制下，保证这种联系的顺利完成。2.1.3 主轴脉冲发生器的结构及原理主轴脉冲发生器的结构及原理图 23（a）所示是脉冲发生器的结构原理图：图 23 主轴脉冲发生器示意图6 6脉冲发生器的组成部分包括白炽灯、聚光镜、光栅盘、光阑板、光敏管及其光电整形放大电路组成。光栅盘和光阑板都是玻璃材料制成，玻璃表面经过研磨抛光后用镀膜法镀上一层不透光的铬层，透光条及用照相腐蚀法制成。在光栅盘上刻有明暗条纹，有单条和 1024 个条两组。当平行光束经过光栅盘时，在光栅盘的另一面就产生明暗光带，这光带通过一个光阑狭缝，照在对应的光敏管上，从而产生光电脉冲信号，经斯密特电路整形后输出。单条纹的一组产生同步脉冲，每转发一个脉冲；1024 条纹的一组通过光栏上两个相位差 /4 间距的狭缝，产生两组每转 1024 个脉冲组相差为 /4 的脉冲序列，供给微机处理，借以判断主轴正、反转，且可以从 1024 个脉冲中均匀地取出 F 个脉冲，作为中断信号控制插补速度，实现 F 进给控制的目的。7 7第三章第三章 床进给系统的数控化改造床进给系统的数控化改造数控机床的传动装置是指将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属机构。包括齿轮减速器、丝杠螺母副、导轨、工作台等。为确保数控机床进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械传动装置时，通常提出了无间隙、低磨擦、低惯量、高刚度、高谐振频率能及有适宜的阻尼比的要求。为了达到这些要求，采取主要措施如下：（1）尽量采用低摩擦的传动，如采用静压导轨、滚动导轨和滚动丝杠等，以减少摩擦力。（2）选用最佳的降速比，以达到提高机床分辨率，使工作台尽可能大地加速，以达到跟踪指令，系统折算到驱动轴上的转动惯量尽量小的要求。（3）缩短传动链以及预紧的办法提高传动系统的刚度。如采用大扭矩宽调速的直流电机与丝杠直接联接，应用预加负载的滚动导轨和滚动丝杠副，丝杠支承设计成两端轴向固定的，并可用预拉伸的结构等办法来提高传动系统的刚度。（4）尽量消除传动间隙，减少反向死区误差。如采用消除间隙的联轴器（如用加锥销固定的联轴套，用键加顶丝紧固的联轴套以及用无扭转间隙的挠性联轴器等） ，采用有消除间隙措施的传动副等。3.1 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件，它以滚珠的滚动代替丝杆螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。滚珠丝杠副的结构原理示意图如图 31 所示，在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变为旋转运动。因此，滚珠丝杠副既是传动元件，也是直线运动与旋转运动相互转换的元件。图 31 滚珠丝杠结构原理图3.1.1 滚珠丝杠副的工作原理、特点及类型滚珠丝杠副的工作原理、特点及类型弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有8 8滚珠回路管道 b，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道，滚道内装满滚珠。当丝杠在滚道内既自转又沿滚道循环转动。因而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。滚珠丝杠副的特点是：（1）磨擦损失小、传动效率高，高达 0.920.96（滑动丝杠为 0.20.40） 。（2）螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，传动精度高、刚性好。（3）磨擦阻力小，且几乎与运动速度无关，动静磨擦力之差极小，不易产生低速爬行现象，保证了运动的平稳性。（4）磨损小，寿命长，精度保持性好。（5）不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，也能将直线运动转换为旋转运动，可满足一些特殊要求的传动场合，但当立式使用时，应增加制动装置。（6）工艺复杂，成本高。国产的标准滚珠丝杠副分为两类：定位滚珠丝杠副（P 类） ，即通过旋转角度和导程控制轴向位移量的滚珠丝杠副；传动滚珠丝杠副（T 类） ，即与旋转角度无关，用于传递动力的滚珠丝杠副。此外，滚珠丝杠副通常还可根据其特征进行分类，如按制造方法的不同分为普通滚珠丝杠副和滚轧滚珠丝杠副；按螺母类型式分为单侧法兰盘单螺母型、双法兰盘双螺母型、圆柱双螺母型、圆柱单螺母型、简易螺母型及方螺母型等；按螺旋滚道型面分为单圆弧面和双圆弧面；按滚珠的循环方式分为：外循环和内循环式。3.1.2 滚珠丝杠副的结构滚珠丝杠副的结构目前国内外生产的滚珠丝杠副，尽管在结构上各种各样，其主要区别是在螺旋滚道型面的形状、滚珠的循环方式以及轴向间隙的调整和预加载的方法等方面。3.1.3 螺纹滚道型面的形状及其主要尺寸螺纹滚道型面的形状及其主要尺寸螺旋滚道型面（即滚道法向截形）的形状有多种，常见的截形有单圆弧面和双圆弧型面两种。图 32 为螺旋滚道型面的简图，图中钢球与滚道表面接触点处的公法线与螺纹轴线的垂线间的夹角称为接触角 。理想接触角 =45。图 32 滚珠丝杠副螺旋滚道型面的形状 （a） 单圆弧 （b）双圆弧9 9（1）型面 如图 32（a）所示，通常滚道半径 rn 稍大于滚珠半径 rw，通常 2rn=（1.041.11）Dw。对于单弧型面的螺纹滚道，接触角 是随轴向负荷F 的大小而变化。当 F=0 时，=0，承载后，随 F 的增大， 的大小由接触变形的大小决定。当接触角 增大后，传动效率 Ed、轴向刚度 Rc 以及承载能力随之增大。（2）圆弧型面 如图 32（b）所示，滚珠与滚道只在内相切的两点接触，接触角 不变。两圆弧交接处有一小空隙，可容纳一些脏物。这对滚珠的流动有利。单圆弧型面，接触角 是随负载的大小而变化，因而轴承刚度和承载能力也随之而变化，应用较少。双圆弧型面，接触角选定后是不变的，应用较广。 3.1.4 丝杠副的循环方式丝杠副的循环方式常用的循环方式有两种：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。图 33 插管式外循环方式原理图1压板 2弯管（回珠管） 3螺母 4滚珠（1）外循环 外循环多用螺旋槽式和插管式。图 33 所示为常用的插管式，被压板 1 压住的弯管 2 的两端插入螺母 3 上与螺纹滚道相切的两个孔内，引导滚珠 4 构成循环回路。特点是结构简单、制造方便。但径向尺寸较大，弯管端部容易磨损。若不用弯管，在螺母 3 的两个孔内装上反向器，引导滚珠通过螺母外表面的螺旋凹槽形成滚珠循环回路，则称为螺旋槽式，其径向尺寸较小，工艺也较简单。外循环式使用较广，其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性。（2）内循环 内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种型式。如1010图 34(a)所示为圆柱凸键反向器，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向器槽 2。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键 1 定位，以保证对准螺纹滚道方向。图 34(b) 为扁圆镶块反向器，反向器为一半圆头平键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽 3，用镶块的外廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。 图 34 内循环方式原理图 1凸键 2、3反向器内循环反向器和外循环反向器相比，其结构紧凑、定位可靠、刚性好、且不易磨损、返回滚道短、不易发生滚珠堵塞、磨擦损失也小。其缺点是反向器结构复杂、制造困难、且不能用于多头螺纹传动。由于滚珠在进入和离开循环反向装置时容易产生较大的阻力，而且滚珠在反向通道中的运动多属前珠扒后珠的滑移运动，很少有“滚动” ，因此滚珠在反向装置中的摩擦力矩 M 反在整个滚珠丝杠的摩擦力矩 Mt 中所占比重较大，而不同的循环反向装置由于回珠通道的动轨迹不同，以及曲率半径的差异，因而M 反/Mt 值较小。 3.2 纵向进给系统的设计与计算纵向进给系统的设计与计算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滚珠丝杠的左端。3.2.1 纵向进给系统的设计计算纵向进给系统的设计计算电机初步估算转速为 1500r/min，进给速度 Vmax=4m/min根据机械设计手册可知： maxmaxhvpn （3-1）1111为滚珠丝杠的基本导程 mm；hPVmax丝杠的最大移动速度 mm/min；nmax丝杠副最大相对转速 r/min；i传动比则： mmPh13. 2150025. 14000所以根据滚珠丝杠基本导程的基本系列可在机械设计手册中查到 Ph，选 Ph=6mm。已知条件：工作台重量： W=95kg f=950N 步距角： 0.75 /setp滚珠丝杠基本导程： L0=6mm行程： S=1000mm脉冲当量 快速进给速度： =4m/minmaxV切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 （3-cNN K2）式中 N电机功率，查机床说明书，N=7.5kw； 主传动系统总效率，一般为 0.6-0.7 取=0.65； K进给系统功率系数，取为 K=0.96。则：Nc=7.5 0.65 0.96=4.68kw又因为 （33）61200vFNzcvNFcz61200式中 切削线速度，取 =150m/min。vv主切削力 61200 4.681909.44150ZFN0.01/pmm setp1212由金属切削原理可知，主切削力： ZZZFFFFCfK （3-4）式中： 切削深度（mm） ； 进给量（mm/r） ；paf 总修正系数； FZK从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时： (0.1 0.6)XZFF(0.15 0.7)YZFF取： 0.50.5 1909.44954.72XZFF 0.60.6 1909.441145.664YZFF3.2.2 滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠设计计算根据经济型数控机床系统设计可知，综合导轨车床丝杠的轴向力： ；()XZPKFfFW式中 FX、FY为 X、Z 方向上的切削力； 导轨的摩擦系数； W为工作台的重量；f K考虑颠覆力矩影响的实验系数。其中 K=1.15， =0.150.18，取为 0.16；f则： P=1.15 954.72+0.16 (1909.44+950)=1555.45N;（1）计算：寿命值： 66010iiinTL (3-5) 为滚珠丝杠当量转速； 使用寿命时间（h） ；iniT由以上条件，可以确定步进电机与滚珠丝杠齿轮之间的传动比： 00.75 61.25360360 0.01FLi由于电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动，所以滚珠丝杠的转速为：1313 max11=1500min1200min1.25nnrri 电机由机械设计手册可知，当量转速 ni在 nmax与 nmin之间变化时： ； （3maxmin2innn6）取 nmin为 1r/min；则： 1200 1600.5 /min2inr n600minir；则： =(转)660 600 1500010Li6540 10最大动负载： (3-7)3iWHQL Pff其中： P滚珠丝杠的轴向力； 寿命值；iL 运动系数； 硬度系数；WfHf从经济型数控机床系统设计表中可查到：=1.2 ； =1；则： WfHf。3540 1.2 1 1555.4515199.5899QN 根据最大动负载荷 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。可在机械计手册中查到适合的滚珠丝杠。型号为 CMFZD40063.53 额定动载荷 18，800N，所以强度足够用。(2) 效率计算根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为： ； (3-8)()tgtg式中：为螺旋升角； 为摩擦角。其中： 00Ltgd为滚珠丝杠基本导程； 为滚珠丝杠的公称直径；0L0d1414 62443.14 40arctgarc；滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f=0.0030.004,其中摩擦角可计算为： 12arctg f则：。93. 0)21442(442tgtg(3) 刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程变化量： ； (3-9)EFPLL01式中： 滚珠丝杠的基本导程（cm） ； P工作负载（N） ；0L E弹性模量； F滚珠丝杠截面积（按内径定） （cm） ；滚珠丝杠截面积： ； （310）22dF其中： 022ddeR；式中： 滚珠丝杠滚道圆弧偏心距； R滚道圆弧半径；e其中： ； （3/2 cosWeRD11） ；1.04/2WRD式中： 滚珠直径； 接触角；WD根据机械设计手册中的滚珠标准系列选 DW=4mm；451515 则： 41.0421.042.082WRDmm；4/2 cos2.08cos450.0572WeRDmm ；022402 0.0572 2.0835.95ddeRmm ；2223.59533.1410.14722dFcm因此：；cmEFPLL66011046. 4147.10106 .206 . 045.1555滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略。2L即：；1LL所以，导程变形总误差为：。mmLL/43. 71046. 46 . 010010060查表可知 3 级精度滚珠丝杠允许的螺距误差（1 米）长为 19，故刚/um m度够用。(4) 稳定性验算由于滚珠丝杠两端采用固定支承，所以稳定性没有问题。3.2.3 齿轮及转距的有关计算齿轮及转距的有关计算(1) 有关齿轮计算传动比 ：i；25. 101. 0360675. 03600pLi故取：Z1=32； Z2=40； m=2； b=20mm； =20；a； ；112 3264dmZmm222 4080dmZmm； ；112*68aaddhmm222*84aaddhmm1616 。1264807222ddamm(2) 转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： ；22221180180 0.01()()9555.55.553.14 0.75pJWkgmmkgcm丝杠的转动惯量： ； （312）4417.8 10sJD L式中：滚珠丝杠的公称直径； 丝杠长度；D1L则： 44227.8 10415029.952299.52sJkgcmkgcm齿轮的转动惯量：；44217.8 106.4226.17zJkgcm；44227.8 108263.9zJkgcm 电机的转动惯量很小可忽略。因此，总转动惯量： （3-13）221(299.5263.9)26.175.55264.31.25kgcm(3) 所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩： ； （3-max0fMMMM14）最大切削负载时所需力矩： ；0atftMMMMM快速进给时所需力矩： ； （30fMMM15）21121sZZJJJJJi1717 式中：空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；maxM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；0M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 ；4109.6aJnMNmT当时：maxnn ；maxaaMM ；min/33.833625. 14000maxmaxrPiVnh ；4max26.43 833.33109.177917.79.6 0.025aMNmNcm当时：tnn ；aatMM ；min/17.142625. 13 . 02114. 31501000100000rLfiDvLfinnit ；426.43 142.17101.571579.6 0.025atMNmNcm ；00022fF Lf WLMihi当时，时：0.8h 0.16f ；0.16 95 0.61.452214.5222 3.14 0.8 1.25fMNmNcm ；0020012P LMi1818当=0.9 时预加载荷，则：013bXPF22000(1)95.472 0.6 (1 0.9 )0.577657.7666 3.14 0.8 1.25xF LMNmNcmi；095.472 0.69.1291222 3.14 0.8 1.25xtF LMNmNcmi所以，快速空载启动所需力矩： max0afMMMM =917.7+14.522+5.776=738.000Ncm；切削时所需力矩：0atftMMMMM =15.7+1.4522+0.5776+9.12=26.85Nm=268.5Ncm；快速进给时所需力矩：M=Mf+M0=1.4522+0.5776=2.0298Nm=202.98Ncm；由上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时：maxMMmax=738.000Ngcm。3.3 横向进给系统的设计与计算横向进给系统的设计与计算经济型数控改造的横向进给的设计比较简单，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和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。3.3.1 横向进给系统的设计计算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。电机初步估算转速为 1500r/min，进给速度=2。maxV/minm根据机械设计手册可知； （3-inVPhmaxmax16）则： ；mminV07. 125. 115002000maxmax1919根据机械设计手册可查到滚珠丝杠的标准系列，初选。4hPmm已知条件如下：工作台重量：； 300WN 脉冲当量：；0.005/mm step步距角：；0.75 /astep 进给速度：；max2/minVm 滚珠丝杠基本导程：；04Lmm滚珠丝杠行程：；650Smm(1) 削力计算横向进给量为纵向的，取，则切削力约为纵向的 ：11231212 ；11909.44954.722ZFN在切断工件时：；0.50.5 954.72477.36yZFFN3.3.2 滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠设计计算(1) 强度计算对于燕尾型导轨：； （3-()yZPKFfFW17）取 K=1.4，=0.2；f 则： ；1.4 477.360.2954.72300919.248PN寿命值： ；66010iiinTL 由以上条件，可以确定步进电机与滚珠丝杠齿轮传动比： ；67. 1005. 0360475. 03600pLi由于电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动则：2020 ;max131500900 /min5nVri电m ax由机械设计手册可知，当量转速在之间变化时：mVmaxminVV与 ；maxmin2mVVV取为时，；取；minV1 /minr450.5 /minmVr450 /minmVr因此： ；666060450 150004051010iiinTL根据经济型数控机床可知，最大动负载为：。 33405919.248 1 1.28161.42iWHQL PffN 根据最大负载 Q 值，可选择滚珠丝杠的型号,外循环插管埋入式双螺母预紧式的滚珠丝杠，型号为 20042.53 左，其中额定动载荷为 14200N，所以强度够用。(2) 效率计算经计算螺旋升角，摩擦角；2 30 10则：。 2 300.926()(2 3010 )tgtgtgtg(3) 刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量：； 60162919.248 0.4 42.71 1020.6 103.14 (2.8964)PLLcmEF :滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，即：。所以，导程变2L:1LL:形总误差为： ；61002.71 106.78/0.4um m:查表可知 3 级精度丝杠允许的螺距误差（1m）为 15，故刚度足够。/um m(4) 稳定性由于选用的滚珠丝杠的直径与丝杠直径相同，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。21213.3.2 齿轮及转矩有关计算齿轮及转矩有关计算(1) 有关齿轮计算传动比： ；00.75 451.67360360 0.0053pLi故取：，118Z 230Z 2m 20bmm20a 136dmm，。260dmm140admm264admm48amm(2) 转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： ； 2221180180 0.005300.04393.14 0.75pJWkgcm丝杠转动惯量： ；4427.8 103.2604.907sJkgcm齿轮的转动惯量： ；44217.8 103.620.262ZJkgcm ；44227.8 10622.022ZJkgcm电机转动惯量很小可忽略，因此转动惯量为：(3) 所需转动力矩计算；maxmax052000 53833.333 /min4 3VnrL44maxmax2.801 833.3310100.9739.739.69.6 0.025aJnMNmNcmT；01000 150 0.15 549.76 /min3.14 60 4 3tn finrDL 主；42.801 49.76100.0580.589.6 0.025atMNmNcm0000.2 30 0.4 30.287N0.0287222 3.14 0.8 5F Lf WLMfcmNmii222112134.9072.0220.2620.04392.8015sZZJJJJJkgcmi22222200047.736 0.4 311 0.90.1440.01446060 3.14 0.8 547.736 0.4 32.280.22822 3.14 0.8 5YYtF LMNcmNmiF LMNcmNmi所以，快速空载启动所需转矩： 切削时需max09.730.2870.14410.161101.61afMMMMNmNcm力矩： 快速00.580.2870.1442.283.29132.91attMMMMNmNcm进给时所需力矩：。00.2870.1440.4314.31fMMMNmNcm从上计算可，最大转矩发生在快速进给启动时：max101.61MNcm3.4 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法滚珠丝杠副的轴向间隙，是指负载时滚珠与滚道型面接触的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。滚珠丝杠副的轴向间隙直接影响其传动刚度和传动精度，尤其是反向传动精度。因此，滚珠丝杠副除了对本身单一方面的进给运动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格的要求。滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧，通常采用双螺母预紧方式，其结构型式有三种。基本原理是使两个螺母间产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的。1垫片调隙式图 35 所示结构。是通过改变垫片的厚度，使螺母产生轴向位移。这种结构简单可靠、刚性好，但调整费时，且不能在工作中随意调整。图 35 双螺母垫片式结构图2螺帽调隙式 2323图 36 所示为利用螺帽来实现预紧的结构，两个螺母以平键与外套相联，键可限制螺母在外套内移动，其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。用两个锁紧螺帽 1、2 能使螺母相对丝杠作轴向移动。这种结构既紧凑，工作又可靠，调整也方便，故应用较广。但调整位移量不易精确控制。这种结构既紧凑，工作又可靠，调整也方便，帮应用较广。但调整位移量不易精确控制，因此，预紧力也不能准确控制。图 36 双螺母帽式结构图 1、2 锁紧螺帽 3齿差调隙式 图 37 所示为齿差式调整结构。在两个螺母的凸缘上分别有齿数为Z1、Z2 的齿轮，而且 Z1、Z2 与相应的内齿圈相啮合。内齿圈紧固在螺母座上，预紧时脱开内齿圈，使两个螺母同向转过相同的齿数，然后再合上内齿圈。两螺线的轴向相对位置发生变化从而实现间隙的调整和施加预紧力。如果其中 图 37 双螺母齿差式结构图2424一个螺母转过 n 个齿时则其轴向位移量为（Ph 为丝杠导程，Z1 为1hnsPZ齿轮齿数） 。如两齿轮沿同方向各转过 n 个齿时，其两螺母间相对轴向位移量（Z2 为另一齿轮齿数）或。例如：21121211hhZZnPsnPZZZ Z1221hsZ ZnZZP当 n=1，Z1=99，Z2=100，,即两个螺母在轴向产生 1的位移。1019900hPumum这种调整方式的结构复杂，但调整准确可靠，精度较高。除上述三种双螺母加预紧力的方式外，还有单螺母变导程自预紧和单螺母钢球过盈预紧方式。3.5 滚珠丝杠副的安装结构滚珠丝杠副的安装结构3.5.1 支承结构支承结构为了高伟动刚度，应合理确定滚珠丝杠副的参数、螺母座的结构、丝杠两端的支承型式，以及它们与机床的联接刚度。常用的支承方式有下列几种，如图 38 所示。（1）一端装止推轴承（固定自由式） 如图 38(a)所示。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠。如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直坐标中。（2）一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承（固定支承式） 如图 38(b)所示。滚珠丝杠较长时，一端装止推轴承固定，另一端由深沟球轴承支承。为了减少丝杠热变形的影响，止推轴承的安装位置应远离热源（如液压马达） 。（3）两端装止推轴承 如 38(c)所示。将止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧力，有助于提高传动刚度。但这种安装方式对热伸长较为敏感。（4）两端装双重止推轴承及深沟球轴承（固定固定式） 如图 38(d)所示。为了提高刚度，丝杠两端采用双重支承，如止推轴承和深沟球轴承，并施加预紧力。这种结构方式可使丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力。2525图 38 滚珠丝杠的支承结构3.6 进给系统传动齿轮间隙的消除进给系统传动齿轮间隙的消除3.6.1 采用减速箱的目的及注意事项采用减速箱的目的及注意事项为了保证步进电机的启动性能，要特别考虑负载惯性矩。当所带负载的惯性矩增大时，由于步进电机是按电磁铁吸力原理来动作，所以当惯性矩增大到某一值时，就会使步进电机产生擅动就会产生启动不良效果，所以，使用步进电机时尽量选小的负载。在本次设计过程中我们采用减速齿轮来联结滚珠丝杠和步进电机，以达到改变惯性矩的目的。同时，应该尽可能地消除配对齿轮之间的间隙，否则就会产生使运动滞后的指示信号的误差，对加工件的精度就会产生很大的影响。3.6.2 减少或消除空程的必要性和方法减少或消除空程的必要性和方法1. 减少或消除空程的必要性数控机床的传动精度，除了机床的几何精度、丝杆精度影响外，又受其本身因素的影响，产生滞后现象而引起的间隙误差。在这次设计改造过程中只能采用开环系统，数控系统不能对车床的误差进行修改，所以只能通过机械的方式对其各部分传动误差进行修改。2. 消除方法本次设计采用双片齿轮来达到消隙的目的，通常将一对齿轮的从动齿制成两片，其中一片固定在轴上，两片之间装有弹簧，弹簧力使两片齿轮的齿廓分别与主动齿轮的齿廓贴紧，从而完全消除了齿侧间隙。2626第四章第四章 数改数改 CA6140 自动刀架设计自动刀架设计在零件的加工制造过程中，大量的时间用于更换刀具，装卸、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。数控机床要提高效率的重要内容之一，就是要缩短非切削时间。为此，近年来带有自动换刀装置的数控机床（加工中心）得以迅速的发展。自动换刀装置已广泛用于各种多工序数控机床，台镗床、铣床、车床及组合机床等。使用这种装置，不仅提高了机床的生产效率，扩大了单功能数控机床的使用范围，而且由于零件在一次安装中完成多工序加工，大大减少了零件安装定位次数，从而提高了加工精度。自动换刀数控机床上，对自动换刀装置的基本要求是：换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具存储量、刀库占地面积小及安全可靠等。4.1 自动刀架的分类自动刀架的分类1.螺旋转位刀架 2.十字槽轮转位刀架 3.凸台棘爪式转位刀架 4.2 自动刀架的设计自动刀架的设计从自动转位刀架的工作原理可知，这类刀架由控制系统直接控制，刀架能自动完成抬起、回转、选位、下降、定位和压紧这样一系列的动作，下面是数改 CA6140 车床自动刀架的工作过程如下：1.刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，步进电机启动正转，通过平键套筒联轴器使蜗杆轴 1 转动，从而带动蜗轮 2 转动。蜗轮与转轴连接在一起，因此一起转动，刀架体 7 的内孔加工有螺纹，与转轴连接在一起的丝杠套 5 外圈有螺纹。当蜗轮开始转动时，由于刀架底座 3 和刀架体 7 上的端面齿处在啮合状态，且丝杠套轴向固定，因此这时刀架体 7 抬起。2.刀架转位当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开，转位套 8 用销钉与丝杠套联接，随转轴一同转动，当端面齿完全脱开时，转位套正好转过 60 度，球头销 11 在弹簧力的作用下进入转位套 8 的槽中，带动刀架体转位。3.刀架定位刀架体 7 转动，当转到程序指定的刀号时，粗定位销 4 在弹簧的作用下进入刀体底座的粗定位盘的槽中进行粗定位，同时霍尔开关发出电机反转的指令，使电机反转。由于粗定位销的限制，刀架体 7 不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体 7 和刀架底座 3 上的端面齿啮合实现精确定位。27274.夹紧刀架电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆轴 1 自身转动，当两端面齿增加到一定夹紧力时，电动机 1 停止转动，实现了夹紧。图 41 自动转位六方刀架2828第五章第五章 数改数改 CA6140 步进电机的设计步进电机的设计5.1 步进电机的工作方式步进电机的工作方式步进电机的工作方式和一般电机的不同，是采用脉冲控制方式工作的。只有按一定的规律对各相绕组轮流通电，步进电机才能实现转动。数控机床中采用的功率步进电机有三相、四相、五相、和六相等。一般电机的相数越多，工作方式越多。由步距角计算可知，循环拍数越多，步距角越小，因此定位精度越高。另外，通电循环拍数和每拍通电相数对步进电机的矩频特性、稳定性等都有很大的影响。步进电机的相数也对步进电机的运行性能有很大影响。为提高步进电机输出转矩、工作频率和稳定性，可选用多相步进电机，并采用 2m 拍工作方式。5.2 步进电机的选择步进电机的选择5.2.1 步进电机选用的基本原则步进电机选用的基本原则合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统的实际工作情况，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）步距角步距角应满足： mnai （5-1）式中：传动比；i系统对步进电机所驱动部件的最小转角。mna（2） 精度步进电机的精确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足： （5-Qi2）式中： 步进电机的积累误差；m 系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。s2929（3） 转距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：（4） 启动力矩一般启动力矩选取为： （5-3）00.30.5LMM : 式中：电动机启动力矩；qM电动机静负载力矩。0LM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。（5）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： （5-topmff4）式中： 极限启动频率；tf 要求步进电机最高启动频率；opmf5.2.2 数改数改 CA6140 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0938.0781876.160.50.5LqMMNcm为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：；/0.866qjmMM所以，步进电机最大静转距为：jmM1876.162166.460.8660.866qjmMMNcm步进电机最高工作频率：maxmax40006666.66060 0.01pvfHz3030综合考虑，查表选用 130BF003 型直流步进电动机，能满足要求。5.2.3 数改数改 CA6140 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0101.61203.220.50.5LqMMNcm为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：；/0.866qjmMM所以，步进电机最大静转距为：jmM203.23234.670.8660.866qjmMMNcm步进电机最高工作频率：maxmax20006666.66060 0.005pvfHz综合考虑，查表选用 110BF003 型直流步进电动机，能满足要求。3131第六章第六章 数控系统硬件电路设计数控系统硬件电路设计 6.1 数控系统基本硬件组成数控系统基本硬件组成 CPU 选用 ATMEL 公司的 8 位单片机 AT89S52；由于 AT89S52 本身资源有限，所以扩展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用作程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片 SRAM 芯片 6264 用作数据存储器，存放用户程序；键盘与LED 显示采用 8279 来管理；输入/输出口的扩展选用了并行接口 8255 芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大；模拟电压的输出借助于 DAC0832；与 PC 机的串行通信经过 MAX233 芯片。 6.2 单片机控制系统的设计单片机控制系统的设计6.2.1 硬件配置硬件配置根据功能要求等，硬件配置有 AT89S52 单片机、扩展了一片 EPROM 芯片W27C512 用作程序存储器、扩展了一片 SRAM 芯片 6264 用作数据存储器、输入/输出口的扩展选用了并行接口 8255 芯片AT89S52是一种低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。6264的容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用 CMOS 工艺制造 A12A0（address inputs）：地址线，可寻址8KB 的存储空间。 D7D0（data bus）：数据线，双向，三态。 （output enable）：读出允许信号，输入，低电平有效。 （write enable）：写允许信号，输入，低电平有效。 （chip enable）：片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。CE2（chip enable）：片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。 VCC：+5V 工作电压。 GND：信号地。8255是 Intel 公司生产的可编程并行 I/O 接口芯片，有3个8位并行 I/O 口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚） 。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。 8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C 口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与 CPU 连接部分、与外设连接部分、控制部分。6.2.2I/O 口地址分配口地址分配3232根据设计电路图连接情况，可以计算出主板中存储器与 I/O 芯片的地址分配如表格 7-1。表 7-1 I/O 芯片地址分配 6.2.3 步进电机与微型机的接口电路步进电机与微型机的接口电路由于步进电机的驱动电流较大，所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路。驱动器可用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。总之，只要按一定的顺序改变 8713 脉冲分配器的 13 脚15 脚三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。由于步进电机运行时功率较大，可在微型机与驱动器之间增加增加一级光电隔离器（一是抗干扰，二是电隔离）以防强功率的干扰信号反串进主控系统。电路图如图 7-2 所示。图 7-2 光电隔离电路6.2.4 方向控制方向控制步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序相关。三相六拍，通电顺序为：正转： AABBBCCCA反转：AACCCBBBA改变通电顺序可以改变步进电机的转向3333通过硬件实现脉冲分配：所谓硬件法实际上就是使用脉冲分配器 8713，来进行通电换向控制。8713 是属于单极性控制，
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