CW6163卧式车床数控化改造及横向进给设计

第一章 绪 论

1.1数控机床的发展现状

数控机床正在向精密、高速、复合、智能、环保的方向发展。精密和高速加工对传动及其控制提出了更高的动态特性和控制精度，更高的进给速度和加速度，更低的振动噪声和更小的磨损。问题的症结在传统的传动链从作为动力源的电动机到工作部件要通过齿轮、蜗轮副，皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间传动环节，在这些环节中产生了较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。虽然在这些方面通过不断的改进使传动性能有所提高，但问题很难从根本上解决，于是出现了“直接传动”的概念，即取消从电动机到工作部件之间的各种中间环节。随着电机及其驱动控制技术的发展，电主轴、直线电机、力矩电机的出现和技术的日益成熟，使主轴、直线和旋转坐标运动的“直接传动”概念变为现实，并日益显示其巨大的优越性。直线电机及其驱动控制技术在机床进给驱动上的应用，使机床的传动结构出现了重大变化，并使机床性能有了新的飞跃。

目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。为适应这种情况，数控机床正朝着以下几个方面发展。

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质量。 目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，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。并采用直线电机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。在直线电机刚开始开发时，因其能实现高速加工而备受瞩目。但近年来，使用直线电机的目的已逐渐转向高精度化。也就是说，在直线电机的诸多优良特性中，很高的定位精度和圆弧插补

精度尤其令人刮目相看。其原因是非接触式的驱动系统没有传统伺服电机旋转减速用的齿轮副、滚珠丝杠、耦合件等各种机械因素引起的误差，以及直线电机必然采用闭路控制。

采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式。

2.引进自适应控制技术

智能化现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较好的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。还可自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。

数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量来提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化、通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量、又便于组织生产和质量把关。还可通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，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，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀具损坏、干扰、断电等各种意外发生时，自动进行相应的保护。

3．控制系统和数控系统小型化

控制系统与数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。这样可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 机床进行数控化改造的必要性

由于当前市场竟争激烈，一个企业想要生存和发展就必须迅速地更新和开发出新产品，并且以最低的价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。目前来说，普通机床已不适应多品种，小批量生产的要求，而数控机床则综合了数控技术，微电子技术，自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期短的零件。因此，要对普通机床进行数控化改造以是迫不得已。

首先，数控机床与传统的普通机床相比有许多优点，而这些优点主要从数控机床的计算机系统来说主要表现在以下几个方面：

1.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达到的运动量，因此可以加工出带有曲线或曲面以及带有锥度的零件。可以实现加工的自动化，加工效率高。

2.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。

3.加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易。

4.工序集中，减少了零件在机床间的频繁搬运，大大降低了工人的劳动强度。 5.拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种功能，因而可实现长时间无人看管加工。大大的提高了劳动生产率，缩短了生产周期，同时带来了很高的经济效益。

其次，从机械工业的发展形式来看，工业发达的国家，已开始大规模应用数控机床。其本质是采用数控技术对传统产业进行技术改造。除了在制造过程中采用数控机床外，在产品开发中还推行CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）以及MIS（管理信息系统）、CIMS（计算机集成制造系统）等等。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造，最终使得发达国家的产品

在国际军品和民品的市场上竞争力大大增强。而我国在数控技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。因此，每年我国都有大量的机电产品进口。这也就进一步说明了机床数控化改造的必要性。

第二章 CW6163卧式车床总体方案设计

2.1.设计任务

本设计任务是对CW6163卧式车床进行数控化改造。大体步骤是将x轴（横向）、z轴（纵向）改为微机控制，采用步进电机驱动滚珠丝杠传动。其中x轴（横向）脉冲当量：0.005/mm脉冲，Z轴（纵向）脉冲当量：0.010/mm脉冲。 1.实现功能：车削外圆、端面、圆弧、圆锥及螺纹加工。

2.操作要求：起动、点动、单步运行、自动作循环、暂停、停止。

2.2 .总体方案的确定

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，对机床的改造应尽可能少，以便降低成本。 一、数控系统运动方式的确定

数控系统按运动方式分为：点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。由于改造后的经济型数控车床应具有定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，循环加工，螺纹加工等功能，由于在车削加工中，要求刀具沿各坐标轴运动，要有确定的函数关系，即刀具以给定的速率相对工件沿加工路径运动，所以不能选用点位系统，因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中，不进行切削。所以，此微机数控系统采用连续控制系统。 二、伺服系统的选择

数控机床的伺服进给系统有开环、闭环和半闭环之分。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。由于CW6163型车床改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了简化结构，所以，本设计采用开环控制系统。 三、微机数控系统

由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等优点，因此采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分，键盘及显示器，I/O接口及光电隔离电路，步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用LED显示器。 四、机械传动方式

为了简化结构，降低成本，采用步进电动机加联轴器与传动丝杠连接；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，同时为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的贴塑性滑动导轨和滚珠丝杠副机构。 2.3. 机械系统的改造设计方案

一、主传动系统的改造

为减少机械改造的工作量，保留原有的主传动机构和变速操纵机构。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。为了在加工中自动变换转速，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速。 二、改装自动回转刀架

为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将原有的手动刀架换成由微机控制的经电动机驱动的自动回转刀架。 三、螺纹编码器的安装

为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器（也称螺纹编码器），为此采用同轴安装方式，即编码器直接安装在主轴后端，因为这种方式结构简单。主轴和编码器同步旋转，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。 四、进给系统的改造

1.拆除挂轮架所有齿轮，在主轴的同步轴处，安装螺纹编码器。

2.拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与锥环联轴器。 3.拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。

4.拆除四方刀架与上溜板总成，以及刀架纵横向移动手柄，刀架的移动由微机控制，在横溜板上方安装四工位立式电动刀架。

5.拆除横溜板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆靠刻度盘一段锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。 6.将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并通过联轴器与滚珠丝杠的轴头相联。

7.拆去三杆：丝杆、光杆与操纵杆。

第三章 CW6163卧式车床横向进给系统的设计 3.1 横向进给系统切削力计算

1.技术指标：

机床长度：3630mm 机床高度：1830mm 机床宽度：1375mm

工作台重（根据图纸粗略计算）：W=40kgf=400N 滚珠丝杠基本导程：L0=12mm ,左旋 行程: S=450mm

最大加工直径：在床身上630mm ；在刀架上550mm 最大加工长度：1500mm

快速进给速度：Vmax?2000mm/min 最大切削进给速度：250mm/min 切削线速度：100m/min 主电动机功率：11kw

定位精度：0.04mm/全行程

重复定位精度:0.016mm/全行程

程序输入方式：增量值、绝对值通用 控制坐标数：2 脉冲当量：

?p?0.005mm/step

步距角：??0.750/step

2.横向切削力计算目的：

通过计算切削力来选取滚珠丝杆以及步进电动机的型号，进一步对导轨的强度，所受的摩擦力，承受的载荷大小的校验，以及滚珠丝杆的强度验算，步进电动机的转动惯量的验算等。

查CW6163卧式车床说明书知，各电动机型号如下表： 电动机 型号 额定功率 电压 电流 转速 主电动机 Y160M—4 11kw 23A 1460r／min 冷却泵电动JCB—22 0.15kw 0.43A 2790r／min 机 380V 快速移动电Y90L—S4 1.1kw 2.8A 1400r／min 动机 由《机床设计手册》可知，切削功率计算公式如下： NC?N?K

式中，N—主电动机功率，N?11kw；

?—主传动系统效率，一般为0.75~0.85，取??0.83； K—进给系统功率系数，取为K=0.96。 则，

NC?11?0.83?0.96?8.76kw

又因为NC?FZV6120c，所以有，

Fz?6120NcVc(kgf)

式中，VC —切削线速度，VC?100m/min； NC—切削功率。 又由纵向进给切削力得，

Fz纵?6120NcVc?6120?8.76100?536.1kgf?5361N

式中，Fz纵—纵向进给系统的主切削力

由于横向进给量为纵向进给量的1/2 ~ 1/3，取1/2；则切削力约为纵向的1/2。 故，

Fz横?12Fz纵?12?536.1kgf?268.05kgf?2680.5N

式中，Fz横—横向进给系统的主切削力

在一般外圆切削时，（由《机床设计手册》可知）：

Fx?(0.1~0.6)FZ横

在切断工件时，取：

Fx?0.5FZ横?0.5?2680.5

?1340.25N式中，Fx—x方向的轴向力。

3.2 导轨的设计与选型

一、导轨的类型及选型 1.导轨的类型

导轨的分类方法有多种：按运动轨迹可以分为直线导轨和圆导轨，按工作性质可分为主运动导轨、进给导轨和调整导轨，按受力情况可分为开式导轨和闭式导轨，按摩擦性质可分为滑动导轨和滚动导轨。此设计采用贴塑滑动导轨。 2.贴塑滑动导轨的特点：

贴塑滑动导轨一般与铸铁导轨或淬硬的钢导轨相配合使用，是在与铸铁导轨或淬硬的钢导轨相配合的导轨上贴上一层塑料导轨软带制成的。

特点：

（1）摩擦系数小，且动、静摩擦系数的差别较小，可以防止低速爬行现象。 （2）耐磨性、抗撕伤能力强。

（3）加工性和化学稳定性好，工艺简单，成本低，并有良好的自润滑性和抗振性。 3.导轨的选型

塑料导轨的软带的类型和特点：

塑料导轨软带有两种类型：一种是美国霞板（shanban）公司研制的得尔赛(Turcite—B)塑料导轨软带；另一种是我国研制的软带。Turcite—B塑料导轨软带由可以自润滑的复合材料制成，它主要是在聚四氟乙烯中填充50%的青铜粉，还加有一定量的二硫化钼、玻璃纤维和氧化物制成的带状复合材料。它具有

优异的减磨、抗咬伤性能，不会损坏配合面吸振性能好，低速无爬行，并可以在干摩擦下工作。

塑料导轨软件与其他导轨相比，具有以下特点：

（1）摩擦系数低而稳定，比铸铁导轨副低一个数量级。

（2）动、静摩擦系数相近，运动平稳性和爬行性较铸铁导轨副好。

（3）吸收振动、具有良好的阻尼性，优于接触刚度较低的滚动导轨和易漂浮的静压导轨。

（4）耐磨性好，有自润滑作用，无润滑油也能工作，灰尘、磨粒的嵌入性好。 （5）化学稳定性好，耐磨、耐低温，耐强酸、强碱、强氧化剂及各种有机溶剂。 （6）维护修理方便，软带耐磨，损坏后更换容易。

（7）经济性好，结构简单，成本低，其成本约为滚动导轨成本的

120。

因此，在CW6163卧式车床的数控化改造中，选择美国霞板公司研制的得尔赛(Turcite—B)塑料导轨软带较为合理。 二、贴塑导轨摩擦力计算

1. 在切削状态下坐标轴导轨摩擦力的F?计算:

F???(w?fg?Fv?Fc)

?0.15?(650?2500?2680.5?5361) ?1678.7N式中：Fv、Fc—主切削力的垂向切削分力和横向切削分力（Fv=Fz横；

Fc=Fz纵）；

w—坐标轴上移动部件的全部重量（包括机床夹具和工件的重量）；

?—摩擦系数，对于贴塑导轨，??0.15； fg—镶条紧固力（根据表2—3可知fg?2500N）；

２—３镶条紧固力推荐值

（单位：N） 导轨形主电动机功率/kw 式 2.2 3.7 5.5 7.5 11 15 18 贴塑滑500 800 1500 2000 2500 3000 3500 动导轨 滚动直25 40 75 100 125 150 175 线导轨 2.在不切削状态下坐标轴导轨摩擦力F?0的计算。

F?0??(w?fg)?0.15?(650?2500)?472.5N

3.3 横向进给系统的设计计算

3.3.1 滚珠丝杠副的设计计算 一、强度计算

由于滑动螺旋机构的螺旋副摩擦阻力大、效率低、精度低，不能满足现代机械的传动要求，因此，在数控机床中采用滚动螺旋机构。将螺旋副的滑动摩擦转变为滚动摩擦，提高了螺旋传动的效率和运动的平稳性。

滚珠丝杠在工作过程中承受轴向负载，使得滚珠和滚道型面间产生接触应力，对滚道型面上某一点，是交变接触应力。在这种交变应力的作用下，经过一定的应力循环次数后，滚珠或滚道型面产生疲劳损伤，从而使得滚珠丝杠丧失工

6

作性能。因此，必须保证滚珠丝杠副在一定的轴向负载的作用下，在回转10转后，滚道上虽然受滚珠压力，但不应有点蚀现象发生，此时所能承受的轴向负载为滚珠丝杠能承受的最大动负荷Q。

工作负载P是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力。由进给牵引力的实验公式得， 对贴塑性导轨：

P?KFx?f'(Fz?G)

式中，Fx，Fz—X,Z方向上的切削分力；

G—移动部件的重量；

f'—导轨上的摩擦系数；

K—考虑颠覆力矩影响的实验系数；

取，K?1.4,f'?0.15,对贴塑性导轨f'取0.15 则，

P?1.4?1340.25?0.15?(5361?400)?2740.5N

寿命值，

Li?60niTi106

式中，ni——滚珠丝杠的转速（r/min）； Ti——使用寿命时间（h）。

由＜＜机床设计手册＞＞查得自动控制机械及机床的使用寿命时间Ti为15000。（如表6—6所示）

表6—6 机器的使用寿命 机器类型 通用机械 普通机床 自动控制机械及机床 仪器装置 航空机械 又因为， ??

ni?n主fL0?1000?f使用寿命（Th） 5000~10000 1000 15000 15000 1000 ?Dn1000 (2—1)

?DL0 （2—2）

式中，?—线速度（mm/min）；

n—主轴转速；

f—进给量（0.5mm/r）；

D—工件最大回转直径（mm）。

由(2—1) 和（2—2）得， ni?1000?f?DL060niTi106?1000?100?0.53.14?630?12?2.1r/min

Li?最大动负载：

?60?2.1?15000106?1.89

Q?3LifwfHp

从＜＜机床设计手册＞＞中，查表可得：运转系数fw?1.3，硬度系数

fH?1.2。（如表6—7和表6—8所示）

6—7 运转系数值 运转状态 无冲击的圆滑运转 一般运转 有冲击的运转

运转系数fw 1.0~1.2 1.2~1.5 1.5~2.5

硬度HRC 硬度系数6—8 硬度系数值 60 57.5 55 52.5 50 47.5 45 42.5 40 30 25 15 fH 故，

1.0 1.1 1.2 1.4 2.0 2.5 3.3 4.5 5.0 10 Q?3LifwfHp?31.89?1.3?1.2?2740.5?5301.2N

根据最大动负荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号为：FFZL4012—3，其额定动负荷为：24.9kw，公称直径为?40，所以强度足够用。

二、预紧力计算

在滚珠丝杠副上施加预紧力后，可提高轴向刚度和传动精度，但预紧力不可过大，过大则影响丝杠副的使用寿命。因此，要在满足所需寿命和精度要求的条件下，合理决定预紧力的大小。

滚珠和螺纹滚道间由于受轴向力的作用而产生轴向变形，在弹性变形范围内，变形量?的大小可由赫兹公式计算：

??kp

式中，k——与滚道的曲率半径，材料的弹性模量有关的系数。

在滚珠丝杠副的预紧，采用双螺母预紧，设这两个螺母分别为A、B，则施加的预紧力为P0，相应的变形为?0。当外加轴向工作载荷P时，螺母B在接触点处又产生了?的弹性变形，而螺母A由于弹性恢复；其接触点上的变形量反而减少了?，其结果螺母A、B在P0和P的共同作用下，总变形量为：

23?A??0??

?B??0??

此时，若继续增大P，则螺母A中的滚珠负荷减小，变形?A亦随之减小，当P增加到一定数值时，?与?0相等，?A??0???0，这时螺母A中滚珠和滚道刚好接触，如果再继续增大P，就会出现间隙。因此，要保证丝杠在最大轴向载荷Pmax作用下没有间隙，P0就必须满足下列关系

当?A??0???0时，?0??，此时螺母B的变为：

又因为，

?B??0???2?23

0 ?B?kpmax ?0?kp0 故，

kpmax得到， P0?p预?pmax232323?2kp0

13?5301.2?1767N （Pmax?Qmax）

23?13pmax?由此得出结论：在双螺母预紧的滚珠丝杠副中，为使螺母和丝杠之间不出现间隙，应使预紧力近似等于最大轴向载荷的。P0过小，不能保证无间隙传动；

31P0过大，会降低传动效率和承载能力。

三、效率计算

根据机械原理公式，丝杠螺母副的传动效率?为： ?0?式中，?—螺纹的螺旋升角；

tg?tg(???)

?—摩擦角。

滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f?0.003~0.004，其摩擦角?可计算为

??arctgf。根据＜＜机床设计手册＞＞可取，螺旋升角??338，摩擦角

?'??10，则传动效率为：

?0?tan?tan(???)?tan338?'?'''tan(338?10)?0.956

滚珠丝杠的传动效率较高（?可在0.8~0.9之间），这可使丝杠副的温度变化较小，对于减少热变形，提高刚度、强度都起了很大作用。 四、转动惯量计算

1.工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量为： J1?(180?p)w?(2180?0.0053.14?0.75??)?40?5.77kg6?mm

222.折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量：

由公式， JL?m(L02?)?65?(2122?3.14)?234.65kg?mm

22式中，m—横向溜板及刀架质量，m?65kg；

L0—导程。

3.加在电动机轴上的总负载转动惯量为： J?1i2(JL)?J1?234.65?5.776?240.426kg?mm2?2.4kg?cm

2注：当滚珠丝杠与电动机直接相连时，传动比取1。 4.所需转动力矩计算：

nmax?vmaxiL0?200012r/min?166.7r/min

式中，nmax—步进电动机的最高转速（r/min）；

i—传动比，当滚珠丝杠与电动机直接连接时，i?1； vmax—移动部件的最高移动速度（vmax?2000mm/min）。

1）空载起动时折算到电动机轴上的加速度力矩:

M?max?Jnmax9.6T?10?4?2.4?166.79.6?0.025?10?4?0.1667N?m

2）切削时折算到电动机轴上的加速度力矩。（对开环系统取加速度时间为0.025）

nt?1000vfi?DL0?1000?100?0.53.14?630?12?10?4?2.1r/min

Mat?2.4?2.19.6?0.025?0.0021N?m

3）折算到电动机轴上的切削负载力矩(已知在切削状态下的轴向负载力

Fx?1340.25N)：

MC?

FxL02??i?1340.25?122?3.14?0.83?1?3092.9N?mm?3.093N?m

4）折算到电动机轴上的摩擦负载力矩：

M??F?0L02??i?472.5?122?3.14?0.83?1?1090.4N?mm?1.09N?m

式中，F?0—空载时的导轨摩擦力。

5）由滚珠丝杠预紧力Fp产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩：

M?FpL02??i(1??0)?21395.6?122?3.14?0.83?1f?(1?0.96)?5.153N?mm?0.005N?m2

故，

空载快速起动所需转矩：

M?Mamax?M??Mf?0.1667?1.09?0.005 ?1.26N?m切削时所需力矩：

M?Mat?Mf?Mc?M??0.0021?0.005?3.093?1.09 ?4.19N?m快速进给时所需转矩：

M?M??Mf?1.09?0.005 ?1.095N?m从以上计算可知，最大转矩发生在切削时，即，

Mmax?4.19N?m

五、刚度验算

滚珠丝杠是精密传动元件，它在轴向力的作用下将产生伸长或缩短，在扭矩的作用下将产生扭转，这将引起丝杠的导程发生变化，从而影响其传动精度及定位精度，因此滚珠丝杠应验算满载时的变形量。

① 滚珠丝杠受工作负载P的作用，引起导程L0的变化量?L1，其值可按下式计算：

?L1??PL0EF(mm)

式中，P—工作负载（N）；

L0—滚珠丝杠的基本导程（mm）；

E—弹性模量，对钢E?21?10(N/cm)； F—滚珠丝杠载面积（按内径定，mm）。

262注：“+”号用于拉伸时，“-”号用于压缩时。 则，

?L1??2740.5?1221?10?106?2?847??1.85?10?4(mm)

② 滚珠丝杠因受扭矩作用而引起的导程变化量?L2，可按下式计算，

?L2??L0?2?????L0?2?(mm)??12?0.1025?102?3.14?3??0.196?10?3

式中，?—在扭矩M的作用下，滚珠丝杠每一导程长度两载面上的相对扭转角。 ???ML0GJC??79?10?1282.4?10?105?23?112194.4?0.1025?10?3

式中，M—扭矩（N?mm）（根据CW6163系列机床说明书知M?79N?m）；

G—切变模量，对钢G?82.4?10(N/cm)；

52Jc—滚珠丝杠载面积的惯性矩。

Jc??32d1(mm)?443.1432?(32.7)?112194.4(mm)

44式中，d1—丝杠小径，单位mm。

综合上述结果，滚珠丝杠在工作负载P和扭矩M共同作用下，所引起每一导程变形量?L为：

?L??L1??L2????PL0EFPL0EF??L0?2?ML02?GJ4C2

?79?10?12332??2740.5?1221?10?847?36.28?82.4?10?112194.4??18.6?10滚珠丝杠长度为1m，则其上共有100/L0个导程，它的导程变形总误差?L'为：

?L?'100L0?L?50ML0(mm/min)??100PEF?GJC

?50?79?12?103.14?82.4?10?105?23??100?2740.521?10?847?44?112194.4??31.4?10六、稳定性验算

机床的进给丝杠通常是受轴向力的压杠，若轴向力过大，将使丝杠失去稳定而产生翘曲。

长压杠失稳时的临界负载Pk可依据材料力学中的欧拉公式计算：

Pk??EJ(?l)22(N)

62式中，E—丝杠材料弹性模量，对钢E?21?10(N/cm)；

l—丝杠工作长度（mm）；

J—载面惯性矩，对实心圆柱J??64d1(mm)；

44?—丝杠轴端系数，由支承条件决定。

经计算，两端装推力轴承的情况下，丝杠不会发生失稳现象。临界负载Pk与工作负载P之比称为稳定性安全系数nk0。如果稳定性安全系数nk大于许用稳定性安全系数（nk），则该压杠安全，不致失稳。

nk?PkP?[nk]

注：一般[nk]?2.5~4，对于水平丝杠，考虑自重影响可取[nk]?4。 3.3.2 滚珠丝杠螺母副支承方式及轴承的选择

滚珠丝杠的支承结构形式可以分为三种类型：“自由”（代号“O”），指的是无支承；“游动”（代号“S”），指的是径向有约束，轴向无约束；“固定”（代号“F”），指的是径向和轴向都有约束。本设计采用两端固定式的支承方式。

1.支承方式两端固定（F—F）式的特点：

①需保持螺母与两支承同轴；

②只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固的4倍；

③丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，机械系统的固有频率比一端固定的要高；

④要进行预拉伸的丝杠其目标行程应略小于公称行程，减少量等于拉伸量；

⑤适用于对刚度和位移精度要求高的场合。

2. 轴承的选择

由于滚珠丝杠轴承所受载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠的自重外，一般无外载荷。因此，对滚珠丝杠轴承的要求是轴向刚度要高。另外，丝杠转速一般不会很高，或高速运转的时间很短，因此发热不是主要问题。数控机床进给系统要求运动灵活，对微小的位移要响应灵敏。因此所用轴承的摩擦力矩要尽量低。 （1） 各类滚动轴承特点比较（如下表2—23所示）：

表2—23几种滚动轴承类型 滚动轴承类型 轴向刚度 轴承安装 预载调整 摩擦力矩 60°接触角推力角接触球轴承 双向推力角接触球轴承 圆锥滚子轴承 滚针和推力滚子组合轴承 深沟球轴承和推力球轴承的组合

大 简单 不需要 小 中 小 特大 大 简单 简单 简单 复杂 不需要 如内圈之间有间隔，则不需要调整 不需要 麻烦 小 大 特大 小

通过上表2—23各种轴承结构特点的比较以及与滚珠丝杠的装配方式和所承受的载荷大小，选取型号为：760304TNI的60°接触角推力角接触球轴承比较合理。

3.3.3 滚珠丝杠与步进电动机的联接

一、连接方式的选择

在数控机床进给传动系统中，驱动电动机与滚珠丝杠的联接是数控机床稳定工作的重要环节之一。目前在直线进给传动系统中，驱动电动机与滚珠丝杠的连接方式主要有联轴器，齿轮和同步带。在CW 6163卧式车床的设计中，滚珠丝杠与步进电动机的连接方式采用联轴器。 1. 联轴器

目前联轴器的类型繁多，有液压式，电磁式和机械式。机械式联轴器是应用最广泛的一种，它借助于机械构件相互间的机械作用力来传递扭矩，大致可将联轴器划分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。本设计采用弹性联轴器中的锥环无键联轴器

2.锥环无键联轴器介绍：

这种联轴器定心性好，承载能力强，传递功率大，转速高，使用寿命长，具有过载保护能力，能在振动和冲击载荷等恶劣条件下连续工作，安装、使用和维护方便，作用于系统中的载荷小，噪音低。 3.锥环无键联轴器工作原理及特点：

该联轴器的工作原理是：当拧紧螺钉时，法兰盘对内外锥环施加轴向力，由于锥环之间的楔紧作用，内外锥环分别产生径向弹性变形（内锥环的外径胀大，外锥环的内径收缩），消除轴与套筒之间的配合间隙，并产生接触压力，通过摩擦传递扭矩，且套筒与轴之间的角度位置可以任意调节。

该联轴器是利用锥环之间的摩擦实现轴与毂之间的无间隙连接而传递扭矩，且可以任意调节两连接件之间的角度位置。通过选择所用锥环的对数，可以传递不同大小的扭矩。采用锥环无键消隙联轴器，可使动力传递没有反向间隙。 二、锥环的设计计算方法

（1）这对锥环传递的扭矩的计算: 锥环与连接套筒接触面的正压力FN为：

FN?FA?F0tan??2?N

式中，FA—轴向力（N）；

F0—为使锥环与轴以及轮毂内壁接触时所加的预压紧力；

?—锥面半角； ?—摩擦系数。

锥环传递的扭矩Tt为：

Tt??FN式中，d—轴径。 （2）选择锥环对数

d2??d(FA?F0)2(tan??2?)N?m

若用n对锥环，则各接触面正压力FN将依次等比递减，所以n对锥环能传递的扭矩Ttn为：

Ttn?Tt?n?1??1

式中，n—锥环对数；

?n—接触面正压力递减的公比，??tan?tan??2?

定义

??1??1为n对锥环扭矩增加系数，将所选对数n，扭矩增加系数，在不同摩

'擦系数时所能传递的扭矩关系列于表2—50，其中，FA?FA?F0为锥环工作时所受的轴向载荷，?取16°40′。

2—50 锥环对数的选择 ??0.12 ??0.15 对数n ??1??1n Ttn ??1??1'n Ttn 1 2 3 4 1 1.555 1.86 2.03 0.111FAd 0.173FAd 0.203FAd 0.223FAd '''1 1.5 1.75 1.875 0.125FAd 0.188FAd 0.215FAd 0.234FAd ''''3.4 CW6163卧式车床步进电动机的选择

3.4.1、步进电动机选用应考虑的几项原则 （1）步距角? 步距角应满足

???mini

式中，i—传动比；

?min—系统对步进电动机所驱动部件的最小转角。

（2）精度

步进电动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，所选用的步进电动机应满足， ??m?i[??s]

式中，??m——步进电动机的积累误差；

[??s]——系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。

（3）转矩

为了使步进电动机正常运行（不失步、不越步），正常启动并满足对转速的要求，必须考虑：

①起动力矩：一般起动力矩选取为， Mq?Ml00.3~0.5

式中，Mq—电动机起动力矩； Mjmax—步进电动机的最大静转矩；

Ml0 —电动机静负载力矩。

3—1 步进电动机相数、拍数、起动力矩表 相数 3 3 4 4 5 5 拍数 3 6 4 8 5 10 jmax运行方式 Mq6 6 6 12 /M 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 ②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引起的惯性钜之和。 （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：

ft??f0p?

m式中，ft—极限起动频率；

?f0p?m—步进电动机的最高起动频率。

M?Ml00.4?2.6330.4N?cm?65.825N?cm

q3.4.2 步进电动机的确定

q电动机选用三相六拍工作方式，查表3—1知: M所以，步进电动机最大静转矩M Mjmax/Mjmax?0.866 。

为：

jmax?Mq0.866N?cm?76.01N?cm

步进电动机最高工作频率为：

fmax?vmax60?p?200060?0.005HZ?3333.3HZ

根据上述计算数值故选用110BF003型直流步进电动机，能满足使用要求。

第四章 CW6163卧式车床微机数控系统设计

4.1微机数控系统硬件电路的设计内容

单片机微机数控系统硬件电路设计由以下四部分内容组成： 一、绘制系统电器控制的结构框图

根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。

机床硬件电路由以下五部分组成： （1）主控制器：即中央处理单元（CPU）；

（2）总线：包括数据总线、地址总线和控制总线； （3）存储器：包括程序存储器和数据存储器； （4）接口：即I/O输入/输出接口电路；

（5）外围设备：如键盘、显示器及光电输入机等。见图4—1

图4—1 CW6163卧式车床数控系统硬件框图（开环系统）

二、选择中央处理单元CPU应考虑的因素

（1）时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的度； （2）可扩展存储器的容量；

（3）指令系统功能，影响编程灵活性；

（4）I/O口扩展的能力，即对外设控制的能力；

（6）应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比的要求。 三、存储器扩展电路设计

存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。程序存储器主要用于储存数控系统程序，而数据存储器用于存放用户加工程序，为保护用户加工程序，数据存储器必须有掉电保护功能。

在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU和EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。经济型数控机床的程序存储器和数据存储器的容量一般在64K左右。

在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。 四、I/O接口电路设计

应包括接口芯片的选用，步进电动机控制电路、键盘显示电路以及其他辅助电路的设计。例如，复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等。

4.2 8031单片机硬件电路设计

MCS—51系列单片机主要有三种型号：8031、8051和8751。三种型号的引脚

完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8031片内无ROM，适用于需扩展ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。此次设计使用的是8031芯片。 一、8031芯片引脚的选择

8031芯片具有40根引脚，其引脚图，如图4—2所示 1.电源引脚（2条）

Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接 5V。 Vss：低电平。 2.时钟引脚（2条）

XTAL1：振荡器的反向放大器输入。使用外部振荡器时必须接地。

XTAL2：振荡器的反向放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时用于输入外部震荡信号。

图4—2 8031芯片引脚图

3.I/O口引脚

I/O口引脚共有P0、P1、P2、P3四个8位口，32根I/O线。P0.0—P0.7（AD0—AD7）是端口0的引脚。端口0是一个8位漏极开路的双向I/O端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口；P1.0—P1.7 是端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道，专供用户使用；P2.0—P2.7（A8—A15）是端口2的引脚。端口2是一个带内部上

拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8—A15； P3.0—P3.7 是端口3的引脚。端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。 4.控制引脚（4条）

（1）PSEN：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的选通信号，低电平有 效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。

（2）EA/VPP：EA为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器的指令。

（3）ALE/PROG：ALE是地址锁存器使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效。ALE主要是提供一个定时信号，在从外部程序存储器取指令时，把P0口的低位地址字节锁存到外接的地址锁存器中。

（4）RST/VPD：是复位/备用电源端。在振荡器运行时，使RST引脚至少保持两个机器周期为高电平，可实现复位操作，复位后程序计数器清零。 二、8031芯片内部的存储器结构及地址分配 8031芯片内部无程序存储器，只有256字节的数据存储器，地址从00H—7FH。其地址分配如图4—3所示：

图4—3 8031芯片存储器结构

8031芯片内部256字节的空间被分成两部分，其中内部数据存储器（RAM）地址为00H—7FH，特殊功能寄存器（SFR）的地址为80H—FFH。

在内部数据存储器中的00H—1FH为四个工作寄存器区，其中： 0区 00H—07H 1区 08H—0FH 2区 10H—17H 3区 18H—1FH

每个区都有8个8位寄存器R0—R7。可以用来暂存运算的中间结果，以提高运算速度。其中的R0和R1还可以用来存放8位地址。要确定采用哪个工作寄存器区，可通过标志寄存器PSW中的RS0、RS1两位来指定。

从20H—2FH是“位寻址”空间。在此空间中，CPU既可对其执行按字节操作，又可对其中每个单元的8位二进制代码执行按位的操作。

从30H—7FH是可以按字节寻址的数据缓冲区，在此区域中可以设置堆栈。由于8031复位后堆栈指针SP指向工作寄存器区（即SP=07H），所以用户必须在初始化程序中对SP设置30H以后的地址区间为初值。

8031芯片内部设有程序存储器，且仅有128字节的数据存储器，因而再组成控制系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器。由于地址线是16位的，故最多能扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器，其地址均为

0000H—FFFFH，即程序存储器和数据存储器为独立编址；因此EPROM和RAM的地址分配比较自由，编程时不必考虑地址冲突问题。 三、特殊功能寄存器

8031芯片内的特殊功能（SFR）是用于对内各功能模块进行管理、监视的控制寄存器和状态寄存器。是一个具有特殊功能的RAM区，其地址为80H～FFH。这些特殊功能寄存器的地址分配见表4—4：

表4—4 特殊功能寄存器名称及地址 标识符 名称 地址 ACC 累加器 OEOH B B寄存器 OFOH PSW 程序状态字 ODOH SP 堆栈指针 81H DPTR 数据指针（包括DPH和DPL） 83H和82H P0 口0 80H P1 口1 90H P2 口2 OAOH P3 口3 OBOH IP 中断优先级控制 OB8H IE 允许中断控制 OA8H TOMD 定时器/计数器方式控制 89H TCON 定时器/计数器控制 88H T2CON 定时器/计数器2控制 OC8H THO 定时器/计数器0（高位字节） 8CH TLO 定时器/计数器0（低位字节） 8AH TH1 定时器/计数器1（高位字节） 8DH TL1 定时器/计数器1（低位字节） 8BH

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