CA6140数控改造及控制系统设计说明书 - 图文

摘 要

数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用，但数控机床一次性投资较大，对机床进行数控化改造不失为一良策。本设计利用数控装置对CA6140普通车床进行控制,主传动系统部分 采用交流调频主轴电动机经带轮及分级齿轮变速箱驱动主轴，通过变频器和齿轮变速箱实现分段无级变速；进给系统采用步进电机通过减速后驱动滚珠丝杠运动，在纵向进给系统中通过一级齿轮减速后驱动滚珠丝杠，在横向进给系统中通过二级齿轮减速驱动滚珠丝杠；刀架改为自动转位刀架(四工位)从而实现自动换刀；通过MCS-51系列8051单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲信号控制进给速度和行程；为了保持切削螺纹的功能，要在主轴外端或其它适当部位装上脉冲发生器；将车床的手动尾座改造成为可控电动尾座。 本次设计的数控改造为经济适用型，改造简单易行，可降低劳动强度，提高生产效率。主要介绍了经济型数控机床进给伺服系统设计计算。阐述了CA6140普通数控车床的主轴系统的改进及机床纵向、横向进给系统的改造设计及计算。

关键词： CA6140车床；数控改造；滚珠丝杠；步进电动机

ABSTRACT

The NC machine plays a very great role in mechanical engineering．Although the investment needs a great deal of money，it is a good way to try digital modification for ordinary lathe.The spindle speed of CA6140 remains the manual function of shifting gears．The alteration is easy and it can reduce labor intensity

and improve productive efficiency． but the NC Machine larger one-time investment, NC machine tools for the transformation of a good after all. The design of the device using NC Lathe CA6140 control, part of the main transmission system using AC spindle motor and graded by the pulley driven spindle gearbox, through the inverter and gearbox to achieve sub; Feed System used by stepper motor driven ball screw slowdown after campaign vertical feed

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system through a gear after the ball screw drive, in the horizontal feed system through two gear-driven ball screw; Tool to automatically transfer tool carrier (4-position), thus achieving automatic tool change; by MCS-51 series 8051 data to be dealt with. from the I / O interface stepper pulse output signal to control the feed rate and itineraries; In order to maintain the function of cutting thread, to the outer end of spindle or other appropriate location loaded pulse generator; Lathe will be transformed into Tailstock manually controlled electric Tailstock. The design of the NC transformation of the economy - the application, transforming simple, can reduce labor intensity, improve production efficiency. Introduced a major economic NC machine tool servo system design. Expounded the CA6140 ordinary NC lathe spindle system improvements and vertical machine, horizontal feed system of the design and calculation.

Keywords：CA6140 lathe；digital modification；ball screw；stepping motor

目录

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引言 ........................................................................................................ 错误！未定义书签。 第一章 绪论 ................................................................................. 错误！未定义书签。

1.1 数控机床优势概述 ..................................................................................................... 5 1.2 车床数控改造的现状与国内背景 ............................................................................. 6 1.3 车床数控改造的必要性与可行性 ............................................................................. 8

第二章 总体方案的确定 ....................................................... 错误！未定义书签。

2.1 设计任务 ................................................................................... 错误！未定义书签。 2.2 总体方案的论证 ....................................................................... 错误！未定义书签。 2.3 总体改造方案的确定 ............................................................... 错误！未定义书签。

第三章 机床部分改造......................................................... -11-

3.1 床身???????????????????????????-11- 3.2主轴箱变速箱???????????????????????.-11- 3.3 纵向伺服进给结构的设计和计算?????????????????-12- 3.4 横向伺服进给结构的设计和计算?????????????????-23- 3.5 自动刀架部分的设计??????????????????????-32- 3.6 挂齿箱??????????????????????????-34- 3.7 拖板???????????????????????????-34-

第四章CNC数控系统的设计横向??????????????-35-

4.1、系统的设计????????????????????????-35-

结论 ........................................................................................................ 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................................................................. 错误！未定义书签。 科技译文 ............................................................................................. 错误！未定义书签。

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引言

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，很好的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，且能稳定产品的和、加工质量。大幅度的提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床间隔较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。另外从目前国内机床使用的现状来看，普通机床拥有量巨大，在生产中，数控机床相对于普通机床的优势较为明显，而由于数控机床价格昂贵，所以有必要对普通机床加以数控改造，使之能完成数控机床能完成的部分生产任务。因此，我大胆的提出了对普通ca6140车床的数控化改造。

CA6140普通车床是普通机床中比较有代表性的机床，它在机械结构上有其先天性的不足。如刚度低、抗振动性差、滑动摩擦阻力较大及传动元件存在间隙等，因此需要有目的地改造，以满足数控机床最基本的要求，这也是本文主要讨论的问题。对要改装成通常加工用的数控机床，一般只在进给系统作改进。

第一章 绪论

数控技术水平的高低和数控设备拥有的多少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造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，大幅度提高生产效率。但是，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。因此，普通机床的数控化改造大有可为。

金属切削机床是加工机器零件的一个主要设备。它担负的工作量，约占机器总制造量的40-60%。机床的计术水平直接影响机械制造工业和劳动生产率。

金属切削机床是人类在改造自然的长起生产实践中，不断改进生产工具的基础上发展起来的。近些年来我国机床工业已取得很大成就。但和世界先进水平相比，还有较大的差距。主要表现在大部分高精度和超密机床的性能还不能满足要求。精度保持性也很差。特别是高效自动化和数控机床的产量，技术水平和质量等方面都明显落后。我国的技术人员素质还跟不上现代机床技术飞速发展的需要。

通过写这次毕业设计，学会了综合运用机械课程设计和其它课程地理论和实际知识，掌握了机械设计的一般能力，树立了正确的设计思想，培养了分析和解决问题的能力。

学会了从机械功能的要求出发，会合理选择传动机构类型，制定设计方案，正确计算的工作能力。确定它的尺寸，形状，结构及材料，并考虑制造工艺，使用，维护，经济和安全等问题，培养机械设计能力，机床设计是设计人员根据使用部门的要求和制造部门的可能，运用有关的科学技术知识，所进行的创造性的劳动。随着生产的发展，使用部门对机床的要求也在不断地提高，而科学技术的发展和工艺水平的提高，又为制造部门创造了实现使用要求的条件，从而使机床的设计与制造获得了迅速的发展。

机床设计也是从低级到高级发展的。在开始设计机床的最初阶段，主要考虑这样两点：首先，为了加工出一定形状的工件，必需保证刀具与工件之间具有一定的相对运动关系；其次是机件要有足够的强度。过了一段时间以后，又提出对机床几何精度的要求。这时的机床设计与制造是在满足机床几何精度要求的前提下，主要根据经验或者用类比的方法进行的，可统称为经验设计。 随着科学设计的发展和工艺水平的提高，尤其是先进刀具的出现，使机床向高速，大功率的方向发展。因此，对机床的精度和生产率等方面要求也就越来越高。于是，又相继提出了一些设计机床时必须考虑的问题，如机床的精度问题，刚度，抗争性，低速运动平稳性，热变形，噪音，磨损等等。对于这些问题的研究主要是通过机床性能实验进行的。通过实验，分析它们的规律性，分析影响机床性能的主要原因和寻求解决问题的方法。这时的机床设计是以实物测试和模型实验为基础进行的。与此同时，把技术科学中的理论应用到机床设计中来，初步建立起机床的基础理论。对于机床设计，显著地提高了机床的性能。

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近些年来，现代科学技术的成就，为机床设计提供了大量的测试数据，理论研究也进入了新的阶段，尤其是电子计算机的应用，使机床设计开始进入计算机辅助(CAD)和优化的间断。

通过写这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件

1.1 数控机床优势概述

1.1.1数控车床改造的意义

我国现在拥有数量多达300多万台的通用机床，其中大部分机床的加工精度、生产率和自动化程度与先进设备相比不高，要想在几年内大量地用数控机床来更新，无论在资金上还是技术力量上都是难以实现的。但如果利用数控技术根据需要对现有机床加以改造，不仅能实现机床的自动化，提高机床的加工精度，而且投资少、见效快，适合我国的生产力水平。因此，利用数控技术改造旧设备已成为我国推广全功能数控机床的过渡手段。

1.1.2普通车床数控化改造的优点

机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床－数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。

数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。

数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：

(1) 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。

(2) 加工精度高，具有稳定的加工质量；

(3) 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；

(4) 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；

(5)机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产效率高（一般为普通机床的3~5倍）；

(6) 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度改善劳动条件；

(7) 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。数控机床一般由下列几个部分组成：

(8) 主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。

(9) 数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

(10) 驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。

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(11)辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

(12) 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

还具有良好的经济效益；有利于生产管理的现代化；数控改造费用低；机械性能稳定可靠，结构受限；可充分利用现有的条件；可以采用最新的控制技术；交货期短，可满足生产急需等优点。 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。

1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。

1.1.3数控化改造的内容

车床数控化改造的主要内容和主要结构形式如下： 1、进给轴的改造

(1) 滚珠丝杠副的选择和布置结构形式 (2）机床导轨 (3）电机与丝杠的联接 2、主轴部分的改造 3、刀架部分的改造 4、润滑部分的改造 5、机床防护

1.2 车床数控改造的现状与国内背景

随着我国市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，中、小批量的生产越来越多。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，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、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需更换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。对于机械制造企业，单纯靠购买新的数控机床，所需投资大。为了节约资金，降低成本，利用原来的部分普通机床进行数控化改造，提高机械设备的数控化率，是一种有效的途径。总体改造方案数控化改造设计时，在满足车床总体布局的前提下要尽可能利用原来的零部件，因此确定总体改造方案如下：

A：除原车床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮，用滚珠丝杠替换原有普通滑动丝杠，将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上，纵横向滚珠丝

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杠两端尽可能利用原固定和支承方式。为便于安装滚珠丝杠副，丝杠采用分体式，用套筒联轴器实现刚性联接；

B：横向驱动电机及齿轮减速器安装在床鞍的后部(相对操作者)，纵向驱动电机及齿轮减速装置安装在机床的右端，靠近尾座的位置； C:要实现自动换刀。

(1)我国现有的、数以万计的陈旧、落后的机床是机床大修与数控化改造行业产生的现实基础我国是一个发展中国家，由于长期自身机制的不适应性，经济实力过低、技术落后、设备陈旧，极大地制约着国民经济的发展。为尽快改变我国机械制造业的落后状态，近二十多年来，我们在艰难地发展民族机床制造业的同时，积极地引进了世界先进技术与设备。一方面与世界先进机床制造厂合作，不断生产出具有世界先进水平的各类机床；另一方面直接购进了大量的各类机床。这一切都为我国国民经济的快速发展起到了巨大的作用。

但是，机床长期运转甚至超负荷使用，同时又缺少认真的维修与保养，造成机床严重磨损，丧失了精度；有些机床则由于企业人员及产品结构的改变，或由于技术力量不足而被长期闲置，需要使用时却发现早已锈迹斑斑，电控系统不能起动； 由于新产品制造的需要，原有机床性能已不能满足使用要求，急需更新升级改造；由于世界计算机及网络技术的飞速发展，造成数控系统、驱动系统厂的产品更新加快，原有产品过早停产，给备件更换与维修带来一定困难；况且数控系统的使用寿命一般在5～10年，而我国大多数机床都在超期服役。 这些诸多因素都需要对机床进行大修及数控化升级改造。

(2)新进的大批二手机床成为机床大修及数控化改造行业的催化剂自改革开放以来，许多企业引进了一大批国外淘汰的旧机床，虽然有一部分尚能满足使用要求，但是多数由于缺少经验、技术、资料及备件等因素，造成虽廉价购进但却不能继续发挥作用而闲置的尴尬局面。

其中不乏有为改造后投入使用而引进的旧机床和生产线。这里多数的二手机床只要再有适当的资金投入，经过大修改造即可发挥作用。

(3)显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业的发展动力 对于机床拥有者来说，只需花费购买相同新机床30%以下的费用即可获得相同的使用效果。根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%左右的价格。

对于机床大修改造业内公司来说，这不仅为他们的服务企业产生巨大社会经济效益，而且也是他们自身生存和发展的根本动力。

(4)机床大修及数控化改造的优势是该行业生存与发展的有利条件 旧机床的大修、翻新、升级改造与购买新机床相比，具有下列优势：

①交货期短。尤其是大型机床和特殊专用机床优势更加明显。

②性能更稳定。各基础件经长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度；各功能部件经长期磨合。功能稳定性可靠性好。

③设计风险小。新机床设计中带来的技术、方案风险在大修改造中几乎不存在。

④可以更充分地体现用户的意愿。用户与维修人员可以依照实际需要和机床长期使用情况，在大修改造中提出对机床性能、操作与维修等方面的改进(包括增、改)意见，有权选择机械零部件、数控系统等电气设备的规格、型号、性能等。

⑤更有利于使用与维护。由于用户、维修人员不仅可以直接参与改造方案的制定，而且可以参与改造的全过程，可以直接获取各种技术信息，更深入地掌握机床的结构及性能特点，从而增强使用与维修的主动能力。

⑥可以更快地获取最新的更实用的备件。 ⑦节省大量投资。 ⑧降低投资风险。

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(5)社会化、专业化趋势是机床大修及数控化改造行业的必由之路 旧机床的数控化改造和翻新不仅仅是当前经济转轨时期必要和重要的行为，而且是一个企业长期发展的战略措施。

当前，21世纪知识经济时代，我国大多数企业正面临着企业改制、转轨以进入市场经济，迅速融入国际竞争。这就需要我们企业的领导集中全部力量面对这些挑战。企业集团化和集团内部分散网络化、自治性、并行工作的新型组织、生产结构、敏捷制造技术、虚拟制造技术、可持续制造技术、绿色制造技术等等一系列新的技术理论，都需要下大力量去研究，以开发适销对路产品，提高对市场的快速反应能力；集中人力、财力、物力以提高本企业的市场竞争力，充分发挥自身的优势以最快速度创造出尽可能多的价值。因此，企业自身不可能再像过去计划经济体制下拥有大而全的维修队伍。而设备维修改造的社会化、专业化也就不可避免地成为了大趋势。

国外机床的改造与翻新是近期发展起来的一个新兴产业，在先进国家已经形成了一定的规模和市场。而在我国，这一产业才刚刚兴起，按照应具备的条件来衡量还相距甚远。但是业内有识之士正在努力塑造自己、完善自己，相信不久的将来，一批具备一定条件和一定规模的机床改造、翻新的专业化企业会成长起来。

1.3 车床数控改造的必要性与可行性

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，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。

第二章 总体方案的确定

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。

2.1.1设计基本思路

改造CA6140车床的基本思路是把原来的机床进行大修，只保留机床导轨、主轴、尾座等部件，其余的全部撤除。带之以滚珠丝杠和步进电机，用数控系统来驱动各轴的运动。经过严密的计算和论证，选择丝杠和驱动电机，根据使用要求，选择系统配置和设计控制电路，布置各传感器。

数控系统采用国际通用的SIEMENS系统，可靠性好，功能强大。并根据用户的要求设计了新颖的外观。该设备改造后取名“CK6140A数控车床”。

2.1.2 设计参数

设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。设计参数如下：

最大加工直径 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm

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最大加工长度 1000mm 快进速度 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 最大切削进给速度 纵向 0.5m/min 横向 0.25m/min 溜板及刀架重力 纵向 800N 横向 600N 主电机功率 7.5KW 代码制 ISO 脉冲分配方式 逐点比较法 输入方式 增量值，绝对值通用 控制坐标系 2

最小指令值（脉冲当量） 纵向 0.01mm/脉冲 横向 0.005mm/脉冲 机床定位精度 ±0.015mm 刀具补偿量 0mm～99.99mm

进给传动链间隙补偿量 纵向 0.15mm 横向 0.075mm 自动升降速性能有其他要求：

原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本，缩短改造周期。 (2) 机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便；需经常调整的部分调整应方便。

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。

① 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、连续控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机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，本设计决定采用开环控制系统。

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，性能的好坏直接影响

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整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。

在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素： (1) 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； (2) 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； (3) 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、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系列价格更便宜，51系列中，是无ROM的8051，8751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。

2.3 总体设计方案的确定

CA6140A车床主要用于对中小型轴类、盘类及螺纹零件的加工，加工这些零件工艺上要求机床应完成的工作内容有：能够控制主轴正反转，实现不同切削速度的主轴变速；刀架能够实现纵向和横向的进给运动，并具有在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具的功能；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个加工螺纹的螺距或导程。这些内容就是数控化改造后数控系统需要控制的对象。

数控机床由机床、数控系统和外围技术三部分组成。普通车床改造的目的是利用数控系统控制车床自动完成机械加工任务，提高车床的加工精度和生产效率。在考虑经济型数控机床改造具体方案时，所遵循的原则是在满足需要的前提下，对原有车床尽可能减少改动，以降低改成本。改造中需要解决的问题是：将机械传动的进给和手动控制的转位刀架改造成数控装置控制的自动转位刀架和自动进给的数控加工车床。根据CA6140A车床的有关资料，确定总体方案为：

利用数控系统对输入的加工程序进行运算处理，发出的进给指令通过I/O接口输出给X轴和Z轴步进电机，经齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，由螺母带动刀架直线移动，从而实现纵向和横向的自动进给运动。换刀指令通过刀架控制器控制三相电动机实现刀架自动转位功能，由脉冲编码器协调完成螺纹车削功功能。

CA6140车床数控改造总体方案示意图

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第三章 主轴箱结构的设计

第三章 机床部分改造

3.1 床身

为了充分发挥数控系统的技术性能，确保机械传动系统的传动精度和平稳性，机械部分采用低摩擦传动副;选用最佳的降速比，达到数控机床所需要的脉冲当量；缩短传动链及用预紧的办法提高传动系统的刚度；消除传动间隙以减少反向行程误差；满足低振动和高可靠性方面的要求。

3.2 主轴箱变速箱

一般情况下，保留原有的主传动系统和变速操纵机构。其设计过程如下： 主轴箱的传动系统图如下图CA6140卧式车床传动系统图左边部分所示。主运动的传动路线表达式为：

CA6140型卧式车床主轴转速分布图

由传动系统图和传动路线表达式可知主轴正转有2×3×（2×2-1）=30级转速，但由于轴IV至V间四种传动比为：

U1=50/50×51/50=1 U2=20/80×51/50=1/4 U3=50/50×20/80=1/4 U4=20/80×20/80=1/16

其中U3=U4，即IV轴至V轴间只有三中不同传动，故主轴实际获得的转速级数为： 正转：2×3×[（2×2-1）+1]=24

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第三章 主轴箱结构的设计

反转：1×3×[（2×2-1）+1]=12

具体的主轴箱的结构设计请参看所画的主轴箱展开图。

如果要提高车床的自动化程度，可以用双速或四速电机替代原主电动机。改造后的主传动系统如下图所示：

3.3 纵向伺服进给结构的设计和计算

纵向伺服进给结构设计主要内容有：滚珠丝杆副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、步进电机的选择、绘制改动部分的机械结构装配图等等。

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致谢

一．切削力计算

进给系统计算简图 （a）纵向进给 （b）横向进给

车削抗力分析 1、车削抗力分析

车削外圆时的切削抗力Fx、Fy及Fz如图所示，主切削力Fz与切削速度V的方向一致，垂直向下，是计算主轴电机车削功率的主要依据。切深抗力Fy与纵向进给方向垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力Fx与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统时要用到它。

致谢

纵向外圆及横切端面切削离示意图

拖板工作载荷的计算

在进行进给系统的传动计算、选用步进电机时，都要用到切削力（机床的主要负载），车削切削力的计算方法可用以下简单而实用的经验公式计算。 纵向切削外圆时，车床的主切削力Fz可以用下式计算： Fz=0.67 Dmax （N）

式中：Dmax——在车床上加工的最大直径（mm） 则： Fz=0.67 Dmax（N）=0.67＊8000＝5360 N 进给抗力Fx和切深力可按下列比例分别计算： Fz：Fx：Fy = 1：0.25：0.4 Fx = 0.25×Fz =0.25×5360 = 1340 N Fy = 0.4×Fz = 0.4×5360 =2144 N

因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上。如上图所示，车削作业时作用在进给拖板上的载荷Fl、Fv和Fc与车刀所受的车削力有对应的关系。因此，作用在进给拖板上的载荷可以按下式求得： 拖板上进给方向载荷 Fl=Fx=1340N 拖板上垂直方向载荷 Fv=Fz=5360N 拖板上横向载荷 Fc=Fy=2144N 二、滚珠丝杆副的设计

滚珠丝杆副已经标准化，因此滚珠丝杆副的设计归结为滚珠丝杆副型号的选择。 一般情况下，设计滚珠杠时，已知条件为：在最大工作负荷Fd（或平均工作负荷Fm）

致谢

作用下的使用寿命，丝杆的工作长度（或螺母的有效行程），丝杆的转速（或平均转速），滚道的硬度及丝杆运转情况。 设计步骤：

计算作用在滚珠丝杆上的最大动负荷。

从滚珠丝杆系列表中找出相应最大动载荷的近似值，并初选几个型号。

根据具体工作要求，对结构尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面的要求，从中再挑出比较合适的直径、导程、滚珠列数等，确定某一型号。

根据所选的型号，列出或计算出其主要参数的数值，计算传动效率并验算系数是否满足要求。如不满足要求，则需另选其他型号，再作上述计算与验算，直到满足要求为止。 设计计算概况 计算进给牵引力Fm

作用在滚珠丝杆上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力和导轨摩擦力，其数值大小与导轨的类型有关。

在本设计中，车削纵向导轨采用三角形导轨。 对三角形导轨，Fm的计算公式为： Fm=kFx + f（Fz+G） 式中：Fz——主切削力

Fx——走刀方向切削分力

G——纵溜板上承载的移动部件的重力（已知G=800N） K——考虑颠覆力矩的试验系数，对上述类型导轨可取K=1.15 f——导轨上的摩擦系数，对上述类型导轨可取0.165 则： Fm=kFx + f（Fz+G）

=1.15×1340+0.165×（5360+800） =2557.4N b、最大动负荷C及主要尺寸初选

滚珠丝杆应根据额定载荷Ca选用，最大动载荷计算原理与滚珠轴承相同。 滚珠丝杆最大动载荷C可用下式计算：

3 C= Lfm Fm 式中：L——工作寿命，单位为10r，L=60nt/10

fm——运转状态系数，无冲击取1—1.2，一般情况下取1.2—1.5，有冲击振动取1.5—2.5，此处取fm=1.3

Fm——滚珠丝杆工作载荷（N） n——丝杆转速（r/min），n=1000v/L0 t——额定使用寿命（h），可取1500h

v——最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/2—1/3

66

致谢

L0——丝杆基本导程，可根据快进速度Vmax和丝杆最大转nmax初选一数值（L0大于或等于Vmax/nmax），此处选取L0为10mm，待刚度验算后再确定。 L=60nt/10

=60×1000vt/10×L0

=60×1000×2.4×15000/10×10 =216（10r）

3 C= Lfm Fm =216×1.3×2557.4 =19947.72N

初选滚珠丝杆的尺寸规格，相应的额定载荷Ca不得小于最大动载荷Co：Ca＞Co 假如滚珠丝杆副有可能在静态或低速运转（n小于或等于10r/min）下工作并受载那么还需要考虑其另一种失效形式——滚珠丝杆接触面上的朔性变形。即考虑滚珠丝杆杠的额定静载荷Coa是否充分地超过了滚珠丝杆的工作载荷Fm，一般使Coa/Fm=2~3。查资料选取滚珠丝杆的型号为CLM3210—2.5—P3。即采用外循环管插式类型，螺距为L0=10mm，圈数×列数=2.5×1，公称直径为32mm，Ca=28200N，Coa=66050N，螺旋升角等于---------- c、传动效率计算

滚珠螺母副的传动效率?为

?= tg? /tg（?+?）

式中：?——丝杆螺旋升角，可根据初选型号查出

?——摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004，其摩擦角约等于10 。 有：?= tg? /tg（?+?） = tg5?41′/tg(5?41′+10′) =0.971 d、刚度验算

滚珠丝杆副的轴向变形导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性。滚珠丝杆副的轴向变形包括丝杆的拉压变形、丝杆和螺母之间滚道的接触变形、丝杆的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杆轴承的轴向接触变形。滚珠丝杆的扭转变成较小，对纵向变形影响小，可忽略不计。螺母座只要设计合理，其变形量也可忽略不计。丝杆轴承的轴向接触形计算方法可参考机械设计手册。可供滚珠丝杆杠支承使用的滚珠轴承种类很多，目前占优势的有：接触为60 的推力角接触球轴承，可以背靠背或面对面组配，还可以三联组配、四联组配等，以提高刚度和承载能力；滚针——推力圆柱滚子组合轴承，从双向轴承支承丝杆，刚度好、多用于重载。因此，只要滚珠丝杆支承的刚度设计好，轴承的轴向接触变形在此可以不考虑。下图所示，为纵向进给滚珠丝杆杠支承方式草图。丝杆螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。

36666致谢

由工作负荷引起的导程变化量为： △L=±FmLo/EA

式中： E——弹性模数，岁对钢E=20.6×10f2MP 即（20.6×10N/cm） A——滚珠丝杆截面（cm） （按丝杆螺纹底径d11=26.047mm确定） F=?2.6047/4 =5.3258 cm

222462即： △L=±FmLo/EA

=±2557.4×1/（20.6×10×5.3258） =±23.3×10cm ±——“+”号用于拉伸，“-”号用于压宿 丝杆1m长度上导程变形总误差为： ?=100?L/Lo =100×23.3×10/1 =2330×10cm/m =23.3?m/m

而三级精度丝杆允许的螺距误差为40?m/m，即??40，故刚度符合要求。 e、齿轮传动比的计算

为了满足脉冲当量的设计要求和增大转距，同时也为了使传动系统的负荷惯量尽可能地减少，传动链中常采用齿轮降速传动。

已知脉冲当量?p，滚珠丝杆杠导程Lo=10mm，初选步进电机的步距角?b后，可以依据下式计算出齿轮传动比i，即 i =?b Lo/360?p

纵向进给齿轮箱传动比计算：

已确定纵向进给脉冲当量?p =0.01mm，滚珠丝杆导程Lo=10mm，初选步进电机步距角?b =1.5 ，可计算传动比i， i = ?b Lo/360?p =1.5×10/（360×0.01） ≈4.167

计算出i〈5，因此可以采用一级传动。大小齿轮丝杆导程均采用45号钢调质，选小齿轮硬度为260HB~290HB，大齿轮硬度为220HB~250HB，精度选六级，模数m=2，齿轮Z1=18，Z2=75，则

a＝（1/2）m（Z1+Z2）=93mm

还应该校核齿轮接触疲劳强度。经校核均合格，其校核过程从略。 f、压杆稳定性验算

滚珠丝杆通常属于轴向力的细长杆，若轴向工作负荷过大，使丝杆失去稳定而产生纵向屈服，即失稳，失稳的临界载荷Fk=f z?EI / L（N）

22?6?6?66

致谢

式中： E——丝杆材料弹性模量，对钢 E=20.6×10MPa，即（20.6×10N/cm） I——截面惯量距，对丝杆圆截面I=?d1/64 （mm）（d1为丝杆底直径）

44462L——丝杆最大工作长度（mm）

fz——丝杆支承方式系数，在此选择一端固定，一端简支 fz=2.0

4 I = ?d1/64

4 = ?26.047 / 64

= 22582.94 （mm）

22 Fk=fz?EI / L

=2?×20.6×10 ×22582.94 / 1000

6224 =91735.41

临界载荷Fk与丝杆工作载荷Fm之比称为稳定性安全系数，如果nk大于许用稳定性安全系数[nk] ，则丝杆不会失稳，因此，滚珠压杆的压杆稳定条件为 nk=Fk /Fm≥[nk]

nk = 91735.41 / 2557.4 = 35.87≥4

注：一般 [nk] 取2.5~4，考虑到丝杆杠自重对水平滚珠的丝杆的影响可取[nk] ≥4 。所以丝杆符合稳定条件。 g、导轨的选型

采用贴塑导轨，以减少导轨的摩擦力。 h、步进电机的计算和选型：

步进电机选型主要考虑三个问题：

（1）步距角?b要满足脉冲当量的要求。 （2）满足最大静转距的要求。

（3）启动转距与启动频率，工作运行转距与运行频率必须满足所选电机型号相应的启动距率特性和工作距频特性。 纵向伺服系统步进电机的计算和选型 1、根据脉冲当量和最大静转距初选电机型号 （1）步距角

初选步进电机时应合理选择?b和减速比i，并满足?bLo / i360≤?p，由于前面确定齿轮传动比已初选?b =1.5，且Lo=5mm，i=18/75，代入上式得1.5×10×18/（75×360）=0.005=?p，满足要求，初选从《机电综合设计指导》表2-11步进电机技术参数表查到步距角为1.5，型号为55BF003的步进电机。 （2）矩频特性

步进电机最大静转矩Mjmax是指电机的定位转矩（静止状态），其值可根据初选的步进电机型号，从《机电综合设计指导》表2-11查得Mjmax=0.686N●m，步进电机的名义启动转距Mmp与最大静转距Mjmax有《机电综合设计指导》表2-12所示的关系：

致谢

即 Mmp=?Mjmax

由《机电综合设计指导》表2-12，得?=0.866，所以 Mmp=0.866×0.686=0.594 N●m

步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负荷下的启动，步进电机所需空载启动力矩可按下式计算：

Mkp = Mka + Mkf + Mo 式中：Mkp——空载启动力矩（N●m）

Mka——空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上加速力矩（N●m）

Mkf——空载时折算到电机轴上的摩擦力距（N●m）

Mo——由于丝杆预紧，折算到电机轴上的附加摩擦力距（N●m）

初选电机型号时应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转距，即： Mkq≤ Mmq =?Mjmax 有关Mkq的各项计算如下： ① 加速力矩

Mka=J∑?=J∑2?nmax/（60t×10）（N●cm）

2式中：J∑——传动系统个部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量 ——电机最大加速度（rad/s）

nmax——运动部件最大快进速度对应的电机最大转速（r/min） t——运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需时间（s），假设t=1s Vmax——运动部件最大快进速度（mm/min） p——脉冲当量（mm/脉冲） b——部件电机的步距角

nmax= Vmax?b/?p360（r/min） =2.4×10 ×1.5/（360×0.01） =1000（r/min） =2?nmax/（60t×10）

22=2?×1000/（60×1×10）

2 =1.0467（rad/s）

J∑=JD+J1+[J2+Js+（Lo/2?）M]（Z1/Z2）（㎏●c㎡）

222式中：JD ——电机转子的转动惯量，由初选的电机型号查《机电综合设计指导》表2-11得JD =0.0617（㎏●c㎡） J1——小齿轮转动惯量 J2——大齿轮转动惯量 Js——滚珠丝杆转动惯量

致谢

M——工作太质量（㎏），M=800/9.8=81.633（㎏） Lo——丝杆导程（cm） Z1——齿轮1的齿数 Z2——齿轮2的齿数

对材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算 J=7.8×10 D L（㎏●c㎡） 式中：D——圆柱体直径（cm） L——圆柱体长度（cm）

J1=7.8×10×3.6×1=1310.1×10（㎏●c㎡） J2=7.8×10 ×15 ×1=39.4875（㎏●c㎡） Js=7.8×10 ×3.2 ×100=8.1788928（㎏●c㎡） 即： J∑=JD+J1+[J2+Js+（Lo/2?）M]（Z1/Z2）（㎏●c㎡）

22?44?4 =0.0617+1310.1×10 +[39.4875+8.1788928+（1/2?）×81.633]×

2（18/75）

=3.0575（㎏●c㎡）

加速力矩：

Mka=J∑

=3.0575×1.0467 =3.2（N●m） ②空载摩擦力距：

Mkf=GfLo/2??i

=800×0.05×18/（2 ?×0.775×75） =1.972468（N●cm） 式中：G——运动部件的总重力（N） f ——导轨摩擦系数，f=0.05

i ——齿轮转动降速比

?——传动系数总效率，一般取?=0.7～0.85，取?=0.0775 Lo——滚珠丝杆的基本导程（cm） ③附加摩擦力矩：

Mo=FLo（1-?o）/2??i

22 =2285.92×0.5×（1-0.9）×18/（3×2?×0.775×75）

2 =3.56955

式中：F——滚珠丝杆预加载荷，即预紧力，一般取Fm的1/3，Fm为进给牵引力（N） ?o ——滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取?o≥0.9 Lo——滚珠丝杆的基本导程（cm）

致谢

传动系数总效率，一般取?=0.7～0.85，取?=0.0775 所以 Mkp=Mka + Mkf + Mo =3.2＋1.972468＋7.98695 ≈13.1579（N●cm） Mmp=0.594 N●m=59.4 N●cm

所以Mkq≤Mmq，即满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转距 2、启动矩频率特性校核

步进电机有三种工况：启动、快进进给运动、工进运动。

前面提出的Mkq≤ Mmq =?Mjmax，仅仅是指初选电机后检查电机最大转距是否满足要求，但是不能保证电机在快速启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。以后还要对快进、工进时的运行矩频特性作校核。

步进电机启动有突跳启动和升速启动，一般突跳启动很少使用。在升速启动中，步进电机从静止状态开始逐渐升速，（如上图所示）在零时刻（t1=0），启动频率fq=0。在一段时间△t1内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度，即fq=fmax。在整个升速、均匀运行、降速过程中，步进电机所走的步数与应该完成的输入指令脉冲总数相等。升速时间△t1足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩Mkq中的加速力矩项Mka不会很大，一般不会出现丢步现象，但是降低了工作效率。升速时间△t1过短，则步进电机启动力矩中的加速力矩Mka就会很大，所以需要校核启动矩频

致谢

特性。

最高运行频率 fmax=1000Vmax/60?p （Hz） =1000×2.4/（60×0.01） =4000（Hz）

式中：V——运动部件最大快进速度（m/min）

查相关初选的步进电机的启动矩频特性曲线，以已知的空载启动力矩Mkq值所对应的允许启动频率fq＞fyq，（fyq为允许启动频率）步进电机会丢步，这时必须采用适应采用适合的升（降）速控制措施，比如延长升速时间△t，直到满足要求。或者分段启动，每段启动频率仅为最高运行频率的几分之一，即分几个升速阶段使启动频率降下来，从而满足启动频特性曲线的要求，最后电机运行频率达到最高运行频率。 3、运行矩频特性校核

（1）快速进给运行矩频特性校核

步进电机的最高快进运行频率fkj=1000VMAX/60?p=4000（Hz）

快速进给时已经不存在加速力矩项Mka，并且一般快进时处于空载状态，故快进力矩Mkj的计算公式为：

Mkj=Mkf+Mo

=1.972468+7.98695 =9.959418（N●cm）

从相关资料可查到初选步进电机的运行矩频特性曲线，以已知的快进力矩Mkj值找到对应的允许快进频率特性要求。 工进运行矩频率特性校核： 工进步进电机的运行频率为fGJ：

fGJ=1000VG/60?p（Hz） =1000×0.5/（60×0.01） =833.33（Hz） 式中：VG——最大工作进给速度

工进时，步进电机运行所需力矩MGJ可按下式计算： MGJ=Mo+Mf+Mt（N●cm） 式中：Mo——附加摩擦力距，由上可知Mo=7.98695 N●cm Mf——摩擦力矩

Mt——折算到电机轴上的工作负载力矩

Mf=f（Fv+G）Lo/2??i（N●cm）

=0.05×（5360+800）×1×18/2?×75×0.775 =15.188（N●cm） Mt=Ft Lo/2??i（N●cm）

致谢

=1340×1×18/2?×0.775×75 =66.078（N●cm） 式中：Fv——垂直方向作用于工作台的工作载荷 Ft——沿进给方向的切削负荷，Ft=FL MGJ=Mo+Mf+Mt

=7.98695+15.188+66.078 =89.253（N●cm）

在初选步进电机的运行矩频特性曲线中，查得fGJ所对应的允许工进运行力矩MyGJ＞MGJ，满足工进时运行矩频特性的要求。

3.4 横向伺服进给结构的设计和计算

横向伺服进给结构设计主要内容有：滚珠丝杆副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、步进电机的选择、绘制改动部分的机械结构装配图等等。 一．切削力计算

1、车削抗力分析

车削外圆时的切削抗力Fx、Fy及Fz如图所示，主切削力Fz与切削速度V的方向一致，垂直向下，是计算主轴电机车削功率的主要依据。切深抗力Fy与纵向进给方向垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力Fx与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统时要用到它。 2、拖板工作载荷的计算

在进行进给系统的传动计算、选用步进电机时，都要用到切削力（机床的主要负载），车削切削力的计算方法可用以下简单而实用的经验公式计算。 纵向切削外圆时，车床的主切削力Fz可以用下式计算： Fz=0.67 Dmax （N）

式中：Dmax——在车床上加工的最大直径（mm） 则： Fz=0.67 Dmax（N）=0.67×8000＝5360 N 进给抗力Fx和切深力可按下列比例分别计算： Fz：Fx：Fy = 1：0.25：0.4

Fx = 0.25×Fz =0.25×5360 = 1340 N Fy = 0.4×Fz = 0.4×5360 =2144 N

因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上。如上图所示，车削作业时作用在进给拖板上的载荷Fl、Fv和Fc与车刀所受的车削力有对应的关系。因此，作用在进给拖板上的载荷可以按下式求得：

2致谢

拖板上进给方向载荷 Fl=Fx=1340N 拖板上垂直方向载荷 Fv=Fz=5360N 拖板上横向载荷 Fc=Fy=2144N 二、滚珠丝杆副的设计

滚珠丝杆副已经标准化，因此滚珠丝杆副的设计归结为滚珠丝杆副型号的选择。 一般情况下，设计滚珠杠时，已知条件为：在最大工作负荷Fd（或平均工作负荷Fm）作用下的使用寿命，丝杆的工作长度（或螺母的有效行程），丝杆的转速（或平均转速），滚道的硬度及丝杆运转情况。 1、设计步骤：

a、计算作用在滚珠丝杆上的最大动负荷。

b、从滚珠丝杆系列表中找出相应最大动载荷的近似值，并初选几个型号。

c、根据具体工作要求，对结构尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面的要求，从中再挑出比较合适的直径、导程、滚珠列数等，确定某一型号。

d、根据所选的型号，列出或计算出其主要参数的数值，计算传动效率并验算系数是否满足要求。如不满足要求，则需另选其他型号，再作上述计算与验算，直到满足要求为止。

2、设计计算概况

计算进给牵引力Fm

作用在滚珠丝杆上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力和导轨摩擦力，其数值大小与导轨的类型有关。在本设计中，车削纵向导轨采用三角形导轨。

对三角形导轨，Fm的计算公式为： Fm=kFx + f（Fz+2Fy+G） 式中：Fz——主切削力

Fx——走刀方向切削分力 Fy——切深抗力

G——纵溜板上承载的移动部件的重力（已知G=600N） K——考虑颠覆力矩的试验系数，对上述类型导轨可取K=1.4 f ——导轨上的摩擦系数，对上述类型导轨可取f =0.04 则： Fm=kFx + f（Fz+2Fy+G）

=1.4×1340+0.04×（5360+2×2144+600） =2285.92N b、最大动负荷C及主要尺寸初选

滚珠丝杆应根据额定载荷Ca选用，最大动载荷计算原理与滚珠轴承相同。 滚珠丝杆最大动载荷C可用下式计算： C= L fm Fm

致谢

式中：L——工作寿命，单位为10r，L=60nt/10

fm——运转状态系数，无冲击取1—1.2，一般情况下取1.2—1.5，有冲击振动取1.5—2.5，此处取fm=1.3

Fm——滚珠丝杆工作载荷（N） n——丝杆转速（r/min），n=1000v/L0 t——额定使用寿命（h），可取1500h

v——最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/2—1/3

L0——丝杆基本导程，可根据快进速度Vmax和丝杆最大转nmax初选一数值（L0大于或等于Vmax/nmax），此处选取L0为5mm，待刚度验算后再确定。 L=60nt/10

=60×1000vt/10×L0

=60×1000×0.25×15000/10×5 =45（10 r） C= L fm Fm

= 45×101.3×2285.92 =10570N

初选滚珠丝杆的尺寸规格，相应的额定载荷Ca不得小于最大动载荷Co：Ca＞Co 假如滚珠丝杆副有可能在静态或低速运转（n小于或等于10r/min）下工作并受载那么还需要考虑其另一种失效形式——滚珠丝杆接触面上的朔性变形。即考虑滚珠丝杆杠的额定静载荷Coa是否充分地超过了滚珠丝杆的工作载荷Fm，一般使Coa/Fm=2~3。查资料选取滚珠丝杆的型号为CLM3210—2.5—P3。即采用外循环管插式类型，螺距为L0=10mm，圈数×列数=2.5×1，公称直径为32mm，Ca=28200N，Coa=66050N，螺旋升角等于。 c、传动效率计算

滚珠螺母副的传动效率 为 ?= tg? /tg（?+?）

式中： ——丝杆螺旋升角，可根据初选型号查出

——摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004，其摩擦角约等于10 。 有： ?= tg? /tg（?+?） = tg5?41′/tg(5?41′+10′) =0.971 d、刚度验算

滚珠丝杆副的轴向变形导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性。滚珠丝杆副的轴向变形包括丝杆的拉压变形、丝杆和螺母之间滚道的接触变形、丝杆的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杆轴承的轴向接触变形。滚珠丝杆的扭转

6666666

致谢

变成较小，对纵向变形影响小，可忽略不计。螺母座只要设计合理，其变形量也可忽略不计。丝杆轴承的轴向接触形计算方法可参考机械设计手册。可供滚珠丝杆杠支承使用的滚珠轴承种类很多，目前占优势的有：接触为60 的推力角接触球轴承，可以背靠背或面对面组配，还可以三联组配、四联组配等，以提高刚度和承载能力；滚针——推力圆柱滚子组合轴承，从双向轴承支承丝杆，刚度好、多用于重载。因此，只要滚珠丝杆支承的刚度设计好，轴承的轴向接触变形在此可以不考虑。下图所示，为纵向进给滚珠丝杆杠支承方式草图。丝杆螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。 由工作负荷引起的导程变化量为： ?L=±FmLo/EF

式中： E——弹性模数，岁对钢E=20.6×10 MP 即（20.6×10 N/cm ） F——滚珠丝杆截面（cm） （按丝杆螺纹底径d1=12.825mm确定） F= 12.825 /4 =1.29117 cm 即： ?L=±FmLo/EF

=±2285.92×0.5/（20.6×10×1.29117） =±42.971×10 cm

±——“+”号用于拉伸，“-”号用于压宿

丝杆1m长度上导程变形总误差为： △=100△L/Lo

=100×23.3×10N/CM =4297.1×10 cm/m =42.971 m/m

而三级精度丝杆允许的螺距误差为45 m/m，即△≤45，故刚度符合要求。 e、齿轮传动比的计算

为了满足脉冲当量的设计要求和增大转距，同时也为了使传动系统的负荷惯量尽可能地减少，传动链中常采用齿轮降速传动。

已知脉冲当量?p，滚珠丝杆杠导程Lo=10mm，初选步进电机的步距角?b后，可以依据下式计算出齿轮传动比i，即 i =?b Lo/360?p

纵向进给齿轮箱传动比计算：

已确定纵向进给脉冲当量?p =0.01mm，滚珠丝杆导程Lo=10mm，初选步进电机步

距角?b=1.5 ，可计算传动比i，

? i = b Lo/360?p =1.5×10/（360×0.01） ≈4.167

计算出i〈5，因此可以采用一级传动。大小齿轮丝杆导程均采用45号钢调质，选小齿

?62?66致谢

轮硬度为260HB~290HB，大齿轮硬度为220HB~250HB，精度选六级，模数m=2，齿轮Z1=18，Z2=75，则

a＝（1/2）m （Z1+Z2）=93mm

还应该校核齿轮接触疲劳强度。经校核均合格，其校核过程从略。 f、压杆稳定性验算

滚珠丝杆通常属于轴向力的细长杆，若轴向工作负荷过大，使丝杆失去稳定而产生

22纵向屈服，即失稳，失稳的临界载荷Fk=f z?EI / L（N）

式中： E——丝杆材料弹性模量，对钢 E=20.6×10 MPa，即（20.6×10N/cm） I——截面惯量距，对丝杆圆截面I=?d1 /64 （mm） （d1为丝杆底直径）

44442L——丝杆最大工作长度 （mm）

fz——丝杆支承方式系数，在此选择一端固定，一端简支 fz=2.0 I =?d1 / 64

4 = ?12.825 / 64 = 1327.331（mm）

22 Fk=fz?EI / L

=2?×20.6×10 ×1327.331 / 400 =33698.9（N）

临界载荷Fk与丝杆工作载荷Fm之比称为稳定性安全系数，如果nk大于许用稳定性安全系数[nk] ，则丝杆不会失稳，因此，滚珠压杆的压杆稳定条件为 nk=Fk /Fm≥[nk]

= 33698.9 / 2285.92= 14.742≥4

注：一般 [nk] 取2.5~4，考虑到丝杆杠自重对水平滚珠的丝杆的影响可取[nk] ≥4 。所以丝杆符合稳定条件。 g、导轨的选型

采用贴塑导轨，以减少导轨的摩擦力。 h、步进电机的计算和选型：

步进电机选型主要考虑三个问题：

（1）步距角?b要满足脉冲当量的要求。 （2）满足最大静转距的要求。

（3）启动转距与启动频率，工作运行转距与运行频率必须满足所选电机型号相应的启动距率特性和工作距频特性。

纵向伺服系统步进电机的计算和选型 1、根据脉冲当量和最大静转距初选电机型号 （1）步距角

初选步进电机时应合理选择?b和减速比i，并满足?bLo / i360≤?p，由于前面确定齿轮

24致谢

传动比已初选?b=1.5，且Lo=5mm，i=18/75，代入上式得1.5×10×18/（75×360）=0.005=?p，满足要求，初选从《机电综合设计指导》表2-11步进电机技术参数表查到步距角为1.5，型号为55BF003的步进电机。 （2）矩频特性

步进电机最大静转矩Mjmax是指电机的定位转矩（静止状态），其值可根据初选的步进电机型号，从《机电综合设计指导》表2-11查得Mjmax=0.686N●m，步进电机的名义启动转距Mmp与最大静转距Mjmax有《机电综合设计指导》表2-12所示的关系： 即 Mmp=?Mjmax

由《机电综合设计指导》表2-12，得?=0.866，所以 Mmp=0.866×0.686=0.594 N●m

步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负荷下的启动，步进电机所需空载启动力矩可按下式计算：

Mkp = Mka + Mkf + Mo 式中：Mkp——空载启动力矩（N●m）

Mka——空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上加速力矩（N●m）

Mkf——空载时折算到电机轴上的摩擦力距（N●m）

Mo——由于丝杆预紧，折算到电机轴上的附加摩擦力距（N●m）

初选电机型号时应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转距，即： Mkq≤Mmq =?Mjmax 有关Mkq的各项计算如下： ① 加速力矩

Mka=J∑?=J∑2?nmax/（60t×10 ）（N●cm） 式中：J∑——传动系统个部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量 ?——电机最大加速度（rad/s ）

nmax——运动部件最大快进速度对应的电机最大转速（r/min） t——运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需时间（s），假设t=1s Vmax——运动部件最大快进速度（mm/min） ?p——脉冲当量（mm/脉冲）

?b——部件电机的步距角

nmax= Vmax?b/?p360（r/min） =2.4×10×1.5/（360×0.01） =1000（r/min）

=2?nmax/（60t×10） =2?×1000/（60×1×10）

232

致谢

=1.0467（rad/s ）

J∑=JD+J1+[J2+Js+（Lo/2?）M]（Z1/Z2）（㎏●c㎡）

式中：JD ——电机转子的转动惯量，由初选的电机型号查《机电综合设计指导》表2-11得JD =0.0617（㎏●c㎡） J1——小齿轮转动惯量 J2——大齿轮转动惯量 Js——滚珠丝杆转动惯量

M——工作太质量（㎏），M=600/9.8=61.224（㎏） Lo——丝杆导程（cm） Z1——齿轮1的齿数 Z2——齿轮2的齿数

对材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算 J=7.8×10DL（㎏●c㎡） 式中：D——圆柱体直径（cm） L——圆柱体长度（cm）

J1=7.8×10×3.6×1=1310.1×10（㎏●c㎡） J2=7.8×10×15×1=39.4875（㎏●c㎡） Js=7.8×10 ×1.6 ×40=0.20447232（㎏●c㎡） 即： J∑=JD+J1+[J2+Js+（Lo/2 ）M]（Z1/Z2）（㎏●c㎡）

=0.0617+1310.1×10+[39.4875+0.20447232+（1/2?）×61.224]×

?4222?44?44?44?4?44（18/75） =2.5（㎏●c㎡）

加速力矩：

Mka=J∑? =2.5×1.0467

=2.61675（N●m） ②空载摩擦力距：

Mkf=GfLo/2??i

=600×0.05×18×0.5/（2?×0.775×75） =0.739675364（N●cm） 式中：G——运动部件的总重力（N） f ——导轨摩擦系数，f=0.05 i ——齿轮转动降速比

2?——传动系数总效率，一般取?=0.7～0.85，取=0

Lo——滚珠丝杆的基本导程（cm）

致谢

③附加摩擦力矩：

Mo=FLo（1-?0）/2??i

=2285.92×0.5×（1-0.9）×18/（3×2?×0.775×75）

22 =3.56955

式中：F——滚珠丝杆预加载荷，即预紧力，一般取Fm的1/3，Fm为进给牵引力（N） ?o ——滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取?o≥0.9 Lo——滚珠丝杆的基本导程（cm）

?——传动系数总效率，一般取?=0.7～0.85，取?=0.0775

所以 Mkp=Mka + Mkf + Mo =3.2＋1.972468＋7.98695 ≈13.1579（N●cm） Mmp=0.594 N●m=59.4 N●cm

所以Mkq≤Mmq，即满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转距 2、启动矩频率特性校核

步进电机有三种工况：启动、快进进给运动、工进运动。

前面提出的Mkq≤ Mmq =?Mjmax，仅仅是指初选电机后检查电机最大转距是否满足要求，但是不能保证电机在快速启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。以后还要对快进、工进时的运行矩频特性作校核。

步进电机启动有突跳启动和升速启动，一般突跳启动很少使用。在升速启动中，步进电机从静止状态开始逐渐升速，（如上图所示）在零时刻（t1=0），启动频率fq=0。在一段时间△t1内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度，

致谢

即fq=fmax。在整个升速、均匀运行、降速过程中，步进电机所走的步数与应该完成的输入指令脉冲总数相等。升速时间△t1足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩Mkq中的加速力矩项Mka不会很大，一般不会出现丢步现象，但是降低了工作效率。升速时间△t1过短，则步进电机启动力矩中的加速力矩Mka就会很大，所以需要校核启动矩频特性。

最高运行频率 fmax=1000Vmax/60?p （Hz） =1000×2.4/（60×0.01） =4000（Hz）

式中：V——运动部件最大快进速度（m/min）

查相关初选的步进电机的启动矩频特性曲线，以已知的空载启动力矩Mkq值所对应的允许启动频率fq＞fyq，（fyq为允许启动频率）步进电机会丢步，这时必须采用适应采用适合的升（降）速控制措施，比如延长升速时间△t，直到满足要求。或者分段启动，每段启动频率仅为最高运行频率的几分之一，即分几个升速阶段使启动频率降下来，从而满足启动频特性曲线的要求，最后电机运行频率达到最高运行频率。 3、运行矩频特性校核 （1）快速进给运行矩频特性校核

步进电机的最高快进运行频率fkj=1000V/60?p =4000（Hz）

快速进给时已经不存在加速力矩项Mka，并且一般快进时处于空载状态，故快进力矩

Mkj的计算公式为：

Mkj=Mkf+Mo

=0.739675364+3.56955 =4.30923（N●cm）

从相关资料可查到初选步进电机的运行矩频特性曲线，以已知的快进力矩Mkj值找到对应的允许快进频率特性要求。

工进运行矩频率特性校核： 工进步进电机的运行频率为fGJ：

fGJ=1000VG/60?p（Hz） =1000×0.5/（60×0.01） =833.33（Hz）

式中：VG——最大工作进给速度

工进时，步进电机运行所需力矩MGJ可按下式计算： MGJ=Mo+Mf+Mt（N●cm） 式中：Mo——附加摩擦力距，由上可知Mo=7.98695 N●cm Mf——摩擦力矩

Mt——折算到电机轴上的工作负载力矩

致谢

Mf=f（Fv+G）Lo/2??i（N●cm）

=0.05×（5360+600×0.5×18/2 ×75×0.775 =7.347442（N●cm） Mt=Ft Lo/2 ×2??i（N●cm） =2144×0.5×18/2?×0.775×75 =52.862（N●cm） 式中：Fv——垂直方向作用于工作台的工作载荷 Ft——沿进给方向的切削负荷，Ft=FL MGJ=Mo+Mf+Mt

=3.56955+7.347442+52.862 =63.779（N●cm）

在初选步进电机的运行矩频特性曲线中，查得fGJ所对应的允许工进运行力矩MyGJ＞MGJ，满足工进时运行矩频特性的要求。

3.5 自动刀架部分的设计

自动刀架的设计是普通 机床数控改造机械方面的关键，而由微机控制的自动转位刀架具有重复定位、精度高、工作刚性好、性能可靠、使用寿命长以及工艺性能好等特点。

3.5.1、设计方案

本设计采用立式数控转塔架，其回转轴线与安装基面垂直，可装夹多把刀具，采用数字信息指令控制转位的刀架。采用四工位，按主要机的编程要求完成刀架的自动换刀动作，以实现数控车床加工程序的自动化和高效化，驱动数控转搭架的动力源是电机。

3.5.2、刀架工作原理

微机程序发出换刀信号，刀架控制箱继电器动作，电机正转，通过蜗杆蜗轮副，螺纹副将上刀体上升到一定位置时，拨盘起作用，带动定位销，定位销带动上刀体旋转到可需刀位。发信盘（霍尔元件）电路发出刀架信号，刀架控制继电器使电机反转，反靠销初定位，上刀体下降，端齿盘啮合，完全精定位动作，并使刀架锁紧，电机停转，并向微机发出信号，加工开始。

3.5.3、刀架动作顺序

?减速机构???升降机构???上刀体上升转位???信号符合???粗 电机???上刀体下降???精定位???刀体锁紧???电机停转???换刀答信电位机构?????加工顺序执行

从自动转位刀架的工作原理可知，刀架由控制系统直接控制，刀架能完全抬起、回转、选位、下降、定位和锁紧一系列的动作。 （1）、刀架的抬起

本设计采用螺纹传动，将旋转运动变成轴向直线运动，从而达到抬起刀架的目的。

致谢

在刀架的抬起过程中，都要防止刀架的转动。这可通过设计一个带有斜面的粗定位销和定位槽的配合来完成，并使斜面的摩擦力产生的阻力矩大于上转动摩擦矩。 （2）、刀架的回转和选位

刀架有一个微电机通过传动来带动，刀架的转动轴线上竖直的，而转速比微电机要慢得多。由于电机空间条件所限必须卧式安装，因此两者的转动轴线互相垂直或平面垂直，蜗杆传动比较合适于这种场合。 （3）、刀架的下降、定位和压紧

刀架选定位量后，斜面销插入斜面槽中，使之粗定位，然后由微机控制使位电机反转，由于斜面销的棘轮作用，刀架不跟随转动，只是下降，再由端面齿盘精确定位。 （4）、刀架的锁紧

定位完毕，许用锁紧刀架，才能安全可靠地进行加工。锁禁力是由刀架下降到底后，微电机继续转动所产生的，锁紧力的大小的两倍以上，而且应该能调整，当锁紧力达到调整数值时，使微电机正转，且始终保持这一压紧力直到下一动作循环的开始。

3.5.4、减速机构参数

采用蜗轮蜗杆传动减速。

（1）、确定近似蜗轮传动比i =10，查手册，选用普通圆柱蜗杆传动的基本参数： 中心距：a =（d1+d2）/2 = 50.2mm

模数m =2mm 蜗轮变位系数X2 = -0.1 （2）、主要几何尺寸（单位mm） ①、圆柱蜗杆

分度圆直径：d1=22.4mm

齿顶圆直径：da=d1+2ham=22.4+2×1×2=26.4mm

齿根圆直径：df1=d1-2（ha+c）m =22.4-2×（1+0.2）×2=17.6mm 齿顶圆： ha1=ham=1×2=2mm

齿根高： hf1=（ha+ c）m=（1+0.2）×2=2.4mm 齿高： h1=ha1a1+hf1=2+2.4=4.4mm

蜗轮齿宽： b1≥（9.5+0.09Z1）m=（9.5+0.09×4）×2-19.72mm，取b1=35mm 蜗杆头数： Z1=4 ②、蜗轮

分度圆直径：d2=mZ2=2×39=78mm

齿顶圆直径：da2=d2+2（ha+c-x2）m=78+2×（1-0.1）×2=81.6mm 齿根圆直径：df2=d2-2（ha+c-x2）m

=78-2×[1+0.2-（-0.1）]×2=72.8mm 齿顶高： ha2=（ha+xa2）m=（1-0.1）×2=1.8mm 齿根高： hf2=（ha+c-x2）m=（1+0.2+0.1）×2=2.6mm

致谢

外圆直径： d≤d2+ha2+m=78+1.8+2=81.8mm，取d=82mm 蜗轮宽： b2=0.67da1=0.67×26.4=17.688≈18mm

3.5.5、刀架组成及特点

（1）组成 立式（简易）数控转搭刀架由固定部分（下刀体）、转动部分（上刀体）和驱动电机三部分组成。 （2）特点

①、设置端齿盘组作精定位元件；

②、采用霍尔开关（或无触点霍尔元件）和电刷等动作信号传感控制； ③、借助双重粗定位机构使刀架工作平稳； ④、具有防水、防滑等功能；

⑤、立式全功能刀架可按最短路程就近选位。

3.6 挂齿箱

拆除原进给箱，在此位置安装主轴脉冲编码器。采用同轴安装方式如下图所示，连接方式如图所示。

安装、使用主轴脉冲编码器应注意主轴脉冲编码器为光学元件，以防损伤。车床主轴转速不能超过许用最高转速。

3.7 拖板

对于应用步进电机做驱动装置的开环控制系统，刀架最后的坐标精度受拖板运动精度、灵敏度、稳定性的影响。因为数控系统发出的指令仅使拖板运动而没有位置检测和信号反馈，故实际移动值和系统指令值如果有差别就会造成加工误差，所以除拖板及其配件精度要求较高外，应采用以下措施来满足传动精度和灵敏度要求：

A. 在传动装置的布局上采用减速箱来提高传动扭矩和传动精度

B. 为提高正、反转传动精度必须尽可能的消除配对齿轮间传动间隙，常用方法为刚性调整法;

C. 用滚珠丝杠替代原滑动丝杆

致谢

第四章 CNC数控系统的设计

4.1、系统的设计

4.1.1、基本技术参数

（1）横向（X向）脉冲当量为0.005mm； （2）纵向（Y向）脉冲当量为0.01mm； （3）切削速度范围：11.5～1600r/min；

4.1.2、机床对CNC系统的控制要求

（1）加工对象及工艺特点：对系统要求既是点控制，又是平面轮廓加工或空间曲面加工。

（2）对主轴电机的控制要求：不是频繁正反转启动的无级调速。 （3）进给驱动源是开环控制。

（4）刀具换刀由自动控制的自动转换刀架完成。

（5）刀具采用液压自动预紧，冷却液采用电泵自动循环喷油冷却。

4.1.3、CPU方案的比较

（1）单CPU结构的特点：单CPU结构特点是价格便宜，连续线路简单，但工作速度慢，不同时，不连续。

（2）多CPU结构的特点：多CPU的特点是速度快，可以同时连续工作，当一片CPU出现问题时，其它CPU还可以继续工作，不会产生中断，可靠性高。

4.1.4、CNC控制系统的特点

（1）高的可靠性和可维修性。它们决定了系统在控制上的可用程度，为了实现这一要求，应该使系统通过相同电子的集装件的替换而得到快速修理，另外维修数控系统有诊断程序。

（2）环境适应性强。数控系统一般用于生产现场，易受环境条件干扰，如强电流、强磁场、腐蚀性气体、灰尘、温度变化等，都会影响刀数控系统的可靠性和工作寿命。 （3）控制的实时性。微型机岁输入输出信息，应有足够魁岸的速度进行处理。为此数控系统还必须配有实时时钟和完善的中断系统。

（4）较完善的输入输出通道。为了对机床的加工过程进行控制，微机经常和机床交换信息，通常要配备较完善的输入输出通道。

（5）较丰富的软件。数控系统应备有较完整的、适合加工过程控制的程序，使操纵简便，使用合理，控制性能高。

（6）适合的计算精度和运算精度。一般的数控机床对计算精度和运算精度的要求并不苛刻，通常字长为8～32位，速度在每秒几万至100万次，内存容量在4～64KB。但随着自动化程度的发展，对于这方面的要求也在不断提高。

4.1.5、微处理器

致谢

微处理器就是微型化的中央处理器。通常是由一片或几片大规模集成电路组成的中央处理部件，简称CPU，它是微型计算机的核心，一般来说具有以下功能： （1）实现算术运算和逻辑运算，并有逻辑判断能力； （2）能对指令系统进行译码，并执行指令所要求的工作； （3）具有访问内部存贮器和外部存贮器的能力； （4）提供整个系统所需的定时和控制信号； （5）可响应中断请求。

a、CPU在内部机构上包含下列部分

（1）算术逻辑部分：用来处理各种数据信息，它可以进行加、减或、非、与、或等逻辑运算，比较抵挡的CPU不能进行乘除运算，不过可以通过程序实现。

（2）累加器和通用寄存器组：累加器和通用寄存器是用来保存参加运算的数据以及运算的中间结果，也可以用来存放地址。

（3）程序计数器：指令寄存器和指令译码器。程序计算器用于指向下条要执行的地址。由于程序一般在内存上是连续存放的，所以执行程序时，每取一个指令字节，程序计算器便自动加1。指令寄存器用于存贮器中去出指令操纵码，指令译码器对其进行译码，从而确定指定的操作并确定操作数的地址，得到操作码数。

（4）时序控制部分：指令译码器对指令进行译码时，产生相应的控制信号并达到时序和控制逻辑电路中，从而形成外部电路所需要的控制信号，来控制整个系统协调工作。 b、微型计算机的选用方案 （1）选择微机的原则

在选用微机时，应当考虑高速、结构灵活、重量轻、高集成度、高可靠性、体积小、性能好、耗电少，易于掌握和运用。 ①8031的优缺点

8031单片记内部包括一个8位CPU，128字节的DAM，二个16位定时器，四个8位并行口，一个全双功能串行口，可扩展的外部存储器和数据存储器的容量个64K，具有五个中断源分配有两个优先级，还要二个特殊功能的寄存器。8031运算速度低、编程困难、但是价格底、运用广泛，开发容易，适用于经济型数控系统。 ②80196的优缺点：

80196的集成程度高，片内有ADC、DAC，高速输出，运算速度适中，通常用于高档的CNC系统。

③80386～80586的优缺点：

80386～80586的运算速度比较高，指令丰富，编程容易，有IN、OUT指令，通用用于高档的CNC系统；缺点是要扩展8253、8255、8259、8251芯片较多。 （2）国内通常选用的CPU

MCS—48系列的8048、8748和8035，MCS—51系列的8034、8051、8031AH、8751、

致谢

8751AH、8751BH等基本型号。MCS—96系列的8096、8096BH和8098型。

通过以上比较，因为所改造的机床属于经济型机床，考虑到经济性方面，故选用8031。

4.1.6、伺服电机接口

（1）接口的组成：数控机床的伺服系统由伺服电机，伺服驱动装置，机械传动机构及执行部件组成。

（2）接口的功能：接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作为一定的转速和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电机、电液脉冲马达、功率步进电机、电压伺服阀、液压马达等）和机械传动机构，驱动工作台，主轴头架等执行部件实现工作台进给和快进运动。

4.1.7、键盘、显示器接口

键盘和显示器，是数控系统用于人机对话的外围设备。键盘可以完成程序数据的输入，显示器显示计算机运行时的状态数据。键盘接口电路由8031和8297组成，8297只作为并行接口使用，不使用内部存储器，故引脚直接经电阻接高电平。8297的地址、数据线和8031的P0接口直接相连，由8031的地址锁存信号ALE控制实现分时住处传递。

4.1.8、I/O接口

I/O接口是指外围设备和CPU之间的接口电路。一般情况下，外围设备于存储器不直接相接，必须通过CPU对I/O接口的读写控制，完成外围设备与CPU间的信息传递。机床I/O控制部分是微机与机床相连的关键部件。 CNC系统的机床I/O控制具有以下特点：

能够可靠地传递控制机床动作的信息并输入机床有关状态信息；能够进行相应的信息交换，以满足CNC系统的输入输出要求，输入时必须将有关状态信息转换为计算机能够识别的二进制数字量，输出时应将数字量转换为机床各种执行元件所需的物理量；具有较强的阻断干扰信号进入信号进入计算机的能力，以提高系统的可靠性。I/O接口的组成：由74273锁存器、TLP521—4光电隔离和ULN2003驱动器等组成。I/O接口的功能是将开关通或断的状态转换为微机能接受的高或底电平。

结论

通过这次设计，综合运用了机械课程设计和其它课程地理论和实际知识，掌握了机械设计的

一般能力，树立了正确的设计思想，培养了分析和解决问题的能力，使我对知识有了一次更大的了解；还有对设计工作的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。

改造后普通车床适合于汽车、石油机械、军工等多种行业的机械加工，主要用于轴类、盘类的精加工和半精加工，可以加工内、外圆柱表面、锥面、车削螺纹、镗孔、铰孔以及各种曲线回转体。改造够成的数控车床采用模块化设计，可根据用户不同的需求，配备不同的装置及附件。结构特点：

致谢

1.Z轴全数字交流伺服闭环控制；X轴全数字交流伺服开环控制。 2.主轴可实现无级调速与恒速切削。 3.中文液晶显示及图形轨迹显示。 床身上最大回转直径

最大工件长度（二顶尖间距离） 最大车削长度(最大加工长度) 四工位：850

在整个机床的改造过程中涉及到许多测试、调试问题，在硬件设备改造安装好好，需对机床的机械部分进行调整，对插补（直线、圆弧），反向间隙补偿参考点，螺纹加工等参数进行反复调试，试切工件对参数进行整体优化完全满足生产质量与精度要求生产稳定运行。

通过上述方案改造的普通车床，加工精度明显提高，定位准确可靠，操作方便。与购买相同配置的数控车床相比，性能价格比高，改造的费用近2万元（不含机床的费用），而购置同类型的普通数控机床的价格近5万元。本次改造最大的收获是：通过老师的指导，巩固了理论知识，提高了实际动手能力，积累了一定的机床改造经验。

由于不同机床其结构、功能和性能差异很大，在对每台机床数控改造之前，工程技术人员必须对改造的对象进行充分深入的调查研究，和机床的用户，维修技术员、以及操作者紧密配合，制定出合理准确的改造方案。根据我们的改造经。

总之，良好的开端是成功的一半。只有制定好改造的技术路线和方案，改造的成功才有保障

参考文献

1、《新编机械设计手册》 蔡春源主编 辽宁科学技术出版社；

2、《机床设计图册》 华东纺织工学院、哈尔滨工学院、天津大学主编 上海科学技术出版社； 3、《机械设计》 彭之生等主编 华中理工大学出版社；

4、《金属切削机床》下册 顾熙荣、迟宝珍主编 上海科学技术出版社； 5、《机械原理》 孙桓、傅创钊主编 高等教育出版社； 6、《互换性与技术测量基础》 廖念钊主编 中国计量出版社； 7、《机床设计指导》 任殿阁、张佩勤主编 辽宁科学技术出版社； 8、《机床主轴、变速箱设计指导》 曹鑫横主编机械工业出版社； 9、《机械设计、机械设计基础课程设计》王昆主编 高等教育出版社； 10、《数字控制机床》 廖效果、朱启逑主编 华中理工大学出版社； 11、《现代数控机床》 毕永恩、丁建军等主编 机械工业出版社； 12、《TTL集成电路》 赵保经主编 国防工业出版社； 13、《机电综合设计指导》吴振彪主编 华中理工大学出版社；

14、《单片机微型计算机原理及应用》 李光斌主编 华理工大学出版社； 15、《数字电子技术基础》 康华光主编 高等教育出版社； 16、《简明电器元件手册》 北京文联出版社；

致谢

17、《机械工程专业英语》 阵统坚主编 机械工业出版社； 18、《计算机数控系统》 彭炎行主编 西北工业大学出版社

科技译文

Numerical Control of Machining Process

Numerical control of maching tools by computers has made great advance in recent years. Generally, automatic tools are efficient and accurate when large quantities of parts of the same shape are required. but changing from one automatic cycle to another is a long and expensive process and would only be carried out of a long run. But these are many examples when only a few parts are require and it is in such word that the computer-controlled machine is valuable.

These are two type of computer-digital and analogue. A digital computer works with numbers given in digital forms, a digital being one of a certain set of symbols used to show numbers. It is the digital computer which is used in electronic data processing. The analogue computer is based on an analogy of quality. It deals with physical qualities and not numbers.

In a digital control system information from a drawing is put on a disc which is put onto a computer which computer from the information to the continous motion of the cutting tool. The output is put on a disc which is put into the machine-tool control unit when require. One computer serve a number of machines. Disc can be tored and used any number of times in future cases, simply by replaying them if the same parts are wanted again. For best results , the electronic control equipment and the machine tool must be designed together.

This method has also been applied to the control of oxygen cutting of steel plates. When orregular shapes are require, as in ship building, it has been the practice to make a model and to follow its outline by hand control, a method which does not always give accurate results. Again, information is processed by a special computer which then prepares a disc for use in the control console of the cutting machine. With this disc the machine can automatically cut plates, of complicated shapes very accurately. This development has particular importance for making steel plates and is a good example of automation applied to batch production.

加工过程的数控

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