CA6140普通车床的数控化改造

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摘 要

针对大多数企业,具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性，又不能马上被淘汰。

数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。

购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。为此把普通机床数控化改造，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，提升企业竞争力，在我国成为制造强国的进程中，占有一席之地。本文的主要内容有：

1．对普通车床数控化改造经济性评价详细论证，确定普通车床数控化改造方案； 2．对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型号选择，步进电机选择等进行了详细研究；

3．对常用进口数控装置系统和国产数控装置系统进行仔细比较，根据所改造的性能和精度指标来选配数控装置系统和自动刀架型号，提出选择方法；

4．根据普通车床CA6140电气控制系统和原理图与普通车床数控化改造CJK6140-A的数控系统对比分析，形成普通车床数控化改造完整的电气控制技术图；

5.为保持切削螺纹的功能，仔细研究了在主轴上安装脉冲发生器的选型，脉冲发生器直接与主轴间连接方法，并形成了相应的技术图；

6.拆卸普通机床，甩掉原有进给箱等，对主传动系统的进行大修，滑板贴塑与铲刮调试，对机床相关部件和参数进行测绘、测量；

7.绘出相应的零件图和装备图；

8．给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。

关键词：普通车床、数控、改造

ABSTRACT

Most enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production, low automatization and adaptability, but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprise’s production.

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As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining.

Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises’ equipment updating step are counteracted severly. So General lathe's numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises’ competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The main contents is: 1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimum’s synthesize adjudicate principle.

2. The ball screw’s type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motorof feeding system is designed.

3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming.

4. The complete electricity control diagram was drawn out according to the result of comparing CA6140’s electricity control system and principle with the reforming CJK6140-A’s NC system.

5. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a techniquediagram.

6. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe. 7. Draw out parts diagrams and assemble diagram.

8 .Methods of installing and testing of general purpose lathe’s numerically controlled reforming were put forward.

Key words: General purpose lathe、 Numerical control(NC)、Reform

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1.1.1国内外数控系统发展概况 ............................................................................................. 4 1.1.2数控技术发展趋势 ......................................................................................................... 5 1 性能发展方向 ........................................................................................................................ 5 1.1.3智能化新一代PCNC数控系统 ..................................................................................... 6 1.2.1微观看改造的必要性 ..................................................................................................... 7 1.2.2宏观看改造的必要性 ..................................................................................................... 7 1.3 普通机床数控化改造市场 ........................................................................................................ 8

1.3.1改造的市场 ..................................................................................................................... 8 1.3.2进口设备和生产线的数控化改造市场 ......................................................................... 8 2.3主传动系统和进给系统的改造 ....................................................................................... 10 主轴脉冲发生器的结构及原理: ............................................................................................ 11 （1）滚珠丝杠螺母副 .................................................................................................................... 13

3.3.1横向进给系统的设计计算 ........................................................................................... 18 3.3.2滚珠丝杠设计计算 ....................................................................................................... 19 3.3.3齿轮及转矩有关计算 ................................................................................................... 20 3.5滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法 ............................................................................... 22 3.6进给系统传动齿轮间隙的消除 ............................................................................................... 24

3.6.1采用减速箱的目的及注意事项 ................................................................................... 24 3.6.2减少或消除空程的必要性和方法 ............................................................................... 24 4．2步进电机的选择 ..................................................................................................................... 25

4.2．1步进电机选用的基本原则 ......................................................................................... 25 4.4．2 CA6140纵向进给系统步进电机的确定 ................................................................... 26 4.2．3 CA6140横向进给系统步进电机的确定 ................................................................... 26 6.3 单板机控制系统的设计 .......................................................................................................... 30

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第一章 前言

1.1问题提出

数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。

企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、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。

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，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。 1.1.1国内外数控系统发展概况

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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。

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。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。

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。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。 1.1.2数控技术发展趋势

1 性能发展方向

(1) 高速高精高效化

速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。 (2) 柔性化

包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生

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产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。

(3) 工艺复合性和多轴化

以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。 (4) 实时智能化

早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 1.1.3智能化新一代PCNC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。

1.2普通机床数控化改造经济性评价

根据对市场的调研，目前新的经济数控车床，8.5万/台，普通新车床CA6140，售价3.8万/台，使用寿命8-10年，而已使用了6-8年的旧车床CA6140，估价0.5万/台，通过改造还可使用4-6年。普通车床CA6140每台数控化改造所需价格大约3万，数控加工的生产率可提高20-30%。因此需要对普通车床的数控化改造进行经济性评价。

设备现代化改造是指应用现代技术成就和先进经验，适应生产的需要，改变

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现有设备的结构（包括更换新部件、新装置、新附件等），改善现有设备的技术性能，使之全部或局部达到新设备的性能。 1.2.1微观看改造的必要性

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宏观看改造的必要性

从宏观上看，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（包括军、民机械工业）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MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。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

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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。

1.3 普通机床数控化改造市场

1.3.1改造的市场

我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3％。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6％。我国机床役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20％，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60％以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益。所以必须大力提高机床的数控化率。 1.3.2进口设备和生产线的数控化改造市场

我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从1979～1988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。

第二章 CA6140普通车床数控改造总体方案的设计要求

2.1总体方案

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总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。

（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。 （2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。

（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，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、具有很高的性价比，因此，可选 MCS—51系列单片机扩展系统。

（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。 （5）设计自动回转刀架及其控制电路。

（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。

（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。

（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。

（9） 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。

（10）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，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。

总体方案设计图如2.1图所示

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2.2设计要求

将CA6140普通车床改造成经济型数控车床。要求该车床具有切削螺纹的功能，纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm，横向：0.005mm。

设计参数如下： 最大加工直径：

在床面上 400mm 在床鞍上 210mm 最大加工长度： 1000mm 快进速度

纵向 2.4m/min 横行 1.2m/min 最大切削进给速度

纵向 0.5m/min 横行 0.25m/min 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 控制坐标数 2 最小指令值

纵向 0.01mm/pulse 横行 0.005mm/pulse 刀具补偿量 0~99.99mm 进给传动链间隙补偿量 纵向 0.15mm 横行 0.075mm 自动升降速性能 有

2.3主传动系统和进给系统的改造

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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。分别由各自的步进电机来控制，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，将丝杠换成滚珠丝杠，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。

2.4主轴脉冲发生器

为保持切削螺纹的功能，必须在主轴上安装脉冲发生器，采用脉冲发生器直接与主轴由无间隙传动联轴器连接，达到传动系统结构简化，传动链短，传动刚度提高。主轴与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接口送给数控装置（CNC），脉冲发生器及光栅编码器安装位置如图

光栅编码器安装位置

主轴脉冲发生器的结构及原理:

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

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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π/4间距的狭缝，产生两组每转1024个脉冲组相差为π/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。

脉冲发生器的结构原理图

第三章 进给伺服系统机械部分设计与计算

3.1进给系统机械结构改造设计

进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：

挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。

进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。

溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。

横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。

刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。

3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型

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进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力 滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。计算简图如下图所示：

图2.1纵向进给

图2.2进给系统计算简图

3.2.1确定系统的脉冲当量

脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机 床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技术参数中，要求纵向脉冲当量fp为0.01mm/step。横向脉冲当量为

fp=0.005mm/step。

3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤 （1）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。滚珠丝杠副的结构原理示意图如图所示，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。

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滚珠丝杠螺母副的结构原理图

组成：主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等组成。

工作原理：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。

特点：①传动效率高：机械效率可高达92%~98%。 ②摩擦力小：主要是用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。 ③轴向间隙可消除：也是由于滚珠的作用，提高了系统的刚性。经预紧后可消除间隙。 ④使用寿命长、制造成本高：主要采用优质合金材料，表面经热处理后获得高的硬度。

1）最大工作荷载计算

滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。

由于原普通CA6140车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式2-1计算 工作载荷的大小。

Fm?KFL?f?(Fv?G) （3-1） ①车削抗力分析

车削外圆时的切削抗力有Fx﹑Fy﹑Fz，主切削力Fz与主切削速度方向一致 垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力Fy与纵向进给垂直，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

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校核进给系统是要用它。

切削时总切削力的分解

纵切外圆时，车床的主切削力Fz可以用下式计算：

Fz?CFzapxFzfyFzVnFzKFz （3-2） =5360(N) 由《金属切削原理》知：

Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （3-3） 得 Fx=1340(N) Fy=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，车削作业时作用在进给托板的载荷F1﹑Fv和Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系。

因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出：

托板上的进给方向载荷 F1=Fx =1340(N) 托板上的垂直方向载荷 Fv=Fz =5360(N) 托板上的横向载荷 Fc=Fy =2144(N) 因此，最大工作载荷 Fm?KFL?f?(Fv?G)

=1.15×1340+0.04×(5360+90×9.8)

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=1790.68(N)

对于三角形导轨K=1.15, f?=0.03～0.05,选f?=0.04(因为是贴塑导轨)，G是 纵向﹑横向溜板箱和刀架的重量，选纵向﹑横向溜板箱的重量为75kg,刀架重量为15kg.

②最大动载荷C的计算

C?3LfmFm （3-4）

L为工作寿命，单位为10r，L=60nt／10;n为丝杠转速（r／min）,n=1000v／L0;v为 最大切削力条件下的进给速度（m／min）,可取最高进给速度的1/2～1/3;L0为丝杠的基本导程，查资料得L0=12mm; fm为运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以取

滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用，可用式3-4计算：

fm=1.5.

V纵向=1.59mm/r×1400r/min=2226mm/min

n纵向=v纵向×1/2/L0=2226×1/2/12=92.75r/min ∴ L=60nt/106=60×92.75×15000/106=83.5 则 C?3LfmFm=383.5×1.5×1790.68=11740（N）

初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大载荷C;因此有

Ca＞C=11740N

另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷Fm,一般使

CoaFm=2～3.

初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。

因此初选滚珠丝杠的型号为型CD63×8-3.5-E型，主要参数为

，圈数×列数3.5×1 Dw=4.763mm, L0 =8mm, dm =63mm, ? =219 ’1）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为? ??tan?otan219??o

③纵向滚珠丝杠的校核

tan(???)tan(2o19??10?)?92% （3-5）

2）刚度验算

滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳

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性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。 1 丝杠的拉压变形量?1 ?1??FmlEA （3-6）

=±1790.68×2280/20.6×10×π×(31.5)2 =0.0064mm

2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量?2 采用有预紧的方式， 因此用公式

?2=0.0013×Fm3DwFyjZ?2 （3-7）

=0.0028mm

在这里 Fyj=1/3Fm=1/3×1790.68=597N Z??dmDw?3.14×63/4.763=41.53

Z??41.53×3.5×1=145.36

丝杠的总变形量?=?1 +?2 =0.0064+0.0028=0.0092mm<0.015mm 查表知E级精度丝杠允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格。 3）压杆稳定性验算

滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失 去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为Fk

（3-8）

L式中：E为丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6×104Mpa；I为截面惯性矩，对丝杠

4?dl圆截面I?；fz为(mm4) (dl为丝杠的底径)；L为丝杠的最大工作长度（mm）

64丝杠的支撑方式系数由下表查得。 方式 两端端自由 一端固定一端两端固定 两端简支 自由 0.25 2.0 4.0 1.0 Fz 2 Fk?fz2EI

由Fk?fz?2EI L24?dl 且fz=2.0, E=20.6?10Mpa, I?464(mm4) ,L=2800mm为丝杠的长度

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由于I=519614mm

Fk?2?3.142?20.6?104?519614 =276276 Nk?276276所以丝杠很稳定。

1875?149??4

280023.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤

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

由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。

电机初步估算转速为1500r/min，进给速度Vmax=2m/min。 根据《机械设计手册》可知

Ph?则：

Vmax； nmaxiVmax2000??1.07mm；

nmaxi1500?1.25根据《机械设计手册》可查到滚珠丝杠的标准系列，初选Ph?4mm。 已知条件如下：

工作台重量：W?300N； 脉冲当量：??0.005mm/step； 步距角：a?0.75?/step； 进给速度：Vmax?2m/min； 滚珠丝杠基本导程：L0?4mm； 滚珠丝杠行程：S?650mm；

(1) 削力计算 横向进给量为纵向的

1111~，取，则切削力约为纵向的： 2322144 FZ??1909.?295N4；.7 2共 42 页 第 18 页

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在切断工件时：

Fy?0.5FZ?0.5?954.72?477.36N；

3.3.2滚珠丝杠设计计算

(1) 强度计算 对于燕尾型导轨：

P?KFy?f?(FZ?W)；

取K=1.4，f?=0.2； 则：

P?1.4?477.36?0.2??954.72?300??919.248N；

寿命值：

Li?60niTi； 106由以上条件，可以确定步进电机与滚珠丝杠齿轮传动比：

i??L00.75?4??1.67； 360?p360?0.005由于电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动 则：

13 nmax?V电max??1500?900r/min;

i5由《机械设计手册》可知，当量转速Vm在Vmax与Vmin之间变化时：

Vm?Vmax?V2min；

取Vmin为1r/min时，Vm?450.5r/min；取Vm?450r/min； 因此：

Li?60niTi60?450?15000??405； 610106根据《经济型数控机床》可知，最大动负载为：

Q?3LiPfWfH?3405?919.248?1?1.2?8161.42N。

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2004—2.5—3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??2?30?，摩擦角??10?； 则：

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??tg?tg2?30???0.926。

tg(???)tg(2?30??10?)(3) 刚度验算

滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量：

?L1??PL0919.248?0.4?4?6???2.71?10cm； 62EF20.6?10?3.14?(2.8964)滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量?L2很小，即：?L??L1。所以，导程变形总误差为：

??100?2.71?10?6?6.78?m/m； 0.4查表可知3级精度丝杠允许的螺距误差（1m）为15?m/m，故刚度足够。 (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。

3.3.3齿轮及转矩有关计算

(1) 有关齿轮计算 传动比：

i?故取：

?L00.7?545??1.?6；7

36?0p36?00.0053Z1?18，Z2?30，m?2，b?20mm，a?20?，d1?36mm， d2?60mm，da1?40mm，da2?64mm，a?48mm。 (2) 转动惯量计算

工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：

?180?p??180?0.005?2W? J1??????30?0.0439kg?cm；

?3.14?0.75?????22丝杠转动惯量：

Js?7.8?10?4?3.24?60?4.907kg?cm2；

齿轮的转动惯量：

JZ1?7.8?10?4?3.64?2?0.262kg?cm2； JZ2?7.8?10?4?64?2?2.022kg?cm2；

电机转动惯量很小可忽略，因此转动惯量为：

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(3) 所需转动力矩计算

2 1?3?J ?2?Js?JZ2??JZ1?J1?????4.907?2.022??0.262?0.0439?2.801kg?cm2i?5?5Vmax?3?2000?5?833.333r/min； nmax?L04?3Jnmax2.801?833.33?10?4??10?4?9.73N?cm9.6T9.6?0.025nfi1000?150?0.15?5nt?主??49.76r/min；

?DL03.14?60?4?3Mamax?2.801?49.76?10?4?0.58N?cm；

9.6?0.025?00.2?30?0.4?3FLfWLMf?00???0.0287N?cm2??i2??i2?3.14?0.8?5FL47.736?0.4?3M0?Y0?1??2??1?0.92??0.0144N?cm?60??i60?3.14?0.8?5

FYL047.736?0.4?3Mt???0.228N?m2??i2?3.14?0.8?5Mat?所以，快速空载启动所需转矩：

M?Mamax?Mf?M0?9.73?0.287?0.144?101.61N?cm 切削时需力矩：

M?Mat?M0?Mt?0.58?0.287?0.144?2.28?32.91N?cm

快速进给时所需力矩：

M?Mf?M0?0.287?0.144?4.31N?cm。

从上计算可，最大转矩发生在快速进给启动时：Mmax?101.61N?cm

3.4滚珠丝杠螺母副的精度等级：

数控机床根据定位精度的要求通常选用1---5级精度的滚珠丝杠，1---5级 度丝杠的行程公差数值如下表所示：

项目 目标行程公差 符号 ep 有效行程lm/mm ＜315 315~400 1 6 7 2 8 9 精度等级 3 12 13 4 16 18 5 23 25 共 42 页 第 21 页

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400~500 500~630 ＜315 行程变动量公差 Vmp 315~400 400~500 500~630 任意300mm内行程变动量 V300p 8 9 6 6 7 7 6 4 10 11 8 8 10 11 8 5 15 16 12 12 13 14 12 6 20 22 16 17 19 21 16 7 27 30 23 25 26 29 23 8 2πrad内行程变动量 V2πp 3.5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3—5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3—5 双螺母垫片式结构图

2．螺帽调隙式

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图3—6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3—6 双螺母帽式结构图

1、2锁紧螺帽

图3—7 双螺母齿差式结构图

3．齿差调隙式

图3—7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。如果其中一个螺母转过n个齿时则其轴向位移量为s?nPh（Ph为丝杠导程，Z1为齿轮齿数）。如两齿轮沿同方向各转过n个Z1?11??Z2?Z1?nPhs??nP?齿时，其两螺母间相对轴向位移量（Z2为另一齿轮齿??hZZZZ?12?12数）或n?sZ1Z210?1um,即两个螺母。例如：当n=1，Z1=99，Z2=100，Ph??Z2?Z1?Ph9900共 42 页 第 23 页

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在轴向产生1um的位移。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。

3.6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

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

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。

第四章 CA6140数控改造步进电机的设计

步进电机是受脉冲信号控制的，脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成，而信号的放大由放大电路来完成。由于强弱信号的原因，我们在放大电路前加上光电耦合电路，以防止电源串路。

4.1 步进电机的工作方式

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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。工作方式有单m拍，双m拍、三m拍及2×m拍，m是电机的相数。所谓单m拍是指每拍只有一相通电，循环拍数为m；双m拍是指每拍同时有两相通电，循环拍数为m；三m拍是每拍有三相通电，循环拍数为m拍；2×m拍是各拍既有单相通电，也有两相或三相通电。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2×m拍工作方式。

4．2步进电机的选择

4.2．1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：??式中：

i——传动比；

amn； i amn——系统对步进电机所驱动部件的最小转角。

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：

?Q?i????

式中：

??m——步进电机的积累误差；

???s?——系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。

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：

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④ 启动力矩

一般启动力矩选取为：

M?ML0

0.3?0.5 式中：

Mq——电动机启动力矩；

ML0——电动机静负载力矩。

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：

ft???fop??m

式中：

ft——极限启动频率；

??fop??m——要求步进电机最高启动频率；

4.4．2 CA6140纵向进给系统步进电机的确定

Mq?ML0938.078??1876.16N?cm 0.50.5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：

Mq/Mjm?0.866 ；

所以，步进电机最大静转距Mjm为：

Mjm?Mq0.866?1876.16?2166.46N?cm 0.866

步进电机最高工作频率：

fmax?vmax4000??6666.6Hz 60?p60?0.01综合考虑，查表选用130BF003型直流步进电动机，能满足要求。 4.2．3 CA6140横向进给系统步进电机的确定

Mq?ML0101.61??203.22N?cm 0.50.5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：

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Mq/Mjm?0.866；

所以，步进电机最大静转距Mjm为：

Mjm?Mq0.866?203.23?234.67N?cm 0.866步进电机最高工作频率：

fmax?vmax2000??6666.6Hz 60?p60?0.005综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电动机，能满足要求。

第五章 自动回转刀架的选型

卧式车床数控化改造应将原车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车床控制方式确定自动刀架的刀位数和刀架类型。

5.1数控车床刀架的基本要求

数控车床的刀架是车床的重要组成部分。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车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。

5.2自动回转刀架的工作原理

当数控系统发出换刀信号后，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转动，驱动螺杆升降机构旋转使上刀架上升,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传感器元件，当(1-电动机；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，电动机停转，完成选刀过程。

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第六章 CA6140车床数控化改造的数控系统

6.1数控车床及数控系统概述

第五技术委员会，对数控机床的定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能够处理用号码或其它符号编码指令规定的程序。定义中所指的程序控制系统，就是数控系统或数控装置。它是一种控制系统，能自动阅读读入载体事先给定的数字值，并将其译码，从而控制机床动作，进行零件加工。数控机床的主要结构见图6-1，由机床主机、驱动装置、辅助装置、CNC装置和编程装置等组成。

图6-1数控机床的主要结构

6.1.1机床主机

机床主机是数控机床的机械主体，由能实现各可控运动主轴和主运动的带传动、齿轮传动（变速箱）系统、工作部件和支承件等组成。在结构上数控机床主机与相应的非数控机床虽有类似的部分，但也有自己的特点：采用高性能的主轴及进给伺服传动系统；能长时间连续自动化加工，又能保持加工质量稳定性；通常采用预加载荷的滚珠丝杠副、直线滚动导轨副以及贴塑导轨等。 6.1.2驱动装置

数控机床主传动一般都由直流或交流主轴伺服电动机驱动。主轴调速功能由主轴伺服电动机的伺服单元接受数控装置给出的电位信号或数码转换信号控制，使电动机达到指定的转速。电动机上带速度反馈元件，它把电动机实际转速反馈给控制单元。

图6-2进给传动表明每一个可控轴进给机构伺服系统的基本构成，按反馈控制形式分为以下三类。

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图6-2数控机床进给机构伺服系统

1)开环伺服系统。如图5-2中虚线方框内结构，开环伺服系统没有检查机械运动的检测元件，即没有来自位置传感器的反馈信号。典型的开环伺服系统由步进电动机或电液脉冲马达驱动，运动速度和精度较低，运动中容易产生振荡、丢步等现象，因此仅用于经济型或简易型数控机床，其精度和速度的提高受到限制。

2)半闭环伺服系统。这一类系统的位置检测元件从机械传动链的中间取得信号，检测元件大多是装在伺服电动机后端或滚珠丝杠驱动端，能获得比闭环伺服系统稳定性好的控制特性，而且也较经济，是全功能数控机床广泛采用的一种控制形式。

3)闭环伺服系统。如图5-2所示，这类系统接受数控装置输出的指令信号，同时又接受由位置传感器检测的实际位置反馈信号，两者进行比较处理并由其差值不断进行误差修正；因此可以消除由于传动系统中存在的误差（如滚珠丝杠的导程误差)和热变形等的影响，得到较高的定位精度和加工精度。主要用于一些精度要求较高的数控机床，特别是精密、高精密数控机床，如精密卧式加工中心。 6.1.3辅助装置

数控机床和非数控机床类似，包括液压和气动装置，冷却系统、润滑系统、自动排屑装置、防护装置等。数控机床对这些装置的工作质量、可靠性和技术性能都要求较高。

6.1.4数控装置系统

数控装置是数控机床的控制核心，包括运算和存储等计算机硬件、CRT显示器，操作面板和键盘、各种不同形式纷输入输出装置，以及相应配套的运算控制软件等。多数数控机床一般都采用计算机数控装置(CNC装置)，即按微机结构原理的硬件平台(有的采用少量专用芯片)配置专用软件，构成软件数控系统。数控装置通常具备的功能有：各可控轴控制及多轴联动控制、各种插补运算、代码转换、人机对话、局部加工功能选择、各种补偿功能、CRT显示、故障自诊断功能、与管理系统联网通信功能。数控系统功能档次可分为经济型(简易型)、全功能普及型和全功能高级型。全功能高级型还可有MAP通信协议接口，具有计算机联网和集成信息通信功能。 6.1.5编程装置

数控机床程序编制(简称编程)方法有手工和自动编程。对于点位加工或形状不太

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复杂的零件，编程计算较简单，程序段不多，用手工即可实现。但对于复杂零件，特别是空间曲面零件，编程计算相当繁琐，编程工作量大，必须采用自动编程方法。自动可分为离线编程和在线编程。与数控系统相脱离单独的自动编程系统实现离线编程，可为多台数控机床，编程时不占用机床工作时间。自动编程系统与数控系统连在一起时，可进行在线编程。例如有的CNC装置具有人机对话型编程功能，就是将离线编程机的许多功能移植到了数控系统。按输入方式的不同，自动有语言输入、图形输入和语音输入三种方式。

6.2微机控制系统硬件电路设计

6.2.1控制系统的功能要求 （1）z向和x向进给伺服运动控制 （2）自动回转刀架控制 （3）螺纹加工控制 （4）行程控制 （5）键盘及显示 （6）面板管理

（7）其他功能：光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。 6.2.2硬件电路的组成

后面所画大图采用MCS-51系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：

（1）CPU采用8031芯片；

（2）扩展程序存储器2764两片，6264一片； （3）扩展可编程接口芯片8155两片； （4）地址锁存器，译码器个一个； （5）键盘电路，显示电路；

（6）光电隔离电路，功率放大功率； （7）越程报警电路，急停电路，复位电路； （8）面板管理电路。

由于MCS—51系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控车床改造的需要。C6140数控改造以8031CPU组成的单板机为数控控制系统。也可直接购买国内较好的数控系统系列产品做为数控装置。

6.3 单板机控制系统的设计

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6.3.1 硬件配置

存贮器选用1片4K×8的2732EPROM和1片8K×8位的6234RAM。监控程序固化在2732EPROM内，各功能模块程序及常用零件的的加工存放在2732EPROM内。1片6234RAM做为调试程序存放和运行程序的中间数据存放用。

I/O接口芯片选用8155可编程I/O扩展接口，它的A口做为X、Y进给系统步进脉冲的输出口，其中PA0~PA2为X向的输出口，PA3~PA5为Y向输出口。B口为为位控方式，其中PB4~PB7为-Y、+Y、-X、+X的行程越位信号输入。显示由8位LED构成，具有24键的键盘。 6.3.2 存贮器空间分配

单板机可寻址范围是64K字节，板上提供的插座占16K，已插入的芯片占10K，其余以备扩展使用。其存贮空间分配如下。

0000H~07FFH 2KB EPROM 放监控程序 0800H~0FFFH 2KB EPROM 放零件加工程序 1000H~17FFH 2KB RAM 调试程序 2000H~27FFH 2KB RAM 测试程序等 6.3.3 I/O口地址分配

单板机设置I/O口地址为80~9FH共32个口地址，分配如下。

80H~83H MCS—51 8031 84H~87H 字形锁存 88H~8BH 字位锁存 8CH~8FH 读键值 90H~9FH 用户使用

6.3.4.光电隔离电路

在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将输出信号与功率放大器直接相联，将会引起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计算机和接口电路损坏。所以一般在接口电路功率放大器之间都要接上隔离电路。

6.4 8031单片机简介

8031单片机具有以下特点：

（1） 具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）；

（2） 片内有时钟发生电路，每执行一条指令时间为2微秒或1微秒；

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（3） 片内具有128字节RAM； （4） 具有21个特殊寄存器；

（5） 可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器。 （6） 具有4个I/O口，32根I/O线； （7） 具有2个16位定时/器计数器； （8） 具有5个中断源，配备2个中断优先级； （9） 具有一个全双功串行接口； （10）具有位寻址能力，适合逻辑功能。

从上述特性可知，一块8031的功能几乎相当于一块Z80CPU、一块RAM。一块Z80CTC、两块Z80PIO和一块Z80SIO所组成的微机系统。可以看出这种芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。 8031芯片引脚见下图：

6.5存储器扩展电路设计

6.5.1 程序存储器的扩展

(1)MCS-51系列单片机的特点之一是硬件电路设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS-51系列的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的

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要求，对于复杂的应用场合，可利用MCS-51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。

MCS-51的程序存储器的寻址空间为64K字节，8031片内不带ROM，用作程序存储器的器件是EPROM。常用的半导体ROM芯片有：2716、2732、2764、27218、27256、27512等。2764、27218、27256、27512芯片均为8脚双列直插式扁平封装芯片，本设计中采用两片2764，其引脚如下图：

(2)ROM芯片及引脚的选择

选择2764（8K×8）半导体芯片。晶体频率选用6MHz，其所能提供的读取时间t小于480ms，故其芯片在时序上满足要求。

2764芯片的引脚排列与兼容特性如下图：

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(3)地址锁存器的设计与选择

由于单片机8031芯片的P0口是分时传送低8位地址线和数据线，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器。选择74LS373芯片。74LS373芯片是带三态缓冲输出的8D触发器。

其引脚及与8031芯片连接见下图：

其真值表见下表：

E L L L G H H L D H L X Q H L Q0 注释： L—低电平；H—高电平；X—不定态； Q0—建立稳态前Q的电平；

G—输入端，与8031ALE 连高电平：畅通无阻；低电平：关门所存

OE—使能端，接地

当G=“1”时，74LS373输出端1Q~8Q与输入端1D~8D相同

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当G为下降沿 6.5.2数据存储器的扩展

时，将输入数据锁存。

（4）8031与EPROM2764芯片连接。

由于8031芯片内部RAM芯片只有128字节，远远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器RAM。

常用的静态RAM芯片有6116、6264、62256等。6264、62256均采用CMOS工艺，由单一5V供电，典型存取时间为150-200ns。它们均采用28脚双列直插式片平封装。

6.5.3并行I/O接口电路的扩展

8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口和部分P3口，因此，在大部分应用系统中都需要扩展I/O口芯片。

Intel公司常用的外围接口芯片有：

8155：可编程的RAM/IO扩展接口电路（256个RAM单元、2个8位口、1个6位口、一个14位的定时/计数器）。

8255：可编程的通用并行接口电路（3个8位口）。 8253：3个16位的可编程的定时/计数器。 8279：可编程的键盘、显示电路。 8243：4个4位口I/O扩展接口电路。

此外，74LS系列的LSTTS电路或MOS电路也可作MCS-51单片机的扩展I/O口，如74LS373、74LS377等。

本设计中使用两片8155可编程接口芯片。

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下面简单介绍8155通用可编程接口芯片。

8155通用可编程接口芯片： 1）8155的结构及其引脚

8155有3个可编程并行I/O端口：A口、B口、C口，其中，A口和B口是八位，C口是6位;1个14位可编程定时/计数器和256B的静态RAM，能方便的进行I/O扩展和RAM扩展，其引脚下图：

8155共有40个引脚，按其功能特点分类说明如下：

（1）地址数据线：AD0?AD7是低

ALE?1时，

输入的是地址信息，否则是数据信息。所以AD0?AD7应与MCS-51的P0口相连。

（2）端口线：PAO~PA7、PBO~PB7用于8155与外设之间传送数据，

PCO~PC5既可用于8155与外设之间传送数据，也可作为A口、B口的控制信号线。

（3）地址锁存线：在ALE下降沿将单片机P0口输出的低８位地址信息及CE、

IOM的状态都所存到8155内部寄存器，因此，单片机P0口输出的。

（4）RAM或IO口选择线:当IOM=0时，选中8155的片内RAM，AD0~AD7为RAM地址；若IOM?1时，选中8155片内3个I/O端口及命令/状态寄存器和定时/计数器。

（5）片选线：CE为低电平时选中8155。

（6）度、写线：RD、WR控制对8155的读/写操作。

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（7）定时/计数器的脉冲输入、输出线：TIMER IN是外界向8155输入计数脉冲的输入端，TIMEROUT是8155向外界输出脉冲或方波的输出端。

2)8155的工作方式

（1）作为256B RAM使用时，将IOM引脚置低电平，这时8155只能作片外RAM使用，其寻址范围由片选线CE和AD0~AD7决定，与应用系统中其他数据存储器统一编址。

（2）作为扩展I/O口使用时，IOM引脚必须为高电平，这时PA、PB、PC的口地址低八位 分别为01H、02H、03H。

（3）作为定时/计数器用。8155的可编程定时计数器实际上是一个14位减法器，在TIMER IN端输入计数脉冲，计数溢出时，由TIMER OUT输出脉冲或方波。当TIMER IN接外部脉冲时为计数方式，连接系统脉冲时，可作为定时方式，但需要注意芯片允许的最高计数频率。

6.6译码电路设计

8031单片机允许扩展64K程序存储器和64K数据存储器（包括I/O口芯片），这就需要扩展多个外围芯片，因而需要把外部地址空间分配给这些芯片，并且使程序存储器各芯片之间、数据存储器各芯片之间地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器时，避免发生冲突。当8031数据总线分时地与各个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选,而当片内有许多单元时，还要进行片内地址选择。

由于系统容量较大，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线，所以用全地址译码的方法。采用74LS138译码器，其引脚图如下：

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6.7其他辅助电路设计

6.7.1 8031的时钟电路单片机的时钟的产生方式

8031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可在1.2-12MHZ之间任选，耦合电容在5-30PF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式，可把XTA1直接接地，XTA2接外部时钟源。

6.7.2 复位电路

单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要RESET引脚上出现10ms以上高电平单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000H单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。下图所示为上电与按钮复位组合。在上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效的复位。

6.7.3 越界报警电路

为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。如果是两坐标联动的数控系统，则有4个方向可能越界，即+X、-X、+Y、-Y。一旦某一方向越界，应立即停止工作台移动。下图为报警信号的产生，图为报警指示。这里采用中断方式，利用8031的外部中断，只要有任一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生中断信号。为了报警，设置红绿灯指示，正常工作时绿灯指示，当越界报警时红

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灯亮。两灯均由一个I/O口输出。

6.7.4 掉电保护电路

半导体存储器RAM最怕掉电，一掉电里面存储的信息就全部丢失。在工业现场环境恶劣，掉电时难免的，能不能在掉电的情况下，保持RAM中的信息呢？掉电保护电路就是为了解决此目的而设计的。数控机床加工过程中，一些重要的现场参数，如几何尺寸，工艺参数等都是存储在RAM中，一旦掉电，数据能妥善保存，恢复供电后又能马上运行。下图所示为一简单掉电保护电路的工作原理，图中VB为电源电压，VB为备用电池电压，并且V??VB，Vcc为存储器RAM的电源端，正常通电时，二极管D1导通，D2截止， RAM的工作电压由V?提供，同时，V?还通过电阻R对电池充电。断电后，D1截止，D2导通，此时RAM的工作电压由电池电压由电池VB经二极管D2和电阻R供给，VB值一般取>3V时，存储器就能可靠的保持信息。

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第七章 安装调整中应注意的问题

7.1滚珠丝杠螺母副的选择

滚珠丝杠螺母副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂。都是由专业工厂按系列化进行生产。因此在进行设备改造时，要按厂家生产标准进行选择。选择合适以后再决定被改造设备的 其他相关部分的结构和尺寸。

7.2滚珠丝杠螺母副的调整

利用螺母的 间隙调整装置调整丝杠副间隙时，应使调整后产生的 预紧力为丝杠副最大负载的1 / 3为宜。在 实际调整中，可以把车床处于最大工作负载，使丝杠内部仍不产生间隙或者间隙量小于0.01mm，而且运转灵活，并以此作为螺母间隙调整装置预紧的判断标准。

7.3联轴器的安装

传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。这是因为同一联轴套上分布的锥孔都由同一方向加工时，往往会引起轴线的直线度误差增大，从而使安装在丝杠上各零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副的传动性能。

7.4主轴脉冲发生器的安装

主轴脉冲发生器的的引出轴按比例1：1无间隙柔性连接传动，连接后应保证两者都有很好的同步性，安装中要注意主轴脉冲发生器是玻璃件，不能随意敲打碰撞，使用中车床主轴转速不能超过脉冲发生器的最高许用转速。

第八章 结束语

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随着微电子技术的发展，我国的机床数控化在近十年来有了很大的发展，而普通机床的数控化改造后在满足完成同样的加工任务的前提下，可大大降低技术改造的投资经费，在实际中得到广泛应用。基于对CA6140普通车床进行经济型数控改造设计过程中，我认为普通机床的数控改造具有很多的优点、必要性及其良好的发展趋势。

全功能的数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国的一般中小企业购置困难，但是中小型企业为了发展生产，希望对原有机床进行改造，进行数控化、自动化、以提高生产效率。经济型数控机床系统就是结合现实的生产实际，我国的国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。目前我国经济型数控系统发展迅速，研制了几十种简易NC系统，有力地促进了我国数控事业的发展。

改造后的车床，可手动、机动操作，操作简单，使用方便，价格低廉，其性能价格比适中；而且还能解决复杂零件的加工精度控制问题，节约大量工装费用，减轻工人的劳动强度，提高工人素质。

企业应用经济型数控对设备进行改造后，增强了企业应变能力，为提高企业竞争能力创造了条件，提高了加工精度和批量生产的能力，提高了设备自身对产品更新换代所需要的应变能力，增强了企业的竞争能力。

致谢

本此毕业设计从选题、任务书的制定，到开题报告的完成及后来的总体方案确定，都得到了老师的细心指导，三个多月的时间，在老师的不断督促和帮助下，终于基本完成，在此，向老师以及在这个过程中帮助过我的同学和老师们表示衷心的感谢。短短三个多月时间的毕业设计，一方面巩固了前面学过的基本专业知识，另一方面也学到了一些以前并没有涉及到或者认识不深的知识，对我以后的工作和学习有很大的启示作用。同时，也感谢学校能给我这样一个学习的机会。

最后，再次感谢老师的悉心指导和帮助。

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毕业设计（论文）报告纸

参考文献:

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