说明书

CA6140型普通车床数控化改造

[摘 要]以C6140型普通车床为例，从机械和电气方面详细阐述了数控化改造的方法。改造后的车床投入使用后运行稳定，加工精度明显提高，取得了极大的经济效益。

[关键词] 普通车床；数控化改造；SINUMERIK802S base line

Numerical Control Transformation of C6140 Common

Lathe

Abstract ：Takes CA6140 type common lathe as an example ,has explained the NC transformation method from machinery and electric two respects in detail. After transforming, the new lathe runs steadily, the machining accuracy is obviously improved, has made the great technological economic benefits.

Key words： common lathe; NC transformation; SINUMERIK802S base line

目 录

引 言 ..................................................... 5 第一章 概述 .............................................. 6 第二章 总体方案的设计 .................................... 8

2.1 设计任务 ............................................. 8

2.2 总体方案的论证........................................ 8 2.3 总体方案的确定........................................ 9 2.4 数控系统的选择 ........................................ 9

第三章 机械部分改造 ..................................... 10

3.1 机械传动方式 ......................................... 10 3.2 数控机床进给伺服系统的设计计算 ........................ 11 3.2.1 选择脉冲当量: .................................... 11 3.2.2 算切削力:........................................ 11 3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型横向进给丝杠: ................ 11 3.3.1 计算进给牵引力Fm (N) .............................. 11 3.3.2 计算最大动负载C：................................. 11 3.3.3 选择滚珠丝杠螺母副： .............................. 12 3.3.4 传动效率计算： .................................... 12 3.3.5 刚度验算 ......................................... 12 3.3.6 校核 ............................................. 14 3.4 齿轮传动比计算： ..................................... 19 3.5 步进电机的计算和选型： ................................ 19 3.5.1 等效转动惯量计算： ................................ 19 3.5.2 电机力矩的计算机： ................................ 20 3.5.3 步进电机空载启动频率和切削时的工作频率：........... 22 3.6 纵向进给系统 ......................................... 22 3.6.1 设计参数 ........................................ 23

3.6.2 齿轮传动比计算 ................................... 23 3.6.3 滚珠丝杠的计算及选择 ............................. 24 3.6.4 校核 ............................................ 25 3.7 机械部分改造 ......................................... 29 3.8 主轴脉冲编码器的安装 .................................. 31

第四章 数控系统选择 ..................................... 4.1 西门子数控系统的优点 .................................. 32 4.2 数控连线图 ........................................... 33 4.3 步进电动机的控制 ..................................... 34 4.3.1步进电动机的开环控制 ............................... 34 4.3.2步进电动机传动控制................................. 36 4.3.3步进电动机的PLC传动控制 ........................... 38 4.4 PLC数控系统需解决的问题 .............................. 40 4.5 PLC输入、输出（I/O）点数确定 ......................... 41 4.6 驱动程序（梯形图）设计 ............................... 42 4.6.1总程序结构设计 .................................... 42 4.6.2手动程序梯形图设计................................. 42 4.7 电气部分改造 ........................................ 43

结 论 ................................................. 致 谢 ................................................. 参考文献 ................................................. 32

45 46 47

引 言

制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。

随着机械制造生产模式的演变,对机械制造装备提出了不同的要求.在50年代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度,进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。从90年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高,采用拟实制造和快速成形制造技术[1]。

工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重[1]。

通过这次毕业设计，可以达到以下目的：1，培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2，强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；3，使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4，培养正确的设计思想和工程经

济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。

第一章 概述

数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批及多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。首先，数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有余而力不足；目前，各企业都有大量的普通机床。

完全用数控机床替换根本不可能，而且被替代下的机床闲置起来又会造成浪费；在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；要较好地解决上述问题，应走普通机床数控改造之路。低成本普通车床数控化改造是一项适合我国实际情况的先进适用技术，也是一项提升我国机床数控化率的有效途径。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。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。

1.1机床数控化改造的必要性

①从提高资本效率出发，改造闲置设备，能发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，从而提高机床的使用价值；

②适用于多品种、小批量零件生产；

③数控改造费用低，减少了投资额，经济性好。数控改造费用仅为新购一台数控机床的15％～25％，同购置新机床相比，一般可以节省75％～85％的费用。

④力学性能稳定可靠，结构受限。所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用，应此数控化改造使原有的机械结构更为简单；

⑤熟悉了解设备、便于操作维修，降低了操作者的技术要求，更易提高管理水平；

⑥可充分利用现有的条件。可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新地基；

⑦可以采用最新的控制技术； ⑧交货期短，可满足生产急需。

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驱。

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。

1.2普通机床数控改造的主要优点

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； 3. 生产效率高；

4. 减轻劳动强度，改善劳动条件； 5. 良好的经济效益； 6.

有

利

于

生

产

管

理

的

现

代

化

。

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。

第二章 总体方案的设计

2.1 设计任务

本设计任务是对CA6140普通车床工作台进行数控改造

熟悉普通车床6140的工作台基本传动机构（横向和纵向）。利用微型计算机改造现有的普通车床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手动控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给的自动加工

机

床

，

即

经

济

型

数

控

车

床

。

利用PLC对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。

2.2 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）数控系统运动方式的确定 ：数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。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整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。

2.3 总体方案的确定

经总体设计方案的论证后，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：

(1) 拆除原车床的纵向和横向丝杠及光杠、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，用套筒联轴器实刚性联接；

(2) 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；

(3) 要实现自动换刀，需拆除原手动刀架，在小拖板上安装数控转位刀架； (4) 为了使改造后的车床能够加工螺纹，需要加装主轴脉冲编码器，以实现对主轴转速的同步检测，编码器安装在挂轮箱内；

(5) 为使加工过程中不超程，纵横向要安装行程限位开关； (6) 为实现回参考点的动作，必须在纵横向安装接近开关；

(7) 纵、横向齿轮箱和丝杠全部加防护罩，以防脏物、油污和切屑等进入，机床整体也要加装防护罩，以防止加工过程中的切屑飞溅伤人；

(8) 考虑到改造的成本，尽可能采用可靠性高的经济型数控系统。图1为总体改造示意图

图1 总体改造示意图

1. 横向滚珠丝杠副 2. 横向电机 3. 横向减速器 4. 尾座 5. 纵向 减速器 6. 纵向电机 7. 支架 8. 纵向滚珠丝杠副 9. 数控转位刀

架 10. 主轴脉冲编码器

2.4 数控系统的选择

选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、各种性能等选择性价比合适的系统,避免系统功能过剩,同时考虑到原车床的精度和改造

成本、周期和难易程度等各方面因素,决定采用步进电机作为驱动元件、开环控制的经济型数控系统。SINUMERIK 802S base line 是西门子公司专门为中国数控机床市场开发的经济型CNC 控制系统。其结构紧凑,具有高度集成于一体的数控单元、机床操作面板和输入输出单元,机床调试配置数据少,容易改造成功。最终决定采用西门子经济型数控系统SINUMERIK 802S base line。

第三章 机械部分改造

3.1 机械传动方式

为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也采用消除齿侧间隙的结构。 横向进给系统改造

横向滚珠丝杠也采用一端固定，一端浮动，三点支承的形式，也通过双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，如图5 所示。横向步进电机1 及减速器2 安装在床鞍的后部。靠近操作者一端，布置一根支撑短轴11，通过套筒联轴器10 与滚珠丝杠7 连接起来。右端仍利用原支承横向进给丝杠的滑动轴承支座作为径向支承，并对原支承处作适当改造，布置一对推力球轴承12 ,以承受双向轴向力。左端则将原车床的悬空结构改为支承结构，用一个联轴套4 和一根连接短轴6 把滚珠丝杠7 与减速器输出轴3 连接起来，并通过一对圆螺母5 实现对整个丝杠的预拉伸和锁紧，以提高其轴向刚度。螺母通过螺母座9 直接固定在中拖板8 上。

3.2 数控机床进给伺服系统的设计计算 3.2.1 选择脉冲当量:

根据机床精度要求选择脉冲当量，纵向：0.01/mm 步，横向：0.005/mm

步。

3.2.2 算切削力:

纵车外圆时主切削力Fz（N）按经验公式估算：

Fz=0.67Dmax1.5=0.67?4001.5=5360N

横切端面时主切削力Fz（N）可取纵向主切削力的1/2：Fz=0.5Fz=2680N 按切削力各分力比例：Fz：Fy：Fx=1：0.25：0.4 Fx=2680?0.4=1072； Fy=2680?0.25=670N；

3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型横向进给丝杠: 3.3.1 计算进给牵引力Fm (N)

横向导轨为燕尾形，计算：

Fm=1.4?Fy+F（Fz+2Fx+G）

其中：F为滑动导轨摩擦系数：0.15-0.18取0.16 G为溜板及刀架重力：G=600N

Fm=1.4?670+0.16?（2860+2?1072+600）?1806（N）

3.3.2 计算最大动负载C：

C=3LfwFm，其中：L=

60?n?T106；

n=

1000?VsL0

以上式中：L0为滚珠丝杠导程，初选：L0=5mm；

Vs为最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的：1/2-1/3，取1/2；

fw为运转系数，按一般运转取：fw=1.2-1..5；取1.3 ； L为寿命，106转为41单位。 n=L=

1000?VsL060?n?T106=

1000?0.3?0.5560?30?15000106=30 =27

=

C=3LfwFm=327?1.3?1806?7043N

3.3.3 选择滚珠丝杠螺母副：

根据《机械设计师手册》（机械工业出版社出版发行）第一版 上册，CDM 2005-2.5外循环管式垫片预紧导珠管埋入型滚珠丝杠副的额定动载荷为8541N可满足要求，选定精度为3 级

3.3.4 传动效率计算：

??tg?tg??????tg433?''tg433?10??'?=0.965

式中：?螺旋升角（CDM 2005-2.5），??4?33 ?摩擦角，??10'

3.3.5 刚度验算

横向进给丝杠支承方式如横向进给系统计算简图见下图所示：

图2 横向进给系统计算简图

最大牵引力为：2425N 支承间距L=450mm因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧，计算如下：

(1) 丝杠的拉伸或压缩变形量?1：

查图4-6， 根据Ｆ?m=1806Ｎ，D0?20mm查出：?1/L?4?10?5因

?5?1=?1/L?L?4?10?450?1.80?mm?

:

(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形?2：

查资料：?Q?8.5?m，因进行了预紧：

?2?12?Q?12?8.5?4.25?m.

(3) 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形?3:

采用8012 单向推力球轴承(GB301-84) ，dQ?4.763，z?12，d?15mm

Pm3'22?c?0.0024dQZ?0.0024?3202.324.763?122?0.0094mm

考虑到进行了预紧，以：

?3?12?C?0.0047mm

综合以上几项变形量之和：

???1??2??3?0.0180?0.00245?0.0047?0.02695mm

显然，此变形量已大于定位精度的要求!，应该采取相应的措施修改设计，因横

向溜板空间限制，不宜再加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小最大牵引力。重新计算如下：

Fm=1.4?Fy+F（Fz+2Fx+G）= 1.4?670+0.04?（2860+2?1072+600）=1155N

从资料中查出，当Fm=1155时，?1/L?2.4?10?5，因此，

?1/L?L?2.4?10?5?450?1.08?10?2mm

?2和?3不变，所以综合几项变形量之和：

???1??2??3?0.0108?0.00245?0.0047?0.01975mm

此变形量仍不能满足要求，如果将滚珠丝杠再经过预拉伸!刚度还可以提高四倍，

则，??14?1??2??3?14?0.0180?0.00245?0.0047?0.01165mm

此变形量可以满足设计要求。

3.3.6 校核

滚珠丝杠副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度Ke由丝杠本身的拉压刚度KS，丝杠副内滚道的接触刚度Kc，轴承的接触刚度KB，螺母座的刚度KH，按不同支承组合方式的计算而定。扭转刚度按丝杠的参数计

算。

（1） 临界压缩负荷

丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大，采用两端固定的支承方式并对丝杠进行预拉伸，可以最大限度地发挥丝杠的潜能。所以设计中采用两端固定的支承方式。

临界压缩负荷按下式计算：

Fcr?f1?EIL202[9]

K1?FmaxN (3.7)

式中 E——材料的弹性模量E钢=2.131011(N/m2)；

L0——最大受压长度(m)； K1——安全系数，取K1=1/3； Fmax——最大轴向工作负荷(N)；

f1——丝杠支承方式系数；(支承方式为双推——双推时，见下图，

f1=4，f2=4.730)

I——丝杠最小截面惯性矩(m)：

4

I??d2?4??(d0?1.2dw)4 (3.8)

6464式中 d0——丝杠公称直径(mm)； dw——滚珠直径(mm)。

I?3.144?1264?(32?1.2?3.969)?10?2.7?10?8m4

丝杠螺纹部分长度Lu?180?112?40?332mm，取 Lu?350mm 支承跨距 L1?400mm， 丝杠全长 L?500mm 由公式(3.7)

2? F?3.14?2.1?1011?2.7?10?8cr?44202?10?6?13?422554.3N?Fmax?2013N可见Fcr远大于Fmax，临界压缩负荷满足要求。

（2） 临界转速

2n?30f22EIcr?L2c?Ak2?9910f2d2L2?nmax (c式中 A——丝杠最小横截面：

A??264d2??4?31.5?10??7.8?10?4m2

Lc——临界转速计算长度：

L112350c?2?180?40?500?2?351.5?0.4m

取 Lc?L1?0.4m，

k2——安全系数，一般取 k2?0.8；

?——材料的密度：??7.85?103kg/m3；

f2——丝杠支承方式系数，查表得f2?4.730，

n?9910?4.7302?0.0315cr0.42?43650r/min?nmax?1500r/min

满足要求。

3.9)

（3） 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率

丝杠系统的轴向拉压系统刚度Ke的计算公式： 两端固定：

1Ke?14KB?1Kc?1KH?1KS(N/?m)?1 (3.10)

式中 Ke ——滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/μm)；

KH——螺母座的刚度(N/μm)；

Kc——丝杠副内滚道的接触刚度(N/μm)； KS——丝杠本身的拉压刚度(N/μm)； KB——轴承的接触刚度(N/μm)。

1) 丝杠副内滚道的接触刚度可查滚珠丝杠副型号样本。 2) 轴承的接触刚度可查轴承型号样本。 3) 螺母座的刚度可近似估算为1000。 4) 丝杠本身的拉压刚度：

对丝杠支承组合方式为两端固定的方式：

Ks?AE?l??6???10N/?ma?l?a?

(3.11)

式中 A——丝杠最小横截面，A??4d2(mm)；

22E——材料的弹性模量，E=2.1?10(N/m)； l——两支承间距(m)；

a——螺母至轴向固定处的距离(m)。

已知：轴承的接触刚度KB?1080N/?m，丝杠螺母的接触刚度

KC?716.7N/?m112

，丝杠的最小拉压刚度Ksmin?545.2N/?m（见后面计算）。

螺母座刚度KH?1000N/?m。

1Ke?14?1080?1716.7?11000?14?545.2

?Ke?324N/?m

丝杠系统轴向拉压振动的固有频率：

?B?Kemrad/s (3.12)

式中 m——丝杠末端的运动部件与工件的质量和(N/μm)；

Ke——丝杠系统的轴向拉压系统刚度(N/μm)。

显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求。

（4） 丝杠扭转刚度

丝

杠

的

扭

转

刚

度

按

下

式

计

算

：

KT?7.84dmL4

(3.13)

式中 dm——丝杠平均直径：

L——丝杠长度

KT?7.8431.755004?15934Nm/r

扭转振动的固有频率:

?T?KT(Jw?Jz?Js3)

(3.14)

式中 JW——运动部件质量换算到丝杠轴上的转动惯量(kg2m2)；

JZ——丝杠上传动件的转动惯量(kg2m)； JS——丝杠的转动惯量(kg2m)。 由文献[7，8]得： 平移物体的转动惯量为

J??20000.012?42()?5.2?10kg?m9.812?2

2

丝杠转动惯量：

Js?18msds?218ds(214??ds?L?)

342?132?3.14?7.85?10?0.5?0.032?42

?4?10kg?mJz?1.6?10?4kg?m2

?4427.1rad/s?42297r/min

?T?15934(5.2?1.6?43)?10?4显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，可以满足要求。

（5） 传动精度计算

滚(3.15)

导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L值分别为300mm和100mm。

最大与最小机械传动刚度：

Ksmax?Ksmin?AELAEL?珠丝杠的拉压刚度

Ks??dE4L2

??0.0315?2.1?104?0.125?1635.7N/?m ?102.5N/?m

???0.0305?2.1?104?0.325最大和最小机械传动刚度：

Komax?Komax?11/Ksmin?1/KC?1/KB11/Ksmax?1/KC?1/KB?11/545.2?1/716.7?1/108011/1635.7?1/716.7?1/1080?240.65N/?m ?341N/?m?

由于机械传动装置引起的定位误差为

?k?F0(1K0min?1K0max)?m

(3.16)

?k?1456.6?(1240.65?1341)?1.78?m

对于3级滚珠丝杠，其任意300mm导程公差为 ?12?m，机床定位精度

0.024mm/300mm，所以，?k?24?1/5?4.8?m，可以满足由于传动刚度变化所

引起的定位误差小于（1/3?1/5）机床定位精度的要求。再加上闭环反馈系统的补偿，定位精度能进一步提高[10]。

(1) 滚珠丝杠副的几何参数：

滚丝杠副型号：CDM2005-2.5 ； 公称直径：d0?20mm； 导程：Ph?5mm； 钢球直径：Dw?3.175mm； 丝杠外径：d?19.5mm； 螺纹底径：

d1?17.6mm；旋环列数?圈数：2.5?1； 额定动载荷Ca?N?:8451；

额定静载荷：C0a?N?:18325； 接触刚度：R?N/?m?:612 螺母安装尺寸：

D?45 D3?70 D4?56 B?11 D5?5.8 D6?10

L1?28 C?4 A?3 M?M6

h?6 L?783.4 齿轮传动比计算：

已确定横向进给脉冲当量:?P?0.005，滚珠丝杠导程：L0?5mm，初选步进电机步距角0.75?计算传动比： i?360?p?bL0?360?0.0050.75?5?0.48

考虑到结构上的原因，不能使齿轮直径太大，以免影响横向溜板的有效行程，所以，可采用两级齿轮降速： i?Z1Z2?Z3Z4?35?45?2440?2025

因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。

3.5 步进电机的计算和选型： 3.5.1 等效转动惯量计算：

传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J??kg?cm2?可由下式计算：

2?Z1??G?L0????J1???Z??J2?JS?g?2???????2????2J??JM

其中：JM为步进电机转子的转动惯量?kg?cm2?；

J1为齿轮Z1的转动惯量?kg?cm2J2为齿轮Z2的转动惯量?kg?cm2?； ?；

JS为滚珠丝杠的转动惯量?kg?cm2?；

参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF其转子的转动惯量为：

10kg?cm?2?。

?3?3J1?0.78?10J2?0.78?10J3?0.78?10?d1?L1?0.78?10?d2?L2?0.78?10?d3?L3?0.78?1044?3?3?6.4?2?2.62kg?cm?8?2?6.39kg?cm442

442

2?3?3?4?150?29.952kg?cm；

G?600N

2代入上式：

J??JM2?Z1??G?L0????J1???Z??J2?JS?g?2???????2????

2600?0.5???24???10?2.62????????6.39?29.952????409.82? ????????

?36.127kg?cm2考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题，JM/J??10/36.127?0.277基本满足惯量匹配的要求。

3.5.2 电机力矩的计算机：

机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面分别按各阶段计算： （1） 快速空载启动力矩Mq：

起在快速空载启动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： Mq?Mamaz?Mf?M0

?10?2 Mamax?J????J??Vmaxnamax602??ta?J??2??namax?1060?ta?2

namax??P??b360??12000.005?0.75360?500r/min

启动加速时间：ta?30ms

Mamax?J????J??namax602??ta?10?2?J??2??namax?1060?ta?2

?36.127?2??50060?0.03?10?2

?630.6N?cm折算到电机轴上的摩擦力矩Mf：

M?F0L02??i?FFz?GL02??Z2Z1?'?f?0.16??2680?600??0.52??0.8?2520?41.8N?cm

附加摩擦力距M0：

1M0?F0L02??i?1????203FmL0Z2Z1'1?1????3?1155?0.52520??1?0.92?

2??2??0.8?1

?3?1155?0.52520?1?0.9?2?2??0.8??5.8N?cm2

上述三项合计 Mq?Mamax?Mf?M0?630.6?48.1?5.8?687.2N?cm

（2） 快速移动时所需力矩MK：

MK?Mf?M0?41.8?5.8?47.6N?cm

（3） 最大切削负载时所需力矩MQ：

M?M?M?M??M?M?FXL02??i'Qf0f0

?41.8?5.8?1072?0.52??0.8?2520

?132.9N?cm

从上面计算可以看出，Mq、MK和MQ三种工况下，以快速空载启动力矩最大，所以，以此项作为初选步进电机的依据。

查资料，当步进电机为五项十拍时，??Mq/MMjmaxjmax?0.951；最大静力矩：

?687.2/0.951?713.1N?cm

按此最大静力矩，130BF001型反应式步进电动机的最大静转矩为：

9.31N?m大于所需最大静力矩，作为初选型号。进一步考核电机的启动频率特

征和运行矩频特征

3.5.3 步进电机空载启动频率和切削时的工作频率：

根据《机电一体化机械系统设计》（机械工业出版社），130BF001型反应式步进电动机允许的最高空载启动频率为：3000HZ允许的最高空载运行频率为：16000HZ所以，必须采用升降速控制和高低压驱动电路。

3.6 纵向进给系统

纵向进给传动系统的改造如图2 所示。纵向步进电机1 通过一对减速齿轮2 把动力传递给纵向滚珠丝杠3 ,再由滚珠丝杠螺母副拖动工作台4 做往复移动。原车床的进给箱保留,滚珠丝杠左端仍然采用原固定支承结构，支撑轴6 通过套筒联轴器5与滚珠丝杠相连，这种联轴器用2 个互相垂直的锥销将支撑轴与丝杠联接起来，结构简单，径向尺寸小,可防止被连接轴的位移和偏斜带来的装配困难和附加应力。如图3 所示,滚珠丝杠右端仍利用原有的滑动轴承承座4 ,通过一对深沟球轴承1 实现径向支承，丝杠左端通过一对圆螺母(图中未画)

3.6.1 设计参数

纵向最大行程（Z轴）650 mm； 工作进给速度为1?15000mm/min； 纵向快速进给速度：15 m/min；

床鞍及其他的估计尺寸（长?宽?高）：600mm?300mm?100mm； 材料选为HT200。

加工最大直径: 在床面上<400 mm ,在床鞍上<210 mm;加工最大长度:1 000 mm;溜板及刀架重力:纵向800 N ,横向600 N ;刀架快速速度:纵向214mPmin ,横向112 mPmin ;最大进给速度:纵向016 mPmin ,横向013 mPmin ;主电动机功率:715 kW;起动加速时间:30 ms ;机床定位精度: ±01015 mm。根据机床精度要求确定脉冲当量,纵向: 0.01mmP步;横向：0.005 mmP步(半径) 。 已确定纵向进给脉冲当量δp = 0.01，滚珠丝杠导程L0 = 6 mm

3.6.2 齿轮传动比计算

，初选步进电机步距角0175°, 可计算

出传动比i =0.8 ,可选定齿轮数为z1 = 32 , z2 = 40 。或z1 = 20 , z2 = 25

3.6.3 滚珠丝杠的计算及选择 （1） 滚珠丝杠导程的确定

在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为i?1，设电机的最高工作转速为nmax?1500r/min，则由公式(3.1)可得丝杠导程为：

Pvmaxh?n?15?103?10

max1500（2） 确定丝杠的等效转速：

由公式(3.2) ，最大进给速度时丝杠的转速3nm?vma1axP?1x?5?105r00 /minh10最小进给速度时丝杠的转速：nvminmin?P?10.1r/minh10?由公式(3.3) ，丝杠等效转速为：

nnmaxt1?nmint2m?t?1000r/min

1?t2i. 估计工作台质量及工作台承重：

横向工作台质量：G1?2000N

床鞍及其他：G2?600?300?100?7.85?103?9.81?10?9?1386N 总质量：G?G1?G2?2000?1386?3386N ii.

确定丝杠的等效负载：

取滑动导轨摩擦系数为0.025，则丝杠所受的力为（如图4.1所示）：

Fmax?FX?f(G?22FY?22FZ) ?1200?0.025?[3386?22(4800?1920)] =1335.6N(4.1)

：

Fmin?fG?0.025?3386?84.65N

其等效负载可按公式(3.5)估算：

1?FFm???3maxn2t2?3??926.2N

n1t1?n2t2?n1t1?F3miniii. 确定丝杠所受的最大动载荷：

由公式(3.6)得：

60Thnm?60?15000?1000?900?1016

ncr?Ca??60Thnm?3?Fmfw???13413.5N 图4.1 受力分610??析

查表选定丝杠为外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型，型号： CDM2510-2.5。丝杠公称直径为φ25mm，基本导程Ph?10mm，其额定动载荷

Ca?15975N，额定静载荷Coa?34170N，圈数?列数=2.5?1，丝杠螺母副的接

触刚度为Kc?767N/?m，丝杠底径24.5mm，螺母长度为125mm，取丝杠的精度为3级。在本设计中采用双螺母垫片预紧。两边的轴承选为φ17mm与φ20mm。

3.6.4 校核 （1） 临界压缩负荷

轴向固定的长丝杠在承受压缩负荷时，应验算其压杆稳定性。临界压缩负荷按公式(3.7)(3.8)计算：

丝杠螺纹部分长度Lu?650?125?40?815mm，取 Lu?850mm 支承跨距 L1?1000mm， 丝杠全长 L?1100mm

? Fcr?4?3.14?2.1?10?0.68?10950?102?6211?8?20801N?Fmax?1335.6N

可见Fcr远大于Fmax，临界压缩负荷满足要求。

（2） 临界转速

由公式(3.9)

A??4d2?2?4?20.1?10?6?3.17?10?4m2

Lc?1252?650?40?1100?8502?877.5?0.9m取 Lc?L1?1m，

n?9910?4.730?cr20.020112?4456.5r/min?nmax?1500r/min

满足要求。

（3） 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率

由公式 (3.10)(3.11)(3.12) ：

已知：轴承的接触刚度KB?760N/?m，丝杠螺母的接触刚度

KC?556.25N/?m，丝杠的最小拉压刚度Ksmin?102.5N/?m（见后面计算）。

螺母座刚度KH?1000N/?m。

1Ke?14?760?1556.25?11000?14?102.5

?Ke?179.67N/?m

丝杠系统轴向拉压振动的固有频率：

?B?Kem?9.8?179.67?1033866?721.12rad/s?6889.7r/min?1500r/min

显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求。

（4） 丝杠扭转刚度

丝杠的扭转刚度由公式(3.13)计算：

KT?7.8424.841100?2696.1Nm/r

由文献[7,8]得： 平移物体的转动惯量为

J??33860.012?42()?8.75?10kg?m 9.812?丝杠转动惯量：

Js?18msds?218ds(214??ds?L?)

2?132?3.14?7.85?10?1.15?0.025?4234

?3.46?10kg?mJz?1.5?10?4kg?m2

扭转振动的固有频率按公式(3.14)计算:

?T?2696.1(8.75?1.5?3.463)?10?4?1537.86rad/s?14692.9r/min

显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，可以满足要求。

（5） 传动精度计算

导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L值分别为650mm和100mm。

由公式(3.15) ，最大与最小机械传动刚度：

Ksmax?Ksmin?AELAEL???0.0201?2.1?104?0.125?666N/?m ?102.5N/?m

???0.0201?2.1?104?0.6525最大和最小机械传动刚度：

Komax?11/Ksmin?1/KC?1/KB?11/102.5?1/556.25?1/760?77.7N/?m

Komax?11/Ksmax?1/KC?1/KB?11/666?1/556.25?1/760?216.68N/?m

由于机械传动装置引起的定位误差据公式(3.16)

?k?F0(1K0min?1K0max)?84.65?(177.7?1216.68)?0.7?m

对于3级滚珠丝杠，其任意300mm导程公差为 ?12?m，机床定位精度

0.024mm/300mm，所以，?k?24?1/5?4.8?m，可以满足由于传动刚度变化所

引起的定位误差小于（1/3?1/5）机床定位精度的要求。再加上闭环反馈系统的补偿，定位精度能进一步提高。

（6） 伺服电机计算

扭矩的计算 1) 理论动态预紧转矩

查表知3级滚珠丝杠 ??0.9， 而 FP?Fmax/3?1335.6/3?445.2(N?m) 由公式(3.17) TP0?(FPPh/2?)?[(1??2)/?]?10?3

?(445.2?10/2?)?[(1?0.9)/0.9]?10?0.15(N?m)2?3

2) 最大动态摩擦力矩

对于3级滚珠丝杠，?P??40%，由式(3.18) TPmax?(1?40%)TP0?0.21(N?m)

3) 驱动最大负载所耗转矩

由公式(3.19) Ta?FmaxPh?10?3/2??

?1335.6?10?10?2.36(N?m)?3/(2??0.9)

4) 支承轴承所需启动扭矩

查轴承表：

对于?20的轴承，其Tb1?0.15N?m，

则 TB?Tb1?Tb2?0.15?0.15?0.3N?m。 5) 驱动滚珠丝杠副所需扭矩 Tg?TP6) 电机的额定扭矩

Jg?(0.35~0.5)TJ TJ?(5.74~8.2)N?m

max?Ta?TB?0.21?2.36?0.3?2.87N?m

（7） 电机的选择

根据以上计算的扭矩及文献[12]，选择电机型号为SIEMENS的IFT5066，其额定转矩为6.7N?m。

3.7 机械部分改造

(1) 横向进给系统改造

横向滚珠丝杠也采用一端固定，一端浮动，三点支承的形式，也通过双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，如图5 所示。横向步进电机1 及减速器2 安装在床鞍的后部。靠近操作者一端，布置一根支撑短轴11，通过套筒联轴器10 与滚珠丝杠7 连接起来。右端仍利用原支承横向进给丝杠的滑动轴承支座作为径向支承，并对原支承处作适当改造，布置一对推力球轴承12 ,以承受双向轴向力。左端则将原车床的悬空结构改为支承结构，用一个联轴套4 和一根连接短轴6 把滚珠丝杠7 与减速器输出轴3 连接起来，并通过一对圆螺母5 实现对整个丝杠的预拉伸和锁紧，以提高其轴向刚度。螺母通过螺母座9 直接固定在中拖板8 上。

(2) 纵向进给系统改造：

纵向进给传动系统的改造如图2 所示。纵向步进电机1 通过一对减速齿轮2 把动力传递给纵向滚珠丝杠3 ,再由滚珠丝杠螺母副拖动工作台4 做往复移动。原车床的进给箱保留,滚珠丝杠左端仍然采用原固定支承结构，支撑轴6 通过套筒联轴器5与滚珠丝杠相连，这种联轴器用2 个互相垂直的锥销将支撑轴与丝杠联接起来，结构简单，径向尺寸小,可防止被连接轴的位移和偏斜带来的装配困难和附加应力。如图3 所示,滚珠丝杠右端仍利用原有的滑动轴承承座4 ,通过一对深沟球轴承1 实现径向支承，丝杠左端通过一对圆螺母(图中未画出) 实现滚珠丝杠的预拉伸和锁紧。因此纵向滚珠丝杠的支承形式为一端固定，一端浮动,三点支承。滚珠丝杠采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，调整方便。步进电机通过消隙齿轮2 减速，减速器输出轴用套筒联轴器6 与丝杠3 (见图2)联接，固定销3 防止减速器转动。

3.8 主轴脉冲编码器的安装

为了使改造后的车床能自动加工螺纹,必须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件,其目的是用来检测主轴转角的位置,通过主轴→脉冲编码器→数控系统→步进电机的信息转换系统,实现主轴转一转,刀架纵向移动一个导程的车螺纹运动。主轴脉冲编码器的安装,通常采用2 种方式: ①同轴安装; ②异轴安装。同轴安装的结构简单,缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件,限制了零件的加工长度,因此,宜采用异轴安装。主轴通过主轴箱中58P58 和33P33 两级齿轮(实现传动比1 :1) 把动力传递给挂轮轴X ,主轴编码器1 通过支架2 固定,并通过联轴器3 与闷头4 相连,闷头4通过过盈配合与主轴箱内轴X连接,如图6 所示

第四章 数控系统选择

4.1 西门子数控系统的优点

西门子数控系统具有优越的性能，设计中选择SINUMERIK 802D型号。 其控制器：具有免维护性能的SINUMERIK 802D，其核心部件 - PCU（面板控制单元）将CNC、PLC、人机界面和通讯等功能集成于一体。可靠性高、易于安装；SINUMERIK802D可控制4个进给轴和一个数字或模拟主轴。通过生产现场总线PROFIBUS将驱动器、输入输出模块连接起来； 模块化的驱动装置SIMODRIVE611Ue配套1FK6系列伺服电机，为机床提供了全数字化的动力。通过视窗化的调试工具软件，可以便捷地设置驱动参数，并对驱动器的控制参数进行动态优化； SINUMERIK802D集成了内置PLC系统，对机床进行逻辑控制。采用标准的PLC的编程语言Micro/WIN进行控制逻辑设计。并且随机提供标准的PLC子程序库和实例程序，简化了制造厂设计过程，缩短了设计周期。 CNC功能：控制车床、钻铣床；可控制4个进给轴和一个数字或模拟主轴；三轴联动，具有直线插补、平面圆弧插补、螺旋线插补、空间圆弧（CIP）插补等控制方式；螺纹加工、变距螺纹加工；旋转轴控制；端面和柱面坐标转换（C轴功能）；前馈控制、加速度突变限制；程序预读可达35段；刀具寿命监控；主轴准停，刚性攻丝、恒线速切削；FRAME功能（坐标的平移、旋转、镜象、缩

放

）

操作单元：单色10.4\显示器，彩色为选件；全功能数控键盘具有水

平安装方式，和垂直安装方式；标准机床控制面板（选件）；三个手轮接口；RS232串行接口；生产现场总线接口；标准键盘接口；PC卡插槽（用于数据备份

和

批

量

生

产

）

操作与显示：带有8个水平软键和8个垂直软键的直观操作；对刀及刀具测量，工件坐标系测量，基本坐标偏移；MDA方式端面加工；程序段搜索运行；坐标轴锁定、快速空运行；后台编程；加工外部程序（通过串行接口）；示波器、袖珍计算器、和工件计数器；两种语言在线切换；16种语言可选择安装；在线公英制切换；机床坐标系、工件坐标系、和相对坐标系显示；加工轨迹实时显示（可辨认快速和加工轨迹）；在线帮助；有效G功能和M功能显示；坐标位置、余

程

以

及

各

轴

速

度

显

示

零件编程：标准G代码编程（DIN66025）和西门子高级语言编程；ISO标准编程；车削、铣削工艺循环编程；蓝图编程；极坐标编程；程序存储器容量达

340K

字

节

PLC：采用标准的S7-200编程语言 Micro/WIN；梯图编程；梯图在线显示；PLC远程诊断；完全汉化的PLC编程工具随机提供；随机提供PLC子程序和用于车床铣床的PLC应用程序实例；PLC的处理速度是6000步/24毫秒 ；40个定时器，32个计数器；数字输入输出为144 / 96。

4.2 数控连线图

其连线图如图2.1所示。

图2.1 数控系统连线

4.3 步进电动机的控制

步进电动机的工作过程一般由控制器控制，控制器按照设计者的要求完成的一定控制过程，按照要求的规律驱动电动机运行。简单的控制过程可以用各种逻辑电路来实现，但其缺点是线路复杂，控制方案改变困难；自从微处理器问世以来，给步进电动机控制器设计开辟新的途径。各种单片机的迅猛发展和普及应用，为设计功能很强而价格低廉的步进电动机控制器提供了先进的技术。

4.3.1步进电动机的开环控制

使用微机对步进电动机进行控制有串行和并行两种方式。

1、串行控制

具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间具有较少的连线。这种系统中，驱动电源必须含有环行分配器。这种控制方式的功能框图如图3．25所示。

图3．25串行控制功能框图

2、开环控制

用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。在电动机电源内，不包括环形分配器，而其功能必须由微机系统完成。由系统是想脉冲分配器的功能又有两种方法:一种是软件法，即全用编程来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的控制信号，主要有寄存器移位法和查表法；第二种是软件、硬件结合的方法，有专门设计的编程器接口，计算机相接口输出简单形式的代码数据，而接口输出的是电动机各相导通或截止的控制信号。并控

制方案的功能框图如图3．26所示。 3．26并行控制功能框图

3、步进电动机速度控制

控制电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出的脉冲频率或者换相的周期。系统可用两种方法来确定脉冲的周期：一种是软件延时，另一种是用定时器

。软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，它占用CPU时间； 定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现的。

4、步进电动机的加减速控制

对于步进电动机的点一位控制系统，从起点至终点的运行速度都有一定要求。如果要求运行的速度小于系统极限起动频率，则系统可以按要求的速度直接起动，运行至终点后可直接停发脉冲串而令其停止。系统在这样的运行方式下速度可认为是恒定的。但在一般的情况下：系统的极限起动频率是比较低的，，而要求的运行速度往往很高。如果系统以要求的速度直接起动，因为该速度已经超过极限起动频率而不能正常起动，

可能发生丢步或根本不能运行起来之后，如果到达终点时突然停发脉冲串，令其立即停止，则因为系统的惯性原因，会发生冲过终点的现象，使点一位控制发生偏差。因此在点一位控制过程中，运行速度都需要有一个“加速一恒速一减速一低恒速一停止”的加减速过程，如图3．27所示。各种系统在工作过程中，都要求加减速过程时间尽量短，而恒速时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点至终点运行的时间要求最短，这就必须要求加速、减速的过程最短，而恒速时的速度最高。

升速规律一般可有两种选择：一是按照直线规律升速；二是按指数规{ 速时加速度为恒定，因此要求步进电动机产生的转矩为恒值。从电动机席 转速不是很高的范围内，输出的转矩将有所下降，如按指数规律升速，加速 电动机输出转矩随转速变化的规律。用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的盱冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐疏稀。微机用定时器中断方式来控锒就是不断改变定时器装载值的大小。一般用离散方法来逼近理想的升降；计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化宅运行中用查表方法查出所需的装载值，从而大大减少占用CPU时间，提高系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需准备下列数圭|升速过程的总步数；③恒速运行总步数；④减速运行的总步数。

对升降速过程的控制有很多种方法，软件编程也十分灵活，技巧很多。 集成电路也可实现升降速控制，但缺点是实现起来较复杂且不灵活。

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