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目 录 I 目目 录录 摘 要 Abstract.2 1 绪论.3 1.1 引言.3 1.2 机床数控改造的目的.4 1.3 数控系统的产生和发.5 1.3.1 数控系统的出现和发展.5 1.3.2 数控系统的发展趋势.6 1.4 数控改造的必要性.6 1.5 数控机床改造的优点.7 1.6 数控机床改造的设计步骤.8 1.7 CA6140 的数控改造.9 1.7.1 数控系统的选择.9 1.7.2 CPU 和存储器 10 1.7.3 I/O 接口电路.11 目 录 II 1.7.4 其它部件的选择.11 2 数据参数的选择及其计算.13 2.1 纵向进给系统得设计计算（装配图 2）13 2.1.1 选择脉冲当量：.13 2.1.2 计算切削力：.13 2.1.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型：.15 2.1.4 齿轮及转距的有关计算：.16 2.2 横向进给系统的设计计算：.18 2.2.1 切削力计算：.19 2.2.2 滚珠丝杠设计计算：.19 2.2.3 齿轮及设计的有关计算：.21 2.2.3 步进电机的选择：.22 2.3 自动刀架的设计.24 2.3.1 刀架的抬起：.24 2.3.2 刀架的回转和选位.25 2.3.2 刀架的下降定位和压紧.26 2.3.3 减速机构的设计计算.26 2.3.3 蜗杆传动的设计计算.30 2.3.4 螺旋升降装置得设计计算.33 3 数控系统硬件电路设计.38 3.1 概述.38 3.2 8088 微处理器控制系统设计39 3.2.1 主要技术特性及硬件配置.39 3.2.2 存储空间的分配.39 3.2.3I/O 地址分配39 3.2.4 单片机部分电路设计图如图纸所示.39 3.2.5 光电隔离电路.39 3.2.6 功率放大电路.40 目 录 III 3.2.7 其他辅助电路.41 4 软件设计部分.42 4.1 概述.42 4.2 总体方案设计.42 4.3 插补方法的确定.43 4.4 进给控制字 FCW 的设置 45 4.5 环行分配器的子程序.45 附 录 .46 附 录 .52 致 谢57 参考文献58 摘 要 近 20 年来.我国数控技术和数控机床走过了引进技术、消化吸收和实现产业 化的历程。目前.数控机床己经成为机床行业的新的经济增长点.发展迅速,正方兴 未艾。 应用数控技术对 C A 6140 普通车床进行自动化和精密化的改装，改装技术主 要为:在车床上附加数控装置和执行元件，选择合适的机床伺服系统和计算机系统 等.结果表明:经改造后的机床完全能实现加工外圆、锥度、螺纹、端面等的自动 控制，提高了原机床的生产效率，降低了劳动强度采用数控技术改造的有效途径. 术对企业原有机床进行改造，即发展经济型的数控机床是当前工矿企业的成功之 路。 关键词：关键词：车床 数控技术 技术改造 Abstract 2 Abstract In the recent 20 years.Our country numerical control technology and the numerical control engine bed passed through the introduction technology, the digestion have absorbed and realize the industrial production course. At present.Numerical control engine bed oneself after becomes the engine bed profession the new economical point of growth.Develops rapidly,Is being on the rise. The application numerical control technology 6140 conventional lathes carries on automated and the precision re-equipping to C the A, the re-equipping technology mainly is:Attaches the numerical control installment and the functional element on the lathe, chooses the appropriate engine bed servosystem and the computer system and so on.The result indicated that,Definitely can realize the processing outer annulus, the taper, the thread, the end surface after the transformation engine bed and so on the automatic control, enhanced the original engine bed production efficiency, reduced the labor intensity to use the numerical control technology to carry on the transformation to the enterprise original engine bed, namely the development economy numerical control engine bed was the current industry and mining enterprise engine bed technological transformations effective way. KeyWords：Lathe; Numerical control technology;Technological transformations 绪论 3 1 绪论 1.1 引言 提高数控车床的可靠性已成为当前数控车床制造企业自身生存和发展的关键。 在市场竞争日趋激烈的情况下,只有那些可靠性高的数控车床才能受到用户的青睐。 数控车床是否可靠成为广大用户选购数控车床的重要标准。我国数控机床近年来 在生产和应用领域都有较快的发展,但与工业发达国家相比,仍存在较大差距。数控 技术是现代制造技术中最关键的环节之一。我国数控技术的研究应用水平还很低, 严重制约着我国制造水平的提高。发展民族数控事业是迫在眉睫的大事。 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，产 品的更新换代也不断加速，因此对机床不仅要求具有较高的精度和生产率，而且 应能迅速地适应产品零件的变换。生产的需要促使了数控机床的产生，随着电子 技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速的发展起来。 从第一台数控机床（1952 年 美国）问世至今，机床的数控化率在不断的提 高。世界各工业国家已普遍生产和应用，日本生产机床的数控化率在 1988 年就已 达到 70%。 我国从开放搞活以来，加快了数控机床技术的引进，促使我国的机床数控技 术的普及和发展。当前普遍应用的微型计算机数控机床，它综合了电子技术、计 算机技术、自动化技术、测量技术和机械制造等方面的最新成果，是一种灵活高 效的自动化机床，是机电一体化的典型产品之一。各大企业不断设置数控机床扩 大再生产和替换陈旧设备。数控机床的普及率不断提高，这种情况下，普通机床 的数控改造是否必要可从以下几点说明。 数控机床可以较好地解决形状复杂、精密、小批多变零件的加工问题，能够 稳定的加工质量和提高生产效率，但是应用数控机床还是受到其他条件的限 制。 数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小企业常是力不从心。 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 替代的机床闲置起来又造成浪费。 国内订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。 绪论 4 通过数控机床对具体生产有多余功能。 要较好地解决上述问题，应走普通车床数控改造之路，从一些工业化国的经 验者，机床的数控改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。如：日本的大 企业中有近 30%的机床经过数控改造，中小企业则是 70%以上。在美国有许多数控 专业化公司为世界各地提供机床数控改造服务。我国作为机床大国-为了提高机床 的数控化率对普通机床进行数控改造不失为一种良策。一些发达国家如德国、美 国、 日本等就非常重视对旧机床的改造， 而且已形成了一个完善的产学研结合 的改造体系。 由于技术的不断进步，机床改造已成为一个永恒的课题。 我国应 在这方面加大宣传力度， 走出一条适合我国国情的机床的数控改造之路。机床数 控改造节省资金，同购置新机床相比一般可节省 6080的费用，大型及特殊 设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的 1/3 即使将原机床的结 构进行彻底改造升级， 也只需花费购买新机床 60的费用， 并可以利用现有地 基。性能稳定可靠， 因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而 影响精度。机床经数控改造后， 即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高 3-7 倍。对复杂零件而言， 难度越高， 功效提高得越多。 且可以不用或少用工 装，不仅节约了费用，而且可以缩短生产准备周期。因此，普通机床的数控不但 存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小企业更是如此。 1.2 机床数控改造的目的 设备是企业发展生产技术和实现经营目标的物质基础。设备的技术性能 和技术状态不但直接影响产品质量，还关系工时、材料和能源的有效利用， 同时对企业的经济效益也会产生深远影响。设备的技术改造和更新直接影响企业 的技术进步、产品开发和市场开拓。因此，从企业产品更新替代、发展品种、提 高质量、降低能耗，提高劳动生产率和经济效益的实际出发，进行充分的技术分 析，有针对性的用新技术改造和更新现有设备，是提高企业素质和市场竞争力的 一种有效方法。 据全国工业普查的统计资料介绍，截止到 2000 年底，数量较多涉及面较宽的 金属加工机床的拥有量约为 384 万台，其中役龄在 6 15 年约为 153. 2 万台，约 占 39. 9%，役龄在 16a 以上约为 133. 7 万台，约占 34. 8%。这表明我国工业制造 绪论 5 业的装备，乃至各行各业的设备仍有相当大数量比较落后，有待改造或更新。鉴 于此，采用数控技术对普通机床进行数控改造，尤其适合我国机床拥有量大，生 产规模小的具体国情。 1.3 数控系统的产生和发展 1.3.1 数控系统的出现和发展 第二次世界大战后，美国为革新飞机制造业中用于仿形机床的靠模和样件的 加工设备，开始研制新型机床。1952 年，美国帕森斯公司Parsons Co.)与麻省 理工学院伺服机构实验室(Serve Mechanics Laboratory of TheMassachusetts Institute of Technology)合作，研制成功第一代数控系统。用于三坐标立式铣 床。其插补装置采用脉冲乘法器，整个控制装置由真空管组成。1959 年，晶体管 元件问世，数控系统中广泛采用晶体管和印制板电路，从此数控系统进入第二代。 1965 年，出现了小规模集成电路，由于其体积较小，功耗低，抗干扰能力较强， 使数控系统的可靠性得到进一步提高，数控系统发展到第三代。上述三代数控系 统均为硬接线数控系统，称为普通数控系统(NC)o 随着计算机技术的发展，出现 了以小型计算机替代专用硬接线装置，以控制软件实现数控功能的计算机数控系 统(CNC)，使数控系统进入第四代。1970 年前后，美国英特尔(Intel)公司首先开 发和使用了四位微处理器，1974 年美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数 控系统，由于中、大规模集成电路的集成度和可靠性高、价格低廉，所以微处理 器数控系统得到了广泛应用。这就是微机数控系统，从而使数控系统进入了第五 代。现代数控系统为了进一步扩展功能，增强实时控制能力和可靠性，常采用多 微处理器结构，如 SIEMENS 公司的 SINUMERIK 840D 和日本 FANUC 公司 FANUC of 系列等。由多个微处理器构成功能模块，各功能模块之间的互连与通信，或采用 共享总线结构，或采用共享存贮器结构 1.3.2 数控系统的发展趋势 1、向高速度、高精度发展 绪论 6 现代机床数控系统多采用 32 位 CPU 和多 CPU 并行技术，使运算速度得了很大 的提高。与高性能数控系统相配合，现代数控机床采用了交流数字伺服系统。伺 服电机的位置、速度和电流环都实现了数字化。数控系统的联动轴数多达 9 个， 使机床可以加工较复杂的空间线型或型面。 2、可靠性的提高 由于现代数控系统的模块化、通用化和标准化，便于组织批量生产，故可保 证产品质量。现代数控系统大量采用大规模集成电路，采用专用芯片及混合式集 成电路，提高了集成度，减少了元器件数量，提高了可靠性。 3、采用自动程序编制技术 现代数控系统利用其自身很强的存贮及运算能力，(如 SINUMERIK 840DCPU 采 用 Pent iumIII 处理器)把很多自动编程功能植入数控系统。在一些新型的数控系 统中，还装入了小型工艺数据库，使得数控系统不仅具有在线零件程序编制功能， 而且可以在零件程序编制过程中，根据机床性能，工件材料及零件加工要求，自 动选择最佳刀具及切削用量。 4、具有更高的通信功能 为了适应自动技术的进一步发展，适应工厂自动化的规模越来越大的要求， 为了满足不同厂家不同类型数控系统的联网需要，现代机床数控系统的通信功能 不断加强，不少系统具有远程诊断功能和 Ethernet interface 接口。实现远程通 讯功能。美国通用汽车公司在 1983 年提出的制造自动化协议(MAP-Manufacture Automation Protocol)是众多通信标准中发展最快的一个。MAP 的主要特点是提 供以开放性为基础的局部网络，使来自许多厂房的设备可以通过相同的通信协议 而相互连接，由于 MAP 的出现，推动了通信标准化的进程。 1.4 数控改造的必要性 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。 1 数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小企业常是心有余而力不足。 2 目前，个企业都是大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而 且替代下的机床闲置起来有会造成浪费。 绪论 7 3 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。 4 通用数控机床对具体生产有多余功能。 要较好地解决上述问题，应走普通车床数控改造之路，在国外已发展成为一 个新兴的工业部门，早在 60 年代已经开始迅速发展，并有专门企业经营这们业务。 从美国，日本等工业化国家的经验看，机床的数控改造也必不可少，数控改造机 床占有较大比例。如日本的大企业中有 26%的机床经过数控改造，中小企业则是 74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控改造业务。我国是拥有 300 万台机床的国家，而这些机床又大量是多年累计生产的通用机床，自动化程 度低，要想在近几年内用自动化和精密设备更新现有机床，不论是资金还是我国 机床制造厂的能力都是办不到的。因此，普通机床的数控改造，大有可为。它适 合我国的经济水平，教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之 一。 1.5 数控机床改造的优点 数控机床改造一般是指对普通机床某些部位做一定的改造，配上数控装置， 从而使机床具有数控加工能力。其改造的优点有： 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，提高机床的使用价值。 2 适应多品种，小批量零件生产。 3 自动化程度高，专业性强，加工精度高，生产效率高。 4 降低对工人技术水平的要求。 5 数控改造费用低，经济性好。 6 数控改造的周期短，可满足生产急需 1.6 数控机床改造的设计步骤 将普通机床改造为数控机床，是一项技术性很强的工作，必须根据加工对象 的要求和工厂实际情况，确定切实可行的技术改造方案，搞好机床的改造设计。 其改造设计的一般工程如下 1 对加工对象进行工艺分析，确定工艺方案，被加工工件既是机床改造的依 据，又是机床改造后加工的对象。不同形状，不同技术要求工件，其加工方法就 绪论 8 不同，对机床的要求也不相同。例如，对于圆柱形状的零件可用车削，外圆磨等 方法加工，而平面则一般用铣削，平面磨等方法加工；对精度，表面粗糙度要求 一般的外圆柱表面，常用车削加工；而精度高和表面粗糙度要求低时则要在外圆 磨床上加工。在工艺分析基础上，绘制工序图，初步选定切削用量，刀具运动路 线，计算生产率。然后计算切削力及切削功率，从而计算出进给系统需要的功率 和力矩等。这是选择方案及驱动部件的依据，目前多用类比法或测定法完成。 2 分析被改造机床，确定被改造机床类型 ，改造机床和设计机床是不同的 ，机床设计是根据设计任务书，对机床的整机进行设计，然后将机床的各组成零， 部件逐一地制造，最后装成机床，而机床改造则是围绕某台机床进行工作，不仅 要考虑机床本身结构的改造，还要考虑工艺系统中的刀具，夹具及其它辅具的改 进，以满足生产的需要。在制定机床改造方案时，可先根据指定的工艺方案，初 步选定被改造机床的类型，然后对被选定的机床进行认真分析，了解被改造机床 的技术规格，技术状况，各部联系尺寸等，分析机床强度和刚度，分析被改造机 床能否适应改造要求以及经济性等。最后确定被改造机床的型号。 3 拟定技术措施，制定改造方案 根据加工对象的要求和被改造机床的实际情 况，拟定应采取的措施，指定出机床的改造方案，选用外购件时，一定要保证质 量。在拟定技术措施，指定改造方案的过程中，应充分进行技术经济分析，力求 改造的机床不仅能满足技术性能的要求，还要获得最佳的经济效益，使技术的先 进性与经济性较好地统一起来。 4 设计或选用数控装置 在满足加工零件要求的同时，尽量使设计的数控装 置功能强，稳定可靠，通用性好，价格低，或选用国内生产较好的专用数控装置。 5 进行机床改造的技术设计 6 绘制机床改造的工作图。 7 整机安装调试。 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。阐述了 CA6140 普通数控车床的主轴系统的改 进及机床控制系统的改造, 主要介绍了对 CA6 14 0 车床进行经济型数控改造 ,主 要包括纵向、横向进给系统及刀架的改造 ,CA6 14 0 车床主轴转速部分保留原车 床的手动变速功能。改造简单易行 ,可降低劳动强度 ,提高生产效率. 绪论 9 1.7 CA6140 的数控改造 本设计任务是对 CA6140 普通车床进行数控改造。利用微机数控系统改造纵、 横向进给系统，进行开环控制，纵向脉冲当量 0.01mm/脉冲，横向为 0.005mm/脉 冲。驱动元件采用直流步进电机，传动系统采用滚珠丝杠 1.7.1 数控系统的选择 数控系统是机床的核心，在选择时， 要对其性能、 经济性及维修服务等进 行综合考虑，尽量选用名牌产品。 根据被改机床的结构、 性能及被加工零件的 精度来选择数控系统。 既要功能相匹配，又要尽量减少过剩的数控功能。 这样 一方面可避免资金浪费，另一方面也可避免因数控系统复杂而增加的故障率。 目前数控系统主要有三种类型：步进电机拖动的开环系统；异步电机或直流 电机拖动光栅测量反馈的闭环数控系统； 交 / 直流伺服电机拖动编码器反馈的 半闭环数控系统。其中步进电机拖动的开环系统， 其伺服驱动装置主要是步进电 机、 功率步进电机、 电液脉冲马达等。该系统位移精度较低， 但结构简单、 调试维修方便、质量稳定可靠、成本低、抗干扰性能强、 对环境室温要求不高， 易改装成功。 适用于精度要求一般的中小型机床的改造，也是目前数控改造中应 用最为广泛的一种。 异步电机或直流电机拖动光栅测量反馈的闭环数控系统控制 精度高，但在结构上比开环进给系统复杂， 工作量大，成本也高， 调试困难， 一般不采用。 交 / 直流伺服电机拖动编码器反馈的半闭环数控系统， 其精度介 于前二者之间，结构与调试都较闭环系统简单，适用于控制精度要求较高的大、 中型机床的改造。 总体方案确定为用一个完全缓冲的 8088 微处理器对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵横向 进给运动。示意图如图 1 所示。 绪论 10 图 1.1 总体方案 在一个大的系统中，总线必须经过缓冲，这是因为 8086/8088 微处理器只能 驱动 10 个负载，而大系统常常有更多的负载。由于设计的是经济型车床的改造， 所以在考虑具体的方案时，其本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减 少改动量，以降低成本。 8088 微处理器在数控改造应用较普通，各种应用软件较多，系统开发较容易， 且其价格低廉，抗干扰性强，可靠性高，速度快，指令系统的效率高，体积小， 最适宜用来开发简易和小型专用的数控装置。 1.7.2 CPU 和存储器 由于 8088 微处理器是无片内程序存储器,需要扩展外部程序存储器,同时, 8088 微处理器内部只有 128 字节的数据存储器,也不能满足控制系统的要求,故扩 展了两片 2764 的程序存储器和一片 6264 数据存储器。8088 微处理器的 A0-A19 和 D0-D7 用来传送外部存储器的地址和数据,一个经过完全缓冲的 8088 微处理器， 有 8 个地址引脚 A15-A8，使用的是 74LS244 八缓冲器；8 个数据总线引脚 D7- D0，使用的是 74LS245 双向总线缓冲器；控制总线信号 IO/M，RD，WR，使用的是 74LS244 缓冲器。一个经过完全缓冲的 8088 系统，需要两片 74LS244，一片 74LS245 和两片 74LS373。74LS245 的方向由 DT/R 信号控制，由 DEN 信号允许和 禁止。8088 微处理器的 A8-A15 和 74LS373 送出的八位地址共同组成 16 位地址, 绪论 11 2764 和 6264 芯片都是 8KB,需要 13 根地址线,A0A12 接 8088 微处理器的 13 根地 址总线,系统采用全地址译码,两片 2764 芯片片选信号 CE 分别接 74LS138 译码器 的 Y0 和 Y1,系统复位后程序从 0000H 开始执行。6264 的片选信号 CE 也接 74LS138 译码器的 Y2，8088 微处理器控制信号 M/IO 接 2764 的 OE 引脚,读写控制 信号 WR 和 RD 分别接 6264 芯片的 WE 和 OE,以实现外部数据存储器的读写。 1.7.3 I/O 接口电路 由于 8088 微处理器的 I/O 接口使用不能满足输入输出口的需求,因而系统扩 展了两片 8155 可编程输入输出接口电路。8155 的片选信号 CE 分别接 74LS138 的 Y3 和 Y4,74LS138 译码器的三个输入端 A、B、C 分别接到 8088 微处理器的 A13、A14、A15。I/O 接口与外设的联接是这样安排的:8155(1)芯片的 PA0PA5 为 面板上的选择开关;PB0PB7 是各种运行的点动控制;PC0PC3 发出刀位信号,控制 刀架电机回转,到达指定的刀位,刀架夹紧之后,发出换刀回答信号,经 8155(1)的 PB5 输入计算机,控制刀架开始进给。8155(2)芯片的 PA0PA7 为 Z、X 向电机输出 驱动脉冲,PB0PB3 是键盘扫描输入,PB4PB7 的输出是 X!Y 向的限位控制,PC0PC5 是显示器的位选信号,显示器的段选信号由 8088 微处理器的 D0-D7 控制。 1.7.4 其它部件的选择 直流步进电动机参照金属切削机床设计简明手册选取。滚珠丝杠选取 FC 系列，江汉机床厂的产品样本。为内循环双螺母垫片预进，其优点是结构简单， 装卸方便、刚度高。 纵向进给机构的改造。拆除原机床的进给箱和溜板箱，在原机床进给箱处安 装齿轮箱体，滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置，采用原固定方式。 横向进给机构改造。拆除原手动机构，用于微进给和机床刀具对零件操作， 原有的支承结构也保留。步进电机、齿轮箱体安装在机床后侧。 纵横向进给机构都采用了一级齿轮（调隙齿轮传动）减速，调隙齿轮（可调 拉弹簧式）用于消除齿轮传动中的间隙，以提高数控机床进给系统的驱动精度。 在原溜板箱处安装纵、横向快速进给按钮和急停按钮，以适应机床调整时的 操作需要和遇到意外情况时的紧急处理需要。CA6140 数控改造的总体方案示意图 绪论 2 加工工件图纸 数控程序的编制 手工输入 计算机 磁带 控制计算机 功率放大器 步进电机 变速箱 步进电机 变速箱 车床 尾座 工件 或 图 1.2 普通车床数控改造的总体方案 数据参数的选择及其计算 13 2 数据参数的选择及其计算 2.1 纵向进给系统得设计计算（装配图 2） 工作台重量：80kg 时间常数：T=25ms 滚珠丝杠导程：S=6mm 行程：L=1200 mm 脉冲当量：=0.018mm/step 步距角：=0.75/step 快速进给速度： =2m/min max V 加工最大直径：=400 mm 加工最大长度：1000 mm 溜板及力架重力：800N 刀架快段速度：2.4 m/min 最大进给速度：0.6 m/min 主电机功率：7.5KW 起动加速时间：30 ms 机床定位精度0.015 mm 2.1.1 选择脉冲当量： 根据机床精度要求确定，纵向 0.01mm/步。 2.1.2 计算切削力： 纵车外圆; 由文献可知切削功率=Nk 式中： c N N电动机功率 7.5KW 主动系统总功率一般为 0.60.7 取 =0.65 K进给系统功率系数：取 0.96 =NK=7.50.650.96=4.68Kw c N 数据参数的选择及其计算 14 又因= 有=6120 c N 6120 VFz z F V Nc 式中 V切削速度取 100m/min 主切削力=61204.68/100=286.416kgf=2806.88N z F 由参考文献三可知，主切削力 ZZ FZ Y Z x pFz KFfFaCF 查表: =188kgf mm Z F C XFz=1 YFZ=0.75 KTfz=1 则可计算如下表: (mm) p a 222333 F(mm)0.20.30.40.20.30.4 Fz(kgf) 112.5152.4189.1168.7228.7283.7 当=283.7 kgf 时，切削深度=3mm，走刀量 f=0.4 mm，此参数作为下 z F p a 边计算用，由参考文献三得一般外圆车削时 =(0.10.6) =(0.150.7) x F z F y F z F =0.5 =0.5286.416=143.208 kgf=1403.44 N x F z F =0.6 =0.6286.416=171.8496 kgf=1684.1 N y F z F 横切端面： 主切削力（kgf）可取纵切的 1/2 z F = 1/2=143.208 kgf=1403.44 N z F z F 取=0.6 =0.6143.208=85.9248 kgf=842.06 N x F z F =0.5=0.5143.208=71.604 kgf=701.72 N y F z F 数据参数的选择及其计算 15 2.1.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型： 纵向进给丝杠 计算进给率引力（N） m F 纵向进给为综合导轨=K+f（+G） m F x F z F 式中 K考虑颠覆力矩影响的实验系数综合导轨取 K=1.15 f滑动导轨摩擦系数 0.150.18，取 0.16 G溜板及力架重力：800 N =K+f(+ G)=1.151403.44+0.16(2806.88+800)=2191.06 N m F x F z F 计算最大的负载 C C= fwL1/3 其中 m F 10 60 nT l 0 1000 l v n s 其中 L0滚珠丝杠导轨。 初选 L0=6 mm Vs最大切削力 F 的进给速度可取最高进给速度的（1/21/3）， 此外 Vs=0.6m/min。 T使用寿命 按 15000h 运转系数。按一般运转取 f w=1.21.5。 w f L寿命以 106转为 1 单位。 N=1000Vs/ L0=10000.60.5/6=50r/min L=60nT/10=605015000/10=45 Q= Fm fwL1/3=451/31.22191.06=9352.04 N 滚珠丝杠螺母副的选型。 根据最大动负荷 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如。滚珠丝杠参照 江汉机床厂的产品样本选取系列，滚珠丝杠直径选为 30mm，型号为BFC1 ,其额定动载荷是 10689N,所以强度足够用。 21 54*20EBFC 传动效率计算 螺旋升角 2 44 )tan( tan =0.94 )10442tan( 442tan )tan( tan 0 0 数据参数的选择及其计算 16 刚度计算： 滚珠丝杠受工作负载 Fx 引起的导程 L0 的变化量 L1= Fm Fm/E F 其中：在工作负载 Fx 作用下引起每一导程的变化量 mm） 1 L 工作负载即进给率引力 N m F 滚珠丝杠的导程（mm） 0 L E材料弹性模数对钢 E 为 20.6104（N/ mm2） S滚珠丝杠截面积（内径）（mm2） S=（d/2）2 d=d0+2e-2Rs=36.3789 S=（d!/2）2=(36.379/2) 2 3.14=10.38mm 其中=（0.510.56）=1.836 S R w P e=0.707(-)=0.025 S R 2 W D 故 L = =2191.060.6/20.610610.38=6.142810-6cm EF LFm 0 滚珠丝杠受扭转引起的导程变化量 = + 很小，忽略不计。 2 L 2 L 2 0 L 所以 L= += 1 L 2 L 1 L = =100/0.66.142810-6=10.238m 0 100 L L 查表知 E 纹精度丝杠允许误差 15m 10.238m15m 刚度够 稳定性校核： 滚珠丝杠两端用推力球轴承，支承基本不变，稳定性不存在问题。 2.1.4 齿轮及转距的有关计算： 设计计算公式均来自参考文献三 纵向传动有关齿轮计算，传动比 i =0.756/3600.01=1.25 p L i 360 0 滚珠丝杠导程 步距角 脉冲当量 0 L P 数据参数的选择及其计算 17 故取 =32 =40 m=2mm b=18 =20 =m=64mm 1 Z 2 Z 1 d 1 Z = mZ2=80mm =+2ha*=68mm =84mm 2 d 1 d 1 d 2 d =d1-2hf=59mm =75mm d=+/2=72mm 1f d 2f d 1 d 2 d 转动惯量的计算 ()工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 =(180p/) 2W=（1800.001/3.140.75）280=0.468kgfcm2 1 J ()丝杠转动惯量 =7.81044.04150.0=29.95kgcm2 2 J ()齿轮的转动惯量 =7.81046.441.8=2.355kgcm2 3 J =7.81048.041.8=5.75kgcm2 4 J ()电机转动惯量很小可以忽略 总的转动惯量为 J J=1/22（J2+J4）+J1+J3=1/1.252（29.95+5.75）+2.355+0.468=22.586kgcm2 3）所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 M 起 =+ 起 M maxa M F M 0 M 最大切削负载时所需力矩 M=+ at M F M 0 M t M 快速进给时所需力矩 M= Mf+ 0 M 式中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩 maxa M 折算到电机轴上的摩擦力力矩 F M 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力力矩 0 M 切削时折算到电机轴上的加速度力矩 at M 折算到电机轴上的切削负载力矩 t M =Jn/9.6T10-4Nm a M 当 n=时， = max n a M maxa M = =20001.25/6=416.7r/min max n 0 max L iv =22.586416.7/9.60.02510-4=40.0138kgfcm maxa M 数据参数的选择及其计算 18 当 n=时， s-导程 6mm t n ata MM =10001000.41.25/3.14806=33.17r/min 0 l fn n i t 主 =22.5833.17/9.60.02510-4=0.3112Nm=3.175kgfcm at M i WLf i LF M f 22 0 , 00 当 =0.8，f=0.16 时 =0.16800.6/23.140.825=1.223kgfcm f M )1 ( 2 2 0 00 0 i LP M =0.9，预加载荷,则 0 x FP 3 1 0 =143.2080.6(1-0.92)/63.140.81.25=0.866kgfcm i LF M x 6 )1 ( 2 00 0 =143.2080.6/23.140.81.25=13.68kgfcm i LF M x t 2 0 所以，快速空载启动所需力矩 M= + + =40.0138+1.223+0.866=42.10kgfcm maxa M f M 0 M 切削时所需力矩 M= + + + =3.175+1.223+0.866+13.68=18.95kgfcm at M f M 0 M t M 快速进给时所需力矩： M=+=1.223+0.866=2.089kgfcm f M 0 M 从以上数据分析，所需最大力矩 Mmax 发生在快速启动时。 cmNcmkgfM. 0 . 421.10.42 max 2.2 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。所用的公式不在详细说明 工作台重量：30kg 时间常数 ：T=25ms 滚珠丝杠导程：S=6mm 数据参数的选择及其计算 19 行程：L=226mm 脉冲当量：p=0.005mm/step 步距角：=0.75/step 快速进给速度： =1m/min max V 加工最大直径：210mm 刀架快移速度：1.2m/min 最大进给速度：0.3m/min 主电机功率：7.5kw 2.2.1 切削力计算： 横向进给量为纵向的 1/31/2，取 1/2。则切削力约为纵向的 1/2 =1/2286.416kgf=143.208kgf z F 在切断工件时=0.6=0.6143.208=85.925kgf Y F z F =0.5=0.5143.208=71.604kgf x F z F 2.2.2 滚珠丝杠设计计算： 强度计算 对于燕尾型导轨 P=k+f(+W+2) x F z F Y F 取 k=1.4 f=0.2 则 Fm=1.471.604+0.2(143.2+30+285.925)=169.26kgf n=1000 =30r/min 0 L Vcs X 寿命值：L=60ntT/10 6 则 L=60nT/106=603015000/106=27 Q=271/31.2169.26=609.33=5971.4N 根据最大动负荷 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如。滚珠丝杠参照 江汉机床厂的产品样本选取系列，滚珠丝杠直径选为 25mm，型号为BFC1 左,其额定动载荷是 7596N,所以强度足够用。 21 54*25EBFC 效率计算 螺旋开角 r=339 摩擦角 =10 数据参数的选择及其计算 20 =tgr/tg(r+)=tg339/tg(339+10)=0.956 刚度验算 横向丝杠支撑方式如下图 4，最大牵引力为 169.25kgf,支撑间距 L=450mm 图 2.1 横向丝杠支撑图 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程 L0 的变化量为： d=+2e-2=25+20.020.650.707-20.520.65=21.96mm 0 d s R 其中 L0=5mm E=20.6106N/cm2 EF PL L 0 1 F=（d/2）2=3.79cm2 =169.259.80.5/20.61063.79 =10.6210-6 1 L 滚珠丝杠受扭距引起的导称变化量很小，可以忽略，故 =21.3m/m 1 L L 1 三级精度丝杠允许误差为 15m，所以刚度不够，滚珠丝杠直径亦不加大， 采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小牵引力，则 Q=1.471.6+0.04（143.208+30+285.925）=114.5kgf L=114.059.80.5/20.61063.79=7.1610-6 =7.1610-6/0.5=14.32m/m 此时刚度够用 稳定性计算 由于选用的丝杠直径和以前机床的丝杠的直径相同，所以稳定性不存 在问题。 数据参数的选择及其计算 21 2.2.3 齿轮及设计的有关计算： 传动比：i=s/3600.005=0.755/3600.005=2.08 取 Z1=24 Z2=50 m=2mm b=20mm =20 d1=48mm d2=100mm d1=52mm d2=104mm df1=43mm df1=95mm d=74mm (1)转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 =（1800.005/3.140.75）230=0.0438kgfcm2 2 J 丝杠转动惯量 =7.8-42.5445=1.37kgcm2 S J 齿轮的转动惯量 =7.8-44.842=0.828 kgcm2 1z J =7.8-41042=15.6 kgcm2 2z J 电动机转动惯量忽略，总转动惯量 J=1/22（JS+JZ2）+ JZ1+ JS =1/2.082（1.371+15.6）+0.8281+0.0438 =4.79kgcm2 (2)所需转动力矩计算 = =10002.08/5=416r/min max n 5 i v = =4.7941610-4/9.60.025=0.83Nm=8.47kgfcm max M T Jn 6 . 9 max = =10001000.152.08/3.14805=24.84 r/min 0 L fn n t t 主 0 1000 DL Vfi =4.7924.8410-4/9.60.025=0.0495 Nm=0.506 kgfcm at M = =FWS/2i=0.2300.5/23.140.82.08=0.287 kgfcm f M i LF 2 00 =85.9250.5（1-0.92）/23.140.82.08=0.781 kgfcm)1 ( 6 2 0 0 0 i LF M Y 数据参数的选择及其计算 22 =85.9250.5/23.140.82.08=4.111 kgfcm i LF M y t 2 0 快速空载起动所需转矩 = + +=8.47+0.287+0.781=9.538 kgfcm 启 M maxa M f M 0 M 切削时所需转矩 = +M+ +=0.506+0.287+0.781+4.111=5.685 kgfcm 切 M at M 0 M t M 快速进给时所需转矩 = =0.287+0.781=1.068kgfcm 快 M 0 MM f 从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时 =9.538kgfcm=95.38N.cm maxa M 2.2.3 步进电机的选择： （一） 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中的实际 工作情况，经过分析才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下： 1 步距角 a 步距角应满足： i mn 式中 i-传动比 -系统对步进电机所驱动部件的最小转角。 mn 2 精度 步进电机的精度可用步距误差或积累误差衡量。积累误差是指转子 从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用 积累误差衡量精度比较实用。所选用的步进电机应满足 iQm 式中 -步进电机的积累误差； m -系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。 s 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 转速度的要求，必须考虑： 1） 启动力矩 一般启动力矩选取为： 数据参数的选择及其计算 23 5 . 03 . 0 0 l q M M 式中 -电动机启动力矩 q M -电动机静负载力矩。 0L M 根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表 7-2 所示。为步进电机 im M 的最大静转距，是步进电机技术数据中给出的，如表 7-3，表 7-4，表 7-5 所示。 表在参考文献三 347 P 2） 在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静栽力矩 与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性距之和。 4 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； opt ff 式中 -极限启动频率； t f -要求步进电机最高启动频率。 mp f 0 （二） 步进电机的选择 1 CA6140 纵向进给系统步进电机的确定 cmN M M I q .125.685 4 . 0 10*405.27 4 . 0 0 为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： =0.866 所以，步进电机最大静转距为： imq MM im M cmN M Mim.14.791 866 . 0 125.685 866 . 0 0 步进电机最高工作频率 Hz v f p 3 . 3333 1 . 0*60 2000 60 max max 综合考虑，查表选用 110BF003 型直流步进电机，能满足使用要求。 2 CA6140 横向进给系统步进电机的确定 cmN M M L q .825.65 4 . 0 10*633 . 2 4 . 0 0 电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知： 数据参数的选择及其计算 24 866 . 0 im q M M 所以，步进电机最大静转距为： im M cmN M M q im .01.76 866 . 0 825.65 866 . 0 步进电机最高工作频率 HZ v f p 3 . 3333 05 . 0 *60 1000 60 max max 为了便于设计和采购，仍然选用 110BF003 型直流步进电机，能满足使用要 求 2.3 自动刀架的设计 经济型数控车床一般都配有四工位自动回转刀架,它是据微机数控系统改造传 统机床设备的需要,同时兼顾刀架机床上能够独立控制的需要而设计的。现有自动 回转刀,其结构主要有插销式和端齿盘式。由于刀架生产厂家无一标准,因此,结构、 尺寸各异。由于目前使用较多的是端齿盘式四工位自动刀架,所以就选用端齿盘式 四工位自动刀架。 从自动转位刀架的工作原理可知，这类刀架由控制系统直接控制，刀架能自 动完成抬起，回转，选位，下降定位和压紧这样一系列的动作。下面依次讨论刀 架要完成上述过程的设计原理。 2.3.1 刀架的抬起： 利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，在 这种情况下完成这一功能的丝杠要竖直安放。在刀架的抬起过程中要防止刀架转 动这可通过设计一个带有斜面的粗定位销和定位销槽的配合来完成，并使斜面间 摩擦力产生的阻力矩，大于上述转动摩擦力矩。 2.3.2 刀架的回转和选位 刀架由一个微电机通过传动系统来带动刀架的转动，轴线是竖直的而转速比 起微电机来要慢的多，由于电机空间条件限制必须卧式安装，因此两者的转动轴 数据参数的选择及其计算 25 线互相垂直或异面垂直，蜗轮蜗杆传动比较适合于这场合刀架从抬起变成转动的 动作原理是：当刀架抬起到特定位置时由一个正在旋转的拨块带动刀架转动，因 此刀架的抬起运动和转动由同一传动系统来先后完成。 刀架转过一定角度后要选位看一看转到这个位置的刀具是否符合加工要求， 这一切是由于微机程序来实现具体的说当刀架转动此位置时程序自动地将改位置 的编码与所需刀具编码加以比较，若相同，该刀具就选定此位，否则再移动，重 复上述过程。 每次转过的角度大小，由刀架的面体数量来确定由于设计的四工位刀架，每 次转 360/4=90；对于五方刀架，每次转 360/5=72；对于六方刀架，每次转 360/6=60 度。刀架编码位数也各不相同。对于四方刀架，由两位二进制数即可表 示完全，四个刀位编码分别为 00，01，10，11。对于五方刀架，必须由三位二进 制数表示，即 000，001，011，110，111。六方刀架编码为 000，001，011，100，110，111。刀架编码信号的发出，是由于装在随刀架一起 转动的微机电源开关来实现的。微机开关的触头朝外，它的开头状态由一个内表 面凸轮来控制。凸轮实际上是只有一定半径差的两个内圈弧表面。微动开关触头 与小半径差的两个内圆弧表面接触，开关便接通；与大半径内圆弧表面接触，开 关便中断与此对应的信号分别是 0 和 1。所需要的微动开关数目，等于编码的位 数。即四方刀架有两个微动开关，五方和六方刀架各有三个微动开关。另外，刀 架编码信号并非刀架转到此位置时才发出，而是提前发出的。刀具的选位位置由 一个粗定位开关来控制的。当刀架转到某个刀位时，粗定位开关发信号，停转， 微机进行编码比较，根据比较结果，或刀架选定此位，或继续转动。粗定位开关 的通断控制也是由一个类似于表面凸轮的定位槽来完成。 2.3.2 刀架的下降定位和压紧 刀架选定位置后，斜面插入斜面槽中，使之粗定位。然后微机控制使微电机 反转由于斜面销的棘轮作用，刀架不跟随转，只是下降，再由精定位元件来精定 位。 精定位元件有若干中，常采用锥形定位销定位，但是，如果只用一个定位销 定位，那么刀架的定位精度和定位刚度都不满足。若用多个定位销定位，定位销 孔的位置精度要求极高，加工难度较大。相比之下，端面齿盘定位的优点较为明 数据参数的选择及其计算 26 显。端面齿盘来精定位齿盘齿廓部分的形状精度可
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