毕业设计（论文）-CA6140普通车床进行数控改造设计（全套图纸）

成人教育学院 2007 届毕业（论文） 1 目 录 一、绪论 11 引言 1 12 机床数控改造的目的 . 2 13 数控系统的产生和发展. .2 131 数控系统的出现和发展.2 132 数控系统的发展趋势2 14CA6140 的数控改造. 4 141 数控系统的选择4 142CPU 和存储器.5 143I/O 接口线路.6 144 其他部件的选择.6 二、 数据参数的选择及其计算 21 纵向进给系统的设计计算. 7 211 选择脉冲当量7 212 计算切削力7 213 滚珠丝杠螺母副的计算和选型.8 214 齿轮及步进电机的有关计算.10 22 横向进给系统的设计计算.12 221 切削力计算12 222 滚珠丝杠设计计算12 223 齿轮及步进电机的有关计算14 23 自动刀架的设计15 231 刀架的回转和选位. 16 232 减速机构的设计计算. 17 233 蜗杆传动的设计计算. 20 234 螺旋升降装置的设计计算.23 三、数控系统硬件电路设计 31 概述 . . . .27 32 单片机控制系统设计.28 321 主要技术特性及硬件配制28 322 存储空间的分配28 323 I/O 地址分配28 324 单片机部分电路设计图如图纸所示.29 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 2 325 光电隔离电路29 326 功率放大电路29 327 其他辅助电路. 30 四、软件设计部分 41 概述. . . . 30 42 总体方案设计.31 43 插补方法的确定.31 44 进给控制字 FCW 的设置.33 致谢 . 34 参考文献35 全套全套 CAD 图纸，联系图纸，联系 153893706 一、绪论 1.1 引言 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%。 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 3 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。 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。 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 4 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，美国帕森斯公司与麻省理 工学院伺服机构实验室合作，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 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，使数控系统进入第四代。1970 年 前后，美国英特尔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 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 5 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， 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 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，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。 1.4 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。 1.4.1 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 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 6 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 MCS51 系列单片机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。 图 1 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。 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 7 8031 单片机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。 1.4.2 CPU 和存储器 由于 8031 无片内程序存储器,需要扩展外部程序存储器,同时,8031 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。8031 芯片的 P0 和 P2 用来传 送外部存储器的地址和数据,P2 口传送高八位地址,P0 口需传送低八位地址 和数据,所以要采用 74LS373 地址锁存器,锁存低八位地址,ALE 作为选通信 号。8031 芯片的 P2 和 74LS373 送出的 P0 口低八位地址共同组成 16 位地址, 2764 和 6264 芯片都是 8KB,需要 13 根地址线,A0A7 低八位接 74LS373 的输 出,A8A12 接 8031 芯片的 P2.0P2.4,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(单片机扩展系统允 许程序存储器和数据存储器独立编址)、8031 芯片控制信号 PSEN 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。由于 8031 芯片内没有 ROM 故 EA 须接地。 1.4.3 I/O 接口电路 由于 8031 只有 P1 和 P3 口部分能提供用户作为 I/O 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 8031 的 P2.5、P2.6、P2.7。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 8031 的 P110P117 控制。 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 8 1.4.4 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 FD 系列，北京机床厂产品。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减速，调隙齿轮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 车床数控改造总布置图如图 6 所示。 二、数据参数的选择及其计算 2.1 纵向进给系统得设计计算 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：Vmax=2m/min 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 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 9 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 Nc=Nk 式中： 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 Nc=NK=7.50.650.96=4.68KW 又因 Nc=FzV/6120 有 Fz=6120Nc/V 式中 V切削速度取 100m/min 主切削力 Fz=61204.68/100=286.416kgf=2806.88N 由参考文献二可知，主切削力 Fz=CFzapXFzfYFzkTfz 查表:Cfz=188kgf mm XFz=1 YFZ=0.75 KTfz=1 则可计算如下表: ap (mm)222333 F(mm)0.20.30.40.20.30.4 Fz(kgf)112.5152.4189.1168.7228.7283.7 当 Fz=283.7 kgf 时，切削深度 ap=3mm，走刀量 f=0.4 mm，此参数作为下边 计算用，由参考文献一得一般外圆车削时 Fx=(0.10.6) Fz Fy=(0.150.7)Fz Fx=0.5 Fz=0.5286.416=143.208 kgf=1403.44 N Fy=0.6 Fz=0.6286.416=171.8496 kgf=1684.1 N 横切端面： 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 10 主切削力 Fz（kgf）可取纵切的 1/2 Fz= Fz1/2=143.208 kgf=1403.44 N 取 Fx=0.6 Fz=0.6143.208=85.9248 kgf=842.06 N Fy=0.5 Fz=0.5143.208=71.604 kgf=701.72 N 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 Fm（N） 纵向进给为综合导轨 Fm=KFx+f（Fz+G） 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 Fm=KFx+f(Fz+ G)=1.151403.44+0.16(2806.88+800)=2191.06 N 计算最大的负载 C C= Fm fwL1/3 其中 L=60nT/10 n=1000Vs/L0 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 f w运转系数。按一般运转取 f w=1.21.5。 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 C= Fm fwL1/3=451/31.22191.06=9352.04 N 滚珠丝杠螺母副的选型。 据北京机床研究所滚珠丝杠产品的样本选取丝杠直径 40，选用型号 为 FD406123 其额定动载荷为 163000 N，精度等级 E 级，强 度够用。 传动效率计算 =tg/tg(+) 螺旋升角 2 44 =tg/ tg(+)= tg2 44/ tg(2 44+10)=0.94 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 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 11 其中：L1在工作负载 Fx 作用下引起每一导程的变化量 mm） Fm工作负载即进给率引力 N L0滚珠丝杠的导程（mm） 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 Rs=（0.510.56）Pw=1.836 e=0.707(Rs-Dw/2)=0.025 故 L = Fm L0/E F=2191.060.6/20.610610.38=6.142810-6cm 滚珠丝杠受扭转引起的导程变化量 L2 L2= L0/2+ 很小，忽 略不计。 所以 L=L1+L2=L1 =100L / L0=100/0.66.142810-6=10.238m 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 齿轮及步进电机的有关计算： 设计计算公式均来自参考文献一 纵向传动有关齿轮计算，传动比 i i=L0/360p=0.756/3600.01=1.25 L0滚珠丝杠导程 步距角 p脉冲当量 故取 Z1=32 Z2=40 m=2mm b=18 =20 d1=mZ1=64mm d2= mZ2=80mm d1=d1+2ha*=68mm d2=84mm df1=d1-2hf=59mm df2=75mm d=d1+d2/2=72mm 纵向步进电机计算 传动惯量的计算 （）工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 J1=(180p/) 2W=（1800.001/3.140.75）280 =0.468kgfcm2 （）丝杠转动惯量 J2=7.81044.04150.0=29.95kgcm2 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 12 ()齿轮的转动惯量 J3=7.81046.441.8=2.355kgcm2 J4=7.81048.041.8=5.75kgcm2 ()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 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 M 起 M 起=Mamax+Mf+M0 最大切削负载时所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt 快速进给时所需力矩 M= Mf+M0 式中 Mamax空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩 Mf折算到电机轴上的摩擦力力矩 M0由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦 力力矩 Mat切削时折算到电机轴上的加速度力矩 Mt折算到电机轴上的切削负载力矩 Ma=Jn/9.6T10-4Nm 当 n=nt 时，Ma=Mamax nmax =Vmaxi/s=20001.25/6=416.7r/min Mmax=22.586416.7/9.60.02510-4=40.0138kgfcm 当 n=nt 时，Ma= Mat s-导程 6mm nt=nifi/s=10001000.41.25/3.14806=33.17r/min Mat=22.5833.17/9.60.02510-4=0.3112Nm=3.175kgfcm Mf=F0S/2i=fWS/2i 当 =0.8，f=0.16 时 Mf=0.16800.6/23.140.825=1.223kgfcm M0=P0S/2i(1-02) 0=0.9，预加载荷 P0=1/3FX,则 M0=FXS/6i(1-02)=143.2080.6(1- 0.92)/63.140.81.25=0.866kgfcm Mt=FXS/2i=143.2080.6/23.140.8 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 13 1.25=13.68kgfcm 所以，快速空载启动所需力矩 M=Mamax+Mf+M0=40.0138+1.223+0.866=42.10kgfcm 切削时所需力矩 M=Mat+Mf+M0+M0=3.175+1.223+0.866+13.68=18.95kgfcm 快速进给时所需力矩： M= Mf+M0=1.223+0.866=2.089kgfcm 从以上数据分析，所需最大力矩 Mmax 发生在快速启动时。 步进电机最高工作效率 fmax=Vmax/60p=2000/600.01=3333.3Hz 步进电机的选择 对于工作方式为三相六拍的步进电机 Tmax=Mmax/0.6=42.10/0.866=48.6kgfcm 查表选用 110BF003 型直流步进电机，其最大静转矩是 800Ncm=48.6kgfcm 该电机在 3333.3Hz 下启动远达不到所需要的转矩 42.1kgfcm，所以 采用高低压功放电路，并在程序设计中有速度控制子程序以免启停时发生 失步现象。其矩频特性满足实际需要的转矩。 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 行程：L=226mm 脉冲当量：p=0.005mm/step 步距角：=0.75/step 快速进给速度：Vmax=1m/min 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 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 14 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 Fz=1/2286.416kgf=143.208kgf 在切断工件时 Fy=0.6Fz=0.6143.208=85.925kgf Fx=0.5Fz=0.5143.208=71.604kgf 2.2.2 滚珠丝杠设计计算： 强度计算 对于燕尾型导轨 P=kFx+f(Fz+W+2Fy) 取 k=1.4 f=0.2 则 Fm=1.471.604+0.2(143.2+30+285.925)=169.26kgf n=1000Vcs/L0=30r/min X 寿命值：L=60ntT/10 6 则 L=60nT/106=603015000/106=27 Q=271/31.2169.26=609.33=5971.4N 根据北京机床厂滚珠丝杠产品，选取滚珠丝杠公称直径为 25，型号 FD255123LH 其额定动载荷为 23100N，所以强度足够。 效率计算 螺旋开角 r=339 摩擦角 =10 =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 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程 L0 的变化量为： 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 15 d=d0+2e-2Rs=25+20.020.650.707-20.520.65 =21.96mm L1=PL0/EF 其中 L0=5mm E=20.6106N/cm2 F=（d/2）2=3.79cm2 L1=169.259.80.5/20.61063.79 =10.6210-6滚珠丝杠受扭距引起的导称变化量很小，可以忽略， 故 =L11/ L0=21.3m/m 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。 2.2.3 齿轮及步进电机的有关计算： 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 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 J2=（1800.005/3.140.75）230=0.0438kgfcm2 丝杠转动惯量 JS=7.8-42.5445=1.37kgcm2 齿轮的转动惯量 Jz1=7.8-44.842=0.828 kgcm2 Jz2=7.8-41042=15.6 kgcm2 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 16 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 所需转动力矩计算 nmax=Vi/5=10002.08/5=416r/min Mmax=Jnmax10-4/9.6T=4.7941610- 4/9.60.025=0.83Nm=8.47kgfcm nt=n+i/s=1000Vfi/Ds=10001000.152.08/3.14805=24.84 r/min Mat=4.7924.8410-4/9.60.025=0.0495 Nm=0.506 kgfcm Mf=F0 S/2i=FWS/2i=0.2300.5/23.140.82.08 =0.287 kgfcm M0=Fr S(1-02)/ 2i=85.9250.5（1-0.92）/23.140.82.08 =0.781 kgfcm Mt= Fr S/2i=85.9250.5/23.140.82.08=4.111 kgfcm 快速空载起动所需转矩 M 启= Mamax+ Mf+ M0 =8.47+0.287+0.781=9.538 kgfcm 切削时所需转矩 M 切= Mat+M+ M0+ Mt =0.506+0.287+0.781+4.111=5.685 kgfcm 快速进给时所需转矩 M 快=Mf+M0=0.287+0.781=1.068kgfcm 所需最大转矩发生在快速启动时 Mamax=9.538kgfcm 步进电机最高工作效率 fmax=Vmax/60p=1000/600.005=3333.3Hz 步进电机的选择 fe=1000Vs/60p=10000.5/600.005=1666.7Hz 对于工作方式为三相六拍的步进电机 Jmax=Mmax1/0.866=9.538/0.866=11.014kgfcm 仍选用 110FB003 型步进电机,便于设计和采购,同样也用高低压功放电路和 速度控制子程序,防止失步。 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 17 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。 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。 2.3.1 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 度刀架编码分别位 00，01，10，11。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 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 18 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，另外刀架 编码信号并非刀架转到此位置时才发出的而是提前发出的当刀架转到某个 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了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。 精定位元件选用端面齿盘来精定位齿盘齿廓部分的形状精度可以从工 艺上严加控制再经过反复对研，即可得到很高的精度，由于端面齿盘定位 位多齿接触，接触面积大因此它还有接触刚度好，定位尺寸稳定性好和寿 命长等特点，此外这种元件允许刀架下降时有一定角度误差。 定位完毕需要压紧刀架才能安全可靠地工作，压紧力是由刀架下降到 底后微电机继续转动产生，压紧力大小应是切削力大小两倍以上而且应能 调整，当压紧力达到调整数值时使微电机停转且始终能保持这一压力直到 下一动作循环的开始。 2.3.2 减速机构的设计计算 本减速机构设计成告诉级齿轮传动的一级直齿圆柱齿轮减速器。由 经济型机床数控系统设计 （张新义主编，北京：机械工业出版社，1994.7 第六章 P335表 632 和表 633 已知电机功率为 120w 电机转速为 1400r/min 工作可靠30000 次取为 40000 次换刀时间（270）为 3.9s） 设 传动比为 i=4.6 1. 选择材料 刀架为一般工作器，选常用材料及热处理， 40cr 表面淬火齿面硬度 4855HRC 取中间值 52HRC 计算许用应力 选用齿面精度等级为 5 级精度（GB1009558） 初选小齿轮齿数 Z119 大齿轮齿数 Z2i*Z1=4.6*19=87.4 取 Z288 实际齿数比 Z2/Z188/19=4.632 齿数比误差为|M 理-M 实|/M 理=|4.632- 4.6|/4.60.007 在允许范围内 2按齿面接触疲劳强度设计 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 19 计算公式按式（66） d1t(2kT1/d)*(u+1)/u)*(Ze*Zh*Z/H) (1)确定计算参数 T19.5510P1/n1=9.55100.16/1400N.mm=1.0910N.mm 按齿数 z119，z288 查表 615 得 10.741 20.845 则 120.7410.8451.586 因是直齿轮 0 故 1.586 查表 67 假设 KaFt/b0 时，刀具在直线的上方，当 F0 时，表示在直线的下方，当 F=0 时。 表示在直线上。 实际计算时，F 用递推法进行计算，当某时刻刀具运动到 P 点（Xi Yi） ， 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 35 该点的偏差值 Fi=XeYi-YeXi，若 FiC 刀具沿+X 走一步，则新点的坐标 Xi+1=Xi+1，Yi+1=Yi，偏差函数 Fi+1=Xe Yi-Ye（Xi+1）=Fi-Ye，同理当 Fi0 时，刀具沿+Y 走一步，Fi+1=Fi+Xe，用递推法计算而不乘除法，也 不需要计算和保存。刀具的中间坐标，减小了计算量和运行时间，提高了 插补速度。 终点判别是根据插补循环数 i 与刀具沿 X，Y 轴应进给的总数 N=Xe-Ye 是否相等确定的。 这里设计的直线插补程序作为一个子程序供调用其终点坐标值。在主加 工程序中有初始化的内容，这部分在管理程序的主模块完成，在此写主要 是为了程序表达更清楚。 4.4 进给控制字 FCW 的设置 FCW 是一个字节的控制字。用来控制刀具的进给运动。控制字的各位意 义是：X 轴的伺服系统占两位 b0 和 b1。而 z 轴伺服系统的两个信号也占两 位 b2 和 b3。每两位控制电机的转动,停止和转向驱动刀具沿坐标轴进给。 其中一位表示电机的方向控制字，一位表示电机的转动停止.控制字。方向 位是电平的信号，指示电机的旋转方向即刀具的进给方向。规定若方向位 为 1，指定电机正转（刀具沿坐标轴+X 或+z 进给）若方向位为 0，则电机 反转。转停控制位是脉冲信号。当该位为 1 有脉冲是电机转动一步（刀具 沿坐标轴进给一步）当该位为 0 无脉冲时电机停止（刀具不进给） 。 FCW 的高四位（b7.b6.b5.b4.）不用。通常设定为 0。前面的插补实际 上就是设定 FCW 的数值。具体说就是根据插补时刀具运动的插补轨迹来设 定 FCW 的数值。如果要求刀具只沿-X 进给一步根据下图可知。只要将 FCW 的内容（即八位二进的 b7b0）设定为 00001001B（写成十六进数为 09H） 即可满足要求。将 FCW 设置成 09H。 致 谢 这学期的设计过程将告结束，在设计过程中得到指导老师陈军和其他 几位老师的悉心指导，在参考资料较为缺乏的情况下，使我每遇到问题能 及时得到解决，致使我的设计能顺利进行下去，在此我对几位老师深表感 谢。 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 36 在这期间，在各位老师的耐心辅导和自己的不懈努力，我顺利的完 成毕业设计在我们各自提出问题的同时我们对所学的知识有了更深的理 解，对车床的结构和部件有了更深一步的认识，也培养了我独立工作的能 力，树立了对自己能胜任工作的信心，相信会对今后的学习工作生活有非 常重要的影响。 对于我的设计不到之处请各位老师批评指导，感谢各位老师的指导！ 设计人：张桂涛 2007 年 1 月 10 日 参考文献 1 杨正雄；4590可换位正反机夹式粗车精车多用车刀；现代 期刊； 1998 年 第一期。 2 仲高艳；C616 车床的数控改装；煤矿机械；1999 年 第二期。 3 王传海；经济型数控机床的改造及应用；煤矿机械；2003 年 成人教育学院 2007 届毕业（论文） 37 第四期。 4 李国农；普通车床的经济型数控改造实例；水利电力机械； 2001 年 8 月 第二十三卷 第四期。 5 李和平 夏翔；普通车床的数控改造；机床与液压；2005 年 第 四期。 6 袁林忠；浅析普通车床的数控改造；浙江万里学院学报；2003 年 3 月 第十四卷 第一期。 7 朱德荣 任德志；数控改造的应用与发展；机床电器；2004.1 8 尹成湖 吴书迎 张英；用经济型数控系统改造普通车床的设计； 河北科技大学学报；1999 年 第 50 期 第 20 卷 第 3 期。 9 张碧泉；C616 普通车床的数控化改造；机械工程师；1999.05 10 许吉庆；C616 车床的数控化改造技术；机械制造；1999.01 11 杜继付；C616 车床送刀箱的改进设计；机械制造；1996.07 12 聂学俊；数控改造的应用与发展；机床与液压；2000.02 13 王艳平；C616 车床主轴制动装置的改造；一重技术；1999.02 14 从娟；MCS51 单片机在普通机床数控改造中的应用；本溪冶金 高等专科学校学报；2002.04 15 高树礼；C616 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