卧式车床数控化改造设计-纵向进给系统的设计.doc

目 录1 绪论11.1 国内外数控机床的发展现状11.2 数控系统的发展趋势21.3 普通机床数控改造的意义31.4 本文的设计任务32 C6140普通车床数控改造的总体方案设计52.1 C6140普通车床介绍52.2 总体方案的确定62.3 机械系统的改造设计方案83 纵向进给系统的详细设计与计算133.1 脉冲当量的确定133.2 切削力的计算133.3 滚珠丝杠螺母副的设计及计算143.4 齿轮传动的计算183.5 步进电动机的选择194 传动间隙的调整与预紧及导轨的设计224.1 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧224.2 进给系统传动齿轮间隙的消除234.3 数控改造C6140车床导轨设计245 数控系统硬件电路设计和软件设计285.1 数控系统基本硬件组成285.2 单板机控制系统的设计285.3 软件设计31结束语33致 谢34参 考 文 献351 绪论1.1 国内外数控机床的发展现状1.1.1 国内数控机床的发展现状近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。1.1.2 国内数控机床的特点（1）新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。（2）数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。（3）数控机床发展的关键配套产品有了突破。1.1.3 国外数控机床的发展现状（1）国际机床市场的消费主流是数控机床。 1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达70%，我国为60%。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。（2）国外数控机床的网络化。 随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另一角度来看，目前流行的ERP即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的ERP就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例；第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。 以FANVC和西门子为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统。在这些系统中，除了传统的RS232接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。 1.2 数控系统的发展趋势（1）继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。（2）向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。（3）向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（a）应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（b）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（c）引入故障诊断专家系统（d）智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。1.3 普通机床数控改造的意义数控机床是制造业实现生产现代化的主机,数控技术的水平高低和机床的数控化率是衡量一个国家工业发展水平的重要标志。目前我国机床的数控化率还不到5%,新机床的数控化率也仅为6%。无论从数控技术水平和机床的数控化率都大大落后于西方发达国家。从20世纪后期,我国调整产业结构、产品结构和生产方式,作为自动化生产的基础设备-数控机床,已远远满足不了工厂逐年增加的生产需求。对于机械制造企业,单纯靠购买新的数控机床,所需投资大,周期长,常使许多中小企业望而怯步。因此,利用原有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,无疑是一种有效的途径。就是在美国、日本和德国等发达国家,机床的改造作为新的经济增长行业,也是生意盎然,正处于黄金时代。在美国、日本、德国,用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场,已形成了机床和生产线数控改造的新行业。在美国,机床改造业称为机床再生业。从事再生业的著名公司有:Bertsche 工程公司、ayton机床公司、 Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本,机床改造业称为机床改装业。从事改装业的著名公司有:大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。由于机床以及技术的不断进步,机床改造已是个”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,具有重要的现实意义和使用价值: （1）节省资金。机床的数控改造同购置新数控机床相比一般可以节省60%左右的费用,大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新数控机床购置费的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数控机床60%的费用,并可以有效地利用现有地基。（2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期生产的磨合和不断改进完善,几乎不会产生应变力变形而影响精度。（3）提高生产效率。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至5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1。1.4 本文的设计任务本课题主要是采用微机数控技术改造最大加工直径为400mm的普通卧式车床。要求在对卧式车床的改造任务和功能需求作出认真分析的基础上，做好总体改造方案设计及纵向进给系统的详细设计。通过这一典型机电一体化产品的开发设计，培养综合运用所学专业知识改造开发新产品及解决工程实际问题的能力。具体内容及要求如下：（1）调查研究、查阅及翻译文献资料，撰写开题报告；（2）改造任务及功能需求分析；（3）总体改造方案的确定；（4）纵向进给系统机械部分和控制部分的详细设计；（5）文档整理、撰写毕业设计说明书及使用说明书。相关设计技术条件及要求如下：（1）床身上最大加工直径：400mm；（2）最大加工长度：1000mm；（3）横向进给脉冲当量：0.005mm/脉冲，纵向进给脉冲当量：0.01mm/脉冲；（4）横向最快的工进速度：400mm/min，纵向最快的工进速度：800mm/min；（5）换刀时刀架转速：30r/min；（6）CNC系统主CPU采用单片机。2 C6140普通车床数控改造的总体方案设计2.1 C6140普通车床介绍C6140普通卧式车床的结构布局如图2.1所示。当工件随主轴回转时,通过刀架的纵向和横向移动,能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等,借助成形刀具,还能加工各种成形回转表面。图2.1 C6140普通卧式车床的结构布局（1）主轴箱是支撑主轴并带动工件作回转运动。箱内装有齿轮、轴等零件，组成变速传动机构，变换箱外手柄位置，可使主轴得到多种不同的转速。（2）进给箱是进给传动系统的变速机构。它把交换齿轮箱传递来的运动，经过变速后传递给丝杆，以实现各种螺纹的车削或机动进给。（3）交换齿轮箱是用来将主轴的回转运动传递到进给箱。更换箱内的齿轮，配合进给箱变速机构，可以得到车削各种螺距的螺纹的进给运动；并满足车削时对不同纵、横向进给量的需求。（4）溜板箱是接受光杆传递的运动，驱动床鞍和中、小滑板及刀架实现车刀的纵横进给运动。溜板箱上装有一些微手柄和按钮。可以方便地操纵车床上来选择诸如机动、手动、车螺纹及快速移动等到运动方式。（5）床身是车床的大型基础部件，精度要求很高，用来支撑和连接车床的各个部件。床身上面有两条精确的导轨，床鞍和尾座可沿着导轨移动。（6）刀架部分由床鞍、两层滑板和刀架体共同组成用于装夹车刀并带动车刀作纵向、横向和斜向运动。（7）尾座安装在床身导轨上，并可沿着导轨纵向移动，以调整结构其工作位置。尾座主要用业安装后顶尖，以支撑较长的工件，也可以安装钻头、铰刀等切削刀具进行孔加工。（8）床身前后两个床脚分别与床身前后两端下部连为一体，用以支撑床身及安装在床身上的各个部件。可以通过调整垫块把床身调整到水平状态，并用其所长地脚螺栓固定在此工作场地上。（9）冷却装置主要通过冷却泵将切削液加压后经冷却嘴喷射到切削区域23。C6140普通卧式车床的功能如图2.2所示。图2.2 C6140普通卧式车床的功能2.2 总体方案的确定C6140型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大的普通型车床。经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是技术都是确实可行了。一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的数控车床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。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，MCS51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 MCS51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。C6140车床数控改造的总体方案如图2.3所示。图2.3 C6140车床数控改造的总体方案示意图2.3 机械系统的改造设计方案（1）进给系统的改造与设计方案（a）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹编码器（b）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱总成。（c）拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。（d）拆除四方刀架与上溜板的总成，在横溜板上方安装四工位立式电动刀架。（e）拆除横溜板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘一段锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。（f）将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚珠丝杠的轴头相连。（g）拆去三杠（丝杠、光杠与操纵杠），更换丝杠的右支承。（2）主传动系统的改造方案 对普通车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构，这样可减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转、何停止可由数控系统来控制。若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用24档的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速。当采用有级变速时，可选用YD系列7.5kW变速三相异步电动机，实现24档变速；当采用无级变速时，应加装交流变频器，推荐型号为：F1000-G0075T3B，适配7.5kW电动机。（3) 安装电动卡盘为了提高加工效率，工件的夹紧与松动采用电动卡盘，选用KD11250型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧和松开由数控系统发信控制。（4）换装自动回转刀架为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。实现自动换到需要配备相应的电路，由数控系统完成。（5）螺纹编码器的安装方案螺纹编码器又称主轴脉冲发生器和圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动。改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是24mm/（0.01mm/脉冲）=2400脉冲。考虑到编码器的输出有相位差为90的A、B相信号，可用A、B异或后获得2400个脉冲（一转内），这样编码器的线数可降到1200线（A、B信号）。另外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉冲Z。基于上述要求，选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05V0-15-CT。电源电压+5V，每转输出1200个A/B脉冲与1个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径15mm。螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是将变编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在床头箱的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴。需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性连接，且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速4-6。数控改造后的车床传动系统如图2.4所示。1 电动刀架 2 联轴器 3 横向步进电机 4 纵向步进电机 5 联轴器6 纵向微调机构 7 横向滚珠丝杠 8 横向螺母 9 纵向螺母 10 横向微调机构 11纵向滚珠丝杠图2.4 数控改造后的车床传动系统2.3.1 数控车床的布局形式结构：平床身、斜床身、平床身与斜滑板、立床身。平床身：工艺性好、运动精度较高，但排屑困难，一般用于经济形数控车床。斜床身：排屑方便、占地面积小、外形美观、便于安装机械手、可实现单机自动化，一般用于中小型机床。数控车床的布局形式如图2.5所示。（a） 平床身 （b） 斜床身 （c） 平床身与斜床身 （d） 立床身图2.5 数控车床的布局形式2.3.2 纵、横向结构示意图齿轮传动装置是转矩、转速、和转向的变换器。在机电一体化进给伺服系统中，采用齿轮传动装置的主要目的有二：一是降速，将伺服电动机的高速、小转矩输出变成克服负载所需的低速、大转矩；二是使滚珠丝杆和工作台的转矩惯量在传动系统中所占比重减少，以保证传动精度。对齿轮传动装置的总体要求是传动精度高、稳定性好、灵敏度高、响应速度快。对于开环伺服系统，传动误差将直接影响工作精度，因此，要尽可能缩短传动链的长度，消除传动间隙，以提高传动精度和传动刚度。纵、横向结构示意图如图2.6所示。1 步进电机 2 齿轮减速装置 3 支承装置 4 丝杠 5 托板图2.6 纵、横向结构示意图2.3.3 自动转位刀架的设计自动转位刀架的设计是普通机床数控化改造的关键。它要求刀架要具有抬起、回转、下降、定位和压紧这一系功能。尽管其结构复杂，各方面要求高，但它保持了原本床工件最大回转直径的条件下，提供选用的多把刀的可能性。电动刀架的安装较方便，只要将原车床上的刀架拆下将电动刀架装即可，但要注意两点（1）电动刀台的两侧面应与车床的横向进给方向平行。（2）电动刀台与系统的连线建议如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于：避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、冷却液以及其它杂物磕碰电动刀架系统。下面是数控改造C6140车床自动转位刀架工作原理图2.7所示。1 刀架 2 固定安装丝杠 3 安全离合器 4 电机图2.7 自动转位刀架工作原理图3 纵向进给系统的详细设计与计算经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对车床改造来说，外观不必象产品设计要求的那么高，而从改造方便，实用方面来考虑。一般都把步进电机放在纵向滚珠丝杠的左端。3.1 脉冲当量的确定根据设计任务的要求, 横向进给脉冲当量： ，纵向进给脉冲当量：。3.2 切削力的计算电机初步估算转速为，进给速度根据机械设计手册可知式中 为滚珠丝杠的基本导程；丝杠的最大移动速度；丝杠副最大相对转速；传动比则 所以根据滚珠丝杠基本导程的基本系列可在机械设计手册中查到，选。已知条件工作台重量 步距角 滚珠丝杠基本导程 行程 脉冲当量 快速进给速度 切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率式中 电机功率，查机床说明书，；主传动系统总效率，一般为0.60.7取； 进给系统功率系数，取为。则 又因为切削力应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削速度来计算，即所以 式中 切削线速度，取；主切削力。主切削力由机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时 ， 取 3.3 滚珠丝杠螺母副的设计及计算（1）工作载荷的计算工作负载的数值可机床设计手册中进给牵引力的实验公式计算，对于综合导轨式中 为方向上的切削力；为工作台的重量； 导轨的摩擦系数, ，取为； 考虑颠覆力矩影响的实验系数, 。则（2）最大动载荷计算式中 为滚珠丝杠当量转速； 使用寿命时间。由以上条件，可以确定步进电机与滚珠丝杠齿轮之间的传动比由于电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动，所以滚珠丝杠的转速为 由机械设计手册可知，当量转速在之间变化时取为；则取 则最大动负载 其中 滚珠丝杠的轴向力； 寿命值；运动系数； 硬度系数。根据工作负载寿命，取 ； ；则 根据最大动负载的值，可选择滚珠丝杠的型号。可在机械计手册中查到适合的滚珠丝杠。型号为额定动载荷，所以强度足够用。（3）效率计算根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为式中 为螺旋升角； 为摩擦角。其中 为滚珠丝杠基本导程； 为滚珠丝杠的公称直径。 滚珠丝杠副的滚动摩擦系数,其中摩擦角可计算为则（4）刚度验算滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，将引起基本导程的变化，因滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量为式中 滚珠丝杠的基本导程； 工作负载； 弹性模量， ； 滚珠丝杠截面积（按内径定）；滚珠丝杠截面积其中 式中 滚珠丝杠滚道圆弧偏心距； 滚道圆弧半径。其中式中 滚珠直径； 接触角。根据机械设计手册中的滚珠标准系列选； 则 因此滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略。即所以，导程变形总误差为查表可知3级精度滚珠丝杠允许的螺距误差（1米）长为，故刚度够用。（5）稳定性验算由于滚珠丝杠两端采用固定支承，所以稳定性没有问题。3.4 齿轮传动的计算有关齿轮计算传动比故取； ； ； ； ； 3.5 步进电动机的选择（1）工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 丝杠的转动惯量 式中 滚珠丝杠的公称直径； 丝杠长度。则 齿轮的转动惯量 电机的转动惯量很小可忽略。因此，总转动惯量 （2）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩最大切削负载时所需力矩快速进给时所需力矩式中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；折算到电机轴上的摩擦力矩；由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；切削时折算到电机轴上的加速度力矩；折算到电机轴上的切削负载力矩。 当时 当时 当时， 时 当时预加载荷，则 所以，快速空载启动所需力矩 切削时所需力矩 快速进给时所需力矩由上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时：（3）数控改造C6140纵向进给系统步进电机的确定为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知所以，步进电机最大静转距为步进电机最高工作频率综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电动机，能满足要求7-12。4 传动间隙的调整与预紧及导轨的设计4.1 滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧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，其结构型式有两种。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4.1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4.1 双螺母垫片式结构图（2）螺帽调隙式 图4.2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。1、2 锁紧螺帽图4.2 双螺母帽式结构图4.2 进给系统传动齿轮间隙的消除（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。（2）减少或消除空程的必要性和方法（a）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。（b） 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。双片薄齿轮错齿调整机构如图4.3所示。图4.3 双片薄齿轮错齿调整机构4.3 数控改造C6140车床导轨设计（1）导轨的作用导轨的作用主要是对运动部件起导向和支撑作用，也就是支撑运动部件（如刀架、工作台等），并保证运动部件在外力作用下能准确沿着规定方向运动。因此，导轨的制造精度及性能对机床加工精度、承载能力等有着重要影响。数控机床对导轨主要有以下几方面要求。（a）导向精度高 导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时与有关基面之间的相互位置的准确性。无论空载还是加工，导轨都应具有足够的导向精度。这是对导轨的基本要求。各种机床对于导轨本身的精度都有具体的规定或标准，以保证导轨的导向精度。（b）精度保持性好 精度保持性是指导轨能否长期保持原始精度。影响精度保持性的主要因素是导轨的磨损，此外，还与导轨的结构形式及支撑件（如床身）的材料有关。数控机床的精度保持性要求比普通机床高，应采用摩擦系数小的滚动导轨，塑料导轨或静压导轨。（c）足够的刚度 机床各运动部件所受的外力，最后都由导轨面来承受，若导轨受力后变形过大，不仅破坏了导向精度，而且恶化了导轨的工作条件。导轨的刚度主要取决于导轨类型、结构形式、尺寸大小、导轨与机床本身的连接方式、导轨材料、表面加工质量等。数控机床的导轨截面积通常较大，有时还需要在主导轨外添加辅助导轨来提高刚度。（d）良好的摩擦特性 数控机床导轨的摩擦系数要小，而且动、静摩擦因数应尽量接近，以见效摩擦阻力和导轨热变形，使运动轻便平稳，低速无爬行。此外，导轨结构工艺性要好，便于制造和装配。便于检验、调整和维修，而且有合理的导轨防护、润滑设施等。机床导轨按其接触面间的摩擦性质可以分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三种。目前，数控机床上常用有直线滚动导轨副和镶粘塑料的滑动导轨。（2）塑料导轨软带导轨软带的材料以聚四氟乙烯为机体，加入青铜粉、二硫化钼、石磨等填充药混合烧结，并做成厚度为0.1-2.5mm的软带状。目前比较常见的导轨软带有国外的Turcite-B导轨软带以及国产TSF塑料软带。塑料导轨软带有以下几个显著的特点。图4.4 滑动导轨的摩擦速度特性曲线（a）摩擦性能好 铸铁淬火导轨副的静摩擦因数、动摩擦因数相差较大，几乎相差一倍。而金属聚四氟乙烯导轨软带的静、动摩擦因数基本不变。图4.4为TSF-铸铁导轨和铸铁-铸铁导轨的摩擦-速度特性曲线。由图可见，铸铁-铸铁导轨副即使在有润滑的条件下，摩擦因数也很大，且随速度v的增大而降低，摩擦-速度曲线斜率为负值。而塑料-铸铁导轨副的摩擦因数很低，曲线为正斜率，无论干摩擦或有润滑都是这样，表明了具有良好的摩擦特性，能防止低诉爬行。（b）耐磨性好 除了摩擦因数低外，聚四氟乙烯导轨软带材质中含有青铜、二硫化钼和石墨，因此，本是很即具有润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式供油即可。此外塑料质地较软，即便嵌入金属碎屑、灰尘等，也不至损伤金属导轨面和软带本身，可延长导轨副的使用寿命。（c）减振性好 塑料有很好的阻尼性能，其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大的意义。（d）工艺性能好 可降低对粘贴塑料的金属导轨基体的硬度和表面治疗要求，而且塑料易于加工，使导轨副接触面获得良好的表面质量。此外，还有化学稳定性好，维修方便，经济性好等优点。图4.5 塑料导轨软带的粘结塑料导轨软带的粘结方法简单，通常采用黏结材料将其贴在所需处，作为导轨表面。其工艺如下：首先将导轨粘贴面加工至表面粗糙度3.21.6，有时为了起定位作用，导轨粘贴面加工成0.51mm深的凹槽，如图4.5所示；用汽油或金属清洗或丙酮清洗导轨粘贴面后，用胶黏剂粘合导轨软带，加压初固化12h后再合拢到配对的固定导轨或专用夹具上施以一定的压力，并在室温固化24h，取下清除余胶，即可开油槽和进行精加工13-16。5 数控系统硬件电路设计和软件设计5.1 数控系统基本硬件组成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，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成。（1）中央处理单元CPU。（2）总线。包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。（3）存贮器。包括只读可编程存贮器和随机读写存贮器。（4）I/O输入/输出接口电路。其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路直协调工作。存贮器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU与存贮器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图如5.1所示。图5.1 数控系统硬件框图由于MCS51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，如南京大方数控设备公司生产的JWK系列数控产品。5.2 单板机控制系统的设计（1）主要技术特性及硬件配置中央处理器为Z80CPU,系统时钟为1.9968MHz，晶体频率为3.9936 MHz。存储器选用4片2K*8位的只读可编程存储器2716（EPROM）和4片2K*8位随机（读写）存储器（RAM）6116。监控程序固化在EPROM2716中，占用2K字节（即一片2716），各功能模块存放在另一片EPROM2716中，剩下的两片2716可用于存放常用零件加工程序。四片6116RAM用于调试程序存放和运行的中间数控的存放，也可以存放用户加工程序，而ROM中只存系统程序。选用三片Z80PIO，现需扩展两片。PI(U19)中PA1PA8为米字LED 管字形驱动输出口，PB0为主轴同步信号输入口，PB1 为刀具回答信号输入口，PB2为行程限位中断信号输入口；PB3为急停中断信号输入口，PB4PB7为+X，-X,+Z，-Z四个手动方向键输入口。PIO2(U20)中PA0PA3为T01T04四把刀具信号输入口，PA4PA7为备用输入口，也可作S01S04信号输入口。PB0为启动，PB1为暂停。PIO3(U18)中PA0PA2为X向步进电机的输入口，PA3PA5为Z向步进电机的输入口，PB0PB4依次为M03、M04、M05等M功能辅助指令信号输入口，PB5为Z/X坐标现实性选择信号输入口。选用Z80CTC计算器/定时器芯片一片，它的4个通道中0#和3# 在用户程序中使用，其余由监控程序使用。原显示器为6位LED构成。现扩展为8位，并增设一片位锁存器74LS273，其中7个数码管，1个米字管。TP801A有31个键，包括16个数字键，14个命令键及一个复位键。根据设计要求，除了保留数字键、复位键及部分命令键外，其余均重新定义，新定义的功能键与原功能键对应关系见表1。 表1 功能键的新定义（2）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。（3）步进电机的驱动电路图5.2 步进电机驱动电路（A相）步进电机驱动电路的主要功能是功率放大，它将光电隔离电路送来的弱信号经功率放大，变成较强的电信号，直接驱动步进电机。它分单电源和双电源型。单电源型线路简单，但效率不高，所以选用双电源型。双电源型采用高低压供电电路，如图5.2所示。当控制脉冲来时，V1、V2、V3、V4全导通，并使脉冲变压器Tc的副边产生一定宽度的脉冲电流，使V2导通，使V5处于反向偏置，将低压Ga与绕组La切断，高压电源Gh通过V2、V1为步进电机某一相绕组La供电，使其电流上升沿变陡。经过时间后脉冲电流消失，使V2截至，Gh与绕组之间被切断。Ga通过V5、V1为La供电，提供电动机所需的额定电流、通过调整脉冲变压器的磁芯和R5可改变高压供电的时间宽度。（4）数码管及键盘的驱动电路由于这些电路的电流较小，故使用TTL电路即可驱动。如半导体数码管，发光二极管发亮时，所需电流约为220Ma，压降为1.22.4V，因此，用于字母管的字形驱动选用74LS06；用于键盘和字位锁存电路的驱动，选用74LS273。5.3 软件设计软件采用模块化设计。主要包括主模块，子程序模块和定时中断模块等。（1）主程序主程序即系统管理程序，开机后即执行该程序，其功能是做好数控加工的准备，对CTC，PIO初始化，对外部设备初始化（如队MTS功能接口），步进电机置初态等。开放中断，然后根据工作方式，选择开关的位置，转入各工作方式处理模块。（2）自动加工模块程序当工件方式选择开关为自动加工时，转入自动加工模块程序，其功能是：从目录区域找到要加工零件程序的首址和末址，从RAM中逐段取出用户零件程序，校对无语法错误后，对功能字译码，再转入各功能模块进行处理，执行完一段用户程序后，再取下一段执行，直至加工完毕，再返回系统管理程序。（3）逐点比较法圆弧插补程序设计（a）逐点比较法插补原理是：进给机构每一步后，计算出新坐标点的位置与加工曲线理想位置的偏差，根据偏差的正负确定下一步进给方向，以逼近理想位置，最后加工出零件外形。一个插补循环由四个节拍组成，即偏差判别、进给、偏差计算和终点判别。（b）逐点比较法圆弧插补算法相对或绝对坐标编程时的终点坐标计算如图5.3所示图5.3 相对或绝对坐标编程 当（XD、ZD）=（XE，ZE）时，终点到式中（XA、ZA）起点坐标（XD、ZD）动点坐标（XE、ZE）终点坐标XA、ZA、XD、ZD、XE、ZE、FUN各为3个字节图5.4 圆弧插补数据预处理程序（4）圆弧插补数据预处理程序从Y轴的负方向看XZ单面上的圆弧（即从纸里面向纸外面看）将圆弧分为顺圆G02和逆圆G03，根据刀具进给规律，又将它们分为类和类圆弧，即进给时，X增加，Z减少的圆弧为类：X减少，Z增加的圆弧为类，如图5.4所示偏差判别函数FUN：起点偏差：若加工点在圆上或圆外，若加工点在圆内， 当X时， ；当Z时， 。为减少插补运算时间，令动点坐标，则当X时，；当Z时，。程序中，首先将I、K、U/X、W/Z坐标由十进制换算成二进制取补，再给XD、ZD、XE、ZE赋值，换算根据XD、ZD是否同号和是否为G02，确定圆弧类型，若为类，则FLAG：0赋1，否则是1赋0。再根据XD、ZD是否为0等条件决定进给方向，最后送插补程序进行插补1718。结束语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C6140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。本文主要是采用微机数控技术对最大加工直径为400mm的普通卧式车床进行改造。首先对普通卧式车床的改造任务和功能需求进行了认真分析，其次是对卧式车床数控化改造总体方案的设计和纵向进给系统机械部分的设计与计算，由于时间的原因纵向进给系统控制部分硬件与软件设计有所考虑，但做的不够完善，当然还存在一些不足之处，恳请各位老师批评与指正。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 谢本设计是在南京理工大学泰州科技学院机械工程及自动化专业所有教师的悉心指导下完成的。我系教师们严谨的治学态度，丰富的专业知识和工作经验，平易近人的优秀品质，对我产生了良好而深远的影响。 在设计进行期间，得到南京理工大学张卫老师和南京理工大学泰州科技学院张少文老师的大力支持和帮助，他们不仅在学业上给予我很多帮助，提出了很多宝贵意见，而且在生活上也给予了我无微不至的关怀，使我顺利的完成了设计，尤其是张老师工作勤勤恳恳，兢兢业业，从不计较个人得失的高尚品质给我留下了深刻的印象。对我以后的工作、生活起到了榜样的作用。 在设计后期审图工作交由张少文老师负责，张老师认真负责的态度，一丝不苟的精神使我受益非浅。 在此，我向所有在我设计期间曾给予我帮助的老师，同学们表示最真诚的感谢。参 考 文 献1 罗永顺. 机床数控改造技术M. 北京: 机械工业出版社，2007.2 龚仲华. 数控技术M. 北京: 机械工业出版社，2003，3247.3 陈婵娟. 数控车床设计. 北京：化学工业出版社，2006.4 尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书M.北京:机械工业出版社,2007.5 梁景凯,盖玉先.机电一体化技术与系统M.北京:机械工业出版社,2007.6 张建民.机电一体化系统设计M.北京:高等教育出版社,2007.7 成大先.机械设计手册M. 第三版，北京：化学工业出版社,2000.8 朱大先. 金属切削手册M. 上海: 上海科学技术出版社，2001.9 哈工大. 机床设计图册M. 上海: 上海科学技术出版社，1983，1533.10 李洪. 实用机床设计手册M. 辽宁: 辽宁科学技术出版社，1999.11 成大先. 机械设计手册M. 第四版，北京: 化学工业出版社，2002.12 张永康. 金属切削原理与刀具M. 北京:机械工业出版社，2001，2544.13 冯辛安.机械制造装备设计M.北京:机械工业出版社,1999.14 韩建海.数控技术及装备M.武汉:华中科技大学出版社,2007.15 孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理M.第七版,北京:高等教育出版社,2006.16 刘朝儒,吴志军,高政一.机械制图M.第五版,北京:高等教育出版社，2006.17 严爱珍. 机床数控原理与系统M. 北京: 机械工业出版社，1999，4895.18 王勇章. 机床的数字控制技术M. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社，1995，92103.