1、目 录 1 概 论 . - 2 - 1.1 数控机床应用的局限性 . - 2 - 1.2 机床数控化改造的优点 . - 2 - 2 总体方案设计 . - 3 - 3 进给伺服系统机械部分设计计算与校核 . - 4 - 3.1 机械结构改装设计 . - 5 - 3.1.1 方案的确定 . - 5 - 3.2 计算切削力 . - 5 - 3.2.1 纵车外圆 . - 5 - 3.2.2 横切端面 . - 5 - 3.3 滚珠丝杠副的计算和选型 . - 6 - 3.3.1 纵向进给丝杠 . - 6 - 3.3.2 横向进给丝杠 . - 8 - 3.3.3 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数 . - 10
2、- 3.4 齿轮传动比计算 . - 11 - 3.4.1 纵向进给齿轮箱传动比计算 . - 11 - 3.4.2 横向进给齿轮箱传动比计算 . - 11 - 3.5 步进电机的计算和选型 . - 12 - 3.5.1 纵向进给步进电机 . - 12 - 3.5.2 横向进给步进电机 . - 15 - 4 进给伺服系统机械部分结构设计 . - 18 - 4.1 进给伺服系统总图设计 . - 18 - 4.2 进给伺服系统的装配图 . - 19 - 5 微机控制系统硬件电路设计 . - 20 - 5.1 硬件电路一般要求 . - 20 - 5.2 控制系统的组成及功能 . - 20 - 5.2.1
3、 CPU、存储器、 I/O 接口电路扩展 . - 20 - 5.2.2 控制系统的功能 . - 22 - 5.3 步进电机控制电路 . - 22 - 5.3.1 步进电机半闭环驱动原理 . - 22 - 5.3.2 脉冲分配 . - 23 - 5.3.3 驱动电路 . - 23 - 5.3.4 其他辅助电路 . - 24 - 6 微 机控制系统的软件设计 . - 24 - 7 机床的加工程序编制 . - 29 - 参考文献 . - 31 - 致谢 . - 32 - 附录 - 33 - CA6140车床数控改造设计说明书 - 2 - 1 概 论 数控机床与通用机床相比，增加了功能，提高了性能，简
4、化了结构，较好地解决形状复杂、精密、小批及形状多变零件的加工问题，能够获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。 1.1 数控机床应用 的局限性 （ 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，各企业都有大量的通用机床，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又会造成浪费。 （ 3） 在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。 （ 4） 通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。 要较好地解决上述问题，通用机床数控化改造便是很好的对策。通用机床的数控化改造就在通用机
5、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。这一工作早在 20 世纪 60 年代已经开始时迅速发展，并有专门企业经 营这门业务。目前，在国外已发展成为一个新兴的工业部门。从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有 26%的机床经过数控改造，中小企业则多达 74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地担供数控化改造业务。中国是拥有 300 多万台机床的国家，其中大部分都是多年累积生产的通用机床，如卧式车床和各种铣床等，自动化程度低，要想在近几年来内用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的。因此
6、，通用机床的数控化改造大有可为。它适合中国的经济水平、生产水平和教 育水平，已成为中国设备技术改造主要方向之一 1.2 机床数控化改造的优点 （ 1） 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。可以提高固定资产的使用效率。 （ 2） 适应多类、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） 降低对工人操作技术水平的要求。 （ 5） 数控改造费用低，经济性好。 （ 6） 数控改造的周期较短，可满足生产急需。 十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济
7、型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大 ，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是CA6140车床数控改造设计说明书 - 3 - 80 年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；而且在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。 2 总体方案设计 CA6140 是金属切削机床加工中最常用的一类机床， CA6140 普通车床的布局如下图 2.1 所示。 图 2.1 CA
8、6140 普 通车床的结构布局 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，借助于成型刀具，还能加工各种回转表面。普通车床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杆或丝杆带动纵溜板、横溜板的移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作，刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进进给系统改造成为微机控制的，能独立运动的进给系统，刀架改造为能自动换刀的回转刀架 。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于切
9、削过程中切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动运行，调节和更换，再加上纵向和横向联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复查的回转零件，并能实现多工序自动加工车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适合小批量多品种复查零件的加工。 本设计属经济型数控化改造，基本原则是在满足使用要求的前提下，对车床的改动尽可能少，总体方案如下： （ 1）数控系统选用连续控制系统，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及圆弧插补功能，还 要能暂停，进行循环加工和螺纹加工等。 CA6140车床数控改造设计说明书 - 4 - （ 2）进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。车床数控化改造设计后属于
10、经济型 数控车床，在保证一定加工精度的前提下，既简化了结构又降低了成本。 （ 3）选择 MCS-51 系列单片机扩展系统，根据普通车床最在加大尺寸，加工精度，控制速度以及经济性要求，经济型数控改造一般采用 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，具有很高的性能价格比。 （ 4）根据系统的功能要求机数控系统中除了 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；包括输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床加工状态信息的显示器，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到
11、的光电脉冲编码器和其它辅助电路。 （ 5）设计自动回转刀具其控制电路。 （ 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，滚珠丝杆螺母副组成，其传动比满足机床所有要求的分辨率。 （ 7）选用摩擦小，传动效率高的滚珠丝杆螺母副，并有预紧机构，以提高传动系统的刚度和消除间隙，齿轮副采用双片齿轮消除间隙的机构，这样才能保证进给伺服系统的传动 精度和平稳性。 （ 8）为减少导轨的摩擦力，采用贴塑导轨。 （ 9）原机床的主要结构布局不变，尽量减少改动方案，以降低成本，缩短改造周期。 （ 10）机械结构改装部分注意装配工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便；需经常调整的部位调
12、整方便。系统改造总图方框图如图 2.2 所示。 图 2.2 CA6140 型改装数控进给伺服系统总体方框 CA6140车床数控改造设计说明书 - 5 - 3 进给伺服系统机械部分设计计算与校核 3.1 机械结构改装设计 3.1.1 方案的确定 进给系统改装设计需改动的主要部件有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板及刀架等。当 然改造方案不是唯一的，下面是我的改装方案 : 挂轮架部分：全部拆除，在原挂轮主传动轴处安装光电脉冲编码器。 进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与一级齿轮减速机构，原丝杆，光杆和操作杆拆去，齿轮减速机构直接与纵向滚珠丝杆相连，滚珠丝杆另一端支承座安装在车床尾座端原来装
13、轴承座部位。 溜板箱部分：全部拆除，在原处安装滚珠丝杆中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。 横向溜板部分：将原横溜板中的丝杆螺母副拆除，将横向进给步进电机与二级齿轮减速箱总成安装在横向溜板后并与滚珠丝杆相连。 刀架：拆除原刀架，改装自动 回转四方刀架总成。 改装后机床总体布置见附图 1 进给伺服系统机械部分的计算与选型包括：确定脉冲当量，导轨的选型与计算，计算切削力，滚珠丝杆的设计，计算与选型，齿轮传动计算，步进电机的计算和选型等。 根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向： 0.01mm/step,横向： .005mm/step。 3.2 计算切削力 3.2.1 纵车外圆 主切削力 Fz(N)按经验
14、公式估算： Fz=0.67Dmax 5.1 -3.1 =(0.67 4005.1 )N=5360N 按切削力各分力比例 : Fz： Fx： Fy=1： 0.25： 0.4 -3.2 Fx=(5360 0.25)N=1340N Fy=(5360 0.4)N=2144N 3.2.2 横切端面 主切削力 Fz (N)可取纵切的 1/2 Fz =1/2 Fz=2680N 此时走刀抗力为 Fy (N),吃刀抗力为 Fx (N). 仍按上述比例粗略计算： Fz： Fx： Fy =1： 0.25： 0.4 -3.3 Fy = (2680 0.25)N=670N CA6140车床数控改造设计说明书 - 6 -
15、 Fx =（ 2680 0.4） N=1072N 切削力示意图如图 3.1 图 3.1 纵切外圆及横切端面切削力示意图 3.3 滚珠丝杠副的计算和选型 3.3.1 纵向进给丝杠 (1)计算进给牵引力 Fm(N) 纵向进给为综合型导轨 ,参考机床设计手册 .3及综合作业指导书 P22 Fm=KFx+f(Fz+G) -3.4 =1.15 1340+0.16(5360+1500)N=2638.6N 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： 0.15 0.18； G-溜板及刀架重力 ,取 1500N。 （ 2）计算最大动负载 C C=3L fw Fm -
16、3.5 L=60nT/106 n=1000 Vs /L。 式中 L。 -滚珠 丝杠导程，初选 6mm； Vs-最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的 1/2 1/3，此处 Vs 为 0.5m/min； T-使用寿命，按 15000h； fw -运转系数，按一般运转取 1.2 1.5； L-寿命以 106 转为 1 单位。 CA6140车床数控改造设计说明书 - 7 - n=1000Vs/L。 =1000 0.5 0.5/6 r/min=41.67r/min L=60 n T/106 =60 41.67 15000/10=37.5 C= 3L fw Fm=37.5 1.2 2368.6N=1
17、0598.2N （ 3）滚珠丝杠螺母副的选型 查阅综合作业指导书附录 A 表 A-3，可采用 CD4006 外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副， 1 列 2.5 圈，其额 定动负载为 16400N，精度等级按综合作业指导书表 3-17 选为 3 级（大致相当于老标准 E 级）。 （ 4）传动效率计算 =tan /tan( + ) -3.6 式中 -螺旋升角， CD4006 =2 44 -摩擦角取 10滚动摩擦系数 0.003 0.004 = tan /tan( + )=tan2 44 /tan(2 44 +10 )=0.94 （ 5）刚度验算 先画出此向进给滚珠丝杠支承方式草图如图 1 所示
18、。最大牵引力为 2368.6N。支承间距L=1500mm 丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 1/3。 图 3.2 车床纵向进给系统计算简图 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 查综合作业指导书图 3-4，根据 Fm=2639N,D。 =40mm,查出 L /L=0.8 105 ,可算出：1 = L /L 1500=（ 0.8 105 1500） mm=1.2x102 mm 由于两端均采用推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高 4 倍。其实际变形量 1 （ mm）为 : 1 = 1 1/4=0.3 102 mm 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 查综合作业指导书图 3-5，
19、W 系列 1 列 2.5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 Q ： Q =6.4 m 因进行了预紧， 2 = Q 1/2=1/2 6.4 m=3.2 m CA6140车床数控改造设计说明书 - 8 - 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3 采用 8206 型推力球轴承， d1=35mm,滚动体直径 dQ=6.35mm,滚动 体数量 z=18, c =0.000523 22 /dQzFm =0.00052 3 218*35.6/2639 mm=0.0078mm 注意，此公式中 Fm 单位应为 N。 因施加预紧力，故 3 = c 1/2=1/2 0.0078mm=0.0039mm 根据以上计算： = 1
20、+ 2 + 3 =（ 0.003+0.0032+0.0039） mm=0.0101mm nk 一般 nk =2.5 4，此滚珠丝杠不会产生失稳。 3.3.3 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数 其几何参数见表 3.1。 表 3.1 CD4006 及 W2505 滚珠丝杠几何参数 单位（ mm） 参数名称 符号号号 关系式 CD4006 W2505 螺纹滚道 公称直径 d。 40 25 导程 L。 6 5 接触角 2 44 3 39 钢球直径 dq 3.969 3.175 滚道法面半径径 R R=0.52 dq 2.064 1.651 偏心距 e e=(R- dq /2)sin 0.056 0.045
