CA6140车床改造总体设计方案本科毕业设计论文.doc

兰州工业学院毕业设计(论文) i 摘 要 ca6140 车 床 改 造 总 体 设 计 方 案 的 内 容 包 括 ： 系 统 运 动 方 式 的 确 定 ， 主 要 是 用 滚 珠 丝 杠 代 替 原 有 丝 杠 。 伺 服 系 统 的 选 择 ， 主 要 是 用 伺 服 电 机 带 动 工 作 台 运 动 。 执 行 机 构 及 传 动 方 式 的 确 定 、 数 控 系 统 的 选 择 等 内 容 ， 应 仔 细 考 虑 各 种 高 性 能 、 自 动 化 等 要 求 ， 也 要 考 虑 被 改 造 机 床 的 具 备 条 件 ， 是 技 术 的 先 进 性 与 经 济 性 的 合 理 性 较 好 的 统 一 。 设 计 任 务 ： 利 用 单 片 机 控 制 技 术 对 ca6140 型 车 床 的 横 向 系 统 进 行 控 制 。 其 横 向 脉 冲 当 量 为 0.005mm/脉 冲 ， 驱 动 元 件 采 用 伺 服 电 机 。 软 件 方 面 ， 设 计 采 用 模 块 化 结 构 ， 以 便 于 系 统 功 能 的 扩 展 。 分 为 三 块 ： 手 动 操 作 、 加 工 、 编 辑 。 改 造 后 的 车 床 能 够 完 成 机 床 主 轴 的 启 动 ， 停 止 和 变 速 ， 纵 向 和 横 向 进 给 运 动 的 行 程 和 变 速 ， 刀 具 的 变 速 和 冷 却 ， 都 可 以 自 动 控 制 ， 并 具 有 车 削 螺 纹 和 锥 螺 纹 等 自 动 循 环 机 能 。 在 该 机 床 中 采 用 液 压 尾 座 快 换 刀 架 和 机 床 外 对 刀 装 置 。 该 机 床 适 用 于 加 工 形 状 复 杂 ， 中 小 批 量 的 零 件 。 对 一 般 车 削 加 工 任 意 锥 面 、 球 面 、 螺 纹 端 面 、 回 转 面 等 加 工 工 序 ， 能 控 制 主 轴 的 开 停 变 速 及 一 些 辅 助 功 能 ， 使 加 工 实 现 自 动 化 。 自 动 转 位 刀 架 的 设 计 是 普 通 机 床 改 造 机 械 方 面 的 关 键 。 由 微 型 控 制 的 自 动 转 位 具 重 复 定 位 精 度 高 、 工 作 刚 性 好 、 性 能 可 靠 、 使 用 寿 命 长 以 及 工 艺 性 能 好 等 特 点 。 关 键 词 ： ca6140； 伺 服 电 机 ； 滚 珠 丝 杠 兰州工业学院毕业设计(论文) ii abstract the overall design scheme of ca6140 lathe includes: determining system modes of motion, is mainly used to replace the original screw of ball screw. the selection of servo system, mainly with servo motor to drive the table movement. sure, actuators and transmission mode of cnc system choice, should carefully consider all kinds of high performance, automation and other requirements, also want to consider the conditions by reconstruction of machine tools, advanced and economic technology rationality better unity. the design task: to control the lateral system using single- chip microcomputer control technology of ca6140 lathe. the transverse pulse equivalent to 0.005mm/ pulse, the driving element adopts servo motor. in terms of software, design uses the modular structure, in order to expand for the system. divided into three blocks: manual operation, processing, editing. after the transformation of the lathe can complete machine tool spindle start, stop and speed, distance of longitudinal and transverse feed motion of the tool and gear, gear and cooling, can automatic control, and has the cutting thread and taper thread automatic circulation function. hydraulic tailstock quick change tool and machine tool setting device in the machine tool. this machine is suitable for machining of complex shape, medium and small 兰州工业学院毕业设计(论文) iii quantities of parts. processing of general lathe machining arbitrary cone, sphere, thread end, rotary surface processes, can control the start stop transmission shaft and some assistant functions, so that the processing automation. design of automatic turret is the key of ordinary machine tools mechanical aspects. the automatic indexing of micro control with the characteristics of high accuracy, good rigidity, reliable performance, long service life and good technological performance etc. key word: ca6140；servo motor；ball screw 兰州工业学院毕业设计(论文) 目 录 摘 要 .i abstract ii 1 绪 论 1 1.1 国内外数控系统发展概况 .1 1.2 数控机床优势概述 .2 1.2.1 数控车床改造的意义 .2 1.2.2 普通车床数控化改造的优点 .2 1.3 改造的可行性论证 .3 1.4 机床改造的必要性 .3 2 ca6140 型普通车床数控化改造方案的设计与确定 5 2.1 分析 ca6140 型普通车床的加工特点 5 2.2 总体方案设计 .5 2.3 总体方案的确定 .5 3 ca6140 数控车床横向传动结构设计 7 3.1 ca6140 数控车床的主要技术参数 .7 3.2 数控机床的改造要求与伺服电机的选用 .7 3.2.1 数控机床的改造要求 .7 3.2.2 伺服电机的工作原理 .8 3.2.3 伺服电动机的选用 .9 3.3 丝杠螺母副 10 3.3.1 滚珠丝杠副传动部件 10 兰州工业学院毕业设计(论文) 3.3.2 滚珠丝杠副的原理、特点及有关应用中的问题 11 3.3.3 滚珠丝杠副的支撑 11 3.3.4 安装调整中应注意的问题 13 3.4 主传动系统的设计 14 3.4.1 主传动系统的改造 14 3.4.2 主运动系统转速图的设计 15 3.4.3 主轴的变速反转和制动 15 3.4.4 主轴脉冲发生器的安装方式 15 3.4.5 控制类型的确定 16 3.4.6 传动方面改造设计 16 4 进给系统的改造 .19 4.1 纵向进给系统的设计 19 4.1.1 切削力计算 19 4.1.2 纵向滚珠丝杠设计计算 20 4.1.2 步进电动机的选择 22 4.2 横向进给系统的计算 23 4.2.1 横向滚珠丝杠设计计算 24 4.2.2 步进电动机的选择 26 4.3 进给伺服系统 27 4.4 进给系统机械传动部分改造 28 5 ca6140 车床数控化改造电气部分改造设计 .30 5.1 数控系统操作及参数说明 30 5.2 系统参数 30 兰州工业学院毕业设计(论文) 5.3 nim-9702 数控系统接口 32 5.4 系统电源 32 5.5 系统的接地 33 5.6 开关量 i/o 信号的电特性 33 5.7 系统信号 i/o 的连接 33 6 数控机床的安装调试及验收 .36 6.1 机床的地基和对环境的要求 36 6.2 各控制单元间的电缆连接 36 6.3 通电试车前的检查 36 6.3.1 检查直流电源输出端是否正常 36 6.3.2 检查各熔断器 37 6.3.3 短接棒的设定 37 6.3.4 检查油和气 37 6.3.5 确认各部件机器位置 37 6.4 通电试车 37 6.4.1 确认试车 37 6.4.2 确认电源电压相序 37 6.4.3 接通强电柜交流电源 38 6.4.4 接通直流电源 38 6.4.5 向数控装置供电 38 6.4.6 数控系统参数核对 38 6.4.7 手动操作 38 6.4.8 主轴与辅助装置通电 39 兰州工业学院毕业设计(论文) 6.4.9 空运行及有关性能试验 39 总 结 40 致 谢 41 参考文献 42 兰州工业学院毕业设计（论文） 1 1 绪 论 1.1 国内外数控系统发展概况 机 床 作 为 机 械 制 造 业 的 重 要 基 础 装 备 ， 它 的 发 展 一 直 吸 引 着 人 们 的 关 注 。 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 。 随 着 计 算 机 技 术 的 高 速 发 展 ， 传 统 制 造 业 发 生 了 根 本 性 变 革 ， 各 工 业 发 达 国 家 投 入 巨 资 ， 对 现 代 制 造 技 术 进 行 研 究 开 发 ， 提 出 了 全 新 的 制 造 模 式 。 在 现 代 制 造 系 统 中 ， 数 控 技 术 是 关 键 技 术 ， 它 集 微 电 子 、 计 算 机 、 信 息 处 理 、 自 动 检 测 、 自 动 控 制 等 高 新 技 术 于 一 体 ， 具 有 高 精 度 、 高 效 率 、 柔 性 自 动 化 等 特 点 ， 对 制 造 业 实 现 柔 性 自 动 化 、 集 成 化 、 智 能 化 起 着 举 足 轻 重 的 作 用 。 目 前 ， 数 控 技 术 正 在 发 生 根 本 性 变 革 ， 由 专 用 型 封 闭 式 开 环 控 制 模 式 向 通 用 型 开 放 式 实 时 动 态 全 闭 环 控 制 模 式 发 展 。 在 集 成 化 基 础 上 ， 数 控 系 统 实 现 了 超 薄 型 、 超 小 型 化 ； 在 智 能 化 基 础 上 ， 综 合 了 计 算 机 、 多 媒 体 、 模 糊 控 制 、 神 经 网 络 等 多 学 科 技 术 ， 数 控 系 统 实 现 了 高 速 、 高 精 、 高 效 控 制 ， 加 工 过 程 中 可 以 自 动 修 正 、 调 节 与 补 偿 各 项 参 数 ， 实 现 了 在 线 诊 断 和 智 能 化 故 障 处 理 ； 在 网 络 化 基 础 上 ， cad/cam 与 数 控 系 统 集 成 为 一 体 ， 机 床 联 网 ， 实 现 了 中 央 集 中 控 制 的 群 控 加 工 。 长 期 以 来 ， 我 国 的 数 控 系 统 为 传 统 的 封 闭 式 体 系 结 构 ， cnc 只 能 作 为 非 智 能 的 机 床 运 动 控 制 器 。 加 工 过 程 变 量 根 据 经 验 以 固 定 参 数 形 式 事 先 设 定 ， 加 工 程 序 在 实 际 加 工 前 用 手 工 方 式 或 通 过 cad/cam 及 自 动 编 程 系 统 进 行 编 制 。 cad/cam 和 cnc 之 间 没 有 反 馈 控 制 环 节 ， 整 个 制 造 过 程 中 cnc 只 是 一 个 封 闭 式 的 开 环 执 行 机 构 。 在 复 杂 环 境 以 及 多 变 条 件 下 ， 加 工 过 程 中 的 刀 具 组 合 、 工 件 材 料 、 主 轴 转 速 、 进 给 速 率 、 刀 具 轨 迹 、 切 削 深 度 、 步 长 、 加 工 余 量 等 加 工 参 数 ， 无 法 在 现 场 环 境 下 根 据 外 部 干 扰 和 随 机 因 素 实 时 动 态 调 整 ， 更 无 法 通 过 反 馈 控 制 环 节 随 机 修 正 cad/cam 中 的 设 定 量 ， 因 而 影 响 cnc 的 工 作 效 率 和 产 品 加 工 质 量 。 由 此 可 见 ， 传 统 cnc 兰州工业学院毕业设计（论文） 2 系 统 的 这 种 固 定 程 序 控 制 模 式 和 封 闭 式 体 系 结 构 ， 限 制 了 cnc 向 多 变 量 智 能 化 控 制 发 展 ， 已 不 适 应 日 益 复 杂 的 制 造 过 程 ， 因 此 ， 对 数 控 技 术 实 行 变 革 势 在 必 行 。 1.2 数控机床优势概述 1.2.1 数控车床改造的意义 我 国 现 在 拥 有 数 量 多 达 300 多 万 台 的 通 用 机 床 ， 其 中 大 部 分 机 床 的 加 工 精 度 、 生 产 率 和 自 动 化 程 度 与 先 进 设 备 相 比 不 高 ， 要 想 在 几 年 内 大 量 地 用 数 控 机 床 来 更 新 ， 无 论 在 资 金 上 还 是 技 术 力 量 上 都 是 难 以 实 现 的 。 但 如 果 利 用 数 控 技 术 根 据 需 要 对 现 有 机 床 加 以 改 造 ， 不 仅 能 实 现 机 床 的 自 动 化 ， 提 高 机 床 的 加 工 精 度 ， 而 且 投 资 少 、 见 效 快 ， 适 合 我 国 的 生 产 力 水 平 。 因 此 ， 利 用 数 控 技 术 改 造 旧 设 备 已 成 为 我 国 推 广 全 功 能 数 控 机 床 的 过 渡 手 段 。 1.2.2 普通车床数控化改造的优点 (1)有 利 于 企 业 技 术 的 提 高 ， 节 约 成 本 数 控 机 床 与 普 通 机 床 相 比 ， 有 很 大 的 优 势 ， 数 控 机 床 具 有 高 度 柔 性 ， 加 工 精 度 高 ， 加 工 质 量 稳 定 、 可 靠 ， 生 产 率 高 ， 改 善 劳 动 条 件 ， 利 于 生 产 管 理 现 代 化 ； 而 普 通 机 床 精 度 低 ， 效 率 低 ， 适 合 批 量 较 小 ， 精 度 要 求 不 高 ， 零 活 类 零 件 。 它 投 资 较 数 控 低 ， 但 对 工 人 的 操 作 技 能 要 求 较 高 ， 因 此 工 人 工 资 水 平 高 。 这 样 会 大 大 的 加 大 企 业 的 支 出 ， 对 企 业 的 收 入 也 是 有 所 影 响 的 。 (2)有 利 于 数 控 化 市 场 的 扩 大 订 购 新 的 数 控 机 床 的 交 货 周 期 一 般 较 长 ， 往 往 不 能 满 足 用 户 的 需 要 ， 而 改 造 的 数 控 机 床 能 够 适 应 市 场 对 产 品 多 样 化 和 高 精 度 的 要 求 。 因 此 得 到 了 用 户 广 泛 的 应 用 ， 机 床 的 数 控 化 改 造 已 成 为 满 足 市 场 需 求 的 主 要 补 充 手 段 ， 对 中 、 小 型 企 业 来 说 是 十 分 理 想 的 选 择 。 (3)有 利 于 企 业 生 产 的 扩 大 在 现 代 机 械 制 造 工 业 中 ， 中 小 批 量 甚 至 单 件 生 产 ， 个 性 化 的 产 品 占 兰州工业学院毕业设计（论文） 3 有 相 当 大 的 比 重 ， 尤 其 是 我 国 加 入 世 贸 组 织 后 ,成 为 世 界 性 的 加 工 基 地 ， 产 品 出 口 的 增 长 迅 速 ， 从 低 附 加 值 、 劳 动 密 集 型 产 品 逐 步 过 度 到 高 附 加 值 的 精 密 型 零 件 的 出 口 ， 高 精 度 的 数 控 机 床 起 了 重 要 的 作 用 。 数 控 机 床 是 最 能 适 应 这 种 生 产 需 要 的 。 (4)有 利 于 企 业 的 工 业 化 水 平 的 提 高 以 数 控 机 床 为 代 表 的 现 代 基 础 机 械 是 制 造 实 现 生 产 现 代 化 的 重 要 设 备 ， 数 控 技 术 水 平 的 高 低 和 机 床 的 数 控 化 率 ， 数 控 设 备 的 拥 有 量 已 成 为 衡 量 一 个 国 家 现 代 工 业 化 水 平 的 重 要 标 志 。 (5)有 利 于 企 业 的 多 方 面 发 展 数 控 技 术 用 于 机 床 的 改 造 是 建 立 在 微 电 子 技 术 与 传 统 技 术 相 结 合 的 基 础 上 ， 具 有 高 可 靠 性 、 柔 性 强 ， 易 于 实 现 机 电 一 体 化 、 经 济 性 可 观 等 特 点 。 为 此 ， 在 旧 机 床 上 进 行 数 控 化 改 造 可 以 提 高 机 床 的 使 用 性 能 、 降 低 生 产 成 本 、 用 较 少 的 资 金 投 入 而 得 到 较 大 的 经 济 效 益 。 1.3 改造的可行性论证 根 据 自 动 化 制 造 系 统 ， 可 行 性 论 证 使 用 户 建 造 自 动 化 制 造 系 统 项 目 前 所 进 行 的 技 术 和 经 济 性 分 析 报 告 ， 是 上 级 主 管 部 分 审 定 和 批 准 立 项 的 基 本 依 据 。 同 样 ， 在 进 行 普 通 车 床 的 经 济 型 数 控 改 造 之 前 进 行 公 道 的 、 科 学 的 可 行 性 论 证 是 必 要 的 。 根 据 传 统 的 论 证 方 法 ， 普 通 车 床 的 经 济 型 数 控 改 造 的 可 行 性 论 证 应 围 绕 以 下 几 个 方 面 进 行 ， 即 企 业 生 产 经 营 现 状 及 存 在 的 题 目 分 析 ， 企 业 生 产 经 营 目 标 ， 改 造 的 基 础 条 件 、 目 标 、 技 术 方 案 、 投 资 概 算 、 效 益 分 析 ， 改 造 车 床 的 实 施 计 划 ， 结 论 等 。 1、 目 标 ： 数 控 机 床 要 有 较 高 的 质 量 、 较 高 的 效 率 、 较 低 的 成 本 、 较 低 的 劳 动 强 度 ； 2、 对 于 普 通 车 床 的 经 济 型 数 控 改 造 ， 在 考 虑 总 体 设 计 方 案 时 ， 应 遵 循 的 原 则 是 ： 在 满 足 设 计 要 求 的 前 途 下 ， 对 机 床 的 改 动 应 尽 可 能 的 少 ， 以 降 低 本 钱 ； 3、 机 床 的 cnc 改 造 要 能 带 来 经 济 效 益 于 此 同 时 降 低 成 本 。 符 合 我 国 的 基 本 国 情 和 需 要 ； 兰州工业学院毕业设计（论文） 4 4、 结 论 ： 对 普 通 车 床 作 经 济 型 数 控 改 造 适 合 我 国 国 情 ， 是 国 内 企 业 提 高 车 床 的 自 动 化 能 力 和 精 密 程 度 的 有 效 选 择 。 它 具 有 一 定 的 典 型 性 和 实 用 性 。 从 以 下 几 个 方 面 的 说 明 ： 1.4 机床改造的必要性 数 控 机 床 可 以 较 好 地 解 决 形 状 复 杂 、 精 密 、 小 批 量 和 多 变 零 件 的 加 工 问 题 ， 能 够 稳 定 加 工 质 量 和 提 高 生 产 效 率 ， 但 是 应 用 数 控 机 床 还 受 到 其 他 条 件 的 限 制 。 （ 1） 数 控 机 床 价 格 昂 贵 ， 一 次 性 投 资 大 ， 对 中 小 型 企 业 是 心 有 余 而 力 不 足 ； （ 2） 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 换 下 来 的 普 通 机 床 闲 置 下 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 可 能 满 足 生 产 的 需 要 ； （ 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 机 床 的 数 控 化 改 造 之 路 ， 从 美 国 、 日 本 等 工 业 化 国 家 的 经 验 看 ， 机 床 的 数 控 化 改 造 必 不 可 少 。 因 此 ， 普 通 机 床 的 数 控 化 改 造 不 但 有 存 在 必 要 ， 而 且 大 有 可 为 ， 对 一 些 中 小 型 企 业 更 是 如 此 。 兰州工业学院毕业设计（论文） 5 2 ca6140型普通车床数控化改造方案的设计与确定 2.1 分析ca6140型普通车床的加工特点 (1) 加 工 范 围 较 大 。 (2) 加 工 时 ， 主 运 动 是 工 件 的 旋 转 运 动 ， 进 给 运 动 是 刀 具 的 纵 向 和 横 向 移 动 。 (3) 正 情 况 常 下 ， 在 车 削 加 工 过 程 中 ， 切 削 力 比 较 稳 定 ， 加 工 比 较 平 稳 。 (4) 在 车 削 加 工 过 程 中 切 屑 和 刀 具 之 间 的 剧 烈 挤 压 和 摩 擦 ， 以 及 刀 具 与 工 件 之 间 的 摩 擦 ， 产 生 了 大 量 的 切 削 热 ， 但 大 部 分 热 量 被 切 屑 带 走 ， 所 以 ca6140 在 加 工 过 程 中 一 般 可 以 不 使 用 切 削 液 。 2.2 总体方案设计 设 计 任 务 ： 利 用 单 片 机 控 制 技 术 对 ca6140 型 车 床 的 横 向 系 统 进 行 控 制 。 其 横 向 脉 冲 当 量 为 0.005mm/脉 冲 ， 驱 动 元 件 采 用 步 进 电 机 。 改 造 后 的 车 床 能 够 完 成 机 床 主 轴 的 启 动 ， 停 止 和 变 速 ， 纵 向 和 横 向 进 给 运 动 的 行 程 和 变 速 ， 刀 具 的 变 速 和 冷 却 ， 都 可 以 自 动 控 制 ， 并 具 有 车 削 螺 纹 和 锥 螺 纹 等 自 动 循 环 机 能 。 在 该 机 床 中 采 用 液 压 尾 座 快 换 刀 架 和 机 床 外 对 刀 装 置 。 该 机 床 适 用 于 加 工 形 状 复 杂 ， 中 小 批 量 的 零 件 。 对 一 般 车 削 加 工 任 意 锥 面 、 球 面 、 螺 纹 端 面 、 回 转 面 等 加 工 工 序 ， 能 控 制 主 轴 的 开 停 变 速 及 一 些 辅 助 功 能 ， 使 加 工 实 现 自 动 化 。 自 动 转 位 刀 架 的 设 计 是 普 通 机 床 改 造 机 械 方 面 的 关 键 。 由 微 型 控 制 的 自 动 转 位 具 重 复 定 位 精 度 高 、 工 作 刚 性 好 、 性 能 可 靠 、 使 用 寿 命 长 以 及 工 艺 性 能 好 等 特 点 。 2.3 总体方案的确定 ca6140 车 床 改 造 总 体 设 计 方 案 的 内 容 包 括 ： 系 统 运 动 方 式 的 确 定 ， 伺 服 系 统 的 选 择 ， 执 行 机 构 及 传 动 方 式 的 确 定 、 数 控 系 统 的 选 择 等 内 容 ， 应 仔 细 考 虑 各 种 高 性 能 、 自 动 化 等 要 求 ， 也 要 考 虑 被 改 造 机 床 的 具 备 条 件 ， 是 技 术 的 先 进 性 与 经 济 性 的 合 理 性 较 好 的 统 一 。 兰州工业学院毕业设计（论文） 6 对 于 横 向 进 给 机 构 ， 保 留 原 手 动 于 调 刀 ， 原 支 承 结 构 。 和 纵 向 进 给 一 样 步 进 电 机 与 纵 向 滚 珠 丝 杠 间 需 一 级 齿 轮 减 速 ， 丝 杠 螺 母 与 横 向 拖 板 任 用 一 螺 母 座 连 接 。 拖 板 后 部 开 轴 承 孔 以 便 滚 珠 丝 杠 的 连 通 与 支 承 ， 后 接 减 速 箱 与 步 进 电 机 。 纵 、 横 向 进 给 机 构 减 速 齿 轮 采 用 双 片 齿 轮 ， 靠 错 位 消 除 啮 合 间 隙 。 丝 杠 外 加 防 尘 罩 ， 溜 板 箱 上 安 装 急 停 按 钮 ， 以 适 应 意 外 情 况 的 急 停 。 硬 件 方 面 控 制 系 统 的 硬 件 配 置 是 ， 基 本 系 统 包 括 单 片 机 at89c51、 锁 存 器 、 eprom 和 ram 存 储 器 。 并 行 接 口 8255 用 作 连 接 开 关 量 的 输 入 输 出 和 对 伺 服 电 机 进 行 控 制 。 8279 为 键 盘 显 示 器 接 口 。 软 件 方 面 ， 软 包 装 件 设 计 采 用 模 块 化 结 构 ， 以 便 于 系 统 功 能 的 扩 展 。 分 为 三 块 ： 手 动 操 作 、 加 工 、 编 辑 ， 如 图 2-1 所 示 。 根 据 设 计 任 务 ， 系 统 采 用 轮 廓 控 制 形 式 ， 控 制 系 统 硬 件 由 微 机 控 制 部 分 、 键 盘 及 显 示 器 、 i/o 接 口 及 光 电 隔 离 器 、 步 进 电 机 、 功 率 放 大 器 等 组 成 。 在 其 纵 横 向 均 采 用 步 进 电 机 减 速 齿 轮 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 溜 板 的 传 动 方 式 ， 刀 架 更 换 为 四 刀 位 回 转 刀 架 。 改 造 前 的 机 床 传 动 系 统 图 如 图 2- 2 所 示 。 图 2-2 改 造 后 车 床 传 动 系 统 图 图 2-1 机 床 的 操 作 模 式 图 兰州工业学院毕业设计（论文） 7 兰州工业学院毕业设计（论文） 8 3 ca6140数控车床横向传动结构设计 3.1 ca6140数控车床的主要技术参数 车 床 横 向 进 给 机 构 主 要 由 其 相 应 的 步 进 电 动 机 ， 齿 轮 变 速 箱 ， 滚 珠 丝 杠 副 及 一 些 连 杆 ， 密 封 ， 支 撑 等 组 成 。 在 设 计 时 主 要 考 虑 和 选 择 步 进 电 动 机 的 相 数 ， 拍 数 ， 步 距 角 ， 最 大 静 转 矩 及 外 形 和 配 合 尺 寸 ， 齿 轮 的 模 数 ， 齿 数 ， 主 要 尺 寸 及 和 轴 的 配 合 ， 滚 珠 丝 杠 副 的 承 载 能 力 ， 支 撑 ， 润 滑 ， 配 合 要 求 ， 间 隙 的 调 整 和 有 关 结 构 设 计 ， 传 动 轴 的 结 构 和 零 件 的 安 装 ， 连 接 和 密 封 。 主 要 设 计 参 数 （ 1） 机 械 部 分 ： 工 件 最 大 回 转 直 径 ； 在 床 面 上 400mm； ； 在 床 鞍 上 175mm； 工 件 最 大 长 度 750mm； 主 轴 孔 径 35mm； 主 轴 前 端 孔 锥 度 ： 莫 氏 5 号 ； 主 轴 转 速 范 围 （ 18 级 ） 19 2000 ；min/r 刀 架 纵 进 给 量 和 螺 纹 的 螺 距 范 围 0.01 20.48mm； 刀 架 横 进 给 量 范 围 0.011 10.24mm； 刀 架 纵 向 与 横 向 进 给 的 脉 冲 当 量 0.01mm； 刀 架 快 速 移 动 速 度 ： 纵 向 3.6m/min ； 横 向 1.8 m/min （ 2） 数 控 部 分 ： 数 控 部 分 坐 标 数 ： 2； 插 补 运 算 原 理 ： 逐 点 比 较 法 3.2 数控机床的改造要求与伺服电机的选用 3.2.1 数控机床的改造要求 在 数 控 机 床 的 进 给 系 统 机 械 部 分 改 造 设 计 中 ， 机 械 传 动 是 数 控 机 床 进 兰州工业学院毕业设计（论文） 9 给 系 统 的 重 要 组 成 部 分 ， 其 作 用 是 将 伺 服 电 动 机 的 旋 转 运 动 转 换 为 执 行 部 件 的 直 线 运 动 和 回 转 运 动 。 为 了 确 保 进 给 系 统 的 定 位 精 度 ， 快 速 响 应 特 性 和 稳 定 性 要 求 ， 机 械 传 动 装 置 必 须 具 有 高 刚 度 、 无 传 动 间 隙 、 低 摩 擦 、 高 灵 敏 度 、 长 寿 命 等 要 求 。 对 数 控 机 床 进 给 系 统 机 械 部 分 的 要 求 有 以 下 几 点 ： （ 1） 高 的 传 动 精 度 和 定 位 精 度 数 控 机 床 的 进 给 传 动 装 置 的 传 动 精 度 和 定 位 精 度 对 零 件 的 加 工 精 度 起 着 关 键 性 作 用 ， 其 中 应 采 取 的 措 施 是 通 过 在 进 给 系 统 中 加 入 减 速 齿 轮 ， 以 减 小 脉 冲 当 量 ， 预 紧 传 动 滚 珠 丝 杠 。 （ 2） 减 小 运 动 件 的 摩 擦 力 尤 其 是 减 小 丝 杠 传 动 和 工 作 台 运 动 导 轨 的 摩 擦 ， 以 消 除 爬 行 ， 提 高 系 统 的 稳 定 性 。 （ 3） 减 小 运 动 部 件 的 惯 量 进 给 系 统 中 每 个 零 件 的 惯 量 对 进 给 系 统 的 启 动 ， 制 动 特 性 有 直 接 的 影 响 。 因 此 ， 在 满 足 传 动 强 度 和 刚 度 的 前 提 下 ， 应 尽 可 能 减 小 零 件 的 惯 性 。 （ 4） 阻 尼 适 当 一 方 面 ， 阻 尼 可 降 低 进 给 伺 服 系 统 的 快 速 响 应 性 ， 另 一 方 面 ， 阻 尼 有 增 加 系 统 的 稳 定 性 ， 因 此 ， 传 动 机 构 的 阻 尼 要 选 择 适 当 。 （ 5） 稳 定 性 好 ， 寿 命 长 稳 定 性 是 进 给 伺 服 系 统 能 够 正 常 工 作 最 基 本 的 条 件 ， 在 低 速 进 给 情 况 下 不 产 生 爬 行 ， 并 能 够 适 应 外 加 系 统 的 变 化 而 不 发 生 共 振 ， 采 取 适 当 的 润 滑 方 式 和 防 护 措 施 延 长 其 寿 命 。 3.2.2 伺服电机的工作原理 伺 服 电 机 的 工 作 原 理 是 ： 当 某 相 定 子 励 磁 后 ， 它 吸 引 转 子 ， 使 转 子 的 齿 与 该 相 定 子 磁 极 上 的 齿 对 齐 。 所 以 ， 伺 服 电 机 的 工 作 原 理 实 际 上 是 电 磁 铁 的 工 作 原 理 。 （ 1） 伺 服 电 机 的 定 子 绕 组 的 通 电 状 态 每 改 变 一 次 ， 它 的 转 子 就 转 过 一 定 角 度 ， 即 电 动 机 的 步 距 角 ； 兰州工业学院毕业设计（论文） 10 （ 2） 改 变 伺 服 电 机 定 子 的 绕 组 的 通 电 顺 序 ， 转 子 的 旋 转 方 向 也 随 之 改 变 ； （ 3） 伺 服 电 机 定 子 绕 组 的 通 电 状 态 的 改 变 速 度 越 快 ， 即 通 电 状 态 的 频 率 越 高 ， 转 子 的 转 速 就 越 高 ； （ 4） 伺 服 电 机 的 步 角 距 与 定 子 绕 组 的 相 数 m、 转 子 的 齿 数 z、 通 电 方 式 k 可 以 用 下 式 表 示 ： km/360 （ 3-1） 3.2.3 伺服电动机的选用 伺 服 电 动 机 是 一 种 用 脉 冲 信 号 控 制 的 电 动 机 ， 在 动 载 能 力 及 动 态 特 性 范 围 内 电 动 机 的 角 位 移 与 控 制 脉 冲 数 成 正 比 ， 转 速 与 控 制 脉 冲 频 率 成 反 比 。 在 通 常 情 况 下 ， 用 伺 服 电 动 机 作 执 行 元 件 的 数 控 系 统 中 不 需 进 行 a/d 或 d/a 转 换 ， 且 可 以 采 用 较 为 简 单 的 开 环 控 制 系 统 进 行 工 作 。 因 此 ， 在 数 控 的 进 给 系 统 中 广 泛 采 用 。 选 用 伺 服 电 动 机 时 ， 通 常 希 望 伺 服 电 动 机 的 输 出 转 矩 大 ， 启 动 频 率 和 运 行 频 率 大 ， 步 距 误 差 小 。 但 是 ， 增 大 转 矩 和 快 速 运 行 存 在 一 定 的 矛 盾 ， 高 性 能 与 低 成 本 相 矛 盾 。 因 此 ， 在 选 用 伺 服 电 动 机 时 ， 需 要 考 虑 各 方 面 的 因 素 。 首 先 要 保 证 机 床 的 定 位 精 度 ， 而 脉 冲 当 量 直 接 影 响 到 机 床 的 定 位 精 度 。 脉 冲 当 量 越 小 ， 机 床 的 定 位 精 度 越 高 ， 但 机 床 的 快 速 进 给 速 度 就 越 小 。 为 了 兼 顾 精 度 与 速 度 的 要 求 ， 在 满 足 精 度 的 条 件 下 ， 选 择 尽 可 能 大 的 脉 冲 当 量 。 脉 冲 当 量 确 定 后 ， 以 此 为 依 据 选 择 伺 服 电 动 机 的 步 矩 角 和 传 动 机 械 的 传 动 比 。 伺 服 电 动 机 有 两 条 重 要 的 特 性 曲 线 ， 一 条 是 反 映 启 动 频 率 和 负 载 转 矩 关 系 的 启 动 频 矩 特 性 曲 线 ； 一 条 是 反 映 转 矩 与 连 续 运 行 频 率 之 间 关 系 的 工 作 矩 频 特 性 曲 线 。 这 两 条 曲 线 是 选 用 伺 服 电 动 机 的 重 要 依 据 。 数 控 机 床 的 进 给 分 为 快 速 进 给 和 切 削 进 给 ， 快 速 进 给 速 度 远 远 大 于 切 削 进 给 的 速 度 。 在 这 两 种 情 况 下 ， 对 转 矩 和 进 给 速 度 有 不 同 的 要 求 ， 选 择 伺 服 电 动 兰州工业学院毕业设计（论文） 11 机 时 应 使 这 两 种 情 况 都 能 满 足 要 求 。 假 设 在 切 削 进 给 时 转 矩 为 me,其 最 大 切 削 速 度 为 vmax； 在 快 速 进 给 时 间 的 转 矩 为 mk， 其 最 大 快 速 进 给 速 度 为 vmaxl,将 vmax,vmaxl分 别 带 入 下 式 中 的 v， 可 以 分 别 求 到 切 削 进 给 时 的 最 大 工 作 频 率 fe和 快 速 进 给 时 的 最 大 工 作 频 率 fk。 60/1f （ 3-2） 公 式 （ 3-2） 中 v进 给 速 度 ， m/min； 脉 冲 当 量 ， mm/脉 ； f伺 服 电 动 机 工 作 频 率 ， hz。 根 据 fe、 fk从 工 作 矩 频 特 性 曲 线 中 查 出 对 应 的 极 限 转 矩 值 mmde。 若 有 me1； l寿 命 (以 106转 为 单 位 1， 如 1.5 则 为 150 万 转 )。 寿 命 l 可 按 下 式 计 算 （ 4-6）6/ntl 式 （ 4-6） 中 n滚 珠 丝 杠 的 转 速 ， r/min； t使 用 寿 命 时 间 ， h， 数 控 机 床 t 取 15000h。 工 作 负 载 的 数 值 可 用 机 床 设 计 手 册 中 进 给 牵 引 力 的 实 验 公 式 计 算 ， 对 于 三 角 形 或 综 合 导 轨 （ 4-7）)(wffkzxp 兰州工业学院毕业设计（论文） 24 公 式 （ 4-7） 中 fz、 fx切 削 分 力 ， n； w移 动 部 件 的 重 量 ， 800n； 考 虑 颠 覆 力 矩 影 响 的 系 数 ， =1.15；k k 导 轨 上 的 摩 擦 系 数 ， =0.15 0.8 取f f =0.16。f 则 nfp 72.4)82.143(6.09215. 当 机 床 以 线 速 度 =100m/min， 进 给 量 为 =0.3mm/r， 车 削 直 径 为vf d=80mm 的 外 圆 时 ， 丝 杠 的 转 速 in/9.1in/)68214.(3.)/(03dlfn 则 万 转万 转 70590/66nt 根 据 工 作 负 载 fp 寿 命 l， 计 算 出 滚 珠 丝 杠 副 承 受 的 最 大 动 载 荷 ， 取 fw=1.2， fh=1 nlpwq 3.4653/13/ 由 f0查 滚 珠 丝 杠 的 产 品 样 本 和 机 床 设 计 手 册 ， 选 择 丝 杠 的 型 号 例 如 参 照 某 厂 滚 珠 丝 杠 的 产 品 样 本 ， 选 择 滚 珠 丝 杠 的 直 径 为 40mm， 型 号 为 fl4006/1200 1130， 其 额 定 动 载 荷 是 16672n 其 强 度 足 够 用 。 效 率 计 算 由 参 考 文 献 1知 丝 杠 螺 母 副 的 传 动 效 率 计 算 公 式 如 下 所 示 ： )tan(/ （ 4-8） 公 式 （ 4-8） 中 螺 纹 的 螺 旋 升 角 ， 该 丝 杠 为 244； 摩 擦 角 ， 约 等 于 10。 则 942.)42tan(/t 刚 度 验 算 滚 珠 丝 杠 工 作 时 受 轴 向 力 和 扭 矩 的 作 用 ， 它 将 引 起 导 程 l 发 生 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 ， 因 此 ， 工 作 负 载 引 起 的 导 程 变 化 量 l（ cm） （ 4-9）esf/ 兰州工业学院毕业设计（论文） 25 公 式 （ 4-9） 中 e弹 性 模 量 ， 对 钢 ；26/10.2cmne 滚 珠 丝 杠 截 面 积 ， 按 丝 杠 螺 纹 底 径 确 定s d=3.46cm 224.96.3/cm “+”用 于 拉 伸 时 ， “ ”用 于 压 缩 时 。 则 cmcl 661059.4).910./(75.148 丝 杠 1cm 长 度 上 导 程 变 形 总 误 差 l 总 /.75.4/06总 3 级 精 度 丝 杠 允 许 的 螺 距 误 差 为 15 m/m， 因 此 刚 度 足 够 。 4.1.2 步进电动机的选择 负 载 传 动 惯 量 的 计 算 伺 服 电 动 机 轴 上 的 转 动 惯 量 可 按 下 式 估 算 （ 4-10）42321/)(jijf 公 式 （ 4-10） 中 折 算 到 电 动 机 轴 上 的 转 动 惯 量 ， kgcm2；f 小 带 轮 的 转 动 惯 量 ， kgcm2；1 大 带 轮 的 转 动 惯 量 ， kgcm2；2j 丝 杠 的 转 动 惯 量 ， kgcm2；3 工 作 台 的 转 动 惯 量 ， kgcm2。4 对 材 料 为 钢 的 圆 柱 形 零 件 ， 其 转 动 惯 量 可 按 下 式 计 算 ： （ 4-11）ldj4108.7 公 式 （ 4-11） 中 d圆 柱 零 件 的 直 径 ， cm； l零 件 轴 向 长 度 ， cm； 所 以 2241 81.05.08.7kgckgj 2 58 2243 96.31. c 22224 18.3)5/18./()75.04/.80()/(180( cmkggiwj 总 惯 量 .318()96235.1. ckjf 兰州工业学院毕业设计（论文） 26 负 载 转 矩 计 算 及 最 大 静 矩 选 择 根 据 能 量 守 恒 原 理 ， 电 动 机 等 效 负 载 转 矩 mnilftp 132.)5/89.042./(106752.148)2/(1033 如 不 考 虑 起 动 时 运 动 部 件 惯 性 的 影 响 ， 则 起 动 转 矩 （ 4-12）)5./(fqt 取 安 全 系 数 为 0.3， 则 mnq 1.73.0/12. 因 数 控 机 床 对 动 态 性 能 要 求 较 高 ， 确 定 电 动 机 最 大 静 转 矩 时 因 满 足 快 速 空 载 起 动 时 所 需 转 矩 t 的 要 求 。 （ 4-13）0maxf 式 中 tamax空 载 快 速 起 动 时 所 需 的 转 矩 ， nm； tf克 服 摩 擦 所 需 的 转 矩 ， nm； t0丝 杠 预 紧 所 引 起 ， 折 算 到 电 动 机 轴 上 的 附 加 转 矩 ， nm。 当 工 作