普通车床C616的数控改造

摘 要本 文 主 要 是 将 传 统 的 C616 车 床 的 电 气 控 制 系 统 改 造 成 为 数 字 控 制 的 开 环 控 制 系统 。 随 着 当 今 工 业 设 备 对 精 密 程 度 的 要 求 越 来 越 高 ， 对 机 械 加 工 设 备 的 加 工 精 密 程 度也 要 求 越 来 越 高 。 而 在 中 国 的 机 械 加 工 设 备 的 车 床 中 ， 普 通 车 床 占 了 很 大 比 例 。 这 已经 越 来 越 制 约 着 当 今 工 业 的 发 展 。 而 数 控 机 床 由 于 价 格 昂 贵 ， 且 需 要 较 高 技 术 的 加 工工 人 。 所 以 对 普 通 机 床 进 行 数 控 改 造 具 有 很 大 的 意 义 。本 人 在 搜 索 、 查 阅 和 研 究 大 量 有 关 资 料 的 基 础 上 ， 对 机 床 的 数 控 改 造 技 术 进 行了 研 究 和 分 析 ， 并 描 述 了 机 床 控 制 系 统 的 设 计 。 整 个 改 造 过 程 主 要 对 车 床 纵 、 横 向 进给 系 统 进 行 了 改 造 ， 选 用 自 动 转 位 刀 架 ， 由 脉 冲 发 生 器 来 加 工 所 需 要 的 螺 纹 。 整 个 控制 系 统 以 8031 型 号 的 单 片 机 为 中 心 ， 通 过 编 程 对 机 床 的 驱 动 设 备 进 行 控 制 以 达 到 所需 要 的 加 工 程 度 。关 键 词 ： C616 车 床 数 控 改 造 8031 单 片 机 步 进 电 机目 录摘要 .1ABSTRACT.2第 1 章 绪论 .11.1 普通机床数控化改造概述 .11.2 机床数控化改造的意义 .11.2.1 微观看改造的必要性 .11.2.2 宏观看改造的必要性 .21.3 国内外机床改造业的发展概况 .21.3.1 国外机床改造业的发展 .21.3.2 国内机床改造业的发展 .31.4 数控机床未来的发展方向 .4第 2 章 C616 普通车床数控改造总体方案的设计 .52.1 本毕业设计的选题及主要任务 .52.2 总体方案设计 .5第 3 章 机械部分改造 .73.1 纵向（Z 向）进给系统的设计 .73.2 横向（X）向进给系统的计算与设计 .133.3 机床导轨改造 .173.4 自动刀架的选择 .183.5 主轴脉冲发生器 .18第 4 章 电气系统控制部分改造 .204.1 步进电机的选择 .204.1.1 步 进 电 机 选 用 的 基 本 原 则 .204.1.2 C616 纵向进给系统步进电机的确定 .214.1.3 C616 横向进给系统步进电机的确定 .214.2 数控装置硬件设计 .214.2.1 数控系统硬件组成 .214.2.2 单片机的选择 .224.2.3 存储器的选择 .234.2.4 I/O 接口电路 .234.2.5 步进电机驱动电路 .244.3 数控系统软件设计 .25总结 .27致谢 .28参考文献 .29第 1 章 绪 论1.1 普通机床数控化改造概述随 着 机 电 一 体 化 技 术 的 迅 猛 发 展 ， 数 控 机 床 的 应 用 已 日 趋 普 及 ， 机 械 制 造 业 正 在越 来 越 多 地 采 用 数 控 技 术 来 改 善 其 生 产 加 工 方 式 ， 用 以 解 决 现 代 机 械 制 造 中 结 构 复 杂 、紧 密 、 批 量 小 、 多 变 零 件 的 加 工 问 题 ， 能 够 稳 定 加 工 质 量 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 。 首 先 ， 数 控 机 床 价 格 昂 贵 ， 一 次 性 投 资 巨 大 ， 中 小企 业 常 是 心 有 余 而 力 不 足 ； 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 被 替 代 下 的 机 床 闲 置 起 来 又 会 造 成 浪 费 ； 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 ； 通 用 数 控 机 床 对 具 体 生 产 存 在 冗 余 功能 。 要 较 好 的 解 决 上 述 问 题 ， 应 走 普 通 机 床 数 控 改 造 之 路 。 低 成 本 普 通 车 床 数 控 化 改造 是 一 项 适 合 我 国 实 际 情 况 的 先 进 适 用 技 术 ， 也 是 一 项 提 升 我 国 机 床 数 控 化 率 的 有 效途 径 。机 床 的 数 控 改 造 ， 就 是 在 普 通 机 床 上 增 加 计 算 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 。数 控 化 改 造 的 优 点（ 1） 减 少 投 资 额 、 交 货 期 短 。（ 2） 机 械 性 能 稳 定 可 靠 ， 结 构 受 限 。（ 3） 熟 悉 了 解 设 备 、 便 于 操 作 维 修 。（ 4） 可 充 分 利 用 现 有 的 条 件 。 可 以 充 分 利 用 现 有 地 基 ， 不 必 重 新 构 筑 地 基 。（ 5） 可 以 采 用 最 新 的 控 制 技 术 。1.2 机床数控化改造的意义1.2.1 微观看改造的必要性微 观 上 看 ， 数 控 机 床 比 传 统 机 床 有 以 下 突 出 的 优 越 性 ， 而 且 这 些 优 越 性 均 来 自 数控 系 统 所 包 含 的 计 算 机 的 威 力 。（ 1） 可 以 加 工 出 传 统 机 床 加 工 不 出 来 的 曲 线 、 曲 面 等 复 杂 的 零 件 。（ 2） 可 以 实 现 加 工 的 自 动 化 ， 而 且 是 柔 性 自 动 化 ， 从 而 效 率 可 比 传 统 机 床 提 高3 7 倍 。（ 3） 加 工 零 件 的 精 度 高 ， 尺 寸 分 散 度 小 ， 使 装 配 容 易 ， 不 再 需 要 “修 配 ”。（ 4） 可 实 现 多 工 序 的 集 中 ， 减 少 零 件 在 机 床 间 的 频 繁 搬 运 。（ 5） 拥 有 自 动 报 警 、 自 动 监 控 、 自 动 补 偿 等 多 种 自 律 功 能 ， 因 而 可 实 现 长 时 间无 人 看 管 加 工 。由 以 上 五 条 派 生 的 好 处 。 比 如 ： 降 低 了 工 人 的 劳 动 强 度 ， 节 省 了 劳 动 力 （ 一 个 人可 以 看 管 多 台 机 床 ） ， 减 少 了 工 装 ， 缩 短 了 新 产 品 试 制 周 期 和 生 产 周 期 ， 可 对 市 场 需求 做 出 快 速 反 应 等 等 。 这 些 优 越 性 是 前 人 想 象 不 到 的 ， 是 一 个 极 为 重 大 的 突 破 。1.2.2 宏观看改造的必要性宏 观 上 看 ， 工 业 发 达 国 家 的 军 、 民 机 械 工 业 ， 在 70 年 代 末 、 80 年 代 初 已 开 始大 规 模 应 用 数 控 机 床 。 其 本 质 是 ， 采 用 信 息 技 术 对 传 统 产 业 （ 包 括 军 、 民 机 械 工 业 ）进 行 技 术 改 造 。 除 在 制 造 过 程 中 采 用 数 控 机 床 、 FMC、 FMS 外 ， 还 包 括 在 产 品 开 发中 推 行 CAD、 CAE、 CAM、 虚 拟 制 造 以 及 在 生 产 管 理 中 推 行 MIS（ 管 理 信 息 系 统 ） 、CIMS 等 等 。 以 及 在 其 生 产 的 产 品 中 增 加 信 息 技 术 ， 包 括 人 工 智 能 等 的 含 量 。 由 于 采用 信 息 技 术 对 国 外 军 用 、 民 用 机 械 工 业 进 行 深 入 改 造 （ 称 之 为 信 息 化 ） ， 最 终 使 得 他们 的 产 品 在 国 际 军 品 和 民 品 的 市 场 上 竞 争 力 大 为 增 强 。 而 我 们 在 信 息 技 术 改 造 传 统 产业 方 面 比 发 达 国 家 约 落 后 20 年 。 如 我 国 机 床 拥 有 量 中 ， 数 控 机 床 的 比 重 （ 数 控 化 率 ）到 1995 年 只 有 1.9 ， 而 日 本 在 1994 年 已 达 20.8 ， 因 此 每 年 都 有 大 量 机 电 产 品进 口 。此 外 ， 机 床 数 控 化 还 是 推 行 FMC（ 柔 性 制 造 单 元 ） 、 FMS（ 柔 性 制 造 系 统 ） 以及 CIMS（ 计 算 机 集 成 制 造 系 统 ） 等 企 业 信 息 化 改 造 的 基 础 。 数 控 技 术 已 经 成 为 制 造业 自 动 化 的 核 心 技 术 和 基 础 技 术 。 这 也 就 从 宏 观 上 说 明 了 机 床 数 控 化 改 造 的 必 要 性 。1.3 国内外机床改造业的发展概况1.3.1 国外机床改造业的发展在 美 国 、 日 本 和 德 国 等 发 达 国 家 ， 它 们 的 机 床 改 造 作 为 新 的 经 济 增 长 行 业 ， 生 意盎 然 ， 正 处 在 黄 金 时 代 。 由 于 机 床 以 及 技 术 的 不 断 进 步 ， 机 床 改 造 是 个 永 恒 的 课题 。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 的 行 业 。 在 美 国 ， 机 床 改 造 业 称 为 机 床 再 生（ Remanufacturing） 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 （ Retrofitting） 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 。在 德 国 ， 机 床 改 造 业 已 经 成 为 一 个 新 兴 的 工 业 部 门 。 在 不 太 景 气 的 机 床 市 场 上 ，二 手 机 床 的 销 售 相 当 红 火 。 据 统 计 ， 早 在 1998 年 德 国 二 手 机 床 销 售 额 就 达 到 25 亿马 克 。 德 国 在 机 床 数 控 化 改 造 方 面 ， 不 仅 考 虑 了 如 何 通 过 机 床 的 数 控 化 改 造 来 适 应 生产 技 术 的 发 展 、 劳 动 组 织 的 变 革 ， 而 且 还 全 面 地 考 虑 了 如 何 充 分 利 用 技 术 工 人 现 有 的经 验 知 识 。 因 此 ， 在 德 国 除 了 企 业 从 事 机 床 改 造 工 作 外 ， 还 有 一 些 高 校 、 研 究 机 构 等也 参 与 了 机 床 改 造 的 研 究 与 指 导 工 作 ， 对 机 床 改 造 过 程 中 的 生 产 技 术 、 劳 动 组 织 和 人员 素 质 之 间 的 相 互 关 系 进 行 了 全 面 、 系 统 地 研 究 ， 联 邦 政 府 和 州 政 府 专 门 拨 款 支 持 该领 域 的 研 究 工 作 。在 德 国 可 以 将 改 造 后 的 旧 机 床 的 质 量 和 性 能 做 得 与 新 机 床 差 不 多 ， 而 且 ， 改 造 后的 二 手 机 床 的 用 户 也 同 样 能 够 得 到 供 应 商 或 改 造 厂 提 供 的 配 套 服 务 。 这 样 ， 可 以 消 除二 手 机 床 用 户 的 后 顾 之 忧 ， 他 们 也 就 更 乐 意 改 造 本 厂 原 有 的 旧 机 床 或 者 从 市 场 上 购 买改 造 过 的 二 手 机 床 ， 从 而 更 有 力 地 推 动 了 机 床 改 造 行 业 的 发 展 。1.3.2 国内机床改造业的发展目 前 我 国 机 床 市 场 的 需 求 结 构 已 经 发 生 了 很 大 变 化 ， 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 。 数 控 机 床 ， 特 别 是 普 及 型 数 控 机 床 将 逐 步成 为 市 场 需 求 的 主 体 。自 改 革 开 放 以 来 ， 很 多 企 业 从 国 外 引 进 技 术 、 机 床 设 备 和 生 产 线 进 行 技 术 改 造 。据 不 完 全 统 计 ， 从 1979-1988 年 ， 全 国 引 进 技 术 改 造 项 目 就 有 18446 项 ， 大 约165.8 亿 美 元 。 这 些 项 目 中 ， 大 部 分 项 目 为 我 国 的 经 济 建 设 发 挥 了 应 有 的 作 用 。 然 而 ，有 一 些 设 备 、 生 产 线 从 国 外 引 进 后 ， 由 于 消 化 吸 收 不 好 ， 备 件 不 全 ， 维 护 不 当 ， 结 果运 转 不 良 ； 还 有 一 些 项 目 只 注 意 引 进 设 备 、 仪 器 、 生 产 线 ， 忽 视 软 件 、 工 艺 、 管 理 等 ，造 成 项 目 不 完 整 ， 设 备 潜 力 不 能 发 挥 ， 有 的 甚 至 不 能 启 动 运 行 ， 没 有 发 挥 应 有 的 作 用 。这 些 引 进 项 目 不 仅 没 有 创 造 财 富 ， 反 而 消 耗 着 财 富 。这 些 不 能 使 用 的 设 备 、 生 产 线 是 个 包 袱 ， 也 是 一 批 很 大 的 存 量 资 产 ， 修 好 了 就 是财 富 。 只 要 找 出 主 要 的 技 术 难 点 ， 解 决 关 键 技 术 问 题 ， 就 可 以 最 小 的 投 资 盘 活 最 大 的存 量 资 产 ， 争 取 到 最 大 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益 。 这 也 是 一 个 极 大 的 改 造 市 场 。2005 年 ， 我 国 数 控 金 属 切 削 机 床 生 产 59639 台 ， 进 口 30746 台 。 除 部 分 出 口 外 ，总 消 费 数 量 约 85000 台 。 在 生 产 的 数 控 金 属 切 削 机 床 中 ， 经 济 型 数 控 机 床 约 占 60%以 上 （ 生 产 的 数 控 车 床 中 经 济 型 数 控 车 床 占 89%90%） ， 中 档 以 上 的 数 控 金 属 切 削机 床 不 足 40%。 2006 年 ， 我 国 机 床 工 业 的 产 值 和 销 售 收 入 保 持 较 高 的 增 长 速 度 ， 其中 数 控 金 属 切 削 机 床 产 量 快 速 增 长 ， 全 年 生 产 85756 台 ， 同 比 增 长 32.8%， 增 幅 高于 金 属 切 削 机 床 产 量 增 幅 的 18.4%。 国 产 机 床 市 场 占 有 率 进 一 步 回 升 ， 由 2001 年 的39.3%提 高 到 2006 年 的 44.8%。 2007 年 110 月 我 国 进 口 金 属 加 工 机 床 57.06 亿 美 元 ，其 中 金 属 切 削 机 床 进 口 达 41.98 亿 美 元 ， 同 比 减 少 8.18%， 所 占 比 例 为 73.57%； 成形 机 床 进 口 达 15.08 亿 美 元 ， 同 比 增 长 5.68%， 所 占 比 例 为 26.43%。国 内 的 机 床 制 造 企 业 在 努 力 开 拓 高 档 数 控 机 床 市 场 的 同 时 ， 一 定 要 加 速 普 及 型 数控 机 床 产 业 化 的 步 伐 。 通 过 生 产 和 进 口 数 控 机 床 并 不 能 满 足 我 国 日 益 增 长 的 制 造 业 需求 ， 而 且 淘 汰 大 型 企 业 原 有 的 大 量 普 通 金 属 切 削 机 床 不 但 造 成 了 很 大 的 浪 费 ， 而 且 会因 为 缺 乏 资 金 购 买 大 量 的 数 控 机 床 来 填 补 淘 汰 普 通 金 属 切 削 机 床 后 的 机 床 空 缺 ， 造 成停 产 。 所 以 ， 目 前 数 控 化 改 造 是 适 应 我 国 制 造 业 迅 猛 发 展 、 资 金 短 缺 、 旧 有 机 床 所 占比 例 大 的 国 情 所 需 。1.4 数控机床未来的发展方向电 子 技 术 、 信 息 技 术 、 网 络 技 术 、 模 糊 控 制 技 术 的 发 展 使 新 一 代 数 控 系 统 技 术 水平 大 大 提 高 ， 促 进 了 数 控 机 床 产 业 的 蓬 勃 发 展 ， 也 促 进 了 现 代 制 造 技 术 的 快 速 发 展 。数 控 机 床 性 能 在 高 速 度 、 高 精 度 、 高 可 靠 性 和 复 合 化 、 网 络 化 、 智 能 化 、 柔 性 化 、 绿色 化 方 面 取 得 了 长 足 的 进 步 。 现 代 制 造 业 正 在 迎 来 一 场 新 的 技 术 革 命 。 数 控 系 统 未 来分 以 下 几 个 发 展 方 向 ：1、数控系统向开放式体系结构发展2、数控系统向软数控方向发展3、 数 控 系 统 控 制 性 能 向 智 能 化 方 向 发 展4、 数 控 系 统 向 网 络 化 方 向 发 展5、 数 控 系 统 向 高 可 靠 性 方 向 发 展6、 数 控 系 统 向 复 合 化 方 向 发 展7、数控系统向多轴联动化方向发展第 2 章 C616 普 通 车 床 数 控 改 造 总 体 方 案 的 设 计2.1 本毕业设计的选题及主要任务本 设 计 是 将 一 台 C616 普 通 车 床 改 造 成 经 济 型 数 控 车 床 。对 C616 普 通 车 床 进 行 数 控 化 改 造 的 车 床 能 进 行 生 产 加 工 ， 纵 向 脉 冲 当 量 为0.01mm/脉 冲 ， 横 向 脉 冲 当 量 为 0.005mm/脉 冲 ， 驱 动 元 件 采 用 步 进 电 机 ， 传 动 系 统采 用 滚 珠 丝 杠 副 ， 刀 架 采 用 自 动 转 位 刀 架 。 其 加 工 质 量 和 精 度 达 到 或 超 过 改 造 前 车 床出 厂 时 的 水 平 ， 接 近 同 档 次 数 控 车 床 的 水 平 ， 数 控 改 造 的 车 床 其 生 产 效 率 、 安 全 性 超过 改 造 前 普 通 车 床 出 厂 时 的 水 平 。2.2 总体方案设计由 于 是 经 济 型 数 控 改 造 ， 所 以 在 考 虑 具 体 方 案 时 ， 基 本 原 则 是 在 满 足 使 用 要 求 的前 提 下 ， 对 机 床 的 改 动 尽 可 能 减 少 ， 以 降 低 成 本 。C616 车 床 主 要 用 于 对 中 小 型 轴 类 、 盘 类 以 及 螺 纹 零 件 的 加 工 ， 这 些 零 件 加 工 工艺 要 求 机 床 应 完 成 的 工 作 有 ： 控 制 主 轴 正 反 转 和 实 现 其 不 同 切 削 速 度 的 主 轴 变 速 ，刀 架 能 实 现 纵 向 和 横 向 的 进 给 运 动 ， 并 且 具 备 在 换 刀 点 自 动 改 变 刀 位 并 完 成 选 择 刀具 ， 加 工 螺 纹 时 应 保 证 主 轴 转 一 转 ， 刀 架 移 动 1 个 被 加 工 螺 纹 的 螺 距 或 导 程 。 这 些工 作 就 是 数 控 化 改 造 数 控 系 统 控 制 的 对 象 。根 据 C616 车 床 有 关 资 料 以 及 数 控 车 床 的 改 造 经 验 ， 确 定 总 体 方 案 为 ： 采 用 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 后 ， 带 动 滚 珠丝 杠 转 动 ， 从 而 实 现 纵 向 、 横 向 进 给 运 动 。对 现 有 的 普 通 车 床 进 行 数 控 改 造 ， 包 括 以 下 两 个 方 面 ： 机 械 部 分 改 造 ： 主 传 动 系 统 不 作 变 动 ， 横 向 进 给 系 统 和 纵 向 进 给 系 统 采 用 滚珠 丝 杠 螺 母 副 替 换 进 给 轴 原 有 的 普 通 丝 杆 副 ， 由 电 动 刀 架 代 替 普 通 刀 架 。 电 气 控 制 系 统 改 造 ： 伺 服 控 制 采 用 开 环 控 制 ， 在 机 械 部 分 改 造 完 成 后 ， 采 用8031 单 片 机 作 为 数 控 系 统 ， 控 制 步 进 电 动 机 驱 动 纵 向 和 横 向 进 给 运 动 。 其 系 统 框 图如 图 2-2。图 2-2 系 统 框 图数 控 改 造 主 要 完 成 以 下 内 容 ： 用 数 控 系 统 控 制 纵 横 两 方 向 的 步 进 电 机 ， 实 现 X、 Z 两 轴 的 进 给 运 动 ； 将 手 动 刀 架 拆 除 换 成 电 动 刀 架 ； 拆 除 丝 杠 、 光 杠 进 给 箱 、 溜 板 箱 ， 换 上 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 ； 在 主 轴 后 端 加 一 主 轴 编 码 器 ， 以 便 加 工 螺 纹 。改 造 过 程 中 ， 只 保 留 机 床 导 轨 、 主 轴 、 溜 板 、 尾 座 等 部 件 ， 其 余 的 全 部 撤 除 。 带之 以 滚 珠 丝 杠 和 步 进 电 机 ， 用 数 控 系 统 来 驱 动 各 轴 的 运 动 。 总 体 改 造 如 图 2-1 所 示 。图 2-1 C616 普 通 车 床 的 数 控 改 造1-电 动 刀 架 ； 2-横 向 步 进 电 机 ； 3-横 向 滚 珠 丝 杠 ； 4-溜 板 ； 5-纵 向 滚 珠 丝 杠 ； 6-纵 向 步 进 电 机第 3 章 机 械 部 分 改 造C616 车 床 的 主 要 运 动 是 ： 主 轴 的 旋 转 运 动 称 为 主 运 动 ， 刀 架 的 左 右 运 动 称 为 纵向 （ Z 向 ） 进 给 运 动 ， 刀 架 的 前 后 运 动 称 为 横 向 （ X 向 ） 进 给 运 动 。 C616 车 床 机 械部 分 主 要 改 造 部 位 是 ： 纵 向 和 横 向 进 给 用 滚 珠 丝 杠 副 代 替 原 来 的 丝 杠 和 光 杠 ； 将 原来 的 手 动 刀 架 改 造 成 电 动 刀 架 ； 在 主 轴 后 端 加 一 编 码 器 （ 又 称 脉 冲 发 生 器 ） ， 以 便 加工 螺 纹 。3.1 纵向（Z 向）进给系统的设计纵 向 进 给 系 统 的 改 造 ： 拆 掉 原 机 床 的 进 给 箱 和 溜 板 箱 ， 利 用 原 机 床 进 给 箱 的 安 装孔 和 销 钉 孔 安 装 内 有 步 进 电 机 和 一 对 齿 轮 的 箱 体 ， 将 原 来 的 普 通 丝 杠 改 换 成 滚 珠 丝 杠螺 母 副 。1. 纵 向 进 给 系 统 的 设 计 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 像 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 丝 杠 的 右 端 ， 如 图 3-1 所 示 。加工工件图纸 程序编制 手工输入 控制计算机功率放大器步进电机变速箱变速箱步进电机变速箱图 3-1 数控改造的总体方案示意图2. 纵向进给系统的设计计算 已知条件：工作台重量： W=750N时间常数： T=28ms 滚珠丝杠基本导程： =8mm0L行程： S =700mm脉冲当量: p=0.01mm/step 步距角： =0.75/step快速进给速度： =2.5m/minmaxV(1) 切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率（3-1）KNc式 中 N电 机 功 率 ， 查 机 床 说 明 书 ， N=4kW；主 传 动 系 统 总 效 率 ， 一 般 为 0.6 0.7 取 65.K进 给 系 统 功 率 系 数 ， 取 为 K=0.96。则： =40.650.96=2.496 kWcN又因为 （3-2）612/vFzc所以 Ncz/0式中 v切削线速度，取 v=100m/min。主切削力 =61202.496/100=152.76（kg f）=1527.6（N）zF由 金 属 切 削 原 理 可 知 ， 主 切 削 力（3-3）ZFZYXpFzKfC查表得： =188kgf/=1880MPaZF=1 =0.75 =1ZXZFYZF则可计算 如表 3-1 所示：ZF表 3-1 计算结果ZF）（ mp2 2 2 3 3 3f（mm） 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4）（ NFZ1125 1524 1891 1687 2287 2837当 =1520N 时，切削深度 =2mm，走刀量 =0.3mm，以此参数作为下面计算的Z pf依据。从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时：=（0.10.6） =（0.150.7） （3-4）XFZFYZF取： =0.5Fz=0.51527.6=763.8NX=0.6Fz=0.61527.6=916.5NYF(2) 滚 珠 丝 杠 设 计 及 计 算 综 合 导 轨 车 床 丝 杠 的 轴 向 力 ：（3-5）（ WfKPZX式中 K=1.15， =0.150.18，取为 0.16。f则 P=1.15763.8+0.16（1527.6+800）=1250.8N1) 强 度 计 算 ：寿 命 值 （3-6）60/1iiLnT（3-7）/ioofvfDL主 取 工 件 直 径 D=80mm，查表得 =15000hiT则： =10001000.3/3.14806=20r/minin=602015000/ =18iL610最大动负载 Q= （3-8）HWifP3查表得： 运转系数 =1.2 硬度系数 =1f Hf则 Q= 1.211250.8=3933.6N318根 据 最 大 动 负 载 Q 的 值 ， 可 选 择 滚 珠 丝 杠 的 型 号 。 例 如 ， 滚 珠 丝 杠 参 照 汉 江 机床 厂 的 产 品 样 本 选 取 F B 系 列 ， 滚 珠 丝 杠 直 径 选 为 32mm， 型 号 为 F B326-1C 1C5- ， 其 额 定 动 载 荷 是 10689N， 所 以 强 度 足 够 用 。2E2) 效 率 计 算 ： 根 据 机 械 原 理 的 公 式 ， 丝 杠 螺 母 副 的 传 动 效 率 为 ：（3-9）/tg（ ）式中 摩擦角 =10 螺旋升角 =325则 =0.953）（ 01523/tgt3) 刚 度 验 算 ： 滚 珠 丝 杠 受 工 作 负 载 P 引 起 的 导 程 的 变 化 量（3-10）EFPL/01式中 =6mm=0.6cm；0E=20.6 612/cmN滚珠丝杠截面积 2.8031/.4Fd（ ） （ ）则 cmL 661 109.5.20/8.5 ）（滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 很小，可忽略，即： 。2L1L所以，导程变形总误差 为：mL/8.960/19.50/1查 表 知 E 级 精 度 丝 杠 允 许 的 螺 距 误 差 （ 1m 长 ） 为 15m/m， 故 刚 度 足 够 。4） 稳 定 性 验 算 ： 由 于 机 床 原 丝 杠 直 径 为 32mm， 支 承 方 式 不 变 ， 所 以 稳 定性 不 存 在 问 题 ， 不 再 验 算 。(3) 齿 轮 及 转 矩 的 有 关 计 算1) 有关齿轮计算传动比 /360.756/30.125opiL故取 =32 =401Z2m=2mm b=20mm =20md6431Z8022haa*1md422) 转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： cmNckgWJp .674.467.0875.0143/.80/180 222 ）（）（ 丝杠的转动惯量：22444 .8 mLDs齿轮的转动惯量： 4 221.80.17ZJkgcmNc27399电机转动惯量很小可忽略。因此，总的转动惯量：467.01.239.6178.25/1122 ）（）（ JJiJZS= .084.408. cmNckg3) 所需转动力矩计算：快速空载启动时所需力矩+ +maxMfo最大切削负载时所需力矩+ + +atfot快速进给时所需力矩+ fMo式 中 空 载 启 动 时 折 算 到 电 机 轴 上 的 加 速 力 矩 ；max折 算 到 电 机 轴 上 的 摩 擦 力 矩 ；f由 于 丝 杠 预 紧 所 引 起 ， 折 算 到 电 机 轴 上 的 附 加 摩 擦 力 矩 ；o切 削 时 折 算 到 电 机 轴 上 的 加 速 度 力 矩 ；atM折 算 到 电 机 轴 上 的 切 削 负 载 力 矩 。t（ 3-11）TJna6.9/104当 时 maxaaMmxmin/7.416/25.0/ rLivn cmkgfNa .521.0974168.2mx 当 时 tat6804.3/.1/0/0 DLvfiLfint 主24.8r=12.40824.88 /9.60.025=0.1286 N.m=1.286kgf.cmatM41iWLfiLFf 2/00当 =0.8 =0.16 时f8./23.1408.25fM=1.223 =12.23cmkgf.cN.当 =0.9 时 预 加 载 荷 Po=1/3 则 ：XF25.1804.36/9.0.876/1220 ）（）（ iLFX= mNckgf.4.46.=76.30.6/5=7.297kgf.cm=72.97N.cm/2txoMi所 以 ， 快 速 空 载 启 动 所 需 力 矩maxfOM=21.5+1.223+0.462=23.185kgf.cm=231.85N.cm切 削 时 所 需 力 矩 ：atfot=1.286+1.223+0.462+7.297=10.268kgf.cm=102.68N.cm快 速 进 给 时 所 需 力 矩foM=1.223+0.462=1.685kgf.cm=16.85N.cm由 以 上 分 析 计 算 可 知 ：所 需 最 大 力 矩 Mmax 发 生 在 快 速 启 动 时 ，cmNckgf.85231.185.23ax3.2 横向（X）向进给系统的计算与设计横 向 进 给 机 构 改 造 ： 保 留 原 手 动 机 构 ， 用 于 调 整 操 作 ， 原 有 的 支 撑 结 构 也 保 留 ，步 进 电 机 、 齿 轮 箱 体 安 装 在 中 拖 板 的 后 侧 。1. 横 向 进 给 系 统 的 设 计 经 济 型 数 控 改 造 的 横 向 进 给 系 统 的 设 计 比 较 简 单 ， 一般 是 步 进 电 机 经 减 速 后 驱 动 滚 珠 丝 杠 ， 使 刀 架 横 向 运 动 。 步 进 电 机 安 装 在 大 拖 板 上 ，用 法 兰 盘 将 步 进 电 机 和 机 床 大 拖 板 连 接 起 来 ， 以 保 证 其 同 轴 度 ， 提 高 转 动 精 度 。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 用到 的 公 式 不 在 详 细 说 明 ， 只 计 算 结 果 。已知条件：工作台重量： W=30kgf=300N时间常数： T=25ms 滚珠丝杠基本导程： =4mm 左旋0L行程： S =190mm脉冲当量: p=0.005mm/step 步距角： =0.75/step快速进给速度： =1m/minmaxV(1) 切削力计算 横向进给量为纵向的 1/21/3，取 1/2，则切削力约为纵向的1/2。=1/2152.76=76.38kgf=763.8NZF在切断工件时：NcmkgfZy 9.3650. （2）滚珠丝杠设计计算1)强度计算： 对于燕尾型导轨：（3-12）（ WFfKPZY取 K=1.4 =0.2f则 P=1.438.19+0.2（76.38+30）=74.74kgf=747.4N寿命值 5.130/15601/606iiTnL最 大 动 负 载Q= NkgfPfLHWi 5.233 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 汉 江 机床 厂 的 产 品 样 本 选 取 系 列 ， 滚 珠 丝 杠 公 称 直 径 为 20mm， 型 号 为BFC1204-5-E2 左 ， 其 额 定 动 负 荷 为 5393N， 所 以 强 度 足 够 用 。BFC12) 效率计算： 螺旋升角 =338，摩擦角 =10则传动效率由公式（2-9）得 956.0)183(/tgt3) 刚度验算：由公式（2-10）得滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 = 74.74100.44/3.1420.6 = 5.96 cm1L62.761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2LL变形总误差为=100L/Lo=1005.96 /0.4=14.9m/m610查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（1m 长）为 15m/m，故刚度足够。4) 稳定性验算： 由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。(3) 齿轮及转矩有关计算1)有关齿轮计算传动比 67.13/50.36/475.036/0 PLi故取18Z2=20m0bm136d26d4a4a82)转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 2 2 2(180/)(180.5/3.1407)31/0.439.tpJWkgcm丝杠的转动惯量 4 27.6.sJkgcm齿轮的转动惯量 4 212.803.20.76ZJkgc电机转动惯量很小可忽略，因此，总的惯量 2 2 2211/()(3/5)0.4.2)0.6.4391.58.SZtJi kgcm3) 所需转动力矩计算max/1.7/minonviLr4 4maxax10/9.6.25816.709250.84.23.MJTNkgfc / /3.617/intioonfLvfiDr主 4.2583.7/.14.at mkfcmNckgfiWLfiFf .0.0 58042/.02./0 2 2(1)/638194(.9)/63.1485.16.1.ovoMLi kgfcNm./02079tyF f所以，快速空载启动所需转矩 maxfM=2.23+0.287+0.116=2.633kgf.cm=26.33N.cm切削时所需力矩： atfotMM=0.1774+0.287+0.116+1.824=2.40kgf.cm=24.04N.cm快 速 进 给 时 所 需 转 矩 ：fo=0.287+0.116=0.403kgf.cm=4.03N.cm以 上 计 算 可 知 ： 最 大 转 矩 发 生 在 快 速 启 动 时maxMkgfcNm3.3 机床导轨改造卧 式 车 床 上 的 运 动 部 件 ， 如 刀 架 、 工 作 台 都 是 沿 着 机 床 导 轨 面 运 动 的 。 导 轨 就 是支 承 和 导 向 ， 即 支 承 运 动 部 件 并 保 证 运 动 部 件 在 外 力 作 用 下 ， 能 准 确 的 沿 着 一 定 的 方向 运 动 。 导 轨 的 导 向 精 度 、 精 度 保 持 性 和 低 速 运 动 平 稳 性 ， 直 接 影 响 机 床 的 加 工 精 度 、承 载 能 力 和 使 用 性 能 。数 控 机 床 上 ， 常 使 用 滑 动 导 轨 和 滚 动 导 轨 。 滚 动 导 轨 摩 擦 系 数 小 ， 动 静 摩 擦 系 数接 近 ， 因 而 运 动 灵 活 轻