CA6140的数控化改造的设计

摘 要本文在对 CA6140 普通车床结构分析和性能研究的基础上，运用机电一体化系统设计的基本思想，并结合数控技术的基本理论，通过对伺服系统，机械执行机构，计算机系统的改造与创新，阐述了数控化改造的方法与技术理论。为了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副；同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。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。改造后的数控车床的加工能力、自动化水平和加工精度明显提高。关键词： 普通车床，数控技术， 改造设计ABSTRACTIn this paper, the structure of the CA6140 lathe analysis and performance study, based on the design of mechatronic systems using the basic ideas, combined with the basic theory of numerical control technology, through the servo system, mechanical actuator, the computer system reform and innovation to explain the NC method and technique of reconstruction. In order to guarantee the transmission accuracy and smoothness to minimize friction, use ball screw pair; the same time, in order to improve the transmission stiffness and eliminate gaps, using a preloaded bearing structure. Processing according to the largest size of lathe, machining accuracy, control, speed and economy requirements, economic type CNC machine tools generally use the 8-bit microprocessor. In the 8-bit microcomputers, MCS-51 family of single chip has high integration, high reliability, strong function, high speed, anti-interference ability, high cost, therefore, optional extended MCS-51 family of single chip systems. After transformation, the processing capacity CNC lathes, automation and processing accuracy has improved significantly. KEY WORDS : ordinary lathe, NC technology, Modification Design目 录前言.1第 1 章 绪论.21.1 课题背景 .21.2 机床改造的内容及意义 .21.2.1 研究意义 .21.2.2 普通车床的数控化改造设计 .31.2.3 数控车床的性能和精度的选择 .31.2.4 主要研究内容及技术路线 .41.3 机床的经济数控化改造需要解决的问题 .4第 2 章 设计要求.62.1 总体方案设计要求.6第 3 章 进给伺服系统机械部分的设计与计算.83.1 进给系统机械机构改造设计 .83.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型 .73.2.1 确定系统的脉冲当量 .93.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 .93.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 .143.2.4 齿轮的有关计算 .153.2.5 绘制进给伺服系统的机械装配图 .20第 4 章 步进电机的计算与选型.224.1 步进电机选用的基本原则 .224.1.1 步距角 .224.1.2 精度 .224.1.3 转矩 .224.1.4 启动频率 .234.2 步进电机的选析 .234.2.1 CA6140 纵向进给系统步进电机的确定 .234.2.2 CA6140 横向进给系统步进电机的确定 .234.3 自动回转刀架 .24第 5 章 微机控制系统硬件电路设计.255.1 控制系统的功能要求 .255.2 硬件电路的组成 .255.3 设计说明.25第 6 章 机床数控化改造的联调.286.1 空运转前的检查 .286.2 各种动作试验 .286.3 功能试验 .296.4 空运转试验 .306.5 试切 .30结论.31参考文献.32致谢.33附录.34前 言近年来，随着各行业对机加工产品要求的不断提高和数控技术的飞速发展，数控机床以其精度高、效率高和劳动强度低等诸多普通机床无法比拟的优势，成为当今制造业的主流加工设备。目前，一个企业设备数控化程度的高低已经直接影响到了它的生存。那些拥有大量普通机床的工厂，正面临着巨大的挑战，这些厂家效益不好的主要原因，一方面是大量普通机床闲置造成浪费，另一方面是没有足够的资金购买新的数控设备。要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路，普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成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。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。第 1 章 绪论1.1 课题背景1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6 年后，即在1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。目前，国外已发展成为一个新兴产业部门，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%的机床经过数控化改造，中小企业则达 74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控化改造业务。中国是拥有 300 多万台机床的国家，其中大部分是多年积累生产的普通机床，自动化程度低。要想在近几年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，普通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的主要方向之一。1.2 机床改造的内容及意义1.2.1 研究意义企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。目前,采用先进的数控机床,已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的一条有效途径。1.2.2 普通车床的数控化改造设计机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成简易数控机床的另当别论）。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。1.2.3 数控车床的性能和精度的选择并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件：第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。参考有关资料主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。1）主轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。2）进给运动：进给速度：Z 向（通常为 8400mm/min）；X 向（通常为2100 mm/min）。快速移动：Z 向（通常为 1.24m/min）；X 向（通常为 1.23m/min）。脉冲当量：在 0.0250.005mm 内选取，通常 Z 向为 X 向的 2 倍 。1加工螺距范围：包括能加工螺距类型（公制、英制、模数、径节和锥螺纹等），一般螺距在 10mm 以内都不难达到。3）进给运动驱动方式（一般都选用步进电机驱动）。 4）给运动传动是否需要改装成滚珠丝杠传动。5）刀架是否需要配置自动转位刀架，若配置需要确定工位数。6）其他性能指标选择：插补功能：车床加工需具备直线和圆弧插补功能。刀具补偿和间隙补偿：为了保证一定的加工精度，一般需考虑设置刀补和间隙补偿功能。显示：采用数码管还是液晶或者显示器显示，显示的位数多少等问题要根据车床加工功能实际需要确定，一般来说，显示越简单成本越低，也容易实现。诊断功能：为防止操作者输入的程序有错和随之出现的错误动作，可在数控改造系统设计时加入必要的器件和软件，使其能指示出机床出现故障或者功能失效的部分等，实现有限的诊断功能。以上是车床数控改造时需要考虑的一些通用性能指标，有的车床改造根据需要还会有些专门的要求，如车削大螺距螺纹、在恶劣的环境下工作的防尘干扰、车刀高精度对刀等，这个时候应有针对性的专门设计。1.2.4 主要研究内容及技术路线a.纵向和横向滚珠丝杠的选型及校核。b.纵向和横向步进电机的选择。c.微机系统的选择与校核。d.整机联接调试。1.3 机床的经济型数控化改造主要解决的问题(1) 恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复。在数控改造的过程中，应该恢复一些旧机床的基本功能，及时了解记录此机床的某些故障，防止改造过程中影响进度。(2)NC 化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成 NC 机床、CNC机床。增加微机系统，以实现数控机床的基本显示功能，使之能够部分数控化。(3) 翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的 CNC 系统以最新CNC 进行更新。(4) 技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。但要以经济成本为衡量标准，增加机床的时效性。第 2 章 设计要求2.1 总体方案设计要求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。本次设计主要针对 CA6140 普通车床的数控化改造，具体方案如下：（1）系统的运动方式与伺服系统的选择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、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。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。（2）计算机系统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。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。（3）机械传动方式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。为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦系数小、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。（4）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。总体方案的确定经总体设计方案的论证后，确定的 CA6140 车床经济型数控改造示意图如图 2-1 所示。总体方案设计图 2-1CA6140 车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（Z 轴）和横向（X 轴）进给运动采用步进电机驱动。由 8031 单片机组成微机作为数控装置的核心，由 I/O 接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，并带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电机驱动的自动控制的自动转位刀架。微机光隔离光隔离功率放大功率放大步进电机步进电机纵向进给横向进给第 3 章 进给伺服系统机械部分设计与计算3.1 进给系统机械结构改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有主轴、进给箱、溜板箱、溜板、刀架等改造的方案不是唯一的。以下是本设计选择的一种方案： 主轴部分：普通车床在数控化改造时大部分情况下保留原主轴箱，不做改动或少做改动。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架。3.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力、滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。纵向进给计算简图如下图 3-1 所示：2,JZsJ G LMJ1,JZ车床纵向进给系统计算简图 3-1横向进给计算简图如下图 3-2 所示：4,JZsJ2,JZL3,JZMJ车床横向进给系统计算简图 3-21,3.2.1 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为 0.01 和 0.005 ,在stepm/stepm/CA6140 的技术参数中，根据实际要求纵向脉冲当量 为 0.01 。横向脉f冲当量为 =0.005 。pfstepm/13.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤（1）最大工作荷载计算滚珠丝杠的工作载荷 （ ）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所mFN承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于原普通 CA6140 车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式 3-1 计算工作载荷的大小。（3-1） GFfKZxmG1）车削抗力分析车削外圆时的切削抗力有 ，主切削力 与主切削速度方向一致zFyxzF垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。走刀抗力 与纵向进给垂y直，影响加工精度或已加工表面质量。吃刀抗力 与进给方向平行且相反指向，x设计或校核进给系统是要用它。纵切外圆时，车床的主切削力 可以用下式计算：zF=0.67 （3-2） z5.1maxD为车床床身上加工最大直径( )； D=0.67 5360( )z5.140N由金属切削原理知：: : =1:0.25:0.4 （3-3） zFxy得 =1340( )xF=2144( )yN因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给托板的载荷与车刀所受到的车削抗力有对应关系。因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出：托板上的进给方向载荷 =1340( )xFN托板上的垂直方向载荷 =5360( )z托板上的横向载荷 =2144( ) y因此，最大工作载荷 GFfKZxm=1.151340+0.04(5360+9010)=1791.4( ) N对于三角形导轨 =1.15, =0.030.05,选 =0.04(因为是贴塑导轨) ，ff 1G 是纵向横向溜板箱和刀架的重量，选纵向横向溜板箱的重量为 75kg,刀架重量为 15kg.（2）最大动载荷 C 的计算滚珠丝杠应根据额定动载荷 Ca 选用，可用式 4-4 计算： = （3-4） CmwFfL3为工作寿命，单位为 10 ， = ；6rL610nT为丝杠转速（ ）, = ；nin/r。 vs为最大切削力条件下的进给速度（ ）,可取最高进给速度的sv min/1/21/3；此处取 =0.5 ；svi/m1为丝杠的基本导程，初选 =12 ; 为运转状态系数，因为此时有LLfw冲击振动，所以取 =1.5 ；fw1表 3-1 运转系数运转状态 运转系数无冲击运转 1.0 1.2一般运转 1.2 1.5有冲击运转 1.5 2.5= = =20.84n。Lvs10125.0min/r = = =18.756T684.则 = = 1.51791.4=7138.67（ ）CmwFf335.7N（3）滚珠丝杠副的选型初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷 不得小于最大载荷 C;因aC此有 =7138.67aN另外滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷 是oaC否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷 ,一般使 mF（3-5）32moaC初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。因此初选滚珠丝杠的型号为型 CD6312-3.5-E 型，主要参数为 =4.763wD, =12 , =63 , = ，圈数列数 3.51 。 mLmd912（4）纵向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 = （3-6）tan式中 丝杠螺旋升角；摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 =0.003 0.004，起摩擦角约f等于 。01= =92%0192tan2）刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。a.丝杠的拉压变形量 1= (3-7)ESlFm= 265.310.28479b.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2采用有预紧的方式，因此用公式=0.0013 （3-8） 232ZFDyjwm式中 轴向工作负载（ ） ；mFN 预紧力（ ） ；yjFN滚珠直径（ ） ；WDm滚珠数量；Z滚珠丝杠公称直径。md=23 236.145.796.401. =0.0028m在这里 = = 1791.4=597yjFm31N（ 外循环 ） wDdZ= 圈数 列数 41.533.51=145.36 丝杠的总变形量 = + =0.0064+0.0028=0.0092 mKkn175kn一般 =2.5 4， 所以滚珠丝杆不会产生失稳 。k23.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤（1）型号选择1）最大工作载荷计算由于导向为贴塑导轨，则： =1.4, =0.05；Kf最大工作载荷：GFFxZym2=1.42144+0.05 (5360+21340+1075)=3440.4( )N2）最大动载荷的计算= = =15.63r/minn。Lvs1085.02 = = =14.066T613.则 = = 1.51791.4=6485.5（ ）CmwFf330.4N(2) 滚珠丝杠副的选型根据参数初选滚珠丝杠型号为：CD508-3.5-E其基本参数为 =3.969 , =8 , =50 , = ，圈数列数wDmLmd123.51 (3) 横向滚珠丝杠的校核1）传动效率 计算= = =93%tan012tan2) 刚度验算1. 丝杠的拉压变形量= = =0.0027 1ESlFm2245106.3m2.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量=0.0013 232ZFDyjw=0.0013 336.145096.=0.0070m在这里 11473yjFN（ 外循环 ） wmDdZ= 圈数 列数=39.563.51=138.48丝杠的总变形量= + =0.0027+0.0070=0.0097 0.01512 m查表知 E 级精度允许的螺距误差为 0.015mm，故所选丝杠合格。（4）滚珠丝杠螺母副的精度等级数控机床根据定位精度的要求通常选用 1 5 级精度的滚珠丝杠，数值如下表 3-2 滚珠丝杠行程误差（ ）m精度等级项目 符号 有效行程 l/1 2 3 4 5315 6 8 12 16 23315 4007 9 13 18 25400 500 8 10 15 20 27 目标行程公差 e p500 630 9 11 16 22 30315 6 8 12 16 23315 4006 8 12 17 25400 500 7 10 13 19 26行程变动量公差 mpv500 630 7 11 14 21 29任意 300 内行程 变动量 p306 8 12 16 232 弧度内行程变动量 v24 5 6 7 83.2.4 齿轮有关计算(1)纵向齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算，由前面的条件可知：工作台重量：W=800 (根据图纸粗略计算)N滚珠丝杠的导程: =12Lm步距角: =step/75.0脉冲当量: =0.01p快速进给速度： =2maxVin/所以,变速箱内齿轮的传动比=2.5 （3-10） pLZi36012齿轮的有关参数选取如下: ， ， 模数142 m2齿宽 b =20 ， 压力角 =20m齿轮的直径 zd63180421mda2两齿轮的中心矩 7212）转动惯量计算a.工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量可以用表 3-3 直接查出表 3-3 工作台折算到 丝杠轴上的转动惯量 3导程/mm 4 5 6 8 10 12 16 20 2410 N 转4动惯量/kg.cm 24.13 6.45 9.29 16.51 25.80 37.15 66.05 103.20 148.61即 37.15 0.08=2.972J2cmkgb.对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算:（3-DL4108.711） 式中 D圆柱形零件的直径 ；cmL零件的轴向长度 ；所以,丝杠的转动惯量:244 75.102.3108.7108.7 cmkgDLJs 齿轮的转动惯量: 241 6. ckg2 392807mJ参考同类型机床，电动机转动惯量一般可取 10 。MJ2因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量（3-JZJsM21112）= 1067.29.)475.139.6(5.2=15.95 2cmkg3）所需转动力矩计算机床载不同的工况下，其所需测的转矩不同，下面分别按各阶段计算：a.快速空载启动时所需力矩ofaMmxb.最大切削负载时所需力矩tofc.快速进给时所需力矩 of式中, 空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩;maxM折算到电动机轴上的摩擦力矩;f由丝杠预紧所引起,折算到电动机轴上的附加摩擦力矩;o折算到电动机轴上的切削负载力矩;t= （3-13）maxM4max1062TnJN式中, 转动惯量（ ） ； 电机最大转速2ckg maxn（ ） ；in/r起动加速到最大快进速度所需时间常数（ ） 。T s= =maxpbv36001.752in/.46r= = =2.78 =278axM4maxTnJ41025.97mNc又 = = （3-14）fiLF2iLWfz)(式中 导轨的摩擦力( ); N导轨上的摩擦系数；f垂直方向的切削力（ ） ；zF运动部件的重量( );W丝杠导程 ;Lcm传动比；i传动效率。当 = 0.8 =0.16 时f= =94.16 fM5.28014.32)6(cmN= （1 ） （3-15）oiLF式中， 丝杠未预紧时的效率，取 0.9；预加载荷，一般为最大轴向载荷的 ，即 。 31mF则 = （1 ）= =57.05 0.19=10.84oMiLF22 29.05.8.631479cN= = =128tix.08.3cmN所以，快速空载启动所需力矩=278+94.16+10.84=383ofamx c切削时所需力矩=94.16+10.84+128=233tofM mN快速进给时所需力矩=94.16+10.84=105of c由以上分析计算可知：所需最大力矩 发生在快速启动时 =383McmN(2)横向齿轮及转矩的有关计算1)有关齿轮计算，由前面的条件可知：工作台重量： =300 (根据图纸粗略计算)WN滚珠丝杠的导程: =8Lm步距角: =step/75.0脉冲当量: =0.05p快速进给速度： =1maxVin/所以,变速箱内齿轮的传动比=1.67 pLZi36012齿轮的有关参数选取如下: 齿宽 b =20 ， 压力角 =20m齿轮的直径 mzd3618210241da62两齿轮的中心矩 m8212)转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量查表可得16.5 0.03=0.495J2ckg丝杠的转动惯量:=7.810-42450=0.624 s 2m齿轮的转动惯量: 241 6.02.308.7ckgJ2参考同类型机床，电动机转动惯量一般可取 10MJ2cmkg因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量 JZJsM211= 1026.495.0).6.0(532=12.62 2cmkg3)所需转动力矩计算= =maxnpbv36001.75min/.46r= = =2.20 =220axM4max2TnJ41025.07.63mNc= =162 f 58.0132)56(.0cN= （ 1 ）= =43.8oMiLF22 29.015.280.6334cmN= = =204.8tiy5.8cmN所以，快速空载启动所需力矩=220+162+43.8=425.8ofamx c切削时所需力矩=162+43.8+204.8=410.6tofM mN快速进给时所需力矩=162+43.8=205.8of c由以上分析计算可知：所需最大力矩发生在快速启动时 =423.5Mc3.2.5 绘制进给伺服系统的机械装配图在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型，完成齿轮传动比计算后，可以着手绘制进给伺服系统的机械装配图。在绘制机械装配图时，除了从总体上考虑机床布局情况以及伺服进给机构与原机床的联系外，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。1）了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。2）根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号，轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。3）减速齿轮的参数和结构尺寸计算，确定齿轮侧隙的调整方法，在满足装配工艺的前提下，合理设计齿轮箱结构。4） 考虑各部位间的定位、联接和调整方法。例如，应保证丝杠两端支承与滚珠丝杠螺母同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座。轴承座在安装面上的联接与定位、齿轮箱在安装面上的定位、步进电机在齿轮箱上的联接与定位等。5）考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如，丝杠螺母的润滑、防尘、防铁屑保护、轴承的润滑及密封、齿轮的润滑及密封、行程限位保护装置等。6）在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。此外，注意绘制装配图时的一些基本要求。例如，制图标准布置及图形画法要求、重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标准、重要配合的标注、装配技术要求、标题栏要求等， 具体图纸已在附录中画出。第 4 章 步进电动机的计算与选型4.1 步进电动机选用的基本原则合理选用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据电动机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：4.1.1 步距角 步距角应满足 （4-1）imn式中， 传动比；i系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角。min4.1.2 精度步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足： （4-2）msi式中， 步进电动机的累积误差； 系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差 。 s 54.1.3 转矩为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件a.起动力矩。一般选取为 （4-3）qT5.03m式中， 电动机起动力矩；q电动机静负载力矩。m根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表 4-1 所示，表中 为步jmT进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。表 4-1 步进电机启动转矩和最大转矩的关系 5相数 3 3 4 4 5 5 6 6运行方式 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12jmqT/0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866在要求的运行频率范围内，电动机运行运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。4.1.4 启动频率由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： (4-4)tFopfm式中， 极限启动频率；t 要求步进电动机最高启动频率 。opfm 54.2 步进电动机的选折4.2.1 CA6140 纵向进给系统步进电机的确定=qTcmNm35.084.12.0为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：=0.866jmq/所以步进电动机最大静转矩 为：jT=jmcmNq 06.358.6.0步进电动机最高工作频率：Hzvfp.01.2axma综合考虑，查步进电机技术数据表选用 90BF002 型直流电动机，能满足使用要求。4.2.2 CA6140 横向进给系统步进电机的确定= qTcmNm3.64.025.电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知：=0.866jmq/所以步进电动机最大静转矩 为：jmT= jmTcNq09.7386.0步进电动机最高工作频率：Hzvfp.05.1axma为了便于设计和采购，仍选用 90BF002 型直流电动机，能满足使用要求。4.3 自动回转刀架数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀装置。根据不同加工对象，有四方刀架和六角刀架等多种形式，回转刀架上分别安装着四把，六把或跟多的刀具，并按数控装置的指令换刀。回转刀架又有立式和卧式两种，立式回转刀架的回转轴与机床主轴成垂直分布，结构比较简单，经济性数控车床多采用这种刀架。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时切削抗力和减少刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。回转刀架还要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位后具有高的重复定位精度 。1根据本设计 CA6140 车床的经济性数控化改造实况，以及数控车床自动换刀装置的类型特点，特选用四方回转刀架。第 5 章 微机控制系统硬件电路设计5.1 控制系统的功能要求（1）z 向和 x 向进给伺服运动控制；（2）自动回转刀架控制；（3）螺纹加工控制；（4）行程控制；（5）键盘及显示；（6）面板管理；（7）其他功能：光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。5.2 硬件电路的组成：后面所画大图采用 MCS-51 系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：（1）CPU 采用 8031 芯片；（2）扩展程序存储器 2764 两片，6264 一片；（3）扩展可编程接口芯片 8155 两片；（4）地址锁存器，译码器个一个；（5）键盘电路，显示电路；（6）光电隔离电路，功率放大功率；（7）越程报警电路，急停电路，复位电路；（8）面板管理电路。5.3 设计说明（1）CPU 采用 8031 芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有 128 字节，因此，扩展外部程序存储器 2764 两片（16KB） ，数据存储器 6264（8KB）一片。8031 的 I/O 口也不能满足输入输出口的要求，本系统也扩展了两片 8155 可编程接口芯片 。13（2）采用 74LS138 三-八译码器的输出作为片选信号。2764（1） 、2764（2） 、6264、8155（1）和 8155（2）的片选信号分别接到译码器的 ,40Y74LS138 的输入 A、B、C 分别接 8031 的 、 、 。5.P6.27.（3）由于 2764 和 6264 芯片都是 8KB，需要 13 根地址线， 低 8 位接70A74LS373 芯片的输出。 接 8031 芯片的 ，74LS373 地址锁存器在1284.20.选通信号 ALE 在高电平时直接传送 8031 口低 8 位地址，当 ALE 在高电平变低电0P平的下降沿时，低 8 位地址锁存器，此时， 口可用来向片外传送读写数据。（4）接口芯片与外设的联接及设计说明如下：8155（2） 输出的指令脉冲通过光电隔离电路和功率放大电路直接70PA驱动纵向和横向步进电机的共八相绕组。在本系统中采用软件环形分配器方式，虽然运行速度慢一些，但可以省去两个硬件环形分配器，电路比较简单，由于步进电机的每一相绕组需和一个 I/O 接口相连，以便与控制寄存器中某一指定相位对应，因此，占用的 I/O 口数量较多。8155（2）的 作为显示器位选信号，显示器的段选信号则由 803150PC的 发出，8155 的 是键盘扫描输入。7.10.P30B行程限位报警信号+Z,-Z,+X,-X 分别通过 8155（2）的 提出中断请74PB求，根据不同的中断口可以直接识别行程的方向，此时相应的红灯报警。8155（1）的 接自动回转刀架（四方刀架） ，自动回转刀架需要换30PC刀时，由 发出换位信号，经交流控制箱控制刀架电机回转，到达指定30P的刀位。刀架夹紧后，即发出回答信号，表示已完成换刀过程，可以进行切削加工。换刀回答信号经 8155（1）的 输入计算机，控制刀架开始进给。5PB8155（1） 接控制面板上的控制开关，设有编辑空运行、自动、手50AP工（I ） 、手工（ II） 、回零等选着方式。