CA6140普通车床的数控化改造设计

摘 要普通机床的经济型数控改造主要是在合理选择数控系统的前提下，然后再对普通车床进行适当的机械改造，改造的内容主要包括：(1) 床身的改造，为使改造后的机床有较好的精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨。(2) 拖板的改造，拖板是数控系统直接控制的对象，所以对其改造尤显重要。这中间最突出一点就是选用滚珠丝杠代替滚动丝杠，提高了传动的灵敏性和降低功率步进电机力矩损失。(3) 变速箱体的改造，由于采用数控系统控制，所以要对输入和输出轴以及减速齿轮进行设计，从而再对箱体进行改造。(4) 刀架的改造，采用数控刀架，这样可以用数控系统直接控制，而且刀架体积小，重复定位精度高，安全可靠。通过对机床的改造并根据要求选用步进电机作为驱动元件，这样改造后的机床就能基本满足现代化的加工要求。关键字：普通车床 数控改造 步进电机 经济型数控系统 数控刀架一 绪 论我国数控机床的研制是从 1958 年开始的，经历了几十年的发展，直至 80 年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。因此，我们必须走数控改造之路。普通车床（如 C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。普通机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，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。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。二 总体方案设计2.1 总体方案设计要求本课题来源于生产实践。将 CA6140 型普通车床改造成经济型数控车床，应能实现 CA6140 车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。在整个设计过程中满足以下几点要求：X 轴（横向） 、Z 轴（纵向）改为微机控制，采用步进电机或直流伺服电机驱动，滚珠丝杠传动。X 轴（横向）脉冲当量：0.005mm/脉冲Z 轴（纵向）脉冲当量：0.010mm/脉冲实现功能：车削外圆、端面、圆弧、圆锥及螺纹加工操作要求：起动、点动、单步运行、自动循环、暂停、停止。2.2 CA6140 车床改造的总体方案由于是经济性数控改造,所以在考虑具体方案时,基本原则是在满足使用要求前提下,对机床改动尽可能少,以降低成本。 根据CA6140 车床有关资料以及数控机床的改造经验,确定总体方案为：采用以8031单片机为核心的数控装置控制加工过程。微机通过I/O接口发出步进脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠转动，从而使工作台产生移动，实现纵向、横向的进给运动。为加工螺纹,在主轴上加装主轴脉冲编码器。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将I/O输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响单片机程序运行，重则导致单片机接口电路的损坏，所以在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路，实现电气隔离。其总体改造方案结构示意图见图2-1所示。进给伺服系统总体方案框图如图2-2所示： 图2-1 数控车床的总体改造方案结构示意图图2-2 进给伺服系统总体方案框图 总体框架说明：微机：可采用8031单片机，可满足该系统的控制要求。光电隔离：作用是能够隔离外部干扰信号对微机的信号冲击，提高 系统的稳定性。主轴脉冲编码器：作用是实现螺纹加工。横（纵）向工作台：是由CA6140改造而来，拆除原来的丝杆，溜板箱，变速箱等。步进电机及其驱动器要能够达到0.005mm的加工精度要求。 三 车床进给伺服系统机械部分改造设计与计算3.1 车床进给伺服系统机械部分改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等。改造的方案不是唯一的，以下是其中的一种方案：(1) 主传动系统保留原机床的主轴手动变速。改造后使其主运动和进给运动分离，主电机的作用仅为带动主轴旋。增加一只电磁离合器，用以接收数控系统的停机制动信号以控制原制动装置制动停车。加工螺纹或丝杠时，为保证主轴每转一转，刀具准确移动一个导程，需拆除挂轮架系统，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲编码器，作为主轴位置信号的反馈元件。脉冲编码器采用异轴安装，意在实现角位移信号传递的同时，又能吸收车床主轴的部分振动，从而使主轴脉冲编码器转动平稳，传递信号准确。 (2) 进给系统原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠和操作杠全部拆除，纵向进给系统以步进电机作为驱动元件，经一级齿轮减速转矩增大后，由滚珠丝杠传动。滚珠丝杠仍利用原丝杠位置，其螺母副通过托架安装在床鞍底部，滚珠丝杠两端加装接套、接杆及支承。与床身尾部步进电机相联接。步进电机经减速后和滚珠丝杠用套筒联轴器连接。横向进给系统中保留原手动构，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、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。3.2 横向进给系统改造设计3.2.1 横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后驱动滚珠丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架横向运动。步进电机安装在大拖板后端，用法兰盘将步进电机与车床大拖板连接起来，以保证同轴度，提高传动精度。其结构示意图见图 3-1 所示。图 3-1 横向结构示意图3.2.2 横向进给系统的设计计算已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算） W=30kgf=300N时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程 L=4mm 左旋行程 S=230mm脉冲当量 =0.005mm/stepp步距角 =0.75 /step快速进给速度 max=1mm/min（1）切削力计算 查参考文献1可得知，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，F =(1/2)152.76=76.38kgf=763.8N （3-1）z在切断工件时：F =0.5F =0.5076.38=38.19kgf=381.9N （3-2）zz（2）滚珠丝杠设计计算 强度计算对于燕尾型导轨：P=KFy+f(Fz+W) （3-3）取 K=1.4 f=0.2 ,则P=1.438.19+0.2（76.38+30）=74.74kgf=747.4N （3-4）寿命值L = = =13.5 （3-5）i610Tin6105最大动负载Q= = 1.2174.74=213.55kgf=2135.5N （3-6）i35.根据最大动负荷 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。查参考文献2可知，选用型号为 WL2004-2.5X1B 左，其额定动负荷为 6100N，所以强度足够用。 效率计算螺旋升角 =339，摩擦角 =10则传动效率= = =0.956 （3-7）)(tg)1038(tg 刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量L = = = 5.9610-6cm （3-8）1EFPL026719.0.214.347滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L 2很小，可忽略，即：L=L 。所以，导程变形总误差为1= L= 5.9610-6=14.9m/m （3-9）oL04.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。 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，故不用验算。(3) 齿轮及转矩有关计算a.有关齿轮计算传动比 i= = （3-10）poL36067.1350.47故取 Z =18 Z =3012m=2mm b=20mm =20d =36mm d =60mm 12d =40mm d =64mm a=48mmaab.转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量JI=（ ） 2W=（ ） 2300.01=0.0439kgf cm2 p18075.01438（3-11）丝杠转动惯量JS=7.810-42450=0.624kgf cm2 （3-12）齿轮的转动惯量J =7.810-43.642=0.262kgf cm2 （3-13）1z J =7.810-4642=2.022kgf cm2 （3-14）2电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量J= 0439.62.0.64.5312122 IZSJJi=1.258kgf cm2 （3-15）c所需转动力矩计算n = = =41607r/min （3-16） maxoLi43510M = N m=2.23kgf cm ax 2184.0025.697186.94a TiJ （3-17）（3-18）min/17.34601.3.10rDLfifnoot 主m=0.1775kgf cm （3-19） NMat 725.69784 = iFof NckgfifW028.287.05.13. （3-20） m01.ckgf16.09.58.014369.1i6LFM22oYo (3-21)(3-22)NcmkgfiLoYt 179.0824.15.014329.8所以，快速空载启动所需转矩cmckgfMofa 3.2663.7.mx (3-23) 切削时所需力矩： cN04.2ckgf40.28.16.0287.14.0tofat (3-24) 快速进给时所需力矩：（3-25）cmNckgfMof 03.4403.16.287.0从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时，=2.633kgf cm=26.33N cmmax3.2.3 步进电机的选择CA6140 横向进给系统步进电机的确定（3-26）cmNMLoq 285.64.0132.电动机选用三相六拍工作方式，可知：（3-27）8.imq所以，步进电机最大静转矩 为：imM（3-28）cNMqim01.768.256.0步进电机最高工作频率（3-29）Hzfp3.05.60maxa为了便于设计和计算，选用 110BF003 型三相六拍步进电机，能满足使用要求。3.3 纵向进给系统改造设计 3.3.1 纵向进给系统改造设计拆除原机床纵向进给部分的进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，在原安装丝杠托架处布置步进电动机和减速箱。则步进电机经减速后驱动丝杠螺母机构运动,带动大拖板左右移动,步进电机安装在纵向丝杠的右端。其结构示意图见图3-2所示。图3-2 纵向结构示意图 3.3.2 纵向进给系统的设计计算已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算） W=30kgf=300N时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程 L=4mm 左旋行程 S=650mm脉冲当量 =0.010mm/stepp步距角 =0.36 /step快速进给速度 max=2mm/min(1)切削力的计算最大切削功率: W1L2005 P 切 =P 主 则 P 切 =（7.50.8）kW=6kW切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力（或转矩）和最大切削速度（或转速）来计算，即P 切 = 6013vFc在一般外圆车削时， Ff=(0.10.55) Fc ,Fp=(0.150.65) Fc，取 Ff=0.48Fc=0.483600N=1728N Fp=0.58Fc=0.583600N=2088N (2)滚珠丝杠副的计算和选型纵向进给为综合性导轨，则丝杠轴向进给切削力。其中 K=1.15，取f =0.16，则 NWfkFmcf 2.691)8036(1.07285.1)( 01.6/min0.5/insvn rL0arc24Ltgd最大切削力下的进给速度 可取最高进给速度的 1/21/5（取为sV1/2） ，纵向最大进给速度为 0.6m/min，丝杠导程 L0=6mm，则丝杠转速为(2）滚珠丝杠副的计算和选型丝杠使用寿命时间取为 T=15000h。则丝杠的计算寿命 L 为)10(4510min/561066rhrnTL根据工作负载 Fm、寿命 L，则滚珠丝杠副承受的最大动载荷 Cm，取fw=1.2，f a=1 NfLcamw 7.148612.69.4533 由 Cm参照某厂滚珠丝杠副产品样本，可采用 W1L4006 外循环螺纹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，强度足够用，精度等级选为 5 级。其几何参数如下：公称直径 d0=40mm，导程 L0=6mm，螺纹升角 ，钢球直径 dW=3.969mm，螺杆内径 d1=35.984mm。校验丝杠螺母副的传动效率 94.0)142()(otgt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。丝杠的变形量计算如下：滚珠丝杠截面积,按丝杠螺纹的底径确定: 229.106984.35mA400 6291.0.71.0.mFLmmEA 210.481m工作负载 Fm引起的导程 L0的变化量 L0可用下式计算 则丝杠的拉伸后压缩变形量 1 mmlL2401 09.56107. 由于两端均采用角接触轴承，且丝杠又进行了预紧，故其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高 4 倍。其实际变形量为滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 mmZFdym 093.)96.3452(0896.3.101.013. 2202 因丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的 1/3 时， 可减少2一半，因此实际变形量为： 22 1045./093. 支承滚珠丝杠的轴承为 8107 型推力球轴承，几何参数为：d1=35mm，滚动体直径 ，滚动体数量 。轴承的轴向接触mdQ5.68QZ变形 1 mZdFQm 078.1835.62904.024.323 因施加预紧力，故实际变形量 m039.2/3 根据以上计算，总变形量为 m015.9.0465.8.321 三级精度丝杠允许的螺距误差为 15um/m，故刚度足够。因为滚珠丝杠两端都采用推力球轴承并预紧，因此不会产生失稳现象，故不需做稳定性校核。 (3) 减速齿轮设计 根据给定的纵向进给脉冲当量 0.02mm，滚珠丝杠导程 L0=6mm，及初选的步进电动机距角 1.50，可计算出传动比8.065.123i选取齿轮齿数为 z1=40、z 2=40，模数 m=2.3.3.3 步进电动机的选择根据计算及综合考虑，纵向进给系统选用 150BF002 型步进电动机。3.4 主轴系统的设计主轴系统仍采用原电动机驱动，只是安装一个光电编码器，通过主轴编码器数控系统步进电机的信息转换系统来实现工件转一转，刀具进给一个导程的运动关系，以便完成车削螺纹运动。3.4.1 主轴箱的改造1.通过带传动进行主传动；2.把原先的双向摩擦片离合器换成电磁离合器；3.采用异轴安装主轴脉冲编码器。3.4.2 主传动形式的选择通过带传动的主传动（图 3-3）主要应用在小型数控机床上,可以避免齿轮传动时引起的振动与噪声,但它只适用于低转矩特性要求的主轴。其中，同步带它利用带上齿轮的齿依次啮合传递动力，兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，无相对滑动，传动比准确，传动精度高；另外同步带的强度高，厚度小，重量轻，可用于高速传动（速度可达 50m/s） ；齿形带无需特别张紧，作用在轴和轴承上的载荷上，传动效率较高，传动平稳，噪声小，维修保养方便，不需润滑，在数控机床上应用渐广。图 3-3 改造后的主轴带传动系统3.4.3 电磁离合器的选择由于原先主轴上的双向摩擦片离合器只能起到控制车床主轴起停和正反转在数控改造后不能接收数控系统的停机制动信号以控制原制动装置制动停车，所以需要把原先的双摩擦片离合器换成安装尺寸一样的电磁离合器，故选用 DLM5 有滑环湿式多片电磁离合器。3.4.4 主轴脉冲编码器 数控车床车螺纹时,主轴每转一转车刀移动一个螺矩(单头) ，主轴与丝杠应同步动作,为保证每次吃刀都不乱扣,必须在主轴后端安装一个主轴脉冲编码器，作为主轴位置信号的反馈元件。同轴安装虽然简单但是不能使加工零件穿出原车床的主轴孔，所以本次改造采用异轴安装。异轴安装时应注意主轴脉冲编码器的引出轴与车床主轴按 1：1 无间隙柔性联接传动同步齿形带联接。使用中车床主轴转速不允许超过主轴脉冲编码器的最高许用转速。脉冲编码器采用异轴安装，意在实现角位移信号传递的同时，又能吸收车床主轴的部分振动，从而使主轴脉冲编码器转动，平稳传递信号准确。图 3-4 即为主轴脉冲编码器的异轴安装.图 3-4 主轴脉冲编码器的异轴安装 3.5 数控车床的传动装置设计数控机床的传动装置是指将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属机构。包括丝杠螺母副、导轨、工作台等。在数控机床数字调节技术领域，传动装置是伺服系统中的一个重要环节。因此，数控车床的传动装置与普通车床中传动装置在概念上有重要差别，它的设计与普通车床传动装置的设计不同。数控车床传动装置的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态特性，即系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。为确保数控车床进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械传动装置时，通常提出了无间隙、低摩擦、高刚度等要求。为了达到这些要求，采取主要措施如下：a尽量采用低摩擦的传动副，如滚动导轨和滚珠丝杆螺母副，以减少摩擦力。b选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能地加速达到跟踪指令。c尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。d尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节和消除传动齿轮间隙的机构等。e尽量满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小，传动精度高，运动平稳，效率高以及传递扭矩大的传动元件。从应用的方面考虑,结合目前国内大多数工矿企业的现状，普通卧式车床改造，可以采用更换滚珠丝杆来代替原机床上的T型丝杆。3.5.1 丝杠后支承采用双列向心球面球轴承 后支承采用可自动调心的双列向心球面球轴承，如图 3-5 所示。双列向心球面球轴承不仅可承受径向载荷和轴向载荷，更重要的是能消除由于安装误差、导轨直线误差、加工过程中的切削变形而引起的轴和轴承之间的干涉，自动调节其相对位置，保证丝杠的回转精度和位置精度。图 3-5 双列向心球面球轴承3.5.2 采用波形弹簧垫圈消除齿轮间隙 车床的数控改造中，通常在传动装置上采用一级减速齿轮来提高扭矩和传动精度，而齿轮间隙会在系统每次变向之后使运动滞后于指令信号，即形成反向间隙，对加工精度产生影响。一般采用轴向压簧错齿结构，通过弹簧调节来消除间隙，尽管齿侧间隙可以自动补偿，但轴向尺寸大，结构不够紧凑。在改造中曾经采用过橡胶弹簧，但其力学性能比较复杂，大多数情况下载荷与变形的关系为非线性，而且耐高温和耐油性比钢弹簧差，容易老化。因此采用了波形弹簧垫圈消隙，如图 3-6 所示，既可以自动补偿间隙，又具有紧凑的结构。图 3-6 双片薄齿轮错齿消隙结构 3.5.3 传动轴与滚动丝杠的联轴器采用长联轴套 为减小联轴器的径向尺寸和转动惯量，采用了套筒式联轴器；同时为保证被联接的两轴之间的同轴度和接触面积，联轴套的长度取120mm，约为弹性柱销联轴器的 1.5 倍。轴颈与轴套间用 2 个相互垂直的圆锥销定位锁紧，保证连接刚度，如图 3-7 所示。图 3-7 套筒式联轴器3.5.4 公差与配合的选用 3.5.4.1 轴套与轴颈间采用 H7/k6 采用这种配合，在装配时有少许过盈，以保证其精密定位和连接刚度，消除了配合件之间的振动。当使用一段时期后，需更换轴承或进行导轨修磨而拆卸时，又能方便将轴颈从轴套中取出。3.5.4.2 与轴承配合的轴颈采用 js6 因为轴承是标准件，轴的公差采用 js6 与轴承过渡配合，平均间隙较小，并允许略有过盈，以保证其刚度要求，又能方便轴承的装卸。3.5.4.3 滚珠螺母与螺母座之间采用 H7/h6 由于滚珠螺母与螺母座之间靠平键传递扭矩，故采用 H7/h6 配合，这样装配件之间有较小的间隙，可保证零件自由装拆，而工作时又能相对静止不动。CA6140 数控改造后，纵向进给定位准确，性能参数稳定，显著提高了零件的加工精度和生产效率。3.5.5 螺旋传动A概述螺旋传动主要用来把旋转运动变为直线运动，或把直线运动变为旋转运动。其中，有以传递能量为主的传力螺旋，有以传递运动为主，并要求有较高传动精度的传动螺旋，还有调整零件相互位置的调整螺旋。螺旋传动机构又有滑动丝杠螺母、滚珠丝杠螺母和液压丝杠螺母机构。在经济型数控车床的进给系统中，螺旋传动主要用来实现精密进给运动，并广泛采用滚珠丝杠副传动机构。滚珠丝杠副传动是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间放入适当数量的滚珠。这些滚珠作为中间传动件，使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种传动装置。它由丝杠、螺母、滚珠及滚珠循环返回装置等四个部分组成。当螺杆转动螺母移动时，滚珠则沿螺杆螺旋滚道面滚动，在螺杆上滚动数圈后，滚珠从滚道的一端滚出并沿返回装置返回另一端，重新进入滚道，从而构成闭和回路。B滚珠丝杠副传动的特点a传动效率高，摩擦损失小。b给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。c启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。d有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。e磨损小，使用寿命长，精度保持性好。f制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值别别小，故制造成本高。 g不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于中立的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，所以需要添加制动装置。C滚珠丝杠副的支承方式为了满足高精度、高刚度进给系统的需要，必须充分重视滚珠丝杠副支承的设计。a一端固定，一端自由a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性都很低。b) 结构简单c) 轴向刚度小d) 适用于较短的滚珠丝杠安装和垂直的滚珠丝杠安装b两端铰支a) 结构简单b) 轴向刚度小c) 适用于对刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠安装d) 对丝杠的热伸长较敏感e) 适用于中等回转速度c一端固定，一端铰支a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高，适用于中等回转速度。b) 结构稍复杂c) 轴向刚度大d) 适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠安装e) 推力球轴承应安置在离热源（步进电机）较远的一端d两端固定a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高速回转b) 结构复杂，两端轴承均调整预紧，丝杠的温度变形可转化为推力轴承的预紧力c) 轴向刚度最大d) 适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装e) 适用于较长的丝杠安装综上所述，本设计中滚珠丝杠副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。D滚珠丝杠副轴向间隙的调整滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。消除间隙的方法采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外，还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。3.5.6 轴的结构设计A轴 CAJJX6140-02-04 的结构设计（1）选择轴的材料及热处理方法因该轴无特殊要求，故选用 HT150 正火处理。（2）确定轴的各段直径由前面滚珠丝杠副的设计可知：滚珠丝杠的直径为 20mm。由于丝杠与轴 CAJJX6140-02-04(如图 3-8)通过联接套联接，考虑到轴的加工方便性和整体的连贯性，轴 CAJJX6140-02-04 的轴身部分直径与滚珠丝杠的直径相同，均为 20mm，轴颈部分直径为 17mm。（3）确定轴的各段长度轴 CAJJX6140-02-04 的各段长度应根据实际工作需要而定，通过前面的计算和机床实际情况，轴身部分取 155mm，轴颈部分取 26mm。由此可定出轴的总长为 181mm .（4）轴的强度校核a)如下图所示，确定危险截面上的扭矩 Tmax. 由图可知最大扭矩为 Tmax=2633Nmb)按强度条件校核轴的强度，由公式得大于轴的设计直径为 20mm ,满足条件。c)按刚度条件校核轴的强度，由公式得小于轴的设计直径为 20mm ,满足条件。图 3-8 轴 CAJJX6140-02-04B轴 CAJJX6140-02-08 的结构设计（1）选择轴的材料及热处理方法因该轴无特殊要求，同样选用 HT150 正火处理。（2）确定轴的各段直径考虑与轴承内经的配合，所以该轴两端支承部分直径为 17mm。其余部分直径为 15mm。（3）确定轴的各段长度由于该轴需与法兰盘联接，而且该轴相对较长，因此在设计时为了方便安装，降低装配难度，将轴身部分增加一个轴肩，直径适当减小，使其有一过渡，轴身直径为 15mm。因为该轴的右端还需安装一个透盖，31max2.0dWnmTd.4.6.331 即 ： mGGTd 1.8.05.143.08261.0844 即 ： .4max dIP31max2.0dTWn用双螺母对其紧固。轴与透盖用一键使其周向固定。查参考文献3可知，根据轴的直径选用型号为 GB/T1098-1979 的键，键槽宽度为 3mm，深度为 3.8mm。（4）轴的强度校核(a)画扭矩图，并确定危险截面上的扭矩 TmaxAB 段：T 1=-2633NmBC 段：T 2=1316 Nm由扭矩图可知，最大扭矩发生在 BC 段，即为危险截面。最大扭矩为：T=2633 Nm（取绝对值）（b）按强度条件校核轴的强度，由公式得小于轴 CAJJX6140-02-08(如图 3-9)最细部分的设计直径 15mm，满足要求。(c)按刚度条件校核轴的强度，由公式得小于轴 CAJJX6140-02-08 最细部分的设计直径 15mm，满足要求。mTd3.142.063.31 即 ： 31max.dWn 180.1804max dGTITPmd.6.33 即 ： 图 3-9 轴 CAJJX6140-02-083.5.7 透盖的结构设计透盖的内径和长度由与之配合的轴 CAJJX6140-02-08 的直径和长度决定，所以透盖的直径为 16mm,长 33mm。因为选用型号为 GB/T1098-1979 的键，查参考文献3可知，毂 t1=1.4mm，上偏差为+0.1，下偏差为 0。外圆的直径由法兰盘的直径决定，为 96mm。 mGGTd 1.4.05.143.08261.0844 即 ：图 3-10 透盖 CAJJX6140-02-013.5.8 螺母座的结构设计螺母座的长度根据滚珠螺母的长度而定。螺母座与滚珠螺母通过键进行轴向固定，查参考文献4可知，该键型号选用 GB/T1096-1979，4430。滚珠丝杠副通过螺母座带动工作台移动，因此螺母座通过螺钉与工作台联接。查参考文献4可知，螺钉型号选用 GB/T70-1985。图 3-11 螺母座 CAJJX6140-02-07 3.6 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、视图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。 四 数控部分的改造4.1 总体方案设计普通车床进行数控改造后，系统应能控制主轴转速并实现其正反转 ；控制工作台实现纵向、横向和垂直方向的进给运动(车床刀架能实现纵向和横向的进给运动并自动转位换刀；加工螺纹时应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的导程)；控制冷却和润滑；通过键盘输入加工程序；由显示器显示加工状态等 。为此数控部分采用 MCS-51 系列单片机组成控制系统，由功率步进电机经一级齿轮减速后驱动 x , z 轴。数控部分改造机床中的主轴、冷却、润滑和刀架等均需系统自动控制，为此需设计接口转换电路和强电控制电路。电器元件可保留使用原机床中的变压器、自动断路器、接触器等。拆除原电控箱，原位安装改制后的电控箱。4.1.1 数控系统的功能要求（1）z 向和 x 向进给伺服运动控制（2）螺纹加工控制（3）行程控制（4）键盘及显示（5）面板管理（6）其他功能：光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。4.1.2 硬件电路的组成采用 MCS-51 系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图如图 4-1所示。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，译码器各一个；（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。图 4-1 数控系统改造硬件原理连接图 4.2 设计说明4.2.1 系统主机 8031 芯片8031 单片机的基本特征1、具有 8 位处理单元。2、共有 128 个字节 RAM。3、片内有时钟发生电路，可执行一条指令的是 2us 或 4us。4、有 4 个 IO 接口，32 根 IO 线。5、有 2 个 16 位定时器计时器。6、可寻址 64K 字节的外部数据存储器和 64K 字节外部程序寄存器。7、共有 21 个特殊功能寄存器。8、有 5 个中断源，配备两个优先级。9、具有位寻址能力，适用逻辑运算。10、具有一个全双工串行接口8031 的引脚功能介绍如下：电源引脚：Vss：接地端Vcc：电源端，接+5VP0.0P0.7：通道 0。它是 8 位漏极开路的双向 I/O 通道，当扩展为外部存储器时，这也是低八位地址线和数据总线。P0 口是三态双向口。通数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读写操作。由于是分时输出，故应在外部加存储器将此地址数据锁存，地址锁存信号用 ALE。在编程和校验期间，它输入和输出字节代码，通道 0 吸收发出一个 TTL 负载。 P1.0P1.7：通道 1 是 8 位准双向 I/O 通道。P1 口是专门供用户使用的 I/O 口，是准双向口。P1 是供系统扩展时作高 8 位地址线用。如果没有系统扩展，P1 也可以作为用户 I/O 口线使用。P1 也是准双向口。当访问外部存储器时，作低 8 位地址总线。通道 1 吸收/发出一个 TTL负载。P2.0P2.7：通道 2 是 8 位准双向 IO 通道。当访问外部存储器时，作高 8 位地址总线。通道 2 吸收发出一个 TTL 负载。P3.0P3.7：通道 3 是 8 位准双向 IO 通道。P3 口是双功能口。该口的每一位均可独立的定义为第一 IO 都的功能或第二 IO 口功能。作为第一 IO 口功能使用时，口的结构与操作与 P3 口相同。通道 3 吸收发出一个 TTL 负载。P3 通道的每一根线还有另一种功能。P3.0（RXD）：串行输入口。P3.l（ ）：外接中断输 0 入口。0INTP3.2（ ）：外接中断输 1 入口。1P3.3（TXD）：串行输入口。P3.4（TO）：定时计数器 0 外部脉冲输入端。P3.5（T1）：定时计数器L 部脉冲输入端。P3.6（ ）：外部数据存储器写脉冲。WRP3.7（ ）：外部数据存储器读脉冲。D存储器:8031 单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，对于简单的应用场合单片机的最小系统就能满足要求。由 8 个部件组成，即微处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM/EPROM/)、I/O 口(P0、P1、P2、P3)、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器(STR)。它们都是通过片内单一总线连接而成。其基本结构依然是通用 CPU 加上外围芯片的结构模式。但在功能单元的控制上却有了重大变化，采用了特殊功能寄存器(STR)的集中控制方法。单片机的存储器有程序存储器(ROM)与数据存储器(RAM),在使用上是严格区分的,不得混用。程序存储器(ROM)存放程序指令及常数、表格等；数据存储器(RAM)存放缓冲数据。单片机的管脚除了电源、复位、时钟接入、用户 I/O 口外，其余管脚都是为实现系统扩展而设置的。这些管脚构成了三总线形式，即：地址总线。地址总线宽度为 16 位，因此，其外部存储器直接寻址范围为 64K字节。16 位地址总线由 P0 口经地址锁存器提供低 8 位地址(A0A7)；P2 口直接提供高 8 位地址(A8Al5)。数据总线。数据总线宽度为 8 位，由 P0 口提供。控制总线。有 h 口的第二功能状态和 4 根独立控制线RESET、 、ALE、 组成。EAPSEN程序存储器可直接寻址范围为 64K 字节。对片内有的 ROM/EPRON 单片机 8051/8071，当管脚 时，低 4K 地址(0000HOFFFH)指向片内；1A时，则指向片外。对于片内无 ROM/EPRON 的单片机构成应用系统0时，必须使 程序存储器的操作完全由程序计数器(PC)控制。PC 值0EA指向程序指令操作码单元，则程序执行指令操作；PC 值指向常数、表格单元，则实现取数、查表操作。数据存储器的结构特点:片内外地址重叠。由于片内外数据存储器使用不同的指令(MOV 与 MOVX)，故地址重叠不会造成操作混乱。片内数据存储器与工作存储器统一编址。80HFFH 区域为特殊功能寄存器，对于 MCS51 派生系列 8052 单片机，该又是扩展的片内数据存储器。片内数据存储器的结构：片内数据存储器由工作寄存器、位寻址区、数据缓冲区组成，堆栈可在 07H 以上不使用的连续单元任意设置。片外数据存储器的结构和操作极为简单。其最低位的 128 个在地址单元与片内数据存储器地址重叠，并且与 I/O 口统一编址。控制或与其它电源复位引脚 8031 单片机有 40 个引脚，采用双列有插式塑料封装，8031 引脚图见图 4-2:图 4-2 8031 结构RSTUPD：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电子，将使单片机复位，推荐此引脚与 Vcc 引脚之间连接一个约 8.2KQ 的下拉电阻，与 Vcc 引脚之间连接一个约 10uF 的电容，以保证可靠复位。Vcc 掉电期间，此引脚可接在备用电源上，以保证内部 RAM 的数据，当Vcc 下掉至低于规定的值，而 UPD 在其范围电压范围(50.5v)。ALE : 当单片机访问外部存储器 ALE 时(允许地址锁存)的输PROG出用于锁存地址的低位字节，即使不访问外部存储器，ALE 端仍以不变的频率周期地出现 Z 脉冲信号，此频率为振荡周期的 16。因此，它可用作对外输出的时钟或用于定时，然而，要注意的是，当访问外部数据储存器时，将跳过一个 ALE 脉冲，ALE 端可以驱动(吸收或输出电流)8个 TTL 输入。对于 EPROM 型单片机，EPROM 编程期间，此引脚用宋编程脉冲(PROG)。XTAL1：引脚 18，内部振荡器外接晶振的另一个输入端。HMOS 芯片使用外部振荡源时，此端口用于输入外部振荡信号。XTAL2：引脚 19，内部振荡器外接晶振的另一个输入端。HMOS 芯片使用外部振荡源时，此端口用于输入外部振荡信号。: 此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号，在由外部程PSEN序存储器取指令(或常数)期间，每个机器周期 两次有效，但此期PSEN间，每当访问数据时(从程序存储器取宋指令 MOLX 类指令)，这两次有效的 PSEN 信号将不出现， 可以驱动(接收或输出电流)8 个PSENLSTTL。Vpp：当保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，对EA8031、8071 引脚应接高电平，但若地地址值超过 4K 范围，则单片机将自动访问外部程序存储器，但在 PC 值超过了 OFFFH 时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序，当保持低电平时，单片机只访问外部程序存储器的选通信号，对 8031 此引脚必须接地，不管是否有内部程序存储器，所以该脚必须接地。这样，只能选择外部程序存储器。4.2.2 74LS373 地址锁存器74LS373 芯片是带三态缓冲输出的八 D 锁存器，当三态门的使能信号线 OE 为低电平时，三态门处于导通状态，允许（Q1Q8）输出到OUT18，当 OE 为高电平时，输出三态门断开，输出线 OUT18 处于浮空状态。G 称为数据打入线，当 74LS373 用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号 OE 为低电平，这时，当 G 输入端为高电平时，锁存器输出（Q1Q8）状态和输入端（D1D8）状态相同；当 G 端从高电平返回到低电平时，输入端（D1D8）的数据锁入（Q1Q8）的 8 位锁存器中。其引脚图如下：图 4-3 74LS373 结构4.3 CA6140 普通车床的微机数控系统它是用 MCS51 系列单片机组成的开环控制系统，该系统扩展 2 片2764 芯片，1 片 6264 芯片，2 片 8155 可编程并行 I/O 口。（1）控制系统的功能 Z 向和 X 向进给伺服运动；键盘显示；自动转刀架控制；螺纹加工控制；面板管理；行程控制；报警；急停；复位；隔离；功放等。（2）采用软件环形分配器 步进电动机采用软件环形分配器，虽然运行速度没有硬件环形分配器快，但可以省掉两个硬件分配专用芯片，且电路比较简单。由于CA6140 普通车床最大加工直径为 320mm，规格比较小，故 Z 向进给系统采用 130BF001 型，五相十拍方式工作，X 向进给系统采用 110BF003型，三相六拍制方式工作。故由 8155（2）的 PA 口输出。经光电隔电路、功率放大电路直接驱动电动机。（3）螺纹加工的控制 当加工螺纹时，由与主轴相连的光电脉冲编码器发出螺纹信号和零位螺纹信号，分别送入 8331（1）的 PB6。通过设置不同的时间常数来加工不同螺距的螺纹，零位螺纹信号是防止螺纹乱牙。地址编码。存储器及 I/O 地址编码，见表 44。表 4-4 芯片地址编码 芯片接74LS138 引脚地址选择线片内地址单元（字节） 地址编码2746（1） Y0000X XXXX XXXX XXXX 8K 0000H1FFFH2746（2）