基于CA6150普通车床的数控化改造

摘 要目前，我国拥有 300 多万台机床，是生产和使用机床最多的国家之一, 但现有机床大多数服役年龄较长，大都是多年来生产积累的通用机床，设备陈旧落后，柔性和自动化程度低，要想在短时期内大量地更新现有设备，无论从资金还是国内机床制造厂的生产能力都很难做到。对于机床进行数控化改造投资少，见效快，是机械制造厂挖掘技改的一条成功之路。 对 CA6150 车床进行数控化改造，使其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，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 37 倍。加工零件的精度高，尺寸分散度小，拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。由于数控机床具有自动化程度高加工精度高，质量稳定，便于生产管理现代化等特点。数控机床的应用越来越普及，也是制造业现代化的必然趋势。如果全部淘汰旧机床而采用新的数控机床不仅所需资金太大，而且会造成原有设备的闲置和浪费。 我国的再制造技术研究起步较晚，迫切需要大力发展，即能充分利用原有的旧设备资源，减少浪费又能够以较小的代价获得性能先进的设备，满足现代化生产的要求。本文介绍普通车床的数控化改造，重点介绍机床数控化改造方案的确定，基本步骤，目的，经济合理性，机床数控化改造计算（各种设计参数和结构，机械部分和电气部分） 。关键词： 伺服电机；精度修复；润滑；数控系统CA6150 Ordinary Lathe Based On The Numerical Control TransformationAbstractAt present,China has more than 300 million machine tools,she is one of the largest country to production and use machine tools, but most of the existing machine tools serving older. Mostly for the production of generic machine tools accumulation, outdated equipment, low level of Soft and automation. If want to update the existing equipment in a short time, whether from internal funds or machine tool factory capacity will be very difficult to achieve. Numerically controlled machine tools for the transformation of the investment, effective, and is a machinery factory excavation technological transformation on the road to success. CA6150 lathe for digital technology to transform so that it can not be processed by the processing of the curve of traditional machine tools, camber and other complex components. Automated processing can be achieved, but flexible automation to increase efficiency comparable traditional machine tools 37 times. Reduced labor intensity of the workers, labour savings, reducing suits, thus shortening the production cycle and new product testing cycle, rapid response to market demand, and so on. Ease of production characteristics of modern management. Numerically controlled machine tools applications growing popularity is the inevitable trend of modern manufacturing. If all out of the old machine tools and the introduction of new digital machine is not only the necessary funds, but will also cause the original equipment idle and waste. Our country remanufacturing technology research started rather late. the urgent need to develop, namely the old equipment to fully utilize existing resources, reduce waste and the costs can be advanced to the smaller equipment to meet the requirements of modern production.This text introduces the number of the common lather to control to turn a reformation, the point introduction tool machine number controls to turn the reformation project to really settle, basic step, purpose, economic rationality, the tool machine number controls to turn the reformation calculation.(various design parameter and structure, the machine part and electricities part).Keywords：Electrical Exchange；Servo；Precision Repair；Lubricant；Digital Systems目 录摘 要 .IAbstract.II一、绪论 .1（一）数控技术和制造装备发展趋势.11.数控技术的发展趋势 .12.我国数控技术和产业化发展的分析 .4二、CA6150 机床系统的总体设计.5（一）总体方案设计内容.51.CA6150 系统运动方式的确定.52.CA6150 控制方式的选择.5（二）总体方案确定.51.CA6150 系统的运动方式的选择.52.CA6150 数控系统的确定.53.CA6150 机械传动方式的确定.6三、CA6150 进给系统设计计算.7（一）脉冲当量的选择.7（二）切削力的计算.71.纵车外圆的切削力计算 .82.横切端面的切削力计算 .8（三）CA6150 机床滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .81.纵向进给丝杠的选择和计算 .92.横向进给丝杠的选择和计算 .14（四）CA6150 进给齿轮箱传动比的计算 .181.纵向进给齿轮箱传动比计算 .182.横向进给齿轮箱传动比计算 .18（五）CA6150 机床步进电机的选型 .191.纵向进给步进电机的计算 .192.横向进给步进电机的计算和选型 .23四、CA6150 机床微机数控系统的设计.24（一）微机数控系统的设计.241.硬件电路的设计 .242.软件电路的设计 .25（二）8031 单片机的扩展 .251.8031 单片机的系统扩展.252.8031 单片机的存储器扩展.263.8031 单片机的 I/O 口扩展.27（三）步进电机驱动电路的分析.271.脉冲分配器（环行分配器）的分析 .272.光电隔离电路的分析 .283.功率放大器的分析 .28（四）CA6150 机床数控系统的软件设计 .291.软件脉冲分配器的分析 .292.逐点比较法插补程序 .313.步进电机升降速软件的设计 .32五、CA6150 机床的零件加工程序编写.34结 论 .35参 考 文 献 .36致 谢 .37附 录 .38一、绪论（一）数控技术和制造装备发展趋势当 今 世 界 数 控 技 术 及 装 备 发 展 的 趋 势 及 我 国 数 控 装 备 技 术 发 展 和 产 业 化 的 现 状 ，在 此 基 础 上 讨 论 了 在 我 国 加 入 WTO 和 对 外 开 放 进 一 步 深 化 的 新 环 境 下 ， 发 展 我国 数 控 技 术 及 装 备 、 提 高 我 国 制 造 业 信 息 化 水 平 和 国 际 竞 争 能 力 的 重 要 性 ， 并 从 战略 和 策 略 两 个 层 面 提 出 了 发 展 我 国 数 控 技 术 及 装 备 的 几 点 看 法 1。 装 备 工 业 的 技 术 水 平 和 现 代 化 程 度 决 定 着 整 个 国 民 经 济 的 水 平 和 现 代 化 程 度 ，数 控 技 术 及 装 备 是 发 展 新 兴 高 新 技 术 产 业 和 尖 端 工 业 （ 如 信 息 技 术 及 其 产 业 、 生 物技 术 及 其 产 业 、 航 空 、 航 天 等 国 防 工 业 产 业 ） 的 使 能 技 术 和 最 基 本 的 装 备 。 马 克 思曾 经 说 过 “各 种 经 济 时 代 的 区 别 ， 不 在 于 生 产 什 么 ， 而 在 于 怎 样 生 产 ， 用 什 么 劳 动资 料 生 产 ”2。 制 造 技 术 和 装 备 就 是 人 类 生 产 活 动 的 最 基 本 的 生 产 资 料 ， 而 数 控 技术 又 是 当 今 先 进 制 造 技 术 和 装 备 最 核 心 的 技 术 。 当 今 世 界 各 国 制 造 业 广 泛 采 用 数 控技 术 ， 以 提 高 制 造 能 力 和 水 平 ， 提 高 对 动 态 多 变 市 场 的 适 应 能 力 和 竞 争 能 力 。 此 外世 界 上 各 工 业 发 达 国 家 还 将 数 控 技 术 及 数 控 装 备 列 为 国 家 的 战 略 物 资 ， 不 仅 采 取 重大 措 施 来 发 展 自 己 的 数 控 技 术 及 其 产 业 ， 而 且 在 “高 精 尖 ”数 控 关 键 技 术 和 装 备方 面 对 我 国 实 行 封 锁 和 限 制 政 策 3。 总 之 ， 大 力 发 展 以 数 控 技 术 为 核 心 的 先 进 制造 技 术 已 成 为 世 界 各 发 达 国 家 加 速 经 济 发 展 、 提 高 综 合 国 力 和 国 家 地 位 的 重 要 途 径 。数 控 技 术 是 用 数 字 信 息 对 机 械 运 动 和 工 作 过 程 进 行 控 制 的 技 术 ， 数 控 装 备 是 以数 控 技 术 为 代 表 的 新 技 术 对 传 统 制 造 产 业 和 新 兴 制 造 业 的 渗 透 形 成 的 机 电 一 体 化 产品 ， 即 所 谓 的 数 字 化 装 备 ， 其 技 术 范 围 覆 盖 很 多 领 域 ： (1)机 械 制 造 技 术 ； (2)信息 处 理 、 加 工 、 传 输 技 术 ； (3)自 动 控 制 技 术 ； (4)伺 服 驱 动 技 术 ； (5)传 感 器 技 术 ；(6)软 件 技 术 等 。1.数 控 技 术 的 发 展 趋 势数 控 技 术 的 应 用 不 但 给 传 统 制 造 业 带 来 了 革 命 性 的 变 化 ， 使 制 造 业 成 为 工 业 化的 象 征 ， 而 且 随 着 数 控 技 术 的 不 断 发 展 和 应 用 领 域 的 扩 大 ， 他 对 国 计 民 生 的 一 些 重要 行 业 （ IT、 汽 车 、 轻 工 、 意 料 等 ） 的 发 展 起 着 越 来 越 重 要 的 作 用 ， 因 为 这 些 行业 所 需 装 备 的 数 字 化 已 是 现 代 发 展 的 大 趋 势 4。 从 目 前 世 界 上 数 控 技 术 及 其 装 备发 展 的 趋 势 来 看 ， 其 主 要 研 究 热 点 有 以 下 几 个 方 面 ：（ 1） 高 速 、 高 精 加 工 技 术 及 装 备 的 新 趋 势效 率 、 质 量 是 先 进 制 造 技 术 的 主 体 。 高 速 、 高 精 加 工 技 术 可 极 大 地 提 高 效 率 ，提 高 产 品 的 质 量 和 档 次 ， 缩 短 生 产 周 期 和 提 高 市 场 竞 争 能 力 。 为 此 日 本 先 端 技 术 研究 会 将 其 列 为 5 大 现 代 制 造 技 术 之 一 ， 国 际 生 产 工 程 学 会 （ CIRP） 将 其 确 定 为21 世 纪 的 中 心 研 究 方 向 之 一 5。在 轿 车 工 业 领 域 ， 年 产 30 万 辆 的 生 产 节 拍 是 40 秒 /辆 ， 而 且 多 品 种 加 工 是 轿车 装 备 必 须 解 决 的 重 点 问 题 之 一 ； 在 航 空 和 宇 航 工 业 领 域 ， 其 加 工 的 零 部 件 多 为 薄壁 和 薄 筋 ， 刚 度 很 差 ， 材 料 为 铝 或 铝 合 金 ， 只 有 在 高 切 削 速 度 和 切 削 力 很 小 的 情 况下 ， 才 能 对 这 些 筋 、 壁 进 行 加 工 6。 近 来 采 用 大 型 整 体 铝 合 金 坯 料 “掏 空 ”的 方法 来 制 造 机 翼 、 机 身 等 大 型 零 件 来 替 代 多 个 零 件 通 过 众 多 的 铆 钉 、 螺 钉 和 其 他 联 结方 式 拼 装 ， 使 构 件 的 强 度 、 刚 度 和 可 靠 性 得 到 提 高 。 这 些 都 对 加 工 装 备 提 出 了 高 速 、高 精 和 高 柔 性 的 要 求 。从 EMO2001 展 会 情 况 来 看 ， 高 速 加 工 中 心 进 给 速 度 可 达 80m/min， 甚 至 更高 ， 空 运 行 速 度 可 达 100m/min 左 右 。 目 前 世 界 上 许 多 汽 车 厂 ， 包 括 我 国 的 上 海 通用 汽 车 公 司 ， 已 经 采 用 以 高 速 加 工 中 心 组 成 的 生 产 线 部 分 替 代 组 合 机 床 。 美 国CINCINNATI 公 司 的 HyperMach 机 床 进 给 速 度 最 大 达 60m/min， 快 速 为100m/min， 加 速 度 达 2g， 主 轴 转 速 已 达 60 000r/min。 加 工 一 薄 壁 飞 机 零 件 ， 只用 30min， 而 同 样 的 零 件 在 一 般 高 速 铣 床 加 工 需 3h， 在 普 通 铣 床 加 工 需 8h； 德国 DMG 公 司 的 双 主 轴 车 床 的 主 轴 速 度 及 加 速 度 分 别 达 12X1000r/mm 和 1g7。在 加 工 精 度 方 面 ， 近 10 年 来 ， 普 通 级 数 控 机 床 的 加 工 精 度 已 由 10m 提 高到 5m， 精 密 级 加 工 中 心 则 从 3 5m， 提 高 到 1 1.5m， 并 且 超 精 密 加 工 精 度已 开 始 进 入 纳 米 级 (0.01m)。在 可 靠 性 方 面 ， 国 外 数 控 装 置 的 MTBF 值 已 达 6 000h 以 上 ， 伺 服 系 统 的MTBF 值 达 到 30000h 以 上 ， 表 现 出 非 常 高 的 可 靠 性 。为 了 实 现 高 速 、 高 精 加 工 ， 与 之 配 套 的 功 能 部 件 如 电 主 轴 、 直 线 电 机 得 到 了 快速 的 发 展 ， 应 用 领 域 进 一 步 扩 大 8。（ 2） 5 轴 联 动 加 工 和 复 合 加 工 机 床 快 速 发 展采 用 5 轴 联 动 对 三 维 曲 面 零 件 的 加 工 ， 可 用 刀 具 最 佳 几 何 形 状 进 行 切 削 ， 不 仅光 洁 度 高 ， 而 且 效 率 也 大 幅 度 提 高 。 一 般 认 为 ， 1 台 5 轴 联 动 机 床 的 效 率 可 以 等于 2 台 3 轴 联 动 机 床 ， 特 别 是 使 用 立 方 氮 化 硼 等 超 硬 材 料 铣 刀 进 行 高 速 铣 削 淬 硬 钢零 件 时 ， 5 轴 联 动 加 工 可 比 3 轴 联 动 加 工 发 挥 更 高 的 效 益 。 但 过 去 因 5 轴 联 动 数控 系 统 、 主 机 结 构 复 杂 等 原 因 ， 其 价 格 要 比 3 轴 联 动 数 控 机 床 高 出 数 倍 ， 加 之 编程 技 术 难 度 较 大 ， 制 约 了 5 轴 联 动 机 床 的 发 展 9。当 前 由 于 电 主 轴 的 出 现 ， 使 得 实 现 5 轴 联 动 加 工 的 复 合 主 轴 头 结 构 大 为 简 化 ，其 制 造 难 度 和 成 本 大 幅 度 降 低 ， 数 控 系 统 的 价 格 差 距 缩 小 。 因 此 促 进 了 复 合 主 轴 头类 型 5 轴 联 动 机 床 和 复 合 加 工 机 床 （ 含 5 面 加 工 机 床 ） 的 发 展 。在 EMO2001 展 会 上 ， 新 日 本 工 机 的 5 面 加 工 机 床 采 用 复 合 主 轴 头 ， 可 实 现4 个 垂 直 平 面 的 加 工 和 任 意 角 度 的 加 工 ， 使 得 5 面 加 工 和 5 轴 加 工 可 在 同 一 台 机床 上 实 现 ， 还 可 实 现 倾 斜 面 和 倒 锥 孔 的 加 工 。 德 国 DMG 公 司 展 出 DMUVoution系 列 加 工 中 心 ， 可 在 一 次 装 夹 下 5 面 加 工 和 5 轴 联 动 加 工 ， 可 由 CNC 系 统 控 制或 CAD/CAM 直 接 或 间 接 控 制 10。（ 3） 智 能 化 、 开 放 式 、 网 络 化 成 为 当 代 数 控 系 统 发 展 的 主 要 趋 势21 世 纪 的 数 控 装 备 将 是 具 有 一 定 智 能 化 的 系 统 ， 智 能 化 的 内 容 包 括 在 数 控 系 统中 的 各 个 方 面 ： 为 追 求 加 工 效 率 和 加 工 质 量 方 面 的 智 能 化 ， 如 加 工 过 程 的 自 适 应 控制 ， 工 艺 参 数 自 动 生 成 ； 为 提 高 驱 动 性 能 及 使 用 连 接 方 便 的 智 能 化 ， 如 前 馈 控 制 、电 机 参 数 的 自 适 应 运 算 、 自 动 识 别 负 载 自 动 选 定 模 型 、 自 整 定 等 ； 简 化 编 程 、 简 化操 作 方 面 的 智 能 化 ， 如 智 能 化 的 自 动 编 程 、 智 能 化 的 人 机 界 面 等 ； 还 有 智 能 诊 断 、智 能 监 控 方 面 的 内 容 、 方 便 系 统 的 诊 断 及 维 修 等 。为 解 决 传 统 的 数 控 系 统 封 闭 性 和 数 控 应 用 软 件 的 产 业 化 生 产 存 在 的 问 题 。 目 前许 多 国 家 对 开 放 式 数 控 系 统 进 行 研 究 ， 如 美 国 的 NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、 欧 共 体 的 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、 日 本 的 OSEC(Open System Environment for Controller)， 中 国 的 ONC(Open Numerical Control System)等 11。 数 控 系 统 开 放 化已 经 成 为 数 控 系 统 的 未 来 之 路 。 所 谓 开 放 式 数 控 系 统 就 是 数 控 系 统 的 开 发 可 以 在 统一 的 运 行 平 台 上 ， 面 向 机 床 厂 家 和 最 终 用 户 ， 通 过 改 变 、 增 加 或 剪 裁 结 构 对 象 （ 数控 功 能 ） ， 形 成 系 列 化 ， 并 可 方 便 地 将 用 户 的 特 殊 应 用 和 技 术 诀 窍 集 成 到 控 制 系 统中 ， 快 速 实 现 不 同 品 种 、 不 同 档 次 的 开 放 式 数 控 系 统 ， 形 成 具 有 鲜 明 个 性 的 名 牌 产品 。 目 前 开 放 式 数 控 系 统 的 体 系 结 构 规 范 、 通 信 规 范 、 配 置 规 范 、 运 行 平 台 、 数 控系 统 功 能 库 以 及 数 控 系 统 功 能 软 件 开 发 工 具 等 是 当 前 研 究 的 核 心 。网 络 化 数 控 装 备 是 近 两 年 国 际 著 名 机 床 博 览 会 的 一 个 新 亮 点 。 数 控 装 备 的 网 络化 将 极 大 地 满 足 生 产 线 、 制 造 系 统 、 制 造 企 业 对 信 息 集 成 的 需 求 ， 也 是 实 现 新 的 制造 模 式 如 敏 捷 制 造 、 虚 拟 企 业 、 全 球 制 造 的 基 础 单 元 12。 国 内 外 一 些 著 名 数 控 机床 和 数 控 系 统 制 造 公 司 都 在 近 两 年 推 出 了 相 关 的 新 概 念 和 样 机 ， 如 在 EMO2001展 中 ， 日 本 山 崎 马 扎 克 （ Mazak） 公 司 展 出 的 “CyberProduction Center”（ 智 能生 产 控 制 中 心 ， 简 称 CPC） ； 日 本 大 隈 （ Okuma） 机 床 公 司 展 出 “IT plaza”（ 信 息 技 术 广 场 ， 简 称 IT 广 场 )； 德 国 西 门 子 （ Siemens） 公 司 展 出 的 Open Manufacturing Environment（ 开 放 制 造 环 境 ， 简 称 OME） 等 ， 反 映 了 数 控 机 床 加工 向 网 络 化 方 向 发 展 的 趋 势 13。2.我 国 数 控 技 术 和 产 业 化 发 展 的 分 析（ 1） 战 略 分 析我 国 是 制 造 大 国 ， 在 世 界 产 业 转 移 中 要 尽 量 接 受 前 端 而 不 是 后 端 的 转 移 ， 即 要掌 握 先 进 制 造 核 心 技 术 ， 否 则 在 新 一 轮 国 际 产 业 结 构 调 整 中 ， 我 国 制 造 业 将 进 一 步“空 芯 ”。 我 们 以 资 源 、 环 境 、 市 场 为 代 价 ， 交 换 得 到 的 可 能 仅 仅 是 世 界 新 经 济 格局 中 的 国 际 “加 工 中 心 ”和 “组 装 中 心 ”， 而 非 掌 握 核 心 技 术 的 制 造 中 心 的 地 位 ，这 样 将 会 严 重 影 响 我 国 现 代 制 造 业 的 发 展 进 程 。我 们 应 站 在 国 家 安 全 战 略 的 高 度 来 重 视 数 控 技 术 和 产 业 问 题 ， 首 先 从 社 会 安 全看 ， 因 为 制 造 业 是 我 国 就 业 人 口 最 多 的 行 业 ， 制 造 业 发 展 不 仅 可 提 高 人 民 的 生 活 水平 ， 而 且 还 可 缓 解 我 国 就 业 的 压 力 ， 保 障 社 会 的 稳 定 ； 其 次 从 国 防 安 全 看 ， 西 方 发达 国 家 把 高 精 尖 数 控 产 品 都 列 为 国 家 的 战 略 物 质 ， 对 我 国 实 现 禁 运 和 限 制 ，“东 芝 事 件 ”和 “考 克 斯 报 告 ”就 是 最 好 的 例 证 。（ 2） 发 展 策 略从 我 国 基 本 国 情 的 角 度 出 发 ， 以 国 家 的 战 略 需 求 和 国 民 经 济 的 市 场 需 求 为 导 向 ，以 提 高 我 国 制 造 装 备 业 综 合 竞 争 能 力 和 产 业 化 水 平 为 目 标 ， 用 系 统 的 方 法 ， 选 择 能够 主 导 21 世 纪 初 期 我 国 制 造 装 备 业 发 展 升 级 的 关 键 技 术 以 及 支 持 产 业 化 发 展 的 支撑 技 术 、 配 套 技 术 作 为 研 究 开 发 的 内 容 ， 实 现 制 造 装 备 业 的 跨 跃 式 发 展 。强 调 市 场 需 求 为 导 向 ， 即 以 数 控 终 端 产 品 为 主 ， 以 整 机 （ 如 量 大 面 广 的 数 控 车床 、 铣 床 、 高 速 高 精 高 性 能 数 控 机 床 、 典 型 数 字 化 机 械 、 重 点 行 业 关 键 设 备 等 ） 带动 数 控 产 业 的 发 展 。 重 点 解 决 数 控 系 统 和 相 关 功 能 部 件 （ 数 字 化 伺 服 系 统 与 电 机 、高 速 电 主 轴 系 统 和 新 型 装 备 的 附 件 等 ） 的 可 靠 性 和 生 产 规 模 问 题 。 没 有 规 模 就 不 会有 高 可 靠 性 的 产 品 ； 没 有 规 模 就 不 会 有 价 格 低 廉 而 富 有 竞 争 力 的 产 品 14。二、CA6150 机床系统的总体设计（一）总体方案设计内容接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。1.CA6150 系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。2.CA6150 控制方式的选择系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。（二）总体方案确定1.CA6150 系统的运动方式的选择由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。2.CA6150 数控系统的确定根据机床要求，采用 8 位微机。由于 MCS-51 系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51 系列的 8031 单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。3.CA6150 机械传动方式的确定为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。系统总体方案框图如下：图 2.1 系统总体方案框图三、CA6150 进给系统设计计算（一）脉冲当量的选择脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床常采用的脉冲当量是 0.010.005mm/step15。根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向：0.01mm/step ；横向：0.005mm/step(半径)（二）切削力的计算用车床经验公式 F =0.67D 来计算主切削力。z5.1max式中 D 指车床身上最大加工直径（mm） ，横切端面时主切削力 可取纵切max zF时 F 的 1/2。z求出主切削力 F 以后再按以下比例分别求出分力 F 和 F 。z zyF ：F ：F =1 ：0.25 ：0.5zxy式中 F ：指走刀方向的切削力（N） ；xF ：指垂直走刀方向的切削力（N） 。y下图为纵切和横切时切削力的示意图。图 3.1 纵切和横切时切削力的示意图1.纵车外圆的切削力计算主切削力 F (N)按经验公式估计算：zF = D = （N ）z67.05.1max 751.4905.1按切削力各分力比例：F ：F ：F =1 ：0.25 ：0.4zxyF （N）1872.5.07.491F （N）y 9632.横切端面的切削力计算主切削力 （N）可取纵切的 1/2。 z（N）zF3745.21 21s（N）x96.3400.（N）y 85.（三）CA6150 机床滚珠丝杠螺母副的计算和选型图 3.2 总体传动简图1.纵向进给丝杠的选择和计算（1）滚珠丝杠副支撑方式的选择由于固定-支承适用于中等转速、高精度。所以 Z 向选择固定-支承式。如图3.3。1-电动机 2-弹性联轴器 3-轴承 4-滚珠丝杠 5-滚珠丝杠螺母图 3.3 滚珠丝杠副支撑方式Z 向的固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。Z 向支撑端选择一个深沟球轴承。（2）计算进给轴向力 F （N）m纵向进给这里为三角形导轨：F ，m)(GFfkzx式中 K：指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取 K=1.15；：指滑动导轨摩擦系数取 0.150.18 之间的值；fG：指流板及刀架重力，G=1100N 。则 F = （N ） 。m 3614.052)81.7490(.0.18725. （3）计算最大动负载 Q考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响，则最大动负载 Q 的计算公式为：Q mwFfL3L 610Tnn 0vs式中 ：指滚珠丝杠导程，初选 =8；0L0Ln：指丝杠转速， （r/min） ；：指最大切削力条件下的进给速度（m/min） ，可取最高进给速度的sv1/21/3，此处取 =0.3 ；svm：指使用寿命时间（h） ，对于数控机床取 T=15000h.。TL：指寿命，以 10 转为一单位；6：指运动系数，见表 3.1，选 =1.3。wf wf表 3.1 运转系数运转状态 运转系数无冲击运转 1.01.2一般运转 1.21.5有冲击运转 1.52.5则 n ( r/min)37.485.0610LvsL 6.10.1066TQ （N ） 。1583.7434.733 mwFf（4）滚珠丝杠螺母副的选型从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找到相应的动负载 C 的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应满足 Q C 的条件。查表：可采用 W L5008 外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5 圈 1 列，其额1定动负载为 23400N，符合 Q C 的条件。精度等级按表 2，选为 1 级。V mmp3036表 3.2 滚珠丝杠行程公差精 度 等 级项目 符号有效行程（mm）uL1 2 3 4 5356 8 12 16 23315400 7 9 13 18 25400500 8 10 15 20 27目标行程公差 e p500630 9 11 16 22 3016 8 12 16 23315400 6 8 12 17 25400500 7 10 13 19 26行程变动量公差 V mp500630 7 11 14 21 29任意 300 mm 内行程变动量 V p30 6 8 12 16 232 弧度内行程变动量 V 2 4 5 6 7 8（5）传动效率计算)(tg式中 ：指螺旋升角， =2 55 ；：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 其摩擦角，04.3.f ，约等于 。arctgf01则 。95.)5 2( )(tt（6）刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如图 3.4 所示，最大轴向力为N，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314.05荷的 1/3。图 3.4 纵向进给系统计算简图计算如下：1） 丝杠的拉伸或压缩变形量 （mm）：1F = N，m3614.05L =8mm,0E N/mm (材料弹性模数，对钢来说是等于这个值 )，416.22mm， R=2.477， e=0.068mm，50D则 d ( mm)；1Re 182.457.2068.2A (mm) （A 指滚珠丝杠按内径定的 134.)1.4()2( 截面积） 。丝杠导程 L 的变化量为：0 540 10748.2.1603.25. EALFm总长度 L=1500mm，丝杠上的变形量 ，由于两端均采用推力球轴承，则值：(mm)。1 3-50 104.210874.4 L2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形 （mm）：2由 d =4.763mm， F = kgf，bm361.4承载滚珠数量 Z Z列 数圈 数 列 数圈 数bdD015.2763.418由于滚珠丝杠副施加预应力，且预应力 F 为轴向负载的 1/3，则变形量：p=0.0013232Zdpbm3 247.8617.401.（mm）9.23) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变 （mm）：3这里采用有预紧时的推力球轴承则： 3241076. pwmFZD查机械设计手册中表 6-2-82，采用 51109 型推力球轴承，其 d=45mm，滚动体直径 D =3.969 mm， 滚动体数量 Z=22，W32431076. pwmFZ 324 3/054.619.1076. （mm）82.则定位误差 pV3021333- 106782.419.4. =0.01785mm 0.025mm(规定定位精度)。（7）稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，故不需作稳定性校核。2.横向进给丝杠的选择和计算X 向选择固定-自由式，如图 3.5。1电动机 2弹性联轴器 3轴承 4滚珠丝杠 5滚珠丝杠螺母图 3.5 X 向支撑方式单列圆锥滚子轴承这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。所以 X 向固定端 选择一对单列圆锥滚子轴承。（1） 进给轴向力 的计算mF横向导轨为燕尾形，计算如下：m)2(Gfkyzx由于是燕尾形导轨式中： K=1.4， =0.2f则 N。2759)016.49821.3745(.0.964.1 mF（2）最大动负载 Q 的计算 n ( r/min)265.0310LvsL .66TQ （N ）1025793.5233 mwFf查表：可采用 W L2506 外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5 圈 1 列，其额定动1负载为 13100N，符合 Q C 的条件。精度等级按表 3.2 滚珠丝杠行程公差表，选为 1级。V mmp3036（3）传动效率的计算 958.0)12 4( )(tgt（4）刚度验算横向进给滚珠丝杠支承方式如图 3.6 所示，最大轴向力为 2759N，支承间距L=550mm, 因丝杠长度较短，不需要预紧。图 3.6 横向进给系统计算简图计算如下：1) 丝杠的拉伸或压缩变形量 （mm）1根据 N， D =25mm，E N/mm ，R=2.064，e=0.056mm2759mF0 406.22d ( mm)1Re0 .9835A (mm)34.1.)284.()2( （mm） 。2401 103.583.106.279LEAFm2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形 （mm）对滚珠丝杠副施加预紧力 F 为轴向负载的 1/3。由 mm， kgf 得：96.3bd9.275m承载滚珠数量 Z Z列 数圈 数 列 数圈 数bdD015.296.314=0.0013232ZFdpbm246.93/.7596.01. （mm）372.3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变 （mm）3这里采用有预紧时的推力球轴承则 ： 3241076. pwmFZD查机械设计手册中表 6-2-82，采