普通车床进行数控改造 (2)

1、4常州轻工职业技术毕业设计摘要随着市场竞争日益复杂激烈，普通机床已经难以满足企业的新产品开发对成本、效率以及质量等方面的要求。本文主要对普通车床的数控改造过程进行了介绍，同时以C620普通车床作为例子，在对传统的缺点研究基础上提出了针对性的的改造方案，特别是机床设计的机械转换与电气控制。其对数控机床CPU的合理利用以及对齿轮转动利用滚珠丝杆的设计等，提高数控化程度，实现进给运动的横纵兼具。对普通车床C620的数控方案和单片机系统改造将大大提升其性能，拓宽其适用范围并降低工作者的劳动强度。 关键词:数字控制 单片 步进电机 滚珠丝杆目 录第一章 总体方案的设计51.1 设计任务51.2 总体方案

2、的论证51.2.1 机械部分的改造设计51.2.2 伺服进给系统的改造设计51.2.3数控系统的硬件电路设计61.3 总体方案的确定6第二章 机械部分的改造设计72.1 纵向进给系统的改造设计72.1.1 纵向滚珠丝杠副的选用72.2.1.1 确定系统的脉冲当量72.1.1.2车削力的计算72.1.1.3滚珠丝杠副的设计、计算和选用72.1.2 纵向步进电机的选用92.1.2.1 脉冲量的计算92.1.2.2 等效负载转矩的计算102.1.2.3 等效转动惯量的计算102.1.2.4 步进电机型号的选择102.2 横向进给系统得改造设计122.2.1 横向滚珠丝杠副的选用122.2.1.1 确

3、定系统的脉冲当量122.2.1.2 车削力的计算122.2.1.3滚珠丝杠副的设计、计算和选用132.2.2 横向步进电机的选用152.2.2.1 脉冲量的计算152.2.2.2 等效负载转矩的计算152.2.2.3 等效转动惯量的计算152.2.2.4 步进电机型号的选择162.3 齿轮传动间隙的调整17 第三章 电气控制部分的设计223.1 单片机的选择223.2 步进电机的驱动233.2.1 环形脉冲分配器的选择233.2.2 功率放大器的选用253.3 步进电机的微机控制26结论28参考文献29致谢 30 第一章 总体方案的设计1.1 设计任务本次设计任务主要为对普通车床C620进行触

4、控化程度的提高。包括对伺服进给系统、数控系统的硬件电路等的优化设计。1.2 总体方案的论证 在满足总体设计要求进行数控化改造的前提下，尽量节约资金成本，提高普通车床使用性能与效率。1.2.1 机械部分的改造设计普通车床往往在经历多次大修之后会出现零部件之间连接尺寸加大的问题，其精确度与分辨率机等仍然难以保障，数控机床改造则是以提高机床运行稳定性、提升精密程度为目的的，故而在此过程中为降低摩擦系数与提高传动刚度，考虑步进电机以及滚珠丝杠用哪种最为合理十分重要。 车床传动系统改进后其布局合理，摩擦阻力降低，运动进度提高，具体如图1-1所示： 图1-1 改进后的车床传动系统：1.2.2 伺服进给系统

5、的改造设计设计高性能的伺服进给系统是数控机床改造过程中的重要环节与关键技术，考虑本此设计为经济性数控改造，且开环设计的结构简单，工作精度较强，有较好的负载能力，故而选用开环伺服方式。1.2.3 数控系统的硬件电路设计 CPU在数控系统中起到关键作用，因此在NC装置在设计的过程中不得不重视CPU技术，所需考虑的因素包括以下三个方面： 1. 高速高精算法与物体的移动速度紧密切合；2. 应用软件的升级，包括储存容量的拓展应考虑数控功能的强弱；3. 指令系统及 I/O扩展能力与单片机外部储存之间有着十分密切的相关性。 1.3 总体方案的确定 在总体方案设计完成后，普通车床C620的经济模型的确定成为工

6、作重点。首先是关于主轴变速箱，为降低费用，只针对手工变速作以修改，输入相应的程序，使之服从相应的指令；其次是对滑动丝杠的改变，原机的普通滑动丝杠是很难满足企业现代化生产要求的，将其改为滚珠丝杠，这将大大减少摩擦，提高运行效率，同时驱动步进电机的使用也将推车床横向与纵向双向运动的实现。第二章 机械部分的改造设计2.1 纵向进给系统的改造设计2.1.1 纵向滚珠丝杠副的选用滚珠螺旋传动，顾名思义，是指对滚珠进行利用使得在运动过程螺纹能够产生滚动摩擦。滚珠丝杆传动的与众不同主要体现在以下三个方面：1.滚动动作向滑动动作转变，传转运动为直线式而非旋转式，故而其摩擦系数较低，提高了传动效率；2.由于有着

7、较低的发热，故而其寿命普遍较长，且结构相对简单，便于维修；3.在垂直传输上有较大的缺陷，需要用到自锁或者制动装置。在数控机床，脉冲的轴线位移称为脉冲当量，也被称为最小单元。该设计中心C620脉冲当量为：纵向/脉冲脉冲当量0.01毫米，脉冲当量横向0.005毫米/脉冲。2.1.1.1 确定系统的脉冲当量纵向为0.005毫米/脉冲2.1.1.2 车削力的计算数控机床设计过程中对车削力的考虑不可或缺，结合各种影响因素，笔者将采用经验公式对切削力进行计算，具体如下：车床的主切削力可用下式计算：车床刀架的最大直径是毫米。故：按以下比例分别求出分力和，则：，2.1.1.3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型

8、最初滚珠丝杠螺母副采用的是机构类型的设计预紧方式循环。确定该循环类型后，家下来进行参数的选取确定以及详细计算。参数主要包括：、精度等级等。(1)对进给率牵引力的计算涉及到滚柱丝杠子在运动过程中给进速度的牵引力，零部件的阻力、转移重量以及摩擦等都应给予考虑。计算公式如下： 纵向进给导轨为三角形，则：三角形导轨选取参数：(2)计算最大动负荷使用滚珠螺杆对的直径，必须的作用下必须具有的轴向载荷，螺杆后反向百万转，在不会发生其滚动路径点蚀。计算：丝杠转速其中= 寿命（）最大动负荷 (3)计算最大静负荷在滚珠丝杠副的状态为静止或者低速（）状态下，其容易造成的损伤主要是滚珠轴承接触表面变形的时候可能产生的

9、塑性变形程度过大所带来的损害，关于塑料变形的球的要求一般是不超过滚珠轴承接触表面变形1 / 10000。在静态安全系数= 2的时候，滚珠丝杠的最大静载荷是：（产生塑性变形的荷载过大时最大允许的静荷载）(5)传动效率计算滚珠丝杠螺母副传动率为 参数如下表2-1所示： 表2-1滚珠丝杠副参数 型号公称直径基本导程螺旋升 角丝杠外径丝杠内径额定动载荷丝杠长度额定静载荷4006-3.5(6)刚度校核该工作主要检查滚珠丝杠在工作载荷和扭矩下，每一个引线的变形与丝杠的要求是否相一致。 每导程变形量可按以下公式计算选取 其中：则： 查表时，选择螺杆的精度等级，允许误差满足要求。 (7) 稳定性校核不容忽视的

10、稳定性安全系数印在允许的范围之内，只有这样，滚珠丝杠才是处于一个安全的状态。其中是指稳定性安全系数（通常取值范围在2.54）。丝杠失稳时的临界负载，由：式中丝杠长度丝杠轴端系数，由支承条件定。截面惯性矩，对实心圆对于铅螺丝的水平，考虑的影响的重量的理想()4。丝杠不会失稳。2.1.2 纵向步进电机的选用2.1.2.1 脉冲量的选择电动机的步距角在三相步进运动模式中的步距角为，而在三相六拍运动过程中所选用的步距角为。转脉冲数：当脉冲当量：由此产生的中间齿轮传动比i是：2.1.2.2 等效负载转矩计算1.空载时的摩擦转矩2.车削加工时的负载转矩2.1.2.3 等效转动惯量的计算1.滚珠丝杠的转动惯

11、量2.拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量3.大齿轮的转动惯量 采用的是大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。4.小齿轮的转动惯量换算到电动机轴上的 2.1.2.4 步进电动机型号的选择笔者选用的主要类型110bf003步进电机，其步距角为，最大静转矩，转子惯量，可：, 由验算结果可知电动机合格。步进电机的外观图如下图2-1所示，步进电机的矩频特征的局部如下图2-2所示。步进电机的矩频特征的局部图2-2：2.2 横向进给系统的改造设计2.2.1 横向进给系统滚珠丝杠螺母副的选用横向进给方向与纵向进给方向的设计过程是一致的。2.2.1.1 确定系统的脉冲当量横向为0.005毫米/脉冲2.2.1.2 车

12、削力的计算车床的主切削力可用下式计算：车床刀架的最大直径是毫米。因C620床本身加工的最大是210mm，由此：按以下比例分别求出分力和，则:，2.2.1.3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选用滚珠丝杠副的设计类型：确定滚子循环法。在确定了滚珠丝杠副的设计类型后，则需要进行相关参数的选择以及参数的计算。所选用的参数包括：、精度等级等。(1)计算进给率牵引力涉及到滚柱丝杠子在运动过程中给进速度的牵引力，零部件（如切削刀）的阻力、转移重量以及摩擦等都应给予考虑。因此，数值与导轨的形式有关。计算公式如下： 横向进给导轨为燕尾形，则：燕尾形导轨选取参数：(2)计算最大动负荷滚珠丝杠的最大动载荷计算如下：丝

13、杠转速其中= 寿命（）最大动负荷 (3)计算最大静负荷在滚珠丝杠的状态为静止或者低速（）状态下，其失效模式与容易造成的损伤主要是滚珠轴承接触表面变形的时候可能产生的塑性变形程度过大所带来的损害，关于塑料变形的球的要求一般是不超过滚珠轴承接触表面变形1 / 10000。 （此时静态安全系数= 2）(4)选择滚珠丝杠滚珠丝杠副参数如下表2-2所示：表2-2 滚珠丝杠副参数型号公称直径基本导程螺旋升角丝杠外径丝杠内径额定动载荷丝杠长度额定静载荷2005-2.5(5)传动效率计算滚珠丝杠螺母副传动效率(6)刚度校核该工作主要检查滚珠丝杠在工作载荷和扭矩下，每一个引线的变形与丝杠的要求是否相一致。每导程

14、变形量为：选取 其中：则 检查说明书，选择分级螺杆的精度允许误差来满足要求。(7) 稳定性校核不容忽视的稳定性安全系数印在允许的范围之内，只有这样，滚珠丝杠才是处于一个安全的状态。 其中中代表稳定性安全系数。丝杠失稳时的临界负载，由：式中丝杠长度丝杠轴端系数，由支承条件定。截面惯性矩，对实心圆对于铅螺丝的水平，考虑的影响的重量的理想()4。丝杠不会失稳。2.2.2 横向步进电机的选用2.2.2.1 脉冲量的选择电动机的步距角在三相步进运动模式中的步距角为，而在三相六拍运动过程中所选用的步距角为。转脉冲数：主脉冲当量：由此产生的中间齿轮传动比： 2.2.2.2 等效负载转矩计算1.空载时的摩擦转

15、矩2.车削加工时的负载转矩2.2.2.3 等效转动惯量的计算1.滚动丝杠的转动惯量2.拖板运动惯量应用到电动机轴上的转动惯量3.大齿轮的转动惯量采用大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。4.小齿轮的转动惯量换算为2.2.2.4 步进电动机型号的选择笔者选取90bf002步进电机，其步距角为。最大静转矩，转子惯量，可：,由验算结果可知电动机合格。电动机外观图2-4：步进电机矩频特征图2-5：2.3 齿轮传动间隙的调整直齿轮传动间隙的调整方法多种多样，最为常见的包括以下三种：1.偏心套（轴）调整方法：该方法的使用有着节省成本以及简化加工难度的有点，其主要工作原理为在安装电机2的同时，将一对齿轮啮合齿轮4应

16、用于点送机的输出轴上，这样在加入偏心套后，就可以利用其进行中心距离的调整，也可以对两齿轮间的侧隙进行一定程度的消除，从而减少加工或者装配过程中的误差。（具体如图2-6所示）图2-6 偏心套式间隙消除机构 2.垫片的轴向调整方法：轴承轴向间隙的调整垫片法是通过轴承之间进行一些软材料的垫片，垫片的厚度则根据需要进行调节。具体调整方法为在齿轮1和2啮合时，齿轮2由于齿轮齿厚沿轴线有一定斜度故而能沿轴向移动，在须征得过程中将垫片3放置在齿轮1和2之间，缩小其间隙。（具体如图2-7所示）图2-7圆柱齿轮轴向垫片间隙消除机构1小齿轮 2大齿轮 3垫片3.采用消除齿侧间隙的手段是指对双齿齿侧间隙的齿侧间隙的

17、消除或者是由2块薄齿轮结合的齿侧间隙的消除。具体的工作方法为在薄片齿轮2和薄片齿轮4安装几圈圆弧槽，其中弹簧2 的拉力必须要满足克服驱动转矩的要求。（具体见图2-7所示）图2-7 薄片齿轮周向拉簧错齿调隙机构1齿轮 2齿轮 3凸耳 4弹簧如图2-8所示在两片齿轮1和2耳3耳的是可调张力弹簧式在一端的弹簧钩。对于螺钉7扩展长度张力的调节可以在锁紧螺母6后通过对螺母5的调节。见图2-8所示：本文齿轮故障可调弹簧式双片调整方法的设计。图2-8 可调拉簧式调隙1齿轮 2齿轮 3凸耳 4弹簧 5螺母 6螺母 7螺钉第三章 电气控制部分的设计在对本次总体设计目标和要求的考虑基础上，笔者采用的是MCS控制系

18、统相对来说较为便宜的48系列以及51系列单片机控制，目前，最广泛使用的工业机器是8031，其是通过增加开关面板的储存器以进行电路的扩展，实现接口和操作系统的设计。3.1 单片机的选择（1）I/O口线P0,P1,P2,P3共4个八位口。如下图3-1所示：图3-1 8031引脚图（2）电源和时钟。8031最小应用系统。8031里面没有ROM，必要的外部EEPROM成为外部程序存储器。如图3-2。图3-2 系统存储器3.2 步进电机的驱动驱动电源是必不可少的配备。驱动电源，根据供给马达的周期的每个绕组的分布形式的请求由脉冲分配器和功率放大，驱动动力源是从可变频率信号源的脉冲信号和方向，来驱动电动机转

19、子旋转来回。3.2.1 环形脉冲分配器的选择环形脉冲分配器是指点击绕组的通电方式顺序发生改变的局部。每个绕组必须遵循一定顺序是步进电机正常工作的必然要求，故而不同的电机应针对其特点进行不同的环形分配器的选用，笔者此处选择的为纵向为110 bf003的步进电机，具体如图3-3所示：图3-3 CH250管脚图如图，我们可以看出环形脉冲分配器CH250的输出包括A，B，C三个，在一个时钟脉冲期间进行CL或EN的输入，其相应的输出波形则是与三相反应性步进电机相适应。在满足0.5mA的输出电流要求的情况下，CH250在供三相六拍步进电机运行时，路线中的接线见图3-4：图3-4 三相六拍时CH250接线图

20、该90bf002作为五相反应式步进电机的外部和环形脉冲分配器的匹配为PMM8714，该90bf002的管脚图3-5：图PMM8714 3-5引脚图3.2.2 功率放大器的选用功率放大器作为计算机能够正常驱动的重要配件，其选用十分重要。计算机的在出入和输出过程中所能承受的脉冲电流比较小，往往只有几毫安，步进电机的直接驱动将对其造成损坏，故而对功率放大器的使用就必不可少了，可以通过功率放大器将脉冲电流进行增加。 (1) 单电压功率放大电路 单电压功率放大电路的优点在于其结构相对简单，高频性能较好，不足之处在与RC能耗以及电流脉冲前后沿陡峭会有缺陷。 (2) 高低电压功率放大电路高电压电源U1，电源

21、约80U2，低电源电压150V，约520V。脉冲的上升沿由VT1和VT2在蜿蜒的指令脉冲的时间。见图3-6所示：图3-6 单电压功率放大器在二极管VD1的影响下，只有采用的高电压U1的耦合绕组才能使的电流很快满足规定要求，但其不足之处主要体现在高低压衔接处有缺陷电流波形在顶部有下凹现象，故其稳定性难以满足期待。详见图3-7所示：图3-7 高低电压功率放大电路（3）斩波恒流功放电路斩波恒流功放电路有着其独特的特质VIN输入方波的阶跃信号在工作过程中，在输入电压为“0”时，A2 输出 VB，达林顿会截止，绕组W处则无电流通过。在电阻取样为R3时，A1放大器的输出则增大；A1放大器输出高电平；当然，

22、高电压在输入时，输出的VB和A2也会增高。VT的传导是由电源管理的，W绕组电流选用样本电阻R3，出现在相应的反馈电压VF，可以进行如下设定：电压与反馈电压去掉R1、R2的压力抵抗，确定A1输出水平，确定VIN，信号能否通过与门A2。见图3-8所示：图3-8 斩波恒流功放电路经过各方面的详细比较，针对本次总体设计的目的，笔者决定采用单电压功率放大电路。同时，为了强电对弱点的干扰问题，拟加入一个光电隔离电路来进行解决，其放置在环形分配器和功率放大电路之间。3.3步进电机的微机控制步进电机的微机控制主要是由控制器来完成的，在设计过程中充分考虑步进电机的使用特点、生产运作流程的程序实际以及相关的规律经

23、验，借助单片机控制步进电机的串行控制与并行控制，使用简单的程序代码实现信号的传递，从而实现驱动电源的控制。控制方式具体如图3-9所示： 图3-9 串行控制示意图并行控制。微机系统中十分重要的就是在几个借口出平行控制步进电机驱动电路。此系统可采用的方法多样，包括纯软件方法，即能够经过程序设计，结合系统使用特质，实现软件的相位序列拨号；另一种为硬件软件两者兼顾的方法，即是通过界面设计，使用代码将步进电机的各个相关导体进行接通与关断信号的控制，实现硬件的数控化。并行控制方案的详细介绍如图3-10：图3-10并行控制示意图当然，我们将会在此基础上选取电线连接的组件并对其进行电气控制的相关设计。结论经济发展新态势下，企业生产现代化程度不断加深，对零件生产的效率与成本控制逐渐成为企业竞争力提升的重要因素，对数控机床的改造刻不容缓。本设计着重于对难以满足当前企业生产需要的普通车床的