车床数控改造毕业设计

1、目 录第一章 车床数控改造的总体构思与技术方案1.1 设计任务1.2 总体方案的论证1.3 总体改造方案的确定1.4 机械部分的改造1.5 数控部分的改造第二章 普通车床主要结构的数控改造2.1 数控系统2.1.1 数控系统的选择2.1.2电气控制原理2.2 纵向（z向）进给系统的改造2.2.1 改造思路2.2.3纵向进给切削力的确定2.2.4 纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型2.2.5 实施步骤2.3 横向（x向）进给系统的改造2.3.1 改造思路2.3.2 实施步骤2.4 刀架2.4.1改造思路2.4.2实施步骤2.5 主轴传动系统与滑动导轨的改造2.5.1改造思路2.5.2 实施步骤2

2、.5.3 滑动导轨2.6 编码器2.6.1 改造思路2.6.2实施步骤第三章 光栅尺安装与调试3.1 光栅尺的安装3.2 光栅尺的校正第四章 ca6140数控改造步进电机的设计4.1 步进电机的工作方式4.2步进电机的选择4.2.1 ca6140纵向进给系统步进电机的确定4.2.2 ca6140横向进给系统步进电机的确定第五章 数控机床精度的控制5.1 反向偏差5.2定位精度第六章 设计总结致谢参考文献第一章 车床数控改造的总体构思与技术方案本次改造的普通车床型号为ca6140，长度750毫米（如图2.1）。数控改造主要包括传动系统的机械改造和数控装置的设计。为简化结构、降低成本，拟采用步进电

3、机开环控制系统。通过控制纵、横进给系统，保证改造后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。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，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。图2.1 ca6140车床实物图1.1 设计任务本设计任务是对ca6140普通车床进行数控改造。利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（x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。1.2 总体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满

4、足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。(1) 控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、连续控制系统。由于要求ca6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。（2）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。 （3）数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件

5、才能有效地运行。在设计的数控装置中，cpu的选择是关键，选择cpu应考虑以下要素： a) 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； b) 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； c) i/o口扩展的能力与对外设控制的能力相关。 除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定cpu。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是z80cpu和mcs-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以mcs-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价

6、格更便宜，51系列中，是无rom的8051，8751是用eprom代替rom的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。1.3 总体改造方案的确定 ca6140车床主要用于对中小型轴类、盘类及螺纹零件的加工，加工这些零件工艺上要求机床应完成的工作内容有：能够控制主轴正反转，实现不同切削速度的主轴变速；刀架能够实现纵向和横向的进给运动，并具有在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具的功能；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个加工螺纹的螺距或导程。这些内容就是数控化改造后数控系统需要控制的对象。 数控机床

7、由机床、数控系统和外围技术三部分组成。普通车床改造的目的是利用数控系统控制车床自动完成机械加工任务，提高车床的加工精度和生产效率。在考虑经济型数控机床改造具体方案时，所遵循的原则是在满足需要的前提下，对原有车床尽可能减少改动，以降低改成本。改造中需要解决的问题是：将机械传动的进给和手动控制的转位刀架改造成数控装置控制的自动转位刀架和自动进给的数控加工车床。根据ca6140a车床的有关资料，确定总体方案为： 利用数控系统对输入的加工程序进行运算处理，发出的进给指令通过i/o接口输出给x轴和z轴步进电机，经齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，由螺母带动刀架直线移动，从而实现纵向和横向的自动进给运动。换刀

8、指令通过刀架控制器控制三相电动机实现刀架自动转位功能，由脉冲编码器协调完成螺纹车削功功能。总体方案设计图如下：图2.2总体方案设计图1.4 机械部分的改造 机械制造业在世界经济发展中，作为基础产业，具有重要的地位。为此，各国的经济学家和企业家在不断探索新形势下的各种先进制造技术及制造业的发展战略。作为制造业核心的机床制造业则是支柱的基石，是任何行业都不可或缺的。 (1) 主传动系统，保留原有的主传动系统和变速机构，这样既保留了机床原有的功能，又降低了改造工作量，如果要自动改变切削速度，可采用交流变频调速，这样改造成本较高，本次改造主传动系统不做任何改动。(2) 进给传动系统改造 纵、横向传动全

9、部用滚珠丝杠（传动效率高，达到90%）。（拆除原有的挂轮系统、进给箱、溜板箱、光杆），在溜板下加装滚珠丝杠螺母托架，在滚珠丝杠的头、尾部加装接套、接杆及支承。1.5 数控部分的改造 为降低改造成本，决定采用开环控制方式对x轴和z轴进给系统进行改造。经济型数控结构简单、价格低，调试、维护方便，一般用于精度不高的经济型机床。本次改造的机床主要用于粗加工。（如图2.3）图 2.3 数控系统改造硬件框图第二章 普通车床主要结构的数控改造二.1 数控系统 数控系统是数控机床的灵魂，其性能的稳定性直接影响零件的加工的尺寸精度、位置精度及操作工人的人身安全。一般的，普通车床数控改造时，由于需要加工圆锥、圆弧

10、等曲面，需要选择两轴联动控制的数控系统。2.1.1 数控系统的选择 数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。 （1）步进电机拖动的开环系统 该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。 该系统

11、结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。 （2） 异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统 该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。 （3） 交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭

12、环数控系统 半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。 当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国siemens公司、日本fanuc公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。 选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。2.1.2电气控制原理（1）主轴控制系统： 主轴

13、采用三相异步电机驱动由西门子440变频器us控制，其动力由u、v、w三相电源经变频器us提供，主轴电机的正反转由指令控制经plc输出再经变频器us控制主轴电机的正反转，主轴电机转速由数控系统经xs9口直接连到变频器us控制电机转速，若出现故障，则由变频器us发出信号经plc输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。主轴控制系统原理图如图3.1 所示：图3.1 主轴控制系统原理图 （2）z轴进给伺服控制系统： z轴采用松下伺服电机驱动由松下伺服模块控制，其动力由r、s、t三相电源经伺服模块提供，伺服电机控制刀架的z（纵向）进给与后退（正反转）及进给速度与进给量指令由数控系统发出

14、，它们与数控系统的接口为xs30-xs33，若出现故障，则由伺服模块发出信号经plc输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。如图3.2（3） x轴进给伺服控制系统： x轴电机采用雷赛步进电机驱动，由雷赛伺服模块控制，其动力由+v1电源经伺服模块提供，步进电机控制刀架的x（横向）进给与后退（正反转）及进给速度与进给量指令由数控系统发出，它与数控系统的接口为xs30，若出现故障，则由伺服模块发出信号经plc输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。 如图3.2图3.2 x、y、z、a轴伺服控制电气图（4）刀架控制电路： 刀架电机采用三相异步电机驱动由继电器模块

15、控制，刀架电机控制刀架的换刀（正反转）及转动角度指令由数控系统发出，若出现故障，则由plc发出信号输入到数控系统，经系统判断故障类型在显示器上报警显示报警号。 控制原理图如图3.3 图3.3 刀架电机控制系统原理图 （5） 光栅尺控制电路： 光栅尺通过测量反馈控制刀架进给与后退量的实际尺寸与指令尺寸的误差大小反馈给数控系统，若误差太大超出允许误差范围，数控系统可根据加工情况进行时时调整，若出现故障，由系统判断故障类型并在显示器上报警显示报警号。 控制原理图如图3.4图3.4 光栅尺控制电路原理图2.2 纵向（z向）进给系统的改造2.2.1 改造思路 丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要

16、取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。纵向进给系统由伺服电动机经减速后驱动滚珠丝杠螺母机构运动，带动大拖板左右纵向移动。伺服电动机安装在纵向丝杠的右端。2.2.2设计参数加工最大直径：在床面上400mm，在床鞍上210 mm；加工最大长度：1 000 mm；溜板及刀架重力：纵向800 n；刀架快速速度：纵向24m/min；最大进给速度：纵向o8 mmin；主电动机功率：p主=

17、7，5 kw；起动加速时间：30 ms；机床定位精度：±0015 mm。根据机床精度要求确定脉冲当量p，纵向：001mm步；横向：0005 mm步。2.2.3纵向进给切削力的确定p主pm/m=fzv*10-3/m （3-1） （3-1）式中m =0.750.85;v-主轴传递全部功率时的最低速度主切削力fz按经验公式估算：fz=0.67dmax1.5=5360n （3-2） （3-2）式中dmax为车床床面上加工的最大直径按切削力各分力比fz：fx ：fy =1：025：04fx=5360×025=1340nfy=5360×o40=2144n2.2.4 纵向进给滚

18、珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠工作原理及特点：滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服系统中使用最广泛的传动装置。在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道，在滚道内装入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚动，迫使二者发生轴向相对位移。为了防止滚珠从螺母中滚出来， 在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路。由于滚珠的存在，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。滚珠丝杠螺母机构有下列特点:摩擦损失小、传动效率高。滚珠丝杠螺母机构的传动效率可达0.920.96，是普通滑动丝杠

19、螺母机构的34倍，而驱动转矩仅为滑动丝杠螺母机构的四分之一。运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行、由于主要存在的是滚动摩擦，不仅动、静摩擦因数小，且其差值也很小，因而启动转矩小，动作灵敏，即使在低速情况下也不会出现爬行现象。轴向刚度高、反向定位精度高，由于可能完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可实现滚珠的预紧，因而轴向刚度，反向时无空行程，定位精度高。磨损小、寿命长、维护简单，使用寿命是普通滑动丝杠的410倍。传动具有可逆性、不能自锁，由于摩擦因数小，不能自锁因而使该机构的传动具有可逆性，即不仅可以把旋转运动转化为直线运动，而且还可以把直线运动转化为旋转运动。同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副

20、同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性。有专业厂生产，选用配套方便，目前滚珠丝杠不仅广泛应用于数控机床，而且越来越多地代替普通丝杠螺母机构，用于各种精密机床和精密装置。(1)计算进给牵引力fmfm= kfx+f(fz+g) （3-3）=115×1340+016(5360+800)=2530n（3-3）式中 k考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取k=115；f滑动导轨摩擦系数，取：015018；g溜板及刀架重力，g=800n。(2)计算最大动负载 cm=, （3-4）l=60nt/106 n=1000vs/l。（3-4）式中l滚珠丝杠导程，初选l。=8mm；vs最大切削力

21、下的进给速度，可取最高进给速度的(1213)，此处vmax=08mmin；t使用寿命，数控机床用滚动丝杠寿命15000h；fw运转系数，按一般运转取121.5l寿命，以106r为1单位。n=1000vs/l。=1000×08×05/8=50rmin，l=60nt/106 = l=60*50*15000/106=45cm= c=(3) 纵向进给滚珠丝杠螺母副的选型滚珠丝杠副选择的主要依据是工作动负荷cm (n)必须小于滚珠丝杠的额定动负荷ca(n),即必须满足: cm <ca。公称直径dm越大,承载能力和刚度越大,数控机床常用进给丝杠的公称直径dm为3080mm&quo

22、t;取dm=40mm"滚珠丝杠副按其使用范围及要求分为7个精度等级,即1、2、3、4、5、7、10,1级最高,其余依次降低一般选用47级,数控机床及精密机械可选23级,滚珠丝杠副的精度直接影响定位精度、承载能力和接触刚度,故选择3级精度。查表可采用cdm4008-5外循环双螺母垫片预紧的双螺母滚珠丝杠副。字母含意：c：外循环插管 d：垫片预紧 m：插管埋入式。其几何参数如下： 公称直径 do=40mm 导 程 lo=8mm 钢球直径 dw=4.736mm 螺 旋 角 r=3°38´丝杠外径 d1=39mm循环列圈数 2*2.5*2额定动载荷 ca=31714n额定

23、静压载荷 coa=101702n刚 度 1240n/um kc(4)传动效率计算丝杠副传动效率=tgrtg(r+)=o956 （3-5）（3-5）式中 y 螺旋升角(cdm4008-5滚珠丝杠)，y=3°38´； 摩擦角，=10´。(5)丝杠的刚度验算工作时受轴向力和扭转作用，因丝杠受扭时引起的导程变化很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量l=fmlo/es （3-6）（3-6）式中： lo= 丝杠导程0.8cm 进给牵引力fm=2530n e-弹性模量20.6*n/cm2 s-滚珠丝杠截面积（按外径d1=3.9cm确定s=11.94cm2）则l=fmlo/

24、es=8.229*10-6cm丝杠1m长度上导程变形总误差l总=100l/lo=10.286um/m三级精度滚珠丝杠允许误差为15um/m故刚度足够。(6)丝杠的稳定性计算滚珠丝杠失稳时临界负载pc= （3-7）式中： u丝杠轴端系数，两端铰支取u=1l丝杠长度，取2000mme丝杠弹性模量，对钢材质取e=20.6*n/cm2i丝杠截面惯性矩，对实心圆柱体i=cm4pcr =65kn许用安全系数nst=4稳定性安全系数n= pcr/fm=65000/2530=25.6914故滚珠丝杠满足稳定性要求不失稳。2.2.5 实施步骤（1）拆下普通滑动丝杠与溜板箱，取消丝杠与主轴箱齿轮的传动联系，利用原

25、机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱体，滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置，两端采用原固定方式这样可减小改装现场，并且由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性优于以前。滚珠丝杠选用单圆弧滚道截面，外循环方式精度选6级。为了在齿轮传动中消除间隙，实现微量自动补偿以提高传动精度，选用双片薄齿轮调隙，可调拉弹簧式结构； （2）拆下丝杠右端的支撑座，在坐标镗床上将其孔径镗至40mm，便与伺服电动机的支撑轴相配合； （3）车削两个轴套（分别为一长一短），长套用于连接丝杠左端和左支撑座，短套用于连接丝杠右端与伺服电机转轴； （4）对安装螺母的配件进行刨、磨、钻、铰和攻丝等加工，使其符合安装条件； （

26、5）总装后，进行局部调整（如滚珠丝杠与道轨的平行度、螺母间隙和螺母上下前后位置等），力求使滚珠丝杠受力均匀，传动平稳，无传动间隙。 2.3 横向（x向）进给系统的改造2.3.1 改造思路 横向进给系统改造应保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，由步进电机经减速器后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电动机安装在大拖板后端，用法兰盘将步进电动机与大拖板连接起来，一保证其同轴度和提高传动精度。 纵、横向进给机构都采用了一级齿轮减速，并用双片薄齿轮错齿法消除调隙，双片齿轮间没有家弹簧自动消除间隙，因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载较大时，弹簧弹力显很小，起不到自动消除间隙的作用

27、；当负载较小时，弹簧弹力又明显很大，则更容易加速齿轮的磨损。为此采用人工定期调整螺钉紧固的办法来消除间隙。2.3.2 实施步骤（1）拆下刀架、小拖板及滑动丝杠； （2）车削一根定位芯轴，保证法兰盘孔与大拖板后孔的同轴度。定位后，配钻四个螺钉孔，并攻螺纹； （3）车削一根手轮轴，代替原丝杠手轮轴，用于与滚珠丝杠连接； （4）车削两个连接套，用于丝杠连接电机旋转和手轮轴； （5）铣去大拖板上与螺母发生干涉的部位； （6）利用车床主轴和尾座将螺母安装到丝杠上，在利用锁紧螺母进行预紧，消除间隙； （7）总装后，用垫片调整螺母上下位置，使其传动平稳。2.4 刀架 2.4.1改造思路 刀架部分是机床的重要

28、功能部件，对其进行改装主要是为了实现多刀夹持、自动换刀。 电动刀架能实现自动换刀功能，降低辅助时间，提高生产效率，根据生产的实际需要，选择常州亚兴机床数控设备厂生产的四方刀架，它可以完成粗、精车，螺纹车削和切槽、切断等加工的换刀工作，结构简单使用。刀架的转位由三相异步电动机来驱动完成。2.4.2实施步骤（1）拆下原手动刀架； （2）在小拖板上钻四个安装孔，并攻丝； （3）手动抬起电动刀架，将刀架安装在小拖板上； （4）安装后，试用mdi功能换刀，观察三相电源有无接反。2.5 主轴传动系统与滑动导轨的改造2.5.1改造思路 为提高机床自动化程度，实现在加工过程中自动变速，对原ca6140a主轴传

29、动系统进行一定的改装。(如图5.3)2.5.2 实施步骤（1）取消原变速箱，将主轴电机换成四速异步电机； （2）保留原主轴箱内的背齿轮机构。 图3.5 车床改造后主轴2.5.3 滑动导轨 对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。 普通车床导轨大多采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数大，在使用一段时间后都会有不同程度的磨损，对机床传动精度和其保持性带来很大的影响。因此在对其进行 数控化改造的同时必须针对机床导轨状况进行必要的检修处理，对于磨损较严重的

30、更要进行大修，即进行磨削、淬火、贴塑、配刮等处理，同时采用合理的润滑，充分保证其精度。2.6 编码器2.6.1 改造思路 车螺纹时，主轴转一圈，车刀移动一个螺距（单头），主轴与丝杠应同步动作，为保证每次吃刀都不乱扣，必须安装一个光电编码器。 按要求编码器与主轴的传动比应为1：1，由两个齿数均为50的塑料齿轮来实现，但由于车床结构不符合安装要求，只能通过自制挂轮间接实现1：1的传动比要求。2.6.2实施步骤（1）拆下原有的挂轮，加工两只67齿与90齿挂轮； （2）增加一只中间继电器，有电门锁开关来控制机床的电源； （3）在电动刀架三相电源进线处加装快速熔断器和热继电器（2.5a），保证电动刀架安

31、全工作。 第三章 光栅尺安装与调试3.1 光栅尺的安装在光栅尺的安装时应尽量与运动方向的元件保持一致性；大多数机床的运动系统一般部是运用精密滚珠丝杠副，理论上要求光栅尺安装在进给丝杠副的轴线上。但由于实际受结构的限制以及空间的影响，光栅尺都安装在导轨外侧，如果光栅尺装配不当，特别导轨误差，对位置测量有巨大影响。为了将由此产生的误差降到很小，定尺和定尺外壳应尽可能地固定于机床的固定结合面上，安装面一定要与机床导轨平行。这就要求安装面与丝杠轴线的正侧(即安装基面与运动导向基面)保持平行0.10mm。在加工安装基面时可以加工一个25mm的凸台作为光栅尺的定位基准，要求与导轨正侧0.01。在安装光栅尺

32、时可以靠在定位基准上，这样也便于光栅尺的装配，光栅尺安装在导轨外侧，也便于调试和将来的维修。（如图4.1）图 4.1光栅尺示意图光栅尺在安装时，要避免各种加速度，抗振的最高值在552000hz；在装配调整时应避免使用钢件或相近材质的部件；不要固定在热源附近，机床在使用一年以后，应对光栅尺进行校正，同时应检验光栅尺的运行情况；如需清洗时应该用棉球沾无水酒精擦拭，如果光栅尺污物太多，应让技术人员拆下光栅尺的一头用无水酒精冲洗，不允许用其他可以产生结膜的物质清洗。3.2 光栅尺的校正 首先将扫描头输出接头与数字显示器相连，把扫描头移至测量起点，将激光干涉仪置于工作台上并将其清零；然后将扫描头全程移动

33、，转动校正螺钉，使其在任意位置上时数字显示器上读数与激光干涉仪上的读数相等。 光栅尺的定尺与动尺的相对移动代表机床的位移，定尺安装在固定结合面上，而动尺则需要用支架与运动部件连接，这就要求支架有足够的刚性。在动尺运行时，要消除支架也各部件间的共振。第四章 ca6140数控改造步进电机的设计步进电机是受脉冲信号控制的，脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成，而信号的放大由放大电路来完成。由于强弱信号的原因，我们在放大电路前加上光电耦合电路，以防止电源串路。4.1 步进电机的工作方式步进电机的工作方式和一般电机的不同，是采用脉冲控制方式工作的。只有按一定的规律对各相绕组轮流通电，步进电机才能实现转动

34、。数控机床中采用的功率步进电机有三相、四相、五相、和六相等。工作方式有单m拍，双m拍、三m拍及2×m拍，m是电机的相数。所谓单m拍是指每拍只有一相通电，循环拍数为m；双m拍是指每拍同时有两相通电，循环拍数为m；三m拍是每拍有三相通电，循环拍数为m拍；2×m拍是各拍既有单相通电，也有两相或三相通电。一般电机的相数越多，工作方式越多。由步距角计算可知，循环拍数越多，步距角越小，因此定位精度越高。另外，通电循环拍数和每拍通电相数对步进电机的矩频特性、稳定性等都有很大的影响。步进电机的相数也对步进电机的运行性能有很大影响。为提高步进电机输出转矩、工作频率和稳定性，可选用多相步进电机

35、，并采用2×m拍工作方式。4.2步进电机的选择4.2.1 ca6140纵向进给系统步进电机的确定(1)等效转动惯性量计算传动系统折算到电机轴上总的转动惯量： （5-1）（5-1）式中 jm 步进电机转子转动惯量kg/cm2，j1,j2 齿轮z1，z2的转动惯量kg/cm2js 滚珠丝杠转动惯量kg/cm2参考同类机床，初选磁滞式(反应式)步进电机150bf，其转子转动惯量jm=10 kg/cm2对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量计算: （5-2）（5-2）式中 d圆柱形零件直径 l零件轴向长度j1=7.8×10-4d4*1.7kg/cm2：j1=6.6 kg/cm2，j2=

36、7.8×10-4d4*1.7kg/cm2：j2=50.94 kg/cm2，js查表查出:1m长丝杠转动惯量为15.18 kg/cm2，则js=15.18*2=30.36 kg/cm2g=800 n，得=1.325 kg/cm2则总的转动惯量=46.345 kg/cm2(2)负载转矩计算及最大静转矩选择a.快速空载起动时所需力矩mq=mamax+mf+m0 （5-3）（5-3）式中 mq-快速起动时所需力矩 mamax快速空载时折算到电动机轴上的最大加速力矩 mf-折算到电动机轴的摩擦力矩 m0-丝杠预紧时折算到电动机轴上的附加摩擦力矩当工作台快速移动时,电动机转速 max=vmaxb

37、 /(y*360)=2400*0.75/0.01/360=500r/min mamax=j*2*nmax/(60t)=46.345*2*500*10-2/60/0.03=808.87ncm折算到电动机轴上的摩擦力矩mf=folo/2i （5-4）（5-4）式中 fo-导轨的摩擦力fo=f´(fz+g) fc-垂直方向切削力 -主传动效率=0.8mf=folo/2i= f´(fc+g) lo/2i =0.16*(5360+800)*0.8/(2*0.8*1.667)=88.218 ncm附加摩擦力矩mo=fpolo(1-s2)/2i=28.980ncm （5-5）（5-5）式

38、中 fpo-滚珠丝杠预加负荷取1/3fm=2530/3=843n s-滚珠丝杠未预紧时的传动效率取为0.9mq=mamax+mf+m0=808.87+88.218+28.980=926.07ncmb. 快速移动时所需力矩mk= mf+m0=88.218+28.980=117.198ncmc. 最大切削负载时所需力矩mq= mf+m0+mt （5-6）（5-6）式中 mt-折算到电动机轴上的切削负载力矩=fxlo/2i=127.96 ncm则mq=88.218+28.980+127.96=245.158ncm从上面计算可以看出，mq ，mk ，mq三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大。以此项作

39、为初选步进电机的依据。查表，查表，当步进电机为五相十拍时= mq mjmax = 0951。最大静力矩 mjmax= mq/=926.07/0.951=973.786ncm按此最大静转矩，查表，150bf002型最大静转矩为1372 ncm。大于所需最大静力矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。4.2.2 ca6140横向进给系统步进电机的确定(1)等效转动惯性量计算传动系统折算到电机轴上总的转动惯量： （5-7）（5-7）式中jm 步进电机转子转动惯量kg/cm2，j1,j2 齿轮z1，z2的转动惯量kg/cm2js 滚珠丝杠转动惯量kg/cm2参考同类机

40、床，初选磁滞式(反应式)步进电机150bf，其转子转动惯量jm=10 kg/cm2对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量计算: （5-8）（5-8）式中 d圆柱形零件直径 l零件轴向长度j1=7.8×10-4d4：j1=4.19 kg/cm2，j2=7.8×10-4d4：j2=67.08 kg/cm2，j3=7.8×10-4d4：j1=6.39 kg/cm2，j4=7.8×10-4d4：j2=15.6kg/cm2，js查表查出:1m长丝杠转动惯量为11.45 kg/cm2，则js=11.45*2=22.901 kg/cm2g=600 n，得=0.994 kg

41、/cm2则总的转动惯量=35.212 kg/cm2(2)负载转矩计算及最大静转矩选择a.快速空载起动时所需力矩mq=mamax+mf+m0 （5-9）（5-9）式中 mq-快速起动时所需力矩 mamax快速空载时折算到电动机轴上的最大加速力矩 mf-折算到电动机轴的摩擦力矩 m0-丝杠预紧时折算到电动机轴上的附加摩擦力矩当工作台快速移动时,电动机转速 max=vmaxb /(y*360)=1200*0.75/0.005/360=500r/min mamax=j*2*nmax/(60t)=35.212*2*500*10-2/60/0.03=615.444ncm折算到电动机轴上的摩擦力矩mf=fo

42、lo/2i （5-10）（5-10）式中fo-导轨的摩擦力fo=f´(fz+g) fc-垂直方向切削力 -主传动效率=0.8mf=folo/2i= f´(fc+g) lo/2i =0.2*(2680+600)*0.6/(2*0.8*2.5)=31.321 ncm附加摩擦力矩mo=fpolo(1-s2)/2i=5.3040ncm （5-11）（5-11）式中 fpo-滚珠丝杠预加负荷取1/3fm=17541/3=584.66n s-滚珠丝杠未预紧时的传动效率取为0.9mq=mamax+mf+m0=615.444+31.321+5.304=652.069ncm （5-12）b.

43、 快速移动时所需力矩mk= mf+m0=31.321+5.304=36.625ncmc. 最大切削负载时所需力矩mq= mf+m0+mt（5-12）式中 mt-折算到电动机轴上的切削负载力矩=fxlo/2i=31.990ncm则mq=31.321+5.304+31.990=68.615ncm从上面计算可以看出，mq ，mk ，mq三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大。以此项作为初选步进电机的依据。查表，查表，当步进电机为五相十拍时= mq mjmax = 0951最大静力矩 mjmax _= mq*=652.069/0.951=685.666ncm按此最大静转矩，查表， 130bf001型最

44、大静转矩为931 ncm。大于所需最大静力矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。综合考虑，查表选用110bf003型直流步进电动机，能满足要求。第五章 数控机床精度的控制 随着我国经济的飞速发展，数控机床作为新一代工作母机，在机械制造中已得到广泛的应用，精密加工技术的迅速发展和零件加工精度的不断提高，对数控机床的精度也提出了更高的要求。尽管用户在选购数控机床时，都十分看重机床的位置精度，特别是各轴的定位精度和重复定位精度。但是这些使用中的数控机床精度到底如何呢?大量统计资料表明：65.7%以上的新机床，安装时都不符合其技术指标；90%使用中的数控机床处于失准

45、工作状态。因此，对机床工作状态进行监控和对机床精度进行经常的测试是非常必要的，以便及时发现和解决问题，提高零件加工精度。 目前数控机床位置精度的检验通常采用国际标准iso230-2或国家标准gb10931-89等。同一台机床，由于采用的标准不同，所得到的位置精度也不相同，因此在选择数控机床的精度指标时，也要注意它所采用的标准。数控机床的位置标准通常指各数控轴的反向偏差和定位精度。对于这二者的测定和补偿是提高加工精度的必要途径。5.1 反向偏差 在数控机床上，由于各坐标轴进给传动链上驱动部件(如伺服电动机、伺服液压马达和步进电动机等)的反向死区、各机械运动传动副的反向间隙等误差的存在，造成各坐标

46、轴在由正向运动转为反向运动时形成反向偏差，通常也称反向间隙或失动量。对于采用半闭环伺服系统的数控机床，反向偏差的存在就会影响到机床的定位精度和重复定位精度，从而影响产品的加工精度。如在g01切削运动时，反向偏差会影响插补运动的精度，若偏差过大就会造成“圆不够圆，方不够方”的情形；而在g00快速定位运动中，反向偏差影响机床的定位精度，使得钻孔、镗孔等孔加工时各孔间的位置精度降低。同时，随着设备投入运行时间的增长，反向偏差还会随因磨损造成运动副间隙的逐渐增大而增加，因此需要定期对机床各坐标轴的反向偏差进行测定和补偿。（1） 反向偏差的测定 在所测量坐标轴的行程内，预先向正向或反向移动一个距离并以此

47、停止位置为基准，再在同一方向给予一定移动指令值，使之移动一段距离，然后再往相反方向移动相同的距离，测量停止位置与基准位置之差。在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次测定(一般为七次)，求出各个位置上的平均值，以所得平均值中的最大值为反向偏差测量值。在测量时一定要先移动一段距离，否则不能得到正确的反向偏差值。 测量直线运动轴的反向偏差时，测量工具通常采有千分表或百分表，若条件允许，可使用双频激光干涉仪进行测量。当采用千分表或百分表进行测量时，需要注意的是表座和表杆不要伸出过高过长，因为测量时由于悬臂较长，表座易受力移动，造成计数不准，补偿值也就不真实了。若采用编程法实现测量，则能使测量过程

48、变得更便捷更精确。 需要注意的是，在工作台不同的运行速度下所测出的结果会有所不同。一般情况下，低速的测出值要比高速的大，特别是在机床轴负荷和运动阻力较大时。低速运动时工作台运动速度较低，不易发生过冲超程(相对“反向间隙”)，因此测出值较大；在高速时，由于工作台速度较高，容易发生过冲超程，测得值偏小。 回转运动轴反向偏差量的测量方法与直线轴相同，只是用于检测的仪器不同而已。（2）反向偏差的补偿 国产数控机床，定位精度有不少>0.02mm，但没有补偿功能。对这类机床，在某些场合下，可用编程法实现单向定位，清除反向间隙，在机械部分不变的情况下，只要低速单向定位到达插补起始点，然后再开始插补加工

49、。插补进给中遇反向时，给反向间隙值再正式插补，即可提高插补加工的精度，基本上可以保证零件的公差要求。 对于其他类别的数控机床，通常数控装置内存中设有若干个地址，专供存储各轴的反向间隙值。当机床的某个轴被指令改变运动方向时，数控装置会自动读取该轴的反向间隙值，对坐标位移指令值进行补偿、修正，使机床准确地定位在指令位置上，消除或减小反向偏差对机床精度的不利影响。 一般数控系统只有单一的反向间隙补偿值可供使用，为了兼顾高、低速的运动精度，除了要在机械上做得更好以外，只能将在快速运动时测得的反向偏差值作为补偿值输入，因此难以做到平衡、兼顾快速定位精度和切削时的插补精度。 对于fanuc0i、fanuc

50、18i等数控系统，有用于快速运动(g00)和低速切削进给运动(g01)的两种反向间隙补偿可供选用。根据进给方式的不同，数控系统自动选择使用不同的补偿值，完成较高精度的加工。 将g01切削进给运动测得的反向间隙值a 输入参数no11851(g01的测试速度可根据常用的切削进给速度及机床特性来决定)，将g00测得的反向间隙值b 输入参数no11852。需要注意的是，若要数控系统执行分别指定的反向间隙补偿，应将参数号码1800的第四位(rbk)设定为1；若rbk设定为0，则不执行分别指定的反向间隙补偿。g02、g03、jog与g01使用相同的补偿值。5.2定位精度 数控机床的定位精度是指所测量的机床

51、运动部件在数控系统控制下运动所能达到的位置精度，是数控机床有别于普通机床的一项重要精度，它与机床的几何精度共同对机床切削精度产生重要的影响，尤其对孔隙加工中的孔距误差具有决定性的影响。一台数控机床可以从它所能达到的定位精度判出它的加工精度，所以对数控机床的定位精度进行检测和补偿是保证加工质量的必要途径。 （1）定位精度的测定 目前多采用双频激光干涉仪对机床检测和处理分析，利用激光干涉测量原理，以激光实时波长为测量基准，所以提高了测试精度及增强了适用范围。检测方法如下： 安装双频激光干涉仪；在需要测量的机床坐标轴方向上安装光学测量装置；调整激光头，使测量轴线与机床移动轴线共线或平行，即将光路预调准直；待激光预热后输入测量参数；按规定的测量程序运动机床进行测量；数据处理及结果输出。（2）定位精度的补偿 若测得数控机床的定位误差超出误差允许范围，则必须对机床进行误差补偿。常用方法是计算出螺距误差补偿表，手动输入机床cnc系统，从而消除定位误差，由于数控机床三轴或四轴补偿点可能有几百上千点，所以手动补偿需要花费较