C6163纵向数控改造设计说明

1、C6163纵向数控改造设计说明摘 要目前市场上买一台数控车床的价格远远大于改造一台普通车床的费用，在技术条件下对普通车床进行数控改造更可行。因此，本课题重点研究普通车床的数控改造设计。本次设计是对普通车床C6163的数控改造，主要是创造性地设计原机床的结构，最终使机床达到理想状态。其中，对伺服系统和数控系统进行了详细的计算和设计。本文研究了数控伺服系统的工作原理，阐述了C6163机床的数控改造方案，分析了数控改造过程中数控系统的选择。根据机械、动力和电气设计原理，对数控机床主传动系统进行了设计和校核。根据进给系统的要求，计算切削力和滚珠丝杠，选择合适的齿轮和进给电机。主要设计过程如下:首先明确

2、设计任务，构思总体结构方案，确定主要部件的位置和总体结构。其次，根据工况进行理论计算，分析性能要求，合理选择主要零部件。再次，分析设计产品的经济性和环保性。通过设计，我们可以得到以下结论:一是机床数控化改造后，可以达到要求的加工精度，具有很大的经济价值；第二，设计理论还不够成熟。这个设计最大的缺陷是从生产技术的角度，进一步研究设计产品的实用性和推广性。我们应该加强理论和实践的结合，使我们的设计越来越科学和先进。关键词:C6163车床；数控；转型设计目录3.2 横向进给伺服系统机械部分计算与校核实例3.2.1 计算切削力横切端面式中车床床身上加工最大直径横切端面时主切削力可取纵切时的式中 走刀方

3、向的切削力（N）垂直走刀方向的切削力（N）3.2.2杆螺母副的设计、计算与选型(1) 计算牵引力横向进给选为三角型或综合导轨 参考机床设计手册.26.2-2；6.2-3表式中：，切削分力（）G移动部件的重量（N） 表1-1查得横向溜板与刀架重力500N滑动导轨摩擦系数，随导轨形式而不同 取=0.15-0.18K考虑颠复力矩影响的实验系数 取K=1.15(2) 计算最大动负载C 选用滚珠丝杆导轨 参考机床设计手册.3P185-P210式中：L寿命，以转为一单位n丝杆转速（r/min）为最大切削条件下进给速度，可取最高进给速度的1/2-1/3 取丝杆导程（mm） 初选=6mmT为使用寿命（h）,对

4、于数控机床取15000h运转系数，查表3-14一般取1.2-1.5(3) 螺母副的选型可采用WD3006外循环垫片调整紧的双螺母滚珠丝杆副，1列2.5圈，其额定动负载为9700N,精度等级按表3-17选为级。(4) 传动效率计算式中：螺旋升角，WD3006摩擦角取滚动摩擦系数0.003-0.004(5) 刚度验算横向进给丝杆支承方式图所示，最大牵引力2087.98N,支承间距350mm，因丝杆长度较短，不需预紧螺母与轴承预紧。计算如下:丝杆的拉伸或压缩变形量(mm)查阅,根据2087.98N,D=30mm查出 可算出：c) 滚珠与螺纹滚道间接触变形量查图得系列列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量

5、因进行了预紧d)支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形采用推力球轴承5204查阅机床设计手册.表5.9-137,d=20mm,滚动体直径=5.556mm,数量Z=13综合以上几项变形量之和：定位精度(6) 稳定性校核计算临界负载(N) 式中:E材料弹性模量()I截面惯性矩()L丝杆两轴承端距离(cm)丝杆支承方式系数，从表3.15中查出，一端固定，一端简支为2.00 一般=2.5-4.0,所以此滚珠丝杆不会产生失稳。 (7) 横向滚珠丝杆副的几何参数(见表1)表1参数名称符号关系式WD3006螺纹滚道公称直径30导程6接触角钢球直径3.175滚道法面半径R1.651偏心距e0.045螺纹升角螺杆外径

6、d29.365径26.788接触直径26.83螺母螺纹直径D33.212径30.6353.2.3 齿轮传动比计算已确定横向脉冲当量，滚珠直径导程=6mm,初选步进电动机步距角可计算传动比:考虑到结构上的原因不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板有行程，故此处可采用两级齿轮降速。因进给运动齿轮受力不大，模数取2，有关参数参照表2表2: 传动齿轮几何参数齿数 Z18452032分度圆d=mz36904064齿顶圆40944468齿根圆31853559齿宽(6-10)m20中心距63523.2.4 横向步进电机的计算，校核和选型(1) 初选步进电机a) 计算步进电机负载转矩式中: 脉冲当量，取0.0

7、1mm/step.进给牵引力(N)步距角，初选双拍制为电机丝杆传动效率为齿轮、轴承、丝杆效率之积分别为b) 估算步进电机起动转矩根据负载转矩除以一定的安全系数来估算步进电机起动转矩(N.cm)一般横向进给伺服系统取0.4-0.5c) 计算最大静转矩查表3-22如取五相十拍，则d) 计算步进电机运行频率和最高启动频率式中:最大切削进给速度 最大快移速度脉冲当量，取 根据估算出的最大静转矩在表3-23中查出150BFG2815最大静转矩为245N.cm 可以满足经济型数控机床有可能使用较大的切削用量，应该选用稍大转矩的步进电机，以留有一定余量，另一方面与国同类型机床进行类比的要求。决定采用150B

8、FG2915，但从综合作业指导书P24页查出，步进电机最高空载启动频率为4000Hz,满足空载时(3333.33Hz)的要求。(2) 校核步进电机转矩前面所述初选步进电机的转矩计算，均为估算，初选后，应该进行校核计算。a) 等效转动惯量计算计算简图见图2，根据表3-24，经二对齿轮降速时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量可由下式计算:式中:齿轮与其轴的转动惯量齿轮的转动惯量丝杆转动惯量丝杆导程(cm)G工件与工作台重量(N) G=500(N)b) 齿轮、轴、丝杆等圆柱体惯量计算 表3-24所示圆柱体转动惯量计算公式如下:对于钢材，式中:M圆柱体质量 D圆柱体直径 (cm) L圆柱体长度或原长

9、(cm)钢材的密度为因此基本满足惯量匹配的要求。c) 电机转矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算:eq oac(,1) 快速空载起动转矩在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算如下：式中: 快速空载起动转矩空载起动时折算到电机轴上的摩擦转矩折算到电机轴上的摩擦转矩由于丝杆预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩 在采用丝杆螺母副传动时，上述各种转矩可用下式计算：式中:传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量电机最大角速度电机最大转速运动部件最快速度脉冲当量步进电机的步距角运动部件从停止到起动加速到最大快进速度所需时间(s) 起动加速时间=30(ms)折算到电机轴上的

10、摩擦转矩式中: 导轨的摩擦力(N)垂直方向的切削力(N) G运动部件的总重量(N)导轨摩擦系数，取=0.15齿轮降速比传动链总效率，一般可取0.7-0.8附加摩擦转矩:式中: 滚珠丝杆预加负荷，一般取，为进给牵引力(N)滚珠丝杆导程(cm)滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取上述三项合计:eq oac(,2) 快速移动时所需转矩eq oac(,3) 最大切削负载时所需要的转矩式中:折算到电机轴上的切削负载转矩从上面计算看出、三种工况下，以快速空载所需转矩最大，即以此项作为校核步进电机转矩的依据。从表3-22查出，当步进电机为五相十拍时为则最大静转矩为:从表3-23查出150BFG2815最大转矩

11、为为245，大于所需最大静转矩，可以满足此项要求。d) 校核步进电动机起动矩频特性和运行矩频特性前面已经计算出机床最大快移时，需步进电机的最高起动频率为3333.33Hz,切削进给时所需步进电机运行频率为1666.7Hz从表3-23中查出150BFG2815型步进电机允许的最高空载起动频率为4000Hz，运行频率为16000Hz，再从图3-15，3-16查出150BFG2815步进电机起动矩频特性和运行矩频特性如图3所示:当快速运动和切削进给时，150BFG2815型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性可以满足要求。3.3纵向进给伺服系机械部分计算与校核3.3.1计算切削力主切削力F（N）按经验

12、公式估算：走刀方向的切削分力（N）车床身上加工最大直径（mm）=630mm=10594.63（N） ：=1：0.25：0.4走刀方向的切削力垂直走刀方向的切削力=0.25=2648.66(N)=0.4=4237.85(N)3.3.2丝杆螺母副的计算和造型(1) 计算进给牵引力纵向进给选为综合导轨。参考表6.22，6.23两表机床设计手册.3查书综合作业指导书P22在正常情况下：考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15滑动导轨磨擦系数0.150.18溜板与刀架重力查综合作业指导书表11，取=800N=1.152648.66+0.16(4237.85+500)=2175.94(N)(2)

13、 计算最大动负载CC=参考机床设计手册.3P185P210 选用滚珠丝杆导轨式中：滚珠丝杆导程。 初选为最大切削力条件下的进给速度，可取最高进给速度的1/21/3 取=1m/min使用寿命（h），对于数控机车取 =15000h 运转系数，按一般运转取1.21.5（查表314综合作业指导取为1.2寿命以 转为1单位丝杆转速r/min125113C=19512.57(3) 滚珠丝杆螺母副的选型可采用WD6008外循环螺纹调整预紧的双螺母珠丝杆副，1列2.5圈，其额定功动负载为18200（N），精度等级按表综合作业指导书表3-17选为3级。(4) 传功效率计算：=式中：r螺旋升角，WD6008 r=

14、磨擦角取10 滚动磨擦系数0.0030.004(5) 刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如A图所示，最大牵引力2175.94(N)。支承L=1500mm，丝杆螺母与轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷1/3。 丝杠的拉伸或压缩变形量 图3-5查综合作业指导书图3-4，根据=2175.94(N), 查出10-5 可算出=(0.6510-51500)mm=0.97510-2 mm由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杆进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量(mm)为=1/4=0.97510-2/2=0.24410-2mm 滚珠与螺纹滚道间接触变形查综合作业指导书图3-5，W系列

15、1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量=6.0m因进行预紧=1/2=1/26.0=3.0m 支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形采用D8208型推力球轴承，=35mm,滚动体直径=6.35mm,滚动体数量Z=18,注意此公式中单位应为N因施加预紧力，故=1/2=1/20.009065=0.004528mm根据以上计算=0.002440.00300.004528=0.009968479.39N可以满足要求，但从表中看出130BF001步进电机最高空载起动频率为3000HZ，不能满足=3333HZ的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件开降速程序来解决。(2) 校核步进电机转矩前面所初步电机的转矩计算，均

16、为估算，初迭之后，应该进行校核计算。 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 错误！未找到引用源。效转动惯量计算计算简图如前（a）所示，根据综合作业指导书表3-24，传动系统计算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算：=()()步进电机转子转动惯量（）.矢轮Z1Z2的转动惯量（）滚珠丝杆转动惯车（）参考同类型机床，初步反应式步进电机BF1，作台质量折算到电机轴上的转动惯量：I4()2w()2800.468kgcm24.68Ncm2 齿轮转动惯量：J17.810-44.842=8.281kgcm2=82.81 Ncm2J27.810-412.842=53.678kgcm2 丝杆传动惯量：

17、 J3=7.810-464140=141.52kgcm2=1415.2 Ncm2电机转动惯量很小，可以忽略。因此，总的转动惯量：(J3+J2)+J1+J4 =EQ(141.52+53.68)+0.468+8.281 = 130.52 kgcm2=1305.2 Ncm2(1) 所需转动力矩计算。快速空载启动所需力矩：最大切削力负载时所需力矩：式中：空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩折算到电机轴上的摩擦力矩由于丝杆预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩切削时折算到电机轴上的加速度力矩折算到电机轴上的切削负载力矩当时，当时，当，时，Ncm当时，预加载荷则所以，快速空载启动所需力矩： 快速进给时所

18、需力矩：切削时所需力矩： 由以上分析计算可知：所需最大力矩发生快速启动时： ，所以选择型号WD6008 校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。已计算出机床最大快移时需步进电机的最高起动频率为3333Hz，切削进入时所需步进电机运行频率为1333.3Hz。从综合作业指导书表323中查出型步进电机允许的最高空BF1-160载起动频率为3000Hz，运行频率为16000Hz，再从综合作业指导书图315，316查出BF1-160步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如（C）图所示，当步进电机起动时，时，,不能满足此机床所要求的空载起动力矩222.916N.cm。直接使用则会施行失步现象，所以必须采取

19、开降进控制用软件实现，将起动频率到1000Hz起动转矩可增高到588.4N.cm，然后电路上再采用高低压驱动电路，可将电机输出转矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，BF1-160型步进电机运行矩频特性（D）图完全可以满足要求：图3-64 数控系统硬件电路设计4.1数控系统基本硬件组成任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成，硬件是数控机床的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能，有了硬件，软件就能发挥作用。 机床数控机床的硬件电路概括起来又以下四部分组成：中央处理单元CPU。CPU是数控系统的核心。总线。包括数据总线（DB） 地址总线（AB）和控制总线（CB）。存储器。包括只读可编

20、程存储器和随机读写存储器。I/O输入输出接口电路。由于8031只有P1口和P3口部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。从附录H图H2可以看出，系统扩展了一片8155和一片8255可编程I/O接口芯片。8155的片选信号CE接74LS138的Y0，8255芯片片选信号CS接到74LS138的Y2端。74LS138三八译码器有三个输入A、B、C分别接到8031的P2。5，P2。6、P2。7，输出Y0Y7 8个输出，低电平有效。Y0Y7对应输入A、B、C的000至111的8种组合，其中Y0对应A、B、C为000，Y7对应A、B、C为111。74L

21、S138还有三个使能端，其中2个（GA和GB）为低电平使能，另一个G1为高电平使能。吸有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。I/O接口芯片与外设的连接是这样安排的：8155芯片PA0PA7作为显示器段选信号输出，PB0PB7是显示器的位选信号输出，PC0PC4 5根线是键盘扫描输入。8155芯片的IO/M引脚接8031芯片的P2。0，因为使用8155的I/O口故P2。0高电平。8255芯片PA0PA6接X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器，为输出，PB0PB7为三个方向的点动与回零输入，PC0PC5为面板上的选择开头是输入，设有编辑、单步运行、单段运行、自动、

22、手动I、手动II等方式。系统各芯片采用全地址译码，各存储器与I/O接口芯片的地址编码如表419所示：X向，Y向步进电机硬件环形分配器采用YB015，32相通电五相十拍方式工作，故A0，A1引脚均接+5V，Z向步进电机配件环形分配采用YB014，是以23相通电四相八拍方式工作。A0、A1接高电平。三个芯片的选通输出控制E0分别接8255的PA0、PA3、PA5，清零R接8255的PA1，正、反转控制端分别接8255的PA2、PA4、PA6，时钟输入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以决定脉冲分配器输出脉冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补时不同的进给速度，可给8155芯片的定时/计数器中设置

23、不同的时间常数。芯 片接74LS138引脚 地址选择线片地址单元（B）地址编码2764（1）000 xxxxxxxxxxxxx8K0000H1FFFH2764 (2 )001xxxxxxxxxxxxx8K2000H3FFFH6264010 xxxxxxxxxxxxx8K4000H5FFFH8155RAM10011110 xxxxxxxx661009EFFHI/O11xxx69FF8H9FFDH8255111xx45FFCH5FFFH 表5，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作，存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据，输入输出接口是系统与外界进行交换的桥梁。总线则是C

24、PU与存储器，接口以与其它转换的纽带，是CPU与部分电路进行交换和通讯的必由之路。 数控系统的硬件框图为：图4-14.2 单片机控制系统的设计1 向和X向进给伺服系统运动2 键盘显示3 自动转位刀架控制4 螺纹加工控制5 面板控制6 行程控制7其他功能 报警电路、急停电路、复位电路、光隔离电路、功能电路等。4.2.1 硬件电路的组成采用MCS-5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：a) 采用8031作CPUb) 扩展了两片2764芯片、一片6264芯片c) 两片8155可编程并行I/O接口。d) CPU、存储器与I/O接口CPU采用8031芯片，选用6MHz晶体振荡器。它的

25、作为数据总线和地址共用。16位地址线由经地址锁存器74LS373提供8位地址，高8位地址由8031的口直接提供。ALE为地址锁存允许。为低电平时选通外部存储器（EPROM），相应的指令字节出现在EPROM的数据线（）上，输入到口，8031将指令读入。RESET为复位控制，当RESET输入端出现高电平时，8031被初始化复位，在复位有效期向ALE、PSEN也输出高电平。当RESET输入端返回低电平后，CPU从O地址开始执行程序。（故设计中一定有一片2764芯片连到74LS138的）设计中采用上电复位和开关复位。另外，两片8155的RESET也与8031的RESET管脚相连，它们可同时复位。803

26、1的是片的定时器/计数器溢出中断申请，由主轴后面的光电编码器输入。当车床车螺纹时，主轴光电编码器向8031发出进给脉冲，用以控制不同导程的螺纹加工。光电编码器还发出一个零位螺纹信号，输入8155(1)的，用以防止车螺纹乱扣。8155(1)主要用于功能键的控制，刀架转位控制以与报警等。其中PA口为输入口，作为功能键的控制管理，刀架控制编辑、空运行、自动、手动I，手动和回零。PB口也是输入口，由面板上的按键分别控制起动、暂停、单段、连续、急停等功能。是换刀回答，当自动转位刀架按指令转位、夹紧，刀架电机停转之后，发出此信号，开始执行进给指令。接光电编码器输出的零位螺纹信号。PC口是输出口，控制自动转

27、位刀架四个刀位的选刀。用于报警显示，系统正常工作时，输出低电平，绿色发光二极管亮，当系统出现异常情况时，输出高电平，经反向后，红色发光二极管亮，实现报警功能。 8155(2)控制步进电机，行程控制，以与键盘，显示电路。其中为输出口，用于控制Z向、X向步进电机运转，Z向步进电机为五相，X向为三相。此系统采用软件分配。键盘显示电路为46键和6位显示器。作为键盘的6条列线，是键盘扫描线，是输出口。接行线作为键盘输入口。是6位数码显示器的位选信号，8031的口是数码显示器的段选信号。接越程限位控制电路，当床鞍或拖板在Z向或X向越程时，即向计算机输入此信号，使进给系统停止。 表6：数控车床控制系统芯片地

28、址分配芯片接74LS138引脚地址选择线片地址单元地址编码2764(1)000 xxxxxxxxxxxxx8K0000H-1FFFH2764(2)001xxxxxxxxxxxxx8K2000H-3FFFH6264010 xxxxxxxxxxxxx8K4000H-5FFFH8155(1)I/O00 xxx66100H-6105H8155(2)I/O00 xxx68100H-8105H4.2.2机械控制系统原理与电路设计总结：设计要求:采用MCS-51系列单片机完成控制系统的设计，并给出了控制系统的原理图。包括主键盘、LED显示、电机启动、停止、单步控制、联动控制等。同时还具有一些自动错误处理功能

29、，如限位控制、驱动错误处理等，所以在程序设计中需要提供相应的中断处理程序。(2)方案分析:前置电机的选择:选用步进电机，电机型号为130BF001。这台电机是五相十拍电机。从机电一体化可以知道，步进电机的运行特性与配套的驱动电源(驱动器)密切相关。该驱动器由脉冲发生器和功率放大器组成。在微机控制电机的过程中，需要使电机按照一定的规律运动，控制这种规律变化的部分称为脉冲分配器。实现脉冲分配的方法有两种:计算机软件和硬件电路方法。当有圆形脉冲分布时，仍然不够。因为我们的脉冲是由微电脑单片机发出的，属于低电平，不能直接驱动电机运动。这时候我们可以用功放电路把脉冲功率放大，然后驱动硬件电路。对于复杂电

30、路驱动，比如五相十拍电路，有A、B、C、D、E相，他的十拍工作模式是:A B-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-E B- A B-.对于这种复杂的驱动方式，用软件编程或硬件电路来实现驱动控制是相当复杂的。我们采用MCS-51系列8031单片机作为微机控制的主芯片。在系统原理图中，端口P0由74LS373锁存，同时扩展了一个2764程序存储器和一个6264数据存储器，用于系统的数据处理和存储。同时需要扩展键盘和显示器，所以需要扩展接口来连接。接口扩展采用8155，PA口、PC口属于输出口，PB口属于输入口。PA口的8个地址连接成一个44的键盘接口电路，PB口用于LED的8路接口，

31、PC口的6路接口用于LED的位置控制接口。同时，端口P2的P2.5、p2.6、p2.7用于74LS138的片选输入和2764、6264的片选。系统原理电路图见附图(A2图)。(3)地址计算:1)8155的地址计算:在8155中，P1.7用于控制I/M端口，控制I/O和RAM选项。当P1.7=0时，选择RAM端口，其地址为:0一个0因此，其地址为4000H-5FFFH(其中P1.7为0)。当P1.7=1时，MCU选择I/O端口，其地址为:0一个0因此，其地址为4000H-5FFFH(其中P1.7为1)。因此；8155的具体地址:命令字:4000H答:4001H乙:4002小时丙:4003小时低四

32、位:4004H高四位:4005H2)地址2764:采用74LS138片选控制，地址选择如下:000因此，地址范围是:0000H-1FFFH3)6264的地址:同样采用74LS138片选控制，地址选择如下:00一个所以地址是2000H-3FFFH。4)芯片列表:序列号名字模型量一个微控制器MCS-8031一个2数据存储6264一个三程序存储器2764一个四门闩74LS373一个五翻译者74LS138一个六接口芯片8155一个七键盘4x4键盘一个八班长七段LED数码显示器六九光电耦合器光电耦合器三10电机驱动HXD55驱动器一个11电阻几个12晶体振荡器20千赫一个13电容几个4.3 c 6163

33、经济型数控车床数控系统软件设计圆弧插补程序设计在电机设备中，如果执行机构沿平行斜线和圆弧曲线运动，必须由两个方向的组合来完成。在数控机床中，这是根据插补控制原理，通过工作台在X、Y方向移动来实现的。这里，仅以线性插补程序设计为例:(1)逐点比较法线性插值计算采用逐点比较法。不采取步骤，需要以下四个步骤:偏差判别:判别偏差Fm0或Fm0，以决定向哪个方向进给，采用哪个偏差计算公式。坐标进给:根据直线所在的象限和偏差符号，决定沿+X、+Y、-X和-y哪个方向进给。偏差计算:进给每一步，计算新的加工偏差。终点判别:每进一步，终点计数器减1。如果为0，说明插补在终点停止，不为0，则返回第一步继续插补。终点的计算和判断可以用两个方向的坐标植物判断，也可以用一个方向的坐标植物判断。当XeYe时，x方向的总步数Xe可以作为判断终点的依据。如果动点x等于终点Xe，则停止。当XeYe时，y方向的总步数Ye作为判断终点的依据。因此，第一象限直线插补程序的算法如下:a)区分Fm是大于0还是小于0。b)如果Fm0，则输