C616车床数控系统改造

1、C616车床数控系统改造作者:日期:毕业论文目：C616车床数控系统改造系: 业: 名:指导教师:2014年3月1日目录 TOC o 1-5 h z 摘 要1关键词1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 第1章绪论2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1。1普通机床数控化改造概述 2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 数控改造的意义 2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 数控改造的优点 3 HYPERL

2、INK l bookmark14 o Current Document 第2章数控机床的原理及分类 3数控机床的一般原理 3数字控制的基本概念 3 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 数控机床的组成 4 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 。1信息载体4 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 2。1.2.2计算机数控系统5 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 。 3伺服系统5 HYPERLINK l boo

3、kmark27 o Current Document 2。1。2.4 机床5 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 计算机控制系统的工作原理 62。2.1 输入6 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 。 2 译码6.3数据处理62。2。4 插补6。5伺服控制6 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document .6管理程序7 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 机床数控系统的分类 72。3.1开环控制系统72半闭环控制系

4、统82。3。3闭环控制系统8 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 第3章C616机床数控系统改造方案 9 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 3。1机床数控系统改造方案要求 9 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 3。2C616车床的数控改造主要包括以下两个方面 93。2。1机械部分改造 9 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 3.2。2电气控制系统改造 9 HYPERLINK l bookmark63

5、o Current Document 第4章机械部分改造10 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 纵向（Z向）进给系统的计算与设计 1 0 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 0 1纵向进给系统的设计 1 0 HYPERLINK l bookmark69 o Current Document 4。1.2 纵向进给系统的设计计算11。 1 切削力计算 1 1。 2滚珠丝杠设计及计算 134.1。2.2。1强度计算1 34.1。2。2.2效率计算1 34.1。2。2.3刚度验算1 44.1。2。2.4稳

6、定性验算14 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 4.1。2。3齿轮及转矩的有关计算 1 44o 1.2 o 3o 1有关齿轮计算1 .2 转动惯量计算154。1。2。3。3所需转动力矩计算 1 5 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 4.2横向（X向）进给系统计算与设计 1 7 HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 4.2.1横向进给系统的设计1 7 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 4

7、.2.2横向进给系统的设计计算 174.2.2 。 1切削力计算 1 84.2。2。2 滚珠丝杠设计计算 184。 强度计算1 84.2 0 2.2 0 2 效率计1 84.2.2 。2。3刚度验算1 94。2。2。2.4稳定性验算1 94。2。2。3齿轮及转矩有关计算 1 94.2 0 20 3.1有关齿轮计算1 94。2。2。3.2转动惯量计算1 94。2。2。3。3所需转动力矩计算 20 HYPERLINK l bookmark79 o Current Document 第5章机床导轨改造21 HYPERLINK l bookmark81 o Current Documen

8、t 第6章 电气系统改造226。1步进电机的选择226.1。1 步 进 电 机 选 用 的 基本 原则226。1.1.1 步矩角 a 精度226.1 。1。3 转矩2 26。1.1.4启动频率23 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document C616纵向进给系统步进电机的确定 23C616横向进给系统步进电机的确定 236。2 数 控 装 置 硬 件 设计246。2.1数控系统硬件组成 24。2。2 单 片 机 的 选择25.2.3存储器的选择25 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 6

9、。2。4 I/O 接口电路25 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 6。2。5步进电机驱动电路 26 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 6.3数控系统软件设计 27 HYPERLINK l bookmark103 o Current Document 第7章总结29第8章致谢30参考文献31C616机床数控系统改造摘要：本文主要是将传统的 C616车床的电气控制系统改造成为数字控制的开 环控制系统。随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高，对机械加工设 备的加工精密程度也要求越来越高。而在中国的

10、机械加工设备的车床中，普 通车床占了很大比例.这已经越来越制约着当今工业的发展。而数控机床由于 价格昂贵，且需要较高技术的加工工人 .所以对普通机床进行数控改造具有很 大的意义。本文在搜索、查阅和研究大量有关资料的基础上，对机床的数控改造技 术进行了研究和分析，描述了机床控制系统的设计。整个改造过程主要对车床 机械部分和电气系统进行了改造，从而达到所要求的数控机械性能。关键词：C616车床，数控改造，单片机，步进电机第一章绪论1。1普通机床数控化改造概述机床的数控改造，就是在普通机床上增加计算机控制装置，使其具有一 定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。它是根据生产实际需要提出， 并随着机

11、床行业以及技术的不断进步而发展起来的，它的内容是应用成熟的 数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，对现有机床的局部结构进 行改造，并安装上新部件、新装置、新附件，用计算机控制机床工作，提高 机床的技术性能指标，使之全部或局部达到数控机床的水平 .然而，机床的数控改造不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，现代的数 控技术，特别是加工中心，无 论是其支承部件、主传动系统、进给传动 系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型 等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构. 因止匕，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使 普通机床的各项性能指标

12、尽可能地与数控机床相接近。1。2数控改造的意义数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控 系统所包含的计算机的威力。1。2。1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.由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运 动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面 .1.2 o 2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.由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和 存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得 以自动

13、化，故被称为实现了 “柔性自动化”1.2 o 3加工零件的精度高，尺寸分散度小 ，使装配容易，减少修配.1。2.4实现多工序的集中加工，减少零件在机床间的频繁搬运。5拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实 现长时间无人看管加工。因此,机床数控系统改造后降低了工人的劳动强度，节省了劳动力减少了 工件的机床更换次数，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.1。3数控改造的优点减少投资额、交货期短.同购置新机床相比，一般可以节省60% 80%的费用，改造费用低.特别是大型、特殊机床尤其明显.一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3,交货期短。但有些特殊情况，

14、如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍,与购置新机床相比，只能节省投资 50 %左右。1。3.2机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的床身、立柱等基础件都 是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量 好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。3熟悉了解设备、便于操作维修。购买新设备时，不了解新设备是 否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外, 由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时 问短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。

15、1.3.4可充分利用现有的条件。可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。1。3。5可以采用最新的控制技术，可根据技术革新的发展速度，及时地 提高生产设备的自动化水平和效率 ，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今 水平的机床。第2章数控机床的原理及分类2。1数控机床的一般原理2.1 o 1数字控制的基本概念数字控制(Numerical Control -NC),简称为数控，是一种自动控制技 术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。数字控制是相对于模 拟控制而言的，数字控制系统中的控制信息是数字量，而模拟控制系统中的控 制量是模拟量。数字控制与模拟控制相比有许多优点，如

16、可用不同的字长表 示不同精度的信息，可对数字化信息进行逻辑运算、数学运算等复杂的信息 处理工作，特别是可用软件来改变信息处理的方式或过程，而不用改动电路 或机械机构，从而使机械设备具有很大的“柔性”。因此数字控制已被广泛用于机械运动的轨迹控制和机械系统的开关量控制，如机床的控制、机器人的 控制等.数字控制的对象是多种多样的，但数控机床是最早应用数控技术的控制对 象,也是最典型的数控化设备。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装 备了数控系统的机床。国际信息处理联盟( International Federation of Information ProcessingIFIP )第五技术委员

17、会对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码 或其它符号编码指令规定的程序.定义中所提的程序控制系统,就是数控系统(Numerical Control System)。 数控系统是一种控制系统，它自动输入载体上事先给定数字量，并将其译码，在进行必要的信息处理和运算后，控制机床动作和加工零件。最初的数控系统是 由数字逻辑电路构成的专用硬件数控系统.随着微型计算机的发展，硬件数控系 统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控系统(Computer Numerical Control ) 简称CNC.CN保统是由计算机承担数控中的命令发生器和控制器的数控

18、系统.由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而具有真正的“柔性”，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提 高。2。1。2数控机床的组成数控机床是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺 服系统和机床四部分组成，如图 1-1所示图1-1数控机床的组成 信息载体信息载体又称控制介质，用于记录数控机床加工一个零件所必需的各种 信息，如零件加工位置数据、工艺参数等，以控制机床的运动，实现零件的 机械加工。常用的信息载体有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等，并通过相应 的输入装置将信息输入到数控系统中.数控机床也可采用操作面板上的按钮和键盘

19、将加工信息直接输入，或通过窜行口将计算机上编写的加工程序输入 到数控系统。高级的数控系统可能还包括一套自动编程机或者CAD/CAMK统。由这些设备实现编制程序、输入程序、输入数据以及显示、模拟显示、存储 和打印等功能.2。1。2。2计算机数控系统计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信 息，经计算和处理后去控制机床的动作.它由硬件和软件组成.硬件除计算机外，其外围设备主要包括光电阅读机、CRT键盘、棉板、机床接口等。光电阅读机是输入系统程序和零件加工程序 ；CRT供显示和监控用；键盘用于输入 操作命令及编辑、修改程序段，也可输入零件加工程序；操作面板可供操作人员改变操作方

20、式、输入整定数据、启停加工等；机床接口是计算机和机床之 间联系的桥梁，机床接口包括伺服驱动接口及机床输入/输出接口 .伺服驱动接口主要是进行数/模转化，以及对反馈元件的输出进行数字化处理并记录， 以供计算机采样；机床输入/输出接口是用于处理辅助功能。软件由管理软件 和控制软件组成。管理软件主要包括输入输出、显示、诊断等程序；控制软 件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制等部分组成.数控装置控制机床的动作可概括为：2。1.2。2.1机床主运动，包括主轴的启动、停止、转向和速度选择 等；2.1。2。2.2机床的进给运动，如点位、直线、圆弧、循环进给 的选择，坐标方向进给速度的选择等；2

21、.1。2。2。3刀具的选择和刀具的补偿（长度、半径）；2。1。2.2.4其它辅助运动，如各种辅助操作，工作台的锁紧和 松开，工作台的旋转与分度和冷却泵的开、停等。2。3伺服系统它是数控系统的执行部分，包括驱动机构和机床移动部件，它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动受控设备运动.伺服电动机可以是步进电机、电液马达、直流伺服电机或交流伺服电机。2。1.2。4 机床它是用于完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上发展来的，但也做了很多改进和提高，它的主要特点是：2。1。2。4.1由于大多数数控机床采用了高性能的主轴和伺服传动系统，因此数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短；4。2为了

22、适应数控机床连续地自动化加工，数控机床结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形较小；2。1.2.4。3更多的采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等；2。1.2。4。4不少数控技术还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床各种 效率。计算机控制系统的工作原理2.2 o 1输入输入给数控系统的有零件加工程序、控制参数和补偿数据等.2.2.2译码输入的程序段含有零件的轮廓信息（起点、终点、直线还是圆弧等） 、要求 的加工速度以及其它的辅助信息（换刀、换档、冷却液开关等）。计算机依靠译 码程序来识别这些符号，将加工程序翻译成计算机内部能识别的语言。2。2。3数据处理数据处理程序一般包括刀具半

23、径补偿、速度计算是解决该加工数据段以什 么样的速度运动的问题。加工速度的确定也是一个工艺问题.数控系统仅仅是保 证这个编程速度的可靠实现。另外，辅助功能如换刀、换档等亦在这个程序中 实现。o 4插补即根据给定的曲线类型（如直线、圆弧或高次曲线）、起点、终点以及速度， 在起点和终点之间进行数据点的密化 .计算机数控系统的插补功能主要由软件 来实现，目前主要有两类插补方法：一是脉冲增量插补，它的特点是每次插补运算结束产生一个进给脉冲；二是数字增量插补，它的特点是插补运算在每个插补 周期进行一次，根据指令进行速度计算出一个微小的直线数据段。2。2.5伺服控制将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令，

24、经变换和放大后转化为伺 服电机（步进电机或交、直流伺服电机）的转动，从而带动机床工作台移动。2.2.6管理程序当一个数据段开始插补时，功能程序即着手准备下一个数据段的读入、译 码、数据处理。即由它调用各个功能子程序，且保证一个数据段加工过程中将 下一个程序段准备就绪.一旦本数据段加工完成，即开始下一个数据段的插补加 工.整个零件加工就是在这种周而复始的工程中完成。机床数控系统的分类机床数控系统的种类很多，为了便于了解和研究，可以从不同的角度对其分类.可以按伺服系统的控制方式，机床的运动轨迹 ，数控系统功能水平分类。 一般地，按伺服系统的控制方式进行分类。伺服系统包括驱动机构和机床移动部件，它是

25、数控系统的执行部分，按其 控制原理可分为以下三类。2。3。1 开环控制系统（Open Loop Control System ）典型的开环伺服系统如图12所示，是采用步进电机的伺服系统.对于数 控装置发来的每一个进给脉冲经驱动线路放大并驱动步进电机转动一个步距（即一个固定的角度，如1.5o），再经减速齿轮带动丝杠旋转，并通过丝杠螺母副 传东工作台的移动。可以看出工作台的移动量与进给脉冲的数量成正比 .显然这 种开环系统的精度完全依赖于步进电机的步距精度及齿轮、丝杠的传动精度。它没有测量反馈矫正措施，所以对高精度的数控机床往往不能满足要求，但开 环系统的结构简单、调试容易、造价低，在数控机床的发

26、展过程中占有一定的 重要地位，现在仍普遍采用.数控装S放大r 步进电视减速会轮 丝杠螺母工作台图12开环伺服系统方框图2.3。2 半闭环控制系统(Semiclosed Loop ControlSystem)如图1-3所示，采用装在丝杠上的角位测量丝杠或电机轴的转动量间接地 测量工作台的移动量。它的优点就是不论工作台位移的长短，角位移测量元件 制成360可循环使用图1-3半闭环伺服系统方框图半闭环的意思就是用丝杠（或电机轴）的转动量与数控装置的命令相比较（闭环），而另一部分丝杠螺母工作台的位移量不受闭环控制（开环） ，故称为 半闭环。显然，从理论上讲，半闭环的精度低于闭环，但半闭环调试方便，稳定

27、 性好，角位移的测量元件简单、价廉，所以配备传动精度较高的齿轮、丝杠的 半闭环系统得到广泛应用。2.3。3 闭环控制系统(Closed Control System )如图14所示，采用直线位移测量元件，测量机床移动部件工作台（主轴 箱）的位置并将测量结果送回与数控装置命令的移动量相比较，二者不相等而有 差值时，将此差值放大外控制伺服电机带工作太继续移动；直至测量值与命令 值相等差值为零或接近于零时停止移动。从理论上讲，闭环伺服系统的精度取 决于测量工作台的精度，但实际上机床的结构、传动装置以及传动间隙等非线 形因素都会影响精度，严重的还会使闭环伺服系统的品质下降甚至引起振荡。W装置比较装置放

28、大何服 电机I减速齿轮丝杠螺母工作台,测量装置图1 4闭环伺服系统方框图第3章C616机床数控系统改造方案3.1机床数控系统改造方案要求C616机床数控改造，在考虑具体数控改造方案时，基本原则是在满足使 用要求的前提下，对机床的改动尽可能减少，以降低成本C616车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件 加工工艺要求机床应完成的工作有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度 的主轴变速，刀架能实现纵向和横向的进给运动，并且具备在换刀点自动改变刀位并完成选择刀具，加工螺纹时应保证主轴转一转，刀架移动1个被加工螺纹的螺距或导程.这些工作就是数控化改造数控系统控制的对象。根据C616车床

29、有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为：采 用单片机对数据进行计算处理，由 I/O接口输出步进脉冲。经一级齿轮减速 后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。3。2 C616车床的数控改造主要包括以下两个方面3.2.1机械部分改造主传动系统不作变动，横向进给系统和纵向进给系统采用滚珠丝杠螺母 副替换进给轴原有的普通丝杆副，由电动刀架代替普通刀架。3.2 o 2电气控制系统改造。伺服控制采用开环控制，在机械部分改造完成后，采用 8031单片机作为 数控系统，控制步进电动机驱动纵向和横向进给运动。具改造后结构原理示息图如图31所小.单片微型机图3-1 C616型车床的数控化改造结构

30、原理图数控改造主要完成以下内容：3。2.2.1数控系统控制纵横两方向的步进电机，实现X、Z两轴的进给运动；3。2。2.2将手动刀架拆除换成电动刀架；3。2。2.3拆除丝杠、光杠进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；3。2。2。4在主轴后端加一主轴编码器，以便加工螺纹。改造过程中，只保留机床导轨、主轴、溜板、尾座等部件，其余的全部 撤除。带之以滚珠丝杠和步进电机，用数控系统来驱动各轴的运动。总体改 造如图3 2所示。图32 C616普通车床的数控改造第4章机械部分改造纵向（Z向）进给系统的计算与设计纵向进给系统的改造.即拆掉原机床的进给箱和溜板箱，利用原机床进给箱 的安装孔和销钉孔安装内有步进电机

31、和一对齿轮的箱体，将原来的普通丝杠改 换成滚珠丝杠螺母副。纵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驱动丝杠，螺母固定在溜板 箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端。对车床 改造来说，外观不必像产品设计要求的那么高，而从改造方便，实用方面来考虑。 一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端，如图4-1所示。图4-1纵向进给系统改造方案示意图4。1.2纵向进给系统的设计计算已知条件：工作台重量：W=750N时间常数：T=28ms滚珠丝杠基本导程： L0 =8mm行程：S =700mm脉冲当量：6 p=0.01mm/step步距角:=00 75o/step快速进给速度

32、：Vmax =2.5m/min4。1.2.1切削力计算由机床设计手册可知，切削功率Nc N K c(41)式中 N 电机功率，查机床说明书，N=4kVy-主传动系统总效率，一般为0.60.7取 0.65K-进给系统功率系数，取为K=0。96。因此：Nc=4X0o 65X0o 96=2.496 kWc TOC o 1-5 h z 又因为Nc FzV/6120(42)所以Fz 6120Nc/v式中 v 切削线速度，取 v=100m/min。主切削力Fz=6120X 2.496/100=152。76(kg f)=1527.6(N)由金属切削原理可知，主切削力Fz Cfz pXFZ fYFZKFZ(4

33、3)查表得：CFz =188kgf/ m2=1880MPaXFz =1YFz =0.75KFz =1则可计算Fz如表3-1所示：表4-1Fz计算结果p (mm)222333f ( mrm0。20.30.40。20.30.4Fz(N)112515241891168722872837当FZ=1520N时，切削深度 p=2mm走刀量f =0。3mm以此参数作为下面计算的依据。从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时：Fx=(0.1 0。6) FzFy= (0.15 0。7) Fz(4-4)取：Fx=0.5Fz=0.5 X1527。6=763。8NFy=0o 6Fz=0o 6X 1527.6=916。

34、5N4。1。2.2滚珠丝杠设计及计算 综合导轨车床丝杠的轴向力： TOC o 1-5 h z P KFx f (Fz w(4-5)式中 K=1 。 15, f =0O 15-0o 18,取为 0.16。WJ P=1 。 15X763.8+0.16(1527.6+800)=1250。 8N2。1强度计算寿命值L 60nTi/106(4_6)ni n主 f/Lo 1000vf/ DLo(4-7)取工件直径 D=80mm ,查表得Ti=15000hM：ni=1000X 100X 0.3/3 。 14X 80X6=20r/min6Li=60X 20X15000/10 =18最大动负载q= yLPfW

35、fH(48)查表得：运转系数fW=1.2硬度系数 3 =1M Q=V18 X 1.2 X 1X 1250.8=3933o 6N根据最大动负载 Q的值，可选择滚珠丝杠的型号.4。 效率计算根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为：tg /tg()(4-9)式中摩擦角 =10，螺旋升角 =3o25 /则tg3 25 /tg(3 25 10)=0o 9534.1.2 。2.3刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P引起的导程的变化量L1PL0/EF(410)式中Lo =6mm=0 6cm；E=20.6X 106 N / cm2滚珠丝杠截面积F (d/2)2(2.8031/ 2)2 3.14贝U

36、L11250.8 0.6/20.6 106 (2.8031/2)2 3.145.9 10 6cm滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很小，可忽略，即：LL,。所以，导程变形总误差A为：100 L/L0 100 5.9 10 6/0.6 9.8 m/m查表知E级精度丝杠允许的螺距误差(1m长)为15仙m/m故刚度足够。2.2.4稳定性验算由于机床原丝杠直径为小32mm支承方式不变，所以稳定性不存在问题，不 再验算.4。2。3齿轮及转矩的有关计算4.2.3 o 1有关齿轮计算传动比iLo /360 p 0.75 6/360 0.01 1.25故取 乙=32 Z2 =40m=2mm b=20mm =2

37、0od1 m乙 2 32 64mmd2 mZ2 2 40 80mmda1d1 2ha 68mmda2 d2 2ha 84mm4。2.3。2转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：4.67N.cmJi (180 p/ )2W (180 0.01/3.14 0.755)2 80 0.467kgcm2丝杠的转动惯量：_4_4_4_422Js7.8 10 4D4L7.8 10 43.24100 8.1789kg.cm281.789N.cm2齿轮的转动惯量：JZ1 7.8 1 0 4 6.44 2 2.61 7kg.cm2 26.17N.cm2JZ2 7.8 10 4 84 2 6.39kg.c

38、m2 63.9N.cm2电机转动惯量很小可忽略.因此，总的转动惯量：J 1/i2(Js Jz2) Jz1 J1 1/1.252(8.1789 6.39) 2.617 0.46722=12.408kg.cm2 124.08N.cm24。2。3。3所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩M Mamax+Mf+Mo最大切削负载时所需力矩MMM Mat + M f + Mo+Mt快速进给时所需力矩M Mf + Mo式中Mamax-空载启动时折算到电机轴上的加速力矩；M f 折算到电机轴上的摩擦力矩；Mo 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；M at 切削时折算到电机轴上的加速度力矩；Mt

39、折算到电机轴上的切削负载力矩.Ma Jn 10 4/9.6T(4-11)当 n nmax 时M a maxM anmax vmaxi/L0 2000 1.25/6 416.7r/minMamax 12.408 416.7 10 4 /9.6 0.025 2.15N.m 21.5kgf.cm当 n nt 时 M a M atnt n主 fi/L0 100vfi / DL0 1000 100 0.3 1.25/3.14 80 624.88r / minMat =12。408X24.88 X 10 4/9.6 X 0.025=0.1286 N 。m=l 286kgf。 cmM fFoLo/2 i f

40、WL/2 i当=0.8 f =0.16 时=1.223Mf 0.16 80 0.6/2 3.14 0.8 1.25kgf.cm=12.23 N .cm当0=0。9时预加载荷Po=1/3Fx则： 2、_2、Mo FxLo(10 )/6 i 76.38 0.6(1 0.92)/6 3.14 0.8 1.25=0.462kgf.cm 4.62N.mMt FxLo/2 i =76o 3 X 0.6/2 X3.14X0.8X1。25=7.297kgf.cm=72。 97No cm所以，快速空载启动所需力矩M Mamax Mf M。=21。 5+1。223+00 462=23.185kgf。cm=231.

41、85N cm切削时所需力矩：M Mat Mf Mo Mt=1。286+1.223+0.462+7。297=10.268kgf。 cm=102 68N= cm快速进给时所需力矩M M f Mo=1。 223+0o 462=1.685kgf。cm=16 85N= cm由以上分析计算可知： 所需最大力矩Mmax发生在快速启动时，Mmax 23.185kgf.cm 231.85N.cm4。2横向(X向)进给系统计算与设计横向进给机构改造：保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构 也保留，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。4.2.1横向进给系统的设计经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单，一

42、般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高转动精度。4。2。2横向进给系统的设计计算由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所用到的公式不在详细说明，只 计算结果。已知条件：工作台重量：W=30kgf=300N时间常数：T=25ms滚珠丝杠基本导程： L0 =4mmE旋行程：S =190mm脉冲当量：6 P=0。005mm/step步品 E 角：=0.75 o/step快速进给速度：Vmax=1m/min4。2.2.1切削力计算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。Fz =

43、1/2 X 152.76=76.38kgf=763.8N在切断工件时：Fy 0.5Fz0.5 76.38 38.19kgf cm 381.9N 滚珠丝杠设计计算4。2。2.2。1强度计算对于燕尾型导轨：P KFY f (FZ W)(4-12)取 K=1.4 f =0.2WJ P=1。4X38.19+0.2 (76。38+30)=74。74kgf=747。4N寿命值Li 60niTi/106 60 15 15000/106 13.5最大动负载Q=3LifWfHP 3.13.5 1.2 1 74.74 213.55kgf2135.5N根据最大动负荷 Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如

44、，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 FC1B系列，滚珠丝杠公称直径为小20mm型号为FC1B20X45-E2左，其额定动负荷为5393N,所以强度足够用。4.2.2。 2.2 效率计算螺旋升角 =3o38 ,摩擦角 =10，则传动效率由公式（2-9）得tg3 38 /tg（3 3810） 0.9564。2.2。2.3刚度验算由公式（410）得滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量L尸 74。74X 10X 00 4X4/3。14X20.6 X 106 X 1.76192= 5.96 X 10 6 cm滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很小，可忽略，即： LLi所以，导程变形总误差为A=10

45、0A L/Lo=100 X 5.96 X 10 6/0.4=14。 9 m/m查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15仙m/m，故刚度足够。4.2。2.2.4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，故不再验算。4。2.2。3齿轮及转矩有关计算 o 1有关齿轮计算传动比iLo/360 p 0.75 4/360 0.005 5/3 1.67故取Z1 18 Z2 30m 2mm b 20mm a =20odi 36 mmd2 60mmda1 40mm da2 64mm48mm4。2。2

46、。3.2转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量Jt (180 p/)2W (180 0.005/3.14 0.75)2 30 1/100 0.0439kg.cm2丝杠的转动惯量Js 7.8 10 4 24 50 0.624kg.cm2齿轮的转动惯量 TOC o 1-5 h z _4 _42JZ1 7.8 10 4 3.64 2 0.262kg.cm244_ 2Jz2 7.8 1062 2.022kg.cm电机转动惯量很小可忽略，因此，总的惯量22_21/i2(Js Jz2) Jz1 Jt (3/5) 2(0.624 2.022) 0.262 0.0439 1.258kg.cm24.2.

47、2.3.3所需转动力矩计算nmax vmaxi/Lo 1000 5/ 3/4 416.7r/minMa max Jnmax 10 4/9.6T 1.258 416.7 10 4/9.6 0.025 0.2184N .m 2.23kgf.cm a max maxnt n主 fi/Lo 1000vfi / DLo 1000 100 0.15 5/3.14 60 4 3 33.17r/min0.0174N.m 0.1775kgf.cmMat 1.258 33.17 10 4/9.6 0.025MfF0L0/2 ifWL0/2 i 0.2 30 0.4 3/2 3.14 0.8 50.287kgf.c

48、m 0.028N.m 2_2_Mo FvLo(1o2)/ 6 i 38.19 0.4 3(1 0.92)/ 6 3.14 0.8 5 0.116kgf.cm 0.011N.m0.8 5 1.824kgf.cm 0.179N.mMt FyLo/2 i 38.19 0.4 3/2 3.14所以，快速空载启动所需转矩cmM M amax M f a maxiM =2.23+0.287+0o 116=2.633kgf。cm=26.33N。切削时所需力矩:M MatatM f Mo Mt=01774+0.287+0.116+1.824=2.40kgf.cm=24。04No cm快速进给时所需转矩:M M

49、 f Mo=0.287+0.116=0.403kgfo cm=4 03N.cm以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时Mamax 2.633kgf.cm 26.33N.m第5章机床与轨改造卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床导轨面运动的。导轨就是支承和导向，即支承运动部件并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定的方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性， 直接影响机床的加工精度、承载能力和使用性能。数控机床上，常使用滑动导轨和滚动导轨。滚动导轨摩擦系数小，动静摩擦系数接近，因而运动灵活轻便，低速运行时不易产生爬行现象.精度高，但价格贵。经济型数控一般不使用滚动导轨，尤

50、其是数控改造，若使用滚动导轨，将太大增加机床床身的改造工作量和改造成本。因此，数控改造一般仍使用滑动导轨。滑动导轨具有结构简单，刚性好，抗振性强等优点。普通机床的导轨一般 是铸铁-铸铁或铸铁一淬火钢导轨。这种导轨的缺点是静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度的变化而变化，低速时易产生爬行现象，影响行动平稳性和定 位精度，为克服滑动导轨的上述缺点，数控改造一般是将原机床导轨进行修整 后贴塑，使其成为贴塑导轨。贴塑导轨摩擦系数小，且动静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象； 耐磨性、抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定；且有良好的自润滑性和抗 振性，加工简单，成本低.目前应用较多的聚四氟乙稀（PTEE）贴塑

51、软带，如美国生产的 Twrcite B 和我国生产的TSF软带材料，此种软带厚度为0.8 mm、1.6 mm、3。2 nlm等几种规格。考虑到承载变形，直选用厚度小的规格；如果考虑到加工余量，选 用厚度为1。6 nlm为宜.贴塑软带粘贴工艺非常简单，可直接粘结在原有的滑动导轨面上，不受导轨形 式的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘结。 粘结前按导轨精度要求对金属导 轨面进行加工修理。根据导轨尺寸长度放大34 mm,切下贴塑软带.金属粘结面与软带结面应清洗干净，用特殊配制的粘合剂粘结，加压固化，待其完全固化 后进行修整加工.作为导轨面的表面，根据需要可进行磨、铳、刮研、开油槽、 钻孔等加工，以满

52、足装配要求。第6章电气系统改造6。1步进电机的选择6。1.1步进电机选用的基本原则需要根据电机在整个系统中的 现仅就选用步进电机最基本的合理选用步进电机是比较复杂的问题, 实际工作情况，经过分析后才能正确选择 原则介绍如下：6。1.1.1 步矩角a步矩角应满足:mn/i式中 i-传动比；mn 系统对步进电机所驱动部件的最小转角。 精度步进电机的精度可用步矩误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值 ，用积累误差衡量精度比较实用。所选用的步进电机应满足Qm i s式中Qm-步进电机的积累误差； 系统对步进电机驱动部分允许的

53、角度误差。 转矩为了使步进电机正常运行（不失步、不越步 ），正常启动并满足对转速的 要求，必须考虑：启动力矩一般启动力矩选取为：Mq Ml n/0.30.5qL0式中Mq电动机启动力矩；Ml0 电动机静负载力矩。在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 4启动频率由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此 相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足ftfopop mft极限启动频率f0P m-一要求步进电机最高启动频率。6。1.2 C616纵向进给系统步进电机的确定Mq ML /0.4

54、 23.185 10/0.4 579.625N.cm qL0为满足最小步矩要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知:Mq / Mim 0.866所以，步进电机最大静转矩为：Mim M a /0.866 579.625/0.866 669.31N.cm步进电机最高工作频率fmax Vmax/60 p 2000/60 0.01 3333.3Hz I I laxI I laxp综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。6。1.3 C616横向进给系统步进电机的确定Mq MLo /0.4 2.633 10/ 0.4 65.825N.cm qo仍选用三相六拍工作方式，查表知：Mq

55、/Mim 0.866所以，步进电机最大静转矩为：Mim Ma/0.866 65.825/ 0.866 76.01N.cm步进电机最高工作频率fmax Vmax / 60 p 1000/ 60 0.005 3333.3Hz I I laxI I laxp为了便于设计和采购，仍选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要 求.6。2数控装置硬件设计6.2.1数控系统硬件组成任何一个数控系统都是由硬件电路和软件程序两部分组成。硬件主要由 单片机、车床以及辅助电路构成.硬件是数控系统的基础，其控制性能的好坏， 直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。机床数控 系统的硬件电路概括起

56、来由以下四部分组成。6。2.1。1中央处理单元（CPU）;6。2.1.2 总线：包括数据总线（DB、地址总线（AB）和控制总线（CB）;6。2。1。3存贮器：包括只读可编程存贮器（ROM和随机读写存贮器（RAM;1.4 I/O 输入/输出接口电路.其中CPU数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作.存贮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。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPUf存贮器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是CPUt部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图如图6-1所示.图6-1数控系统硬件框图.2单片机的选择M

57、CS-51系列单片微机是美国Intel公司在MCS-48系列单片微机基础上推 出的产品，它的集成度很高，是集片内存储器、片内输入/输出部件和CPUT 一体的优良的单片机系统，其配置芯片价廉普及性、通用性强 ，制造和维修 方便，完全能够满足数控车床的需要 .所以用MCS-51组成的中央处理器作为 C616改造后的数控系统.在MCS-51系列单片机产品型号中，8031芯片内无 ROM适用于需扩展 ROM 8031属8位单片机，它是集 CPU I/O端口及部分RAM?为一体的控制 器，具有价格低、功能全、体积小、编程灵活性大、开发手段齐全、硬件资 源丰富等特点。适用于可在现场修理和更新程序存储器的应

58、用场合，其价格 比8051、8751低，非常适合在我国使用。8031芯片内部具有128个字节的数据存贮器 RAM内部地址为00HH7FH, CP叫片内数据存贮器有很丰富的操作指令，通过直接寻址或间接寻址方式进行 访问。这128个字节单元可作为数据缓冲器、堆栈和工作寄存器。8031为40引脚的双列直插式器件，有4个双向8位I/O 口(P。0 80)。P0.0 口和P20作为 地址总线使用。16位地址总线由P0.0 口经地址锁存器 74LS373提供低8位 (A0 %)。高8位(A8 A5)由P2 口直接提供。8位数据总线由 口提供。 这样数据总线与地址总线共用，ALE为地址锁存允许,当送低8位地

59、址时，使ALE 有效并锁存到74LS373,当送数据时使ALE无效.。3存储器的选择CPU部分采用8031芯片。由于8031片内无程序存储器，需要有外部程 序存储器的支持，外接一片 6264 (8KX8)芯片来扩展8031的RAM存贮器。 8031是一个无ROM/EPROM的单片机，必须扩展程序存贮器，存放控制程序， 所以外接了 2片2764(8K 乂 8)芯片，1片74LS373地址锁存器和一片 74LS138 译码器.6。2。4 I/O 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，系统扩展了二片8

60、155作为I/O接口芯片.I/O接口芯片与外设的连接是这样安排的：8155(2)芯片PA0- PA7作为显示器段选信号，是输出；PB0- PB7是显示器的选为信号，是输出； PC0- PC56根线是键盘扫描输入，8155 (1)芯片的(I/O)/M弓I脚8031芯片的P2。 0,因为使用8155 (1)的I/O 口，故P2。0为高电平。8155(1)芯片PA0- PA5 为面板上的选择开关，设有编辑、空运行、自动、手动、回零等；PBO- PB7为两个方向的点动及回零输入、急停等；PC0- PC3控制刀架的运动及转动。8031 本身提供给用户使用的输入、输出口线不够，只有 P1 口和部分P3 口