【数控技术】-CA普通车床的数控化改造-说明书

1、毕业设计说明书题目：CA6136普通车床的数控化改造 整设计图纸请联系本人，参见豆丁备注。 HYPERLINK /lzj781219 /lzj781219 毕业生姓名： 专业：数控技术学号： 指导教师： 所属系（部）：机械电子工程系二一三年五月前 言 毕业设计是高校教学中最后一个环节，它是在学生学习了一系列专业基础课程和专业课程，并且在实习、实践基础上，利用自己所学知识，结合生产实际，在老师指导、帮助下，自行设计与解决实际问题的过程。它是学生四年大学课程的一次全面总结和综合利用，通过毕业设计不仅可以巩固所学的专业知识，而且可接触实际，发现不足，开拓视野，在实践中检验和丰富所学知识，增强分析和解

2、决问题能力，因此它是非常重要的一个环节。这次毕业设计中，我的设计题目是：CA6136数控车床改造。由于设计的需要，我仔细研究了总装图、零件图，但在设计过程中，因自己经验不足，遇到了很多实际问题。所以我积极与设计指导老师沟通，在各位老师的全力帮助、指导下问题得到了全面解决，同时受到各位老师优良工作品质的影响，培养出了我缓中求稳、虚心求教、实事求是、一丝不苟的工作作风，并树立了明确的生产观、经济观和全局观，为今后从事工作打下了良好的基础通过毕业设计，我真正认识到理论和实践相结合的重要性，并培养了我综合运用所学理论知识和实际操作知识去理性的分析问题和解决实际工作中的一般问题的能力，使我建立了正确的设

3、计思想，掌握了数控设计的一般程序、规范和方法，并进一步巩固、深化地吸收和运用了所学的基本理论知识和基本技能。还有，它提高了我设计计算、绘图、编写数控程序、数控机床操作、实际加工零件和正确使用技术资料、标准、手册等工具书的独立工作能力，更培养了我勇于创新的精神及严谨的学风及工作作风。随着社会主义建设与改革开放的深入，与在当前市场经济条件下激烈的竞争，一切企业必须进行深刻改革与创新，更对我们工程技术人员提出了严峻要求，我们不仅要有专业技术方面的能力，更要有经济头脑，我们所设计与提供的产品，将是更为轻巧、灵便、美观、经济的，所以我们在设计中要大胆革新，换新见解、新方案，紧密联系所学知识，向最优秀化靠

4、近。由于设计者水平、时间、资料有限，设计中错误在所难免，恳请各位老师指导。摘 要 针对现有常规CA6136普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了CA6136机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。关键词: 数控机床; 单片机数控系统; 机电传动; 电子技术 ; Abstract To remedy the defects of ordinary lather CA6136, a design of data processing system and its extend the

5、single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and machines usage, and to improve production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。K

6、eyword : numerical control machine tool, single chip microcomputer system， mechanical and electrical transmission, electronic technology目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc232235703 前 言1 HYPERLINK l _Toc232235704 摘 要1 HYPERLINK l _Toc232235705 第一章 概 述 PAGEREF _Toc232235705 h 1 HYPERLINK l _Toc2322357

7、06 第一节 设计目的 PAGEREF _Toc232235706 h 1 HYPERLINK l _Toc232235707 第二节 设计任务 PAGEREF _Toc232235707 h 1 HYPERLINK l _Toc232235708 第二章 数控机床发展概况 PAGEREF _Toc232235708 h 2 HYPERLINK l _Toc232235709 第一节 国内数控机床的特点 PAGEREF _Toc232235709 h 3 HYPERLINK l _Toc232235710 第二节 国外数控机床状况分析 PAGEREF _Toc232235710 h 3 HYP

8、ERLINK l _Toc232235711 第三节 数控机床的发展预测 PAGEREF _Toc232235711 h 4 HYPERLINK l _Toc232235712 第四节 对我国数控技术和产业化发展的战略思考 PAGEREF _Toc232235712 h 5 HYPERLINK l _Toc232235713 第三章 数控设备与技术现状 PAGEREF _Toc232235713 h 6 HYPERLINK l _Toc232235714 第一节 数控设备 PAGEREF _Toc232235714 h 6 HYPERLINK l _Toc232235715 第二节 数控技术

9、PAGEREF _Toc232235715 h 6 HYPERLINK l _Toc232235716 第三节 数控机床的原理 PAGEREF _Toc232235716 h 7 HYPERLINK l _Toc232235718 第四章 数控车床总体改造方案及机械部分设计10 HYPERLINK l _Toc232235722 第一节 传动系统改装设计与计算 PAGEREF _Toc232235722 h 10 HYPERLINK l _Toc232235723 一.横向进给系统的设计计算及校核 PAGEREF _Toc232235723 h 10 HYPERLINK l _Toc23223

10、5724 二纵向进给系统的设计计算及校核 PAGEREF _Toc232235724 h 17 HYPERLINK l _Toc278584627 第五章 CA6136车床数控化改造的数控系统24 HYPERLINK l _Toc278584628 第一节 数控系统选型26 HYPERLINK l _Toc278584629 第二节 步进电动机的驱动器选型28 HYPERLINK l _Toc278584630 一驱动器选型28 HYPERLINK l _Toc278584631 二分配器30 HYPERLINK l _Toc278584632 三放大器30 HYPERLINK l _Toc2

11、78584633 四.系统连接30 HYPERLINK l _Toc278584634 第三节驱动器信号输入输出32 HYPERLINK l _Toc278584635 一信号输入输出34 HYPERLINK l _Toc278584636 二面板开关说明34 HYPERLINK l _Toc278584637 第六章CA6136电气系统数控改造设计36 HYPERLINK l _Toc278584638 第一节概述36 HYPERLINK l _Toc278584639 第二节电气系统数控改造设计37 HYPERLINK l _Toc278584643 第三节 强电柜的安装与连接37 HYP

12、ERLINK l _Toc232235741 第七章 数控机床的安装、调试、精度验收38 HYPERLINK l _Toc232235742 第一节 机床的安装、调试与精度验收38 HYPERLINK l _Toc232235743 一机床总体安装.40 HYPERLINK l _Toc232235744 二伺服系统的调试40 HYPERLINK l _Toc232235745 第二节. 数控机床加工程序编制42 HYPERLINK l _Toc232235747 总结43 HYPERLINK l _Toc232235748 参考文献44 HYPERLINK l _Toc232235749 致

13、 谢46第一章 概 述第一节 设计目的通过毕业设计，对C6316数控车床有了进一步的了解，对数控车床的结构有了新的认识，学习了系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深时所学知识的理解，并且通过毕业设计的实践扩大和补充了知识，使认识提高到一个新的水平，通过毕业设计的实践，培养了调查研究的习惯和工作能力，练习查阅资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理选择设计计算公式，正确计算，并能以图纸和说明书表达设计的思想和结果，通过毕业设计，不但提高了解决具体问题的独立工作能力，具体动脑动手能力，而且建立了正确的设计和科研思想，加强了科学性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。第二

14、节 设计任务一要求：将C6136车床改造成用MCS51系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm. 横向：0.005mm二设计参数：最大加工直径：在床面上： 360mm在床鞍上： 200mm最大加工长度：1000mm快进速度：纵向：2.0m/min横向：1.0m/min最大进给速度：纵向： 0.5m/min横向： 0.25m/min代码制：ISO脉冲分配方式：逐点比较法输入方式：增量值，绝对值通用。控制坐标数：2最小指令值：纵向： 0.01mm/step横向： 0.005mm/step刀具补偿量

15、：099.99mm进给传动链间隙补偿量：纵向： 0.15mm横向： 0.075mm自动升降速性能： 有三工作量： 机床改造总图； 进给伺服系统一个坐标轴（纵向或横向）的机械装配图： 单片机控制系统电路原理图；设计计算说明书。 控制系统总体方案的分析论证的及控制标准图 机械部分设计计算及结构设计说明 硬件电路部分设计说明 加工程序控制及说明第二章 数控机床发展概况1949年，美国帕森公司与美国空军合作，研制了一种计算装置，用于满足日益复杂的飞机叶片的自动加工，于是，帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。在半个世纪里，数控技术经历了电子管数控系统、晶体管数控系统、集成电路数控系统到微型计算机数控系

16、统（CNC）四个阶段。现代数控技术是20世纪70年代发展起来的机床控制新技术，它综合了微电子技术、计算机技术、现代控制技术、传感器检测技术、信息处理技术和机械制造技术，是先进制造技术的核心。而采用数控技术的典型产品数控机床是机电工业的重要基础装备，是汽车、石化、电子等支柱产业现代化的重要手段。从20世纪80年代开始，我国的数控机床在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量的开发工作，到1995年底，我国数控机床的可供品种已超过300种，其中数控车床占40%以上。第一节 国内数控机床的特点一.新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位 例如：全长33公里的上海磁悬浮快速列车线，是“十五”

17、期间国家重点建设项目，其中组成列车线的2550根轨道梁是整个工程的最关键部分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。前年年初，沈阳机床集团机床股份有限公司中捷友谊厂以工期6个月、标的6200万元在磁悬浮轨道专用数控机床项目公开招标中折挂，并于8月低将一次性验收合格的8台数控镗铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，目前这套铣镗加工中心已加工出轨道梁1100根，确保了轨道梁的加工精度和速度，为实现今年年底试车打下了良好了基础。二. 数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的

18、22.7%。三. 数控机床发展的关键配套产品有了突破今年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展，如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台；烟台第二机床附件厂开发了为数控龙门镗铣床、数控落地镗铣床及数控锻压设备等30多个系列100多个品种的数控配套产品。第二节 国外数控机床状况分析一.国际机床市场的消费主流是数控机床1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达70%，我国为60%。目前世界数控机床消费额趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。二.国外数控机床的网络化随着

19、计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另一角度来看，目前流行的ERP即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的ERP就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例；第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联

20、网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。以FANUC和SIEMENS为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统，在这些系统中，除了传统的RS232接口外，还备有以太网，为数控机床联网提供了基本条件。由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。第三节 数控机床的发展预测一. 数控机床推广应用逐步由经济型为主普及型为主转变据预测分析，到2006年我国机床的数控化率为9.5%10.36%，到2010年将达到16.5%19.27%。经济型所占比重继续减少，普及型所占比重继续增长，高级型的需求缓慢增长。二. 数控

21、金切机床的构成比逐渐趋于合理数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的构成比不同于传统的机床构成比。三. 数控机床的应用由单机向单元（系统）方向发展目前欧、美、日等国应用DNC已很普遍，柔性制造单元已占数控机床销售量的30%以上。而我国FMC、FMS和FML的拥有量不足50套，相当于日本80年代的水平，占数控机床消费额不到5%。四. 出口前景良好1998年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在5亿美元左右，2000年上升到7.85亿美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和巩固，以及我国加入WTO，今后几年我国

22、机床出口将实现平稳、持续增长。预计到2006年出口创汇可达到12亿美元。第四节 对我国数控技术和产业化发展的战略思考一. 战略考虑我国是制造大国，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，

23、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，多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。二. 发展战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（如量大面广的数控技术、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

24、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；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、买得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。第三章 数控设备与技术现状第一节 数控设备近年来我国企业的数控机

25、床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、

26、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等，出口的数控机床品种以中低档为主。第二节 数控技术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，有什么劳动资料生产” 。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的数控技术，以提高制造能力和水

27、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。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

28、服驱动技术；（5）传感器技术；（6）软件技术等。第三节 数控机床的原理一数字控制的基本概念数字控制（Numerical ControlNC），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

29、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

30、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。CNC系统是由计算机承担数控中的命令发生器和控制器的数控系统。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。二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3-1所示 图

31、3-1 数控机床的组成（一）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/CAM系统。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。（二）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

32、，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

33、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：1.机床主运动，包括主轴的启动、停止、转向和速度选择等 ；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；3.刀具的选择和刀具的补偿（长度、半径）；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。（三）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。（四）机床它是用于完成各种切削加工的机

34、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：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；2.为了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；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；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。（五）计算机控制系统的工作原理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.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

35、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。3.数据处理 数据处理程序一般包括刀具半径补偿、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。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

36、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。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，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。第四章数控车床总体改造方案及机械制造设计第一节 传动系统改装设计与计算 一.横向进给系统的设计计算及校核（一）确定系统的脉冲当量 根据数控机床精度要求确定脉冲当量0.005mm/setp（二） 计算切削力横切端面 查综合作业指导书P13页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 走刀方向的切削力（N） 垂直走刀方向的切削力（N） （三）滚珠丝杠的设计、计算

37、、选型1.滚珠丝杠副传动的特点：1)传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副传动的效率为=0.920.96，比常规的丝杠螺母副提高34倍（滑动丝杠效率为0.20.4）。因此，功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1/41/3。2)给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。3) 启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。4) 有可逆性，可以从旋转运动换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主传动。5)磨损小，使用寿命长，精度保持好。6) 不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于重力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，

38、故常需添加制动装置。2.滚珠丝杠副的精度与代号根据机械工业部标准滚珠丝杠副精度的规定，滚珠丝杠副按其使用范围及要求分为六个等级，即C,D,E,F,G,H级，C级精度最高，其余一次逐级降低各种类型数控机床对滚珠丝杠副精度的要求如表4-2表4.1 滚珠丝杠 副精度要求表机 床 种 类坐 标 方 向XYZW开环系统数控压力机标准级标准级数控绘图机标准级标准级数控车床标准级精密级标准级数控磨机精密级精密级数控线切割机精密级精密级数控钻床标准级普通级标准级数控铣床标准级标准级标准级数控镗床精密级精密级精密级标准级数控坐标镗床精密级超精密级精密级超精密级精密级超精密级精密级自动换刀数控机床精密级超精密级精

39、密级超精密级精密级超精密级标准级坐标镗床、螺纹磨床精密级超精密级精密级超精密级精密级超精密级精密级普通机床、通用机床普通级普通级普通级 滚珠丝杠副的精度包括各元件的精度和装配后的综合精度，其中包括导程误差，丝杠大径对螺纹轴线的径向圆跳动，丝杠和螺母表面粗糙度，由预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的圆跳动，有预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的径向圆跳动以及滚珠丝杠公称直径尺寸变动量等。在开环数控机床和其他精度机床中，滚珠丝杠的精度直接影响定位精度和随动精度。对于闭环系统的数控机床，丝杠的制造误差使得它在工作时负载分布不均匀，从而降低承载能力和接触刚度，并使预紧力和驱动力矩不稳定，因此传动精

40、度始终是滚珠丝杠的最重要的质量指标。1.计算进给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 查阅综合作业指导书P22页 式中：，切削分力（） G移动部件的重量（N） 表1-1查得横向溜板及刀架重力800N 滑动导轨摩擦系数，随导轨形式而不同 取=0.15-0.18 K考虑颠复力矩影响的实验系数 取K=1.152.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 查阅综合作业指导书P22页 式中：L寿命，以转为一单位 n丝杠转速（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 丝杠导程（mm） 初选=5

41、mm T为使用寿命（h）,对于数控机床取15000h 运转系数，查表3-14一般取1.2-1.53.滚珠丝杠螺母副的选型查阅综合作业指导书附表-2，可采用WD2505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，WD2505 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1121.1N,支承间距350mm，因丝杆长度较短，不需预紧螺母及轴承预紧。图计算如下: 丝杆的拉伸或压缩变形量(mm)查阅综合作业指导书图4-4,根据1121.1N,D=25mm查出可

42、算出： 滚珠与螺纹滚道间接触变形量查图3-5得系列列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量因进行了预紧 支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形采用推力球轴承8104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 此滚珠丝杠不会产生失稳。 （四）齿轮传动比计算1.横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向脉冲当量，滚珠直径导程=5mm, 初选

43、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m取2，有关参数参照表2表2: 传动齿轮几何参数齿数Z24402025分度圆d=mz48804050齿顶圆52844454齿根圆43753545齿宽(6-10)m20中心距6445二纵向进给系统的设计计算及校核（一）切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 （4-1） 式中 N电机功率，查机床说明书，N=4kW； 主传动系统总效率，一般为0.60.7取K进给系统功率系数，取为K=0.96。 则： =40.650.96=2.496 kW 又因为 （

44、4-2） 所以 式中 v切削线速度，取v=100m/min。主切削力 =61202.496/100=152.76（kg f）=1527.6（N） 由金属切削原理可知，主切削力 （4-3）查表得： =188kgf/=1880MPa =1 =0.75 =1则可计算如表4-1所示： 表4.1 计算结果222333f（mm）0.20.30.40.20.30.4112515241891168722872837 当=1520N时，切削深度=2mm，走刀量=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： =（0.10.6） =（0.150.7） （4-4）取： =0.

45、5Fz=0.51527.6=763.8N =0.6Fz=0.61527.6=916.5N1.综合导轨车床丝杠的轴向力： （4-5）式中 K=1.15， =0.150.18，取为0.16。则 P=1.15763.8+0.16（1527.6+800） =1250.8N2. 强度计算： 寿命值 （4-6） （4-7） 取工件直径 D=80mm，查表得 =15000h 则： =10001000.3/3.14806=20r/min =602015000/=18最大动负载 Q= （4-8）查表得： 运转系数 =1.2 硬度系数 =1则 Q=1.211250.8=3933.6N 根据最大动负载Q的值，可选择

46、滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取FB系列，滚珠丝杠直径选为32mm，型号为FB326-5-，其额定动载荷是10689N，所以强度足够用。3.效率计算： 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为： （4-9）式中 摩擦角=10 螺旋升角=325则 =0.9534. 刚度验算： 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量 （4-10）式中 =6mm=0.6cm； E=20.6滚珠丝杠截面积 则 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即：。所以：导程变形总误差为 查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15m/m，故刚度足够。5.稳定性验算： 由于机床原丝杠直径为3

47、2mm，支承方式不变，所以稳定性不存在问题，不在验算。（三） 齿轮及转矩的有关计算1.有关齿轮计算传动比 故取 =32 =40m=2mm b=20mm =20 2. 转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量： 丝杠的转动惯量： 齿轮的转动惯量：电机转动惯量很小可忽略。因此，总的转动惯量： =3.所需转动力矩计算：快速空载启动时所需力矩 +最大切削负载时所需力矩 +快速进给时所需力矩 + 式中 空载启动时折算到电机轴上的加速力矩； 折算到电机轴上的摩擦力矩； 由于丝杠预紧所引起，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。 （4-11）

48、当时 当时 =12.40824.88/9.60.025=0.1286 N.m=1.286kgf.cm当=0.8 =0.16时 =1.223=12.23当=0.9时预加载荷Po=1/3则： =76.30.6/23.140.81.25=7.297kgf.cm=72.97N.cm所以，快速空载启动所需力矩 =21.5+1.223+0.462=23.185kgf.cm=231.85N.cm切削时所需力矩： =1.286+1.223+0.462+7.297 =10.268kgf.cm=102.68N.cm快速进给时所需力矩 =1.223+0.462=1.685kgf.cm=16.85N.cm由以上分析计

49、算可知：所需最大力矩发生在快速启动时，第五章 CA6136车床数控化改造的数控系统第一节 数控系统选型数控系统是机床的核心，在选择时要对其性能、经济性及维修服务等进行综合考虑。数控系统主要有3种类型：步进电机拖动的开环系统；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；交，直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。 其中步进电机拖动的开环系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机等。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。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

50、位移精度较低。但该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。我国国内使用的数控系统基本上分为两大类：一类是从国外引进技术制造的产品，如日本FANUC公司生产的FANUC-0iMate、德国西门子公司SINUMERIKDMT-802系列；另外一类是在引进、吸收的基础上研制、开发、生产的数控装置，如华中数控系列，GSK系列，南京华兴等。对比国内外数控系统可以发现：国外产品在性能、可靠性、使用寿命上占有很大优势，但价格很高，使得改造成本提高。国内产品虽然大转矩、大功率伺服电机的能力没有国外产品强大，但也能满足我们的要求，而且综合成本低。最终我们将数控系统的选择定位在国内数控系统上，其

51、中南京华兴数控设备有限责任公司生产的WA310M数控系统是一款能满足以上要求的数控系统，所以我们选择这款专门为中国数控机床市场而开发的经济型CNC控制系统。WA310M是南京华兴数控设备有限责任公司集十多年数控系统开发经验，在原有多代成熟产品的基础上，推出的新一代高性能车床用数控系统，如图5.1所示。系统采用超大规模可编程电路方案，具有更高的加工控制品质和系统升级空间。该系统具有强大的控制功能，可控制数字式交流伺服单元和三相细分步进驱动器。系统的电子齿轮功能可与任意螺距丝杆直连，螺距补偿功能使机床的精度检验大为简化，并提高机床的综合精度，强大的参数功能使系统具有很强的适应性。系统可控制数字式交

52、流伺服驱动器及三相细分步进驱动器；系统的电子齿轮功能使得系统可与任意螺距丝杠直联；螺距补偿功能使机床的精度检验大为简化；显示采用7.4英寸液晶屏彩色显示，具有加工零件图形实时跟踪显示以及坐标字符显示的功能，界面设计更为丰富人性化；图形模拟功能更为强大，具有三维立体模拟和二维平面模拟显示的功能。系统结构采用整体式工程塑料压模件，造型美观；便捷的U盘接口，可实现U盘与系统间的程序互存，以及系统在现场升级功能和直接进行U盘DNC加工的功能。图5.1 WA310M数控系统表5-1 WA310M车床数控系统参数WA310M车床数控系统参数1适用机床4轴车床2用户存储区 配512K电子盘，121个程序3编

53、程尺寸 99999.999mm4分辨率 0.001MM5最大移动速度 60m/min(1MPPS)6插补轨迹 直线、圆弧、螺纹、快速定位7输入/输出 32路/24路，所有I/0口功能均有参数定义，用户可设置、修改I/O口功能8编程方式 ISO代码、键盘、RS232串行录入、USB接口定义9快速速度范围 1mm/min 15m/min10电子齿轮 16位：16位11螺距补偿 160点/轴，24轴12软件限位 每轴可任意设定区间13参考区 刀具、系统参数、螺纹、位参数等14操作方式 自动、手动、步进、MDI、单段/连续、暂停、手脉、串行或USB下DNC加工15显示界面 具有同步字符显示功能和图形界

54、面16系统升级 通过U盘或串行口可在现场进行系统升级，无须打开机箱17进给倍率设置 16挡拨段开关，倍率范围5%300%18主轴倍率设置 16挡拨段开关，倍率范围5%300%19模态指示灯 指示当前操作状态20图形模拟 三维立体和二维平面图形模拟第二节步进电动机的驱动器选型一驱动器选型根据设计方案，主传动的主轴电动机驱动保持原有设备。X、Z进给传动的设计已在第2章完成，已确定了滚珠丝杠的型号、步进电机的型号等，本节主要选择三个轴向进给传动步进电机的驱动器。步进电机的驱动器主要由环形分配器和功率驱动电路两个部分组成，功率驱动电路将环形分配器输出的微弱电流进行放大，满足步进电机的驱动，因此选择步进

55、电机驱动器的良好性能是保证普通铣床数控化改造的精度之一。常见的步进电机驱动器的功率驱动电路有五种，其中细分驱动电路是通过控制绕组中的电流数值来调整步进电机步距角的大小，控制精度高。根据第2章已选择的进给传动选择的步进电机分别为：110BYG550A、110BYG550C。查阅相关资料以及产品可知，南京华兴数控设备有限公司的WD5HN5系列五相混合式步进电机驱动器，高速高转矩输出。采用先进的五H桥IGBT驱动电路，锁定无电磁噪音；信号输入方式灵活：单/双脉冲控制、脉冲前/后沿走步均可；输入信号经光电隔离和数字滤波器处理后，抗干扰性极高；拨码开关直接设定整步/半步运行方式；封闭结构，外部风冷，尤其

56、适合恶劣环境中使用等优点。表5-2 WD5HN5驱动器技术参数供电电源单相80V+15%，50、60HZ。容量200VA/轴输出电流34.5A/相驱动方式PWM斩波、半流锁定配套电机110、130BYG五相十线混合式步进电动机励磁方式五相十拍（0.72度）/五相二十拍（0.36度）综合以上产品特点和技术参数，步进电机110BYG 550A、110BYG 550C的驱动器选择为：南京华兴数控设备有限公司的WD5HN5系列五相混合式步进电机驱动器，电气安装尺寸如图5.2所示。图5.2 WD5HN5驱动器安装尺寸二分配器环形分配器的作用是把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令，转换成控制步进电动机定

57、子绕组通电、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的数量及方向对应。如对于三相三拍步进电动机，若“1”表示通电，“0”表示断电，A，B，C是其三相定子绕组，则经环形分配器后，每来一个进给脉冲指令，A，B，C应按（100）（010）（001）（100）的顺序改变一次。环形分配器有硬件环形分配器和软件环形分配器两种形式。硬件环形分配器是由触发器和门电路构成的硬件逻辑线路。实际上现在市场上已经有集成度高、抗干扰性强的PMOS和CMOS环形分配器芯片供选用。下面主要介绍用计算机软件实现脉冲序列分配的软件环形分配器。下面是基于查表法的软件环形分配器的程序设计方法，本次铣床改造我们采用五相

58、混合式步进电机。如图3.3所示为三坐标步进电动机伺服进给系统框图。x向y向和z向步进电动机的五相定子绕组分别为A1、B1、C1、D1、E1相,A2、B2、C2、D2、E2相和A3、B3、C3、D3、E3相，分别经各自的放大器、光电耦合器与计算机的PIO（并行输入/输出接口）的PA0PA14相连。环形分配器的输出状态表如表5-3和表5-4所示。表中的内容即是步进电动机的励磁状态，与接口接线紧密相关。图5.3 三坐标步进电动机伺服进给系统框图查表法的关键是根据步进电动机当前励磁状态和要求的正向或反向运转的要求，如何从表中找到相应单元地址，并取出地址的内容输出。当然要用查表程序中用的基址（表格首址）

59、加索引值（序号）的方法。正转时，只要步进电动机当前状态序号不是表底序号，序号加1就是一下状态的序号：若是表底序号，需要将表底序号修改成表首序号。反转时，须判断当前序号是不是表首序号，若不是表首序号则序号减1；若是表首序号，需要将表首序号修改成表底序号。表5-3 X向步进电动机环形分配器的输出状态表表5-4 Z向步进电动机环形分配器的输出状态表三放大器从环形分配器来的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进电动机的定子绕组需要几安培电流。因此，需要对环形分配器来的信号进行功率放大，以提供幅值足够、前后沿较好的励磁电流。常用的有单电压供电功放电路和双电压供电功放电路。这里我们选择双电压供电功放电路。双

60、电压供电功率放大器又称高低电压供电功放器，如图5.4所示为高低压供电定时切换电路的工作原理。该电路包括功率放大级（由功率管Vg，Vd组成）、前置放大器和单稳延时电路。二级管VDd是用作高低压隔离的，VDg和Rg是高压放电回路。高压导通时间由单稳延时电路整定，通常为100600s，对功率步进电动机可达几千微秒。当环形分配器输出高电平时，两只功率放大管Vg，Vd同时导通，电动机绕组以+80V电压供电，绕组电流按L/（Rd+r）的时间常数向电流稳定值ug/（Rd+r）上升，当达到单稳延时时间时，Vg管截止，改由+12V供电，维持绕组额定电流。若高低压之比为ug/ud，则电流上升率也提高ug/ud倍，