CA6140数控机床进给系统设计

培黎机械工程学院课程设计报告（2022-2023学年第二学期）课程：机电一体化集成设计系统题目：CA6140数控机床进给系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u27851摘要 124051Abstract 2192451.1概述 4244751.2数控机床在我国的发展概况 4295541.3数控机床的发展趋势 521563第二节机械部分的设计 6281292.1CA6140普通车床的数控化改造设计方案的拟定 6312582.2总体方案确定 6251822.3设计参数 7310962.4CA6140车床进给伺服系统机械部分设计计算 882942.5横向机械的数控化改造和设计计算 1648852.6步进电机拖动的开环系统： 1816401第三节微机数控系统电路设计 19142613.1控制系统的功能 19276313.2采用软件 19309773.3自动回转刀架的控制 1989533.4螺纹加工的控制 1915923.5地址编码 2031476第四节安装 20152374.1纵向进给系统安装 20284034.2横向进给系统安装 20166364.3刀架安装 21253044.4数控系统箱安装 21242034.5编码器安装 213085总结 225218致谢 2312488参考文献 24

第一节普通车床数控化改造绪论1.1概述1．机床数控化改造的目的：用数控装置、伺服系统、滚珠丝杠副及其他辅助装置等对普通机床进行数控化改造，将其有机结合，使普通机床基本具备同类数控机床的性能的数控机床。提高零件生产效率、降低劳动强度，提高零件加工精度，实现复杂曲面、曲线的自动化成型加工，实现“柔性自动化”加工单件、小批量生产的精密零件加工，以适应近年来机电产品市场不断变化的需要。2．机床数控化改造的意义目前，各企业一般都有不少普通机床，完全用数控机床加以替换根本不可能。解决这个问题，必须走普通机床数控化改造之路。通过对普通机床进行数控化改造，使普通机床成为与同类数控机床的性能相近的数控机床，以适应复杂零件加工及零件加工多变性的各项新要求，以提高企业（工厂）在机械加工业中的竞争力。3．机床数控化改造的经济性（优点）(1)减少投资额，交货期短。同购买新机床相比大大节省了费用的投入，改造费用低，大型、特殊机床尤其明显；而且交货期短。(2)旧机床的力学性能稳定可靠。旧机床所利用的床身、立柱等基础件都是坚固的铸造件，经过了长期的自然去应力，机床的应力已失效，改造后机床的性能高、质量好，可以作为新机床持续使用多年。(3)熟悉设备，便于操作维修。改造后的机床，可以精确的计算出机床的加工能力，并由于多年使用，操作者对机床的加工特性非常了解，在操作使用及维修方面培训时间短，见效快。(4)可以充分利用现有的条件。可以充分利用现有地基，及利用加工现场现有的其他条件，减少安装费用的投入。1.2数控机床在我国的发展概况我国从1958年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始，研制晶体管数控系统，直到60年代末和70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。1972-1979年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从80年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。1.3数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS和美国的A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1微米，高速进给可达100m/min,控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺。在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。

第二节机械部分的设计2.1CA6140普通车床的数控化改造设计方案的拟定数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。2.2总体方案确定1.2.1总体方案设计要求总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式、伺服系统的类型，计算机（CNC装置）以及传动方式和执行机构的选择等。（1）数控系统的选择：普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。综合考虑性价比，根据改造的要求，本方案选用广州数控公司生产的GSK980TD车床系统，广州数控公司同时生产与该数控系统相匹配的伺服驱动器，从而有利于维修和管理。GSK980TD数控系统采用先进的开放体系结构，性价比高，且属于连续切割控制系统。（2）伺服系统的选择：CA6140普通车床数控化改造后一般属于经济型数控机床，在保证具有一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用以步进电动机为驱动装置的开环控制系统。（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，本方案采用PLC控制步进电动机的形式实现。（4）电气部分设计：根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电动机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5）功能部件的选择：主要是滚珠丝杠及其支撑方式的选择、以及设计自动回转刀架及其控制电路等等（简写）。（6）机械结构设计：纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电动机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。另外，要对机床导轨进行维护，我们采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。（7）机械传动方式：为实现机床所要求的分辨率，采用齿轮丝杠的减速方式；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副取代原车床丝杠；为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构；齿轮传动也采用消除齿侧间隙的结构。经济型数控车床总体结构框图如图1-1所示微机机Z向微机机步进电动机功率放大光电隔离步进电动机功率放大光电隔离床鞍及拖板床鞍及拖板X向步进电动机光电隔离功率放大步进电动机光电隔离功率放大中滑板中滑板图1-1经济型数控车床总体结构框图2.3设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和车床拟定实施数控化改造所需要的参数。CA6140型车床的数控化改造设计参数如下：1）机床最大加工直径：在床身上400mm，在床鞍上210mm。2）最大加工长度：1000㎜。3）拖板及刀架重力：纵向1000N横向600N。4）刀架快移速度:纵向2m/min横向1m/min。5）最大进给速度:纵向0.6m/min横向0.3m/min。6）机床定位精度:±0.015mm。7)主电动机功率：7.5KW。8）启动加速时间：30ms。9）最小分辨率：纵向：0.01mm，横向：0.005mm。2.4CA6140车床进给伺服系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图。现分述如下：（1）系统脉冲当量的选择一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.01～0.005mm/脉冲。根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/脉冲，横向：0.005mm/脉冲。（2）纵向机械传动部分的数控化改造和设计计算（1.1）切削力的计算。在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，下面介绍数控车床中的切削力的计算。由《机床设计手册》可知，切削功率：Pc=PηK式中P—主轴电动机功率，P=7.5KW；η—主传动系统总效率，一般为0.75-0.85，取η=0.8；K—进给系统功率系数，取K=0.96；则Pc=7.5×0.8×0.96(KW)=5.76(KW)切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削转速来计算，即Pc=式中Fz—主切屑力（N）；V—切屑速度（m/min）。按最大切削速度计算，取v=100m/min，则主切屑力为由《机床设计手册》可知，在外圆车削时：取纵向切削分力Fx=0.5Fz,横向切削分力Fy=0.6Fz,则=0.5Fz=0.5×3456N=1728N=0.6Fz=0.6×3456N=2073.6N（3）滚珠丝杠设计计算a、螺纹滚道型面的选择：单圆弧型面、双圆弧型面。应要求经济、易调试、稳定。因此选择双圆弧型面。b、滚珠循环方式：内循环、外循环要求结构简单、工艺性优良、适合成批生产、经济实用，适用于重载荷传动、高速驱动及精密定位系统，应用广泛。因此选用外循环方式。c、轴向间隙的调整和预紧力的选择：垫片式、螺纹式、齿差式要求经济可靠、易拆装、刚度高；并且结构简单、装卸方便。因此选用双螺母垫片式预紧。（4）计算进给牵引力(N)。可根据《机床设计手册》中进给牵引力的试验公式计算，纵向为三角形导轨。则由前所知：=1728N=3456N=1000N得：=+(+G)=1.15×1728N+0.16×(3456+1000)N=2700.16N式中—颠覆力矩影响的试验系数,取K=1.15;—滑动导轨摩擦因数:=0.15～0.18;取f=0.16；—溜板及刀架重力,=1000N.(5)计算最大动负载C(N)可以用下式计算：=其中：=式中—滚珠丝杠导程,初选=6㎜;—最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(～),本机床取—使用寿命,按15000h计算;—运转系数，按一般运转=1.2～1.5;取fw=1.3；—硬度系数，为60HRC时，=1，小于60HRC时，＞1，本机床取1；—寿命，以10转为1个单位。将数据分别带入上式得：==50r/min==万转=45万转=×1.3×2700.16N=12485.8N（6）滚珠丝杠螺母副的选型查《机械零件设计手册》，根据C＜Ca（Ca是丝杠的额定载荷）的原则，使选用的滚珠丝杠的额定动载荷大于计算的最大工作载荷，由上面初选丝杠导程及计算所得的最大动载荷，选用滚珠丝杠型号为CDM4006-5，其表示外循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式的滚珠丝杠，公称直径为40mm，导程为6mm，右旋螺纹，载荷钢球为5圈，精度3级的定位滚珠丝杠副。CDM4006-5的额定动载荷为28770N>12485.8N，故强度足够。CDM4006-5型滚珠丝杠具体参数见表2-5表2-1CDM4006-5型滚珠丝杠具体参数公称直径/mm导程/mm钢球直径/mm丝杠外径/mm螺纹底径/mm额定载荷/N接触刚度/(N/um)4063.96939.535.128770959702191(7)滚珠丝杠的验算1）传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为：式中—螺旋升角,根据，可得=2°73′--摩擦角，=10′。将各数据带入上式得：=2）刚度验算滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起导程P0的变化，因滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化很小，可忽略不计，所以工作负载引起的导程变化量为式中E—材料弹性模量，对于钢，；A—滚珠丝杠的截面积，按丝杠螺纹底径确定d，即d=3.51cm,则P0—滚珠丝杠导程，P0=6mm=0.6cm.其中，“+”用于拉伸时，“-”用于压缩时。滚珠丝杠受转矩引起的导程变化量很小，可以忽略不计，即，所以导程变形总误差为式中-纵向最大行程，由《机床说明书》可知，=900mm=90cm.则有《机床说明书》可知，丝杠纵向有效行程为900mm，且丝杠精度等级为3级，查《机械零件设计手册》知纵向行程允许的行程变动量为17，CDM4006-5的为12.2＜17，故刚度足够。图2-13）稳定性校核。要使滚珠丝杠不失稳的条件是：临界负载荷。根据公式式中—丝杠支承方式系数，查《机械零件设计手册》可知，=2.0（双推-简支）；L—丝杠两支承端距离，CDM4006-5丝杠两支承端距离为1600mm=160cm;K—滚珠丝杠的静安全系数，取K=1/4；I—截面惯性矩。，其中d=(－1.2)式中-滚珠丝杠的公称直径，=40mm=4cm-滚珠丝杠的滚珠直径，=3.969mm=0.3969cm则（7）确定齿轮传动比。可由传动比计算公式。其中，=0.01mm/步；初选；=6mm，则可选定齿轮齿数为齿轮材料采用40Cr，调质处理，精度等级取7级，前后轴承选用8024型流动轴承，齿轮传动时效率。由于进给运动齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，取模数m=2，由经验公式可知，齿宽b=20mm，则分度圆直径分别为中心距为：（8）步进电动机的计算与选择1）负载转矩（）及最大静转矩（）的计算。根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩可按下式估算：若不考虑起动时运动部件惯性的影响，则起动转矩为取安全系数为0.3，则查《实用微电机手册》，当步进电动机为五相十拍时，选步进电动机的起动转矩和最大静转矩的关系，则2）初选步进电动机型号。查《实用微电机手册》，根据估算出来的最大静转矩，可初选150BF002型步进电动机，其最大静转矩为13.72Nm，基本可满足要求。3）各种工况下转矩计算1、负载转动惯量计算。折算到电动机轴上的转动惯量按下式估算。式中—折算到电动机轴上的转动惯量（kgcm）;—齿轮的转动惯量（kgcm）;—齿轮的转动惯量（kgcm）；—滚珠丝杠的转动惯量（kgcm）;g—重力加速度。对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量按下式估算：J=7.810DL式中D—圆形零件的直径；L—零件轴向长度。则2、快速空载起动时所需转矩T。因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时，应满足快速空载起动时所需转矩T的要求：式中—快速空载起动时所需的转矩（Nm）;—克服摩擦所需的转矩（Nm）—丝杠预紧所引起的折算到电动机轴上的附加转矩（Nm）。由动力学可知：=其中，，t为加速时间常数，t=30ms=0.03s,。则式中-预加载荷，一般为最大轴向载荷的1/3，即则3、快速移动时所需转矩。=+=（0.0202+1.135）=1.3374、最大切削负载时所需转矩：=从以上计算可以看出，快速空载起动时所需转矩T、快速移动时所需转矩和最大切削负载时所需转矩三种工况下，快速空载起动时所需转矩T最大。所以，以此项作为校核初选电动机的依据，初选步进电动机为五相十拍。由前面查得结果可知，步进电动机为五相十拍时，起动转矩和最大静转矩的关系：，则5、步进电动机的最高工作频率由以上选型及计算，最终选用150BF002型反应式步进电动机。2.5横向机械的数控化改造和设计计算（1）切削力的计算。因为横向进给量为纵向的1/3-1/2，取1/2，则横向主切削力约为纵向的1/2.由《机床设计手册》可知，其经验公式为式中-横切端面时进给力；-背向力。（2)滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠的选用方案可参照纵向机械传动部分的数控化改造和设计计算中的选用型方案及选择原因横向滚珠丝杠，即螺纹滚道型面选用双圆弧面。滚珠循环方式选用外循环。轴向间隙的调整和预紧力选用双螺母垫片预紧（3）计算进给牵引力（N）.可根据《机床设计手册》中牵引力的试验公式计算，横向为燕尾形导轨，则则(4)计算最大动载荷C（N）：由式得(5)选择滚珠丝杠螺母副根据C<的原则，使选取的滚珠丝杠的额定动载荷大于计算的最大工作载荷，查《机械零件设计手册》电子版，由上初选丝杠导程及计算所得的最大载荷，选取滚珠丝杠型号为CDM2004-5，其表示外循环插管式、双螺母垫片预紧导珠管埋入式的滚珠丝杠，公称直径为20mm，导程为4mm，右旋螺纹，载荷钢球为5圈，精度3级的定位滚珠丝杠副。CDM2004-5的额定动载荷为10639N>8824.4N,故强度足够。CDM2004-5型滚珠丝杠具体参数见表2-2表2-2CDM2004-5型滚珠丝杠具体参数公称直径/mm导程/mm钢球直径/mm丝杠外径/mm螺纹底径/mm额定载荷/N接触刚度/(N/um)2042.38119.717.0106392872211781）确定齿轮传动比。其中，；参考《实用微电机手册》，初选；P=4mm，则可选定齿轮齿数为齿轮材料40Cr，调质处理，精度等级取7级，前后轴承选用8024型流动轴承，齿轮传动时效率为。由于进给运动齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，取m=2,由经验公式可知，齿宽b=20mm,则分度圆直径分别为中心距：（8）步进电动机的选择与计算（同上步进电动机的选择）根据负载转矩及最大静转矩的计算，可初选步进电动机型号为110BF003型步进电动机，计算负载转动惯量、快速空载起动时所需转矩、快速移动时所需转矩、最大切屑负载时所需转矩、步进电动机最高工作效率，可选出步进电动机的型号为110BF0032.6步进电机拖动的开环系统：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。由控制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。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。第三节微机数控系统电路设计当前，在经济型数控机床控制系统中广泛采用美国Intel公司的MCS－51系列单片计算机，该系统扩展了2片2764芯片，1片6264芯片，2片8155可编程并行I/O口。3.1控制系统的功能（1）Z向和X向进给伺服运动（2）键盘显示（3）自动的转刀架控制（4）螺纹加工控制（5）面板管理（6）行程控制（7）其他功能：报警电路、急停电路、复位电路、隔离电路、攻防电路等。3.2采用软件采用软件环形分配器，虽然运行速度没有硬件环形分配器快，但可以省掉两个硬环分配专用芯片，且电路比较简单。由于CA6140普通车床最大加工直径为，规格比较小，故Z向进给系统采用150BF002步进电机，选用五相十拍方式工作，X向进给系统采用90BF006步进电机，选用五相十拍制方式工作。故由8155（2）的PA口输出。经光电隔离电路、功率放大电路直接驱动电机。3.3自动回转刀架的控制当需要自动回转刀架时，由8155（1）的～发出刀位信号，控制刀架电机回转，到指定的刀位，刀架夹紧后，发出换刀回答信号，经8155（1）的输入计算机，控制刀架开始进给。3.4螺纹加工的控制当加工螺纹时，由与主轴相连的光电脉冲发生器发出螺纹信号和零位螺纹信号，分别送入8031的和8155（1）的.通过设置不同的时间常数来加工不同螺距的螺纹，零位螺纹信号时防止螺纹乱扣。3.5地址编码存储器及I/O口地址编码，见表3-1表3-1芯片接74LS138引脚地址选择线片内地址单元（字节）地址编码2764（1）000XXXXXXXXXXXXX8K0000H～1FFFH6264（2）001XXXXXXXXXXXXX8K2000H～3FFFH6264010XXXXXXXXXXXXX8K4000H～5FFFH8155（1）RAM01111110XXXXXXXX8K7E00H～7EFFHI/O0111111111111XXX8K7FF8H～7FFDH8155（2）RAM10011110XXXXXXXX8K9E00H～9EFFHI/O1001111111111XXX8K9FF8H～9FFDH第四节安装4.1纵向进给系统安装1.取下普通丝杠与溜板箱，取消丝杠与主轴箱齿轮的传动联系；2.车削两个轴套（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和电机旋转轴；3.（如滚珠丝杠与导轨的平行度、螺母间隙和螺母上下前后位置等），4.2横向进给系统安装1.拆下刀架、小拖板及滑动丝杠；2.车削两个连接套用于丝杠连接电机旋转轴和手轮；3.连接中拖板与滚珠丝杠副；4.总装后进行局部调整，使滚珠丝杠受力均匀，传动平稳，无传动间隙。4.3刀架安装1.拆下原手动刀架；2.在小拖板上钻四个孔，并攻丝；3.手动抬起电动刀架，将刀架旋转45度后安装在小拖板上，再转至原状态，放下刀架。4.4数控系统箱安装将数控系统箱固定在车头箱即可。4.5编码器安装编码器与主轴的传动比应为1：1，但原车床挂轮不符合要求，所以拆下原有挂轮，安装两个齿数为50的塑料齿轮来实现。

总结经过两周的努力，数控课程设计已经完成。在此，我衷心感谢我的老师和同学们，没有老师的细心指导和同学的热情帮助，设计是很难顺利完成的。最后，我对这次设计做一简单的总结。刚开始设计时，我先通过图书馆和上网查阅了大量的资料，以全面、深入地了解与自己设