CA6140车床横向进给改造的设计论文.docx
《CA6140车床横向进给改造的设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CA6140车床横向进给改造的设计论文.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
CA6140车床横向进给改造的设计论文
数控CA6140车床横向进给改造的设计
作者:
司琰
（北京人文大学理工学院机电一体化系0901班）
指导教师：
李木职称：
教授
目录
绪论......................................................3
第1章数控机床改造的目的........................4
1.1数控机床的概述.......................................4
1.2数控机床的发展.......................................4
1.3二十一世纪初切削加工技术发展的主要趋势...............5
1.4数控机床改造的意义....................................6
1.5数控机床的优越特性和发展前景..............6
第2章数控机床改造的方法及原理.........................7
2.1系统运动方案的确定......................7
2.2伺服系统的选择....................................8
2.3执行机构传动方式的确定...............................8
2.4计算机的选择....................................8
第3章机床伺服系统机械部分设计计算....................9
3.1脉冲当量....................................10
3.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型...........................11
3.3齿轮传动比计算....................................14
3.4步进电机的计算和选型..............................15
第4章单片机微机数控系统硬件电路设计内容...........20
4.1电气控制系统的设计方案.............................20
4.2主控制器...........................................20
4.3译码器.............................................22
4.4存储器............................................22
4.5I/O接口控制芯片以及外设连接说明...................22
总结.......................................................23
参考文献.................................................24
绪论
近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，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、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。
数控机床是机械、电子、自动化及电机拖动于一体化的装备。
它是有计算机作为控制核心，来控制异步电机，从而控制机床的换刀、走刀、停顿的。
随着数控机床的发展，使机械制造进入一个崭新的阶段，是机械制造业中的一次技术革命。
数控机床作为期间的产品价格也十分昂贵，对大对数企业来说，更换设备所需资金太大，老的设备得不到利用。
结合我国的实际国情，所以把普通机床改造成为经济型数控机床就有十分重大的意义。
也是我国发展数控产品的主要渠道之一。
第1章、数控机床改造的目的
1．1数控机床的概述
数字控制是近代发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法，简称数控。
数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令规定的程序。
其实程序控制系统就是所说的数控系统。
数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字植，并将其译码，从而使机床动作和加工零件。
数控系统包括：
数控装置，可编程序控制器，主轴驱动及进给驱动装置等部分。
所以数控机床是一种高度机电一体化的产品，也是集多种新技术于一体的机电一体化装备。
数控机床作为机电一体化产品的典型代表，在先进制造技术领域里起着至关重要的作用。
1．2数控机床的发展
数控机床是一种高效的自动化机床，它较好地满足了机械行业零部件加工的高性能，高精度与高动化的要求。
在机械产品中，是机械制造业中的一次技术革命。
1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院合作试制了世界上第一台三坐标数控立式铣床。
54年美国Bendix-Cooperation公司生产了第一台工业用数控机床。
先是由电子管控制，随后经历了晶体管控制，集成电路控制（NC）,计算机控制（CNC）,直到现在的微处理器控制（MNC）。
我国从1958年开始研制数控机床，70年代初得到广泛发展，数控技术在车床，铣床，钻床，镗床，磨床，齿轮加工机床。
电加工机床等得到应用，并指出加工中心。
目前我国能够生产多种类型的数控机床，生产几千台，并有向国外出口。
但我国生产的数控机床在精度，速度，数控系统的功能及传感元件等方面比先进国家都有一定差距，近几年我国机床业受到世界市场的冲击，迫使我国的机床质量有很大的提高，面向21世纪，我国数控机床的生产一定能达到国际先进水平。
数控机床也向
（1）具有先进的自检能力。
（2）向高速，高精度发展（3）更高的生产率和利用率。
（4）单元模块化。
（5）有更强的通讯功能，图像编程和显示功能的方向发展。
机床作为工作母机和维修工具，早已成为各个工业领域不可或缺的必要装备。
数控机床的产生与发展，更是制造高质量、高效率、高一致性产品的有力保障。
随着人类社会的飞速发展与进步，各种新材料、新技术、新工艺、新结构、新配件不断涌现，各个领域不断提出新的要求，这一切都使得机床的结构、性能千变万化。
计算机技术的高速发展又使得机床数控系统正在以更短的周期更新。
面对如此的形势，机床制造者在不断努力跟踪时代的步伐，机床的使用者、维修者也要努力跟上。
为使读者及时了解数控机床的技术与知识，加深数控机床使用与维修理念上的认识。
1．321世纪初切削加工技术发展的主要趋势
21世纪，我们正处于制造技术快速发展的时期。
随着制造技术的发展，也进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。
其主要趋势有四个方面：
（1）高速切削将成为切削加工的新工艺
当前，以高速切削为代表的干切削、硬切削等新型切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力，这是制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工提出的要求。
因此，发展高速切削等新型切削工艺，促进制造技术的发展是现代切削技术发展最显著的特点。
当代高速切削不只是切削速度的提高，而是需要制造技术全面进步和进一步创新达到切削速度和进给速度的成倍提高，并带动传统切削工艺的变革和创新，使制造业整体切削加工效率有显著的提高。
（2）实现难加工材料加工技术的重大突破
长期以来，难加工材料如奥氏体不锈钢、高猛钢、淬硬钢、复合材料、耐磨铸铁等一直是切削加工中的难题，不仅切削效率低，而且刀具寿命短。
随着制造业的发展，21世纪这些材料的用量将迅速增加，加工矛盾将更加突出。
与此同时，产品的材料构成将不断优化，新的工程材料也不断问世，而每一种新型材料的采用都对切削加工提出了新的要求。
（3）满足制造业对切削加工新技术和新产品需求
进入21世纪以后，产品多样化和个性化的趋势将进一步加剧，制造业的产品更新速度也势必大大加快。
每一种新产品的开发都意味着零件功能、结构、材料的重大变更，也是对切削加工提出新的开发任务。
制造业对切削加工新技术、新产品的需求在21世纪初将达到空前的高度。
（4）环境保护对切削加工行业提出挑战
随着社会的发展，人们在环境保护、生态平衡等方面获得了高度共识，并成为全球的共同行动纲领。
以降耗、节能、节材、减废、有利于环境保护和人身健康、实行清洁安全生产的“绿色工程”已在工业发达国家兴起。
实行“绿色工程”，开发“绿色制造技术”是新世纪切削加工发展的重要课题。
1．4数控机床改造的意义
数控机床改造在国外已发展成一个新心的工业部门。
早在60年代已经开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务。
其发展的原因是多方面的。
首先是技术的原因。
在过去的20年里，金属切削的基本原理变化不大，但社会生产力的巨大发展，要求制造技术向自动化及精密化前进。
而刀具材料和电子技术却有很大进步，特别是微电子技术，电子计算机进步，反映到控制系统中来，它既能帮助机床自动化又能提高加工准确度。
这些技术进步和高生产率的要求，精密加工和型面加工的增多等，突出了旧机床技术改造的必要性及迫切性。
其次是经济上的原因。
旧机床设备更新，支付很多费用。
若采用“改造”技术（主要是数控技术）加以现代化，则可以节约50%还多的资金。
这种事半功倍的技术，不仅为资金不充沛的小型企业技术改造开创了新路，而且对实力雄厚的大型企业也有极大的经济吸引力。
第三是市场的原因。
目前许多国家设备更新所需的数控机床数量，按机床工业现状是无力及时提供的。
因此，机床“改造”就成为满足机床市场需求的主要补足手段。
第四是生产上的原因。
在工业生产中，多品种，中批量及小批量生产是现代机械制造业的基本特征，占有相当大的比重。
完成这些生产任务，不外乎选择通用机床专用机床或数控机床，根据几者的相比较，得知数控机床最能适应这一需要。
1．5数控机床的优越特性和发展前景
数控机床之所以在国民经济发展和国防尖端工业建设中
占有重要的地位和作用，而且受到各国的重视，主要是数控机床
具有如下的优越性和发展前景：
（1）能加工具有复杂形状曲线或曲面的零件
数控机床可以加工传统机床所不能加工的具有复杂形状曲线或曲面的零件。
如变螺距螺纹、锥面上的螺旋线、非圆齿轮、抛物面、双曲面等。
特别是那些由一定的数字理论方程式所描述的并要求有足够精度的曲线和曲面，如螺旋桨、叶片、高速飞行
不可的。
（2）提高加工精度并保证加工重复精度的一致性
数控机床是按预先编制好的加工程序进行工作的，I旺过程中无需人的参与或调整，因此不受操作工人的技术水平和情绪的影响，故加工精度稳定。
另外，数控机床可以通过采用在线自动补偿（实时补偿）技术来消除或减少热变形、力变形、重量变形和刀具磨损的影响，使加工精度的一致性得到保证。
这在传统机床上则是无法做到的。
（3）称为柔性自动化加工装备
数控机床被称为柔性自动化加工装备。
是因为用数控}几床加工零件时不需要制作专用的模具或模板，加工对象（零件）的改变，也不用改变机床结构装置和进行复杂的调整，一般只要变换加工程序软件即可，而程序软件可以由编程人员在机外预先编好。
因此，大大减少了加工前的生产准备和调整时间；另外，部分现代的数控机床，具有更为优异的柔性加工功能，如柔性加工单元具有自动上、下料，更换刀具和变速乃至检测等功能。
因比可以进行混流加工（即在一台机床上连续交替加工不同的零件），又如数控铣镗加工中心、车削加工中心等能够在工件一次装夹后．完成全部或大部分多种工序（如钻、铣、镗、扩孔和攻丝等）的加
工，从而使加工周期缩短，生产效率提高，机床利用率也大大提高，最终导致加工成本的降低。
数控机床的柔性具备了传统辅镗床的万能性和刚性自动化机床的高效率性，两种特性兼备优点。
数控机床除单台机床的柔性外，还可以组成柔性制造单元（FMC）、柔性制造生产线（FMS），并以此为基础发展成计算机集成制造系统（CMS）。
（4）可以实现全自动化和较长时间的“无人看管加工”
数控机床是由电脑控制的设备，在配有适当的刀库、工件毛坯库、上下料装置和多种传感器的条件下，不仅具有全自动∞加工功能，而且具有对加工过程进行自动监控、检测、报警及修正误差等功能。
因此，可以实现白班有人看管和做好各种准备工作后，二、三、班则可以在“无人看管”的条件下（国外称为“熄灯生产”）进行24小时乃至72小时的连续加工。
这不仅改善了镕动条件，解决了晚上和节假日（含周六、周日）连续工作的问题，也大大提高了劳动生产率，设备利用率，缩短生产周期和增加企业的经济效益。
（5）适应信息化的发展
数控机床通过因特网（Intemet）、外联目（Extranet）现在已可实现远程故障诊断、维修，已初步具备远程控制和调度，进行异地分散网络化生产的可能。
从而为今后进一步实现制造过程网络化、智能化提供必备的基础条件。
第二章、数控机床改造的方法及原理
2．1系统运动方案的确定
数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位/直线系统和连续控制系统。
如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。
例如数控钻床，在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因此数控系统可采用点为控制方式。
对点位控制系统的要求是快速定位，保证定位精度。
如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。
具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件，所以连续控制系统又称为轮廓控制系统。
例如数控铣床，数控车床等均属于此种运动方式。
在点位控制系统中不具有连续控制系统中才具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中却具有点位系统的功能。
还有一些采用点位控制的数控机床，例如数控镗床等，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工作。
这种系统叫点位/直线系统。
其控制方法与点位系统十分相似，故有时也将这两种系统统称为点位控制系统
2．2伺服系统的选择
伺服系统可分为开环控制系统，半闭环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统中，设有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的。
指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。
开环伺服系统主要由步进电机驱动。
开环伺服系统结构简单，成本低廉，容易掌握，调试和维修都比较简单。
目前国内大力发展的经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。
闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。
闭环系统多采用直流伺服电机驱动或交流伺服电机驱动，闭环系统造价高，结构和调试较复杂，多用于精度要求高的场合。
半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元件测出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。
2．3执行机构传动方式的确定
为确保控制系统的传动精度和工作平稳，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦，低惯量，高刚度，无间隙，高谐振以及有适宜阻尼比的要求。
在设计中应考虑以下几点：
（1）尽量采用低摩擦的转动和导向元件。
如采用滚珠丝杠螺母传动副，
滚动导轨，塑导轨等。
（2）尽量消除传动间隙。
例如采用消除齿轮等。
（3）提高系统刚度。
缩短传动链可以提高系统的传动刚减小传动链误差。
可采用预紧的方法提高系统刚度。
例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副等。
2．4计算机的选择
微机数控系统由CPU，存储器扩展电路I/O接口电路，伺服电机驱动，检测电路等几部分组成。
微机市数控系统的核心，其他装置均是在指挥下进行的。
系统的功能和系统中所用微机直接相关。
数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度。
字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算的精度。
字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机，要进行双字长或三字长的运算，就会影响速度。
目前一些高档的CNC系统，已普遍使用32位微机，主机频率由5MHz提高到20-30MHz，有的采用多CPU系统，减轻主CPU的负担，进一步提高控制速度。
标准型的CNC系统多使用16位微机，经济型CNC系统则普遍采用8位机。
可采用MCS-51系列单片微机。
第三章、机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，空载起动及切削力矩计算。
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等。
将普通车床CA6140改造成MCS-51系列单片机控制的经济型数控车床，采用步进电机开环控制，纵向和横向均具有直线和圆狐插补功能，也具有升降功能。
其主要设计参数如下：
加工最大直径：
在床面上Ф400mm
在床鞍上Ф210mm
最大加工长度：
1000mm
溜板及刀架重量：
横向W=80kgf=800N
最大移动速度（快进）：
1.2m/min
最大进给速度（工进）：
0.22m/min
主电机功率：
7.5kw
起动加速时间：
30ms
横向定位精度：
±0.015mm
1脉冲当量
根据机床精度要求确定脉冲当量，横向：
0.005mm/step
3．2横向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型
3.2.1丝杠计算
1计算进给牵引力Fm（N），
横向导轨为燕尾形导轨
Z1,J1
Fm=kFy′+f′（Fz+G′+2F′X）
=1.15×670+0.04×（2680+800+2×1072）
=995.46N
式中K----考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.4
f，---滑动导轨摩檫系数0.03~0.05
G----溜板及刀架重力：
G=800N
2计算最大负载C：
C=
L=
n=
式中L0---滚珠丝
杠导程。
初始L0=5mm
Vs----最大切削力下的进给速度，可提高进给速度（1/2----1/3）此处VS=0.22m/min
T----使用寿命，按15000h；
fw—运转系数，按一般运转取fw=3-1.5；
L---寿命，以106转为1单位。
L=
=
n=
=
C=
=
=4158N
3滚珠丝杠螺母
可采用W1L2005外循环螺母纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈。
其额定动负载为8800N，精度等级按表4—15选为3级.
4传动效率计算
式子中r—螺旋升角，W1L2005=4033’
φ---摩擦角取10’
滚动摩擦系数0.003~0.004
=
=0.965
5刚度验算：
丝杠的拉伸或压缩变形量δ1：
△L=±Fm×L0／E×F=1.4×10-4
=
（2）珠滚与罗纹滚道间接触变形δ2。
查图4-7，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量δQ；因此进行预紧，
δ2=1/2δq=3μm
（3）支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3，
δ3=2μm
综合以上变形量之和：
计算如下
δ2=δ1′+δ2+δ3′=0.00815mm（定位精度）
从上面计算可以看出，设计过程要反复修改参数，反复计算，才能达到满足的要求。
6稳定性较核：
滚珠丝杠两端采用了专用的滚珠丝杠轴承，不会产生失稳现象，不需要稳定性较核。
3.2.2横向滚珠丝杠副几何参数
表3—1W1L2005滚珠丝杠几何参数
名称
符号
计算
W1L2005
螺
纹
滚
道
公称直径
do
标准
20
导程
Lo
标准
5
接触角
β
标准
4033ˊ
钢球直径
dq
标准
3.915
滚道法面直径
R
R=0.52dq
1.651
偏心矩
e
e=（R-dq/2）sinβ
0.045
螺纹升角
γ
γ=arctg（Lo/∏do）
4033ˊ
螺
杆
螺纹外径
d
d=do-（0.2～0.25）dq
19.4
螺杆内径
d1
d1=do+2e-2R
16.788
螺杆接触直径
dz
dz=do-dqcosβ
16.835
螺纹
螺母螺纹直径
D
D=do-2e+2R
23.212
螺母内径
D1
D1=do+（0.2～0.25）dq
20.635
3．3齿轮传动比计算
3.3.1、横向进给齿轮传动比计算：
以确定纵向进给脉冲当量δp=0.005，滚珠丝杠导程L0=5mm；
初选步进电机步距角为0.750。
可计算出传动比i；
i=（360×δp）/（θb×L0）
=（360×0.01）÷（0.75×5）
=0.48
考虑结构问题，不当使大齿轮直径过大，以免影响横向溜板有效行程，故用两级齿轮将速：
可选齿轮齿数为
i=
Z1=24Z2=40Z3=20Z4=25
因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。
有关参数请参照表3—2
表3—2传动齿轮几何参数
齿数
24
40
20
25
分度圆
d=mz
48
80
40
50
齿顶圆
da=d+2m
52
84
44
54
齿根圆
df=d-2×1.25m
43
75
35
45
齿宽
（6～8）m
20
20
20
20
中心矩
A=（d1+d2）/2
64
45
3．4横向进给步进电机的计算和选型
3.4.1等效传动惯量计算：
传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量Jε（㎏·cm2）可由下式计算：
Jε=JM+J1+（Z1/Z2）2{（J2+Js）+[（G/g）×（L0/2∏）2]}
式中JM---步进电机转子传动惯量（㎏·cm2）；
J1，J2---齿轮Z1，Z2的转动惯量（㎏·cm2）；
Js---滚珠丝杠转动惯量（㎏·cm2）；
参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转惯量JM=10㎏·cm2；
J1=0.78×10-3×d14×L1
=0.78×10-3×6.44×2
=2062㎏·cm2
J2=0.78×10-3×d24×L2
=0.78×10-3×84×2
=6.39㎏·cm2
Js=0.78×10-3×44×150
=29.952㎏·cm2
G=800N
代如上式：
Jε=JM+J1+（Z1/Z2）2{（J2+Js）+[（G/g）×（L0/2∏）2]}
=10+2.62+（32/40）2{（6.39+29.952）+[（1000/9.8）×（0.5/2∏）2]}
=36.478㎏·cm2
考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题
JM/Jε=10/36.478
=0.274
基本满足匹配的要求。
2．电机力矩计算
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：
（1）快速空载起动力矩M起
在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：
M起=Mam
升级会员 