本科生毕业设计说明书11 前言国外利用数字计算机进行控制加工是从 40 年代开始的。1952 年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运 动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从 60 年代开始，其他一些工业国家如 德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1974 年微处理机直接用于数控机 床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完 善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。 我国数控机床的研制是从 1958 年开始的，经历了几十年的发展，直至 80 年代 后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才 有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。 由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚 至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳 动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原 有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和 计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能 提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。这样既可以提高 加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订 购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重 大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。 本课题来源于生产实践。将 CA6140 型普通车床改造成经济型数控车床，应能 实 现 CA6140 车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。在整个设计过程中满足以下几点要求： a横向（X 向） 进给脉冲当量为 0.005mm /脉冲； b进给速度范围：向 3 1000mm/min （无级调速） 快进速度：X 向 1000 3000mm/min 内任意设定；c.原车床的主传动系统予以保留，横向进给系统由微机实现开环控制，两轴联 动； d.刀架采用自动转位刀架，具有切削螺纹的功能； e.改造方便，成本低。 该设计的总体思路是采用以 8031 单片机为核心的数控装置控制加工过程。微 机通过 I/O 接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动 控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进 电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚 珠丝杠转动，从而使工作台产生移动，实现纵向、横向的进给运动。由于步进电机 需要的驱动电压较高，电流较大，如果将 I/O 输出信号直接与功率放大器相连，将CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)2会引起强电干扰，轻则影响单片机程序运行，重则导致单片机接口电路的损坏，所 以在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路，实现电气隔离。2 总体方案设计由于该设计是经济型数控改造，在考虑具体方案时，应遵守的基本原则是在满 足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。2.1 机械部分改造横向进给机构的改造：拆掉原手动刀架和小拖板，安装上数控刀架；拆掉普通 丝杆、光杆进给箱和溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；保留原手动机构，用于调整操 作，原有的支撑结构也保留，采用一级齿轮减速，步进电机、齿轮箱体安装在中拖 板的后侧。2.2 数控系统部分设计数控系统按运动方式分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续(轮廓)控制 系统根据设计要求，CA6140 车床要加工复杂零件轮廓，其各坐标轴的运动有着确定 的函数关系。根据设计要求，本微机数控系统采用连续控制系统。 采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、 控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。开环控制多用于负载 变化不大或要求不高的经济型数控设备中。 采用简易数控装置，以步进电机为驱动机构，实现在微机控制下的自动加工。 其工作原理是：根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加 工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机在监控程序的管理下工作，并通过 专用控制程序，把用户加工程序转化成一定频率和数量的脉冲信号，经驱动电路放大后驱动纵横向二台步进电机转动，通过机械接口传动丝杠实现刀架纵、横两个方 向的频率。自动回转刀架由单片机发出换刀转位指令，由自动刀架驱动电源驱动三 相电机使刀架松开、抬起、旋转后再自动锁紧而完成转位换刀过程。 该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。微机通过 I/O 接口发出驱 动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控 车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通 电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠传动，丝杠转动 使工作台产生移动。光 电 隔 离微机功 率 放 大步进 电 机横向工作台xx本科生毕业设计说明书3图 2-1 CA6140 车床数控改造的总体方案示意图 综上所述，本设计改造的总体方案为：采用 MCS-51 单片机对数据进行计算处 理，由 I/O 接口输出步进脉冲，步进电机经一级齿轮减速后，带动滚动丝杠转动， 从而实现纵向、横向的进给运动。数控改造后的车床不仅提高了原车床的精度和自 动化程度，达到快速调整且仍能保持车床的通用性，而且提高了原车床的功能，利 用数控方法准确地加工任意面的旋转体。CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)43 机械部分改造设计3.1 横向进给系统的设计与计算3.1.13.1.1 横向进给系统的设计横向进给系统的设计 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，以保证同轴度，提高传动精度。3.1.23.1.2 横向进给系统的设计计算横向进给系统的设计计算 已知条件： 工作台重（根据图纸粗略计算） W=30kgf=300N 时间常数 T=25ms 滚珠丝杠基本导程 L=4mm 左旋 行程 S=230mm脉冲当量 =0.005mm/stepp步距角 =0.75 /step 快速进给速度 max=1mm/min A.切削力计算 查参考文献1可得知，横向进给量为纵向的 1/21/3,取 1/2,则切削力约为纵 向的 1/2F =(1/2)152.76=76.38kgf=763.8N （3-z 1） 在切断工件时：F =0.5F =0.5076.38=38.19kgf=381.9N （3-zz 2） B.滚珠丝杠设计计算 a.强度计算 对于燕尾型导轨： P=KFy+f(Fz+W) （3- 3） 取 K=1.4 f=0.2则P=1.438.19+0.2（76.38+30）=74.74kgf=747.4N （3- 4） 寿命值本科生毕业设计说明书5L =13.5 （3-i61060 Tini6101500015605） 最大动负载Q=1.2174.74=213.55kgf=2135.5N （3-iL335 .136） 根据最大动负荷 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。查参考文献2可知，选用 型号为 WL2004-2.5X1B 左，其额定动负荷为 6100N，所以强度足够用。 b.效率计算 螺旋升角 =339，摩擦角 =10则传动效率=0.956 （3-)( tgtg )10383(383 tgtg7） c.刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量L =5.9610-6cm （3-1EFPL0267619. 1106 .2014. 344 . 01074.74 8） 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2很小，可忽略，即：L=L 。所以，1 导程变形总误差为=L=5.9610-6=14.9m/m （3-oL100 4 . 0 1009） 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。 d.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，故不用验算。 C.齿轮及转矩有关计算 a.有关齿轮计算传动比 i= （3-poL 36067. 135 005. 0360475. 010）故取 Z =18 Z =3012m=2mm b=20mm =20CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)6d =36mm d =60mm 12d=40mm d=64mm1a2aa=48mm b.转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量JI=（）2W=（）2300.01=0.0439kgf cm2（3-p18075. 014. 3005. 0180 11） 丝杠转动惯量JS=7.810-42450=0.624kgf cm2 （3-12） 齿轮的转动惯量 J=7.810-43.642=0.262kgf cm2 （3-1z 13） J=7.810-4642=2.022kgf cm2 （3-2z 14） 电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量J=0439. 0262. 0022. 2624. 05312122 IZZSJJJJi=1.258kgf cm2 （3-15）c所需转动力矩计算n=41607r/min （3-max oLimax 435100016）M=N m=2.23kgf cm （3-maxa2184. 010025. 06 . 97 .416258. 1106 . 944max TiJn17）（3-min/17.33346014. 3515. 0100100010001rDLfi Lfnnoot主18）本科生毕业设计说明书7m=0.1775kgf cm （3-NMat0174. 010025. 06 . 9 17.33258. 1419）= （3-iLFMoo f2mNcmkgfif W028. 0287. 058 . 014. 3234 . 0302 . 0 220）（3-mN011. 0cmkgf116. 09 . 0158 . 014. 3634 . 019.381i6LFM22 ooY o20）（3-mNcmkgfiLFMoY t179. 0824. 158 . 014. 3234 . 019.38 222） 所以，快速空载启动所需转矩（3-cmNcmkgfMMMMofa33.26633. 2116. 0287. 023. 2max23） 切削时所需力矩：cmN04.24