机电系普通车床数控化改造设计论文

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1、 毕业论文     题 目：数控机床改进 学 科： 学 生： 指导教师： 毕业设计（论文）任务书 一、毕业设计(论文)题目：普通车床数控化改造 二、毕业设计(论文)内容： 1.对CA6140数控车床的一些主要机构主轴箱及典型机构主传动系统、进给传动系统、自动回转刀架、机床尾座进行分析，了解其的大致结构组成。 2.重点对机床进给伺服系统机械部分以及步进电动机改造设计和计算和同步带传

2、动改造设计。为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式。齿轮间隙采用双薄片调隙方式；为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端装止推轴承。 3. 对数控系统驱动的电路进行设计。驱动电路采用离低压驱动方式。 4. 润滑系统的改造。采用油气润滑方式，这种润滑方式不同于油雾润滑方式，油气润滑是用压缩空气把小油滴送进轴承空隙中，油量大小可达最佳值。压缩空气有散热作用，润滑油可回收，不污染周围空气。 毕业设计（论文）开题报告 一.选题的背景与意义： 本课题针是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通车床-C614

3、0型车床，对机械部分重新设计、装配，对电气部分在原有基础上进行较大规模的技术更新，较大幅度地提高水平和档次。目的为重新恢复其使用，提高其精度、效率和自动化程度，提高性能或档次，更好的适应新工艺、新技术使用。 中国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%。近10年来，中国数控机床年产量约为0.6-0.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6%。中国机床役龄10年以上的占60%以上;10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%, FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60%以上)。可见大多数制造行业和企

4、业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装各加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。 工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床，本质是采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC, FMS外，还包括在产品开发中推行CAD, CAE, CAM,虚拟制造以及在生产管理中推行MIS(管理信息系统)、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智

5、能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造〔称之为信息化)，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竟争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年，每年都有大量机电产品进口，为推动我国机电一体化系统的发展，作为机械设计专业的一名大学生，有责任做出自己的努力。 随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选

6、择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：   1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。   2. 加工精度高；   3. 生产效率高；   4. 减轻劳动强度，改善劳动条件；   5. 良好的经济效益；   6. 有利于生产管理的现代化。     二.研究的基本内容与拟解决的主要内容： 对CA6140

7、车床主进行数控改造。1.对CA6140数控车床的一些主要机构主轴箱及典型机构主传动系统、进给传动系统、自动回转刀架、机床尾座进行分析，了解其的大致结构组成。2.重点对机床进给伺服系统机械部分以及步进电动机改造设计和计算和同步带传动改造设计。为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式。齿轮间隙采用双薄片调隙方式；为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端装止推轴承。3. 对数控系统驱动的电路进行设计。驱动电路采用离低压驱动方式。4. 润滑系统的改造。采用油气润滑方式，这种润滑方式不同于油雾润滑方式，油气润滑是用压缩空气把小油滴送进轴承空隙中，油量大小可达最佳值。压缩空气有散热作用，润

8、滑油可回收，不污染周围空气。 三. 研究的方法与技术路线： 通过观察普通CA6140车床和普通CA6140数控车床，确定其改造方向，并对其进行改造，并查阅有关资料，对进给伺服机构机械部分和轴组件部分重新进行计算，使其提高性能。对进给伺服机构机械部分和轴组件部分重新进行计算是这次设计中的一大难点，通过查阅有关以往普通CA6140数控车床资料，经过反复修改计算，将其性能提高。纵向进给机械结构改造方法，为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式。齿轮间隙采用双薄片调隙方式。.横向进给机械结构改造方法，为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端装止推轴承。减速机构改造方法，采用同步齿形

9、带传动机构。轴组件改造方法，主轴采用空心形状大大减小了应力的集中，使轴的刚度有很大提高。计算并验证分析解决上述改造相关问题所拟定的设计参数。数控控制板改造方法，为提靠性和处理速度，采用硬件环形分配器产生脉冲控机的运转。为增强系统的抗干扰能力，输入输出信号要经电隔离。驱动电路改造方法，采用离低压驱动方式。隔离电路和功率放大电路改造方法，隔离电路采用的光电隔离电路；功率放大电路采用双电源型。润滑方式的改造方法，采用油气润滑方式替代传统的油雾润滑方式。 四. 研究的总体安排与进度： 12月12号听指导老师讲授如何写作毕业论文，选题目。 12月13号到12月28号，根据指导老师

10、的指导看有关论文的书籍。 毕业论文第一稿在指导老师全面修改后完成。 10年1月1号开始写第二稿，写完成后，交给指导老师修改，2月25号打印出第二稿。 2月26号开始写第三稿，在指导老师的辅导下于3月10号完成。 3月20号把论文一、二、三稿、电子稿都上交给班主任 指导教师审核意见： 目   录 摘要…………………………………………………………   …………………………..(1) 设计任务及要求…………………………………………………………………………… (1) 一  车床主传动变速箱结构分析…………………………………………………….…  (1) 二  数控车床头箱

11、结构分析……………………………………………………………….(2) 2.1  主传动系统 ……………………………………………………………….……….（4） 2.2  进给传动系统……………………………………………………………………….（4） 2.3  自动回转刀架……………………………………………………………………….（4） 2.4  机床尾座…………………………………………………………………………….（4） 三  伺服系统及步进电动机的设计和计算………………………………………………（4） 3.1伺服系统结构改造设计方案………………………………………………………….(4) 3.2

12、进给伺服机构机械部分的设计计算………………………………………………….(5) 四  同步带传动设计……………………………………………………………………….(5) 4.1  同步齿形带的选择和校核…………………………………………………………..(5) 4.2  主轴组件的设计……………………………………………………………………..(8) 五   数控系统驱动的电路设计………………………………………………………. ..(10) 5.1硬件电路的基本组成………………………………………………………………….(10) 5.2 控制系统的功能……………………………………………………………………

13、…(12) 六  润滑系统的改造………………………………………………………………………(14) 体会………………………………………………………… …………………………. .(14) 致谢………………………………………………………………………………………..(14) 参考文献……………………………………………………………….………………….(15) 普通车床数控化改造 摘要:中国是一个传统的机械制造大国，但其装备水平落后，特别是一些老的机械制造厂大多还是比较旧的机床，远远不能满足加工的要求。针对目前制造业的技术装备现状，对传统机械制造业装备进行改造，解决机械制造业中的一些技术

14、问题，用现代先进技术对旧的设备进行改造和提升，是我国制造业的发展方向。本课题是针对CA6140普通废旧车床进行数控化改造，其现实意义在于如何寻找一种可行的、有推广价值的设备改造方法，对传统机械制造行业的技术装备进行技术提升，以解决目前设备老化所带来的问题。本课题研究过程中，首先对目前工厂所使用的常规数控机床进行了全面的调查和分析。在结合原C6140车床本身的结构和运动特性，对其主传动部分进行重新计算设计，设计出符合改造要求的主传动系统，在满足正常加工的条件下，选择合适的动力与控制系统，使整个主传动系统能在控制系统下完成设计所要求动力运转，并实现数控车床的无级调速的性能。  关键字：普通车床　

15、数控车床　改造设计 前  言      随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床－数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，

16、数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。       数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。   数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：  

17、1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。   2. 加工精度高；   3. 生产效率高；   4. 减轻劳动强度，改善劳动条件；   5. 良好的经济效益；   6. 有利于生产管理的现代化。   数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素

18、质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。 一、CA6140数控车床主轴箱结构分析     机床主轴箱是一个比较复杂的传动件.表达主轴箱各传动件的结构和装配关系时常用展开图.展开图基本上是按各传动链传递运动的先后顺序,沿轴心线剖开,并展开在一个平面上的装配图(如图1) ：  1——花键套；2——带轮；3——法兰；4——箱体；5——钢球；6——齿轮；7——销；8、9——螺母；   10——齿轮；11——滑套；12——元宝销；13——制动盘；14——制动带；15——齿条；16——拉杆；   17——拨叉；18——齿扇；19——圆

19、键 1.CA6140型车床主轴箱展开图如上图所示    该图是沿轴IV一I一II一III(V)一VI一XI一X的轴线剖切面展开的。展开图把立体展开在一个平面上，因而其中有些轴之间的距离拉开了。如轴IV画得III与轴V较远，因而使原来相互啮合的齿轮副分开了。读展开图时，首先弄清楚传动关系。    1卸荷带轮电动机经皮带将运动传至轴I 左端的带轮2（见图1的左上部分）。带轮2与花键套1用螺钉连接成一体，支承在法兰3内的两个深沟球轴承上。法兰3固定在主轴箱体4上，这样带轮2可通过花键1带动轴I旋转，皮带的拉力则经轴承和法兰3传至箱体4。轴I 的花键部分只传递转距，从而可避免因皮带拉力而使轴

20、I产生弯曲变形。这种带轮是卸荷的（既把径向载荷卸给体）。 二、CA6140数控车床头箱结构分析 1.主传动系统 数控车床主运动要求速度在一定范围内可调，有足够的驱动功率，主轴回转轴心线的位置准确稳定，并有足够的刚性与抗振性。 如下图所示为济南第一机床厂生产的MJ-50型数控车床的传动系统图。     2. 进给传动系统 数控车床进给传动系统是用数字控制X、Z坐标轴的直接对象，工件最后的尺寸精度和轮廓精度都直接受进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，数控车床的进给传动系统应充分注意减少摩擦力，提高传动精度和刚度，消除传动间隙以及减少运动件的惯量等。 为使全功能型数控

21、车床进给传动系统要求高精度、快速响应、低速大转矩，采用交、直流伺服进给驱动装置，通过滚珠丝杠螺母副带动刀架移动。刀架的快速移动和进给移动为同一条传动路线。 3．自动回转刀架 数控车床的刀架是机床的重要组成部分，其结构直接影响机床的切削性能和工作效率。回转式刀架上回转头各刀座用于安装或支持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转﹑分度和定位，实现机床的自动换刀。回转刀架分度准确，定位可靠，重复定位精度高，转位速度快，夹紧性好，可以保证数控车床的高精度和高效率。 4．机床尾座 如下图所示为MJ-50数控车床出厂时配置的标准尾座结构简图。  从它上面我们可以看出，对CA6140车床的改造的

22、方向。 三、机床进给伺服系统机械部分以及步进电动机的设计和计算 （一）、进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案 1.纵向进给机械结构改造方案 拆除原机床的进给像、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母副。为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式。齿轮间隙采用双薄片调隙方式。 利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杆仍安置在原来的位置，两端仍采用原固定方式。这样可减少改装工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，且外径比原先的大，从而使纵向进给整体刚度只可能增大。     纵向进给机构都采用了一级齿轮减速。双片齿轮间没有加

23、弹簧自动消除间隙。因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载大时，弹簧弹力显小，起不到消除间隙之目的；当负载小时，弹簧弹力又显大，则加速齿轮的磨损。因此，采用定期人工调整、螺钉紧固的办法消除间隙。  纵向齿轮箱和溜板箱均加外罩，以保持机床原外观，起到美化机床的效果，在溜板箱上安装了纵向快速进给和急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到意外情况时的急停处理需要。 2.横向进给机械结构改造方案 拆除原中拖板丝杆，安装滚珠丝杆副，为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端装止推轴承。步进电机、齿轮箱安装于机床后侧，为了使减速机构不影响走刀，同时消除传动过程的冲击，减速机构采用二级传动，从动轮

24、采用双薄片错位消除间隙。 (二) 、进给伺服机构机械部分的设计计算 1.    选择脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量， 纵向： 0.01mm/步，  横向：0.005mm/步（半径） 2.计算切削力 2.1纵车外圆 主切削力FZ（N）按经验公式估算： FZ=0。67Dmax1。5=0。67*4001。5=5360       按切削力各分力比例：                  FZ/FX/FY=1/0.25/0.4                   F X=5360×0.25=1340                   FY=5360×0.4=2144

25、2.2横切端面 主切削力FˊZ（N）可取纵切的0.5            FˊZ=0.5FZ=2680 此时走刀抗力为FˊY（N），吃刀抗力为Fˊx（N）。仍按上述比例粗略计算：                   FZ/FX/FY=1/0.25/0.4                   FˊY=2680×0.25=670                   FˊX=2680×0.4=1072 3.滚珠丝杆螺母副的计算和选型 3.1纵向进给丝杆 3.1.1计算进给牵引力Fm（N） 纵向进给为综合型导轨           Fm=KFx+fˊ（Fz+G）       

26、     =1.158×1340+0.16×（5360+800）            =2530   式中  K—考虑颠复力距影响的实验系数，综合导轨取K=1.15；         fˊ—滑动导轨摩擦系数：0.15—0.18；         G—溜板及刀架重力：G=800N 3.1.2计算最大动负荷C          C=3√LfWFM          L=60×n×t/106         N=1000×Vs/Lo   式中  Lo—滚珠丝杆导程，初选L=6mm；         Vs—最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/2—1/3），此处Vs=0

27、.6m/min         T—使用寿命，按15000h；         fw—运转系数，按一般运转取F=1.2—1.5；         L—寿命、以106为一单位。 n=1000Vs/Lo=1000×0.6×0.5/6=50r/min L=60×N×T/106=60×60×15000/106=45 C=3√LfwFm=3√45×1.2×2530=10798.7N 3.1.3滚珠丝杆螺母副的选型 查阅表，可用W1L400b外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级按表4-15选为3级（大致相当老标准E级）。 3.1.4传动

28、效率计算 η=tgγ/tg(γ+φ) 试中γ—螺旋升角，W1L400bγ=2º44ˊ φ—摩擦角10ˊ滚动摩擦系数0.003--0.004 η=tgγ/tg(γ+φ)   =tg2º44ˊ/tg(2º44+10ˊ)=0.94      3.1.5刚度验算 最大牵引力为2530N。支撑间距L=1500mm螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。 A. 丝杠的拉伸或压缩变形量δ1 根据Pm=2530N，D0=40mm，查出ΔL/L=1.2×10-5 可算出： δ1=δL/L×1500=1.2×10-5×1500=1.8×10-2 由于两端采用向心推力球轴承，且丝

29、杆又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量 δ1(mm)为：  δˊ1=0.25×10-2        B．滚珠与螺纹滚道间接触变形δq W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量δq  ： δq=6.4µm 因进行了预紧， δ2 =0.5δq =0.5×6.4=3.2µm C．支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形δ3 采用8107型推力球轴承，d1=35mm，滚动体直径dq=6.34mm，滚动体 数量Z=18，δc=0.0024×3√Fm2/(dq×Z2)               =0.0024×3√2532/(6.35×182) 注意，此公式中Fm单位为k

30、gf 应施加预紧力，故 δ3=0.5δ=0.5×0.0075=0.0038mm    根据以上计算：δ= δ1+δ2+δ3                 =0.0045+0.0032+0.0038                 =0.0115mm＜定位精度 3.1.6稳定性校核。 滚珠丝杆两端推力轴承，不会产生产生失稳现象不需作稳定性校核。 3.2横向进给丝杆 3.2.1计算进给牵引力Fˊm 横向导轨为燕尾形，计算如下： Fˊm=1.4×Fˊy+fˊ(Fz+2Fˊx+Gˊ)    =1.4×670+0.2×(2680+2×1072+600)≈2023N   3.2

31、.2计算最大动负荷C         n=1000×V3/L0=1000×0.3×0.5/5=30         L=60×n×T/106=60×30×15000/106         C=3√LfwFˊm=3√27×1.2×2030=7283N 3.2.3选择滚珠丝杠螺母副 从附录A表3中查出，W1L20051列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额 定动载荷为8800N，可满足要求，选定精度为3级。 3.2.4传动效率计算 η=tgγ/tg(γ+φ)=tg4º33ˊ/tg(4º33ˊ+10ˊ)=0.965   3.2.5刚度验算 横向进给丝杠支承方式如图所示，最大牵

32、引力为2425N，支承间距L=450mm，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。 计算如下： A.丝杠的拉伸或压缩变形量δ1(mm) 查图4-6，根据Fˊm=2032N，D0=20MM，查出δL/L=5×10ˉ5   可算出 δ1= δL /L×L=4.2×10‐5  ×450=1.89×10‐2mm 显然系统应进行预拉伸，以提高刚度       故  δˊ=0.25δ1=4.7×10—3 B.滚珠与螺纹滚道间接触变形 查资料（《机床数控改造设计与实例[M]．1版》，）。                 δq=8.5μm 因进行了预紧     δ2=0.5δq=0.5×8

33、.5=4.25μm C.支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 采用8103型推力球轴承，dq=5 Z=13 d=17mm δc=0.00243√Fm2/(dq×Z2)    =0.00243√202.3/5×132=1.3×10ˉ3 考虑到进行了预紧，故           δ3=0.5 δc=0.5×1.3×10ˉ3=6.5×10–4 综合以上几次变形量之和得： δ=δˊ1δ2δ3=4.7×10¯3+4.25×10¯3/+      =0.0096＜0.015（定位精度 ） 3.2.6稳定性校核 滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。 4.传动比计算

34、 4.1纵向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量 δp =0.01，滚珠丝杠导程L0=6mm，初选步进电机步距角0.75。可计算出传动比i     i=360δp /  θbL 0   =390×0.01/0.75×6=0.8 可选定齿轮齿数为：            I    =Z1/Z2      Z1=32，Z2=40 ，或Z1=20，Z2=25 4.2横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向进给脉冲当量δp =0.005，滚珠丝杠导程L0=5mm，初选步进电机步距角0.75º。可计算出传动比i           I=360δp /  θbL 0=360×0.005

35、/0.75×5=0.48 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的有效行程，故此处可采用两级齿轮降速： i=Z1Z2/Z3Z4=3×4/5×5=24×20/40×25 Z1=24，Z2=40，Z3=20，Z4=25 因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。有关参数参照下表：   齿数 　 32 40 24 40 20 25 分度圆 d=mz 64 80 48 80 40 50 齿顶数 da=d+2m 68 84 52 84 44 54 齿根数 df=d-21.25m 59 75 43 75 35 45

36、齿宽 (6--8)m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=(d1+d2)/2 72 64 45   5.步进电机的计算和选型 5.1纵向进给步进电机计算 5.1.1等效传动惯量计算 方法计算如下，传动系统折算到电机轴上的总传动惯量JΣ(kg•cm2)可有下式计算： JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)2〕 式中：Jm—步进电机转子转动惯量(kg•cm2) J1，J2—齿轮Z1、Z2的转动惯量(kg•cm2) Js—滚珠丝杠传动惯量(kg•cm2) 参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动

37、惯量Jm=10(kg•cm2) J1=0.78×103×d14·L1=0.78×103×6.42×2=2.6 kg•cm2 J2=0.78×103×d24·L2=0.78×103×82×2=6.39 kg•cm2 Js=0.78×103×44×150=29.952 kg•cm2 G=800N   代入上式：  JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)2〕    =10+2.62+(32/40)2〔(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2π)2〕 =36.355 kg•cm2 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 Jm

38、/JΣ=10/36.355=0.275 基本满足惯量匹配的要求。 性和运行矩频特性。 5.1.3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 Fk=1000Vmax/60δp =1000×2.4/60×0.01=4000Hz Fe=1000Vs/60δp =1000×0.6/60×0.01=1000Hz 从表中查出150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800Hz运行频率为8000Hz,再从有关手册中查出150BF002型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线。当步进电机起动时，f起=2500时，M=100N·cm,远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（782N·cm）

39、直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制（用软件实现），将起动频率降到1000Hz时，起动力矩可增加到5884N·cm，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。 5.1.2电机力矩计算 机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面分别按各阶段计算： A.快速空载启动力矩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=Mamax+Mf+Ma           Mamax=JΣ·ε= JΣnnax×102/(60×ta/

40、2π)              = JΣ×2π·nmax×102/(60×ta) nmax=νmax·θb/δp·360 将前面数据代入，式中各符号意义同前。  nmax=νmax·θb/δp·360=2400×0.75÷(0.01×360)=500r/min    启动加速时间ta=30ms          Mamax=JΣ×2π·nmax×102/(60×ta) =36.355×2π×500×102/(60×0.03) =634.5N·cm    折算到电机轴上的摩擦力距Mf：          Mf=FOL0/2πηi=f¹(Pz+G)×L0/(2πηZ2/

41、Z1)           =0.16×(5360+800)×0.6/(2π×0.8×1.25)=94N·cm    附加摩擦力距M0  MO=FPOL0(1-η02)/2πηi=1/3×Ft×L0(1-η02)/(2πηZ2/Z1)   =1/3×2530×0.6×(1-0.92)/( 2π×0.8×1.25)   =805.3×0.19=15.3N·cm 上述三项合计：  M起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8N·cm B．快速移动时所需力矩M快。 M快=Mf+M0=94+15.3=109.3N·cm C．快速切削负载时所需力矩 M切 M

42、切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2πηi  =94+15.3+1340×0.6/(2π×0.8×1.25)  =94+15.3+127.96 =237.26N·cm    从上面计算可以看出，M起、M快和M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。 从有关手册[《[机床数控改造设计与实例[M]》]查出，当步进电机为五相十拍时  λ=Mq/Mjmax=0.951 最大静力矩Mjmax=743.8/0.951=782N·cm 按此最大静力矩从有关手册中查出，150BF002型最大静转矩为13.72N·m。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，

43、但还需进一步考核步进电机起动矩频特5.2.3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 Fk=1000Vmax/60δp =1000×2.4/60×0.01=4000Hz Fe=1000Vs/60δp =1000×0.6/60×0.01=1000Hz 由110BF003型步进电机的技术参数可知其最高空载起动频率为1500Hz，运行频率为7000Hz。根据110BF003型电机的起动距频特性和运行矩频特性曲线可以看出，当步进电机起动时F=1500Hz，M=98N·cm，小于机床所需的起动力矩（184.4N·cm），直接使用会产生失步现象，所以必须采用升降速控制（用软件实现）。将起动频率将为

44、1000Hz时，既可满足要求。当机床快速起动和切削进求。进给时，则完全满足运行矩频要 四、同步带传动设计 1．同步齿形带的选择和校核    在车床改造时中，步进电动机与四缸传动副之间装有减速机构，通过减速机构可得到所需的脉冲当量和增大的驱动力矩。减速机构采用同步齿形带传动机构，同步齿形带传动相对齿轮传动是一种新型的带传动，其利用同步带的齿型与带轮的轮齿传递运动，无相对滑动，无噪声，无需润滑，传动精度和效率高，同步带传动的带速高达40~80m/s.传递功率可达100KW，传动比可达10~20，传动效率98%。因此在这次数控改造中我们采用同步齿形带来传递运动。 （1）模数 根据表1.

45、12     m=4 （2）齿数      查表1.3选     （3）带轮节圆直径为：   （4）带速为：              （5）中心距为：            则210〈a<600取a=500   （6）带长为：                （7）小带轮啮合齿数：                则 （8）带宽                            1.21同步带模数的选择参考《机械设计》教材                    1.22同步带传动工作情况系数 载荷性质 一天运转时间/h <10   10～16 >

46、16 载荷平稳 1 1.1 1.2 载荷变动小 1.2 1.4 1.6 载荷变动大 1.4 1.7 2               1.23小带轮最小齿数 小带轮转速n1(r/min) 模数m/mm               1.5 2 2.5,3 4 5 7 10 <1000 12 14 16 18 20 22 24 1000～3000 14 16 18 20 22 24 26 >3000 16 18 20 22 24                      1.24传动比系数

47、k1 n1/n2 ≥1/1.25 <1/1.25～1/1.7 <1/1.7～1/2.5 <1/2.5～1/3.5 <1/3.5 k1 1 0.95 0.9 0.85 0.8                   1.25聚氨酯同步带（强力层为钢丝绳）的质量和许用拉力 模数m/mm 1.5 2 2.5 3 4 5 单位宽度每米长度的质量 18 24 30 35 48 60 单位宽度的许用拉力 4 6 8 10 15 25                    1.26同步带的齿数、长度和宽度   齿数          z

48、 模数m             1.5 2 2.5 3 4 5   名义长度L           35 164.9 219.2 274.9 329.9     40 188.5 251.3 314.2 377 502.7 628.3 50 235.6 314.2 392.7 471.2 628.3 785.4 60 282.7 377 471.2 565.5 754 942.5 70 329.9 439.8 549.8 659.7 879.7 1099.6 80 377 50

49、2.7 628.3 754 1005.3 1256.6 90 424.1 565.5 706.9 848.2 1131 1413.7 100 471.2 628.3 784.4 942.5 1256.6 1570.8 宽度b 8～32 10～15 12～60 12～60 16～80 20～80   宽度系列 8、10、12、16、20、25、32、40、50、60、80 五、轴组件的设计 主轴在改造过程中还可以选用原来的主轴，因为主轴在精度、力学性能和经济性上都能满足改造后的要求。轴的支撑轴颈、配合轴颈是轴类零件

50、的主要表面，它影响轴的旋转精度与工作状态。CA6140车床主轴支撑轴颈和配合轴颈的尺寸精度通常为IT6~9级公差，特别精密的轴颈为IT5级，甚至更高。在力学性能上由于主轴在工作时，应力集中在主轴心部，而CA6140数控车床主轴采用空心形状大大减小了应力的集中，使轴的刚度有很大提高。 主轴支撑是主轴组件的重要组成部分，主轴支撑是指主轴轴承、支撑座及其相关零件的组合体，其中核心元件是轴承。滚动轴承的主要优点是适应转速和载荷变动的范围大；能在零间隙或负间隙条件下稳定运转，具有教高的旋转精度和刚度；轴承润滑容易，维修、供应方便，摩擦因数小等。 主轴悬伸量的确定。主轴悬伸量a是指主轴前支撑径向支反力

51、的作用点到主轴前端面之间的距离，它对主轴组件刚度影响较大。根据分析和试验，缩短伸量可以显著提高主轴组件的刚度和抗振性。因此，设计时在满足结构要求的前提下，尽量缩短悬伸量a。 前轴径D1＝115mm   后轴径D2＝80mm 根据结构定悬伸长a=115mm (1) 求轴承刚度  主轴最大输出转矩 Mn=9550 =1260.6N m 床身上最大加工直径约为最大回转直径60％即：240mm 故半径为0.12m FZ= =10505N Fy=0.5 FZ=5252.5N 故总切削力为F＝ ＝11745N 先暂取初值为：=2.5即暂取L0的初值为2.5×115＝287mm 前后

52、支撑支反力PA和PB分别为： PA＝F=11745 N Pb=F =11754 N 取前后支撑刚度为KA＝1530N／ m                   KB=1030 N／ m (2) 求悬体跨距 ==1.495 初算时可假设主轴当量外径D为前后轴颈的平均值，即：      D ＝ （115+80）／2＝ 98mm 故惯性矩为： I ＝ 0.005（0.0984-0.0484）＝581 10-8  m4 则  查图得         /a值与原假设值相近，符合要求。 六、数控系统驱动的电路设计 1.电路的基本组成            任何一个数控系统都

53、由硬件和软件两部分组成。硬件组成系统的基础，其性能的好坏，直接影响到系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行，是可工作的控制系统。 机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成。 （1）中央处理器CPU。 （2）总线，包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。 （3）存储器，包括只读可编存储器和随机读写存储器。 （4）I/O输入、输出接口电路。 其中CPU是数控系统的核心，是控制其它各部分协调工作的“大脑”，其作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件、应用程序（监控程序）和运行中所需的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的

54、桥梁。三总线则是CPU与存储器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是CPU与外界进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图如下所示。 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路基本组成如下图 所示：       RAM ROM CPU I/O 接口 光电隔离 功率放大器 步进电机 外设      键盘、显示器 及其它                              　　1、系统的构成及工作原理 　　该系统是由PC机和自行开发的数控控制板两级控制组成，其组成如图2所示。主要功能部件有：   　

55、　（1）PC机。选用市面上任何一种机型，在PC平台上可以开发出具有良好开放数控系统，从而增强经济型数控改造的整体效果。 　　（2）数控控制板。考虑到经济型数控改造的特点，数控板采用一块以8031单片机为核心的数控控制板。它主要成实EI性任务，如机床状态检测、紧急情况处理、细插补运算、脉冲分配等。PC机利用标准并行打印口与8031进行通信，将预处理后的数控加工信息通过数控控制板完成对机床的控这种结构省去了打开机箱的麻烦，方便安装和维护。为提靠性和处理速度，采用硬件环形分配器产生脉冲控机的运转。为增强系统的抗干扰能力，输入输出信号要经电隔离。 　　（3）机床本体。为满足数控加工的要求，

56、对原机床机械的改造主要有：①进给系统。拆除原机床进给箱、溜板箱内的零部件及光杠、滑动丝杠、挂轮。纵、横向以步进电机作为驱动元件，经一级齿轮减速后由滚珠丝杠传动。原横向手动机构仍保留，以方便机床的手动调整。②主变速系统。保持原机床的主舳手动变速，数控系统仅控制主轴电机的起、停和正、反转。为实现螺纹加工功能，往机床主轴末端安装脉冲发生器作为主轴位信号的反锁元件。③刀架部分，原机床手动转位刀架保留不变。 （4）驱动电路。采用离低压驱动方式。 2、接口硬件设计 PC机的标准并行打印口是一个具有25个引脚，3个端址的控制接口。本系统只需把PC机插补后的数据快速的下传，而上传的只是机床的少量

57、状态信息，机床的动作主要由8031来控制完成。这种情况很适合打印机接口的通信特点。利用打印机接口在和数控控制板之间通信，不需增加额外硬件，只要把并行打的3个端口根据数控加工的需要重新定义即可利用，尤其适于经济型数控改造。   二、控制系统的功能  ( 一 )CPU和存储器 1、CPU采用8031芯片     8031芯片內部具有128字节数据存储器RAM，地址为佳00H—7FH，用作工作寄存器。堆栈，软件标志和数据缓冲器，CPU对内部RAM有较为有效的操作指令。另加有128字节的特殊功能寄存器，地址为80H---7FH。是用于对片内各功能模块进行管理，控制，监视等。8031芯片内部虽

58、然没有程序存储器，只有128字节ROM，在组成该系统时RAM不够用。现外接一片6264芯片来扩展8031的RAM存储器。8031是一个无ROM的CPU。单片机的8031不能满足设计要求，不能够成完整的计算机。外接两片2764，一片作为系统存储器，一片作为加工程序存储器。8031的输入、输出（I/O）口线不多，不能满足设计要求，现外接两片8155芯片以扩展I/O口。 8031芯片的P0和P2接口用来传送外部存储器的地址和数据。P0口传送高8位地址，P2口传送低8位地址和数据，故要采用74LS373地址锁存器，锁存底8位。ALE作为选通信号，当ALE为高电平，锁存器的输入和输出`透明，既输入的低

59、8位存储器地址在输出端出现。此时不需锁存。当ALE从高电平变为低电平，出现下降沿时，低8位地址存入地址锁存器重中，74LS373的输出不再随输入变化，即地质被锁存。这样P0口就可以传送读写的树据。 8031芯片的P2口和74LS373送出的P2口共同组成它的地址，2764和6264芯片都是8kb，需要13根地址线。A0—A7低8接74LS373芯片的输出，A8—A12接8031芯片的P2.0—P2.4,系统采用全地译码，两片2764芯片片选信号CE分别接74LS138译码器的Y0和Y1，系统复位以后从0000H开始执行。6264芯片的片选信号CE接74LS132的Y2。单片机扩展系统允许程序

60、存储器和数据存储器独立编址（即地址重叠）。在本次设计并没有地址重叠。8051芯片的控制信号PSEN接2764的OE引脚，作为外部程序存储器的选通信号。读写控制信号WR和RD分部接6264芯片的WE和OE。以实现对外部数据存储器的读写。由于8031芯片内部无ROM，故要选外部程序存储器，且其EA必须接地。 2、采用I/O接口电路  (二)隔离电路和功率放大电路 在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大电路后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大（几安到几十安），如果将输出信号与功率放大器直接相联，将会起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导至计算机和接口电路

61、损坏。所以一般在接口电路与功率放大电路之间接上隔离电路，采用的光电隔离电路。 功率放大电路分为单电源和双电源型。单电源型线路简单，效率不高，所以选双电源型。双电源型采用高低压供电电路。 在功率放大器导通初始，T1、T3、T4均导通，并使脉冲变压器B的副边产生一定宽度的脉冲电流，使T2导通。高压电源EH通告T2、T1为步进电机某一相绕组供电，使其电流上升沿变逗。经过T0时间后脉冲电流消失，使T2截止，高电压电源与绕组之间被切断，EN通过D2、T1为绕组WA供电，提供所需的额定电流。通过调节脉冲变压器的磁芯和R4可改变高压供电的时间宽度Tb。     七、 润滑系统的改造 对其改造重点是

62、对其润滑方式的改造，这次改造采用油气润滑方式，油气润滑方式不同于油雾润滑方式，油气润滑是用压缩空气把小油滴送进轴承空隙中，油量大小可达最佳值。压缩空气有散热作用，润滑油可回收，不污染周围空气。根据轴承供油量的要求，定时器的循环时间可从1~99min定时,两位两通气阀每定时开通一次,压缩空气进入注油器,把少量油带入混合市,经节流阀的压缩空气,经混合室把油带入塑料管道内,油液沿管道壁被风吹入轴承内,此时形成小油滴状，易于轴承充分润滑。 课程设计体会 本课题以C6140车床的数控改造为例。通过对此型号车床的研究开发，随着科学技术水平和人类生活水平的提高，对机械产品的质量要求越来越高，产品品种越来

63、越多，中大批量的产品需求越来越少，而单件小批量生产模式迅速增加，作为实现单件小批量加工自动化的数控机床，由于其突出的优点而得到广泛应用： (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。这是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应该运动的运动量，这就可以加工复杂的曲线和曲面。 (2)可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，效率可比传统机床提高3到7倍。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实现自动化。传统机床可以靠凸轮或挡块等实现自动化，但凸轮制造及调整很费时，只有进行大批量生产时，才经济合理，称之为刚性自动化

64、。而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化，这是过去所不敢做到的重大突破，称之为实现了“柔性自动化”。 (3)加工的零件精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要”修配”。这是由于加工过程自动化，不受人的情绪和疲劳影响的结果。计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不会因刀具磨损而影响工件精度和其一致性。最近，数控系统中增加了机床误差、加工误差修正补偿的功能，使加工精度得到进一步提高。 (4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。这是自动化带来的效果(可以自动更换刀具)，如加工中心，在工件装夹好后，可实现钻、铣、攻丝、扩孔等多工序的加工。这些

65、多工序是在同一基面、同一次装夹下实现的，提高了相关的加工精度。现已出现其他工序集中的机床，如车削中心、车铣中心、磨削中心等。 (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。这是在配备多种传感器条件下，计算机威力的体现。可以实现白班有人看管并做好充分准备工作，使得二班、三班在无人条件下自动加工。由此带来的劳动生产率的提高和生产周期的缩短等是非常明显的。 (6)数控加工降低了工人的劳动程度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，并可对市场需求做出快速反应。以上这些优越性，是前人做不到的，是一个极为重大的突破。此

66、外，机床数控化还是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及C1MS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。 通过课程设计，使我对机床数控系统这门课程进一步加深了理解。对于各方面知识之间的相互联系有了实际的体会。同时也深深感到自己初步掌握的知识与实际需要还有相当距离，还需在今后进一步学习和实践。 致谢： 这次毕业设计是我们大学三年后的一次作业，同时也是对我们三年来学习的一个总结。通过过此次设计我们能巩固我们所学的专业知识，也能锻炼我们的创新能力，对于快走上工作岗位的我们，是一笔不容忽视的财富。 这次毕业设计能够顺利进行得到我的老师、同学和朋友们给予我的帮助，至此我表示真诚的感谢。 首先我要感谢我的指导老师，在整个毕业设计过程中，一直抱着一种对我们高度负责的态度，于百忙当中抽出时间，多次来到教室对我们进行指导。对于我们设计当中的问题，鱼花老师更是对我们悉心分析，给我们提了很多宝贵的建议。这充分体现了他作为教师对于工作的一种认真负责的态度，对于以后踏进社会，走入工作岗位的我们提供了借鉴。。在此，我深深地道一声，老师您辛苦了！我由衷地感谢您。 另外，我