C6163车床数控改造设计说明书

C6163型车床的经济型数控改造设计 1 概 论 1.1 数控系统发展简史 　　1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1.2国内数控机床状况分析 1.2.1国内数控机床现状 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。  1.2.2 国内数控机床的特点 ： (1) 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。  (2) 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%。金切机床行业产值数控化率 从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。  (3) 数控机床发展的关键配套产品有了突破。   1.3 数控系统的发展趋势 1.3.1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展 基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 1.3.2向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 1.3.3向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。 (1)应用自适应控制技术 　　数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 (2) 引入专家系统指导加工 　　将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 (3) 引入故障诊断专家系统 (4) 智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 1.4机床数控化改造的必要性 1.4.1微观看改造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 (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。 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瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 (2) 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。由于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，从而实现自动化。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，故被称为实现了"柔性自动化"。 (3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要"修配"。 (4) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 (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。 (6) 由以上五条派生的好处。 　　如：降低了工人的劳动强度，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，可对市场需求作出快速反应等等。 1.4.2宏观看改造的必要性 　　从宏观上看，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。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竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已达20.8％，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上了机床数控化改造的必要性。 数控化改造的市场空间 机床的数控化改造是一个方兴未艾的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如："在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造能作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个"永恒"的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出：` (1) 国内的市场 我国目前机床总量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，我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％。我国机床役龄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）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、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。用这种装备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。所以必须大力提高机床的数控化率。 (2) 进口设备和生产线的数控化改造市场 　　我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从1979～1988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。 　　这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 　　这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 机床改造的效益分析 提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采用第二种方法有以下的优点： a) 减少了投资和交货的期限 同购置新的数控机床相比，一般可以节省60%到80%的费用，改造的费用大大减低。 b) 机械的稳定性可靠 机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。 c) 熟悉了解设备结构性能，便于操作维修，购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。 d) 可以充分利用现有的条件 可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。 e) 可更好的因地制宜合理筛选功能 购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。 f)可及时采用最新技术，充分利用社会资源 由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造 ，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还可以使得刮研极容易，等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机场改造成当今水平的机床。 2 普通车床数控改造的可行性论证 对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体时，应遵循的原则是：在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。 2.1 车床的数控改造 2.1.1数控机床工作原理及组成 (1) 数控机床工作原理： 数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。 (2) 数控机床的组成： 数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图2-1 图2-1数控机床的组成图 2.1.2设计内容及任务 普通车床（C6163）的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（包括纵向、横向进给系统的设计与计算）、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床调速电动机控制电路的设计。 本设计任务是对C6163卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01 /脉冲，横向最小运动单位0.005 /脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。 2.1.3 数控部分的设计改造 (1) 数控系统运动方式的确定 数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。由于C6163车床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。 (2)伺服进给系统的设计改造 数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。 闭环控制方案的优点是可以达到高的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。 半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。 开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。 经过上序比较，由于所改造的C6163车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。 (3) 数控系统的硬件电路设计 数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。 数控装置的设计方案通常有： a) 可以全部自己设计制作 b) 可以采用单板机或STD模块或工控机改制 c) 可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动 跟据本次设计的要求采用第一种设计方案。 2.1.4机械改造部分的设计 (1) 主传动部分的改造设计 将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。 (2) 进给机构的改造 将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。 2.2 可行性论证 根据《自动化制造系统》，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。 根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。 由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性论证。 本改造设计是对普通车床C6136进行经济型数控改造。在改造设计中，采用自己设置的数控装置，加上两台伺服电机，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副，一台变频调速电动机，四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过8万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。 3 设计方案 3.1 总体方案的确定 3.1.1系统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 3.1.2 计算机系统 根据机床要求，采用8位微机。由于MCS—51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，决定采用MCS—51系列的8031单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 3.1.3 机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆。为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。 3.1.4 运动方式的确定 数按系统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。由于C6163车床要加工复杂轮廓零件，所以本次设计采用连续控制系统。 3.1.5 系统的选择 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。经过比较，由于C6163车床加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。 3.1.6 机构传动方式的确定 为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点： (1) 尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。 (2) 尽量消除传动间隙。例如采用隙齿轮等。 (3) 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。 3.1.7 微机的选择 微机数控系统由CPU、存储器扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。 3.1.8 总体方案框图 图3-1 3.2 横向进给伺服系统机械部分计算与校核实例 3.2.1 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） 3.2.2 杆螺母副的设计、计算与选型 (1) 计算牵引力 横向进给选为三角型或综合导轨 参考《机床设计手册.2》6.2-2；6.2-3表 查阅《综合作业指导书》P22页 式中： ， ， ——切削分力（Ｎ） G——移动部件的重量（N） 表1-1查得横向溜板及刀架重力500N ——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=1.15 (2) 计算最大动负载C 选用滚珠丝杆导轨 参考《机床设计手册.3》P185-P210 查阅《综合作业指导书》P22页 式中：L——寿命，以 转为一单位 n​——丝杆转速（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 ——丝杆导程（mm） 初选 =6mm 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1.2-1.5 (3) 螺母副的选型 查阅《综合作业指导书》附表Ａ-2，可采用WD3006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３级。 (4) 传动效率计算 式中： ——螺旋升角，WD3006 ——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２所示，最大牵引力2087.98N,支承间距Ｌ＝350mm，因丝杆长度较短，不需预紧螺母及轴承预紧。 　 图3-2 计算如下: a) 丝杆的拉伸或压缩变形量 (mm) b) 查阅《综合作业指导书》图3-4,根据 ＝2087.98N,D=30mm查出 可算出： 　　　 c) 滚珠与螺纹滚道间接触变形量 查图3-5得Ｗ系列１列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 　 　　　　　　 因进行了预紧 d) 支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形 　　采用推力球轴承5204查阅《机床设计手册.２》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 >> 此滚珠丝杆不会产生失稳。 (7) 横向滚珠丝杆副的几何参数 (见表1) 表1 参数名称 符号 关系式 WD3006 螺 纹 滚 道 公称直径 30 导程 6 接触角 钢球直径 3.175 滚道法面半径 R 1.651 偏心距 e 0.045 螺纹升角 螺 杆 外径 d 29.365 内径 26.788 接触直径 26.83 螺 母 螺纹直径 D 33.212 内径 30.635 3.2.3 齿轮传动比计算 已确定横向脉冲当量 ，滚珠直径导程 =6mm, 初选步进电动机步距角 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````取2，有关参数参照表2 表2: 传动齿轮几何参数 齿数 Z 18 45 20 32 分度圆 d=mz 36 90 40 64 齿顶圆 40 94 44 68 齿根圆 31 85 35 59 齿宽 (6-10)m 20 中心距 EMBED Equation.3 63 52 3.2.4 横向步进电机的计算，校核和选型 (1) 初选步进电机 a) 计算步进电机负载转矩 查阅《综合作业指导书》P22页 式中: ——脉冲当量，取 ——进给牵引力(N) ——步距角，初选双拍制为 ——电机—丝杆传动效率为齿轮、轴承、丝杆效率之积分别为 b) 估算步进电机起动转矩 根据负载转矩 除以一定的安全系数来估算步进电机起动转矩 (N.cm) 一般横向进给伺服系统取0.4-0.5 c) 计算最大静转矩 查表3-22如取五相十拍，则 d) 计算步进电机运行频率 和最高启动频率 式中: ——最大切削进给速度 ——最大快移速度 ——脉冲当量，取 根据估算出的最大静转矩 在表3-23中查出150BFG2815最大静转矩为245N.cm > 可以满足经济型数控机床有可能使用较大的切削用量，应该选用稍大转矩的步进电机，以留有一定余量，另一方面与国内同类型机床进行类比的要求。决定采用150BFG2915，但从《综合作业指导书》P24页查出，步进电机最高空载启动频率为4000Hz,满足空载时 (3333.33Hz)的要求。 (2) 校核步进电机转矩 前面所述初选步进电机的转矩计算，均为估算，初选后，应该进行校核计算。 a) 等效转动惯量计算 计算简图见图2，根据表3-24，经二对齿轮降速时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量 可由下式计算: 式中: ——齿轮 及其轴的转动惯量 ——齿轮 的转动惯量 ——丝杆转动惯量 ——丝杆导程(cm) G——工件及工作台重量(N) G=500(N) b) 齿轮、轴、丝杆等圆柱体惯量计算 表3-24所示圆柱体转动惯量计算公式如下: 对于钢材， 式中:M——圆柱体质量 D——圆柱体直径 (cm) L——圆柱体长度或原长(cm) 钢材的密度为 因此 基本满足惯量匹配的要求。 c) 电机转矩计算 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: eq \o\ac(○,1) 快速空载起动转矩 在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算如下： 式中: ——快速空载起动转矩 ——空载起动时折算到电机轴上的摩擦转矩 ——折算到电机轴上的摩擦转矩 ——由于丝杆预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩 在采用丝杆螺母副传动时，上述各种转矩 可用下式计算： 式中: ​——传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 ——电机最大角速度 ——电机最大转速 ——运动部件最快速度 ——脉冲当量 ——步进电机的步距角 ——运动部件从停止到起动加速到最大快进速度所需时间(s) 起动加速时间 =30(ms) 折算到电机轴上的摩擦转矩 式中: ——导轨的摩擦力(N) ——垂直方向的切削力(N) G——运动部件的总重量(N) ——导轨摩擦系数，取 =0.15 ——齿轮降速比 ——传动链总效率，一般可取0.7-0.8 附加摩擦转矩: 式中: ——滚珠丝杆预加负荷，一般取 ， 为进给牵引力(N) ——滚珠丝杆导程(cm) ——滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取 上述三项合计: eq \o\ac(○,2) 快速移动时所需转矩 eq \o\ac(○,3) 最大切削负载时所需要的转矩 式中: ——折算到电机轴上的切削负载转矩 从上面计算看出 、 、 三种工况下，以快速空载所需转矩最大，即以此项作为校核步进电机转矩的依据。 从表3-22查出，当步进电机为五相十拍时为 则最大静转矩为: 从表3-23查出150BFG2815最大转矩为为245 ，大于所需最大静转矩，可以满足此项要求。 d) 校核步进电动机起动矩频特性和运行矩频特性 前面已经计算出机床最大快移时，需步进电机的最高起动频率 为3333.33Hz,切削进给时所需步进电机运行频率 为1666.7Hz 从表3-23中查出150BFG2815型步进电机允许的最高空载起动频率为4000Hz，运行频率为16000Hz，再从图3-15，3-16查出150BFG2815步进电机起动矩频特性和运行矩频特性如图3所示: 当快速运动和切削进给时，150BFG2815型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性可以满足要求。 3.3纵向进给伺服系机械部分计算与校核 3.3.1 计算切削力 主切削力F（N）按经验公式估算： —走刀方向的切削分力（N） —车床身上加工最大直径（mm） =630mm =10594.63（N） ： ： =1：0.25：0.4 —走刀方向的切削力 —垂直走刀方向的切削力 = EMBED Equation.3 0.25=2648.66(N) = EMBED Equation.3 0.4=4237.85(N) 3.3.2 丝杆螺母副的计算和造型 (1) 计算进给牵引力 纵向进给选为综合导轨。参考表6.2—2，6.2—3两表〈〈机床设计手册.3〉〉 查书《综合作业指导书》P22 在正常情况下： —考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15 —滑动导轨磨擦系数0.15～0.18 —溜板及刀架重力查《综合作业指导书》表1—1，取 =800N =1.15 2648.66+0.16 (4237.85+500)=2175.94(N) (2) 计算最大动负载C C= EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 参考《机床设计手册.3》P185～P210 选用滚珠丝杆导轨 式中： —滚珠丝杆导程。 初选 —为最大切削力条件下的进给速度，可取最高进给速度的1/2～1/3 取 =1m/min —使用寿命（h），对于数控机车取 =15000h —运转系数，按一般运转取1.2～1.5（查表3—14《综合作业指导》取 为1.2 —寿命以 转为1单位 —丝杆转速r/min EMBED Equation.3 125 EMBED Equation.3 113 C= =19512.57 (3) 滚珠丝杆螺母副的选型 可采用WD6008外循环螺纹调整预紧的双螺母珠丝杆副，1列2.5圈，其额定功动负载为18200（N），精度等级按表《综合作业指导书》表3-17选为3级。 (4) 传功效率计算： = 式中：r—螺旋升角，WD6008 r= —磨擦角取10’ 滚动磨擦系数0.003～0.004 (5) 刚度验算 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如A图所示，最大牵引力2175.94(N)。支承L=1500mm，丝杆螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷1/3。 ① 丝杠的拉伸或压缩变形量 图3-5 查《综合作业指导书》图3-4，根据 =2175.94(N), 查出 10-5 可算出 = =(0.65×10-5×1500)mm=0.975×10-2 mm 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杆进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量 (mm)为 =1/4 =0.975×10-2/2=0.244×10-2mm ② 滚珠与螺纹滚道间接触变形 查《综合作业指导书》图3-5，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 =6.0μm 因进行预紧 =1/2 =1/2×6.0=3.0μm ③ 支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形 采用D8208型推力球轴承， =35mm,滚动体直径 =6.35mm,滚动体数量Z=18, 注意此公式中单位应为N 因施加预紧力，故 =1/2× =1/2×0.009065=0.004528mm 根据以上计算 = ＋ ＋ =0.00244＋0.0030＋0.004528=0.009968<定位精度 因为查表达1-1《综合作业指导书》定位精度为±0.01 (6) 稳定性校核 滚珠丝杆两端采用推力球轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。 (7) 纵向滚珠丝杆副几何参数 表3：WD6008滚珠丝杆副几何参数 参数名称 符号 关系式 WD6008 螺 纹 滚 道 公称直径 60 导 程 8 接触角 2.183 钢球直径 3.969 滚道法面半径 2.064 偏心距 0.0030 螺纹升角 = 螺 杆 外 径 = -(0.2～0.25) 59.2 内 径 = ＋2 －2 55.878 接触直径 = － Cos 56.034 螺 母 螺纹直径 = －2 ＋2 64.122 内 径 = ＋(0.2～0.25) 60.7938 3.3.3 齿轮传动比计算 已知纵向进给脉冲当量=0.01mm/step,滚珠丝杆导程 =8mm，初选步进电动机步距角 ，可计算出传动比 ： = －脉冲当量（mm/step） －滚珠丝杆的基本导程（mm） －步进电机的步距角 = = =3/8 因为可进定齿轮齿数为 = / =24/64 =24 ， =64 根据《机械设计》，又因进给给运动齿轮受力不大，模数m取2， 则有关参数如下表所示(见表4)： 表4：传动齿轮几何参数 齿 数 24 64 分度圆 = EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 48 128 齿顶圆 = ＋2 52 齿根圆 = －2 1.25 46.5 126.5 齿 宽 (6～10) 20 20 中心距 =( ＋ )/2 88 3.3.4 进电机的计算和选型 (1)初选步进电机 ① 计算步进电机负载转矩 = －脉冲当量（mm/step）取 =0.01mm/step －进给牵引力（N）取 =2175.94N －步距角，初选双拍制为 －电机－丝杆的传动效率，为齿轮、轴承、丝杆效率之积，分别为0.98、0.99、0.99和0.94。 = EMBED Equation.3 N.cm ② 算步进电机启动转矩 根据负载转矩除以 一定的安全系数来估算步进电机启动转矩 = /0.3～0.5 一般纵向进给伺服系统的安全系数取0.3～0.4 = /0.4=182.36/0.4=455.9N.mm ③ 计算最大静扭矩 查《综合作业指导书》表3-22，如取五相十拍，则 = =0.951 = /0.951=455.9/0.951=479.39N.mm eq \o\ac(○,4) 计算步进电机运行的频率和最高起动频率 EMBED Equation.3 = HZ = HZ 式中： －最大切削进给速度m/min , =1m/min －最大快移速度m/min, =2m/min －脉冲当量, =0.01mm/step 根据估算出的最大的静转矩 =479.39N.mm在表3-23中查出130BF001最大静扭矩为931N>479.39N可以满足要求，，但从表中看出130BF001步进电机最高空载起动频率为3000HZ，不能满足 =3333HZ的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件开降速程序来解决。 (2) 校核步进电机转矩 前面所初步电机的转矩计算，均为估算，初迭之后，应该进行校核计算。 ①效转动惯量计算 计算简图如前（a）所示，根据《综合作业指导书》表3-24，传动系统计算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算： = ＋ ＋ [( ＋ )＋ ( )] —步进电机转子转动惯量（ ） . —矢轮Z1Z2的转动惯量（ ） —滚珠丝杆转动惯车（ ） 参考同类型机床，初步反应式步进电机BF1， 作台质量折算到电机轴上的转动惯量： 　　　　I4＝( )​2w＝( )2×80＝0.468kg·cm2＝4.68N·cm2 齿轮转动惯量： 　　　　J1＝7.8×10-4×4.84×2=8.281kg·cm2=82.81 N·cm2 J2＝7.8×10-4×12.84×2=53.678kg·cm2 丝杆传动惯量： 　　　 J3=7.8×10-4×64×140=141.52kg·cm2=1415.2 N·cm2 电机转动惯量很小，可以忽略。 因此，总的转动惯量： Ｊ＝ (J3+J2)+J1+J4 =(141.52+53.68)+0.468+8.281 = 130.52 kg·cm2=1305.2 N·cm2 (1) 所需转动力矩计算。 快速空载启动所需力矩： 最大切削力负载时所需力矩： 式中： －－空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩 　　 ――折算到电机轴上的摩擦力矩 　　 ――由于丝杆预紧所引起，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 　　 当 时， 当 时， EMBED Equation.3 　　　　 当 ， 时， 　　　　 N·cm 当 时，预加载荷 则 所以，快速空载启动所需力矩： 快速进给时所需力矩： 切削时所需力矩： 由以上分析计算可知： 所需最大力矩 发生快速启动时： ，所以选择型号WD6008 ③ 校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。 已计算出机床最大快移时需步进电机的最高起动频率 为3333Hz，切削进入时所需步进电机运行频率 为1333.3Hz。 从《综合作业指导书》表3—23中查出型步进电机允许的最高空BF1-160载起动频率为3000Hz，运行频率为16000Hz，再从〈〈综合作业指导书〉〉图3—15，3—16查出BF1-160步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如（C）图所示，当步进电机起动时， 时， ,不能满足此机床所要求的空载起动力矩222.916N.cm。直接使用则会施行失步现象，所以必须采取开降进控制〈用软件实现〉，将起动频率到1000Hz起动转矩可增高到588.4N.cm，然后电路上再采用高低压驱动电路，可将电机输出转矩扩大一倍左右。 当快速运动和切削进给时，BF1-160型步进电机运行矩频特性（D）图完全可以满足要求： 图3-6 4 数控系统硬件电路设计 4.1数控系统基本硬件组成 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成，硬件是数控机床的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能，有了硬件，软件就能发挥作用。 机床数控机床的硬件电路概括起来又以下四部分组成： （1） 中央处理单元CPU。CPU是数控系统的核心。 （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。包括只读可编程存储器和随机读写存储器。 （4） 输入输出接口电路。 由于8031只有P1口和P3口部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。从附录H图H—2可以看出，系统扩展了一片8155和一片8255可编程I/O接口芯片。8155的片选信号CE接74LS138的Y0，8255芯片片选信号CS接到74LS138的Y2端。74LS138三—八译码器有三个输入A、B、C分别接到8031的P2。5，P2。6、P2。7，输出Y0~Y7 8个输出，低电平有效。Y0~Y7对应输入A、B、C的000至111的8种组合，其中Y0对应A、B、C为000，Y7对应A、B、C为111。74LS138还有三个使能端，其中2个（GA和GB）为低电平使能，另一个G1为高电平使能。吸有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。 I/O接口芯片与外设的连接是这样安排的：8155芯片PA0~PA7作为显示器段选信号输出，PB0~PB7是显示器的位选信号输出，PC0~PC4 5根线是键盘扫描输入。8155芯片的IO/M引脚接8031芯片的P2。0，因为使用8155的I/O口故P2。0高电平。 8255芯片PA0~PA6接X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器，为输出，PB0~PB7为三个方向的点动及回零输入，PC0~PC5为面板上的选择开头是输入，设有编辑、单步运行、单段运行、自动、手动I、手动II等方式。 系统各芯片采用全地址译码，各存储器及I/O接口芯片的地址编码如表4—19所示： X向，Y向步进电机硬件环形分配器采用YB015，3—2相通电五相十拍方式工作，故A0，A1引脚均接+5V，Z向步进电机配件环形分配采用YB014，是以2—3相通电四相八拍方式工作。A0、A1接高电平。三个芯片的选通输出控制E0分别接8255的PA0、PA3、PA5，清零R接8255的PA1，正、反转控制端分别接8255的PA2、PA4、PA6，时钟输入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以决定脉冲分配器输出脉冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补时不同的进给速度，可给8155芯片的定时/计数器中设置不同的时间常数。 表5 芯 片 接74LS138引脚 地址选择线 片内地址单元（B） 地址编码 2764（1） 000xxxxxxxxxxxxx 8K 0000H～1FFFH 2764 (2 ) 001xxxxxxxxxxxxx 8K 2000H～3FFFH 6264 010xxxxxxxxxxxxx 8K 4000H～5FFFH 8155 RAM 10011110xxxxxxxx 6 61009EFFH I/O 1001111111111xxx 6 9FF8H～9FFDH 8255 01011111111111xx 4 5FFCH～5FFFH 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，应用程序和运行中所需要的各种数据， 输入输出接口是系统与外界进行交换的 桥梁。总线则是CPU与存储器，接口以及其它转换的纽带，是CPU与部分电路进行交换和通讯的必由之路。 数控系统的硬件框图为： 图4-1 4.2 单片机控制系统的设计 1 向和X向进给伺服系统运动 2 键盘显示 3 自动转位刀架控制 4 螺纹加工控制 5 面板控制 6 行程控制 7其他功能 报警电路、急停电路、复位电路、光隔离电路、功能电路等。 4.2.1 硬件电路的组成 采用MCS-5系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下： a) 采用8031作CPU b) 扩展了两片2764芯片、一片6264芯片 c) 两片8155可编程并行I/O接口。 d) CPU、存储器及I/O接口 CPU采用8031芯片，选用6MHz晶体振荡器。它的 作为数据总线和地址共用。16位地址线由 经地址锁存器74LS373提供8位地址 ，高8位地址 由8031的 口直接提供。ALE为地址锁存允许。 为低电平时选通外部存储器（EPROM），相应的指令字节出现在EPROM的数据线（ ）上，输入到 口，8031将指令读入。RESET为复位控制，当RESET输入端出现高电平时，8031被初始化复位，在复位有效期向ALE、PSEN也输出高电平。当RESET输入端返回低电平后，CPU从O地址开始执行程序。（故设计中一定有一片2764芯片连到74LS138的 ）设计中采用上电复位和开关复位。另外，两片8155的RESET也与8031的RESET管脚相连，它们可同时复位。 8031的 是片内的定时器/计数器溢出中断申请，由主轴后面的光电编码器输入。当车床车螺纹时，主轴光电编码器向8031 发出进给脉冲，用以控制不同导程的螺纹加工。光电编码器还发出一个零位螺纹信号，输入8155(1)的 ，用以防止车螺纹乱扣。 8155(1)主要用于功能键的控制，刀架转位控制以及报警等。其中PA口为输入口， 作为功能键的控制管理，刀架控制编辑、空运行、自动、手动I，手动 和回零。PB口也是输入口， 由面板上的按键分别控制起动、暂停、单段、连续、急停等功能。 是换刀回答，当自动转位刀架按指令转位、夹紧，刀架电机停转之后，发出此信号，开始执行进给指令。 接光电编码器输出的零位螺纹信号。PC口是输出口， 控制自动转位刀架四个刀位的选刀。 用于报警显示，系统正常工作时，输出低电平，绿色发光二极管亮，当系统出现异常情况时，输出高电平，经反向后，红色发光二极管亮，实现报警功能。 8155(2)控制步进电机，行程控制，以及键盘，显示电路。其中 为输出口，用于控制Z向、X向步进电机运转，Z向步进电机为五相，X向为三相。此系统采用软件分配。键盘显示电路为4 6键和6位显示器。 作为键盘的6条列线，是键盘扫描线，是输出口。 接行线作为键盘输入口。 是6位数码显示器的位选信号，8031的 口是数码显示器的段选信号。 接越程限位控制电路，当床鞍或拖板在Z向或X向越程时，即向计算机输入此信号，使进给系统停止。 表6 ：数控车床控制系统芯片地址分配 芯片 接74LS1 38引脚 地址选择线 片内地 址单元 地址编码 2764(1) 000xxxxxxxxxxxxx 8K 0000H-1FFFH 2764(2) 001xxxxxxxxxxxxx 8K 2000H-3FFFH 6264 010xxxxxxxxxxxxx 8K 4000H-5FFFH 8155(1)I/O 0110000100000xxx 6 6100H-6105H 8155(2)I/O 1000000100000xxx 6 8100H-8105H 4.3 C6163经济型数控车床数控系统软件的设计 直线圆弧插补程序设计 在电机设备中，执行部件如果要实行平行斜线和圆弧曲线的路经运动，必须通过两个方向运动的合成来完成。在数控机床中，这是由X、Y两个方向运动的工作台，按照插补控制原理来实现的。 4.3.1 直线插补程序设计 (1) 逐点比较法 用逐点比较法进行直线插补计算，没走一步，都需要以下四个步骤： 偏差判别：判别偏差Fm≧0或Fm≦0，从而啊决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算公式。 坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿+X、+Y、-X、-Y的哪个方向进给。 偏差计算：进给每一步，计算新的加工偏差。 终点判别：进给每一步后，终点计数器减1，若为0，表示到达终点停止插补不为0，则返回到第一步继续插补。终点计算判别可用两个方向的坐标植来判别，也可以由一个方向的坐标植来判别。当Xe﹥Ye，可用X方向的总步数Xe作为终点判别的依据，如动点X等于终点Xe则停止。当Xe标准

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