CA6140车床横向进给系统数控改造设计说明书.docx
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CA6140车床横向进给系统数控改造设计说明书
CA6140车床数控改造设计说明书
1.绪论1
2.设计要求3
2.1总体方案设计要求3
2.2设计参数4
2.3.其它要求4
3.进给伺服系统机械部分设计与计算8
3.1进给系统机械结构改造设计9
3.2横向进给伺服系统机械部分的计算与选型10
3.2.1确定系统的脉冲当量10
3.3.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤14
3.3.4齿轮有关计算16
3.3.4
（2）横向齿轮及转矩的有关计算20
4.步进电动机的计算与选型23
4.1步进电动机选用的基本原则23
4.2步进电动机的选折24
5.主轴交流伺服电机24
5.1机床主运动电机的确定26
5.2主轴的变速范围26
5.3初选主轴电机的型号27
5.4主轴电机的校核27
6.微机控制系统硬件电路设计28
6.1控制系统的功能要求28
6.2硬件电路的组成28
6.3设计说明31
7．安装调整中应注意的问题31
7.1滚珠丝杠副的特点31
7.2滚珠丝杠螺母副的选择32
7.3滚珠丝杠螺母副的调整32
7.4联轴器的安装32
7.5主轴脉冲发生器的安装32
结论35
参考文献36
绪论
数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构.较好地解决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。
能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制：
（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；
（2）目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费；（3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。
要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。
普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。
机床数控化改造的优点：
（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；
（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。
目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3％。
用普通机床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。
普通车床（如C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。
普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。
进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。
刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。
对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。
这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。
由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。
2设计要求
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类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。
（1）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。
（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。
（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，经济型数控机床一般采用8位微机。
在8位微机中，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、具有很高的性价比，因此，可选MCS—51系列单片机扩展系统。
（4）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）设计自动回转刀架及其控制电路。
（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、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。
（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。
（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。
2.2设计参数
设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。
现列出CA6140卧式车床的技术数据：
名称技术参数
在床身上400mm
工件最大直径
在刀架上210mm
顶尖间最大距离650;900;1400;1900mm
宋制螺纹mm1---12（20种）
加工螺纹范围英制螺纹t/m2---24（20种）
模数螺纹mm0.25---3（11种）
径节螺纹t/m7---96（24种）
最大通过直径48mm
孔锥度莫氏6#
主轴正转转速级数24
正转转速范围10—1400r/min
反转转速级数12
反转转速范围14---1580r/min
纵向级数64
进给量纵向范围0.028---6.33mm/r
横向级数64
横向范围0.014---3.16mm/r
滑板行程横向320mm
纵向650;900;1400;1900mm
最大行程140mm
刀架最大回转角±90°
刀杠支承面至中心的距离26mm
刀杠截面B×H25×25mm
顶尖套莫氏锥度5#
尾座
横向最大移动量±10mm
外形尺寸长×宽×高2418×1000×1267mm
圆度0.01mm
工作精度圆柱度200:
0.02
平面度0.02/φ300mm
表面粗糙度Ra1.6---3.2μm
主电动机7.5kw
电动机功率
总功率7.84kw
改造设计参数如下:
最大加工直径在床面上400mm
在床鞍上210mm
最大加工长度1000mm
快进速度纵向2.4m/min
横向1.2m/min
最大切削进给速度纵向0.5m/min
横向0.25m/min
溜板及刀架重力纵向800N
横向600N
代码制ISO
脉冲分配方式逐点比较法
输入方式增量值、绝对值通用
控制坐标数2
脉冲当量纵向0.01mm/脉冲
横向0.005mm/脉冲
机床定位精度±0.015mm
刀具补偿量0mm---99.99mm
进给传动链间隙补偿量纵向0.15mm
横向0.075mm
自动升降速性能有
2.3.其它要求
（1）原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本
缩短改造周期。
（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正
安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。
3进给伺服系统机械部分设计与计算
3.1进给系统机械结构改造设计
进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板
刀架等改造的方案不是唯一的。
以下是其中的一种方案：
挂轮架系统：
全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。
进给箱部分：
全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成
丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。
溜板箱部分：
全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操
作按钮。
横溜板箱部分：
将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺
母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。
刀架：
拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。
3.2横向进给伺服系统机械部分的计算与选型
进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：
确定脉冲当量、计算切削力
滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。
计算简图如下图所示：
3.2.1确定系统的脉冲当量
脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机
床加工精度的一个基本参数。
因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。
对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技术参数中，要求纵向脉冲当量fp为0.01mm/step。
横向脉冲当量为fp=0.005mm/step。
3.2.2横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤
（1）型号选择
1）最大工作载荷计算
由于导向为贴塑导轨，则：
k=1.4f’=0.05,F1为工作台进给方向载荷，
Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,
最大工作载荷：
Fm=kF1+f’（Fv+2Fc+G）
=1.4×2144+0.05（5360+2×1340+9.8×75）
=3440.4N
2）最大动载荷的计算
V横=1400r/min×0.79mm/r=1106mm/min
n横丝=v横×1/2/L0纵=1106×1/2/4=138.25r/min
L=60nt/=60×138.25×15000/106=124.43
C=
fmFm=
×1.5×3440.4=25763.7N
∴初选滚珠丝杠型号为：
CD50×6-3.5-E
其基本参数为Dw=3.969mm,λ=2o11’,L0=6mm,dm=50mm,圈数×列数×3.5×1
（2）横向滚珠丝杠的校核
1）传动效率η计算
η==tgλ/tg（λ+φ）=tg2o11’/tg（2o11’+10’）=93%
2）刚度验算
1.丝杠的拉压变形量
δ1=±Fm×L/EA=±3440.4×320/20.6×104×π×252=±0.0027mm
2.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量
δ2=0.0013×
=0.0013×
2
=0.0070mm
在这里Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N
Z=πdm/Dw=3.14×50/3.969=39.56
Z∑=39.56×3.5×1=138.48
丝杠的总变形量
δ=δ1+δ2=0.0027+0.0070=0.0097mm<0.015mm
查表知E级精度允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格
3.2.3齿轮有关计算
（1）纵向齿轮及转矩的有关计算
1）有关齿轮计算，由前面的条件可知：
工作台重量：
W=80kgf=800N（根据图纸粗略计算）
滚珠丝杠的导程:
Lo=12mm
步距角:
α=0.75°/step
脉冲当量:
δp=0.01mm/step
快速进给速度：
Vmax=2m/min
所以,变速箱内齿轮的传动比
i=
=
=
=2.5（3-9）
齿轮的有关参数选取如下:
Z1=32,Z2=40,模数m=2mm
齿宽b=20mm压力角α=20°
齿轮的直径d1=mz1=2×32=64mm
d2=mz1=2×40=80mm
dα2=d1+2ha*=68mm
dα2=d2+2ha*=84mm
两齿轮的中心矩a=
=
=72mm
2）转动惯量计算
工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量:
J1=W（
）2=（
）2×80×
=0.467kg.cm2（3-10）
对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算:
J=7.8×10-4D4Lkg.cm2（3-11）
式中D---圆柱形零件的直径,cm
L---零件的轴向长度,cm
所以,丝杠的转动惯量:
J1=7.8×10-4+D4L1=7.8×10-4×3.24×140.3=11.475kg.cm2
齿轮的转动惯量:
=7.8×10-4×6.44×2=2.617kg.cm2
=7.8×10-4×84×2=6.39kg.cm2
电动机转动惯量很小,可忽略。
因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量
J=（1/i2）（JS+Jz2）+Jz1+J1=（1/2.52）（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942kg.cm2=59.42N.cm2
3）所需转动力矩计算
快速空载启动时所需力矩
M=Mamax+Mf+Mo
最大切削负载时所需力矩
M=Mat+Mf+Mo+Mt
快速进给时所需力矩
M=Mf+Mo
式中,Mamax---空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩;
Ma---折算到电动机轴上的加速度力矩;
Mf---折算到电动机轴上的摩擦力矩;
Mo---由丝杠预紧所引起,折算到电动机轴上的附加摩擦力矩;
Mat---切削时折算到电动机轴上的加速力矩;
Mt---折算到电动机轴上的切削负载力矩;
Ma=
×10-4N.m（3-12）
式中,J---转动惯量,kg.cm2
n---丝杠转速,r/min
T---时间常数,s
当n=nmax时Ma=Mamax
nmax=
=
=416.7r/min
Mamax=
×10-4=2.49N.m
当n=nt时,Ma=mat
nt=
=
=
=24.88r/min
Mat=
×10-4=0.0616N.mMf=
=
N.cm（3-13）
式中f’---导轨上的摩擦系数
nt---切削加工时的转速，r/min;
w---移动不见的重量，N;
Lo---丝杠导程，cm;
i---传动比；
η---传动效率。
当η=0.8f’=0.16时，
Mf=
=12.23N.cmMo=
（1-
）（3-14）
式中，ηo---丝杠未预紧时的效率，取0.9
FO---预加载荷，一般为最大轴向载荷的1/3，即FP/3
则Mo=
=
×（1-0.92）=8.108N.cm
Mt=
=
=128N.cm
所以，快速空载启动所需力矩
M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338N.cm
切削时所需力矩
M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42N.cm
快速进给时所需力矩
M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338N.cm
由以上分析计算可知：
所需最大力矩Mamax发生在快速启动时
Mmax=123.338N.cm
（2）横向齿轮及转矩的有关计算
1）有关齿轮计算，由前面的条件可知：
工作台重量：
W=30kgf=300N（根据图纸粗略计算）
滚珠丝杠的导程:
Lo=4mm
步距角:
α=0.75°/step
脉冲当量:
δp=0.005mm/step
快速进给速度：
Vmax=1m/min
所以,变速箱内齿轮的传动比
i=
=
=
=1.67
齿轮的有关参数选取如下:
Z1=18,Z2=30,模数m=2mm
齿宽b=20mm压力角α=20°
d1=36mmd2=60mm
da1=40mmda2=64mma=48mm
2）转动惯量计算
工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量:
J1=W（
）2=（
）2×30×
=0.0439kg.cm2
丝杠的转动惯量:
Js=7.8×10-4×24×50=0.624kg.cm2
齿轮的转动惯量:
=7.8×10-4×3.64×2=0.262kg.cm2
=7.8×10-4×64×2=2.022kg.cm2
电动机转动惯量很小,可忽略。
因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量
J=（1/i2）（JS+Jz2）+Jz1+J1=（
）2（0.624+2.022）+0.262+0.0439=1.258kg.cm2=12.58N.cm2
3）所需转动力矩计算
nmax=
=
=416.7r/min
Mamax=
×10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cm
nt=
=
=
=33.17r/min
Mat=
×10-4=0.0174N.m=0.174kgf.cm
Mf=
=
=
=0.287kgf.cm=0.028N.m
Mo=
=
×（1-0.92）=0.649kgf.cm=0.065N.m
Mt=
=
=10.242kgf.cm=1.024N.m
所以，快速空载启动所需力矩
M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm=25.32N.cm
切削时所需力矩
M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52N.cm
快速进给时所需力矩
M=Mf+Mo=0.287+0.649=0.936kgf.cm=9.36N.cm
由以上分析计算可知：
所需最大力矩Mamax发生在快速启动时
Mmax=2.532kgf.cm=25.32N.cm
4步进电动机的计算与选型
4.1步进电动机选用的基本原则
合理选用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据电动机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。
现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：
4.1.1步距角α
步距角应满足α≤
（4-1）
式中，i---传动比
αmin---系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角
4.1.2精度
步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足：
△θm≤i[△θs]（4-2）
式中，△θm---步进电动机的累积误差。
[△θs]---系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。
4.1.3转矩
为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件
a.起动力矩。
一般选取为
Mq≥MLo/0.3-0.5（4-3）
式中，Mq---电动机起动力矩
MLo---电动机静负载力矩
根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表（4）所示，表中MJM为步进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。
运行方式
相数
3
3
4
4
5
5
6
6
拍数
3
6
4
8
5
10
6
12
Mg/Mjm
0.5
0.866
0.707
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
表（4）步进电动机相数、拍数启动力矩表
在要求的运行频率范围内，电动机运行运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。
4.1.4启动频率
由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：
Ft≥[fop]m（4-4）
式中，ft---极限启动频率，
[fop]m---要求步进电动机最高启动频率。
4.2步进电动机的选折
4.2.1CA6140横向进给系统步进电机的确定
Mq=
=63.3N.cm
电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知：
Mq/Mjm=0.866
所以步进电动机最大静转矩Mjm为：
Mjm=
=73.09N.cm
步进电动机最高工作频率：
fmax=
=3333.3HZ
为了便于设计和采购，仍选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。
5主轴交流伺服电机
5.1主轴的变速范围
主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围Rn，
即Rn=nmax/nmin,数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化很大，所以主轴变速范围很宽。
由于Nmax=1800nmax=14
Nmax/nj=2nj/min（5-1）
则nj=
=113r/min
这里nj为电动机的额定转速
该机床主轴要求的恒功率调速范围Rn为：
Rn=nmax/nj
=1800/113=15.9（5-2）
主轴电机的功率是：
7.5kw
5.2初选主轴电机的型号
选主轴电机的型号为：
SIMODRIVE系列交流主轴驱动系统型号为1HP6167-4CB4，连续负载PH/KW=14.5，间隙负载（60%）/kw=17.5kw,短时负载（20min）/kw=19.25kw,额定负载n/r.min-1=5000,最大转速nmax/r/min=8000，额定转矩277N.m,惯性矩0.206/kg.m2晶体管PWM变频器型号为6SC6058-4AA02
5.3主轴电机的校核
电动机恒恒功率调速范围：
Rn=nmax/nmin
=8000/5000=16
所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围。
6微机控制系统硬件电路设计
6.1控制系统的功能要求
（1）z向和x向进给伺服运动控制
（2）自动回转刀架控制
（3）螺纹加工控制
（4）行程控制
（5）键盘及显示
（6）面板管理
（7）其他功能：
光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。
6.2硬件电路的组成：
后面所画大图采用MCS-51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：
（1）CPU采用8031芯片；
（2）扩展程序存储器2764两片，6264一片；
（3）扩展可编程接口芯片8155两片；
（4）地址锁存器，译码器个一个；
（5）键盘电路，显示电路；
（6）光电隔离电路，功率放大功率；
（7）越程报警电路，急停电路，复位电路；
（8）面板管理电路。
6.3设计说明
（1）CPU采用8031芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有128字节，因此，扩展外部程序存储器2764两片（16KB），数据存储器6264（8KB）一片。
8031的I/O口也不能满足输入输出口的要求，本系统也扩展了两片8155可编程接口芯片。
（2）采用74LS138三--—八译码器的输出作为片选信号。
2764
（1）、2764
（2）、6264、8155
（1）
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