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1、普通数控机床的数控技术改造目录前 言2一 机 械 部 分3二 微机数控系统硬件电路设计17三 程序编制26总结28参 考 文 献29普通数控机床的数控技术改造摘要本文用简明的语言有侧重的介绍了普通数控机床中CA6140车床进给系统的设计改造过程，第一部分为机械元件的设计，包括了滚珠丝杠、轴承、步进电机、和同步齿形带的计算、选择与应用。第二部分则是电路设计方面的主要内容，以单片机为主体的控制单元可以快捷方便的完成进给任务，其中包括环形分配器和存储器的设计、8031单片机和芯片8155和8255的选择和应用以及管角的功能、光电耦合器和步进电机驱动电路的设计、中断处理的原理和编程。关键词：数控；滚珠
2、丝杠；步进电机前 言金属切削机床是使用切削方法将金属毛坯加工成机器零件的机器.它是制造机器的机器,称为“工作母机”习惯上称为机床.机床的母机属性决定了它在国民经济中的重要地位,机床的技术水平直接影响机械制造工业产品质量和劳动生产率,标志着一个国家的工业生产能力和科学技术水平.由于计算机的发展,新技术的迅速发展和客观需要的多样化,特别是计算机控制在机床上的应用,使机床本身产生了革命性的变化机床必须多品种;技术的加速更新和产品更新换代的加速快,是机床主要面对多品种中小批生产,数控机床加工的全部运动都有电脑控制.不仅保证了加工精度效率,并且高度自动化.还可以完成手工操作无法完成的工作.数控机床作为一
3、种精密加工设备,不但应用广泛,也是一种高科技、高精度、高度机电一体化产品,对国民经济的发展有非常重要的作用.数控机床是一种装有计算机数字控制系统的机床.数控能够处理加工程序,控制机床完成各种加工运动,与普通机床相比,数控机床能够完成平面曲线和空间曲面的加工.一般说来,数控机床由机械部分、数字控制计算机、伺服系统、PC控制部分、液压气压传动系统，冷却润滑及排屑装置等组成。数控机床是由程序控制的，零件的编程工作是数控机床加工的重要组成部分。同时也是数控机床的驱动部分。计算机输出的控制命令是通过伺服系统产生坐标运动的。数控机床具有较高的加工精度，加工质量稳定，生产效率高，功能多，对不同的零件适应性强
4、，能完成普通车床不能完成的复杂表面加工，因此大大减轻了工人的劳动强度，有较高的经济效益，但是数控机床价格昂贵，一次性投资较大，维修和操作较复杂。 我国机床发展水平低，实际工业生产中存在着大量的普通机床，数控机床因为价格昂贵，很难全面普及，因此利用机电一体化新技术对普通机床进行数控化改造，降低成本，提高其加工精度和生产效率。本设计将针对CA6140普通车床的数控化改造，提出自己的看法和计算依据。请老师批评、指正 一 机 械 部 分数控机床进给伺服系统运动及动力计算如下：1主要设计参数如下：加工最大长度1500mm 主轴孔径50mm机床定位精度 + 0.03mm最大回转直径400mm 使用寿命Lh
5、(h)=14400h启动加速时 30ms 传动精度要求 =+0.02mm 或 =-0.02mm溜板及刀架重力（纵向）800N （横向）600N最大进给速度 （纵向）0.6m/min （横向）0.3m/min丝杠长（纵向）3.6m 、 （横向）0.5mnmax=1600r/min丝杠转速（纵向）60r/min （横向）30r/min2 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3 计算切削力3.1 纵车外圆主切削力Fz=0.67Dmax1.5=0.674001.5=5360(N)按切削力各分比例Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4则 Fx=536
6、00.25=1340(N) Fy=53600.4=2144(N)3.2 横切端面主切削力Fz可取纵切的1/2，为2680N.此时走刀抗力为Fy,吃刀抗力为Fx.Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4Fx=26800.25=670 Fy=26800.4=1072N4滚珠丝杠螺母副的计算和选择41横向进给丝杠14.1.1计算进给牵引力Fm=kFx+f(Fz+2Fy+G)h横向进给为燕尾形贴塑导轨。k=1.4 f=0.03Fm=1.4670+0.03(2680+21072+600)=1100.7(N)4.1.2计算载荷Fc(N) 有已知条件查得 kF=1.2, kH=1.0,kA=1.1 则Fc=k
7、FkHkAFm=1.21.01.11100.7=1453(N)4.1.3计算额定动载荷计算值Ca(N) 初选L0=5mmCa=Fc(nzLh/1.67*104)1/3=1453(3014400/1.67104)1/3=4297.2(N)4.1.4确定丝杠型号以及有关数据由于Ca=Ca,查表2-9(郑堤，唐可洪主编，机电一体化设计基础，机械工业出版社出版,第23页)选FYC1D2505-2.5型,Ca=9610N由表2-9得丝杠副的有关数据公称直径 D0=25mm 导程 P=5mm螺旋角 =3o38 滚珠直径 do=3.175mm按表2-1(郑堤，唐可洪主编，机电一体化设计基础，机械工业出版社出
8、版,第17页)中尺寸公式计算：滚道半径 R=0.52do=0.53.175=1.651mm偏心距 e=0.707(R-do/2)=0.707(1.651-3.125/2)=0.0449mm 丝杠内径d1=D+2e-2R=25+21.61=21.78784.1.5稳定性验算 (采用F-S)1)由于一端轴向固定的长丝杠在工作是可能发生失稳，所以设计是应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S，丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr(N)。 Fcr=2EIa/(ul)2 (E=206GPa)因为Ia=d14/64=3.14(0.021788)4/64=1.110-8m4取u=2
9、/3时。Fcr=22061091.110-8/(2/3)0.52=2.01105(N)安全系数S=Fcr/Fm=2.01105/1100.7=182.68 S=1.53.3.2)高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速临界转速ncr,需求丝杠的最大转速nmax1600r/min所以丝杠工作时不会发生共振。3)此外滚珠丝杠副还受D0n值的限制，通常要求D0n7104mm.r/min即D0n=2530=750mm.r/min7104mm.r/min所以丝杠副工作稳定。4.1.6刚度验算 滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(N.m)共同作用下引起每个导程的变形量 l0(m)为
10、 l0=(+PF/EA)+(+P2T/2 GJc)或 l0=(-PF/EA)+(-P2T/2 GJc) 其中A为丝杠截面积A=1/4 d12,Jc为丝杠极惯性矩。Jc=(/32)d14,G为丝杠切变模量，对钢G=83.3Gpa,T(N.m)为转矩。T=Fm(D0/2)tg(+), 为摩擦角，其正切值为摩擦系数，Fm为平均工作负载，取摩擦系数为tg=0.003，则 =0.172o=1019 T=1100.7(25/2)10-3tg(3o38+1019)=0.9139(N.m)按最不利的情况(F=Fm)时l0=PF/EA+P2T/2 GJc=4PF/ Ed12+16P2T/ 2Gd14=4510-
11、31100.7/3.14206109(0.021788)2+16(510-3)20.9139/(3.14)283.3109(0.021788)4=73.6810-9m则丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为 l=L( l0/P)=0.5(7.36810-2/510-3)=7.368u m 通常要求丝杠的导程误差l应小于其传动精度的1/2。即 l1/2=(1/2)0.02mm=0.01mm=10m 所以其刚度可满足要求。4.1.7效率验算 滚珠丝杠副的传动效率 为 =tg/tg(+)=tg3o38/tg(3o38+1019)=95.6% 要求在90%95%之间，所以该丝杠合格。 经上所述计算
12、验证,滚珠丝杠副支撑形式为一端固定一端游动，满足条件。因此滚珠丝杠副支撑形式选两端固定也满足条件，即FYC1D25052.5各项性能均符合题目要求，可选用。4.2 纵向进给丝杠 4.2.1计算进给牵引力（N） 纵向进给为综合性导轨=K+(+G) = 1.151340+0.16(5340+1000) =2560 式中K考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15滑动导轨摩擦系数：0.150.18 G 溜板及刀架重力X：G=1000N 4.2.2 计算最大动负载c c= L= n=式中 滚珠丝杠导程，初选 6 mm 最大切削力下的进给速度，可取最大进给速度的（），此处=0.6m/min T
13、使用寿命，按1500 h ; 运转系数，按一般运转而=1.21.5 L 寿命，以转为1单位 n=50 r/min L=s = 4.2.3 滚珠丝杠螺母副的选型号查附录A表3，可采用L400b外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，例2.5圈，其额定动负载为16400 N，精度等级按表4-15选为3级（大至相当于老标准E级）4.2.4 传动效率计算 -式中螺旋升角， 摩擦角取 滚动摩擦系数0.0030.004 = 4.2.5 刚度验算先画出此纵向进给滚动丝杠支承方式草图如图所示。最大牵引力为2530(N)。支承间距L=1500mm丝杠螺母轴承均预紧，预紧为最大轴向负荷的。1） 丝杠的拉伸或压缩变形量d根据=2530（N），查出d=1.2，可算出：由于两端均采用的推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，鼓起拉压刚度可以提高4陪。其实际变形量为： 2）滚
