机电一体化

机电一体化

学院：工程机械学院

专业：机械制造及其自动化

姓名：冯国栋

学号:2013125029

CA6140车床经济型数控改装设计

一、任务分析

1．设计题目：CA6140车床经济型数控改装设计

2．设计内容与要求：将CA6140普通车床改造成经济型数控车床。要求该车床具有切削螺纹的功能，纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm，横向：0.005mm。

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

横行 1.2m/min

最大切削进给速度

纵向0.5m/min

横行0.25m/min

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

最小指令值

纵向0.01mm/pulse

横行0.005mm/pulse

刀具补偿量0~99.99mm

进给传动链间隙补偿量

纵向0.15mm

横行0.075mm

自动升降速性能有

二. 总体方案设计

接到数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定

各种设计参数和结构，然后再分机械部分和电气部分进行设计计算。现以机电一体化的典型产品经济型数控机床为例，分析总体方案的拟定的内容和应该考虑的问题。

机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择，执行机构的结构及传动方式的确定，微型计算机数控系统的选择、设计等。应根据毕业设计任务书及要求提出系统总体方案，对方案进行分析比较和论证，最后确定总体方案。

1．总体设计方案的论证

对于普通机床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵守的基本原则是：在满足设计要求的前提下，对机床的改造应尽可能少，以降低成本。

1)数控系统运动方式的确定

数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续（轮廓）控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控（MNC）系统采用连续控制系统。

2)伺服进给系统的选择

数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。

采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差、传动间隙及干扰等对加工精度的影响。但它结构复杂、技术难度大、调试和维修困难、造价高。对于所改造的CA6140车床的加工精度要求不很高。采用闭环控制系统的必要性不大。

采用直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间。由于调速范围宽、过载能力强，又具有反馈控制，因此性能远优于以步进电机驱动的开环控制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统的稳定性较易保证，所以比闭环容易实现。但是，采用半闭环控制，调试比开环要复杂，设计上有其自身的特点，技术难度较大。本设计任务书的要求不高，是经济性数控的改造，通常的情况下均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。缺点是步进电机没有过载能力。启动频率低，工作频率也不高等。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济性数控设备中。

经过上述比较，决定采用开环控制系统。

纵向进给机构的改造：拆去原有机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，配上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾，并不占据丝杠空间。由于采用了滚珠丝杠可提高系统的精度和纵向进给整体刚度。

横向进给机构的改造：由于原横向进给的丝杠空间有限，一种方法是拆除横向丝杠换上滚珠丝杠，但在现有的滚珠丝杠系列中选出合适的丝杠副较困难，需特制滚珠丝杠副，为了便于安装，滚珠丝杠副的丝杠轴不是整体的，而采用分移式，然后用联轴器联接；另一种方法是采用原丝杠，这样做就避免了特制滚珠丝杠副的麻烦，减少了成本，但需采用电气补偿丝杠精度和反向间隙的措施。本方案采用前者，并保留横向原手动机构，横向步进电机和减速箱安装在机床后侧。

3)数控系统的硬件电路设计

任何一个数控系统都有硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直

接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。数控系统中的关键部分是数控装置。

数控装置的设计方案选择也有多种方案，通常有：

①.可以全部自己设计、制作；

②.可以采用单板机或STD模块或工业控制机改制；

③.可以选用现成的数控装置作少量的适用化改动或配接。

在普通机床的经济性数控改造中，一般多采用后两种方法。一般情况下，所需的数控功

能和要求如果有现成的数控装置可以满足，这时通常都采取购置现成数控装置的方案，因为自行设计制作不但费时间，且不经济，同时质量上也难于保证，另一种情况是购置现成的数控装置产品满足不了所需的数控功能，这时可将购置的数控装置经自行补充或改造其硬件电路，来满足本设计要求。但作为毕业设计即使是采用上述两种数控装置的设计方案，也需对其结构、原理、控制方式等有所了解，才能提出自己的处理办法，也可以采用自行设计数控装置的方案和数控装置，可以更全面地训练学生运用计算机、数控系统硬件电路的设计和应用的能力，其难度比较大，也为今后从事其它类似的工作打下坚实的基础。本设计实例采用第一种方法即自行设计数控装置。

在自行设计的数控装置中，CPU的选择是关键。选择CPU应考虑以下要素：

a)时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切关系；

b)可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关；

c)指令系统功能的强弱与编程的灵活性相关；

d)I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关；

e)开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路，与开发周期、推广应用相关；

除此之外，还应根据数控系统应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起

来考虑以确定CPU。

2．总体设计方案的确定

经总体设计方案的论证后，确定的CA6140车床经济性数控改造的总体方案示意图如图

3-1所示。CA6140车床的主轴转速部分保留原机床的功能，既手动变速。车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电机驱动。由MCS-51系列单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O接口、软件环形分配器（硬件环分器）与放大器控制功率步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电动机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转。发出两路信号；每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给微机。

图 3-1 总体方案示意图

三、机床进给伺服系统机械部分设计计算过程

伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下：

1确定系统脉冲当量

一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定

单位。脉冲当量是衡量数控加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床常采用的脉冲当量市0.01~0.005mm/pulse 。脉冲当量有时也由设计任务书中直接给出。

2用经验公式计算主切削力 1）纵车外圆切削力的计算

纵车外圆时，车床的主切削力可用下式计算纵切外圆：

5

.1max 67.0D F z = 式中 ：max D 为车床床身上加工最大直径，单位为mm

1.50.674005360z F N =?=

2）求出主切削力z F 以后再按以下比例分别求出分力x F 和y F 。

4

.0:25.0:1::=y x z F F F

则 ： x F =0.25?5360=1340N ， y F =0.4?5360=2144N 式中 x F ——走刀方向的切削分力（N ）；

y F ——垂直走刀方向的切削分力（N ）。

图3-2纵切和横切时切削力的示意图

3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型

滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d 0（或丝杠外径d ）、导程L 0、滚珠的工作圈数j 、列数K 、精度等级。 滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。可 参照《机电一体化技术手册》选用。

滚珠丝杠副的预紧方式有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等预紧方式。可参照《机电一体化技术手册》选用。 滚珠丝杠副的计算步骤如下：

1）计算进给率引力F m ：

作用在滚珠丝杆上的进给引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，因而其数值大小和导轨的型式有关，由《现代实用机床设计手册》表3-1-7中进给力计算公式计算工作负载，对于三角形或综合导轨

)(G F f KF F z x m +'+=

式中 K ——考虑颠覆力矩影响的系数，综合型导轨 1.15K =；

'f ——在导轨上的当量摩擦系数，'0.150.18f =～，此时取f=0.18 G ——移动部件的重量，估算N 1000G =。 .5N 296810005360.18013405.11)(F 'm ≈+?+?=++=N W F f KF z x ）（

2）计算最大动负载C

选用滚珠丝杠副的直径d 0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106

转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C ，可用下式计算：

m w F f L C 3= 式中 L ——寿命，以106

转为一单位，

6

10

60T

n L ??=

n ——丝杠转速，（r/min ），用下式计算

1000L v n s

= s v ——为最大切削力条件下的进给速度（m/min ），可取最大进给速度的1/2~1/3； 0L ——丝杠导称，（mm ）；

T ——为使用寿命，（h)，对于数控机床取T=15000h ； w f ——运转系数，见表3-1。

则:

min /7.41min /6

25

.010*******r r L v n s ≈?==

50.3710150007.416010606

6≈??=??=T n L （万转） N 88.129165.29683.15.3733=??==m w F f L C 从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸

系列表中可以找出相应的额定动负载a C 的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应使a C C <，见《机电一体化技术手册》。

3）计算最大静负载C 0

当滚珠丝杠副的静态或低速（min /10r n ≤）情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面产生塑性变形，当塑性变形超出一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生这样大的塑性变形量时的负载称为允许的最大静负载C 0

max 0F f C S ?=

式中 m ax F ——滚珠丝杠的最大纵向负荷，（N ）；

S f ——静态安全系数，当为一般运转时2~1=s f ，当有冲击或振动时，

3~2=s f 。

N F f C S 32.1937588.129165.1max 0=?=?=

选用相应的滚珠丝杠副的额定静载荷oa C ，使oa o C C <。

查阅《现代实用机床设计手册》表3-7-68，选取CDM4006-5-P3型滚珠丝杠副，2.5圈2列，即外循环插管式双螺母垫片预紧导珠管埋入式滚珠丝杠副，其最大额定动载荷为=a C 28370N>N 88.12916C =，N C N C a 62.2436132.1937500=<=所以强度够用。

4）传动效率计算

根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率0η为

）（?γγ

η+=

tan tan 0

式中 γ——螺纹的螺旋升角；这里取‘

253.?。

?——摩擦角，其值约等于'

10。

则：

.928010253tan 253tan '

''0≈+=??）

（）

（η 0η通常要求在90%-96%之间，所以该丝杠满足要求。

5）刚度验算

滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量1δ：在总的变形量中占的比重较大。

可以用计算方法或查图表的方法决定。

先用下式计算滚珠丝杠受工作负载F m 的作用引起的导程L O 的变化量L ?（mm ）再计算

滚珠丝杠总长度上的拉伸或压缩变形量1δ。

6

44

2968.56 1.111020.6107.7910

m o F L L mm EF -???=±

=±=±????（“+”号用于拉伸，“-”号用于压缩）

式中 L ?——在工作负载F m 作用下引起每一导程的变化量，（mm ）； m F ——工作负载，即进给率引力7.79×（N ）； o L ——滚珠丝杠的导程，（mm ）；

E ——材料弹性模量，对钢4

2

20.610(/)E N mm =?；

F ——滚珠丝杠截面积（按内径确定）（mm 2

）。查《现代实用机床设计手册》表3-7-68

得，d=3.15cm ），则22229.775.134

14

.34cm cm d S ≈?=

?=

π

丝杠在750mm 长度上导程的变形总量误差总L ?为

6

0 1.1110750/13.88m/m 0.006

L L L um m u L -???=?=?=总

式中 L ——滚珠丝杠在支承间的受力长度，（mm ）。

此丝杠最大行程为mm l 750=，则总误差为0.7513.8810.41l L um um ?=??=?=总，因3级精度丝杠允许的螺距误差为um 12，故此丝杠的精度足够。

6）稳定性验算

对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。

产生失稳的临界负载K F 可用下式计算：

2

2l

EI f F Z K π= 式中 E ——丝杠材料弹性模量，对钢6106.20?=E （N/cm 2）；

I ——截面惯性矩（cm 4），丝杠截面惯性矩4164

d I π

=

（1d 为丝杠螺纹的底径

1d =31.5）；

l ——丝杠两支承端距离750（cm ）

Z f ——丝杠的支承方式系数。见表3-2

表3-2

滚珠丝杠的支承方式系数

2

2l

EI

f Fc Z π==257224.797N 此时

257224.79786.6542968.5c p F F =≈>>（满足稳定性条件4≥p

c F F ），所以此丝杠满足稳定性要求。

7）滚珠丝杠螺母副几何参数计算

滚珠丝杠副在确定了公称直径0d 和导程0L 以后，可按表3.2-3计算各部分的几何参数。

8）滚珠丝杠副的精度等级

滚珠丝杠副的精度，按机械工业部标准JB3162.2—91的规定，分为七个等级，即1、2、3、4、5、7和10级，1级精度最高，依次逐级降低。通常数控机床根据定位精度的要求选用1~5级精度的滚珠丝杠。表3.2-4给出1~5级精度的行程公差。

4. 导轨的计算和选型

1）滚动导轨的计算和选型

目前，滚动导轨在数控机床上的应用非常广泛，因为其摩擦系数小，

0025

f

=

.0

005

.0

~

动、静摩擦系数很接近，且不受运动速度变化的影响，运动轻便灵活，所需驱动功率小；摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高。

滚动导轨的设计和选型包括选择结构形式，确定预紧方式，计算和确定几何参数。可参照《机电一体化设计手册》。

2）塑料导轨的应用

目前，在普通机床上仍广泛地应用滑动导轨，因其具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性强等优点。但是传统的铸铁—铸铁、铸铁—淬火钢的导轨副，其静摩擦系数

大，动摩擦系数随速度变化而变化，摩擦损失大，低速时易出现爬行现象而降低运动部件的定位精度，因此目前在数控机床上已不采用，而代之以铸铁—塑料或镶钢—塑料导轨。它们主要包括以下两种类型。

（1） 贴塑导轨

聚四氟乙烯软胶带，是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混

合烧结而成。它具有摩擦特性好、耐磨性好、减振性好等特点，已成功地使用在中、小型数控机床上。这种软带可在原有滑动导轨面上用粘结剂粘结，加压固化后进行精加工，故一般称之为贴塑导轨。由于其工艺较简单，对原有滑动导轨不需作大的改动，故在普通机床数控化改装上应用很广泛。

（2） 涂塑导轨（或称注塑导轨）

涂塑导轨是以环氧树脂为基体，加入二硫化钼和胶体石墨以及铁粉等混合而成，再配以

固化剂调匀涂刮或注入导轨面。这种涂塑导轨具有良好的摩擦特性和耐磨性，可使用在大型、重型数控机床上。

5. 进给伺服系统传动计算

1）传动比的确定

当机床脉冲当量和滚珠丝杠导程确定后，可以先初选步进电机的步距角，由设计任务可确定纵向进给脉冲当量0.01p mm δ=，滚珠丝杠导程06L mm =，初选步进电机步距角

?=75.0θ。齿轮箱为减速箱，用下式计算进给伺服系统的传动比i ：

25.101

.03606

75.03600=??=??=?

??p L i δθ 式中 p δ——脉冲当量（mm/步）；

0L ——滚珠丝杠的基本导程（mm ）；

b θ——步进电机的步距角。

计算出传动比i 以后，再根据降速级数决定一对或两对齿轮的齿数、模数和各项技术参数。因为进给伺服系统传递功率不大，一般取模数2~1=m ，数控车床可取2=m 。 由12z z i =（21z z 、为降速齿轮的齿数）可计算和选取齿数。

可选定齿轮齿数为

20

25324012或==

z z i 即132z =，240z =或120z =，225z =，齿轮模数mm m 2=，齿轮传动时效率8.90=i η。

2) 传动方案的确定

纵向减速机构的传动方案图如图3-2所示: 3) 传动装置运动、动力参数

①.各轴转速：由设计任务知，车床最大切削进给速度：0.5m/min ，则可得丝杠最大切削进给转速为

min /33.523min /006

.05

.02211r r P v n h ≈?==

ππ 则电动机轴的转速为