臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)-縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 I 頁 共 Ⅰ 頁
目 錄
1 緒論 1
1.1 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3 普通機(jī)床數(shù)控改造的意義 3
1.4 本文的設(shè)計(jì)任務(wù) 3
2 C6140普通車床數(shù)控改造的總體方案設(shè)計(jì) 5
2.1 C6140普通車床介紹 5
2.2 總體方案的確定 6
2.3 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案 8
3 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)與計(jì)算 13
3.1 脈沖當(dāng)量的確定 13
3.2 切削力的計(jì)算 13
3.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)及計(jì)算 14
3.4 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算 18
3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 19
4 傳動(dòng)間隙的調(diào)整與預(yù)緊及導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 22
4.1 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整與預(yù)緊 22
4.2 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)齒輪間隙的消除 23
4.3 數(shù)控改造C6140車床導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 24
5 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì) 28
5.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 28
5.2 單板機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28
5.3 軟件設(shè)計(jì) 31
結(jié)束語 33
致 謝 34
參 考 文 獻(xiàn) 35
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 36 頁 共35頁
1 緒論
1.1 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀
1.1.1 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀
近年來我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以FMS模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世界第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第3位，達(dá)47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費(fèi)額比上一年增長(zhǎng)25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場(chǎng)的需求，使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢(shì)，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)24.06億美元，比上年增長(zhǎng)27.3%。近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。
1.1.2 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)
（1）新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位。
（2）數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大幅度增長(zhǎng)，數(shù)控化率顯著提高。
2001年國內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá)1.8萬臺(tái)，比上年增長(zhǎng)28.5%。金切機(jī)床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率從2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。
（3）數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。?
1.1.3 國外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀
（1）國際機(jī)床市場(chǎng)的消費(fèi)主流是數(shù)控機(jī)床。
1998年世界機(jī)床進(jìn)口額中大部分是數(shù)控機(jī)床，美國進(jìn)口機(jī)床的數(shù)控化率達(dá)70%，我國為60%。目前世界數(shù)控機(jī)床消費(fèi)趨勢(shì)已從初期以數(shù)控電加工機(jī)床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床為主轉(zhuǎn)向以加工中心、專用數(shù)控機(jī)床、成套設(shè)備為主。
（2）國外數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益普遍運(yùn)用，數(shù)控機(jī)床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化已成為必然的趨勢(shì)和方向，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入制造工廠的車間只是時(shí)間的問題。從另一角度來看，目前流行的ERP即工廠信息化對(duì)于制造業(yè)來說，僅僅局限于通常的管理部門（人、財(cái)、物、產(chǎn)、供、銷）或設(shè)計(jì)、開發(fā)等等上層部分的信息化是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工廠、車間的最底層加工設(shè)備——數(shù)控機(jī)床不能夠連成網(wǎng)絡(luò)或信息化就必然成為制造業(yè)工廠信息化的制約瓶頸，所謂的ERP就比較“虛”沒有能夠真正地解決制造工廠的最關(guān)鍵的問題。所以，對(duì)于面臨日益全球化競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)代制造工廠來說，第一是要大大提高機(jī)床的數(shù)控化率，即數(shù)控機(jī)床必須達(dá)到起碼的數(shù)量或比例；第二就是所擁有的數(shù)控機(jī)床必須具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以保證信息流在工廠、車間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無阻。
以FANVC和西門子為代表的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商已在幾年前推出了具有網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)控系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的RS232接口外，還備有以太網(wǎng)接口，為數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)提供了基本條件。由于國外企業(yè)的發(fā)展水平，數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)接口功能被定義為用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷。
1.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
（1）繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。
（2）向高速化和高精度化發(fā)展
這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
（3）向智能化方向發(fā)展
隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
（a）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)
數(shù)控系統(tǒng)能檢測(cè)過程中一些重要信息，并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。
（b）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗(yàn)，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
（c）引入故障診斷專家系統(tǒng)
（d）智能化數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)裝置
可以通過自動(dòng)識(shí)別負(fù)載，而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得最佳的運(yùn)行。
1.3 普通機(jī)床數(shù)控改造的意義
數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)代化的主機(jī),數(shù)控技術(shù)的水平高低和機(jī)床的數(shù)控化率是衡量一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。目前我國機(jī)床的數(shù)控化率還不到5%,新機(jī)床的數(shù)控化率也僅為6%。無論從數(shù)控技術(shù)水平和機(jī)床的數(shù)控化率都大大落后于西方發(fā)達(dá)國家。從20世紀(jì)后期,我國調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式,作為自動(dòng)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)備------數(shù)控機(jī)床,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工廠逐年增加的生產(chǎn)需求。對(duì)于機(jī)械制造企業(yè),單純靠購買新的數(shù)控機(jī)床,所需投資大,周期長(zhǎng),常使許多中小企業(yè)望而怯步。因此,利用原有的部分普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造,提高機(jī)械設(shè)備的數(shù)控化率,無疑是一種有效的途徑。就是在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家,機(jī)床的改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè),也是生意盎然,正處于黃金時(shí)代。在美國、日本、德國,用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場(chǎng),已形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新行業(yè)。在美國,機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有:Bertsche 工程公司、ayton機(jī)床公司、 Devlieg-Bullavd(得寶)服務(wù)集團(tuán)、US設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本,機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有:大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步,機(jī)床改造已是個(gè)”永恒”的課題。我國的機(jī)床改造業(yè),也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值:
（1）節(jié)省資金。機(jī)床的數(shù)控改造同購置新數(shù)控機(jī)床相比一般可以節(jié)省60%左右的費(fèi)用,大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新數(shù)控機(jī)床購置費(fèi)的1/3。即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級(jí)也只需花費(fèi)購買新數(shù)控機(jī)床60%的費(fèi)用,并可以有效地利用現(xiàn)有地基。
（2）性能穩(wěn)定可靠。因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長(zhǎng)期生產(chǎn)的磨合和不斷改進(jìn)完善,幾乎不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變力變形而影響精度。
（3）提高生產(chǎn)效率。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化,效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3至5倍。對(duì)復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多,且可以不用或少用工裝,不僅節(jié)約了費(fèi)用,而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期[1]。
1.4 本文的設(shè)計(jì)任務(wù)
本課題主要是采用微機(jī)數(shù)控技術(shù)改造最大加工直徑為400mm的普通臥式車床。要求在對(duì)臥式車床的改造任務(wù)和功能需求作出認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上，做好總體改造方案設(shè)計(jì)及縱向進(jìn)給系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過這一典型機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)改造開發(fā)新產(chǎn)品及解決工程實(shí)際問題的能力。
具體內(nèi)容及要求如下：
（1）調(diào)查研究、查閱及翻譯文獻(xiàn)資料，撰寫開題報(bào)告；
（2）改造任務(wù)及功能需求分析；
（3）總體改造方案的確定；
（4）縱向進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分和控制部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)；
（5）文檔整理、撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書及使用說明書。
相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)條件及要求如下：
（1）床身上最大加工直徑：400mm；
（2）最大加工長(zhǎng)度：1000mm；
（3）橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量：0.005mm/脈沖，縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量：0.01mm/脈沖；
（4）橫向最快的工進(jìn)速度：400mm/min，縱向最快的工進(jìn)速度：800mm/min；
（5）換刀時(shí)刀架轉(zhuǎn)速：30r/min；
（6）CNC系統(tǒng)主CPU采用單片機(jī)。
2 C6140普通車床數(shù)控改造的總體方案設(shè)計(jì)
2.1 C6140普通車床介紹
C6140普通臥式車床的結(jié)構(gòu)布局如圖2.1所示。當(dāng)工件隨主軸回轉(zhuǎn)時(shí),通過刀架的縱向和橫向移動(dòng),能加工出內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋面等,借助成形刀具,還能加工各種成形回轉(zhuǎn)表面。
圖2.1 C6140普通臥式車床的結(jié)構(gòu)布局
（1）主軸箱是支撐主軸并帶動(dòng)工件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。箱內(nèi)裝有齒輪、軸等零件，組成變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，變換箱外手柄位置，可使主軸得到多種不同的轉(zhuǎn)速。
（2）進(jìn)給箱是進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的變速機(jī)構(gòu)。它把交換齒輪箱傳遞來的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過變速后傳遞給絲桿，以實(shí)現(xiàn)各種螺紋的車削或機(jī)動(dòng)進(jìn)給。
（3）交換齒輪箱是用來將主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到進(jìn)給箱。更換箱內(nèi)的齒輪，配合進(jìn)給箱變速機(jī)構(gòu)，可以得到車削各種螺距的螺紋的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；并滿足車削時(shí)對(duì)不同縱、橫向進(jìn)給量的需求。
（4）溜板箱是接受光桿傳遞的運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)床鞍和中、小滑板及刀架實(shí)現(xiàn)車刀的縱橫進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。溜板箱上裝有一些微手柄和按鈕?？梢苑奖愕夭倏v車床上來選擇諸如機(jī)動(dòng)、手動(dòng)、車螺紋及快速移動(dòng)等到運(yùn)動(dòng)方式。
（5）床身是車床的大型基礎(chǔ)部件，精度要求很高，用來支撐和連接車床的各個(gè)部件。床身上面有兩條精確的導(dǎo)軌，床鞍和尾座可沿著導(dǎo)軌移動(dòng)。
（6）刀架部分由床鞍、兩層滑板和刀架體共同組成用于裝夾車刀并帶動(dòng)車刀作縱向、橫向和斜向運(yùn)動(dòng)。
（7）尾座安裝在床身導(dǎo)軌上，并可沿著導(dǎo)軌縱向移動(dòng)，以調(diào)整結(jié)構(gòu)其工作位置。尾座主要用業(yè)安裝后頂尖，以支撐較長(zhǎng)的工件，也可以安裝鉆頭、鉸刀等切削刀具進(jìn)行孔加工。
（8）床身前后兩個(gè)床腳分別與床身前后兩端下部連為一體，用以支撐床身及安裝在床身上的各個(gè)部件?？梢酝ㄟ^調(diào)整墊塊把床身調(diào)整到水平狀態(tài)，并用其所長(zhǎng)地腳螺栓固定在此工作場(chǎng)地上。
（9）冷卻裝置主要通過冷卻泵將切削液加壓后經(jīng)冷卻嘴噴射到切削區(qū)域[2][3]。
C6140普通臥式車床的功能如圖2.2所示。
圖2.2 C6140普通臥式車床的功能
2.2 總體方案的確定
C6140型普通車床是一種加工效率高，操作性能好，并且社會(huì)擁有量較大的普通型車床。經(jīng)過大量實(shí)踐證明，將其改造為數(shù)控機(jī)床，無論是經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)都是確實(shí)可行了。一般說來，如果原有車床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的數(shù)控車床，同時(shí)具有數(shù)控控制和原機(jī)床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計(jì)算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。
（1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能，還要求能暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。
（2）車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
（3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用8位微機(jī)。在8位微機(jī)中，MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、具有很高的性價(jià)比，因此，可選 MCS—51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。
（5）設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。
（6）縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。
（7）為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。
（8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。
C6140車床數(shù)控改造的總體方案如圖2.3所示。
圖2.3 C6140車床數(shù)控改造的總體方案示意圖
2.3 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案
（1）進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案
（a）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器
（b）拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與齒輪減速箱總成。
（c）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座與螺母座托架。
（d）拆除四方刀架與上溜板的總成，在橫溜板上方安裝四工位立式電動(dòng)刀架。
（e）拆除橫溜板下的滑動(dòng)絲杠螺母副，將滑動(dòng)絲杠靠刻度盤一段鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個(gè)推力軸承，換上滾珠絲杠副。
（f）將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過法蘭座安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相連。
（g）拆去三杠（絲杠、光杠與操縱杠），更換絲杠的右支承。
（2）主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案
對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造時(shí)，一般可保留原有的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣可減少機(jī)械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、何停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。
若要提高車床的自動(dòng)化程度，需要在加工中自動(dòng)變換轉(zhuǎn)速，可用2～4檔的多速電動(dòng)機(jī)代替原有的單速主電動(dòng)機(jī)；當(dāng)多速電動(dòng)機(jī)仍不能滿足要求時(shí)，可用交流變頻器來控制主軸電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。
當(dāng)采用有級(jí)變速時(shí)，可選用YD系列7.5kW變速三相異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)2～4檔變速；當(dāng)采用無級(jí)變速時(shí)，應(yīng)加裝交流變頻器，推薦型號(hào)為：F1000-G0075T3B，適配7.5kW電動(dòng)機(jī)。
（3) 安裝電動(dòng)卡盤
為了提高加工效率，工件的夾緊與松動(dòng)采用電動(dòng)卡盤，選用KD11250型電動(dòng)三爪自定心卡盤?？ūP的夾緊和松開由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)信控制。
（4）換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架
為了提高加工精度，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動(dòng)刀架換成自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，選用LD4B-CK6140型四工位立式電動(dòng)刀架。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換到需要配備相應(yīng)的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。
（5）螺紋編碼器的安裝方案
螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器和圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時(shí)，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸位置信號(hào)的反饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。
改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程是24mm/（0.01mm/脈沖）=2400脈沖。考慮到編碼器的輸出有相位差為90°的A、B相信號(hào)，可用A、B異或后獲得2400個(gè)脈沖（一轉(zhuǎn)內(nèi)），這樣編碼器的線數(shù)可降到1200線（A、B信號(hào)）。另外，為了重復(fù)車削同一螺旋槽時(shí)不亂扣，編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個(gè)的零位脈沖Z。
基于上述要求，選擇螺紋編碼器的型號(hào)為：ZLF-1200Z-05V0-15-CT。電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出1200個(gè)A/B脈沖與1個(gè)Z脈沖，信號(hào)為電壓輸出，軸頭直徑15mm。
螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是將變編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性連接，且車床主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速[4-6]。
數(shù)控改造后的車床傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2.4所示。
1 電動(dòng)刀架 2 聯(lián)軸器 3 橫向步進(jìn)電機(jī) 4 縱向步進(jìn)電機(jī) 5 聯(lián)軸器
6 縱向微調(diào)機(jī)構(gòu) 7 橫向滾珠絲杠 8 橫向螺母 9 縱向螺母 10 橫向微調(diào)機(jī)構(gòu)
11縱向滾珠絲杠
圖2.4 數(shù)控改造后的車床傳動(dòng)系統(tǒng)
2.3.1 數(shù)控車床的布局形式
結(jié)構(gòu)：平床身、斜床身、平床身與斜滑板、立床身。
平床身：工藝性好、運(yùn)動(dòng)精度較高，但排屑困難，一般用于經(jīng)濟(jì)形數(shù)控車床。
斜床身：排屑方便、占地面積小、外形美觀、便于安裝機(jī)械手、可實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化，一般用于中小型機(jī)床。數(shù)控車床的布局形式如圖2.5所示。
（a） 平床身 （b） 斜床身 （c） 平床身與斜床身 （d） 立床身
圖2.5 數(shù)控車床的布局形式
2.3.2 縱、橫向結(jié)構(gòu)示意圖
齒輪傳動(dòng)裝置是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、和轉(zhuǎn)向的變換器。在機(jī)電一體化進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，采用齒輪傳動(dòng)裝置的主要目的有二：一是降速，將伺服電動(dòng)機(jī)的高速、小轉(zhuǎn)矩輸出變成克服負(fù)載所需的低速、大轉(zhuǎn)矩；二是使?jié)L珠絲桿和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)矩慣量在傳動(dòng)系統(tǒng)中所占比重減少，以保證傳動(dòng)精度。
對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的總體要求是傳動(dòng)精度高、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應(yīng)速度快。對(duì)于開環(huán)伺服系統(tǒng)，傳動(dòng)誤差將直接影響工作精度，因此，要盡可能縮短傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度，消除傳動(dòng)間隙，以提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)剛度?？v、橫向結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.6所示。
1 步進(jìn)電機(jī) 2 齒輪減速裝置 3 支承裝置 4 絲杠 5 托板
圖2.6 縱、橫向結(jié)構(gòu)示意圖
2.3.3 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)
自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)是普通機(jī)床數(shù)控化改造的關(guān)鍵。它要求刀架要具有抬起、回轉(zhuǎn)、下降、定位和壓緊這一系功能。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各方面要求高，但它保持了原本床工件最大回轉(zhuǎn)直徑的條件下，提供選用的多把刀的可能性。
電動(dòng)刀架的安裝較方便，只要將原車床上的刀架拆下將電動(dòng)刀架裝即可，但要注意兩點(diǎn)
（1）電動(dòng)刀臺(tái)的兩側(cè)面應(yīng)與車床的橫向進(jìn)給方向平行。
（2）電動(dòng)刀臺(tái)與系統(tǒng)的連線建議如下安裝：沿橫向工作臺(tái)右側(cè)面先走線到車床后面，再沿車床后導(dǎo)軌下方拉出的鐵絲滑線，走線到系統(tǒng)。其好處在于：避免走線雜亂無章，而使得加工時(shí)切屑、冷卻液以及其它雜物磕碰電動(dòng)刀架系統(tǒng)。
下面是數(shù)控改造C6140車床自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架工作原理圖2.7所示。
1 刀架 2 固定安裝絲杠 3 安全離合器 4 電機(jī)
圖2.7 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架工作原理圖
3 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)與計(jì)算
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動(dòng)絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動(dòng)刀架左右移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任意一端。對(duì)車床改造來說，外觀不必象產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的那么高，而從改造方便，實(shí)用方面來考慮。一般都把步進(jìn)電機(jī)放在縱向滾珠絲杠的左端。
3.1 脈沖當(dāng)量的確定
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求, 橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量： ，縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量：。
3.2 切削力的計(jì)算
電機(jī)初步估算轉(zhuǎn)速為，進(jìn)給速度
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知
式中 ——為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程；
——絲杠的最大移動(dòng)速度；
——絲杠副最大相對(duì)轉(zhuǎn)速；
——傳動(dòng)比
則
所以根據(jù)滾珠絲杠基本導(dǎo)程的基本系列可在《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中查到，選。
已知條件
工作臺(tái)重量
步距角
滾珠絲杠基本導(dǎo)程
行程
脈沖當(dāng)量
快速進(jìn)給速度
切削力計(jì)算 由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，切削功率
式中 ——電機(jī)功率，查機(jī)床說明書，；
——主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般為0.6～0.7?。?
——進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為。
則
又因?yàn)榍邢髁?yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力和最大切削速度來計(jì)算，即
所以
式中 ——切削線速度，?。?
——主切削力。
主切削力
由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》中可得知，在一般外圓車削時(shí)
，
取
3.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)及計(jì)算
（1）工作載荷的計(jì)算
工作負(fù)載的數(shù)值可《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》中進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算，對(duì)于綜合導(dǎo)軌
式中 ——為方向上的切削力；
——為工作臺(tái)的重量；
——導(dǎo)軌的摩擦系數(shù), ，取為；
——考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù), 。
則
（2）最大動(dòng)載荷計(jì)算
式中 ——為滾珠絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速；
——使用壽命時(shí)間。
由以上條件，可以確定步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠齒輪之間的傳動(dòng)比
由于電機(jī)軸與滾珠絲杠之間是降速傳動(dòng)，所以滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，當(dāng)量轉(zhuǎn)速在之間變化時(shí)
取為；
則
取
則
最大動(dòng)負(fù)載
其中 ——滾珠絲杠的軸向力；
——壽命值；
——運(yùn)動(dòng)系數(shù)；
——硬度系數(shù)。
根據(jù)工作負(fù)載壽命，取 ； ；
則
根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載的值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào)。可在《機(jī)械計(jì)手冊(cè)》中查到適合的滾珠絲杠。型號(hào)為額定動(dòng)載荷，所以強(qiáng)度足夠用。
（3）效率計(jì)算
根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為
式中 為螺旋升角；
為摩擦角。
其中 為滾珠絲杠基本導(dǎo)程；
為滾珠絲杠的公稱直徑。
滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù),其中摩擦角可計(jì)算為
則
（4）剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠工作時(shí)受軸向力和扭矩的作用，將引起基本導(dǎo)程的變化，因滾珠絲杠受扭時(shí)引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)，故工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為
式中 ——滾珠絲杠的基本導(dǎo)程；
——工作負(fù)載；
——彈性模量， ；
——滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑定）；
滾珠絲杠截面積
其中
式中 ——滾珠絲杠滾道圓弧偏心距；
——滾道圓弧半徑。
其中
式中 ——滾珠直徑；
——接觸角。
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的滾珠標(biāo)準(zhǔn)系列選；
則
因此
滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略。
即
所以，導(dǎo)程變形總誤差為
查表可知3級(jí)精度滾珠絲杠允許的螺距誤差（1米）長(zhǎng)為，故剛度夠用。
（5）穩(wěn)定性驗(yàn)算
由于滾珠絲杠兩端采用固定支承，所以穩(wěn)定性沒有問題。
3.4 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算
有關(guān)齒輪計(jì)算
傳動(dòng)比
故取
； ； ； ； ；
3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇
（1）工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑；
——絲杠長(zhǎng)度。
則
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略。
因此，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
（2）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算
快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩
最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
式中 ——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；
——由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；
——切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。
當(dāng)時(shí)
當(dāng)時(shí)
當(dāng)時(shí)， 時(shí)
當(dāng)時(shí)預(yù)加載荷，則
所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩
切削時(shí)所需力矩
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
由上分析計(jì)算可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)：
（3）數(shù)控改造C6140縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定
為了滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知
所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距為
步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，能滿足要求[7-12]。
4 傳動(dòng)間隙的調(diào)整與預(yù)緊及導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)
4.1 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整與預(yù)緊
滾珠絲杠副的軸向間隙，是指負(fù)載時(shí)滾珠與滾道型面接觸的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。滾珠絲杠副的軸向間隙直接影響其傳動(dòng)剛度和傳動(dòng)精度，尤其是反向傳動(dòng)精度。因此，滾珠絲杠副除了對(duì)本身單一方面的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)精度有要求外，對(duì)其軸向間隙也有嚴(yán)格的要求。滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊，通常采用雙螺母預(yù)緊方式，其結(jié)構(gòu)型式有兩種?；驹硎鞘箖蓚€(gè)螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。
（1）墊片調(diào)隙式
圖4.1所示結(jié)構(gòu)。是通過改變墊片的厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、剛性好，但調(diào)整費(fèi)時(shí)，且不能在工作中隨意調(diào)整。
圖4.1 雙螺母墊片式結(jié)構(gòu)圖
（2）螺帽調(diào)隙式
圖4.2所示為利用螺帽來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)螺母以平鍵與外套相聯(lián)，鍵可限制螺母在外套內(nèi)移動(dòng)，其中右邊的一個(gè)螺母外伸部分有螺紋。用兩個(gè)鎖緊螺帽1、2能使螺母相對(duì)絲杠作軸向移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)既緊湊，工作又可靠，調(diào)整也方便，故應(yīng)用較廣。但調(diào)整位移量不易精確控制。這種結(jié)構(gòu)既緊湊，工作又可靠，調(diào)整也方便，幫應(yīng)用較廣。但調(diào)整位移量不易精確控制，因此，預(yù)緊力也不能準(zhǔn)確控制。
1、2 鎖緊螺帽
圖4.2 雙螺母帽式結(jié)構(gòu)圖
4.2 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)齒輪間隙的消除
（1）采用減速箱的目的及注意事項(xiàng)
為了保證步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)性能，要特別考慮負(fù)載慣性矩。當(dāng)所帶負(fù)載的慣性矩增大時(shí)，由于步進(jìn)電機(jī)是按電磁鐵吸力原理來動(dòng)作，所以當(dāng)慣性矩增大到某一值時(shí)，就會(huì)使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生擅動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生啟動(dòng)不良效果，所以，使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)盡量選小的負(fù)載。在本次設(shè)計(jì)過程中我們采用減速齒輪來聯(lián)結(jié)滾珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)，以達(dá)到改變慣性矩的目的。
同時(shí)，應(yīng)該盡可能地消除配對(duì)齒輪之間的間隙，否則就會(huì)產(chǎn)生使運(yùn)動(dòng)滯后的指示信號(hào)的誤差，對(duì)加工件的精度就會(huì)產(chǎn)生很大的影響。
（2）減少或消除空程的必要性和方法
（a）減少或消除空程的必要性
數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)精度，除了機(jī)床的幾何精度、絲桿精度影響外，又受其本身因素的影響，產(chǎn)生滯后現(xiàn)象而引起的間隙誤差。在這次設(shè)計(jì)改造過程中只能采用開環(huán)系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)不能對(duì)車床的誤差進(jìn)行修改，所以只能通過機(jī)械的方式對(duì)其各部分傳動(dòng)誤差進(jìn)行修改。
（b） 消除方法
本次設(shè)計(jì)采用雙片齒輪來達(dá)到消隙的目的，通常將一對(duì)齒輪的從動(dòng)齒制成兩片，其中一片固定在軸上，兩片之間裝有彈簧，彈簧力使兩片齒輪的齒廓分別與主動(dòng)齒輪的齒廓貼緊，從而完全消除了齒側(cè)間隙。雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖4.3所示。
圖4.3 雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整機(jī)構(gòu)
4.3 數(shù)控改造C6140車床導(dǎo)軌設(shè)計(jì)
（1）導(dǎo)軌的作用
導(dǎo)軌的作用主要是對(duì)運(yùn)動(dòng)部件起導(dǎo)向和支撐作用，也就是支撐運(yùn)動(dòng)部件（如刀架、工作臺(tái)等），并保證運(yùn)動(dòng)部件在外力作用下能準(zhǔn)確沿著規(guī)定方向運(yùn)動(dòng)。因此，導(dǎo)軌的制造精度及性能對(duì)機(jī)床加工精度、承載能力等有著重要影響。數(shù)控機(jī)床對(duì)導(dǎo)軌主要有以下幾方面要求。
（a）導(dǎo)向精度高
導(dǎo)向精度是指機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件沿導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)與有關(guān)基面之間的相互位置的準(zhǔn)確性。無論空載還是加工，導(dǎo)軌都應(yīng)具有足夠的導(dǎo)向精度。這是對(duì)導(dǎo)軌的基本要求。各種機(jī)床對(duì)于導(dǎo)軌本身的精度都有具體的規(guī)定或標(biāo)準(zhǔn)，以保證導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度。
（b）精度保持性好
精度保持性是指導(dǎo)軌能否長(zhǎng)期保持原始精度。影響精度保持性的主要因素是導(dǎo)軌的磨損，此外，還與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式及支撐件（如床身）的材料有關(guān)。數(shù)控機(jī)床的精度保持性要求比普通機(jī)床高，應(yīng)采用摩擦系數(shù)小的滾動(dòng)導(dǎo)軌，塑料導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌。
（c）足夠的剛度
機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件所受的外力，最后都由導(dǎo)軌面來承受，若導(dǎo)軌受力后變形過大，不僅破壞了導(dǎo)向精度，而且惡化了導(dǎo)軌的工作條件。導(dǎo)軌的剛度主要取決于導(dǎo)軌類型、結(jié)構(gòu)形式、尺寸大小、導(dǎo)軌與機(jī)床本身的連接方式、導(dǎo)軌材料、表面加工質(zhì)量等。數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌截面積通常較大，有時(shí)還需要在主導(dǎo)軌外添加輔助導(dǎo)軌來提高剛度。
（d）良好的摩擦特性
數(shù)控機(jī)床導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)要小，而且動(dòng)、靜摩擦因數(shù)應(yīng)盡量接近，以見效摩擦阻力和導(dǎo)軌熱變形，使運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn)，低速無爬行。
此外，導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)工藝性要好，便于制造和裝配。便于檢驗(yàn)、調(diào)整和維修，而且有合理的導(dǎo)軌防護(hù)、潤(rùn)滑設(shè)施等。
機(jī)床導(dǎo)軌按其接觸面間的摩擦性質(zhì)可以分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌三種。目前，數(shù)控機(jī)床上常用有直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副和鑲粘塑料的滑動(dòng)導(dǎo)軌。
（2）塑料導(dǎo)軌軟帶
導(dǎo)軌軟帶的材料以聚四氟乙烯為機(jī)體，加入青銅粉、二硫化鉬、石磨等填充藥混合燒結(jié)，并做成厚度為0.1-2.5mm的軟帶狀。目前比較常見的導(dǎo)軌軟帶有國外的Turcite-B導(dǎo)軌軟帶以及國產(chǎn)TSF塑料軟帶。塑料導(dǎo)軌軟帶有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)。
圖4.4 滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦速度特性曲線
（a）摩擦性能好
鑄鐵淬火導(dǎo)軌副的靜摩擦因數(shù)、動(dòng)摩擦因數(shù)相差較大，幾乎相差一倍。而金屬聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的靜、動(dòng)摩擦因數(shù)基本不變。圖4.4為TSF-鑄鐵導(dǎo)軌和鑄鐵-鑄鐵導(dǎo)軌的摩擦-速度特性曲線。由圖可見，鑄鐵-鑄鐵導(dǎo)軌副即使在有潤(rùn)滑的條件下，摩擦因數(shù)也很大，且隨速度v的增大而降低，摩擦-速度曲線斜率為負(fù)值。而塑料-鑄鐵導(dǎo)軌副的摩擦因數(shù)很低，曲線為正斜率，無論干摩擦或有潤(rùn)滑都是這樣，表明了具有良好的摩擦特性，能防止低訴爬行。
（b）耐磨性好
除了摩擦因數(shù)低外，聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶材質(zhì)中含有青銅、二硫化鉬和石墨，因此，本是很即具有潤(rùn)滑作用，對(duì)潤(rùn)滑油的供油量要求不高，采用間歇式供油即可。此外塑料質(zhì)地較軟，即便嵌入金屬碎屑、灰塵等，也不至損傷金屬導(dǎo)軌面和軟帶本身，可延長(zhǎng)導(dǎo)軌副的使用壽命。
（c）減振性好
塑料有很好的阻尼性能，其減振消聲的性能對(duì)提高摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有很大的意義。
（d）工藝性能好
可降低對(duì)粘貼塑料的金屬導(dǎo)軌基體的硬度和表面治療要求，而且塑料易于加工，使導(dǎo)軌副接觸面獲得良好的表面質(zhì)量。
此外，還有化學(xué)穩(wěn)定性好，維修方便，經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。
圖4.5 塑料導(dǎo)軌軟帶的粘結(jié)
塑料導(dǎo)軌軟帶的粘結(jié)方法簡(jiǎn)單，通常采用黏結(jié)材料將其貼在所需處，作為導(dǎo)軌表面。其工藝如下：首先將導(dǎo)軌粘貼面加工至表面粗糙度3.2～1.6，有時(shí)為了起定位作用，導(dǎo)軌粘貼面加工成0.5～1mm深的凹槽，如圖4.5所示；用汽油或金屬清洗或丙酮清洗導(dǎo)軌粘貼面后，用膠黏劑粘合導(dǎo)軌軟帶，加壓初固化1～2h后再合攏到配對(duì)的固定導(dǎo)軌或?qū)Ｓ脢A具上施以一定的壓力，并在室溫固化24h，取下清除余膠，即可開油槽和進(jìn)行精加工[13-16]。
5 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)
5.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成
任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成。
（1）中央處理單元CPU。
（2）總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。
（3）存貯器。包括只讀可編程存貯器和隨機(jī)讀寫存貯器。
（4）I/O輸入/輸出接口電路。
其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路直協(xié)調(diào)工作。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁?？偩€則是CPU與存貯器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如5.1所示。
圖5.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖
由于MCS—51系列單片機(jī)在我國機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍，其配套芯片價(jià)廉，普及性、通用性強(qiáng)，制造和維修方便，完全能夠滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床改造的需要。C6140數(shù)控改造以8031CPU組成的單板機(jī)為數(shù)控控制系統(tǒng)。也可直接購買國內(nèi)較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品做為數(shù)控裝置，如南京大方數(shù)控設(shè)備公司生產(chǎn)的JWK系列數(shù)控產(chǎn)品。
5.2 單板機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
（1）主要技術(shù)特性及硬件配置
中央處理器為Z80CPU,系統(tǒng)時(shí)鐘為1.9968MHz，晶體頻率為3.9936 MHz。
存儲(chǔ)器選用4片2K*8位的只讀可編程存儲(chǔ)器2716（EPROM）和4片2K*8位隨機(jī)（讀寫）存儲(chǔ)器（RAM）6116。
監(jiān)控程序固化在EPROM2716中，占用2K字節(jié)（即一片2716），各功能模塊存放在另一片EPROM2716中，剩下的兩片2716可用于存放常用零件加工程序。四片6116RAM用于調(diào)試程序存放和運(yùn)行的中間數(shù)控的存放，也可以存放用戶加工程序，而ROM中只存系統(tǒng)程序。
選用三片Z80～PIO，現(xiàn)需擴(kuò)展兩片。PI(U19)中PA1～PA8為米字LED 管字形驅(qū)動(dòng)輸出口，PB0為主軸同步信號(hào)輸入口，PB1 為刀具回答信號(hào)輸入口，PB2為行程限位中斷信號(hào)輸入口；PB3為急停中斷信號(hào)輸入口，PB4～PB7為+X，-X,+Z，-Z四個(gè)手動(dòng)方向鍵輸入口。
PIO2(U20)中PA0～PA3為T01～T04四把刀具信號(hào)輸入口，PA4～PA7為備用輸入口，也可作S01～S04信號(hào)輸入口。PB0為啟動(dòng)，PB1為暫停。
PIO3(U18)中PA0P～A2為X向步進(jìn)電機(jī)的輸入口，PA3～PA5為Z向步進(jìn)電機(jī)的輸入口，PB0～PB4依次為M03、M04、M05等M功能輔助指令信號(hào)輸入口，PB5為Z/X坐標(biāo)現(xiàn)實(shí)性選擇信號(hào)輸入口。
選用Z80～CTC計(jì)算器/定時(shí)器芯片一片，它的4個(gè)通道中0#和3# 在用戶程序中使用，其余由監(jiān)控程序使用。
原顯示器為6位LED構(gòu)成。現(xiàn)擴(kuò)展為8位，并增設(shè)一片位鎖存器74LS273，其中7個(gè)數(shù)碼管，1個(gè)米字管。
TP801A有31個(gè)鍵，包括16個(gè)數(shù)字鍵，14個(gè)命令鍵及一個(gè)復(fù)位鍵。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，除了保留數(shù)字鍵、復(fù)位鍵及部分命令鍵外，其余均重新定義，新定義的功能鍵與原功能鍵對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。
表1 功能鍵的新定義
（2）光電隔離電路
在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器后控制步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流較大，如果將輸出信號(hào)與功率放大器直接相聯(lián)，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾。輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常工作，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)和接口電路損壞。所以一般在接口電路功率放大器之間都要接上隔離電路。
（3）步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路
圖5.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（A相）
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是功率放大，它將光電隔離電路送來的弱信號(hào)經(jīng)功率放大，變成較強(qiáng)的電信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。它分單電源和雙電源型。單電源型線路簡(jiǎn)單，但效率不高，所以選用雙電源型。雙電源型采用高低壓供電電路，如圖5.2所示。
當(dāng)控制脈沖來時(shí)，V1、V2、V3、V4全導(dǎo)通，并使脈沖變壓器Tc的副邊產(chǎn)生一定寬度的脈沖電流，使V2導(dǎo)通，使V5處于反向偏置，將低壓Ga與繞組La切斷，高壓電源Gh通過V2、V1為步進(jìn)電機(jī)某一相繞組La供電，使其電流上升沿變陡。經(jīng)過時(shí)間后脈沖電流消失，使V2截至，Gh與繞組之間被切斷。Ga通過V5、V1為L(zhǎng)a供電，提供電動(dòng)機(jī)所需的額定電流、通過調(diào)整脈沖變壓器的磁芯和R5可改變高壓供電的時(shí)間寬度。
（4）數(shù)碼管及鍵盤的驅(qū)動(dòng)電路
由于這些電路的電流較小，故使用TTL電路即可驅(qū)動(dòng)。如半導(dǎo)體數(shù)碼管，發(fā)光二極管發(fā)亮?xí)r，所需電流約為2～20Ma，壓降為1.2～2.4V，因此，用于字母管的字形驅(qū)動(dòng)選用74LS06；用于鍵盤和字位鎖存電路的驅(qū)動(dòng)，選用74LS273。
5.3 軟件設(shè)計(jì)
軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。主要包括主模塊，子程序模塊和定時(shí)中斷模塊等。
（1）主程序
主程序即系統(tǒng)管理程序，開機(jī)后即執(zhí)行該程序，其功能是做好數(shù)控加工的準(zhǔn)備，對(duì)CTC，PIO初始化，對(duì)外部設(shè)備初始化（如隊(duì)MTS功能接口），步進(jìn)電機(jī)置初態(tài)等。開放中斷，然后根據(jù)工作方式，選擇開關(guān)的位置，轉(zhuǎn)入各工作方式處理模塊。
（2）自動(dòng)加工模塊程序
當(dāng)工件方式選擇開關(guān)為自動(dòng)加工時(shí)，轉(zhuǎn)入自動(dòng)加工模塊程序，其功能是：從目錄區(qū)域找到要加工零件程序的首址和末址，從RAM中逐段取出用戶零件程序，校對(duì)無語法錯(cuò)誤后，對(duì)功能字譯碼，再轉(zhuǎn)入各功能模塊進(jìn)行處理，執(zhí)行完一段用戶程序后，再取下一段執(zhí)行，直至加工完畢，再返回系統(tǒng)管理程序。
（3）逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)
（a）逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理是：進(jìn)給機(jī)構(gòu)每一步后，計(jì)算出新坐標(biāo)點(diǎn)的位置與加工曲線理想位置的偏差，根據(jù)偏差的正負(fù)確定下一步進(jìn)給方向，以逼近理想位置，最后加工出零件外形。
一個(gè)插補(bǔ)循環(huán)由四個(gè)節(jié)拍組成，即偏差判別、進(jìn)給、偏差計(jì)算和終點(diǎn)判別。
（b）逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)算法
相對(duì)或絕對(duì)坐標(biāo)編程時(shí)的終點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算如圖5.3所示
圖5.3 相對(duì)或絕對(duì)坐標(biāo)編程
當(dāng)（XD、ZD）=（XE，ZE）時(shí)，終點(diǎn)到
式中（XA、ZA）——起點(diǎn)坐標(biāo)
（XD、ZD）——?jiǎng)狱c(diǎn)坐標(biāo)
（XE、ZE）——終點(diǎn)坐標(biāo)
XA、ZA、XD、ZD、XE、ZE、FUN——各為3個(gè)字節(jié)
圖5.4 圓弧插補(bǔ)數(shù)據(jù)預(yù)處理程序
（4）圓弧插補(bǔ)數(shù)據(jù)預(yù)處理程序
從Y軸的負(fù)方向看X～Z單面上的圓?。磸募埨锩嫦蚣埻饷婵矗A弧分為順圓G02和逆圓G03，根據(jù)刀具進(jìn)給規(guī)律，又將它們分為Ⅰ類和Ⅱ類圓弧，即進(jìn)給時(shí)，﹝X﹞增加，﹝Z﹞減少的圓弧為Ⅰ類：﹝X﹞減少，﹝Z﹞增加的圓弧為Ⅱ類，如圖5.4所示
偏差判別函數(shù)FUN：
起點(diǎn)偏差：
若加工點(diǎn)在圓上或圓外，
若加工點(diǎn)在圓內(nèi)，
當(dāng)±ΔX時(shí)， ；當(dāng)±ΔZ時(shí)， 。
為減少插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)間，令動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)，，則
當(dāng)±ΔX時(shí)，；當(dāng)±ΔZ時(shí)，。
程序中，首先將I、K、U/X、W/Z坐標(biāo)由十進(jìn)制換算成二進(jìn)制取補(bǔ)，再給XD、ZD、XE、ZE賦值，換算根據(jù)XD、ZD是否同號(hào)和是否為G02，確定圓弧類型，若為Ⅰ類，則FLAG：0賦1，否則是1賦0。再根據(jù)XD、ZD是否為0等條件決定進(jìn)給方向，最后送插補(bǔ)程序進(jìn)行插補(bǔ)[17][18]。
結(jié)束語
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，我國的機(jī)床數(shù)控化在近十年來有了很大的發(fā)展，而普通機(jī)床的數(shù)控化改造后在滿足完成同樣的加工任務(wù)的前提下，可大大降低技術(shù)改造的投資經(jīng)費(fèi)，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。基于對(duì)C6140普通車床進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)過程中，我認(rèn)為普通機(jī)床的數(shù)控改造具有很多的優(yōu)點(diǎn)、必要性及其良好的發(fā)展趨勢(shì)。
全功能的數(shù)控系統(tǒng)雖然功能豐富，但成本高，我國的一般中小企業(yè)購置困難，但是中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，希望對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行改造，進(jìn)行數(shù)控化、自動(dòng)化、以提高生產(chǎn)效率。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)就是結(jié)合現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)實(shí)際，我國的國情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價(jià)格。目前我國經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展迅速，研制了幾十種簡(jiǎn)易NC系統(tǒng)，有力地促進(jìn)了我國數(shù)控事業(yè)的發(fā)展。
本文主要是采用微機(jī)數(shù)控技術(shù)對(duì)最大加工直徑為400mm的普通臥式車床進(jìn)行改造。首先對(duì)普通臥式車床的改造任務(wù)和功能需求進(jìn)行了認(rèn)真分析，其次是對(duì)臥式車床數(shù)控化改造總體方案的設(shè)計(jì)和縱向進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算，由于時(shí)間的原因縱向進(jìn)給系統(tǒng)控制部分硬件與軟件設(shè)計(jì)有所考慮，但做的不夠完善，當(dāng)然還存在一些不足之處，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)與指正。
改造后的車床，可手動(dòng)、機(jī)動(dòng)操作，操作簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格低廉，其性能價(jià)格比適中；而且還能解決復(fù)雜零件的加工精度控制問題，節(jié)約大量工裝費(fèi)用，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工人素質(zhì)。
企業(yè)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造后，增強(qiáng)了企業(yè)應(yīng)變能力，為提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力創(chuàng)造了條件，提高了加工精度和批量生產(chǎn)的能力，提高了設(shè)備自身對(duì)產(chǎn)品更新?lián)Q代所需要的應(yīng)變能力，增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。
致 謝
本設(shè)計(jì)是在南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)所有教師的悉心指導(dǎo)下完成的。我系教師們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，豐富的專業(yè)知識(shí)和工作經(jīng)驗(yàn)，平易近人的優(yōu)秀品質(zhì)，對(duì)我產(chǎn)生了良好而深遠(yuǎn)的影響。
在設(shè)計(jì)進(jìn)行期間，得到南京理工大學(xué)張衛(wèi)老師和南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院張少文老師的大力支持和幫助，他們不僅在學(xué)業(yè)上給予我很多幫助，提出了很多寶貴意見，而且在生活上也給予了我無微不至的關(guān)懷，使我順利的完成了設(shè)計(jì)，尤其是張老師工作勤勤懇懇，兢兢業(yè)業(yè)，從不計(jì)較個(gè)人得失的高尚品質(zhì)給我留下了深刻的印象。對(duì)我以后的工作、生活起到了榜樣的作用。
在設(shè)計(jì)后期審圖工作交由張少文老師負(fù)責(zé)，張老師認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度，一絲不茍的精神使我受益非淺。
在此，我向所有在我設(shè)計(jì)期間曾給予我?guī)椭睦蠋?，同學(xué)們表示最真誠的感謝。
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