普通机床数控改造设计方案说明书ZY

普通机床数控改造设计⽅案说明书ZY
普通CA6140车床的经济型数控改造
前⾔
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。

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。

在美国、⽇本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长⾏业，⽣意盎然，正处在黄⾦时代。

由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个"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。

在美国、⽇本、德国，⽤数控技术改造机床和⽣产线具有⼴阔的市场，已形成了机床和⽣产线数控改造的新的⾏业。

在美国，机床改造业称为机床再⽣
Bertsche⼯程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd<得宝）服务集团、US设备公司等。

美国得宝公司已在中国开办公司。

在⽇本，机床改造业称为机床改装
机床改造的必要性：
企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中⽣存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满⾜市场需求的不断变化。

⽽普通机床已不适应多品种、⼩批量⽣产要求，数控机床则综合了数控技术、微电⼦技术、⾃动检测技术等先进技术，最适宜加⼯⼩批量、⾼精度、形状复杂、⽣产周期要求短的零件。

当变更加⼯对象时只需要换零件加⼯程序，⽆需对机床作任何调整，因此能很好地满⾜产品频繁变化的加⼯要求。

普通车床经过多次⼤修后，其零部件相互连接尺⼨变化较⼤，主要传动零件⼏经更换和调整，故障率仍然较⾼，采⽤传统的修理⽅案很难达到⼤修验收标准，⽽且费⽤较⾼。

因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。

数控机床在机械加⼯⾏业中的应⽤越来越⼴泛。

数控机床的发展，⼀⽅⾯是全功能、⾼性能；另⼀⽅⾯是简单实⽤的经济型数控机床，具有⾃动加⼯的基本功能，操作维修⽅便。

经济型数控系统通常⽤的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，⽆检测反馈机构，系统的定位精度⼀般可达±0.01⾄0.02mm，已能满⾜CA6140车床改造后加⼯零件的精度要求。

经济型数控机床的特点：
⼀．价格便宜。

仅数控系统与国外同类型数控系统⽐，前者只需1～2万元，⽽国外系统需⼗⼏⾄⼏⼗万元。

因此，它特别适合对国内企业现有普通机床进⾏改造。

⼆．解决复杂零件的加⼯精度控制，提⾼⽣产率。

对经济型数控车床，⼀般可提⾼⼯效3—7倍。

三．适合于多品种、中⼩批量产品的⾃动化加⼯，对产品的适应性强，对于不同零件的加⼯，可以通过改变不同的加⼯程序和更换不同的⼑具来实现。

四．提⾼产品质量，降低废品率。

尤其是加⼯的产品尺⼨⼀致性好，合格率⾼。

五．节约⼯装费⽤，降低成本。

经济型数控车床可以不⽤⼯装或少⽤⼯装，尤其对于复杂零件，不⽤靠模或成型⼑具，不仅节约了费⽤，⽽且还可以缩短⽣产周期。

六．减轻⼯⼈的劳动强度。

七．提⾼⼯⼈素质，促进技术进步和科技成果的普及应⽤。

为由“体⼒型”向“智能型”转变创造了条件。

机床的数控化改造主要内容有以下⼏点：其⼀是恢复原功能，对机床、⽣产线存在的故障部分进⾏诊断并恢复；
其⼆是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；
其三是翻新，为提⾼精度、效率和⾃动化程度，对机械、电⽓部分进⾏翻新，对机械部分重新装配加⼯，恢复原精度；对其不
创新，较⼤幅度地提⾼⽔平和档次的更新改造。

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装成⽤微机控制的、能独⽴运动的进给伺服系统；⼑架改装成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进⾏调节和更换，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。

正⽂
⼀机械部分
数控机床进给伺服系统运动及动⼒计算如下：
1.1技术参数：
1.2 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1.3 计算切削⼒
1.3.1 纵车外圆
主切削⼒Fz=0.67Dmax1.5=0.67×4001.5=5360(N>
按切削⼒各分⽐例
Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4
则Fx=5360×0.25=1340(N>
Fy=5360×0.4=2144(N>
1.3.2 横切端⾯
主切削⼒Fzˊ可取纵切的1/2，为2680N.此时⾛⼑抗⼒为Fyˊ,吃⼑抗⼒为Fxˊ.
Fzˊ:Fxˊ:Fyˊ=1:0.25:0.4
Fxˊ=2680×0.25=670 Fyˊ=2680×0.4=1072N
1.4滚珠丝杠螺母副的计算和选择
1.4.1横向进给丝杠
1.计算进给牵引⼒
Fmˊ=kFxˊ+fˊ(Fz+2Fyˊ+Gˊ>h横向进给为燕尾形贴塑导轨。

k=1.4 fˊ=0.03
Fm=1.4×670+0.03×(2680+2×1072+600>=1100.7(N>
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=kFkHkAFm=1.2×1.0×1.1×1100.7=1453(N>
3计算额定动载荷计算值Ca’(N>
初选L0=5mm
Ca’=Fc(nzLh’/1.67*104>1/3=[1453×(30×14400/1.67×104>]1/3=42 97.2(N>
4确定丝杠型号以及有关数据
螺旋⾓λ =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》，机械⼯业出版社出版,第17页>中尺⼨公式计算：滚道半径
R=0.52do=0.5×3.175=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+2×1.61=21.7878
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=Π2EIa/(ul>2 (E=206GPa>
因为Ia=Πd14/64=3.14×(0.021788>4/64=1.1×10-
8m4
取u=2/3时
Fcr=Π2×206×109×1.1×10-
8/{[(2/3>×0.5]2}=2.01×105(N>
安全系数
S=Fcr/Fm=2.01×105/1100.7=182.68> >[S]=1.5～3.3.
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nmax ncr=9910×[fc2d1/(ul>2]
见表2-10<郑堤，唐可洪主编，《机电⼀体化设计基
础》，第25页）取fc=3.927，µ=2/3时
ncr=9910×{(3.927>2×0.021788/[(2/3>×0.5]2}=29968r/m
in>1600r/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
D0n<7×104mm.r/min
即D0n=25×30=750mm.r/min<<7×104mm.r/min
所以丝杠副⼯作稳定。

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Δl0(m>为
Δl0=(+PF/EA>+(+P2T/2 GJc>或Δl0=(-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(ρ+λ>, λ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tgρ=0.003，则
ρ=0.172o=10’19’’
按最不利的情况(F=Fm>时
Δl0=PF/EA+P2T/2 GJ-c=4PF/ Ed12+16P2T/ 2Gd14
=4×5×10-
3×1100.7/3.14×206×109×(0.021788>2+16×(5×10-
3>2×0.9139/(3.14>2×83.3×109×(0.021788>4=73.68
×10-9m
则丝杠在⼯作长度上的弹性变形引起的导程误差为
Δl=L×( Δl0/P>=0.5×(7.368×10-2/5×10-3>=7.368u
m
通常要求丝杠的导程误差Δl应⼩于其传动精度的1/2。

即Δl<1/2δ=(1/2>×0.02mm=0.01mm=10µm
所以其刚度可满⾜要求。

7效率验算
滚珠丝杠副的传动效率为
η
=tgλ/tg(λ+ρ>=tg3o38’/tg(3o38’+10’19’’>=95.
6%
η要求在90%～95%之间，所以该丝杠合格。

经上所述计算验证,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FYC1D—2505—2.5各项性能均符合题⽬要求，可选⽤。

1.4.2纵向进给丝杠
1计算进给牵引⼒
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：0.15～0.18
G —溜板及⼑架重⼒X ：G=1000N 2 计算最⼤动负载c c=
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 — 使⽤寿命，按1500 h 。

— 运转系数，按⼀般运转⽽=1.2~1.5
L — 寿命，以
转为1单位
n==
=50 r/min
L=
s
=
3 滚珠丝杠螺母副的选型号
采⽤
L400b 外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副
4 传动效率计算
式中—螺旋升⾓，
—摩擦⾓取滚动摩擦系数0.003～0.004
=
5 刚度验算
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δ
根据=2530
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）滚珠与螺纹滚道间接触变形
查出圈滚珠和螺纹滚道接触变形量：
因此进⾏了预紧，
3）⽀承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形
采⽤8107型推⼒球轴承，，滚动体直径，滚动体数量z=18，
注意，此公式中单位应为
因施加预紧⼒，故
= 定位精度
6 稳定性校核
滚珠丝杠两端推⼒轴承，不会产⽣失稳现象不需作稳定性校核。

1.5齿轮传动⽐计算
1.5.1横向进给齿轮箱传动⽐计算。

已确定横向进给脉冲当量δp=0.005mm/s,滚珠丝杠导程
L0=5mm。

初选步进电机步距⾓э=0.75o,可计算出传动⽐
i:
i===0.48
考虑到结构上的原因，不使⼤齿轮直径太⼤，⼀免影响到横向溜板的有效⾏程，故此处可采⽤两级齿轮降速：
i===
Z1=24 Z2=40 Z3=20 Z4=25
因进给运动齿轮受⼒不⼤，模数m取2。

1.5.2 纵向进给齿轮箱传动⽐计算
已确定纵向进给脉冲当量滚珠丝杠导程，初选步进电机步距⾓。

可计算出传动⽐i
可选定齿齿数为：
表1传动齿轮⼏何
1.6进给步进电机的计算和选择1.6.1横向步进电机
1计算简图如图1所⽰，
图1横向进给计算图
2传动系统计算到电机轨上的总体转动惯量 JΣ可由下式计算：
Jd=JZ1+(JZ2+JS>×(1/i2>+(P/2Πi>2m
参考同类型机床初选反应式步进电机110BF003,其转⼦转动惯量是Jm=4.606×10-4kg.m2
JZ1=Π×7.8×103×0.0244×0.02/32=5.1×10-6kg.m2
JZ2=Π×7.8×103×0.054×0.02/32=9.57×10-5kg.m2
JS=Π×7.8×103×(0.021788>4×0.5/32=8.96×10-5kg.m2代⼊上式Jd=JZ1+(JZ2+Ts>×(1/i2>+(P/2Πi>2m
=5.1×10-6+(9.57×10-5+8.96×10-5>×(1/2.0832>+ (0.005/2Π×2.083>2×600=1.357×10-4kg.m2
考虑各步进电机与传动系统惯量是匹配问题.
初选步进电机110BF003 相数为3
Ms=7.84N.m Jm=4.606×10-4kg.m2
Jd/Jm=1.357×10-4/4.606×10-4=0.295
满⾜1/4≤Jd/Jm≤1的要求
说明惯量匹配⽐较合理
3步进电机负载能⼒效验
电机⼒矩计算步进电机上的总惯量是T=Jm+Jd=5。

963×10-4kg.m2
空载启动时，电动机轴上的惯性转矩为
TJ=Jη=J×(vmax/?t>=J×(2пi/P>×(vmax/?t>
=5.963×10-4×(2п×2.083/0.005>×(0.3/30×10-
3>×(1/60>=0.26N.m
电动机轴上的当量摩擦转矩
Tn=(P/2пηi>×Fn=(P/2пηi>×µmg
=(0.005/2п×0.8×2.083>×600×0.03=0.0086N.m
设滚动丝杠螺母副的预紧⼒为最⼤轴向载荷的1/3，则因预紧⼒⽽引起的，计算到电机轴上的附加摩擦转矩为T0=(P/2пηi>×F0×(1-η02>= (P/2пηi>×Fm×(1-
η02>
=[0.005/(2п×0.8×2.083>]×(1100.72/3>×(1-
0.9562>
=0.015N.m
TW=
(P/2пηi>×Fm=[0.005/(2п×0.8×2.083>]×1100.72=
0.52N.m
于是空载启动时电动机轴上的总载荷转矩为
Tε=TJ+TM+T0=0.26+0.0086+0.015=0.2836N.m
在最⼤外载荷下⼯作时，电动机轴上的总负载转矩为
T1=TW+Tn+T0=0.52+0.0086+0.015=0.5436N.m
按表5-5<郑堤，唐可洪主编，《机电⼀体化设计基
础》，第162页）查得空载启动时所需电动机最⼤静转矩
为
TS1= Tε/0.866=0.2836/0.866=0.327N.m
按式<5-39）<郑堤，唐可洪主编，《机电⼀体化设计基
础》，第162页）可求的在最⼤外载荷⼯作时所需电动机
最⼤静转矩为
TS2=T1/(0.3～0.5>=0.5436/(0.3～0.5>
=1.0872～1.812N.m
由于TS=7.84N.m>max{TS1,TS2},所以按给定要求步进电
机可以正常启动,不会发⽣失步现象。

1.6.2纵向步进电动机的计算和选型
1等效转动惯量计算
计算简图见图所⽰。

传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量可由下式
计算：
式中—步进电机转⼦转动惯量。

—齿轮的转动惯量。

—滚珠丝杠转动惯量。

参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转⼦转惯量。

考虑步进电机与传动系统量匹配问题。

基本满⾜惯量匹配的要求。

1.7轴承的选择和验算
轴承选择成对安装⾓接触球轴承。

46300型，其额定动载荷
Cr=6800N。

F0取1/3Fm,ε=3。

<⾓接触球轴承）
L=[Cr/(F0+Fm>]ε= [Cr/(1/3 Fm+ Fm>]ε
=[6800×3/4×1100.72]3=4.63
寿命h=L×106/60nv=4.63×106/60×30
=65814(h>
h>>Lh`=14400h
∴选46300型GB292-83的轴承满⾜条件。

1.8⼑架的选⽤
电动⼑架的安装较⽅便，普通车床已备有连接孔，将卧式车床的原⼑架拆下，将电动⼑架装上即可。

单安装时注意以下两点：1）电动⼑架的两侧⾯应于车床纵向和车床横向的进给⽅向平⾏。

2）电动⼑台与系统的连线应如下安装：沿横向⼯作台右侧⾯先⾛线到车床后⾯，再沿车床后导轨下⽅拉出的铁丝滑线，⾛线到系统。

其好处在于：避免⾛线杂乱⽆章，⽽使得加⼯时切屑、冷却液以及其他杂物磕碰到电动⼑架连线。

回转⼑架是最简单的⾃动换⼑装置，有四⽅⼑架、六⾓⼑架，即在其上装有四把、六把或更多的⼑具。

回转⼑架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加⼯的切削⼒：同时要保证回转⼑架在每次转位的重复定位精度。

第⼆部分硬件电路功能的实现
2.1硬件系统组成
1．基本组成
2．系统扩展
<1）程序存储器扩展
<2）数据存储器扩展
<3）输⼊输出端⼝扩展
<4）综合功能扩展
3．接⼝技术
<1）键盘接⼝技术
<2）显⽰器接⼝技术
4．步进电机控制硬件电路
2．扩展程序存储器2764两⽚；扩展数据存储1器6264⼀⽚；3．扩展可编程接⼝芯⽚8155三⽚；
4．地址锁存器、译码器各⼀⽚；
5．键盘电路，显⽰电路；
6．光电隔离电路，功率放⼤电路；
7．越程报警电路、急停电路、复位电路；
8．⾯板管理电路。

2.3 设计说明
由于8031芯⽚没有对外专⽤的地址总线和数据总线，那么在进⾏对外扩展存储器或I/O接⼝时，⾸先需要扩展对外总线。

通过8031引脚ALE可实现对外总线扩展。

在ALE为有效⾼电平期间，P0⼝上输出A7～A0，因⽽只需在CPU⽚外扩展⼀⽚地址锁存器，⽤ALE的有效⾼电平边沿作锁存信号，即可将P0⼝上的地址信息锁存，直到ALE再次有效。

在ALE⽆效期间P0⼝传送数据，即作数据总线⼝。

这样就可将P0⼝的地址线和数据线分开。

8031的引脚定义及功能如下：
Vcc<40脚）：芯⽚⼯作电源的输⼊端，+5V。

RESTE<9脚）：复位信号输⼊端。

当RESTE端保持两个机器周期的⾼电平时，可对单⽚机实现复位操作。

ALE<30脚）：地址锁存允许输出信号，在访问外部存储器时，⽤来锁存P0扩展地址低8位的地址信号。

<29脚）：外部程序存储器ROM的读选通信号输出端。

访问外部ROM时，可定时产⽣负脉冲作为外部ROM的选通信号。

/Vpp<31脚）：访问内外部程序存储器控制信号。

XTAL1<19脚）和XTAL2<18脚）的内部是⼀个振荡电路。

P0⼝<32～39脚）：是⼀个8位双向I/O⼝；在访问外部存储器时，分时提供低8位地址，并⽤作8位双向数据总线。

该⼝只能直接⽤于对外部存储器的读/写操作，由于是分时输出，应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号⽤ALE。

P1⼝<1～8脚）：是⼀个8位准双向I/O⼝。

是专供⽤户使⽤的I/O ⼝，⽤户可利⽤它作为I/O⼝线使⽤。