机床CK6163的数控化改造

1 机床数控化设计概述

本毕业设计是机床CK6163的数控化改造，要求是：

1）进给两坐标联动，采用单片机的半闭环控制；

2）脉冲当量：纵向（X）0.01mm/步，横向（Y）0.005mm/步；

3）系统能实现直线插补，圆弧插补；

4）电动刀架转位数为4；

5）其它要求：要能实现螺纹加工。

1．1 伺服系统的选择

对于机床的数控化改造，有开环、闭环和半闭环三种。开环控制是没有输出反馈的一类控制系统，开环控制系统的优点是简单、经济、容易维修。缺点是精度低、对环境变化和外界干扰十分敏感。闭环系统是在工业与国防领域，应用十分广泛。闭环系统较开环系统，具有一系列的优点，例如精度高、动态性能好、对环境变化灵敏度低，以及抗干扰能力强等。缺点是结构比较复杂，价格比较昂贵，不容易维修。而闭环系统虽然可以获得十分良好的控制精度。但是，受机械传动件的非线性影响严重，只有在要求高精度的场合，才采用闭环控制。因为各种部影响定位精度的因素都可以得到补偿。一般的，经济、实用型的数控机床则采用半闭环控制。显然，半闭环控制比全闭环控制容易实现，可节省投资。因此，本课题改造采用半闭环控制。对于本系统改造，闭环与半闭环的区别在于位置反馈传感器的安装位置。如安装在滚珠丝杠上为间接测量；安装在工作台上为直接测量。位置控制环内仅包含丝杠的扭转刚度及部分间隙，所以稳定性不是问题。因此半闭环控制系统可避免传动机构非线形（如齿隙、齿轮摩擦、非刚性等）引起系统产生极限环和爬行震荡。但丝杠与螺母之间的滞后得不到补偿，所以定位精度比闭环低。如图1.1：

图 1.1 半闭环控制系统

1．2 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/直线系统和连续控制系统。如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件。因此，本机床的数控化改造后具有在点位控制系统中不具有连续控制系统中才具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中却具有点位系统的功能。

1．3 执行机构传动方式的确定

为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及适宜阻尼比的要求。设计中需要考虑了以下几点：

1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用了滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨等

2）尽量消除传动间隙。例如采用消除齿轮等。

3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副等。1．4 计算机的选择

根据机床要求,采用16位微机.由于MCS-96系列单片机具有集成度高,可靠性好功能强速度快、抗干扰功能强等特点，采用了MCS-96系列的8098单片机扩展系统。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、直流伺服电机功率放大电路及光电编码器反馈电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。

2 机床机械传动设计

机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。一个典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感器部件等部分组成。这里所说的机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体等机构组成。为确保机械系统的传动精度和稳定性，尽量做到无间隙、低摩擦、低惯量、高精度、高谐振频率、适当阻尼等要求。

2．1 滚珠丝杠螺母副

图 2.2 滚珠丝杠螺母副

普通的螺旋传动广泛地用于将回转运动变换为直线运动。由于螺杆与螺母之间为滑动摩擦，在磨损和精度方面不能满足一些高精度机电一体化系统的要求。滚珠丝

杠螺母副则是为了克服普通螺旋等方面的缺点发展起来的一种传动机构。它用滚动摩擦螺旋取代了滑动螺旋摩擦，具有磨损小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温度低等优点。它具有的运动摩擦小、便于消除传动间隙的突出优点，对于机电一体化系统性能的改善大有益处。但是，它不能自锁，用于升降传动时需要加锁紧装置，结构复杂，成本高。在丝杠和螺母上先加工出弧形螺旋槽，再将两者套装在一起形成螺旋滚道，在螺旋滚道中装满滚珠。当丝杠螺母相对运动时，两者发生相对轴向移动，而滚珠在闭合回路中形成滚珠链的反复循环运动，以此将普通螺旋传动的滑动摩擦变为滚动摩擦。

本设计采用内循环式。内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整也不方便。

2.1.2 间隙消除及预紧

滚珠丝杠螺母副广泛用于闭环伺服控制系统中，如果传动存在间隙非线性，将使控制性能变差，故一般要采取措施消除间隙并适当预紧。本设计中采用双螺母螺纹式。通过拧紧圆螺母达到消除间隙和预紧的目的。该方法结构简单，但较难控制，容易松动，准确性和可靠性均较差。

2．2轴系

轴系是由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。轴系的主要作用是传递转矩、及传递精确的回转运动，它直接承受外力（力矩）。对于中间传动轴系一般要求不高。对于完成主要作用的主轴轴系的旋转精度、刚度、热变形及抗震性等要求较高。

2.2.1.1 齿轮的特点

齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器。齿轮传动是目前机械传动中应用最广泛、最重要的一种传动。它具有以下特点：

1、传动平稳，传递运动准确可靠。

2、齿轮传动的功率和圆周速度的范围较大。

3、齿轮传动结构紧凑，体积小，效率高。

4、承载能力强，使用寿命长。

缺点是制造和安装精度要求高，因此，成本比较大。

2.2.1.2 齿轮的最佳速比分配条件