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齿轮系常用于机电伺服系统的减速增矩。

在本数控机床进给系统的齿轮箱中，有四个齿轮。

设齿轮传动比第一级为i1，第二级为i2。

当i2近似等于i1*i2/1.414时为最佳速比分配条件。

该条件也近似使用于多级减速装置。

一般，齿轮传动级数增加，齿轮传动的总惯量就减少。

但传动效率要降低，齿隙和摩擦的来源也随之增加。

因此应在传动级数和传动比的分配方面综合权衡。

2.2.1.3 齿轮间隙的消除齿轮的间隙是全闭环伺服系统中影响系统稳定的主要非线性因素之一。

消除齿轮间隙分刚性调整法和柔性调整法。

对于带锥度齿轮法结构中，是将带锥度的齿轮轴向移动直至消除齿轮副间隙为止。

2.2.2 轴承轴承是用来支承轴的专门部件，在保持轴的旋转精度的同时，减少转动轴与支承之间的摩擦与磨损。

轴承分为滚动轴承和滑动轴承。

滚动轴承已标准化系列化，有向心、推力轴承、向心轴承和推力轴承。

共十种类型。

本设计中采用了深沟球轴承和推力轴承。

对于轴系用球轴承有单列向心球轴承和角接触球轴承。

前者一般不能承受轴向力，且间隙不能调整，常用于旋转精度和刚度要求不高的场合。

后者既能承受径向载荷也能承受轴向载荷，并且可以通过内外圈之间的相对位移来调整其间隙之大小。

轻载时应用广泛。

推力轴承：51000系列（单向）推力球轴承，其轴向承载能力很强，支承刚度很大，但极限转速较低，运动噪声较大。

2.2.3 提高轴系性能的措施1)、提高轴系的旋转精度a）提高轴颈与架体（或箱体）支承的加工精度；b）用选配法提高轴承装配与预紧精度；c）轴系组件装配后对输出轴的外径、端面及内孔通过互为基准进行精加工。

2)、提高组件的抗振性a）提高轴系组件的固有振动频率、刚度和阻尼；b）消除和减少强迫振动振源的干扰作用；c）采用吸振、隔振和消振装置。

2．3导轨导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。

这样的部件通常被称为导轨副，简称导轨。

导轨副主要由承导件和运动件两大部分组成。

机电一体化对导轨副的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。

2.3.1 滚动导轨的优缺点目前，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，f=0.0025~0.005动、静摩擦系数很接近，且几乎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，精度保持良好；低速运行时不易出现爬行现象，因而定位精度高。

它的缺点是：导轨面与滚动体是点接触或面接触，所以抗振性差，接触应力大对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度；结构复杂，制造困难，本较高；对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。

2.3.2 滚动导轨的预紧方式滚动导轨经过预紧，可以显著地提高其精度。

通常经过预紧的导轮的刚度可以比没有预紧的高三倍左右。

因此，对于颠覆力矩较大，或要求接触刚度或移动精度较高的导轨均应进行预紧。

但预紧力应适当，预紧力过大会使牵引力显著增加。

常用的预紧方法有两种：采用过益配合或采用调整元件。

2. 4 机座机座或机架是支承其它零件的基础部件。

它既能承受其它零件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。

机座多采用铸件，机架多由型材装配或焊接构成。

其基本特点是尺寸较大、结构复杂、加工多面，几何精度和相对精度要求较高。

因此，在设计时考虑到了机床的总体精度，机架或机座的变形和振动将直接影响机床的质量和正常运转，故要满足其刚度和抗振性等。

2. 5 机械设计计算将一台CK6163普通车床改造成微机数控，采用MCS-96系列单片机控制系统，直流伺服电机半闭环控制，具有直线和圆弧插补功能，其主要设计参数如下：加工最大直径：在床面上 500mm在床鞍上 280mm加工最大长度： 1000mm溜板及刀架重力：纵向 800N横向 1100N刀架快速速度：纵向 1.2m/min横向 0.6m/min最大进给速度：纵向 0.3m/min横向 0.6m/min主电机功率： 11KW启动加速时间： 30ms机床定位精度： 0.015mm2.5.1 根据机床精度要求确定脉冲当量纵向：0.01mm/步；横向：0.005mm/步（半径）2.5.2 计算切削力1）纵车外圆主切削力Fz（N）按经验公式估算： Fz=0.067Dmax=0.67*500=7491N按切削力各分力比例： Fz：Fx：Fy=1：0.25：0.4Fx=7491*0.25=1873 NFy=7491*0.4=2996N2）横切端面主切削力Fz1（N）可取纵切的1/2。

Fz1=Fz/2=3745 N此时走刀抗力为Fy1（N），吃刀抗力Fx1（N）。

仍按上述比例粗略计算：Fz1：Fy1：Fx1=1：0.25：0.4Fy1=3745*0.25=936 NFx1=3745*0.4=1497 N2.5.3滚珠丝杠螺母副的计算与选型1)计算进给率引力Fm（N）纵向进给为综合型导轨 Fm=K*Fx+f（Fz+G） (2.1)=1.15*1873+0.16（7491+800）=3529N式中 K——考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15f——滑动导轨摩擦系数： 0.15~0.18G——溜板及刀架重力： G=800N。