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河北工程大学成教学院毕业设计 摘 要众所周知,制造业是国民经济的基础产业和支柱产业,是推动国家技术进步的力量。我国制造业较落后,想要改变此现状就必须提高制造业装备水平,特别是机床的数控化率。数控机床是属于高新技术集成的机电一体化机械加工设备,受到世界各工业发达国家的高度重视。成为当今世界机械加工设备中最引人注目的产品,但其价格昂贵。因此,普通车床的数控化改造成为热点。 本次设计是对普通车床CW6163的数控化改造。在这个团队主要包括:主传动系统的改造、纵向进给系统的改造、横向进给系统的改造。而我主要是针对纵向进给系统进行机械改造。这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练,提高了分析和解决工程技术问题的能力,并为进行一般机械的设计创造了一定条件。 数控改造主要传动系统的机械改造。由于对经济型数控机床的加工精度要求不高,为简化结构、降低成本。通过控制纵向进给系统,保证改造后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。为实现机床所要求的传动效率,采用步进电机经联轴器再传动丝杠:为保证一定的传动精度和平稳性,尽量减小摩擦力,选用滚珠丝杠螺母副。关键词:车床 数控改造 联轴器 滚珠丝杠AbstractAs we all know, manufacturing is the basic of economy industries and pillar industries, is the power to promote the progress of technological of the State. China's manufacturing industry has fallen behindif we want to change this situation we must improve the level of equipment manufacturing industry, especially in CNC machine tools rate. High-tech CNC machine tools are integrated mechatronics mechanical processing equipment, the world's industrialized countries are highly of it. It has become the world's most remarkable mechanical processing equipment products, but the price is very expensive. Therefore, the lathes Transformation of NC has become a hot. This design is about the common Lathe CW6163 transformation of NC. Main tasks are: the transformation of the main transmission system, the transformation of the vertical feeding system, horizontal feed system reform. While I was mainly aim at the lateral feeding system mechanical transformation. The graduation project on the design of the basic skills training has improved the analysis and the ability to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design. NC transformation is mainly a transformation of mechanical drive system. Because of the economy less precision CNC machining, it is order to simplify the structure and reduce costs. By controlling the cross-feed system, it ensures the modified lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation, and pause.Required for the realization of the transmission efficiency of machine tool, we should us a stepping motor drive and then screw through the coupling. To ensure a certain of driving accuracy and stability and minimize friction, a ball screw pair is needed.Keywords: lathe, NC Transformation, Coupling ,Ball Screw目录摘要IAbstractII第一章 概 述51.1 课题背景51.2机床数控化改造的必要性51.3 数控技术发展趋势61.3.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势81.3.2智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势81.3.3重视新技术标准、规范的建立91.4机床数控化改造的目的和意义91.5机床数控化改造的内容10第二章 CW6163数控改造总体方案122.1 设计任务和要求122.2 总体设计方案的内容122.3 总体方案的确定132.3.1系统的运动方式与伺服系统的选择132.3.2 数控系统142.3.3 机械传动方式14第三章 纵向进给系统设计153.1纵向进给部分15 3.1.1概述153.1.2系统脉冲当量的确定153.1.3机床导轨副的确定153.1.4纵向进给传动链的设计计算163.1.5纵向进给传动链部件的装配图设计173.1.6滚珠丝杠螺母副的计算和选型173.1.7步进电机的计算和选型193.1.8滚动轴承的选型和寿命验算223.1.9齿轮的设计和校核24第四章 微机数控系统电路设计274.1单片微机数控系统硬件电路设计内容274.2MCS-51系列单片机简介284.3存储器扩展电路的设计37第六章 结论58参考文献59致谢60第一章 概 述1.1 课题背景数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好的解决了现代机械制造中结构复杂，精密，批量小，多变零件的加工问题，且能稳定产品的和、加工质量。大幅度的提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床间隔较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。另外从目前国内机床使用的现状来看，普通机床拥有量巨大，在生产中，数控机床相对于普通机床的优势较为明显，而由于数控机床价格昂贵，所以有必要对普通机床加以数控改造，使之能完成数控机床能完成的部分生产任务。 我们这组的毕业设计是对普通车床CW6163进行经济型改造，本车床主要由床身、床头箱、刀架、进给系统、液压、冷却、润滑等部分组成，本次本车床的设计主要分为三大部分：主运动部分、纵向（Z轴）进给运动部分和横向（X轴）进给运动部分。三部分由我团队三人分别完成。本人针对横向进给进行机械改造。进行完善CW6163结构上先天性的不足。 毕业设计作为我们在大学校园里的最后一堂课，它既是一次锻炼也是一次检验，它的目的在于： 1、 毕业设计属于机械系统设计课的延续，通过设计实践，进一步学习掌握机械系设计的一般方法。 2、 培养综合运用机械制图、机械设计基础、精度设计、金属工艺学、材料热处理及结构工艺等相关知识，进行工程设计的能力。 3、 培养使用手册、图册、有关资料及设计标准规范的能力。 4、 提高技术总结及编制技术文件的能力。 大学四年的学习生活即将结束，因此，我大胆的提出了对普通CW6163数控化改造 。为我们中国制造业，尽一份力微薄的力量。用我们所学的知识为我们最后的考验做一份完美的答卷。 由于毕业设计是我的第一次综合性设计，无论是设计本人还是经验上的缺乏都难免导致设计的一些失误和不足，在此，恳请老师和同学们给予指正。1.2 机床数控化改造的必要性数控机床可以较好的解决形状复杂、精密、小批几多变零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，但是数控机床的应用也受到了其它条件的限制。（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，不适用于中小型企业。(2) 目前，各企业都用大量的普通机床，完全用数控机床代替不现实，投资巨大，而且代替下的机床会造成资源的浪费。(3）在国内购置一台数控机床的狡猾周期比较长，必能满足生产的急需。要较好的解决上述问题，应该把普通机床进行数控化改造，在国外以发展成为一个新型的工业部门，早在60年代已经开始迅速发展，并用专门企业经营这门业务。从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造是必不可少的，数控改造机床占有较大比例。如日本的大企业中有26%机床经过改造，中小型企业则是74%。在美国有许多数控专业公司为世界各地提供数控改造业务。我国是拥有300多万台机床的国家，而这些机床有大量是多年累积生产的普通机床，自动化程度低，想要在近几年使用自动化程度高的数控机床，不论是资金还是我国机床厂都是办不到的。因此，普通机床的数控化改造大有可为。它适应我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。1.3 数控技术发展趋势随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化需求的增强，产品品种增多，产品更新换代加速。这使得数控机床在生产中得到广泛的应用，同时也对数控机床的数控系统、伺服驱动系统及主机结构提出更高的要求。尤其是随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成制造系统的兴起和不断成熟，对数控机床的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制技术的应用提出了更高的要求。归纳起来，数控机床机械设计服务的发展体现在以下几个方面：1,、高速度、高精度化现代机床CNC系统多采用32位CPU，并向64位CPU发展，并且采用多微处理器并行技术，使运算速度和数据处理能力得到很大的提高。如FANDCF-1、FM-1、FS15系统，SIEMENS800系列的840C系统等，其主CPU都采用64位机，使插补运算和快速进给功能大为增强。64位简化指令集（RISC）微处理器告诉系统的采用，使运算速度成倍增加，使复杂形状零件的告诉、高精度加工成为可能。与高性能CNC系统相配合，现代数控机床采用了交流数字伺服驱动系统。伺服驱动系统的位置、速度和电流环都实现了数字化，并采用现代控制理论，实现了不受机械负荷变动影响的高速响应伺服驱动。由于新型CNC系统和伺服驱动系统的采用，使数控机床的进给速度和分辨率力得到很大提高，在 100240 m /min的进给速度下其位移分辨力可达 1m在24m/min的进给速度下其位移分辨力可达0.1m，在2.4m/min的进给速度下其位移分辨力可达0.01m.现代数控机床还充分利用CNC系统的补偿功能（如反向间隙补偿功能、螺距误差补偿功能及热补偿功能等）来提高其加工精度和动态性能。2、更高的可靠性由于现代机床CNC系统的模块化、标准化、通用化和系列化。便于组织批量生产，有利于保证产品质量。现代CNC系统大量采用大规模或超大规模集成电路，采用专用芯片及混合式集成电路，提高集成度，减少了元器件数量，降低了功耗，从而提高了可靠性。通过完善的故障诊断功能，实现对系统内硬、软件及外部设备的故障诊断和报警。利用报警提示及时排除故障利用监测技术，对发生超程、刀具损毁、过热、干扰、断电等各种意外自动进行相应保护，从而保证了数控机床可靠的工作。3、更完善的自动编程技术由于多维处理器并行技术的采用，使数控编程从离线编程发展到在线编程，即所谓的“前台加工，后台编程”。通过会话自动编程系统，不仅实现了在线零件加工程序的编制，还可以根据机床性能、工件材料及零件加工要求自动选择刀具及最佳切削用量，生成工艺路线，并实现切削仿真，大大提高了对复杂型面编程的效率。4、更高的通信功能为了适应自动化技术的不断发展，适应工厂自动化规模越来越大的要求，为了使数控机床更易于进入柔性制造系统和计算机集成制造系统的控制网络中，机床数控系统的接口数据交换能力和通信能力在不断加强。目前，已通过配置 的RS-232RS-422串行接口实现了对伺服、计算机的数据交换。通过网络接口可以方便的实现网络连接。如SIEMENS公司的Sinumeric850/880系统设置有SINECH1网络接口和MAP网络接口，通过网络接口可将数据系统连接到SIEMENS的SINECH1网络和MAP工业局域网中。FANUC公司的FANUC15系统也配置了类似的网络接口，为了便于接入工业局域网，还可配置MAP3.0接口板。5、智能化机械设计服务 计算机软、硬件技术的发展，人工智能技术的发展促进了机床数控系统智能化的进程。机床数控系统的智能化主要体现在：（1）将适应控制应用于数控系统中，构成适应数控系统（ACNCSystem）。在适应数控系统中，把精细的程序的控制和连续的适应调节结合起来，使系统的运用达到最优。其主要的追求目标是。保护刀具和工件，适应材料的变化；改善尺寸控制，提高加工精度，保持稳定的质量：寻求最高的生产率和最低的成本消耗：简化零件程序的编制，降低对操作人员经验和熟练程度的要求等。（2）故障诊断的智能化，即数控系统内置实时诊断软件，在数控机床整个工作过程中进行故障诊断并指导故障的排除。一旦发生故障，除采用停机措施，利用CRT进行故障报警，提示故障发生的部位和原因外，还可与利用“冗余”技术，自动使故障模块脱机，接通备用模块，以满足无人化工作环境的要求。在故障诊断中，除了采用专家系统外，还将模糊数学、神经网络应用其中，取得了良好的效果。(3) 刀具寿命自动监控检测技术的应用。即利用红外、声发射（AE）、激光的检测手段，对刀具和工件进行监控。发现工件超差，刀具损毁，及时报警、自动进行补偿或更给备用刀具，以确保产品质量。6、数控系统的开放化随着技术、市场、生产组织结构诸多方面的快速变化，对数控机床，特别是数控系统提出许多更新、更高的要求，如：(1) 为了适应不断出现的新加工需求，数控系统应具用更强的软、硬件重构能力，而且重构成本要低，重构周期要短；（2）为了适应未来车间面向任务和订单的生产组织模式，使底层生产控制系统的集成更为简便、有效，必须改变数控系统封闭型的设计模式；（3）为了适应机床制造厂的不同需要，数控系统应该具有高度的模块化，可重新配置、修给、扩充和改装，机床制造厂家和用户可以方便地将自己的成熟技术集成到数控系统中；为了适应新需要，寻求一种新的数控系统发展模式已成必然。美国、欧洲、日本针对数控系统所面临的问题和数控系统开放化的必然趋势，在自动化领域的开放式体系结构上做了不少的研究工作。1.3.1高速、高精加工技术及装备的新趋势尽管十多年前就出现高精度高速度的趋势，但是科学技术的发展是没有止境的，高精度、高速度的内涵也在不断变化，目前正在向着精度和速度的极限发展。效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料"掏空"的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。1.3.2智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。1.3.3重视新技术标准、规范的建立如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。1.4 机床数控化改造的目的和意义目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3。用普通机床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。本文以车床的数控改造为例，介绍了机床数控改造的方法，包括其结构的改造设计，性能与精度的选择以及最后改造方案的确定。 机床数控改造的意义 1）节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。 2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 3） 提高生产效率。 机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。 1.5 机床数控化改造的内容1 普通车床的数控化改造设计 机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论）。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。 2 数控车床的性能和精度的选择 并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件：第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。 1）轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。 2）进给运动： 进给速度：Z向（通常为8400mm/min）；X向（通常为2100 mm/min）。 快速移动：Z向（通常为1.24m/min）；X向（通常为1.23m/min）。 脉冲当量：在0.0250.005mm内选取，通常Z向为X向的2倍。 加工螺距范围：包括能加工螺距类型（公制、英制、模数、径节和锥螺纹等），一般螺距在10mm以内都不难达到。 3）进给运动驱动方式（一般都选用步进电机驱动）。 4）给运动传动是否需要改装成滚珠丝杠传动。 5）刀架是否需要配置自动转位刀架，若配置需要确定工位数。 6）其他性能指标选择： 插补功能：车床加工需具备直线和圆弧插补功能。 刀具补偿和间隙补偿：为了保证一定的加工精度，一般需考虑设置刀补和间隙补偿功能。 显示：采用数码管还是液晶或者显示器显示，显示的位数多少等问题要根据车床加工功能实际需要确定，一般来说，显示越简单成本越低，也容易实现。 诊断功能：为防止操作者输入的程序有错和随之出现的错误动作，可在数控改造系统设计时加入必要的器件和软件，使其能指示出机床出现故障或者功能失效的部分等，实现有限的诊断功能。 以上是车床数控改造时需要考虑的一些通用性能指标，有的车床改造根据需要还会有些专门的要求，如车削大螺距螺纹、在恶劣的环境下工作的防尘干扰、车刀高精度对刀等，这个时候应有针对性的专门设计。 3 车床数控改造方案选择 当数控车床的性能和精度等内容基本选定后，可根据此来确定改造方案。目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。因此，较典型的车床数控改造方案可选择为：配置专用车床数控改造系统，更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。 目前较典型的经济型专用车床数控改造系统具有下列基本配置和功能： 1）采用单片微机为主控CPU，具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。 2） 配有步进电机驱动系统，脉冲当量或控制精度一般为：Z为0.01mm，X向为0.005mm（要与相应导程的丝杠相配套）。 3）加工程序大多靠面板按键输入，代码编制，掉电自动保护存储器存储；可以对程序进行现场编辑修改和试运行操作。 4）具有单步或连续执行程序、循环执行程序、机械极限位置自动限位、超程报警，以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能。第二章 CW6163数控改造总体方案2.1设计任务和要求设计内容1、纵向伺服进给机构设计与计算 设计与计算的主要内容有：滚珠丝杠副的设计计算及选择，中间齿轮设计计算，轴承选择，步进电机的选择，绘制改造部分的机械结构装配图。2、数控系统设计（包括微机数控系统框图设计，微机数控系统电路原理图设计和绘制）3、用Solid works三维造型软件对车床某主轴进行三维造型设计并用MasterCAM软件进行数控加工编程与仿真加工。设计要求1、对滚珠丝杠的设计，是考虑在最大负荷作用下的使用寿命。丝杠的长度，丝杠的转速，滚道的硬度计运转情况满足工作要求。选出的丝杠型号，要计算其传动效率，并演算其刚度及稳定性。2、所选电机要满足设计要求3、数控系统的设计定位在开环控制的数控系统，相关的硬件元件的设计和选择要满足设计要求。4、数控系统控制软件的设计采用脉冲增量插补法对各象限的直线和圆弧进行插补程序设计。2.2总体设计方案的内容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、计算机系统的选择等内容。一、 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、连续控制系统和点位/直线控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。例如，数控钻床，在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因此数控系统可采用点位控制方式。对于点位控制系统的要求是快速定位，保证定位精度。连续控制系统要求工作台和刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，能够控制刀具沿任意直线或曲线运动，控制每一个轴的位置和速度，使得各个轴同步协调到达目标点。连续控制系统不仅控制目标点，而且控制刀具到达这些目标点的整个路径，使刀具始终接触工件并制造出希望的形状，所以具有连续控制系统的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件，故而连续控制系统又称为轮廓控制系统或仿型系统。在点位控制系统中不具有连续控制系统中所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。例如，数控铣床、数控车床等。点位-直线系统，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工作，进行简单的车削和铣削作业。其控制方法与点位系统十分相似，故有时也将这两种系统统称为点位控制系统。例如，数控镗铣床等。二、 伺服系统的选择伺服系统可以分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的。指令发出后，不再反馈回来，故称为开环控制。开环控制系统主要由步进电机驱动。开环伺服系统结构简单，成本低廉，容易掌握，调试和维修都比较简单。目前国内大力发展的经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动。但闭环系统造价高、结构和调试较复杂，多用于精度要求高的场合。半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位移半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是检测元件测出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。三、执行机构传动方式的确定为确定数控系统传动精度和工件平稳性，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、高谐振以及适当的阻尼比要求。在设计中应考虑以下几点：（1） 尽量采用低摩擦的传动和导向元件。例如，采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。（2） 尽量消除传动间隙。例如，采用消隙齿轮等。（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。也可以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动丝杠副等。四、 计算机的选择 微机数控系统由CPU、存储扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等组成。2.3总体方案的确定2.3.1系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆插补、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度不高，为了简化结构、降低成本容易调试和维护，经济型数控车床应选用步进电机开环控制系统。2.3.2数控系统根据机床要求采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强性能价格比高等特点，决定采用MCS-51系列的80C31单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘、显示器，I/O接口及光隔离电路，步进电机功率放大电路等组成。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。2.3.3机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动给丝杠。为保证一定的传动精度和平稳性，应尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。第三章 机械改造部分3.1纵向进给部分 3.1.1概述机床的主运动提供金属切削所需要的能量，而进给运动则根据被加工工件的形状，保持工件和刀具的相对位置。这样设计机床的运动，则主运动一般为旋转运动，要求驱动力源的功率大，其控制问题主要是进行调试，要求较低；而进给运动驱动动力源的功率较小，为了保证生成被加工的工件所要求的型线和一定的加工精度，一般应进行伺服控制，因此控制上的要求较低。 3.1.2系统脉冲当量的确定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，也称机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数，经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量为0.015mm/step到0.005mm/step。根据任务书上的定位精度0.01mm，所以在设计时选择脉冲当量为0.01mm/step。3.1.3机床导轨副的确定传统机床上使用的均为铸铁-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，而代之为铸铁-塑料或镶钢-塑料导轨。它们主要包括以下两种类型。一、涂塑导轨 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份混合而成，再配以固化剂均匀涂刮或注入导轨面。这种涂料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。二、贴塑导轨聚四氟乙烯胶带，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而成。.它具有摩擦特性好、耐磨性好、减震性好等特点。已成功用在中、小型数控机床上。这种软带可以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轮。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广泛。根据综合作业任务书和以上分析可知，本次数控化改造采用在原有三角形导轨上进行贴塑改造，即采用三角形贴塑导轨。 3.1.4纵向进给传动链的设计计算一、主切削力及其切削分力的计算(1)主切削力及其切削分力计算已知机床电动机的额定功率为11kW,最大工件直径D=800mm，主轴计算转速n=85r/min，在此转速下，V=3.56m/s取机床的机械效率=0.8，则=*1000/V=2471.9N (2)计算各切削力 走刀方向的切削力和垂直方向的切削分力为： =0.25=617.97N=0.4=988.76N二、导轨摩擦力的计算(1)计算在切削状态下的导轨摩擦力。此时，导轨受到的垂向切削力=2471.9N，纵向切削分力=617.97N，移动部件全部质量（包括机床夹具和工件质量）m=434kg(所受重力W=4253.2N),查表2-3得镶条紧固力=2500N，取导轨动摩擦系数=0.15，则=（W+）=1476.5N(2)计算在不切削状态下的导轨摩擦力和=（W+）=1012.98N=（W+）=1350.64N三、计算滚珠丝杆螺母副的纵向负载力(1)计算最大纵向负载力=+=2465.26N(2)计算最小轴向负载力=1012.98N四、确定进给传动链的传动比i和传动链级数取步进电动机的步距角=1.5，滚动丝杠的基本导程=6mm，进给传动链的脉冲当量=0.01mm/step，则=2.5按最小惯量条件，从图2-42和图2-43中查得该减速器应采用1级传动比，传动比可以取i=2.5,根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为=20，=50.模数m=2,齿宽b=20mm。3.1.5纵向进给传动链部件的装配图设计将以上计算结果用于该部件的装配图设计，其计算简图如图1所示。 3.1.6滚珠丝杠螺母副的计算和选型一、 滚珠丝杠螺母副的选型滚珠丝杠螺母副分为外循环插管式和内循环反向器式两种类型。内循环方向器式滚珠丝杠螺母副的滚珠，在循环的过程中始终和丝杠表面接触，通过方向器越过丝杠的螺纹外径进入相邻的滚道，形成一个循环回路，内循环方向器式结构回路短，摩擦小，效率高，径向尺寸小，但制造成本很高。外循环插管式滚珠丝杠螺母副的滚珠，在循环的过程中有一段离开丝杠表面，通过弯道形成循环回路，虽然它的径向尺寸大，而且弯道两端管的耐磨性和抗冲击性较差，但是它的结构简单，制造容易，成本低，故从经济性考虑选择外循环插管式的滚珠丝杠螺母副是可行的。二、滚珠丝杠螺母副预紧及间隙消除方法（1）预紧方法 1.双螺母齿差式 由于齿数差的关系，两螺母在圆周上相互错动一定的相位，从而达到调整间隙的目的。这种调整方法精度高，预紧准确可靠，不易松动，调整方便。适用于高精度传动中。 2.双螺母螺纹式 这种方法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，准确性和可靠性均差。 3.双螺母垫片式 这种方法通过调整垫片的厚度，使螺母产生位移，以达到消除间隙和预紧的目的。该方法结构简单，拆卸方便，工作可靠，刚性好；但使用中不便于随时调整，调整精度较低。根据我们的具体情况可采用此方法预紧。 4.单螺母变位导程自预紧式 这种方法是在滚珠螺母内的两组循环圈之间，借助于螺母内螺纹变位导程产生变位量来实现消除间隙和预紧，其预紧力的大小由变位量和径向间隙确定。该方法和以上3种方法相比，结构最简单、尺寸最紧凑，且价格低廉，缺点是不便于随时调整。（2）间隙消除方法