数控车床设计说明书

1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共1页目 录第一章 系统总体方案的分析与拟订41.1 系统总体改造方案的确定41.2 机械传动系统的改造方案的确定41.3 设计参数4第二章 进给传动系统传动方案设计62.1 进给系统的概论62.2 进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案6第三章 运动设计83.1 机床主传动设计及参数的确定8第四章 丝杆螺母机构的选择和计算134.1 计算主切削力极其切削力计算134.2 导轨摩擦力的计算144.4 确定滚珠丝杠副的导程14第五章 向步进电动机的计算和选型165.1 等效转动惯量计算16第六章 丝杆螺母刚度计算206.1 杠抗压刚度206.2 支承轴承组合刚度20第七章 数控系统设计257.1 数字控制系统257.2 数控系统的硬件特点：257.3 控制系统图及芯片的选择267.4 I/O接口的扩展267.5 存储器及系统扩展设计。277.6 键盘及键盘接口设计297.7 显示器接口设计307.8 步进电机控制电路32参考文献38致谢39 摘要本文介绍了普通数控机床中CA6140车床进给系统的设计过程，主要为机械

2、元件的设计，包括滚珠丝杠、轴承、步进电机、和齿轮传动比的计算、选择与应用。针对现有常规CA6140普通车床的数控改装方案，纵向、进给系统进行数控控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01mm每脉冲，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。关键词：齿轮；进给丝杠；步进电机；前 言 我国目前机床总量为380万余台，而其中数控机床总数只有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国内市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。 对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按

3、程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。 数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要内容之一。第一章 系统总体方案的分析与拟订1.1 系统总体改造方案的确定目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机车，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、复杂零件的加工，不但提高加工精度和生

4、产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现机车的机电一体化改造的方法有两种：一种是以微机为中心设计控制部分；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通过采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制系统。起结果简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照输入脉冲的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输入一系列脉冲，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单片机每完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速度。1.2 机械传动系统的改造方案的确定在熟悉原机床的操作过程及传动系统后，根据设计要求确定系统的机械传动系统改造方案。(1)工作台工作面尺寸（宽度 长度）确定为520mm 1200mm。(2)工作台的导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙烯(pt-fe)导轨板。同时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙，在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨背面与背板的间隙，并在与

5、工作台导轨相接触的斜镶条接触面上和背板接触面上贴塑。(3)对滚珠丝杆螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杆进行预拉伸。(4)采用伺服电机驱动。(5)采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杆直连。1.3 设计参数加工最大长度1500mm主轴孔径50mm 机床定位精度 +0.03mm 最大回转直径400mm 使用寿命 (h)=14400h 启动加速时30ms 传动精度要求=+0.02mm或=-0.02m 溜板及刀架重力（纵向）800N 最大进给速度（纵向）0.6m/min 丝杠长（纵向）3.6m=1600r/min丝杠转速（纵向）60r/min 根据机床精度要求确定脉冲当量：（纵向）0.01mm/步,第二章 进给传动系统传动方案设计2.1 进给系统的概论进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。因此，在设计传动结构，选用传动零件时应充分注意减小摩擦阻力，提高传动精度和刚度，消除传动间隙和减小运动惯量。数控机床的进给运动采用无级调速的伺服驱动方式，伺服电机的动力和运动只需经过由最多一两级齿轮或带轮传动副和滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或

6、蜗杆蜗条副组成的传动系统传动给工作台等运动执行部件。传动系统的齿轮副或带轮副的作用主要是通过降速来匹配进给系统的惯量和获得要求的输出机械特性，对开环系统，还起匹配所需的脉冲当量的作用。近年来，由于伺服电机及其控制单元性能的提高，许多数控机床的进给传动系统去掉了降速齿轮副，直接将伺服电机与滚珠丝杠连接。滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副的作用是实现旋转到直线的运动形式的转换。 2.2 进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案 数控改造中主要机械部件改装探讨一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的滑动导轨副对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。齿轮副一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传

7、动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。安全防护必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。第三章 运动设计3.1 机床主传动设计及参数的确定机床的主要技术参数包括主参数和基本参数。主参数是机床参数中最主要的

8、，它必须满足以下要求：a、 直接反映出机床的加工能力和特性；b、 决定其他基本参数值的大小；c、 作为机床设计的出发点；d、 作为用户选用机床的主要依据。对于通用机床（包括专门化机床），主参数通常都以机床的最大加工尺寸表示，只有在不适用于用工件最大尺寸表示时，才采用其他尺寸或物理量。如卧式镗床的主参数用主轴直径，拉床用额定拉力等。为了更完整地表示出机床的工作能力和加工范围，有时在主参数后面标出另一参数值，称为第二主参数。如最大工件长度、最大跨度、主轴数和最大加工模数等。除主参数外，机床的主要技术参数还包括下列基本参数：a、 与工件尺寸有关的参数；b、 与工、夹、量具标准化有关的参数；c、 与机床结构有关的参数；d、 与机床运动特性和动力特性有关的参数。这些基本参数可以归纳为尺寸参数、运动参数和动力参数三种。3.1.1尺寸参数尺寸参数是表示机床工作范围的主要尺寸和工、夹、量具的标准化及机床结构有关的主要参数。如普通车床横刀架上最大工件的回转直径，在相同中心高的情况下，这一尺寸参数既决定加工长工件的最大直径，又决定刀架的厚度及刚性。机床的主参数主要决定于工件的尺寸。对于各类通用机床，已在调

9、查研究各种工件的基础上制定出了机床的参数标准，设计时应该遵照执行。专用机床的主参数则基本上可以根据工件尺寸决定。主参数系列采用优先数系，这样做有如下好处：1)优先数按等比级数分级，能在较宽的范围内以较少的品种，经济合理地满足用户的需要，即可把产品的品种规格限制在必需的最少范围内。2)优先数系具有各种不同公比的系列，因而可以满足较密和较疏的分级要求。随着形势的发展，可以通过插入中间值使较疏的系列变成较密的系列，而原来的项值保留不变。在参数范围很宽时，根据经济性和需要量等不同的条件，还可以分段选用最合适的基本系列（即选用不同的公比），以复合系列的形式组成最佳系列。 3)优先数系是国际上统一的数值制度，有利于国际的标准化。 其他尺寸参数一般根据主参数来确定。但由于机床的使用情况比较复杂，这些尺寸参数的确定还有相似分析法和图解分析法及回归分析法。 由此可以得到CK6140数控车床的尺寸参数如下表所示 ：参数项目单位数值床身上最大工件回转直径mm320刀架上最大工件回转直径mm160主轴通孔直径mm35主轴锥孔莫氏Nq6尾架顶尖套锥孔莫氏Nq5最大工件长度Lmm750刀杆截面尺寸mm20203.1.2 运动参数运动参数包括机床主运动（切削运动）的速度范围和级数，进给量范围和级数以及辅

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