摘 要

数控机床的优点：具有高度柔性，加工精度高，加工质量稳定、可靠，生产率高，改善劳动条件，利于生产管理现代化。

普通机床的缺点：普通机床靠齿轮和普通丝杠螺母传动。由于各运动副间存在间隙，加上手工操作不准确，因此重复精度较低。普通机床测量时需停车后手工测量，测量误差较大，而且效率低下。适合批量较小，精度要求不高，零活类零件。它投资较数控低，但对工人的操作技能要求较高，因此工资水平高。

在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。因此，数控机床适用于零件频繁更换的场合。也就是适合单件、小批生产及新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。

物竞天择，适者生存。一些不适应社会发展在机床必将被淘汰，所以实施机床的数控化改造是机械行业在必然趋势。通过搜集资料、实践研究等方法对机床就行改造即是用较少的成本去创造更高的价值。而这也将极大的推动中国机械行业的发展。

经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：机床的数控化改造可以为企业带来可观的经济效益。

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。

关键字：机床、数控化、改造、意义

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目 录

第一章 数控化改造的好处

第二章 数控化改造方案 第三章 介绍C6140普通车床

第一节 简单介绍????????????????????4

第二节 加工范围及特点?????????????????6

第三节 传动系统的介绍?????????????????7

第四章 设计进给系统

第一节 设计纵向进给系统????????????????9

第二节 设计横向进给系统????????????????18

第五章 改造车床主轴及控制系统

第一节 改进主轴电机??????????????????26

第二节 主轴脉冲编码器的运用??????????????26

第三节 改进刀架????????????????????28

第四节 改进机床导轨??????????????????29

第五节 坐标系的建立X、Z轴的限位和参考返回电路?????30

第六节 安装用键和变频器????????????????31

第七节 机床的安装、调试、精度检验???????????31

第一章 数控化改造的好处

一、有利于企业技术的提高，成本的节约

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数控机床与普通机床相比，有很大的优势，数控机床具有高度柔性，加工精度高，加工质量稳定、可靠，生产率高，改善劳动条件，利于生产管理现代化；而普通机床精度低，效率低，适合批量较小，精度要求不高，零活类零件。它投资较数控低，但对工人的操作技能要求较高，因此工人工资水平高。这样会大大的加大企业的支出，对企业的收入也是有所影响的。

二、有利于企业经济开支的节约

数控化改造一般用户都能承担的起,这为资金紧张的中小型企业的技术改造开辟了新路,也对实力雄厚的大型企业产生了较大的吸引力。由于新型机床价格昂贵,一次性投资巨大,如果把旧机床设备全部用新型机床替换。要花费大量的资金,而替换下的机床又会闲置起来造成巨大浪费,若采用数控技术对旧机床加以改造和购买机床相比,则可省50%以上的资金,一套经济型数控装置的价格仅为全功能装置的1/3到1/5。

三、有利于数控化市场的扩大

订购新的数控机床的交货周期一般较长,往往不能满足用户的需要,而改造的数控机床能够适应市场对产品多样化和高精度的要求。因此得到了用户广泛的应用,机床的数控化改造已成为满足市场需求的主要补充手段,对中、小型企业来说是十分理想的选择。

四、有利于企业生产的扩大

在现代机械制造工业中,中小批量甚至单件生产,个性化的产品占有相当大的比重,尤其是我国加入世贸组织后,成为世界性的加工基地,产品出口的增长迅速,从低附加值、劳动密集型产品逐步过度到高附加值的精密型零件的出口，高精度的数控机床起了重要的作用。数控机床是最能适应这种生产需要的。

五、有利于企业的工业化水平的提高

以数控机床为代表的现代基础机械是制造实现生产现代化的重要设备，数控技术水平的高低和机床的数控化率，数控设备的拥有量已成为衡量一个国家现代工业化水平的重要标志。

六、有利于企业的多方面发展

数控技术用于机床的改造是建立在微电子技术与传统技术相结合的基础上，具有高可靠性、柔性强，易于实现机电一体化、经济性可观等特点。为此，在旧机床上进行数控化改造可以提高机床的使用性能、降低生产成本、用较少的资金投入而得到较大的经济效益。

第二章 数控化改造方案

一、 改造的内容

普通车床的数控化改造主要有4个内容：（1）车床的主轴的正、反向转数控制和实现其不同切削速度的主轴变速。（2）车床纵横两个方向的走刀量控制。由计算机控

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制的电动机直接带动传动丝杠来实现。（3）自动换刀的控制。是通过计算机控制的电动机来达到转角的目的。（4）在加工螺纹时，应保证主轴转一转、刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。 二、改造原则

确定具体改造方案的基本原则是：在满足使用要求的前提下对机床的改动尽可能少，以降低成本、增强抗干扰性。 三、改造方案

采用SINUMERIK802D数控系统，由I/O接口输出步进脉冲，步进电机经减速齿轮减速后带动丝杠转动，利用滚珠丝杠螺母副从而实现纵向、横向的进给运动。使用四方刀架进行自动换刀。此外，为了保证车床加工螺纹的功能和防止意外事故的发生，增加光电编码器和电路中设置了保护电路。 四、进给系统改造的要求

具有较高的定位精度、有良好的动态响应特性，即系统跟踪指令信号的响应要好、稳定性要好，为了确保数控机床进给的传动精度和工作稳定性。要求进给系统达到无间隙、低惯量、高刚度和高谐频率以及适应的阻尼等。

第三章 介绍C6140普通车床

第一节 简单介绍

一、机床的组成和主要技术参数 1．机床的组成

C6140车床的主要组成部件由图1所示。

图1 C6140 车床外形图 1—主轴箱 2—刀架 3—尾座 4—床身 5—右床腿 6—溜板箱 7—左床腿 8—进给箱

6—溜板箱 7—左床腿 8—进给箱 4

1．主轴箱 主轴箱1是一部件，由箱体、主轴、传动轴、轴上传动件、变速操纵机构、润滑密封件等组成。主轴通过前端的卡盘或者花盘带动工件完成旋转作主运动，也可以安装前尖顶通过拨盘带动工件旋转。

2．刀架 四方刀架装在小滑板上，而小滑板装在中滑板上，纵滑板可沿床身导轨纵向移动，从而带动刀具纵向移动，用来车外圆、镗内孔等。而中滑板相对于纵滑板作横向移动，用来带动刀具加工端面、切断、切槽等。小滑板可相对中滑板改变角度后带动刀具斜进给，用来车削内外短锥面。

3、尾座 尾座3可沿其导轨纵向调整位置，其上可安装顶尖支撑长工件的后段以加工长圆柱体，也可以安装孔加工刀具加工孔。尾座可横向作少量的调整，用于加工小锥度的外锥面。

4、进给箱 进给箱8内装有进给运动的传动及操作装置，通过改变进给量的大小，可改变所加工螺纹的种类及导程。

5、床身及床腿 床身4是机床的支承件，它安装在左床腿7和右床腿5上并支承在地基上。床身上安装着机床的各部件，并保证它们之间具有要求的相互准确位置。床身上面有纵向运动导轨和尾座纵向调整移动的导轨。

6、溜板箱 溜板箱6与纵向滑板（床鞍）相连，溜板箱内装有纵、横向机动进给的传动换向机构和快速进给机构等。 2．CA6140车床的主要技术参数，如表1.

表1 C6140车床的主要技术参数 床身上最大工件回转直径 刀架上最大工件回转直径 最大工件长度 主轴中心至床身平面导轨距离 最大车削长度 主轴孔径 主轴转速 正转（24级） 反转（12级）

400mm 210mm 750、1000、1500mm 205mm 650、900、1400mm 48mm 10～1400r/min 14～1580r/min 5

刀架纵向及横向进给量 纵向 一般进给量 小进给量 加大进给量 横向 一般进给量 小进给量 加大进给量 刀架纵向快速移动速度 车削螺纹范围 米制螺纹（44种） 英制螺纹（20种） 模数螺纹（39种） 经节螺纹（37种） 主电动机 快速电动机 功率 转速 功率 转速 各64种 0.08～1.59mm 0.028～0.054mm 1.71～6.33mm 0.04～0.79mm 0.014～0.027mm 0.86～3.16mm 4m/min 1～192mm 2～24牙/in 0.25～48mm 1～96牙/in 7.5kw 1450r/min 250kw 2800r/min 第二节 加工范围及特点

一．加工范围

C6140车床的工艺范围很广，它能完成车削内外圆柱面、圆锥面、车削端面、各种螺纹、成形回转面和环形槽等多种多样的加工工序。也可以进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹、套螺纹和滚花等工作。其典型表如图2所示。C6140车床主运动由工件随主轴旋转来实现，而进给运动由刀架的横向动来完成。由于机械产品中回转表面的零件很多。车床的工艺范围又较广泛，因此C6140车床使用十分广泛。

图2车床加工的典型零件 6

二．C6140车床的加工特点 1 加工范围较大。

2 加工时，主运动是工件和旋转运动，进给运动是刀具的纵向和横向移动。 3 正常情况下，在车削加工过程中，切削力比较稳定，加工比较平稳。

4 在车削加工过程中切屑和刀具之间的剧烈挤压和摩擦，以及刀具与工件之间的摩擦，产生了大量的切削热，但大部分热量被切屑带走，所以C6140在加工过程中一般可以不使用切削液。

5 在一般情况下，这种机床多用于粗加工和半精加工。

第三节 传动系统的介绍

C6140车床的传动系统，由主运动传动系统、车螺纹进给传动系统组成，见图3。

图3 C6140车床主运动传动系统图 7

一.主运动传动系统

1.传动路线表达式 写传动路线表达式的方法是“抓两头带中间”，即将首件通过中间传动件将末端件联系起来，对于C6140型卧式车床主运动传动链来说，即从主电动机经Φ130mm带轮带动Φ230mm带轮，从而带动Ⅰ轴，Ⅰ轴上有双摩擦离合器M1，

5651M1向左结合，左边的z51、z56双联齿轮与Ⅰ轴一起转动，通过两对传动副「，」

3843传动Ⅱ轴实现主轴正转。M1向右结合，由z50与Ⅰ轴一起转动，z50通过Ⅶ轴z34传动Ⅱ轴上的z30实现主轴反转。M1处于中间，则Ⅰ轴空转，即不传动左边的z51和

3922z56，也不传动右边的z50，Ⅱ轴的运动通过Ⅱ——Ⅲ轴之前的三对传动副「，，

505830」传动Ⅲ轴，Ⅲ轴有两条路线可传动主轴，即通过Ⅵ 轴上的M2，M2向左滑移至502050z63与z50啮合，使得Ⅲ轴通过﹝，﹞ 直接传动主轴Ⅵ轴，实现主轴高速转动，

80502051即为450～1400r/min;若M2向右结合，Ⅲ轴通过﹙，﹚传动Ⅳ轴，Ⅳ轴通过

8050205126﹝，﹞传动Ⅴ轴，Ⅴ轴通过 传动Ⅵ轴（主轴），其传动路线表达式为 805058二．车螺纹进给传动系统

C6140型卧式车床的螺纹进给传动系统可车削米制，模数制，英制和径节制4种标准螺纹，另外还可以加工大导程螺纹，非标准螺纹及较精密螺纹以及右旋，左旋螺纹。

车制螺纹时，刀架通过车螺纹传动链得到运动，两端件——主轴，刀架之间必须保持严格的运动关系，即主轴每转一周，刀具移动一个被加工螺纹的导程L。车螺纹传动链运动平衡式为：

1主轴?U?L丝=L

式中U为主轴至丝杠间全部传动机构的总传动比；L丝为机床丝杠的导程，CA6140型

车床的丝杠导程L丝=12mm；L为工件螺纹的导程（mm）。

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三、纵向、横向进给机构

车削内、外圆柱表面时，可使用机动的纵向进给车削端面时，可使用机动的横向进给。为了减少丝杠的摩孙和便于操作，保证螺纹传动链的精度，机动进给传动链不用丝杠及开合螺母传动。机动进给是由光杠XIX经溜板箱传动。从主轴VI至进给箱轴XVII上滑移齿轮Z28处于左位，使M5 脱开，从而切断进给箱与丝杠的联系。运

28动由齿轮副及联轴节传至光杠XIX，再由光杠通过溜板箱中的传动机构，分别传至

56齿轮齿条机构或横向进给丝杠XXVII，使刀架做纵向或横向机动进给。溜板箱内的双向齿式离合器M8及M9分别用于纵、横向机动进给运动的接通、断开及控制进给方向。CA6140型卧式车床可以通过4种不同的传动路线来实现机动进给运动，从而获得纵向和横向进给量各64种。以同样传动路线传动时，横向进给量为纵向进给量的一半。 1.纵、横向机动进给的传动路线表达式为 2.纵向机动进给量(32种)

f纵?I主轴?58336310025253628363244028?????i基???i倍?????????2.5?12mm 583310075363625563256294880?0.711i基i倍

3.横向机动进给量(64种)

5833631002525362836324404859f纵?I主轴??????i基???i倍????????5mm

58331007536362556325629484818?0.355i基i倍

横向机动进给量为纵向机动进给量的一半。 四、刀架的快速移动

在C6140车床上加工零件时，为了缩短辅助时间，提高生产效率：刀架可实现机动纵向、横向快速移动。按下快速移动按钮（点动控制），快速电机（0.25kw，2800rpm）经齿轮副13/29使轴XX高速转动，再经蜗杆副4/29及溜板箱内的转换机构，使刀架

实现纵向或横向的快速移动，快速移动的方向由溜板箱内的双向离合器M8及M9控制。

第四章 设计进给系统

第一节 设计纵向进给系统

纵向进给系统主要分为切削力的计算、滚珠丝杠副的选择、减速齿轮的设计、步进电机的确定等。

操作步骤为：拆除原C6140车床的传动机构（进给箱、溜板箱、传动丝杠、光杠、操作丝杠），利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔，安装步进电机减速箱体，滚珠丝

杠仍安装在原丝杠的位置，两端仍采用原固定方式（一端固定、一端浮动）。由于滚

珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，所以纵向进给机构整体刚性优于从前，所以采用一级齿轮减速装置。

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已知条件，如表2：

表2 已知条件 最大工件直最大工件溜板及刀架刀架快移最大进给径 /mm 床身床鞍上 上 750/1000 800 600 2.4 1.2 0.6 0.3 长度 /mm 重量 /mm 速度 m/min 速度 m/min 定位精度 mm ±主电起动动机加速滚珠丝杠导程 /mm 功率 时间 纵向 横向 纵向 横向 纵向 横向 /kw /ms 纵向 横向 7.5 30 6 5 400 210 0.015 选择脉冲当量 根据机床精度要求选择脉冲当量，纵向：0.01mm/步，横向为纵向的一半，即0.005mm/步。 一、切削力的计算

车床的主电动机最大切削功率P切=P主ηK 式中 P主——主电动机功率，CA6140车床P主=7.5KW

η——主传动系统效率，一般为0.6～0.7，取η=0.65 K——进给系统功率总效率 取K=0.96 ∴P切=7.5×0.65×0.96=4.68KW

Fcv10?3又∵切削力P切=

60式中 FC——主切削力（N）

V——最大切削速度（m/min）。按用硬质合金刀具半精车刚件的速度V=100m/min

在外圆车削中：Fy=（0.15～0.7）Fz=2808×0.6=1684.8N

FX=（0.1～0.6）Fz=2808×0.5=1404N 二、滚珠丝杠副的设计及选型

1、滚珠丝杠副的工作原理及特点 在数控机床进给系统中一般采用滚珠丝杠副来改善摩擦特性。滚珠丝杠副是一种在丝杠与螺母间装有滚珠作为中间元件的丝杠副，其结构原理如图4所示。为防止滚珠在工作过程中从螺母两端掉出，在螺母的螺纹滚道4上装有挡滚珠器2（又叫回珠器或反向器）。回路管道5将滚珠3引回，构成滚珠连续工作的循环通道。

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（1）、滚珠丝杠副具有如下优点：

①传动效率高 滚珠摩擦的摩擦损失小，传动效率η=0.92～0.94，是普通滑动丝杠的34倍（η=0.20～0.40）。

②摩擦力小 因静、动摩擦因数小，因而传动灵敏、运动平稳、低速不易爬行、随动精度和定位精度高。

③可预紧 经预紧后可消除轴向间隙。有助于定位精度和刚度提高，既使反向也没有空行程，反向定位精度高，且传动平稳。

④有可逆性 因摩擦因数小，所以不仅可将旋转成直线运动，也可将直线运动转换为旋转运动，丝杠可螺母既可作为主动件，也可作为从动件。

⑤使用寿命长 滚珠丝杠副采用优质合金钢制成，去滚道表面淬火硬度达60-60HRC，表面粗糙度值小，而且是滚动摩擦，故磨损很小、使用寿命长。 因为滚珠丝杠副具有这些优点，所以进给系统我选择滚珠丝杠副 （2）、 滚珠丝杠副的缺点是：

①制造工艺复杂，成本高 滚珠丝杠、螺母、反向器等零件的加工精度和表面粗糙要求高，故制造成本高。如丝杠螺母上的螺旋槽滚道一般都要求削成形表面，工艺复杂。 ②不能实现自锁 由于起摩擦因数小而不能自锁，特别是垂直（立式）丝杠，由于自重和惯性或因突然停断电而容易造成主轴箱等下滑，所以需要添加制动装置。 2、滚珠丝杠副的循环方式 常用的循环方式有外循环和内循环两大类，滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环：始终与丝杠保持接触的称为内循环。 3、滚珠丝杠的安装 为提高传动刚度，选择合理的支承结构并正确安装很重要。滚珠丝杠主要承受向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重，因此滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。在安装时，应注意调整丝杠间隙，可用百分表测出具体的间隙所在。 珠丝杠副的选用 滚珠丝杠副的选择主要是工件负载必小于滚珠丝杠的额定动负载Cm(N)即必须满足C

选择纵向进给为综合导轨，计算丝杠的最大轴向进给切削里Fm

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又因为Fm=KFf+f’(Fc+w)

式中Ff、Fp、Fc——切削分力（N）

K——颠覆里矩影响取K=1.15 F’——导轨上的摩擦因数取f’=0.16 W——移动部件的重量（N）

代入式中：Fm=kFf+f’(fc+w)

=1.15×1684.8+0.16×(2808+800) =2514.8N

（1）、寿命L 最大切削里F的进给速度Vs可取最高进给速度的1/2——1/5（取为1/2），纵向最大进给速度为0.6m/min,丝杠导程Lo=6mm，则丝杠转速为：n=

1000Vs1000?0.6mm/min?0.5??50r/min L06mm丝杠使用寿命时间一般为15000h，则丝杠的计算寿命L为

60nT60?50r/min6??45(10r) L=661010（2）、载荷Cm 当量动载荷Cm选用滚珠丝杠直径do时，必须保证丝杠工作时，在一定的轴向载荷作用下，丝杠在运转10转后，在它的滚珠上下产生疲劳点浊现象。这个轴向负载的最大值Cm，即为滚珠丝杠杆副所能承受的最大当量动载荷Cm

3Cm?LFMfw fa式中：fw——运转系数

fa——精度系数

3 ∴Cm?LFMfw345?1.52?2514.8==14908.11N

0.9fa根据C

tg2044?（3）、传动功率? 滚轴丝杆副的传动功率为：（r+?）==0.94 ?=tgr/tg0tg244??10?式中：r——丝杠的螺纹升角

?——摩擦角。滚动丝杆副的滚动摩擦因数f=0.003，摩擦角约等于10′所以?=10′

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（4）、稳定性验算

临界压缩载荷，对于受压的细长的滚轴丝杆，应验算其承受最大轴向压缩载荷Fmax时是否会产生纵向弯曲。

Fmaxf1?2EI1 ?l2fwd式中 E——丝杆材料弹性量，对纲E=2.06×1011N/m2

L——丝杠两支承端距离（m），L=1.5m; f1——丝杠的支承方式系数，f1=2.00 fwd——许用稳定性安全系数，fwd=3 I——丝杠截面惯性矩（m4） I=

?64d14=

3.14?0.44=0.001m4 64d1——丝杠螺纹底径（m），d1=d0-1.02dw=40-1.02×3.969=36.02mm. ∴Fmaxf1?2EI12?3.142?2.06?10111?=2256.75N =?150023l2fwd（5）、刚度验算

滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动平稳性，因此验算满载时候的轴向变形量。

① 丝杠的拉伸或压缩变形量?1。?1在总变形量中占的比重教大

?l0?L l0?1?式中l--滚珠丝杠支撑间的受力长度(mm)

l0--滚珠丝杠的导程(mm)

l0--在工作载荷作用引起的导程变化量(mm)

FL又∵?l0??m0

EA?式中Fm--轴向平衡载荷

E--材料弹性模量 钢=2.06?105(N/mm) A--滚珠丝杠横截面积 A=

l0???d124(mm2)=

?4?36.022mm2?1018.5m2

?FmL02514.8?6mm=?0.719?10?4mm =?6EA20.6?10?1018.5?l00.719?10?4mm?1???1500??1.79?10?2mm

l06mm

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“+”号用于拉伸。由于两端均采用角接触球轴承且丝杠又进行了预紧，故其拉压刚度端固定的丝杠提高四倍。其实际变形为??。

11??????1.79?10?2?0.0044mm

44② 滚珠与螺纹接触变形量?2，此项变形占总变形量的比重也教大，当对丝杠加有预紧力且预紧力为轴向最大载荷的1/3时，之值可减少一半，

又∵?2?0.0013Fm3dwFyZ2?

式中 Fm——轴向工作载荷（N）

Fy——预紧力

dw——滚珠直径

Z?——滚珠数量其为圈数K列数Z每圈螺纹滚道内的滚珠数

外循环Z=

?d0dw?3

d0——滚珠丝杠公称直径

?2?0.001310Fm32dwFyZ?= 2514.88?2.849444??0.018

2.5???402347019633.969?1684.8?()3.969?据上所诉，实际变形量为: ?2??2=0.009

2③ 支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形?3

支撑滚珠丝杠的轴承为8107型推力轴承，几何参数d1 =35mm，滚球直径

dQ?6.35mm 滚动体数量ZQ=18 轴承的轴向接触变形?3为：

22Fm2514.8?3?0.0043?0.002430.0024?3.1316mm?0.007516mm 22dQZQ6.35?18因施加预紧力，故实际变形量 11?3???3??0.007516?0.003758mm

22注意Fm单位为kg ∴总变形量?=?1+?符合要求。 5、减速齿轮的设计i

根据机床设计的要求，纵向进给脉冲当量为0.01mm，滚珠丝杠导程L0=6mm，及初选的步进电动机的步距角0.75

02+?3=0.0044++0041+0.003758=0.012258

又有前面已知条件可得：0.012258mm＜0.015mm的定位精度。

，传动比为

14

i?0.75?65?1.25?

360?0.014因为I<5,故可为一级齿轮传动。I=

Z2540=? Z1432因进给运动齿轮受力不大。根据《机械设计基础》选取第一系列中的模树m=2压力角=200

∴d1=M1×z=2×32=64mm d2?mz2?2?40?80mm

*z1+2ha=+2=m()=2(32+2?1)=68 mm ddha11a分度圆直径

*da2=d2+2ha=m(z2+2ha)=2(40+2?1)=84㎜

**齿顶高系数，我国标准规定：m≥1㎜时，正常齿制ha=1 ha*齿根圆径 df1= d1-2hf=m(z1-2ha-2c*)=2(32?2-2?0.25)=59 *-2c*)=2(40?2-2?0.25)=75. df2= d2-2hf=m(z2-2hac*顶隙系数 我国标准规定：≥1 mm时，正常齿制c*=0.25

齿宽b=?轮齿宽，取

2b?b?(5~10)mm

取?=1 所以 b?0.5?64mm?32mm b?b?(5~10)mm?38mm

d1，则

12db??ddd1为了减小加工量，也为了装配和调整方便，大齿齿宽应小于齿

212所以减速齿轮参数为：

d1?64mm,b1?38mm,m?2mm,??20,d2?32mm,z1?32,z2?40

大小齿轮的材料均为40Gr合金钢，考虑到对传动要求和制造方便采用直齿传动从动齿轮齿轮错齿轮法消除和间隙，热处理采用调压处理，小齿轮硬度HBs?246HBs，大齿轮：硬度HBs?220HBS 三、步进电动机的选择

1、计算负载惯量的意义

惯量匹配条件 惯量匹配是指进给系统负载惯量与伺服电动机转子惯量相匹

J配。 条件是：1〈M〈4

J式中：JM——伺服电动机转子的转动惯量（kg.cm2）可有伺服电动机技术手册查出。

J——负载惯量（kg.cm2），即进给系统（传动轴、齿轮、工作台等）折算到伺服电动机上全部负载转动惯量。 2、负载惯量的计算

参考同类型机床，初步选用反应式步进电动机150BF002，其电动机转动惯量

JM=10kg.cm2。传动系统折算到步进电动机轴上的等效转动惯量为：

?15

（1）、齿数Z1、Z2折算到步进电动机轴上的转动惯量为：

?311J1????d14?L1????7.8?10?5kg/cm3?(6.4)4?2cm?10?3.21kg/cm3

3232?311J2????d14?L1????7.8?10?5kg/cm3?84?2cm?10?6.27kg/cm3

3232（2）、丝杠折算到步进电动机轴上的转动惯量 从表查得1m的丝杠的

JM=15.45kg.cm2

∴JS=15.45×1.5kg.cm2=23.175kg.cm2 （3）、等效转动惯量为：J=J1+ (Z12?WL?)?(J2?JS)?(0)2? Z2?G2??=3.21+ (

322?8000.62?)?(6.27?23.175)?()?kg.cm2=22.531kg.cm2 40?9.82?3.14?3、负载转矩计算及最大静转矩的选择 机床在不同的共况下，其所需转矩不同，

（1）快速空载起动时所需转矩是：

将已知数据代入，nmax?vmax?b24000.75=500r/min ????p36000.01360考虑了电动机转子的转动惯量以后，传动系统折算的电动机轴上的总转动惯量 J总=JM+J=10+22.531kg.cm2=32.531kg.cm2

Mamnx?J总?2??500r/min2?nmax?10?2=567.77N ?10?2?32.513kg.cm2×

60?0.03S60ta折算到电动机轴上的摩擦力矩

F0L0f/(FC?W)L00.16?(2808?800)?0.6=55.15 N.cm Mf???Z2??i2??0.8?1.252??2Z1附加摩擦力矩

FpoL0f/?Fm?L00.16?(2808?800)?0.622M0?(1??0)?(1??0)?(1?0.92)

Z2??i2?3.14?0.8?1.252??2Z1=3.259N.cm

则M起=Mamax+Mf+M0=567.77N.cm+55.15N.cm+3.259N.cm=626.179N.cm （2）快速移动时所需力矩M快

M快=Mf+M=55.15N.cm+3.259N.cm=58.409N.cm （3）最大切削负载时所需力矩M切

16

M切?Mf?M0?Mt=Mf+M+

FtLo1404?0.6?55.15N.cm?3.259N.cm?N.cm=55.2??i2??0.8?1.2515N.cm+3.259 N.cm+134.14N.cm=192.549N.cm

从上面计算看出M起、M快、M切三种情况下，以快速空载起动时所需转矩最大，以此项作为初选步进电动机的依据。 查资料得，步进电机为五项十帕时，??MqMjmax?0.951

步进电动机最大静转矩

MjmaxM起626.179??658.4N.cm?6.58N.m =

0.9510.951按次最大静力矩，150BF002型步进电机最大静转距为13.72N.m大于所需最大静

力矩，可作为出选型号。但还得考虑电机起动频率特性和运行矩频特性。

步进电机的空载起动频率：

fk?fe?1000Vmax1000?2.4?mm/min?4000Hz

60?p60?0.011000VS1000?0.6?mm/min?1000Hz60?60?0.01

150BF002型反应式步进电动机允许的最高空载启动频率为2800Hz，允许的最高空载运行频率为8000Hz。

由图5步进电动机起动矩频特性可看出，当步进电动机起动时，f起=2500HZ时，M=100N·㎝，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（633.84N·㎝），直接使用会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（可用软件实现），将起动频率降到1000HZ时，起动扭矩可增高到588N·㎝，然后在电路上再采用高低压驱动电路，可将步进电动机输出转矩扩大一倍左右。

图5 150BF002步进电机起动矩频特性 a) 起动矩频特性b)运行矩频特性 17

当快速运动和切削进给时，由150BF002步进电机起动矩频特性图18（b）知该电 动机能满足要求，根据上述计算综合分析，纵向进给系统采用150BFOO2步进电动机能满足要求。

第二节 横向进给系统的设计

横向进给系统主要分为切削力的计算、滚珠丝杠副的选择、减速齿轮的设计、步进电机的确定等。

改造步骤：保留原手动机构，用于微机进给和机床刀具对空操作；保留原有的支承机构；步进电机、齿轮箱体安装在机床后侧，为了便于安装滚珠丝杠。副丝杠轴采用分移式，然后用套筒刚联接。采用双片齿轮错齿法消除齿轮副间隙，并在溜板箱上安装了纵横向进给按钮和急停按钮，以适应机床调整时的操作和意外事故的紧急处理。

一、切削力的计算

FX=（0.1～0.6）F z=2808×0.5=1404N 二、滚珠丝杠副的设计及选型

1、选择纵向进给为燕尾性导轨，计算丝杠的最大轴向进给切削里Fm

又因为Fm=KFf+f’(Fc+2FP+W)

式中Ff、Fp、Fc——切削分力（N） K——颠覆里矩影响取K=1.4 F’——导轨上的摩擦因数取f’=0.2 W——移动部件的重量（N） 代入式中：Fm= KFf+f’(Fc+2P+W)

=1.4×1684.8+0.2×(2808+2×1404+600) =3353.28N

2、寿命L 最大切削里F的进给速度Vs可取最高进给速度的1/2——1/5（取为1/3），纵向最大进给速度为0.6m/min,丝杠导程Lo=6mm，则丝杠转速为：

11000??0.31000vs3n???20r/min L05丝杠使用寿命时间一般为15000h，则丝杠的寿命L为 60nT60?20?1500L===18 6610103、载荷Cm 当量动载荷Cm选用滚珠丝杠直径do时，必须保证丝杠工作时，在一定的轴向载荷作用下，丝杠在运转10转后，在它的滚道上下产生疲劳点浊现象。这个

618

轴向负载的最大值Cm，即为滚珠丝杠杆副所能承受的最大当量动载荷Cm

3Cm?LFMfw fa式中：fw——运转系数

fa——精度系数

3 ∴Cm?LFMfw318?1.5?3353.28==14646.56N

0.9fa根据C

tg2043?4、传动功率? 滚轴丝杆副的传动功率为：?=tgr/tg（r+?）== =0.965 0??tg(243?10)式中：r——丝杠的螺纹升角

?——摩擦角。滚动丝杆副的滚动摩擦因数f=0.003，摩擦角约等于

10′所以?=10′ 5、稳定性验算

（1）临界压缩载荷，对于受压的细长的滚轴丝杆，应验算其承受最大轴向压缩载荷Fmax时是否会产生纵向弯曲。

Fmaxf1?2EI1 ?l2fwd式中 E——丝杆材料弹性量，对纲E=2.06×1011N/m2

L——丝杠两支承端距离（m），L=0.45m; f1——丝杠的支承方式系数，f1=2.00

fwd——许用稳定性安全系数，fwd=3

3.14??0.254=7.8?10?5m4 I——丝杠截面惯性矩（m4） I= d14= 6464d1——丝杠螺纹底径（m），d1=d0-1.02dw=20-1.02×3.175=16.7615mm. ∴Fmaxf1?2EI12?3.142?2.06?1011?7.8?10?51?=4680.6N =?224503lfwd6、刚度验算

（1）、丝杠的拉伸或压缩变形量?1。?1在总变形量中占的比重教大.

19

?1??l0?L l0式中l——滚珠丝杠支撑间的受力长度(mm) l0——滚珠丝杠的导程(mm)

?l0——在工作载荷作用引起的导程变化量(mm)

FL又∵?l0??m0

EA式中Fm——轴向平衡载荷

E——材料弹性模量 钢=2.06?105(N/mm) A——滚珠丝杠横截面积 A=

?l0???d124(mm2)=

?4?16.762mm2?220.5m2

FmL03353.28?5?4mm?3.69?10mm = ?= 6EA20.6?10?220.5?l03.69?10?4mm?1???450??3.21?10?2mm

l05mm“+”号用于拉伸。由于两端均采用角接触球轴承且丝杠又进行了预紧，故其拉压刚度端固定的丝杠提高四倍。其实际变形为??。 11??????3.321?10?2?0.0083mm

44（2）、滚珠与螺纹接触变形量?2，此项变形占总变形量的比重也教大，当对丝杠加有预紧力且预紧力为轴向最大载荷的1/3时，之直可减少一半， 又∵?2?0.001310Fm3dwFyZ2?

式中 Fm——轴向工作载荷（N）

Fy——预紧力

dw——滚珠直径

Z?滚珠数量其为圈数K列数Z每圈螺纹滚道内的滚珠数

外循环Z=

?d0dw?3

d0——滚珠丝杠公称直径

?2?0.0013Fm32dwFyZ?= 3353.284.359264??0.018

2.5???2021307988033.175?1684.8?()3.175

20

?据上所诉，实际变形量为: ?2??2=0.009

2(3)、支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形?3

支撑滚珠丝杠的轴承为8107型推力轴承，几何参数d1 =15mm，滚球直径

dQ?4.76mm 滚动体数量ZQ=12 轴承的轴向接触变形?3为：

22Fm3353.28?3?0.0043?0.00243?0.0024?25.4mm?0.0609mm 2dQZQ4.763?122因施加预紧力，故实际变形量 11?3???3??0.0609?0.0336mm

22注意Fm单位为kg ∴总变形量?=?1+?2+?3=0.0083++0.009+0.0336=0.0509mm

又有前面已知条件可得：0.0509mm＞0.015mm的定位精度。

显然，此变形量已大于定位的要求，不符合要求;要进行修改。因横向留板空间限制，不宜再加大滚珠丝杠直径，故采取贴速导轨减小摩擦力，从而取减小最大牵引力。

计算丝杠的最大轴向进给切削里Fm

又因为Fm=KFf+f’(Fc+2FP+W)

式中Ff、Fp、Fc——切削分力（N）

K——颠覆里矩影响取K=1.4

F’——导轨上的摩擦因数取f’=0.03 W——移动部件的重量（N）

代入式中：Fm= KFf+f’(Fc+2P+W)

=1.4×1684.8+0.03×(2808+2×1404+600) =2545.2N

①、丝杠的拉伸或压缩变形量?1。?1在总变形量中占的比重教大.

?l0?L l0?1?式中l——滚珠丝杠支撑间的受力长度(mm) l0——滚珠丝杠的导程(mm)

?l0——在工作载荷作用引起的导程变化量(mm)

FL又∵?l0??m0

EA式中Fm——轴向平衡载荷

E——材料弹性模量 钢=2.06?105(N/mm)

21

A——滚珠丝杠横截面积 A=

?l0???d124(mm2)=

?4?16.762mm2?220.5m2

FmL02545.2?5?4mm?2.80?10mm = ?=6EA20.6?10?220.5?l02.80?10?4mm?1???450??2.52?10?2mm

l05mm“+”号用于拉伸。由于两端均采用角接触球轴承且丝杠又进行了预紧，故其拉压刚度端固定的丝杠提高四倍。其实际变形为??。 11?1???1??2.52?10?2?0.0063mm

44②、滚珠与螺纹接触变形量?2，此项变形占总变形量的比重也教大，当对丝杠加有预紧力且预紧力为轴向最大载荷的1/3时，之直可减少一半， 又∵?2?0.0013Fm3dwFyZ2?

式中 Fm——轴向工作载荷（N）

Fy——预紧力

dw——滚珠直径

Z?——滚珠数量其为圈数K列数Z每圈螺纹滚道内的滚珠数

外循环Z=

?d0dw?3

d0——滚珠丝杠公称直径

?2?0.0013Fm32dwFyZ?= 2545.23.30876?3?0.0140

2.5???2021307988533.175?1684.8?()3.175?据上所诉，实际变形量为: ?2??2=0.007

2③、支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形?3

支撑滚珠丝杠的轴承为8102型推力轴承，几何参数d1 =15mm，滚球直径

dQ?4.763mm 滚动体数量ZQ=12 轴承的轴向接触变形?3为：

22Fm2545.2?3?0.00243?0.00243?0.0024?21.1mm?0.0506mm 22dQZQ4.763?12因施加预紧力，故实际变形量

11?3???3??0.0506?0.0253mm

22

22

注意Fm单位为kg ∴总变形量?=?1+?2+?3=0.0063+0.007+0.0253=0.0383

又有前面已知条件可得：0.0383mm＞0.015mm的定位精度。 此变形量仍不能满足要求，如果将滚珠丝杠再经过预拉伸，刚度还可以提高四倍，

1则∴总变形量?=?0.0383?0.0095＞0.015。

4 ∴此变形量满足设计要求 三、减速齿轮的设计

根据机床设计的要求，纵向进给脉冲当量为0.005mm，滚珠丝杠导程L0=5mm，及初选的步进电动机的步距角0.75

0.75?530i??2.04? 360?0.005150，传动比为

因为I<5,故可为一级齿轮传动。I=

Z230= Z115因进给运动齿轮受力不大。根据《机械设计基础》选取第一系列中的模树m=2压力角=200

∴d1=Mz1=2×15=30mm d2?mz2?2?30?60mm分度圆直径

*da1=d1 +2ha=m(z1+2ha)=2(15+2?1) =34 mm *da2=d2+2 ha=m(z2+2ha)=2(30+2?1)=64

**齿顶高系数，我国标准规定：m≥1㎜时，正常齿制ha=1 ha*齿根圆径 df1= d1-2hf=m(z1-2ha-2c*)=2(15?2-2?0.25)=50 *df2= d2-2hf=m(z2-2ha-2c*)=2(30?1-2?0.25)=50

c*顶隙系数 我国标准规定：≥1 mm时，正常齿制c*=0.25

d为了减小加工量，也为了装配和调整方便，大齿齿宽应小于齿

轮齿宽，取b??d，则b?b?(5~10)mm

取?=1 所以 b?0.5?15mm?15.5mm b?b?(5~10)mm?23mm

d 齿宽b=?21d112d212所以减速齿轮参数为：

d1?30mm,b1?15.5mm,m?2mm,??20,d2?60mm,z1?15,z2?30

大小齿轮的材料均为40Gr合金钢，考虑到对传动要求和制造方便采用直齿传动从动齿轮齿轮错齿轮法消除和间隙，热处理采用调压处理，小齿轮硬度HBs?230HBs，大齿轮：硬度HBs?250HBS

?23

四、步进电动机的选择 1、计算负载惯量的意义

参考同类型机床，初步选用反应式步进电动机130BF001，其电动机转动惯量

JM=10kg.cm2。传动系统折算到步进电动机轴上的等效转动惯量为：

(1)、齿数Z1、Z2折算到步进电动机轴上的转动惯量为：

?311???d14?L1????7.8?10?5kg/cm3?34?0.45cm?10?0?278kg/cm3 3232?311J2????d14?L1????7.8?10?5kg/cm3?64?0.45cm?10?4?46kg/cm3

3232(2)、丝杠折算到步进电动机轴上的转动惯量 从表查得1m的丝杠的

J1?JM=0.84kg.cm2

∴JS=0.84×1.5kg.cm2=1.26kg.cm2 (3)、等效转动惯量为：J=J1+ (Z12?WL?)?(J2?JS)?(0)2? Z2?G2??=0.278+ (

152?6000.52?)?4?46?1?26)?()?kg.cm2=2.4kg.cm2 30?9.82?3.14?2、负载转矩计算及最大静转矩的选择 机床在不同的共况下，其所需转矩不同，

(1) 快速空载起动时所需转矩是： 将已知数据代入，nmax?vmax?b12000.75=500r/min ????p36000.005360考虑了电动机转子的转动惯量以后，传动系统折算的电动机轴上的总转动惯量 J总=JM+J=10+2.4kg.cm2=12.4kg.cm2 Mamnx?J总?2?nmax2?nmax?10?2?12?4kg.cm2×?J总??10?2?12?4N?cm 60ta60ta折算到电动机轴上的摩擦力矩

F0L0f/(FC?W)L00.04?(2808?600)?0.5Mf???=25.10N.cm

Z22??i2??0.8?22??Z1附加摩擦力矩

FpoL0f/?Fm?L00.04?(2808?600)?0.622M0?(1??0)?(1??0)?(1?0.92)

Z2??i2?3.14?0.8?22??2Z1

24

=7.56N.cm

则M起=Mamax+Mf+M0=12.4N.cm+25.10N.cm+7.56N.cm=45.06N.cm （2）快速移动时所需力矩M快

M快=Mf+M=25.10 N.cm +7.56 N.cm =32.66N.cm （3）最大切削负载时所需力矩M切

FtLo1404?0.5?25.10N.cm?7.56N.cm?N.cm=25.10N2??i2??0.8?2M切?Mf?M0?Mt=Mf+M+

.cm+7.56 N.cm+69.88N.cm=102.54N.cm

从上面计算看出M起、M快、M切三种情况下，以最大切削负载时所需转矩最大，以此项作为初选步进电动机的依据。 查资料得，步进电机为五项十帕时，??MqMjmax?0.951

步进电动机最大静转矩

MjmaxM起102.54??107.82N.cm =

0.9510.951其次最大静力矩，130BF001型步进电机最大静转距为9.31N.m大于所需最大静力矩，可作为出选型号。但还得考虑电机起动频率特性和运行矩频特性。

步进电机的空载起动频率：

fk?fe?1000Vmax1000?1.2?mm/min?4000Hz

60?p60?0.0051000VS1000?0.6?mm/min?1000Hz60?60?0.01

电动机允许的最高空载启动频率为3000Hz，最高空载运行频率为16000Hz。 由图6步进电动机起动矩频特性可看出，当步进电动机起动时，f件实现）。

起

=2500HZ时，

M=100N·㎝.满足此机床所要求的空载起动力矩，所以必须采取升降速控制（可用软

a) 起动矩频特性 b)运行矩频特性 图6 150BF002步进电机起动矩频特性 25

当快速运动和切削进给时，由150BF002步进电机起动矩频特性图18（b）知该电动机能满足要求，根据上述计算综合分析，纵向进给系统采用150BFOO2步进电动机能满足要求。

第五章 改造车床主轴及控制系统

第一节 改进主轴电机

一、主轴系统的改进

在对C6140主轴的改进过程中,主轴系统基本保留.主轴电机配备相应的电气控制设备。可以实现主轴的正反转，主轴点动，主轴电机的热保护功能，如图7所示。正转或反转命令通过面板操作写在程序中，由PLC输出端口控制正转继电器（KAZ）或反转继电器（KAF），使接触器KM1和KM2动作，完成主轴的正反转切换，为减小主轴电机的起动电源，使用了KM3、KM4、KM5三个接触器来完成电机的Y-△切换。为适应螺纹加工要求，主轴上安装了编码器，通过端口X472输入611UE反馈到PLC单元。热继电器（FR）的一组常开触点接入X111输入点I0.7，当电机过热时，热继电器（FR）动作，使I0.7有效，PLC单元产生报警，并切断主轴电机的电源。

第二节 主轴脉冲编码器的运用

一、主轴脉冲编码器的概述

脉冲编码器又称脉冲发生器，它是一种直接用数字代码表示角位移及线位移的检测器。能把机械转角转变成电脉冲，是数控机床上使用广泛的位置控制装置。 脉冲编码器控制方式的特点：

图7 主轴电机电气控制原理图

26

1、控制方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小。 2、由于光电交换器性能的提高，可得到较快的响应速度。

3、由于照像腐蚀技术的提高，可以制造高分辨率、高精度的光电盘，母盘制作后，复制很方便，且成本底。 4、抗污染能力差，容易损坏。 二、 螺纹加工过程中编码器的作用

虽然主轴的转速由机械控制，但在车螺纹加工中必须知道主轴转速，根据主轴计算进给速度。必须在主轴上安装光电编码器，光电编码器通常与主轴直接联结（传动比1：1），为保证切削螺纹的螺距准确，要求主轴转一周工作台移动一个导程，必须有固定的起刀点的退刀点。安装在轴上的光电编码器在切削螺纹时就可解决主轴旋转与坐标轴进给的同步控制。保证主轴每转一周，刀具准确地移动一个导程。此外，螺纹加工要经过几次切削才能完成，每次重复切削时，开始进刀的位置必须相同。为了重复切削不乱牙，数控系统在接收到光电编码器的一转脉冲才开始螺纹切削的计算。其传动路线是：主轴—齿轮副—脉冲编码器—数控装置—步进电动机—纵、横向进给。 三、编码器的选择

根据加工精度的要求，选择了长春第一光学仪器厂leelf型编码器（每转脉冲数为1200个）。

四、安装步骤（图8所示）

1、拆下原有挂轮，加工两只67齿和90齿挂轮

2、增加一只中间继电器，由电门锁开关来控制机床的电源

3、在电动刀架三相电源进线外加装快速熔断器和热继电器（2-5A），保证刀架完全工作。

图8 脉冲编码器的安装图 27 1-脉冲编码器 2-同步带轮 3-同步带

第三节 改进刀架

一、改造刀架的目的

C6140普通车床的上带有手动刀架。根据加工要求和生产情况，对刀架进行改造，提高生产率、降低工人劳动强度、为实现自动化加工提供前提条件。 二、刀架的选择

经过比较，选择四工位电动刀架。作为C6140车床的电动刀架。可以完成粗精车，车螺纹和切槽（断）等加工的换刀工作，结构简单且实用、如图所示。刀架的转速驱动由三相微型异步电动机来驱动完成。 三、刀架的工作原理

在加工过程中，选刀时在程序中输入被选刀具的的TXX（刀具号）和DXX（刀沿号）。PCU单元通过PLC的输出端口通过X111的Q0.4接通电动刀架的正转继电器使刀架正转，当所选刀具到达加工位置时，刀架上的集成霍尔单元则发出信号，通过PLC输入端口将X111的I0.0～I0.3信息传递给PUC单元结束选刀。其原理如图9所示

图中1、2、3、4四根线分别接电动机的四个刀位信号（低电平有效）而802D的PLC输入是高电平有效，因此使用KA1、KA2、KA3、KA4四个T24V直流继电器来完成

图9 802D输入输出接线

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高低电平的转换。 四、刀架的工作过程

1．刀架的动作顺序：电动机（三相异步微型电动机）→减速机构（蜗轮蜗杆）→上升机构（螺旋机构）实现刀架抬起→刀架旋转→电器信号确定（霍尔元件）→电机反转→粗定位（反靠拢）→刀架下降→精定位→刀架压紧→换刀终了信号→执行加工程序

五、安装步骤 1．拆下原有手动刀架.

2．在小拖板上钻四个安装孔并公丝.

3．手动抬起电动刀架逆时针方向转动电机使上刀体转45度左右时即可覆出高装孔，然后固定刀架并用垫板来调其中心高度，再转至原状态，放下刀架.

4、主装后，适用MDI功能换刀观察三相电源有没有接反运转时要达到轻松灵活无噪音的要求.

第四节 改进机床导轨

机床导轨的作用：是使机床运动部件沿一定运动轨迹运动，它是机床主要基本结构要素之一。机床的加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量。数控机床使用的导轨，从类型上仍是滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。为提高机床的伺服进给的精度和定位精度，数控机床使用导轨都具有较低的摩擦系数和有利于消除低速爬行的摩擦特性。

机床导轨一般分为：滑动导轨、滚动导轨和静压导轨 机床对导轨的要求

（1）、导向精度高 导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线性和与有关基面之间的相互位置的准确性。无论在空载或切削状态下都应有足够的导向精度。影响导轨精度的主要原因除制造精度外，还有导轨的结构形式、装配质量、导轨及其支承件的刚度和热变形等。

（2）、耐磨性好 导轨的耐磨性是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。因导轨在工作过程中有磨损，故应力求减小磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。

（3）、足够的刚度 导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置，故要求导轨应有足够的刚度。为了减轻或平衡外力的影响，数控机床常采用加大导轨面的尺寸提高刚度。

（4）、低速运动平稳性 应使导轨的摩擦阻力小，运动轻便，低速运动时无爬行现象。 （5）、结构简单、工艺性好 所设计的导轨应使制造和维修方便，在使用时便于调整和维护。

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（6）、而对于数控机床进给运动导轨则应有更高要求。

高速进给时不振动，低速进给时不爬行，有高的运动灵敏性；能在重载下长期连续工作，耐磨性好，精度保持性好等。数控机床使用的导轨，从类型上仍是滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。为提高机床的伺服进给的精度和定位精度。

第五节 坐标系的建立X、Z轴的限位和参考返回电路

一、机床坐标系是机床固有的坐标系：

它是其它坐标系（如工件坐标系、编程坐标系）的基准C6140车床的坐标原点，M定在卡盘基座与主轴中心的交点上，如图23所示，数控系统是通过检测参考点的具体位置来确定机床坐标系的，我们选用两个接进开关，X轴方向与Z轴方向各安装一个在床身上，用于建立参考点，当移动刀架，两个接近开关都有信号输出时，刀架的当前位置即为参考点R，测量XR及ZR，并将它们写入机床数据314000（参考点位置值），即可在数控系统中建立机床坐标系。 二、X，Z轴的限位输入端设置为负逻辑

经过分析现有数控机床的限位控制电路的缺陷，想出一种新的限位控制方式，既负逻辑控制。其基本思路是：使用限位行程开关的常闭触点，当限位开关没有压下I/O点与24V断开，机床限位。这种接法消除因线路开路而产生限位失灵现象，提高了限位电路的可靠性。限位输入端采用负逻辑需对系统的相关参数进行修改。

采用负逻辑的输入方法，这样有利害、于提高数控机床的可靠性和安全性。如果机床的电路采用传统的继点器，接触器等元件实现逻辑功能则不宜采用负逻辑，因为他会导致部分继电器，接触器处于始终接触状态。这会造成损耗大，元件升温，寿命缩短等问题，并且元件间机械接触，还会因为震动等因素造成误动作。现代数控系统其控制逻辑由逻辑电子线路实现，，不会出现以上问题，本次数控改造使用的数控西门子802D数控系统，实现负逻辑输入要软件，硬件两方面配合才能实现。 1.硬件连接 数控机床中PLC的输入点有以下两中连接方法，其中图24所示的连接方法是正逻辑输入，其原理是：当机床运动超程时压下行程开关SQ1，SQ1闭合PLC内的光点欧合器件得点，PLC认为该点的逻辑值为“1”，信号有效，PLC执行相关操作。这种方法的缺点在于当+丛4V端子到PLC输入点之间的线路接触不良或开路则会造成SQ1无效（即使SQ1被牙下闭合），而导致机床出现大事故。图25所示的是负逻辑输入的连接方法，信号输入使用行程开关的常闭触点。当正常情况下SQ1是闭合的。该输入点的逻辑值为（1），当SQ1被压下断开时输入点逻辑值为“1”设为无效状态，而逻辑值“0”设定为有效状态。如果从+24端子到PLC的输入点之间的线路出现开或接触不良时，该点被认为有效，机场会立即报警，必须在电路连接良好的情况下才能正常运行。这中方法排除了因限位电路开路而造成的故障的可能性，机床的安全性得到提高。

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软件设置 负逻辑需要把逻辑“1”改为无效状态而逻辑“0”为有效状态。其方法有两种：

1、在PLC编程时通过程序实现。 2、通过设定机床参数实现。

在这两种方法种，要求数控系统具有可以对其PLC输入，输出端口的逻辑有效状态进行修改的功能。西门子的SINUMERIK 802S数控系统既有此功能。本次改造对限位等影响机床安全的输入点才用负逻辑就是采用的第2种方法。

采用负逻辑存在的问题及对策 数控机床的PLC输入点采用负逻辑输入的方法使输入电路中的光电藕合器的发光二极管长期处于通电状态。但是由于该发光二极管的工作电流很小（只有几毫安，输入电路只消耗即使毫瓦）因此系统的消耗增加对功率几千瓦的机床来说可以忽略不计，同时发光二极管是冷光源，也不会导致系统发热。光点耦合器的工作寿命大于10万小时，以每台机床每天工作10小时计，可以保证机床正常工作20多年，对机床寿命也不会造成影响。

第六节 变频器的安装

一、变频器的安装

在主轴电路上安装主轴变频器，通过在程序中指令设定，调整变频器输出频率，从而达到改变运行频率和速度的目的，采用的变频器的型号是CIMR-G7A4015D 安川变频器装置。611UE与安川变频器的硬件连接与下图10。

图10 611UE与安川变频器的硬件连接图 第七节 机床的安装、调试、精度检验

机床的安装、调试是设备改造的一个重要环节。数控机床的安装主要包括电路安装、机械部分安装和机床基础部分的安装。按照安装步骤，首先是机床总体安装，然后是线路连接。

数控机床的调试与精度检验是机床交付使用前的必被步骤，调试与精度检验主要是保证机床的各项性能指标达到国家行业标准。主要包括几何精度检验、运动精度检验、位置精度检验和试切加工，以检验机床的切削精度，只有各项精度都达到国家有关标准时，才能交付使用。同时，经过试切检验模块化数控程序的使用性，再通过机

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床的运行操作，检验负逻辑控制的稳定性和可靠性。 对于机床调试我们主要针对以下几个部分：

1、系统检查。系统通电前应检查机箱内的各种接插件是否插紧，固件是否有松动，应保证紧固件不松动，线路接触良好。

2、通电调试。按线路图和总装图将电源，电动机插头插好，并将功放开关置于开管位置，接通系统电源开关。

3、检查显示及风机运转状况。电源接通后，数控单元应正常工作，数码管显示应正

常，同时检查轴流风机是否正常运转。

4、检查功放部分。将功放开关置接通位置，利用手动方式检查系统的伺服驱动单元和步进电机工作是否正常。

5、查编辑功能并联机调试。按步骤输入零件加工程序，检查各功能，正常后方可联机调试。

完成以上步骤后，确认无误，则可安装工件进行加工检测，当试切完后，检查零件精度基本合格，只是发现零件粗糙度不太好，应认真检查刀具等相关因素，发现拖板压板调整的有些紧，经处理便解决。

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致谢

毕业设计这一两个月来收获颇丰，毕业设计让我对书本上的知识有了更深的理解，也让我把书本上学到的知识更好的应用到实际上来。这些对于我以后的工作或学习都会起到很大的促进作用！

具体的来说，在毕业设计中我知道了如何从接到一个新课题到一步一步分析，提出解决方案。再执行提出的方案，最后形成成果。也知道了如何在遇到难题时调动自己的知识储备来分析解决难题。还让我知道了怎样获取想要的急需的信息和知识。

在做设计的过程中，我学会运用AutoCAD软件，并按时完成了所要完成的任务。在本次设计过程中最应该感谢的是我们的指导老师郑晓峰老师！这一两个月来老师一直不辞辛苦的耐心的给我们讲解，给我们演示，多方面给予我们支持。在他的帮助下，我克服了设计中遇到许多难题，也少走了许多弯路。从郑老师身上我们不仅仅是获取到专业知识，更重要的是我们学到了诲人不倦、尽职尽业、一丝不苟的工作态度，这对一个理科学生来说是非常宝贵的！同学们也给了我很大的帮助和启发，在此一并对他们表示深切的谢意。

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参考文献

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[2].《机械设计手册》. 化学工业出版社.第三版.第三卷 [3].《机电一体化设计手册》. 机械工业出版社.第二卷 [4]. 隋明阳.《机械设计》.机械工业出版社

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