湖南大学毕业设计
随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高[4]。
图1.1 伺服系统结构图
第二章 总体方案设计
2.1设计参数的确定
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。
最大加工直径：
车床身上： 400mm 车床鞍上： 210mm 最大加工长度： 1000mm 快进速度：
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纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 最大切削进给速度： 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min
脉冲当量：
纵向 0.01mm/step 横向 0.005mm/step 脉冲分配方式： 逐点比较法 控制坐标数： 2
机床定位精度： ±0.015 溜板及刀架重力：
纵向： 800N 横向： 60
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自动生降速性能： 有
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起动加速时间： 30ms
主电机功率： 7.5Kw
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。 2．2 总方案的确定
2.2.1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、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英螺纹加工等功能，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要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。
2.2.2 计算机系统
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8031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。
2.2.3 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丝杆。为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。
2.2.4 运动方式的确定
数按系统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。由于CK6163车床要加工复杂轮廓零件，所以本次设计采用连续控制系统。
2.2.5 系统的选择
伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。经过比较，由于CK6163车床加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。
2.2.6 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、
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低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：
(1) 尽量采用低磨擦的传动和导向元件。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。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。
2.2.7 微机的选择
微机数控系统由CPU、存储器扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。
第三章 数控机床的机械部分设计
3.1 数控机床的传动装置设计
传动装置设计包括传动系统改装设计、转动比的计算、电机的选择等。 3.1.1.传动系统改装设计
在车床的改造中，一般采用直线控制开环系统即可满足要求。这种系统结构简单、传动链短机床流板箱的运动速度和位移完全取决于输入指令脉冲的数目和频率。因此，不需要位置检测机构。由于无检测装置，其位移精度主要取决于传动元件（如齿轮、传动丝杠等等）的累积误差。所以，设计时应该选择合适的脉冲当量（常用的控制系统的脉冲当量是X向0.005mm/p。Y向0.01mm/p）并要求传动元件有足够的刚度和精度。传动系统的传动误差尽量小，一般开环系统的定位精度可达±0.02mm~0.01 mm.有以下几个方面的因素：一是将高转速低转矩的伺服电动机轴的输出，改变为低转速高转矩的执行元件的输出；另一方面是使丝杠哈溜板的转动惯量折算到电动机上数值减小，此外对开环系统而言还可以保证所要求的脉冲当量。
纵向进给系统的改造全部拆除CK6163原机床的进给箱和溜板箱，拆除光杆及端部的固定轴承。滚珠丝杠安装在原光杆略前一点。考虑到热胀冷缩对精度的影响，丝杠的两端一固定一端自由伸缩。溜板箱拆除后，设一溜板箱和平动按钮安装板，滚动丝杠副的螺母固定到溜板箱上，转动丝杠时，带动溜板箱移动。
纵向步进电机、齿轮箱和溜板箱均加外罩，以保持机床的外观整齐；在溜板箱上安装纵、横向进给按钮和启动、暂停、急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到以外情况时的紧急处理需要。为了便于安装滚珠丝杠副及检修，丝杠轴采用分段式。安装
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后，用套桶刚性连接。如丝杆采用整体式，则加工难度大，易产生变形，装拆不方便，且如果一端因磨损或装拆损坏，则丝杠也随之报废。无形之中增加使用成本步进电机及齿轮箱安装在机床尾部，不影响操作，便于检修和布线。为保证传动精度及避免多级传动带来的误差，采用一级齿轮减速，并采用双片薄齿轮错齿来消除间隙（考虑到负载变化，不采用弹簧调节齿轮）运行一段时间后，拆开减速盖板调节两片齿轮间的相对位置达到消除间隙的目的。此外为达到这个目的，在减速箱端盖上制造腰子孔方式。当端盖与减速箱体联结时。围绕中心转动端盖，从而改变步进电机与丝杠轴中心距来达到消除齿轮间隙的目的。减速箱在安装后，配打定位销定位。在溜板箱体上安装快速进给按钮和急停按钮，机床运行中如遇越界现象将不能及时发现。因此在适当的位置安装越界报警系统。
原机床主轴部位保留，但加装主轴脉冲发生器，以实现螺纹加工功能。
保留其它进给和刀具部分。原来车床上的四位刀架改为四位可编程自动转位刀架。 3.2.2.主轴编码器
数控车床靠数控系统控制步进电机进给与主轴的旋转配合切削出符合的螺纹，须配置主轴编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化的信号。主轴编码器一般采用同轴安装或异轴安装，异轴安装较同轴安装复杂，须配置一对齿轮或同步耻形带，但可加工穿出车床主轴孔的零件。主轴编码器传动用轴套连接，对连接件制造精度及安装要求较高，否则同轴度误差的影响会引起主轴编码器发生偏扭而造成信号不准，严重会损坏
码盘。
3.1.3.滚珠丝杠
由于被改装机床的丝杠往往已有不同程度的磨损或弯曲变形，运动阻力较大，容易造成步进电机伺服系统的丢步。如果机床用于粗加工，问题还不突出；如用于精加工，为了提高机床的定位精度、应采用滚珠丝杠。在改装过程中，一般应注意以下几个问题：
A改装前，应对机床的各项精度进行一次检测，作必要的修复，以保证改装后的机床有较高的使用价值由于滚珠丝杠的定位圆往往比原丝杠大，需拆下纵向丝杠右端的挂脚，细致地校正原安装定位面，找正原定位孔中心，扩镗孔，使之与滚珠丝杠配合。这是新安装的滚珠丝杠与机床导轨平行的关键之一；纵向滚珠丝杠选用时，应尽量使其长度与原丝杠接近。为了降低成本，允许选用稍短的规格，因为车床丝杠的端部螺纹在日
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