数控维修改造毕业设计方案.doc

四川工程职业技术学院

毕 业 论 文

题 目：CK5116A立式车床数控设计
专 业：数控维修

年 级：级

姓 名：

指导老师：

完成时间：5月8日

CK5116A立式车床数控数控化改造

摘 要
针对现有常规CK5116A立式车床数控缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提升加工精度和扩大机床使用范围，并提升生产率。本论文说明了一般车床数控化改造设计过程，较详尽地介绍了CK5116A机械改造部分设计及数控系统部分设计。采取以8031为CPU控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。改造过程以下：（1）机械部分改造，包含纵向进给方向改造和横向进给方向改造。关键包含对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机计算选择及纵向、横向机构装配图方案制订。（2）电气控制部分设计，关键包含MCS-51系列单片机及扩展芯片选择和电气控制图设计。
关键词：数控;单片机;步进电机;滚珠丝杠;改造

ABSTRACT
To remedy the defects of ordinary lather CK5116A, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine’s usage, and to improve production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface。After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。Thus achieve the verticalmovement and the crosswise movement。
Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart.
Key words : numerical control ;single-chip ;stepping motor ; ball screw haft ,reform    
目录

摘 要 I
ABSTRACT II
引言 - 1 -
第1章 总体方案设计 - 3 -
1.1 设计任务 - 3 -
1.2 总体方案论证 - 3 -
1.2.1 机械部分改造设计 - 5 -
1.2.2 伺服进给系统改造设计 - 7 -
1.2.3 数控系统硬件电路设计 - 7 -
1.3 总体方案确实定 - 7 -
第2章 机械部分改造设计 - 9 -
2.1 纵向进给系统改造设计 - 9 -
2.1.1 纵向滚珠丝杠副选择 - 10 -
2.1.2 步进电机选择 - 15 -
2.2 横向进给系统改造设计 - 18 -
2.2.1 横向进给系统滚珠丝杠螺母副选择 - 19 -
2.2.2 横向步进电机选择 - 24 -
2.3 齿轮传动间隙调整 - 26 -
第3章 电气控制部分设计 - 29 -
3.1 单片机选择 - 29 -
3.2 步进电机驱动 - 30 -
3.2.1 环形脉冲分配器选择 - 30 -
3.2.2 功率放大器选择 - 32 -
3.3 步进电机微机控制 - 35 -
结论 - 37 -
参考文件 - 38 -
致谢 - 39 -

引言
毕业设计是机械设计制造及其自动化专业教学计划一个关键组成部分，是各教学步骤继续深化和检验，其实践性和综合性是其它教学步骤所不能替换，经过毕业设计使学生取得综合训练，对培养学生实际工作能力含有十分关键作用。
毕业设计还是高等学校工科学院学生毕业前进行全方面综合训练，是培养学生综合利用所学知识和技能处理实际问题教学步骤，是学生在校取得最终训练机会，也是对学生在校期间所取得悉识体验。
这次设计题目是： CK5116A立式车床数控数控化改造
现代工业技术发展，尤其是能源部门需求，使高温高压水广泛应用于相关领域中，对国民生产和人民生活起着越来越关键作用，比如： 机床作为机械制造业关键基础装备，它发展一直引发大家关注，因为计算机技术兴起，促进机床控制信息出现了质突破，造成了应用数字化技术进行柔性自动化控制新一代机床－数控机床诞生和发展。计算机出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化理想手段。伴随计算机发展，数控机床也得到快速发展和广泛应用，同时使大家对传统机床传动及结构概念发生了根本转变。数控机床以其优异性能和精度、灵捷而多样化功效引发世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展先河。  
数控机床是以数字化信息实现机床控制机电一体化产品，它把刀具和工件之间相对位置，机床电机开启和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具选择，冷却泵起停等多种操作和次序动作等信息用代码化数字统计在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出多种指令控制机床伺服系统或其它实施元件，加工出所需工件。   
数控机床和一般机床相比，其关键有以下优点：  
1. 适应性强，适合加工单件或小批量复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件加工程序，就能实现新工件加工。  
2. 加工精度高；  
3. 生产效率高；  
4. 减轻劳动强度，改善劳动条件；  
5. 良好经济效益；  
6. 有利于生产管理现代化。  
数控机床已成为中国市场需求主流产品，需求量逐年激增。中国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了显著进步，尤其是在机床高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。不过，国产数控机床和优异国家同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设需要。  
中国是一个机床大国，有三百多万台一般机床。但机床素质差，性能落后，单台机床平均产值只有优异工业国家1/10左右，差距太大，急待改造。  
旧机床数控化改造，顾名思义就是在一般机床上增加微机控制装置，使其含有一定自动化能力，以实现预定加工工艺目标。   伴随数控机床越来越多普及应用，数控机床技术经济效益为大家所了解。在中国工厂技术改造中，机床微机数控化改造已成为关键方面。很多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造一般机床，并取得了良好经济效益。中国经济资源有限，国家大，机床需要量大，所以不可能拿出相当大资金去购置新型数控机床，而中国旧机床很多，用经济型数控系统改造一般机床，在投资少情况下，使其既能满足加工需要，又能提升机床自动化程度，比较符合中国国情。1984年，中国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到现在为止，已经有很多厂家生产经济型数控系统。能够预料，以后，机床经济型数控化改造将快速发展和普及。所以说，本毕业设计实例含有经典性和实用性。

第1章 总体方案设计
1.1 设计任务
本设计任务是对CK5116A一般车床进行数控改造。利用单片机对纵、横向进给系统进行控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采取步进电机，传动系统采取滚珠丝杠副。
1.2 总体方案论证  
对于一般机床经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求前提下，对机床改动应尽可能少，以降低成本。
通常数控系统应包含以下五大要素和功效，其图以下：

动力设备（运转）

传感器（检测） -- 微机（控制） -- 实施机构（驱动）

机械主体（加工）

此五个要素工作结构示意图以下：

输入、输出设备

控 制 设 备
伺服系统
辅助控制装置
测量反馈装置
机械传动部

1、输入、输出设备
关键作用：编制程序、输入数据，程序输出、显示器。
2、微机控制设备
可先用专用计算机PC、PLC、或单片机。
功效：完成零件测量及精度确保，产生脉冲信号。
在中国，一般机床数控改造方面应用较普遍是Z80CPU和MCS-51系列单片机，关键是因为它们配套芯片廉价，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床改造需要。本设计中是以MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价格更廉价，51系列中，是无ROM8051，8751是用EPROM替换ROM8051。现在，工控机中应用最多是8031单片机。本设计以8031芯片为关键，增加存放器扩展电路、接口和面板操作开关组成控制系统。  
3、伺服系统
包含：伺服电机、伺服控制系统线路、驱动电路、实施机构
功效：将微机控制设备产生脉冲信号转化为电机实施机构速度和位移。
伺服电机有：功率步进电机、直流伺服电机、交流电机。本设计选择

步进电机作拖动元件。因为数控系统发出指令仅使床鞍运动而没有位置
检测和信号反馈，故实际移动值和系统指令假如有差异就会造成加工误差。
4、测量反馈装置
测量系统有接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成，是数控机床在线检测系统关键部分，直接影响着在线检测精度。其中关键部件为测头，使用测头可在加工过程中进行尺寸测量，将实施机构速度、位置信号测量出来反馈到控制装置中。依据测量结果修改加工程序，改善加工精度，使得数控机床既是加工设备，又兼具测量机某种功效。
我这次车床改造，因为是简易改造，我们这次改造就没有使用测量反馈装置。
5、机械传动
包含传动机构、工作台、床身、支柱等。
6、辅助控制 、 手动（点动）、限位、紧急停车实现。
1.2.1 机械部分改造设计  
数控机床机械部分在刚度、精度、速度、摩擦磨损等方面较一般机床有更高要求。所以，不能简单地认为将数控装置和一般机床连接在一起就达成了机床数控改造目标。而是应该从机床本身价值考虑，分析改造要达成目标和所需投入。从该机床在本单位产品制造中地位和关键程度来分析改造价值。对被改造机床结构、性能、精度等技术现实状况作全方面分析。其中包含机床原来结构设计是否符合改造要求，部件结构是否仍然完好，各坐标轴机械传动结构及导轨副形式等是否适用，各项精度是否满足要求，机床在加工中是否存在故障和历史上有没有出现过重大故障。从该机床投入产出率估算，确定最终改造方案。为了实现机床所要求分辨率，采取步进电机经齿轮减速再传动丝杠。为了确保一定传动精度和平稳性，尽可能减小摩擦力，选择滚珠丝杠螺母副。同时，为了提升传动刚度和消除间隙，采取有预加负载荷结构。传动齿轮也要采取消除齿侧间隙结构。此设计过程关键是纵向进给和横向进给改造，关键是步进电机和滚珠丝杠选择。
改善后车床简易传动系统图1-1：

图1-1 改善后车床传动系统
1.小刀架 2.横向步进电动机 3.横向滚珠丝杆 4.大拖板
5.纵向滚珠丝杆 6.纵向步进电动机  

1.2.2 伺服进给系统改造设计  
伺服系统是数控机床关键组成部分，它既是数控系统CNC系统和刀具、主轴间信息传输步骤，又是能量放大和传输步骤。它性能在很大程度上决定了数控机床性能。比如，数控机床最高移动速度、跟踪精度、定位精度等关键指标均取决于伺服系统动态和静态性能。数控机床伺服系统按控制方法分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统三类。因为开环控制含有结构简单、设计制造轻易、控制精度很好、轻易调试、价格廉价、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采取开环控制系统。  
1.2.3 数控系统硬件电路设计  
任何一个数控系统全部由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统基础，性能好坏直接影响整体数控系统工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。      
在设计数控装置中，CPU选择是关键，选择CPU应考虑以下要素：1.时钟频率和字长和被控对象运动速度和精度亲密相关；  
2. 可扩展存放器容量和数控功效强弱相关；
3. I/O口扩展能力和对外设控制能力相关。  
在中国，一般机床数控改造方面应用较普遍是Z80CPU和MCS-51系列单片机，关键是因为它们配套芯片廉价，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床改造需要。本设计以8031芯片为关键，增加存放器扩展电路、接口和面板操作开关组成控制系统。
1.3 总体方案确实定  
经总体设计方案论证后，确定CK5116A车床经济型数控改造方案。CK5116A车床主轴转速部分保留原机床功效，即手动变速。车床纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采取步进电机驱动。将原来机床一般丝杠改为滚珠丝杠以减小摩擦力。并将8031单片机组成微机作为数控装置关键，由I/O接口、环形分配器和功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床纵向、横向进给运动。

第2章 机械部分改造设计
2.1 纵向进给系统改造设计
在对进给传动系统进行改造时，通常全部应该把原来进给变速传动装置及操纵机构全部拆除。而每个方向进给传动全部改由各自独立功率步进电机，经减速齿轮直接和带动滑板移动丝杠连接，分别实现各坐标方向运动，进行各坐标控制。比如一般机床简易化数控改装，通常全部是把原来由主轴箱到进给箱传动路线切断，且将溜板箱拆除，直接把齿轮减速箱和功率步进电机安装在纵向丝杠右端和横向丝杠外端。在对机床进给传动系统改装同时，也要对此传动系统中传动装置元件进行对应改造。具体以下：
（1）丝杠。丝杠是将回转运动转换为直线运动传动装置。改造时，为了满足数控机床上较高精度零件加工要求，应该用滚珠丝杠螺母副替换原一般机床上梯形丝杠螺母副。滚珠丝杠螺母副把传动丝杠和螺母之间滑动摩擦变为了滚动摩擦，使摩擦损失减小，精度保持性、传动平稳性、传动效率等全部得以提升。其传动效率可达成92%～98%，是一般丝杠螺母副3～4倍。
（2）机床导轨。为了使改造后机床有较高开动率和精度保持性，应充足考虑机床导轨耐磨性。目前中国一般机床床身等大件多采取一般铸铁，其摩擦系数较大。改造中，在对达不到预定要求原机床导轨进行修磨、刮研后，要在上面贴上耐磨、吸振聚四氟飞烯软带。
（3）拖板。拖板是数控系统直接控制对象。不管是点位控制、直线控制，还是轮廓控制，被加工零件最终坐标精度全部将受到拖板运动精度、灵敏度和稳定性影响。除拖板及相配件精度要高外，由驱动电机到丝杠间传动齿轮也要采取间隙消除结构。以满足传动精度和灵敏度要求。常见消隙方法有刚度调整法和柔性调整法两种。刚性调整法传动刚度很好，结构简单，但调整起来很费时；柔性调整法，通常见弹簧弹力自动消除齿侧间隙，传动刚度较低，传动平稳性差，结构复杂。改造中，可依据机床加工目标选择。具体选择可参考相关资料。

2.1.1 纵向滚珠丝杠副选择
滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，和螺纹滚道组成滚珠循环通道。为了在滚珠和滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。
滚珠螺旋传动和滑动螺旋传动或其它直线运动副相比，有下列特点：
(1) 传动效率高 通常滚珠丝杠副传动效率达90％~95％，花费能量仅为滑动丝杆1/3。
(2) 运动平稳 滚动摩擦系数靠近常数，开启和工作摩擦力矩差异很小。开启时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提升接触刚度和传动精度。
(3) 工作寿命长 滚珠丝杠螺母副摩擦表面为高硬度(HRC58—62)、高精度，含有较长工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副4~10倍以上。
(4) 定位精度和反复定位精度高 因为滚珠丝杆副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，经过预紧进行预拉伸以赔偿热膨胀。所以可达成较高定位精度和反复定位精度。
(5) 同时性好 用几套相同滚珠丝杆副同时传动多个相同运动部件，可得到很好同时运动。
(6) 可靠性高 润滑密封装置结构简单，维修方便。
(7) 不能自锁 用于垂直传动时，必需在系统中附加自锁或制动装置。
(8) 制造工艺复杂 滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本较高。
2.1.1.1 确定系统脉冲当量
在数控机床中，一个脉冲所产生坐标轴位移量叫做脉冲当量，通常见表示，也称机床最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度一个基础技术参数，按机床设计加工精度选定。本设计所要求CK5116A脉冲当量为：纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲。
2.1.1.2 车削力计算
在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选择伺服电机等全部要用到切削力。现我们利用经验公式计算主切削力。
车床主切削力可用下式计算：
式中——车床床身加工最大直径单位为mm。
因CK5116A床身加工最大直径410mm，则：
按以下百分比分别求出分力和，
则：，
2.1.1.3 滚珠丝杠螺母副设计、计算和选型
滚珠丝杠螺母副设计首先要选择机构类型：确定滚轴循环方法，滚珠丝杠副预紧方法。结构类型确定后，再计算和确定其它参数，包含：公称直径、导程、滚珠工作圈数、列数、精度等级等。
本设计中选择滚珠循环方法为内循环方法中固定式。滚珠丝杠副预紧方法选择双螺母螺纹预紧。

(1)计算进给率牵引力
作用在滚珠丝杠上进给率牵引力关键包含切削力时走刀抗力和移动件重量和切削分力作用在导轨上摩擦力。所以其数值大小和导轨形式相关。计算公式以下:
纵向进给导轨为三角形，则：

三角形导轨选择参数：
(2)计算最大动负荷
选择滚珠丝杠副直径时，必需确保在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载最大值即称为该滚珠丝杠能承受最大动负荷。计算步骤以下：
丝杠转速其中=

寿命（）
最大动负荷
(3)计算最大静负荷
当滚珠丝杠副在静态或低速（）情况下工作时，滚珠丝杠副破坏形式关键是在滚珠接触面上产生变形，当塑性变形超出一定程度就会破坏滚珠丝杠副正常工作。通常许可其塑性变形量不超出滚珠直径万分之一。产生大塑性变形量负载称为许可最大静负荷。选择静态安全系数=2，滚珠丝杠最大轴向负荷 故最大静负荷为：。
(4)选择滚珠丝杠副
见表2-1
5)传动效率计算
滚珠丝杠螺母副传动效率

表2-1滚珠丝杠副参数
型号
公称直径
基础导程
螺旋升角
丝杠外径
丝杠内径
额定动载荷
丝杠长度
额定静载荷

(6)刚度校核
关键校核滚珠丝杠在工作负载和扭矩T共同作用下引发每导程变形量是否符合丝杠精度要求。
每导程变形量可按以下公式计算

选择

其中：

则：

查表所得，所选择级丝杠精度许可误差为，满足要求。
(7) 稳定性校核
　　机床在进给时滚珠丝杠通常是受轴向力一压杆。若轴向力过大，将使丝杠失去稳定而产生翘曲，所以选择时必需进行稳定性校核。假如满足稳定性安全系数大于许用稳定性安全系数()，则丝杠安全，不会失稳：
式中　()——许用稳定性安全系数，通常取2.5～4。
　　　——丝杠失稳时临界负载，由：
式中　——丝杠长度
　　　——丝杠轴端系数，由支承条件定。
　　　——截面惯性矩，对实心圆
对于水平丝杠要考虑自重影响可取()4。
将相关数据代入上式中可得

丝杠不会失稳。
2.1.2 步进电机选择
CK5116A型一般车床数控化改造，采取了一个比较简单不过较为经典改装方案，改造后车床进给运动由步进电机A和B驱动，它们分别安装在床头箱内（或床身尾部）和拖板后方，经过减速齿轮和纵横向丝杠带动车床纵横进给运动。为使改造后车床能充足发挥数控车床效能，纵横向丝杠螺母副通常需要调换成滚珠丝杠螺母副。当利用原丝杠螺母副时，为了降低改造工作量，纵向驱动电机及减速箱通常装在床身尾部，这时连接车床原传动系统（主轴系统）和纵向丝杠传动离合器还未拆除，工作时应使处于脱开位置。同理，脱落蜗杆等原横向自动进给机构若未拆除，工作时也应使其处于空档（空挡）位置。改造后进给脉冲当量量值靠步进电机步距角、减速齿轮比、丝杠导程三者协调确定。三者之间换算关系能够以下式表示：
（θ/360）×（ac/bd）×T=δ
式中θ——步进电机步聚角（度）；
T——所驱动丝杠导程（mm）;
a,b,c,d——齿轮齿数，当单级减数时，令c、d等于1；
δ——脉冲当量值（mm）。
步进电机参数依据阻力矩及切屑用量大小和机床型号来选择，一般车床（如C6140、CK5116A等）数控改造中多采取0.08——0.15（N·m）静力矩步进电机，本设计选0.08（N·m）作为横向进给电机；选0.15（N·m）作为纵向进给电机。
2.1.2.1 脉冲量选择
初选三相步进电动机步距角为，当三相六拍（1～2相励磁）运行时，步距角其妹转脉冲数

脉冲当量： 由此可得中间齿轮传动比为

2.1.2.2 等效负载转矩计算
1.空载时摩擦转矩

2.车削加工时负载转矩

2.1.2.3 等效转动惯量计算
1.滚珠丝杠转动惯量

2.拖板运动惯量换算到电动机轴上转动惯量

3.大齿轮转动惯量
选择大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。

4.小齿轮转动惯量

换算到电动机轴上总惯性负载

2.1.2.4 步进电动机型号选择
已知 初选步进电机型号为110BF003，步距角三相六拍。其中最大静扭矩，转子惯量，由此可得：
,

经验算可知电动机合格。
110BF003步进电机外观图及矩频特征图图2.2：

外型图:

图2-2 110BF003步进电机外观图及矩频特征图
2.2 横向进给系统改造设计
1 ．横向进给系统设计
经济性数控改造横向进给系统设计比较简单，--般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，使用方法兰将步进电机和机床大拖板连接起来，以确保其同轴度，提升传动精度。其结构示意图见图2—3所表示

图2-3 车床纵向传动支承结构
1-步进电机；2-床身；3-左支架；4-齿轮副；5-右支架；6-丝杠左支承；7-手轮；8-轴套；9-丝杠右支承；10-螺母座架；11-螺母座；12-丝杠；13-盖；14-轴承。 滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置上，为了便于手动和对刀，在丝杠右端设有手轮，使用时安装上，不用即卸下，以防造成伤害，原机床拖板给予保留，并设有--螺母座架，安装在拖板上，以实现丝杠螺母和拖板之间联接。步进电机安装在丝杠左端原进给箱位置上，由电机上止口定位，靠四个螺钉和二个定位销和床体相连。丝杠左右端分别用支架和轴承支承，左端用向心球轴承，右端用推力球轴承支承。
2. 横向滚珠丝杠
横向滚珠丝杠也采取三点支承形式。保留原手动机械，用子手动和对刀，步进电机安装在床鞍后部。靠近操作者--端，部署--根支承短轴，经过--个联轴套和滚珠丝杠连接起来。利用原机床滑动轴承作为径向支承，并对原支承处进行合适改装，部署--对推力球轴承，以实现轴向支承。在远离操作者--端，用--个联轴套和--根连接短轴把滚珠丝杠和减速箱输出轴连接起来。和纵向进给--样，丝杠螺母和横向拖板间仍用--螺母座联接。横向进给机构改造设计图2--4所表示。
1 --步进电机：2 --消隙减速箱：3 --支承架；4 、5 、8 --联轴套；于螺母座；7 --滚珠丝杠螺母副：于支承短轴．
图2—4 车床横向传动支承结构

2.2.1 横向进给系统滚珠丝杠螺母副选择
滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，和螺纹滚道组成滚珠循环通道。为了在滚珠和滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。
滚珠螺旋传动和滑动螺旋传动或其它直线运动副相比，有下列特点：
(1) 传动效率高 通常滚珠丝杠副传动效率达90％~95％，花费能量仅为滑动丝杆1/3。
(2) 运动平稳 滚动摩擦系数靠近常数，开启和工作摩擦力矩差异很小。开启时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提升接触刚度和传动精度。
(3) 工作寿命长 滚珠丝杠螺母副摩擦表面为高硬度(HRC58—62)、高精度，含有较长工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副4~10倍以上。
(4) 定位精度和反复定位精度高 因为滚珠丝杆副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，经过预紧进行预拉伸以赔偿热膨胀。所以可达成较高定位精度和反复定位精度。
(5) 同时性好 用几套相同滚珠丝杆副同时传动多个相同运动部件，可得到很好同时运动。
(6) 可靠性高 润滑密封装置结构简单，维修方便。
(7) 不能自锁 用于垂直传动时，必需在系统中附加自锁或制动装置。
(8) 制造工艺复杂 滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本较高。
2.2.1.1 确定系统脉冲当量
横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲。
2.2.1.2 车削力计算
车床主切削力可用下式计算：
式中——车床刀架加工最大直径单位为mm。
因CK5116A床身加工最大直径210mm，则：
按以下百分比分别求出分力和，
则:，
2.2.1.3 滚珠丝杠螺母副设计、计算和选型
滚珠丝杠螺母副设计首先要选择机构类型：确定滚轴循环方法，滚珠丝杠副预紧方法。结构类型确定后，再计算和确定其它参数，包含：公称直径、导程、滚珠工作圈数、列数、精度等级等。
本设计中选择滚珠循环方法为内循环方法中固定式。滚珠丝杠副预紧方法选择双螺母螺纹预紧。
(1)计算进给率牵引力
作用在滚珠丝杠上进给率牵引力关键包含切削力时走刀抗力和移动件重量和切削分力作用在导轨上摩擦力。所以其数值大小和导轨形式相关。计算公式以下:
横向进给导轨为燕尾形，则：

燕尾形导轨选择参数：
(2)计算最大动负荷
选择滚珠丝杠副直径时，必需确保在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载最大值即称为该滚珠丝杠能承受最大动负荷。计算步骤以下：
丝杠转速其中=

寿命（）
最大动负荷

(3)计算最大静负荷
当滚珠丝杠副在静态或低速（）情况下工作时，滚珠丝杠副破坏形式关键是在滚珠接触面上产生变形，当塑性变形超出一定程度就会破坏滚珠丝杠副正常工作。通常许可其塑性变形量不超出滚珠直径万分之一。产生大塑性变形量负载称为许可最大静负荷。选择静态安全系数=2，滚珠丝杠最大轴向负荷 故最大静负荷为

(4)选择滚珠丝杠副
表2-2 滚珠丝杠副参数
型号
公称直径
基础导程
螺旋升角
丝杠外径
丝杠内径
额定动载荷
丝杠长度
额定静载荷

(5)传动效率计算
滚珠丝杠螺母副传动效率

(6)刚度校核
关键校核滚珠丝杠在工作负载和扭矩T共同作用下引发每导程变形量是否符合丝杠精度要求。
每导程变形量可按以下公式计算

选择

其中：

则

查手册所得，所选择级丝杠精度许可误差为，满足要求。
(7) 稳定性校核
机床在进给时滚珠丝杠通常是受轴向力一压杆。若轴向力过大，将使丝杠失去稳定而产生翘曲，所以选择时必需进行稳定性校核。假如满足稳定性安全系数大于许用稳定性安全系数()，则丝杠安全，不会失稳：
式中()——许用稳定性安全系数，通常取2.5～4。
——丝杠失稳时临界负载，由：
式中——丝杠长度
——丝杠轴端系数，由支承条件定。
——截面惯性矩，对实心圆
对于水平丝杠要考虑自重影响可取()4。
将相关数据代入上式中可得

丝杠不会失稳。
2.2.2 横向步进电机选择
    电动机工作时会发烧，它不仅取决于负载大小，也和负载连续时间长短亲密相关，这是选择额定功率时必需考虑。按电动机不一样发烧情况，能够分为三种工作方法（或称工作制），即连续工作方法、短时工作方法和断续周期性工作方法。 CK5116A车床其工作时间通常较长，温升能够达成稳定值，电机负载可能是恒定或大小基础恒定常值负载或改变负载，所以属于连续工作方法。 因为电动机为连续工作方法，负载平稳，且常常开启、制动和正反转，所以因优先采取鼠笼式异步电动机。

2.2.2.1 脉冲量选择
初选三相步进电动机步距角为，当三相六拍（1～2相励磁）运行时，步距角其妹转脉冲数：
初选脉冲当量： 由此可得中间齿轮传动比为

2.2.2.2 等效负载转矩计算
1.空载时摩擦转矩

2.车削加工时负载转矩

2.2.2.3 等效转动惯量计算
1.滚动丝杠转动惯量

2.拖板运动惯量换算到电动机轴上转动惯量

3.大齿轮转动惯量
选择大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。

4.小齿轮转动惯量

换算到电动机轴上总惯性负载

2.2.2.4 步进电动机型号选择
已知 初选步进电机型号为90BF002，步距角三相六拍。其中最大静扭矩，转子惯量，由此可得：
,

经验算可知电动机合格。
电动机外形图及矩频图图2-5：

图2-5 110BF003步进电机外观图及矩频特征图
2.3 齿轮传动间隙调整
在横向进给和纵向进给步进电机和滚珠丝杠间全部是经过一对减速直齿轮传动，这就要求我们对齿轮传动间隙进行调整。
常见直齿轮调整齿侧间隙方法有以下多个。
(1)偏心套(轴)调整法 图2-6所表示，将相互啮合一对齿轮中一个齿轮4装在电机输出轴上，并将电机2安装在偏心套1(或偏心轴)上，经过转动偏心套(偏心轴)转角，就可调整两啮合齿轮中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙不能自动赔偿。

图2-6 偏心套式间隙消除机构
1—偏心套 2—电动机 3—减速箱 4、5—减速齿轮
(2) 轴向垫片调整法 图2-7所表示，齿轮1和2相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这么就能够用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动，从而消除两齿轮齿侧间隙。装配时轴向垫片3厚度应使得齿轮1和2之间既齿侧间隙小，运转又灵活。特点同偏心套(轴)调整法。

图2-7 圆柱齿轮轴向垫片间隙消除机构
(3) 双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。采取方法使一个薄齿轮左齿侧和另一个薄齿轮右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区，具体调整方法以下：
周向弹簧式(图2-8) 在两个薄片齿轮2和4上各开了几条周向圆弧槽，并在齿轮3和4端面上有安装弹簧2短柱1。在弹簧2作用下使薄片齿轮3和4错位而消除齿侧间隙。这种结构形式中弹簧2拉力必需足以克服驱动转矩才能起作用。因该方法受到周向圆弧槽及弹簧尺寸限制，故仅适适用于读数装置而不适适用于驱动装置。
可调拉簧式(图2-9) 在两个薄片齿轮1和2上装有凸耳3，弹簧一端钩在凸耳3上，另一端钩在螺钉7上。弹簧4拉力大小可用螺母5调整螺钉7伸出长度，调整好后再用螺母6锁紧。
本设计所选择是双片薄齿轮错齿调整法中可调拉簧式。由此就能够将纵向及横向进给系统装配图设计并画出，具体请见图纸。图2-8 薄片齿轮周向拉簧错齿调隙机构 图2-9 可调拉簧式调隙
第3章 电气控制部分设计
在这一部分我们采取MCS-51系列单片机控制主控系统，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价格更廉价，51系列中，是无ROM8051，8751是用EPROM替换ROM8051。现在，工控机中应用最多是8031单片机。本设计以8031芯片为关键，增加存放器扩展电路、接口和面板操作开关组成控制系统。
3.1 单片机选择

图3-1 8031引脚图

本设计选择8031芯片，片内无ROM或EPROM，使用时必需配置外部程序存放器EPROM。本设计选择了27128扩展其空间，8031引脚分3大功效：
（1）I/O口线
P0,P1,P2,P3共4个八位口。
（2）控制口线
PSEN(片外取指控制)、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存放器选择）、RESET（复位控制）。
（3）电源和时钟。
8031最小应用系统。8031内部不带ROM，需要外接EPROM作为外部程序存放器。又因为8031在外接程序存放器或数据存放器时地址低8位信息和数据信息分时送出，故还需要采取一片6264数据存放器储存数据。这么，一片27128EPROM和一片6264组成了一个最小计算机应用系统。

图3-2 系统存放器
3.2 步进电机驱动
步进电机运行特征和配套使用驱动电源有亲密关系。驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成，驱动电源是将变频信号源送来脉冲信号及方向信号按要求配电方法自动循环供给电机各组绕组，以驱动电机转子正反向旋转。
3.2.1 环形脉冲分配器选择
步进电机各组绕组必需按一定次序通电才能正常工作。这种使电机绕组通电次序按一定规律改变部分称为脉冲分配器，又称环形脉冲分配器。所以不一样相电机应选择不一样环形分配器。本设计中所选择电机，纵向部分为110BF0