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1、1 绪论数控机床与普通机床相比 ,增加了功能,提高了性能,简化了结构.较好地解决形状复杂、精密、 小批量及形状多变零件的加工问题。能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制： （1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足； （2）目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费； （3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需； （4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。普通机床的改造就是在普通机床上增加
2、微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。 这一工作早在 20 世纪 60 年代已经在开始迅速发展， 并有专门企业经营这门业务。目前，国外已发展成为一个新兴产业部门，从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有 26%的机床经过数控化改造，中小企业则达 74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控化改造业务。中国是拥有 300 多万台机床的国家， 其中大部分是多年积累生产的普通机床，自动化程度低。要想在近几年用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的，因此， 普通机床的数控化改造大有可为，它适
3、合中国的经济水平、生产水平和教育水平，已成为中国设备技术改造的主要方向之一。机床数控化改造的优点： （1）改造闲置设备， 能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率； （2）适应多品种、小批量零件生产； （3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高； （4）降低对工人的操作水平的要求； （5）数控改造费用低、经济性好； （6）数控改造的周期短，可满足生产急需。因此，我们必须走数控改造之路。普通车床（如C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来， 通过进
4、给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。对普通车床进行数控化改造， 主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，第 1 页 共 29 页利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也
5、能适应小批量多品种复杂零件的加工。第 2 页 共 29 页2 设计要求2.12.1 总体方案设计要求总体方案设计要求总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、 圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用 8 位微机。 在 8 位微机
6、中， MCS51 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、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51 系列单片机扩展系统。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 CPU 外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O 接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器， 包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进
7、给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。总体方案设计图如下图（2）所示：进给伺服系统总体方案方框图如图（3）所示：第 3 页 共 29 页 加工工件形状编程 手工输入计算机磁带步进电机变速箱工件控制计算机功率放大器车床变速箱步进电机图（2）数控车床改造的总体方案示意图床鞍及拖板Z向光电隔离光电隔离功率放大功率放大步进电机X向步进电机中拖板微机图（3）经济性数控车床进给伺服系统方案框图2.22.2 设计参数设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控
8、进给伺服系统所需要的参数。现列出 CA6140 卧式车床的技术数据：名称技术参数在床身上400mm工件最大直径在刀架上210mm第 4 页 共 29 页顶尖间最大距离650;900;1400;1900mm宋制螺纹mm1-12(20 种)2-24(20 种)0.25-3(11 种)7-96(24 种)加工螺纹范围英制螺纹t/m模数螺纹mm径节螺纹t/m最大通过直径48mm孔锥度主轴正转转速级数正转转速范围反转转速级数反转转速范围纵向级数进给量纵向范围横向级数横向范围滑板行程横向纵向最大行程刀架最大回转角刀杠支承面至中心的距离刀杠截面 BH顶尖套莫氏锥度尾座横向最大移动量第 5 页 共 29 页莫
9、氏 6#24101400r/min1214-1580r/min640.028-6.33mm/r640.014-3.16mm/r320mm650;900;1400;1900mm140mm9026mm2525mm5#10mm外形尺寸长宽高圆度工作精度圆柱度平面度表面粗糙度 Ra主电动机电动机功率总功率改造设计参数如下:最大加工直径在床面上在床鞍上最大加工长度快进速度纵向横向最大切削进给速度纵向横向溜板及刀架重力纵向横向代码制ISO第 6 页 共 29 页241810001267mm0.01mm200:0.020.02/300mm1.6-3.2m7.5kw7.84kw400mm210mm1000mm
10、2.4m/min1.2m/min0.5m/min0.25m/min800N600N脉冲分配方式逐点比较法输入方式增量值、绝对值通用控制坐标数2脉冲当量纵向横向机床定位精度刀具补偿量进给传动链间隙补偿量纵向自动升降速性能有2.3.2.3.其它要求其它要求（1） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本缩短改造周期。（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。0.01mm/脉冲0.005mm/脉冲0.015mm0mm-99.99mm0.15mm0.075mm横向第 7 页 共 29 页3 进给伺服系统机械部分
11、设计与计算3.13.1 进给系统机械结构改造设计进给系统机械结构改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠， 滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜
12、板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。3.23.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、 计算与选型、 齿轮传动计算、 步进电机的计算和选型等。计算简图如下图所示：第 8 页 共 29 页3.2.13.2.1 确定系统的脉冲当量确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为 0.01mm/step 和 0.
13、005mm/step,在CA6140 的技术参数中，要求纵向脉冲当量 fp 为 0.01mm/step。横向脉冲当量为fp=0.005mm/step。3.2.23.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤（1 1）最大工作荷载计算）最大工作荷载计算滚珠丝杠的工作载荷 Fm（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于原普通 CA6140 车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式 3-1 计算工作载荷的大小。Fm=KFL+f(Fv+G
14、)（3-1）1）车削抗力分析车削外圆时的切削抗力有 FxFyFz，主切削力Fz 与主切削速度方向一致垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力 Fy 与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力 Fx 与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。纵切外圆时，车床的主切削力 Fz 可以用下式计算： Fz=CFzPXFzfyFzVnFz KFz（3-2） =5360(N)由金属切削原理知：得 Fx=1340(N) Fy=2144(N)因为车刀装夹在拖板上的刀架内， 车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨第 9 页 共 29 页Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.
15、4（3-3）上， 车削作业时作用在进给托板的载荷 F1Fv 和 Fc 与车刀所受到的车削抗力有对应关系。因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出：托板上的进给方向载荷 F1=Fx=1340(N)托板上的垂直方向载荷 Fv=Fz=5360(N)托板上的横向载荷 Fc=Fy=2144(N)因此，最大工作载荷Fm=KFL+f(Fv+G) =1.151340+0.04(5360+909.8) =1790.68(N)对于三角形导轨 K=1.15, f=0.030.05,选 f=0.04(因为是贴塑导轨)，G 是纵向横向溜板箱和刀架的重量，选纵向横向溜板箱的重量为75kg,刀架重量为 15kg.（2 2
16、）最大动载荷）最大动载荷 C C 的计算的计算滚珠丝杠应根据额定动载荷 Ca 选用，可用式 3-4 计算： C=fmm（3-4）L 为工作寿命， 单位为 10r， L=60nt10;n 为丝杠转速 （rmin） ,n=1000vL0;v为 最大切削力条件下的进给速度（mmin）,可取最高进给速度的 1/21/3;L0为丝杠的基本导程，查资料得 L0=12mm;fm 为运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以取 fm=1.5.V 纵向=1.59mm/r1400r/min=2226mm/minn 纵向=v 纵向1/2/L0=22261/2/12=92.75r/min L=60nt/106=6092.
17、7515000/106=83.5则 C=fmFm =1.51790.68=11740（N）初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷 Ca 不得小于最大载荷 C;因此有CaC=11740N另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载， 那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa 是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷 Fm,一般使 Coa/Fm=23.初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。因此初选滚珠丝杠的型号为型 CD638-3.5-E 型，主要参数为Dw=4.763mm,Lo=8
18、mm,dm=63mm,=2o19 ，圈数列数 3.51（3 3）纵向滚珠丝杠的校核）纵向滚珠丝杠的校核1）传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为 =tg /tg( + )=tg2o19/tg(2o19+10)=92%（3-5）第 10 页 共 29 页2）刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化， 从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形， 丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。1 丝杠的拉压变形量11=Fml/EA（3-6） =1790.682280/20.610(31.5)2 =0.006
19、4mm2滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2采用有预紧的方式，因此用公式2=0.0013（3-7） =0.00132 =0.0028mm在这里 Fyj =1/3Fm=1/31790.68=597N Z=dm/Dw=3.1463/4.763=41.53 Z=41.533.51=145.36丝杠的总变形量=1+2=0.0064+0.0028=0.0092mm4所以丝杠很稳定。3.2.33.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤（1 1）型号选择）型号选择 1）最大工作载荷计算由于导向为贴塑导轨，则：k=1.4 f=0.05,F1 为工作台进给方向载荷，Fl=2
20、141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,最大工作载荷：Fm=kF1+f(Fv+2Fc+G) =1.42144+0.05(5360+21340+9.875) =3440.4N2）最大动载荷的计算 V 横=1400r/min0.79mm/r=1106mm/min n 横丝=v 横1/2/L0纵=11061/2/4=138.25r/min L=60nt/=60138.2515000/106=124.43 C=fmFm =1.53440.4=25763.7N初选滚珠丝杠型号为：CD506-3.5-E其基本参数为 Dw=3.969mm,=2o11,L0=6mm,dm
21、=50mm,圈数列数3.51(2)(2) 横向滚珠丝杠的校核横向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算=tg/tg(+)=tg2o11 /tg(2o11 +10)=93%2) 刚度验算 1. 丝杠的拉压变形量1=FmL/EA=3440.4320/20.6104252=0.0027mm 2.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.0013 =0.0013 =0.0070mm在这里 Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N Z=dm/Dw=3.1450/3.969=39.56 Z=39.563.51=138.48丝杠的总变形量第 12 页 共 29 页2=1+2=0.0027+0.0070=0.009
22、7mm0.015mm查表知 E 级精度允许的螺距误差为 0.015mm，故所选丝杠合格（3 3）滚珠丝杠螺母副的精度等级：）滚珠丝杠螺母副的精度等级：数控机床根据定位精度的要求通常选用 1-5 级精度的滚珠丝杠，1-5 级度丝杠的行程公差数值如表（2）所示：项目符号有效行程lm/mm315315400400500500630315315400400500500630任意 300mm 内行程变动量2rad 内行程变动量V300pV2p精度等级167896677642891011881011853121315161212131412641618202216171921167523252730232
23、52629238目标行程公差ep行程变动量公差Vmp表（2）滚珠丝杠行程公差/m3.2.43.2.4 齿轮有关计算齿轮有关计算(1)(1)纵向齿轮及转矩的有关计算纵向齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算，由前面的条件可知：工作台重量：W=80kgf=800N(根据图纸粗略计算)滚珠丝杠的导程: Lo=12mm步距角:=0.75/step脉冲当量:p=0.01mm/step快速进给速度：Vmax=2m/min所以,变速箱内齿轮的传动比i=2.5（3-9）齿轮的有关参数选取如下:Z1=32,Z2=40,模数 m=2mm齿宽 b=20mm压力角=20齿轮的直径 d1=mz1=232=64mm d2=
24、mz1=240=80mm第 13 页 共 29 页 d2=d1+2ha*=68mmd2=d2+2ha*=84mm两齿轮的中心矩 a=2）转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量: J1=W()2= ( )280=0.467kg.cm2（3-10） = =72mm对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算: J=7.810-4D4L kg.cm2（3-11）式中 D-圆柱形零件的直径,cm L-零件的轴向长度,cm所以,丝杠的转动惯量: J1=7.810-4+D4L1=7.810-43.24140.3=11.475 kg.cm2齿轮的转动惯量:=7.810-46.442=2.61
25、7 kg.cm2=7.810-4842=6.39 kg.cm2电动机转动惯量很小,可忽略。因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.52)（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942kg.cm2=59.42N. cm2丝杠名义直径/mm20导程/mm451m 长丝杠丝杠名义直的转动惯量径/mmkg.cm20.940.8450导程/mm10121m 长丝杠的转动惯量kg.cm235.7631.98第 14 页 共 29 页2530565656852.242.004.914.479.268.728.3016.2915.4515
26、.1826.1324.5422.6339.7537.6480907060810128101210121012121620202481.5878.0274.96157.35150.47145.13263.49255.84420.31392.75649.56615.16562.441233.931144.603540455068681068100120表(3)滚珠丝杠的转动惯量3）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩M=Mamax+Mf+Mo最大切削负载时所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt快速进给时所需力矩M=Mf+Mo式中,Mamax-空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩;Ma-折算到电动
27、机轴上的加速度力矩;Mf-折算到电动机轴上的摩擦力矩;Mo-由丝杠预紧所引起,折算到电动机轴上的附加摩擦力矩;Mat-切削时折算到电动机轴上的加速力矩;Mt-折算到电动机轴上的切削负载力矩;Ma=10-4N.m（3-12）式中,J-转动惯量, kg.cm2n-丝杠转速,r/minT-时间常数,s第 15 页 共 29 页当 n=nmax时Ma=Mamaxnmax=416.7r/minMamax=当 n=nt时, Ma=matnt=Mat=10-4=2.49N.m=24.88r/min 10-4=0.0616N.mMf=N.cm（3-13）式中f-导轨上的摩擦系数nt-切削加工时的转速，r/mi
28、n;w-移动不见的重量，N;Lo-丝杠导程，cm;i-传动比；- 传动效率。当 =0.8f=0.16 时，Mf=12.23N.cmMo=(1-（3-14）式中，o-丝杠未预紧时的效率，取 0.9FO-预加载荷，一般为最大轴向载荷的 1 / 3，即 FP/ 3则Mo=(1-0.92)=8.108N.cm)Mt=128N.cm所以，快速空载启动所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338N.cm切削时所需力矩第 16 页 共 29 页M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42N.cm快速进给时所需力矩M=Mf+Mo=1
29、2.23+8.108=20.338N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩 Mamax发生在快速启动时Mmax=123.338N.cm(2)(2)横向齿轮及转矩的有关计算横向齿轮及转矩的有关计算1)有关齿轮计算，由前面的条件可知：工作台重量：W=30kgf=300N(根据图纸粗略计算)滚珠丝杠的导程: Lo=4mm步距角:=0.75/step脉冲当量:p=0.005mm/step快速进给速度：Vmax=1m/min所以,变速箱内齿轮的传动比i=1.67齿轮的有关参数选取如下:Z1=18,Z2=30,模数 m=2mm齿宽 b=20mm压力角=20d1=36mmd2=60mmda1=40mmda2
30、=64mma=48mm2)转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量: J1=W(丝杠的转动惯量: Js=7.810-42450=0.624 kg.cm2齿轮的转动惯量:)2= ( )230=0.0439 kg.cm2=7.810-43.642=0.262 kg.cm2=7.810-4642=2.022 kg.cm2电动机转动惯量很小,可忽略。第 17 页 共 29 页因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=(kg.cm2=12.58N. cm23)所需转动力矩计算nmax=416.7r/min)2（0.624+2.022）+0.262+
31、0.0439=1.258Mamax=10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cmnt=Mat=33.17r/min10-4=0.0174N.m=0.174 kgf.cmMf=0.287kgf.cm=0.028N.mMo=(1-0.92) =0.649kgf.cm =0.065N.mMt=10.242kgf.cm =1.024 N.m所以，快速空载启动所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm切削时所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113
32、.52 N.cm快速进给时所需力矩M=Mf+Mo=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩 Mamax发生在快速启动时Mmax=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm（3 3）绘制进给伺服系统的机械装配图）绘制进给伺服系统的机械装配图在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型，完成齿轮传动比计算后可以着手绘制进给伺服系统的机械装配图。在绘制机械装配图时，除了从总体上考虑机床布局情况以及伺服进给机构第 18 页 共 29 页与原机床的联系外，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。1）了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅
33、床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。2）根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号，轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。3）减速齿轮的参数和结构尺寸计算，确定齿轮侧隙的调整方法，在满足装配工艺的前提下，合理设计齿轮箱结构。4） 考虑各部位间的定位、联接和调整方法。例如，应保证丝杠两端支承与滚珠丝杠螺母同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座。 轴承座在安装面上的联接与定位、齿轮箱在安装面上的定位、步进电机在齿轮箱上的联接与定位等。5）考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如，丝杠螺母的润滑、防尘、防铁屑保护、轴承的润滑及密封、齿轮的润滑及密封、行程限位保
34、护装置等。6）在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。此外，注意绘制装配图时的一些基本要求。例如，制图标准、视图布置及图形画法要求、重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标准、重要配合的标注、装配技术要求、标题栏要求等。4 步进电动机的计算与选型4.14.1 步进电动机选用的基本原则步进电动机选用的基本原则合理选用步进电动机是比较复杂的问题， 需要根据电动机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍第 19 页 共 29 页如下：4.1.14.1.1 步距角步距角步距角应满足 式中，i-传动比
35、min-系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角4.1.24.1.2 精度精度步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后， 转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足：mi s（4-2）式中，m -步进电动机的累积误差。4.1.34.1.3 转矩转矩为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件a.起动力矩。一般选取为MqMLo/0.3-0.5（4-3）式中，Mq-电动机起动力矩MLo-电动机静负载力矩根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表（4）所示，表
36、中 MJM为步进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。运行方式相数拍数330.5360.866440.707480.707550.8095100.951660.8666120.866（4-1）s-系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。Mg/Mjm表（4）步进电动机相数、拍数启动力矩表在要求的运行频率范围内， 电动机运行运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。4.1.44.1.4 启动频率启动频率由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：Ftfopm(4-4)式中，ft
37、-极限启动频率，第 20 页 共 29 页fopm-要求步进电动机最高启动频率。4.24.2 步进电动机的选折步进电动机的选折4.2.1 CA61404.2.1 CA6140 纵向进给系统步进电机的确定纵向进给系统步进电机的确定Mq=308.35 N.cm为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866所以步进电动机最大静转矩 Mjm为：Mjm=步进电动机最高工作频率：fmax=3333.3 HZ=356.06N.cm综合考虑， 查步进电机技术数据表选用 90BF002 型直流电动机， 能满足使用要求。4.2.2CA61404.2.2CA6140 横向进给系统步
38、进电机的确定横向进给系统步进电机的确定Mq=63.3 N.cm电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866所以步进电动机最大静转矩 Mjm为：Mjm=步进电动机最高工作频率：fmax=3333.3 HZ=73.09 N.cm为了便于设计和采购，仍选用 90BF002 型直流电动机，能满足使用要求。5 主轴交流伺服电机5.15.1 主轴的变速范围主轴的变速范围主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围 Rn，即 Rn=nmax/nmin,数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化很大，所以主轴变速范围很宽。第 21 页 共 29 页由于 Nmax=1800nmax=
39、14Nmax/nj=2nj/min(5-1)则 nj=这里 nj 为电动机的额定转速该机床主轴要求的恒功率调速范围 Rn 为：Rn= nmax /nj=1800/113=15.9(5-2)主轴电机的功率是：7.5kw5.25.2 初选主轴电机的型号初选主轴电机的型号选主轴电机的型号为： SIMODRIVE 系列交流主轴驱动系统型号为1HP6167-4CB4，连续负载 PH/KW=14.5，间隙负载（60%）/kw=17.5kw,短时负载（20min）/kw=19.25kw,额定负载 n/r.min-1=5000,最大转速 nmax/ r/min=8000，额定转矩 277N.m,惯性矩 0.2
40、06/kg.m2晶体管 PWM 变频器型号为 6SC6058-4AA025.35.3 主轴电机的校核主轴电机的校核电动机恒恒功率调速范围：Rn= nmax/nmin=8000/5000 =16所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围。=113r/min6 微机控制系统硬件电路设计6.16.1 控制系统的功能要求控制系统的功能要求（1）z 向和 x 向进给伺服运动控制（2）自动回转刀架控制（3）螺纹加工控制第 22 页 共 29 页（4）行程控制（5）键盘及显示（6）面板管理（7）其他功能：光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。6.26.2 硬件电路的组成：硬件电路的组成：后面所画大
41、图采用 MCS-51 系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：（1）CPU 采用 8031 芯片；（2）扩展程序存储器 2764 两片，6264 一片；（3）扩展可编程接口芯片 8155 两片；（4）地址锁存器，译码器个一个；（5）键盘电路，显示电路；（6）光电隔离电路，功率放大功率；（7）越程报警电路，急停电路，复位电路；（8）面板管理电路。6.36.3 设计说明设计说明（1）CPU 采用 8031 芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有 128字节，因此，扩展外部程序存储器 2764 两片（16KB） ，数据存储器 6264（8KB）一片。8031 的 I/O 口也不
42、能满足输入输出口的要求，本系统也扩展了两片 8155可编程接口芯片。（2）采用 74LS138 三-八译码器的输出作为片选信号。2764（1） 、2764（2） 、6264、8155（1）和 8155（2）的片选信号分别接到译码器的 Y0Y4,74LS138的输入 A、B、C 分别接 8031 的 P2.5、P2.6、P2.7。（3）由于 2764 和 6264 芯片都是 8KB，需要 13 根地址线，A0A7 低 8 位接74LS373 芯片的输出。A8A12 接 8031 芯片的 P2.0P2.A，74LS373 地址锁存器在选通信号 ALE 在高电平时直接传送 8031P0 口低 8 位
43、地址，当 ALE 在高电平变低电平的下降沿时，低 8 位地址锁存器，此时，P0口可用来向片外传送读写数据。（4）接口芯片与外设的联接及设计说明如下：8155（2）PA.0PA.7输出的指令脉冲通过光电隔离电路和功率放大电路直接驱动纵向和横向步进电机的共八相绕组。在本系统中采用软件环形分配器方式，虽然运行速度慢一些，但可以省去两个硬件环形分配器，电路比较简单，由于步进电机的每一相绕组需和一个 I/O 接口相连，以便与控制寄存器中某一指定相位对应，因此，占用的 I/O 口数量较多。8155（2）的 PC.0PC.5 作为显示器位选信号，显示器的段选信号则由 8031的 P1.0P1.7 发出，81
44、55 的 PB.0PB.3 是键盘扫描输入。第 23 页 共 29 页行程限位报警信号+Z,-Z,+X,-X 分别通过 8155（2）的 PB.4,PB.5,PB.6,PB.7 提出中断请求，根据不同的中断口可以直接识别行程的方向，此时相应的红灯报警。8155 小的 PC.0PC.3 接自动回转刀架（四方刀架） ，自动回转刀架需要换刀时，由PC.0PC.3 发出换位信号，经交流控制箱控制刀架电机回转，到达指定的刀位。 刀架夹紧后， 即发出回答信号， 表示已完成换刀过程， 可以进行切削加工。换刀回答信号经 8155（1）的 PB.5 输入计算机，控制刀架开始进给。8155（1）PA.0PA.5接
45、控制面板上的控制开关，设有编辑空运行、自动、手工（I） 、手工（II） 、回零等选着方式。8155（1）PB.0PB.4接控制面板上的按钮开关，设有启动、暂停、单段运行、连续运行、急停等操作功能。加工螺纹时， 与车床主轴相连的光电脉冲发生器会发出螺纹加工信号和零位螺纹信号，螺纹加工信号送入 8031 的 T0，通过设置不同的时间常数，可以改变主轴每转时的纵向进给量， 从而加工出不同螺距的螺纹， 零位螺纹信号送入 8155（1）的 PB6,用来防止多次走刀时螺纹乱扣。（5） 系统各芯片采用全地址译码， 各存储器及 I/O 接口芯片地址编码见表 （5）（6）操作面板设计方案之一见图（5） ：接74
46、LS138引脚Y0Y1Y2Y3片内地址单元（字节）8K8K8K256芯片地址选择线地址编码2746（1）2746（2）62648155RAM000XXXXXXXXXXXXX001XXXXXXXXXXXXX010XXXXXXXXXXXXX01111110XXXXXXXX0000H1FFFH2000H3FFFH4000H5FFFH7E00H7EFFH第 24 页 共 29 页（1）8155（2）I/ORAMI/OY3Y4Y40111111111111XXX10011110XXXXXXXX1001111111111XXX625667FF8H7FFDH9E00H9EFFH9FF8H9FFDH表(5)芯
47、片地址编码第 25 页 共 29 页7 车床改造的结构特点7.1.7.1.滚珠丝杆滚珠丝杆滚珠丝杆必须采用三点支承形式。步进电动机的布置可放在丝杠的任一端，由于拆除了进给箱，可在原安装进给箱处布置步进电动机和减速齿轮，也可在滚珠丝杆的左端设计一个专用轴承支承座， 而在丝杠托架处布置步进电动机和减速箱。7.27.2 导轨副导轨副为减少运动部件移动时的摩擦阻力，尤其是减少静摩擦阻力，滑板和刀架移动部件的导轨可粘贴摩擦系数低的聚四氟乙烯软带7.37.3 安装电动卡盘安装电动卡盘为了提高经济型数控机床的加工效率，还可考虑用电动三爪自定心卡盘装置，这种装置也可与数控装置的信号电路相配合，实现自动夹紧、松
48、开，提高加工过程的自动化程。7.47.4 脉冲发生器脉冲发生器改造后的简易数控车床需要自动化加工螺纹时， 可以在主轴后端同轴安装或者异轴安装一个主轴脉冲发生器，作为主轴位置的信号反馈元件，目的是用来检测主轴转角的位置，并且将其变化情况输送给数控装置，使其能按照所加工螺纹的螺距值进行处理。第 26 页 共 29 页8 安装调整中应注意的问题8.18.1 滚珠丝杠螺母副的选择：滚珠丝杠螺母副的选择：滚珠丝杠螺母副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂。都是由专业工厂按系列化进行生产。因此在进行设备改造时， 要按厂家生产标准进行选择。选择合适以后再决定被改造设备的 其他相关部分的结构和尺寸。8.28.2
49、 滚珠丝杠螺母副的调整：滚珠丝杠螺母副的调整：利用螺母的 间隙调整装置调整丝杠副间隙时， 应使调整后产生的 预紧力为丝杠副最大负载的 1 / 3 为宜。在 实际调整中，可以把车床处于最大工作负载，使丝杠内部仍不产生间隙或者间隙量小于 0.01mm，而且运转灵活，并以此作为螺母间隙调整装置预紧的判断标准。8.38.3 联轴器的安装：联轴器的安装：传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。 这是因为同一联轴套上分布的锥孔都由同一方向加工时， 往往会引起轴线的直线度误差增大，从而使安装在丝杠上各零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷， 影响丝杠副的传动性能。8.48.4 主轴脉冲发
50、生器的安装：主轴脉冲发生器的安装：主轴脉冲发生器的的引出轴按比例 1：1 无间隙柔性连接传动，连接后应保证两者都有很好的同步性，安装中要注意主轴脉冲发生器是玻璃件，不能随意敲打碰撞，使用中车床主轴转速不能超过脉冲发生器的最高许用转速。第 27 页 共 29 页结论这次课题设计总计费时一个多月，刚开始时不知从何下手，在老师的指导下到图书馆查阅相关资料。有关数控上的资料翻了数次，有参考了相关设计资料，终于知道了该怎么做。接下来塞选出一系列有价值的资料，与同组同学不断的讨论、向老师请教，终于完成了设计。在做设计的过程中，不但复习了所学过的知识点，还学到了新的知识，同时将所学到的知识充分的运用起来，