摘 要： 與普通車(chē)床相比較，數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電液氣一體化的典型產(chǎn)品，可以解決在機(jī)械加工中結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜多變的零件加工的問(wèn)題，而且加工質(zhì)量好，生產(chǎn)效率也高。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的占有率已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。
購(gòu)買(mǎi)新的數(shù)控機(jī)床或者從國(guó)外進(jìn)口是提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的主要方法，但是費(fèi)用高，許多工廠在較短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)，這樣就嚴(yán)重阻礙企業(yè)設(shè)備更新的腳步。采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，特別適合我國(guó)普通機(jī)床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國(guó)情。
本次設(shè)計(jì)是對(duì)C6150普通車(chē)床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)計(jì)算，主要是對(duì)原有機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，最終使機(jī)床達(dá)到比較理想的狀態(tài)。其中主要對(duì)伺服系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等方面做了詳細(xì)的計(jì)算和設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)我先對(duì)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案的設(shè)計(jì)，然后對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)、齒輪箱傳動(dòng)比及步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、選型和計(jì)算，最后對(duì)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：數(shù)控改造 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 單片微機(jī)
Reforming?design?of?NC?for?C6150?general?l-athe
Author’s Name: Qi Yan-ting Tutor: Xue Xiao-lan
Abstract: As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining.Along with the science technical fast fierce development, numerical controlling tool machine has already become the important marking which measures a national machine manufacture industry level.
Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Adopt the economic number controls system to carry on a number to control to turn a reformation to the common tool machine, particularly in keeping with our country the common tool machine own to have great capacity, the small concrete state of the nation of the production scale.
This design is to control to turn a reformation to the number of C6150 common lather，mainly on the creative design of original structure of lathe to make lathe relative perfect. While in the process, we do detailed calculation and design of servo system, NC and so on. Design when I first CNC machine tool system, the overall design, and then calculated the feeding system, the gearbox ratio and the stepper motor, computer numerical control system hardware circuit design.
Keywords：Numerical transformation of Mechatronics Stepping motor Single chip microcomputer
II
目 錄
1 設(shè)計(jì)任務(wù)的選定 1
1.1數(shù)控改造的必要性 1
1.1.1機(jī)床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場(chǎng) 1
1.1.2機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 2
1.2數(shù)控化改造的內(nèi)容 3
1.2.1數(shù)控化改造的內(nèi)容 3
1.2.2數(shù)控改造中主要機(jī)械部件改裝探討 3
1.3本文的主要研究?jī)?nèi)容 4
2 數(shù)控車(chē)床總體改造方案及機(jī)械部分設(shè)計(jì) 5
2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量及機(jī)床總體方案的擬定 5
2.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 5
2.1.2 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 6
2.1.3 總體方案確定 6
2.1.3.1控制系統(tǒng)的選擇 6
2.1.3.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 6
2.1.3.3 機(jī)械傳動(dòng)方式 6
2.2 計(jì)算切削力 7
2.2.1.縱車(chē)外圓 8
2.2.2.橫切端面 8
2.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 9
2.3.1 縱向滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算 9
2.3.2 橫向滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算 12
2.4 齒輪箱的計(jì)算 17
2.4.1 縱向進(jìn)給齒輪箱的計(jì)算 17
2.4.2 橫向進(jìn)給齒輪箱的計(jì)算 17
2.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型和計(jì)算 18
2.5.1 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 18
2.5.2 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 22
2.6電動(dòng)刀架選擇與介紹 25
3 主軸脈沖發(fā)生器介紹與選型 28
3.1光電編碼器原理 28
3.2主軸脈沖發(fā)生器的安裝 29
3.3主軸脈沖發(fā)生器的選擇 30
4 普通車(chē)床自動(dòng)化改造的單片機(jī)控制 33
4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì) 33
4.2用單片機(jī)控制系統(tǒng)電路? 35
4.2.1存儲(chǔ)器擴(kuò)張電路 35
4.2.2面板操作鍵和功能選擇開(kāi)關(guān) 38
4.2.3功能選擇開(kāi)關(guān) 39
4.2.4鍵盤(pán)、顯示器接口電路 40
4.2.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 41
4.2.6 M.S.T接口 44
4.2.7輔助電路設(shè)計(jì) 45
5 數(shù)控軟件的設(shè)計(jì) 47
5．1總體設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) 47
5．2系統(tǒng)初始化軟件 47
5．3插補(bǔ)程序設(shè)計(jì) 48
5.3.1直線插補(bǔ) 48
5.3.2圓弧插補(bǔ) 50
5.3.3螺紋加工插補(bǔ)算法 53
5.3.4 程序設(shè)計(jì) 55
6 數(shù)控機(jī)床的安裝調(diào)試及驗(yàn)收 56
6.1機(jī)床的地基和對(duì)環(huán)境的要求 56
6.2各控制單元間的電纜連接 56
6.3通電試車(chē)前的檢查 56
6.3.1輸入電源電壓和頻率的確認(rèn) 56
6.3.2檢查直流電源輸出端是否正常 56
6.3.3檢查各熔斷器 56
6.3.4短接棒的設(shè)定 57
6.3.5檢查油和氣 57
6.3.6確認(rèn)各部件機(jī)器位置 57
6.4通電試車(chē) 57
6.4.1確認(rèn)電源電壓相序 57
6.4.2接通強(qiáng)電柜交流電源 57
6.4.3接通直流電源 57
6.4.4線數(shù)控裝置供電 58
6.4.5數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)核對(duì) 58
6.4.6手動(dòng)操作 58
6.4.7主軸與輔助裝置通電 58
6.4.8空運(yùn)行及有關(guān)性能試驗(yàn) 58
參考文獻(xiàn) 59
附錄：外文資料 60
致謝 69
1 設(shè)計(jì)任務(wù)的選定
1.1數(shù)控改造的必要性
1.1.1機(jī)床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場(chǎng)
（1）機(jī)床數(shù)控化改造的市場(chǎng)
我國(guó)目前機(jī)床總量380余萬(wàn)臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬(wàn)臺(tái)，即我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬(wàn)臺(tái)，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。我國(guó)機(jī)床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占60％以上）?？梢?jiàn)我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長(zhǎng)，從而在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。
（2）進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場(chǎng)
我國(guó)自改革開(kāi)放以來(lái)，很多企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1979～1988年10年間，全國(guó)引進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目就有18446項(xiàng)，大約165.8億美元。
這些項(xiàng)目中，大部分項(xiàng)目為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進(jìn)項(xiàng)目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國(guó)外引進(jìn)以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時(shí)只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項(xiàng)目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動(dòng)運(yùn)行，沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷(xiāo)路很好，但是因?yàn)樵O(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)；有的因?yàn)槟芎母摺a(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進(jìn)較長(zhǎng)時(shí)間，需要進(jìn)行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)備不僅沒(méi)有創(chuàng)造財(cái)富，反而消耗著財(cái)富。
這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個(gè)包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財(cái)富。只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn)，解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，就可以最小的投資盤(pán)活最大的存量資產(chǎn)，爭(zhēng)取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這也是一個(gè)極大的改造市場(chǎng)。
1.1.2機(jī)床數(shù)控化改造的必要性
（1）微觀看改造的必要性
從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。
可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來(lái)的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。
由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來(lái)，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱(chēng)為實(shí)現(xiàn)了"柔性自動(dòng)化"。
加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。
可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。
擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看管加工。
由以上五條派生的好處。
如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
（2）宏觀看改造的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過(guò)程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對(duì)國(guó)外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱(chēng)之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國(guó)際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落后20年。如我國(guó)機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達(dá)20.8％，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。
1.2數(shù)控化改造的內(nèi)容
1.2.1數(shù)控化改造的內(nèi)容
機(jī)床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：
其一是恢復(fù)原功能，對(duì)機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)；
其二是NC化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機(jī)床、CNC機(jī)床；
其三是翻新，為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，對(duì)機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對(duì)機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對(duì)其不滿(mǎn)足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進(jìn)行更新；
其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。
1.2.2數(shù)控改造中主要機(jī)械部件改裝探討
一臺(tái)新的數(shù)控機(jī)床，在設(shè)計(jì)上要達(dá)到：有高的靜動(dòng)態(tài)剛度；運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)無(wú)間隙；功率大；便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控改造時(shí)應(yīng)盡量達(dá)到上述要求。不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對(duì)主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造使其達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。
①滑動(dòng)導(dǎo)軌副
對(duì)數(shù)控車(chē)床來(lái)說(shuō)，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車(chē)床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時(shí)要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對(duì)加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤(rùn)滑。
②齒輪副
一般機(jī)床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動(dòng)精度，數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等級(jí)都比普通機(jī)床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無(wú)間隙傳動(dòng)，因而改造時(shí)，機(jī)床主要齒輪必須滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床的要求，以保證機(jī)床加工精度。
③滑動(dòng)絲杠與滾珠絲杠
絲杠傳動(dòng)直接關(guān)系到傳動(dòng)鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動(dòng)扭矩要求。被加工件精度要求不高時(shí)可采用滑動(dòng)絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計(jì)誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動(dòng)絲杠應(yīng)不低于6級(jí)，螺母間隙過(guò)大則更換螺母。采用滑動(dòng)絲杠相對(duì)滾珠絲杠價(jià)格較低，但難以滿(mǎn)足精度較高的零件加工。
滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動(dòng)效率可在90%以上；精度高，壽命長(zhǎng)；啟動(dòng)力矩和運(yùn)動(dòng)時(shí)力矩相接近，可以降低電機(jī)啟動(dòng)力矩。因此可滿(mǎn)足較高精度零件加工要求。
④安全防護(hù)
必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時(shí)要嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn)入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護(hù)罩。大拖板與滑動(dòng)導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對(duì)防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動(dòng)面損傷導(dǎo)軌。
1.3本文的主要研究?jī)?nèi)容
1. C6150車(chē)床數(shù)控化改造總體機(jī)械部件設(shè)計(jì)。
2.進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選用。包括了進(jìn)給滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與選用，消隙減速齒輪系的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，進(jìn)給用步進(jìn)電機(jī)的選擇與校核。
3．主軸脈沖發(fā)生器的安裝
4．刀架的選用
5.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。選用8031型號(hào)的單片機(jī)控制進(jìn)給系統(tǒng)與刀架，并把脈沖發(fā)生器的數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)來(lái)加工螺紋。
2 數(shù)控車(chē)床總體改造方案及機(jī)械部分設(shè)計(jì)
2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量及機(jī)床總體方案的擬定
脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù),經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01~0.005mm/脈沖。
任務(wù)書(shū)中直接給出了脈沖當(dāng)量：縱向0.01mm/脈沖，橫向：0.005mm/脈沖。
2.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)
畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：C6150型普通車(chē)床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)要求及原始數(shù)據(jù)（資料）：
要求：
將一臺(tái)C6150普通車(chē)床改造成微機(jī)數(shù)控車(chē)床。對(duì)原車(chē)床的縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化改造設(shè)計(jì)，采用MCS-51系列單片機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，開(kāi)環(huán)（或半閉環(huán)）控制，具有直線、圓弧插補(bǔ)功能及升降速控制功能，改裝后的車(chē)床應(yīng)有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架和切削螺紋的功能。系統(tǒng)分辯率縱向0.01mm，橫向0.005mm.
原始數(shù)據(jù)：
床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑：φ500mm
刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑：φ300mm
最大車(chē)削長(zhǎng)度： 1500mm
溜板及刀架重力： 縱向 1100N 橫向 500N
刀架快移速度： 縱向 2.0m/min 橫向 1.0m/min
最大進(jìn)給速度： 縱向 0.6m/min 橫向 0.3m/min
主電機(jī)功率： 6kW
起動(dòng)加速時(shí)間： 30ms
機(jī)床定位精度： 縱向0.02mm 橫向0.01mm
代碼制： ISO
脈沖分配方式： 逐點(diǎn)比較法
輸入方式： 增量值、絕對(duì)值通用
控制坐標(biāo)數(shù)： 2
脈沖當(dāng)量： 縱向 0.01mm/脈沖 橫向0.005mm /脈沖
刀具補(bǔ)償量： 0~99.99mm
進(jìn)給傳動(dòng)鏈間隙補(bǔ)償量： 縱向 0.15mm； 橫向0.075mm
自動(dòng)升降速性能： 有
2.1.2 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容
接到一個(gè)數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)任務(wù)以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分別對(duì)機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、選擇伺服系統(tǒng)、選擇計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定等內(nèi)容。一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出一個(gè)總體方案，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，最后確定一個(gè)可行的總體方案。
2.1.3 總體方案確定
2.1.3.1控制系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，固應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。
2.1.3.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。因?yàn)镸CS - 51系列單片機(jī)可靠性好、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)高等優(yōu)點(diǎn)，決定選用MCS - 51系列8031單片機(jī)。
控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。
2.1.3.3 機(jī)械傳動(dòng)方式
為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)為提高傳動(dòng)精度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體方案框圖見(jiàn)圖2-1。
圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖
2.2 計(jì)算切削力
車(chē)削外圓時(shí)的切削抗力有﹑﹑，主切削力與主切削速度方向一致垂直向上，是計(jì)算機(jī)床主軸電機(jī)切削功率的主要依據(jù)。切深抗力與縱向進(jìn)給垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進(jìn)給力與進(jìn)給方向平行且相反指向，設(shè)計(jì)或校核進(jìn)給系統(tǒng)是要用它。圖3-1為切削時(shí)總切削力的分解。圖3-2橫切和縱切時(shí)切削力的示意圖。
圖3-1 切削時(shí)總切削力的分解
圖3-2橫切和縱切時(shí)切削力的示意圖
2.2.1.縱車(chē)外圓
主切削力根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算:
=0.67D (3.1)
=0.67×500=7491（N）
其他切削力分別為：
(3.2)
=5360×0.25=1873（N）
=5360×0.4=2996（N）
2.2.2.橫切端面
主切削力取縱切外圓主切削力的1/2.
（N） (3.3)
此時(shí)走刀抗力為(N),吃刀抗力為.仍按上述比例粗略計(jì)算:
::=1:0.25:0.4 (3.4)
=3745×0.25=936（N）
=3745×0.4=1498（N）
2.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
普通車(chē)床大多數(shù)采用的是矩形螺紋絲杠等滑動(dòng)絲杠副，與滾珠絲杠副相比摩擦阻力大、傳動(dòng)效率低，不能適用于高速運(yùn)動(dòng)。另外由于磨損快，從而造成其精度差和壽命較低等缺陷。因此，在普通車(chē)床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)中經(jīng)常將其改變?yōu)闈L珠絲杠螺母副。
滾珠絲杠副有以下一些優(yōu)點(diǎn)：摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.90～0.96；絲杠螺母預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高傳動(dòng)剛度；摩擦阻力小，幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，動(dòng)靜摩擦力之差極小，能保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象；磨損小、壽命長(zhǎng)、精度保持性好。但應(yīng)注意，由于滾珠絲杠副不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此絲杠立式和傾斜使用時(shí)，應(yīng)增加制動(dòng)裝置或平衡裝置。滾珠絲杠副的計(jì)算步驟如下。
2.3.1 縱向滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算
2.3.1.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力(N)
縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌：
(3.5)
=1.15×1873+0.16×(7491+1100)
=3465(N)
式中 —考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15；
—滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.15~0.18;
—溜板及刀架重力：G=1100N。
2.3.1.2 計(jì)算最大動(dòng)載荷C
C (3.6)
L (3.7)
n (3.8)
式中 ：指滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=6；
n：指絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min）；
：指最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3，此處取=0.6；
：指使用壽命時(shí)間（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)床取T=15000h.。
L：指壽命，以10轉(zhuǎn)為一單位；
：指運(yùn)動(dòng)系數(shù)，見(jiàn)表1，選=1.2。
表3-1 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)
運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)
運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)
無(wú)沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)
1.0~1.2
一般運(yùn)轉(zhuǎn)
1.2~1.5
有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)
1.5`~2.5
則 n( r/min)
L
（N）
2.3.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型
初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格時(shí)，相應(yīng)的額定動(dòng)載荷＞最大動(dòng)載荷。查表《W系列外循環(huán)滾珠絲桿副系列尺寸》：型滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷＞=14790N 因此，初選滾珠絲杠的型號(hào)為型，主要參數(shù)為：滾珠直徑 圈數(shù)列數(shù)，其額定動(dòng)載荷為16400N，精度等級(jí)選3級(jí)。
2.3.1.4 傳動(dòng)效率計(jì)算
(3.9)
式中 ：指螺旋升角，=244
：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)其摩擦角，約等于。
2.3.1.5 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠副的軸向變形將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，滾珠和螺紋滾道間的接觸變形，滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。
先畫(huà)出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖，如下圖3-3所示。最大牽引力3465N。支撐間距L=1500mm,絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。
圖3-3 縱向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖
(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量
查圖〈滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖〉，根據(jù)=3465N,Do=40mm,查出L/L=1.5×10-5可算出
=(L/L)×1500＝0.0225mm (3.10)
由于兩端采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實(shí)際變形量為
(3.11)
(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量
由于選用的滾珠絲杠副為W系列2.5 圈1列，可得：mm因進(jìn)行了預(yù)緊，所以：
(3) 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表6-2-82，采用51107型推力球軸承，=35mm，滾動(dòng)體直徑=6.35mm，滾動(dòng)體數(shù)量Z=18
(3.12)
因施加預(yù)緊力，所以：
絲杠的總變形量查表知3級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差為0.015mm，故所選絲杠合格。
2.3.1.6 穩(wěn)定性驗(yàn)算
滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需作穩(wěn)定性校核。
2.3.2 橫向滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算
2.3.2.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力
對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌：
(3.13)
由于是燕尾形導(dǎo)軌式中：K=1.4，=0.2
2.3.2.2 計(jì)算最大動(dòng)載荷C
（N） (3.14)
n( r/min) (3.15)
L (3.16)
2.3.2.3 滾珠絲桿螺母副的選型
型滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷＞=9932N，因此，初選滾珠絲杠的型號(hào)為型，主要參數(shù)為：滾珠直徑=3.969mm，=6mm，,,其額定動(dòng)載荷為13100N,精度等級(jí)選3級(jí)。
2.3.2.4 傳動(dòng)效率計(jì)算
滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率:
(3.17)
2.3.2.5 剛度驗(yàn)算
橫向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖如圖3-4所示，最大軸向力為2759N，支承間距L=450mm, 因絲杠長(zhǎng)度較短，不需要預(yù)緊。
圖3-4 橫向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖
(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量
查圖表可得：
(3.18)
(2)滾珠與螺紋滾道間接觸變形量
由于選用的滾珠絲杠副為W系列2.5圈1列，故可得
考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，所以：
(3.19)
(3) 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表6-2-82，采用51102型推力球軸承，其=15mm,
滾動(dòng)體直徑=4.763mm, 滾動(dòng)體數(shù)量Z=12，
(3.20)
考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，故：
絲杠的總變形量＞0.015mm。顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度要求，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌來(lái)減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導(dǎo)軌=0.03~0.05。重新計(jì)算如下：
(3.21)
查表可得：時(shí)，，，則。此變形量仍不能滿(mǎn)足，如果將滾珠絲杠再經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸，剛度還可提高4倍，則變形量
(3.22)
故所選絲杠合格。
2.3.2.6 穩(wěn)定性校核
臨界負(fù)載與工作負(fù)載 之比稱(chēng)為穩(wěn)定性系數(shù)，如果，則壓桿穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般=2.5~4。
計(jì)算臨界負(fù)載（N）： (3.23)
式中 E：指絲杠材料彈性模量，對(duì)鋼E（N/mm）；
I：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J（為絲杠螺紋的底徑）；
：絲杠兩支承端距離（cm）；
：絲杠支承方式系數(shù)，見(jiàn)表3-2，這里。
表3-2 滾珠絲杠支承方式系數(shù)
方式
一端固定一端自由
兩端簡(jiǎn)支
一端固定一端簡(jiǎn)支
兩端固定
0.25
1.00
2.00
4.00
則
所以此絲杠不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。
2.3.2.7 滾珠絲杠副的精度等級(jí)
滾珠絲杠副的精度，按機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)JB3162.2-91的規(guī)定，分為七個(gè)等級(jí)，即1、2、3、4、5、6、7和10級(jí)，1級(jí)精度最高，依次逐級(jí)降低。通常數(shù)控機(jī)床根據(jù)定位精度的要求選用1-5級(jí)精度的滾珠絲杠。表3-3給出1-5級(jí)精度的行程公差。如下表所示：
表3-3滾珠絲杠行程公差 (μm)
項(xiàng)目
符號(hào)
有效行程（mm）
精度等級(jí)
1
2
3
4
5
目標(biāo)行程公差
e
6
8
12
16
23
315~400
7
9
13
18
25
400~500
8
10
15
20
27
500~630
9
11
16
22
30
行程變動(dòng)量公差
V
6
8
12
16
23
315~400
6
8
12
17
25
400~500
7
10
13
19
26
500~630
7
11
14
21
29
任意300 mm行程變動(dòng)量
V
6
8
12
16
23
弧度內(nèi)行程變動(dòng)量
V
4
5
6
7
8
2.3.2.8縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)
表3-4 WL4006及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù)
名稱(chēng)
符號(hào)
WL4006
WL2506
螺 紋 滾 道
公稱(chēng)直徑
40
25
導(dǎo)程
6
6
接觸角
鋼球直徑
3.969
3.969
滾道法面半徑
2.064
2.064
偏心距
0.056
0.056
螺紋升角
螺 桿
絲杠外徑
39
24
絲杠內(nèi)徑
35.984
23
螺桿接觸直徑
36.035
19.35
螺 母
螺母螺紋直徑
44.016
28
螺母內(nèi)徑
40.793
24.2
2.4 齒輪箱的計(jì)算
2.4.1 縱向進(jìn)給齒輪箱的計(jì)算
已知縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 ，選擇絲杠導(dǎo)程，初定步進(jìn)電機(jī)步距角，計(jì)算傳動(dòng)比:
(3.24)
可以選擇的齒輪齒數(shù)為：
或
或
2.4.2 橫向進(jìn)給齒輪箱的計(jì)算
已知橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.005，所選絲杠導(dǎo)程=6mm，步距角,所以傳動(dòng)比為：
(3.25)
從結(jié)構(gòu)上考慮，不能使大齒輪直徑過(guò)大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可以選用兩級(jí)齒輪降速：
模數(shù)m取2。齒輪有關(guān)參數(shù)參照下表：
表3-5 齒輪參數(shù)
縱 向
橫 向
齒數(shù)
32
40
24
40
20
30
分度圓
64
80
48
80
40
60
齒頂圓
68
84
52
84
44
64
齒根圓
59
75
43
75
35
55
齒寬
20
20
20
20
20
20
中心距
72
64
50
2.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型和計(jì)算
2.5.1 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算
2.5.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算：
（3.26）
式中 ：指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；參考同類(lèi)型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF002，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =10
、：指齒輪、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
：指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
：指工件及工作臺(tái)重量（N）；
：指絲杠導(dǎo)程（）；
對(duì)于齒輪：D可取分度圓直徑，L取齒輪寬度；
對(duì)于絲杠：D可近似取絲杠公稱(chēng)直徑—滾珠直徑，L取絲杠長(zhǎng)度。
具體計(jì)算如下：
代入上式3.26：
考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問(wèn)題（）基本滿(mǎn)足慣量匹配的要求。
2.5.1.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
電機(jī)在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算：
（1） 快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
（3.27）
?快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩
（3.28）
（3.29）
?移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩
(3.30)
?滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩
（3.31）
由于滾珠絲杠的傳動(dòng)效率很高，所以由上述公式計(jì)算的值很小，通常可以忽略不計(jì)。則有：
（2） 最大工作狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承擔(dān)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
（3.32）
（3.33）
（3.34）經(jīng)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩：
以此作為初步選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇依據(jù)。
(3)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定
由表3-6得：當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為三相六拍時(shí)，，則
表3-6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)距與最大靜轉(zhuǎn)距關(guān)系
步進(jìn)
電機(jī)
相 數(shù)
三 相
四 相
五 相
六 相
拍 數(shù)
3
6
4
8
5
10
6
12
0.5
0.866
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72，比所需最大靜轉(zhuǎn)距要大，所以可選作初選型號(hào)，但是也必須再一次考核步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)矩頻特性和起動(dòng)矩頻特性。
(4)計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作頻率和切削時(shí)的空載起動(dòng)頻率
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率：
（3.35）
最高工作頻率:
（3.36）
可查出150BF003型的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所允許的最高空載啟動(dòng)頻率為3800，運(yùn)行頻率為7000，再?gòu)膱D3-5看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿(mǎn)足機(jī)床的空載啟動(dòng)力矩（5.49），如果直接使用就會(huì)出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），半起動(dòng)頻率降到1000，起動(dòng)力矩可提高到5.88，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿(mǎn)足要求。
圖3-5 150BF002型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性
2.5.2 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算
2.5.2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算：
（3.37）
式中 —步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
、、、—齒輪、、、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
—滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
參考這類(lèi)型的機(jī)床，初步選擇反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)110BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=4.606
代入上式3.37：
由此可見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量的匹配滿(mǎn)足慣量匹配的要求。
2.5.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
電機(jī)在不同的工作狀態(tài)下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面就進(jìn)行分別的計(jì)算：
(1)快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
（3.38）
?快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩
（3.39）
（3.40）
?移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩
?絲杠預(yù)緊以后折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩
（3.41）
由于滾珠絲杠的傳動(dòng)效率很高，所以由上述公式計(jì)算的值很小，通?？梢院雎圆挥?jì)。則有：
(2)最大工作狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
（3.42）
（3.43）
（3.44）
經(jīng)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩：
以此作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。
(3)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定
由表3-6得：當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為三相六拍時(shí)， ，則
按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，110BF003型最大靜轉(zhuǎn)距為7.84，比所需的最大靜轉(zhuǎn)距還大，可成為初步選擇的型號(hào)，但是還是需要進(jìn)一步考慮步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)矩頻特性和啟動(dòng)矩頻特性。
(4)計(jì)算切削時(shí)的工作頻率和空載時(shí)的啟動(dòng)頻率
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率：
（3.45）
最高工作頻率:
（3.46）
查表110BF002型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率為7000，最高空載啟動(dòng)頻率為1500，不能滿(mǎn)足（3333Hz）的要求。再?gòu)膱D3-6查出110BF002步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性和起動(dòng)矩頻特性。不能滿(mǎn)足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩（1.27），直接使用則會(huì)出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），半起動(dòng)頻率降到1000，起動(dòng)力矩可提高到400，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，110BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿(mǎn)足要求。
圖3-6 110BF002型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性
2.6電動(dòng)刀架選擇與介紹
選用常州宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的四工位電動(dòng)刀架，型號(hào)LD4-CK6132
LD4系列電動(dòng)刀架工作原理及特點(diǎn)：
??? LD4型系列立式電動(dòng)刀架采用渦輪蝸桿傳動(dòng)，上下齒盤(pán)嚙合，螺桿夾緊的工作原理。具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)信轉(zhuǎn)位采用霍爾元件，使用壽命長(zhǎng)。
圖四 霍爾元件
表四 外形尺寸及安裝尺寸
型號(hào)\尺寸
H1
H2
H3
A
E
E1
D
D1
B
F
C
?
L1
L2
L3
L4
?'
LD4-CK0620
122
48
22
80
15
8
52
64
94
8
78
9
248
138
80
26.5
60
LD4-CK0625
128
51
23
120
20
15
80
90
126
8
110
9
320
196
110
16.5
90
LD4-CK6125
155
58
34
136
14
14
108
108
148
11
126
11
310
188
136
16.5
90
LD4-CK6132
174
70
38
161
12
12
126
126
171
12
146
13
360
226
152
21
90
LD4-CK6136
181
77
38
161
12
12
126
126
171
12
146
13
360
226
152
28
90
LD4-CK6140
190
81
40
192
20
20
152
152
192
12
168
13
375
242
162
23
90
LD4-CK6150
230
121
40
191
20
20
152
152
192
12
168
13
375
242
162
63
LD4-CK6163
270
145
51
200
35
25
150
130
200
12
177
13
500
295
200
40
120
LD4-CK650
280
145
51
240
15
15
210
210
240
15
210
13
540
335
240
33
120
表五 技術(shù)參數(shù)
型? 號(hào)
電動(dòng)功率
W
電機(jī)轉(zhuǎn)速
r/min
夾緊力
T
重復(fù)定位精度
mm
壽 命
(次)
換刀時(shí)間(S)
90°
180°
270°
LD4-CK0620
30
1400
0.2
≤0.005
>300000
2.5
3
3.5
LD4-CK0625
60
1400
0.6
≤0.005
>300000
2.5
3
3.5
LD4-CK6125
60
1400
0.6
≤0.005
>300000
2.5
3
3.5
LD4-CK6132
90
1400
1.2
≤0.005
>300000
2.5
3
3.5
LD4-CK6136
90
1400
1.2
≤0.005
>300000
2.5
3
3.5
LD4-CK6140
90
1400
1.2
≤0.005
>300000
2.5
3
3.5
LD4-CK6150
90
1400
1.2
≤0.005
>300000
3
3.5
4
LD4-CK6163
180
1400
1.8
≤0.005
>300000
3
3.5
4
LD4-CK650
180
1400
1.8
≤0.005
>300000
3
3.5
4
3 主軸脈沖發(fā)生器介紹與選型
主軸脈沖發(fā)生器也叫光電編碼器。其作用是當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工螺紋時(shí)，用主軸脈沖發(fā)生器作為車(chē)床主軸位置信號(hào)的反饋元件，它應(yīng)與車(chē)床主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，并發(fā)出主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號(hào)，輸送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)按所需加工的螺距進(jìn)行處理，控制機(jī)床縱向或橫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)加工螺紋的目的。其加工螺距為6、5、3.5、2.5、2、1.75、1.5、1.25、1、0.75、0.7、0.6、0.5、0.4、0.35、0.3、0.25共18種。
3.1光電編碼器原理
? 光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)；通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還可提供相位相差90旱牧鉸仿齔逍藕擰
根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。
(1)增量式編碼器
增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90海傭煞獎(jiǎng)愕嘏卸銑魴較潁鳽相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。
(2)絕對(duì)式編碼器
絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另