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一、确定总体方案：如更换丝杆，把手轮拆卸换成步进电机、齿轮箱更换.二、机械系统的设计 1 力学分析 2 滚珠丝杠选用计算 强度校核、 效率计算 、刚度验算 、稳定性验算 3 齿轮的转动力矩相关计算 转动惯量计算 、所需转动力矩计算 、齿轮模块设计、 精度等级的选择 、齿轮的轴向定位及计算（估算 、计算（验算） 、轴间齿轮模数的计算(验算)、按接触疲劳计算齿轮模数、根据弯曲疲劳计算、齿轮模数的验算4 步进电机的选择 三、数控系统设计：单片机及其扩展 1 存储器扩展电路 2步进电机驱动电路 3 键盘显示电路 4 其它电路：报警、限位等5控制面板设计6数控机床的零件加工程序 课程设计指导书（第一章）第一章 课程设计的目的和要求第一节 课程设计的目的和内容机电一体化产品（或工程）课程设计的目的在于培养学生对机电一体化产品的设计能力。鉴于机电一体化产品设计正处在发展阶段，有必要在全面阐述课程设计的目的和要求之前，对机电一体化技术和产品有系统的了解。一、 机电一体化概述新技术革命以微电子技术为先导，以电子计算机的发展内及其普遍应用为标志，给整个国民经济、社会生活和工厂企业带来了深刻的变化。计算机和微电子技术的迅速发展，促进了电子技术与机械技术的有机结合，不仅使各种机械设备以崭新的面貌出现，而且产生了一些单纯靠机械或电子技术都难以达到优良功能的新产品。现代工业大量采用“复合化技术”。复合是指一些相同或不同的领域的技术，有机地组合（融合）形成一种具有新功能地技术，机电一体化也是一种复合化技术，其效果表现为以下两种形式。1、 机械产品的电子化原有的机械产品由于采用了电子技术，使产品在质量、功能、效率和节能方面向更高水平发展，或使产品产生新的功能。（1） 在原有的机械产品上采用电子控制设备，实现高性能和多功能。例如，微计算机控制的数控机床、电子式自动变速器、全自动洗衣机和工业机器人等。（2） 原来起控制作用的机构被电子装置所取代。例如电子缝纫机中用微处理器代替了原来的凸轮机构。（3） 原来执行信号处理功能的机械被电子装置所取代。例如石英电子钟表代替了机械式钟表，全电子电话交换机代替了机电式电话交换机等；（4） 机械的主功能被全部取代。例如，1950年的电火花加工机床，1970年的计算机控制线切割机床等均能代替原有的机械加工功能。2、 机械技术与电子技术有机结合开辟了两者单独都达不到的新的应用领域（1） 信息设备和电子装置有机结合。例如传真机、打印机等；（2） 检测系统中电子装置与结构有机结合。例如自动探伤机、CT扫描诊断装置和生物化学自动分析仪等；二、 课程设计的目的机电一体化系统设计课程设计是机电一体化系统课程的最后一个教学环节，同时也是一次对学生进行全面的机电一体化设计训练，其基本目的是：1、 综合运用机电一体化系统设计课程和其它有关先修课程的理论及生产实践的知识去分析和解决机电一体化系统设计问题，并使所学知识得到进一步巩固和深化；2、 学习机电一体化系统设计的一般方法，了解和掌握常用的机电一体化系统中的机械设计及接口电路的设计方法，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，特别使总体设计和零部件设计的能力；3、 通过计算和绘图，学会运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料等，培养机电一体化系统设计的基本技能。目前，国内外专家认为，构成机电一体化系统的因素很多，但归纳起来主要有五大要素。机电一体化系统一般由动力、传感器、机械主体、执行机构和计算机等五大要素组成。五大要素的性能越好，配合越协调，其总体功能就发挥得越充分，它们的相互关系如图1-1、图1-2所示。 机电一体化产品作为一个系统，核心问题是控制。按其控制系统，有单一输入、输出的简单系统，也可能包括多参量的系统，采用古典控制理论和传递函数的数学模型已无法达成有效的控制，采用现代控制理论和计算机的技术手段，有可能从硬件和软件两个方面进行系统分析，用状态方程的数学模型对系统进行动态描述，利用计算机的信息处理功能和控制功能达到最优控制。如图1-3所示，机电一体化系统的硬件一般由机械主体部分、传感器、信息处理部分和执行元件构成。数控机床一般都涉及上述内容，是机电一体化的典型产品之一自1952年美国开发数控铣床以来，日本在1957年开发了数控车床，1958年开发了带刀具自动更换装置的自动送料装置，1959年开发了数控坐标镗床。数控机床的早期产品中数控装置是专用的，但近年来数控装置中的逻辑电路已被计算机取代，从而实现了控制多样化和多功能化，这些控制功能包括输入输出控制功能、运算处理功能和其它控制功能（如自动校正）等。从复合化技术的观点看，增强控制功能，使数控机床操作自动化，不是最终目的，也很难说是好的机电一体化产品，控制功能应达到最佳控制和自适应控制，为此应增加诊断功能，通过传感器反馈，实现加工智能化，并保证系统的可靠性。数控机床是高级机械产品，由于采用了电子控制设备，实现了高性能和多功能，属于上述机器的电子化第一类情况。其它如工业机器人、电火花加工机等，它们的设计内容可归纳为以下几个方面：1、 采用微机（包括单片机）进行数据采集、处理和控制，主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用，接口电路，软件编制。2、 选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑电机的选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。3、 精密执行机构的设计。主要考虑数控机床工作台传动装置的设计问题；要弄清机构或机械执行的主要功能（如传递运动、动力、位置控制、微调、精密定位或高速运转等），进行力（力矩）、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算 ，提出装配图和零件加工图，提出对电机驱动和计算机控制要求。4、 采用传感器和计算机控制要求。5、 学会使用手册及图表资料。并非每一个机电一体化产品都包括上述全部内容，但作为课程设计，则尽可能多涉及一些。第二节 课程设计的要求一、设计的要求课程设计的内容主要是为对原有普通机床进行数控改造，通过课程设计完成以下工作量：1、 机械装配图1张（A1）2、 系统硬件电路原理图1张（A1）3、 编写完整的设计计算说明书机械装配图及系统硬件电路图需采用计算机出图，说明书内容应包括：课题来源现实意义，总体方案的确定，系统框图的分析，电气执行元件的选用步骤，机械传动设计计算以及机械和电气其它部分的选用说明，由于要求学生对所进行的设计能系统明确的表达，说明书一般不少于30页。课程设计必须经过答辩，合格者取得学分，并记入考试成绩中。二、课程设计时间安排（仅供参考，具体由指导教师安排）周日程（天）工作内容安排12了解设计任务书，明确设计要求、工作条件、设计内容和步骤，针对设计任务收集资料，进行系统总体方案的确定，画出系统的设计框图3机械部分的改装设计计算（丝杠和电机）23用AUTOCAD画出改装部分的机械设计装配图1确定硬件系统的组成1光电耦合电路及功率放大电路的设计32用Protel画出系统硬件部分的电路图2编写完整的设计说明书1整理设计资料，提交给指导教师并进行答辩三、注意事项在设计过程中要注意：1） 独立思考，继承与创新任何设计都不可能是设计者独出心裁、凭空想象，不依靠任何资料所能实现的。设计时，要认真阅读参考资料，继承或借鉴前人的设计经验和成果，但不能盲目地全盘抄袭，应根据具体地设计条件和要求，独立思考，大胆地进行改进和创新，只有这样，才能做出高质量地设计。2） 全面考虑系统的强度、刚度、工艺性、经济性和维护等要求；任何产品机构和尺寸的要求，除了考虑它的强度和刚度外，还应综合考虑零件本身及整个部件的工艺性要求（如加工和装配工业性）、经济性要求（如制造成本低）、使用要求（如维护方便）等才能确定。3） 使用标准和规范设计时应尽量使用标准和规范，这有利于零件的互换性和工艺性，同时也可减少设计工作量，节省设计时间，对于国家标准或部门规范，一般都要严格遵守和执行。设计中采用标准或规范的多少，是评价设计质量的一项标准。因此，在课程设计中，凡有标准或规范的，应尽量采用。4课程设计指导书（第三章）第三章 机床进给伺服系统机械部分设计计算主要内容 基本要求1、 掌握脉冲当量的概念。正确理解传动比i对脉冲当量和传动系统结构设计的影响。2、 理解各传动部件转动惯量向电机轴折算的目的；掌握传动系统等效转动惯量的计算方法。3、 掌握车削、铣削的切削力分析及计算，注意应用简便的公式和实验数据。理解工作台上进给方向载荷FL、垂直方向载荷FV、横向载荷FC与切削力有何对应关系。4、 掌握滚珠丝杠副工作载荷（轴向牵引力）的计算公式；滚珠丝杠副的分类、主要参数、代号标注、预紧方式、选型及校核的方法和步骤。理解滚珠丝杠副最大动载荷校核的实质是工作寿命校核（类同滚动轴承）、刚度验算的实质是轴向变形量校核、稳定性校核的实质是细长杆纵向屈曲校核。5、 掌握步进电机的选型核校核方法。理解最大静转矩校核、启动矩频特性校核、运行矩频特性校核的不同点。6、 了解齿轮传动消隙的意义，正确选用齿轮传动消隙的方法。第一节 脉冲当量和传动比的确定 机械系统的主要技术参数通常由设计任务书或产品样本给出，一般包括功能参数和精度参数两部分。例如，一台立式钻削加工中心使用的两坐标（X和Y）数控十字工作台主要功能参数有最大钻孔直径（mm），工作台尺寸（长宽）（mm）、坐标行程（X、Y）（mm）、快速定位速度（m/min）等，主要精度参数有定位精度（mm）、重复定位精度（mm）等。一、确定系统脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。每个脉冲所对应的执行机构（如工作台）的移动距离，称为脉冲当量。记为，单位是mm/脉冲。应根据机床或工作台进给系统所要求的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。例如，普通车床进行数控改造，对于机床定位精度的设计要求是，根据该精度要求可确定脉冲当量为。又如，某数控镗铣加工中心的数控工作台要求重复定位精度为，根据该精度确定脉冲当量为。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲，经济型数控磨床常采用脉冲当量为0.0020.001mm/脉冲二、传动比的选定 设传动副的传动比为i，若为一对齿轮减速传动，则，z1为主动齿轮的齿数，z2为从动齿轮的齿数。若是多级齿轮减速，则i为总传动比，确定总传动比后，首先根据总减速比分配各级齿轮减速比，再计算和选取各级齿轮齿数。 对于步进电机，当脉冲当量确定后，初选定步进电机的步距角后，可根据下式计算初该伺服传动系统总的传动比。 式中：尽可能使i=1，这样可使步进电机直接与丝杠连接，有利于简化结构，提高精度。齿轮的模数一般为m=12,数控钻取m=1,数控车和数控铣取m=2；齿轮宽b=(36)m,为了消除齿轮侧隙，齿宽可加大到（610）m第二节 工作载荷分析及计算 切削力的计算可有多种方法，对于数控车床来说，可采用按经验公式计算切削力法、按切削用量计算切削力法和按主电机功率计算切削力法三种；对于数控铣床来说，可采用按切削用量计算切削力法和按主电机功率计算切削力法两种。 按切削用量计算切削力法计算比较复杂，但计算出来的切削力较为准确，而按主电机功率计算切削力法计算较为简单，但由于主轴电机功率往往都是按最大功率原则选取的缘故，用这样计算的主轴切削力来计算x、y轴的驱动电机的额定转矩（或额定功率）的冗余量会很大，造成成本大为提高。在设计时要根据实际要求选择一种切削力的计算方法，一般来说，对于经济型数控车床，可选择用经验公式计算切削力，对于经济型数控铣床，可采用按主电机功率计算切削力法。一、车削1、车削抗力分析车削外圆时的切削抗力Fx，Fy及Fz如图3-1所示。主切削力Fz与切削速度v的方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力Fy与纵向进给方向垂直，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，设计或校核时要用到它。图3-1 车削时进给拖板上的载荷2、拖板工作载荷的计算（1）确定主切削力Fz1）用经验公式计算纵切：横切： Dmax-车床床身上加工最大直径（mm）2）按切削用量计算 式中：Fz，Fy，Fx-主切削力、切深抗力、进给抗力（N） ap-切削深度（mm）、v-切削速度（mm/s）、f-进给量（mm/r）、为修正系数，包括由于工件材料强度、硬度改变、刀具材料改变、刀具几何角度不同等因素对切削力的修正系数。3）采用主电机功率确定由于Fz与Fy所消耗的切削功率可以忽略不计，因此车床的切削功率Pm为 式中：Fz和v的单位分别为N和m/s.考虑到机床的传动效率，机床的电机功率PE为 式中：为机床主传动系统传动效率精密机床： 中型机床：大型机床：因此，主切削力Fz的大小可以按机床主电机功率计算 式中：v可取主轴传递全部功率时的最低切削速度（m/s）。 （2）进给抗力Fx和切深抗力Fy的确定进给抗力Fx和切深抗力Fy可按下列比例分别求出 因为车刀装夹再拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上。如图3-1所示，车削作业时作用在进给拖板上的载荷FL，FV和FC与车刀所受到的车削抗力有对应关系。因此，作用在进给拖板上的载荷可以按下式求出拖板上进给方向载荷 FL=Fx拖板上垂直方向载荷 Fv=FZ拖板上横向方向载荷 Fc=Fy 二、铣削1、 铣削抗力分析铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向上缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的切削部分都可以看作车刀头部的演变，铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀，它的切削基本规律与车削相似，所不同的是铣刀回转，刀齿数多。通常都假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿的某一点上，如图3-2所示。设刀齿上受到的切削抗力的合力为F，将F沿铣刀轴线、径向和切向进行分解，则分别为轴向铣削力Fx，径向铣削力Fy和切向铣削力Fz。切向铣削力Fz是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床主电机功率（即铣削功率）最多，因此，切向铣削力Fz可按铣削功率Pm(kW)或主电机功率PE（kW）算出。对于现有机床的改装设计，可以从已知机床的电机功率和主轴上传动的功率反推出工作台进给时的铣削力。若该机床的主传动和进给传动均用一个电机，进给传动的功率较小，可在主传动功率上乘以一个系数。由机床设计手册查得铣床传动系数k=0.85。图3-2 铣削力及工作台上的载荷主传动功率包括切削功率Nc，空载功率Nm0，附加功率Nmc三部分，即N=Nc+Nm0+Nmc。空载功率Nm0是当机床无切削负载时主传动系统空载所消耗得功率，对于一般轻载高速的中、小型机床，可达总功率的50%，现取Nm0=0.5N，附加功率Nmc是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率，它直接与载荷大小有关。可以用下式计算，Nmc=（1-）Nc，所以总功率为：为传动效率 则： 在进给传动中切削功率 切削时在主轴上的扭矩为 式中：n-主轴的最小转速（r/min）切向切削力 式中： d-铣刀的最大直径（cm）2、 进给工作台工作载荷计算 作用在进给工作台上的合力F/与铣刀刀齿上受到的铣削抗力的合力F大小相同，方向相反，如图3-2所示。合力F/就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给方向载荷FL,工作台横向进给方向载荷FC和工作台垂直进给方向载荷Fv。 工作台工作载荷FL，FC和Fv与铣刀的切向铣削力Fz之间有一定的经验比值（见表3-1）。因此，求出Fz后，即可计算出进给工作台的工作载荷FL，FC和Fv。表3-1 铣削加工的主切削力与其它切削分力的比值铣削条件比值对称铣削不对称铣削逆铣顺铣端铣ae=(0.40.8)dt(mm)af=0.10.2(mm/齿)0.30.40.60.90.150.30.850.950.450.70.91.00.50.550.50.550.50.55圆周铣削（立铣刀、圆柱铣刀、盘铣刀、片铣刀和成形铣刀等）ae=0.05dt(mm)af=0.10.2(mm/齿)_1.01.20.80.90.20.30.750.80.350.40.350.4 注意：对于不对称铣削加工，由于无法确定在实际加工时是顺铣或是逆铣，因此设计时因以顺铣或是逆铣中的最大值为设计时选择的依据。第三节 滚珠丝杠螺母副的选型和校核一、滚珠丝杠螺母副类型选择滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性：传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长、同步性能好。滚珠丝杠螺母副一般由专业厂生产并成套供货，且都附有使用说明书，其中除列有型号、规格、螺母安装面的结构等外，还附有允许负载、预加负载、刚度、典型支撑方式、驱动力矩和功率等指导性材料供设计时参考。滚珠丝杠螺母副的设要选择结构类型：确定滚珠循环方式、滚珠丝杠副的预紧方式；结构类型确定之后，再计算和确定其它技术参数，包括：公称直径、导程、滚计首先珠的工作圈数和列数、精度等级等。表3-2 国产滚珠丝杠螺母副不同循环方式比较循环方式内循环外循环浮动式固定式插管式螺旋槽式JB3162.1-82部标代号FGCF结构特点循环滚珠链最短，螺母外径比外循环小，结构紧凑，反向装置刚性好，寿命长，扁圆形反向器的轴向尺寸短，制造工艺复杂循环滚珠链较长，轴向排列紧凑，承载能力较高，径向尺寸较大具有较好的摩擦特性，预紧力矩为固定反向器的1/31/4，在预紧力时，预紧力矩上升平缓制造、装配工艺性不佳，摩擦特性次于F型，优于L型结构简单，工艺性优良，适合成批生产，回珠管可设计、制造成较理想的运动通道在螺母体上的回珠螺旋槽与回珠孔不易准确平滑联接，拐弯处曲率变化较大，滚珠运动不平稳，挡珠机构刚性差易磨损适用场合各种高灵敏、高刚度的精密进给定位系统。重载荷、多头螺纹、大导程不宜采用重载荷传动、高速驱动及精密定位系统。在大导程、小导程、多头螺纹中显示出独特优点一般工程机械、机床。在高刚度传动和高速运转的场合不宜采用备注是内循环产品中，有发展前途的结构正逐渐被F型取代是目前应用最广泛的结构表3-3 国产滚珠丝杠螺母副预加负载方式及其特点预加负载方式双螺母齿差预紧双螺母垫片预紧双螺母螺纹预紧变位导程单 螺母自预紧单螺母钢珠过盈预紧部标代号ChDLB结构特点可实现0.002mm以下精密微调，预紧可靠不会松弛，调整预紧力较方便结构简单，刚性高，预紧可靠，不易松弛，适用中不便随时调整预紧力预紧力调整方便适用中随时调整，不能定量微调螺母，轴向尺寸长结构最简单，尺寸最紧凑，避免了双螺母形位误差的影响，使用中不能随时调整结构简单，尺寸紧凑，不需任何附加预紧机构。预紧力大时，装配困难，使用中不能随时调整调整方法当需重新调整预紧力时，脱开差齿圈，相对于螺母上的齿在圆周上错位，然后复位。改变垫片的厚度尺寸，可使双螺母重新获得所需的预紧力旋转预紧螺帽使双螺母产生相对轴向位移，预紧后需锁紧螺帽拆下滚珠螺母，精确测量原装钢球直径，然后根据预紧力需要，重新更换装入大若干微米的钢球适用场合要求获得准确预紧力的精密定位系统高刚度、重载荷的传动定位系统，目前用得较普遍不要求得到准确预紧力，但希望随时可调节预紧力大小的场合中等载荷对预紧力要求不大，又不经常调节预紧力的场合。图3-3 工作载荷二、滚珠丝杠螺母副的型号选择及校核步骤1、计算最大工作载荷Fm滚珠丝杠螺母副上的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫进给牵引力。它包括滚珠滚珠丝杠上的走刀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（如图3-3）。Fm可以用表3-4中的实验公式计算。表3-4 最大工作载荷Fm的计算式导轨类型参数矩形导轨燕尾形导轨三角形或综合导轨 上列摩擦系数均是指滑动导轨，如果采用贴塑导轨，滚动导轨，静压导轨2、 计算最大动负载C L-寿命 n-丝杠转速（r/min）, vs-最大切削力条件下的进给速度(m/min),可取最高切削进给速度的L0-丝杠的导程(mm)T-使用寿命（h），对于数控机床T=15000hfw-运转系数fH-硬度系数HRC硬度系数581=551.11=52.21.35=501.56=452.4表3-5 运转系数表 表3-6 硬度系数表运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.52.5从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找出相应的额定动载荷Ca的滚珠丝杠螺母副的尺寸规格和结构类型，选用时应使。单独只根据选择滚珠丝杠螺母副，将得到很多型号，因此在选择之初时还因考虑滚珠丝杠螺母副的基本导程的大小，一般来说，导程越小，传动系统的精度越高，因此实际应用时以基本导程为4、6、8的滚珠丝杠螺母副最为常用，超过12mm以上的大螺距丝杠副很少采用。因此设计时要选择基本导程为4、6、和8，并且其满足条件的三组滚珠丝杠螺母副型号进行检验。检验的内容包括三项：传动效率验算、刚度的检验、稳定性的检验，只有当这三项都符合要求后，才表示该滚珠丝杠螺母副符合设计要求，否则必须重新选择。若有多组数据都满足要求，以基本导程较大的滚珠丝杠螺母副作为最终选择。3、传动效率计算 式中：要求时满足设计要求。4、刚度验算1）丝杠的拉伸或压缩变形量（在总的变形量中占的比重较大，可采用计算方法或图表的方法决定） 则滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩变形量为： L-滚珠丝杠在支承间的受力长度（mm）若两端采用角接触球轴承，且丝杠由进行了预紧，预紧力为最大工作载荷的1/3时，其拉伸刚度可比一端固定的丝杠提高4倍，其实际变形量为： 2）滚珠与螺纹滚道间接触变形（mm）（此项在总变形量中也占比较大的比重）无预紧时：有预紧时： 式中：当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，值可减少一半。即： 3）滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形轴向接触变形在变形中一般占的比重也比较大，不同类型的轴承的接触变形量可用不同的公式计算：推力球轴承 向心推力（角接触）球轴承圆锥滚子轴承推力滚子轴承式中：若轴承中的滚动体数目在手册中无法查出时，可采用下式粗略计算：-3式中： D-轴承的外径（mm） d-轴承的内径（mm） T-轴承的宽度（mm）4）滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变化量 其中： 一般占的比重比较小，可忽略不计5）螺母座及轴承支座的变形常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强刚度而不作计算。因此，滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算之和不应大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。由于滚珠丝杠副通常都采用预紧的方法来加强其刚度，因此设计时可采用：若，则滚珠丝杠的刚度符合设计要求；否则，重新选用较大直径的滚珠丝杠副进行刚度的验算。5、稳定性验算对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。产生失稳的临界负载PK可用下式计算： 式中：表3-7 丝杠支承方式系数方式一端固定一端自由两端简支一端固定一端简支两端固定fZ0.25124临界负载FK与最大工作负载Fm之比称为稳定性安全系数nk。如果： 则丝杠不致失稳。nK-许用稳定性安全系数，一般取三、滚珠丝杠螺母副几何参数计算表3-8 滚珠丝杠螺母副几何参数计算式 名称符号计算公式螺纹滚道公称直径d0螺距L0接触角b滚珠直径dq滚道法面半径RR=0.52dq偏心矩Ee=(R-dq/2)sinb螺纹升角g-螺杆螺纹外径DD=d0-(0.20.25)dq螺纹内径d1d1=d0+2e-2R螺纹接触直径dzdz=d0-dqcosb螺母螺母螺纹直径DD=d0-2e+2R螺母内径（外循环）D1D1=d0+(0.20.25)dq注意： 接触角b的值一般选择为450 第四节 进给伺服系统传动计算目前在伺服驱动系统中常用的驱动电机是步进电机、电液脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等。步进电机是一种把电脉冲信号变换成直线位移或角位移的执行元件，广泛应用于数控设备中。与交流或直流伺服电机相比，步进电机系统有如下优点：1） 步进电机的转速仅取决于脉冲频率，而不受电压高低、电流大小及其波形的影响；2） 可以开环控制也可以闭环控制。开环控制不需要位置或速度的检测元件，系统结构简单，能方便地控制脉冲的个数和脉冲的频率实现定位和调速。采用位置反馈和速度反馈的闭环控制系统，不仅可以控制精确的位置和平稳的转速，而且扩大了步进电机的应用领域。3） 输出转角（步距角）无长期积累误差，每转一圈积累误差会自动消失。4） 启动、停止、反转及其他运行方式的改变，都可以在少量的脉冲周期内完成。随着计算机技术的普及和应用，使步进电机的控制方式大大简化，步进电动机的应用领域越来越引起重视。仅以数控机床为例，车床、铣床、磨床、冲床等各类机加工设备均成功地应用了步进电动机系统。同时，考虑到学习的要求，故在这里只讲述步进电机的选用。一、转动惯量的计算1、齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算 式中： 2、工作台折算到丝杠的转动惯量 式中：3、传动系统折算到电机轴上的转动惯量 式中：4、系统总的转动惯量 式中：Jm-电机的转动惯量（kg.cm2）二、步进电机的计算和选用步进电机选用主要考虑三个问题：（1）步距角要满足系统脉冲当量的要求；（2）满足最大静转矩的要求；（3）启动转矩与启动频率、工作运行转矩与运行频率必须满足所选电机型号相应的启动矩频特性和工作矩频特性。1、电机力矩的计算 步进电机能正常工作所需的力矩受到多方面的影响，主要包括快速空载起动时所需力矩M起、快速进给时所需力矩M快、最大切削负载时所需力矩M切，其中快速进给时所需力矩M快较小，因此在M起、M切两种力矩中取其大者作为选择步进电机的依据。对于大多数数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机力矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空载起动力矩M起作为选择步进电机的依据。快速空载起动时所需力矩 最大切削负载时所需力矩 （1）空载起动时折算到电机轴上的加速力矩Mamax 式中：vmax-运动部件最大快进速度（mm/min）（2）摩擦力矩Mf式中：G-运动部件的总重量（N）f-导轨摩擦系数i-齿轮总减速比h-传动链总效率，一般可取h=0. 70.85（3）附加摩擦力矩M0式中：Fp0-滚珠丝杠预加负载（N），一般取最大工作载荷的1/3 L0-滚珠丝杠导程（cm） h0-滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取（4）折算到电机轴上的切削负载力矩MtFt-进给方向最大切削力（N）2、步进电机的选择（1）首先根据最大静态转矩Mjmax初选电机型号步进电机的起动转矩表3-9 最大静态转矩Mjmax与Mq之间的关系步 进电 机相 数三相四相五相六相拍 数36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866（2）计算电机工作频率1） 最大空载起动频率2） 切削时的最大工作频率式中：vmax-运动部件最大快速进给速度（m/min）vs-最大切削进给速度（m/min）-脉冲当量（mm/step）（3）校核步进电机1）步进电机转矩和惯量的匹配条件为了使步进电机具有良好的起动能力及较快的响应速度，通常推荐式中：Mjmax-步进电机的最大静态转矩（N.m） ML-传动系统折算到电机轴上的负载转矩（N.m） Jm-步进电机转子的转动惯量（kg.m2） JL-传动系统折算到步进电机转子上的等效转动惯量（kg.m2） 2）校核起动矩频特性和运行矩频特性 根据计算出的最大空载起动频率和切削时最大工作频率分别查出在此频率下电机不失步时所允许的最大力矩Mdme和Mdmk，应该满足：一般数控机床往往不能满足M起Mdmk的要求，必须采用升降速措施。如果步进电机起动力矩还不能满足要求，则可以采用高低压驱动功放电路，将步进电机起动力矩再扩大一倍左右。例如：某机械传动系统采用步进电动机为驱动装置。已知系统折算到电动机轴上的负载转矩TL=2.3(N.m)，折算到电动机转子上的等效转动惯量JL=13.5kg.cm2,最快进给速度为2.4m/min，该系统的脉冲当量为0.01mm。若所选电机的技术参数如下表所示，试确定该电机能否适用于此机械传动系统。参数型号相数最大静转矩(N.m)空载启动频率(Hz)空载运行频率(Hz)转子转动惯量(kg.cm2)A34.9150070003.43根据步进电动机的转矩和惯量匹配原则： 满足要求 步进电动机的快速进给频率为： 满足要求 再根据计算出的最大空载起动频率和切削时最大工作频率分别查出在此频率下电机不失步时所允许的最大力矩Mdme和Mdmk，若满足，该电机则适用于此机械传动系统。表3-10 反应式步进电机技术指标型号相数步距角（0C ）电压（V）电流（A）保持转矩N.m（kg.cm）空载起动频率(Hz)运行频率(Hz)电感L（mH）内阻Rm（）36BF002-II31.5271.50.078310015.41.645BF003-II31.56020.19637001200015.80.9445BF005-II31.5272.50.196300015.80.9455BF00431.5/32730.49(5)22000.5455BF00533.75/7.53030.343(3.5)130055BF00940.9/1.82730.784(8)250070BF00151.5/3603.50.392(4)40001600070BF00331.5/32730.784(8)170070BF00440.9/1.82730.882(9)210075BF00131.5/32430.392(4)1750190.6275BF00331.5/33040.882(9)125035.50.8275BF00431.5/3805.80.49(5)25001600090BF00140.9/1.88073.92(40)2000800017.40.390BF00250.75/1.58073.92(40)38001600090BF00331.5/36051.96(20)1500800090BF00450.75/36072.45(25)40001600090BF00650.36/0.722432.156(22)27000.76110BF00330.75/1.58067.84(80)1500700035.50.37110BF003(新)30.75/1.580-30067.84(80)14001500035.50.37110BF00430.75/1.53044.9(50)50056.50.72130BF00150.75/1.580/12109.31(95)3000160000.162150BF00250.75/1.580/121213.524(138)280080000.121150BF00350.75/1.580/121315.386(157)260080000.127200BF00151024416.464(168)1100110000.77表3-11 反应式步进电机外型图型号D(h)D(h)口bELh1h2dd2d1键AE1E2M90BF00390709225145369-0.0119-0.027 1076.6半圆3x10-90BF00690709225145369-0.0119-0.0271076.6半圆3x10-90BC34090709225125369-0.0119-0.0271076.6半圆3x10-90BC340A9070922565369-0.0119-0.0271076.6半圆3x10-110BF00390709225145369-0.0119-0.0271076.6半圆3x10-110BF003新11085112291864814-014-0.011 1329平键4x20-110BC380C11085112352064814-014-0.0111329-130BC31001301001345818051022K15511平键6x30123612x125130BC3100A1301001345824051022K15511平键6x30123612x125130BC3100B1301001345821051022K15511平键6x30123612x125150BF0031301001504717851018K17012半圆4x16103012x131课程设计指导书（第二章）第二章 数控改造总体方案的设计第1节 概 述一、数控系统发展简史及趋势1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。1、数控（NC）阶段（19521970年）早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代-电子管；1959年的第二代-晶体管；1965年的第三代-小规模集成电路。2、计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的通用两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件-运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代-小型计算机；1974年的第五代-微处理器和1990年的第六代-基于PC（国外称为PC-BASED）。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的数控，实质上已是指计算机数控了。3、数控未来发展的趋势 （1）继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。（2）向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。（3）向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。1）应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。2）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。3）引入故障诊断专家系统4）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 二、机床数控化改造的必要性1、微观看改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。（1） 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。（2） 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了柔性自动化。（3） 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。（4） 可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。（5） 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。（6） 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。2、宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。三、机床与生产线数控化改造的市场1、机床数控化改造的市场我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备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。2、进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。四、数控化改造的内容及优缺 1、国外改造业的兴起在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。2、数控化改造的内容 机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点： 其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。3、数控化改造的优缺（1）减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50左右。（2）机械性能稳定可靠，结构受限所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。（3）熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。（4）可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。（5）可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。五、数控系统的选择 数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。1、步进电机拖动的开环系统该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。2、异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。3、交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。六、数控改造中主要机械部件改装探讨一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。1、滑动导轨副对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。2、齿轮副一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。3、滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。4、安全防护系统的高效率必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。 第二节 机床数控改造步骤一、系统总体改造方案的确定 目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工，不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种：一种是以微机为中心设计控制部件；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需重新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通常采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制，如图2-1所示，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照输入的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单片机每完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速度。 图2-1 开环控制系统框图1、 功能与技术参数分析设计的最初环节必须理解和分析设计任务所提出的主要功能和技术指标。比如，普通车床的数控改造要求利用数控系统代替人工或机械凸轮、靠模来控制车床的运动，提高车床的加工精度和自动化水平，满足多品种小批量零件加工的功能要求。设计任务提出了纵向走刀，横向走刀的定位精度、走刀速度、主轴变速等诸多技术参数。并且，要求能够进行人机对话，编程及操作方便，诊断功能和纠错功能强，具有显示和通信功能，缩短非生产准备时间，提高生产率。2、 原理构思和技术路线确定针对设计任务的主要功能和技术指标要求提出一些原理性的构思。比如，普通车床车削螺纹时为了防止乱扣，进给与主轴旋转之间用挂轮来实现严格的机械传动关系，改变螺纹的螺距就需要改变挂轮。数控改造后，省掉了挂轮，要提出合理的、先进的方法来解决进给与主轴旋转相配合的问题。要做到：主轴转一转，车刀精确移动一个螺距；螺纹加工不能一次切削完成时，每次进刀的位置必须相同。有了原理性构思，还要提出实现该功能原理的技术途径。没有合理的可行的技术途径来保障，好的原理性构思就成为空想。3、 拟定总体方案 功能原理构思和技术路线确定后，对运动、布局、传动、结构、控制以及软件等方面作出总体方案设计。方案可以同时作几个，经过技术和经济评价后，选择其中一种较合理的作为最优方案加以采用。比如，普通车床的数控化改造方案应该在满足改造设计任务的前提下，尽可能对普通车床作较少的改动，这样可以降低改造成本。二、机械传动系统的改造方案的确定 在熟悉原机床的操作过程及传动系统后，根据设计要求确定系统的机械传动系统改造方案。包括电机型号的选择，减速比的确定，齿轮模数及齿数的确定，原有丝杠及导轨是否要重新更换，改换成滚珠丝杠螺母副时丝杠螺母副的型号及安装形式如何确定，导轨的设计方法等。对CA6140车床的纵向（Z向）进给运动进行数控改造，此时可将开合螺母合上，离合器M5脱开，使主运动与进给运动脱开，此时，将脱落螺杆等横向自动进给机构调至空档（脱开）位置。若原刀架为自动转位刀架，则可以由微机控制自动转换刀具，否则仍