[工学]CK6163车床数控化改造.doc

本科毕业设计说明书（论文） 第 51 页 共 51 页1 绪论11 选题目的及意义机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石。数控机床是一种高效率、高精度，能保证加工质量，解决工艺难题，而且又有一定柔性的生产设备。自五十年代末世界上第一台数控机床在美国研制成功的半个多世纪以来，数控技术正在发生根本性变革，由专用封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造作为新的经济增长行业，正处在黄金时代，由于技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。在国内，机床的数控化改造是发展我国数控设备的一个重要方面。国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见的发布和实施，是提高我国国际竞争力，实现国民经济全面、协调和可持续发展的战略举措，把发展数控装备和数控系统及功能部件作为振兴装备制造业重大突破的16个关键领域之一，对我国机床工具行业的发展，具有重要的指导意义。车床是金属切削加工最常用的一类机床，它能够加工内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹等。普通车床由于造价低廉在我国运用十分广泛，但是因为其进给轴不能联动，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且无法加工复杂的回转零件。对普通车床的数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的并能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。这样，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。改造后的车床针对性高，专业性强，可以加工出普通车床加工不了的曲线、曲面等复杂零件。加工精度高，尺寸分散度小，易于装配。可以实现多工序集中加工，提高了相关加工精度，同时减少被加工零件在机床间的频繁搬运。拥有自动补偿等功能，简化了传统机床加工工艺中的工序，机床利用率大幅度提高。由于采用自动化加工技术，可大大降低操作者的劳动强度，减少废品的产生，提高工作效率。另外其改造成本同购置新机床相比，节省的费用十分可观，国产数控机床价格也要48万元，进口机床有的近20万元，而对普通车床进行数控化改造也能满足实际生产要求，其改造费用仅23万元，非常符合我国国情。12 设计任务与总体方案的确定 将C6163普通车床（如图1-1所示）改造成采用16位单片机半闭环控制的经济型数控车床，要求该车床进给两坐标联动并且能够实现直线插补和圆弧插补并增配自动回转刀架和主轴脉冲发生器，能车削螺纹。 图1-1 普通车床C61631.2.1 已知参数及设计参数最大加工直径：630； 床鞍上最大加工直径：350；最大加工长度：1500；纵向导轨长度：2000；主电动机功率：11；冷却泵电机功率：0.12；主轴通孔直径：105；主轴转速：14级 12.51120；托板和刀架的总重力G：1500；最大进给速度：纵向：， 横向：0.4；最大刀架快移速度：纵向：6， 横向：4；脉冲当量：纵向：0.001/脉冲， 横向：0.0005/脉冲；定位精度：纵向：0.01， 横向：0.005；启动加速时间：纵向：200； 横向：100；电动刀架转位数：4122 系统总体方案设计 数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择等。（1）系统的运动方式：该车床改造后应具有单坐标定位，两坐标直线/圆弧插补的功能。所以数控系统应设计成连续控制型。（2）进给伺服系统的类型：按任务要求采用直流电动机的半闭环控制系统。该系统具有精度高，动态性能良好的特点。相应的进给传动链由自带增量式光电编码器的直流电机与减速机构及滚珠丝杠螺母副组成。（3）数控系统处理器的选择：采用TI公司推出的MSP430系列16位单片机，该系列单片功能强大，性价比高，是16位单片机中的主流芯片之一。另外采用LM629全数字专用运动控制处理器，可以进行位置与速度的反馈控制。（4）根据系统的要求，还要设计键盘与显示电路，显示界面采用LED数码管，数控系统还可以和PC机串行通信，所以还要设计串行接口电路。（5）为了加工安全还需安装纵向和横向限位开关。（6）主轴电动机的交流变频器的选择及主轴脉冲发生器的选择。（7）为了达到设计要求中的速度和精度，纵向与横向进给传动应选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副。（8）为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了是传动系统的负载惯量劲可能地减小，传动链中应设有减速机构。减速机构选则同步带，其综合了带传动、链条传动以及齿轮传动的优点，在许多领域已经替代了齿轮传动和链传动。（9）自动回转刀架的选择及其控制电路的设计等。（10）保留原来的冷却系统，滚珠丝杠和滑板轮滑采用手动泵注入。根据以上选定的普通机床数控化改造方案，拟订它的数控系统及控制方法，系统的总体框图如下： 数控装置隔离放大MM光电编码器光电编码器键盘与显示接口芯片串行接口冷却泵刀位信号限位信号按钮信号刀架控制交流变频器主轴编码器主轴电机Z轴传动X轴传动 图1-2 系统结构方框图2 机械系统的改造设计21 主传动系统的改造普通车床进行数控化改造时，为了减少工作量一般保留原有的主传动机构和变速操纵机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主电机的作用仅为带动主轴旋转，主轴的正转、反转和停止由数控系统来控制。采用交流变频器实现主轴电机的无极变速，本设计选用F1000-G0110T3C型变频器，该型号适配电机11KW，额定输出电流为23A。22 换装自动回转刀架为了提高加工精度和加工效率，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用常州市南新数控设备有限公司生产的LD4-6163型四工位立式电动刀架,该型号刀架采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的优点。同时采用无触点霍尔开关发信，使用寿命长。该系列电动刀架是用户普通采用的经济型产品。其相关参数如表2-1所示。表2-1 LD4-6163电动刀架相关参数型号换刀时间（s）最大许用力矩(Nm)重复定位精度（mm）电机功率（W）电机转速（rpm）净重（KG）90度180度270度MqMxMsLD4-61632.83.54.2100025008000.00518014005523 主轴脉冲发生器的安装主轴脉冲发生器是为了加工螺纹而安装的主轴检测装置，微机从主轴脉冲发生器中取出与螺距相应的脉冲数，使主轴旋转角度与进给量保持一定关系，确保螺距的准确性。主轴脉冲发生器的安装通常有两种：一种是同轴安装，另一种是异轴安装。一般经济型数控改造多采用同轴安装。本设计选用1200线主轴脉冲发生器，采用同轴安装方式并采用波纹管与主轴柔性连接，该连接方式在实现角位移传递的同时，能够吸收车床的部分振动，从而使脉冲发生器平稳转动。24 进给系统的改造拆除挂轮架所有齿轮并寻找主轴，安装主轴脉冲发生器；拆除原机床进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杆、操纵杆、齿条等；在纵溜板、横溜板的下面丝杠螺母座托架；在原进给箱位置安装纵向伺服电机与减速箱总成，在横溜板后部安装横向伺服电机与减速箱总成；拆除四方刀架及上溜板总成，在横溜板上方安装电动刀架。25 安装防护普通车床的数控化改造中应根据实际情况采取相应的防护措施，比如滚珠丝杠副由于精度要求较高，工作时需防尘防灰，尤其不能让金属削进入滚道，所以纵向丝杠应安装防护罩。大托板与导轨接触的两端面要贴上橡胶片，防止杂质进入滑动导轨面损伤导轨。3 纵向进给传动部件的计算和选型31 切削力的计算切削力是指在切屑过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的讲是在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力。车削外圆时的切削力如图3-1所示。主切削力与切削速度的方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电动机切削功率的依据；进给力与进给方向平行且方向相反；背向力与进给方向相垂直，对加工精度的影响较大。FzFxFy 图3-1 车削力分析由机床设计手册可知，切削功率 式中：主轴电动机功率， ； 主传动系统总效率，一般为0.750.85，取=0.8； 进给系统功率系数，一般取=0.96。则 切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削速度来计算，即，式中切削速度v取100,则主切削力： =5088根据经验公式:=1:0.4:0.35，计算出： =50880.4=2035.2 =50880.35=1780.832 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动，其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，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，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与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。321 精度的选择滚珠丝杠副的精度直接影响数控机床的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，其导程误差对机床定位精度最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。对于车床，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级（1级精度最高），Z轴为25级，考虑到本设计的定位精度要求和改造的经济性，选择X轴精度等级为3级，Z轴为4级。322 丝杠导程的确定 选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在：4、5、6、8、10、12、20中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚）。在速度满足的情况下，一般选择较小导程（利于提高控制精度），本设计中初选纵向丝杠导程为8，横向丝杠导程为5。3 23 最大工作载荷的计算最大工作载荷是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给牵引力,其实验计算公式如表3-1所示。表3-1 实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式矩形导轨1.10.15燕尾导轨1.40.2综合或三角导轨1.150.15-0.18表中为考虑颠覆力矩影响时的实验系数；为滑动导轨摩擦系数；为移动部件总重量。查表3-1选择综合导轨，取1.15,取0.18,为1500；算得=1.151780.8+0.18（5088+1500） =3233.76324 最大动载荷的计算载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力），此类载荷为动载荷。比如起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载，起重机以加速度吊起重物，重物对吊索的作用为动载。对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷计算公式如下： 式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r，（T为使用寿命，普通机床T取5000-10000h，数控机床T取15000h；n为丝杠每分钟转速）； 载荷系数，一般取1.21.5，本设计取1.2； 硬度系数（HRC58时取1.0；等于55时取1.11；等于52.5时取1.35；等于50时取1.56；等于45时取2.40）； 滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。本设计中车床Z向承受最大切削力条件下最快的进给速度,初选丝杠基本导程，则丝杠转速。取滚珠丝杠使用寿命，带入得=90；取，代入，求得 ：=17390N。325 滚珠丝杠螺母副的选型初选滚珠丝杆副时应使其额定动载荷, 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下长时间承受工作载荷时，还应使额定静载荷。根据计算出的最大动载荷,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的FL5008-3型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母螺纹式预紧，精度等级为4级，其参数如表3-2所示。表3-2 FL5008-3型滚珠丝杠相关参数公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度/ 18975084.76348.645.246631326 滚珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合。考虑到纵向丝杠长度较大，本设计纵向丝杠采用双推简支支承方式，该方式临界转速、压杆稳定性高，有热膨胀的余地。327 传动效率的计算滚珠丝杠的传动效率一般在0.80.9之间，其计算公式如下： =式中：螺距升角，根据,可得=291； 摩擦角，一般取=10。算得： =96.67%3 28 刚度的验算滚珠丝杠副工作时受轴向力和转矩的作用，引起导程的变化，从而影响定位精度和运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母间滚道的接触变形、支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形。因转矩和丝杠-螺母滚道接触对丝杠产生的导程变化很小，所以、可以忽略不计，所以丝杠的拉伸或压缩变形量为：=（“+”号代表拉伸，“-”代表压缩）式中：丝杠的最大工作载荷，单位为； 丝杠纵向最大有效行程，单位为； 丝杠材料的弹性模量，钢； 丝杠的横截面面积，单位按丝杠螺纹的底径确定。根据前面的设计，为3233.76，取1665，为45.24，算得： =0.01597=15.97查表3-3可知，,所以刚度足够。表3-3 有效行程内的目标行程公差和行程变动量有效行程精度等级12345大于至31566881212161623234005008710915132019272616002000181325183525483665513 29 稳定性校核由于滚珠丝杠本身比较细长又受轴向力的作用，若轴向负载过大，则会产生失稳现象，不失稳时的临界载荷Fk应该满足： =式中：丝杠支承系数，双推-简支方式时，取2，其他方式如表3-4所示； 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取最小值，本设计取4； 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为，本设计中该值为2200； 按丝杠底径确定的截面惯性矩（，单位为）,本设中将代入算出=205513.36。 由以上数据可以算出：= 临界载荷远大于工作载荷（3233.76N），故丝杠不会失稳。表3-4 丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值4210.253210 临界转速的验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最高转速： 式中：丝杠支承系数，双推-简支方式时，取值如表3-5所示；临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为2300；丝杠内径，单位；安全系数，可取=0.8表3-5 丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值27.418.912.14.3 经过计算，得出=1293，由已知，可以算出，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。33 同步带减速机构设计 同步带也叫同步齿形带，它综合了带传动、链条传动以及齿轮传动的优点，主要用在驱动带轮与被动带轮之间要求有固定传动比的情况。同步带是通过带上的凸齿与带轮上的齿槽强制啮合而工作，即当主动带轮转动时能通过带齿与带轮的依次啮合将动力传给从动轮，因此主动轮和从动轮的线速度相同。同步带的张紧力小，轮轴上的压力轻，因此可以延长轴承的使用寿命。同步带结构简单、紧凑，工作时不会打滑，线速度可达，可用于高速场合，传动比可达到10，效率可达98%，维护保养方便，运转费用低，因此应用日益广泛。331 传动比的确定由和可得：式中：电机编码器分辨率，单位为度/脉冲； 丝杠分辨率，单位为度/脉冲； 丝杠导程，其值为8； 脉冲当量，本设计中Z轴为0.001/脉冲。初选电机编码器纹数为1000，四倍细分，即=0.09（度/脉冲），算得：=2332 传递功率的估算 由运动学可知，对该传动机构传递功率的研究只要考虑三种工作状态，他们分别是：最大负载且最大工进速度、快速空载启动、最快空载移动。由运动学可知，最后一种状态的传递功率一定小于快速空载启动（最后时刻）的瞬时传递功率，所以只需要比较前二者。 （1）最大工作负载下最大传递功率的估算： 式中：丝杠的最大工作载荷，其值为3233.76；最大工进速度，换算为； 预紧摩擦力，单位N，（摩擦系数取0.15）计算得出：。 （2）快速启动时的最大传递功率估算： 式中：移动部件（仅包括丝杠折算，而忽略的从动轮、轴承等由增大系数来补偿）加速时所受的合力即惯性力，=3607.4该式中丝杠的转动惯量 112.13，D为丝杠的公称直径，L为丝杠的长度，单位为，换算为，为，换算为0.8； 移动部件与综合导轨的滑动摩擦力，=270。计算得出： 因为， 所以带的设计功率(根据一般数控机床情况以及相关参数的补偿，系数取1.5)。333 选择带型和节距 根据带的传递功率Pd，查表3-6选择同步带，型号为XL型，节距。表3-6 同步带型号型号节距/基准带宽传递功率范围/基准带宽/说明XL(特轻型)5.0800.0040.5739.5GB/T 11616-1989GB/T 11362-1989L（轻型）9.5250.054.7625.4H（重型）12.7000.65576.2 334 确定带轮齿数和节圆直径 XL型小带轮转速在1200至1800时的最少许用齿数为12，为了提高传动精度，取小齿轮数，则小带轮节圆直径，根据传动比算出大齿轮数，则大带轮节圆直径。当主动轮最高转速时，同步带的线速度为：，远小于XL型带的极限速度，所以满足要求。335 中心距、节线长度和带齿数的确定 初选中心距，圆整后取。则带的节线长度。根据表3-7，选取接近的标准节线长度，相应的齿数z=100。实际中心距。表3-7 同步带的节线长度长度代号节线长度型号XLLH公称尺寸极限偏差齿数190482.60.5195200508100210533.410556336 校验带与小带轮的啮合齿数 啮合齿数 ，式中为取整函数。一般情况下，应该保证，对于XL型至少要保证。当不满足要求时，可以增大或不变时减小节距。 通过计算，得出，满足要求。337 计算基准额定功率基准额定功率就是所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，其计算公式如下： 式中： 单位为； 带宽为基准带宽b时的许用工作拉力，单位N，如表3-8所示； 带宽为基准带宽b时的单位长度质量（线密度），单位； 同步带线速度，上述3.3.4中已算出其值为3.05。表3-8 同步带基准宽度下的许用拉力和线密度带型号基准带宽b/许用拉力/线密度/XL9.550.170.022L25.4244.460.095H76.22100.850.448经计算，338 确定实际同步带宽度实际所需同步带宽度的计算公式如下： 式中：选定型号的基准宽度，XL型其值为9.5； 小带轮啮合系数，根据文献，当时，其值为1。经计算得出：31.88。根据相关文献，选定最接近的带宽33.3339 同步带工作能力的验算用下式来计算同步带的额定功率: 式中：齿宽系数，其值为。 小带轮啮合系数，取1；经计算得出：,所以满足要求。4 横向进给传动部件的计算和选型41 切削力的计算因为横向切削力大小一般等于纵向切削力的一半，所以： =2035.22=1017.6 =1780.82=890.4式中：横向主切削力； 走刀方向切削力； 吃刀方向切削力。42 滚珠丝杠螺母副的计算和选型421 最大工作载荷的计算已知移动部件总重力，电动刀架重量为，则横向进给机构的重力约为，横向为燕尾导轨，查表3-1，最大工作载荷的计算如下： =式中： 为考虑颠覆力矩影响时的实验系数，取1.4； 为滑动导轨摩擦系数，取0.2。422 最大动载荷的计算 式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r； 丝杠寿命，取15000； 载荷系数，一般取1.2； 硬度系数取1； 横向丝杠副最大工作载荷，其值为2459.6； 横向滚珠丝杠导程，初选为。 横向最大工进速度，该设计值为； 横向最大工进速度对应丝杠的转度，单位。计算得出得 ：=12278.8。4 23滚珠丝杠螺母副的选型根据计算出的最大动载荷,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的FL4005-3型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母方式预紧，精度等级为3级，其参数如表4-1所示。表4-1 FL4005-3型滚珠丝杠相关参数公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度/14534053.53936.532.814424 滚珠丝杠副的支承方式 考虑到横向滚珠丝杠副的长度、精度与负载的大小以及改造成本，采用双推-单推支承方式，该方式轴向刚度高，位移精度好，可以进行预拉伸。425 传动效率的计算 =式中：螺距升角，根据,可得=228； 摩擦角，一般取=10。算得： =95.67%4 26 刚度的验算=（“+”号代表拉伸，“-”代表压缩）式中：丝杠的最大工作载荷，单位为； 丝杠纵向最大有效行程，单位为； 丝杠材料的弹性模量，钢； 丝杠的横截面面积，单位按丝杠螺纹的底径确定。根据设计，为2459.6N，为420，为36.5，算得： =0.0047 =4.7查表3-3可知，,所以刚度足够。427 稳定性校核 =式中：丝杠支承系数，由表3-4得出单推-单推时，取1； 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取2.54，本设计取4； 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为，本设计中该值为500； 按丝杠底径确定的截面惯性矩，（，单位为）本设中将代入算出=87080。 由以上数据可以算出：= 临界载荷远大于工作载荷（2459.6N），故丝杠不会失稳。428 临界转速的验证 式中：丝杠支承系数，单推-单推方式时，由表3-5可得该值为12.1；临界转速计算长度，单位为，本设计中该值约为720；丝杠内径，单位；安全系数，可取=0.8经过计算，得出=5321，由已知，可以算出，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。43 同步带减速机构设计431 传动比的确定由和可得：式中：电机编码器分辨率，单位为度/脉冲； 丝杠分辨率，单位为度/脉冲； 丝杠导程，其值为5； 脉冲当量，本设计中X轴为0.0005/脉冲。初选电机编码器纹数为1500，四倍细分，即=0.06（度/脉冲），算得：=432 传递功率的估算 （1）最大工作负载下最大传递功率的估算：式中：丝杠的最大工作载荷，其值为2459.6；横向最大工进速度，其值换算为；预紧摩擦力，单位N，（摩擦系数取0.15）；计算得出：。（2）快速启动时的最大传递功率估算：式中：移动部件（仅包括丝杠折算，而忽略的从动轮、轴承等由增大系数来补偿）加速时所受的合力即惯性力，= 1568.67该计算式中丝杠转动惯量=14.377 式中D为丝杠的公称直径，L为丝杠两端的大约长度，单位均为，换算成，换算为0.5，； 横向移动部件与燕尾导轨的滑动摩擦力，=170；预紧摩擦力，其值为123N。 计算得出： 因为，所以带的设计功率(根据一般数控机床情况以及相关参数的补偿，系数取1.6)433 选择带型和节距 根据带的传递功率，查表3-4选择同步带，型号为XL型，节距。434 确定带轮齿数和节圆直径 取小齿轮数，则小带轮节圆直径，根据传动比算出大齿轮数，则大带轮节圆直径。经计算，主动轮，同步带最大线速度。435 中心距、节线长度和带齿数的确定 初选中心距，圆整后取。则带的节线长度。根据表4-2，选取接近的标准节线长度，相应的齿数。 实际中心距。表4-2 同步带的节线长度长度代号节线长度型号MXLXLL公称尺寸极限偏差齿数160406.40.5120080170431.885180457.222590436 校验带与小带轮的啮合齿数 啮合齿数 ，式中为取整函数。一般情况下，应该保证，对于XL型至少要保证。 通过计算，得出，满足要求。437 计算基准额定功率基准额定功率就是所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，其计算公式如下： 式中： 带宽为基准带宽b时的许用拉力，根据表3-8其值为50.17N； 带宽为基准带宽b时的线密度，根据表3-8其值为0.022； 同步带线速度，其值为2.7。经过计算得出：438 确定实际同步带宽度实际所需同步带宽度的计算公式如下： 式中：选定型号的基准宽度，XL型其值为9.5； 小带轮啮合系数，根据文献，当时，其值为1。 设计功率，其值为200经计算得出：13.408。根据相关文献，选定最接近的带宽。439 同步带工作能力的验算用下式来计算同步带的额定功率: 式中：齿宽系数，其值为； 小带轮啮合系数，其值为1； 带宽为时的许用拉力，其值为50.17N； 带宽为时的线密度，其值为0.022； 同步带线速度，其值为2.7。经计算得出：,所以满足要求。5 电动机的选择及其驱动电路设计直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来一直占据着调速控制的统治地位。它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，较高的效率，优异的动态特性。随着永磁材料和工艺的发展，已将直流电动机的励磁部分用永磁材料代替，产生永磁直流电动机，这种电机结构简单，用电量少，所以目前在中小功率范围内运用广泛。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域以及新型电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉冲宽度调制（PWM）控制方式已成为主流，并作为其数字控制的基础。如果直流电机要求工作在正反转场合，这时还需要使用可逆PWM控制方式，其又分为单极性驱动与双极性驱动两种，一般大功率电机驱动采用单极性驱动方式。电动机的驱动离不开半导体功率器件，在对直流电机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又可以分为两种方式：线性放大驱动和开关驱动，由于前者在工作时有大量功率消耗在元器件上，致使效率很低，因此绝大多数直流电机采用开关驱动方式，该方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制来控制电动机的电枢电压，实现调速。51 纵向直流电动机的计算与选型511 转动惯量的折算 折合到电机轴上的转动惯量如下： 式中： 电机转子的转动惯量，单位为，本设计初选值为25；、同步带带轮的转动惯量，单位为； 、分别为带轮的外径和宽度，单位为； 滚珠丝杠的转动惯量，取值为112.13； 、分别为重力加速度，取9.8和导程，其值换算为 0.8。计算得出： =56.660512 电动机的计算和选型纵向电动机的相关计算如表5-1所示。根据计算结果：，即,选用深圳市泰科智能伺服技术有限公司推出的NT4P101-20E型直流有刷伺服电机，该电机采用高强度永磁材料，体积小转矩大，过载能力强，编码器选定1000P/R，具体参数如表5-2所示。52 横向直流电动机的计算与选型521 转动惯量的折算 折合到电机轴上的转动惯量如下： 式中： 电机转子的转动惯量，单位为，本设计初选值为20；、同步带带轮的转动惯量，单位为； 、分别为带轮的外径和宽度，单位为； 滚珠丝杠的转动惯量，其值为14.377 ； 丝杠导程，其值换算为； 重力加速度，取9.8。计算得出： 522 电动机的计算和选型横向电动机的相关计算如表5-3所示。根据计算结果：，即选用深圳市泰科智能伺服技术有限公司推出的NT4P101-16E型直流有刷伺服电机，编码器选定1500P/R，具体参数如表5-4所示。表5-1 纵向电动机最大负载转矩计算1快速空载启动状态 为折合到电机轴上的惯性力矩， 、 分别为折合到电机轴上的摩擦力矩和预紧力矩，（即）能量守恒：或 在3.3.2中已经算出：（考虑到总传动效率约为90%）；由，和得：由能量守恒：得：同理，2最大负载状态为最大工作载荷根据能量守恒等效到电机轴上的力矩由能量守恒：得：3最快空载移动状态表5-2 NT4P101-20E型直流有刷伺服电机相关参数额定功率614超载功率1096.5连续转矩3.00超载峰值转矩6.00额定电压90V超载峰值电流15.7A额定电流8.1A转动惯量26.129最高空载转速2163重量7.71最高超载转速1746长度21.97表5-3 横向电动机最大负载转矩计算1快速空载启动状态 为折合到电机轴上的惯性力矩， 、 分别为折合到电机轴上的摩擦力矩和预紧力矩，（即）能量守恒：或 在4.3.2中已经算出： （考虑到总传动效率约为90%）；由，和得：由能量守恒：得：同理，2最大负载状态为最大工作载荷根据能量守恒等效到电机轴上的力矩由能量守恒： 得：3最快空载移动状态表5-4 NT4P101-16E型直流有刷伺服电机相关参数额定功率491超载功率891.627连续转矩2.54超载峰值转矩5.08额定电压90V超载峰值电流12.5A额定电流6.5A转动惯量21.186最高空载转速1843重量6.80最高超载转速1677长度19.4353 直流电动机驱动电路设计531 光电隔离电路（1）光电耦合器(光电隔离器)简介光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下,以光为煤介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离.因而具有良好的电绝缘能力并能够有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，具有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等特点。光电隔离在强-弱电接口、特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号（数字信号）的传输，不适合于传输模拟量；线性光耦的电流传输手特性曲线接进直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。 （2）相关设计与选用本设计选用6N135高速光耦与PWM信号连接，其最高转换频率可达1M赫兹，工作电压0-15V，典型的驱动电流为16mA，工作时LED压降为1.75V，电流最低转换率为50%。现以5V电源供电，计算光电耦合器的输入端电阻和输出端电阻。=（），取整，得=200（）=625（），为了使输入端深度饱和以及归一化处理，可取=1000（）。532 单极性可逆PWM电路设计（1）电路简介可逆PWM电路分双极性和单极性两种，前者有低速运行平稳的优点，但存在着电流波动大，功率损耗大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中小功率直流电机的控制。由于本设计选用的直流电机功率较大，尤其是在启动加速时刻，故选择后者。单极性驱动又分T型和H型，以H型应用最多。一般对中大功率的直流电机驱动电路可以用相应的MOS管和续流二级管（肖特基管）搭建H桥驱动电路。使用MOS管，其开关速度快，同时又是电压驱动型，驱动电路简单而且导通后内阻小，通过电流大，这样加在电机的电压就接近电源电压，使电机能正常工作。使用续流二级管，用来保护元器件不被感应电压击穿或烧坏，以及提供电机制动回路。（2）相关设计与选用根据第5章第2节内容可知，选用的直流电动机参数为：纵轴电动机：额定电压为90V，超载峰值电流为15.7A；横轴电动机：额定电压为90V，超载峰值电流为12.5A。根据以上参数，选用MOS管型号为：纵轴：IRFP250 （200V 33A ）；横轴：IRFP240 （200V 19A ）。选用续流二级管型号为：10CTQ150-1（150V 10A），与门电路选用二输入端四与门74LS08,非门电路选用74LS06。纵向驱动电路如图5-1所示，横向驱动电路如图5-2所示。 图5-1 纵向直流电动机驱动电路 图5-2 横向直流电动机驱动电路6 数控系统设计数控系统是数控机床的“大脑”，其设计也是普通机床进行数控化改造的核心工程，对机床而言，数控系统通过对输入的加工程序进行数据处理和运算后，输出控制信号，控制主轴、进给轴和其他辅助装置正确、及时和可靠地执行加工程序所规定的任务，同时接受从机床反馈来的各种信息，对机床控制进行调整。任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成，在处理信息方面，软件和硬件对要完成的任务是等价的，硬件处理速度快，线路复杂，软件设计灵活，适应性强，但速度较慢。随着高性能微处理器的诞生，现代数控已越来越倾向于软件控制。数控系统最核心的控制是位置控制，最重要的运算是插补运算，最主要的数据处理是刀具补偿。位置控制的实质就是位置负反馈，即指令位置和实际位置进行比较，用位置偏差进行控制；插补运算就是根据加工程序所确定的坐标点，通过一定的运算法则实时获得位置指令；刀具补偿就是要解决编程轨迹和刀具中心不相符的矛盾。61 硬件电路设计611 数控系统的硬件结构 数控系统根据其使用微机结构的划分，一般可分为单微处理器和多微处理器结构两大类。单微处理器数控系统由于结构简单，价格便宜，在一些标准型数控系统中应用广泛。多微处理器数控系统可以满足当今数控机床高速度、高精度和许多复杂功能的要求，代表当今数控发展的水平。根据设计任务要求，本设计将采用较经济的单微处理器数控结构，对于一般切削加工而言，其速度和精度已能满足实际要求。 数控机床单微处理器硬件结构电路概括起来有以下几个部分组成：（1）中央处理单元CPU；（2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；（3）存储器，包括只读可编程存储器和随机读写存储器；（4）输入输出接口电路；（5）外围设备，如键盘、显示器及光电编码器等。612 数控系统硬件电路的功能 根据设计要求，确定数控系统应具有以下功能：(1) 读取键盘输入数据；(2) 读取操作面板开关及按钮信号；(3) 读取螺纹/光电编码器信号 ；(4) 读取电动刀架刀位信号；(5) 接受车床行程开关信号；(6) 控制LED显示；(7) 控制电动刀架自动选刀；(8) 控制纵向、横向电动机驱动；(9) 控制主轴正转、反转与停止；(10) 控制交流变频器；(11) 控制冷却泵启停；(12) 可与PC进行串行通信。613 主控芯片简介（1）MSP430简介本设计采用的核心芯片为TI公司推出16位系列单片机MSP430。MSP430具有集成度高，外围设备丰富，超低功耗等优点。MSP430系列种类繁多，针对不同的场合需要选用相应合适的芯片，本次设计选用MSP430F149型，该型号为64引脚封装，工作电压为1.8V-3.6V。单片集成了多通道12bit的A/D转换、片内精密比较器、多个具有PWM功能的定时器、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器（DCO）、大量的I/O端口以及大容量的片内存储器，采用串行在线编程方法，单片可以满足绝大多数的应用需要。MSP430的这种高集成度使应用人员不必在接口、外接I/O及存储器上花太多的精力，而可以方便的设计真正意义上的单片系统；在运算性能上，MSP430系列单片机采用目前流行的精简指令集（RISC）结构，1个时钟周期可以执行1条指令(传统的MCS51系列单片机要12个时钟周期才可以执行一条指令)。（2）MSP430的扩展MSP430F149拥有6个8位并行接口且2个8位端口（P1、P2）有中断能力，完全可以实现系统所有信号的输入、输出，无需硬件扩展。在存储器方面，其内置FLASH（闪存，具有ROM的非易失性和EPROM的可擦除性）多达60KB，RAM多达2KB并支持JTAG仿真，真正实现了在线仿真调试，对于一般数控系统而言已经足够，所以也无需扩展外部存储器。（3）MSP430的复位及晶振电路设计如图6-1所示。图6-1 MSP430单片机的复位电路及晶振电路614 键盘与显示接口电路设计（1）键盘、显示器接口电路芯片8279单片机系统中有两种 LED显示方式，即静态显示和动态显示，静态显示的优点是显示效果好，编程简单，但由于输出的每一位都需要锁存，使用的硬件较多；动态显示方式中，每一时刻只有一位数码管被点亮，各位依次轮流被点亮，硬件电路简单，但由于需要不停地进行刷新显示，降低了CPU的效率，而且编程的工作量很大。为了解决动态显示中存在的问题，Intel 公司研制出了专用的键盘、显示器接口电路芯片8279，该芯片采用单5V电源供电，40脚封装，能自动完成对显示的刷新，同时还可以对键盘自动扫描，识别闭合键的键号，能自动消除开关抖动并能对多键同时按下提供保护。显示输出时，它有一个168位显示RAM，其内容通过自动扫描，可由8或16位LED数码管显示。（2）各引脚功能与连接由于本设计为两轴联动，需同时显示Z方向和X方向的位置信息，所以8279要能够控制16个LED数码管输出。键盘采用56键，在普通数控系统中已足用。8279芯片的8位数据口与系统数据总线DB0-DB7连接，在MSP430和8279之间传递命令或数据。8259的A0用来区分信息区分信息特征，当A0