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[A0011]CA6140车床数控化改造【8张图纸】【优秀】

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关键词：: a0011 ca6140 车床数控改造图纸优秀优良

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摘要

数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用，但数控机床一次性投资较大，对机床进行数控化改造不失为一良策。本设计利用数控装置对CA6140普通车床进行控制,主传动系统部分采用交流调频主轴电动机经带轮及分级齿轮变速箱驱动主轴，通过变频器和齿轮变速箱实现分段无级变速；进给系统采用步进电机通过减速后驱动滚珠丝杠运动，在纵向进给系统中通过一级齿轮减速后驱动滚珠丝杠，在横向进给系统中通过二级齿轮减速驱动滚珠丝杠；刀架改为自动转位刀架(四工位)从而实现自动换刀；通过MCS-51系列8051单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲信号控制进给速度和行程；为了保持切削螺纹的功能，要在主轴外端或其它适当部位装上脉冲发生器；将车床的手动尾座改造成为可控电动尾座。

本次设计的数控改造为经济适用型，改造简单易行，可降低劳动强度，提高生产效率。主要介绍了经济型数控机床进给伺服系统设计计算。阐述了CA6140普通数控车床的主轴系统的改进及机床纵向、横向进给系统的改造设计及计算。

关键词： CA6140车床；数控改造；滚珠丝杠；步进电动机

ABSTRACT

The NC machine plays a very great role in mechanical engineering．Although the investment needs a great deal of money，it is a good way to try digital modification for ordinary lathe.The spindle speed of CA6140 remains the manual function of shifting gears．The alteration is easy and it can reduce labor intensity

and improve productive efficiency． but the NC Machine larger one-time investment, NC machine tools for the transformation of a good after all. The design of the device using NC Lathe CA6140 control, part of the main transmission system using AC spindle motor and graded by the pulley driven spindle gearbox, through the inverter and gearbox to achieve sub; Feed System used by stepper motor driven ball screw slowdown after campaign vertical feed system through a gear after the ball screw drive, in the horizontal feed system through two gear-driven ball screw; Tool to automatically transfer tool carrier (4-position), thus achieving automatic tool change; by MCS-51 series 8051 data to be dealt with. from the I / O interface stepper pulse output signal to control the feed rate and itineraries; In order to maintain the function of cutting thread, to the outer end of spindle or other appropriate location loaded pulse generator; Lathe will be transformed into Tailstock manually controlled electric Tailstock. The design of the NC transformation of the economy - the application, transforming simple, can reduce labor intensity, improve production efficiency. Introduced a major economic NC machine tool servo system design. Expounded the CA6140 ordinary NC lathe spindle system improvements and vertical machine, horizontal feed system of the design and calculation.

Keywords：CA6140 lathe；digital modification；ball screw；stepping motor

第一章概述1

1.O 引言1

1.1 经济型数控改造的实际意义1

1.1.1 技术分析1

1.1.2 经济分析1

1.1.3 市场分析2

1.1.4 生产分析2

1.1.5 综合分析2

1.2 数控机床的基本结构及工作原理2

1.3数控机床的分类4

1.3.1 按加工工艺方法分类4

1.3.2 按控制运动的方式分类4

1.3.3 按驱动装置的特点分类4

1.4 数控机床的特点及应用范围6

1.4.1 数控机床的加工特点6

1.4.2数控机床的应用范围7

第二章经济型车床数控改造总体方案的确定8

2.1设计任务8

2.2总体数控改造方案设计8

第三章主传动系统设计10

3.1概述10

3.1.1数控机床主传动系统的特点10

3.2主传动系统的配置方式11

3.2.1 主传动系统的主轴电动机的选型11

3.2.2交流主轴电机的调速12

3.2.3分级变速齿轮箱的传动系统设计13

3.2.4主传动系统组件的结构形式17

第四章伺服进给系统的结构设计与计算19

4.1伺服进给传动系统概述19

4.2步进电动机及开环进给控制20

4.2.1步进电动机的驱动控制20

4.2.2、步进电机的驱动放大电路23

4.2.3步进电动机参数说明26

4.3纵向进给系统的设计计算27

4.3.1 设计参数27

4.3.2纵向进给切削力的确定28

4.3.3 纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型28

4.3.4纵向进给减速齿轮的设计与校核31

4.3.5纵向进给步进电动机的计算和选型32

4.4横向进给系统的设计计算35

4.4.1横向进给切削力的确定35

4.4.2横向进给切削力的确定35

4.4.3 横向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型35

4.4.4横向进给减速齿轮的设计与校核37

4.4.5横向进给步进电动机的计算和选型40

4.5 滚珠丝杠的安装42

4.5.1滚珠丝杠的安装形式42

4.5.2滚珠丝杠轴承的校核43

4.5.3消除齿轮间隙的措施：46

第五章自动回转刀架的设计48

5.1自动回转刀架主要类型及特点48

5.2自动回转刀架的设计计算48

5.2.1自动回转刀架步进电动机的选用49

5.2.2自动回转刀架的蜗轮蜗杆设计计算49

第六章电动尾座的设计53

6.1设计方案53

6.2电动尾座改造部分设计计算53

6.2.1电动尾座驱动电动机的选择53

6.2.2电动尾座用的齿轮设计53

第七章主轴编码器的设计56

7．1编码器工作原理56

7．2主轴编码器的安装57

第八章数控车床数控系统设计58

8.1概述58

8.2 计算机数控（CNC）系统的简介59

8.2.1概述59

8.2.2微处理器数控（MNC）系统的组成60

8.3 CNC系统的硬件结构62

8.3.1 单微处理机与多微处理机结构62

8.3.2大板式结构与功能模块式结构63

8.4 CNC系统的软件64

8.4.1 CNC系统软件的组成与功能64

8.4.2 CNC系统软件的特点和结构67

8.4.3.CNC系统软件结构的分类69

8.5CNC系统的工作过程70

8.5.1 CNC系统的数据段历程70

8.5.2 CNC系统自动工作时的总体流程70

8.6 运动轨迹的插补原理71

8.6.1 运动轨迹插补的概念71

8.6.2 运动轨迹插补的方法72

8.6.3 逐点比较法72

结论79

参考文献80

致谢81

QQ截图20150604225038.png

QQ截图20150604225133.png

电气原理图.jpg

横向进给系统图.jpg

横向丝杠支座.jpg

数控示意总图.jpg

调隙式齿轮.jpg

主轴箱装配图.jpg

自动回转刀架.jpg

纵向进给系统图.jpg

内容简介：: 中国矿业大学2007届本科生毕业设计第82页第一章概述1.O 引言由于现代工业的飞速发展，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新换代，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造，这样既可以提高生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，采用此方法对中、小型企业来说是十分理想的选择。1.1 经济型数控改造的实际意义目前，各企业一般都有不少普通车床，完全用数控车床加以替换根本不可能。解决这个问题，必须走普通车床数控改造之路。日本大企业中有26%的机床经过数控化改造，而中小企业则占74%;美国有许多数控专业化公司为用户提供数控改造服务。我国拥有300万台机床，其中大量的是通用车床。因此，普通车床的数控改造，大有可为。数控改造一般是指对普通车床某些部位作一定的改造，配上数控装置，从而使车床具有数控加工能力。1.1.1 技术分析在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术、计算机技术的发展更快。应用到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，有些企业已在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床满足了技术发展的需要，提高了生产率和产品精度，增大了设备适应能力和型面加工范围。1.1.2 经济分析由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用数控技术对旧机床加以改造，和购买新机床相比，则可以节省50 以上的资金。一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的13到l5，一般用户都能够承担得起，这为资金紧张的中小型企业的技术改造开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了较大的吸引力。1.1.3 市场分析据国内资料统计，订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足用户需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。1.1.4 生产分析在现代机械制造工业中，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重。若要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。1.1.5 综合分析从上述分析中不难看出，数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上，具有可靠性高、柔性强、易于实现机电一体化、经济性可观等优点。为此，在旧有机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较大的经济效益。1.2 数控机床的基本结构及工作原理数控机床加工零件的工作过程分以下几个步骤实现：（1）根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序。（2）所编程序指令输入机床数控装置中。（3）数控装置对程序（代码）进行翻译、运算之后，向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床的各运动部件，并控制所需要的辅助运动。（4）在机床上加工出合格的零件。下面对其各组成部分加以介绍。1输入装置数控加工程序可通过键盘，用手工方式直接输入数控系统。还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工，另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从存储器中逐段调出进行加工。 2数控装置数控装置是数控机床的中枢。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置它的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求。因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动各执行部件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。3驱动装置和检测装置驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的移动部件，以加“出符合图样要求的零件。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置中。数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按指令设定值运动。4辅助控制装置辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。现广泛采用可编程控制器（PLC）作数控机床的辅助控制装置。5机床本体数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。1.3数控机床的分类1.3.1 按加工工艺方法分类1金属切削类数控机床有数控车床、铣床、钻床、磨床、齿轮加工机床和加工中心等。2特种加工类数控机床数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。3板材加工类数控机床数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。4非加工设备，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。1.3.2 按控制运动的方式分类 1点位控制数控机床机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。如：数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。2点位直线控制数控机床机床移动部件不仅要实现由一个位置到另一个位置的精确移动定位，而且要控制工作台以一定的速度沿平行坐标轴方向进行直线切削加工。主要有简易数控车床、数控镗铣床等。3轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床不仅可完成点位及点位直线控制数控机床的加工功能，而且能够对两个或两个以上坐标轴进行插补，因而具有各种轮廓切削加工功能。常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。轮廓控制系统的结构要比点位直线控制系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。1.3.3 按驱动装置的特点分类1开环控制数控机床其控制系统不带反馈装置，通常使用功率步进电动机为伺服执行机构。开环控制系统结构简单，成本较低。不能进行误差校正，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。2半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床的特点是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角度检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。半闭环数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，使结构更加紧凑。3闭环控制数控机床闭环控制数控机床的特点是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件4混合控制数控机床将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床。混合控制系统又分为两种形式：（1）开环补偿型控制方式。其特点是基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。通过装在工作台上的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。（2）半闭环补偿型控制方式。其特点是用半闭环控制方式取得高速度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。1.4 数控机床的特点及应用范围1.4.1 数控机床的加工特点1加工精度高目前数控机床的脉冲当量普遍达到了0001 mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿。数控机床的加工精度由过去的 001 mm提高到 0005 mm。定位精度 90年代初中期已达到0.002mm0005 mm。2对加工对象的适应性强在数控机床上改变加工零件时，只需重新编制（更换）程序，输入新的程序后就能实现对新零件的加工。3自动化程度高，劳动强度低数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的,操作者除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到了相应的改善。4生产效率高数控机床能有效的减少机动时间与辅助时间，每一道工序都能选用最有利的切削用量，选用了很高的空行程运动时间。因而消耗在快进、快退、和定位的时间比一般机床少得多。5良好的经济效益在单件、小批量生产的情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率等，因此能够获得良好的经济效益。6.有利于现代化管理用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化。1.4.2数控机床的应用范围数控机床最适合加工具有以下特点的零件：（1）多品种小批量生产的零件；（2）形状结构比较复杂的零件；（3）精度要求高的零件；（4）需要频繁改型的零件；（5）价格昂贵，不允许报废的关键零件；（6）需要生产周期短的急需零件；（7）批量较大，精度要求高的零件。第二章经济型车床数控改造总体方案的确定2.1设计任务 (1)采用ISO标准语言，绝对/增量方式混合编程。 (2)连续方式控制X,Z向二轴。 (3)脉冲当量:X向，0. 005mm/脉冲;Z向0.Olmm/脉冲。 (4)快速定位速度:X轴为lm/min, Z轴为3m/min。 (5)最大编程尺寸:士9999. 99mm, 8位数码管。 (6)最大加工速度:直线为1. 5m/min，圆弧为0. 6m/min。 (7)螺纹加工:公制0. 2512mm，英制33.53牙/吋。 (8)数控系统程序存储器和数据存储器各8KB。2.2总体数控改造方案设计本次设计属于经济型数控化改造，基本原则是在满足使用要求的前提下对机床的改动尽可能少,以降低成本。总体方案为：本设计利用数控装置对CA6140普通车床进行控制,主传动系统部分采用交流调频主轴电动机经带轮及分级齿轮变速箱驱动主轴，通过变频器和齿轮变速箱实现分段无级变速；进给系统采用步进电机通过减速后驱动滚珠丝杠运动，在纵向进给系统中通过一级齿轮减速后驱动滚珠丝杠，在横向进给系统中通过二级齿轮减速驱动滚珠丝杠；刀架改为自动转位刀架(四工位)从而实现自动换刀；通过MCS-51系列8051单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲信号控制进给速度和行程；为了保持切削螺纹的功能，要在主轴外端或其它适当部位装上脉冲发生器；将车床的手动尾座改造成为可控电动尾座。第三章主传动系统设计3.1概述主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速和一定的变速范围，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和和制动。主传动系统包括电动机、传动系统和主轴部件，相比普通车床的主传动系统在结构上比较简单，因为变速功能由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的变速范围。3.1.1数控机床主传动系统的特点与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点：1) 转速高、功率大。使数控机床能进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。2) 变速范围宽。一般Rn100,以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。3) 主轴变速迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持性。3.1.2数控机床主传动系统的设计要求1) 主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和和制动。2) 主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。3) 主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。4) 操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。5) 结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。3.2主传动系统的配置方式3.2.1 主传动系统的主轴电动机的选型数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统。为了扩大调速范围，适应低速大转矩的要求，也经常应用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。我们选用交流主轴电动机配以齿轮变速箱实现分级无级调速。由于交流调速电机体积小，转动惯性小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流电动机高，磨损和故障也少。在中小功率领域已占优势，故本次设计选用交流调速电动机。通过调节供电频率的办法调速。功率特性见下图：主轴电动机在额定转速时输出全部功率和最大转矩，随着转速的变化，功率和转矩将发生变化。在额定转速至最低转速为恒转矩速度范围，在额定转速至最高转速为恒功率速度范围。恒功率的速度范围只有1：3的速度比。当电动机速度超过某一定值之后，其功率速度曲线又会向下倾斜，不能保持恒功率。3.2.2交流主轴电机的调速交流主轴电动机属于交流感应电动机,当定子三相绕组通上交流电时,将建立起旋转磁场,其主磁通m的空间转速为同步转速,其值为n0 = 60f1/p (r/min)式中 f1-定子供电电源频率（HZ） p旋转磁场极对数感应电动机转子的转数n为n= n0（1-s）=60f1（1-s）/p式中 s转差数,s= n0-n / n0由上式可知，调速方法可分为两类。第一类是改变同步转数n0的调速，它分为两种方法，一是改变电动机极对数p。由于p是整数，所以只能得到级差很大的有级调速，不能满足数控机床的要求；二是改变电动机的供电频率f1。可得到平滑的无级调速，是一种高效型交流调速，范围宽，精度高。第二类是不改变同步转速的调速，常用的有调压调速和电磁调速。由于有转差功率损耗，效率低，特性软，不适合数控机床调速。在实际调速时，单纯改变电源频率是不够的，因为由“电动机学”可知，旋转磁场以n0速度切割定绕组，同在每相绕组感应电势为E1=4.44f1k1w1mu1式中 k1w1-定子每相绕组等效匝数； m每极磁通量； u1定子相电压所以m= u1/4.44f1k1w1由上式可知，如在变频调速中，只保持定子电压u1不变，则主磁通大小将会发生变化。如果频率从工频往下调节，则上升，将导致铁心过热，功率因数下降，电动机带负载能力降低。因此，必须在降低频率的同时，降低电压，以保持不变。这就是所谓的恒磁通变频调速中的“调速控制”。只能用变频调速，并且是有效方法。变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，变频器分为：交直交变频器分电压型和电流型。电压型先将电网的交流电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。交交变频器该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电变为频率和电压都可变的交流电。目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交直交变频器。3.2.3分级变速齿轮箱的传动系统设计在设计数控机床主传动时，必须考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。由于主轴要求的恒功率变速范围Rnp远大于电动机的恒功率范围Rdp，所以在主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率变速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。我们先设定主轴的最高转速为4000r/min,最低转速为了30r/min,计算转速为150r/min，最大切削功率为5.5KW，交流主轴电机额定转速为1500r/min,最高转速为4500r/min.主轴要求的恒功率变速范围Rnp=4000/150=26.7电动机的恒功率变速范围 Rdp=4500/1500=3主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率变速范围，故必须配以分级变速箱。取变速箱的公比f等于电动机的恒功率变速范围Rdp, 即f=Rdp=3，功率特性图是连续的，无缺口无重合的。如变速箱的变速级数为Z，则主轴的恒功率变速范围Rnp等于Rnp=fZ-1 Rdp=fZ故变速箱的变速级数 Z=lgRnp/lgf=2.99取Z=3变速齿轮箱采用一级变速三对齿轮副数,齿数分别为:高速级Z1:Z2=112:58；中速级Z1:Z2=68：102；低速大转矩级Z1:Z2=30：140利用原车床主轴箱内的第三轴和主轴，查车床图册，两轴的中心距为170mm。因所选用电机与原电机功率相同，故轴不必另行校核。三副齿轮只校核低速重载齿轮副即可。校核如下：已知电动机输出功率为7.5KW,额定转速为1500r/min,则经同步带传动，第三根轴的转速为750r/min。经Z1:Z2=30/140传动后，主轴转速为160r/min.大、小齿轮均采用45钢并进行调质处理,选小齿轮硬度HBS260290,大齿轮硬度HBS220250,精度选6级。m=2mm,a=20,齿宽b=20mm,ha*=1,c*=0.25,齿轮传动效率=0.98齿轮几何尺寸计算:d1=z1m=60mm,d2=z2m=280mm,da1=(z1+2)m=64mm,da2=(z2+2)m=284mm,df1=(z1-2.5)m=55mm,df2=(z2-2.5)m=275mm,a=(z1+z2)m/2=170mm齿轮校核:1) 小齿轮转矩式中 P电动机的输出功率齿轮传动效率取0.962) 动载荷系数式中 KA使用系数取1 Kv动载荷系数取1.15 KB齿向载荷系数取1.15 Ka齿向载荷分配系数由查表并插值得K=1.179则K=1*1.15*1.15*1.179=1.563) 许用弯曲应力式中：弯曲疲劳极限；=460N/mm2 =390N/mm2 弯曲寿命系数 YX尺寸系数取1 SF安全系数取1.3则4) 齿要弯曲疲劳强度校核计算由式式中齿形系数 =2.4 =2.25 应力修正系数 =1.653 =1.75 重合度系数则故齿根弯曲强度足够，满足要求。传动系统图见下图转速图见下图主轴转速从4000r/min至145r/min由AB、BC、CD在段连接而成，属电动机的恒功率区，从145r/min降至30r/min上图中的CD段为恒转矩区。如取总效率=0.75，则电动机功率P=5.5/0.75=7.3KW。可选用北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，连续额定输出功率为7.5KW。3.2.4主传动系统组件的结构形式在检查原有主轴轴承完好、运转正常的前提下，保留原有主轴支撑方式。保留原机床的主轴手动变速。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。增加一只电磁离合器，用以接收数控系统的停机制动信号以控制原制动装置制动停车。加工螺纹时，为保证主轴每转一转，刀具准确移动一个导程，须配置主轴脉冲发生器作为主轴位置信号的反馈元件。脉冲发生器采用同轴安装，橡胶管柔性联接，意在实现角位移信号传递的同时，又能吸收车床主轴的部分振动，从而使主轴脉冲发生器转动平.稳，传递信号准确。数控机床主轴带传动变速常用多楔带和同步带。同步带又称为同步齿形带，按齿形不同又可分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带两种。其中梯形齿多用在转速不高或小功率动力传动中，而圆弧齿多用在数控加工中心等要求较高的数控机床主运动传动系统中。我们选用H型梯形齿同步带。查手册选两梯形齿同步带用带轮为Z1:Z2=22：44，带宽为50.8mm,小带轮节圆为80mm, 大带轮节圆为194mm。带高4.3mm齿高2.29mm节距12.7mm。第四章伺服进给系统的结构设计与计算4.1伺服进给传动系统概述数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机、功率步进电机、电液脉冲马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴刀架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控机床的伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质上的差别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。伺服进给系统的基本要求：1) 精度要求伺服系统必须保证机床的定位精度和加工精度。对于低档型数控系统，驱动控制精度一般为0.01mm；而对于高性能数控系统，驱动控制精度为1um甚至为0.1um。2) 响应速度为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。3) 调整范围调整范围Rn是指生产机械要求电动机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比。为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动系统必须具有足够宽的调整范围。4) 低速、大转矩根据机床的加工特点，经常在低速下进行重切削，即在低速下进给驱动系统必须有大的转矩输出。伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环三种方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不高的问题，但步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累。步进电机的转速和输入脉冲频率也有严格的对应关系，而且具有在负载能力范围内不随电流、电压、负载、环境条件的波动而变化的特点。此外，步进电机控制的开环系统不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的进展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机傲为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在系统中增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了给安装调试增加了工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。考虑到是在普通车床上进行改造，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，我们采用了微机控制的步进电机开环伺服系统。4.2步进电动机及开环进给控制步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的执行元件，是一种用脉冲信号控制的电动机，也称为脉冲电动机,在负载能力及动态特性范围内，步进电动机将来自数控装置的进给脉冲输出，电动机的角位移与控制脉冲数成正比，转速与控制脉冲频率成正比。对于每一个电脉冲,步进电机都将产生一个恒定的步进角位移,每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角b, b取为0.75。每脉冲代表电机一定的转角,这个转角经齿轮副和滚珠丝杠副使工作台移动一定的距离每个脉冲所对应的执行件的移距,称为脉冲当量或分辨率根据机床精度要求确定脉冲当量p，纵向：001mm步；横向：0005 mmstep。步进电动机的转速决定于控制绕组与电源接通和断开的脉冲变化频率。步进电动机的优点:可以开环驱动而无需反馈,无稳定性问题,无累积定位误差,能响应数字信号,适合于数字计算机控制,机械结构简单,很少需要维护,不易受污染,可重复地堵转而不会损坏,相当坚固耐用。步进电动机的缺点：运动的增量和步距是固定的，在步进分辩率上缺乏灵活性，承受大惯性负载的能力有限，可供使用的电机尺寸和输出功率是有限的。步进电动机的种类很多，通常分为三种类型：反应式、永磁式和混合式。反应式步进电动机是利用磁阻转矩使转子转动的，是我国使用最广泛的步进电动机形式。4.2.1步进电动机的驱动控制步进电机是一种特殊的机电元件，不能直接接到交直流电源上工作，必须使用专用的驱动器。步进电机的驱动控制系统框图如下图所示。环形分配器用来接收来自控制器的脉冲信号，每来一个脉冲，环形分配器的输出转换一次。因此，步进电机转速的高低、升或降速、启动和停止都完全取决于控制器的有无或频率。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定步进电机的转动方向。1、脉冲分配控制步进电机驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电机各相驱动器的输入端以控制励磁绕组的导通或截止。同时，由于电动机有正反转要求，所以脉冲环分配既是周期性的，又是可逆的。因此环形分配器是一种可逆循环的特殊编码计数器。其功能可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的1、脉冲分配控制硬件（环形分配器）硬件环形分配器的种类很多，有专用基金的集成电路，可以用JK触发器或D触发器构成，还可以用通用的可编程逻辑器件组成。集成CH250是一种专为反应式三相步进电机设计的环形分配器。该集成电路采用CMOS工艺，集成度高，可靠性好。如下图示当DIR=“1”时，每来一个脉冲（CLK）则电动机正转一步；当DIR=“0”时，每来一个脉冲（CLK）则电动机反转一步。CNC装置电源环形分配器A相驱动B相驱动C相驱动FULL/HALFDIRCLKM三相硬件环形分配器的驱动控制2软件脉冲分配的控制软件脉冲分配器是指实现步进电机脉冲分配控制的计算机程序。硬件脉冲分配器不占用计算机资源，但需要电路的支持，硬件成本较高。软件脉冲分配器不需额外电路，但要占用计算机运行时间。软环形分配器的设计方法有多种，如查表法、比较法、移位寄存器法等，最常用的是查表法。查表法的基本思路是：根据步进电机与计算机的接线情况及通电方式求出所需要的环形分配器输出状态表，将其存入存储器中，运行时按节拍序号查表获得相应控制数据，在规定时刻通过输出口将数据输出到步进电动机的驱动电路。对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软件根据下表所示真值表，按顺序及方向控制输出接口将A、B、C的值输出即可。导电相工作状态CBAA001AB011B010BC110C00CA1014.2.2、步进电机的驱动放大电路一般步进电机需要几个安培的电流，而环形分配器的输出电流很小，不能直接驱动步进电机，因此需要功率放大电路实现对脉冲分配回路弱信号的放大，产生电机脉冲信号工作所需的激磁电流，。功率放大电路有单电压、双电压、斩波型等。驱动放大器的作用：将环形分配器发出的TTL电平信号放大至几安培到十几安培的电流，送至步进电动机的各绕组。驱动放大器的控制电路：单电压简单驱动、高低压切换驱动、高压恒流斩波、调频调压、细分驱动等。a单电压功率放大电路单电压功率放大电路是步进电动控制中最简单的一种驱动电路。其中L是步进电机的电感；RL是绕组电阻；D是二续流二极管；它为绕组放电提供回路；Rc是一个外接的功率电阻，也是一个限流电阻，V是大功率开关晶体管。电路的时间常数为 T=L/（RL+RC）时间常数表示开关回路在导通时允许步进电机绕组电流上升的速率。T越小，则在晶体管V从截止变成导通时允许步进电机按指数曲线上升越快，达到稳定时间越短，T越大，电流上升越慢，达到稳定值的时间就越长。驱动电路时间常数T对电机绕组的电流到达稳态值的时间有极大的关系，它影响步进电机的工作频率。T越小，电流到达稳态的时间越短，则电机的工作频率就可越高；反之，T越大，电流到达稳态的时间越长，电机的工作频率就越低。单电压功率放大电路最大的特点是结构简单，但它的缺点是工作效率低，在高频工作状态时其效率很差。它的外接电阻Rc消耗相当大的一部分能量，并且Rc还会发热影响到电路工作的正常稳定状态。所以单电压功率放大电路一般只用于小功率步进电动机的驱动，单电压功率放大电路单电压基本改进电路如下图所示单电压基本改进电路它在外接电阻Rc的两端并联了一个电容C，同时在贯注回路中串联一个电阻Rd。在Rc上并联电容C可以改善步进电机绕组的电流前沿特性。在功率晶体管V导通的瞬间，电容相当于短路，迫使流过绕组的电流上升进一步加快，这样可使电流的前沿明显变陡，从而提高了步进电机的高频性能。在Rc上并联C，俣的在一个步进的周期中，注入绕组的平均电流值相对增加了，从而提高了步进电机的转矩。特别是在高频段工作时更为明显。这种电路在实际应用中有着较多的应用。步进电机驱动电路的主要功能是功率放大，它将光电隔离电路进来的弱信号经功率放大，变成较强的电信号，直接驱动步进电机，如图所示。当控制脉冲来时，vl，v3，v4全导通，并使脉冲变压器Tc的副边产生一定宽度的脉冲电流，使v2导通，使v5处于反向偏置，将低压Ga与绕组La切断，高压电源Gh通过v2、v1为步进电机某一相绕组La供电，使其电流上升沿变陡。经过tb时间后脉冲电流消失，使V2截止，Gh与绕组之间被切断。Ga 通过v5、V1为La供电，提供电动机所需的额定电流。通过调整脉冲变压器的磁芯和R5可改变高压供电的时间宽度tb。速度控制：进给脉冲频率f定子绕组通电/断电状态变化频率f 步进电机转速工作台的进给速度V。 V=60f硬件环分：控制CLK的频率，控制电动机的速度。软件环分：控制相邻两次软件环分状态之间的延时时间，可电动机线圈通电状态的变化频率。光电隔离电路：在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制电动机励磁绕组，由于步进电机需要的驱动电压较高(约80v)，电流较大(约6A)，若将输出信号与功率放大器直接相联，将会引起强电干扰。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要接上隔离电路。4.2.3步进电动机参数说明1、步距角b 每输入一个脉冲信号步进电动机所转过的角度称为步距角，以b表示。步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。m电机相数；Z转子齿数； K系数，相邻两次通电相数相同，K1；相邻两次通电相数不同，K2。2、矩角特性与最大静转矩如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度，角度称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角的关系叫矩角特性，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。3、启动频率空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。 4、连续运行频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。 5、矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系，该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。步进电机与滚珠丝杠联接方式：一种是直联，结构简单但运动位移的脉冲不是5的整数倍时给编程计算带来不便；另一种是在步进电动机与滚珠丝杠间能过减速器联接在一起，结构较复杂但有利于编程计算有利于提高加工精度。4.3纵向进给系统的设计计算4.3.1 设计参数加工最大直径：在床面上400mm，在床鞍上210 mm；加工最大长度：1 000 mm；溜板及刀架重力：纵向800 N；刀架快速速度：纵向24m/min；最大进给速度：纵向O8 mmin；主电动机功率：P主=7，5 kW；起动加速时间：30 ms；机床定位精度：0015 mm。根据机床精度要求确定脉冲当量p，纵向：001mm步；横向：0005 mm步。4.3.2纵向进给切削力的确定P主Pm/m=FzV*10-3/m式中m =0.750.85;V-主轴传递全部功率时的最低速度主切削力Fz按经验公式估算：Fz=0.67Dmax1.5=5360N式中Dmax为车床床面上加工的最大直径按切削力各分力比Fz：Fx ：Fy =1：025：04Fx=5360025=1340NFy=5360O40=2144N4.3.3 纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠工作原理及特点：滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服系统中使用最广泛的传动装置。在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道，在滚道内装入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚动，迫使二者发生轴向相对位移。为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路。由于滚珠的存在，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。滚珠丝杠螺母机构有下列特点。1) 摩擦损失小、传动效率高。滚珠丝杠螺母机构的传动效率可达0.920.96，是普通滑动丝杠螺母机构的34倍，而驱动转矩仅为滑动丝杠螺母机构的四分之一。2) 运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行、由于主要存在的是滚动摩擦，不仅动、静摩擦因数小，且其差值也很小，因而启动转矩小，动作灵敏，即使在低速情况下也不会出现爬行现象。3) 轴向刚度高、反向定位精度高，由于可能完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可实现滚珠的预紧，因而轴向刚度，反向时无空行程，定位精度高。4) 磨损小、寿命长、维护简单，使用寿命是普通滑动丝杠的410倍。5) 传动具有可逆性、不能自锁，由于摩擦因数小，不能自锁因而使该机构的传动具有可逆性，即不仅可以把旋转运动转化为直线运动，而且还可以把直线运动转化为旋转运动。6) 同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性。7) 有专业厂生产，选用配套方便，目前滚珠丝杠不仅广泛应用于数控机床，而且越来越多地代替普通丝杠螺母机构，用于各种精密机床和精密装置。(1)计算进给牵引力FmFm= KFx+f(Fz+G) =1151340+016(5360+800)=2530N式中 K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=115；f滑动导轨摩擦系数，取：015018；G溜板及刀架重力，G=800N。(2)计算最大动负载Cm=,L=60nT/106 n=1000Vs/L。式中L滚珠丝杠导程，初选L。=8mm；Vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(1213)，此处Vmax=08mmin；T使用寿命，数控机床用滚动丝杠寿命15000h；fw运转系数，按一般运转取121.5L寿命，以106r为1单位。n=1000Vs/L。=10000805/8=50rmin，L=60nT/106 = L=60*50*15000/106=45Cm= C=(3) 纵向进给滚珠丝杠螺母副的选型滚珠丝杠副选择的主要依据是工作动负荷Cm (N)必须小于滚珠丝杠的额定动负荷Ca(N),即必须满足: Cm Ca。公称直径dm越大,承载能力和刚度越大,数控机床常用进给丝杠的公称直径dm为3080mm取dm=40mm滚珠丝杠副按其使用范围及要求分为7个精度等级,即1、2、3、4、5、7、10,1级最高,其余依次降低一般选用47级,数控机床及精密机械可选23级,滚珠丝杠副的精度直接影响定位精度、承载能力和接触刚度,故选择3级精度。查表可采用CDM4008-5外循环双螺母垫片预紧的双螺母滚珠丝杠副。字母含意：C：外循环插管 D：垫片预紧 M：插管埋入式。其几何参数如下：公称直径 do=40mm 导程 Lo=8mm 钢球直径 Dw=4.736mm 螺旋角 r=338丝杠外径 d1=39mm循环列圈数 2*2.5*2额定动载荷 Ca=31714N额定静压载荷 Coa=101702N刚度 1240N/um kc(4)传动效率计算丝杠副传动效率=tgrtg(r+)=O956式中y 螺旋升角(CDM4008-5滚珠丝杠)，y=338；摩擦角，=10。滚动摩擦系数00030004。(5)丝杠的刚度验算工作时受轴向力和扭转作用，因丝杠受扭时引起的导程变化很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量L=FmLo/ES式中： Lo- 丝杠导程0.8cm 进给牵引力Fm=2530N E-弹性模量20.6*N/cm2 s-滚珠丝杠截面积（按外径d1=3.9cm确定s=11.94cm2）则L=FmLo/ES=8.229*10-6cm丝杠1m长度上导程变形总误差L总=100L/Lo=10.286um/m三级精度滚珠丝杠允许误差为15um/m故刚度足够。(6)丝杠的稳定性计算滚珠丝杠失稳时临界负载Pc=式中： u丝杠轴端系数，两端铰支取u=1l丝杠长度，取2000mmE丝杠弹性模量，对钢材质取E=20.6*N/cm2I丝杠截面惯性矩，对实心圆柱体I=cm4Pcr =65KN许用安全系数nst=4稳定性安全系数n= Pcr/Fm=65000/2530=25.6914故滚珠丝杠满足稳定性要求不失稳。4.3.4纵向进给减速齿轮的设计与校核1 齿轮的设计传动比的选定对于步进电机,当脉冲当量p确定,并且滚珠丝杠导程L0和电机步距角b选定后,则该轴伺服传动系统的传动比i=bL0/(360p)=0.75*8/(360*0.01)=1.667齿轮的设计大、小齿轮均采用45钢并进行调质处理,选小齿轮硬度HBS260290,大齿轮硬度HBS220250,精度选6级。m=2mm,a=20,z1=42,z2=70,齿宽b=17mm,ha*=1,c*=0.25,齿轮传动效率=0.98齿轮几何尺寸计算:d1=z1m=84mm,d2=z2m=140mm,da1=(z1+2)m=88mm,da2=(z2+2)m=144mm,df1=(z1-2.5)m=79mm,df2=(z2-2.5)m=135mm,a=(z1+z2)m/2=112mm齿轮校核:5) 小齿轮转矩 T1=T*K1式中 T电动机的输出功率 K1J电动机效率取0.96则T1=9600Nmm6) 小齿轮的转速 7) 小齿轮的圆周速度 8) 动载荷系数式中 KA使用系数取1 Kv动载荷系数取1.15 KB齿向载荷系数取1.15 Ka齿向载荷分配系数由查表并插值得K=1.179则K=1*1.15*1.15*1.179=1.569) 许用弯曲应力式中：弯曲疲劳极限；1=460N/mm2 2=390N/mm2 弯曲寿命系数 YX尺寸系数取1 SF安全系数取1.3则10) 齿要弯曲疲劳强度校核计算由式式中齿形系数 =2.4 =2.25 应力修正系数 =1.653 =1.75 重合度系数则故齿根弯曲强度足够，满足要求。4.3.5纵向进给步进电动机的计算和选型 (1)等效转动惯性量计算传动系统折算到电机轴上总的转动惯量：式中 JM 步进电机转子转动惯量kg/cm2，J1,J2 齿轮z1，z2的转动惯量kg/cm2Js 滚珠丝杠转动惯量kg/cm2参考同类机床，初选磁滞式(反应式)步进电机150BF，其转子转动惯量JM=10 kg/cm2对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量计算:式中 D圆柱形零件直径 L零件轴向长度J1=7.810-4d4*1.7kg/cm2：J1=6.6 kg/cm2，J2=7.810-4d4*1.7kg/cm2：J2=50.94 kg/cm2，Js查表查出:1m长丝杠转动惯量为15.18 kg/cm2，则Js=15.18*2=30.36 kg/cm2G=800 N，得=1.325 kg/cm2则总的转动惯量=46.345 kg/cm2(2)负载转矩计算及最大静转矩选择a.快速空载起动时所需力矩Mq=Mamax+Mf+M0式中 Mq-快速起动时所需力矩 Mamax快速空载时折算到电动机轴上的最大加速力矩 Mf-折算到电动机轴的摩擦力矩 M0-丝杠预紧时折算到电动机轴上的附加摩擦力矩当工作台快速移动时,电动机转速 max=Vmaxb /(y*360)=2400*0.75/0.01/360=500r/min Mamax=J*2*nmax/(60T)=46.345*2*500*10-2/60/0.03=808.87Ncm折算到电动机轴上的摩擦力矩Mf=FoLo/2i式中 Fo-导轨的摩擦力Fo=f(Fz+G) Fc-垂直方向切削力 -主传动效率=0.8Mf=FoLo/2i= f(Fc+G) Lo/2i =0.16*(5360+800)*0.8/(2*0.8*1.667)=88.218 Ncm附加摩擦力矩Mo=FpoLo(1-s2)/2i=28.980Ncm式中 Fpo-滚珠丝杠预加负荷取1/3Fm=2530/3=843N s-滚珠丝杠未预紧时的传动效率取为0.9Mq=Mamax+Mf+M0=808.87+88.218+28.980=926.07Ncmb. 快速移动时所需力矩Mk= Mf+M0=88.218+28.980=117.198Ncmc. 最大切削负载时所需力矩MQ= Mf+M0+Mt式中 Mt-折算到电动机轴上的切削负载力矩=FxLo/2i=127.96 Ncm则MQ=88.218+28.980+127.96=245.158Ncm从上面计算可以看出，Mq ，Mk ，MQ三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大。以此项作为初选步进电机的依据。查表，查表，当步进电机为五相十拍时= Mq Mjmax = 0951。最大静力矩 Mjmax= Mq/=926.07/0.951=973.786Ncm按此最大静转矩，查表，150BF002型最大静转矩为1372 Ncm。大于所需最大静力矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。(3)计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率步进电动机的最高工作频率 Fmax=1000Vmax/60=1000*2.4/60/0.01=4000Hz150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2 800 Hz，运行频率为8 000 Hz。由150BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线看出当步进电机起动时， =2 500 Hz时，M=100 Ncm。远不能满足此机床所需求的空载起动力矩(926.07Ncm)，直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制(用软件实现)，将运动频率降到1 000H2时，起动力矩可增到5884 Ncm，然后在电路上采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大1倍左右。当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行频率特性完全可以满足要求。根据计算综合考虑选150BF002型步进电动机磁阻式步进电动机技术数据: 型号: 150BF002相数: 5步距角(): 0.75电压/V: 80/12相电流/A: 13最大静转矩/(Nm): 13.72空载起动频率/(step/s): 2800空载运行频率/(step/s): 80电感/mH: 电阻/: 0.121分配方式: 五相十拍外形尺寸/mm: 150155质量/kg: 14 纵向进给机构改造时拆除原机床的进给箱及丝杠,将步进电机减速齿轮箱安装在原机床的尾端,滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置, 两端仍采用原固定方式,这样可以减小改装工作量，并由于滚珠丝杠的磨擦系数小于原丝杠,从而使纵向进给机构整体刚度增大。为了便于安装滚珠丝杠副，丝杠轴不是整体的，而是分移式的，用套筒刚性联接。采用一级齿轮减速。4.4横向进给系统的设计计算4.4.1横向进给切削力的确定设计参数：溜板及刀架重力：横向600 N；刀架快速速度：横向12 m/min；最大进给速度：横向04 m/min；主电动机功率：P主=7，5 kW；起动加速时间：30 ms；机床定位精度：0015 mm。滚珠丝杠导程取为6mm4.4.2横向进给切削力的确定横向进给力为纵向的1/21/3，取为1/2，则Fz=1/2F纵=2680N按切削力各分力比Fz：Fx ：Fy =1：025：04Fx=2680025=670NFy=2680O40=1072N4.4.3 横向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型(1) 选型横向为燕尾导轨，则轴向进给切削力FmFm= KFx+f(Fz+2Fy+G) =14670+02(2680+2*670+600)=1754N式中 K考虑颠覆力矩影响的实验系数，燕尾导轨取K=1.4；f滑动导轨摩擦系数，取：0.2；G溜板及刀架重力，G=600N。(2)计算最大动负载Cm=,L=60nT/106 n=1000Vs/L。式中 L滚珠丝杠导程，初选L。=6mm；Vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(1213)，此处Vmax=04mmin；T使用寿命，数控机床用滚动丝杠寿命15000h；fw运转系数，按一般运转取121.5L寿命，以106r为1单位。n=1000Vs/L。=10000405/6=33.33rmin，L=60nT/106 = L=60*33.333*15000/106=30Cm= C=根据Cm值，Cm Ca的原则查表可采用CDM3206-5外循环双螺母垫片预紧的双螺母滚珠丝杠副。字母含意：C：外循环插管 D：垫片预紧 M：插管埋入式。其几何参数如下：公称直径 do=32mm 导程 Lo=6mm 钢球直径 Dw=3.969mm 螺旋角 r=325丝杠外径 d1=31.5mm循环列圈数 2*2.5*2额定动载荷 Ca=22780N刚度 1240N/um kc(4)传动效率计算丝杠副传动效率=tgrtg(r+)=O953式中 y 螺旋升角(CDM3206-5滚珠丝杠)，y=325；摩擦角，=10。滚动摩擦系数00030004。(5)丝杠的刚度验算工作时受轴向力和扭转作用，因丝杠受扭时引起的导程变化很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量L=FmLo/ES式中： Lo- 丝杠导程0.6cm 进给牵引力Fm=1754N E-弹性模量20.6*N/cm2 s-滚珠丝杠截面积（按底径直d1=2.77cm确定s=11.94cm2）则L=FmLo/ES=7.07*10-6cm丝杠1m长度上导程变形总误差L总=100L/Lo=11.78um/m三级精度滚珠丝杠允许误差为15um/m故刚度足够。(6)丝杠的稳定性计算滚珠丝杠失稳时临界负载Pc=式中： u丝杠轴端系数，两端铰支取u=1l丝杠长度，取1000mmE丝杠弹性模量，对钢材质取E=20.6*N/cm2I丝杠截面惯性矩，对实心圆柱体I=cm4Pcr= =65KN许用安全系数nst=4稳定性安全系数n= Pcr/Fm=65000/1754=37.0584故滚珠丝杠满足稳定性要求不失稳。4.4.4横向进给减速齿轮的设计与校核1齿轮的设计传动比的选定对于步进电机,当脉冲当量p确定,并且滚珠丝杠导程L0和电机步距角b选定后,则该轴伺服传动系统的传动比i=bL0/(360p)=0.75*6/(360*0.005)=2.5齿轮的设计采用二级齿轮传动,i1=2;i2=1.25取Z1=36；Z2=72；Z3=40；Z4=50大、小齿轮均采用45钢并进行调质处理,选小齿轮硬度HBS260290,大齿轮硬度HBS220250,精度选6级。m=2mm,a=20,齿宽b=20mm,ha*=1,c*=0.25,齿轮传动效率=0.98齿轮几何尺寸计算:82d1=z1m=72mm, d2=z2m=144mm,da1=(z1+2)m=76mm,da2=(z2+2)m=148mm,df1=(z1-2.5)m=67mm,df2=(z2-2.5)m=139mm,a1=(z1+z2)m/2=108mmd3=z3m=80mm,d4=z4m=100mm,da3=(z3+2)m=84mm,da4=(z4+2)m=104mm,df3=(z3-2.5)m=75mm,df4=(z4-2.5)m=95mm,a3=(z3+z4)m/2=90mm齿轮校核:一级齿轮副强度校核：1) 小齿轮转矩 T1=T*K1式中 T电动机的输出功率 K1J电动机效率取0.96则T1=9600Nmm2) 小齿轮的转速 3) 小齿轮的圆周速度 4) 动载荷系数式中 KA使用系数取1 Kv动载荷系数取1.15 KB齿向载荷系数取1.15 Ka齿向载荷分配系数由查表并插值得K=1.174则K=1*1.15*1.15*1.174=1.5535) 许用弯曲应力式中：弯曲疲劳极限；1=460N/mm2 2=390N/mm2 弯曲寿命系数 YX尺寸系数取1 SF安全系数取1.3则6) 齿要弯曲疲劳强度校核计算由式式中齿形系数 =2.45 =2.24 应力修正系数 =1.65 =1.75 重合度系数则故齿根弯曲强度足够，满足要求。二级齿轮副强度校核：1) 小齿轮转矩 T2=9550P2/n2式中 P2= P1*=615.7 T2=9550P2/n2=18816N/mm22) 小齿轮的圆周速度 3) 动载荷系数式中 KA使用系数取1 Kv动载荷系数取1.15 KB齿向载荷系数取1.15 Ka齿向载荷分配系数由查表并插值得K=1.168则K=1*1.15*1.15*1.168=1.2734) 许用弯曲应力式中：弯曲疲劳极限；1=460N/mm2 2=390N/mm2 弯曲寿命系数 YX尺寸系数取1 SF安全系数取1.3则5) 齿要弯曲疲劳强度校核计算由式式中齿形系数 =2.4 =2.33 应力修正系数 =1.653 =1.7 重合度系数则故齿根弯曲强度足够，满足要求。4.4.5横向进给步进电动机的计算和选型 (1)等效转动惯性量计算传动系统折算到电机轴上总的转动惯量：式中 JM 步进电机转子转动惯量kg/cm2，J1,J2 齿轮z1，z2的转动惯量kg/cm2Js 滚珠丝杠转动惯量kg/cm2参考同类机床，初选磁滞式(反应式)步进电机150BF，其转子转动惯量JM=10 kg/cm2对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量计算:式中 D圆柱形零件直径 L零件轴向长度J1=7.810-4d4：J1=4.19 kg/cm2，J2=7.810-4d4：J2=67.08 kg/cm2，J3=7.810-4d4：J1=6.39 kg/cm2，J4=7.810-4d4：J2=15.6kg/cm2，Js查表查出:1m长丝杠转动惯量为11.45 kg/cm2，则Js=11.45*2=22.901 kg/cm2G=600 N，得=0.994 kg/cm2则总的转动惯量=35.212 kg/cm2(2)负载转矩计算及最大静转矩选择a.快速空载起动时所需力矩Mq=Mamax+Mf+M0式中 Mq-快速起动时所需力矩 Mamax快速空载时折算到电动机轴上的最大加速力矩 Mf-折算到电动机轴的摩擦力矩 M0-丝杠预紧时折算到电动机轴上的附加摩擦力矩当工作台快速移动时,电动机转速 max=Vmaxb /(y*360)=1200*0.75/0.005/360=500r/min Mamax=J*2*nmax/(60T)=35.212*2*500*10-2/60/0.03=615.444Ncm折算到电动机轴上的摩擦力矩Mf=FoLo/2i式中 Fo-导轨的摩擦力Fo=f(Fz+G) Fc-垂直方向切削力 -主传动效率=0.8Mf=FoLo/2i= f(Fc+G) Lo/2i =0.2*(2680+600)*0.6/(2*0.8*2.5)=31.321 Ncm附加摩擦力矩Mo=FpoLo(1-s2)/2i=5.3040Ncm式中 Fpo-滚珠丝杠预加负荷取1/3Fm=17541/3=584.66N s-滚珠丝杠未预紧时的传动效率取为0.9Mq=Mamax+Mf+M0=615.444+31.321+5.304=652.069Ncmb. 快速移动时所需力矩Mk= Mf+M0=31.321+5.304=36.625Ncmc. 最大切削负载时所需力矩MQ= Mf+M0+Mt式中 Mt-折算到电动机轴上的切削负载力矩=FxLo/2i=31.990Ncm则MQ=31.321+5.304+31.990=68.615Ncm从上面计算可以看出，Mq ，Mk ，MQ三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大。以此项作为初选步进电机的依据。查表，查表，当步进电机为五相十拍时= Mq Mjmax = 0951最大静力矩 Mjmax _= Mq*=652.069/0.951=685.666Ncm按此最大静转矩，查表， 130BF001型最大静转矩为931 Ncm。大于所需最大静力矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。(2) 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率步进电动机的最高工作频率 Fmax=1000Vmax/60=1000*1.2/60/0.005=4000Hz根据计算综合考虑选130BF001型步进电动机磁阻式步进电动机技术数据:型号: 130BF001相数: 5步距角(): 0.75电压/V: 80/12相电流/A: 10最大静转矩/(Nm): 9.31空载起动频率/(step/s): 3000空载运行频率/(step/s): 16000电感/mH: 电阻/: 0.162分配方式: 五相十拍外形尺寸/mm: 130170质量/kg: 9.2 4.5 滚珠丝杠的安装4.5.1滚珠丝杠的安装形式采用两端固定，可在丝杠一端安装碟形弹簧和调整螺母，既能对丝杠施加预紧力，又能让弹簧来补偿丝杠的热变形，保持预紧力近乎不变。这种支承的特点是：刚度最高，只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的四倍。安装时需要螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难：丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一般固定要高。滚珠丝杠的支承轴承应采用滚珠丝杠专用轴承，这是一种特殊的向心推力球轴承，其接触角增大到60度，增加了滚珠数目并相应减小了滚珠直径，使轴向刚度增大到普通向心推力球轴承的两倍。该轴承一般是成套出售，出厂时已调好预紧力，使用极为方便。我们纵向进给系统中左端选用成对滚珠丝杠专用轴承，右端选用深沟球轴承。横向进给系统中选用深沟球轴承。4.5.2滚珠丝杠轴承的校核1. 纵向右端深沟球轴承的校核左端选用了滚珠丝杠专用双列成对向心推力球轴承，不需要校核。已知：d=30mm,n=50r/min.轴承所受轴向载荷A=2.53KN,所受径向载R=1.34KN,Lh=15000h选用6306 型轴承，查手册：Cr=20.8KN,Cor=14.2KN由:A/Cor=2.53/14.2=0.178得：e=0,34由:A/R=2.53/1.34=1.888 A/Re查表得：径向载荷系数X=0.56 轴向载荷系数Y=1.31则Pr=XR+YA=0.56*1.34+1.31*2.53=4.065因轴承工作温度不高故查表取ft=1,fp=1.5LhLh =15000故轴承满足设计要求。使用机械设计手册电子版V3.0常用设计计算程序中滚动轴承设计，查询结果如下：滚动轴承设计报告一、设计信息设计者 Name=李晓瑞设计单位 Comp=中国矿业大学设计日期 Date=2007-5-22设计时间 Time=0:16:30二、设计参数径向力 Fr=1340 (N)轴向力 Fa=2530 (N)轴颈直径 d1=30 (mm)转速 n=50 (r/min)要求寿命 Lh=15000 (h)温度系数 ft=1润滑方式 Grease=油润滑三、被选轴承信息轴承类型 BType=深沟球轴承轴承型号 BCode=6306轴承内径 d=30 (mm)轴承外径 D=72 (mm)轴承宽度 B=19 (mm)基本额定动载荷 C=27000 (N)基本额定静载荷 Co=15200 (N)极限转速(油) nlimy=11000 (r/min)四、当量动载荷接触角 a=0 (度)负荷系数 fp=1.2判断系数 e=0.338径向载荷系数 X=0.56轴向载荷系数 Y=1.318当量动载荷 P=6127.41 (N)轴承所需基本额定动载荷 C=21794.544 (N)五、校核轴承寿命轴承寿命 Lh=28519 (h) 验算结果 Test=合格2. 横向深沟球轴承的校核已知：d=20mm,n=33.33r/min.轴承所受轴向载荷A=1.754KN,所受径向载R=0.67KN,Lh=15000h选用6304 型轴承，查手册：Cr=12.2KN,Cor=7.78KN由:A/Cor=1.754/7.78=0.193得：e=0,347由:A/R=1.754/0.67=1.979 A/Re查表得：径向载荷系数X=0.56 轴向载荷系数Y=1.28则Pr=XR+YA=0.56*0.67+1.28*1.754=2.35因轴承工作温度不高故查表取ft=1,fp=1.5 Lh=15000故轴承满足设计要求。BType = 深沟球轴承使用机械设计手册电子版V3.0常用设计计算程序中滚动轴承设计，查询结果如下：滚动轴承设计报告设计者 Name=李晓瑞设计单位 Comp=中国矿业大学设计日期 Date=2007-5-21设计时间 Time=23:58:49二、设计参数径向力 Fr=670 (N)轴向力 Fa=1750 (N)轴颈直径 d1=20 (mm)转速 n=50 (r/min)要求寿命 Lh=15000 (h)温度系数 ft=1润滑方式 Grease=油润滑三、被选轴承信息轴承类型 BType=深沟球轴承轴承型号 BCode=6304轴承内径 d=20 (mm)轴承外径 D=52 (mm)轴承宽度 B=15 (mm)基本额定动载荷 C=15800 (N)基本额定静载荷 Co=7880 (N)极限转速(油) nlimy=16000 (r/min)四、当量动载荷接触角 a=0 (度)负荷系数 fp=1.2判断系数 e=0.359径向载荷系数 X=0.56轴向载荷系数 Y=1.234当量动载荷 P=3802.05 (N)轴承所需基本额定动载荷 C=13523.486 (N)五、校核轴承寿命轴承寿命 Lh=23922 (h) 验算结果 Test=合格改造后的纵向进给机构，由于用步进电机作驱动元件，所以要拆除原车床上的进给箱、溜板箱、刀架光杆、操作杆等，用滚珠丝杠螺母副代替原梯形螺纹丝杠螺母副。滚珠丝杠仍安装在原梯形丝杠的位置上，两端采用滚动轴承固定，减速机端的固定仍采用原方式。由于滚珠丝杠的摩擦因数小于原丝杠，使纵向进给整体刚度增加。横向进给机构仍保留手动机构，用于微进给及手动操作。原来支承结构亦保留，步进电机及减速箱体安装在车床后侧。溜板箱上安装了纵、横向快速进给按钮和急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和意外情况时4.5.3消除齿轮间隙的措施：由于步进电机和滚珠丝杠之间采用齿轮传动后，引入了传动间隙，步进电机转一个步距角未能使滚珠丝杠同步转一个相应的角度，从而降低加工精度。这种传动间隙如不加以补偿，可能使零件加工积累误差越来越大，造成死区和回程误差。消除齿轮间隙的措施，一方面利用计算机软件修正，另一方面采用无隙齿轮传动。纵、横向进给机构均采用双片齿轮错齿法消除齿轮副间隙,采用双齿轮错齿式消隙结构相同齿数的两薄片同时与另一宽齿轮啮合，两薄片齿轮之间依靠弹簧力使其张开一定角度，使两薄片齿轮的左右齿面分别接触宽齿轮的右左齿面以消除侧隙。结构见下图：第五章自动回转刀架的设计5.1自动回转刀架主要类型及特点刀架是数控车床的重要功能部件,其结构型式很多,主要取决于机床的形式、工艺范围以及工具的种类和数量等。主要类型有经济型数控车床方刀架、盘型自动回转刀架、液压驱动刀架、车削中心用动力刀架。数控车床上使用的回转刀架是一种简单的自动换刀装置，根据不同的加工对象，它可以设计成四方刀架和六角刀架等形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖的位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度。换刀时方刀架的动作是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧刀架。5.2自动回转刀架的设计计算自动换刀装置应满足换刀时间短,刀具重复定位精度高,刀具存储量大,刀库占地面积小及安全可靠等特点,在进行普通车床的经济型数控改造时多采用外购自动转位刀架(螺旋升降转位刀架).自动刀架有四个刀位，可安装四把车刀。刀架的自动转位是通过一台微型交流异步电动机、蜗轮蜗杆副带动刀架转位实现的。由数控系统实现选刀控制，刀架只能顺时针转位，若刀架反转可能导致电动机堵转，使电动机烧毁。自动转位刀架能自动完成抬起回转、选位、下降、定位和压紧。刀架的抬起：利用压缩弹簧的恢复力,利用螺纹传动,将旋转运动变成轴向直线运动,从而达到刀架抬起。刀架的回转：采用微电机通过蜗轮蜗杆使刀架抬起到一定高度时,由拨块带动刀架转动。刀架的选位；由刀架位置的编码和微机程序来实现。刀架的下降；采用微机控制使微电机反转,由于斜面销的棘轮作用,刀架不跟随转,只是下降,压紧刀架的压紧力由微机下降到位后而继续转动产生。5.2.1自动回转刀架步进电动机的选用查LD4CA6140技术参数可知：P=90W，n=1400r/minT=9550P/n=614Ncm由安装尺寸可知：电动机外形直径为90mm综合考虑选90BF006反应式步进电动机磁阻式步进电动机技术数据:型号: 90BF006相数: 5步距角(): 0.36电压/V: 24相电流/A: 3最大静转矩/(Nm): 2.156空载起动频率/(step/s): 2400空载运行频率/(step/s): 8000电感/mH: 17.4电阻/: 0.76分配方式: 五相十拍外形尺寸/mm: 9065质量/kg: 2.2 5.2.2自动回转刀架的蜗轮蜗杆设计计算1. 选择材料及确定齿数蜗杆选用45#钢表面淬火，表面硬度HRC4550蜗轮选用ZcuSn10Pb1，砂模铸造取i=60 m=1mm 变位系数X=0 ha*=1 c*=0.2 =0.8Z1=1 d1=18 Z2=i* Z1=60d2=m*Z2=602. 转速转矩的计算3. 确定许用接触应力式中-基本接触应力查表=200N-应力循环次数= Lh=15000 =182.286N/mm24. 载荷系数式中-使用系数取为1-动载荷系数取为1-载荷分布不均匀系数，载荷平稳、跑合良好则=15. 许用弯曲应力式中-基本许用弯曲应力查表取为51N/mm则=36.363N/mm26. 蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核公式：式中-齿形系数查表取为2.20 =12N/mm2=36.363故弯曲强度足够7. 热平衡计算求所需的散热面积A公式式中-散热系数按通风良好取=14w/(m2C) t-油的工作温度取为85摄氏度 t0-周围空气温度取为20摄氏度传动效率当量摩擦角由滑动速度Vs=V2/sin=0.073/sin=1.316m/s查表得=则滚动轴承效率搅油效率则=0.54则8. 其它主要几何尺寸计算蜗杆顶圆直径da1=d1+2m=20蜗杆根圆直径df1=d1-2(ha*m+c*)=15.6蜗杆螺纹部分长度b1=(11+0.06Z1)m=14.75mm 取为15mm蜗轮喉圆直径da2=d2+2m=62mm蜗轮外圆直径de2da2+1.5m=63.5mm 取为65mm蜗轮宽度b20.75da1=15 取为15mm第六章电动尾座的设计6.1设计方案在原尾座的基础上做部分变动，将原手动操作部分拆除，改换成由电动机通过一级齿轮减速驱动丝杠时尾座前进或后退，当尾座前进顶紧工件后，能自动切断电动机电源，完成顶紧过程。当顶尖需要退回时，只要使电动机反转，使尾座复位。6.2电动尾座改造部分设计计算6.2.1电动尾座驱动电动机的选择预估计预紧力为10KN 进给速度0.08m/s则P=FV=800W选用Y90S-4型交流三相异步电动机，其额定功率1.1KW,额定转矩2.2Nm6.2.2电动尾座用的齿轮设计1. 齿轮的设计取i=2 m=2mmZ1=21 Z2=42d1=42 d2=84小齿轮悬臂布置齿宽系数取=0.4B=*d1=16.8mm 取为16mm2. 预紧力的计算选取丝杠螺距P=5mmn2=n1/i=1400/2=700r/min螺母移动速度传动效率式中电动机效率取为0.98轴承效率取为0.99丝杠传动效率取为0.55则=0.98*0.99*0.55=0.534P=P*=1100*0.534=587.4N则F=P/V=587.4/0.08=7.342KN齿轮校核:1) 小齿轮转矩 T1=T*K1式中 T=2200Nmm K1J电动机效率取0.96则T1=21120Nmm2) 小齿轮的转速 3) 小齿轮的圆周速度 4) 动载荷系数式中 KA使用系数取1 Kv动载荷系数取1.15 KB齿向载荷系数取1.15 Ka齿向载荷分配系数由查表并插值得K=1.126则K=1*1.15*1.15*1.179=1.585) 许用弯曲应力式中：弯曲疲劳极限；1=460N/mm2 2=390N/mm2 弯曲寿命系数 YX尺寸系数取1 SF安全系数取1.3则6) 齿要弯曲疲劳强度校核计算由式式中齿形系数 =2.8 =2.4 应力修正系数 =1.55 =1.653 重合度系数则故齿根弯曲强度足够，满足要求。第七章主轴编码器的设计71编码器工作原理编码器是一种光电式转角测量装置。它是通过直接编码进行测量的元件，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字信量，指示其绝对位置，没有累积误差。具有体积小，精度高，工作可靠，接口数字化等优点。它广泛应用于数控车床、回转台、伺服传动、机器人等需要检测角度的装置和设备中。主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，通过中间轴上的齿轮1:1地同步传动。数控车床主轴的转动与进给运动之间，没有机械方面的直接联系，为了加工螺纹，就要求给进给伺服电机的脉冲数与主轴的转速应有相对应的关系，主轴脉冲发生器起到了对主轴转动与进给运动的联系作用。随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。主轴每转中发出固定数的脉冲,数控装置将这些脉冲按传动要求加以分频或倍频后分配给进给步进电动机,由此可以得到所要求的主轴每转的走刀量。假使这个走刀量等于所要加工的螺纹导程，则可以进行螺纹加工。下图是光电脉冲发生器的原理图。在漏光盘上，沿圆周刻有两圈条纹，外圈为圆周等分线条，例如：1024条，作为发送脉冲用，内圈仅1条。在光栏上，刻有透光条纹A、B、C，A与B之间的距离应保证当条纹A与漏光盘上任一条纹重合时，条纹B应与漏光盘上另一条纹的重合度错位1/4周期。在光栏的每一条纹的后面均安置光敏三极管一只，构成一条输出通道。光电脉冲发生器的原理图灯泡发出的散射光线经过聚光镜聚光后成为平行光线，当漏光盘与主轴同步旋转时，由于漏光盘上的条纹与光栏上的条纹出现重合和错位，使光敏管受到光线亮、暗的变化，引起光敏管内电流大小发生变化，变化的信号电流经整流放大电路输出矩形脉冲。由于条纹A与漏光盘条纹重合时，条纹B与另一条纹错位1/4周期，因此A、B两通道输出的波形相位也相差1/4周期。脉冲发生器中漏光盘内圈的一条刻线与光栏上条纹C重合时输出的脉冲为同步（起步，又称零位）脉冲。利用同步脉冲，数控车床可实现加工控制，也可作为主轴准停装置的准停信号。数控车床车螺纹时，利用同步脉冲作为车刀进刀点和退刀点的控制信号，以保证车削螺纹不会乱扣。72主轴编码器的安装利用挂轮箱中的三星齿轮,找到与主轴传动比为11的传动齿轮,采用同心套与光电编码器相联,结构示意图如图所示。第八章数控车床数控系统设计8.1概述在经济型数控系统中，大多采用8位处理器的微型计算机，可采用ZSOCPU或MCS一51单片机组成的微机应用系统。由于单片机具有集成度高、性能价格比高、可靠性好、功能强和速度快等特点，本系统采用MCS一51作为控制微机。计算机系统一般包括两部分：硬件电路。由微机部分、键盘及显示器、IO接口及光电隔离、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。数控系统硬件框图见附图1。软件。由主模块、子程序模块和中断处理模块等几部分组成。工作时，键盘输入零件加工程序。8位数码管显示工作状态和加工中的有关参数，工作前用波段开关选择编辑、手动、自动3档。微机对数据进行计算处理，由IO接口输出步进脉冲。1、主控制器MCS一51系列单片机有8031，8751，8051，3个不同的品种。其中8051片内有4k ROM；8751片内有4kEPROM，8031片内没有程序存储器，使用时必须在片外扩展EPROM和RAM。以上3个品种的共同点是共有IO线32条，有两个16位的定时计数器，有5个中断源，有全双工申行通信接口，有片内RAM共128个字节，有21个特殊功能寄存器等。可见MCS一51系列单片机是一种功能强的微机芯片，在智能仪表、数控等领域应用极为广泛。2、可编程接口芯片8155此芯片与微机连接较简单，是微机系统广泛采用的接口芯片，它具有40条引脚的双列直插式RAMIOCTC扩展器，含256个字节的RAM 存储器，一个6位，两个8位可编程IO接口，一个14位可编程的定时器计数器。3、键盘、显示接口电路键盘、显示器是数控系统常用的人机交互的外围设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。采用行列式键盘，即用I0接口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。采用8155接口芯片管理的键盘、显示电路，由58键和7位LED显示器组成，为了简化电路，键盘的列线及LED显示器的字位控制共用一个接口，即8155芯片的A接口。键盘的行线由芯片接口控制，显示器的字型数据由芯片的B接口控制。8.2 计算机数控（CNC）系统的简介8.2.1概述计算机数控（computerized numerical contro，简称 CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能由一台计算机完成以前机床数控装置所完成的硬件功能，对机床运动进行实时控制。 CNC系统由程序、输入装置、输出装置、CNC装置、PLC、主轴驱动装置和进给（伺眼）驱动装置组成。由于使用了CNC装置，使系统具有软件功能，又用 PLC取代了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维修也方便，并且具有与上位机连接及进行远程通信的功能。 8.2.2微处理器数控（MNC）系统的组成大多数CNC装置现在都采用微处理器构成的计算机装置，故也可称微处理器数控系统MNC一般由中央处理单元（CPU）和总线、存储器（ROM，RAM）、输入/输出（IO）接口电路及相应的外部设备、PLC、主轴控制单元、速度进给控制单元等组成。1中央处理单元（CPU）和总线(BUS）CPU是微型计算机的核心，由运算器、控制器和内寄存器组组成。它对系统内的部件及操作进行统一的控制，按程序中指令的要求进行各种运算，使系统成为一个有机整体。总线（BUS）是信息和电能公共通路的总称，由物理导线构成。CPU与存储器、I/O 接口及外设间通过总线联系。总线按功能分为数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。 2存储器(memory) ()概述存储器用于存储系统软件（管理软件和控制软件）和零件加工程序等，并将运算的中间结果和处理后的结果（数据）存储起来。数控系统所用的存储器为半导体存储器。（）半导体存储器的分类随机存取存储器（读写存储器）（random access memory）用来存储零件加工程序，或作为工作单元存放各种输出数据、输入数据、中间计算结果，与外存交换信息以及堆栈用等。其存储单元的内容既可以读出又可写入或改写。只读存储器O(resd-only memory)专门存放系统软件（控制程序、管理程序、表格和常数）的存储器，使用时其存储单元的内容不可改变，即不可写入而只能读出，也不会因断电而丢失内容。3 输入/输出（IO）接口电路及相应的外部设备（1）IO接口指外设与CPU间的联接电路。微机与外设要有输入输出数据通道，以便交换信息。一般外设与存储器间不能直接通信，需靠CPU传递信息，通过CPU对IO接口的读或写操作，完成外设与CPU间输入或输出信息的操作。CPU向外设送出信息的接口称为输出接口，外设向CPU传递信息的接口称输入接口，此外还有双向接口。微机中IO接口包括硬件电路和软件两部分。由于选用的IO设备或接口芯片不同，I/O接口的操作方式也不同，因而应用程序也不同。IO接口硬件电路主要由地址译码、IO读写译码和I/O接口芯片（如数据缓冲器和数据锁存器等）组成。在CNC系统中IO的扩展是为控制对象或外部设备提供输入/输出通道，实现机床的控制和管理功能，如开关量控制、逻辑状态监测、键盘、显示器接口等。IO接口电路同与其相连的外设硬件电路特性密切相关，如驱动功率、电子匹配、干扰抑制等。（2）外部IO设备及IO接口MDI/CRT接口手动数据输入（MDI）是通过数控面板上的键盘（常为软触键）进行操作的。当CPU扫描到按下键的信号时，就将数据送入移位寄存器，其输出经过报警检查。若不报警，数据经选择门、移位寄存器、数据总线送入RAM中；若报警则数据不送入RAM。数据输入/输出串行接口 CNC装置控制对立的单台机床时，通常需要与下列设备相接并进行数据的输入输出。（a）数据输入输出设备如光电纸带阅读机（PTR）、纸带穿孔机（PP）、打印和穿复校设备（TTY）、零件的编程机和可编程控制器的编程机等。（b）外部机床控制面板尤其是大型机床，为操作方便常在机床上设外部的机床控制面板，可分为固定式或悬挂式两种。（c）通用的手摇脉冲发生器。（d）进给驱动和主轴驱动线路一般情况下它们与CNC装置装在同一机柜或相邻机柜内，与CNC装置通过内部连线相连，它们之间不设置通用输出输入接口。此外，装置还要与上级主计算机或计算机直接通信，或通过工厂局部网络相连，从而具有网络通信功能。（3）机床的IO控制通道机床的IO控制通道是指微机与机床之间的联接电路。计算机数控系统对机床的控制，通常由数控系统中的IO控制器和IO控制软件共同完成。 IO控制器的功能特点（a）能够可靠地传送控制机床动作的相应控制信息，并能够输入控制机床所需的有关状态信息。（b）能够进行相应的信息转换，以满足CNC系统的输入与输出要求。（c）具有较强的阻断干扰信号进入计算机的能力，以提高系统的可靠性。 8.3 CNC系统的硬件结构8.3.1 单微处理机与多微处理机结构单微处理机结构这种结构只有个微处理机，采用集中控制、分时方法处理数控的各个任务。有的装置虽有个以上的微处理机，但其中只有个微处理机能够控制系统总线，占有总线资源，而其他微处理机成为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器，它们组成主从结构（如系统）。这类结构也属于单微机结构。在这种单微机结构中，所有的数控功能和管理功能都由个微机来完成，因此装置的功能将受到微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的影响和限制。多微处理机结构有些多微处理机结构中，有个或个以上的微处理机构成处理部件，处理部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，并共享资源。有些多微处理结构则有个或个以上的微处理机构成的功能模块，功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统，能有效地实现并行处理。这种结构中的各处理机分别承担一定的任务，通过公共存储器或公用总线进行协调，实现各微机间的互联和通信。（1）多微处理机的结构特点性能价格比高。多微机结构中的每个微机完成系统中指定的一部分功能。独立执行程序。它比单微机提高了计算的处理速度，适于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求。由于系统采用共享资源，而单个微处理机的价格又比较便宜，使CNC装置的性能价格比大为提高。采用模块化结构，有良好的适应性和扩展性。多微机的CNC装置大都采用模块化结构，可将微处理器、存储器、I/O控制组成独立微机级的硬件模块，相应的软件也采用模块结构固化在硬件模块中。硬软件模块形成特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口接口是固定的，符合工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换。这样可以积木式地组成CNC装置，使CNC装置设计简单、适应性和扩展性好、试制周期短、调整维护方便、结构紧凑、效率高。硬件易于组织规模生产。由于硬件是通用的，容易配置，只要开发新的软件就可构成不同的 CNC装置，因此多微处理机结构便于组织规模生产，且保证质量。有很高的可靠性。多微处理机CNC装置的每个微机分管各自的任务，形成若干模块。如果某个模块出了故障，其他模块仍照常工作，而不像单微机那样一旦出故障就造成整个系统瘫痪。而且插件模块更换方便，可使故障对系统的影响减到最小。另外，由于多微机的CNC装置可进行资源共享，省去了一些重复机构，不但降低了造价，也提高了系统的可靠性。8.3.2大板式结构与功能模块式结构1大板式结构大板式结构CNC系统的CNC装置由主电路板、位置控制板、PLC板、图形控制板和电源单元等组成。主电路板是大印刷电路板，其他电路是小印刷电路板，它们插在大印刷电路板上的插槽内，共同构成CNC装置。下图为大板式结构示意图。2功能模块式结构在采用功能模块式结构的CNC装置中，整个CNC装置按功能划分为模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计方法，即每个功能模块被做成尺寸相同的印刷电路板（称功能模块），而相应功能模块的控制软件也模块化。这样形成一个“交钥匙”CNC系统产品系列，用户只要按需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，再将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的系统控制装置。常见的功能模块有控制板、位置控制板板、图形板、通信板及主存储器模板等种。另外，机床操作面板的按钮箱（台）也是标准化的，上面有由用户定义的按键。用户只要按产品的型号、功能把各功能模块、外设、相应的电缆（带插头）及按钮箱（机床操作面板及，）购买回来，经组装连接便可，从而大大方便了用户。 8.4 CNC系统的软件8.4.1 CNC系统软件的组成与功能CNC系统软件可分为管理软件与控制软件两部分。管理软件包括零件程序的输入、输出，显示，诊断和通信功能软件；控制软件包括译码、刀具补偿、速度处理、插补运算和位置控制等功能软件。输入程序输入程序的功能有两个：一是把零件程序从阅读机或键盘经相应的缓冲器输入到零件程序存储器；二是将零件程序从零件程序存储器取出送入缓冲器。译码程序在输入的零件加工程序中，含有零件的轮廓信息（线型，起点、终点坐标值）、工艺要求的加工速度及其他辅助信息（换刀、冷却液开/关等）。这些信息在计算机作插补运算与控制操作之前，需按一定的语法规则解释成计算机容易处理的数据形式，并以一定的数据格式存放在给定的内存专用区间，即把各程序段中的数据根据其前面的文字地址送到相应的缓冲寄存器中。译码就是从数控加工程序缓冲器或缓冲器中逐个读入字符，先识别出其中的文字码和数字码，然后根据文字码所代表的功能，将后续数字码送到相应译码结果缓冲器单元中。数据处理程序数据处理程序有三个任务，即刀具半径补偿，速度计算（即根据合成速度算出各轴的分速度）以及辅助功能的处理等。刀具半径补偿是把零件的轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹；速度计算确定加工数据段的运动速度，开环系统根据给定进给速度计算出频率f，而闭环、半闭环系统则根据算出位移量（）；辅助功能处理是指换刀，主轴启动、停止，冷却液开、停等辅助功能的处理（即M,S,T）功能的传送及其先后顺序的处理）。数据处理是为了减轻插补工作及速度控制程序的负担，提高系统的实时处理能力，故也称为预计算。（1）刀具半径补偿的概念在连续进行轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径例如铣刀的半径或线切割机的钼丝（或铜丝）半径等，所以刀具中心运动轨迹并不等于加工零件的轮廓。如下图所示，在进行内轮廓加工时，要使刀具中心偏移零件的内轮廓表面一个刀具半径值，而在进行外轮廓加工时，要使刀具中心偏移零件的外轮廓表面一个刀具半径值。这种偏移即称为刀具半径补偿。为了分析问题方便ISO标准规定，当刀具中心轨迹在编程轨迹（零件轮廓）前进方向的左边时，称为左刀补，用G41指令代码表示，图中所示零件轮廓内部的虚线轨迹。反之，当刀具处于编程轨迹前进方向的右边时，称右刀补，用G42表示，如图中所示零件轮廓外部的虚线轨迹。当不需要进行刀补时，用G40表示。G41，G42和G40均属于模态代码，一旦执行便一直有效，直到同组其他代码出现后才被取消。ABC”CBAG41刀具G42刀具编程轨迹刀具中心轨迹C 在早期的硬件数控系统中，由于其内存容量和数据处理能力的限制，不可能完成很复杂的大量计算，相应的刀具半径补偿功能较为简单，一般采用B功能刀具补偿方法。这种方法仅根据本段程序的轮廓尺寸进行刀补，不能解决程序段之间的过渡问题，这样编程人员必须事先估计出刀补后可能出现的间断点和交叉点的情况，进行人为处理，将工件轮廓转接处处理成圆弧过渡形式。如图3.4.7所示，在G42刀补后出现间断点时，可以在2个间断点之间增加一个半径为刀具半径的过渡圆弧AB。而在G41刀补后出现交叉点时，C点不易求得，可事先在两个程序段之间增加一个过渡圆弧AB，其半径需大于刀具半径，以免过切。显然，这种B功能刀补对于编程员来讲是很不方便的。为保证一定的零件轮廓，实现刀具半径补偿，要计算刀具半径补偿矢量（简称刀补矢量）。此矢量是大小等于刀具半径、方向垂直于零件表面轮廓的二维矢量，随着刀具的移动，刀具半径补偿矢量也不断变化。在刀具补偿程序中，需要计算出每个程序段中的刀补矢量，即计算出刀具的偏移量和旋转角度。其计算方法有刀具半径分量法（r2法或逐点比较法）、极坐标输入法（三角函数法）等。（2）C功能刀具半径补偿 C刀具半径补偿的原理及计算硬件数控机床常用的刀具半径补偿方法，其主要特点是在程序段转换时（如折线或直线与圆弧不相切时）采用圆弧过渡。这种方法在拐角处铣刀刃与工件间的接触产生一停顿时间，工艺性不好，不适合3坐标以上的刀具半径补偿。理想的过渡形式应是直线过渡形式。可见，这种刀补方法追免了刀具在尖角处的停顿现象。计算机数控的刀具半径补偿一般都采用直线过渡的方法，在系统程序中有一个刀具半径补偿子程序，需要时可调用之。 4插补计算程序插补计算是系统中最重要的计算工作之一。装置中采用的是硬件电路（即插补器）来实现各种轨迹的插补。为了在软件系统中计算所需的插补轨迹，这些数字电路必须由计算机的程序来模拟。计算机由若干条指令来实现插补工作，但执行每条指令都需要花费一定的时间，而过去小型或微型计算机的计算速度都不能满足数控机床对进给速度和分辨率的要求。在实际的系统中，常采用数据采样的插补方法，将插补功能分割成软件插补和硬件插补两部分，控制软件把刀具轨迹分割成若干段，而硬件电路再在段的起点和终点之间进行数据的“密化”，使刀具轨迹控制在允许的误差之内。即软件实现粗插补，硬件实现细插补。 5伺服（位置）控制软件伺服位置控制软件的主要功能是对插补值进行处理（取全值或取其半值），计算出位置的命令值，同时读一次实际的反馈值，然后计算出命令值与反馈值间的差值（称为位置跟随误差），再乘上增益系数，并加上补偿量从而得到速度命令值。 6输出程序输出程序的功能有如下几项：（1）进行伺服控制，如上所述。（2）反向间隙补偿处理反向间隙值由程序预置。若某一轴由正向变成负向运动，则在反向前输出 Q个正向脉冲；反之，若由负向变成正向运动，则在反向前输出 Q个负向脉冲（Q为反向间隙，因实际情况而异）。（3）进行丝杠螺距误差补偿（方法见后面相关内容）（4）M，S，T辅助功能的输出 M，S，T代码大多是开关量控制，由机床强电执行。 7管理程序当一个数据段开始插补加工时，管理程序即准备下一个数据段的读入、译码、处理，调用各功能子程序，准备好下一段数据。一旦本数据段加工完毕便立即开始下一段插补。为数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序均由管理程序进行调度。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。 8、诊断程序完善的诊断程序可以防止故障的发生或扩大，在故障出现后，还可以迅速查明故障的类型和部位，减少故障停机时间。诊断分多种情况，有启动诊断、在线诊断、停机诊断、远程通信诊断等。8.4.2 CNC系统软件的特点和结构系统软件的特点（1）多任务并行处理系统是一个专用的实时多任务计算机系统，在它的控制软件中融合了当今计算机软件技术中的许多先进技术，其中最突出的是多任务并行处理技术。多任务指系统软件必须同时进行管理和控制工作。如工作在加工控制状态时，为了使操作人员能及时地了解的工作状态，管理软件中的显示模块必须与控制软件同时运行。又如为保证加工连续性，译码、刀补和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补又必须与位置控制同时进行。并行处理指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作。这大大提高了运算速度。资源分时共享在单的装置中，主要采用分时共享的原则来解决多任务的同时运行。首先要解决各任务占用CPU时间的分配原则，包括各任务何时占用CPU和允许各任务占用的时间长短两个内容。在装置中，采用循环轮流和中断优先相结合的方法解决各任务使用CPU的问题。系统在完成初始化以后自动进入时间分配环中，依次轮流处理各任务。而对于系统中一些实时性很强的任务则按优先级排队，分别放在不同中断优先级上，环外的任务可以随时中断环内各任务的执行。每个任务允许占有CPU的时间受到一定限制，对于某些占有CPU时间比较多的任务（如插补准备），可在其中的某些地方设置断点，当程序运行到断点处时自动让出 CPU，待到下一个运行时间里自动跳到断点处继续执行。资源重叠流水处理当 CNC装置处在 NC作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备（包括译码、刀补和速度处理）、插补、位置控制4个子过程组成。如果每个子过程的处理时间分别为t1，t2，t3，t4，那么一个零件程序段的数据转换时间将是tt1t2t3t4。流水处理的关键是时间重叠，即在一段时间间隔内不是处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。（2）多重实时中断处理所谓中断是指中止现行程序转而去执行另一程序、待另一程序处理完毕后，再转回来继续执行原程序。所谓多重中断，就是将中断按级别优先权排队，高级中断源能中断低级的中断处理，等高级中断处理完毕后，再返回来接着处理低级中断尚未完成的工作。反谓实时，是指在确定的有限时间里对外部产生的随机事件作出响应，并在确定的时间里完成这种响应或处理。数控系统是一个实时控制系统，被控对象是一个并发活动的有机整体，对被控对象进行控制和监视的任务也是并发执行的，它们之间存在着各种复杂的逻辑关系。有时这些任务是顺序执行的，表现为一个任务结束后，激发另一个任务执行，如数控加工程序段的预处理、插补计算、位置控制和输入输出控制；有时这些任务是周期性地以连续反复的方式执行，如每隔一个插补周期进行一次插补计算，每隔一个采样周期进行一次位置控制等；有时一个任务执行到某处时，必须延时到某个别时刻后才又继续执行，如必须等待换刀等有关辅助功能完成后，进一步的切削控制才能开始；有时是几个协同任务并发执行，如在加工控制中，人机交互处理及各种突发事件的处理等。对于有实时要求，且各种任务互相交错并发的多任务控制系统，可采用多重中断的并行处理技术。各种实时任务被安排成不同优先级别的中断服务程序，或在同一个中断程序中按其优先级高低而顺序运行，任务主要以优先级进行调度，在任何时候运行的都是当前优先级较高的任务。无论采用哪种并行处理技术，各种协同任务都存在着各种逻辑联系，它们之间必须进行各种通信。以便共同完成对某个对象（如数控机床）的控制和监视。各任务之间可以采用设置标志、共同使用某一公共存储区及多处理器串行通信等方法进行联系。目前，针对数控系统多任务性和实时性两大特点，一方面在硬件上越来越多地采用多微处理器系统，另一方面在软件上综合了前述设备重复的并行处理技术、分时的并行处理技术和多重中断的并行处理技术。常见的系统软件结构有对应于单微处理器系统的前后台型和多重中断型，以及对应于多微处理器系统的功能模块软件结构。8.4.3.CNC系统软件结构的分类数控系统的基本功能是由各种功能干程序实现的，不同的软件结构对这些子程序的安排方式不同管理的方法亦不同。（1）前后台型结构前台程序是中断服务程序，几乎承担了全部实时功能（插补、位置控制、机床相关逻辑和面板扫描监控等功能）这些功能和机床的动作直接相关。后台程序是指实现输入、译码、数据处理及管理功能的程序，亦称背景程序，是循环运行程序，在其运行过程中，前台实时中断程序不断插入，与背景程序相配合，共同完成零件加工任务。前后台型结构适用于单微机系统。（2）多重中断型结构除初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中。也就是说，所有功能子程序均安排成级别不同的中断程序，整个软件就是一个大的中断系统，管理功能主要通过各级中断程序之间的相互通信来解决。日本FANUC7、6系统皆采用此中断型软件结构。中断优先级安排其中的功能表如表343所示。表3.4.3 中断功能一览表优先级功能中断源优先级功能中断源1CRT显示ROM校验由初始化转入6监控急停信号，定时2、3、5级2ms硬件件定时2工作方式选择数据预处理16ms软件定时7ASR键盘输入及RA232C输入硬件随机3PLC控制MST处理16ms软件定时8纸带阅读处理中导孔输入4参数、变量、数据存储器控制硬件DMA9报警串行传送报警5插补位置控制补偿8ms软件定时10RAM校验、电源断开硬件非屏蔽中断其中断有两种来源：一种是由时钟或其他外部设备产生的中断请求信号，称为硬件中断（如：第1，4，6，7，8，9，10级）；另一种是有程序产生的中断信号，称为软件中断，这是由2ms的实时时钟在软件中分频得出的（如第2，3，5级）。8.5CNC系统的工作过程8.5.1 CNC系统的数据段历程一个数据段从输入到传送至输出位置控制值需要经过图3.5.1所示的几个环节。经过输入系统的工作，将数据段送入零件程序缓冲器，然后由译码程序将输入的零件程序数据段翻译成本系统能识别的语言，送入译码结果寄存器。再通过数据处理程序将预计算出的刀补参数（刀补后的本程序段终点坐标）、速度分量（L，L）及有关辅助功能送入数据处理结果缓冲器，经插补后将本次插补周期的输出位置增量值（X2，Y2 ）送至插补工作寄存器，再经伺服（位置）控制处理，将段值（X2，Y2）经计算成为新指令位置值，同时将反馈的位置增量（X1，Y1）加上原实际位置得出现在的实际位置值。经比较计算出新指令位置和实际位置的差值（即跟随误差），乘上位置增益，得到位置控制的输出值也X3，Y3，即为速度指令。之后便进行DA转换。图3.5.1 数据段历程8.5.2 CNC系统自动工作时的总体流程 CNC系统的自动工作状态是其最主要的加工方式，图3.5.2所示为它的总体流程。零件加工程序通过纸带输入机、盒式磁带机或MDI键盘（磁盘，或上级DNC接口输入），按一定标准通过输入程序输入到内存中的零件程序存储区。又在输入程序的支持下将零件加工程序从存储区调出至缓冲区。然后，程序段逐段进行译码，即置文字地址码的标志位，并将ASC码由数控内部码译成系统能识别的二进制码或特征码。接着进行数据的预计算，包括刀具半径补偿计算刀心坐标值，速度处理计算各轴分速度，算出线段长（L及）以及，T代码处理，为插补提供各种必要的数据。接着再进行插补运算。控制程序将根据零件加工程序中的进给速度（F）和坐标位移量，由预计算算出线段长（L及），再计算出分配给每个坐标的段值，即每个插补中断周期中坐标的位移量（，）。最后，在位置控制比较环节中，将插补输出的段值（位移量）加上原坐标指令值作为新的指令位置值。又将反馈位置增量加上原实际位置坐标值作为新的实际位置值。将新的指令值与新的实际位置值相比较，算出跟随误差。通过计算机的软件放大倍数调节功能乘上系数后，即为伺服输入的速度指令值。再通过数模转换成为速度命令电压（或频率），最后驱动伺服电动机，带动工作台或刀具位移。入口输入纸带或MDI将零件程序按ASCBCD形式输入至存储区或调出至缓冲区译码预计算插补伺服位置控制结束置标志位“1”，BCDB等刀补，算刀心坐标速度处理算段长，M、S、T处理算段值X，Y，Z算跟随误差，乘上放大系数即为速度指令8.6 运动轨迹的插补原理8.6.1 运动轨迹插补的概念在数控机床中，刀具的最小移动单位是一个脉冲当量，而刀具的运动轨迹为折线，并不是光滑的曲线。刀具不能严格地沿着所加工的曲线运动，只能用折线轨迹逼近所加工的曲线。在数控加工中，根据给定的信息进行某种预定的数学计算，不断向各个坐标轴发出相互协调的进给脉冲或数据，使被控机械部件按指定路线移动（即产生个坐标轴以上的配合运动），这就是插补。换言之，插补就是沿着规定的轮廓，在轮廓的起点和终点之间按一定算法进行数据点的密化，给出相应轴的位移量或用脉冲把起点和终点间的空白填补（逼近误差要小于个脉冲当量）。一般数控机床都具备直线和圆弧插补功能。8.6.2 运动轨迹插补的方法1脉冲增量法（标准脉冲插补 reference pulse）行程标量插补把每次插补运算产生的指令脉冲输出到步进电动机等伺服机构，并且每次产生一个单位的行程增量，这就是脉冲增量插补，如逐点比较法、法及一些相应的改进算法等都属此类。这类插补法比较简单，仅需几次加法和移位操作就可完成，用硬件和软件模拟都可实现。进给速度指标和精度指标都难以满足现在零件加工的要求，因此，这种插补法只适用于中等精度和中等速度的机床系统。主要用早期的采用步进电机驱动的数控系统，现在的数控系统已很少采用这类算法了。数据采样法（sampled data）时间标量插补在这种方法中，整个控制系统通过计算机而形成闭环，输出的不是单个脉冲，而是数据，即标准二进制字。数据采样插补算法中较常见的有时间分割法插补，也就是根据编程进给速度将零件轮廓曲线按插补周期分割为一系列微小直线段，然后将这些微小直线段对应的位置增量数据进行输出，用以控制伺服系统实现坐标轴的进给。这类插补算法适用于以直流或交流伺服电动机作为执行元件的闭环或半闭环数控系统。 8.6.3 逐点比较法l逐点比较法的原理它的原理是以区域判别为特征，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与规定的图形轨迹相比较，判断其偏差，然后决定下一步的走向。如果加工点走到图形外面，那么下一步就要向图形里面走；如果加工点在图形里面，则下一步就要向图形外面走，以缩小偏差。每次只进行一个坐标轴的插补进给。通过这种方法能得到一个接近规定图形的轨迹，而最大偏差不超过一个脉冲当量。在逐点比较法中，每进给一步都要4个节拍，如图363所示。偏差判别插补开始坐标进给新偏差计算到终点？结束YN （1）偏差判别判别偏差符号，确定加工点是在规定图形的外面还是里面。（2）坐标进给根据偏差情况，控制X坐标或Y坐标进给一步，使加工点向规定图形靠拢，缩小偏差。（3）新偏差计算进给一步后，计算加工点与规定图形的新偏差，作为下一步偏差判别的依据。（4）终点判别根据这一步的进给结果，判定（比较）终点是否到达。如未到达终点，继续插补工作循环，如果已到终点就停止插补。 2逐点比较法I象限直线插补（1）基本原理偏差函数值的判别如图364所示，OE为象限直线，起点O为坐标原点，终点E的坐标为E（Xe，Ye），还有一个动点为N（Xi，Yi）。现假设动点 N正好处于直线OE上，则有下式成

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