0090-CA6140型车床的经济型数控改造设计
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ca6140
车床
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1.2机床改造的内容及意义
1.2.1研究意义
企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。
普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。
数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达±0.01至0.02mm，已能满足CW6140车床改造后加工零件的精度要求。
1.2.2主要研究内容及技术路线
(1)纵向和横向滚珠丝杠的选型及校核。
(2)纵向和横向步进电机的选择。
(3)主轴交流伺服电机的选择与校核。
(4)其他元件的选择。
1.3 机床的经济型数控化改造主要解决的问题
(1) 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。
(2) 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。
(3) 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。
(4) 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。
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1 毕业设计 设计题目 : 普通 床的经济型数控改造 2 毕业设计任务书 系部 : 机电工程学院 专业年级 : 04 数控机床应用及维护 学生姓名 : 毕业设计题目 :普通车床的数控改造 毕业设计主要内容和要求 : (1)要求 : 1) 设计说明书一份， 20000 字，打印成册。 2) 利用画图，要求视图完整。绘图数量折合成零号图纸不少于三张。 (2)内容 : 1） 数控技术与数控机床有关文献的研读与综述。 2） 伺服进给机构设计计算。 3） 主轴交流伺服电机的选型与校核。 4） 减速箱体的设计。 5） 滚珠丝杠轴承的选型与校核。 6） 微机控制系统硬件电路设计。 7） 车床改造的结构特点。 8） 安装调整中应注意 的问题 系主任签字： 指导教师签字： 3 毕业设计指导老师评阅书 指导老师评语 ( 基础理论及基本技能的掌握 ; 独立解决实际问题的能力 ;研究内容的理论依据和技术方法 ; 取得的主要成果及创新点 ; 工作的态度及工作量 ; 总体评价 及建议成绩 ; 存在问题 ; 是否同意答辩等 ): 成绩 : 指导老师签字 : 年 月 日 4 毕业设计评阅教师评阅书 评阅老师评语 ( 选题的意义 ; 基础理论及基本技能的掌握 ; 综合运用所学知识解决实际问题的能力 ; 工作量的大小 ; 取得的主要成果及创新点 ;写作的规范程度 ; 总体评价及建议成绩 ; 存在问题 ; 是否同意答辩等 ): 成绩 : 评阅老师签字 : 年 月 日 5 毕业设计评阅教师评阅书 评阅老师评语 ( 选题的意义 ; 基础理论及基本技能的掌握 ; 综合运用所学知识解决实际问题的能力 ; 工作量的大小 ; 取得的主要成果及创新点 ;写作的规范程度 ; 总体评价及建议成绩 ; 存在问题 ; 是否同意答辩等 ): 成绩 : 评阅老师签字 : 年 月 日 6 答 辩 情 况 提 出 问 题 回 答 问 题 正确 基本正确 有一般性错误 有原则性错误 没有回答 答辩委员会评语及建议成绩 : 答辩委员会主任签字 : 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩 : 学院领导小组负责人 : 年 月 日 7 摘要 普通机床的经济型数控改造主要是在合理选择数控系统的前提下，然后再对普通车床进行适当的机械改造，改造的内容主要包括： (1) 床身的改造，为使改造后的机床有较好的精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨。为此，本例中采用旧床身淬火并贴膜。 (2) 拖板的改造，拖板是数 控系统直接控制的对象，所以对其改造尤显重要。这中间最突出一点就是选用滚珠丝杠代替滚动丝杠，提高了传动的灵敏性和降低功率步进电机力矩损失。 (3) 变速箱体的改造，由于采用数控系统控制，所以要对输 入和输出轴以及减速齿轮进行设计，从而再对箱体进行改造。 (4) 刀架的改造，采用数控刀架，这样可以用数控系统直接控制，而且刀架体积小，重复定位精度高，安全可靠。 通过对机床的改造并根据要求选用步进电机作为驱动元件，这样改造后的机床就能基本满足现代化的加工要求。 关键字 ： 普通车床 数控改造 步进电机 经济型数控系统 数控刀架 徐州 目录 1 3 体方案设计要求 3 计参数 4 7 8 给系统机械结构改造设 计 8 给伺服系统机械部分的计算与选型 8 定系统的脉冲当量 9 向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤 9 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 12 13 1）纵向齿轮及转矩的有关计算 14 2)横向齿轮及转矩的有关计算 15 4. 步进电动机的计算与选型 20 进电动机选用的基本原则 20 进电动机的选折 21 22 轴的变速变速范围 22 选主轴电机的型号 22 轴电机的校 核 22 23 制系统的功 能要求 23 件电路的组成 23 计说明 23 27 徐州 27 轨副 27 装电动卡盘 27 冲发生器 27 8安装调整中应注意的问题 28 珠丝杠螺母副的选择 28 珠丝杠螺母副的调整 28 轴器的安装 28 轴脉冲发生器的安装 28 结论 29 参考文献 30 第 1 页 共 57 页 1 1 绪论 题背景 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。 我国目前机床总量 380余万台，而其中数控机床总数只有 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 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， 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。 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（ 。从事再生业的著名公司有：程公司、 床公司、 宝）服务集团、 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（ 。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。 床改造的内容及意义 究意义 企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。 当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。 普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换第 2 页 共 57 页 2 和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。 数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机 为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达 能满足 床改造后加工零件的精度要求。 要研究内容及技术路线 (1)纵向和横向滚珠丝杠的选型及校核。 (2)纵向和横向步进电机的选择。 (3)主轴交流伺服电机的选择与校核。 (4)其他元件的选择。 床的经济型数控化改造主要解决的问题 (1) 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。 (2) 普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成 床、 (3) 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 (4) 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。 第 3 页 共 57 页 3 2 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。 进电机拖动的开环系统 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，故称该之为开环系统，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。 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。 /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 司、日本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 ,所以依据改造的具体要求选用上海 通用数控公司 第 4 页 共 57 页 4 3 机械部分的改造 为了充分发挥数控系统的技术性能，保证改造后的车床在系统控制下重复定位精度，微机进给无爬行，使用寿命长、外型美观，机械部分作了如下改动。 (1) 床身 为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零件、部件的耐磨性，尤其是机床导轨的耐磨性。 增加耐磨性的方法有 1，增加导轨的表面强度如：淬火； 2，降低摩擦系数等。 当前国内外数控机床的床身等大件多采用普通铸铁 。而导轨则采用淬硬的合金钢材料，其耐磨性比普通铸铁导轨高 5至 10倍。据此，在改造中利用旧床身，采用 淬火 制成导轨 ，贴塑 用螺钉和粘剂固定在铸铁床身上。 粘接前的导轨工作表面采用磨削加工，表面粗糙度 提高粘接强度。 (2) 主轴变速箱 选用数控系统 ,主运动方式和传统机床一样都要求有十分宽广的变速范围 （ 1 16）来保证加工时选择合理的切速，从而获得较高的生产率和表面质量 ,所以要根据具体情况对主轴边速箱进行改造。 (3) 拖板 拖板是数控系统直接控制的对象，不论是点位控制还是连续控制，对被加工零件的最 后坐标精度将受拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响。对于应用步进电机作拖动元件的开环系统尤其是这样。因为数控系统发出的指令仅使拖板运动而没有位置检测和信号反馈，故实际移动值和系统指令值如果有差别就会造成加工误差。因此，除了拖板及其配件精度要求较高外，还应采取以下措施来满足传动精度和灵敏度要求。 在传动装置的布局上采用减速齿轮箱来提高传动扭矩和传动精度 (分辨率为 传动比计算公式为： （ 3 式中： 为步进电机的步距角 (度 )； 为脉冲当量，即要求的分辨率， 在齿轮传动中，为提高正、反传动精度必须尽可能的消除配对齿轮之间的传动间隙，其方法有两种，柔性调整法和刚性调整法。柔性调整法是指调整之后的齿轮侧隙可以自动补偿的方法，在齿轮的齿厚和齿距有差异的情况下，仍可始终保持无侧隙啮合。但将影响其传动平稳性 ，而且这种调整法的结构比较复杂，传动刚度低。刚性调整法是指调整之后齿轮侧隙不能自动补偿的调整方法，它要求严格控制齿轮的齿厚及齿距误差，否则传动的灵活性将受到影响。但用这种方法调整的齿轮传动有较好的传动刚度，而且结构比较简单。在设备改造中应用的配对齿轮侧隙方法是刚性调整法。 采用滚珠丝杠代替原滑动丝杠，提高传动灵敏性和降低功率、步进电机力矩损失。 第 5 页 共 57 页 5 (4) 自动换刀装置 为了满足在一台机床上一次装夹完成多工序加工， 可 采用自动刀架。自动刀架不但可代替普通车床手动刀架，还可用作数控机床微机控制元件。刀架体积小，重 复定位精度高，适用于强力车削并安全可靠。 (5) 拖板箱 采用数控系统控制。拆除原拖板箱，利用此位置安装新拖板箱，新拖板箱除固定 在滚珠丝杠的螺母 上 。挂轮箱、走刀箱拆除，在此两个位置分别装控制螺纹加工的主轴脉冲编码器和拖板轴向伺服元件功率步进电机及减速箱。使改造后的机床外型美观、合理。改造后机床的启动、停机均由数控系统完成，故拆除原机床操纵杆，变向杠、立轴等杠杆零件。 滚珠丝杠的选择 珠丝杠副的特点 滚珠丝杠副具有与滚动轴承相似的特征。与滑动丝杠副或液压缸传动相比，有以下主要特点： （ 1） 传 动效率高 滚珠丝杠的传动效率可达 85%98%，为滑动丝杠副的 24倍，由于滚珠丝杠副的传动效率高，对机械小型化，减少启动后的颤动和滞后时间以及节约能源等方面，都具有重要意义。 （ 2） 运动平稳 滚珠丝杠副在工作过程中摩擦阻力小，灵敏度高，而且摩擦系数几乎与运动速度无关，启动摩擦力矩与运动时的摩擦力矩的差别很小。所以滚珠丝杠副运动平稳，启动时无颤动，低速时无爬行。 （ 3） 传动可逆性 与滑动丝杠副相比，滚动丝杠副突出的特点是具有运动的可逆性。正逆传动的效率几乎可高达 98%。滚珠丝杠副具有运动的可逆性，但是没有象滑动 丝杠副那样运动具有自锁性。因此，在某些机构中，特别是垂直升降机构中使用滚珠丝杠副时，必须设置防止逆转的装置。 （ 4） 可以预紧 通过对螺母施加预紧力能消除滚珠丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度，但摩擦力矩却增加不大。 （ 5） 定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杠副具有传动效率高，运动平稳，可以预紧等特点，所以滚珠丝杠副在工作过程中温升较小，无爬行。并可消除轴向间隙和对丝杠进行预紧拉伸以补偿热膨胀，能获得较高的定位精度和重复定位精度。 （ 6） 同步性好 用几套相同的滚珠丝杠副同时驱动相同的部件和装置时，由于反应灵敏，无阻滞，无滑 移，其启动的同时性，运行中的速度和位移等，都具有准确的一致性，这就是所谓同步性好。 （ 7） 滚珠丝杠和螺母的材料均为合金钢，螺纹滚道经过热处理，并淬硬至 磨削达到所需的精度和表面粗糙度。实践证明，滚珠丝杠副的使用寿命比普通滑动丝杠副高 56倍。 （ 8） 使用可靠，润滑简单，维修方便 与液压传动相比，滚珠丝杠副在正常使用条件下故障率低，维修保养也极为方便；通常只需进行一般的润滑与防尘。在特殊使用场合，如核反应堆中的滚珠丝杠副，可在无润滑 状态下正常工作。 第 6 页 共 57 页 6 纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 (1)最大工作载荷计算 滚珠丝杠上的工作载荷 N) 是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝 杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走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。 由于原普通 床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式 3算工作载荷的大小。 )( （ 3 1）车削 抗力分析 车削外圆时的切削抗力有 切削力 直向下，是计算车床主轴电机切削功率的主要依据。且深抗力 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 进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。 纵切外圆时，车床的主切削力 z F y p F f （ 3 =5360(N) 由 知 : x: (3得 340(N) 144(N) 因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给拖板上的载荷 此，作用在进给拖板上的载荷可以按下式求出： 拖板上的进给方向载荷 x=1340(N) 拖板上的垂直方向载荷 z=5360(N) 拖板上的横向载荷 y=2144(N) 因此，最大工作载荷 )( =1340+(5360+90 =) 对于三角形导轨 K=， f = f =为是贴塑导轨 )， 向溜板箱和刀架的重量，选纵向、横向溜板箱的重量为 75架重量为 15(2)最大动载荷 C 的计算 滚珠丝杠应根据额定动载荷 用式 3 第 7 页 共 57 页 7 C= (3L 为工作寿命，单位为 106 r,L=6006 ;n 为丝杠转速（ r/,n=。L v 为最大切削力条件下的进给速度（ m/,可取最高进给速度的 1/21/3;丝杠的基本导程，查资料得 L。 =12为此时是有冲击振动，所以取 r 1400r/226mm/ 1/2 /L。 =2226 1/2 /12= L=6006 =60 15000 /106 = C= 3 1740(N) 初选滚珠丝杆副的尺寸规格，相应的额定动载荷 :因此有 =11740N. 另外假如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另 一种失效形式 要考虑滚珠丝杠的额定静载荷 否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷 般使 m=23. 初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。 因此初选滚珠丝杠的型号为 要参数为 。 =8mm,3 =219，圈数 列数 1 (3) 纵向滚珠丝杠的校核 1)传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 = + )= 19/19+10)=92% (32)刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性， 滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠与螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。 1_丝杠的拉压变形量 1 1= (3= 2280 / 10 ( = 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 采用有预紧的方式， 第 8 页 共 57 页 8 因此用公式 2= 2 (3=3 9 9 00 0 1 =这里 97N Z= w=63/ =1=杠的总变形量 = 1+ 2= 所以丝杠很稳定。 向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 (1)型号选择 1) 最大工作载荷计算 由于导向为贴塑导轨，则： k=f = 144N ， 360N ， 340N ， G=60 t=15000h， 最大工作载荷： F m=f () =2144+360+2 1340+75) =)最大动负载的计算 1400r/ r = 1106 mm/ 1/2 / L。纵 =1106 1/2 / 5 =6006 =1106 15000 /106 = =3L 初选滚珠丝杠型号为 :基本参数为 =2 11， L。 =60数 列数 1 (2)横向滚珠丝杠的校核 1)传动效率 计算 = / + )=11/ 11+10)=93% 2)刚度验算 1丝杠的拉压变形量 1= L/ 320/104 25 = 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2= 2第 10 页 共 57 页 10 = 83 5 29 6 5 2= 这里 118N Z=w=50/= 1=杠的总变形量 = 1+ 2=n=6 这里均取 3, （ 1） D=26时的尺寸 3d= 则 取 0D=26+D= 26=23.4 m=3（ 2） D=37 取 0D=37+D= 17 页 共 57 页 17 4D=37=m=3 通盖 图 3盖 0D=D+(22.5)套环 ) 2D=D。 +() 4D=( d。 = 12） D 100n=4 D100n=6 这里均取 3mm, （ 1） D=6通盖尺寸，内加密封圈 4螺钉 0D=2D=4D=d=18m=3（ 2） D=37通盖尺寸 4螺钉 0D= 2D=4D= d=25m=3第 18 页 共 57 页 18 轴承的选型与校核 珠丝杠用轴承的选型 选用型号 7602025 60推力角接触轴承 轴径 d=25径 d=52度 B=15径 数 Z=16 动载荷 2000N 静载荷 4000N 预加载荷 500N 极限转速 2600r/2 校核 大部分滚动轴承是由于疲劳点蚀而失效的。轴承中任一元件出现疲劳步剥落扩展迹象前院运转的总转数或一定转速下的工作小时数称为轴承寿命（指的是两个套圈间的相对转数或相对转速）。 同样的一批轴承 载相同工作条件下运转，各轴承的实际寿命大不相同，最高和最低的可能相差数十倍。对一个具体轴承很难预知其确切寿命，但是一批轴承则服从一定的概率分布规律，用数理统计的方法处理数据可分析计算一定可靠度 际选择轴承时常以基本额定寿命为标准。轴承的基本额定寿命是指 90%可靠度，常用材料和加工质量，常规运转条件下的寿命，以符号 r)或 h)表示。不同可靠度，特殊轴承性能和运转条件时其寿命可对基本额定寿命进行修正，称为修正额定寿命。 标准中规定将基本额定寿命一百万转（ 106 r）时轴承所能承受的恒定载荷取为基本额定动载荷 C。也就是说，在基本额定动载荷作用下，轴承可以工作 106 可靠度为 90%。基本额定动载荷大，轴承抗疲劳的承载能力相应较强。径向基本额定动载荷 向心轴承（角接触轴承除外）是指径向载荷，对角接触轴承则是指引起轴承套圈间产生相对径向位移时的载荷径向分量。对推力轴承，轴向基本额定动载荷 指中心轴向载荷。 (1) 当量载荷 滚动轴承若同时承受径向和轴向联合载 荷，为了计算轴承寿命时在相同条件下比较，需将实际工作载荷转化为当量动载荷。在当量动载荷作用下，轴承寿命与实际联合载荷下轴承的寿命相同。 当量动载荷 第 19 页 共 57 页 19 P= 3 表 承滚动当量动载荷计算的 X,轴承类型 e 单向轴承 双列轴承 re re r e re X Y X Y X Y X Y 角 接 触 球 轴 承 = 15 1 0 1 量动载荷式中 径向载荷， N； N； X， 由上表查出。 上表中， 是适用于各种 X,a/验证明，轴承 r re 时其 X,列向心轴承或 角接触轴承当 r Y=0,P=轴向载荷对当量动载荷的影响可以不计。深沟球轴承和角接触球轴承的 a/增大而增大。 映轴向载荷的相对大小，它通过接触角的变化而影响 =0 的圆柱滚子轴承与滚针轴承只能承受径向力，当量动载荷 r;而 =90 的推力轴承只能承受轴向力，其当量动载荷 a。 由于机械工作时常具有振动和冲击，为此，轴承的当量动载荷应按下式计算： P=冲击载荷系数 表 载荷性质 机器举例 稳运转或轻微冲击 电机，水泵，通风机，汽轮机 等冲击 车辆，机床，起重机，冶金设备，内燃机 20 页 共 57 页 20 强大冲击 破碎机，轧钢机，振动筛，工程机械， 石油钻机 于轴承载荷与纵向载荷之比：3601340= 此轴承合乎要求 另外由于横向丝杠与纵向丝杠采用同一轴承，且载荷小于纵向，因此同理可验证其是合理的。 第 22 页 共 57 页 22 4 步进电机的选择 向步进电机的选择 定系统的脉冲当量 脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量，它是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。因此，脉冲当量应根据机床精度的要求来确定， 此选用 的脉冲当量为 冲 冲。 距角的选择 根据步距角初步选步进电机型号，并从步进电机技术参数表中查到步距角 b ，三种不同脉冲分配方式对应有两种步距角。步距角 b 及减速比 i 与脉冲当量 p 和丝杠导程 关。初选电机型号时应合理选择 b 及 i, 并满足： b ( p i 360)/ （ 4 由上式可知： b p i 360/360 1/10 = 初选电机型号为 :90体参数如表 表 纵向电机 步距角 相数 驱动电压 电流 90 5 50V 3A 静转矩 空载起动频率 空载运行频率 转动 惯量 重量 2200 30000 40 4电机简图 频特性： 第 23 页 共 57 页 23 =J 102 ( 由于： 60(r/则： 21060360 m a x2 pt (式中： J 为传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量（ ;为电机最大角加速度（ ;r/;度所需的时间（ s） ;mm/; 冲）； （ ）步 ，对于轴、轴承、齿轮、联轴器，丝杠等圆柱体的转动惯量计算公式为 J=82,对于钢材，材料密度为 103 (,则上式转化为 J= 103 (,式中： ; 由资料查出。 (1)丝杠的转动惯量 s/ 由于 i=1 则 : 103 = 170 103 = (2)工作台质量折算 工作台是移动部件，其移动质量惯量折算到滚珠丝杠轴上的转动量 G=（2。L） 2 M( ,式中： L。为丝杠导程（ ;M 为工作台质量（ =1=90 ： 2。L） 2 M = 2)( 90 = 1）一对齿轮传动 第 24 页 共 57 页 24 小齿轮装置在电机轴上 转动惯量不用折算，为 2折算到电机轴上为22212 2）两对齿轮传动 传动总速比 i=级分速比为 i1=z2/ i2=z4/轮 1 的转动惯量为 轮 2和 3装在中间轴上，其转动惯量要分别折算到电机轴上，分别为 1 和1 的转动惯量要进行二次折算或以总速比折算为： 24212 ( 432 （ 4 因此，可以得到这样的结论：在电机轴上的传动部件转 动惯量不必折算，在其他轴上的传动部件转动惯量折算时除以该轴与电机轴之间的总传动比平方。 由于减速机构为一对齿轮传动，且第一级 i=1,则可分别求出各齿轮与轴的转动惯量如下： n=45,m=45,其分度圆直径 d=45 =27则 : 103 =n=40,m=40,其分度圆直径 d=40 0=27则 :64 103 =n=30,m=30,其分度圆直径 d=30 5=27则 : 103 =n=45,m=45,其分度圆直径 d=45 =30则 : 103 =n=50,m=50,其分度圆直径 d=50 5=30则 : 103 =n=60,m=60,其分度圆直径 d=60 0=30则 :94 103 =两输入输出轴的转动惯量为 : 13 103 = ; L=130输出 = 13 103 = ; L=130表得： 第 25 页 共 57 页 25 综上可知： J =s+30+60+ （ 4 =又由于 V =1600 =2236mm/： 102 =3)力矩的折算： 1） 。（ 4 式中： N）； f为导轨摩擦系数； 为传动系统总效率，一般取 =L。为滚珠丝杠的基本导程（ 由于 G=90 10=900N, f= i=1, = =） M。附加摩擦力矩 M。 =。 2 ) （ 4 式中： 预紧力，一般取 1/3给牵引力（ N） , 。为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 。 L。 =10， = M。 = = 则 。 =40 于经表查得 ： = m2003. 13 普通 14 15 邱宣怀主编 .2002. 16 薛严成 1999. 第 36 页 共 57 页 36 附表 附表 1 说明书中各符号一览表 名称 符号 单位 步进电机的步距角 b ( )/脉冲 脉冲当量 p 珠丝杠导程 L。 动惯量 J 千克 /米平方 车床的切削功率 Pm 床电机功率 W 进给方向载荷 x N 拖板上垂直方向载荷 z N 拖板上横向方向载荷 y N 扭矩 M 动效率 变形量 界载荷 稳定系数 最大静转矩 义启动转矩 载启动转矩 大动负载 C N 额定静载荷 额定动载荷 最大工作载荷 主轴恒功率调速范围 电动机恒功率调速范围 第 37 页 共 57 页 37 .M 946 in to to It in is to up to 952, to S. of 1952 1970) is to to to an to is 38 页 共 57 页 38 952 - 1959 - 1965 - 970 970, it on in of to 971, in - on it be to be is 974 in is an to in at it to to be is 990, PC to on C In 970 - 1974 - 990 - ( 39 页 共 57 页 39 C. as as we 1.3 to on C of C so on C to at so on by PC to be is to be to to in develop第 1 页 共 29 页 1 绪论 数控机床与普通机床相比 ,增加了功能 ,提高了性能 ,简化了结构 决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受 到其他条件限制：（ 1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；（ 2）目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费 ；（ 3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；（ 4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。 要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。这一工作早在 20 世纪 60 年代已经在开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务。目前，国外已发展成为一个新兴产业部门， 从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有 26%的机床经过数控化 改造，中小企业则达 74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控化改造业务 。中国是拥有 300 多万台机床的国家，其中大部分是多年积累生产的普通机 床，自动化程度低。要想在近几年用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的，因此，普通机床的数控 化改造大有可为，它适合中国的经济水平、生产水平和教育水平，已成为中国设备技术改造的主要方向之一。 机床数控化改造的优点：（ 1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（ 2）适应多品种、小批量零件生产；（ 3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产 效率高；（ 4）降低对工人的操作水平的要求；（ 5）数控改造费用低、经济性好 ；（ 6）数控改造的周期短，可满足生产急需。因此，我们必须走数控改造之路。 普通车床（如 是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。 对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自 动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向第 2 页 共 29 页 进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。 第 3 页 共 29 页 2 设计要求 体方案设计要求 总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的 选择， 以及传动方式和执行机构的选择 等。 （ 1） 普通车床数控化改 造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。 （ 2） 车床数控化改装后属于经济型数控机床 ，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。 （ 3） 根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用 8 位微机。在 8 位微机中， 51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的 性价比，因此，可选 51 系列单片机扩展系统。 （ 4） 根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 ，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、 I/O 接口电路；包括能输入 加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。 （ 5） 设计自动回转刀架及其控制电路。 （ 6） 纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝 杠 螺母副组成，其 传动比应满足机床所要求的分辨率。 （ 7） 为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦 小、传 动效率高的滚珠丝 杠 螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。 （ 8） 采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。 总体方案设计图如下 图（ 2）所示： 进给伺服系统总体方案方框图如图（ 3）所示： 第 4 页 共 29 页 加 工 工 件 形 状编程手 工 输 入 计算机 磁带控制计算机功率放大器车床步进电机变速箱变速箱步进电机工件图 （ 2 ） 数 控 车 床 改 造 的 总 体 方 案 示 意 图微机光电隔离光电隔离功率放大功率放大 3 ） 经 济 性 数 控 车 床 进 给 伺 服 系 统 方 案 框 计参数 设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。 现列出 式车床的技术数据： 名称 技术参数 在床身上 400件最大直径 在刀架上 210 5 页 共 29 页 顶尖间最大距 离 650;900;1400;1900制螺纹 10 种 ) 加工螺纹范围 英制螺纹 t/m 20 种 ) 模数螺纹 1 种 ) 径节螺纹 t/m 74 种 ) 最大通过直径 48锥度 莫氏 6# 主轴 正转转速级数 24 正转转速范围 101400r/转转速级数 12 反转转速范围 14向级数 64 进给量 纵向范围 r 横向级数 64 横向范围 r 滑板行程 横向 320向 650;900;1400;1900大行程 140架 最大回转角 90 刀 杠 支承面至中心的距离 26 杠 截面 B H 25 25尖套莫氏锥度 5# 尾座 横向最大移动量 10 6 页 共 29 页 外形尺寸 长宽高 2418 1000 1267度 作精度 圆柱度 200:面度 300面粗糙度 m 主电动机 动机功率 总功率 造设计参数如下 : 最大加工直径 在床面上 400床鞍上 210大加工长度 1000进速度 纵向 向 大切削进给 速度 纵向 向 板及刀架重力 纵向 800N 横向 600N 代码制 7 页 共 29 页 脉冲分配方式 逐点 比较法 输入方式 增量值、绝对值通用 控制坐标数 2 脉冲当量 纵向 冲 横向 冲 机床定位精度 具补偿量 给传动链间隙补偿量 纵向 向 动升降速性能 有 （ 1） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本 缩短改造周期。 （ 2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正 安装、调试、拆卸方便， 需经常调整的部位调整应方便。 第 8 页 共 29 页 3 进给伺服系统机械部分设计与计算 给系统机械结构改造设计 进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、 进给箱、溜 板箱、溜板 刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案： 挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。 进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机 与齿轮减速箱总成 丝 杠 、光 杠 和操作 杠 拆去，齿轮箱连接滚珠丝 杠 ，滚珠丝 杠 的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。 溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝 杠 中间支撑架和螺母以及部分操 作按钮。 横溜板箱部分：将原横溜板的丝 杠 的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝 杠 螺 母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝 杠 相连。 刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。 给伺服系统机械部分的计算与选型 进给 伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力 滚珠丝 杠 螺母副的设计、计算与选型、齿轮 传动计算、步进电机的计算和选型等。计算简图如下图所示： 第 9 页 共 29 页 定系统的脉冲当量 脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量 ,它是衡量数控机 床加工精度的 一个基本参数。因此 ,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为 技术参数中，要求纵向脉冲当量 向脉冲当量为 向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤 （ 1） 最大工作荷载计算 滚珠丝杠的工作载荷 N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝 杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。 由于原普通 床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式 3算 工 作载荷的大小。 FL+f() （ 3 1） 车削抗力分析 车削外圆时的切削抗力有 切削力 垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力 纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力 进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。 纵切外圆时，车床的主切削力 （ 3 =5360(N) 由金属切削原理知： x: （ 3 得 340(N) 144(N) 因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨第 10 页 共 29 页 上，车削作业时作用在进给托板的载荷 因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出： 托板上的进给方向载荷 x=1340(N) 托板上的垂直方向载荷 z=5360(N) 托板上的横向载荷 y=2144(N) 因此，最大工作载荷 FL+f() =1340+(5360+90 =) 对于三角形导轨 K=f= f=为是贴塑导轨 )， 纵向横向溜板箱和刀架的重量，选纵向横向溜板箱的重量为 75架重量为 15（ 2） 最大动载荷 C 的计算 滚珠丝杠应根据额定动载荷 用式 3 C= （ 3 位为 10r， L=6010;r ,n=1000v L0;最大切削力条件下的进给速度（ m ,可取最高进给速度的 1/2 1/3;资料得 2mm;运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以取 r 1400r/226mm/1/2/226 1/2/12= L=6006=60 15000/106= C= 1740（ N） 初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷 得小于最大载荷 C;因此有 C=11740N 另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式 要考虑滚珠丝杠的额定静载荷m,一般使 m=2 3. 初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。 因此初选滚珠丝杠的型号为型 主要参数为 o=8mm,3 =2， 圈数列数 1 （ 3） 纵向滚珠丝杠的校核 1） 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 = / + )=(2+10)=92% （ 3 第 11 页 共 29 页 2） 刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和 滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。 1 丝杠的拉压变形量 1 1= A （ 3 = 2280/10 ( = 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 采用有预紧的方式， 因此用公式 2= （ 3 =2 =这里 1/3 97N Z= w=63/ =1=丝杠的总变形量 = 1+ 2= 所以丝杠很稳定。 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 （ 1）型号选择 1）最大工作载荷计算 由于导向为贴塑导轨，则： k=1.4 f=1 为工作台进给方向载荷， 141N,360N,340N,G=60kg,t=15000h, 最大工作载荷： Fm=f() =2144+360+2 1340+75) =）最大动载荷的计算 1400r/r=1106mm/1/2/1106 1/2/4=6060 15000/106= 初选滚珠丝杠型号为： 基本参数为 =2mm,0数列数 1 (2) 横向滚珠丝杠的校核 1）传动效率 计算 = + )=(2+10)=93% 2) 刚度验算 1. 丝杠的拉压变形量 1= L/ 320/104 252= 2= =2 =这里 m/3=1118N Z= w=50/ =1=杠的总变形量 第 13 页 共 29 页 = 1+ 2=表知 所选丝杠合格 （ 3） 滚珠丝 杠 螺母副的精度等级： 数控机床根据定位精度的要求通常选用 1精度的滚珠丝 杠 ， 1 度丝 杠 的行程公差数值如表（ 2）所示： 项目 符号 有效行程lm/度等级 1 2 3 4 5 目标行程公差 315 6 8 12 16 23 315400 7 9 13 18 25 400500 8 10 15 20 27 500630 9 11 16 22 30 行程变动量公差 315 6 8 12 16 23 315400 6 8 12 17 25 400500 7 10 13 19 26 500630 7 11 14 21 29 任意 300行程变动量 6 8 12 16 23 2 行程变动量 p 4 5 6 7 8 表（ 2）滚珠丝 杠 行程公差 / m 轮有关计算 (1)纵向齿轮及转矩的有关计算 1） 有关齿轮计算，由前面的条件可 知： 工作台重量： W=8000N(根据图纸粗略计算 ) 滚珠丝 杠 的导程 : 2距角 : =： m/以 ,变速箱内齿轮的传动比 i= = = = （ 3 齿轮的有关参数选取如下 : 2 , 0 ,模数 m=2宽 b=20 压力角 =20 齿轮的直径 d1= 32=64mm d2= 40=80 14 页 共 29 页 =68mm =84齿轮的中心矩 a= = =72） 转动惯量计算 工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量 : ( )2= ( )2 80 = （ 3 对材料为钢的圆柱形零件 ,其转动惯量可按下式估算 : J=10 （ 3 式中 以 ,丝 杠 的转动惯量 : 10410轮的转动惯量 : =102= =1084 2= 电动机转动惯量很小 ,可忽略。 因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯 量 J=(1/ +1=(1/ + 杠 名义直径 /程 /m 长丝 杠 名义直径 /程 /m 长丝 0 4 0 10 2 15 页 共 29 页 25 5 0 8 0 0 5 2 0 8 5 5 0 2 0 10 0 5 2 0 10 2 5 6 00 12 6 0 0 0 6 20 20 4 (3)滚珠丝杠的转动惯量 3） 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 M=f+大切削负载时所需力矩 M=f+t 快速进给时所需力矩 M=o 式中 , 折算到电动机轴上的附加摩擦力矩 ; （ 3 式中 , r/s 第 16 页 共 29 页 当 n= = =r/ 10m 当 n= , Ma= = =r/ 10= （ 3 式中 fr/N; 动效率。 当 = f=， = (1- ) （ 3 式中， 般为最大轴向载荷的 1 / 3，即 3 则 = (t= = =128 以，快速空载启动所需力矩 M=f+03+削时所需力矩 第 17 页 共 29 页 M=f+t=28=速进给时所需力矩 M=o=以上分析计算可知：所需最大力矩 生在快速启动时 2)横向齿轮及转矩的有关计算 1)有关齿轮计算，由前面的条件可知： 工作台重量： W=3000N(根据图纸粗略计算 ) 滚珠丝杠的导程 : 距角 : =： m/以 ,变速箱内齿轮的传动比 i= = = =轮的有关参数选取如下 : 8 , 0 ,模数 m=2宽 b=20 压力角 =20 6 0mm 40 4 a=48)转动惯量计算 工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量 : ( )2= ( )2 30 =杠的转动惯量 : 1024 50=轮的转动惯量 : =102= =1064 2=电动机转动惯量很小 ,可忽略。 第 18 页 共 29 页 因此，折算到步进电机轴上的总的 转动惯量 J=(1/ +1=( )2（ +)所需转动力矩计算 = =r/ 10m= = =r/ 10m=f= = = =m = (=t= = =以，快速空载启动所需力矩 M=f+削时所需力矩 M=f+t=速进给时所需力矩 M=o= 以上分析计算可知：所需最大力矩 生在快速启动时 3）绘制进给伺服系统的机械装配图 在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型，完成齿轮传动比计算后 可以着手绘制进给伺服系统的机械 装配图。 在绘制机械装配图时，除了从总体上考虑机床布局情况以及伺服进给机构 第 19 页 共 29 页 与原机床的联系外，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。 1） 了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。 2） 根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号，轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。 3） 减速齿轮的参数和结构尺寸计算，确定齿轮侧隙的调整方法，在满足装配工艺的前提下，合理设计齿轮箱结构。 4） 考虑各部位间的定位、联接和调整方法。例如，应保证丝杠两端支承与滚珠丝杠螺母同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座。轴承座在安装面上的联接与定位、齿轮箱在安装面上的定位、步进电机在齿轮箱上的联接与定位等。 5） 考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如，丝杠螺母的润滑、防尘、防铁屑保护、轴承的润滑及密封、齿轮的润滑及密封、行程限位保护装置等。 6） 在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。 此外，注意绘制装配图时的一些基本要求。例如，制图标准、视图布 置及图形画法要求、重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标 准、重要配合的标注、装配技术要求、标题栏要求等。 4 步进电动机的计算与选型 进电动机选用的基本原则 合理选用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据电动机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍第 20 页 共 29 页 如下： 距角 步距角应满足 （ 4 式中， 最小转角 度 步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足： m i s （ 4 式中， m s 矩 为了使 步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件 a. 起动力矩。一般选取为 （ 4 式中， 根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表（ 4）所示，表中 步进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。 运行方式 相数 3 3 4 4 5 5 6 6 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 （ 4）步进电动机相数、拍数启动力矩表 在要求的运行频率范围内，电动机运行运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 动频率 由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： m (4式中， 第 21 页 共 29 页 进电动机的选折 向 进给系统步进电机的确定 =满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知： 以步进电动机最大静转矩 ： =进电动机最高工作频率： =Z 综合考虑，查步进电机技术数据表选用 90直流电动机，能满足使用要求。 向 进给系统步进电机的确定 =动机 仍 选用三相六拍工作方式，查表知： 以步进电动机最大静转矩 ： =进电动机最高工作频率： =Z 为了便于设计和采购，仍 选用 90直流电动机，能满足使用要求。 5 主轴交流伺服电机 轴的变速范围 主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围 即 Rn=控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化 很大，所以主轴变速范围很宽。 第 22 页 共 29 页 由于 800 4 nj/ (5则 =113r/里 电动机的额定转速 该机床主轴要求的恒功率调速范围 ： 1800/113= (5主轴电机的功率是： 选主轴电机的型号 选主轴电机的型号为： 列交流主轴驱动系统型号为1续负载 W=隙负载（ 60%） /时负载（ 20,额定负载 n/000,最大转速 r/000，额定转矩 性矩 体管 频器型号为 6轴电机的校核 电动机恒恒功率调速范围： 8000/5000 =16 所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围。 6 微机控制系统硬件电路设计 制系统的功能要求 （ 1） z 向和 x 向进给伺服运动控制 （ 2） 自动回转刀架控制 （ 3） 螺纹加工 控制 第 23 页 共 29 页 （ 4） 行程控制 （ 5） 键盘及显示 （ 6） 面板管理 （ 7） 其他功能：光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。 件电路的组成： 后面所画大图采用 列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下： （ 1） 用 8031 芯片； （ 2） 扩展程序存储器 2764 两片， 6264 一片； （ 3） 扩展可编程接口芯片 8155两片； （ 4） 地址锁存器，译码器个一个； （ 5） 键盘电路，显示电路； （ 6） 光电隔离电路，功率放大功率； （ 7） 越程报警电路，急停电路，复位电路； （ 8） 面板管理电路。 计说明 （ 1） 031芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有 128字节，因此，扩展外部程序存储器 2764两片（ 16数据存储器 6264（ 8片。 8031的 I/O 口也不能满足输入输出口的要求，本系统也扩展了两片 8155可编程接口芯片。 （ 2） 采用 74 八译码器的输出作为片选信号。 2764（ 1）、 2764（ 2）、 6264、 8155（ 1）和 8155（ 2）的片选信号分别接到译码器的 4,74、 B、 031的 （ 3） 由于 2764 和 6264芯片都是 8 要 13 根地址线， 7 低 8 位接74的输出。 12 接 8031 芯片的 74时直接传送 8031低 8 位 地址，当 8位地址锁存器，此时， （ 4） 接口芯片与外设的联接及设计说明如下： 8155（ 2） 出的指令脉冲通过光电隔离电
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