2045C618数控车床的主传动系统设计(含毕业说明书和机械CAD图纸)DOC

2045C618数控车床的主传动系统设计(含全套毕业说明书和机械CAD图纸)DOC2045C618数控车床的主传动系统设计(含全套毕业说明书和机械CAD图纸)DOC131/131肁PAGE131袅螈蒄羀芃腿膇羂薇肆节蕿芃聿薈芃肅薈芅膈莃羀罿蒄螇袆肄螇蒃袀莀蚅芅膄袃蚀薂螀薇蚂羇蚆薂芀蚂蚀羈袄莅羄蚅衿螂薀荿膅膇薇莄蒈袂薀螀肂薄袅膃肇袂蒀膀莃芆莇膅羀羂莀芇薄羈蚅羄葿肂芁蚈螅蒆膇螃肈膁膁聿螂膈蒅蒂蚇芁肁蒀羃蚆肇薅芆莁羁蚇膅莈芅芄膀蒁羁肈膂螆袈肃蝿蒁袁葿莃薇膆膆莈薁螁衿蚄羅蚈袄羇蚁蚁芀袅蚇羆蚃袀螁薂莇袂膅芄蒂葿袀蒂螈肃袇螆蒅肈羀莂腿芄莅肄芄蚈肀莂薀节肇蚆羃芇肀节羁蒃蒅袅肆肀膀膂膈螄膆蒇螅虿芀肂薈羅羈螅薃芈莀羂罿羂莆芇莂袇蒀袃莀膃肈薅莅螀蕿螃蒇莄薆肇膄荿蕿螃袈蚅芈莅袃罿羃蚃艿薃螆羈羆薈肃艿蚀螄蒈芆蚅膇膃腿肁肅袅螈蒄羀芃腿膇羂薇肆节蕿芃聿薈芃肅薈芅膈莃羀罿蒄螇袆肄薃蒃薆莀蒁芅袀袃莆薂蒆薇莈羇蒂薂羅蚂蒆羈蚀莅螀蚅薅螂莆荿袁膇芃莄膄袂芆螀袈薄薁膃螃袂膆膀聿芆肃膅蚆羂肆芇芀羈莁羄芅肂羆蚈薁蒆羃螃袄膁袇聿蒈膈膁蒂蒃芁袇蒀蝿蚆螃薅肂莁螇蚇羁莈肁芄袆蒁蚇肈袈螆薄肃蒅蒁薇葿腿薇袂膆肄薁蒇衿莀羅莄袄蚃蚁莇芀薁蚇蚂蚃薆螁芇莇薈膅羀蒂膅袀芈螈蝿袇薂蒅螄羀膈腿肀莅螀芄莃肀肈薀羇肇莂羃羃肀羈羁艿蒅蚁肆袆膀袈膈蒀膆膃螅蒅芀螈薈蚁羈蒁薃肄莀蚈罿蚈莆羃莂蚃蒀虿莀衿肈芁莅蒆蕿蕿蒇膀薆袃膄肅蕿葿袈莁芈膁袃蚄羃荿艿荿螆蚃羆芄肃肅蚀薀蒈羂蚅袃膃羅肁螁袅蒄蒄螆芃袅膇螈薇螂节莅芃螅薈罿肅莄芅羄莃蚅罿膀螇薂肄薃蒃薆莀蒁芅袀袃莆薂蒆薇莈羇蒂薂羅蚂蒆羈蚀莅螀蚅薅螂莆荿袁膇芃莄膄袂芆螀袈薄薁膃螃袂膆膀聿芆肃膅蚆羂肆芇芀羈莁羄芅肂羆蚈薁蒆羃螃袄膁袇聿蒈膈膁蒂蒃芁袇蒀蝿蚆螃薅肂莁螇蚇羁莈肁芄袆蒁蚇肈袈螆薄肃蒅蒁薇葿腿薇袂膆肄薁蒇衿莀羅莄袄蚃蚁莇芀薁蚇蚂蚃薆螁芇莇薈膅羀蒂膅袀芈螈蝿袇薂蒅螄羀膈腿肀莅螀芄莃肀肈薀羇肇莂羃羃肀羈羁艿蒅蚁肆袆膀袈膈蒀膆膃螅蒅芀螈薈蚁羈蒁薃肄莀蚈罿蚈莆羃莂蚃蒀虿莀衿肈芁莅蒆蕿蕿蒇膀薆袃膄肅蕿葿袈莁芈膁袃蚄羃荿艿荿螆蚃羆芄肃肅蚀薀蒈羂蚅袃膃羅肁螁袅蒄蒄螆芃袅膇螈薇螂节莅芃螅薈罿肅莄芅羄莃蚅罿膀螇薂肄薃蒃薆莀蒁芅袀袃莆薂蒆薇莈羇蒂薂羅蚂蒆羈蚀莅螀蚅薅螂莆荿袁膇芃莄膄袂芆螀袈薄薁膃螃袂膆膀聿芆肃膅蚆羂肆芇芀羈莁羄芅肂羆蚈薁蒆羃螃袄膁袇聿蒈膈膁蒂蒃芁袇蒀蝿蚆螃薅肂莁螇蚇羁莈莂芄芆蒁羇肈芈螆袄肃袅蒁袇葿葿薇膂膆蒄薁螈衿蚀羅螄袄肃蚁螈芀羁蚇肂蚃袆螁蚈莇袈膅芀蒂蒆袀薈螈膀袇袂蒅肅羀蒈腿莁莅膁芄蚄肀莈薀莈肇蚃羃芃肀芈羁蕿蒅羁肆膆膀膈膈螀膆蒃螅螅芀腿薈肁羈螁薃莄莀聿罿羈莆莃莂羃蒀罿莀艿肈蚁莅螇蕿衿蒇蒁薆膄膄莆蕿蝿袈蚂芈蒂袃羅羃虿艿虿螆羄羆薄肃莅蚀袀蒈节蚅膃膃芅肁肁袅袄蒄肆芃膆膇肈薇肂节蚅芃肆薈艿肅蚄芅芄莃羆罿薀螇羂肄袄蒃羆莀螂芅芀袃螇薂袆薇蝿羇螃薂莆蚂螆羈羀莅肁蚅羅螂蚆荿膁膇薃莄薄袂薆螀膈薄袁膃肃袂蒇膀荿芆蒃膅羆羂莇芇蚀羈蚁羄薅肂莇蚈袁蒆芃螃膅膁芇聿衿膈薁蒂螄芁膇蒀肀蚆肄薅莃莁肇蚇芁莈莂芄芆蒁羇肈芈螆袄肃袅蒁袇葿葿薇膂膆蒄薁螈衿蚀羅螄袄肃蚁螈芀羁蚇肂蚃袆螁蚈莇袈膅芀蒂蒆袀薈螈膀袇袂蒅肅羀蒈腿莁莅膁芄蚄肀莈薀莈肇蚃羃芃肀芈羁蕿蒅羁肆膆膀膈膈螀膆蒃螅螅芀腿螃肁膂螁袇莄蚄聿膃羈蚀莃薆羃蚄罿薄艿莂腿虿莅螄莇螁罿螀蚂莈羄袃莇膂膀薂羀膇薃芇芇薃膇羀薂膀膂莇袃羄莈蚂螀罿螁莇螄莅虿腿莂螈薄蒇蚄蒂薆袁蚀薆膃薇蚄袂袇荿膂蕿螃蚇薄芃聿肁蒀莈莂螇蒄蚄芀葿蝿肇芅袆莄袁芇膁芁袆袄袆芄节蒈虿蕿衿蒃羆膄蚃蝿莁膁蚈肂肆肅肄蚆袈荿蒇蚁膆肅蒅羇薀羁葿蒄芆羅薁膈节艿芈肄莆袅羂莀螀螂羇蚃蒆螅莃莇蒂肀螆节蒅蚅螄薈袀蚂蝿袁薅薅袁蝿蚂袀薈螄蚅蒅节螆肀蒂莇莃螅蒆蚃羇螂螀莀羂袅莆肄芈艿节膈薁羅芆蒄葿羁薀羇蒅肅膆蚁蒇荿袈蚆肄肅肆肂蚈膁莁蝿蚃膄羆蒃衿蕿虿蒈节芄袆袄袆芁膁芇袁莄袆芅肇蝿葿芀蚄蒄螇莂莈蒀肁聿芃薄蚇螃蕿膂荿袇袂蚄薇膃薆蚀袁薆蒂蚄蒇薄螈莂腿虿莅螄莇螁罿螀蚂莈羄袃莇膂膀薂羀膇薃芇2045C618数控车床的主传动系统设计(含全套毕业说明书和机械CAD图纸)DOC

第一章概论

一、数控系统发展简史

1946年出生了世界上第一台电子计算机，这表示人类创立了可增强和部分代替脑力劳动的工具。

它与人类在农业、工业社会中创立的那些可是增强体力劳动的工具对照，起了质的飞驰，为人类进入信息社会确定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国出生了第一台数控机

床。今后，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。

二、国内数控机床情况解析

（一）国内数控机床现状

近来几年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有很多的使用，在中小企业甚至个体企

业中也宽泛开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，多数处于单机运转状

态，而且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。2001年，我国机床工业产值已进入世界

第5名，机床花销额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，花销额

比上一年增加25%。但由于国产数控机床不能够满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001

年进口机床跃升至世界第

2位，达

24.06亿美元，比上年增加

27.3%。近来几年来我国出口额增幅较

大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，一般机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。

（二）国内数控机床的特点

1、新产品开发有了很大打破，技术含量高的产品占有主导地位。

2、数控机床产量大幅度增加，数控化率显然提高。

2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增加28.5%。金切机床行业产值数控化率从

2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。

3、数控机床发展的要点配套产品有了打破。

三、数控系统的发展趋势

连续向开放式、基于PC的第六代方向发展

基于PC所拥有的开放性、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。最少采用PC机作为它的前端机，来办理人机界面、编程、联网通讯等问题，由原有的系统肩负数控的任务。PC机所拥有的友好的人机界面，将普及到全部的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加宽泛。

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。

向智能化方向发展

随着人工智能在计算机领域的不断浸透和发展，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，并自动调整系统的相关参数，达到改进系统运转状态的目的。（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别规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立拥有人工智能的专家系统。

（3）引入故障诊断专家系统由于计算机有高妙的运算能力，合成复杂的曲线或曲面。

4）智能化数字伺服驱动装置

能够经过自动鉴别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最正确的运转。

四、机床数控化改造的必要性

（一）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，计算机的威力。

而且这些优越性均来自数控系统所包括的

、能够加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的部件。

能够瞬时正确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，所以能够复

2、能够实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。由于计算机有

记忆和储藏能力，能够将输入的程序记住和储藏下来，尔后按程序规定的序次自动去执行，从而实现自

动化。数控机床只要改换一个程序，即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、加工部件的精度高，尺寸分别度小，使装置简单，不再需要"修配"。

4、可实现多工序的集中，减少部件在机床间的频频搬运。

5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，所以可实现长时间无人看守加工。

6、由以上五条派生的好处。

如：降低了工人的劳动强度，节约了劳动力（一个人能够看守多台机床），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响等等。

（二）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。由于采用信息技术对外国军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最后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％，所以每年都有大批机电产品进口。这也就从宏观上说了然机床数控化改造的必要性。数控化改造的市场空间机床的数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，比方："在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增加行业，活力勃勃，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个"永远"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所以不难看出：1．国内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0.6～0.8万台，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，而且多数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品宽泛存在质量差、品种少、品位低、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，影响企业的生计和发展。所以必定大力提高机床的数控化率。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，很多企业从外国引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完满统计，从

1979～1988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大体165.8亿美元。

这些项目中，大多数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各种原因，设备或生产线不能够正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益碰到影响，严重的使企业坠入困境。一些设备、

生产线从外国引进今后，有的消化吸取不好，备件不全，保护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽略软件、工艺、管理等，造成项目不完满，设备潜力不能够发挥；有的甚至不能够启动运转，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是由于设备故障不能够达产达标；

有的由于能耗高、产品合格率低而造成损失；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。各种原因使有

的设备不但没有创立财富，反而耗资着财富。

这些不能够使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量财富，修睦了就是财富。只要找出主

要的技术难点，解决要点技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量财富，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。

机床改造的效益解析

提高机床数控化效率有两个路子：一是购置新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而关于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的路子，采用第二中方法有以下的优点：

1、减少了投资和交货的限时

同购置新的数控机床对照，一般能够节约60%到80%的花销，改造的花销大大减低。

2、机械的坚固性可靠

机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然无效充分，内应力的除掉使得比新的铸件更坚固，这些铸件的使用又能够节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。

3、熟悉认识设备结构性能，便于操作维修，购置的新设备，起初很难前面认识机床的结构性能，致使

很难估量可否完满适合加工要求，而改造则完满能够防范这种情况，而且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。

4、能够充分利用现有的条件能够充分利用现有的地基，

不用像购新机时重新修筑新基，

同时工夹具、样板和外设备也能够在利

用。

5、可更好的就地取材合理精选功能

购置现成的通用型机床，经常对一个详尽的生产加工有一些节余的功能，又可能缺少某一个专用的

特别功能，如向机床制造厂提出特别定货要求，增加某些特其他加工要求，经常花销大，交货的日期又

长。而采用改造方案就可以依照生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。

6、可实时采用最新技术，充分利用社会资源

由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的粗心资源支持机床方面的

改造，如随意采买各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨

的摩擦系数降低五至十几倍来防范爬行，还可以够使得刮研极简单，等等例子说明有一大批社会资源，可

依照技术更新的发展速度，实时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和

品位，将旧机场改造成现在水平的机床。

第二章一般车床的数控改和可行性论证

关于一般车床的经济型数控改造，在考虑整体设计方案时，应依照的原则是：在满足设计要求的前

途下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。

一车床的数控改造

（一）、数控机床工作原理及组成

数控机床工作原理：

数控机床加工部件时，第一应编制部件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到

数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其他如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格的依照加工

程序规定的序次、轨迹和参数进行工作，从而加工出吻合要求的部件。

数控机床的组成：

数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图2-1

控制介质数控装置伺服系统机床

测量装置

图2-1数控机床的组成图

（二）、设计内容及任务

一般车床（C618）的数控改造设计内容包括：整体方案的确定和考据、机械改造部分的设计计算（包

括纵向、横向进给系统的设计与计算）、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床

调速电动机控制电路的设计、电磁离合器的设计计算。。

本设计任务是对C618卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床

的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为mm/脉冲，横向最小运动单

mm/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。

（三）、数控部分的设计改造

1、数控系统运动方式的确定

数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到其他一点的地址，而关于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向

的位移进行严格的不中止的控制。由于C618车床要加工复杂轮廓部件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。

2、伺服进给系统的设计改造

数控机床的伺服进给系统按有无地址检测和反响可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。

闭环控制方案的优点是能够达到随和的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，除掉缝隙、搅乱等对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。

半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反响控制，所以性能远优于以步进电动机驱

动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自己的特点，技术难度较大。

开环控制系统中没有地址控制器及反响线路，所以开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，

所以常用于精度要求不高的场合。

经过上序比较，由于所改造的C618车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。

3、数控系统的硬件电路设计

数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的利害直接影响整体数控系

统的工作性能。

数控装置的设计方案平时有：

能够全部自己设计制作

能够采用单板机或STD模块或工控机改制

能够采用现成的数控装置作少量的适应化改动

在一般机床的经济型数控改造中，由于第一种设计周期较长且不经济，同时质量也难于保证。第二

种则更加不经济。所以不课程设计将采用第三钟方案。

（四）、机械改造部分的设计

1、主传动部分的改造设计

将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变

速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。改造后使其主运动和进给运动分别，主轴电动机的作用可是带动主轴旋转。

2、进给机构的改造

将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆掉。纵向、横向进赐予步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。

3、其他部件的改造

刀架部分：拆掉原手动刀架和小拖板，安装由微机控制的四工位电动机刀架，该刀架拥有重复定位

精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好等优点。

二可行性论证

依照《自动化制造系统》，可行性论证使用户建筑自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分

析报告，是上级主管部门判定和赞同立项的基本依照。同样，在进行一般车床的经济型数控改造从前进

行合理的、科学的可行性论证是必要的。

依照传统的论证方法，一般车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业

生产经营现状及存在的问题解析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、

效益解析，改造后车床的推行计划，结论等。

由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性

论证。

本改造设计是对一般车床C618进行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是广州数控设备厂生

产的GSK980T型数控系统，加上两台伺服电机，两套滚珠丝杠副和相当的传动部分以及齿轮副，一台变

频调速电动机，四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副。这样设备改造花销和旧设备花销总计不会超

过15万元。所以，对一般车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精美程度的有效选择。它拥有必然的典型性和合用性。

第三章整体设计方案的确定

经整体设计方案的论证后，确定的C618的车床经济型数控改造的整体方案表示图以以下图所显：C618

车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机，有级变速部分采用电磁离合器控制机构；车床的纵

向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、

横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安装主

轴脉冲发生器。

改造后的整体方案表示图如图3-1所示：

手工输入计算机储藏装置加工工件数控程序图纸编制步进电动机或控制计算机工件变速箱功率放大器车床变速箱步进电动机

图3-1整体方案设计图

第四章主传动部分改造与设计

在改造设计从前，让我们先来看一下数控机床主传动与一般机床对照所拥有的特点：

1）采用调速电机驱动，以满足主轴依照数控指令进行自动变速的需要；

2）传动路线短，从而简化了主传动系统机械结构；

3）转速高、功率大；

数控机床的主传动系统除应满足一般机床传动要求外，还应满足以下要求：

1数控机床就要为了保证加工时能采用合理的切削用量，○拥有更大的调速范围，并实现无极调速。充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产效率、加工精度和表面质量，必定有更高的转速和更多的调速范围。为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。②拥有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度亲近相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感觉加热淬火增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理的支承跨距等，以提高主轴件的刚性。③拥有优异的抗振性和热坚固性。加工时可能由于断续切削、加工余量不平均、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的搅乱，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至损坏刀具和或部件，使加工无法进行。所以在主传动系统中的各主要零部件不仅要求有必然的静刚度，而且要求拥有足够的控制各种搅乱力引起振动的能力——抗振性。抗震性用动刚度或动柔度来衡量。若是把主轴组件视为一个等效的单自由度系统，则动刚度kd与动力参数的关系为：222kd=k12(4-1)nn式中:k—机床主轴结构系统的静刚度（N/m）；—外加激振力的激振频率（Hz）；n—主轴组件的固有频率（n=k，m为当量质量，k为当量静刚度）；m—阻尼比（=，是阻尼系数，c是临界阻尼系数，c=2mn）。c由上式可见，为提高主轴组件的抗震性，须使kd值较大，为此应尽量使阻尼比、当量刚度值或固有频率的值较高。在设主传动系统时，要注意选择上述几个参数的合理关系。

一、主传动部分改造方案拟订和设计的内容

异步电动机的调速方法有变频调速、变极调速、辩转差调速三种。异步电动机的转速公式为

60f1ni=p从该公式中能够看出，若平均地改变电源的频率f1，就可以连续地改变电动机的同步转速。这种调速方法称为变频调速，它完满不同样于其他的调速方法。改变异步电动机的磁极对数调速的方法称为变极调速。改变电动机转差率的调速方法称为变转差率调速。异步电动机各种调速方法性能指标的比较调速方法项目变频变极变转差率转子串电阻串极调速调压调速电磁调速电机可否改变同变变不变不变不变不变步转速静差率小小大小开环时大开环时大（好）（好）（差）（好）闭环时小闭环时小调调速范较大（10较小小较小闭环时闭环时围（D）以上）（2—4）（2）（2—4）较大较大速调速平好（无级差（有级差（有级好（无级好（无级好滑性调速）调速）调速）调速）调速）（无级调速）指适应负恒转矩恒转矩恒转矩恒转矩通风机通风机载种类恒功率恒功率恒转矩恒转矩标设备多少少很多较少较少投资电能较小小大较小大大耗费异步电动机变频调速有调速范围广、圆滑性较高、机械特点较好的优点，能够方便地实现恒功率

或恒转矩变速，整个调速特点与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相媲美。目

前变频调速已成为异步电动机最主要的调速方法。经过上序的比较本课程设计中电动机的调速方法采用变频调速的方法。

改换主轴电动机，换成调速电动机.经过对电动机的变频调速控制再加以简单的齿轮调速来实现自

动变速，齿轮调速部分用磁离合器控制齿轮啮合。

图4-1主轴变频调速系统原理图

数控机床主轴变速方式主要有无级调速、分段无级调速和内置电机变速等。在本设计中采用分段无

级调速。无级变速能够采用最合理的切削用量，可在运转中变速，操作方便，简化机械结构。无级变速

主若是利用直流和交流调速电动机。但直流调速电动机恒功率调速范围很小，一般只有1～2，很少到3～

4，且换向有限制，现大多采用交流变频主轴驱动系统。交流变频调速电动机的性能与直流调速电动机

近似，在额定转速以下为恒转矩区，在额定转速以上为恒功率地域。一般主轴调速电动机的恒功率调速

范围为3～4，关于恒功率变速范围大的主轴传动系统，需要增加变速齿轮，以保证主轴上较大的恒功

率范围。考虑本设计机床要求采用交流变频电动机和有级变速箱配合的方案即分段无级变速，主轴的正

反转和制动停止，由数控指令直接控制电动机来实现。利用车床的主轴交流异步电动机、变频器、数控

单元ENC组成了变频调速系统。交流电动机的转速n与频率f，电动机的级对数p及转差率s之间的

关系为n=60f(1s)/p,由此可知，改变电源的频率f，即可改变电动机转速，且转速n与频率f成

正比。考虑本设计机床的要求，采用交流变频电动机和有级变速箱配合的方案，即分段无级变速。主轴的正、反转和制动停止由数控指令直接控制电动机实现。其主轴变频调速系统原理图如图4-1所示；如图4-2所示是机床主轴要求的功率特点和转矩特点。这两条特点曲线是以计算转速n为分界，j从n至最高转速n的地域Ⅰ为恒功率区，在该地域内，随意转速下主轴都可输出额定的功率，在该区jmax域内，最大转矩则随主轴转速下降而上升。从最低转速nmin至nj的地域Ⅱ为恒转矩区。在该地域内，最大转矩不再随转速下降而上升，任何转速下可能供应的转矩都不能够高出计算转速下的转矩，这个转矩就是机床主轴的最大转矩Mmax。在地域内，主轴可能输出的最大功率Pmax，则随主轴转速的下降而下降。平时，恒功率区约占整个主轴变速范围的2/3—3/4；恒转矩区约占1/4—1/3。如图4-3所示是变速电动机的功率特点。从额定转速nd到最高转速nmaxde地域Ⅰ为恒功率区；从最低转速nmin至nd的地域Ⅱ为恒转矩区。直流电动机的额定转速常为1000r/min—1500r/min。从nd至n用调治磁通的方法获得，称为调磁调速；从nmin至n用调治电驱电压的方法获得，称为调压调速。maxd交流调频电动机用调治电源频率来达到调速的目的。额定转速常为1500r/min。这两种电动机的恒功率转速范围为2—4；恒转矩变速范围则可达100以上。

图4-2主轴的功率转矩特点图4-3变速电动机的功率特点

所谓分段无级变速就是在交流或直流电机无级调速的基础上配以齿轮变速。它能够实现中、高速段

的恒功率传动，低速段的恒转矩传动。在该系统中，主轴的正、反转和制动停止，经过数控指令直接控制电机来实现。主轴的变速则有电动机的无级变速与齿轮的有机变速相当合来实现。

二、主传动部分改造设计计算

主传动部分改造设计计算包括电动机的设计于选择,主传动系统分段无级变速传动方案的确定与

解析,数控机床分级变速箱的设计,电磁离合器的设计计算,机床调速电机控制电路图的设计.（一）、电动机的选择依照原机床参数及要求初选改造后车床主轴变速范围R=100，n=3000r/min，n=30r/min；主传nmaxmin动机械总效率系数η=0.9，最大切削功率为10kw，最小切削功率为3kw。则电机初选功率应为P>10vkw,D依照电机规格，可采用11kw也许15kw的电机。表格4。2电机选择两种方案比较交流主轴电机主轴与变速机构型号P（kw）RNRnjRRnTRi∑DDPDsminDTnPFYP160M-41134508330101/182YP160L-41533351122、电机最小输出功率

1）、计算主轴在最底转速达到最小功率是电机应输出的功率

Pdsmin=Pnmin(4-2)2）、算电机合用的最底转速nDsmin（r/min）由式nPdsminnd(4-3)=DsminPD计算结果:11kw的电机为：n=450r/min（n=1500r/min）Dsmind15kw的电机为：n=333r/min（n=1500r/min）Dsmind式中：n电机的基本转速r/min；dPD电机额定功率kw。

由此，设计者采用功率为11kw、型号为YP160M2-4的交流调频电机。

（二）、主传动系统分段无级变速传动方案的确定与解析

1、电机额定转速的计算电机的选择

1）、电机额定转矩TDd（N/m）为

9550PD119550(4-4)TDd==70N·Mnd15002）、电机最小转矩Tdmin（N·M）T=9550Pd·M(4-5)dminndMax其中电机最大转速ndmax=4500r/min

3）、电机合用恒转矩区变速范围

RDT=nd(4-6)ndmin4）、主轴恒转矩区变速范围(4-7)nTDT5）、电机恒功率区变速范围nmax=3(4-8)RdP=nd

2、主轴参数计算

1）、主轴计算转速nj

nj=nmin(nmax)(4-9)nmin30(3000)30

=120r/min

2）、主轴恒功率变速范围RnP

RnP=nmax=3000=25r/min(4-10)nj1203）、分级变速机构的变速范围RFRnp25(4-11)R==FRDP3其中：R主轴恒功率区变速范围nPR电机恒功率区变速范围DP4）、主传动系统总降速比i∑nj=120(4-12)i∑=nd1500

(三)、数控机床分级变速箱的设计

1、数控机床主轴转速自动变换过程

在数控机床上,特别是在自动换刀的数控机床上应依照刀具与工艺要求进行主轴转速的自动变速。在部件加工工程序中用

S两位代码指定主轴转速的序号，

或用四位代码指定主轴转速的没分钟转数，

并

且用

M两位代码指定主轴的正、反向启动和停止。

采用直流或交流调速电动机的主运动无级变速系统中，主轴的正、反启动和停止制动是直接控制电

动机来实现的，主轴转速的变换则由电动机转速的变换与齿轮有级变速机构的变换相当合来实现的。机

床主运动变速系统中主轴的转速n是如何由电动机的转速、齿轮有级变速级数相当合来实现的，为了获

得主轴的某一转速必定接通相应的有级变速级数和电动机的调压转速nY或调磁转速nC。理论上说电动

机的转速能够无级调速，但是，主轴转速S代码最多只有99种，即即是使用S四位代码直接指定主轴

转速，也只能按一转递加，而且分级越多指令信号的个数越多，更难于实现。所以，实质上还是将主轴

转速按等比数列分成若干级，依照主轴转速的S代码发出相应的有级级数与电机的调速信号来实现主轴

的住动变速。电机的调压或调磁变速，由电动机的驱动电路依照转速指令电压信号来变换。齿轮有级变

速则才用夜压或电磁离合器实现。

2、分级变速箱的设计

数控机床的分级变速箱由于位于调速电机与主轴之间,所以,设计时除依照一般有级变速箱设计原则

外,必定办理好公比的选择.在设计数控机床分级变速箱时,公比的采用有以下三种情况:

a、取变速箱的公比Φ等于电机的恒功率调速范围RdP,即Φ=RdP。

b、若是为了简化变速箱的结构，希望变速级数少一些，则不得不取较大的公比。

c、数控车床在切削阶梯轴、成行螺旋面或端面时，有时需要进行恒线速切削。

经综合解析比较选有第a种情况的公比。(1)、取变速箱的公比Φ等于电机的恒功率调速范围RdP,即Φ=RdP.则机床主轴的恒功率变速范围为RZ-1Z(4-13)=ΦR=ΦnPdP变速箱的变速级数Z=lgRnp=lg25(4-14)lglg3其中:R主轴恒功率区变速范围R=25nPnPΦ变速箱的公比Φ=RdP=3

Z必定是整数，可取变速箱的变速级数Z=3。其转速图如图4-4（a）所示。电动机经定比传动2：3，

使变速箱的轴Ⅰ获得3000r/min—1000r/min（恒功率）和1000r/min--270r/min（恒转矩）的转速。

若是经Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ轴之间的两对1：1的齿轮传动，主轴能获得3000r/min--1000r/min恒功率转速范

围。当主轴转速n降到1000r/min时，电动机转速降到1500r/min（额定转速）。若是电动机转速继

续下降，则将进入恒转矩区，最大输出功率也将随之下降。表现在图4-4（b）的功率特点图上，主轴

转速为3000r/min--1000r/min时，为ab段，是恒功率。当电动机转速低于额定转速时，最大输出功率将沿bc段虚线下降。

图4-4传动系统及功率特点图

当主轴转速降到1000r/min时，变速箱变速，经（1/1）*（1/3）传动主轴。这时电动机转速自

动地回到最高转速。当电动机又从4500r/min降到1500r/min时，主轴从1000r/min降到333r/min，

还是为恒功率。在功率特点图上为bd段。

当主轴转速降到333r/min时，变速箱变速，经（1/3）*（1/3）=1/9转动主轴。电动机又回到最

高转速。主轴从333r/min降到111r/min，在特点图上为df段。

主轴111r/min的转速已低于原要求的计算转速，以下进入恒转矩段。靠电动机连续降速获得，

当电动机转速降到405r/min时，主轴转速降到405*（2/3）*（1/9）=30r/min，即为主轴的最低转

速，这时电动机的最大输出功率为：

450P2=Pdd(4-15)1500即为额定功率Pd的27%。

在图4-4（b）中，abdf应为一条直线。为了清楚起见，把它画成三段，并略错开。能够看出，主

轴恒功率变速范围af是由3段组成的，每段的变速范围为电动机的恒功率调速范围RdP=3。所以，变速箱的公比Φ=RdP。电动机的功率依照主轴的需要选择。主轴计算转速为f点的转速（111r/min）。表为主轴转速与有级级数和电动机调压调磁转速的关系.主轴转速与有级级数和电动机调压调磁转速的关系?-1有级级数Y?-1n/rminn/rmin30≦n<111Ⅰ[（2/3）?（20/60）?（20/60）]405--1500111≦n<333Ⅱ[（2/3）?（20/60）?（20/60）]1500--4500333≦n<1000Ⅲ[（2/3）?（40/40）?（20/60）]1500--45001000≦n≦3000Ⅳ[（2/3）?（40/40）?（40/40）]1500--4500图4-4（c）为转矩特点。从a至f，转矩随转速下降而上升。至f点为主轴输出的最大转矩M。maxf-g为转矩区。a至f也是由三段拼成的。3、分段有级变速传动方案确定

、传动方案的设计计算由前面计算得：

z=3，=3带传动的传动比i0=2/3取i1=1i2=1/3I3=1i4=1/3故取：z1=40z1'=40z2=20'=60z2z3=40z'=403z4=20z4'=60(2)、齿轮的设计计算大小齿轮都采用45号钢调质，选小齿轮硬度为260HB—290HB，大齿轮硬度为220HB—250HB，精度采用六级，模数m=2.5mm,齿宽b=30mm,螺旋角α=200所以：d1=mz1=2.5×40=100（mm）(4-16)

d1'=2.5×40=100（mm）

d2=2.5×20=50（mm）

d2'=2.5×60=150（mm）

d3=2.5×40=100（mm）

d3'=2.5×40=100（mm）

d4=2.5×20=50（mm）

'd4=2.5×60=150（mm）

还应该校核齿轮表面接触疲倦强度，波折疲倦强度。经校核均合格，其校核过程略。

(四)、电磁离合器的设计计算

有级变速的自动变换方法一般有液压或电磁离合器两种。

液压变速机构是经过液压缸、活塞杆带动拔叉推动滑移齿轮搬动来实现变速，双联滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮必定使用两个液压缸实现三位移位。

电磁离合器是应用电磁功能接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列

产品可供采用，所以它已成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用于数控机床的主转动时，能简

化变速机构，操作方便，经过若干个安装在各转动轴上的离合器的吸合和分其他不同样组合来改变齿轮的

传动路线，实现主轴的变速。

经解析本设计采用电磁离合器来控制数控车床的有级自动变速。图4-5电磁离合器变速的主传动系统图

图4-5是采用电磁离合器变速的传动系统图，该传动系统由四对互相啮合的齿轮组成二级齿轮变速。每对相啮合的齿轮中有一个空套在传动轴上，并与电磁离合器的联接件联接，离合器与传动轴采用花键联接，空套齿轮与传动轴之间只有在电磁离合器吸合时才能传动。所以，经过各离合器的吸合和分其他不同样组合能够改变运动的传

动路线，实现主轴的变速。对4-5所示系统，四个离合器有4种可实现传动的组合，由于有两组齿轮的齿数同样，所以有4条不同样的传动路线，可获得3档机械变速（表4.4）

电磁离合器动作与传动比电动机转速

(r?min-1)

1500——4500

1500——4500

1500——4500

405——1500

主轴转速

(r?min-1)

1000≦n≦3000

333≦n<1000

111≦n<333

30≦n<111

传动比

i=（2：3）*（Z′1/Z1）*（Z′3/Z3）=2：3

i=（2：3）*（Z′1/Z1）*（Z′4/Z4）=1:3

i==（2：3）*（Z′2/Z2）*（Z′3/Z3）=1:3

（：）（′′i==Z2/Z2）*（Z4/Z4）=1:923*i==（2：3）*（Z′2/Z2）*（Z′4/Z4）=1:9

电磁离合器

M1M2M3M4

+-+-

+--+

-++-

-+-+

-+-+当从CNC装置中输出一主轴转速n主时，此主轴转速n主经过一比较器进行比较：当30r?min-1≦n主<111r?min-1时电磁离合器M2和M4吸合，M1和M3分别，此时整个系统的转动比是2：27，交流电动机的进行恒转矩传动。其转速为n电=n主/I=405r?min-1—1500r?min-1。-1≦n<333rmin-1时电磁离合器M和M吸合，M和M分别，此时整个系统的转动比当111rmin主??2413是2：27，交流电动机的进行恒功率传动。其转速为n电=n主/I=1500r?-1—4500r?-1。minmin?-1≦n主?-1时电磁离合器1423当333rmin<1000rminM和M吸合，M和M分别，此时整个系统的转动比是2：9，交流电动机的进行恒功率传动。其转速为n电=n主/I=1500r?min-1—4500r?min-1。当1000r?min-1≦n主<3000r?min-1时电磁离合器M1和M3吸合，M2和M4分别，此时整个系统的转动比是2：3，交流电动机的进行恒功率传动。其转速为n电=n主/I=1500r?min-1—4500r?min-1。改造后的机床为实现其螺纹加工还须配置主轴脉冲发生器作为车床主轴地址信号的反响元件。它与车床主轴同步运转，采集主轴运动时的数据信息，发出主轴转角地址变化信号，输入到数控系统内，再由数控系统经过软件控制，以保证主轴每转一转时，螺纹车刀也同步在纵向进给一个螺纹，并保证螺纹加工中分几次切削时不发生乱扣，即每次螺纹切削进刀地址一致。主轴脉冲发生器一般采用增量式光电编码器，其安装平时有两种方式：同轴安装、异轴安装。同轴安装方式是直接与车床主轴的后端相联系，这种方式结构简单，但弊端是安装后不能够加工穿出车床主轴孔的部件；异轴安装方式是经过桥齿轮或同步齿形带传动，使主轴与光电编码器同步转动，其结构复杂，但防范了前述同轴安装的弊端。本设计中是采用异轴安装方式。主轴脉冲发生器输光学元件，安装时应小心轻放，不能够有较大的冲击和振动，以防损坏玻璃光栅盘，造成报废。令应注意主轴脉冲发生器的最高运转转速，车床主轴的转速必定小于此转速，省得损坏脉冲发生器。

三、机床调速电机控制电路图的设计

在本课程设计中主轴电动机的调速是有变频器来实现的。

（一）、变频器的简单原理

在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好。调速范围大，静态坚固性好，运转效

率高。采用通用变频器对笼型异步电动机调速控制，由于使用方便、可靠性高而且经济效率显然，所以

渐渐获得推行。

1、变频器的基本组成

变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直接换成频率，电压均可控制的

交流，又称直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流经过整流器变成直流，尔后再把直流变换成频率、电压均可控制的交流，又称间接式变频器。在本课程设计中将采用交-直-交变频器来控制主轴电动机。

变频器的基本组成如图4-6所示，有主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成，解析以下:

图4-6变频器的基本结构

（1）、整流器电网侧的交流器I是整流器，它的作用是把三相（也能够是单相）交流整流成直流。

2）、逆变器负载侧的交流器II为逆变器。最常有的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中的主开关的通与断，能够获得随意频率的三相交流输出。

（3）、中间直流环节由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无任电动机处于电动或发电制

动状态，其功率因数总不会等于1。所以，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种

无功功率的能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所以又常称中间直流环节为

中间储能环节。

（4）、控制电路控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等组成。

其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可采

用数字控制或模拟控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的

硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵便性，数字控制方式常能够完成模拟控制方式难

以完成的功能。

（5）关于变频器名称的说明关于交-直-交变频器，在不涉及能量传达方向的改变时，我们常简单的

称变频器I为整流器，变频器II为逆变器，而把图中I、II、III总起来称为变频器。

2、变频器种类的选择

这里将就交-直-交变频器按不同样角度进行选择以下分类

（1）、按直流电源的性质分类

当逆变器输出侧的负载为交流电动机时，在负载和直流电源之间将进行无功功率的交换。用于缓冲

无功功率的中间直流环节的储能元件能够是电容或电感，据此，变频器可分为电压型变频器和直流型变

频器两大类。在本课程设计中将采用电压型变频器进行控制。

2）、电压调治方式的选择

变频调速时，需要同时调治变频器的输出电压和频率，以保证电磁主磁通的恒定。对输出电压的调治有两种方式：

PAM

方式和

PWM

方式。在本课程设计中将采用

PWM

型方式进行调速控制。

PWM

方式是脉冲宽度调制方式的简称。

最常有的主电路图如图

4-7a所示。变频器中的整流器采用

不能控的二级管整流电路。

变频器的输出变频和输出电压的调治均由逆变器按

PWM

方式完成。调压过

程的表示图如

4-7b所示。利用参照电压

uR与载频三角波

uc互相比较，来决定主开关的导通时间而实现

调压。利用脉冲宽度的改变来获得幅值不同样的正弦基波电压。

这种参照信号为正弦波，

输出电压平均值

近似为征象波

PWM

方式，称为正弦

PWM

调制，简称为

SPWM

方式。

图4-7PWM变频器

本课程设计采用的变频器为富士企业生产的FVR—G7S系列富士变频器型号为FVR11G7S—7JS变

频器。整个机床调速电机控制电路图如附图所示

第五章伺服进给系统的改造设计与计算

伺服进给机构的设计是一般车床经济型数控改造的主要部分，若是说CNC系统是数控机床的“大

脑”，是宣布“命令”的指挥机构，那么，伺服驱动系统即是数控机床的“四肢”，是执行机构，它忠实

而正确的执行由CNC系统发来的运动命令。伺服控制系统是联接数控系统与机床的枢纽，其性能是影响数控机床的精度、坚固性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。

一、伺服系统的组成原理和要求

(一)、伺服系统的组成原理机床进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大多数组成。机床进给机械传动系统平时由减速齿轮、滚珠丝杠、机床导轨和工作台拖板等组成。关于伺服驱动控制系统，按其反馈信号的有无，分为开环和闭环两种控制方式。关于开环伺服系统只能由步进电机驱动，它由步进电机驱动电源和电动机组成。闭环伺服系统则分为直流电动机和交流电动机两种驱动方式，而且是双闭环系统，内环是速度环，外环是地址环。速度环中用作速度反响的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调治器、电流调治器以及功率驱动放大器等部分组成。地址环是由CNC装置中的地址控制模块、速度控制单元、地址检测及反响控制等部分组成。依照其地址检测信号所取部位不同样，它又分为半闭环和全闭环两种。半闭环采用转角地址检测装置，安装于滚珠丝杠端部，或直接与伺服电动机转子的后端相连（与伺服电动机成一体）；关于全闭环系统需要采用直线地址检测装置，安装于机床导轨与工作台拖板之间。平时伺服驱动控制单元与电动机由一个生产厂家配套供应（甚至包括地址检测装置）。（二）、伺服系统的要求伺服系统是把数控信息转变成机床进给运动的执行机构。为保证机床的加工质量和效率，机床对其伺服系统有“稳、准、快、宽、足”五个要求，它反响了伺服驱动系统的五项性能指标,详尽的内容如下:稳即坚固性，也就是要求系统有较好的抗搅乱性，保证电源、环境、负载等所产生的颠簸对其影响甚小，有较硬的调速机械特点，过载能力强，坚固性好，适应性好，以保证工件加工的一致性。准及正确性，为保证加工质量，除要求系统坚固外，还必定有较高的正确定位精度。数控机床是由数控系统发出指令自动完成整个加工过程，它不象一般机床那样，中间能够由操作者测量工件后再通过控制手轮来修正加工误差。由于数控机床是按加工程序一次完成加工，所以进给系统的定位精度直接决定了工件的加工精度，这也是核查数控机床的一项至关重要的性能指标。平时影响数控加工精度的主要因素有：数控系统精度（主要取决于插补运算精度）；伺服系统精度；机床机械精度（如主轴、刀架、工作台辗转精度，刀具、工件装夹精度等）。其中伺服系统精度起主要

作用。

快即快速响应性。机床进给伺服系统实质上就是一种高精度的地址随动系统，它不仅要求静态误

差小，也要求动向响应快，详尽表现在起、停的起落速过程短，有较高的加速度，即要求系统的机电时

间常数小，反响矫捷。

宽即有较宽的调速范围。平时数控机床在实质运转中，对工作台的进给速度要求满足两项指标：

轻载快速趋近定位速度（即编程指令G00的速度）、切削进给速度（即编程指令G01、G02等后边的F

值所要求的速度）。

足即有足够的输出扭矩或驱动功率。特别是要满足强力切削和高速切削的要求，而且还要求系统

有相应的过载能力，以保证坚固性。

对进给伺服系统除了上述五项主要性能指标外，也要求温升低、噪声小、效率高、体积小、价格低、

控制方便、线性度好（如输出速度与输入电压成线性）、可靠性高，维涵保养方便，对温度、湿度等环

境要求宽等等。

二伺服进给机构的设计内容和设计计算

数控机床的伺服进给系统的控制方式有多种，如：开环控制闭环控制以及半闭环控制。

正如整体设计方案论证中所说，本设计任务的精度要求不高，结合经济型改造的特点，设计者采用

以步进电机为驱动的开环控制方式来设计其伺服进给系统。下面对开换系统的控制形式及特点加以简要解析。

1、工作原理及控制特点

开环控制系统利用脉冲马达的伺服性能，即对应必然的脉冲，必然有必然的转角，从而经过丝杠螺

母机构使工作台搬动必然的距离。

2、定位精度

诚然开环控制系统很难保证较高的地址控制精度，关于影响定位精度的机械传动装置的刚度、摩擦、

惯量、缝隙等的要求较高，一般在0.01～0.02mm之间；但关于经济型数控车床来说，定位精度要

求其实不高。

3、坚固性

结构简单，调试方便，工作可靠，坚固性好。

<一>纵向进给系统的设计与计算

1、进给系统的设计内容

经济型数控车床的改造一般是将丝杠、光杠及安装座拆去，配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向

驱动的步进电动机及减速箱安装在车床的车尾。书控车床经过步进电动机经减速驱动滚珠丝杠，带动刀架左右搬动。

纵向进给系统设计的主要内容有：滚珠丝杠副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、步进电动机的选择等。

2、纵向进给系统的设计计算

（1）已知条件：

1）、纵向脉冲当量δp=0.001mm/脉冲；

2）、纵向最高进给速度Vfymax=2m/min；

3）、C618车床工作台质量w=100kg=1000N（依照图形尺寸大概计算）。

4）、时间常数T=25ms

2）、纵向进给切削力Fz的确定依照《机床设计手册》查出，

Pdf=3～5%（5—1）Pa

式中：Pdf进给系统所需电机功率

Pa主传动电机功率

由前面的设计计算可知：

Pa=11kw

取比率系数为4%则

P=P（5—2）dfa依照《机床设计手册》查出，F6120fPdf（5—3）y=Vf式中：ηf进给系统效率，其范围为0.15～0.20，取ηfVf进给速度（m/min），查《合用机床设计手册》可知：V=（1/2～1/3）·V（5—4）ffymax取Vf=（1/2）V=1m/minfymax则FZ=4712.4(N)

当FZ=4712.4N时，切削深度ap=2mm，走刀量f=0.3mm.

以此参数作为下面计算的依照，从《合用机床设计手册》中可知，在一般圆切削时：

Fx=（0.1～0.6）Fz（5—5）Fy=（0.15～0.7）Fz（5—6）FxFz（N）

FyFz=0.6×4712.4=2827.44（N）

（3）、滚珠丝杠的设计计算

滚珠丝杠在工作中承受轴向负载，使得滚珠和滚道型面间产生接触应力；对滚道型面上某一点，是

交变接触应力。在这种交变应力的作用下，经过必然的应力循环次数后滚珠和滚道型面产生疲倦伤害，

从而使得滚珠丝杠丧失工作性能，这是滚珠丝杠损坏的主要形式。在设计滚珠丝杠副的时候，须保证能

够它在必然的轴向负载的作用下，在辗转106转后，滚道上诚然受滚珠压力，但不应有点蚀现象发生，

此时所能承受的轴向负载成为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载Q。

滚珠丝杠副已经标准化，所以滚珠丝杠副的设计概括为滚珠丝杠副型号的选择。

1）、额定动载荷与计算动载荷C

从《合用机床设计手册》中查得：

CfhfdfHFd（5—7）fn式中:fh寿命系数fd载荷性质系数fH动载荷硬度系数fn转速系数Fd最大工作负载(N)依照《合用机床设计手册》可知：

选工作寿命:Lh=15000h,则

fh=(Lh)1/3（5—8）500

选载荷性质系数:fd=1.35;

选动载荷硬度系数:fH=1.0;转速系数:fn=( )

1/3;（5—9）

V=1000mm/min

依照上述选择的情况下,计算结果如表5.1所示;

动载荷计算

丝杠导程L0/mm121086n=V/L0(r/min)8303100125fnc/n26883285903081333926综合导轨车床丝杠的轴向力:

FkFXf'(FZW)（5—10）式中:K=1.15;f’=0.15—0.18,取0.16.得;F1000)(N)寿命值;Li60niti60201500018（5—11）106106最大负载;Q3LifwfHF（5—12）=3181=11395.8(N)查参照文件《合用机床设计手册》可采用NL4510型号的滚珠丝杠副,名义直径为45mm,丝杠导程为

10mm,螺旋角4o3',滚珠例数为3系列,其额定动载荷为33300N,所以其强度够用。

2）、支承方式

采用“单推—单推”的支承方式。

3）、效率计算；

tg（5—13）tg()式中：螺纹的螺旋升角4o3'摩擦角tg；所以，=13'45''则：tg4o3'97%（5—14）tg(4o3'13'45'')经验表示：在数控化改造设计中，有一般丝杠换成滚珠丝杠，只要名义直径同样，支承方式同样或

有改进，其丝杠的强度，刚度和坚固性计算能够不计算，由于采用类比法，改进后必然合格。

4）、齿轮设计齿轮传动比i:

L0105（5—15）i360360p式中；步进电动机的步矩角，选为0，计算出i〈5，所以能够选一级传动。大小齿轮都采用45号钢调质，选小齿轮硬度为260HB—290HB，大齿轮硬度为220HB—250HB，精度采用六级，模数m=2mm,齿宽b=20mm,螺旋角α=200，齿数Z1=18，齿数Z2=75，则：

d1mz121836（—16）5d2mz2275150a1(d1d2)93（5—17）2还应该校核齿轮表面接触疲倦强度，波折疲倦强度。经校核均合格，其校核过程略。

3、步进电动机的确定

（1）、步进电动机步矩角的选择；

360pi0（5—18）L010（2）、等效转动惯量的计算

惯量对运动特点有很大影响，对加速能力，加速时驱动力矩及动向的快速反响有直接关系，所以核算转动惯量很有必要。

纵向伺服系统改进后等效转动惯量的简图以下:

图5-1改造后的纵向伺服系统等效转动惯量简图等效步进电动机轴的转动惯量计算，采用下式；

J1JsJz2Jz1J1（5—19）i式中：J1工作台质量折算到电机轴上的转动惯量Js滚珠丝杠转动惯量Jz1齿轮1的转动惯量Jz2齿轮2的转动惯量1802J1=PW（5—20）1802=×100=0.146（kgf·cm2）滚珠丝杠转动惯量：Js=7.8×104D4L1（5—21）×104×4×140=45.741（kgfcm2）齿轮的转动惯量：Jz1=7.8×104×4×2=0.262（kgfcm2）Jz2=7.8×104×154×2=78.975（kgfcm2）电动机转动惯量很小可忽略，所以总的转动惯量：J=1JsJz2Jz1J1i12==7.58（kgfcm2(Ncm2)（3）、所需转动力矩计算：

折算到步进电动机轴的力矩可分为三种情况进行计算。

1）、快速空载启动时所需力矩：

M=M+M+M（5—22）amaxf02）、最大切削负载时所需力矩：

M=Mat+Mf+M0+Mt（5—23））、快速进给所需力矩

M=Mf+M0（5—24）式中：Mamax--空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；Mf--折算到电机轴上的摩擦力矩；M--由丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的摩擦力矩；0Mat--切削时折算到电机轴上的加速度力矩；

Mt--切削时折算到电机轴上的切削负载力矩。

Ma=Jn104（N·m）

当n=nmax时，Mamax=Ma；nVmaxi2000max==834r/minL010M8344=10amax=2.764（N·m）=276.4（N·cm）

当n=nt时，Mat=Ma；

n主fintL0

10

=12.51（r/min）

Mat=104（N·m）=3.95（N·cm）

Mff'wL02i时；Mf10012=7.64（N·CM）当0=0.9时：M0=FxL01026i=1126=0.854（kgf·cm）=8.54（N·cm）

FxL0Mt=2i

5—25）

5—26）

5—27）

5—28）

5—29）

5—30）=

1

=13.5（kgf·cm）=135（N·cm）

从而求得，快速空载启动所需力矩

M=Mamax+Mf+M0

（N·CM）切削时所需力矩M=Mat+M+M+Mf0t=3.95+7.64+8.54+135

=155（N·cm）

快速进给时所需力矩

M=Mf+M0（N·CM）由以上解析计算可知，所需最大力矩M发生在快速启动时，即：max（N·CM）4）、步进电动机的最大静转矩T为。jmT0Tmax（5—31）Tjm

（N·CM）

5）、步进电动机的最高频率计算；fmaxVmax2000（5—32）60（HZ）p电动机采用三相六拍的工作方式，经综合考虑，采用110BF003型的直流步进电动机能满足要求。<一>横向进给系统的设计与计算

1、进给系统的设计内容

经济型数控车床改造的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电动机经减速后驱动滚珠丝杠，

使刀架横向运动。步进电动机安装在大拖板上，用发兰盘将步进电动机和机床大拖板连接起来，以保证

其同轴度，提高传动精度。

横向进给系统设计的主要内容有：滚珠丝杠副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、

步进电动机的选择等。

2、横向进给系统的设计计算

（1）、已知条件：

1）、纵向脉冲当量δy=0.0005mm/脉冲；

2）、纵向最高进给速度Vfymax=1m/min；

3）、C618车床工作台质量w=40kg=4000N（依照图形尺寸大概计算）。

4）、时间常数T=25ms

2）、横向进给切削力Fx的确定依照《机床设计手册》可知；

横向进给量为纵向的1/2--1/3，取1/2，则切削力约为纵向的1/2。

Fz=0.5×4712.4=2356.2（N）

FxFz=0.6×2356.2=1178.1（N）

（3）、滚珠丝杠的设计计算

滚珠丝杠在工作中承受轴向负载，使得滚珠和滚道型面间产生接触应力；对滚道型面上某一点，是

交变接触应力。在这种交变应力的作用下，经过必然的应力循环次数后滚珠和滚道型面产生疲倦伤害，

从而使得滚珠丝杠丧失工作性能，这是滚珠丝杠损坏的主要形式。在设计滚珠丝杠副的时候，须保证能

够它在必然的轴向负载的作用下，在辗转106转后，滚道上诚然受滚珠压力，但不应有点蚀现象发生，

此时所能承受的轴向负载成为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载Q。

滚珠丝杠副已经标准化，所以滚珠丝杠副的设计概括为滚珠丝杠副型号的选择。

1）、强度计算；

FkFXf'(FZW)式中:K=1.4;f’=0.2,得;F400)(N)寿命值;Li60niti601515000106106最大负载;Q3LifwfHF

3=6287.5(N)

查参照文件《合用机床设计手册》

可采用

WD2004型号的滚珠丝杠副

,名义直径为

20mm,丝杠导程为

4mm,

螺旋角

3o39',滚珠例数为

3系列,其额定动载荷为

7600N,所以其强度够用。

2）、支承方式

采用“单推—单推”的支承方式。

3）、效率计算；

tg

tg( )

式中：螺纹的螺旋升角3o39'

摩擦角=10'则：

tg3o39'tg(3o39'10')

经验表示：在数控化改造设计中，有一般丝杠换成滚珠丝杠，只要名义直径同样，支承方式同样或

有改进，其丝杠的强度，刚度和坚固性计算能够不计算，由于采用类比法，改进后必然合格。

4）、齿轮设计齿轮传动比i:

L045i360360p式中；0，计算出i〈5，所以能够选一级传动。大小齿轮都采用45号钢调质，选小齿轮硬度为260HB—290HB，大齿轮硬度为220HB—250HB，精度采用六级，模数m=2mm,齿宽b=20mm,螺旋角α=200，齿数Z1=20，齿数Z2=66，则：d1mz122040d2mz22661321a(d1d2)86

还应该校核齿轮表面接触疲倦强度，波折疲倦强度。经校核均合格，其校核过程略。

3、步进电动机的确定

（1）、步进电动机步矩角的选择；

360pi0L04（2）、等效转动惯量的计算

惯量对运动特点有很大影响，对加速能力，加速时驱动力矩及动向的快速反响有直接关系，所以核算转动惯量很有必要。

改造后的横向伺服系统等效转动惯量简图以下:

图5-2改造后的纵向伺服系统等效转动惯量简图等效步进电动机轴的转动惯量计算，采用下式；

1J

Js

J

z2

Jz1

J1

i式中：

J1

工作台质量折算到电机轴上的转动惯量

Js

滚珠丝杠转动惯量

Jz1

齿轮

1的转动惯量

Jz2

齿轮

2的转动惯量180J1=

2

40

=1.46（kgf·mm2）=0.0146（kgfcm2）滚珠丝杠转动惯量：Js=7.8×104×24×50=0.624（kgfcm2）齿轮的转动惯量：Jz1=7.8×104×44×2=0.4（kgfcm2）

Jz2=7.8×104×4×2=47.36（kgfcm2）

电动机转动惯量很小可忽略，所以总的转动惯量：

2J=1=4.82（kgfcm2(Ncm2)3）、所需转动力矩计算：

折算到步进电动机轴的力矩可分为三种情况进行计算。

1）、快速空载启动时所需力矩：

M=Mamax+Mf+M0

2）、最大切削负载时所需力矩：

M=Mat+Mf+M0+Mt

）、快速进给所需力矩Ma=Jn104N·M

当n=nmax时，Mamax=Ma；nVmaxi1000max=L04Mamax=104=1.67（N·m）=167（N·cm）

当n=nt时，Mat=Ma；

ntn主fi1000VfiL0=DL01000100=604（r/min）M=104at（N·m）=3.48（N·cm）Mff'wL02i时；Mf40042=0.193（kgfcm）=1.93（N·cm）当0=0.9时：M0=FxL01026i=126=0.18（kgf·cm）=1.8（N·cm）

FxL0Mt=2i

=

=2.84（kgf·cm）=28.4（N·cm）

从而求得，快速空载启动所需力矩

M=Mamax+Mf+M0

（kgf·cm）

切削时所需力矩

M=Mat+M+M+Mf0t

（kgf·cm）

快速进给时所需力矩

M=Mf+M0（kgf·cm）

由以上解析计算可知，所需最大力矩Mmax发生在快速启动时，即：

（kgf·cm）=170.73(N·cm)

4）、步进电动机的最大静转矩Tjm为。

Tjm

T0Tmax

=490(N·cm)

5）、步进电动机的最高频率计算；fmaxVmax1000（H）60pZ电动机采用三相六拍的工作方式，经综合考虑，采用110BF003型的直流步进电动机能满足要求。

第六章自动转位刀架的选择设计

在整体方案论证中提到自动转位刀架是数控机床不能或缺的一部分。

一、数控车床刀架的基本要求

数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，在必然程度上，刀架的结构

和性能表现了机床的设计和制造技术水平，所以有以下要求：

①转位正确可靠，工作平稳安全；

②按最短线路就近选择，转位时间短；

③重复定位精度高；

④防水、防屑，密封性能优异；

⑤夹紧刚性高，适合重任荷切削。

二、自动转位刀架的选择在本设计中，因设计时间等因素，设计者七绝顶引进常州武进数控设备厂生产的LD4-I自动刀架，而不对其做详尽设计。该型自动刀架拥有重复定位精度高、工作刚性好、使用寿命长、工艺性好等特点。下面对该刀架相关内容做一简要解析说明：<一>LD4--I型自动刀架的技术参数

型四工位

型自动刀架的技术参数

型号

刀位数

电机功率

电机转速

夹紧力

上、下刀体尺寸

C618

4

120w

1400r/mm

162×162192

×192

<二>LD4--I型自动刀架的技术指标

型自动刀架的技术指标

重复定

工作可

换刀时间

（s）

位精度

靠性

90

180

270

>30000

次

<三>工作原理在经济型数控车床上多数使用的是四方或六方转位刀架，

按其工作原理可分为：

螺旋转位刀架，十

字槽转位刀架，凸台棘爪式转位刀架，电磁式转位刀架，以及夜压式转位刀架。

本设计中采用的LD4-I型四工位转位刀架是一种螺旋转位刀架，其工作原理大体以下：

微机发出换刀信号，刀架控制箱继电器动作；电机正转，经过减速机构和起落机构将上刀体上升至

必然地址时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转到所选刀位，发讯盘发出刀位信号，刀架控制箱继电器

使电机反转，反靠初定位；上刀体下降，齿牙盘啮合，完成精定位，并经过蜗轮蜗杆，锁紧螺母使刀架

固紧。当夹紧力达到起初条好的状态时，过流继电器动作，切断电源，电机停转并向微机发出信号，开

始执行下道工序。

电机加速机构起落机构上刀体上升转位

信号吻合粗定位机构上刀体下降精定位

刀架锁紧电机停变换刀答信加工序次执行

四工位转位刀架的工作原理图

<四>自动转位刀架的安装

该刀架安装时，需先拆掉原机床上的小拖板和原刀架，尔后把电动刀架置于中拖板上。此时，刀架

高度应使车刀前刀面基本经过车床主轴轴心线，否则要在刀架下面加垫板，调整其高度。尔后，卸掉刀

0架电动机风扇罩壳，逆时针方向转动电动机，使上刀体相当于下刀体转动45左右。打装螺孔，再用内

六角螺栓将刀架与中拖板固定，固准时应注意，将刀架的两侧面分别与车床纵向和横向的进给方向平行。

电动刀架与系统的连线应以下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后边，再沿车床后导轨下方拉出

一铁丝滑线，走线到系统。其好处在于:防范走线纷乱无章，而使得加工时切屑、切削液以及其他杂物磕碰电动刀架连线。

第七章编码盘的安装设计

我们知道在经济型数控车床上加工螺纹或丝杠时，须培育主轴脉冲发生器（即编码盘）作为车床主

轴地址信号的反响元件，它与车床主轴同步转动，发出主轴转角地址变化信号，输送到计算机。

一、编码盘的工作原理

编码盘是一种按必然的编码形式如二进制编码，二-十进制编码等，将一个圆盘分成若干等份，并

利用电子、光电或电磁器件，把代表被测位移的个等份上的数码变换成便于应用的二进制或其他表达方

式的测量装置。

二、步进电机频率对编码盘的限制

在世用主轴脉冲发生器时，碰到步进电机频率的限制。如采用1000HZ的工作频率，加工3mm螺距的螺纹时，步进电动机频率为300HZ，而主轴脉冲发生器频率为1000×60HZ=60000HZ，所以车床主轴转速n=1000×60/300=200r/min，即车床主轴转速不得高出200r/min转；如将主轴脉冲发生器的频率提高到2000HZ，转速也仅达到400r/min。因此可知，当螺距越大时，赞同的车床主轴转速也就越低。

三、编码盘的安装

编码盘的安装一般有良种方式，即同轴安装和异轴安装。

同轴安装的结构简单，联接方便。但是安装后不能够加工穿出主轴孔的较长工件。而异轴安装无此弊端。考虑到这一点设计者为使说改造设计的车床拥有较强的通用性，选择采用异轴安装方式来安装编码

盘。

编码盘经过传动比为1：1的同步齿形带与主轴联系起来。工作时，编码器与主轴同步旋转，数控

装置控制进给步进电机正确地配合主轴的旋转而产生进给运动。保证主轴每转一转，螺纹车刀搬动一个

螺纹导程，同时还保证每次走刀都在工作的同一点切入，而不乱扣。

第八章

数控系统的选择设计

机床数控系统设计在应用工作中，软件设计是一个重要方面。实质设