普通车床C6163纵向进给传动机构的数-控化改造

南京理工大学泰州科技学院

毕业设计说明书（论文）

作者：学号：

学院（系）：_____________机械工程学院_____________

专业：__________机械工程及自动化___________

题目：普通车床C6163纵向进给传动机构的数

控化改造

指导者：_________________________________

评阅者：_________________________________

2014年06月

南京理工大学

毕业设计说明书（论文）中文摘要

普通机床的数控化改造是我国提高机械加工自动化程度的重要工程，我国现

有拥有数量较多的普通机床，这些陈IFI的机床急需进行数控化的改造，从而适应

现今的自动化加工，以及精准加工；从经济角度来说，普通机床数控化改造的本

钱要比直接购置数控机床低的多，并且改造后的机床能够满足加工精度要求。

本文对C6163普通机床的纵向机械传动机构的数控化改造进行深入研究，其

中包拈数控化改造的必要性和可行性的论证、机床现有的机械结构进行改造、机

床主要传动机构的设计和计算、步进电机的选型和计算、选择一个16位的单片机

作为CPU以及对计算和设计过程中的注意点做了详细的说明。本次改造的机床完

全能符合加工精度要求，大大的提高了生产效率.

关键词普通车床数控化改造步进电机飞思卡尔

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleCNCLatheC6163LongitudinalFeedTransmission

Mechanism

Abstract

InChinatheNumericalcontroltransformationofgeneralmachinetoolsis

animportantprojecttoimprovetheautomationofmachining.Therearemany

generalmachinetoolsandtheseoldmachinetoolsareinurgentneedof

NCtransformatior,soastoadapttotoday?sautomatedprocessingand

precisionmachining.Fromaneconomicperspective,thecommonmachinetool

NumericalcontroltransformationcostlessthandirectpurchaseNCmachine

tools,andthemodifiedmachinecanmeettherequirementsofmachining

precision.

Inthispaper,thoroughresearchofNCtransformationinthelongitudinal

mechanicaltransmissionmechanismofC6163generalmachinetools.

IncludingtheessentialityandfeasibilityofNCtransformation,fabricate

mechanicalstructureoftheexistingmachinetools,designandcalculation

ofmaintransmissionmechanism,selectionandcalculationofstepmotor,

selecta16bitmicrocontrollerasCPUandmakesadetaileddescription

aboutthepointsforattentionintheprocessofcalculationanddesign.

Thptransformationofthistoolscanmppt.therpquirpmpnt.sofprocessing,

whichgreatlyimprovestheproductionefficiency.

KeywordsCommonLatheNCImprovementSteppingMotorFreescale

目录

1绪论...............................................................1

1.1数控机床开展概述.................................................1

1.2国内外普通机床数控化改造现状....................................1

1.3普通机床数控化改造..............................................2

1.4数控系统的开展趋势..............................................3

1.5本课题研究的内容................................................3

1.6本章小结.........................................................4

2总体方案设计.......................................................5

2.1机械局部改造.....................................................5

2.2控制系统设计.....................................................6

2.3本章小结.........................................................9

3机床进给伺服系统的计算...........................................11

3.1C6163车床技术参数..............................................11

3.2切削力的计算....................................................11

3.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型.....................................12

3.4本章小结........................................................18

4电动机的选择......................................................19

4.1初选步进电机...................................................19

4.2校核步进电机转矩...............................................20

4.3本章小结.......................................................25

5电气控制系统设计..................................................26

5.1控制器（CPU）的选择............................................26

5.2复位及晶振电路.................................................29

5.3显示及键盘电路设计.............................................31

5.4报警电路设计....................................................36

5.5电机的驱动.....................................................37

5.6本章小结........................................................44

6数控机床系统软件设计.............................................45

6.1LCD显示程序....................................................45

6.2单片机中断程序..................................................50

6.3本章〃、结........................................................53

结束语...............................................................54

致谢...............................................................55

参考文献..........................................................56

附录A.............................................................................................................................57

1绪论

1.1数控机床开展概述

自1952年以来，第一台数控铳床在美国诞生，数控机床的控制系统从一开始的

电子管到晶体管再到小型集成电路最后开展成微型计算机。随着计算机和科学技术的

迅猛开展，数控技术也突飞猛进，产品的加工要求也越来越高，这就要求机床加工必

须走向自动化、智能化和高性能化，并且操作起来要简便快捷，能有效的提高生产效

率。现今的数控机床已经不断的在向精密加工、快速加工、多轴加工、加工智能化、

功能复合化以及信息网络化等方面开展，从而能够胜任更多更复杂的加工任务。

1.2国内外普通机床数控化改造的现状

1.2.1国内现状

改革开放使中国进入了一个崭新的时期，国内许多产业在兴起，特别是制造行业

的兴起，这就把机械加工这个问题放在了首要地位。特别是在2001年，中国成功参

加世贸组织以来，中国同世界的联系愈来愈紧密，各种文化、经济以及技术的等方面

的交流越来越多，其中制造行业的问题十分突出。从2001年开始，由于我国国内的

数控机床不能满足市场的需要，机床的进口量庞大，位居世界第2位。对于中小型企

业来说，进口的数控机床价格昂贵，维修保养都需要专门的人才，所以进口机床会是

企业很大的负担。目前我国挤压的普通机床数量庞大，因此普通机床的数控化改造迫

在眉睫，改造既可以解决加工精度的问题还可以降低企业的生产本钱。

1.2.2国外现状

自从第一台计算机诞生以来，由美国开始，各个工业强国都先后有了自己的数控

机床。国外的政府是十分重视制造行业的开展，在他们看来数控机床技术就是开展军

事工业的战略物资。另外，国外不光光是在制造行业这个领域用到机电一体化的产品，

还有许多其他领域都运用到了机电一体化技术，即用机器手或者机器人代替人工操

作，这就大大提高了自动化程度。在国外，他们的微电子技术开展迅速，并且以微电

子为根底涌现出了许多不同的精密加工方式，这就大大的提高了机械加工产品的精

度。在国外有许多国家把普通机床的数控化改造称之为一种新的经济增长方式，在美

国甚至称之为机床再生，而且都有很好的市场前景。因此在国外这些工业兴旺国家，

不管是数控机床还是普通机床的数控化改造都处在世界的领先地位。

我国虽然与国外还有一定的差距，但近几年来，国内也逐渐形成了自己的数控技

术，我们不仅要借鉴国外先进的技术，更要研发自己的数控系统，尽力缩小与兴旺国

家的差距。

1.3普通机床数控化改造

1.3.1数控化改造的必要性

从宏观上看，制造行业的强弱程度往往就可以决定这个国家综合国力的强弱。早

在1970〜1980年之间，世界上一些工业技术兴旺的国家已经大规模的研发数控机床

并且已成功投入生产。但是我国的数控机床占用率直到上世纪90年代还不到机床总

数的2%,这个数值远远要低于同时期日本的20%,并且我国每年都要进口大量的数控

机床，这就使得国内的精密制造业的本钱大大提高，因此普通机床的数控化改造是十

分有必要的。再从加工机械产品的质量上说，数控机床远远要高于普通机床，具体在

以下几个方面：

11)数控机床能够完成各种包含曲线曲面的复杂零件的加工，并且加工的工件的

精度很好，且具有良好的装配精度；

(2)由于计算机拥有超高的计算能力，可以瞬间计算出各轴的坐标，大大的提高

了加工效率；计算机具有记忆功能，能把输入的程序存储到程序存储器中，并且按照

程序设定的加工顺序冲制机床执行加工步骤，这个过程完全不需要人工干预，机床可

以自动完成，这就实现了加工的自动化；而且每换一个零件只需要改变程序就可以完

成加工，大大的提高了机床的柔性加工能力；

(3)数控机床还具有自动检测和反响装置，可以实现自动补偿、检测故障以及误

操作之后的报警功能，这样就可以在无人看管的情况下进行自动加工，节约劳动力，

还能提高生产效率。

1.3.2数控化改造的优点

普通机床的特点就是价格低廉，操作简便，但普通机床加工出的产品精度不是很

高，加工误差大，而且还不适合大批量的工件加工，加工效率低，对工人的要求也很

高，增加劳动强度；数控机床的价格要比普通机床高的多，但是数控机床的加工能力

要远高于普通机床，能实现快速加工、精密加工以及自动加工等等。

综合普通机床和数控机床的优缺点，普通机床的数控化改造就是一条既实用而又

经济的途径。改造后的机床加工的机械产品完全可以满足一定的精度要求，而且其加

工本钱也不高。数控化改造后的机床的加工能力得到大大的提高，其加工范围也扩大,

可进行各种切削加工以及螺纹加工，还可以使机床的使用寿命延长。对于企业来说，

普通机床的数控化改造可以节约本钱，提高劳动效率，用较少的资金生产符合市场需

求的产品，提高企业的市场竞争力。

1.3.3数控化改造的可行性分析

从技术上说，在改造之前必须对将要进行改造的机床的加工精度、机床机构、机

床性能和运行情况进行全面的分析，还要综合机床经过改造后所要到达的系统控制精

度与系统性能，再对机床改造设计方案。方案中应该包括机床电机的替换、机床原有

传动机械结构的优化设计、测量机床现有的加工精度以及检测普通机床现有的导轨和

各坐标轴机械传动是否符合改造要求等等。综合以上改造内容，设计总体方案，然后

对改造的每一步骤进行详细的说明和计算，最后完成改造任务。

从经济上说，普通机床的价格远远低于数控机床，国内许多企业中仍然有着许多

普通机床，所以要利用这些资源。虽然普通机床的数控化改造时一条经济的途径，但

是换一个角度来说，从机床自身的价值出发，改造的机床要到达我们预期的精度所投

入的资金是否合理；再者从改造完成投入使用到本钱回收再到盈利，这个时间的长短

也是必须要考虑的。

1.4数控系统的开展趋势

机床的数控化改造就是在普通机床上安装一个数控系统，再对机床原有的一些传

动部件进行重新设计和计算，这样普通机床就拥有了数控加工能力了。其中的改造包

括步进电机的选择、滚珠丝杆螺母副的改造、减速机构的设计、导轨的改造等等。数

控系统是数控机床的核心，传统的系统都是封闭式的结构，这种结构不易进行系统功

能的扩展，也逐渐的在被市场所淘汰。如今的系统都是要开放性的系统，通过与PC

相连接，实现智能化控制。数控机床和经数控化改造后的机床都要实现加工的高效率

化、柔性加工、加工高精度化以及加工产品的良好的工艺性。此外最重要一点就是要

实现工艺复合化，减少辅助时间，能够通过一次装夹，实现多个工序的加工，提高生

产效率。

1.5本课题研究的内容

此次对普通车床C6163车床纵向进给传动机构进行数控化改造，包括两大局部的

改造，及机械局部改造和电气控制局部的改造。对于机械局部改造包括步进电机的选

型，步进电机的脉冲当量为O.Olmmm,用步进电机替代原先纵向传动电机；步进电机

的驱动方式为上下压驱动，利用硬件环形分配器控制步进电机的励磁绕组。再对普通

机床原有的机械传动结构进行优化设计及计算，这方面主要包括滚珠丝杆螺母副的选

型，纵向导轨的改造，减速齿轮的重新计算和设计以及校核丝杆和导轨的刚度和稳定

性；控制系统采用开环控制，该系统包括一个16位的单片机作为CPU、译码电路、机

床报警电路以及键盘显示电路的设计。

1.6本章小结

本章简要的论述了数控机床的开展历史以及国内外普通机床数控化改造的状况，

经过比照国内外的改造可以发现我国的形势比拟严峻，目前国内拥有许多挤压的普通

车床亟待改造，这就要求我们要借鉴国外兴旺国家数控改造的经验。本章强调了普通

机床数控化改造的必要性，在科学技术和信息技术迅速开展的如今，各种行业对机械

产品的精度要求越来越高。在这个大背景下，数控机床的优点十清楚显，其精密的加

工能力和高的生产效率都符合现代化加工要求，因此普通机床的数控化改造是十分必

要的。在改造过程中，利用单片机作为CPU,外加其它外设，是普通车床具有一个方

向或者多个方向的数控加工能力。本课题综合比拟国内外成功改造机床的案例，对普

通机床C6163纵向传动机构进行数控化改造，因此本课题研究内容具有很好的实用性

和通用性。

2总体设计

本次改造是对普通车床C6163的纵向传动机构进行数控化改造，根据要求，本次

改造分为机械局部改造和电气控制局部改造两大局部。机械局部改造是要将机床原有

的不符合数控加工要求的传动机构替换掉，并且对减速齿轮进行重新计算设计；在系

统控制改造局部，根据要求需要一个16位的单片机作为控制系统的CPU以及设计其

它必要的功能电路和辅助电路，并且要求设计一个开环系统，采用有上下压驱动的步

进电机驱动电路。具体的改造方案如下。

2.1机械局部改造

2.1.1数控机床机械结构特点

CNC机床机械结构特点如下：

(1)刚度高、抗振性好：数控机床的加工时高速、高精度、高生产效率以及高的

可靠性的，所以与普通机床相比，数控机床应具有更好的动、静刚度和良好的抗振性;

(2)减少热变形：在机床机构设计时采用对称结构，对机床的主要发热部位要进

行有效的散热方式，如风冷水冷等；

(3)简化传动机构：数控机床主要使用步进电机或者交直流电机来提高机床的主

运动，机床的进给运动多由伺服电机提供，以上这些电机的变速范围比拟大，这就可

以大大简化主轴箱和减速箱的设计，并且有的电机还可以实现无极变速；

(4)高效传动和低摩擦导轨：数控机床的加工速度一般来说是很快的，因此对于

控制系统必须在机床高速运行的状态下保证机床有较高的精度和平稳性，对于进给伺

服系统来说，必须要有较高的刚度和使用寿命以及无缝隙等特点；机床的导轨很大程

度上决定了加工产品的质量，因此要采用摩擦系数较低的导轨；

(5)工艺复合化和功能集成化：现代的数控机床除了高精度加工能力之外，还应

具有良好的工艺复合化程度，即通过一次装夹工件，就可以完成多个工序的加工，这

就可以减少反复装夹工件带来的误差。

2.1.2C6163机床的机械局部改造

普通车床C6163可以加工各种轴类和小型盘类零件，以及螺纹的加工，此次机械

局部改造要保证加工的精度和加工的可靠性。根据以上的要求，普通机床C6163的机

械局部的改造具体方案如下⑷：

(1)首先将提供C6163纵向进给的普通三相电机换成部件电机，这里为了减少改

造的工作量，保存了机床原有的主传动机构和减速箱及结构；

(2)为了减少运动部件移动时的摩擦力，特别是静摩擦力，在车床导轨上粘贴摩

擦系数低的聚四筑乙烯胶带；

(3)撤除原有的纵向进给箱、滑动丝杆、操作杆、齿条等，在纵向进给箱处布置

步进电机和齿轮减速箱，齿轮要采取消除反向间隙的结构;机床的传动采用滚珠丝杆,

主运动从步进电机经减速箱减速，再带到滚珠丝杆从而带开工作台。滚珠丝杆采用一

端固定一端简支支承方式，改造后的纵向机械传动结构图如图2-1所

齿轮2

图2-1纵向机械传动结构图

2.2控制系统设计

2.2.1控制系统的选择

数控机床的核心就是数控系统。对于普通机床数控化改造而言，主要是将机床的

进给运动交由数控系统控制，并且能够进行精准加工，此外还应满足一些要求：

(1)在加工过程中，由数控系统控制进给，实现精确定位、横向和纵向的直线插

补、圆弧插补以及准停功能；

(2)在卧式车床的改造中，在考虑到其最大加工尺寸、加工精度、控制速度以及

以经济型改造为根底的综合条件下，选择适宜的数控系统；

(3)因为此次改造属于经济型数控化改造，在保证改造后的机床具有一定加工精

度的前提下，为了简化结构和节省本钱，选用开环控制系统。

2.2.2微型计算机、单片机及PLC的比拟

(1)微型计算机

微型计算机是以微处理器为核心，再配以存储器、存放器、I/O接口以及其他辅

助电路，它最突出的特点就是体积小、使用方便、CPU结构简单以及对环境的要求不

是很高，并且价格还廉价。如今的微型计算在不断的开展更新，微型机的应用领域也

越来越大，其功能也愈来愈强大，可以应用到工业价格领域，并拥有很好的前景。但

是微型计算只是一个“裸机”，本身无法完成单独的处理数据的功能，必须加上其他

必需的外围器件，另外微型机的开发周期比拟长，一旦有什么参数发生变化，修改起

来会比拟麻烦。

（2）单片机

单片机是一种典型的嵌入式微控制器，又称为单片微型计算机，是最先在工业控

制领域中使用的。单片机是一种集成芯片，其中包括一个中央处理单元（CPU）、存储

器（随机存储器RAM司只读存储器ROM）、定时器、计数器和一个时钟振荡电路。单片

机的具体特点如下：

a体积小、功能全：单片机中把计算机的根本功能都集成到一块小型的芯片上,

使用起来十分方便；

b面向控制：单片机内部具有许多可以直接用于控制的功能部件，其指令系统

中包含了可以完成控制任务的指令，尤其适用于自动控制领域；

c适合应用于机电一体化领域：因为单片机体积小且控制功能强，可以轻松的替

代传统的机械及电子元件，单片机的抗干扰能力强，工作比拟稳定。

（3）PLC

可编程逻辑控制器（PLC）是建立在单片机之上的，具有很强的逻辑编程功能和

智能化功能，可以实现自动的顺序控制，并且还具有通信功能，能够进行信息的交流。

此外PLC还具有如下的特点：

a.PLC的可靠性好、抗干扰能力高：PLC控制不要连接许多电子元件，大大的减

少了连线带来的不稳定性；对于故障，PLC自带有断电保护、故障检测和信息的保护

与恢复功能。另外PLC有多种编程语言，并且还可以通过梯形图直观的反响程序的逻

辑关系，因此PLC的编程更易掌握运用；

b.易操作性：PLC的程序的输入和修改十分方便，输入采用直接输入即可，在更

改程序时只要输入程序的地址编号便可查找到要更改的程序；另外PLC还有多种编程

语言可以选择，还可以用梯形图来表示一段程序，这就使得PLC程序变得十分直观，

并有很强的逻辑性，易懂易学；

C.通用性好：PLC外带了许多硬件辅助装置，可以满足各种系统的要求，因此使

用者不必设计硬件装置；一旦确定了硬件装置，就可以通过改变程序代码就可以完成

对不同工艺的加工和适应设备的更新换代。

综上所述，此次数控化改造是经济型的改造，但要保证一定的加工精度，由于微

型计算机的控制必须要外加其他电器元件，车床改造已没有多余空间再来放置元器

件，所以不采用微型计算机作为控制系统；PLC控制固然是很完美的方法，既可以保

证加工精度，又能够节约空间，但是其价格比抵昂贵，不符合经济型改造的理念，在

此也不采用PLC控制：对于单片机来说，其价格适中，控制能力也强，能够保证加工

产品的质量，不占用太多的空间，能够精确控制机床的运作，单片机也能够实现智能

化的控制，因此此次改造选用单片控制。

2.2.3数控系统的选择

由步进电机和相应的驱动电路组成的开环系统是一种没有反响元件的冲制系统，

步进电机根据数控系统发出的脉冲指令驱开工作台移动，在这个过程中没有任何信号

会返回给控制系统。这种伺服系统比拟简单，并且工作运行状态也稳定，很容易掌握

使用，所以比拟适合经济型数控改造，但是其加工精度和速度收到限制，不适宜精密

加工。

闭环控制系统是一种自带反响装置的精密控制系统，由伺服电动机、伺服放大器、

速度检测装置、反响元器件以及位置检测装置线成。这种系统可以自动的对工作台的

位移量进行检测，并不断的与指令比拟，一步一步的缩小与指令的差距，以到达较高

的精度。这种系统的加工精度、定位精度很高，但是其系统结构复杂，维修复杂，适

用于高精加工机床。

半闭环控制系统的原理和组成局部与闭环控制系统的大致一样，唯一的不同点就

是半闭环的位置检测装置不像闭环控制系统那样安装在机床上的，而是安装在伺服电

机轴上的。这种伺服系统可以进行精密的加工，加工精度要高于开环系统，并且在进

给控制方面也要优于开环控制，但是其复杂程度要高于开环系统，所以这种系统适合

应用在中小型的数控机床上。

2.2.4系统功能设计

本课题是对于C6163普通车床的纵向传动机构进行数控化改造，在控制系统方面,

要求采用一个16位单片机作为CPU,用步进电机驱动的开环系统。

(1)报警电路

可以检测机床的故障或者人为的误操作，提醒操作者机床出现问题，此时机床的

报警灯会闪烁，其中限位问题是最常见的，即机床越界报警；

(2)看门狗电路

看门狗电路就是单片机里自带的一个定时计数器，可以保证数控机床不会进入死

循环，可以使单片机在进入死循环时复位，而不需要整个控制系统断电，这样就起到

保护硬件电路的作用了；

(3)电动机驱动

将原有电机换成步进电机，步进电动机采用硬件环形分配器，驱动方式为上下压

驱动，脉冲当量为0.01mm。

本次改造在电气左制系统局部选用了飞思卡尔的16位MC9s12DG128单片机，此

单片机拥有超大的闪存，既可以作为RAM还可以作为ROM,并且其处理数据的能力和

速度都很快。电气控制系统局部的电气控制总结构图如图2-2所示：

图2-2电气控制总结构图

2.3本章小结

本章详细论述了此次普通车床C6163数控化改造的总体方案，包括机械和电气两

大方面的改造。简单的论述了数控机床在机械结构方面的特点，并给出了在机械局部

改造的具体方案；在电气控制系统改造局部，给出了初步的改造方案，并综合比拟了

微型计算机、PLC和单片机的优缺点，最后选用单片机作为CPU,还综合比拟了开环、

半闭环和闭环控制的有趣点，再根据本次改造为经济型改造的宗旨，因此选那么开环

控制系统，由步进电机提供进给运动。一个完整的控制系统还要需要许多辅助电路的

设计，包括报警电路、看门狗电路以及电机的驱动电路的设计，本章做了简单的介绍，

详细的说明见第五章电气控制系统设计。

3机床进给伺服系统的计算

3.1C6163车床技术参数

根据此次普通机床数控化改造的要求，纵向的脉冲当量选为0.0Imino

机床主要的技术参数如下：

加工最大直径

在床面上630mm

在床鞍上350nlm

加工最大长度1400mm

溜板及刀架重力

横向1000N

纵向1800N

刀架快移速度

横向l.Om/min

纵向2.Om/min

定位精度0.015mni

最大进给速度

横向0.25m/min

纵向0.5m/min

主电机功率10kW

起动加速时间35s

3.2切削力的计算

因本次改造只对C6163车床的纵向传动机构做改造，所以只计算纵车外圆时的切

削力的大小。以下所有的计算均为纵向的计算。

主切削力B按照经验计算公式（3-1）：

£=喝⑴（3-1）

=（0.67X63015）N=10594.63N

式中：2M一车床床身上加工的最大直径。

再按照切削力的比例求出各个分力：

Cl]

E:Fr:Fv=l:0.25:0.4

F=(l0594.63X0.25)N=2648.66N

Fv=(10594.63X0.4)N=4327.85N

3.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型

3.3.1纵向进给牵引力匕的计算

纵向进给导轨为综合型导轨，其牵引力计算公式(3-2)：

(=",+/(£+G严(3-2)

=1.15X2648.66+0.15X(10594.63+1800)=4905.2N

式中：G—移动部件的重量(N)；

广一导轨摩擦系数:0.15〜Q18；

K—考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取1.15。

3.3.2计算最大动载荷

在选择滚珠丝杆副的直径〃时，必须要保证丝杆在一定的轴向负载作用下工作

100万转后，在滚珠丝杆副的滚道上不产生点蚀。因此要计算滚珠丝杆所能承受的最

大动载荷C,其计算公式(3-3),(3-4)如下:

1000匕⑴

fl----------(3-3)

A)

些软二uor/min

6

入粤(3.4)

106

60x110x15000

=99

10°

(3-4)

二项X1.5X4905.2二34037.66N

式中：L—寿命，以IO,转为以单位;

n一丝杆转速(r/min)；

V,一在最大切削力条件下的进给速度可以取最高进给速度的1/2〜

1/3,此次改造匕=2Xl/3=0.66m/min；

Lo一丝杆导程(mm),初选6mm；

r一机床的使用寿命(h),对于数控机床为15000h；

九一运转系数，这里取1.5。

3.3.3滚珠丝杆副的选择

参照附录A表A7,此次改造选用ML5012型1列2.5圈的外循环螺纹调整预紧

的不带衬套的双螺母滚珠丝杆副，其额定动负载为40500N,滚珠丝杆副的精度等级选

3级精度。

3.3.4传动效率计算

计算公式(3-5)如下：

—3⑴(3-5)

tan(7+^>)

tan4022'

X100%=96.24%

tan(4022'+10')

式中：y一丝杆螺旋升角，W.L5012/=4。22';

°一摩擦角，取1()，

3.3.5刚度验算

根据以上的计算，滚珠丝杆的轴向最大牵引力为4905.2N,滚珠丝杆副的支承间

距L取1800mm,因为一开始滚珠丝杆螺母进行了预紧，预紧力为最大轴向载荷的』。

3

(1)滚珠丝杆的拉压形变量用

参照图3-1,根据工『4905N,£>()=50mm,查出5/8X10'再由式(3-6)

计算出仇:

⑴(3-6)

=(1.8X105X1800)mm=3.24X102mm

式中：L一滚珠丝杆在支承距离间的受力长度(mm)

・汕n]叫

•DQ-25fnm]

|DQ=30mrri

pa=35mmj

£>0=40mml

Do-45mm

L)0=50mrrt

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图3-1滚珠丝杆轴向拉伸压缩变形

因为滚珠丝杆副两端都是采用了向心推力球轴承，血且滚珠丝杆进行了预紧拉

伸，因此其拉压刚度变为了原来的4倍。丝杆的实际变形量bj(mm)为：

A-=1x^=0.81X10'2mm

14

(2)滚珠丝杆与丝杆螺纹滚道间的接触变形为

参照图3-2,W系列,2.5圈1歹IJ,轴向载荷就为最大牵引力4905N,查出轴向

弹性形变量戏产9.8”明因为进行了预紧，所以”的值就为弹性形变量的一半，即：

J,=-J=-X9.8=4.9um

2nQ2

(3)支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形。

此次改造选用52208型推力球轴承3&=40mm,轴承的滚动体直径儿=7.2"〃〃,

u轴承的滚动体数量Z=24,由式(3-7)：

J=0.000523)-^-U1

(3-7)

490522

=0.00052x?/,=0.0093mm

7.2x24?

因为施加了预紧力，故

J,=-J=-x0.0088=0.00465mm

2,2

根据以上的计算：

5=4+&+3=0.0081+0.0049+0.00465

=0.01765mm＞定位精度

1000c

W系列

2.5圈1列

200

2.2004,2506

3.2505

4.3005,3006,

3508

土55.3506,4008,

照%]4510

讼F6.4006.4508,

讯

坦5010,5012

茬7.4506,5008,

也6012...

察；.8.5006.6010

9.圮，'7010，

「7012；1002。

-..10.8012,9016,

10016,12024

11;8010,12020

轴向栽荷F，/kN

图3-2W系列2.5圈1列丝杆副滚珠和螺纹滚道接触变形图

因为C6163机床允许的加工误差为0.015mm,这里计算得出的变形量显然超出了

机床的允许值，故要采用贴塑导轨来减小摩擦力，进而减小最大牵引力。重新计算变

形量如下：

7;,；=1.15FV+0.04(F.+G)

-1.15X2648.66+0.04X(10594.63+1800)-3541.7N

从图3T中查出,当乙,=35中.7N时,5/4=8.5X10-6。即,

J.=^xL=(8.5X10-6X180。)mm=1.53X102mm

4

此时的衣'=；xa=0.038X102nlm。

再从图3-2中查出，当轴向载荷为3541.7N时，轴向弹性形变量环二6.5um,即,

<5^=—xBQ=—x6.5=3.25Unu

最后对于支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形0：

5.=0.0005231-^

V%Z

35417

0.00052x3/----

7.2x24-

=0.0075mm

所以怎=%」x().0075=0.00375mm。

22

根据新的计算：

-=:+.+灰=0.00038+0.00325+0.00375

=0.00738mmV定位精度

综上，采用贴塑导轨，滚珠丝杆副采用W|L5012,轴承采用52208推力球轴承,

可以满足此次改造的要求。

3.3.6稳定性校核

计算临界负载为，由式（3-8）得：

f/?EI⑴

-F(3-8)

式中：E一滚珠丝杆材料的弹性模量（N/cm2）,对于钢E取20.6X106N/cn6

/一截面惯性矩（end）,对于丝杆为二（4为丝杆螺纹的底径），这里

64

4=d-1.080=48.5-1.08X12=35.54mm,因止匕/=7.71cm,；

/一丝杆两支承端的距离（cm）；

工一丝杆支承方式系数，支承方式为一端固定一端简支的工=2.00；

由上述计算可得外：

l/,^2E/_2X^-2X20.6>106X7.71

*I2180-

二96762N

F96762「]

故，nK=—K=--------=19.24A[n.]

AF”,5029,

一般来讲，可取2.5〜4,所以，此滚珠丝杆是不会失稳的，WL5012型

滚珠丝杆几何参数见表3-1：

表3-1WJL5012滚珠丝杆几何参数（单位：mm）

参数名称符号关系式ML5012

公称直径do50

导程L。12

接触角P4°22'

螺纹枢球直径dq7.144

滚道

滚道发面半径RR=0.5243.71

偏心距ee=(R-dq/2)sm00.011

4

螺纹升角Yy-arctan——4°22，

1do

外径dd二4一(0.2~0.25)4/48

螺杆内径44=d。+2e-2R42.602

接触直径d:4=cos442.877

螺纹直径DD=d「2e+2R57.398

螺母

内径RR=4)+(0.2-0.25)4751.607

3.3.7齿轮传动比计算

因为本次改造的纵向进给脉冲当量已经给出，即冉=0.01"〃〃，滚珠丝杆的导程选

。=12〃"〃，初步选择步进电动机的步距角q=0.75。。根据式（3-9）计算传动比:

36(%⑴

(3-9)

360x0.01/

-------------=0A.4

0.75x12

根据以上的计算.齿轮减速完全可以选择一级减速齿轮，其齿数选择汁算如下:

z=^=—，即4=18,Z、=45

Z,451

由于此次改造的进给伺服系统传递功率并不是很大，对于改造后的车床来说，齿

轮模数〃?可以取2,齿轮参数见表3-2。

表3-2传动齿轮几何参数

齿数Z1845

分度圆d=mz3690

齿顶圆da=d+2in4094

齿根圆df=d-2x1.25〃？3185

齿宽[6〜10)tn2020

中心距A=(4+4)/263

3.4本章小结

本章主要是关于机械方面的计算，包括机床最大牵引力的计算和轴向最大载荷的

计算，参考计算结果选择滚珠丝杆副，对选定的滚丝杆螺母副进行刚度校核和稳定性

校核，其中还包括对于推力球轴承的选择，并进行校核。根据脉冲当量选择步进电机

型号和工作方式，计算和设计减速齿轮。

4电动机的选择

4.1初选步进电机

(1)计算步进电机负载转矩，

二36%-⑴

T(4-1)

-2叫口

36x0.01x5029.1

2TTx0.75x0.98x0.99x0.94

=421.27N•cm

式中：Bp—脉冲当量，这里取0.01mm；

£,一进给牵引力；

%一步距角，双拍制为=0.75。；

"一步进电机到丝杆的传动效率，为齿轮、轴承、丝杆效率的乘积，具休

效率为0.98、0.99和0.94

(2)估算步进电机起动转矩7；

(⑴_421.27

=1053.18N•cm(4-2)

0.30.50.4

(3)计算最大静转矩

参照表4T,初步选那么步进电机的工作方式为五相十拍，那么:

1053.18

=1107.44N•cm(4-3)

0.9510.951

表4T步进电机启动转矩和最大静转矩的关系表

步进电相数三相四相五相六相

机拍数3648510612

4=北/Tjmsa0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866

(4)步进电机的运行频率，和最高起动频率人的计算

1000^1000X().5

[1]=Hz=833.3Hz(4-4)

60丹60x0.01

1000%”_1000x2

fk=U]Hz=3333.3Hz(4-5)

60%60x0.01

式中:匕一刀具最大切削进给速度(m/min),取0.5m/min；

匕皿一工作台最大快移速度(m/min),取2.Om/min；

心,一脉冲当量，取0.Olmm/step。

(5)初选步进电机型号

根据估算得出的最大静转矩不皿再通过附录A表A-2,查出150BF002型步进电

机的最大静转矩为IBTZN-cni〉？；*，故可以满足要求。因为本次改造是经济型数控

改造，可能会有较大的切削量，所以应该选择转矩稍大的步进电机。综合以上原因选

择150BF003型步进电机，其最大静转矩为1568N-cnio但在表格中可以看出此步进电

机的最高空载起动频率为2600Hz,不满足£=3333.3Hz,这里我们不做讨论，这个问

题可以用软件程序来解决。

4.2校核步进电动机转矩

(1)等效转动惯量计算

纵向机械传动简图见本文第二章图2-1,参照附录A表A-3,传动系统折算到电

机轴上的总的转动惯量4(kg-cm2)可由下式(4-6)计算出:

小小目"+人)+晦)?

(4-6)

式中：一步进电机转子转动惯量(kg•cm2)；

，、一一齿轮4、Z2的转动惯量(kg-cm2)；

人一滚珠丝杆转动惯量(kg-cn?)。

G一工件及工作台重力(N),G-1800N

本次改造选择的是150BF003型步进电机，其转子转动惯量，w=1。-5kg-cm2,两

个齿轮以及滚珠丝杆的转动惯量计算公式(4-7)如下：

J=().78D4Lxl(r3C,3(4-7)

式中：。一圆柱体直径(cm；

心一圆柱体长度或者厚度(cm)。

J,=0.78X103XJ,4・L,=(0.78X10_3X3.64X2)依％〃?？=025kg・C而

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