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摘 要： 與普通車床相比較，數(shù)控機床作為機電液氣一體化的典型產(chǎn)品，可以解決在機械加工中結構比較復雜多變的零件加工的問題，而且加工質量好，生產(chǎn)效率也高。隨著科學技術的快速發(fā)展，數(shù)控機床的占有率已經(jīng)成為衡量一個國家機械制造業(yè)水平的重要標志。
購買新的數(shù)控機床或者從國外進口是提高產(chǎn)品質量和效率的主要方法，但是費用高，許多工廠在較短時間內沒有辦法實現(xiàn)，這樣就嚴重阻礙企業(yè)設備更新的腳步。采用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)對普通機床進行數(shù)控化改造，特別適合我國普通機床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。
本次設計是對C6150普通車床的數(shù)控化改造設計計算，主要是對原有機床的結構進行創(chuàng)造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。其中主要對伺服系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等方面做了詳細的計算和設計。設計時我先對數(shù)控機床系統(tǒng)進行了總體方案的設計，然后對進給系統(tǒng)、齒輪箱傳動比及步進電機進行了設計、選型和計算，最后對微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路進行了設計。
關鍵詞：數(shù)控改造 步進電動機 單片微機
Reforming?design?of?NC?for?C6150?general?l-athe
Author’s Name: Qi Yan-ting Tutor: Xue Xiao-lan
Abstract: As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining.Along with the science technical fast fierce development, numerical controlling tool machine has already become the important marking which measures a national machine manufacture industry level.
Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Adopt the economic number controls system to carry on a number to control to turn a reformation to the common tool machine, particularly in keeping with our country the common tool machine own to have great capacity, the small concrete state of the nation of the production scale.
This design is to control to turn a reformation to the number of C6150 common lather，mainly on the creative design of original structure of lathe to make lathe relative perfect. While in the process, we do detailed calculation and design of servo system, NC and so on. Design when I first CNC machine tool system, the overall design, and then calculated the feeding system, the gearbox ratio and the stepper motor, computer numerical control system hardware circuit design.
Keywords：Numerical transformation of Mechatronics Stepping motor Single chip microcomputer
II
目 錄
1 設計任務的選定 1
1.1數(shù)控改造的必要性 1
1.1.1機床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場 1
1.1.2機床數(shù)控化改造的必要性 2
1.2數(shù)控化改造的內容 3
1.2.1數(shù)控化改造的內容 3
1.2.2數(shù)控改造中主要機械部件改裝探討 3
1.3本文的主要研究內容 4
2 數(shù)控車床總體改造方案及機械部分設計 5
2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量及機床總體方案的擬定 5
2.1.1 設計任務 5
2.1.2 總體方案設計內容 6
2.1.3 總體方案確定 6
2.1.3.1控制系統(tǒng)的選擇 6
2.1.3.2 計算機系統(tǒng) 6
2.1.3.3 機械傳動方式 6
2.2 計算切削力 7
2.2.1.縱車外圓 8
2.2.2.橫切端面 8
2.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 9
2.3.1 縱向滾珠絲杠螺母副的設計計算 9
2.3.2 橫向滾珠絲杠螺母副的設計計算 12
2.4 齒輪箱的計算 17
2.4.1 縱向進給齒輪箱的計算 17
2.4.2 橫向進給齒輪箱的計算 17
2.5 步進電動機的選型和計算 18
2.5.1 縱向進給步進電機計算 18
2.5.2 橫向進給步進電機計算 22
2.6電動刀架選擇與介紹 25
3 主軸脈沖發(fā)生器介紹與選型 28
3.1光電編碼器原理 28
3.2主軸脈沖發(fā)生器的安裝 29
3.3主軸脈沖發(fā)生器的選擇 30
4 普通車床自動化改造的單片機控制 33
4.1系統(tǒng)設計 33
4.2用單片機控制系統(tǒng)電路? 35
4.2.1存儲器擴張電路 35
4.2.2面板操作鍵和功能選擇開關 38
4.2.3功能選擇開關 39
4.2.4鍵盤、顯示器接口電路 40
4.2.5步進電動機驅動電路設計 41
4.2.6 M.S.T接口 44
4.2.7輔助電路設計 45
5 數(shù)控軟件的設計 47
5．1總體設計方案設計 47
5．2系統(tǒng)初始化軟件 47
5．3插補程序設計 48
5.3.1直線插補 48
5.3.2圓弧插補 50
5.3.3螺紋加工插補算法 53
5.3.4 程序設計 55
6 數(shù)控機床的安裝調試及驗收 56
6.1機床的地基和對環(huán)境的要求 56
6.2各控制單元間的電纜連接 56
6.3通電試車前的檢查 56
6.3.1輸入電源電壓和頻率的確認 56
6.3.2檢查直流電源輸出端是否正常 56
6.3.3檢查各熔斷器 56
6.3.4短接棒的設定 57
6.3.5檢查油和氣 57
6.3.6確認各部件機器位置 57
6.4通電試車 57
6.4.1確認電源電壓相序 57
6.4.2接通強電柜交流電源 57
6.4.3接通直流電源 57
6.4.4線數(shù)控裝置供電 58
6.4.5數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)核對 58
6.4.6手動操作 58
6.4.7主軸與輔助裝置通電 58
6.4.8空運行及有關性能試驗 58
參考文獻 59
附錄：外文資料 60
致謝 69
1 設計任務的選定
1.1數(shù)控改造的必要性
1.1.1機床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場
（1）機床數(shù)控化改造的市場
我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。我國機床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。
（2）進口設備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場
我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產(chǎn)線進行技術改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1979～1988年10年間，全國引進技術改造項目就有18446項，大約165.8億美元。
這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設備或生產(chǎn)線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設備、生產(chǎn)線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結果運轉不良；有的引進時只注意引進設備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設備故障不能達產(chǎn)達標；有的因為能耗高、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術更新。種種原因使有的設備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。
這些不能使用的設備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。只要找出主要的技術難點，解決關鍵技術問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。
1.1.2機床數(shù)控化改造的必要性
（1）微觀看改造的必要性
從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。
可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。
可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。
由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。
加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。
可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。
擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
由以上五條派生的好處。
如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技術已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。
（2）宏觀看改造的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。其本質是，采用信息技術對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達20.8％，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。
1.2數(shù)控化改造的內容
1.2.1數(shù)控化改造的內容
機床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內容有以下幾點：
其一是恢復原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復；
其二是NC化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機床、CNC機床；
其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進行更新；
其四是技術更新或技術創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上進行較大規(guī)模的技術更新或技術創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。
1.2.2數(shù)控改造中主要機械部件改裝探討
一臺新的數(shù)控機床，在設計上要達到：有高的靜動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床數(shù)控改造時應盡量達到上述要求。不能認為將數(shù)控裝置與普通機床連接在一起就達到了數(shù)控機床的要求，還應對主要部件進行相應的改造使其達到一定的設計要求，才能獲得預期的改造目的。
①滑動導軌副
對數(shù)控車床來說，導軌除應具有普通車床導向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，以減少導軌變形對加工精度的影響，要有合理的導軌防護和潤滑。
②齒輪副
一般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數(shù)控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床高。在結構上要能達到無間隙傳動，因而改造時，機床主要齒輪必須滿足數(shù)控機床的要求，以保證機床加工精度。
③滑動絲杠與滾珠絲杠
絲杠傳動直接關系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。
滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運動時力矩相接近，可以降低電機啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。
④安全防護
必須以安全為前提。在機床改造中要根據(jù)實際情況采取相應的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護罩。大拖板與滑動導軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。
1.3本文的主要研究內容
1. C6150車床數(shù)控化改造總體機械部件設計。
2.進給系統(tǒng)的設計和選用。包括了進給滾珠絲杠的設計與選用，消隙減速齒輪系的設計計算與校核，進給用步進電機的選擇與校核。
3．主軸脈沖發(fā)生器的安裝
4．刀架的選用
5.控制系統(tǒng)的設計。選用8031型號的單片機控制進給系統(tǒng)與刀架，并把脈沖發(fā)生器的數(shù)據(jù)通過單片機來加工螺紋。
2 數(shù)控車床總體改造方案及機械部分設計
2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量及機床總體方案的擬定
脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù),經(jīng)濟型數(shù)控車床常采用的脈沖當量是0.01~0.005mm/脈沖。
任務書中直接給出了脈沖當量：縱向0.01mm/脈沖，橫向：0.005mm/脈沖。
2.1.1 設計任務
畢業(yè)設計題目：C6150型普通車床的數(shù)控化改造設計。
畢業(yè)設計要求及原始數(shù)據(jù)（資料）：
要求：
將一臺C6150普通車床改造成微機數(shù)控車床。對原車床的縱向、橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)控化改造設計，采用MCS-51系列單片機控制系統(tǒng)，步進電動機驅動，開環(huán)（或半閉環(huán)）控制，具有直線、圓弧插補功能及升降速控制功能，改裝后的車床應有自動回轉刀架和切削螺紋的功能。系統(tǒng)分辯率縱向0.01mm，橫向0.005mm.
原始數(shù)據(jù)：
床身上最大工件回轉直徑：φ500mm
刀架上最大工件回轉直徑：φ300mm
最大車削長度： 1500mm
溜板及刀架重力： 縱向 1100N 橫向 500N
刀架快移速度： 縱向 2.0m/min 橫向 1.0m/min
最大進給速度： 縱向 0.6m/min 橫向 0.3m/min
主電機功率： 6kW
起動加速時間： 30ms
機床定位精度： 縱向0.02mm 橫向0.01mm
代碼制： ISO
脈沖分配方式： 逐點比較法
輸入方式： 增量值、絕對值通用
控制坐標數(shù)： 2
脈沖當量： 縱向 0.01mm/脈沖 橫向0.005mm /脈沖
刀具補償量： 0~99.99mm
進給傳動鏈間隙補償量： 縱向 0.15mm； 橫向0.075mm
自動升降速性能： 有
2.1.2 總體方案設計內容
接到一個數(shù)控裝置的設計任務以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設計參數(shù)和結構，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設計。
機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內容：系統(tǒng)運動方式的確定、選擇伺服系統(tǒng)、選擇計算機系統(tǒng)、執(zhí)行機構的結構及傳動方式的確定等內容。一般應根據(jù)設計任務和要求提出一個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。
2.1.3 總體方案確定
2.1.3.1控制系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應具有定位、直線插補、順、逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，固應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.1.3.2 計算機系統(tǒng)
根據(jù)機床要求，采用8位微機。因為MCS - 51系列單片機可靠性好、功能強、抗干擾能力強、性價高等優(yōu)點，決定選用MCS - 51系列8031單片機。
控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。
2.1.3.3 機械傳動方式
為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時為提高傳動精度和消除間隙，采用有預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的結構。系統(tǒng)總體方案框圖見圖2-1。
圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖
2.2 計算切削力
車削外圓時的切削抗力有﹑﹑，主切削力與主切削速度方向一致垂直向上，是計算機床主軸電機切削功率的主要依據(jù)。切深抗力與縱向進給垂直，影響加工精度或已加工表面質量。進給力與進給方向平行且相反指向，設計或校核進給系統(tǒng)是要用它。圖3-1為切削時總切削力的分解。圖3-2橫切和縱切時切削力的示意圖。
圖3-1 切削時總切削力的分解
圖3-2橫切和縱切時切削力的示意圖
2.2.1.縱車外圓
主切削力根據(jù)經(jīng)驗估算:
=0.67D (3.1)
=0.67×500=7491（N）
其他切削力分別為：
(3.2)
=5360×0.25=1873（N）
=5360×0.4=2996（N）
2.2.2.橫切端面
主切削力取縱切外圓主切削力的1/2.
（N） (3.3)
此時走刀抗力為(N),吃刀抗力為.仍按上述比例粗略計算:
::=1:0.25:0.4 (3.4)
=3745×0.25=936（N）
=3745×0.4=1498（N）
2.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型
普通車床大多數(shù)采用的是矩形螺紋絲杠等滑動絲杠副，與滾珠絲杠副相比摩擦阻力大、傳動效率低，不能適用于高速運動。另外由于磨損快，從而造成其精度差和壽命較低等缺陷。因此，在普通車床的數(shù)控化改造設計中經(jīng)常將其改變?yōu)闈L珠絲杠螺母副。
滾珠絲杠副有以下一些優(yōu)點：摩擦損失小，傳動效率高，可達0.90～0.96；絲杠螺母預緊后，可以完全消除間隙，提高傳動剛度；摩擦阻力小，幾乎與運動速度無關，動靜摩擦力之差極小，能保證運動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象；磨損小、壽命長、精度保持性好。但應注意，由于滾珠絲杠副不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉運動轉換為直線運動，或將直線運動轉換為旋轉運動，因此絲杠立式和傾斜使用時，應增加制動裝置或平衡裝置。滾珠絲杠副的計算步驟如下。
2.3.1 縱向滾珠絲杠螺母副的設計計算
2.3.1.1 計算進給牽引力(N)
縱向進給為綜合型導軌：
(3.5)
=1.15×1873+0.16×(7491+1100)
=3465(N)
式中 —考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取K=1.15；
—滑動導軌摩擦系數(shù):0.15~0.18;
—溜板及刀架重力：G=1100N。
2.3.1.2 計算最大動載荷C
C (3.6)
L (3.7)
n (3.8)
式中 ：指滾珠絲杠導程，初選=6；
n：指絲杠轉速，（r/min）；
：指最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的1/2~1/3，此處取=0.6；
：指使用壽命時間（h）,對于數(shù)控機床取T=15000h.。
L：指壽命，以10轉為一單位；
：指運動系數(shù)，見表1，選=1.2。
表3-1 運轉系數(shù)
運轉狀態(tài)
運轉系數(shù)
無沖擊運轉
1.0~1.2
一般運轉
1.2~1.5
有沖擊運轉
1.5`~2.5
則 n( r/min)
L
（N）
2.3.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型
初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格時，相應的額定動載荷＞最大動載荷。查表《W系列外循環(huán)滾珠絲桿副系列尺寸》：型滾珠絲杠副的額定動載荷＞=14790N 因此，初選滾珠絲杠的型號為型，主要參數(shù)為：滾珠直徑 圈數(shù)列數(shù)，其額定動載荷為16400N，精度等級選3級。
2.3.1.4 傳動效率計算
(3.9)
式中 ：指螺旋升角，=244
：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)其摩擦角，約等于。
2.3.1.5 剛度驗算
滾珠絲杠副的軸向變形將引起導程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運動平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，滾珠和螺紋滾道間的接觸變形，滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。
先畫出此縱向進給滾珠絲杠支撐方式草圖，如下圖3-3所示。最大牽引力3465N。支撐間距L=1500mm,絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。
圖3-3 縱向進給滾珠絲杠支撐方式草圖
(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量
查圖〈滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖〉，根據(jù)=3465N,Do=40mm,查出L/L=1.5×10-5可算出
=(L/L)×1500＝0.0225mm (3.10)
由于兩端采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量為
(3.11)
(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量
由于選用的滾珠絲杠副為W系列2.5 圈1列，可得：mm因進行了預緊，所以：
(3) 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形
查《機械設計手冊》中表6-2-82，采用51107型推力球軸承，=35mm，滾動體直徑=6.35mm，滾動體數(shù)量Z=18
(3.12)
因施加預緊力，所以：
絲杠的總變形量查表知3級精度絲杠允許的螺距誤差為0.015mm，故所選絲杠合格。
2.3.1.6 穩(wěn)定性驗算
滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需作穩(wěn)定性校核。
2.3.2 橫向滾珠絲杠螺母副的設計計算
2.3.2.1 計算進給牽引力
對于燕尾型導軌：
(3.13)
由于是燕尾形導軌式中：K=1.4，=0.2
2.3.2.2 計算最大動載荷C
（N） (3.14)
n( r/min) (3.15)
L (3.16)
2.3.2.3 滾珠絲桿螺母副的選型
型滾珠絲杠副的額定動載荷＞=9932N，因此，初選滾珠絲杠的型號為型，主要參數(shù)為：滾珠直徑=3.969mm，=6mm，,,其額定動載荷為13100N,精度等級選3級。
2.3.2.4 傳動效率計算
滾珠絲杠螺母副的傳動效率:
(3.17)
2.3.2.5 剛度驗算
橫向進給滾珠絲杠支撐方式草圖如圖3-4所示，最大軸向力為2759N，支承間距L=450mm, 因絲杠長度較短，不需要預緊。
圖3-4 橫向進給滾珠絲杠支撐方式草圖
(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量
查圖表可得：
(3.18)
(2)滾珠與螺紋滾道間接觸變形量
由于選用的滾珠絲杠副為W系列2.5圈1列，故可得
考慮到進行了預緊，所以：
(3.19)
(3) 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形
查《機械設計手冊》中表6-2-82，采用51102型推力球軸承，其=15mm,
滾動體直徑=4.763mm, 滾動體數(shù)量Z=12，
(3.20)
考慮到進行了預緊，故：
絲杠的總變形量＞0.015mm。顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度要求，應該采取相應的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導軌來減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導軌=0.03~0.05。重新計算如下：
(3.21)
查表可得：時，，，則。此變形量仍不能滿足，如果將滾珠絲杠再經(jīng)過預拉伸，剛度還可提高4倍，則變形量
(3.22)
故所選絲杠合格。
2.3.2.6 穩(wěn)定性校核
臨界負載與工作負載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù)，如果，則壓桿穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般=2.5~4。
計算臨界負載（N）： (3.23)
式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼E（N/mm）；
I：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J（為絲杠螺紋的底徑）；
：絲杠兩支承端距離（cm）；
：絲杠支承方式系數(shù)，見表3-2，這里。
表3-2 滾珠絲杠支承方式系數(shù)
方式
一端固定一端自由
兩端簡支
一端固定一端簡支
兩端固定
0.25
1.00
2.00
4.00
則
所以此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。
2.3.2.7 滾珠絲杠副的精度等級
滾珠絲杠副的精度，按機械工業(yè)部標準JB3162.2-91的規(guī)定，分為七個等級，即1、2、3、4、5、6、7和10級，1級精度最高，依次逐級降低。通常數(shù)控機床根據(jù)定位精度的要求選用1-5級精度的滾珠絲杠。表3-3給出1-5級精度的行程公差。如下表所示：
表3-3滾珠絲杠行程公差 (μm)
項目
符號
有效行程（mm）
精度等級
1
2
3
4
5
目標行程公差
e
6
8
12
16
23
315~400
7
9
13
18
25
400~500
8
10
15
20
27
500~630
9
11
16
22
30
行程變動量公差
V
6
8
12
16
23
315~400
6
8
12
17
25
400~500
7
10
13
19
26
500~630
7
11
14
21
29
任意300 mm行程變動量
V
6
8
12
16
23
弧度內行程變動量
V
4
5
6
7
8
2.3.2.8縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)
表3-4 WL4006及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù)
名稱
符號
WL4006
WL2506
螺 紋 滾 道
公稱直徑
40
25
導程
6
6
接觸角
鋼球直徑
3.969
3.969
滾道法面半徑
2.064
2.064
偏心距
0.056
0.056
螺紋升角
螺 桿
絲杠外徑
39
24
絲杠內徑
35.984
23
螺桿接觸直徑
36.035
19.35
螺 母
螺母螺紋直徑
44.016
28
螺母內徑
40.793
24.2
2.4 齒輪箱的計算
2.4.1 縱向進給齒輪箱的計算
已知縱向進給脈沖當量 ，選擇絲杠導程，初定步進電機步距角，計算傳動比:
(3.24)
可以選擇的齒輪齒數(shù)為：
或
或
2.4.2 橫向進給齒輪箱的計算
已知橫向進給脈沖當量=0.005，所選絲杠導程=6mm，步距角,所以傳動比為：
(3.25)
從結構上考慮，不能使大齒輪直徑過大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可以選用兩級齒輪降速：
模數(shù)m取2。齒輪有關參數(shù)參照下表：
表3-5 齒輪參數(shù)
縱 向
橫 向
齒數(shù)
32
40
24
40
20
30
分度圓
64
80
48
80
40
60
齒頂圓
68
84
52
84
44
64
齒根圓
59
75
43
75
35
55
齒寬
20
20
20
20
20
20
中心距
72
64
50
2.5 步進電動機的選型和計算
2.5.1 縱向進給步進電機計算
2.5.1.1 步進電動機轉軸上的總轉動慣量的計算
傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下式計算：
（3.26）
式中 ：指步進電機轉子轉動慣量；參考同類型機床，初選反應式步進電機150BF002，其轉子轉動慣量 =10
、：指齒輪、的轉動慣量；
：指滾珠絲杠轉動慣量；
：指工件及工作臺重量（N）；
：指絲杠導程（）；
對于齒輪：D可取分度圓直徑，L取齒輪寬度；
對于絲杠：D可近似取絲杠公稱直徑—滾珠直徑，L取絲杠長度。
具體計算如下：
代入上式3.26：
考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題（）基本滿足慣量匹配的要求。
2.5.1.2 步進電動機轉軸上的等效負載轉矩的計算
電機在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按各階段計算：
（1） 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩
（3.27）
?快速空載起動時折算到電動機軸上的最大加速轉矩
（3.28）
（3.29）
?移動部件運動時折算到電機軸上的摩擦力矩
(3.30)
?滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩
（3.31）
由于滾珠絲杠的傳動效率很高，所以由上述公式計算的值很小，通?？梢院雎圆挥?。則有：
（2） 最大工作狀態(tài)下電動機轉軸所承擔的負載轉矩
（3.32）
（3.33）
（3.34）經(jīng)上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩：
以此作為初步選擇步進電動機的選擇依據(jù)。
(3)步進電動機最大靜轉矩的選定
由表3-6得：當步進電動機為三相六拍時，，則
表3-6步進電動機起動轉距與最大靜轉距關系
步進
電機
相 數(shù)
三 相
四 相
五 相
六 相
拍 數(shù)
3
6
4
8
5
10
6
12
0.5
0.866
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
按此最大靜轉距從表中查出，150BF002型最大靜轉距為13.72，比所需最大靜轉距要大，所以可選作初選型號，但是也必須再一次考核步進電動機的運動矩頻特性和起動矩頻特性。
(4)計算步進電動機的工作頻率和切削時的空載起動頻率
步進電動機的起動頻率：
（3.35）
最高工作頻率:
（3.36）
可查出150BF003型的步進電動機所允許的最高空載啟動頻率為3800，運行頻率為7000，再從圖3-5看出，當步進電機啟動時，遠遠不能夠滿足機床的空載啟動力矩（5.49），如果直接使用就會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），半起動頻率降到1000，起動力矩可提高到5.88，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。
圖3-5 150BF002型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性
2.5.2 橫向進給步進電機計算
2.5.2.1 步進電動機轉軸上的總轉動慣量的計算
折算到電動機軸上的總的轉動慣量的計算：
（3.37）
式中 —步進電動機轉子轉動慣量
、、、—齒輪、、、的轉動慣量
—滾珠絲杠轉動慣量
參考這類型的機床，初步選擇反應式步進電機110BF，其轉子轉動慣量=4.606
代入上式3.37：
由此可見步進電機與傳動系統(tǒng)慣量的匹配滿足慣量匹配的要求。
2.5.2.2 步進電動機轉軸上的等效負載轉矩的計算
電機在不同的工作狀態(tài)下，其所需轉矩不同，下面就進行分別的計算：
(1)快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩
（3.38）
?快速空載起動時折算到電動機軸上的最大加速轉矩
（3.39）
（3.40）
?移動部件運動時折算到電機軸上的摩擦力矩
?絲杠預緊以后折算到電機轉軸上的附加摩擦轉矩
（3.41）
由于滾珠絲杠的傳動效率很高，所以由上述公式計算的值很小，通?？梢院雎圆挥嫛t有：
(2)最大工作狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩
（3.42）
（3.43）
（3.44）
經(jīng)上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩：
以此作為初選步進電機的依據(jù)。
(3)步進電動機最大靜轉矩的選定
由表3-6得：當步進電動機為三相六拍時， ，則
按此最大靜轉距從表中查出，110BF003型最大靜轉距為7.84，比所需的最大靜轉距還大，可成為初步選擇的型號，但是還是需要進一步考慮步進電動機的運動矩頻特性和啟動矩頻特性。
(4)計算切削時的工作頻率和空載時的啟動頻率
步進電動機的啟動頻率：
（3.45）
最高工作頻率:
（3.46）
查表110BF002型步進電動機的運行頻率為7000，最高空載啟動頻率為1500，不能滿足（3333Hz）的要求。再從圖3-6查出110BF002步進電動機的運行矩頻特性和起動矩頻特性。不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（1.27），直接使用則會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），半起動頻率降到1000，起動力矩可提高到400，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，110BF002型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。
圖3-6 110BF002型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性
2.6電動刀架選擇與介紹
選用常州宏達機床數(shù)控設備廠生產(chǎn)的四工位電動刀架，型號LD4-CK6132
LD4系列電動刀架工作原理及特點：
??? LD4型系列立式電動刀架采用渦輪蝸桿傳動，上下齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理。具有轉位快，定位精度高，切向扭矩大的優(yōu)點。發(fā)信轉位采用霍爾元件，使用壽命長。
圖四 霍爾元件
表四 外形尺寸及安裝尺寸
型號\尺寸
H1
H2
H3
A
E
E1
D
D1
B
F
C
?
L1
L2
L3
L4
?'
LD4-CK0620
122
48
22
80
15
8
52
64
94
8
78
9
248
138
80
26.5
60
LD4-CK0625
128
51
23
120
20
15
80
90
126
8
110
9
320
196
110
16.5
90
LD4-CK6125
155
58
34
136
14
14
108
108
148
11
126
11
310
188
136
16.5
90
LD4-CK6132
174
70
38
161
12
12
126
126
171
12
146
13
360
226
152
21
90
LD4-CK6136
181
77
38
161
12
12
126
126
171
12
146
13
360
226
152
28
90
LD4-CK6140
190
81
40
192
20
20
152
152
192
12
168
13
375
242
162
23
90
LD4-CK6150
230
121
40
191
20
20
152
152
192
12
168
13
375
242
162
63
LD4-CK6163
270
145
51
200
35
25
150
130
200
12
177
13
500
295
200
40
120
LD4-CK650
280
145
51
240
15
15
210
210
240
15
210
13
540
335
240
33
120
表五 技術參數(shù)
型? 號
電動功率
W
電機轉速
r/min
夾緊力
T
重復定位精度
mm
壽 命
(次)
換刀時間(S)
90°
180°
270°
LD4-CK0620
30
1400
0.2
≤0.005
>300000
2.5
3
3.5
LD4-CK0625
60
1400
0.6
≤0.005
>300000
2.5
3
3.5
LD4-CK6125
60
1400
0.6
≤0.005
>300000
2.5
3
3.5
LD4-CK6132
90
1400
1.2
≤0.005
>300000
2.5
3
3.5
LD4-CK6136
90
1400
1.2
≤0.005
>300000
2.5
3
3.5
LD4-CK6140
90
1400
1.2
≤0.005
>300000
2.5
3
3.5
LD4-CK6150
90
1400
1.2
≤0.005
>300000
3
3.5
4
LD4-CK6163
180
1400
1.8
≤0.005
>300000
3
3.5
4
LD4-CK650
180
1400
1.8
≤0.005
>300000
3
3.5
4
3 主軸脈沖發(fā)生器介紹與選型
主軸脈沖發(fā)生器也叫光電編碼器。其作用是當數(shù)控機床加工螺紋時，用主軸脈沖發(fā)生器作為車床主軸位置信號的反饋元件，它應與車床主軸同步轉動，并發(fā)出主軸轉角位置變化信號，輸送給計算機。計算機按所需加工的螺距進行處理，控制機床縱向或橫向步進電動機運轉，實現(xiàn)加工螺紋的目的。其加工螺距為6、5、3.5、2.5、2、1.75、1.5、1.25、1、0.75、0.7、0.6、0.5、0.4、0.35、0.3、0.25共18種。
3.1光電編碼器原理
? 光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90旱牧鉸仿齔逍藕擰
根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。
(1)增量式編碼器
增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90海傭煞獎愕嘏卸銑魴較潁鳽相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。它的優(yōu)點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。
(2)絕對式編碼器
絕對編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側是光源，另