C6140普通车床数控化改造设计方案

1、C6140 普通车床数控化改造设计方有 11.34 万 台 ，这 说 明 我 国 机 床 数 控 化 率 不 到 3%。我 们 大 多 数 制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上 是 役 龄 在 10 年 以 上 的 旧 机 床 。用 这 种 机 床 加 工 出 来 的 产 品 普 遍 存 在 质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国市场上 缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床 的数控化率。对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不 经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数 控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改

2、造后的机床比传统机床有 很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准 确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其 计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然 后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要 更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动 化 ”。改 造 后 的 机 床 不 象 购 买 新 机 那 样 ，要 重 新 了 解 机 床 操 作 和 维 修 ， 也 不 了 解 能 否 满 足 加 工 要 求 。改 造 可 以 精 确 计 算 出 机 床 的 加 工 能 力 ， 另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早

3、已了解，操作和维修 方 面 培 训 时 间 短 ，见 效 快 。另 外 ，数 控 改 造 可 以 充 分 利 用 现 有 地 基 ， 不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发 展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成 当今水平的机床。数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础， 不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方 案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于 自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技 术方向过渡的主要容之一。第 一 节

4、设 计任 务1.1 题目 ： C6140 普通车 床数 控 化改 造 设计1.2 任 务将一 台 C6140 普通车 床改 造成 经济型 数控 车床 。主 要 技术 指标 如下：（1）床身上最大加工直径 400mm;（2）最大加工长度 1000mm；（3）X方向（横向）的脉冲当量 x 0.005mm /脉冲 ，Z方向（纵向） z 0.01mm / 脉冲 ；（ 4） X 方 向 最 快 移 动 速 度 vxmax 2500 mm / min ， Z 方 向 为 vxmax 6000mm / min ；（ 5） X 方 向 最 快 工 进 速 度 vxmax f 400mm/ min ， Z 方

5、向 为 vxmaxf 700mm / min ；（6）X方向定位精度 0.01mm， Z 方向 0.02mm； （ 7）可 以车削 柱面 、平 面、 锥面 与 球面 等；（ 8）安 装螺纹 编码 器， 可以 车削 公 / 英制 的直 螺纹与锥螺 纹， 最大 导程 24mm；（ 9）安 装四工 位立 式电 动刀 架， 系 统控 制自 动 选刀；（ 10）自动控制主 轴的正转、反 转 与停 止，并 可 输出 主 轴有 级变速与无级变速信号；11) 自动控制冷却泵的启/ 停;12) 安装电 动卡 盘，系统控 制工 件的夹紧与 松开；13) 纵、横向安 装限位开关 ；14) 数控系统可 与 PC机串行

6、 通信；15) 显示界面采用 LED数码管，编程采用 ISO 数控代码第二节 总体方 案 的确定总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类 型 、数控系 统 CPU的选 择，以及 进给 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 单坐 标定 位 ，两坐标 直线 插补 、 圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连 续控制型。2 普 通车床 经数 控化 改造 后属 于 经济 型数 控 机床，在 保证 一定 加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺 服系统采用步进电动机的开环控制系统。3 根 据技术 指标 中的 最大 加

7、工 尺 寸、 最高 控 制速度， 以及 数控系 统 的 经 济 性 要 求 ， 决 定 选 用 MCS-51 系 列 的 8 位 单 片 机 作 为 数控系统的 CPU。 MCS-51 系列 8 位机具有功能多、速度快、 抗干扰能力强、性/价比高等优点。4 根 据系统 的功 能要 求， 需要 扩 展程 序存 储 器、数据 存储 器、 键 盘 与 显 示 电 路 、 I/O 接 口 电 路 、 D/A 转 换 电 路 、 串 行 接 口 电 路等，还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交 流 变 频 器 等 。5 为 了达到 技术 指标 中的 速度 和 精度 要求 ， 纵、横向 的进 给传

8、 动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消 除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。6 计 算选择 步进 电动 机， 为了 圆 整脉 冲当 量 ，可能需 要减 速齿 轮副，且应有消间隙机构。7选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等第三节 机械系 统 的改造设计方案3.1 主轴 系 统的改造 方 案对普 通机床进行数控化 改造时，一 般 可保 留原 有的 主传动机构 和变速操纵机构，这样可以减少机械改造的工作量。主轴的正转、 反转和停止可由数控系统来控制。若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可 用 24 速 的 多 速 电 动 机 代 替 原

9、 有 的 单 速 主 电 动 机 ； 当 多 速 电 动 机 仍 不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级 变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于 70Hz， 原 来 的 电 动 机 可 以 不 更 换 ， 但 所 选 变 频 器 的 功 率 应 比 电 动 机 大 ）。改 造 C6140 车 床 时 ， 若 采 用 有 级 变 速 ， 可 选 用 超 力 生 产 的 YD 系列 7.5kW变级多速三相异步电动机，实现 24档变速；若采用无 级 变 速 ，应 加 装 交 流 变 频 器 ，推 荐 型 号 为 ：F100-G0075T3B, 适 配 7.5kW 电

10、动机，生产厂家为惠丰电子。3.2 安装 电 动卡盘为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼 和 浩 特 附 件 总 厂 生 产 的 KD11250 型 电 动 三 爪 自 定 心 卡 盘 。 卡 盘 的 夹 紧与松开由数控系。3.3 换装 自 动回转刀 架为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有 的手动刀架换成自动回转刀架，选用市宏达机床数控设备生产的 LD4B-CK6140 型四 工位立 式电 动刀 架。 实 现自 动换 刀需 要 配置 相应的电路，由数控系统完成3.4 螺 纹 编 码 器 的 安 装 方 案螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹

11、时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴信号的反馈元件，它 与车床主轴同步。改 造 后的 车床 能 够 加 工 的 最大 螺 纹 导 程是 24mm， Z 向 的 进 给 脉 冲 当 量 是 0.01mm /脉冲 ， 所 以螺 纹 编码 器 每 转一 转输 出 的 脉 冲数 应不 少 于 24mm /（ 0.01mm /脉冲） 2400脉冲 。 考 虑 到 编 码 器 的 输 出 有 相 位差 90 的 A、B 相信 号 ，可 用 A、B 异或 后获 得 2400个脉 冲（ 一 转 ）， 这 样 编 码 器 的 线 数可 降 到1200线 （A、 B 信 号）。 另外 ， 为 了 重复 车 削

12、 同 一 螺 旋 槽 时 不 乱 扣 ， 编 码 器 还 需 要 输 出 每 转 一 个 的 零 位 脉 冲 Z 。基于上述要求，选择螺纹编码器的型号为： ZLF-1200Z-05VO-15-CT 。 电源 电压 +5V， 每转 输出 1200个 A/B 脉 冲 与 1 个 Z 脉冲 ，信 号 为 电 压输 出 ，轴 头 直径 15mm，生 产 厂 家为 光 机 数显技术。螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴 安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结 构简单，但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在床 头箱的的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴

13、，如果找不 到 同 步 轴 ，可将 编 码 器通 过 一对 传 动 比为 1:1的 同步 齿 形 带 与主 轴连 接起来。需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间 隙柔性连接，且车床组、主轴的最高转速不允许超过编码器的最高 许用转速。3.5 进 给 系 统 的 改 造 与 设 计方 案（ 1）拆 除 挂 轮 架所 有齿 轮， 在此 主 轴的 同步 轴 ，安 装 螺 纹 编 码 器 。 （ 2）拆 除 进 给 箱 总 成 ， 在 此位 置 安 装 纵 向 进 给 步 进 电 动 机 与 同步 带减速箱总成。（ 3）拆 除溜 板 箱总 成与 快 走刀 的齿 轮 齿条 ，在 纵 溜板 的下

14、 面 安装 纵向滚珠丝杠的的螺母座与螺母座托架。（ 4）拆 除四 方 刀架 与上 溜 板总 成， 在 横溜 板上 方 安装 四工 位 立式 刀架。（ 5）拆 除横 溜 板下 的滑 动 丝杆 螺母 副 ，将 滑动 丝 杆靠 刻度 盘 一段 （长 216mm，见图一）锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留 刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。（ 6）将 横向 进 给步 进电 动 机通 过法 兰 安装 到横 溜 板后 部的 纵 溜板 上，并与滚珠丝杠的轴头相联。（ 7）拆 去三杆 （丝 杆、 光杆与 操纵 杆）， 更换 丝杆的右支 承。（ 8）改 造后的 横向 、纵 向进 给传 动 系统 分别 见

15、 附图一和 附图 二。第 四 节 进 给传 动 部件 的 计算 和选 型纵 、横 向 进 给 传 动 部 件 的 计 算 和 选 型 主 要 包 括 ：确 定 脉 冲 当 量 、 计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机4.1 脉 冲 当 量 的 确 定根 据 设 计 任 务 要 求 ， X 方 向 （ 横 向 ） 的 脉 冲 当 量 为 0.005mm/脉冲 ，Z 方向（纵向）为 z 0.01mm /脉冲 。4.2 切 削 力 的 计 算（ 1）纵 向切 削 力算设工 件为 碳素 结构 钢 ， b 650MPa ； 选用 刀具材料为 硬质 合金 YT15；刀具几何参数为：主

16、偏角 kr 60 ，前角 0 10 ，刃倾角 s 5 ； 切 削 用量 为 ：背 吃 刀量 p 3mm， 进 给 量 f 0.6mm/r ，切 削 速度 vc 105m/ min 。查表得：GFc 2795， xFC 1.0， yFc 0.75，nFc 0.15 ；主 偏角 Kr 的 修正 系 数 KKrFc 0.94；刃倾角 、前 角 和刀 尖 圆弧 半径 的修 正 系数 值 均 为 1.0 。由经验公式： FC CFc xpFc f yFcVcnFcKFc，算 得主切削力 Fc 2673.4N ; 由经验公式：Fc :Ff :Fp 1:0.35:0.4，算得纵向进给切削力 Ff 935.6

17、9N , 背 向 力 FP 1069.36N 。( 2)横 向切 削 力计 算横向主切削力为纵向的一半，所以横向主切削力'1Fc'Fc 1336.7 Nc 2 c由经验公式 Fc:Ff :Fp 1:0.35:0.4, 求得横向进给切削力 Ff 467.85N ，背 向 力 Fp 534.68N 。4.3 滚珠 丝 杠螺母 副的 计 算和 选 型1. 纵 向 ：(1) 工 作 载 荷 Fm 的 计 算已 知 移 动 部 件 总 重 量 G 1300N ； 车 削 力 Fc 2673.4 ， FP 1069.36N ， Ff 935.69N 。根据 Fz Fc， Fy Fp， Fx

18、 Ff 的对 应关 系，可得： Fz 2673.4N ， Fy 1069.36N ， Fx 935.69N 。选用矩形- 三角形组合滑动导轨，查表，取 K 1.15，0.16，代入 Fm KFx (Fz G),得工作载荷 Fm 1712N .(2) 最 大 动载 荷 FQ的 计 算设 本 车 床 Z 向 在 承 受 最 大 切 削 力 条 件 下 最 快 的 进 给 速 度 v 0.8m / min ， 初 选 丝 杠 基 本 导 程 Ph 6mm ， 则 此 时 丝 杠 转 速 n 1000v/Ph 133r /min 。取滚珠丝杠的使用寿命T 15000h，代入 L0 60nT / 106

19、 , 得丝杠寿 命系数 L0 119.7(单位为：106r)。查 表 ， 取 载 荷 系 数 fW 1.15， 再 取 硬 度 系 数 fH 1， 代 入 式 FQ 3 L0 fW fHFm，求得最大动载荷 FQ 3 L0 fW fHFm 9703N 。(3) 初 选型 号 根据计算出的最大动载荷，查表，选择启东润泽机床附件生产 的 FL4006 型 滚 珠 丝 杠 副 。 其 公 称 直 径 为 40mm， 基 本 导 程 为 6mm ， 双螺母滚珠总圈数为 3 2圈 6圈，精度等级取 4 级，额定动载荷为 132000N ，满 足要 求 。(4) 传 动效 率 的 计 算将 公 称 直 径

20、 d0 40mm ， 基 本 导 程 Ph 6mm ， 代 入 arctanPh /( d0)，得丝杠螺旋升角 2 44'。将摩擦角 10'，代入 tan / tan()， 得 传 动 效 率94.2%。(5) 刚 度的 验算1 ) 纵向 滚珠 丝杠的 支承 ，采 取一 端 轴向 固定 ，一 端简支 的方 式，见图二。固定端采取一对推力角接触轴承，面对面组配。丝杠 加 上 两 端 接 杆 后 ，左 、右 支 承 的 中 心 距 离 约 为 a 1497mm ；钢 的 弹 性 模 量 E 2.1 105 MPa ；查表得滚珠 直径 DW 3.9688mm ，算得 丝杠 底径d2

21、公 称 直 径 d0 滚 珠 直 径 DW 36.0312mm 。忽 略 式 1FmaESMa 22 IE.专业.专注 .的 第 二 项 ， 算 得 丝 杠 在 工作 载 荷 Fm作 用 下 产生 的 拉/压 变形 量1 Fma/(ES) 0.01197mm。2)根据公式 Z ( d0/DW) 3，求得单圈滚珠数目 Z 29, 该型号 丝杠为双螺母，滚珠总圈数为 3 2 6，则滚珠总数量 Z 29 6 174。 滚 珠 丝 杠 预 紧 时 ， 取 轴 向 预 紧 力 FYJ Fm /3 571N 。 则 由 式0.0013Fm2103 DWFYJZ2 /10求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量0.

22、00117mm 。因 为丝杠加有预紧力，且 为轴向负载的 1/3，所 以实 际 变 形 量 可 减 小 一 半 ， 取 2 0.000585mm 。3)将以 上算 出的 1和 2代 入 总 1 2，求得 丝杠 总变形 量(对 应跨度1497mm) 总 0.012555mm 12.555 m。由 表知，4 级精度滚珠丝 杠 任 意 300mm轴 向 行 程 行程 的 变 动 量 允 许 16 m， 而 对 于 跨 度 为 1497mm的 滚 珠 丝 杠 ， 总 的 变 形 量 总 只 有 12.555 m ， 可 见 丝 杠 刚 度 足够。（6）压 杆稳 定性 校核f 2EI根 据 式 Fk f

23、k 2EI Fm计算 失稳 时 的临 界载 荷 Fk。 查表 取 支承 Ka 2系 数 fk 2 ； 由 丝 杠 底 径 d2 36.0312 ， 求 得 截 面 积 惯 性 矩 I d24/64 82734.15mm2；压 杆稳 定安 全系 数 K取 3（丝杠卧 式水 平安 装 ）； 滚 动 螺 母 至 轴 向 固 定 处 的 距 离 a 取 最 大 值 1497mm 。 代 入 式Fkfk 2EIKa2Fm，得临界载荷 Fk 51012N,远大于工作载荷 Fm （1712 N ） ，故丝杠不会失稳。综上所述初选的滚珠丝杠副满足使用要求4.4 同 步 带 减 速 箱 的 设 计为了满足脉冲当

24、量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动 系 统 的 负 载 惯 量 尽 可 能 地 减 小 ， 传 动 链 中 常 采 用 减 速 传 动 。 C6140 车床纵向减速箱选用同步带传动。设计 同步带减 速箱 需 要的 原始 数据有 ：带 传动的 功率 P； 主动 轮转速 n1和传动比i；传动系统的位置和工作条件等。根据 改造 经验 ， C6140 车 床纵 向步进 电动 机的最大静 转矩 通常 在 15 25N m之间选择。初选电 动机型号为 130BYG5501, 五相混合 式，最大静转矩20N m，十拍驱动时步距角为0.72 。（ 1） 传动 比 的 确 定已知电动机的步距角 0.72

25、，脉冲当量 z 0.01mm/脉冲， 滚珠丝杠导程Ph 6mm，代入式 iPh 算得传动比i 1.2h 360（2） 主动轮最高转速 n1由纵向床鞍的最快移动速度 vzmax 6000mm/ min ，得出主动轮 的最高转速n1 （vzmax/ z） /360 1200r / min 。（ 3） 确定 带 的 设 计 功率 Pd预选 的步 进电动 机在 转速为 1200r /min时， 对应的 步进 脉冲频率为 fmax 1200 360 /(60 ) 1200 360 /(60 0.72)Hz 10000Hz 。当 脉 冲频 率为 10000Hz时 ，电 动机 的 输出 转 矩 约为 3.8

26、N m，对 应 的输出功率为 POUT nT /9.551200 3.8 / 9.55W478W 。取P0.478kW ，K A 1.2 , 代入 式 Pd K AP，得出Pd1.2 0.478kW0.574kW .( 4 ) 选 择 带 型 和 节 距 pb根据带的设 计 功 率 Pd0.574kW 和 主 动轮最高转速n11200r /min ，选取同步带的型号为 L 型节距 pb9.525mm。5) 确定小带轮齿数 z1和小带轮节圆直径 d1取 z1 15，则 小 带轮 节 圆 直 径 d1 pbz1 45.48mm 。 当 n1达 到最高转速1200r/min时，同步带速度为 v1 1

27、2.86m / s ， 没60 1000有超过 L 型带的极限速度 35m/s。6) 确 定 大 带 轮 齿 数 z2和 大 带 轮 节 圆 直 径 d2z2大带轮齿数 z2 iz1 18，节圆直径 d2 id1 54.57mm。110.06mm ， 圆 整 后 取 a0 110mm 。7) 初选中心距 a0、 带的节 线长 度 L0p、带 的齿 数 zb 初选中心距 a0 1.1(d1 d2)则带的节线长度为 L0p 2a0(d1d2) (d14ad2)24a0377.33mm 。 查表 选取 标准节 线长 度 Lp 381mm，相 应齿 数 zb 40。 ( 8 ) 计 算 实 际 中 心

28、 距 a实际中心距aL p L0pa0111.835mm 。29 ) 校 验 带 与 小 带 轮 的 的 啮 合 齿 数 zmzm ent z21 2pb 2z1a (z2 z1) 7，啮合齿数比 6大，满足要求此处 ent表示取整。( 10 ) 计 算 基 准 额 定 功 率 P0所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率：P0(Ta mv2)v1000式中Ta表示带宽为 bs0时的许用工作压力，查表得 Ta 244.46N； m表示带宽为 bs0时的单位长度的质量，查表 得 m 0.095kg/m；v表示同步带的带速，由上述（5）知 v 2.86m/s。 代入式子算得 P0 0.697

29、kW .（ 11 ） 确 定 实 际 所 需 同 步 带 宽 度 bsbs bs0（ Pd ）1/1.14，式中 bs0表示选定型号的基准宽度，查表 s s0 Kz P0s0得 bs0 25.4mm； Kz表示小带轮啮合齿数系数，查 表得 Kz 1。由 上式算得 bs 21.42mm，再根据表选取标准带宽 bs 25.4mm。（ 12 ） 带 的 工 作 能 力 验 算根据式 P （KzKwT bs mv2）v 10 3，计算同 步带额定功率 P的 bs0精 确 值： 式 中 Kw为 齿 宽系数 ： Kw （bs / bs0 ）1.14 1。经 计 算得 P 0.697kW , 而 Pd 0.

30、574kW , 满足 P Pd。因 此，带 的工 作能 力合 格。4.5 步进 电 动机的计 算 与选型1）计算加在步进电动 机转轴上的总转 动惯量 Jeq已知 ：滚 珠 丝杠 的公 称 直径 d0 40mm， 总长 （ 带接杆） l 1560mm，导 程 Ph 6mm，材 料 密 度7.85 10 3kg/cm3；纵 向移动部件总重量 G 1300N；同步带减速箱大带轮宽度 28mm， 节径 54.57mm，孔径 30mm，轮毂外径 42mm，宽度14mm；小带 轮宽度 28mm，节径 45.48mm，孔径 19mm，轮毂外径 29mm，宽 度 12mm； 传 动 比 i 1.2 。将上述数

31、据代入公式，可得出：滚珠丝杠的转动惯量 JS 30.78kg cm2 ； 床 鞍 折 算 到 丝 杠 上 的 转 动 惯 量 JW 1.21kg cm2； 小 带 轮 的 转动 惯 量 Jz1 0.95kg cm2， 大 带 轮 的 转 动 惯 量 J z2 1.9kg cm2 。 在 设 计 减 速 箱 时 ， 初 选 的 纵 向 步 进 电 动 机 型 号 为 130BYG5501 ， 查 表 得 该 型 号 电 动 机 转 子 的 转 动惯量 Jm 33kg cm2。 则加在步 进电 动机转轴上 的总转动 惯量22为： Jeq Jm Jz1 （Jz2 JW JS）/i2 57.55kg

32、cm2。2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1） 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 Teq1 由式 Teq1 Tamax Tf T0，可知 Teq1包括三部分：快速空载起 动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 Tamax、移动部件运 动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 Tf 、滚珠丝杠预紧后折 算到电动机 转轴 上的附加摩 擦转 矩 T0。因为滚珠丝 杠副 传动 效率很高，根据式 T0 FYJPh （1 02）可知，T0相对于 Tamax和 Tf 很小，可以忽略不计。则有： Teq1 Tamax Tf （4-1 ）根 据

33、式 Tamax Jeq 2 Jeqnm ， 考 虑 纵 向 传 动 链 的 总 效 率 amax eq60ta，计 算快 速空载 起动 时折 算到 电 动机 转轴 上的 最大加 速转 矩： Tamax 2 Jeqnm 1 （4-2 ）式中 nm表示对应纵向空载 amax60tam最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为 r/min； ta表 示步进电动机由静止到加速至 nm转速所 需的时间 ，单 位为s。其中： nmvmax3604-3 ） 式 中 vmax表示 纵向空 载最快移动速度，任 务书指定为 6000mm/ min ； 表示纵向步进电动 机 步 距 角 。 为 0.72 ； 表 示

34、纵 向 脉 冲 当 量 ， 为 0.01mm/ 脉冲 。 将 以 上 各 值 带 入 式 （ 4-3 ）， 算 得 nm 1200r /mmin 。设 表 示步 进 电 动 机 由 静 止 到 加 速 至 nm转速 所 需 时 间 ta 0.4s，纵 向 传动 链总 效率 0.7； 则由 式 （4-2 ）求 得：amax457.55 10 4 1200N60 0.4 0.72.58N m ，由 式 TfF摩Ph2i知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：Tf (Fc G)Ph ( 4-4 )式 中表示导轨的摩擦因数，滑 动导 轨 取 0.16 ； Fc 表 示 垂 直 方 向 的

35、工 作 载 荷 ，空 载 时 取 0 ； 表 示 纵 向 传 动 链 总 效 率 ， 取 0.7 。 则 由 式 （ 4-4 ） 得 ：Tf0.24N m，最后 由式（ 4-1 ），0.16 (0 1300) 0.006 N2 0.7 1.2求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为：Teq1 Tamax Tf 2.82N m （4-5） 2） 最 大 工作负 载状 态下电 动 机转 轴 所承受 的负 载转矩 Teq2由式 Teq2 Tt Tf T0可知 ，Teq2包 括三部分：折 算 到电 动机转轴上的最大工作负载转矩 Tt、移动部件运动时折 算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf 、滚珠丝杠预

36、紧后折算 到电动机转轴上的附加摩擦转矩 T0。 T0相对于 Tf 和 Tt很 小，可以忽略不计。则有： Teq2 Tt Tf（4-6 ）其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转 矩 Tt Ff Ph由式 Ttf h 计算， 本例中在对 滚珠丝杠进 行计算的时候，已 知进给方 向的最大工作载荷 Ff 935.69N , 则有：TtFf Ph2i935.69 0.006 N m2 0.7 1.21.06N m再 由 式 Tf 2 ih 计 算 承 受 最 大 工 作 负 载（ Fc 2673.4N ） 情况下 ，移 动部 件运动 时折 算 到电 动机转轴上的摩擦转矩: Tf(Fc G)Ph 0.1

37、6 (2673.4 1300) 0.006 N m 0.72N m2 i 2 0.7 1.2最 后 由 式 （ 4-6 ）， 求 得 最 大 工 作 负 载 状 态 下 电 动 机 转轴所承的负载转矩： Teq2 Tt Tf 1.78N m （4-7 ）经上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大 等效负载转矩： Teq max Teq1,Teq2 2.82N m （4-7 ）（ 3 ） 步 进 电 动 机 最 大 静 转 矩 的 选 定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时， 其 输 出 转 矩 会 下 降 ， 可 能 造 成 丢 布 ， 甚 至 堵 转 。 因 此 ， 根 据

38、Teq 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例 中 取安全 系 数 K 4，则步进 电动机 的最大静 转矩应 满足： Tjmax 4Teq 4 2.82N m 11.28N m （4-8 ）对于前面预 选的 130BYG5501 型步 进电动机，查表 可知，其 最大静转矩 Tjmax 20N m，可见完全满足式（4-8 ）要求。 （ 4） 步进电动机的性能 校核1）最大工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定纵向最快工进速度 vmaxf 700mm/ min ，脉冲当量0.01mm /脉冲 ，由式 fmaxf vmaxf 求出电动机对应的运行 频率60fmaxf 700 / （

39、60 0.01）Hz 1167Hz 。在此频率下，电动机的输出转 矩 Tmax f 17N m ， 远 远 大 于 最 大 工 作 负 载 转 矩 Teq2 1.78N m ， 满 足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定纵向最快空载移动速度 vmax 6000mm/ min ，由式maxvmax60求出电动机对应的运行频率fmax 6000 /（ 60 0.01） Hz 10000Hz 。查 表 得， 此频率下 ，电动 机的 输 出 转 矩 Tmax 3.8N m ， 大 于 快 速 空 载 起 动 时 负 载 转 矩 Teq1 2.82N m， 满 足 要 求 。3）最快空

40、载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度 vmax 6000mm/min，对应的电动机运行频 率 fmax 10000Hz 。 查 表 可 知 130BYG550 的 极 限 运 行 频 率 为 20000Hz，可见没有超出上限。4）起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量 Jeq 57.55kg cm2，电 动机转 子 自身 的转动 惯量 Jm 33kg cm2，查表 可知 电动 机转轴 不带 任何负 载时 最 高空 载 起 动 频 率 fq 1800Hz 。由 式 fLq ， 可1 Jeq / Jm以 求 出 步 进 电 动 机 克 服 惯 性 负 载 的 起 动 频 率 为 ： f

41、L 1087Hz ， 上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起 动 频 率 都 必 须 小 于 1087Hz 。 实 际 上 ， 在 采 用 软 件 升 降 频 率 时 ， 起动频率选得很低，通常只有100Hz（即 100脉冲/s） 。综 上 所 述 ，纵 向 进 给 系 统 选 用 130BYG550 步 进 电 动 机 ，可 以 满足要求。4.6 同步 带 传递效率 的 校核分两种工作情况，分别进行校核。（1）快速空载起动电动机从静止到加速至 nm 1200r / min ，由式（ 4-5 ）可知， 同 步 带 传 递 的 负 载 转 矩 Teq1 2.82N m ， 传 递

42、 的 功 率 为 P nmTeq1/9.55 1200 2.82 /9.55W 354.3W 。（2）最大工作负载、最快工进速度由 式 （ 4-7 ） 可 知 ， 带 需 要 传 递 的 最 大 工 作 负 载 转 矩 Teq2 1.78N m，任 务书给定最快工进速度vmaxf 700mm/ min ，对 应 电 动 机 转 速 nmaxf （ vmax f / z） /360 140r / min 。 传 递 的 功 率 为 P Teq2 /9.55 140 1.78 / 9.55W 26.1W 。可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率 0.697kW 。因 此， 选择 的

43、同步带功 率合 格。第五节 绘制进 给 传动机构的装配图在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型后可以着手绘制 进给伺服系统的机械装配图。在绘制机械装配图时，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。（ 3 ） 等。（4） （ 5 ）（ 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。考 虑 各 部 件 之 间 的 定 位 、联 接 和 调 整 方 法 。箱 上 的 联 接 与 定 位考虑密封、防护、润滑以及安

44、全机构等问题。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。第 六 节 控 制系 统 硬件 电 路设 计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：1）接收键盘数 据，控制 LED显 示；2）接收操作面板的开关与按钮信号；3）接收车床限位开关信号；4）接收螺纹编码器信号；5）接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；6）控 制 X、 Z 向 步 进 电 动 机 的 驱 动 器 ；7）控制主轴正转、反转与停止；8）控制多速电动机，实现主轴有级变速；9）控制交流变频器，实现主轴无级变速；

45、10)控制切削液泵起动/停止；11)控制电动卡盘的夹紧与松开；12)控制电动刀架的自动选刀；13)与 PC 机 的 串 行 通 信 。图（ 2）为 控制 系统 的原 理框 图 。CPU选用 ATMEL公司的 8 位单片机 AT89S52 ；由于 AT89S52 本身 资 源 有 限 ， 所 以 扩 展 了 一 片 EPROM芯 片 W27C512 用 做 程 序 存 储 器 ， 存 放 系 统 底 层 程 序 ； 扩 展 了 一 片 SRAM 芯 片 6264 用 做 数 据 存 储 器 ， 存 放 用 户 程 序 ； 键 盘 与 LED 显 示 采 用 8279 来 管 理 ； 输 入 /

46、输 出 口 的 扩 展 选 用 了 并 行 接 口 8255 芯 片 ，一 些 进 / 出 的 信 号 均 做 了 隔 离 放 大 ；模 拟 电 压 的输 出借 助于 DAC0832; 与 PC机的 串行 通信 经 过 MAX233 芯 片。数 控 系统 的操 作面 板 布置 如图 （ 1） 所 示 。 面板 设置 了 48 个 微动 按 钮 ， 三个 船形 开关 ， 一 只 急停 按钮 ， 显示 器包 括 1 组 数 码 管 和第 七 节 步 进电 动 机驱 动 电源 的选 用本例中 X向 步进 电动 机的型号 为 110BYG5802,Z 向步进 电动机的 型 号 为 30BYG5501

47、。 两 种 电 动 机 除 了 外 形 尺 寸 、 步 距 角 和 输 出 转 矩 不 同外， 电气 参数 基本 相同， 均为 5 相混合式， 5 线输出 ，电 动机 供电电压 DC120 310V ，电 流 5 安。这 样，两 台电动机的驱动电源可 用同一型号。在此，选择科林数控科技有限责任公司生产的五相混 合 式 调 频 调 压 型 步 进 驱 动 器 ， 型 号 为 BD5A。第 八 节 控 制系 统 的部 分 软件 设计1. 存 储器与 I/O 芯片 地址分 配根据 图三 中地 址译 码 器 U4( 74LS138 )的 连接情况， 可以 算出主 机 板 中 存 储 器 与 I/O 芯

48、 片 的 地 址 分 配 ， 如 下 表 所 示 ：器件名称地 址 选 择 线 （ A15 A0）片地址单元 数地 址 编码6264000 , , ,8K0000H 1FFFH82550011,1111,1111,1143FFCH 3FFFH82790101,1111,1111,11125FFEH 5FFFHDAC08320111,1111,1111,111117FFFH2. 控 制系统 的监 控管 理程 序系统设有 7 档功能可以相互切换，分别是“编辑” 、“空刀” 、 “ 自动” 、“ 手动 1” 、“ 手动 2” 、“ 手动 3”和 “回零” 。选 中某一功能时，对应的指示灯点亮，进入相

49、应的功能处理。控制系 统 的 监 控 管 理 程 序 流 程 见 图 （ 3 ）。B255: MOV DPTR， #3FFFH ； 指向 8255 的控制口地 址MOV A ，#10001001B； PA 口 输 出 ， PB 口 输 出 ， PC 口输 入，均 为方式 0MOVX DPTR，A；控制字被写入MOV DPTR， #3FFCH； 指 向 PA 口MOV A ，#0FFH； 预 置 PA 口 全 “ 1 ”MOVX DPTR，A；输 出全 “1”到 PA口MOV DPTR， #3FFDH； 指 向 PB 口MOV A ，#0FFH； 预 置 PB 口 全 “ 1 ”MOVX DPT

50、R，A； 输 出 全 “1” 到 PB 口RET4.8279 芯片 初 始化 子程 序B279: MOV DPTR， #5FFFH； 指 向 8279 的 控 制 口 地 址MOV A， #0CFH； 清 除 FIFO 与 显 示 RAM 命 令MOVX DPTR，A；命令字被写入WAIT: MOVX A ，DPTR；从 8279 的控制 口读 取 8279 的状态字JB ACC.7， WAIT； 测 试 显 示 RAM 有 没 有 被 清 除完 毕 。只 有 状 态 字 的 D7=0 ，清除才结束MOV A， #08H；编 码扫描 ，左 入口 ，16 位字符显示，双键互锁MOVX A， DP

51、TRMOV A， #34H；分 频系数 取 20MOVX DPTR，ARET5.8279 控制 LED 显 示子 程序设显示缓冲区的首地址为6BH，系统在指定的工作状态下，需要显示的字符 段 码 的 编 码 ，事 先 存 储 在 CPU部 的 RAM的 6BH73H 这 9 个 字 节 中 。 已知8279 的控制口地 址为 5FFFH，数 据口地址为 5FFEH，则显 示程 序如下：DIR: MOVDPTR， #5FFFH； 8279 的 控 制 口 地 址MOVA， #90H； 写 8279 显 示 RAM 的 命 令MOVXDPTR，A； 从 显 示 RAM的 00H 地 址 开 始 写

52、 ，每写一次，显 示 RAM的地址自动加1MOVR0， #6BH；显 示缓 冲区 的首地 址为 6BHMOVR7， #09H；显示缓冲区的长度为 9 个字节MOVDPTR， #5FFFH； 8279 的 数 据 口 地 址DIR0: MOV A，R0；从 CPU的 RAM中读取显 示段 码的编码ADDA，#05H；PC与 DTAB表格之间 的偏 移量MOVCA， A+PC；查表，取出显示段码MOVXDPTR，A；送到 8279 显示 RAM中指 定的 字节INCR0； 写 8279 的 下 一 个 显 示 RAMDJNZR7， DIR0；循环 9 次，完成 9 位显示RET段码字 符 编 码D

53、TAB: DB6FH； F 00-01DB0DAHDB0BEH； X 02-03DB0E7HDB0A3H； Z 04-05DB0CBHDB0D1H； U 06-07DB0D3HDB0DCH； W 08-09DB0CEHDB0DFH； - 0ADB 21H； 0 0BDB7BH；10CDB91H；20DDB19H；30EDB4BH；40FDB0DH；510DB05H；611DB69H；712DB01H；813DB09H；914DB20H；0.15DB7AH；1.16DB90H；2.17DB18H；3.18DB4AH；4.19DB0CH； 5.1ADB04H； 6.1BDB68H；7.1CDB00

54、H；8.1DDB08H； 9.1E ；根据 系统需 要编 制字 库当需 要显示一组字符时 ，首 先给显示缓 冲区的 6BH73H 这 9 个 字 节 赋 值 ，然 后 调 用 DIR 子 程 序 即 可 。例 如 ，要 显 示“ X-1234.56 ” ， 程序如下：MOV6BH， #02H；“ X”的一半MOV6CH， #03H；“ X”的另一半MOV6DH， #0AHMOV6E， #0CH；1MOV6FH， #0DH；2MOV70H， #0EH；3MOV71H， #19H； 4.MOV 72H， #10H；5MOV 73H， #11H；6CALL DIR； 向 8279 的 显 示 RAM 写 数显示 缓冲区(CPU部 RAM)：(6BH)(6CH)(6DH) (72H) (73H)| | | | |显示字 符： X - 1 2 36| | | | |字符 编码： 02H 03H 0AH11H6. 82