数控车床进给系统设计cy

1、毕业论文(设计)论文题目 基于FANUC系统数控车床纵向传动系统的设计 （英 文） Based on the FANUC system of CNC lathe machine longitudinal feed system design 摘要本文主要研究了经济型中档精度数控车床的纵向进给及导轨润滑机构的设计及其改造。本文对数控车床纵向进给系统的设计与改造方案进行了重点论述对该机构的主要组成部件:滚珠丝杠副、交流伺服电机、联轴器等进行了设计计算与选型。其中对滚珠丝杠副、交流伺服电机的设计计算及选型作了详细论述。进行这一设计主要是为了进一步地提高数控车床纵向进给机构的定位精度，重复定位精度以及

2、改造手动进给装置，以使其能够可靠地运行，且能满足各项性能指标的要求,达到预期的结果,即满足设计任务书的要求。最后, 本文还对各个零部件进行了设计,并绘制了全部零件图以及该数控车床纵向进给机构的装配图。此结构简单可靠,可应用于相似的各类数控车床上。关键词: 数控车床；进给系统；润滑机构AbstractThis article mainly told the research, the designing and transformation on the longitudinal motion system and track lubrication mechanism of economic

3、medium precision NC machine. The article made a brilliant exposition on the designing and transformation scheme of the longitudinal motion system and track lubrication mechanism of NC machine. The article also exposed brilliantly the mechanisms mail parts: the ball-race bearing, the servo-electric m

4、achine, the coupling and so on. Doing the design is for the sake of improving the site precision, duplicate site precision and transformating the Longitudinal motion system .So it can work credibility, meet the request of every property norm, come to the expected consequence, and fulfill the require

5、 of design assignment list. Besides, the author has designed and drawed all of mechanism parts, and also drawed the assemble chart. This mechanism is simple and reliable, it can apply to every similar NC machine. Key words: NC machine;Longitudinal motion system;Track lubrication mecham目录1 绪论11.1 数控设

6、备与技术现状11.1.1 数控设备11.1.2 数控技术11.1.3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考21.2 数控机床发展概况21.2.1 数控机床的一般原理31.2.2 机床数控系统的分类61.2.3 国内数控机床的特点71.2.4 国外数控机床状况分析81.2.5 数控机床的发展预测92 总体方案设计102.1总体设计方案论证102.2总体设计方案确定123 机床进给系统机械部分设计计算133.1 EL6140n基本参数133.2 滚珠丝杠设计计算133.2.1 纵向滚珠丝杠副的设计计算133.2.2 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验223.2.3交流伺服电机的计算与选用273.2.4

7、机械传动系统的动态分析303.2.5机械传动系统的误差计算与分析313.2.6确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号314 纵向进给系统电气控制设计334.1 机床进给系统的设计334.1.1 机床进给伺系统的概述334.1.2 机床进给伺服系统的选择与控制原理345 使用说明书365.1 机床的使用和说明365.2 机床的保养和维护365.3 机床重要零部件的维护和保养365.4 其他36总结38致 谢39参 考 文 献4031 绪论1.1 数控设备与技术现状1.1.1 数控设备近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数

8、控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并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，机床消费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，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，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，比上年增长27.3%。近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，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机

9、床等，出口的数控机床品种以中低档为主。1.1.2 数控技术装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，有什么劳动资料生产” 。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用的数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装

10、备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：（1）机械制造技术；（2）信息处理、加工、传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感器技术；（6）软件技术等。1.1.3 对我国数控技术和产业化发展的

11、战略思考一 、战略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源。环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物

12、质，多我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。二 、发展战略从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控技术、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的

13、附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、买得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。1.2 数控机床发展概况1949年，美国帕森公司与美国空军合作，研制了一种计算装置，用于满足日益复杂的飞机叶片的自动加工，于是，帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。在半个

14、世纪里，数控技术经历了电子管数控系统、晶体管数控系统、集成电路数控系统到微型计算机数控系统（CNC）四个阶段。现代数控技术是20世纪70年代发展起来的机床控制新技术，它综合了微电子技术、计算机技术、现代控制技术、传感器检测技术、信息处理技术和机械制造技术，是先进制造技术的核心。而采用数控技术的典型产品数控机床是机电工业的重要基础装备，是汽车、石化、电子等支柱产业现代化的重要手段。从20世纪80年代开始，我国的数控机床在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量的开发工作，到1995年底，我国数控机床的可供品种已超过300种，其中数控车床占40%以上。1.2.1 数控机床的一般原理一 、数字控制的基

15、本概念数字控制（Numerical ControlNC），简称为数控，是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。数字控制是相对于模拟控制而言的，数字控制系统中的控制信息是数字量，而模拟控制系统中的控制量是模拟量。数字控制与模拟控制相比有许多优点，如可用不同的字长表示不同精度的信息，可对数字化信息进行逻辑运算、数学运算等复杂的信息处理工作，特别是可用软件来改变信息处理的方式或过程，而不用改动电路或机械机构，从而使机械设备具有很大的“柔性”。因此数字控制已被广泛用于机械运动的轨迹控制和机械系统的开关量控制，如机床的控制、机器人的控制等。数字控制的对象是多种多样的，但数控机床是

16、最早应用数控技术的控制对象，也是最典型的数控化设备。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟（International Federation of Information ProcessingIFIP）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其它符号编码指令规定的程序。定义中所提的程序控制系统，就是数控系统（Numerical Control System）。数控系统是一种控制系统，它自动输入载体上事先给定数字量，并将其译码，在进行必要的信息处理和运算后，控制机床动作和加工零件。最初的数

17、控系统是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控系统。随着微型计算机的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控系统（Computer Numerical Control）简称CNC。CNC系统是由计算机承担数控中的命令发生器和控制器的数控系统。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而具有真正的“柔性”，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。二、 数控机床的组成数控机床是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分组成，如图1-1所示 图1-1 数控机床的组成1. 信息载体信息载体又称控制介质，用于记录数控机床加工一

18、个零件所必需的各种信息，如零件加工位置数据、工艺参数等，以控制机床的运动，实现零件的机械加工。常用的信息载体有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等，并通过相应的输入装置将信息输入到数控系统中。数控机床也可采用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接输入，或通过窜行口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。高级的数控系统可能还包括一套自动编程机或者CAD/CAM系统。由这些设备实现编制程序、输入程序、输入数据以及显示、模拟显示、存储和打印等功能。2. 计算机数控系统计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制机床的动作。它由硬件和软件组成。硬件除计算机外，其外围设备

19、主要包括光电阅读机、CRT、键盘、棉板、机床接口等。光电阅读机是输入系统程序和零件加工程序；CRT供显示和监控用；键盘用于输入操作命令及编辑、修改程序段，也可输入零件加工程序；操作面板可供操作人员改变操作方式、输入整定数据、启停加工等；机床接口是计算机和机床之间联系的桥梁，机床接口包括伺服驱动接口及机床输入/输出接口。伺服驱动接口主要是进行数/模转化，以及对反馈元件的输出进行数字化处理并记录，以供计算机采样；机床输入/输出接口是用于处理辅助功能。软件由管理软件和控制软件组成。管理软件主要包括输入输出、显示、诊断等程序；控制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制等部分组成。数控装置

20、控制机床的动作可概括为：（1）机床主运动，包括主轴的启动、停止、转向和速度选择等 ；（2）机床的进给运动，如点位、直线、圆弧、循环进给的选择，坐标方向进给速度的选择等；（3）刀具的选择和刀具的补偿（长度、半径）；（4）其它辅助运动，如各种辅助操作，工作台的锁紧和松开，工作台的旋转与分度和冷却泵的开、停等。3. 伺服系统 它是数控系统的执行部分，包括驱动机构和机床移动部件，它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动受控设备运动。伺服电动机可以是步进电机、电液马达、直流伺服电机或交流伺服电机。4. 机床它是用于完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上发展来的，但也做了很多改进和提高，它的主要特

21、点是：（1）由于大多数数控机床采用了高性能的主轴和伺服传动系统，因此数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短；（2）为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机床结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形较小；（3）更多的采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等；（4）不少数控技术还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床各种效率。三、 计算机控制系统的工作原理1.输入 输入给数控系统的有零件加工程序、控制参数和补偿数据等。 2.译码 输入的程序段含有零件的轮廓信息（起点、终点、直线还是圆弧等）、要求的加工速度以及其它的辅助信息（换刀、换档、冷却液开关等）。计算机依靠译码程序来识别这些符

22、号，将加工程序翻译成计算机内部能识别的语言。3.数据处理 数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算是解决该加工数据段以什么样的速度运动的问题。加工速度的确定也是一个工艺问题。数控系统仅仅是保证这个编程速度的可靠实现。另外，辅助功能如换刀、换档等亦在这个程序中实现。4.插补 即根据给定的曲线类型（如直线、圆弧或高次曲线）、起点、终点以及速度，在起点和终点之间进行数据点的密化。计算机数控系统的插补功能主要由软件来实现，目前主要有两类插补方法：一是脉冲增量插补，它的特点是每次插补运算结束产生一个进给脉冲；二是数字增量插补，它的特点是插补运算在每个插补周期进行一次，根据指令进行速度计算出一个微小的直

23、线数据段。5.伺服控制 将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令，经变换和放大后转化为伺服电机（步进电机或交、直流伺服电机）的转动，从而带动机床工作台移动。6.管理程序 当一个数据段开始插补时，功能程序即着手准备下一个数据段的读入、译码、数据处理。即由它调用各个功能子程序，且保证一个数据段加工过程中将下一个程序段准备就绪。一旦本数据段加工完成，即开始下一个数据段的插补加工。整个零件加工就是在这种周而复始的工程中完成。1.2.2 机床数控系统的分类机床数控系统的种类很多，为了便于了解和研究，可以从不同的角度对其分类。可以按伺服系统的控制方式，机床的运动轨迹，数控系统功能水平分类。一般地，按伺服系

24、统的控制方式进行分类。伺服系统包括驱动机构和机床移动部件，它是数控系统的执行部分，按其控制原理可分为以下三类。1.开环控制系统（Open Loop Control System）典型的开环伺服系统如图1-2所示，是采用步进电机的伺服系统。对于数控装置发来的每一个进给脉冲经驱动线路放大并驱动步进电机转动一个步距（即一个固定的角度，如1.5），再经减速齿轮带动丝杠旋转，并通过丝杠螺母副传东工作台的移动。可以看出工作台的移动量与进给脉冲的数量成正比。显然这种开环系统的精度完全依赖于步进电机的步距精度及齿轮、丝杠的传动精度。它没有测量反馈矫正措施，所以对高精度的数控机床往往不能满足要求，但开环系统的结

25、构简单、调试容易、造价低，在数控机床的发展过程中占有一定的重要地位，现在仍普遍采用。图1-2 开环伺服系统方框图 2. 半闭环控制系统（Semi-closed Loop Control System）如图1-3所示，采用装在丝杠上的角位测量丝杠或电机轴的转动量间接地测量工作台的移动量。它的优点就是不论工作台位移的长短，角位移测量元件制成可循环使用。图1-3 半闭环伺服系统方框图半闭环的意思就是用丝杠（或电机轴）的转动量与数控装置的命令相比较（闭环），而另一部分丝杠螺母工作台的位移量不受闭环控制（开环），故称为半闭环。显然，从理论上讲，半闭环的精度低于闭环，但半闭环调试方便，稳定性好，角位移的测

26、量元件简单、价廉，所以配备传动精度较高的齿轮、丝杠的半闭环系统得到广泛应用。3.闭环控制系统（Closed Control System）如图1-4所示，采用直线位移测量元件，测量机床移动部件工作台（主轴箱）的位置并将测量结果送回与数控装置命令的移动量相比较，二者不相等而有差值时，将此差值放大外控制伺服电机带工作太继续移动；直至测量值与命令值相等差值为零或接近于零时停止移动。从理论上讲，闭环伺服系统的精度取决于测量工作台的精度，但实际上机床的结构、传动装置以及传动间隙等非线形因素都会影响精度，严重的还会使闭环伺服系统的品质下降甚至引起振荡。图1-4 闭环伺服系统方框图1.2.3 国内数控机床的

27、特点1. 新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位例如：全长33公里的上海磁悬浮快速列车线，是“十五”期间国家重点建设项目，其中组成列车线的2550根轨道梁是整个工程的最关键部分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。前年年初，沈阳机床集团机床股份有限公司中捷友谊厂以工期6个月、标的6200万元在磁悬浮轨道专用数控机床项目公开招标中折挂，并于8月低将一次性验收合格的8台数控镗铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，目前这套铣镗加工中心已加工出轨道梁1100根，确保了轨道梁的加工精度和速度，为实现今年年底试车打下了良好了基础。2. 数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高2001年国内数

28、控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。3. 数控机床发展的关键配套产品有了突破今年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展，如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台；烟台第二机床附件厂开发了为数控龙门镗铣床、数控落地镗铣床及数控锻压设备等30多个系列100多个品种的数控配套产品。1.2.4 国外数控机床状况分析1.国际机床市场的消费主流是数控机床1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达70%，我国为60%。目前世界数控机床消费额趋势已

29、从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。2.国外数控机床的网络化随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另一角度来看，目前流行的ERP即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的ERP就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来

30、说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例；第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。以FANUC和SIEMENS为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统，在这些系统中，除了传统的RS232接口外，还备有以太网，为数控机床联网提供了基本条件。由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监控、远程诊断。1.2.5 数控机床的发展预测1. 数控机床推广应用逐步由经济型为主普及型为主转变据预测分析，到2006年我国机床的数控化率为9.5%10.36%，

31、到2010年将达到16.5%19.27%。经济型所占比重继续减少，普及型所占比重继续增长，高级型的需求缓慢增长。2. 数控金切机床的构成比逐渐趋于合理数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的构成比不同于传统的机床构成比。3. 数控机床的应用由单机向单元（系统）方向发展目前欧、美、日等国应用DNC已很普遍，柔性制造单元已占数控机床销售量的30%以上。而我国FMC、FMS和FML的拥有量不足50套，相当于日本80年代的水平，占数控机床消费额不到5%。 4. 出口前景良好1998年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在5亿美

32、元左右，2000年上升到7.85亿美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和巩固，以及我国加入WTO，今后几年我国机床出口将实现平稳、持续增长。预计到2006年出口创汇可达到12亿美元。 2总体方案设计根据毕业设计任务书及要求提出系统总体方案，对方案进行分析比较和论证，并查阅有关EL6140n数控改造的资料，在老师的指导下，最后确定总体方案。2.1总体设计方案论证由于该设计是数控机床进给系统，包括横向和纵向进给，属经济型数控改造，在考虑具体方案时，应遵守的基本原则是:在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。本次以EL6140n型机床为例进行设计。（1）数控系统按运动

33、方式分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续(轮廓)控制系统根据设计要求，EL6140n数控车床具有定位，纵向和横向的直线插补功能，还能要求暂停，进行循环加工复杂轮廓零件等，因此，数控系统选取连续控制系统。（2）EL6140n数控卧式车床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、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、降低成本，因此，进给伺服系统应采用步进电机开环控制系统。（3）数控系统硬件电路任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。数控系统中的关键部分是数控装置,硬件电路概括起来有以

34、下四部分组成：(a) 中央处理单元CPU。(b) 总线。包括数据总线( DB )，地址总线( AB )和控制总线( CB )(c) 存储器。包括只读可编程存储器和随机读写存储器。(d) I/O口，即输入/输出接口电路。其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需的各种数据。I/O接口是系统于外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU于存储器、接口以及其它转换电路联系的纽带，是CPU于部分电路进行信息交换和通信的必由之路。数据系统硬件框图如下：控制系统采用了MCS51系列的8031单片机，8031单片机运算速度快、各种指令运

35、行时间短、而且有完美的多级中断条件和内部时钟系统，且具有体积小、重量轻、成本低、抗干扰能力强等诸多优点，在我国机床数控改造方面应用普遍，软件较多，其配套芯片廉价，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控车床改造的需求。因此采用8031单片机作为数控系统的CPU是非常经济的选择。本次CJK6140的改造以MCS51系列单片机中的8031芯片作为中心控制系统。图21 数控系统硬件框图存储器ROM RAM控制对象外设CPUI/O 接口信号变换（4）根据系统的功能要求，微机控制系统中除了CPU外，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，

36、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。（a）光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将输出信号与功率放大器直接相连，将会引起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计算机和接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要接上隔离电路。（b）功率放大电路功率放大电路分为单电源和双电源型。单电源线路简单，但效率不高，所以选用双电源型。双电源型采用高低压供电电路。（c）步进电机的驱动用软件进行环行分配，微机通过子程序进行环行分配，然后将步进电机的各向绕组通电状态经74

37、LS373输出，再经过光电耦合器将此通电状态送给各绕组的驱动电路。将信号进行功率放大，并采取措施使通入电机绕组的电流上升沿陡、下降沿陡，从而改善电机的矩频特性。一般采用高低压驱动电路，步进电机选用反应式步进电机。步进电机驱动电源的组成其框图见下图所示： 伺服电动机功 率放 大 器脉 冲分 配 器变 频信 号 源指令 图2-2 伺服电机驱动电源组成及其框图（d）强电控制主轴的启动、停止、正转、反转控制，刀架控制，切削液开关，都是开关量控制。除刀架控制外，其它控制都只有输出，没有输入。开关信号由8255输出经隔离后驱动机床的继电器，接触器。 （e）辅助电路为了防止机床行程越界，所以在机床上装有行程

38、控制开关，为防止意外。装有急停按键。由于这些开关都安装在机床上，距离控制箱较近，容易产生电气干扰，为避免干扰，在电路与接口之间实行光电隔离，设报警电路，当绿色二极管亮为正常工作状态，红色二极管亮时表示溜板已到极限位置。综上所述,因为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，它的传动比应满足机床所要求的。具体改造为：纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座,配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾,不占据丝杠空间；横向进给机构的改造：由于原横向进给空间有限,拆除原横向丝杠换上滚珠丝杠,由步进电机带动,并保留横向原

39、手动机构,步进电机和减速箱安装在机床后侧。2.2总体设计方案确定总体设计方案论证后，确定EL6140n型经济数控改造的总体方案。EL6140n车床的主轴转速部分保留原机床功能，即手动变速。车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电机驱动.由MCS51系列的8031单片机对数据进行处理，在由I/O接口电路输出步进电机脉冲，经一级齿轮减速后，驱动滚珠丝杠转动，从而实现横向、纵向的进给运动。开环系统原理如下： 工作人员按加工图纸1，编写数控加工程序单2，然后将规定的程序命令用手工直接3或用计算器4经磁带5记录，输入车床控制计算器6。自6发出脉冲信号，经放大器7。驱动X向及Z向的两个步进电机8

40、、9，在经变速箱10及11，驱动滚珠丝杠，使托板按程序命令动作。3 机床进给系统机械部分设计计算3.1EL6140n基本参数参照普通车床参数国家标准GB1582-79及金属切削机床设计简明手册，参考大连机床厂生产的EL6140n车床及武汉第三机床厂的EL6140n为准，选择设计基本技术参数： 最大工件回转直径 400mm（床身上） 最大车削直径 400mm(刀架上) 最大工件长度 1000mm 主 轴 转 速 401600r/min 主轴通孔直径 52mm 主轴锥孔 6（莫氏） 快移速度 5m分(Z向)2.5 m分（x向） 丝 杠 螺 距 10mm(Z向) 5mm（x向） 主 功 率 7.5K

41、w 主电机转速 400rmin 外形尺寸 2680*1150*1400 工作台重量+工件重量 650kg 工况参考：运转方式轴向载荷Fa=F+Fw （N）进给速度(mm/min)工作时间比例无切削F1=650V1=4000q1=15轻切削F2=1300V2=1000q2=25普通切削F3=2000V3=600q3=50重切削F4=3600V4=120q4=10Fa -轴向载荷（N） F -切削阻力（N） Fw -摩擦阻力（N）I=6 (电机至丝杠的传动比) Fw=W g = 0.120419.8 2000 N(摩擦阻力) 3.2 滚珠丝杠设计计算3.2.1 纵向滚珠丝杠副的设计计算（1）滚珠丝

42、杠副的载荷计算(a) 工作载荷F工作载荷F是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向作用力，其数值可用下列进给作用力的实验公式计算： 对于燕尾形导轨机床 (3-1)对于矩形导轨机床 (3-2)对于三角形或组合导轨机床 (3-3)对于钻镗主轴圆导轨机床 (3-4)对于滚动导轨机床 (3-5)式(3-1)(3-5)中：Fx、Fy、Fzx、y、z方向上的切削分力，N； Fr密封阻力，N；W移动部件的重量，N； M主轴上的扭矩，Nm；dz主轴直径，mm；f导轨摩擦系数； f轴套和轴架以及主轴的键的摩擦系数；k考虑颠覆力矩影响的实验系数。正常情况下，k、f与f可取表1数值。本次设计采用三角形或组合导

43、轨机床 由公式(3-3) 计算工作载荷。表3-1导轨型式 kff燕尾形1.40.2矩形1.10.15三角形、组合形1.150.150.18钻镗主轴圆导轨0.15滚动导轨0.0030.004(b) 最小载荷Fmin最小载荷Fmin为数控机床空载时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。此时，Fx=Fy=Fz=0。根据丝杠运转方式可取Fmin650N(c) 最大工作载荷Fmax 最大载荷Fmax为机床承受最大切削力时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。根据丝杠运转方式可取Fmax3600N(d) 平均工作载荷Fm与平均转速Nm当机床工作载荷随时间变化且此间转速不同时， (3-6)式中：t1,t2,，tn分别为滚珠丝杠在转

44、速n1,n2,，nn下，所受轴向载荷分别是F1,F2,，Fn时的工作时间(min) (3-7) 则根据参考数据，代入数值，计算平均工作载荷Fm与平均转速Nm如下 当工作载荷与转速接近正比变化且各种转速使用机会均等时可用下式求得Fm和nm。Fm=(2Fmax+Fmin)3 (3-8)Nm=(Nmax+Nmin)2 (3-9)（e）计算主切削力求工作载荷F由金属切削原理等有关资料可知， 切削功率 NC =NK （3-10） N电机功率，查有关资料得7.5KW NC切削功率 主传动系统总效率，一般取0.60.7，这里取0.65K进给系统功率系数，这里取0.96NC =7.50.650.96=4.68

45、KW 由机械制造技术基础切削功率公式 （3-11） Vc切削速度,取3.14m/s 则主切削力 由切削力经验公式（3-12）查阅机床设计手册中可得知，则可计算得表3-2 切削参数 Ap(mm)22F(mm)0.10.2Fz(N)13901505由表可知：当F=1490N，时，切削深度Ap=2，走刀量F=0.2mm,从金属切削原理中可得知在一般外圆车削时， Fx=(0.10.6)Fc Fy=(0.150.7)Fc取 Fx=0.5Fc=0.51490=745NFy=0.6Fc=0.61490=894N其中(Fc为主切削力，Fx为走刀抗力，Fy为吃刀抗力)则工作载荷由上公式（3-3） ，取K=1.1

46、5，f=0.18，W=800N,得F=1.151404+0.18（2808+800）=1614.6+649.44=2160.85N横向进给量为纵向的1/21/3，取1/2，则切削力约为纵向的1/2。Fc=0.51490=745N在切断工件时， Fy=0.5 Fc =0.5745=372.5N Fx=0.4Fc=0.4745=290N (2) 滚珠丝杠副主要技术参数的确定(a) 导程Ph根据机床传动要求，负载大小和传动效率等因素综合考虑确定。一般选择时，先按机床传动要求确定，其公式为： Phvmax/nmax (3-13)式中：vmax机床工作台最快进给速度，mm/min； nmax驱动电机最高

47、转速，r/min。在满足控制系统分辨率要求的前提下，P h应取较大的数值。在此为了安全性考虑：Ph =10mm 表3-3 进给速度及进给转速运转方式进给速度(mm/min)进给转速(r/min)无切削V1=4000n1=400轻切削V2=1000n2=100普通切削V3=600n2=60重切削V4=120n2=12(b) 螺母选择由于数控机床对滚珠丝杠副的刚度有较高要求，故选择螺母时要注重其刚度的保证。推荐按高刚度要求选择预载的螺母型式，其中插管式外循环的端法兰双螺母应用最为广泛，它适用重载荷传动、高速驱动及精密定位系统，并在大导程、小导程和多头螺纹中具有独特优点，且较为经济。（1）滚珠的工作

48、圈数i和列数j。根据所要求性能、工作寿命、推荐按表3-2选取。表3-4 滚珠圈数i和列数要求特性插管式(ij)滚珠循环流畅1.51 2.51 3.51刚性2.52 2.53（2）法兰形状。按安装空间由标准形状选择，亦可根据需要制成特殊法兰形状。本次设计采用插管式外循环的端法兰双螺母，取滚珠圈列为3.51，刚性2.52.即FFT系列。(c) 导程精度选择根据机床定位精度，确定滚珠丝杠副导程的精度等级。一般情况下，推荐按下式 （3-14）式中：E累计代表导程偏差，m;TD机床有效行程的定位精度，m。典型机床进给滚珠丝杠的精度等级选择见表3-5。 表3-5 滚珠丝杠的精度等级NC机床应用车床铣床镗床

49、加工中心坐标镗床钻床磨床电火花机床(EDM)线切割(EDM)冲床激光切割机床木材加工机床轴XZXYZXYZXYZXYZXZXY(Z)XYUVXYXYZ精度等级C0C1C2C3C5C7C10 根据表3-5选择，对于车床一般选择三级或五级，精度偏高，导程应取小点，考虑公称直径不变，导程小，则螺旋升角小，传动效率相对变小，所以在导程数值满足机床加工精度的条件下，应尽可能取大。初步选择三级精度。（d）滚珠丝杠的支承与连接（1）滚珠丝杠副的支承 为了获得高精度、高刚度的进给系统，不仅应选用高精度、高刚度的滚珠丝杠副，而且必须十分重视滚珠丝杠支承的设计。滚珠丝杠主要承受轴向载荷，除自重外，一般无径向外载荷

50、。因此，滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高，为此应选用运转精度高、轴向刚度高、摩擦力矩小的滚动轴承。滚珠丝杠副的支承，主要是约束丝杠的轴向窜动，其次才是径向约束。较短的丝杠或者垂直安装的丝杠，可采用单支承形式；水平安装丝杠较长时，可以一端固定一段游动；对于精密或高精度机床的滚珠丝杠副，为了提高拉压刚度，可以两端固定；为了补偿热膨胀和减少丝杠因自重下垂，两端固定丝杠还可以进行预拉伸。常用支承形式如下表3-9。连接形式 滚珠丝杠副与电机的连接形式可分为三种形式：与电机直接连接、通过齿轮连接和通过同步齿形带连接。第一种形式虽然减少了零件的数目与中间环节的影响，精度度高、效率高，但此种连接对安装、加工的要求较高，最好选用挠性联轴器。这种结构减速比i=1，电机的额定转矩较大，等效转动惯量较大，对系统的稳定性与快速性影响不利；电机通过减速装置联结丝杠，采用此轮副减速，要采取减速齿轮间的措施，否则就会产生噪声，影响传动精度；采用同步齿形带减速，可以自由调节传动比，没有传动间隙，工作中没有冲击，这种结构减速比大于一，减速后的传动件，其转动惯量对电机的影响随减速比的平方减少，而使等效转动关闭两降低。另外电机的额定转矩减小，尺寸缩小。本次设计采用两端固定的支承方式，采二级齿轮减速传动的连接形式。(e) 累积基准导