C616型普通車床改造為經濟型數控車床設計

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C6163型車床的經濟型數控改造設計 1 概 論 1.1 數控系統發(fā)展簡史 　　1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數控機床。從此，傳統機床產生了質的變化。近半個世紀以來，數控系統經歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 1.2國內數控機床狀況分析 1.2.1國內數控機床現狀 近年來我國企業(yè)的數控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。?2001年，我國機床工業(yè)產值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產數控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達24.06億美元，比上年增長27.3%。?近年來我國出口額增幅較大的數控機床有數控車床、數控磨床、數控特種加工機床、數控剪板機、數控成形折彎機、數控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數控機床品種以中低檔為主。? 1.2.2 國內數控機床的特點?： (1) 新產品開發(fā)有了很大突破，技術含量高的產品占據主導地位。? (2) 數控機床產量大幅度增長，數控化率顯著提高。? 2001年國內數控金切機床產量已達1.8萬臺，比上年增長28.5%。金切機床行業(yè)產值數控化率 從2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。? (3) 數控機床發(fā)展的關鍵配套產品有了突破。?? 1.3 數控系統的發(fā)展趨勢 1.3.1繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數控系統生產廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯網通信等問題，由原有的系統承擔數控的任務。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數控系統。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。 1.3.2向高速化和高精度化發(fā)展 這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。 1.3.3向智能化方向發(fā)展 隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數控系統的智能化程度將不斷提高。 (1)應用自適應控制技術 　　數控系統能檢測過程中一些重要信息，并自動調整系統的有關參數，達到改進系統運行狀態(tài)的目的。 (2) 引入專家系統指導加工 　　將熟練工人和專家的經驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統中，以工藝參數數據庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統。 (3) 引入故障診斷專家系統 (4) 智能化數字伺服驅動裝置 可以通過自動識別負載，而自動調整參數，使驅動系統獲得最佳的運行。 1.4機床數控化改造的必要性 1.4.1微觀看改造的必要性 從微觀上看，數控機床比傳統機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數控系統所包含的計算機的威力。 (1) 可以加工出傳統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。 (2) 可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統機床提高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，從而實現自動化。數控機床只要更換一個程序，就可實現另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現了"柔性自動化"。 (3) 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"。 (4) 可實現多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 (5) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能，因而可實現長時間無人看管加工。 (6) 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，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。 1.4.2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)模應用數控機床。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產業(yè)方面比發(fā)達國家約落20年。如我國機床擁有量中，數控機床的比重（數控化率）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品進口。這也就從宏觀上說明了機床數控化改造的必要性。 數控化改造的市場空間 機床的數控化改造是一個方興未艾的行業(yè)，從各種統計數字上看前途應該是十分光明的，例如："在美國，日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造能作為新的經濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及數控技術的不斷進步，機床改造是一個"永恒"的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數控技術為主的新的行業(yè)所以不難看出：` (1) 國內的市場 我國目前機床總量380余萬臺，而其中數控機床總數只有11.34萬臺，即我國機床數控化率不到3％。近10年來，我國數控機床年產量約為0.6～0.8萬臺，年產值約為18億元。機床的年產量數控化率為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％，FMC/FMS等自動化生產線更屈指可數（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶抵圃煨袠I(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大數是傳統的機床，而且半數以上是役齡在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控化率。 (2) 進口設備和生產線的數控化改造市場 　　我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產線進行技術改造。據不完全統計，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；有的生產線的產品銷路很好，但是因為設備故障不能達產達標；有的因為能耗高、產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、生產線是個包袱，也是一批很大的存量資產，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，爭取到最大的經濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。 機床改造的效益分析 提高機床數控化效率有兩個途徑：一是購買新的數控機床；二是對舊的機床進行改造而對于一個機床擁有量大，經濟財力又不足的發(fā)展中國家來說，采用舊機床改造來提高設備的先進性和數控化率是一個極其有效和使用的途徑，采用第二種方法有以下的優(yōu)點： a) 減少了投資和交貨的期限 同購置新的數控機床相比，一般可以節(jié)省60%到80%的費用，改造的費用大大減低。 b) 機械的穩(wěn)定性可靠 機床的床身，立柱等基礎件都是重而堅固的鑄鐵構件，而鑄件越久自然失效充分，內應力的消除使得比新的鑄件更穩(wěn)定，這些鑄件的使用又可以節(jié)約社會資源，又減少了鑄鐵件生產時對環(huán)境的污染。 c) 熟悉了解設備結構性能，便于操作維修，購買的新設備，事先很難前面了解機床的結構性能，以至很難預算是否完全適合加工要求，而改造則完全可以避免這種情況，并且大大縮短了對數控機床在使用和維修方面的培訓時間，機床一旦改裝完成，很快就可以投入使用，見效較快。 d) 可以充分利用現有的條件 可以充分利用現有的地基，不必像購新機時重新構筑新基，同時工夾具、樣板和外設備也可以在利用。 e) 可更好的因地制宜合理篩選功能 購買現成的通用型機床，往往對一個具體的生產加工有一些多余的功能，又可能缺少某一個專用的特殊功能，如向機床制造廠提出特殊定貨要求，增加某些特殊的加工要求，往往費用大，交貨的日期又長。而采用改造方案就可以根據生產加工要求，采用組合的方法再某些部件設計改造成專用的數控機床。 f)可及時采用最新技術，充分利用社會資源 由于技術進步和我國機床功能部件專業(yè)化生產的發(fā)展，目前已有眾多的疏忽資源支持機床方面的改造 ，如隨意采購各種尺寸的滾珠絲杠副，且交貨期短；采用貼塑導軌新技術，可使傳統的滑動導軌的摩擦系數降低五至十幾倍來防止爬行，還可以使得刮研極容易，等等例子說明有一大批社會資源，可根據技術更新的發(fā)展速度，及時地采用最新技術來提高生產設備的自動化水平和效率，提高設備質量和檔次，將舊機場改造成當今水平的機床。 2 普通車床數控改造的可行性論證 對于普通車床的經濟型數控改造，在考慮總體設計方案時，應遵循的原則是：在滿足設計要求的前提下，對機床的改動應盡可能的少，以降低成本。 2.1 車床的數控改造 2.1.1數控機床工作原理及組成 (1) 數控機床工作原理： 數控機床加工零件時，首先應編制零件的加工程序，這是數控機床的工作指令。將加工程序輸入到數控裝置，再由數控裝置控制機床主運動的變化、起停，進給運動的方向、速度和位移量以及其它如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的開、關等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數進行工作，從而加工出符合要求的零件。 (2) 數控機床的組成： 數控機床主要由控制介質、數控裝置、伺服系統和機床本體等四部分組成，其組成框圖如圖2-1 圖2-1數控機床的組成圖 2.1.2設計內容及任務 普通車床（C6163）的數控改造設計內容包括：總體方案的確定和驗證、機械改造部分的設計計算（包括縱向、橫向進給系統的設計與計算）、主運動自動變速原理及改造后的機床傳動系統圖的設計、機床調速電動機控制電路的設計。 本設計任務是對C6163臥式車床進行數控化改造，實現微機對車床的數控化控制。利用微機對車床的縱向、橫向進給系統進行數字控制，并要達到縱向最小運動單位為0.01/脈沖，橫向最小運動單位0.005/脈沖，主運動要實現自動變速，刀架要改造成自動控制的自動轉位刀架，要能自動的切削螺紋。 2.1.3 數控部分的設計改造 (1) 數控系統運動方式的確定 數控系統按其運動軌跡可分為：點位控制系統、連續(xù)控制系統。點位控制系統只要求控制刀具從一點移到另外一點的位置，而對于運動軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統能對兩個或兩個以上坐標方向的位移進行嚴格的不間斷的控制。由于C6163車床要加工復雜輪廓零件，所以本微機數控系統采用連續(xù)控制系統。 (2)伺服進給系統的設計改造 數控機床的伺服進給系統按有無位置檢測和反饋可分為開環(huán)伺服系統、半閉環(huán)伺服系統、閉環(huán)伺服系統。 閉環(huán)控制方案的優(yōu)點是可以達到高的機床精度，能補償機械傳動系統中的各種誤差，消除間隙、干擾對加工精度的影響。但他結構復雜、技術難度大、調式和維修困難、造價高。 半閉環(huán)控制系統由于調速范圍寬，過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠優(yōu)于以步進電動機驅動的開環(huán)控制系統。但是，采用半閉環(huán)控制其調式比開環(huán)要復雜，設計上也要有其自身的特點，技術難度較大。 開環(huán)控制系統中沒有位置控制器及反饋線路，因此開環(huán)系統的精度較差，但其結構簡單，易于調整，所以常用于精度要求不高的場合。 經過上序比較，由于所改造的C6163車床的目標加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統。 (3) 數控系統的硬件電路設計 數控系統都是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是控制系統的基礎，性能的好壞直接影響整體數控系統的工作性能。 數控裝置的設計方案通常有： a) 可以全部自己設計制作 b) 可以采用單板機或STD模塊或工控機改制 c) 可以選用現成的數控裝置作少量的適應化改動 跟據本次設計的要求采用第一種設計方案。 2.1.4機械改造部分的設計 (1) 主傳動部分的改造設計 將原機床的主軸電動機換成變頻調速電動機，無級調速部分由變頻器控制。將原機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構。改造后使其主運動和進給運動分離，主軸電動機的作用只是帶動主軸旋轉。 (2) 進給機構的改造 將原機床的掛輪機構、進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除。縱向、橫向進給以步進電動機作為驅動元件經一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動。 2.2 可行性論證 根據《自動化制造系統》，可行性論證使用戶建造自動化制造系統項目前所進行的技術和經濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準立項的基本依據。同樣，在進行普通車床的經濟型數控改造之前進行合理的、科學的可行性論證是必要的。 根據傳統的論證方法，普通車床的經濟型數控改造的可行性論證應圍繞以下幾個方面進行，即企業(yè)生產經營現狀及存在的問題分析，企業(yè)生產經營目標，改造的基礎條件、目標、技術方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實施計劃，結論等。 由于本設計僅作為大學本科生的畢業(yè)設計，故在此，設計者僅對改造的投資概算作一簡要的可行性論證。 本改造設計是對普通車床C6136進行經濟型數控改造。在改造設計中，采用自己設置的數控裝置，加上兩臺伺服電機，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調速電動機，四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設備改造費用和舊設備費用總計不會超過8萬元。因此，對普通車床作經濟型數控改造適合我國國情，是國內企業(yè)提高車床的自動化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實用性。 3 設計方案 3.1 總體方案的確定 3.1.1系統的運動方式與伺服系統的選擇 由于改造后的經濟型數控車床應具有定位、直線插補、順圓和逆圓插補、暫停、循環(huán)加工公英螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統?？紤]到屬于經濟型數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。 3.1.2 計算機系統 根據機床要求，采用8位微機。由于MCS—51系列單片機具有集成度高，可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、性能價格比高等特點，決定采用MCS—51系列的8031單片機擴展系統。 控制系統由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現，顯示器采用數碼管顯示加工數據及機床狀態(tài)等信息。 3.1.3 機械傳動方式 為實現機床所要求的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動絲桿。為了保證一定的傳動精度跟平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，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。 3.1.4 運動方式的確定 數按系統運動方式可分為點位控制系統、點位/直線系統和連續(xù)控制系統。由于C6163車床要加工復雜輪廓零件，所以本次設計采用連續(xù)控制系統。 3.1.5 系統的選擇 伺服系統可分為開環(huán)控制系統、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制系統。經過比較，由于C6163車床加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統。 3.1.6 機構傳動方式的確定 為確保數控系統的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設計機械傳動裝置時，通常提出低摩、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。在設計中應考慮以下幾點： (1) 盡量采用低磨擦的傳動和導向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌、貼塑導軌等。 (2) 盡量消除傳動間隙。例如采用隙齒輪等。 (3) 提高系統剛度?？s短傳動鏈可以提高系統的傳動剛度，減小傳動鏈誤差?？刹捎妙A緊的方法提高系統剛度。例如采用預加負載導軌和滾珠絲杠副等。 3.1.7 微機的選擇 微機數控系統由CPU、存儲器擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅動電路、檢測電路等幾部分組成。 3.1.8 總體方案框圖 圖3-1 3.2 橫向進給伺服系統機械部分計算與校核實例 3.2.1 計算切削力 橫切端面 查《綜合作業(yè)指導書》P13頁 式中——車床床身上加工最大直徑橫切端面時主切削力可取縱切時的 式中 ——走刀方向的切削力（N） ——垂直走刀方向的切削力（N） 3.2.2 桿螺母副的設計、計算與選型 (1) 計算牽引力 橫向進給選為三角型或綜合導軌 參考《機床設計手冊.2》6.2-2；6.2-3表 查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁 式中：，，——切削分力（Ｎ） G——移動部件的重量（N） 表1-1查得橫向溜板及刀架重力500N ——滑動導軌摩擦系數，隨導軌形式而不同 取=0.15-0.18 K——考慮顛復力矩影響的實驗系數 取K=1.15 (2) 計算最大動負載C 選用滾珠絲桿導軌 參考《機床設計手冊.3》P185-P210 查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁 式中：L——壽命，以轉為一單位 n——絲桿轉速（r/min） ——為最大切削條件下進給速度，可取最高進給速度的1/2-1/3 取 ——絲桿導程（mm） 初選=6mm T——為使用壽命（h）,對于數控機床取15000h ——運轉系數，查表3-14一般取1.2-1.5 (3) 螺母副的選型 查閱《綜合作業(yè)指導書》附表Ａ-2，可采用WD3006外循環(huán)墊片調整緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動負載為9700N,精度等級按表3-17選為３級。 (4) 傳動效率計算 式中：——螺旋升角，WD3006 ——摩擦角取 滾動摩擦系數0.003-0.004 (5) 剛度驗算 橫向進給絲桿支承方式圖２所示，最大牽引力2087.98N,支承間距Ｌ＝350mm，因絲桿長度較短，不需預緊螺母及軸承預緊。 　 圖3-2 計算如下: a) 絲桿的拉伸或壓縮變形量(mm) b) 查閱《綜合作業(yè)指導書》圖3-4,根據＝2087.98N,D=30mm查出 可算出： 　　　 c) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量 查圖3-5得Ｗ系列１列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量　 　　　　　　 因進行了預緊 d) 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形 　　采用推力球軸承5204查閱《機床設計手冊.２》表5.9-137,d=20mm,滾動體直徑=5.556mm,數量Z=13 綜合以上幾項變形量之和： 〈定位精度> (6) 穩(wěn)定性校核 計算臨界負載(N) 式中:E——材料彈性模量() I——截面慣性矩() L——絲桿兩軸承端距離(cm) ——絲桿支承方式系數，從表3.15中查出，一端固定，一端簡支為2.00 一般=2.5-4.0,所以>> 此滾珠絲桿不會產生失穩(wěn)。 (7) 橫向滾珠絲桿副的幾何參數 (見表1) 表1 參數名稱 符號 關系式 WD3006 螺 紋 滾 道 公稱直徑 30 導程 6 接觸角 鋼球直徑 3.175 滾道法面半徑 R 1.651 偏心距 e 0.045 螺紋升角 螺 桿 外徑 d 29.365 內徑 26.788 接觸直徑 26.83 螺 母 螺紋直徑 D 33.212 內徑 30.635 3.2.3 齒輪傳動比計算 已確定橫向脈沖當量，滾珠直徑導程=6mm, 初選步進電動機步距角可計算傳動比: 考慮到結構上的原因不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板有行程，故此處可采用兩級齒輪降速。 因進給運動齒輪受力不大，模數````取2，有關參數參照表2 表2: 傳動齒輪幾何參數 齒數 Z 18 45 20 32 分度圓 d=mz 36 90 40 64 齒頂圓 40 94 44 68 齒根圓 31 85 35 59 齒寬 (6-10)m 20 中心距 63 52 3.2.4 橫向步進電機的計算，校核和選型 (1) 初選步進電機 a) 計算步進電機負載轉矩 查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁 式中: ——脈沖當量，取 ——進給牽引力(N) ——步距角，初選雙拍制為 ——電機—絲桿傳動效率為齒輪、軸承、絲桿效率之積分別為 b) 估算步進電機起動轉矩 根據負載轉矩除以一定的安全系數來估算步進電機起動轉矩(N.cm) 一般橫向進給伺服系統取0.4-0.5 c) 計算最大靜轉矩 查表3-22如取五相十拍，則 d) 計算步進電機運行頻率和最高啟動頻率 式中:——最大切削進給速度 ——最大快移速度 ——脈沖當量，取 根據估算出的最大靜轉矩在表3-23中查出150BFG2815最大靜轉矩為245N.cm >可以滿足經濟型數控機床有可能使用較大的切削用量，應該選用稍大轉矩的步進電機，以留有一定余量，另一方面與國內同類型機床進行類比的要求。決定采用150BFG2915，但從《綜合作業(yè)指導書》P24頁查出，步進電機最高空載啟動頻率為4000Hz,滿足空載時(3333.33Hz)的要求。 (2) 校核步進電機轉矩 前面所述初選步進電機的轉矩計算，均為估算，初選后，應該進行校核計算。 a) 等效轉動慣量計算 計算簡圖見圖2，根據表3-24，經二對齒輪降速時，傳動系統折算到電機軸上的總轉動慣量可由下式計算: 式中:——齒輪及其軸的轉動慣量 ——齒輪的轉動慣量 ——絲桿轉動慣量 ——絲桿導程(cm) G——工件及工作臺重量(N) G=500(N) b) 齒輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計算 表3-24所示圓柱體轉動慣量計算公式如下: 對于鋼材， 式中:M——圓柱體質量 D——圓柱體直徑 (cm) L——圓柱體長度或原長(cm) 鋼材的密度為 因此 基本滿足慣量匹配的要求。 c) 電機轉矩計算 機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按各階段計算: 快速空載起動轉矩 在快速空載起動階段，加速轉矩占的比例較大，具體計算如下： 式中: ——快速空載起動轉矩 ——空載起動時折算到電機軸上的摩擦轉矩 ——折算到電機軸上的摩擦轉矩 ——由于絲桿預緊時折算到電機軸上的附加摩擦轉矩 在采用絲桿螺母副傳動時，上述各種轉矩可用下式計算： 式中:——傳動系統折算到電機軸上的總等效轉動慣量 ——電機最大角速度 ——電機最大轉速 ——運動部件最快速度 ——脈沖當量 ——步進電機的步距角 ——運動部件從停止到起動加速到最大快進速度所需時間(s) 起動加速時間=30(ms) 折算到電機軸上的摩擦轉矩 式中: ——導軌的摩擦力(N) ——垂直方向的切削力(N) G——運動部件的總重量(N) ——導軌摩擦系數，取=0.15 ——齒輪降速比 ——傳動鏈總效率，一般可取0.7-0.8 附加摩擦轉矩: 式中: ——滾珠絲桿預加負荷，一般取，為進給牽引力(N) ——滾珠絲桿導程(cm) ——滾珠絲桿未預緊時的傳動效率，一般取 上述三項合計: 快速移動時所需轉矩 最大切削負載時所需要的轉矩 式中: ——折算到電機軸上的切削負載轉矩 從上面計算看出、、三種工況下，以快速空載所需轉矩最大，即以此項作為校核步進電機轉矩的依據。 從表3-22查出，當步進電機為五相十拍時為 則最大靜轉矩為: 從表3-23查出150BFG2815最大轉矩為為245，大于所需最大靜轉矩，可以滿足此項要求。 d) 校核步進電動機起動矩頻特性和運行矩頻特性 前面已經計算出機床最大快移時，需步進電機的最高起動頻率為3333.33Hz,切削進給時所需步進電機運行頻率為1666.7Hz 從表3-23中查出150BFG2815型步進電機允許的最高空載起動頻率為4000Hz，運行頻率為16000Hz，再從圖3-15，3-16查出150BFG2815步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性如圖3所示: 當快速運動和切削進給時，150BFG2815型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性可以滿足要求。 3.3縱向進給伺服系機械部分計算與校核 3.3.1 計算切削力 主切削力F（N）按經驗公式估算： —走刀方向的切削分力（N） —車床身上加工最大直徑（mm）=630mm =10594.63（N） ：：=1：0.25：0.4 —走刀方向的切削力 —垂直走刀方向的切削力 =0.25=2648.66(N) =0.4=4237.85(N) 3.3.2 絲桿螺母副的計算和造型 (1) 計算進給牽引力 縱向進給選為綜合導軌。參考表6.2—2，6.2—3兩表〈〈機床設計手冊.3〉〉 查書《綜合作業(yè)指導書》P22 在正常情況下： —考慮顛復力矩影響的實驗系數，綜合導軌取K=1.15 —滑動導軌磨擦系數0.15～0.18 —溜板及刀架重力查《綜合作業(yè)指導書》表1—1，取=800N =1.152648.66+0.16(4237.85+500)=2175.94(N) (2) 計算最大動負載C C= 參考《機床設計手冊.3》P185～P210 選用滾珠絲桿導軌 式中：—滾珠絲桿導程。 初選 —為最大切削力條件下的進給速度，可取最高進給速度的1/2～1/3 取=1m/min —使用壽命（h），對于數控機車取 =15000h —運轉系數，按一般運轉取1.2～1.5（查表3—14《綜合作業(yè)指導》取為1.2 —壽命以 轉為1單位 —絲桿轉速r/min 125 113 C==19512.57 (3) 滾珠絲桿螺母副的選型 可采用WD6008外循環(huán)螺紋調整預緊的雙螺母珠絲桿副，1列2.5圈，其額定功動負載為18200（N），精度等級按表《綜合作業(yè)指導書》表3-17選為3級。 (4) 傳功效率計算： = 式中：r—螺旋升角，WD6008 r= —磨擦角取10’ 滾動磨擦系數0.003～0.004 (5) 剛度驗算 先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖如A圖所示，最大牽引力2175.94(N)。支承L=1500mm，絲桿螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷1/3。 ① 絲杠的拉伸或壓縮變形量 圖3-5 查《綜合作業(yè)指導書》圖3-4，根據 =2175.94(N), 查出10-5 可算出 ==(0.65×10-5×1500)mm=0.975×10-2 mm 由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲桿進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量(mm)為 =1/4=0.975×10-2/2=0.244×10-2mm ② 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 查《綜合作業(yè)指導書》圖3-5，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 =6.0μm 因進行預緊 =1/2=1/2×6.0=3.0μm ③ 支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形 采用D8208型推力球軸承，=35mm,滾動體直徑=6.35mm,滾動體數量Z=18, 注意此公式中單位應為N 因施加預緊力，故 =1/2×=1/2×0.009065=0.004528mm 根據以上計算 =＋＋=0.00244＋0.0030＋0.004528=0.009968<定位精度 因為查表達1-1《綜合作業(yè)指導書》定位精度為±0.01 (6) 穩(wěn)定性校核 滾珠絲桿兩端采用推力球軸承，不會產生失穩(wěn)現象不需作穩(wěn)定性校核。 (7) 縱向滾珠絲桿副幾何參數 表3：WD6008滾珠絲桿副幾何參數 參數名稱 符號 關系式 WD6008 螺 紋 滾 道 公稱直徑 60 導 程 8 接觸角 2.183 鋼球直徑 3.969 滾道法面半徑 2.064 偏心距 0.0030 螺紋升角 = 螺 桿 外 徑 =-(0.2～0.25) 59.2 內 徑 =＋2－2 55.878 接觸直徑 =－Cos 56.034 螺 母 螺紋直徑 =－2＋2 64.122 內 徑 =＋(0.2～0.25) 60.7938 3.3.3 齒輪傳動比計算 已知縱向進給脈沖當量=0.01mm/step,滾珠絲桿導程=8mm，初選步進電動機步距角，可計算出傳動比： = －脈沖當量（mm/step） －滾珠絲桿的基本導程（mm） －步進電機的步距角 ===3/8 因為可進定齒輪齒數為 =/=24/64 =24 ，=64 根據《機械設計》，又因進給給運動齒輪受力不大，模數m取2， 則有關參數如下表所示(見表4)： 表4：傳動齒輪幾何參數 齒 數 24 64 分度圓 = 48 128 齒頂圓 =＋2 52 132 齒根圓 =－21.25 46.5 126.5 齒 寬 (6～10) 20 20 中心距 =(＋)/2 88 3.3.4 進電機的計算和選型 (1)初選步進電機 ① 計算步進電機負載轉矩 = －脈沖當量（mm/step）取 =0.01mm/step －進給牽引力（N）取 =2175.94N －步距角，初選雙拍制為 －電機－絲桿的傳動效率，為齒輪、軸承、絲桿效率之積，分別為0.98、0.99、0.99和0.94。 =N.cm ② 算步進電機啟動轉矩 根據負載轉矩除以一定的安全系數來估算步進電機啟動轉矩 =/0.3～0.5 一般縱向進給伺服系統的安全系數取0.3～0.4 = /0.4=182.36/0.4=455.9N.mm ③ 計算最大靜扭矩 查《綜合作業(yè)指導書》表3-22，如取五相十拍，則==0.951 =/0.951=455.9/0.951=479.39N.mm 計算步進電機運行的頻率和最高起動頻率 =HZ =HZ 式中：－最大切削進給速度m/min , =1m/min －最大快移速度m/min, =2m/min －脈沖當量, =0.01mm/step 根據估算出的最大的靜轉矩=479.39N.mm在表3-23中查出130BF001最大靜扭矩為931N>479.39N可以滿足要求，，但從表中看出130BF001步進電機最高空載起動頻率為3000HZ，不能滿足=3333HZ的要求，此項指標可暫不考慮，可以采用軟件開降速程序來解決。 (2) 校核步進電機轉矩 前面所初步電機的轉矩計算，均為估算，初迭之后，應該進行校核計算。 ①效轉動慣量計算 計算簡圖如前（a）所示，根據《綜合作業(yè)指導書》表3-24，傳動系統計算到電機軸上的總的轉動慣量 可由下式計算： =＋＋[(＋)＋()] —步進電機轉子轉動慣量（） .—矢輪Z1Z2的轉動慣量（） —滾珠絲桿轉動慣車（） 參考同類型機床，初步反應式步進電機BF1， 作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量： 　　　　I4＝()2w＝()2×80＝0.468kg·cm2＝4.68N·cm2 齒輪轉動慣量： 　　　　J1＝7.8×10-4×4.84×2=8.281kg·cm2=82.81 N·cm2 J2＝7.8×10-4×12.84×2=53.678kg·cm2 絲桿傳動慣量： 　　　 J3=7.8×10-4×64×140=141.52kg·cm2=1415.2 N·cm2 電機轉動慣量很小，可以忽略。 因此，總的轉動慣量： Ｊ＝(J3+J2)+J1+J4 =(141.52+53.68)+0.468+8.281 = 130.52 kg·cm2=1305.2 N·cm2 (1) 所需轉動力矩計算。 快速空載啟動所需力矩： 最大切削力負載時所需力矩： 式中：－－空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩 　　――折算到電機軸上的摩擦力矩 　　――由于絲桿預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩 　　――切削時折算到電機軸上的加速度力矩 　　――折算到電機軸上的切削負載力矩 　　 當時， 當時， 　　　　 當，時， 　　　　N·cm 當時，預加載荷則 所以，快速空載啟動所需力矩： 快速進給時所需力矩： 切削時所需力矩： 由以上分析計算可知： 所需最大力矩發(fā)生快速啟動時： ，所以選擇型號WD6008 ③ 校核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。 已計算出機床最大快移時需步進電機的最高起動頻率為3333Hz，切削進入時所需步進電機運行頻率為1333.3Hz。 從《綜合作業(yè)指導書》表3—23中查出型步進電機允許的最高空BF1-160載起動頻率為3000Hz，運行頻率為16000Hz，再從〈〈綜合作業(yè)指導書〉〉圖3—15，3—16查出BF1-160步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線如（C）圖所示，當步進電機起動時，時，,不能滿足此機床所要求的空載起動力矩222.916N.cm。直接使用則會施行失步現象，所以必須采取開降進控制〈用軟件實現〉，將起動頻率到1000Hz起動轉矩可增高到588.4N.cm，然后電路上再采用高低壓驅動電路，可將電機輸出轉矩擴大一倍左右。 當快速運動和切削進給時，BF1-160型步進電機運行矩頻特性（D）圖完全可以滿足要求： 圖3-6 4 數控系統硬件電路設計 4.1數控系統基本硬件組成 任何一個數控系統都由硬件和軟件兩部分組成，硬件是數控機床的基礎，其性能的好壞，直接影響整個系統的工作性能，有了硬件，軟件就能發(fā)揮作用。 機床數控機床的硬件電路概括起來又以下四部分組成： （1） 中央處理單元CPU。CPU是數控系統的核心。 （2） 總線。包括數據總線（DB） 地址總線（AB）和控制總線（CB）。 （3） 存儲器。包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫存儲器。 （4） 輸入輸出接口電路。 由于8031只有P1口和P3口部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因而系統必須擴展輸入輸出接口電路。從附錄H圖H—2可以看出，系統擴展了一片8155和一片8255可編程I/O接口芯片。8155的片選信號CE接74LS138的Y0，8255芯片片選信號CS接到74LS138的Y2端。74LS138三—八譯碼器有三個輸入A、B、C分別接到8031的P2。5，P2。6、P2。7，輸出Y0~Y7 8個輸出，低電平有效。Y0~Y7對應輸入A、B、C的000至111的8種組合，其中Y0對應A、B、C為000，Y7對應A、B、C為111。74LS138還有三個使能端，其中2個（GA和GB）為低電平使能，另一個G1為高電平使能。吸有當使能端均處于有效電平時，輸出才能產生，否則輸出處于高電平無效狀態(tài)。 I/O接口芯片與外設的連接是這樣安排的：8155芯片PA0~PA7作為顯示器段選信號輸出，PB0~PB7是顯示器的位選信號輸出，PC0~PC4 5根線是鍵盤掃描輸入。8155芯片的IO/M引腳接8031芯片的P2。0，因為使用8155的I/O口故P2。0高電平。 8255芯片PA0~PA6接X向、Y向和Z向步進電機硬件環(huán)形分配器，為輸出，PB0~PB7為三個方向的點動及回零輸入，PC0~PC5為面板上的選擇開頭是輸入，設有編輯、單步運行、單段運行、自動、手動I、手動II等方式。 系統各芯片采用全地址譯碼，各存儲器及I/O接口芯片的地址編碼如表4—19所示： X向，Y向步進電機硬件環(huán)形分配器采用YB015，3—2相通電五相十拍方式工作，故A0，A1引腳均接+5V，Z向步進電機配件環(huán)形分配采用YB014，是以2—3相通電四相八拍方式工作。A0、A1接高電平。三個芯片的選通輸出控制E0分別接8255的PA0、PA3、PA5，清零R接8255的PA1，正、反轉控制端分別接8255的PA2、PA4、PA6，時鐘輸入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以決定脈沖分配器輸出脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實現插補時不同的進給速度，可給8155芯片的定時/計數器中設置不同的時間常數。 表5 芯 片 接74LS138引腳 地址選擇線 片內地址單元（B） 地址編碼 2764（1） 000xxxxxxxxxxxxx 8K 0000H～1FFFH 2764 (2 ) 001xxxxxxxxxxxxx 8K 2000H～3FFFH 6264 010xxxxxxxxxxxxx 8K 4000H～5FFFH 8155 RAM 10011110xxxxxxxx 6 61009EFFH I/O 1001111111111xxx 6 9FF8H～9FFDH 8255 01011111111111xx 4 5FFCH～5FFFH 作用是進行數據運算處理和控制各部分電路協調工作，存儲器用于存放系統軟件，應用程序和運行中所需要的各種數據，輸入輸出接口是系統與外界進行交換的 橋梁。總線則是CPU與存儲器，接口以及其它轉換的紐帶，是CPU與部分電路進行交換和通訊的必由之路。 數控系統的硬件框圖為： 圖4-1 4.2 單片機控制系統的設計 1 向和X向進給伺服系統運動 2 鍵盤顯示 3 自動轉位刀架控制 4 螺紋加工控制 5 面板控制 6 行程控制 7其他功能 報警電路、急停電路、復位電路、光隔離電路、功能電路等。 4.2.1 硬件電路的組成 采用MCS-5系列單片機組成的控制系統硬件電路原理圖。電路的組成如下： a) 采用8031作CPU b) 擴展了兩片2764芯片、一片6264芯片 c) 兩片8155可編程并行I/O接口。 d) CPU、存儲器及I/O接口 CPU采用8031芯片，選用6MHz晶體振蕩器。它的作為數據總線和地址共用。16位地址線由經地址鎖存器74LS373提供8位地址，高8位地址由8031的口直接提供。ALE為地址鎖存允許。為低電平時選通外部存儲器（EPROM），相應的指令字節(jié)出現在EPROM的數據線（）上，輸入到口，8031將指令讀入。RESET為復位控制，當RESET輸入端出現高電平時，8031被初始化復位，在復位有效期向ALE、PSEN也輸出高電平。當RESET輸入端返回低電平后，CPU從O地址開始執(zhí)行程序。（故設計中一定有一片2764芯片連到74LS138的）設計中采用上電復位和開關復位。另外，兩片8155的RESET也與8031的RESET管腳相連，它們可同時復位。 8031的是片內的定時器/計數器溢出中斷申請，由主軸后面的光電編碼器輸入。當車床車螺紋時，主軸光電編碼器向8031發(fā)出進給脈沖，用以控制不同導程的螺紋加工。光電編碼器還發(fā)出一個零位螺紋信號，輸入8155(1)的，用以防止車螺紋亂扣。 8155(1)主要用于功能鍵的控制，刀架轉位控制以及報警等。其中PA口為輸入口，作為功能鍵的控制管理，刀架控制編輯、空運行、自動、手動I，手動和回零。PB口也是輸入口，由面板上的按鍵分別控制起動、暫停、單段、連續(xù)、急停等功能。是換刀回答，當自動轉位刀架按指令轉位、夾緊，刀架電機停轉之后，發(fā)出此信號，開始執(zhí)行進給指令。接光電編碼器輸出的零位螺紋信號。PC口是輸出口，控制自動轉位刀架四個刀位的選刀。用于報警顯示，系統正常工作時，輸出低電平，綠色發(fā)光二極管亮，當系統出現異常情況時，輸出高電平，經反向后，紅色發(fā)光二極管亮，實現報警功能。 8155(2)控制步進電機，行程控制，以及鍵盤，顯示電路。其中為輸出口，用于控制Z向、X向步進電機運轉，Z向步進電機為五相，X向為三相。此系統采用軟件分配。鍵盤顯示電路為46鍵和6位顯示器。作為鍵盤的6條列線，是鍵盤掃描線，是輸出口。接行線作為鍵盤輸入口。是6位數碼顯示器的位選信號，8031的口是數碼顯示器的段選信號。接越程限位控制電路，當床鞍或拖板在Z向或X向越程時，即向計算機輸入此信號，使進給系統停止。 表6 ：數控車床控制系統芯片地址分配 芯片 接74LS1 38引腳 地址選擇線 片內地 址單元 地址編碼 2764(1) 000xxxxxxxxxxxxx 8K 0000H-1FFFH 2764(2) 001xxxxxxxxxxxxx 8K 2000H-3FFFH 6264 010xxxxxxxxxxxxx 8K 4000H-5FFFH 8155(1)I/O 0110000100000xxx 6 6100H-6105H 8155(2)I/O 1000000100000xxx 6 8100H-8105H 4.3 C6163經濟型數控車床數控系統軟件的設計 直線圓弧插補程序設計 在電機設備中，執(zhí)行部件如果要實行平行斜線和圓弧曲線的路經運動，必須通過兩個方向運動的合成來完成。在數控機床中，這是由X、Y兩個方向運動的工作臺，按照插補控制原理來實現的。 4.3.1 直線插補程序設計 (1) 逐點比較法 用逐點比較法進行直線插補計算，沒走一步，都需要以下四個步驟： 偏差判別：判別偏差Fm≧0或Fm≦0，從而啊決定哪個方向進給和采用哪個偏差計算公式。 坐標進給：根據直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個方向進給。 偏差計算：進給每一步，計算新的加工偏差。 終點判別：進給每一步后，終點計數器減1，若為0，表示到達終點停止插補不為0，則返回到第一步繼續(xù)插補。終點計算判別可用兩個方向的坐標植來判別，也可以由一個方向的坐標植來判別。當Xe﹥Ye，可用X方向的總步數Xe作為終點判別的依據，如動點X等于終點Xe則停止。當Xe

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