范例CA6140車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計說明書

1、CA6140車床數(shù)控改造設(shè)計說明書目錄1.緒論12.設(shè)計要求32.1總體方案設(shè)計要求3 2.2設(shè)計參數(shù)4 2.3.其它要求43.進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計與計算83.1進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計9 3.2橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計算與選型10 3.2.1確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量10 3.3.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟143.3.4齒輪有關(guān)計算16 3.3.4 (2)橫向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算204. 步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型23 4.1步進(jìn)電動機(jī)選用的基本原則23 4.2步進(jìn)電動機(jī)的選折245.主軸交流伺服電機(jī)24 5.1機(jī)床主運(yùn)動電機(jī)的確定26 5.2主軸的變速范圍265.3初選主軸電機(jī)

2、的型號27 5.4主軸電機(jī)的校核276. 微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計286.1控制系統(tǒng)的功能要求28 6.2硬件電路的組成28 6.3設(shè)計說明317安裝調(diào)整中應(yīng)注意的問題31 7.1滾珠絲杠副的特點(diǎn)31 7.2滾珠絲杠螺母副的選擇327.3滾珠絲杠螺母副的調(diào)整32 7.4聯(lián)軸器的安裝32 7.5主軸脈沖發(fā)生器的安裝32結(jié)論35參考文獻(xiàn)36緒論數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比,增加了功能,提高了性能,簡化了結(jié)構(gòu).較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批量及形狀多變零件的加工問題。能獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，其應(yīng)用越來越廣泛，但是數(shù)控的應(yīng)用也受到其他條件限制：（1）數(shù)控機(jī)床價格昂貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心

3、有力而力不足；（2）目前，各企業(yè)都有大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床替換根本不可能，而且替代下的機(jī)床閑置起來又會造成浪費(fèi)；（3）在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)急需；（4）通用數(shù)控機(jī)床對某一類具體生產(chǎn)項(xiàng)目有多余功能。要較好的解決上述問題，應(yīng)走通用機(jī)床數(shù)控改造之路。普通機(jī)床的改造就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)數(shù)控裝置，使其具有一定的自動化能力，以實(shí)現(xiàn)額定的加工工藝目標(biāo)。機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)點(diǎn)：（1）改造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機(jī)床原有的功能和改造后的新增功能，提高了機(jī)床的使用價值，可以提高固定資產(chǎn)的使用效率；（2）適應(yīng)多品種、小批量零件生產(chǎn)；（3）自動化程度提高、專業(yè)性強(qiáng)、加工精度高、生

4、產(chǎn)效率高；（4）降低對工人的操作水平的要求；（5）數(shù)控改造費(fèi)用低、經(jīng)濟(jì)性好；（6）數(shù)控改造的周期短，可滿足生產(chǎn)急需。目前機(jī)床數(shù)控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機(jī)床數(shù)控化率不到3。用普通機(jī)床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)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(jī)床的數(shù)控化率。普通車床（如C616，C618，CA6140）等是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床。普通機(jī)床刀架的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動是由主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進(jìn)給箱變速后，由光杠或絲杠帶動溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動。進(jìn)

5、給參數(shù)要靠手工預(yù)先調(diào)整好，改變參數(shù)時要停車進(jìn)行操作。刀架的縱向進(jìn)給運(yùn)動和橫向進(jìn)給運(yùn)動不能聯(lián)動，切削次序也由人工控制。對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改為用微機(jī)控制的、能獨(dú)立運(yùn)動的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動換刀的回轉(zhuǎn)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。由于加工過程中的切削參數(shù)，切削次序和刀具都會按程序自動調(diào)節(jié)和更換，再加上縱向和橫向進(jìn)給聯(lián)動的功能，數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實(shí)現(xiàn)多工序自動車削，從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度，也能適應(yīng)小批量多品種復(fù)雜零件的加工。2設(shè)計要求2.1總體方案設(shè)計要求總體方案設(shè)計應(yīng)考慮

6、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計算機(jī)的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。（1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能，還要求能暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。（2）車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。（3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用8位微機(jī)。在8位微機(jī)中，MCS51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、具有很高的性價比，因此，可選 MCS51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。（4）根

7、據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴(kuò)展程序存儲器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。（5）設(shè)計自動回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。（6）縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。（7）為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。（8）采用貼塑導(dǎo)

8、軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。2.2設(shè)計參數(shù)設(shè)計參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)?，F(xiàn)列出CA6140臥式車床的技術(shù)數(shù)據(jù)：名稱 技術(shù)參數(shù) 在床身上 400mm工件最大直徑在刀架上 210mm頂尖間最大距離 650;900;1400;1900mm宋制螺紋 mm 1-12(20種)加工螺紋范圍 英制螺紋 t/m 2-24(20種) 模數(shù)螺紋 mm0.25-3(11種) 徑節(jié)螺紋 t/m7-96(24種) 最大通過直徑 48mm 孔錐度莫氏6# 主軸 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù) 24 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍101400r/min 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級數(shù)12 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍14-1580r/min縱向級數(shù)64進(jìn)給量縱

9、向范圍0.028-6.33mm/r橫向級數(shù)64橫向范圍0.014-3.16mm/r 滑板行程 橫向320mm縱向650;900;1400;1900mm 最大行程140mm 刀架最大回轉(zhuǎn)角 90刀杠支承面至中心的距離26mm刀杠截面BH2525mm 頂尖套莫氏錐度5#尾座橫向最大移動量10mm外形尺寸 長寬高241810001267mm 圓度 0.01mm工作精度圓柱度200:0.02 平面度0.02/300mm表面粗糙度Ra1.6-3.2m 主電動機(jī)7.5kw電動機(jī)功率總功率7.84kw改造設(shè)計參數(shù)如下:最大加工直徑 在床面上 400mm 在床鞍上210mm最大加工長度 1000mm快進(jìn)速度

10、縱向2.4m/min 橫向1.2m/min最大切削進(jìn)給速度 縱向0.5m/min 橫向0.25m/min溜板及刀架重力 縱向800N 橫向600N 代碼制ISO脈沖分配方式 逐點(diǎn)比較法輸入方式 增量值、絕對值通用控制坐標(biāo)數(shù) 2脈沖當(dāng)量 縱向0.01mm/脈沖 橫向0.005mm/脈沖機(jī)床定位精度0.015mm刀具補(bǔ)償量 0mm-99.99mm進(jìn)給傳動鏈間隙補(bǔ)償量 縱向0.15mm橫向 0.075mm自動升降速性能 有2.3.其它要求（1） 原機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動量 ，以降低成本縮短改造周期。（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正安裝、調(diào)試、拆卸方

11、便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。3進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計與計算3.1進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計需要改動的主要部分有掛輪架、進(jìn)給箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案：掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。進(jìn)給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副、橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪

12、減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉(zhuǎn)四方刀架總成。3.2橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計算與選型進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當(dāng)量、計算切削力滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進(jìn)電機(jī)的計算和選型等。計算簡圖如下圖所示：3.2.1確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是指一個進(jìn)給脈沖使機(jī)床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量,它是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個基本參數(shù)。因此,脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床精度的要求來確定。對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床來說，常采用的脈沖當(dāng)量為0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當(dāng)量fp為0.01m

13、m/step。橫向脈沖當(dāng)量為fp=0.005mm/step。3.2.2 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟（1）型號選擇 1）最大工作載荷計算由于導(dǎo)向?yàn)橘N塑導(dǎo)軌，則：k=1.4 f=0.05,F1為工作臺進(jìn)給方向載荷，F(xiàn)l=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,最大工作載荷：Fm=kF1+f(Fv+2Fc+G) =1.42144+0.05(5360+21340+9.875) =3440.4N2）最大動載荷的計算 V橫=1400r/min0.79mm/r=1106mm/min n橫絲=v橫1/2/L0縱=11061/2/4=138.25r/min L

14、=60nt/=60138.2515000/106=124.43 C=3LfmFm =3124.431.53440.4=25763.7N 初選滾珠絲杠型號為：CD506-3.5-E其基本參數(shù)為Dw=3.969mm,=2o11,L0=6mm,dm=50mm,圈數(shù)列數(shù)3.51 (2) 橫向滾珠絲杠的校核 1）傳動效率計算 =tg/tg(+)=tg2o11 /tg(2o11 +10)=93%2) 剛度驗(yàn)算 1. 絲杠的拉壓變形量1=FmL/EA=3440.4320/20.6104252=0.0027mm 2.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2=0.0013Fm3DwFyjZ2 =0.00133440.43

15、3.9693440.43145.36 2 =0.0070mm在這里Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N Z=dm/Dw=3.1450/3.969=39.56 Z=39.563.51=138.48絲杠的總變形量 =1+2=0.0027+0.0070=0.0097mm0.015mm查表知E級精度允許的螺距誤差為0.015mm，故所選絲杠合格3.2.3齒輪有關(guān)計算(1)縱向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算1）有關(guān)齒輪計算，由前面的條件可知： 工作臺重量：W=80kgf=800N(根據(jù)圖紙粗略計算)滾珠絲杠的導(dǎo)程: Lo=12mm步距角: =0.75/step脈沖當(dāng)量: p=0.01mm/step快速進(jìn)

16、給速度：Vmax=2m/min所以,變速箱內(nèi)齒輪的傳動比i=Z2 Z1= L0360p =0.7512 3600.01 =2.5 （3-9） 齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下: Z1=32 , Z2=40 ,模數(shù)m=2mm 齒寬 b=20mm 壓力角=20齒輪的直徑 d1=mz1=232=64mm d2=mz1=240=80mm d2=d1+2ha*=68mmd2=d2+2ha*=84mm兩齒輪的中心矩 a= d1+d22 = 64+802 =72mm2）轉(zhuǎn)動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到步進(jìn)電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量: J1=W(180p)2= (1800.01 3.140.75 )2 801100 =0.467

17、kg.cm2 （3-10）對材料為鋼的圓柱形零件,其轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算: J=7.810-4D4L kg.cm2 （3-11） 式中 D-圓柱形零件的直徑,cm L-零件的軸向長度,cm所以,絲杠的轉(zhuǎn)動慣量: J1=7.810-4+D4L1=7.810-43.24140.3=11.475 kg.cm2齒輪的轉(zhuǎn)動慣量: JZ1=7.810-46.442=2.617 kg.cm2 JZ1 =7.810-4842=6.39 kg.cm2電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量很小,可忽略。因此，折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.52)（11.475+6.39）+2.6

18、17+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm23）所需轉(zhuǎn)動力矩計算快速空載啟動時所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo最大切削負(fù)載時所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt快速進(jìn)給時所需力矩M=Mf+Mo式中, Mamax-空載啟動時折算到電動機(jī)軸上的加速度力矩; Ma-折算到電動機(jī)軸上的加速度力矩; Mf-折算到電動機(jī)軸上的摩擦力矩; Mo-由絲杠預(yù)緊所引起,折算到電動機(jī)軸上的附加摩擦力矩; Mat-切削時折算到電動機(jī)軸上的加速力矩; Mt-折算到電動機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩;Ma=Jn9.6T10-4N.m （3-12）式中, J-轉(zhuǎn)動慣量, kg.cm2 n-絲杠轉(zhuǎn)速,r/m

19、in T-時間常數(shù),s當(dāng)n=nmax時 Ma=Mamax nmax=VmaxILo=20002.512 =416.7 r/min Mamax=5.942416.79.60.025 10-4=2.49N.m當(dāng)n=nt時, Ma=matnt=n主fLo=1000VD fi L0=10001000.32.53.148012 =24.88 r/minMat= 59.4224.889.60.25 10-4=0.0616N.mMf=FoLo 2i =fwLo 2i N.cm （3-13）式中 f-導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) nt-切削加工時的轉(zhuǎn)速，r/min; w-移動不見的重量，N; Lo-絲杠導(dǎo)程，cm; i-

20、傳動比； - 傳動效率。當(dāng) =0.8 f=0.16時， Mf= 0.168001.223.140.82.5 = 12.23 N.cmMo=FoLo2i(1-o2) （3-14）式中， o-絲杠未預(yù)緊時的效率，取0.9 FO-預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的1 / 3，即FP / 3則 Mo=FpLo(1-o2) 6i=13401.263.140.82.5 (1-0.92)=8.108N.cm Mt=FxLo 2i=13401.223.140.82.5 =128 N.cm所以，快速空載啟動所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm切削時所需力矩

21、M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm快速進(jìn)給時所需力矩 M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338 N.cm由以上分析計算可知：所需最大力矩Mamax發(fā)生在快速啟動時 Mmax=123.338 N.cm(2)橫向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算1)有關(guān)齒輪計算，由前面的條件可知： 工作臺重量：W=30kgf=300N(根據(jù)圖紙粗略計算)滾珠絲杠的導(dǎo)程: Lo=4mm步距角: =0.75/step脈沖當(dāng)量: p=0.005mm/step快速進(jìn)給速度：Vmax=1m/min所以,變速箱內(nèi)齒輪的傳動比i=Z2 Z1= L0360p = 0.75

22、43600.00553 =1.67齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下: Z1=18 , Z2=30 ,模數(shù)m=2mm 齒寬 b=20mm 壓力角=20d1=36mm d2=60mmda1 =40mm da2=64mm a=48mm2)轉(zhuǎn)動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到步進(jìn)電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量: J1=W(180p)2= (1800.0053.140.75 )2 301100 =0.0439 kg.cm2絲杠的轉(zhuǎn)動慣量: Js=7.810-42450=0.624 kg.cm2齒輪的轉(zhuǎn)動慣量: JZ1=7.810-43.642=0.262 kg.cm2 JZ1 =7.810-4642=2.022 kg.cm2電動機(jī)

23、轉(zhuǎn)動慣量很小,可忽略。因此，折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=(35)2（0.624+2.022）+0.262+0.0439=1.258 kg.cm2=12.58N. cm23)所需轉(zhuǎn)動力矩計算nmax=VmaxILo=1000453 =416.7 r/min Mamax= 1.258416.79.60.02510-4=0.2184N.m=2.18kgf.cmnt=n主fLo=1000VD fi L0=10001000.1553.146043 =33.17 r/minMat= 1.25833.179.60.02510-4=0.0174N.m=0.1

24、74 kgf.cmMf=FoLo 2i =fwLo 2i = 0.2300.4323.140.85=0.287kgf.cm=0.028N.mMo=FpLo(1-o2) 6i=214.40.4363.140.85 (1-0.92) =0.649kgf.cm =0.065N.mMt=FyL02i =214.40.4323.140.85=10.242kgf.cm =1.024 N.m所以，快速空載啟動所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm切削時所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.

25、242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm快速進(jìn)給時所需力矩M=Mf+Mo=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm由以上分析計算可知：所需最大力矩Mamax發(fā)生在快速啟動時 Mmax=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm4 步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型4.1步進(jìn)電動機(jī)選用的基本原則合理選用步進(jìn)電動機(jī)是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電動機(jī)在整個系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則介紹如下：4.1.1步距角 步距角應(yīng)滿足 min i （4-1）式中， i-傳動比 min-系統(tǒng)對步進(jìn)電動機(jī)所驅(qū)動部件要求的最小轉(zhuǎn)角4

26、.1.2精度 步進(jìn)電動機(jī)的精度可以用步距誤差或累積誤差衡量，累積誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用累積誤差衡量精度比較實(shí)用，所選用的步進(jìn)電動機(jī)應(yīng)滿足： mi s （4-2）式中， m -步進(jìn)電動機(jī)的累積誤差。 s-系統(tǒng)對步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動部分允許的角度誤差。 4.1.3轉(zhuǎn)矩為了使步進(jìn)電動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)（不失步，不越步）正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮以下條件a. 起動力矩。一般選取為 MqMLo/0.3-0.5 （4-3）式中，Mq-電動機(jī)起動力矩 MLo-電動機(jī)靜負(fù)載力矩根據(jù)步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)，啟動力矩選取如表（4）所示，表中MJM為步進(jìn)電動機(jī)

27、的最大靜載矩，是步進(jìn)電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。運(yùn)行方式相數(shù)33445566拍數(shù)3648510612Mg/Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866表（4）步進(jìn)電動機(jī)相數(shù)、拍數(shù)啟動力矩表在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電動機(jī)運(yùn)行運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動機(jī)的靜載力矩與電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量（包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性矩之和。4.1.4啟動頻率由于步進(jìn)電動機(jī)的啟動頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此，相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足： Ftfopm (4-4)式中，ft-極限啟動頻率， fopm-要求步進(jìn)電動機(jī)最高啟動頻率。4.2步進(jìn)電動機(jī)的選折4.2.1 CA

28、6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 Mq=ML00.4 =25.320.4 =63.3 N.cm電動機(jī)仍選用三相六拍工作方式，查表知： Mq/Mjm=0.866所以步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjm為： Mjm=Mq 0.866 =63.30.866=73.09 N.cm步進(jìn)電動機(jī)最高工作頻率： fmax=Vmax60p =0.005 =3333.3 HZ為了便于設(shè)計和采購，仍選用90BF002型直流電動機(jī)，能滿足使用要求。5主軸交流伺服電機(jī)5.1主軸的變速范圍 主軸能實(shí)現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為變速范圍Rn，即Rn=nmax/nmin,數(shù)控機(jī)床的工藝范圍寬，切削速度與刀具，工件直徑變化 很大，所

29、以主軸變速范圍很寬。 由于Nmax=1800 nmax=14 Nmax/nj=2nj/min (5-1) 則nj=1800142 =113r/min 這里nj為電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速該機(jī)床主軸要求的恒功率調(diào)速范圍Rn為： Rn= nmax /nj =1800/113=15.9 (5-2)主軸電機(jī)的功率是：7.5kw5.2初選主軸電機(jī)的型號選主軸電機(jī)的型號為：SIMODRIVE系列交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)型號為1HP6167-4CB4，連續(xù)負(fù)載PH/KW=14.5，間隙負(fù)載（60%）/kw=17.5kw,短時負(fù)載（20min）/kw=19.25kw,額定負(fù)載n/r.min-1=5000,最大轉(zhuǎn)速nmax/ r

30、/min=8000，額定轉(zhuǎn)矩277N.m,慣性矩0.206/kg.m2晶體管PWM變頻器型號為6SC6058-4AA025.3主軸電機(jī)的校核電動機(jī)恒恒功率調(diào)速范圍： Rn= nmax/nmin =8000/5000 =16所以所選電動機(jī)型號的調(diào)速范圍滿足主軸所要求的調(diào)速范圍。6微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計6.1控制系統(tǒng)的功能要求（1）z向和x向進(jìn)給伺服運(yùn)動控制（2）自動回轉(zhuǎn)刀架控制（3）螺紋加工控制（4）行程控制（5）鍵盤及顯示（6）面板管理（7）其他功能：光電隔離、功率放大、報警、急停、復(fù)位。6.2硬件電路的組成：后面所畫大圖采用MCS-51系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下

31、：（1）CPU采用8031芯片；（2）擴(kuò)展程序存儲器2764兩片，6264一片；（3）擴(kuò)展可編程接口芯片8155兩片；（4）地址鎖存器，譯碼器個一個；（5）鍵盤電路，顯示電路；（6）光電隔離電路，功率放大功率；（7）越程報警電路，急停電路，復(fù)位電路；（8）面板管理電路。6.3設(shè)計說明（1）CPU采用8031芯片，由于片內(nèi)無程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器也只有128字節(jié)，因此，擴(kuò)展外部程序存儲器2764兩片（16KB），數(shù)據(jù)存儲器6264（8KB）一片。8031的I/O口也不能滿足輸入輸出口的要求，本系統(tǒng)也擴(kuò)展了兩片8155可編程接口芯片。（2）采用74LS138三-八譯碼器的輸出作為片選信號。2764

32、（1）、2764（2）、6264、8155（1）和8155（2）的片選信號分別接到譯碼器的Y0Y4,74LS138的輸入A、B、C分別接8031的P2.5、P2.6、P2.7。（3）由于2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線，A0A7低8位接74LS373芯片的輸出。A8A12接8031芯片的P2.0P2.A，74LS373地址鎖存器在選通信號ALE在高電平時直接傳送8031P0口低8位地址，當(dāng)ALE在高電平變低電平的下降沿時，低8位地址鎖存器，此時，P0口可用來向片外傳送讀寫數(shù)據(jù)。（4）接口芯片與外設(shè)的聯(lián)接及設(shè)計說明如下： 8155（2）PA.0PA.7輸出的指令脈沖通過光電隔離

33、電路和功率放大電路直接驅(qū)動縱向和橫向步進(jìn)電機(jī)的共八相繞組。在本系統(tǒng)中采用軟件環(huán)形分配器方式，雖然運(yùn)行速度慢一些，但可以省去兩個硬件環(huán)形分配器，電路比較簡單，由于步進(jìn)電機(jī)的每一相繞組需和一個I/O接口相連，以便與控制寄存器中某一指定相位對應(yīng)，因此，占用的I/O口數(shù)量較多。8155（2）的PC.0PC.5作為顯示器位選信號，顯示器的段選信號則由8031的P1.0P1.7發(fā)出，8155的PB.0PB.3是鍵盤掃描輸入。行程限位報警信號+Z,-Z,+X,-X分別通過8155（2）的PB.4,PB.5,PB.6,PB.7提出中斷請求，根據(jù)不同的中斷口可以直接識別行程的方向，此時相應(yīng)的紅燈報警。8155小

34、的PC.0PC.3接自動回轉(zhuǎn)刀架（四方刀架），自動回轉(zhuǎn)刀架需要換刀時，由PC.0PC.3發(fā)出換位信號，經(jīng)交流控制箱控制刀架電機(jī)回轉(zhuǎn)，到達(dá)指定的刀位。刀架夾緊后，即發(fā)出回答信號，表示已完成換刀過程，可以進(jìn)行切削加工。換刀回答信號經(jīng)8155（1）的PB.5輸入計算機(jī)，控制刀架開始進(jìn)給。8155（1）PA.0PA.5接控制面板上的控制開關(guān)，設(shè)有編輯空運(yùn)行、自動、手工（I）、手工（II）、回零等選著方式。8155（1）PB.0PB.4接控制面板上的按鈕開關(guān)，設(shè)有啟動、暫停、單段運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)行、急停等操作功能。加工螺紋時，與車床主軸相連的光電脈沖發(fā)生器會發(fā)出螺紋加工信號和零位螺紋信號，螺紋加工信號送入8

35、031的T0，通過設(shè)置不同的時間常數(shù)，可以改變主軸每轉(zhuǎn)時的縱向進(jìn)給量，從而加工出不同螺距的螺紋，零位螺紋信號送入8155（1）的PB6,用來防止多次走刀時螺紋亂扣。（5）系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲器及I/O接口芯片地址編碼見表（5）（6）操作面板設(shè)計方案之一見表（5）：芯片接74LS138引腳地址選擇線片內(nèi)地址單元（字節(jié)）地址編碼2746（1）Y0000X XXXX XXXX XXXX8K0000H1FFFH2746（2）Y1001X XXXX XXXX XXXX8K2000H3FFFH6264Y2010X XXXX XXXX XXXX8K4000H5FFFH8155（1）RAMY301

36、11 1110 XXXX XXXX2567E00H7EFFHI/OY30111 1111 1111 1XXX67FF8H7FFDH8155（2）RAMY41001 1110 XXXX XXXX2569E00H9EFFHI/OY41001 1111 1111 1XXX69FF8H9FFDH表(5)芯片地址編碼 7車床改造的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)7.1.滾珠絲桿滾珠絲桿必須采用三點(diǎn)支承形式。步進(jìn)電動機(jī)的布置可放在絲杠的任一端，由于拆除了進(jìn)給箱，可在原安裝進(jìn)給箱處布置步進(jìn)電動機(jī)和減速齒輪，也可在滾珠絲桿的左端設(shè)計一個專用軸承支承座，而在絲杠托架處布置步進(jìn)電動機(jī)和減速箱。7.2導(dǎo)軌副為減少運(yùn)動部件移動時的摩擦阻力，尤其是減少靜摩擦阻力，滑板和刀架移動部件的導(dǎo)軌可粘貼摩擦系數(shù)低的聚四氟乙烯軟帶7.3安裝電動卡盤為了提高經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的加工效率，還可考慮用電動三爪自定心卡盤裝置，這種裝置也可與數(shù)控裝置的信號電路相配合，實(shí)現(xiàn)自動夾緊、松開，提高加工過程的自動化程。7.4脈沖發(fā)生器改造后的簡易數(shù)控車床需要自動化加工螺紋時，可以在主軸后端同軸安裝或者異軸安裝一個主軸脈沖發(fā)生