車床數(shù)控化改造設(shè)計

車床數(shù)控化改造設(shè)計2023/12/27車床數(shù)控化改造設(shè)計1設(shè)計任務(wù)2總體方案的確定引言車床數(shù)控化改造設(shè)計3具體設(shè)計車床數(shù)控化改造設(shè)計一、引言普通車床（如C616/C6132、C618/C6136、C620/C6140、C630等）是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床。當(dāng)工件隨主軸回轉(zhuǎn)時，通過刀架的縱向和橫向移動，能加工出內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋面等，借助成型刀具，還能加工各種成形回轉(zhuǎn)表面。車床數(shù)控化改造設(shè)計圖C6140普通車床的結(jié)構(gòu)布局1-床腳2-掛輪3-進(jìn)給箱4-主軸箱5-縱溜板6-溜板箱7-橫溜板8-刀架9-上溜板10-尾座11-絲杠12-光杠13-床身車床數(shù)控化改造設(shè)計普通車床刀架的縱向和橫向進(jìn)給運動，是由主軸回轉(zhuǎn)運動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進(jìn)給箱變速后，由光桿或絲桿帶動溜板箱、縱溜板以及橫溜板產(chǎn)生移動。進(jìn)給參數(shù)依靠手工調(diào)整，改變參數(shù)時需要停車。刀架的縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給不能聯(lián)動，切削次序需要人工控制。

臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計車床數(shù)控化改造設(shè)計對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改成用微機(jī)控制的、能獨立運動的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將手動刀架換成能自動換刀的電動刀架。

臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計車床數(shù)控化改造設(shè)計題目：C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計

任務(wù)：將一臺C6140普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。一、設(shè)計任務(wù)車床數(shù)控化改造設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）床身上最大加工直徑400mm；

（2）最大加工長度1000mm；

（3）X方向(橫向)的脈沖當(dāng)量δx=0.005mm/脈沖,

Z方向(縱向)δz=0.01mm/脈沖；

（4）X方向最快移動速度vxmax=3000mm/min，Z方向為vzmax=6000mm/min；

（5）X方向最快工進(jìn)速度vxmaxf=400mm/min，Z方向為vzmaxf=800mm/min；

（6）X方向定位精度±0.01mm，Z方向±0.02mm車床數(shù)控化改造設(shè)計（7）可以車削柱面、平面、錐面與球面等；

（8）安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與

錐螺紋，最大導(dǎo)程為24mm；

（9）安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀；

（10)自動控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出

主軸有級變速與無級變速信號；

（11)自動控制冷卻泵的啟/停；

（12)安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；

（13)縱、橫向安裝限位開關(guān)；

（14)數(shù)控系統(tǒng)可與PC機(jī)串行通信；

（15)顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用ISO數(shù)控代

碼。一、設(shè)計任務(wù)車床數(shù)控化改造設(shè)計總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進(jìn)給傳動方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。二、總體方案的確定（1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。

因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成連續(xù)控制型。車床數(shù)控化改造設(shè)計二、總體方案的確定（2）普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(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)常采用步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。車床數(shù)控化改造設(shè)計（3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。

MCS-51系列8位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性/價比高等優(yōu)點。二、總體方案的確定車床數(shù)控化改造設(shè)計（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源以及主軸電動機(jī)的交流變頻器等。二、總體方案的確定車床數(shù)控化改造設(shè)計（5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給傳動應(yīng)選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。二、總體方案的確定車床數(shù)控化改造設(shè)計（6）計算選擇步進(jìn)電動機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速輪副，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。二、總體方案的確定車床數(shù)控化改造設(shè)計（7）選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。二、總體方案的確定車床數(shù)控化改造設(shè)計1．主傳動系統(tǒng)的改造方案

三、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的主傳動機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣可減少機(jī)械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。車床數(shù)控化改造設(shè)計提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，用2～４速的多速電動機(jī)代替原有的單速主電動機(jī)；當(dāng)多速電動機(jī)仍不能滿足要求時，用交流變頻器來控制主軸電動機(jī)，以實現(xiàn)無級變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時，若工作頻率低于70Hz，原來的電動機(jī)可以不更換，但所選變頻器的功率應(yīng)比電動機(jī)大）。三、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案車床數(shù)控化改造設(shè)計采用有級變速時，可選用浙江超力電機(jī)有限公司生產(chǎn)的YD系列7.5kW變極多速三相異步電動機(jī)，實現(xiàn)2～４檔變速；三、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案

采用無級變速時，應(yīng)加裝交流變頻器，推薦型號為：F1000-G0075T3B，適配7.5kW電動機(jī)，生產(chǎn)廠家為煙臺惠豐電子有限公司。車床數(shù)控化改造設(shè)計為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動卡盤，選用呼和浩特機(jī)床附件總廠生產(chǎn)的KD11250型電動三爪自定心卡盤?？ūP的夾緊與松開由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)信控制。三、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案2．安裝電動卡盤車床數(shù)控化改造設(shè)計3．換裝自動回轉(zhuǎn)刀架

為了提高加工精度，實現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動刀架換成自動回轉(zhuǎn)刀架，選用常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LD4B-CK6140型四工位立式電動刀架。實現(xiàn)自動換刀需要配置相應(yīng)的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。

三、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案車床數(shù)控化改造設(shè)計4．螺紋編碼器的安裝方案

三、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動。車床數(shù)控化改造設(shè)計改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程是24mm，Z向的進(jìn)給脈沖當(dāng)量是0.01mm/脈沖，所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應(yīng)不少于24mm/（0.01mm/脈沖）=2400脈沖。

考慮到編碼器的輸出有相位差為90o的A、B相信號，可用A、B異或后獲得2400個脈沖（一轉(zhuǎn)內(nèi)），這樣編碼器的線數(shù)可降到1200線（A、B信號）。另外，為了重復(fù)車削同一螺旋槽時不亂扣，編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖Z。

三、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案車床數(shù)控化改造設(shè)計

基于上述要求，本例選擇螺紋編碼器的型號為：ZLF-1200Z-05V0-15-CT。電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出1200個A/B脈沖與1個Z脈沖，信號為電壓輸出，軸頭直徑15mm，生產(chǎn)廠家為長春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。三、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案車床數(shù)控化改造設(shè)計螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。

同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但它堵住了主軸的通孔。

異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對傳動比為1：1的同步齒形帶與主軸聯(lián)接起來。三、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案車床數(shù)控化改造設(shè)計需要注意的是：編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性聯(lián)接，且車床主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。

三、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案車床數(shù)控化改造設(shè)計5．進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案三、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。

（2）拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)與同步帶減速箱總成。

（3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座與螺母座托架。

（4）拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四工位立式電動刀架。車床數(shù)控化改造設(shè)計（5）拆除橫溜板下的滑動絲桿螺母副，將滑動絲桿靠刻度盤一段（長216mm）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。

（6）將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)通過法蘭座安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。

（7）拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支承。三、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案車床數(shù)控化改造設(shè)計縱、橫向進(jìn)給傳動部件的計算和選型主要包括：確定脈沖當(dāng)量、計算切削力、選擇滾珠絲杠螺母副、設(shè)計減速箱、選擇步進(jìn)電動機(jī)等。以下詳細(xì)介紹縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)與縱向類似，在此從略。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計1．脈沖當(dāng)量的確定四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，X方向（橫向）的脈沖當(dāng)量為δx=0.005mm/脈沖，Z方向（縱向）為δz=0.01mm/脈沖。車床數(shù)控化改造設(shè)計四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型2．切削力的計算——縱向車削力的計算

設(shè)工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，σb＝650Mpa；選用刀具材料為硬質(zhì)合金YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角kr＝60°，前角γ0＝10°，刃傾角λs＝－5°；切削用量為：背吃刀量ap＝3mm，進(jìn)給量f=0.6mm/r，切削速度vc＝105m/min。

車床數(shù)控化改造設(shè)計四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計

查表3-1，得：＝2795，＝1.0，

＝0.75，＝－0.15。

查表，得：主偏角Кr的修正系

＝0.94；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0。

由經(jīng)驗公式，算得主切削力

＝2673.4N。由經(jīng)驗公式::＝1：0.35：0.4，算得縱向進(jìn)給切削力

＝935.69N，背向力

=1069.36N。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計已知移動部件總重量G=1300N；

車削力=2673.4N，

=1069.36N，

=935.69N。

四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型3．滾珠絲杠螺母副的計算和選型（縱向）（1）工作載荷Fm的計算車床數(shù)控化改造設(shè)計根據(jù)=，=，=的對應(yīng)關(guān)系，可得：

=2673.4N，=1069.36N，=935.69N。

選用矩形－三角形組合滑動導(dǎo)軌，查表，取

=1.15，=0.16，

代入Fm＝+,得工作載荷

Fm≈1712N。

四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計設(shè)車床Z向在承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度V=0.8m/min，初選絲杠基本導(dǎo)程Ph=6mm，則此時絲杠轉(zhuǎn)速

n=1000V/Ph≈133（r/min）。

取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入L0=60nT/106，得絲杠壽命系數(shù)

L0=119.7（單位為：

106r）。

四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型（2）最大動載荷FQ的計算查表3-30，取載荷系數(shù)fW=1.15，硬度系數(shù)fH=1，代入下式，得到最大動載荷：

車床數(shù)控化改造設(shè)計根據(jù)計算出的最大動載荷，查表3-33，選擇啟東潤澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL4006型滾珠絲杠副。其公稱直徑為40mm，基本導(dǎo)程為6mm，雙螺母滾珠總?cè)?shù)為3×2=6圈，精度等級取4級，額定動載荷為13200N，滿足要求。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型（3）初選型號車床數(shù)控化改造設(shè)計將公稱直徑

=40mm，基本導(dǎo)程

mm，代入λ=arctan[Ph/(πd0

)]，得絲杠螺旋升角λ=244′。將摩擦角

=10′，代入

=tanλ/tan(λ+

)，得傳動效率=94.2%。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型（4）傳動效率的計算

車床數(shù)控化改造設(shè)計采取一端軸向固定，一端簡支的方式。固定端采取一對推力角接觸球軸承，面對面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距離約為a=1497mm；鋼的彈性模量

＝2.1Mpa；查表，得滾珠直徑

=3.9688mm，算得:

絲杠底徑d2=公稱直徑

－滾珠直徑

=36.0312mm，則絲杠截面積

/4=1019.64（mm2）。

四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型（5）剛度的驗算1）Z向滾珠絲杠副的支承車床數(shù)控化改造設(shè)計＝()－3，求得單圈滾珠數(shù)目=29；該型號絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)?shù)為3×2=6，則滾珠總數(shù)量

＝29×6=174。滾珠絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力

=/3≈571N。則，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量

≈0.00117mm。

四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型2）根據(jù)公式求得單圈滾珠數(shù)目因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實際變形量可減小一半，取=0.000585mm。車床數(shù)控化改造設(shè)計

3）將以上算出的

和

代入

,求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度1497mm）0.012555mm=12.555μm。

查表知，4級精度滾珠絲杠任意300mm軸向行程內(nèi)行程的變動量允許16μm，而對于跨度為1497mm的滾珠絲杠，總的變形量

只有12.555μm，可見絲杠剛度足夠。

四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型（5）剛度的驗算車床數(shù)控化改造設(shè)計

根據(jù)公式計算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk。查表，取支承系數(shù)

=2；由絲杠底徑

=36.0312mm,得截面慣性矩

≈82734.15mm4；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)

取3（絲杠臥式水平安裝)；滾動螺母至軸向固定處的距離

取最大值1497mm。求得得臨界載荷≈51012N，遠(yuǎn)大于工作載荷

故絲杠不會失穩(wěn)。

綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。

四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型（6）壓桿穩(wěn)定性校核車床數(shù)控化改造設(shè)計為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時也為了使傳動系統(tǒng)的負(fù)載慣量盡可能地減小，傳動鏈中常采用減速傳動。本例中，Z向減速箱選用同步帶傳動。

設(shè)計同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳遞的功率

；主動輪轉(zhuǎn)速

和傳動比i；傳動系統(tǒng)的位置和工作條件等。

根據(jù)改造經(jīng)驗，C6140車床Z向步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩通常在15-25N·m之間選擇。

今初選電動機(jī)型號為130BYG5501，五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩為20N·m，十拍驅(qū)動時步距角為0.72o。

四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型4.同步帶減速箱的設(shè)計（縱向）車床數(shù)控化改造設(shè)計

圖6-4130BYG5501步進(jìn)電動機(jī)的運行矩頻特性曲線

圖130BYG5501步進(jìn)電機(jī)運行矩頻特性車床數(shù)控化改造設(shè)計（1）傳動比i的確定

已知電動機(jī)的步距角α=0.72o，脈沖當(dāng)量δz=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程Ph=6mm。根據(jù)公式算得傳動比i=1.2。

（2）主動輪最高轉(zhuǎn)速

由Z向拖板的最快移動速度vzmax=6000mm/min，可以算出主動輪最高轉(zhuǎn)速

=（vzmax/δz）×α/360=1200（r/min）。

（3）確定帶的設(shè)計功率Pd

預(yù)選的步進(jìn)電動機(jī)在轉(zhuǎn)速為1200r/min時，對應(yīng)的步進(jìn)脈沖頻率為：

fmax=1200×360/(60×α)=10000（Hz）。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計查圖得，當(dāng)脈沖頻率為10000Hz時，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為3.8N·m，對應(yīng)的輸出功率為

POUT=n×T/9.55=1200×3.8/9.55≈477.5（W）。同步帶傳遞的負(fù)載功率應(yīng)該小于477.5W，今取P=0.32kW，查表取工作情況系數(shù)KA=1.2，則求得帶的設(shè)計功率Pd=KAP=1.2×0.32kW=0.384kW。

（4）選擇帶型和節(jié)距

根據(jù)帶的設(shè)計功率Pd=0.384kW和主動輪最高轉(zhuǎn)速

=1200r/min，查圖選擇同步帶，型號為

XL型，節(jié)距

=5.08mm。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計（5）確定小帶輪齒數(shù)

和小帶輪節(jié)圓直徑

取

=25，則小帶輪節(jié)圓直徑

==40.43mm。

當(dāng)達(dá)最高轉(zhuǎn)速1200r/min時，同步帶的速度為

=2.54（m/s），沒有超過XL型帶的極限速

度40m/s。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計（7）初選中心距

、帶的節(jié)線長度

、帶的齒數(shù)

初選中心距

=1.3（

+）=115.622mm，圓整后取

=120mm.則帶的節(jié)線長度為四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型（6）確定大帶輪齒數(shù)

和大帶輪節(jié)圓直徑

大帶輪齒

數(shù)

==30,節(jié)圓直徑

=48.51mm。車床數(shù)控化改造設(shè)計（8）計算實際中心距

實際中心距

（9）校驗帶與小帶輪的嚙合齒數(shù)

嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計（10）計算基準(zhǔn)額定功率

式中

——帶寬為

的許用工作拉力，查表3-21得

=50.17N；

——帶寬為

的單位長度的質(zhì)量，查表3-21得

=0.022

——同步帶的帶速，可知=2.54m/s。

算得=0.127kW。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計（11）確定實際所需同步帶寬度

≥

式中

—選定型號的基準(zhǔn)寬度，查表得

=9.5mm；

—小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，查表得

=1。

由上式算得

≥25.07mm，再查表選定最接近的帶寬

=25.4mm。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計（12）帶的工作能力驗算

根據(jù)公式，計算同步帶額定功率P的精確值：

式中，

為齒寬系數(shù)=3.068；經(jīng)計算得

P=0.390kW，而Pd=0.384kW，滿足P≥Pd。因此，帶的工作能力合格。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計5.步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型（縱向）

（1）計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型已知：滾珠絲杠的公稱直徑

=40mm，總長（帶接桿)l=1560mm，導(dǎo)程

＝6mm，材料密度

;縱向移動部件總重量G=1300N；同步帶減速箱大帶輪寬度28mm，節(jié)徑48.51mm，孔徑30mm，輪轂外徑42mm，寬度14mm；小帶輪寬度28mm，節(jié)徑40.43mm，孔徑19mm，輪轂外徑29mm，寬度12mm；傳動比i=1.2。車床數(shù)控化改造設(shè)計查表，可以算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下（具體計算過程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量

=30.78；拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量

=1.21；小帶輪的轉(zhuǎn)動慣量

=0.60;大帶輪的轉(zhuǎn)動慣量

=1.27。

在設(shè)計減速箱時，初選的Z向步進(jìn)電動機(jī)型號為130BYG5501，查表得該型號電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。

則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：

=++（

++）/＝56.7四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型表4-1為轉(zhuǎn)動慣量計算表。車床數(shù)控化改造設(shè)計（2）計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩

分快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計算。

1）快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

包括三部分：快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩

，移動部件運動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩

，滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩

。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，可知，

相對于

和

很小，可以忽略不計。則有：

=+四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計考慮Z向傳動鏈的總效率η，計算快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：

式中

nm

——對應(yīng)Z向空載最快移動速度的步進(jìn)電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min；

——步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為s。

其中：

式中

——Z向空載最快移動速度，任務(wù)書指定為

6000mm/min；

α

——Z向步進(jìn)電動機(jī)步距角，為0.72o；

δ

——Z向脈沖當(dāng)量，本例δ=0.01mm/脈沖。

將以上各值代入，算得nm=1200r/min。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計

設(shè)步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時間

=0.4s，Z向傳動鏈總效率η=0.7。則求得：

2.54（N·m）

可知，移動部件運動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：

式中

——導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，滑動導(dǎo)軌取0.16；

——垂直方向的工作負(fù)載，空載時取0；

η——Z向傳動鏈總效率，取0.7。

則得：

0.24（N·m）

最后求得快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

=+=2.78N·m

四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

，

包括三部分：折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt，移動部件運動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf，滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0。T0相對于Tt和Tf很小，可以忽略不計。則有：

=Tt

+Tf

其中，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt。本例中在對滾珠絲杠進(jìn)行計算的時候，已知進(jìn)給方向的最大工作載荷Ff=935.69N，則有：

1.06（N·m）四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計再計算承受最大工作負(fù)載（

=2673.4N）情況下，移動部件運動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：

（N·m）

最后求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

=Tt

+Tf=1.78N·m

經(jīng)過上述計算后，得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩

=max{，

}=2.78N·m四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計（3）步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定

考慮到步進(jìn)電動機(jī)采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)

來選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：

Tjmax≥4×=4×2.78N·m=11.12N·m

對于前面預(yù)選的130BYG5501型步進(jìn)電動機(jī)，查表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=20N·m，可見完全滿足要求。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計（4）步進(jìn)電動機(jī)的性能校核

1）最快工進(jìn)速度時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核

任務(wù)書給定Z向最快工進(jìn)速度

=800mm/min，脈沖當(dāng)量δ=0.01mm/脈沖，求出電動機(jī)對應(yīng)的運行頻率=800/（60×0.01）≈1333(Hz)。從130BYG5501的運行矩頻特性圖可以看出，在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩

≈17N·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩

=1.78N·m，滿足要求。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計

2）最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核

任務(wù)書給定Z向最快空載移動速度

=6000mm/min，求出電動機(jī)對應(yīng)的運行頻率

=6000/（60×0.01）=10000(Hz)。查圖得，在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩

=3.8N·m，大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

=2.78N·m，滿足要求。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計3）最快空載移動時電動機(jī)運行頻率校核

最快空載移動速度

=6000mm/min對應(yīng)的電動機(jī)運行頻率

=10000Hz。查表可知130BYG5501的極限運行頻率為20000Hz，可見沒有超出上限。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計4）起動頻率的計算

已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq=56.7，電動機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣量

，

查表可知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的最高空載起動頻率

=1800Hz。則可以求出步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率為：

=1092Hz四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計說明，要想保證步進(jìn)電動機(jī)起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于1092Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得很低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。

綜上所述，本例中Z向進(jìn)給系統(tǒng)選用130BYG5501步進(jìn)電動機(jī)，可以滿足設(shè)計要求。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計6．同步帶傳遞功率的校核

分兩種工作情況，分別進(jìn)行校核。

（1）快速空載起動

電動機(jī)從靜止到加速至nm=1200r/min，同步帶傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=2.78N·m，傳遞的功率為P=nm×Teq1/9.55=1200×2.78/9.55≈349.3W

（2）最大工作負(fù)載、最快工進(jìn)速度

帶需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2=1.78N·m，任務(wù)書給定最快工進(jìn)速度vmaxf

=800mm/min，對應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速nmaxf

nmaxf=（vmaxf/δz）×α/360=160（r/min）

傳遞的功率為P

P=nmaxf×Teq2/9.55=160×1.78/9.55≈29.8W

兩種情況下同步帶傳遞的負(fù)載功率均小于帶的額定功率0.39kW。因此，選擇的同步帶功率合格。四、進(jìn)給傳動部件的計算和選型車床數(shù)控化改造設(shè)計

在完成滾珠絲杠螺母副、減速箱和步進(jìn)電動機(jī)的計算、選型后，就可以著手繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖了。在繪制裝配圖時，需要考慮以下問題：五、繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖車床數(shù)控化改造設(shè)計（1）了解原車床的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。

（2）根據(jù)載荷特點和支承形式，確定絲杠兩端軸承的型號、軸承座的結(jié)構(gòu)以及軸承的預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式。

（3）考慮各部件之間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。例如，應(yīng)保證絲杠兩端支承與螺母座同軸，保證絲杠與機(jī)床導(dǎo)軌平行，考慮螺母座、支承座在安裝面上的聯(lián)接與定位，同步帶減速箱的安裝與定位，同步帶的張緊力調(diào)節(jié)，步進(jìn)電動機(jī)的聯(lián)接與定位等。

五、繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖車床數(shù)控化改造設(shè)計（4）考慮密封、防護(hù)、潤滑以及安全機(jī)構(gòu)等問題。例如，絲杠螺母的潤滑、防塵防鐵屑保護(hù)、軸承的潤滑及密封、行程限位保護(hù)裝置等。

（5）在進(jìn)行各零部件設(shè)計時，應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮裝配的順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。

（6）注意繪制裝配圖時的一些基本要求。比如，制圖標(biāo)準(zhǔn)，視圖布置及圖形畫法要求，重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標(biāo)注，重要配合尺寸的標(biāo)注，裝配技術(shù)要求，標(biāo)題欄等。五、繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖車床數(shù)控化改造設(shè)計根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：

（1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示；

（2）接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號；

（3）接收車床限位開關(guān)信號：

（4）接收螺紋編碼器信號；

（5）接收電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；

（6）控制X、Z向步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器；

（7）控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止；

（8）控制多速電動機(jī)，實現(xiàn)主軸有級變速；

（9）控制交流變頻器，實現(xiàn)主軸無級變速；

（10）控制冷卻泵啟動/停止；

（11）控制電動卡盤的夾緊與松開；

（12）控制電動刀架的自動選刀；

（13）與PC機(jī)的串行通信。六、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計車床數(shù)控化改造設(shè)計CPU選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89S52；

由于AT89S52本身資源有限，所以擴(kuò)展了一片EPROM芯片W27C512用作程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；

擴(kuò)展了一片SRAM芯片6264用作數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；鍵盤與LED顯示采用8279來管理；

輸入/輸出口的擴(kuò)展選用了并行接口8255芯片，一些進(jìn)/出的信號均做了隔離放大；

模擬電壓的輸出借助于DAC0832；

與PC機(jī)的串行通信經(jīng)過MAX233芯片。六、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計車床數(shù)控化改造設(shè)計圖控制系統(tǒng)原理框圖車床數(shù)控化改造設(shè)計

控制系統(tǒng)的操作面板布置如圖所示。面板設(shè)置了48個微動按鍵，三個船形開關(guān)，一只急停按鈕，顯示器包括1組數(shù)碼顯示管和7只發(fā)光二極管。

圖車床數(shù)控系統(tǒng)操作面板布置圖六、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計車床數(shù)控化改造設(shè)計

本例中X向步進(jìn)電動機(jī)的型號為110BYG5802，Z向步進(jìn)電動機(jī)的型號為130BYG5501，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)公司。這兩種電動機(jī)除了外形尺寸、步距角和輸出轉(zhuǎn)矩不同外，電氣參數(shù)基本相同，均為5相混合式，5線輸出，電機(jī)供電電壓DC120～310V，電流5A。這樣，兩臺電動機(jī)的驅(qū)動電源可用同一型號。在此，選擇合肥科林?jǐn)?shù)控科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的五相混合式調(diào)頻調(diào)壓型步進(jìn)驅(qū)動器，型號為BD5A。它與控制系統(tǒng)的連接如后圖所示。七、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源的選用車床數(shù)控化改造設(shè)計

圖BD5A驅(qū)動器與控制系統(tǒng)的連接七、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源的選用車床數(shù)控化改造設(shè)計1.存儲器與I/O芯片地址分配

根據(jù)地址譯碼器U4（74LS138）的連接情況，可以算出主機(jī)板中存儲器與I/O芯片的地址分配如表所示。八、控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計車床數(shù)控化改造設(shè)計2．控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序

系統(tǒng)設(shè)有7檔功能可以相互切換，分別是“編輯”、“空刀”、“自動”、“手動1”、“手動2”、“手動3”和“回零”。選中某一功能時，對應(yīng)的指示燈點亮，進(jìn)入相應(yīng)的功能處理。控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序流程如圖所示。

圖系統(tǒng)監(jiān)控管理程序流程圖八、控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計車床數(shù)控化改造設(shè)計B255:MOV DPTR，#3FFFH ；指向8255的控制口地址

MOV A，#10001001B ；PA口輸出，PB口輸出，PC口輸入，均為方式0

MOVX @DPTR，A ；控制字被寫入

MOVDPTR，#3FFCH ；指向PA口

MOV A，#0FFH ；預(yù)置PA口全“1”

MOVX @DPTR，A ；輸出全“1”到PA口

MOV DPTR，#3FFDH ；指向PB口

MOV A，#0FFH ；預(yù)置PB口全“1”

MOVX @DPTR，A ；輸出全“1”到PB口

RET八、控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計3．8255芯片初始化子程序車床數(shù)控化改造設(shè)計B279: MOV DPTR，#5FFFH ；指向8279控制口地址

MOV A，#0CFH ；清除FIFO與顯示RAM命令

MOVX @DPTR，A ；命令字被寫入

WAIT: MOVX A，@DPTR ；從8279的控制口讀取8279的狀態(tài)字

JB ACC.7，WAIT；測試顯示RAM有沒有被清除完畢。只有

狀態(tài)字的D7=0時，清除才結(jié)束

MOV A，#08H ；編碼掃描，左入口，16位字符顯示，雙

鍵互鎖

MOVX @DPTR，A

MOV A，#34H ；分頻系數(shù)取20

MOVX @DPTR，A

RET八、控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計4．8279芯片初始化子程序車床數(shù)控化改造設(shè)計設(shè)顯示緩沖區(qū)的首地址為6BH，系統(tǒng)在指定的工作狀態(tài)下，需要顯示的字符段碼的編碼，事先存儲在CPU內(nèi)部RAM的6BH～73H這9個字節(jié)中。已知8279的控制口地址為5FFFH，數(shù)據(jù)口地址為5FFEH，則顯示程序如下：八、控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計5．8279控制LED顯示子程序車床數(shù)控化改造設(shè)計DIR：

MOV DPTR，#5FFFH ；8279的控制口地址

MOV A，#90H ；寫8279顯示RAM的命令，

MOVX @DPTR，A；從顯示RAM的00H地址開始

寫，每寫一次，

顯示RAM的地

址自動加1

MOV R0，#6BH；顯示緩沖區(qū)的首地址為6BH

MOV R7，#09H；顯示緩沖區(qū)的長度為9個字節(jié)

MOV DPTR，#5FFEH；8279的數(shù)據(jù)口地址

DIR0: MOV A，@R0 ；從CPU的RAM中讀取顯示

段碼的編碼

ADD A，#05H ；PC與DTAB表格之間的偏移量

MOVC A，@A+PC；查表，取出顯示段碼

MOVX @DPTR，A；送到8279顯示RAM中指定的字節(jié)

INC R0 ；寫8279的下一個顯示RAM

DJNZ R7，DIR0；循環(huán)9次，完成9位顯示

RET八、控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計車床數(shù)控化改造設(shè)計；

段碼

字符

編碼

DTAB: DB 6FH ；F 00-01

DB 0DAH

DB 0BEH ；X 02-03

DB 0E7H

DB 0A3H ；Z 04-05

DB 0CBH

DB 0D1H ；U06-07

DB 0D3H

DB 0DCH ；W 08-09

DB 0CEH

DB 0DFH ；

- 0A

DB 21H ；

00B

DB 7BH ；

10C

DB 91H ；

20D

DB 19H ；

30E

DB 4BH ；

40F

DB 0DH ；

510

DB 05H ；

611

DB 69H ；

712

DB 01H ；

813

DB 09H ；

914

DB 20H ；

0. 15

DB 7AH ；

1. 16

DB 90H ；

2. 17

DB 18H ；

3. 18

DB 4AH ；

4. 19

DB 0CH ；

5. 1