机电一体化毕业设计(论文)-C618型卧式车床横向进给数控化改造.doc

xxxxxxxxxxxxxx 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 设计（论文）题目：C618 型卧式车床横向进给数控化改造 2010 年 4 月 7 日 1 摘要摘要 20 世纪中叶数控技术和数控机床的诞生标志着生产和控制领域的一个崭新时代的到 来。 科学技术和社会生产力的迅速发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的 要求。机械加工工艺过程的自动化成为实现上述要求的最重要的措施之一。它不仅能够 提高产品的质量、提高生产率、降低生产成本，还能够极大地改善生产者的劳动条件。 数控机床的工作过程是将加工零件的几何信息和工艺信息进行数字化处理，即对所 有的操作步骤和刀具与工件之间的相对位移，以及进给速度等都用数字化的代码表示。 而经济型的数控改造则对数控机床有了更新的要求。即在不改变原来功能的前提条件下， 还要特别讲究经济性、可靠性、性能优越等。所以，在改造的同时，尽量不要改变原来 的结构。 本设计是对 C618 普通卧式车床进行数控化改造。为了实现把 C618 普通卧式车床改 造成经济型数控车床，我针对此车床的主传动系统，X 向进给系统进行数控改造，并增加 了 CNC 装置和伺服系统。对进给系统，我把原先的滑动丝杠换成滚珠丝杠，以提高精度 和效率，并由原先的手动控制，改造成由电动机控制。通过变频器实现主轴传动和进给 机构的无级变速。通过单片机的设计，构成控制系统。 关键词：数控改造，滚珠丝杠. 2 ABSTRACT Naissance that 20 century middle period few technique is with the few machine the bed scribe to produce with control coming of a brand-new ages of realm. The science technique bring upped with rate of production to the quantity of the machine product with the quick development of the social productivity more and more high request.The automation that machine process the craft process one of the most important measure of becoming to realizes the above requests.It can not only increase the product quantity,increase the rate of production ,lower the production cost ,and can be still biggest ameliorative production of labor term. Work process that few machine the bed will process the spare parts several why the information proceedswith the craft informations the arithmetic figure handle,then operation allly the step have with knife with of the work piece the code for of opposite moving,and entering giving the speed waiting all using the arithmetic figure mean.But few of the economic types then reform the logarithms achine bed contain new request. Namelystillwant the superior etc.of particular about and economic,dependable,function under not changes originally the functions prior condition.Therefore,at reform at the same time ,and as far as possible dont change original construction. This design is C618 ordinary vertical horizontal machine NC transformation. In order to achieve the C618 vertical horizontal machine into the general economy CNC milling machine, I am against this horizontal the main drive system, X to the feed system NC transformation, and to increase the CNC servo devices and systems. The feed system, I replaced the original sliding screw ball screws, to improve accuracy and efficiency, and the original manual control, into the motor control. Converter to achieve through the main transmission and feed the CVT. SCM through the design of a control system. Key words: NC transformation, ball screw. 3 目录目录 摘要1 ABSTRACT.2 第一章 普通机床数控化改造的概况1 1.1 数控机床的产生 1 1.2 普通机床数控化改造的必要性 1 1.3 数控在改造中的机械部件改造 2 1.4 数控在改造中的电气部分改造 2 第二章 绪论4 2.1 机电一体化系统的基本组成要素 4 2.2 设计方案 5 第三章 进给伺服机械部分设计与计算7 3.1 设计方案的确定 7 3.2 横向进给系统的设计与计算 7 3.3 齿轮传动比的计算 .10 3.4 步进电机的选择 .13 第四章 机械部分结构设计改造22 4.1 主轴脉冲发生器的加装 .22 4.2 主轴脉冲发生器的安装 .22 4 4.3 主轴脉冲发生器的传动联接方式 .23 4.4 主轴脉冲发生器安装注意事项 .23 4.5 进给伺服系统的装配图 .23 第五章 经济型数控车床数控系统单片机控制原理25 5.1 系统的功能 .25 5.2 单片机的构造 .26 5.3 步进电机的软件控制及转程序设计 .27 第六章 机床的加工程序编制31 致谢33 参考文献34 1 第一章 普通机床数控化改造的概况 1.1 数控机床的产生 为满足多品种、小批量的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产 品频繁变化的柔性自动化机床。数控机床就是这样的背景下产生的。它为单件、小批量 生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。 但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。首先，数控机床价格昂贵，一次性投 资巨大，中小企常是心有余而力不足；目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控 机床替换根本不可能，而且被替代下的机床闲着起来又会造成浪费；在国内，订购新数 控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；通用数控机床对具体生产存在冗 余功能。 要较好的解决上述我问题，要走普通机床数控改造之路。低成本普通车床数控化改 造是一项适合我国实际情况的先进适用技术，也是一项提升我国机床数控化率的有效途 径。 1.2 普通机床数控化改造的必要性 数控机床比较传统机床有以下突出的优越性。 （1）可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高 超的运算能力，可以瞬时准确的计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复 合成复杂的曲线或曲面。 （2）可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可以比传统机床提高 3- 7 倍。 （3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配” 。 （4）可以实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 （5）拥有自动报警，自动监控，自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人 看管加工。 （6）数控机床能够降低操作人员的劳动强度，节省劳动力，减少工装，缩短新产品 调试周期和生产周期，可对市场需求做出快速反应等。 数控机床改造一般是对普通机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使机 床具有数控加工能力。 2 对现有的普通车床进行改造，主要应该解决的问题是：如何将机械传动的进给和手 工控制的刀架转位进给改造成由数控系统控制的刀架自动转位以及自动进给的自动加工 车床即经济性数控车床。 经济性数控车床，主要依靠两方面来保证和提高被加工零件的精度：一是系统的控 制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位 移的位置和速度同时实现自动控制，所以，数控车床与普通车床相比，应具有更好的精 度以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。 1.3 数控在改造中的机械部件改造 机床数控改造时应尽量达到上述要求，应对主要部件进行相应的改造，使其达到要 求，这样才能达到预期的改造目的。不能认为将数控装置与普通机床联系在一起就达到 了数控机床的要求。 对机械部分的改造主要包括下列部分： （1） 对车床的传动系统进行改造：去掉冗余的齿轮。改动后的齿轮具有消除反向 死区误差的功能。 （2） 将主轴进行改造，使之能与标准部件 KEF250 型动力卡盘相配套；同时具有 符合数控车床的加工精度。 （3） 将带动溜板箱的纵轴丝杠传动更换成滚珠丝杠，用步进电动机驱动； （4） 将移动刀架的横向丝杠传动更换成滚珠丝杠，用步进电动机驱动； （5） 更换原刀架为电动刀架，并选用标准部件相配，使之适应数控机床的需要。 改造后的车床，应具有高的静、动态刚度；运动副之间的摩擦因数小；传动无间隙； 功率大；便于操作和维修。 1.4 数控在改造中的电气部分改造 保留原有电气控制主电路，所有输入、输出设备不变。对电气系统作局部改造，则 应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。 新的电气系统改造完成后，进行调试以及确定合理的验收标准。 改造原则 （1）最大限度地满足被控设备或生产过程的控制要求； （2）在满足要求的前提自爱，力求系统简单经济、操作方便； 3 （3）保证控制系统工作安全可靠； （4）考虑今后生产的发展和工艺的改进，在设计容量时，应适当留有进一步扩展的 余地。 4 第二章 绪论 2.1 机电一体化系统的基本组成要素 一个较完善的机电一体化系统，他包含以下几个基本要素：机械本体，动力与驱动 部分.执行机构，传感测试部分，控制及信息处理部分。我们将这些部分归纳为：结构组 成要素，动力组成要素，感知组成要素，智能组成要素；这些组成要素内部及其相互之 间，通过接口耦合，远动传递，物质流动，信息控制，能量转换有机融合集成一个完整 系统。 1.机械本体 系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身，框架，联接等。由于机电一体化产 品技术性能，水平和功能的提高，机械本体要在机械结构，材料，加工工艺以及几何尺 寸等方面适应产品高效，多功能，可靠和节能，小型和轻量，美观等要求。 2.动力部分 按照系统功能要求，为系统提供能量和动力使系统正常运行。用尽可能小的动力输 入获得尽可能大的输出功能，是机电一体化产品的显著特征之一。 驱动部分在控制信息作用下，提供动力，驱动个执行机构完成各种动作和功能。机 电一体化系统一方当面要求驱动的高效率和快速响应特性，同时要对水，油，温度，尘 埃等外部环境的适应性和可靠性。由于电力技术的高度发展，高性能步进驱动，直流和 交流伺服驱动大量应用与机电一体化系统。 3.测试传感部分 对系统运行中所需要的内部和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信 号，传输到信息处理单元，经过分析，处理后产生相应的控制信息。其功能一般由专门 的传感器和仪器仪表功能。 4.执行机构 根据控制信息和指令，驱动对象完成要求的动作，执行机构是运动部件，一般采用 机械，电磁，电液等机构。根据机电一体化系统的匹配性要求，需要考虑改善性能，如 提高刚性，减轻重量，实行主件化，标准化和系列化，提高系统整体可靠性。 5.控制及信息单元 5 将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中，存储，分析，加工，根据信 息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。一般 由计算机，可编程控制器（PLC） ，数控装置以及逻辑电路，A/D 与 D/A 转换，I/O 接口和 计算机外部设备组成。机电一体化系统对控制和信息处理单元基本要求是：提高信息处 理速度，提高可靠性，增强抗干扰能力以及完善系统 自诊断功能，实现信息处理智能化 和小型化，标准化。 6.接口耦合.能量转换 （1) 变换 两个需要进行信息交换和传输的环节之间，由于信息的模式不同，无法 直接实现信息或能量的交流，通过接口完成信息或能量的统一。 （2）放大 在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量的匹配。 （3）耦合 变换和放大后的信号在环节间能可靠，快速，准确的交换，必须遵循一 致的时序，信号格式和逻辑规范。接口应保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定模式 进行传递。 （4）能量转换还包括了执行器，驱动器的不同类型能量的最最优转换方法和原理。 7.信息控制 在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元，在软，硬件的保证下，完成数据采 集，分析，判断，决策，以达到信息控制的目的。对于智能化程度高的系统，还包括了 知识获推理机制及知识自学习等以知识驱动为主的信息控制。 8. 运动传递 运动传递是指各组成要素之间不同类型运动的变换和传输以及以运动控制为目的的 优化。 由于采用四大原则使各组成要素联接成为一个有机整体由于控制和信息处理单元的 预期信息导引，使各环节有目的地协调一致运动，从而形成机电一化系统工程。 2.2 设计方案 1.系统运动方式的确定 数按系统运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。 2.伺服系统的选择 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。 开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向送的。指令发 6 出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环系统主要由步进电机驱动。 闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能 补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或位流伺服电机 驱动。 半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元件出 驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系 统和闭环系统之间。 3.执行机构传动方式的确定 为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、 低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点： （1）尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、 贴塑导轨等。 （2）尽量消除传动间隙。例如采用间隙齿轮等。 （3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采 用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。 7 第三章 进给伺服机械部分设计与计算 3.1 设计方案的确定 利用微机对纵横进给系统进行开环控制，横向脉冲当量为 0.005mm/脉冲，驱动元件 采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。 采用微机对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速滚珠丝 杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。 图 3.1 经济型数控车床进给伺服系统总体方案框图 3.2 横向进给系统的设计与计算 （1） 横向进给系统的设计 一般步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上， 用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴，提高传动精度。 8 图 3.2 二对齿轮副减速 （2） 横向进给系统的设计计算 由于横向进给系统的设计计算与纵向进给系统的设计计算类似，所用到的公式不再 详细说明，只计算结果。 已知条件： 工作台质量（根据图纸粗略计算） W=30kgf=300N 时间常数 T=25ms 滚珠丝杠基本导程 L0=4mm 左旋 行程 S=160mm 脉冲当量： mm/step005 . 0 p 步距角： /step 0 75 . 0 快速进给速度： m/min1 max V 切削力计算 横向进给量纵向的 1/21/3，取 1/2 9 则： 切削力约为纵向的 1/2 kgfNFZ015.10515.1050 3 . 2100 2 1 在切断工件时 NkgfFF Zy 525 5 . 52015.1055 . 05 . 0 (3) 滚珠丝杠设计计算 1)强度计算：对于燕尾型导轨： 由数控技术可知，导轨车床丝杠的轴向力： 式中 K=1.4 =0.150.18)(WFfKFP ZX f 取 0.2 则 NNkgfP1005 5 . 100)3001.105(2 . 0 5 . 524 . 1 2)强度计算： 寿命值 6 10 60 L i nT 5 . 13 10 150001560 6 最大动负载 查表得：运转系数 硬度系数 2 . 1 w f1 H f 则 QNkgfN15.287 5 . 2871 5 . 10012 . 1 5 . 13 3 根据最大动负荷 Q 的值，可选则滚珠丝杠的型号。所以，滚珠丝杠的型号为： FDM2004-2.5-P3 10 3.3 齿轮传动比的计算 3.3.1 效率计算： 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为： )( tg tg 式中 摩擦角 螺旋升角0 1 933 则 96 . 0 )01933( 933 tg tg 3.3.2 刚度验算： 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 EF PL L 0 1 式中 mm=0.4m：4 0 L 26 /10 6 . 20cmNE 滚珠丝杠截面积 14 . 3 ) 2 8031 . 2 () 2 ( 22 d F 则 cm 6 26 1 1004 . 3 14 . 3 ) 2 38 . 2 (10 6 . 20 4 . 010 5 . 100 L 滚珠丝杠受扭矩引起的导程的变化量L2 很少，可以忽略。 即：L=L1。所以导程变形总误差为： =L=um/m 0 100 L 6 . 71004 . 3 4 . 0 100 6 11 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（1m 长）为 15um/m 故刚度足够。 3.3.3 齿轮及转矩的有关计算 (1)有关齿轮计算 传动比 67 . 1 3/5 005 . 0 360 475 . 0 360 0 P L i 故取 Z1=18 Z2=30 m=2 mm B=20 mm 0 20 mmmzd36182 11 mmmzd60302 22 mmhdd aa 402 * 1 1 mmhdd aa 642 * 2 2 mm dd a48 2 6036 2 21 (2)转动惯量计算： 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 222 1 .0139 . 0 100/130) 75 . 0 14 . 3 005 . 0 180 () 180 (cmkgWJ P 丝杠的转动惯量 244 1 44 624 . 0 502108 . 7108 . 7kgcmLDJZ 齿轮的转动惯量 244 .262 . 0 26 . 3108 . 7 1 cmkgJZ 12 244 .022 . 2 26108 . 7 2 cmkgJZ 电动机转动惯量很少，可以忽略 因此，总的转动惯量 1 2 12 )( 1 JJJJ i J ZZZ 0139 . 0 262 . 0 )022 . 2 624 . 0 () 5 3 ( 2 =1.2589 2 .cmkg 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 0max MMMM fa 最大切削负载时所需力矩 tfat MMMMM 0 快速进给时所需力矩 mN T J M n a .2184. 010 025 . 0 6 . 9 7 .416258 . 1 10 6 . 9 44max max 当时 max nn aaman MM min/ 7 . 416 4 3/51000 0 max r L iv nman min/17.33 346014 . 3 515 . 0 1001000 1000 00 r L f D v L fn n i i t 主 cmkgfmNMa.1775 . 0 .0174 . 0 10 025 . 0 6 . 9 17.33258 . 1 4 i WLf i LF M f 22 000 当 时8 . 016 . 0 f 13 cmkgfM f .287 . 0 58 . 014 . 3 2 34 . 0302 . 0 )1 ( 6 2 0 0 0 i LF M y mNkgfcm.011 . 0 116 . 0 )9 . 01 ( 58 . 014 . 3 6 34 . 019.38 2 kgfcm i LF M y t 824 . 1 58 . 014 . 3 2 34 . 019.38 2 0 所以，快速空载启动所需转矩 0max MMMM fa cmNcmkgf.33.26.633 . 2 116 . 0 287 . 0 23 . 2 切削时所需力矩： tfat MMMMM 0 824 . 1 116 . 0 287 . 0 1774 . 0 =2.404kgf.cm=24.04N.cm 快速进给时所需转矩： cmNcmkgfMMM f .03 . 4 .403 . 0 106. 0287 . 0 0 由以上分析计算可知： 所需最大力矩发生在快速启动时 maz M =2.633kgf.cm=26.33N.cm maz M 3.4 步进电机的选择 首先必须保证步进电机的输出转矩大于所负载需的转矩。所以应先计算机械系统的 负载转矩，并使用电机的输出转矩有一定余量，以保证可靠运行。通用 M/ maxj M 14 =0.20.5，为步进电机最大静态转矩，M 为负载转矩。 maxj M 其次应使步进电机的步距角与机械系统匹配，以得到机床所需的脉冲当量。 最后应使被选电机与机械系统的负载惯量及机床要求的启动频率相匹配，并有一定 余量，还应使其最高工作频率能满足机床移动部件快速移动的要求。 (1)横向进给步进电机 初选步进电机 a 计算步进电机负载转矩 m T = m T b mpF 2 36 脉冲当量（mm/step）取 =0.005mm/step p p 进给牵引力（N）取 =1890。65N m F m F 步距角，初选双拍制为 b 0 75 . 0 电机丝杆的传动效率，为齿轮、轴承、丝杆效率之积，分别为 0 98、0.99、0.99 和 0.94。 =N.cm m T b mpF 2 36 56.139 94 . 0 99 . 0 99 . 0 98 . 0 75 . 0 14 . 3 2 65.3296005 . 0 36 b 算步进电机启动转矩 根据负载转矩除以一定的安全系数来估算步进电机启动转矩 m T q T =/0.30.5 q T m T 一般纵向进给伺服系统的安全系数取 0.30.4 = /0.4=279.11/0.4=697.775N.mm q T m T 15 c 计算最大静扭矩 查综合作业指导书表 3-22，如取五相十拍，则=0.951 maxj q T T =/0.951=697.775/0.951=733.72N.mm maxj T q T d 计算步进电机运行的频率和最高起动频率 k f =HZ e f p s v 60 1000 667.2666 005 . 0 60 8 . 01000 =HZ k f67.6666 005 . 0 60 21000 60 1000 max p v 式中： 最大切削进给速度 m/min ， =0.8m/min s v s v 最大快移速度 m/min， =2.4m/min max v max v 脉冲当量， =0.005mm/step p p e e 初步选电机型号 (1)根据估算出的最大的静转矩=733.72N。mm 在表 3-23 中查出 130BF003 最大 maxj T 静扭矩为 784N733.72N 可以满足要求， ，但从表中看出 130BF003 步进电机最高空载起动 频率为 1500HZ，不能满足=3333HZ 的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件开降 k f 速程序来解决。 (2)核步进电机转矩 前面所初步电机的转矩计算，均为估算，初迭之后，应该进行校核计算。 效转动惯量计算 计算简图如前（a）所示，根据综合作业指导书表 3-24，传动系统计算到电机轴 上的总的转动惯量 可由下式计算： J 16 =()() J m J 1 J 2 )( 2 1 Z Z 2 J S J g G 2 ) 2 ( 0 L 步进电机转子转动惯量（） m J 2 .cmkg 。矢轮 Z1Z2 的转动惯量（） 1 J 2 J 2 .cmkg 滚珠丝杆转动惯车（） S J 2 .cmkg 参考同类型机床，初步反应式步进电机 130BF， 其转子转动量=4.7（） m J 2 .cmkg 对于钢材： =0.78=J 4 D 3 10L 8 3 MD 圆柱体质量 kg。M 圆柱体直径。D 圆柱体长度或厚度。L 钢材的密度为 7.8×（）L 3 10 2 .cmkg =0.78=0.78（） 1 J 4 D 3 10L24 . 6 4 3 10 2 .cmkg =2.62（） 2 .cmkg =0.78=0.78（） 2 J 4 D 3 10L284 3 10 2 .cmkg =6.39（） 2 .cmkg =0.78 s J 4 D 3 10L 17 =1500mm=150cm =45mm=4.5cmLD （）952.2915041078 . 0 43 s J 2 .cmkg 溜板及刀架重力取 1500N.G 代入公式可得： =()() J m J 1 J 2 )( 2 1 Z Z 2 J S J g G 2 ) 2 ( 0 L =4.7+2.62+(6.39+39.952)+ 2 ) 40 32 () 8 . 9 1500 ( 2 ) 2 6 . 0 ( =34.152（） 2 .cmkg 考虑步进电机与传动系统惯车匹配问题： /=4.7/34.152=0.1376 M J J 满足惯量匹配的要求。 电机转矩的计算 机床在不同的公况下，其所需转矩是不同的，下面分别按个阶段计算： a.快速进给进所需转矩： max a M =M max a M f M 0 M 快速空载起动转矩M 空载起动时计算到电机轴上的加速转矩（N.cm） max a M 计算到电机轴上的磨擦转矩。 f M 由于丝杆预紧里计算到电机轴上的附加转矩（N.cm） 0 M 采用丝杠螺母副传动时，上述各种转矩（N.cm）可用下式计算 18 = max a M J J 2max 10 60 2 a t n 将前面数据代入式中个符号意义同前 =r/min max n1000 360005 . 0 75 . 0 2400 360 max p ba v 起动加速时间 =25ms a t 传动系统计算到电机轴上的总等数转动惯量 J 电机最大角加速度 电机最大转速 max n 运动部件最大快进速度(mm/min) max v 步进电机的步距角 b 运动部件从停止起加速到最大快进速度所需时间（S） a t 脉冲当量（mm/step） b =34.152（） J 2 .cmkg =1000 r/min max n =548.63 N.cm max a M J J 2max 10 60 2 a t n 025 . 0 60 1050014 . 3 2452.34 2 折算到电机轴上的磨擦转矩 f M 19 = f M 12 0 ' 00 /2 )( 2ZZ LGFf i LF Z 丝杆导程=6mm=0.6cm 0 L 0 L 导轨的磨擦力（N） 0 F 垂直方向的切削力(N) Z F 运动部件的总当量G 导轨摩擦系数 ' f 齿轮降速比i 传动连总效率，一般可取 0.70.85，取 0.8 则 ： = N.cm f M 12 0 ' 00 /2 )( 2ZZ LGFf i LF Z 25 . 1 8 . 014 . 3 2 6 . 0)1500 5 . 6830(17 . 0 =135.30 N.cm 附加摩擦转矩： = 0 M)1 ( 2 2 0 0 0 i LFP 滚珠丝杆预加负荷，一般取 1/3，为进给牵引力 1890.65 0 P F m F m F =1/3=1098.88N 0 P F m F 滚珠丝杆导程（cm）： 0 L 20 =0.6cm 0 L 滚珠丝杆未预紧时的传动效率一般取0.9 ，因此取 0.92 0 = 0 M)1 ( 2 2 0 0 0 i LFP )1 ( /2 3/1 2 0 12 0 ZZ LFm =)92 . 0 1 ( 25 . 1 8 . 014 . 3 2 6 . 088.1098 2 =16.126 N.cm 上述三项合计： =+=16.126+135.30+71.49=222.916N.cmM 0 M f M max a M b. 快速移动时所需转矩： ' M =+=86.66+9.25=95.91 （N.cm） ' M f M 0 M 最大的切削负载时所需转矩：=+ “ M “ M f M 0 M t M 折算到电机轴上的切削负载转矩 t M =N.cm t M15.163 25 . 1 8 . 014 . 3 2 6 . 0625.1707 2 0 i LFx 从上面计算可知，、和三种工况下，以快进空载起动所需转矩最大，即可M ' M “ M 以作为校核步进电机转矩的依据M 从综合作业指导书表 322 查出，当步进电机为五相十拍时， max j q M M 则最大转矩为： N.cm40.234 951 . 0 916.222 max M M j 查表 323 中 130BF003 型步进电机最大转矩为 784N.cm，大于所需最大静转矩，可 以满足要求。 c.校核步进电机起动矩频特性和运行转矩频特性。 21 已计算出机床最大快移时需步进电机的最高起动频率为 3333Hz，切削进入时所需 k f 步进电机运行频率为 1333.3Hz。 e f 从综合作业指导书表 323 中查出 130BF003 型步进电机允许的最高空载起动频 率为 1500Hz，运行频率为 7000Hz，再从综合作业指导书 图 315，316 查出 130BF 步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如（C）图所示，当步进电机起动时， =2500Hz 时，=100N.cm，不能满足此机床所要求的空载起动力矩 222.916N.cm。直接fM 使用则会施行失步现象，所以必须采取开降进控制用软件实现 ，将起动频率到 1000Hz 起动转矩可增高到 588.4N.cm，然后电路上再采用高低压驱动电路，可将电机输出转矩扩 大一倍左右。 当快速运动和切削进给时，130BF003 型步进电机运行矩频特性（D）图完全可以满足 要求： 图 3.3 步进电机启动矩频特性曲线 22 第四章 机械部分结构设计改造 4.1 主轴脉冲发生器的加装 主轴脉冲发生器又称光电编码器，在数控车床上加工螺纹或丝杠，需要配置主轴脉 冲发生器，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发出主轴转角 位置变化的信号，输送到数控系统。数控系统按照所需加工的螺距进行计算处理，从而 控制机床纵向或横向的步进电机运转，实现加工螺纹的目的。 本机床的设计加工螺距如下序列： 6mm 5mm 3.5mm 3mm 2.5mm 2mm 1.75mm 1.5mm 1.25mm 1mm 0.75mm 0.7mm 0.6mm 0.5mm 0.4mm 0.35mm 0.3mm 0.25mm 在使用主轴脉冲发生器时，受到步进电机频率的限制。例如采用 1000Hz 工作频率， 加工 3mm 螺距的螺纹时，步进电机的频率为 300Hz，而主轴脉冲发生器的频率为： 1000×60Hz=60000Hz 所以车床主轴转速为：n=1000×60/300=200r/min 即车床主轴转速不得超过 200r/min。 再例如采用 2000Hz 工作频率，加工 3mm 螺距的螺纹时，步进电机的频率为 300Hz， 而主轴脉冲发生器的频率为：2000×60Hz=120000Hz 所以车床主轴转速为：n=2000×60/300=400r/min 即车床主轴转速不得超过 400r/min。由此可知，当螺距越大时，允许的车床主轴转 速也就越低。 23 4.2 主轴脉冲发生器的安装 主轴脉冲发生器可直接安装在主轴的后方，与主轴同轴安装，如下图： 图 4.1 主轴脉冲发生器安装图 4.3 主轴脉冲发生器的传动联接方式 本设计的传动联接方式为柔性联接，这种联接，在实现角位移传递的同时，又能吸 收车床主轴的部分振动，使得仪器运转平稳、传递信号准确。这种柔性联接，是把主轴 与主轴脉冲发生器用波纹管或橡胶管等弹性元件联接起来。 4.4 主轴脉冲发生器安装注意事项 a 主轴脉冲发生器属于精密光学仪器，安装时应格外小心轻放，不能有较大的冲击和 振动以免损坏光栅。 b 任何