CA6140车床主轴箱的数控化改造

毕 业 设 计

题 目：CA6140车床主传动变速箱的数控

改造设计

系 别：机电工程学院

班 级：

姓 名：

指导教师：

职 称：工 程 师

日 期：2007年5月16日

目 录

前言 (2) 摘要 (3) 设计任务及要求 (4) 一 车床主传动变速箱结构分析 (5)

二 数控车床头箱结构分析 (6)

2.1 主传动系统

2.2 进给传动系统

2.3 自动回转刀架

2.4 机床尾座

三 伺服系统及步进电动机的设计和计算 (7)

3.1伺服系统结构改造设计方案

3.2 进给伺服机构机械部分的设计计算

四 同步带传动设计 (14)

4.1 同步齿形带的选择和校核

4.2 主轴组件的设计

五 数控系统驱动的电路设计 (19)

5.1硬件电路的基本组成

5.2 控制系统的功能

六 润滑系统的改造 (22) 体会 (23) 参考文献…………………………………………… (23)

前 言

本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造,以步进电机驱动横向进给运

动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大

缩短,传动件数减少,从而提高机床的精度。

设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,

收集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床

的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。

随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零

件的加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种

增多,产品更新换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。

同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。

机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于

计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技

术进行柔性自动化控制的新一代机床－数控机床的诞生和发展。计算机的出现和

应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发

展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及

结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化

的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。

数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工

件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具

的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制

介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指

令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。

数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：

1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工

工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。

2. 加工精度高；

3. 生产效率高；

4. 减轻劳动强度，改善劳动条件；

5. 良好的经济效益；

6. 有利于生产管理的现代化。

数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近

几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、

复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，

还存在差距，还不能满足国家建设的需要。我国是一个机床大国，有三百多万台

普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家

的1/10左右，差距太大，急待改造。

CA6140型车床主轴箱的数控化改造设计

摘要:了解数控机床的概念，所谓数字控制是按照含有机床(刀具)运

动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就

是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,可以在同一机

我国现床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它

的价格昂贵。由于在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,

要更新现有机床需要很多资金。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：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠,由步进电机带动。

总体设计方案:CA6140车床主轴转速部分保留圆机床的手动变速功

能。车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动。最后,根据已知

条件对纵向横向伺服进给机构进行设计与计算。

关键词:数控、车床、改造

CA6140普通车床主轴箱数控化改造设计的任务及设计要求

（一） 设计任务

1.主要内容

对CA6140车床主传动变速箱进行数控改造。研究内容包括CA6140车床主传

动变速箱结构分析、数控车床头箱结构分析、步进电机选择、主轴结构设计、齿

形带传动设计、驱动方案和驱动电路设计等。

2.技术指标

（1）主轴调速范围：0～2000r/min；

（2）步进电机开环控制。

（二）设计要求

1.毕业设计（论文）一份：有200字左右的中英文摘要，正文后有5篇左右

的参考文献，正文中要引用3篇以上文献，并注明文献出处。论文字数在8000

字以上；

2.主轴零部件图、驱动方案框图、驱动电路图等相关图纸

（三）总体方案的确定

由于被改装的机床本身的机械结构不是按数控机床的要求设计的，其精度和

刚度等性能指标往往不能满足数控机床的要求，因此将普通机床改造为全功能的

数控机床，一味追求先进指标则会得不偿失，所以确定总体方案的原则应当是在

满足生产需要的前提下，对原机床尽可能减少机械部分的改动量，选择简单易用

的数控系统，达到合理的性价比。本次改造设计要求就是根据这一原则提出的。

根据设计要求、依据设计参数及机床数控改造的理解，总体方案确定如下：

1.系统的运动方式与伺服系统的选择

由于改造后的经济型数控机床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂

停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经

济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环

控制系统。

2.计算机系统

根据机床要求，采用8位微机。由于MCS—51系列单片机具有集成度高，

可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决

定采用MCS—51系列的8031单片机扩展系统。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机

功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采

用数码管显示加工数据及机床状态等信息。

3.机械传动方式

为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝

杆，为保证一定的传动精度和平稳度，尽量减少摩擦量力，选用滚珠丝杆螺母副。

同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用

消除齿侧间隙的结构。

一、CA6140车床主传动变速箱结构分析

主轴箱的结构分析

机床主轴箱是一个比较复杂的传动件.表达主轴箱各传动件的结构和

装配关系时常用展开图.展开图基本上 是按各传动链传递运动的先后顺序,沿轴

心线剖开,并展开在一个平面上的装配图(如图1) ：

图 1

1——花键套；2——带轮；3——法兰；4——箱体；5——钢球；6——齿轮；7——

销；8、9——螺母；

10——齿轮；11——滑套；12——元宝销；13——制动盘；14——制动带；15——

齿条；16——拉杆；

17——拨叉；18——齿扇；19——圆键

1.CA6140型车床主轴箱展开图如上图所示。

该图是沿轴IV一I一II一III(V)一VI一XI一X的轴线剖切面展开

的。展开图把立体展开在一个平面上，因而 其中有些轴之间的距离拉开了。如

轴IV画得III与轴V较远，因而使原来相互啮合的齿轮副分开了。读展开图时 ，

首先应弄清楚传动关系。

1卸荷带轮电动机经皮带将运动传至轴I 左端的带轮2（见图1的左上部

分）。带轮2与花键套1用螺钉连接成一体，支承在法兰3内的两个深沟球轴承

上。法兰3固定在主轴箱体4上，这样带轮2可通过花键1带动轴I旋转，皮带

的拉力则经轴承和法兰3传至箱体4。轴I 的花键部分只传递转距，从而可避免

因皮带拉力而使轴I产生弯曲变 形。这种带轮是卸荷的（既把径向载荷卸给箱

体）。

二、数控车床头箱结构分析

数控车床的典型结构。

1．主传动系统

数控车床主运动要求速度在一定范围内可调，有足够的驱动功率，主轴回转

轴心线的位置准确稳定，并有足够的刚性与抗振性。

如下图所示为济南第一机床厂生产的MJ-50型数控车床的传动系统图。

2．进给传动系统

数控车床进给传动系统是用数字控制X、Z坐标轴的直接对象，工件最后的

尺寸精度和轮廓精度都直接受进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为

此，数控车床的进给传动系统应充分注意减少摩擦力，提高传动精度和刚度，消

除传动间隙以及减少运动件的惯量等。

为使全功能型数控车床进给传动系统要求高精度、快速响应、低速大转矩，

一般采用交、直流伺服进给驱动装置，通过滚珠丝杠螺母副带动刀架移动。刀架

的快速移动和进给移动为同一条传动路线。

如图3-3所示，MJ-50数控车床的进给传动系统分为X轴进给传动和Z轴进

给传动。

3．自动回转刀架

数控车床的刀架是机床的重要组成部分，其结构直接影响机床的切削性能和

工作效率。回转式刀架上回转头各刀座用于安装或支持各种不同用途的刀具，通

过回转头的旋转﹑分度和定位，实现机床的自动换刀。回转刀架分度准确，定位

可靠，重复定位精度高，转位速度快，夹紧性好，可以保证数控车床的高精度和

高效率。

按照回转刀架的回转轴相对于机床主轴的位置，可分为立式和卧式回转刀

架。

（1）立式回转刀架

（2）卧式回转刀架

4．机床尾座

如右图所示为MJ-50数控车床出厂时配置的标准尾座结构简图。

从它上面我们可以看出，对CA6140车床的改造的方向。

三.机床进给伺服系统机械部分以及步进电动机的设计和计算

（一）进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案

1.纵向进给机械结构改造方案

拆除原机床的进给像、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮

减速箱和滚珠丝杠螺母副。为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴

承支承方式。齿轮间隙采用双薄片调隙方式。

利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杆仍安置在原

来的位置，两端仍采用原固定方式。这样可减少改装工作量，并由于滚珠丝杠的

摩擦系数小于原丝杠，且外径比原先的大，从而使纵向进给整体刚度只可能增大。

纵向进给机构都采用了一级齿轮减速。双片齿轮间没有加弹簧自动消除间

隙。因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载大时，弹簧弹力显小，起

不到消除间隙之目的；当负载小时，弹簧弹力又显大，则加速齿轮的磨损。因此，

采用定期人工调整、螺钉紧固的办法消除间隙。

纵向齿轮箱和溜板箱均加外罩，以保持机床原外观，起到美化机床的效果，

在溜板箱上安装了纵向快速进给和急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇

到意外情况时的急停处理需要。

2.横向进给机械结构改造方案

拆除原中拖板丝杆，安装滚珠丝杆副，为提高横向进给系统刚度，支承方式

采用两端装止推轴承。步进电机、齿轮箱安装于机床后侧，为了使减速机构不影

响走刀，同时消除传动过程的冲击，减速机构采用二级传动，从动轮采用双薄片

错位消除间隙。

(二)进给伺服机构机械部分的设计计算

1. 选择脉冲当量

根据机床精度要求确定脉冲当量，

纵向：0.01mm/步， 横向：0.005mm/步（半径）

2.计算切削力

2.1纵车外圆

主切削力FZ（N）按经验公式估算：

FZ=0。67Dmax1。5=0。67*4001。5=5360

按切削力各分力比例：

FZ/FX/FY=1/0.25/0.4

F X=5360×0.25=1340

FY=5360×0.4=2144

2.2横切端面

主切削力FˊZ（N）可取纵切的0.5

FˊZ=0.5FZ=2680

此时走刀抗力为FˊY（N），吃刀抗力为Fˊx（N）。仍按上述比例粗略计

算：

FZ/FX/FY=1/0.25/0.4

FˊY=2680×0.25=670

FˊX=2680×0.4=1072

3.滚珠丝杆螺母副的计算和选型

3.1纵向进给丝杆

3.1.1计算进给牵引力Fm（N）

纵向进给为综合型导轨

Fm=KFx+fˊ（Fz+G）

=1.158×1340+0.16×（5360+800）

=2530

式中 K—考虑颠复力距影响的实验系数，综合导轨取K=1.15；

fˊ—滑动导轨摩擦系数：0.15—0.18；

G—溜板及刀架重力：G=800N

3.1.2计算最大动负荷C

C=3√LfWFM

L=60×n×t/106

N=1000×Vs/Lo

式中 Lo—滚珠丝杆导程，初选L=6mm；

Vs—最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/2—1/3），此

处Vs=0.6m/min

T—使用寿命，按15000h；

fw—运转系数，按一般运转取F=1.2—1.5；

6 L—寿命、以10为一单位。

n=1000Vs/Lo=1000×0.6×0.5/6=50r/min

66L=60×N×T/10=60×60×15000/10=45

C=3√LfwFm=3√45×1.2×2530=10798.7N

3.1.3滚珠丝杆螺母副的选型

查阅表，可用W1L400b外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副，1列2.5

圈，其额定动负载为16400N，精度等级按表4-15选为3级（大致相当老标准E

级）。

3.1.4传动效率计算

η=tgγ/tg(γ+φ)

试中γ—螺旋升角，W1L400bγ=2º44ˊ

φ—摩擦角10ˊ滚动摩擦系数0.003--0.004

η=tgγ/tg(γ+φ)

=tg2º44ˊ/tg(2º44+10ˊ)=0.94

3.1.5刚度验算

最大牵引力为2530N。支撑间距L=1500mm螺母及轴承均进行预紧，预紧力

为最大轴向负荷的1/3。

A. 丝杠的拉伸或压缩变形量δ1

-5 根据Pm=2530N，D0=40mm，查出ΔL/L=1.2×10

可算出：

-5-2 δ1=δL/L×1500=1.2×10×1500=1.8×10

由于两端采用向心推力球轴承，且丝杆又进行了预拉伸，故其拉压刚度可

以提高4倍。其实际变形量 δ1(mm)为：

δˊ1=0.25×10-2

B．滚珠与螺纹滚道间接触变形δq

W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量δq ：

δq=6.4µm

因进行了预紧， δ2 =0.5δq =0.5×6.4=3.2µm

C．支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形δ3

采用8107型推力球轴承，d1=35mm，滚动体直径dq=6.34mm，滚动体

数量Z=18，δc=0.0024×3√Fm2/(dq×Z2)

=0.0024×3√2532/(6.35×182)

注意，此公式中Fm单位为kgf

应施加预紧力，故

δ3=0.5δ=0.5×0.0075=0.0038mm

根据以上计算：δ= δ1+δ2+δ3

=0.0045+0.0032+0.0038

=0.0115mm＜定位精度

3.1.6稳定性校核。

滚珠丝杆两端推力轴承，不会产生产生失稳现象不需作稳定性校核。

3.2横向进给丝杆

3.2.1计算进给牵引力Fˊm

横向导轨为燕尾形，计算如下：

Fˊm=1.4×Fˊy+fˊ(Fz+2Fˊx+Gˊ)

=1.4×670+0.2×(2680+2×1072+600)≈2023N

3.2.2计算最大动负荷C

n=1000×V3/L0=1000×0.3×0.5/5=30

L=60×n×T/106=60×30×15000/106

C=3√LfwFˊm=3√27×1.2×2030=7283N

3.2.3选择滚珠丝杠螺母副

从附录A表3中查出，W1L20051列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额

定动载荷为8800N，可满足要求，选定精度为3级。

3.2.4传动效率计算

η=tgγ/tg(γ+φ)=tg4º33ˊ/tg(4º33ˊ+10ˊ)=0.965

3.2.5刚度验算

横向进给丝杠支承方式如 图所示，最大牵引力为2425N，支承间距

L=450mm，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。

计算如下：

A.丝杠的拉伸或压缩变形量δ1(mm)

查图4-6，根据Fˊm=2032N，D0=20MM，查出δL/L=5×10ˉ5 可算出

δ1= δL /L×L=4.2×10‐5 ×450=1.89×10‐2mm

显然系统应进行预拉伸，以提高刚度

故 δˊ=0.25δ1=4.7×10—3

B.滚珠与螺纹滚道间接触变形

查资料（《机床数控改造设计与实例[M]．1版》，）。 δq=8.5

μm

因进行了预紧 δ2=0.5δq=0.5×8.5=4.25μm

C.支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形

采用8103型推力球轴承，dq=5

Z=13

d=17mm

δc=0.00243√Fm2/(dq×Z2)

323 =0.0024√202.3/5×13=1.3×10ˉ

考虑到进行了预紧，故

δ3=0.5 δc=0.5×1.3×10ˉ3=6.5×10–4

综合以上几次变形量之和得：

δ=δˊ

1δ2δ3=4.7×10¯3+4.25×10¯3/+

=0.0096＜0.015（定位精度 ）

3.2.6稳定性校核

滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。传动比计算

4.传动比计算

4.1纵向进给齿轮箱传动比计算

已确定纵向进给脉冲当量 δp =0.01，滚珠丝杠导程L0=6mm，初选步进电机

步距角0.75。可计算出传动比i

i=360δp / θbL 0 =390×0.01/0.75×6=0.8

可选定齿轮齿数为：

I =Z1/Z2

Z1=32，Z2=40 ，或Z1=20，Z2=25

4.2横向进给齿轮箱传动比计算

已确定横向进给脉冲当量δp =0.005，滚珠丝杠导程L0=5mm，初选步进电机

步距角0.75º。可计算出传动比i

I=360δp / θbL 0=360×0.005/0.75×5=0.48

考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效

行程，故此处可采用两级齿轮降速：

i=Z1Z2/Z3Z4=3×4/5×5=24×20/40×25

Z1=24，Z2=40，Z3=20，Z4=25

5.5.1纵向进给步进电机计算

5.1.1等效传动惯量计算

方法计算如下，传动系统折算到电机轴上的总传动惯量JΣ(kg cm2)可有下式

计算：

22JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)〕

式中：Jm—步进电机转子转动惯量(kg cm2)

2J1，J2—齿轮Z1、Z2的转动惯量(kg cm)

Js—滚珠丝杠传动惯量(kg cm2)

参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量Jm=10(kg

2 cm)

J1=0.78×10­3×d14·L1=0.78×10­3×6.42×2=2.6 kg cm2

J2=0.78×10­3×d24·L2=0.78×10­3×82×2=6.39 kg cm2

Js=0.78×10­3×44×150=29.952 kg cm2

G=800N

代入上式：

22 JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)〕

=10+2.62+(32/40)2〔(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2π)2〕

=36.355 kg cm2

考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。

Jm/JΣ=10/36.355=0.275

基本满足惯量匹配的要求。

5.1.2电机力矩计算

机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面分别按各阶段计算：

A.快速空载启动力矩M起

在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：

M起=Mamax+Mf+Ma

Mamax=JΣ·ε= JΣnnax×10­2/(60×ta/2π)

­2 = JΣ×2π·nmax×10/(60×ta)

nmax=νmax·θb/δp·360

将前面数据代入，式中各符号意义同前。

nmax=νmax·θb/δp·360=2400×0.75÷(0.01×360)=500r/min

启动加速时间ta=30ms

Mamax=JΣ×2π·nmax×10­2/(60×ta)

=36.355×2π×500×10­2/(60×0.03)

=634.5N·cm

折算到电机轴上的摩擦力距Mf：

¹ Mf=FOL0/2πηi=f(Pz+G)×L0/(2πηZ2/Z1)

=0.16×(5360+800)×0.6/(2π×0.8×1.25)=94N·cm

附加摩擦力距M0

MO=FPOL0(1-η02)/2πηi=1/3×Ft×L0(1-η02)/(2πηZ2/Z1)

2 =1/3×2530×0.6×(1-0.9)/( 2π×0.8×1.25)

=805.3×0.19=15.3N·cm

上述三项合计：

M起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8N·cm

B．快速移动时所需力矩M快。

M快=Mf+M0=94+15.3=109.3N·cm

C．快速切削负载时所需力矩 M切

M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2πηi

=94+15.3+1340×0.6/(2π×0.8×1.25)

=94+15.3+127.96

=237.26N·cm

从上面计算可以看出，M起、M快和M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩

最大，以此项作为初选步进电机的依据。

从有关手册[《[机床数控改造设计与实例[M]》]查出，当步进电机为五相

十拍时 λ=Mq/Mjmax=0.951

最大静力矩Mjmax=743.8/0.951=782N·cm

按此最大静力矩从有关手册中查出，150BF002型最大静转矩为13.72N·m。

大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还需进一步考核步进电机起动矩频特

性和运行矩频特性。

5.1.3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率

Fk=1000Vmax/60δp =1000×2.4/60×0.01=4000Hz

Fe=1000Vs/60δp =1000×0.6/60×0.01=1000Hz

从下表中查出150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800Hz运

行频率为8000Hz,再从有关手册中查出150BF002型步进电机起动矩频特性和运

行矩频特性曲线。当步进电机起动时，f起=2500时，M=100N·cm,远远不能满足

此机床所要求的空载起动力矩（782N·cm）直接使用则会产生失步现象，所以必

须采用升降速控制（用软件实现），将起动频率降到1000Hz时，起动力矩可增加

到5884N·cm，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩

扩大一倍左右。

当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频特性完全可以满

足要求。

5.2纵向进给步进电机计算

5.2.1等效传动惯量计算

横向传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J可由下式计算

JΣ=J2

m+J1+（Z1/Z2）{(J2+J3)+Z3/Zф〔(Jφ+Jξ)+G/g(L0/2π)2〕}

式中各符号意义同前，其中

J­34

1=0.78×10×d1·L1=0.78×10­3×4.82×2=0.83kg cm2

J4

2=0.78×10­3×d2·L­3

2=0.78×10×84×2=6.4 kg cm2

J­3×d4­342

3=0.78×102·L3=0.78×10×4×2=0.4 kg cm

J3

4=0.78×10­×d4

2·L4=0.78×10­3×54×2=0.98 kg cm2

J×10­3×24×45=0.56kg cm2

s=0.78

G=600n

Jm=4.7 （初选反应式步进电机为110BF）

代入上式为：

J=J2)+Z2

Σm+J1+（Z1/Z2）{(J2+J33/Zф〔(Jφ+Jξ)+G/g(L0/2π)〕}

=4.7+0.83+(24/10)2{(6.4+0.4)+(20/25)2[(0.98+0.56)+600/10(0.5/2

π)2]}

=8.42kg·cm2

考虑到步进电机与传动系统惯量的匹配问题

Jm/JΣ=4.7/8.42=0. 558

基本满足惯量匹配要求

5.2.2电机力矩计算

A.快速空载起动力矩M

M起=Mamax+Mf+Ma

Mamax=JΣ·ε= J­2

Σnnax×10/(60×ta/2π)

= JΣ×2π·nmax×10­2/(60×ta)

式中： nmax=νmax·θb/δp·360

=1200×0.75/(0.005×360)=500r/min

ta=30ms

Mamax=JΣ×2π·nmax×10­2/(60×ta)

=8.42×2π×500×10­2/(60×0.03)=147N·cm

折算到电机轴上的摩擦力矩Mf

Mf=FOL0/2πηi=f¹(Pz+G)×L0/(2πηZ2/Z1)

=0.2×(2680+600)×0.5×0.48/(2π×0.8)

=31.3N·cm

附加摩擦力矩M0

MO=FPOL2

0(1-η0)/2πηi=1/3×Fˊ

t×L0(1-η2

0)/(2πηZ2/Z1)

=1/3×2023×0.5×0.48×(1-0.92)/( 2π×0.8)

=6.1N·cm

上述三项合计：

M起=Mamax+Mf+Ma=147+31.3+6.1=184.4N·cm

B．快速移动时所需力矩M快。

M快=Mf+M0=31.3+6.1=37.4N·cm

C.最大切削福载时所需力矩M切

M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2πηi

=37.4+1072×0.5×0.48/(2π×0.8)

=88.6N·cm

由上面计算可以看出, M起、M快和M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最

大，故以此项作为选择步进电机的依据。根据步进电机转矩Mq与最大静转矩Mjmax

的关系可知，当步进电机为三相六拍时：λ=Mq/Mjmax=0.866

最大静力矩Mjmax=184.4/0.866=213N·cm

查BF反应式步进电机技术参数得，110BF003型步进电机最大静转矩为

7.84N·m。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但必须进一步考核步进电机

起动矩频特性和运行矩频特性。

5.2.3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率

Fk=1000Vmax/60δp =1000×2.4/60×0.01=4000Hz

Fe=1000Vs/60δp =1000×0.6/60×0.01=1000Hz

由110BF003型步进电机的技术参数可知其最高空载起动频率为1500Hz，运行频

率为7000Hz。根据110BF003型电机的起动距频特性和运行矩频特性曲线可以看

出，当步进电机起动时F=1500Hz，M=98N·cm，小于机床所需的起动力矩

（184.4N·cm），直接使用会产生失步现象，所以必须采用升降速控制（用软件

实现）。将起动频率将为1000Hz时，既可满足要求。当机床快速起动和切削进给

时，则完全满足运行矩频要求。

四、同步带传动设计

1．同步齿形带的选择和校核

在车床改造时中，步进电动机与四缸传动副之间装有减速机构，通过减速机

构可得到所需的脉冲当量和增大的驱动力矩。通常采用齿轮传动或同步齿形带传

动机构。同步齿形带传动是一种新型的带传动，其利用同步带的齿型与带轮的轮

齿传递运动，无相对滑动，无噪声，无需润滑，传动精度和效率高，同步带传动

的带速高达40~80m/s.传递功率可达100KW，传动比可达10~20，传动效率98%。

因此在这次数控改造中我们采用同步齿形带来传递运动。

同步带传动的设计步骤为：

（1）模数

根据表1.12Pc KAP 1.6 6.5 10.4kw m=4

（2）齿数 Z1 Zmin

查表1.3选Z1 30 Z2 Z1 i 30 1.5 45

（3）带轮节圆直径为：

d1 mz1 4 30 120mm

d2 mz2 4 45 180mm

（4）带速为：

V D1n1

60 1000 3000

60 1000

（5）中心距为：

0.7(d1 d2) a 2(d1 d2)则210〈a<600取a=500

（6）带长为： L 2a (d1 d2) d21)

2 (d2

4a 1473mm

（7）小带轮啮合齿数： Z 1d2 d1

n Z

2 6a Z1 Zmin(m 2, min 4;m 2,Zmin 6) 则

Z1 14

（8）带宽

b 1000Pc1000 10.4

kzki( p Fc) 0.95 15

1.21同步带模数的选择参考《机械设计》教材

1.22同步带传动工作情况系数KA

载荷性质 一天运转时间/h

<10 10～16 >16

载荷平稳 1 1.1 1.2

载荷变动小 1.2 1.4 1.6

载荷变动大 1.4 1.7 2

1.23小带轮最小齿数Zmin

小带轮转速n1(r/min) 模数m/mm

1.5 2 2.5,3 4 5 7

<1000 12 14 16 18 20 22

1000～3000 14 16 18 20 22 24

>3000 16 18 20 22 24

1.24传动比系数k1

n1/n2 ≥1/1.25 <1/1.25～1/1.7 <1/1.7～1/2.5 <1/2.5～1/3.5 <1/3.5

k1 1 0.95 0.9 0.85 0.8

1.25聚氨酯同步带（强力层为钢丝绳）的质量和许用拉力

模数m/mm 1.5 2 2.5 3 4 5

10 24 26

单位宽度每米长度的质量 18 24 30

单位宽度的许用拉力 4 6 8

1.26同步带的齿数、长度和宽度 35 10 48 15 60 25

齿数

z 模数m

1.5 2 2.5 3 4 名义长度L 35 164.9 219.2 274.9 329.9 40 188.5 251.3 314.2 377 502.7 50 235.6 314.2 392.7 471.2 628.3 60 282.7 377 471.2 565.5 754 70 329.9 439.8 549.8 659.7 879.7 80 377 502.7 628.3 754 1005.3 90 424.1 565.5 706.9 848.2 1131 100 471.2 628.3 784.4 942.5 1256.6 宽度b 8～32 10～15 12～60 12～60 16～80

8、10、12、16、20、25、32、40、50、60、80

2．主轴组件的设计

主轴在改造过程中还可以选用原来的主轴，因为主轴在精度、力学性能和经

济性上都能满足改造后的要求。轴的支撑轴颈、配合轴颈是轴类零件的主要表面，

它影响轴的旋转精度与工作状态。CA6140车床主轴支撑轴颈和配合轴颈的尺寸

精度通常为IT6~9级公差，特别精密的轴颈为IT5级，甚至更高。在力学性能上

由于主轴在工作时，应力集中在主轴心部，而CA6140车床主轴采用空心形状大

大减小了应力的集中，使轴的刚度有很大提高。

主轴支撑是主轴组件的重要组成部分，主轴支撑是指主轴轴承、支撑座及其

相关零件的组合体，其中核心元件是轴承。滚动轴承的主要优点是适应转速和载

荷变动的范围大；能在零间隙或负间隙条件下稳定运转，具有教高的旋转精度和

刚度；轴承润滑容易，维修、供应方便，摩擦因数小等。

主轴悬伸量的确定。主轴悬伸量a是指主轴前支撑径向支反力的作用点到主

轴前端面之间的距离，它对主轴组件刚度影响较大。根据分析和试验，缩短伸量

可以显著提高主轴组件的刚度和抗振性。因此，设计时在满足结构要求的前提下，

尽量缩短悬伸量a。

前轴径D1＝115mm 后轴径D2＝80mm

根据结构定悬伸长a=115mm

(1) 求轴承刚度

5 628.3 785.4 942.5 1099.6 1256.6 1413.7 1570.8 20～80 宽度系列

主轴最大输出转矩 Mn=9550 6.6

n=1260.6N m

床身上最大加工直径约为最大回转直径60％即：240mm

故半径为0.12m FZ=1260.6

0.12=10505N

Fy=0.5 FZ=5252.5N

故总切削力为F

＝11745N

l0先暂取初值为：即暂取L0的初值为2.5×115＝287mm

a

前后支撑支反力PA和PB分别为：

l0+aPA＝ 345 120

345 15830N

l0

aPb=F 120

345 3085N

l0取前后支撑刚度为KA＝1530N／ m

KB=1030 N／ m

(2) 求悬体跨距

KA1530 = KB 1030

初算时可假设主轴当量外径D为前后轴颈的平均值，即：

D ＝ （115+80）／2＝98mm

44-8

故惯性矩为： I ＝ 0.005 （0.098-0.048）＝581 10

8

则 EI11

K 2.1 10 581 10

1530 106 0.1153 0.52 Aa3

l0

查下图得a 2.6

lo 2.6 115 300mm

l0/a值与原假设值相近，符合要求。

4m

五．数控系统驱动的电路设计

一、硬件电路的基本组成

任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件组成系统的基础，其性能的好坏，直接影响到系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行，是可工作的控制系统。

机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成。

（1）中央处理器CPU。

（2）总线，包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。

（3）存储器，包括只读可编存储器和随机读写存储器。

（4）I/O输入、输出接口电路。

其中CPU是数控系统的核心，是控制其它各部分协调工作的“大脑”，其

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（监控程序）和运行中所需的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。三总线则是CPU与存储器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是CPU与外界进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图如下所示。

根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路基本组成如下图

所示：

1、系统的构成及工作原理

该系统是由PC机和自行开发的数控控制板两级控制组成，其组成如图l所示。主要功能部件有：

（1）数控控制板。考虑到经济型数控改造的特点，数控板没有采用常见的ISA总线插卡，而是结合本课题的具体情自行开发一块以8031单片机为核心的数控控制板。它主要成实EI性任务，如机床状态检测、紧急情况处理、细插补运算、脉冲分配等。PC机利用标准并行打印口与8031进行通信，将预处理后的数控加工信息通过数控控制板完成对机床的控这种结构省去了打开机箱的麻

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