C618数控车床的主传动系统设计

第一章 概论

一、数控系统发展简史

1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。

二、国内数控机床状况分析

（一）国内数控机床现状

近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。 近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。

（二）国内数控机床的特点

1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。 2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。

2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率 从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。

3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。

三、数控系统的发展趋势

1. 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展

基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 2. 向高速化和高精度化发展

这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 3. 向智能化方向发展

随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。 （1）应用自适应控制技术

数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （2）引入专家系统指导加工

将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （3）引入故障诊断专家系统

（4）智能化数字伺服驱动装置

可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。

四、机床数控化改造的必要性

（一）微观看改造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。

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，可以瞬时准确地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，从而效率可比传统机床提高3～7倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了\柔性自动化\。

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、 由以上五条派生的好处。

如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少 了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 （二）宏观看改造的必要性

从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已达20.8％，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 数控化改造的市场空间

机床的数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如：\在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个\永恒\的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出： 1．国内的市场

我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3％。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6％。我国机床役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20％，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60％以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。

2. 进口设备和生产线的数控化改造市场

我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从1979～1988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。

这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。

这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。 机床改造的效益分析

提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采用第二中方法有以下的优点： 1、 减少了投资和交货的期限

同购置新的数控机床相比，一般可以节省60%到80%的费用，改造的费用大大减低。 2、机械的稳定性可靠

机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。 3、熟悉了解设备结构性能，便于操作维修，购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。 4、可以充分利用现有的条件

可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。

5、可更好的因地制宜合理筛选功能

购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。 6、可及时采用最新技术，充分利用社会资源

由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造 ，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还可以使得刮研极容易，等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机场改造成当今水平的机床。

第二章 普通车床的数控改和可行性论证

对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的原则是：在满足设计要求的前途下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。

一 车床的数控改造

（一）、数控机床工作原理及组成 1. 数控机床工作原理：

数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。 2.数控机床的组成： 数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图2-1 图2-1 数控机床的组成图 （二）、设计内容及任务 普通车床（C618）的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（包括纵向、横向进给系统的设计与计算）、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床调速电动机控制电路的设计、电磁离合器的设计计算。。

本设计任务是对C618卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01mm/脉冲，横向最小运动单位0.005mm/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。

（三）、数控部分的设计改造 1、数控系统运动方式的确定

测量装置控制介质数控装置伺服系统机 床数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。由于C618车床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。

2、伺服进给系统的设计改造

数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。

闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。

半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。

开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。

经过上序比较，由于所改造的C618车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。 3、数控系统的硬件电路设计

数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。

数控装置的设计方案通常有： ? 可以全部自己设计制作

? 可以采用单板机或STD模块或工控机改制 ? 可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动

在普通机床的经济型数控改造中，由于第一种设计周期较长且不经济，同时质量也难于保证。第二种则更加不经济。所以不课程设计将采取第三钟方案。 （四）、机械改造部分的设计 1、主传动部分的改造设计

将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。 2、进给机构的改造

将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。

3、其它部件的改造

刀架部分：拆除原手动刀架和小拖板，安装由微机控制的四工位电动机刀架，该刀架具有重复定位精度高、刚性好、使用寿命长、工艺性好等优点。

二 可行性论证

根据《自动化制造系统》，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。

根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。

由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性论证。

本改造设计是对普通车床C618进行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是广州数控设备厂生产的GSK980T型数控系统，加上两台伺服电机，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副，一台变频调速电动机，四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过15万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。

第三章 总体设计方案的确定

经总体设计方案的论证后，确定的C618的车床经济型数控改造的总体方案示意图如下图所显：C618车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机，有级变速部分采用电磁离合器控制机构；车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安装主轴脉冲发生器。

改造后的总体方案示意图如图3-1所示： 手工输入加工工件 图纸数控程序 编制工件或控制计算机计算机存储装置步进电动机变速箱功率放大器车床变速箱步进电动机

图3-1总体方案设计图 第四章 主传动部分改造与设计

在改造设计之前，让我们先来看一下数控机床主传动与普通机床相比所具有的特点：

1）采用调速电机驱动，以满足主轴根据数控指令进行自动变速的需要； 2）传动路线短，从而简化了主传动系统机械结构； 3）转速高、功率大；

数控机床的主传动系统除应满足普通机床传动要求外，还应满足如下要求：

1具有更大的调速范围，○并实现无极调速。 数控机床就要为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产效率、加工精度和表面质量，必须有更高的转速和更多的调速范围。为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。

②具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。 数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理 的支承跨距等，以提高主轴件的刚性。

③具有良好的抗振性和热稳定性。加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具和或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中的各主要零部件不但要求有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力——抗振性。抗震性用动刚度或动柔度来衡量。如果把主轴组件视为一个等效的单自由度系统，则动刚度kd与动力参数的关系为：

??? kd=k?1???????n????2?????2?????n??2??? (4-1) ?2式中: k—机床主轴结构系统的静刚度（N/?m）；

； ?—外加激振力的激振频率（Hz）

?n—主轴组件的固有频率（?n=

k，m为当量质量，k为当量静刚度）； m?—阻尼比（?=

?，?是阻尼系数，?c是临界阻尼系数，?c=2m?n）。 ?c由上式可见，为提高主轴组件的抗震性，须使kd值较大，为此应尽量使阻尼比、当量刚度值或固有频率的值较高。在设主传动系统时，要注意选择上述几个参数的合理关系。

一、 主传动部分改造方案拟定和设计的内容

异步电动机的调速方法有变频调速、变极调速、辩转差调速三种。异步电动机的转速公式为 ni=

60f1 p从该公式中可以看出，若均匀地改变电源的频率f1，就可以连续地改变电动机的同步转速。这种调速方法称为变频调速，它完全不同于其它的调速方法。改变异步电动机的磁极对数调速的方法称为变极调速。改变电动机转差率的调速方法称为变转差率调速。

表4.1 异步电动机各种调速方法性能指标的比较

项 目 是否改变同步转速 静差率 变 频 变 极 调 速 方 法 变 转 差 率 转子串电阻 串极调速 调压调速 电磁调速电机 变 小 （好）

变 小 （好）

不 变 大 （差） 小 （2） 差（有级调速） 恒转矩

不 变 小 （好） 较小 （2—4）

不 变 开环时大 闭环时小 闭环时 较大

不 变 开环时大 闭环时小 闭环时 较大 好

较小 调 调速范较大（10

以上） （2—4） 围（D）速 调速平 滑性

好（无级调速） 恒转矩 恒功率 多

差（有级调速） 恒转矩 恒功率 少

好（无级 好（无级 调速） 恒转矩

调速） （无级调速） 通风机 恒转矩 较 少

通风机 恒转矩 较 少

指 适应负 标 载类型 设备 投资

电能 损耗

少 较 多

较 小 小 大 较 小 大 大

异步电动机变频调速有调速范围广、平滑性较高、机械特性较好的优点，可以方便地实现恒功率或恒转矩变速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相媲美。目前变频调速已成为异步电动机最主要的调速方法。通过上序的比较本课程设计中电动机的调速方法采用变频调速的方法。

改换主轴电动机，换成调速电动机.通过对电动机的变频调速控制再加以简单的齿轮调速来实现自动变速，齿轮调速部分用磁离合器控制齿轮啮合。

图4 -1主轴变频调速系统原理图

数控机床主轴变速方式主要有无级调速、分段无级调速和内置电机变速等。在本设计中采用分段无级调速。无级变速能够选用最合理的切削用量，可在运转中变速，操作方便，简化机械结构。无级变速主要是利用直流和交流调速电动机。但直流调速电动机恒功率调速范围很小，一般只有1～2，很少到3～4，且换向有限制，现大多采用交流变频主轴驱动系统。交流变频调速电动机的性能与直流调速电动机类似，在额定转速以下为恒转矩区，在额定转速以上为恒功率区域。一般主轴调速电动机的恒功率调速范围为3～4，对于恒功率变速范围大的主轴传动系统，需要增加变速齿轮，以保证主轴上较大的恒功率范围。考虑本设计机床要求采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案即分段无级变速，主轴的正反转和制动停止，由数控指令直接控制电动机来实现。利用车床的主轴交流异步电动机、变频器、数控单元ENC构成了变频调速系统。交流电动机的转速n与频率f，电动机的级对数p及转差率s之间的关系为n=60f(1?s)/p,由此可知，改变电源的频率f，即可改变电动机转速，且转速n与频率f成正比。考虑本设计机床的要求，采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案，即分段无级变速。主轴

的正、反转和制动停止由数控指令直接控制电动机实现。其主轴变频调速系统原理图如图4-1所示；

如图4-2所示是机床主轴要求的功率特性和转矩特性。这两条特性曲线是以计算转速nj为分界，从nj至最高转速nmax的区域Ⅰ为恒功率区，在该区域内，任意转速下主轴都可输出额定的功率，在该区域内，最大转矩则随主轴转速下降而上升。从最低转速nmin 至nj的区域Ⅱ为恒转矩区。在该区域内，最大转矩不再随转速下降而上升，任何转速下可能提供的转矩都不能超过计算转速下的转矩，这个转矩就是机床主轴的最大转矩Mmax。在区域内，主轴可能输出的最大功率Pmax，则随主轴转速的下降而下降。通常，恒功率区约占整个主轴变速范围的2/3—3/4；恒转矩区约占1/4—1/3。

如图4-3所示是变速电动机的功率特性。从额定转速nd到最高转速nmaxde 区域Ⅰ为恒功率区；从最低转速nmin 至nd的区域Ⅱ为恒转矩区。直流电动机的额定转速常为1000 r/min—1500 r/min。从nd至nmax用调节磁通的方法得到，称为调磁调速；从nmin至nd用调节电驱电压的办法得到，称为调压调速。交流调频电动机用调节电源频率来达到调速的目的。额定转速常为1500 r/min。这两种电动机的恒功率转速范围为2—4；恒转矩变速范围则可达100以上。

图4-2 主轴的功率转矩特性 图4-3 变速电动机的功率特性

所谓分段无级变速就是在交流或直流电机无级调速的基础上配以齿轮变速。它能够实现中、高速段的恒功率传动，低速段的恒转矩传动。在该系统中，主轴的正、反转和制动停止，通过数控指令直接控制电机来实现。主轴的变速则有电动机的无级变速与齿轮的有机变速相配合来实现。

二、主传动部分改造设计计算

主传动部分改造设计计算包括电动机的设计于选择, 主传动系统分段无级变速传动方案的确定与分析, 数控机床分级变速箱的设计,电磁离合器的设计计算,机床调速电机控制电路图的设计. （一）、电动机的选择

根据原机床参数及要求初选改造后车床主轴变速范围Rn=100，nmax=3000r/min，nmin=30r/min；主传动机械总效率系数η=0.9，最大切削功率为10kw，最小切削功率为3kw。则电机初选功率应为PD>10vkw,根据电机规格，可选用11kw或者15kw的电机。 表格 4。2电机选择两种方案对比

型 号 YP160M2-4 YP160L-4 交 流 主 轴 电 机 PD（kw） 11 15 RDP 3 3 NDsmin 450 335 RDT 3.3 4.5 nj 83 112 主 轴 与 变 速 机 构 RnP 30 22.3 RnT 3.3 4.5 RF 10 i∑ 1/18 7.44 1/13.4 2、电机最小输出功率

1）、计算主轴在最底转速达到最小功率是电机应输出的功率

Pdsmin=

Pnmin?=3/0.9=3.3kw (4-2)

2）、算电机实用的最底转速nDsmin（r/min）

由式nDsmin=

Pdsmin?nd (4-3)

PD 计算结果 : 11kw的电机为：nDsmin=450r/min （nd=1500r/min）

15kw的电机为：nDsmin=333r/min （nd=1500r/min）

式中：nd---电机的基本转速r/min；

PD---电机额定功率kw。

由此，设计者选用功率为11kw、型号为YP160M2-4的交流调频电机。 （二）、主传动系统分段无级变速传动方案的确定与分析 1、电机额定转速的计算电机的选择 1）、电机额定转矩TDd（N/m）为 TDd=

9550PD11?9550?=70N2M (4-4) nd15002）、电机最小转矩Tdmin（N2M）

Tdmin=

9550Pd =23.2N2M (4-5)

ndMax其中电机最大转速ndmax=4500r/min 3）、电机实用恒转矩区变速范围

RDT=

ndn =3.3 dmin4）、主轴恒转矩区变速范围

RnT=RDT=3.3 (4-7) 5）、电机恒功率区变速范围

RndP=

maxn =3 (4-8)d2、主轴参数计算 1）、主轴计算转速nj nnj=nmaxmin?(n)0.3 min=30?(30000.30)3 =120r/min

2）、主轴恒功率变速范围RnP RnP=

nmaxn =3000=25r/min (4-10) j1203）、分级变速机构的变速范围RF RF=

RnpR =

25DP3=8.3 (4-11) 其中：RnP-----主轴恒功率区变速范围

RDP

-----电机恒功率区变速范围

4）、主传动系统总降速比i∑

i∑=

njn =

120d1500=1/12.5 (4-12) (4-6) (4-9) (三)、数控机床分级变速箱的设计 1、数控机床主轴转速自动变换过程

在数控机床上,特别是在自动换刀的数控机床上应根据刀具与工艺要求进行主轴转速的自动变速。在零件加工工程序中用S两位代码指定主轴转速的序号，或用四位代码指定主轴转速的没分钟转数，并且用M两位代码指定主轴的正、反向启动和停止。

采用直流或交流调速电动机的主运动无级变速系统中，主轴的正、反启动和停止制动是直接控制电动机来实现的，主轴转速的变换则由电动机转速的变换与齿轮有级变速机构的变换相配合来实现的。机床主运动变速系统中主轴的转速n是如何由电动机的转速、齿轮有级变速级数相配合来实现的，为了获得主轴的某一转速必须接通相应的有级变速级数和电动机的调压转速nY或调磁转速nC。理论上说电动机的转速可以无级调速，但是，主轴转速S代码最多只有99种，即使是使用S四位代码直接指定主轴转速，也只能按一转递增，而且分级越多指令信号的个数越多，更难于实现。因此，实际上还是将主轴转速按等比数列分成若干级，根据主轴转速的S代码发出相应的有级级数与电机的调速信号来实现主轴的住动变速。电机的调压或调磁变速，由电动机的驱动电路根据转速指令电压信号来变换。齿轮有级变速则才用夜压或电磁离合器实现。 2、分级变速箱的设计

数控机床的分级变速箱由于位于调速电机与主轴之间,因此,设计时除遵循一般有级变速箱设计原则外,必须处理好公比的选择.在设计数控机床分级变速箱时,公比的选取有以下三种情况: a、取变速箱的公比Φ等于电机的恒功率调速范围RdP ,即Φ= RdP 。

b、如果为了简化变速箱的结构，希望变速级数少一些，则不得不取较大的公比。 c、数控车床在切削阶梯轴、成行螺旋面或端面时，有时需要进行恒线速切削。 经综合分析比较选有第a种情况的公比。

(1)、取变速箱的公比Φ等于电机的恒功率调速范围RdP ,即Φ= RdP .则机床主轴的恒功率变速范围为

RnP=ΦRdP=Φ

变速箱的变速级数

Z-1

Z

(4-13)

Z=

lgRnplg? =

lg25 =2.93 (4-14) lg3其中: RnP-----主轴恒功率区变速范围 RnP=25 Φ-----变速箱的公比 Φ= RdP=3

Z必须是整数，可取变速箱的变速级数Z=3。其转速图如图4-4（a）所示。电动机经定比传动2：3，使变速箱的轴Ⅰ得到3000r/min—1000r/min（恒功率）和1000 r/min--270 r/min（恒转矩）的转速。如果经Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ轴之间的两对1：1的齿轮传动，主轴能得到3000 r/min --1000 r/min恒功率转速范围。当主轴转速n降到1000 r/min时，电动机转速降到1500 r/min（额定转速）。如果电动机转速继续下降，则将进入恒转矩区，最大输出功率也将随之下降。表现在图4-4（b）的功率特性图上，主轴转速为3000 r/min--1000 r/min时，为ab段，是恒功率。当电动机转速低于额定转速时，最大输出功率将沿bc段虚线下降。

图4-4 传动系统及功率特性图

当主轴转速降到1000 r/min时，变速箱变速，经（1/1）*（1/3）传动主轴。这时电动机转速自动地回到最高转速。当电动机又从4500 r/min降到1500 r/min时，主轴从1000 r/min降到333 r/min，还是为恒功率。在功率特性图上为bd段。

当主轴转速降到333 r/min时，变速箱变速，经（1/3）*（1/3）=1/9转动主轴。电动机又回到最高转速。主轴从333 r/min降到111 r/min，在特性图上为df段。

主轴111 r/min的转速已低于原要求的计算转速，以下进入恒转矩段。靠电动机继续降速得到，当电动机转速降到405 r/min时，主轴转速降到405*（2/3）*（1/9）=30 r/min，即为主轴的最低转速，这时电动机的最大输出功率为：

P2=

450Pd=0.27 Pd (4-15) 1500即为额定功率Pd的27% 。

在图4-4（b）中，abdf应为一条直线。为了清楚起见，把它画成三段，并略错开。可以看出，主轴恒功率变速范围af是由3段组成的，每段的变速范围为电动机的恒功率调速范围RdP=3。所以，变速箱的公比Φ= RdP 。电动机的功率根据主轴的需要选择。主轴计算转速为f点的转速（111r/min）。表4.3为主轴转速与有级级数和电动机调压调磁转速的关系.

表4.3 主轴转速与有级级数和电动机调压调磁转速的关系 n/r?min-1 有级级数 Ⅰ[（2/3）?（20/60）?（20/60）] Ⅱ[（2/3）?（20/60）?（20/60）] Ⅲ[（2/3）?（40/40）?（20/60）] Ⅳ[（2/3）?（40/40）?（40/40）] nY/r?min 405--1500 1500--4500 1500--4500 1500--4500 -130≦n<111 111≦n<333 333≦n<1000 1000≦n≦3000 图4-4（c）为转矩特性。从a至f，转矩随转速下降而上升。至f点为主轴输出的最大转矩Mmax。f-g为转矩区。a至f也是由三段拼成的。 3、分段有级变速传动方案确定 (1) 、传动方案的设计计算 由前面计算得：

z=3，?=3 带传动的传动比i0=2/3

取 i1=1 i2=1/3 I3=1 i4=1/3 故取：z1=40 z1=40

'z2=20 z2=60 z3=40 z3=40

''z4=20 z4=60

(2) 、齿轮的设计计算

大小齿轮都采用45号钢调质，选小齿轮硬度为260HB—290HB，大齿轮硬度为220HB—250HB，精度选用六级，模数m=2.5mm , 齿宽b=30mm, 螺旋角α=20

0'所以： d1=mz1=2.5340=100（mm） (4-16) d1=2.5340=100（mm） d2=2.5320=50（mm） d2=2.5360=150（mm） d3=2.5340=100（mm） d3=2.5340=100（mm） d4=2.5320=50（mm） d4=2.5360=150（mm）

还应该校核齿轮表面接触疲劳强度，弯曲疲劳强度。经校核均合格，其校核过程略。 (四) 、电磁离合器的设计计算

有级变速的自动变换方法一般有液压或电磁离合器两种。

液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拔叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮必须使用两个液压缸实现三位移位。

电磁离合器是应用电磁效用接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用于数控机床的主转动时，能简化变速机构，操作方便，通过若干个安装在各转动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。

经分析本设计选用电磁离合器来控制数控车床的有级自动变速。

''''

图4-5 电磁离合器变速的主传动系统图

图4-5是采用电磁离合器变速的传动系统图，该传动系统由四对相互啮合的齿轮构成二级齿轮变速。每对相啮合的齿轮中有一个空套在传动轴上，并与电磁离合器的联接件联接，离合器与传动轴采用花键联接，空套齿轮与传动轴之间只有在电磁离合器吸合时才能传动。因此，通过各离合器的吸合和分离的不同组合可以改变运动的传动路线，实现主轴的变速。对4-5所示系统，四个离合器有4种可实现传动的组合，由于有两组齿轮的齿数一样，因而有4条不同的传动路线，可获得3档机械变速（表4.4）

表4.4 电磁离合器动作与传动比 电动机转速(r?min-1) 1500——4500 1500——4500 1500——4500 405——1500 主轴转速(r?min-1) 传动比 电磁离合器 M1 M2 M3 M4 1000≦n≦3000 i=（2：3）*（Z′1/Z1）*（Z′3/Z3）=2：3 333≦n<1000 111≦n<333 30≦n<111 + - + - + - - + - + + - - + - + - + - + i=（2：3）*（Z′1/Z1）*（Z′4/Z4）=1:3 i==（2：3）*（Z′2/Z2）*（Z′3/Z3）=1:3 i==（2：3）*（Z′2/Z2）*（Z′4/Z4）=1:9 i==（2：3）*（Z′2/Z2）*（Z′4/Z4）=1:9 当从CNC装置中输出一主轴转速n主 时，此主轴转速n主经过一比较器进行比较：

当30 r?min≦n主<111 r?min 时电磁离合器M2和M4吸合，M1和M3分离，此时整个系统的转动比是2：27，交流电动机的进行恒转矩传动。其转速为n电=n主/I=405 r?min—1500 r?min 。

当111 r?min≦n主<333 r?min 时电磁离合器M2和M4吸合，M1和M3分离，此时整个系统的转动比是2：27，交流电动机的进行恒功率传动。其转速为n电=n主/I=1500 r?min—4500 r?min 。

当333 r?min≦n主<1000 r?min 时电磁离合器M1和M4吸合，M2和M3分离，此时整个系统的转动比是2：9，交流电动机的进行恒功率传动。其转速为n电=n主/I=1500 r?min—4500 r?min 。

当1000 r?min≦n主<3000 r?min 时电磁离合器M1和M3吸合，M2和M4分离，此时整个系统的转动比是2：3，交流电动机的进行恒功率传动。其转速为n电=n主/I=1500 r?min—4500 r?min 。 改造后的机床为实现其螺纹加工还须配置主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件。它与车床主轴同步运行，采集主轴运动时的数据信息，发出主轴转角位置变化信号，输入到数控系统内，再由数控系统通过软件控制，以保证主轴每转一转时，螺纹车刀也同步在纵向进给一个螺纹，并保证螺纹加工中分几次切削时不发生乱扣，即每次螺纹切削进刀位置一致。主轴脉冲发生器一般采用增量式光电编码器，其安装通常有两种方式：同轴安装、异轴安装。

同轴安装方式是直接与车床主轴的后端相联结，这种方式结构简单，但缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件；异轴安装方式是通过桥齿轮或同步齿形带传动，使主轴与光电编码器同步转动，其结构复杂，但避免了前述同轴安装的缺点。本设计中是采用异轴安装方式。

主轴脉冲发生器输光学元件，安装时应小心轻放，不能有较大的 冲击和振动，以防损坏玻璃光栅盘，造成报废。令应注意主轴脉冲发生器的最高运行转速，车床主轴的转速必须小于此转速，以免损坏脉冲发生器。

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三、机床调速电机控制电路图的设计

在本课程设计中主轴电动机的调速是有变频器来实现的。 （一）、变频器的简单原理

在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好。调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。采用通用变频器对笼型异步电动机调速控制，由于使用方便、可靠性高并且经济效率显著，所以逐步得到推广。 1、 变频器的基本构成

变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直接换成频率，电压均可控制的交流，又称直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率、电压均可控制的交流，又称间接式变频器。在本课程设计中将采用交-直-交变频器来控制主轴电动机。

变频器的基本构成如图4-6所示，有主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成，分析如下:

图4-6 变频器的基本结构

（1）、整流器 电网侧的交流器I是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）交流整流成直流。 （2）、逆变器 负载侧的交流器II为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中的主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。

（3）、中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无任电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会等于1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功功率的能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间储能环节。

（4）、控制电路 控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可采用数字控制或模拟控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。

（5）关于变频器名称的说明 对于交-直-交变频器，在不涉及能量传递方向的改变时，我们常简单的称变频器I为整流器，变频器II为逆变器，而把图中I、II、III总起来称为变频器。 2、变频器类型的选择

这里将就交-直-交变频器按不同角度进行选择如下分类 （1）、按直流电源的性质分类

当逆变器输出侧的负载为交流电动机时，在负载和直流电源之间将进行无功功率的交换。用于缓冲无功功率的中间直流环节的储能元件可以是电容或电感，据此，变频器可分为电压型变频器和直流型变频器两大类。在本课程设计中将采用电压型变频器进行控制。 （2）、电压调节方式的选择

变频调速时，需要同时调节变频器的输出电压和频率，以保证电磁主磁通的恒定。对输出电压的调节有两种方式：PAM方式和PWM方式。在本课程设计中将采用PWM型方式进行调速控制。 PWM方式是脉冲宽度调制方式的简称。最常见的主电路图如图4-7a所示。变频器中的整流器采用不可控的二级管整流电路。变频器的输出变频和输出电压的调节均由逆变器按PWM方式完成。调压过程的示意图如4-7b所示。利用参考电压uR与载频三角波uc互相比较，来决定主开关的导通时间而实现调压。利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。这种参考信号为正弦波，输出电压平均值近似为征象波PWM方式，称为正弦PWM调制，简称为SPWM方式。

图4-7 PWM变频器

本课程设计采用的变频器为富士公司生产的FVR—G7S系列富士变频器型号为FVR11G7S—7JS变频器。整个机床调速电机控制电路图如附图所示

第五章 伺服进给系统的改造设计与计算

伺服进给机构的设计是普通车床经济型数控改造的主要部分，如果说CNC系统是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么，伺服驱动系统便是数控机床的“四肢”，是执行机构，它忠实而准确的执行由CNC系统发来的运动命令。伺服控制系统是联接数控系统与机床的枢纽，其性能是影响数控机床的精度、稳定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。

一、伺服系统的组成原理和要求

(一)、伺服系统的组成原理

机床进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。机床进给机械传动系统通常由减速齿轮、滚珠丝杠、机床导轨和工作台拖板等组成。对于伺服驱动控制系统，按其反馈信号的有无，分为开环和闭环两种控制方式。对于开环伺服系统只能由步进电机驱动，它由步进电机驱动电源和电动机组成。闭环伺服系统则分为直流电动机和交流电动机两种驱动方式，并且是双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器以及功率驱动放大器等部分组成。位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。根据其位置检测信号所取部位不同，它又分为半闭环和全闭环两种。半闭环采用转角位置检测装置，安装于滚珠丝杠端部，或直接与伺服电动机转子的后端相连（与伺服电动机成一体）；对于全闭环系统需要采用直线位置检测装置，安装于机床导轨与工作台拖板之间。通常伺服驱动控制单元与电动机由一个生产厂家配套提供（甚至包括位置检测装置）。 （二）、伺服系统的要求

伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构。为确保机床的加工质量和效率，机床对其伺服系统有“稳、准、快、宽、足”五个要求，它反映了伺服驱动系统的五项性能指标,具体的内容如下:

稳 即稳定性，也就是要求系统有较好的抗干扰性，保证电源、环境、负载等所产生的波动对其影响甚小，有较硬的调速机械特性，过载能力强，稳定性好，适应性好，以确保工件加工的一致性。

准 及准确性，为确保加工质量，除要求系统稳定外，还必须有较高的准确定位精度。数控机床是由数控系统发出指令自动完成整个加工过程，它不象普通机床那样，中间可以由操作者测量工件后再通过操纵手轮来修正加工偏差。由于数控机床是按加工程序一次完成加工，所以进给系统的定位精度直接决定了工件的加工精度，这也是考核数控机床的一项至关重要的性能指标。

通常影响数控加工精度的主要因素有：数控系统精度（主要取决于插补运算精度）；伺服系统精度；机床机械精度（如主轴、刀架、工作台回转精度，刀具、工件装夹精度等）。其中伺服系统精度起主要作用。

快 即快速响应性。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，它不但要求静态误差小，也要求动态响应快，具体表现在起、停的升降速过程短，有较高的加速度，即要求系统的机电时间常数小，反应灵敏。

宽 即有较宽的调速范围。通常数控机床在实际运行中，对工作台的进给速度要求满足两项指标：轻载快速趋近定位速度（即编程指令G00的速度）、切削进给速度（即编程指令G01、G02等后面的F值所要求的速度）。

足 即有足够的输出扭矩或驱动功率。特别是要满足强力切削和高速切削的要求，并且还要求系统有相应的过载能力，以确保稳定性。

对进给伺服系统除了上述五项主要性能指标外，也要求温升低、噪声小、效率高、体积小、价格低、控制方便、线性度好（如输出速度与输入电压成线性）、可靠性高，维修保养方便，对温度、湿度等环境要求宽等等。

二 伺服进给机构的设计内容和设计计算

数控机床的伺服进给系统的控制方式有多种，如：开环控制闭环控制以及半闭环控制。

正如总体设计方案论证中所说，本设计任务的精度要求不高，结合经济型改造的特点，设计者采用以步进电机为驱动的开环控制方式来设计其伺服进给系统。下面对开换系统的控制形式及特点加以简要分析。

1、工作原理及控制特点

开环控制系统利用脉冲马达的伺服性能，即对应一定的脉冲，必定有一定的转角，从而通过丝杠螺母机构使工作台移动一定的距离。 2、定位精度

虽然开环控制系统很难保证较高的位置控制精度，对于影响定位精度的机械传动装置的刚度、摩擦、惯量、间隙等的要求较高，一般在?0.01～?0.02mm之间；但对于经济型数控车床来说，定位精度要求并不高。 3、稳定性

结构简单，调试方便，工作可靠，稳定性好。 <一> 纵向进给系统的设计与计算 1、进给系统的设计内容

经济型数控车床的改造一般是将丝杠、光杠及安装座拆去，配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电动机及减速箱安装在车床的车尾。书控车床通过步进电动机经减速驱动滚珠丝杠，带动刀架左右移动。

纵向进给系统设计的主要内容有：滚珠丝杠副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、步进电动机的选择等。 2、纵向进给系统的设计计算 （1）已知条件：

1）、纵向脉冲当量 δp=0.001mm/脉冲； 2）、纵向最高进给速度 Vfymax=2m/min；

3）、C618车床工作台质量 w=100kg=1000N（根据图形尺寸粗略计算）。 4）、时间常数 T=25ms （2）、纵向进给切削力Fz的确定

根据《机床设计手册》查出，

Pdf =3～5% （5—1） Pa

式中： Pdf ----进给系统所需电机功率 Pa -----主传动电机功率 由前面的设计计算可知： Pa=11kw 取比例系数为4% 则

Pdf= Pa34%=0.44kw （5—2） 根据《机床设计手册》查出， Fy=

6120??f?Pdf （5—3）

Vf式中：ηf----进给系统效率，其范围为0.15～0.20，

取ηf =0.175

Vf-----进给速度（m/min），查《实用机床设计手册》可知：

Vf=（1/2～1/3）2Vfymax （5—4） 取 Vf=（1/2）Vfymax=1 m/min 则 FZ=4712.4 (N)

当FZ=4712.4N时，切削深度ap=2mm，走刀量f=0.3mm .

以此参数作为下面计算的依据，从《实用机床设计手册》中可知，在一般圆切削时：

Fx=（0.1～0.6）Fz （5—5） Fy=（0.15～0.7）Fz （5—6）

Fx=0.5Fz=0.534712.4=2356.2（N） Fy=0.6Fz=0.634712.4=2827.44（N）

（3）、滚珠丝杠的设计计算

滚珠丝杠在工作中承受轴向负载，使得滚珠和滚道型面间产生接触应力；对滚道型面上某一点，是交变接触应力。在这种交变应力的作用下，经过一定的应力循环次数后滚珠和滚道型面产生疲劳损伤，从而使得滚珠丝杠丧失工作性能，这是滚珠丝杠破坏的主要形式。在设计滚珠丝杠副的时候，须保证能够它在一定的轴向负载的作用下，在回转10转后，滚道上虽然受滚珠压力，但不应有点蚀现象发生，此时所能承受的轴向负载成为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载Q。

滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。 1）、额定动载荷与计算动载荷C

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从《实用机床设计手册》中查得： C?fh?fd?fHFd （5—7）

fn式中: fh ---- 寿命系数 fd ---- 载荷性质系数 fH ---- 动载荷硬度系数 fn ---- 转速系数 Fd ---- 最大工作负载 (N) 根据《实用机床设计手册》可知：

选工作寿命: Lh =15000h, 则 fh =(Lh1/3)=3.107 （5—8） 500 选载荷性质系数: fd =1.35; 选动载荷硬度系数:fH =1.0; 转速系数: fn =(33.31/3) ; （5—9） n V =1000mm/min 根据上述选择的情况下,计算结果如表5.1所示; 表5.1 动载荷计算

丝杠导程L0/mm n =V/L0 (r/min) fn c/n 综合导轨车床丝杠的轴向力:

F?kFX?f'(FZ?W) （5—10） 式中:K=1.15; f’=0.15—0.18,取0.16.得;

F?1.15?2356.2?0.16?(4712.4?1000)=3623.6 (N) 寿命值;

Li?12 8303 0.737 26883 10 100 0.693 28590 8 125 0.694 30813 6 166.7 0.584 33926 60niti60?20?15000??18 （5—11） 106106最大负载;

Q?3Li?fw?fH?F （5—12） =318?1.2?1?3623.6=11395.8 (N)

查参考文献《实用机床设计手册》可选用NL4510型号的滚珠丝杠副,名义直径为45mm,丝杠导程为10 mm, 螺旋角??43',滚珠例数为3系列,其额定动载荷为33300N,所以其强度够用。 2）、支承方式

选用“单推—单推”的支承方式。 3）、效率计算；

??otg? （5—13）

tg(???)o 式中： ? ---- 螺纹的螺旋升角 ??43'

? ---- 摩擦角 tg??0.003??0.004； 所以，?=1345 则：

'''tg4o3'?97% （5—14） ??tg(4o3'?13'45'') 经验表明：在数控化改造设计中，有普通丝杠换成滚珠丝杠，只要名义直径相同，支承方式相同或有改善，其丝杠的强度，刚度和稳定性计算可以不计算，因为采用类比法，改善后肯定合格。 （4）、齿轮设计 齿轮传动比i: i??L01.5?10??4.17?5 （5—15）

360?p360?0.010

式中；? ---- 步进电动机的步矩角，选为1.5， 计算出i〈 5，因此可以选一级传动。

大小齿轮都采用45号钢调质，选小齿轮硬度为260HB—290HB，大齿轮硬度为220HB—250HB，精度选用六级，模数m=2mm , 齿宽b=20mm, 螺旋角α=20， 齿数Z1=18，齿数Z2=75，则：

d1?mz1?2?18?36 （5—16）

0 d2?mz2?2?75?150 a?1(d1?d2)?93 （5—17） 2还应该校核齿轮表面接触疲劳强度，弯曲疲劳强度。经校核均合格，其校核过程略。 3、步进电动机的确定

（1）、步进电动机步矩角的选择； ??360?p?iL0?360?0.01?4.17?1.50 （5—18）

10（2）、等效转动惯量的计算

惯量对运动特性有很大影响，对加速能力，加速时驱动力矩及动态的快速反应有直接关系，因此核算转动惯量很有必要。

纵向伺服系统改进后等效转动惯量的简图如下:

图5-1 改造后的纵向伺服系统等效转动惯量简图

等效步进电动机轴的转动惯量计算，采用下式；

J?1?Js?Jz2??Jz1?J1 （5—19） i 式中：J1 ----工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 Js ----滚珠丝杠转动惯量 Jz1 ----齿轮1的转动惯量

Jz2 ----齿轮2的转动惯量

?180?PJ1=????????W （5—20） ?22?180?0.01?2=??3100=0.146（kgf2cm） ?3.14?1.5?滚珠丝杠转动惯量： Js=7.8310 =7.8310齿轮的转动惯量： Jz1=7.8310?4D4L1 （5—21）

2?434.543140=45.741（kgf?cm） 33.632=0.262（kgf?cm） 31532=78.975（kgf?cm）

4242?4 Jz2=7.8310?4电动机转动惯量很小可忽略，因此总的转动惯量： J=

1?Js?Jz2??Jz1?J1 i2?1?=???45.741?78.975??0.262?0.146 ?4.17?=7.58（kgf?cm）=75.8(N?cm)

（3）、所需转动力矩计算：

折算到步进电动机轴的力矩可分为三种情况进行计算。 1）、快速空载启动时所需力矩：

M=Mamax+Mf+M0 （5—22） 2）、 最大切削负载时所需力矩：

M=Mat+Mf+M0+Mt （5—23） 3）、快速进给所需力矩

M=Mf+M0 （5—24） 式中：Mamax--空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； Mf --折算到电机轴上的摩擦力矩；

M0 --由丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的摩擦力矩； Mat--切削时折算到电机轴上的加速度力矩；

22

Mt --切削时折算到电机轴上的切削负载力矩。 Ma=

Jn?10?4 （N2m） （5—25） 9.6T 式中；T为时间常数T=0.025s 当n=nmax时，Mamax=Ma； nmax =

VmaxiL?2000?4.17 =834r/min 010 M.58?834amax=

79.6?0.025?10?4

=2.764（N2m）=276.4（N2cm）

当n=nt时，Mat=Ma；

nt?n主fiL

0 =

100?0.3?4.1710

=12.51 （r/min） M7.58at=

?10?49.6?0.025

=0.0395 （N2m）=3.95（N2cm）

M?f'wL0f2??i 当η=0.8， f`=0.16时； M100?1f?0.16?2?3.14?0.8?4.17

=7.64（N2CM）

当?FxL00=0.9时： M0=

6??i?1??20?

=

282.7?16?3.14?0.8?4.17?1?0.92?

=0.854（kgf2cm）=8.54（N2cm） Mt=

FxL02??i

5—26） （5—27）

（5—28）5—29）

5—30）

（

（

（=

282.7?1

2?3.14?0.8?4.17=13.5（kgf2cm）=135（N2cm）

从而求得，快速空载启动所需力矩 M=Mamax+Mf+M0 =276.4+7.64+8.54 =294.88 （N2CM ） 切削时所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt

=3.95+7.64+8.54+135

=155 （N2cm）

快速进给时所需力矩 M=Mf+M0 =7.64+8.54 =16.18 （N2CM ）

由以上分析计算可知，所需最大力矩Mmax发生在快速启动时，即： Mmax=294.88 （N2CM ） 4）、步进电动机的最大静转矩Tjm 为。

Tjm? ?T0Tmax? （5—31） 0.8660.4?0.866294.88

0.866?0.4 =851.3 （N2CM ） 5）、步进电动机的最高频率计算； fmax?Vmax2000??3333.3 （HZ） （5—32）

60??p60?0.01电动机采用三相六拍的工作方式，经综合考虑，选用110BF003型的直流步进电动机能满足要求。 <一> 横向进给系统的设计与计算 1、进给系统的设计内容

经济型数控车床改造的横向进给系统的设计比较简单，一般是步进电动机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电动机安装在大拖板上，用发兰盘将步进电动机和机床大拖板连接起来，以保证

其同轴度，提高传动精度。

横向进给系统设计的主要内容有：滚珠丝杠副的设计计算及选择、减速比的确定及减速箱的设计、步进电动机的选择等。 2、横向进给系统的设计计算 （1）、已知条件：

1）、纵向脉冲当量 δy=0.0005mm/脉冲； 2）、纵向最高进给速度 Vfymax=1m/min；

3）、C618车床工作台质量 w=40kg=4000N（根据图形尺寸粗略计算）。 4）、时间常数 T=25ms （2）、横向进给切削力Fx的确定 根据《机床设计手册》可知；

横向进给量为纵向的1/2--1/3 ，取1/2，则切削力约为纵向的1/2。

Fz=0.534712.4=2356.2（N） Fx=0.5Fz=0.632356.2=1178.1（N）

（3）、滚珠丝杠的设计计算

滚珠丝杠在工作中承受轴向负载，使得滚珠和滚道型面间产生接触应力；对滚道型面上某一点，是交变接触应力。在这种交变应力的作用下，经过一定的应力循环次数后滚珠和滚道型面产生疲劳损伤，从而使得滚珠丝杠丧失工作性能，这是滚珠丝杠破坏的主要形式。在设计滚珠丝杠副的时候，须保证能够它在一定的轴向负载的作用下，在回转10转后，滚道上虽然受滚珠压力，但不应有点蚀现象发生，此时所能承受的轴向负载成为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载Q。

滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。 1）、强度计算；

F?kFX?f'(FZ?W) 式中:K=1.4; f’=0.2,得;

F?1.4?1178.1?0.2?(2356.2?400)=2200.5 (N) 寿命值; Li?最大负载;

6

60niti60?15?15000??13.5 661010 此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸

等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下

载！该论文已经通过答辩

第六章 自动转位刀架的选择设计

在总体方案论证中提到自动转位刀架是数控机床不可或缺的一部分。

一、数控车床刀架的基本要求

数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平，所以有如下要求：

①转位准确可靠，工作平稳安全； ②按最短线路就近选择，转位时间短； ③重复定位精度高；

④防水、防屑，密封性能优良； ⑤夹紧刚性高，适宜重负荷切削。

二 、自动转位刀架的选择

在本设计中，因设计时间等因素，设计者七绝顶引进常州武进数控设备厂生产的LD4-I型四工位自动刀架，而不对其做具体设计。该型自动刀架具有重复定位精度高、工作刚性好、使用寿命长、工艺性好等特点。下面对该刀架相关内容做一简要分析说明： <一>LD4--I型自动刀架的技术参数

表6.1 LD4--I型自动刀架的技术参数 型号 C618 刀位数 4 电机功率 120 w 电机转速 1400r/mm 夹紧力 0.5 上、下刀体尺寸 1623162 1923192 <二>LD4--I型自动刀架的技术指标

表6.2 LD4--I型自动刀架的技术指标 重 复 定 位 精 度 ≤0.005 mm <三>工作原理

在经济型数控车床上大都使用的是四方或六方转位刀架，按其工作原理可分为：螺旋转位刀架，十字槽转位刀架，凸台棘爪式转位刀架，电磁式转位刀架，以及夜压式转位刀架。

本设计中选用的LD4-I型四工位转位刀架是一种螺旋转位刀架，其工作原理大致如下： 微机发出换刀信号，刀架控制箱继电器动作；电机正转，通过减速机构和升降机构将上刀体上升至一定位置时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转到所选刀位，发讯盘发出刀位信号，刀架控制箱继电器使电机反转，反靠初定位；上刀体下降，齿牙盘啮合，完成精定位，并通过蜗轮蜗杆，锁紧螺母使刀架固紧。当夹紧力达到预先条好的状态时，过流继电器动作，切断电源，电机停转并向微机发出信号，开

工 作 可 靠 性 >30000次 90 2.9 换刀时间 （s） 180 3.4 270 3.9

始执行下道工序。

图6.1 四工位转位刀架的工作原理图 <四>自动转位刀架的安装

该刀架安装时，需先拆除原机床上的小拖板和原刀架，然后把电动刀架置于中拖板上。此时，刀架高度应使车刀前刀面基本通过车床主轴轴心线，否则要在刀架下面加垫板，调整其高度。然后，卸掉刀架电动机风扇罩壳，逆时针方向转动电动机，使上刀体相当于下刀体转动45左右。打装螺孔，再用内六角螺栓将刀架与中拖板固定，固定时应注意，将刀架的两侧面分别与车床纵向和横向的进给方向平行。电动刀架与系统的连线应如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出一铁丝滑线，走线到系统。其好处在于:避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、切削液以及其它杂物磕碰电动刀架连线。

0

电 机 加速机构 升降机构 上刀体上升转位 信号符合 粗定位机构 上刀体下降 精定位 刀架锁紧 电机停转 换刀答信 加工顺序执行 第七章 编码盘的安装设计

我们知道在经济型数控车床上加工螺纹或丝杠时，须培植主轴脉冲发生器（即编码盘）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信号，输送到计算机。

一、编码盘的工作原理

编码盘是一种按一定的编码形式如二进制编码，二-十进制编码等，将一个圆盘分成若干等份，并利用电子、光电或电磁器件，把代表被测位移的个等份上的数码转换成便于应用的二进制或其它表达方式的测量装置。

二、步进电机频率对编码盘的限制

在世用主轴脉冲发生器时，受到步进电机频率的限制。如采用1000HZ的工作频率，加工3mm螺距的螺纹时，步进电动机频率为300HZ，而主轴脉冲发生器频率为1000360HZ=60000HZ，所以车床主轴转速n=1000360/300=200r/min，即车床主轴转速不得超过200r/min转；如将主轴脉冲发生器的频率提高到2000HZ，转速也仅达到400r/min。由此可见，当螺距越大时，允许的车床主轴转速也就越低。

三、编码盘的安装

编码盘的安装一般有良种方式，即同轴安装和异轴安装。

同轴安装的结构简单，联接方便。但是安装后不能加工穿出主轴孔的较长工件。而异轴安装无此缺陷。考虑到这一点设计者为使说改造设计的车床具有较强的通用性，选择采用异轴安装方式来安装编码盘。

编码盘通过传动比为1：1的同步齿形带与主轴联系起来。工作时，编码器与主轴同步旋转，数控装置控制进给步进电机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动。保证主轴每转一转，螺纹车刀移动一个螺纹导程，同时还保证每次走刀都在工作的同一点切入，而不乱扣。

第八章 数控系统的选择设计

机床数控系统设计在应用工作中，软件设计是一个重要方面。实际设计与硬件设计是不可分割的，二者必须结合, 哪些能由硬件完成，那些能由软件完成，在硬件设计基本定型后，分工也就基本确定下来了，这时软件设计工作才开始进行。

软件设计工作，按其功能可分二类：一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如步进电机控制，插补，误差补偿计算，反馈量的处理，零件加工程序，显示输出等；另一类是监控软件，它是控制微机系统按预定的操作方式运转的程序，它完成人机通信，并协调执行程序和操作者之间的关系，在软件系统中充当组织调度的角色，如系统自检，初始化，处理键盘命令，处理揭开命令等。但执行软件和监控软件没有明确的界限和固定的功能划分，。习惯上把键盘解释程序作为监控程序，其它任务都分散在特定功能执行程序中，并由监控程序来调用必要的功能模块，完成预定的任务。

在进行软件设计时，应从全局着眼，先将整个系统按功能分成一个一个的模块，并为每一个执行模块定义，然后设计出每一个具体模块的程序，最后组成一个系统。不仅整个系统的程序结构可具有模块化的特性，而且其模块内部有可以细分为小模块。模块特性对测试很有利，功能扩充也很方便，要增加新功能，只要增加新模块就能实现，象搭积分木一样。因此，这样的模块程序设计方法， 思路清晰，逻辑性强，柔性较强

一、典型机床数控装置的硬件组成

CNC系统（数控系统）是在硬件的支持下，通过运行软件来进行工作的。所以，CNC装置的功能强弱首先取决于其硬件系统的组成及配置。

图8.1典型数控机床的CNC系统图

二、典型CNC系统（数控系统）技术性能

在本设计中，设计者根据实际情况选择了广州数控设备厂的GSK980T数控系统。其技术性能如表8.1所示；

表8.1 GSK980T数控系统的技术性能

CPU： 控制坐标轴: 最小设定单位： 最大行程： 最大快速速度： （0.001mm当量） 每分进给速度： 快速倍率： 80C186XL12 2轴（X、Z） X轴：0.0005mm Z轴：0.001mm ±9999.999mm X轴：4m/min Z轴：8m/min 1-8000mm/min F0、25%、50%、100%四档实时可调 显示器： 联动坐标轴： 最小移动单位： 软件行程限位： 最大快速速度： （0.002mm当量） 每转进给速度： 进给倍率： 3203 240点阵液晶 2轴（X、Z） X轴：0.0005mm Z轴：0.001mm ±9999.999mm X轴：8m/min Z轴：16m/min 0.0001-500mm/r 0-150%十六档实时可调 快速加减速方式： 插补功能： 螺纹功能： 用户程序编辑： G功能： 子程序、宏程序 用户数据保存： 通讯功能： 直线型 直线/全圆圆弧插补 公/英制直螺纹、锥螺纹、端面螺纹，带退尾 进给加减速方式： 电子齿轮比： 螺纹导程： 指数型 1-127/1-127 0.0001-500mm 0.06-254000牙/英寸 可存储40KB、63个程序，ISO代码、相对/绝对混合编程，全屏幕编辑 二十二种G代码，包括十二种固定/复合循环； 八种用户宏指令可读/写最多16点输入/6点输出 二重子程序调用；（选配功能）M、S、T代码调用宏程序 程序、参数、刀补、坐标掉电保护（非易失RAM）；程序、参数、刀补后备保存（Flash-EEPROM) （选配功能）RS232接口，与PC机通讯：交换程序、参数、刀补数据 手动/程序控制二档或四档主轴变速； 主轴功能： 选配：0-10V模拟输出，控变频主轴；50%-120%主轴倍率实时可调，恒线速切削 刀具功能： 控4-8位刀，手动/程序换刀；刀具长度补偿，16组刀补设置； 定点对刀/试切对刀生成刀补 手动/程序控制主轴正转、反转、制动、停止；手动/程序控制冷却、润滑；程序控制夹头 手动连续进给十六档修调；手动单步进给四档可调：0.001/0.01/0.1/1mm；手轮（选件）进给三档可调：0.001/0.01/0.1mm 编辑、自动、录入、手动、手轮/单步、回机械零点、回程序零点 机床锁住、辅助功能锁住、空运行、单程序段运行、程序锁、参数锁、外接倍率开关（选件）、外接急停/进给保持/循环启动开关（选件） 3203 2403 136mm 重量： 6.0Kg(含开关电源) 辅助功能 手动功能： 操作方式： 其它功能： 外形尺寸： GSK980T车床数控系统（CNC），是广州数控设备厂于1998年推出的普及型数控系统。作为经济型数控，GSK980T具有以下技术特点：系统的升级换代产品.

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采用高级处理器（CPU）和可编程门阵列（PLD）进行硬件插补，实现高速μm级控制 采用四层线路板，集成度高，整机工艺结构合理，可靠性高 液晶（LCD）中文显示、界面友好、操作方便 加减速可调，可配套步进驱动器或伺服驱动器

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zpa6.html