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2011屆畢業(yè)設計說明書
用微機數(shù)控系統(tǒng)改造C6132型車床設計
系 、 部： 機械工程系
學生姓名： 袁仁煉
指導教師： 陶衛(wèi)民 職稱 副教授
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： 機本0704班
完成時間： 2011年5月
摘 要
數(shù)控機床在機械加工行業(yè)中的應用越來越廣泛。數(shù)控機床的發(fā)展，一方面是全功能、高性能；另一方面是簡單實用的經(jīng)濟型數(shù)控機床，具有自動加工的基本功能，操作維修方便。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為驅(qū)動元件，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)的定位精度較高。普通車床刀架的縱向和橫向進給運動是由主軸回轉(zhuǎn)運動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進給箱變速后，由光桿或絲桿帶動縱溜板、橫溜板的移動。進給參數(shù)要靠手工預先調(diào)整好，改變參數(shù)時要停車進行操作，刀架的縱向進給運動和橫向進給運動不能聯(lián)動，切削次序也由人工控制。
對普通車床進行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改造成為微機控制的，能獨立運動的進給系統(tǒng)，刀架改造為能自動換刀的回轉(zhuǎn)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預先輸入的加工指令進行切削加工。由于切削過程中切削參數(shù)，切削次序和刀具都會按程序自動運行，調(diào)節(jié)和更換，再加上縱向和橫向聯(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查的回轉(zhuǎn)零件，并能實現(xiàn)多工序自動加工車削，從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度，也能適合小批量多品種復查零件的加工。
C6132車床改造屬于經(jīng)濟型數(shù)控車床的改造，主要針對進給系統(tǒng)進行數(shù)控化改造，利用數(shù)控系統(tǒng)對縱、橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，驅(qū)動元件采用步進電動機，車床通過步進電動機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動。
關(guān)鍵詞：微機控制；伺服系統(tǒng)；回轉(zhuǎn)刀架；自動車削
ABSTRACT
The numerical control engine bed is more and more widespread in machine-finishing profession application. Numerical control engine bed development, on the one hand is the entire function, the high performance; On the other hand is the simple practical economy numerical control engine bed, has the automatic processing the basic function, the operation service is convenient. The economy numerical control system passes commonly used is the split-ring step-by-steps the control system, the power step-by-steps the electrical machinery for to actuate the part, does not have the examination feedback organization, the system pointing accuracy is high. Knife rest vertical to enter, give sport and horizontal to stock for sport to can be linked, cut order by artificial control even.Carry on the numerical control transformation to the ordinary lathe. Mainly vertical and horizontal enter give system transform into by what computer control.The knife rest is transformed into the gyration knife rest that can be changed one hundred sheets automatically. Introduces the engine bed the microcomputer numerical control system the transformation to be possible to enhance the engine bed the operational performance,Reduces the production cost,Obtains the high economic efficiency with the few funds investmentTake the C6132 lathe numerical control transformation as the example,In line with are as far as possible few to the lathe modification,Control section anti-jamming,Transformation cost low principle,Carries on the numerical control transformation to the lathe.
Lathe for the NC transformation is mainly vertical and horizontal feed system into a computer-controlled, The independence movement can feed system can transform Tool Automatic Tool Change of Rotary Tool. Thus, the use of NC devices, lathe can be imported at a pre-processing machining instructions. As the cutting process of cutting parameters, priorities and cutting tool will automatically by operation, regulation and replacement, coupled with the vertical and horizontal linkage functions, CNC lathe after the conversion can be processed into various shapes review the rotating parts, and multiple processes can be automatically processed turning, thus enhancing the efficiency of production and processing accuracy, also suitable for small batch multiple types of review parts of the processing.
C6132 lathe belongs to economic numerical control lathes transformation of transformation, mainly in the numerical control system by using nc system transformation, of transverse and longitudinal feeding system, open loop control by stepping motor driver components, lathe, through the stepper motor driving ball screw rotation.
Key words：the computer controls; servo system; turn the knife rest round; automatic turning
目 錄
1 前 言 1
2 設計方案 3
2.1 總體方案的確定 3
2.1.1 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 3
2.1.2 計算機系統(tǒng) 3
2.1.3 機械傳動方式 3
2.2 系統(tǒng)運動方式的確定 3
2.3 伺服系統(tǒng)的選擇 3
2.4 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定 4
2.5 計算機的選擇 4
2.6 總體方案框圖繪制 4
3 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核 5
3.1 計算切削力 5
3.2 滾珠絲桿螺母副的設計、計算、選型 5
3.2.1 計算進給牽引力 5
3.2.2 計算最大動負載C 6
3.2.3 滾珠絲桿螺母副的選型 6
3.2.4 傳動效率計算 7
3.2.5 剛度驗算 7
3.2.6 穩(wěn)定性校核 8
3.2.7 橫向滾珠絲桿副的幾何參數(shù) 9
3.3 齒輪傳動比計算 10
3.4 橫向步進電機計算和選型 11
3.4.1 初選步進電機 11
3.4.2 校核步進電機轉(zhuǎn)矩 12
3.5 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分結(jié)構(gòu)設計 17
3.5.1 橫向進給伺服系統(tǒng)總圖設計 17
3.5.2 進給伺服系統(tǒng)的裝配圖 18
4 縱向進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核 20
4.1 計算切削 20
4.2 滾珠絲桿螺母副的計算和造型 20
4.2.1 計算進給牽引力 20
4.2.2計算最大動負載C 21
4.2.3 滾珠絲桿螺母副的選型 21
4.2.4 傳功效率計算： 21
4.2.5 剛度驗算 22
4.2.6 穩(wěn)定性校核 23
4.2.7縱向滾珠絲桿副幾何參數(shù) 23
4.3 齒輪傳動比計算 24
4.3.1 進給齒輪箱傳比計算 24
4.4 步進進電機的計算和選型 25
4.4.1 初選步進電機 25
4.4.2 校核步進電機轉(zhuǎn)矩 27
4.5 縱向進給伺服系統(tǒng)機械部分結(jié)構(gòu)設計 31
4.5.1 縱向進給伺服系統(tǒng)總圖設計 32
4.5.2進給伺服系統(tǒng)的裝配圖 32
5 微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設計 34
5.1硬件電路一般要求 34
5.2控制系統(tǒng)的組成及功能 34
5.2.1 CPU、存儲器、I/O接口電路擴展 34
5.2.2控制系統(tǒng)的功能 36
5.3步進電機控制電路 36
5.3.1步進電機開環(huán)驅(qū)動原理 36
5.3.2脈沖分配 37
5.3.3驅(qū)動電路 37
5.3.4其他輔助電路 38
6 微機控制系統(tǒng)的軟件設計 39
6.1 監(jiān)控程序 39
6.2 直線圓弧插補程序設計 39
6.3升降速處理軟件 41
6. 4步進電機的軟件控制及轉(zhuǎn)程序設計 43
7 機床的加工程序編制 46
致 謝 49
參考文獻 50
附 錄 51
1 前 言
經(jīng)濟型數(shù)控是我國80年代科技發(fā)展的產(chǎn)物。這種數(shù)控系統(tǒng)由于功能適宜，價格便宜，用它來改造車床，投資少、見效快，成為我國“七五”、“八五”重點推廣的新技術(shù)之一。
數(shù)控機床與通用機床相比，增加了功能，提高了性能，簡化了結(jié)構(gòu)，較好地解決形狀復雜、精密、小批及形狀多變零件的加工問題，能夠獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，其應用越來越廣泛，但是數(shù)控機床的應用也受到其他條件的限制。
（1） 數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，對中小企業(yè)常是心有余而力不足。
（2） 目前，各企業(yè)都有大量的通用機床，完全用數(shù)控機床替換根本不可能，而且替代下的機床閑置起來又會造成浪費。
（3） 在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)需要。
（4） 通用數(shù)控機床對某一類具體生產(chǎn)項目有多余功能。
要較好地解決上述問題，通用機床數(shù)控化改造便是很好的對策。通用機床的數(shù)控化改造就在通用機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預定的加工工藝目標。這一工作早在20世紀60年代已經(jīng)開始時迅速發(fā)展，并有專門企業(yè)經(jīng)營這門業(yè)務。目前，在國外已發(fā)展成為一個新興的工業(yè)部門。從美國、日本等工業(yè)化國家的經(jīng)驗看，機床的數(shù)控化改造也必不可少，如日本的大企業(yè)中有26%的機床經(jīng)過數(shù)控改造，中小企業(yè)則多達74%。在美國有許多數(shù)控專業(yè)化公司為世界各地擔供數(shù)控化改造業(yè)務。中國是擁有300多萬臺機床的國家，其中大部分都是多年累積生產(chǎn)的通用機床，如臥式車床和各種銑床等，自動化程度低，要想在近幾年來內(nèi)用自動和精密設備更新現(xiàn)有機床，不論是資金還是中國機床制造廠的能力都是辦不到的。因此，通用機床的數(shù)控化改造大有可為。它適合中國的經(jīng)濟水平、生產(chǎn)水平和教育水平，已成為中國設備技術(shù)改造主要方向之一。
十幾年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)濟型數(shù)控技術(shù)也在不斷進步，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品不斷改進完善，并且有了階段性的突破，使新的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)功能更強，可靠性更穩(wěn)定，功率增大，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。由于這項技術(shù)的發(fā)展增強了經(jīng)濟型數(shù)控的活力，根據(jù)我國國情，該技術(shù)在今后一段時間內(nèi)還將是我國機械行業(yè)老設備改造的很好途徑。對于原有老的經(jīng)濟型數(shù)控車床，特別是80年代末期改造的設備，由于種種原因閑置的很多，浪費很大；在用的設備使用至今也十幾年了，同樣面臨進一步改造的問題通過改造可以提高原有裝備的技術(shù)水平，大大提高生產(chǎn)效率，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。
CA6132是金屬切削機床加工中比較常用的一類機床。屬于經(jīng)濟型數(shù)控車床的改造，主要針對進給系統(tǒng)進行數(shù)控化改造，利用數(shù)控系統(tǒng)對縱、橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，驅(qū)動元件采用步進電動機，車床通過步進電動機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動。當工件隨主軸回轉(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，借助于成型刀具，還能加工各種回轉(zhuǎn)表面。普通車床刀架的縱向和橫向進給運動是由主軸回轉(zhuǎn)運動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進給箱變速后，由光桿或絲桿帶動縱溜板、橫溜板的移動。進給參數(shù)要靠手工預先調(diào)整好，改變參數(shù)時要停車進行操作，刀架的縱向進給運動和橫向進給運動不能聯(lián)動，切削次序也由人工控制。
對普通車床進行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改造成為微機控制的，能獨立運動的進給系統(tǒng)，刀架改造為能自動換刀的回轉(zhuǎn)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預先輸入的加工指令進行切削加工。由于切削過程中切削參數(shù)，切削次序和刀具都會按程序自動運行，調(diào)節(jié)和更換，再加上縱向和橫向聯(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查的回轉(zhuǎn)零件，并能實現(xiàn)多工序自動加工車削，從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度，也能適合小批量多品種復查零件的加工。
畢業(yè)設計是學生在校學習階段的最后一個教學環(huán)節(jié)，也是學生完成工程師基本訓練的重要環(huán)節(jié)。其目的是培養(yǎng)學生綜合運用所學的專業(yè)和基礎理論知識，獨立解決本專業(yè)一般工程技術(shù)問題的能力，樹立正確的設計思想和工作作風。畢業(yè)設計說明書不只反映了設計的思想內(nèi)容，方法和步驟，而且還反映了學生的文理修養(yǎng)和作風。
本說明書介紹了此次設計的任務，將普通臥式車床（C6132）改造為經(jīng)濟型數(shù)控車床；有關(guān)經(jīng)濟型數(shù)控車床改造總體方案確定及框圖、進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算及校核、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設計、加工程序編制。
2 設計方案
2.1 總體方案的確定
2.1.1 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應具有定位、直線插補、順圓和逆圓插補、暫停、循環(huán)加工公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.1.2 計算機系統(tǒng)
根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS—51系列單片機具有集成度高，可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、性能價格比高等特點，決定采用MCS—51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。
2.1.3 機械傳動方式
為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿。為了保證一定的傳動精度跟平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。
2.2 系統(tǒng)運動方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。
2.3 伺服系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向送的。
指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。
閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件，用來檢測實際位移量，能補償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機或位流伺服電機驅(qū)動。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位移量，而是用檢測元件出驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺實際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。
2.4 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定
為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設計機械傳動裝置時，通常提出低摩、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。在設計中應考慮以下幾點：
Ⅰ 盡量采用低磨擦的傳動和導向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌、貼塑導軌等。
Ⅱ 盡量消除傳動間隙。例如采用間隙齒輪等。
Ⅲ 提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差?？刹捎妙A緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預加負載導軌和滾珠絲杠副等。
2.5 計算機的選擇
微機數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲器擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅(qū)動電路、檢測電路等幾部分組成。
2.6 總體方案框圖繪制
圖1總體方案框圖
3 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核
3.1 計算切削力
根據(jù)數(shù)控機床精度要求確定脈沖當量0.005mm/setp
橫切端面
查《綜合作業(yè)指導書》P13頁
式中——車床床身上加工最大直徑
橫切端面時主切削力可取縱切時的
式中 ——走刀方向的切削力（N）
——垂直走刀方向的切削力（N）
3.2 滾珠絲桿螺母副的設計、計算、選型
3.2.1 計算進給牽引力
橫向?qū)к墳檠辔残危? 參考《機床設計手冊.2》6.2-2；6.2-3表
查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁
式中：，，——切削分力（Ｎ）
G——移動部件的重量（N）
表1-1查得橫向溜板及刀架重力800N
——滑動導軌摩擦系數(shù)，隨導軌形式而不同
K——考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù) 取K=1.4
3.2.2 計算最大動負載C
選用滾珠絲桿導軌 參考《機床設計手冊.3》P185-P210
查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁
式中： L——壽命，以轉(zhuǎn)為一單位
n ——絲桿轉(zhuǎn)速（r/min）
——為最大切削條件下進給速度，可取最高進給速度的1/2-1/3
取
——絲桿導程（mm） 初選=5mm
T——為使用壽命（h）,對于數(shù)控機床取15000h
——運轉(zhuǎn)系數(shù)，查表3-14一般取1.2-1.5
3.2.3 滾珠絲桿螺母副的選型
查閱《綜合作業(yè)指導書》附表Ａ-2，可采用WD2505外循環(huán)墊片調(diào)整緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動負載為9700N,精度等級按表3-17選為３級。
3.2.4 傳動效率計算
式中：——螺旋升角，WD2505
——摩擦角取 滾動摩擦系數(shù)0.003-0.004
3.2.5 剛度驗算
橫向進給絲桿支承方式圖2 所示，最大牽引力958.97N,支承間距＝350mm，因絲桿長度較短，不需預緊螺母及軸承預緊。
計算如下:
Ⅰ 絲桿的拉伸或壓縮變形量(mm)
查 閱《綜合作業(yè)指導書》圖3-4,根據(jù)＝958.97N,D=25mm查出可
算出：
圖2 橫向進給絲桿支承方式
Ⅱ 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量
查圖3-5得Ｗ系列１列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量
因進行了預緊
Ⅲ 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形
采用推力球軸承8104查閱《機床設計手冊.２》表5.9-137,d=20mm,滾動體直徑=5.556mm,數(shù)量Z=13
綜合以上幾項變形量之和：
＜ 定位精度
3.2.6 穩(wěn)定性校核
計算臨界負載(N)
式中:E——材料彈性模量()
I ——截面慣性矩()
L——絲桿兩軸承端距離(cm)
——絲桿支承方式系數(shù)，從表3.15中查出，一端固定，一端簡支為2.00
一般=2.5-4.0,所以>>
此滾珠絲桿不會產(chǎn)生失穩(wěn)。
3.2.7 橫向滾珠絲桿副的幾何參數(shù)
其參數(shù)如表1
表1 WD2505滾珠絲杠幾何參數(shù)
參數(shù)名稱
符號
關(guān)系式
WD2505
螺
紋
滾
道
公稱直徑
25
導程
5
接觸角
鋼球直徑
3.175
滾道法面半徑
R
1.651
偏心距
e
0.045
螺紋升角
螺
桿
外徑
d
24.365
內(nèi)徑
21.788
接觸直徑
21.83
螺
母
螺紋直徑
D
28.212
內(nèi)徑
25.635
3.3 齒輪傳動比計算
已確定橫向脈沖當量，滾珠直徑導程=5mm,
初選步進電動機步距角可計算傳動比:
考慮到結(jié)構(gòu)上的原因不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板有行程，故此處可采用兩級齒輪降速。
因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2，
有關(guān)參數(shù)參照表2
表2 傳動齒輪幾何參數(shù)
齒數(shù)
Z
24
40
20
25
分度圓
d=mz
48
80
40
50
齒頂圓
52
84
44
54
齒根圓
43
75
35
45
齒寬
(6-10)m
20
中心距
64
45
3.4 橫向步進電機計算和選型
3.4.1 初選步進電機
a 計算步進電機負載轉(zhuǎn)矩
查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁
式中: ——脈沖當量，取
——進給牽引力(N)
——步距角，初選雙拍制為
——電機—絲桿傳動效率為齒輪、軸承、絲桿效率之積分別為
b 估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩
根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩除以一定的安全系數(shù)來估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩(N.cm)
一般橫向進給伺服系統(tǒng)取0.4-0.5
c 計算最大靜轉(zhuǎn)矩
查表3-22如取五相十拍，則
d 計算步進電機運行頻率和最高啟動頻率
式中: ——最大切削進給速度
——最大快移速度
——脈沖當量，取
e 初選步進電機型號
根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩在表3-23中查出90BF004最大靜轉(zhuǎn)矩為245N.cm >可以滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床有可能使用較大的切削用量，應該選用稍大轉(zhuǎn)矩的步進電機，以留有一定余量，另一方面與國內(nèi)同類型機床進行類比的要求。決定采用90BF004，但從《綜合作業(yè)指導書》P24頁查出，步進電機最高空載啟動頻率為4000Hz,滿足空載時(3333.33Hz)的要求。
3.4.2 校核步進電機轉(zhuǎn)矩
前面所述初選步進電機的轉(zhuǎn)矩計算，均為估算，初選后，應該進行校核計算。
Ⅰ 等效轉(zhuǎn)動慣量計算
計算簡圖見圖2，根據(jù)表3-24，經(jīng)二對齒輪降速時，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算:
式中: ——齒輪及其軸的轉(zhuǎn)動慣量
——齒輪的轉(zhuǎn)動慣量
——絲桿轉(zhuǎn)動慣量
——絲桿導程(cm)
G——工件及工作臺重量(N) G=800(N)
a 齒輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計算
表3-24所示圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式如下:
對于鋼材，
式中: M——圓柱體質(zhì)量
D——圓柱體直徑 (cm)
L——圓柱體長度或原長(cm)
鋼材的密度為
因此
基本滿足慣量匹配的要求。
b電機轉(zhuǎn)矩計算
機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算:
1） 快速空載起動轉(zhuǎn)矩
在快速空載起動階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計算如下：
式中: ——快速空載起動轉(zhuǎn)矩
——空載起動時折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
——折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
——由于絲桿預緊時折算到電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩
在采用絲桿螺母副傳動時，上述各種轉(zhuǎn)矩可用下式計算：
式中: ——傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量
——電機最大角速度
——電機最大轉(zhuǎn)速
——運動部件最快速度
——脈沖當量
——步進電機的步距角
——運動部件從停止到起動加速到最大快進速度所需時間(s)
起動加速時間=30(ms)
折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
式中: ——導軌的摩擦力(N)
——垂直方向的切削力(N)
G——運動部件的總重量(N)
——導軌摩擦系數(shù)，取=0.15
——齒輪降速比
——傳動鏈總效率，一般可取0.7-0.8
附加摩擦轉(zhuǎn)矩:
式中: ——滾珠絲桿預加負荷，一般取，為進給牽引力(N)
——滾珠絲桿導程(cm)
——滾珠絲桿未預緊時的傳動效率，一般取
上述三項合計:
2） 快速移動時所需轉(zhuǎn)矩
3） 最大切削負載時所需要的轉(zhuǎn)矩
式中:——折算到電機軸上的切削負載轉(zhuǎn)矩
從上面計算看出、、三種工況下，以快速空載所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項作為校核步進電機轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。
從表3-22查出，當步進電機為五相十拍時為
則最大靜轉(zhuǎn)矩為:
從表3-23查出90BF004最大轉(zhuǎn)矩為為245，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足此項要求。
Ⅱ 校核步進電動機起動矩頻特性和運行矩頻特性
前面已經(jīng)計算出機床最大快移時，需步進電機的最高起動頻率為3333.33Hz,切削進給時所需步進電機運行頻率為1666.7Hz
從表3-23中查出90BF004型步進電機允許的最高空載起動頻率為4000Hz，運行頻率為16000Hz，再從圖3-15，3-16查出90BF004步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性如圖3所示。
當快速運動和切削進給時，90BF004型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性可以滿足要求。
圖3 電機起動矩頻特性和運行矩頻特性
3.5 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分結(jié)構(gòu)設計
機械部分結(jié)構(gòu)設計的任務是畫出進給伺服系統(tǒng)的裝配圖，用以表達設計構(gòu)思、設計特點及計算結(jié)果，進給伺服系統(tǒng)總圖設計。
3.5.1 橫向進給伺服系統(tǒng)總圖設計
橫向進給機構(gòu)可以從俯視圖看出，橫向進給的齒輪箱和步進電機裝在床鞍后面，滾珠絲桿也需用蓋板保護。橫向進給的手柄可以拆除也可保留，將原機的方刀架拆除，改裝自動回轉(zhuǎn)刀架，由計算機控制，根據(jù)程序，自動轉(zhuǎn)位、夾緊。從總圖中可以看到帶動刀架回轉(zhuǎn)的微型電機、齒輪箱。
總體圖上還畫出此車床上加工螺紋的部件光電編碼器在數(shù)控車床上，利用光電編碼器裝在主軸或主軸箱中與主軸保持一定傳動比的伸出軸上，當主軸旋轉(zhuǎn)一圈時，光電編碼器就發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，輸入到計算機中，經(jīng)過計算機的運算控制步進電機，帶動滾珠絲桿，使刀架進給一定的螺距。而附錄E中光電編碼器用彎板裝在主軸箱左端面，通過彈性聯(lián)軸器與主軸箱中一伸出軸相連。因伸出軸不可能與彈性聯(lián)軸器孔的尺寸完全一致，故還要設計一個中間過渡套。
控制面板上有數(shù)碼顯示，按鍵、各種指示燈及開關(guān)，注意設計時要與硬件電路圖一致。
3.5.2 進給伺服系統(tǒng)的裝配圖
經(jīng)過計算，已知橫向進給系統(tǒng)采用90BF004型步進電機。經(jīng)過二對齒輪減速，齒輪齒數(shù)。齒輪模數(shù)m=2,滾珠絲桿直徑為mm, 滾珠絲桿螺母選用的是外循環(huán)溝槽式墊片調(diào)隙WD2505。
進行應保證足夠應考慮以上問題
Ⅰ 設計應保證足夠的行程，C6132經(jīng)濟型數(shù)控車床，在床面上加工最大尺寸為320mm，橫向進給行程至少為185mm，圖中設計了兩對減速齒輪，減小了齒輪箱體的高度，使橫向拖板運動時，防塵蓋11不致和箱體上蓋4干涉，從圖中可以看出橫向拖板12最大運動距離為200mm，另外還需注意從橫向拖板裝刀架的中心到主軸中心的距離必須大于等于行程與方刀架見方及刀頭伸出度之和，設計時應注意，主軸中心與床身中心并不重合，C6132車床此尺寸為5mm。C6132車床刀架見方為220200，刀頭伸出長度為30mm左右。
Ⅱ 滾珠絲桿與橫向?qū)С痰钠叫卸葢∮?.05mm，為達到此要求，可在鏜床上對床鞍兩邊的裝軸承孔在一次裝卡中鏜出。
Ⅲ 為保證滾珠絲桿轉(zhuǎn)動輕快靈活，無阻滯現(xiàn)象，必須使?jié)L珠螺母與兩端軸承同軸。在本設計中，滾珠螺母14與橫向拖板12之間裝有一墊片，通過水平面內(nèi)滾珠螺母，在垂直面內(nèi)與兩端支承同軸，在通過內(nèi)六角螺釘20的過孔，調(diào)整水平面內(nèi)滾珠螺母與兩端支承同軸，調(diào)整好以后，打入定位銷21。
Ⅳ 滾珠絲桿左右各采用一對徑向軸承，在右端又采用一對止推軸承，以承受軸向力。當絲桿受到向右的軸向力時，通過絲桿臺階傳給止推軸承15動圈，經(jīng)鋼珠傳給止推軸承15不動圈，再通過擋圈，一對徑向軸承16的外圈傳給法蘭盤再傳到床鞍上。絲桿受到向左的軸向力通過絲桿右端的圓螺母傳給止推軸承的動圈鋼珠，經(jīng)不動圈傳給法蘭盤、床鞍，此處必注意絲桿所受的軸向力必須傳到床鞍等固定體上。另外，要注意止推軸承不動圈和軸頸之間必須畫出間隙。
Ⅴ 雙片消隙齒輪的中間開有三個月牙形的槽放入壓簧，并用三個內(nèi)六角螺釘固定（A-A斷面和E-E斷面），這種消隙齒輪的裝配順序:首先將雙片齒輪相對轉(zhuǎn)過一個齒距，使雙片齒輪的齒對齊，彈簧受壓，上緊螺釘，裝入箱體后將螺釘松開，彈簧將雙片齒輪沿周向錯開，以消除與齒輪的間隙，此時在將螺釘上緊（因而在設計時，箱壁上要留有可伸入六角扳手的孔，彈簧兩端用削扁的銷子壓住）此設計中應注意箱體中留足夠的扳手空間，雙片齒輪用二個六角螺釘固緊，六角扳手可以齒輪箱體上端面伸入（端蓋拆下），六角螺釘和滾珠絲桿在軸向留有足夠的空間，但此空間也不宜留得過大，以免加大箱體尺寸，雙片齒輪采用三個開槽螺釘緊固。螺絲刀需從箱體左面孔中伸入（拆去端蓋）。
Ⅵ 90BF004型步進電機軸為平鍵，為防止運轉(zhuǎn)過程中齒輪從電機上松動滑出，在齒輪的輪轂上裝一頂絲，（電機軸上鉆一小窩）并用鉛絲在頂絲口處與齒輪輪轂纏住以防松。
4 縱向進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核
4.1 計算切削
主切削力F（N）按經(jīng)驗公式估算：
—走刀方向的切削分力（N）
—車床身上加工最大直徑（mm）=320m
=3835.30
：：=1：0.25：0.4
—走刀方向的切削力
—垂直走刀方向的切削力
=×0.25=958.825(N)
=×0.4=1534.12(N)
4.2 滾珠絲桿螺母副的計算和造型
4.2.1 計算進給牽引力
縱向進給選為綜合導軌。參考表6.2—2，6.2—3兩表〈〈機床設計手冊.3〉〉
查書《綜合作業(yè)指導書》P22
在正常情況下：
—考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取K=1.15
—滑動導軌磨擦系數(shù)0.15～0.18
—溜板及刀架重力查《綜合作業(yè)指導書》表1—1，取=800N
=1.15×958.825+0.17(3835.30+800)=1890.65(N)
4.2.2計算最大動負載C
參考《機床設計手冊.3》P185～P210 選用滾珠絲桿導軌
式中：
L——壽命，以轉(zhuǎn)為一單位
n ——絲桿轉(zhuǎn)速（r/min）
——為最大切削條件下進給速度，可取最高進給速度的1/2-1/3
取
——絲桿導程（mm） 初選=5mm
T——為使用壽命（h）,對于數(shù)控機床取15000h
——運轉(zhuǎn)系數(shù)，查表3-14一般取1.2-1.5
r/min
60
==11102.47(N)
4.2.3 滾珠絲桿螺母副的選型
查閱附錄A表A—2，可采用WD 4506外循環(huán)墊片調(diào)隙雙螺母珠絲桿副，1列2.5圈，其額定功動負載為17100（N），精度等級按表《綜合作業(yè)指導書》表3-17選為3級。
4.2.4 傳功效率計算：
=
式中：
r—螺旋升角，WD4506 r=2.433
—磨擦角取10’ 滾動磨擦系數(shù)0.003～0.004
4.2.5 剛度驗算
先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖如圖4所示，最大牽引力1890.65N。支承間距L=1500mm，絲桿螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷1/3。
圖4 縱向進給滾珠絲杠支承方式
a.絲杠的拉伸或壓縮變形量查《綜合作業(yè)指導書》圖3-4，根據(jù)
查出 可算出
由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲桿進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高4
倍。其實際變形量(mm)為
b.滾珠與螺紋滾道間接觸變形
查《綜合作業(yè)指導書》表3-5，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量
=5.4μm
因進行預緊
c.支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形
采用8107型推力球軸承，=35mm,滾動體直徑=6.35mm,滾動體數(shù)量Z=18,
注意此公式中單位應為N
因施加預緊力，故
根據(jù)以上計算
<定位精度
因為查表達1-1《綜合作業(yè)指導書》定位精度為±0.01
4.2.6 穩(wěn)定性校核
滾珠絲桿兩端采用推力球軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。
4.2.7縱向滾珠絲桿副幾何參數(shù)
表3
表3 WD4506滾珠絲桿副幾何參數(shù)
參數(shù)名稱
符號
關(guān)系式
WD4506
螺
紋
滾
道
公稱直徑
45
導 程
6
接觸角
2.433
鋼球直徑
3.969
滾道法
面半徑
=0.52
2.064
偏心距
=(－
0.0034
螺紋升角
2.433
螺
桿
外 徑
=-(0.2～0.25)
44.2
內(nèi) 徑
=＋2－2
40.88
接觸直徑
=－Cos
41.03
螺
母
螺紋直徑
=－2＋2
49.12
內(nèi) 徑
=＋(0.2～0.25)
45.79
4.3 齒輪傳動比計算
4.3.1 進給齒輪箱傳比計算
已確定縱向脈沖當量，滾珠直徑導程=6mm,
初選步進電動機步距角可計算傳動比:
因為可進定齒輪齒數(shù)為
32/40或20/25
， 或 ，
根據(jù)《機械設計》，又因進給給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2，
則有關(guān)參數(shù)如表4所示：
表4 傳動齒輪幾何參數(shù)
齒數(shù)
Z
32
40
分度圓
d=mz
64
80
齒頂圓
68
84
齒根圓
59
75
齒寬
(6-10)m
20
20
中心距
72
4.4 步進進電機的計算和選型
4.4.1 初選步進電機
a 計算步進電機負載轉(zhuǎn)矩
查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁
式中: ——脈沖當量，取
——進給牽引力(N) 取
——步距角，初選雙拍制為
－電機－絲桿的傳動效率，為齒輪、軸承、絲桿效率之積，分別為0.98、0.99、0.99和0.94。
N.cm
b 估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩
根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩除以一定的安全系數(shù)來估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩(N.cm)
一般橫向進給伺服系統(tǒng)取0.4-0.5
c 計算最大靜轉(zhuǎn)矩
查表3-22如取五相十拍，則
d 計算步進電機運行頻率和最高啟動頻率
式中: ——最大切削進給速度 =0.8 m/min
——最大快移速度 =2.4m/min
——脈沖當量，取
e 初步選電機型號
根據(jù)估算出的最大的靜轉(zhuǎn)矩在表3-22中查出110BF004最大靜扭矩為490>420.92可以滿足要求，考慮此經(jīng)濟型數(shù)按車床有可能使用較大的切削用量，應該先稍大轉(zhuǎn)矩的步進電機，以留有一定的余量，另一方面，與國內(nèi)同類型機床進行類比，決定采用130BF001步進電機，但從表中看出130BF001步進電機最高空載起動頻率為3000HZ，不能滿足=4000HZ的要求，此項指標可暫不考慮，可以采用軟件開降速程序來解決。
4.4.2 校核步進電機轉(zhuǎn)矩
前面所初步電機的轉(zhuǎn)矩計算，均為估算，初迭之后，應該進行校核計算。
Ⅰ 等效轉(zhuǎn)動慣量計算
計算簡圖見圖，根據(jù)《綜合作業(yè)指導書》表3-24，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算:
式中:——齒輪及其軸的轉(zhuǎn)動慣量
——滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣量
——絲桿導程(cm) =1500mm
G——工件及工作臺重量(N) G=1500(N)
參考同類型機床，初步反應式步進電機130BF，
其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動量
a齒輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計算
表3-24所示圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式如下:
對于鋼材，
式中: M——圓柱體質(zhì)量
D——圓柱體直徑 (cm)
L——圓柱體長度或原長(cm)
鋼材的密度為
代入公式可得：
=7.32＋0.64[36.31＋1.4]
=7.32＋0.64×37.71=31.54
考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣車匹配問題：
滿足慣量匹配的要求。
b 電機轉(zhuǎn)矩的計算
機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算:
1） 快速空載起動轉(zhuǎn)矩
在快速空載起動階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計算如下：
式中: ——快速空載起動轉(zhuǎn)矩
——空載起動時折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
——折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
——由于絲桿預緊時折算到電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩
在采用絲桿螺母副傳動時，上述各種轉(zhuǎn)矩可用下式計算：
式中: ——傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量
——電機最大角速度
——電機最大轉(zhuǎn)速
——運動部件最快速度
——脈沖當量
——步進電機的步距角
——運動部件從停止到起動加速到最大快進速度所需時間(s)
起動加速時間=30(ms)
折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
式中: ——導軌的摩擦力(N)
—絲桿導程(cm) =0.6cm
——垂直方向的切削力(N)
G——運動部件的總重量(N)
——導軌摩擦系數(shù)，取=0.17
——齒輪降速比
——傳動鏈總效率，一般可取0.7-0.8
附加摩擦轉(zhuǎn)矩:
式中: ——滾珠絲桿預加負荷，一般取，為進給牽引力1890.65(N)
——滾珠絲桿導程(cm) =0.6cm
——滾珠絲桿未預緊時的傳動效率，一般取 取0.92
上述三項合計:
2） 快速移動時所需轉(zhuǎn)矩
3） 最大切削負載時所需要的轉(zhuǎn)矩
式中:——折算到電機軸上的切削負載轉(zhuǎn)矩
從上面計算看出、、三種工況下，以快速空載所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項作為校核步進電機轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。
從《綜合作業(yè)指導書》表3-22查出，當步進電機為五相十拍時為
則最大靜轉(zhuǎn)矩為:
查表3—23中130BF001型步進電機最大轉(zhuǎn)矩為931N.cm，大于所需最大轉(zhuǎn)靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足要求。
Ⅱ 校核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。
已計算出機床最大快移時需步進電機的最高起動頻率為4000Hz，切削進入時所需步進電機運行頻率為1333.3Hz。
從《綜合作業(yè)指導書》表3—23中查出130BF001型步進電機允許的最高空載起動頻率為3000Hz，運行頻率為16000Hz，再從《綜合作業(yè)指導書》〉圖3—15，3—16查出130BF步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線如（C）圖所示，當步進電機起動時，=2500Hz時，=100N.cm,不能滿足此機床所要求的空載起動力矩64454N.cm。直接使用則會施行失步現(xiàn)象，所以必須采取開降進控制〈用軟件實現(xiàn)〉，將起動頻率到1000Hz起動轉(zhuǎn)矩可增高到588.4N.cm，然后電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，可將電機輸出轉(zhuǎn)矩擴大一倍左右。
當快速運動和切削進給時，130BF001型步進電機運行矩頻特性（D）圖完全可以滿足要求：如圖5
圖5 電機運行矩頻特性
4.5 縱向進給伺服系統(tǒng)機械部分結(jié)構(gòu)設計
機械部分結(jié)構(gòu)設計的任務是畫出進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖，用以表達，設計者構(gòu)思，設計特點及計算結(jié)果一。
4.5.1 縱向進給伺服系統(tǒng)總圖設計
縱向進給機構(gòu)，在原機床裝進給箱的位置，將進給箱拆除，裝伺服系統(tǒng)齒輪箱，在箱體的左面裝步進電機，滾珠絲桿右端軸承座仍裝在原機床滑動絲桿后軸承座處。滾珠絲桿裝有擋板，以防止切屑掉下?lián)p壞滾珠絲杠。將C6132床的溜板箱拆除，在滾珠螺母座前面有控制板，裝有急停，電源開關(guān)等幾個按鈕，便于工人操作。
總圖上還必須畫出此車床上加工螺紋的部件光電編碼器在經(jīng)濟型數(shù)按車床上，利用光電編碼器裝在主軸或在主軸箱與主軸保持一定傳動比的伸出軸上，當主軸旋轉(zhuǎn)一圈時，光電編碼器就發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，輸入計算中，經(jīng)過計算的運算，控制步進電機，帶功滾珠絲杠，使刀架進給一定的螺距。
而光電編碼器用彎板裝在主軸箱左端面，通過彈性聯(lián)軸器與主軸箱中一伸出軸相連，因伸出軸不可能與彈性聯(lián)軸器的尺寸完全一致，故中間還要設計一個中間過渡套。
4.5.2進給伺服系統(tǒng)的裝配圖
經(jīng)過計算，已知此縱向進給系統(tǒng)采用130BF001型