734 用微機數(shù)控系統(tǒng)改造C6132型車床設(shè)計【優(yōu)秀含4張CAD圖+文獻翻譯+說明書】
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材料制備機械設(shè)計理論中的新趨勢和新問題
王艾倫,段吉安,黃明輝,鐘 掘
(中南大學機電工程學院,湖南長沙 410083)
摘 要: 在全面綜述材料制備機械技術(shù)及設(shè)備發(fā)展動態(tài)的基礎(chǔ)上,提出了研究領(lǐng)域的幾個新問題和發(fā)展方向,如通過集成和融合現(xiàn)代相關(guān)前沿科學和技術(shù)，生產(chǎn)具有超常和特殊性能的新概念材料等,并進行了簡要分析和討論.
關(guān)鍵詞: 界面;超常物理場;制備機械;功能材料
1．機械材料加工的時代背景
在人類進步的一段長時間范圍內(nèi)，許多工具、機械和方法被提出來；不同的原料用不同的工具來加工。原料及其處理過程已經(jīng)變成了推動人類進步不可缺的一部份。在當前世界中日益激烈的競爭和人們追求幸福生活的今天，物質(zhì)的功能已經(jīng)遠遠超出了人類現(xiàn)有的并不斷增長的知識及想象。例如：神秘原料功能，半導體材料，原料能量有吸力的材料，在航空領(lǐng)域中占有70%份額的強力鋁合金4~5um的薄金屬片，用各向異性深沖壓金屬板在1%以下；電子鋁箔與強耐熱鋁合金已經(jīng)被應用到航空、宇宙及深海領(lǐng)域中，等等；在原料加工加工領(lǐng)域中不同的時間段里，材料重要發(fā)展趨勢就這樣形成了：
（1）在特殊的物理領(lǐng)域里制造原料加工機械，是為了能有特殊的質(zhì)地結(jié)構(gòu)和輔助性的加工功能。例如：運用熱能和機械能能夠突破科學技術(shù)的極限，將一些不常用的能量，例如：微波、化學能、生物能等等，一個接一個的被引入到材料加工中來，因此一些加工特殊能量原材料的加工設(shè)備就被制造出來了。
（2）突破傳統(tǒng)的物質(zhì)限制，將溶化、凝固、造型一體化，然后加熱得到具有特殊功能的原料，這樣就可以降低加工費用。例如：材料加工整形技術(shù)，比如像快速翻滾，噴霧處理、塑膠成型、噴射造型法、高能量射束等等被應用。
（3）原料加工處理正在向高速、重載和高精度在線控制方向上邁進。例如：軋制速度達到130m/s，壓力變形已達到300MPa，尺寸精度達到了0.1um，成型精度已達到0.1i；濃度精度已達到0.1MPa。由于這些原因，原料加工機械設(shè)備設(shè)計理論將科學與技術(shù)相關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域有機的結(jié)合起來設(shè)計生產(chǎn)一中新概念材料加工設(shè)備是可能的。
2．對于新概念材料加工設(shè)備的期望功能
（1）要有能力生產(chǎn)具有特殊物質(zhì)的領(lǐng)域；能傳送那些對于新概念材料加工在特定的物質(zhì)環(huán)境下是非常必要的特殊能流。例如：在高溫環(huán)境下能使那些高溫波或者脈沖以超過104~106K/s的速度冷卻下來；將外表面的凝固、變形合成一體，然后在將超強接觸面應力重新組合成新的分界面；融化的大金屬薄片的湍流；隨機的低頻率磁場用于金屬末加熱的微波、用于大量凝固的超聲波等等都已經(jīng)被應用了。
（2）有能力在臨界狀態(tài)下工作，因此高穩(wěn)定性和理想性能的處理設(shè)備是在加強技術(shù)條件和室外操作的保證。例如：禁止在潤滑狀態(tài)下邊界上的搖晃；在特有的摩擦狀態(tài)下的抗震能力；有韌性的連接管的合力穩(wěn)定性和干擾穩(wěn)定性與軸相比更易驅(qū)動系統(tǒng)。
（3）有能力精確的控制原料加工而獲得低損耗、高功率、高性能的原料加工。例如：精確的在線監(jiān)測產(chǎn)品成型；在線監(jiān)測和在線調(diào)整產(chǎn)品品質(zhì)和器具還有在線控制金屬、塑膠成型的程序。產(chǎn)品的精確度指數(shù)可以列舉如下：宏觀上精確度可達到0.1um，微觀上的晶狀體結(jié)構(gòu)非常均勻，濃度誤差在0.1MPa 。簡而言之，擁有特別功能的新概念原料加工設(shè)備應該被設(shè)計和生產(chǎn)出來。這樣的話，那些特別性能的原料就能被處理加工了。
3．在特殊的物理領(lǐng)域和環(huán)境下金屬材料加工設(shè)備的問題和需要學習的內(nèi)容
由于這些原因和以上提到的背景，如下的一些新的研究主題應該被改進：
3.1 連接傳熱裝置和溫度應力場的相界面
當融化金屬處于液體和固體的臨界狀態(tài)時通過連續(xù)的變形和快速凝固，一種全新的微觀結(jié)構(gòu)可以被獲得。在這個非常時刻，高濃度的熱流和動態(tài)的熱阻力在材料加工處理中成了主要事項。關(guān)于設(shè)計這個設(shè)備的基本理論問題是要學習核心傳動系統(tǒng)合能量轉(zhuǎn)化和建立數(shù)學模型。
3.2 材料加工設(shè)備表面粘流摩擦力的抑制
操作裝置和工件的連接是相當復雜的因為粘流阻擋了加工表面界面態(tài)由周轉(zhuǎn)速度、熱力學處理工作量、操作裝置的彈性、工件的可塑性、滑性界面的動態(tài)行為、局部水力的潤滑油等等來決定。它們影響著材料加工設(shè)備抗摩擦裝置的成型。因為它們會會強制其產(chǎn)生很大的非線性，這種強制會在瞬間被損壞或者是失諧，最后會導致動態(tài)不穩(wěn)定性。因此提出了以下的問題：機械裝置的噪聲可能在晃動的界面引起滑動摩擦、不穩(wěn)定狀態(tài)；在高速、重載和邊界潤滑狀態(tài)下在光滑表面和旋轉(zhuǎn)式噴灌器之間的裝置抑制。潤滑油薄膜吸收裝置和不斷再生的表面的物理化學行為；流變學的特征和操作參數(shù)之間的關(guān)系。
3.3 在高壓場條件下非線性接觸式機械裝置
在大范圍內(nèi)組建一個超強力壓力場是材料加工設(shè)備的一個基本功能。當然形成一個大結(jié)構(gòu)的元素也是可能的（例如太空船、大陸洲際間的交通工具、汽車、飛機）。組建一個超強壓力場是最重要的特征之一，也是保衛(wèi)國家獨立最基本的裝備。在強壓力場環(huán)境下，接觸式和非線性摩擦將會產(chǎn)生；因此將會導致局部的永久的變形和不好的因素。在強壓力場下設(shè)計過程中，將會涉及到設(shè)備的設(shè)計新理論，例如：非接觸式、非線性摩擦機構(gòu)。
3.4 負荷分配規(guī)律
關(guān)于超靜定結(jié)構(gòu)，抑制點的負荷分配規(guī)律由相容性條件決定。雖然，關(guān)于那些大尺寸的、不定的、靜止的結(jié)構(gòu)在真實空間中是自由變化的，但負荷分配規(guī)律是不能決定相容性條件。因此新的基礎(chǔ)理論由分析接觸行為和變形裝置獲得（例如：摩擦力、變形相容性條件，等等）。
3.5 耦合裝置和在材料加工系統(tǒng)中物理領(lǐng)域內(nèi)的穩(wěn)定性
隨著系統(tǒng)的功能越來越多元化；許多限制材料加工進度的傳統(tǒng)技術(shù)正在不斷的被改善；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也逐漸變得越來越復雜，系統(tǒng)性能變得越來越好。例如：鋼扎廠的快速瞬間反轉(zhuǎn)受彈性形變、粘流、散熱處理、水動力潤滑處理的，物理化學分子狀態(tài)的影響。另外，機電的耦合在處理系統(tǒng)中已經(jīng)超出了傳統(tǒng)的概念；例如，一些奇特的現(xiàn)象（微小的變化可以引起很大的變化）已經(jīng)出現(xiàn)；因此，滾筒操作的不穩(wěn)定性可能會導致混亂。所以，這個主題將會在機械裝置的物理領(lǐng)域中，在處理系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響和加工助劑質(zhì)量上被提及和充分關(guān)注；
3.6 技術(shù)綜合和合并精準的控制
在特定的物理條件下進行操作的材料加工設(shè)備是一個相當復雜系統(tǒng)，一些系統(tǒng)的參數(shù)在領(lǐng)域的邊界上也是可以改變的；因此在領(lǐng)域環(huán)境下精確的控制與調(diào)整，調(diào)和尺寸，能量轉(zhuǎn)換，信息傳遞，界面耦合等等是非常重要的。因為在控制模型中多種交互作用的存在，根據(jù)退耦控制模型而建立綜合框架是必要的；精確的控制基于綜合技術(shù)。
3.7 優(yōu)化的和創(chuàng)新的設(shè)計基于創(chuàng)新的知識
材料加工技術(shù)能促進產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量的提高。最優(yōu)化的材料加工技術(shù)和材料加工設(shè)備意味著實現(xiàn)實質(zhì)的仿真通過類似的設(shè)計和一致的設(shè)計是我們學習的主題。
3.8 在特殊的領(lǐng)域里機械裝置的特殊功能和應用
一些重要的元素和部分在材料加工設(shè)備中常常在強力場、溫度場、電磁場和流場中工作，有建造特別物理界面的功能；雖然對那些普通單一的物質(zhì)象金屬、陶瓷等擁有單一的高指數(shù)和卓越的總質(zhì)量是很困難的。因此我們需要在重要部位采用具有新功能的原料；例如：尺度功能有傾向的材料是想當可貴的。由于這些原因，學習基本法律和以上提到的具有這些功能的機械裝置；例如：強調(diào)分配功能、破壞機理和在特定領(lǐng)域中的設(shè)計標準，靜態(tài)（動態(tài)）的硬度和阻尼，模糊設(shè)計和明朗設(shè)計處理系統(tǒng)構(gòu)成了有斜度的材料，等等。
今天，材料加工科學和技術(shù)正在快速的向前發(fā)展；把學習的目標瞄準材料加工設(shè)備的技術(shù)問題將會為21世紀的制造業(yè)提供技術(shù)支持。
組合機床行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展思考
摘要： 我國組合機床技術(shù)裝備的現(xiàn)狀和行業(yè)的發(fā)展，并提出了本人的一些觀點
關(guān)鍵詞：組合機床 發(fā)展思路 技術(shù)創(chuàng)新
我國加入WTO以后，制造業(yè)所面臨的機遇與挑戰(zhàn)并存。組合機床行業(yè)企業(yè)適時調(diào)整戰(zhàn)略，采取了積極的應對策略，出現(xiàn)了產(chǎn)、銷兩旺的良好勢頭，截至2002年9月份，組合機床行業(yè)企業(yè)僅組合機床產(chǎn)品一項，據(jù)不完全統(tǒng)計產(chǎn)量已達800余臺，產(chǎn)值達3個億以上，較2001年同比增長了10%以上，另外組合機床行業(yè)工業(yè)增加值、產(chǎn)品銷售率、全員工資總額、出口交貨值等經(jīng)濟指標均有不同程度的增長，新產(chǎn)品、新技術(shù)較去年均有大幅度提高，可見行業(yè)企業(yè)運營狀況良好”
1 組合機床技術(shù)裝備現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
組合機床及其自動線是集機電于一體的綜合自動化程度較高的制造技術(shù)和成套工藝裝備,它的特征是高效、高質(zhì)、經(jīng)濟實用，因而被廣泛應用于工程機械、交通、能源、軍工、輕工、家電等行業(yè).我國傳統(tǒng)的組合機床及組合機床自動線主要采用機、電、氣、液壓控制，它的加工對象主要是生產(chǎn)批量比較大的大中型箱體類和軸類零件(近年研制的組合機床加工連桿、板件等也占一定份額)，完成鉆孔、擴孔、鉸孔，加工各種螺紋、鏜孔、車端面和凸臺，在孔內(nèi)鏜各種形狀槽，以及銑削平面和成形面等.組合機床的分類繁多，有大型組合機床和小型組合機床，有單面、雙面、三面、臥式、立式、傾斜式、復合式，還有多工位回轉(zhuǎn)臺式組合機床等;隨著技術(shù)的不斷進步，一種新型的組合機床，柔性組合機床越來越受到人們的青睞，它應用多位主軸箱!可換主軸箱!編碼隨行夾具和刀具的自動更換，配以可編程序控制器(PLC) 、數(shù)字控制(NC)等，隨著市場競爭的加劇和對產(chǎn)品需求的，高精度、高生產(chǎn)率、柔性化、多品種、短周期、數(shù)控機床及其自動線正在沖擊著傳統(tǒng)的組合機床行業(yè)，因此組合機床裝備的發(fā)展思路必須是以提高組床加工精度、組合機床柔性、組合機床工作可靠性合機床技術(shù)的成套性為主攻方向。一方面，加強技術(shù)的應用，提高組合機床產(chǎn)品數(shù)控化率;另一方面進一步發(fā)展新型部件，尤其是多坐標部件，使其模塊化、柔性化，適應可調(diào)可變、多品種加工的市場需求。超高速和超高精度加工技術(shù)裝備與復合、多功能、多軸化控制設(shè)備等深受歡迎。然而更關(guān)鍵的是現(xiàn)代通信技術(shù)在機床裝備中的應用，信息通信技術(shù)的引進使得現(xiàn)代機床的自動化程度進一步提高，在這些方面我國組合機床裝備還有相當大的差距，因此我國組合機床技術(shù)裝備高速度、高精度、柔性化、模塊化、可調(diào)可變、任意加工性以及通信技術(shù)的應用將是今后的發(fā)展方向”
2 組合機床行業(yè)的發(fā)展思考
近兩年雖然組合機床行業(yè)產(chǎn)銷呈現(xiàn)上升趨勢，但行業(yè)內(nèi)一些企業(yè)同樣存在負債經(jīng)營的情況，主要原因是傳統(tǒng)的組合機床產(chǎn)品不能滿足用戶柔性化、高精度、短周期的市場需求，同時組合機床行業(yè)一些企業(yè)存在現(xiàn)代化管理水平低、人才流失嚴重、科研成果不能迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力等缺陷。為此提出如下建議：
(1) 提高現(xiàn)代化管理水平，中國加入WTO后，迫切要求企業(yè)提高現(xiàn)代化管理水平，進一步深化企業(yè)內(nèi)部改革，建立健全適應市場經(jīng)濟的運行機制，建立企業(yè)的科學的管理體制，做到集權(quán)有道、分權(quán)有序、授權(quán)有章、用權(quán)有度的責權(quán)利內(nèi)在統(tǒng)一的有機結(jié)合，是提高企業(yè)控制力所必須的“要徹底改變落后的體制，必須樹立全球化經(jīng)營理念，提高國際市場競爭能力，建立市場快速反應機制，以適應日趨發(fā)展的市場需求”
(2) 亟待提高企業(yè)創(chuàng)新能力“企業(yè)的生存，關(guān)鍵在于產(chǎn)品的生命力”已步入電子時代的今天，傳統(tǒng)的組合機床已經(jīng)不能適應高速發(fā)展的國內(nèi)外市場需要，這就要求企業(yè)必須適應科學技術(shù)的飛速發(fā)展，建立技術(shù)創(chuàng)新體系，推進企業(yè)的技術(shù)進步，加速向柔性化、數(shù)控化、高精度、短周期方向發(fā)展，提高組合機床適用范圍和市場覆蓋面;同時實施名牌戰(zhàn)略，爭創(chuàng)世界品牌，加速我國組合機床的發(fā)展進程，使我國組合機床行業(yè)企業(yè)在世界制造領(lǐng)域里立于不敗之地。
綜上所述，組合機床行業(yè)要開展科技攻關(guān)攻克當前行業(yè)企業(yè)技術(shù)發(fā)展上的難題;二要加強與國外的合資合作，利用和學習國外的先進技術(shù)，提高企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平和技術(shù)水平;三要通過對引進技術(shù)的消化吸收進行再創(chuàng)新，發(fā)展自己的產(chǎn)品“通過我們的努力，使我國真
正由制造大國變成制造強國”。
用微機數(shù)控系統(tǒng)改造C6132型車床設(shè)計
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(shè)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(shè)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(shè)計 17
3.5.1 橫向進給伺服系統(tǒng)總圖設(shè)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(shè)計 31
4.5.1 縱向進給伺服系統(tǒng)總圖設(shè)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(shè)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(shè)計 39
6.1 監(jiān)控程序 39
6.2 直線圓弧插補程序設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備，由于種種原因閑置的很多，浪費很大；在用的設(shè)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(shè)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(chǔ)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(shè)計思想和工作作風。畢業(yè)設(shè)計說明書不只反映了設(shè)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(shè)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(shè)計計算及校核、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計、加工程序編制。
2 設(shè)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(shè)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(shè)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。縮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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計
機械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務是畫出進給伺服系統(tǒng)的裝配圖，用以表達設(shè)計構(gòu)思、設(shè)計特點及計算結(jié)果，進給伺服系統(tǒng)總圖設(shè)計。
3.5.1 橫向進給伺服系統(tǒng)總圖設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計
機械部分結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計者構(gòu)思，設(shè)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(shè)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(shè)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型步進電機，經(jīng)過一對齒輪減速，齒輪系數(shù)=32。=40。模數(shù)m=2滾珠絲桿公稱直徑為=45mm。滾珠絲杠螺母副先用的是外循環(huán)溝槽式墊片凋隙WD4506。
進行結(jié)構(gòu)設(shè)計進，注意考慮以下問題
（1）進行改造設(shè)計時，將原C6132車床進給箱擠掉，利用原來的安裝基面安裝齒輪箱體45 。因而必須注意齒輪箱體螺釘中心距的尺寸，應保證箱的
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