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畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求：
對CA6140車床進(jìn)行數(shù)控改造。要求實(shí)現(xiàn)主軸的分級無級變速；縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖；橫向進(jìn)給系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖；刀架改為自動轉(zhuǎn)位刀架(四工位)從而實(shí)現(xiàn)自動換刀；通過MCS-51系列8051單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖信號控制進(jìn)給速度和行程；為了保持切削螺紋的功能，要在主軸外端或其它適當(dāng)部位裝上脈沖發(fā)生器。
摘 要
數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，但數(shù)控機(jī)床一次性投資較大，對機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造不失為一良策。本設(shè)計利用數(shù)控裝置對CA6140普通車床進(jìn)行控制,主傳動系統(tǒng)部分 采用交流調(diào)頻主軸電動機(jī)經(jīng)帶輪及分級齒輪變速箱驅(qū)動主軸，通過變頻器和齒輪變速箱實(shí)現(xiàn)分段無級變速；進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)通過減速后驅(qū)動滾珠絲杠運(yùn)動，在縱向進(jìn)給系統(tǒng)中通過一級齒輪減速后驅(qū)動滾珠絲杠，在橫向進(jìn)給系統(tǒng)中通過二級齒輪減速驅(qū)動滾珠絲杠；刀架改為自動轉(zhuǎn)位刀架(四工位)從而實(shí)現(xiàn)自動換刀；通過MCS-51系列8051單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖信號控制進(jìn)給速度和行程；為了保持切削螺紋的功能，要在主軸外端或其它適當(dāng)部位裝上脈沖發(fā)生器；將車床的手動尾座改造成為可控電動尾座。
本次設(shè)計的數(shù)控改造為經(jīng)濟(jì)適用型，改造簡單易行，可降低勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。主要介紹了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計計算。闡述了CA6140普通數(shù)控車床的主軸系統(tǒng)的改進(jìn)及機(jī)床縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計及計算。
關(guān)鍵詞： CA6140車床；數(shù)控改造；滾珠絲杠；步進(jìn)電動機(jī)
ABSTRACT
The NC machine plays a very great role in mechanical engineering．Although the investment needs a great deal of money，it is a good way to try digital modification for ordinary lathe.The spindle speed of CA6140 remains the manual function of shifting gears．The alteration is easy and it can reduce labor intensity
and improve productive efficiency． but the NC Machine larger one-time investment, NC machine tools for the transformation of a good after all. The design of the device using NC Lathe CA6140 control, part of the main transmission system using AC spindle motor and graded by the pulley driven spindle gearbox, through the inverter and gearbox to achieve sub; Feed System used by stepper motor driven ball screw slowdown after campaign vertical feed system through a gear after the ball screw drive, in the horizontal feed system through two gear-driven ball screw; Tool to automatically transfer tool carrier (4-position), thus achieving automatic tool change; by MCS-51 series 8051 data to be dealt with. from the I / O interface stepper pulse output signal to control the feed rate and itineraries; In order to maintain the function of cutting thread, to the outer end of spindle or other appropriate location loaded pulse generator; Lathe will be transformed into Tailstock manually controlled electric Tailstock. The design of the NC transformation of the economy - the application, transforming simple, can reduce labor intensity, improve production efficiency. Introduced a major economic NC machine tool servo system design. Expounded the CA6140 ordinary NC lathe spindle system improvements and vertical machine, horizontal feed system of the design and calculation.
Keywords：CA6140 lathe；digital modification；ball screw；stepping motor 目 錄
第一章 概述 1
1.O 引言 1
1.1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的實(shí)際意義 1
1.1.1 技術(shù)分析 1
1.1.2 經(jīng)濟(jì)分析 1
1.1.3 市場分析 2
1.1.4 生產(chǎn)分析 2
1.1.5 綜合分析 2
1.2 數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 2
1.3數(shù)控機(jī)床的分類 4
1.3.1 按加工工藝方法分類 4
1.3.2 按控制運(yùn)動的方式分類 4
1.3.3 按驅(qū)動裝置的特點(diǎn)分類 4
1.4 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍 6
1.4.1 數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn) 6
1.4.2數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍 7
第二章 經(jīng)濟(jì)型車床數(shù)控改造總體方案的確定 8
2.1設(shè)計任務(wù) 8
2.2總體數(shù)控改造方案設(shè)計 8
第三章主傳動系統(tǒng)設(shè)計 10
3.1概述 10
3.1.1數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的特點(diǎn) 10
3.2主傳動系統(tǒng)的配置方式 11
3.2.1 主傳動系統(tǒng)的主軸電動機(jī)的選型 11
3.2.2交流主軸電機(jī)的調(diào)速 12
3.2.3分級變速齒輪箱的傳動系統(tǒng)設(shè)計 13
3.2.4主傳動系統(tǒng)組件的結(jié)構(gòu)形式 17
第四章伺服進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算 19
4.1伺服進(jìn)給傳動系統(tǒng)概述 19
4.2步進(jìn)電動機(jī)及開環(huán)進(jìn)給控制 20
4.2.1步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動控制 20
4.2.2、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動放大電路 23
4.2.3步進(jìn)電動機(jī)參數(shù)說明 26
4.3縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 27
4.3.1 設(shè)計參數(shù) 27
4.3.2縱向進(jìn)給切削力的確定 28
4.3.3 縱向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副的計算和選型 28
4.3.4縱向進(jìn)給減速齒輪的設(shè)計與校核 31
4.3.5縱向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)的計算和選型 32
4.4橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 35
4.4.1橫向進(jìn)給切削力的確定 35
4.4.2橫向進(jìn)給切削力的確定 35
4.4.3 橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副的計算和選型 35
4.4.4橫向進(jìn)給減速齒輪的設(shè)計與校核 37
4.4.5橫向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)的計算和選型 40
4.5 滾珠絲杠的安裝 42
4.5.1滾珠絲杠的安裝形式 42
4.5.2滾珠絲杠軸承的校核 43
4.5.3消除齒輪間隙的措施： 46
第五章自動回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計 48
5.1自動回轉(zhuǎn)刀架主要類型及特點(diǎn) 48
5.2自動回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計計算 48
5.2.1自動回轉(zhuǎn)刀架步進(jìn)電動機(jī)的選用 49
5.2.2自動回轉(zhuǎn)刀架的蝸輪蝸桿設(shè)計計算 49
第六章電動尾座的設(shè)計 53
6.1設(shè)計方案 53
6.2電動尾座改造部分設(shè)計計算 53
6.2.1電動尾座驅(qū)動電動機(jī)的選擇 53
6.2.2電動尾座用的齒輪設(shè)計 53
第七章主軸編碼器的設(shè)計 56
7．1編碼器工作原理 56
7．2主軸編碼器的安裝 57
第八章數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計 58
8.1概述 58
8.2 計算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)的簡介 59
8.2.1概述 59
8.2.2微處理器數(shù)控（MNC）系統(tǒng)的組成 60
8.3 CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 62
8.3.1 單微處理機(jī)與多微處理機(jī)結(jié)構(gòu) 62
8.3.2大板式結(jié)構(gòu)與功能模塊式結(jié)構(gòu) 63
8.4 CNC系統(tǒng)的軟件 64
8.4.1 CNC系統(tǒng)軟件的組成與功能 64
8.4.2 CNC系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu) 67
8.4.3.CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的分類 69
8.5CNC系統(tǒng)的工作過程 70
8.5.1 CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)段歷程 70
8.5.2 CNC系統(tǒng)自動工作時的總體流程 70
8.6 運(yùn)動軌跡的插補(bǔ)原理 71
8.6.1 運(yùn)動軌跡插補(bǔ)的概念 71
8.6.2 運(yùn)動軌跡插補(bǔ)的方法 72
8.6.3 逐點(diǎn)比較法 72
結(jié)論 79
參考文獻(xiàn) 80
致謝 81
第一章 概述
1.O 引言
由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，普通機(jī)床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新?lián)Q代，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造，這樣既可以提高生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，采用此方法對中、小型企業(yè)來說是十分理想的選擇。
1.1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的實(shí)際意義
目前，各企業(yè)一般都有不少普通車床，完全用數(shù)控車床加以替換根本不可能。解決這個問題，必須走普通車床數(shù)控改造之路。日本大企業(yè)中有26%的機(jī)床經(jīng)過數(shù)控化改造，而中小企業(yè)則占74%;美國有許多數(shù)控專業(yè)化公司為用戶提供數(shù)控改造服務(wù)。我國擁有300萬臺機(jī)床，其中大量的是通用車床。因此，普通車床的數(shù)控改造，大有可為。
數(shù)控改造一般是指對普通車床某些部位作一定的改造，配上數(shù)控裝置，從而使車床具有數(shù)控加工能力。
1.1.1 技術(shù)分析
在過去的幾十年里，金屬切削機(jī)床的基本動作原理變化不大。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快。應(yīng)用到機(jī)床控制系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動化程度，又能提高加工的精度，有些企業(yè)已在這方面做了有益的嘗試。實(shí)踐證明，改造后的機(jī)床滿足了技術(shù)發(fā)展的需要，提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品精度，增大了設(shè)備適應(yīng)能力和型面加工范圍。
1.1.2 經(jīng)濟(jì)分析
由于新型機(jī)床價格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機(jī)床設(shè)備全部以新型機(jī)床替換，要花費(fèi)大量的資金，而替換下的機(jī)床又會閑置起來造成浪費(fèi)，若采用數(shù)控技術(shù)對舊機(jī)床加以改造，和購買新機(jī)床相比，則可以節(jié)省50％ 以上的資金。一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價格僅為全功能數(shù)控裝置的1／3到l／5，一般用戶都能夠承擔(dān)得起，這為資金緊張的中小型企業(yè)的技術(shù)改造開創(chuàng)了新路，也對實(shí)力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了較大的吸引力。
1.1.3 市場分析
據(jù)國內(nèi)資料統(tǒng)計，訂購新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長，往往不能滿足用戶需要。因此機(jī)床的數(shù)控改造就成為滿足市場需求的主要補(bǔ)充手段。
1.1.4 生產(chǎn)分析
在現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)中，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重。若要完成這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機(jī)床、專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床，其中數(shù)控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。
1.1.5 綜合分析
從上述分析中不難看出，數(shù)控技術(shù)用于機(jī)床改造是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，具有可靠性高、柔性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化、經(jīng)濟(jì)性可觀等優(yōu)點(diǎn)。為此，在舊有機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控改造可以提高機(jī)床的使用性能，降低生產(chǎn)成本，用較少的資金投入而得到較大的經(jīng)濟(jì)效益。
1.2 數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)及工作原理
數(shù)控機(jī)床加工零件的工作過程分以下幾個步驟實(shí)現(xiàn)：
（1）根據(jù)被加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫程序。
（2）所編程序指令輸入機(jī)床數(shù)控裝置中。
（3）數(shù)控裝置對程序（代碼）進(jìn)行翻譯、運(yùn)算之后，向機(jī)床各個坐標(biāo)的伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)和輔助控制裝置發(fā)出信號，驅(qū)動機(jī)床的各運(yùn)動部件，并控制所需要的輔助運(yùn)動。
（4）在機(jī)床上加工出合格的零件。
下面對其各組成部分加以介紹。
1．輸入裝置
數(shù)控加工程序可通過鍵盤，用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)。還可由編程計算機(jī)用RS232C或采用網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。
零件加工程序輸入過程有兩種不同的方式：一種是邊讀入邊加工，另一種是一次將零件加工程序全部讀入數(shù)控裝置內(nèi)部的存儲器，加工時再從存儲器中逐段調(diào)出進(jìn)行加工。
2．?dāng)?shù)控裝置
數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的中樞。數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲器中取出或接受輸入裝置送來的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過數(shù)控裝置它的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機(jī)床各部分的工作，使其進(jìn)行規(guī)定的有序運(yùn)動和動作。
零件的輪廓圖形往往由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成，刀具在加工過程中必須按零件形狀和尺寸的要求進(jìn)行運(yùn)動，即按圖形軌跡移動。但輸入的零件加工程序只能是各線段軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值等數(shù)據(jù)，不能滿足要求。因此要進(jìn)行軌跡插補(bǔ)，也就是在線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”，求出一系列中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，并向相應(yīng)坐標(biāo)輸出脈沖信號，控制各坐標(biāo)軸（即進(jìn)給運(yùn)動各執(zhí)行部件）的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量等。
3．驅(qū)動裝置和檢測裝置
驅(qū)動裝置接受來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴(yán)格按照指令信息的要求驅(qū)動機(jī)床的移動部件，以加“出符合圖樣要求的零件。驅(qū)動裝置包括控制器（含功率放大器）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
檢測裝置將數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的實(shí)際位移量檢測出來，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機(jī)床的數(shù)控裝置中。數(shù)控裝置將反饋回來的實(shí)際位移量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制驅(qū)動裝置按指令設(shè)定值運(yùn)動。
4．輔助控制裝置
輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的開關(guān)量指令信號，經(jīng)過編譯、邏輯判別和運(yùn)算，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動相應(yīng)的電器，帶動機(jī)床的機(jī)械、液壓、氣動等輔助裝置完成指令規(guī)定的開關(guān)量動作。這些控制包括主軸運(yùn)動部件的變速、換向和啟停指令，刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤滑裝置的啟停，工件和機(jī)床部件的松開、夾緊，分度工作臺轉(zhuǎn)位分度等開關(guān)輔助動作。
現(xiàn)廣泛采用可編程控制器（PLC）作數(shù)控機(jī)床的輔助控制裝置。
5．機(jī)床本體
數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體與傳統(tǒng)機(jī)床相似，由主軸傳動裝置、進(jìn)給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運(yùn)動裝置、液壓氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。
1.3數(shù)控機(jī)床的分類
1.3.1 按加工工藝方法分類
1．金屬切削類數(shù)控機(jī)床
有數(shù)控車床、銑床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和加工中心等。
2．特種加工類數(shù)控機(jī)床
數(shù)控電火花線切割機(jī)床、數(shù)控電火花成型機(jī)床、數(shù)控等離子弧切割機(jī)床、數(shù)控火焰切割機(jī)床以及數(shù)控激光加工機(jī)床等。
3．板材加工類數(shù)控機(jī)床
數(shù)控壓力機(jī)、數(shù)控剪板機(jī)和數(shù)控折彎機(jī)等。
4．非加工設(shè)備，如數(shù)控多坐標(biāo)測量機(jī)、自動繪圖機(jī)及工業(yè)機(jī)器人等。
1.3.2 按控制運(yùn)動的方式分類
1．點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床
機(jī)床移動部件只能實(shí)現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確定位，在移動和定位過程中不進(jìn)行任何加工。
如：數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)等。點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置稱為點(diǎn)位數(shù)控裝置。
2．點(diǎn)位直線控制數(shù)控機(jī)床
機(jī)床移動部件不僅要實(shí)現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確移動定位，而且要控制工作臺以一定的速度沿平行坐標(biāo)軸方向進(jìn)行直線切削加工。主要有簡易數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床等。
3．輪廓控制數(shù)控機(jī)床
輪廓控制數(shù)控機(jī)床不僅可完成點(diǎn)位及點(diǎn)位直線控制數(shù)控機(jī)床的加工功能，而且能夠?qū)蓚€或兩個以上坐標(biāo)軸進(jìn)行插補(bǔ)，因而具有各種輪廓切削加工功能。
常用的數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床就是典型的輪廓控制數(shù)控機(jī)床。輪廓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要比點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，在加工過程中需要不斷進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，然后進(jìn)行相應(yīng)的速度與位移控制。
1.3.3 按驅(qū)動裝置的特點(diǎn)分類
1．開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床
其控制系統(tǒng)不帶反饋裝置，通常使用功率步進(jìn)電動機(jī)為伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。不能進(jìn)行誤差校正，步進(jìn)電動機(jī)的失步、步距角誤差、齒輪與絲杠等傳動誤差都將影響被加工零件的精度。開環(huán)系統(tǒng)僅適用于加工精度要求不很高的中小型數(shù)控機(jī)床，特別是簡易經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。
2．半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床
半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是在伺服電動機(jī)的軸或數(shù)控機(jī)床的傳動絲杠上裝有角度檢測裝置（如光電編碼器等），通過檢測絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測移動部件的實(shí)際位移，然后反饋到數(shù)控裝置中去，并對誤差進(jìn)行修正。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試比較方便，并且具有很好的穩(wěn)定性。目前大多將角度檢測裝置和伺服電動機(jī)設(shè)計成一體，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。
3．閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床
閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是在機(jī)床移動部件上直接安裝直線位移檢測裝置，將測量的實(shí)際位移值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位移值進(jìn)行比較，用差值對機(jī)床進(jìn)行控制，使移動部件
4．混合控制數(shù)控機(jī)床
將以上三類數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)結(jié)合起來，就形成了混合控制數(shù)控機(jī)床?；旌峡刂茢?shù)控機(jī)床特別適用于大型或重型數(shù)控機(jī)床?；旌峡刂葡到y(tǒng)又分為兩種形式：
（1）開環(huán)補(bǔ)償型控制方式。其特點(diǎn)是基本控制選用步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)，另外附加一個校正電路。通過裝在工作臺上的直線位移測量元件的反饋信號校正機(jī)械系統(tǒng)的誤差。
（2）半閉環(huán)補(bǔ)償型控制方式。其特點(diǎn)是用半閉環(huán)控制方式取得高速度控制，再用裝在工作臺上的直線位移測量元件實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)修正，以獲得高速度與高精度的統(tǒng)一。
1.4 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍
1.4.1 數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)
1．加工精度高
目前數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量普遍達(dá)到了0．001 mm，而且進(jìn)給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進(jìn)行補(bǔ)償。數(shù)控機(jī)床的加工精度由過去的± 0．01 mm提高到± 0．005 mm。定位精度 90年代初中期已達(dá)到±0.002mm～±0．005 mm。
2．對加工對象的適應(yīng)性強(qiáng)
在數(shù)控機(jī)床上改變加工零件時，只需重新編制（更換）程序，輸入新的程序后就能實(shí)現(xiàn)對新零件的加工。
3．自動化程度高，勞動強(qiáng)度低
數(shù)控機(jī)床對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的,操作者除了操作面板、裝卸零件、關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行外，其他的機(jī)床動作直至加工完畢，都是自動連續(xù)完成，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動強(qiáng)度與緊張程度均可大為減輕，勞動條件也得到了相應(yīng)的改善。
4．生產(chǎn)效率高
數(shù)控機(jī)床能有效的減少機(jī)動時間與輔助時間，每一道工序都能選用最有利的切削用量，選用了很高的空行程運(yùn)動時間。因而消耗在快進(jìn)、快退、和定位的時間比一般機(jī)床少得多。
5．良好的經(jīng)濟(jì)效益
在單件、小批量生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省工藝裝備費(fèi)用、輔助生產(chǎn)工時、生產(chǎn)管理費(fèi)用及降低廢品率等，因此能夠獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
6.有利于現(xiàn)代化管理
用數(shù)控機(jī)床加工零件，能準(zhǔn)確地計算零件的加工工時，并有效地簡化了檢驗(yàn)和工夾具、半成品的管理工作。這些特點(diǎn)都有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。
1.4.2數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍
數(shù)控機(jī)床最適合加工具有以下特點(diǎn)的零件：
（1）多品種小批量生產(chǎn)的零件；
（2）形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件；
（3）精度要求高的零件；
（4）需要頻繁改型的零件；
（5）價格昂貴，不允許報廢的關(guān)鍵零件；
（6）需要生產(chǎn)周期短的急需零件；
（7）批量較大，精度要求高的零件。
第二章 經(jīng)濟(jì)型車床數(shù)控改造總體方案的確定
2.1設(shè)計任務(wù)
(1)采用ISO標(biāo)準(zhǔn)語言，絕對/增量方式混合編程。
(2)連續(xù)方式控制X,Z向二軸。
(3)脈沖當(dāng)量:X向，0. 005mm/脈沖;Z向0.Olmm/脈沖。
(4)快速定位速度:X軸為lm/min, Z軸為3m/min。
(5)最大編程尺寸:士9999. 99mm, 8位數(shù)碼管。
(6)最大加工速度:直線為1. 5m/min，圓弧為0. 6m/min。
(7)螺紋加工:公制0. 25～12mm，英制33.5～3牙/吋。
(8)數(shù)控系統(tǒng)程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器各8KB。
2.2總體數(shù)控改造方案設(shè)計
本次設(shè)計屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造，基本原則是在滿足使用要求的前提下對機(jī)床的改動盡可能少,以降低成本?？傮w方案為：
本設(shè)計利用數(shù)控裝置對CA6140普通車床進(jìn)行控制,主傳動系統(tǒng)部分 采用交流調(diào)頻主軸電動機(jī)經(jīng)帶輪及分級齒輪變速箱驅(qū)動主軸，通過變頻器和齒輪變速箱實(shí)現(xiàn)分段無級變速；進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)通過減速后驅(qū)動滾珠絲杠運(yùn)動，在縱向進(jìn)給系統(tǒng)中通過一級齒輪減速后驅(qū)動滾珠絲杠，在橫向進(jìn)給系統(tǒng)中通過二級齒輪減速驅(qū)動滾珠絲杠；刀架改為自動轉(zhuǎn)位刀架(四工位)從而實(shí)現(xiàn)自動換刀；通過MCS-51系列8051單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖信號控制進(jìn)給速度和行程；為了保持切削螺紋的功能，要在主軸外端或其它適當(dāng)部位裝上脈沖發(fā)生器；將車床的手動尾座改造成為可控電動尾座。
第三章主傳動系統(tǒng)設(shè)計
3.1概述
主傳動系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動的傳動系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍，并能方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和和制動。
主傳動系統(tǒng)包括電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和主軸部件，相比普通車床的主傳動系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比較簡單，因?yàn)樽兯俟δ苡芍鬏S電動機(jī)的無級調(diào)速來承擔(dān)，省去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng)用以擴(kuò)大電動機(jī)無級調(diào)速的變速范圍。
3.1.1數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的特點(diǎn)
與普通機(jī)床比較，數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)：
1) 轉(zhuǎn)速高、功率大。使數(shù)控機(jī)床能進(jìn)行大功率切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。
2) 變速范圍寬。一般Rn>100,以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。
3) 主軸變速迅速可靠。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。
主軸組件的耐磨性高，使傳動系統(tǒng)具有良好的精度保持性。
3.1.2數(shù)控機(jī)床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求
1) 主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和和制動。
2) 主電動機(jī)具有足夠的功率，全部機(jī)構(gòu)和元件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足機(jī)床的動力要求。
3) 主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機(jī)床的工作性能要求。
4) 操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機(jī)床的使用要求。
5) 結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟(jì)性要求。
3.2主傳動系統(tǒng)的配置方式
3.2.1 主傳動系統(tǒng)的主軸電動機(jī)的選型
數(shù)控機(jī)床的調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求。在主傳動系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動機(jī)和直流主軸電動機(jī)無級調(diào)速系統(tǒng)。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，適應(yīng)低速大轉(zhuǎn)矩的要求，也經(jīng)常應(yīng)用齒輪有級調(diào)速和電動機(jī)無級調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式。我們選用交流主軸電動機(jī)配以齒輪變速箱實(shí)現(xiàn)分級無級調(diào)速。
由于交流調(diào)速電機(jī)體積小，轉(zhuǎn)動慣性小，動態(tài)響應(yīng)快，沒有電刷，能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流電動機(jī)高，磨損和故障也少。在中小功率領(lǐng)域已占優(yōu)勢，故本次設(shè)計選用交流調(diào)速電動機(jī)。通過調(diào)節(jié)供電頻率的辦法調(diào)速。功率特性見下圖：
主軸電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)速的變化，功率和轉(zhuǎn)矩將發(fā)生變化。在額定轉(zhuǎn)速至最低轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩速度范圍，在額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率速度范圍。恒功率的速度范圍只有1：3的速度比。當(dāng)電動機(jī)速度超過某一定值之后，其功率——速度曲線又會向下傾斜，不能保持恒功率。
3.2.2交流主軸電機(jī)的調(diào)速
交流主軸電動機(jī)屬于交流感應(yīng)電動機(jī),當(dāng)定子三相繞組通上交流電時,將建立起旋轉(zhuǎn)磁場,其主磁通Φm的空間轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速,其值為
n0 = 60f1/p (r/min)
式中 f1--定子供電電源頻率（HZ）
p—旋轉(zhuǎn)磁場極對數(shù)
感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)n為
n= n0（1-s）=60f1（1-s）/p
式中 s—轉(zhuǎn)差數(shù),s= n0-n / n0
由上式可知，調(diào)速方法可分為兩類。第一類是改變同步轉(zhuǎn)數(shù)n0的調(diào)速，它分為兩種方法，一是改變電動機(jī)極對數(shù)p。由于p是整數(shù)，所以只能得到級差很大的有級調(diào)速，不能滿足數(shù)控機(jī)床的要求；二是改變電動機(jī)的供電頻率f1?？傻玫狡交臒o級調(diào)速，是一種高效型交流調(diào)速，范圍寬，精度高。第二類是不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速，常用的有調(diào)壓調(diào)速和電磁調(diào)速。由于有轉(zhuǎn)差功率損耗，效率低，特性軟，不適合數(shù)控機(jī)床調(diào)速。
在實(shí)際調(diào)速時，單純改變電源頻率是不夠的，因?yàn)橛伞半妱訖C(jī)學(xué)”可知，旋轉(zhuǎn)磁場以n0速度切割定繞組，同在每相繞組感應(yīng)電勢為
E1=4.44f1k1w1Φm≈u1
式中 k1w1—-定子每相繞組等效匝數(shù)；
Φm—每極磁通量；
u1—定子相電壓
所以
Φm= u1/4.44f1k1w1
由上式可知，如在變頻調(diào)速中，只保持定子電壓u1不變，則主磁通大小將會發(fā)生變化。如果頻率從工頻往下調(diào)節(jié)，則上升，將導(dǎo)致鐵心過熱，功率因數(shù)下降，電動機(jī)帶負(fù)載能力降低。因此，必須在降低頻率的同時，降低電壓，以保持不變。這就是所謂的恒磁通變頻調(diào)速中的“調(diào)速控制”。
只能用變頻調(diào)速，并且是有效方法。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機(jī)提供變頻、變壓電源的變頻器，變頻器分為：
·交–直–交變頻器分電壓型和電流型。電壓型先將電網(wǎng)的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?，再?jīng)逆變器變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電壓。電流型是切換一串方波，方波電流供電，用于大功率。
·交–交變頻器該變頻器沒有中間環(huán)節(jié)，直接將電網(wǎng)的交流電變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。
目前對于中小功率電機(jī)，用得最多的是電壓型交–直–交變頻器。
3.2.3分級變速齒輪箱的傳動系統(tǒng)設(shè)計
在設(shè)計數(shù)控機(jī)床主傳動時，必須考慮電動機(jī)與機(jī)床主軸功率特性匹配問題。由于主軸要求的恒功率變速范圍Rnp遠(yuǎn)大于電動機(jī)的恒功率范圍Rdp，所以在主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，以擴(kuò)大其恒功率變速范圍，滿足低速大功率切削時對電動機(jī)的輸出功率的要求。
我們先設(shè)定主軸的最高轉(zhuǎn)速為4000r/min,最低轉(zhuǎn)速為了30r/min,計算轉(zhuǎn)速為150r/min，最大切削功率為5.5KW，交流主軸電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500r/min,最高轉(zhuǎn)速為4500r/min.
主軸要求的恒功率變速范圍Rnp=4000/150=26.7
電動機(jī)的恒功率變速范圍 Rdp=4500/1500=3
主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于電動機(jī)所能提供的恒功率變速范圍，故必須配以分級變速箱。
取變速箱的公比Φf等于電動機(jī)的恒功率變速范圍Rdp, 即Φf=Rdp=3，功率特性圖是連續(xù)的，無缺口無重合的。如變速箱的變速級數(shù)為Z，則主軸的恒功率變速范圍Rnp等于Rnp=ΦfZ-1 Rdp=ΦfZ
故變速箱的變速級數(shù) Z=lgRnp/lgΦf=2.99
取Z=3
變速齒輪箱采用一級變速三對齒輪副數(shù),齒數(shù)分別為:高速級Z1:Z2=112:58；中速級Z1:Z2=68：102；低速大轉(zhuǎn)矩級Z1:Z2=30：140
利用原車床主軸箱內(nèi)的第三軸和主軸，查車床圖冊，兩軸的中心距為170mm。因所選用電機(jī)與原電機(jī)功率相同，故軸不必另行校核。
三副齒輪只校核低速重載齒輪副即可。校核如下：
<1>已知電動機(jī)輸出功率為7.5KW,額定轉(zhuǎn)速為1500r/min,則經(jīng)同步帶傳動，第三根軸的轉(zhuǎn)速為750r/min。經(jīng)Z1:Z2=30/140傳動后，主軸轉(zhuǎn)速為160r/min.
<2>大、小齒輪均采用45鋼并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,選小齒輪硬度HBS260～290,大齒輪硬度HBS220～250,精度選6級。m=2mm,a=20°,齒寬b=20mm,ha*=1,c*=0.25,齒輪傳動效率η=0.98
<3>齒輪幾何尺寸計算:
d1=z1m=60mm,
d2=z2m=280mm,
da1=(z1+2)m=64mm,
da2=(z2+2)m=284mm,
df1=(z1-2.5)m=55mm,
df2=(z2-2.5)m=275mm,
a=(z1+z2)m/2=170mm
<3>齒輪校核:
1) 小齒輪轉(zhuǎn)矩
式中 P——電動機(jī)的輸出功率
η——齒輪傳動效率 取0.96
2) 動載荷系數(shù)
式中 KA ——使用系數(shù)取1
Kv——動載荷系數(shù)取1.15
KB——齒向載荷系數(shù)取1.15
Ka——齒向載荷分配系數(shù)
由
查表并插值得Kα=1.179
則K=1*1.15*1.15*1.179=1.56
3) 許用彎曲應(yīng)力
式中：——彎曲疲勞極限；=460N/mm2 =390N/mm2
——彎曲壽命系數(shù)
YX——尺寸系數(shù)取1
SF——安全系數(shù)取1.3
則
4) 齒要彎曲疲勞強(qiáng)度校核計算
由式
式中 ——齒形系數(shù) =2.4 =2.25
——應(yīng)力修正系數(shù) =1.653 =1.75
——重合度系數(shù)
則
故齒根彎曲強(qiáng)度足夠，滿足要求。
傳動系統(tǒng)圖見下圖
轉(zhuǎn)速圖見下圖
主軸轉(zhuǎn)速從4000r/min至145r/min由AB、BC、CD在段連接而成，屬電動機(jī)的恒功率區(qū)，從145r/min降至30r/min上圖中的CD段為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。如取總效率η=0.75，則電動機(jī)功率P=5.5/0.75=7.3KW。可選用北京數(shù)控設(shè)備廠的BESK-8型交流主軸電動機(jī)，連續(xù)額定輸出功率為7.5KW。
3.2.4主傳動系統(tǒng)組件的結(jié)構(gòu)形式
在檢查原有主軸軸承完好、運(yùn)轉(zhuǎn)正常的前提下，保留原有主軸支撐方式。
保留原機(jī)床的主軸手動變速。改造后使其主/運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動分離，主電機(jī)的作用僅為帶動主軸旋轉(zhuǎn)。增加一只電磁離合器，用以接收數(shù)控系統(tǒng)的停機(jī)制動信號以控制原制動裝置制動停車。
加工螺紋時，為保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀具準(zhǔn)確移動一個導(dǎo)程，須配置主軸脈沖發(fā)生器作為主軸位置信號的反饋元件。脈沖發(fā)生器采用同軸安裝，橡膠管柔性聯(lián)接，意在實(shí)現(xiàn)角位移信號傳遞的同時，又能吸收車床主軸的部分振動，從而使主軸脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)動平.穩(wěn)，傳遞信號準(zhǔn)確。
數(shù)控機(jī)床主軸帶傳動變速常用多楔帶和同步帶。同步帶又稱為同步齒形帶，按齒形不同又可分為梯形齒同步帶和圓弧齒同步帶兩種。其中梯形齒多用在轉(zhuǎn)速不高或小功率動力傳動中，而圓弧齒多用在數(shù)控加工中心等要求較高的數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動傳動系統(tǒng)中。我們選用H型梯形齒同步帶。
查手冊選兩梯形齒同步帶用帶輪為Z1:Z2=22：44，帶寬為50.8mm,小帶輪節(jié)圓為80mm, 大帶輪節(jié)圓為194mm。帶高4.3mm齒高2.29mm節(jié)距12.7mm。
第四章伺服進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算
4.1伺服進(jìn)給傳動系統(tǒng)概述
數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電路、伺服驅(qū)動裝置、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。它的作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動裝置（直流、交流伺服電動機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等）和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)床的工作臺、主軸刀架等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動。數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上的差別，它能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運(yùn)動速度與位置，以及幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動所合成的運(yùn)動軌跡。
伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求：
1) 精度要求 伺服系統(tǒng)必須保證機(jī)床的定位精度和加工精度。對于低檔型數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動控制精度一般為0.01mm；而對于高性能數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動控制精度為1um甚至為0.1um。
2) 響應(yīng)速度 為了保證輪廓切削形狀精度和加工表面粗糙度，除了要求有較高的定位精度外，還要有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快。
3) 調(diào)整范圍 調(diào)整范圍Rn是指生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比。為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)整范圍。
4) 低速、大轉(zhuǎn)矩 根據(jù)機(jī)床的加工特點(diǎn)，經(jīng)常在低速下進(jìn)行重切削，即在低速下進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)必須有大的轉(zhuǎn)矩輸出。
伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)三種方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不高的問題，但步進(jìn)電機(jī)具有角位移與輸入脈沖的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會積累。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率也有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，而且具有在負(fù)載能力范圍內(nèi)不隨電流、電壓、負(fù)載、環(huán)境條件的波動而變化的特點(diǎn)。此外，步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)系統(tǒng)不存在位置檢測與反饋控制的問題，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，在改善步進(jìn)電機(jī)控制性能方面也取得了可喜的進(jìn)展。因此，在一定范圍內(nèi)，這種采用步進(jìn)電機(jī)傲為驅(qū)動執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求，適宜于在精度要求不很高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用。
雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實(shí)現(xiàn)高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在系統(tǒng)中增加了位置檢測、反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié)，除了給安裝調(diào)試增加了工作量和復(fù)雜性外，從控制理論的角度看，要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，其難度也將大為提高。考慮到是在普通車床上進(jìn)行改造，精度要求不是很高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，我們采用了微機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)。
4.2步進(jìn)電動機(jī)及開環(huán)進(jìn)給控制
步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，是一種用脈沖信號控制的電動機(jī)，也稱為脈沖電動機(jī),在負(fù)載能力及動態(tài)特性范圍內(nèi)，步進(jìn)電動機(jī)將來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖輸出，電動機(jī)的角位移與控制脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率成正比。對于每一個電脈沖,步進(jìn)電機(jī)都將產(chǎn)生一個恒定的步進(jìn)角位移,每一個脈沖或每步的轉(zhuǎn)角稱為步進(jìn)電機(jī)的步距角θb, θb取為0.75。每脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角,這個轉(zhuǎn)角經(jīng)齒輪副和滾珠絲杠副使工作臺移動一定的距離"每個脈沖所對應(yīng)的執(zhí)行件的移距,稱為脈沖當(dāng)量或分辨率根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量δp，縱向：0．01mm／步；橫向：0．005 mm／step。步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速決定于控制繞組與電源接通和斷開的脈沖變化頻率。
步進(jìn)電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn):可以開環(huán)驅(qū)動而無需反饋,無穩(wěn)定性問題,無累積定位誤差,能響應(yīng)數(shù)字信號,適合于數(shù)字計算機(jī)控制,機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單,很少需要維護(hù),不易受污染,可重復(fù)地堵轉(zhuǎn)而不會損壞,相當(dāng)堅(jiān)固耐用。步進(jìn)電動機(jī)的缺點(diǎn)：運(yùn)動的增量和步距是固定的，在步進(jìn)分辯率上缺乏靈活性，承受大慣性負(fù)載的能力有限，可供使用的電機(jī)尺寸和輸出功率是有限的。
步進(jìn)電動機(jī)的種類很多，通常分為三種類型：反應(yīng)式、永磁式和混合式。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)是利用磁阻轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的，是我國使用最廣泛的步進(jìn)電動機(jī)形式。
4.2.1步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動控制
步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的機(jī)電元件，不能直接接到交直流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動器。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制系統(tǒng)框圖如下圖所示。
環(huán)形分配器用來接收來自控制器的脈沖信號，每來一個脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。因此，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升或降速、啟動和停止都完全取決于控制器的有無或頻率。同時，環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號，從而決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。
1、脈沖分配控制
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機(jī)繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號。
驅(qū)動控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成。環(huán)形分配器是用于控制步進(jìn)電機(jī)的通電方式的，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。
環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的時鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動器的輸入端以控制勵磁繞組的導(dǎo)通或截止。同時，由于電動機(jī)有正反轉(zhuǎn)要求，所以脈沖環(huán)分配既是周期性的，又是可逆的。因此環(huán)形分配器是一種可逆循環(huán)的特殊編碼計數(shù)器。其功能可由硬件或軟件產(chǎn)生，硬件環(huán)形分配器是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè)計的
1、 脈沖分配控制——硬件（環(huán)形分配器）
硬件環(huán)形分配器的種類很多，有專用基金的集成電路，可以用JK觸發(fā)器或D觸發(fā)器構(gòu)成，還可以用通用的可編程邏輯器件組成。集成CH250是一種專為反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)設(shè)計的環(huán)形分配器。該集成電路采用CMOS工藝，集成度高，可靠性好。
如下圖示
當(dāng)DIR=“1”時，每來一個脈沖（CLK）則電動機(jī)正轉(zhuǎn)一步；
當(dāng)DIR=“0”時，每來一個脈沖（CLK）則電動機(jī)反轉(zhuǎn)一步。
CNC
裝置
電源
環(huán)形
分配器
A相驅(qū)動
B相驅(qū)動
C相驅(qū)動
FULL/HALF
DIR
CLK
M
三相硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動控制
2軟件脈沖分配的控制
軟件脈沖分配器是指實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)脈沖分配控制的計算機(jī)程序。硬件脈沖分配器不占用計算機(jī)資源，但需要電路的支持，硬件成本較高。軟件脈沖分配器不需額外電路，但要占用計算機(jī)運(yùn)行時間。
軟環(huán)形分配器的設(shè)計方法有多種，如查表法、比較法、移位寄存器法等，最常用的是查表法。查表法的基本思路是：根據(jù)步進(jìn)電機(jī)與計算機(jī)的接線情況及通電方式求出所需要的環(huán)形分配器輸出狀態(tài)表，將其存入存儲器中，運(yùn)行時按節(jié)拍序號查表獲得相應(yīng)控制數(shù)據(jù)，在規(guī)定時刻通過輸出口將數(shù)據(jù)輸出到步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電路。
對于三相六拍環(huán)形分配器，每當(dāng)接收到一個進(jìn)給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)下表所示真值表，按順序及方向控制輸出接口將A、B、C的值輸出即可。
導(dǎo)電相
工作狀態(tài)
C
B
A
A
0
0
1
A
B
0
1
1
B
0
1
0
B
C
1
1
0
C
0
0
C
A
1
0
1
4.2.2、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動放大電路
一般步進(jìn)電機(jī)需要幾個安培的電流，而環(huán)形分配器的輸出電流很小，不能直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，因此需要功率放大電路實(shí)現(xiàn)對脈沖分配回路弱信號的放大，產(chǎn)生電機(jī)脈沖信號工作所需的激磁電流，。功率放大電路有單電壓、雙電壓、斬波型等。
驅(qū)動放大器的作用：將環(huán)形分配器發(fā)出的TTL電平信號放大至幾安培到十幾安培的電流，送至步進(jìn)電動機(jī)的各繞組。
驅(qū)動放大器的控制電路：單電壓簡單驅(qū)動、高低壓切換驅(qū)動、高壓恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓、細(xì)分驅(qū)動等。
a單電壓功率放大電路
單電壓功率放大電路是步進(jìn)電動控制中最簡單的一種驅(qū)動電路。其中L是步進(jìn)電機(jī)的電感；RL是繞組電阻；D是二續(xù)流二極管；它為繞組放電提供回路；Rc是一個外接的功率電阻，也是一個限流電阻，V是大功率開關(guān)晶體管。
電路的時間常數(shù)為
T=L/（RL+RC）
時間常數(shù)表示開關(guān)回路在導(dǎo)通時允許步進(jìn)電機(jī)繞組電流上升的速率。T越小，則在晶體管V從截止變成導(dǎo)通時允許步進(jìn)電機(jī)按指數(shù)曲線上升越快，達(dá)到穩(wěn)定時間越短，T越大，電流上升越慢，達(dá)到穩(wěn)定值的時間就越長。驅(qū)動電路時間常數(shù)T對電機(jī)繞組的電流到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的時間有極大的關(guān)系，它影響步進(jìn)電機(jī)的工作頻率。T越小，電流到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時間越短，則電機(jī)的工作頻率就可越高；反之，T越大，電流到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時間越長，電機(jī)的工作頻率就越低。
單電壓功率放大電路最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但它的缺點(diǎn)是工作效率低，在高頻工作狀態(tài)時其效率很差。它的外接電阻Rc消耗相當(dāng)大的一部分能量，并且Rc還會發(fā)熱影響到電路工作的正常穩(wěn)定狀態(tài)。所以單電壓功率放大電路一般只用于小功率步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動，
單電壓功率放大電路
單電壓基本改進(jìn)電路如下圖所示
單電壓基本改進(jìn)電路
它在外接電阻Rc的兩端并聯(lián)了一個電容C，同時在貫注回路中串聯(lián)一個電阻Rd。在Rc上并聯(lián)電容C可以改善步進(jìn)電機(jī)繞組的電流前沿特性。在功率晶體管V導(dǎo)通的瞬間，電容相當(dāng)于短路，迫使流過繞組的電流上升進(jìn)一步加快，這樣可使電流的前沿明顯變陡，從而提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻性能。在Rc上并聯(lián)C，俁的在一個步進(jìn)的周期中，注入繞組的平均電流值相對增加了，從而提高了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。特別是在高頻段工作時更為明顯。這種電路在實(shí)際應(yīng)用中有著較多的應(yīng)用。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的主要功能是功率放大，它將光電隔離電路進(jìn)來的弱信號經(jīng)功率放大，變成較強(qiáng)的電信號，直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，如圖所示。當(dāng)控制脈沖來時，vl，v3，v4全導(dǎo)通，并使脈沖變壓器Tc的副邊產(chǎn)生一定寬度的脈沖電流，使v2導(dǎo)通，使v5處于反向偏置，將低壓Ga與繞組La切斷，高壓電源Gh通過v2、v1為步進(jìn)電機(jī)某一相繞組La供電，使其電流上升沿變陡。經(jīng)過tb時間后脈沖電流消失，使V2截止，Gh與繞組之間被切斷。Ga 通過v5、V1為La供電，提供電動機(jī)所需的額定電流。通過調(diào)整脈沖變壓器的磁芯和R5可改變高壓供電的時間寬度tb。
速度控制：
進(jìn)給脈沖頻率f→定子繞組通電/斷電狀態(tài)變化頻率f →步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω →工作臺的進(jìn)給速度V。
V=60δf
硬件環(huán)分：控制CLK的頻率，控制電動機(jī)的速度。
軟件環(huán)分：控制相鄰兩次軟件環(huán)分狀態(tài)之間的延時時間，可電動機(jī)線圈通電狀態(tài)的變化頻率。
光電隔離電路：在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中，脈沖信號經(jīng)功率放大器后控制電動機(jī)勵磁繞組，由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動電壓較高(約80v)，電流較大(約6A)，若將輸出信號與功率放大器直接相聯(lián)，將會引起強(qiáng)電干擾。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要接上隔離電路。
4.2.3步進(jìn)電動機(jī)參數(shù)說明
1、步距角θb
每輸入一個脈沖信號步進(jìn)電動機(jī)所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，以θb表示。
步距誤差是指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子每一步實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度與理論步距角之差值。
m—電機(jī)相數(shù)；
Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)；
K—系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，K＝1；
相鄰兩次通電相數(shù)不同，K＝2。
2、矩角特性與最大靜轉(zhuǎn)矩
如果在電機(jī)軸上外加一個負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個角度θ，角度θ稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（也稱為電磁轉(zhuǎn)矩），這時靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角θ的關(guān)系叫矩角特性，，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。
3、啟動頻率
空載時，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動，并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動頻率，就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載（尤其是慣性負(fù)載）下的啟動頻率比空載要低。而且，隨著負(fù)載加大（在允許范圍內(nèi)），啟動頻率會進(jìn)一步降低。
4、 連續(xù)運(yùn)行頻率
步進(jìn)電機(jī)起動后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動頻率，它也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動電源也有很大關(guān)系。
5、矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩
矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系，該特性上每一個頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動機(jī)所能帶動負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。在使用時，一定要考慮動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。
步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠聯(lián)接方式：一種是直聯(lián)，結(jié)構(gòu)簡單但運(yùn)動位移的脈沖不是5的整數(shù)倍時給編程計算帶來不便；另一種是在步進(jìn)電動機(jī)與滾珠絲杠間能過減速器聯(lián)接在一起，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜但有利于編程計算有利于提高加工精度。
4.3縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算
4.3.1 設(shè)計參數(shù)
加工最大直徑：在床面上Φ400mm，在床鞍上Φ210 mm；
加工最大長度：1 000 mm；
溜板及刀架重力：縱向800 N；
刀架快速速度：縱向2．4m/min；
最大進(jìn)給速度：縱向O．8 m／min；
主電動機(jī)功率：P主=7，5 kW；
起動加速時間：30 ms；
機(jī)床定位精度：±0．015 mm。
根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量δp，縱向：0．01mm／步；橫向：0．005 mm／步。
4.3.2縱向進(jìn)給切削力的確定
P主≥Pm/ηm=FzV*10-3/ηm
式中ηm =0.75～0.85;
V--主軸傳遞全部功率時的最低速度
主切削力Fz按經(jīng)驗(yàn)公式估算：
Fz=0.67Dmax1.5=5360N
式中Dmax為車床床面上加工的最大直徑
按切削力各分力比Fz：Fx ：Fy =1：0．25：0．4
Fx=5360×0．25=1340N
Fy=5360×O．40=2144N
4.3.3 縱向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副的計算和選型
滾珠絲杠工作原理及特點(diǎn)：
滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置，是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)中使用最廣泛的傳動裝置。在絲杠和螺母上分別加工出圓弧形螺旋槽，這兩個圓弧形槽合起來便形成了螺旋滾道，在滾道內(nèi)裝入滾珠。當(dāng)絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)時，滾珠在螺旋滾道內(nèi)滾動，迫使二者發(fā)生軸向相對位移。為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來， 在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，使?jié)L珠能返回絲杠螺母之間構(gòu)成一個閉合回路。由于滾珠的存在，絲杠與螺母之間是滾動摩擦，僅在滾珠之間存在滑動摩擦。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)有下列特點(diǎn)。
1) 摩擦損失小、傳動效率高。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動效率可達(dá)0.92～0.96，是普通滑動絲杠螺母機(jī)構(gòu)的3～4倍，而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩僅為滑動絲杠螺母機(jī)構(gòu)的四分之一。
2) 運(yùn)動平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速時無爬行、由于主要存在的是滾動摩擦，不僅動、靜摩擦因數(shù)小，且其差值也很小，因而啟動轉(zhuǎn)矩小，動作靈敏，即使在低速情況下也不會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。
3) 軸向剛度高、反向定位精度高，由于可能完全消除絲杠與螺母之間的間隙并可實(shí)現(xiàn)滾珠的預(yù)緊，因而軸向剛度，反向時無空行程，定位精度高。
4) 磨損小、壽命長、維護(hù)簡單，使用壽命是普通滑動絲杠的4～10倍。
5) 傳動具有可逆性、不能自鎖，由于摩擦因數(shù)小，不能自鎖因而使該機(jī)構(gòu)的傳動具有可逆性，即不僅可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，而且還可以把直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
6) 同步性好，用幾套相同的滾珠絲杠副同時傳動幾個相同的部件或裝置時，可獲得較好的同步性。
7) 有專業(yè)廠生產(chǎn)，選用配套方便，目前滾珠絲杠不僅廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，而且越來越多地代替普通絲杠螺母機(jī)構(gòu)，用于各種精密機(jī)床和精密裝置。
(1)計算進(jìn)給牽引力Fm
Fm= KFx+f′(Fz+G)
=1．15×1340+0．16(5360+80