壓縮包內含有CAD圖紙和說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985
摘 要
數控機床在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，但數控機床一次性投資較大，對機床進行數控化改造不失為一良策。本設計利用數控裝置對CA6140普通車床進行控制,主傳動系統部分 采用交流調頻主軸電動機經帶輪及分級齒輪變速箱驅動主軸，通過變頻器和齒輪變速箱實現分段無級變速；進給系統采用步進電機通過減速后驅動滾珠絲杠運動，在縱向進給系統中通過一級齒輪減速后驅動滾珠絲杠，在橫向進給系統中通過二級齒輪減速驅動滾珠絲杠；刀架改為自動轉位刀架(四工位)從而實現自動換刀；通過MCS-51系列8051單片機對數據進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖信號控制進給速度和行程；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。
本次設計的數控改造為經濟適用型，改造簡單易行，可降低勞動強度，提高生產效率。主要介紹了經濟型數控機床進給伺服系統設計計算。闡述了CA6140普通數控車床的主軸系統的改進及機床縱向、橫向進給系統的改造設計及計算。
關鍵詞： CA6140車床；數控改造；滾珠絲杠；步進電動機
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 經濟型數控改造的實際意義 1
1.1.1 技術分析 1
1.1.2 經濟分析 1
1.1.3 市場分析 2
1.1.4 生產分析 2
1.1.5 綜合分析 2
1.2 數控機床的基本結構及工作原理 2
1.3數控機床的分類 4
1.3.1 按加工工藝方法分類 4
1.3.2 按控制運動的方式分類 4
1.3.3 按驅動裝置的特點分類 4
1.4 數控機床的特點及應用范圍 6
1.4.1 數控機床的加工特點 6
1.4.2數控機床的應用范圍 7
第二章 經濟型車床數控改造總體方案的確定 8
2.1設計任務 8
2.2總體數控改造方案設計 8
第三章主傳動系統設計 10
3.1概述 10
3.1.1數控機床主傳動系統的特點 10
3.2主傳動系統的配置方式 11
3.2.1 主傳動系統的主軸電動機的選型 11
3.2.2交流主軸電機的調速 12
3.2.3分級變速齒輪箱的傳動系統設計 13
3.2.4主傳動系統組件的結構形式 17
第四章伺服進給系統的結構設計與計算 19
4.1伺服進給傳動系統概述 19
4.2步進電動機及開環(huán)進給控制 20
4.2.1步進電動機的驅動控制 20
4.2.2、步進電機的驅動放大電路 23
4.2.3步進電動機參數說明 26
4.3縱向進給系統的設計計算 27
4.3.1 設計參數 27
4.3.2縱向進給切削力的確定 28
4.3.3 縱向進給滾珠絲杠螺母副的計算和選型 28
4.3.4縱向進給減速齒輪的設計與校核 31
4.3.5縱向進給步進電動機的計算和選型 32
4.4橫向進給系統的設計計算 35
4.4.1橫向進給切削力的確定 35
4.4.2橫向進給切削力的確定 35
4.4.3 橫向進給滾珠絲杠螺母副的計算和選型 35
4.4.4橫向進給減速齒輪的設計與校核 37
4.4.5橫向進給步進電動機的計算和選型 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
第五章自動回轉刀架的設計 48
5.1自動回轉刀架主要類型及特點 48
5.2自動回轉刀架的設計計算 48
5.2.1自動回轉刀架步進電動機的選用 49
5.2.2自動回轉刀架的蝸輪蝸桿設計計算 49
第六章電動尾座的設計 53
6.1設計方案 53
6.2電動尾座改造部分設計計算 53
6.2.1電動尾座驅動電動機的選擇 53
6.2.2電動尾座用的齒輪設計 53
第七章主軸編碼器的設計 56
7．1編碼器工作原理 56
7．2主軸編碼器的安裝 57
第八章數控車床數控系統設計 58
8.1概述 58
8.2 計算機數控（CNC）系統的簡介 59
8.2.1概述 59
8.2.2微處理器數控（MNC）系統的組成 60
8.3 CNC系統的硬件結構 62
8.3.1 單微處理機與多微處理機結構 62
8.3.2大板式結構與功能模塊式結構 63
8.4 CNC系統的軟件 64
8.4.1 CNC系統軟件的組成與功能 64
8.4.2 CNC系統軟件的特點和結構 67
8.4.3.CNC系統軟件結構的分類 69
8.5CNC系統的工作過程 70
8.5.1 CNC系統的數據段歷程 70
8.5.2 CNC系統自動工作時的總體流程 70
8.6 運動軌跡的插補原理 71
8.6.1 運動軌跡插補的概念 71
8.6.2 運動軌跡插補的方法 72
8.6.3 逐點比較法 72
結論 79
參考文獻 80
致謝 81
第一章 概述
1.O 引言
由于現代工業(yè)的飛速發(fā)展，普通機床已越來越不能滿足現代加工工藝及提高勞動生產率的要求。如果設備全部更新換代，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設備的閑置又將造成極大的浪費。所以最經濟的辦法就是進行普通機床的數控改造，這樣既可以提高生產率，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 經濟型數控改造的實際意義
目前，各企業(yè)一般都有不少普通車床，完全用數控車床加以替換根本不可能。解決這個問題，必須走普通車床數控改造之路。日本大企業(yè)中有26%的機床經過數控化改造，而中小企業(yè)則占74%;美國有許多數控專業(yè)化公司為用戶提供數控改造服務。我國擁有300萬臺機床，其中大量的是通用車床。因此，普通車床的數控改造，大有可為。
數控改造一般是指對普通車床某些部位作一定的改造，配上數控裝置，從而使車床具有數控加工能力。
1.1.1 技術分析
在過去的幾十年里，金屬切削機床的基本動作原理變化不大。如今科學技術發(fā)展很快，特別是微電子技術、計算機技術的發(fā)展更快。應用到機床控制系統上，它既能提高機床的自動化程度，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。實踐證明，改造后的機床滿足了技術發(fā)展的需要，提高了生產率和產品精度，增大了設備適應能力和型面加工范圍。
1.1.2 經濟分析
由于新型機床價格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機床設備全部以新型機床替換，要花費大量的資金，而替換下的機床又會閑置起來造成浪費，若采用數控技術對舊機床加以改造，和購買新機床相比，則可以節(jié)省50％ 以上的資金。一套經濟型數控裝置的價格僅為全功能數控裝置的1／3到l／5，一般用戶都能夠承擔得起，這為資金緊張的中小型企業(yè)的技術改造開創(chuàng)了新路，也對實力雄厚的大型企業(yè)產生了較大的吸引力。
1.1.3 市場分析
據國內資料統計，訂購新的數控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足用戶需要。因此機床的數控改造就成為滿足市場需求的主要補充手段。
1.1.4 生產分析
在現代機械制造工業(yè)中，多品種、中小批量甚至單件生產占有相當大的比重。若要完成這些生產任務，不外乎選擇通用機床、專用機床或數控機床，其中數控機床是最能適應這種生產需要的。
1.1.5 綜合分析
從上述分析中不難看出，數控技術用于機床改造是建立在微電子現代技術與傳統技術相結合的基礎上，具有可靠性高、柔性強、易于實現機電一體化、經濟性可觀等優(yōu)點。為此，在舊有機床上進行數控改造可以提高機床的使用性能，降低生產成本，用較少的資金投入而得到較大的經濟效益。
1.2 數控機床的基本結構及工作原理
數控機床加工零件的工作過程分以下幾個步驟實現：
（1）根據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床數控裝置中。
（3）數控裝置對程序（代碼）進行翻譯、運算之后，向機床各個坐標的伺服驅動機構和輔助控制裝置發(fā)出信號，驅動機床的各運動部件，并控制所需要的輔助運動。
（4）在機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
數控加工程序可通過鍵盤，用手工方式直接輸入數控系統。還可由編程計算機用RS232C或采用網絡通信方式傳送到數控系統中。
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控裝置內部的存儲器，加工時再從存儲器中逐段調出進行加工。
2．數控裝置
數控裝置是數控機床的中樞。數控裝置從內部存儲器中取出或接受輸入裝置送來的一段或幾段數控加工程序，經過數控裝置它的邏輯電路或系統軟件進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機床各部分的工作，使其進行規(guī)定的有序運動和動作。
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行運動，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和終點坐標值等數據，不能滿足要求。因此要進行軌跡插補，也就是在線段的起點和終點坐標值之間進行“數據點的密化”，求出一系列中間點的坐標值，并向相應坐標輸出脈沖信號，控制各坐標軸（即進給運動各執(zhí)行部件）的進給速度、進給方向和進給位移量等。
3．驅動裝置和檢測裝置
驅動裝置接受來自數控裝置的指令信息，經功率放大后，嚴格按照指令信息的要求驅動機床的移動部件，以加“出符合圖樣要求的零件。驅動裝置包括控制器（含功率放大器）和執(zhí)行機構兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動機作為執(zhí)行機構。
檢測裝置將數控機床各坐標軸的實際位移量檢測出來，經反饋系統輸入到機床的數控裝置中。數控裝置將反饋回來的實際位移量值與設定值進行比較，控制驅動裝置按指令設定值運動。
4．輔助控制裝置
輔助控制裝置的主要作用是接收數控裝置輸出的開關量指令信號，經過編譯、邏輯判別和運算，再經功率放大后驅動相應的電器，帶動機床的機械、液壓、氣動等輔助裝置完成指令規(guī)定的開關量動作。這些控制包括主軸運動部件的變速、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，工件和機床部件的松開、夾緊，分度工作臺轉位分度等開關輔助動作。
現廣泛采用可編程控制器（PLC）作數控機床的輔助控制裝置。
5．機床本體
數控機床的機床本體與傳統機床相似，由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動系統、潤滑系統、冷卻裝置等組成。
1.3數控機床的分類
1.3.1 按加工工藝方法分類
1．金屬切削類數控機床
有數控車床、銑床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和加工中心等。
2．特種加工類數控機床
數控電火花線切割機床、數控電火花成型機床、數控等離子弧切割機床、數控火焰切割機床以及數控激光加工機床等。
3．板材加工類數控機床
數控壓力機、數控剪板機和數控折彎機等。
4．非加工設備，如數控多坐標測量機、自動繪圖機及工業(yè)機器人等。
1.3.2 按控制運動的方式分類
1．點位控制數控機床
機床移動部件只能實現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行任何加工。
如：數控坐標鏜床、數控鉆床、數控沖床、數控點焊機等。點位控制數控機床的數控裝置稱為點位數控裝置。
2．點位直線控制數控機床
機床移動部件不僅要實現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軸方向進行直線切削加工。主要有簡易數控車床、數控鏜銑床等。
3．輪廓控制數控機床
輪廓控制數控機床不僅可完成點位及點位直線控制數控機床的加工功能，而且能夠對兩個或兩個以上坐標軸進行插補，因而具有各種輪廓切削加工功能。
常用的數控車床、數控銑床、數控磨床就是典型的輪廓控制數控機床。輪廓控制系統的結構要比點位直線控制系統更為復雜，在加工過程中需要不斷進行插補運算，然后進行相應的速度與位移控制。
1.3.3 按驅動裝置的特點分類
1．開環(huán)控制數控機床
其控制系統不帶反饋裝置，通常使用功率步進電動機為伺服執(zhí)行機構。
開環(huán)控制系統結構簡單，成本較低。不能進行誤差校正，步進電動機的失步、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)系統僅適用于加工精度要求不很高的中小型數控機床，特別是簡易經濟型數控機床。
2．半閉環(huán)控制數控機床
半閉環(huán)控制數控機床的特點是在伺服電動機的軸或數控機床的傳動絲杠上裝有角度檢測裝置（如光電編碼器等），通過檢測絲杠的轉角間接地檢測移動部件的實際位移，然后反饋到數控裝置中去，并對誤差進行修正。半閉環(huán)數控系統的調試比較方便，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設計成一體，使結構更加緊湊。
3．閉環(huán)控制數控機床
閉環(huán)控制數控機床的特點是在機床移動部件上直接安裝直線位移檢測裝置，將測量的實際位移值反饋到數控裝置中，與輸入的指令位移值進行比較，用差值對機床進行控制，使移動部件
4．混合控制數控機床
將以上三類數控機床的特點結合起來，就形成了混合控制數控機床?；旌峡刂茢悼貦C床特別適用于大型或重型數控機床。混合控制系統又分為兩種形式：
（1）開環(huán)補償型控制方式。其特點是基本控制選用步進電動機的開環(huán)伺服機構，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械系統的誤差。
（2）半閉環(huán)補償型控制方式。其特點是用半閉環(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現全閉環(huán)修正，以獲得高速度與高精度的統一。
1.4 數控機床的特點及應用范圍
1.4.1 數控機床的加工特點
1．加工精度高
目前數控機床的脈沖當量普遍達到了0．001 mm，而且進給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數控裝置進行補償。數控機床的加工精度由過去的± 0．01 mm提高到± 0．005 mm。定位精度 90年代初中期已達到±0.002mm～±0．005 mm。
2．對加工對象的適應性強
在數控機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現對新零件的加工。
3．自動化程度高，勞動強度低
數控機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、關鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行外，其他的機床動作直至加工完畢，都是自動連續(xù)完成，不需要進行繁重的重復性手工操作，勞動強度與緊張程度均可大為減輕，勞動條件也得到了相應的改善。
4．生產效率高
數控機床能有效的減少機動時間與輔助時間，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動時間。因而消耗在快進、快退、和定位的時間比一般機床少得多。
5．良好的經濟效益
在單件、小批量生產的情況下，可以節(jié)省工藝裝備費用、輔助生產工時、生產管理費用及降低廢品率等，因此能夠獲得良好的經濟效益。
6.有利于現代化管理
用數控機床加工零件，能準確地計算零件的加工工時，并有效地簡化了檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些特點都有利于使生產管理現代化。
1.4.2數控機床的應用范圍
數控機床最適合加工具有以下特點的零件：
（1）多品種小批量生產的零件；
（2）形狀結構比較復雜的零件；
（3）精度要求高的零件；
（4）需要頻繁改型的零件；
（5）價格昂貴，不允許報廢的關鍵零件；
（6）需要生產周期短的急需零件；
（7）批量較大，精度要求高的零件。
第二章 經濟型車床數控改造總體方案的確定
2.1設計任務
(1)采用ISO標準語言，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)數控系統程序存儲器和數據存儲器各8KB。
2.2總體數控改造方案設計
本次設計屬于經濟型數控化改造，基本原則是在滿足使用要求的前提下對機床的改動盡可能少,以降低成本?？傮w方案為：
本設計利用數控裝置對CA6140普通車床進行控制,主傳動系統部分 采用交流調頻主軸電動機經帶輪及分級齒輪變速箱驅動主軸，通過變頻器和齒輪變速箱實現分段無級變速；進給系統采用步進電機通過減速后驅動滾珠絲杠運動，在縱向進給系統中通過一級齒輪減速后驅動滾珠絲杠，在橫向進給系統中通過二級齒輪減速驅動滾珠絲杠；刀架改為自動轉位刀架(四工位)從而實現自動換刀；通過MCS-51系列8051單片機對數據進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖信號控制進給速度和行程；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。
第三章主傳動系統設計
3.1概述
主傳動系統是用來實現機床主運動的傳動系統，它應具有一定的轉速和一定的變速范圍，并能方便地實現運動的開停、變速、換向和和制動。
主傳動系統包括電動機、傳動系統和主軸部件，相比普通車床的主傳動系統在結構上比較簡單，因為變速功能由主軸電動機的無級調速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構，只有二級或三級齒輪變速系統用以擴大電動機無級調速的變速范圍。
3.1.1數控機床主傳動系統的特點
與普通機床比較，數控機床主傳動系統具有下列特點：
1) 轉速高、功率大。使數控機床能進行大功率切削和高速切削，實現高效率加工。
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率、加工精度和表面質量。
3) 主軸變速迅速可靠。數控機床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。
主軸組件的耐磨性高，使傳動系統具有良好的精度保持性。
3.1.2數控機床主傳動系統的設計要求
1) 主軸具有一定的轉速和足夠的轉速范圍、轉速級數，能夠實現運動的開停、變速、換向和和制動。
2) 主電動機具有足夠的功率，全部機構和元件具有足夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求。
3) 主傳動的有關結構，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，以滿足機床的工作性能要求。
4) 操縱靈活可靠，調整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。
5) 結構簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經濟性要求。
3.2主傳動系統的配置方式
3.2.1 主傳動系統的主軸電動機的選型
數控機床的調速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。在主傳動系統中，目前多采用交流主軸電動機和直流主軸電動機無級調速系統。為了擴大調速范圍，適應低速大轉矩的要求，也經常應用齒輪有級調速和電動機無級調速相結合的調速方式。我們選用交流主軸電動機配以齒輪變速箱實現分級無級調速。
由于交流調速電機體積小，轉動慣性小，動態(tài)響應快，沒有電刷，能達到的最高轉速比同功率的直流電動機高，磨損和故障也少。在中小功率領域已占優(yōu)勢，故本次設計選用交流調速電動機。通過調節(jié)供電頻率的辦法調速。功率特性見下圖：
主軸電動機在額定轉速時輸出全部功率和最大轉矩，隨著轉速的變化，功率和轉矩將發(fā)生變化。在額定轉速至最低轉速為恒轉矩速度范圍，在額定轉速至最高轉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。當電動機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交流主軸電機的調速
交流主軸電動機屬于交流感應電動機,當定子三相繞組通上交流電時,將建立起旋轉磁場,其主磁通Φm的空間轉速為同步轉速,其值為
n0 = 60f1/p (r/min)
式中 f1--定子供電電源頻率（HZ）
p—旋轉磁場極對數
感應電動機轉子的轉數n為
n= n0（1-s）=60f1（1-s）/p
式中 s—轉差數,s= n0-n / n0
由上式可知，調速方法可分為兩類。第一類是改變同步轉數n0的調速，它分為兩種方法，一是改變電動機極對數p。由于p是整數，所以只能得到級差很大的有級調速，不能滿足數控機床的要求；二是改變電動機的供電頻率f1?？傻玫狡交臒o級調速，是一種高效型交流調速，范圍寬，精度高。第二類是不改變同步轉速的調速，常用的有調壓調速和電磁調速。由于有轉差功率損耗，效率低，特性軟，不適合數控機床調速。
在實際調速時，單純改變電源頻率是不夠的，因為由“電動機學”可知，旋轉磁場以n0速度切割定繞組，同在每相繞組感應電勢為
E1=4.44f1k1w1Φm≈u1
式中 k1w1—-定子每相繞組等效匝數；
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節(jié)，則上升，將導致鐵心過熱，功率因數下降，電動機帶負載能力降低。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速中的“調速控制”。
只能用變頻調速，并且是有效方法。變頻調速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機提供變頻、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。電壓型先將電網的交流電經整流器變?yōu)橹绷?，再經逆變器變?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，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設計
在設計數控機床主傳動時，必須考慮電動機與機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遠大于電動機的恒功率范圍Rdp，所以在主軸之間要串聯一個分級變速箱，以擴大其恒功率變速范圍，滿足低速大功率切削時對電動機的輸出功率的要求。
我們先設定主軸的最高轉速為4000r/min,最低轉速為了30r/min,計算轉速為150r/min，最大切削功率為5.5KW，交流主軸電機額定轉速為1500r/min,最高轉速為4500r/min.
主軸要求的恒功率變速范圍Rnp=4000/150=26.7
電動機的恒功率變速范圍 Rdp=4500/1500=3
主軸要求的恒功率變速范圍遠大于電動機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 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,齒數分別為:高速級Z1:Z2=112:58；中速級Z1:Z2=68：102；低速大轉矩級Z1:Z2=30：140
利用原車床主軸箱內的第三軸和主軸，查車床圖冊，兩軸的中心距為170mm。因所選用電機與原電機功率相同，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>已知電動機輸出功率為7.5KW,額定轉速為1500r/min,則經同步帶傳動，第三根軸的轉速為750r/min。經Z1:Z2=30/140傳動后，主軸轉速為160r/min.
<2>大、小齒輪均采用45鋼并進行調質處理,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) 小齒輪轉矩
式中 P——電動機的輸出功率
η——齒輪傳動效率 取0.96
2) 動載荷系數
式中 KA ——使用系數取1
Kv——動載荷系數取1.15
KB——齒向載荷系數取1.15
Ka——齒向載荷分配系數
由
查表并插值得Kα=1.179
則K=1*1.15*1.15*1.179=1.56
3) 許用彎曲應力
式中：——彎曲疲勞極限；=460N/mm2 =390N/mm2
——彎曲壽命系數
YX——尺寸系數取1
SF——安全系數取1.3
則
4) 齒要彎曲疲勞強度校核計算
由式
式中 ——齒形系數 =2.4 =2.25
——應力修正系數 =1.653 =1.75
——重合度系數
則
故齒根彎曲強度足夠，滿足要求。
傳動系統圖見下圖
轉速圖見下圖
主軸轉速從4000r/min至145r/min由AB、BC、CD在段連接而成，屬電動機的恒功率區(qū)，從145r/min降至30r/min上圖中的CD段為恒轉矩區(qū)。如取總效率η=0.75，則電動機功率P=5.5/0.75=7.3KW。可選用北京數控設備廠的BESK-8型交流主軸電動機，連續(xù)額定輸出功率為7.5KW。
3.2.4主傳動系統組件的結構形式
在檢查原有主軸軸承完好、運轉正常的前提下，保留原有主軸支撐方式。
保留原機床的主軸手動變速。改造后使其主/運動和進給運動分離，主電機的作用僅為帶動主軸旋轉。增加一只電磁離合器，用以接收數控系統的停機制動信號以控制原制動裝置制動停車。
加工螺紋時，為保證主軸每轉一轉，刀具準確移動一個導程，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，橡膠管柔性聯接，意在實現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)生器轉動平.穩(wěn)，傳遞信號準確。
數控機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速不高或小功率動力傳動中，而圓弧齒多用在數控加工中心等要求較高的數控機床主運動傳動系統中。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。
第四章伺服進給系統的結構設計與計算
4.1伺服進給傳動系統概述
數控機床的伺服進給系統由伺服驅動電路、伺服驅動裝置、機械傳動機構及執(zhí)行部件組成。它的作用是接收數控系統發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅動電路作轉換和放大后，經伺服驅動裝置（直流、交流伺服電動機、功率步進電機、電液脈沖馬達等）和機械傳動機構，驅動機床的工作臺、主軸刀架等執(zhí)行部件實現工作進給和快速運動。數控機床的伺服進給系統與一般機床的進給系統有本質上的差別，它能根據指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置，以及幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運動所合成的運動軌跡。
伺服進給系統的基本要求：
1) 精度要求 伺服系統必須保證機床的定位精度和加工精度。對于低檔型數控系統，驅動控制精度一般為0.01mm；而對于高性能數控系統，驅動控制精度為1um甚至為0.1um。
2) 響應速度 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特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快。
3) 調整范圍 調整范圍Rn是指生產機械要求電動機能提供的最高轉速nmax和最低轉速nmin之比。為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求進給驅動系統必須具有足夠寬的調整范圍。
4) 低速、大轉矩 根據機床的加工特點，經常在低速下進行重切削，即在低速下進給驅動系統必須有大的轉矩輸出。
伺服系統實現位置伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)三種方式。開環(huán)控制的伺服系統存在著控制精度不高的問題，但步進電機具有角位移與輸入脈沖的嚴格對應關系，使步距誤差不會積累。步進電機的轉速和輸入脈沖頻率也有嚴格的對應關系，而且具有在負載能力范圍內不隨電流、電壓、負載、環(huán)境條件的波動而變化的特點。此外，步進電機控制的開環(huán)系統不存在位置檢測與反饋控制的問題，結構比較簡單，易于控制系統的實現與調試。并且隨著電子技術和計算機控制技術的發(fā)展，在改善步進電機控制性能方面也取得了可喜的進展。因此，在一定范圍內，這種采用步進電機傲為驅動執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統可以滿足加工要求，適宜于在精度要求不很高的一般數控系統中應用。
雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實現高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在系統中增加了位置檢測、反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié)，除了給安裝調試增加了工作量和復雜性外，從控制理論的角度看，要實現閉環(huán)系統的良好穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，其難度也將大為提高?？紤]到是在普通車床上進行改造，精度要求不是很高，為了簡化結構，降低成本，我們采用了微機控制的步進電機開環(huán)伺服系統。
4.2步進電動機及開環(huán)進給控制
步進電機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，也稱為脈沖電動機,在負載能力及動態(tài)特性范圍內，步進電動機將來自數控裝置的進給脈沖輸出，電動機的角位移與控制脈沖數成正比，轉速與控制脈沖頻率成正比。對于每一個電脈沖,步進電機都將產生一個恒定的步進角位移,每一個脈沖或每步的轉角稱為步進電機的步距角θb, θb取為0.75。每脈沖代表電機一定的轉角,這個轉角經齒輪副和滾珠絲杠副使工作臺移動一定的距離"每個脈沖所對應的執(zhí)行件的移距,稱為脈沖當量或分辨率根據機床精度要求確定脈沖當量δp，縱向：0．01mm／步；橫向：0．005 mm／step。步進電動機的轉速決定于控制繞組與電源接通和斷開的脈沖變化頻率。
步進電動機的優(yōu)點:可以開環(huán)驅動而無需反饋,無穩(wěn)定性問題,無累積定位誤差,能響應數字信號,適合于數字計算機控制,機械結構簡單,很少需要維護,不易受污染,可重復地堵轉而不會損壞,相當堅固耐用。步進電動機的缺點：運動的增量和步距是固定的，在步進分辯率上缺乏靈活性，承受大慣性負載的能力有限，可供使用的電機尺寸和輸出功率是有限的。
步進電動機的種類很多，通常分為三種類型：反應式、永磁式和混合式。反應式步進電動機是利用磁阻轉矩使轉子轉動的，是我國使用最廣泛的步進電動機形式。
4.2.1步進電動機的驅動控制
步進電機是一種特殊的機電元件，不能直接接到交直流電源上工作，必須使用專用的驅動器。步進電機的驅動控制系統框圖如下圖所示。
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)形分配器的輸出轉換一次。因此，步進電機轉速的高低、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，從而決定步進電機的轉動方向。
1、脈沖分配控制
步進電機驅動電路完成由弱電到強電的轉換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號。
驅動控制電路由環(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電機的通電方式的，其作用是將數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)律分配給步進電機各相驅動器的輸入端以控制勵磁繞組的導通或截止。同時，由于電動機有正反轉要求，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)的特殊編碼計數器。其功能可由硬件或軟件產生，硬件環(huán)形分配器是根據步進電機的相數和控制方式設計的
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是一種專為反應式三相步進電機設計的環(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DIR=“1”時，每來一個脈沖（CLK）則電動機正轉一步；
當DIR=“0”時，每來一個脈沖（CLK）則電動機反轉一步。
CNC
裝置
電源
環(huán)形
分配器
A相驅動
B相驅動
C相驅動
FULL/HALF
DIR
CLK
M
三相硬件環(huán)形分配器的驅動控制
2軟件脈沖分配的控制
軟件脈沖分配器是指實現步進電機脈沖分配控制的計算機程序。硬件脈沖分配器不占用計算機資源，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，但要占用計算機運行時間。
軟環(huán)形分配器的設計方法有多種，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：根據步進電機與計算機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，運行時按節(jié)拍序號查表獲得相應控制數據，在規(guī)定時刻通過輸出口將數據輸出到步進電動機的驅動電路。
對于三相六拍環(huán)形分配器，每當接收到一個進給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據下表所示真值表，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、步進電機的驅動放大電路
一般步進電機需要幾個安培的電流，而環(huán)形分配器的輸出電流很小，不能直接驅動步進電機，因此需要功率放大電路實現對脈沖分配回路弱信號的放大，產生電機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，送至步進電動機的各繞組。
驅動放大器的控制電路：單電壓簡單驅動、高低壓切換驅動、高壓恒流斬波、調頻調壓、細分驅動等。
a單電壓功率放大電路
單電壓功率放大電路是步進電動控制中最簡單的一種驅動電路。其中L是步進電機的電感；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是大功率開關晶體管。
電路的時間常數為
T=L/（RL+RC）
時間常數表示開關回路在導通時允許步進電機繞組電流上升的速率。T越小，則在晶體管V從截止變成導通時允許步進電機按指數曲線上升越快，達到穩(wěn)定時間越短，T越大，電流上升越慢，達到穩(wěn)定值的時間就越長。驅動電路時間常數T對電機繞組的電流到達穩(wěn)態(tài)值的時間有極大的關系，它影響步進電機的工作頻率。T越小，電流到達穩(wěn)態(tài)的時間越短，則電機的工作頻率就可越高；反之，T越大，電流到達穩(wěn)態(tài)的時間越長，電機的工作頻率就越低。
單電壓功率放大電路最大的特點是結構簡單，但它的缺點是工作效率低，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電動機的驅動，
單電壓功率放大電路
單電壓基本改進電路如下圖所示
單電壓基本改進電路
它在外接電阻Rc的兩端并聯了一個電容C，同時在貫注回路中串聯一個電阻Rd。在Rc上并聯電容C可以改善步進電機繞組的電流前沿特性。在功率晶體管V導通的瞬間，電容相當于短路，迫使流過繞組的電流上升進一步加快，這樣可使電流的前沿明顯變陡，從而提高了步進電機的高頻性能。在Rc上并聯C，俁的在一個步進的周期中，注入繞組的平均電流值相對增加了，從而提高了步進電機的轉矩。特別是在高頻段工作時更為明顯。這種電路在實際應用中有著較多的應用。
步進電機驅動電路的主要功能是功率放大，它將光電隔離電路進來的弱信號經功率放大，變成較強的電信號，直接驅動步進電機，如圖所示。當控制脈沖來時，vl，v3，v4全導通，并使脈沖變壓器Tc的副邊產生一定寬度的脈沖電流，使v2導通，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為步進電機某一相繞組La供電，使其電流上升沿變陡。經過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，提供電動機所需的額定電流。通過調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：
進給脈沖頻率f→定子繞組通電/斷電狀態(tài)變化頻率f →步進電機轉速ω →工作臺的進給速度V。
V=60δf
硬件環(huán)分：控制CLK的頻率，控制電動機的速度。
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，可電動機線圈通電狀態(tài)的變化頻率。
光電隔離電路：在步進電機驅動電路中，脈沖信號經功率放大器后控制電動機勵磁繞組，由于步進電機需要的驅動電壓較高(約80v)，電流較大(約6A)，若將輸出信號與功率放大器直接相聯，將會引起強電干擾。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步進電動機參數說明
1、步距角θb
每輸入一個脈沖信號步進電動機所轉過的角度稱為步距角，以θb表示。
步距誤差是指步進電機運行時，轉子每一步實際轉過的角度與理論步距角之差值。
m—電機相數；
Z—轉子齒數；
K—系數，相鄰兩次通電相數相同，K＝1；
相鄰兩次通電相數不同，K＝2。
2、矩角特性與最大靜轉矩
如果在電機軸上外加一個負載轉矩Mz，轉子會偏離平衡位置向負載轉矩方向轉過一個角度θ，角度θ稱為失調角。有失調角之后，步進電機就產生一個靜態(tài)轉矩（也稱為電磁轉矩），這時靜態(tài)轉矩等于負載轉矩。靜態(tài)轉矩與失調角θ的關系叫矩角特性，，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉矩最大值稱為最大靜轉矩。
3、啟動頻率
空載時，步進電機由靜止狀態(tài)突然起動，并進入不失步的正常運行的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，加給步進電機的指令脈沖頻率如大于啟動頻率，就不能正常工作。步進電機在帶負載（尤其是慣性負載）下的啟動頻率比空載要低。而且，隨著負載加大（在允許范圍內），啟動頻率會進一步降低。
4、 連續(xù)運行頻率
步進電機起動后，其運行速度能根據指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運行頻率。其值遠大于啟動頻率，它也隨著電機所帶負載的性質和大小而異，與驅動電源也有很大關系。
5、矩頻特性與動態(tài)轉矩
矩頻特性是描述步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉矩與連續(xù)運行頻率之間的關系，該特性上每一個頻率對應的轉矩稱為動態(tài)轉矩。當步進電機正常運行時，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動機所能帶動負載轉矩將逐漸下降。在使用時，一定要考慮動態(tài)轉矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降的特點。
步進電機與滾珠絲杠聯接方式：一種是直聯，結構簡單但運動位移的脈沖不是5的整數倍時給編程計算帶來不便；另一種是在步進電動機與滾珠絲杠間能過減速器聯接在一起，結構較復雜但有利于編程計算有利于提高加工精度。
4.3縱向進給系統的設計計算
4.3.1 設計參數
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；
最大進給速度：縱向O．8 m／min；
主電動機功率：P主=7，5 kW；
起動加速時間：30 ms；
機床定位精度：±0．015 mm。
根據機床精度要求確定脈沖當量δp，縱向：0．01mm／步；橫向：0．005 mm／步。
4.3.2縱向進給切削力的確定
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按經驗公式估算：
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：
滾珠絲杠螺母機構是回轉運動與直線運動相互轉換的傳動裝置，是數控機床伺服系統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，在滾道內裝入滾珠。當絲杠相對螺母旋轉時，滾珠在螺旋滾道內滾動，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有回程引導裝置，使?jié)L珠能返回絲杠螺母之間構成一個閉合回路。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。滾珠絲杠螺母機構有下列特點。
1) 摩擦損失小、傳動效率高。滾珠絲杠螺母機構的傳動效率可達0.92～0.96，是普通滑動絲杠螺母機構的3～4倍，而驅動轉矩僅為滑動絲杠螺母機構的四分之一。
2) 運動平穩(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、靜摩擦因數小，且其差值也很小，因而啟動轉矩小，動作靈敏，即使在低速情況下也不會出現爬行現象。
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現滾珠的預緊，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，由于摩擦因數小，不能自鎖因而使該機構的傳動具有可逆性，即不僅可以把旋轉運動轉化為直線運動，而且還可以把直線運動轉化為旋轉運動。
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，選用配套方便，目前滾珠絲杠不僅廣泛應用于數控機床，而且越來越多地代替普通絲杠螺母機構，用于各種精密機床和精密裝置。
(1)計算進給牽引力Fm
Fm= KFx+f′(Fz+G)
=1．15×1340+0．16(5360+800)=2530N
式中 K——考慮顛覆力矩影響的實驗系數，綜合導軌取K=1．15；
f′——滑動導軌摩擦系數，取：0．15～0．18；
G——溜板及刀架重力，G=800N。
(2)計算最大動負載Cm=,
L=60nT/106
n=1000V