c616普通車床的數控改造—橫向進給系統(tǒng)的設計

1、1 前言1.1數控技術與數控機床 1.1.1數字控制與數控技術數字控制（Numerical Control NC）是一種借助數字、字符或其它符號對某一工作過程（如加工、測量、裝配等）進行可編程控制的自動化方法。 數控技術（Numerical Control Technology）采用數字控制的方法對某一工作過程實現自動控制的技術。 數控機床（Numerical Control Machine Tools）是采用數字控制技術對機床的加工過程進行自動控制的一類機床。數控系統(tǒng)（Numerical Control System）實現數字控制的裝置。計算機數控系統(tǒng)（Computer Numerical

2、Control CNC）以計算機為核心的數控系統(tǒng)。數控化技術就是以數字程序的形式實現控制的一門技術，它是隨著電子計算機的發(fā)展而發(fā)展起來的，綜合了各個技術領域里的新成就，具有廣泛的通用性，是高自動化程度的工業(yè)自動控制技術。現代數控技術所涉及到的技術領域、學科很多，范圍較廣，需要信息技術來解決問題。計算機在數控技術方面的應用，出現于70年代，突出的應用產品就是CNC。計算機數控技術多以通用的小型或微型計算機為核心，再增加適當的接口電路及外圍設備，來代替NC數控柜中的專用電子計算裝置。計算機數控系統(tǒng)不僅比原來的NC數控系統(tǒng)使用范圍廣、功能全，而且還有相當大的通用性，改善了對機床操作的控制。計算機數控

3、系統(tǒng)具有以下特點：靈活性強,這是CNC系統(tǒng)的突出特點，對于傳統(tǒng)的NC系統(tǒng)，一旦提供了某些控制，就不能改變，除非改變相應的硬件。而對于CNC系統(tǒng)，硬件是通用的、標準化的，對于各種不同的機床進行控制的要求，只需改變相應的控制程序即可，不必制造新的硬件；通用性好；可靠性高，在CNC系統(tǒng)中，加工程序常常是一次送入計算機存儲器內，避免了在加工過程中由于紙帶輸入機的故障而產生的停機現象，由于許多功能均由軟件實現，硬件系統(tǒng)所需元器件數目大為減少，整個系統(tǒng)的可靠性大大改善，特別是隨著大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的采用，系統(tǒng)的可靠性大為提高；易于實現多功能、高復雜程度的控制，由于計算機有豐富的指令系統(tǒng)，能高

4、速的進行復雜的計算，所以實現多功能高復雜程度控制比用硬件系統(tǒng)方便的多；使用維修方便；具有通信功能。1.1.2數控系統(tǒng)與數控機床的組成數控系統(tǒng)與數控機床的組成如圖1所示，它可分為六個部分。計算機數控系統(tǒng)操作面板PLC機床I/O電路和裝置主軸伺服單元主軸驅動裝置輸入輸出 設 備計算機數控 裝 置進給伺服單元測量裝置進給驅動裝置機床主 進 輔運 給 助動 傳 控機 動 置構 機 機 構 構 圖1.1數控系統(tǒng)與數控機床的組成（1）操作面板它是操作人員與數控裝置進行信息交流的工具。組成：按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列和顯示器，它是數控車床特有部件。（2）控制介質與輸入輸處設備控制介質是記錄零件加工程序的媒介。

5、輸入輸出設備是CNC系統(tǒng)與外部設備進行交互裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將編好的記錄在控制介質上的零件加工程序輸入CNC系統(tǒng)或將調試好了的零件加工程序通過輸出設備存放或記錄在相應的控制介質上。（3）CNC裝置組成：計算機系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板、通訊接口板、特殊功能模塊以及相應的控制軟件。作用：根據輸入的零件加工程序進行相應的處理，然后輸出控制命令到相應的執(zhí)行部件，所有這些工作是由CNC裝置內硬件和軟件協(xié)調配合，合理組織，使整個系統(tǒng)有條不紊的進行工作的，CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心。（4）伺服單元、驅動裝置和測量裝置1）伺服單元和驅動裝置主軸伺服驅動裝置和主軸電機進給伺服驅動裝置

6、和進給電機2）測量裝置位置和速度測量裝置，以實現進給伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。作用 ：保證靈敏、準確的跟蹤CNC裝置指令。進給運動指令：實現零件加工的成形運動。 主軸運動指令：實現零件加工的切削運動。（5）PLC、機床I/O電路和裝置PLC：用于完成與邏輯運算有關順序動作的I/O控制，它由硬件和軟件組成。機床I/O電路和裝置：實現I/O控制的執(zhí)行部件，由繼電器、電磁閥、行程開關、接觸器等組成的邏輯電路。功能：接受CNC的M、S、T指令，對其進行譯碼并轉換成對應的控制信號，控制輔助裝置完成機床相應的開關操作。接受操作面板和機床側的I/O信號，送給CNC裝置，經其處理后，輸出指令控制CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)

7、和機床的工作。（6）機床機床：數控機床的主體，是實現制造加工的執(zhí)行部件。組成：主要由主運動部件、進給運動部件（工作臺、托板以及相應的傳動機構）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置(刀具自動交換系統(tǒng)、工件自動交換系統(tǒng))和輔助裝置（如排屑裝置等）組成。1.1.3數控機床特點(1)數控車床的優(yōu)點數控機床的操作和監(jiān)控全部在這個數控單元完成，它是數控機床的大腦。與普通機床相比，數控機床有如下特點：1）加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質量；2）可進行多坐標的聯動，能加工形狀復雜的零件；3）加工零件改變時，一般只需要更改數控程序，可節(jié)省生產準備時間；4)機床本身的精度高、剛性大，可選擇有力的加工用量，生產率高（一

8、般為普通機床的35倍）；5) 機床自動化程度高，可以減輕勞動強度；6) 對操作人員的素質要求較高，對維修人員的技術要求更高。（2）數控車床的適用范圍數控車床確存在一般車床所不具備的許多優(yōu)點，但是這些優(yōu)點都是以一定條件為前提的。數控車床的應用范圍正在不斷擴大，但它并不能完全代替其他類型的機床，也還不能以最經濟的方式解決機械加工中的所有問題。數控車床通常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) 結構比較復雜的零件；3) 需要頻繁改變的零件；4) 價格昂貴、不允許報廢的關鍵零件；5) 需要最短生產周期的急需零件。1.2數控化改造的內容普通車床的數控化改造主要內容有以下幾點：(

9、1)恢復原功能：對機床存在的故障部分進行診斷并恢復；(2)NC化：在普通車床上增加豎線裝置，或者增加數控系統(tǒng)，將其改造成NC車床、CNC車床；(3)翻新：為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度；對其不滿足生產要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC盡行更新；(4)技術更新或技術創(chuàng)新:為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上進行較大規(guī)模的技術更新或技術創(chuàng)新，較大幅度大地提高水平和檔次的更新改造。本次設計的主要指導思想是將原車床原來純機械結構改造為有數控裝置控制的機電一體化產品，改造費用低，經濟性好，加工精度高，生產效率高。改造后的簡易數控車

10、床既能保持原普通車床的功能，又能使小批量，多品種復雜的零件的加工精度和生產率得到提高。其中主要應解決的問題是如何將機械傳動的進給和手工控制的刀架轉位，進給改造成單片機控制的刀架，自動轉位以及自動進給的自動加工車床?？v橫向進給部件，采用微機數控裝置進行開環(huán)控制。1.3數控技術的發(fā)展狀況 1.3.1產生背景從工業(yè)化革命以來人們實現機械加工自動化的手段由：自動機床、組合機床、專用自動生產線。這些設備的使用大大提高了機械加工自動化的程度，提高了勞動生產率，促進了制造業(yè)地發(fā)展。但它也存在固有的缺點：1）初始投資大；2）準備周期長；3）柔性差。數控技術產生和發(fā)展的內在動力：市場競爭日趨激烈，產品更新換代加

11、快，大批量產品越來越少，小批量產品生產的比重越來越大，迫切需要一種精度高、柔性好的加工設備來滿足上述需求。電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展則為NC機床的進步提供了堅實的技術基礎。數可能高技術正是在正是背景下誕生和發(fā)展起來的。它的產生給自動化技術帶來了新的概念，推動了加工自動技術的發(fā)展。1.3.2發(fā)展戰(zhàn)略從我國的基本國情出發(fā)，以我國的戰(zhàn)略需求和國民經濟的市場需要，選擇能夠主導我國21世紀初期制造裝備業(yè)發(fā)展的關鍵技術以及能夠支持產業(yè)化發(fā)展的支撐技術與配套技術作為研究開發(fā)的內容，實現制造裝備業(yè)的跨越發(fā)展。強調市場需要為導向，以數控的終端產品為主，以整機帶動數控產業(yè)的發(fā)展。重點解決數控系統(tǒng)與相關功能部件

12、的可能性和生產規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可能性產品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產品；沒有規(guī)模中國的數控裝備就最終難以有出頭之日。在競爭數控技術前，要強調創(chuàng)新，強調研究開發(fā)具有自主知識產權的技術和產品，為我國的數控產業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。1.3.3發(fā)展趨勢進入九十年代以來，隨著國際上計算機技術突飛猛進的發(fā)展，數控技術不斷采用計算機、控制理論等領域的最新技術成就，使其朝著下述方向發(fā)展:運行高速化、加工高精化、功能復合化、控制智能化、體系開放化、驅動并聯化、交互網絡化。1(1)運行高速化、加工高精化 速度和精度是數控設備的兩個重要指標，它們是數控技術永恒追求

13、的目標。因為直接關系到加工效率和產品質量，新一代數控設備在運行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。由于計算機技術的不斷進步，促進了數控技術水平的提高，數控裝置、進給伺服驅動裝置和主軸伺服驅動裝置的性能也隨之提高，使得現代的數控設備在新的技術水平下，可同時具備運行高速化、加工高精化的性能。（2）功能復合化 復合化是指在一臺設備能實現多工藝手段加工的方法。（3）控制智能化 隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，并為滿足制造業(yè)生產柔性化、制造自動化發(fā)展需求，數控技術智能化程度不斷提高，具體體現在以下三個方面：加工過程自適應控制技術、加工參數的智能優(yōu)化與選擇和智能故障與自修復技術。（4）體系開放化 具有在

14、不同的工作臺上均能實現系統(tǒng)功能、且可以與其它的系統(tǒng)應用進行互操作的系統(tǒng)。開放式數控系統(tǒng)的特點：系統(tǒng)的構件（軟件和硬件）具有標準化、多樣化和互換性的特征。允許通過對構件的增減來構造系統(tǒng)，實現系統(tǒng)“積木式”的集成。構造應該是可移植的和透明的。向未來技術開放:由于軟硬件接口都遵循公認的標準協(xié)議，只需少量的重新設計和調整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容這就意味著系統(tǒng)的開放費用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期。（5）驅動并聯化 并聯加工中心（又稱6條退數控化機床、虛軸機床）是數控機床在結構上取得的重大突破。其特點是：并聯結構機床是現代機器人與傳統(tǒng)加工技術相

15、結合的產物；由于它沒有傳統(tǒng)機床所必需的床身、立柱、導軌等制約機床性能提高的結構；具有現代機器人的模塊化程度高、重量輕和速度快等優(yōu)點。（6）交互網絡化 支持網絡通訊協(xié)議，既滿足單機需要，又能滿足FMC、FMS、CIMS對基層設備集成要求的數控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是形成“全球制造”的基礎單元。網絡資源共享、數控系統(tǒng)的遠程監(jiān)視與控制、數控系統(tǒng)的遠程培訓與教學、數控裝備的數字化服務。2設計方案的確定C616型車床是一種加工效率高，操作性能好，社會擁有量大的普通車床。實踐證明，把這種車床改造為數控車床，已經收到了良好的經濟效果。2.1設計任務 本次設計是對c616普通車床的數控改造橫向進給系統(tǒng)的設計，數控車床的

16、改造一般是對某些部位做一定的改造，配上數控裝置，從而使車床有數控加工的能力。此次設計的基本要求是：工作臺重w=30kg f=300n , 時間常數t=25ms,行程s=190mm,基本導程：l0=4mm,脈沖當量sp=0.005mm/step,步距角a=0.75d/step,快速進給速度Vmax=1m/min2.2 總體設計方案的確定總體方案的設計應考慮數控系統(tǒng)的運動方式，伺服系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。（1）車床數控化改造屬于經濟型數控機床，在保證其加工精度的前提下，應該簡化其結構，降低其成本。所以，橫向進給系統(tǒng)采用步進電機的開環(huán)控制。 （2）為保證進給伺服系統(tǒng)

17、傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小和傳動效率高的滾珠絲杠副，并加有預緊機構，從而提高剛度和消除間隙。（4）縱、橫向進給是兩套獨立傳動鏈，它們是由步進電機、齒輪副和滾珠絲杠副組成，其傳動比要滿足機床所需要的分辨率。（5）刀架采用自動轉位刀架。（6）根據普通車床的最大加工尺寸、加工精度、控制速度和經濟性要求，經濟型的數控車床一般采用8位的微機。在8位微機中，優(yōu)先考慮MCS-51系列單片機，因為它的集成度高、功能強、可靠性好、抗干擾能力強、速度快，還具有很高的性能價格比。所以可選擇MCS-51系列單片機的擴展系統(tǒng)。綜上所述，數控改造的方案圖如下圖所示： 圖2.1數控改造方案圖其工作的原理是：由MCS-51

18、單片機控制步進電機的動作，步進電機經齒輪箱減速后驅動滾珠絲杠，從而使刀架橫向運動。3結構設計3.1傳動裝置的設計 3.1.1 齒輪的設計齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，C616機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。齒輪傳動裝置設計的準則：精度高、穩(wěn)定性好、響應速度快。為了保證其傳動精度，數控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床的要高，以保證機床加工精度。數控機床的進給系統(tǒng)中常用齒輪副來達到一定的傳動比和轉矩要求。由于齒輪加工不可能達到理想齒面的要求，總是存在著一定的誤差，因此一對嚙合齒輪，總應有一定的齒側間隙才能正常的工作。但是齒側間隙會造成進給系統(tǒng)的反向失動量，并產生反向死區(qū)從而影響加

19、工精度，因此必須采取措施消除齒輪傳動中的間隙。常用的有剛性調整法和柔性調整法：剛性調整法又包括偏心套調整法和軸向墊片調整法，柔性調整又包括軸向彈簧調整法和周向調整法。縱、橫向進給機構都采用了一級齒輪減速，并用雙片齒輪錯齒法消除間隙，雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙，因為彈簧的彈力很難適應負載的變化情況。當負載較大時彈簧的彈力顯小，起不到自動消除間隙的作用；當負載較小時，彈簧的彈力顯大，則加速齒輪的磨損。為此采用人工定期調整螺釘緊固的辦法來消除間隙。3.1.2滾珠絲杠的設計滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠及滾珠循環(huán)返回裝置等組成。（1）滾珠絲杠副的傳動特點：傳動效率高，摩擦損失?。欢ㄎ痪雀?，剛度

20、好；啟動力矩小，運動平穩(wěn)無爬行現象，傳動精度高；有可逆性；磨損小使用壽命長，精度保持性好；制造工藝復雜；不能自鎖。（2）滾珠絲杠副的支撐：滾珠絲杠采用推力軸承支承，以提高軸向剛度。安裝支撐的方式有：1）一端裝推力軸承，這種方式承載能力小，軸向剛度低，適用于短絲杠；2）一端裝推力軸承，另一端裝向心球軸承，適用于較長的絲杠；3）兩端裝推力軸承，這種方式有助于提高剛度但對絲杠的熱變形較為敏感；4）兩端裝推力軸承及向心球軸承，但這種方式不能預先測定預緊力不能提高其承載能力和支架的剛度。（3）滾珠絲杠副制動方式有：采用具有剎車作用的制動電機；在傳動鏈中配置逆轉效率低的高減速比系統(tǒng)；采用超越離合器。（4）

21、滾珠絲杠副的防護：絲杠預緊后，軸向間隙減小，當雜質落入滾道內時，會阻止?jié)L珠的運轉，所以需要加有防護裝置。常用的有：密封圈和防護罩。3.1.3數控機床改造的設計步驟 將普通機床改造成為數控機床，是一件技術要求很高的工作，必須根據加工對象實際情況，確定改造的方案，故改造設計的一般過程如下：（1）對加工的對象進行工藝分析，并確定工藝方案 被加工的工件既是機床改造的依據，也是機床改造后的加工對象。不同的形狀，不同的技術要求工件，其加工的方法也不同，對機床的要求也不盡不同。如，對于圓柱形的零件可用車削與外圓磨等方法加工，而平面則一般用銑削或平面磨等方法加工；對精度和表面粗糙度要求不高的外圓柱表面，常用車

22、削加工；對于精度高和表面粗糙度要求低的則可在外圓磨床上加工。在工藝分析的基礎上，繪制了工序圖，初步選定了切削用量和刀具運動路線，并計算生產率。最后計算切削力和切削功率，從而計算得出進給系統(tǒng)需要的功率和力矩。這是選擇方案和驅動部件的依據，現在多用類比法或測定法完成。（2）.分析被改造的機床，確定被改造機床的類型 改造機床和設計機床是大不相同的，機床的設計是根據設計的任務書，對機床整機進行設計，然后將機床各組成零、部件逐一制造，最后裝成機床；而機床的改造則是圍繞著某臺機床進行工作得，不僅要考慮機床本身結構改造，還要考慮工藝系統(tǒng)中刀具、夾具和其它輔具的改進，以滿足生產需要。在制定機床改造的方案時，可

23、現根據制定的工藝方案，初步選定改造機床的類型，然后對被選定的機床進行認真的分析，了解被改造機床的技術規(guī)格，技術狀況，各部聯系尺寸等，分析機床的強度和剛度，分析被改造機床能否適應改造的要求以和經濟性等。最后確定被改造機床型號。（3）.擬定技術措施制定改造的方案 根據加工對象要求和被改造機床實際情況，擬定應采取的技術措施，制定出機床的改造方案，選用外購件時一定要保證質量。在擬定技術措施，制定改造方案的過程中，應充分進行技術經濟分析，力求是改造的機床不僅能滿足技術性能的要求，還要獲得最佳的的經濟效益，是技術的先進性與經濟的合理性較好的統(tǒng)一起來。（4）.設計或選用數控裝置 在滿足加工零件要求的同時，盡

24、量使設計的數控裝置功能強，穩(wěn)定可靠，通用性好，價格低，或選用國內生產較好的專用數控裝置。（5）.進行機床改造的技術設計。（6）.繪制機床改造的工作圖。（7）.整機安裝調試。以上七步，并非一成不變，而是依據實際的情況而定。3.2導軌的設計無論是數控機床還是普通機床，都有導軌。在導軌面上安裝工作臺、刀架等部件。導軌的作用不僅承受這些部件的載荷，而且還保證各部件的相對位置和相對運動精度。導軌主要由運動件和承導件兩部分組成，運動件是指需要做直線運動的零部件，承導件用于支持并限制運動件，時使其只能按給定的要求和規(guī)定的方向作直線運動。（1）導軌設計的基本要求：導向精度高、剛度大、耐磨、運動靈活和平穩(wěn)。（2

25、）滑動導軌的特點：優(yōu)點是結構簡單，制造方便，接觸剛度大；缺點是摩擦阻力大，磨損快，動靜摩擦系數差別大，低速易產生爬行。（3）滑動導軌間隙的調整：為保證導軌的正常運動，運動件與承導件之間應保持適當的間隙。間隙過小會增加摩擦力，使運動不靈活；間隙過大，會使導向精度降低。調整的方法有：1）采用磨、刮相應的結合面或加墊片的方法，以獲取適當的間隙。2)鑲條的調整，這是側向間隙常用的調整方法，鑲條有直鑲條和斜鑲條兩種。(4)滾動導軌的特點：優(yōu)點是摩擦因數小，動、靜摩擦因數差小，運動輕便靈活，摩擦發(fā)熱少、磨損小，精度保持性好。缺點是結構比較復雜、制造比較困難、成本比較高、抗振性較差。對贓物比較敏感，還必須要

26、有良好的防護裝置。（5）導軌的選擇：數控機床上，常使用滑動導軌和滾動導軌。滾動導軌摩擦系數小，動靜摩擦系數接近，因而運動靈活輕便，低速運行時不易產生爬行現象。精度高，但價格貴。經濟型數控一般不使用滾動導軌，尤其數控改造，若使用滾動導軌，將大大增加機床床身的改造工作量和改造成本。因此，數控改造一般仍使用滑動導軌。為了使結構緊湊，能承受傾側力矩，選用滑動燕尾形導軌。如圖3.1所示： 圖3.1燕尾形導軌（6）導軌材料：滑動導軌常用材料是灰鑄鐵和耐磨鑄鐵?；诣T鐵通常以HT200或HT300做固定導軌，以HT150或HT200做動導軌。（7）導軌的熱處理：一般重要的導軌，鑄件粗加工后進行一次時效處理，高

27、精度導軌鑄件半精加工后還需進行第二次時效處理。3.3自動轉位刀架的設計自動轉位刀架的設計是普通機床的數控改造方面的關鍵。由微機控制的自動轉位刀架具有工作剛性好、性能可靠、重復定位精度高、使用壽命長和工藝性好等特點。這類刀架由控制系統(tǒng)直接控制，刀架能自動完成抬起回轉、選位、下降、定位和壓緊這樣一系列的動作。（1）刀架的抬起 利用壓縮彈簧的恢復力來完成刀架的抬起或者是利用螺紋傳動，將旋轉運動變成軸向直線運動，從而達到抬起刀架的目的。（2）刀架的回轉和選位 刀架由一個微電機通過傳動系統(tǒng)來帶動。刀架的轉動軸線是豎直的，而轉速比起電機來要慢的多。刀架轉過一定角度后要選位，即看一看轉到這個位置的刀具是符合

28、加工要求。這一功能是由微機程序來實現。具體地說，當刀架轉到此位置是，程序自動的將該位置的編碼與所需刀具編碼加以比較。若相同，該刀具就選定此位；否則，再轉動重復上述過程。（3）刀架的下降、定位和壓緊 刀架選定位置后，斜面銷插入斜面槽中，使之粗定位。然后由微機控制使微電機正反轉。由于斜面銷的棘輪作用，只是下降，再由精定位元件來精確定位。定位完畢，需要壓緊刀架壓緊力是由刀架下降到底后，電機繼續(xù)轉動后所產生的。壓緊力的大小應是切削力大小的兩倍以上，而且能調整，當達到調整數值時，電機停轉。考慮到重復定位精度高、工作剛性好、使用壽命長、工藝性好等特點，經濟型數控車床一般選用-I型四工位自動刀架。3.4開環(huán)

29、控制系統(tǒng)的設計 數控機床所采用的開環(huán)控制系統(tǒng)，大都采用了步進電機作為工作臺的運動控制器件，所以，也可稱為開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)。數控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)之分。采用閉環(huán)控制的優(yōu)點是可以達到很好的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差、傳動間隙及干擾等對加工精度的影響。但它結構復雜，技術難度大，調試和維修困難，造價高。所以采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的必要性不大。采用半閉環(huán)控制，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)之間，由于調速范圍寬，過載能力強，又具有反饋控制，因此性能遠優(yōu)于以步進電機驅動的開環(huán)控制。由于反饋調節(jié)不包括大部分機械傳動元件，調試比閉環(huán)簡單系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證，所以比閉環(huán)容易實現。但是，采用半閉

30、環(huán)控制，調試比開環(huán)控制要復雜得多，設計上有其自身的特點，技術難度較大。由于是經濟型數控改造，通常情況下均采用以步進電機驅動的開環(huán)控制。因為開環(huán)控制具有結構簡單，設計制造容易，控制精度較好，容易調試，價格便宜，使用維修方便等優(yōu)點。開環(huán)控制系統(tǒng)圖如下：機 床 工作 臺數控裝置步進電機指令輸入圖3.2開環(huán)控制系統(tǒng)的圖4設計計算4.1橫向進給系統(tǒng)的設計與計算4.1.1橫向進給系統(tǒng)的設計經濟型數控改造橫向進給系統(tǒng)的設計比較簡單，一般是將步進電機經減速后驅動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大托板上，用法蘭盤將步進電機和機床大托板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。4.1.2橫向進給系統(tǒng)的設計計

31、算已知條件：工作臺重w=30kgf=300n，時間常數t=25ms，行程s=190mm,基本導程l0=4mm,脈沖當量sp=0.005mm/step,步距角a=0.75d/step,快速進給速度Vmax=1m/min （1）切削力計算由機床設計手冊得，切削功率 （4.1）式中 N電機功率，查機床說明書，N=4kW；主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.60.7取K進給系統(tǒng)功率系數，取為K=0.96所以 =40.650.96=2.5 kW 又因為 （4.2）所以 式中 v切削線速度，取v=100m/min。主切削力 =61202.5/100=1530（N） 由機械制造技術基礎得，主切削力 （4.3）查表得

32、： =187kgf/=1870MPa =1 =0.75 =1則可計算如下表所示：表 4.122 2333 0.20.30.40.20.30.4112515241891168722872837 把=1520N時，切削深度=2mm，走刀量=0.3mm，作為下面計算的依據。由機床設計手冊得，在一般外圓車削時： =（0.10.6） =（0.150.7） 所以 =0.5Fz=0.51530=765(N)=0.6Fz=0.61530=918(N)則橫向進給系統(tǒng)的切削力為: =1/21530=765(N)在切斷工件時: =0.5765=383(N)（2）滾珠絲杠設計計算1)強度計算 對于燕尾型導軌： （4.

33、4）取K=1.4 =0.2則 P=1.438.3+0.2（76.5+30）=74.92(kgf)=749.2（N）壽命值： （4.5） = 最大動負載：Q= （4.6） 根據最大動負荷Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號。例如，可選取系列，滾珠絲杠公稱直徑為20mm，基本導程為4mm,負荷總圈數為5圈，型號為204-5-E2左，其額定動負荷為5393N，故強度滿足。2) 效率計算：螺旋升角=338，摩擦角=10則傳動效率由公式（3-7）得 （4.7） =0.963) 剛度驗算：滾珠絲杠受工作負載P引起的導程的變化量由公式（3-8）得 （4.8） 所以滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略，即：所以

34、，導程變形總誤差為 （4.9）即 =100/0.4=14.9(um/m) 表4.2絲杠彈性變形允許的螺距誤差（1m長）絲杠精度等級允許誤差(um/m)絲杠精度等級允許誤差(um/m)C5F30D10G60E15H100 查表4.2可得E級精度絲杠彈性變形允許的螺距誤差（1m長）為15m/m，故剛度滿足。4) 穩(wěn)定性驗算： 由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強，故穩(wěn)定性也滿足。（3）齒輪及轉矩有關計算1）有關齒輪的計算傳動比 （4.10） =1.67取 2）轉動慣量的計算工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 （4.

35、11） 絲杠的轉動慣量 齒輪的轉動慣量電機轉動慣量很小可忽略，因此，總的轉動慣量 （4.12）3）所需轉動力矩的計算快速空載啟動時所需的力矩 最大切削負載時所需的力矩 快速進給時所需力矩 式中 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩； 折算到電機軸上的摩擦力矩； 由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩； 切削時折算到電機軸上的加速度力矩； 折算到電機軸上的切削負載力矩。 （4.13） （4.14） （4.15） （4.16） = （4.17） (4.18) 所以，快速空載啟動所需轉矩 (4.19)切削時所需力矩： (4.20) 快速進給時所需轉矩： (4.21) 以上計算可知：最大轉矩

36、發(fā)生在快速啟動時 4.2傳動軸的校核4.2.1軸的強度校核（1）徑向支撐力：由圓柱齒輪的圓周力可知 由材料力學可得:解得: （2）水平支撐力：解得： 故 M= （4.22） (4.23)校核軸的強度 (4.24) 軸的材料為45鋼，經調質淬火處理，查表=故： 即強度滿足。4.2.2軸的剛度校核軸的扭轉變形用扭轉角來表示，圓周扭轉角的計算公式： (4.25) 經查表得， 即，故滿足要求要求。4.3步進電機的選擇 步進電機也叫脈沖電機，是將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的電磁機械裝置，是一種輸出與輸入數字脈沖對應的增量驅動元件。當給步進電機一個電脈沖信號時，步進電機便轉動一個步距角。如按一定

37、規(guī)律給步進電機一串連續(xù)電脈沖信號，步進電機便一步一步的連續(xù)旋轉。步進電機可廣泛用于數模轉換速度控制和位置控制系統(tǒng)中，是開換控制系統(tǒng)的理想執(zhí)行元件。4.3.1選用的基本原則步進電機的選擇是一個比較復雜的問題，要根據電機的工作情況，經分析后正確選用。（1）步距角 步距角應滿足： (4.26) 式中 傳動比；系統(tǒng)對步進電機所驅動部件的最小轉角。（2）轉矩為了保證步進電機正常運行，正常啟動并能滿足對轉速的需要，必須考慮：1）啟動力矩 一般啟動力矩選取為： 式中 電動機啟動力矩； 電動機靜負載力矩。 根據步進電機的相數和拍數，啟動力矩選取如表4.3所示。為步進電機的最大靜轉矩，是步進電機技術數據中給出的

38、。表4.3步進電機相數、拍數、啟動力矩表運行方式相數33445566拍數36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.8662）在要求的運行頻率范圍內，電動機運行力矩應大于電動機的靜載力矩與電動機轉動慣量（包括負載的轉動慣量）引起的慣性矩之和。（3）精度步進電機的精度可用積累誤差或步矩誤差衡量。積累誤差是指轉子從任意位置開始，經過任意步后，轉子的實際轉角與理論轉角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實用。所選用的步進電機應滿足： (4.27) 式中 步進電機的積累誤差；系統(tǒng)對步進電機驅動部分允許的角度誤差。（4）啟動頻率由于步進電機的啟動頻率隨著負載力矩和轉動慣量的增大而降低，因此相應負載力矩和轉動慣量的極限啟動頻率應滿足： 式中 極限啟動頻率要求步進電機最高啟動頻率。4.3.2 步進電機 (4 .28) 則 仍選用三相六拍工作方式，查表知： (4.29) 所以，步進電機最大靜轉矩為： （4.30） 步進電機最高工作頻率 （4.31） 所以選用110B