机床数控改造控制系统设计

普通机床的经济型数控改造主要是在合理选择数控系统的前提下，然后再对普通机床进行适当的机械改造，改造的内容主要包括：
(1)床身的改造，为使改造后的机床有较好的精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨。

为此，本例中采用旧床身淬火并贴膜。

(2)拖板的改造，拖板是数控系统直接控制的对象，所以对其改造尤显重要。

这中间最突出一点就是选用滚珠丝杠代替滚动丝杠，提高了传动的灵敏性和降低功率步进电机力矩损失。

(3)变速箱体的改造，由于采用数控系统控制，所以要对输入和输出轴以及减速齿轮进行设计，从而再对箱体进行改造。

(4)刀架的改造，采用数控刀架，这样可以用数控系统直接控制，而且刀架体积小，重复定位精度高，安全可靠。

通过对机床的改造并根据要求选用步进电机作为驱动元件，这样改造后的机床就能基本满足现代化的加工要求。

关键词：普通机床，数控改造，步进电机，经济型数控系统，数控刀架
C NC machine tools, general transformation of the economy mainly in the rational choice under the premise of numerical control system, and then on the lathe appropriate mechanical transformation, transformation should include:
(1) the transformation of bed, for the transformation of post-precision machine tools have better retention, in addition to as much as possible to reduce the electrical and mechanical failures at the same time, should give full consideration to the wear resistance of machine parts, especially the Machine Tool . To this end, in this case the old bed quenching, and foil.
(2) the transformation of extension units, extension units is the direct control of CNC system object, so its transformation utmost importance. This is the middle of the most prominent point is chosen instead of rolling screw ball screw to improve the sensitivity of the transmission and torque stepper motor to reduce power losses.
(3) The gearbox of the transformation, due to adopt numerical control system, so the input and output shaft as well as the reduction gear design, which then transform to the box.
(4) the transformation of tool carrier, using CNC turret, so that you can use the direct control of CNC system, and knife small size, high repeat positioning accuracy, safe and reliable.
Through the transformation of machine tools and are required to use stepper motor as the driving element, so that after transformation, modernization of machine tools will be able to basically meet the processing requirements.
Keywords:Ordinary lathe, numerical control transformation, stepper motor, economical CNC system, CNC turret
目录
第一章绪论 (1)
第二章设计要求 (3)
2.1 总体方案设计要求 (3)
2.2 设计参数 (4)
2.3 其它要求 (5)
第三章进给伺服系统机械部分设计与计算 (6)
3.1 进给系统机械结构改造设计 (6)
3.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型 (6)
3.2.1 确定系统的脉冲当量 (7)
3.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤 (7)
3.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 (10)
3.2.4 齿轮有关计算 (12)
第四章步进电动机的计算与选型 (19)
4.1 步进电动机选用的基本原则 (19)
4.1.1 步距角α (19)
4.1.2 精度 (19)
4.1.3 转矩 (19)
4.1.4 启动频率 (20)
4.2步进电动机的选折 (20)
4.2.1 CA6140纵向进给系统步进电机的确定 (20)
4.2.2 CA6140横向进给系统步进电机的确定 (20)
第五章主轴交流伺服电机 (22)
5.1 主轴的变速范围 (22)
5.2 初选主轴电机的型号 (22)
5.3 主轴电机的校核 (22)
第六章微机控制系统硬件电路设计 (23)
6.1 控制系统的功能要求 (23)
6.2 硬件电路的组成 (23)
6.3 设计说明 (23)
第七章机床改造的结构特点 (26)
第八章安装调整中应注意的问题 (27)
结论 (28)
致谢 (29)
参考文献 (30)
第一章绪论
数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构.较好地解决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。

能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制：（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；（2）目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费；（3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。

要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。

普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。

这一工作早在20世纪60年代已经在开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务。

目前，国外已发展成为一个新兴产业部门，从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有26%的机床经过数控化改造，中小企业则达74%。

在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控化改造业务。

中国是拥有300多万台机床的国家，其中大部分是多年积累生产的普通机床，自动化程度低。

要想在近几年用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的，因此，普通机床的数控化改造大有可为，它适合中国的经济水平、生产水平和教育水平，已成为中国设备技术改造的主要方向之一。

机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。

因此，我们必须走数控改造之路。

普通机床（如C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。

普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。

进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。

刀架的纵向进给运动和横向进给运
动不能联动，切削次序也由人工控制。

对普通机床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。

这样，利用数控装置，机床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。

由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的机床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。

第二章设计要求
2.1 总体方案设计要求
总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。

（1）普通机床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。

（2）机床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。

（3）根据普通机床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。

在8位微机中，MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选MCS—51系列单片机扩展系统。

（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。

（5）设计自动回转刀架及其控制电路。

（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。

（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。

（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。

总体方案设计图如下图2-1所示：
图2-1数控机床改造的总体方案示意图
进给伺服系统总体方案方框图如图2-3所示：
图2-2进给伺服系统总体方案方框图
2.2 设计参数
设计参数包括机床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。

现列出CA6140卧式机床的技术数据：
名称技术参数
在床身上400mm
工件最大直径
在刀架上210mm
顶尖间最大距离650;900;1400;1900mm
宋制螺纹mm 1---12(20种) 加工螺纹范围英制螺纹t/m 2---24(20种)
模数螺纹mm 0.25---3(11种)
径节螺纹t/m 7---96(24种)
最大通过直径48mm
孔锥度莫氏6#
主轴正转转速级数24
正转转速范围10—1400r/min
反转转速级数12
反转转速范围14---1580r/min
2.3 其它要求
（1）原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本缩短改造周期。

（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。

第三章进给伺服系统机械部分设计与计算
3.1 进给系统机械结构改造设计
进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。

以下是其中的一种方案：
挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。

进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在机床尾座端原来装轴承座的部分。

溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。

横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。

刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。

3.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型
进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。

计算简图如下图3-1所示：
图3-1计算简图
图3-2进给系统计算简图
3.2.1 确定系统的脉冲当量
脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。

因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。

对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技术参数中，要求纵向脉冲当量fp为0.01mm/step。

横向脉冲当量为fp=0.005mm/step。

3.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤
（1）最大工作荷载计算
滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。

它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。

由于原普通CA6140机床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式3-1计算
工作载荷的大小。

Fm=KFL+f’(Fv+G) （3-1）1）车削抗力分析
车削外圆时的切削抗力有Fx﹑Fy﹑Fz，主切削力Fz与主切削速度方向一致垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。

切深抗力Fy与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。

进给抗力Fx与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。

纵切外圆时，机床的主切削力Fz可以用下式计算：
Fz=C FzαP XFz f yFz V nFz K Fz（3-2） =5360(N)
由《金属切削原理》知：
Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （3-3）
得Fx=1340(N)
Fy=2144(N)
因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给托板的载荷F1﹑Fv和Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系。

因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出：
托板上的进给方向载荷F1=Fx=1340(N)
托板上的垂直方向载荷Fv=Fz=5360(N)
托板上的横向载荷Fc=Fy=2144(N)
因此，最大工作载荷Fm=KFL+f’(Fv+G)
=1.15×1340+0.04×(5360+90×9.8)
=1790.68(N)
对于三角形导轨K=1.15, f’=0.03～0.05,选f’=0.04(因为是贴塑导轨)，G是纵向﹑横向溜板箱和刀架的重量，选纵向﹑横向溜板箱的重量为75kg,刀架重量为15kg.
（2）最大动载荷C的计算
滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用，可用式3-4计算：C=fmm （3-4）
L为工作寿命，单位为10r，L=60nt／10;n为丝杠转速（r／min）,n=1000v ／L0;v为最大切削力条件下的进给速度（m／min）,可取最高进给速度的1/2～1/3;L0为丝杠的基本导程，查资料得L0=12mm;fm为运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以取fm=1.5.
V纵向=1.59mm/r×1400r/min=2226mm/min
n纵向=v纵向×1/2/L0=2226×1/2/12=92.75r/min
∴L=60nt/106=60×92.75×15000/106=83.5
则C=fmFm =×1.5×1790.68=11740（N）
初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大载荷
C;因此有
Ca＞C=11740N
另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。

即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷Fm,一般使Coa/Fm=2～3.
初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。

考虑到简易经济改装，所以采用外循环。

因此初选滚珠丝杠的型号为型CD63×8-3.5-E型，主要参数为
Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,λ=2o19 ’，圈数×列数3.5×1
（3）纵向滚珠丝杠的校核
1）传动效率计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率为η
η=tgλ/tg(λ+φ)=tg2o19 ’/tg(2o19 ’+10’)=92% （3-5）
2）刚度验算
滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。

丝杠的拉压变形量δ1
δ1=±Fml/EA （3-6）
=±1790.68×2280/20.6×10×π×(31.5)2
=0.0064mm
2）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2
采用有预紧的方式，
因此用公式δ2=0.0013×（3-7）
=0.0013× 2
=0.0028mm
在这里Fyj =1/3Fm=1/3×1790.68=597N
Z=πdm/Dw=3.14×63/4.763=41.53
Z∑=41.53×3.5×1=145.36
丝杠的总变形量δ=δ1+δ2=0.0064+0.0028=0.0092mm<0.015mm
查表知E级精度丝杠允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格。

3）压杆稳定性验算
滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。

失稳时的临界载荷为Fk
Fk=fz2EI/L2 （3-8）式中：E为丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6×104Mpa；I为截面惯性矩，对丝杠圆截面I=πdl4/64(mm4)(dl为丝杠的底径)；L为丝杠的最大工作长度（mm）；fz为丝杠的支撑方式系数由表3-1查得。

由Fk=fzπ2EI/L2 且fz==2.0, E=20.6×104Mpa, I=πdl4/64mm4,L=2800mm为丝杠的长度
由于I=πdl4/64
=π(63-5.953)4/64
=3.14×57.0474/64
=519614mm
Fk=2×3.142×20.6×104×519614/28002
=276276
Nk=276276/1875
=149>>4
所以丝杠很稳定。

3.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤
（1）型号选择
1）最大工作载荷计算
由于导向为贴塑导轨，则：k=1.4 f’=0.05,F1为工作台进给方向载荷，
Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,
最大工作载荷：Fm=kF1+f’(Fv+2Fc+G)
=1.4×2144+0.05(5360+2×1340+9.8×75)
=3440.4N
2）最大动载荷的计算
V横=1400r/min×0.79mm/r=1106mm/min
n横丝=v横×1/2/L0纵=1106×1/2/4=138.25r/min
L=60nt/=60×138.25×15000/106=124.43
C=fmFm =×1.5×3440.4=25763.7N
∴初选滚珠丝杠型号为：CD50×6-3.5-E
其基本参数为Dw=3.969mm,λ=2o11’,L0=6mm,dm=50mm,圈数×列数×3.5×1
(2) 横向滚珠丝杠的校核
1）传动效率η计算
η==tgλ/tg(λ+φ)=tg2o11 ’/tg(2o11 ’+10’)=93%
2) 刚度验算
1. 丝杠的拉压变形量
δ1=±Fm×L/EA=±3440.4×320/20.6×104×π×252=±0.0027mm
2.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量
δ2=0.0013×=0.0013×
=0.0070mm
在这里Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N
Z=πdm/Dw=3.14×50/3.969=39.56Z∑=39.56×3.5×1=138.48 丝杠的总变形量δ=δ1+δ2=0.0027+0.0070=0.0097mm<0.015mm
查表知E级精度允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格
（3）滚珠丝杠螺母副的精度等级：
数控机床根据定位精度的要求通常选用1---5级精度的滚珠丝杠，1---5级
度丝杠的行程公差数值如表（2）所示：
表3-2滚珠丝杠行程公差/μm
3.2.4 齿轮有关计算
(1)纵向齿轮及转矩的有关计算
1）有关齿轮计算，由前面的条件可知：
工作台重量：W=80kgf=800N(根据图纸粗略计算) 滚珠丝杠的导程: Lo=12mm
步距角: α=0.75°/step
脉冲当量: δp=0.01mm/step
快速进给速度：V max=2m/min
所以,变速箱内齿轮的传动比
i====2.5 （3-9）齿轮的有关参数选取如下:
Z1=32 , Z2=40 ,模数m=2mm
齿宽b=20mm 压力角α=20°
齿轮的直径d1=mz1=2×32=64mm
d2=mz1=2×40=80mm
dα2=d1+2ha*=68mm
dα2=d2+2ha*=84mm
两齿轮的中心矩
a=
= =72mm
2）转动惯量计算
工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量:
J1
=W()2=
()2 ×80
×=0.467kg.cm2
（3-10）
对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算:
J=7.8×10-4D4L kg.cm2 （3-11）式中D---圆柱形零件的直径,cm
L---零件的轴向长度,cm
所以,丝杠的转动惯量:
J1=7.8×10-4+D4L1=7.8×10-4×3.24×140.3=11.475 kg.cm2 齿轮的转动惯量:
=7.8×10-4×6.44×2=2.617 kg.cm2
=7.8×10-4×84×2=6.39 kg.cm2
电动机转动惯量很小,可忽略。

因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量
J=(1/i2)（J S+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.52)（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm2
3）所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo 最大切削负载时所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt 快速进给时所需力矩 M=Mf+Mo
式中, Mamax---空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩; Ma---折算到电动机轴上的加速度力矩; Mf---折算到电动机轴上的摩擦力矩;
Mo---由丝杠预紧所引起,折算到电动机轴上的附加摩擦力矩; Mat---切削时折算到电动机轴上的加速力矩; Mt---折算到电动机轴上的切削负载力矩; Ma=
×10-4N.m （3-12）
式中, J---转动惯量, kg.cm 2 n---丝杠转速,r/min T---时间常数,s 当n=n max 时 M a =M amax n max =
==416.7 r/min
M amax=×10-4=2.49N.m
当n=n t时, M a=m at
n t====24.88 r/min
M at= ×10-4=0.0616N.mM f==N.cm
（3-13）式中f’---导轨上的摩擦系数
nt---切削加工时的转速，r/min;
w---移动不见的重量，N;
Lo---丝杠导程，cm;
i---传动比；
η--- 传动效率。

当η=0.8 f’=0.16时，
M f= = 12.23 N.cmM o=(1-) （3-14）
式中，ηo---丝杠未预紧时的效率，取0.9
F O---预加载荷，一般为最大轴向载荷的1 / 3，即F P / 3
则M o==×(1-0.92)=8.108N.cm
M t===128 N.cm
所以，快速空载启动所需力矩
M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm 切削时所需力矩
M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm 快速进给时所需力矩
M=M f+M o=12.23+8.108=20.338 N.cm
由以上分析计算可知：所需最大力矩M amax发生在快速启动时M max=123.338 N.cm
(2)横向齿轮及转矩的有关计算
1)有关齿轮计算，由前面的条件可知：
工作台重量：W=30kgf=300N(根据图纸粗略计算)
滚珠丝杠的导程: Lo=4mm
步距角: α=0.75°/step
脉冲当量: δp=0.005mm/step
快速进给速度：V max=1m/min
所以,变速箱内齿轮的传动比
i====1.67
齿轮的有关参数选取如下:
Z1=18 , Z2=30 ,模数m=2mm
齿宽b=20mm 压力角α=20°
d1=36mm d2=60mm
d a1 =40mm d a2=64mm a=48mm
2)转动惯量计算
工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量:
J1=W()2= ()2 ×30×=0.0439 kg.cm2 丝杠的转动惯量:
J s=7.8×10-4×24×50=0.624 kg.cm2
齿轮的转动惯量:
=7.8×10-4×3.64×2=0.262 kg.cm2
=7.8×10-4×64×2=2.022 kg.cm2
电动机转动惯量很小,可忽略。

因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量
J=(1/i2)（J S+Jz2）+Jz1+J1=()2（0.624+2.022）+0.262+0.0439=1.258
kg.cm2=12.58N. cm2
3)所需转动力矩计算
n max===416.7 r/min
M amax= ×10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cm
n t====33.17 r/min
M at= ×10-4=0.0174N.m=0.174 kgf.cm
M f=== =0.287kgf.cm=0.028N.m
M o==×(1-0.92) =0.649kgf.cm =0.065N.m
M t===10.242kgf.cm =1.024 N.m
所以，快速空载启动所需力矩
M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm
切削时所需力矩
M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm 快速进给时所需力矩
M=M f+M o=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm
由以上分析计算可知：所需最大力矩M amax发生在快速启动时
M max=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm
（3）绘制进给伺服系统的机械装配图
在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型，完成齿轮传动比计算后
可以着手绘制进给伺服系统的机械装配图。

在绘制机械装配图时，除了从总体上考虑机床布局情况以及伺服进给机构与原机床的联系外，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。

1）了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。

2）根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号，轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。

3）减速齿轮的参数和结构尺寸计算，确定齿轮侧隙的调整方法，在满足装配工艺的前提下，合理设计齿轮箱结构。

4）考虑各部位间的定位、联接和调整方法。

例如，应保证丝杠两端支承与滚珠丝杠螺母同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座。

轴承座在安装面上的联接与定位、齿轮箱在安装面上的定位、步进电机在齿轮箱上的联接与定位等。

5）考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。

例如，丝杠螺母的润滑、防尘、防铁屑保护、轴承的润滑及密封、齿轮的润滑及密封、行程限位保护装置等。

6）在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。

此外，注意绘制装配图时的一些基本要求。

例如，制图标准、视图布
置及图形画法要求、重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标准、重要配合的标注、装配技术要求、标题栏要求等。

第四章步进电动机的计算与选型
4.1 步进电动机选用的基本原则
合理选用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据电动机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。

现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：
4.1.1 步距角α
步距角应满足α≤（4-1）
式中，i---传动比
αmin---系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角
4.1.2 精度
步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足：
△θm≤i [△θs] （4-2）式中，△θm ---步进电动机的累积误差。

[△θs]---系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。

4.1.3 转矩
为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件
起动力矩。

一般选取为
M q≥MLo/0.3-0.5 （4-3）式中，M q---电动机起动力矩
MLo---电动机静负载力矩
根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表4-1所示，表中M JM为步进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。

表4-1步进电动机相数、拍数启动力矩表
在要求的运行频率范围内，电动机运行运行力矩应大于电动机的静载力矩与
电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。

4.1.4 启动频率
由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，
相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：
Ft ≥[fop]m (4-4)
式中，f t ---极限启动频率，
[f op ]m---要求步进电动机最高启动频率。

4.2步进电动机的选折
4.2.1 CA6140纵向进给系统步进电机的确定
M q ==308.35 N.cm
为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：
M q /M jm =0.866
所以步进电动机最大静转矩M jm 为：
M jm =
=356.06 N.cm
步进电动机最高工作频率：
f max ==3333.3 H Z 综合考虑，查步进电机技术数据表选用90BF002型直流电动机，能满足使
用要求。

4.2.2 CA6140横向进给系统步进电机的确定
M q ==63.3 N.cm
电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知：
M q/M jm=0.866
所以步进电动机最大静转矩M jm为：
M jm==73.09 N.cm
步进电动机最高工作频率：
f max==3333.3 H Z
为了便于设计和采购，仍选用90BF002型直流电动机，能满足使用要求。

第五章主轴交流伺服电机
5.1 主轴的变速范围
主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围Rn，
即Rn=nmax/nmin,数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化很大，所以主轴变速范围很宽。

由于Nmax=1800 nmax=14
Nmax/nj=2nj/min
则nj==113r/min (5-1)
这里nj为电动机的额定转速
该机床主轴要求的恒功率调速范围Rn为：
Rn= nmax /nj
=1800/113=15.9 (5-2) 主轴电机的功率是：7.5kw
5.2 初选主轴电机的型号
选主轴电机的型号为：SIMODRIVE系列交流主轴驱动系统型号为1HP6167-4CB4，连续负载PH/KW=14.5，间隙负载（60%）/kw=17.5kw,短时负载（20min）/kw=19.25kw,额定负载n/r.min-1=5000,最大转速nmax/ r/min=8000，额定转矩277N.m,惯性矩0.206/kg.m2晶体管PWM变频器型号为6SC6058-4AA02
5.3 主轴电机的校核
电动机恒恒功率调速范围：
Rn= nmax/nmin
=8000/5000 =16
所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围。

第六章微机控制系统硬件电路设计
6.1 控制系统的功能要求
（1）z向和x向进给伺服运动控制
（2）自动回转刀架控制
（3）螺纹加工控制
（4）行程控制
（5）键盘及显示
（6）面板管理
（7）其他功能：光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。

6.2 硬件电路的组成
后面所画大图采用MCS-51系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。

电路的组成如下：
（1）CPU采用8031芯片；
（2）扩展程序存储器2764两片，6264一片；
（3）扩展可编程接口芯片8155两片；
（4）地址锁存器，译码器个一个；
（5）键盘电路，显示电路；
（6）光电隔离电路，功率放大功率；
（7）越程报警电路，急停电路，复位电路；
（8）面板管理电路。

6.3 设计说明
（1）CPU采用8031芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有128字节，因此，扩展外部程序存储器2764两片（16KB），数据存储器6264（8KB）一片。

8031的I/O口也不能满足输入输出口的要求，本系统也扩展了两片8155可编程接口芯片。

（2）采用74LS138三--—八译码器的输出作为片选信号。

2764（1）、2764。