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CA6140车床进给系统的设计改造DesignandTransformationofCA61401.atheFeedSystem本文介绍了普通数控机床中CA6140车床进给系统的设计改造过程，主要为机械元件的设计，包括滚珠丝杠、轴承、步进电机、和齿轮传动比的计算、选择与应用。针对现有常规CA6140普通车床的缺点提出数控改装方案，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。改造后的机车，主运动实现自动变速,纵向、横向进给系统进行数控控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.15mm每脉冲，横向最小运动单位0.005mm每脉冲，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。关键词：齿轮；进给丝杠；步进电机；改造AbstractThisarticleconciselanguagehadthestressintheintroductionordinarynumericalcontrolenginebedtheeconomynumericalcontroltoolmachineenteredforthedesignprocess,mainlyformechanicalpartdesign,includingballbearingguidescrew,bearing,steppermotor,andsynchronizedtoothprofilebeltcomputation,choiceandapplication.ToremedythedefectsofordinarylatherCA6140,adesignofdataprocessingsystemanditssinglechipmicrocomputersystemprogramisputforwardtoraisetheprocessingprecisionandextendthemachine,susage,andtoimproveproductionrate,sotheMotorcyclebeenreformed,thelordexercisesrealizetochangespeedautomatically,lengthways,horizontalentertoproceedtosystemthenumbercontrolsthecontrol,andrequesttoattainlengthwaysminimumsportunitas0.15mmpulse,horizontalminimumsportunitas0.005mmpulse,knifemustbetheautomaticcontrolaknifewhichisturningautomatically,anditisabletoslicethethreadautomatically.Thispaperpresentstheprocessofdesigningnumericalcontrolreform,andexplicitlyintroducesthedesignofmechanicalandnumericalcontrolsystemreforms.Keyword:Numericalcontrol;ballbearingguidescrew;steppermotor;reformdesig目录1数控机床的基本知识51.1 数控机床的发展趋势51.2 我国机床行业的研究现状513我国机床行业的发展前景62总体方案设计82.1 设计任务82.2 机床改造总体方案设计要求92.3 进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案93进给伺服系统机械部分设计与计算103.1 进给系统机械结构改造设计103.2 横向进给伺服系统机械部分的计算与选型103.2.1 确定系统的脉冲当量113.2.2 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤11323齿轮有关计算124步进电动机的计算与选型164.1 步进电动机选用的基本原则164.1.1 步距角174.1.2 转矩174.1.3 启动频率184.2 步进电动机的选折184.2.1 CA6140横向进给系统步进电机的确定185主轴交流伺服电机185.1 主轴的变速范围185.2 初选主轴电机的型号195.3 主轴电机的校核196微机控制系统硬件电路设计196.1 硬件电路的设计196.2 软件电路的设计206.3 AT89C51芯片206.4 单片机最小系统电路216.5 程序调试及其运行22总结25致谢26参考文献271数控机床的基本知识1.1 数控机床的发展趋势高精度化：在现代工业生产中，精度要求越来越高，数控机床必须实现更高的精度水平。因此，未来数控机床的研发方向将更加注重高精度化的发展，以满足工业生产对高精度加工的需求。智能化：随着人工智能技术的发展，未来数控机床将会更加智能化。机器学习、人工智能、大数据等技术的应用，将有助于提高数控机床的自动化水平和智能化程度，从而实现更高效、更智能的生产。绿色化：环保意识的日益提高，未来数控机床的发展将更加注重环保和节能。在机床结构设计、工艺流程控制等方面，将会更加注重环保和节能，以实现低碳环保生产。自适应化：数控机床的自适应化也将成为未来发展的趋势。未来数控机床将更加智能化，能够根据不同的工艺要求和工件特征进行自适应控制，从而实现更高效的生产。1.2 我国机床行业的研究现状改革开放以来，我国机床行业取得了突飞猛进的发展，但是跟国外同行业相比，我过机床事业还是有很大的不足，国产机床的发展仍然难以支撑国民经济和国防军工的需要。与世界先进水平相比差距仍然十分明显。具体表现在以下几个方面。1、产量总体规模已居世界前列。2005年金切机床产量45万台，为“十五”初的2.4倍；锻压机床产量63万吨，是“十五”初的2.4倍。2005年机床工具全行业工业总产值1260亿元，是“十五”初期的2.5倍，平均年增长约26%,其中金属加工机床产值达到了51亿美元，总体经济规模已超过意大利，跃居世界第三位。其中，数控机床产值从“九五”末的4.9亿美元增加到“十五”末的21.8亿美元，年平均增长34.8%。数控金切机床的产量从“九五”末的1.4万台增加到“十五”末的6.0万台，年均增长达到33.5%。数控机床产量占全部机床的比重同时由7.3%增长到2005年的13.3%o2、产品技术水平明显提高在常规数控机床领域，如数控车床、立式加工中心、数控铳床、数控链床、数控齿轮机床、数控磨床、电加工机床、数控重型机床和数控成形机床等一大批产品，我国已经拥有自主知识产权，具有较强的市场竞争力，基本满足国内需求。在高档数控机床研发方面取得了新的突破，代表产品有五轴联动横梁移动式高速龙门铳床、五轴联动龙门加工中心、五轴联动车铳中心、五轴联动立式叶片加工中心。3、产业组织结构初步优化随着近年来机床行业的快速发展，其产业组织结构也得到了明显优化。2005年，数控机床年产量达到100o台的企业已有11家。数控机床年产量前10名企业的产量集中度达到45.9%0沈阳机床集团公司年产数控金切机床达到100O8台，占全国总产量16.8%,大连机床集团公司年产数控金切机床4734台，占全国总产量的7.9%,双双进入世界数控金切机床生产大企业行列。截至2006年6月，共有大连机床、沈阳机床、秦川机床、上海电气机床集团、哈尔滨量具刃具集团公司、北京第一机床厂、杭州机床集团公司等7家国内企业，并购了10家国外知名的机床工具企业，在国际化经营中迈出了可喜的一步，提高了中国机床工业在国际上的知名度，为行业引进技术、发展成套和扩大出口创造了条件。目前，我国是机床生产大国，但不是机床制造强国，国产机床的发展仍然难以支撑国民经济和国防军工的需要。与世界先进水平相比差距仍然十分明显。一是国产高档数控机床在品种、水平和数量上远远满足不了国内发展需求。尽管近几年国产机床市场销售量不断提高，至2005年进口机床在国内市场占有率仍高达60%,其中汽车、航空、航天、兵器、造船、通用机械等行业是主要进口大户。20022005年，我国已经连续四年成为世界最大的机床进口国，以2004年进口为例，从日本、台湾、德国进口分别占国内市场19.7%、12.1%和8.6%。二是国产功能部件和数控系统发展滞后，成为数控机床产业发展的瓶颈，尤其是为高档数控机床配套的关键功能部件和数控系统。三是机床制造企业技术装备水平不高，行业制造能力、综合管理和服务能力等方面不能满足市场快节奏的要求。1.3 我国机床行业的发展前景21世纪,我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机,也遭遇到加入WTO后激烈的市场竞争的压力。从技术层面上来讲,加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。另一方面,通过持续的研究,信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升。目前,世界先进制造技术不断兴起,超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。当今数控机床正在朝着以下几个方向发展。(1).高速度、高精度化速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。并采用直线电动机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式。目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。.多功能化动换刀机构(刀库容量可达100把以上)的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铳削、锋削、钻削、车削、钱孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。数控系统由于采用了多CPU结构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工,后台编辑”。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口,甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。（3） .智能化控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。还可以自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。（4） .数控编程自动化算机应用技术的发展，目前CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成NC零件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，它与CAD/CAM系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得。（5） .可靠性最大化床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，来提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化,使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。（6） .控制系统小型化数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。这样可以方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。2总体方案设计2.1 设计任务完成CA6140普通车床进给系统的计算机控制系统设计。驱动系统选择步进电机，控制器部分选择单片机。要求系统分辨率纵向：0.0Imm/步，横向：0.005mm/步。一.课程设计的主要技术参数加工最大直径：400mm（横向进给大于20Omm）加工最大长度：100Omm（纵向进给大于1OOOmm）滑板及刀架重力：纵向800N,横向60ON刀架快速速度：纵向2.4mmin,横向1.2mmin最大切削进给速度：纵向0.5mmin,横向0.25mmin主电机功率：7.5KN（不涉及）控制坐标数：2最小指令值：纵向0.15mm脉冲；横向：0.005mm/脉冲启动加速时间：30ms2.2 机床改造总体方案设计要求方案设计应考虑机床数控系统的运动方式,伺服系统的类型，计算机的选择,以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车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）车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）根据普通车床最大的加工尺寸、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。（9）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。（10）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。2.3进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案数控改造中主要机械部件改装探讨一台新的数控机床，在设计上要达到:有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。滑动导轨副对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。齿轮副一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动,因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠,但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低,但难以满足精度较高的零件加工。滚珠丝杠摩擦损失小,效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。安全防护必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施,切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨3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车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 横向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。计算简图如图1所示:图13.2.1 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0.0Imrn/step和0.005mmstep,½CA6140的技术参数中，要求纵向脉冲当量fp为0.15mmstep.横向脉冲当量为fp=0.005mmstepo3.2.2 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=1.4f,=0.05,Fl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=kFl+f,(Fv+2Fc+G)=1.4X2144+0.05(5360+2X1340+9.8X75)=3440.4N2)最大动载荷的计算V横=1400rmin×0.79mmr=1106mmminn横丝二V横X1/2/1.0纵=1106X1/2/4=138.25rmin1.=60nt=60×138.25X15000/106=124.43C=VIfmFm=:124.43X1.5X3440.4=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,入=2011'10=6111111,(101=5001111,圈数乂歹!数乂3.5Xl(2)横向滚珠丝杠的校核1)传动效率n计算=tgtg(+)=tg2ol1'tg(2ol1'+10')=93%2）刚度验算1 .丝杠的拉压变形量1=±Fm×1.EA=±3440.4X320/20.6×104×11×252=±0.0027mm2 .滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.0013×Fm3DwFyjz2=0.0013X3440.42369××145.36=0.0070mm在这里Fyj=Fm/3=3352.6/3=U18NZ=11dmDw=3.14×50/3.969=39.56Z=39.56×3.5×1=138.48丝杠的总变形量=l+2=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3.2.3 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:1.o=12mm步距角：=0.75o/step脉冲当量：p=0.15mmstep快速进给速度：VmaX=2.4mmin所以,变速箱内齿轮的传动比仁幺075×12/360×0.15=1.66Z2360p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=20°齿轮的直径d1=mz1=2×32=64mmd2=mz1=2×40=80mmda2=dl+2ha*=68mmda2=d2+2ha*=84mm两齿轮的中心矩a="售2=64；80=72mm2)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(E)2=(180×0.153.14×0.75)2×80×击=0.467kg.cm2对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算：J=7.8×10-4D41.kg.cm2式中D圆柱形零件的直径,cm1.-零件的轴向长度,cm所以,丝杠的转动惯量：Jl=7.8×l0-4+D41.1=7.8X10-4X3.24Xl40.3=11.475kg.cm2齿轮的转动惯量：zl=7.8×10-4×6.44X2=2.617kg.cm2z2=7.8Xl0-4×84×2=6.39kg.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=(li2)(JS+Jz2)+Jzl+J1=(1/2.52)(11.475+6.39)+2.617+0.467=5.942kg.cm2=59.42N.cm23)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一折算到电动机轴上的切削负载力矩；Ma=-×10-4N.m9.6T式中，J一转动惯量,kg.cm2n丝杠转速,rminT一时间常数,s当n=nmax时Ma=MamaxM卷*詈J16.7rminMamax=5.942X416.79.6×0.025Xi0-4=2.49N.m当n=nt时，Ma=mat、10007,n主JID1000×100×0.3×2.5°cnt=-=24.881.01.03.14×80×12r/minx.59.42X24.88、八八.八八八八T、Mat=X10-4=0.0616N.mMf9.6X0.25式中/一导轨上的摩擦系数m一切削加工时的转速，r/min;w-移动不见的重量，N;1.o丝杠导程，cm;i一传动比；n传动效率。当n=0.8f,=0.16时,-0.16×800×1.2ICCrMf=12.232×3.14×0.×2.5N.cmMo式中，no-丝杠未预紧时的效率，取0.9FO-预加载荷，-一般为最大轴向载荷的1/3,即FP/3Mo=1340X1.26×3.14×0.8×2.5×(1-0.92)=8.108N.cmMt=N.cm1340×1.2_iro-1Zo2×1.2×0.8×2.5所以，快速空载启动所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=l03+12.23+8.108=123.338N.cm切削时所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42N.cm快速进给时所需力矩M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩MamaX发生在快速启动时Mmax=123.338N.cm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=3Okgf=3OON（根据图纸粗略计算）滚珠丝杠的导程:1.o=4mm步距角：=0.75°/step脉冲当量：p=0.005mmstep快速进给速度：VmaX=O.25mmin所以,变速箱内齿轮的传动比._Zi_01.q_0,75×4_5=167Z23606P360×0.0053,齿轮的有关参数选取如下：Zl=18,Z2=30,模数m=2mm齿宽b=20mm压力角=20°dl=36mmd2=60mmdal=40mmda2=64mma=48mm2）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：jl=W(i)2=(:黑K)2×30×1/100=0.0439kg.cm2丝杠的转动惯量：Js=7.8×10-4×24×50=0.624kg.cm2齿轮的转动惯量：7zl=7.8×10-4×3.64×2=0.262kg.cm2z2=7.8×10-4×64×2=2.022kg.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=(li2)(JS+Jz2)+Jzl+J1=(3/5)2(0.624+2.022)+0.262+0.0439=1.258kg.cm2=12.58N.cm23)所需转动力矩计算nmax=X-=416.7r/min1.o43Mamax=1.258X416.79.6×0.025×10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cm1000VrJrr)Jl1000×100×0.15×5oo11t=-2ij=33171.O3.14×60×4×3,r/minx.1.258×33.17Mat=9.6×0.025X10-4=0.0174N.m=0.174kgf.cmMf=211NJ0.2×30×0.4×22×3.14×0.8×5=0.287kgf.cm=0.028N.mMo=*三X(l092)=0.649kgfcm=0.065N.m.214.4×0.4×3Mt=2×3.14×0.8×5=10.242kgf.cm=1.024N.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=25.32N.cm切削时所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52N.cm快速进给时所需力矩M=Mf+Mo=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Mamax发生在快速启动时Mmax=2.532kgf.cm=25.32N.cm4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 步距角步距角应满足Qj三1.式中，i-传动比amin一系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角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：OmiOs式中，Om一步进电动机的累积误差。s系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。4.1.2 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MqM1.o0.3-0.5式中，Mq-电动机起动力矩M1.o-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（1）所示，表中MJM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（1）步进电动机相数、拍数启动力矩表运行方式相数33445566拍数3648510612Mg/Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866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。4.1.3 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：Ftfopm式中，ft-极限启动频率，fopm一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横向进给系统步进电机的确定Mq=63.3N.cmr0.40.4电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知：MqMjm=0.866所以步进电动机最大静转矩Mjm为：Mjm=-=73.09N.cmJ0.8660.866步进电动机最高工作频率：fmax=1000=3333.3HZ60p60x0.005为了便于设计和采购，仍选用90BFO02型直流电动机，能满足使用要求。5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=1800nmax=14Nmaxnj=2njmin则nj=l1800×141.o.-=113rmm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=nmaxnj=1800/113=15.9主轴电机的功率是：7.5kw52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PHZKW=14.5,间隙负载(60%)kw=17.5kw,短时负载(2Omin)kw=19.25kw,额定负载nr.min-l=5000,最大转速nmaxrmin=8000,额定转矩277N.m,惯性矩0.206kg.m2晶体管PWM变频器型号为6SC6058-4AA025.3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。6微机控制系统硬件电路设计6.1 硬件电路的设计硬件是组成系统的基础，也是软件编程的前提，数控系统硬件设计包括以下几部分内容：据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。机床硬件电路由五部分组成：(1) 主控制器，即中央处理单元CPU；(2) 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；(3) 存储器，包括程序存储器和数据存储器；(4) 接口，即输入/输出接口电路；(5) 外围设备，如键盘、显示器等。(6) 软件电路的设计软件是硬件的补充。确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。1、软件设计步骤软件设计步骤分为以下几步：（1）据软件要求实现的功能，制定出软件技术要求；（2）将整个软件模块化，确定个模块的编制要求，包括个模块功能,入口参数，出口参数；（3）据硬件资源，合理分配好存储单元；（4）分别对个模块编程，并调试；（5）连接各模块，进行统一调试及优化；（6）固化到程序存储器中。2、数控系统中常用的软件模块（1）软件实现环形分配器；（2）插补运算模块；（3）自动升降速控制模块等。(7) AT89C51芯片三相步进电机的控制三相步进电机的控制要求为：1、能对三相步进电机的转速、启动停止进行控制；2、可实现三相步进电机的正反转控制；3、能对三相步进电机的步数进行控制。AT89C51芯片有39个引脚，引脚配置如图2所示XTA1.1POO/ADOPO1/AD1XTA1.2PO2/AD2PO3/AD3PO4/AD4PO5/AD5RSTPO6/AD6PO7/AD7P20/A8P21/A9P22/A10PSENP2.3/A11A1.EP24/A12EAP25/A13P26/A14P27/A15P1OP3OZFtXDP11P3.1/TXDP12P3.2/INT0P13P33/INTTP1.4P3.40P15P3.51P1.6P36/WRP17P3.7/RD-1.1._AT89C511上293图2AT89C51单片机由7个部件组成，既微处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定时/计数器及中断系统，它们都是通过片内单一总线连接而成的。(8) 单片机最小系统电路数码管显示电路由1位7段1.ED数码管显示当前转速档位(共9个档位),具体如3图所示按键电路需要实现按键控制步进电机正转、反转、加速、减速、停止，总共有5个按键，具体如图4所示。正铸一1.一KEYi反气,_o,一组1Jju速Io"喀减速I_o"o三X1停JJ:I_O"o按键模块I厂图4电机及驱动电路由A