论文
普通车床的数控改造
申请人：谢旭
学科（专业）：机械制造及其自动化
指导教师：郭伟超
2014年6月
网络教育学院
毕 业 设 计 (论 文) 任 务 书
专业班级 层次 姓名 学号
一、毕业设计（论文）题目
二、毕业设计（论文）工作自 年 月 日起至 年 月 日止
三、毕业设计（论文）基本要求： 指导教师：
网络教育学院
毕业设计(论文) 考核评议书
摘 要
论文题目：普通车床的数控改造
学科（专业）：机械制造及其自动化
申请人：谢旭
指导教师：郭伟超
1 摘 要
从上世纪70、80年代制造的普通机床被使用的较长时间，到目前为止有很大一部分还在使用，这种车床采用接触器-继电器控制具有体积大、功耗大、控制速度慢、改变控制程序困难，由于是触点控制，在控制复杂时可靠性降低，已经不再适应当前加工环境精确，高效的要求。
数控技术水平的高低和数控设备拥有的多少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。但是，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。因此，普通机床的数控化改造大有可为。
本文通过对CA6140普通车床的数控改造，使其加工精度明显提高，定位准确可靠，操作方便，性能价格比高。这种方法对中小企业设备的数控改造有一定的借鉴与推广作用。本次改造主要针对车床的主轴系统、刀架系统、进给系统、反馈环节、电器控制柜及数控系统进行了改造。
关 键 词：步进电机，普通机床，PLC
2 目 录
1 摘 要 ................................................................................................................................... I 2 目 录 ................................................................................................................................ III
3 绪论 ...................................................................................................................................... 1
3.1 研究背景 ................................................................................................................... 1
3.2 目的和意义 ............................................................................................................... 1
3.3 国内外现状 ............................................................................................................... 2
4 前言 ...................................................................................................................................... 5
4.1 名称及编号 ............................................................................................................... 5
4.2 数控车床设计题目 ................................................................................................... 5
4.3 数控机床加工程序编制题目 ................................................................................... 5
4.4 图纸部分 ................................................................................................................... 6
4.5 说明书部分 ............................................................................................................... 6
5 控制系统总体方案的分析论证及控制框架 ...................................................................... 7
5.1 系统运动方式的确定 ............................................................................................... 7
5.2 伺候系统的选择 ....................................................................................................... 7
5.3 执行机构传动方式的确定 ....................................................................................... 8
5.4 计算机的选择 ........................................................................................................... 8
5.5 系统总体方案框架 ................................................................................................... 9
6 机械部分设计计算、结构设计说明 ................................................................................ 11
6.1 确定系统脉冲当量 ................................................................................................. 11
6.2 切削力计算 ............................................................................................................. 11
6.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 ............................................................................. 12
6.4 齿轮传动比的计算 ................................................................................................. 18
6.5 步进电机的计算和选型 ......................................................................................... 19
7 硬件电路部分的设计 ........................................................................................................ 24
7.1 单片微机数控系统硬件电路设计内容 ................................................................. 24
7.2 C6150普通车床微机数控化改装设计电路原理图 .............................................. 25
8 加工程序的编制 ................................................................................................................ 27
8.1 SXX-3型数控系统的程序编制 . ............................................................................. 27
8.2 加工工艺路线的确定 ............................................................................................. 27
9 结论和展望 ........................................................................................................................ 30
10 致 谢 .......................................................................................................................... 31
11 参考文献 .......................................................................................................................... 32
3 绪论
3.1 研究背景
在上世纪70、80年代制造的普通车床都采用的是接触器-继电器控制，由于车床一般都具有较长的使用时间，到目前为止有很大一部分还在使用，该系统具有体积大、功耗大、控制速度慢、改变控制程序困难，由于是触点控制，在控制复杂时可靠性降低。在如今的加工环境中已经越来越不适应精确，高效率的要求。如果要把那些老式车床废弃，重新购买新的数控车床，不仅花费大，而且原有的老式车床也将浪费。在美国、日本和德国等发达国家，他们的车床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。数控车床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控车床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为车床大国，对普通车床数控化改造不失为一种较好的良策[1]。
结合我国实际国情，经济型数控车床是我国从普通车床向数控车床发展的及其重要的台阶。利用现有的普通车床，对其进行数控化改造是一条低成本，高效益的途径。车床数控化改造研究是提高我国技术装备水平的重要项目，在我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的车床急待更新的情况下，由于数控车床的加工能力和资金受限，对车床进行数控化改造是一条节约资金、快速上马的有效途径。数控车床的通用性、柔性、适应性、扩展性，并迅速向智能化、网络化方向发展，成为当前数控技术发展的主要方向。
3.2 目的和意义
把普通车床改造成数控车床，主要是对原有车床的结构进行创造性的设计，最
终使车床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的车床有诸多相似之处。然而，现代的数控车床不是简单地将传统车床配备上数控系统即可，也不是在传统车床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，将传统车床改装成建议数控车床的另当别论）。传统车床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控车床对加工精度、表面质量、生产率等要求。现代的数控技术，特别是加工中心无论是其支承部仲主传动系统、进绘传动系统、刀具系绛、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，历经形成了数控车床的独特机械结构。因此，我们在对普通车床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通车床的各项性能指标尽可能地与数控车床相接近[2]。
3.3 国内外现状
现代工业技术的发展，特别是能源部门的需求，使高温高压水广泛应用于相关的领域中，对国民生产和人民生活起着越来越重要的作用，例如：车床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使车床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代车床－数控车床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控车床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的车床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控车床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。
数控车床是以数字化的信息实现车床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，车床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制车床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。
国外利用数字计算机进行控制加工是从40年代开始的。1952年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动它成了世界上第一台数控车床。此后，从60年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控车床。1974年微处理机直接用于数控车床，进一步促进了数控车床的普及应用和大力发展。随着数控车床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色[3]。
我国数控车床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通车床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动
生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通车床的数控改造。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控车床的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。
4 前言
4.1 名称及编号
将普通车床改造成经济数控车床，编号为1-3。
4.2 数控车床设计题目
将C6150普通车床改造成用MSC-51系列单片机控制的经济型数控车床，采用步进电机开环控制，纵向和横向均具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm ，横向：0.005mm 。要求该车床具有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。控制系统CPU 采用8031芯片，控制系统中要求包括扩展程序存贮器、扩展数据存贮器、I/Q接口芯片，译码电路及键盘、显示等外设[4]。
设计参数如下：
最大加工直径： 溜板及刀架重力：
在床面上：500mm 纵向：1500N
在床鞍上：280mm 横向：800N
最大加工长度：1000mm 最大切削进给速度：
刀架快移速度： 纵向：0.6m/min
纵向：2.4m/min 横向：0.2m/min
横向：1.2m/min 最小指令数：
定位精度：±0.015mm 纵向：0.01mm/脉冲
主电机功率：5.5KW 横向：0.005mm/脉冲
启动加速时间：25ms 刀具补偿量：0～99.99mm
代码制：ISO 进给传动链间隙补偿量：
脉冲分配方式：逐点比较法 纵向：0.15mm
输入方式：增值量、绝对值通用 横向：0.075mm
控制坐标数：2 自动升降速性能：有
4.3 数控机床加工程序编制题目
如图1-1所示零件，毛坯已按零件形状铸成铸件，材料为可锻铸钢，HBS=220～
260。表面加工余量为4mm 。按粗加工、半精加工安排加工工艺路线，编制加工程序单[5]。
图1-1
4.4 图纸部分
（1）纵向进给伺服系统机械装配图（A0图纸一张）。
（2）MSC-51单片机控制系统电路原理图（A1图纸一张）。
4.5 说明书部分
说明书是综合作业整个设计计算过程的叙述说明，不少于8000字。内容如下:
1) 控制系统总体方案的分析论证及控制框图。
机械部分设计计算及结构设计说明（计算一包括两个坐标轴的计算）。
2) 硬件电路部分设计说明。
3) 加工程序的编制及说明。(用一个月时间完成）
4) 方案论证及机械部分计算：1周。
5) 设计绘制机械装配图：1周。
6) 设计绘制电路原理图：1周。
7) 编制加工程序及整理说明书：1周。
5 控制系统总体方案的分析论证及控制框架
机床数控系统总体方案的拟定应包括系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。
5.1 系统运动方式的确定
数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。如果对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控方式。对点位控制系统的要求是快速定位，保证定位精度。
如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种功能的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件。
还有一些采用点位控制的数控机床，如数控镗铣床，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工件。这种系统叫点位/直线系统。其控制方法与点位系统十分相似，故有时也将这两种系统称为点位控制系统。
根据设计任务书要求，由于改造后数控机床应具有定位、直线和圆弧插补功能及自动回转刀架、螺纹切削等功能，刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，要求控制刀具以给定的速率沿加工路径运动，这就要求必须选用连续控制系统[6]。
5.2 伺候系统的选择
伺服系统可分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。
开环控制系统中，设有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的。指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环伺服系统主要由步进电机驱动。开环伺服系统结构简单、成本低廉、容易掌握、调试和维修都比较简单。目前国内大力发展的经济型数控机床普遍使用开环伺服系统。
闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动，闭环系统造价高，结构和调试较复杂，多用于精度要求高的场合。
半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元件测出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环控制系统和闭环控制系统之间。
根据设计任务书要求，机床的定位精度为±0.015mm ，使用开环控制系统完全可以满足要求，且结构简单、成本低廉，考虑到属于经济数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统[7]。
5.3 执行机构传动方式的确定
为了确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：
1) 尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、
贴塑导轨等。
2) 尽量消除传动间隙。例如采用消除齿轮等。
3) 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采
用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副等。 在本次设计改造中，为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用了滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构[8]。
5.4 计算机的选择
微机数控系统由CPU 、存贮器扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。
微机是数控系统的核心，其它装置均是在微机的指挥下进行工作的。系统的功能和系统中所用微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度。字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算的精度。字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机，要进行双字长或三字长的运算，就会影响速度。目前一些高档的CNC 系统，已经普遍使用32位微机，主频率由5MHz 提高到20～30MHz ，有的采用多CPU 系统，减轻主CPU 的负担，进一步提高控制速度。标准的CNC 系统多使用16位微机，经济型CNC 系统则普遍采用8位微机。可采用MCS-51系列单片微机或Z-80单板机组成的应用系统。
由于本次设计改造中，因经济数控机床对于精度要求不高、运算精度要求不高的特点，所以采用8位微机。由于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，具有很好的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统[9]。
控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口级光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。
5.5 系统总体方案框架
系统总体方案框图主要由微机系统、光电隔离系统、功率放大系统、步进电机系统、齿轮传动系统、滚珠丝杠机械传动系统组成。具体框图见图2-1。
根据设计任务书的要求，决定采用点位控制、用步进电机驱动的开环控制系统。这样可使控制系统结构简单、成本低廉，调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，尽量采用低摩擦的传动和导向元件[10]。此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙。计算机系统仍然采用高性能价格比的MCS-51系列单片机扩展系统。x-y 工作台总体方案框图如图2-2。
图2-1 经济型数控车床总体方案框图
图2-2 x-y数控工作台总体方案框图
6 机械部分设计计算、结构设计说明
伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统的脉冲当量、运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用。
6.1 确定系统脉冲当量
一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是0.01～0.005mm/脉冲，经济型数控磨床经常采用的脉冲当量为0.002～0.001mm/脉冲。脉冲当量有时也由设计任务书中直接给出。
本次设计中，设计任务书已直接给出系统最小指令数为：横向0.005mm/脉冲，纵向0.01mm/脉冲。根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向0.01mm/步，横向0.005mm/步（半径）。
6.2 切削力计算
在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力。切削力经常包括主切削力Fz 、走刀方向的切削力Fx 和垂直方向的切削分力Fy 。下面分两种情况进行主切削力的计算：
1. 纵车外圆时切削力的计算
1) 主切削力Fz 的计算
2) 主切削力Fz 按经验公式计算：
Fz=0.67Dmax 1.5 =0.67*5001.5 =7491N
3) 走刀方向切削分力Fx 和垂直走刀方向切削分力Fy 的计算：
按Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4的比例计算Fx 和Fy.
Fx=0.25Fz=0.25*7491=1873N
Fy=0.4Fz=0.4*7491=2996N
2. 横切端面时切削力的计算
1) 主切削力Fz ′的计算
主切削力Fz ′可取纵切的1/2：
Fz ′=1/2*Fz =0.5 *7491=3745.5N
2) 走刀方向切削分力和垂直走刀方向切削分力的计算：
此时走刀抗力为Fy ′，吃刀抗力为Fx ′，仍按上述比例
Fz ′：Fy ′: Fx′=1:0.25:0.4计算Fx ′和Fy ′.
Fy′=0.25Fz′=0.25*3745.5=936N
Fx′=0.4Fz′=0.4*3745.5=1498N
6.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型
滚珠丝杠螺母副的计算和选型包括进给率引力Fm 的计算、最大动负载C 的计算、最大静负载C 0 的计算、传动效率的计算、刚度验算、稳定性验算、滚珠丝杠螺母副几
何参数的计算、滚珠丝杠螺母副的精度等级选取等。
根据设计任务书要求，滚珠丝杠螺母副的计算和选型应包括纵向进给丝杠和横向进给丝杠的计算和选型两种。
1. 进给率引力Fm 的计算
作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时走刀抗力以及移动件重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨型式有关。
1) 纵向进给丝杠进给率引力Fm 的计算
纵向进给选用综合型导轨。所以进给率引力Fm 计算公式为：
Fm=KFx+ f′(Fz+G)
其中Fx 、Fy 、Fz 为切削分力（N ）
G为移动件重量（N ），更具设计任务书要求此值为纵向1500
f′为导轨上的摩擦系数，综合型导轨一般取0.16
K为考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨一般取1.15。
所以
Fm=KFx+ f′(Fz+G)=1.15*1873+0.16*(7491+1500)=3593 N
2) 横向进给丝杠进给率引力Fm ′的计算
横向进给选用燕尾型导轨。所以进给率引力Fm ′计算公式为：
Fm′=KFy′+ f′(Fz′+2Fx′+G)
其中Fx ′、Fy ′、Fz ′为切削分力（N ）
G为移动件重量（N ），更具设计任务书要求此值为横向800
f′为导轨上的摩擦系数，燕尾型导轨一般取0.2
K为考虑颠覆力矩影响的实验系数，燕尾型导轨一般取1.4。
所以
Fm′=KFy′+ f′(Fz′+2Fx′+G)
=1.4*936+0.2*(3745.5+2*1498+800)=2818.7 N
2. 最大动负载C 的计算
选用滚珠丝杠副的直径d 0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100
万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C ，可用下面公式计算：
C =L f w F m
其中L 为寿命，以106为一单位
f W 为运转系数，一般运转时取1.2
Fm为进给率引力（N ）。
寿命L 的计算公式为：
L=60*n*T/106
其中T 为使用寿命（h ），对于数控机床一般取15000h
n 为丝杠转速（r/min）, 可用下式计算：
n=1000Vs / L0
其中V s 为最大切削力条件下的进给速度（m/min），可取最高转速的1/2到1/3。
L0 为丝杠导程（mm ）。
下面分别对纵向和横向进给丝杠的最大动负载进行计算：
1. 纵向进给丝杠最大动负载的计算及滚珠丝杠螺母副的选型
纵向进给丝杠最大动负载的计算首先应根据设计任务书提供的数据计算出丝杠转速和丝杠寿命，然后才能进行纵向进给丝杠最大动负载的计算。
根据设计任务书可知，纵向进给时
最大切削力条件下的进给速度V s 为 0.6 m/min，丝杠导程L 0为6 mm
所以丝杠转速n 为：
n=1000Vs / L0 =1000*0.6*0.5/6 =50 r/min
寿命L 为：
L=60*n*T/106 =60*50*1500/106 =45
由前面计算可知进给率引力Fm 为3593N
所以纵向进给丝杠最大动负载C 为：
C =L f w F m =45*1. 2*3593=15336N
根据计算出的最大动负载在《综合作业指导书》附录中选取滚珠丝杠螺母副，选取的原则是被选取的滚珠丝杠螺母副相应的额定动负载应大于计算出来的最大动负载。所以从《综合作业指导书》附录A 表2 WD 型外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副中查出WD4506 1列2.5圈外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，其额定动负载为17100N ，大于计算出的最大动负载15336 N，能满足要求。根据《综合作业指导
书》表4-15 滚珠丝杠行程公差选为3级。之所以选用垫片式，用调整垫片厚度的方法使螺母产生轴向位移，是因为考虑到其结构简单，刚性较好，装卸方便。
2. 传动效率η的计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率η用下式计算：
η=tg γ/ tg(γ+β)
其中γ为丝杠螺旋上升角β为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003～0.004时，其摩擦角约等于10′。
下面分别对纵向和横向进给丝杠副的传动效率η进行计算： 2.1纵向进给丝杠副传动效率η的计算
纵向进给丝杠副传动效率η的计算首先应根据前面计算后选出的滚珠丝杠螺母副的型号，在《综合作业指导书》附录A 表2 WD 型外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副中查到WD4506 1列2.5圈外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副滚珠丝杠螺旋升角γ为2°26′。所以纵向进给丝杠副传动效率η为
η=tg γ/ tg(γ+β)= tg2°26′/ tg(2°26′+10′)=0.936
2.2横向进给丝杠副传动效率η的计算
横向进给丝杠副传动效率η的计算首先应根据前面计算后选出的滚珠丝杠螺母副的型号，在《综合作业指导书》附录A 表2 WD 型外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副中查到WD2505 1列2.5圈外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副滚珠丝杠螺旋升角γ为3°26′。所以纵向进给丝杠副传动效率η为
η=tg γ/ tg(γ+β)= tg2°39′/ tg(3°39′+10′)=0.956
3. 刚度验算
滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：
3.1丝杠的拉伸或压缩变形量δ1 ，可用下式进行计算
δ1 =（δL /L）*L
其中L 为支承间距
δL /L可根据Fm 和在《综合作业指导书》图4-6 滚珠丝杠轴向拉伸压缩变形图中查到。
3.2滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2 ，可用查图法在《综合作业指导书》图4-7 W系列2.5圈1列丝杠副滚珠和螺纹滚道的接触变形图中查到。
3.3支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3 ，当确定滚珠轴承型号后，可按公式进行计算。
下面分别对纵向和横向滚珠丝杠进行刚度验算：
1. 纵向进给时，先画出此纵向进给滚珠丝杠支撑方式草图如图3-1所示。最大牵引力为3593N 。支承间距L=1700mm，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3，根据Fm=3593N, D0 =45mm， 由《综合作业指导书》图4-6 滚珠丝杠轴向拉伸压缩变形图中查到δL /L=1.4*10-5 ，可算出：
δ1 ′=（δL /L）*L=1.4*10-5 *1700=0.0238mm
由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量δ1 为：
δ1 =1/4*δ1 ′ =1/4* 0.0238=0.00595 mm
滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2 的计算，可先根据轴相载荷在《综合作业指导书》图4-7 W系列2.5圈1列丝杠副滚珠和螺纹滚道的间隙变形图中查得，滚珠与螺纹滚道间接触变形量δQ 为7μm ，因进行了预紧，所以滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2为：
δ2 =1/2*δQ =1/2*7=3.5μm =0.0035mm
支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3 的计算，应根据滚珠丝杠外径选取比滚珠丝杠外径小5mm 左右的推力球轴承，应选d 1=40mm所对应的轴承，由于资料限制，只能采用书上的8107型推力球轴承，滚动体直径d Q =6.35mm，滚动体数量z=18，所以
Fm 2/(d *Z 2) =0.0024*359. 32/(6. 35*182) =0.0095mm δc 0. Q
图3-1 纵向进给滚珠丝杠支撑
因施加预紧力，故
δ3=1/2*δc =1/2*0.0095=0.00475mm
所以，根据以上计算丝杠的轴向变形为： δ=δ1+δ2+δ3 =0.00595+0.0035+0.00475 =0.0142mm＜0.015 mm（定位精度）
2. 横向进给时，先画出此横向进给滚珠丝杠支撑方式草图如图3-2所示。最大牵引力为2818.7N 。支承间距L=450mm，因丝杠长度较短，不需进行预紧，螺母及轴承均进行预紧，根据Fm ′=2818.7N, D0 =25mm， 由《综合作业指导书》图4-6 滚珠丝杠轴向拉伸压缩变形图中查到δL /L=4*10-5 ，可算出：
δ1 =（δL /L）*L=4*10-5 *450=0.018mm
滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2 的计算，可先根据轴相载荷在《综合作业指导书》图4-7 W系列2.5圈1列丝杠副滚珠和螺纹滚道的间隙变形图中查得，滚珠与螺纹滚道间接触变形量δQ 为8.6μm ，因进行了预紧，所以滚珠与螺纹滚道间接触变形δ为：
δ2 =1/2*δQ =1/2*8.6=4.3μm =0.0043mm
支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3 的计算，应根据滚珠丝杠外径选取比滚珠丝杠外径小5mm 左右的推力球轴承，应选d 1=40mm所对应的轴承，由于资料限制，只能采用书上的8102型推力球轴承，滚动体直径d Q =4.763mm，滚动体数量z=12，所以
Fm 2/(d *Z 2) =0.0024*281. 872/(4. 763*122) =0.0117mm δc 0. Q
2
图3-2 横向进给滚珠丝杠支撑
因施加预紧力，故
δ3=1/2*δc =1/2*0.0117=0.00585mm
所以，根据以上计算丝杠的轴向变形为： δ=δ1+δ2+δ3 =0.018+0.0043+0.00585 =0.02835mm＞0.015 mm（定位精度）
显然此变形量已大于定位精度的要求，应该采用相应的措施修改设计，因横向溜板空间限制，不宜在加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小最大牵引力。重新计算如下：
Fm ′=KFy′+ f′(Fz′+2Fx′+G)
=1.4*936+0.04*(3745.5+2*1498+800)=1612.06 N
根据Fm ′=1612.06N, D 0 =25mm， 由《综合作业指导书》图4-6 滚珠丝杠轴向拉
伸压缩变形图中查到δL /L=2.2*10-5 ，可算出：
δ1 =（δL /L）*L=2.2*10-5 *450=0.0099mm
δ2、δ3 不变，所以，根据以上计算丝杠的轴向变形为：
δ=δ1+δ2+δ3 =0.0099+0.0043+0.00585
=0.012625mm＜0.015 mm（定位精度）
1. 稳定性校核
对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。
产生失稳的临界负载可用下式计算：
F K =fZ π2EI/l2
其中E 为丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6*106 （N/cm2 ）
I 为截面惯性矩（cm 4 ）, 丝杠截面惯性矩I=π/64*d14 (d1 为丝杠螺纹的底径) L 为丝杠两端支承距离（cm ）
f Z 为丝杠的支承方式系数，由《综合作业指导书》表4-13滚珠丝杠的支承方式系数中查得，一端固定一端简支时此值为2.00。
临界负载F K 与最大工作负载Fm 之比称为稳定安全系数n k ，如果n k =FK /Fm≥[nk ] 则丝杠不至失稳。[nk ]为许用稳定性安全系数，一般取[nk ]=2.5～4。
由于纵向进给时，滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，不需要作稳定性校核。
下面主要对横向进给时的稳定性进行校核。 I= I=π/64*d14=π/64*2.17884 =1.106cm4 F K =fZ π2EI/l2 =2*π2*20.6*106 *1.106/452 =N n k =FK /Fm=222089/2818.7=78.79＞＞[nk ] 所以此滚珠丝杠不会产生失稳。 2. 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数见表3-1。 表3-1 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数
6.4 齿轮传动比的计算
由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足一定的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。当机床脉冲当量滚珠丝杠导程L 0确定以后，可以初选步进电机的步距角，用下式计算进给伺服系统的传动比i
其中δp 为脉冲当量（mm/步） L 0 为滚珠丝杠的基本导程（mm ） θb 为步进电机的步距角。
计算出传动比i 以后，再根据降速级数决定一对或两对齿轮的齿数、模数和各项技术参数。因为进给伺服系统的传动功率不大，一般模数m 取1～2。然后由i= Z1/Z2（Z 1、Z 2为可降速齿轮的齿数）可计算和选取齿数。
下面份纵向进给和横向进给两种情况进行计算： 4.1纵向进给齿轮箱传动比计算
已确定纵向进给脉冲当量δp=0.01，滚珠丝杠导程L 0 =6mm，初选步进电机步距角0.75°。可计算出传动比i
i=360δp/(θb L 0 )=360*0.01/(0.75°*6 )=0.8
可选定齿轮齿数为：
i= Z1/Z2=32/40或20/25
Z1 =32，Z 2=40 或 Z1 =20，Z 2=25 4.2. 横向进给齿轮箱传动比计算
已确定横向进给脉冲当量δp=0.005，滚珠丝杠导程L 0 =5mm，初选步进电机步距角0.75°。可计算出传动比i
i=360δp/(θb L 0 )=360*0.005/(0.75°*5 )=0.48
考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可采用两级齿轮降速：
i= （Z 1/Z2）*（Z 3/Z4）=（3/5）*（4/5）=（24/40）*（20/25） Z1 =24，Z 2=40 ， Z3 =20，Z 4=25
因进给运动齿轮受力不大，模数m 取2，有关参数参照表3-2。
表3-2 传动齿轮几何参数
6.5 步进电机的计算和选型
选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种情况下所需的等效力矩，再根据步进电机最大静转矩和启动、运行矩频特性选择合适的步进电机[11]。
5.1. 纵向进给步进电机计算和选型
计算简图见图3-1。传动系统这算到电机轴上的转动惯量（Kg.cm 2）J ∑可由下式计算：
J ∑ = JM + J1 +( Z1 / Z2 )2*[ (J2 + JS ) +G/g*( L0 /2*π) 2] 其中，J M 为步进电机转子转动惯量， 参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF ，其转子转动惯量J M =10Kg.cm2
J 1 、J 2 为齿轮Z 1 、Z 2的转动惯量（Kg.cm 2）， 4
J 1 =0.78*10-3*d1*L1=0.78*10-3* 6.44*2=2.62 Kg.cm2 4
J 2=0.78*10-3*d2*L1=0.78*10-3* 84*2=6.39 Kg.cm2 J S 为滚珠丝杠转动惯量 （Kg.cm 2） J S =0.78*10-3*4.54*170=54.37 Kg.cm2
G 为溜板及刀架重力，为1500N 代如上式：
J∑ = JM + J1 +( Z1 / Z2 )*[(J2 + JS ) +G/g*( L0 /2*π) ] =10+2.62+( 32/ 40 )2 * [（6.39+54.37）+1500/9.8*（0.6/2*π） 2]
=52.40 Kg.cm2
考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 JM / J∑ =10/52.40=0.191
2
2
基本满足惯量匹配问题。
机床在不同的情况下，其所需转据不同，下面分别按快速空载启动、快速移动、最大切削负载等个阶段进行计算。
在快速空载启动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式为：
M 起=Mamax +Mf +M0
n max =(vmax /δp )*(θb /360°) =2400/0.01*0.75/360=500r/min 启动加速时间 ta =25ms
M amax = J∑ *(2*π*nmax *10-2)/(60*ta )
=52.40*(2*π*500*10-2) /(60*0.025)=1097.46N.cm 折算到电机轴上的摩擦力矩 Mf 为： M f =f′*( Fz+G)* L0 /(2*π*η* Z2 / Z1)
=0.16*( 7491+1500)*0.6 /(2*π*0.8*1.25)=137.37 N.cm 附加摩擦力矩M 0为 ：
M0 =(1/3*Fm* L0 ) /(2*π*η* Z2 / Z1) *(1-η02)
=(1/3*3593*0.6 ) /(2*π*0.8*1.25) *(1-0.92)=21.73 N.cm 上述三项合计：
M 起=Mamax +Mf +M0 =1097.46+137.37+21.73 =1256.56N.cm 快速移动时所需力矩M 快 为：
M快 = Mf +M0 =137.37+21.73 =159.1N.cm 最大切削负载时所需力矩M 切为：
M切 = Mf +M0 + Mt = Mf +M0 +Fx* L0 / (2*π*η* i)
= 137.37+21.73+ 1873*0.6 / (2*π*0.8*1.25)=337.96 N.cm
从以上计算可以看出，M 起 、M 快 和M 切 三种情况下，以快速空载启动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。从《综合作业指导书》表4-24步进电机启动转矩与最大静转矩关系中查出，当步进电机为五项十拍时λ=0.951。
所以最大静力矩为M jmax =1256.56/0.951=1321.3N.cm=13.2 N.m
按此最大静转矩从《综合作业指导书》表4-23国产BF 反应式步进电机技术数据中查出，150BF003型最大静转矩为15.68 N.m。大于所需最大静转矩，可以作为初选型号，但必须进一步考核步进电机启动矩频特性和运行矩频特性。
计算步进电机空载启动频率和切削时的工作频率： f k =1000*vmax /(60* δp ) =1000*2.4 /(60* 0.01)=4000Hz f e =1000*vs /(60* δp ) =1000*0.6 /(60* 0.01)=1000Hz
从《综合作业指导书》表4-23国产BF 反应式步进电机技术数据中查出，150BF003型步进电机允许的最高空载启动频率为2600Hz ，运行频率为8000 Hz，再从《综合作业指导书》图4-17、4-18中查出150BF003型步进电机启动频率特性和运行频率特性曲线，从曲线可以看出，当步进电机启动时，f 起 = 2500 Hz ，M=175N.cm，远远不能满
足此机床所要求的空载启动力矩1256.56 N.cm，直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制，将启动频率降到1000 Hz时，启动力矩可增高到700 N.cm，然后在电路上采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右，就能满足要求[12]。
当快速启动和切削进给时，150BF003型步进电机运行频率特性完全可以满足要求。 5.2. 横向进给步进电机计算和选型
计算简图见图3-2。传动系统这算到电机轴上的转动惯量（Kg.cm 2）J ∑可由下式计算：
J ∑ = JM + J1 +( Z1 / Z2 )2*{ (J2 + J3 ) +( Z3 / Z4 )2* [(J4 + JS )+G/g*( L0 /2*π) 2]}
其中，J M 为步进电机转子转动惯量， 参考同类型机床，初选反应式步进电机90BF ，其转子转动惯量J M =1.8Kg.cm2，J 2、J 3 、J 4为齿轮Z 1 、Z 2 、Z 3 、Z 4的转动惯量（Kg.cm 2）， 1 、
4
J 1 =0.78*10-3*d1*L1=0.78*10-3* 4.84*2=0.828 Kg.cm2 4
J 2=0.78*10-3*d2*L1=0.78*10-3* 84*2=6.39 Kg.cm2 4
J 3 =0.78*10-3*d3*L1=0.78*10-3* 44*2=0.399 Kg.cm2 4
J 4=0.78*10-3*d4*L1=0.78*10-3*54*2=0.975 Kg.cm2 J S 为滚珠丝杠转动惯量 （Kg.cm 2） J S =0.78*10-3*2.54*45=1.371Kg.cm2
G 为溜板及刀架重力，为800N 代如上式：
J ∑ = JM + J1 +( Z1 / Z2 )2*{ (J2 + J3 ) +( Z3 / Z4 )2* [(J4 + JS )+G/g*( L0 /2*π) 2]}
=1.8+0.828+( 24/40 )2 * {（6.39+0.399）+( 20/ 25 )2* [(0.975+ 1.371 )+800/9.8*（0.5/2*π） 2]}= 5.732Kg.cm2
考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 JM / J∑ =1.8/5.732=0.314 基本满足惯量匹配问题。
机床在不同的情况下，其所需转据不同，下面分别按快速空载启动、快速移动、最大切削负载等个阶段进行计算[13]。
在快速空载启动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式为：
M 起=Mamax +Mf +M0
n max =(vmax /δp )*(θb /360°) =1200/0.005*0.75/360=500r/min 启动加速时间 ta =25ms
M amax = J∑ *(2*π*nmax *10-2)/(60*ta )
=5.732*(2*π*500*10-2) /(60*0.025)=120.05N.cm 折算到电机轴上的摩擦力矩 Mf 为： M f =f′*( Fz+G)* L0 /(2*π*η* Z2 / Z1)
=0.04*( 3745.5+800)*0.5 /(2*π*0.8*2.083)=6.946 N.cm 附加摩擦力矩M 0为 ：
M0 =(1/3*Fm* L0 ) / (2*π*η* Z2 / Z1)*(1-η02)
=(1/3*2818.7*0.5 ) /(2*π*0.8*2.083) *(1-0.92)=8.525 N.cm 上述三项合计：
M 起=Mamax +Mf +M0 =120.05+6.946+8.525 =135.521N.cm 快速移动时所需力矩M 快 为：
M快 = Mf +M0 = 6.946+8.525=15.471N.cm 最大切削负载时所需力矩M 切为：
M切 = Mf +M0 + Mt = Mf +M0 +Fx* L0 / (2*π*η* i)
= 6.946+8.525+ 936*0.5 / (2*π*0.8*2.083)=60.169 N.cm
从以上计算可以看出，M 起 、M 快 和M 切 三种情况下，以快速空载启动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。从《综合作业指导书》表4-24步进电机启动转矩与最大静转矩关系中查出，当步进电机为五项十拍时λ=0.951。
所以最大静力矩为M jmax =135.521/0.951=142.5N.cm=1.425 N.m
按此最大静转矩从《综合作业指导书》表4-23国产BF 反应式步进电机技术数据中查出，90BF002型最大静转矩为1.8 N.m 。大于所需最大静转矩，可以作为初选型号，但必须进一步考核步进电机启动矩频特性和运行矩频特性。
计算步进电机空载启动频率和切削时的工作频率： f k =1000*vmax /(60* δp ) =1000*2.4 /(60* 0.01)=4000Hz f e =1000*vs /(60* δp ) =1000*0.6 /(60* 0.01)=1000Hz
从表4-23国产BF 反应式步进电机技术数据中查出，90BF002型步进电机允许的最高空载启动频率为3800Hz ，运行频率为16000 Hz ，再从《综合作业指导书》图4-17、4-18中查出90BF002型步进电机启动频率特性和运行频率特性曲线，从曲线可以看出，当步进电机启动时，f 起 = 3200 Hz，M=75N.cm，远远不能满足此机床所要求的空载启动力矩135.521 N.cm，直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制，将启动频率降到1000 Hz时，启动力矩可增高到160 N.cm，就能满足要求。
当快速启动和切削进给时，90BF002型步进电机运行频率特性完全可以满足要求。 在完成运动及动力计算之后，已经确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机规格型号，以及齿轮齿数、模数，轴承型号之后，就可以画机械装配图。纵向进给部分拆去原机床的进给箱、溜板箱、滚动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母副。横向进给部分也用滚珠丝杠代替原来的滑动丝杠，并在大溜板的后面安装横向齿轮减速箱和步进电机，并把原来的放刀架取掉，装上自动转位刀架及微型电机，在
主轴箱的后端用安装盘和挠性联轴节装光电脉冲发生器，作螺纹加工用[14]。
7 硬件电路部分的设计
7.1 单片微机数控系统硬件电路设计内容
单片微机数控系统硬件电路设计应包括以下几部分内容： 1.1绘制系统电器控制的结构框图
根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，绘制系统电器控制的结构框图[14]。
数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效的运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。机床硬件电路主要有以下五部分组成，见图4-1。
1.1.1. 1.1.2. 1.1.3. 1.1.4. 1.1.5.
图4-1 机床数控系统硬件框图（开环系统）
1.2选择中央处理单元CPU 的类型
在微机应用系统中，CPU 的选择应考虑以下因素：
1.2.1. 时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度。 1.2.2. 可扩展存储器（包括RAM 和ROM ）的容量。
主控制器，又叫中央处理单元CPU 。
总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。 存储器，包括程序存储器和数据存储器。 接口，即I/O输入/输出接口电路。
外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。
1.2.3. 指令系统功能，影响编程灵活性。 1.2.4. I/O口扩展的能力，即对外设控制的能力。 1.2.5. 开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。
此外还要考虑到系统应用场合、控制对象的各种参数要求，以及经济价格比等经济型的要求。
目前经济型数控机床中，推荐首选MCS-51系列单片微机作为主控制器。 1.3 存储器扩展电路设计
存储器扩电路设计应包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU 与EPROM 时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。在存储器扩展电路设计中还包括地址锁存器和译码电路的设计。
1.4 I/O口即输入/输出接口电路的设计
应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计（例如复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等）。
此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括。
7.2 C6150普通车床微机数控化改装设计电路原理图
C6150普通车床微机数控化改装设计电路原理图是用MCS-51系列单片机组成的控制系统，该系统扩展了2片2764芯片，1片6364芯片，2片8155可编程并行I/O口。
2.1制系统的功能包括： 1． Z向和X 向进给伺服运动。 2． 键盘显示。 3． 自动的转刀架控制。 4． 螺纹加工控制。 5． 面板管理。 6． 行程控制。
7． 其他功能：报警电路、急停电路、复位电路、功放电路。 2.2采用软件环形分配器
步进电机采用软件环形分配器，虽然运行速度没有硬件环形分配器快，但可以省掉两个硬件分配专用芯片，且电路比较简单。由于C6150普通车床最大的加工直径为φ500mm ，规格比较小，故纵向进给采用150BF003型，五项十排方式工作，横向进给采用90BF002型，五项十排方式工作。故由8155（2）的PA 口输出，经光电隔离电路、功率放大电路直接驱动电机。
2.3自动回转刀架的控制
当需要自动回转刀架换刀时，由8155（1）的PC 0～PC 3发出刀位信号，控制刀架电
机回转，达到指定的刀位，刀架夹紧之后，发出换刀回答信号，经8155（1）的PB 5 输入计算机，控制刀架开始进给。 2.4螺纹加工的控制
当加工螺纹时，由与主轴相连的光电脉冲发生器发出螺纹信号和零位信号，分别送入 8031的T 0 和8155（1）的PB 6 ，通过设置不同的时间常数来加工不同螺距的螺纹，零位螺纹信号是防止螺纹乱扣的[15]。
2.5地址编码
存储器及I/O地址编码，见表4-1。
表4-1 C6150普通车床微机数控化改装设计电路原理图芯片地址编码
8 加工程序的编制
8.1 SXX-3型数控系统的程序编制
1.1采用SXX-3型数控系统编程，该系统按标准数控语言编程，符合ISO 标准的有关规定，其基本功能如下：
能两坐标（x,z ）联动，具有直线和圆弧插补方式。
1) 绝对值编程和增量编程可以任意用，在同一程序段中可以单独使用，也可以混合使用。
2) 与主轴脉冲发生器配套，可车制12mm 以内的各种螺纹。 3) 与主轴速度变换装置配套，能自动更换主轴转速16种。 4) 与刀架自动换位装置配套，能自动转换刀位。
5) 具有坐标的修正补偿功能，例如刀具补偿和间隙补偿。
还具有16级运行速度共调用，在高速三级有自动升降速功能，以及显示程序段号和切削长度，自诊断功能等等。
1.2 编码
本系统用到如下数字、字母和符号。 数字：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9； 字母：F,G,I,K,M,N,S,T,U,W,X,Z ； 符号：/，+，-，LF 。
1.3 程序段格式的缩写形式
N3G2X(U)±52Z(W)±52I ±42K ±42F4S2T2M2LF
I和K 给出圆弧圆心的起点坐标增量。X 、U 按直径编程，而I 按半径编程。 3位的程序段序号；2位的准备功能字；X 、Z 的尺寸，取正、负号，小数点前取5位，小数点后为2位；进给速度4位代码；主轴转速4位代码；指定刀具2位代码；2位的辅助功能字[16]。
8.2 加工工艺路线的确定
由设计任务书可知，毛坯已按零件形状铸成铸件，材料为可锻铸铁，HBS=220～260，表面加工余量为4mm 。将毛坯在普通车床上粗加工，留给数控车削的加工余量为0.5mm ，根据零件图确定按精加工的原则，其工艺路线为：先切削外轮廓面，自右向左加工各
过渡圆、圆柱端面、圆柱面、等。
装夹和定位方法如图1-1所示，选择1种刀具，T 1为精车外圆刀具。 切削用量的确定主要包括走刀量s 和切削深度t 及主轴转速n 的确定[17]。 2.1走刀量s 与切削深度t 的确定
由于在普通车床上粗加工后，零件尺寸在径向均留有0.5mm 余量。精车时，各表面切削深度为0.5mm ，走刀量为0.2mm/r。
2.2主轴转速n 的确定
n （精车）≈1000v/(π*D) 其中D 为工件最大直径（mm ）
由精车材料为可锻铸铁，HBS=220～260，使用合金车刀，查《综合作业指导书》表2-2 车削铸铁及铸钢的切削速度可知，切削速度为50m/min。
n （精车）≈1000v/(π*D)=1000*50/（3.14*64）=248.8r/min
按《综合作业指导书》表2-3 车削深度和走刀量变化时切削速度的修正系数可知，精车s=0.2mm/r，t=0.5mm，因此对n 应乘以修正系数K=1.27，K=1.40则
n=1.27*1.40*248.8=442.4 r/min
考虑到刀具的耐用度，实际转速应选的较计算的低一些，按这台数控机床的主轴转速，参照《综合作业指导书》表2-6 车床主轴转速表实际选取代码S 24，主轴转速n=400 r/min。
按上述确定的走刀路线和工艺参数，编写零件的精加工程序如表5-1所示（不考虑φ36mm 圆柱面及其两端面加工程序，φ36mm 圆柱面及其两端面可在粗加工中加工到位）。
表5-1 零件精车加工程序单
9 结论和展望
在生活逐渐自动化的今天，对加工制造的精度和加工效益都提出了很高的要求，因此对机床等加工设备提出了很高的要求。以前单一的靠手工操作的机床，在很大程度上已经不能满足现代化的要求，数控机床的改造已经成为一种必要。但这次机床的改造是在原有的机床上换掉部分零部件，使它具有数控机床的基本功能，如不用手工操作能自动控制进给量等。但又考虑到改造成的是经济型数控车床，所以在选材等方面，必须考虑到经济这一重要问题。因此在这次设计中有些选型可能精度不是很高，但是考虑到经济这一个重要的前提，就选择了相对比较实惠的型号。
因为我们以前的基础知识掌握得不牢固，在这次设计中确实是遇到了很多的问题，但在这过程中，我们又学会了很多东西，在以前的小设计中，有些能马马虎虎过去的问题，就糊里糊涂过去了，可这次是一切正规化，不能有半点含糊，因此压力又大了很多，但是只要有一个明确的目标，乐在其中，特别是把以前学过的知识又温习了一下，而且把很多门课程都串联在一起，形成一个大的框架，这样确实是有一种豁然开朗、焕然一新的感觉。
通过这最后的毕业设计，我从一开始的只要完成任务的心态到后来的主动去学习，去努力的学习态度，这是一个不小的进步，并且把以前学过的知识融会贯通，看到了自己的许多不足之处。老师在我们设计中也给我们提出了很高的要求，它要求我们每一个零部件都要按照标准去查手册。另外，我们也学会了互相帮助，互相学习，合作的团体精神，严格要求自己，形成严谨治学的学习态度，这将会带到我们以后的工作中去。
10 致 谢
在此毕业论文完成之际，我在此衷心感谢培养我多年的曾经代课的每一位老师。由于他们的培养，我学到了很多实用知识，对我今后的工作有很大的帮助。
特别要感谢的人是郭老师，论文是在郭老师的精心指导下完成的。郭老师多次提出改进意见、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。他无论在理论上还是实践中，都给予我很大的帮助，使我得到不少的提高，这对于我以后的工作和学习都是一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。
11 参考文献
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[4]诸小丽. 普通机床数控技术改造探讨[J].南宁职业技术学院学
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院学报，2005（3）
[10]朱文伯. 西门子数控系统在机床改造中的应用[J].航空制造技
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论文
普通车床的数控改造
申请人：谢旭
学科（专业）：机械制造及其自动化
指导教师：郭伟超
2014年6月
网络教育学院
毕 业 设 计 (论 文) 任 务 书
专业班级 层次 姓名 学号
一、毕业设计（论文）题目
二、毕业设计（论文）工作自 年 月 日起至 年 月 日止
三、毕业设计（论文）基本要求： 指导教师：
网络教育学院
毕业设计(论文) 考核评议书
摘 要
论文题目：普通车床的数控改造
学科（专业）：机械制造及其自动化
申请人：谢旭
指导教师：郭伟超
1 摘 要
从上世纪70、80年代制造的普通机床被使用的较长时间，到目前为止有很大一部分还在使用，这种车床采用接触器-继电器控制具有体积大、功耗大、控制速度慢、改变控制程序困难，由于是触点控制，在控制复杂时可靠性降低，已经不再适应当前加工环境精确，高效的要求。
数控技术水平的高低和数控设备拥有的多少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。但是，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。因此，普通机床的数控化改造大有可为。
本文通过对CA6140普通车床的数控改造，使其加工精度明显提高，定位准确可靠，操作方便，性能价格比高。这种方法对中小企业设备的数控改造有一定的借鉴与推广作用。本次改造主要针对车床的主轴系统、刀架系统、进给系统、反馈环节、电器控制柜及数控系统进行了改造。
关 键 词：步进电机，普通机床，PLC
2 目 录
1 摘 要 ................................................................................................................................... I 2 目 录 ................................................................................................................................ III
3 绪论 ...................................................................................................................................... 1
3.1 研究背景 ................................................................................................................... 1
3.2 目的和意义 ............................................................................................................... 1
3.3 国内外现状 ............................................................................................................... 2
4 前言 ...................................................................................................................................... 5
4.1 名称及编号 ............................................................................................................... 5
4.2 数控车床设计题目 ................................................................................................... 5
4.3 数控机床加工程序编制题目 ................................................................................... 5
4.4 图纸部分 ................................................................................................................... 6
4.5 说明书部分 ............................................................................................................... 6
5 控制系统总体方案的分析论证及控制框架 ...................................................................... 7
5.1 系统运动方式的确定 ............................................................................................... 7
5.2 伺候系统的选择 ....................................................................................................... 7
5.3 执行机构传动方式的确定 ....................................................................................... 8
5.4 计算机的选择 ........................................................................................................... 8
5.5 系统总体方案框架 ................................................................................................... 9
6 机械部分设计计算、结构设计说明 ................................................................................ 11
6.1 确定系统脉冲当量 ................................................................................................. 11
6.2 切削力计算 ............................................................................................................. 11
6.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 ............................................................................. 12
6.4 齿轮传动比的计算 ................................................................................................. 18
6.5 步进电机的计算和选型 ......................................................................................... 19
7 硬件电路部分的设计 ........................................................................................................ 24
7.1 单片微机数控系统硬件电路设计内容 ................................................................. 24
7.2 C6150普通车床微机数控化改装设计电路原理图 .............................................. 25
8 加工程序的编制 ................................................................................................................ 27
8.1 SXX-3型数控系统的程序编制 . ............................................................................. 27
8.2 加工工艺路线的确定 ............................................................................................. 27
9 结论和展望 ........................................................................................................................ 30
10 致 谢 .......................................................................................................................... 31
11 参考文献 .......................................................................................................................... 32
3 绪论
3.1 研究背景
在上世纪70、80年代制造的普通车床都采用的是接触器-继电器控制，由于车床一般都具有较长的使用时间，到目前为止有很大一部分还在使用，该系统具有体积大、功耗大、控制速度慢、改变控制程序困难，由于是触点控制，在控制复杂时可靠性降低。在如今的加工环境中已经越来越不适应精确，高效率的要求。如果要把那些老式车床废弃，重新购买新的数控车床，不仅花费大，而且原有的老式车床也将浪费。在美国、日本和德国等发达国家，他们的车床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。数控车床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控车床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为车床大国，对普通车床数控化改造不失为一种较好的良策[1]。
结合我国实际国情，经济型数控车床是我国从普通车床向数控车床发展的及其重要的台阶。利用现有的普通车床，对其进行数控化改造是一条低成本，高效益的途径。车床数控化改造研究是提高我国技术装备水平的重要项目，在我国目前拥有大量超期服役和技术陈旧的车床急待更新的情况下，由于数控车床的加工能力和资金受限，对车床进行数控化改造是一条节约资金、快速上马的有效途径。数控车床的通用性、柔性、适应性、扩展性，并迅速向智能化、网络化方向发展，成为当前数控技术发展的主要方向。
3.2 目的和意义
把普通车床改造成数控车床，主要是对原有车床的结构进行创造性的设计，最
终使车床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的车床有诸多相似之处。然而，现代的数控车床不是简单地将传统车床配备上数控系统即可，也不是在传统车床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，将传统车床改装成建议数控车床的另当别论）。传统车床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控车床对加工精度、表面质量、生产率等要求。现代的数控技术，特别是加工中心无论是其支承部仲主传动系统、进绘传动系统、刀具系绛、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，历经形成了数控车床的独特机械结构。因此，我们在对普通车床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通车床的各项性能指标尽可能地与数控车床相接近[2]。
3.3 国内外现状
现代工业技术的发展，特别是能源部门的需求，使高温高压水广泛应用于相关的领域中，对国民生产和人民生活起着越来越重要的作用，例如：车床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使车床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代车床－数控车床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控车床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的车床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控车床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。
数控车床是以数字化的信息实现车床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，车床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制车床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。
国外利用数字计算机进行控制加工是从40年代开始的。1952年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动它成了世界上第一台数控车床。此后，从60年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控车床。1974年微处理机直接用于数控车床，进一步促进了数控车床的普及应用和大力发展。随着数控车床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色[3]。
我国数控车床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通车床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动
生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通车床的数控改造。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控车床的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。
4 前言
4.1 名称及编号
将普通车床改造成经济数控车床，编号为1-3。
4.2 数控车床设计题目
将C6150普通车床改造成用MSC-51系列单片机控制的经济型数控车床，采用步进电机开环控制，纵向和横向均具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm ，横向：0.005mm 。要求该车床具有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。控制系统CPU 采用8031芯片，控制系统中要求包括扩展程序存贮器、扩展数据存贮器、I/Q接口芯片，译码电路及键盘、显示等外设[4]。
设计参数如下：
最大加工直径： 溜板及刀架重力：
在床面上：500mm 纵向：1500N
在床鞍上：280mm 横向：800N
最大加工长度：1000mm 最大切削进给速度：
刀架快移速度： 纵向：0.6m/min
纵向：2.4m/min 横向：0.2m/min
横向：1.2m/min 最小指令数：
定位精度：±0.015mm 纵向：0.01mm/脉冲
主电机功率：5.5KW 横向：0.005mm/脉冲
启动加速时间：25ms 刀具补偿量：0～99.99mm
代码制：ISO 进给传动链间隙补偿量：
脉冲分配方式：逐点比较法 纵向：0.15mm
输入方式：增值量、绝对值通用 横向：0.075mm
控制坐标数：2 自动升降速性能：有
4.3 数控机床加工程序编制题目
如图1-1所示零件，毛坯已按零件形状铸成铸件，材料为可锻铸钢，HBS=220～
260。表面加工余量为4mm 。按粗加工、半精加工安排加工工艺路线，编制加工程序单[5]。
图1-1
4.4 图纸部分
（1）纵向进给伺服系统机械装配图（A0图纸一张）。
（2）MSC-51单片机控制系统电路原理图（A1图纸一张）。
4.5 说明书部分
说明书是综合作业整个设计计算过程的叙述说明，不少于8000字。内容如下:
1) 控制系统总体方案的分析论证及控制框图。
机械部分设计计算及结构设计说明（计算一包括两个坐标轴的计算）。
2) 硬件电路部分设计说明。
3) 加工程序的编制及说明。(用一个月时间完成）
4) 方案论证及机械部分计算：1周。
5) 设计绘制机械装配图：1周。
6) 设计绘制电路原理图：1周。
7) 编制加工程序及整理说明书：1周。
5 控制系统总体方案的分析论证及控制框架
机床数控系统总体方案的拟定应包括系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。
5.1 系统运动方式的确定
数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。如果对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控方式。对点位控制系统的要求是快速定位，保证定位精度。
如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种功能的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件。
还有一些采用点位控制的数控机床，如数控镗铣床，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工件。这种系统叫点位/直线系统。其控制方法与点位系统十分相似，故有时也将这两种系统称为点位控制系统。
根据设计任务书要求，由于改造后数控机床应具有定位、直线和圆弧插补功能及自动回转刀架、螺纹切削等功能，刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，要求控制刀具以给定的速率沿加工路径运动，这就要求必须选用连续控制系统[6]。
5.2 伺候系统的选择
伺服系统可分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。
开环控制系统中，设有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的。指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环伺服系统主要由步进电机驱动。开环伺服系统结构简单、成本低廉、容易掌握、调试和维修都比较简单。目前国内大力发展的经济型数控机床普遍使用开环伺服系统。
闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动，闭环系统造价高，结构和调试较复杂，多用于精度要求高的场合。
半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元件测出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环控制系统和闭环控制系统之间。
根据设计任务书要求，机床的定位精度为±0.015mm ，使用开环控制系统完全可以满足要求，且结构简单、成本低廉，考虑到属于经济数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统[7]。
5.3 执行机构传动方式的确定
为了确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：
1) 尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、
贴塑导轨等。
2) 尽量消除传动间隙。例如采用消除齿轮等。
3) 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采
用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副等。 在本次设计改造中，为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用了滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构[8]。
5.4 计算机的选择
微机数控系统由CPU 、存贮器扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。
微机是数控系统的核心，其它装置均是在微机的指挥下进行工作的。系统的功能和系统中所用微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度。字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算的精度。字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机，要进行双字长或三字长的运算，就会影响速度。目前一些高档的CNC 系统，已经普遍使用32位微机，主频率由5MHz 提高到20～30MHz ，有的采用多CPU 系统，减轻主CPU 的负担，进一步提高控制速度。标准的CNC 系统多使用16位微机，经济型CNC 系统则普遍采用8位微机。可采用MCS-51系列单片微机或Z-80单板机组成的应用系统。
由于本次设计改造中，因经济数控机床对于精度要求不高、运算精度要求不高的特点，所以采用8位微机。由于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，具有很好的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统[9]。
控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口级光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。
5.5 系统总体方案框架
系统总体方案框图主要由微机系统、光电隔离系统、功率放大系统、步进电机系统、齿轮传动系统、滚珠丝杠机械传动系统组成。具体框图见图2-1。
根据设计任务书的要求，决定采用点位控制、用步进电机驱动的开环控制系统。这样可使控制系统结构简单、成本低廉，调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，尽量采用低摩擦的传动和导向元件[10]。此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙。计算机系统仍然采用高性能价格比的MCS-51系列单片机扩展系统。x-y 工作台总体方案框图如图2-2。
图2-1 经济型数控车床总体方案框图
图2-2 x-y数控工作台总体方案框图
6 机械部分设计计算、结构设计说明
伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统的脉冲当量、运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用。
6.1 确定系统脉冲当量
一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是0.01～0.005mm/脉冲，经济型数控磨床经常采用的脉冲当量为0.002～0.001mm/脉冲。脉冲当量有时也由设计任务书中直接给出。
本次设计中，设计任务书已直接给出系统最小指令数为：横向0.005mm/脉冲，纵向0.01mm/脉冲。根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向0.01mm/步，横向0.005mm/步（半径）。
6.2 切削力计算
在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力。切削力经常包括主切削力Fz 、走刀方向的切削力Fx 和垂直方向的切削分力Fy 。下面分两种情况进行主切削力的计算：
1. 纵车外圆时切削力的计算
1) 主切削力Fz 的计算
2) 主切削力Fz 按经验公式计算：
Fz=0.67Dmax 1.5 =0.67*5001.5 =7491N
3) 走刀方向切削分力Fx 和垂直走刀方向切削分力Fy 的计算：
按Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4的比例计算Fx 和Fy.
Fx=0.25Fz=0.25*7491=1873N
Fy=0.4Fz=0.4*7491=2996N
2. 横切端面时切削力的计算
1) 主切削力Fz ′的计算
主切削力Fz ′可取纵切的1/2：
Fz ′=1/2*Fz =0.5 *7491=3745.5N
2) 走刀方向切削分力和垂直走刀方向切削分力的计算：
此时走刀抗力为Fy ′，吃刀抗力为Fx ′，仍按上述比例
Fz ′：Fy ′: Fx′=1:0.25:0.4计算Fx ′和Fy ′.
Fy′=0.25Fz′=0.25*3745.5=936N
Fx′=0.4Fz′=0.4*3745.5=1498N
6.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型
滚珠丝杠螺母副的计算和选型包括进给率引力Fm 的计算、最大动负载C 的计算、最大静负载C 0 的计算、传动效率的计算、刚度验算、稳定性验算、滚珠丝杠螺母副几
何参数的计算、滚珠丝杠螺母副的精度等级选取等。
根据设计任务书要求，滚珠丝杠螺母副的计算和选型应包括纵向进给丝杠和横向进给丝杠的计算和选型两种。
1. 进给率引力Fm 的计算
作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时走刀抗力以及移动件重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨型式有关。
1) 纵向进给丝杠进给率引力Fm 的计算
纵向进给选用综合型导轨。所以进给率引力Fm 计算公式为：
Fm=KFx+ f′(Fz+G)
其中Fx 、Fy 、Fz 为切削分力（N ）
G为移动件重量（N ），更具设计任务书要求此值为纵向1500
f′为导轨上的摩擦系数，综合型导轨一般取0.16
K为考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨一般取1.15。
所以
Fm=KFx+ f′(Fz+G)=1.15*1873+0.16*(7491+1500)=3593 N
2) 横向进给丝杠进给率引力Fm ′的计算
横向进给选用燕尾型导轨。所以进给率引力Fm ′计算公式为：
Fm′=KFy′+ f′(Fz′+2Fx′+G)
其中Fx ′、Fy ′、Fz ′为切削分力（N ）
G为移动件重量（N ），更具设计任务书要求此值为横向800
f′为导轨上的摩擦系数，燕尾型导轨一般取0.2
K为考虑颠覆力矩影响的实验系数，燕尾型导轨一般取1.4。
所以
Fm′=KFy′+ f′(Fz′+2Fx′+G)
=1.4*936+0.2*(3745.5+2*1498+800)=2818.7 N
2. 最大动负载C 的计算
选用滚珠丝杠副的直径d 0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100
万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C ，可用下面公式计算：
C =L f w F m
其中L 为寿命，以106为一单位
f W 为运转系数，一般运转时取1.2
Fm为进给率引力（N ）。
寿命L 的计算公式为：
L=60*n*T/106
其中T 为使用寿命（h ），对于数控机床一般取15000h
n 为丝杠转速（r/min）, 可用下式计算：
n=1000Vs / L0
其中V s 为最大切削力条件下的进给速度（m/min），可取最高转速的1/2到1/3。
L0 为丝杠导程（mm ）。
下面分别对纵向和横向进给丝杠的最大动负载进行计算：
1. 纵向进给丝杠最大动负载的计算及滚珠丝杠螺母副的选型
纵向进给丝杠最大动负载的计算首先应根据设计任务书提供的数据计算出丝杠转速和丝杠寿命，然后才能进行纵向进给丝杠最大动负载的计算。
根据设计任务书可知，纵向进给时
最大切削力条件下的进给速度V s 为 0.6 m/min，丝杠导程L 0为6 mm
所以丝杠转速n 为：
n=1000Vs / L0 =1000*0.6*0.5/6 =50 r/min
寿命L 为：
L=60*n*T/106 =60*50*1500/106 =45
由前面计算可知进给率引力Fm 为3593N
所以纵向进给丝杠最大动负载C 为：
C =L f w F m =45*1. 2*3593=15336N
根据计算出的最大动负载在《综合作业指导书》附录中选取滚珠丝杠螺母副，选取的原则是被选取的滚珠丝杠螺母副相应的额定动负载应大于计算出来的最大动负载。所以从《综合作业指导书》附录A 表2 WD 型外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副中查出WD4506 1列2.5圈外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，其额定动负载为17100N ，大于计算出的最大动负载15336 N，能满足要求。根据《综合作业指导
书》表4-15 滚珠丝杠行程公差选为3级。之所以选用垫片式，用调整垫片厚度的方法使螺母产生轴向位移，是因为考虑到其结构简单，刚性较好，装卸方便。
2. 传动效率η的计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率η用下式计算：
η=tg γ/ tg(γ+β)
其中γ为丝杠螺旋上升角β为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003～0.004时，其摩擦角约等于10′。
下面分别对纵向和横向进给丝杠副的传动效率η进行计算： 2.1纵向进给丝杠副传动效率η的计算
纵向进给丝杠副传动效率η的计算首先应根据前面计算后选出的滚珠丝杠螺母副的型号，在《综合作业指导书》附录A 表2 WD 型外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副中查到WD4506 1列2.5圈外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副滚珠丝杠螺旋升角γ为2°26′。所以纵向进给丝杠副传动效率η为
η=tg γ/ tg(γ+β)= tg2°26′/ tg(2°26′+10′)=0.936
2.2横向进给丝杠副传动效率η的计算
横向进给丝杠副传动效率η的计算首先应根据前面计算后选出的滚珠丝杠螺母副的型号，在《综合作业指导书》附录A 表2 WD 型外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副中查到WD2505 1列2.5圈外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副滚珠丝杠螺旋升角γ为3°26′。所以纵向进给丝杠副传动效率η为
η=tg γ/ tg(γ+β)= tg2°39′/ tg(3°39′+10′)=0.956
3. 刚度验算
滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：
3.1丝杠的拉伸或压缩变形量δ1 ，可用下式进行计算
δ1 =（δL /L）*L
其中L 为支承间距
δL /L可根据Fm 和在《综合作业指导书》图4-6 滚珠丝杠轴向拉伸压缩变形图中查到。
3.2滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2 ，可用查图法在《综合作业指导书》图4-7 W系列2.5圈1列丝杠副滚珠和螺纹滚道的接触变形图中查到。
3.3支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3 ，当确定滚珠轴承型号后，可按公式进行计算。
下面分别对纵向和横向滚珠丝杠进行刚度验算：
1. 纵向进给时，先画出此纵向进给滚珠丝杠支撑方式草图如图3-1所示。最大牵引力为3593N 。支承间距L=1700mm，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3，根据Fm=3593N, D0 =45mm， 由《综合作业指导书》图4-6 滚珠丝杠轴向拉伸压缩变形图中查到δL /L=1.4*10-5 ，可算出：
δ1 ′=（δL /L）*L=1.4*10-5 *1700=0.0238mm
由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量δ1 为：
δ1 =1/4*δ1 ′ =1/4* 0.0238=0.00595 mm
滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2 的计算，可先根据轴相载荷在《综合作业指导书》图4-7 W系列2.5圈1列丝杠副滚珠和螺纹滚道的间隙变形图中查得，滚珠与螺纹滚道间接触变形量δQ 为7μm ，因进行了预紧，所以滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2为：
δ2 =1/2*δQ =1/2*7=3.5μm =0.0035mm
支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3 的计算，应根据滚珠丝杠外径选取比滚珠丝杠外径小5mm 左右的推力球轴承，应选d 1=40mm所对应的轴承，由于资料限制，只能采用书上的8107型推力球轴承，滚动体直径d Q =6.35mm，滚动体数量z=18，所以
Fm 2/(d *Z 2) =0.0024*359. 32/(6. 35*182) =0.0095mm δc 0. Q
图3-1 纵向进给滚珠丝杠支撑
因施加预紧力，故
δ3=1/2*δc =1/2*0.0095=0.00475mm
所以，根据以上计算丝杠的轴向变形为： δ=δ1+δ2+δ3 =0.00595+0.0035+0.00475 =0.0142mm＜0.015 mm（定位精度）
2. 横向进给时，先画出此横向进给滚珠丝杠支撑方式草图如图3-2所示。最大牵引力为2818.7N 。支承间距L=450mm，因丝杠长度较短，不需进行预紧，螺母及轴承均进行预紧，根据Fm ′=2818.7N, D0 =25mm， 由《综合作业指导书》图4-6 滚珠丝杠轴向拉伸压缩变形图中查到δL /L=4*10-5 ，可算出：
δ1 =（δL /L）*L=4*10-5 *450=0.018mm
滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2 的计算，可先根据轴相载荷在《综合作业指导书》图4-7 W系列2.5圈1列丝杠副滚珠和螺纹滚道的间隙变形图中查得，滚珠与螺纹滚道间接触变形量δQ 为8.6μm ，因进行了预紧，所以滚珠与螺纹滚道间接触变形δ为：
δ2 =1/2*δQ =1/2*8.6=4.3μm =0.0043mm
支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3 的计算，应根据滚珠丝杠外径选取比滚珠丝杠外径小5mm 左右的推力球轴承，应选d 1=40mm所对应的轴承，由于资料限制，只能采用书上的8102型推力球轴承，滚动体直径d Q =4.763mm，滚动体数量z=12，所以
Fm 2/(d *Z 2) =0.0024*281. 872/(4. 763*122) =0.0117mm δc 0. Q
2
图3-2 横向进给滚珠丝杠支撑
因施加预紧力，故
δ3=1/2*δc =1/2*0.0117=0.00585mm
所以，根据以上计算丝杠的轴向变形为： δ=δ1+δ2+δ3 =0.018+0.0043+0.00585 =0.02835mm＞0.015 mm（定位精度）
显然此变形量已大于定位精度的要求，应该采用相应的措施修改设计，因横向溜板空间限制，不宜在加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小最大牵引力。重新计算如下：
Fm ′=KFy′+ f′(Fz′+2Fx′+G)
=1.4*936+0.04*(3745.5+2*1498+800)=1612.06 N
根据Fm ′=1612.06N, D 0 =25mm， 由《综合作业指导书》图4-6 滚珠丝杠轴向拉
伸压缩变形图中查到δL /L=2.2*10-5 ，可算出：
δ1 =（δL /L）*L=2.2*10-5 *450=0.0099mm
δ2、δ3 不变，所以，根据以上计算丝杠的轴向变形为：
δ=δ1+δ2+δ3 =0.0099+0.0043+0.00585
=0.012625mm＜0.015 mm（定位精度）
1. 稳定性校核
对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。
产生失稳的临界负载可用下式计算：
F K =fZ π2EI/l2
其中E 为丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6*106 （N/cm2 ）
I 为截面惯性矩（cm 4 ）, 丝杠截面惯性矩I=π/64*d14 (d1 为丝杠螺纹的底径) L 为丝杠两端支承距离（cm ）
f Z 为丝杠的支承方式系数，由《综合作业指导书》表4-13滚珠丝杠的支承方式系数中查得，一端固定一端简支时此值为2.00。
临界负载F K 与最大工作负载Fm 之比称为稳定安全系数n k ，如果n k =FK /Fm≥[nk ] 则丝杠不至失稳。[nk ]为许用稳定性安全系数，一般取[nk ]=2.5～4。
由于纵向进给时，滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，不需要作稳定性校核。
下面主要对横向进给时的稳定性进行校核。 I= I=π/64*d14=π/64*2.17884 =1.106cm4 F K =fZ π2EI/l2 =2*π2*20.6*106 *1.106/452 =N n k =FK /Fm=222089/2818.7=78.79＞＞[nk ] 所以此滚珠丝杠不会产生失稳。 2. 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数见表3-1。 表3-1 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数
6.4 齿轮传动比的计算
由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足一定的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。当机床脉冲当量滚珠丝杠导程L 0确定以后，可以初选步进电机的步距角，用下式计算进给伺服系统的传动比i
其中δp 为脉冲当量（mm/步） L 0 为滚珠丝杠的基本导程（mm ） θb 为步进电机的步距角。
计算出传动比i 以后，再根据降速级数决定一对或两对齿轮的齿数、模数和各项技术参数。因为进给伺服系统的传动功率不大，一般模数m 取1～2。然后由i= Z1/Z2（Z 1、Z 2为可降速齿轮的齿数）可计算和选取齿数。
下面份纵向进给和横向进给两种情况进行计算： 4.1纵向进给齿轮箱传动比计算
已确定纵向进给脉冲当量δp=0.01，滚珠丝杠导程L 0 =6mm，初选步进电机步距角0.75°。可计算出传动比i
i=360δp/(θb L 0 )=360*0.01/(0.75°*6 )=0.8
可选定齿轮齿数为：
i= Z1/Z2=32/40或20/25
Z1 =32，Z 2=40 或 Z1 =20，Z 2=25 4.2. 横向进给齿轮箱传动比计算
已确定横向进给脉冲当量δp=0.005，滚珠丝杠导程L 0 =5mm，初选步进电机步距角0.75°。可计算出传动比i
i=360δp/(θb L 0 )=360*0.005/(0.75°*5 )=0.48
考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可采用两级齿轮降速：
i= （Z 1/Z2）*（Z 3/Z4）=（3/5）*（4/5）=（24/40）*（20/25） Z1 =24，Z 2=40 ， Z3 =20，Z 4=25
因进给运动齿轮受力不大，模数m 取2，有关参数参照表3-2。
表3-2 传动齿轮几何参数
6.5 步进电机的计算和选型
选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种情况下所需的等效力矩，再根据步进电机最大静转矩和启动、运行矩频特性选择合适的步进电机[11]。
5.1. 纵向进给步进电机计算和选型
计算简图见图3-1。传动系统这算到电机轴上的转动惯量（Kg.cm 2）J ∑可由下式计算：
J ∑ = JM + J1 +( Z1 / Z2 )2*[ (J2 + JS ) +G/g*( L0 /2*π) 2] 其中，J M 为步进电机转子转动惯量， 参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF ，其转子转动惯量J M =10Kg.cm2
J 1 、J 2 为齿轮Z 1 、Z 2的转动惯量（Kg.cm 2）， 4
J 1 =0.78*10-3*d1*L1=0.78*10-3* 6.44*2=2.62 Kg.cm2 4
J 2=0.78*10-3*d2*L1=0.78*10-3* 84*2=6.39 Kg.cm2 J S 为滚珠丝杠转动惯量 （Kg.cm 2） J S =0.78*10-3*4.54*170=54.37 Kg.cm2
G 为溜板及刀架重力，为1500N 代如上式：
J∑ = JM + J1 +( Z1 / Z2 )*[(J2 + JS ) +G/g*( L0 /2*π) ] =10+2.62+( 32/ 40 )2 * [（6.39+54.37）+1500/9.8*（0.6/2*π） 2]
=52.40 Kg.cm2
考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 JM / J∑ =10/52.40=0.191
2
2
基本满足惯量匹配问题。
机床在不同的情况下，其所需转据不同，下面分别按快速空载启动、快速移动、最大切削负载等个阶段进行计算。
在快速空载启动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式为：
M 起=Mamax +Mf +M0
n max =(vmax /δp )*(θb /360°) =2400/0.01*0.75/360=500r/min 启动加速时间 ta =25ms
M amax = J∑ *(2*π*nmax *10-2)/(60*ta )
=52.40*(2*π*500*10-2) /(60*0.025)=1097.46N.cm 折算到电机轴上的摩擦力矩 Mf 为： M f =f′*( Fz+G)* L0 /(2*π*η* Z2 / Z1)
=0.16*( 7491+1500)*0.6 /(2*π*0.8*1.25)=137.37 N.cm 附加摩擦力矩M 0为 ：
M0 =(1/3*Fm* L0 ) /(2*π*η* Z2 / Z1) *(1-η02)
=(1/3*3593*0.6 ) /(2*π*0.8*1.25) *(1-0.92)=21.73 N.cm 上述三项合计：
M 起=Mamax +Mf +M0 =1097.46+137.37+21.73 =1256.56N.cm 快速移动时所需力矩M 快 为：
M快 = Mf +M0 =137.37+21.73 =159.1N.cm 最大切削负载时所需力矩M 切为：
M切 = Mf +M0 + Mt = Mf +M0 +Fx* L0 / (2*π*η* i)
= 137.37+21.73+ 1873*0.6 / (2*π*0.8*1.25)=337.96 N.cm
从以上计算可以看出，M 起 、M 快 和M 切 三种情况下，以快速空载启动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。从《综合作业指导书》表4-24步进电机启动转矩与最大静转矩关系中查出，当步进电机为五项十拍时λ=0.951。
所以最大静力矩为M jmax =1256.56/0.951=1321.3N.cm=13.2 N.m
按此最大静转矩从《综合作业指导书》表4-23国产BF 反应式步进电机技术数据中查出，150BF003型最大静转矩为15.68 N.m。大于所需最大静转矩，可以作为初选型号，但必须进一步考核步进电机启动矩频特性和运行矩频特性。
计算步进电机空载启动频率和切削时的工作频率： f k =1000*vmax /(60* δp ) =1000*2.4 /(60* 0.01)=4000Hz f e =1000*vs /(60* δp ) =1000*0.6 /(60* 0.01)=1000Hz
从《综合作业指导书》表4-23国产BF 反应式步进电机技术数据中查出，150BF003型步进电机允许的最高空载启动频率为2600Hz ，运行频率为8000 Hz，再从《综合作业指导书》图4-17、4-18中查出150BF003型步进电机启动频率特性和运行频率特性曲线，从曲线可以看出，当步进电机启动时，f 起 = 2500 Hz ，M=175N.cm，远远不能满
足此机床所要求的空载启动力矩1256.56 N.cm，直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制，将启动频率降到1000 Hz时，启动力矩可增高到700 N.cm，然后在电路上采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右，就能满足要求[12]。
当快速启动和切削进给时，150BF003型步进电机运行频率特性完全可以满足要求。 5.2. 横向进给步进电机计算和选型
计算简图见图3-2。传动系统这算到电机轴上的转动惯量（Kg.cm 2）J ∑可由下式计算：
J ∑ = JM + J1 +( Z1 / Z2 )2*{ (J2 + J3 ) +( Z3 / Z4 )2* [(J4 + JS )+G/g*( L0 /2*π) 2]}
其中，J M 为步进电机转子转动惯量， 参考同类型机床，初选反应式步进电机90BF ，其转子转动惯量J M =1.8Kg.cm2，J 2、J 3 、J 4为齿轮Z 1 、Z 2 、Z 3 、Z 4的转动惯量（Kg.cm 2）， 1 、
4
J 1 =0.78*10-3*d1*L1=0.78*10-3* 4.84*2=0.828 Kg.cm2 4
J 2=0.78*10-3*d2*L1=0.78*10-3* 84*2=6.39 Kg.cm2 4
J 3 =0.78*10-3*d3*L1=0.78*10-3* 44*2=0.399 Kg.cm2 4
J 4=0.78*10-3*d4*L1=0.78*10-3*54*2=0.975 Kg.cm2 J S 为滚珠丝杠转动惯量 （Kg.cm 2） J S =0.78*10-3*2.54*45=1.371Kg.cm2
G 为溜板及刀架重力，为800N 代如上式：
J ∑ = JM + J1 +( Z1 / Z2 )2*{ (J2 + J3 ) +( Z3 / Z4 )2* [(J4 + JS )+G/g*( L0 /2*π) 2]}
=1.8+0.828+( 24/40 )2 * {（6.39+0.399）+( 20/ 25 )2* [(0.975+ 1.371 )+800/9.8*（0.5/2*π） 2]}= 5.732Kg.cm2
考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 JM / J∑ =1.8/5.732=0.314 基本满足惯量匹配问题。
机床在不同的情况下，其所需转据不同，下面分别按快速空载启动、快速移动、最大切削负载等个阶段进行计算[13]。
在快速空载启动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式为：
M 起=Mamax +Mf +M0
n max =(vmax /δp )*(θb /360°) =1200/0.005*0.75/360=500r/min 启动加速时间 ta =25ms
M amax = J∑ *(2*π*nmax *10-2)/(60*ta )
=5.732*(2*π*500*10-2) /(60*0.025)=120.05N.cm 折算到电机轴上的摩擦力矩 Mf 为： M f =f′*( Fz+G)* L0 /(2*π*η* Z2 / Z1)
=0.04*( 3745.5+800)*0.5 /(2*π*0.8*2.083)=6.946 N.cm 附加摩擦力矩M 0为 ：
M0 =(1/3*Fm* L0 ) / (2*π*η* Z2 / Z1)*(1-η02)
=(1/3*2818.7*0.5 ) /(2*π*0.8*2.083) *(1-0.92)=8.525 N.cm 上述三项合计：
M 起=Mamax +Mf +M0 =120.05+6.946+8.525 =135.521N.cm 快速移动时所需力矩M 快 为：
M快 = Mf +M0 = 6.946+8.525=15.471N.cm 最大切削负载时所需力矩M 切为：
M切 = Mf +M0 + Mt = Mf +M0 +Fx* L0 / (2*π*η* i)
= 6.946+8.525+ 936*0.5 / (2*π*0.8*2.083)=60.169 N.cm
从以上计算可以看出，M 起 、M 快 和M 切 三种情况下，以快速空载启动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。从《综合作业指导书》表4-24步进电机启动转矩与最大静转矩关系中查出，当步进电机为五项十拍时λ=0.951。
所以最大静力矩为M jmax =135.521/0.951=142.5N.cm=1.425 N.m
按此最大静转矩从《综合作业指导书》表4-23国产BF 反应式步进电机技术数据中查出，90BF002型最大静转矩为1.8 N.m 。大于所需最大静转矩，可以作为初选型号，但必须进一步考核步进电机启动矩频特性和运行矩频特性。
计算步进电机空载启动频率和切削时的工作频率： f k =1000*vmax /(60* δp ) =1000*2.4 /(60* 0.01)=4000Hz f e =1000*vs /(60* δp ) =1000*0.6 /(60* 0.01)=1000Hz
从表4-23国产BF 反应式步进电机技术数据中查出，90BF002型步进电机允许的最高空载启动频率为3800Hz ，运行频率为16000 Hz ，再从《综合作业指导书》图4-17、4-18中查出90BF002型步进电机启动频率特性和运行频率特性曲线，从曲线可以看出，当步进电机启动时，f 起 = 3200 Hz，M=75N.cm，远远不能满足此机床所要求的空载启动力矩135.521 N.cm，直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制，将启动频率降到1000 Hz时，启动力矩可增高到160 N.cm，就能满足要求。
当快速启动和切削进给时，90BF002型步进电机运行频率特性完全可以满足要求。 在完成运动及动力计算之后，已经确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机规格型号，以及齿轮齿数、模数，轴承型号之后，就可以画机械装配图。纵向进给部分拆去原机床的进给箱、溜板箱、滚动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母副。横向进给部分也用滚珠丝杠代替原来的滑动丝杠，并在大溜板的后面安装横向齿轮减速箱和步进电机，并把原来的放刀架取掉，装上自动转位刀架及微型电机，在
主轴箱的后端用安装盘和挠性联轴节装光电脉冲发生器，作螺纹加工用[14]。
7 硬件电路部分的设计
7.1 单片微机数控系统硬件电路设计内容
单片微机数控系统硬件电路设计应包括以下几部分内容： 1.1绘制系统电器控制的结构框图
根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，绘制系统电器控制的结构框图[14]。
数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效的运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。机床硬件电路主要有以下五部分组成，见图4-1。
1.1.1. 1.1.2. 1.1.3. 1.1.4. 1.1.5.
图4-1 机床数控系统硬件框图（开环系统）
1.2选择中央处理单元CPU 的类型
在微机应用系统中，CPU 的选择应考虑以下因素：
1.2.1. 时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度。 1.2.2. 可扩展存储器（包括RAM 和ROM ）的容量。
主控制器，又叫中央处理单元CPU 。
总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。 存储器，包括程序存储器和数据存储器。 接口，即I/O输入/输出接口电路。
外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。
1.2.3. 指令系统功能，影响编程灵活性。 1.2.4. I/O口扩展的能力，即对外设控制的能力。 1.2.5. 开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。
此外还要考虑到系统应用场合、控制对象的各种参数要求，以及经济价格比等经济型的要求。
目前经济型数控机床中，推荐首选MCS-51系列单片微机作为主控制器。 1.3 存储器扩展电路设计
存储器扩电路设计应包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU 与EPROM 时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。在存储器扩展电路设计中还包括地址锁存器和译码电路的设计。
1.4 I/O口即输入/输出接口电路的设计
应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计（例如复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等）。
此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括。
7.2 C6150普通车床微机数控化改装设计电路原理图
C6150普通车床微机数控化改装设计电路原理图是用MCS-51系列单片机组成的控制系统，该系统扩展了2片2764芯片，1片6364芯片，2片8155可编程并行I/O口。
2.1制系统的功能包括： 1． Z向和X 向进给伺服运动。 2． 键盘显示。 3． 自动的转刀架控制。 4． 螺纹加工控制。 5． 面板管理。 6． 行程控制。
7． 其他功能：报警电路、急停电路、复位电路、功放电路。 2.2采用软件环形分配器
步进电机采用软件环形分配器，虽然运行速度没有硬件环形分配器快，但可以省掉两个硬件分配专用芯片，且电路比较简单。由于C6150普通车床最大的加工直径为φ500mm ，规格比较小，故纵向进给采用150BF003型，五项十排方式工作，横向进给采用90BF002型，五项十排方式工作。故由8155（2）的PA 口输出，经光电隔离电路、功率放大电路直接驱动电机。
2.3自动回转刀架的控制
当需要自动回转刀架换刀时，由8155（1）的PC 0～PC 3发出刀位信号，控制刀架电
机回转，达到指定的刀位，刀架夹紧之后，发出换刀回答信号，经8155（1）的PB 5 输入计算机，控制刀架开始进给。 2.4螺纹加工的控制
当加工螺纹时，由与主轴相连的光电脉冲发生器发出螺纹信号和零位信号，分别送入 8031的T 0 和8155（1）的PB 6 ，通过设置不同的时间常数来加工不同螺距的螺纹，零位螺纹信号是防止螺纹乱扣的[15]。
2.5地址编码
存储器及I/O地址编码，见表4-1。
表4-1 C6150普通车床微机数控化改装设计电路原理图芯片地址编码
8 加工程序的编制
8.1 SXX-3型数控系统的程序编制
1.1采用SXX-3型数控系统编程，该系统按标准数控语言编程，符合ISO 标准的有关规定，其基本功能如下：
能两坐标（x,z ）联动，具有直线和圆弧插补方式。
1) 绝对值编程和增量编程可以任意用，在同一程序段中可以单独使用，也可以混合使用。
2) 与主轴脉冲发生器配套，可车制12mm 以内的各种螺纹。 3) 与主轴速度变换装置配套，能自动更换主轴转速16种。 4) 与刀架自动换位装置配套，能自动转换刀位。
5) 具有坐标的修正补偿功能，例如刀具补偿和间隙补偿。
还具有16级运行速度共调用，在高速三级有自动升降速功能，以及显示程序段号和切削长度，自诊断功能等等。
1.2 编码
本系统用到如下数字、字母和符号。 数字：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9； 字母：F,G,I,K,M,N,S,T,U,W,X,Z ； 符号：/，+，-，LF 。
1.3 程序段格式的缩写形式
N3G2X(U)±52Z(W)±52I ±42K ±42F4S2T2M2LF
I和K 给出圆弧圆心的起点坐标增量。X 、U 按直径编程，而I 按半径编程。 3位的程序段序号；2位的准备功能字；X 、Z 的尺寸，取正、负号，小数点前取5位，小数点后为2位；进给速度4位代码；主轴转速4位代码；指定刀具2位代码；2位的辅助功能字[16]。
8.2 加工工艺路线的确定
由设计任务书可知，毛坯已按零件形状铸成铸件，材料为可锻铸铁，HBS=220～260，表面加工余量为4mm 。将毛坯在普通车床上粗加工，留给数控车削的加工余量为0.5mm ，根据零件图确定按精加工的原则，其工艺路线为：先切削外轮廓面，自右向左加工各
过渡圆、圆柱端面、圆柱面、等。
装夹和定位方法如图1-1所示，选择1种刀具，T 1为精车外圆刀具。 切削用量的确定主要包括走刀量s 和切削深度t 及主轴转速n 的确定[17]。 2.1走刀量s 与切削深度t 的确定
由于在普通车床上粗加工后，零件尺寸在径向均留有0.5mm 余量。精车时，各表面切削深度为0.5mm ，走刀量为0.2mm/r。
2.2主轴转速n 的确定
n （精车）≈1000v/(π*D) 其中D 为工件最大直径（mm ）
由精车材料为可锻铸铁，HBS=220～260，使用合金车刀，查《综合作业指导书》表2-2 车削铸铁及铸钢的切削速度可知，切削速度为50m/min。
n （精车）≈1000v/(π*D)=1000*50/（3.14*64）=248.8r/min
按《综合作业指导书》表2-3 车削深度和走刀量变化时切削速度的修正系数可知，精车s=0.2mm/r，t=0.5mm，因此对n 应乘以修正系数K=1.27，K=1.40则
n=1.27*1.40*248.8=442.4 r/min
考虑到刀具的耐用度，实际转速应选的较计算的低一些，按这台数控机床的主轴转速，参照《综合作业指导书》表2-6 车床主轴转速表实际选取代码S 24，主轴转速n=400 r/min。
按上述确定的走刀路线和工艺参数，编写零件的精加工程序如表5-1所示（不考虑φ36mm 圆柱面及其两端面加工程序，φ36mm 圆柱面及其两端面可在粗加工中加工到位）。
表5-1 零件精车加工程序单
9 结论和展望
在生活逐渐自动化的今天，对加工制造的精度和加工效益都提出了很高的要求，因此对机床等加工设备提出了很高的要求。以前单一的靠手工操作的机床，在很大程度上已经不能满足现代化的要求，数控机床的改造已经成为一种必要。但这次机床的改造是在原有的机床上换掉部分零部件，使它具有数控机床的基本功能，如不用手工操作能自动控制进给量等。但又考虑到改造成的是经济型数控车床，所以在选材等方面，必须考虑到经济这一重要问题。因此在这次设计中有些选型可能精度不是很高，但是考虑到经济这一个重要的前提，就选择了相对比较实惠的型号。
因为我们以前的基础知识掌握得不牢固，在这次设计中确实是遇到了很多的问题，但在这过程中，我们又学会了很多东西，在以前的小设计中，有些能马马虎虎过去的问题，就糊里糊涂过去了，可这次是一切正规化，不能有半点含糊，因此压力又大了很多，但是只要有一个明确的目标，乐在其中，特别是把以前学过的知识又温习了一下，而且把很多门课程都串联在一起，形成一个大的框架，这样确实是有一种豁然开朗、焕然一新的感觉。
通过这最后的毕业设计，我从一开始的只要完成任务的心态到后来的主动去学习，去努力的学习态度，这是一个不小的进步，并且把以前学过的知识融会贯通，看到了自己的许多不足之处。老师在我们设计中也给我们提出了很高的要求，它要求我们每一个零部件都要按照标准去查手册。另外，我们也学会了互相帮助，互相学习，合作的团体精神，严格要求自己，形成严谨治学的学习态度，这将会带到我们以后的工作中去。
10 致 谢
在此毕业论文完成之际，我在此衷心感谢培养我多年的曾经代课的每一位老师。由于他们的培养，我学到了很多实用知识，对我今后的工作有很大的帮助。
特别要感谢的人是郭老师，论文是在郭老师的精心指导下完成的。郭老师多次提出改进意见、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。他无论在理论上还是实践中，都给予我很大的帮助，使我得到不少的提高，这对于我以后的工作和学习都是一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。
11 参考文献
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