【正文】 都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造考慮到該數(shù)控系統(tǒng)是開環(huán)控制，沒有位置反饋電路，故進(jìn)給系統(tǒng)盡可能的要減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)。本銑床的X軸進(jìn)給系統(tǒng)去掉了原來(lái)的進(jìn)給系統(tǒng)的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，直接采用了步進(jìn)電機(jī)＋一級(jí)減速齒輪＋滾珠絲桿的傳動(dòng)方案。拆除原來(lái)的絲桿，增加少量的機(jī)械附件，就可安裝步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲桿螺母副,帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，自動(dòng)化程度高；（2）廣泛采用高效、無(wú)間隙傳動(dòng)裝置和新技術(shù)、新產(chǎn)品；（3）具有適應(yīng)無(wú)人化、柔性化加工的特殊部件；（4）對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、零部件的要求高。主傳動(dòng)系統(tǒng)不變，還是采用原有的電動(dòng)機(jī)（）。進(jìn)給系統(tǒng)采用滾動(dòng)絲杠副螺母副代替原有絲杠副，以提高機(jī)床運(yùn)行精度和傳動(dòng)效率。考慮到改造的目標(biāo)及成本的原因，決定X52銑床的主軸支承仍采用滾動(dòng)軸承支承，導(dǎo)軌仍使用動(dòng)壓導(dǎo)軌。 電氣控制部分的改造1. 由于是將X52銑床改造成為經(jīng)濟(jì)型的開環(huán)控制的數(shù)控銑床，機(jī)床加工的零件多屬中小型，且加工精度要求不是很高，原有的交流電機(jī)就能夠滿足加工要求。2. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體考慮：（1）確定功能指標(biāo)；（2）明確硬件分工（3）重視接口設(shè)計(jì)；（4）認(rèn)真選擇微機(jī)。本系統(tǒng)采用MCS51系列單片機(jī)芯片８０３１為控制器，１片８ＫＢ的ＥＰＲＯＭ２７６４作為程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片用１片８ＫＢ的ＲＡＭ６２６４；而選用１片可編程并行Ｉ／Ｏ接口芯片８２５５作為系統(tǒng)擴(kuò)展的Ｉ／Ｏ口，對(duì)Ｘ軸步進(jìn)電機(jī)及主軸進(jìn)行控制,通過(guò)鍵盤的命令可使X工作臺(tái)聯(lián)動(dòng)，并可以靈活地輸入切削程序和數(shù)據(jù)。用１片８１５５做為機(jī)床開關(guān)、刀架控制信號(hào)及主軸編碼器反饋信號(hào)Ｉ／Ｏ口用；１片８２７９作為鍵盤／顯示器接口，識(shí)別鍵盤按鍵信號(hào)，對(duì)顯示器自動(dòng)掃描，完成鍵盤輸入和ＬＥＤ顯示控制功能；采用７４ＬＳ１３８做為統(tǒng)一地址譯碼器尋址，并用７４ＬＳ３４３為地址鎖存器，并由８０３１對(duì)各步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)進(jìn)行環(huán)形分配。 圖12 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖為避免強(qiáng)電干擾可采用光電耦合電路(GO102)進(jìn)行光電隔離。因?yàn)?255輸出的信號(hào)功率很小，故用功率放大器對(duì)輸出的脈沖信號(hào)放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。改造后的縱向裝配圖、數(shù)控電氣原理圖及外觀圖見附錄CAD圖。第2章 機(jī)構(gòu)與電氣控制部分的設(shè)計(jì) 縱向方向（X軸）的設(shè)計(jì)：步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成響應(yīng)角位移的機(jī)電元件。每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，它與普通的勻速旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)不同，它是步進(jìn)式的，所以稱步進(jìn)電機(jī)。它的優(yōu)點(diǎn)有：角位移輸出與輸入的脈沖數(shù)相對(duì)應(yīng),改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；步矩誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累；在負(fù)載范圍內(nèi)步矩角和轉(zhuǎn)速不受電源電壓波動(dòng)的影響，而僅與脈沖頻率有關(guān)；維持控制繞組的電流不變，電機(jī)便停在某一位置上不動(dòng)，即步進(jìn)電機(jī)有自整角能力，不需要機(jī)械制動(dòng)，步矩角可在很大的范圍內(nèi)變化；步進(jìn)電機(jī)的主要特性：步矩角、啟動(dòng)頻率、連續(xù)運(yùn)行頻率和加減速特性。步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是效率低，拖動(dòng)負(fù)載的能力不大，脈沖當(dāng)量不能太小，調(diào)整范圍不大，最高輸入脈沖頻率一般不超過(guò)18000 Hz。數(shù)控系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的基本要求是調(diào)速范圍寬，伺服電機(jī)需滿足調(diào)速要求。負(fù)載特性硬，在調(diào)速范圍內(nèi)電機(jī)應(yīng)有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，為了使步進(jìn)電機(jī)正常工作運(yùn)行（不失步、不超程），正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩（步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)），必須大于電機(jī)的實(shí)際最大啟動(dòng)力矩。電機(jī)的運(yùn)行頻率必須大于電機(jī)實(shí)際最高工作頻率。系統(tǒng)脈沖當(dāng)量是機(jī)床移動(dòng)部件相對(duì)于每一個(gè)進(jìn)給脈沖信號(hào)的位移量，其大小視機(jī)床的加工精度而定。步矩角。根據(jù)同類型的機(jī)床及以往的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合重量輕、功耗小、外觀尺寸和與步距角相配合的原則，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)類型，然后驗(yàn)算是否滿足使用要求，否則選取其它型號(hào)，最后直到滿足要求為止。 縱向步進(jìn)電機(jī)選擇計(jì)算1. 計(jì)算工作臺(tái)、絲杠以及齒輪折算到電機(jī)軸上的慣量 根據(jù)《機(jī)電一體化基礎(chǔ)》所提供的計(jì)算公式： 式中：折算到電機(jī)軸的慣量；小 大齒輪的慣量；絲杠慣量；橫向工作臺(tái)及夾具重量,；絲杠螺距，；齒輪及絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算：由于有些傳動(dòng)件（如齒輪、絲杠等）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不易精確計(jì)算，可將其等效成圓柱體來(lái)近似計(jì)算。圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可依據(jù)公式：式中： 材料密度,對(duì)鋼??； 圓柱體直徑.(對(duì)于齒輪、絲杠等就是其等效直徑)； 圓柱體長(zhǎng)度,(對(duì)于齒輪、絲杠等就是其等效齒寬或長(zhǎng)度)則： 則可算得： ≈2. 慣量匹配驗(yàn)算初選的步進(jìn)電機(jī)110BF004的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：=轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)的慣量匹配條件： 而：所以慣量是匹配的。3. 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 依據(jù)公式： 式中：快速空載起動(dòng)力矩；空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上最大加速力矩；折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；由于絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；又： 式中： 慣量和，；電機(jī)最大角加速度；又： 其中： 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間取25ms 又：則： 則： 故： 又因?yàn)椋菏街校?導(dǎo)軌的摩擦力；傳動(dòng)鏈總效率，一般可取 ，現(xiàn)取 ；又： 式中： 垂直方向的切削力，； 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)， (貼塑導(dǎo)軌)； 橫向工作臺(tái)及夾具重量，；則：=103N故： 又： 式中： 滾珠絲杠預(yù)加載荷，??；滾珠絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率， ； 故： =140++=4. 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 依據(jù)公式：而： 故有： 5. 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 根據(jù)公式： 式中： 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩；又有公式： 式中：進(jìn)給方向最大切削力，；則： 故： 6. 最大靜轉(zhuǎn)矩選擇依據(jù)文獻(xiàn)《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》上，有：（1）對(duì)于在最大切削力下工作時(shí)所需要電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：（2）對(duì)于空載起動(dòng)時(shí)所需要的電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為： 由（1）和（2）可知，以計(jì)算得：恒大于 所以就以作為選取步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。而初選的步進(jìn)電機(jī)為110BF003 ，它的最大靜轉(zhuǎn)矩為：所以初選的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)符合要求。7. 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)載荷矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性由《數(shù)控技術(shù)》得：動(dòng)矩頻特性： 運(yùn)行矩頻特性： 其中： 最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度 的，現(xiàn)取中間值，即。所以：=2431由步進(jìn)電機(jī)110BF004的矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性參數(shù)可以看出所選步進(jìn)電機(jī)在起動(dòng)時(shí)力矩是滿足要求的。所以最終就確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為：110B