普通车床数控改造设计摘要好运转正常的前提下，保留原有主轴支撑方式。保留原机床的主轴手动变速。改造后使其主运动和进给运动分离，主电机的作用仅为带动主轴旋转。增加只电磁离合器，用以接收数控系统的停机制动信号以控制原制动装置制动停车。加工螺纹时，为保证主轴每转转，刀具准确移动个导程，须配置主轴脉冲发生器作为主轴位置信号的反馈元件。脉冲发生器采用同轴安装，橡胶管柔性联接，意在实现角位移信号传递的同时，又能吸收车床主轴的部分振动，从而使主轴脉冲发生器转动平.稳，传递信号准确。数控机床主轴带传动变速常用多楔带和同步带。同步带又称为同步齿形带，按齿形不同又可分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带两种。其中梯形齿多用在转速不高或小功率动力传动中，而圆弧齿多用在数控加工中心等要求较高的数控机床主运动传动系统中。我们选用型梯形齿同步带。查手册选两梯形齿同步带用带轮为，带宽为.,小带轮节圆为,大带轮节圆为。带高.齿高.节距.。第四章伺服进给系统的结构设计与计算.伺服进给传动系统概述数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路伺服驱动装置机械传动机构及执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置直流交流伺服电动机功率步进电机电液脉冲马达等和机械传动机构，驱动机床的工作台主轴刀架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控机床的伺服进给系统与般机床的进给系统有本质上的差别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按定规律运动所合成的运动轨迹。伺服进给系统的基本要求精度要求伺服系统必须保证机床的定位精度和加工精度。对于低档型数控系统，驱动控制精度般为.而对于高性能数控系统，驱动控制精度为甚至为.。响应速度为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。调整范围调整范围是指生产机械要求电动机能提供的最高转速和最低转速之比。为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动系统必须具有足够宽的调整范围。低速大转矩根据机床的加工特点，经常在低速下进行重切削，即在低速下进给驱动系统必须有大的转矩输出。伺服系统实现位置伺服控制有开环闭环半闭环三种方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不高的问题，但步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累。步进电机的转速和输入脉冲频率也有严格的对应关系，而且具有在负载能力范围内不随电流电压负载环境条件的波动而变化的特点。此外，步进电机控制的开环系统不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的进展。因此，在定范围内，这种采用步进电机傲为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的般数控系统中应用。虽然闭环半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在系统中增加了位置检测反馈比较及伺服放大等环节，除了给安装调试增加了工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。考虑到是在普通车床上进行改造，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，我们采用了微机控制的步进电机开环伺服系统。.步进电动机及开环进给控制步进电机是种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的执行元件，是种用脉冲信号控制的电动机，也称为脉冲电动机,在负载能力及动态特性范围内，步进电动机将来自数控装置的进给脉冲输出，电动机的角位移与控制脉冲数成正比，转速与控制脉冲频率成正比。对于每个电脉冲,步进电机都将产生个恒定的步进角位移,每个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角,取为.。每脉冲代表电机定的转角,这个转角经齿轮副和滚珠丝杠副使工作台移动定的距离每个脉冲所对应的执行件的移距,称为脉冲当量或分辨率根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向．步横向．。步进电动机的转速决定于控制绕组与电源接通和断开的脉冲变化频率。步进电动机的优点可以开环驱动而无需反馈,无稳定性问题,无累积定位误差,能响应数字信号,适合于数字计算机控制,机械结构简单,很少需要维护,不易受污染,可重复地堵转而不会损坏,相当坚固耐用。步进电动机的缺点运动的增量和步距是固定的，在步进分辩率上缺乏灵活性，承受大惯性负载的能力有限，可供使用的电机尺寸和输出功率是有限的。步进电动机的种类很多，通常分为三种类型反应式永磁式和混合式。反应式步进电动机是利用磁阻转矩使转子转动的，是我国使用最广泛的步进电动机形式。步进电动机的驱动控制步进电机是种特殊的机电元件，不能直接接到交直流电源上工作，必须使用专用的驱动器。步进电机的驱动控制系统框图如下图所示。环形分配器用来接收来自控制器的脉冲信号，每来个脉冲，环形分配器的输出转换次。因此，步进电机转速的高低升或降速启动和停止都完全取决于控制器的有无或频率。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定步进电机的转动方向。脉冲分配控制步进电机驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有定功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将数控装置送来的系列指令脉冲按照定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电断电。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的时钟脉冲串按定的规律分配给步进电机各相驱动器的输入端以控制励磁绕组的导通或截止。同时，由于电动机有正反转要求，所以脉冲环分配既是周期性的，又是可逆的。因此环形分配器是种可逆循环的特殊编码计数器。其功能可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的脉冲分配控制硬件环形分配器硬件环形分配器的种类很多，有专用基金的集成电路，可以用触发器或触发器构成，还可以用通用的可编程逻辑器件组成。集成是种专为反应式三相步进电机设计的环形分配器。该集成电路采用工艺，集成度高，可靠性好。如下图示当时，每来个脉冲则电动机正转步当时，每来个脉冲则电动机反转步。软件脉冲分配的控制软件脉冲分配器是指实现步进电机脉冲分配控制的计算机程序。硬件脉冲分配器不占用计算机资源，但需要电路的支持，硬件成本较高。软件脉冲分配器不需额外电路，但要占用计算机运行时间。软环形分配器的设计方法有多种，如查表法比较法移位寄存器法等，最常用的是查表法。查表法的基本思路是根据步进电机与计算机的接线情况及通电方式求出所需要的环形分配器输出状态表，将其存入存储器中，运行时按节拍序号查表获得相应控制数据，在规定时刻通过输出口将数据输出到步进电动机的驱动电路。对于三相六拍环形分配器，每当接收到个进给脉冲指令，环形分配器软件根据下表所示真值表，按顺序及方向控制输出接口将的值输出即可。导电相工作状态步进电机的驱动放大电路般步进电机需要几个安培的电流，而环形分配器的输出电流很小，不能直接驱动步进电机，因此需要功率放大电路实现对脉冲分配回路弱信号的放大，产生电机脉冲信号工作所需的激磁电流，。功率放大电路有单电压双电压斩波型等。驱动放大器的作用将环形分配器发出的电平信号放大至几安培到十几安培的电流，送至步进电动机的各绕组。驱动放大器的控制电路单电压简单驱动高低压切换驱动高压恒流斩波调频调压细分驱动等。单电压功率放大电路单电压功率放大电路是步进电动控制中最简单的种驱动电路。其中是步进电机的电感是绕组电阻是二续流二极管它为绕组放电提供回路是个外接的功率电阻，也是个限流电阻，是大功率开关晶体管。电路的时间常数为时间常数表示开关回路在导通时允许步进电机绕组电流上升的速率。越小，则在晶体管从截止变成导通时允许步进电机按指数曲线上升越快，达到稳定时间越短，越大，电流上升越慢，达到稳定值的时间就越长。驱动电路时间常数对电机绕组的电流到达稳态值的时间有极大的关系，它影响步进电机的工作频率。越小，电流到达稳态的时间越短，则电机的工作频率就可越高反之，越大，电流到达稳态的时间越长，电机的工作频率就越低。单电压功率放大电路最大的特点是结构简单，但它的缺点是工作效率低，在高频工作状态时其效率很差。它的外接电阻消耗相当大的部分能量，并且还会发热影响到电路工作的正常稳定状态。所以单电压功率放大电路般只用于小功率步进电动机的驱动，单电压功率放大电路单电压基本改进电路如下图所示单电压基本改进电路它在外接电阻的两端并联了个电容，同时在贯注回路中串联个电阻。在上并联电容可以改善步进电机绕组的电流前沿特性。在功率晶体管导通的瞬间，电容相当于短路，迫使流过绕组的电流上升进步加快，这样可使电流的前沿明显变陡，从而提高了步进电机的高频性能。在上并联，俣的在个步进的周期中，注入绕组的平均电流值相对增加了，从而提高了步进电机的转矩。特别是在高频段工作时更为明显。这种电路在实际应用中有着较多的应用。步进电机驱动电路的主要功能是功率放大，它将光电隔离电路进来的弱信号经功率放大，变成较强的电信号，直接驱动步进电机，如图所示。当控制脉冲来时，全导通，并使脉冲变压器的副边产生定宽度的脉冲电流，使导通，使处于反向偏置，将低压与绕组切断，高压电源通过为步进电机相绕组供电，使其电流上升沿变陡。经过时间后脉冲电流消失，使截止，与绕组之间被切断。通过为供电，提供电动机所需的额定电流。通过调整脉冲变压器的磁芯和可改变高压供电的时间宽度。速度控制进给脉冲频率定子绕组通电断电状态变化频率步进电机转速工作台的进给速度。硬件环分控制的频率，控制电动机的速度。软件环分控制相邻两次软件环分状态之间的延时时间，可电动机线圈通电状态的变化频率。光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制电动机励磁绕组，由于步进电机需要的驱动电压较高约，电流较大约，若将输出信号与功率放大器直接相联，将会引起强电干扰。所以般在接口电路与功率放大器之间都要接上隔离电路。步进电动机参数说明矩角特性与最大静转矩如果在电机轴上外加个负载转矩，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过个角度，角度称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生个静态转矩也称为电磁转矩，这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角的关系叫矩角特性近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。启动频率空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电机在带负载尤其是惯性负载下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大在允许范围内，启动频率会进步降低。连续运行频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的