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。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式，例如数控钻床在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因此数控装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精确度。
如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有精确的运动关系，应选用连续控制方式。连续控制系统应具有一个插补器进行各坐标轴进给脉冲的分配，要求伺服元件有较强的轨迹跟随能力。数控铣床、车床等要求加工复杂轮廓零件的机床应采用连续控制系统。
还有一些采用点位控制的数控机床，例如数控镗铣床等，不但要求工作台运动的终点坐标要精确，还要求工作台应能在沿坐标轴运动过程中切削工件。这种系统称为点位/直线控制系统。其控制方法与点位系统原则上一致。只是切削过程的运行速度要低很多。 1.2伺服系统类型的分析与选择
伺服系统可以按照有无反馈分为开环、闭环和半闭环三种类型。
开环伺服系统中没有反馈回路，不需要速度及位置检测装置，指令信号为单方向传送。
开环伺服系统在负荷不大时多采用功率步进电机作为伺服电机。开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单、调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。经济型数控机床大多采用开环伺服系统。
闭环、半闭环控制系统都带有位置检测元件和反馈回路，检测反馈元件用于检测实际位移量，并通过反馈回路将实测位移量回馈给数控装置的比较元件，比较元件将实测位移量与指令位移量进行比较后按照差值驱动控制系统执行元件，以不长系统的传动误差，因而伺服系统控制精度高。闭环与半闭环的区别在于检测元件的安装位置不同，前者将检测元件直接装在机械运动末端执行件上，检测量是线位移。后者将检测元件装于电机轴或丝杠轴上，检测量是角位移。 1.3执行机构传动方式的确定
为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、高强度、无间隙、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、铁塑导轨等。
（2）尽量消除传动间隙,提高传动精度。如对滚珠丝杠和滚动导轨进行预紧，而传动齿轮通常采用消除间隙结构。
（3）尽量提高传动刚度。传动刚度是传动元件之间的接触刚度，接触面越多刚度越低，传动误差越大，故应尽量缩短传动链。通常，在简易数控系统中，只要能够保证步进电机的步距角与运动末端执行件脉冲当量的正确匹配，只采用一对齿轮传动副即可。给传动元件施加预负载，不但可以提高系统传动精度也可以提高系统的传动刚度。故滚动导轨、滚珠丝杠以及丝杠轴向固定轴成都带有预紧装置，以便随时调整预紧力。
1.4计算机系统的选择
计算机数控系统一般由主机CPU、存储器扩展电路、I/O接口、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。
微机是数控系统的核心。数控系统的功能直接与所选微机相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要是字长和速度。字长不但影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工精度和运算精度。而字长短的计
- 6 -
算机在进行多字节数据处理时又会影响加工速度。目前，高档数控系统普遍采用32位机，主频已达20-30MHz；标准CNC系统通常采用16位机；经济型数控系统通常采用8位机，如采用Z80CPU或MCS-51单片机组成的微机应用系统。
在51系列机型中，因为RAM容量都很小，所以必须扩展外RAM；又由于常用零件加工程序需要固化在EPROM中，而它们不宜和系统控制程序存放在同一存储区内，为方便同一考虑外ROM和外RAM的扩展，故通常都是采用8031单片机作主机。
本经济型数控车床采用MCS-51系列单片微机组成的微机应用系统。主机是8031，接口选8155，采用步进电机开环控制，传动丝杠为滚珠丝杠。
1.5.控制系统驱动方案总图 光电步进功率8031 隔离 电机 放大 8255 CPU 光电功率步进隔离 放大 电机 2．机械系统设计 机械系统设计内容包括：系统脉冲当量确定；切削力计算；滚动螺旋副选型计算与验算；滚动导轨选型计算与验算；步进电机选型计算和验算；消除间隙齿轮结构设计、滚珠丝杠支承结构选型、电机固定结构选型设计等几个主要部分。 2.1系统脉冲当量选择
脉冲当量是机床移动不见相对于每一个步进脉冲信号产生的位移量。脉冲当量也称为机床最小设定单位或最小指令增量或机床分辨率。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。
经济型数控车床通常采用的脉冲当量是0.01-0.005mm/脉冲。 脉冲当量有时也由设计任务书直接给出。 2.2切削力计算
根据经验公式计算主切削力，对于车削外圆加工时的主切削力可由下式进行估算：
1.5Fy?0.67DMAX
X工作台 Y工作台 DMAX—车床床身上的最大加工直径，由已知条件DMAX?360mm,经计算得Fy?4576.45N
再按照以下比例计算轴向分力Fz和径向分力Fx：
FY:FZ:FX?1:0.25:0.4,故Fz=1144.11N, Fx=1830.58N
- 7 -
2.3滚动螺旋副选型计算与验算
滚动螺旋副工作原理：滚动螺旋副是一种在丝杠和螺母之间放入滚动体 — 滚珠的一种丝杠螺母副。由于放入滚珠，故，当丝杠相对螺母转动时，滚珠则在螺旋滚道内即自转又循环转动，迫使丝杠螺母之间产生轴向相对运动，于是将丝杠的旋转运动变为螺母的直线运动或将螺母的旋转运动变为丝杠的直线运动。
滚动螺旋副特点：优点：传动效率高，所需驱动转矩小；传动精度高，反向精度高，定位精度高；传动刚度高；传动平稳，快速响应好，无爬行； 磨损小，精度保持性好，寿命长；具有运动可逆性；缺点：制造成本高；不能自锁，铅垂进给时需加制动机构。
滚动螺旋副滚珠的循环方式：外循环滚动螺旋副：滚珠循环结束后，滚珠将通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回到丝杠螺母中间的螺旋滚道槽，以便再次进入循环。特点：滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触，滚道通常为多圈循环链。优点：结构简单、工艺性好、承载能力大。缺点：径向尺寸大。应用：广泛应用于重载系统。返回器形式：螺旋槽式、插管式、端盖式。
各种外循环滚动螺旋副的结构：螺旋槽式
滚动螺旋副的设计步骤是：计算进给牵引力，预选主要尺寸参数，计算最大动负荷，计算最大静负荷，初选滚珠丝杠副型号及列表主要参数，绘制进给系统计算简图，验算轴向刚度，验算传动效率，确定滚珠丝刚落幕副型号。 2.3.1进给系统牵引力计算
采用燕尾形导轨，FM?KFZ?f'(FY?2FX?G)
K—考虑颠覆力矩时的影响系数，按照《专业课程设计指导书》中表3-5取K=1.4
f?—导轨摩擦系数，按照《专业课程设计指导书》中表3-6取f?=0.2
G—移动部件重量，G=700N
Fy?4576.45N，Fz=1144.11N，
代入公式计算得
Fm?1.1?1144.11?0.2?(4576.45?2?1830.58?700)?3389.27N?345.84kgf
2.3.2滚珠丝杠副主要尺寸参数及预选 （1）公称直径D0(mm)
D0?130L
L—滚珠丝杠总长（mm） 由已知条件L=1.2m
D0?130L=(130)?1200?40mm
取D0?40mm （2）基本导程LO
丝杠导程LO即为丝杠螺距ts，初取LO=6mm （3）滚珠工作圈数j或列数k
通常外循环螺旋副都是多圈单列，k=1。
- 8 -
2.3.3滚珠丝杠副最大动负荷计算
C?3LfwFm
最大切削进给速度Vfmax?0.6m/min 最大切削力条件下的进给速度
Vs?(1/2?1/3)Vfmax?(1/2?1/3)?0.6m/min?(0.3~0.2)m/min 取vs?0.30m/min
滚珠丝杠转速n?1000vs，其中L0?6mm，则vs?50r/min L060?n?T，其中使用寿命T=15000h，则L?54(106转) 610滚珠丝杠寿命值L?最大动负荷C?3LfwFm，
其中运转状态系数fw按照《专业课程设计指导书》中表3-7取fw?1.3 故C?354?1.3?3389.27?16654.87N?1699.48kgf 2.3.4滚珠丝杠副最大静负荷计算
当滚珠丝杠副在静态或低速情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生塑性变形，当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作，一般允许其塑性变形量不超过滚珠直接的万分之一。产生这样大的塑性变形量时的负载称为允许的最大静负载
C0?fs?Fmax
fs—静态安全系数，按照《专业课程设计指导书》中表3-8取fs?2 Fmax—滚珠丝杠的最大轴向负载力，Fmax=1144.11N C0?fs?Fmax?2?1144.11N?2288.22N?233.49kgf
2.3.5滚珠丝杠螺母副型号初选及主要参数列表
（1）滚珠丝杠螺母副分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式，其中螺旋槽式工艺简单，螺母外径尺寸较小，故选这种。
（2）滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧
普遍采用的预紧方式有双螺母垫片预紧调整式、双螺母螺纹预紧调整式和双螺母齿差预紧调整式。本设计采用双螺母螺纹预紧调整式。
（3）滚珠丝杠副型号初选及主要参数列表
当根据系统结构选定滚珠丝杠副结构类型后，就可以按照附录C中表C-1至C-4所示各系列尺寸选
'择滚珠丝杠副的型号。条件为：C?C',C0?C0，除此之外还要求：D0?130L
L=1200mm，根据D0的尺寸系列初选D0=40mm，再根据《专业课程设计指导书》表C4选WL4006型，外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列3.5圈，精度等级5级。
''查表得，C'?2070kgf,C0?8090KGFC0?5780kgf，由于C?16654.87N?1699.48kgf，
C0?2288.22N?233.49kgf，故满足条件。
- 9 -
主要尺寸如下表所示：
螺纹 滚道 名 称 公称直径 导程（螺距） 接触角 钢球直径 螺纹滚道 法面半径 偏心距 螺纹升角 丝杠 丝杠外经 丝杠内经 螺母 螺母外径(外循环） 螺母内经(外循环） 符 号 计算公式（mm） 40mm 6mm D0 L0(ts) ? d0 R 45? 3.969mm R?0.52d0?2.064mm e?(R?d0/2)sin??0.056 e ? d r?arctg(L0/?D0)?87.270 d?D0?(0.2~0.25)d0?39.01mm d1?D0?2e?2R?35.984mm D?D0?2e?2R?44.016mm D1?D0?(0.2~0.25)d0?40.99mm d1 D D1
2.3.6进给系统计算简图绘制
- 10 -