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1、 長春理工大學光電信息學院本科生畢業(yè)設計 第V頁 C6140普通機床數(shù)控改造及橫縱向進給系統(tǒng)設計 摘要 中國是一個傳統(tǒng)的機械制造大國，但其裝備水平落后，特別是一些老的機械制造廠大多還是比較舊的機床，遠遠不能滿足加工的要求。針對目前制造業(yè)的技術裝備現(xiàn)狀，用現(xiàn)代先進技術對大批故障機床尤其是一大批閑置的普通機床進行改造、升級，以較小的投入盡快使這批設備在經濟發(fā)展中發(fā)揮效能、創(chuàng)造效益，的確是許多企業(yè)的一項不可忽視的課題，是我國制造業(yè)的發(fā)展方向。本課題是針對CA6140普通廢舊車床進行數(shù)控化改造，其現(xiàn)實意義在于如何尋找一種可行的、有推廣價值的設備改造方法，對傳統(tǒng)機械制造行業(yè)的技術裝備進行技術提升，

2、以解決目前設備老化所帶來的問題。本課題研究過程中，首先對目前工廠所使用的常規(guī)數(shù)控機床進行了全面的調查和分析。在結合原C6140車床本身的結構和運動特性，對其主傳動部分進行重新計算設計，設計出符合改造要求的主傳動系統(tǒng)，在滿足正常加工的條件下，選擇合適的動力與控制系統(tǒng)，使整個主傳動系統(tǒng)能在控制系統(tǒng)下完成設計所要求動力運轉。 關鍵詞: 滾珠絲杠；滾珠絲杠螺母副；單片機；步進電機。 Transformation of ordinary C6140 CNC vertical and horizontal feed system design Abstract: China is a tr

3、aditional machine manufacture great nation, however, its equipment level falls behind, In particular, in some Engineering works, and most of the machine is quite old, far from enough to meet the requirements of processing. In view of present manufacturing industrys technical equip present situation,

4、 makes the transformation, the promotion particularly with the modern vanguard technology to a large quantities of breakdown engine bed large quantities of idles ordinary engine bed, enables this batch of equipment by the small investment to display the potency, the creation benefit as soon as possi

5、ble in the economic development, indeed is a many enterprises noticeable topic, is our country manufacturing industry development direction .This topic is aims at CA6140 the ordinary worn out lathe to make the numerical control transformation, how does its practical significance lie in seeks for one

6、 kind feasible, to have the promoted value equipment to transform the method, carries on the technical promotion to the traditional machine manufacture professions technical equip, solves the problem which the present equipment gets older brings. In this topic research process, the first convention

7、numerically-controlled machine tool which used for the present factory has carried on the comprehensive investigation and the analysis. In unifies the original C6140 lathes structure and the state of motion, carries on the recompilation design to its master drive part, designs conforms to the modifi

8、cation requirement master drive system, in satisfies the normal processing under the condition, chooses the appropriate power and the control system, enables the entire master drive system to complete the design under the control system to request the power revolution. Keywords: Ball screw;Ball t

9、he screw nut is auxiliary;Monolithic machine; Step-by-step electric motor.  目 錄 1 緒論 1 1.1 機床數(shù)控技術簡介 1 1.2 數(shù)控機床的產生和發(fā)展 1 1.3 普通機床數(shù)控改造意義 2 1.3.1 普通機床數(shù)控改造的好處： 3 1.3.2 機床數(shù)控化改造的市場 4 1.3.3 數(shù)控改造基本步驟 4 2 總體方案設計 6 2.1 設計任務 6 2.2 確定總體方案 7 2.2.1 伺服系統(tǒng)方案的確定 7 2.2.2 執(zhí)行機構傳動方式的確定 7 2.2.3

10、 單片微機控制方案確定 8 3 機床進給伺服系統(tǒng)設計計算 9 3.1 運動參數(shù)計算 9 3.2 系統(tǒng)脈沖當量選擇及切削力確定 9 3.2.1 脈沖當量選擇 9 3.2.2 縱車外圓 10 3.2.2 橫切端面 10 3.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 10 3.3.1 滾珠絲杠的選型 10 3.3.2 縱向進給絲杠的計算 10 3.3.3 橫向進給絲杠 14 3.4 齒輪傳動比計算 18 3.4.1 縱向進給齒輪箱傳動比計算 18 3.4.2 橫向同步齒形帶傳動比計算 18 4 步進電機的選型和計算 20 4.1 步進電機的特點與種類 20

11、 4.2 步進電動機的選用原則 21 4.3 縱向步進電機的計算 22 4.3.1 等效轉動慣量計算 22 4.3.2 電機力矩計算 23 4.3.3 計算步進電機空載啟動頻率和切削時的工作頻率： 25 4.4 橫向進給步進電機計算和選型 26 4.4.1 等效轉動慣量計算 26 4.4.2 電機力矩計算 27 4.4.3 計算步進電機空載啟動頻率和切削時的工作頻率： 30 5 控制系統(tǒng)的方案設計 31 5.1 單片微機控制方案確定 31 5.2 控制系統(tǒng)的作用及要求 32 5.2.1 控制系統(tǒng)作用. 32 5.2.2 基本要求 32

12、5.3 控制系統(tǒng)硬件電路的設計 32 5.4 控制電路部分軟件的設計 34 5.4.1 存儲器與I/O芯片地址分配 34 5.4.2 控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序 34 5.4.3 8255芯片初始化程序 35 5.4.4 8289芯片初始化程序 36 5.5 步進電機的控制與驅動 36 5.5.1 開環(huán)步進電機控制 36 5.5.2 軟件環(huán)形分配 36 5.5.3 步進電動機的運動控制程序 37 6 經濟技術分析及環(huán)保 40 6.1 機床改造技術分析 40 6.2 機床改造的環(huán)保問題 41 結束語 42 致謝 43 參考文獻： 44

13、 長春理工大學光電信息學院本科生畢業(yè)設計 第45頁 1 緒論 1.1 機床數(shù)控技術簡介 隨著科學技術的飛速發(fā)展和經濟的競爭的日趨激烈，產品更新速度越來越快，復雜形狀的零件越來越多，精度要求越來越高，多品種、中小批量生產的比重明顯增加。激烈的市場競爭使產品研制生產周期越來越短。傳統(tǒng)的加工設備和制造方法以難于適應這種多樣化、柔性化與復雜形狀零件的高效質量加工要求。因此近幾十年來，世界各國十分重視發(fā)展能有效解決復雜、精密、小批多變零件的數(shù)控加工技術。 機床數(shù)控技術是應用數(shù)字化代碼程序，控制機床實現(xiàn)自動化加工的柔性自動化控制技術。數(shù)控技術的應用是將傳統(tǒng)的機械制造與微電子、計算機、信息

14、處理、現(xiàn)代控制理論、檢測技術以及光電磁等多種科學技術融為一體的機電一體化技術，使制造業(yè)成為知識密集的大科學范疇的現(xiàn)代制造業(yè)，其生產規(guī)模沿著“小批量→少品種大批量→多品種變批量”的方向發(fā)展。數(shù)控技術的利用關系到國家的戰(zhàn)略地位，是體現(xiàn)國家綜合實力的重要基礎性產業(yè)，其水平高低是衡量一個國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標志，實現(xiàn)加工機床及生產過程數(shù)控化，已成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向。 1.2 數(shù)控機床的產生和發(fā)展 20世紀50年代美國研制出第一臺數(shù)控機床，數(shù)控機床及其數(shù)控技術經歷了半個多世紀的發(fā)展。1959年，由于在計算機行業(yè)中研制出晶體管元件，在數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印刷電路板，從而跨入了第二代。

15、1965年，出現(xiàn)小規(guī)模集成電路，由于它體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進一步提高。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。尤其是近20年，由于微處理器和微電子技術的發(fā)展，使數(shù)控機床的性能價格比有了極大的提高，這不僅提高了產品的質量和效率，縮短了生產周期，改善了生產環(huán)境。 我國從1958年開始研制數(shù)控機床，在研制和使用數(shù)控機床方面取的了一定成績。近年來，由于引進了國外的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的制造技術，使我國數(shù)控機床在品種、數(shù)量和質量方面得到了迅速的發(fā)展。目前我國已有幾十家機床廠能夠生產不同類型的的機床和加工中心。我國經濟型數(shù)控機床的研究、生產和推廣工作也取得了較大進展，他必須對我國各行業(yè)的技術改造起積極的推

16、廣作用。當前，國內外在數(shù)控裝置、機床結構等的研究與開發(fā)方面不斷取得成果出現(xiàn)了新的發(fā)展特點。從數(shù)控系統(tǒng)方面看，主要有： （1）主控機向著多位的微處理機化發(fā)展。 （2）數(shù)控裝置向著集成化和智能化的方向發(fā)展。 （3）數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化結構。 （4）數(shù)控編程更加圖形化和自動化。 （5）數(shù)控系統(tǒng)更加可靠和宜人化。 在數(shù)控機床的結構方面，一是其驅動裝置正向著交流和數(shù)字化的方向發(fā)展；二是機床床體部分的設計和制造不斷選用新的材料；三是其加工刀具等輔助工具的材料引人注目。 1.3 普通機床數(shù)控改造意義 機床數(shù)控化改造，顧名思義就是在機床

17、上增加微型計算機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預定的加工工藝目標。 眾所周知，企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、得到發(fā)展,就必須在最短的時間內以優(yōu)異的質量、低廉的成本,制造出滿足市場需求、性能合適的產品。目前,采用先進的數(shù)控機床已成為我國制造技術發(fā)展的總趨勢。購買新的數(shù)控機床是提高數(shù)控化率的主要途徑,而改造舊機床、配備數(shù)控系統(tǒng)把普通機床改裝成數(shù)控機床也是提高機床數(shù)控化率的另一條有效途徑。機床數(shù)控化改造的市場目前在我國有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機床數(shù)控化率不到3％。用普通機床加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高等不良因素，直接影響一個企業(yè)的產品、市場、效益，影響企業(yè)

18、的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。 近年來，美國、日本、德國、英國等發(fā)達國家，在制造大量數(shù)控機床的同時，也非常重視對普通機床的數(shù)控化改造，機床的技術改造市場十分活躍。機床改造業(yè)正逐步從機床制造業(yè)中分化出來，形成了用數(shù)控技術改造機床和生產線的新的行業(yè)和領域。 1.3.1 普通機床數(shù)控改造的好處： （1）數(shù)控改造費用低，減少了投資額，經濟性好。數(shù)控改造費用僅為新購一臺數(shù)控機床費用的20%～30%， 機床的數(shù)控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省60%左右的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結構進行徹底改造升級也只需花費購買新機床6

19、0%的費用，改造后幾乎就是一臺新的數(shù)控機床，甚至精度會更好，因為舊機床床身不會再產生變形，并可以利用現(xiàn)有地基。 （2）力學性能穩(wěn)定可靠。所利用的床身、立柱等基礎件都是堅固的鑄造構件，而不是那種焊接構件，改造后的機床性能高、質量好，可以作為新設備繼續(xù)使用多年。數(shù)控化改造使原有的機械結構更為簡單。原有的手搖進給機構全部消失，這一方面可以提高精度，減少傳動鏈對精度的影響；另一方面可以減少機械故障率，提高運動的可靠性。因原機床各基礎件經過長期時效，幾乎不會產生應力變形而影響精度。 （3）熟悉了解設備、便于操作維修，降低了操作者的技術要求，更易提高管理水平。購買新設備時，不了解新設備是否滿足其加工要

20、求，改造則不然，可以精確的計算出機床的加工能力；另外由于多年使用，操作者對機床的特性早已理解，在操作和維修方面培訓時間短，見效快。改造機床一旦安裝好，就可以實現(xiàn)全負荷運轉。操作者只需要裝夾工件和按開關，加工全部由電腦控制自動完成，使在復雜的工件也能快速完成，省去了對技術要求的煩惱。同時提高定額管理水平。 （4） 提高生產效率。 機床經數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機床提高 3至5倍。對復雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產準備周期。 （5）可以利用最新的控制技術?？梢愿鶕夹g革新的發(fā)展速度，及時地提高生產設備的自動化水

21、平和效率，提高設備的質量和檔次，將舊機床改成當今水平的機床。自動化程度高，專業(yè)性強，加工精度高，生產效率高，提高了生產率，減少了勞動強度。 （6）增強了功能，如圓弧加工，錐度加工，這是傳統(tǒng)加工難于實現(xiàn)的。 （7）交貨期短，可以滿足生產急需。 1.3.2 機床數(shù)控化改造的市場 （1）機床數(shù)控化改造的市場 我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國數(shù)控化率不到3%。近10年來我國數(shù)控機床年產量為3萬～4萬臺，年產值約為70億元，機床的年產量數(shù)控化率不到6%。我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大多數(shù)是傳統(tǒng)機床，而且半數(shù)以上的就機床。用這種裝備加工

22、出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長等缺點，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。 （2）進口設備和生產線的數(shù)控化改造市場 我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術、設備和生產線進行技術改造。這些為我國的經濟建設發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于中中原因，設備或生產線不能正常運轉甚至癱瘓，使企業(yè)的效益收到影響。一些設備、生產線從國外引進以后，由于備件不全，維護不當，結果運轉不良。有的已引進較長時間需要進行技術更新。 這些不能使用的設備、生產線是一批很大的存量資產，修好了就是財富。只要找出主要技術難點，解決關

23、鍵技術問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產，爭取最大的經濟效益和社會效益 1.3.3 數(shù)控改造基本步驟 將普通機床改造為數(shù)控機床，是一項技術性很強的工作，必須根據加工對象的要求和工廠實際情況，確定切實可行的技術改造方案，搞好機床的改造設計。其改造設計的一般過程如下： 1、對加工對象進行工藝分析，確定工藝方案被加工工件既是機床改造的依據，又是機床改造后加工的對象。不同形狀，不同技術要求的工件，其加工方法就不同，對機床的要求也不相同。例如，對于圓柱形狀的零件可用車削、外圓磨等方法加工，而平面則一般用銑削，平面磨等方法加工；對精度、表面粗糙度要求一般的外圓柱表面，常用車削加工；而

24、精度高和表面粗糙度要求低時則要在外圓磨床上加工。在工藝分析基礎上，繪制工序圖，初步選定切削用量、刀具運動路線，計算（或估算）生產率。然后計算切削力及切削功率，從而計算出進給系統(tǒng)需要的功率和力矩等。這是選擇方案及驅動部件的依據，目前多用類比法或測定法完成。 2、分析被改造機床，確定被改造機床類型。改造機床和設計機床是不同的，機床設計是根據設計任務書，對機床的整機進行設計，然后將機床的各組成零、部件逐一地制造，最后裝成機床；而機床改造則是圍繞某臺機床進行工作，不僅要考慮機床本身結構的改造，還要考慮工藝系統(tǒng)中的刀具、夾具及其它輔具的改進，以滿足生產的需要。在制定機床改造方案時，可先根據制定

25、的工藝方案，初步選定被改造機床的類型，然后對被選定的機床進行認真分析，了解被改造機床的技術規(guī)格，技術狀況，各部聯(lián)系尺寸等，分析機床強度和剛度，分析被改造機床能否適應改造要求以及經濟性等。最后確定被改造機床的型號。 3、擬定技術措施，制定改造方案。根據加工對象的要求和被改造機床的實際情況，擬定應采取的技術措施，制定出機床的改造方案，選用外購件時，一定要保證質量。在擬定技術措施，制定改造方案的過程中，應充分進行技術經濟分析，力求使改造的機床不僅能滿足技術性能的要求，還要獲得最佳的經濟效益，使技術的先進性與經濟的合理性較好地統(tǒng)一起來。 4、設計或選用數(shù)控裝置。在滿足加工零件要求的

26、同時，盡量使設計的數(shù)控裝置功能強，穩(wěn)定可靠，通用性好，價格低，或選用國內生產較好的專用數(shù)控裝置。 5、進給機床改造的技術設計。 6、繪制機床改造的工作圖。 7、整機安裝調試。 以上各步，并非一成不變，而是要根據實際情況，相互穿插，有時要反復進行，直至達到要求為止。 本次畢業(yè)設計的內容就是：c6140簡易數(shù)控化改造對橫縱向伺服進給系統(tǒng)進行了滾珠絲杠副傳動，步進電機驅動、單片微機控制的數(shù)控改造。 2 總體方案設計 2.1 設計任務 將CA6140普通車床改造成用MCS-51系列單片機控制的經濟型數(shù)控機床，采用步進電機開環(huán)控制，縱向和橫向均具有直線

27、和圓弧插補功能。要求該車床具有自動回轉刀架，具有切削螺紋的功能。 設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。 （1）普通車床數(shù)控化改造后應具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。 （2）車床數(shù)控化改裝后屬于經濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下應簡化結構、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）根據普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經濟性要求，經濟型數(shù)控機床一般采用8位微機。在8位微機中，MCS—51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強

28、、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性價比，因此，可選 MCS—51系列單片機擴展系統(tǒng) （4）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應滿足機床所要求的分辨率。 （5）為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應有預緊機構，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應有消除齒側間隙的機構。 （6）采用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力。 （7）根據系統(tǒng)的功能要求，微機數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴展程序存儲器，擴展數(shù)據存儲器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據和機床狀態(tài)信息的顯示器，包括

29、光電隔離電路和步進電機驅動電路，此外，系統(tǒng)中還應包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。其原理如圖2.1： 圖 2.1 主要給定設計參數(shù)如下： 工件最大加工直徑： 在床面上 ： 400mm 工件最大長度： 1500mm 刀架快移速度： 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/min 最大進給速度： 縱向 0.6m/min 橫向 0.3m/min 主電機功率： 7.5kw 2.2 確定總體方案 2.2.1 伺服系統(tǒng)方案的確定

30、 由于改造后的經濟型數(shù)控車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能，所以應該選用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到經濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.2.2 執(zhí)行機構傳動方式的確定 為了實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動絲杠。為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負載荷的結構。傳動齒輪縱向采用消除齒側間隙的結構。橫向采用齒形帶。 2.2.3 單片微機控制方案確定 根據機床要求，采用8位機。由于MCS—51系列單片機的特點

31、之一是硬件設計簡單，系統(tǒng)結構緊湊。對于簡單的應用場合，MCS—51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片8031外擴一片EPROM就能滿足功能的要求，對于復雜的應用場合，可以利用MCS—51的擴展功能，構成功能強、規(guī)模較大的系統(tǒng)。所以應選用8031單片機 3 機床進給伺服系統(tǒng)設計計算 3.1 運動參數(shù)計算 主運動參數(shù) 對于通用機床，由于完成的工序范圍較廣，又要適應一定范圍的不同尺寸和不同材質零件的加工需要，需求主軸有不同的轉速。 1.最高轉速和最低轉速的確定 = 式中的、可根據切削用量手冊和車床適用情況確

32、定，C6140車床可取200m/min, 取15m/min對于通用機床一般取 ; 式中 D — 機床加工的最大直徑 K — 系數(shù)，根據對現(xiàn)有同類機床適用情況的調查確定，設計車床K=0.5; — 計算直徑范圍，通常=0.2~0.25 =0.5 =0.25 ==r/min 根據實際需要和發(fā)展的儲備最后確定=1300r/min,同理r/min 3.2 系統(tǒng)脈沖當量選擇及切削力確定 3.2.1 脈沖當量選擇 脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù)。經濟型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當量是0.01~0.005mm/脈沖,根據機床精度要求確定脈沖當

33、量,縱向:0.01mm/步 橫向：0.005mm/步 3.2.2 縱車外圓 由機床設計手冊知道而且類比同規(guī)格車床，主切削力F按經驗公式估算 F=0.67D =0.67=5360N 按切削力各分力比例 F: Fx: Fy=1: 0.25: 0.4 Fx=1340N Fy=2144N 3.2.2 橫切端面 橫切端面時主切削力可取縱向主切削力的1/2 主切削力=F=2680N 仍按上述比例計算： F: Fx: Fy =1: 0.25: 0.4 Fx=26800.25=670N Fy=26800.4=1072N 3.3 滾珠絲杠螺母副的

34、計算和選型 3.3.1 滾珠絲杠的選型 滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。珠絲杠滾副的預緊方法有：雙螺母墊片式預緊，雙螺母螺紋式預緊，雙螺母齒差式預緊，單螺母變導程預緊以及過盈滾珠預緊等幾種。 3.3.2 縱向進給絲杠的計算 1..絲杠導程的確定 絲杠導程的選擇一般根據設計目標快速進給的最大速度和伺服電機的最高轉速及電機絲杠的傳動比i確定?；窘z杠導程應該滿足下式 ==4.6mm 根據設計需要初選L0=6mm 2. 計算進給牽引力Fm(N) 滾珠絲杠的工作載荷Fm（N）是指滾珠絲杠副的在驅動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進給牽引力。

35、它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。由于原普通CA6140車床的縱向導軌是綜合導軌，則用下面計算 托板上的進給方向載荷 F1=Fx=1340(N) 托板上的垂直方向載荷 Fv=Fz=5360(N) 托板上的橫向載荷 Fc=Fy=2144(N) 工作載荷的大小: Fm = KFx+ (F+G) =1.151340+0.17(5360+980) =2555N 式中 K — 考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)，綜合性導軌取K=1.15； — 滑動導軌摩擦系數(shù)：0.15~0.

36、18取=0.17 G — 縱向﹑橫向溜板箱和刀架的重量，選縱向溜板箱的重量為80kg,刀架重量為20kg. G=980N 3. 計算最大動負載C C = = 式中 Vs — 最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的—，此處取 Vs=0.6=0.3 —預期工作壽命，可取=16000h fw — 載荷性質系數(shù)其取值由表4.1得取fw=1.3 fa — 精度系數(shù)其取值由表4.2知取fa=0.9 fc — 可靠性系數(shù)其取值由表4.3知取 fc=1 載荷性質 無沖擊 輕微沖擊 伴有沖擊和振動 1~1.2 1.2~1.5

37、1.5~2 表4.1載荷性質系數(shù) 精度等級 1，2，3 4，5 6，7 fa 1 0.9 0.8 表4.2精度系數(shù) 可靠性/% 90 95 96 97 98 99 fc 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 表4.3可靠性系數(shù) n = = = 50r/min C = = 4. 滾珠絲杠螺母副的選擇 初選滾珠絲杠為：外循環(huán)，因為內循環(huán)較外循環(huán)絲杠貴，并且較難安裝?？紤]到簡易經濟改裝，所以采用外循環(huán)。 據《機械設計手冊》（化學工業(yè)出版社出版發(fā)行）第三版第3卷。根據計算出來的最大動載荷，選擇漢江機床附件有限公司生

38、產的WL4006—2.5外循環(huán)墊片調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，其額定動負載為16083N,可滿足要求。 5. 傳動效率計算 = 式中r — 螺旋升角， r=` — 摩擦角取10取滾動摩擦，系數(shù)0.003 ~ 0.004. = ==94.2% 6.剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起導程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運動平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠和螺母之間滾道的接觸變形，絲杠的扭轉變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 本次設計絲杠安裝采用兩端固定，這種支撐的特點是剛度高，絲杠的軸向剛度為

39、一端固定的4倍，安裝時需保持螺母與兩端支撐同軸，絲杠一般不會受壓無壓桿穩(wěn)定問題。畫出此縱向進給滾珠絲杠支撐方式草圖 3.1所示： 圖3.1 最大牽引力為2555N，支承間距L=2000mm,絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的。 a.絲杠的拉壓剛度R1 滾珠絲杠的拉壓剛度是隨螺母在絲杠上的位置而變化的，最大值在端點處。 式中d2 — 絲杠螺紋底經d2=35.2 a — 滾珠螺母中點至軸承中點的距離a=180 ==1248.1N/m 由于兩端均采用推力球軸承，且絲杠又進行了預緊拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實際變形量為： R1

40、= R1 =1248.1 = 312 N/m b. 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 式中 — 絲杠剛度查手冊得=1080 FP —絲杠螺母預緊力FP=853 = N/m c. 支承滾珠絲杠軸承的軸向剛度 Rb 采用8206型推力球軸承，d1=30mm,滾動體直徑d=7.927mm,滾動體數(shù)量Z=14. RBo== Rb=2 RBo=2 N/m == 傳動系統(tǒng)的定位誤差m 0.8定位精度- -=0.815-2.6=9.4m 所選絲杠副精度等級為6m<9.4m 故所選絲杠合格。 7. 穩(wěn)定性校核 滾動絲杠兩端推力軸承，不會產生失

41、穩(wěn)現(xiàn)象不需要作穩(wěn)定性校核 3.3.3 橫向進給絲杠 1. 計算進給牽引力Fm 橫向導軌為燕尾槽形，計算如下： Fm=KFy+f(F1+2Fx+G) =1.45670+0.18(2680+21072+588)=1946N 式中 K — 考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)，燕尾槽導軌取K=1.45； f’ — 滑動導軌摩擦系數(shù)：0.18 G — 溜板及刀架重力：選縱向溜板箱的重量為40kg,刀架重量為20kg. G=588N 2. 計算最大動負載C C = n = 式中 初選L0=5mm Vs — 最大切削力下的進給

42、速度，可取最高進給速度的—，此處取 Vs=0.30.5=0.015 —預期工作壽命，可取=16000h fw — 載荷性質系數(shù)其取值由表4.1得取fw=1.3 fa — 精度系數(shù)其取值由表4.2知取fa=0.9 fc — 可靠性系數(shù)其取值由表4.3知取 fc=1 n = ==30 r/min C = =7238 3. 據《機械設計手冊》（化學工業(yè)出版社出版發(fā)行）第三版第3卷，W.L2005 1到2.5圈外循環(huán)螺紋預緊滾珠絲杠副，額定動載荷為8800可滿足要求，選精度3級 4. 傳動效率計算 = 式中r — 螺旋升角，W.L4006 r=

43、 — 摩擦角取10取滾動摩擦，系數(shù)0.003 ~ 0.004. = ==0.964 5. 剛度計算 橫向進給絲杠仍然按兩端固定安裝，支撐方式如圖3-2所示 最大牽引力為2023N,支承間距L=450mm因絲杠長度較短，不需預緊，而螺母及軸承預緊計算如下： （1）絲杠的拉伸或壓縮變形量1（mm）查手冊根據Fm=1946N,D0=20mm查的=3.9 1==3.9=0.0176 圖3-2 （2）滾珠與螺紋滾道間接觸變形2,查手冊， = 8.6m 因進行預緊2 =

44、=8.6=0.0043mm （3）支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 3 采用8202型推力球軸承d=0.5H=6 取Z=10 c=0.0024=0.0024=0.0094mm 考慮到進行了預緊，故3=c=0.0047mm 綜合以上幾項變形量之和： =1+2+3=0.0176+0.0043+0.0047=0.0266mm顯然此變形量已大于定位精度要求，應該采取相應的措施修改設計，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導軌減少摩擦力，貼塑導軌的摩擦系數(shù)在0.03~0.05之間，在此取=0.03，從而減少最大牽引力

45、，重新計算如下： Fm =1.4F+ =1.4)=1138N 查手冊，F(xiàn)m =1138N，=2.2 1==2.2=0.9910mm 2和3不變 則=1+2+3=0.0099+0.0043+0.0047=0.0189mm定位精度為0.015，故此變量仍不滿足，如果將滾珠絲杠在進行預拉伸，則精度還可以提高4倍，則變形量。 =1+2+3=0.0099+0.0043+0.0047=0.0115mm 0.0115mm<0.015所以滿足要求 6. 穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定

46、而產生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為Fk 式中：E——材料彈性模量 鋼：E=20.6N/cm： I——截面慣性距（cm4） 絲杠：I=，為絲杠內徑； L——絲杠兩支撐端距離（cm）; ——絲杠支撐方式系數(shù)，查手冊知兩端固定=4.00 I= = = （一般=2.5 ~ 4）所以絲杠很穩(wěn)定 3.4 齒輪傳動比計算 3.4.1 縱向進給齒輪箱傳動比計算 已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程L0=6mm.初選步進電機步距角0.75o.可計算出傳動比 可選定齒輪齒數(shù)

47、為: 或 、或、 選 Z1=32 , Z2=40 ,模數(shù)m=2 齒寬 b=20mm 壓力角α=20 齒輪的直徑 d1=mz1=232=64mm d2=mz1=240=80mm dα1=d1+2ha*=68mm dα2=d2+2ha*=84mm 則中心距A=/2=72 3.4.2 橫向同步齒形帶傳動比計算 （1）模數(shù)的選擇 根據經驗選擇，初選m=1.5 （2）帶輪的最小直徑D 此直徑不是直接選定，而是由其最小齒數(shù)控制，查手冊得=14.所以應大于14 （3） 大小輪齒幾何參

48、數(shù)定 已知橫向進給脈沖當量=0.005、滾珠絲杠導程L0=5mm、初選步進電機步距角0.75，可以計算出傳動比： ==0.48 可選齒數(shù) 即 （4）初選中心距 因中心距未給定，這可按下式確定 0.5（ D1.D2 — 小輪和大輪分度圓直徑（mm）,即0.5.選A0=80mm （5） 確定帶長L 中心距初選后，按下式初選后帶長： ==339.02 則帶的齒數(shù) 圓準到標準化的齒

49、數(shù)值=70，L=329.9 （6）最終確定中心距A =75.24mm 4 步進電機的選型和計算 4.1 步進電機的特點與種類 1．根據設計方案確定 本次設計采用步進電機實現(xiàn)的開環(huán)驅動，伺服進給系統(tǒng)中設有位移檢測反饋裝置。數(shù)控裝置的指令直接通過驅動裝置控制步進電機的運轉，然后通過機械傳動系統(tǒng)化為刀架或工作臺的位移。 2．步進電機的特點 步進電機又稱脈沖電機。它是將電脈沖信號轉換成機械角位移的執(zhí)行元件。每當輸入一個電脈沖時，轉子就轉過一個相應的步距角。轉子角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步。只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機

50、繞組通電相序即可獲得所需的轉角、轉速及轉向。 步進電動機具體有以下特點： 工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電壓波動、電流大小與波形變化、溫度等)的影響； (1)步進電動機的步距角有誤差，轉子轉過一定步數(shù)以后也會出現(xiàn)累積誤差，但轉子轉過一轉以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?； (2)由于可以直接用數(shù)字信號控制，與微機接口 比較容易； (3) 控制性能好,在起動、停止、反轉時不易“丟步”； (4)不需要傳感器進行反饋，可以進行開環(huán)控制； (5)缺點是能量效率較低。 3．步進電機種類 就常用的旋轉式步進電動機的轉子結構來說，可將其

51、分為以下三種： （1）可變磁阻(VR-Variable Reluctance),也叫反應式步進電動機 （2）永磁(PM-Permanent Magnet)型 （3）混合(HB-Hybrid)型 4．根據設計需要 本次設計選用可變磁阻步進電機，即反應式步進電機。 結構原理：該類電動機由定子繞組產生的反應電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉子作步進驅動，故又稱作反應式步進電動機。其結構原理如圖4.1定子1上嵌有線圈，轉子2朝定子與轉子之間磁阻最小方向轉動，并由此而得名可變磁阻型。 圖4.1可變式阻步進電機 4.2 步進電動機的選用原則 選用步進電動

52、機時，通常希望步進電動機的輸出轉距，啟動頻率和運行頻率高，步距誤差小，性能價格比高。但增大轉距也快速運行存在一定矛盾，高性能也低成本存在矛盾，因此實際選用時，必須全面考慮。 首先，應考慮系統(tǒng)的精度和速度的要求。為了提高精度，希望脈沖當量小。但是脈沖當量越小，系統(tǒng)的運行速度越低。故因兼顧精度也速度的要求來選定系統(tǒng)的脈沖當量。在脈沖當量確定以后，又可以為依據來選擇步進電動機的步距角和傳動機構的傳動比。 其次，對位移誤差的要求。步進電動機的步距角從理論上說是固定的，但實際上還是有誤差的。此外，負載轉距也將引起步進電動機的定位誤差。應將步進電動機的步距誤差、負載引起的定位誤差和傳動機構的誤差全部考

53、慮在內，使總的誤差小于數(shù)控機床允許的定位誤差。 第三，步進電動機的特性曲線對步進電動機參數(shù)選擇有影響的特性曲線包括：起動距頻特性曲線和反映轉距也連續(xù)運行頻率之間關系的工作距頻特性曲線。 第四，步進電動機的選擇既要滿足快速進給的要求，又要滿足切削進給的要求。在這兩種情況下，對轉距和進給速度有不同的要求。若要求進給驅動裝置有如下性能：在切削進給時的轉距為 ,最大切削進給速度為v,在快速進給時的轉距為 ，最大快速進給速度為. 4.3 縱向步進電機的計算 4.3.1 等效轉動慣量計算 計算簡圖見圖3-1，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下式計算： 式中 — 步進電機轉子

54、轉動慣量（ ,— 齒輪Z1,Z2的轉動慣量 — 滾珠絲杠轉動慣量（ 1.參考同類機床，初選反應式步進電機150BF其轉子轉動慣量=10（. 2.齒輪的轉動慣量計算： 式中 D---圓柱形零件的直徑,cm L---零件的軸向長度,cm 3滾珠絲杠轉動慣量 G=980N 代入上式得： = =42.831 4.3.2 電機力矩計算 機床在不同的工況下，其所需轉距不同，下面分別按各階段計算： （1）快速空載起動力矩M起 在快速空載起動階段，加速力矩占得比例較大，具體計算公式如下：

55、 Mamax — 空載啟動時折算到電動機軸上的加速度力矩; Ma — 折算到電動機軸上的加速度力矩; Mf — 折算到電動機軸上的摩擦力 Mo — 由絲杠預緊所引起,折算到電動機軸上的附加摩擦力矩; — 起動加速時間 η — 傳動效率取η=0.8，， ηo — 絲杠未預緊時的效率，取0.9 將前面數(shù)據帶入： = = ==95 = 上述三項合計：

56、 =743.1+95+13.15=851.25 （2）快速移動時所需力矩： （3）最大切削負載時所需力矩： =108.15+ 從上面計算可以看出，.和三種情況下，以快速空載啟動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據。 查手冊知當步進電機為五相十拍時。 最大靜力矩從手冊查出，130BF001型最大靜轉矩為931N.m,大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號，但是必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。圖4.1為130BF001電機實圖以及技術參數(shù)。 圖4.1 4.3.3 計算步進電機空載啟動頻率和切削時的工作

57、頻率： 130BF001電機頻矩特性如圖4.2 （a） 130BF001型起動矩頻特性 （b）130BF001型運行矩頻特性 圖4.2 步進電機啟動時，=2400Hz時，M=90N.cm，還不能滿足此機床所 求的空載起動力矩（758.08）直接使用則會產生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（軟件實現(xiàn)），將起動頻率降到1000Hz時起動力矩可增大到387.6N.cm,然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右，當快速運動和切削進給時，130BF001的運行矩頻率性完全滿足要求。 4.4 橫向進給步進電機計算和選

58、型 4.4.1 等效轉動慣量計算 計算簡圖見圖3-2，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下式計算： 式中 — 步進電機轉子轉動慣量（ ,— 齒輪Z1,Z2的轉動慣量 — 滾珠絲杠轉動慣量（ 1.參考同類機床，初選反應式步進電機90BF其轉子轉動慣量=1.8（. 2.齒輪的轉動慣量計算： 式中 D---圓柱形零件的直徑,cm L---零件的軸向長度,cm 3滾珠絲杠轉動慣量 G=588N 代入上式得： = =6.79 考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配 ==0.265 基本滿足

59、慣量匹配的要求 4.4.2 電機力矩計算 （1）快速空載起動力矩M起 在快速空載起動階段，加速力矩占得比例較大，具體計算公式如 將前面數(shù)據帶入： = 起動加速時間 = 折算到電機軸上的摩擦力矩： ==24.86 附加摩擦力矩M0 = 上述三項合計： =118.45+24.86+4.46=147.77 （2）快速移動時所需力矩： （3） 最大切削負載時所需力矩：

60、 =24.86+4.46+ =40.77 從上面計算可以看出，.和 三種情況下，以快速空載啟動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據。 最大靜力矩從手冊查出，90BF002型最大靜轉矩為3.92N.m,大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號，但是必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。圖4.3是90BF002步進電機實圖和技術參數(shù)： 圖4.3 4.4.3 計算步進電機空載啟動頻率和切削時的工作頻率： 當帶負載起動時，所允許的起動控制頻率會大大下降，它反映了電機跟蹤的快速性，且隨負載慣量的增加而下降。步進電動

61、機帶動慣性負載時的起跳頻率與負載轉動慣量之間的關系為慣-頻特性。 除慣性負載之外，還有外負載轉矩，則起跳頻率將會進一步下降。 90BF002型步進電動機的啟動矩頻特性曲線和運行矩頻特性如圖4.4 圖4.4 5 控制系統(tǒng)的方案設計 5.1 單片微機控制方案確定 參考同類車床，以及相關要求選用了MCS-51系列單片機（選用8031芯片），擴展一片6264芯片，二片2764芯片，三片8155可編程并行I/O口，并用軟件環(huán)形分配器。 MCS-51單片機基本特性： 1.片內存儲容量較小:原因是受集成度的限制.ROM一般小于8KB,RAM一般小于256B,但可以在外部

62、擴展.通常ROM,RAM可分別擴展至64KB. 2.可靠性高: 因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的,故抗干擾的能力優(yōu)于PC機.系統(tǒng)軟件(如:程序指令,常數(shù),表格)固化在ROM中,不易受病毒破壞.許多信號的通道均在一個芯片內,故運作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠. 3.便于擴展: 片內具有計算機正常運行所必需的部件,片外有很多供擴展用的(總線,并行和串行的輸入/輸出)管腳,很容易組成一定規(guī)模的計算機應用系統(tǒng). 4.控制功能強: 具有豐富的控制指令:如:條件分支轉移指令,I/O口的邏輯操作指令,位處理指令. 5.實用性好: 積小,功耗低,價格便宜,易于產品化. 5.2 控制系統(tǒng)的作用及要求 5.

63、2.1 控制系統(tǒng)作用. 將來自傳感器的檢測信息和外部輸入命令進行處理，并按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應的指令控制整個機電一體化系統(tǒng)有目的地運行。它在機電一體化系統(tǒng)中所處的位置見圖5.1。 圖5.1 5.2.2 基本要求 （1）適用性，系統(tǒng)的性能必須滿足生產要求； （2）可靠性，系統(tǒng)能夠無故障運行的能力，硬件、軟件的容錯能力； （3）經濟性，在滿足任務要求的前提下，使系統(tǒng)成本盡可能低； （4）可維護性，檢測和維修方便； （5）可擴展性，使系統(tǒng)能在不做大的變動的條件下很快適應新的 5.3 控制系統(tǒng)硬件電路的設計 一個數(shù)控系統(tǒng)都有硬件與軟件兩部分組成，硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎，其

64、性能的好壞，直接影響整個系統(tǒng)的工作性能，有了硬件，軟件才可以有效的運行。數(shù)控機床的硬件電路主要由以下4個部分組成 （1）中央處理單元CPU （2）總線。包括數(shù)據總線（DB），地址總線（AB）,和控制總線（CB） （3）存儲器。包括只讀可編程存儲器與隨機讀寫存儲器 （4）I/O輸入/輸出接口電路 其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進行數(shù)據運算處理和控制各部分電路的協(xié)調工作。存儲器用于系統(tǒng)軟件，應用程序和運行中所需要的各種數(shù)據，I/O接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁?？偩€則是CPU與存儲器、接口以及其他轉換電路聯(lián)系的紐帶，是CPU與部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。 根據任務書要

65、求，設計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要根據以下功能： （1）接收鍵盤數(shù)據，控制ＬＥＤ顯示； （2）接收操作面板的開關與按鈕信號； （3）控制Ｘ、Ｚ向步進電機的驅動器； （4）接收車床限位開關信號； 控制系統(tǒng)原理框圖如下： 5.4 控制電路部分軟件的設計 5.4.1 存儲器與I/O芯片地址分配 5.4.2 控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序 系統(tǒng)設有五檔功能可以相互切換，分別是“編輯”、“空刀”、“自動”、“手動”、“回零”，選中某一功能時，對應的指示燈點亮，進入相應的功能處理?？刂葡到y(tǒng)的監(jiān)控管理程序流程圖如下： 5.4.3 8255芯片初始化程序 B255:

66、 MOV DPTR, #3FFFH ;指向8255的控制口地址 MOV A, #10001001B ;PA口輸出，PB口輸出，PC口輸入， 均為方式0 MOVX @DPTR,A ;控制字被寫入 MOV DPTR, #3FFCH ;指向PA口 MOV A, #0FFH ;預置PA口全“1” MOVX @DPTR, A ;輸出全“1”到PA口 MOV DPTR, #3FFDH ;指向PB口 MOV A, #0FFH ;預置PB口全“１” MOVX @DPTR, A ;輸出全“１”到ＰＢ口 RET 5.4.4 828