c6132数控改造__word版_允许修改

陕西理工学院 课程设计课程设计说明书C6132普通车床微机数控化改装设计学 院：机械工程学院班级：机自076姓 名： 肖争琦学 号： 0715014168指导教师：何亚银摘 要机床数控化改造的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机床急待更新的情况下，由于数控机床的加工能力和资金受限，对机床进行数控化改造是一条节约资金、快速有效的途径。 本文对C6132普通车床数控化改造进行了深入研究，包括对机床改造进行可行性分析、对机床关键部件参数的计算、对机床结构的设计、对机床改造方案优化选择、选择合适的机床伺服系统和计算机系统，以及在改造中应注意的事项等进行了详细的论述。结果表明:经改造后的机床已达到预期的功能和精度，完全能实现加工外圆、锥度、螺纹、端面等的自动控制，提高了原机床的生产效率，降低了劳动强度。 关键词:普通车床，数控改造，步进电机，经济型数控系统，MCS-51目 录第一章绪论.51.1 数控技术与数控机床.51.2 机床数控化改造的兴起及意义.51.2.1 国外机床改造业的兴起1.2.2 我国机床数控化改造的意义1.3 本文所研究的主要内容.6第二章车床总体改造方案设计.72.1 设计任务.72.2 主传动系统的改造.72.2.1 主轴无级变速的实现2.2.2 主轴脉冲编码器的安装2.3 横向进给传动系统的改造.92.3.1 系统的运动方式与伺服系统的选择2.3.2 机械传动方式2.3.3横向传动系统的改造2.3.4. 齿轮传动间隙的消除2.4 刀架部分的改造.112.5 导轨的改造.122.6 数控系统的类型及选择.122.6.1 数控系统的分类2.6.2 数控系统的选择2.7 计算机系统的选择.14第三章横向进给系统的设计计算.153.1 横切端面时切削力计算.153.2 横向滚珠丝杠螺母副的计算和选型.163.3 横向减速器设计.203.4 横向进给步进电机计算和选型.20第四章硬件电路设计.254.1 单片机数控系统硬件电路设计内容.254.2 MCS-51系列单片机简介.264.3 存储器扩展电路设计.264.3.1 地址锁存器的选择4.3.2 外部程序存储器的扩展4.3.3 外部数据存储器的扩展4.3.4 外部I/O接口电路的扩展4.3.5 键盘接口电路的设计4.4 译码电路设计.284.5 其他辅助电路设计.294.6 步进电机的控制.304.6.1 步进电机的工作原理4.6.2 步进电机的控制4.6.3 步进电机接口及驱动电路4.7 C6132普通车床微机数控化改装硬件设计说明.32第五章软件设计.345.1 总体方案设计.345.2 环形分配器软件设计.345.3 逐点比较法的直线插补软件设计.365.4 逐点比较法的圆弧插补软件设计.375.5 步进电机自动升降速控制.38设计心得.40致谢.41参考文献.42第一章 绪论 1.1 数控技术与数控机床 数控技术，简称数控(Numerical CorltrolNC)，是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控(Computer Numerical ControlCNC)。 采用了数控技术进行控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础，它很好地解决了形状结构复杂、精度要求高及小批量零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，降低工人劳动强度，大幅度提高生产效率。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。与普通机床相比，数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线的加工，加工精度和生产效率都比较高，因而应用日益广泛。 1.2 机床数控化改造的兴起及意义 1.2.1 国外机床改造业的兴起 在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造业作为新的经济增长行业，生气盎然，正处在黄金时期。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造成了一个“永恒的课题。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，这已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国,机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、DeVliegBuUavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有：大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机械公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。 1.2.2 我国机床数控化改造的意义 我国目前机床总量约400万台，其中数控机床总数只有20万台，即我国机床数控化率仅为5左右，而国外发达国家的机床数控化率，多年前就达到20以上。我国机床役龄10年以上的占60以上；役龄10年以下的机床中，自动半自动机床不到20，FMCFMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60以上)。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长等现象，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。 目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床来替换根本不现实，而且替换下来的旧机床闲置起来又会造成浪费，要解决这些问题，应走普通机床的数控化改造之路。从美国、日本等国家工业现代化进程看，机床的数控化改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。如日本的大企业中有26的机床经过数控改造，中小型企业则是74，在美国有许多数控专业化公司，为世界各地提供机床数控化改造服务。因此，普通机床的数控化改造不但有存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小型企业更是如此。 利用现有闲置的旧机床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数控机床，投资少、见效快，是一种盘活存量资产的有效方法，也是低成本实现自动化的有效方法，也是在短期内提高我国机床的数控化率的一条有效途径。 另外对普通机床进行数控化改造有许多积极的意义: 1）节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。 2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化,效率可比传统机床提高3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。 4）可实现多工序的集中,提高了相关的加工精度,同时减少了零件在机床间的频繁运转。 5）可缩短新产品试制周期和生产周期,对市场需求做出快速反应。机床数控化还是推行FMC、FMS以及CIMS等企业信息化改造的基础。 6）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床的加工状态。还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。 1.3 本文所研究的主要内容 1）根据数控化改造后车床所具备的功能，制订了车床总体改造方案，并绘制了改造后车床总体布置图； 2）为使改造后的车床主轴能够实现无级变速、正转、反转以及停止等功能，本次改造采用了变频器驱动主电机的方式，本文对主轴变频器的选用做了相应的说明；3）为使改造后的车床能够加工螺纹，改造时，拆除原来的挂轮架部分，在机床轴伸出端安装主轴脉冲编码器，本文对脉冲编码器的安装方法作了简要论述； 4）在利用聚四氟乙烯软带对原车床导轨贴塑的工作中，粘接工艺的好坏将直接影响改造后导轨的性能。本文对粘接工艺的控制作了简要论述； 5）在电气改造方面，设计了车床数控系统的硬件电路图，横向步进电机的计算和选型也作了详细阐述； 6）在机械改造方面，对纵横向伺服进给机构，特别是滚珠丝杠螺母副作了详细设计研究，并对数控转位刀架的安装和选用作了介绍； 7）在软件设计方面，对MCS-51单片机做了简要的介绍，并在8031单片机的基础上编制了相应的程序。第二章 车床总体改造方案设计 2.1 设计任务 在现有C6132车床的结构基础上，对机床横向进给系统进行数控改造，主传动系统保留。横向脉冲当量：0.005mm/step、定位精度：0.01mm、快移：3000mm/min 。设计参数如下： 最大加工直径： 在床身上 320mm 在刀架上 175mm 最大加工长度： 750mm 快进速度： 横向3000mm/min 最大切削进给速度： 横向 0.25m/min 溜板及刀架重力： 横向 500N 脉冲分配方式 逐点比较法 空载启动时间 25ms 输入方式 增量值、绝对值通用 最小指令值： 横向 0.005mm/脉冲 定位精度 0.01mm有自动升降速性能 2.2 主传动系统的改造 2.2.1 主轴无级变速的实现 C6132车床的主轴变速为手动、有级变速。考虑到数控车床在自动加工的过程中负载切削力随时会发生变化，为了保证工件表面加工质量的一致性、提高工件加工质量，主轴要能实现恒切削速度切削。这就要求主轴能实现无级变速。目前实现无级变速主要有两种方式，其一是采用变频器驱动电机的方式，同时保留原有的主传动系统和变速操纵机构，这样既保留了车床的原有功能，又减少了改造量；其二是用双速或者是四速电动机替代原有车床的主电动机。由于多速电机的功率是随着转速的变化而变化的，所以要选择功率较大一些的电动机，随之电动机的尺寸也变大了，机床改造相对较麻烦，另外在这种改造方式下，主传动系统也要拆除并进行重新设计，这样可以得到加工精度和稳定性更高的车床，但是加大了改造成本。 考虑到改造的成本，我决定采用第一种方式，这样可以利用原车床的三相异步电动机。即由数控系统控制变频器，变频器驱动异步电动机实现主轴无级变速。 交流异步电动机的转速与电源频率，电动机磁极对数nfp以及转差率之间的关系式为：对于C6132，电动机磁极对数和转差率是定值，因此利用变频器改变电源频率fn即可改变电动机的转速。另外，变频器能方便地与数控系统连接，控制电动机的正转、反转及停止。 变频器的控制方式主要有Uf恒定控制方式、无反馈矢量控制方式和有反馈矢量控制方式。数控车床除了在车削毛坯时，负荷大小有较大变化外，以后的车削过程中，负荷的变化通常是很小的。因此，就切削精度而言，选择Uf恒定控制方式是能够满足要求的。但在低速切削时，需要预置较大的Uf，在负载较轻的情况下，电动机的磁路常处于饱和状态，励磁电流较大。因此，从节能的角度看，并不理想。数控车床属于高精度、快响应的恒功率负载加工设备，应尽可能选用矢量控制高性能型通用变频器，而且中、小容量变频器以电压型变频器为主。有反馈矢量控制方式虽然是运行性能最为完善的一种控制方式，但由于需要增加编码器等转速反馈环节，不但增加了费用，而且编码器的安装也比较麻烦。所以，除非对加工精度有特殊要求，一般没有必要选择此种控制方式。 目前，无反馈矢量控制方式的变频器已经能够做到在05Hz时稳定运行。所以，完全可以满足主运动系统的要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服Uf控制方式的缺点，因此可以说，是一种最佳选择。 数控车床连续运转时所需的变频器容量(kVA)计算式如下：式中 PM负载所要求的电动机的轴输出功率； 电动机的效率(通常约O85)； cos电动机的功率因素(通常约O75) MU电动机的电压，380V； MI电动机工频电源时的电流，为154A； k电流波形的修正系数(PWM方式时取105-110)； PCN变频器的额定容量，kVA； ICN变频器的额定电流，A；由以上公式可得： 选择变频器时应同时满足以上三个等式的关系。综合以上分析计算，确定选用三菱FR-A540系列变频器，具体型号为FR-A540-75K-CH。2.2.2 主轴脉冲编码器的安装 为了使改造后的数控车床能自动加工螺纹，须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，其目的是用来检测主轴转角的位置，通过主轴脉冲编码器数控系统步进电机的信息转换系统，实现主轴转一转，刀架纵向移动一个导程的车螺纹运动。 主轴脉冲编码器的安装，通常采用两种方式：一种是同轴安装，另外一种是异轴安装。同轴安装的结构简单，缺点是安装后不能加工穿入车床主轴孔的零件，限制了工件的加工长度，而异轴安装不会遇到这种问题，因此，异轴安装较合适。主轴通过主轴箱中轴和轴的5858及轴和轴的3333两级齿轮(实现传动比1：1)把动力传递给挂轮轴X，如图2-3、2-4所示，主轴脉冲编码器1通过支架2固定，并通过联轴器3与闷头4相连，闷头4通过过盈配合与主轴箱内X轴连接。C6132主轴转速范围是202000 r/min，可以选择欧姆龙E6B2-CWZ6C型光电脉冲编码器，其允许的最高转速为6000r/ min，所以满足设计要求。2.3 横向进给传动系统的改造 2.3.4 横向传动系统的改造 如图2-8所示是横向传动系统的改造布置图，步进电机和减速箱安装在远离操作者的床鞍一端，拆除床鞍上原来的手动操作装置，在原来支承丝杠的轴承位置，安装角接触球轴承进行支撑，同纵向一样，滚珠丝杠一端直接充当减速器的输出轴，滚珠丝杠两端同样有两对锁紧螺母对滚珠丝杠进行预拉伸，滚珠丝杠螺母副采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙。螺母座和中拖板的连接可以利用原来的螺钉孔进行连接。图 2-8 横向传动结构图 车床进行横向进给时，由步进电机通过减速箱将动力传递给滚珠丝杠，再由滚珠丝杠带动螺母座，再通过螺母座带动中拖板做横向运动。滚珠丝杠螺母副继续采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙。 2.3.5 齿轮传动间隙的消除 数控车床在加工过程中，会经常变换移动方向。当进给方向改变时，如果齿侧存在间隙会造成进给运动滞后于指令信号，丢失指令脉冲并产生反向死区，影响传动精度和系统稳定。因此，必须消除齿侧间隙。通常齿侧间隙的消除主要有刚性调整法和柔性调整法。刚性调整法虽然结构简单，但侧隙调整后不能自动补偿，柔性调整法是调整后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法。因此决定采用柔性调整法中的双片齿轮错齿消隙法和周向弹簧调整法。 双片齿轮错齿消隙法 图2-9是双片齿轮错齿式消除间隙结构。两个相同齿数的薄齿轮1和2与另一个厚齿轮(图中未画出)啮合。齿轮l空套在齿轮2上并可作相对回转。每个齿轮的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳3和8。齿轮1的端1、2薄齿轮 3、8凸耳 4弹簧 5、6螺母 7调节螺钉 图 2-9 双圆柱薄片齿轮错齿消隙结构 面还有另外四个通孔，凸耳8可以在其中穿过。弹簧4的两端分别钩在凸耳3和调节螺钉7上，通过转动螺母5就可以调节弹簧4的拉力，调节完毕用螺母6锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮1和2错位，即两个薄齿轮的左、右齿面分别紧贴在厚齿轮齿槽的左、右齿面上，消除了齿侧间隙。这种方法适合直径较大，有充分安装螺钉空间的圆柱齿轮。 2）周向弹簧调整法 图2-10是周向弹簧消隙结构。同样是两个齿数、模数相同的两片薄齿轮2和3。齿轮2空套在齿轮3上可以做相对回转运动。在齿轮3上开有三个周向圆弧槽，齿轮2上均布着三个螺纹孔，装配时在齿轮3的槽中放置3个弹簧，利用齿轮2上安装的螺钉顶住弹簧，装配完成后两片齿轮在弹簧力作用下错齿，从而达到消除间隙的目的。这种结构适合齿轮直径偏小，安装空间较小的情况下。2.4 刀架部分的改造 拆除原手动刀架和小拖板，安装由数控系统控制的四工位电动刀架。根据车床的型号及主轴中心高度，选用常州市宏达机床数控设备厂生产的LD4-C6132型电动刀架，该刀架内带120W三相交流异步电动机用于驱动正转选刀。内置的4只霍尔元件检测刀位位置，电动机反转完成刀具定位锁紧。安装时，拆除车床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉电机风罩，逆时针方向转动电机，使刀架转动到45左右时，装上螺钉，然后固定刀架即可。电机安装好如图2-11所示。 图 2-11 电动刀架安装实物图 LD4-C6132型电动刀架技术参数见表2-1。电动刀架的安装较为方便，安装时 须注意以下两点： 1)电动刀架的两侧面与原车床纵、横向的进给方向平行； 2)电动刀架与系统的连线在安装时应合理，以免加工时切屑、冷却液及其它杂物磕碰电动刀架连线。根据以上分析可初步确定车床改造的总体布置方案，如图2-12所示：图 2-12 车床改造总体布置图2.5 导轨的改造由于导轨表面有明显的划痕，摩擦系数变大，会产生进给运动的失真。为了恢复导轨的精度，增加耐磨性，提高机床的稳定性，提高机床的防爬行和吸振性能，对机床导轨选用填充聚四氟乙烯软带来改造。填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加青铜粉、二硫化硅、玻璃纤维粉、二硫化铜、石墨、聚苯等填充剂，使聚四氟乙烯的性能改善如下：(1)耐负荷变形可提高5倍；(2)刚性提高45倍；(3)热膨胀系数减小1312；(4)导热率提高2倍；(5)硬度提高10；(6)抗压强度增加23倍。在利用填充聚四氟乙烯软带对原车床导轨贴塑的工作中，主要是对粘接工艺的控制。具体工艺为：首先对原导轨进行刮研，保证粘贴前导轨的表面粗糙度1.66.3um，平面度达到0011000精度；选用厚度为1.5mm的软带，用钠基溶液处理聚四氟乙烯软带表面；粘接前需对金属导轨粘接面除锈去油，可先用砂布、砂纸或钢丝刷清除锈斑杂质，然后再用丙酮擦洗干净、晾干；专用胶须随配随用，按A组份B组份=1l的重量比混合，搅拌均匀后即可涂胶。可用“带齿刮板”或lmm厚的胶木片进行涂胶。专用胶可纵向涂布于金属导轨上，横向涂布于软带上，涂布应均匀，胶层不宜过薄或太厚，胶层厚度控制在0.080.12mm之间；软带刚粘贴在金属导轨上时需前后左右蠕动一下，使其全面接触，要用手或器具从软带长度中心向两边挤压，以赶走气泡。用重物加压或扣压于床身导轨上，加压均匀，压强通常为0.050.1MPa。加压前在软带面上覆盖一层油纸或在加压面上涂一薄层润滑脂或机油，防止胶粘剂粘接加压物。软带粘接后约24小时固化(环境温度15以上)，可清除余胶，切去软带工艺余量，并倒角；对软带进行开油槽和刮研，油槽深度可为软带厚度的1223，油槽离开软带边缘至少6mm以上，刮研要求达到与导轨面接触面积为：全长不少于75，全宽上不少于50。2.6 数控系统的类型及选择2.6.1 数控系统的分类目前,数控系统的品种规格繁多,功能各异,分类方法不一,通常可按下面两种方法进行分类。1.按加工路线分类1）点位控制系统其特点是，只要求控制机床移动部件从一点移动到另一点的准确位置，至于点与点之间的移动轨迹（路径和方向）并不严格要求。各坐标轴之间的运动是不相关的，并且在移动过程中不进行切削。2）直线切削控制系统其特点是，除了控制移动部件从一点到另一点之间的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和路线（即轨迹），但其路线只是与机床坐标轴平行的直线。也就是说，同时控制的坐标轴只有一个，且在移动过程中刀具能以给定的进给速度进行切削，一般只能加工矩形、台阶形零件。3）连续切削控制系统也称为轮廓控制系统，其特点是能够对两个或两个以上运动坐标的位移和速度同时进行连续相关控制。在这类控制方式中，要求数控装置具有插补运算的功能，即根据程序输入的基本数据，通过数控系统内的插补运算器的数学处理，把直线或曲线的形状描述出来，并一边运算，一边根据计算结果向各坐标轴控制器分配脉冲，从而控制各坐标轴的联动位移量与所要求的轮廓相符合。2.按伺服系统的类型分类1）开环控制系统采用开环控制系统的机床，没有检测反馈装置。指令信号单方向传送，并且指令发出后，不再反馈回来，故称为开环控制系统。其驱动电动机采用步进电机。这种机床采用开环进给伺服系统，数控装置根据所给的进给速度和进给位移，输出一定的频率和数量的进给指令脉冲，经驱动电路放大后，每一个进给脉冲控制步进电机旋转一个步距角，再经减速齿轮、丝杠螺母副转换成工作台的一个当量直线位移。2）闭环控制系统数控装置将位移指令与位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时进行比较，根据其差值与指令进给速度的要求，按一定的规律进行转换后，得到进给伺服系统的速度指令。闭环控制系统的特点是定位精度高，但由于这类系统采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动元件，所以电动机的控制线路比较复杂。另外检测元件昂贵，调试和维修比较困难，成本高，所以主要用于精度要求很高的大型或精密数控机床。3）半闭环控制系统这种机床是将位置检测装置安装在驱动电机端部，或安装在传动丝杠端部，间接测量部件的实际位置或位移，然后反馈到控制装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，直到差值消除为止。2.6.2 数控系统的选择本设计中由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环系统，虽然开环控制系统中，没有速度反馈和位移反馈电路，不带检测装置，指令信号单向发送，但开环伺服系统结构简单、成本低，容易掌握，调试和维修都比较简单。如果采用螺距误差补偿和径向间隙补偿等措施，定位精度可提高到0.01mm，可以满足设计要求。2.7 计算机系统的选择微型机数控系统由CPU、ROM、RAM扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。由于MCS-51单片微型机具有各种寻址方式并有硬件乘法和除法指令，具有很强的位寻址和运算功能，特别适合于控制应用场合，使用MCS-51来构成各种控制系统，可大大简化硬件结构，降低成本。1）单片机的选择MCS-51系列中的8031单片机片内无ROM，适于需外接ROM、能在现场进行修改和更新程序存储器的应用场合，价格低，使用灵活，从实用性与经济性考虑，采用8031作为控制系统的单片机。2）存储器扩展 8031的片内没有程序存储器，必须外接扩展电路，具有扩展2片2764共16K的程序扩展电路。 数据存储器的扩展8031内部有128个字节RAM存储器。它可以作为寄存器，堆栈，软件标志和数据缓冲器，CPU对其内部RAM有丰富的操作指令。因此，这个RAM是十分珍惜的资源。我们应合理地充分地应用片内RAM存储器，但片内RAM存储器往往是不够的。外接RAM扩展电路可扩大存储器容量。本设计扩展一个6264（8K）的外部RAM。 接口电路，伺服电机驱动电路等接口电路主要用于控制纵向和横向步进电机，刀架电机等。键盘有32个键。此外，还有伺服电机驱动电路，光电耦合器电路，报警电路，8031时钟电路，复位电路等。由此可得车床伺服系统控制方案，如图2-13所示。图 2-13 车床改造伺服系统控制方案图第三章 横向进给系统的设计计算 在现有C6132车床的结构基础上，对机床横向进给系统进行数控改造，主传动系统保留。横向脉冲当量：0.005mm/step 3.1 横切端面时切削力计算例如车床的主切削力Fz（N）可用下式计算Fz（N）=0.67 =0.67x320max1.5 =3835.3(N)1.纵切外圆:式中-车床身上加工最大直径单位为mm横切端面时主切削力可取纵切时Fz的1/2。求出主切削力Fz以后再按以下比例分别求出分力Fx和FyFz：Fx：Fy = 1:0.25:0.4式中Fx一一纵向走刀方向的切削分力（N）Fy一一横向走刀方向的切削分力（N)横切时的切削力可取纵切时1/2。 按切削力各分力比例： FZ ：Fx ：Fy=1 ：0.25 ：0.4Fx=0.24X3835.3=938.5Fy=0.24X3835.3=15342. 横切端面: 主切削力FZ（N）可取纵切的1/2 FZ=1/2FZ=1917.65(N)此时走刀抗力为Fy（N），吃刀抗力为Fx，仍按上太述双例粗略计算：FZ : Fy : Fx=1 : 0.25 : 0.4Fx=479.4(N)Fy=761.7(N)3.2滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径以d0（或丝杠外径d)、导程Lo、滚珠的工作圈数j、列数K。滚珠循环方式可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。可参照图1选用。类型型式简图循环滚珠链说明特点外循环滚珠丝杠螺旋槽式在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，同螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆钢弯成弧形杆，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。优点：工艺简单，螺母外径尺寸较小缺点：螺旋槽同通孔不易连接准确挡珠器刚性差、耐磨性差图1 滚珠循环方式类型型式简图 循 环 滚珠 链 说明 特点内循环滚珠性杠 型扁圆嵌块式反向器与上述结构的区别，只是用扁圆嵌块式反向器代替目柱凸键式反向器。优点：螺母轴向尺寸比I型小；结构更紧凑。缺点：制造比I型困难。图1 滚珠循环方式滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。 本设计循环方式采用：外循环滚珠丝杠，螺旋槽式。滚珠丝杠副的计算步骤如下：计算进给牵引力Fm:作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的磨擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关Fm（N）计算公式如下：矩形导轨： Fm = KFx + （Fx + Fy + G）燕尾形导轨： Fm = KFx + （Fx + 2Fy + G）三角形或综合导轨：F = KFx + （Fx + G）圆导轨（钻镗床主轴）式中Fx、Fy、Fz-切削分力，（N）G-移动部件的重量，（N），G：溜板及刀架（横向）重力G=500(N)M-主轴上的扭矩 。（N. com）dz-主轴直径。-导轨上的磨擦系数，随导轨型式而不同。f-轴套和轴架以及主轴的键上磨擦系数。K-考虑颠复力矩影响的实验系数。在正常情况下，K, f及可取下列数值：矩形导轨 K=1. 1 =0.15燕尾形导轨 K=1.4 =0.2三角形或综合导轨 K=1.1 =0.150.18钻镗床主轴圆导轨 f=0.15上列摩擦系数均是滑动导轨,如果采用贴塑导轨=0.03-0.05;滚动导轨=0.0025-0.005;静压导轨 =0.0005调整方式简 图调 整 方 法特 点螺纹式调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移 结构较紧紧凑，工作可可靠，滚道磨损时，可随时调整预紧量不很准确应用较普便。图2 滚珠丝杠副预紧方式本设计预紧方式采用螺纹式预紧。计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106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即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可用下式计算：C =Wm式中L-寿命，以106转为一单位 n-丝杠转速，（r/min)，有下式计算 Vs-为最大切削力条件下的进给速度（m/min），可以最高进给速度的 1/2-1/3 Vs=0.3 =0.15mmL0-丝杠导程，(mm)；初选6mmT-为使用寿命，（h）对于数控机床取T=150000h；运转系数，见表1按一般运转选表1 运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.52.5从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找出相应的额定动载荷的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应C，可满足要求数度等级为为3级。5 传动效率和计算： 滚珠丝杠螺母副的传动效率3.3横向减速器设计由设计任务可确定横向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程由传动比计算公式 初选步进电机步距角，可计算出传动比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,按照经验公式可取即,齿轮模数=2mm,齿轮传动效率因进给运动齿轮受力不大，模数m取2，齿轮参数如表3.4横向进给步进电机计算和选型1）等效转动惯量计算 由于横向步进电机经两对齿轮降速后传到丝杆，此传动系统折算到电机轴上总的转动惯量可由下式计算 式中为转动惯量，i为传动比，m取50kg,丝杠导程为0.005m；计算圆柱体转动惯量的公式为 J=为材料密度，d为传动件的等效直径，l为轴向长度；按照上式可依次计算出各传动件的转动惯量，其中丝杠的等效直径取f 20mm经计算： ，则将各传动部件及工作台质量折算到电机轴上的总的转动惯量2) 惯量匹配验算 参考同类型机床，初选反应式步进电机110BF003型反应式步进电动机，查机械设计手册第5卷表34.3-11得到其最大静转矩Ts=4.87N.m,则=0.82mas所以按给定要求110BF003步进电机可以正常启动，可作为初选电机，但还必须进一步考核步进电机的启动矩频特性和运行矩频特性。 4） 电机最大空载启动频率和最大运行工作频率的确定 从机械设计手册（新版）第5卷表34.3-11查出110BF003型步进电机允许最大空载启动频率为1500Hz，运行频率为7000Hz.再查出110BF003步进电机的启动矩频特性和运行矩频特性曲线。可看出，当步进电机起动时，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩，直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制，将起动频率降到1230Hz.，起动力矩可增高到M=196N.m左右，即可满足要求。当快速运动和切削进给时，110BF003型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。5） 系统刚度计算 丝杠螺母机构的刚度主要由丝杠本身的拉压刚度、丝杠螺母间的接触刚度以及轴承和轴承座组成的支承刚度三部分组成。由于丝杠本身的扭转刚度与拉压刚度相比要小得多，故可将其忽略不计。 丝杠本身的最大、最小拉压刚度 轴承和轴承座组成的支承刚度丝杠的扭转刚度6） 动态分析丝杠工作台纵振的最低频率 折算到丝杠轴上系统的总当量转动惯量为如果忽略电动机轴与减速器的扭转变形，则系统最低扭振固有频率为 此设计中，300rad/s,300rad/s说明系统动态特性良好，满足要求。7）系统误差分析 死区误差 查机电一体化设计式5-59可得D max0.005mm所以满足单脉冲进给的要求。由系统刚度变化引起的定位误差影响系统定位误差的因素很多，但是主要是由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化锁引起的定位误差。查机电一体化设计基础式5-60可得到由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的最大定位误差为 对于开环控制的伺服系统，将其控制在定位误差的1/31/5范围内，由于系统要求的定位精度为mm，即允许的定位误差为0.02mm，d0.004mm,因而系统刚度满足定位精度要。综合上述7条分析，所选步进电动机100BF003以及CDM2005-5-P3丝杠螺母副符合设计要求。第四章硬件电路设计4.1 单片机数控系统硬件电路设计内容当前，在经济型数控机床控制系统中广泛采用关国Intel公司的MCS-51系列单片计算机，因此本章着重介绍用MCS-51系列单片徽机构成的控制系统的设计内容，方法及步骤。单片微机数控系统硬件电路设计包括以下几部分内容：（一）绘制系统电气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，绘制系统电气控制的结构框图。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，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。机床硬件电路由以下五部分组成。（1）主控制器，即中央处理单元CPU。（2）总线。包括数据总线、地址总线和控制总线。（3）存储器。包括程序存储器和数据存储器（4）接口。即I/O输入/输出接口电路。（5）处围设备。如键盘、显示器及光电输入机等。（二）选择中央处理单元CPU的类型。在徽机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素：（1）时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度。（2）可扩展存储器（包括ROM和RAM）的容量。（3）指令系统功能，影响编程灵活性。（4）I/O口扩展的能力，即对外设控制的能力。（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，控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。目前在经济型数控机床中，推荐采用MCS51系列单片微机作为主控制器。（三）存储器扩展电路设计在存储器扩展电路设计应该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。在存储器扩燕尾服电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。（四）I/O口即输入输出接口电路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。4.2MCS-51系列单片机简介1980年问世，它的集成度很高，是多部件于一体的优良的单片机系统，在我国已广泛地被应用于经济型数控机床。 MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051、8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8751具有片内ERPOM，但价格高出10-15倍，所以适合于开发样机，小批量生产和需要在现场进一步完善的场合。8051的ERPOM程序是Inter公司制作芯片时为用户制备的，因此在国内很难采用8051型芯片。而8031片内无ROM，适用于需扩展ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。我们的设计也推荐使用8031芯片。4.3存储器扩展电路设计4.3.1地址锁存器选用现选择74LS373 作单片机地址锁存器芯片。74LS373引脚图4.3.2外部程序存储器选择选用27128的扩展电路需要用到8031的P215引脚,这样的话, 80的引脚就不够与3 - 8译码器相连,因此,扩展两片2764芯片。4.3.3内部程序存储器选择选用6264作为数据存储器扩展芯片。 4.3.4 外部I/O接口电路的扩展因为8031单片机本身提供的输入、输出口线只有P1口和部分P3口线,所以要对其系统进行I/O口扩展。 扩展I/O口所用芯片主要有通用可编程I/O口芯片及TTL或CMOS锁存器、缓冲器电路两大类。I/O口扩展方式主要有并行总线扩展法和串行口扩展法。这里选用可编程I/O口芯片,可编程接口是指其功能可由计算机的指令来改变的接口芯片。可编程接口通过编制程序,可使一个接口芯片执行多种不同的接口功能,使用十分灵活。用它来连接计算机和外设时,不需要或只需要很少的外加硬件。在8031单片机中常用的两种接口芯片: 8255