(普通机床的数控改造)综合作业指导书_40902

机电一体化专业 综合课程设计指 导 书 2012 年 2 月 20 日 2 第一章、综合作业的 目的、要求和参考题目 第一节、综合课程设计的目的 综合课程设计是机电一体化工程专业教学中的一个实践性教学环节。是在学生学完技术基础课和专业 课，特别是数控技术及应用课程之后进行的。是培养工程技术人员理论联系实际、解决生产实际问题 能力的重要步骤，它起到毕业设计的作用。 机电一体化专业综合作业是以机电一体化的典型课题-数控机床的应用和设计为主线，通过对数控 机床加工程序的编制、数控系统设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分设计、计算以及控制系统硬 件电路的设计，使学生综合运用所学的机械、电子和微机的知识，进行一次机电结合的全面训练。从而培 养学生具有加，编程能力、初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机、电方面技术问题的能 力。 第二节、综合作业的内容及要求 综合作业要求学生在全面了解一台数控设备的使用和设计过程的基础上，完成以下内容： 一、数控加工程序的编制 （1）零件工艺分析及确定工艺路线。 （2）选择数控机床设备。 （3）确定装夹方法及对刀点。 （4）选择刀具。 （5）确定切削用量。 （6）编制加工程序。 二、进给伺服系统机械部分设计计算 (1) 确定脉冲当量。 (2) 滚珠丝杠螺母副的计算和选型。 (3) 滚动导轨的计算和选型。 (4) 进给伺服系统传动计算。 (5) 步进电机的计算和选用。 (6) 设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。 三、单片微机控制系统的设计 （1）控制系统方案的确定及框图绘制。 （2）8031 单片微机及扩展芯片的选用。 （3）1/O 接口电路及译码电路的设计 3 （4）设计绘制一台数控机床单片微机应用系统电路原理图。 第三节、综合作业的工作量 一、图纸部分 (1) 进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图 (A0 图纸一张 )。 (2) 单片微机应用系统电路原理图一张 (A1 图纸一张)。 二、说明书部分 说明书是综合作业整个设计计算过程的叙述说明，应包括以下内容: (1) 加工程序的编制及说明。 (2) 控制系统总体方案的分析及控制框图。 (3) 机械部分设计计算、结构设计说明。 (4) 硬件电路部分设计说明。 说明书应不少于 8000 字 第四节、考核方法、考核内容及成绩评定 一、考核内容 学生接到综合作业题目以后，首先必须仔细阅读本指导书的内容，以求对设计的内容和要求有一全面 系统的了解，并熟悉书中及书后附录中的资料，然后再按照指导书的步骤逐项进行，应避免在没有消化理 解资料的情况下生搬硬抄。 二、考核方法 学生在完成作业的每一项之后，必须由指导教师审核并签字盖章。 三、考核评定 学生完成全部作业后，统一由学校组织考核小组，对学生完成综合作业的情况，以 及对下述考核内容掌握情况评定成绩。 下面列出综合作业各部分的考核点： l、进给伺服系统机械部分考核点 (1) 滚珠丝杠螺 母副如何预紧？ (2) 怎样保证滚珠丝杠螺母的螺母座与两端支承同心? (3) 滚珠丝杠所受的辆向力如何通过支承件传递到床身上? (4) 滚珠丝杠上的向心推力球釉承如何预紧? （5）齿轮传动副如何消除齿侧间隙? （6）消隙齿轮装配过程是怎样的? （7）步进电机在齿轮箱体上怎样定位? 4 （8）滚动导轨怎样预紧? (9) 贴塑导轨摩擦系数多少?应该贴在导轨的什么部位? (10) 各部件的配合表面应该采用什么性质的配合及精度等级? (11) 设计和装配时，如何保证滚珠丝杠在垂直面和水平面内与机床导轨的平行度? （12）在什么情况下需要对滚珠丝杠进行预拉伸?怎样进行预拉伸? 2、微机数控系统电路设计部分考核点 （1）各芯片名称及功能。 （2）8031 的四个 1/0 口的功能。 （3）线选法地址译码方法。 （4）全地址译码方法及各芯片地址编码。 （5）扩展 1/0 口芯片口地址。 “ （6）8155 或 8255 可编程接口芯片各 1/0 口输入、输出情况及控制字。 （7）键盘及显示接口电路工作原理。 （8）扩展数据存储器及程序存储器地址范围？为什么必须允许地址重叠 (即独立编址) ？ （9）步进电机环形分配器工作原理、硬件环配芯片备引脚的功能。 （10）光电隔离电路工作原理。 （11）高低压驱动电路工作原理。 （12）其他辅助电路，如越界报哲电路、复位电路、时钟电路系工作原理。 四、综合作业评分标准 综合作业成绩分优秀、良好、中等、及格和不及格五级分制。各级评分标准如下： 优秀：综合作业内容完整。按期完成任务。加工程序编制正确，进给伺服系统设计方案正确可行、论 证充分，选用数据正确合理，计算准确，图面整洁，质量高，控制系统硬件线路设计合理。设计计算说明 书整齐通顺、有条理。考核时对各部分考核点理解深透，能工确全面地回答问题。 良好：综合作业内容完整，按期完成任务。加工程序编制正确，进给伺服系统设计方案可行，论证较 好，选用数据较合理、计算较准确，图面整洁、质量较高，硬件电路设计合理。说明书较通顺、整齐。考 核时对各部分考核点理解较好，回答问题比较正确全面。 中等：综合作业内容完整，按期完成任务。加工程序编制基本正确，进给伺服系统设计方案基本正确， 论证一般。选用数据基本正确图面质量较整洁、质量尚好。考核时，对各部分考核点问题有一定的理解， 经提示后能正确回答问题。 及格：基本完成综合作业规定的内容。方案选择无原则性错误，说明书和图面比较粗糙，质量一般， 存在一些错误，但主要部分基本符合要求，对考核点 5 列出的问题理解不够经提示后只能回答部分主要问题。 不及格：没有按期完成综合作业规定的内容，方案选择有原则性错误，计算和图纸有重大错误。对考 核点所列出的主要问题不能回答经提示后回答仍不正确。 若发现有别人代作综合作业者，取消参加考核的资格。 第五节、综合作业的参考题目 一、数控机床加工程序编制 以下题目所选用的数控车床或数控铣床可以按照例题中的经济型数控机床的规格参数去编程，也可以 选用自己熟悉的数控机床去编程。 （1）如图 l-l 所示零件，毛坯为 5mm 棒料，材料为 45 钢，HBS=235 ，尺寸及表面粗糙度见图。试 编出精加工程序单 （各表面留余量均为 0.2mm） 。 图 1-l （2）如图 1-2 所示零件，毛坯为 65mm 棒料，材料为 45 钢，HBS=235 ，其全部加工( 粗加工、半 精加工、精加工)在数控车床上完成，试安排加工工艺路线，绘制刀具布置图，编制加工程序单。 6 40 20 90 542 R10 o 60 48 M48 2 图 1-2 （3）如图 1-3 所示零件，毛坯已按零件形状铸成铸件，材料为可锻铸铁，HBS=220 一 260。表面加 工余虽为 4mm。 图 1-3 （4）如图 1-4 所示凸轮，毛坯采用可锻铸铁，铸造成形，工件硬度 HBS=230，凸轮两端面及 4mm 孔已加工完毕。凸轮周边的余量为 3mm，须在数控铣床上加工，试编制其加工程序。 7 图 1-4 （5）如图 1-5 所示零件，毛坯采用铸钢铸造成形，材料为中碳钢，HBS=160200，工件两端面及 20m 孔已加工完毕，圆弧与直线组成的周边轮廓加工余量为 2mm 需在数控铣床上加工，试编制加工程 序。 图 1-5 （6）如图 1-6 所示板状零件 40mm 孔及 A、B 表面已加工好。零件材料为钢 HBS=150，现在 8 XH754 卧式加工中心上铣四周平面和钻 4 一 12mm 孔试编制其加工程序。要求， 1)零件四周余量 l 毫米，一次铣成，编加工程序时，利用刀具位置偏置； 2)编制钻 4 一 12 孔加工程序时，利用固定循环。 编制程序时的刀具 T，主铀转速 S，进给速度 F 可参考实例的程序的工艺规程卡来确定 （7）如图 l-7 所示板状零件 40mm 孔及 A、B 表面已加工好。现在 XH754 卧式加工中心上铣四周 轮廓和加工 4 一 Ml6 螺纹孔(钻底孔、孔端倒角、攻螺纹)。零件材料为钢 HBS=150，试编制其加工程序。 要求： l)零件四周余量 lmm，一次铣成编加工程序时，利用刀具半径补偿。 2)编制加工 4 一 M16 螺纹孔程序时，利用固定循环。 图 l-7 二、进给伺服系统机械部分设计题目 将以下普通车床改造成用 MCS 一 51 系列单片机控制的经济型数控车床，采用步进电机开环控制，纵 例和横向均具有直线和圆弧插补功能。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。设计参数如表 1-1 所示。要求计算和设计一个坐标系统的进给伺服机构；题目如下: (l)、CA6140(或C6140、C620、C620-1等)普通车床微机数控化改装设计。 (2)、C6150普通车床微机数控化改装设计。 (3)、C6163(或C630)普通车床微机数控化改装设计。 (4)、C6132(或C616)普通车床微机数控化改装设计。 (5)、4OOmm经济型数控车床进给伺服系统机械结构设计。 (6)、50Omm经济型数控车床进给伺服系统机 械结构设计。 9 (7)、630mm经济型数控车床进给伺服系统机械结构设计。 表1-1、经济型数控车床设计及改装技术参数 最大加工 直径 （mm） 留板及刀架 重力（N） 刀架快移速 度 （m/min） 最大进给速 度(m/min) 规格 （型号） 面上 鞍上 最大加 工长度 （mm） 纵向 横向 纵向 横向 纵向 横向 定位精 度 （mm） 主电机 功率 (KW) 启动加 速时间 （ms） 400mm CA6140 C620) 400 210 750 1000 1000 600 2.4 1.2 0.6 0.3 0.015 7.5 30 500mm C6150 500 280 750 1000 1100 700 2.4 1.2 0.6 0.3 0.015 5.5 30 630mm C6163 CW6163 630 350 1400 2900 1200 800 2.0 1.0 0.5 0.25 0.015 10 35 320mm C6132 C616 320 175 700 800 500 2.4 1.2 0.8 0.4 0.01 4.5 25 以下经济型数控铣床的设计或改造设计要求,采用MCS一51系列单片机控制系统，步进电机开环控制， 具有直线和圆弧插补功能，要求计算、设计和绘制一个坐标系统的进给伺服机构，具体设计参数见表1-2， 题目如下: (8)、X52K立式铣床(或X62W万能铣床)微机数控化改装设计。 (9)、X53K立式铣床微机数控化改装设计。 (1O)、工作台面宽度32Omm(或25Omm,2OOmm)经济型数控铣床进给伺服机构设计。 10 表1-2、经济型数控铣床设计及改装设计技术参数 工作台行 程(mm) 工作台及加具 工件重力(mm) 工作台快移 速度 （m/min） 进给速度 （m/min） 工作台尺寸 （长宽 mm） 纵向 横向 纵向 横向 纵向 横向 纵向 横向 定位精 度 （mm） 主电 机功 率 (KW) 启动 加速 时间 （ms ） 3201250 (K52X) 680 240 3000 5000 1.6 1.6 0.6 0.6 0.01 7.5 30 4001600 (X53X) 880 300 3500 5500 1.4 1.4 0.6 0.6 0.01 10 30 以下题目为经济型数控台钻X-Y工作台设计，此台钻用于加工印刷电路板之小孔，采用 步进电机，点位控制，不要求具备插补功能，具体设计技术参数见表1-3，题目如下: (11)、数控台钻X-Y工作台进给伺服系统设计。 表1-3、数控台钻X-Y工作台设计参数 工作台加工范围（mm） 工作台最大移动速度 （m/min） 最大转孔 直径 (mm) X向 Y向 X向 Y向 定位精度 （mm） 启动加速 时间 （ms） 加工材料 4 200 160 1.6 1.6 0.01 25 青铜 5 180 140 1.4 1.4 0.01 25 青铜 6 160 120 1.2 1.2 0.01 25 青铜 三、单片微机控制系统硬件电路设计 数控机床控制系统可以采用MCS-51系列单片机、也可以采用其他CPU作为控制器，控制系统中要求包括 程序存储器、数据存储器、I/O接口、键盘、显示等外设。题目如下： （1）、经济性数控车床控制系统硬件电路设计。应包括车螺纹用的光电脉冲发生器和自动回转刀架的 I/O接口。 （2）、经济性数控铣床控制系统硬件电路设计。 （3）、数控转台X-Y工作台控制系统硬件电路设计。 11 第二章 微机数控系统总体设计方案的拟定 第一节 总体方案设计的内容 接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计 参数和结构，然后再分机械部分和电气部分进行设计计算。现以机电一体化的典型产品-数控机床为例， 分析总体方案拟定的内容和应该考虑的问题。 机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容:系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的 结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。 一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，从经济性、环保、运动精度、可靠性、操作方便等多 个方面进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。总体方案的确定没有唯一的结论。总 体方案设计的内容包括： 一、系统运动方式的确定： 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。 二、伺服系统的选择： 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 三、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、高刚 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、贴塑导轨等。 2)、尽量消除传动间隙。例如采用消除齿轮等。 3)、提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高 系统刚度。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副等。 四、计算机的选择 随着技术的发展，用于机电一体化系统的计算机也发生着不断的变化，从单片机、DSP、PC机都可以使 用，对于性能要求较高的系统，还可以采用多CPU结构；在总体方案设计时，就需要根据设备的要求，并考 虑将来的改进，选定最合适的计算机，并不是越先进越好。 第二节 总体方案设计举例 例1、将普通车床改造成经济型数控车床。 1、设计任务 12 将CA6140普通车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架， 具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率：纵向：0.Olmm,横向： O.0O5mm。 设计参数如下， 最大加工直径: 在床面上 40Omm 在床鞍上 2lOmm 最大加工长度: 10OOmm 快进速度： 纵向 2.4m/min 横向 1.2 m/min 最大切削进给速度: 纵向 0.5m/min 横向 0.25了/min 代码制: ISO 脉冲分配方式: 逐点比较法 输入方式: 增量值、绝对值通用 控制坐标数: 2 最小指令值: 纵向 0.Olmm/脉冲 横向 0.0O5mm/脉冲 刀具补偿量： 0 99.99mm 进给传动链间隙补偿量: 纵向 0.l5mm 横向 0.075mm 自动升降速性能: 有 2、总体方案确定 (1)、系统的运动方式与伺服系统的选择 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，采用步进电机开环控制系统。 13 (2)、计算机系统 根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、 抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、1/0接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系 统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用两排数码管显示加工数据及机床状态等信息。 (3)、机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动 精度和平稳 性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。 齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。 系统总体方案框图见图3-1。 图1 经济型数控车床总体方案框图 第四章 机床进给伺服系统机械部分设计计算 伺服系统机械部分设计计算内容包括:确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载 起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件 工作图等。现分述如下: 第一节、确定系统脉冲当量 一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当 14 量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.01 0.005mm/脉冲，经济型数控磨床经常采用脉冲当量为0.0020.00lmm/脉冲。脉冲当量有时也由设计任务书 中直接给出。 第二节、切削力计算 在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，常用的计算切 削力的方法有： 1、用经验公式计算主切削力：简单而实用。 2、按切削用量计算切削力：较准确。 3、按照机床主电机功率计算： 上面介绍的按切削用量计算切削力虽然比较准确，但只能适用于加工某种工件的专用机床，对于通用 机床的数控化改造或设计通用的经济型数控机床来说，切削用量选择的范围较大，这样将会导致切削力计 算结果差别很大；这就需要按照进行数控改造设计的普通车床的主电机功率来计算切削力。 第三节、 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:确定滚珠循环方式，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d。(或丝杠外径d)、导程L 0、滚珠的工作圈数j、列 数K、精度等级等。 滚珠丝杠副的计算步骤如下: 一、计算进给率引力Fm: 作用在滚珠丝杠上的进给率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 力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。 二、计算最大动负载C 选用滚珠丝杠副的直径d 0 时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，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。 三、计算最大静负载C 当滚珠丝杠副在静态或低速 (nlOr/min)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 过滚珠直径的万分之一。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C。 四、传动效率计算 15 五、刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑引起轴向变形的各种 因素。包括： 1、 的拉伸或压缩变形量 1 在总的变形量中占的比重较大。 2、 滚珠与螺纹滚道间接触变形量 2 在总变形量中也占比较大的比重。 3、支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形量 3。 4、滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量 4。 5、螺母座及轴承支座的变形。 因此，滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算 1、 2和 3之和应不大于机床精度要求允许变形量的一半， 否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。 六、稳定性验算。 对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生 向弯曲 (失稳)的危险。 七、滚珠丝杠螺母副几何参数计算。 八、滚珠丝杠副的精度等级。 九、 滚珠丝杠副的标注方法。 滚珠丝杠副的种类、结构、计算方法和参数，可在网上查到，国内的生产厂家很多，常用的有：济 宁丝杠厂、南京工艺设备厂等。 第四节、 滚动导轨的计算和选型 目前，滚动导轨在数控机床上的应用非常广泛，因为其摩擦系数小，f=0.0025-0.005;动、静摩擦系数 很接近，且几乎不受运动速度变化的影响，运动轻便灵活，所需驱动功率小,摩擦发热小，磨损小，精度保 持性好,低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高。 滚动导轨的设计包括选择结构形式，确定预紧方式，计算和确定几何参数。 一、选择滚动导轨的结构形式 滚动导轨可分为滚动体不作循环运动的直线运动导轨和滚动体作循环运动的直线运动导轨两大类。 二、滚动导轨预紧方式的确定 常用的预紧方法有两种:采用过盈配合或采用调整元件， 三、滚动导轨几何参数的确定 包括： 1、滚动体尺寸和数目的选择 16 2、滚动导轨的长度 四、滚动导轨承载能力的计算 计算承载能力时，要求滚动体的最大载荷不得超过许用载荷，其计算步骤如下: (1)、计算最大载荷时所需原始数据 Fx、Fy、Fz: X、Y、Z坐标方向的切削力 (N); G： 运动部件 (包括工件)重力 (N); Xp、Yp、Zp: 在不利的工作条件下切削力作用点的坐标 (cm); Xg、Yg: 运动部件 (包括工件)重心的坐标 (cm); (2)、计算导轨所承受力矩：Mx、My、Mz (3)、计算导轨反作用力A、B、C和滚动体的平均负载 (4)、计算导轨端部滚动体的最大负载 (5)、滚动体许用负载的计算 五、滚动导轨的刚度验算。 滚动导轨应验算其接触刚度，即验算接触变形的大小。 第五节、 进给伺服系统传动计算 由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为 满足负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足一走的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。 当机床脉冲当量滚珠丝杠导程L。确定以后，可以先初选步进电机的步距角，用下式计算进给伺服系统 的传动比i： i=(360 p)/( bL0) 式中: p : 脉冲当量 (mm/步); L。: 滚珠丝杠的基本导程 (mm); b : 步进电机的步距角。 第六节、 步进电机的计算和选用 选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯 量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，再根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的 步进电机。包括： 一、转动惯量计算 1、齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算。 17 2、丝杠折算到电机轴上的转动惯量。 3、工作台折算到丝杠轴上的转动惯量。 4、丝杠传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量。 二、电机力矩的计算 电机的负载力矩在各种工况下是不同的，须分别计算快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩 和最大切削负载时所需力矩等几部分。 三、步进电机的选择 1、首先根据最大静转矩，初选电机型号。 必须特别注意，这样初选出来的步进电机型号并不一定能满足实际工作时的要求，也就是说，尽管最大 静转矩坞瞄数值能满足要求，但是并不能保证在快速空载起动和运行时不失步。所以还必须用起动矩频特 性和运行矩频特性两条重要的性能曲线来检查所选步进电机的型号是否能满足要求。 2、计算电机工作频率 可以分别计算快速进给时步进电机的最大空载起动频率和切削时的最大工作频率。 3、校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。 步进电机由于本身性能的限制，其起动频率一般都较低，带负载时的起动频率约为数百赫芝。而数控 系统要求的工作频率通常都远远大于起动频率。因此必须采用升降速措施。步进电机以较低的频率起动后， 逐渐升速，以保证不失步，升速到规定的运行频率后，开始恒速运行，在到达终点前，要逐步降速，降到 起动频率以下，以保证准确定位。升降速控制是由软件实现。在采用升降速控制以后，如果步进电机起动 力矩还不能满足要求，还可采用高低压驱动功放电路，将步进电机起动力矩再扩大一倍左右。 国内生产步进电机的厂家很多，可在网上查到相关资料。 第七节、 进给伺服系统机械部分的结构设计 在对伺服系统进行了运动和动力计算，已选定滚珠丝杠螺母副规格型号，步进电机型号，降速齿轮几 何参数之后，就可进行结构设计。对于经济型数控机床进给伺服系统设计和普通车床微机数控化改造设计 中，应该注意以下问题: 一、尽量减少普通车床数控化改造设计时的改动量 对于普通车床数控化改造设计时在满足机床总体布局的前提下应尽可能利用原来的零、部件，尽量减 少改动量。尤其是对机床上较大的部件，例如床身、床鞍、工作台等，尽量利用原来的部件，作少量的加 工改造。这样可以大大的降低成本，缩短制造周期。 在进行经济型数控机床设计时，虽然结构尺寸不像改造设计那样限制严格，但也应参考同类型机床。 在初步计算以后，再进行类比，使结构尺寸比较紧凑合理。 18 二、要求设计完整清楚的进给伺服机构装配图 在设计绘制进给伺服机构装配图时，要求视图完整，按一定的比例画出主视图，向视图和必要的剖面 图。要能清楚完整地表达出装配图中每-零件的几何形状和尺寸，应能拆出零件图。图中需标出必要的尺寸 和配合，例如:电机止口和箱体配合处，轴承外圈和箱体内孔之间，轴承内孔和轴之间均应标注尺寸和配合。 三、设计时注意装配的工艺性 在设计绘制进给伺服机构时，应注意装配工艺性，考虑到正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方 便。 四、要求标注清楚装配图的技术条件 绘制机械装配图时，应标注必要的技术条件。例如要求滚珠丝杠中心与导轨平行度在水平及垂直方向 在全长上应小于0.O5mm(中型机床); 丝杠的轴向窜动量应小于0.Olmm，纵向进给丝杠两端的支承距安装基 准面的尺寸应相同，以保证在水平面内丝杠与导轨平行度。而在垂直面内可利用安装螺钉的过孔调整，当 丝杠与导轨平行度达到要求以后，再紧固螺钉并打上定位销。 五、消隙齿轮安装调整要方便。 第八节、 经济型数控机床进给伺服系统设计计算实例 将-台CA6140普通车床改造成微机数控车床，采用MCS-51系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具 有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下: 加工最大直径: 在床面上 4OOmm 在床鞍上 21Omm 加工最大长度: 10OOmm 溜板及刀架重力: 纵向 800N 横向 600N 刀架快速速度: 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/Min 最大进给速度: 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min 主电机功率: 7.5kW 起动加速时间: 30ms 机床定位精度: 0.015mm 此机床进给伺服系统运动及动力计算如下： 19 一、进择脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向:0.01mm/步，横向:0.005mm/步(半径)。 二、计算切削力 1、纵车外圆 主切削力F z(N)按经验公式估算: Fz=0.67Dmax1.5 =0.67 x 4001.5 =5360 按切削力各分力比例: F z:Fx:Fy=l:0.25:0.4 Fx = 5360 x 0.25 = 1340 Fy = 5360 x 0.4 = 2144 2、横切端面 主切削力F z(N)可取纵切的1/2: 26801 z 此时走刀抗力为F y(N)，吃刀抗力为F x(N)。仍按上述比例粗略计算: Fz:Fy:Fx=1:0.25:0.4 Fy=2680 x 0.25 = 670 Fx=2680 x 0.4 = 1072 三、滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (-)、纵向进给丝杠 1、计算进给率引力Fm(N) 纵向进给为综合型导轨： 2530)85360(1.34015.)( GFfKzxm 式中： K考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K1.15; -滑动导轨摩擦系数:0.15-0.18;f G -溜板及刀架重力: G = 800N。 2、 计算最大动负载c: mwFfLc3610Tn 20 01Lvns 式中:L 0 滚珠丝杠导程，初选L 0=6mm; vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/21/3），此处v s0.6m/min； fw运转系数，按一般运转取fw1.21.5； L寿命、以10 6转为1单位。 NFfLCTnrvmws 7.1098253.44601min/5.3360 3、滚珠丝杠螺母副的选型 可采用外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级 选3级。 4、传动效率计算 )(tg 式中：螺旋升角，W 1L4O0b=2 044 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004 94.)1042()(tgt 5、刚度验算 一般滚珠丝杠比较细长，它的刚度应该给与充分重视。 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图。最大牵引力为2530N。支承间距L=15OOmm丝杠螺母及轴承 均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。 21 图4-1、纵向进给系统计算简图 (1)、丝杠的拉伸或压缩变形量 1 根据Pm=2530N,Do=4Omm, 查资料可查出L/L=l.2lO -5，可算出: 1=L/L1500=1.210 -51500=1.810-2(mm) 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形 量 1 (mm)为: 211045. (2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 查资料W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 QmQ4.6 因进行了预紧， Q2.312 (3)、支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3 采用8107型推力球轴承，d 1=35mm，滚动体直径d Q=6.35mm，滚动体数量z=18, )(075.1835.6204.024.32 mZFQmc 注意，此公式中Fm单位应为kgf 因施加预紧力，故 C038.75.213 根据以上计算： 定位精度m15.04.321 6、稳定性校核 滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。 (二)、横向进给丝杠 1、计算进给牵引力F m: 横向导轨为燕尾形，计算如下: NGFfxZym 203)6107268(.074.1)2(4. 2、计算最大动负载c mFfLcTnvmws 72830.12753610.36 22 3、选择滚珠丝杠螺母副 查资料，W1L20051列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额定动载荷为8800N，可满足要求，选定精度 为3级。 4、传动效率计算 965.0)134()(0tgt 5、刚度验算 横向进给丝杠支承方式如图所示，最大牵引力为2425N，支承间距L=45Omm，因丝杠长度较短，不需 预紧，螺母及轴承预紧。计算如下: (1)、丝杠的拉伸或压缩变形量 1 (mm) 查图4-6，根据Fm2023N，D。=2Omm，查出 L /L=5*lO-5，可算出mL251 1089.402. 图4-2、横向进给系统计算简图 (2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 查资料： mQ5.8 因进行了预紧 2=1/2 Q=0.5*8.5=4.25m (3)、支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3 采用8102推力球轴承，d Q=4.763,z=12，d=l5mm 23 )(094.12763.40.024.32 mzdpQmc 考虑到进行了预紧，故 c.9.213 综合以上几项变形量之和: m0279.4.03.18.321 显然此变形量已大于定位精度的要求，应该采取相应的措施修改设计，因横向溜板空间限制，不宜再 加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小最大牵引力。重新计算如下: NGFfFxzym 15)601722680(4.7.1)2(4.1 从资料查出，当Fm=1155N时， L/L=2.4*lO-5.504.1L 2和 3不变，则 1 2 30.01080.00430.00470.0198mm定位精度为0.lmm，故 此变形量仍不能满足，如果将滚珠丝杠再经过预拉伸，刚度还可提高四倍，则变形量可控制在要求的范围 之内。 m017.4.03.18.44132 从上面计算过程可以看出，设计的过程要经过反复修改参数，反复计算才能达到满意的结果。 6、稳定性校核 计算临界负载其F K(N) 2LEIfFZK 式中： E材料弹性模量，钢:E20.61O 6N/cm2 I截面惯性矩（cm 4）丝杠： ，di为丝杠内径；41dI L丝杠两支承端距离 (cm)； fZ-一丝杠支承方式系数，从表4-13中查出，一端固定，一端简支f Z =2.007.615824 782144539.01.2389067.1662 4441kmkZKnFn NLIEf cmdI （一般n k=2.54） 此滚珠丝杠不会产生失稳。 (三)、纵向及横向滚珠丝杠副几何参数。 24 查相关资料。 四、齿轮传动比计算 1、纵向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量 p0.01滚珠丝杠导程L 0=6mm，初选步进电机步距角0.75 0。可计算出传动比 i 8.675.0136ibp 可选定齿轮齿数为， 或40321zi5 2、横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向进给脉冲当量 pO.005，滚珠丝杠导程L 05mm，初选步进电机步距角0.75 0可计算传动比 i: 48.57.0362ibp 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: 250453421zi 因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。 五、步进电机的计算和选型 (一)、纵向进给步进电机计算 1、等效转动惯量计算 计算简图见图1。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J (kgcm2)可由下式计算:)2()()021LgGJzJsM 式中：J M步进电机转子转动惯量 (kgcm 2) J1 J2 齿轮z1,z2的转动惯量 (kgcm 2) Js滚珠丝杠转动惯量 (kgcm 2)。 参考同类型机床，初选反应式步进电机15OBF，其转子转惯量J M=lOkgcm2431431 62078.078. cmkgLd 25 2432432 39.621078.1078. cmkgLdJ 3 95ckg G = 800N 代入上式: 2 202135.6 )6.(89)5.39.6()401 cmkgLgGJzJsM 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 Jm/J = 10/36.355=0.275 基本满足惯量匹配的要求。 2、电机力矩计算 机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算: (1)、快速空载起动力矩M 起 。 在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： M起 M amax+Mf+Mo aaa tnJtnJ 601210262mx2mxmx 0axma3bpvn 将前面数据代入，式中各符号意义同前。 26 min/50367.01.2436maxa rvnbp 起动加速时间t a=3oms cNtnJMaa 5.340.652.102622mxx 折算到电机轴上的摩擦力矩M f: cmNzLGPiLFf 9425.1806)3(6./(100 附加摩擦力矩M 0: cmNzLFiLFp 1539.0385 )9.01(25.8063/1)(/2/)(2 220200 上述三项合计: M起 M amax+Mf+Mo634.594153881.5 Ncm (2)、快速移动时所需力矩M快 M快 Mf+M 0=94+153=247Ncm M起 M amax+Mf+Mo (3)、最大切削负载时所需力矩M 切 ： cmNiLFMxftf 37596.125942.180634159400 从上面计算可以看出，M 起 、M 快、 和M 切 三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步 进电机的依据。 查资料，当步进电机为五相十拍时=M q/Mjmax=0.951。 最大静力矩M jmax= 881.5/0.951 = 927 Ncm。 按此最大静转距，150BF002型最大静转距为13.72 NM。大于所需最大静转距，可以作为初选型号，但 还需要进一步考核步进电机的起动频率特性和运行矩频特性。 3、计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 27 Hzvfpk 401.6201maxfpse. 从资料中查出15OBFOO2型步进电机允许的最高空载起动频率为280OHz，运行频率800OHz。当步进电机 起动时，f 起 =250OHz时，M = lOO Nm，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩(881.5Ncm)直接使 用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制(用软件实现)，将起动频率降到10OOHz时，起动力矩可增 高到588.4Ncm，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 (二)、横向进给步进电机计算和选型 与纵向进给相同，此处略。 六、设计绘制进给伺服系统机械装配图 在完成运动及动力计算之后，己经确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机规格型号，以及齿轮齿数、模数。轴 承型号之后，就可以画经济型数控机床总体布置图和机械装配图。图中应使用细实线表示原机床，粗实线 表示改装设计部分。 改装包括：纵向进给部分拆去原机床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠，光杠等，装上步进电机、齿轮减 速箱、和滚珠丝杠螺母副。横向进给部分也用滚珠丝杠代替原来的滑动丝杠，并在大溜板的后面安装横向 齿轮减速箱和步进电机。并把原来的方刀架取掉，装上自动转位刀架及微型电机。在主轴箱的后端用安装 盘和挠性联轴节装光电脉冲发生器，作螺纹加工用。 装配时应保证丝杠与导轨平行，为使滚珠丝杠转动灵 活、无阻滞现象，应保证滚珠螺母座与丝杠两端支承同心，利用垫片微调垂直方向的同心度，调整好以后 打定位销。为消除齿轮侧隙，采用双薄片齿轮弹簧错齿调整法。 第五章 微机数控系统硬件电路设计 第一节、 单片微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美国Intel公同的MCS-51系列单片计算机，因此本章着重 介绍用MCS-51系列单片微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。 28 (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1/0输入/输出接口电路。 (5)外围设备。如键盘、显示器及光电输入机等。RAM 二、选择中央处理单元CPU的类型。 在微机应用系统中，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)、1/0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MCS-51系列单片微机作为主控制器。 三、存储器扩展电路设计 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。程序存储器主要用于储存数控系统程 序，而数据存储器用于存放用户加工程序，为保护用户加工程序，数据存储器必须有掉电保护功能。 在选择存储器芯片时，要考虑CPU与存储器时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的 容量等问题。经济型数控机床的程序存储器和数据存储器的容量一般在64K左右。 在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。 四、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。 第二节、 专用接口设计 CPU工作原理、存储器扩展、接口芯片等内容再教材中一有介绍，下面仅就与数控有关的接口设计作 一介绍： 一、显示功能设计 在数控系统中，为了与用户进行信息交流，必须具备显示功能；数控系统中使用的显示器主要有 LED(发光二极管显示器)和LCD(液晶显示器)，也有采用CRT接口显示方式。经济型数控机床中，以使用LED 29 显示为主；LED显示器通常它是由八个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画 发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的七段显示器有两种结构。发光二极管的 阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称有共阴极显示器。 在相关课程中，我们已经学习了LED显示器的原理和接口电路；对数控系统设计来说，主要是根据需要 显示的内容，确定LED的类型、行数和每行位数：例如，为了显示X,Y坐标符号、正负号，就必须选者米字 型LED，显示数字使用字符型LED；LED的个数确定与显示内容，特别是工作行程长度，最小单位等有关。 二、键盘输入功能设计 在数控系统中，键盘的主要功能是输入、编辑用户的加工程序，一般应包括：字母键、数字键和必要 的编辑、运行键，如：X、Z、T、M、F、0-9、插入、册除、启动、停止等。键的具体个数，需要根据数控 系统要求来确定。 三、步进电机接口及驱动电路