机电一体化自考本科论文.doc

山 东 大 学目 录摘 要iiabstractiii第1章 概述11.1 普通车床简介11.2 数控车床的卡盘和尾座31.3 数控车床的刀架31.4 ca6140车床5第2章 微型数控系统总体设计72.1 总体方案设计的内容72.2 总体方案设计参数8第3章 机床进给系统机械部分计算103.1 系统脉冲当量及切削力的确定103.2 滚珠丝杠螺母副的设计、计算113.3 进给伺服系统传动计算173.4 步进电机的计算和选用18第4章 进给系统的改造设计254.1驱动装置改造设计254.2 机械结构的改造设计264.2.1传动机构264.2.2进给系统的改造264.2.3刀架的改造、安装274.2.4丝杠的改造、安装27第5章 微机数控系统的设计295.1 微机数控系统设计295.1.1硬件电路设计295.1.2 ca6140机床数控系统软件设计305.2 80c51单片机及其扩展305.2.1 80c51单片机的简介315.2.2单片机的系统扩展335.2.3存储器扩展355.2.4 i/o口的扩展355.3运算程序设计355.4控制面板38总 结39致 谢40参考文献41附录：直线插补程序框图42摘 要数控技术、计算机技术及组成技术是当代机械制造业应用的三大技术。数控是综合应用计算机、自动控制、精密测量等新技术而发展起来的新技术，数控技术与机床的结合就是数控机床。它的优点很多,如提高了加工精度及同一批工件的尺寸重复精度（重复定位精度可达0.2mm），保证加工适量的稳定性。具有较高的生产率、经济效益，但它的价格昂贵，对操作人员的技术水平要求较高。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。在ca6140车床上采用适合现场实时控制的80c51单片机为控制器，以运行特性好、可靠性高的步进电机为驱动执行元件进行数控改造。关键词：数控 ca6140车床 改造 80c51单片机 步进电机abstractnumerical control technology, computer technology and modern machinery manufacturing technology is composed of three major technology applications. nc is a comprehensive application of computer, automatic control, precision measurement technology and developed new technology,the cnc is a combination of technology and cnc machine tools. the cnc machine tools is under the control of cnc machine tools to work on the computer. it has many advantages, such as increasing the number of parts with precision and accuracy of the size of repeat (repeat positioning accuracy up to 0.2mm), to ensure processing of the right amount of stability. higher productivity, economic efficiency, can be a machine to reduce the working hours. but it is expensive, and operators require a higher level of technology. since most of our machines now used as an ordinary lathe, the low degree of automation, to update the existing tools need a lot of money. to solve this problem, and to adapt to many varieties, small batch parts processing we choose cnc machine tools of economic transformation. on the ca6140 lathe used for live real-time control of the 80c51 single chip computer controller, operating characteristics, reliability of the stepper motor to drive the implementation of components for cnc transformation.key word: numerical control machining improvement single-chip computer 80c51 step motor ca6140 lathe iii第1章 概述1.1 普通车床简介1.数控车床的概念 机床是人类进行生产的重要工具，也是社会发展力水平的重要标志 。随着电子技术、计算机技术及自动化，精密机械与测量等技术的发展与综合应用，产生了机电一体化的新型机床数控机床。数控机床是一种通过数字信息，控制机床给定的运动轨迹，进行自动加工的机电一体化的加工装备，是现代制造业的重要标志之一。2.数控车床的类型（1）按按结构分类数控车床分为立式数控和卧式数控车床两种类型。1）立式数控车床用于回转直径较大的盘类零件的车削加工。2）卧式数控车床用于轴向尺寸较大或较小的盘类零件加工。相对与立式数控车床来说，卧式数控车床的结构形式较多、加工功能丰富、使用的面积较广。 卧式数控车床按功能来说可分为：经济型数控车床、普通型数控车床和车削加工中心。a)经济型数控车床采用的是步进电动机和单片机，是通过对普通的车床的车削进给系统改善后形成的简易型数控车床，成本较低，但是自动化程度和功能都比较差，加工的精度也不高，适用于要求不太高的回转类零件的车削加工。b)普通数控车床 根据车削加工要求在结构上进行专门设计并配备通用数控系统而形成的数控车床，数控系统功能强，自动化程度和加工精度也比较高，适用于一般回转类零件的车削加工。这种数控车床加工可以同时控制两个坐标轴，即x轴和z轴。c)车削加工中心 在普通数控车床的基础上，增加了c轴和动立头，更高级的机床还带有刀库，可控制x、z和c三个坐标轴，联动控制可以是（x、z）、（z、c）、或（x、c）。由于增加了c轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大的增强，除可以进行一般车削外，还可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工。（2）按导轨分类数控车床分为水平导轨和倾斜导轨两种。水平床身的工艺性好，便于导轨面的加工。水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的运动精度，一般可用于大型数控车床或小型精密数控车床的布局。但是水平床身由于下部空间小，故排屑困难。 水平床身配上倾斜放置的滑板，并配置倾斜式导轨防护罩，一方面有水平床身工艺性好的特点，另一方面机床宽度方向的尺寸较水平配置滑板的要小，且排屑方便。3.数控车床的基本原理普通车床是靠手工操作机床来完成各种切削加工，而数控车床是将编好的加工程序输入到数控系统中，由数控系统通过控制车床 x 、 z 坐标轴的伺服电机去控制车床运动部件的动作顺序,移动量和进给速度，再配以主轴的转速和转向，便能加工出各种不同形状的轴类和盘类回转体零件。4.数控车床的组成数控车床由数控系统和机床本体组成，数控系统包括控制电源，伺服控制器，主机，主轴编码器,图像管显示器等组成。机床本体包括床身、电动机、主轴箱、电动回转刀架、进给传动系统、冷却系统、润滑系统、安全保护系统等组成。5.数控车床的特点（1）数控车床的优点1）具有较高的生产率，是普通车床的23倍。2）增加了设备的柔性，可以适应不同品种、规格、尺寸的加工，特别适用于多件品种小批量生产。3）工人劳动强度大大减轻。4）能加工普通车床无法加工的复杂型面。5）可以向更高级的机械制造系统发展。（2）不足1）增加了起始阶段投资。2）增加了电子设备的维护。3）对操作人员的技术水平要求更高。1.2 数控车床的卡盘和尾座1.卡盘数控车床一般用液压卡盘来夹持工件。液压卡盘是数控车削加工时加紧工件的重要附件，对一般回转类零件可采用普通液压卡盘；对零件被夹持部位不是圆柱形的零件，则需要采用专用的卡盘；用棒料直接加工时需要采用弹簧卡盘。液压卡盘通常都配备有未经淬火的卡爪，即所谓软爪。软爪分为内夹和外夹两种形式，卡盘闭合时夹紧工件的软爪为内夹式软爪，卡盘张开时撑紧工件的软爪为外夹式软爪。如图1-1所示卡盘. a) b)图1-1 普通的液压卡盘2.尾座尾座安装在床身导轨上，它可以根据工件的长短调节纵向位置。它的作用是利用套筒安装顶尖，用来支承较长工件的一端，也可以安装钻头、铰刀等刀具进行孔加工。尾座的外型美观，与机床设计风格相称，尾座可沿床身导轨移动，同时也可以利用偏心机构将尾座固定在需要的位置上，尾座和床头箱顶尖水平面的偏移，可借横向调节螺丝调节如图1-2所示为数控车床标准尾座结构简图。图1-2数控车床的液压尾1.3 数控车床的刀架数控刀架是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。1.数控刀架工作原理需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与螺杆配合的上刀体逐渐抬起，上刀体与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘也随着螺杆正向转动（上盖圆盘通过圆柱销与螺杆联接），当转过约270时，上盖圆盘直槽的另一端转到圆柱销的正上方，由于弹簧的作用，圆柱销落入直槽内，于是上盖圆盘就通过圆柱销使得上刀体转动起来（此时端面齿已完全脱开）。上盖圆盘、圆柱销以及上刀体在转动过程中，反靠销能够从反靠圆盘中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体寻找刀位时的正向转动。上刀体带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘通过圆柱销带动上刀体开始反转，反靠销马上就会落入反靠圆盘的十字槽内，至此，完成粗定位。此时，反靠销从反靠圆盘的十字槽内爬不上来，于是上刀体停止转动，开始下降，而上盖圆盘继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销的头部压入上刀体的销孔内，之后，上盖圆盘的下表面开始与圆柱销的头部滑动。在此期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。2.数控刀架的功能 数控机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机床的切削性能、切削效率和体现了机床的设计和制造技术水平。3.数控刀架的类型按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式，下面对回转刀架刀架作简单的介绍。 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，一般通过液压系统或电气来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装4把、6把或更多的刀具。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。 1.4 ca6140车床1机床的组成 ca6140车床的主要组成部件由图1-4所示。图1-4 ca6140车床外形图 1主轴箱 2刀架 3尾座 4床身 5右床腿 6溜板箱 7左床腿 8进给箱 6溜板箱 7左床腿 8进给箱(1)主轴箱 主轴箱1是一部件，由箱体、主轴、传动轴、轴上传动件、变速操纵机构、润滑密封件等组成。主轴通过前端的卡盘或者花盘带动工件完成旋转作主运动，也可以安装前尖顶通过拨盘带动工件旋转。(2)刀架 四方刀架装在小滑板上，而小滑板装在中滑板上，纵滑板可沿床身导轨纵向移动，从而带动刀具纵向移动，用来车外圆、镗内孔等。而中滑板相对于纵滑板作横向移动，用来带动刀具加工端面、切断、切槽等。小滑板可相对中滑板改变角度后带动刀具斜进给，用来车削内外短锥面。(3)、尾座 尾座3可沿其导轨纵向调整位置，其上可安装顶尖支撑长工件的后段以加工长圆柱体，也可以安装孔加工刀具加工孔。尾座可横向作少量的调整，用于加工小锥度的外锥面。(4)、进给箱 进给箱8内装有进给运动的传动及操作装置，通过改变进给量的大小，可改变所加工螺纹的种类及导程。 (5)、床身及床腿 床身4是机床的支承件，它安装在左床腿7和右床腿5上并支承在地基上。床身上安装着机床的各部件，并保证它们之间具有要求的相互准确位置。床身上面有纵向运动导轨和尾座纵向调整移动的导轨。(6)、溜板箱 溜板箱6与纵向滑板（床鞍）相连，溜板箱内装有纵、横向机动进给的传动换向机构和快速进给机构等。2ca6140车床的主要技术参数，如表1.表1 ca6140车床的主要技术参数床身上最大工件回转直径400mm刀架上最大工件回转直径210mm最大工件长度750、1000、1500mm主轴中心至床身平面导轨距离205mm最大车削长度650、900、1400mm主轴孔径48mm主轴转速正转（24级）101400r/min反转（12级）141580r/min刀架纵向及横向进给量各64种纵向一般进给量0.081.59mm小进给量0.0280.054mm加大进给量1.716.33mm横向一般进给量0.040.79mm小进给量0.0140.027mm加大进给量0.863.16mm刀架纵向快速移动速度4m/min车削螺纹范围米制螺纹（44种）1192mm英制螺纹（20种）224牙/in模数螺纹（39种）0.2548mm经节螺纹（37种）196牙/in主电动机功率7.5kw转速1450r/min快速电动机功率250kw转速2800r/min第2章 微型数控系统总体设计2.1 总体方案设计的内容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： 1.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。 2.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。 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。 4.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。2.2 总体方案设计参数将ca6140车床改造成经济型数控车床。1.设计任务：主要技术参数：最大加工直径（mm）： 在床身上：400 在床鞍上：210最大加工长度（mm）： 750 1000 溜板及刀架重量（n）： 纵向：1000 横向：500 刀架快移速度（m/min）： 纵向：2 横向：1 最大进给速度（m/min）： 纵向：0.6 横向：0.3 最小分辨率 （mm）： 纵向：0.01 横向：0.005定位精度（mm）： 0.02主电机功率（kw）： 5.5 起动加速时间（ms）： 35自动升降速性能: 有2.总体方案的确定（1）系统的运动方试与伺服系统的选择： 由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。考虑到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。（2）计算机系统： 根据机床要求，采用8位微机。由于mcs-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，mcs-51系统的最小系统用一片80c51外扩一片eprom就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用mcs-51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、i/o接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路组成，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lcd液晶显示器显示加工数据及机床状态等信息。3.为了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，为了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，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。 系统总体方案框图见图2-1图2-1第3章 机床进给系统机械部分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，确定伺服电机等。现分述如下：3.1 系统脉冲当量及切削力的确定 1.脉冲当量确定 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向：0.01mm/脉冲；横向：0.005mm/脉冲。2.切削力的计算（1）纵车外圆：主切削力fz（n）由经验公式（3.1）估算：=60000/ （=90100m/min） （3.1）而= （=0.70.85）（3.2）取0.8，则0.85.54.4kw取90mm/min，则进给抗力600004.4/902933nx向和y向根据经验公式（3.3）（3.4）确定0.5（3.3）0.6（3.4）则得：0.51467n 0.61760n（2）横切端面：主切削力可取纵切的一半，即0.51467n此时走刀抗力，吃刀抗力依然按上述经验公式粗略计算： 则得： 3.2 滚珠丝杠螺母副的设计、计算纵向进给丝杠1. 计算进给牵引力fm(n) 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切屑分力作用在导轨上的摩擦力，由以下公式确定： （3.5） 式中：k考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取k=1.15 滑动导轨摩擦系数：0.150.18，取=0.16 g溜板及刀架重力，由已知g=1000n 代入得：1.1514670.16（29331000）2316n2.计算最大动负载q选用滚珠丝杠副的直径时，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，计算如下： （3.6） （3.7） （3.8）式中：为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程lo=6mmvs-最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/21/3 t-使用寿命,按15000h fw-运转系数,按一般运转取fw =1.21.5;此处取fw=1.2 l-寿命以转为1单位则： 3.传动效率计算 =tan/tan(+)式中：螺旋升角,w1l2506的螺旋升角=422 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004则：=tan/tan(+) =tan422/tan(422+10)=0.964.刚度校核先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如下图3-1所示：图3-1纵向进给滚珠丝杠支承方式草图则：100095315201160mm（3.9）支承间距l=1160mm，最大轴向力为2316n，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3。（1）丝杠的拉伸或压缩变形量，（3.10） 对刚： （3.11） 丝杠导程的变化量：（3.12）总长度l=1160mm，丝杠上的变形量，由于两端均采用推力球轴承，则值：（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形： 由承载滚珠数量2.51231.6kgf（3.12）由于对滚珠丝杠副施加预紧力，且预紧力为轴向载荷的1/3，则变形：（3）滚珠丝杠总的弹性变形量：根据以下经验公式：（3.13）则可得：（4）定位误差所以，满足要求。横向进给丝杠1.计算进给轴向力横向导轨为双燕尾形，有如下计算式：（3.14）式中：k考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取k=1.4； 滑动导轨摩擦系数：取=0.2； g溜板及刀架重力，由已知g=500n则代入已知得：2.计算最大动负载q计算如下： （3.15） （3.16） （3.17）式中：为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程lo=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,此处为0.3m/min; t使用寿命,按15000h; fw运转系数,按一般运转取fw =1.21.5;此处取fw=1.2； l寿命以转为1单位.则：n 10000.30.5530l27q1.219196908n3.传动效率计算 =tan/tan(+)式中：螺旋升角,w1l2005的螺旋升角=430 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004则：=tan/tan(+) =tan430/tan(430+10)=0.9644.刚度校核先画出此横向进给滚珠丝杠支承方式草图，如下图3-2所示：图3-2 横向进给滚珠丝杠支承方式草图则400842.51216530mm式（3.2.15）支承间距l=530mm，最大轴向力为1919n。（1）丝杠的拉伸或压缩变形量根据： ， 对刚：，总长度l=1160mm，丝杠上的变形量：（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形：由，由于对滚珠丝杠副施加预紧力，且预紧力为轴向载荷的1/3，则变形：（3）滚珠丝杠总的弹性变形量：根据以下经验公式：（3.18）则可得：（4）定位误差显然，变形量已大于定位精度（0.02mm）要求，应该采取相应的措施修改，因横向溜板限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨（），减小摩擦力，从而减小轴向力，重新计算如下： 此时的变形量为：则定位误差为：仍不能满足精度要求0.02mm。如果将顾主丝杠再进行预拉伸，则丝杠刚度可提高四倍，则定位误差为： 满足要求。3.2.3纵向和横向滚珠丝杠副几何参数：表3.1 几何参数名称符号w1l2506w1l2005螺纹滚道公 称 直 径2520导 程65接 触 角钢 球 直 径3.9693.175滚道法面半径2.0641.651偏 心 距0.0560.045螺 纹 升 角螺杆螺 杆 外 径(0.20.25)24.219.4螺 杆 内 径20.98416.788螺杆接触直径17.02713.835螺母螺母螺纹直径32.82623.212螺 母 内 径(0.20.52)25.820.6353.3 进给伺服系统传动计算1.齿轮传动比计算已确定纵向进给脉冲当量,滚珠丝杠导程,初选步进电机步距角0.9,可计算出传动比i （3.19）可选定齿轮齿数为: 由齿轮传动比i=2/3，可以选定齿轮齿数为: =24和=36或=28和 =42，初选=28和=42的齿轮。有关参数如表3.2。 表3.2 齿轮参数齿 数284224402030分度圆d=mz568448804060齿顶圆da=d+2m608852844464齿根圆df=d-21.25m517943753555齿 宽(6-10)m202020202020中心矩a=(d1+d2)/27064503.4 步进电机的计算和选用纵向机构步进电机选型1.计算步进电机负载转矩tm （3.20） 式中: 脉冲当量 (mm/step) 进给牵引力 (n) 步距角,初选双拍制为0.9 2.初选步进电机型号 根据=1.475n.m查得混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号为56byg250e-sassbl-0601，其中，,保持转矩为2.5n.m.3.等效转动惯量计算 传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 运动件的转动惯量可由下式计算: 式中 ，齿轮,的转动惯量 () 滚珠丝杠转动惯量 () = 式中 d圆柱体直径(cm); l圆柱体长度 (cm); 代入上式: 0.751.53(7.773.53)(1000/9.8)7.224.电机转矩计算 机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:（1)快速空载起动惯性矩在快速空载起动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下： （3.21） （3.22） 又： （3.23） 代入得： 7.72 115.4n.cm 折算到电机轴上的摩擦力矩:50n.cm（3.24）式中：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8;i传动比;附加摩擦力矩：（3.25）式中：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8;i传动比;fpo滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3fm,fm为进给牵引力(n);o滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取0.9,此处取o=0.9所以：（2)快速移动所需力矩 （3.26） =50+9.7=59.7n.cm (3)最大切削载时所需力矩(3.27） 从上面计算可以看出、三种工况下,以最大切削载时所需转矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据.查得：当步进电机为两相四拍时， =0.707图3-3 56byg250esassbl0601混合式步进电机矩频特性图故最大静力矩mjmax=175.5/0.707=2.48 nm，而电机保持转矩为2.5n.m最大静力矩mjmax，大于所以满足要求！但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 当快速运动和切削进给时，56byg250e-sassbl-0601型混合式步进电机运行矩频完全可以满足要求。横向机构步进电机选型1.计算步进电机负载转矩tm （3.28） 式中: 脉冲当量 (mm/step); 进给牵引力 (n); 步距角,初选双拍制为0.9; 2.初选步进电机型号 根据=0.611n.m在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号为56byg250d-sassbl-0241，其中，,保持转矩为1.72n.m. 3.等效转动惯量计算 计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量运动件的转动惯量可由下式计算: （3.29）式中 、齿轮、的转动惯量 () 滚珠丝杠转动惯量 () = 式中 d圆柱体直径(cm); l圆柱体长度 (cm); 代入上式: 4.电机转矩计算 机床在不同的工况下,下面分别按各阶段计算: (1)快速空载起动惯性矩在快速空载起动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下： （3.30） （3.31） 又： （3.32） 代入得：3.5152.5ncm 折算到电机轴上的摩擦力矩:1.96n.cm（3.33）式中：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8;i传动比; 贴塑导轨摩擦系数，取=0.04附加摩擦力矩：（3.34）式中：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8;i传动比;fpo滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3fm,fm为进给牵引力(n);o滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取0.9,此处取o=0.9所以：(2)快速移动所需力矩 （3.35） =1.96+4.84=6.8n.cm （3)最大切削载时所需力矩（3.36） 从上面计算可以看出、三种工况下,以快速空载起动惯性矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据.查得：当步进电机为两相四拍时， =0.707故最大静力矩mjmax=59.3/0.707n.m=0.839n.cm，而电机保持转矩为 1.72n.m，大于最大静力矩mjmax，所以满足要求！但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 图3-4 56byg250eassbl0241型混合式步进电机矩频特性图当快速运动和切削进给时，56byg250eassbl0241型混合式步进电机运行矩频完全可以满足要求。第4章 进给系统的改造设计 ca6140车床的数控改造的目的是利用数控系统控制原有车床自动完成机械加工任务，提高精度和生产率。改造的主要的内容包括：将机械传动的进给控制控制装置改造成数控控制的无级自动变速进给系统；将丝杠换成滚珠丝杠，提高传动精度；手动控制的刀架转动装置改造成自动转位刀架；加装微机控制系统；改造主轴设计主箱等。其改造装配图见附图1下面简要对改造部分说明： 4.1驱动装置改造设计在普通机床的数控改造中一般采用步进电动机和交流伺服电动机。伺服电机与步进电动机相比，其精度高、价格昂贵、考虑改造本身是经济型改造，因此一般采用步进电动机作为驱动装置。步进电动机采用脉冲数字信号进行控制，每转一步距误差自动变为零，改变各项绕组的接通次序即可实现正反转，易于控制，且价格低廉，数控车窗上大多数使用反应式步进电动机。经全面考虑，在ca6140的数控改造中，选用步进电动机作为进给系统的驱动装置。理由是：改系统控制方便，由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电动机转动，通过齿轮与滚珠丝杠副驱动执行部件，只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可以控制执行运动的位移量、速度和运动方向。该系统简单，易维修，性价比高。伺服系统如图4-1所示及步进电动机截面图如4-2：图4-1 伺服系统 图4-2 步进电动机横截面1.电刷 2-永久磁铁励磁 3-电枢绕组 4-整流子4.2 机械结构的改造设计4.2.1传动机构 在机械结构的改造中，主要针对原车床的进给系统进行数控化改造。在传动系统中，数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，驱动部件采用步进电机。进给转动机构如图4-3所示，纵、横向采用步进电动机减速齿轮滚珠丝杠床鞍的传动方式。分别在x轴和z轴的步进电机输出轴端配置减速器，减速器由一对啮合齿轮组成，通过减速器齿轮传动，由滚珠丝杠副传给床鞍，从而带动拖板的移动。 4-3传动机构1-步进电动机 2-齿轮减速装置 3-支承 4-丝杠 5-床鞍4.2.2进给系统的改造 1.纵向进给系统 拆去原机床的溜板箱、丝杠、光杠及安装座，配上滚珠丝杠以及相应的安装装置。将步进电动机装在三扛支架右侧，把滚珠丝杠的右侧通过连接套与步进电机输出轴连接。选用混合型步进电动机，减速比5/4，保持转矩12.25n*m。混合型步进电机是专为机床微机系统的电动机，是在110bf反应式步进电动机的基础上加上齿轮减速装置的组成的，适用于数控系统。步进电动机经无间隙联轴器与滚珠丝杠相连，将拖动转矩传给滚珠丝杠副，带动中滑板沿纵向往复运动。滚珠丝杠可采用预紧安装方式 ，以减小或消除因丝杠重力而产生的弯曲变形，使丝杠拉压刚度有较大提高，丝杠不会因发热而伸长。2.横向进给系统拆除原来的横向丝杠，换上滚珠丝杠，滚珠丝杠导程p=5mm；将横向步进电动机与滚珠丝杠连接。该滚珠丝杠的步距角为；进给速度=31500mm/min。 选用混合型齿轮减速步进电动机，保持转矩16.37n*m，选择减速比为5/12。混合型齿轮减速步进电机是专为机床微机系统配套的电动机，是在110bf反应式步进电动机的基础上加上齿轮减速装置的组成的，适用于数控系统。脉冲当量0.005mm/步，通过无间隙联轴器与滚珠丝杠相连。4.2.3刀架的改造、安装1.常采用常州产的ld4bck6140电动刀架。2.刀架安装时，需先拆除原机床的小滑板和刀架，然后把电动刀架置于中滑板上。此时，刀架高度应使车刀前面基本通过车床主轴轴心线，否则要在刀架下面加垫板，调整其高度。然后，卸掉电动机风扇罩壳，逆时针方向转动电动机，使上刀相当于下刀体转动左右。打装螺孔，再用内六角螺栓将刀架与中滑板固定。固定时注意：将刀架两侧面分别与车床纵向和横向的进给方向平行，用垫板来调整其中心高。使用前调试运动，运转时要达到轻松灵活、无噪音。4.2.4丝杠的改造、安装 一般数控车床系统要求才有滚珠丝杠副传动，目的是为了提高机床的进给精度，减小传动副的摩擦阻力。为此，对滚珠丝杠的选型是很重要的。根据c的原则，使选取的滚珠丝杠的额定动载荷大于计算的最大工作载荷，由第三章计算的结果得，选取滚珠丝杠型号为cdm20045，其表示外循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式的滚珠丝杠。公称直径为20mm，导程为4mm，右旋螺纹，载荷钢球为5圈，精度3级得定位滚珠丝杠。 同时为了满足高精度，常常采用一端固定、一端铰支的支承形式。安装时，拆除原车床的纵向和横向丝杠光杠、溜板箱及挂轮箱中的齿轮，用滚珠丝杠替换原有普通滑动丝杠，将选取的纵向滚珠丝杠副通过托架安装在原溜板箱与床鞍连接的部位上，纵横向滚珠丝杠两端尽可能利用原固定和支承方式。为便于安装滚珠丝杠副，丝杠采用分体式，用套筒联轴器实现刚性联接。4-4 滚珠丝杠示意图第5章 微机数控系统的设计5.1 微机数控系统设计5.1.1硬件电路设计硬件是组成系统的基础，也是软件编制的前提，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。数控系统硬件的设计包括以下几部分内容：1.绘制系统电气控制结构框图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，绘制电气控制结构图（见附图2）。机床硬件电路由五部分组成：（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。2.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。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。3.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