普通车床数控改造毕业设计.doc

目录 摘要 abstract 前言第一章 绪论1 数控机床的概念，组成，特点 2 数控机床的发展趋势与现状 3 毕业设计的目的 4 设计内容与方法第二章 微型数控系统总体设计方案的拟定1 毕业论文的要求和内容2 总体方案的确定第三章、机床进给系统机械部分设计计算1 系统脉冲当量及切削力的确定2 切削力的计算3 滚珠丝杠螺母副的设计、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第四章、微机数控系统的设计1 微机数控系统设计的内容 2 80c51单片机及其扩展第五章 数控机床的零件加工程序第六章 心得与体会第七章 参考文献附表：混合式步进电机的相关资料普通车床数控改造用微机数控技术改造最大加工直径为500mm普通车床的进给系统摘要：了解数控机床的概念，所谓数控是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,如可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。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。总体设计方案：在普通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、车床、改造、80c51单片机；步进电机；abstract:numerical control (nc) is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .when numerical control is performed under computer supervision, it is called computer numerical control (cnc).cnc machines have many advantages over conventional machines. for example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. one of its disadvantages is that they are quite expensive. in our country conventional machine is used widely. so if the machines are replaced, there is going to need a large money. in order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. the overall master design: the way to nc improvement of general machine tool was introduced that using single-chip computer 80c51 to realize the real-time control and driving by step motor.key word: numerical control、machining、improvement、single-chip computer 80c51、step motor；前 言 数控机床经济型改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。 本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造,以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数减少,从而提高机床的精度。 设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。 随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。第一章 绪论1 数控机床的概念及组、特点1数控机床的概念数控技术是20世纪中期发展起来的机床控制技术。数字控制（numerical control，简称nc）是一种自动控制技术，是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。数控机床（nc machine）就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。它是一种综合应用计算机技术、自动控制技术、精密测量技术、通信技术和精密机械技术等先进技术的典型的机电一体化产品。国家信息处理联盟（international federation of information processing，简称ifip）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码和其他符号编码指令规定的程序。2数控机床的组成数控机床的种类很多，但任何一种数控机床都是由控制介质、数控系统、伺服系统、辅助控制系统和机床本体等若干基本部分组成，如图1-1所示。图1-1 数控机床的组成（1）控制介质数控系统工作时，不需要操作工人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图，这就需要在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即称为控制介质。在控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件位移信息，因此，控制介质就是将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式，它随着数控装置类型的不同而不同，常用的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘和usb接口介质等。控制介质上记载的加工信息要经过输入装置传送给数控装置，常用的输入装置有光电纸带输入机、磁带录音机、磁盘驱动器和usb接口等。除了上述几种控制介质外，还有一部分数控机床采用数码拨盘、数码插销或利用键盘直接输入程序和数据。另外，随着cad/cam技术的发展，有些数控设备利用cad/cam软件在其他计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信（如局域网），将程序和数据直接传送给数控装置。（2）数控系统数控装置是一种控制系统，是数控机床的中心环节。它能自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床进给并加工零件。数控系统通常由输入装置、控制器、运算器和输出装置4部分组成，如图1-2所示。输入装置接受由穿孔带阅读机输出的代码，经识别与译码之后分别输入到各个相应的寄存器，这些指令与数据将作为控制与运算的原始数据。控制器接受输入装置的指令，根据指令控制运算器与输入装置，以实现对机床的各种操作（如控制工作台沿某一坐标轴的运动、主轴变速和冷却液的开关等）以及控制整机的工作循环（如控制阅读机的启动或停止、控制运算器的运算和控制输出信号等）。运算器接受控制器的指令，将输入装置送来的数据进行某种运算，并不断向输出装置送出运算结果，使伺服系统执行所要求的运动。对于加工复杂零件的轮廓控制系统，运算器的图1-2 数控装置结构重要功能是进行插补运算。所谓插补运算就是将每个程序段输入的工件轮廓上的某起始点和终点的坐标数据送入运算器，经过运算之后在起点和终点之间进行“数据密化”，并按控制器的指令向输出装置送出计算结果。输出装置根据控制器的指令将运算器送来的计算结果输送到伺服系统，经过功率放大驱动相应的坐标轴，使机床完成刀具相对工件的运动。目前均采用微型计算机作为数控装置。微型计算机的中央处理单元（cpu）又称微处理器，是一种大规模集成电路。它将运算器、控制器集成在一块集成电路芯片中。在微型计算机中，输入与输出电路采用大规模集成电路，即所谓的i/o接口。微型计算机拥有较大容量的寄存器，并采用高密度的存储介质，如半导体存储器和磁盘存储器等。存储器可分为只读存储器（rom）和随机存取存储器（ram）两种类型，前者用于存放系统的控制程序，后者存放系统运行时的工作参数或用户的零件加工程序。微型计算机数控装置的工作原理与上述硬件数控装置的工作原理相同，只是前者采用通用的硬件，不同的功能通过改变软件来实现，因此更为灵活与经济。（3）伺服系统伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床本体的移动部件运动或使执行部分动作，以加工出符合要求的工件。指令信息是脉冲信息的体现，每个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫做脉冲当量。机械加工中一般常用的脉冲当量为0.01mm/脉冲、0.005mm/脉冲、0.001mm/脉冲，目前所使用的数控系统脉冲当量一般为0.001mm/脉冲。伺服系统是数控机床的关键部件，它的好坏直接影响着数控加工的速度、位置、精度等。伺服机构中常用的驱动装置，随数控系统的不同而不同。开环系统的伺服机构常用步进电机和电液脉冲马达；闭环系统常用宽调速直流电机和电液伺服驱动装置等。（4）辅助控制系统辅助控制系统是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。它接受数控装置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成各种规定的动作。此外，有些开关信号经过辅助控制系统传输给数控装置进行处理。（5）机床本体机床本体是数控机床的主体，由机床的基础大件（如床身、底座）和各种运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。它是完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上改进而成的。其具有以下特点：l 数控机床采用了高性能的主轴与伺服传动系统、机械传动装置。l 数控机床机械结构具有较高的刚度、阻尼精度和耐磨性。l 更多采用了高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨。与传统的手动机床相比，数控机床的外部造型、整体布局，传动系统与刀具系统的部件结构及操作机构等方面都发生了很多变化。这些变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点，因此，必须建立数控机床设计的新概念。数控机床特点1信息输入 2数控装置 3 伺服驱动装置 逐点比较法步骤和检测反馈装置 4机床本体 5机电接口 1判别2进给3 计算4 比较分类 位置检测装置：要求按运动 1点位控制数控机床 1受外界因素影响要小 长期保持精度 2直线控制数控机床 2能满足速度和精度的要求3轮廓控制的数控机床 3 结构简单成本低按伺服系统类型 感应同步器 工作原理 1开环控制数控机床 在激磁绕组上加一定的幅值 一定频率的激2闭环控制的数控机床 磁电压时候 在感应绕组上就会产生感应电3半闭环控制的数控机床 压 感应电压的频率与激磁电压相同 但它的按工艺方法 幅值随滑尺相对于定尺的位移 成渝线函数规1金属切削类 律变化 当滑尺移动一个截距2t 感应电压的2金属成型类和特种加工 相位变化一个周期2 因此通过测量感应按功能 电压的大小 推算出滑尺相对定尺的位移1中央处理单元 光栅构成 2分辨率和进给速度 1 光源 2透镜 3标尺光栅4 指示光栅 5光3多轴联动功能 敏元件：将光强信号变为电信号6 检测线路：4显示功能 5通讯功能 进一步处理信号cnc装置的主要功能 光栅工作原理1控制轴数和联动轴数2准备功能 当两块栅距相同的光栅 彼此倾斜一定角度3插补功能 4主轴速度功能 重叠放置 在光源的照射下 由于挡光效应5进给功能 6补偿功能 7固定循环加工功能 产生一系列明暗相间的条纹 成为莫尔条纹8辅助功能 9字符图形显示功能 利用他的以下特性 可以测距 测速和鉴向 10程序编制功能 11 输入输出和通讯 1当用于平行光来照射光栅时 透过莫尔条12自诊断功能 纹的光强分布近似于余弦函数规律cnc装置的特点 2莫尔条纹移动与光栅移动相对应1 灵活性大 2通用性强 3可靠性高 当光栅相对一个栅距d 莫尔条纹则在4 可以实现丰富复杂的功能 5 使用维修方便 其垂直方向上移动一个宽度w6易于实现机电一体化 3莫尔条纹具有放大作用cnc装置的体系结构 光栅信号处理过程1主从结构 2多主结构 3 分布式结构 1在莫尔条纹的移动方向上 开4个窗口 cnc装置的软件结构 abcd 彼此相距w/4 透过4个窗口的1 cnc 装置的软件硬件的界面 光强的变化近似预先函数规律2 系统软件的内容和结构类型 2利用光敏元件 将回路光强信号转变成3多任务并行处理 四路相位彼此相差/2 的交变电压信号 ua ub uc ud 3利用差动放大电路将四路交变电压信号 频率则可以测出光栅尺的移动速度转换成两路相位彼此相差/2交变电压 根据两路方波信号彼此超前或滞后信号 ua ub 关系则可以鉴别出光栅尺的移动方向4通过整形将两路交变电压信号转换成 利用信频可以提高光栅的分辨率两路方波信号va vb5方波信号变化一个周期则表示 光栅尺移动了一个栅距d 利用方波信号变化的 伺服电机 控制信号转换和放大电路三环控制 电流速度位移对伺服系统的要求 1 精度高：定位精度 轮廓 2稳定性好步进电机1电脉冲代表角位移2脉冲数代表角位移3脉冲频率代表转速4通电顺序代表转向步距角 =360/mz 1 abca 单三拍通电2 abbccaab 双三拍通电3 aabbbcccaa 三相六拍主要特征1步距和转角误差 2最大静扭矩3启动频率 4连续运行频率5频矩特性2 数控机床的发展趋势与现状高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向。数控技术的问世已有40多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。技术发展的需要对21 世纪的数控技术提出了更高的要求。一、个性化的发展趋势1.高速化、高精度化、高可靠性高速化：提高进给速度与提高主轴转速。 高精度化：其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(高可靠性：一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，因为商品受性能价格比的约束。2.复合化数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提高生产的柔性。3.智能化智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以及智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。4.柔性化、集成化当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线（fmc、fms、ftl、fml）向面(工段车间独立制造岛fa)、体（cims、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。二、个性化是市场适应性发展趋势当今的市场，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不断升级，用户的个性化要求日趋强烈，专业化、专用化、高科技的机床越来越得到用户的青睐。三、开放性是体系结构的发展趋势新一代数控系统的开发核心是开放性。开放性有软件平台和硬件平台的开放式系统，采用模块化，层次化的结构，并通过形式向外提供统一的应用程序接口。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究， 数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年的一个新的焦点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机。3 毕业设计的目的：毕业设计是培养我们理论联系实际，解决生产实际问题能力的重要步骤，它系统的检验了我们是否是合格的毕业生。它通过对机床数控系统设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分结构设计、计算控制系统硬件电路的设计以及数控机床加工程序的编制，使我们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，从而培养了我们具有加工编程能力，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。4 毕业设计的内容：1、 微机数控系统总体设方案的拟定：（1）系统运动方式的确定（2）伺服系统的选择。（3）执行机构传动方式的确定。（4）计算机的选择。2、进给伺服系统机械部分设计计算：（1）进给伺服系统机械部分设计方案的确定。（2）确定脉冲当量。（3）滚珠丝杠螺母副的选型。（4）滚动导轨的选型。（5）进给伺服系统传动计算。（6）步进电机的计算和选用。（7）设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。（8）设计绘制进给伺服系统的一张或两张零件图。3、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）mcs-51系列单片机及扩展芯片的选用。（3）i/o接口电路及译码电路的设计。（4）设计绘制一台数控机床微机控制系统电路原理图。4、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）确定对刀点。（4）选择刀具。（5）确定切削用量。（6）编制加工程序。5、直线的逐点比较法插补软件程序流程框图的绘制第二章 微型数控系统总体设计方案的拟定：1、毕业论文的要求和内容（包括原始数据、技术要求、工作要求）1.课题名称：用微机数控技术改造最大加工直径为400毫米普通车床的进给系统2.设计任务与要求：主要技术参数：最大加工直径（mm）： 在床身上：500 在床鞍上：260最大加工长度（mm）： 750 - 1000 溜板及刀架重量（n）： 纵向：1100 横向：550 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）： 0.025主电机功率（kw）： 5.5 起动加速时间（ms）： 30设计的要求1）cnc系统的主cpu既可采用8031单片机也可用系统机。2）两个坐标的进给伺服系统既查采用步进电机驱动也可用直流或交流伺服电机驱动。3）所编的零件加工程序应符合iso标准的有关规定。既可用手工也可用ug等软件编程。4）所绘制的机械装配图和硬件电路原理图要求正确、合理、图面整洁、符合标准。5）所编写的软件应在计算机上进行汇编和通讯等。6）说明书应简明扼要、计算准确、条理清楚、图文并茂并全部用计算机打印后装订成册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（1）第三章、机床进给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机计算，确定伺服电机，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下：1 系统脉冲当量及切削力的确定 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、铣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/step；横向：0.005mm/step2 切削力的计算1、纵车外圆：主切削力fz（n）由经验公式（1）估算： 式（1）而式（2）取，则，取，则进给抗力x向和y向根据经验公式（3）（4）确定 式（3） 式（4）则得： 2、横切端面：主切削力可取纵切的一半，即此时走刀抗力，吃刀抗力依然按上述经验公式粗略计算： 则得： 3、滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型（一）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，因而其数值大小和导轨的形式有关。本次设计纵向进给为综合型导轨，则按以下公式确定： 式（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：2 . 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： 式（6） 式（7） 式（8）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： 3 . 滚珠丝杠螺母副的选型：查阅数控机床系统设计中附表1，可采用w1l2506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1310n,精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为3级(大致相当于老表准e级)4 . 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)=0.965 . 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（2）所示：图（2）纵向进给滚珠丝杠支承方式草图则： 式（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，式（10） 对刚： 式（11） 丝杠导程的变化量：式（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： 由承载滚珠数量式（13）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：式（14）则可得：（4）定位误差所以，满足要求。（二）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：式（15）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： 式（6） 式（7） 式（8）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： 3 . 滚珠丝杠螺母副的选型：查阅数控机床系统设计中附表1，可采用w1l2005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8800n,精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为3级(大致相当于老表准e级)4 . 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)=0.9645 . 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）所示：图（3）、横向进给滚珠丝杠支承方式草图则式（9）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：式（14）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，根据式（16）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。（三）纵向和横向滚珠给丝杠副几何参数：其几何参数见表1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25.820.6354 进给伺服系统传动计算1. 齿轮传动比计算 (纵向进给齿轮箱传动比计算)（1）,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 式（17）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2。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)/27064502 . 齿轮齿数及技术参数计算出传动比i后,降速级数决定采用一对齿轮降速,因为进给伺服系统传递功率不大,一般取=12,数控车床,铣床取=2,此设计中取=2。为了消除齿轮侧隙，此作业中采用双片齿轮。5 步进电机的计算和选用（一）纵向机构步进电机选型：1 . 计算步进电机负载转矩tm 式（18） 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，参考同类机床，初选反应式步进电机150bf，其转子转动惯量jm=10kgcm2.3. 等效转动惯量计算j1=0.7810-3d14l0=0.7810-36.442=2.62kgcm2j2=0.7810-3d24l=0.7810-3842=6.39kgcm2js=0.7810-344150=29.952kgcm2=800njm=10kgcm2.代入上式:总的转动惯量：j=jm+j1+(z1/z2)2 （j1+ j2）+w/g (l0/2)2=36.355 kgcm24. 电机力矩计算机床在不同的工作情况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：（1）快速空载启动转矩mq在快速空载启动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下：mq=mamax+mf+m0mamas=j=j2nmax10-2)/60tanmax=vmax/pb/360将前面数据代，各式中符号相同入。nmax=vmax/pb/360=500r/min启动加速时间ta =30msmamas=j=j2nmax10-2)/60ta=634.5ncm折算到电机轴上的摩擦力矩mf：mf=f0l0/2i=94nm附加摩擦力矩m0；m0= f0l0/2i(10)=153ncm上述三项合计：mq= mamasmfm0=881.5ncm（2） 快速移动时所需的力矩mkmk= mfm0=247ncm（3） 最大切削时所需的力矩m切m切= mfm0m1= mfm0fxl0/2i=9415325130.620.81.25=487ncm从上面计算可以看出mq、mk、m切，三种情况下，以快速空载启动时所需力矩最大，以此项为初选步进电机的依据。查的：当步进电机为五相十拍时，= m切/ mjmas=0.951最大静力矩mjmas=881.5/0.951=927n按此最大静转矩从附表查出，150bf002型最大静转矩为13.72nm大于所需要的最大静转矩，可最为初选型号，但还需要进一步考核步进电机启动矩频特性和运行矩频特性。5. 计算步进电机空载启动时的频率和切削时的工作频率fk=1000vmax/60p=10002/600.01=3333hzft=1000vt/60p=10000.6/600.01=1000hz可查出150bf002型步进电机允许的最高空载启动频率为2800hz，运行频率为8000hz，再从图27查出进电机启动矩频特性和运行矩频特性。从图27看出，当步进电机启动时，f起=2500hz,m=100ncm远远不能满足此机床所需要的空载启动力矩（881.5ncm），直接使用会出现失步，所以必须采用升降速控制，半启动频率降到1000hz时，启动力矩可提高588.4 ncm然后在电路上采用高低压电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，150bf002型步进电机运行矩频完全可满足要求。5、绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画机械装配图。见附图（一）例如，双片齿轮采用周向弹簧调整消隙法：如图（5）所示，采用了可调拉力弹簧调整间隙。在两个薄片齿轮1和2上分别装上耳座3和8，弹簧4的一端钩在耳座3上，另一端钩在耳座8的螺钉7上。用螺母5调节螺钉7的伸出长度即可调整弹簧的弹力，调整好后再用螺母6锁紧。弹簧的弹力使薄齿轮1和2的左、右齿面分别与宽齿轮的齿槽左、右齿侧面贴紧，消除了齿侧间隙。 （ 图5） 双薄片齿轮周向弹簧调整法1、2-薄片齿轮 3、8-耳座 4-弹簧 5-调节螺母 6-锁紧螺母 7-螺钉 （二）横向进给步进电机计算与选型1 . 计算步进电机负载转矩tm =1.411nm2. 初选步进电机型号 根据=1.411n.m，参考同类机床，初选反应式步进电机150bf，其转子转动惯量jm=10kgcm2.3. 等效转动惯量计算j1=0.7810-3d14l0=0.7810-36.442=2.62kgcm2j2=0.7810-3d24l=0.7810-3842=6.39kgcm2js=0.7810-344150=29.952kgcm2=800njm=10kgcm2.代入上式:总的转动惯量：j=jm+j1+(z1/z2)2 （j1+ j2）+w/g (l0/2)2=36.355 kgcm24. 电机力矩计算机床在不同的工作情况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：（1）快速空载启动转矩mq在快速空载启动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下：mq=mamax+mf+m0mamas=j=j2nmax10-2)/60tanmax=vmax/pb/360将前面数据代，各式中符号相同入。nmax=vmax/pb/360=500r/min启动加速时间ta =30msmamas=j=j2nmax10-2)/60ta=634.5ncm折算到电机轴上的摩擦力矩mf：mf=f0l0/2i=94nm附加摩擦力矩m0；m0= f0l0/2i(10)=153ncm上述三项合计：mq= mamasmfm0=881.5ncm（2） 快速移动时所需的力矩mkmk= mfm0=247ncm（3） 最大切削时所需的力矩m切m切= mfm0m1= mfm0fxl0/2i=9415325130.620.81.25=487ncm从上面计算可以看出mq、mk、m切，三种情况下，以快速空载启动时所需力矩最大，以此项为初选步进电机的依据。查的：当步进电机为五相十拍时，= m切/ mjmas=0.951最大静力矩mjmas=881.5/0.951=927n按此最大静转矩从附表查出，150bf002型最大静转矩为13.72nm大于所需要的最大静转矩，可最为初选型号，但还需要进一步考核步进电机启动矩频特性和运行矩频特性。5. 计算步进电机空载启动时的频率和切削时的工作频率fk=1000vmax/60p=10002/600.01=3333hzft=1000vt/60p=10000.6/600.01=1000hz可查出150bf002型步进电机允许的最高空载启动频率为2800hz，运行频率为8000hz，再从图27查出进电机启动矩频特性和运行矩频特性。从图27看出，当步进电机启动时，f起=2500hz,m=100ncm远远不能满足此机床所需要的空载启动力矩（881.5ncm），直接使用会出现失步，所以必须采用升降速控制，半启动频率降到1000hz时，启动力矩可提高588.4 ncm然后在电路上采用高低压电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，150bf002型步进电机运行矩频完全可满足要求。5、绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画横向机械装配图。见附图（二）第四章、微机数控系统的设计1 微机数控系统设计的内容(一)硬件电路设计内容硬件是组成系统的基础,也是软件编制的前提,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。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cpu的种类很多，在此处选择mcs51系列单片机中的80c51，因为其集