数控机床设计-职业学院机械设计及其自动化毕业论文

毕 业 设 计（论文） （说 明 书） 题目： 数控机床设计 姓名： * 编号： 平顶山工业职业技术学院 年月日 平顶山工业职业技术学院 毕 业 设 计 （论文） 任 务 书 姓名* 专业 机械设计与制造 任 务 下 达 日 期年月日 设计（论文）开始日期年月日 设计（论文）完成日期年月日 设计（论文）题目： A编制设计 B设计专题（毕业论文） 指导教师 系（部）主任 年月日 平顶山工业职业技术学院 毕业设计（论文）答辩委员会记录 机电系 机械设计与制造专业，学生于年月日 进行了毕业设计（论文）答辩。 设计题目：数控机床设计 专题（论文）题目： 指导老师：* 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答 辩委员会讨论评定，给予学生毕业设计（论文）成绩 为。 答辩委员会人，出席人 答辩委员会主任（签字） ： 答辩委员会副主任（签字） ： 答辩委员会委员：， ， 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语 第页 共页 学生姓名： *专业机械设计与制造年级 07 级 毕业设计（论文）题目：数控机床设计 评 阅 人： 指导教师：（签字）年月日 成绩： 系（科）主任：（签字）年月日 毕业设计（论文）及答辩评语： 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 1页 摘要摘要 该 CJK6032 数控车床，包括床，道路系统，主轴和主轴，刀塔建设， tailstok ，设备 和工作举行。异步电动机和频率 conwerter 沟通彼此，从而获得了变频调速。卧式输入到输 入纵向与所有从胎面与权力引起的电气工程，是经过电气工程将翻一番滚子链 couplingto 唤起水平进入到与输入纵向，但其脉冲当量要小的 0.005 彩信，因为选择胎面花纹是除了开 到 0.36 的电气工程，过去的一步进入电气工程和双滚子链 couplingto 仍然需要使用扩散转 移到比较 1:2 下降很快轮齿轮。饲料从胎面引起的电气工程，通过下降很快轮齿轮蔓延到双 滚子链联轴器，引起刀具做饲料的运动。 关键词：数控车床;频率 conwerter ;双滚子链联轴器 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 2页 Abstract The CJK6032 numerically controlled lathe including bed,way system,headstock and spindle,turret construction,tailstok,and work holding device. The asynchronous motor and frequency conwerter connect with each other, thus get have frequency control of motor speed. Horizontal enter to with enter lengthways to all from tread with power to arouse into the electrical engineering, is pass by the electrical engineering to double roller chain couplingto arouse horizontal enter to with enter lengthways to, but its pulse equivalent want to be small in the 0.005 mms, because of choose to tread to tread to be apart from Cape to 0.36 into the electrical engineering, past the step enter electrical engineering anddouble roller chain couplingto still need to use to spread to move to compare to 1:2 of decline soon wheel gear. The feed movement from tread to arouse into the electrical engineering, pass to decline soon wheel gear to spread to double roller chain coupling, arouse the cutter to do the feed movement. Keywords: numerically controlled lathe; frequency conwerter; double roller chain coupling 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 3页 目录目录 绪论4 1.1课题的研究的目的和意义4 第 2 章 总体方案设计5 2.1设计参数5 2.2总体方案的确定.5 2.3传动原理.7 2.4基本参数的确定 .8 第 3 章 传动设计.10 3.1设计参数10 3.2减速齿轮设计及校核10 3.3带轮及带的计算14 3.4轴的初步确定15 3.5轴的校核16 3.6键的校核18 第 4 章 进给系统设计19 4.1纵向进给丝杠设计19 4.2横向进给丝杠设计21 4.3步进电机选择21 第 5 章 控制原理设计22 5.1数控系统的基本硬件组成22 5.2步进电机的控制.24 第 6 章 技术经济分析. 26 总结27 参考文献.28 致谢29 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 4页 绪论绪论 11课题的研究的目的和意义课题的研究的目的和意义 数控机床是典型的综合课题，通过毕业设计可使所学机械学、力学、电工学知识得到 综合应用。结构设计及控制系统设计能力都能受到训练，可有力的提高学生的分析问题、 解决问题的能力。 数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和 深远的影响。 世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。 我国于 1958 年开始研制数控机床，成功试制出配有子管数控系统的数控机床，1965 年开始批量生产配 有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。经过几十年的发展，目前的数控机床已实现了计算 机控制并在工业界得到广泛应用，在模具制造行业的应用尤为普及。 为了赶超发达国家，实现中华民族的伟大复兴。大力发展经济，发展科技势在必行。 发展数控技术刻不容缓。 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 5页 第第 2 章章总体方案设计总体方案设计 方案设计主要是确定机床的总体结构，传动原理以及基本的运动动力参数。 2.1设计参数设计参数 设计任务给出各项指标如下： 数控车床 CJK6032，最大加工直径 160mm，变频调速（手动两档） ，开环系统，脉冲当量 0.005mm。 2.2总体方案的确定总体方案的确定 我们初步对 CJK6032-4 型数控车床的主轴箱设计有两种设计方案。 1 用皮带轮降速到轴上， 再用一个二联滑块实现两档变速， 最后用一个一比一的定比传 到主轴上，电机用变频电机。转速图如下图 图 2-1 CJK6032 转速图 1 2 用普通电机带皮带轮降速到轴上，再用一个二联滑块实现两档变速，最后用一个传 动比为 1：2 的定比传动齿轮来传到主轴上，加变频器经过传动比为 1：1 齿轮传到主轴上。 转速图如下图： 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 6页 图 2-2 CJK6032 转速图 2 对于第一种方案虽然要简单，它不需要变频器要比第二种方案少一根轴，但是由于它 的变频范围是的它皮带轮上的传动比达到了 5.2，对于带传动来说要大了，我们不采用这种 结构。第二种方案虽然要多一根轴来连接变频器，但是它由于有定比为 1：2 的传动使的皮 带轮的传动比降低达到 2.6，这个方案比较合理，在带传动结构中这样的传动比很常见，而 且不是很大可以采用。而且带轮不是很大不会和主轴存在干涉现象。 再就是纵向和横向进给是靠丝杠来实现的，丝杠用步进电机来带动。因为脉冲当量小 于 0.005 所以在步进电机和丝杠之间我们用传动比为 1：2 的齿轮来降低脉冲当量。 大带轮与带轮轴连接采用卸荷方式，可以使大带轮的重量不压在轴上，减轻了轴的负 荷，使传动更平稳。主轴箱内有两对滑移齿轮，把它们都放在第二根轴上，将第二根轴做 成花键轴，使整体结构更紧凑，更合理。主轴与脉冲发生器连接采用齿轮一比一传动，这 样方便计算主轴转一圈，丝杠进给多少。 纵、横向进给系统选择的步进电机步距角都为 0.36，纵向进给的最小进给量为 0.002 ，横向进给的最小进给量为 0.01 ，所以必须通过减小步距角来实现这个最小进给量。 减小步距角一可以通过齿形带传动来减小，二是通过齿轮传动来减小，由于齿形带传动精 度没有齿轮传动精度高，而机床的进给精度要求较高，所以选择齿轮传动来减小步距角， 采用双片薄齿轮错齿调整法来消除传动齿轮间隙。 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 7页 2.3传动原理传动原理 1 传动原理主要满足设计任务所给出的精度要求。 2 应当在保证精度的情况下尽量使结构简单。 3 主轴的转速范围为 02000/minr，若采用变频电机则只需通过一级齿轮减速就能 达到，并且不用换挡转速连续可变。 4 脉冲当量为 0.0010.003 米/分钟，若采用较高级数的步进电机，通过齿轮减速来带 动丝杠就可以达到，并且结构简单，在该处还没有传动误差，可以使电控部分的结构及程 序编制更为简单。 因此，得到如下传动原理 图 2-3 传动方案总图 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 8页 3 主轴的转速范围为 02000/minr，若采用变频电机则只需通过一级齿轮减速就能 达到，并且不用换挡转速连续可变。 4 脉冲当量为 0.0010.003 米/分钟，若采用较高级数的步进电机，通过齿轮减速来带 动丝杠就可以达到，并且结构简单，在该处还没有传动误差，可以使电控部分的结构及程 序编制更为简单。 因此，得到如下传动原理 图 2-3 传动方案总图 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 9页 2.4基本参数的确定基本参数的确定 通过主轴孔最大棒料直径 11 32032 1010 dDmm 床身宽度 0.82 2.14273BDmm 经济合理的工件或刀具直径按照以下几种经验公式估定 (0.5 0.7)0.60.6 320192 max dDDmm min (0.08 0.12)0.100.10 32032dDDmm 运动参数 可通过类比实验和计算等方法综合确定 min min max 1000v n d max max min 1000v n d min v、 max v、 max d、 max d为经济加工切削速度和经济合理的工件或刀具直径。 min n、 max n是机床的最低、最高转速，其中常用经济加工切削速度硬质合金刀具精车中碳钢 v=200220/minm取 max v=220/minm min v取高速钢刀具精车丝杠v=1.5/minm。 min 1000 1.5 2.49 /min 3.14 192 nr max 1000 220 2189 /min 3.14 32 nr 取n 501800/minr 计算转速 0.30.3 max min min 1800 ()50 ()147 /min 50 j n nnr n 动力参数 据下列公式及数据估算电机功率P。 Z Ff t s （公斤力） f单位切削面积上的切削力，取硬质合金刀加工中碳钢f=200（公斤力/ 2 mm） t切削深度s进给量 切削深度及进给量取半精车中碳钢，故t取 1 ；s取 0.2 ；v=190/m s 200 1 0.2 190 1.24 61206120 c f t s v PkW 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 10页 第第 3 章章传动设计传动设计 3.1设计参数设计参数 为了方便计算故在网上查得 CJK6032 的主要技术参数 表 3-1 CJK6032 主要技术参数 3.2减速齿轮设计及校核减速齿轮设计及校核 设计齿轮的输入功率是 2.07kW小齿轮的转速 1 n=330r/min 齿数比u=75/22 工作寿命 15 年（设每年工作 300 天） ，两班制。 1 选齿轮的类型、精度等级、材料及齿数 1）按传动方案选用直齿圆柱柱齿轮传动。 2）速度不是很高，选用 7 级精度（GB1009588） 。 3）材料的选择。由 1 机械设计表 101 常用齿轮材料及力学特性选小齿轮的材 料是 40C (调质)，硬度为 280HBS，大齿轮的材料为 45 钢 (调质)，硬度为 240HBS，二者材 料硬度差 40HBS。 4）选小齿轮的齿数 1 z=22,大齿轮的齿数 2 z=75。 床身上最大工件回转直径 mm 320 拖板上最大工件回转直径 mm 160 最大工件长度 mm 750 主轴转速范围 rpm 351910 主轴通孔直径 mm 38 主轴锥孔 主轴锥孔 主轴电机功率 kW 3 刀架刀位数 4 车刀刀杆最大尺寸（宽 高） mm 20 20 N.m 7 N.m 7 尾架套筒锥孔 莫氏3号 机床外形尺寸（长 宽 高） mm 1680 740 1160 机床重量（毛重/净重） Kg 450 项 目 单 位 参数 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 11页 2 按齿面接触强度设计 由 1 机械设计设计计算公式（109a）进行试算，即 1t d 2.32 1 2 1 3 lim 1( ) tE H dH K TZu u 确定公式内的各计算数值 （1） 试选载荷系数 t K=1.3 （2） 计算小齿轮传递的扭矩 1 T=9550000p/ 1 n=95500002.07/330=59904.5N （3） 由 1 机械设计表 107 圆柱齿轮的齿宽系数 d 根据齿轮相对支撑非对称布置 选取齿宽系数 d =1 （4） 由 1 机械设计表 106 弹 性 影 响 系 数 查 的 材 料 E Z的 弹 性 影 响 系 数 E Z=189.8 1 2 MP （5） 由 1 机械设计表1021d齿轮的接触疲劳强度 limH 查按齿面硬度查得小齿轮 的接触疲劳强度极限 lim1H =600 a MP大齿轮的接触疲劳强度极限 lim2H =550 a MP； （6） 由 1 机械设计式 1013 计算应力循环的次数 11 60 h Nn jL=60330(2830015)1=14.26 8 10 2 N=14.26 8 10/3.3=4.32 8 10 （7） 由 1 机械设计图 1019 查得接触疲劳寿命系数 1HN K=0.92； 2HN K=0.96 （8） 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%，安全系数S=1，由 1 机械设计式（1012）得 1 1lim1 1 HNH H K S =0.92600=552 a MP 1 2lim2 2 HNH H K S =0.96550=528 a MP 3 计算 （1） 试算小齿轮分度圆直径 1t d,代入 H 中较小的值 1t d 2.32 1 2 1 3 1( ) tE dH K TZu u =2.32 2 3 1.3 117493.93.3 1 189.8 () 13.3528 =54.7 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 12页 （2） 计算圆周速度v 11 54.7 330 1.18/ 60 100060 1000 t d n vm s （3） 计算齿宽b 1 1 54.754.7 dt bd （4） 计算齿宽与齿高之比/b h 模数 11 / tt mdz=54.7/22=2.486 齿高2.252.25 2.4865.59 t hm /b h=54.7/5.59=9.785 （5） 计算载荷系数 根据v=1.18m/s,7 级精度，由 1 机械设计图 108 查得动载荷系数 V K=1.03；直齿轮， 假设/100 At K F bN/。 由 1 机械设计表103查得 H K = F K =1.2;由 1 机械设计表102 查得使用系数 A K=1.25，由 1 机械设计表 104 查得 7 级精度、小齿轮相对支撑非对称布 置时， 223 1.030.18(1 0.6)0.23 10 Hdd Kb 将数据代入后得 2231 1.030.18(1 0.6)0.23 10 Hdd Kb =1.44381 由/b h=5.59, H K =1.44381 查 1 机械设计图 1013 得 F K =1.35 故载荷系数 1 AVHH KK K KK =11.031.21.44381=1.649 （6） 按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由 1 机械设计式（1010a）得 （7） 计算模数 11 /mdz=59.2/22=2.69 3 按齿跟弯曲强度设计 由 1 机械设计式（105）得弯曲强度的设计公式为 1 1 3 2 1 2 ( FS dF Y Y KT m z ） 1）确定公式内的各计算数值 a)由 1 机械设计图 1020c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 1FE =500 a MP； 小齿轮 的弯曲疲劳强度极限 2FE =380 a MP； b)由 1 机械设计图 1018 查得弯曲疲劳寿命系数 FNI K=0.83 , 2FN K=0.84: c)计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.4由 1 机械设计公式（1012）得 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 13页 1 11 1 0.83 500 296.43 1.4 FNFE F K S a MP 1 22 2 0.84 380 228 1.4 FNFE F K S a MP d)计算载荷系数K AVFF KK K KK 11.031.21.35=1.6686 e)查取齿形系数 由 1 机械设计表 105 查得 1F Y 2.72， 2F Y 2.22 f)查取应力校正系数 由 1 机械设计表 105 查得 1S Y 1.57， 2S Y 1.77 g)计算大、小齿轮的 FS F Y Y 并加以比较 1 11 1 2.72 1.57 0.0144 296.43 FS F YY 1 22 2 2.22 1.77 0.01723 228 FS F YY 大齿轮的数值大。 2）设计计算 3 2 2 1.6686 59904.5 0.017231.93 1 22 m 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模 数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度 所所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得 的模数 1.93 并就近圆整为标准值m=2 ，按接触强度算得的分度圆直径 1 d=59.2 算出小 齿轮齿数 1 1 59.2 29.6 2 d z m 取 30 大齿轮的齿数 2 z=3.330=99 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度， 并做到结构紧凑，避免浪费。 4 几何尺寸计算 i.计算分度圆直经 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 14页 11 dz m=302=60 22 dz m=992=198 ii.计算中心距 12 /2add=（60+198）/2=129 iii.计算齿轮宽度 根据经验一般齿宽取模数的 610 倍 所以8bm=82=16 3.3带轮及带的计算带轮及带的计算 选用窄 V 带传动，设已知电动机的型号为 Y100L14，额定功率P=2.2kW，转速 1 n=2800/minr传动比i=2.645 一天的运转时间10h 1 确定计算功率 ca P 由 1 机械设计表 86 查得工作情况系数 A K=1.3，故 caA PK P1.32.2=2.86kW 2 选取窄 V 带带型 根据 ca P、 1 n由 1 机械设计图 89 确定选用 SPA 型。 3 确定带轮基准直径 由 1 机械设计表 83 和机械设计书中表 87 取主动轮基准直径 1d d=100 根据 1 机械设计式（815） ，从动轮基准直径 2d d。 21dd did2.645100=264.5 根据 1 机械设计表 87，取 2d d=280 按 1 机械设计式（813）验算带的速度 1 1 80 2800 60 100060 1000 d d n v 11.974/m s 35/m s 带的速度合适。 4 确定窄 V 带的基准长度和传动中心距 根据 12012 0.7()2() dddd ddadd初步确定中心距 0 a=800 根据 1 机械设计式（820）计算带所需的基准长度 1 2 21 012 0 ()1 2() 24 dd ddd dd Ladd a 2430 由 1 机械设计表 82 选带的基准长度 d L 2500 按 1 机械设计式（821）计算实际中心距a 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 15页 0 1 () 2 dd aaLL=800+1/2（2500-2430）=835 5 验算主动轮上的包角 1 由 1 机械设计式（86）得 0000 21 1 18057.5156.24120 dd dd a 主动轮上的包角合适。 6 计算窄 V 带的根数 由 1 机械设计式（822）知 1 00 () ca L P z PP K K 由 1 2800 /minnr、 1 100 d dmm、2.645i 查机械设计书中表 85c 和表 85d 得 0 P 2.61kW 0 P0.56kW 查 1 机械设计表 88 得K0.98，查 1 机械设计表 82 得 L K 1.00 则 2.86 0.92 (2.61 0.56) 0.98 1 z 取z 2 根。 3.4轴的初步确定轴的初步确定 第 一 根 轴 ： 设 其 传 动 效 率 为0.96则 其 功 率 为 3 P 2.20.96=2.112kW， j n 330/minr，按 1 机械设计式（152）初步估算轴的最小直径，选轴的材料为 45 钢，调质处理，根据 153 取 0 112A 于是得： 1 3 3 3 min0 3 2.112 11220.79 330 P dAmm n 轴径取 30 。 第二根轴：齿轮和轴的传动效率是0.97则其功率为 3 p 2.1120.97=2.0486kW， j n 330/minr，按 1 机械设计式（152）初步估算轴的最小直径，选轴的材料为 45 钢，调质处理，根据 153 取 0 112A 于是得： 1 3 3 3 min0 3 2.0486 11220.58 330 P dAmm n 轴径取 30 。 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 16页 3.5轴的校核轴的校核 校核床头箱内第一根轴轴上的功率P= 2.07kW， 转速 n = 330r/min 转矩 2.07 9550000955000059904.5 330 P TN mm n 作用在齿轮上的力 Ft, Fr 齿轮分度圆直径 d = 60 22 59904.5 2037.3 330 t T FN d tan2037.3 tan20741.5 rt FFN 轴上受力情况见图 5-1 求轴上的载荷 水平面 H0 B M 故有FNH1+ FNH2= Ft 2 0 r BCNVBD F lFl 联立解得：FNH1= 1736.7N FNH2= 300.585N 在垂直面 V：FNV1+ FNV2= Fr 2 0 r BCNVBD F lFl联立解得：FNV1= 632N FNV2= 109N 弯矩 2 V M= FNV2260 = 109260= 28340N 1 V M= FNV145= 63245= 28440N MH= FNH145=1736.745 = 78152.175 N 总弯矩： 1 2222 781522844083167 HV MMMN mm 2 2222 781522834083132 HV MMMN mm 扭矩：T = 59904.5N 作出轴的弯矩图扭矩图如图（3-1） 。 进行校核时通常只校核轴上承受最大弯矩的截面（即危险截面 C）的强度，根据 1 机械设计式（15-5）及上表中的数值并取0.6由 1 机械设计表 15-4 抗弯矩截面系 数计算公式由轴的形式查得： 42 ()()/323757.2WdDdDdzbD 轴的计算应力： 22 13 ()83167(0.6 61120) 24.19 3757.2 caa MT MP W 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 17页 前已选定轴的材料 为 45 钢，调质处理，由 1 机械设计表 15-1 查得 1 60 a MP， 因此 1ca ，故安全。 T FNV1 FNH1 Fr Ft FNV2 FNH2 A B C D FNH1 FNH2 Ft FNV1 FNV2 MH:78152N.mm MV2:28440N.mm T:59904.5N.mm 45 260 M2:83167N.mm 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 18页 3.6键的校核键的校核 键的材料采用强度极限不小于 600MPa 的碳素钢，通常用 45 钢。当轮毂用非铁金属 或非金属材料时，键可用 20 或 Q235 钢。键的截面尺寸应按轴径 d 从键的标准中查取；键 的长度 L 可参照轮毂长度从标准中选取。必要时应进行强度校核。 键联接的主要失效形式是工作面的压溃(对静联接)和磨损(对动联接)。 除非有严重过载， 一般不会出现键的剪断(如所示，沿 a-a 面剪断)。 设载荷为均匀分布，得平键联接的挤压强度条件 对于导向平键联接(动联接)，计算依据是磨损，应限制压强 式中：T 为转矩(Nmm)； d 为轴径，h 为键的高度，l 为键的工作长度(mm)； 为许用挤压应力、p为许用压强(MPa) 若强度不够时，可采用两个键按 180布置考虑 到载荷分布的不均匀性，在强度校核中可按 1.5 个键计算。 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 19页 第第 4 章章进给系统设计进给系统设计 4.1纵向进给丝杠设计纵向进给丝杠设计 1 最小载荷：Fmin为机床空载时作用在滚珠丝杠上的轴向载荷。此时 Fx= Fy= Fz= 0 ,CJK6032 型 数 控 机 床 的 拖 板 加 电 动 四 方 刀 架 的 重 量 约 为25+20=45 , 查 2 经济型数控机床三角形组合导轨摩擦系数为 0.15，Fmin= 450.159.866N . 2 最大载荷：Fmax为机床承受最大切削力时作用于滚珠丝杠的轴向载荷，Fmax等于最大 进给力加摩擦力。已知最大进为 560N，则 Fmax=560+66=626N Fm= maxmin 22 62666 439 33 FF N 因为 CK61633000 丝杠 nmax= 600r/min CK61805000 丝杠 nmax= 500r/min 拖板的最低速度为 1mm/min 故丝杠最低转速可为 0 CK61633000 丝杠的平均转速为 300r/min CK61805000 丝杠的平均转速为 250r/min 类比法 CJK6032 丝杠的平均转速 nm= 200r/min 3计算丝杠 1）Fc= KFKHK1Fm= 1.211439 = 495.6N 2)求必需的额定动载荷 Lh= 15000h Ca= 3 3 44 250 15000 495.63012 1.67 101.67 10 mh c n L FN 3)选择滚珠丝杠的型号和主要尺寸 根据查 10 机床设计手册选取内循环浮动返回器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副，Ca选取 1 WL4000 型号滚珠丝杠，Ca=9800Nd0= 40 Ph= 8 Dw= 4.763 材料为 CrWMnd = 39 RC= 9800N/m 循环圈数：3.51。 螺旋导程角： 0 8 arctanarctan3 39 3.14 40 h P d 4)稳定性验算 因螺杆较长，应验算螺杆的稳定性，临界载荷为 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 20页 10 2 2 1 () a cr EI F l E 螺杆材料的弹性模量 E = 2.06105N/mm2 Ia 螺杆危险截面的轴惯性矩 4 4 54 1 35.9 0.815 10 6464 a d Imm 长度系数按一端固定一端铰支 = 0.7 l1 丝杠螺纹全长l1= lu+2le= 750+224 =798 255 5 2 2.06 100.815 10 5.31 10 (0.7 798) cr FN 故 5 5.31 10 439 Fcr Fm 2.54 合格。 5）刚度验算 按最不利情况考虑，即在螺距（应为导程）内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起 弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为： 10 2 1 242 11 164 s T PFP GdEd 式中： 0 1 tan() 2 mv d TF = 40 439tan(2 44 68 40 ) 2 = 442N (式中磨擦系数 f 按 0.0025 计，当量摩擦角v = 840) 剪切弹性模量 G = 8.33104N/mm2 则 2 24452 16 442 64 439 6 8.33 1035.92.06 1035.9 s =0.06122m 每米螺杆长度上的螺距的弹性变形 3 0.06122 10.2/()15/ 6 10 ss p m mm m ss 6）计算效率 tan tan() v = 0.95 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 21页 (式中arctanarctan0.00258 40 v f) 4.2横向进给丝杠设计横向进给丝杠设计 同纵向进给系统设计相类似，根据查 10 机床设计手册选取内循环浮动返回器 双螺母对旋预紧滚珠丝杠副，Ca选取 1 WL4000 型号滚珠丝杠，Ca= 9800Nd0= 40 Ph= 8 Dw= 4.763 材料为 CrWMn d = 39 RC= 9800N/m 循环圈数：3.51。 螺旋导程角 0 8 arctanarctan3 39 3.14 40 h P d 4.3步进电机选择步进电机选择 纵向与横向进给步进电机根据同型号机床纵向保持静转矩为 8Nm,横向保持静转矩为 12Nm,采用类比法选择： 表 4-1步进电机主要参数 型号相数 相电流 外伸轴直径步距角保持转矩转动惯量重量 Amm度N.mKg.cm2Kg 110BYG5200B55160.36/0.7276.85.7 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 22页 第第 5 章章控制原理设计控制原理设计 电路控制分是数控车床的重要组成部分。其为键盘、显示、变频器、脉冲发生器和步 进电机的驱动部分共同连接在凌阳单片机上共同来实现数控车床的电气控制，在电路的连 接过程中常用 8255 作为并联接口使用。8255 的地址数据线和凌阳单片机的接口相连。由片 选信号控制实现分时信息传递。CJK6032 中要求无级调速是通过使用三相异步电动机加变 频器来实现的 5.1数控系统的基本硬件组成数控系统的基本硬件组成 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好 坏直接影响到整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床数控系统的硬 件电路概括起来有以下几个部分组成： 1 中央处理单元 CPU 2 总线包括数据总线（DB） 、地址总线（AB）和控制总线（CB） 。 3 存贮器包括可擦除存贮器（EEPROM）和随机存贮器（RAM） 。 4 I/O 输入/输出接口电路 其中 CPU 是数控系统的核心， 作用是进行数据运算处理和控制各部分电路的协调工作。 存贮器用于存放系统软件，应用中所需的各种数据。I/O 接口是系统与外界进行信息交换的 桥梁。总线则是 CPU 与存贮器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是 CPU 与部分电路 进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图如下图所示： u ，n sp 单片机是由凌阳公司推出的 16 位单片机，它的数据处理较强，集成度较高，而 且有较大的存贮器空间，较快的处理速度，片内较多的 RAM 和 FLASHROM 存贮器，有 D/A、A/D 接口和支持 DSP（数字信号处理）的指令，因此在这里不过多地扩展存贮器监控 程序和功能子程序的可擦除存贮器和调试程序用的随机存贮器。数控系统也可以直接购买 国内外较好的数控系统系列产品做为数控装置。如德国的西门子系列。 5.2步进电机的控制步进电机的控制 5.2.1步进电机的工作原理步进电机的工作原理 步进电机是将电能转化为机械能的电磁元件。定子上安排了六个磁极，相对的两个磁 极上放置着同一相励磁绕组，而转子上没有，只有四个凸极，a、b、c、d 组成， 当 s1接通，s2，s3断开，A 相建立磁场，转子力求以磁路最大来取向，转子齿与定子 A 相磁极对齐，即转子 a、c 齿的轴线与定子 A 相磁极轴线重合。当 s1，s3断开，s2接通，转 子 b、d 齿的轴线与定子 B 相磁极轴线重合。依次类推 s1s2s3s1循环接通，转子以一 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 23页 定的步距角旋转，改变输入电流方向，实现反转即 s1s3s2s1。 5.2.2步进电机的控制步进电机的控制 步进电机是手脉冲信号控制的，脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成，而信号的放 大由放大电路来完成。由于强弱信号的原因，我们在放大电路前加上光电耦合电路，已防 止电源串路。具体控制电路如图所示。 图 5-1 步进电机控制原理图 W 是步进电机的一相绕组，VD3 是续流二极管。74LS373 是 8 路三态输出触发器，一 路输出信号控制一相绕组，可控制两台三相步进电机或两台四相步进电机。Q 输出高电平， 将使其所控制的相绕组通电。74LS373 的 LE 是锁存允许端，高电平有效。下面来分析一下 该接口电路的工作过程。 设绕组初始状态无电流流过，R f 上的压降为零，即 f U=O，因此光耦合器 3 VL的发光二 极管熄灭，其中的光电三极管截止，使与非门 5 D的一个输入端为高电平。这时，如果 8031 通过 P0 口输出 01H 时，WR有效，并通过反相器作用于 74LS373 的 LE 端，使 74LS373 将 单片机输出的信号锁存到输出端，即 1Q 输出高电平信号。这个步进信号一方面通过与非门 2 D使 2 VL的发光二极管发光， 使其光电三极管导通， 反相器 4 D输出高电平， 使功率晶体管 4 V 和 v5 导通；另一方面信号作用于 5 D门，使 5 D输 出低电平，经反相器 6 D输出高电平，和 1Q 一起作用于 1 D, 1 D输出低电平，因此光耦合 器 1 VL发光二极管发光，使其中的光电三极管导通。这样 D3 输出高电平， 1 V截止，使高压 功率晶体管 2 V和 3 V导通，高电压 g U作用于电机绕组，使步进电机的一相通电。 D1 D? VL1 VL2 VL3 VD1 V2 V3 VD5 V1 VD3 VD4 Ud=24V VD7 D4 VD2 D3 Cd=30pF D6 D5 VD6 V4 W V5 R2=1K R3=1k R4=10KR5=500 R6=1K R9=1K R8=1K R7=1K R11=1K R12=1K Rf=3 R15=1K R14=500 R13=1K Rd=500 R1=1k D7 R10=10K C1=100pF C2=30pF 74LS373 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 1D 2Q 3D 4D 5D EN 6Q 7Q 8Q 6D 7D 8D 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 24页 随着绕组电流的上升， f R的压降 f U增加，当 f U增加到一定程度时，使 3 VL的发光二极 管发光，从而使其中的光电三极管导通。导通后， 5 D输出高电平，反相器 6 D输出低电平， 但不是立即关闭门 1 D使高压管 23 ,V V截止，而是要延时一段时间。这是因为, dd R C的存在。 , dd R C组成了延时电路，其目的就是延时关闭 23 ,V V，这样可避免由于绕组电流的波动而使 23 ,V V通断次数太多，以致于造成太多的开关损耗。高压晶体管 23 ,V V关断后，便由低压电源 供给绕组供电。当绕组电流下降， f U下降， 3 VL发光二极管熄灭，光电三极管截止，若这 时 1Q 仍为高电平，则又使高压晶体管 23 ,V V导通，高压电源再次作用在绕组上，使绕组中 电流上升。上升到设定值后， f U又使 23 ,V V截止。 23 ,V V的反复通断，实现了绕组电流的恒 流斩波控制。lQ 输出低电平后，V2V5 皆截止，绕组电流经 VD3-Ud-地- d U-VD4-L 回路 泄放。 由上述过程可知， 只要8031按照步进电机工作方式和工作频率向接口输出相应的信号， 便可实现对步进电机的速度和转向控制。 若用凌阳单片机，就不需要用 74LS373 锁存器和 8255，用于扩展接口等，故用凌阳单片 机。 5.2.3译码法寻址译码法寻址 由于扩展的存贮器和其它外围芯片的数量较多，常常采用译码法寻址，由译码器组成 译码电路对系统的高位地址进行译码，译码电路将地址空间划分若干块，其输出作为存贮 器芯片的片选信号，分别选通各芯片。这样既充分利用了存贮器空间，又避免了空间分散 的缺点，还可以减少 I/O 口线。 5.2.4键盘显示器接口键盘显示器接口 键盘和显示器是数控系统常用的人机对话的外围设备，键盘可以完成程序数据的输入， 显示器显示计算机运行时的状态数据。键盘接口电路，用 8255 作为并行接口使用。8255 的 地址，数据线和凌阳单片机的接口直接连接，由片选信号控制实现分时信息传递。LCD 的应用非常广泛，从电子表到计算机，从袖珍仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理 机都应用了液晶显示器。 1液晶显示模块的工作原理 液晶显示模块是一种被动式显示模块，由于它的功耗低，抗干扰能力强，因而在低功 耗的单片机应用系统中大量使用。 LCD 本身不发光，只调节光的亮度，它是根据液晶的扭曲向列效应原理制成的。在 结构上，液晶显示面板包含了两片相当精致的无钠玻璃索材作为感光基板层(Substrates)，中 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文） 第 25页 间夹着一层液晶。 夹在两片导电玻璃电极问的液晶经过一定处理后，它内部的分子呈 90。的扭曲。当线 性偏振光透过上偏振片到达液晶材料时，会发生 90。旋转，正好与下