毕业论文-C6163型车床的经济型数控改造设计.doc

中央广播电视大学中央广播电视大学 毕业论文毕业论文 题目：C6163 型车床的经济型数控改造设 计 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 13 秋 学 号 论文完成日期 2015 年 11 月 I 南京广播电视大学 毕业设计（论文，作业）课题审批表 教学单位(盖章) 江宁电大专业 机械设计制造 及其自动化 学生 类别 开放本科 课题名称 C6163 型车床的经济型数控改造 设计 填报 时间 2015 年 9 月 1 日 课 题 内 容 简 介 拟应用数控技术对 C6163 普通车床进行自动化和精密化改造，改 造技术主要为：在车床上附加数控装置和执行元件，选择合适的机床 伺服系统和计算机系统等。 1.C6163 型车床改造概述型车床改造概述 包括数控系统的发展史、数控机床分析、数控系统发展趋势。 2.C6163 型车床改造设计方案型车床改造设计方案 伺服系统机械部分的计算、滚珠丝杆螺母副的计算与选型、步进 电机的计算,校核与选型等。 3.C6163 型车床系统硬件电路设计型车床系统硬件电路设计 单片机控制系统的设计、硬件电路的组成、数控车床数控系统硬 件电路的设计等。 4.C6163 型车床系统软件系统设计型车床系统软件系统设计 单片机控制系统编程与调试、数控车床数控系统软件设计。 5.结论结论 经改造后的机床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，可实现可手动、 机动操作，操作简单，使用方便，价格低廉，其性能价格比适中；而 且还能解决复杂零件的加工精度控制问题，节约大量工装费用，减轻 工人的劳动强度，提高工人素质。 指导教师姓名黄波参加学生姓名朱媛媛 指导 教师 意见 结合课堂所学的知识，综合运用于具体的生产实践中，选题得当， 符合大纲要求，同意按照此课题审批表撰写论文。 签名：黄波 市校 审核 意见审核部门盖章： 年 月 日 II 摘 要 运用数控技术对 C6163 车床进行自动化和精密化的改造， 主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终达到比较理 想的状态。其中主要对伺服系统、数控系统等方面做了详细的 计算和设计。改造结果：经过改造后的机床能够达到所需要的 加工精度，提高了原来机床的生产效率，降低了劳动强度。采 用数控技术对企业原有机床进行改造，即发展经济型的数控机 床是当前工矿企业机床技术改造的有效途径。 关键词：C6163 车床 数控改造 经济型 III 目录 第一章第一章 概概 论论.2 1.1 数控系统发展史.2 1.2 机床数控化改造的必要性.2 第二章第二章 设计方案设计方案.2 2.1 总体方案的确定.2 2.2 横向进给伺服系统机械部分计算与校核实例.3 2.3 纵向进给伺服系机械部分计算与校核.13 第三章第三章 数控系统硬件电路设计数控系统硬件电路设计.2 3.1 数控系统基本硬件组成.2 3.2 单片机控制系统的简介.2 3.3 C6163 经济型数控车床数控系统软件的设计.3 结束语结束语.2 参考文献参考文献.31 致谢致谢.32 2 第一章第一章 概概 论论 1.1 数控系统发展史数控系统发展史 1946 年世界上第一台电子计算机诞生了，这表明人类创造了可增强和部分 代替脑力劳动的工具。计算机与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强 体力劳动的工具比起来，有了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。20 世纪中期，随电子技术的发展，自动信息处理、数据处理以及电子计算机的出 现，为自动化技术带来了新的概念，随后将计算机技术应用到了机床上，在美 国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来， 数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 1.2 机床数控化改造的必要性机床数控化改造的必要性 1.2.1 微观看改造的必要性： 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性 均来自数控系统所包含的计算机的威力。 (1) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 (2) 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床 提高 37 倍。 (3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配 (4) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 (5) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现 长时间无人看管加工。 1.2.2 宏观看改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、80 年代初 已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深 入改造（称之为信息化） ，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争 力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落 20 年。如我 国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9，因此每 年都有大量机电产品进口。这也说明了机床数控化改造的必要性。 3 机床改造的效益分析：提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数 控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足 的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极 其有效和使用的途径，采用第二种方法有以下的优点：减少了投资和交货的期 限。 同购置新的数控机床相比，一般可以节省 60%到 80%的费用，改造的费用 大大减低。 b) 机械的稳定性可靠 机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失 效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，减少了铸铁件生产时对环境的 污染。 c) 熟悉了解设备结构性能，便于操作维修，购买的新设备，事先很难前 面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全 可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间， 机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。 d) 可以充分利用现有的条件 可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、 样板和外设备也可以在利用。 f) 可更好的因地制宜合理筛选功能 购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能， 又可能缺少某一个专用的特殊功能，而采用改造方案就可以根据生产加工要求， 采用组合的方法将某些部件设计改造成专用的数控机床。 e) 可及时采用最新技术，充分利用社会资源 由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏 忽资源支持机床方面的改造 ，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短； 采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止 4 爬行，等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地 采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将 旧机床改造成当今水平的机床。 2 第二章第二章 设计方案设计方案 2.1 总体方案的确定总体方案的确定 2.1.1 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、顺圆和逆圆插补、 暂停、循环加工公英螺纹加工等功能，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。 2.1.2 计算机系统 根据机床要求，采用 8 位微机。由于 MCS51 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、性能价格比高等特点，决定采用 MCS51 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、I/O 接口及光隔离电路、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 采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 2.1.3 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杆。为了 保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时， 为了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。 2.1.4 运动方式的确定 数按系统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。 由于 C6163 车床要加工复杂轮廓零件，所以本次设计采用连续控制系统。 2.1.5 系统的选择 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。经过比较， 由于 C6163 车床加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。 2.1.6 机构传动方式的确定 3 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、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计 中应考虑以下几点： (1) 尽量采用低磨擦的传动和导向元件。 (2) 尽量消除传动间隙。 (3) 提高系统刚度。 2.1.7 微机的选择 微机数控系统由 CPU、存储器扩展电路、I/O 接口电路、伺服电机驱动电 路、检测电路等几部分组成。 2.1.8 总体方案框图 图 2-1 总体方案 2.2 横向进给伺服系统机械部分计算与校核实例横向进给伺服系统机械部分计算与校核实例 2.2.1 计算切削力 横切端面 （3-1 5 . 1 max 67 . 0 DFZ ） 式中车床床身上加工最大直径横切端面时主切削力可取纵切 max D Z F 时的 Z F 2 1 NDFZ63.1059463067 . 0 67. 0 35 . 1 max 4 . 0:25 . 0 :1: 31.529763.10594 2 1 yxz Z FFF NF 式中 走刀方向的切削力（N） x F 垂直走刀方向的切削力（N） y F 4 NFx46.105931.529725 . 0 NFy92.211831.52974 . 0 2.2.2 杆螺母副的设计、计算与选型 (1) 计算牵引力 横向进给选为三角型或综合导轨 （3-2） GFfFKF zxm 式中：，切削分力（） x F y F z F G移动部件的重量（N） 表 1-1 查得横向溜板及 刀架重力 500N 滑动导轨摩擦系数，随导轨形式而不同 取 f =0.15-0.18 f K考虑颠复力矩影响的实验系数 取 K=1.15 NGFfFKF zxm 98.208750031.529715 . 0 46.105915 . 1 (2) 计算最大动负载 C 选用滚珠丝杆导轨 （3-3） o s mw L V n nT L FfLC 1000 10 60 6 3 式中：L寿命，以转为一单位 6 10 n丝杆转速（r/min） 为最大切削条件下进给速度，可取最高进给速度的 1/2- s V 1/3 取 min/5 . 010 2 1 mVs 丝杆导程（mm） 初选=6mm o L o L T为使用寿命（h）,对于数控机床取 15000h 运转系数，查表 3-14 一般取 1.2-1.5 w f min/ 3 . 83 6 5 . 010001000 r L V n o s 5 75 10 15000 3 . 8360 10 60 66 nT L NFfLC mw 15.753698.20875 . 175 33 (3) 螺母副的选型 查阅综合作业指导书附表-2，可采用 WD3006 外循环垫片调整紧的 双螺母滚珠丝杆副，1 列 2.5 圈，其额定动负载为 9700N,精度等级按表 3-17 选 为 3 级。 (4) 传动效率计算 （3-4） tan tan 式中：螺旋升角，WD3006 383 摩擦角取 滚动摩擦系数 0.003-0.004 0 1 971 . 0 01383tan 383tan tan tan (5) 刚度验算 横向进给丝杆支承方式图所示，最大牵引力 2087.98N,支承间距 350mm，因丝杆长度较短，不需预紧螺母及轴承预紧。 图 2-2 传动原理图 计算如下: 丝杆的拉伸或压缩变形量(mm) 1 查阅综合作业指导书图 3-4,根据2087.98N,D=30mm 查出 m F 可算出： 5 108 . 0 L L mmL L L 35 1 108 . 2350108 . 0 c) 滚珠与螺纹滚道间接触变形量 2 查图 3-5 得系列列 2.5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 Q m Q 5 . 4 6 因进行了预紧 m Q 25 . 2 5 . 4 2 1 2 1 2 d) 支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形 3 采用推力球轴承 5204 查阅机床设计手册.表 5.9-137,d=20mm,滚 动体直径=5.556mm,数量 Z=13 Q d mm Zd F Q m c 00573 . 0 13556 . 5 98.2087 00052 . 0 00052 . 0 3 2 2 3 2 综合以上几项变形量之和： 定位精度 mm01078 . 0 1073 . 5 25 . 2 8 . 2 3 321 (6) 稳定性校核 计算临界负载(N) （3-5） k F 2 L EIf F z k 式中:E材料弹性模量() 2 /cmN I截面惯性矩() 4 cm L丝杆两轴承端距离(cm) 丝杆支承方式系数，从表 3.15 中查出，一端固定，一端 z f 简支为 2.00 z f )(124 . 1 1788 . 2 6464 444 1 cmdI N L EIf F z k 49.182634 50 124 . 1 106 .202 2 62 2 一般=2.5-4.0,所以 k n k F k n 此滚珠丝杆不会产生失稳。 (7) 横向滚珠丝杆副的几何参数 (见表 1) 表 1 2.2.3 齿轮传动比计算 7 已确定横向脉冲当量，滚珠直径导程=6mm, setpmm p 005 . 0 O L 初选步进电动机步距角可计算传动比 : 75 . 0 i 4 . 0 675 . 0 005 . 0 360 360 ob p L i 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有行程， 故此处可采用两级齿轮降速。 32,20,45,18 32 20 45 18 8 5 5 2 4321 42 31 ZZZZ ZZ ZZ i 因进给运动齿轮受力不大，模数取 2，有关参数参照表 2 表 2: 传动齿轮几何参数 2.2.4 横向步进电机的计算，校核和选型 (1) 初选步进电机 a) 计算步进电机负载转矩 （3-6） m T b mp m F T 2 36 式中: 脉冲当量，取 p setpmm p 005 . 0 进给牵引力(N) m F 步距角，初选双拍制为 b 75 . 0 电机丝杆传动效率为齿轮、轴承、丝杆效率之积分别 为 94. 099 . 0 98 . 0 42 、 N F T b mp m 67.67 94 . 0 99 . 0 98 . 0 75 . 0 2 98.2087005. 036 2 36 42 b) 估算步进电机起动转矩 q T 8 根据负载转矩除以一定的安全系数来估算步进电机起动转矩(N.cm) m T q T 5 . 03 . 0 m q T T 一般横向进给伺服系统取 0.4-0.5 cmN T T m q .18.169 4 . 0 67.67 4 . 0 c) 计算最大静转矩 maxj T 查表 3-22 如取五相十拍，则 951 . 0 max j q T T cmN T T q j .89.177 951 . 0 18.169 951 . 0 max d) 计算步进电机运行频率和最高启动频率 e f k f p s e V f 60 1000 p k V f 60 1000 max 式中:最大切削进给速度 s V 最大快移速度 max V 脉冲当量，取 p setpmm p 005 . 0 Hz V f p s e 7 . 1666 005 . 0 60 5 . 01000 60 1000 Hz V f p k 33.3333 005 . 0 60 0 . 11000 60 1000 max 根据估算出的最大静转矩在表 3-23 中查出 150BFG2815 最大静 maxj T 转矩为 245N.cm 可以满足经济型数控机床有可能使用较大的切削用量， maxj T 应该选用稍大转矩的步进电机，以留有一定余量，另一方面与国内同类型机床 进行类比的要求。决定采用 150BFG2915，但从综合作业指导书P24 页查出， 步进电机最高空载启动频率为 4000Hz,满足空载时(3333.33Hz)的要求。 k f (2) 校核步进电机转矩 前面所述初选步进电机的转矩计算，均为估算，初选后，应该进行校核计 9 算。 a) 等效转动惯量计算 计算简图见图 2，根据表 3-24，经二对齿轮降速时，传动系统折算到电机 轴上的总转动惯量可由下式计算: 2 cmkgJ 2 4 2 4 3 32 2 2 1 1 2 o S L g G JJ Z Z JJ Z Z JJ 式中:齿轮及其轴的转动惯量 321 JJJ、 321 ZZZ、 2 cmkg 齿轮的转动惯量 4 J 4 Z 2 cmkg 丝杆转动惯量 s J 2 cmkg 丝杆导程(cm) O L G工件及工作台重量(N) G=500(N) b) 齿轮、轴、丝杆等圆柱体惯量计算 表 3-24 所示圆柱体转动惯量计算公式如下: 对于钢材， 34 1078 . 0 LDJ 式中:M圆柱体质量 kg D圆柱体直径 (cm) L圆柱体长度或原长(cm) 钢材的密度为 cm kg5 108 . 7 243 1 4 1 3 1 828 . 0 22 . 31078 . 0 1078 . 0 cmkgLdJ 243 2 4 2 3 2 235.10291078 . 0 1078 . 0 cmkgLdJ 243 3 4 3 3 3 399 . 0 241078 . 0 1078 . 0 cmkgLdJ 243 4 4 4 3 4 975 . 0 251078 . 0 1078 . 0 cmkgLdJ 24343 066 . 1 355 . 21078 . 0 1078 . 0 cmkgLdJ ss 因此 10 2 4 2 4 3 32 2 2 1 1 2 o S L g G JJ Z Z JJ Z Z JJ 2 222 677 . 2 2 5 . 0 98 . 0 500 066 . 1 975 . 0 8 5 399 . 0 235.10 5 2 828 . 0 cmkg 基本满足惯量匹配的要求。 c) 电机转矩计算 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: 快速空载起动转矩 1M 在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算如下： ofa MMMM max 式中: 快速空载起动转矩 M cmN 空载起动时折算到电机轴上的摩擦转矩 maxa McmN 折算到电机轴上的摩擦转矩 f M cmN 由于丝杆预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩 o M cmN 在采用丝杆螺母副传动时，上述各种转矩可用下式计算： cmN 2 max 2 max max 10 60 2 10 60 a a t n J n JJM p b U n 360 max max 式中:传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 J 2 cmkg 电机最大角速度 2 srad 电机最大转速 max nminr 运动部件最快速度 max Uminmm 脉冲当量 p setpmm 11 步进电机的步距角 b 运动部件从停止到起动加速到最大快进速度所需时间(s) a t min67.416 005 . 0 360 75 . 0 1000 360 max max r U n p b 起动加速时间=30(ms) a t cmN t n JM a a 06.101 03 . 0 60 67.4162 677 . 2 10 60 2 2max max 折算到电机轴上的摩擦转矩 f M i LF M oo f 2 NGFfF zo 6 . 86950031.529715 . 0 2 5 1 2 Z Z i 式中: 导轨的摩擦力(N) o F 垂直方向的切削力(N) z F G运动部件的总重量(N) 导轨摩擦系数，取=0.15 f f 齿轮降速比 i 传动链总效率，一般可取 0.7-0.8 cmN i LF M oo f 69.27 2 5 8 . 02 5 . 0 6 . 869 2 附加摩擦转矩: 2 1 2 o opo o i LF M 式中: 滚珠丝杆预加负荷，一般取，为进给牵引力(N) po F m F31 m F 滚珠丝杆导程(cm) o L 滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取 o 9 . 0 o 12 cmN i LF M o opo o 43 . 4 9 . 01 2 5 8 . 02 5 . 098.2087 3 1 1 2 22 上述三项合计: cmNMMMM ofa 21.13343 . 4 69.2706.101 max 快速移动时所需转矩 2 M cmNMMM of 25.3243 . 4 69.27 最大切削负载时所需要的转矩 3 M i LF MMMMMM oy oftof 2 式中: 折算到电机轴上的切削负载转矩 t M cmN i LF M oy t 48.67 2 5 8 . 02 5 . 092.2118 2 从上面计算看出、三种工况下，以快速空载所需转矩最大， M M M 即以此项作为校核步进电机转矩的依据。 从表 3-22 查出，当步进电机为五相十拍时为 951 . 0 max jq MM 则最大静转矩为: cmNM j 07.140 951 . 0 21.133 max 从表 3-23 查出 150BFG2815 最大转矩为为 245，大于所需最大静 cmN 转矩，可以满足此项要求。 d) 校核步进电动机起动矩频特性和运行矩频特性 前面已经计算出机床最大快移时，需步进电机的最高起动频率为 k f 3333.33Hz,切削进给时所需步进电机运行频率为 1666.7Hz e f 从表 3-23 中查出 150BFG2815 型步进电机允许的最高空载起动频率为 4000Hz，运行频率为 16000Hz，再从图 3-15，3-16 查出 150BFG2815 步进电机 起动矩频特性和运行矩频特性如下图所示: 13 当快速运动和切削进给时，150BFG2815 型步进电机起动矩频特性和运行 矩频特性可以满足要求。 2.3 纵向进给伺服系机械部分计算与校核纵向进给伺服系机械部分计算与校核 2.3.1 计算切削力 主切削力 F（N）按经验公式估算： 5 . 1 max 67 . 0 DFZ 走刀方向的切削分力（N） Z F 车床身上加工最大直径（mm）=630mm max D max D =10594.63（N） 1.55 . 1 max 63067 . 0 67 . 0 DFZ ：=1：0.25：0.4 Z F X F Y F 走刀方向的切削力 X F 垂直走刀方向的切削力 Y F =0.25=2648.66(N) X F Z F =0.4=4237.85(N) Y F Z F 2.3.2 丝杆螺母副的计算和造型 (1) 计算进给牵引力 纵向进给选为综合导轨。参考表 6.22，6.23 两表机床设计手册.3 14 查书综合作业指导书P22 )( GFfkfF Zxm 在正常情况下： 考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取 K=1.15 k 滑动导轨磨擦系数 0.150.18 f 溜板及刀架重力查综合作业指导书表 11，取=800N GG =1.15 2648.66+0.16 (4237.85+500)=2175.94(N) )( GFfkfF Zxm (2) 计算最大动负载 C C= 3 Lw f m F L106 60nT n0 1000 L vs 参考机床设计手册.3P185P210 选用滚珠丝杆导轨 式中：滚珠丝杆导程。 初选 0 L mmL8 0 为最大切削力条件下的进给速度，可取最高进给速度的 1/21/3 s v 取=1m/min s v 使用寿命（h） ，对于数控机车取 =15000h 0 T 运转系数，按一般运转取 1.21.5（查表 314综合作业指导取 w f 为 1.2 w f 寿命以 转为 1 单位 L 6 10 丝杆转速 r/min n 125 0 1000 L v n s 8 11000 113 10 60 6 nT L 6 10 1500012560 C=19512.57 mwF fL 3 (3) 滚珠丝杆螺母副的选型 15 可采用 WD6008 外循环螺纹调整预紧的双螺母珠丝杆副，1 列 2.5 圈，其 额定功动负载为 18200（N） ，精度等级按表综合作业指导书表 3-17 选为 3 级。 (4) 传功效率计算： = )tan(/tanrr 式中：r螺旋升角，WD6008 r= 2530 磨擦角取 10 滚动磨擦系数 0.0030.004 953 . 0 )10253tan( )253tan( )tan( tan 0 0 r r (5) 刚度验算 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如 A 图所示，最大牵引力 2175.94(N)。支承 L=1500mm，丝杆螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向 负荷 1/3。 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 图 2-5 丝杆传动图 查综合作业指导书图 3-4，根据 =2175.94(N), m FmmD60 0 查出10-5 可算出 65 . 0 L L =(0.6510-51500)mm=0.97510-2 mm 1 L L 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杆进行了预拉伸，故其拉压刚度可 以提高 4 倍。其实际变形量(mm)为 1 =1/4=0.97510-2/2=0.24410-2mm 1 1 16 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 查综合作业指导书图 3-5，W 系列 1 列 2.5 圈滚珠和螺纹滚道接触变 形量 Q =6.0m Q 因进行预紧 =1/2=1/26.0=3.0m 2 Q 支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形 3 采用 D8208 型推力球轴承，=35mm,滚动体直径=6.35mm,滚动体数量 1 d Q d Z=18, mm Zd F Q m c 009056. 0 1835. 6 65.3296 00052. 000052 . 0 33 2 2 2 2 注意此公式中单位应为 N 因施加预紧力，故 根据以上计算 因为查表达 1-1综合作业指导书定位精度为0.01 (6) 稳定性校核 滚珠丝杆两端采用推力球轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。 (7) 纵向滚珠丝杆副几何参数 表 2-2 WD6008 滚珠丝杆副几何参数 17 2.3.3 齿轮传动比计算 已知纵向进给脉冲当量=0.01mm/step,滚珠丝杆导程=8mm，初选步进电 0 L 动机步距角，可计算出传动比 ： 0 75 . 0 i = i0 360 L b p 脉冲当量（mm/step） p 滚珠丝杆的基本导程（mm） 0 L 步进电机的步距角 b =3/8 i0 360 L b p 875 . 0 01 . 0 360 因为可进定齿轮齿数为 =/=24/64 i 1 Z 2 Z =24 ，=64 1 Z 2 Z 18 因进给运动齿轮受力不大，模数 m 取 2， 则有关参数如下表所示(见表 3-2)： 表 2-2 传动齿轮几何参数 2.3.4 进电机的计算和选型 (1)初选步进电机 计算步进电机负载转矩 m T = m T b mpF 2 36 脉冲当量（mm/step）取 =0.01mm/step p p 进给牵引力（N）取 =2175.94N m F m F 步距角，初选双拍制为 b 0 75 . 0 电机丝杆的传动效率，为齿轮、轴承、丝杆效率之积，分别为 0.98、0.99、0.99 和 0.94。 =N.cm m T b mpF 2 36 36.182 295 . 4 338.783 94 . 0 99. 099. 098 . 0 75 . 0 14 . 3 2 94.217501 . 0 36 算步进电机启动转矩 根据负载转矩除以一定的安全系数来估算步进电机启动转矩 m T q T =/0.30.5 q T m T 一般纵向进给伺服系统的安全系数取 0.30.4 = /0.4=182.36/0.4=455.9N.mm q T m T 19 计算最大静扭矩 查综合作业指导书表 3-22，如取五相十拍，则=0.951 maxj q T T =/0.951=455.9/0.951=479.39N.mm maxj T q T 计算步进电机运行的频率和最高起动频率 4k f =HZ e f p s v 60 1000 7 . 1666 01 . 0 60 11000 =HZ k f 3333 01. 060 21000 60 1000 max p v 式中：最大切削进给速度 m/min , =1m/min s v s v 最大快移速度 m/min, =2m/min max v max v 脉冲当量, =0.01mm/step p p 根据估算出的最大的静转矩=479.39N.mm 在表 3-23 中查出 130BF001 maxj T 最大静扭矩为 931N479.39N 可以满足要求， ，但从表中看出 130BF001 步进电 机最高空载起动频率为 3000HZ，不能满足=3333HZ 的要求，此项指标可暂 k f 不考虑，可以采用软件开降速程序来解决。 (2) 校核步进电机转矩 前面所初步电机的转矩计算，均为估算，初迭之后，应该进行校核计算。 有效转动惯量计算 计算简图如前（a）所示，根据综合作业指导书表 3-24，传动系统计 算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算： J =()() J m J 1 J 2 )( 2 1 Z Z 2 J S Jg G 2 ) 2 ( 0 L 步进电机转子转动惯量（） m J 2 .cmkg .矢轮 Z1Z2 的转动惯量（） 1 J 2 J 2 .cmkg 滚珠丝杆转动惯车（） S J 2 .cmkg 参考同类型机床，初步反应式步进电机 BF1， 作台质量折算到电机轴上的转动惯量： 20 I4()2w()2800.468kgcm24.68Ncm2 p180 75 . 0 14 . 3 01 . 0 180 齿轮转动惯量： J17.810-44.842=8.281kgcm2=82.81 Ncm2 J27.810-412.842=53.678kgcm2 丝杆传动惯量： J3=7.810-464140=141.52kgcm2=1415.2 Ncm2 电机转动惯量很小，可以忽略。 因此，总的转动惯量： (J3+J2)+J1+J4 2 1 i =(141.52+53.68)+0.468+8.281 2 25 . 1 1 = 130.52 kgcm2=1305.2 Ncm2 (1) 所需转动力矩计算。 快速空载启动所需力矩： afa MMMM max 最大切削力负载时所需力矩： tofaf MMMMM 式中：空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩 maxa M 折算到电机轴上的摩擦力矩 f M 由于丝杆预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩 o M 切削时折算到电机轴上的加速度力矩 af M 折算到电机轴上的切削负载力矩 t M MN T Jn Ma 4 10 6 . 9 当时， max nn a MM max min/ 5 . 6678/67 . 2 2000 max max r L iV n o kgfcm Nm M 363 3 . 36 10 025. 06 . 9 5 . 66725.130 4 max 21 当时， t nn ata MM 66.18 88014 . 3 25 . 1 3 . 01001000 1000 0 0 L f D v L nif n i i t mkgfmNMat 015 . 1 015 . 1 10 025 . 0 6 . 9 66.1852.130 4 ni wLf ni LF M f 22 0 00 当，时， 8 . 016 . 0 f Ncm 7633 . 0 67 . 2 8 . 014 . 3 2 8 . 08016 . 0 f M 1 2 00 0 ni LP M 当时，预加载荷则 9 . 0 3 0 x F P cmNcmkgfM 373 . 2 2373 . 0 67 . 2 8 . 014 . 3 6 9 . 018 . 085.62 2 0 CMNcmfkg i LF M X t 483.377483 . 3 67 . 2 8 . 014 . 3 2 8 . 085.62 2 0 所以，快速空载启动所需力矩： cmNcmkgfMMMaM f 06.34000006.3402373 . 0 7633 . 0 363max 0 快速进给时所需力矩： cmNcmkgfMMM f 006.100006 . 1 2373 . 0 7633 . 0 0 切削时所需力矩： tfat MMMMM 0 7483 . 3 2373. 07633. 015.10 cmNcmkgf 9 . 14889.14 由以上分析计算可知： 所需最大力矩发生快速启动时： ，所以选择型号 max McmNM 3400 max 22 WD6008 校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。 已计算出机床最大快移时需步进电机的最高起动频率为 3333Hz，切削 k f 进入时所需步进电机运行频率为 1333.3Hz。 e f 从综合作业指导书表 323 中查出型步进电机允许的最高空 BF1-160 载起动频率为 3000Hz，运行频率为 16000Hz，再从综合作业指导书 图 315，316 查出 BF1-160 步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如 （C）图所示，当步进电机起动时，时，,不能满足此 Hzf2500 cmNM100 机床所要求的空载起动力矩 222.916N.cm。直接使用则会施行失步现象，所以 必须采取开降进控制用软件实现 ，将起动频率到 1000Hz 起动转矩可增高到 588.4N.cm，然后电路上再采用高低压驱动电路，可将电机输出转矩扩大一倍左 右。 当快速运动和切削进给时，BF1-160 型步进电机运行矩频特性（D）图完 全可以满足要求： 图 2-6 2 第三章第三章 数控系统硬件电路设计数控系统硬件电路设计 3.1 数控系统基本硬件组成数控系统基本硬件组成 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成，硬件是数控机床的基础， 其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能，有了硬件，软件就能发挥作用。 机床数控机床的硬件电路概括起来有以下四部分组成： 中央处理单元 CPU。CPU 是数控系统的核心。 总线。包括数据总线（DB） 地址总线（AB）和控制总线（CB） 。 存储器。包括只读可编程存储器和随机读写存储器。 I/O 输入输出接口电路。 总线则是 CPU 与存储器，接口以及其它转换的纽带，是 CPU 与部分电路 进行交换和通讯的必由之路。 图 4-1