毕业设计（论文）-经济型数控车床进给系统设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 经济型数控车床进给系统设计 学生姓名学生姓名： 学号学号： 系系 部：部： 专专 业：业： 指导教师：指导教师： 二零一五年 六 月 何瑞肖 112011443 机械工程系 机械设计制造及其自动化 梁雅琴 诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导 下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中 列出。 本人签名： 年 月 日 毕业设计任务书毕业设计任务书 设计题目： 经济型数控车床进给系统设计 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 112011443 学生： 何瑞肖 指导教师（含职称）： 梁雅琴（副教授） 1课题意义及目标 进给传动系统是整个机床系统中最重要的一个部件。它直接关系着整个加工的 产品的质量及其性能，进给传动的精确与否直接影响着产品的成功与否，为此对进 给传动的设计及优化研究就显得尤为重要。 2主要内容 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 ,刀架的设计选型 ,步进电机的计算与选择 , 数控系统硬件电路设计 ,数控系统软件设计。 设计参数：（1）床身上最大回转直径 400mm；（2）快移速度 x、z 轴 4m/min（3）溜板及刀架重力：纵向：800N、横向：600N（4）最大进给速度:Z 轴： 1.2m/min X 轴：1.0m/min （5）启动加速时间:30ms（8）机床定位精度: X、Z 轴： 0.035mm 设计成果：1）毕业设计论文一份；2）零件图；3）装配图一张 3主要参考资料 1 郑堤. 数控机床与编程.北京：机械工业出版社，2010.5 2 张新义经济型数控机床系统设计北京：机械工业出版社1994.7 3 濮良贵，纪名刚.机械设计，高等教育出版社，2010.5.第 17 次印刷 4进度安排 设计各阶段名称起 止 日 期 拟定并论证总体方案； 3 月 3 日3 月 23 日 完成数控车床进给系统传动设计； 3 月 24 日4 月 13 日 进行结构设计及计算； 4 月 14 日5 月 4 日 绘制零件图及结构装配图； 5 月 5 日6 月 1 日 完成毕业论文及答辩工作 6 月 2 日6 月 22 日 审核人： 年 月 日 经济型数控车床进给系统设计经济型数控车床进给系统设计 摘摘 要要：随着科技的飞速发展，机械产品更新换代越来越快，同时，产品的质量和 性能也在不断的提高。各个企业为了适应时代潮流的要求，对数控机床的需求也越 来越大。然而，对于中小企业来说，购买大批量的数控机床在经济上很困难并且也 没有必要，但是为了满足不断发展进步的社会需求、达到新的加工标准，又必须采 用数控机床。在这种形势下，经济型数控机床以其高的性价比博得了大家的青睐。 在数控机床的整个系统中，进给系统是最重要的一个部件。它直接关系着整个加工 的产品的质量及其性能，进给传动的精确与否直接影响着产品的成功与否，为此对 进给传动的设计及优化研究就显得尤为重要。 经济型数控车床的进给系统的传动机构采用滚珠丝杠螺母副，由它将步进电机 的运动传到滑板和刀架，实现纵向和横向的进给。本设计中的数控系统采用 8031 单 片机控制。 关键词：关键词：数控机床，滚珠丝杠螺母副，步进电机，刀架，单片机 Economical NC Lathe Feed System Design Abstract：With the rapid development of science and technology, mechanical products renewal faster and faster, at the same time, the quality of the products and performance has been improved. Companies in order to meet the requirement of the trend of The Times, the demand for NC machine tools is becoming more and more big. However, for small and medium-sized enterprises, to purchase large quantities of NC machine tools on the economy is difficult and is not necessary, but in order to meet the demand of continuous development and progress of society, meet new processing standards, and NC machine tools must be used. In this situation, economical NC machine tool with its high cost performance won the favour of people. In the numerical control machine tool of the whole system, the feed system is one of the most important parts. It is directly related to the entire process of product quality and performance of feed drive of accurate or not directly affects the success of product, therefore the design and optimization study of feed drive is particularly important. Economical numerical control lathe feed system of transmission mechanism adopts the ball screw nut pair, transfer the motion of the stepper motor, it spread to skateboarding and tool rest, longitudinal and transverse feed. The design of the CNC system adopts 8031 single chip microcomputer control. Keywords：NC machine tool，Ball screw nut pair，Stepper motor，rest，Single chip microcomputer 目 录 1 前言.1 2 进给系统总体方案的设计.2 2.1 设计任务 .2 2.2 总体方案的论证 .2 2.3 总体方案的确定 .2 3 机械部分设计.4 3.1 纵向进给系统的设计与计算.4 3.1.1 计算切削力.4 3.1.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型.4 3.1.3 齿轮传动比计算.8 3.1.4 步进电机的计算和选型.9 3.2 横向进给系统的设计与计算.12 3.2.1 计算切削力.12 3.2.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型.12 3.2.3 齿轮传动比计算.15 3.2.4 步进电机的计算和选型.15 3.3 刀架的设计和选择.18 3.4 主轴编码器的选择.19 4 数控系统硬件电路设计.20 4.1 确定控制系统方案.20 4.1.1 数控系统基本硬件组成.20 4.2 软、硬件任务合理分配.21 4.3 主控器.21 4.3.1 主控芯片选择.21 4.3.2 MCS51 系列单片机介绍 .21 4.3.3 三总线结构.22 4.3.4 存储器结构.22 4.3.5 时序.23 4.3.6 中断功能.23 4.3.7 MCS-51 单片机常用系统扩展芯片 .23 4.4 存储系统扩展设计.24 4.4.1 芯片选择.24 4.4.2 地址分配及译码.24 4.5 接口电路及辅助电路具体设计.25 4.5.1 步进电机接口电路.25 4.5.2 键盘、显示接口.26 4.5.3 其他辅助电路.27 5 控制系统软件设计.28 5.1 软件设计的组成.28 5.2 插补方法及程序设计.28 5.2.1 插补方法概述.28 5.2.2 逐点比较法的直线插补及其程序设计.28 5.2.3 逐点比较法的圆弧插补及其程序设计.30 5.3 步进电机运行程序控制设计.32 5.4 经济型数控软件部分设计.33 5.4.1 模块组成.33 5.4.2 缓冲区设置.34 5.4.3 中段处理器.34 6 结 论.37 参考文献.38 致 谢.39 太原工业学院毕业设计 1 前言前言 数控机床的加工过程如下：将所需的多个操作步骤（如机床的启动或停止、主 轴的变速、工件的夹紧或松开、刀具的选择和交换、切削液的开或关等）和刀具与 工件之间的相对位移，以及进给速度等都用数字化的代码来表示，按规定编写零件 加工程序并送入数控系统，经分析处理与计算后发出相应的指令控制机床的伺服系 统或其他执行元件，使机床自动加工出所需要的零件。 数控机床的特点： 1.柔性化和灵活性，当改变加工零件时，只要改变数控程序即可，所以满足产 品更新换代快的要求； 2.可以采用较高的切削速度和进给量； 3.加工精度高，质量稳定。机床本身精度高，此外还可以利用参数的修改进行 精度校正和补偿。 数控机床的进给伺服系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执 行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱 动电路进行转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机、功率步进电 动机、电液脉冲马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部 件实现工作进给和快速运动。 伺服驱动系统的选用，在实际中必须根据机床的要求来确定。各种数控机床完 成不同的加工任务，导致它们对进给驱动的要求也不大相同，但主要是下面几个方 面： （1）高的精度要求 （2）快的响应速度 （3）足够宽的调速范围 （4）低速、大转矩 太原工业学院毕业设计 2 进给系统总体方案的设计进给系统总体方案的设计 2.1 设计任务设计任务 本设计是经济型数控车床进给系统设计。利用微机对纵向进给系统进行开环控 制，纵向（Z 向）脉冲当量为 0.01mm/步，横向为 0.005/步。驱动元件采用步进电机， 传动系统采用滚珠丝杠螺母副。 2.2 总体方案的论证总体方案的论证 （1）伺服进给系统设计 开环控制系统结构简单、容易设计制造、控制精度较 好、容易调试、价格便宜、使用维修方便。所以，本设计决定采用开环控制系统。 （2）数控系统的硬件电路设计 在设计的数控装置中，CPU 的选择是关键，选择 CPU 应考虑以下要素： 1）时钟频率和字长将控制数据处理的速度； 2）可扩展存储器（ROM 和 RAM）的容量； 3）指令系统功能影响编程的灵活性； 4）I/O 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，还应考虑系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求，以及性 价比等，综合起来考虑以确定 CPU。目前在经济型数控机床中，推荐使用 MCS-51 系 列单片机作为主控制器。 2.3 总体方案的确定总体方案的确定 经总体设计方案的论证后，确定经济型车床数控系统示意图如图所示。 太原工业学院毕业设计 图2.1 总体方案设计图 太原工业学院毕业设计 3 机械部分设计机械部分设计 已知条件： （1）床身最大回转直径 400mm （2）最大加工长度 1000mm （3）溜板及刀架重力 纵向： 横向： 800N600N （4）刀架快速速度 X、Z 轴 4minm （5）最大进给速度 Z 轴： X 轴： 1.2minm1.0minm （6）启动加速时间 30ms （7）机床定位精度 X、Z 轴： 0.035mm 脉冲当量根据机床精度要求确定，纵向：0.01mm/step, 横向：0.005 mm/step （半径） 3.1 纵向进给系统的设计与计算纵向进给系统的设计与计算 3.1.1 计计算算切切削削力力 在纵车外圆过程中，车床的主切削力可以按经验公式估算： () Z FN 1.51.5 max 0.670.67 4005360 Z FDNN 车床床身的最大加工直径（mm） max D 另外的两个切削分力按如下比例计算： :1:0.25:0.4 zxy FFF 5360 0.251340 x FNN5360 0.42144 y FNN 走刀方向的切削分力（N）； x F 垂直于走刀方向的切削分力（N)。 y F 3.1.2 滚滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副的的计计算算和和选选型型 滚珠丝杠副传动低效率高，摩擦损失小；启动力矩小，运动平稳，无爬行现象， 传动精度高，同步性好，磨损小，使用寿命长，精度保持型好等优点。在经济型数 控机床的进给系统中，广泛采用滚珠丝杠副传动机构来实现精密进给运动。 太原工业学院毕业设计 1.计算进给牵引力 m F 纵向进给为综合性导轨： ( ) mxz FkFfFG =1.15 13400.16 (5360800)()2530()NN 式中 考虑颠复力矩影响时的实验系数，综合导轨为 1.15;k 滑动导轨摩擦系数：0.150.18 f 溜板及刀架重力 ：800GN 2.计算最大动负载C (式 3.1) 3 whm CL f f F (式 3.2) 6 60 10 nT L (式 3.3) 0 1000 s V n L 滚珠丝杠的导程，初选 6mm； 0 L 切削力最大时的进给速度，取最高进给速度的，此处为 s V 11 23 : 1.2m/min。 使用寿命，按 15000h;T 运转系数，取 1.21.5； w f 寿命，以转为 1 单位。L 6 10 0 1 1000 1.2 1000 3 (min)66.67min 6 s V nrr L 66 6060 66.67 15000 60.00 1010 nT L 33 60.00 1.4 1 2530()13866.69() whm CL f f FNN 3.滚珠丝杠螺母副的选型 根据机械传动装置设计手册上册，初选滚珠丝杠副的型号为 CDM4006 2.5，是外循环双螺母垫片预紧式，其额定动载荷为 15851N，强度足够。循环列数 圈数=，精度等级选择 3 级。其几何参数如下表：2.5 1 太原工业学院毕业设计 表3.1 滚珠丝杠螺母副的几何参数 名称符号计算公式数值 公称直径 0 d40 螺距 0 L6 接触角45 钢球直径 q d3969 滚道法面直径R0.52 q Rd2.06 偏心距e(2)sin q eRd 2 5.34 10 螺纹滚道 螺纹升角 0 0 arctan L d 2 44 螺杆外径d 0 (0.20.25) q ddd:39.21 螺杆内径 1 d 10 22ddeR35.99螺杆 螺杆接触直径 Z d 0 cos zq ddd37.19 螺母螺纹直径D 0 22DdeR44.01螺母 螺母内径（外循环） 1 D 10 (0.20.25) q Ddd:4079 4.传动效率计算 tantan2 44 0.94 tan()tan(2 44 10) 式中螺旋升角 摩擦角为，滚动摩擦系数为 100.0030.004: 5.刚度验算 （1）丝杠的拉伸/压缩变形量： 1 先计算滚珠丝杠受工作负载的作用引起的导程的变化量，再计算 m F 0 LL 滚珠丝杠总长度上的拉伸或压缩变形量。 1 太原工业学院毕业设计 (式 3.4) 0m F L L EA 工作负载作用下引起的第一导程变化量L()mm 工作负载，即进给牵引力 m F()N 滚珠丝杠的导程 0 L()mm 材料弹性模数，对钢E 5 2.07 10 ()EMPa 滚珠丝杠的截面积（按内径确定）A 2 ()mm 2222 0 11 ()(403.969)1019.63() 44 w AdDmmmm 5 0 5 2530 6 7.19 10 () 2.07 101019.63 m F L Lmmmm EA 1 0 L L L 滚珠丝杠受力长度，L()mm1200Lmm 5 2 1 0 7.19 10 12001.438 10 6 L Lmmmm L 由于两端采用推力球轴承且丝杠进行了预拉伸，所以其拉压刚度可以提高 4 倍， 实际变形量引起丝杠的总的变形量 3 1 1 3.595 10 4 mm (2)有预紧时滚珠丝杠与螺纹滚道之间的接触变形： 2 (式 3.5) 2 2 3 0 0.0013 m y F d F Z 轴向工作负载， m F()kgf2530258.16 m FNkgf 预紧力（最大工作负载的） y F 13 ()kgf 滚珠直径 0 d()mm 滚珠数量，圈数 列数ZZZ 一圈的滚珠数，外循环时：，取Z 0 44.01 34.84 3.969 D Z d 35Z 35 1 2.587.5Z 太原工业学院毕业设计 3 2 2 2 3 3 0 258.16 0.00130.00132.44 10 1 3.969 (258.16) 87.5 3 m y F mm d F Z (3)支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3 根据机械制图与设计简明手册，采用 51105 型推力球轴承。滚动体直径 ，滚动体数。6.3 Q dmm14Z 公式中单位为， m Fkgf258.16 m Fkgf (式 3.6) 22 3 3 3 3 22 258.16 0.00240.00244.91 10 6.3 14 m Q F mm d Z 因为施加了预紧力，所以 3 3 3 2.46 10 2 mm 333 123 3.595 102.44 102.46 10 3 8.495 100.035mmmm 所以刚度足够 6稳定性校核 由于滚珠丝杠两端采用推力球轴承，故不会产生失稳现象，无需作稳定性校核。 3.1.3 齿齿轮轮传传动动比比计计算算 （1）齿轮箱传动比计算 脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电动机步距角0.01 p mm step 0 6Lmm /步。可计算出传动比 i:0.75 b 0 360 360 0.01 0.8 0.75 6 p b i L （2）可选定齿轮齿数为：或者。 1 2 32 40 Z i Z 20 25 考虑到结构上的原因，取,齿轮传动参数见下表： 12 32,40ZZ 太原工业学院毕业设计 表3.2 齿轮传动参数 齿数Z3240 分度圆dmz6480 齿顶圆 2 a ddm 6884 齿根圆 2 1.25 f ddm 5975 齿宽b2020 中心距 12 ()/ 2Add 72 3.1.4 步步进进电电机机的的计计算算和和选选型型 步进电机的选择原则： a.步进电机的输出转矩大于负载转矩。 b.应使步进电机的步矩角与机械系统相匹配 c.应使被选电机与机械系统的负载惯量及机床要求的启动频率相匹配，并且有 一定的余量； d.最高工作频率可以满足机床移动部件快速移动的要求 1.转动惯量计算 丝杠的转动惯量： 444422 7.8 107.8 10412023.96 s JD Lkg cmkg cm 齿轮的转动惯量： 4422 1 7.8 106.422.62Jkg cmkg cm 4422 2 7.8 10826.39Jkg cmkg cm 工作台折算到丝杠轴上的惯量： 2222 0 8000.6 ()()0.74 29.82 G LG Jkg cmkg cm g 总的转动惯量： 2 1 12 2 () () SG z JJJJJ z 太原工业学院毕业设计 22 64 2.62()(6.3923.960.74) 80 kg cm 2 22.52kg cm 2.所需转动力矩计算： 在不同的工况下，机床所需转距不同： (1)快速空载起动力矩： 起 M (式 3.7) 0max MMMM fa 起 当， maxmax , aa nnMM max max 12000.75 min250min 3600.01360 b p V nrr 2 max max 2 10 60 a a n MJJ t 2 2250 22.5210196.52 60 0.03 N cmN cm 折算到电动机轴上的摩擦力矩： f M (式 3.8) 00 2 f F L Mi 导轨的摩擦力， 0 F()N 0 () z FfFG 导轨摩擦因数，综合导轨； f 0.150.18f : 当取 0.16 时， f 0 ()0.16 (5360800)985.6 z FfFGNN 传动链总效率，一般取，此处取。0.70.85:0.8 00 985.6 0.6 0.894.12 220.8 f F L MiN cmN cm 附加摩擦力矩： 0 M (式 3.9) 002 00 (1) 2 p F L Mi 滚珠丝杠的预加负荷，一般取 0p F()N 13 m F 滚珠丝杠导程 0 L()cm 太原工业学院毕业设计 未预紧时滚珠丝杠的传动效率，一般。 0 0 0.9 0022 00 1 (2530) 0.6 3 (1)0.8 (1 0.9 )15.30 220.8 p F L MiN cmN cm 上述三项合计： 0max MMMM fa 起 196.5294.12 15.30305.94N cmN cm (2)快速移动时所需力矩 快 M cmNcmNMMM42.10930.1512.94 0f快 (3)最大切削负载时所需的力矩 切 M 折算到电动机轴上的切削力矩： t M 0 1340 0.6 0.8127.96 220.8 t t FL MiN cmN cm cmNcmNMMMM t 38.23796.12730.1512.94 0f切 从以上数据分析，所需的最大力矩发生在快速启动时。 步进电动机的选择： 根据最大静转矩初选电动机型号，对于工作方式为五相十拍的电动机： maxj M cmNcmN M M j 70.321 951 . 0 94.305 max 起 按照上面计算出的最大静转矩从国产 BF 反应式步进电机技术数据查出 110BF003 的最大静转矩为，大于所需最大静转矩。可作为初选型号，但必7.84N m 须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。 3.计算电动机工作频率： 最大空载频率 max 10001000 4 6666.67 6060 0.01 k p V fHzHz 最大工作频率 10001000 1.2 2000 6060 0.01 S c p V fHzHz 查出 110BF003 型步进电机的最高起动频率为 1500HZ，运行频率为 7000HZ， 当步进电机起动时，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩，直接305.94N cm 使用时会产生时步现象，所以必须采用升降速控制，然后在电路上采用高低压驱动 太原工业学院毕业设计 电路，可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 3.2 横向进给系统的设计与计算横向进给系统的设计与计算 3.2.1 计计算算切切削削力力 横切端面时主切削力可取纵切的： z F 1 2 11 53602680 22 zz FFNN 另外的两个切削分力也按如下比例计算： :1:0.25:0.4 zxy FFF 2680 0.25670 x FNN 2680 0.41072 y FNN 3.2.2 滚滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副的的计计算算和和选选型型 1.计算进给牵引力 m F 横向进给为燕尾型导轨： ( 2) myzx FkFfFFG 1.4 6700.2 (26802 1072600)2022.8NN 燕尾型导轨：； 1.4,0.2kf 溜板及刀架重力 ：600GN 2.计算最大动负载C 初选为 5mm，取 0 L1.4,1 wh ff 0 1 1000 1.0 1000 2 min100min 5 s V nrr L 66 6060 100 15000 90 1010 nT L 33 90 1.4 1 2022.812690.98 whm CL f f FNN 3.滚珠丝杠螺母副的选型 根据机械传动装置设计手册上册，初选滚珠丝杠副的型号为 CDM2005 5，是外循环双螺母垫片预紧式，其额定动载荷为 15338N，强度足够。循环列数 圈 数=，精度等级选择 3 级。其几何参数如下表：2.5 2 太原工业学院毕业设计 表 3.3 滚珠丝杠螺母副的几何参数 名称符号计算公式数值 公称直径 0 d20 螺距 0 L5 接触角45 钢球直径 q d3.175 滚道法面直径R0.52 q Rd1.651 偏心距e(2)sin q eRd 2 4.49 10 螺纹滚道 螺纹升角 0 0 arctan L d 4 33 螺杆外径d 0 (0.20.25) q ddd:19.37 螺杆内径 1 d 10 22ddeR16.79螺杆 螺杆接触直径 Z d 0 cos zq ddd17.75 螺母螺纹直径D 0 22DdeR23.21螺母 螺母内径（外循环） 1 D 10 (0.20.25) q Ddd:20.64 4.传动效率计算 tantan4 33 0.96 tan()tan(4 33 10) 5.刚度验算 （1）丝杠的拉伸或压缩变形量： 1 0m F L L EA 2222 0 11 ()(203.175)222.33 44 w AdDmmmm 4 0 5 2022.8 5 2.20 10 2.07 10222.33 m F L Lmmmm EA 1 0 L L L 太原工业学院毕业设计 800Lmm 4 2 1 0 2.20 10 8003.52 10 5 L Lmmmm L 3 1 1 8.8 10 4 mm (2)有预紧时滚珠丝杠与螺纹滚道的变形： 2 ，取 0 23.21 22.97 3.175 D Z d 23Z 23 2 2.5115Z 2022.8206.41 m FNkgf 3 2 2 2 3 3 0 206.41 0.00130.00131.88 10 1 3.175 (206.41) 115 3 m y F mmmm d F Z (3)支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3 根据机械制图与设计简明手册，采用 51104 型推力球轴承。滚动体直径 ，滚动体数。5.56 Q dmm14Z 公式中单位为， m Fkgf258.16 m Fkgf 22 3 3 3 3 22 206.41 0.00240.00248.15 10 5.56 14 m Q F mmmm d Z 因为施加了预紧力，所以 3 3 3 4.08 10 2 mm 333 123 8.8 101.88 104.08 10 2 1.48 100.035mmmm 所以刚度足够 6稳定性校核 由于滚珠丝杠两端采用推力球轴承，所以不会产生失稳现象，无需作稳定性校 核。 太原工业学院毕业设计 3.2.3 齿齿轮轮传传动动比比计计算算 1.齿轮箱传动比计算 ， ， /步。0.005 p mm step 0 5Lmm0.75 b 可计算出传动比 i: 0 360 360 0.005 0.48 0.75 5 p b i L 大齿轮直径太大会影响到横向溜板的有效行程，所以采用二级齿轮减速。 可选定的齿数为： 31 24 342420 554025 zz i zz 取 4 123 24,40,20,25zzzz 齿轮传动参数见下表： 表3.4 齿轮传动参数 齿数z 24 402025