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Φ500mm的数控车床总体设计及纵向进给设计【CAD图纸和Word论文】【原创机械设计】【独家定做】

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关键词：: 任务 mm 妹妹数控车床总体整体设计纵向进给 11 十一

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　　　　　　　　　Φ500mm的数控车床总体设计

　　　　　　　　　　　　　　　　及纵向进给设计

摘要

　　通过该课题的研究，努力达到以下目的：

1、加强数控机床结构设计和模块化训练；

2、加强数控机床功能部件的选型与设计计算的训练；

3、加强数控机床的整机设计中应该把握的主要问题的训练

　　　普通机床数控化改造的研究意义：

1）节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，

大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。

2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。

3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3 至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期

关键词：车床，数控，伺服电机，滚珠丝杠

摘要II

目录III

第1章数控机床发展概述1

1.1 数控机床及其特点1

1.1.1 数控机床与普通机床的区别1

1.1.2 数控机床的适用范围2

1.2 数控机床的工艺范围及加工精度2

1.3 数控机床发展趋势3

1.4 机床数控化改造的优越性4

第2章数控机床总体方案的制订及比较6

2.1总体方案设计的内容6

2.1.1系统运动方式的确定6

2.1.2伺服系统的选择7

2.1.3执行机构传动方式的确定7

2.1.4计算机的选择8

2.2总体设计方案的确定8

2.2.1系统的运动方式与伺服系统的选择8

2.2.2计算机系统8

2.2.3机械传动方式8

第3章确定切削用量及选择刀具1

3.1刀具选择1

3.2切削用量确定1

3.3切削三要素1

3.4加工精度和表面粗糙度2

3.5刀具材料5

第4章纵向进给系统设计计算6

4.1 选择脉冲当量6

4.2 计算切削力6

4.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型7

4.4 齿轮进给齿轮箱传动比计算11

　　　4.5 步进电机的计算和选型12

第5章微机数控系统的设计16

5.1 微机数控系统的设计纲要16

5.1.1 硬件电路设计16

5.1.2 软件电路设计17

5.2 8031单片机及其扩展18

5.2.1 8031单片机的简介18

5.2.2 8031单片机的系统扩展19

5.2.3 存储器扩展21

5.2.4 I/O口的扩展22

5.2.5 步进电机驱动电路23

5.2.6 脉冲分配器（环行分配器）24

5.2.7 光电隔离电路24

5.2.8 功率放大器24

5.2.9 其他辅助电路25

结论27

致谢28

参考文献29

第1章数控机床发展概述

　　　近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。目前国外机械设备的数控化率已达到85%以上，而我国的机械设备的数控化率不足20%，随着我国机制行业新技术的应用，数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（汽铣、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。1.高速、高精加工技术及装备的新趋势2.轴联动加工和复合加工机床快速发展3.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势4.重视新技术标准、规范的建立其中包括：a.关于数控系统设计开发规范b. 关于数控系统设计开发规范，加强数控铣床的整机设计中应该把握的主要问题的训练。

　　　研究此课题的意义在于：针对大学毕业生技能的需求，在培养过程中，加强实践环节，把自己置身于工程背景之中，以提高我们的专业水平。通过此设计，我们可以初步掌握改造一般铣床的方法与步骤，可为我们今后工作打下良好的基础。将大学三年所学到的知识进行汇总，考核我们所学知识的牢固度，检验我们运用知识的能力。

1.1 数控机床及其特点

1.1.1 数控机床与普通机床的区别

数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点：

1. 适合于复杂异形零件的加工

数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇

内容简介：: 毕业设计(论文)500mm的数控车床总体设计及纵向进给设计所在学院专业班级姓名学号指导老师年月日摘要通过该课题的研究，努力达到以下目的： 1、加强数控机床结构设计和模块化训练； 2、加强数控机床功能部件的选型与设计计算的训练； 3、加强数控机床的整机设计中应该把握的主要问题的训练普通机床数控化改造的研究意义： 1）节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。 2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高3 至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期关键词：车床，数控，伺服电机，滚珠丝杠II目录摘要II目录III第1章数控机床发展概述11.1 数控机床及其特点11.1.1 数控机床与普通机床的区别11.1.2 数控机床的适用范围21.2 数控机床的工艺范围及加工精度21.3 数控机床发展趋势31.4 机床数控化改造的优越性4第2章数控机床总体方案的制订及比较62.1总体方案设计的内容62.1.1系统运动方式的确定62.1.2伺服系统的选择72.1.3执行机构传动方式的确定72.1.4计算机的选择82.2总体设计方案的确定82.2.1系统的运动方式与伺服系统的选择82.2.2计算机系统82.2.3机械传动方式8第3章确定切削用量及选择刀具13.1刀具选择13.2切削用量确定13.3切削三要素13.4加工精度和表面粗糙度23.5刀具材料5第4章纵向进给系统设计计算64.1 选择脉冲当量64.2 计算切削力64.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型74.4 齿轮进给齿轮箱传动比计算114.5 步进电机的计算和选型12第5章微机数控系统的设计165.1 微机数控系统的设计纲要165.1.1 硬件电路设计165.1.2 软件电路设计175.2 8031单片机及其扩展185.2.1 8031单片机的简介185.2.2 8031单片机的系统扩展195.2.3 存储器扩展215.2.4 I/O口的扩展225.2.5 步进电机驱动电路235.2.6 脉冲分配器（环行分配器）245.2.7 光电隔离电路245.2.8 功率放大器245.2.9 其他辅助电路25结论27致谢28参考文献29IV第1章数控机床发展概述近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。目前国外机械设备的数控化率已达到85%以上，而我国的机械设备的数控化率不足20%，随着我国机制行业新技术的应用，数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（汽铣、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。1.高速、高精加工技术及装备的新趋势2.轴联动加工和复合加工机床快速发展3.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势4.重视新技术标准、规范的建立其中包括：a.关于数控系统设计开发规范b. 关于数控系统设计开发规范，加强数控铣床的整机设计中应该把握的主要问题的训练。研究此课题的意义在于：针对大学毕业生技能的需求，在培养过程中，加强实践环节，把自己置身于工程背景之中，以提高我们的专业水平。通过此设计，我们可以初步掌握改造一般铣床的方法与步骤，可为我们今后工作打下良好的基础。将大学三年所学到的知识进行汇总，考核我们所学知识的牢固度，检验我们运用知识的能力。1.1 数控机床及其特点1.1.1 数控机床与普通机床的区别数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点： 1. 适合于复杂异形零件的加工数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。 2. 加工精度高 3. 加工稳定可靠实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。 4. 高柔性加工对象改变时，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统FMS。 5. 高生产率数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为普通机床的 35 倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。 5. 劳动条件好机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低，工作环境较好。 7. 有利于管理现代化采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。 8. 投资大，使用费用高 9. 生产准备工作复杂由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺确定、程序编制等。 10. 维修困难数控机床是典型的机电一体化产品，技术含量高，对维修人员的技术要求很高。1.1.2 数控机床的适用范围由于数控机床的上述特点，适用于数控加工的零件有：批量小而又多次重复生产的零件；几何形状复杂的零件；贵重零件加工；需要全部检验的零件；试制件。对以上零件采用数控加工，才能最大限度地发挥出数控加工的优势。1.2 数控机床的工艺范围及加工精度数控铣床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，约占数控机床总数的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等回转体零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。由于数控铣床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控铣床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比普通铣床要宽得多。1.精度要求高的回转体零件由于数控铣床刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以铣代磨。2.表面粗糙度要求高的回转体零件数控铣床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控铣床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。3.轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的回转体零件由于数控铣床具有直线和圆弧插补功能，部分铣床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的回转体零件。1.3 数控机床发展趋势1. 高速、高效、高精度、高可靠性（1）高速、高效加工进入21世纪，机床向高速化方向发展:大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度.上世纪90年代以来欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。（2）高精度、超精密化加工当前，机械加工高精度的要求较普通的加工精度提高了一倍.达到5微米;精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级(0.001微米)，主轴回转精度要求达到0.01-0.05微米，加工圆度为0.1微米加工表面粗糙度Ra0.003微米等从精密加工发展到超精密加工特高精度加工)，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(10nm).其应用范围日趋广泛（3）高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被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，仍然是适度可靠对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P(t)=99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF 就必须大于3000小时.当前国外数控装置的MIBF值已达60000小时以上，驱动装置达30000小时以上.2. 模块化、智能化、柔性化和集成化(1)模块化、专门化与个性化为了适应数控机床多品种、小批量的特点.机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几午来特别明显的发展趋势.(2)智能化在数控系统中智能化的内容包括为追求加工效率和加工质量方面的智能化:如自适应控制，工艺参数自动生成:为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算等:简化编程、简化操作方面的智能化:智能诊断、智能监控方面的内容等。(3)柔性化和集成化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 F、TL F、ML)向面(工段车间独立制造岛、工厂自动化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.3. 开放性为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、柔性化及数控迅速发展的耍求，最重耍的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国的OMAC,欧共体的OSACA及日本的OSEC发展开触式数控的计划等。1.4 机床数控化改造的优越性1. 费用低，经济性好.改造周期短.可满足生产急需同购置新机床相比，一般可以节省60%-80%的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，以大型的龙门加工中心为例，进口新的需要1000-5000万元.而升级改造只需要100-500万元。仅占成本的1/10。交货期短。2. 改造后的机床机械性能稳定可靠、功能增强、质量好、效率高，可作为新设备继续使用多年.3. 降低了对操作者的技术要求，更易提高管理水平操作者只需编程、装夹工件和按开关，加工全部由电脑控制自动完成，即使再复杂的工件也能快速完成，省去了对技术要求的烦恼.同时提高了定额管理水平。4. 可以采用最新的控制技术，可根据技术革新的速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率。提高设备质量和档次。第2章数控机床总体方案的制订及比较2.1总体方案设计的内容针对X5032铣床的特点，在满足生产的前提下，对原铣床做尽可能少的改动，利用数控系统控制铣床运动，实现工作台X、Y、z轴的三坐标控制及任意三轴的联动控制，提高铣床的加工精度和自动化水平，完成铣床的数控化改造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。将一台X5032普通升降台立式铣床，改造成三坐标控制，三轴联动加工的数控铣床，用以实现平面、凸轮、沟槽、圆弧槽等复杂零件的自动铣削加工。根据设计任务要求，有三种方案可供选择：方案一：将工作台升降(Z向)、纵向(X向)、横向(Y向)的进给改为微机控制，实现三坐标控制,三坐标联动的开环控制。方案二:将主轴升降(Z向)、纵向(X向)、横向(Y向)的进给改为微机控制，实现三坐标控制，任意两坐标联动的开环控制。方案三:仅将工作台X、Y轴进给运动改为微机控制，实现两坐标控制，两坐标轴联动的开环控制对上述三个改造方案综合考虑，结合铣床升降台需要修理等实际情况.在符合经济型数控改造一般原则的前提下选择确定第一方案，其具体方案如下:(1)拆除机床工作台X、 Y、 Z轴原进给系统。将滑动丝杠副更换为滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱、减速齿轮、步进电机。对机床传动系统设计计算，选择合适的滚珠丝杠安装方式。完成齿轮传动机构设计，步进电机选择等，垂向工作台传动升降机构在更换滚珠丝杠后会因失去自锁而自动下滑.必须增加平衡装置和制动装置。(2)选择经济型开环数控系统、实现机床工作台X、Y、Z轴3/3数控。主轴的部分数控功能要求X、Y、Z向步进精度为O.OO5/0.005/0.O1mm/setp;轴向定位精度0.015 mm;重复定位精度0.008 mm。2.1.1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、连续控制系统和点位/直线控制系统。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。例如，数控钻床，在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因此数控系统可采用点位控制方式。对于点位控制系统的要求是快速定位，保证定位精度。连续控制系统要求工作台和刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，能够控制刀具沿任意直线或曲线运动，控制每一个轴的位置和速度，使得各个轴同步协调到达目标点。连续控制系统不仅控制目标点，而且控制刀具到达这些目标点的整个路径，使刀具始终接触工件并制造出希望的形状，所以具有连续控制系统的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件，故而连续控制系统又称为轮廓控制系统或仿型系统。在点位控制系统中不具有连续控制系统中所具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中却具有点位系统的功能。例如，数控铣床、数控铣床等。点位-直线系统，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工作，进行简单的铣削和铣削作业。其控制方法与点位系统十分相似，故有时也将这两种系统统称为点位控制系统。例如，数控镗铣床等。2.1.2伺服系统的选择伺服系统可以分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的。指令发出后，不再反馈回来，故称为开环控制。开环控制系统主要由步进电机驱动。开环伺服系统结构简单，成本低廉，容易掌握，调试和维修都比较简单。目前国内大力发展的经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动。但闭环系统造价高、结构和调试较复杂，多用于精度要求高的场合。半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位移半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是检测元件测出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。2.1.3执行机构传动方式的确定为确定数控系统传动精度和工件平稳性，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、高谐振以及适当的阻尼比要求。在设计中应考虑以下几点：尽量采用低摩擦的传动和导向元件。例如，采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。尽量消除传动间隙。例如，采用消隙齿轮等。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。也可以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动丝杠副等。2.1.4计算机的选择微机数控系统由CPU、存储扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等组成。2.2总体设计方案的确定2.2.1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铣床应具有定位、直线插补、顺圆插补、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，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不高，为了简化结构、降低成本容易调试和维护，经济型数控铣床应选用步进电机开环控制系统。2.2.2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MCS-51系列的80C31单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘、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。2.2.3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给丝杠。为保证一定的传动精度和平稳性，应尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。29第3章确定切削用量及选择刀具3.1刀具选择（一）刀具选择：铣平面：硬质合金端铣刀或立铣刀，尽是采用二次走刀。凸台、凹槽、箱口面：立铣刀。毛坯表面或粗加工孔：镶硬质合金刀片的玉米铣刀（粗皮刀）。立体型面和变斜角轮廓外形：球刀、环形刀、锥形刀、盘形刀。（二）原则：安装调整方便、刚性好、耐用和精度高。尽是用较短刀柄，保证刚性。（三）排序原则减少刀具数量；装夹一次，尽是加工完；即使刀具规格相同，粗、精加工刀具分开；先铣后钻；精加工，先曲面后二维轮廓；尽可能自动换刀。3.2切削用量确定粗：效率；半精、精：质量、兼顾效率。1、主轴转速n：根据线速度v确定：V= (端铣：150m/min；周铣：30m/min)2、切深t：最好是t等于加工余量。3、切宽L：与刀具直径成正比，与切深成反比。L0.60.9d粗加工：大切深、大进给、低切速。精加工：小切深、小进给、高切速。3.3切削三要素主轴转速、切削深度、进给速度。少切削，快进给。3.4加工精度和表面粗糙度1、加工精度：尺寸精度、形状精度、位置精度。（1）尺寸精度：公差与配合国家标准（GB18001804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2IT18。新公差等级与旧公差等级的对照及应用新公差等级旧精度等级加工方法应用轴孔IT01IT2无研磨用于量块、量仪制造IT3IT4研磨用于精密仪表、精密机件的光整加工IT51无研磨、珩磨、精磨、精铰、精拉用于一般精密配合。IT7IT6在机床和较精密的机器、仪器制造中用得最为普遍IT621IT732磨削、拉削、铰孔、精铣、精镗、精铣、粉末冶金IT834IT94铣、镗、铣、刨、插用于一般要求。主要用于长度尺寸的配合外，如键和键槽的配合IT105IT116粗铣、粗镗、粗铣、粗刨、插、钻、冲压、压铸用于不重要的配合。IT12IT13也用于非配合IT12IT137IT148冲压、压铸用于非配合IT15IT18912铸、锻、焊、气割（2）形状精度：零件上的线、面要素的实际形状相对于理想形状的准确程度。国家标准（GB11821184-80）规定了六项形状公差：直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。（3）位置公差：零件上点、线、面要素的实际位置相对于理想位置的准确程度。国家标准（GB11821184-80）规定了八项位置公差：定向：平行度、垂直度、倾斜度。定位：同轴度、对称度、位置度。跳动：圆跳动、全跳动。2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。国家标准（GB3503-83、GB103183、GB131-83）轮廓算术平均偏差： Ra 或近似于Ra 微观不平十点高度： Rz(+) 在常用数值范围内（Ra0.255.3m，Rz0.125m），在图样上应优先选用Ra。表面粗糙度Ra、Rz允许值及加工方法表表面要求表面特征Ra(m)Rz(m)加工方法旧国际光洁度级别代号第1系列第2系列第1系列第2系列不加工毛坯表面清除毛刺160012501000800630500100400粗加工明显可见的刀纹80320粗铣粗铣粗刨钻粗锉16325050200可见刀纹4016023212525100微见刀纹2080315.06312.550半精加工可见加工痕迹1040半精铣精铣精铣精刨粗磨48325.325微见加工痕迹52054163.212.5不见加工痕迹2.5106281.6精加工可辨加工痕迹的方向1.255.3精铰刮精拉精磨71.0050.84微辨加工痕迹的方向0.633.280.52.50.42.0不辨加工痕迹的方向0.321.690.251.250.21.00精密加工暗光泽面0.160.80精密磨削珩磨研磨超精加工抛光100.1250. 630.10.50亮光泽面0.0800.40110.0630.320.050.25镜状光泽面0.0400.20120.0320.160.0250.125雾状光泽面0.0200.10130.0160.0800.0120.063镜面0.0100.050镜面磨削研磨140.0080.0400.0250.0323.5刀具材料碳素工具钢T10A、T12A：HRC60-64,200-250，V8m/min。合金工具钢CrWMn、9SiCr：350-400，V10m/min。高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600，V30m/min；110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，6004、硬质合金：HRA89-93（HRC74-82），850-1000，V100-300m/min。另外，还有新型硬质合金、陶瓷材料、人造金刚石、立方氮化硼等。第4章纵向进给系统设计计算4.1 选择脉冲当量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、车床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/step。根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向：0.01mm/step, 横向：0.005mm/step(半径)4.2 计算切削力用车床经验公式F=D来计算主切削力式中D指车床身上最大加工直径（mm）。横切端面时主切削力可取纵切时F的1/2。求出主切削里F以后再按以下比例分别求出分力F和F。F：F：F=1 ：0.25 ：0.5式中 F：指走刀方向的切削力（N）； F：指垂直走刀方向的切削力（N）。下图为纵切和横切时切削力的示意图。图2纵切和横切时切削力的示意图1、纵车外圆主切削力F(N)按经验公式估计算： F=D= （N）按切削力各分力比例： F：F：F=1 ：0.25 ：0.4 F（N）F（N）4.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（一）纵向进给丝杠1、计算进给轴向力F（N）纵向进给这里为三角形导轨：F式中K：指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15；：指滑动导轨摩擦系数取0.150.18之间的值；G：指流板及刀架重力，G=1100N。则 F=（N）2、计算最大动负载Q考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响，则最大动负载Q的计算公式为：Q L n式中：指滚珠丝杠导程，初选=8； n：指丝杠转速，（r/min）；：指最大切削力条件下的进给速度（m/min）,可取最高进给速度的1/21/3，此处取=0.3；：指使用寿命时间（h）,对于数控机床取T=15000h.。L：指寿命，以10转为一单位；：指运动系数，见表1，选=1.3。表1运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.5-2.5则 n( r/min)L Q（N）3、滚珠丝杠螺母副的选型从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找到相应的动负载C的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应满足Q C的条件。查表：可采用WL5008外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5圈1列，其额定动负载为23400N，符合Q C的条件。精度等级按表 2，选为1级。Vmm表 2滚珠丝杠行程公差项目符号有效行程（mm）精度等级12345目标行程公差e6812162331540079131825400500810152027500630911162230行程变动量公差V6812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300 mm内行程变动量V681216232弧度内行程变动量V456784、传动效率计算式中：指螺旋升角，=255 ：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数其摩擦角，约等于。则 5、刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如图3所示，最大轴向力为N，支承间距L=1500mm, 丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。图3纵向进给系统计算简图计算如下：（1）丝杠的拉伸或压缩变形量（mm） F=N， L=8mm, EN/mm(材料弹性模数，对钢来说是等于这个值)，mm, R=2.477, e=0.068mm则 d( mm)A(mm) （A指滚珠丝杠按内径定的截面积）丝杠导程L的变化量为：总长度L=1500mm，丝杠上的变形量，由于两端均采用推力球轴承，则值： (mm)(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形（mm）由d=4.763mm, F=kgf,承载滚珠数量 ZZ 由于滚珠丝杠副施加预应力，且预应力F为轴向负载的1/3，则变形 =0.0013 （mm）(3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变（mm）这里采用有预紧时的推力球轴承则查机械设计手册中表6-2-82，采用51109型推力球轴承，其d=45mm,滚动体直径D=3.969mm, 滚动体数量Z=22，（mm）则定位误差 =0.01785mm0.025mm(规定定位精度)6、稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，故不需作稳定性校核。4.4 齿轮进给齿轮箱传动比计算1、纵向进给齿轮箱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，可计算出传动比：在闭式软齿面齿轮传动中，齿轮的弯曲强度总是足够的，因此齿数可取多些，推荐取Z=2440。所以可选定齿轮数为：2、横向进给齿轮箱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，可计算出传动比：可选定齿轮数为：因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。有关参数参照表5。表5传动齿轮几何参数所处位置纵向横向齿数24401845分度圆直径48803690齿顶圆直径52844094齿根圆直径43753185齿宽（610）m16161616中心距64634.5 步进电机的计算和选型（一）纵向进给步进电机计算1、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可由下式计算：式中：指步进电机转子转动惯量；、：指齿轮、的转动惯量；：指滚珠丝杠转动惯量；：指工件及工作台重量（N）；：指丝杠导程（）；参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量。（分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽）（分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽）（分别表示纵向滚珠丝杠的公称直径和支承间距）把这些数据代入上式： 2、电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按个阶段计算：（1）快速空载起动力矩在快速空载起动阶段，加速度所占的比例较大，具体计算公式如下：以上式中：指空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩（）；：指折算到电机轴上的摩擦力矩（）；：指丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（）；：指传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量；：指电机最大角加速度（）；：指电机最大转速（）；：指运动部件最大进给速度（）；：指脉冲当量（）；：指步进电机步距角（）；：指运动部件从停止起动到最大快进速度所需时间（s），这里是30ms；：指导程的摩擦力（N），；：指垂直方向的切削力（N）；：指工件及工作台重量（N）；：指导轨摩擦系数，；：指运动部件的总重量（N）；：指齿轮降速比；按计算；：指传动链总效率，一般可取；：指滚珠丝杠预加负载，一般取/3，为进给轴向力（N）；：指滚珠丝杠导程；：指滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取。将以前计算所得数据代入：（）（）（）则（）（2）快速移动时所需力矩（）（3）最大切削负载时所需力矩（）从上面计算可以看出，、和三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。由表6得：当步进电机为三相六拍时，则（N）。表6步进电机起动转距与最大静转距关系步进电机相数三相四相五相六相拍数36485106120.50.8660.7070.8090.9510.8660.866按此最大静转距从表中查出，150BF002型最大静转距为13.72，大于所需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运动矩频特性。3、计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率可查出150BF002型步进电机允许的最高空载启动频率为2800运行频率为8000，再从图5查出150BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。从图中看出，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（800.77），直接使用则会出现失步，所以必须采用升降速控制（用软件实现），半起动频率降到1000，起动力矩可提高到588.4，然后在电路上再采用高低压驱动电路，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则完全可以满足要求。图5150BF002型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性（二）横向进给步进电机计算和选型与纵向进给步进电机计算的方法一样，如果纵向的步进电机能满足条件那横向的就也可以满足条件，则这选用与纵向相同的步进电机。第6章微机数控系统的设计5.1 微机数控系统的设计纲要5.1.1 硬件电路设计硬件是组成系统的基础，也是软件编程的前提，数控系统硬件设计包括以下几部分内容：1、绘制系统电气控制的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、显示器等。机床数控系统硬件框图如图6所示：图6机床数控系统硬件框图（开环系统）2、选择中央处理单元CPU的类型根据设计要求，CNC系统的主CPU采用8031单片机。3、存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。选择EPROM作程序存储器时，应考虑：（1）速度应与CPU时钟匹配；（2）容量适中。4、 I/O接口电路设计设计内容包括：据外部要求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。这部分设计要求考虑系统的驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。在存储器扩展和I/O接口电路中，均涉及到地址译码问题。5.1.2 软件电路设计软件是硬件的补充。确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。1、软件设计步骤软件设计步骤分为以下几步：（3）据软件要求实现的功能，制定出软件技术要求；（4）将整个软件模块化，确定个模块的编制要求，包括个模块功能，入口参数，出口参数；（5）据硬件资源，合理分配好存储单元；（6）分别对个模块编程，并调试；（7）连接各模块，进行统一调试及优化；（8）固化到程序存储器中。2、数控系统中常用的软件模块（1）软件实现环形分配器；（2）插补运算模块；（3）自动升降速控制模块等。5.2 8031单片机及其扩展5.2.1 8031单片机的简介1、8031芯片引脚及片外总线结构（1）8031芯片引脚功能8031芯片有40个引脚，引脚配置见图7：图78031芯片引脚（2）各引脚按功能可分为三部分：l I/O口线：P0，P1，P2，P3共4个8位口；l 控制口线：，ALE，RST； l 电源及时钟：V、V；XTAL1，XTAL2。（3）应用特性：l I/O口线不能都用作用户I/O口线；l I/O口的驱动能力，P0口可驱动8个TTL门电路，P1，P2，P3则只能驱动4个；l P3是双重功能口。2、8031单片机片内结构8031单片机由7个部件组成，既微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定时/计数器及中断系统，它们都是通过片内单一总线连接而成的。5.2.2 8031单片机的系统扩展 8031单片机内无程序存储器，如不扩展外部程序存储器则不能工作，且片内仅有128字节数据存储器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片内RAM也不够用，须扩展。8031片内四个I/O口中仅P1口可作为8位双向的I/O接口用户使用，也须扩展，有些情况还须扩展定时/计数器等。1、8031的片外总线结构所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展：（1）数据总线（DB）：由P0口提供，数据总线要连接到连接的所有外围芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。（2）地址总线（AB）：16位，可寻址范围为64K字节，AB由P0口提供低8位地址，与数据分时传送，传送数据时将低8位地址锁存。高8位地址由P2口提供。（3）控制总线（CB）：系统扩展用控制总线有、ALE、。2、系统扩展能力据地址总线的宽度，在片外可扩展的存储器最大容量为64K字节。片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号。允许两者的地址重复。故片外可扩展的数据存储器与程序存储器分别为64K。扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。3、地址锁存器8031扩展系统时，由P0口提供数据及低8位地址，分时传送，故须地址锁存。常用的地址锁存器芯片是74LS373（带三态缓冲输出的8D触发器），其引脚及连接见图8。图874LS373引脚及连接图图中：DD：信号输入端；QQ：信号输出端；G：下降沿时，将DD锁存于内部；E：使能端，E=0时，三态门处于导通状态，输出端QQ与输入端DD连通，当E=1时，输出三态门断开，输入数据锁存。4、地址译码8031扩展电路中，都涉及到外部地址空间分配问题，即当8031数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选，然后再进行片内地址选择。地址译码实现片选的方法可分为三种：线选法、全地址译码法和部分地址译码法。这里选用部分地址译码法。这种方法是线选与地址译码相结合。图9为74LS138码器的引脚图。当G时，74LS138工作。C、B、A的输出决定译码器的输出引脚。图974LS138引脚图5.2.3 存储器扩展1、存储器常用芯片（1）EPROM芯片常用的程序存储器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均为28脚双列直插式扁平封装长片，图10为常用EPROM引脚。图10常用EPROM引脚排列EPROM选用原则：（a）据控制对象和任务的复杂程度，以及是否需要大量计算来确定存储系统容量（粗略估计，留有一定余地，以备系统的功能扩展用），为使电路简化，尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合。（b）芯片的工作速度满足系统的时序要求。8031访问EPROM时，其所提供的读取时间t与所选的晶体时钟有关，约为3T，不同型号的EPROM工作速度一般为200450ns，故选取芯片时，应使其工作速度小于t。（2）数据存储器数据存储器有动态和静态之分，两者相比，静态RAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，扩展简单，在数据存储器扩展电路中应用较广泛。常用的静态RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它们都由单一的+5V电源供电，28脚双列直插式扁平封装，典型存取时间为150200ns。其引脚如图11所示：图11常用RAM的引脚2、存储器的扩展8031芯片与存储器的连接存储器扩展实质是三总线的连接。1）据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。2）数据线的连接：将8031芯片的PP按位与RAM数据线DD直连。3）地址总线的连接：据确定的地址线根数，将相应的低位地址线相连，剩余高位地址线作片选。4）控制总线的连接：对应控制线连接。5.2.4 I/O口的扩展MCS51单片机共有四个8位并行I/O口，可提供给用户使用的只有P1口和部分P3口线，因此不可避免的要进行I/O端口的扩展。Intel公司常用的外围接口芯片有：8155、8255及8279等。此外还有74LS系列的TTL电路和CMOS电路锁存器、三态门电路也可以为扩展I/O口。1、 I/O口扩展方法据扩展并行I/O口时数据线的连接方式，I/O口扩展方式可分为三种：1）总线扩展方法2）串行口扩展方法3）通过单片机片内I/O口的扩展方法2、常用接口芯片（1）8155芯片8155芯片内具有256个字节RAM、2个8位、1个6位的可编程I/O口和1个14位计数器。8155的结构和引脚见图12：（a） (b)图128155的逻辑结构与引脚 (2)8255芯片8255具有3个8位的并行I/O口，分别为PA、PB、PC口，其中PC口又分为高4位（PCPC）和低4位（PCPC）。（3）8279芯片8279内部有168显示数据RAM，通过命令字可选择显示器的4种工作方式，内部还有6字节。5.2.5 步进电机驱动电路在经济型数控机床中，大多采用步进电机开环控制。而单片机的I/O口或I/O扩展口的驱动能力有限，为使步进电机正常运行并输出一定功率，需有功功率放大环节；为避免强电干扰，因此还需采用隔离电路。其控制电路框图如图14所示：图14步进电机控制框图5.2.6 脉冲分配器（环行分配器）有硬件和软件分配器两种，硬件分配器需要的I/O接口连线少，执行速度快，需要专用的芯片，软件则用程序实现。脉冲分配器的芯片目前采用的TTL集成脉冲分配器有三相、四相、五相和六相，其型号分别为YB0B、YB014、YB015及YB016，都为18个引脚的直插式封装。其主要性能参见表8：表8TTL脉冲分配器主要性能参数输入高电平（V）输入底电平（V）输出高电平（V）输出高电平（V）吸收电流（mA）工作频率（Hz）电源电压（V）环境温度（）2.40.40.82.41.6016050+705.2.7 光电隔离电路单片机系统要控制电压高、电流大的信号，必须采用电气上的隔离并抑制干扰，光电耦合器就是利用光传递信息的器件，使电路的输入和输出在电气上完全隔离，大大提高了系统安全可靠性，并可实现共模噪声的抑制和电源的变换等。光电耦合器的类型按输出结构可分为直流和交流输出两类。直流输出可采用：（1）晶体管输出；（2）达林顿管输出；（3）史密特触发器输出。交流可采用：（1）单向可控硅输出；（2）双向可控硅输出等。5.2.8 功率放大器脉冲分配器的功率很小，不能满足步进电机的要求，必须将它放大以产生足够大的功率，驱动步进电极正常运转。从步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性可以看出，随着运行矩频的增高，步进电机带动负载的能力下降。产生的主要原因是：作为功率放大器负载的步进电机是电感负载，当改变通电状态时，通电绕组的电流将从零逐渐增大，该绕组中产生感应电势使电流按指数规律上升，并将电源一部分能量存在（电感）绕组中，电流的时间常数为：式中：指步进电机一相绕组的平均电感量：通电回路的电阻，包括绕组电阻、功率放大器输出级的内阻及串联电阻。而断电绕组电流是下降的，这时存储于绕组中的势能将以电流式释放出来，使电流按指数规律下降，其时间常数为：式中：指放电回路电阻，包括绕组电阻，续流二极管正向电阻等。这样就使绕组中电流缓慢增加和下降

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