毕业设计（论文）-CA6140改装成单工位数控缸体孔钻床设计.doc

东北大学毕业设计（论文） ABSTRACT摘要根据我国机械制造行业的现状，目前对非数控机床进行数控化改造是我国机械行业中一项重要的和意义深远的工作。在这种前提下，本文详细分析设计了CA6140普通车床数控化改造的全过程。论文共分为五大章节，第一章为概论；第二章为设计任务和设计方案确定；第三章为机械部分的结构设计；第四章为控制系统的硬件电路；第五章为软件编程设计。论文首先对数控机床的发展史、工作原理和数控改造的重大意义等作了简要阐述，接着针对本文的设计要求，提出了技术改造的总体方案，车床纵向、夹具、动力头、步进电机的伺服控制以及8031单片机为核心的软硬件控制系统。在纵向机械传动部分的设计中，作者通过计算切削力、最打动负载、转动惯量和电机力矩，确定丝杠类型和传动比，以及步进电机的型号。纵向传动采用直联式，并采取了几项措施以减小定位精度误差。在硬件设计部分，作者详细叙述了8031单片机的工作原理、以2764程序存储器芯片和6264数据存储器芯片为基础的扩展存储系统、以8155芯片组成的并行扩展端口和一些辅助功能端口。软件部分介绍了软件编程等一些举例。最后翻译了一篇英文文章，是关于圆筒形三维表面测量的发展。关键词：CA6140车床，数控化改造，8031单片机ABSTRACTAt the pretent day,based on you countrys mechanical manufacture industry actuality,numerical contral reforming for the non-numerical-control machine tool is an important and far-reaching significance work for our mechanic manufacture industry.At this premise,this thesis analyzed and designed the whole numerical control reforming for the CA6140 common lathe.The thesis was divided into six sections.The first section was introduction.The second section gave the total schemes design of reforming the CA6140 lathe.The third section described the designing of longitudinal step machine part in servo-system.The forth and fifth section described the designing of the hardware part and the software of the control system.The six section was the special subject part.In the thesis,the author first introduced the development history and the working principle of the numerical-control lathe,and the important significance of numerical control reforming.Then according as the demand in the designing,the total scheme for the reforming is brought forward. The longitudinal step and horizontal step is controlled by the step electric machine.Control sysrem is based on the 8031 simple-chip computer.In the designing of the engine transmission,by the calculation for the cutting force,the furthest movability load,the rotating quanting and momet of the electric machine,the author determined the ball screw type,transmit proportion and the step electric machine type.The horizontal transmission adopted a direct-linking method.The author also aopted some measures to decrease the precision errors.In the hardware designing part,the penster recounted the working principle of 8031 simple-chip computer,the extending memory syetem,which based on the 2764 chip and 6264 chip,the parallel reaming ports which is composed by one 8155 chip,and some auxiliary function ports.In the software designing part,the aothor introduced the software-loop-apportion programe.Keywords: CA6140lathe,numerical-control reform,8031 simple-chip computer东北大学毕业设计（论文） 目录目录第一章 概论11.1 数控机床的产生及发展11.2 数控机床改造的必要性21.3 国内外对比31.4 发展策略41.5 数控机床的基本工作原理41.6 数控机床的分类5第二章 设计任务和设计方案确定72.1 课题的构想与思路72.2 主要设计内容72.3 总体设计方案图框82.4. 设计任务8第三章 机械部分的结构设计103.1 工作部件简介103.1.1步进电机103.1.2 滚珠丝杠副113.1.3夹具的发展趋势及设计123.1.4改装后CA6140普通机床技术参数143.1.5 CA6140车床改造计算部分143.1.6 滚珠丝杠螺母副的计算和选型153.1.7 传动比计算173.1.8 步进电机的计算和选型183.1.9 进给系统验算203.2 伺服进给机构中提高传动精度的措施22第四章 控制系统的硬件电路234.1 数控系统基本硬件组成234.2 MCS51系列单片机简介244.3 8031单片机简介274.4存储系统扩展设计324.5 8155通用可编程接口芯片354.6键盘显示接口电路374.7 步进电机接口及驱动电路384.8 其他辅助电路设计39第五章 控制系统软件部分设计425.1 软件环形分配器简介425.2软环分配器程序举例42结束语49致谢50参考文献51附录52东北大学毕业设计（论文） 第一章 概论第一章 概论1.1 数控机床的产生及发展数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。一个国家的数控化率，反映了这个国家工业和制造业水平的高低，同时也是衡量这个国家科技进步的重要标志。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。随着科学技术的发展，制造技术的进步以及社会对产品质量和品种多样化的要求，中小批量生产的比重明显增加，普通机床已显得力不从心。随着微电子、计算机等技术的发展，给机械自动化技术带来了新的概念，推动了机械制造业的发展，数控机床便应运而生。数控机床即数字程序控制机床，是自动化机床的一种。它用数字和字母形式来表达工件的形状和尺寸等技术要求和加工工艺要求，经过数控装置运算，发出指令，控制机床的加工操作。 配有一套自动换刀装置的数控机床，也称加工中心。它的控制系统能控制机床自动换刀，连续地按一定顺序对各个加工面自动地完成铣削、镗削、钻孔、攻丝等多工序的加工，故又称为多工序自动换刀数控机床。它改变了过去小批量生产中一人、一机、一刀的局面，把许多相关的分散工序集中在一起，形成一个以工件为中心的多工序自动加工机床。 1952年，美国麻省理工学院在一台立式铣床上装上了一套试验性的数控系统，成功地实现了同时控制三轮运动的设想，这就是世界上第一台数控机床。 数控机床的发展是与数控系统的发展密切相关的，最早出现的是数控铣床。60年代以后，点位控制的机床迅速发展，出现了数控钻床、数控冲床和数控坐标镗床。这类机床不需要复杂的控制算法就可以实现加工。 数控加工中心机床的出现，使数控机床的发展进入一个新的阶段。加工中心具有的自动换刀装置能做到一次装夹，多工序加工，从而大大缩短机床上零件的装卸时间和更换刀具的时间。这种机床不仅有立式、卧式等用于箱体类零件加工的镗铣类加工中心，还有用于回转体类零件加工的车削中心，以及磨削中心等。我国从1958年便开始研制数控机床。目前我国已有数十家机床厂能够生产数控机床且已经形成了以中低档为主的数控机床产业体系。近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟商品走向市场。我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在800010000转/分以上的数控机床。随着新材料和新工艺的出现，对数控机床的要求越来越高，数控机床已经出现与传统机床完全不同的特征和结构。概括起来，数控机床的未来发展趋势主要有以下几个方面： 1) 高速化。随着汽车、航空航天工业的发展，铝合金及其他新材料的应用日益广泛，对高速加工的需求越来越强劲。 2) 高精度。机床的加工精度，以及其可重复性和可信赖度高，性能长期稳定，能够在不同运行条件下“保证”零件的加工质量。3) 工序集约化。在一台机床上尽可能加工完毕一个零件的所有工序，同时又保持机床的通用性，能够迅速适应加工对象的改变。4) 机床的智能化。加工设备不仅提供“体力”，也有“头脑”，能够在线监测工况、独立自主地管理自己，并与企业的生产管理系统通信。5) 机床的微型化。随着各种产品的小型化以及微机电系统的迅速发展，对机床微型化提出了强烈的需求1.2 数控机床改造的必要性微观上看，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。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。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。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。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。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”。可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。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。由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。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。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。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后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，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。1.3 国内外对比虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。一、信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能数控机床基本上还得依赖进口。 二、产品成熟度较低，可行性不高。国外数控系统平均无故障时间在10000小时以上，国内自主开发的数控系统仅3000-5000小时；整机平均无故障工作时间国外达800小时以上，国内最好只有300小时。三、创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。1.4 发展策略从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。制定符合中国国情的总体发展战略，确立与国际接轨的发展道路，对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。1.5 数控机床的基本工作原理数控机床通常由控制介质、数控装置、伺服系统和机床组成。一、控制介质 常用的有穿孔带、穿孔卡和磁带。单位标准穿孔带一行九个孔，代表一个代码，代码有EIA代码和ISO代码。二、数控装置由输入装置、控制器、运算器和输出装置组成。 其工作过程：1.数控装置开机初始化 2.数控程序的输入 3.启动机床 4.数控指令的译码处理 5.刀具轨迹的计算 6.插补运算 7.位置控制三、伺服系统它包括驱动装置和执行机构两大部分。四、机床为了满足数控技术的要求和充分发挥数控机床的特点，数控机床的机构与传统的已有相当大的变化。1.6 数控机床的分类一、按工艺用途分类它包括金属切削类、金属成型类和特种加工类3种数控机床。二、按运动方式分类它包括点位控制、直线控制和轮廓控制数控机床。三、按控制方式分类它包括开环控制、闭环控制和半闭环控制数控机床。四、按功能水平分类它包括低、中、高3个档次的数控机床。五、数控机床的特点以及应用范围其特点有：1.对加工对象的适应性强。 2.加工精度高。 3.加工生产率高。 4.减轻操作者的劳动强度。 5.有良好的经济效益。 6.有利于生产管理的现代化。其应用范围有：1.多种小批量生产的零件。 2.结果比较复杂的零件。 3.需要频繁改型的零件。 4.价值昂贵且不允许报废的关键零件。 5.需要最少生产同期的急需零件。- 67 -东北大学毕业设计（论文） 第二章 设计任务和设计方案确定第二章 设计任务和设计方案确定2.1 课题的构想与思路 1. 查阅有关资料弄清枪钻工作基本原理，熟悉深孔加工系统各部分的构造。2对所需车床功率、扭矩、钻削力进行计算，选择合适的标准件。3. 根据被加工件的形状设计合适的夹具。4. 设计机床电路图，实现所要求的控制。5. 校核各部分的强度，模拟安装。6. 绘出总装图。7. 编制设计说明书2.2 主要设计内容一.动力头及电动机的选择；二.滚珠丝杠副的设计；三.简单夹具的设计；四.控制电路的设计；2.3 总体设计方案图框 图2-12.4. 设计任务本次设计的主要任务是把普通CA6140车床改装成双工位数控缸体孔钻床。纵向要求将原来的滑动丝杠换成由步进电机带动的滚珠丝杠螺母副。横向不做改动只要求将其刀架换成夹具，重点是设计一个构造简单，方便使用的夹具。原车床床头箱部分则换成双工位镗销动力头，并固定在进给箱上。电器部分要求用MCS-51系列单片机控制步进电机完成钻孔加工。总体方案确定（1）伺服系统的选择 由于要求设计成经济型数控钻床且精度要求不高，故为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制。步进电机具有角位移和输出脉冲的严格对应关系，在负载能力范围内不受电流电压等条件波动而变化。开环控制系统不用位置检测和反馈装置，应用于满足一定加工要求但精度不太高的数控系统。（2）执行机构传动方式确定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，采用由预加负荷的结构，齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。（3）微机控制系统的选择 在过去我国数控改造应用较多的是单片机。单片机的优点是价格低廉，开发系统较容易，但体积大不灵活及不便于安装也是其不可克服的缺点。 本次采用8031芯片是MCS-51系列单片机的一种，它体积小，重量轻，电源单一，功耗低，功能强大，对于复杂应用场合可利用其扩展功能。东北大学毕业设计（论文） 第三章 机械部分的结构设计第三章 机械部分的结构设计3.1 工作部件简介 3.1.1步进电机步进电机能将计算机输出的每一个脉冲信号变成一定量的机械角位移又脚步距角。通过滚珠丝杠副使工作台作精确的位移。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度； 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。1、 步进电机由转子和定子组成。定子上有6个极（对三相电机而言），各极上装有控制绕组，每两个相对的极为一组，即分为A，B，C三相绕组，转子上有四个等距的齿，其工作原理是利用电磁铁的作用原理。定子的三相依次通电，转子便转动起来。2、 步进电机的主要指标（1） 步距角 每输入一个脉冲信号，电机转子所转角度的理论值。（2） 转矩 静转矩是绕组内电流值不变时，转子处于封锁状态，不旋转时的电磁转矩。动转矩是绕组内电流值不变时，转子运转的最大输出转矩值。（3） 突跳频率 指能够不丢失起动的极限频率。（4） 运动频率 指频率连续上升时，电机能不失步运行的极限频率，它的值也与负载大小有关。3.1.2 滚珠丝杠副 也称滚珠丝杠螺母副，是一种在具有螺旋槽的丝杠和其螺母见状又滚珠作为中间元件的丝杠副。数控机床采用的滚珠丝杠是一种精密而又省力的运动转换装置，它具有以下的优点：（1） 丝杠副效率的3到4倍（2） 给予适当的频率，可以消除丝杠和螺母的螺纹间隔。这样反时就没有空程，反向定位精度高。（3） 运动平稳，传动效益高，磨插损失小。滚珠丝杠的传动效率n=0.92-0.96,是常规无爬行现象，传动精度高，启动时候无震动，；灵敏度也高。（4） 有可逆性。（5） 磨损小，使用寿命长。 它的主要缺点是制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等零件的加工精度及其表面粗糙度要求严格。故制造成本高，此外它不能自锁。目前常用的滚珠丝杠的滚珠循环方式分两大类。外循环式，即滚珠在循环过程中与丝杠脱离接触。它直接在螺母的外圆上留出螺旋槽，把档珠器从螺母的内部装入后，挡珠器就能切断螺纹滚道，挡住滚珠的去路，迫使滚珠导入通向螺旋槽的孔中而构成循环：另外一种是内循环式，它在螺母外侧的孔中装了一个接通的相邻滚道的反相器，借助于反相器使滚珠越过丝杠的齿顶，而进入相邻滚道。滚珠丝杠副分为双螺母型和单螺母型。可以采用预紧方法来消除其轴向间隙。但是单螺母丝杠不能消除其轴向间隙的，双螺母的可以消除。目前采用以下三种方法进行预紧：（1） 垫片调隙式。其特点是构造简单，可靠性高。刚性好。（2） 螺纹调隙式。其特点是结构紧凑。调整方便，应用广泛。（3） 齿差调隙法。其特点是调整精确可靠，定位精度高。3.1.3夹具的发展趋势及设计夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。高精 随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度，对夹具的制造精度要求更高。高精度夹具的定位孔距精度达到5m，夹具支承面的垂直度达到001mm300mm，平行度高达001mm500mm。德国demmeler（戴美乐）公司制造的长4m、宽2m的孔系列组合焊接夹具平台，其等高误差为003mm；精密平口钳的平行度和垂直度在5m以内；夹具重复安装的定位精度达到5m；瑞士EROWA柔性夹具的重复定位精度高达25m。机床夹具的精度已提高到微米级，世界知名的夹具制造公司都是精密机械制造企业。诚然，为了适应不同行业的需求和经济性，夹具有不同型号以及不同档次的精度标准供选择。 高效 为了提高机床的生产效率，双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。为了减少工件的安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。新型的电控永磁夹具，加紧和松开工件只用12秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。为了缩短在机床上安装与调整夹具的时间，瑞典3R夹具仅用1分钟，即可完成线切割机床夹具的安装与校正。采用美国Jergens（杰金斯）公司的球锁装夹系统，1分钟内就能将夹具定位和锁紧在机床工作台上。球锁装夹系统用于柔性生产线上更换夹具，起到缩短停机时间，提高生产效率的作用。 模块、组合 夹具元件模块化是实现组合化的基础。利用模块化设计的系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。省工、省时，节材、节能，体现在各种先进夹具系统的创新之中。模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打下基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。模拟仿真刀具的切削过程，既能为用户提供正确、合理的夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。组合夹具分会与华中科技大学合作，正在着手创建夹具专业技术网站，为夹具行业提供信息交流、夹具产品咨询与开发的公共平台，争取实现夹具设计与服务的智能化、远程信息化和经营电子商务化。 通用、经济 夹具的通用性直接影响其经济性。采用模块、组合式的夹具系统，一次性投资比较大，只有夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围广，通用性好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济性好。德国demmeler（戴美乐）公司的孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少的配套元件，即能组装成多种多样的焊接夹具。元件的功能强，使得夹具的通用性好，元件少而精，配套的费用低，经济实用才有推广应用的价值。 专家们建议组合夹具行业加强产、学、研协作的力度，加快用高新技术改造和提升夹具技术水平的步伐，创建夹具专业技术网站，充分利用现代信息和网络技术，与时俱进地创新和发展夹具技术。主动与国外夹具厂商联系，争取合资与合作，引进技术，这是改造和发展我国组合夹具行业较为行之有效的途径。夹具设计简述本次夹具设计要求简单使用方便，能够顶住一个小圆柱体并固定在CA6140原床鞍上随之一起移动。所以我采用原CA6140尾座支撑件的部分结构并加以简单改造，设计图及要求见夹具零件图。3.1.4改装后CA6140普通机床技术参数加工工件直径 25.4最大加工深度 250溜板及夹具重力 500N钻削速度 40 /min定位精度 0.015动力头电机功率 0.75kw加速时间 25ms机床效率 0.8动力头工作转速 800r/min3.1.5 CA6140车床改造计算部分（1）选择系统脉冲当量根据机床精度要求确定脉冲当量：0.01/步（2）计算切削力拟根据麻花钻公式估算枪钻切削力，钻头选用硬质合金。T=9.8M=N=P=7.1D9.8式中： v切速（m/min） s-进給速度（/min） N功率 （kw） P-轴向力（N）n-转速（r/min） v=63.84m/s T 扭矩 （N/m） s=0.05/r k钻削速度 k=40/min T= =5930.15N m N= =0.592（kw）P= =1466.43 N查阅机械产品目录-1996第五册371页 ，根据估算功率可选用TAA12A-N型小型镗削头，根据要求工作转速，传动装置采用TZA12-F41型。3.1.6 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（1）计算进给牵引力F=KF+( =1.15146.643 =1742.67 N 其中： K颠覆力矩的影响系数，综合导轨为K=1.15 滑动导轨的摩擦系数 G溜板及动力头重 G=500N （2）计算最大动负载C 滚珠丝杠导程，初选=5 最大切削力下的进给速度，=40/min T使用寿命，按15000h算 载荷系数，取=1.21.5 L寿命，以转为一单位 =4.71kN（3）滚珠丝杠螺母副的选型，可选择CBFZD3205型垫片调整的双螺母滚珠丝杠副，3.5圈。其额定载荷为15000N，精度等级为3级。（4）传动效率计算= =95.6% 其中： 螺旋升角2505型， =3.65 摩擦角取10（5）刚度验算此纵向进给滚珠丝杠支撑方式为两端固定式，最大轴向力为1742.67N，支撑间距为900，丝杠螺母及轴承均进行了预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。丝杠的拉伸或压缩变形量： 式中： 在工作负载作用下引起每一导程的变化量（） 工作负载，即进给牵引力（N） 滚珠丝杠的导程（） E材料弹性模量，对钢有：E=20.610N/ F滚珠丝杠截面面积（） 滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩的变形量（） 式中：L滚珠丝杠在支撑间的受力长度（） =0.0115（） 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预紧，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量为： =3/4=0.0116（）0.015 满足精度要求。（6）稳定性校验由于滚珠丝杠两端都采用了向心推力球轴承，不会产生失稳现象，不需要做稳定性校验。3.1.7 传动比计算已经确定了纵向进给脉冲当量：=0.01，滚珠丝杠导程为=5，初选步进电机步距角：0.75 上式中： 步进电机的步距角 滚珠丝杠的基本导程（） 脉冲当量 在满足精度要求的情况下i可取1，故可以将步进电机轴和丝杠用联轴器直接连接，其优点是结构简单，减少了误差，提高了精度。3.1.8 步进电机的计算和选型 参考同类机床，初选步进电机型号，可选用混合式步进电机，初选110BYG007，五相，步距角为0.72，其转动惯量=9.8，步进电机轴径：d=11，=23，其转动惯量为0.64。（1） 转动惯量的计算丝杠传动，传动系统折算到电机轴上的转动惯量可用下式： 式中： ：传动系统折算到电机轴上的转动惯量 ：齿轮的转动惯量 ：齿轮的转动惯量 ：丝杠的转动惯量 M：工作台（含工件）质量 M=50kg ：丝杠螺距 =5 i：传动比，i=1其中： = =3.01 =3.01 由于电动机与丝杠直联，没有用齿轮。 =13.45 考虑到步进电机与传动系统惯量匹配的问题： =9.8/13.45=0.73 满足惯量匹配要求。（2） 电机力矩的计算：如表3-1表3-1快速空载启动力矩当n=时的计算当n=时的计算=8 r/min导轨摩擦力（N）传动链效率 =0.8n电机转速（r/min）t系统时间常数.t=0025s进给方向的最大切削力 =1466.4N滚珠丝杠未预紧时的效率=0.90 最大轴向负载=1742.67（N）最大切削负载力矩加速进给力矩加速力矩摩擦力矩切削力矩附加摩擦空载启动时的加速力矩：摩擦力矩： 附加摩擦力矩： 切削时加速力矩： 切削力矩 ： 快速空载时启动力矩：=3.22 最大切削负载所需力矩：=0.045+0.090+0.33+1.43=1.90加速进给力矩： =0.090+0.33=0.42从上面可以看出，三种工况下，以快速空载时启动力矩最大，此项可作为选择电动机的依据。从110BYG007的参数可知，它的最大静转矩为63.22,可以满足使用要求。3.1.9 进给系统验算（1） 加速能力验算（P705）总的转动惯量 =13.45步进电机的转动惯量 =9.8惯量匹配符合要求 0.5工作台能达到的最大的加速度（2） 定位精度验算 丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移（） =3.88切削时滚珠丝杠与螺母间的接触变形=1742.67N/860N（）=2.03式中：滚珠丝杠副的接触刚度轴承的接触变形对于角接触球轴承,其轴向刚度 式中: Z滚动体个数 接触角 =60 滚动体直径 =3.675 其中：=21.4 取整Z=21 滚珠丝杠公称直径 =25 =210.15所以，切削时 =1742.67/210.15=8.29丝杠的总位移 =3.88+2.03+8.29 =14.2由于发生在丝杠中部，和与螺母位置无关，故以上均为/900，登级为三级时，查715页表3.7-28，任意300行程内允许变动量为12基本满足要求。3.2 伺服进给机构中提高传动精度的措施为了减小伺服传动系统中的丝杠变形，消除齿轮传动和滚珠丝杠传动中的间隙影响，提高传动精度，在伺服进给机构中常采用以下几种解决办法。(1)丝杠预紧在纵向的丝杠传动中，由于丝杠受到切削力和其自身机构的重力，将会产生一定的轴向变形量，影响传动的精度。在此情况下必须采用丝杠预紧。本次CA6140的改造中采用丝杠两端双螺母预紧方式。(2)滚珠丝杠副预紧滚珠丝杠副的轴向间隙是指负载时在滚珠与滚道型面接触点处的弹性变形所引起的螺母位移量和螺纹原有间隙的综合。因此要把轴向间隙完全消除是相当困难的。通常采用双螺母预紧方法，把弹性变形控制在最小范围内。本次采用的是垫片调隙法，即调整垫片的厚度，使螺母产生轴向位移来消除间隙。(3)轴承的预紧所有轴承都要进行轴向和径向的预紧以消除轴承间隙。轴承预紧是靠轴承内外圈（推力轴承松紧圈）的相对移动，消除间隙或产生过盈。轴承预紧分径向预紧和轴向预紧。径向预紧是利用轴承与轴颈的过盈配合，使轴承内圈膨胀或外圈收缩。轴向预紧又可分为定位预紧和定压预紧。定位预紧是将一对轴承内圈或外圈磨去一定厚度在其中间加装隔套的预紧。定压预紧是利用弹簧使轴承受一定的轴向力而预紧，适当的预紧可以提高支撑刚度，提高旋转精度，提高轴承寿命，提高轴承阻尼和降低噪声。东北大学毕业设计（论文） 第四章 控制系统的硬件电路第四章 控制系统的硬件电路4.1 数控系统基本硬件组成任何一个数控系统都是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，依靠硬件，软件才能有效地运行。硬件的可靠性直接影响数控系统的性能。机床硬件电路主要由以下5部分组成及图框表达。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 及I/O输入/输出接口电路。5. 外围设备：例如键盘、显示器等。步进电机功率放大器I/O接口光电隔离RAMROM外围设备CPU 图4-1机床数控系统硬件图框（开环式）4.2 MCS51系列单片机简介MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。我们也以这一代表性的机型进行系统的讲解。MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品，其主要功能如下： 8位CPU 4kbytes 程序存储器(ROM) 128bytes的数据存储器(RAM) 32条I/O口线 111条指令，大部分为单字节指令 21个专用寄存器 2个可编程定时/计数器 5个中断源，2个优先级 一个全双工串行通信口 外部数据存储器寻址空间为64kB 外部程序存储器寻址空间为64kB 逻辑操作位寻址功能 双列直插40PinDIP封装单一+5V电源供电 MCS-51以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称为一代“名机”，为以后的其它单片机的发展奠定了基础。正因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构，有许多世界大的电气商丰富和发展了MCS-51单片机，象PHILIPS、Dallas、ATMEL等著名的半导体公司都推出了兼容MCS-51的单片机产品，就连我国的台湾WINBOND公司也发展了兼容C51(人们习惯将MCS-51简称C51,如果没有特别声明，二者同指MCS-51系列单片机)的单片机品种。 近年来C51获得了飞速的发展，C51的发源公司INTEL由于忙于开发PC及高端微处理器而无精力继续发展自己的单片机，而由其它厂商将其发展，最典型的是PHILIPS和ATML公司，PHILIPS公司主要是改善其性能，在原来的基础上发展了高速I/O口，A/D转换器，PWM(脉宽调制)、WDT等增强功能，并在低电压、微功耗、扩展串行总线(I2C)和控制网络总线(CAN)等功能加以完善。 PHILIPS公司在发展C51的低功耗，高速度和增强型功能上作了不少贡献，当初主要由其来发展C51单片机，他们的83Cxx和87Cxx系列省去了并行扩展总线，适合于作为家用电器类控制的经济型单片机。 ATMEL公司推出的AT89Cxx系列兼容C51的单片机，完美地将Flash(非易失闪存技术)EEPROM与80C51内核结合起来，仍采用C51的总体结构和指令系统，Flash的可反擦写程序存储器能有效地降低开发费用，并能使单片机作多次重复使用。 Siemens公司也沿用C51的内核，相继推出了C500系列单片机，在保持了与C51指令兼容的前提下，其产品的性能得到了进一步的提升，特别是在抗干扰性能，电磁兼容和通信控制总线功能上独树一帜，其产品常用于工作环境恶劣的场合。亦适用于通信和家用电器控制领域。 还有台湾的WINBOND公司亦开发了一系列兼容C51的单片机，其产品通常具备丰富的功能特性，而且与其质优价廉在市场也占有一定的分额。 下表是80C51系列单片机的主要分类及功能特性：系列 典型芯片 I/O口 定时/计数器 中断源 串行通信口 片内RAM 片内ROM 51系列 80C31 4x8位 2x16位 5 1 128字节 无 80C51 4x8位 2x16位 5 1 128字节 4kB掩膜ROM 87C51 4x8位 2x16位 5 1 128字节 4kBEPROM 89C51 4x8位 2x16位 5 1 128字节 4kBEEPROM 52系列 80C32 4x8位 2x16位 6 1 256字节 无 80C51 4x8位 2x