[机械毕业论文]x5032铣床进给系统数控改造设计【专业答辩必备资料】

毕 业 设 计 X5032 立式铣床进给系统数控改造设计 学生姓名： 刘声宇 专业班级： 机械设计制造及其自动化 2010-4 指导教师： 李三平 学 院： 机电工程学院 2014 年 5 月 X5032 立式铣床进给系统数控改造设计 摘要 本设计是 对 X5032 型普通 立式铣床 的进给系统进行 数控化改造。为了把 X5032立式铣床改 进 成经济型数控铣床，我 主要 针对 X5032 立式 铣床 进给 系统进行数控改造 。 在 进给系统 中 ，我把 原有 的 梯形 丝杠换 为 滚珠丝杠， 以便 提高 效率和精度 ， 并且 由原先的手动控制， 变为 由电动机控制。 关键词 数控 机床 改造，滚珠丝杠，进给 系统 X5032 vertical milling machine nc feed system design Abstract This design is for numerical control transformation X5032 vertical milling machine. In order to put the X5032 vertical milling machine ordinary transformed into economical nc milling machine, I for X5032 vertical milling machine main drive system for numerical control transformation, and increase the CNC device and servo system. For main drive system, I choose FANUC AC motor through the gear drive shaft. For feed system, I put the original trapezoidal screw in for the ball screw, in order to improve the efficiency and accuracy, and controlled by the original manual, controlled by the motor. Keywords NC transformation, ball screw, Servo System 目录 摘要 Abstract 1 前言 .1 1.1 引言 .1 1.2 国内外研究的现状 .1 1.3 X5032 数控改造的主要过程 .2 2 X5032 立式铣床机械结构设计 .3 2.1 进给系统的改造 .3 2.1.1 进给系统的改造 .3 2.1.2 X5032的改造要求 .3 2.1.3 导轨副的改造 .3 2.2 横（纵）向（ X、 Y 轴）进给系统的设计及计算过程 .4 2.2.1 纵向（ X 轴）的设计 .4 2.2.2 横 向（ Y 轴）的设计 .9 2.3 齿轮的设计 .9 2.3.1 齿轮材料的选取及许用应力的计算 .10 2.3.2 计算直齿圆柱齿轮副的 相关内容 .10 2.4 步进电机型号的计算与选择 .12 2.4.1 纵向步进电机的计算与选择 .12 2.4.2 步进电机动载荷矩 频特性和运行矩频特性 .17 2.4.3 横向步进电机的计算与选择 .17 3 数控部分的设计 .19 3.1 数控系统硬件的设计 .19 3.1.1 CPU（主控制器） .19 3.1.2 存储器 .19 3.1.3 扩展 I/O接口 .20 3.1.4 步进电机驱动电路 .20 3.1.5 行程控制 .20 3.1.6 复位电路 . 错误 !未定义书签。 3.1.7 紧急停车 .20 结论 .21 参考文献 .22 1 前言 - 1 - 1 前言 1.1 引言 数控机床的优点有高精度、高效、高速、高可靠性等，而且机 床结构趋于模块化、数控功能 趋于 专门化。数控机床是集电子技术、自动控制 技术 、传感测量 技术、机械制造于一体的典型 机电一体化 的 产品 。 1目前看来，数控机床的快速发展使当今制造业进入了新的时期，更是是现代制造业的生产方式更加完善，产业结构与管理方式更加优化，改变了世界制造业的格局。 按照当前形势看来，一个国家机械现代化的衡量标准可以用机械数控化水平来衡量，数控化生产已成为制造业发找的主流 。中国作为世界上拥有最多普通机床的国家，数控机床的占有率还比较低，无法拥有较高的产品和市场的竞争力。因为研发一台全新的数控机床， 不仅周期较长，成本较高，而且无法及时针对用户的要求进行及时的改进。因此，在原有的普通机床上进行数控改进， 不仅可以减少资金的投入，还不会造成原有老旧机床的限制与空间的浪费。 普通机床 的 数控化改造，就是 将 计算机控制部分 加入原有的老式机床中，将 自动化控制能力 赋予普通机床 ， 从而使其有能力 实现预定的加工 目标。这种机床改造 的 针对性强， 所用时间短， 还有能够克服原有机床缺点的优点，并且在生产效率上也有显著的提高，非常适合我国现如今机床拥有量大但是生产规模小的特点。 1.2 国内外研究的现状 根据 目前的一些 研究资料表明，我国 拥有的 机床总数量为 380 余万台， 其中数控机床仅有 11.34 万台，即我国机床的数控化率还未达到 3%，而一些发达国家却早己经达到 20%以上。 2因此， 设备的陈旧和技术水平的落后已然成为我国制造业生产力发展的主要制约因素 。 逐渐的 提高数控机床的 市场占有比例，已然 成为我国制造 业技术发展的趋势 。 3 提高数控机床的占有比，通常有两种方式，一是购买全新的数控机床，二是改进现有的普通机床。 纵然是发达国家，也无法全面采用购买新机床的方法，也需要在原有的机床上进行改进，并且成立专门的公司负责此项业务。 尤其在美国 等发达国家， 作为新兴行业的数控改造业 ，已然成为朝阳产业，徐徐升起， 有着非常美好和广阔的未来 。在美国，机床改造业 被 称为机床再生业。从事再生业的著名公司有 :Borsches 工程公司、Anton 机床公司、 Devlieg-Bullavd(得宝 )服务集团、 us 设备公司等。 4美国得宝公司己在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装业。 在 改装业 方面的几个有名的 公司为 :大限工程集团 千代田工程公司、野琦工程公司 等 5 。 随着机床数控技术的发展与进步，结合机床的特点，普通机床的改进已成为一个永恒不变的研究课题，且逐渐向着更高的层次发 展。 6中国的机床改造业同欧美日本一样，也是将现有的普通机床改进成以数控操作为主。 目前看来，根据我国的实际国情， 数控改造的老式机床 主要有 以下 特点 : (1)减少投资、交货期短 相较于入手全新 的 数控机床 ， 改进原有机床可以节省至少 60%的投入 ，改造 成本低。 尤其 是大型、特殊机床。 (2)机械性能稳定性高， 可靠 性高，可 受限 于原有结构 机床不用于汽车等机电产品，其自身所采用的部件如床身，立柱等都是铸铁件。 7东北林业大学本科设计 - 2 - 铸铁件的特点就是使用的时间越久，就会得到越充分的自然失效，自身的内应力就越小，精度越高。 (3)对 设备 结构性能 认识更加熟悉 机床在工厂使用的这段时间内，与机床使用与运行息息相关的工人已经对机床的性能与一些问题有了详细的了解。 ，因此 用这种方法 ，在数控改造 的 过程中， 提高 了 相关人员的数控 水平 ，且选零件的时候能做出更能适应原有机床的选择。 更重 要的 是， 经过相关的 改造 过程 ， 不经 提高了企业 自身对数控机床维修的技术力量，更是减少了在数控机床上 操作使用和维修方面的培训时间，一旦 完成 改造调试 工作，就可很快投入正常有效的满负荷运行 。 8 (4)可充分利用现有的条件 (5)可更好地因地制宜，合理筛选功能 1.3 X5032 数控改造的主 要过程 （ 1） 收集： ，查找收集有关 X5032立式铣床 的 资料 技术参数。 （ 2） 设计： 对 X5032 立式铣床 数控改造的 整体 思路。 （ 3） 计算： 进行横向与纵向的设计计算 （ 4） 绘图 ： 画出改造后横向与纵向的装配图，一级外观布局图，还有部分零件图。 表 1-1 改造基本技术要求 床身导轨平行度 0.01mm 横向导轨的平行度 0.03mm 纵向导轨在垂直平面内的直线 度 0.02mm 溜板移动在水平内直线度 0.015mm 重复定位精度： X 0.01 0.01Z 定位精度： X轴 0.02mm Z轴 0.02mm 精车外圆精度： 圆度 0.005mm 圆轴度 0.03mm 端面平行度 0 .0 2 m m / 3 0 0 m m 2 X5032 立式铣床机械结构设计 - 3 - 2 X5032 立式铣床机械结构设计 2.1 进给系统的改造 2.1.1 进给系统的改造 我 设计的数控系统采用 无位置反馈电路的 开环控制 ， 所以进给系统要 减少中间传动环节。 本系统 将步进电机、一级减速齿轮、 滚珠丝杆 直接连接 起来， 将原有的 丝杠 拆卸下来 ，增加 一些其他的 机械附件， 然后再 安装步进电机及滚珠丝杆螺母副 。 9初步选用的 步进电机的型号为 110BF004， 其主要参数： 步距角 75.0b， 扭距 4.61N m ， 脉冲当量 stepmmP 01.0 。 2.1.2 X5032 的改造要求 本设计的进给系统改造要求： 1、 增加传动部件的刚度 ； 2、 减小传动部件的间隙 ； 3、提 高精度 ； 4、增加 稳定性 ； 5、 提高 响应 速度 ，无超调 ； 6、在 低速 能够输出 大转矩 ； 7、有很宽的 调速范围 ； 2.1.3 导轨副的改造 将 聚四乙炔软带涂层 粘贴在原导轨上 ，使 摩擦系数 系数减小且增加了 耐磨性 。 并且拥有更 好的 抗震性和自润滑性。这种方法改造较为容易且费用较低。 东北林业大学本科设计 - 4 - 2.2 横（纵）向（ X、 Y 轴）进给系统的设计及计 算过程 2.2.1 纵向（ X 轴）的设计 X5032机床的技术规格 如图 2-1所示 ： 主轴端面到工作台的距离 m a x 4 0 0 m md m in 30d mm 主轴轴线到床身垂直导轨面的距离 350mm 面积： 320 1250mm 最大纵向行程手动（机动） 700（ 680） mm 最大横向行程手动（机动） 260（ 240） mm 最大升降行程手动（机动） 370（ 350） mm 进给级数 18级 进级量范围 纵向： 23.5 1180mm/min 横向： 15 786mm/min 垂直： 8 394mm/min 孔径 29mm 主轴孔锥度 7： 24 刀杆公称直径 32 50 mm 转速级数 18级 转速范围 30 1500r/min 轴向调整距离 70 mm 主轴电动机功率 7.5KW 工作台进给电动机功率 1.5KW 最大工件质量 150 Kg 机床进给部件重量 横向 4410N 纵向 2200N 图 2-1 X5032基本参数 纵向工作台及夹具重量： fF纵 向 进 给 力 滚珠丝杠的基本导程： 0L = 8mm 螺纹升角： 0393 行程： S= 680mm 快速进给速度：取 maxV= 2.5m/min 2 X5032 立式铣床机械结构设计 - 5 - 2.2.1.1 铣削力CF的计算 为了 确保在正常工作状态下的安全性与可靠性 ，用工作寿命与实际加工过程中的最大 铣削力进行设计计算 工件材料 ： 45 钢 锻件并调质 铣削宽度 ea ： 50 mm 铣削深度 pa ： 5 mm 刀具直径 d ： 32 mm 每齿切厚 zf ： 0.1 mm/Z 刃齿数 Z ： 3 刀具材料为 ：高速刚立铣刀 根 据 机床设计手册 10 ： 86.072.086.02.6581.9 dZafaF pZeC （ 1） 86.0172.086.0 32351.050222.6581.9 2683N 2.2.1.2 滚珠丝杠所受 平均轴向载荷 mF 计算 对合金钢进行高速 逆铣时 ，切削力 查 金属切削手册 得 : fF纵 向 进 给 力 1 1.2fCFF （取中间值： 1.1） fF=1.1cF=1.1 1500=2952N 横 （ X） 向进给力eF 0 . 3 5 0 . 4eCFF （ 此时 取中间值： 0.375） eF= 0.375cF=0.375 1500=1006N 垂直 （ Z） 进给力fNF 0 .2 0 .3fNCFF （ 此时 取中间值： 0.25） fNF=0.25cF=0.25 1500=670.75N 所以 在插补平面内的合力为 : 22 efr FFF （ 2） =3118.7N 丝 杠 所 受 的 平 均 工 作 载 荷 为 ： Fm=2/3Fr=2079N 东北林业大学本科设计 - 6 - 丝杠轴向所受载荷 Fx ： Fx )( om FmgF （ 3） 其中oF横向分力 为 oF=cF 0.85=2280.55N 纵向工作台 和 夹具重量 为 Mg Mg =2200N 颠覆力矩影响系数 取 1.1 M 当量摩擦系数 M 取 1.18 所以 xF=1.1 2079 + 0.18 (2200+2280.55) =3093.4N 2.2.1.3 计算丝杠副工作的负荷和选择 丝杠型号 估计丝杠的 导程 为 80 Lmm 依据 动载荷 最大当量的 计算公式： awxm f fFLC 3 （ 4） 上 式中： wf为 运转系数，取 1.2wf af为 精度系数，取 9.0af xF为 丝杠所受 的 轴向载荷（ N ）， Fx=3093.4N L 为寿命值，依据 公式 61060nTL （ 5） n 为 丝杠平均转速（ r / min） 11 0 0 0 * 2 .5 *28 =156.3 r/min 上 式中： SV-进给速度 在最大切削力下 ， 因为 最高进给速度 为 m a x 2 . 5 ( m i n )V m m的 12 则： 61060nTL （ 6） T 为使用寿命 ， 根据 机床设计手册 ， T 1 5 0 0 0 小 时 01000SVn L2 X5032 立式铣床机械结构设计 - 7 - L 66 0 1 5 6 . 3 1 5 0 0 010 140.625 awxm f fFLC 3 （ 7） 3 1 4 0 . 6 2 5 1 9 0 3 1 . 20 . 9 21447N 根据 机床设计手册 ， 适用 5 0 0 8 5FFZD 型 滚珠 丝杠 。 5 0 0 8 5FFZD 的 基本尺寸为： 公称直径： 50od mm， 螺距： 8oL mm 刚球直径： 5qd mm， 螺纹升角， = 339 丝杠外径， d =od- (0.2 0.3)qd= 48.9 螺纹底径，1 30d mm 动载荷 aC=34700mC=21447N 所以该选择符合要求，此型号丝杠可用做本设计的滚珠丝杠 2.2.1.4 计算 传动效率 根据 滚珠丝杠的传动效率的计算公式为： tantan （ 8） 上 式中： -螺旋升角， 由参数表可知 ， = 339 -摩擦角， 该 摩擦角 取 10 所以 ： )01392tan (393tan =97% 2.2.1.5 验算刚度 滚珠丝杠在 工作负荷xF的作用下所产生的导程的变量为 ： 01 LFL X /EF （ 9） 钢 的弹性模量 ： E=21 26 /10 cmN 滚珠丝杠 的 横截面积： F（ 2cm ） 所以 ： 东北林业大学本科设计 - 8 - F=22322d =942cm 所以 ： 01 LFL X /EF 663 0 9 3 0 . 8 1 6 . 6 1 02 1 1 0 7 . 1 cm 我们 可以忽略滚珠丝杠 因受扭所产生的 导程变化量 2L ， 所以1LL ； 所以 导程的变形误差为： 1 01 0 0 1 0 00 . 8LLL16.6 =20.28 m /m （ 10） E 级精度丝杠所允许 产生的螺纹 误差（ 1m长 ）为 21. 21 /mm ， 所以刚度满足要求 2.2.1.6 验算稳定性 1、验算临界压缩载荷 因为 纵向（ X 轴） 滚珠丝杠螺纹副固定 在滚珠丝杠的两端 ，丝杠不会 产生 受压，又因为机床 原 有梯形 丝杠的直径大于 改进所采用的 滚珠丝杠的直径， 所以稳定性能够满足设计所用的要求 2、验算 临界转速 丝杠 的 平均工作转速 ： 1 5 6 . 3 m i n 1 0 0 m i nn r r 因此，必须 验算 临界转速，即：crccr flAEIfnn 22m a x30 （ 11） 符号表示： mazn 丝杠 最大转速：m a x01000 1 0 0 0 * 2 . 5 3 1 2 . 5 m i n8m a zVnrL 2f 丝杠支承方式 的 系数取 73.42 f （ 未受压 ） rcn=9910 2222cfdL 2d=od- 1.2qd=50-1.2 5 = 44mm 4 0 m m 丝 杠 的 长 度 工 作 的 最 大 行 程 螺 母 长 度 两 端 余 量 （ 取 ） 查 机械设计手册 11 得 螺母的长度 ， 2 X5032 立式铣床机械结构设计 - 9 - 设计丝杠的 l = 680 + （ 131 + 40） 2 = 680 + 342 = 1022mm 支撑跨距 1l须 大于 l 取 1l = 1100 临界转速计算长度 cL = 680 + 131 + 40 + 1100 10222 = 811 + 40 + 39 = 890mm 24 . 7 3 0 . 0 3 499100 . 8 9 2rcn =9533 /minr 满足： m a x 3 1 2 . 5 / m i nrcn n r 因此稳定性满足设计要求 纵向装配图如图 2-2 所示 图 2-2 纵向装配图 2.2.2 横向（ Y 轴）的设计 Y 轴的丝杠选择与 X 轴相同的 FFZD5008-5 型 滚珠 丝杠 2.3 齿轮的设计 因为设计所选 110BF004 型 步进电动机的系统脉冲当量为 p =0.01mm/step。 步距角 ： 0.75b 丝杠导程 ： 8oL mm 东北林业大学本科设计 - 10 - 如果没有 齿轮传动 ， 每个脉冲对应的丝杠螺母 所产生 传动的距离为： 0.75360oLL = 8 0.75360 =0.0167脉冲当量 0.01mm 在这里需要设计一个减速机构，我选择较为简单的齿轮减速机构 采用齿轮减速具有下列优点 ： 可以使脉冲当量与要求的相吻合 使电动机的轴上的惯量减小 12 将电动机的输出转矩放大，也就是增加了工作台所拥有的推力 可是由于采用 齿轮减速机构会产生 传动误差，降低 了机床的 移动速度 2.3.1 齿轮材料的选取 及许用应力 的计算 因为 齿面点蚀和轮齿折断 是 闭式齿轮 的 主要失效形式 ， 所以 按照齿面接触强度来 验算强度，然后 校合弯曲强度。 13所以初步采用 7 级精度要求 。 根据机械原理 ，小齿轮选用 45 钢； 齿轮 的硬度： 220HBS。 大齿轮 选用 45 钢， 齿轮的齿轮硬度： 180HBS。 因为 ： 1limH 560Mpa， 2limH 530Mpa 取 1.1HS 1H =1.15601lim HHS=509Mpa 1H =1.15302lim HHS=482Mpa 而 MPaF 1901lim ， MPaF 1701lim 所以取 1.4FS l i m 11 190 1361 . 4FFFM P aS l i m 22 170 1211 . 4FFFM P aS 2.3.2 计算直齿圆柱齿轮副的相关内容 减速机构 传动比 的计算 因为 stepmmP 01.0 步距角 ： 75.0b，丝杠导程为： mmLo 8 可知 传动比： 2 X5032 立式铣床机械结构设计 - 11 - Pb Li 360 0= 67.101.0360 875.0 o （ 12） 2、粗略估计 小齿轮 的 齿数 为 321 Z ， 所以 大齿轮 的 齿数 为 ： iZZ 12 67.132 =53.44 53 所以实际传动比 i： 656.13253 i 因为要满足误差， 齿 轮 压 力 角 选 取 o20 ，初定 模数 为 m=2.5mm，则： 小齿轮直径：11 2 . 5 3 2 8 0d m Z mm 大齿轮直径：22 2 . 5 5 3 1 3 3d m Z mm 小齿轮大径：11 2 8 0 2 1 . 0 8 2a ad d h mm 大齿轮大径：22 2 1 3 3 2 1 . 0 1 3 5aad d h mm 中心距：12 2 . 5( ) ( 3 2 5 3 ) 1 0 622ma Z Z mm 中心距 圆整 ：取 110a mm 大齿轮 尺宽 ： aba *2 0 .4 1 1 0 4 4 mm 圆整后 ：2 45b mm 小齿轮 尺宽（将小齿轮尺宽设计的宽一些以补偿安装误差） ：1 50b mm 3、 校核齿轮弯曲强度应力校核 根据 机械原理 ， 齿性系数 取 34.2,59.2 21 FF YY 载荷系数为 1.5K ，根据 步进电机 的 相关参数 选取最大转矩 ， 取 转矩 F F=4.9N m 齿轮 弯曲强度验算（依据 最小齿宽计算）： 51111222 2 1 . 5 4 . 9 2 . 5 9 1 0 3 . 8 15 0 2 . 5 3 2FFFK T Y M P ab m Z =136MPa （ 13） 22212 . 3 43 . 8 1 3 . 4 4 1 2 12 . 5 9FFY M P a M P aY 1TF 所以强度 符合安全要求。 4、 齿轮的圆周速度 运用 公式：16 0 0 0 6 0 0 . 7 5 8 7 5 m i n360nr 东北林业大学本科设计 - 12 - 1000*60 11ndV （ 14） 3 . 1 4 8 0 8 7 56 0 1 0 0 0 3.66ms 10 /ms 式中： 1n 为小齿轮的转速 也是步进电机的输出转速。 可以根据 初定 的 110BF004 型步进电机 的运行频率： sstep7000 ，和步距角：0.75 计算。 所以采 用 7级精度是 能够满足系统要求 2.4 步进电机型号的计算与 选择 步进电机是 本设计为实现 机电一体化的关键部件 ,做为执行元件，其精度较高。 它能将脉冲信号转变成角位移 ,也就是 给一个脉冲 ,步进电机 将 转过一个角度 ,所以使 控制精度 能达到很高 14。它 具有低价格 ,易实现调速 ,系统简单 ,能快速启动和停止 ,易定位准确 ,功率小 等优点 15 。步 进电机 的主要缺点有：效率较低 ， 不能有力的拖动负载 ，对脉冲当量的要求较高 ，调整 的范围较小，输入的脉冲频率最高通常 不 得 超过 18000 Hz。 伺服电机在数控系统中有如下基本要求： 1、 伺服电机需要满足调速的范围要求； 2、 有较硬的负载特性，有足够的驱动 力矩和快速的响应时间，且电机的最大静转矩应大于电机的实际启动转矩的最大值来满足步进电机的正常工作 3、 所选择的电机的运行频率要大于电机实际工作频率的最大值。 根据 X5032 铣床的工作状态， 选择脉冲当量为 0.01m m / step 的步进电机 ， 步矩角75.0 。 依据以往同类型机床的改进经验，并且要满足轻重量小功耗的特点，外形尺寸 要与步距角相配合 ，初步选择的电动机型号为 1 1 0 B F 0 0 4 反 应 式 步 进 电 动 机。 2.4.1 纵向步进电机的计算 与选择 1、丝杠和齿轮以及工作台 折算到电机轴上的惯量 dJ 的计算 根据计算公式： 2221 21PgGJJiJJXSd （ 15） 上 式中：dJ-折算到电机轴的惯量 )( 2cmKg ； 21,JJ -小 ,大 齿轮的惯量 )( 2cmKg ； SJ-丝杠惯量 )( 2cmKg ； XG -横向工作台及夹具重量 )(N , NG X 2156 ； P -丝杠螺距 )(cm ， cmP 8.0 ； 2 X5032 立式铣床机械结构设计 - 13 - 齿轮及丝 杠转动惯量的 （dJ） 计算 因为不能精确计算一些传动件（比如 齿轮、丝杠等）的转动惯量 ， 只能用等效圆柱体来代替进行 近似计算。 计算圆柱体的转动惯量的 公式：324ldJ （ 16） 式中： -为 材料密度 )( 3cmKg ,钢取 35108.7 cmKg ； d -圆柱体直径 )(cm .(作为齿轮和丝杠等的 等效直径 )； l -圆柱体长度 )(cm ,(作为齿轮和丝杠等的 等效齿宽或长度 ) 则： 32 1411bdJ 543 . 1 4 7 . 8 1 0 8 5 . 032 20 .1 5 7 K g cm 32 2422bdJ 543 . 1 4 7 . 8 1 0 1 3 . 3 4 . 532 21 . 0 7 8K g cm 3240 LdJS 543 . 1 4 7 . 8 1 0 5 1 0 2 . 232 20 . 4 8 9K g c m 计算 得： 2221 21PgGJJiJJXSd （ 17） 221 2 2 0 0 0 . 80 . 1 5 7 1 . 0 7 8 0 . 4 8 91 . 6 7 9 . 8 2 3 . 1 4 22 . 0 2 5K g c m 2.03 2/Kg cm 匹配验算 惯量 本设计选用的 1 1 0 B F 0 0 4 型 步 进 电 机的转子的转动惯量： MJ =4.61Kg 2cm 东北林业大学本科设计 - 14 - 而： 1 2 . 0 3 0 . 4 4 14 4 . 6 1dMJJ 所以惯量是匹配的。 计算负载转矩以及 最大静转矩 快速空载起动时所需力矩 的计算 起M 根据 公式： 0m a x MMMM fa 起 （ 18） 上 式中： 又 ： *m ax JM a 式中： J-惯量和 )( cmN ， 2 . 0 3 4 . 6 1 6 . 6 4dMJ J J N c m ； -电机最大角加速度 )( 2srad ； 又： 260maxatn （ 19） 其中： maxn-电机最大转速 )min(r ； at -运动部件从 静止到最大快进速度所用 时间 )(s 取 25ms 又：360m axm ax P bVn （ 20） 所以 ： m a x 2 5 0 0 0 . 7 5 5 2 1 / m i n0 . 0 1 3 6 0nr 则： 5216 0 0 .0 2 52 3 .1 4 22 1 .8 rad s 所以 ： 2 X5032 立式铣床机械结构设计 - 15 - JM a m ax （ 21） 6.64 21.8 140N cm 又因为： iLFMf 2 00 （ 22） 上 式中： 0F -导轨的摩擦力 )(N ； -传动链总效率，通常 取 85.07.0 ，本设计 取 85.0 ； 又： )(0 XfN GFfF 式中：fNF 为垂直 切削力 )(N ， ( 0 . 2 0 . 3 ) 6 7 0 . 7 5f N cF F N； f 为 导轨 的 摩擦系数， 04.0f ()此 处 采 用 贴 塑 导 轨； YG 横向工作台及夹具重量 )(N ， 2200XGN ； 则： 0 0 . 0 4 ( 6 7 0 . 7 5 2 2 0 0 )F =115N 所以 ： 1 1 5 0 . 82 3 . 1 4 0 . 8 1 . 6 7fM 10.9cm 又： 20000 12 iLFM P （ 23） 故： 20 6 9 3 0 . 8 1 0 . 9 52 3 . 1 4 0 . 8 1 . 6 7M 6 6 . 6 ( 1 0 . 9 ) 6 . 6 6 N c m 0m a x MMMM fa 起=140+9.8+6.7=156.5 cmN 快速进给时所需力矩 快M的计算 东北林业大学本科设计 - 16 - 根据 公式： 0MMM f 快 （ 24） 而： 9 . 8 6 . 7 1 6 . 5M N c m 快 所以 ： 1 6 . 5 1 5 6 . 5M N c m M N c m 快 起 5、 最大切削负载时所需力矩 切M的计算 根据公式： tf MMMM 0切 （ 25） 式中：tM 折算到电机轴上的切削负载力矩 )( cmN ； 又有公式： iLFM ft 2 0 （ 26） 式中： fF-进给方向最大切削力 )(N ， (1 1 . 2 ) 1 . 2 2 6 8 3 3 2 2 0fCF F N ； 则： 3 2 2 0 0 . 82 3 . 1 4 0 . 8 1 . 6 7tM 308N cm 故：tf MMMM 0切 9 .8 3 .7 1 7 2 325.6 N cm 6、 最大静转矩 的选择计算 根据 机床设计手册所提供的公式 ，有： （ 1） 电机最 大静转矩 在最大切削力工作条件下 ： 5.03.01m a x 切MM j 325.60.3 0.5 6 5 1 . 2 1 0 8 5N c m 电机空载启动时需满足的条件 为： 951.02m ax 起MMj 2 X5032 立式铣床机械结构设计 - 17 - 153.50.95161.6N cm max1jM恒大于2maxjM 。 以1maxjM作为 最大静转矩。而初选的步进电机为110BF004 ，它的最大静转矩为：m a x 1689 jN c m M 所以初选的步进电机型号符合要求。 2.4.2 步进电机动载荷矩频特性和运行矩频特性 根据 动矩频特性： PVf601000 m axm ax 1000 2.560 0.01 =4167Hz （ 27） 和 运行矩频特性： PSe Vf 601000 其中： eV 最 大 切 削 力 下 的 进 给 速 度 )min(m ， 可 取 最 高 进 给 速 度 m a x 2 .5 m i nVm的3121，现取中间值，即m a x7 1 . 4 6 m i n12SV V m。 m a x7 1 . 4 6 m i n12SV V m。 则 ：ef 1000 1.4660 0.01 =2431Hz 根 据 110BF004 型逼近电机的 运行矩频特性参数 与 矩频特性 ，能够看出此型号步进电机的启动力矩可以满足本设计要求。 因此，最后确定使用型号为 110BF004 发影视步进电机为本设计所用纵向步进电机。 2.4.3 横向步进电机的计算与选择 Y 轴铣削 的 圆周力：YOF =2683N 则有 Y 向丝杠牵引力： YF = YOF +1.414f YG =1500+1.414 4410 0.01=2745N 则有电机轴负载力矩： T= 3 6 ( )2p y yFG （ 28） 东北林业大学本科设计 - 18 - =1.58Nm 0 . 1 导 轨 摩 擦 系 数 ， 取 0 . 7 5 步 进 电 机 步 矩 角 为 YYF 向 丝 杠 牵 引 力 0 . 0 1f 当 量 摩 擦 系 数 取 若不考虑 启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩为： 5.03.0 TTq 可取安全系数极限值 0.3，则有：5.03.0 TTq = mNT 27.53.0 58.13.0 对于工作方式为 3 相 6 拍的 3 相步进电机最大启动力矩： mNTT qq 54.59 5 1.027.59 5 1.0m a x 综上所述本设计选用的横向 步进电机型号 依然 为： 步进电机 110BF004 的外型尺寸如图（ 2-2） ： 型号 ( 12)Dh 1( 7)Dh b E L h1 h2 d 2d 1d 110BF004 110 85 112 27 111 4 8 0.0160.03411 132 9 图 2-2 110BF004 外形尺寸图 3 数控部分的设计 - 19 - 3 数控部分的设计 本设计的 控制核心 是单片机，用 外围器件 作为扩展设备 ， 这种数控 系统比较经济可靠，并且能够满足数控加工能力 。 1、 能够实施手动控制暂停与快速返回； 16 2、能够在 六个方向 都能实施点动传给并且能够 手动快速进给。 3、能够具备间隙补偿 和 刀具补偿功能。 17 4、 能够进行 程序 的暂停与 延时、 部分程序循环 、 整体 自动循环功能 等 。 5、 用户 能够进行 指令 的编辑、修改、删除与 清零 6、能够进行错误操作诊断与显示 。 7、能够自动 进行直线、斜线、圆弧 等 的加工 18 3.1 数控系统硬件的设计 本 系统的硬件组成如 图 （ 3-1） 所示。 包括 CPU（主控制器） 、存储器、键盘显示器、 I/O 接口与 驱动电路等 8 0 3 1单 片 机 存 储 器 行 程 控 制 接口 译 码 锁 存 键 盘 显 示驱动电路步进电机 图（ 3-1） 数控系统硬件图 3.1.1 CPU（主控制器） 本系统的主控制器 选用功能强 大、价格较低 的 8031 单片机。该 单片机的核心芯片不容易 受 外界 干扰， 可以 实现屏蔽， 有较高的可靠性 ， 并且可以在恶劣的条件下工作，功能强，速度快 。 有较短的指令执行时间。 3.1.2 存储器 我们需要扩展 8031 芯片存储器，因为其只有 128KB 的 RAM。 这里选用 1 片容量为 8K 8的 2764EPROM 芯片作为程序存储器扩展芯片 . 东北林业大学本科设计 - 20 - 3.1.3 扩展 I/O 接口 在 I/O 接口的选用 上选择 8155 可编程并行接 口 芯片 来满足改进数控系统的条件 ，端口的功能定义和地址分配如 表 3-1 所示。 将 8155 芯片 的片选端 CE 与 74LS138 译码器的 1Y 相连 。 19地址空间： 2 0 0 0 H 2 F F F H 。 表 3-1 138155I/O口功能定义和地址分配 端口 工作方式 功能 地址 PA 输出 提供步进电机的控制信号及知识信号 2001H PB 输入 键盘和行程控制 2002H PC 输出 显示和键盘管理 2003H （图 3-2） 3.1.4 步进电机驱动电路 步进电机的驱动电路由三部分构成， 环 形分配器，光电耦合器， 功率放大器。 20 3.1.5 行程控制 为了避免 工作台 产生 越界， 本设计 设置了 4 个限位开关， 8155 的 74 PBPB 为工作台+X、 -X、 +Y、 -Y 四个方向的行程控制信号，计算机 随时巡回检测 74 PBPB 的电平，当某一个为低电位时，立即停止步进电机的运行。 3.1.6 紧急停车 本系统中设计 了一个紧急按纽 。 如果在工作过程中出现危险情况，可以按下此按钮紧急停车，整个系统就 会马上停下来。 该按钮 利用 8 0 3 1 I N T 1可 以 利 用 的 外 部 中 断 3 数控部分的设计 - 21 - 结论 根据我国现有的机械水平和机床发展历史，大量买进全新的数控机床的难度较大，而对现有普通机床的数控改进是比较合理的。