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含CAD高清图纸和说明书 460 mm 数控车床 总体 设计 横向 进给 CAD 图纸 说明书

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毕业设计(论文)460mm的数控车床总体设计及横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 要全面阐述了数控车床的结构原理，设计特点，论述了采用伺服电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控车床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。关键词：车床，数控，伺服电机，滚珠丝杠IIIAbstractComprehensively elaborated numerical control lathe structure principle, design features, discusses the use of servo motor and ball screw nut pair advantages. Introduces the NC lathe structure design and verification, and analysis. In addition to collect the related technology parameters.This paper emphasizes on the ball screw principle and selection principle, system of ball screw production, application etc were introduced. Including the type selection, parameter selection, precision, circulation mode selection, matched with the host machine and the selection principle of manufacturers.Key words: lathe, numerical control, servo motor, the ball screw目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 数控机床发展概述11.1数控机床及其特点11.2数控机床的工艺范围及加工精度11.2.1工艺范围11.2.2加工精度11.3 数控机床的经济分析21.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题21.3.2 数控机床选购的策略31.4 数控机床的发展趋向4第2章 数控机床总体方案的制订及比较62.1 总体方案设计内容62.1.1系统运动方式的确定62.1.2控制方式的选择62.2 总体方案确定62.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择62.2.2 数控系统62.2.3 机械传动方式7第3章 确定切削用量及选择刀具73.1科学选择数控刀具73.1.1选择数控刀具的原则73.1.2选择数控车削用刀具83.2 设置刀点和换刀点83.3 确定切削用量93.3.1确定主轴转速93.3.2确定进给速度93.3.3 确定背吃刀量10第4章 变速主传动系统方案的制定104.1主传动系统主要技术指标的确定104.1.1动力参数的确定104.1.2主运动调速范围的确定114.1.3主轴计算转速的确定124.2变速主传动系统的设计134.2.1确定传动方案134.2.2转速图的拟定144.2.3拟定传动变速系统图15第5章 横向进给系统设计计算155.1 选择脉冲当量155.2 计算切削力165.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型175.4 齿轮进给齿轮箱传动比计算255.5 步进电机的计算和选型26第6章 微机数控系统的设计306.1 微机数控系统的设计纲要306.1.1 硬件电路设计306.1.2 软件电路设计316.2 8031单片机及其扩展326.2.1 8031单片机的简介326.2.2 8031单片机的系统扩展336.2.3 存储器扩展356.2.4 I/O口的扩展366.2.5 步进电机驱动电路376.2.6 脉冲分配器（环行分配器）386.2.7 光电隔离电路386.2.8 功率放大器386.2.9 其他辅助电路39结 论41致 谢42参考文献4344第1章 数控机床发展概述1.1数控机床及其特点数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、车床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。 未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。1.2数控机床的工艺范围及加工精度1.2.1工艺范围数控车床是一种高精度、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。1.2.2加工精度由于数控车床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控车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车床要宽得多。1.精度要求高的回转体零件由于数控车床刚性好，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，甚至可以以车代磨。2.表面粗糙度要求高的回转体零件数控车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。数控车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车床具有直线和圆弧插补功能，部分车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。4.带特殊螺纹的回转体零件普通车床所能车削的螺纹类型相当有限，它只能车等导程的直、锥面公、英制螺纹，而且一台车床只能限定加工若干导程的螺纹。而数控车床不但能车削任何等导程的直、锥面螺纹和端面螺纹，而且能车变螺距螺纹，还可以车高精度螺纹。1.3 数控机床的经济分析近几年，随着国民经济快速稳定发展，我国机床制造行业受益于国家振兴装备制造业的大环境，有了长足进展，这其中领先当今机械制造技术水平的数控机床产业更胜一筹。 由于数控设备的先进性、复杂性和发展的迅速性,以及品种型号、档次的多样性,决定了选用数控设备的复杂性和难度。如何从品种繁多、价格昂贵的产品中选择适用的设备, 成为中小型企业十分关心的问题。1.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题 目前中小型企业缺乏数控设备的使用经验和掌握数控加工技术的人才,在数控机床选购中存在着盲目性、片面性,主要表现在以下几方面: 1.决策者对数控机床的认识有误区,部分企业领导认为配置高精度数控设备是企业档次的象征。选型时不考虑投资效益,忽略性价比,盲目追求进口、高档,片面讲究功能齐全。而在后来的使用过程中才发现有些功能用不上或几乎不用。2.机床选型混乱, 数控机床类型、规格不配套。选购不同厂家的产品, 数控系统不统一, 购置后给操作、编程、维修带来困难。3.购置数控机床时只重视主机性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某个附件或刀具而影响整个主机的运行。4.对企业发展和产品变化预测不足, 所购设备的功能的发挥受到制约。 1.3.2 数控机床选购的策略 1.实用性。选购数控机床时，企业要有明确的目的和出发点，首先考虑的是数控机床的实用性。 (1)数控机床规格、精度的实用性。在选择数控机床时,首先应确定数控机床上加工的典型零件。零件的尺寸决定机床的加工范围；零件关键部位的精度决定了所选机床的精度等级。机床精度的评定指标较多，因数控机床类别而异,但共有的关键项目是定位精度、重复定位精度以及综合加工精度。定位精度与传动链各环节的弹性、间隙等因素有关,反映了机械系统中的扭曲、挠度、爬行、共振等诸因素造成的综合误差。这些指标既反映了伺服机构的刚度,也说明了位置反馈测量系统的质量。重复定位精度反映了数控轴在全行程内定位点的稳定性，传动链刚性直接影响重复定位精度。综合加工精度指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸之间的误差。选购时应避免盲目追求高精度，注意机床精度与工件精度相匹配。 (2)数控系统功能的实用性。数控系统功能可分为基本功能与选用功能, 各知名品牌数控系统的基本功能差别不大。除基本功能以外, 数控系统还为用户提供多种可选功能。通常数控系统具备的基本功能比较便宜, 而特定选择的功能很贵。在可供选择的功能模块中, 性能差别很大,价格也相差数倍，所以要根据加工要求和机床性能的需要来选择。 从控制方式、驱动形式、反馈形式、检测、操作方式、接口形式和故障诊断等方面来衡量, 合理地选择适合机床的可选功能,放弃可有可无或不实用的可选功能。比如，自动换刀装置(ATC) 是加工中心的基本特征，ATC装置的投资往往占整机的30%50%。因此在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的ATC, 以提高机床的可靠性和降低整机的价格。应当注意，单独签订合同购买附件的单价大大高于随同主机一起供货的附件单价,应尽可能在购买主机时一并购置部分易损部件及其他附件。 2.经济性。经济性是指选用的数控机床在满足加工要求的条件下, 所支付的“钱”最少或较为合理的。经济性往往是和实用性紧密相连的, 机床选得实用、经济, 可避免不必要的浪费, 避免以高代价换来功能过多而又不实用的较复杂的数控机床，避免在操作使用、维护保养等诸多方面带来困难。 数控机床的设计使用寿命一般为7年, 主要以数控方面的使用寿命为准。同时还得考虑市场占有率, 市场占有率高的数控设备说明是旺销产品, 已受到多数用户的青睐和肯定, 一般不会有太多的质量问题。 选购数控机床应考虑投资回报, 能够在短期内收回投资的机床才是好机床。因为数控机床的主要优势是实现工序集中，从而提高生产率和加工精度，所以数控机床既适于单件小批生产，又适于大批量生产。多数中小型企业购买的数控机床用于批量生产，因为批量生产不仅节省编程、对刀等辅助时间，提高机床利用率；而且对操作者的技术要求不高，人工费用也相对较低。所以用于大批量生产的机床投资回报较快。少数产品附加值高，具有一定经济实力的企业，为了生产组织方便而购买用于单件生产的数控机床。机床利用率较低时，不仅要考虑设备的使用费用，比如润滑油、冷却液、电力消耗等，还要计算设备折旧。另外一个不可忽视的因素是设备的贬值，数控机床的升级、更新较快，同配置的一台机床，现在售价40万，三年后可能降至35万，这样算起来贬值和折旧一样不可忽视。所以没有定型产品或产品附加值较低的中小型企业，在购置贵重数控设备之前，一定要充分研究收回投资的周期。有些企业事先确定较稳定的批量加工意向，甚至已经接到订单，选购机床时要求机床厂为其准备工装、编制程序、培训工人，即所谓“交钥匙”工程，这是投资数控机床最理想的情况。 3.稳定可靠性。数控设备的可靠性是广大数控设备用户必须关心的焦点问题, 因此在选用数控设备时应注意生产厂家的规模和市场占有率, 确认其产品是否达到国家规定的平均无故障时间标准(规定为460h)。目前多数机床厂都采购成熟的数控系统和零部件进行组装。国内应用较多的数控系统有日本FANUC、德国的西门子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直线导轨、主轴又分别来自德国和台湾等地。所以机床的主要零部件的质量一般是可靠的，需要重点考察的是数控机床组装企业的售后服务网络是否健全,服务队伍的素质是否能胜任工作,服务能否及时,是否能履行承诺等。1.4 数控机床的发展趋向数控机床是由美国发明家约翰帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业 的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。技术发展趋势：高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 1.机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括车-车复合、车车复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防 碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能 进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、 功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车车复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机 床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前 的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达 0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用 高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。第2章 数控机床总体方案的制订及比较 2.1 总体方案设计内容接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：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。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。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、点位直线控制系统和连续控制系统。2.1.2控制方式的选择系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。2.2 总体方案确定2.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，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。考虑达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。2.2.2 数控系统根据机床要求，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，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51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接口及光电隔离电路、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丝杆，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。系统总体方案框图如下： 图2-1 系统总体方案框图第3章 确定切削用量及选择刀具3.1科学选择数控刀具3.1.1选择数控刀具的原则刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定. 选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换刀时 间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15-30min。对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化 加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时 间内所分担到的全厂开支M较大时，刀具寿命也应选得低些。大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度 来确定。与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整 方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料(如高速钢、超细粒度硬质合金)并使用可转位刀片。3.1.2选择数控车削用刀具在数控加工中，车削平面零件内外轮廓 及车削平面常用平底立车刀，该刀具有关参数的经验数据如下:一是车刀半径RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，一般取RD=(0.8一 0.9)Rmin。二是零件的加工高度HRdp，电动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。（5）确定转速级数取，则对于数控车床，为了加工端面时满足恒线速度切削的要求，应使转速有一些重复，故取Z=2（6）拟定转速图和功率特性图如图4.2.3拟定传动变速系统图拟定传动系统的原则是：在保证机床的运动和使用要求的前提下，运动传动链要尽可能的短而简单；传动效率高以及操作简单方便 。首先要考虑某些结构方面的问题，考虑结构能否实现：如小齿轮的齿根圆是否大于轴的直径，大齿轮的顶圆是否会碰及相邻轴等；其次因考虑结构是否合理，如布置是否紧凑，操纵是否方便等。该机床采用双联滑移齿轮变速组，采用窄式排列结构，使机床结构紧凑。主轴变速拟采用通过滑移齿轮的移位来实现，需保证当齿轮2与齿轮4完全脱开啮合之后，齿轮3和齿轮6才能开始进入啮合，所以齿轮5与齿轮6相邻间的距离b要大于于滑移齿轮的宽度（齿轮2与齿轮宽度之和），一般b+, =14 mm。 综合考虑个因素，拟订传动系统图。第5章 横向进给系统设计计算5.1 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)5.2 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）2、 横切端面主切削力（N）可取纵切的1/2。 （N） （N） （N）5.3 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=14600h.。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WL4608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e6812162331540079131825400460810152027460630911162230行程变动量公差V6812162331540068121725400460710131926460630711142129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=1460mm, 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=1460mm，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。（二） 横向进给丝杠1、 计算进给轴向力 横向导轨为燕尾形，计算如下： 由于是燕尾形导轨式中： K=1.4，=0.2则 N2、计算最大动负载Q n( r/min)L Q（N）查表：可采用WL2506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13100N，符合Q C的条件。精度等级按表 2滚珠丝杠行程公差表，选为1级。 Vmm4、传动效率计算5、刚度验算横向进给滚珠丝杠支承方式如图4所示，最大轴向力为2759N，支承间距L=550mm, 因丝杠长度较短，不需要预紧。图4横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）根据 N， D=25mm, EN/mm, R=2.064, e=0.056mmd( mm)A(mm) （mm）(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形（mm）对滚珠丝杠副施加预紧力F为轴向负载的1/3。由 mm, kgf承载滚珠数量 ZZ =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51104型推力球轴承，其d=20mm,滚动体直径D=3.175mm, 滚动体数量Z=14， （mm）则定位误差 =0.03682 (mm) 显然变形量已大于规定的定位精度（），应该采取相应的措施修改，因横向溜板空间限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨来减少摩擦力，从而减少轴向力，采用贴塑导轨=0.030.05。重新计算如下： NQ（N）由此可知：滚珠丝杠螺母副和轴承的型号可不改变。此时的变形量为：（mm）=0.0013 （mm） （mm）定位误差 0.02412 (mm) 0.025mm(规定定位精度)6、稳定性校核临界负载与工作负载 之比称为稳定性系数，如果，则压杆稳定，为许用稳定性安全系数，一般=2.54。计算临界负载（N）： 式中 E：指丝杠材料弹性模量，对钢E（N/mm）； J：指截面惯性矩（mm）,丝杠截面惯性矩J（为丝杠螺纹的底径）； ：丝杠两支承端距离（mm）；：丝杠支承方式系数，见表3，这里。表3滚珠丝杠支承方式系数方式一端固定一端自由两端简支一端固定一端简支两端固定0.251.002.004.00则 N 所以此丝杠不会产生失稳。（三）纵向及横向滚珠丝杠副几何参数其几何参数见表：表4WL4608及WL2506滚珠丝杠几何参数名称符号WL4608WL2506螺 纹 滚 道公称直径5025导程86接触角钢球直径4.7633.969滚道法面半径2.4772.064偏心距0.0680.056螺纹升角螺 杆丝杠外径48.524丝杠内径45.18220.984螺杆接触直径40.42417.025螺 母螺母螺纹直径54.81829.016螺母内径51.19025.9925.4 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64635.5 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6.1 微机数控系统的设计纲要6.1.1 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。6.1.2 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。6.2 8031单片机及其扩展6.2.1 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。6.2.2 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6.2.3 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。6.2.4 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。6.2.5 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6.2.6 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+706.2.7 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。6.2.8 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