C6140车床数控改造

毕业设计任务书毕业设计题目： 经济型 C6140 车床数控改造 内容和要求： 内容：司服进给系统的校核计算和微机数控系统硬件电路设计，完成普通 C6140 车床的数控化改造及相关图纸。 技术要求：利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z 向）脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向（X 向）脉冲当量为 0.005mm/脉冲，驱动采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠，刀架采用自动转位刀架。 工作质量要求：方案设计合理，理论计算准确，结构设计合理，图纸图面清楚，投影正确，标注完整，设计及绘图过程符合国家要求等。 软硬件条件：个人计算机；参考书；AutoCAD（或其他绘图条件） 指导教师（签字）： 年 月 日摘 要机 床 作 为 机 械 制 造 业 的 重 要 基 础 装 备 ， 它 的 发 展 一 直 引 起 人 们 的 关 注 ，由 于 计 算 机 技 术 的 兴 起 ， 促 使 机 床 的 控 制 信 息 出 现 了 质 的 突 破 ， 导 致 了 应用 数 字 化 技 术 进 行 柔 性 自 动 化 控 制 的 新 一 代 机 床 数 控 机 床 的 诞 生 和 发 展 。计 算 机 的 出 现 和 应 用 ， 为 人 类 提 供 了 实 现 机 械 加 工 工 艺 过 程 自 动 化 的 理 想手 段 。 用 经 济 型 数 控 系 统 改 造 普 通 机 床 ， 在 投 资 少 的 情 况 下 ， 使 其 既 能 满足 加 工 的 需 要 ， 又 能 提 高 机 床 的 自 动 化 程 度 ， 比 较 符 合 我 国 的 国 情 。 到目 前 为 止 ， 已 有 很 多 厂 家 生 产 经 济 型 数 控 系 统 。 可 以 预 料 ， 今 后 ， 机 床 的 经济 型 数 控 化 改 造 将 迅 速 发 展 和 普 及 。关 键 词 ： 机 床 , 数 控 机 床 , 伺 服 进 给 系 统 , 单 片 机目 录1 前 言 .11.1 概 述 .11.2 数 控 机 床 和 数 控 技 术 .11.3 数 控 机 床 的 特 点 .21.4 数 控 机 床 的 发 展 .32 总 体 方 案 的 设 计 .42.1 设 计 任 务 与 要 求 .42.1.1 课 程 设 计 的 目 的 .42.1.2 课 程 设 计 的 主 要 技 术 参 数 .42.2.3 课 程 设 计 的 内 容 .52.2.4 课 程 设 计 的 要 求 .52.2.5 课 程 设 计 的 图 纸 .52.2 总 体 方 案 的 设 计 .52.2.1 数 控 系 统 运 动 方 式 的 确 定 .52.2.2 伺 服 进 给 系 统 的 改 造 设 计 .62.2.3 数 控 系 统 的 硬 件 电 路 设 计 .63 伺 服 进 给 系 统 的 计 算 .83.1 确 定 系 统 脉 冲 当 量 .83.2 切 削 力 的 计 算 .83.2.1 纵 车 外 圆 .83.2.2 横 切 端 面 .83.3 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 计 算 与 选 型 .93.3.1 纵 向 进 给 丝 杠 .93.3.2 横 向 进 给 丝 杠 .113.3.3 纵 向 和 横 向 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 几 何 参 数 .143.4 齿 轮 传 动 比 计 算 .153.4.1 纵 向 进 给 齿 轮 箱 传 动 计 算 .153.4.2 横 向 进 给 齿 轮 箱 传 动 计 算 .153.5 步 进 电 动 机 的 计 算 和 选 型 .163.5.1 纵 向 进 给 步 进 电 动 机 计 算 .163.5.2 横 向 进 给 步 进 电 动 机 的 计 算 和 选 型 .204 微 机 数 控 系 统 硬 件 电 路 设 计 .214.1 微 机 控 制 系 统 硬 件 的 选 择 .214.2 8255A 可 编 程 并 行 I/O 口 扩 展 芯 片 .234.3 8255 端 口 的 寻 址 .264.4 可 编 程 键 盘 ， 显 示 器 接 口 Intel8279.274.5 部 分 硬 件 接 口 电 路 及 辅 助 电 路 设 计 .284.6 数 控 系 统 软 件 设 计 .30结 论 .32致 谢 .33参 考 文 献 .34附 件 .21 前 言1.1 概 述整 个 人 类 社 会 的 文 明 史 ， 就 是 制 造 技 术 不 断 演 变 和 发 展 的 历 史 。 任 何 国家 的 制 造 业 都 是 国 民 经 济 的 基 础 产 业 ， 也 是 国 民 经 济 的 主 要 来 源 。 没 有 发 达的 制 造 业 ， 就 不 可 能 有 国 家 真 正 的 繁 荣 和 强 大 。 制 造 技 术 是 制 造 业 的 技 术 支柱 ， 是 一 个 国 家 科 技 水 平 、 综 合 国 力 的 重 要 体 现 ， 制 造 技 术 的 发 展 是 一 个 国家 经 济 增 长 的 根 本 动 力 。 而 制 造 业 中 机 床 是 其 基 础 装 备 。 我 国 是 一 个 机 床 大国 ， 有 三 百 多 万 台 普 通 机 床 。 但 机 床 的 素 质 差 ， 性 能 落 后 ， 单 台 机 床 的 平 均产 值 只 有 先 进 工 业 国 家 的 1/10 左 右 ， 差 距 太 大 ， 急 待 改 造 。 旧 机 床 的 数 控化 改 造 ， 顾 名 思 义 就 是 在 普 通 机 床 上 增 加 微 机 控 制 装 置 ， 使 其 具 有 一 定 的 自动 化 能 力 ， 以 实 现 预 定 的 加 工 工 艺 目 标 。 随 着 数 控 机 床 越 来 越 多 的 普 及 应 用 ，数 控 机 床 的 技 术 经 济 效 益 为 大 家 所 理 解 。 在 国 内 工 厂 的 技 术 改 造 中 ， 机 床 的微 机 数 控 化 改 造 已 成 为 重 要 方 面 。 许 多 工 厂 一 面 购 置 数 控 机 床 一 面 利 用 数 控 、数 显 、 PC 技 术 改 造 普 通 机 床 ， 并 取 得 了 良 好 的 经 济 效 益 。 我 国 经 济 资 源 有限 ， 国 家 大 ， 机 床 需 要 量 大 ， 因 此 不 可 能 拿 出 相 当 大 的 资 金 去 购 买 新 型 的 数控 机 床 ， 而 我 国 的 旧 机 床 很 多 ， 用 经 济 型 数 控 系 统 改 造 普 通 机 床 ， 在 投 资 少的 情 况 下 ， 使 其 既 能 满 足 加 工 的 需 要 ， 又 能 提 高 机 床 的 自 动 化 程 度 ， 比 较 符合 我 国 的 国 情 。 1984 年 ， 我 国 开 始 生 产 经 济 型 数 控 系 统 ， 并 用 于 改 造 旧 机床 。 到 目 前 为 止 ， 已 有 很 多 厂 家 生 产 经 济 型 数 控 系 统 。 可 以 预 料 ， 今 后 机 床的 经 济 型 数 控 化 改 造 将 迅 速 发 展 和 普 及 。1.2 数 控 机 床 和 数 控 技 术数 控 技 术 及 数 控 机 床 在 当 今 机 械 制 造 业 中 的 重 要 地 位 和 巨 大 效 益 ， 显 示了 其 在 国 家 基 础 工 业 现 代 化 中 的 战 略 性 作 用 ， 并 已 成 为 传 统 机 械 制 造 工 业 提升 改 造 和 实 现 自 动 化 、 柔 性 化 、 集 成 化 生 产 的 重 要 手 段 和 标 志 。 数 控 技 术 及数 控 机 床 的 广 泛 应 用 ， 给 机 械 制 造 业 的 产 业 结 构 、 产 品 种 类 和 档 次 以 及 生 产方 式 带 来 了 革 命 性 的 变 化 。 数 控 机 床 是 现 代 加 工 车 间 最 重 要 的 装 备 。 它 的 发展 是 信 息 技 术 (1T)与 制 造 技 术 (MT)结 合 发 展 的 结 果 。 现 代 的CAD/CAM、 FMS、 CIMS、 敏 捷 制 造 和 智 能 制 造 技 术 ， 都 是 建 立 在 数 控 技 术 之上 的 。 掌 握 现 代 数 控 技 术 知 识 是 现 代 机 电 类 专 业 学 生 必 不 可 少 的 。在 数 控 加 工 中 ， 从 零 件 的 设 计 图 纸 到 零 件 成 品 合 格 交 付 ， 不 仅 要 考 虑 到数 控 程 序 的 编 制 ， 还 要 考 虑 到 诸 如 零 件 加 工 工 艺 路 线 的 安 排 、 加 工 机 床 的 选择 、 切 削 刀 具 的 选 择 、 零 件 加 工 中 的 定 位 装 夹 等 一 系 列 因 素 的 影 响 ， 在 开 始编 程 前 ， 必 须 要 对 零 件 设 计 图 纸 和 技 术 要 求 进 行 详 细 的 数 控 加 工 工 艺 分 析 ，以 最 终 确 定 哪 些 是 零 件 的 技 术 关 键 ， 哪 些 是 数 控 加 工 的 难 点 ， 以 及 数 控 程 序编 制 的 难 易 程 度 。零 件 的 数 控 加 工 工 艺 分 析 是 编 制 数 控 程 序 中 最 重 要 而 又 极 其 复 杂 的 环 节 ，也 是 数 控 加 工 工 艺 方 案 设 计 的 核 心 工 作 ， 必 须 在 数 控 加 工 方 案 制 定 前 完 成 。一 个 合 格 的 编 程 人 员 对 数 控 机 床 及 其 控 制 系 统 的 功 能 及 特 点 ， 以 及 影 响 数 控加 工 的 每 个 环 节 都 要 有 一 个 清 晰 、 全 面 的 了 解 ， 这 样 才 能 避 免 由 于 工 艺 方 案考 虑 不 周 而 可 能 出 现 的 产 品 质 量 问 题 ， 造 成 无 谓 的 人 力 、 物 力 等 资 源 的 浪 费 。全 面 合 理 的 数 控 加 工 工 艺 分 析 是 提 高 数 控 编 程 质 量 的 重 要 保 障 。 数 控 车 床 是 目 前 使 用 最 广 泛 的 数 控 机 床 之 一 。 数 控 车 床 主 要 用 于 加 工轴 类 、 盘 类 等 回 转 体 零 件 。 通 过 数 控 加 工 程 序 的 运 行 ， 可 自 动 完 成 内 外 圆 柱面 、 圆 锥 面 、 成 形 表 面 、 螺 纹 和 端 面 等 工 序 的 切 削 加 工 ， 并 能 进 行 车 槽 、 钻孔 、 扩 孔 、 铰 孔 等 工 作 。1.3 什 么 是 数 控 机 床 及 数 控 机 床 的 特 点应 用 数 控 技 术 对 加 工 过 程 进 行 控 制 的 机 床 称 为 数 控 机 床 。 它由 输 入 输 出 设 备 、 数 控 装 置 、 伺 服 系 统 和 机 床 本 体 等 部 分 组 成 。数 控 装 置 是 数 控 机 床 的 核 心 ， 伺 服 系 统 是 数 控 机 床 的 执 行 部 分 。 控 机 床 的 操 作 和 监 控 全 部 在 这 个 数 控 单 元 中 完 成 ， 它 是 数 控 机 床 的 大脑 。 与 普 通 机 床 相 比 ， 数 控 机 床 有 如 下 特 点 ： 加 工 精 度 高 ， 具 有 稳 定 的 加 工 质 量 ； 可 进 行 多 坐 标 的 联 动 ， 能 加 工 形 状 复 杂 的 零 件 ； 加 工 零 件 改 变 时 ， 一 般 只 需 要 更 改 数 控 程 序 ， 可 节 省 生 产 准 备 时间 ； 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 ） ； 机 床 自 动 化 程 度 高 ， 可 以 减 轻 劳 动 强 度 ； 对 操 作 人 员 的 素 质 要 求 较 高 ， 对 维 修 人 员 的 技 术 要 求 更 高 。 数 控 机 床 一 般 由 下 列 几 个 部 分 组 成 ： 主 机 ， 他 是 数 控 机 床 的 主 题 ， 包 括 机 床 身 、 立 柱 、 主 轴 、 进 给 机构 等 机 械 部 件 。 他 是 用 于 完 成 各 种 切 削 加 工 的 机 械 部 件 。 数 控 装 置 ， 是 数 控 机 床 的 核 心 ， 包 括 硬 件 （ 印 刷 电 路 板 、 CRT显 示 器 、 键 盒 、 纸 带 阅 读 机 等 ） 以 及 相 应 的 软 件 ， 用 于 输 入 数 字 化 的 零 件 程序 ， 并 完 成 输 入 信 息 的 存 储 、 数 据 的 变 换 、 插 补 运 算 以 及 实 现 各 种 控 制 功能 。 驱 动 装 置 ， 他 是 数 控 机 床 执 行 机 构 的 驱 动 部 件 ， 包 括 主 轴 驱 动 单元 、 进 给 单 元 、 主 轴 电 机 及 进 给 电 机 等 。 他 在 数 控 装 置 的 控 制 下 通 过 电 气 或电 液 伺 服 系 统 实 现 主 轴 和 进 给 驱 动 。 当 几 个 进 给 联 动 时 ， 可 以 完 成 定 位 、 直线 、 平 面 曲 线 和 空 间 曲 线 的 加 工 。 辅 助 装 置 ， 指 数 控 机 床 的 一 些 必 要 的 配 套 部 件 ， 用 以 保 证 数 控 机床 的 运 行 ， 如 冷 却 、 排 屑 、 润 滑 、 照 明 、 监 测 等 。 它 包 括 液 压 和 气 动 装 置 、排 屑 装 置 、 交 换 工 作 台 、 数 控 转 台 和 数 控 分 度 头 ， 还 包 括 刀 具 及 监 控 检 测装 置 等 。 编 程 及 其 他 附 属 设 备 ， 可 用 来 在 机 外 进 行 零 件 的 程 序 编 制 、 存 储等 。 自 从 1952 年 美 国 麻 省 理 工 学 院 研 制 出 世 界 上 第 一 台 数 控 机 床 以 来 ，数 控 机 床 在 制 造 工 业 ， 特 别 是 在 汽 车 、 航 空 航 天 、 以 及 军 事 工 业 中 被 广 泛 地应 用 ， 数 控 技 术 无 论 在 硬 件 和 软 件 方 面 ， 都 有 飞 速 发 展 。1.4 数 控 机 床 的 发 展电 子 技 术 、 信 息 技 术 、 网 络 技 术 、 模 糊 控 制 技 术 的 发 展 使 新 一 代 数 控系 统 技 术 水 平 大 大 提 高 ， 促 进 了 数 控 机 床 产 业 的 蓬 勃 发 展 ， 也 促 进 了 现 代 制造 技 术 的 快 速 发 展 。 数 控 机 床 性 能 在 高 速 度 、 高 精 度 、 高 可 靠 性 和 复 合 化 、网 络 化 、 智 能 化 、 柔 性 化 、 绿 色 化 方 面 取 得 了 长 足 的 进 步 。 现 代 制 造 业 正 在迎 来 一 场 新 的 技 术 革 命 。 数 控 系 统 未 来 分 以 下 几 个 发 展 方 向 ： 数 控 系 统 向 开 放 式 体 系 结 构 发 展 数 控 系 统 向 软 数 控 方 向 发 展 数 控 系 统 控 制 性 能 向 智 能 化 方 向 发 展 数 控 系 统 向 网 络 化 方 向 发 展 数 控 系 统 向 高 可 靠 性 方 向 发 展 数 控 系 统 向 复 合 化 方 向 发 展 数 控 系 统 向 多 轴 联 动 化 方 向 发 展2 总 体 方 案 的 拟 定2.1 设 计 任 务 与 要 求2.1.1 课程设计的目的课 程 设 计 是 一 个 实 践 性 很 强 的 环 节 ,是 诸 多 实 践 教 学 环 节 的 最 后一 环 ,是 培 养 学 生 理 论 联 系 实 际 、 解 决 生 产 实 际 问 题 能 力 的 重 要 步 骤 。机 电 一 体 化 专 业 课 程 设 计 是 以 机 电 一 体 化 的 典 型 产 品 -数 控 机床 的 应 用 与 设 计 为 主 线 ,进 行 一 次 所 学 机 、 电 知 识 有 机 结 合 的 全 面 训 练 。 从而 培 养 学 生 具 有 加 工 编 程 能 力 、 绘 图 能 力 、 机 械 传 动 机 构 设 计 计 算 能 力 以 及分 析 和 处 理 生 产 中 所 遇 到 的 机 、 电 方 面 技 术 问 题 的 能 力 。2.1.2 课程设计的主要技术参数用 微 机 数 控 技 术 改 造 最 大 加 工 直 径 为 320 毫 米 普 通 车 床 的 进给 系 统最 大 加 工 直 径 （ mm） ： 在 床 身 上 ： 320 在 床 鞍 上 ： 175最 大 加 工 长 度 （ mm） ： 750 溜 板 及 刀 架 重 量 （ N） ： 纵 向 ： 800 横 向 ： 400 刀 架 快 移 速 度 （ m/min） ： 纵 向 ： 2 横 向 ： 1 最 大 进 给 速 度 （ m/min） ： 纵 向 ： 0.8 横 向 ： 0.4 最 小 分 辨 率 （ mm） ： 纵 向 ： 0.01 横 向 ： 0.005定 位 精 度 （ mm） ： 0.02主 电 机 功 率 （ KW） ： 3 起 动 加 速 时 间 （ ms） ： 252.1.3 课程设计的内容 1)、 总 体 方 案 的 选 择 。2)、 进 给 伺 服 系 统 机 械 部 分 的 设 计 计 算 并 绘 制 Z 向 坐 标 轴 的 机 械传 动 机 构 的 装 配 图 。3)、 设 计 并 绘 制 用 单 片 机 控 制 的 数 控 机 床 进 给 伺 服 系 统 的 硬 件 电 路 原 理图 。4)、 编 写 设 计 说 明 书 一 份 。2.1.4 课程设计的要求1)、 CNC 系 统 的 主 CPU 宜 采 用 8031 单 片 机 。2)、 机 械 进 给 伺 服 系 统 宜 采 用 混 合 式 步 进 电 机 驱 动 。3)、 所 编 写 的 零 件 加 工 程 序 应 符 合 ISO 标 准 的 有 关 规 定 。4)、 所 绘 制 的 机 械 装 配 图 和 硬 件 电 路 原 理 图 要 求 正 确 、 合 理 、 图 面整 洁 、 符 合 标 准 。5)、 说 明 书 应 简 明 扼 要 、 计 算 准 确 、 条 理 清 楚 、 图 文 并 茂 。2.1.5 课程设计的图纸1)、 进 给 伺 服 系 统 一 个 坐 标 轴 的 机 械 装 配 图 A0 2 张2)、 单 片 微 机 应 用 系 统 硬 件 电 路 原 理 图 A1 2 张2.2 总 体 方 案 的 设 计本 设 计 是 针 对 CA6140 普 通 车 床 进 行 数 控 改 造 。 利 用 微 机 对 纵 、 横向 进 给 系 统 进 行 开 环 控 制 ， 纵 向 （ Z 向 ） 脉 冲 当 量 为 0.01mm、 脉 冲 ， 横 向（ X 向 ） 脉 冲 当 量 为 0.005mm/脉 冲 ， 驱 动 元 件 采 用 步 进 电 机 ， 传 动 系 统 采用 滚 珠 丝 杠 ， 刀 架 采 用 自 动 转 位 刀 架 。对 于 普 通 机 床 的 经 济 型 数 控 改 造 ， 在 确 定 总 体 设 计 方 案 时 ， 应 考 虑 在 满足 设 计 要 求 的 前 提 下 ， 对 机 床 的 改 动 应 尽 可 能 少 ， 以 降 低 成 本 。2.2.1 数控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 、 连续 控 制 系 统 。 由 于 要 求 CA6140 车 床 加 工 复 杂 轮 廓 零 件 ， 所 以 微 机 数 控 系 统采 用 两 轴 联 动 连 续 控 制 系 统 。 图 2-1 所 示 。2.2.2 伺服进给系统的改造设计数 控 机 床 的 伺 服 进 给 系 统 有 开 环 、 闭 环 之 分 。 因 为 开 环 控 制 具 有 结 构 简单 、 设 计 制 造 容 易 、 控 制 精 度 较 好 、 容 易 调 试 、 价 格 便 宜 、 使 用 维 修 方 便 等优 点 。 所 以 ， 本 设 计 决 定 采 用 开 环 控 制 系 统 。2.2.3 数控系统的硬件电路设计任 何 一 个 数 控 系 统 都 由 硬 件 和 软 件 两 部 分 组 成 。 硬 件 是 数 控 系 统 的 基 础 ，性 能 的 好 坏 直 接 影 响 整 体 数 控 系 统 的 工 作 性 能 。 有 了 硬 件 ， 软 件 才 能 有 效 的运 行 。 再 设 计 的 数 控 装 置 中 ， CPU 是 关 键 。在 我 国 ， 普 通 机 床 数 控 改 造 方 面 应 用 较 普 遍 的 事 MCS-51 系 列 单 片 机 。主 要 是 因 为 它 的 配 套 芯 片 便 宜 ， 普 及 型 、 通 用 性 强 。 制 造 和 维 修 方 便 ， 完 全能 满 足 经 济 型 数 控 机 床 的 改 造 需 要 。 本 设 计 中 世 以 MCS- 51 系 列 单 片 机 ，51 系 列 相 对 48 系 列 指 令 丰 富 ， 相 对 96 系 列 价 格 便 宜 。 本 设 计 以 8031 为核 心 ， 增 加 储 存 器 扩 展 电 路 ， 接 口 和 面 板 操 作 开 关 组 成 的 控 制 系 统 。图 2-1 CA6140 卧 式 车 床 简 图CA6140 车 床 的 主 轴 转 速 部 分 保 留 原 机 床 的 功 能 ， 即 手 动 变 速 。 车 床的 纵 向 （ Z 轴 ） 和 横 向 （ X 轴 ） 进 给 运 动 采 用 步 进 电 机 驱 动 。 由 8031 单 片机 组 成 微 机 作 为 数 控 装 置 的 核 心 ， 由 I/O 接 口 、 环 形 分 配 器 与 功 率 放 大 器一 起 控 制 步 进 电 机 转 动 ， 经 齿 轮 减 速 后 带 动 滚 珠 丝 杠 转 动 ， 从 而 实 现 车 床 的纵 向 、 横 向 进 给 运 动 。 刀 架 改 成 由 微 机 控 制 的 经 电 机 驱 动 的 自 动 控 制 的 自 动转 位 刀 架 。 为 保 持 切 削 螺 纹 的 功 能 ， 必 须 安 装 主 轴 脉 冲 发 生 器 ， 为 此 采 用 主轴 靠 同 步 齿 行 带 使 脉 冲 发 生 器 同 步 旋 转 ， 发 出 两 路 信 号 ： 每 转 发 出 的 脉 冲 个数 和 一 个 同 步 信 号 ， 经 隔 离 电 路 以 及 I/O 接 口 送 给 微 机 。 系 统 总 体 方 案 图2-2 所 示 ：图 2-2 经 济 型 数 控 机 床 总 体 方 案 总 体3 伺 服 进 给 系 统 的 计 算机 床 进 给 伺 服 系 统 机 械 部 分 设 计 算 ,计 算 内 容 包 括 :确 定 系 统 的 负 载 ,确 定 系 统 的 脉 冲 当 量 ,部 分 部 件 惯 量 计 算 ,空 栽 启 动 及 切 削 刀 矩 计 算 ,确 定伺 服 电 机 转 动 及 导 向 元 件 的 设 计 ,计 算 及 选 用 绘 制 部 分 装 配 及 零 件 工 作 图 等 .现分 述 如 下 : 3.1 确 定 系 统 脉 冲 当 量一 个 进 给 脉 冲 ， 使 机 床 运 动 部 件 产 生 的 位 移 量 ， 称 为 脉 冲 当 量 ， 也称 为 机 床 的 最 小 设 定 单 位 。 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 机 床 常 采 用 的 脉 冲 当 量 是 0.01-0.005mm 一 个 脉 冲 。3.2 切 削 力 的 计 算在 设 计 机 床 进 给 伺 服 系 统 时 ， 计 算 传 动 和 导 向 元 件 ， 选 用 伺 服 电 动 机等 都 需 要 用 到 切 削 力 。3. 2.1 纵车外圆：计 算 切 削 力 F主 切 削 力 ：Fz=0.67Dmax1.5=0.673201.5=3835N 按 切 削 力 各 分 力 比 例 ：Fz： Fx： Fy =1： 0.25： 0.4Fx=0.25Fz=0.253835=959N Fy =0.4Fz =0.43835=1534N G=800N3. 2.2 横切端面：主 切 削 力 可 取 纵 切 的 ；Z2= Fz= 3835=1918N 式 （ 2-211）此 时 走 刀 抗 力 ， 吃 刀 抗 力 。yxF按 照 ： ： =1： 0.25： 0.4Zx计 算 ： =19180.4=767N； =19180.25=480NyFx3.3 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 计 算 与 选 型3.3.1 纵向进给丝杠（ 1） 、 计 算 进 给 牵 引 力 Fm作 用 在 滚 珠 丝 杠 上 的 进 给 牵 引 力 主 要 包 括 切 削 时 的 走 刀 抗 力 以 及 移 动件 的 重 量 和 切 削 分 力 作 用 在 导 轨 上 的 摩 擦 力 。 因 而 其 数 值 的 大 小 与 导 轨 的 型号 有 关 。纵 向 进 给 的 综 合 导 轨Fm =KFx +f (Fz +G)=1.15959+0.16(3835+800)=1844N 式（ 2-2）式 中 K 考 虑 颠 覆 力 矩 影 响 的 实 验 系 数 ， 综 合 导 轨 取 K=1.15；f 滑 动 导 轨 摩 擦 系 数 ： 0.15 0.18， f=0.16；G 溜 板 几 倒 架 重 力 ： G=800N（ 2 ） 、 计 算 最 大 动 负 载 CC= fwFm 式3L（ 2-3） 式 （ 2-610Tnt4）式 （ 2-0LVntS5）式 中 L0 滚 珠 丝 杠 导 程 ， 初 选 L0=6mm;Vs 最 大 切 削 力 下 的 进 给 速 度 ， 可 取 最 高 进 给 速 度 的（ 1/21/3） ;T 使 用 寿 命 ， 按 15000h；fw 运 转 系 数 ， 按 一 般 运 转 取 fw=1.2 1.5；L-寿 命 ， 以 106 转 为 1 单 位=67min 式 （ 2-Vnt切5.86）=60 610TLt61C= fwFm= 1.21844=8663N 式 （ 2-337）（ 3） 、 滚 珠 丝 杠 杠 螺 母 副 的 选 型查 阅 数 控 设 计 指 导 书 附 录 A 表 3， 可 采 用 W1L2506 外 循 环 螺 纹 调整 预 紧 的 双 螺 母 滚 珠 丝 杠 副 ， 1 列 2.5 圈 ,其 额 定 动 负 载 为 13100N,精 度 等级 按 表 4-15 选 为 3 级 .（ 4 ） 、 传 动 效 率 计 算 = = =0.95 式 （ 2-)(tg)124(tg8）其 中 螺 旋 升 角 W1L2506 =4o22 摩 擦 角 ， 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 滚 动 摩 擦 系 数 f=0.0030.004,摩擦 角 取 10（ 5） 、 刚 度 验 算先 画 此 纵 向 进 给 滚 珠 丝 杠 杠 支 承 方 式 如 图 3-1 所 示 ， 最 大 牵 引 力 为1844N.支 承 间 距 L=1200mm.因 丝 杠 长 度 较 长 ,故 需 要 预 紧 ,螺 母 及 轴 承 预 紧 ，预 紧 力 为 最 大 轴 向 负 载 的 1/3。GL图 3-1 纵向进给系统计算简图1)、 丝 杠 的 拉 伸 或 压 变 形 量 1查 图 46 根 据 F=1844N Do=25mm 查 出 8L/L=2.410-5 1= 1200=2.410-51200=2.8810-2mm 式 （ 2-9）L由 于 两 端 均 采 用 向 心 推 力 球 轴 承 ,且 丝 杠 又 进 行 了 预 拉 伸 ,故 其 拉 压 刚度 可 以 提 高 4 倍 .其 实 际 变 量 (mm)为 : 1= 1=0.7210-2 mm2） 、 滚 珠 与 螺 纹 滚 道 间 接 触 变 形 2查 图 4-7W,系 列 1 列 2.5 圈 滚 珠 与 螺 纹 滚 道 间 接 触 变 量 Q Q=6.4 m因 进 行 了 预 紧 , 2=1/2 Q=1/26.4=3.2 m3） 、 支 承 滚 珠 丝 杠 轴 承 的 轴 向 接 触 变 形 3采 用 8107 型 推 力 球 轴 承 ， d1=35mm,滚 动 体 直 径 dQ=6.35mm,滚 动体 数 量 Z=18 c=0.0024 32ZdFQm=0.0024 =0.0060mm32185.6注 意 :此 公 式 中 Fm 单 位 应 为 kgf考 虑 到 施 加 预 紧 力 ,故 3=1/2 C=1/20.0060=0.003mm4） 、 根 据 此 上 计 算 = 1+ 2+ 3=0.0072+0.0032+0.003=0.0107mm nk (一 般 nk=2.54)mKF1.4072956此 滚 珠 丝 杠 不 会 产 生 失 稳 。3.3.3 纵向及横向滚珠丝杠螺母副几何参数：其 几 何 参 数 如 表 3-1 所 示 。表 3-1 W1L2506 及 W1L2505 滚珠丝杠的几何参数名 称 符 号 W1L2506 W1L2505公 称 直 径 d0 25 25导 程 L0 6 5接 触 角 422 339钢 珠 直 径 dq 3.969 3.175滚 道 法 面 半 径 R R=0.52 dq 2.064 1.651偏 心 距 e e=(R- dq/2)sin 0.056 0.040螺纹滚道螺 纹 升 角 =arctg(L0/ )422 339螺 杆 外 经 d d=d0-(0.20.25)dq 24.365 24.365螺 杆 内 经 d1 d1= d0+2e-2R 21 21.778螺杆螺 杆 接 触 直 径 dz dz=d0-dqcos 21 21.831螺 母 螺 纹 直 径 D D=d0-2e+2R 29 29 螺母 螺 母 内 经 D1 D1= d0+(0.20.25) dq 26 263.4 齿 轮 传 动 比 计 算3.4.1 纵向进给齿轮箱传动计算已 确 定 纵 向 脉 冲 当 量 P=0.01,滚 动 丝 杠 导 程 L0=6mm,初选 步 进 电 动 机 步 距 角 0.750,可 计 算 也 传 动 比 i：i= =3600.01/0.756=0.8Lbp可 选 定 齿 轮 数 i= = 或21Z4035故 齿 轮 齿 数 为 ： Z1=32， Z2=40， 或 Z1=20， Z2=25 3.4.2 横向进给齿轮箱传动计算已 确 定 横 向 脉 冲 当 量 P=0.005,滚 动 丝 杠 导 程 L0=5mm,初选 步 进 电 动 机 步 距 角 0.750,可 计 算 也 传 动 比 i：i= =3600.005/0.755=0.48Lbp考 虑 到 结 构 上 的 原 因 ， 不 使 大 齿 轮 直 径 太 大 ， 以 免 影 响 到 横 向 溜 板的 有 效 行 程 ， 故 此 处 采 用 两 级 齿 轮 减 速 ； 24、 40 i= =21Z432505故 齿 轮 齿 数 为 ： Z1=24， Z2=40， Z3=20 Z4=25因 进 给 运 动 齿 轮 受 力 不 大 ， 模 数 m 取 2， 有 关 参 数 请 参 照 表 3-2。表 3-2 传动齿轮几何参数齿 数 30 40 24 40 20 25分 度 圆 d=mz 64 80 48 80 40 50齿 顶 圆 da=d+2m 68 84 52 84 44 54齿 根 圆 df=d-21.25m 59 75 43 75 35 45齿 宽 (610)m 20 20 20 20 20 20中 心 距 A=(d1+d 2)/2 72 64 453.5 步 进 电 动 机 的 计 算 和 选 型3.5.1 纵向进给步进电动机计算（ 1） 、 计 算 步 进 电 动 机 负 载 转 矩 Tm根 据 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 所 承 受 的 进 给 牵 引 力 Fm 计 算 步 进 电 动 机 的 负载 转 矩 Tm。Tm= NFbp .159.07284.36式 中 P脉 冲 当 量 （ mm/step）Fm进 给 牵 引 力 p步 进 电 动 机 的 步 距 角 （ ） 电 动 机 到 丝 杠 的 传 动 效 率 ， 为 齿 轮 ， 轴 承 和 丝 杠 效 率 之 积 ，分 别 为 0.98， 0.99， 0.94。（ 2） 、 估 算 步 进 电 动 机 启 动 转 矩 Tq根 据 负 载 转 矩 Tm 除 于 一 定 的 安 全 系 数 来 估 算 步 进 电 动 机 启 动 转 矩Tq。Tq= N3875.01.30（ 3） 、 计 算 最 大 静 转 矩 Tjmax查 数 控 指 导 书 表 4-22， 如 取 五 相 十 拍 时 ， 则Tjmax= qN07951.38（ 4） 、 计 算 步 进 电 机 空 载 起 动 频 率 和 切 削 的 工 作 效 率fk= Hz.max301.6201pvfe= Hz.8ps式 中 fk步 进 电 动 机 快 速 进 给 时 的 最 大 空 载 启 动 频 率fe步 进 电 动 机 切 削 时 的 最 大 工 作 频 率vmax运 动 部 件 最 大 快 速 进 给 速 度vs最 大 切 削 进 给 速 度 p脉 冲 当 量（ 5） 、 初 选 步 进 电 动 机 型 号根 据 最 大 静 负 载 转 矩 Tjmax 选 步 进 电 动 机 型 号 ， 查 表 4-23 中 查 出130BF001 型 的 最 大 静 负 载 转 矩 Tjmax=9.31N.mTjmax 满 足 要 求 ，130BF001 型 步 进 电 机 允 许 的 最 高 空 载 起 动 频 率 为 3000HZ 运 行 频 率 外16000HZ。（ 6） 、 等 效 转 动 惯 量 计 算 计 算 简 图 见 图 3-2。 传 动 系 统 折 算 到 电 动 机 轴 上 的 总 的 转 动 惯 量(kg.cm2)可 由 下 式 计 算 ：J=Jm+J1+ (J2+ Js)+ 2Z20LgG其 中 ： Jm -步 进 电 机 转 子 转 动 惯 量J1 J2-齿 轮 Z1 Z2 转 动 惯 量Js-滚 珠 丝 杆 转 动 惯 量参 考 同 类 型 机 床 ， 初 选 混 合 式 步 进 电 动 机 130BF， 其 转 子 转 动 惯 量 ：Jm =4.7kg.cm2J1=0.7810-3 L1=0.7810-3 2=2.62kg.cm24d4.J2=0.7810-3 L2=0.7810-3842=6.39 kg.cm2Js= 0.7810-354120=58.5 kg.cm2G=800N代 入 公 式 ：=Jm+J1+ (J2+ Js)+ 2Z20LgG= 26.89)5.3.6(40.274=49.326kg.cm2考 虑 步 进 电 动 机 与 传 动 系 统 惯 量 匹 配 问 题JM/J =4.7/49.326=0.0953基 本 满 足 惯 量 匹 配 的 要 求（ 7） 、 电 动 机 力 矩 的 计 算机 床 在 不 同 的 工 况 下 ， 其 所 需 转 矩 不 同 ， 下 面 分 别 按 各 阶 段 计 算 ：1） 、 快 速 空 载 起 动 力 矩 M 起M 起 = Mamax +Mf+M0Mamax=J .= = 2max106tnJatn6012mxnmax= 30maxbpv将 前 面 的 数 据 代 入 式 中 各 符 号 意 义 同 前 。nmax= = =417r/min.360maxbpv3605.2起 动 加 速 时 间 ta=30msMamax=J . = = 2x16atnJatn6012mx= =717.63N.cm203.423.49折 算 到 电 动 机 轴 上 的 摩 擦 力 矩 Mf:Mf= N.cm857025.1806)(.2)(100 ZLGFfiLz一 般 取 =0.70.85附 加 摩 擦 力 矩 M0：cmNzLFiLFmpo.58190267 )9.01(25.806431)(/231)( 22010 上 述 三 项 合 计 ：M 起 = Mamax+Mf+M0=717.63+70.85+111.58=900N.cm2)、 快 速 移 动 时 所 需 要 力 矩 M 快 ：M 快 = Mf+ M0=70.85+111.58=182.43N.cm最 大 切 削 负 载 时 所