【JG009】C6136经济型数控车床改造[2A0]
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【JG009】C6136经济型数控车床改造[2A0],jg009,c6136,经济型,数控车床,改造,a0
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山东大学 毕业设计（论文） 题 目： 济型数控车床改造 专 业： 机电一体化工程 学 生： 准考证号： 指导老师： 毕业设计（论文）时间： 年 月 日 年 月 日 山东大学本科毕业（设计） 摘 要 车床经济型数控改造是改变机床进给量系统，主轴转速等加工实现自动化。以便提高加工速度和精度，实现现代加工要求。本设计由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快。经济型数控系统功能强，可靠性稳定，功率增大，结构简单，维修方便，还大大提高生产效率，创造更大的经济效益。本次设计为机床进给伺服系统机械部分设计和数控系统硬件电路设计等。 经济型数控是我国 80 年代科技发展的产物。这种数控系统由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快，成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术 之一。 十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是 80 年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更 大的经济效益。 关键词 ：自动化 ； 伺服系统 ； 硬件 山东大学本科毕业（设计） NC is to as In to of it to NC is to of 0 s it to 75, 85 of to a so a As of to C, s in s be a to to NC in of 0s of a of in by of of 目 录 第 1 章 绪论 . 数控机床的发展趋势 .东大学本科毕业（设计） 2 车床进行数控改造的必要性 . 数控化改造的优缺点 . 机床数控化改造的设计步骤及意义 . 2 章 设计方案的确定 . 设计目的 . 设计任务 . 设计依据及主要技术指标 . 设计作业要求及对学生的要求 . 3 章 设计内容 .,. 总体方案确定及框图 . 机床进给伺服系统机械部分设计计算及校核 . . 数控机床加工程序编制 . 4 章 总结 .考文献 .谢 .山东大学本科毕 业设计（论文） 1 第一章 绪 论 1、 数控机床的发展趋势 为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，数控未来仍然继续向开放式、高速化和高精度化、智能化等方向发展 。 1、开放式 ， 为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要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 。 2、高速化 ， 机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制 造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。 3、 随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高 ， 随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展 。 4、 智能化 ， 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面。 （ 1）应用自适应控制技术 数控系统能检测 过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （ 2）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （ 3）引入故障诊断专家系统 （ 4）智能化数字伺服驱动装置 山东大学本科毕 业设计（论文） 2 综上所述，由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。 2、 车床进行数控改造的必要性 微观看改造 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 。 宏观看改造的必要性 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。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 而日本在 1994 年已达 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。 3、 数控化改造的优缺点 山东大学本科毕 业设计（论文） 3 减少投资额、交货期短 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，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高 2 3 倍，与购置新数控机床相比，只能节省投资 50%左右。 机械性能稳定可靠，结构受限 所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 熟悉了解设备、便于操作维修 购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转 。 可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 可以采用最新的控制技术 可根据技术革新的发展速度，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，将旧机床改成当今水平的机床。 4、 机床数控化改造的设计步骤及意义 将普通机床改造为数控机床，是一项技术性很强的工作，其改造设计的一般过程如下： 1 对加工对象进行工艺分析，确定工艺方案； 2 分析被改造机床，确定工艺方案； 3 拟定技术措施，制定改造方案； 4 选用数控装置； 5 进行机床改造的技术设计； 山东大学本科毕 业设计（论文） 4 6 绘制机床改造的工作图； 7 整机安装调试。 以上步骤，可以根据实际情况，相互穿插，有时要反复进行，直至达到改造要求为止。 机床数控改造的意义 ： 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。 机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成（那些受资金等条件限制，而将传统机床改装成建议数控 机床的另当别论）。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。并不是所有的旧机床都可以进行数 控改造，机床的改造主要应具备两个条件：第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。 1）轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。 2）进给运动： 进给速度： 常为 8 400mm/ 常为 2 100 mm/ 山东大学本科毕 业设计（论文） 5 快速移动： 常为 4m/ 常为 3m/ 脉冲当量：在 选取，通常 向的 2倍。 加工螺距范围：包括能加工螺距类型（公制、英制、模数、径节和锥螺纹等），一般螺距在10内都不难达到。 3）进给运动驱动方式（一般都选用步进电机驱动）。 4）给运动传动是否需要改装成滚珠丝杠传动。 5）刀架是否需要配置自动转位刀架，若配置需要确定工位数。6）其他性能指标选择：插补功能：车床加工需具备直线和圆弧插补功能。刀具补偿和间隙补偿：为了保证一定的加工精度，一般需考虑设置刀补和间隙补偿功能。 显示：采用数码管还是液晶或者显示器显示，显示的位数多少等问题要根据车床加工功能实际需要确定，一般来说，显示越简单成本越低，也容易实现。 诊断功能：为防止操作者输入的程序有错和随之出现的错误动作，可在数控改造系统设计时加入必要的器件和软件，使其能指示出机床出现故障或者功能失效的部分等，实现有限的诊断功能。 以上是车床数控改造时需要考虑的一些通用性能指标，有的车床改造根据需要还会有些专门的要求，如车削大螺距螺纹、在恶劣的环境下工作的防尘 干扰、车刀高精度对刀等，这个时候应有针对性的专门设计。 3 车床数控改造方案选择 当数控车床的性能和精度等内容基本选定后，可根据此来确定改造方案。目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。因此，较典型的车床数控改造方案可选择为：配置专用车床数控改造系统，更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。 目前较典型的经济型专用车床数控改造系统具有下 列基本配置和功能： 1）采用单片微机为主控 有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。 2） 配有步进电机驱动系统，脉冲当量或控制精度一般为： Z 为 X 向为 设计（论文） 6 （要与相应导程的丝杠相配套）。 3）加工程序大多靠面板按键输入，代码编制，掉电自动保护存储器存储；可以对程序进行现场编辑修改和试运行操作。 4）具有单步或连续执行程序、循环执行程序、机械极限位置自动限位、超程报警，以及进给速度程序自动终止 等各类数控基本功能。 山东大学本科毕 业设计（论文） 7 第二章 设计方案的确定 通过毕业设计，学习了系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深时所学知识的理解，并且通过毕业设计的实践扩大和补充了知识，使认识提高到一个新的水平，通过毕业设计的实践，培养了调查研究的习惯和工作能力，练习查阅资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理选择设计计算公式，正确计算，并能以图纸和说明书表达设计的思想和结果，通过毕业设计，不但提高了解决具体问题的独立工作能力，具体动脑动手能力，而且建立了正确的设 计和科研思想，加强了科学性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度 。 (1) 要求： 将 床改造成用 51 系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：横向： 2) 设计参数： 最大加工直径： 在床面上： 360床鞍上： 200大加工长度： 1000进速度： 纵向： 向： 大进给速度： 山东大学本科毕 业设计（论文） 8 纵向： 向： 码制： 冲分配方式：逐点比较法 输入方式：增量值，绝对值通用。 控制坐标数： 2 最小指令值： 纵向： 向： 具补偿量： 0给传动链间隙补偿量： 纵向： 向： 动升降速性能： 有 (3)工作量： 机床改造总图； 进给伺服系统一个坐标轴（纵向或横向）的机械装配图： 单片机控制系统电路原理图； 设计计算说明书。 控制系统总体方案的分析论证的及控制标准图 机械部分设计计算及结构设计说明 山东大学本科毕 业设计（论文） 9 硬件电路部分设计说明 加工程序控制及说明 设计依据： 在 有车床基础上进行数控化改造，主要是滚珠丝杠副、步进电动机、数控系统的选择设计。 1 根据切削力大小计算滚珠丝杠副应承受的最大动载荷，从而选择滚珠丝杠副； 2 由减速齿轮 滚珠丝杠的转动惯量，求得步进电动机的转动惯量、转矩，据此选择步进电动机； 3 依据机床的受控动作，设计数控系统，将机械行动的进给和手动控制的刀架转位改成由单片机控制的自动进给和刀架的自动转 位，实现自动加工。 主要技术参数： 1开环控制，两轴联动； 2纵向脉冲当量 冲，横向脉冲当量 冲； 3 故障自诊断功能，能与 通信 （包括：技术要求、工作要求、图纸要求、写作要求等）工作要求： 1 车床 X、 2数控系统框图及硬件接线图的绘制； 3环形分配子程序和直线插补子程序的框图设计与程序编写。 图纸要求： 山东大学本科毕 业设计（论文） 10 两张以上 达清楚，无明显结构错误，打印。 写 作要求： 设计说明书要求叙述清楚，打印。 设计对学生要求 主要任务： 学生应在指导教师指导下独立完成一项给定的设计任务，编写符合要求的设计说明书，并正确绘制机械与电气工程图纸，独立撰写一分毕业论文，并绘制有关图表。 知识要求： 学生在毕业设计工作中，应综合运用多学科的理论、知识与技能，分析与解决工程问题。通过学习、钻研与实践，深化理论认识、扩展知识领域、延伸专业技能。 能力培养要求： 学生应学会依据技术课题任务，完成资料的调研、收集、加工与整理，正确使用工具书；培养学生掌握有关工程设计的程序、方法与技术规范 ，提高工程设计计算、图纸绘制、编写技术文件的能力；培养学生掌握实验、测试等科学研究的基本方法；锻炼学生分析与解决工程实际问题的能力。 综合素质要求： 通过毕业设计，学生应掌握正确的设计思想；培养学生严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风；在工程设计中，应能树立正确的生产观、经济观与全局观。 山东大学本科毕 业设计（论文） 11 第三章 设 计 内 容 (1)、总体方案的确定 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车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、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。 计算机系统 根据机床要求，采用 8 位微机。由于 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 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。 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。为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。 (2)、设计方案 系统运动方式的 确定 数按系统运动方式可分为点位控制系统、点位 /直线系统和连续控制系统 伺服系统的选择 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。 山东大学本科毕 业设计（论文） 12 开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向送的。 指令发出后， 不再反馈回来，故称开环控制。开环系统主要由步进电机驱动。 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位流伺服电机驱动。 半闭环控制系统与闭环系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元件出驱动轴的转角，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。 执行机构传动方式的确定 为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐 振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点： 尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。 尽量肖除传动间隙。例如采用隙齿轮等。 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。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。 计算机的选择 微机数控系统由 储器扩展电路、 I/O 接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。 (3)绘制总体方案框图 山东大学本科毕 业设计（论文） 13 微机光隔离功率放大功率放大光隔离步进电机 (1)确定系统的脉冲当量 根据数控机床精度要求确定脉冲当量 2) 计算切削力 横切端面 查综合作业指导书 式中 车床床身上加工最大直径横切端面时主切削力 可取纵切时 21 a x : 8 7 621 式中 走刀方向的切削力（ N） 垂直走刀方向的切削力（ N） 山东大学本科毕 业设计（论文） 14 NF x 8 NF y 8 (3)滚珠丝杆螺母副的设计、计算、选型 计算进给牵引力 横向进给选为三角型或综合导轨 参考机床设计手册 查阅综合作业指导书 式中： 切削分力（） G 移动部件的重量（ N） 表 100N f 滑动导轨摩擦系数，随导轨形式而不同 取 f =K 考虑颠复力矩影响的实验系数 取 K= 2 8 计算最大动负载 C 选用滚珠丝杆导轨 参考机床设计手册 查阅综合作业指导 书 式中： L 寿命，以 610 转为一单位 n 丝杆转速（ r/ 为最大切削条件下进给速度，可取最高进给速度的 1/2 山东大学本科毕 业设计（论文） 15 取 m 丝杆导程（ 初选 为使用寿命（ h） ,对于数控机床取 15000h 运转系数，查表 3 m 006 0 01 0 0 0 9010 1 50 0 01 00601060 66 滚珠丝杆螺母副的选型 查阅综合作业指导书 附表 采用 循环垫片调整紧的双螺母滚珠丝杆副， 1列 额定动负载为 9700N,精度等级按表 3级。 传动效率计算 螺旋升角， 933 摩擦角取 01 滚动摩擦系数 33t an t 刚度验算 横向进给丝杆支承方式图所示，最大牵引力 承间距 350丝杆长度较短，不需预紧螺母及轴承预紧。 山东大学本科毕 业设计（论文） 16 计算如下 : 丝杆的拉伸或压缩变形量 1 (查阅综合作业指导书 图 3据 =25出 可算出： 51 滚珠与螺纹滚道间接触变形量 2 查图 3 进行了预紧 支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形3采用推力球轴承 8104 查阅 机床设计手册 d=20动体直径量 Z=13 223 2 综合以上几项变形量之和： 0 7 321 定位精度 山东大学本科毕 业设计（论文） 17 稳定性校核 计算临界负载) 2 式中 :E 材料弹性模量 ( 2/ I 截面惯性矩 ( 4 L 丝杆两轴承端距离 ( 丝杆支承方式系数，从表 端固定，一端简支 ( 441 2 6 3 450 622 一般 ,所以 横向滚珠丝杆副的几何参数 (其参数如表 1） 表 参数名称 符号 关系式 称直径 东大学本科毕 业设计（论文） 18 螺 纹 滚 道 导程 触角 933 钢球直径 道法面半径 R 心距 e s 纹升角 33 螺 杆 外径 d qo 径 1d o 221 触直径 2d co s2 qo 母 螺纹直径 D 2 径 1D qo 东大学本科毕 业设计（论文） 19 (4)齿轮传动比计算 横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向脉冲当量 ，滚珠直径导程初选步进电动机步距角 计算传动比 i : 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有行程，故此处可采用两级齿轮降速。 25,20,40,2425204024545343214231因进给运动齿轮受力不大，模数 ，有关参数参照表 2 表 2: 传动齿轮几何参数 齿数 Z 24 40 20 25 分度圆 d=8 80 40 50 齿顶圆 52 84 44 54 齿根圆 43 75 35 45 齿宽 (6m 20 山东大学本科毕 业设计（论文） 20 中心距 2 21 64 45 横向步进电机计算和选型 初选步进电机 a 计算步进电机负载转矩 式中 : p 脉冲当量，取 进给牵引 力 (N) b 步距角，初选双拍制为 电机 丝杆传动效率为齿轮、轴承、丝杆效率之积分别为 2 、 2 b 估算步进电机起动转矩的安全系数来估算步进电机起动转矩 设计（论文） 21 一般横向进给伺服系统取 c 计算最大静转矩 9 5 a x T a x d 计算步进电机运行频率率f 60100001000 m 式中 : 最大切削进给速度 最大快移速度 p 脉冲当量，取 6 0 0601 0 0 0 3 0 0601 0 0 0 m a x e 初选步进电机型号 山东大学本科毕 业设计（论文） 22 根据估算出的最大静转矩查出 90大静转矩为 该选用稍大转矩的步进电机，以留有一定余量，另一方面与国内同类型机床进行类比的要求。决定采用 90从 综合作业指导书 进电机最高空载启动频率为 4000足空载时要求。 校核步进电机转矩 前面所述初选步进电机的转矩计算，均为估算，初选后，应该进行校核计算。 等效转动惯量计算 计算简图见图 2，根据表 3二对齿轮降速时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量 2可由下式计算 : 242433222112 式中 :321 、 齿轮321 、及其轴的转动惯量 2 4J 齿轮 4Z 的转动惯量 2 丝杆转动惯量 2 丝杆导程 (G 工件及工作台重量 (N) G=800(N) a 齿轮、轴、丝杆等圆柱体惯量计算 表 3 对于钢材， 34 式中 :M 圆柱体质量 山东大学本科毕 业设计（论文） 23 D 圆柱体直径 (L 圆柱体长度或原长 (钢材的密度为 24314131 8 2 24324232 24334333 3 9 24344434 9 7 24343 因此 24243322211 2 基本满足惯量匹配的要求。 b 电机转矩计算 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） 快速空载起动转矩 M 山东大学本科毕 业设计（论文） 24 在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算如下： m a M 快速空载起动转矩 空载起动时折算到电机轴上的摩擦转矩 折算到电机轴上的摩擦转矩 由于丝杆预紧时折算到 电机轴上的附加摩擦转矩 在采用丝杆螺母副传动时，上述各种转矩 可用下式计算： 2m a a xm a x 106021060 aa 360m 式中 :J 传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 2 电机最大角速度 2 电机最大转速 运动部件最快速度 p 脉冲当量 b 步进电机的步距角 运动部件从停止到起动加速到最大快进速度所需时间 (s) 山东大学本科毕 业设计（论文） 25 m i 60 0 0 03 6 0 m a xm a x 起动加速时间0( m a xm a x 折算到电机轴上的摩擦转矩2 8 3512 导轨的摩擦力 (N) 垂直方向的切削力 (N) G 运动部件的总重量 (N) f 导轨摩擦系数，取 f =i 齿轮降速比 传动链总效率，一般可取 附加摩擦转矩 : 山东大学本科毕 业设计（论文） 26 212 式中 : 滚珠丝杆预加负荷，一般取N) 滚珠丝杆导程 (o 滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取 9.0o 2 13112 22 上述三项合计 : a 快速移动时所需转矩 M 最大切削负载时所需要的转矩 M 2式中 : 折算到电机轴上的切削负载转矩 52 从上面计算看出 M 、 M 、 M 三种工况下，以快速空载所需转矩最大，即以此项作为校核步进电机转矩的依据。 从表 3步进电机为五相十拍时为 9 5 a x M山东大学本科毕 业设计（论文） 27 则最大静转矩为 : 99 2m a 出 90大转矩为为 245 ，大于所需最大静转矩，可以满足此项要求。 校核步进电动机起动矩频特性和运行矩频特性 前面已经计算出机床最大快移时，需步进电机的最高起动频率削进给时所需步进电机运行频率表 3查出 90步进电机允许的最高空载起动频率为 4000行频率为16000从图 330 当快速运动和切削进给时， 90 (6) 进给伺服系统机械部分结构设计 机械部分结构设计的任务是画出进给伺服系统的装配图，用以表达设计构思、设计特点及计算结果，进给伺服系统总图设计： 横向进给伺服系统总图设计 横向进给机构可以从俯视图看出，横向进给的齿轮箱和步进电机装在床鞍后面，滚珠丝杆也需用盖板保护。横向进给的手柄可以拆除也可保留， 将原机的方刀架拆除，改装自动回转刀架，由计算机控制，根据程序，自动转位、夹紧。从总图中可以看到带动 刀架回转的微型电机、齿轮箱。 总体图上还画出此车床上加工螺纹的部件光电编码器在数控车床上，利用光电编码器装在主轴或主轴箱中与主轴保持一定传动比的伸出轴上，当主轴旋转一圈时，光电编码器就发出一定数量的脉冲，输入到计算机中，经过计算机的运算控制步进电机，带动滚珠丝杆，使刀架进给一定的螺距。而附录 E 中光电编码器用弯板装在主轴箱左端面，通过弹性联轴器与山东大学本科毕 业设计（论文） 28 主轴箱中一伸出轴相连。因伸出轴不可能与弹性联轴器孔的尺寸完全一致， 故还要设计一个中间过渡套。 控制面板上有数码显示，按键、各种指示灯及开关，注意设计时要与硬件电路图一致。 进给伺服系统的装配图 经过计算，已知横向进给系统采用 90步进电机。经过二对齿轮减速，齿轮齿数25204024 4321 ， 。齿轮模数 m=2,滚珠丝杆直径为 25od 滚珠丝杆螺母选用的是外循环沟槽式垫片调隙 行应保证足够应考虑以上问题 设计应保证足够的行程， 床面上加工最大尺寸为 360向进给行程至少为 185中设计了两对减速齿轮，减小了齿轮箱体的高度，使横向拖板运动时，防尘盖 11 不致和箱体上盖 4 干涉，从图中可以看出横向拖板 12 最大运动距离为200外还需注意从横向拖板装刀架的中心到主轴中心的距离必须大于等于行程与方刀架21见方及刀头伸出度之和，设计时应注意，主轴中心与床身中心并不重合， 床此尺寸为 520 200，刀头伸出长度为 30 滚珠丝杆与横向导程的平行度应小于 达到此要求，可在镗床上对床鞍两边的装轴承孔在一次装卡中镗出。 为保证滚珠丝杆转动轻快灵活，无阻滞现象，必须使滚珠螺母与两端轴承同轴。在本设计中，滚珠螺母 14 与横向拖板 12 之间装有一垫片，通过水平面内滚珠螺母，在垂直面内与两端支承同轴，在通过内六角螺钉 20的过孔，调整水平面内滚珠螺母与两端支承同轴，调整好以后，打入定位销 21。 滚珠丝杆左 右各采用一对径向轴承，在右端又采用一对止推轴承，以承受轴向力。当丝杆受到向右的轴向力时，通过丝杆台阶传给止推轴承 15 动圈，经钢珠传给止推轴承 15 不动圈，再通过挡圈，一对径向轴承 16的外圈传给法兰盘再传到床鞍上。丝杆受到向左的轴向力通过丝杆右端的圆螺母传给止推轴承的动圈钢珠，经不动圈传给法兰盘、床鞍，此处必注意丝杆所受的轴向力必须传到床鞍等固定体上。另外，要注意止推轴承不动圈和轴颈之间必山东大学本科毕 业设计（论文） 29 须画出间隙。 双片消隙齿轮的中间开有三个月牙形的槽放入压簧，并用三个内六角螺钉固定（ 面），这种消 隙齿轮的装配顺序 :首先将双片齿轮相对转过一个齿距，使双片齿轮的齿对齐，弹簧 40 受压，上紧螺钉 29，装入箱体后将螺钉 29 松开，弹簧 40 将双片齿轮沿周向错开，以消除与齿轮 43 的间隙，此时在将螺钉 29 上紧（因而在设计时，箱壁上要留有可伸入六角扳手的孔，弹簧两端用削扁的销子 41 压住）此设计中应注意箱体中留足够的扳手空间，双片齿轮 5用二个六角螺钉固紧，六角扳手可以齿轮箱体上端面伸入（端盖拆下），六角螺钉和滚珠丝杆在轴向留有足够的空间，但此空间也不宜留得过大，以免加大箱体尺寸，双片齿轮 8采用三个开槽螺钉紧固。螺丝刀需从 箱体左面孔中伸入（拆去端盖 3）。 90步进电机轴为平键，为防止运转过程中齿轮 25 从电机上松动滑出，在齿轮 25的轮毂上装一顶丝 27，（电机轴上钻一小窝）并用铅丝在顶丝口处与齿轮轮毂缠住以防松。 3. 附录 H 图 用 列单片机组成的控制系统，该系统采用 8031 作 展了两片 2764芯片、一片 6264芯片、两片 8155可编程并行 I/ 控制系统的功能 1 向进给伺服系统运动 2键盘显示 3自 动转位刀架控制 4螺纹加工控制 5面板控制 6行程控制 7 其他功能 报警电路、急停电路、复位电路、光隔离电路、功能电路等。 储器及 I/山东大学本科毕 业设计（论文） 30 031芯片，选用 6的16位地址线由4供 8位地址70 ，高 8位地址158 由 8031的 2P 口直接提供。 低电平时选通外部存储器（ 相应的指令字节出现在 0 ）上，输入到8031将指令读入。 8031被初始化复位，在复位有效期向 地址开始执行程序。（故设计 中一定有一片 2764芯片连到 740Y）设计中采用上电复位和开关复位。另外，两片 8155 的 与8031 的 们可同时复位。 8031 的0计数器溢出中断申请，由主轴后面的光电编码器输入。当车床车螺纹时，主轴光电编码器向 81030以控制不同导程的螺纹加工。光电编码器还发出一个零位螺纹信号，输入 8155(1)的6以防止车螺纹乱扣。 8155(1)主要用于功能键的控制，刀架转位控制以及报警等。其中 为输入口，50 作为功能键的控制管理，刀架控制编辑、空运行、自动、手动 I，手动 回零。也是输入口，40 由面板上的按键分别控制起动、暂停、单段、连续、急停等功能。5自动转位刀架按指令转位、 夹紧，刀架电机停转之后，发出此信号，开始
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