北京理工大学机电一体化综合作业论文.docx

第一章 综合作业任务书1. 题目：CA6140车床数控化改造纵向伺服进给单元设计2. 设计任务：(1)根据机床总体布局，确定机械传动系统方案，确定微机控制系统方案；（2）进行机械传动系统机构的设计计算，绘制机械装配图及其部分零件图;(3)进行微机控制系统功能实现技术分析，设计微机扩展和接口电路，绘制控制系统原理图；（4）分析下图所示零件的数控加工工艺，编制数控加工程序;(5) 撰写设计说明书一份。3给定条件：（1）纵向移动部件总重量 150kg(2)纵向运动分辨率 优于0.01mm（3）最大移动速度（快进） 600mm/min（4）最大进给速度(工进) 800mm/min（5）横向进给切削力（X向）2000N（6）垂直切削力（Y向） 5000N（7）纵向切削力（Z向） 1300N4设计要求：（1）机械结构设计合理，原理正确，制图符合国家标准，图面整洁；（2）微机控制系统功能完备，包括微机部分，人机交互部分和电机控制部分；微机部分扩展16K程序存储器容量，16K数据存储器；人机交互部分的数据和程序输入采用4行8列的行列式键盘，状态和信息显示采用8位8段LED数码限管；4个行程限位信号（车床纵向和横向运动）及工作方式采用开关量信号输入；电机控制部分包括车床两个进给轴的控制（本次设计不要求主轴电机的控制），电机控制采用软环分和高低压驱动；（3）设计说明书论述清楚，计算无误，数值明确，引用公式及资料有出处。第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算 第一节确定系统脉冲当量 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。经济型数控车床采用的脉冲当量是0.01-0.005mm/脉冲。此时取脉冲当量为0.01mm。 第二节切削力的计算一 、用经验公计算主切削力例如车床的主切削力Fc（Fy）(N)可用下式计算：纵车外圆， FC=0.67Dmax1.5式中Dmax车床床身上加工最大直径（mm）,横切端面时主切削力Fz可取纵切时Fz的1/2。 求出主切削力FC后再按以下比例求出进给抗力Ff（FX）, 吃刀抗力Fp（FZ）。FC：Ff：Fp=1：0.25：0.4式中Ff-走刀方向的切削分力（N）；Fp-垂直走刀方向的切削分力（N）。二、按切削用量计算切削力外圆车削时切削力计算Fc= 9.81 CFc apxFc (60v)nFcKFcFp=9.81 CFpapxFpfyFp(60v)nFpKFpFf=9.81 CFfapxFffyFf(60v)nFfkFf式中F、F，F主切削力、切深抗力、进给抗力（N）；a切削深度（）；切削速度（）；进给量（）；KFc,KFp,KFf总修正系数，包括由于工件材料强度，硬度改变，刀具几何角度不同等因素对切削力的修正系数 。三、按照机床主电机工率计算其具体方法如下：Pc=Ph式中 Pc切削功率（KW）；P机床主传动功率（KW）；h主传动系统总的机械效率，可近似地取以下数值得：精密机床h=0.8-0.85中型机床h=0.75-0.8大型机床h=0.7-0.85 Mn =9550Pch式中 Mn主轴传递的扭矩（Nm）; n主轴计算转速（r/min）,是主轴传递全部功率时的最低转速。Fc=2Mn103/d式中 FC主切削力（N）；D工件直径可采用在床鞍上加工的最大直径。主切削力求出以后再按比例求出F，F。但此时任务书上给定：主切削力（FC）Fy=5000N，进给抗力（Ff）FX=2000N, 吃刀抗力（Fp）FZ=1300N。第三节 滚珠丝杠螺母副的计算、设计和选型一、 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。因而其数值大小和导轨的形式有关。Fm（N）计算公式如下次：矩形导轨：Fm=KFx+f(Fy+Fz+G) 燕尾形导轨:Fm=KFx+f(Fy+2Fz+G)三角形或综合导轨：Fm=KFx+f(Fy+G)钻镗主轴圆导轨：Fm=(1+0.5f)Fx+2fM/dz=Fx+2fM/dz式中Fx、 Fy、 Fz 切削分力（N）；G移动部件的重量（N）；M主轴上的扭矩（Nm）；dz主轴直径（cm）；f导轨上的摩擦系数，随导轨形式而不同；f轴套和轴架以及主轴的键上摩擦系数；K考虑颠覆力矩影响的实验系数。正常情况下，K、f、及f可取下列数值：矩形导轨 K=1.1 f=0.15燕尾形导轨 K=1.4 f=0.2三角形或综合导轨 K=1.15 f=0.15-0.18钻镗主轴圆导轨 f=0.15上列摩擦系数f均是指滑动导轨，如果采用贴塑导轨f=0.03-0.05；滚动导轨f=0.0025-0.005；静压导轨f=0.0005。纵向进给为综合导轨，所以： Fm=KFx+f(Fy+G)=1.15*2000+0.16(5000+1500)N=3340N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;G-溜板及刀架重力，取1500N。二、 计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C,可用下式计算：C=3LfwFmL=60nT/106n=1000Vs/L0式中L-寿命，以106转为一单位；n丝杠转速（r/min）;Vs 为最大切削力条件下的进给速度（m/min）,可取最高进给速度的1/2-1/3;L0丝杠导程（mm） 此时取L0=6mmT为使用寿命（h），对于数控机床取15000hfw运转系数，见下表。运转系数运转状态 运转系数无冲击运转 1.0-1.2一般运转 1.2-1.5有冲击运转 1.5-2.5 n=1000Vs/L0=10000.80.5/6=66.67r/minL=60nT/106=6066.671500/106=60C=3LfwFm=3601.23340N=15690.8N三、 计算最大静负载C0当滚珠丝杠副在静态或低速（n10r/min)情况下工作时,滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生塑性变形,当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作.一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生这样大的塑性变形量时的负载称为允许的最大负载C0。 C0=fsFmax式中 Fmax滚珠丝杠的最大轴向负荷，（N）； fs静态安全系数，当为一般运转时fs=1-2，当有冲击或振动时,fs=2-3。 选用相应的滚珠丝杠副的额定载荷Coa,使C0Coa。 C0=fsFmax=25000N=10000N四、 滚珠丝杠螺母副的选型查阅综合作业指导书附录A表A-3，可采用W1L5006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18200N大于最大动负载15690.8N，因此满足要求。精度等级按综合作业指导书表3-17选为3级（大致相当于老标准E级）。五、 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 h=tanr/tan(g+j)式中g丝杠螺旋升角 j-摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003-0.004，其摩擦角约等于10。h=tanr/tan(g+j)=tan2011/tan(2011+10)=0.95六、 刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：（1） 丝杠的拉伸或压缩变形量&1：在总的变形量中占的比重较大。可以用计算方法或查图表的方法决定。1） 计算法先用下式计算滚珠丝杠受工作负载FM的作用引起的导程L0的变化量L（mm）再计算滚珠丝杠总长度上的拉伸或压缩变形量&1。 L=FmL0/EF式中L在工作负载Fm作用下引起每一导程的变化量（mm）；Fm工作负载，即进给牵引力（N）；L0滚珠丝杠的导程（mm）；E材料弹性模数（N/mm2），对钢为20106N/mm2； F滚珠丝杠截面积（按内径确定）（mm2）。 “+”号用于拉伸，“-”号用于压缩。再计算滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩的变形量d1（mm）， d1=(L/L0)L最大牵引力为3340N。支承间距L=1500mm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 。 L=FmL0/EF=33406/(20.61041256)=0.774510-4mm d1=(L/L0)L=(0.774510-4/6)1500=1.93610-2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倍速，其实际变形量d11（mm）为：d11=(1/4)&1=0.48410-2(2)滚珠与螺纹滚道间接触变形d2：此项在总变形量中也占比较大的比重。当对丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的1/3时，d2之值可减少一半。查综合作业指导书图3-5，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量dQ； dQ=7.2um因进行预紧，d2=(1/2) dQ=0.3610-2mm(3)支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形d3，一般占的比重也比较大。不同类型的轴承的接触变形量d3可用不同的公式计算:此时采用8107型推力球轴承， d1=35mm,滚动体直径dQ=6.35mm, 滚动体数量Z=18, dC=0.00523Fm2dQZ2=0.00523334026.35202=0.00852mm因施加预紧力，故 d3=(1/2)0.00852=0.00426mm(4)滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量&4，一般占的比重较小，常忽略不计。（5）螺母座及轴承支座的变形，常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。因此根据以上计算： d=d1+d2+d3=0.00484+0.0036+0.00426=0.0127mm定位精度=0.015mm七、 稳定性验算对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。 产生失稳的临界负载FK可用下式计算：FK=fzT2EI/l2式中E丝杠材料弹性模量（N/cm2），对钢为20.6106N/cm2;I截面惯性矩(cm4)，对于丝杠为Td14/64(d1为丝杠螺纹的底径)；l丝杠两支承端距离（cm）;fz丝杠的支承方式系数，见下表 滚珠丝杠的支承方式系数方式 一端固定一端自由 两端简支 一端固定一端简支 两端固定fz 0.25 1.00 2.00 4.00滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。第四节 机床滚动导轨一、 对导轨的基本要机床上的运动部件（如刀架、工作台等）都是沿着床身、立柱、横梁等基础件上的导轨面运动的。因此导轨的功用就是支承和导向。所以导轨是支承运动部件并保证运动部件在外力（运动部件本身的重力、工件的重量、切削力、牵引力等）的作用下，能准确地沿着一定的方向运动。导轨性能的好坏，直接影响机床的加工精度、承载能力和使用性能。因此，导轨应满足以下基本要求：（1）导向精度 是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线性和它与有关基面之间相互位置的准确性。（2）精度保持性 是指导轨在长期使用中保持导向精度的能力。（3）低速运动平稳性 运动部件在导轨上低速运动或微量移动时，运动应平稳，无爬行现象。（4）结构简单、工艺性好 要便于加工、装配、调整和维修。二、滚动导轨的结构形式（1）滚珠导轨（图4-11）这种导轨结构紧凑、制造容易、成本较低，但由于是点接触，因而刚度低、承载能力较小，只适用于载荷较小（小于2000N）和切削力矩和颠覆力矩都较小的数控机床。导轨用淬硬钢制成，硬度为60- 62HRC(2)滚柱导轨（图4-12） 这种导轨的承载能力和刚度都比滚珠导轨大，适用于载荷较大的机床。但对导轨面的平行度要求较高，否则会引起滚柱的偏移和侧向滑动，使导轨磨损加剧和降低精度。(3)滚针导轨 滚针比滚柱的长径比大，由于直径尺寸小，故结构紧凑。与滚柱导轨相比，可在同样长度上排列更多的滚针，因而承载能力比滚柱导轨大，但摩擦系数也更大一些。它适用于尺寸受限制的场合。3.滚动导轨的预紧 滚动导轨经过预紧，可以显著地提高刚度。通常经过预紧的导轨的刚度可以比没有预紧的提高三倍左右。因此，对于颠覆力矩较大，或要求接触刚度或移动精度较高的导轨均应进行预紧。但预紧力过大会使牵引力显著增加。常用的预紧方法有两种：采有过盈配合和采用调整元件，（如图4-17所示）。4.滚动导轨几何参数的确定（1）滚动体尺寸和数目的选择滚动体直径愈大，滚动摩擦阻力及接触应力就愈小，滚动体的直径过小，则不仅摩擦阻力加大，而且还会产生滑动现象，所以在结构尺寸不受限制时，应尽可能选用较大的直径。滚珠和滚柱直径应不小于6-8mm。滚柱的长度应适当，过短会增加导轨面的压强，过长则会因滚柱的锥度误差引起载荷分布不均匀。一般淬硬钢制造的导轨，滚柱的长径比最好不超过1.5-2。滚动体的数目也应选择适当。滚动体数目过少，则导轨的制造误差将明显地影响动导轨的位置精度。随着滚动体数目过少，则导轨的制造误差将明显地影响动导轨的位置精度，随着滚动体数量的增多，不仅提高了动导轨的位置精度，还可以降低导轨的压强。通常每个导轨上每排滚子的数量最少为12-16个。但滚动体数目太多，则会出现载荷在滚动体上分布不均匀的现象，部分滚动体可能受不到载荷而不起作用，反而使刚度下降。可有下式确定每一导轨上滚动体数目的最大值ZG/9.5dZG4l式中Z、Z-滚珠、滚柱的数目； G-每一导轨上所分担的运动部件的重量（N）； -滚珠直径（）；-滚柱长度（）。在根据结构选择滚动体尺寸和数目后，还要验算滚动体的承载能力，发现不能满足要求时，可加大滚动体的直径或增加滚动体数目。对于滚珠导轨，由于承载能力与滚珠直径的平方成正比，因此增大滚珠直径比增大滚珠数目有利。对于滚柱导轨，增大直径和增加数目效果相同。（2）滚动导轨的长度滚动导轨长度的计算有三种不同的情况，可参照图4-18a、b、c三种情况分别计算。滚动导轨中的滚动体和保持架随着导轨移动，但其移动速度仅是动导轨移动速度的一半。如图4-18a所示滚动体与保持架长度LG（mm）为 LG=Ld+l/2式中 Ld-动导轨长度（mm）； l-动导轨行程长度（mm）。 支承导轨的长度L（mm）为 L=LG+l/2这种形式可保证在动导轨移动到两端极限位置时，滚动体刚好移动到支承导轨的边缘，因而使动导轨在全长上始终与滚动体相接触，滚动导轨的刚度较好。但是由于此种导轨有l/2的保持架中的滚子始终露在外面，因此，必须有导轨的防护装置。如图4-18b所示，动导轨的长度Ld（mm）为 Ld=LG+l/2支承导轨长度L（mm）为 L=Ld=LG+l/2此种形式对导轨防护有利，但由于动导轨仅在部分长度上与滚动体接触，因而接触刚度较差，只适用于载荷均匀分布或集中作用于动导轨中部的场合。如图4-18c所示，采用滚动导轨块时，动导轨的行程只受支承导轨长度的限制。5.滚动导轨的计算 滚动导轨的计算主要应对滚动体的承载能力进行计算，精密机床还要验算导轨的刚度，使其在机床精度允许的范围内。承载能力的计算要求滚动体的最大载荷不得超过许用载荷，滚动体的最大载荷Pmax应根据实际受力情况计算：对于滚柱导轨 P=Kldz（N）对于滚珠导轨P=Kd2x (N)式中 d-滚柱或滚珠直径(mm); l-滚柱长度（mm）； K-作用在滚动体横断截面积上的假定应力（N/cm2）见表4-1； x -导轨硬度的修正系数见表4-2。计算后，如果滚动体的许用载荷P小于最大载荷Pmax时，应重新选取d、l滚动体数目Z等参数，再进行验算，直到满足Pmax p的条件为止。第五节 进给伺服系统传动计算由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也要满足一定的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。一、初选步进电机步距角qb对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就回转一个固定的角度，叫做步距角。电机的总回转角和输入脉冲数成正比，而电机的转速则正比于输入脉冲的频率。步进电机的步距角越小，意味着它能达到的位置精度越高，通常的步距角是30、1.50或0.750，步距角的大小与通电方式用转子齿数有关。在步进电机技术数据中，qb是以分数形式给出两个数，其中分子所示的步距角是表示通电方式是双拍，分母示出的步距角表示通电方式是单拍。例如，150BF002步进电机步距角为0.750/1.50其中0.750是五相十拍，1.50是五相五拍。此时选步距角为0.750.即qb=0.750二、计算传动比i当机床脉冲当量、滚珠丝杠导程L0以及步进电机步距角qb确定以后，可用下式计算进给伺服系统的传动比i。 i=360dp/qbL0式中dp脉冲当量（mm/step）；L0滚珠丝杠的基本导程（mm）；qb步进电机的步距角。纵向进给脉冲当量dp=0.01mm/step滚珠丝杠导程L0=6mm，初步进电机步距角0.750。可计算传动比i i=360dp/qbL0=3600.01/(0.756)=0.8三、计算齿轮齿数及各项技术参数计算出传动比i以后，再根据降速级数决定采用一对或两对齿轮降速，再决定各对齿轮的齿数，模数和各项技术参数。因为进给伺服系统传递功率不大，一般取模数m=1-2，数控车床，铣床取m=2。 可选定齿轮齿数为： i=Z1/Z2=0.8=32/40或20/25 Z1=32,Z2=40 或 Z1=20,Z2=25此时采用一对齿轮降速，取Z1=32，Z2=40得齿轮各部分的技术参数：齿数Z1=32，Z2=40模数 m=2分度圆直径d=mzd1=mZ1=64mm d2=mZ2=80mm齿顶圆直径 da=d+2mda1=d1+2m=68mm da2=d2+2m=84mm齿根圆直径 df=d-21.25mdf1=d1-21.25m=59mm df2=d2-21.25m=79mm齿宽b=(3-6)mb1=b2=6m=12mm中心距 A=(d1+d2)/2 A=(d1+d2)/2=72mm为了消除齿侧隙，可采用双片齿轮。第六节 步进电机的计算和选用选用步进电机时，应该自先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，包括步进电机转子的转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩；再根据步进电机最大静转矩和起动，运行频率特性选择合适的步进电机。但是在初选步进电机之前，不仅未画机械结构草图，而且无法确定步进电机转子的转动惯量，因而必须首先根据一些估算数据初选电机型号，然后再按上述方法进行验算。一、初选步进电机1计算步进电机负载转矩Tm 根据滚珠丝杠副所受的进给牵引力Fm计算步进电机的负载转矩Tm（Ncm）;Tm=36&pFm/2pqbh式中dp-脉冲当量（mm/step）；Fm-进给牵引力（N）qb-步距角；h-电机-丝杠的传动效率，为齿轮、轴承、丝杠效率之积，其中一对齿轮之效率为0.98，一对轴承效率为0.99，丝杠效率为0.95，初选双拍制为0.750。Tm=36dpFm/2pqbh =360.013340/(6.280.750.980.990.95=276.98Ncm2.估算步进电机启动转矩Tq根据负载转矩Tm除以一定的安全系数来估算步进电机启动转矩Tq（Ncm）。 Tq=Tm/(0.3-0.5)一般纵向进给伺服系统的安全系数取0.3-0.4，横向进给伺服系统取0.4-0.4。Tq=Tm/0.3=276.98/0.3=923.26Ncm3.计算最大静转矩Tjmax最大静转矩Tjmax表示步进电机所能承受的最大静态负载转矩，与启动转矩的关系见下表。Tjmax和步进电机通电方式有关，可根据Tjmax在步进电机技术手册中初选步进电机。表2步进电机启动转矩和最大静转矩的关系步进电机 相数 三相 四相 五相 拍数 3 6 4 8 5 10l=Tq/Tjmax 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 1查表2取五相十拍，则Tjmax=Tq/0.951=970.8Ncm4.计算步进电机运行频率fe和最高起动频率fk（Hz）fe=1000Vs/60dpfk=1000Vmax/60dp式中 Vs-最大切削进给速度（m/min） Vmax-运动部件最大快移速度(m/min); dp-脉冲当量（mm/step）。 fe=1000Vs/60dp=10000.8/(600.01)=1333.3Hzfk=1000Vmax/60dp=10006/(600.01)=10000Hz在任务书中给定：Vs=800mm/min=0.8m/minVmax=6000mm/min=6m/mindp=0.01mm/step5.初选步进电机型号 主要根据前面计算的最大静转矩Tjmax在步进电机技术手册或产品样本中选出步进电机型号，保证该型号的步进电机所允许的最大静转矩大于计算的Tjmax即可。 根据估算出来的最大静转矩Tjmax在综合作业指导书表3-23中查出150BF002最大静转矩为1372NcmTjmax可以满足要求。考虑到此经济型数控车床有可能使用较大的切削用量，应该选稍大转矩的步进电机，以留有一定的余量。另一方面，与国内同类型机床进行类比，决定采用150BF003步进电机，他的最大静转矩为1568NcmTjmax。但从表中看出，150BF003步进电机最高空载起动频率为2600Hz，不能满足fk（10000Hz）的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件升降速程序来解决。二、步进电机转矩的校核计算初选出步进电机型号后，就可以按下面步骤计算伺服系统折算到步进电机轴上的系统转动惯量及等效转矩，进行校核。1 转动惯量的计算（1） 齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算圆柱体转动惯量（kgcm2）计算公式如下： J=MD2/8 对于钢材，J=0.78D4L10-3 式中 M-圆柱体质量（kg）； D-圆柱体直径（cm）； L-圆柱全长度或原度（cm）。 钢材的密度为7.810-5kg/cm3 。（2） 丝杠折算到电机轴上的转动惯量 计算出丝杠的转动惯量，再折算到电机轴上。计算丝杠转动惯量时可用上式计算，也可以查综合作业指导书表3-25查出。例如公称直径40mm，导程L0=6mm长度为1500mm的丝杠，从表中查出1M长的丝杠转动惯量为15.45kgcm2,则此丝杠的转动惯量为：Js=15.451.5kgcm2=23.175kgcm2 丝杠折算到电机轴上的转动惯量J J=（Z1Z2）2Js式中 Z1，Z2-小齿轮及大齿轮的齿数； Js-滚珠丝杠转动惯量（kgcm2）。(3)工作台折算到丝杠轴上的转动惯量J，可用下式计算工作台折算到丝杠轴上的转动惯量 J=(v/6.28n)2(G/g)=(L0/2p)2(G/g)式中 v-工作台移动速度（cm/min）; n-丝杠转速（r/min）; G-工作台重量（N）； g-重力加速度（9.8m/s2）; L0-丝杠导程（cm）。其转动惯量也可用综合作业指导书表3-26直接查出。例如丝杠导程L0=6mm，工作台重量1500N，由表中查出104工作台的转动惯量为9.29kgcm2,则此时工作台的转动惯量 J=9.290.15kgcm2=1.3935kgcm2(4)丝杠传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量步进电机经对齿轮降速以后传到丝杠，些传动系统折算到电机轴上的转动惯量为 J=J1+(Z1Z2)2(J2+Js)+Gg(pt6.28pppp)2式中 J-传动系统折算到电机轴上的转动惯量（kgcm2）; J1-齿轮Z1的转动惯量（kgcm2）； J2-齿轮Z2的转动惯量（kgcm2）； Js-丝杠的转动惯量（kgcm2）； G-工作台及工件等移动部件的重量（N）。必须注意，在上式中没有考虑电机转子本身的转动惯量。根据实践经验，传动系统惯量J和转子惯量JM之间，有一个惯量匹配的问题，JM/J的比值不能太小，否则机床动态特性将主要取于负载特性，此时不同重量和行程的各坐标的特性将有很大区别，并且很容易受切削力，摩擦力等干扰的影响。但是JM/J的比值太大，也是很不经济的。步进电机转子的转动惯量JM可从技术手册或综合作业指导书表3-23中查出。考虑了电机转子的转动惯量以后，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量J可由下式计算J=JM+J=JM+J1+(Z1Z2)2(J2+Js)+Gg(Lo6.28)2式中 JM-步进电机转子转动惯量（kgcm2）;J1、J2-齿轮Z1、Z2的转动惯量（kgcm2）;JS-滚珠丝杠转动惯量（kgcm2）。参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转惯量JM=10.5kgcm2J1=0.7810-3d14L1=(0.7810-36.441.2)kgcm2=1.572kgcm2J2=0.7810-3d24L2=(0.7810-3841.2)kgcm2=3.834kgcm2 Js=23.175kgcm2 G=1500N代入上式： J=JM+J1+(Z1Z2)2(J2+Js)+Gg(Lo6.28)2 =10.5+1.572+（3240）2【（3.834+23.175）+1500g(0.66.28)2】kgcm2=22.288kgcm2考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 JM/J=10.5/22.28=0.47 满足惯量匹配的要求。2.电机转矩的计算 电机的负载转矩在各种工况下是不同的，下面分快速空载起动时所需转矩、快速进给时所需转矩、最大切削负载所需转矩等几部分介绍其计算方法（1） 快速空载起动时所需转矩M M=Mamax+Mf+M0式中 M-快速空载起动转矩（Ncm）；Mamax-空载起动时折算到电机轴上的加速转矩（Ncm）；Mf-折算到电机轴上的摩擦转矩（Ncm）；M0-由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩（Ncm）。 在采用丝杠螺母副传动时，上述各种转矩（Ncm）可用下式计算： Mamax=Je=J(2pnmax/60ta)10-2 nmax=(Vmax/dp)( qb/3600)式中J-传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量（kgcm2）；e-电机最大角加速度（rad/s2）；nmax-电机最大转速（r/min）；Vmax-运动部件最大快进速度（mm/min）；取6000mm/mindp-脉冲当量（mm/step）; qb-步进电机的步距角（0）；ta-运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间（s）。摩擦转矩 Mf=F0L0/2phi F0=f(Fy+G) i=Z2/Z1式中F0-导轨的摩擦力（N）； Fy-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0.16 i-齿轮降速比；i=Z2/Z1=40/32=1.25 h-传动链总效率，一般可取0.7-0.85.在此取=0.8。附加摩擦转矩M0=FpoL0/2phi(1-h02)式中Fpo-滚珠丝杠预加负荷，一般取1/3Fm，Fm-为进给牵引力（N）；L0滚珠丝杠导程（cm）；N0滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取0.9折算到电机轴上的切削负载转矩Mt=FtL0/2phi 式中Ft-进给方向最大切削力（N）； Mamax=Je=J(2pnmax/60ta)10-2=22.2886.281250600.0310-2=972Ncmnmax=(Vmax/dp)( qb/3600)=(6000/0.01)(0.75/360)=1250r/minMf=F0L0/2phi=(10400.6)/(23.140.81.25)=99.36NcmF0=f(Fy+G)=0.16(5000+1500)=1040N i=Z2/Z1=40/32=1.25M0=FpoL0/2phi(1-h02)=(1/3)33400.623.140.81.25(1-0.92)=20.21NcmMt=FtL0/2phi=20000.6/(23.140.81.25)=191.08NcmM=Mamax+Mf+M0=972+99.36+20.21=1091.57Ncm(2).快速进给时所需转矩MM=Mf+M0=99.36+20.21=119.57Ncm(3).最大切削时负载时所需转矩MM=Mf+M0+Mt=99.36+20.21+191.08=310.65Ncm经过直述计算以后，在M、M两种力矩中取其大者作为选择步进电机的依据。对于大多数数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机转矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩往往小于加速转矩，故常常用快速空载起转矩M作为选择步进电机的依据。在综合作业指导书表3-22查出，当步进电机为五相十拍时 l=Mq/Mjmax=0.951,则最大静转矩为Mjmax=(1091.57/0.951)Ncm=1147.8Ncm从综合作业指导书表3-23查出150BF003型步进电机最大转矩为15.68Nm,大于所需最大静转矩，可以满足要求。3.校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性 前面所述根据最大静转矩，Mjamx所初选出来的步进电机型号并不一定能满足实际工作的要求，也就是说，尽管最大静转矩Mjamx数值满足要求，但是并不能保证在快速空载起动和运行时不失步。所以还必须用起动矩频特性和运行矩频特性两条重要的性能曲线（综合作业指导书 图3-15、图3-16）来检验所选步进电机的型号是否能满足要求。前面已经计算出此机床最大快移时需步进电机的最高起动频率fk为10000Hz，切削进给时所需电机运行频率fe为1333.3Hz。从综合作业指导书 表3-23中查出150BF003型步进电机允许的最高空载起动频率为2600Hz运行频率为8000Hz，再从综合作业指导书 图3-15、图3-16查出150BF003步进电机起动矩频率特性和运行矩频特性曲线。看出，当步进电机起动时，f=2500H时，M=196.1Ncm远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（1091.57Ncm）直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率降到1000Hz时，起动转矩可增高到710.2Ncm，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步时电机输出转矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，150BF003型步进电机矩频特性（综合作业指导书 图3-16）完全可以满足要求。第七节 数控机床进给伺服系统结构设计结构设计对于培养机电一体化专业的学员来说，是很重要的环节，所有的方案确定，设计构思及计算、选型都要从机械装配图上体现出来。 经过计算，已知此纵向进给系统采用150BF003型步进电机，经过一对齿轮减速，齿轮齿数Z1=40，Z2=32，模数m=2，滚珠丝杠螺母副选用的是外循环，W1L5006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠螺母。1 滚珠丝杠副的支承方式丝杠两端的支承和螺母座的刚性，以及它们与机床之间的连接刚性，对进给系统的传动精度有很大的影响，必须引起注意。典型的丝杠支承方式有以下四种：（1）一端固定、一端自由（数控技术及应用 图4-26a） 固定端采用两个向心推力球轴承使支承在径向和轴向均有限制。向心推力球轴承采用b=600的大接触角，以增大轴向承载能力。当轴向负荷较大时，可采用推力轴承。这种安装方式结构简单，但轴向刚度较小，只适用于丝杠较短的场合以及垂直安装的滚珠丝杠。（2） 两端简支（ 图4-26b） 两端安装的轴承均为向心球轴承。这种安装方式轴向刚度较小，只适用于对刚度和位移精度要求不高的场合。同时，对丝杠的热变形较为敏感。（3）一端固定、一端简支（图4-26c） 一端装两个向心推力球轴承固定，另一端装向心球轴承支承。这种结构稍为复杂，但轴向刚度大，适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。（4）两端固定（图4-26d） 两端均安装两个向心推力球轴承固定，并经调整预紧，因而轴向刚度很大。丝杠热变形可转化为轴承的预紧力。它适用于对刚度和位移精度要求高的场合，但是结构复杂。在此我们使用两端固定的支承方式。 2 齿轮的种类及齿轮传动副的消隙措施齿轮传动是现代机械设备应用最广泛的一种机械传动，它可以传递空间任意两轴间的运动和动力。 齿轮传动的类型很多，按照齿轮传动轴线相对位置和轮齿方向，齿轮传动可分为：平行轴齿轮传动直齿圆柱齿轮传动（外啮合、内啮合、齿轮-齿条），斜齿圆柱齿轮传动（外啮合、内啮合、齿轮-齿条），人字齿圆柱齿轮传动，相交轴齿轮传动(直齿锥齿轮传动、斜齿锥齿轮传动、曲齿锥齿轮传动)，交错轴齿轮传动（交错轴斜齿圆柱齿轮传动、蜗杆传动）。在此作业中选外啮合直齿圆柱齿轮传动。 数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求。由于齿轮制造中不可能达到理想齿面的要求，总是存在着一定的误差，因此，一对啮合着的齿轮，总要有一定的齿侧间隙也会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用各种消除侧隙的措施，以尽量减小齿侧间隙。（1） 齿轮传动副的消隙措施1）刚性调整法 刚性调整法调整后侧隙不能自动补偿。因此，对齿轮的齿厚和周节公差应有严格的要求，否则会影响传动的灵性。这种调整方法结构较简单，且有较好的传动刚度，但调整较费时。刚性调整法主要有三种形式：a偏心轴套调整法 如图4-28所示，齿轮1装在电动机轴上，调整偏心轴套2可以改变齿轮1和3之间的中心距，从而消除齿侧间隙。b.轴向垫片调整法 图4-29，将一对齿轮1和2的轮齿沿齿宽方向制成稍带锥度。改变垫片3的厚度就能改变齿轮1和2的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。c.双薄片齿轮垫片调整法 如图4-30所示，两个薄片斜齿轮3和4滑套在带键的轴上。靠改变垫片的厚度使齿轮3和4的左右齿而面分别与宽斜齿轮1的齿槽左、右齿侧面靠紧，达到既消除齿侧间隙又能使齿轮灵活思转动的要求。这种调整方法无论正反方向回转，均只有一个薄齿轮承受载荷，故齿轮承载能力较小。2)柔性调整法 这种调整法一般都采用调整弹簧弹力的方法消除齿侧间隙。因而调整之后齿侧间隙仍可自动补偿。在齿轮的齿厚和周节有变化的情况下，也能保持无间隙啮合。但这种调整法结构较复杂，传动刚度低，传动平稳性也差。a.轴向压簧调整法 如图4-31所示，两个薄片齿轮1和2靠螺母5调节弹簧3的轴向压力，使齿轮1和2的左右齿面分别与宽斜齿轮7齿槽的左右齿面贴紧。弹簧力调整应适当，使它能承受扭矩，否则消除不了间隙；弹簧力过大，则齿轮磨损过快。b.周向弹簧调整法 如图4-32所示，采用了可调拉力弹簧调整间隙。在两个薄片齿轮1和2上分别装上耳座3和8，弹簧4的一端钩在耳座3上，另一端钩在耳座8的螺钉7上，用螺母5调节螺钉7的伸出长度即可调整弹簧的弹力，调整好后再用螺母6锁紧。弹簧的弹力使薄齿轮1和2的左右齿面分别与宽齿轮的齿槽左右齿侧面贴紧，消除了齿侧间隙。第三章 微机数控系统硬件电路设计第一节 单片机数控系统硬件电路设计内容一、绘制系统电气控制的结构框图数控系统是由硬件和软件两个部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。机床硬件电路由以下五部分给成：（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I/O输入/输出接口电路；（5） 外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等，见综合作业指导书图4-1。二、选择中央处理单元（CPU）的类型在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素：（1） 时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度；（2） 可扩展存储器（包括ROM和RAM）的容量；（3） 指令系统功能，影响编程灵活性；（4） I/O口扩展的能力，即对外控制的能力；（5） 开发手段，包括支持开发的软件和硬伯电路。此外还要考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。在此，使有MCS-51系列单片机作为主控制器。三、存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。 在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。四、I/O口即输入输出口接口电路设计应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路、键盘显示电路以及其它辅助电路的设计（例如复位电路、越界报警电路、掉电保护电路等）。第二节 MCS-51系列单片机简介MCS-51系列单片机是美国Intel公司在MCS-48系列单片机基础上推出的产品，1980年问世，它的集成度很高，是集片内存储器、片内输入/输出部件和CPU于一体的优良的单片机系统，在我国已广泛地被应用于经济型数控机床。 8031片内无ROM，适用于需扩展ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。在此也选8031单片机做CPU。一、8031单片机的基本特性8031单片机具有以下特点：（1） 具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）；（2） 片内有时钟发生电路（6MHz或12MHz）、每执行一条指令时间为2ms或1ms；（3） 片内具有128字节RAM；（4） 具有21个特殊寄存器；（5） 可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器；（6） 具有4个I/O口，32根I/O线；（7） 具有2个16位定时器、计数器；（8） 具有5个中断源，配备2个中断优先级；（9） 具有一个全双功串行接口；（10） 具有位寻址能力，适用逻辑运算。可以看出这种芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。第三节 存储器扩展电路设计一、程序存储器的扩展8031片内不带ROM，用作程序存储器的器件是EPROM。常用的ROM芯片及引脚常用的半导体ROM芯片有：2716（2K8）、2732A（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）、27512（64K8）。2764、27128、27256、27512芯片均为28脚双列直插式扁平封芯片，引脚向下兼容。见综合作业指导书图4-6是其引脚排列及其兼容特性。二、数据存储器的扩展由于8031芯片内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器（RAM）。常用的数据存储器及引脚常用的静态RAM芯片有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（32K8）等，6264、62256均采用CMOS工艺，由单-5V供电，典型存取时间为150-200ns。它们均采用28脚双列直插