CA6240车床数控改造【优秀机械机电毕业设计论文】【A6076】
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ca6240
车床
数控
改造
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优良
机械
机电
电机
毕业设计
论文
a6076
- 资源描述：
-
文档包括:
说明书一份,38页,14000字左右.
英文翻译一份.
任务书+开题报告一份.
图纸共4张:
A0-电路原理图.dwg
A0-横向进给图.dwg
A1-纵向进给图.dwg
A2-刀架系统.dwg
- 内容简介：
-
毕业设计（论文） 档案袋内组成部分 一、毕业设计（论文）册内容与装订顺序： 封面； 论文题目不得超过 20 个字，要简练、准确，可分为两行。 内容 1、 毕业设计（论文）任务书； 任务书由指导教师填写，经 所在 系 部 审查签字后生效。 2、 毕业设计（论文）开题报告； 3、 毕业设计（论文）学生申请答辩表与指导教师毕业设计（论文）评审表； 4、 毕业设计（论文）评阅人评审表； 5、 毕业设计（论文）答辩表； 6、 毕业设计（论文）答辩记录表； 7、 毕业设计（论文）成绩评定总表； 8、论文： (1)中文题目与作者； (2)英文题目与作 者； (3)中文 内容摘要 和关键词； (4)英文内容摘要和关键词； (5)目录； (6)正文； (7)致谢； (8)参考文献及引用资料目录 ； (9)附录； (10)实验数据表 、有关图纸 (大于 3#图幅时单独装订 )； 封底。 二、 英文资料翻译册内容与装订顺序： 封面； 内容 1、英文原文； 2、中文翻译； 3、阅读书目 ； 封底。 1 毕业设计（论文）任务书 此表由指导教师填写 由所在系部 审核 系 部 机械 工程系 指导教师 游 达 章 职 称 副 教授 学生姓名 李 冠 锋 专业班级 05 机制（本） 1 学 号 0515011137 设计题目 床数控改造 设 计 内 容 目 标 和 要 求 一 1）完成数控车床横向进给系统设计； 2）完成数控车床纵向进给系统设计； 3）完成数控车床控制系统设计； 二 1）设计思路清晰，图纸、说明书表达层次分明； 2）学习认真刻苦，态度端正。 指导教师签名： 年 月 日 系 部审 核 2业设 计（论文）学生开题报告 课题名称 床数控改造 课题来源 生产实践 课题类型 导教师 游 达 章 学生姓名 李 冠 锋 学 号 0515011137 专业班级 05 机制（本） 1 本课题的研究现状、研究目的及意义 ： 数控车床，是一种高精度高效率的自动化机床，它具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱，斜线圆柱 ,圆弧和各种螺纹。具有直线插补，圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。 随着我国工业生产的发展 ,机械工业即将面临着一个十分重要的课题 。本设计就是对 床的机械部分，进行数控改造。数控改造主要是简化机械传动机构、缩短传动链、提高自动化程度，也是为了解决复杂的零件加工、精度控制及提高产品质量和生产率。在设计内容上，主要针对传动系统图和进给系统的改造设计、以及导轨和自动转位刀架的改造设计等 目前 ,经济型数控机床 ,仍然是我国市场经济需要量最大、销售量最高。在利用我国现有的大量闲置旧机床，对旧机床进行数控化改造，研制出一种新型高效、多能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效方法和低成本自动必由之路 与普通 车 床相比，数控 车 床有如下特点： 有稳定的加工质量； 形状复杂的零件； 般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 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 车 床的 35 倍）； 自动化程度高，可以减轻劳动强度； 维修人员的技术要求更高。 课题类型： （ 1） A 工程实践型 ； B 理论研究型 ； C 科研装置研制型 ； D 计算机软件型 ； E 综合应用型 （ 2） X 真实课题； Y 模拟课 题； （ 1）、（ 2）均要填，如 。 2 一 1）完成数控车床横向进给系统设计； 2）完成数控车床纵向进给系统设计； 3）完成数控车床控制系统设计； 二 1）设计思路清晰，图纸、说明书表达层次分明； 2）学习认真刻苦，态度端正。 本课题研究的实施方案、进度安排 : 一、 (做好设计前准备工作，边实习边收集材料。 二、 ( 在指导老师的指导下整理资料，做开题报告 . 三、 ( 撰写设计书 床数控改造的总体设计方案。 床车床横向、纵向进给系统的设计计算 床数控改造的刀架系统设计。 床数控改造的微机控制系统硬件电路设计 四、 ( 在指导老师的指导下，进行整体方案设计， 画出横向和纵向进给装配图，刀架系统图。 五、（ 编写设计计算说明书； 六、（ 毕业答辩。 2查阅的主要参考文献 ： 1王润孝 ,秦现生 M西北 工业 大学出版社 ,2000. 2李 华 片机实用接口技术 M北京航空航天大学出版社 ,1993. 3李圣怡等 境下软硬件接口设计 M国防科技大学出版社， 2001. 4顾 京 M高等 教育 出版社 ,2002. 5周伟平 M华中科技大学出版社 ,2002. 6刘迎春 片机原理及应用教程 M清华大学出版社 ,2005. 7王建晓 M中科技大学出版社， 2006. 8张以鹏 M宁科学技术出版社， 2007. 9机械工程手册电机工程手册编辑委员会 M械工业出版社 ,1997. 10王为，汪建晓 M中科技大学出版社， 2006. 11唐增宝等 M中科技大学出版社 ,2006. 指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 3 毕业设计（论文）学生申请答辩表 课 题 名 称 床数控改造 指导教师（职称） 游达章 （ 副 教授） 申 请 理 由 申请毕业 学生所 在 系部 机械 工程系 专业班级 05 机制（本） 1 学号 0515011137 学生签名： 日期： 毕业设计（论文）指导教师评审表 序号 评分项目（理工科、管理类） 评分项目 (文科 ) 满分 评分 1 工作量 外文翻译 15 2 文献阅读与外文翻译 文献阅读与文献综述 10 3 技术水平与实际能力 创新能力与学术水平 25 4 研究成果基础理论与专业知识 论证能力 25 5 文字表达 文字表达 10 6 学习态度与 规范要求 学习态度与规范要求 15 总 分 100 评 语 （ 是否同意参加答辩） 指导教师签名： 另附毕业设计（论文）指导记录册 年 月 日 毕业设计（论文）评阅人评审表 学生姓名 李 冠 锋 专业班级 05 机制（本） 1 学号 0515011137 设计（论文）题目 床数控改造 评阅人 评 阅人职称 序号 评分项目（理工科、管理类） 评分项目 (文科 ) 满分 评分 1 工作量 外文翻译 15 2 文献阅读与外文翻译 文献阅读与文献综述 10 3 技术水平与实际能力 创新能力与学术水平 25 4 研究成果基础理论与专业知识 论证能力 25 5 文字表达 文字表达 10 6 学习态度与规范要求 学习态度与规范要求 15 总 分 100 评 语 评阅人签名： 年 月 日 5 毕业设计（论文）答辩表 学生姓名 李冠锋 专业班级 05 机制（本） 1 学号 0515011137 设计（论文）题目 床数控改造 序号 评审项目 指 标 满分 评分 1 报告内容 思路清新；语言表达准确，概念清楚，论点正确； 实验方法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。 40 2 报告过程 准备工作充分 ,时间符合要求。 10 3 创 新 对前人工作有改进或突 破，或有独特见解。 10 4 答 辩 回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准确，深入。 40 总 分 100 答 辩 组 评 语 答辩组组长（签字）： 年 月 日 答 辩 委 员 会 意 见 答辩委员会负责人（签字）： 年 月 日 6业设计（论文）答辩记录表 学生姓名 李 冠 锋 专业班级 05 机制（本） 1 学号 0515011137 设计（论文）题目 床数控改造 答辩 时间 答辩 地点 答辩委员会名单 问题 1 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题 2 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题 3 提问人： 问题： 回答（要点）： 记录人签名 6题 4 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题 5 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题 6 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题 7 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题 8 提问人： 问题： 回答（要点）： 记录人签名 7 毕业设计（论文）成绩评定总表 学生姓名： 李冠锋 专业班级： 05 机制（本） 1 毕业设计（论文）题目： 床数控改造 注：成绩评定由指导教师、评阅教师和答辩组分别给分 (以百分记 )，最后按“优 (90、“良 (80、“中 (70、“及格 (60、“不及格 (60 以下 )”评定等级。其中， 指导教师评定成绩占 40%，评阅人评定成绩占 20%，答辩组评定成绩占 40%。 成绩类别 成绩评定 指导教师评定成绩 评阅人评定成绩 答辩组评定成绩 总评成绩 40%+ 20%+ 40% 评定等级 i 摘 要 数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用，但数控机床一次性投资较大，对机床进行数控化改造不失为一良策。本设计利用数控装置对 通车床进行控制 ,主传动系统部分 采用交流调频主轴电动机经带轮及分级齿轮变速箱驱动主轴，通过变频器和齿轮变速箱实现分段无级变速；进给系统采用步进电机通过减速后驱动滚珠丝杠运动，在纵向进给系统中通过一级齿轮减速后驱动滚珠丝杠，在横向进给系统中通过二级齿轮减速驱动滚珠丝杠；刀架改为自动转位刀架 (四工位 )从而实现自动换刀；通过 列 8051 单片机对数据进行计算 处理，由 I/O 接口输出步进脉冲信号控制进给速度和行程；为了保持切削螺纹的功能，要在主轴外端或其它适当部位装上脉冲发生器；将车床的手动尾座改造成为可控电动尾座。 本次设计 通车床数控改造 数控改造为经济适用型，改造简单易行，可降低劳动强度，提高生产效率。主要介绍了经济型数控机床进给伺服系统设计计算。阐述了 通数控车床的主轴系统的改进及机床纵向、横向进给系统的改造设计及计算。 关键词： 床 数控改造 滚珠丝杠 步进电动机 C a in a of it is a to of is it C NC of a of C of C by to by a in to 4 051 to be / O to In to of to of or be of C of a C C of 目 录 摘要 i 引言 1 2 总体设计方案 3 统运动方式的确定 3 服系统的选择 3 行机构传动方式的确定 4 算系统的选择 4 3 车床横向、纵向进给系统的设计计算 6 择脉冲当量 6 算切削力 6 车外圆 6 切端面 7 珠丝杠螺母负担计算和选型 7 向进给丝杠 7 向进给丝杠 10 向和横向滚珠丝杠副几何参数 12 轮传动比计算 13 向进给齿轮箱传动比计算 13 向进给齿轮箱传动比计算 13 进电机的计算和选型 14 向进给步进电机计算 14 向步进电机计算和选型 17 计绘制进给伺服系统机械装配图 20 4 床数控改造的刀架系统设计 21 5 床数控改造的微机控制系统硬件电路设计 22 制系统电气控制的结构框图 22 择中央处理单元 类型 23 储器扩展电路设计 23 序存储器的扩展 23 址锁存器 24 031 与 片的连接 24 据存储器的扩展 26 码电路的设计 26 、输出接口电路设计 28 口芯片的选用 28 盘显示接口电路 28 进电机接口和驱动电路 31 它辅助电路设计 33 结论 36 致谢 37 参考文献 38 1 f t is a so be a be as a on an at On a be no a An is of in an of is of a is of a is as as be is is or to be is to of a a a of A a to a to a a if it it no be to or be to a is of a at In of a be to in be of is is 2 In of of he as to of of A is a is is of a be is of of of he of in 000 be of at 00 or be a In be is F 3 of as to of a is to be to be to no no is to is of a of of of of a is of a it to of is by is to is by as 8b of A is to at of of as or 4 A a of to is by of of a to A 5%at is to be is a of of a as is an of to be of a is to or a it is of a is to is a of a be In it is to n to of in as in be As a in is no as is in a in as a of 5 in a A of is as at in in in of is 5% of in be in n in is a or It is to to be is a is a On in be to no In to as of is to is an on a of at of a be of of in a a or in he a of a at is of on it 6 is a as a or a As of to a of of of is a to of of a as is is a to of an as a of of of be by to 0% of of a is to of is a to of a By is an of us to is as A is is At of of ， 7 is is by an an is to A of is is A is of of to is -N it to an of 1 is as a be by it is is a a to of N is on a as is be by 0% of if is of of be a 3 )， to 0% 300or be as 5% of is to is to by to a In of as of a of of of a is to no an is 5% of 8 F N F a of as of it is at At or of be at In of as is by 0% in 000 in of as As be a 30% in of in 000In we a at be at A us to a is of a as a of at is so it of is 00oC or a of of a is to be by 9 is at is a of a if a of of or be a in to at as a of is of in an of of be by of a a to in a 0 of he of a of of in as of be in an of s to 10 be on of on or at a as a in a or a in of a or a or on a of a in a or of in to as of of of to at or is to of as be of is to or to of in a to of If to or a in up be to is in by of A or an or is so it to it it a on in a F of is it is to 1 a to of of on no at as in ， or We on of 11 of is to of is is to at of to DC .2 a a be of in is to in of of A is is to of on as be A no is an .4 a up as in a be as as a sliding 1 引言 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。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同 时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。数控机床与普通机床相比，其主 要有以下的优点： 合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。 善劳动条件； 济 效益； 代 化。数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年 在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。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、 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 1 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。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。 2 2 总体方案设计 对 床数控改造，首先得拟订总体方案，绘制系统总体框图和机床总联系尺寸图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分机械部分和电器部分进行设计计算。 总体方案的拟订包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、计算机系统的选择、执行机构的结构以及传动方式的选择等内容，最后绘制机床总联系尺寸图。 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 /直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。例如数控钻床，在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因此数控系统可采用点位控制方式。对点位控制系统的要求是快速定位，保证定位精度。 如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓的零件，所以连续控制系统又称为轮廓控制系统。例如数控铣床、数控车床 等均属于此种运动方式。在点位控制系统中不具备连续控制系统中才具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中却有点位系统的功能。 还有一些采用点位控制的数控机车，例如数控镗铣床等，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工件。这种系统叫点位 /直线系统。其控制方法与点位系统十分相似，故有时也将这两种系统统称为点位控制系统。 由于改造后的 床应具有定位，直线插补，顺、逆插补，暂停，循环加工和公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。 服系统的选择 伺服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。开环控制系统中设有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传递的。指令发出后不再反馈回来，故称为开环控制。开环系统主要由步进电机驱动。开环伺服系统结构简单、成本低廉、容易掌握、调试和维修都比较简单。目前国内大力发展的经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。 闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件来检测实际位移量，能补偿系 3 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交流伺服电机驱动，闭环系统造价高，结构和调试复杂，多用于精度要求高的场合。 半闭环控制系统与闭环 控制系统不同，不直接检测工作台的位置，而是用检测元件测出驱动轴的转角，再间接推算出工作台的实际位移量，也有反馈电路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。 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。 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，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点： 1）尽量采用低摩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； 2）尽量消除传动间隙，例如采用消隙齿轮等； 3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的刚度，减小传动误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠等。 为实现 床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为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。 算机系统的选择 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。微机是数控系统的核心，其他装置均是在微机的指挥下进行工作的。系统的功能和系统中所用微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度。字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算的精度。字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机要进行双字长或三字长的运算就会影响速度。目前一些高档的 2 位机，主机频率由 5高到 2030的采用多 轻主 一步提高控制速度。标准型的 6位微机，经济型 位机。可以采用 51系列单片微机或 Z 80单板机组成的应用系统。 根据 床的要求，采用 8 位机。由于 51 系列单片机具有集成度高、可 4 靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强和性价比高等特点，因此采用 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 接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工命令和控制程序通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据和机床状态等信息。 系统总体方案如图所示： Z 向 X 向 图 统总体方案图 光 电隔离 光 电隔离 功率放大器 功率放大器 步进 电机 步进 电机 5 3 车床 横向 、纵向进给系统的设计计算 将一台 床改造成微机数控车 床，采用 51 系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数选择如下： 加工最大直径：在马鞍内 630床身上 400在刀架上 210料 46工最大长度： 900鞍内有效长度： 210板和刀架重力：纵向 800N 横向 600N 刀架快速速度： 纵向 4m/向 2m/大进给速度： 纵向 1m/向 传动电动机功率： 动加速时间： 30床定位精度： 机床进给伺服系统运动和动力计算如 下： 择脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量， 纵向： （半径）横向： （半径） 算切削力 车外圆 主切削力 )按经验公式估算： 6 )=630(=10595 按切削力个分力比例： ： x=10595 y=10595 238 切端面 主切削力 Fz(N)可取纵切的 1/2， Fz(N)=1/2时走刀抗力为 Fy(N),吃刀抗力为 Fx(N)。按上述比例初略计算： Fz： Fy： Fx=1： y=x=119 珠丝杠螺母副的计算和选型 向进给丝杠 （ 1） 计算进给率引力 ) 纵向进给为综合型导轨 Fx+f () =0595+800)=4869 式中 K 考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取 K= f 滑动导轨摩擦系数： G 溜板及刀架重力： G=800N。 （ 2）计算最大动负载 c 610) n=(1000 L。 式中 L。 滚珠丝杠导程，初选 L。 =8 7 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速 度的 (1/21/3)，此处m/ T 使用寿命，按 15000h； 运转系数，按一般运转取 L 寿命、以 610 转为 1单位。 n=(1000 L。 =（ 1000 1 (60 n T)/ 610 =(60 50 15000)/ 610 =45 =3 45 4869= 3）滚珠丝杠螺母副的选型 查阅附录 A 表 3，可采用 循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠， 1 列 额定动负载为 23400N，精度等级按表 4 15选为 3级（大致相当于老标准 （ 4）传动效率计算 = +） 式中 螺旋升角， 2 55 摩擦角取 10滚动摩擦系数 = +） =55 / 55 +10 )= 5）刚度计算 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如下图所示。最大牵引力为 4869N。支承间隔 L=1500紧力为最大轴向负荷的 1/3。 8 2 1 图 向进给系统计算简图 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 查图 4 6，根据 869N， 0出 L/L=105 ，可计算出： 1=( L/L) 1500=105 1500=0(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，其实际变形量 1 =1/4 1=0 滚珠与螺纹滚道间接触 变形 2 查图 4列 Q=m, 因进行了预紧， 2=1/2 Q=1/2 m 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， 5动体直径 动体数量 z=18， c= 22 )Z/( = 22 )18/( =注意，此公式中 施加预紧力，故 3=1/2 c=1/2 据以上计算： = 1+ 2+ 3=位精度 （ 6）稳定性校核 滚珠丝杠两端推力轴承不会产生失稳现象，故不需要作稳定性校核。 G 9 向进给丝杠 （ 1）计算进给率引力 ) 横向导轨为燕尾形导轨，计算如下： Fm=Fy+f(Fz+2Fx+G) = 2119+600) 3882 （ 2）计算最大动负载 c n=(1000 L。 =（ 1000 (60 n T)/ 610 =(60 40 15000)/ 610 =36 c=3L 36 3882=15382N （ 3）滚珠丝杠螺母副的选型 查阅附录 A 表 3，可采用 循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠， 1 列 额定动负载为 16400N，精度等级按表 4 15选为 3级（大致相当于老标准 （ 4）传动效率计算 = +） 式中 螺旋升角， 2 44 摩擦角取 10滚动摩擦系数 = +） = 44/ 44+10 )= 5）刚度计算 先画出此 横 向进给滚珠丝杠支承方式草图如下图所示。最大牵引力为 3882N。支承间隔 450丝杠长度较短，不需预紧，但螺母和轴承需要预紧。 10 4 Js 2 L 3 1 图 向进给系统计算简图 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 查图 4 6，根据 882N， 0出 L/L=105 ，可计算出： 1= L/L =105 1500=0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，其实际变形量 1 =1/4 1=m 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 查图 4 7， W 系列 1 列 滚珠与螺纹滚道间接触变形 Q=8 m，因进行了预紧， 2=1/2 Q=1/2 8=4 m 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， 5动体直径 动体数量 z=18， c= 22 )/( = 22 )253 =注意，此公式中 施加预紧力，故 3=1/2 c=1/2 据以上计算： = 1+ 2+ 3=位精度 G 11（ 6）稳定性校核 计算临界负载 ) L 式中 E 材料弹性模量， E=610 N/ I 截面惯性矩（ 丝杠： I=( 41d )/64， 1d 为丝杠内径； L 丝杠两支承端距离 ( 丝杠支承方式系数，从表中查出，一端固定，一端简支 =( 41d )/64=( )/64 =k=(L=(2 106 45 =1652615N m=1652615/3882= (一般 =) 此滚珠丝杠不会产生失稳。 向和横向滚珠丝杠副几何参数 其几何参数如下表所示： 12 名称 符号 1称直径 50 40 导程 8 6 接触角 2 55 2 44 刚球直径 (道法面半径 R R=心距 e e=()纹升角 =0/ 2 55 2 44 螺杆外径 d d=9 螺杆内径 d1 d1=杆接触直径 dz dz=母螺纹直径 D D=R 母内径 1=轮传动比计算 向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量p=选步进电机步距角 可计算出传动比 i i=(360p)/( b 0L)=(360 (8)=选定齿轮齿数为： i=1z / 2z =24/40 或 18/30 1z =24， 2z =40 或 1z =18， 2z =30 横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向进给脉冲当量p=珠丝杠导程0L=6可计算传动比 I： i=(360p)/( b 0L)=(360 (6)=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 13处 可采用两级齿轮降速： i=(1z / 2z )(3z/ 4z )=(3/5)(2/3)=(24/40)(20/30) 1z =24， 2z =40， 3z =20， 4z =30因进给齿轮受力不大，模 数 ，有关参数如下表所示： 齿数 24 40 24 40 20 30 分度圆 d=8 80 48 80 40 60 齿顶圆 da=d+2m 52 84 52 84 44 64 齿根圆 fd=3 75 43 75 35 55 齿宽 b=(610)m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=( 1d + 2d )/2 64 64 45 进电机的计算和选型 向进给步进电机计算 （ 1）等效转动惯量计算 计算简图如 纵向进给系统计算简图 所示，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算： 1+(z1/(s)+(G/g)(L。 /2 ) 式中 步进电机转子转动惯量（ 齿轮 滚珠丝杠转动惯量（ m） 参考同类型机床，初选反应式步进电机 150 其转子转动惯 量 10.5 ( 000=( 2/1000=( 000=(8) 2/1000=(5) 150/1000=G=800N 代入上式： 1+(z1/(s)+(G/g)(L。 /2 ) 14 =24/40)(800/ ) =考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题， 本满足惯量匹配的要求。 （ 2）电机力矩计算 机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算： 快速空载起动力矩 M 起 在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： f+ = (2 (60 100 p)( b/360 ) 将前面的数据代入，式中 各符号意义同前。 p)( b/360 )= (4000/60)=r/动加速时间 0 = (2 (60 100 =(2 (60 100 =算到电机轴上的摩擦力矩 (2 i)=f()( 2 z2/=(10595+800) ( 2 加摩擦力矩 0=(1)/(2 i)=(1/3 1)/(2 z2/=(1/3 4869 (2 = 述三项合计： f+ 快速移动时所需力矩 0= 15最大切削负载时所需力矩 0+0+( (2 i) =(2 = 上面计算可以看出， 切三种工况下，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。 从表 4步进电机为五相十拍时， =大静力矩 此最大静力矩从表 4出， 150最大静转矩为 1568N 于所需最大静转矩，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行矩频特性。 （ 3）计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 1000(60 )= (1000 4)/(60 6667 Hz 1000(60 )= (1000 1)/(60 1667 表 4查出 150步进电机允许的最高空载起动频率为 2600行频率为 8000从图 4 4出 150进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如下图所示。从图可以看出，当步进电机起动时， 2500， M=160 N 远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（ 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 1000动力矩可增高到650N 后在电路上采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 M(N 1000 2000 2500 f(图 50 16 M(N 4000 8000 f(图 50运行矩频特性 当快速运动和切削进给时， 150 型 （ 1）等效转动惯量计算 计算简图如 横向进给系统计算简图 所示，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算： 1+(z1/ (3)+(z3/ (s)+(G/g)(L。 /2 ) 式中 步进电机转子转动惯量（ 齿轮 转动惯量（ 滚珠丝杠转动惯量（ 参考同类型机床，初选反应式步进电机 110转子转动惯量 ( 000=( 2/1000=( 000=(8) 2/1000=( 000=(4) 2/1000=( 000=(6) 2/1000= (5) 45/1000=G=600N 代入上式： 17 1+(z1/ (3)+(z3/ (s)+(G/g)(L。 /2 ) =24/40) (20/30) (600/6/2 ) =考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题， 本满足惯量匹配的要求。 （ 2）电机力矩计算 机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算： 快速空载起动力矩 M 起 在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： f+ = (2 (60 100 p)( b/360 ) 将前面的数据代入，式中各符号意义同前。 p)( b/360 )= (2000/60)=动加速时间 0 = (2 (60 100 =(2 (60 100 =算到电机轴上的摩擦力矩 (2 i)=f(Px+G)2 (z2/z4/ =(3882+600) ( 2 加摩擦力矩 0=(1)/(2 i)=(1/3 Fm 1)/2 (z2/z4/ =(1/3 3882 (2 =述三项合计： f+ 18 快速移动时所需力矩 0=6 N 最大切削负载时所需力矩 0+0+(F (2 i) =2119 (2 = 上面计算可以看出， 切三种工况下，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。 从表 4步进电机为三相六拍时， =大静力矩 此最大静力矩从表 4出， 110最大静转矩为 784N 于所需最大静转矩，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行矩频特性。 （ 3）计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 1000(60 )= (1000 2)/(60 3333 Hz 1000(60 )= (1000 (60 833 表 410500行频率为 7000从图 4 4出 110进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如下图所示。从下图可以看出，当步进电机起动时， 1500， M=100 N 远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（ 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 1000动力矩可增高到350N 19M(N 8 0 200 600 1000 1400 1600 f(图 10M(N 8 0 2000 4000 6000 f(图 10当快速运动和切 削进给时， 110步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。 计绘制进给伺服系统机械装配图 在完成运动和动力计算之后，已经确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机规格型号，以及齿轮齿数、模数和轴承型号之后，就可以画机械装配图。 20 4 床数控改造的刀架系统设计 对于 数控改造来说，刀架系统应该由原来的方刀架改为自动转位刀架，并装上微型电机。自动转位刀架有两种可以选择，四方刀架和六方刀架，两种刀架均能自动转位和定位，具有多刀自动换位的优点，是提高生产率的重要措施，可按照加工零件 的需求决定用哪一种刀架。根据设计要求，决定采用四方刀架并装上微型电机。 选用微型电机的转速 n=1400转 /分，功率 P=120瓦。 绘制刀架结构图（附图） 四方刀架的转位由微型电机经齿轮 7、 8、 9、 10，带动蜗杆 11，蜗轮 12，通过马氏槽轮机构 1 和 2 实现。刀架的定位，先以弹簧销 3 作粗定位，后用齿盘机构作精定位。 4 与5 是端面齿盘定位机构，精确度高，重复定位精度可以达到 内。刀架的抬起和夹紧是由液压传动，如压力油从下部进入液压缸，推动活塞 6 上升将刀架抬起，如压力油从上部进入液压缸，则推动活塞 6 下降将 刀架压紧。 215 微机控制系统硬件电路设计 当前，在经济型数控机床控制系统中广泛采用美国 51系列单片机。单片微机数控系统硬件电路设计包括以下几个部分：绘制系统电气控制的结构框图，选择中央处理单元 类型，存储器扩展电路设计和 I/O 口即输入 /输出接口电路设计，最后绘制 制系统电气控制的结构框图 数控系统是由硬件和软件两部分组成的。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 数控系统的性能指标。 机床硬件电路由以下五部分组成： 1主控制器，即中央处理单元 2总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。 3存储器，包括数据存储器和程序存储器。 4接口，即 I/输出接口电路。 5外围设备，如键盘、显示器和光电输入机等。 机床数控系统硬件框图（开环系统）如下图所示： 图 床数控系统硬件框图（开环系统） 22 择中央处理单元 类型 在微机应用系统中， 选择应考虑以下因素： 1时钟频率和字长，着个指标将控制数据处理的速度。 2可扩展存储器（包括 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，即对外设控制的能力。 5开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。 此外还要考虑到系统的应用场合、控制对象对个参数的要求和经济价格比等经济性指标。 目前在经济性数控机床中，多采用 51 系列单片机作为主控制器，因此 51 系列单片机做为主控制器。 51 系列单片机主要有三种型号的产 品： 8031、 8051 和 8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。 8751 具有片内 价格是 8051 的 1015倍，所以适合于开发样机，小批量生产和需要在现场进一步完善的场合。 8051 的 司制作芯片时为用户制备的，因此在国内很难采用 8051 型芯片。而 8031 片内无合用于需扩展 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 数控改造中也采用 8031 芯片。 储器扩展电路设计 51 系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合， 51 系列的最小系统用一片 8031 外扩一片 能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可利用 51 的扩展功能构成功能强、规模较大的系统。因此， 51 的存储器进行扩展。 存储器扩展电路设计包括程序存储器和数据存储器的扩展，其中还包括地址锁存器和译码电路的设计。 序存储器的扩展 51的程序存储器的寻址空间为 64K 字节， 8031片内不带 作程序存储器的器件是 中常用的半导体 片有： 27162(2K 8)、 2732(4K 8)、 2764(8K 8)、 27128(16K 8)、 27256(32K 8)、 27512(64K 8)。 2764、 27128、 27256、 27512芯 23片均为 28脚双列直插式扁平封装芯片，引脚向下兼容。 不同型号的 作速度也有差别，一般为 200450择时应注意芯片的工作速度是否满足系统时序的要求。 8031访问 ，其所能提供的读取时间 为 3T， T 为时钟周期。若晶体频率选用 6 t 480凡是工作速度小于 480 根据功能要求和价格比较，选用 2764芯片作为
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