Φ320mm数控车床总体设计及纵向进给设计说明书.doc
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数控车床
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320mm的数控车床总体设计及纵向进给设计 摘 要本次设计是对320MM数控车床的设计。在这里主要包括:主传动系统的设计、纵向进给系统的设计、横向进给系统的设计。而我主要是针对纵向进给系统进行机械设计。这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。数控设计主要传动系统的机械设计。由于对经济型数控机床的加工精度要求不高，为简化结构、降低成本。通过控制横进给系统，保证设计后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。为实现机床所要求的传动效率，采用步进电机经联轴器再传动丝杠；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。关键词：车床，数控设计， 联轴器，滚珠丝杠 AbstractThis design is about the common Lathe 320MM transformation of NC. Main tasks are: the transformation of the main transmission system, the transformation of the vertical feeding system, horizontal feed system reform. While I was mainly aim at the lateral feeding system mechanical transformation. The graduation project on the design of the basic skills training has improved the analysis and the ability to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design. NC transformation is mainly a transformation of mechanical drive system. Because of the economy less precision CNC machining, it is order to simplify the structure and reduce costs. By controlling the cross-feed system, it ensures the modified lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation, and pause. Required for the realization of the transmission efficiency of machine tool, we should us a stepping motor drive and then screw through the coupling. To ensure a certain degree of driving accuracy and stability and minimize friction, a ball screw pair is needed. Keywords: lathe, NC Transformation , Coupling ,Ball Screw 目 录摘 要1Abstract2第1章 数控机床发展概述51.1数控机床及其特点51.2 数控机床的经济分析61.2 数控机床的工艺范围及加工精度61.4 数控机床的发展趋势7第2章 数控机床总体方案的制订及比较82.1 总体方案比较与确定82.1主轴系统的方案确定92.2安装电动卡盘92.3换装自动回转刀架92.4螺纹编码器的安装方案92.5进给系统的与设计方案102.6 尾座与设计方案10第3章 确定切削用量及选择刀具103.1科学选择数控刀具103.1.1选择数控刀具的原则103.1.2选择数控车削用刀具103.2 设置刀点和换刀点113.3 确定切削用量113.3.1确定主轴转速113.3.2确定进给速度113.3.3 确定背吃刀量12第4章 纵向进给机构的设计12第5章 数控系统的选择195.1数控系统基本硬件组成195.2 单片机控制系统的设计21结论23参考文献24致谢26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（Numerical Control Machine Tools）简称数控机床，这是一种将数字计算机技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置，经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性、高效能的自动化机床，是典型的机电一体化产品。数控机床一般由下列几个部分组成： 1）主机，它是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件，是用于完成各种切削加工的机械部件。 2）数控装置，是数控机床的核心，相当于人的大脑，它包括硬件（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。 3）驱动装置，它是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动系统、伺服驱动系统、主轴电机及伺服电机等。它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以及曲面的加工。 4）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。 5） 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。与数控机床相比，数控机床有如下特点： 1）加工精度高，具有稳定的加工质量； 2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 3）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； 4）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（一般为数控机床的3-5倍）； 5）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 6）对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。 1.2 数控机床的经济分析数控机床能缩短生产准备时间，增加切屑加工时间的比率；使用数控机床进行生产，加工的零件精度高，产品质量稳定,从而有效的提高了产品在市场上的竞争力；数控机床具有广泛的适应性和较大的灵活性，因此能够完成很多数控机床很难完成或者根本不能加工的、具有复杂型面、要求高精度的零件的加工；许多数控机床如加工中心具有自动换刀功能，使零件一次装夹之后就能够完成多个加工部位的加工，实现了一机多用，大大节省了设备和厂房面积；生产者可以对生产成本进行预算，并对生产进度进行合理的安排，以达到提高经济效益的目的；应用数控机床进行生产，减轻了工人的劳动强度，提高了工人工作的环境质量，增加了工人的生产积极性，促进了生产，提高了生产效率。随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，数控机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。1.2 数控机床的工艺范围及加工精度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。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，甚至可以以铣代磨。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。1.4 数控机床的发展趋势数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的数控数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。 第2章 数控机床总体方案的制订及比较2.1 总体方案比较与确定总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。数控车床后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。比较项目方案一方案二确定后的方案具体原因主轴箱分级变速采用调速电机+齿轮传动采用三相异步电机+减速器方案一变速级数比较多满足多种加工需要，也符合任务书要求进给机构滚珠丝杠+步进电机滚珠丝杠+伺服电机方案一脉冲当量步进电机控制的准确刀架四工位回转刀架六工位回转刀架都可以各有各的好处尾座液压尾座手动普通尾座液压尾座可通过数控系统调整方便数控系统8位单片机16位单片机方案一基本需求可以满足2.1主轴系统的方案确定若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用24速的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于，原来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率应比电动机大）。 400MM车床时，若采用有级变速，可选用浙江超力有限公司生产的YD系列变级多速三相异步电动机，实现档变速；若采用无级变速，应加装交流变频器，推荐型号为：F100-G0075T3B,适配电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。2.2安装电动卡盘为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特附件总厂生产的KD11250型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系。2.3换装自动回转刀架为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成。2.4螺纹编码器的安装方案螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴信号的反馈元件，它与车床主轴同步。后的车床能够加工的最大螺纹导程是，Z向的进给脉冲当量是，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于。考虑到编码器的输出有相位差的A、B相信号，可用A、B异或后获得个脉冲（一转内），这样编码器的线数可降到线（A、B信号）。另外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉冲Z。基于上述要求，选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05VO-15-CT。电源电压+5V，每转输出个A/B脉冲与1个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在床头箱的的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比为的同步齿形带与主轴连接起来。需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性连接，且车床组、主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。2.5进给系统的与设计方案在此主轴的同步轴，安装螺纹编码器。在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速箱总成。在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的的螺母座与螺母座托架。在横溜板上方安装四工位立式刀架。将滑动丝杆靠刻度盘一段（长，见图一）锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。将横向进给步进电动机通过法兰安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚珠丝杠的轴头相联。更换丝杆的右支承。2.6 尾座与设计方案 设计成液压尾座。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目前，数控机床上大多使用系列化、标准化刀具，对可转 位机夹外圆车刀、端面车刀等的刀柄和刀头都有国家标准及系列化型号对于加工中心及有自动换刀装置的机床，刀具的刀柄都已有系列化和标准化的规定，如锥柄刀 具系统的标准代号为TSG-JT，直柄刀具系统的标准代号为DSG-JZ,此外，对所选择的刀具，在使用前都需对刀具尺寸进行严格的测量以获得精确数据， 并由操作者将这些数据输入数据系统，经程序调用而完成加工过程，从而加工出合格的工件。3.2 设置刀点和换刀点刀具究竟从什么位置开始移动到指定的位置呢?所以在程序执行的一开始，必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为程序执行时刀具相对于工 件运动的起点，所以称程序起始点或起刀点。此起始点一般通过对刀来确定，所以，该点又称对刀点。在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则 是:便于数值处理和简化程序编制。易于找正并在加工过程中便于检查;引起的加工误差小。对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提 高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基谁上。实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上，即“刀位点”与“对 刀点”的重合。所谓“刀位点”是指刀具的定位基准点，车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心。平底立铣刀是刀具轴线与刀具底面的交点;球头铣刀是球头的球心， 钻头是钻尖等。用手动对刀操作，对刀精度较低，且效率低。而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等，以减少对刀时间，提高对刀精度。加工过程中 需要换刀时，应规定换刀点。所谓“换刀点”是指刀架转动换刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时不碰工件及其它部件为准。3.3 确定切削用量数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写人程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要 选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是:保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限 度提高生产率，降低成本。3.3.1确定主轴转速主轴转速应根据允许的切削速度和工件(或刀具)直径来选择。其计算公式为:n=1000v/71D式中:v切削速度，单位为m/m动，由刀具的耐用度决定;n一一主轴转速，单 位为r/min,D工件直径或刀具直径，单位为mm。计算的主轴转速n，最后要选取机床有的或较接近的转速。3.3.2确定进给速度进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的 性能限制。确定进给速度的原则:当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在100一200mm/min范围内选取; 在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20一50mm/min范围内选取;当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选 小些，一般在20-50mm/min范围内选取;刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。3.3.3 确定背吃刀量背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保 证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5mm,总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓“合理的”切削用量是指 充分利用刀具切削性能和机床动力性能(功率、扭矩)，在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。第4章 纵向进给机构的设计为了提高传动效率和产品的加工精度，纵、横向传动全部用滚珠丝杠。由于本次设计的是经济型数控机床，其结构简单、价格便宜，调试、维护方便，一般用于精度不高的经济型数控机床，并且本次设计的机床主要用于粗加工及半精加工。为降低设计成本，决定采用伺服半闭环控制方式对X轴（横向）和Z轴（纵向）进给系统进行设计。采用伺服电机经齿轮减速再传动给X轴和Z轴丝杠；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。1、纵向进给系统的设计 经济型数控车床的设计一般是伺服电动机减速驱动丝杆，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。伺服电机的布置，可放在丝杆的任意一端，对车床的设计来说，外观不必象产品设计要求的那么高，而从设计方便，实用方面考虑，一般都把步进电机放在纵向丝杆的右端。2、纵向进给系统的设计计算 已知条件：工作台重量W=800N，加速时间常数t=25ms，滚珠丝杠基本导程L=6mm，快速进给速度V=2m/min。切削力计算由机床设计手册可知，切削功率式中Pc=NKP-电机功率，由条件我们选 P=4 KW-主传动系统总效率，一般为0.750.85,取=0.8;K-进给系统功率系数，取为K=0.96则： Pc =40.80.96=3.072kW切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转距)和最大切削转速(或转速)来计算,即 Pc =10或 Pc=式中 F-主主切削力(N); -切削速度（m/min） T-切削转距(N.m) n-主轴转速(r/min)设按最大切削速度来计算，取=100m/min，则主切削力Fz=（N）=1843.2（N）从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时：Fx=(0.10.6)Fz Fz=(0.150.7)FzFx=0.5Fz=0.51843.2921.6NFy=0.6Fz=0.61843.2=1105.92N (2)滚珠丝杆设计计算 滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计归为滚珠丝杠副型号的选择。1）计算作用在丝杠上的最大动负荷 ：首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出丝杠副应能承受的最大动载荷。式中 工作负载(N)指数控机床工作时实际作用在滚珠丝杆上的轴向力; 运转系数，一般运转系数取1.21.5，有冲击的运转取1.52.5； 硬度系数，为60HRC时，为1；为1; G 寿命(以转为单位1，如1.5则为150万转)。寿命G可按下式计算： G=式中 n滚珠丝杠的转速(r/min); T使用寿命时间(h),数控机床T取15000h。 工作负载的数值可用机床设计手册中进给牵引力的实验公式计算，对于三角形或综合导轨 =k+(+W)式中 、切削分力； W移动部件的重力(800N)； k考虑颠覆力矩影响的系数，k=1.15； 导轨上的因数，=0.150.18，取=0.16。则 =1.15921.6+0.16(184302+800)N=1482.752N 当机床以线速度v=100m/min,进给两=0.3mm/r,车削直径D=80mm的外圆时，丝杠的转速 n=r/min则G=万转=17.91万转根工作负载、寿命G，取=12，=1，计算出滚珠丝杆副承受的最大动负荷 =1.211482.752N=4655.3N由F查滚珠丝杠的产品样本或机床设计手册,选择丝杠的型号.现在我们参照江苏天安机械有限公司的滚珠丝杠的产品样本,选择滚珠丝杠的直径为32mm，型号为CDM3206-2.5-P3，其额定动载荷是14022N，强度足够用。参数技术:2）效率计算：根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率为式中 螺纹的螺旋升角，该丝杠为325 摩擦角，约等于。 则=0.9533)刚度验算：滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，将引起基本导程L的变化，因滚珠丝杠扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量L为 L= 式中 E弹性模量，对于钢，E=20.610N/c； S滚珠丝杠截面积（按丝杠螺纹底径确定d，若d=2.77cm），则S=6.03c。 其中，“+”用于拉伸时，“”用于压缩时。 则L=丝杠1m长度上导程变形总量误差为 =11.78因3级精度丝杠允许的螺距误差为15，故此丝杠的精度足够。（3）确定齿轮传动比 根据系统的脉冲当量，选步进电动机的步距角，则 取齿轮齿数,齿轮模数m=2m m,齿轮传动时效率（4）佩服电机的选择1）负载传动惯量估算 折算到伺服电机轴上的传动惯量可按下式估算 式中 -折算到电动机轴上的转动惯量（ 齿轮的转动惯量（） 齿轮的转动惯量（） 丝杠的转动惯量（） 估算参数。 对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算 式中 D圆柱零件的直径（cm） L-_零件轴向长度（cm）所以， 负载转动惯量 2）负载转矩计算及最大静转矩选择 根据能量守恒定律，电动机等效负载转矩 若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩 取安全系数为0.3，则 因为数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时应满足快速空载起动时所需转矩T的要求。 式中空载快速起动时所需的转矩（N;克服摩擦所需转矩（）;-丝杠预紧所引起的折算到电动机轴上的附加转矩（）。当工作台快速移动时，电动机的转速 由动力学可知 T=J式中 -角加速度，计算公式为=。则 T= J=8.68710=1.516=0.0175T=0.406式中 F-预加载荷, 一般为最大轴向载荷的1/3,即F/3则T= T+ T=(1.516+0.0175+0.406) =1.9403)伺服电机的最高工作频率 Hz=55.56Hz根据计算综合考虑,查表选用Star系列130ST-M06025H型伺服电机。（5）横向进给系统的设计计算 已知条件：工作台重量W=300N，时间常数t=25ms,滚珠丝杠基本导程L=4mm（左旋），快速进给速度=1m/min。由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，故计算过程略。 选择滚珠丝杠型号CDM2004LH-2.5-P3;减速齿轮Z=18, Z=30;伺服电机型号为110ST-M0403H.第5章 数控系统的选择5.1数控系统基本硬件组成任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成，硬件是数控机床的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能，有了硬件，软件就能发挥作用。 机床数控机床的硬件电路概括起来又以下四部分组成：（1） 中央处理单元CPU。CPU是数控系统的核心。（2） 总线。包括数据总线（DB） 地址总线（AB）和控制总线（CB）。（3） 存储器。包括只读可编程存储器和随机读写存储器。（4） I/O输入输出接口电路。由于8031只有P1口和P3口部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。从附录H图H2可以看出，系统扩展了一片8155和一片8255可编程I/O接口芯片。8155的片选信号CE接74LS138的Y0，8255芯片片选信号CS接到74LS138的Y2端。74LS138三八译码器有三个输入A、B、C分别接到8031的P2。5，P2。6、P2。7，输出Y0Y7 8个输出，低电平有效。Y0Y7对应输入A、B、C的000至111的8种组合，其中Y0对应A、B、C为000，Y7对应A、B、C为111。74LS138还有三个使能端，其中2个（GA和GB）为低电平使能，另一个G1为高电平使能。吸有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。I/O接口芯片与外设的连接是这样安排的：8155芯片PA0PA7作为显示器段选信号输出，PB0PB7是显示器的位选信号输出，PC0PC4 5根线是键盘扫描输入。8155芯片的IO/M引脚接8031芯片的P2。0，因为使用8155的I/O口故P2。0高电平。8255芯片PA0PA6接X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器，为输出，PB0PB7为三个方向的点动及回零输入，PC0PC5为面板上的选择开头是输入，设有编辑、单步运行、单段运行、自动、手动I、手动II等方式。系统各芯片采用全地址译码，各存储器及I/O接口芯片的地址编码如表419所示：X向，Y向步进电机硬件环形分配器采用YB015，32相通电五相十拍方式工作，故A0，A1引脚均接+5V，Z向步进电机配件环形分配采用YB014，是以23相通电四相八拍方式工作。A0、A1接高电平。三个芯片的选通输出控制E0分别接8255的PA0、PA3、PA5，清零R接8255的PA1，正、反转控制端分别接8255的PA2、PA4、PA6，时钟输入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以决定脉冲分配器输出脉冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补时不同的进给速度，可给8155芯片的定时/计数器中设置不同的时间常数。表5芯 片接74LS138引脚 地址选择线片内地址单元（B） 地址编码2764（1）000xxxxxxxxxxxxx8K0000H1FFFH2764 (2 )001xxxxxxxxxxxxx8K2000H3FFFH6264010xxxxxxxxxxxxx8K4000H5FFFH8155RAM10011110xxxxxxxx661009EFFHI/O1001111111111xxx69FF8H9FFDH825501011111111111xx45FFCH5FFFH 作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作，存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据，I/0输入输出接口是系统与外界进行交换的桥梁。总线则是CPU与存储器，接口以及其它转换的纽带，是CPU与部分电路进行交换和通讯的必由之路。数控系统的硬件框图为：图5-15.2 单片机控制系统的设计1 向和X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。采用MCS-5系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：a) 采用8031作CPUb) 扩展了两片2764芯片、一片6264芯片c) 两片8155可编程并行I/O接口。d) CPU、存储器及I/O接口CPU采用8031芯片，选用6MHz晶体振荡器。它的作为数据总线和地址共用。16位地址线由经地址锁存器74LS373提供8位地址，高8位地址由8031的口直接提供。ALE为地址锁存允许。为低电平时选通外部存储器（EPROM），相应的指令字节出现在EPROM的数据线（）上，输入到口，8031将指令读入。RESET为复位控制，当RESET输入端出现高电平时，8031被初始化复位，在复位有效期向ALE、PSEN也输出高电平。当RESET输入端返回低电平后，CPU从O地址开始执行程序。（故设计中一定有一片2764芯片连到74LS138的）设计中采用上电复位和开关复位。另外，两片8155的RESET也与8031的RESET管脚相连，它们可同时复位。8031的是片内的定时器/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8031发出进给脉冲，用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，用以防止车螺纹乱扣。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PA口为输入口，作为功能键的控制管理，刀架控制编辑、空运行、自动、手动I，手动和回零。PB口也是输入口，由面板上的按键分别控制起动、暂停、单段、连续、急停等功能。是换刀回答，当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，开始执行进给指令。接光电编码器输出的零位螺纹信号。PC口是输出口，控制自动转位刀架四个刀位的选刀。用于报警显示，系统正常工作时，输出低电平，绿色发光二极管亮，当系统出现异常情况时，输出高电平，经反向后，红色发光二极管亮，实现报警功能。 8155(2)控制步进电机，行程控制，以及键盘，显示电路。其中为输出口，用于控制Z向、X向步进电机运转，Z向步进电机为五相，X向为三相。此系统采用软件分配。键盘显示电路为46键和6位显示器。作为键盘的6条列线，是键盘扫描线，是输出口。接行线作为键盘输入口。是6位数码显示器的位选信号，8031的口是数码显示器的段选信号。接越程限位控制电路，当床鞍或拖板在Z向或X向越程时，即向计算机输入此信号，使进给系统停止。 表6 ：数控车床控制系统芯片地址分配芯片接74LS138引脚地址选择线片内地址单元地址编码2764(1)000xxxxxxxxxxxxx8K0000H-1FFFH2764(2)001xxxxxxxxxxxxx8K2000H-3FFFH6264010xxxxxxxxxxxxx8K4000H-5FFFH8155(1)I/O0110000100000xxx66100H-6105H8155(2)I/O1000000100000xxx68100H-8105H结论本课题结合目前国内外数控车床进给系统的研究现状和发展方向，具体阐述了一种桌面型数控车床的设计开发过程。本文主要完成的工作如下：1、数控车床结构方案的确定。分析了数控车床的特点，确定了数控车床基本结构，并确定其基本尺寸。2、确定了数控车床技术指标及参数。对该数控车床的各向切削力进行了计算。3、选择了数控车床系统的控制系统。采用了东达电控的电控箱。4、数控车床本体结构设计。对数控车床各大功能组件进行详细的模块化设计，确定零件结构，绘制零件图和装配图，并利用三维软件对数控车床进行了三维建模与运动仿真。5、零件的刚度和寿命计算与校核。对各个已设计零件进行刚度和寿命计算，确
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