(普通机床的数控改造)综合作业指导书

《机电一体化专业》《综合课程设计》指导书2023220日10第一章、第一节、综合课程设计的目的综合课程设计是机电一体化工程专业教学中的一个实践性教学环节。是在学生学完技术根底课和专业课，特别是《数控技术及应用》课程之后进展的。是培育工程技术人员理论联系实际、解决生产实际问题能力的重要步骤，它起到毕业设计的作用。机电一体化专业综合作业是以机电一体化的典型课题 数控机床的应用和设计为主线通过对数控机路的设计，使学生综合运用所学的机械、电子和微机的学问，进展一次机电结合的全面训练。从而培育学生具有加，编程力气、初步设计计算的力气以及分析和处理生产中所遇到的机、电方面技术问题的力气。其次节、综合作业的内容及要求综合作业要求学生在全面了解一台数控设备的使用和设计过程的根底上，完成以下内容：一、数控加工程序的编制零件工艺分析及确定工艺路线。选择数控机床设备。确定装夹方法及对刀点。选择刀具。确定切削用量。编制加工程序。二、进给伺服系统机械局部设计计算确定脉冲当量。滚珠丝杠螺母副的计算和选型。滚动导轨的计算和选型。进给伺服系统传动计算。步进电机的计算和选用。设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。三、单片微机把握系统的设计〔1〕把握系统方案确实定及框图绘制。〔2〕8031单片微机及扩展芯片的选用。〔3〕1/O接口电路及译码电路的设计设计绘制一台数控机床单片微机应用系统电路原理图。第三节、综合作业的工作量一、图纸局部进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图(A0图纸一张)。单片微机应用系统电路原理图一张(A1图纸一张)。二、说明书局部 ·说明书是综合作业整个设计计算过程的表达说明，应包括以下内容:加工程序的编制及说明。把握系统总体方案的分析及把握框图。机械局部设计计算、构造设计说明。硬件电路局部设计说明。8000字第四节、考核方法、考核内容及成绩评定一、考核内容的状况下生搬硬抄。二、考核方法学生在完成作业的每一项之后，必需由指导教师审核并签字盖章。三、考核评定学生完成全部作业后，统一由学校组织考核小组，对学生完成综合作业的状况，以及对下述考核内容把握状况评定成绩。下面列出综合作业各局部的考核点：l、进给伺服系统机械局部考核点 (1)滚珠丝杠螺母副如何预紧？怎样保证滚珠丝杠螺母的螺母座与两端支承同心?滚珠丝杠所受的辆向力如何通过支承件传递到床身上?滚珠丝杠上的向心推力球釉承如何预紧?齿轮传动副如何消退齿侧间隙?消隙齿轮装配过程是怎样的?步进电机在齿轮箱体上怎样定位?滚动导轨怎样预紧?贴塑导轨摩擦系数多少?应当贴在导轨的什么部位?各部件的协作外表应当承受什么性质的协作及精度等级??〔12〕在什么状况下需要对滚珠丝杠进展预拉伸?怎样进展预拉伸?2、微机数控系统电路设计局部考核点〔1〕各芯片名称及功能。〔2〕80311/0口的功能。线选法地址译码方法。全地址译码方法及各芯片地址编码。1/0口芯片口地址。“〔6〕815582551/0口输入、输出状况及把握字。键盘及显示接口电路工作原理。扩展数据存储器及程序存储器地址范围？为什么必需允许地址重叠(即独立编址)？步进电机环形安排器工作原理、硬件环配芯片备引脚的功能。光电隔离电路工作原理。凹凸压驱动电路工作原理。其他关心电路，如越界报哲电路、复位电路、时钟电路系工作原理。四、综合作业评分标准综合作业成绩分优秀、良好、中等、及格和不及格五级分制。各级评分标准如下：优秀：综合作业内容完整。按期完成任务。加工程序编制正确，进给伺服系统设计方案正确可行、论证充分，选用数据正确合理，计算准确，图面干净，质量高，把握系统硬件线路设计合理。设计计算说明书整齐通顺、有条理。考核时对各局部考核点理解深透，能工确全面地答复以下问题。良好选用数据较合理、计算较准确，图面干净、质量较高，硬件电路设计合理。说明书较通顺、整齐。考核时对各局部考核点理解较好，答复以下问题比较正确全面。中等：综合作业内容完整，按期完成任务。加工程序编制根本正确，进给伺服系统设计方案根本正确，论证一般。选用数据根本正确图面质量较干净、质量尚好。考核时，对各局部考核点问题有确定的理解，经提示后能正确答复以下问题。及格：根本完成综合作业规定的内容。方案选择无原则性错误，说明书和图面比较粗糙，质量一般，存在一些错误，但主要局部根本符合要求，对考核点列出的问题理解不够经提示后只能答复局部主要问题。不及格点所列出的主要问题不能答复经提示后答复仍不正确。假设觉察有别人代作综合作业者，取消参与考核的资格。第五节、综合作业的参考题目一、数控机床加工程序编制以下题目所选用的数控车床或数控铣床可以依据例题中的经济型数控机床的规格参数去编程自己生疏的数控机床去编程。如图l-l所示零件，毛坯为φ5mm45钢，HBS=235，尺寸及外表粗糙度见图。试编出精加工程序单〔各外表留余量均为0.2m。图1-l1-2所示零件，毛坯为φ65mm45钢，HBS=235，其全部加工(粗加工、半精加工、精加工)在数控车床上完成，试安排加工工艺路线，绘制刀具布置图，编制加工程序单。R10R10o ×4M20405×4290图1-21-3所示零件，毛坯已按零件外形铸成铸件，材料为可锻铸铁，HBS=220260。外表加工4mm。图1-3如图1-4所示凸轮，毛坯承受可锻铸铁，铸造成形，工件硬度HBS=230，凸轮两端面及φ4mm孔3mm，须在数控铣床上加工，试编制其加工程序。1-4HBS=160—200，工件两端面及φ20m孔已加工完毕，圆弧与直线组成的周边轮廓加工余量为2mm需在数控铣床上加工，试编制加工程序。1-5如图1-6所示板状零件φ40mmA、B外表已加工好。零件材料为钢HBS=150，现在XH7544一φ12mm孔试编制其加工程序。要求，零件四周余量l毫米，一次铣成，编加工程序时，利用刀具位置偏置；4一φ12孔加工程序时，利用固定循环。编制程序时的刀具T，主铀转速S，进给速度F可参考实例的程序的工艺规程卡来确定如图l-7所示板状零件φ40mmA、B外表已加工好。现在XH754卧式加工中心上铣四周轮4一Ml6螺纹孔(钻底孔、孔端倒角、攻螺纹)HBS=150，试编制其加工程序。要求：l)零件四周余量lmm，一次铣成编加工程序时，利用刀具半径补偿。2)4M16螺纹孔程序时，利用固定循环。l-7二、进给伺服系统机械局部设计题目将以下一般车床改造成用MCS一51系列单片机把握的经济型数控车床，承受步进电机开环把握，纵例和横向均具有直线和圆弧插补功能。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。设计参数如表1-1(l)、CA6140(或C6140、C620、C620-1等)一般车床微机数控化改装设计。(2)、C6150一般车床微机数控化改装设计。(3)、C6163(或C630)一般车床微机数控化改装设计。(4)、C6132(或C616)一般车床微机数控化改装设计。(5)、φ4OOmm经济型数控车床进给伺服系统机械构造设计。(6)、φ50Omm经济型数控车床进给伺服系统机械构造设计。(7)、φ630mm经济型数控车床进给伺服系统机械构造设计。〔型号〕度〔mm〕〔型号〕度〔mm〕面上 鞍上 〔mm〕纵向 横向 纵向 横向 纵向 横向 (KW)〔ms〕最大加工最大加留板及刀架刀架快移速最大进给速主电机启动加规格定位精直径〔mm〕工长度重力〔N〕度〔m/min〕度(m/min)功率速时间φ400mm40021075010006002.41.20.60.3±0.0157.530CA61401000C620)φ500mm50028075011007002.41.20.60.3±0.0155.530C61501000φ630mm630350140012008002.01.00.50.25±0.0151035C61632900CW6163φ320mm3201757008005002.41.20.80.4±0.014.525C6132C616以下经济型数控铣床的设计或改造设计要求,承受MCS一511-2，题目如下:(8)、X52K立式铣床(或X62W万能铣床)微机数控化改装设计。(9)、X53K立式铣床微机数控化改装设计。(1O)、工作台面宽度32Omm(或25Omm,2OOmm)经济型数控铣床进给伺服机构设计。工作台快移主电工作台快移主电启动工作台尺寸 工作台行工作台及加具进给速度定位精速度机功加速〔长×宽程(mm)工件重力(mm)〔m/min〕度〔m/min〕率时间mm〕〔mm〕纵向横向纵向横向纵向横向纵向横向(KW)〔ms〕320×1250680240300050001.61.60.60.6±0.017.530(K52X)400×1600880300350055001.41.40.60.6±0.011030(X53X)以下题目为经济型数控台钻X-Y工作台设计，此台钻用于加工印刷电路板之小孔，承受步进电机，点位把握，不要求具备插补功能，具体设计技术参数见表1-3，题目如下:(11)、数控台钻X-Y工作台进给伺服系统设计。表1-3、数控台钻X-Y工作台设计参数最大转孔工作台最大移动速度启动加速直径(mm)工作台加工范围〔mm〕X向 Y向〔m/min〕X向 Y向定位精度〔mm〕时间〔ms〕加工材料φ4200 1601.6 1.6±0.0125青铜φ5180 1401.4 1.4±0.0125青铜φ6160 1201.2 1.2±0.0125青铜三、单片微机把握系统硬件电路设计数控机床把握系统可以承受MCS-51CPU序存储器、数据存储器、I/O接口、键盘、显示等外设。题目如下：I/O接口。、经济性数控铣床把握系统硬件电路设计。、数控转台X-Y工作台把握系统硬件电路设计。其次章 微机数控系统总体设计方案的拟定第一节总体方案设计的内容接到一个数控装置的设计任务以后，必需首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能打算各种设计参数和构造，然后再分机械局部和电气局部进展设计计算。现以机电一体化的典型产数控机床为例，分析总体方案拟定的内容和应当考虑的问题。及传动方式确实定，计算机系统的选择等内容。一般应依据设计任务和要求提出数个总体方案，从经济性、环保、运动精度、牢靠性、操作便利等多个方面进展综合分析、比较和论证，最终确定一个可行的总体方案。总体方案确实定没有唯一的结论。总体方案设计的内容包括：一、系统运动方式确实定：/过程中不进展切削，可选用点位把握方式。二、伺服系统的选择：伺服系统可分为开环把握系统、半闭环把握系统和闭环把握系统。三、执行机构传动方式确实定：无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点:、尽量承受低摩擦的传动和导向元件。如承受滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。、尽量消退传动间隙。例如承受消退齿轮等。、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。可承受预紧的方法提高系统刚度。例如承受预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副等。四、计算机的选择DSP、PC机都可以使用，对于性能要求较高的系统，还可以承受多CPU构造；在总体方案设计时，就需要依据设备的要求，并考虑将来的改进，选定最适宜的计算机，并不是越先进越好。其次节总体方案设计举例例1、将一般车床改造成经济型数控车床。1、设计任务将CA6140一般车床改造成用MCS-51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。系统区分率：纵向：0.Olmm,横向：O.0O5mm。设计参数如下，最大加工直径:在床面上 40Omm在床鞍上 2lOmm最大加工长度: 10OOmm快进速度：纵向 2.4m/min横向 1.2m/min最大切削进给速度:纵向 0.5m/min横向 0.25了/min代码制: ISO脉冲安排方式: 逐点比较法输入方式: 增量值、确定值通用把握坐标数: 2最小指令值:纵向 脉冲横向 0.0O5mm/脉冲刀具补偿量： 0–99.99mm进给传动链间隙补偿量:纵向 0.l5mm横向 0.075mm自动升降速性能: 有2、总体方案确定、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，故应选择连续把握系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化构造、降低成本，承受步进电机开环把握系统。、计算机系统依据机床要求，承受8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，牢靠性好、功能强、速度快、抗干扰力气强，具有很高的性能价格比等特点，打算承受MCS-51系列的8031单片机扩展系统。1/0接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和把握命令通过键盘操作实现，显示器承受两排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区分率尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消退间隙，承受有预加负荷的构造。齿轮传动也要承受消退齿侧间隙的构造。系统总体方案框图见图3-1。图1经济型数控车床总体方案框图第四章机床进给伺服系统机械局部设计计算动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械局部装配图及零件工作图等。现分述如下: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0.01—0.005mm/脉冲，经济型数控磨床常常承受脉冲当量为0.002—0.00lmm/脉冲。脉冲当量有时也由设计任务书中直接给出。其次节、切削力计算在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，常用的计算切削力的方法有：1、用阅历公式计算主切削力：简洁而有用。2、按切削用量计算切削力：较准确。3、依据机床主电机功率计算：果差异很大；这就需要依据进展数控改造设计的一般车床的主电机功率来计算切削力。第三节、滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择构造类型:确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。构造类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括:公称直径d。(或丝杠外径d)、导程L、滚珠的工作圈数j、列数0K、精度等级等。滚珠丝杠副的计算步骤如下:一、计算进给率引力Fm:作用在滚珠丝杠上的进给率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型式有关。二、计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径d100万转后，在它的滚道上不产0C。三、计算最大静负载C当滚珠丝杠副在静态或低速(n≤lOr/min)状况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面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静负载C。四、传动效率计算五、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。包括：1δ1在总的变形量中占的比重较大。2滚珠与螺纹滚道间接触变形量δ2在总变形量中也占比较大的比重。3、支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形量δ 。34、滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量δ4。5、螺母座及轴承支座的变形。因此，滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算δ 、δ 和δ 之和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，1 2 3否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。六、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向弯曲(失稳)的危急。七、滚珠丝杠螺母副几何参数计算。八、滚珠丝杠副的精度等级。九、滚珠丝杠副的标注方法。滚珠丝杠副的种类、构造、计算方法和参数，可在网上查到，国内的生产厂家很多，常用的有：济宁丝杠厂、南京工艺设备厂等。第四节、滚动导轨的计算和选型目前，滚动导轨在数控机床上的应用格外广泛，由于其摩擦系数小，f=0.0025-0.005;动、静摩擦系数持性好,低速运动时不易消灭爬行现象，因而定位精度高。滚动导轨的设计包括选择构造形式，确定预紧方式，计算和确定几何参数。一、选择滚动导轨的构造形式滚动导轨可分为滚动体不作循环运动的直线运动导轨和滚动体作循环运动的直线运动导轨两大类。二、滚动导轨预紧方式确实定常用的预紧方法有两种:承受过盈协作或承受调整元件，三、滚动导轨几何参数确实定包括：1、滚动体尺寸和数目的选择2、滚动导轨的长度四、滚动导轨承载力气的计算(1)、计算最大载荷时所需原始数据Fx、Fy、Fz: X、Y、Z坐标方向的切削力(N);G： 运动部件(包括工件)重力(N);Xp、Yp、Zp: 在不利的工作条件下切削力作用点的坐标(cm);Xg、Yg: 运动部件(包括工件)重心的坐标(cm);、计算导轨所承受力矩：Mx、My、Mz、计算导轨反作用力A、B、C和滚动体的平均负载(4)、计算导轨端部滚动体的最大负载(5)、滚动体许用负载的计算五、滚动导轨的刚度验算。滚动导轨应验算其接触刚度，即验算接触变形δ的大小。第五节、进给伺服系统传动计算负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足一走的脉冲当量，常承受齿轮降速传动。当机床脉冲当量滚珠丝杠导程L。确定以后，可以先初选步进电机的步距角，用下式计算进给伺服系统的传动比i：

i=(360δ )/(θ L)p b0式中:δ : 脉冲当量(mm/步);pL。: 滚珠丝杠的根本导程(mm);θ : 步进电机的步距角。b第六节、步进电机的计算和选用选用步进电机时，必需首先依据机械构造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进电机。包括：一、转动惯量计算1、齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算。2、丝杠折算到电机轴上的转动惯量。3、工作台折算到丝杠轴上的转动惯量。4、丝杠传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量。二、电机力矩的计算最大切削负载时所需力矩等几局部。三、步进电机的选择1、首先依据最大静转矩，初选电机型号。必需特别留意，这样初选出来的步进电机型号并不愿定能满足实际工作时的要求，也就是说，尽管最大静运行矩频特性两条重要的性能曲线来检查所选步进电机的型号是否能满足要求。2、计算电机工作频率可以分别计算快速进给时步进电机的最大空载起动频率和切削时的最大工作频率。3、校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。渐升速，以保证不失步，升速到规定的运行频率后，开头恒速运行，在到达终点前，要逐步降速，降到起动频率以下，以保证准确定位。升降速把握是由软件实现。在承受升降速把握以后，假设步进电机起动力矩还不能满足要求，还可承受凹凸压驱动功放电路，将步进电机起动力矩再扩大一倍左右。国内生产步进电机的厂家很多，可在网上查到相关资料。第七节、进给伺服系统机械局部的构造设计参数之后，就可进展构造设计。对于经济型数控机床进给伺服系统设计和一般车床微机数控化改造设计中，应当留意以下问题:一、尽量削减一般车床数控化改造设计时的改动量改动量。尤其是对机床上较大的部件，例如床身、床鞍、工作台等，尽量利用原来的部件，作少量的加工改造。这样可以大大的降低本钱，缩短制造周期。初步计算以后，再进展类比，使构造尺寸比较紧凑合理。二、要求设计完整清楚的进给伺服机构装配图要能清楚完整地表达出装配图中每-零件的几何外形和尺寸，应能拆出零件图。图中需标出必要的尺寸和配合，例如:电机止口和箱体协作处，轴承外圈和箱体内孔之间，轴承内孔和轴之间均应标注尺寸和协作。三、设计时留意装配的工艺性四、要求标注清楚装配图的技术条件0.O5mm0.Olm导轨平行度到达要求以后，再紧固螺钉并打上定位销。五、消隙齿轮安装调整要便利。第八节、经济型数控机床进给伺服系统设计计算实例将-台CA6140MCS-51直线和圆弧插补功能，具有升降速把握功能。其主要设计参数如下:加工最大直径: 在床面上φ4OOmm在床鞍上φ21Omm加工最大长度: 10OOmm溜板及刀架重力: 纵向800N横向600N刀架快速速度: 纵向2.4m/min横向1.2m/Min最大进给速度: 纵向0.6m/min横向0.3m/min主电机功率: 7.5kW起动加速时间: 30ms机床定位精度: ±0.015mm此机床进给伺服系统运动及动力计算如下：一、进择脉冲当量依据机床精度要求确定脉冲当量，纵向:0.01mm/步，横向:0.005mm/步(半径)。二、计算切削力1、纵车外圆主切削力F(N)按阅历公式估算:zF=0.67Dmax1.5z=0.67x4001.5=5360按切削力各分力比例:F:F:F=l:0.25:0.4z x yF=5360x0.25=1340xF=5360x0.4=2144y2、横切端面主切削力F’(N)可取纵切的1/2:zF” 1F 2680z 2 z此时走刀抗力为F’y(N)，吃刀抗力为F’x(N)。仍按上述比例粗略计算:F’:F’:F’=1:0.25:0.4z y xF’=2680x0.25=670yF’=2680x0.4=1072x三、滚珠丝杠螺母副的计算和选型(-)、纵向进给丝杠1、计算进给率引力Fm(N)纵向进给为综合型导轨：F KF f”(F G)m x z1.1513400.16(5360800)2530式中： K－－考虑颠复力矩影响的试验系数，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:G=800N。2c:3Lc3Lw m60nTL1061000vn sL0式中:L——滚珠丝杠导程，初选L=6mm;0 0v〔1/2～1/3〕，此处v＝0.6m/min；s sfw——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。v1000vn sL0

10000.60.550r/min6L60nT60501500045345106 3453LC 3Lw m

1.2253010798.7N3、滚珠丝杠螺母副的选型可承受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16400N，精度等级选3级。4、传动效率计算 tg式中：γ——螺旋升角，WL4O0bγ=2044”1φ——摩擦角取10”滚动摩擦系数0.003～0.004 tg tg2044”

0.94tg() tg(2044”10”)5、刚度验算一般滚珠丝杠比较瘦长，它的刚度应当给与充分重视。先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图。最大牵引力为2530N。支承间距L=15OOmm丝杠螺母及轴承均进展预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。量δ‘1

图4-1、纵向进给系统计算简图、丝杠的拉伸或压缩变形量δ1依据Pm=2530N,Do=4Omm,查资料可查出δL/L=l.2﹡lO-5，可算出:δ =δL/L×1500=1.2×10-5×1500=1.8×10-2(mm)14倍。其实际变形(mm)为:1

14

0.45102、滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2查资料W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量δQ 6.4mQ因进展了预紧，2

12 Q

16.43.2m2、支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3承受8107型推力球轴承，d=35mm，滚动体直径d=6.35mm，滚动体数量z=18,1 Q3d 3d Z2QF2m 0.0024c

0.00243

6.35182

0.0075(mm)留意，此公式中Fm单位应为kgf因施加预紧力，故3

12 C

10.00750.0038mm2依据以上计算： 0.00450.00320.00380.0115mm定位精度1 2 36、稳定性校核滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。(二)、横向进给丝杠1、计算进给牵引力F‘:m横向导轨为燕尾形，计算如下:F”1.4F”f”(F 2F”G”)1.46700.2(268021072600)2023Nm y Z x2、计算最大动负载c1000vn L0

10000.30.5305L60nT60301500027327106 3273Lc f ”3Lw m

1.22.307283mm3、选择滚珠丝杠螺母副查资料，W1L20231列2.58800N，可满足要求，选定精度为3级。4、传动效率计算

tg tg4033”

0.965tg() tg(4033”10”)5、刚度验算2425N，支承间距L=45Omm，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。计算如下:、丝杠的拉伸或压缩变形量δ1(mm)查图4-6，依据F”m＝2023N，D。=2Omm，查出δL/L=5*lO-5，可算出 L

L4.21054501.89102mm1 L图4-2、横向进给系统计算简图、滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2查资料： 8.5mQ因进展了预紧δ =1/2δ =0.5*8.5=4.25µm2 Q、支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形δ3承受8102推力球轴承，d=4.763,z=12，d=l5mmQp”2 202.32 0.0024c

m3d 3Q

0.00243

4.763122

0.0094(mm)考虑到进展了预紧，故 13 2 c

10.00940.0047mm2综合以上几项变形量之和: 0.01890.00430.00470.0279mm1 2 3F” 1.4F”m y

f”(Fz

2Fx

G”)1.46700.04(268021072600)1155N从资料查出，当Fm’=1155N时，δ /L=2.4*lO-5L L1 L

L2.41054500.0108δ2和δ3不变，则δ＝δ1＋δ2＋δ3＝0.0108＋0.0043＋0.0047＝0.0198mm定位精度为±0.lmm，故此1 4 1 2

10.01080.00430.00470.0117mm4从上面计算过程可以看出，设计的过程要经过反复修改参数，反复计算才能到达满足的结果。6、稳定性校核计算临界负载其F(N)K

F fK

2EIZL2式中：E——材料弹性模量，钢:E＝20.6×1O6N/cm2I——截面惯性矩〔cm4〕IL——丝杠两支承端距离(cm)；

d4，di为丝杠内径；64 1f4-13中查出，一端固定，一端简支f=2.00Z ZId464 1

1.678840.3899cm464F K

2EI2220.61060.389978214NL2 452 n k 67.7 [n]k F”m

1155 k〔一般[n]=2.5～4〕k此滚珠丝杠不会产生失稳。(三)、纵向及横向滚珠丝杠副几何参数。查相关资料。四、齿轮传动比计算1、纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量δ ＝0.01滚珠丝杠导程L=6mm，初选步进电机步距0.750。可计算出传动比ip 0360piLp

3600.010.756

0.8b 0可选定齿轮齿数为，iiz2

322040 252、横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量δ ＝O.005，滚珠丝杠导程L＝5mm，初选步进电机步距角0.750可计算传动比p 0i:320piLp

3600.0050.755

0.48b 0降速:

zi 1zz2

z3342420z 5 5 40 254因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。五、步进电机的计算和选型(一)、纵向进给步进电机计算1、等效转动惯量计算计算简图见图1。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量JΣ

(kg·cm2)可由下式计算:J J M

J (1)2[(Jz1 z 2z2

G LJ) ( 0)2}s g 2式中：J(kg·cm2)MJJ——齿轮z1,z2的转动惯量(kg·cm2)1 2J(kg·cm2)。s参考同类型机床，初选反响式步进电机15OBF，其转子转惯量J=lOkg·cm2MJ 0.78103d4L 0.781036.4422.62kgcm21 1 1J 0.78103d4L2 2

0.781034426.39kgcm2J 0.781034415029.952kgcm23G=800N代入上式:

J J

J (1)2[(Jz1 z 2z232

G Lg J) ( 0)2}g s 2800 0.6102.62( )2[(6.3929.952) (40

)2]36.355kgcm2考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。

9.8 2J/J=10/36.355=0.275m ∑根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：M＝M+M+M起 amax f on 102M J

J

max 102J max amax v

60t2

60tanmax

p

b3600将前面数据代入，式中各符号意义同前。nmax

vpv

b 3600

24000.75500r/min0.01 360起动加速时间t=3omsan

2500M J max 10236.355 102634.5Ncmamax

60t2 a

600.03折算到电机轴上的摩擦力矩MfFL f”(PG)LM 0 0 z 0f 2i 2z /z2 1附加摩擦力矩M0

0.16(5360800)0.694Ncm20.81.25F L 1/3F L M p0

(12) m

(12) 0

0 2z /z2 2

0 上述三项合计:M起＝Mamax+Mf+Mo＝634.5＋94＋153＝881.5N·cm(2)、快速移动时所需力矩M快M快＝Mf+M0=94+153=247N·cmM起＝Mamax+Mf+Mo(3)、最大切削负载时所需力矩M切：MM

M M Mf 0 t

M xLF0f 0 2iF094153

13400.6 94153127.96375Ncm20.81.25从上面计算可以看出，M、M和M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起 快、 切电机的依据。查资料，当步进电机为五相十拍时λ=M/M=0.951。q jmax最大静力矩M=881.5/0.951=927N·cm。jmax按此最大静转距，150BF002型最大静转距为13.72NM。大于所需最大静转距，可以作为初选型号，但还需要进一步考核步进电机的起动频率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1000vf

max

10002.44000Hzk 60p1000vsfe60sp

600.0110000.61000Hz600.01从资料中查出15OBFOO2型步进电机允许的最高空载起动频率为280OHz，运行频率800OHz动时，f=250OHz时，M=lOON·m，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩(881.5N·cm)直接使用则起会产生失步现象，所以必需实行升降速把握(用软件实现)，将起动频率降到10OOHz时，起动力矩可增高到588.4N·cm，然后在电路上再承受凹凸压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。(二)、横向进给步进电机计算和选型与纵向进给一样，此处略。六、设计绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算之后，己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。轴承改装设计局部。改装包括：纵向进给局部拆去原机床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠，光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱联轴节装光电脉冲发生器，作螺纹加工用。装配时应保证丝杠与导轨平行，为使滚珠丝杠转动灵敏、无阻滞齿轮侧隙，承受双薄片齿轮弹簧错齿调整法。第五章 微机数控系统硬件电路设计第一节、单片微机数控系统硬件电路设计内容当前，在经济型数控机床把握系统中广泛承受美国Intel公同的MCS-51系列单片计算机，因此本章着重介绍用MCS-51系列单片微机构成的把握系统的设计内容、方法及步骤。单片微机数控系统硬件电路设计包括以下几局部内容:一、绘制系统电气把握的构造框图依据总体方案及机械构造的把握要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气把握的构造框图。数控系统是由硬件和软件两局部组成。硬件是组成系统的根底，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的牢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局部组成。主把握器，即中心处理单元CPU。总线。包括数据总线、地址总线和把握总线。(3)存储器。包括程序存储器和数据存储器。接口：即1/0输入/输出接口电路。外围设备。如键盘、显示器及光电输入机等。RAM二、选择中心处理单元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，这个指标将把握数据处理的速度。(2)、可扩展存储器(包括ROM和RAM)的容量。、指令系统功能，影响编程灵敏性。、1/0口扩展的力气，即对外设把握的力气。(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应用场合、把握对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。目前在经济型数控机床中，推举承受MCS-51系列单片微机作为主把握器。三、存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计应当包括程序存储器和数据存储器的扩展。程序存储器主要用于储存数控系统程序，而数据存储器用于存放用户加工程序，为保护用户加工程序，数据存储器必需有掉电保护功能。在选择存储器芯片时，要考虑CPU与存储器时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。经济型数控机床的程序存储器和数据存储器的容量一般在64K左右。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、输入/输出接口电路设计应包括接口芯片的选用，步进电机把握电路，键盘显示电路以及其他关心电路的设计，例如复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等。此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些局部的电路设计也应包括。其次节、专用接口设计CPU介绍：一、显示功能设计LED(发光二极管显示器)和LCDCRTLED显示为主；LED显示器通常它是由八个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。把握的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称有共阴极显示器。在相关课程中，我们已经学习了LED显示器的原理和接口电路；对数控系统设计来说，主要是依据需要显示的内容，确定LEDX,Y坐标符号、正负号，就必需选者米字型LED，显示数字使用字符型LED；LED的个数确定与显示内容，特别是工作行程长度，最小单位等有关。二、键盘输入功能设计在数控系统中，键盘的主要功能是输入、编辑用户的加工程序，一般应包括：字母键、数字键和必要的编辑、运行键，如：X、Z、T、M、F、0--9、插入、册除、启动、停顿等。键的具体个数，需要依据数控系统要求来确定。三、步进电机接口及驱动电路功率，需要有足够功率供给应电动机，因此需要有功率放大环节。脉冲安排器及前面的微机及接口芯片，工作电平一般为5V们之间应承受隔离电路。1、脉冲安排器I/O接口接线数少，且执行速度较快，但需要专用的芯片。软件环形安排是用程序实现的。目前市场上供给的国产TTL集成脉冲安排器有硬件环形安排器三相、四相、五相和六相，其型号分别为YBOB、YBO14、YBOl5及YBO16，均为18个引脚的直插式封装。各引脚功能说明如下:E0---选通输出把握。把握脉冲安排器是否输出确定挨次的脉冲。R 清零。在输出确定挨次的脉冲前，对脉冲安排器进展清零，以便使其正常工作。A。、A 励磁方式把握。确定通电方式，即选择通电相数和拍数。1E、E 选通输入把握端，打算把握指令起作用的时刻。1 2CP 时钟输入端，打算脉冲安排器输出脉冲的频率。∧---正转(或反转)把握端，打算步进电机旋转方向。S 出错报警输出。假设某个端口把握信号出错或脉冲安排器运行错误时，该端口发出报警信号。图5-1是承受YBO14个硬件环形安排器YBO14把握，工作方式设定在4相4拍，故AAEE0 1 1 2所需旋转方向∧及输出把握信号E8031的P、P、P和P供给;时钟脉冲CP由8155的定时器供给;0 1。0 1.1 1.2 1.4清零端R接8031的P，以防乱相。1.5软件环形安排器在电路上不需要环形安排专用芯片“1“，对应绕组的通电状态;这一位为“0的方向转动。在电路上，步进电机的每-绕组需和一个1/0口相连(经光电隔离电路)，故占用的1/0口数量较多。图5-1、步进电机硬件环形安排器接口2、光电隔离电路要W驱动电压较高(几十伏)，电流也较大(几安到几十安)，假设将1/0口输出信号直接与功率放大器相联，路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电藕合器。3、功率放大器脉冲安排器的输出功率很小，远不能满足步进电机的要求，必需将它放大以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。τ =L/Ri m式中L 步进电机一相绕组的平均电感量;mR 通电回路的电阻，它包括绕组电阻、功率放大器输出级内阻及串联电阻。而断电绕组电流是下降的，这时存储于绕组中的势能将以电流形式释放出来，使电流按指数规律下降，其时间常数为：

τ =L/Rd m D式中R 放电回路电阻，它包括绕组电阻，续流二极管正向电阻等。D几乎同时存在，所以步进电机负载力气下降，严峻时会消灭失步。(1)、电阻法R可以使电流上升的时间常数减小，从而使电流上升沿变陡。在步进电机绕组回路串联一个电阻R。。此时步进电机电流时间常数变为：τ =L/〔R+R〕i m o这种方法的缺点是，在串联电阻R。上消耗了一局部功率，降低了效率。故只适用于小功率步进电机。、双电源法又称凹凸压驱动电路。其原理是:开头时先接通高压，以保证电动机绕组中有较大的冲。但步进电机额定相电压是规定的，不