C6140普通车床数控改造及横纵向进给系统设计2331

长春理工大学光电信息学院本科生毕业设计第V页C6140普通机床数控改造及横纵向进给系统设计摘要中国是一个传统的机械制造大国，但其装备水平落后，特别是一些老的机械制造厂大多还是比较旧的机床，远远不能满足加工的要求。针对目前制造业的技术装备现状，用现代先进技术对大批故障机床尤其是一大批闲置的普通机床进行改造、升级，以较小的投入尽快使这批设备在经济发展中发挥效能、创造效益，的确是许多企业的一项不可忽视的课题，是我国制造业的发展方向。本课题是针对CA6140普通废旧车床进行数控化改造，其现实意义在于如何寻找一种可行的、有推广价值的设备改造方法，对传统机械制造行业的技术装备进行技术提升，以解决目前设备老化所带来的问题。本课题研究过程中，首先对目前工厂所使用的常规数控机床进行了全面的调查和分析。在结合原C6140车床本身的结构和运动特性，对其主传动部分进行重新计算设计，设计出符合改造要求的主传动系统，在满足正常加工的条件下，选择合适的动力与控制系统，使整个主传动系统能在控制系统下完成设计所要求动力运转。关键词: 滚珠丝杠；滚珠丝杠螺母副；单片机；步进电机。Transformation of ordinary C6140 CNC vertical and horizontal feed system designAbstract:China is a traditional machine manufacture great nation, however, its equipment level falls behind, In particular, in some Engineering works, and most of the machine is quite old, far from enough to meet the requirements of processing. In view of present manufacturing industrys technical equip present situation, makes the transformation, the promotion particularly with the modern vanguard technology to a large quantities of breakdown engine bed large quantities of idles ordinary engine bed, enables this batch of equipment by the small investment to display the potency, the creation benefit as soon as possible in the economic development, indeed is a many enterprises noticeable topic, is our country manufacturing industry development direction .This topic is aims at CA6140 the ordinary worn out lathe to make the numerical control transformation, how does its practical significance lie in seeks for one kind feasible, to have the promoted value equipment to transform the method, carries on the technical promotion to the traditional machine manufacture professions technical equip, solves the problem which the present equipment gets older brings. In this topic research process, the first convention numerically-controlled machine tool which used for the present factory has carried on the comprehensive investigation and the analysis. In unifies the original C6140 lathes structure and the state of motion, carries on the recompilation design to its master drive part, designs conforms to the modification requirement master drive system, in satisfies the normal processing under the condition, chooses the appropriate power and the control system, enables the entire master drive system to complete the design under the control system to request the power revolution.Keywords: Ball screw;Ball the screw nut is auxiliary;Monolithic machine; Step-by-step electric motor.目 录1 绪论11.1 机床数控技术简介11.2 数控机床的产生和发展11.3 普通机床数控改造意义21.3.1 普通机床数控改造的好处：31.3.2 机床数控化改造的市场41.3.3 数控改造基本步骤42 总体方案设计62.1 设计任务62.2 确定总体方案72.2.1 伺服系统方案的确定72.2.2 执行机构传动方式的确定72.2.3 单片微机控制方案确定83 机床进给伺服系统设计计算93.1 运动参数计算93.2 系统脉冲当量选择及切削力确定93.2.1 脉冲当量选择93.2.2 纵车外圆103.2.2 横切端面103.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型103.3.1 滚珠丝杠的选型103.3.2 纵向进给丝杠的计算103.3.3 横向进给丝杠143.4 齿轮传动比计算183.4.1 纵向进给齿轮箱传动比计算183.4.2 横向同步齿形带传动比计算184 步进电机的选型和计算204.1 步进电机的特点与种类204.2 步进电动机的选用原则214.3 纵向步进电机的计算224.3.1 等效转动惯量计算224.3.2 电机力矩计算234.3.3 计算步进电机空载启动频率和切削时的工作频率：254.4 横向进给步进电机计算和选型264.4.1 等效转动惯量计算264.4.2 电机力矩计算274.4.3 计算步进电机空载启动频率和切削时的工作频率：305 控制系统的方案设计315.1 单片微机控制方案确定315.2 控制系统的作用及要求325.2.1 控制系统作用.325.2.2 基本要求325.3 控制系统硬件电路的设计325.4 控制电路部分软件的设计345.4.1 存储器与I/O芯片地址分配345.4.2 控制系统的监控管理程序345.4.3 8255芯片初始化程序355.4.4 8289芯片初始化程序365.5 步进电机的控制与驱动365.5.1 开环步进电机控制365.5.2 软件环形分配365.5.3 步进电动机的运动控制程序376 经济技术分析及环保406.1 机床改造技术分析406.2 机床改造的环保问题41结束语42致谢43参考文献：44长春理工大学光电信息学院本科生毕业设计第45页1 绪论1.1 机床数控技术简介随着科学技术的飞速发展和经济的竞争的日趋激烈，产品更新速度越来越快，复杂形状的零件越来越多，精度要求越来越高，多品种、中小批量生产的比重明显增加。激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短。传统的加工设备和制造方法以难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效质量加工要求。因此近几十年来，世界各国十分重视发展能有效解决复杂、精密、小批多变零件的数控加工技术。机床数控技术是应用数字化代码程序，控制机床实现自动化加工的柔性自动化控制技术。数控技术的应用是将传统的机械制造与微电子、计算机、信息处理、现代控制理论、检测技术以及光电磁等多种科学技术融为一体的机电一体化技术，使制造业成为知识密集的大科学范畴的现代制造业，其生产规模沿着“小批量少品种大批量多品种变批量”的方向发展。数控技术的利用关系到国家的战略地位，是体现国家综合实力的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已成为当今制造业的发展方向。1.2 数控机床的产生和发展20世纪50年代美国研制出第一台数控机床，数控机床及其数控技术经历了半个多世纪的发展。1959年，由于在计算机行业中研制出晶体管元件，在数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入了第二代。1965年，出现小规模集成电路，由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高。数控系统发展到第三代。尤其是近20年，由于微处理器和微电子技术的发展，使数控机床的性能价格比有了极大的提高，这不仅提高了产品的质量和效率，缩短了生产周期，改善了生产环境。我国从1958年开始研制数控机床，在研制和使用数控机床方面取的了一定成绩。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速的发展。目前我国已有几十家机床厂能够生产不同类型的的机床和加工中心。我国经济型数控机床的研究、生产和推广工作也取得了较大进展，他必须对我国各行业的技术改造起积极的推广作用。当前，国内外在数控装置、机床结构等的研究与开发方面不断取得成果出现了新的发展特点。从数控系统方面看，主要有： （1）主控机向着多位的微处理机化发展。（2）数控装置向着集成化和智能化的方向发展。（3）数控系统采用模块化结构。（4）数控编程更加图形化和自动化。（5）数控系统更加可靠和宜人化。在数控机床的结构方面，一是其驱动装置正向着交流和数字化的方向发展；二是机床床体部分的设计和制造不断选用新的材料；三是其加工刀具等辅助工具的材料引人注目。1.3 普通机床数控改造意义机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。众所周知，企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出满足市场需求、性能合适的产品。目前,采用先进的数控机床已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的另一条有效途径。机床数控化改造的市场目前在我国有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高等不良因素，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。近年来，美国、日本、德国、英国等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃。机床改造业正逐步从机床制造业中分化出来，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。1.3.1 普通机床数控改造的好处：（1）数控改造费用低，减少了投资额，经济性好。数控改造费用仅为新购一台数控机床费用的20%30%， 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，改造后几乎就是一台新的数控机床，甚至精度会更好，因为旧机床床身不会再产生变形，并可以利用现有地基。（2）力学性能稳定可靠。所利用的床身、立柱等基础件都是坚固的铸造构件，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。数控化改造使原有的机械结构更为简单。原有的手摇进给机构全部消失，这一方面可以提高精度，减少传动链对精度的影响；另一方面可以减少机械故障率，提高运动的可靠性。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）熟悉了解设备、便于操作维修，降低了操作者的技术要求，更易提高管理水平。购买新设备时，不了解新设备是否满足其加工要求，改造则不然，可以精确的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理解，在操作和维修方面培训时间短，见效快。改造机床一旦安装好，就可以实现全负荷运转。操作者只需要装夹工件和按开关，加工全部由电脑控制自动完成，使在复杂的工件也能快速完成，省去了对技术要求的烦恼。同时提高定额管理水平。 （4） 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。（5）可以利用最新的控制技术。可以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，提高设备的质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。自动化程度高，专业性强，加工精度高，生产效率高，提高了生产率，减少了劳动强度。（6）增强了功能，如圆弧加工，锥度加工，这是传统加工难于实现的。（7）交货期短，可以满足生产急需。1.3.2 机床数控化改造的市场（1）机床数控化改造的市场 我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国数控化率不到3%。近10年来我国数控机床年产量为3万4万台，年产值约为70亿元，机床的年产量数控化率不到6%。我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统机床，而且半数以上的就机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长等缺点，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。（2）进口设备和生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。这些为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于中中原因，设备或生产线不能正常运转甚至瘫痪，使企业的效益收到影响。一些设备、生产线从国外引进以后，由于备件不全，维护不当，结果运转不良。有的已引进较长时间需要进行技术更新。这些不能使用的设备、生产线是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取最大的经济效益和社会效益1.3.3 数控改造基本步骤将普通机床改造为数控机床，是一项技术性很强的工作，必须根据加工对象的要求和工厂实际情况，确定切实可行的技术改造方案，搞好机床的改造设计。其改造设计的一般过程如下： 1、对加工对象进行工艺分析，确定工艺方案被加工工件既是机床改造的依据，又是机床改造后加工的对象。不同形状，不同技术要求的工件，其加工方法就不同，对机床的要求也不相同。例如，对于圆柱形状的零件可用车削、外圆磨等方法加工，而平面则一般用铣削，平面磨等方法加工；对精度、表面粗糙度要求一般的外圆柱表面，常用车削加工；而精度高和表面粗糙度要求低时则要在外圆磨床上加工。在工艺分析基础上，绘制工序图，初步选定切削用量、刀具运动路线，计算（或估算）生产率。然后计算切削力及切削功率，从而计算出进给系统需要的功率和力矩等。这是选择方案及驱动部件的依据，目前多用类比法或测定法完成。 2、分析被改造机床，确定被改造机床类型。改造机床和设计机床是不同的，机床设计是根据设计任务书，对机床的整机进行设计，然后将机床的各组成零、部件逐一地制造，最后装成机床；而机床改造则是围绕某台机床进行工作，不仅要考虑机床本身结构的改造，还要考虑工艺系统中的刀具、夹具及其它辅具的改进，以满足生产的需要。在制定机床改造方案时，可先根据制定的工艺方案，初步选定被改造机床的类型，然后对被选定的机床进行认真分析，了解被改造机床的技术规格，技术状况，各部联系尺寸等，分析机床强度和刚度，分析被改造机床能否适应改造要求以及经济性等。最后确定被改造机床的型号。 3、拟定技术措施，制定改造方案。根据加工对象的要求和被改造机床的实际情况，拟定应采取的技术措施，制定出机床的改造方案，选用外购件时，一定要保证质量。在拟定技术措施，制定改造方案的过程中，应充分进行技术经济分析，力求使改造的机床不仅能满足技术性能的要求，还要获得最佳的经济效益，使技术的先进性与经济的合理性较好地统一起来。 4、设计或选用数控装置。在满足加工零件要求的同时，尽量使设计的数控装置功能强，稳定可靠，通用性好，价格低，或选用国内生产较好的专用数控装置。 5、进给机床改造的技术设计。 6、绘制机床改造的工作图。 7、整机安装调试。以上各步，并非一成不变，而是要根据实际情况，相互穿插，有时要反复进行，直至达到要求为止。本次毕业设计的内容就是：c6140简易数控化改造对横纵向伺服进给系统进行了滚珠丝杠副传动，步进电机驱动、单片微机控制的数控改造。2 总体方案设计2.1 设计任务将CA6140普通车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控机床，采用步进电机开环控制，纵向和横向均具有直线和圆弧插补功能。要求该车床具有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS51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、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51系列单片机扩展系统（4）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（5）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（6）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。（7）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。其原理如图2.1： 图 2.1主要给定设计参数如下：工件最大加工直径： 在床面上 ： 400mm工件最大长度： 1500mm刀架快移速度： 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： 7.5kw2.2 确定总体方案2.2.1 伺服系统方案的确定 由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。考虑到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。2.2.2 执行机构传动方式的确定为了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杠。为了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，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮纵向采用消除齿侧间隙的结构。横向采用齿形带。2.2.3 单片微机控制方案确定根据机床要求，采用8位机。由于MCS51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，MCS51系统的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用MCS51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。所以应选用8031单片机3 机床进给伺服系统设计计算3.1 运动参数计算主运动参数对于通用机床，由于完成的工序范围较广，又要适应一定范围的不同尺寸和不同材质零件的加工需要，需求主轴有不同的转速。1.最高转速和最低转速的确定 =式中的、可根据切削用量手册和车床适用情况确定，C6140车床可取200m/min, 取15m/min对于通用机床一般取; 式中 D 机床加工的最大直径 K 系数，根据对现有同类机床适用情况的调查确定，设计车床K=0.5; 计算直径范围，通常=0.20.25=0.5=0.25=r/min根据实际需要和发展的储备最后确定=1300r/min,同理r/min3.2 系统脉冲当量选择及切削力确定3.2.1 脉冲当量选择 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、铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量,纵向:0.01mm/步 横向：0.005mm/步3.2.2 纵车外圆由机床设计手册知道而且类比同规格车床，主切削力F按经验公式估算F=0.67D =0.67=5360N按切削力各分力比例F: Fx: Fy=1: 0.25: 0.4 Fx=1340N Fy=2144N3.2.2 横切端面横切端面时主切削力可取纵向主切削力的1/2主切削力=F=2680N仍按上述比例计算：F: Fx: Fy =1: 0.25: 0.4 Fx=26800.25=670N Fy=26800.4=1072N3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型3.3.1 滚珠丝杠的选型滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。珠丝杠滚副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。3.3.2 纵向进给丝杠的计算1.丝杠导程的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最大速度和伺服电机的最高转速及电机丝杠的传动比i确定。基本丝杠导程应该满足下式=4.6mm根据设计需要初选L0=6mm2. 计算进给牵引力Fm(N)滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于原普通CA6140车床的纵向导轨是综合导轨，则用下面计算托板上的进给方向载荷 F1=Fx=1340(N)托板上的垂直方向载荷 Fv=Fz=5360(N)托板上的横向载荷 Fc=Fy=2144(N)工作载荷的大小: Fm = KFx+ (F+G) =1.151340+0.17(5360+980) =2555N 式中 K 考虑颠复力矩影响的实验系数，综合性导轨取K=1.15； 滑动导轨摩擦系数：0.150.18取=0.17 G 纵向横向溜板箱和刀架的重量，选纵向溜板箱的重量为80kg,刀架重量为20kg. G=980N3. 计算最大动负载CC = = 式中 Vs 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的，此处取 Vs=0.6=0.3 预期工作寿命，可取=16000h fw 载荷性质系数其取值由表4.1得取fw=1.3fa 精度系数其取值由表4.2知取fa=0.9fc 可靠性系数其取值由表4.3知取 fc=1载荷性质无冲击轻微冲击伴有冲击和振动11.21.21.51.52表4.1载荷性质系数精度等级1，2，34，56，7fa10.90.8表4.2精度系数可靠性/%909596979899fc10.620.530.440.330.21表4.3可靠性系数n = = = 50r/minC = =4. 滚珠丝杠螺母副的选择 初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。据机械设计手册（化学工业出版社出版发行）第三版第3卷。根据计算出来的最大动载荷，选择汉江机床附件有限公司生产的WL40062.5外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，其额定动负载为16083N,可满足要求。5. 传动效率计算= 式中r 螺旋升角， r= 摩擦角取10取滚动摩擦，系数0.003 0.004.= =94.2%6.刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 本次设计丝杠安装采用两端固定，这种支撑的特点是刚度高，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍，安装时需保持螺母与两端支撑同轴，丝杠一般不会受压无压杆稳定问题。画出此纵向进给滚珠丝杠支撑方式草图 3.1所示：图3.1最大牵引力为2555N，支承间距L=2000mm,丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的。a.丝杠的拉压刚度R1 滚珠丝杠的拉压刚度是随螺母在丝杠上的位置而变化的，最大值在端点处。 式中d2 丝杠螺纹底经d2=35.2 a 滚珠螺母中点至轴承中点的距离a=180=1248.1N/m 由于两端均采用推力球轴承，且丝杠又进行了预紧拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍，其实际变形量为：R1 = R1 =1248.1 = 312 N/mb. 滚珠与螺纹滚道间接触变形 式中 丝杠刚度查手册得=1080FP 丝杠螺母预紧力FP=853= N/mc. 支承滚珠丝杠轴承的轴向刚度 Rb 采用8206型推力球轴承，d1=30mm,滚动体直径d=7.927mm,滚动体数量Z=14.RBo=Rb=2 RBo=2 N/m=传动系统的定位误差m0.8定位精度- -=0.815-2.6=9.4m所选丝杠副精度等级为6m9.4m故所选丝杠合格。7. 稳定性校核 滚动丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需要作稳定性校核3.3.3 横向进给丝杠1. 计算进给牵引力Fm横向导轨为燕尾槽形，计算如下：Fm=KFy+f(F1+2Fx+G)=1.45670+0.18(2680+21072+588)=1946N式中 K 考虑颠复力矩影响的实验系数，燕尾槽导轨取K=1.45； f 滑动导轨摩擦系数：0.18 G 溜板及刀架重力：选纵向溜板箱的重量为40kg,刀架重量为20kg. G=588N2. 计算最大动负载C C = n = 式中 初选L0=5mm Vs 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的，此处取 Vs=0.30.5=0.015 预期工作寿命，可取=16000h fw 载荷性质系数其取值由表4.1得取fw=1.3fa 精度系数其取值由表4.2知取fa=0.9fc 可靠性系数其取值由表4.3知取 fc=1n = =30 r/minC = =72383. 据机械设计手册（化学工业出版社出版发行）第三版第3卷，W.L2005 1到2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额定动载荷为8800可满足要求，选精度3级4. 传动效率计算= 式中r 螺旋升角，W.L4006 r= 摩擦角取10取滚动摩擦，系数0.003 0.004. = =0.9645. 刚度计算 横向进给丝杠仍然按两端固定安装，支撑方式如图3-2所示 最大牵引力为2023N,支承间距L=450mm因丝杠长度较短，不需预紧，而螺母及轴承预紧计算如下：（1）丝杠的拉伸或压缩变形量1（mm）查手册根据Fm=1946N,D0=20mm查的=3.9 1=3.9=0.0176图3-2（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形2,查手册， = 8.6m 因进行预紧2 = =8.6=0.0043mm（3）支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3 采用8202型推力球轴承d=0.5H=6 取Z=10 c=0.0024=0.0024=0.0094mm 考虑到进行了预紧，故3=c=0.0047mm 综合以上几项变形量之和： =1+2+3=0.0176+0.0043+0.0047=0.0266mm显然此变形量已大于定位精度要求，应该采取相应的措施修改设计，因横向溜板空间限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨减少摩擦力，贴塑导轨的摩擦系数在0.030.05之间，在此取=0.03，从而减少最大牵引力，重新计算如下： Fm =1.4F+ =1.4)=1138N 查手册，Fm =1138N，=2.2 1=2.2=0.9910mm2和3不变则=1+2+3=0.0099+0.0043+0.0047=0.0189mm定位精度为0.015，故此变量仍不满足，如果将滚珠丝杠在进行预拉伸，则精度还可以提高4倍，则变形量。 =1+2+3=0.0099+0.0043+0.0047=0.0115mm0.0115mm0.015所以满足要求6. 稳定性校核滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为Fk 式中：E材料弹性模量 钢：E=20.6N/cm： I截面惯性距（cm4） 丝杠：I=，为丝杠内径； L丝杠两支撑端距离（cm）; 丝杠支撑方式系数，查手册知两端固定=4.00 I= = = （一般=2.5 4）所以丝杠很稳定3.4 齿轮传动比计算3.4.1 纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程L0=6mm.初选步进电机步距角0.75o.可计算出传动比可选定齿轮齿数为: 或 、或、选 Z1=32 , Z2=40 ,模数m=2 齿宽 b=20mm 压力角=20齿轮的直径 d1=mz1=232=64mm d2=mz1=240=80mm d1=d1+2ha*=68mmd2=d2+2ha*=84mm则中心距A=/2=723.4.2 横向同步齿形带传动比计算（1）模数的选择 根据经验选择，初选m=1.5 （2）带轮的最小直径D 此直径不是直接选定，而是由其最小齿数控制，查手册得=14.所以应大于14（3） 大小轮齿几何参数定 已知横向进给脉冲当量=0.005、滚珠丝杠导程L0=5mm、初选步进电机步距角0.75，可以计算出传动比： =0.48 可选齿数 即 （4）初选中心距因中心距未给定，这可按下式确定 0.5（ D1.D2 小轮和大轮分度圆直径（mm）,即0.5.选A0=80mm（5） 确定带长L 中心距初选后，按下式初选后带长： =339.02则带的齿数 圆准到标准化的齿数值=70，L=329.9（6）最终确定中心距A =75.24mm 4 步进电机的选型和计算4.1 步进电机的特点与种类1根据设计方案确定 本次设计采用步进电机实现的开环驱动，伺服进给系统中设有位移检测反馈装置。数控装置的指令直接通过驱动装置控制步进电机的运转，然后通过机械传动系统化为刀架或工作台的位移。2步进电机的特点步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。步进电动机具体有以下特点：工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等)的影响； (1)步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零” ； (2)由于可以直接用数字信号控制，与微机接口 比较容易； (3) 控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”； (4)不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；(5)缺点是能量效率较低。3步进电机种类就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说，可将其分为以下三种：（1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance),也叫反应式步进电动机（2）永磁(PM-Permanent Magnet)型（3）混合(HB-Hybrid)型4根据设计需要 本次设计选用可变磁阻步进电机，即反应式步进电机。结构原理：该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电动机。其结构原理如图4.1定子1上嵌有线圈，转子2朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁阻型。 图4.1可变式阻步进电机4.2 步进电动机的选用原则选用步进电动机时，通常希望步进电动机的输出转距，启动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转距也快速运行存在一定矛盾，高性能也低成本存在矛盾，因此实际选用时，必须全面考虑。首先，应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。故因兼顾精度也速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。其次，对位移误差的要求。步进电动机的步距角从理论上说是固定的，但实际上还是有误差的。此外，负载转距也将引起步进电动机的定位误差。应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。第三，步进电动机的特性曲线对步进电动机参数选择有影响的特性曲线包括：起动距频特性曲线和反映转距也连续运行频率之间关系的工作距频特性曲线。第四，步进电动机的选择既要满足快速进给的要求，又要满足切削进给的要求。在这两种情况下，对转距和进给速度有不同的要求。若要求进给驱动装置有如下性能：在切削进给时的转距为 ,最大切削进给速度为v,在快速进给时的转距为 ，最大快速进给速度为.4.3 纵向步进电机的计算4.3.1 等效转动惯量计算 计算简图见图3-1，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算：式中 步进电机转子转动惯量（ , 齿轮Z1,Z2的转动惯量 滚珠丝杠转动惯量（1.参考同类机床，初选反应式步进电机150BF其转子转动惯量=10（.2.齿轮的转动惯量计算：式中 D-圆柱形零件的直径,cmL-零件的轴向长度,cm3滚珠丝杠转动惯量G=980N代入上式得：=42.8314.3.2 电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面分别按各阶段计算：（1）快速空载起动力矩M起 在快速空载起动阶段，加速力矩占得比例较大，具体计算公式如下： Mamax 空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩; Ma 折算到电动机轴上的加速度力矩; Mf 折算到电动机轴上的摩擦力Mo 由丝杠预紧所引起,折算到电动机轴上的附加摩擦力矩; 起动加速时间 传动效率取=0.8，o 丝杠未预紧时的效率，取0.9将前面数据带入： = = =95 =上述三项合计： =743.1+95+13.15=851.25（2）快速移动时所需力矩： （3）最大切削负载时所需力矩： =108.15+从上面计算可以看出，.和三种情况下，以快速空载启动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。查手册知当步进电机为五相十拍时。最大静力矩从手册查出，130BF001型最大静转矩为931N.m,大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但是必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。图4.1为130BF001电机实图以及技术参数。图4.14.3.3 计算步进电机空载启动频率和切削时的工作频率： 130BF001电机频矩特性如图4.2（a） 130BF001型起动矩频特性（b）130BF001型运行矩频特性图4.2步进电机启动时，=2400Hz时，M=90N.cm，还不能满足此机床所 求的空载起动力矩（758.08）直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制（软件实现），将起动频率降到1000Hz时起动力矩可增大到387.6N.cm,然后在电路上再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，当快速运动和切削进给时，130BF001的运行矩频率性完全满足要求。4.4 横向进给步进电机计算和选型4.4.1 等效转动惯量计算计算简图见图3-2，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算： 式中 步进电机转子转动惯量（ , 齿轮Z1,Z2的转动惯量 滚珠丝杠转动惯量（1.参考同类机床，初选反应式步进电机90BF其转子转动惯量=1.8（.2.齿轮的转动惯量计算：式中 D-圆柱形零件的直径,cmL-零件的轴向长度,cm3滚珠丝杠转动惯量G=588N代入上式得：=6.79 考虑步进电机与传动系统惯量匹配=0.265 基本满足惯量匹配的要求4.4.2 电机力矩计算（1）快速空载起动力矩M起 在快速空载起动阶段，加速力矩占得比例较大，具体计算公式如将前面数据带入： =起动加速时间 =折算到电机轴上的摩擦力矩：=24.86附加摩擦力矩M0 = 上述三项合计： =118.45+24.86+4.46=147.77（2）快速移动时所需力矩： （3） 最大切削负载时所需力矩： =24.86+4.46+=40.77 从上面计算可以看出，.和 三种情况下，以快速空载启动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。最大静力矩从手册查出，90BF002型最大静转矩为3.92N.m,大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但是必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。图4.3是90BF002步进电机实图和技术参数：图4.34.4.3 计算步进电机空载启动频率和切削时的工作频率： 当带负载起动时，所允许的起动控制频率会大大下降，它反映了电机跟踪的快速性，且随负载惯量的增加而下降。步进电动机带动惯性负载时的起跳频率与负载转动惯量之间的关系为惯-频特性。 除惯性负载之外，还有外负载转矩，则起跳频率将会进一步下降。90BF002型步进电动机的启动矩频特性曲线和运行矩频特性如图4.4图4.45 控制系统的方案设计5.1 单片微机控制方案确定参考同类车床，以及相关要求选用了MCS-51系列单片机（选用8031芯片），扩展一片6264芯片，二片2764芯片，三片8155可编程并行I/O口，并用软件环形分配器。MCS-51单片机基本特性：1.片内存储容量较小:原因是受集成度的限制.ROM一般小于8KB,RAM一般小于256B,但可以在外部扩展.通常ROM,RAM可分别扩展至64KB.2.可靠性高: 因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于PC机.系统软件(如:程序指令,常数,表格)固化在ROM中,不易受病毒破坏.许多信号的通道均在一个芯片内,故运作时系统稳定可靠.3.便于扩展: 片内具有计算机正常运行所必需的部件,片外有很多供扩展用的(总线,并行和串行的输入/输出)管脚,很容易组成一定规模的计算机应用系统.4.控制功能强: 具有丰富的控制指令:如:条件分支转移指令,I/O口的逻辑操作指令,位处理指令.5.实用性好: 积小,功耗低,价格便宜,易于产品化.5.2 控制系统的作用及要求5.2.1 控制系统作用.将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理，并按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个机电一体化系统有目的地运行。它在机电一体化系统中所处的位置见图5.1。图5.15.2.2 基本要求（1）适用性，系统的性能必须满足生产要求；（2）可靠性，系统能够无故障运行的能力，硬件、软件的容错能力；（3）经济性，在满足任务要求的前提下，使系统成本尽可能低；（4）可维护性，检测和维修方便；（5）可扩展性，使系统能在不做大的变动的条件下很快适应新的5.3 控制系统硬件电路的设计一个数控系统都有硬件与软件两部分组成，硬件是数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能，有了硬件，软件才可以有效的运行。数控机床的硬件电路主要由以下4个部分组成（1）中央处理单元CPU（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与随机读写存储器（4）I/O输入/输出接口电路其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路的协调工作。存储器用于系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据，I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU与存储器、接口以及其他转换电路联系的纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。根据任务书要求，设计控制系统的硬件电路时主要根据以下功能：（1）接收键盘数据，控制显示；（2）接收操作面板的开关与按钮信号；（3）控制、向步进电机的驱动器；（4）接收车床限位开关信号；控制系统原理框图如下： 5.4 控制电路部分软件的设计5.4.1 存储器与I/O芯片地址分配5.4.2 控制系统的监控管理程序系统设有五档功能可以相互切换，分别是“编辑”、“空刀”、“自动”、“手动”、“回零”，选中某一功能时，对应的指示灯点亮，进入相应的功能处理。控制系统的监控管理程序流程图如下：5.4.3 8255芯片初始化程序B255: MOV DPTR, #3FFFH ;指向8255的控制口地址 MOV A, #10001001B ;PA口输出，PB口输出，PC口输入， 均为方式0 MOVX DPTR,A ;控制字被写入 MOV DPTR, #3FFCH ;指向PA口 MOV A, #0FFH ;预置PA口全“1” MOVX DPTR, A ;输出全“1”到PA口 MOV DPTR, #3FFDH ;指向PB口 MOV A, #0FFH ;预置PB口全“” MOVX DPTR, A ;输出全“”到口RET5.4.4 828