数控车床进给系统设计

摘 要本设计是把普通数控车床改造成经济型数控车床。经济型数控车床就是指价格低廉、操作使用方便、比较适合我国国情的，动化的机床。采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。在设计的时候具体进行了详细的各部件的选型和计算。比如：导轨的设计选型、滚珠丝杠螺母副的选型与计算。还进行了进给传动系统的刚度计算、进给传动系统的误差分析、驱动电机的选型计算、驱动电机与滚珠丝杠的联接、驱动电机与进给传动系统的动态特性分析等。关键词:车床、数控、传动系统AbstractThis project is to alter the common lathe into the economical lathe. The economical lathe is a advanced and roboticized lathe that has low price, convenient operation, and adapt to the situation of our country and has installed cnc system. During the project we particularly dealt with the choice and calculation of every assembly. Such as:The choice and calculation of guideway, ballscrew nut pair and drive electromotor. Caculate the inflexibility of feed transmission system. Analyse the error of feed transmission system. Junction between drive electromotor and ballscrew. Dynamic analysis of drive electromotor and feed transmission system .Key words: LatheCNC；Transmission System目 录摘 要1Abstract1目 录1第1章绪论11.1 数控车床简介11.2数控车床发展现状11.3数控车床在生产中的应用2第2章数控车床设计概述32.1电动机的选择42.2电动机类型和结构型式的选择4第3章 进给伺服系统概述5第4章 横向进给系统的设计计算74.1 设计参数74.1.1设计参数：74.1.2切削力及其切削分力计算74.1.3轨摩擦力的计算74.1.4算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力84.1.5定进给传动链的传动比i和传动级数84.1.6珠丝杠的动载荷计算与直径估算84.2 校核94.2.1珠丝杠螺母副承载能力校核94.2.2计算器械传动的刚度104.2.3驱动电机的选型与计算104.2.4械传动系统的动态分析124.2.6确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号13第5章 进给系统的结构设计145.1滚珠丝杠螺母副的设计145.2齿轮传动副的设计155.3齿轮箱的设计165.4床身及导轨165.5中间轴的设计175.6轴承端盖的设计186.1车床的主要结构及运动形式196.2电气线路分析196.2.1主电路分析196.2.2控制电路分析206.2.3照明和信号电路的分析207.1单片微机数控系统硬件电路设计内容227.1.1绘制系统电气控制的结构框图227.1.2选择中央处理单元CPU的类型227.1.3存储器扩展电路设计227.1.4输入/输出接口电路设计237.2专用接口设计237.2.1显示功能设计237.2.2键盘输入功能设计237.2.3步进电机接口及驱动电路237.2.4其他辅助电路26致 谢28参考文献29第1章绪论1.1 数控车床简介目前，我国现有数以万计的陈旧、落后的普通机床，如果直接处理了，将直接影响到生产，也会给企业带来经济损失；同时，企业现有的数控机床长期处于运转甚至超负荷使用，缺少认真的维修和保养，造成机床严重磨损，丧失了精度；有些原有的数控机床性能已不能满足使用要求，急需更新改造。随着现代化机械加工技术向高效率、高精度方向发展，现代数控机床也朝着精密化、复杂化方向发展。在机械加工中,机床状态的好坏直接影响着被加工零件的加工质量及机械加工效率。从保证零件机械加工质量、提高加工效率讲,目前许多机械加工车间里普通机床无法做到这点，以满足车间生产的需要。数控机床，特别是多轴数控、多轴联动的数控机床是高效、高质量产品制造的关键设备，也是结构较复杂、自动化程度高、精度和可靠性要求高的机电一体化高技术产品。随着科学技术的发展和机械制造技术的进步，必将推动数控机床的开发应用，逐步形成高档，普及型和经济型构成比合理的数控机床系列，以满足各种不同用户的需要。数控机床是集机、电、仪和信息等多项技术于一体的典型机电一体化产品,是同时具备高效率、高质量、高柔性等优点的工作母机,随着CNC技术的不断完善和微处理机直接用于机床后,数控车床的性能价格比得到极大的完善, 不仅可以提高加工质量和效率，还能实现对各种复杂的零件的加工，达到了普通车床无法取得的效果，这就使得数控车床成为不仅是一种技术上先进,而且是一种经济上合理的机床，不仅现在富有旺盛的生命，而且是未来机械工厂自动化的基础。1.2数控车床发展现状从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。本文简要分析了数控机床高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势，并提出了我国数控机床发展中存在的一些问题。我国数控机床近年来在生产和应用方面都有较快发展，但与工业发达的国家相比，差距很大。按照国民经济发展急需和机械工业振兴战略，机械工业部提出以数控机床为代表的重要基础机械作为机械工业振兴规划的发展重点之一。1.3数控车床在生产中的应用数控车床是集机、电、仪和信息等多项技术于一体的典型机电一体化产品,是同时具备高效率、高质量、高柔性等优点的工作母机, 其显著的优点是：对零件变化的适应性强，更换零件只需改变相应的程序，对刀具进行简单的调整即可做出合格的零件，为节约成本赢得先机随着CNC技术的不断完善和微处理机直接用于机床后,数控机床的性能价格比得到极大的完善, 不仅可以提高加工质量和效率，还能实现对各种复杂零件的加工，达到了普通磨刀机无法取得的效果，这就使得数控车床成为不仅是一种技术上先进,而且是一厂自动化的基础。数控车床一般具有两轴联动功能，Z轴是与主轴平行方向的运动轴，X轴是在水平面内与主轴垂直方向的运动轴。远离工件方向为轴的正向。另外在最新的车铣加工中心，还增加了一个C轴，可用于工件的分度功能，在刀架中安放铣刀，对工件进行铣加工。刀具超过12把称为加工中心。数控车床主要用来加工轴类零件的内外圆柱面，圆锥面、螺纹表面、成形回转体面等。对于盘类零件可以进行钻孔、扩孔、绞孔、镗孔等。机床还可以完成车端面、切槽、倒角等加工。一种经济上合理的机床，不仅现在富有旺盛的生命，而且在未来机械工机械加工中，常遇到复杂零件的加工或修整问题，多数厂家使用普通车床进行加工，其效率低，操作麻烦，普通普通车床加工又保证不了精度，因此，有必要开发一种操作便捷的价格低廉的数控车床。第2章数控车床设计概述用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息变成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行回馈控制，使刀具和工件及其它辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条件不紊乱地作，从而加工出零件的全部轮廓。数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需重新编制加工程序即可，原来的程序可存储备用，不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计机床，致使生产准备时间过长。经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以，数控车床与普通卧式车床相比应具有有更好的精度以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。数控改造对机械传动系统的要求为：（1)尽量采用低摩擦的传动副。如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦力。（2)选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能加速达到跟踪指今。（3)尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。（4)尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节和消除传动齿轮间隙的机构等。（5)尽景满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小、传动精度高高、运动平稳、效率高以及传递扭矩大的传动组件。 从应用的方面考虑，结合目前国内大多数的情况，可采用更换滚珠丝杠来代替原机床上的T型丝杠。也可对原车床上T型丝杠加以修复，但此时必须相应修配与与此相配合的螺母，尽量减小其间隙，提高配合精度。般说来如原车床的工作性能良好精度尚未降低，则应尽量保留机床的传动系统。使改造后的数控车床同时具有微机控制和原机床操作的双重功能。如原车床使用时间较长运动部件磨损严重除了对导轨精度进行修复外还应将传动部件拆除或更换，以确保改造后车床的传动精度。 数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床组成机床本体的各机械部件组成2.1电动机的选择(1)根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。(2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、超载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9。(3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。(4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。(5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素。2.2电动机类型和结构型式的选择由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等)，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。表1.1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。表1.1 理想主轴驱动系统性能项目内容高性能低速区要有足够的转矩宽恒功率范围,并在高速范围内保持一定转矩高旋转精度高动态响应高加减速,起制动能力具有强鲁棒性,能适应环境条件和参数变化高效率,低噪声低价格低购买价格,低维护价格,低服务价格通用要求耐用性,可维护性,安全可靠性感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个kW到上百kW，广泛地应用于各种数控机床上。第3章 进给伺服系统概述数控机床伺服系统的一般结构如图3.1所示图3.1 数控机床进给伺服系统由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。伺服系统对伺服电机的要求：（1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。（2）电机应具有大的较长时间的超载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内超载4-6倍而不损坏。（3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。（4）电机应能随频繁启动、制动和反转。随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环回馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和质量大大提高。数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动组件、机械传动部件、执行件和检测回馈环节等组成。驱动控制单元和驱动组件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行组件组成机械传动系统。检测组件与回馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和死循环系统。死循环控制方式通常是具有位置回馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，死循环系统又分为半死循环系统和全死循环系统。半死循环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全死循环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比死循环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全死循环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全死循环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。死循环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。第4章 横向进给系统的设计计算4.1 设计参数4.1.1设计参数：纵向：工作台重量：W=800N行程：S=650mm脉冲当量：=0.006mm/P最大进给速度：=2m/min横向：工作台重量：W=300N行程：S=200mm脉冲当量：=0.004mm/P最大进给速度：=1m/min4.1.2切削力及其切削分力计算已知机床主电动机的额定功率为7.5kw，最大工件直径D=400mm，主轴计算转速n=85r/m。在此转速下，主轴具有最大扭矩和功率，道具的切削速度为取机床的机械效率，则有 走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力为4.1.3轨摩擦力的计算导轨受到垂向切削分力，纵向切削分力，移动部件的全部质量（包括机床夹具和工件的质量）m=30.61kg(所受重力W=300N)，查表得镶条紧固力，取导轨动摩擦系数，则 计算在不切削状态下的导轨摩擦力和4.1.4算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算最大轴向负载力 计算最小轴向负载力4.1.5定进给传动链的传动比i和传动级数 取步进电动机的步距角，滚珠丝杠的基本导程，进给传动链的脉冲当量，则有按最小惯量条件，查得应该采用2级传动，传动比可以分别取、。根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为、，模数m=2，齿宽b=20mm。4.1.6珠丝杠的动载荷计算与直径估算（1）按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷已知数控机床的预期工作时间，滚珠丝杠的当量载荷，查表得载荷系数；初步选择滚珠丝杠的精度等级为3级精度，取精度系数；查表得可靠性系数。取滚珠丝杠的当量转速，已知，滚珠丝杠的基本导程，则 （2）根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知本车床横向进给系统的定位精度为40 ,重复定位精度为16 ，则有 取上述计算结果的较小值，即。（3）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径滚珠丝杠螺母的安装方式拟采用一端固定、一端游动支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为 L=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承 （1.21.4）行程+（2530）取L=(1.4200+306)mm=460mm （4）初步确定滚珠丝杠螺母副的型号根据以上计算所得的、和结构的需要，初步选择南京工艺装备公司生产的FF型内循环螺母，型号为FF3206-5，其公称直径、基本导程、额定动载荷和螺纹底径如下： 4.2 校核4.2.1珠丝杠螺母副承载能力校核已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径，已知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度，丝杠水平安装时，取，查表得，则有 本车床横向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为，远小于其临界压缩载荷的值，故满足要求。滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度，其弹性模量，密度，重力加速度 滚珠丝杠的最小惯性矩为 滚珠丝杠的最小截面积为 取，查表得，则有 本横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为166.67r/m，远小于其临界转速，故满足要求。 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核,滚珠丝杠的额定动载荷，已知其轴向载荷，滚珠丝杠的转速，运转条件系数，则有 本车床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命，故满足要求。4.2.2计算器械传动的刚度 已知滚珠丝杠的弹性模量，滚珠丝杠的底径。当滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度 当时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度 已知滚动体直径mm，滚动体个数Z=15.轴承接触角。轴承最大轴向工作载荷。则滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度为： 查表得滚珠与滚道的接触刚度，滚珠丝杠的额定动载。已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷则 进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为 故。进给传动系统的综合拉压刚度最小值为故已知扭矩作用点之间的距离，滚珠丝杠的剪切模量，滚珠丝杠的底径，则有 4.2.3驱动电机的选型与计算（1）计算滚珠丝杠的转动惯量已知滚珠丝杠的密度，则有（2）计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量已知横向进给系统执行部件的总质量为m=30.61kg;丝杠轴每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=0.6cm则（3）计算各齿轮的转动惯量 （4）计算加在电动机轴上总负载转动惯量 （5）计算折算到电动机轴上的切削负载力矩已知在切削状态下的轴向负载力，丝杠每转一圈，机床执行部件轴向移动的距离L=6mm=0.006m，进给传动系统的传动比i=6.25总效率=0.85，则有 （6）计算折算到电动机上的摩擦负载力矩 已知在不切削状态下的轴向负载力矩，则有 （7）计算由滚珠丝杠预紧力产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩 已知滚珠丝杠螺母副的效率，滚珠丝杠螺母副的预紧力为 折算到电动机轴上的负载力矩T的计算。 空载时（快进力矩），为 切削时（工进力矩），为根据以上计算结果和查表初选130BF001型反应式步进电动机，其转动惯量；而进给传动系统的负载惯量；对于开环系统，一般取加速时间。当机床以最快进给速度运动时电动机的最高转速为： （8）计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩 计算空载启动力矩 计算快进力矩 计算工进力矩 （9）选择驱动电动机的型号根据以上计算和查表选择国产150BF002型电动机，其主要参数如下：相数，5；步距角，；最大静转矩，；转动惯量，；最高空载启动频率，2800Hz；运行频率，8000Hz；分配方式，五相十拍。 确定最大静转矩： 机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电动机的最大静转矩的关系为： 机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电动机的最大静转矩的关系为： 取和中的较大者为所需的步进电动机的最大静转矩。本电动机的最大静转矩为，大于，可以在规定的时间内正常启动，故满足要求。 验算惯量匹配，为了使机械传动的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足下式： 因为，故满足惯量匹配要求。4.2.4械传动系统的动态分析 滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度，机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量分别为、，滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为，已知m=30.61kg，则： 折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为已知滚珠丝杠的扭转刚度，则由以上计算可知，丝杠工作台纵向振动系统的最低固有频率、扭转振动系统的最低固有频率都比较高。一般按的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足要求。4.2.5机械传动系统的误差计算与分析（1）计算器械传动系统的反向死区已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值，导轨的静摩擦力为，则即，故满足要求。 （2）计算器械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差 即，故满足要求。 （3）计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 已知负载力矩，扭矩作用点之间的距离，丝杠底径，则有 由该扭转变形引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度，有 4.2.6确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号确定滚珠丝杠螺母副的精度等级，本进给传动系统采用开环控制系统，应满足如下要求： 取滚珠丝杠螺母副的精度等级为3级，查表得，当螺纹长度约为350mm时，；故满足设计要求。纵向进给系统的设计方法与横向进给系统类似，不在此赘述了。第5章 进给系统的结构设计5.1滚珠丝杠螺母副的设计滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。滚珠丝杠螺母副具有以下特点：（1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为0.92-0.96，比普通丝杠高3-4倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的1/4-/3.（2）若给于适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。（5）磨损小，使用寿命长。（6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等组件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。（7）不能自锁。特别是垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力的不同，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故还需要增加制动装置。本次设计采用的是内循环的丝杠螺母副，精度为3级，两端采用了小圆螺母为轴向定位丝杠螺母副采用的预紧方式为单螺母消除间隙方法。它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位而实现预紧。这种调隙方法结构简单，但载荷量须预先设定而且不能改变。滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此课题中采用两端固定的方式，以实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。丝杠中常用的滚动轴承有以下两种：滚针推力圆柱滚子组合轴承和接触角为60角接触轴承，在这两种轴承中，60角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。滚针圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。60角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中面对面组合用得较多。在此课题中采用了以面对面配对组合的60角接触轴承，组合方式为DDB。以容易实现自动调整。滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。5.2齿轮传动副的设计齿轮传动装置主要由齿轮传动副组成，其任务是传递伺服电动机输出的扭矩和转速，并使伺服电动机与负载（工作台）之间的扭矩、转速、以及负载惯量相匹配，使伺服电机的高速低扭矩输出变为负载所需要的低速扭矩。在开环系统中还可以计算所需的脉冲当量。对传动装置的总要求是传动精度要求高、稳定性好和灵敏度高（或响应速度快），在设计齿轮传动装置时，也应从有利于提高这三个指标的角度来提出设计要求。对于开环控制系统而言，传动误差直接影响数控装备的工作精度，因而应尽可能缩短传动链、消除传动间隙，以提高传动精度和刚度。对于死循环控制系统，齿轮传动装置完全在伺服回路中，给系统增加了惯性环节其性能参数将直接影响整个系统的稳定性。无论是开环控制系统还是死循环控制系统，齿轮传动装置都将影响整个系统的灵敏度（响应速度），从这个角度考虑应注意减少摩擦和转动惯量，以提高传动装置的加速度。在设计齿轮传动装置时，除考虑以上要求外，还应考虑其传动比分配及传动级数对传动件的转动惯量和执行件的失动影响。增加传动级数，可以减少传动惯量，但级数增加，使传动装置结构复杂，降低了传动效率，增大了噪声，同时也增大了传动间隙和摩擦损失，对伺服系统不利。因此不能单纯根据转动惯量来选取传动级数，而应综合考虑来选取最佳的传动，而应综合考虑来选取最佳的传动级数和各级传动比。在数控设备的进给驱动系统中，考虑到惯量、扭矩、或脉冲当量的要求，有时要在电动机到丝杠之间加入齿轮传动副，而齿轮等传动副存在的间隙，会使进给运动反向滞后于指令信号，造成反向死区而影响其传动精度和系统的稳定性。因此，为了提高进给系统的传动精度，必须消除齿轮副的间隙。本设计采用的是双片齿轮错齿调整法。两片齿轮周向可调弹簧错齿消除间隙结构。两个相同齿数的薄片齿轮与另一个宽齿轮啮合，两薄片齿轮可相对回转。在两个薄片齿轮的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳。其中一个齿轮的端面还有另外四个通孔，凸耳可以在其中穿过，弹簧的两端分别钩在凸耳和调节螺钉上。通过螺母调节弹簧的拉力，调节完后用螺母锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮错位，即两个薄片齿轮的左右齿面分别贴在宽齿轮槽的左、右齿面上，从而消除了齿侧间隙。5.3齿轮箱的设计齿轮箱主要把齿轮装入，通过轴连接电动机和丝杠。主要结构是一个方形的箱，然后要加工出一些孔装轴、丝杠、端盖等等。在右侧内壁也要加工一个孔来支承轴承。同时还要通过两个凸耳用螺栓与导轨联接。5.4床身及导轨对于数控机床来说，作为主要支承件的床身至关重要，其结构性能的好坏直接影响着机床的各项性能指针。它支承着数控车床的床头箱，床鞍，刀架，尾座等部件，承受着切削力、重力、摩擦力等静态力和动态力的作用。其结构的合理性和性能的好坏直接影响着数控车床的制造成本；影响着车床各部件之间的相对位置精度和车床在工作中各运动部件的相对运动轨迹的准确性，从而影响着工件的加工质量；还影响着车床所用刀具的耐用度，同时也影响着机床的工作效率和寿命等。因此，床身特别是数控车床的床身具有足够的静态刚度和较高的刚度/品质比；良好的动态性能；较小的热变形和内应力；并易于加工制造，装配等，才能满足数控车床对床身的要求。数控车床工作时，受切削力的作用，床身发生弯曲，其中，影响最大的是床身水平面内的弯曲。因此，在床身不太长的情况下，主要应提高床身在水平面内的弯曲刚度。所以，在设计床身时，采用与水平面倾斜45的斜面床身。这种结构的特点是：(1)在加工工件时，切屑和切削液可以从斜面的前方(即床身的一侧)落下，就无需在床身上开排屑孔，这样，床身斜面就可以做成一个完整的斜面。(2)切屑从工件上落到位于床身前面的排屑器中，再由排屑器将切屑排出。这样，机床在工作中，排屑性能和散热性能要好，可以减少床身在工作中吸收由于切削产生的热量，从而减少床身的热变形，使机床更好地保持加工精度。(3)由于在床身上无需开排屑孔，就可以增加与底座连接的床身底面的整体性，从而可增加床身底面的刚性。基于以上特点使得床身抵抗来自切削力在水平和垂直面内的分力所产生的弯曲变形能力，以及它们的合力产生的扭转变形能力显著增强。从而大幅度提高了床身的抗弯和抗扭刚度。床身在弯曲、扭转载荷作用下，床身的变形与床身的截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。材料、截面相同，但形状不同的床身，截面的惯性矩相差很大。截面积相同时，采用空形截面，加大外轮廓尺寸，在工艺允许的情况下，尽可能减小壁厚，可以大大提高截面的抗弯和抗扭刚度；矩形截面的抗弯刚度高于圆形截面，但圆形截面的抗扭刚度较高；封闭截面的刚度显著高于不封闭截面的刚度。为此，在设计床身截面时，综合考虑以上因素，在满足使用、工艺情况下，采用空心截面，加大轮廓，减小壁厚，采用全封闭的类似矩形的床身截面形式，同时，为了提高床身的抗扭刚度和床身的刚度重量比，在大截面内设计一个较小的类似圆形截面。床身与导轨为一体，床身材料的选择应根据导轨的要求选择。铸铁具有良好的减震性和耐磨性，易于铸造和加工。床身材料采用机械性能优良的HT250，其硬度、强度较高，耐磨性较好，具有很好的减震性。车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大且磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。在动导轨上镶装塑料具有摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简单、成本低等优点，在各类机床上都有应用，特别是用在精密、数控和重型机床的动导轨上。塑料导轨可与淬硬的铸造铁支承导轨和镶钢支承导轨组成对偶摩擦副。机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度、工作能力和使用寿命。导轨的功用是导向和承载。车床的床身导轨属于进给导轨，进给运动导轨的动导轨与支承的静导轨之间的相对运动速度较低。直线运动滑动导轨截面形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆形，并可互相组合。由于矩形导轨制造简单，刚度高，承载能力大，具有两个相垂直的导轨面。且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装。再将矩形整体倾斜45后，侧面磨损能自动补偿，克服了矩形导轨侧面磨损不能自动补偿的缺陷，使其导向性更好。本次设计我采用的是燕尾槽导轨。镶条是用来调整矩形导轨和燕尾导轨的侧隙，以保证导轨面的正常接触。镶条应放在导轨受力较小的一侧。压板用于调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩。如图4.1，是用磨或刮压板3的e面和d面来调整间隙。压板的d面和e面用空刀槽分开，间隙大磨刮d面，太紧时则修e面。这种方式构造简单，应用较多，但调整时比较麻烦。图4.1镶条5.5中间轴的设计中间轴上的齿轮是电机输出与滚珠丝杠的传力结构，它主要通过键连接齿轮2和齿轮3.所以要设计键槽，可设计一个键槽为两个齿轮传力。5.6轴承端盖的设计滚珠丝杠两端有轴承端盖，它的作用是轴承外圈的轴向定位，和防尘和密封，除它本身可以防尘和密封外，它常和密封件配合以达到密封的作用。左侧端盖因为滚珠丝杠要通过所以设计了一个孔用毡垫来封油。右边可以设计成封闭式的端盖可以减小加工难度第6章电气控制部分设计6.1车床的主要结构及运动形式图3-1C6132型普通车床的主要结构图车床的主运动是工件的旋转运动，它是由主轴通过卡盘或顶尖带动工件旋转。电动机的动力通过主轴箱传给主轴，主轴一般只要单方向的旋转运动，只有在车螺纹时才需要用反转来退刀。C6132用操纵手柄通过摩擦离合器来改变主轴的旋转方向。车削加工要求主轴能在很大的范围内调速，普通车床调速范围一般大于70。主轴的变速是靠主轴变速箱的齿轮等机械有级调速来实现的，变换主轴箱外的手柄位置，可以改变主轴的转速。进给运动是溜板带动刀具作纵向或横向的直线移动，也就是使切削能连续进行下去的运动。所谓纵向运动是指相对于操作者的左右运动，横向运动是指相对于操作者的前后运动。车螺纹时要求主轴的旋转速度和进给的移动距离之间保持一定的比例，所以主运动和进给运动要由同一台电动机拖动，主轴箱和车床的溜板箱之间通过齿轮传动来联接，刀架再由溜板箱带动，沿着床身导轨作直线走刀运动。车床的辅助运动包括刀架的快进与快退，尾架的移动与工件的夹紧与松开等。为了提高工作效率，车床刀架的快速移动由一台单独的进给电动机拖动。6.2电气线路分析6.2.1主电路分析在主电路中，M1为主轴电动机，拖动主轴的旋转并通过传动机构实现车刀的进给。主轴电动机M1的运转和停止由接触器KM1的三个常开主触点的接通和断开来控制，电动机M1只需作正转，而主轴的正反转是由摩擦离合器改变传动链来实现的。电动机M1的容量小于10KW，所以采用直接启动。M2为冷却泵电动机，进行车削加工时，刀具的温度高，需用冷却液来进行冷却。为此，车床备有一台冷却泵电动机拖动冷却泵，喷出冷却液，实现刀具的冷却。冷却泵电动机M2由接触器KM2的主触点控制。M3为快速移动电动机，由接触器KM3的主触点控制。M2、M3的容量都很小，分别加装熔断器FU1和FU2作短路保护。热继电器FR1和FR2分别作M1和M2的过载保护，快速移动电动机M3是短时工作的，所以不需要过载保护。带钥匙的低压短路器QF是电源总开关。6.2.2控制电路分析控制电路的供电电压是127V，通过控制变压器TC将380V的电压降为127V得到。控制变压器的一次侧由FU3作短路保护，二次侧由FU6作短路保护。（1）电源开关的控制电源开关是带有开关锁SA2的低压断路器QF，当要合上电源开关时，首先用开关钥匙将开关锁SA2右旋，再扳动断路器QF将其合上。若用开关钥匙将开关锁SA2左旋，其触点SA2闭合，QF线圈通电，断路器QF将自动跳开。若出现误操作，又将QF合上，QF将在0.1s内再次自动跳闸。由于机床的电源开关采用了钥匙开关，接通电源时要先用钥匙打开开关锁，再合断路器，增加了安全性，同时在机床控制配电盘的壁龛门上装有安全行程开关SQ2，当打开配电盘壁龛门时，行程开关的触点SQ2闭合，QF的线圈通电，QF自动跳闸，切除机床的电源，以确保人身安全。（2）主轴电动机M1的控制SB2是红色蘑菇型的停止按钮，SB1是绿色的启动按钮。按一下启动按钮SB1，KM1线圈通电吸合并自锁，KM1的主触点闭合，主轴电动机M1启动运转。按一下SB2，接触器KM1断电释放，其主触点和自锁触点都断开，电动机M1断电停止运行。（3）冷却泵电动机的控制当主轴电动机启动后，KM1的常开触点KM1闭合，这时若旋转转换开关SA1使其闭合，则KM2线圈通电，其主触点闭合，冷却泵电动机M2启动，提供冷却液。当主轴电动机M1停车时，KM1断开，冷却泵电动机M2随即停止。M1和M2之间存在联锁关系。（4）快速移动电动机M3的控制快速移动电动机M3是由接触器KM3进行的点动控制。按下按钮SB3，接触器KM3线圈通电，其主触点闭合，电动机M3启动，拖动刀架快速移动；松开SB3，M3停止。快速移动的方向通过装在溜板箱上的十字手柄扳到所需要的方向来控制。（5）SQ1是机床床头的挂轮架皮带罩处的安全开关当装好皮带罩时，SQ1闭合，控制电路才有电，电动机M1、M2、M3才能启动。当打开机床床头的皮带罩时，SQ1断开，使接触器KM1，KM2、KM3断电释放，电动机全部停止转动，以确保人身安全。6.2.3照明和信号电路的分析照明电路采用36V安全交流电压，信号回路采用6.3V的交流电压，均由控制变压器二次侧提供。FU5是照明电路的短路保护，照明灯EL的一端必须保护接地。FU4为指示灯的短路保护，合上电源开关QF，指示灯HL亮，表明控制电路有电。图3-2电器控制电路 第7章微机数控系统硬件电路设计7.1单片微机数控系统硬件电路设计内容 当前，在经济型数控机床控制系统中广泛采用美国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控制系统的设计内容、方法及步骤。单片微机数控系统硬件电路设计包括以下几部分内容:7.1.1绘制系统电气控制的结构框图 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，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组成。(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1/0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。7.1.2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)1/0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。目前在经济型数控机床中，推荐采用MCS-51系列单片微机作为主控制器。7.1.3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。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，数据存储器必须有掉电保护功能。 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。 7.1.4输入/输出接口电路设计 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他辅助电路的设计，例如复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等。此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括。7.2专用接口设计CPU工作原理、存储器扩展、接口芯片等内容再教材中以有介绍，下面仅就与数控有关的接口设计作一介绍：7.2.1显示功能设计在数控系统中，为了与用户进行信息交流，必须具备显示功能；数控系统中使用的显示器主要有LED(发光二极管显示器)和LCD(液晶显示器)，也有采用CRT接口显示方式。经济型数控机床中，以使用LED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。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的七段显示器有两种结构。发光二极管的阳极连在一起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，主要是根据需要显示的内容，确定LED的类型、行数和每行位数：例如，为了显示X,Y坐标符号、正负号，就必须选者米字型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。7.2.2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、停止等。键的具体个数，需要根据数控系统要求来确定。 7.2.3步进电机接口及驱动电路通常在经济型数据机床中，大多数采用步进电机开环控制。步进电机的角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速。驱动步进电机的脉冲需要按所要求的顺序供给电机各相。脉形分配器就是实现步进电机各相脉冲通电顺序的。为使步进电机正常运行并输出一定功率，需要有足够功率提供给电动机，因此需要有功率放大环节。脉冲分配器及前面的微机及接口芯片，工作电平一般为5V，而作为电动机电源需符合步进电机要求的额定电压值。为避免强电对弱电的干扰，在它们之间应采用隔离电路。(1)脉冲分配器脉冲分配器又叫环形分配器，有硬件环形分配器和软件环形分配器两种。硬件环形分配器需要的I/O接口接线数少，且执行速度较快，但需要专用的芯片。软件环形分配是用程序实现的。目前市场上提供的国产TTL集成脉冲分配器有硬件环形分配器三相、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选通输出控制。控制脉冲分配器是否输出一定顺序的脉冲。R清零。在输出一定顺序的脉冲前，对脉冲分配器进行清零，以便使其正常工作。A 0、A1 励磁方式控制。确定通电方式，即选择通电相数和拍数。E1、E2选通输入控制端，决定控制指令起作用的时刻。CP时钟输入端，决定脉冲分配器输出脉冲的频率。正转 (或反转)控制端，决定步进电机旋转方向。S出错报警输出。若某个端口控制信号出错或脉冲分配器运行错误时，该端口发出报警信号。图4-1是采用YBO14硬件环形分配器的步进电机接口电路举例。从图中可以看出，每个步进电机分别由一个硬件环形分配器YBO14控制，工作方式设定在4相4拍，故A 0、A1直接接地。两个输入控制端E1、E2均接地。所需旋转方向及输出控制信号E0分别由8031的P1.0、P1.1、P1.2和P1.4提供;时钟脉冲CP由8155的定时器提供;清零端R接8031的P1.5，以防乱相。软件环形分配器在电路上不需要环形分配专用芯片，而是在微处理器中专门安排一个输出寄存器作为步进电机的控制寄存器，步进电机的每一相绕组都与这个寄存器中某一指定位相对应。寄存器中这一位为 “1”，对应绕组的通电状态;这一位为“0”，对应着相应绕组的断电状态。微处理器按照程序中规定的顺序，循环地向寄存器中写入各控制字节，从而使步进电机绕组按固定的规律，循环地通电或断电，步进电机便按照设定的方向转动。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