CA6140横向进给的数控改造毕业设计

目录.第一章绪论 71.1 数控系统的发展简史 71.2 我国数控系统的发展现状及趋势 81.2.1 数控技术状况 81.2.2 数控系统的发展趋势 9第二章 伺服系统的特点 10第三章 设计的内容、目的和方法 12第四章 数控改造对进给系统的要求 12第五章 参数的计算 135.1 已知技术参数 135.2 主切削力的计算 .135.3 导轨摩擦力的计算与导轨的选型 .16第六章 微机数控系统硬件电路设计 17第七章 横向减速齿轮的设计 187.1 电动机的选择 .187.2 计算传动装置的运动和动力参数 .197.2.1 计算总传动比 .197.4 齿轮的润滑 .20第八章 滚珠丝杠的计算及选择 218. 滚珠丝杠导程的确定 218.2 确定丝杠的等效转速 228.3 估计工作台质量及工作台承重 .228.4 确定丝杠的等效负载 .228.5 确定丝杠所受的最大动载荷 .23第九章 典型零件的加工 25结论 27参考文献 27摘要数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构.较好地解决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制：（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；（2）目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费；（3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，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、供货期长，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，所以必须大力提高机床的数控化率。本次设计的内容是机床总体方案设计及总体布局图绘制、及横向伺服进给机构的理论计算、结构设计及绘制装配图、典型零件绘制、数控系统（硬件连接图）设计、典型零件的数控车削加工程序编制及外文资料文献翻译，并撰写毕业设计论文。设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想、严肃认真的科学态度，加强团队合作精神。在设计中，先通过参观及查阅等了解有关系统的工作原理，作用及结构特点。选择合适的算法，根据计算结果查阅手册，得出相关的结构或零件。在图纸的绘制中，充分利用软件的先进性，完成三张 A0图纸。最后，完成硬件连接设计，编制典型零件的车削程序，撰写说明书。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反馈全部数字化、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，使控制精度和品质大大提高。关键词：毕业设计，CA6140 横向进给的数控改造的目的，CA6140 横向进给的数控改造的方法，主切削力的计算。类型：设计报告。ABSTRACTCompared with ordinary CNC machine tools, increased the function, improve the performance, simplified structure. Better solve complex shape, precision and small batch and shape changeable parts processing problem. Enjoy stable processing quality and productivity, its used more widely, but the application of numerical control by other also restricted conditions: (1) nc machine tools is expensive, one-time investment huge heart, and small and medium-sized enterprises is often powerful insufficient; (2) at present, various enterprises have a lot of ordinary with numerical control machine tools, completely replace impossible, and replace the machine idle under it would cause waste; (3) at home, ordering new nc machine tools delivery cycle generally longer, often cannot satisfy the production need; (4) general to one kind of CNC machine production project have extra specific functions.To better solve the above problem, should take the road of general machine tool CNC transformation. The transformation is conventional machine tools in ordinary machine computer numerical control devices, making increased its have certain ability to realize the automation rated the processing technology of the target.The advantages of numerical control machine reconstruction: (1) the transformation idle equipment, can play the function of machine after reforming and original new function, improve the use value of the machine tool, can increase the use of fixed assets efficiency; (2) adapt to many varieties, small batch parts production; (3) automation improves, professional and strong, high machining accuracy, high production efficiency; (4) reduce the operating level to workers of requirements; (5) nc reconstruction expenses low, economy; (6) nc transformation period is short, can meet production needs.At present numerical control machine tool in our country and transformation of the market very big development space, now Chinas machine to numerical control rate of less than 3 per cent. Use ordinary machining out of poor quality, product widespread few varieties, low class, the high cost, delivery, thereby in long the international and domestic markets, lack of competitiveness of an enterprise directly affect product, market, benefits and affect the enterprise survival and development, so we must make great efforts to improve the rate of nc machine tools.This design is the content of the general scheme design machine tools and overall layout diagram plotting, and transverse servo agency theory calculation, structural design and drawing assembly drawing, a typical part drawing, nc system (hardware connection diagram) design, a typical part of the numerical control turning processing programming and foreign material document translation, and writing the graduation design papers.Design is to foster comprehensive use of basic knowledge and professional knowledge, ability of solving engineering problems, enhance comprehensive quality and innovative ability, is the professional engineering and technical and scientific research work in basic training, make engineering drawing, data processing and foreign literature reading, programming, manuals and other basic skill training and improving, get the design thought, cultivate correct seriously scientific attitude, strengthen teamwork spirit.In the design, first by visiting and access, etc the working principle of about the system, function and structure characteristics. Choose appropriate algorithm, according to the calculated results accessible handbook, draw relevant structure or parts. In drawing rendering, make full use of the softwares advanced, complete three zhang A0 drawings. Finally, complete hardware connection design, preparation of typical parts of a turning procedure, the specification.As microelectronics technology, computer technology and servo control technology development of CNC servo system, high speed and precision are beginning to use full digital servo system. Make servo control technology from simulation method, mixing way towards digital mode. By position, velocity, and current constitute three-ring feedback all digital, software processing digital PID, use agile, flexible good. Digital servo system USES a lot of new control technology and improve performance measures, make servo control precision and quality is greatly increased.KEY WORDS: graduation design, CA6140 traverse numerical control the purpose of the reform, the CA6140 traverse, the method of numerical transformation calculation of main cutting force.Dissertation Type:design report.第一章绪论1.1 数控系统的发展简史1949 年美国帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。1952 年第一代数控系统电子管数控系统的诞生。20 世纪 50 年代末，完全由固定布线的晶休管元器件电路所组成的第二代数控系统晶体管数控系统被研制成功，取代了昂贵的、易坏的、难以推广的电子管控制装置。随着集成电路技术的发展，1965 年出现了第三代数控系统集成电路数控系统。1970 年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控系统小型计算机数控系统，然后，随着微型计算机以其无法比拟的性能价格比渗透各个行业，1974 年，第五代数控系统微型计算机数控系统也出现了。应用一个或多个计算机作为数控系统的核心组件的数控系统统称为计算机数控系统(CNC)。综上所述，由于微电子技术和计算机技术的不断发展，数控机床的数控系统也随着不断更新，发展非常迅速，几乎 5 年左右时间就更新换代一次 1。数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高科技含量的机电一体化产品。欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产品进程，1990 年日本机床产值数控化率达 75，美国达 701，德国达 57。目前世界数控机床年产量超过 15 万台，品种超过 1500 多种 2。1.2 我国数控系统的发展现状及趋势1.2.1 数控技术状况目前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭型向开放型过渡的时期。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术(包括核心技术)，已达到国际先进水平。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1 当量的超精密数控系统、数控仿型系统、非m圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于 PC 机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，MPBF 值可以在 15000h 以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过 60%。这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础 1。我国进行改革开放后，由于政策的开放，使得金属切削行业得以和世界上先进的机床制造国家进行技术交流，并通过引进技术，到 80 年代初，国产数控机床进入实用化阶段，1991 年数控机床的产值数控化率为 143，到 1997 年数控机床产值数控化率为 245。目前，我国数控机床(包括经济型机床)品种约有 500 个 2。 但是，与国外数控车床相比，在性能、质量 设计、制造等各方面存在较大差异，并存在许多不足：机械件的材质、加工精度、加工工艺存在较大差距，装配工艺也存在一定差距；主轴及卡盘刚性差，主轴定位准停不好；安全性较差，软硬件保护功能不够；刀片磨损快，生产成本高，效率低；硬件设计方面不规范，不符合国标，比如使用电压等级、电线颜色使用、图纸资料的绘制装订、提交等等，有的机床厂家甚至仍然停留在十年二十年前的设计思想；程序设计方面缺乏标准，不规范，逻辑性不强，故障率高，在使用过程中需不断对程序进行修改；外围元件布置及走线不规范，标牌线号不清，图纸与实物不符，维修困难；使用的元器件本身质量差，使用寿命短，故障率高，有的机床厂家为了降成本却忘记了质量、忘记了可靠性，选用一些国产的轴承、接触器、继电器、接近开关等元件，在生产过程中小故障连绵不断；柔性化不强，多品种生产困难。而国外数控车床无论是设计水平，还是制造水平，都要高出国内数控车床。机械件材质、加工精度、加工工艺、装配工艺比较好；软硬件设计有专门的标准，设计规范合理，配套件齐全，标牌标示清楚齐全；使用的元器件质量好，故障率低；新技术的应用及时领先；概括来说，精度及可靠性高、性能稳定故障率低 3 。1.2.2 数控系统的发展趋势随着微电子技术和计算机技术的发展，数控系统性能日臻完善，数控系统应用领域日益扩大。为了满足社会经济发展和科技发展的需要，数控系统正朝着高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及开放性等方向发展。数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构.较好地解决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制：（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；（2）目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费；（3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。机床数控化改造的优点：（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，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、供货期长，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，所以必须大力提高机床的数控化率。普通车床（如 C616，C618，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。第二章 伺服系统的特点数字控制，是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。数控机床是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分组成。1. 信息载体信息载体又称控制介质，用于记录数控机床上加工一个零件所必需的各种信息，以控制机床的运动，实现零件的机械加工。常用的信息载体有穿孔带等，通过相应的输入装置将信息输入到数控系统中。数控机床也可采用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接输入，或通过窜行口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。高级的数控系统可能还包含一套自动编程机或者 CAD/CAM 系统。2. 计算机数控系统计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制机床的动作。它由硬件和软件组成。硬件除计算机外，其外围设备主要包括光电阅读机、CRT、键盘、面板、机床接口等。软件由管理软件和控制软件组成。数控装置控制机床的动作可概括为：机床主运动、机床的进给运动、刀具的选择和刀具的补偿、其它辅助运动等。3. 伺服系统它是数控系统的执行部分，包括驱动机构和机床移动部件,它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动受控设备运动。伺服电动机可以是步进电机、电液马达、直流伺服电机或交流伺服电机。4. 机床它是用于完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上发展起来的，但也做了很多改进和提高，它的主要特点是：由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短；为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机床机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形较小；更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等；不少数控机床还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床工作效率 1。数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床三者的优点，将高效率、高精度和高柔性集中于一体。而数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求。伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。伺服系统接受来自CNC 装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包含机械、电子、电机(早期产品还包含液压)等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。要使它成为一个既能使各部件互相配合协调工作，又能满足相当高的技术性能指标的控制系统，的确是一个相当复杂的任务。提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。数控机床伺服系统的一般结构如下图所示：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过载能力，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过载 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反馈全部数字化、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，使控制精度和品质大大提高。图 1.1 伺服系统结构图第三章 设计的内容、目的和方法本次设计的内容是机床总体方案设计及总体布局图绘制、及横向伺服进给机构的理论计算、结构设计及绘制装配图、典型零件绘制、数控系统（硬件连接图）设计、典型零件的数控车削加工程序编制及外文资料文献翻译，并撰写毕业设计论文。设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想、严肃认真的科学态度，加强团队合作精神。在设计中，先通过参观及查阅等了解有关系统的工作原理，作用及结构特点。选择合适的算法，根据计算结果查阅手册，得出相关的结构或零件。在图纸的绘制中，充分利用软件的先进性，完成三张 A0图纸。最后，完成硬件连接设计，编制典型零件的车削程序，撰写说明书。第四章 数控改造对进给系统的要求数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，被加工件的最后轮廓精度和加工精度都会受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，对进给系统中的传动装置和元件要求具有高的寿命，高的刚度，无传动间隙，高的灵敏度和低摩擦阻力的特点，如导轨必须具有较小的摩擦力，耐磨性要高，所以一般采用滚动导轨、静压导轨和减磨滑动导轨等。当旋转运动被转化为直线运动时，为了提高转换效率，保证运动精度，滚珠丝杠螺母副被广泛使用。为了提高位移精度，减少传动误差，对采用的各种机械部件首先保证它们的加工精度，其次采用合理的预紧来消除轴向传动间隙，所以在进给传动系统中广泛采用各种间隙消除措施，但是采用预紧等各种措施后仍然可能留有微量间隙。此外由于受力的作用后产生弹性变形，也会产生间隙，所以在进给系统反向运动时仍需由数控装置发出脉冲指令进行自动补偿。综合而言，在设计进给系统时，应充分注意减少摩擦阻力、提高传动精度和刚度、消除传动间隙、减少运动部件惯量。1、减少运动件之间的摩擦阻力：摩擦阻力主要来自丝杠螺母和导轨；对其进行滚动化是重要措施。2、提高传动精度和刚度：（1）保证进给系统中滚珠丝杠螺母、蜗轮蜗杆和支承结构的加工精度，提高传动精度和刚度。（2）在进给链中加入减速齿轮或同步带传动，减小脉冲当量，从设计角度提高传动精度。（3）采用预紧消除传动件间隙，提高传动精度。3、减少惯量：高速运转零件的惯量影响伺服系统的启动和制动特性。第五章 参数的计算5.1 已知技术参数横向最大行程（X 轴）180 mm；工作进给速度为 1 8000mm/min；:横向快速进给速度：8 m/min；刀架估计质量：150kg；滑板的估计尺寸（长 宽 高）：400mm 200mm 80mm；材料选为 HT200。5.2 主切削力的计算切削力的大小可用各种测力仪测得，也可用实验得出的近似公式计算：PZXYZCtsk(2.1)vPZhPZk料(2.2) PZXYZvhPZtskk料 (公 斤 力 )(2.3)式中 系数。决定于工件材料和加工方法，在一定的切削条件PZC（v、s、t 固定）下， 为一常数。 大表示工件材料的加工性差； 小PZPZCPZC表示工件材料的加工性好。k总的修正系数。决定于工件材料、切削用量和刀具几何形状等。Error! No bookmark name given.分别为工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具vPZhPZk料磨损限度对 P 的修正系数。、 指数。一般情况下 。这说明吃刀深度对切削力的影XYPZXY响要比走刀量对切削力的影响大。下表所列为的系数、指数和修正系数。这些系数在下列条件下制定：刀片材料为硬质合金，工件材料为碳素结构钢， ， ， ， ，后刀面磨损275/b公 斤 力 毫 米 50/v米 分 4510限度 ，切削时不用冷却液，车削外圆。0.91h:毫 米它们的系数、指数和修正系数之值也各有不同，可从有关手册中查得。表 2.1系 数 及 指 数工件材料 PZCPZXPZY结构钢 167 10 075修 正 系 数b40 50:50 60 60 70:70 80 80 90:90 100工 件材 料 =PZk料 084 090 095 10 104 109v= 50 100 200 300 400 500切 削速 度 =vPZ10 090 082 077 074 071主 偏角= 30 45 60 70 90=PZk108 10 094 094 089= +20 +10 0 -10 -20前 角=PZ090 10 11 12 13h= 09 1.2:1.5 2.0:后刀面磨损限度 =hPZk1.0 1.05切削功率是切削时在切削区内消耗的功率。当切削速度为已知时，切削功率可用下式计算：10260ZZPvNkw切 削(2.4)在校验机床选用的电动机功率时应使k切 削 过 电 机(2.5)式中 机床电动机名义功率（千瓦） ；N电 机机床效率（一般齿轮机床 =0.7 0.8） ；:电动机超载时容许的系数（一般 =1.25） 57。k过 k过如表 2.1，取其中各参数的最大值进行估算：取 =167， =1.0， ，PZCPZX0.75PZY=1.09， =1.08， =1.3， =1.05， =0.9k料 kkhPZvPZk取切深 t=5mm，进给量 s=0.3mm/r则由公式(2.3) ： 0.7516319.081.35489.7ZN公 斤 力(2.6):1:0.2548:90XYFZ而 切削功率：取切削速度为 105m/min，由公式(2.4)(2.5)得:4.518.462Nk切 削8.407512.96Nk切 削电 机 过取 Nk切 削5.3 导轨摩擦力的计算与导轨的选型导轨是进给系统的重要环节，是机床的基本结构的要素之一，机床的加工精度和使用寿命很大程度上决定于机床导轨的质量，而数控机床对于导轨有着更高的要求：如高速进给时不振动；低速进给时不爬行；有高的灵敏度；能在重载下长期连续工作；耐磨性高；精度保持性要好。导轨应满足的基本要求：1）良好的导向精度，包括运动部件的移动直线性和圆运动的真圆性。2）良好的精度保持性，即能够长期保持原始精度。3）足够的刚度，由于导轨承受很大负载，故必须使摩擦副具有良好的摩擦特性。对于一般的滑动导轨，因其静摩擦力较大如果启动力不足以克服静摩擦力，这时被传动的工作台不能立即运动，作用力使一系列传动元件（如步进电动机、齿轮、丝杠及螺母等）产生弹性变形，储存了能量。当作用力超过静摩擦力时，工作台突然向前运动，静摩擦力变为动摩擦力数值明显减小，工作台产生很大加速度，由于惯性会使工作台冲过预定位置。为了提高数控机床的定位精度和运动平稳性，目前普遍使用滚动导轨、静压导轨、塑料导轨。塑料导轨因其良好的动、静摩擦特性和耐磨性大有取代滚动导轨之势。（一）滚动导轨滚动导轨是在导轨工作面之间安排滚动件，使两导轨面之间形成滚动摩擦，摩擦系数小。动、静摩擦系数相差很小，运动轻便灵活，所需功率小，精度好，无爬行。滚动导轨由标准导轨块构成，装拆方便，润滑简单。这是一种滚动体循环运动的滚动导轨。移动部件运动时，滚动体沿封闭轨道作循环运动。滚动体为滚珠或滚柱。（二）贴塑导轨这是一种金属对塑料的摩擦形式，属滑动摩擦导轨。导轨-滑动面上贴有一层抗磨软带，导轨的另一滑动面为淬火磨削面。软带是以聚四氟乙烯为基材，添加合金粉和氧化物的高分子复合材料。塑料导轨刚度好，动、静摩擦系数差值小，耐磨性好，无爬行，减振性好。软带应粘贴在机床导轨到的短导轨面上，。圆形导轨应粘贴在下导轨面上。粘帖时，先用清洗剂（如丙酮、三氯乙烯和全氯乙烯）彻底清洗被粘贴导轨面，切不可用酒精或汽油，因为它们会在被清洗表面留下一层薄膜，不利于粘结。清洗后用干净的白色擦布反复擦拭，直到擦不出污迹为止。然后将配套的胶粘剂（如 101、212、502 等）用油灰刀分别涂在软带和导轨粘结面上，为了保证粘结可靠，被贴导轨面应沿纵向涂抹，而塑料软带的粘结面沿横向涂抹。粘贴时，从一端向另一端缓慢挤压，以利赶跑气泡，粘贴后在导轨面上施加一定压力加以固化。为保证粘结剂充分扩散和硬化，室温下，加压固化时间应为 24h 以上。粘贴好的导轨面还要进行精加工，如开油槽、刮研磨削、研磨等。注意在局部修整时，切不可用砂纸，以防砂粒脱落嵌进塑料导轨中，破坏导轨。局部修整时，要用刮刀。与粘贴导轨配对的金属导轨，硬度在 160HBS 以上，表面粗糙度在Ra3.2um-Ra0.8um。有时为了使其对软带起定位作用，导轨粘贴面加工成 0.5-lmm 深的凹槽。第六章 微机数控系统硬件电路设计微机数控系统硬件电路总体方案设计 本系统选用 8031CPU 作为数控系统的中央处理机。外接一片 2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片 6264RAM 用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用 74LS138 译码器完成此功能。 8279 作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示，8255 接步进电机的环形分配器，分别并行控制 X 轴和 Z 轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等。8031 芯片内部结构图 各引脚功能简要介绍如下：1、源引脚 VSS：电源接地端。VCC ：5V 电源端。2、输入/输出（I/O）口线 8031 单片机有 P0、P1、P2 、P3 4 个端口，每个端口 8 根 I/O 线。当系统扩展外部存储器时，P0 口用来输出低 8 位并行数据，P2 口用来输出高 8 位地址，P3 口除可作为一个 8 位准双向并行口外，还具有第二功能，各引脚第二功能定义如下： P3.0 RXD：串行数据输入端。 P3.1TXD：串行数据输出端 P3.2 INT0：外部中断 0 请求信号输入端。 P3.3 INT1：外部中断 1 请求信号输入端。 P3.4 T0：定时器/计数器 0 外部输入端 P3.5 T1：定时器/计数器 1 外部输入端 P3.6WR：外部数据存储器写选通。 P3.7RD：外部数据存储器读选通。 在进行第二功能操作前，对第二功能的输出锁存器必须由程序置 1。 3、信号控制线 RST/VPD：RST 为复位信号线输入引脚，在时钟电路工作以后，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，完成一次复位操作。 8031 单片机采用两种复位方式：一种是加电自动复位，另一种为开关复位。 ALE/PROG：ALE 是地址锁存允许信号。它的作用是把 CPU 从 P0 口分时送出的低 8 位地址锁存在一个外加的锁存器中。 ：外部程序存储器读选通信号。当其为低电平时有效。VPP：当 EA 为高电平且 PC 值小于 0FFFH时 CPU 执行内部程序存储器中的程序。当 EA 为低电平时，CPU 仅执行外部程序存储器中的程序。 XTAL1：震荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地； XTAL2：震荡器的反相放大器输出，使用外部震荡器时，接收外围震荡信号； （2）片外三总线结构 单片机在实际应用中，常常要扩展外部存储器、I/O 口等。单片机的引脚，除了电源、复位、时钟输入以及用户 I/O 口外，其余的引脚都是为了实现系统扩展而设置的，这些引脚构成了三总线形式：1、地址总线 AB 地址总线宽度为 16 位。因此，外部存储器直接寻址范围为 64KB。由 P0 口经地址锁存器提供16 位地址总线的低 8 位地址（A7 A0 ） ，P2 口直接提供高 8 位地址（A15 A8） 。2、数据总线 DB 数据总线宽度为 8 位，由 P0 口提供。3、控制总线 CB 控制总线由第二功能状态下的 P3 口和 4 根独立的控制线 RST、EA、ALE 和 PSEN 组成。8255A 可编程并行 I/O 口扩展芯片 8255A 可编程并行 I/O 口扩展芯片可以直接与 MCS 系列单片机系统总线连接，它具有三个 8 位的并行 I/O 口，具有三种工作方式，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成 CPU 与外围设备之间的信息交换。8255A 的结构及引脚功能：1、8255A 的结构， 其中包括三个 8 位并行数据 I/O 端口，二个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和一个 8 位数据总线缓冲器。各部分功能介绍如下： （1） 三个 8位并行 I/O 端口 A、B、C ，A 口：具有一个 8 位数据输出锁存/缓冲器和一个 8 位数据输入锁存器。可编程为 8 位输入、或 8 位输出、或 8 位双向寄存器。B 口：具有一个 8 位数据输出锁存/缓冲器和一个 8 位输入或输出寄存器，但不能双向输入/ 输出。C 口：具有一个8 位数据输出锁存/缓冲器和一个 8 位数据输入缓冲器，C 口可分作两个 4 位口，用于输入或输出，也可作为 A 口和 B 口选通方式工作时的状态控制信号。 （2） 工作方式控制电路，A、B 两组控制电路把三个端口分成 A、B 两组，A 组控制 A 口各位和 C 口高四位，B 组控制 B 口各位和 C 口低四位。两组控制电路各有一个控制命令寄存器，用来接收由CPU 写入的控制字，以决定两组端口的工作方式。也可根据控制字的要求对 C 口按位清“0”或置“1”。 （3）读/写控制逻辑电路，它接收来自 CPU 的地址信号及一些控制信号，控制各个口的工作状态。 （4）数据总线缓冲器，它是一个三态双向缓冲器，用于和系统的数据总线直接相连，以实现 CPU 和 8255A 之间信息的传送。第七章 横向减速齿轮的设计同轴式二级圆柱齿轮减速器。故只要对本传动机构进行分析论证。本传动机构的特点是：减速器横向尺寸较小，两大吃论浸油深度可以大致相同。结构较复杂，轴向尺寸大，中间轴较长、刚度差，中间轴承润滑较困难。7.1 电动机的选择1.因为本传动的工作状况是：载荷平稳、单向旋转。所以选用常用的封闭式 Y（IP44）系列的电动机。2电动机容量的选择1） 工作机所需功率 Pw Pw3.4kW2） 电动机的输出功率 PdPw/ 0.904 Pd3.76kW3电动机转速的选择 nd（i1i2in ）nw 初选为同步转速为 1000r/min 的电动机.4电动机型号的确定由表查出电动机型号为 Y132M1-6,其额定功率为 4kW，满载转 960r/min.7.2 计算传动装置的运动和动力参数7.2.1 计算总传动比由电动机的满载转速 nm 和工作机主动轴转速 nw 可确定传动装置应有的总传动比为：inm/nw nw38.4 i25.142合理分配各级传动比由于减速箱是同轴式布置，所以 i1i2 。因为 i25.14，取 i25，i1=i2=25 速度偏差为 0.5%5%，所以可行。 各轴转速、输入功率、输入转矩项 目 电动机轴 高速轴 I 中间轴 II 低速轴 III 鼓轮,转速（r/min）7.2.2 传动件设计计算1 选精度等级、材料及齿数1） 材料及热处理:选择小齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度为 280HBS，大齿轮材料为 45 钢（调质） ，硬度为240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。2） 精度等级选用 7 级精度；3） 试选小齿轮齿数 z120，大齿轮齿数 z2100 的；4） 选取螺旋角。初选螺旋角 142按齿面接触强度设计因为低速级的载荷大于高速级的载荷，所以通过低速级的数据进行计算，(1) 确定公式内的各计算数值(2) 计算载荷系数 K已知载荷平稳，所以取 KA=1根据 v=0.68m/s,7 级精度，动载系数 KV=1.11；KH 的计算公式和直齿轮的相同，故 KH=1.12+0.18(1+0.61 )11 +0.2310 67.85=1.42,KF=1.36,KH=KH=1.4。故载荷系数K=KAKVKHKH=11.031.41.42=2.05(3) 计算模数 m=3.747.2.3 确定计算参数(1) 计算载荷系数K=KAKVKFKF=11.031.41.36=1.96,螺旋角影响系数 Y0.88 (2)计算当量齿数z1=z1/cos =20/cos 14 =21.89 z2=z2/cos =100/cos 14 =109.47(3) 查取齿型系数得 YFa1=2.724；Yfa2=2.172(4) 查取应力校正系数 由表 105 查得 Ysa1=1.569；Ysa2=1.798(5) 计算FF1=500Mpa F2=380MPa KFN1=0.95 KFN2=0.98F1=339.29Mpa F2=266MPa7.2.4 几何尺寸计算(1) 计算中心距z1 =32.9，取 z1=33 z2=16 a =255.07mm 圆整后取 255mm(2)按圆整后的中心距修正螺旋角 =arcos =13 5550”(3) 计算大、小齿轮的分度圆直径d1 =85.00mm d2 =425mm(4) 计算齿轮宽度b=dd1 b=85mm B1=90mm，B2=85mm7.3 结构设计以大齿轮为例。因齿轮齿顶圆直径大于 160mm，而又小于 500mm，故以选用腹板式为宜。其他有关尺寸参看大齿轮零件图。轴的设计计算,拟定输入轴齿轮为右旋II 轴：1初步确定轴的最小直径 d 34.2mm2求作用在齿轮上的受力Ft1= =899N Fr1=Ft =337N Fa1=Fttan=223N；Ft2=4494N Fr2=1685N Fa2=1115N3轴的结构设计1） 拟定轴上零件的装配方案i. I-II 段轴用于安装轴承 30307，故取直径为 35mm。ii. II-III 段轴肩用于固定轴承，查手册得到直径为 44mm。iii. III-IV 段为小齿轮，外径 90mm。iv. IV-V 段分隔两齿轮，直径为 55mm。v. V-VI 段安装大齿轮，直径为 40mm。vi. VI-VIII 段安装套筒和轴承，直径为 35mm。2） 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1. I-II 段轴承宽度为 22.75mm，所以长度为 22.75mm。2. II-III 段轴肩考虑到齿轮和箱体的间隙 12mm，轴承和箱体的间隙 4mm，所以长度为16mm。3. III-IV 段为小齿轮，长度就等于小齿轮宽度 90mm。4. IV-V 段用于隔开两个齿轮，长度为 120mm。5. V-VI 段用于安装大齿轮，长度略小于齿轮的宽度，为 83mm。6. VI-VIII 长度为 44mm。4 求轴上的载荷66 207.5 63.5 Fr1=1418.5N Fr2=603.5N查得轴承 30307 的 Y 值为 1.6 Fd1=443N Fd2=189N因为两个齿轮旋向都是左旋。 故：Fa1=638N Fa2=189N5精确校核轴的疲劳强度1） 判断危险截面由于截面 IV 处受的载荷较大，直径较小，所以判断为危险截面2） 截面 IV 右侧的截面上的转切应力为由于轴选用 40cr，调质处理.7.4 齿轮的润滑采用浸油润滑，由于低速级周向速度为，所以浸油高度约为六分之一大齿轮半径，取为35mm。一、滚动轴承的润滑由于轴承周向速度为，所以宜开设油沟、飞溅润滑。二、润滑油的选择齿轮与轴承用同种润滑油较为便利，考虑到该装置用于小型设备，选用 L-AN15 润滑油。三、密封方法的选取选用凸缘式端盖易于调整，采用闷盖安装骨架式旋转轴唇型密封圈实现密封。密封圈型号按所装配轴的直径确定为（F）B25-42-7-ACM， （F）B70-90-10-ACM 。轴承盖结构尺寸按用其定位的轴承的外径决定。第八章 滚珠丝杠的计算及选择滚珠丝杠的工作原理：在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当把它们套装在一起时形成螺旋通道，并且滚道内填满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则可沿着滚道流动，按照滚珠返回的方式不同可以分为内循环式和外循环式两种方式。外循环式螺母旋转槽的两端由回珠管连接起来，返回的滚珠不与丝杠外圆相接触，滚珠可以作周而复始的循环运动，在管道的两端还能起到挡珠的作用，用以避免滚珠沿滚道滑出。内循环方式带有反向器，返回的滚珠经过反向器和丝杠外圆之间返回。滚珠丝杠螺母副的优点：在传动时，滚珠与丝杠、螺母之间基本上是滚动摩擦，所以具有很多优点：1）传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率很高可达 92-98，是普通丝杠传动的 2-4 倍。摩擦力小。因为动、静摩擦系数相差小，因而传动灵敏，运动平稳、低速不易产生爬行，随动精度和定位精度高。使用寿命长。滚珠丝杠副采用优质合金钢制成，其滚道表面淬火硬度高达 60-62HRC，表面粗糙度值小，另外，因为是滚动摩擦，故磨损很小。4）经预紧后可以消除轴向间隙，提高系统的刚度。5）反向运动时无空行程，可以提高轴向运动精度。滚珠丝杠螺纹副的缺点：因为滚珠丝杠副具有这些优点，所以现在各类中、小型数控机床的直线进给系统普遍采用滚珠丝杠。但是滚珠丝杠也有如下缺点；l）制造成本高。不能实现自锁。由于其摩擦系数小不能自锁，当用于垂直位置时，为防止因突然停断电而造成主轴箱下滑，必须加有制动装置。8. 滚珠丝杠导程的确定在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为 ，设电机的最高工作转1i速为 ，则丝杠导程为：max150/innrmaxhvP(3.1)，取38105.hP6hP8.2 确定丝杠的等效转速/minhvrP(3.2)由公式(3.2),最大进给速度时丝杠的转速： 3max810./min6hvnrP最小进给速度时丝杠的转速： mini10.67/inhv