機電一體化專業(yè)自考畢業(yè)設計(論文）CA6140普通車床數(shù)控化改造

1、目 錄摘要 abstract 緒論 1第一章 ca6140車床微機數(shù)控系統(tǒng)總體設計方案的擬訂31-1 總體方案確定 31-2 設計xy數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng) 4第二章 ca6140車床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算 52-1 脈沖當量的選擇 52-2 切削力的計算 52-3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 62-4 齒輪傳動比的計算142-5 步進電機的計算與選型152-6 設計繪制進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖19第三章 ca6140 車床微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設計203-1 單片機微機數(shù)控系統(tǒng)電路設計內(nèi)容203-2 mcs-51 系列單片機簡介213-3 存儲器擴展電路的設計283-4 i/o 接口電路

2、及輔助電路設計373-5 典型零件加工程序設計46總結49參考文獻50致謝51外文資料及中文翻譯52 摘要針對現(xiàn)有常規(guī)ca6140普遍車床的缺點提出數(shù)控改裝方案和單片機系統(tǒng)設計，提高加工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設計過程，較詳盡地介紹了ca6140機械改造部分的設計及數(shù)控系統(tǒng)部分的設計。采用以8031為cpu的控制系統(tǒng)對信號進行處理，由i/o接口輸出步進脈沖，經(jīng)一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。 結合我國實際國情，經(jīng)濟型數(shù)控車床是我國從普通車床向數(shù)控車床發(fā)展的及其重要的臺階。利用現(xiàn)有的普通車床，對其進行數(shù)控化改造是

3、一條低成本，高效益的途徑。數(shù)控車床作為機電一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結構復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。我國作為機床大國，數(shù)控機床的占有率還不足百分之三，但是在歐美等發(fā)達國家數(shù)控機床的占有率達到了百分之三十六以上，單從數(shù)字上來看我過和歐美等發(fā)達國家還有相當大的距離。其主要原因為數(shù)控車床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。對普通機床數(shù)控化改造不失為一種較好的良策。在金屬加工行業(yè)中車床在所有加工設備中占有最大比重，例如最常見的軸類零件，就是由車床加工而成本論文針對目前國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)狀，以c

4、a6140普通車床為例提出簡易型經(jīng)濟數(shù)控改造思路和設計方法。關鍵詞：數(shù)控機床， 單片機數(shù)控系統(tǒng)，改裝設計，ca6140 伺服電機 傳動系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 電氣控制線路 經(jīng)濟實惠 數(shù)控改造， nc overview of the application abstract       to remedy the defects of ordinary lather ca6140, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is

5、put forward to raise the processing precision and extend the machines usage, and to improve production rate。this paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。we adopt control system which has

6、8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse through the i/o interface。after transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。 keyword       

7、;  numerical control machine tool,   single chip microcomputer systemchina's actual conditions and economic cnc lathe is from the ordinary to the lathe and nc lathe important development stage.use of existing ordinary lathe, nc transformation is its low cost and highly efficient w

8、ay.cnc lathe as a typical electromechanical integration products, machinery manufacturing plays an enormous role,good solution to the structural complexity of modern machinery, precision, small batches, changeable parts processing,able to stabilize the quality of the processing products, a significa

9、nt increase in production efficiency.as the big machine, cnc machine tools was less than 3.0% share.however, in europe and the united states and other developed countries to achieve the 36% share of the cnc machine morei can see from the figures over europe and the united states and other developed

10、countries there is still a considerable distance.the main reason for the higher prices of cnc lathe, a one-time investment to fill larger enterprises.cnc transformation of the ordinary would be a better process.lathe in the metal processing industry accounts for the largest proportion of all process

11、ing equipment, for example, the most common shaft.papers from the machining cost is the present status of domestic enterprises.simple ca6140 made to the general economic nc lathe ideas and design methods.essential character numerical control machine tool,   single chip microcomputer system

12、，reform design，the ca6140 servo electrical machinery transmission system control system electricity control line economical numerical control changes 緒 論隨著社會生產(chǎn)和科學技術的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密復雜，且需頻繁改型，普通機床已不能適應這些要求，數(shù)控機床應運而生。這種新型機床具有適應性強、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。它綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅動、精密測量和新型機械結構等多方面的技術成果，是今后機床控制的發(fā)展方

13、向。一、數(shù)控機床的產(chǎn)生數(shù)控機床最早是從美國開始研制的。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務時，提出了研制數(shù)控機床的初始設想。1949年，帕森斯公司與麻省理工學院伺服機構實驗室合作，開始從事數(shù)控機床的研制工作。并于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床實驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床。經(jīng)過三年改進和自動編程研究，于1955年進入實用階段。一直到20世紀50年代末，由于價格和技術原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了60年代，由于晶體管的應用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點

14、位控制的機床。數(shù)控技術不僅在機床上得到實際應用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數(shù)控技術不斷的擴展應用范圍。二、數(shù)控機床的發(fā)展自1952年，美國研制成功第一臺數(shù)控機床以來，隨著電子技術、計算機技術、自動控制和精密測量等相關技術的發(fā)展，數(shù)控機床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。第一代數(shù)控：1952-1959年采用電子管元件構成的專用數(shù)控裝置。第二代數(shù)控：從1959年開始采用晶體管電路的nc系統(tǒng)。第三代數(shù)控：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的nc系統(tǒng)。第四代數(shù)控：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)。第五代數(shù)控：從1974年開始采用微型

15、電子計算機控制的系統(tǒng)。目前，第五代微機數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，具有很強的程序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實現(xiàn)的。這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強，幾乎只需改變軟件，就可以適應不同類型機床的控制要求，具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴大，光纜通信技術應用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。近年來，微電子和計算機技術的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機械制造的各個領域中，先后出現(xiàn)了計算機直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)。所有這些高級的自動化生

16、產(chǎn)系統(tǒng)均是以數(shù)控機床為基礎，它們代表著數(shù)控機床今后的發(fā)展趨勢。三、我國數(shù)控機床的發(fā)展概況我國從1958年由北京機床研究所和清華大學等首先研制數(shù)控機床，并試制成功第一臺電子管數(shù)控機床。從1965年開始，研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到60年代末和70年代初，研制的劈錐數(shù)控銑床、非圓錐插齒機等獲得成功。與此同時，還開展了數(shù)控加工平面零件自動編程的研究。1972-1979年是數(shù)控機床的生產(chǎn)和使用階段。例如：清華大學研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控技術在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領域開始研究與應用；數(shù)控加工中心機床研制成功；數(shù)控升降臺銑床和數(shù)控齒輪加工機床開始小批生產(chǎn)供應市場。從80年代初開始，隨著我國

17、開放政策的實施，先后從日本、美國、德國等國家引進先進的數(shù)控技術。上海機床研究所引進美國ge公司的mtc-1數(shù)控系統(tǒng)等。在引進、消化、吸收國外先進技術基礎上，北京機床研究所又開發(fā)出bso3經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)和bso4全功能數(shù)控系統(tǒng)，航空航天部706所研制出mnc864數(shù)控系統(tǒng)等。進而推動了我國數(shù)控技術的發(fā)展，使我國數(shù)控機床在品種上、性能上以及水平上均有了新的飛躍。我國的數(shù)控機床已跨入一個新的發(fā)展階段。四、數(shù)控機床的發(fā)展趨勢從數(shù)控機床技術水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是數(shù)控機床的重要發(fā)展趨勢。對單臺主機不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求具有進入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制

18、造系統(tǒng)的適應能力。在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，諸如日本的fancu，德國的siemens和美國的a-b公司，產(chǎn)品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位和32位微機處理機、標準總線及軟件模塊和硬件模塊結構，內(nèi)存容量擴大到1mb以上，機床分辨率可達0.1微米，高速進給可達100m/min,控制軸數(shù)可達16個，并采用先進的電裝工藝。在驅動系統(tǒng)方面，交流驅動系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。五、數(shù)控機床改造的意義數(shù)控

19、機床改造在國外已發(fā)展成一個新興的工業(yè)部門，早在60年代已經(jīng)開始迅速發(fā)展，其發(fā)展的原因是多方面的，主要有技術、經(jīng)濟、市場和生產(chǎn)上的原因。我國是擁有300多萬臺機床的國家。而這些機床又大多是多年累積生產(chǎn)的通用機床，不論資金和我國機床制造廠的能力都是辦不到的。因此，盡快將我國現(xiàn)有一部分普通機床實現(xiàn)自動化和精密化改裝，是我國現(xiàn)有設備技術改造迫切要求解決的課題。用數(shù)控技術改造機床，正是適應了這一要求。它是建立在微電子現(xiàn)代技術與傳統(tǒng)技術相結合的基礎上。在機床改造中引入微機的應用，不但技術上具有先進性，同時，在應用上比其它傳統(tǒng)的自動化改裝方案，有較大的通用性與可調(diào)性。而且所投入的改造費用低，一套經(jīng)濟型數(shù)控裝

20、置的價格僅為全功能數(shù)控裝置的1/3至1/5，用戶承擔的起。從若干單位成功應用的實例可以證明，投入使用后，確實成倍地提高了生產(chǎn)效率，減少了廢品率，取得了顯著的技術經(jīng)濟效益。因此，我國提出從大力推廣經(jīng)濟型數(shù)控這一中間技術的基礎上，再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路，適合我國的經(jīng)濟水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國設備技術改造主要方向之一。同時，它還可以作為全功能數(shù)控機床應用的準備階段，為今后使用全功能數(shù)控機床，培養(yǎng)人才，積累維護、使用經(jīng)驗，而且也是實現(xiàn)我國傳統(tǒng)的機械制造技術朝機電一體化的方向過渡的主要內(nèi)容之一。第一章 ca6140車床微機數(shù)控系統(tǒng)總體設計方案的擬定數(shù)控技術是先進制造技術的核心，是制造業(yè)

21、實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡化、柔性化、集成化的基礎。數(shù)控裝備的整體水平標志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強弱。機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運動方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構的結構及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。一般應根據(jù)設計任務和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。1-1 總體方案確定一、系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控銑床應具有定位、直線插補、順、逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，由于在銑削加工中，要求工作臺或刀具沿各坐標軸運動有確定的函數(shù)關系，即刀具以給定的速率相對于工件沿加工路徑運動，

22、所以不能選用點位系統(tǒng)，因為點位控制系統(tǒng)要求工件相對于刀具移動過程中不進行切削。因此，應選用連續(xù)控制系統(tǒng)。x52k型銑床改造屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，加工精度要求不高，為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)，因閉環(huán)控制系統(tǒng)適用于精度要求較高的機床設計，且閉環(huán)控制系統(tǒng)的造價昂貴。二、計算機系統(tǒng)根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于mcs-51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性能價格比等特點，因此采用mcs-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、i/o接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤

23、操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。三、機械傳動方式為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副以及滾動導軌。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負載的滾動導軌和滾珠絲杠副機構。齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的消隙齒輪結構。1-2 設計x-y數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng)計任務及參數(shù)在任務書中已經(jīng)給出。系統(tǒng)總體方案見圖1-1根據(jù)設計任務的要求，采用連續(xù)控制系統(tǒng)和步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。這樣可使控制系統(tǒng)結構簡單、成本低廉，調(diào)試和維修都比較容易。為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，盡量采用低摩擦的傳動和導向

24、元件。此工作臺采用滾珠絲杠螺母副和滾動導軌。為盡量消除傳動間隙，可設法調(diào)整傳動齒輪的中心距以消除齒側間隙。計算機系統(tǒng)仍采用高性能價格比的mcs-51系列單片機擴展系統(tǒng)。 微 機機 y向步進電機功率放大光電隔離上拖板 x向步進電機光電隔離功率放大下拖板 圖1-1 經(jīng)濟型數(shù)控車床總體方案框圖第二章 ca6140車床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算一臺ca6140普通車床改造成微機數(shù)控車床，采用mcs-51系列單片機控制系統(tǒng)，步進電機開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補功能，具有升降速控制功能。其主要設計參數(shù)如下：加工最大直徑：在床面上 400 在床鞍上 210加工最大長度：1000溜板及刀架重力： 縱向 10

25、00n 橫向 600n刀架快速速度: 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/min最大進給速度: 縱向 0.6m/min 橫向 0.3m/min主電機功率 7.5kw起動加速時間 30ms機床定位精度: ±0.015mm伺服系統(tǒng)機械部分設計計算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負載、確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣量計算，空載起動及切削力計算，確定伺服電機，傳動及導向元件的設計、計算及選用，繪制機械部分裝配圖及零件工作圖?，F(xiàn)分述如下：2-1 系統(tǒng)脈沖當量的選擇一個進給脈沖，使機床運動部件產(chǎn)生位移量，也稱為機床的最小設定單位。脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床銑床常采用的

26、脈沖當量是0.010.005mm/脈沖。根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量，縱向：0.01mm/脈沖，橫向：0.005mm/脈沖。2-2 切的計算削力在設計機床進給伺服系統(tǒng)時，計算傳動和導向元件，選用伺服電機等都需要用到切削力，下面介紹數(shù)控車床中的切削力的計算。1.縱車外圓主切削力f (n)按經(jīng)驗公式估算: =0.67d=0.67×400=5360 按切削力各分力比例： =5360×0.25=1340 =5360×0.4=2144 2.橫切端面主切削力可取縱切的1/2. 此時走刀抗力為(n),吃刀抗力為.仍按上述比例粗略計算: :=1:0.25:0.4 =2680

27、15;0.25=670 =2680×0.4=10722-3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 滾珠絲杠螺母副的設計首先要選擇結構類型：確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預緊方式。結構類型確定之后，再計算和確定其他技術參數(shù)，包括：公稱直徑d0（絲杠外徑d）、導程l0、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)k、精度等級等。滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。如參考書1中的圖4-4所示。我們在此選用螺旋槽式外循環(huán)：在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔，同螺母的螺紋滾道相切，形成滾珠返回通道。為防止?jié)L珠脫落，螺旋槽用鋼套蓋住。在通孔口設有擋珠器，引導滾珠進入通孔。擋珠器用圓鋼彎成

28、弧形桿，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的優(yōu)點是：工藝簡單，螺母外徑尺寸較小。缺點是：螺旋槽同通孔不易連接準確，擋珠器鋼性差、耐磨性差。滾珠絲杠副的預緊方法有：雙螺母墊片式預緊、雙螺母螺紋式預緊、雙螺母齒差式預緊、單螺母變導程預緊以及過盈滾珠預緊等。本設計采用雙螺母螺紋式預緊結構，它通過調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。其特點是結構較緊湊，工作可靠，滾道磨損時可隨時調(diào)整，預緊量不很準確，應用較普遍。一、縱向進給絲杠1.計算進給率引力(n)作用在滾珠絲杠上的進給率引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動部件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導軌的型式有關?？v向進給為綜合型導

29、軌由前所知： =1340 n=5360 n=1000 n=1.15=0.16 得：(n)= +(+g) =1.15×1340+0.16×(5360+1000)=2559 n式中 考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù),綜合導軌取k=1.15; -滑動導軌摩擦系數(shù):0.150.18;-溜板及刀架重力: =1000 n.2.計算最大動負載利用滾珠絲杠副的直徑d0時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉100萬轉（106轉）后在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載c，可以用下式計算： = = 式中 -滾珠絲杠導程,初選=6; -最大切削力下的進

30、給速度，可取最高進給速度的(),此處=0.6m/min -使用壽命,按15000h; -運轉系數(shù)，按一般運轉取=1.21.5; -壽命，以10轉為1個單位。將數(shù)據(jù)分別帶入上式得： =50r/min=45=×1.2×2559=10799 n3.滾珠絲杠螺母副的選型查閱附錄表3,可采用wl3506外循環(huán)螺紋調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲杠副,1列2.5圈,其額定動負載為16400 n,精確等級按表4-15選為3級(大致相當于老標準級).4.傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為：=式中 螺旋升角, wl3506 =3°39-摩擦角取10滾動摩擦系數(shù)0.0030.004將各數(shù)據(jù)

31、帶入上式得： =5.剛度驗算滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性因此應考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量；滾珠與螺紋滾道間的接觸變形；支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形；滾珠絲杠的扭轉變形引起導程的變化量；和螺母座及軸承支座的變形。最后一種常為滾珠絲杠副系統(tǒng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，但變形量計算較為困難，一般根據(jù)其精度要求，在結構上盡量增強其剛度而不作計算。因此滾珠絲杠副剛度的驗算，主要是前三種變形量，他們的和應不大于機床精度要求允許變形量的一半，否則，應考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。先畫出縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖如圖2-1所示。最大牽引力為2559 n.軸承支撐

32、間距=1500，絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的。 圖2-1（1）絲杠的拉伸或壓縮變形量查圖4-6，根據(jù)=2559 n，=35，*查出=1.2*10，可算出： ×1500=1.6×10×1500=2.4×10（）.由于兩斷均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了預拉伸,故其剛度可以提高4倍。其實際變形量()為:=0.6×10(2)滾珠與螺紋滾道接觸變形查圖4-7, 系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量: =7.1m因進行了預緊, =×7.1=3.35m(3)支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形采用8107型推力球軸承，=35

33、,滾珠體直徑=6.35,滾動體數(shù)量=18, =0.0024 =0.0024 0.0075()注意,此公式中單位應為 因施加預緊力,故 =×0.0076=0.0038根據(jù)以上計算:=+=0.006+0.00355+0.0038 =0.01335<定位精度6.穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核.二、 橫向進給絲杠1.計算進給牽引力橫向導軌為燕尾形,計算如下:由前所知：=1072 n =670 n =2680 n = 600 n =0.2 得：=1.4×+(+2+)=1.4×670+0.2×(2680+2×1072

34、+600)2023 n2.計算最大動負載=30=27=×1.2×2023=7283 n3.選擇滾珠絲杠螺母副從附錄a表3中查出, wl3506 1列2.5圈外循環(huán)螺紋預緊滾珠絲杠副,額定動載荷為9700 n,可滿足要求，選定精度為3級.4.傳動效率計算=0.9655.剛度驗算橫向進給絲杠支承方式如圖2-2所示，最大牽引力為2425 n，支承間距=450，因絲杠長度較短，不需預緊，螺母及軸承預緊。 圖2-2計算如下：（1）絲杠的拉伸或壓縮變形量（）查圖4-6，根據(jù)=2023 n,=20,查出=4.2×10,可算出=×=4.2×10450=1.89

35、×10(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量查圖4-7 =8.5因進行了預緊 =×8.5=4.25(3) 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形采用8120推力球軸承,考慮到進行了預緊,故綜合以上幾項變形之和:顯然此變形量已大于定位精度的要求,應該采取響應的措施修改設計,因橫向溜板空間的限制,不宜再加大滾珠絲杠的直徑,估采用貼塑導軌見效摩擦力,從而減小最大牽引力.重新計算如下: 從圖4-6查出當時,和不變,則,定位精度為,估此變形量仍不能滿足,如果將滾珠絲杠再經(jīng)過預拉伸,剛度還可提高四倍,則變形量可控制在要求的范圍之內(nèi).6.穩(wěn)定性校核計算臨界負載 =式中 -材料彈性模量,鋼: =20

36、.6×10 n/;-截面慣性矩()絲杠: =,為絲杠內(nèi)徑;-絲杠兩支承端距離();-絲杠支承方式系數(shù),從表4-13中查出，一端固定,一端簡支=2.00 =×1.6788=0.3899=78214 n=67.7>>(一般=2.54)此滾珠絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。三、 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)。其幾何參數(shù)如下:名稱符號w1l2506w1l2005螺紋滾道公 稱 直 徑2520導 程65接 觸 角鋼 球 直 徑3.9693.175滾道法面半徑2.0641.651偏 心 距0.0560.045螺 紋 升 角螺桿螺 桿 外 徑24.219.4螺 桿 內(nèi) 徑20.98416.

37、788螺桿接觸直徑17.02713.835螺母螺母螺紋直徑32.82623.212螺 母 內(nèi) 徑25.820.6352-4 齒輪傳動比計算1.縱向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量=0.01滾珠絲杠導程=6，初選步進電機步距角0.75°?？捎嬎愠鰝鲃颖?=0.8可選定齒輪齒數(shù)為: =或2.橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定橫向進給脈沖當量=0.005 ,滾珠絲杠導程=5,初選步進電機步距角0.75°可計算傳動比 : =0.48考慮到結構上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程,故此處可采用兩級齒輪降速: =×=× =24、=40、=

38、20、=25因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)取2。有關參數(shù)如下:表2-1齒數(shù)324024402025分度圓648048804050齒頂圓688452844454齒根圓597543753545齒寬（610）202020202020中心距7264452-5 步進電機的計算和選型選用步進電機時，必須首先根據(jù)機械結構草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電機軸上的等效轉動慣量，分別計算各種工況下所需的等效力矩，在根據(jù)步進電機最大靜轉矩和起動、運行矩頻特性選擇合適的步進電機。一、縱向進給步進電機計算1.等效轉動慣量計算計算見圖2-1，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的慣量（·）可由下式計算： =+式中 -步進

39、電機轉子轉動慣量（·）;、-齒輪、的傳動慣量（·）;-滾珠絲杠轉動慣量（·）。參考同類型機床，初選反應式步進電機150bf，起轉子轉動慣量=10·。 =0.78×10×·=0.78×10×6.4×2=2.62·=0.78×10×·=0.78*10×8×2=6.39·=0.78×10×4×150=29.952·=1000 n代入上式： =+=10+2.62+=36.474·考慮步

40、進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題 /=10/36.474=0.274基本滿足匹配的要求。2.電機力矩的計算機床在不同的工況下，其所需轉距不同，下面按個階段計算：（1） 快速空載起動力矩起 。在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下： 起 =+ =·=×10=× =×將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。 =×=500 。起動加速時間 =30 =×=36.474××10=636.6 n·折算到電機軸上的摩擦力矩： = =94 n·附加摩擦力矩： = =805.3×0.19=1

41、53 n·上述三項合計：起 =+ =636.6+94+153=881.5 n·（2）快速移動時所需力矩快 快=+=94+153=247 n·（3）最大切削負載時所需力矩切 切=+=+ =94+153+=94+153+127.96 =375 n·從上面的計算可以看出，起、快和切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以次作為初選步進電機的依據(jù)。從表中查出，當步進電機為五相十拍時，=0.951。最大靜力矩=881.5/0.951=927 n· 。按此最大靜轉距從表查出，型最大靜轉距為13.72 n· 。大于所需最大靜轉距，可作為初選型號，

42、但還必須進一步考核步進電機起動距頻特性和運行距頻特性。3.計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 =4000 hz=1000 hz從表中查出 型步進電機允許的最高空載起動頻率為2800 hz運行頻率為8000 hz ， 130bf001步進電機的起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線如圖2-3，2-4所示，可以看出，當步進電機起動時，f起=2500hz時，m=100，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（881.5）直接使用將會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實現(xiàn)），將起動頻率將到1000hz時，起動力矩可增到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大

43、一倍左右。當快速運動和切削進給時，130bf001型步進電機運行矩頻特性（圖2-4）完全可以滿足要求。二、橫向進給步進電機計算和選型電機選為計算步驟如上所述，經(jīng)計算滿足要求，此處計算略。5、繪制進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖在完成運動及動力計算后，以后確定了滾珠絲杠螺母副、步進電機型號，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸承型號之后，就可以畫機械裝配圖。見附圖（一）例如，雙片齒輪采用周向彈簧調(diào)整消隙法：如圖（5）所示，采用了可調(diào)拉力彈簧調(diào)整間隙。在兩個薄片齒輪1和2上分別裝上耳座3和8，彈簧4的一端鉤在耳座3上，另一端鉤在耳座8的螺釘7上。用螺母5調(diào)節(jié)螺釘7的伸出長度即可調(diào)整彈簧的彈力，調(diào)整好后再用螺母6鎖緊。彈簧

44、的彈力使薄齒輪1和2的左、右齒面分別與寬齒輪的齒槽左、右齒側面貼緊，消除了齒側間隙。 （圖5） 雙薄片齒輪周向彈簧調(diào)整法1、2-薄片齒輪 3、8-耳座 4-彈簧 5-調(diào)節(jié)螺母 6-鎖緊螺母 7-螺釘（二）、橫向機構初選步進電機：1 . 計算步進電機負載轉矩tm 式（18） 式中: 脈沖當量 (mm/step); 進給牽引力 (n); 步距角,初選雙拍制為0.9°2 . 初選步進電機型號 根據(jù)=0.611n.m在網(wǎng)上查混合式步進電機技術數(shù)據(jù)表初選步進電機型號為56byg250d-sassbl-0241，其中，,保持轉矩為1.72n.m.3 . 等效轉動慣量計算 根據(jù)簡圖 ，即圖（2），

45、計算傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量運動件的轉動慣量可由下式計算: 式中 、齒輪、的轉動慣量 () 滾珠絲杠轉動慣量 () = 式中 d圓柱體直徑(cm); l圓柱體長度 (cm); 代入上式: 4. 電機轉矩計算 機床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計算:1) 快速空載起動慣性矩在快速空載起動階段，加速力矩所占的比例較大，具體計算公式如下： 又： 代入得： 折算到電機軸上的摩擦力矩:）式中：傳動鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8;i傳動比; 貼塑導軌摩擦系數(shù)，取=0.04附加摩擦力矩：式中：傳動鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8;i傳動比;fpo滾珠絲杠預加負荷,

46、一般取1/3fm,fm為進給牽引力(n);o滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,一般取0.9,此處取o=0.9所以：2) 快速移動所需力矩 =1.96+4.84=6.8n.cm 3) 最大切削載時所需力矩 從上面計算可以看出、三種工況下,以快速空載起動慣性矩最大,即以此項作為校核步進電機轉矩的依據(jù).查得：當步進電機為兩相四拍時， =0.707故最大靜力矩mjmax=59.3/0.707n.m=0.839n.cm，而電機保持轉矩為 1.72n.m，大于最大靜力矩mjmax，所以滿足要求！但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運轉矩頻特性。計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 圖（5）、56byg

47、250eassbl0241型混合式步進電機矩頻特性圖當快速運動和切削進給時，56byg250eassbl0241型混合式步進電機運行矩頻完全可以滿足要求。5、繪制進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖在完成運動及動力計算后，以后確定了滾珠絲杠螺母副、步進電機型號，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸承型號之后，就可以畫橫向機械裝配圖。見附圖（二）第四章、微機數(shù)控系統(tǒng)的設計§1 微機數(shù)控系統(tǒng)設計的內(nèi)容(一)硬件電路設計內(nèi)容硬件是組成系統(tǒng)的基礎,也是軟件編制的前提,數(shù)控系統(tǒng)硬件的設計包括以下幾部分內(nèi)容：1、繪制系統(tǒng)電氣控制結構框圖據(jù)總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結構圖。機床硬件電路

48、由五部分組成：（1） 主控制器，即中央處理單元cpu。（2） 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。（3） 存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。（4） 接口，即輸入/輸出接口電路。（5） 外圍設備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。2、選擇中央處理單元cpu的類型cpu的種類很多，在此處選擇mcs51系列單片機中的80c51，因為其集成度高，穩(wěn)定性、可靠性好，體積小，而且有很強的外部擴展功能，外圍擴展電路芯片大多是一些常規(guī)芯片，用戶很容易通過標準擴展電路來構成較大規(guī)模的應用系統(tǒng)。3、存儲器擴展電路設計存儲器擴展包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器擴展兩部分。分別選擇兩片2764和一片6264來擴展16k的

49、內(nèi)存。4、i/o接口電路設計設計內(nèi)容包括：據(jù)外部要求選用i/o接口芯片，步進電機伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設計（如復位、掉電保護等）。經(jīng)考慮，選擇8255為i/o接口芯片，液晶顯示控制器lr104vram來控制lcd。圖中的急停開關應采用那種按下去之后不會彈起、直到再次啟動后操作者用手動拔出的按鈕，此處由于表達方式的限制，僅以普通按鈕表示。（二）、機床數(shù)控系統(tǒng)軟件設計軟件是硬件的補充，確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設計軟件。1、軟件設計步驟分為以下幾步：（1） 據(jù)軟件要實現(xiàn)的功能，能制定出軟件技術要求；（2） 將整個軟件模塊化，確定各模塊的編制要求，包括各模塊功能，入口參數(shù)

50、，出口參數(shù)；（3） 據(jù)硬件資源，合理分配好存儲單元；（4） 分別對各模塊編程，并調(diào)試；（5） 連接各模塊，進行統(tǒng)一調(diào)試及優(yōu)化；（6） 固化到各程序存儲器中。2、數(shù)控系統(tǒng)中常用軟件模塊（1） 軟件實現(xiàn)環(huán)行分配器；（2） 插補運算模塊；（3） 自動升降速控制模塊。§2 80c51單片機及其擴展(一)80c51單片機的簡介 1芯片引腳及片外總線結構80c51單片機采用40腳雙直插封裝（dip）形式，如圖(6)所示。80c51單片機是高性能單片機，因為受到引腳數(shù)目的限制，所以有不少引腳具有第二功能。下面說明這些引腳的名稱和功能。（1） 電源引腳vss和vcc vss(20腳)：接地。 vcc(40腳)：主電源+5v。（2） 時鐘電路引腳xtal1和xtal2xtal1（19腳）：接外部晶體的一端。在片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，對于hmos單片機，該端引腳必須接地；對于chmos單片機，此引腳作為驅動端。xtal2（18腳）：接外部晶體的另一端。在片內(nèi)它是一個振蕩電路反向放大電路的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。若需采用外部時鐘電路，對于hmos單片機，該引腳輸入外部時鐘脈沖；對于chmos單片機，此引腳應懸浮。圖（6）.80c51引腳圖（3） 控制信號引腳rst