最大加工直徑為320毫米的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)

1、 密級(jí)： NANCHANG UNIVERSITY 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） THESIS OF BACHELOR（2009 2013 年）題 目：最大加工直徑為320毫米的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 院： 機(jī) 電 學(xué) 院 系 機(jī) 制 專業(yè)班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)、制造及自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 林 寒 學(xué)號(hào)： 5901109064 指導(dǎo)教師： 劉旭波 職稱： 副教授 起訖日期： 2013年3 - 6月 南 昌 大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性申明本人鄭重申明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果。對(duì)本文的研

2、究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期：學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)南昌大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密，在 年解密后適用本授權(quán)書。本學(xué)位論文屬于 不保密。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名： 日期：導(dǎo)師簽名： 日期：最大加工直徑為320毫米的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化

3、 學(xué) 號(hào)：5901109064 學(xué)生姓名：林 寒 指導(dǎo)教師：劉旭波 摘 要隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化的要求日益提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來(lái)越快，多品種小批量生產(chǎn)比重加大，零件形狀越來(lái)越復(fù)雜，精度越來(lái)越高，而計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床就是數(shù)控機(jī)床在計(jì)算機(jī)監(jiān)控下進(jìn)行工作。它的優(yōu)點(diǎn)很多,如可以在同一機(jī)床上一次裝夾可完成多個(gè)操作，生產(chǎn)率顯著提高等優(yōu)點(diǎn)，但它的價(jià)格昂貴?？傮w設(shè)計(jì)方案：在普通車床上采用適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制的80C51單片機(jī)為控制器，以運(yùn)行特性好、可靠性高的步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件進(jìn)行數(shù)控改造。在本次設(shè)計(jì)中，就包括了關(guān)于數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，并且針對(duì)本次設(shè)計(jì)的課題，擬定了一系列的方案，進(jìn)給系統(tǒng)的總

4、體方案，數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械部分，以及數(shù)控系統(tǒng)的硬件分析和設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：改造，步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床AbstractAs science and technology and continuous development of society, societys demands for increasing product diversification, product upgrades faster and faster, and more varieties of small batch production increased in importance, mor

5、e and more complex shape parts, increasing accuracy.When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same mac

6、hine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we

7、 can reform the conventional machines. The overall master design: The way to NC improvement of general machine tool was introduced that using single-chip computer 80C51 to realize the real-time control and driving by step motor.In this design, it includes information on the basics of digital technol

8、ogy and design for this project, developed a series of solutions into the overall solution to the system, CNC lathe feed drive system of mechanical parts, and CNC system hardware analysis and design.Key word: machining，step motor，CNC，servomechanism，drive system前 言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代機(jī)械制造要求產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對(duì)零件的加

9、工質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。隨著社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化要求的增強(qiáng)，產(chǎn)品品種增多,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。數(shù)控機(jī)床代替普通機(jī)床被廣泛應(yīng)用是一個(gè)必然的趨勢(shì)。同時(shí)，數(shù)控機(jī)床將向著更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能發(fā)展。 數(shù)控機(jī)床經(jīng)濟(jì)型改造,實(shí)質(zhì)是機(jī)械工程技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合。經(jīng)改造后的機(jī)床加工的精度、效率、速度都有了很明顯的提高，適合我國(guó)現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展要求。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是對(duì)機(jī)床機(jī)械部分進(jìn)行改造,以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及刀架的快速換刀,使傳動(dòng)系統(tǒng)變得十分簡(jiǎn)單，傳動(dòng)鏈大大縮短,傳動(dòng)件數(shù)減少,從而提高機(jī)床的精度。設(shè)計(jì)中，我們對(duì)有關(guān)數(shù)控機(jī)床及數(shù)控改造的相關(guān)書籍、刊物進(jìn)行大量閱讀,收集了很多

10、資料,了解了數(shù)控機(jī)床的基本概念，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況，數(shù)控機(jī)床的組成及其工作原理，擴(kuò)大了我們的知識(shí)面。 目 錄摘 要Abstrac 前 言 第一章 緒 論11.1 數(shù)控機(jī)床的概念、組成、特點(diǎn)1 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的概念1 1.1.2 數(shù)控機(jī)床的組成1 1.1.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)2 1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)與現(xiàn)狀2 1.3 設(shè)計(jì)的內(nèi)容與方法：3第二章 微型數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定42.1 畢業(yè)論文的要求和內(nèi)容42.2 總體方案的確定5第三章 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算63.1 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量及切削力的確定63.2 切削力的計(jì)算73.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算、和選型73.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)

11、傳動(dòng)計(jì)算133.5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用14第四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)224.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容234.2 MCS-51單片機(jī)及其擴(kuò)展24第五章 數(shù)控機(jī)床的零件加工程序37第六章 畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)40第七章 致 謝41第八章 參考文獻(xiàn)42附表：混合式步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)資料和圖紙43第一章 緒 論1.1 數(shù)控機(jī)床的概念、組成、特點(diǎn)1.1.1 數(shù)控機(jī)床的概念數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床的簡(jiǎn)稱，是指用數(shù)字指令來(lái)控制機(jī)械執(zhí)行預(yù)定的動(dòng)作，通常由硬件電路發(fā)出數(shù)字化信號(hào)，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機(jī)床動(dòng)作數(shù)控折彎?rùn)C(jī)并加工零件

12、。數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動(dòng)化機(jī)床，代表了現(xiàn)代機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。1.1.2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體組成，其中實(shí)線部分表示開環(huán)系統(tǒng)。為提高加J精度，再加入測(cè)量裝置，由虛線構(gòu)成反饋，稱為閉環(huán)系統(tǒng)。主機(jī)：他是數(shù)控機(jī)床的主體，包括機(jī)床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。他是用于完成各種切削加工的機(jī)械部件。數(shù)控裝置：是數(shù)控機(jī)床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機(jī)等）以及相應(yīng)的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的變換、插

13、補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。驅(qū)動(dòng)裝置：他是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件，包括主軸驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給單元、主軸電機(jī)及進(jìn)給電機(jī)等。他在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。當(dāng)幾個(gè)進(jìn)給聯(lián)動(dòng)時(shí)，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。輔助裝置：指數(shù)控機(jī)床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行，如冷卻、排屑、潤(rùn)滑、照明、監(jiān)測(cè)等。它包括液壓和氣動(dòng)裝置、排屑裝置、交換工作臺(tái)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測(cè)裝置等。編程及其他附屬設(shè)備：可用來(lái)在機(jī)外進(jìn)行零件的程序編制、存儲(chǔ)等。1.1.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批、多變的零件加工問題，是一種靈活的、高

14、效能的自動(dòng)化機(jī)床，尤其對(duì)于約占機(jī)械加工總量80%的單件、小批量零件的加工，更顯示出其特有的靈活性。概括起來(lái)，數(shù)控機(jī)床有以下幾方面的特點(diǎn)：(1) 加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量；(2) 可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動(dòng)，能加工形狀復(fù)雜的零件；(3) 加工零件改變時(shí)，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)備時(shí)間；(4) 機(jī)床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高（一般為普 通機(jī)床的35倍）； (5) 機(jī)床自動(dòng)化程度高，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；(6) 對(duì)操作人員的素質(zhì)要求較高，對(duì)維修人員的技術(shù)要求更高 。1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)與現(xiàn)狀數(shù)控機(jī)床以其獨(dú)特卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異穩(wěn)定的精度、靈活敏捷多樣化的功

15、能引起廣泛的關(guān)注，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品并向機(jī)電一體化發(fā)展的開始，成為先進(jìn)制造技術(shù)當(dāng)中的一門核心技術(shù)。數(shù)字控制系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展為數(shù)控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步提供了條件。目前我國(guó)的數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在，高速、精密、復(fù)合、智能和綠色等幾個(gè)方面。1、高速、高效，數(shù)控機(jī)床逐漸向高速化方向發(fā)展，它大大的提高加工效率、降低加工生產(chǎn)成本，并且還達(dá)到了提高零件的表面質(zhì)量及其加工精度。高速化的加工技術(shù)對(duì)一些企業(yè)制造業(yè)提供了更高效，優(yōu)質(zhì)，成本低生產(chǎn)比較廣泛適用性。 目前在一些發(fā)達(dá)的國(guó)家數(shù)控機(jī)床的高速運(yùn)行，其高速主軸單元，電主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)15000 100000r/min，快移速度在60120m/min范圍之內(nèi)，切削進(jìn)給速

16、度高達(dá)60m/min、一系列高性能控制伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都有新的突破，數(shù)控機(jī)床發(fā)展到了更高的水平。2、現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床比以前的普通車床加工的零件更加的精密，精密加工技術(shù)有了相當(dāng)大的提高，加工精度已從原來(lái)的絲級(jí)(0.01mm)提升到目前的微米級(jí)(0.001mm)，甚至有些品種已達(dá)到0.05m左右。超精密數(shù)控機(jī)床的微細(xì)切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達(dá)到0.05m左右，形狀精度可達(dá)0.01m左右。通過機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動(dòng)等動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高機(jī)床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進(jìn)入亞微米、納米級(jí)超精加工時(shí)代3、智能化，

17、數(shù)控機(jī)床的智能化現(xiàn)在又有了新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了充分的體現(xiàn)。比如說(shuō)：自動(dòng)調(diào)整干涉防碰撞功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動(dòng)消除機(jī)床震動(dòng)等功能進(jìn)入了實(shí)用化階段等等，數(shù)控機(jī)床的智能化提升了機(jī)床的功能及其品質(zhì)。4、現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床在還有較高的可靠性，而且復(fù)合化，多軸化，網(wǎng)絡(luò)化等方面都得到了大大的提高。1.3 設(shè)計(jì)的內(nèi)容與方法：用微機(jī)數(shù)控技術(shù)改造加工零件時(shí)，數(shù)控改造必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總統(tǒng)框圖，才能覺得各種設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后選擇數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的選擇，其進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的組成和原理，分析伺服系統(tǒng)的選擇，怎樣達(dá)到控制要求，合理的選擇機(jī)械傳動(dòng)方式，數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)的進(jìn)給伺服

18、系統(tǒng)既可以采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)也可以用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算，例如，脈沖當(dāng)量，切削力和滾珠，絲桿削等等一些物理量的計(jì)算，還有應(yīng)該對(duì)車床數(shù)控系統(tǒng)的硬件分析和設(shè)計(jì)，比如說(shuō)：數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及其一些擴(kuò)展，存儲(chǔ)和通信的設(shè)計(jì)，比且還要加以計(jì)算，必要時(shí)要繪圖分析，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給分為橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給，本次設(shè)計(jì)為橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過以上的一些內(nèi)容完成本次設(shè)計(jì)課題用微機(jī)數(shù)控技術(shù)改造最大加工直徑為320mm普通車床的橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)！第二章 微型數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定2.1 畢業(yè)論文的要求和內(nèi)容1.課題名稱用微機(jī)數(shù)控技術(shù)改造最大加工直徑為320毫米普通車床的進(jìn)給系統(tǒng)

19、2.設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：主要技術(shù)參數(shù)：最大加工直徑（mm）： 在床身上：320 在床鞍上：175最大加工長(zhǎng)度（mm）： 750 溜板及刀架重量（N）： 縱向：800 橫向：400 刀架快移速度（m/min）： 縱向：1.6 橫向：0.8 最大進(jìn)給速度（m/min）： 縱向：1.0 橫向：0.5 最小分辨率 （mm）： 縱向：0.01 橫向：0.005定位精度（mm）： 0.02主電機(jī)功率（KW）： 2.2 起動(dòng)加速時(shí)間（ms）： 253.設(shè)計(jì)的要求1）坐標(biāo)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)既查采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)也可用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。2）CNC系統(tǒng)的主CPU既可采用單片機(jī)也可用系統(tǒng)機(jī)。3）所繪制的機(jī)械裝配圖要求圖

20、面整潔、符合標(biāo)準(zhǔn)。4）說(shuō)明書應(yīng)簡(jiǎn)明扼要、計(jì)算準(zhǔn)確、條理清楚、圖文并茂并全部用計(jì)算機(jī)打印后裝訂成冊(cè)2.2 總體方案的確定1.系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方試與伺服系統(tǒng)的選擇： 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能，所以應(yīng)該選用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)： 根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)的特點(diǎn)之一是硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，MCS-51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片80C51外擴(kuò)一片EPROM就能滿足功能的要求，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，可以利用M

21、CS-51的擴(kuò)展功能，構(gòu)成功能強(qiáng)、規(guī)模較大的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用LCD液晶顯示器顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠，為了保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載荷的結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)總體方案框圖見圖2.1圖2.1系統(tǒng)總體方案第三章 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載，確定系統(tǒng)

22、脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載起動(dòng)及切削力矩機(jī)計(jì)算，確定伺服電機(jī)，繪制機(jī)械部分裝配圖及零件工作圖等。現(xiàn)分述如下：3.1 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量及切削力的確定 脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.010.005mm/脈沖,根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量：縱向：0.01mm/step；橫向：0.005mm/step3.2 切削力的計(jì)算1.縱車外圓： 主切削力Fz（N）由經(jīng)驗(yàn)公式（1）估算： Fz= 0.67D =0.673201.5N=3835.3N按切削力各分力比例： Fz：Fx:Fy=1:0.25:0.4 Fx=3835.3 0.25N=958.8

23、N Fy=3835.3 0.4N=1534.1N 2.橫切端面：主切削力可取縱切的一半，即=Fz=1917.65N 此時(shí)走刀抗力，吃刀抗力依然按上述經(jīng)驗(yàn)公式粗略計(jì)算： ：F:F=1:0.25:0.4 F=1917.65 0.25N=479.4N F=1917.65 0.4N=767.06N3.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算、和選型（1） 縱向進(jìn)給絲杠： 1.計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm(N) 作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切屑時(shí)的走刀抗力以及移 動(dòng)件的重量和切屑分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力，因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的 形式有關(guān)。本次設(shè)計(jì)縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌，則按以下公式確定： 式中：K考慮顛覆力矩影響的實(shí)

24、驗(yàn)系數(shù)，綜合型導(dǎo)軌取K=1.15 滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.150.18，取=0.16 G溜板及刀架重力，由已知G=800N 代入得：Fm=1.15958.80.16(3835.3+800)N=1844.7N 2.計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Q 選用滾珠絲杠副的直徑時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠 在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)（）轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù) 載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載 Q，計(jì)算如下： 式中：L0為滾珠絲杠導(dǎo)程,初選絲杠導(dǎo)程Lo=6mm； Vs最大切削力下的進(jìn)給速度,可取最高進(jìn)給速度的1/21/3,此處 為0.5m/min T使用壽命,按15000h; fw運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù),按

25、一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw =1.21.5;此處取fw=1.2； 則： n=r/min=83.33r/mi L=74.99 =988.5N 3 .滾珠絲杠螺母副的選型： 查閱數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)中附表A-34，可采用WL3006外循環(huán)螺 紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈,其額定動(dòng)負(fù)載為14200N, 精度等級(jí)按滾珠絲杠行程公差表，選為3級(jí)(大致相當(dāng)于老表準(zhǔn)E級(jí)) 4.傳動(dòng)效率計(jì)算 =tan/tan(+) 式中：螺旋升角,WL3506螺旋升角=339 摩擦角取10滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.0030.004 則：=tan/tan(+) =tan339/tan(339+10)=0.95 5.剛度校核 先畫出此縱向進(jìn)

26、給滾珠絲杠支承方式草圖，如下圖3.1所示：圖3.1 縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖 = 700+99+316+53 =900mm 支承間距L=900mm，最大軸向力為N，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊 力為最大軸向負(fù)載的1/3。 （1）、絲杠的拉伸或壓縮變形量 查數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)知，根據(jù) Fm=1844.7N ，=30mm 查出/L= 110，可算出： = /L900= 10 900mm =0.09mm 由于兩邊都用向心推力球軸承，且絲桿又進(jìn)行可預(yù)拉伸，故其拉壓 剛度可以提高4倍。其實(shí)際變形量（mm）為： =0.25=2.2510mm （2）、滾珠與螺紋滾道間接觸變形 查畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書中圖3-5

27、，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾 道接觸變形： =6.2um 加了預(yù)緊，=0.5=6.20.5um=3.1um 因此圖（3-1）滾珠絲杠總的彈性變形量： 根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式：= =0.0059mm0.02mm（定位精度） 6穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需要作穩(wěn)定性校核。(二)橫向進(jìn)給絲杠 1. 計(jì)算進(jìn)給牽引力 橫向?qū)к墳殡p燕尾形，有如下計(jì)算式 ： K考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合型導(dǎo)軌取K=1.4； 滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：取=0.2； G溜板及刀架重力，由已知G=500N N=1441.5N 2.計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Q計(jì)算如下： 為滾珠絲杠導(dǎo)程,初選絲杠導(dǎo)程Lo=5mm； V

28、s最大切削力下的進(jìn)給速度,可取最高進(jìn)給速度的1/21/3,此處為 0.3m/min; T使用壽命,按15000h; fw運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw =1.21.5;此處取fw=1.2； L壽命以轉(zhuǎn)為1單位. 則： =54 6538.1N 3.查閱數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)中附表A-3，可采用WL3005外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù) 緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈,其額定動(dòng)負(fù)載為10700N,精度等級(jí)按滾 珠絲杠行程公差表，選為3級(jí)(大致相當(dāng)于老表準(zhǔn)E級(jí)) 4.傳動(dòng)效率計(jì)算 =tan/tan(+3 ) 滾珠絲杠螺母副的選型螺旋升角,W1L2506的螺旋升角=32 摩擦角取10滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.0030.004 則：

29、=tan/tan(+) =tan32/tan(32+10)=0.96 5.剛度校核 (1)先畫出此橫向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖，如下圖3.2所示：圖3.2、橫向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖 支撐間距 =160+88+315+7 =300mm 因?yàn)榻z杠長(zhǎng)度較短不需預(yù)緊. 最大牽引力 =1441.5N ,查出=，可算出 = (2)滾珠與螺紋滾道間接接觸變形 查數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖3-5 =6um 因進(jìn)行預(yù)緊=3um (3)滾珠絲杠總的彈性變形量：根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式： 則mm (4)定位誤差 = 顯然，變形量已大于定位精度（0.02mm）要求，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修 改，因橫向溜板限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，

30、故采用貼塑導(dǎo)軌 （），減小摩擦力，從而減小軸向力，根據(jù)式（16）重新計(jì)算如下 K考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合型導(dǎo)軌取K=1.4； G溜板及刀架重力，由已知G=500N N=825.65N 最大牽引力 =825.65N ,查出=，可算出 = 2）滾珠與螺紋滾道間接接觸變形 查圖數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)3-5 圖 =4um 因進(jìn)行預(yù)緊 =2um 3）滾珠絲杠總的彈性變形量：根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式： 則mm 4）定位誤差 = 經(jīng)過上面計(jì)算設(shè)計(jì)依據(jù)滿足精度要求。6穩(wěn)定性校核 計(jì)算臨界負(fù)載 式中E材料的彈性模量。鋼為20.6 I截面慣性矩，對(duì)于絲杠為(為絲杠內(nèi)徑) L絲杠兩支撐端距離（cm） ,從表3.12中查出

31、，一端固定，一端簡(jiǎn)支為2.00 1.0656N 滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。（三）縱向和橫向滾珠給絲杠副幾何參數(shù)： 其幾何參數(shù)見表3.1名稱符號(hào)W1L3006W1L3005公 稱 直 徑3030螺 距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 角絲 桿 外 徑2929.5螺 桿 內(nèi) 徑25.98726.78828.5628.46螺母螺紋直徑34.01633.212螺 母 內(nèi) 徑30.830.7 表3.13.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 1.齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 （1）已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量,滾珠絲杠導(dǎo)程,初選步進(jìn) 電機(jī)步距角0.9,可計(jì)算出

32、傳動(dòng)比i i=360/L= 可選定齒輪齒數(shù)為: Z =20 Z=30 已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量,滾珠絲杠導(dǎo)程L=5mm,初選步進(jìn) 電機(jī)步距角0.9,可計(jì)算出傳動(dòng)比i i=360/L= 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑過大，以免影響到橫向溜板的有效行 程，故此處可采用兩級(jí)齒輪降速： 因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取2.有關(guān)參數(shù)如表3.2齒 數(shù)203024402030分度圓d=mz406048804060齒頂圓da=d+2m446452844464齒根圓df=d-21.25m355543753555齒 寬 (6-10)m2020 20202020中心矩A=(d1+d2)/2 50 6450表3.2

33、3.5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用 （一）縱向機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)選型： 1.計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm T=N.cm 式中: 脈沖當(dāng)量 (mm/step); 進(jìn)給牽引力 (N); 步距角,初選雙拍制為0.9;2.初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)根據(jù)=1.1749N.m在網(wǎng)上查混合式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)表初選步進(jìn)電機(jī)型 為86BYG250B-SAFRBL-0202其中，,保持轉(zhuǎn)矩為5N.m.。3.等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算根據(jù)簡(jiǎn)圖 ，即圖（1），傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量運(yùn)動(dòng) 件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算: 式中 ，齒輪,的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 () 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 () = 式中 D圓柱體直徑(cm); L圓柱體長(zhǎng)度 (cm); 代入上式:

34、 =5.75Kg.cm24.電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計(jì)算: 1）快速空載起動(dòng)慣性矩 在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩所占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： 又 =b/360 =r/min 啟動(dòng)加速時(shí)間（ms）: 帶入得 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩: = 62.87N.cm 式中：傳動(dòng)鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8; i傳動(dòng)比; 附加摩擦力矩： = =9.30N.cm 式中：傳動(dòng)鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8; i傳動(dòng)比; Fpo滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷,一般取1/3Fm,Fm為進(jìn)給牽引力(N); o滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,一般取0.9,此處取o=0.

35、9 所以：N.cm2) 快速移動(dòng)所需力矩 =62.87+9.3=72.17N.cm 3) 最大切削載時(shí)所需力矩 =62.87+9.3+ =101.66N.cm 從上面計(jì)算可以看出、三種工況下,以快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩 最大,即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù). 查得：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為兩相四拍時(shí)， =0.707 故最大靜力矩Mjmax=180.5/0.707=255.3Ncm，而電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩為5N.m大 于最大靜力力矩Mjmax，等于所以滿足要求！ 但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)轉(zhuǎn)矩頻特性。 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 圖3.3、86BYG250B-SAFRBL-0202

36、混合式步進(jìn)電機(jī)矩頻特性圖 當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，86BYG250B-SAFRBL-0202型混合式步進(jìn)電機(jī) 運(yùn)行矩頻完全可以滿足要求。 5.繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械裝配圖圖3.4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 在完成運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力計(jì)算后，以后確定了滾珠絲杠螺母副、步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸承型號(hào)之后，就可以畫機(jī)械裝配圖。見附圖（一） 雙片齒輪采用雙薄片齒輪周向彈簧調(diào)整法消隙法：1、2-薄片齒輪 3、8-耳座 4-彈簧如圖（3-4）所示，采用了可調(diào)拉力彈簧 5-調(diào)節(jié)螺母 6-鎖緊螺母 7-螺釘。調(diào)整間隙。在兩個(gè)薄片齒輪調(diào)

37、整間隙，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(zhǎng)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(cè)面貼緊，消除了齒側(cè)間隙。 (二)橫向機(jī)構(gòu)初選步進(jìn)電機(jī)： 1.計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm T=N.cm 式中: 橫向脈沖當(dāng)量 (mm/step); 橫向進(jìn)給牽引力 (N); 步距角,初選雙拍制為0.9; 2.初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào) 根據(jù)=0.5408N.m在網(wǎng)上查混合式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)表初選步進(jìn)電機(jī) 型號(hào)為86BYG250A-SAFRBC-0202 其中，,保持轉(zhuǎn)矩為2.5N.m. 3.

38、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 根據(jù)簡(jiǎn)圖 ，即圖（32），計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量，運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算: J= 式中 齒輪、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 () 橫向滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 () = = 式中 D圓柱體直徑(cm)，L圓柱體長(zhǎng)度 (cm); 代入上式: J= =3.852Kg.cm2 4.電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計(jì)算: 1)快速空載起動(dòng)慣性矩 在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩所占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： 式 式 又 =b/360 =r/min 啟動(dòng)加速時(shí)間（ms）: 代入得 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩: =8.00N.cm 式中：傳動(dòng)鏈總效率,一般可取0.70

39、.85此處取0.8;i傳動(dòng)比; 貼塑導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取=0.04 附加摩擦力矩： = =3.47N.cm 式中：傳動(dòng)鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8; i傳動(dòng)比; Fpo滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷,一般取1/3Fm,Fm為進(jìn)給牽引力(N); o滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,一般取0.9,此處取o=0.9 所以：N.cm 2) 快速移動(dòng)所需力矩 =8+3.47 =11.47N.cm 3) 最大切削載時(shí)所需力矩 =8+3.47+=42N.cm 從上面計(jì)算可以看出、三種工況下,以快速空載起動(dòng)慣 性矩最大,即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù).查得：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為兩相四拍時(shí) 查得 =0.707 故最大靜力矩

40、Mjmax=0.8299/0.707N.m=1.148N.cm，而電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩為 2.5N.m，大于最大靜力矩Mjmax，所以滿足要求！ 但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)轉(zhuǎn)矩頻特性。計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 圖3.6 86BYG250A-SAFRBC-0202型混合式步進(jìn)電機(jī)矩頻特性圖 當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)， 86BYG250A-SAFRBC-0202型混合式步進(jìn)電 機(jī)運(yùn)行，矩頻完全可以滿足要求。 5.繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械裝配圖 在完成運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力計(jì)算后，以后確定了滾珠絲杠螺母副、步進(jìn)電機(jī)型號(hào)， 以及齒輪齒數(shù)、 模數(shù)、軸承型號(hào)之后，就可以畫橫向機(jī)械裝配圖。 第四章

41、微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容(一)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ),有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行,。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。 數(shù)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括以下幾部分內(nèi)容： 1.繪制系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)框圖4.1據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣 控制結(jié)構(gòu)圖。機(jī)床硬件電路由五部分組成： （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(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； （4）接口，即輸入/輸出接口電路； （5）外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機(jī)等。 RAMROM CPU光電隔離功 率

42、放大器I/O接口步進(jìn)電機(jī) 外 設(shè)鍵盤，顯示器及其他 圖4.1 CA6132車數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）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(jī)中的80C51，因?yàn)槠浼啥雀?，穩(wěn)定性、可靠性好，體積小，而且I/O口擴(kuò)展的能力即有很強(qiáng)的外部擴(kuò)展功能，外圍擴(kuò)展電路芯片大多是一些常規(guī)芯片，用戶很容易通過標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展電路來(lái)構(gòu)成較大規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。3.存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)MCS-51的程序存儲(chǔ)器的尋址空間為64K字節(jié)。存儲(chǔ)器擴(kuò)展包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展兩部分。分別選擇兩片2764和一片6264來(lái)擴(kuò)展16K的內(nèi)存。4.I/O接口電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：據(jù)外部要

43、求選用I/O接口芯片，步進(jìn)電機(jī)伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設(shè)計(jì)（如復(fù)位、掉電保護(hù)等）。經(jīng)考慮，選擇8155為I/O接口芯片，液晶顯示控制器LR104VRAM來(lái)控制LCD。圖中的急停開關(guān)應(yīng)采用那種按下去之后不會(huì)彈起、直到再次啟動(dòng)后操作者用手動(dòng)拔出的按鈕，此處由于表達(dá)方式的限制，僅以普通按鈕表示。（二）機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件是硬件的補(bǔ)充，確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)軟件。1. 軟件設(shè)計(jì)步驟分為以下幾步：（1）據(jù)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能，能制定出軟件技術(shù)要求；（2）將整個(gè)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)，出口參數(shù)；（3）據(jù)硬件資源，合理分配好存儲(chǔ)單元；（4

44、）分別對(duì)各模塊編程，并調(diào)試；（5）連接各模塊，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試及優(yōu)化；（6）固化到各程序存儲(chǔ)器中。2.數(shù)控系統(tǒng)中常用軟件模塊（1）軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)行分配器；（2）插補(bǔ)運(yùn)算模塊；（3）自動(dòng)升降速控制模塊。4.2 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展(一)8031單片機(jī)的簡(jiǎn)介 1芯片引腳及片外總線結(jié)構(gòu) MCS-51單片機(jī)采用40腳雙直插封裝 （DIP）形式，如圖4.2所示。 圖4.2 8031的引腳 8031單片機(jī)是高性能單片機(jī)，因?yàn)槭艿揭_數(shù)目的限制，所以有不少引腳具有第二功能。下面說(shuō)明這些引腳的名稱和功能。（1）電源引腳Vss和Vcc Vss(20腳)：地電平，接地。 Vcc(40腳)：編程和正常操作時(shí)的電源 電壓，接+5V。 (2)時(shí)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(shí)鐘時(shí),對(duì)于HMOS單片機(jī)，該端引腳必須接地；對(duì)于CHMOS單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動(dòng)端。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。在片內(nèi)它是一個(gè)振蕩電路反向放大電路的輸出端，振蕩電路的頻率是