機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計報告 車床經(jīng)濟型數(shù)控改裝設(shè)計

1、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計題目一一、任務分析1設(shè)計題目：ca6140車床經(jīng)濟型數(shù)控改裝設(shè)計2設(shè)計內(nèi)容與要求：將ca6140普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。要求該車床具有切削螺紋的功能，縱向和橫向具有直線和圓弧插補功能。系統(tǒng)分辨率縱向：0.01mm，橫向：0.005mm。設(shè)計參數(shù)如下：最大加工直徑：在床面上400mm在床鞍上210mm最大加工長度：1000mm快進速度縱向2.4m/min橫行1.2m/min最大切削進給速度縱向0.5m/min橫行0.25m/min代碼制iso脈沖分配方式逐點比較法輸入方式增量值、絕對值通用控制坐標數(shù)2最小指令值縱向0.01mm/pulse橫行0.005mm/pul

2、se刀具補償量099.99mm進給傳動鏈間隙補償量縱向0.15mm橫行0.075mm自動升降速性能有二、 總體方案設(shè)計接到數(shù)控裝置的設(shè)計任務以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分機械部分和電氣部分進行設(shè)計計算?，F(xiàn)以機電一體化的典型產(chǎn)品經(jīng)濟型數(shù)控機床為例，分析總體方案的擬定的內(nèi)容和應該考慮的問題。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(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，微型計算機數(shù)控系統(tǒng)的選擇、設(shè)計等。應根據(jù)畢業(yè)設(shè)計任務書及要求提出系統(tǒng)總體方案，對方案進行分析比較和論證，最后確定總體方案。1 總體設(shè)計方案的論證對于普

3、通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在考慮總體設(shè)計方案時，應遵守的基本原則是：在滿足設(shè)計要求的前提下，對機床的改造應盡可能少，以降低成本。1) 數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)（輪廓）控制系統(tǒng)。由于要求ca6140車床加工復雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控（mnc）系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。2) 伺服進給系統(tǒng)的選擇數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。采用直流或交流伺服電機驅(qū)動的閉環(huán)控制方案的優(yōu)點是可以達到很好的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差、傳動間隙及干擾等對加工精度的影響。但它結(jié)構(gòu)復雜、技術(shù)難度大、調(diào)試和維修困難、造價高。對于所改造的ca61

4、40車床的加工精度要求不很高。采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的必要性不大。采用直流或交流伺服電機驅(qū)動的半閉環(huán)控制，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)控制之間。由于調(diào)速范圍寬、過載能力強，又具有反饋控制，因此性能遠優(yōu)于以步進電機驅(qū)動的開環(huán)控制。由于反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機械傳動元件，調(diào)試比閉環(huán)簡單，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證，所以比閉環(huán)容易實現(xiàn)。但是，采用半閉環(huán)控制，調(diào)試比開環(huán)要復雜，設(shè)計上有其自身的特點，技術(shù)難度較大。本設(shè)計任務書的要求不高，是經(jīng)濟性數(shù)控的改造，通常的情況下均采用以步進電機驅(qū)動的開環(huán)控制。因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。缺點是步進電機沒有過載能力。啟動

5、頻率低，工作頻率也不高等。開環(huán)控制多用于負載變化不大或要求不高的經(jīng)濟性數(shù)控設(shè)備中。經(jīng)過上述比較，決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。縱向進給機構(gòu)的改造：拆去原有機床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座，配上滾珠絲杠及其相應的安裝裝置，縱向驅(qū)動的步進電機及減速箱安裝在車床的床尾，并不占據(jù)絲杠空間。由于采用了滾珠絲杠可提高系統(tǒng)的精度和縱向進給整體剛度。橫向進給機構(gòu)的改造：由于原橫向進給的絲杠空間有限，一種方法是拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠，但在現(xiàn)有的滾珠絲杠系列中選出合適的絲杠副較困難，需特制滾珠絲杠副，為了便于安裝，滾珠絲杠副的絲杠軸不是整體的，而采用分移式，然后用聯(lián)軸器聯(lián)接；另一種方法是采用原絲杠，這樣做就避免了特制

6、滾珠絲杠副的麻煩，減少了成本，但需采用電氣補償絲杠精度和反向間隙的措施。本方案采用前者，并保留橫向原手動機構(gòu)，橫向步進電機和減速箱安裝在機床后側(cè)。3) 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計任何一個數(shù)控系統(tǒng)都有硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。數(shù)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分是數(shù)控裝置。數(shù)控裝置的設(shè)計方案選擇也有多種方案，通常有：. 可以全部自己設(shè)計、制作；. 可以采用單板機或std模塊或工業(yè)控制機改制；. 可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適用化改動或配接。在普通機床的經(jīng)濟性數(shù)控改造中，一般多采用后兩種方法。一般情況下，所需的數(shù)控功能和要求如

7、果有現(xiàn)成的數(shù)控裝置可以滿足，這時通常都采取購置現(xiàn)成數(shù)控裝置的方案，因為自行設(shè)計制作不但費時間，且不經(jīng)濟，同時質(zhì)量上也難于保證，另一種情況是購置現(xiàn)成的數(shù)控裝置產(chǎn)品滿足不了所需的數(shù)控功能，這時可將購置的數(shù)控裝置經(jīng)自行補充或改造其硬件電路，來滿足本設(shè)計要求。但作為畢業(yè)設(shè)計即使是采用上述兩種數(shù)控裝置的設(shè)計方案，也需對其結(jié)構(gòu)、原理、控制方式等有所了解，才能提出自己的處理辦法，也可以采用自行設(shè)計數(shù)控裝置的方案和數(shù)控裝置，可以更全面地訓練學生運用計算機、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計和應用的能力，其難度比較大，也為今后從事其它類似的工作打下堅實的基礎(chǔ)。本設(shè)計實例采用第一種方法即自行設(shè)計數(shù)控裝置。在自行設(shè)計的數(shù)控裝置

8、中，cpu的選擇是關(guān)鍵。選擇cpu應考慮以下要素：a) 時鐘頻率和字長與被控對象的運動速度和精度密切關(guān)系；b) 可擴展存儲器的容量與數(shù)控功能的強弱相關(guān)；c) 指令系統(tǒng)功能的強弱與編程的靈活性相關(guān)；d) i/o口擴展的能力與對外設(shè)控制的能力相關(guān)；e) 開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路，與開發(fā)周期、推廣應用相關(guān)；除此之外，還應根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)應用場合、控制對象以及各種性能、參數(shù)要求等，綜合起來考慮以確定cpu。2 總體設(shè)計方案的確定經(jīng)總體設(shè)計方案的論證后，確定的ca6140車床經(jīng)濟性數(shù)控改造的總體方案示意圖如圖3.2.1所示。ca6140車床的主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機床的功能，既手動變速。車床的縱向

9、（z軸）和橫向（x軸）進給運動采用步進電機驅(qū)動。由mcs-51系列單片機組成微機作為數(shù)控裝置的核心，由i/o接口、軟件環(huán)形分配器（硬件環(huán)分器）與放大器控制功率步進電機轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)車床的縱向、橫向進給運動。刀架改成由微機控制的經(jīng)電動機驅(qū)動的自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架。為保持切削螺紋的功能，必須安裝主軸脈沖發(fā)生器，為此采用主軸靠同步齒形帶使脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)。發(fā)出兩路信號；每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步信號，經(jīng)隔離電路以及i/o接口送給微機。 圖 3.2.1 總體方案示意圖三、機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算過程伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負載、確定系統(tǒng)脈

10、沖當量，運動部件慣量計算，空載起動及切削力矩計算，確定伺服電機，傳動及導向元件的設(shè)計、計算及選用，繪制機械部分裝配圖及零件工作圖等?，F(xiàn)分述如下：1 確定系統(tǒng)脈沖當量一個進給脈沖，使機床運動部件產(chǎn)生的位移量，稱為脈沖當量，也稱為機床的最小設(shè)定單位。脈沖當量是衡量數(shù)控加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床常采用的脈沖當量市0.010.005mm/pulse。脈沖當量有時也由設(shè)計任務書中直接給出。2 切削力計算在設(shè)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，此處列舉三種常用的計算切削力的方法。一、 用經(jīng)驗公式計算主切削力。例如車床的主切削力可用下式計算縱切外圓：式中

11、 車床床身上加工最大直徑單位為mm橫切端面是主切削力可取縱切時 的。求出主切削力以后再按以下比例分別求出分力和。式中 走刀方向的切削分力（n）； 垂直走刀方向的切削分力（n）。圖3.2.2為縱切和橫切時切削力的示意圖。橫切時的切削力可取縱切時的1/2。圖3.2.2 縱切和橫切時切削力的示意圖二、 按切削用量計算切削力上面介紹的按經(jīng)驗公式計算切削力的方法是比較簡單而實用的。但是對于不同的專用機床來說，計算結(jié)果不一定非常準確。所以對某一指定了專門用途的專用數(shù)控機床，應該根據(jù)具體加工條件、不同的工況，選用合理的切削用量，用切削力計算公式來計算切削力。外圓車削時切削力計算式中 主切削力、切深抗力、進給

12、抗力單位為(n)；切削深度，(mm)； 切削速度，(m/s)； 進給量，(mm/r)；總修正系數(shù)，包括由于工件材料強度、硬度改變、刀具材料改變、刀具幾何角度不同等因素對切削力的修正系數(shù)。式中各指數(shù)和系數(shù)的數(shù)值可參考金屬切削機床設(shè)計。切削用量的選擇可參考機械加工手冊。三、 按照機床主電機功率計算對于通用機床的數(shù)控化改造或設(shè)計通用的經(jīng)濟型數(shù)控機床來說，切削用量選擇的范圍較大，這樣將會導致切削力計算結(jié)果差別很大。這里介紹第三種方法，就是按照需要進行數(shù)控改造設(shè)計的普通車床的主電機功率來計算切削力。其具體方法如下：式中 切削功率，（kw） 機床主傳動功率，（kw） 主傳動系統(tǒng)總的機械效率，可近似地取以下

13、數(shù)值：精密機床 0.80.85中型機床 0.750.8大型機床 0.70.85式中 主軸傳遞的扭矩，（nm）； 主軸計算轉(zhuǎn)速（r/min），是主軸傳遞全部功率時的最低轉(zhuǎn)速。式中 主切削力，（n）； 工件直徑可采用在床鞍上加工的最大直徑。主切削力求出以后再按比例求出。3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算和選型滾珠絲杠螺母副的設(shè)計首先要選擇結(jié)構(gòu)類型：確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定之后，再計算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑d0（或絲杠外徑d）、導程l0、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)k、精度等級。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?？蓞⒄諜C電一體化技術(shù)手

14、冊選用。滾珠絲杠副的預緊方式有：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預緊方式?？蓞⒄諜C電一體化技術(shù)手冊選用。滾珠絲杠副的計算步驟如下：1）。計算進給率引力fm：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(guān)。fm（n）計算公式如下：矩形導軌：燕尾型導軌：三角形或綜合導軌：式中 切削分力，（n）； 移動部件的重量，（ncm）； 導軌上摩擦系數(shù)，隨導軌型式而不同； 考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)。在正常情況下，可取下列數(shù)值：矩形導軌 燕尾型導軌 三角形或綜合導軌 0.

15、150.18上述摩擦系數(shù)均是指滑動導軌，如果采用貼塑導軌0.030.05；滾動導軌0.00250.005；靜壓導軌0.0005。2）。計算最大動負載c選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(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）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，可用下式計算：式中 l壽命，以106轉(zhuǎn)為一單位，n絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min），用下式計算為最大切削力條件下的進給速度（m/min），可取最大進給速度的1/21/3；絲杠導稱，（mm）；t為使用壽命，(h)，對于數(shù)控機床取t=15000h；運轉(zhuǎn)系數(shù)，見表3.2-1。表3.2

16、-1 運轉(zhuǎn)系數(shù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)運轉(zhuǎn)系數(shù)無沖擊運轉(zhuǎn)1.01.2一般運轉(zhuǎn)1.21.5有沖擊運轉(zhuǎn)1.52.5從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找出相應的額定動負載的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型，選用時應使。見機電一體化技術(shù)手冊。3）。計算最大靜負載c0當滾珠絲杠副的靜態(tài)或低速（）情況下工作時，滾珠絲杠副的破壞形式主要是在滾珠接觸面產(chǎn)生塑性變形，當塑性變形超出一定限度就會破壞滾珠絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬分之一。產(chǎn)生這樣大的塑性變形量時的負載稱為允許的最大靜負載c0式中 fmax滾珠絲杠的最大軸向負荷，（n）； fs 靜態(tài)安全系數(shù)，當為一般運轉(zhuǎn)時12，當有沖擊或振動時，

17、23。選用相應的滾珠絲杠副的額定靜載荷，使。4）。傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率：式中 絲杠螺旋升角； 摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)0.0030.004，其摩擦角約等于。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：（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量：在總的變形量中占的比重較大。可以用計算方法或查圖表的方法決定。a） 計算法。先用下式計算滾珠絲杠受工作負載fm的作用引起的導程lo的變化量（mm）再計算滾珠絲杠總長度上的拉伸或壓縮變形量。式中 在工作負載fm作用下引起每一導程的變化量，（mm）； 工作負載，即進給率引力，（n）；

18、 滾珠絲杠的導程，（mm）； e材料彈性模量，對鋼； f滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑確定）（mm2）?！?”號用于拉伸，“”號用于壓縮。再計算滾珠絲杠總長度上拉伸或壓縮的變形量（mm）式中 l滾珠絲杠在支承間的受力長度，（mm）。b) 查圖表法當已知滾珠絲杠所受軸向工作負載，絲杠受力長度l，公稱直徑d0。也可通過機電一體化設(shè)計手冊查出單位長度軸向拉伸壓縮變形量，可用下式求出滾珠絲杠總長度上的拉伸或壓縮變形量。從圖3.2.2上查出并計算，再按照支承方式及預緊情況加以修正。 圖3.2.2 滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖（2） 滾珠與螺紋滾道間接觸變形：此項在總變形量中也占比較大的比重。當對絲杠加有預緊力，且

19、預緊力為軸向最大負載的1/3時，之值可減少一半。此變形量可以直接從機電一體化設(shè)計手冊相關(guān)圖中查出。若選用的滾珠絲杠副不是上圖表中的系列，不能從圖中查得，則可按下式計算。無預緊時：有預緊時：式中 軸向工作負載，（kgf）； 預緊力，（kgf）； 滾珠直徑，（mm）； 滾珠數(shù)量圈數(shù)列數(shù) 一圈的滾珠數(shù) （外循環(huán)）（內(nèi)循環(huán)） 滾珠絲杠公稱直徑，（mm）（3） 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形，一般占的比重也較大。不同類型的軸承的接觸變形量可用不同的公式計算：a）推力球軸承b）向心推力球軸承c）圓錐滾子軸承d）推力滾子軸承式中 軸承所受軸向載荷，（kgf）； 軸承的滾動體數(shù)目； 軸承滾動體直徑；（mm）

20、； 軸承的接觸角，（0）； 軸承滾子有效長度，（mm），； 滾子長度；（mm） 滾子倒圓角半徑。（mm）（4） 滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導程的變形量，一般占的比重較小，常忽略不計。（5） 螺母座及軸承支座的變形，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(jié)構(gòu)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，主要是驗算之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。6）。穩(wěn)定性驗算對已選定尺寸的絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負載時，應驗算其有沒有產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險。產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負載可用下式計算：式中e絲杠材料

21、彈性模量，對鋼（n/cm2）；i截面慣性矩（cm4），絲杠截面慣性矩（為絲杠螺紋的底徑）；絲杠兩支承端距離；（cm）絲杠的支承方式系數(shù)。見表3.2-2表3.2-2滾珠絲杠的支承方式系數(shù)方式一端固定一端自由兩端簡支一端固定一端簡支兩端固定0.251.002.004.00臨界負載與最大工作負載之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果則絲杠不致失穩(wěn)。為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取=2.54。7）。滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算滾珠絲杠副在確定了公稱直徑和導程以后，可按表3.2-3計算各部分的幾何參數(shù)。8）。滾珠絲杠副的精度等級滾珠絲杠副的精度，按機械工業(yè)部標準jb3162.291的規(guī)定，分為七個等級，即1、2、3、4

22、、5、7和10級，1級精度最高，依次逐級降低。通常數(shù)控機床根據(jù)定位精度的要求選用15級精度的滾珠絲杠。表3.2-4給出15級精度的行程公差。表3.2-3滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)名 稱符 號計 算 公 式螺紋滾道公稱直徑螺 距接 觸 角鋼球直徑滾道法面半徑偏 心 距螺紋升角螺 杠螺杠外徑螺杠內(nèi)徑螺杠接觸直徑螺 母螺母螺紋直徑螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）表3.2-4滾珠絲杠行程公差 (um)項 目符號有效行程精度等級12345目標行程公差3156812162331540079131825400500810152027500630911162230行程變動量公差315681216233154006812172

23、5400500710131926500630711142129任意300mm內(nèi)行程變動量68121623弧度內(nèi)行程變動量456789）。滾珠絲杠副的標注方法4 導軌的計算和選型1）。滾動導軌的計算和選型目前，滾動導軌在數(shù)控機床上的應用非常廣泛，因為其摩擦系數(shù)小，動、靜摩擦系數(shù)很接近，且不受運動速度變化的影響，運動輕便靈活，所需驅(qū)動功率小；摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持性好；低速運動時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，因而定位精度高。滾動導軌的設(shè)計和選型包括選擇結(jié)構(gòu)形式，確定預緊方式，計算和確定幾何參數(shù)?？蓞⒄諜C電一體化設(shè)計手冊。2）。塑料導軌的應用目前，在普通機床上仍廣泛地應用滑動導軌，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方

24、便、剛度好、抗振性強等優(yōu)點。但是傳統(tǒng)的鑄鐵鑄鐵、鑄鐵淬火鋼的導軌副，其靜摩擦系數(shù)大，動摩擦系數(shù)隨速度變化而變化，摩擦損失大，低速時易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象而降低運動部件的定位精度，因此目前在數(shù)控機床上已不采用，而代之以鑄鐵塑料或鑲鋼塑料導軌。它們主要包括以下兩種類型。（1） 貼塑導軌聚四氟乙烯軟膠帶，是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結(jié)而成。它具有摩擦特性好、耐磨性好、減振性好等特點，已成功地使用在中、小型數(shù)控機床上。這種軟帶可在原有滑動導軌面上用粘結(jié)劑粘結(jié)，加壓固化后進行精加工，故一般稱之為貼塑導軌。由于其工藝較簡單，對原有滑動導軌不需作大的改動，故在普通機床數(shù)控化改裝上應

25、用很廣泛。（2） 涂塑導軌（或稱注塑導軌）涂塑導軌是以環(huán)氧樹脂為基體，加入二硫化鉬和膠體石墨以及鐵粉等混合而成，再配以固化劑調(diào)勻涂刮或注入導軌面。這種涂塑導軌具有良好的摩擦特性和耐磨性，可使用在大型、重型數(shù)控機床上。5 進給伺服系統(tǒng)傳動計算由于步進電機的工作特點是一個脈沖走一步，每走一步都有一個加速過程，因而對負載慣量很敏感。為滿足負載慣量盡可能小的要求，同時也為滿足一定的脈沖當量，常采用齒輪降速傳動。當機床脈沖當量和滾珠絲杠導程確定后，可以先初選步進電機的步距角，用下式計算進給伺服系統(tǒng)的傳動比：式中脈沖當量（mm/步）；滾珠絲杠的基本導程（mm）；步進電機的步距角。在步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)中，以分

26、數(shù)形式給出兩個數(shù)，例如150bf002步距角0.75o/1.5o，其中0.75o是五相十拍，1.5o是五相五拍。計算出傳動比以后，再根據(jù)降速級數(shù)決定一對或兩對齒輪的齒數(shù)、模數(shù)和各項技術(shù)參數(shù)。因為進給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大，一般取模數(shù)，數(shù)控車床可取。由（為降速齒輪的齒數(shù)）可計算和選取齒數(shù)。齒輪各部分幾何參數(shù)可參照機械設(shè)計手冊計算。6 步進電機的計算和選用選用步進電機時，必須首先根據(jù)機械結(jié)構(gòu)草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，分別計算各種工況下所需的等效力矩，再根據(jù)步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩和起動、運行矩頻特性選擇合適的步進電機。1）。轉(zhuǎn)動慣量計算（1）齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計算圓柱

27、體轉(zhuǎn)動慣量：（kgcm2） 對于鋼材：（ncms2）式中m圓柱體質(zhì)量（kg）；d圓柱體直徑（cm）；l圓柱體長度或厚度（cm）；材料比重（n/cm3），；材料密度（kg/cm3），鋼材的密度kg/cm3；g重力加速度g=980cm/s。（2）絲杠折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量（ncms2）式中絲杠轉(zhuǎn)動慣量（ncms2）；轉(zhuǎn)動比。（3）工作臺折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量（ncms2）式中工作臺移動速度（cm/min）；n絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）；g工件及工作臺重量（n）；絲杠導程（cm）。（4） 經(jīng)一對齒輪降速時傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量（ncms2）式中齒輪z1及其軸的轉(zhuǎn)動慣量（ncms2）；齒輪z

28、2的轉(zhuǎn)動慣量（ncms2）。（5） 經(jīng)二對齒輪降速時，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量式中分別為降速齒輪的齒數(shù)；齒輪及其軸的轉(zhuǎn)動慣量（ncms2）；齒輪的轉(zhuǎn)動慣量。2）。電機力矩的計算電機的負載力矩在各種工況下是不同的，下面分快速空載起動時所需力矩、快速進給時所需力矩、最大切削負載時所需力矩等幾部分介紹其計算方法。（1） 快速空載起動時所需力矩式中快速空載起動力矩（ncm）；空載起動時折算到電機軸上的加速力矩（ncm）；折算到電機軸上的摩擦力矩（ncm）；由于絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（ncm）。（2） 快速進給時所需力矩因此對運動部件已起動，故不包含，顯然。（3） 最大切削負載

29、時所需力矩式中折算到電機軸上的切削負載力矩（ncm）。在采用絲杠螺母副傳動時，上述各種力矩（ncm）可用下式計算式中傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量（kgcm2）；電機最大角加速度（rad/s2）；電機最大轉(zhuǎn)速（r/min），； 運動部件最大快進速度（mm/min）；脈沖當量（mm/步）；步進電機的步距角（o）；運動部件從靜止起動加速到最大快進速度所需時間（s）。摩擦力矩（ncm）式中導軌的摩擦力（n），；垂直方向的切削力（n）；運動部件的總重量（n）；導軌摩擦系數(shù)；齒輪降速比；傳動鏈總效率，一般可取。附加摩擦力矩（ncm）式中滾珠絲杠預加負載，一般取1/3，為進給率引力（n）；滾珠絲杠

30、未預緊時的傳動效率，一般取。折算到電機軸上的切削負載力矩（ncm）式中進給方向最大切削力（n）；其余參數(shù)如上。經(jīng)過上述計算以后，在、兩種力矩中取其大者作為選擇步進電機的依據(jù)。對于大多數(shù)數(shù)控機床來說，因為要保證一定的動態(tài)性能，系統(tǒng)時間常數(shù)較小，而等效轉(zhuǎn)動慣量又較大，故電機力矩主要是用來產(chǎn)生加速度的，而負載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動力矩作為選擇步進電機的依據(jù)。3）。步進電機的選擇目前，經(jīng)濟型數(shù)控機床中多采用反應式步進電機，其技術(shù)參數(shù)可見機電一體化設(shè)計手冊相關(guān)圖表。（1） 首先根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機型號在相關(guān)表格所示技術(shù)參數(shù)中，列出步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩，最高空載起動頻率，運行頻率等參

31、數(shù)，可作為初選步進電機的依據(jù)。步進電機的起動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩有如下關(guān)系：表3.2-5步進電機起動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩關(guān)系步 進電 機相數(shù)三 相四 相五 相六 相拍數(shù)36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866上面計算出的空載起動力矩應即：。必須特別注意，這樣初選出來的步進電機型號并不一定能滿足實際工作時的要求，也就是說，盡管最大靜轉(zhuǎn)矩數(shù)值能滿足要求，但是并不能保證在快速空載起動和運行時不失步。所以還必須用起動矩頻特性和運行矩頻特性兩條重要的性能曲線來檢查所選步進電機的型號是否能滿足要求。（2） 計算電機工作頻率可以分別計算快速進給時步進電機的最大

32、空載起動頻率和切削時的最大工作頻率式中運動部件最大快速進給速度（m/min）；最大切削進給速度（m/min）；脈沖當量（mm/步）。（3） 校核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。將前面初選出來的步進電機的型號的矩頻特性在機電一體化設(shè)計手冊查出。見圖3.2.3根據(jù)前面計算出的最大空載起動頻率和切削時的最大工作頻率分別 在圖3.2.3上查出在此頻率下電機不失步時所允許的最大力矩和，應滿足：步進電機由于本身性能的限制，其起動頻率一般都較低，帶負載時的起動頻率約為數(shù)百赫茲。而數(shù)控系統(tǒng)要求的工作頻率通常都遠遠大于起動頻率，例如數(shù)控機床快速進給速度如選為3m/min，則相當于5khz的工作頻率，往往不能

33、滿足的要求，在起動時會失步。因此必須采用升降速措施。步進電機以較低的頻率起動后，逐漸升速，以保證不失步，升速到規(guī)定的運行頻率后，開始恒速運行，在到達終點前，要逐步降速，降到起動頻率以下，以保證準確定位。升降速控制是由軟件實現(xiàn)。在采用升降速控制以后，如果步進電機起動力矩還不能滿足要求，還可以采用高低壓驅(qū)動功放電路，將步進電機起動力矩再擴大一倍左右。圖3.2.3 部分反應式步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性a) 28bf001起動矩頻特性 b）36bf002起動矩頻特性 c）36bf003起動矩頻特性d）45bf003起動矩頻特性e）45bf003運行矩頻特性f）45bf005起動矩頻特性g）55

34、bf001起動矩頻特性h）75bf001起動矩頻特性i）75bf003起動矩頻特性j）90bf001起動矩頻特性k）90bf001運行矩頻特性l）90bf006起動矩頻特性m）110bf003起動矩頻特性n）110bf003運行矩頻特性o）110bf004起動矩頻特性p）130bf001起動矩頻特性q）130bf001運行矩頻特性r）150bf002起動矩頻特性s）150bf002運行矩頻特性t）150bf003起動矩頻特性u）150bf003運行矩頻特性v）200bf006起動矩頻特性7 進給伺服系統(tǒng)機械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計在對伺服系統(tǒng)進行了運動和動力計算，已選定滾珠絲杠螺母副規(guī)格型號，步進電機型

35、號，降速齒輪幾何參數(shù)之后，就可進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于經(jīng)濟型數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)設(shè)計和微機數(shù)控化改造設(shè)計中，應該注意以下問題：（1） 盡量減少普通車床數(shù)控化改造設(shè)計時的改動量對于普通車床數(shù)控化改造設(shè)計時在滿足機床總體布局的前提下應盡可能利用原有的零、部件，盡量減少改動量。尤其是對機床上較大的部件，例如床身、床鞍、工作臺等，盡量利用原有的部件，只作少量的加工改造。這樣可以大大的降低成本，縮短制造周期。在進行經(jīng)濟型數(shù)控機床設(shè)計時，雖然結(jié)構(gòu)尺寸不像改造設(shè)計那樣限制嚴格，但也應參考同類型機床。在初步計算以后，再進行類比，使結(jié)構(gòu)尺寸比較緊湊合理。（2） 要求設(shè)計完整清楚的進給伺服機構(gòu)裝配圖在設(shè)計繪制進給伺服機

36、構(gòu)裝配圖時，要求視圖完整，按一定的比例畫出主視圖，向視圖和必要的剖面圖。要能清楚完整地表達出裝配圖中每一零件的幾何形狀和尺寸，應能拆出零件圖。圖中需標出必要的尺寸和配合，例如：電機止口和箱體配合處，軸承外圈和箱體內(nèi)孔之間、軸承內(nèi)孔和軸之間均應標注尺寸和配合。（3） 設(shè)計時注意裝配的工藝性在設(shè)計繪制進給伺服機構(gòu)時，應注意裝配工藝性，考慮到正確的裝配順序，保證安裝、調(diào)試、拆卸方便。（4） 要求標注清楚裝配圖的技術(shù)條件繪制機械裝配圖時，應標注必要的技術(shù)條件。例如要求滾珠絲杠中心軸線與導軌平行度在水平及垂直方向在全長上應小于0.05mm（中型機床）；絲杠的軸向竄動量應小于0.01mm縱向進給絲杠兩端的

37、支承距安裝基準面的尺寸應相同，以保證在水平面內(nèi)絲杠與導軌平行度。而在垂直面內(nèi)可利用安裝螺釘?shù)倪^孔調(diào)整，當絲杠與導軌平行度達到要求后，再緊固螺釘并打上定位銷。（5） 消隙齒輪安裝調(diào)整要方便。6)。設(shè)計繪制進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖四、 自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計是普通車床經(jīng)濟型數(shù)控改造機械方面的關(guān)鍵。由微機控制的自動轉(zhuǎn)位刀架具有重復定位精度高、工作剛性好、性能可靠、使用壽命長以及工藝性好等特點。在進行普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造時，多采用外購自動轉(zhuǎn)位刀架。一些機床數(shù)控設(shè)備廠為用戶生產(chǎn)了系列自動刀架，一些廠是參加全國聯(lián)合設(shè)計組設(shè)計了ld14、ld24、ld34刀架之后，又結(jié)合該廠生產(chǎn)刀架的經(jīng)驗，

38、吸收了ld型刀架結(jié)構(gòu)、原理的優(yōu)點，還參考了國外專利刀架的特點，使刀架設(shè)計更合理、更完美，具有同類產(chǎn)品最先進的水平。如常州武進機床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的系列自動刀架。本實例選用該廠生產(chǎn)的ld4-1型四工位自動刀架。自動轉(zhuǎn)位刀架按其工作原理可分為：a 螺旋轉(zhuǎn)位刀架；b 十字槽輪轉(zhuǎn)位刀架；c 凸臺棘爪式轉(zhuǎn)位刀架；d 電磁式轉(zhuǎn)位刀架；e 液壓式轉(zhuǎn)位刀架。本實例選用的ld4-1型自動刀架的工作原理類似于螺旋轉(zhuǎn)位刀架。微機發(fā)出換刀信號，使電機正轉(zhuǎn)，通過減速機構(gòu)和升降機構(gòu)將上刀體上升至一定位置時，離合轉(zhuǎn)盤起作用，帶動上刀體旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到所選刀位，發(fā)信盤發(fā)出刀位信號，使電機反轉(zhuǎn)，反靠初定位，上刀體下降，齒牙盤嚙合，完

39、成精定位，并通過蝸輪蝸桿，鎖緊螺母，使刀架固緊。當夾緊力達到預先調(diào)好的狀態(tài)時，過流繼電器動作，切斷電流，電機停轉(zhuǎn)，并向微機發(fā)出回答信號，開始執(zhí)行下道工序。刀架的動作順序簡明地表示為：電機減速機構(gòu)升降機構(gòu)上刀體上升轉(zhuǎn)位刀位信號判別粗定位機構(gòu)上刀體下降精定位刀體鎖緊電機停轉(zhuǎn)換刀回答信號加工順序執(zhí)行。五、 微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計1 設(shè)計的內(nèi)容（1） 按照總體方案及機械機構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制微機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。（2） 選擇微機或cpu類型。（3） 根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的具體要求設(shè)計存儲器擴展電路。（4） 根據(jù)被控對象和系統(tǒng)工作要求，設(shè)計擴展i/o接口電路、轉(zhuǎn)換電路及驅(qū)動電路。（5）

40、選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)及型號。（6） 繪制電路原理圖。2 本實例的微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計中的幾個值得注意的問題（1） 單片機的選擇根據(jù)總體方案的確定，微機已采用mcs-51系列單片機。51系列相對48系列單片機指令更豐富，相對96系列價格更便宜。51系列有三種型號：8031是無rom的8051；8751是用eprom代替rom的8051。目前，工控機中應用最多的是8031單片機。本實例采用8031。（2） 擴展存儲器設(shè)計a地址鎖存器由于8031的p0口分別作地址總線低8位和數(shù)據(jù)總線，故需采用74ls373作為地址線8位鎖存器，并注意信號的連接。b擴展rom8031無內(nèi)部rom，

41、必須擴展外部rom。由于車床數(shù)控系統(tǒng)包含操作系統(tǒng)和系統(tǒng)控制程序，采用2片的2764芯片，可與單片機所選的12mhz時鐘相匹配。rom的地址范圍為0000h3fffh，并采用譯碼器，使地址范圍無重疊區(qū)。c擴展ram8031芯片內(nèi)僅有ram128字節(jié)，需擴展作為用戶數(shù)據(jù)儲存器，采用的6264芯片。其地址范圍為6000h7fffh，也采用譯碼器，使其為無重疊區(qū)的地址范圍。（3） i/o擴展8031只有p1口可作為普通i/o口用，所以需擴展。需要計算一下總共需多少i/o口線。本實例：鍵盤需32個鍵，采用矩陣式鍵盤，需12個i/o口；顯示器采用6個led，需6個i/o口；兩個坐標軸超程報警及故障顯示需8

42、個；兩個步進電機，采用軟件環(huán)形分配器，需6個；刀架需4個；緊急停車需1個。共需37個i/o口。需采用兩片8255a或8155芯片，肯定可以滿足要求。（4） 伺服驅(qū)動電路兩個坐標軸的步進電機驅(qū)動路線：光電隔離電路、雙電壓放大電路。（5） 超程保護電路一個坐標軸的一端需采用兩個限位開關(guān)，為的是雙保險。為了減少i/o口線，可將一端的兩個限位開關(guān)進行邏輯或運算后，經(jīng)隔離電路連接到一個i/o口線。3 部分系統(tǒng)控制軟件設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件所包含內(nèi)容較多，本實例又進行直線插補和圓弧插補的程序設(shè)計。首先是確定插補的方法。常用的有脈沖增量插補法和數(shù)據(jù)增量插補法。經(jīng)濟型數(shù)控改造車床其精度和速度的要求均不高，采用脈沖增量插補法即可。脈沖增量插補方法還有好多種，本實例采用比較成熟的逐點比較法或數(shù)字積分法進行插補均可以?，F(xiàn)采用前者。在直線插補程序中，要有處