機(jī)電一體化專業(yè)自考畢業(yè)設(shè)計(jì)(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(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬訂31-1 總體方案確定 31-2 設(shè)計(jì)xy數(shù)控工作臺(tái)及其控制系統(tǒng) 4第二章 ca6140車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 52-1 脈沖當(dāng)量的選擇 52-2 切削力的計(jì)算 52-3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 62-4 齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算142-5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型152-6 設(shè)計(jì)繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械裝配圖19第三章 ca6140 車床微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)203-1 單片機(jī)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)內(nèi)容203-2 mcs-51 系列單片機(jī)簡介213-3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)283-4 i/o 接口電路

2、及輔助電路設(shè)計(jì)373-5 典型零件加工程序設(shè)計(jì)46總結(jié)49參考文獻(xiàn)50致謝51外文資料及中文翻譯52 摘要針對(duì)現(xiàn)有常規(guī)ca6140普遍車床的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高加工精度和擴(kuò)大機(jī)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(shè)計(jì)過程，較詳盡地介紹了ca6140機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。采用以8031為cpu的控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，由i/o接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后，帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 結(jié)合我國實(shí)際國情，經(jīng)濟(jì)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(tái)階。利用現(xiàn)有的普通車床，對(duì)其進(jìn)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(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)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(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)床大國，數(shù)控機(jī)床的占有率還不足百分之三，但是在歐美等發(fā)達(dá)國家數(shù)控機(jī)床的占有率達(dá)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(dá)國家還有相當(dāng)大的距離。其主要原因?yàn)閿?shù)控車床價(jià)格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。對(duì)普通機(jī)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(shè)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(duì)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(jì)數(shù)控改造思路和設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床， 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，改裝設(shè)計(jì)，ca6140 伺服電機(jī) 傳動(dòng)系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 電氣控制線路 經(jīng)濟(jì)實(shí)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 put forward to raise the proces

5、sing 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 8031 as cpu to cope with the si

6、gnal，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 numerical control machine tool, single chip microcomputer systemchinas

7、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 way.cnc lathe as a typical electromechanical integration products, machinery manufacturing plays

8、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 significant increase in production efficiency.as the big machine, cnc machine tools was less than 3.0% sh

9、are.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 countries there is still a considerable distance.the main reason for the higher prices of cnc la

10、the, 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 processing equipment, for example, the most common shaft.papers from the machining cost is the present

11、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，reform design，the ca6140 servo electrical machinery transmission system control system electricity control

12、line economical numerical control changes 緒 論隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型，普通機(jī)床已不能適應(yīng)這些要求，數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。這種新型機(jī)床具有適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。它綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密測(cè)量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，是今后機(jī)床控制的發(fā)展方向。一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生數(shù)控機(jī)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(jī)槳葉輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床任務(wù)時(shí)，提出了研制數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想。1949年，帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作

13、，開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。并于1952年試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)。這是一臺(tái)采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床。經(jīng)過三年改進(jìn)和自動(dòng)編程研究，于1955年進(jìn)入實(shí)用階段。一直到20世紀(jì)50年代末，由于價(jià)格和技術(shù)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(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價(jià)格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機(jī)床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點(diǎn)位控制的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實(shí)際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機(jī)、火焰切割機(jī)等，使數(shù)控技術(shù)不斷的擴(kuò)展應(yīng)用范圍。二、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展自1952年，美國研制成功第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制和精

14、密測(cè)量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)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(gè)發(fā)展階段。第一代數(shù)控：1952-1959年采用電子管元件構(gòu)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(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)。第五代數(shù)控：從1974年開始采用微型電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)。目前，第五代微機(jī)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(qiáng)的程序存儲(chǔ)能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實(shí)現(xiàn)的。

15、這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強(qiáng)，幾乎只需改變軟件，就可以適應(yīng)不同類型機(jī)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(kuò)大，光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價(jià)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(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機(jī)械制造的各個(gè)領(lǐng)域中，先后出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。所有這些高級(jí)的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)均是以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)，它們代表著數(shù)控機(jī)床今后的發(fā)展趨勢(shì)。三、我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況我國從1958年由北京機(jī)床研究所和清華大學(xué)等首先研制數(shù)控機(jī)床，并試制成功第一臺(tái)電子管數(shù)控機(jī)床。從1965年開始，研制晶體管數(shù)控系

16、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(jī)等獲得成功。與此同時(shí)，還開展了數(shù)控加工平面零件自動(dòng)編程的研究。1972-1979年是數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)和使用階段。例如：清華大學(xué)研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控技術(shù)在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域開始研究與應(yīng)用；數(shù)控加工中心機(jī)床研制成功；數(shù)控升降臺(tái)銑床和數(shù)控齒輪加工機(jī)床開始小批生產(chǎn)供應(yīng)市場(chǎng)。從80年代初開始，隨著我國開放政策的實(shí)施，先后從日本、美國、德國等國家引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)。上海機(jī)床研究所引進(jìn)美國ge公司的mtc-1數(shù)控系統(tǒng)等。在引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，北京機(jī)床研究所又開發(fā)出bso3經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)和bso4全功能

17、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(jìn)而推動(dòng)了我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，使我國數(shù)控機(jī)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(jī)床已跨入一個(gè)新的發(fā)展階段。四、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)從數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動(dòng)化是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)單臺(tái)主機(jī)不僅要求提高其柔性和自動(dòng)化程度，還要求具有進(jìn)入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力。在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個(gè)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

18、位微機(jī)處理機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到1mb以上，機(jī)床分辨率可達(dá)0.1微米，高速進(jìn)給可達(dá)100m/min,控制軸數(shù)可達(dá)16個(gè)，并采用先進(jìn)的電裝工藝。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動(dòng)已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運(yùn)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(diǎn)漂移、溫度漂移等弱點(diǎn)。五、數(shù)控機(jī)床改造的意義數(shù)控機(jī)床改造在國外已發(fā)展成一個(gè)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(shù)、經(jīng)濟(jì)、市場(chǎng)和生產(chǎn)上的原因。我國是擁有300多萬臺(tái)機(jī)床的國家。而這些機(jī)床又大多是多年累積生產(chǎn)的通用機(jī)床，不論資

19、金和我國機(jī)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(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精密化改裝，是我國現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的課題。用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床，正是適應(yīng)了這一要求。它是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。在機(jī)床改造中引入微機(jī)的應(yīng)用，不但技術(shù)上具有先進(jìn)性，同時(shí)，在應(yīng)用上比其它傳統(tǒng)的自動(dòng)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(fèi)用低，一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功能數(shù)控裝置的1/3至1/5，用戶承擔(dān)的起。從若干單位成功應(yīng)用的實(shí)例可以證明，投入使用后，確實(shí)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(shù)經(jīng)濟(jì)效益。因此，我國提出從大力推廣經(jīng)濟(jì)型數(shù)控這一中間技術(shù)

20、的基礎(chǔ)上，再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路，適合我國的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一。同時(shí)，它還可以作為全功能數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的準(zhǔn)備階段，為今后使用全功能數(shù)控機(jī)床，培養(yǎng)人才，積累維護(hù)、使用經(jīng)驗(yàn)，而且也是實(shí)現(xiàn)我國傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)朝機(jī)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(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個(gè)國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強(qiáng)弱。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定，

21、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出數(shù)個(gè)總體方案，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，最后確定一個(gè)可行的總體方案。1-1 總體方案確定一、系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓插補(bǔ)、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(tái)或刀具沿各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)有確定的函數(shù)關(guān)系，即刀具以給定的速率相對(duì)于工件沿加工路徑運(yùn)動(dòng)，所以不能選用點(diǎn)位系統(tǒng)，因?yàn)辄c(diǎn)位控制系統(tǒng)要求工件相對(duì)于刀具移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削。因此，應(yīng)選用連續(xù)控制系統(tǒng)。x52k型銑床改造屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)，因閉環(huán)

22、控制系統(tǒng)適用于精度要求較高的機(jī)床設(shè)計(jì)，且閉環(huán)控制系統(tǒng)的造價(jià)昂貴。二、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)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)，因此采用mcs-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。控制系統(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)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。三、機(jī)械傳動(dòng)方式為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副以及滾動(dòng)導(dǎo)軌。同時(shí)，為

23、提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠副機(jī)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的消隙齒輪結(jié)構(gòu)。1-2 設(shè)計(jì)x-y數(shù)控工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)計(jì)任務(wù)及參數(shù)在任務(wù)書中已經(jīng)給出。系統(tǒng)總體方案見圖1-1根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，采用連續(xù)控制系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。這樣可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。此工作臺(tái)采用滾珠絲杠螺母副和滾動(dòng)導(dǎo)軌。為盡量消除傳動(dòng)間隙，可設(shè)法調(diào)整傳動(dòng)齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仍采用高性能價(jià)格比的mcs-51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 微 機(jī)機(jī) y向步進(jìn)電機(jī)功率放大光電隔離上拖板

24、x向步進(jìn)電機(jī)光電隔離功率放大下拖板 圖1-1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床總體方案框圖第二章 ca6140車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算一臺(tái)ca6140普通車床改造成微機(jī)數(shù)控車床，采用mcs-51系列單片機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，具有升降速控制功能。其主要設(shè)計(jì)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 1000n 橫向 600n刀架快速速度: 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/min最大進(jìn)給速度: 縱向 0.6m/min 橫向 0.3m/min主電機(jī)功率 7.5kw起動(dòng)加速時(shí)間 30ms機(jī)床定位精度: 0.015

25、mm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)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載起動(dòng)及切削力計(jì)算，確定伺服電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及選用，繪制機(jī)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(dāng)量的選擇一個(gè)進(jìn)給脈沖，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生位移量，也稱為機(jī)床的最小設(shè)定單位。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/脈沖，橫向：0.005mm/脈沖。2-2 切的計(jì)算削力在設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí)，計(jì)算傳動(dòng)和導(dǎo)向元件，選用伺服電機(jī)等都需要用到切削力，下面介

26、紹數(shù)控車床中的切削力的計(jì)算。1.縱車外圓主切削力f (n)按經(jīng)驗(yàn)公式估算: =0.67d=0.67400=5360 按切削力各分力比例： =53600.25=1340 =53600.4=2144 2.橫切端面主切削力可取縱切的1/2. 此時(shí)走刀抗力為(n),吃刀抗力為.仍按上述比例粗略計(jì)算: :=1:0.25:0.4 =26800.25=670 =26800.4=10722-3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)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(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定之后，再計(jì)算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑d0（絲杠外徑d）、導(dǎo)程l0、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)

27、k、精度等級(jí)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?cè)诖诉x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(shè)有擋珠器，引導(dǎo)滾珠進(jìn)入通孔。擋珠器用圓鋼彎成弧形桿，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡單，螺母外徑尺寸較小。缺點(diǎn)是：螺旋槽同通孔不易連接準(zhǔn)確，擋珠器鋼性差、耐磨性差。滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過盈滾珠預(yù)緊等。本設(shè)計(jì)采用雙螺母螺紋式預(yù)緊結(jié)構(gòu)，它通

28、過調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較緊湊，工作可靠，滾道磨損時(shí)可隨時(shí)調(diào)整，預(yù)緊量不很準(zhǔn)確，應(yīng)用較普遍。一、縱向進(jìn)給絲杠1.計(jì)算進(jìn)給率引力(n)作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給率引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)部件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)?？v向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌由前所知： =1340 n=5360 n=1000 n=1.15=0.16 得：(n)= +(+g) =1.151340+0.16(5360+1000)=2559 n式中 考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù),綜合導(dǎo)軌取k=1.15; -滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.150.18;-溜板及刀架重力: =

29、1000 n.2.計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載利用滾珠絲杠副的直徑d0時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)（106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c，可以用下式計(jì)算： = = 式中 -滾珠絲杠導(dǎo)程,初選=6; -最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的(),此處=0.6m/min -使用壽命,按15000h; -運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取=1.21.5; -壽命，以10轉(zhuǎn)為1個(gè)單位。將數(shù)據(jù)分別帶入上式得： =50r/min=45=1.22559=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(yù)緊的雙

30、螺母滾珠絲杠副,1列2.5圈,其額定動(dòng)負(fù)載為16400 n,精確等級(jí)按表4-15選為3級(jí)(大致相當(dāng)于老標(biāo)準(zhǔn)級(jí)).4.傳動(dòng)效率計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：=式中 螺旋升角, wl3506 =339-摩擦角取10滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.0030.004將各數(shù)據(jù)帶入上式得： =5.剛度驗(yàn)算滾珠絲杠副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性因此應(yīng)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(zhuǎn)變形引起導(dǎo)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(jì)算較為困難，一般根據(jù)其精度要

31、求，在結(jié)構(gòu)上盡量增強(qiáng)其剛度而不作計(jì)算。因此滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算，主要是前三種變形量，他們的和應(yīng)不大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半，否則，應(yīng)考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。先畫出縱向進(jìn)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.軸承支撐間距=1500，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)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=1.6101500=2.410（）.由于兩斷均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸,故其剛度可以提高4倍。其實(shí)際變形量()為:=0.610(2)滾珠與螺紋滾道

32、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(jìn)行了預(yù)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,滾珠體直徑=6.35,滾動(dòng)體數(shù)量=18, =0.0024 =0.0024 0.0075()注意,此公式中單位應(yīng)為 因施加預(yù)緊力,故 =0.0076=0.0038根據(jù)以上計(jì)算:=+=0.006+0.00355+0.0038 =0.01335(一般=2.54)此滾珠絲杠不會(huì)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(hào)w1l2506w1l2005螺紋滾道公 稱 直 徑2520導(dǎo) 程65接 觸 角

33、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20.98416.788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(dòng)比計(jì)算1.縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.01滾珠絲杠導(dǎo)程=6，初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.75。可計(jì)算出傳動(dòng)比 =0.8可選定齒輪齒數(shù)為: =或2.橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.005 ,滾珠絲杠導(dǎo)程=5,初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.75可計(jì)算傳動(dòng)比 : =0

34、.48考慮到結(jié)構(gòu)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(jí)齒輪降速: = =24、=40、=20、=25因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)取2。有關(guān)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(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型選用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，必須首先根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)裝置及負(fù)載折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，分別計(jì)算各種工況下所需的等效力矩，在根據(jù)步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)、運(yùn)行矩頻特性選擇合適的步進(jìn)電機(jī)。一、縱向進(jìn)給步

35、進(jìn)電機(jī)計(jì)算1.等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算計(jì)算見圖2-1，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的慣量（）可由下式計(jì)算： =+式中 -步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）;、-齒輪、的傳動(dòng)慣量（）;-滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）。參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150bf，起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=10。 =0.7810=0.78106.42=2.62=0.7810=0.78*1082=6.39=0.78104150=29.952=1000 n代入上式： =+=10+2.62+=36.474考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)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(jī)力矩的計(jì)算機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面按個(gè)階段

36、計(jì)算：（1） 快速空載起動(dòng)力矩起 。在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： 起 =+ =10= =將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號(hào)意義同前。 =500 。起動(dòng)加速時(shí)間 =30 =36.47410=636.6 n折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩： = =94 n附加摩擦力矩： = =805.30.19=153 n上述三項(xiàng)合計(jì)：起 =+ =636.6+94+153=881.5 n（2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩快 快=+=94+153=247 n（3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩切 切=+=+ =94+153+=94+153+127.96 =375 n從上面的計(jì)算可以看出，起、快和切三種工況下，以快速空

37、載起動(dòng)所需力矩最大，以次作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。從表中查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)，=0.951。最大靜力矩=881.5/0.951=927 n 。按此最大靜轉(zhuǎn)距從表查出，型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72 n 。大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)距頻特性和運(yùn)行距頻特性。3.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 =4000 hz=1000 hz從表中查出 型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為2800 hz運(yùn)行頻率為8000 hz ， 130bf001步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線如圖2-3，2-4所示，可以看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，f起=2500hz時(shí)，m=1

38、00，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩（881.5）直接使用將會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），將起動(dòng)頻率將到1000hz時(shí)，起動(dòng)力矩可增到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，130bf001型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性（圖2-4）完全可以滿足要求。二、橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型電機(jī)選為計(jì)算步驟如上所述，經(jīng)計(jì)算滿足要求，此處計(jì)算略。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，就可以畫機(jī)械裝配圖。見附圖（一）例如，雙片齒輪

39、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(gè)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。 （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(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 式（18） 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.

40、9;2 . 初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào) 根據(jù)=0.611n.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56byg250d-sassbl-0241，其中，,保持轉(zhuǎn)矩為1.72n.m.3 . 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 根據(jù)簡圖 ，即圖（2），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: 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圓柱體長度 (cm); 代入上式: 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： 又： 代入得：

41、折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩:）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; 貼塑導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取=0.04附加摩擦力矩：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：2) 快速移動(dòng)所需力矩 =1.96+4.84=6.8n.cm 3) 最大切削載時(shí)所需力矩 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)， =0.707故最大靜力矩mjmax=59.3/

42、0.707n.m=0.839n.cm，而電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩為 1.72n.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（5）、56byg250eassbl0241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)，56byg250eassbl0241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。見附圖（二）第四章、微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容

43、(一)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ),也是軟件編制的前提,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。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，而且有很強(qiáng)的外

44、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)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(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

45、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） 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。2 80c51單片機(jī)及其擴(kuò)展(一)80c51單片機(jī)的簡介 1芯片引腳及片外總線結(jié)構(gòu)80c51單片機(jī)采用40腳雙直插封裝（d

46、ip）形式，如圖(6)所示。80c51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(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，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。若需采用外部時(shí)鐘電路，對(duì)于hmos單片機(jī)，該引腳輸入外部時(shí)鐘脈沖；對(duì)于chmos單片機(jī)，此引腳應(yīng)懸浮。圖（6）.80c51引腳圖（3） 控制信號(hào)引腳rst、ale/prog、psen、/ea/vpprst（9腳）：單片機(jī)剛接上電源時(shí)，其內(nèi)部各寄存器處于隨機(jī)狀態(tài)，在該引腳輸入24個(gè)時(shí)鐘周期寬度以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（reset）。ale/prog：訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，ale作鎖存擴(kuò)展地址低位字節(jié)的控制信號(hào)（稱允許鎖存地址）。平時(shí)不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，該端也以1/6的時(shí)鐘振蕩頻率