機(jī)電一體化系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床CA6140伺服和傳動(dòng)部分課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)題目：CA6140型車(chē)床縱向進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控改裝前 言我國(guó)目前機(jī)床總量為380萬(wàn)余臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬(wàn)臺(tái)，這說(shuō)明我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到3%。我們大多數(shù)制造業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工設(shè)備大多數(shù)是傳統(tǒng)機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種機(jī)床加工出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、成本高等缺點(diǎn)，因此這些產(chǎn)品在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)了，這直接影響了企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須提高機(jī)床的數(shù)控化率。在過(guò)去的幾十年，雖然金屬切削的基本原理變化不大，但隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，要求制造業(yè)向自動(dòng)化和精密化方向發(fā)展，而刀具材料和電子技術(shù)的進(jìn)步，特別是微電子技術(shù)、

2、電子計(jì)算機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，運(yùn)用到控制系統(tǒng)中，既能幫助機(jī)床的自動(dòng)化，又能提高加工精度。這些都要求對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行改造。另外，在經(jīng)濟(jì)方面，用機(jī)床的數(shù)控改造比更新設(shè)備節(jié)約50%的資金。再加上市場(chǎng)的原因，由于目前機(jī)床市場(chǎng)供給無(wú)法滿足大量的機(jī)床設(shè)備的更新需要，因此更顯示出機(jī)床數(shù)控改造的必要性。對(duì)于我國(guó)的實(shí)際情況，大批量的購(gòu)置數(shù)控機(jī)床是不現(xiàn)實(shí)也是不經(jīng)濟(jì)的，只有對(duì)現(xiàn)有的機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造。數(shù)控改造相對(duì)于購(gòu)置數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，能充分發(fā)揮設(shè)備的潛力，改造后的機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有很多突出優(yōu)點(diǎn)，由于數(shù)控機(jī)床的計(jì)算機(jī)有很高的運(yùn)算能力，可以準(zhǔn)確的計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)量，加工出較復(fù)雜的曲線和曲面。其計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程

3、序記憶和存儲(chǔ)下來(lái)，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可以實(shí)現(xiàn)另一工件的加工，從而實(shí)現(xiàn)“柔性自動(dòng)化”。改造后的機(jī)床不象購(gòu)買(mǎi)新機(jī)那樣，要重新了解機(jī)床操作和維修，也不了解能否滿足加工要求。改造可以精確計(jì)算出機(jī)床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者對(duì)機(jī)床的特性早已了解，操作和維修方面培訓(xùn)時(shí)間短，見(jiàn)效快。另外，數(shù)控改造可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購(gòu)入新機(jī)那樣需要重新構(gòu)筑地基，還可以根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時(shí)地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平和檔次，將機(jī)床改造成當(dāng)今水平的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床是以微電子技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合為基礎(chǔ)，不但技術(shù)上具有先進(jìn)性，同時(shí)在應(yīng)用上比其

4、他傳統(tǒng)的自動(dòng)化改造方案有較大的通用性和可用性，且投入費(fèi)用低，用戶承擔(dān)得起。由于自投入使用以來(lái)取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，已成為我國(guó)設(shè)備技術(shù)改造中主要方向之一，也為我國(guó)傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)朝機(jī)電一體化技術(shù)方向過(guò)渡的主要內(nèi)容之一。CA6140普通車(chē)床微機(jī)數(shù)控改造設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、 設(shè)計(jì)任務(wù)將CA6140普通車(chē)床改造成用MCS-51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控車(chē)床，要求該車(chē)床縱向有直線和圓弧插補(bǔ)功能。系統(tǒng)分辨率為：0.01mm/puls。二、 給定參數(shù)最大加工直徑：400mm(在床面上)最大加工長(zhǎng)度：1000mm絲杠縱向長(zhǎng)度：13001500mm原車(chē)床絲杠縱向直徑：22mm縱向?qū)к夘?lèi)型：綜合性導(dǎo)軌主軸轉(zhuǎn)速范圍

5、：正轉(zhuǎn)（24級(jí)） 101400rpm 反轉(zhuǎn)（12級(jí)） 141580rpm溜板及刀架縱向重力：800N刀架縱向快移速度：2.4m/min最大縱向切削進(jìn)給速度：0.6m/min主電機(jī)功率：735kW/1450rpm啟動(dòng)加速時(shí)間：30ms機(jī)床定位精度：±0.015mm三、 設(shè)計(jì)要求1 改裝后數(shù)控車(chē)床應(yīng)具有性能：數(shù)控代碼制：ISO脈沖分配方式：逐點(diǎn)比較法輸入方式：增量值、絕對(duì)值通用同時(shí)控制坐標(biāo)軸數(shù)：2坐標(biāo)軸（縱向Z，橫向X）縱向脈沖當(dāng)量值：0.01mm/puls刀具補(bǔ)償量：099.99mm進(jìn)給傳動(dòng)鏈縱向間隙補(bǔ)償量：0.15mm自動(dòng)升降速性能：有2 改裝后數(shù)控車(chē)床的工藝范圍：具有快速定位，直線

6、插補(bǔ)，順、逆圓插補(bǔ)，暫停，循環(huán)加工。3 對(duì)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的要求：微機(jī)控制系統(tǒng)要有可靠性好、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)。控制系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)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。四、 設(shè)計(jì)工作量1 一張縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)改裝圖（A1）；2 一張驅(qū)動(dòng)電路原理圖（A3）3 一份設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)包括以下內(nèi)容：1） 前言（數(shù)控改裝的意義、用途及目的等）；2） 設(shè)計(jì)的主要思路：系統(tǒng)總體方案的確定、機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；3） 機(jī)械部分改裝設(shè)計(jì)計(jì)算：（1） 滾珠絲杠螺母副的確定；（2） 傳動(dòng)齒輪的傳動(dòng)比和齒數(shù)的確定；（3） 步進(jìn)電機(jī)的選擇。

7、4） 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)計(jì)算和參數(shù)選擇；5） 步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；6） 總結(jié)及結(jié)束語(yǔ)第一章 系統(tǒng)總體方案的分析與擬訂一、系統(tǒng)總體改造方案的確定目前，在機(jī)械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機(jī)車(chē)，如果改用微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的改造，會(huì)使機(jī)床適應(yīng)小批量、復(fù)雜零件的加工，不但提高加工精度和生產(chǎn)率，而且成本低、周期短，適合我國(guó)國(guó)情。利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)的機(jī)電一體化改造的方法有兩種：一種是以微機(jī)為中心設(shè)計(jì)控制部分；另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。后者選用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，比較簡(jiǎn)單。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)采用單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)及專(zhuān)用的控制程序組成開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。

8、起結(jié)果簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。對(duì)機(jī)床的控制過(guò)程大多是由單片機(jī)按照輸入脈沖的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，產(chǎn)生進(jìn)給，由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，輸入一系列脈沖，經(jīng)功率放大、驅(qū)動(dòng)刀架、縱橫軸運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)刀具按規(guī)定的輪廓軌跡運(yùn)動(dòng)。微機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算的速度較快，可以讓單片機(jī)每完成一次插補(bǔ)、進(jìn)給，就執(zhí)行一次延時(shí)程序，由延時(shí)程序控制進(jìn)給速度。電機(jī)功率放大電路 光電隔離 驅(qū)動(dòng)器 I/O口擴(kuò)展存儲(chǔ)器擴(kuò)展微機(jī)CPU電機(jī)急停第 I 條 STOP清零等功能鍵（車(chē)刀）回轉(zhuǎn)刀架繼 電 器主軸脈沖發(fā)生器縱橫等軸限位刀架刀架控制電路電 機(jī)二、 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案的確定在熟悉原機(jī)床的操作過(guò)程及傳動(dòng)系統(tǒng)后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定系統(tǒng)的機(jī)械傳

9、動(dòng)系統(tǒng)改造方案。包括電機(jī)型號(hào)的選擇，減速比的確定，齒輪模數(shù)及齒數(shù)的確定，原有絲杠導(dǎo)軌是否要重新更換，改換成滾珠絲杠螺母副是絲杠螺母副的型號(hào)及安裝形式如何確定，導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)方法等。對(duì)CA6140車(chē)床的縱向（Z向）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)控改造，此時(shí)可將開(kāi)喝螺母合上，離合器M5脫開(kāi)，使主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)脫開(kāi)，此時(shí)，將脫落螺桿等橫向自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)至空擋（脫開(kāi)）位置。若原刀架為自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，則可以由微機(jī)控制自動(dòng)換刀具，否則仍由手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架。如需加工螺紋，則要在主軸外端或其他適合位置安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器來(lái)檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)位，用它發(fā)出的脈沖來(lái)保證主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的相互關(guān)系。這種改造方案成本較低。但是，為了保證加工精度

10、，還需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行檢修，才能保證控制精度。原有機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件（包括導(dǎo)軌、絲杠副等）安裝質(zhì)量的好壞，直接影響阻力和阻力矩的大小，應(yīng)盡量減少阻力（力矩），以提高步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的效率。對(duì)絲杠及軸要提高其直線度，導(dǎo)軌壓板及螺母的預(yù)緊力都要調(diào)得合適。為減少導(dǎo)軌副的摩擦阻力可改換成滾動(dòng)導(dǎo)軌副或采用貼塑導(dǎo)軌。根據(jù)阻力（力矩），切削用量的大小及機(jī)床型號(hào)的不同，應(yīng)通過(guò)計(jì)算，選用與之相匹配的步進(jìn)電機(jī)。對(duì)加工精度要求較高的機(jī)床，其進(jìn)給絲杠應(yīng)換成滾珠絲杠副。三、 微機(jī)控制系統(tǒng)方案的確定1、機(jī)控制系統(tǒng)的總體組成 數(shù)控部分采用MCS-51系列的單片機(jī)控制，其典型代表有8031、8051、8075等，其中8031的價(jià)格

11、低，功能強(qiáng)，比較適合于一般機(jī)床的數(shù)控改造，但由于其無(wú)內(nèi)存，必須外接存儲(chǔ)器及I/O擴(kuò)展芯片才可以成為一個(gè)較簡(jiǎn)單的微機(jī)控制系統(tǒng)。 存儲(chǔ)芯片的選擇依據(jù)系統(tǒng)控制程序的大小及CPU的字長(zhǎng)，I/O擴(kuò)展芯片和I/O通道的個(gè)數(shù)來(lái)確定。2、軟硬件任務(wù)合理分配 主要是控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖發(fā)生與脈沖分配；數(shù)碼顯示的字符發(fā)生；鍵盤(pán)掃描管理。三者都可以用專(zhuān)用硬件芯片或軟件編程實(shí)現(xiàn)。用硬件實(shí)現(xiàn)，編程簡(jiǎn)單，但增加硬件成本及故障源。用軟件實(shí)現(xiàn)，節(jié)省芯片，降低成本，但增加編程難度。在決定用何種方法實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，根據(jù)自我經(jīng)驗(yàn)和能力來(lái)確定。第二章 機(jī)車(chē)進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算與說(shuō)明主要結(jié)果§1系統(tǒng)負(fù)載的確定一

12、、確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)車(chē)加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)車(chē)床采用的脈沖當(dāng)量是0.010.005mm/脈沖，此次改造的CA6140車(chē)床在縱向的脈沖當(dāng)量取0.01mm/脈沖。二、切削力計(jì)算用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主切削力對(duì)于車(chē)床的主切削力縱切： Fz =0.67Dmax1.5 (N)Dmax車(chē)床床身上加工最大直徑(mm)Fz =0.67×(400)1.5 =5360(N)按比例分別求出分力Fx和Fy由 Fz:Fx:Fy1:0.25:0.4Fx走刀方向的切削力(N)Fy垂直走刀方向的切削力(N)得：Fx =0.25 Fz Fy =0.4 Fz=0.25×5360 =0.

13、4×5360=1340(N) =2144(N)§2 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型一、 計(jì)算進(jìn)給率引力Fm(最大工作載荷) Fm=K Fx +f(Fz +G)查表3-4選綜合導(dǎo)軌，其K=1.15,摩擦系數(shù)f=0.150.18取f=0.165工作臺(tái)重量G=800(N) Fm =1.15×1340+0.15×（5360+800） =2456(N)二、 計(jì)算最大動(dòng)載荷CC=fWfH FmL壽命 L=n絲杠轉(zhuǎn)速(r/min), n=Vs最大切削力條件下的進(jìn)給速度(m/min),可取最高進(jìn)給速度的現(xiàn)取最高進(jìn)給速度的 的Lo絲杠的導(dǎo)程(mm)T使用壽命(h), 對(duì)

14、于數(shù)控機(jī)車(chē)T=15000hfw運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)查表得運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)fw=1.2，取硬度為60HRC，查表得硬度系數(shù)fH=1.0 。則最大動(dòng)載荷CC=fWfH Fm=×1.2×1×2456=×16640.53選基本導(dǎo)程Lo=4(mm)則最大動(dòng)載荷C=×16640.53=10482.88（N）查表無(wú)法找到滿足要求的內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠選基本導(dǎo)程Lo=6(mm)則最大動(dòng)載荷C=×16640.53=9157.64(N)選基本導(dǎo)程Lo=8(mm)C=×16640.53=8320.265(N)由C<Ca查江漢機(jī)床廠C1型滾珠絲杠。其公稱(chēng)直徑Do=50

15、(mm),時(shí)Lo=6(mm) Lo=8(mm)都滿足C<Ca（1）當(dāng)Lo=6(mm)時(shí)：傳動(dòng)效率計(jì)算傳動(dòng)效率 =絲杠螺旋升角摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.0030.004,取f=0.0035,則摩擦角 = arctg0.003=0.17o絲杠螺旋升角= =2.18o滾珠絲杠副的摩擦角 = arctg0.0035=0.17o =0.9246>0.9滿足要求剛度驗(yàn)算絲杠的拉伸或壓縮變形量1L =L在工作負(fù)載在工作負(fù)載作用下引起的每一導(dǎo)程的變化量(mm)Fm工作負(fù)載，即進(jìn)給率引力(N)Lo滾珠絲杠的導(dǎo)程(mm)E材料的彈性模數(shù)，對(duì)鋼E=20.6×104(N/mm2)F

16、滾珠絲杠的截面積(mm2)Do絲杠的公稱(chēng)直徑e偏心距R螺紋滾道半徑初選公稱(chēng)直徑為40mm的絲杠驗(yàn)算：基本導(dǎo)程為8mm的絲杠：滾道法面半徑 R=0.52do=0.52×4.763=2.4767(mm)偏心距 e =(R-)sin =(2.064-)sin45o=0.0673(mm)螺紋內(nèi)徑d1=d0+2e-2R =40+2×0.0673-2×2.4767 =35.1812(mm)滾珠絲杠截面積 F= =972(mm2)彈性模量 E=20.6×104(N/mm)則： L= ± =±=±9.85×10-5(mm)則滾珠絲

17、杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量1為：1=±=±0.0154(mm)精度不合要求，所以改選基本導(dǎo)程為6mm的絲杠。滾道法面半徑 R=0.52do=0.52×3.969=2.064(mm)偏心距 e =(R-)sin =(2.064-)sin45o=0.056(mm)螺紋內(nèi)徑d1=d0+2e-2R =40+2×0.056-2×2.064 =35.985(mm)滾珠絲杠截面積 F= =1017(mm2)彈性模量 E=20.6×104(N/mm)則： L1= ± =±=±7.06×10-5(mm)則滾珠絲杠

18、總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量1為：1=±=±0.0147(mm)由于機(jī)床精度要求為0.015mm，所以基本導(dǎo)程為6、8mm的絲杠都不合適，所以改選公稱(chēng)直徑為50mm的絲杠。滾道法面半徑 R=0.52do=0.52×3.969=2.064(mm)偏心距 e =(R-)sin =(2.064-)sin45o=0.056(mm)螺紋內(nèi)徑d1=d0+2e-2R =50+2×0.056-2×2.064 =45.985(mm)滾珠絲杠截面積 F= =1660.8(mm2)彈性模量 E=20.6×104(N/mm)則： L1= ± =

19、7;=±4.3072×10-5(mm)則滾珠絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量1為：1=±=±0.0093(mm)滾珠與螺紋滾道間接觸變形2有預(yù)緊時(shí)：2=0.0013Fm軸向工作載荷Fy預(yù)緊力(kgf)do滾珠直徑(mm)Z滾珠數(shù)量 Z=Z×圈數(shù)×列數(shù)Z一圈滾珠數(shù)， Z=-3（內(nèi)循環(huán)）Do滾珠絲杠公稱(chēng)直徑(mm)預(yù)緊力 Fy=FmZ=-3=-3=36.6(個(gè))則： Z=36.6×1×3=109.7(個(gè))則滾珠與螺紋滾道間接觸變形2=0.0013×=0.00205(mm)支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形3采用向心

20、推力球軸承，用雙推雙推式軸向接觸變形 3=Fm軸承所受軸向載荷(kgf)Z軸承的滾動(dòng)體數(shù)目dQ軸承滾動(dòng)體直徑(mm)選用51106型推力球軸承其內(nèi)徑d=30(mm),外徑D=47(mm), 則： dQ =8.5(mm)軸承滾動(dòng)體數(shù)目 Z=14.2=14(個(gè))則：3=0.0024=0.0031(mm)滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算，主要是驗(yàn)算1、2、3之和不應(yīng)大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半。由于預(yù)緊的作用，采用雙螺母預(yù)緊，可將原機(jī)床的剛度提高4倍。因此只要1+2+3機(jī)床精度要求。而，1+2+3=0.0093+0.00205+0.0031=0.01445(mm)由于1+2+3小于機(jī)床的定位精度0.015(

21、mm)，故所選滾珠絲杠滿足剛度要求。穩(wěn)定性驗(yàn)算對(duì)已選定尺寸的絲杠在給定上的支撐條件下,承受最大軸向載荷時(shí),應(yīng)驗(yàn)算其有沒(méi)有產(chǎn)生縱向彎曲(失穩(wěn))危險(xiǎn).產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載 Fk=E絲杠材料彈性模量，對(duì)剛E=20.6×106I截面慣性矩(cm4)l絲杠兩端支撐距離(cm)fz絲杠支撐系數(shù)絲杠采用兩端固定支撐方式,支撐系數(shù)fz=4截面慣性矩 I=×45.985=219500.07 Fk=1056299.2(N)穩(wěn)定性安全系數(shù) nk= =430.077取許用穩(wěn)定性安全系數(shù) nk=4由于nk>nk, 所以絲杠不至失穩(wěn).（2）當(dāng)導(dǎo)程Lo=8(mm)時(shí)：傳動(dòng)效率計(jì)算傳動(dòng)效率 =絲杠螺旋

22、升角摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.0030.004,取f=0.0035,則摩擦角 = arctg0.003=0.17o絲杠螺旋升角= =2.9155o滾珠絲杠副的摩擦角 = arctg0.003=0.17o =0.9447>0.9滿足要求剛度驗(yàn)算絲杠的拉伸或壓縮變形量1L =L在工作負(fù)載在工作負(fù)載作用下引起的每一導(dǎo)程的變化量(mm)Fm工作負(fù)載，即進(jìn)給率引力(N)Lo滾珠絲杠的導(dǎo)程(mm)E材料的彈性模數(shù)，對(duì)鋼E=20.6×104(N/mm2)F滾珠絲杠的截面積(mm2)Do絲杠的公稱(chēng)直徑e偏心距R螺紋滾道半徑滾道法面半徑 R=0.52do=0.52×4.7

23、63=2.4767(mm)偏心距 e =(R-)sin =(2.064-)sin45o=0.0673(mm)螺紋內(nèi)徑d1=d0+2e-2R =50+2×0.0673-2×2.4767 =45.1812(mm)滾珠絲杠截面積 F= =1603.27(mm2)彈性模量 E=20.6×104(N/mm)則： L= ± =±=±5.949×10-5(mm)則滾珠絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量1為：1=±=±0.0096(mm)滾珠與螺紋滾道間接觸變形2有預(yù)緊時(shí)：2=0.0013Fm軸向工作載荷Fy預(yù)緊力(kgf)d

24、o滾珠直徑(mm)Z滾珠數(shù)量 Z=Z×圈數(shù)×列數(shù)Z一圈滾珠數(shù)， Z=-3（內(nèi)循環(huán)）Do滾珠絲杠公稱(chēng)直徑(mm)預(yù)緊力 Fy=FmZ=-3=-3=29.979(個(gè))則： Z=30×1×2.5=75(個(gè))則滾珠與螺紋滾道間接觸變形2=0.0013×=0.002491(mm)支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形3采用向心推力球軸承，用雙推雙推式軸向接觸變形 3=Fm軸承所受軸向載荷(kgf)Z軸承的滾動(dòng)體數(shù)目dQ軸承滾動(dòng)體直徑(mm)選用51106型推力球軸承其內(nèi)徑d=30(mm),外徑D=47(mm), 則： dQ =8.5(mm)軸承滾動(dòng)體數(shù)目 Z=

25、14.2=14(個(gè))則：3=0.0024=0.0031(mm)滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算，主要是驗(yàn)算1、2、3之和不應(yīng)大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半。由于預(yù)緊的作用，采用雙螺母預(yù)緊，可將原機(jī)床的剛度提高4倍。因此只要1+2+3機(jī)床精度要求。而，1+2+3=0.0096+0.0024+0.0031=0.0148(mm)由于1+2+3小于機(jī)床的定位精度0.015(mm)，故所選滾珠絲杠滿足剛度要求。穩(wěn)定性驗(yàn)算對(duì)已選定尺寸的絲杠在給定上的支撐條件下,承受最大軸向載荷時(shí),應(yīng)驗(yàn)算其有沒(méi)有產(chǎn)生縱向彎曲(失穩(wěn))危險(xiǎn).產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載 Fk=E絲杠材料彈性模量，對(duì)剛E=20.6×106I截面慣性矩(c

26、m4)l絲杠兩端支撐距離(cm)fz絲杠支撐系數(shù)絲杠采用兩端固定支撐方式,支撐系數(shù)fz=4截面慣性矩 I=×45.1812=204550.5 Fk=984331.1(N)穩(wěn)定性安全系數(shù) nk= =400.78取許用穩(wěn)定性安全系數(shù) nk=4由于nk>nk, 所以絲杠不至失穩(wěn).因?yàn)閷?dǎo)程為6mm和8mm的滾珠絲杠滿足要求，所以選擇導(dǎo)程為8mm的滾珠絲杠。§3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算初選三相異步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為28BF001,采用三相六拍工作方式，步距角為 3度。i=5二、齒輪傳動(dòng)比的確定1、傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的選擇 對(duì)于數(shù)控機(jī)車(chē)的齒輪傳動(dòng)，應(yīng)采用設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和工藝均較簡(jiǎn)單，

27、而且易獲得高精度的平行軸漸開(kāi)線圓柱齒輪傳動(dòng)。 通常，齒輪傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)級(jí)數(shù)少一些較好，因?yàn)榭梢詼p少零部件的數(shù)目，簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)，并且可以提高傳動(dòng)精度，減少空程誤差，有利于提高傳動(dòng)效率。故，在此選用漸開(kāi)線圓柱斜齒輪單級(jí)傳動(dòng)。一般模數(shù)取m=12，數(shù)控車(chē)取m=2.齒輪寬b=(36)mm為了消除齒側(cè)隙，寬度可加大到(610)mm. 所以：Z1=20 Z2=100d1=mZ1 d2=mZ1=220=40(mm) =2100=200(mm)da1=d1+2m=40+22 da2=d2+2m=200+22=44(mm) =204(mm)df1=d1-1.25m2 df2=d2-1.25m2=44-1.252

28、2 =204-1.2522=39(mm) =199(mm)b1=(610)m b2=(610)m取b1=16(mm) 取b2=14(mm)三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選擇1、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計(jì)算M圓柱體質(zhì)量(kg)D圓柱體直徑(cm)L圓柱體長(zhǎng)度或圓度(cm)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：（2）拖板運(yùn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量v工作臺(tái)移動(dòng)速度(cm/min)n絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)G工作臺(tái)質(zhì)量(N)g重力加速度(9.8m/s2)Lo絲杠導(dǎo)程(cm)（3）傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 因?yàn)镴L>4Jm=4×0.004=0.016kg

29、15;cm2，所以該電機(jī)不合適，改選100BF004電機(jī)。1、b=0.75o, i=0.75×6/(360×0.01)=1.25Z1=20, d1=40mm, Z2=iZ1=25, d2=50mm.Jz1=0.78×44×1.6×10-3=0.32kgcm2, Jz2=0.78kgcm2.JL=10.31kgcm2, Jm=3.43kgcm2. JL<4Jm.2、電機(jī)力矩的計(jì)算主要考慮快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩M起，和最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M切 1）空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩Mamax J傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg

30、.cm2)nmax電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min)ta運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大速度所需時(shí)間(s)Vmax運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度(mm/min)運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度Vmax=2.4(m/min)=2400(mm/min)則電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為：電機(jī)從靜止加速到最大轉(zhuǎn)速需要30ms，空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩Mamax查表初選110BF004型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為34.3kgcm22）摩擦力矩 MfFo導(dǎo)軌的摩擦力(N)Fz垂直方向的切削力(N)G運(yùn)動(dòng)部件的總重量(N)f導(dǎo)軌摩擦系數(shù)i齒輪降速比i=傳動(dòng)鏈總效率，一般取=0.70.85,取=0.7導(dǎo)軌的摩擦力 垂直方向的切削力Fy=2144(N),

31、導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.153）附加摩擦力矩 M0Fpo滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載（N），一般取進(jìn)給率引力的1/3 , 0-滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取00.9, 由前面算得0=0.9442。附加摩擦力矩 4）折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 Mt=Ft進(jìn)給方向最大切削力(N) 3、步進(jìn)電機(jī)的選擇首先根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjmax初選電機(jī)型號(hào) ML=Mo+Mt+Mf+Mamax=128+239+5.2+88.4=461Nmm=4.61Nm查表得：110BF004的Mjmax為4.9Nm, 因?yàn)镸L>0.5Mjmax=0.5*4.9=2.5Nm，所以該電機(jī)不合適，改選150BF002電機(jī)。一、 減速比的確

32、定減速比為： i=p脈沖當(dāng)量(mm/步)Lo滾珠絲杠的基本導(dǎo)程(mm)步進(jìn)電機(jī)的步距角由系統(tǒng)的定位精度要求可確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為： p =0.01mm初選三相異步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為150BF002,采用三相六拍工作方式，步距角為 =0.75o。i=1.6667二、齒輪傳動(dòng)比的確定1、傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的選擇 對(duì)于數(shù)控機(jī)車(chē)的齒輪傳動(dòng)，應(yīng)采用設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和工藝均較簡(jiǎn)單，而且易獲得高精度的平行軸漸開(kāi)線圓柱齒輪傳動(dòng)。 通常，齒輪傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)級(jí)數(shù)少一些較好，因?yàn)榭梢詼p少零部件的數(shù)目，簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)，并且可以提高傳動(dòng)精度，減少空程誤差，有利于提高傳動(dòng)效率。故，在此選用漸開(kāi)線圓柱斜齒輪單級(jí)傳動(dòng)。一般模數(shù)取

33、m=12，數(shù)控車(chē)取m=2.齒輪寬b=(36)mm為了消除齒側(cè)隙，寬度可加大到(610)mm. 所以：Z1=36 Z2=60d1=mZ1 d2=mZ1=236=72(mm) =260=120(mm)da1=d1+2m=72+22 da2=d2+2m=120+22=76(mm) =124(mm)df1=d1-1.25m2 df2=d2-1.25m2=72-1.2522 =120-1.2522=67(mm) =115(mm)b1=(612)mm b2=(612)mm取b1=12(mm) 取b2=8(mm)2、減少或消除空程誤差的方法 對(duì)斜齒圓柱齒輪采用軸向墊片調(diào)整法,修正或改變軸向調(diào)整墊片的厚度以減

34、少側(cè)隙,但不能自動(dòng)補(bǔ)償齒隙。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選擇1、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計(jì)算M圓柱體質(zhì)量(kg)D圓柱體直徑(cm)L圓柱體長(zhǎng)度或圓度(cm)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：（2）拖板運(yùn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量v工作臺(tái)移動(dòng)速度(cm/min)n絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)G工作臺(tái)質(zhì)量(N)g重力加速度(9.8m/s2)Lo絲杠導(dǎo)程(cm)（3）傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2、電機(jī)力矩的計(jì)算主要考慮快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩M起，和最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M切 1）空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩Mamax J傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(k

35、g.cm2)nmax電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min)ta運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大速度所需時(shí)間(s)Vmax運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度(mm/min)運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度Vmax=2.4(m/min)=2400(mm/min)則電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為：電機(jī)從靜止加速到最大轉(zhuǎn)速需要30ms，空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩Mamax查表初選150BF002型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為9.8kg.cm2則電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=JL+J電機(jī)=27.948+9.8=40.263( kg.cm2)2）摩擦力矩 MfFo導(dǎo)軌的摩擦力(N)Fz垂直方向的切削力(N)G運(yùn)動(dòng)部件的總重量(N)f導(dǎo)軌摩擦系數(shù)i齒輪降速比i=傳動(dòng)

36、鏈總效率，一般取=0.70.85,取=0.7導(dǎo)軌的摩擦力 垂直方向的切削力Fy=2144(N), 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.153）附加摩擦力矩 M0Fpo滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載（N），一般取進(jìn)給率引力的1/3 , 0-滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取00.9, 由前面算得0=0.9442。附加摩擦力矩 4）折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 Mt=Ft進(jìn)給方向最大切削力(N) 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 =702.72+100.8386+2.7818=806.83(N.cm)最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 =100.8386+2.7818+268.03=371.651(N.cm)3、步進(jìn)電機(jī)的選擇首先根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩M

37、jmax初選電機(jī)型號(hào) 步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mp=maxM起 M切=806.83(N.cm)電機(jī)的啟動(dòng)力矩與最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩之間具有下列關(guān)系：=選擇三相六拍步進(jìn)電機(jī)，其=0.951則：最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 Mjmax=847.89(N.cm)預(yù)選型號(hào)為150BF002的步進(jìn)電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為Mjmax=1372（N.cm）,其值大于求得的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，故所選電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩能滿足要求。計(jì)算電機(jī)工作頻率1） 最大空載起動(dòng)頻率 fk= Vmax運(yùn)動(dòng)部件最大快速進(jìn)給速度(m/min)運(yùn)動(dòng)部件的最大快速進(jìn)給速度Vmax=2.4(m/min)則 fk=4000(step/s)fk<fmax=8000(step

38、/s),滿足要求.2)切削時(shí)的最大工作頻率Vs最大切削進(jìn)給速度(m/min)p脈沖當(dāng)量(mm/step)最大切削進(jìn)給速度Vs=Vmax=×0.6=0.3(m/min)則 fc=500(step/s)校核步進(jìn)電機(jī)1) 校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和慣量的匹配條件為了使步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動(dòng)能力及較快的響速度，通常推薦傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML=371.65(N.cm)故所選步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動(dòng)能力及較快的響速度。2) 校核起動(dòng)轉(zhuǎn)矩頻率特性和運(yùn)行轉(zhuǎn)矩頻率特性根據(jù)計(jì)算出的最大空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)最大工作頻率分別查出在此頻率下電機(jī)不失步是所允許的最大力矩Mdme和Mdmk，應(yīng)滿足：Fz=53

39、60(N)Fx=1340(N)Fy=2144(N)Fm=2456(N)Lo=4(mm)C=10482.88（N）Lo=6(mm)C=9157.64(N)Lo=8(mm)C=8320.265(N)Do=50(mm)=0.9246d1=35.18 (mm)F=972 (mm2)1=±0.0154 (mm)D1=35.99mmF=1017mm21=±0.0147(mm)D1=45.99mmF=1660.8mm21=0.0093mm2=0.00205mm3=0.0031mm滿足剛度要求。Fk=1056299.2Nnk=430.077=0.9447d1=45.1812 (mm)F=1

40、603.27 (mm2)1=±0.0096 (mm)2=0.002491(mm)3=0.0031(mm)滿足剛度要求Fk=984331.1(N)nk=400.78選擇導(dǎo)程為8mm的滾珠絲杠。公稱(chēng)直徑為50mm。i=5Z1=20Z2=100d1=40d2=200Js=14.6kg.cm2Jz1=0.319kg.cm2Jz2=200kgcm2JG=0.73kg.cm2JL=9.3kgcm2Z1=20,Z2=25JL=10.31kgcm2nmax=500r/minMamax=239NcmMf=88.4NcmM0=5.2NcmMt=128Ncmi=1.6667Z1=36Z2=60d1=72(

41、mm) d2=120(mm)df1=67(mm)df2=115(mm)b1=12(mm)b2=8(mm)Js=63.375(kg.cm2)=2.515(kg.cm2)=12.939(kg.cm2)=1.3234(kg.cm2)JL=27.948(kg.cm2)初選150BF002型電動(dòng)機(jī)J=40.263( kg.cm2)=702.72(N.cm)Mf =100.84(N.cm)Mo=2.7818(N.cm)Mt=268.03(N.cm)=806.83（N.cm）=371.65（N.cm）Mp=806.83N.cmMjmax=847.89(N.cm)滿足最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的要求。fk=4000(ste

42、p/s)fc=500(step/s)<0.5<4查表可知，150BF002的空載運(yùn)行力矩，滿足要求。若其不能滿足的要求，可采取降壓起動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)空載起動(dòng)。第三章、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè) 計(jì)計(jì)算和參數(shù)選擇一、 單片機(jī)的選擇根據(jù)總體方案的確定，微機(jī)已采用MCS-51系列單片機(jī)，51系列相對(duì)48系列單片機(jī)指令更豐富，相對(duì)96系列價(jià)格更便宜，51系列有三種型號(hào)：8031是無(wú)ROM的8051；8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，數(shù)控機(jī)中應(yīng)用最多的是8031單片機(jī)。本設(shè)計(jì)采用8031。二、 擴(kuò)展存貯器設(shè)計(jì)地址鎖存由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

43、地址線低8位的鎖存器。擴(kuò)展ROM8031無(wú)內(nèi)部ROM，須擴(kuò)展外部ROM，由車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)包含系統(tǒng)控制程序和加工程序，采用16K*8的27128蕊片，可與單片機(jī)所選的12MHZ時(shí)鐘相匹配。 ROM的地址范圍為0000H3FFFH，并且采用譯碼器，使地址范圍為無(wú)重疊區(qū)。擴(kuò)展RAM8031片內(nèi)僅有RAM128字節(jié)需擴(kuò)展，采用8K*8的6264蕊片，其地址范圍為60007FFFH，也采用譯碼器，使其無(wú)重疊區(qū)的地址范圍。三、 I/O擴(kuò)展8031只有P1口可作為普通I/O口用，所以需擴(kuò)展，需要計(jì)算一下總共需多少I(mǎi)/O口線，設(shè)計(jì)中，鍵盤(pán)需32個(gè)鍵，采用矩陣式鍵盤(pán)。需13個(gè)I/O口；顯示器采用8個(gè)LED，需9個(gè)

44、I/O口；一個(gè)三相步進(jìn)電機(jī)，采用硬件脈沖分配器，需5個(gè)I/O口，兩個(gè)坐標(biāo)軸的超程式報(bào)警及故障顯示及緊急停均采用8031的I/O口，不作內(nèi)擴(kuò)展口計(jì)算，為使系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，仍可使用原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行加工或由微機(jī)控制自動(dòng)轉(zhuǎn)換刀架或用手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架，需用6個(gè)I/O口；為控制工作臺(tái)X軸、Z軸的速度和位移，使其具有暫停功能，起動(dòng)鍵可繼續(xù)執(zhí)行及單步控制功能，需采用一個(gè)8155蕊片和一片8255蕊片肯定可以滿足要求。四、 伺服驅(qū)動(dòng)電路五、 超程保護(hù)電路六、 緊急停電電路：可采用兩點(diǎn)控制環(huán)節(jié)為便于操作人員的操作也應(yīng)經(jīng)過(guò)隔音電路。 七、 鍵盤(pán)與顯示電路：采用一片8155八、 由地址范圍計(jì)算74LS138譯碼器接口電路a

45、蕊片27128地址范0000H3FFFH，共有14根地址線。C BA15 A14P2.7 P2.6A13A1 A0P2.5P0.1 P0.00 00 000 011 1查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)表4-2 74LS138功能表C B A0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 11 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 0 1 11 1 1 1 0 1 1 11 1 1 0 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1由于27128需14個(gè)引腳，所以在74LS138中引腳C接地，由A、B腳來(lái)確定中的選擇。由地址范圍可知ABC為000，所以選擇腳，即當(dāng)H，。b.蕊片6264地址范圍4000H5FFFH需13個(gè)引出腳。本應(yīng)該尋址范圍為4000H7FFFH但由于只連接了13個(gè)引腳所以只能地址范圍為4000H5FFFH的8K的地址范圍。A B0 1 0 0 0 00 1 0 1 1 1