機電一體化系統(tǒng)(數(shù)控機床CA6140)伺服和傳動部分課程設(shè)計說明書

1、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計說明書設(shè)計題目：CA6140型車床縱向進給系統(tǒng)數(shù)控改裝前 言我國目前機床總量為380萬余臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，這說明我國機床數(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)機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種機床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、成本高等缺點，因此這些產(chǎn)品在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭了，這直接影響了企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須提高機床的數(shù)控化率。在過去的幾十年，雖然金屬切削的基本原理變化不大，但隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，要求制造業(yè)向自動化和精密化方向發(fā)展，而刀具材料和電子技術(shù)的進步，特別是微電子技術(shù)、

2、電子計算機的技術(shù)進步，運用到控制系統(tǒng)中，既能幫助機床的自動化，又能提高加工精度。這些都要求對舊機床進行改造。另外，在經(jīng)濟方面，用機床的數(shù)控改造比更新設(shè)備節(jié)約50%的資金。再加上市場的原因，由于目前機床市場供給無法滿足大量的機床設(shè)備的更新需要，因此更顯示出機床數(shù)控改造的必要性。對于我國的實際情況，大批量的購置數(shù)控機床是不現(xiàn)實也是不經(jīng)濟的，只有對現(xiàn)有的機床進行數(shù)控改造。數(shù)控改造相對于購置數(shù)控機床來說，能充分發(fā)揮設(shè)備的潛力，改造后的機床比傳統(tǒng)機床有很多突出優(yōu)點，由于數(shù)控機床的計算機有很高的運算能力，可以準(zhǔn)確的計算出每個坐標(biāo)軸的運動量，加工出較復(fù)雜的曲線和曲面。其計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程

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

4、他傳統(tǒng)的自動化改造方案有較大的通用性和可用性，且投入費用低，用戶承擔(dān)得起。由于自投入使用以來取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益，已成為我國設(shè)備技術(shù)改造中主要方向之一，也為我國傳統(tǒng)機械制造技術(shù)朝機電一體化技術(shù)方向過渡的主要內(nèi)容之一。CA6140普通車床微機數(shù)控改造設(shè)計任務(wù)書一、 設(shè)計任務(wù)將CA6140普通車床改造成用MCS-51系列單片機控制的經(jīng)濟型的數(shù)控車床，要求該車床縱向有直線和圓弧插補功能。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)最大加工長度：1000mm絲杠縱向長度：13001500mm原車床絲杠縱向直徑：22mm縱向?qū)к夘愋停壕C合性導(dǎo)軌主軸轉(zhuǎn)速范圍

5、：正轉(zhuǎn)（24級） 101400rpm 反轉(zhuǎn)（12級） 141580rpm溜板及刀架縱向重力：800N刀架縱向快移速度：2.4m/min最大縱向切削進給速度：0.6m/min主電機功率：735kW/1450rpm啟動加速時間：30ms機床定位精度：±0.015mm三、 設(shè)計要求1 改裝后數(shù)控車床應(yīng)具有性能：數(shù)控代碼制：ISO脈沖分配方式：逐點比較法輸入方式：增量值、絕對值通用同時控制坐標(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刀具補償量：099.99mm進給傳動鏈縱向間隙補償量：0.15mm自動升降速性能：有2 改裝后數(shù)控車床的工藝范圍：具有快速定位，直線

6、插補，順、逆圓插補，暫停，循環(huán)加工。3 對微機數(shù)控系統(tǒng)的要求：微機控制系統(tǒng)要有可靠性好、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?？刂葡到y(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(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。四、 設(shè)計工作量1 一張縱向進給機構(gòu)的結(jié)構(gòu)改裝圖（A1）；2 一張驅(qū)動電路原理圖（A2）3 一份設(shè)計說明書包括以下內(nèi)容：1） 前言（數(shù)控改裝的意義、用途及目的等）；2） 設(shè)計的主要思路：系統(tǒng)總體方案的確定、機械系統(tǒng)方案設(shè)計、控制系統(tǒng)方案設(shè)計；3） 機械部分改裝設(shè)計計算：（1） 滾珠絲杠螺母副的確定；（2） 傳動齒輪的傳動比和齒數(shù)的確定；（3） 步進電機的選擇。

7、4） 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計計算和參數(shù)選擇；5） 步進電機接口及驅(qū)動電路設(shè)計；6） 總結(jié)及結(jié)束語第一章 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，在機械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機車，如果改用微機控制，實現(xiàn)機電一體化的改造，會使機床適應(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，適合我國國情。利用微機實現(xiàn)機車的機電一體化改造的方法有兩種：一種是以微機為中心設(shè)計控制部分；另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)的步進電機數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。后者選用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機數(shù)控系統(tǒng)，比較簡單。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機數(shù)控系統(tǒng)通過采用單片機、驅(qū)動電源、步進電機及專用的控制程序組成開環(huán)控制系統(tǒng)。

8、起結(jié)果簡單、價格低廉。對機床的控制過程大多是由單片機按照輸入脈沖的加工程序進行插補運算，產(chǎn)生進給，由軟件或硬件實現(xiàn)脈沖分配，輸入一系列脈沖，經(jīng)功率放大、驅(qū)動刀架、縱橫軸運動的步進電機，實現(xiàn)刀具按規(guī)定的輪廓軌跡運動。微機進行插補運算的速度較快，可以讓單片機每完成一次插補、進給，就執(zhí)行一次延時程序，由延時程序控制進給速度。電機功率放大電路 光電隔離 驅(qū)動器 I/O口擴展存儲器擴展微機CPU電機急停第 I 條 STOP清零等功能鍵（車刀）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 機二、 機械傳動系統(tǒng)的改造方案的確定在熟悉原機床的操作過程及傳動系統(tǒng)后，根據(jù)設(shè)計要求確定系統(tǒng)的機械傳

9、動系統(tǒng)改造方案。包括電機型號的選擇，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及安裝形式如何確定，導(dǎo)軌的設(shè)計方法等。對CA6140車床的縱向（Z向）進給運動進行數(shù)控改造，此時可將開喝螺母合上，離合器M5脫開，使主運動與進給運動脫開，此時，將脫落螺桿等橫向自動進給機構(gòu)調(diào)至空擋（脫開）位置。若原刀架為自動轉(zhuǎn)位刀架，則可以由微機控制自動換刀具，否則仍由手動轉(zhuǎn)動刀架。如需加工螺紋，則要在主軸外端或其他適合位置安裝一個脈沖發(fā)生器來檢測主軸轉(zhuǎn)位，用它發(fā)出的脈沖來保證主軸旋轉(zhuǎn)運動與縱向進給運動的相互關(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)實際情況進行檢修，才能保證控制精度。原有機床運動部件（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），以提高步進電機驅(qū)動力矩的效率。對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床型號的不同，應(yīng)通過計算，選用與之相匹配的步進電機。對加工精度要求較高的機床，其進給絲杠應(yīng)換成滾珠絲杠副。三、 微機控制系統(tǒng)方案的確定1、機控制系統(tǒng)的總體組成 數(shù)控部分采用MCS-51系列的單片機控制，其典型代表有8031、8051、8075等，其中8031的價格

11、低，功能強，比較適合于一般機床的數(shù)控改造，但由于其無內(nèi)存，必須外接存儲器及I/O擴展芯片才可以成為一個較簡單的微機控制系統(tǒng)。 存儲芯片的選擇依據(jù)系統(tǒng)控制程序的大小及CPU的字長，I/O擴展芯片和I/O通道的個數(shù)來確定。2、軟硬件任務(wù)合理分配 主要是控制步進電機的脈沖發(fā)生與脈沖分配；數(shù)碼顯示的字符發(fā)生；鍵盤掃描管理。三者都可以用專用硬件芯片或軟件編程實現(xiàn)。用硬件實現(xiàn)，編程簡單，但增加硬件成本及故障源。用軟件實現(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現(xiàn)時，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，根據(jù)自我經(jīng)驗和能力來確定。第二章 機車進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算計算與說明主要結(jié)果§1系統(tǒng)負載的確定一

12、、確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機車加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)車床采用的脈沖當(dāng)量是0.010.005mm/脈沖，此次改造的CA6140車床在縱向的脈沖當(dāng)量取0.01mm/脈沖。二、切削力計算用經(jīng)驗公式計算主切削力對于車床的主切削力縱切： Fz =0.67Dmax1.5 (N)Dmax車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、計算與選型一、 計算進給率引力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工作臺重量G=800(N) Fm =1.15×1340+0.15×（5360+800） =2456(N)二、 計算最大動載荷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給速度(m/min),可取最高進給速度的現(xiàn)取最高進給速度的 的Lo絲杠的導(dǎo)程(mm)T使用壽命(h), 對

14、于數(shù)控機車T=15000hfw運轉(zhuǎn)系數(shù)查表得運轉(zhuǎn)系數(shù)fw=1.2，取硬度為60HRC，查表得硬度系數(shù)fH=1.0 。則最大動載荷CC=fWfH Fm=×1.2×1×2456=×16640.53選基本導(dǎo)程Lo=4(mm)則最大動載荷C=×16640.53=10482.88（N）查表無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查江漢機床廠C1型滾珠絲杠。其公稱直徑Do=50

15、(mm),時Lo=6(mm) Lo=8(mm)都滿足C<Ca（1）當(dāng)Lo=6(mm)時：傳動效率計算傳動效率 =絲杠螺旋升角摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(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滿足要求剛度驗算絲杠的拉伸或壓縮變形量1L =L在工作負載在工作負載作用下引起的每一導(dǎo)程的變化量(mm)Fm工作負載，即進給率引力(N)Lo滾珠絲杠的導(dǎo)程(mm)E材料的彈性模數(shù)，對鋼E=20.6×104(N/mm2)F

16、滾珠絲杠的截面積(mm2)Do絲杠的公稱直徑e偏心距R螺紋滾道半徑初選公稱直徑為40mm的絲杠驗算：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、總長度上拉伸或壓縮變形量1為：1=±=±0.0147(mm)由于機床精度要求為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：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滾珠絲杠公稱直徑(mm)預(yù)緊力 Fy=FmZ=-3=-3=36.6(個)則： Z=36.6×1×3=109.7(個)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軸承的滾動體數(shù)目dQ軸承滾動體直徑(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)軸承滾動體數(shù)目 Z=14.2=14(個)則：3=0.0024=0.0031(mm)滾珠絲杠副剛度的驗算，主要是驗算1、2、3之和不應(yīng)大于機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，可將原機床的剛度提高4倍。因此只要1+2+3機床精度要求。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)定性驗算對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,應(yīng)驗算其有沒有產(chǎn)生縱向彎曲(失穩(wěn))危險.產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負載 Fk=E絲杠材料彈性模量，對剛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：傳動效率計算傳動效率 =絲杠螺旋

22、升角摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(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滿足要求剛度驗算絲杠的拉伸或壓縮變形量1L =L在工作負載在工作負載作用下引起的每一導(dǎo)程的變化量(mm)Fm工作負載，即進給率引力(N)Lo滾珠絲杠的導(dǎo)程(mm)E材料的彈性模數(shù)，對鋼E=20.6×104(N/mm2)F滾珠絲杠的截面積(mm2)Do絲杠的公稱直徑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：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滾珠絲杠公稱直徑(mm)預(yù)緊力 Fy=FmZ=-3=-3=29.979(個)則： Z=30×1×2.5=75(個)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軸承的滾動體數(shù)目dQ軸承滾動體直徑(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)軸承滾動體數(shù)目 Z=

25、14.2=14(個)則：3=0.0024=0.0031(mm)滾珠絲杠副剛度的驗算，主要是驗算1、2、3之和不應(yīng)大于機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，可將原機床的剛度提高4倍。因此只要1+2+3機床精度要求。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)定性驗算對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,應(yīng)驗算其有沒有產(chǎn)生縱向彎曲(失穩(wěn))危險.產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負載 Fk=E絲杠材料彈性模量，對剛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).因為導(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 進給伺服系統(tǒng)傳動計算初選三相異步電動機的型號為28BF001,采用三相六拍工作方式，步距角為 3度。i=5二、齒輪傳動比的確定1、傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的選擇 對于數(shù)控機車的齒輪傳動，應(yīng)采用設(shè)計、結(jié)構(gòu)和工藝均較簡單，

27、而且易獲得高精度的平行軸漸開線圓柱齒輪傳動。 通常，齒輪傳動鏈的傳動級數(shù)少一些較好，因為可以減少零部件的數(shù)目，簡化傳動鏈的結(jié)構(gòu)，并且可以提高傳動精度，減少空程誤差，有利于提高傳動效率。故，在此選用漸開線圓柱斜齒輪單級傳動。一般模數(shù)取m=12，數(shù)控車取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、步進電動機的計算和選擇1、轉(zhuǎn)動慣量的計算齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計算M圓柱體質(zhì)量(kg)D圓柱體直徑(cm)L圓柱體長度或圓度(cm)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為：齒輪的轉(zhuǎn)動慣量為：（2）拖板運動慣量轉(zhuǎn)換到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量v工作臺移動速度(cm/min)n絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)G工作臺質(zhì)量(N)g重力加速度(9.8m/s2)Lo絲杠導(dǎo)程(cm)（3）傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 因為JL>4Jm=4×0.004=0.016kg

29、15;cm2，所以該電機不合適，改選100BF004電機。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、電機力矩的計算主要考慮快速空載起動時所需力矩M起，和最大切削負載時所需力矩 M切 1）空載起動時折算到電機軸上的加速力矩Mamax J傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量(kg

30、.cm2)nmax電機最大轉(zhuǎn)速(r/min)ta運動部件從停止起動加速到最大速度所需時間(s)Vmax運動部件最大快進速度(mm/min)運動部件最大快進速度Vmax=2.4(m/min)=2400(mm/min)則電機的最大轉(zhuǎn)速為：電機從靜止加速到最大轉(zhuǎn)速需要30ms，空載起動時折算到電機軸上的加速力矩Mamax查表初選110BF004型電動機的轉(zhuǎn)動慣量為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運動部件的總重量(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)加負載（N），一般取進給率引力的1/3 , 0-滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取00.9, 由前面算得0=0.9442。附加摩擦力矩 4）折算到電機軸上的切削負載力矩 Mt=Ft進給方向最大切削力(N) 3、步進電機的選擇首先根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjmax初選電機型號 ML=Mo+Mt+Mf+Mamax=128+239+5.2+88.4=461Nmm=4.61Nm查表得：110BF004的Mjmax為4.9Nm, 因為ML>0.5Mjmax=0.5*4.9=2.5Nm，所以該電機不合適，改選150BF002電機。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)步進電機的步距角由系統(tǒng)的定位精度要求可確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為： p =0.01mm初選三相異步電動機的型號為150BF002,采用三相六拍工作方式，步距角為 =0.75o。i=1.6667二、齒輪傳動比的確定1、傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的選擇 對于數(shù)控機車的齒輪傳動，應(yīng)采用設(shè)計、結(jié)構(gòu)和工藝均較簡單，而且易獲得高精度的平行軸漸開線圓柱齒輪傳動。 通常，齒輪傳動鏈的傳動級數(shù)少一些較好，因為可以減少零部件的數(shù)目，簡化傳動鏈的結(jié)構(gòu)，并且可以提高傳動精度，減少空程誤差，有利于提高傳動效率。故，在此選用漸開線圓柱斜齒輪單級傳動。一般模數(shù)取

33、m=12，數(shù)控車取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,但不能自動補償齒隙。三、步進電動機的計算和選擇1、轉(zhuǎn)動慣量的計算齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計算M圓柱體質(zhì)量(kg)D圓柱體直徑(cm)L圓柱體長度或圓度(cm)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為：齒輪的轉(zhuǎn)動慣量為：（2）拖板運動慣量轉(zhuǎn)換到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量v工作臺移動速度(cm/min)n絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)G工作臺質(zhì)量(N)g重力加速度(9.8m/s2)Lo絲杠導(dǎo)程(cm)（3）傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 2、電機力矩的計算主要考慮快速空載起動時所需力矩M起，和最大切削負載時所需力矩 M切 1）空載起動時折算到電機軸上的加速力矩Mamax J傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量(k

35、g.cm2)nmax電機最大轉(zhuǎn)速(r/min)ta運動部件從停止起動加速到最大速度所需時間(s)Vmax運動部件最大快進速度(mm/min)運動部件最大快進速度Vmax=2.4(m/min)=2400(mm/min)則電機的最大轉(zhuǎn)速為：電機從靜止加速到最大轉(zhuǎn)速需要30ms，空載起動時折算到電機軸上的加速力矩Mamax查表初選150BF002型電動機的轉(zhuǎn)動慣量為9.8kg.cm2則電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量J=JL+J電機=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運動部件的總重量(N)f導(dǎo)軌摩擦系數(shù)i齒輪降速比i=傳動

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)加負載（N），一般取進給率引力的1/3 , 0-滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取00.9, 由前面算得0=0.9442。附加摩擦力矩 4）折算到電機軸上的切削負載力矩 Mt=Ft進給方向最大切削力(N) 快速空載起動時所需力矩 =702.72+100.8386+2.7818=806.83(N.cm)最大切削負載時所需力矩 =100.8386+2.7818+268.03=371.651(N.cm)3、步進電機的選擇首先根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩M

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

38、/s),滿足要求.2)切削時的最大工作頻率Vs最大切削進給速度(m/min)p脈沖當(dāng)量(mm/step)最大切削進給速度Vs=Vmax=×0.6=0.3(m/min)則 fc=500(step/s)校核步進電機1) 校核步進電機轉(zhuǎn)矩和慣量的匹配條件為了使步進電機具有良好的起動能力及較快的響速度，通常推薦傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩ML=371.65(N.cm)故所選步進電機具有良好的起動能力及較快的響速度。2) 校核起動轉(zhuǎn)矩頻率特性和運行轉(zhuǎn)矩頻率特性根據(jù)計算出的最大空載起動頻率和切削時最大工作頻率分別查出在此頻率下電機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型電動機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的空載運行力矩，滿足要求。若其不能滿足的要求，可采取降壓起動來實現(xiàn)空載起動。第三章、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè) 計計算和參數(shù)選擇一、 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，數(shù)控機中應(yīng)用最多的是8031單片機。本設(shè)計采用8031。二、 擴展存貯器設(shè)計地址鎖存由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。擴展ROM8031無內(nèi)部ROM，須擴展外部ROM，由車床數(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，可與單片機所選的12MHZ時鐘相匹配。 ROM的地址范圍為0000H3FFFH，并且采用譯碼器，使地址范圍為無重疊區(qū)。擴展RAM8031片內(nèi)僅有RAM128字節(jié)需擴展，采用8K*8的6264蕊片，其地址范圍為60007FFFH，也采用譯碼器，使其無重疊區(qū)的地址范圍。三、 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，設(shè)計中，鍵盤需32個鍵，采用矩陣式鍵盤。需13個I/O口；顯示器采用8個LED，需9個

44、I/O口；一個三相步進電機，采用硬件脈沖分配器，需5個I/O口，兩個坐標(biāo)軸的超程式報警及故障顯示及緊急停均采用8031的I/O口，不作內(nèi)擴展口計算，為使系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，仍可使用原驅(qū)動系統(tǒng)進行加工或由微機控制自動轉(zhuǎn)換刀架或用手動轉(zhuǎn)動刀架，需用6個I/O口；為控制工作臺X軸、Z軸的速度和位移，使其具有暫停功能，起動鍵可繼續(xù)執(zhí)行及單步控制功能，需采用一個8155蕊片和一片8255蕊片肯定可以滿足要求。四、 伺服驅(qū)動電路五、 超程保護電路六、 緊急停電電路：可采用兩點控制環(huán)節(jié)為便于操作人員的操作也應(yīng)經(jīng)過隔音電路。 七、 鍵盤與顯示電路：采用一片8155八、 由地址范圍計算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查機電一體化系統(tǒng)設(shè)計表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個引腳，所以在74LS138中引腳C接地，由A、B腳來確定中的選擇。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個引出腳。本應(yīng)該尋址范圍為4000H7FFFH但由于只連接了13個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