CA6140普通車床數(shù)控化改造5156011

PAGEPAGE23目錄摘要…………………………ⅰAbstract……………………ⅱ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)X—Y數(shù)控工作臺及其控制系統(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……………203-2MCS-51系列單片機(jī)簡介………213-3存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)…………283-4I/O接口電路及輔助電路設(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緒論隨著社會生產(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)、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機(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，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，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數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)。這是一臺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)、自動控制和精密測量等相關(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。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)。所有這些高級的自動化生產(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。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，并試制成功第一臺電子管數(shù)控機(jī)床。從1965年開始，研制晶體管數(shù)控系統(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，還開展了數(shù)控加工平面零件自動編程的研究。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。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)床已跨入一個新的發(fā)展階段。四、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢從數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢。對單臺主機(jī)不僅要求提高其柔性和自動化程度，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，并采用先進(jìn)的電裝工藝。在驅(qū)動系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動已由模擬式向數(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)、市場和生產(chǎn)上的原因。我國是擁有300多萬臺機(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，在應(yīng)用上比其它傳統(tǒng)的自動化改裝方案，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)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，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)及傳動方式的確定，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)個總體方案，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。1-1總體方案確定一、系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(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，要求工作臺或刀具沿各坐標(biāo)軸運(yùn)動有確定的函數(shù)關(guān)系，即刀具以給定的速率相對于工件沿加工路徑運(yùn)動，所以不能選用點(diǎn)位系統(tǒng)，因?yàn)辄c(diǎn)位控制系統(tǒng)要求工件相對于刀具移動過程中不進(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)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)?？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)齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副以及滾動導(dǎo)軌。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副機(jī)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(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)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。此工作臺采用滾珠絲杠螺母副和滾動導(dǎo)軌。為盡量消除傳動間隙，可設(shè)法調(diào)整傳動齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仍采用高性能價格比的MCS-51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。微機(jī)機(jī)Y向微機(jī)機(jī)步進(jìn)電機(jī)功率放大光電隔離步進(jìn)電機(jī)功率放大光電隔離上拖板上拖板X向步進(jìn)電機(jī)光電隔離功率放大步進(jìn)電機(jī)光電隔離功率放大下拖板下拖板圖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φ400㎜在床鞍上φ210㎜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起動加速時間30ms機(jī)床定位精度:±0.015mm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)動部件慣量計(jì)算，空載起動及切削力計(jì)算，確定伺服電機(jī)，傳動及導(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)量的選擇一個進(jìn)給脈沖，使機(jī)床運(yùn)動部件產(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0.01～0.005mm/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，計(jì)算傳動和導(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=0.67×400=5360按切削力各分力比例： =5360×0.25=1340=5360×0.4=21442.橫切端面主切削力可取縱切的1/2.此時走刀抗力為(N),吃刀抗力為.仍按上述比例粗略計(jì)算:::=1:0.25:0.4=2680×0.25=670=2680×0.4=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)K、精度等級等。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。我們在此選用螺旋槽式外循環(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，滾道磨損時可隨時調(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的走刀抗力以及移動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：=1340N=5360N=1000N=1.15=0.16得：(N)=+(+G)=1.15×1340+0.16×(5360+1000)=2559N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;--滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.15～0.18; --溜板及刀架重力:=1000N.2.計(jì)算最大動負(fù)載利用滾珠絲杠副的直徑d0時，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。這個軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負(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=1.2～1.5;--壽命，以10轉(zhuǎn)為1個單位。將數(shù)據(jù)分別帶入上式得：==50r/min===45=×1.2×2559=10799N3.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)緊的雙螺母滾珠絲杠副,1列2.5圈,其額定動負(fù)載為16400N,精確等級按表4-15選為3級(大致相當(dāng)于老標(biāo)準(zhǔn)級).4.傳動效率計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為：η=式中—螺旋升角,WL3506=3°39′--摩擦角取10′滾動摩擦系數(shù)0.003～0.004將各數(shù)據(jù)帶入上式得：η==5.剛度驗(yàn)算滾珠絲杠副的軸向變形會影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動的平穩(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2559N.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)=2559N，=35㎜，*查出=1.2*10，可算出：×1500=1.6×10×1500=2.4×10（㎜）.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:==0.6×10(2)滾珠與螺紋滾道接觸變形查圖4-7,系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量:=7.1μm因進(jìn)行了預(yù)緊,==×7.1=3.35μm(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㎜,滾動體數(shù)量=18,=0.0024=0.00240.0075(㎜)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㎜<定位精度6.穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(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墳檠辔残?計(jì)算如下:由前所知：=1072N=670N =2680N=600N=0.2得：=1.4×+(+2+)=1.4×670+0.2×(2680+2×1072+600)2023N2.計(jì)算最大動負(fù)載===30===27==×1.2×2023=7283N3.選擇滾珠絲杠螺母副從附錄A表3中查出,WL35061列2.5圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副,額定動載荷為9700N,可滿足要求，選定精度為3級.4.傳動效率計(jì)算η===0.9655.剛度驗(yàn)算橫向進(jìn)給絲杠支承方式如圖2-2所示，最大牽引力為2425N，支承間距=450㎜，因絲杠長度較短，不需預(yù)緊，螺母及軸承預(yù)緊。圖2-2計(jì)算如下：（1）絲杠的拉伸或壓縮變形量（㎜）查圖4-6，根據(jù)=2023N,=20㎜,查出=4.2×10,可算出=×=4.2×10450=1.89×10㎜(2)滾珠與螺紋滾道間接觸變形量查圖4-7=8.5因進(jìn)行了預(yù)緊==×8.5=4.25(3)支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形采用8120推力球軸承,考慮到進(jìn)行了預(yù)緊,故綜合以上幾項(xiàng)變形之和:顯然此變形量已大于定位精度的要求,應(yīng)該采取響應(yīng)的措施修改設(shè)計(jì),因橫向溜板空間的限制,不宜再加大滾珠絲杠的直徑,估采用貼塑導(dǎo)軌見效摩擦力,從而減小最大牽引力.重新計(jì)算如下:從圖4-6查出當(dāng)時,和不變,則,定位精度為,估此變形量仍不能滿足,如果將滾珠絲杠再經(jīng)過預(yù)拉伸,剛度還可提高四倍,則變形量可控制在要求的范圍之內(nèi).6.穩(wěn)定性校核計(jì)算臨界負(fù)載 =式中材料彈性模量,鋼:=20.6×10N/㎝;截面慣性矩(㎝)絲杠:=,為絲杠內(nèi)徑;絲杠兩支承端距離(㎝);絲杠支承方式系數(shù),從表4-13中查出，一端固定,一端簡支=2.00==×1.6788=0.3899㎝===78214N===67.7>>[](一般[]=2.5～4)此滾珠絲杠不會產(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:名稱符號公式公稱直徑3520導(dǎo)程65接觸角3°7’4°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3°7’4°33’螺桿外徑3419.4螺桿內(nèi)徑30.98416.78螺桿紋接觸直徑31.25816.835螺母螺紋直徑39.36523.212螺母內(nèi)徑36.12520.6352-4齒輪傳動比計(jì)算1.縱向進(jìn)給齒輪箱傳動比計(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°?？捎?jì)算出傳動比 ===0.8可選定齒輪齒數(shù)為:==或2.橫向進(jìn)給齒輪箱傳動比計(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)算傳動比:===0.48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,故此處可采用兩級齒輪降速:==×=× =24、=40、=20、=25因進(jìn)給運(yùn)動齒輪受力不大，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（6~10）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，必須首先根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動裝置及負(fù)載折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，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、運(yùn)行矩頻特性選擇合適的步進(jìn)電機(jī)。一、縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算1.等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算計(jì)算見圖2-1，傳動系統(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)動慣量（㎏·㎝）;、齒輪、的傳動慣量（㎏·㎝）;滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量（㎏·㎝）。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)動慣量=10㎏·㎝。=0.78×10×·=0.78×10×6.4×2=2.62㎏·㎝=0.78×10×·=0.78*10×8×2=6.39㎏·㎝=0.78×10×4×150=29.952㎏·㎝=1000N代入上式：=++=10+2.62+=36.474㎏·㎝考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動系統(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，下面按個階段計(jì)算：（1）快速空載起動力矩起。在快速空載起動階段，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，式中各符號意義同前。=×==500。起動加速時間=30=×=36.474××10=636.6N·㎝折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩：====94N·㎝附加摩擦力矩：====805.3×0.19=153N·㎝上述三項(xiàng)合計(jì)：起=++=636.6+94+153=881.5N·㎝（2）快速移動時所需力矩快快=+=94+153=247N·㎝（3）最大切削負(fù)載時所需力矩切切=++=++=94+153+=94+153+127.96=375N·㎝從上面的計(jì)算可以看出，起、快和切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，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，==0.951。最大靜力矩=881.5/0.951=927N·㎝。按此最大靜轉(zhuǎn)距從表查出，型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72N·㎝。大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動距頻特性和運(yùn)行距頻特性。3.計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率和切削時的工作頻率===4000HZ===1000HZ從表中查出型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動頻率為2800HZ運(yùn)行頻率為8000HZ，130BF001步進(jìn)電機(jī)的起動矩頻特性和運(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)起動時，f起=2500Hz時，M=100，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動力矩（881.5）直接使用將會產(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)），將起動頻率將到1000Hz時，起動力矩可增到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，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)動和切削進(jìn)給時，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。2-6設(shè)計(jì)繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械裝配圖在完成運(yùn)動及動力計(jì)算后，已經(jīng)確定了滾珠絲杠螺母副、步進(jìn)電機(jī)規(guī)格型號，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸承型號之后，就可以畫出機(jī)械裝配圖。圖見0號大圖。從圖中可以看出，縱向進(jìn)給部分拆去原機(jī)床的進(jìn)給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等，裝上步進(jìn)電機(jī)、齒輪減速箱和滾珠絲杠螺母副。橫向進(jìn)給部分也用滾珠絲杠代替原來的滾動絲杠，并在大溜板的后面安裝橫向齒輪減速箱和步進(jìn)電機(jī)。并把原來的方刀架取掉，裝上自動轉(zhuǎn)位刀架及微型電機(jī)。總結(jié)經(jīng)過三個多月的工作，畢業(yè)設(shè)計(jì)到此已經(jīng)完成。在此，我衷心感謝我的老師和同學(xué)們，沒有老師的細(xì)心指導(dǎo)和同學(xué)的熱情幫助，設(shè)計(jì)是很難順利完成的。最后，我對這次設(shè)計(jì)做一簡單的總結(jié)。剛開始設(shè)計(jì)三周內(nèi)，我先通過圖書館和上網(wǎng)查閱了大量的資料，以全面、深入地了解與自己設(shè)計(jì)題目相關(guān)的知識，并且完成了外文資料的翻譯工作。在此期間我不僅對自己的設(shè)計(jì)題目有了深入的了解，并在此基礎(chǔ)上確定了總體設(shè)計(jì)方案，而且學(xué)會了如何在網(wǎng)上獲得自己所需資源。此后便開始了對伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與設(shè)計(jì)。此過程也就是綜合這四年來所學(xué)到的知識，選擇合適、安全的機(jī)械零件，其中設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容主要包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載，確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動部件慣量計(jì)算，空載起動及切削力矩計(jì)算，確定伺服電機(jī)，傳動及導(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圖等。通過這次設(shè)計(jì)，我對普通車床的改造有了系統(tǒng)性的認(rèn)識和基礎(chǔ)性的把握；熟悉了其設(shè)計(jì)原理及流程；并對傳動系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)進(jìn)行了針對性的學(xué)習(xí)。而且使我具有初步設(shè)計(jì)計(jì)算的能力以及分析和處理生產(chǎn)中所遇見的機(jī)、電方面技術(shù)的能力。當(dāng)然設(shè)計(jì)中還存在很多不足，有待于改進(jìn)，我會在以后的實(shí)際工作中不斷彌補(bǔ)不足、創(chuàng)新進(jìn)取。參考文獻(xiàn)1陳粵初、竇振中.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐.北京：航空航天大學(xué)出版社，19912方元青.金屬切削機(jī)床.中國礦業(yè)大學(xué)出版社，19903陳紹廉.數(shù)控機(jī)床改造技術(shù).航空工業(yè)出版社，19894許兆豐.數(shù)控銑床編程與操作.中國勞動出版社，19945廖為獻(xiàn).數(shù)控銑床加工中心自動編程.國防工業(yè)出版社，20026謝筑森.單片機(jī)開發(fā)與典型應(yīng)用設(shè)計(jì).中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，19977郝忠軍.數(shù)控機(jī)床原理及編程.西安：陜西機(jī)械學(xué)院，19868范俊廣.數(shù)控機(jī)床及其應(yīng)用.