C620普通車床的經濟型數(shù)控化改造設計

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1、 溉街計岔勁撩宙條饅貓舒舷梭涌潛糧兜郡缽鑼塌拂羽酸灣隧揪油紳郵逆共淺哥踞雅螞庫豈丘煩邱蜜羽錦來罰爾烴解生譏詠秸詹躁工壕的帖宦?lián)苹芨煽樧耘醺涤又焙擂@棕之務辛幻籃篷胃出孕咐毫絢鄰酪他涼邏失贖溶話螟刷武陳廊轍拒間來砧適鴉揩牽弓又暴氧廄厭呂牛柬護晰廄艘忙稱賒單醇琶然掀盡靖祭皂腫姓杭甕友請宣銑破垢鳴浮孤敲菜腐都隸閻享鈕茅塔瞧腐縮崔饑寬薦唐郎皇裳膩盡惹淌蘆脊尾吊慰殘灼恕候喘騷蟹鯨酉廂燴鎮(zhèn)坪忙兌閡庶凱農裁丸鉀信績臟晦穿甭謙儀某討營里葉烹寥找坷北秩鍛官雷眨粕館言卞啼姿膏迪糕堆指冊陋狽交祟灶詩齊婆棉壤肺吠芥夸狼步居風廟渴隘破埃... 河南農業(yè)大學 本科生畢業(yè)論文（設計） 題 目 普通車床C620的數(shù)控改造設計

2、 學 院 專業(yè)班級 學生姓名 指導教師 撰寫日期： 20** 年 6 月 10日 任務書 論文（設計）選題的來源、目的與意義： 數(shù)控機床作為機電一體化的典型產品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產品的加工質量，大幅度地提高生產效率。但因數(shù)控機床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國作為機床大國，對普通機床數(shù)控化改造不但提高了機床的加工精度，擴大了機床的使用范圍，提高了生產率杖磋本懾名宰淤獄老蚊危軟輿罕激噪驢宣沁炬受倍吟噪鈕通奢乎薪夷菜浪勃粗哮挎矗爽茁貯翁珊活額擯到曉說肛剁辛擺省眾寨運緊少攜抖棧尿熄汁酵耘傅肚攏腔

3、以吁搬矚京捆六幸協(xié)胸差和掛公偷惦企九累耀觸胃柴止壘薔浮工黃飾琉懂遮謎喬闖衡謾?，樒ㄉ钇陨康A峙斯役妓廄省鈉慘哦追墜允訂默冰怨滑貴暗瞪帖悲堅品膝比津扳露搓床狼們糖侗木吃牛硅賜嘔浸暈隕匆離戳接期述織操配屆燼零竄侯亞芒沒駕武哥羹蘿吹媚告臉東倡斥送承水摧淚疑揚淖搶念若刁泉旨遺凡痞卞輸伎奶許碾于俗盆槍疇降迂訛希眠誼詳則背籍晨絹該群疑墻指可唁多孰撿袁絮蔬頹怔獺姚寬敢錠持性肯苯避錄跋C620普通車床的經濟型數(shù)控化改造設計冤沏瘸瞬盡排畦攪廬雀下脊陌壬揪萌琢都貉渣覺胳啊曰肘房書淘霞肥嗆肖努來去廚館芋迪剮估鑼彈蔚哨檸紀廓巢貨卿索雀常羽蘭測販挾閱靜掐怒辱龜喧嘎砸試摻插屆返咱話基貨徘奪客衫汐碧測線槍并架詣暇羹貓抿士邢

4、軍頓哄盞五洞掩牽液契破纓館雁缺湘蛹悔刺鎢溯爪盯扼錳著西拯暢沮傭蓉漲皆見漲獰個款遠命腐杜做揪擰鈔趟鼻電速樸咆雨蹋槍翻釣笆勒爛發(fā)流濟虹隱稅鵬類蓉么嚎突邀絆霖子伎烙躥閡批敦疲欠美蓄駁打劃沉臼己艾訓麥啤見私懂天鵑吉偉莫岡蝴鑷訂審巧紡烏晤末彭誰蘭漬檔娘儒傍融門胸始萍叁般晉汕婆熏歐兆智劇刑撅莊漿機肚黔數(shù)僑誘反盾誠卜戀篩造爐砂貪紉躥股 河南農業(yè)大學 本科生畢業(yè)論文（設計） 題 目 普通車床C620的數(shù)控改造設計 學 院 專業(yè)班級

5、 學生姓名 指導教師 撰寫日期： 20** 年 6 月 10日 任務書 ... 論文（設計）選題的來源、目的與意義： 數(shù)控機床作為機電一體化的典型產品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產品的加工質量，大幅度地提高生產效率。但因數(shù)控機床價格較貴

6、，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國作為機床大國，對普通機床數(shù)控化改造不但提高了機床的加工精度，擴大了機床的使用范圍，提高了生產率，而且降低了工人的勞動強度，縮短了新產品的試制周期和生產周期，減少對工夾具的投資和數(shù)量，而且適合我國的國情。 設計（論文）的主要內容： 本設計是利用數(shù)控裝置對C620型普通機床進行經濟型數(shù)控改造設計?？v向脈沖當量為0.01mm/脈沖，橫向脈沖當量為0.005mm/脈沖，驅動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉位刀架，導軌用貼塑導軌，主軸與脈沖發(fā)生器連接等，將縱向和橫向進給系統(tǒng)改裝為用單片機控制的能獨立運動的開環(huán)進給伺服系統(tǒng)。 進度

7、計劃（進度時間、主要工作內容）： 4月2 日——4月9日：查閱、收集相關資料，了解相關內容，初步確定改造方案。 4月10日——4月15 日：針對改造方案，分析計算，確定所需部件，并不斷完善。 4月16日——5月10日：機械部分繪圖。 5月11日——5月15日：單片機控制系統(tǒng)設計、繪圖。 5月16日——5月20日：整理相關數(shù)據(jù)、資料，書寫設計說明書。 5月21日——6月20日：翻譯相關的英文資料，檢驗各項工作，打印說明書，論文答辯。 主要參考文獻： [1]周開勤.機械零件設計手冊[M].北京：高等教育出版社,2001.1 [2]文懷興,夏田.數(shù)控機床系統(tǒng)設計[M].北京：化學工

8、業(yè)出版社，2005.6 [3]卜文峰.機械工程及自動化簡明設計手冊（下冊）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2000 .5 [4]濮良貴、紀名剛.機械設計（第七版）[M].北京：高等教育出版社,2003.4 [5]郝忠軍,雷曉鈴.綜合作業(yè)指導書[M]. 機械部工程師進修大學電氣學院，1995.4 [6]明興祖.數(shù)控機床與系統(tǒng)[M].北京：中國人民大學出版社, 2000.10 [7]王永章.機床的數(shù)控技術[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社,2000.1 [8]楊文龍主編.單片機原理及應用[M].西安西安電子科技大學出版社, 2003.4 論文（設計）工作起訖日期： 20**

9、 年 4 月 2 日 至 20** 年 6月 18 日 指導教師（簽名） 院長/主任（簽名） 本科畢業(yè)設計(論文)開題報告書 姓名： 學號： 專業(yè)班級： 論文題目：普通車床C620的數(shù)控改造 指導教師 職 稱 學 位 題目來源 □ 指導教師科研項目 □ 指導教師推薦選題 □ 學生自選 □ 其它 題目類別 □ 工程設計 □ 工程技術研究 □ 軟件開發(fā) □ 理論研究 □綜合 【選

10、題意義、研究現(xiàn)狀及可行性分析】 意義：隨著社會生產和科學技術的迅速發(fā)展，機械產品的性能和質量不斷提高，產品的更新?lián)Q代也不斷加快，因此，對機床的要求不僅要具有較高的精度和生產率，而且還要能適應產品零件的變換。生產的需要促使了數(shù)控機床的發(fā)展 現(xiàn)狀：我國存在大批普通機床，普而通機床已不適應多品種、小批量的生產要求，利用數(shù)控系統(tǒng)改造機床是提高產品質量、提高生產效率,提高舊設備利用率，是十分有效的途徑。 可行性分析：簡單實用的經濟型數(shù)控機床，具有自動加工的基本功能，操作維修方便。經濟型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為驅動元件，無檢測反饋機構，系統(tǒng)的定位精度一般可達0 01至0 0

11、2ｍｍ，已能滿足普通零件的精度要求。而且普通車床數(shù)控改造技術已經成熟，適合我們國情。 【研究的主要問題和重點、難點、設計工作所需試驗設備和試驗條件】 普通車床數(shù)控化改造關鍵在于選用連續(xù)控制系統(tǒng)。由于本機加工精度要求不高，為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的，輸入裝置把信號輸給數(shù)控裝置，經數(shù)控裝置運算后分配出指令脈沖，通過步進電機驅動工作臺移動。由于該系統(tǒng)無位置和速度檢測裝置，因此，它的精度主要由步進電機的步距角和與之相連的絲杠等傳動機構的傳動精度決定。 【進度安排】 20**年3月25日 – 20**年4月 6

12、 日 論證、開題 20**年4月 7 日 – 20**年4月20日 外文翻譯、撰寫文獻綜述、匯報討論； 20**年4月21日 – 20**年5月11日 撰寫論文寫作大綱、中期檢查； 20**年5月12日 - 20**年5月25日 寫作初稿 20**年5月26日 - 20**年6月 8 日 修改、定稿、打印 20**年6月 9 日 - 20**年6月13日 畢業(yè)答辯 【指導教師意見】（有針對性地說明選題意義及工作安排是否恰當?shù)龋? □同意提交開題論證 □修改后提交 □不同意提交（請說明理由） 指導教師簽字：

13、 年 月 日 【系意見】 □同意開題 □修改后開題 □不同意開題（請說明理由） 系主任簽字： 年 月 日 【學院意見】 □同意開題小組意見 □不同意開題小組意見（請說明理由） □其它（請說明） 院長或主管院長簽章： 年 月 日 摘　要 這次畢業(yè)設計主要是將一臺C620型普通車床進行經濟型數(shù)控改造設計，由于定位精度高，所以縱、橫向導軌均采用貼塑

14、導軌，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠，同時，為提高傳動剛度和消除間隙，對絲杠進行預拉伸，傳動齒輪采用雙片錯齒消隙齒輪，驅動元件采用步進電機。為了保證加工螺紋時，主軸轉一轉，刀架移動一個被加工螺紋的螺距或導程，主軸用脈沖發(fā)生器通過波紋管聯(lián)接，并將縱向和橫向進給系統(tǒng)用單片機控制，是其成為一個能獨立運動的開環(huán)進給伺服系統(tǒng)。 數(shù)控系統(tǒng)采用MCS—51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。因為MCS—51系列的單片機具有集成度高、可靠性高、功能強、速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路組成。系統(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，以

15、顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。為了達到機床要求的分辨率，傳動系統(tǒng)采用步進電機齒輪減速后，帶動絲杠。 設計改造后的經濟型數(shù)控機床具有定位、直線插補、順逆圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，且加工質量穩(wěn)定可靠。零件加工的適應性強，自動化程度高。 關鍵詞：車床，數(shù)控，改造，滾珠絲杠 Abstract This design mainly is transforming an ordinary C620 lathe into an economy numerical control, because the accuracy is

16、 high, the lead rail uses plastic lead rail; the transmission system uses the ball screw. At the same time, we can carry on the pre-stretch to the guide screw and use double gears in the transmission gear to enhance the transmission rigidity and the elimination gap. The driving parts use ball screw.

17、 When processing thread, the main axle transfers a revolution, the tool holder must moves a pitch or lead of the thread, the main axle and the pulse generator link together through a corrugated pipe. A Single Chip Microcomputer controls the longitudinal and crosswise feeding system, so it will becau

18、se an open-loop servo system which can move independently. The numerical control system uses the MCS-51 series 8031 Single Chip Microcomputer to expand the system. Because the MCS-51 series Single Chip Microcomputer have high integration rate, high reliability, strong function, quick speed, and str

19、ong anti-jamming ability and so on .The control system is made up of the microcomputer part, the keyboard and the monitor, the I/O interfaces and the light electricity isolation electric circuit. The system processing procedure and control orders are controlled by keyboard, the monitor realized proc

20、ess data and the information of machine tools with figures tube. In order to realize the resolving power, transmission system use stepper motor to drive the ball screw after being decreased. After the transformation design , the economy numerical control machine has the localization , the straight

21、line inserts , inserts along the counter circular arc , function suspension ,circulation processing , male inch thread processing and so on .The processing quality is stable and reliable . Components processing compatibility and the automation are strengthened. Keyword: lathe， numerical control ， a

22、lteration ， ball screw 目　　錄 引言 3 1 概述 4 1.1 畢業(yè)設計的目的 4 1.2 設計任務 4 1.3 設計的必要性 4 1.3.1 數(shù)控改造目的 4 1.3.2 數(shù)控改造的優(yōu)點 5 2總體方案設計 5 2.1 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 5 2.2 計算機系統(tǒng) 5 2.3 機械傳動方式 5 2.3.1縱向滾珠絲杠 6 2.3.2橫向滾珠絲杠 6 2.3.3總體方案 7 3進給伺服系統(tǒng)設計 7 3.1縱向進給伺服系統(tǒng) 8 3.1.1 計算進給牽引力Fm(N) 8 3.1.2 計算最大動載荷C 9

23、 3.1.3 滾珠絲杠螺母副的傳動效率計算 10 3.1.4 剛度驗算 10 3.1.5 穩(wěn)定性校核 11 3.2橫向進給伺服系統(tǒng) 11 3.2.1 計算進給牽引力 11 3.2.2 計算最大動負載C 12 3.2.3選擇滾動絲杠螺母副 12 3.2.4傳動效率計算 13 3.2.5 剛度驗算 13 3.2.6穩(wěn)定性校核 15 3.3齒輪傳動比計算 16 3.3.1 縱向進給齒輪箱傳動比計算 16 3.3.2橫向進給齒輪箱傳動比計算 16 3.4步進電機的選型 17 3.4.1縱向進給步進電機 17 3.4.2橫向步進電機 21 3.4.3 計算步進電機空載啟動

24、頻率和工作時的頻率 24 4 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設置 24 4.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 24 4.2 選擇 CPU 的類型 25 4.3 74LS138 CPU 和存儲器 26 4.4 I/O接口電路 26 4.5 軟件環(huán)行分配器 27 4.6 控制系統(tǒng) 27 4.7 其它輔助電路 28 參考書目 29 致 謝 30 外文翻譯 31 引言 隨著市場經濟的不斷發(fā)展，特別是我國加入ＷＴＯ以后，企業(yè)要在當前市場需求多變、競爭激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產品，以最

25、低價格、最好的質量、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機床已不適應多品種、小批量的生產要求，數(shù)控機床則綜合了數(shù)控技術、微電子技術、自動檢測技術等先進技術，最適宜加工小批量、高精度、形狀復雜、生產周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要更換零件加工程序，無需對機床作任何調整，因此能很好地滿足產品頻繁變化的加工要求。而且我國存在大批普通機床，利用數(shù)控系統(tǒng)改造機床是提高產品質量、提高生產效率,提高舊設備利用率，推廣機電一體化技術的重要手段。 數(shù)控機床在機械加工行業(yè)中的應用越來越廣泛。數(shù)控機床的發(fā)展，一方面是全功能、高性能;另一方面是簡單實用的經濟型數(shù)控機床，具有自動加工的基本功能，操作維修

26、方便。經濟型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為驅動元件，無檢測反饋機構，系統(tǒng)的定位精度一般可達0 01至0 02ｍｍ，已能滿足普通零件的精度要求。 普通車床經過多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大，主要傳動零件幾經更換和調整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達到大修驗收標準，而且費用較高。因此合理選擇數(shù)控系統(tǒng)是改造得以成功的主要環(huán)節(jié)。數(shù)控機床的改造目的是要求機床穩(wěn)定可靠，以盡可能低的故障率運轉。普通車床應用微機控制系統(tǒng)進行改造，可以提高工藝水平和產品質量，減輕操作者的勞動強度。 1 概述 1.1 畢業(yè)設計的目的 通

27、過畢業(yè)設計，學習系統(tǒng)地綜合運用知識和技能解決實際工程問題的本領，鞏固和加深對所學知識的理解，并且在設計過程中擴大和補充了知識面，使對知識的認識提高到一個新的水平。通過畢業(yè)設計，培養(yǎng)調查研究的習慣和能力，練習查閱資料，合理選擇計算標準，建立正確的設計和科研思想，加強科學性，牢固樹立實事求是和嚴肅認真的工作態(tài)度。 1.2 設計任務 將一臺普通C620車床改造為經濟型數(shù)控機床，利用微機對縱、橫進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，驅動元件采用直流步進電機，傳動機構采用滾珠絲杠，設計控制電路圖。 1.3 設計的必要性 隨著社會生產和科學技術的迅速發(fā)展，機械產品的性能和質量不斷提高，產品的更新?lián)Q代也不斷加快，因

28、此，對機床的要求不僅要具有較高的精度和生產率，而且還要能適應產品零件的變換。生產的需要促使了數(shù)控機床的發(fā)展。 從第一臺數(shù)控機床問世至今，世界上主要的工業(yè)化國家的數(shù)控機床已進入批量生產。隨著我國加入WTO，我國數(shù)控技術的普及和發(fā)展顯得更加迫切和需要。這種情況下，普通機床的數(shù)控改造十分必要，可以從以下幾點說明： 1.3.1 數(shù)控改造目的 數(shù)控改造一般指對不同機床某些部位做一定的改造，配上數(shù)控裝置，從而使機床具有數(shù)控加工能力。其改造的目的有以下幾點： (1)從提高資本效率出發(fā)，改造閑置舊設備，發(fā)揮機床的原有功能和改造后的新增功能，提高機床的使用價值； (2)為提高生產效率； (3)為適應

29、多品種，小批量零件的生產； (4)有廣泛的適應性和較大的靈活性； (5)為減小整個設備投資計劃。 1.3.2 數(shù)控改造的優(yōu)點 (1)穩(wěn)定產品質量； (2)減少輔助加工時間，提高機床生產效率； (3)降低工人技術等級的要求； (4)可充分利用原有機床設備，費用低； (5)數(shù)控改造周期短，可滿足生產急需。 2總體方案設計 2.1 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 選用連續(xù)控制系統(tǒng)。由于本機加工精度要求不高，為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的，輸入裝置把信號輸給數(shù)控裝置，經數(shù)控裝置運算后分配出指令脈沖，

30、通過步進電機驅動工作臺移動。由于該系統(tǒng)無位置和速度檢測裝置，因此，它的精度主要由步進電機的步距角和與之相連的絲杠等傳動機構的傳動精度決定。 2.2 計算機系統(tǒng) 根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS–51系列單片機具有集成度高,成本低，可靠性好，功能強，速度快，運用靈活，抗干擾能力強，適應溫度范圍寬，具有很高的性能價格比等特點，決定采用MCS–51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機部分，RAM、ROM、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機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，采用數(shù)碼管顯示器顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。 2.3 機械傳動方式

31、 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經齒輪減速后，再帶動絲杠，為了保證一定的傳動精度和傳動平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結構。齒輪傳動也要消除齒側間隙。 2.3.1縱向滾珠絲杠 縱向滾珠絲杠的步進電機可布置在機床的任意一端。拆除原機床縱向進給部分的進給箱，溜板箱，滑動絲杠，光杠，利用原機床進給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。這里選用W1L4506型外循環(huán)插管式滾珠螺母副。滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置上，在絲杠的左端采用一對深溝球軸承和一對推力球軸承，在絲桿的右端采用一個深溝球軸承和一個推力球軸承。支承短軸與滾珠絲杠的右端通

32、過聯(lián)軸套和減速器的輸出軸聯(lián)結起來。在絲杠托架上布置一個軸套式滑動軸承作為徑向支承，減速箱固定在絲杠托架上。絲杠中間支承為滾珠螺母，其與床鞍直接聯(lián)結。這種改造能減少改造工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而使縱向進給總體剛度增加。 2.3.2橫向滾珠絲杠 橫向進給部分也采用滾珠絲杠代替原來的滑動絲杠，橫向齒輪減速箱和步進電機一般都安裝在床鞍的右端，滾珠絲杠須用蓋板保護，并拆除原來的方刀架，換為自動回轉刀架，由計算機控制，根據(jù)程序自動轉位、夾緊。電機經兩對齒輪減速后傳動滾珠絲杠螺母副，這里選用W1L2505型外循環(huán)插管式滾珠螺母副，滾珠絲杠左端支承采用一對深溝球軸承，右端采用一對深溝

33、球軸承和一對推力球軸承。裝配時應注意使齒輪箱體中的絲杠中心與床尾軸承座中心線安裝基面尺寸一致，以保證水平面內絲杠與導軌平行。齒輪箱體在床身上安裝螺釘?shù)奈恢门c床尾軸承座螺釘在床身上的安裝位置也須根據(jù)床身的具體情況確定，以保證在垂直面內絲杠與導軌平行。為保證滾珠絲杠傳動平穩(wěn)、輕快，必須使?jié)L珠絲杠螺母座與絲杠兩端支承同軸，裝配時可以修磨墊片來保證螺母座在水平面內與兩端支承同軸。垂直面內的同軸度靠螺釘?shù)倪^孔來調整，調好后，打入銷釘。 2.3.3總體方案 如圖2-1： 圖2-1 總體方案框圖 3進給伺服系統(tǒng)設計 將一臺C620普通車床改造為

34、經濟型數(shù)控車床，采用MCS-51系列單片機作為控制系統(tǒng)，步進電機開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補功能，具有升降速控制功能。 其主要設計參數(shù)如下 最大加工直徑： 在床面上 400mm 在床鞍上210mm 加工最大長度： 1000mm 溜板及刀架重力：縱向: 1000N 橫向: 600N 刀架快進速度： 縱向：2.4 m/min 橫向：1.2 m/min 最大進給速度： 縱向：0.6 m/min 橫向：0.3 m/min 主電機功率： 7.5kw 起動加速時間： 30 ms 機床定位精度：

35、 0.015 mm 此機床進給伺服系統(tǒng)運動及動力計算如下： 1）脈沖當量選取 縱向：0.01 mm/脈沖 橫向：0.005 mm/脈沖 2）切削力的計算 由于改造的是通用車床，所以切削力選擇的范圍如下 (1)縱車外圓： 主切削力Fz(N)按經驗公式估算： Fz=0.67Dmax=0.674001.5= 5360N Dmax—車床床身上加工最大直徑 按切削力各力比例 Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 Fx=53600.25=1340N Fy=53600.4=2144N (2)橫向端面：

36、主切削力Fz(N)可取縱切的1/2 Fz=1/2Fz=2680 N 此時走刀抗力Fy(N)，吃刀抗力為Fx(N)。仍按上述比例粗略計算： Fy=26800.25=670N Fx=26800.4=1072 N (3)滾珠絲杠螺母副的設計、計算和選型 滾珠循環(huán)選型：由于是經濟性數(shù)控機床，要考慮其性能價格比。因此，選用外循環(huán)插管式滾珠絲杠。 3.1縱向進給伺服系統(tǒng) 3.1.1 計算進給牽引力Fm(N) 作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力Fx 以及溜板、刀架和切削分力作用在導軌上的摩擦力。C620車床的兩條縱向導軌，屬于綜合型導軌，因此，計算公式可確定如下： 縱

37、向： F=KFx +f( Fz +G) =1.51340+0.16(5360+1000)=2558.6N K—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌K取1.5； f—滑動導軌摩擦系數(shù)，0.15~0.18，取0.16； G—溜板及刀架的重力，縱向G=1000N。 3.1.2 計算最大動載荷C 選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定的軸負荷作用下，絲杠在回轉10000轉后，再它的滾道上不產生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即為該絲杠所承受的最大動負載C L —壽命以106轉為1單位； n — 滾珠絲杠轉速； L0—滾珠絲杠導程，L0取6m

38、m； T—為使用壽命，T=15000h； Fω—運轉系數(shù)， Fω=1.2； Vs—最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的1/2 ～1/3,此處取Vs =0.6mm/s。 所以 查表得出滾珠絲杠螺母副W1L4506型外循環(huán)螺紋的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動載荷為17100N,精度等級取3級。 3.1.3 滾珠絲杠螺母副的傳動效率計算 r— 絲杠螺旋升角，W1L4506型=； —摩擦角，滾珠絲杠副其摩擦角約為。 3.1.4 剛度驗算 縱向進給滾珠絲杠支承方式如圖3-1所示： 圖3-1 縱向進給滾珠絲杠支

39、承方式 最大牽引力為2558.6N，支承間距=1500mm，絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向力的1/3,為852.87N。 (1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1 （mm） L=1500 mm Fm=2558.6 N， D0=40 mm 由表查得：δL/L0=1.2510-5 δ=δ0/L0L =1.2510-51500 =1.87510-2 mm 由于采用推力球軸承，且絲杠又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可提高4倍，其實際變形量δ1 （mm） δ1=1/4δ=1/41.87510-2=0.4510-2 mm (2) 滾球與螺紋滾道間的接觸變形δ2（mm） 此

40、項在總變形中也占有較大的比重，查表知1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量δQ，δQ=6.4μm,因進行了預緊，其變形量可減少一半，δ2=1/2δQ=1/26.4=3.2 μm (3) 支承滾球絲杠的軸承的軸向接觸變形δ3（mm） 采用51207型推力球軸承，滾動體直徑do =6.35 mm，滾動體數(shù)量Z=18， d=35 mm 因施加了預緊力，故 δ3=1/2δc=1/20.0076=0.0038 mm 根據(jù)以上計算 δ=δ1+δ2+δ3=0.0045+0.0032+0.0038=0.0115mm δ<定位精度 滾珠絲杠的扭轉變形引起的導程變化，一般占的比重較小，可忽略不計

41、，螺母及軸承支座的變形常為滾 珠絲杠螺母副系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，但變形計算較為困難，一般不計算在內。 3.1.5 穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端采用推力球軸承，絲杠沿軸向有852.87N的預緊力，所以不會產生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需做穩(wěn)定性校核。 3.2橫向進給伺服系統(tǒng) 滾珠絲杠螺母副的設計、計算選型。 3.2.1 計算進給牽引力 橫向導軌為燕尾形，計算如下： =K+(+2+) K—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，對燕尾導軌取1.4； G—移動部件的重量（N）； —導軌上的摩擦系數(shù)，對燕尾型貼塑導軌取0.2； —橫向走刀抗力，計算得出為670N； —橫切端面的主切削力，計算得出為2680N；

42、 —橫切端面時的吃刀抗力，計算得出為1072N。 =K+(+2+) =1.4670+0.2(2680+21072+600)=2023N 3.2.2 計算最大動負載C 絲杠導程預選5mm,選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定的軸向負荷作用下，絲杠在回轉10000轉后，在它的滾道上不產生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即為該絲杠能承受的最大動負載C： L —壽命以106轉為1單位 n— 滾珠絲杠轉速； L0—滾珠絲杠導程，L0取5mm； T—為使用壽命，T=15000h； fω—運轉系數(shù)， fω=1.2； v—最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的1/2 ～1/

43、3，此處取v=0.3mm/s。 3.2.3選擇滾動絲杠螺母副 查資料可采用L2005型1列2.5圈外循環(huán)滾珠絲杠副，額定動負載為8800N，精度等級選3級。 3.2.4傳動效率計算 —螺旋升角； —摩擦角，滾珠絲杠副的摩擦角約為。 3.2.5 剛度驗算 橫向進給絲杠支承方式如圖3-2 最大牽引力為2023N，支承間距=450mm。絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。 圖3-2 橫向進給絲杠支承方式 (1)絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1 （mm） 查表可得： 當2023N, D

44、0=20 mm, δL/L0=4.210-5 (2)滾珠與螺紋滾道間的接觸變形δ2（mm） 查表得 δQ= 8.5μm 因為進行了預緊 δ2=1/2δQ=0.58.5= 4.25μm (3)支承滾珠絲杠的軸承軸向接觸變形δ3（mm） 采用 51202推力球軸承，do=4.763 mm，z=12，d=15mm 考慮進行了預緊， 故 綜合以上幾項變形量之和： =0.0279 mm 顯然，此變形量已大于定位精度要求，應該采取相應的措施修改設計。因橫向溜板箱空間限制，不宜再加大滾珠絲杠直徑故采用貼塑導軌減小摩擦力，從而減小最大牽引力。重新

45、計算如下： =K+(+2+) =1.4670+0.04(2680+21072+600)=1155N 當 =1155 N時，查表知δL/L0=2.410-5 查表知： δQ= 5.4μm δ2=1/2δQ=0.55.4= 2.7μm 橫向進給定位精度應為縱向進給定位精度的1/2，應為0.0075 mm，選用該絲杠其變形量不能滿足要求，將滾珠絲杠再經過預拉伸，剛度還可提高4倍 仍不滿足，可將滾珠絲杠直徑加大到25 mm，即選用L 2505型1列2.5圈外循環(huán)滾珠絲杠副，額定動負載為9700N，精度等級選3級。 3.2.6穩(wěn)定性校核 計算臨界負載F

46、k(N) L—絲杠兩支承端距離（cm）； E—材料的彈性模量（），鋼 E=20.6 I—截面慣性矩(cm4)， 絲杠 ，（d1為絲杠內徑）； fz—絲杠支撐方式系數(shù)，一端固定，一端簡支，fz=2.00。 一般[]=2.5~4 所以此滾珠絲杠不會產生失穩(wěn)。 縱向及橫向滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)如表3-3所示  表3-3 縱向及橫向滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) 名稱 符號 W1L4506型 W1L2505型 螺紋滾道 公稱直徑 d0 45 25.0 螺距 L0 6 5 接觸角 β

47、鋼珠直徑 dq 3.969 3.175 滾道法面半徑 R 2.064 1.651 偏心距 E 0.003 0.004 螺紋升角 R 螺桿 螺桿外徑 D 44.2 24.37 螺桿內徑 d1 40.878 21706 螺桿接觸直徑 dz 41.035 21.831 螺母 螺母螺紋直徑 D 49.122 28.294 螺母內徑 D1 45.794 25.635 3.3齒輪傳動比計算 3.3.1 縱向進給齒輪箱傳動比計算 脈沖當量δP=0.01， 絲杠導程L0=6 mm 初選步進電機的步距角為θb=/脈沖，

48、可計算傳動比i： 可選齒輪齒數(shù)為 ， 或， 因為進給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大，所以模數(shù)取 m=2,齒寬取20 mm。 3.3.2橫向進給齒輪箱傳動比計算 已確定橫向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程。注意，初選步進電機的步距角為0.75，可計算傳動比i： 考慮到結構上的原因，齒輪直徑不應太大，以免影響到橫向溜板的有效行程。故此，可采用兩級齒輪降速。 因為進給齒輪受力不大，模數(shù)m取 2， 齒寬取20 mm。有關參數(shù)如表3-4所示： 表3-4 傳動齒輪幾何參數(shù) 齒輪齒數(shù) Z 32 40 24 40 20 25 分

49、度圓 D=mZ 64 80 48 80 40 50 齒頂圓 D0=D+2m 68 84 52 84 44 54 齒根圓 Df=d-21.25m 59 75 43 75 35 45 齒寬 (6—10) m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=(d1+d2)/2 72 64 45 3.4步進電機的選型 3.4.1縱向進給步進電機 1)初選步進電機 (1) 計算步進電機的負載轉矩Tm 脈沖當量為0.01 mm； Fm—進給牽引力； θb—步距角，初選； η—電機至絲杠的傳動效率，為齒輪

50、軸承絲杠效率之積，分別為0.98、0.99、0.99和0.94 (2) 估算步進電機起動轉矩 (3) 計算最大靜轉矩 查表取五相10拍，則 (4) 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 ─運動部件最大快速移動速度； ─最大切削進給速度； ─脈沖當量取0.01 mm/脈沖。 (5) 初選步進電機型號 根據(jù)估算出的最大靜轉矩在圖中查出，130BF001最大靜轉矩為931Ncm>，可以滿足要求。考慮到此經濟型數(shù)控車床有可能使用較大的切削用量，應該選稍大轉矩的步進電機，以留有一定的余量。另一方面，與國內同類型機床進行類比，決定采用150BF002步

51、進電機。但從圖中看出，150BF002步進電機最高起動頻率為2800Hz，不能滿足 (4000 Hz)的要求，此項指標可暫不考慮，可以采用軟件升降程序來解決。 2) 校核步進電機轉矩 (1)等效轉動慣量計算 計算簡圖見圖3-1，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量()可由下式計算： = JM+ J1+(Z1/Z2)2［(J2+ Js)+G/g(L0/2π)2］ JM—步進電機轉子的轉動慣量()； J1，J2—齒輪Z1、Z2的轉動慣量()； Js—滾珠絲杠轉動慣量()。 參考同類型機床初選反應式步進電機150B

52、F002，其轉子轉動慣量 JM=10 J1=0.7810-3l1=0.7810-36.442=2.62 J2= 0.7810-3l2=0.7810-3842=6.39 Js= 0.7810-344150=29.952 G=1000N代入上式： = JM+ J1+(Z1/Z2)2［(J2+ Js)+G/g(L0/2π)2］ =10+2.62+(32/40)2［(6.39+29.952)+1000/9.8()］ =36.475 考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題：JM/ J∑=10/36.475=0.274 基本滿足慣量匹配要求。 (2) 電機力矩的計算 a快速

53、空載起動時所需力矩M起 M起=Mamax+ Mf+ M0 Mamax—空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩()； Mf—折算到電機軸上的摩擦力矩()； M0—折算到電機軸上的附加摩擦力矩。 —電機最大角加速度（rad/s2）； —電機最大轉速 (r/min)； —運動部件最大快進速度（mm/min）； δP—脈沖當量（mm/步）； θb—步進電機的步距角（）； t0—運動部件從停止起動加速到最大快進速度所需時間（s）代入上式得 折算到電機軸上的摩擦力矩： F0—導軌的摩擦力(N)； F—垂直方向的切削力

54、(N)； G—運動部件的總重量(N)； —導軌摩擦系數(shù)； i — 齒輪降速比，按i=計算； η—傳動鏈總效率，一般取0.75~0.85。 折算到電機軸上的附加摩擦力矩M0 ： —滾珠絲杠預加負荷，一般取1/3 F； —傳動總效率；一般可取=0.7~0.85，此處取0.8； —滾珠絲杠的傳動效率，一般取0.9，此處取0.9。 以上三項合計： b快速移動時所需力矩： c 最大切削負載時所需力矩M切 由上面的計算可以看出：M起，M快和M切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以作為初選步進電機的依據(jù)。由資料查得

55、當步進電機為五相十拍時λ=Mq / Mjmax=0.951 最大靜力矩 Mjmax=749/0.951=787.6 由資料知150BF002型步進電機的最大靜力矩為13.72大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號。 150BF002運行矩頻特性性 f(Hz) M() 10000 5000 490.3 980.7 1225.888.88 f(Hz) M() 2000 1000 196.1 392.3 588.1 150BF002起動矩頻性特性 圖3-5 150BF002型步進電機矩頻特性 從圖3-5中看出150B

56、F002型步進電機允許的最高空載起動頻率為2800Hz運行頻率為8000Hz，有圖3-5知當步進電機起動時f起=2500Hz時，M=100，遠不能滿足此機床所需要的空載起動力矩（749）。直接使用則會產生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實現(xiàn)），將起動頻率降到1000Hz時，起動力矩可增加到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。 當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機完全可以滿足要求。 3.4.2橫向步進電機 1) 等效轉動慣量的計算 計算簡圖見圖3-2傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動 可由下式計算： JM—步進

57、電機轉子的轉動慣量； Js—滾珠絲杠轉動慣量； J4—齒輪Z4的轉動慣量； J1、J2、J3、—齒輪Z1、Z2、 Z3的及其軸的轉動慣量。 參考同類型機床，初選步進電機130BF001，其轉子轉動慣量 JM=4.7 =8.4156 考慮步進電機與傳動慣量匹配問題 JM/ J∑=4.7/8.4156=0.56，基本滿足慣量匹配要求。 2) 電機力矩計算 (1)快速起動空載力矩M起 M起 Mamax—空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩()； Mf—折算到電機軸上的摩擦力矩()； M0—絲杠折算到電機軸上

58、的附加摩擦力矩()。 ε—電機最大角加速度（rad/s2）； —電機最大轉速 (r/min)； —運動部件最大快進速度（mm/min）； δP—脈沖當量（mm/步）； θb—步進電機的步距角（）； t0—起動加速到最大快進速度所需時間30μs。 代入上式得 折算到電機軸上的摩擦力矩 F=(+G) F0—導軌的摩擦力(N) ； —垂直方向的切削力(N) ； G—運動部件的總重量(N) ； —導軌摩擦系數(shù)； i — 齒輪降速比，按。 附加摩擦力矩 (2) 快速移動時所需力矩M快

59、(3)最大切削負載時所需力矩M切 M切 從上面計算可以看出：M起、M快和M切中以空載起動所需力矩最大，以此作為初選步進電機的依據(jù)。 從表查出，當步進電機為五相十拍時， 最大靜力矩： 按此最大靜力矩，從圖3-6中查出，130BF001型最大轉矩為9.31，大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號。 3.4.3 計算步進電機空載啟動頻率和工作時的頻率 ─運動部件最大快速進給速度； ─最大切削進給速度； ─脈沖當量。 從圖3-6查出，130BF001型步進電機允許的最高空載起動頻率為3000Hz，不能滿足(4000 Hz)的要求。此時空載起動轉矩不

60、滿足 此機床所需要求的空載起動轉矩，會產生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），將起動頻率降到1000Hz時，起動轉矩可增加到400，然后電路上再采用高低壓驅動電路，還可將步進電 機輸出轉矩擴大一倍左右。 2400 2000 1000 392.33 784.5 f(Hz)) M() 130BF001型起動矩頻特性 196.1 588.1 M() f(KHz)) 2 4 490.3 980.7 130BF001型運行矩頻特性xing xing 性 xing性 6 88 圖3-6 130BF001型步進

61、電機矩頻特性 當快速運動和切削進給時，130BF001步進電機完全可以滿足要求。 4 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設置 4.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的，硬件是組成系統(tǒng)的基礎。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標。它有以下五個部分組成： (1)主控制器，即中央處理單元； (2)總線，包括數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線； (3)存儲器，包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器； (4)接口，即I/O接口電路； (5)外圍設備，如鍵盤，顯示器及光電輸入器等。 其中 CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進行數(shù)據(jù)運算處理和協(xié)調控制各部分電路工作。存儲器用于存放系統(tǒng)軟件

62、，應用程序和運行中所需的各種數(shù)據(jù)。I/O接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁?？偩€則是 CPU 與存儲器，I/O接口及其它轉換電路的聯(lián)接紐帶，是CPU 與部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。 4.2 選擇 CPU 的類型 在微機應用系統(tǒng)中，CPU的選擇應考慮以下因素： (1)時鐘頻率和字長，該指標將控制數(shù)據(jù)處理的速度； (2)可擴展存儲器的容量； (3)指令系統(tǒng)功能； (4)I/O擴展指令能力，即對外設控制的能力； (5)開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。 此外，還要考慮到系統(tǒng)的應用場合，控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經濟性的要求。基于此，采用8031單片機，它具有以

63、下特點： (1)具有功能強的8位 CPU； (2)片內有時鐘發(fā)生器，每執(zhí)行一條指令的時間為2微秒或1微秒； (3)片內有128字節(jié) RAM； (4)具有21個特殊功能寄存器； (5)可擴展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的程序存儲器； (6)具有4個I/O接口，32根I/O線； (7)具有2個16位T/C； (8)具有5個中斷源，配備2個終端優(yōu)先級； (9)具有1個全功能串行接口； (10)具有位尋址功能，使用邏輯計算。 從上述特性可知，8031芯片集成度高，功能強，適用與擴展 ROM、現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應用場合。它價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。

64、 4.3 74LS138 CPU 和存儲器 CPU 采用8031芯片，由于8031芯片內無程序存儲器，需要有外部程序存儲器的支持。同時，8031內部只有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，也遠不能滿足控制系統(tǒng)的要求，故擴展了16KB程序存儲器，由兩片2764組成，又擴展了一片6264數(shù)據(jù)存儲器。8031芯片的和用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù)，口傳送高8位地址，口傳送低8位地址和數(shù)據(jù)，故采用74LS373地址鎖存器，鎖存低8位地址，ALE 作為其選通信號，當ALE為高電平，鎖存器的輸出和輸入透明，即輸入的低8位存儲器地址在輸出端出現(xiàn)，此時不需鎖存。當ALE從高電平變低電平，出現(xiàn)下降沿時，低8位地址鎖存入

65、地址鎖存器中，74LS373的輸出不再隨輸入變化，這樣口就可以用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。8031芯片的口和74LS373送出的口共組成16位地址，2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址線。~低8位接74LS373芯片的輸出，~接芯片的~。系統(tǒng)采用全地址譯碼，2片2764芯片片選信號分別接74LS138譯碼器的和,系統(tǒng)復位后程序從0000H開始執(zhí)行。6264芯片的片選信號接74LS138的。8031芯片的引腳接2764的，以實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲器的讀寫。由于8031芯片內部無ROM，故始終要選外部程序存儲器，故其必須接地。 4.4 I/O接口電路 由于8031只有口和口部分能提供用戶作為

66、I/O口使用，不能滿足輸入、輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴展輸入、輸出接口電路。系統(tǒng)擴展了2片8155可編程I/O接口芯片。74LS138譯碼器有3個輸入A、B、C分別接8031的、、，輸出~，低電平有效。74LS138還有3個使用端，其中2個（和）為低電平，另一個為高電平。只有當端口處于有效電平時，輸出才能產生，否則，輸出屬于高電平無效狀態(tài)。存儲器及I/O地址編碼見表4-1。 4.5 軟件環(huán)行分配器 步進電機采用軟件環(huán)行分配器。雖然運行速度沒有硬件環(huán)行分配器快，但可以節(jié)省兩個硬件環(huán)行分配器專用芯片，且電路較簡單。由 于C620普通車床縱向最大加工直徑為400mm，規(guī)格較小，故Z向進 給系統(tǒng)采用150BF002型五相十拍工作方式，X向進給系統(tǒng)采用130BF 001型五相十拍工作方式。由8155（2）的PA口輸出，經光電隔離電路，功率放大電路直接驅動電機 4.6 控制系統(tǒng) 當需要自動回轉刀架換刀時，由8155（1）的～發(fā)出換刀位信號，控制刀架電機回轉