機械畢業(yè)設計（論文）-CA6132普通車床的數控改造進給系統(tǒng)設計【全套圖紙】

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1、韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 1 頁 共 37 頁 目錄目錄 1.緒論2 2.設計要求3 2.1 總體方案設計要求3 2.2 設計參數4 2.3.其它要求7 3.進給伺服系統(tǒng)機械部分設計與計算8 3.1 進給系統(tǒng)機械結構改造設計8 3.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型.8 3.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量.9 3.2.2 縱向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟9 3.2.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟12 3.2.4 齒輪有關計算.16 3.2.4(1)縱向齒輪及轉矩的有關計算16 3.2.4(2)橫向齒輪及轉矩的有關計算.19 4. 步進電動機的計算與選型23 4.1 步

2、進電動機選用的基本原則23 4.2 步進電動機的選折24 5.主軸交流伺服電機.26 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 2 頁 共 37 頁 5.1 機床主運動電機的確定26 5.2 主軸的變速變速范圍26 5.3 初選主軸電機的型號26 5.4 主軸電機的校核26 6. 微機控制系統(tǒng)硬件電路設計27 6.1 控制系統(tǒng)的功能要求.27 6.2 硬件電路的組成27 6.3 設計說明27 7. 車床改造的結構特點30 7.1.滾珠絲桿30 7.2 導軌副.30 7.3 安裝電動卡盤.29 7.4 脈沖發(fā)生器30 8安裝調整中應注意的問題31 8.1 滾珠絲杠副的特點31 8.2 滾珠絲杠螺母副的

3、選擇31 8.3 滾珠絲杠螺母副的調整31 8.4 聯(lián)軸器的安裝31 8.5 主軸脈沖發(fā)生器的安裝31 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 3 頁 共 37 頁 結論.32 參考文獻33 全套圖紙，加 153893706 摘要摘要 針對把 CA6132 車床改造為經濟型數控車床的目標，對車床的進給系統(tǒng)進 行設計。其設計的思路是根據執(zhí)行件所受到的載荷，選擇并校核其相關的零 部件，包括滾珠絲杠螺母副、減速齒輪和電機，本文還對機構的重要零件作 了比較詳細地介紹。 關鍵字關鍵字：切削力；滾珠絲杠副；減速齒輪；步進電機 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 4 頁 共 37 頁 韶關學院 2009 屆畢業(yè)

4、論文 第 5 頁 共 37 頁 Common machine tools numerical alteration- feed system design Abstract his article talks about the design of feed system bases on the aim of changing the CA6132 lathe into numerical lathe of economic style.Its designing method is selecting and checking the related parts,containing ba

5、ll screw,speed-decreaseing gear and engine from the force that is loaded in the executive parts.This article also makes detailed introduction on the important parts in this mechanism. Key words:cutting force；ball screw；speed-decreasing gear ；walking engine 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 6 頁 共 37 頁 1 緒論 數控機床與普通機床

6、相比,增加了功能,提高了性能,簡化了結構.較好地解決形狀 復雜、精密、小批量及形狀多變零件的加工問題。能獲得穩(wěn)定的加工質量和提高生產 率，其應用越來越廣泛，但是數控的應用也受到其他條件限制：（1）數控機床價格昂 貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心有力而力不足；（2）目前，各企業(yè)都有大量的 普通機床，完全用數控機床替換根本不可能，而且替代下的機床閑置起來又會造成浪 費；（3）在國內，訂購新數控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產急需； （4）通用數控機床對某一類具體生產項目有多余功能。 要較好的解決上述問題，應走通用機床數控改造之路。普通機床的改造就是在普通 機床上增加微機數控裝置，使其具有

7、一定的自動化能力，以實現額定的加工工藝目標。 這一工作早在 20 世紀 60 年代已經在開始迅速發(fā)展，并有專門企業(yè)經營這門業(yè)務。目 前，國外已發(fā)展成為一個新興產業(yè)部門，從美國、日本等工業(yè)化國家的經驗看，機床 的數控化改造也必不可少，如日本的大企業(yè)中有 26%的機床經過數控化改造，中小企業(yè) 則達 74%。在美國有許多數控專業(yè)化公司為世界各地提供數控化改造業(yè)務。中國是擁有 300 多萬臺機床的國家，其中大部分是多年積累生產的普通機床，自動化程度低。要想 在近幾年用自動和精密設備更新現有機床，不論是資金還是中國機床制造廠的能力都 是辦不到的，因此，普通機床的數控化改造大有可為，它適合中國的經濟水平、

8、生產 水平和教育水平，已成為中國設備技術改造的主要方向之一。 機床數控化改造的優(yōu)點：（1）改造閑置設備，能發(fā)揮機床原有的功能和改造后的新增 功能，提高了機床的使用價值，可以提高固定資產的使用效率；（2）適應多品種、小 批量零件生產；（3）自動化程度提高、專業(yè)性強、加工精度高、生產效率高；（4） 降低對工人的操作水平的要求；（5）數控改造費用低、經濟性好；（6）數控改造的 周期短，可滿足生產急需。因此，我們必須走數控改造之路。 普通車床（如 CA6132，CA6140）等是金屬切削加工最常用的一類機床。普通機床 刀架的縱向和橫向進給運動是由主軸回轉運動經掛輪傳遞而來，通過進給箱變速后， 由光杠或

9、絲杠帶動溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動。進給參數要靠手工預先調整好，改 變參數時要停車進行操作。刀架的縱向進給運動和橫向進給運動不能聯(lián)動，切削次序 也由人工控制。 對普通車床進行數控化改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改為用微機控制的、 能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動換刀的回轉刀架。這樣，利用數控 裝置，車床就可以按預先輸入的加工指令進行切削加工。由于加工過程中的切削參數， 切削次序和刀具都會按程序自動調節(jié)和更換，再加上縱向和橫向進給聯(lián)動的功能，數 控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復雜的回轉零件，并能實現多工序自動車削， 從而提高了生產效率和加工精度，也能適應小批量多品種復雜零件的加

10、工。 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 7 頁 共 37 頁 2 設計要求 2.1 總體方案設計要求 總體方案設計應考慮機床數控系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機 構的選擇等。 （1）普通車床數控化改造后應具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能， 還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。 （2）車床數控化改裝后屬于經濟型數控機床，在保證一定加工精度的前提下應簡化 結構、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）根據普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經濟性要求，經濟型 數控機床一般采用 8 位微機。在 8 位微機中

11、，MCS51 系列單片機具有集成度高、可靠 性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性價比，因此，可選 MCS51 系 列單片機擴展系統(tǒng)。 （4）根據系統(tǒng)的功能要求，微機數控系統(tǒng)中除了 CPU 外，還包括擴展程序存儲器， 擴展數據存儲器、I/O 接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工 數據和機床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進電機驅動電路，此外，系統(tǒng) 中還應包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。 （5）設計自動回轉刀架及其控制電路。 （6）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺母副 組成，其傳動比應滿足機床所要求的分辨率。 （

12、7）為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠 絲杠螺母副，并應有預緊機構，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應有消除齒側 間隙的機構。 （8）采用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力。 總體方案設計圖如下圖（1）所示： 進給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖如圖（2）所示： 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 8 頁 共 37 頁 圖 1 圖 2 2.22.2 設計參數設計參數 設計參數包括車床的部分技術參數和設計數控進給伺服系統(tǒng)所需要的參數。 現列出 CA6132 臥式車床的技術數據： 名稱 技術參數 在床身上 400mm 工件最大直徑 在刀架上 210mm 頂尖間最大距離 650;

13、900;1400;1900mm 宋制螺紋 mm 1-12(20 種) 加工螺紋范圍 英制螺紋 t/m 2-24(20 種) 模數螺紋 mm0.25-3(11 種) 徑節(jié)螺紋 t/m7-96(24 種) 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 9 頁 共 37 頁 最大通過直徑 48mm 孔錐度莫氏 6# 主軸 正轉轉速級數 24 正轉轉速范圍101400r/min 反轉轉速級數12 反轉轉速范圍14-1580r/min 縱向級數64 進給量縱向范圍0.028-6.33mm/r 橫向級數64 橫向范圍0.014-3.16mm/r 滑板行程 橫向320mm 縱向650;900;1400;1900mm

14、最大行程140mm 刀架最大回轉角 90 刀杠支承面至中心的距離26mm 刀杠截面 BH2525mm 頂尖套莫氏錐度5# 尾座 橫向最大移動量10mm 外形尺寸 長寬高241810001267mm 圓度 0.01mm 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 10 頁 共 37 頁 工作精度圓柱度200:0.02 平面度0.02/300mm 表面粗糙度 Ra1.6-3.2m 主電動機7.5kw 電動機功率 總功率7.84kw 改造設計參數如下: 最大加工直徑 在床面上 400mm 在床鞍上210mm 最大加工長度 1000mm 快進速度 縱向2.4m/min 橫向1.2m/min 最大切削進給速度

15、縱向0.5m/min 橫向0.25m/min 溜板及刀架重力 縱向800N 橫向600N 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 控制坐標數 2 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 11 頁 共 37 頁 脈沖當量 縱向0.01mm/脈沖 橫向0.005mm/脈沖 機床定位精度0.015mm 刀具補償量 0mm-99.99mm 進給傳動鏈間隙補償量 縱向0.15mm 橫向 0.075mm 自動升降速性能 有 2.3.其它要求 （1） 原機床的主要結構布局基本不變，盡量減少改動量 ，以降低成本縮短改造 周期。 （2）機械結構改裝部分應注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配

16、順序，保正安裝、 調試、拆卸方便，需經常調整的部位調整應方便。 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 12 頁 共 37 頁 3 進給伺服系統(tǒng)機械部分設計與計算 3.1 進給系統(tǒng)機械結構改造設計 進給系統(tǒng)改造設計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板刀架等。 方案如下： 掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。 進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱總成絲杠、 光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床 尾座端原來裝軸承座的部分。 溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按 鈕。橫溜板箱部分

17、：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進給滾珠絲杠螺 母副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。刀 架：拆除原刀架，改裝自動回轉四方刀架總成。 3.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內容包括：確定脈沖當量、計算切削力滾珠 絲杠螺母副的設計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進電機的計算和選型等。計 算簡圖如圖（3）所示： 圖 3 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 13 頁 共 37 頁 3.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量 脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產生的進給量,它是衡量數控機床加工 精度的一個基本參數。因此,脈沖當量應根據

18、機床精度的要求來確定。對經濟型數 控機床來說，常采用的脈沖當量為 0.01mm/step 和 0.005mm/step,在 CA6140 的技術 參數中，要求縱向脈沖當量 fp 為 0.01mm/step。橫向脈沖當量為 fp=0.005mm/step。 3.2.2 縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號選擇與校核步驟 （1）最大工作荷載計算 滾珠絲杠的工作載荷 Fm（N）是指滾珠絲杠副的在驅動工作臺時滾珠絲杠所承受 的軸向力，也叫做進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走到抗力及與移動體重力和作 用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。 由于原普通 CA6132 車床的縱向導軌是三角形導軌，則用公式 3-1 計算

19、工作載荷 的大小。 （3-1） )( GFfkFF vlm 1）車削抗力分析 車削外圓時的切削抗力有 FxFyFz，主切削力 Fz 與主切削速度方向一致垂直向 下，是計算機床主軸電機切削功率的主要依據。切深抗力 Fy 與縱向進給垂直，影 響加工精度或已加工表面質量。進給抗力 Fx 與進給方向平行且相反指向，設計或 校核進給系統(tǒng)是要用它。 縱切外圓時，根據車床參數，參考機械制造技術基礎車，選取車床的 ，f=0.5mm,床的主切削力 Fz 可以用下式計算：mmap2 . 4mmNkc/2552 （3-2） fakAkF pcDcc 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 14 頁 共 37 頁 由金屬

20、切削原理知： Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （3-3） 得 Fx=1340(N) Fy=2144(N) 因為車刀裝夾在拖板上的刀架內，車刀受到的車削抗力將傳遞到進給拖板和導軌上， 車削作業(yè)時作用在進給托板的載荷Fv 和 Fc 與車刀所受到的車削抗力有對應關系。 l F 因此，作用在進給托板上的載荷可以按下式求出： 托板上的進給方向載荷 =Fx=1340(N) l F 托板上的垂直方向載荷 Fv=Fz=5360(N) 托板上的橫向載荷 Fc=Fy=2144(N) 因此，最大工作載荷 )( GFfkFF vlm =1.151340+0.04(5360+909.8) =1790.68(N)

21、 對于三角形導軌 K=1.15,=0.030.05,選=0.04(因為是貼塑導軌)，G 是縱向 f f 橫向溜板箱和刀架的重量，選縱向橫向溜板箱的重量為 75kg,刀架重量為 15kg.（2）最大動載荷 C 的計算 滾珠絲杠應根據額定動載荷 Ca 選用，可用式 3-4 計算： C=fmFm （3-4） L 為工作壽命，單位為 10r，L=60nt10;n 為絲杠轉速（rmin）,n=1000vL0;v 為 最大切削力條件下的進給速度（mmin）,可取最高進給速度的 1/21/3;L0 為絲杠的 基本導程，查資料得 L0=12mm;fm 為運轉狀態(tài)系數，因為此時有沖擊振動，所以取 fm=1.5.

22、 V 縱向=1.59mm/r1400r/min=2226mm/min n 縱向=v 縱向1/2/L0=22261/2/12=92.75r/min L=60nt/106=6092.7515000/106=83.5 則 C=fmFm =1.51790.68=11740（N） 初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應的額定動載荷 Ca 不得小于最大載荷 C;因此有 CaC=11740N 另外例如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運轉下工作并受載，那么還需考慮其另 一種失效形式-滾珠接觸面上的塑性變形。即要考慮滾珠絲杠的額定靜載荷 Coa 是否充 分地超過了滾珠絲杠的工作載荷 Fm,一般使 Coa/Fm=23. 初選

23、滾珠絲杠為：外循環(huán)，因為內循環(huán)較外循環(huán)絲杠貴，并且較難安裝?？紤]到 簡易經濟改裝，所以采用外循環(huán)。 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 15 頁 共 37 頁 因此初選滾珠絲杠的型號為:CD638-3.5-E，主要參數為 Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,=，圈數列數:3.51 1920 圖 5 滾珠絲桿傳動示意圖 （3）縱向滾珠絲杠的校核 1）傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 =t/tg(+)=tg/tg(+)=0.92 （3-5）1920192010 2）剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起導程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運動平穩(wěn) 性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲

24、杠的拉壓變形，絲杠和螺母之間滾道的接觸變形， 絲杠的扭轉變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。 1 絲杠的拉壓變形量 1 1=Fml/EA （3-6） =1790.682280/20.610(31.5)2 =0.0064mm 2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2 采用有預緊的方式，因此用公式 2=0.0013 （3-7） =0.0013 3 2 36.145 3 68.1790 763 . 4 68.1790 =0.0028mm 在這里 Fyj =1/3Fm=1/31790.68=597N Z=dm/Dw=3.1463/4.763=41.53 Z=41.533.51=

25、145.36 絲杠的總變形量 =1+2=0.0064+0.0028=0.0092mm4 所以絲杠很穩(wěn)定。 3.2.33.2.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟 （1 1）型號選擇）型號選擇 1）最大工作載荷計算 由于導向為貼塑導軌，則：k=1.4 =0.05,為工作臺進給方向載荷， f l F =1340N,Fv=5360N,Fc=2144N,G=60kg,t=15000h, l F 最大工作載荷：Fm=k+ (Fv+2Fc+G) l F f =1.41340+0.05(5360+22144+9.860) =2387.8N 2）最大動載荷的計算 V

26、 橫=1400r/min0.79mm/r=1106mm/min n 橫絲=v 橫1/2/L0縱=11061/2/4=138.25r/min L=60nt/=60138.2515000/106=124.43 C=fmFm =1.52387.8=17881.2N 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 17 頁 共 37 頁 初選滾珠絲杠型號為：CD506-3.5-E 其基本參數為 Dw=3.969mm,=,L0=6mm,dm=50mm,圈數列數：3.51 011 2 (2)(2) 橫向滾珠絲杠的校核橫向滾珠絲杠的校核 1）傳動效率 計算 =tg/tg(+)=tg/tg(+)=0.93 011 2 0

27、11 2 10 2) 剛度驗算 1. 絲杠的拉壓變形量 1=FmL/EA=3440.4320/20.6104252=0.0027mm 2.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2=0.0013 =0.0013 3 2 46.138 3 8 . 2387 969 . 3 8 . 2387 =0.0079mm 在這里 Fyj=Fm/3=2387.8/3=795.9N Z=dm/Dw=3.1450/3.969=39.56 Z=39.563.51=138.46 絲杠的總變形量 =1+2=0.0027+0.0079=0.0124mm0.015mm 查表知 E 級精度允許的螺距誤差為 0.015mm，故所選絲杠合

28、格 （3）滾珠絲杠螺母副的精度等級： 數控機床根據定位精度的要求通常選用 1-5 級精度的滾珠絲杠，1-5 級度絲杠 的行程公差數值如表（2）所示： 精度等級 項目符號 有效行 程 lm/mm 12345 315 68121623 31540079131825 400500810152027 目標行程公差 ep 500630911162230 315 68121623 31540068121725 400500710131926 行程變動量公差 Vmp 500630711142129 任意 300mm 內行程變動 量 V300p68121623 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 18 頁 共

29、 37 頁 2rad 內行程變動量 V2p45678 表（2）滾珠絲杠行程公差/m (4) 滾珠絲杠加工工藝 基于滾珠絲杠是縱向進給的關鍵零件，它的傳動精度將直接影響機床的切削精度， 因此對所加工零部件的精度有很大的影響。為了達到所需的傳動精度，絲杠在制造過 程中必須采用特定的工藝方法，以下就絲杠的工藝進行分析。 絲杠屬于軸類零件，其加工方法可以參照軸類零件加工方法。 毛坯選擇鑄件，加工工藝過程如下 確定毛坯加工余量： 根據切削加工簡明手冊上的說明，徑向加工 余量為 4mm，軸向加工余量為 1.5mm. 基準選擇： 加工絲杠的過程中要用到兩個定位基準，分別為端面中心孔和外圓表面。在加工 外時，

30、如軸頸、絲杠螺紋選擇中心孔作為定位基準，在校直中心孔時選擇外圓表面作 為定位基準。 表（3）絲杠加工工藝過程 工序號工序名稱工序內容定位基準 1 下料 鋸棒料 2 熱處理 正火，校直 （徑向圓跳動 1.5mm) 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 19 頁 共 37 頁 3 粗車 車兩端面,打 中心孔,外圓 表面精車各段 外圓,各留 2.53mm 加工 余量 中心孔 工序號工序名稱工序內容定位基準 4 校直 冷校直到徑向 圓跳動 0.5mm 5 修正孔修正中心孔外圓表面 6 半精車 半精車各外 圓,各留磨余 量 0.57 ；車 槽至尺寸(槽 深加磨余量)； 粗車螺紋,留 0.50.7 加 工余

31、量 中心孔 7 銑鍵槽 在軸頸裝齒輪 處銑出鍵槽 中心孔 8 校直 用反向錘擊法 敲打螺紋小徑 處進行校直, 徑向圓跳動 0.2mm 9 熱處理低溫時效 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 20 頁 共 37 頁 10 修正孔修正中心孔外圓表面 11 半精車螺紋 半精車螺紋, 每側面留 0.15mm 加工余 量 中心孔 12 校直 冷校直到徑向 圓跳動 0.15mm 3.2.4 齒輪有關計算 (1)縱向齒輪及轉矩的有關計算 1）有關齒輪計算，由前面的條件可知： 工作臺重量：W=80kgf=800N(根據圖紙粗略計算) 滾珠絲杠的導程: Lo=12mm 步距角: =0.75/step 脈沖當量:

32、 p=0.01mm/step 快速進給速度：Vmax=2m/min 所以,變速箱內齒輪的傳動比 i=2.5 （3-9） 齒輪的有關參數選取如下: Z1=32 , Z2=40 ,模數 m=2mm 齒寬 b=20mm 壓力角 =20 齒輪的直徑 d1=mz1=232=64mm d2=mz1=240=80mm d2=d1+2ha*=68mm d2=d2+2ha*=84mm 兩齒輪的中心矩 a= = =72mm 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 21 頁 共 37 頁 2）轉動慣量計算 工作臺質量折算到步進電動機軸上的轉動慣量: J1=W()2= ( )2 80=0.467kg.cm2 （3-10）

33、 對材料為鋼的圓柱形零件,其轉動慣量可按下式估算: J=7.810-4D4L kg.cm2 （3-11） 式中 D-圓柱形零件的直徑,cm L-零件的軸向長度,cm 所以,絲杠的轉動慣量: J1=7.810-4D4L1=7.810-43.24140.3=11.475 kg.cm2 齒輪的轉動慣量: =7.810-46.442=2.617 kg.cm2 =7.810-4842=6.39 kg.cm2 電動機轉動慣量很小,可忽略。 因此，折算到步進電機軸上的總的轉動慣量 J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.52)（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942

34、kg.cm2=59.42N. cm2 絲杠名義直 徑/mm 導程/mm 1m 長絲杠 的轉動慣量 kg.cm2 絲杠名義直 徑/mm 導程/mm 1m 長絲杠 的轉動慣量 kg.cm2 40.941035.76 20 50.84 50 1231.98 52.24881.58 25 62.001078.02 54.91 60 1274.96 30 64.478157.35 59.2610150.47 68.72 70 12145.1335 88.3010263.49 40516.29 80 12255.84 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 22 頁 共 37 頁 615.4510420.31

35、 815.18 90 12392.75 626.1312649.56 824.5416615.1645 1022.63 100 20562.44 639.75201233.93 50 837.64 120 241144.60 表(4)滾珠絲杠的轉動慣量 3）所需轉動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo 最大切削負載時所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt 快速進給時所需力矩 M=Mf+Mo 式中, Mamax-空載啟動時折算到電動機軸上的加速度力矩; Ma-折算到電動機軸上的加速度力矩; Mf-折算到電動機軸上的摩擦力矩; Mo-由絲杠預緊所引起,折算到電動機軸上的附加

36、摩擦力矩; Mat-切削時折算到電動機軸上的加速力矩; Mt-折算到電動機軸上的切削負載力矩; Ma=10-4N.m （3-12） 式中, J-轉動慣量, kg.cm2 n-絲杠轉速,r/min T-時間常數,s 當 n=nmax時 Ma=Mamax nmax=416.7 r/min Mamax= 10-4=2.49 N.m 當 n=nt時, Ma=mat 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 23 頁 共 37 頁 nt=24.88 r/min Mat= 10-4 = 0.0616N.mMf= N.cm （3-13） 式中 -導軌上的摩擦系數 f nt-切削加工時的轉速，r/min; w-移動

37、不見的重量，N; Lo-絲杠導程，cm; i-傳動比； - 傳動效率。 當 =0.8 =0.16 時， f Mf= = 12.23 N.cmMo=(1-) （3-14） 式中， o-絲杠未預緊時的效率，取 0.9 FO-預加載荷，一般為最大軸向載荷的 1 / 3，即 FP / 3 則 Mo=(1-0.92)=8.108N.cm Mt=128 N.cm 所以，快速空載啟動所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm 切削時所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm 快速進給時所需力矩

38、M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338 N.cm 由以上分析計算可知：所需最大力矩 Mamax發(fā)生在快速啟動時 Mmax=123.338 N.cm (2)橫向齒輪及轉矩的有關計算 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 24 頁 共 37 頁 1)有關齒輪計算，由前面的條件可知： 工作臺重量：W=30kgf=300N(根據圖紙粗略計算) 滾珠絲杠的導程: Lo=4mm 步距角: =0.75/step 脈沖當量: p=0.005mm/step 快速進給速度：Vmax=1m/min 所以,變速箱內齒輪的傳動比 i=1.67 齒輪的有關參數選取如下: Z1=18 , Z2=30 ,模數 m

39、=2mm 齒寬 b=20mm 壓力角 =20 d1=36mm d2=60mm da1 =40mm da2=64mm a=48mm 2)轉動慣量計算 工作臺質量折算到步進電動機軸上的轉動慣量: J1=W()2= ( )2 30=0.0439 kg.cm2 絲杠的轉動慣量: Js=7.810-42450=0.624 kg.cm2 齒輪的轉動慣量: =7.810-43.642=0.262 kg.cm2 =7.810-4642=2.022 kg.cm2 電動機轉動慣量很小,可忽略。 因此，折算到步進電機軸上的總的轉動慣量 J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=()2（0.624+2.022）

40、+0.262+0.0439=1.258 kg.cm2=12.58N. cm2 3)所需轉動力矩計算 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 25 頁 共 37 頁 nmax=416.7 r/min Mamax= 10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cm nt=33.17 r/min Mat= 10-4=0.0174N.m=0.174 kgf.cm Mf= = =0.287kgf.cm=0.028N.m Mo=(1-0.92) =0.649kgf.cm =0.065N.m Mt=10.242kgf.cm =1.024 N.m 所以，快速空載啟動所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=2.18

41、+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm 切削時所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm 快速進給時所需力矩 M=Mf+Mo=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm 由以上分析計算可知：所需最大力矩 Mamax發(fā)生在快速啟動時 Mmax=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm （3）繪制進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖 在完成滾珠絲杠螺母副和步進電機的計算選型，完成齒輪傳動比計算后可以著 手繪制進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖。 在繪制機械

42、裝配圖時，除了從總體上考慮機床布局情況以及伺服進給機構與原 機床的聯(lián)系外，還應認真的考慮與具體結構設計有關的一些問題。 1）了解原機床的詳細結構，從有關資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等 的結構尺寸。 2）根據載荷特點和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號，軸承座的結構以及 軸承預緊和調節(jié)方式，確定齒輪軸支承軸承的型號。 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 26 頁 共 37 頁 3）減速齒輪的參數和結構尺寸計算，確定齒輪側隙的調整方法，在滿足裝配工 藝的前提下，合理設計齒輪箱結構。 4） 考慮各部位間的定位、聯(lián)接和調整方法。例如，應保證絲杠兩端支承與滾 珠絲杠螺母同軸，保證絲杠與機床導軌平

43、行，考慮螺母座。軸承座在安裝面上的聯(lián)接 與定位、齒輪箱在安裝面上的定位、步進電機在齒輪箱上的聯(lián)接與定位等。 5）考慮密封、防護、潤滑以及安全機構等問題。例如，絲杠螺母的潤滑、防塵、 防鐵屑保護、軸承的潤滑及密封、齒輪的潤滑及密封、行程限位保護裝置等。 6）在進行各零部件結構設計時，應注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序， 保證安裝、調試和拆卸的方便。 此外，注意繪制裝配圖時的一些基本要求。例如，制圖標準、視圖布 置及圖形畫法要求、重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標準、重要配合 的標注、裝配技術要求、標題欄要求等。 圖 6 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 27 頁 共 37 頁 4

44、 步進電動機的計算與選型 4.1 步進電動機選用的基本原則 合理選用步進電動機是比較復雜的問題，需要根據電動機在整個系統(tǒng)中的實際工 作情況，經過分析后才能正確選擇?，F僅就選用步進電機最基本的原則介紹如下： 4.1.1 步距角 步距角應滿足 （4-1） 式中， i-傳動比 min-系統(tǒng)對步進電動機所驅動部件要求的最小轉角 4.1.2 精度 步進電動機的精度可以用步距誤差或累積誤差衡量，累積誤差是指轉子從任意位 置開始，經過任意步后，轉子的實際轉角與理論轉角之差的最大值，用累積誤差衡量 精度比較實用，所選用的步進電動機應滿足： mi s （4-2） 式中， m -步進電動機的累積誤差。 s-系統(tǒng)對

45、步進電動機驅動部分允許的角度誤差。 4.1.3 轉矩 為了使步進電動機正常運轉（不失步，不越步）正常啟動并滿足對轉速的要求， 必須考慮以下條件 a.起動力矩。一般選取為 MqMLo/0.3-0.5 （4-3） 式中，Mq-電動機起動力矩 MLo-電動機靜負載力矩 根據步進電動機的相數和拍數，啟動力矩選取如表（5）所示，表中 MJM為步進電 動機的最大靜載矩，是步進電動機技術數據中給出的。 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 28 頁 共 37 頁 相數33445566 運行 方式 拍數3648510612 Mg/Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866

46、 表（5）步進電動機相數、拍數啟動力矩表 在要求的運行頻率范圍內，電動機運行運行力矩應大于電動機的靜載力矩與電動 機轉動慣量（包括負載的轉動慣量）引起的慣性矩之和。 4.1.4 啟動頻率 由于步進電動機的啟動頻率隨著負載力矩和轉動慣量的增大而降低，因此，相應 負載力矩和轉動慣量的極限啟動頻率應滿足： Ftfopm (4-4) 式中，ft-極限啟動頻率， fopm-要求步進電動機最高啟動頻率。 4.2 步進電動機的選折 4.2.1 CA6132 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 Mq=308.35 N.cm 為滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知： Mq/Mjm=0.866 所以步進電

47、動機最大靜轉矩 Mjm為： Mjm=356.06 N.cm 步進電動機最高工作頻率： fmax=3333.3 HZ 綜合考慮，查步進電機技術數據表選用 90BF002 型直流電動機，能滿足使用要求。 4.2.2 CA6132 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 Mq=63.3 N.cm 電動機仍選用三相六拍工作方式，查表知： Mq/Mjm=0.866 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 29 頁 共 37 頁 所以步進電動機最大靜轉矩 Mjm為： Mjm=73.09 N.cm 步進電動機最高工作頻率： fmax=3333.3 HZ 為了便于設計和采購，仍選用 90BF002 型直流電動機，能滿足使用要

48、求。 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 30 頁 共 37 頁 5 主軸交流伺服電機 5.1 主軸的變速范圍 主軸能實現的最高轉速與最低轉速之比稱為變速范圍 Rn，即 Rn=nmax/nmin,數控 機床的工藝范圍寬，切削速度與刀具，工件直徑變化很大，所以主軸變速范圍很寬。 由于 Nmax=1800 nmax=14 Nmax/nj=2nj/min (5-1) 則 nj=113r/min 這里 nj 為電動機的額定轉速，該機床主軸要求的恒功率調速范圍 Rn 為： Rn= nmax /nj =1800/113=15.9 (5-2) 主軸電機的功率是：7.5kw 5.2 初選主軸電機的型號 選主軸

49、電機的型號為：SIMODRIVE 系列交流主軸驅動系統(tǒng)型號為 1HP6167-4CB4， 連續(xù)負載 PH/KW=14.5，間隙負載（60%）/kw=17.5kw,短時負載（20min）/kw=19.25kw, 額定負載 n/r.min-1=5000,最大轉速 nmax/ r/min=8000，額定轉矩 277N.m,慣性矩 0.206/kg.m2晶體管 PWM 變頻器型號為 6SC6058-4AA02 5.3 主軸電機的校核 電動機恒恒功率調速范圍： Rn= nmax/nmin =8000/5000 =16 所以所選電動機型號的調速范圍滿足主軸所要求的調速范圍。 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文

50、 第 31 頁 共 37 頁 6 微機控制系統(tǒng)硬件電路設計 6.1 控制系統(tǒng)的功能要求 （1）z 向和 x 向進給伺服運動控制 （2）自動回轉刀架控制 （3）螺紋加工控制 （4）行程控制 （5）鍵盤及顯示 （6）面板管理 （7）其他功能：光電隔離、功率放大、報警、急停、復位。 6.2 硬件電路的組成 后面所畫大圖采用 MCS-51 系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組 成如下： （1）CPU 采用 8031 芯片； （2）擴展程序存儲器 2764 兩片，6264 一片； （3）擴展可編程接口芯片 8155 兩片； （4）地址鎖存器，譯碼器個一個； （5）鍵盤電路，顯示電路； （6）

51、光電隔離電路，功率放大功率； （7）越程報警電路，急停電路，復位電路； （8）面板管理電路。 6.3 設計說明 （1）CPU 采用 8031 芯片，由于片內無程序存儲器，數據存儲器也只有 128 字節(jié)， 因此，擴展外部程序存儲器 2764 兩片（16KB） ，數據存儲器 6264（8KB）一片。8031 的 I/O 口也不能滿足輸入輸出口的要求，本系統(tǒng)也擴展了兩片 8155 可編程接口芯片。 （2）采用 74LS138 三-八譯碼器的輸出作為片選信號。2764（1） 、2764（2） 、 6264、8155（1）和 8155（2）的片選信號分別接到譯碼器的 Y0Y4,74LS138 的輸入 A

52、、B、C 分別接 8031 的 P2.5、P2.6、P2.7。 （3）由于 2764 和 6264 芯片都是 8KB，需要 13 根地址線，A0A7 低 8 位接 74LS373 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 32 頁 共 37 頁 芯片的輸出。A8A12 接 8031 芯片的 P2.0P2.A，74LS373 地址鎖存器在選通信號 ALE 在高電平時直接傳送 8031P0 口低 8 位地址，當 ALE 在高電平變低電平的下降沿時，低 8 位地址鎖存器，此時，P0口可用來向片外傳送讀寫數據。 （4）接口芯片與外設的聯(lián)接及設計說明如下： 8155（2）PA.0PA.7 輸出的指令脈沖通過光

53、電隔離電路和功率放大電路直接驅 動縱向和橫向步進電機的共八相繞組。在本系統(tǒng)中采用軟件環(huán)形分配器方式，雖然運 行速度慢一些，但可以省去兩個硬件環(huán)形分配器，電路比較簡單，由于步進電機的每 一相繞組需和一個 I/O 接口相連，以便與控制寄存器中某一指定相位對應，因此，占 用的 I/O 口數量較多。 8155（2）的 PC.0PC.5 作為顯示器位選信號，顯示器的段選信號則由 8031 的 P1.0P1.7 發(fā)出，8155 的 PB.0PB.3 是鍵盤掃描輸入。 行程限位報警信號+Z,-Z,+X,-X 分別通過 8155（2）的 PB.4,PB.5,PB.6,PB.7 提出 中斷請求，根據不同的中斷口

54、可以直接識別行程的方向，此時相應的紅燈報警。 8155 小的 PC.0PC3 接自動回轉刀架（四方刀架） ，自動回轉刀架需要換刀時， 由 PC.0PC3 發(fā)出換位信號，經交流控制箱控制刀架電機回轉，到達指定的刀位。刀 架夾緊后，即發(fā)出回答信號，表示已完成換刀過程，可以進行切削加工。換刀回答信 號經 8155（1）的 PB.5 輸入計算機，控制刀架開始進給。 8155（1）PA.0PA.5接控制面板上的控制開關，設有編輯空運行、自動、手工（I） 、 手工（II） 、回零等選著方式。 8155（1）PB.0PB.4接控制面板上的按鈕開關，設有啟動、暫停、單段運行、連續(xù) 運行、急停等操作功能。 加工

55、螺紋時，與車床主軸相連的光電脈沖發(fā)生器會發(fā)出螺紋加工信號和零位螺紋 信號，螺紋加工信號送入 8031 的 T0，通過設置不同的時間常數，可以改變主軸每轉時 的縱向進給量，從而加工出不同螺距的螺紋，零位螺紋信號送入 8155（1）的 PB6,用來 防止多次走刀時螺紋亂扣。 （5）系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲器及 I/O 接口芯片地址編碼見表（6） （6）操作面板設計方案之一見圖（6）： 芯片 接 74LS138 引腳 地址選擇線 片內地 址單元 （字節(jié)） 地址編碼 2746（1） Y0 000X XXXX XXXX XXXX8K0000H1FFFH 2746（2）Y1001X XXXX XX

56、XX XXXX8K2000H3FFFH 6264Y2010X XXXX XXXX XXXX8K4000H5FFFH 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 33 頁 共 37 頁 RAMY3 0111 1110 XXXX XXXX 2567E00H7EFFH 8155 （1） I/OY30111 1111 1111 1XXX67FF8H7FFDH RAMY41001 1110 XXXX XXXX2569E00H9EFFH 8155 （2） I/OY4 1001 1111 1111 1XXX 69FF8H9FFDH 表(6)芯片地址編碼 圖 7 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 34 頁 共 37

57、 頁 7 車床改造的結構特點 7.1.滾珠絲桿 滾珠絲桿必須采用三點支承形式。步進電動機的布置可放在絲杠的任一端，由于 拆除了進給箱，可在原安裝進給箱處布置步進電動機和減速齒輪，也可在滾珠絲桿的 左端設計一個專用軸承支承座，而在絲杠托架處布置步進電動機和減速箱。 7.2 導軌副 為減少運動部件移動時的摩擦阻力，尤其是減少靜摩擦阻力，滑板和刀架移動部 件的導軌可粘貼摩擦系數低的聚四氟乙烯軟帶 7.3 安裝電動卡盤 為了提高經濟型數控機床的加工效率，還可考慮用電動三爪自定心卡盤裝置，這 種裝置也可與數控裝置的信號電路相配合，實現自動夾緊、松開，提高加工過程的自 動化程。 7.4 脈沖發(fā)生器 改造后

58、的簡易數控車床需要自動化加工螺紋時，可以在主軸后端同軸安裝或者異 軸安裝一個主軸脈沖發(fā)生器，作為主軸位置的信號反饋元件，目的是用來檢測主軸轉 角的位置，并且將其變化情況輸送給數控裝置，使其能按照所加工螺紋的螺距值進行 處理。 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 35 頁 共 37 頁 8 安裝調整中應注意的問題 8.1 滾珠絲杠螺母副的選擇 滾珠絲杠螺母副的制造精度要求高，加工工藝比較復雜。都是由專業(yè)工廠按系列 化進行生產。因此在進行設備改造時，要按廠家生產標準進行選擇。選擇合適以后再 決定被改造設備的 其他相關部分的結構和尺寸。 8.2 滾珠絲杠螺母副的調整 利用螺母的 間隙調整裝置調整絲杠

59、副間隙時，應使調整后產生的 預緊力為絲杠 副最大負載的 1 / 3 為宜。在 實際調整中，可以把車床處于最大工作負載，使絲杠內 部仍不產生間隙或者間隙量小于 0.01mm，而且運轉靈活，并以此作為螺母間隙調整裝 置預緊的判斷標準。 8.3 聯(lián)軸器的安裝 傳動絲杠軸線上各聯(lián)軸套上的錐銷孔座按十字分布方式進行配做。這是因為同一 聯(lián)軸套上分布的錐孔都由同一方向加工時，往往會引起軸線的直線度誤差增大，從而 使安裝在絲杠上各零件間的同軸度誤差增大，產生傳動附加載荷，影響絲杠副的傳動 性能。 8.4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 主軸脈沖發(fā)生器的的引出軸按比例 1：1 無間隙柔性連接傳動，連接后應保證 兩者都有很

60、好的同步性，安裝中要注意主軸脈沖發(fā)生器是玻璃件，不能隨意敲打碰撞， 使用中車床主軸轉速不能超過脈沖發(fā)生器的最高許用轉速。 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 36 頁 共 37 頁 結論 這次課題設計總計費時一個多月，剛開始時不知從何下手，在老師的指導下到圖 書館查閱相關資料。有關數控上的資料翻了數次，有參考了相關設計資料，終于知道 了該怎么做。接下來塞選出一系列有價值的資料，與同組同學不斷的討論、向老師請 教，終于完成了設計。 在做設計的過程中，不但復習了所學過的知識點，還學到了新的知識，同時將所 學到的知識充分的運用起來，做到了學以致用，還學會了查資料，除此之外，我還懂 得了團結合作的重要

61、性，知道了集體的力量！ 當然，在此過程中也有許多不足之處，例如：知識的不全面，所學的還沒有全部 掌握，思維的狹隘等，讓我在畢業(yè)前上了生動形象的一課。 同時，做設計也是磨練決心與毅力的過程，面對復雜冗長的數據，打印長篇的論 文，我也想過放棄，但想到它的意義我就又堅持了下來。做完了后，有一種豁然開朗 的感覺，內心激動無比，經過了這次設計以后，我有信心，我也堅信只要努力、堅持， 我們就能走好人生的每一步。 韶關學院 2009 屆畢業(yè)論文 第 37 頁 共 37 頁 參考文獻 11吳振彪主編.機電綜合設計指導.中國人民大學社.2000. 22余英良主編.機床數控改造設計與實例.機械工業(yè)出版社.1997 33機床設計手冊編寫組編. 機床設計手冊第一，三，四冊. 械工業(yè) 出版社.1998. 44明興祖主編.數控加工技術.化學工業(yè)出版社.2001. 55胡占齊，楊莉主編.機床數控技術. 機械工業(yè)出版社.1999. 66王先逵主編.機械制造工藝學. 機械工業(yè)出版社.2002. 77邱宣懷主編.機械設計.高等教育出版社.2002 88黃調，趙松年主編.機電一體化技術基礎及應用. 機械工業(yè)出版社. 1999. 99機械制造技術基礎.華中科技大學出版社 1010切削用量簡明手冊.機械工業(yè)出版社