范例：CA6140車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

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1、CA6140 車床數(shù)控改造設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 目錄 1. 緒論 1 2. 設(shè)計(jì)要求 3 2.1 總體方案設(shè)計(jì)要求 3 2.2 設(shè)計(jì)參數(shù) 4 2.3 .其它要求 4 3. 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 8 3. 1 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì) 9 3.2 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型 10 3.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 10 3.3.3 橫向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核步驟 14 3.3.4 齒輪有關(guān)計(jì)算 16 3.3.4 (2) 橫向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算 20 4. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 23 4.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用的基本原則 2

2、3 4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選折 24 5. 主軸交流伺服電機(jī) 24 5.1 機(jī)床主運(yùn)動(dòng)電機(jī)的確定 26 5.2 主軸的變速范圍 26 5.3 初選主軸電機(jī)的型號(hào) 27 5.4 主軸電機(jī)的校核 27 6. 微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 28 6.1 控制系統(tǒng)的功能要求 28 6.2 硬件電路的組成 28 6.3 設(shè)計(jì)說(shuō)明 31 7．安裝調(diào)整中應(yīng)注意的問(wèn)題 31 6.4 滾珠絲杠副的特點(diǎn) 31 6.5 滾珠絲杠螺母副的選擇 32 6.6 滾珠絲杠螺母副的調(diào)整 32 6.7 聯(lián)軸器的安裝 32 6.8 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 32 結(jié)論 3

3、5 參考文獻(xiàn) 36 緒論 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比 ,增加了功能 ,提高了性能 ,簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu) .較好地解決 形狀復(fù)雜、 精密、 小批量及形狀多變零件的加工問(wèn)題。 能獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量和 提高生產(chǎn)率，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是數(shù)控的應(yīng)用也受到其他條件限制： （ 1）數(shù) 控機(jī)床價(jià)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(jī)床， 完全用數(shù)控機(jī)床替換根本不可能， 而且替代下的機(jī) 床閑置起來(lái)又會(huì)造成浪費(fèi)； （ 3）在國(guó)內(nèi)，訂購(gòu)新數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)， 往往不能滿足生產(chǎn)急需； （ 4）通用數(shù)控機(jī)床對(duì)某一類具體生產(chǎn)項(xiàng)目有多余功能。 要較好

4、的解決上述問(wèn)題， 應(yīng)走通用機(jī)床數(shù)控改造之路。 普通機(jī)床的改造就是 在普通機(jī)床上增加微機(jī)數(shù)控裝置， 使其具有一定的自動(dòng)化能力， 以實(shí)現(xiàn)額定的加 工工藝目標(biāo)。 機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 改造閑置設(shè)備， 能發(fā)揮機(jī)床原有的功能和改造 后的新增功能，提高了機(jī)床的使用價(jià)值，可以提高固定資產(chǎn)的使用效率； （ 2）適 應(yīng)多品種、小批量零件生產(chǎn)； （ 3）自動(dòng)化程度提高、專業(yè)性強(qiáng)、加工精度高、生 產(chǎn)效率高； （ 4） 降低對(duì)工人的操作水平的要求； （ 5） 數(shù)控改造費(fèi)用低、 經(jīng)濟(jì)性好； （ 6）數(shù)控改造的周期短，可滿足生產(chǎn)急需。 目前機(jī)床數(shù)控化改造的市場(chǎng)在我國(guó)還有很大的發(fā)展空間， 現(xiàn)在我

5、國(guó)機(jī)床數(shù)控 化率不到 3％。用普通機(jī)床加工出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、 成本高、供貨期長(zhǎng)，從而在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的 產(chǎn)品、 市場(chǎng)、 效益， 影響企業(yè)的生存和發(fā)展， 所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 普通車床 （如 C616， C618， CA6140） 等是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床。 普通機(jī)床刀架的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)掛輪傳遞而來(lái)， 通過(guò)進(jìn) 給箱變速后，由光杠或絲杠帶動(dòng)溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動(dòng)。進(jìn)給參數(shù)要靠手 工預(yù)先調(diào)整好， 改變參數(shù)時(shí)要停車進(jìn)行操作。 刀架的縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn) 動(dòng)不能聯(lián)動(dòng)，切削次序也由人工控

6、制。 對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造， 主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改為用微機(jī)控制 的、能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動(dòng)換刀的回轉(zhuǎn)刀架。這樣， 利用數(shù)控裝置， 車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。 由于加工過(guò)程 中的切削參數(shù)， 切削次序和刀具都會(huì)按程序自動(dòng)調(diào)節(jié)和更換， 再加上縱向和橫向 進(jìn)給聯(lián)動(dòng)的功能， 數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件， 并 能實(shí)現(xiàn)多工序自動(dòng)車削， 從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度， 也能適應(yīng)小批量多品 種復(fù)雜零件的加工。 2 設(shè)計(jì)要求 2.1 總體方案設(shè)計(jì)要求 總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計(jì)算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和

7、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。 （ 1） 普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、 縱向和橫向的直線插補(bǔ)、 圓弧插補(bǔ)功 能，還要求能暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系 統(tǒng)。 （ 2） 車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床， 在保證一定加工精度的前提下應(yīng) 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 （ 3） 據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng) 濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用 8 位微機(jī)。在 8 位微機(jī)中， 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)、 具有很高的性價(jià)比， 因此， 可選 MC

8、S— 51 系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 （ 4） 據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了 CPU 外，還包括擴(kuò)展程序存 儲(chǔ)器， 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器， 包括光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電 路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)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） 計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。 （ 6） 向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺 母副組成，其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。 （ 7） 為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性， 選用摩擦小、 傳動(dòng)效率高的 滾

9、珠絲杠螺母副， 并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)， 以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙， 齒輪副也應(yīng)有 消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。 （ 8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。 2.2 設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)計(jì)參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)。 現(xiàn)列出 CA6140 臥式車床的技術(shù)數(shù)據(jù)： 技術(shù)參數(shù) 名稱 在床身上 400mm 工件最大直徑 I在刀架上 頂尖間最大距離 「宋制螺紋 mm 加工螺紋范圍 , 英制螺紋 t/m 模數(shù)螺紋 mm < 徑節(jié)螺紋 t/m , 最大通過(guò)直徑 孔錐度 主軸, 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) , 反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍 ’縱向級(jí)數(shù) 進(jìn)

10、給量I縱向范圍 橫向級(jí)數(shù) L橫向范圍 滑板行程f 橫向 1縱向 ,最大行程 刀架 < 最大回轉(zhuǎn)角 刀杠支承面至中心的距離 210mm 650;900;1400;1900mm 1---12（20 種） 2---24（20 種） 0.25---3（11 種） 7---96（24 種） 48mm 莫氏6# 24 10— 1400r/min 12 14---1580r/min 64 0.028---6.33mm/r 64 0.014---3.16mm/r 320mm 650;900;1400;1900mm 140mm 90 26mm 25X 2

11、5mm I刀杠截面BXH 「頂尖套莫氏錐度 尾座 《 橫向最大移動(dòng)量 外形尺寸 長(zhǎng)X寬X高 「圓度 工作精度,圓柱度 平面度 I表面粗糙度Ra 5# 士 10mm 2418X1000X 1267mm 0.01mm 200:0.02 0.02/小 300mm 1.6---3.2^m ,主電動(dòng)機(jī) 7.5kw 電動(dòng)機(jī)功率， I總功率 7.84kw 改造設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 最大加工直徑 J在床面上 400mm 〔在床鞍上 210mm 最大加工長(zhǎng)度 1000mm 快進(jìn)速度 j縱向 2.4m/min L 橫向 1.2m/min 最大切削進(jìn)給速度《縱向 0.

12、5m/min :橫向 0.25m/min 溜板及刀架重力 f 縱向 800N 〔橫向 600N 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 脈沖當(dāng)量 縱向 橫向 0.01mm/脈沖 0.005mm/脈沖 機(jī)床定位精度 0.015mm 刀具補(bǔ)償量 0mm——99.99mm 進(jìn)給傳動(dòng)鏈間隙補(bǔ)償量 縱向 0.15mm 橫向 0.075mm 控制坐標(biāo)數(shù) 自動(dòng)升降速性能 有 2.3 .其它要求 (1)原機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動(dòng)量 ，以降低成本 縮短改造周期。 (2)機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考

13、慮正確的裝配順序，保正 安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便。 3進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì) 進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)需要改動(dòng)的主要部分有掛輪架、進(jìn)給箱、溜板箱、溜板 刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案： 掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動(dòng)軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。 進(jìn)給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)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(lái)裝軸承座的部分。 溜板箱部分：全部拆除，在原來(lái)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

14、分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺 母副、橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)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(dòng)回轉(zhuǎn)四方刀架總成。 3.2 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型、齒輪傳動(dòng)計(jì)算、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型等。 計(jì)算簡(jiǎn)圖如下圖所示： ffl S）進(jìn)給系統(tǒng)L箕管圖 3.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是指一個(gè)進(jìn)給脈沖使機(jī)床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量 ，它是衡量數(shù)控機(jī) 床加工精度的一個(gè)基本參數(shù)。因此，脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)

15、床精度的要求來(lái)確定。對(duì) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，常采用的脈沖當(dāng)量為 0.01mm/step和0.005mm/step,在 CA6140的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當(dāng)量 fp為0.01mm/step。橫向脈沖當(dāng)量為 fp=0.005mm/step。 3.2.2 橫向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核步驟 (1)型號(hào)選擇 1 )最大工作載荷計(jì)算 由于導(dǎo)向?yàn)橘N塑導(dǎo)軌，則：k=1.4 f =0.05,F1為工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷， Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h, 最大工作載荷：Fm=kF1+’(Fv+2Fc+G) =1.4 X 2144+0.

16、05(5360+2 義 1340+9.8 義 75) =3440.4N 2)最大動(dòng)載荷的計(jì)算 V 橫=1400r/min x 0.79mm/r=1106mm/min n 橫絲=v^x 1/2/L?？v=1106X 1/2/4=138.25r/min L=60nt/=60 義 138.25 義 15000/106=124.43 C= vLfmFm =VT244TX 1.5 X 3440.4=25763.7N 「?初選滾珠絲杠型號(hào)為：CD50< 6-3.5-E 其基本參數(shù)為 Dw=3.969mm入=2o11,L0=6mm,dm=50mm|數(shù) X 列數(shù) x 3.5X1 (2)橫向滾珠

17、絲杠的校核 1 )傳動(dòng)效率”計(jì)算 4==tg 入 /tg(入 + 小)=tg2 o11 7tg(211 +10)=93% 2)剛度驗(yàn)算 1 .絲杠的拉壓變形量 1 = FrriX L/EA= 3440.4 X 320/20.6 X 104X 九義 252= 0.0027mm Fm 2 .滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 6 2=0.0013 X3 MDwFyjZ ” =0.0013 義3440.4 一 3 . 3440.4 V3.969 .X._X 145.36 =0.0070mm 在這里 Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N Z= 兀 dm/Dw=3

18、.14X 50/3.969=39.56 Z 12=39.56X3.5 乂 1=138.48 絲杠的總變形量 6=6 1 + 6 2=0.0027+0.0070=0.0097mm<0.015mm 查表知E級(jí)精度允許的螺距誤差為0.015mm故所選絲杠合格 3.2.3齒輪有關(guān)計(jì)算 （1）縱向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算 1）有關(guān)齒輪計(jì)算，由前面的條件可知： 工作臺(tái)重量：W=80kgf=800N根據(jù)圖紙粗略計(jì)算） 滾珠絲杠的導(dǎo)程：Lo=12mm 步品E角: a =0.75 /step 脈沖當(dāng)量： 6 p=0.01mm/step 快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/min 所以，變速箱內(nèi)齒輪

19、的傳動(dòng)比 .Z2 i=一= Z1 (j)L0 0.75 X 12 360 8 p 360 X 0.01 =2.5 (3-9) 齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下： Zi=32 , Z2=40 ，模數(shù) m=2mm 齒寬b=20mm 壓力角a =20 齒輪的直徑 d 產(chǎn)mz=2X 32=64mm d 2=mz=2 x 40=80mm * 〃2=di+2ha=68mm d〃2=d2+2ha*=84mm 兩齒輪的中心矩 a= W2 64+80 rc -二72mm 2）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 工作臺(tái)質(zhì)量折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J80SP\2 18

20、0X0.01 2 1 2 J i=W—) = (3^75) X80X 同=0.467kg.cm (3-10) 對(duì)材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算： J=7.8 x 10-4D4L kg.cm 2 (3-11) 式中D---圓柱形零件的直徑，cm L--- 零件的軸向長(zhǎng)度，cm 所以，絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： J 1=7.8 X 10-4+D4L1=7.8 X 10-4x 3.2 4X 140.3=11.475 kg.cm 2 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： %=7.8 X10-4x 6.44 X 2=2.617 kg.cm 2 a1 =7.8 X 10-4X84X 2=6.39 kg.

21、cm 2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可忽略。 因此，折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=(1/i 2) (Js+Jz2) +Jz1+J1=(1/2.5 2) (11.475+6.39 ) +2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm2 3)所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M=Mf+Mo 式中， Mamax---空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速度力矩； Ma---折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速度力矩； Mf---折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩； Mo--

22、-由絲杠預(yù)緊所引起，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦力矩； Mat---切削時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速力矩； Mt---折算到電動(dòng)機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩； Ma=? x 10-4N.m (3-12) 9.6T 式中， J---轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.cm2 n---絲杠轉(zhuǎn)速,r/min T---時(shí)間常數(shù)，s 當(dāng)n=nmax時(shí) M a=M amax VmaxI 2000 x 2.5 nmax=—— Lo 12一=416.7 r/min 一 5.942 X 416.7、，/~4 八 /八… M amax=_9.6 X 0.025 10 =2.49N.m 當(dāng) n=nt 時(shí)，Ma=ma

23、t ntF 1000V r. + fi n王f 冗d L0 1000 x 100 x 0.3 x 2.5C-- ,? 3.14 x 80X 12 =24.88 r/min M at= 59.42 X 24.88 9.6 X 0.25 X 10-4=0.0616N.mMf= FoLo 2兀4i N.cm (3-13) 式中 f---導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) nt---切削加工時(shí)的轉(zhuǎn)速，r/min; w---移動(dòng)不見(jiàn)的重量，N; Lo---絲杠導(dǎo)程，cm; i---傳動(dòng)比; “---傳動(dòng)效率。 4=0.8 f=0.16 時(shí), Mf= 0.16 X

24、800 X 1.2 2X 3.14 x 0.8 x 2.5 12.23 N.cmMo= FoLo 2兀4i (1- (3-14) 式中, o---絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率，取0.9 Fo---預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的1 / 3,即Fp/ 3 FpLo(1- T1 2) 1340 X 1.2 2 o= 6- o =6X314XO8X及(1-0.92)=8.108N.cm 6 兀 r\ i 6 X 3.14 X 0.8 X 2.5 Mt=-FxL- 2兀4i 1340 X 1.2 2X 3.14 x 0.8 x 2.5-128 N.cm 所以, 快速空載啟動(dòng)所

25、需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm 切削時(shí)所需力矩 M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M=M f+Mo=12.23+8.108=20.338 N.cm 由以上分析計(jì)算可知：所需最大力矩 Mamax發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí) Mmax=123.338 N.cm (2)橫向齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算 1）有關(guān)齒輪計(jì)算，由前面的條件可知： 工作臺(tái)重量：W=30kgf=300N根據(jù)圖紙粗略計(jì)算） 滾珠絲杠的導(dǎo)程：Lo=4mm 步距角: = =0.7

26、5 /step 脈沖當(dāng)量： 6 p=0.005mm/step 快速進(jìn)給速度：Vmax=1m/min 所以，變速箱內(nèi)齒輪的傳動(dòng)比 Z2 (j)L0 0.75 X4 5 ^ Z?= 360 8 p =360 X 0.005 . 3 =1.67 齒輪的有關(guān)參數(shù)選取如下： Zi=18 , Z2=30，模數(shù) m=2mm 齒寬b=20mm 壓力角a =20 d〔二36mm d2=60mm da1 =40mm da2=64mm a=48mm 2）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 工作臺(tái)質(zhì)量折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ，180 p、2 180 0.0052 12 J 1=W*) =

27、 ( ^^5) X30X1^=0.0439 kg.cm 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： J s=7.8 x 10-4X 24X50=0.624 kg.cm 2 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： a1=7.8 X 10-4X3.6 4X2=0.262 kg.cm 2 % =7.8 X 10-4X 64X 2=2.022 kg.cm 2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可忽略。 因此，折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=(1/i 2) (Js+Jz2) +Jz1+J1=(3)2 ( 0.624+2.022 ) +0.262+0.0439=1.258 5 / kg.cm2=12.58N. cm2 3）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算

28、 VmaxI 1000 5 nmax=B=丁 x3=416.7 r/min M amax= 1.258 * 416.7x 10-4=0 2184Nm=2 18kgfcm 9.6 x 0.025 v.j~ n主f ntF 1000V fi 兀D L0 1000 X 100 X 0.15 X5 =33 17 3.14 x 60 x 4X3 "J ’ r/min Mat=" Hx 10-4=0.0174Mm=0.174 kgf.cm Mf= FoLo f wLo 22 3.140 x0^4 =0.287kgf.cm=0.028Mm 2 FpL

29、o(1- “ ) 214.4 X 0.4X3 2 . Mo= 6兀 i o =6X314 X08 3。-。.硝=0.649kgf.cm =0.065N.m 6 兀4 i 6X 3.14 X 0.8 X) i 一 FyL0 214.4 x 0.4 X3 / 八八r / cc ,… Mt= =2X314 xo8 =10.242kgf.cm =1.024 N.m 2兀41 2A3.14 A 0.8 Xj J 所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm 切削時(shí)所需力矩 M=Ma

30、t+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 M=M f+Mo=0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm 由以上分析計(jì)算可知：所需最大力矩 Mamax發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí) Mmax=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm 4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 4.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用的基本原則 合理選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是比較復(fù)雜的問(wèn)題，需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí) 際工作情況，經(jīng)過(guò)分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則介紹 如下： 4.1.1 步距角a

31、步距角應(yīng)滿足 a 0一 （4-1） 式中，i---傳動(dòng)比 a min---系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件要求的最小轉(zhuǎn)角 4.1.2 精度 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精度可以用步距誤差或累積誤差衡量，累積誤差是指轉(zhuǎn)子從 任意位置開(kāi)始，經(jīng)過(guò)任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值， 用累 積誤差衡量精度比較實(shí)用，所選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足： △ 9 m

32、考慮以下條件 a.起動(dòng)力矩。一般選取為 Mq>MLo/0.3-0.5 （4-3） 式中，Mq—電動(dòng)機(jī)起動(dòng)力矩 MLo---電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載力矩 根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)，啟動(dòng)力矩選取如表（4）所示，表中Mjm為 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜載矩，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。 運(yùn)行 方式 相數(shù) 3 3 4 4 5 5 6 6 3 6 4 8 5 10 6 12 Mg/Mjm 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 表（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)、拍數(shù)啟動(dòng)力矩表 在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)

33、運(yùn)行運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。 4.1.4 啟動(dòng)頻率 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此， 相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足： Ft>[fop]m （4-4） 式中，ft---極限啟動(dòng)頻率， [fop]m---要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高啟動(dòng)頻率。 4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選折 4.2.1 CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 Mq= ML0 0.4 25.32 0.4 =63.3 N.cm 電動(dòng)機(jī)仍選用三相六拍工作方式，查表知： Mq/Mjm=0.866 所

34、以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjm為： Mq 63.3 Mjm=0^6 =蒜66=73.09 N.cm 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高工作頻率: fmax= Vmax 60 sp 1000 60 x 0.005 =3333.3 Hz 為了便于設(shè)計(jì)和采購(gòu)，仍選用 90BF002型直流電動(dòng)機(jī)，能滿足使用要求 5主軸交流伺服電機(jī) 5.1 主軸的變速范圍 主軸能實(shí)現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為變速范圍 Rn, 即Rn=nmax/nmin,數(shù)控機(jī)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/

35、min (5-1) 貝［j nj=v/180(2>< 14 =113r/min 這里nj為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 該機(jī)床主軸要求的恒功率調(diào)速范圍 Rn為： Rn= nmax /nj =1800/113=15.9 (5-2) 主軸電機(jī)的功率是：7.5kw 5.2 初選主軸電機(jī)的型號(hào) 選主軸電機(jī)的型號(hào)為：SIMODRIVE系列交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型號(hào)為 1HP6167-4CB4,連續(xù)負(fù)載 PH/KW=14.5,間隙負(fù)載(60%) /kw=17.5kw,短時(shí)負(fù) 載(20min) /kw=19.25kw,額定負(fù)載 n/r.min-1=5000，最大轉(zhuǎn)速 nmax/ r/min=8000, 額

36、定轉(zhuǎn)矩277N.m,慣性矩0.206/kg.m2晶體管PWM變頻器型號(hào)為6SC6058-4AA02 5.3主軸電機(jī)的校核 電動(dòng)機(jī)恒恒功率調(diào)速范圍： Rn= nmax/nmin =8000/5000 =16 所以所選電動(dòng)機(jī)型號(hào)的調(diào)速范圍滿足主軸所要求的調(diào)速范圍。 6微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 6.1 控制系統(tǒng)的功能要求 (1) z向和x向進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)控制 (2)自動(dòng)回轉(zhuǎn)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(bào)警、急停、復(fù)位。 6.2 硬件電路的組成： 后面所畫(huà)大圖采用 MCS-51 系列單片

37、機(jī)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(kuò)展程序存儲(chǔ)器 2764 兩片， 6264一片； （ 3）擴(kuò)展可編程接口芯片 8155 兩片； （ 4）地址鎖存器，譯碼器個(gè)一個(gè)； （ 5）鍵盤電路，顯示電路； （ 6）光電隔離電路，功率放大功率； （ 7）越程報(bào)警電路，急停電路，復(fù)位電路； （ 8）面板管理電路。 6.3 設(shè)計(jì)說(shuō)明 （1） CPUS用8031芯片，由于片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也只有 128 字節(jié)，因此，擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器 2764 兩片（ 16KB） ，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 6264（ 8KB） 一片。 8031

38、 的 I/O 口也不能滿足輸入輸出口的要求，本系統(tǒng)也擴(kuò)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(hào)。2764 （1）、2764 （2） 、 6264、 8155（1） 和 8155（2） 的片選信號(hào)分別接到譯碼器的 Y0~Y4,74LS 138 的輸入 A、 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，A0~A7低8位接 74LS373芯片的輸出。A8~A12接8031芯片的P2.0~P2A 74LS373地址鎖存器 在選通信號(hào)ALE在高電平時(shí)直接

39、傳送8031P0 口低8位地址，當(dāng)ALE在高電平變 低電平的下降沿時(shí)， 低 8 位地址鎖存器， 此時(shí)， P0 口可用來(lái)向片外傳送讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。 （ 4）接口芯片與外設(shè)的聯(lián)接及設(shè)計(jì)說(shuō)明如下： 8155（ 2） PA.0~PA.7 輸出的指令脈沖通過(guò)光電隔離電路和功率放大電路 直接驅(qū)動(dòng)縱向和橫向步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行速度慢一些，但可以省去兩個(gè)硬件環(huán)形分配器，電路比較簡(jiǎn)單，由 于步進(jìn)電機(jī)的每一相繞組需和一個(gè) I/O 接口相連， 以便與控制寄存器中某一指定 相位對(duì)應(yīng)，因此，占用的 I/O 口數(shù)量較多。 8155 （2）的PC.0~PC.5作為顯示

40、器位選信號(hào)，顯示器的段選信號(hào)則由 8031 的P1.0~P1.7發(fā)出，8155的PB.0~PB.3是鍵盤掃描輸入。 行程限位報(bào)警信號(hào) +Z,-Z,+X,-X 分別通過(guò) 8155（2）的 PB.4,PB.5,PB.6,PB.7 提出中斷請(qǐng)求， 根據(jù)不同的中斷口可以直接識(shí)別行程的方向， 此時(shí)相應(yīng)的紅燈報(bào) 警。 8155小的 PC.0~PC..3接自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 （四方刀架） ， 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架需要換刀 時(shí)，由PC.0~PC..3發(fā)出換位信號(hào)，經(jīng)交流控制箱控制刀架電機(jī)回轉(zhuǎn)，到達(dá)指定 的刀位。刀架夾緊后，即發(fā)出回答信號(hào)，表示已完成換刀過(guò)程，可以進(jìn)行切削加 工。換刀回答信號(hào)經(jīng)8155 (1)的PB

41、.5輸入計(jì)算機(jī)，控制刀架開(kāi)始進(jìn)給。 8155 (1) Pa.0~Pa.5接控制面板上的控制開(kāi)關(guān)，設(shè)有編輯空運(yùn)行、自動(dòng)、手 工(I)、手工(II)、回零等選著方式。 8155 (1) Pb.o~Pb.4接控制面板上的按鈕開(kāi)關(guān)，設(shè)有啟動(dòng)、暫停、單段運(yùn)行、 連續(xù)運(yùn)行、急停等操作功能。 加工螺紋時(shí)，與車床主軸相連的光電脈沖發(fā)生器會(huì)發(fā)出螺紋加工信號(hào)和零位 螺紋信號(hào)，螺紋加工信號(hào)送入 8031的T0,通過(guò)設(shè)置不同的時(shí)間常數(shù)，可以改變 主軸每轉(zhuǎn)時(shí)的縱向進(jìn)給量，從而加工出不同螺距的螺紋，零位螺紋信號(hào)送入8155 (1)的PB6,用來(lái)防止多次走刀時(shí)螺紋亂扣。 (5)系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲(chǔ)器及I

42、/O接口芯片地址編碼見(jiàn)表(5) (6)操作面板設(shè)計(jì)方案之一見(jiàn)表(5): -H- UL 心片 接 74LS138 引腳 地址選擇線 片內(nèi)地 址單元 (字 節(jié)) 地址編碼 2746 (1) Yo 000X XXXX XXXX XXXX 8K 0000H~1FFFH 2746 (2) Y1 001X XXXX XXXX XXXX 8K 2000H~3FFFH 6264 Y2 010X XXXX XXXX XXXX 8K 4000H~5FFFH 8155 (D RAM Y3 0111 1110 XXXX XXXX 256 7E00H~7EFFH

43、 I/O Y3 0111 1111 1111 1XXX 6 7FF8H~7FFDH 8155 (2) RAM Y4 1001 1110 XXXX XXXX 256 9E00H~9EFFH I/O Y4 1001 1111 1111 1XXX 6 9FF8H~9FFDH 表(5)芯片地址編碼 7車床改造的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 7.1 .滾珠絲桿 滾珠絲桿必須采用三點(diǎn)支承形式。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的布置可放在絲杠的任一端， 由于拆除了進(jìn)給箱，可在原安裝進(jìn)給箱處布置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和減速齒輪， 也可在滾 珠絲桿的左端設(shè)計(jì)一個(gè)專用軸承支承座，而在絲杠托架處布置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和減速 箱。

44、 7.2 導(dǎo)軌副 為減少運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)時(shí)的摩擦阻力，尤其是減少靜摩擦阻力，滑板和刀架移 動(dòng)部件的導(dǎo)軌可粘貼摩擦系數(shù)低的聚四氟乙烯軟帶 7.3 安裝電動(dòng)卡盤 為了提高經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的加工效率，還可考慮用電動(dòng)三爪自定心卡盤裝 置，這種裝置也可與數(shù)控裝置的信號(hào)電路相配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾緊、松開(kāi)，提高加 工過(guò)程的自動(dòng)化程。 7.4 脈沖發(fā)生器 改造后的簡(jiǎn)易數(shù)控車床需要自動(dòng)化加工螺紋時(shí)， 可以在主軸后端同軸安裝或 者異軸安裝一個(gè)主軸脈沖發(fā)生器， 作為主軸位置的信號(hào)反饋元件， 目的是用來(lái)檢 測(cè)主軸轉(zhuǎn)角的位置， 并且將其變化情況輸送給數(shù)控裝置， 使其能按照所加工螺紋 的螺距值進(jìn)行處理。

45、8 安裝調(diào)整中應(yīng)注意的問(wèn)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(fù)雜。 都是由專業(yè)工廠按 系列化進(jìn)行生產(chǎn)。 因此在進(jìn)行設(shè)備改造時(shí)， 要按廠家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。 選擇合 適以后再?zèng)Q定被改造設(shè)備的 其他相關(guān)部分的結(jié)構(gòu)和尺寸。 8.2 滾珠絲杠螺母副的調(diào)整： 利用螺母的 間隙調(diào)整裝置調(diào)整絲杠副間隙時(shí)， 應(yīng)使調(diào)整后產(chǎn)生的 預(yù)緊力為 絲杠副最大負(fù)載的 1 / 3 為宜。在 實(shí)際調(diào)整中，可以把車床處于最大工作負(fù)載， 使絲杠內(nèi)部仍不產(chǎn)生間隙或者間隙量小于 0.01mm,而且運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，并以此作為 螺母間隙調(diào)整裝置預(yù)緊的判斷標(biāo)準(zhǔn)。 8.3 聯(lián)軸器的安

46、裝： 傳動(dòng)絲杠軸線上各聯(lián)軸套上的錐銷孔座按十字分布方式進(jìn)行配做。 這是因?yàn)? 同一聯(lián)軸套上分布的錐孔都由同一方向加工時(shí)， 往往會(huì)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(chǎn)生傳動(dòng)附加載荷， 影響 絲杠副的傳動(dòng)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(wú)間隙柔性連接傳動(dòng)，連接后 應(yīng)保證兩者都有很好的同步性， 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(zhuǎn)速不能超過(guò)脈沖發(fā)生器的最高許用轉(zhuǎn)速。 結(jié)論 這次課題設(shè)計(jì)總計(jì)費(fèi)時(shí)兩個(gè)星期， 剛開(kāi)始時(shí)不知從何下手， 在老師的指導(dǎo)下 到圖書(shū)館

47、查閱相關(guān)資料。有關(guān)數(shù)控上的資料翻了數(shù)次，有參考了相關(guān)設(shè)計(jì)資料， 終于知道了該怎么做。 接下來(lái)篩選出一系列有價(jià)值的資料， 與同組同學(xué)不斷的討 論、向老師請(qǐng)教，終于完成了設(shè)計(jì)。 在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中， 不但復(fù)習(xí)了所學(xué)過(guò)的知識(shí)點(diǎn)， 還學(xué)到了新的知識(shí)， 同時(shí) 將所學(xué)到的知識(shí)充分的運(yùn)用起來(lái)， 做到了學(xué)以致用， 還學(xué)會(huì)了查資料， 除此之外， 我還懂得了團(tuán)結(jié)合作的重要性，知道了集體的力量！ 當(dāng)然，在此過(guò)程中也有許多不足之處，例如：知識(shí)的不全面，所學(xué)的還沒(méi)有 全部掌握，思維的狹隘等，讓我在畢業(yè)前上了生動(dòng)形象的一課。 同時(shí)， 做設(shè)計(jì)也是磨練決心與毅力的過(guò)程， 面對(duì)復(fù)雜冗長(zhǎng)的數(shù)據(jù)， 打印長(zhǎng)篇 的論文

48、，我也想過(guò)放棄，但想到它的意義我就又堅(jiān)持了下來(lái)。做完了后，有一種 豁然開(kāi)朗的感覺(jué)，內(nèi)心激動(dòng)無(wú)比，經(jīng)過(guò)了這次設(shè)計(jì)以后，我有信心，我也堅(jiān)信只 要努力、堅(jiān)持，我們就能走好人生的每一步。 參考文獻(xiàn) 1. 吳振彪主編 . 機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo) . 中國(guó)人民大學(xué)社 .2000. 2. 余英良主編 . 機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例 . 機(jī)械工業(yè)出版社 .1997 3. 《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫(xiě)組編 . 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)第一，三，四冊(cè) . 械工 業(yè)出版社 .1998. 4. 明興祖主編 . 數(shù)控加工技術(shù) . 化學(xué)工業(yè)出版社 .2001. 5. 胡占齊，楊莉主編 . 機(jī)床數(shù)控技術(shù) . 機(jī)械工業(yè)出版社 .1999. 6. 王先逵主編 . 機(jī)械制造工藝學(xué) . 機(jī)械工業(yè)出版社 .2002. 7. 邱宣懷主編 . 《機(jī)械設(shè)計(jì)》 . 高等教育出版社 .2002 8. 黃調(diào)，趙松年主編 . 機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用 . 機(jī)械工業(yè)出版 社.1999.