畢業(yè)設計（論文）-CA6140普通車床進行數(shù)控改造設計（全套圖紙）

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1、成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 1 目 錄 一、緒論 11 引言 1 12 機床數(shù)控改造的目的 . 2 13 數(shù)控系統(tǒng)的產生和發(fā)展. .2 131 數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展.2 132 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢2 14CA6140 的數(shù)控改造. 4 141 數(shù)控系統(tǒng)的選擇4 142CPU 和存儲器.5 143I/O 接口線路.6 144 其他部件的選擇.6 二、 數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇及其計算 21 縱向進給系統(tǒng)的設計計算. 7 211 選擇脈沖當量7 212 計算切削力7 213 滾珠絲杠螺母副的計算和選型.8 214 齒輪及步進電機的有關計算.10 22 橫向進給系統(tǒng)的設計計算.12 221 切削力

2、計算12 222 滾珠絲杠設計計算12 223 齒輪及步進電機的有關計算14 23 自動刀架的設計15 231 刀架的回轉和選位. 16 232 減速機構的設計計算. 17 233 蝸桿傳動的設計計算. 20 234 螺旋升降裝置的設計計算.23 三、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 31 概述 . . . .27 32 單片機控制系統(tǒng)設計.28 321 主要技術特性及硬件配制28 322 存儲空間的分配28 323 I/O 地址分配28 324 單片機部分電路設計圖如圖紙所示.29 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 2 325 光電隔離電路29 326 功率放大電路29 327 其他輔助電路. 3

3、0 四、軟件設計部分 41 概述. . . . 30 42 總體方案設計.31 43 插補方法的確定.31 44 進給控制字 FCW 的設置.33 致謝 . 34 參考文獻35 全套全套 CAD 圖紙，聯(lián)系圖紙，聯(lián)系 153893706 一、緒論 1.1 引言 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代也不斷加速，因此對機床不僅要求具有較高的精度和 生產率，而且應能迅速地適應產品零件的變換。生產的需要促使了數(shù)控機 床的產生，隨著電子技術，特別是計算機技術的發(fā)展，數(shù)控機床迅速的發(fā) 展起來。 從第一臺數(shù)控機床（1952 年 美國）問世至今，機床的數(shù)控化率在不斷

4、 的提高。世界各工業(yè)國家已普遍生產和應用，日本生產機床的數(shù)控化率在 1988 年就已達到 70%。 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 3 我國從開放搞活以來，加快了數(shù)控機床技術的引進，促使我國的機床 數(shù)控技術的普及和發(fā)展。當前普遍應用的微型計算機數(shù)控機床，它綜合了 電子技術、計算機技術、自動化技術、測量技術和機械制造等方面的最新 成果，是一種靈活高效的自動化機床，是機電一體化的典型產品之一。各 大企業(yè)不斷設置數(shù)控機床擴大再生產和替換陳舊設備。數(shù)控機床的普及率 不斷提高，這種情況下，普通機床的數(shù)控改造是否必要可從以下幾點說明。 數(shù)控機床可以較好地解決形狀復雜、精密、小批多變零件的加工問題，

5、 能夠穩(wěn)定的加工質量和提高生產效率，但是應用數(shù)控機床還是受到其他條 件的限制。 數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，對中小企業(yè)常是力不從心。 目前各企業(yè)都有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床替換根本不可能， 而且替代的機床閑置起來又造成浪費。 國內訂購新數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產需要。 通過數(shù)控機床對具體生產有多余功能。 要較好地解決上述問題，應走普通車床數(shù)控改造之路，從一些工業(yè)化 國的經(jīng)驗者，機床的數(shù)控改造也必不可少，數(shù)控改造機床占有較大比例。 如：日本的大企業(yè)中有近 30%的機床經(jīng)過數(shù)控改造，中小企業(yè)則是 70%以上。 在美國有許多數(shù)控專業(yè)化公司為世界各地提供機床數(shù)控改造服務。

6、我國作 為機床大國-為了提高機床的數(shù)控化率對普通機床進行數(shù)控改造不失為一種 良策。一些發(fā)達國家如德國、美國、 日本等就非常重視對舊機床的改造， 而且已形成了一個完善的產學研結合的改造體系。 由于技術的不斷進步， 機床改造已成為一個永恒的課題。 我國應在這方面加大宣傳力度， 走出 一條適合我國國情的機床的數(shù)控改造之路。機床數(shù)控改造節(jié)省資金，同購 置新機床相比一般可節(jié)省 6080的費用，大型及特殊設備尤為明顯。一 般大型機床改造只需花新機床購置費的 1/3 即使將原機床的結構進行徹底 改造升級， 也只需花費購買新機床 60的費用， 并可以利用現(xiàn)有地基。 性能穩(wěn)定可靠， 因原機床各基礎件經(jīng)過長期時效

7、，幾乎不會產生應力變形 而影響精度。機床經(jīng)數(shù)控改造后， 即可實現(xiàn)加工的自動化，效率可比傳統(tǒng) 機床提高 3-7 倍。對復雜零件而言， 難度越高， 功效提高得越多。 且可 以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用，而且可以縮短生產準備周期。因此， 普通機床的數(shù)控不但存在的必要，而且大有可為，尤其對一些中小企業(yè)更 是如此。 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 4 1. 2 機床數(shù)控改造的目的 設備是企業(yè)發(fā)展生產技術和實現(xiàn)經(jīng)營目標的物質基礎。設備的技術性 能 和技術狀態(tài)不但直接影響產品質量，還關系工時、材料和能源的有效利用， 同時對企業(yè)的經(jīng)濟效益也會產生深遠影響。設備的技術改造和更新直接影 響企業(yè)的技術進

8、步、產品開發(fā)和市場開拓。因此，從企業(yè)產品更新替代、 發(fā)展品種、提高質量、降低能耗，提高勞動生產率和經(jīng)濟效益的實際出發(fā)， 進行充分的技術分析，有針對性的用新技術改造和更新現(xiàn)有設備，是提高 企業(yè)素質和市場競爭力的一種有效方法。 據(jù)全國工業(yè)普查的統(tǒng)計資料介紹，截止到 2000 年底，數(shù)量較多涉及面 較寬的金屬加工機床的擁有量約為 384 萬臺，其中役齡在 6 15 年約為 153. 2 萬臺，約占 39. 9%，役齡在 16a 以上約為 133. 7 萬臺，約占 34. 8%。這 表明我國工業(yè)制造業(yè)的裝備，乃至各行各業(yè)的設備仍有相當大數(shù)量比較落 后，有待改造或更新。鑒于此，采用數(shù)控技術對普通機床進行

9、數(shù)控改造， 尤其適合我國機床擁有量大，生產規(guī)模小的具體國情。 1. 3 數(shù)控系統(tǒng)的產生和發(fā)展 1. 3. 1 數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展 第二次世界大戰(zhàn)后，美國為革新飛機制造業(yè)中用于仿形機床的靠模和 樣件的加工設備，開始研制新型機床。1952 年，美國帕森斯公司與麻省理 工學院伺服機構實驗室合作，研制成功第一代數(shù)控系統(tǒng)。用于三坐標立式 銑床。其插補裝置采用脈沖乘法器，整個控制裝置由真空管組成。1959 年， 晶體管元件問世，數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印制板電路，從此數(shù)控系 統(tǒng)進入第二代。 1965 年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路，由于其體積較小，功耗 低，抗干擾能力較強，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得到進一步提高，

10、數(shù)控系統(tǒng)發(fā) 展到第三代。上述三代數(shù)控系統(tǒng)均為硬接線數(shù)控系統(tǒng)，稱為普通數(shù)控系統(tǒng) o 隨著計算機技術的發(fā)展，出現(xiàn)了以小型計算機替代專用硬接線裝置，以控 制軟件實現(xiàn)數(shù)控功能的計算機數(shù)控系統(tǒng)，使數(shù)控系統(tǒng)進入第四代。1970 年 前后，美國英特爾公司首先開發(fā)和使用了四位微處理器，1974 年美、日等 國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)，由于中、大規(guī)模集成電路的 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 5 集成度和可靠性高、價格低廉，所以微處理器數(shù)控系統(tǒng)得到了廣泛應用。 這就是微機數(shù)控系統(tǒng)，從而使數(shù)控系統(tǒng)進入了第五代?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)為了 進一步擴展功能，增強實時控制能力和可靠性，常采用多微處理器結構，

11、由多個微處理器構成功能模塊，各功能模塊之間的互連與通信，或采用共 享總線結構，或采用共享存貯器結構。 1.3.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1、向高速度、高精度發(fā)展 現(xiàn)代機床數(shù)控系統(tǒng)多采用 32 位 CPU 和多 CPU 并行技術，使運算速度得 了很大的提高。與高性能數(shù)控系統(tǒng)相配合，現(xiàn)代數(shù)控機床采用了交流數(shù)字 伺服系統(tǒng)。伺服電機的位置、速度和電流環(huán)都實現(xiàn)了數(shù)字化。數(shù)控系統(tǒng)的 聯(lián)動軸數(shù)多達 9 個，使機床可以加工較復雜的空間線型或型面。 2、可靠性的提高 由于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的模塊化、通用化和標準化，便于組織批量生產， 故可保證產品質量?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)大量采用大規(guī)模集成電路，采用專用芯 片及混合式集成電路，

12、提高了集成度，減少了元器件數(shù)量，提高了可靠性。 3、采用自動程序編制技術 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)利用其自身很強的存貯及運算能力，把很多自動編程功 能植入數(shù)控系統(tǒng)。在一些新型的數(shù)控系統(tǒng)中，還裝入了小型工藝數(shù)據(jù)庫， 使得數(shù)控系統(tǒng)不僅具有在線零件程序編制功能，而且可以在零件程序編制 過程中，根據(jù)機床性能，工件材料及零件加工要求，自動選擇最佳刀具及 切削用量。 1.4 CA6140 的數(shù)控改造 本設計任務是對 CA6140 普通車床進行數(shù)控改造。利用微機數(shù)控系統(tǒng)改 造縱、橫向進給系統(tǒng)，進行開環(huán)控制，縱向脈沖當量 0.01mm/脈沖，橫向為 0.005mm/脈沖。驅動元件采用直流步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠。

13、1.4.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 數(shù)控系統(tǒng)是機床的核心，在選擇時，要對其性能、 經(jīng)濟性及維修服務 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 6 等進行綜合考慮，盡量選用名牌產品。 根據(jù)被改機床的結構、 性能及被 加工零件的精度來選擇數(shù)控系統(tǒng)。 既要功能相匹配，又要盡量減少過剩的 數(shù)控功能。 這樣一方面可避免資金浪費，另一方面也可避免因數(shù)控系統(tǒng)復 雜而增加的故障率。 目前數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型：步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)；異步電機 或直流電機拖動光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)； 交 / 直流伺服電機拖動 編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。其中步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)， 其伺服驅 動裝置主要是步進電機、 功率步進電機、

14、電液脈沖馬達等。該系統(tǒng)位移 精度較低， 但結構簡單、 調試維修方便、質量穩(wěn)定可靠、成本低、抗干 擾性能強、 對環(huán)境室溫要求不高，易改裝成功。 適用于精度要求一般的 中小型機床的改造，也是目前數(shù)控改造中應用最為廣泛的一種。 異步電機 或直流電機拖動光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)控制精度高，但在結構上比 開環(huán)進給系統(tǒng)復雜， 工作量大，成本也高， 調試困難， 一般不采用。 交 / 直流伺服電機拖動編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)， 其精度介于前二 者之間，結構與調試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單，適用于控制精度要求較高的大、 中型機床的改造。 總體方案確定為用 MCS51 系列單片機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由 I/O 接口輸出

15、步進脈沖，經(jīng)一級齒輪減速，帶動滾珠絲杠轉動，從而實現(xiàn)縱橫 向進給運動。示意圖如圖 1 所示。 圖 1 由于設計的是經(jīng)濟型車床的改造，所以在考慮具體的方案時，其本原則 是在滿足需要的前提下，對于機床盡可能減少改動量，以降低成本。 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 7 8031 單片機在數(shù)控改造應用較普通，各種應用軟件較多，系統(tǒng)開發(fā)較 容易，且其價格低廉，抗干擾性強，可靠性高，速度快，指令系統(tǒng)的效率 高，體積小，最適宜用來開發(fā)簡易和小型專用的數(shù)控裝置。 1.4.2 CPU 和存儲器 由于 8031 無片內程序存儲器,需要擴展外部程序存儲器,同時,8031 內 部只有 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器

16、,也不能滿足控制系統(tǒng)的要求,故擴展了兩片 2764 的程序存儲器和一片 6264 數(shù)據(jù)存儲器。8031 芯片的 P0 和 P2 用來傳 送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù),P2 口傳送高八位地址,P0 口需傳送低八位地址 和數(shù)據(jù),所以要采用 74LS373 地址鎖存器,鎖存低八位地址,ALE 作為選通信 號。8031 芯片的 P2 和 74LS373 送出的 P0 口低八位地址共同組成 16 位地址, 2764 和 6264 芯片都是 8KB,需要 13 根地址線,A0A7 低八位接 74LS373 的輸 出,A8A12 接 8031 芯片的 P2.0P2.4,系統(tǒng)采用全地址譯碼,兩片 2764 芯片

17、片選信號 CE 分別接 74LS138 譯碼器的 Y0 和 Y1,系統(tǒng)復位后程序從 0000H 開 始執(zhí)行。6264 的片選信號 CE 也接 74LS138 譯碼器的 Y2(單片機擴展系統(tǒng)允 許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址)、8031 芯片控制信號 PSEN 接 2764 的 OE 引腳,讀寫控制信號 WR 和 RD 分別接 6264 芯片的 WE 和 OE,以實現(xiàn)外部 數(shù)據(jù)存儲器的讀寫。由于 8031 芯片內沒有 ROM 故 EA 須接地。 1.4.3 I/O 接口電路 由于 8031 只有 P1 和 P3 口部分能提供用戶作為 I/O 口使用,不能滿足輸 入輸出口的需求,因而系統(tǒng)擴展了兩

18、片 8155 可編程輸入輸出接口電路。 8155 的片選信號 CE 分別接 74LS138 的 Y3 和 Y4,74LS138 譯碼器的三個輸入 端 A、B、C 分別接到 8031 的 P2.5、P2.6、P2.7。I/O 接口與外設的聯(lián)接是 這樣安排的:8155(1)芯片的 PA0PA5 為面板上的選擇開關;PB0PB7 是各種 運行的點動控制;PC0PC3 發(fā)出刀位信號,控制刀架電機回轉,到達指定的刀 位,刀架夾緊之后,發(fā)出換刀回答信號,經(jīng) 8155(1)的 PB5 輸入計算機,控制刀 架開始進給。8155(2)芯片的 PA0PA7 為 Z、X 向電機輸出驅動脈沖, PB0PB3 是鍵盤掃

19、描輸入,PB4PB7 的輸出是 X!Y 向的限位控制,PC0PC5 是 顯示器的位選信號,顯示器的段選信號由 8031 的 P110P117 控制。 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 8 1.4.4 其它部件的選擇 直流步進電動機參照金屬切削機床設計簡明手冊選取。滾珠絲杠 選取 FD 系列，北京機床廠產品。為內循環(huán)雙螺母墊片預進，其優(yōu)點是結構 簡單，裝卸方便、剛度高。 縱向進給機構的改造。拆除原機床的進給箱和溜板箱，在原機床進給箱 處安裝齒輪箱體，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠位置，采用原固定方式。 橫向進給機構改造。拆除原手動機構，用于微進給和機床刀具對零件操 作，原有的支承結構也保留。步進電

20、機、齒輪箱體安裝在機床后側。 縱橫向進給機構都采用了一級齒輪減速，調隙齒輪用于消除齒輪傳動中 的間隙，以提高數(shù)控機床進給系統(tǒng)的驅動精度。 在原溜板箱處安裝縱、橫向快速進給按鈕和急停按鈕，以適應機床調整 時的操作需要和遇到意外情況時的緊急處理需要。 CA6140 車床數(shù)控改造總布置圖如圖 6 所示。 二、數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇及其計算 2.1 縱向進給系統(tǒng)得設計計算 工作臺重量：80kg 時間常數(shù)：T=25ms 滾珠絲杠導程：S=6mm 行程：L=1200 mm 脈沖當量：=0.018mm/step 步距角：=0.75/step 快速進給速度：Vmax=2m/min 加工最大直徑：=400 mm 加工最

21、大長度：1000 mm 溜板及力架重力：800N 刀架快段速度：2.4 m/min 最大進給速度：0.6 m/min 主電機功率：7.5KW 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 9 起動加速時間：30 ms 機床定位精度0.015 mm 2.1.1 選擇脈沖當量： 根據(jù)機床精度要求確定，縱向 0.01mm/步。 2.1.2 計算切削力： 縱車外圓; 由文獻可知切削功率 Nc=Nk 式中： N電動機功率 7.5KW 主動系統(tǒng)總功率一般為 0.60.7 取 =0.65 K進給系統(tǒng)功率系數(shù)：取 0.96 Nc=NK=7.50.650.96=4.68KW 又因 Nc=FzV/6120 有 Fz=6

22、120Nc/V 式中 V切削速度取 100m/min 主切削力 Fz=61204.68/100=286.416kgf=2806.88N 由參考文獻二可知，主切削力 Fz=CFzapXFzfYFzkTfz 查表:Cfz=188kgf mm XFz=1 YFZ=0.75 KTfz=1 則可計算如下表: ap (mm)222333 F(mm)0.20.30.40.20.30.4 Fz(kgf)112.5152.4189.1168.7228.7283.7 當 Fz=283.7 kgf 時，切削深度 ap=3mm，走刀量 f=0.4 mm，此參數(shù)作為下邊 計算用，由參考文獻一得一般外圓車削時 Fx=(0

23、.10.6) Fz Fy=(0.150.7)Fz Fx=0.5 Fz=0.5286.416=143.208 kgf=1403.44 N Fy=0.6 Fz=0.6286.416=171.8496 kgf=1684.1 N 橫切端面： 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 10 主切削力 Fz（kgf）可取縱切的 1/2 Fz= Fz1/2=143.208 kgf=1403.44 N 取 Fx=0.6 Fz=0.6143.208=85.9248 kgf=842.06 N Fy=0.5 Fz=0.5143.208=71.604 kgf=701.72 N 2.1.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型：

24、縱向進給絲杠 計算進給率引力 Fm（N） 縱向進給為綜合導軌 Fm=KFx+f（Fz+G） 式中 K考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)綜合導軌取 K=1.15 f滑動導軌摩擦系數(shù) 0.150.18，取 0.16 G溜板及力架重力：800 N Fm=KFx+f(Fz+ G)=1.151403.44+0.16(2806.88+800)=2191.06 N 計算最大的負載 C C= Fm fwL1/3 其中 L=60nT/10 n=1000Vs/L0 其中 L0滾珠絲杠導軌。 初選 L0=6 mm Vs最大切削力 F 的進給速度可取最高進給速度的（1/21/3） ， 此外 Vs=0.6m/min。 T使用壽

25、命 按 15000h f w運轉系數(shù)。按一般運轉取 f w=1.21.5。 L壽命以 106轉為 1 單位。 N=1000Vs/ L0=10000.60.5/6=50r/min L=60nT/10=605015000/10=45 C= Fm fwL1/3=451/31.22191.06=9352.04 N 滾珠絲杠螺母副的選型。 據(jù)北京機床研究所滾珠絲杠產品的樣本選取絲杠直徑 40，選用型號 為 FD406123 其額定動載荷為 163000 N，精度等級 E 級，強 度夠用。 傳動效率計算 =tg/tg(+) 螺旋升角 2 44 =tg/ tg(+)= tg2 44/ tg(2 44+10)

26、=0.94 剛度計算： 滾珠絲杠受工作負載 Fx 引起的導程 L0 的變化量 L1= Fm Fm/E F 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 11 其中：L1在工作負載 Fx 作用下引起每一導程的變化量 mm） Fm工作負載即進給率引力 N L0滾珠絲杠的導程（mm） E材料彈性模數(shù)對鋼 E 為 20.6104（N/ mm2） S滾珠絲杠截面積（內徑） （mm2） S=（d/2）2 d=d0+2e-2Rs=36.3789 S=（d!/2）2=(36.379/2) 2 3.14=10.38mm 其中 Rs=（0.510.56）Pw=1.836 e=0.707(Rs-Dw/2)=0.025 故

27、 L = Fm L0/E F=2191.060.6/20.610610.38=6.142810-6cm 滾珠絲杠受扭轉引起的導程變化量 L2 L2= L0/2+ 很小，忽 略不計。 所以 L=L1+L2=L1 =100L / L0=100/0.66.142810-6=10.238m 查表知 E 紋精度絲杠允許誤差 15m 10.238m15m 剛度夠 穩(wěn)定性校核： 滾珠絲杠兩端用推力球軸承，支承基本不變，穩(wěn)定性不存在問題。 2.1.4 齒輪及步進電機的有關計算： 設計計算公式均來自參考文獻一 縱向傳動有關齒輪計算，傳動比 i i=L0/360p=0.756/3600.01=1.25 L0滾珠絲

28、杠導程 步距角 p脈沖當量 故取 Z1=32 Z2=40 m=2mm b=18 =20 d1=mZ1=64mm d2= mZ2=80mm d1=d1+2ha*=68mm d2=84mm df1=d1-2hf=59mm df2=75mm d=d1+d2/2=72mm 縱向步進電機計算 傳動慣量的計算 （）工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 J1=(180p/) 2W=（1800.001/3.140.75）280 =0.468kgfcm2 （）絲杠轉動慣量 J2=7.81044.04150.0=29.95kgcm2 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 12 ()齒輪的轉動慣量 J3=7.810

29、46.441.8=2.355kgcm2 J4=7.81048.041.8=5.75kgcm2 ()電機轉動慣量很小可以忽略 總的轉動慣量為 J J=1/22（J2+J4）+J1+J3=1/1.252（29.95+5.75）+2.355+0.468 =22.586kgcm2 所需轉動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩 M 起 M 起=Mamax+Mf+M0 最大切削負載時所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt 快速進給時所需力矩 M= Mf+M0 式中 Mamax空載啟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力矩 M0由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦 力力矩 Mat切

30、削時折算到電機軸上的加速度力矩 Mt折算到電機軸上的切削負載力矩 Ma=Jn/9.6T10-4Nm 當 n=nt 時，Ma=Mamax nmax =Vmaxi/s=20001.25/6=416.7r/min Mmax=22.586416.7/9.60.02510-4=40.0138kgfcm 當 n=nt 時，Ma= Mat s-導程 6mm nt=nifi/s=10001000.41.25/3.14806=33.17r/min Mat=22.5833.17/9.60.02510-4=0.3112Nm=3.175kgfcm Mf=F0S/2i=fWS/2i 當 =0.8，f=0.16 時 Mf

31、=0.16800.6/23.140.825=1.223kgfcm M0=P0S/2i(1-02) 0=0.9，預加載荷 P0=1/3FX,則 M0=FXS/6i(1-02)=143.2080.6(1- 0.92)/63.140.81.25=0.866kgfcm Mt=FXS/2i=143.2080.6/23.140.8 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 13 1.25=13.68kgfcm 所以，快速空載啟動所需力矩 M=Mamax+Mf+M0=40.0138+1.223+0.866=42.10kgfcm 切削時所需力矩 M=Mat+Mf+M0+M0=3.175+1.223+0.866+

32、13.68=18.95kgfcm 快速進給時所需力矩： M= Mf+M0=1.223+0.866=2.089kgfcm 從以上數(shù)據(jù)分析，所需最大力矩 Mmax 發(fā)生在快速啟動時。 步進電機最高工作效率 fmax=Vmax/60p=2000/600.01=3333.3Hz 步進電機的選擇 對于工作方式為三相六拍的步進電機 Tmax=Mmax/0.6=42.10/0.866=48.6kgfcm 查表選用 110BF003 型直流步進電機，其最大靜轉矩是 800Ncm=48.6kgfcm 該電機在 3333.3Hz 下啟動遠達不到所需要的轉矩 42.1kgfcm，所以 采用高低壓功放電路，并在程序設

33、計中有速度控制子程序以免啟停時發(fā)生 失步現(xiàn)象。其矩頻特性滿足實際需要的轉矩。 2.2 橫向進給系統(tǒng)的設計計算： 由于橫向進給系統(tǒng)的設計計算與縱向類似。所用的公式不在詳細說明 工作臺重量：30kg 時間常數(shù) ：T=25ms 滾珠絲杠導程：S=6mm 行程：L=226mm 脈沖當量：p=0.005mm/step 步距角：=0.75/step 快速進給速度：Vmax=1m/min 加工最大直徑：210mm 刀架快移速度：1.2m/min 最大進給速度：0.3m/min 主電機功率：7.5kw 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 14 2.2.1 切削力計算： 橫向進給量為縱向的 1/31/2，取

34、 1/2。則切削力約為縱向的 1/2 Fz=1/2286.416kgf=143.208kgf 在切斷工件時 Fy=0.6Fz=0.6143.208=85.925kgf Fx=0.5Fz=0.5143.208=71.604kgf 2.2.2 滾珠絲杠設計計算： 強度計算 對于燕尾型導軌 P=kFx+f(Fz+W+2Fy) 取 k=1.4 f=0.2 則 Fm=1.471.604+0.2(143.2+30+285.925)=169.26kgf n=1000Vcs/L0=30r/min X 壽命值：L=60ntT/10 6 則 L=60nT/106=603015000/106=27 Q=271/31

35、.2169.26=609.33=5971.4N 根據(jù)北京機床廠滾珠絲杠產品，選取滾珠絲杠公稱直徑為 25，型號 FD255123LH 其額定動載荷為 23100N，所以強度足夠。 效率計算 螺旋開角 r=339 摩擦角 =10 =tgr/tg(r+)=tg339/tg(339+10)=0.956 剛度驗算 橫向絲杠支撐方式如下圖 4，最大牽引力為 169.25kgf,支撐間距 L=450mm 滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導程 L0 的變化量為： 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 15 d=d0+2e-2Rs=25+20.020.650.707-20.520.65 =21.96mm L1

36、=PL0/EF 其中 L0=5mm E=20.6106N/cm2 F=（d/2）2=3.79cm2 L1=169.259.80.5/20.61063.79 =10.6210-6滾珠絲杠受扭距引起的導稱變化量很小，可以忽略， 故 =L11/ L0=21.3m/m 三級精度絲杠允許誤差為 15m，所以剛度不夠，滾珠絲杠直徑亦不加大， 采用貼塑導軌減小摩擦力，從而減小牽引力，則 Q=1.471.6+0.04（143.208+30+285.925） =114.5kgf L=114.059.80.5/20.61063.79=7.1610-6 =7.1610-6/0.5=14.32m/m 此時剛度夠用 穩(wěn)

37、定性計算 由于選用的絲杠直徑和以前機床的絲杠的直徑相同，所以穩(wěn)定性不 存在問題。 2.2.3 齒輪及步進電機的有關計算： 傳動比：i=s/3600.005=0.755/3600.005=2.08 取 Z1=24 Z2=50 m=2mm b=20mm =20 d1=48mm d2=100mm d1=52mm d2=104mm df1=43mm df1=95mm d=74mm 轉動慣量計算 工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 J2=（1800.005/3.140.75）230=0.0438kgfcm2 絲杠轉動慣量 JS=7.8-42.5445=1.37kgcm2 齒輪的轉動慣量 Jz1=7.8-

38、44.842=0.828 kgcm2 Jz2=7.8-41042=15.6 kgcm2 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 16 電動機轉動慣量忽略，總轉動慣量 J=1/22（JS+JZ2）+ JZ1+ JS =1/2.082（1.371+15.6）+0.8281+0.0438 =4.79kgcm2 所需轉動力矩計算 nmax=Vi/5=10002.08/5=416r/min Mmax=Jnmax10-4/9.6T=4.7941610- 4/9.60.025=0.83Nm=8.47kgfcm nt=n+i/s=1000Vfi/Ds=10001000.152.08/3.14805=24.84

39、 r/min Mat=4.7924.8410-4/9.60.025=0.0495 Nm=0.506 kgfcm Mf=F0 S/2i=FWS/2i=0.2300.5/23.140.82.08 =0.287 kgfcm M0=Fr S(1-02)/ 2i=85.9250.5（1-0.92）/23.140.82.08 =0.781 kgfcm Mt= Fr S/2i=85.9250.5/23.140.82.08=4.111 kgfcm 快速空載起動所需轉矩 M 啟= Mamax+ Mf+ M0 =8.47+0.287+0.781=9.538 kgfcm 切削時所需轉矩 M 切= Mat+M+ M0

40、+ Mt =0.506+0.287+0.781+4.111=5.685 kgfcm 快速進給時所需轉矩 M 快=Mf+M0=0.287+0.781=1.068kgfcm 所需最大轉矩發(fā)生在快速啟動時 Mamax=9.538kgfcm 步進電機最高工作效率 fmax=Vmax/60p=1000/600.005=3333.3Hz 步進電機的選擇 fe=1000Vs/60p=10000.5/600.005=1666.7Hz 對于工作方式為三相六拍的步進電機 Jmax=Mmax1/0.866=9.538/0.866=11.014kgfcm 仍選用 110FB003 型步進電機,便于設計和采購,同樣也用

41、高低壓功放電路和 速度控制子程序,防止失步。 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 17 2.3 自動刀架的設計 經(jīng)濟型數(shù)控車床一般都配有四工位自動回轉刀架,它是據(jù)微機數(shù)控系統(tǒng) 改造傳統(tǒng)機床設備的需要,同時兼顧刀架機床上能夠獨立控制的需要而設計 的?，F(xiàn)有自動回轉刀,其結構主要有插銷式和端齒盤式。由于刀架生產廠家 無一標準,因此,結構、尺寸各異。由于目前使用較多的是端齒盤式四工位自 動刀架,所以就選用端齒盤式四工位自動刀架。 從自動轉位刀架的工作原理可知，這類刀架由控制系統(tǒng)直接控制，刀 架能自動完成抬起，回轉，選位，下降定位和壓緊這樣一系列的動作。下 面依次討論刀架要完成上述過程的設計原理。

42、刀架的抬起,利用螺紋傳動將旋轉運動變成軸向直線運動，從而達到抬起刀 架的目的，在這種情況下完成這一功能的絲杠要豎直安放。在刀架的抬起 過程中要防止刀架轉動這可通過設計一個帶有斜面的粗定位銷和定位銷槽 的配合來完成，并使斜面間摩擦力產生的阻力矩，大于上述轉動摩擦力矩。 2.3.1 刀架的回轉和選位 刀架由一個微電機通過傳動系統(tǒng)來帶動刀架的轉動，軸線是豎直的而 轉速比起微電機來要慢的多，由于電機空間條件限制必須臥式安裝，因此 兩者的轉動軸線互相垂直或異面垂直，蝸輪蝸桿傳動比較適合于這場合刀 架從抬起變成轉動的動作原理是：當?shù)都芴鸬教囟ㄎ恢脮r由一個正在旋 轉的撥塊帶動刀架轉動，因此刀架的抬起運動和

43、轉動由同一傳動系統(tǒng)來先 后完成。 刀架轉過一定角度后要選位看一看轉到這個位置的刀具是否符合加工 要求，這一切是由于微機程序來實現(xiàn)具體的說當?shù)都苻D動此位置時程序自 動地將改位置的編碼與所需刀具編碼加以比較，若相同，該刀具就選定此 位，否則再移動，重復上述過程。 每次轉過的角度大小，由刀架的面體數(shù)量來確定由于設計的四工位刀 架每次轉 360/4=90 度刀架編碼分別位 00，01，10，11。刀架編碼信號的發(fā) 出是由于裝在隨刀架一起轉動的微機電源開關來實現(xiàn)的微機開關的觸頭朝 外它的開頭狀態(tài)由一個內表面凸輪來控制凸輪實際上是只有一定半徑差的 兩個內圈弧表面微動開關觸頭與小半徑差的兩個內圓弧表面接觸開

44、關便接 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 18 通與大半徑內圓弧表面接觸開關便中斷與此對應的信號分別是 0 和 1 所需 要的微動開關數(shù)目等于編碼的位數(shù)即四方刀架有兩個微動開關，另外刀架 編碼信號并非刀架轉到此位置時才發(fā)出的而是提前發(fā)出的當?shù)都苻D到某個 刀位時粗定位開關發(fā)信號，停轉微機進行編碼比較，根據(jù)比較結果，或刀 架選定此位，或繼續(xù)轉動，粗定位開關的通斷控制也是由一個類似于表面 凸輪的定位槽來完成了刀架的下降定位和壓緊。 刀架選定位置后斜面插入斜面槽中使之粗定位然后微機控制使微電機 反轉由于斜面銷的棘輪作用，刀架不跟隨轉只是下降再由精定位元件來精 定位。 精定位元件選用端面齒盤來精定

45、位齒盤齒廓部分的形狀精度可以從工 藝上嚴加控制再經(jīng)過反復對研，即可得到很高的精度，由于端面齒盤定位 位多齒接觸，接觸面積大因此它還有接觸剛度好，定位尺寸穩(wěn)定性好和壽 命長等特點，此外這種元件允許刀架下降時有一定角度誤差。 定位完畢需要壓緊刀架才能安全可靠地工作，壓緊力是由刀架下降到 底后微電機繼續(xù)轉動產生，壓緊力大小應是切削力大小兩倍以上而且應能 調整，當壓緊力達到調整數(shù)值時使微電機停轉且始終能保持這一壓力直到 下一動作循環(huán)的開始。 2.3.2 減速機構的設計計算 本減速機構設計成告訴級齒輪傳動的一級直齒圓柱齒輪減速器。由 經(jīng)濟型機床數(shù)控系統(tǒng)設計 （張新義主編，北京：機械工業(yè)出版社，1994.

46、7 第六章 P335表 632 和表 633 已知電機功率為 120w 電機轉速為 1400r/min 工作可靠30000 次取為 40000 次換刀時間（270）為 3.9s） 設 傳動比為 i=4.6 1. 選擇材料 刀架為一般工作器，選常用材料及熱處理， 40cr 表面淬火齒面硬度 4855HRC 取中間值 52HRC 計算許用應力 選用齒面精度等級為 5 級精度（GB1009558） 初選小齒輪齒數(shù) Z119 大齒輪齒數(shù) Z2i*Z1=4.6*19=87.4 取 Z288 實際齒數(shù)比 Z2/Z188/19=4.632 齒數(shù)比誤差為|M 理-M 實|/M 理=|4.632- 4.6|/4

47、.60.007 在允許范圍內 2按齒面接觸疲勞強度設計 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 19 計算公式按式（66） d1t(2kT1/d)*(u+1)/u)*(Ze*Zh*Z/H) (1)確定計算參數(shù) T19.5510P1/n1=9.55100.16/1400N.mm=1.0910N.mm 按齒數(shù) z119，z288 查表 615 得 10.741 20.845 則 120.7410.8451.586 因是直齒輪 0 故 1.586 查表 67 假設 KaFt/b0 時，刀具在直線的上方，當 F0 時，表示在直線的下方，當 F=0 時。 表示在直線上。 實際計算時，F(xiàn) 用遞推法進行計算

48、，當某時刻刀具運動到 P 點（Xi Yi） ， 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 35 該點的偏差值 Fi=XeYi-YeXi，若 FiC 刀具沿+X 走一步，則新點的坐標 Xi+1=Xi+1，Yi+1=Yi，偏差函數(shù) Fi+1=Xe Yi-Ye（Xi+1）=Fi-Ye，同理當 Fi0 時，刀具沿+Y 走一步，F(xiàn)i+1=Fi+Xe，用遞推法計算而不乘除法，也 不需要計算和保存。刀具的中間坐標，減小了計算量和運行時間，提高了 插補速度。 終點判別是根據(jù)插補循環(huán)數(shù) i 與刀具沿 X，Y 軸應進給的總數(shù) N=Xe-Ye 是否相等確定的。 這里設計的直線插補程序作為一個子程序供調用其終點坐標值。

49、在主加 工程序中有初始化的內容，這部分在管理程序的主模塊完成，在此寫主要 是為了程序表達更清楚。 4.4 進給控制字 FCW 的設置 FCW 是一個字節(jié)的控制字。用來控制刀具的進給運動?？刂谱值母魑灰?義是：X 軸的伺服系統(tǒng)占兩位 b0 和 b1。而 z 軸伺服系統(tǒng)的兩個信號也占兩 位 b2 和 b3。每兩位控制電機的轉動,停止和轉向驅動刀具沿坐標軸進給。 其中一位表示電機的方向控制字，一位表示電機的轉動停止.控制字。方向 位是電平的信號，指示電機的旋轉方向即刀具的進給方向。規(guī)定若方向位 為 1，指定電機正轉（刀具沿坐標軸+X 或+z 進給）若方向位為 0，則電機 反轉。轉?？刂莆皇敲}沖信號。

50、當該位為 1 有脈沖是電機轉動一步（刀具 沿坐標軸進給一步）當該位為 0 無脈沖時電機停止（刀具不進給） 。 FCW 的高四位（b7.b6.b5.b4.）不用。通常設定為 0。前面的插補實際 上就是設定 FCW 的數(shù)值。具體說就是根據(jù)插補時刀具運動的插補軌跡來設 定 FCW 的數(shù)值。如果要求刀具只沿-X 進給一步根據(jù)下圖可知。只要將 FCW 的內容（即八位二進的 b7b0）設定為 00001001B（寫成十六進數(shù)為 09H） 即可滿足要求。將 FCW 設置成 09H。 致 謝 這學期的設計過程將告結束，在設計過程中得到指導老師陳軍和其他 幾位老師的悉心指導，在參考資料較為缺乏的情況下，使我每遇

51、到問題能 及時得到解決，致使我的設計能順利進行下去，在此我對幾位老師深表感 謝。 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 36 在這期間，在各位老師的耐心輔導和自己的不懈努力，我順利的完 成畢業(yè)設計在我們各自提出問題的同時我們對所學的知識有了更深的理 解，對車床的結構和部件有了更深一步的認識，也培養(yǎng)了我獨立工作的能 力，樹立了對自己能勝任工作的信心，相信會對今后的學習工作生活有非 常重要的影響。 對于我的設計不到之處請各位老師批評指導，感謝各位老師的指導！ 設計人：張桂濤 2007 年 1 月 10 日 參考文獻 1 楊正雄；4590可換位正反機夾式粗車精車多用車刀；現(xiàn)代 期刊； 1998 年

52、 第一期。 2 仲高艷；C616 車床的數(shù)控改裝；煤礦機械；1999 年 第二期。 3 王傳海；經(jīng)濟型數(shù)控機床的改造及應用；煤礦機械；2003 年 成人教育學院 2007 屆畢業(yè)（論文） 37 第四期。 4 李國農；普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造實例；水利電力機械； 2001 年 8 月 第二十三卷 第四期。 5 李和平 夏翔；普通車床的數(shù)控改造；機床與液壓；2005 年 第 四期。 6 袁林忠；淺析普通車床的數(shù)控改造；浙江萬里學院學報；2003 年 3 月 第十四卷 第一期。 7 朱德榮 任德志；數(shù)控改造的應用與發(fā)展；機床電器；2004.1 8 尹成湖 吳書迎 張英；用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)改造普通車床的

53、設計； 河北科技大學學報；1999 年 第 50 期 第 20 卷 第 3 期。 9 張碧泉；C616 普通車床的數(shù)控化改造；機械工程師；1999.05 10 許吉慶；C616 車床的數(shù)控化改造技術；機械制造；1999.01 11 杜繼付；C616 車床送刀箱的改進設計；機械制造；1996.07 12 聶學俊；數(shù)控改造的應用與發(fā)展；機床與液壓；2000.02 13 王艷平；C616 車床主軸制動裝置的改造；一重技術；1999.02 14 從娟；MCS51 單片機在普通機床數(shù)控改造中的應用；本溪冶金 高等?？茖W校學報；2002.04 15 高樹禮；C616 車床自動化；制造技術與機床；1977.06 16 余英良；機床數(shù)控改造設計與實例；機械工業(yè)出版社