C6136型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床改造設(shè)計(jì)(橫向)
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摘 要
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控是我國(guó)80年代科技發(fā)展的產(chǎn)物。這種數(shù)控系統(tǒng)由于功能適宜，價(jià)格便宜，用它來(lái)改造車床，投資少、見(jiàn)效快，成為我國(guó)“七五”、“八五”重點(diǎn)推廣的新技術(shù)之一。
十幾年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控技術(shù)也在不斷進(jìn)步，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品不斷改進(jìn)完善，并且有了階段性的突破，使新的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)功能更強(qiáng)，可靠性更穩(wěn)定，功率增大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。由于這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展增強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的活力，根據(jù)我國(guó)國(guó)情，該技術(shù)在今后一段時(shí)間內(nèi)還將是我國(guó)機(jī)械行業(yè)老設(shè)備改造的很好途徑。對(duì)于原有老的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，特別是80年代末期改造的設(shè)備，由于種種原因閑置的很多，浪費(fèi)很大；在用的設(shè)備使用至今也十幾年了，同樣面臨進(jìn)一步改造的問(wèn)題通過(guò)改造可以提高原有裝備的技術(shù)水平，大大提高生產(chǎn)效率，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生在校學(xué)習(xí)階段的最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，也是學(xué)生完成工程師基本訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)。其目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)和基礎(chǔ)理論知識(shí)，獨(dú)立解決本專業(yè)一般工程技術(shù)問(wèn)題的能力，樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想和工作作風(fēng)。畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)不只反映了設(shè)計(jì)的思想內(nèi)容，方法和步驟，而且還反映了學(xué)生的文理修養(yǎng)和作風(fēng)。
本說(shuō)明書(shū)分為概述、設(shè)計(jì)內(nèi)容、總結(jié)三部分，分別介紹了此次設(shè)計(jì)任務(wù)將普通臥式車床（C6136）改造為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床；有關(guān)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床改造總體方案確定及框圖、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算及校核、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)、加工程序編制；主要是對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的心得。
本書(shū)在編寫(xiě)過(guò)程中，得到了指導(dǎo)老師和各位老師及同學(xué)的大力支持和熱心幫助，在此表示謝意
由于作者水平有限，書(shū)中難免有疏漏和不妥之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
關(guān)鍵字：數(shù)控改造 C6136車床 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控 進(jìn)給系統(tǒng)
Abstract
Economic type CNC is the product of 80 time of our country science and technology development. This NC system as suitable function, cheap price, use it to transform lathe, less investment, quick effect, become China's " seven five ", " eight five " focus on the promotion of new technologies.
Come ten years, with the development of science and technology, economic type CNC technology is also in constant progress, continuous improvement of CNC system products, and has been a breakthrough, the economical CNC system function more new, more stable reliability, increased power, simple structure, convenient repair. Due to the development of this technology to enhance the economic type CNC vitality, according to the situation of our country, the technology in the next period of time will also is a good way to the reform of old equipment machinery industry in china. For the old economy CNC lathe, especially at the end of the 80's transformation device, due to many reasons, idle waste; in the equipment use has more than ten years, also face further problems can improve the technical level of the original equipment, through the transformation, greatly improve the production efficiency, and create more economic benefit.
Graduation design is the last teaching link of students learning stage, is very important for students to complete the basic training engineer. The purpose is to cultivate students' comprehensive use of academic and professional knowledge, ability to solve engineering problems of the professional independence, set up the design ideology and work style of the correct. The graduation design instruction not only reflects the design ideas, methods and procedures, but also reflects the students of Arts and culture and the style.
This manual is divided into introduction, design content, conclusion of three parts, respectively, introduced the design task will ordinary horizontal lathe ( C6136 ) for the transformation of economic CNC lathe; the economic CNC lathe transformation overall scheme, and the block diagram of servo feed system of the mechanical part design, calculation and checking the numerical control system hardware circuit design, processing programming; mainly for the graduation design experiences.
In the process of writing this book, guided by the teachers and the teachers and students of the strong support and help, thanks here
Because of the limited level of the author, the book was hard to avoid oversights and inadequacies, invite the reader to criticism.
Keywords: CNC lathe C6136 transformation of economical NC feed system
目 錄
摘 要 1
ABSTRACT 2
目 錄 4
第一章 概 述 6
1.1 設(shè)計(jì)目的 6
1.2 設(shè)計(jì)任務(wù) 6
第二章 設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容 8
2.1 總體方案的確定及框圖 8
2.2 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 10
第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 26
3.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成 26
3.1.1 控制系統(tǒng)的功能 26
3.1.2 CPU、存儲(chǔ)器及I/O接口 26
3.1.3存儲(chǔ)器及I/O口芯片地址分配 27
3.2 硬件電路圖 28
第四章 數(shù)控機(jī)床加工程序編制 29
結(jié) 論 31
參考文獻(xiàn) 32
致 謝 33
第一章 概 述
1.1 設(shè)計(jì)目的
通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)了系統(tǒng)地綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和技能解決實(shí)際工程問(wèn)題的本領(lǐng)，鞏固和加深時(shí)所學(xué)知識(shí)的理解，并且通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐擴(kuò)大和補(bǔ)充了知識(shí)，使認(rèn)識(shí)提高到一個(gè)新的水平，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐，培養(yǎng)了調(diào)查研究的習(xí)慣和工作能力，練習(xí)查閱資料和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，查閱工具書(shū)或參考書(shū)，合理選擇設(shè)計(jì)計(jì)算公式，正確計(jì)算，并能以圖紙和說(shuō)明書(shū)表達(dá)設(shè)計(jì)的思想和結(jié)果，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，不但提高了解決具體問(wèn)題的獨(dú)立工作能力，具體動(dòng)腦動(dòng)手能力，而且建立了正確的設(shè)計(jì)和科研思想，加強(qiáng)了科學(xué)性，牢固樹(shù)立實(shí)事求是和嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度。
1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)
(1) 要求：
將C6136車床改造成用MCS—51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。要求該車床有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，具有切削螺紋的功能。在縱向和橫向具有直線和圓弧插補(bǔ)功能。系統(tǒng)分辨率縱向：0.01mm. 橫向：0.005mm
(2) 設(shè)計(jì)參數(shù)：
最大加工直徑：
在床面上： 360mm
在床鞍上： 200mm
最大加工長(zhǎng)度：1000mm
快進(jìn)速度：
縱向：2.0m/min
橫向：1.0m/min
最大進(jìn)給速度：
縱向： 0.5m/min
橫向： 0.25m/min
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。
控制坐標(biāo)數(shù)：2
最小指令值：
縱向： 0.01mm/step
橫向： 0.005mm/step
刀具補(bǔ)償量：0~99.99mm
進(jìn)給傳動(dòng)鏈間隙補(bǔ)償量：
縱向： 0.15mm
橫向： 0.075mm
自動(dòng)升降速性能： 有
(3)工作量：
① 機(jī)床改造總圖；
② 進(jìn)給伺服系統(tǒng)一個(gè)坐標(biāo)軸（縱向或橫向）的機(jī)械裝配圖：
③ 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖；
④設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。
Ⅰ 控制系統(tǒng)總體方案的分析論證的及控制標(biāo)準(zhǔn)圖
Ⅱ 機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明
Ⅲ 硬件電路部分設(shè)計(jì)說(shuō)明
Ⅳ 加工程序控制及說(shuō)明
第二章 設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容
2.1 總體方案的確定及框圖
2.1.1 總體方案的確定
① 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順圓和逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。
② 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)、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，決定采用MCS—51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)及顯示器、I/O接口及光隔離電路、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(guò)鍵盤(pán)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。
③ 機(jī)械傳動(dòng)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)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲桿。為了保證一定的傳動(dòng)精度跟平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。
2.1.2 設(shè)計(jì)方案
① 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
數(shù)按系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)
② 伺服系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，沒(méi)有反饋電路，不帶檢測(cè)裝置，指令信號(hào)是單方向送的。
指令發(fā)出后，不再反饋回來(lái)，故稱開(kāi)環(huán)控制。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測(cè)反饋元件，用來(lái)檢測(cè)實(shí)際位移量，能補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機(jī)或位流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)不同，不直接檢測(cè)工作臺(tái)的位移量，而是用檢測(cè)元件出驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺(tái)實(shí)際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。
2.1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定
為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出低摩、低慣量、高剛度、無(wú)間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
Ⅰ 盡量采用低磨擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。
Ⅱ 盡量肖除傳動(dòng)間隙。例如采用隙齒輪等。
Ⅲ 提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負(fù)載導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。
2.1.4 計(jì)算機(jī)的選擇
微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、I/O接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路等幾部分組成。如圖2.1所示：
圖2.1
2.2 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算及校核
(1)確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量
根據(jù)數(shù)控機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量0.005mm/setp
(2) 計(jì)算切削力
橫切端面
查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》P13頁(yè)
式中——車床床身上加工最大直徑橫切端面時(shí)主切削力可取縱切時(shí)的
式中 ——走刀方向的切削力（N）
——垂直走刀方向的切削力（N）
(3)滾珠絲桿螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算、選型
① 計(jì)算進(jìn)給牽引力
橫向進(jìn)給選為三角型或綜合導(dǎo)軌 參考《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).2》6.2-2；6.2-3表
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》P22頁(yè)
式中：，，——切削分力（Ｎ）
G——移動(dòng)部件的重量（N） 表1-1查得橫向溜板及刀架重力800N
——滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式而不同 取=0.15-0.18
K——考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) 取K=1.15
② 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C
選用滾珠絲桿導(dǎo)軌 參考《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).3》P185-P210
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》P22頁(yè)
式中：L——壽命，以轉(zhuǎn)為一單位
n ——絲桿轉(zhuǎn)速（r/min）
——為最大切削條件下進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2-1/3
取
——絲桿導(dǎo)程（mm） 初選=5mm
T——為使用壽命（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)床取15000h
——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，查表3-14一般取1.2-1.5
③ 滾珠絲桿螺母副的選型
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》附表Ａ-2，可采用WD2505外循環(huán)墊片調(diào)整緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動(dòng)負(fù)載為9700N,精度等級(jí)按表3-17選為３級(jí)。
④ 傳動(dòng)效率計(jì)算
式中：——螺旋升角，WD2505
——摩擦角取 滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.003-0.004
⑤ 剛度驗(yàn)算
橫向進(jìn)給絲桿支承方式圖２所示，最大牽引力1121.1N,支承間距Ｌ＝350mm，因絲桿長(zhǎng)度較短，不需預(yù)緊螺母及軸承預(yù)緊。
圖２
計(jì)算如下:
Ⅰ 絲桿的拉伸或壓縮變形量(mm)
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》圖3-4,根據(jù)＝1121.1N,D=25mm查出可算出：
Ⅱ 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量
查圖3-5得Ｗ系列１列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量
因進(jìn)行了預(yù)緊
Ⅲ 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形
采用推力球軸承8104查閱《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).２》表5.9-137,d=20mm,滾動(dòng)體直徑=5.556mm,數(shù)量Z=13
綜合以上幾項(xiàng)變形量之和：
〈定位精度>
⑥ 穩(wěn)定性校核
計(jì)算臨界負(fù)載(N)
式中:E——材料彈性模量()
I ——截面慣性矩()
L——絲桿兩軸承端距離(cm)
——絲桿支承方式系數(shù)，從表3.15中查出，一端固定，一端簡(jiǎn)支為2.00
一般=2.5-4.0,所以>>
此滾珠絲桿不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。
⑦ 橫向滾珠絲桿副的幾何參數(shù) (其參數(shù)如表1）
表1.WD2505滾珠絲杠幾何參數(shù)
參數(shù)名稱
符號(hào)
關(guān)系式
WD2505
螺
紋
滾
道
公稱直徑
25
導(dǎo)程
5
接觸角
鋼球直徑
3.175
滾道法面半徑
R
1.651
偏心距
e
0.045
螺紋升角
螺
桿
外徑
d
24.365
內(nèi)徑
21.788
接觸直徑
21.83
螺
母
螺紋直徑
D
28.212
內(nèi)徑
25.635
(4)齒輪傳動(dòng)比計(jì)算
① 橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算
已確定橫向脈沖當(dāng)量，滾珠直徑導(dǎo)程=5mm,
初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角可計(jì)算傳動(dòng)比:
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有行程，故此處可采用兩級(jí)齒輪降速。
因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取2，有關(guān)參數(shù)參照表2
表2: 傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù)
齒數(shù)
Z
24
40
20
25
分度圓
d=mz
48
80
40
50
齒頂圓
52
84
44
54
齒根圓
43
75
35
45
齒寬
(6-10)m
20
中心距
64
45
② 橫向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型
Ⅰ 初選步進(jìn)電機(jī)
a 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》P22頁(yè)
式中: ——脈沖當(dāng)量，取
——進(jìn)給牽引力(N)
——步距角，初選雙拍制為
——電機(jī)—絲桿傳動(dòng)效率為齒輪、軸承、絲桿效率之積分別為
b 估算步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩除以一定的安全系數(shù)來(lái)估算步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(N.cm)
一般橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)取0.4-0.5
c 計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩
查表3-22如取五相十拍，則
d 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率和最高啟動(dòng)頻率
式中:——最大切削進(jìn)給速度
——最大快移速度
——脈沖當(dāng)量，取
e 初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)
根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩在表3-23中查出90BF004最大靜轉(zhuǎn)矩為245N.cm >可以滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床有可能使用較大的切削用量，應(yīng)該選用稍大轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)，以留有一定余量，另一方面與國(guó)內(nèi)同類型機(jī)床進(jìn)行類比的要求。決定采用90BF004，但從《綜合作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》P24頁(yè)查出，步進(jìn)電機(jī)最高空載啟動(dòng)頻率為4000Hz,滿足空載時(shí)(3333.33Hz)的要求。
Ⅱ 校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩
前面所述初選步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算，均為估算，初選后，應(yīng)該進(jìn)行校核計(jì)算。
ⅰ 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2，根據(jù)表3-24，經(jīng)二對(duì)齒輪降速時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算:
式中:——齒輪及其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——絲桿導(dǎo)程(cm)
G——工件及工作臺(tái)重量(N) G=800(N)
a齒輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計(jì)算
表3-24所示圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式如下:
對(duì)于鋼材，
式中:M——圓柱體質(zhì)量
D——圓柱體直徑 (cm)
L——圓柱體長(zhǎng)度或原長(zhǎng)(cm)
鋼材的密度為
因此
基本滿足慣量匹配的要求。
b電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算
機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算:
1） 快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
在快速空載起動(dòng)階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計(jì)算如下：
式中: ——快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
——空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
——折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
——由于絲桿預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩
在采用絲桿螺母副傳動(dòng)時(shí)，上述各種轉(zhuǎn)矩可用下式計(jì)算：
式中: ——傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——電機(jī)最大角速度
——電機(jī)最大轉(zhuǎn)速
——運(yùn)動(dòng)部件最快速度
——脈沖當(dāng)量
——步進(jìn)電機(jī)的步距角
——運(yùn)動(dòng)部件從停止到起動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間(s)
起動(dòng)加速時(shí)間=30(ms)
折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
式中: ——導(dǎo)軌的摩擦力(N)
——垂直方向的切削力(N)
G——運(yùn)動(dòng)部件的總重量(N)
——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取=0.15
——齒輪降速比
——傳動(dòng)鏈總效率，一般可取0.7-0.8
附加摩擦轉(zhuǎn)矩:
式中: ——滾珠絲桿預(yù)加負(fù)荷，一般取，為進(jìn)給牽引力(N)
——滾珠絲桿導(dǎo)程(cm)
——滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取
上述三項(xiàng)合計(jì):
2） 快速移動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩
3） 最大切削負(fù)載時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩
式中:——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩
從上面計(jì)算看出、、三種工況下，以快速空載所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。
從表3-22查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)為
則最大靜轉(zhuǎn)矩為:
從表3-23查出90BF004最大轉(zhuǎn)矩為為245，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足此項(xiàng)要求。
Ⅲ 校核步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性
前面已經(jīng)計(jì)算出機(jī)床最大快移時(shí)，需步進(jìn)電機(jī)的最高起動(dòng)頻率為3333.33Hz,切削進(jìn)給時(shí)所需步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率為1666.7Hz
從表3-23中查出90BF004型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為4000Hz，運(yùn)行頻率為16000Hz，再?gòu)膱D3-15，3-16查出90BF004不進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性如圖3所示:
當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，90BF004型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性可以滿足要求。
(6) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是畫(huà)出進(jìn)給伺服系統(tǒng)的裝配圖，用以表達(dá)設(shè)計(jì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)特點(diǎn)及計(jì)算結(jié)果，進(jìn)給伺服系統(tǒng)總圖設(shè)計(jì)：
① 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)總圖設(shè)計(jì)
橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)可以從俯視圖看出，橫向進(jìn)給的齒輪箱和步進(jìn)電機(jī)裝在床鞍后面，滾珠絲桿也需用蓋板保護(hù)。橫向進(jìn)給的手柄可以拆除也可保留，將原機(jī)的方刀架拆除，改裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，由計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)程序，自動(dòng)轉(zhuǎn)位、夾緊。從總圖中可以看到帶動(dòng)刀架回轉(zhuǎn)的微型電機(jī)、齒輪箱。
總體圖上還畫(huà)出此車床上加工螺紋的部件光電編碼器在數(shù)控車床上，利用光電編碼器裝在主軸或主軸箱中與主軸保持一定傳動(dòng)比的伸出軸上，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，光電編碼器就發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，輸入到計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算控制步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)滾珠絲桿，使刀架進(jìn)給一定的螺距。而附錄E中光電編碼器用彎板裝在主軸箱左端面，通過(guò)彈性聯(lián)軸器與主軸箱中一伸出軸相連。因伸出軸不可能與彈性聯(lián)軸器孔的尺寸完全一致，故還要設(shè)計(jì)一個(gè)中間過(guò)渡套。
控制面板上有數(shù)碼顯示，按鍵、各種指示燈及開(kāi)關(guān)，注意設(shè)計(jì)時(shí)要與硬件電路圖一致。
② 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的裝配圖
經(jīng)過(guò)計(jì)算，已知橫向進(jìn)給系統(tǒng)采用90BF004型步進(jìn)電機(jī)。經(jīng)過(guò)二對(duì)齒輪減速，齒輪齒數(shù)。齒輪模數(shù)m=2,滾珠絲桿直徑為mm, 滾珠絲桿螺母選用的是外循環(huán)溝槽式墊片調(diào)隙WD2505。
進(jìn)行應(yīng)保證足夠應(yīng)考慮以上問(wèn)題
Ⅰ 設(shè)計(jì)應(yīng)保證足夠的行程，C6136經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，在床面上加工最大尺寸為360mm，橫向進(jìn)給行程至少為185mm，圖中設(shè)計(jì)了兩對(duì)減速齒輪，減小了齒輪箱體的高度，使橫向拖板運(yùn)動(dòng)時(shí)，防塵蓋11不致和箱體上蓋4干涉，從圖中可以看出橫向拖板12最大運(yùn)動(dòng)距離為200mm，另外還需注意從橫向拖板裝刀架的中心到主軸中心的距離必須大于等于行程與方刀架見(jiàn)方及刀頭伸出度之和，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意，主軸中心與床身中心并不重合，C6136車床此尺寸為5mm。C6136車床刀架見(jiàn)方為220200，刀頭伸出長(zhǎng)度為30mm左右。
Ⅱ 滾珠絲桿與橫向?qū)С痰钠叫卸葢?yīng)小于0.05mm，為達(dá)到此要求，可在鏜床上對(duì)床鞍兩邊的裝軸承孔在一次裝卡中鏜出。
Ⅲ 為保證滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)輕快靈活，無(wú)阻滯現(xiàn)象，必須使?jié)L珠螺母與兩端軸承同軸。在本設(shè)計(jì)中，滾珠螺母14與橫向拖板12之間裝有一墊片，通過(guò)水平面內(nèi)滾珠螺母，在垂直面內(nèi)與兩端支承同軸，在通過(guò)內(nèi)六角螺釘20的過(guò)孔，調(diào)整水平面內(nèi)滾珠螺母與兩端支承同軸，調(diào)整好以后，打入定位銷21。
Ⅳ 滾珠絲桿左右各采用一對(duì)徑向軸承，在右端又采用一對(duì)止推軸承，以承受軸向力。當(dāng)絲桿受到向右的軸向力時(shí)，通過(guò)絲桿臺(tái)階傳給止推軸承15動(dòng)圈，經(jīng)鋼珠傳給止推軸承15不動(dòng)圈，再通過(guò)擋圈，一對(duì)徑向軸承16的外圈傳給法蘭盤(pán)再傳到床鞍上。絲桿受到向左的軸向力通過(guò)絲桿右端的圓螺母?jìng)鹘o止推軸承的動(dòng)圈鋼珠，經(jīng)不動(dòng)圈傳給法蘭盤(pán)、床鞍，此處必注意絲桿所受的軸向力必須傳到床鞍等固定體上。另外，要注意止推軸承不動(dòng)圈和軸頸之間必須畫(huà)出間隙。
Ⅴ 雙片消隙齒輪的中間開(kāi)有三個(gè)月牙形的槽放入壓簧，并用三個(gè)內(nèi)六角螺釘固定（A-A斷面和E-E斷面），這種消隙齒輪的裝配順序:首先將雙片齒輪相對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，使雙片齒輪的齒對(duì)齊，彈簧40受壓，上緊螺釘29，裝入箱體后將螺釘29松開(kāi)，彈簧40將雙片齒輪沿周向錯(cuò)開(kāi)，以消除與齒輪43的間隙，此時(shí)在將螺釘29上緊（因而在設(shè)計(jì)時(shí)，箱壁上要留有可伸入六角扳手的孔，彈簧兩端用削扁的銷子41壓?。┐嗽O(shè)計(jì)中應(yīng)注意箱體中留足夠的扳手空間，雙片齒輪5用二個(gè)六角螺釘固緊，六角扳手可以齒輪箱體上端面伸入（端蓋拆下），六角螺釘和滾珠絲桿在軸向留有足夠的空間，但此空間也不宜留得過(guò)大，以免加大箱體尺寸，雙片齒輪8采用三個(gè)開(kāi)槽螺釘緊固。螺絲刀需從箱體左面孔中伸入（拆去端蓋3）。
Ⅵ 90BF004型步進(jìn)電機(jī)軸為平鍵，為防止運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中齒輪25從電機(jī)上松動(dòng)滑出，在齒輪25的輪轂上裝一頂絲27，（電機(jī)軸上鉆一小窩）并用鉛絲在頂絲口處與齒輪輪轂纏住以防松。
第三章 硬件電路的設(shè)計(jì)
3.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成
附錄H圖H-1是用MCS-51系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用8031作CPU，擴(kuò)展了兩片2764芯片、一片6264芯片、兩片8155可編程并行I/O接口。
3.1.1 控制系統(tǒng)的功能
（1） Z向和X向進(jìn)給伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)
（2） 鍵盤(pán)顯示
（3） 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架控制
（4） 螺紋加工控制
（5） 面板控制
（6） 行程控制
（7） 其他功能 報(bào)警電路、急停電路、復(fù)位電路、光隔離電路、功能電路等。
3.1.2 CPU、存儲(chǔ)器及I/O接口
CPU采用8031芯片，選用6MHz晶體振蕩器。它的作為數(shù)據(jù)總線和地址共用。16位地址線由經(jīng)地址鎖存器74LS373提供8位地址，高8位地址由8031的口直接提供。ALE為地址鎖存允許。為低電平時(shí)選通外部存儲(chǔ)器（EPROM），相應(yīng)的指令字節(jié)出現(xiàn)在EPROM的數(shù)據(jù)線（）上，輸入到口，8031將指令讀入。RESET為復(fù)位控制，當(dāng)RESET輸入端出現(xiàn)高電平時(shí)，8031被初始化復(fù)位，在復(fù)位有效期向ALE、PSEN也輸出高電平。當(dāng)RESET輸入端返回低電平后，CPU從O地址開(kāi)始執(zhí)行程序。（故設(shè)計(jì)中一定有一片2764芯片連到74LS138的）設(shè)計(jì)中采用上電復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位。另外，兩片8155的RESET也與8031的RESET管腳相連，它們可同時(shí)復(fù)位。
8031的是片內(nèi)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器溢出中斷申請(qǐng)，由主軸后面的光電編碼器輸入。當(dāng)車床車螺紋時(shí)，主軸光電編碼器向8103發(fā)出進(jìn)給脈沖，用以控制不同導(dǎo)程的螺紋加工。光電編碼器還發(fā)出一個(gè)零位螺紋信號(hào)，輸入8155(1)的，用以防止車螺紋亂扣。
8155(1)主要用于功能鍵的控制，刀架轉(zhuǎn)位控制以及報(bào)警等。其中PA口為輸入口，作為功能鍵的控制管理，刀架控制編輯、空運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)I，手動(dòng)和回零。PB口也是輸入口，由面板上的按鍵分別控制起動(dòng)、暫停、單段、連續(xù)、急停等功能。是換刀回答，當(dāng)自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架按指令轉(zhuǎn)位、夾緊，刀架電機(jī)停轉(zhuǎn)之后，發(fā)出此信號(hào)，開(kāi)始執(zhí)行進(jìn)給指令。接光電編碼器輸出的零位螺紋信號(hào)。PC口是輸出口，控制自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架四個(gè)刀位的選刀。用于報(bào)警顯示，系統(tǒng)正常工作時(shí)，輸出低電平，綠色發(fā)光二極管亮，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，輸出高電平，經(jīng)反向后，紅色發(fā)光二極管亮，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。
8155(2)控制步進(jìn)電機(jī)，行程控制，以及鍵盤(pán)，顯示電路。其中為輸出口，用于控制Z向、X向步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，Z向步進(jìn)電機(jī)為五相，X向?yàn)槿唷４讼到y(tǒng)采用軟件分配。鍵盤(pán)顯示電路為46鍵和6位顯示器。作為鍵盤(pán)的6條列線，是鍵盤(pán)掃描線，是輸出口。接行線作為鍵盤(pán)輸入口。是6位數(shù)碼顯示器的位選信號(hào)，8031的口是數(shù)碼顯示器的段選信號(hào)。接越程限位控制電路，當(dāng)床鞍或拖板在Z向或X向越程時(shí)，即向計(jì)算機(jī)輸入此信號(hào)，使進(jìn)給系統(tǒng)停止。
3.1.3存儲(chǔ)器及I/O口芯片地址分配
存儲(chǔ)器及I/O口芯片地址分配（表3）
表3 數(shù)控車床控制系統(tǒng)芯片地址分配
芯片
接74LS1
38引腳
地址選擇線
片內(nèi)地
址單元
地址編碼
2764(1)
000xxxxxxxxxxxxx
8K
0000H-1FFFH
2764(2)
001xxxxxxxxxxxxx
8K
2000H-3FFFH
6264
010xxxxxxxxxxxxx
8K
4000H-5FFFH
8155(1)I/O
0110000100000xxx
6
6100H-6105H
8155(2)I/O
1000000100000xxx
6
8100H-8105H
3.2 硬件電路圖
硬件電路圖如圖3.1所示
此處有刪減。。。。。。。。
第四章 數(shù)控機(jī)床加工程序編制
如下圖所示，在圖中零件外圓85mm不加工，要求編制精加工程序。
程序如下：
00001
N001 G50 X200.0 Z350.0 T0101
N002 S630 M03
N003 G00 X41.8 Z292.0 M08
N004 G01 X48.34 Z289.0 F0.15
N005 Z227.0
N006 X50.0
N007 X62.0 W-60.0
N008 Z155.0
N009 X78.0
N010 X80.0 W-1.0
N011 W-19.0
N012 G02 W-60.0 I63.25 K-30.0
N013 G01 Z65.0
N014 X90.0
N015 G00 X200.0 Z350.0 T0100 M09
N016 M06 T0202
N017 S315 M03
N018 G00 X51.0 Z227.0 M08
N019 G01 X45.0 F016
N020 G04 U5.0
N021 G00 X51.0
N022 X200.0 Z350.0 T0200 M09
N023 M06 T0303
N024 S200 M03
N025 G00 X62.0 Z296.0 M08
N026 G92 X47.54 Z228.5 F1.5
N027 X46.94
N028 X46.54
N029 X46.38
N030 G00 X200.0 Z350.0 T0300 M09
N031 M05
N032 M30
結(jié) 論
我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一個(gè)最大的體會(huì)就是理論上很簡(jiǎn)單的東西，當(dāng)你要試圖去實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它是那么的難，追其根本原因在于，以前動(dòng)手太少了。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們每個(gè)學(xué)生在校三年來(lái)所學(xué)知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐技術(shù)所進(jìn)行的一次綜合性的全面考察；培養(yǎng)了我們運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力；它還為我們了解一般機(jī)械工程設(shè)計(jì)的基本思想打下良好的基礎(chǔ)；在設(shè)計(jì)方案的擬定,設(shè)計(jì)資料的收集,手冊(cè)，國(guó)標(biāo)選用，設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用,零部件及總體裝配圖的繪制等方面，有一次較全面的鍛煉。對(duì)我們進(jìn)入社會(huì)具備一定獨(dú)立工作能力起了良好的作用,能較好的適應(yīng)工作。
隨著電子技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)、PLC等在數(shù)控機(jī)床中廣泛的應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床迅速地發(fā)展起來(lái)，特別是加工中心在工廠的運(yùn)用.數(shù)控機(jī)床可以較好地解決形狀復(fù)雜、高精度、小批量等零件的加工問(wèn)題；能夠穩(wěn)定質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率；本課題所設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)式數(shù)控機(jī)床屬于半閉環(huán)式經(jīng)濟(jì)型車床，它的工作原理是用脈沖馬達(dá)的伺服性能，即對(duì)應(yīng)一定的脈沖必定有一定的轉(zhuǎn)角。從而通過(guò)選擇螺母機(jī)構(gòu)使工作臺(tái)移動(dòng)一定的距離，所以簡(jiǎn)式數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于數(shù)控系統(tǒng)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它的好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率等數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)。不僅要對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，而且還需要對(duì)刀具相對(duì)于工件的位置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，因此與其它機(jī)床相比其進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求更高、度更大、涉及的問(wèn)題也更廣。
經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的時(shí)間，我對(duì)機(jī)械制造及自動(dòng)化有了更深刻的了解，不僅回顧了以前所學(xué)的知識(shí)，還學(xué)到了許多以前沒(méi)有接觸過(guò)的新知識(shí)，對(duì)CAD和Word的應(yīng)用水平有了進(jìn)一步提高，也清楚了各種標(biāo)準(zhǔn)件的畫(huà)法，對(duì)數(shù)控技術(shù)，單片機(jī)，PLC的認(rèn)識(shí)有了進(jìn)一步的深化。
在此一并感謝指導(dǎo)老師和同學(xué)在這次設(shè)計(jì)中對(duì)我的熱心指導(dǎo)和幫助，通過(guò)本次設(shè)計(jì)使自己有一個(gè)綜合性的提高,達(dá)到了本次的設(shè)計(jì)目的。
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[5] 東北大學(xué)《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫(xiě)組編，《機(jī)床零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版，冶金工業(yè)出版社，1994年5月
[6] 華東紡織工學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)主編，《機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊(cè)》，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979年6月
[7] 雷曉玲主編，《綜合作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2000年11月
[8] 石光源、周積義、彭福蔭主編，《機(jī)械制圖》第三版，高等教育出版社，1988年4月
[9] 畢毓杰主編 《機(jī)床數(shù)控技術(shù)》，南京機(jī)械高等?？茖W(xué)校，機(jī)械工業(yè)出版社
致 謝
為期三個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，我也順利的完成了我的課題設(shè)計(jì)，在此之際我要衷心的感謝在設(shè)計(jì)過(guò)程中一直幫助我支持我的老師。
我要感謝指導(dǎo)老師，XX老師在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)我的影響很大，設(shè)計(jì)過(guò)程中的很多個(gè)難點(diǎn)都是在XX老師的悉心指導(dǎo)下才克服的，還有XX老師大親切和善也是我在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中感受最深的。也因?yàn)檫@樣，和老師之間存在著師生心理障礙一下全無(wú)，我也就大方的有問(wèn)題就問(wèn)，有想法就提，這也使得我能更多的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，并解決問(wèn)題。XX老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的專業(yè)知識(shí)，誨人不倦教學(xué)精神，在學(xué)術(shù)上和為人上都是我們的楷模和榜樣。同時(shí)我還要感謝跟我一起參與設(shè)計(jì)的同學(xué)，雖然我們課題不同，但是都能在討論中發(fā)現(xiàn)各自的問(wèn)題，并互相提出解決的方法，設(shè)計(jì)能夠順利完成，也因?yàn)樗麄兊膸椭?
結(jié)束代表著新的開(kāi)始，新的征程，本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)將會(huì)成為我今后工作，學(xué)習(xí)生活中的一份堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和保證。從中吸取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)也將成為我們?cè)诮窈笊畹缆飞系囊还P財(cái)富，挫折永遠(yuǎn)是前進(jìn)道路上所必須面對(duì)的，相信我們的未來(lái)會(huì)走的更好，也可以讓我們大學(xué)的老師放心。真心的感謝在大學(xué)幫助過(guò)我的老師和同學(xué)們，再次感謝你們！
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