數(shù)控車床半閉環(huán)控制

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目: X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 胡月 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 70100747 班 級(jí) 2006級(jí)2班 指導(dǎo)教師 張老師 王老師 安徽工業(yè)大學(xué) 馬鋼技師學(xué)院 2010年10月摘要數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)通常是指各坐標(biāo)軸的進(jìn)給伺服系統(tǒng)。它是數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件間的連接環(huán)節(jié)，它把數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)運(yùn)算生成的位置指令，精確地變換為機(jī)床移動(dòng)部件的位移，直接反映了機(jī)床坐標(biāo)軸跟蹤運(yùn)動(dòng)指令和實(shí)際定位的性能。伺服系統(tǒng)的高性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的高效率、高精度，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。為了能得到更高控制精度我們可以根據(jù)伺服系統(tǒng)的組成進(jìn)行選擇，從而達(dá)到理想的效果。

2、關(guān)鍵詞：車床，數(shù)控，伺服系統(tǒng)，半閉環(huán)引言4設(shè)計(jì)任務(wù)4第一章 伺服系統(tǒng)的概述5第二章 半閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)52.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)52.11 控制方案的確定62.1.2伺服驅(qū)動(dòng)元件方案的選擇62.1.3檢測(cè)反饋元件的選擇62.1.4機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)方案的確定62.2 具體方案的設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇62.2.1主切削力及其切削分力計(jì)算62.2.2導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算72.2.3計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力72.2.4確定進(jìn)給傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比i和傳動(dòng)級(jí)數(shù)72.2.5滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算、直徑估算和設(shè)計(jì)82.2.6滾珠絲杠螺母副承載能力校核和設(shè)計(jì)92.2.7計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)的剛度112.2.8電動(dòng)機(jī)的選型與計(jì)算122.

3、2.9增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用152.3 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)152.3.1機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析152.3.2機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析162.4 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)162.4.1齒輪箱的設(shè)計(jì)162.4.2床身及導(dǎo)軌.172.4.3中間軸的設(shè)計(jì)19第三章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)20第四章 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)224.1控制軟件的主要內(nèi)容224.2軟件設(shè)計(jì)224.2.1.系統(tǒng)控制功能分析224.2.2.系統(tǒng)管理程序控制234.2.3自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì)24總結(jié)與體會(huì)24致 謝25參考資料25數(shù)控車床半閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名 胡月單位 馬鋼技師學(xué)院一.引言現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致

4、了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)需求的產(chǎn)品日益逐漸復(fù)雜精密，精度要求也越來越高、更新?lián)Q代的周期也變的越來越短，從而促進(jìn)類暗袋制造業(yè)的發(fā)展，尤其是宇航、軍工、造船、汽車和模具加工等行業(yè)，其中普通機(jī)床進(jìn)行加工（精度低、效率低、勞動(dòng)度大）已無法滿足大生產(chǎn)量要求，于是一種新型的用數(shù)字程序控制的機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生，這種機(jī)床運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、精密測(cè)量和

5、機(jī)械設(shè)計(jì)等新技術(shù)的機(jī)械一體化典型產(chǎn)品即數(shù)控機(jī)床。二、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：橫向：1. 工作臺(tái)重量：W=300N；2. 最大進(jìn)給速度：=1000mm/min；3. 行程：S=200mm；4. 脈沖當(dāng)量：=0.004mm/P；縱向：1. 工作臺(tái)重量：W=800N；2. 行程：S=650mm；3. 脈沖當(dāng)量：=0.006mm/P；4. 最大進(jìn)給速度：=2000mm/min；總體：x、y方向定位精度都為mm；滾珠絲杠的基本導(dǎo)程；第一章 伺服系統(tǒng)的概述數(shù)控伺服系統(tǒng)是指一機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)，經(jīng)過一定的信號(hào)變

6、換及電壓、功率放大，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速性和準(zhǔn)確性。作為數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)它是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，研究和開發(fā)高性能伺服系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)要求具有精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、負(fù)載能力強(qiáng)和工作頻率范圍大登記處要求，同時(shí)還要求體積小、重量輕、可靠性高和成本低等要求。第二章 半閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床又分很多種類，其中按控制方式分類就包括開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)三種。1.開環(huán)控制(Open -loop control system )指調(diào)節(jié)系統(tǒng)不接受反饋的控制，只控制輸出,不計(jì)后果的控制。又稱為無反饋控制系統(tǒng)，在數(shù)控

7、機(jī)床中由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)線路組成。數(shù)控裝置根據(jù)輸入指令，經(jīng)過運(yùn)算發(fā)出脈沖指令給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)線路，從而驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)一定距離，這種伺服系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。所以一般僅用于可以不考慮外界影響，或慣性小，或精度要求不高的一些經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。2.閉環(huán)控制（closed-loop control system）則是由信號(hào)正向通路和反饋通路構(gòu)成閉合回路的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱反饋控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床中由伺服電動(dòng)機(jī)、比較線路、伺服放大線路、速度檢測(cè)器和安裝在工作臺(tái)上的位置檢測(cè)器組成。這種系統(tǒng)對(duì)工作臺(tái)實(shí)際位移量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)并與指令值進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制。

8、這種系統(tǒng)定位精度高，但系統(tǒng)復(fù)雜，調(diào)試和維修困難，價(jià)格較貴，主要用于高精度和大型數(shù)控機(jī)床。3.半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理和閉環(huán)伺服系統(tǒng)相似，只是位置檢測(cè)器不是安裝在工作臺(tái)上，而是安裝在伺服電動(dòng)機(jī)的軸上。這種伺服系統(tǒng)所能達(dá)以的精度、速度和動(dòng)太特性優(yōu)于開環(huán)伺服系統(tǒng)，其復(fù)雜性和成本低于閉環(huán)伺系統(tǒng)，主要用于大多數(shù)中小型數(shù)控機(jī)床，且能滿足市場(chǎng)要求所以，目前應(yīng)用最為廣泛。如圖所示：半閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖2.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.11 控制方案的確定 閉環(huán)或半閉環(huán)控制方案的選擇主要取決于機(jī)床精度要求。當(dāng)系統(tǒng)精度要求很高時(shí)，應(yīng)采取閉環(huán)控制方案。因?yàn)樗梢詫⑷繖C(jī)械傳動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)都封閉在反饋控制環(huán)內(nèi)，其誤差可以通過控制系

9、統(tǒng)得到補(bǔ)償，因而可達(dá)到很高的精度。但是當(dāng)精度要求沒那么大的時(shí)候我們同樣可以采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，雖然他只能補(bǔ)償部分誤差但是由于其對(duì)傳感器要求較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。2.1.2伺服驅(qū)動(dòng)元件方案的選擇半閉環(huán)控制系統(tǒng)中一般采用直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)或液壓伺服馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)元件。在負(fù)載較大的大型伺服系統(tǒng)中常采用液壓伺服馬達(dá)，而在中小型伺服系統(tǒng)中，則多數(shù)采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)。由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)特性，并且易于控制，因而在20世紀(jì)90年代以前，一直是閉環(huán)系統(tǒng)中執(zhí)行元件的主流。但是因?yàn)槠鋬?nèi)部有機(jī)械換向裝置，存在電刷磨損問題，運(yùn)行時(shí)電機(jī)的換向器也會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行火花，限制了

10、直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出功率的提高，所以需要較多維護(hù)。因而，隨著微處理器技術(shù)和電力電子半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)的性能有了很大提高，它不存在電刷磨損問題，維修也方便，因此隨著價(jià)錢的逐年降低它在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用也越來越廣泛。不過根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，由于脈沖當(dāng)量和定位精度并不是很高，空載最快移動(dòng)速度也不算高，所以可以選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。以降低成本，提高性價(jià)比。2.1.3檢測(cè)反饋元件的選擇常用的位置檢測(cè)傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電脈沖編碼器、光柵尺等。如被測(cè)量為直線位移，則應(yīng)選尺狀的直線位移傳感器，如光柵尺、磁尺、直線感應(yīng)同步器等。如被測(cè)為角位移，則應(yīng)選取圓形的角位移傳感器，如光電脈沖編碼器、

11、圓感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、碼盤等。一般來說半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)主要采用角位移傳感器。傳感器的精度與價(jià)格密切相關(guān)，應(yīng)滿足要求的前提下，盡量選用精度低的傳感器，以降低成本。目前在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，也常采用廣電脈沖傳感器，既測(cè)量電動(dòng)機(jī)的角位移，又通過計(jì)時(shí)而獲得速度。2.1.4機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)方案的確定半閉環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)與執(zhí)行在機(jī)構(gòu)形式上與開環(huán)伺服系統(tǒng)基本相同?？刂葡到y(tǒng)方案的確定主要包括執(zhí)行元件控制方式的確定和系統(tǒng)伺服控制方式的確定。比如直流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)確定是采用晶體管脈寬調(diào)制還是采用晶閘管放大器驅(qū)動(dòng)控制：對(duì)于家劉伺服電動(dòng)機(jī)，應(yīng)確定采用矢量控制，還是采用幅值、相位或幅相控制。伺服系統(tǒng)的控制方式

12、有模擬控制和數(shù)字控制，每種方式又有多種不同的控制算法。另外還應(yīng)確定是采用軟件伺服控制，還是采用硬件伺服控制，以便擇相應(yīng)的計(jì)算機(jī)。2.2 具體方案的設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇2.2.1主切削力及其切削分力計(jì)算已知機(jī)床主電動(dòng)機(jī)的額定功率為7.5kw，最大工件直徑D=400mm，主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速n=85r/m。在此轉(zhuǎn)速下，主軸具有最大扭矩和功率，道具的切削速度為=1780mm/s取機(jī)床的機(jī)械效率，則有 走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力為2.2.2導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算導(dǎo)軌受到垂向切削分力，縱向切削分力，移動(dòng)部件的全部質(zhì)量（包括機(jī)床夾具和工件的質(zhì)量）m=30.61kg(所受重力W=300N)，查表得鑲條緊固力，取

13、導(dǎo)軌動(dòng)摩擦系數(shù)，則 計(jì)算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力和2.2.3計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力計(jì)算最大軸向負(fù)載力 計(jì)算最小軸向負(fù)載力2.2.4確定進(jìn)給傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比i和傳動(dòng)級(jí)數(shù) 取步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角，滾珠絲杠的基本導(dǎo)程，進(jìn)給傳動(dòng)鏈的脈沖當(dāng)量，則有按最小慣量條件，查得應(yīng)該采用2級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)比可以分別取、。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，確定各傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別為、，模數(shù)m=2，齒寬b=20mm。2.2.5滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算、直徑估算和設(shè)計(jì)（1）按預(yù)期工作時(shí)間估算滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷已知數(shù)控機(jī)床的預(yù)期工作時(shí)間，滾珠絲杠的當(dāng)量載荷，查表得載荷系數(shù)；初步選擇滾珠絲杠的精度等級(jí)為3級(jí)精度，取精度系數(shù)；查表得可靠性系數(shù)

14、。取滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速，已知，滾珠絲杠的基本導(dǎo)程，則 （2）根據(jù)定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。已知本車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度為40 ,重復(fù)定位精度為16 ，則有 取上述計(jì)算結(jié)果的較小值，即。（3）估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑滾珠絲杠螺母的安裝方式擬采用一端固定、一端游動(dòng)支承方式，滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為 L=行程+安全行程+2×余程+螺母長(zhǎng)度+支承 （1.21.4）行程+（2530）取L=(1.4×200+30×6)mm=460mm （4）初步確定滾珠絲杠螺母副的型號(hào)根據(jù)以上計(jì)算所得的、和結(jié)構(gòu)的需要，初步選擇南京工藝裝備公司

15、生產(chǎn)的FF型內(nèi)循環(huán)螺母，型號(hào)為FF3206-5，其公稱直徑、基本導(dǎo)程、額定動(dòng)載荷和螺紋底徑如下： 滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對(duì)絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求，其兩端支承的配置情況有：一端軸向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短絲杠和垂直進(jìn)給絲杠；一端固定一端浮動(dòng)的方式，常用于較長(zhǎng)的臥式安裝絲杠；以及兩端固定的安裝方式，常用于長(zhǎng)絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度、高精度的絲杠，這種配置方式可對(duì)絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸。因此在此課題中采用兩端固定的方式，以實(shí)現(xiàn)高剛度、高精度以及對(duì)絲杠進(jìn)行拉伸。絲杠中常用的滾動(dòng)軸承有以下兩種：滾針推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60°角

16、接觸軸承，在這兩種軸承中，60°角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，但剛度較后者低，目前在一般中小型數(shù)控機(jī)床中被廣泛應(yīng)用。滾針圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。60°角接觸軸承的組合配置形式有面對(duì)面的組合、背靠背組合、同向組合、一對(duì)同向與左邊一個(gè)面對(duì)面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，又由于面對(duì)面組合方式，兩接觸線與軸線交點(diǎn)間的距離比背對(duì)背時(shí)小，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整較易。因此在進(jìn)給傳動(dòng)中面對(duì)面組合用得較多。在此課題中采用了以面對(duì)面配對(duì)組合的60°角接觸軸承，組合方式為DDB。以容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。滾珠絲杠工作時(shí)要發(fā)熱，其溫

17、度高于床身。為了補(bǔ)償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)，使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。滾珠絲杠螺母及其支承結(jié)構(gòu)圖2.2.6滾珠絲杠螺母副承載能力校核和設(shè)計(jì)一、已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑，已知滾珠絲杠螺母副的最大受壓長(zhǎng)度，絲杠水平安裝時(shí)，取，查表得，則有 本車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為，遠(yuǎn)小于其臨界壓縮載荷的值，故滿足要求。二、滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長(zhǎng)度，其彈性模量，密度，重力加速度 （1） 滾珠絲杠的最小慣性矩為 （2）滾珠絲杠的最小截面積為 取，查表得，則有 本橫向進(jìn)給傳動(dòng)鏈的滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為166.67r/m，遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿

18、足要求。 三、滾珠絲杠螺母副額定壽命的校核,滾珠絲杠的額定動(dòng)載荷，已知其軸向載荷，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，則有 本車床數(shù)控化改造后，滾珠絲杠螺母副的總工作壽命，故滿足要求。四、滾珠絲杠螺母副是直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換的新型傳動(dòng)裝置，在絲杠和螺母上都有半圓弧形的螺旋槽，當(dāng)他們套裝在一起時(shí)便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠的回路管道，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構(gòu)成封閉的螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，因而迫使螺母軸向移動(dòng)。滾珠絲杠螺母副具有以下特點(diǎn)：（1）傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為0.92-0.96，比普通絲杠高

19、3-4倍。因此，功率消耗只相當(dāng)于普通絲杠的1/4-/3.（2）若給于適當(dāng)預(yù)緊，可以消除絲杠和螺母之間的螺紋間隙，反向時(shí)還可以消除空載死區(qū)，從而使絲杠的定位精度高，剛度好。（3）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。（4）具有可逆性，既可以從螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。也就是說，絲杠和螺母可以作為主動(dòng)件。（5）磨損小，使用壽命長(zhǎng)。（6）制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。（7）不能自鎖。特別是垂直安裝的絲杠，由于其自重和慣性力的不同，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立即停止運(yùn)動(dòng)，故還需要增加制動(dòng)裝置。本次設(shè)計(jì)采用的是內(nèi)循環(huán)的絲杠螺

20、母副，精度為3級(jí)，兩端采用了小圓螺母為軸向定位絲杠螺母副采用的預(yù)緊方式為單螺母消除間隙方法。它是在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使內(nèi)螺紋滾道在軸向產(chǎn)生一個(gè)的導(dǎo)程突變量，從而使兩列滾珠在軸向錯(cuò)位而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。這種調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但載荷量須預(yù)先設(shè)定而且不能改變。2.2.7計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)的剛度 已知滾珠絲杠的彈性模量，滾珠絲杠的底徑。當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心至固定端支承中心的距離時(shí)，滾珠絲杠螺母副具有最小拉壓剛度 當(dāng)時(shí)，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度 已知滾動(dòng)體直徑mm，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z=15.軸承接觸角。軸承最大軸向工作載荷。則滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度為： 查表得滾珠與滾道的接觸剛度，滾珠絲杠的額定

21、動(dòng)載。已知滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷則 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 故。進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度最小值為故已知扭矩作用點(diǎn)之間的距離，滾珠絲杠的剪切模量，滾珠絲杠的底徑，則有 2.2.8電動(dòng)機(jī)的選型與計(jì)算（1）計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已知滾珠絲杠的密度，則有（2）計(jì)算折算到絲杠軸上的移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已知橫向進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行部件的總質(zhì)量為m=30.61kg;絲杠軸每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離L=0.6cm則（3）計(jì)算各齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （4）計(jì)算加在電動(dòng)機(jī)軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （5）計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩已知在切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力，絲杠每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件軸向移動(dòng)

22、的距離L=6mm=0.006m，進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比i=6.25總效率=0.85，則有 （6）計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)上的摩擦負(fù)載力矩 已知在不切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力矩，則有 （7）計(jì)算由滾珠絲杠預(yù)緊力產(chǎn)生的并折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加負(fù)載力矩 已知滾珠絲杠螺母副的效率，滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力為 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩T的計(jì)算。 空載時(shí)（快進(jìn)力矩），為 切削時(shí)（工進(jìn)力矩），為根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果和查表初選130BF001型反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；而進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量；對(duì)于開環(huán)系統(tǒng)，一般取加速時(shí)間。當(dāng)機(jī)床以最快進(jìn)給速度運(yùn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為： （8）計(jì)算橫向進(jìn)給系統(tǒng)所需的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種力

23、矩 計(jì)算空載啟動(dòng)力矩 計(jì)算快進(jìn)力矩 計(jì)算工進(jìn)力矩 （9）選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)根據(jù)以上計(jì)算和查表選擇國產(chǎn)150BF002型電動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)如下：相數(shù)，5；步距角，；最大靜轉(zhuǎn)矩，；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，；最高空載啟動(dòng)頻率，2800Hz；運(yùn)行頻率，8000Hz；分配方式，五相十拍。 確定最大靜轉(zhuǎn)矩： 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)空載啟動(dòng)力矩與所需的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為： 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)空載啟動(dòng)力矩與所需的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為： 取和中的較大者為所需的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩。本電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為，大于，可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)正常啟動(dòng)，故滿足要求。 驗(yàn)算慣量匹配，為了使機(jī)械傳動(dòng)的慣量達(dá)到較合理的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣

24、量與伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比一般應(yīng)滿足下式： 因?yàn)?，故滿足慣量匹配要求。2.2.9增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用由于本設(shè)計(jì)所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用半閉環(huán)控制，可在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角，可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)，需要控制系統(tǒng)發(fā)出個(gè)步進(jìn)脈沖?？紤]到增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的A、B相信號(hào)，可以送到四倍頻電路進(jìn)行電子四細(xì)分，因此，編碼器的分辨力可選120線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。此次設(shè)計(jì)選用的編碼器型號(hào)為：ZLK-A-120-05VO-10-H 盤狀空心型，孔徑10mm，與

25、電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每秒輸出120個(gè)A/B脈沖，信號(hào)為電壓輸出。2.3 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)2.3.1機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度，機(jī)床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量分別為、，滾珠絲杠螺母副和機(jī)床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為，已知m=30.61kg，則： 折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為已知滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度，則由以上計(jì)算可知，絲杠工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高。一般按的要求來設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。 2.3.2機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析（1）計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的反向死區(qū)已知進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最

26、小值，導(dǎo)軌的靜摩擦力為，則即，故滿足要求。 （2）計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 即，故滿足要求。 （3）計(jì)算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差 已知負(fù)載力矩，扭矩作用點(diǎn)之間的距離，絲杠底徑，則有 由該扭轉(zhuǎn)變形引起的軸向移動(dòng)滯后量將影響工作臺(tái)的定位精度，有2.4 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.4.1齒輪箱的設(shè)計(jì)齒輪箱主要把齒輪裝入，通過軸連接電動(dòng)機(jī)和絲杠。主要結(jié)構(gòu)是一個(gè)方形的箱，然后要加工出一些孔裝軸、絲杠、端蓋等等。在右側(cè)內(nèi)壁也要加工一個(gè)孔來支承軸承。同時(shí)還要通過兩個(gè)凸耳用螺栓與導(dǎo)軌聯(lián)接。齒輪箱結(jié)構(gòu)如圖5.3：齒輪箱的結(jié)構(gòu)齒輪箱零件圖2.4.2床身及導(dǎo)軌對(duì)于數(shù)控機(jī)床來說，作為主要支承件的床身

27、至關(guān)重要，其結(jié)構(gòu)性能的好壞直接影響著機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)。它支承著數(shù)控車床的床頭箱，床鞍，刀架，尾座等部件，承受著切削力、重力、摩擦力等靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力的作用。其結(jié)構(gòu)的合理性和性能的好壞直接影響著數(shù)控車床的制造成本；影響著車床各部件之間的相對(duì)位置精度和車床在工作中各運(yùn)動(dòng)部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確性，從而影響著工件的加工質(zhì)量；還影響著車床所用刀具的耐用度，同時(shí)也影響著機(jī)床的工作效率和壽命等。因此，床身特別是數(shù)控車床的床身具有足夠的靜態(tài)剛度和較高的剛度/質(zhì)量比；良好的動(dòng)態(tài)性能；較小的熱變形和內(nèi)應(yīng)力；并易于加工制造，裝配等，才能滿足數(shù)控車床對(duì)床身的要求。數(shù)控車床工作時(shí)，受切削力的作用，床身發(fā)生彎曲，其中，

28、影響最大的是床身水平面內(nèi)的彎曲。因此，在床身不太長(zhǎng)的情況下，主要應(yīng)提高床身在水平面內(nèi)的彎曲剛度。所以，在設(shè)計(jì)床身時(shí)，采用與水平面傾斜45°的斜面床身。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：(1)在加工工件時(shí)，切屑和切削液可以從斜面的前方(即床身的一側(cè))落下，就無需在床身上開排屑孔，這樣，床身斜面就可以做成一個(gè)完整的斜面。(2)切屑從工件上落到位于床身前面的排屑器中，再由排屑器將切屑排出。這樣，機(jī)床在工作中，排屑性能和散熱性能要好，可以減少床身在工作中吸收由于切削產(chǎn)生的熱量，從而減少床身的熱變形，使機(jī)床更好地保持加工精度。(3)由于在床身上無需開排屑孔，就可以增加與底座連接的床身底面的整體性，從而可增加床

29、身底面的剛性?；谝陨咸攸c(diǎn)使得床身抵抗來自切削力在水平和垂直面內(nèi)的分力所產(chǎn)生的彎曲變形能力，以及它們的合力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形能力顯著增強(qiáng)。從而大幅度提高了床身的抗彎和抗扭剛度。床身在彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷作用下，床身的變形與床身的截面的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩有關(guān)。材料、截面相同，但形狀不同的床身，截面的慣性矩相差很大。截面積相同時(shí)，采用空形截面，加大外輪廓尺寸，在工藝允許的情況下，盡可能減小壁厚，可以大大提高截面的抗彎和抗扭剛度；矩形截面的抗彎剛度高于圓形截面，但圓形截面的抗扭剛度較高；封閉截面的剛度顯著高于不封閉截面的剛度。為此，在設(shè)計(jì)床身截面時(shí)，綜合考慮以上因素，在滿足使用、工藝情況下，采用空心截面，

30、加大輪廓，減小壁厚，采用全封閉的類似矩形的床身截面形式，同時(shí)，為了提高床身的抗扭剛度和床身的剛度重量比，在大截面內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)較小的類似圓形截面。床身與導(dǎo)軌為一體，床身材料的選擇應(yīng)根據(jù)導(dǎo)軌的要求選擇。鑄鐵具有良好的減震性和耐磨性，易于鑄造和加工。床身材料采用機(jī)械性能優(yōu)良的HT250，其硬度、強(qiáng)度較高，耐磨性較好，具有很好的減震性。車床的導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種?；瑒?dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大且磨損快，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動(dòng)導(dǎo)軌和新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。它們具有摩

31、擦性能良好和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。在動(dòng)導(dǎo)軌上鑲裝塑料具有摩擦系數(shù)低、耐磨性高、抗撕傷能力強(qiáng)、低速時(shí)不易爬行、加工性和化學(xué)穩(wěn)定性好、工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各類機(jī)床上都有應(yīng)用，特別是用在精密、數(shù)控和重型機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌上。塑料導(dǎo)軌可與淬硬的鑄造鐵支承導(dǎo)軌和鑲鋼支承導(dǎo)軌組成對(duì)偶摩擦副。機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量在一定程度上決定了機(jī)床的加工精度、工作能力和使用壽命。導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載。車床的床身導(dǎo)軌屬于進(jìn)給導(dǎo)軌，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的動(dòng)導(dǎo)軌與支承的靜導(dǎo)軌之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較低。直線運(yùn)動(dòng)滑動(dòng)導(dǎo)軌截面形狀主要有三角形、矩形、燕尾形和圓形，并可互相組合。由于矩形導(dǎo)軌制造簡(jiǎn)單，剛度高，承載能力大，具有兩個(gè)相垂直的導(dǎo)軌面。且兩個(gè)導(dǎo)

32、軌面的誤差不會(huì)相互影響，便于安裝。再將矩形整體傾斜45°后，側(cè)面磨損能自動(dòng)補(bǔ)償，克服了矩形導(dǎo)軌側(cè)面磨損不能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)娜毕?，使其?dǎo)向性更好。本次設(shè)計(jì)我采用的是燕尾槽導(dǎo)軌。鑲條是用來調(diào)整矩形導(dǎo)軌和燕尾導(dǎo)軌的側(cè)隙，以保證導(dǎo)軌面的正常接觸。鑲條應(yīng)放在導(dǎo)軌受力較小的一側(cè)。壓板用于調(diào)整輔助導(dǎo)軌面的間隙和承受顛覆力矩。如圖5.5，是用磨或刮壓板3的e面和d面來調(diào)整間隙。壓板的d面和e面用空刀槽分開，間隙大磨刮d面，太緊時(shí)則修e面。這種方式構(gòu)造簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多，但調(diào)整時(shí)比較麻煩。鑲條床身及導(dǎo)軌2.4.3中間軸的設(shè)計(jì)中間軸上的齒輪是電機(jī)輸出與滾珠絲杠的傳力結(jié)構(gòu)，它主要通過鍵連接齒輪2和齒輪3.所以要設(shè)計(jì)

33、鍵槽，可設(shè)計(jì)一個(gè)鍵槽為兩個(gè)齒輪傳力。兩邊要留軸頸上軸承，中間軸的裝配見圖5.7：中間軸中間軸的零件圖第三章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考慮以下功能：（1） 接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示（2） 接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息；（3） 接受車床限位開關(guān)信號(hào)；（4） 接受電動(dòng)卡盤夾緊信號(hào)與電動(dòng)刀架刀位信號(hào)；（5） 控制X，Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；（6） 控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止；（7） 控制多速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級(jí)變速；（8） 控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無級(jí)變速；（9） 控制切削液泵啟動(dòng)/停止；（10） 控制電動(dòng)卡盤的夾緊與松開；（11） 控制電動(dòng)刀架的自動(dòng)選刀

34、；（12） 與PC機(jī)的串行通信。 CPU選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。W27C512用做程序存儲(chǔ)器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴(kuò)展AT89S52的RAM存儲(chǔ)器存放調(diào)試和運(yùn)行的加工程序；8279用做鍵盤和LED顯示器借口，鍵盤主要是輸入工作臺(tái)方向，LED顯示器顯示當(dāng)前工作臺(tái)坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有超程報(bào)警功能，并有越位開關(guān)和報(bào)警燈；其他輔助電路有復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，越位報(bào)警指示電路?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖7.1所示。 控制系統(tǒng)原理框圖第四章 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)4.1控制軟件的主要內(nèi)容數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來

35、實(shí)現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個(gè)部分：1、系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。2、零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。3、插補(bǔ)程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)，分配進(jìn)給脈沖。4、伺服控制程序。根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。診斷程序。包括移動(dòng)不見移動(dòng)超界處理，緊急停機(jī)處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯(cuò)等功能。6、機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)加工控制程序。7、鍵盤操作和顯示處理

36、程序。包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。4.2軟件設(shè)計(jì)4.2.1.系統(tǒng)控制功能分析系統(tǒng)控制功能包括：（1）、系統(tǒng)初始化。如對(duì)I/O接口8155，8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。（2）、工作臺(tái)復(fù)位。開機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)位。（3）、輸入和顯示加工程序。（4）、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。（5）、工作臺(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示字符。（6）、工作臺(tái)的自動(dòng)控制。（7）、工作臺(tái)的手動(dòng)控制。（8）、工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制。4.2.2.系統(tǒng)管理程序控制 管

37、理稱許是系統(tǒng)的主程序，開機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計(jì)管理程序時(shí)，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y工作臺(tái)的基本操作功能有：輸入加工程序，自動(dòng)加工，刀位控制，工作臺(tái)位置控制，手動(dòng)操作，緊急停機(jī)等。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)管理程序流程圖如下所示：開始系統(tǒng)初始化加工程序輸入鍵按下？機(jī)床復(fù)位 N加工數(shù)據(jù)輸入自動(dòng)加工自動(dòng)加工鍵按下？N Y N手動(dòng)加工鍵按下？Y手動(dòng)調(diào)整 Y N管理程序流程4.2.3自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì)（1）機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序：工作臺(tái)移動(dòng)到位刀具快速進(jìn)給加工退刀工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位置；（2）計(jì)算機(jī)在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工；（3）由以上分析，設(shè)計(jì)自動(dòng)加工程序框圖如下所示：入口零件坐標(biāo)地址指針讀零件坐標(biāo)調(diào)步進(jìn)電機(jī)子程序工作臺(tái)移動(dòng)到位刀具快進(jìn)加工快速退刀 零件坐標(biāo)地址指針加1零件加工完成 N Y 返回總結(jié)與體會(huì)畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)的一次總結(jié)與運(yùn)用，是對(duì)以前每門課程設(shè)計(jì)的綜合，是對(duì)所學(xué)知識(shí)的徹底檢驗(yàn)。剛開始選擇課題的時(shí)候，我因?yàn)閷?duì)數(shù)控車床比較感興趣，所以選擇