機(jī)電一體化系統(tǒng)伺服和傳動(dòng)部份設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)詳細(xì)

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)題目：CA6140型車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控改裝、兒前言我國(guó)目前機(jī)床總量為380萬(wàn)余臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有萬(wàn)臺(tái)，這說(shuō)明我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到3%。咱們大多數(shù)制造業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工設(shè)備大多數(shù)是傳統(tǒng)機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種機(jī)床加工出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、本錢(qián)高等缺點(diǎn)，因此這些產(chǎn)品在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)了，這直接阻礙了企業(yè)的生存和進(jìn)展。因此必需提高機(jī)床的數(shù)控化率。在過(guò)去的幾十年，盡管金屬切削的大體原理轉(zhuǎn)變不大，但隨著社會(huì)生產(chǎn)力的進(jìn)展，要求制造業(yè)向自動(dòng)化和周密化方向進(jìn)展，而刀具材料和電子技術(shù)的進(jìn)步，專門(mén)是微電子技術(shù)、電子運(yùn)算

2、機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，運(yùn)用到操縱系統(tǒng)中，既能幫忙機(jī)床的自動(dòng)化，又能提高加工精度。這些都要求對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行改造。另外，在經(jīng)濟(jì)方面，用機(jī)床的數(shù)控改造比更新設(shè)備節(jié)約50%的資金。再加上市場(chǎng)的緣故，由于目前機(jī)床市場(chǎng)供給無(wú)法知足大量的機(jī)床設(shè)備的更新需要，因此更顯示出機(jī)床數(shù)控改造的必要性。關(guān)于我國(guó)的實(shí)際情形，大量量的購(gòu)買數(shù)控機(jī)床是不現(xiàn)實(shí)也是不經(jīng)濟(jì)的，只有對(duì)現(xiàn)有的機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造。數(shù)控改造相關(guān)于購(gòu)買數(shù)控機(jī)床來(lái)講，能充分發(fā)揮設(shè)備的潛力，改造后的機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有很多突出優(yōu)勢(shì)，由于數(shù)控機(jī)床的運(yùn)算機(jī)有很高的運(yùn)算能力，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出每一個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)量，加工出較復(fù)雜的曲線和曲面。其運(yùn)算機(jī)有經(jīng)歷和存儲(chǔ)能力，能夠?qū)⑤斎氲某绦蚪?jīng)歷

3、和存儲(chǔ)下來(lái)，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要改換一個(gè)程序，就能夠夠?qū)崿F(xiàn)另一工件的加工，從而實(shí)現(xiàn)“柔性自動(dòng)化”。改造后的機(jī)床不象購(gòu)買新機(jī)那樣，要從頭了解機(jī)床操作和維修，也不了解可否知足加工要求。改造能夠精準(zhǔn)計(jì)算出機(jī)床的加工能力，另外，由于連年利用，操作者對(duì)機(jī)床的特性早已了解，操作和維修方面培訓(xùn)時(shí)刻短，生效快。另外，數(shù)控改造能夠充分利用現(xiàn)有地基，沒(méi)必要像購(gòu)入新機(jī)那樣需要從頭構(gòu)筑地基，還能夠依照技術(shù)革新的進(jìn)展速度，及時(shí)地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平和檔次，將機(jī)床改造成現(xiàn)今水平的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床是以微電子技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合為基礎(chǔ)，不但技術(shù)上具有先進(jìn)性，同時(shí)在應(yīng)用上比其他

4、傳統(tǒng)的自動(dòng)化改造方案有較大的通用性和可用性，且投入費(fèi)用低，用戶承擔(dān)得起。由于自投入利用以來(lái)取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，已成為我國(guó)設(shè)備技術(shù)改造中要緊方向之一，也為我國(guó)傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)朝機(jī)電一體化技術(shù)方向過(guò)渡的要緊內(nèi)容之一。CA6140一般車床微機(jī)數(shù)控改造設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)任務(wù)將CA6140一般車床改造成用MCS-51系列單片機(jī)操縱的經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控車床，要求該車床縱向有直線和圓弧插補(bǔ)功能。系統(tǒng)分辨率為：/puls。給定參數(shù)最大加工直徑：400mm（在床面上）最大加工長(zhǎng)度：1000mm絲杠縱向長(zhǎng)度：13001500mm原車床絲杠縱向直徑：22mm縱向?qū)к夘愋停壕C合性導(dǎo)軌主軸轉(zhuǎn)速范圍：正轉(zhuǎn)（24級(jí)）10140

5、0rpm反轉(zhuǎn)（12級(jí)）141580rpm溜板及刀架縱向重力：800N刀架縱向快移速度：/min最大縱向切削進(jìn)給速度：/min主電機(jī)功率：735kW/1450rpm啟動(dòng)加速時(shí)刻：30ms機(jī)床定位精度：設(shè)計(jì)要求改裝后數(shù)控車床應(yīng)具有性能：數(shù)控代碼制：ISO脈沖分派方式：逐點(diǎn)比較法輸入方式：增量值、絕對(duì)值通用同時(shí)操縱坐標(biāo)軸數(shù)：2坐標(biāo)軸（縱向Z，橫向X）縱向脈沖當(dāng)量值：/puls刀具補(bǔ)償量：0進(jìn)給傳動(dòng)鏈縱向間隙補(bǔ)償量：自動(dòng)起落速性能：有改裝后數(shù)控車床的工藝范圍：具有快速定位，直線插補(bǔ)，順、逆圓插補(bǔ)，暫停，循環(huán)加工。對(duì)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的要求：微機(jī)操縱系統(tǒng)要有靠得住性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的

6、性能價(jià)錢(qián)比等特點(diǎn)。操縱系統(tǒng)的加工程序和操縱命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采納數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。設(shè)計(jì)工作量一張縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)改裝圖（A1）；一張驅(qū)動(dòng)電路原理圖（A2）一份設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)包括以下內(nèi)容：前言（數(shù)控改裝的意義、用途及目的等）；設(shè)計(jì)的要緊思路：系統(tǒng)整體方案的確信、機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、操縱系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；機(jī)械部份改裝設(shè)計(jì)計(jì)算：滾珠絲杠螺母副的確信；傳動(dòng)齒輪的傳動(dòng)比和齒數(shù)的確信；步進(jìn)電機(jī)的選擇。操縱系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)計(jì)算和參數(shù)選擇；5)步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；6)總結(jié)及終止語(yǔ)第一章系統(tǒng)整體方案的分析與擬訂一、系統(tǒng)整體改造方案的確信目前，在機(jī)械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機(jī)車，若是

7、改用微機(jī)操縱，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的改造，會(huì)使機(jī)床適應(yīng)小批量、復(fù)雜零件的加工，不但提高加工精度和生產(chǎn)率，而且本錢(qián)低、周期短，適合我國(guó)國(guó)情。利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)車的機(jī)電一體化改造的方式有兩種：一種是以微機(jī)為中心設(shè)計(jì)操縱部份；另一種是采納標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)數(shù)字操縱系統(tǒng)作為要緊操縱裝置。后者選用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng),比較簡(jiǎn)單。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)采納單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)及專用的操縱程序組成開(kāi)環(huán)操縱系統(tǒng)。起結(jié)果簡(jiǎn)單、價(jià)錢(qián)低廉。對(duì)機(jī)床的操縱進(jìn)程大多是由單片機(jī)依照輸入脈沖的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，產(chǎn)生進(jìn)給，由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分派，輸入一系列脈沖，經(jīng)功率放大、驅(qū)動(dòng)刀架、縱橫軸運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)刀具按規(guī)定的

8、輪廓軌跡運(yùn)動(dòng)。微機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算的速度較快，能夠讓單片機(jī)每完成一次插補(bǔ)、進(jìn)給，就執(zhí)行一次延時(shí)程序，由延時(shí)程序操縱進(jìn)給速度。彳縱橫等軸限位急停第I條TOP清零等功能鍵機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案的確信在熟悉原機(jī)床的操作進(jìn)程及傳動(dòng)系統(tǒng)后，依照設(shè)計(jì)要求確信系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)改造方案。包括電機(jī)型號(hào)的選擇，減速比的確信，齒輪模數(shù)及齒數(shù)的確信，原有絲杠導(dǎo)軌是不是要從頭改換，改換成滾珠絲杠螺母副是絲杠螺母副的型號(hào)及安裝形式如何確信，導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)方式等。對(duì)CA6140車床的縱向（Z向）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)控改造，現(xiàn)在可將開(kāi)喝螺母合上，聚散器M5脫開(kāi)，使主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)脫開(kāi)，現(xiàn)在，將脫落螺桿等橫向自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)至空擋（脫開(kāi)）位

9、置。假設(shè)原刀架為自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，那么能夠由微機(jī)操縱自動(dòng)換刀具，不然仍由手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架。如需加工螺紋，那么要在主軸外端或其他適合位置安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器來(lái)檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)位，用它發(fā)出的脈沖來(lái)保證主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的彼此關(guān)系。這種改造方案本錢(qián)較低?？墒?，為了保證加工精度，還需依如實(shí)際情形進(jìn)行檢修，才能保證操縱精度。原有機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件（包括導(dǎo)軌、絲杠副等）安裝質(zhì)量的好壞，直接阻礙阻力和阻力矩的大小，應(yīng)盡可能減少阻力（力矩），以提高步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的效率。對(duì)絲杠及軸要提高其直線度，導(dǎo)軌壓板及螺母的預(yù)緊力都要調(diào)得適合。為減少導(dǎo)軌副的摩擦阻力可改換成轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)軌副或采納貼塑導(dǎo)軌。依照阻力（力矩），切削用量的大小及機(jī)

10、床型號(hào)的不同，應(yīng)通過(guò)計(jì)算，選用與之相匹配的步進(jìn)電機(jī)。對(duì)加工精度要求較高的機(jī)床，其進(jìn)給絲杠應(yīng)換成滾珠絲杠副。微機(jī)操縱系統(tǒng)方案的確信1、機(jī)操縱系統(tǒng)的整體組成數(shù)控部份采納MCS-51系列的單片機(jī)操縱，其典型代表有803一、805一、8075等，其中8031的價(jià)錢(qián)低，功能強(qiáng)，比較適合于一樣機(jī)床的數(shù)控改造，但由于其無(wú)內(nèi)存，必需外接存儲(chǔ)器及I/O擴(kuò)展芯片才能夠成為一個(gè)較簡(jiǎn)單的微機(jī)操縱系統(tǒng)。存儲(chǔ)芯片的選擇依據(jù)系統(tǒng)操縱程序的大小及CPU的字長(zhǎng)，I/O擴(kuò)展芯片和I/O通道的個(gè)數(shù)來(lái)確信。二、軟硬件任務(wù)合理分派主若是操縱步進(jìn)電機(jī)的脈沖發(fā)生與脈沖分派；數(shù)碼顯示的字符發(fā)生；鍵盤(pán)掃描治理。三者都能夠用專用硬件芯片或軟件編

11、程實(shí)現(xiàn)。用硬件實(shí)現(xiàn)，編程簡(jiǎn)單，但增加硬件本錢(qián)及故障源。用軟件實(shí)現(xiàn)，節(jié)省芯片，降低本錢(qián)，但增加編程難度。在決定用何種方式實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，依照自我體會(huì)和能力來(lái)確信。第二章機(jī)車進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部份設(shè)計(jì)計(jì)算主要結(jié)果計(jì)算與說(shuō)明1系統(tǒng)負(fù)載的確定確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)車加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)車床采用的脈沖當(dāng)量是/脈沖，此次改造的CA6140車床在縱向的脈沖當(dāng)量取/脈沖。切削力計(jì)算用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主切削力對(duì)于車床的主切削力縱切：Fz=(N)Dmax車床床身上加工最大直徑(mm)Fz=)(400)=5360(N)按比例分別求出分力Fx和Fy由Fz：Fx：Fy=1：Fx走刀方向的切削

12、力(N)Fy垂直走刀方向的切削力(N)得：Fx=FzFy=Fz=X5360=X5360=1340(N)=2144(N)2滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型一、計(jì)算進(jìn)給率引力Fm(最大工作載荷)Fz=5360(N)Fx=1340(N)Fy=2144(N)Fm=2456(N)Fm=KFx+f(Fz+G)查表3-4選綜合導(dǎo)軌，其K=，摩擦系數(shù)f=Wf=工作臺(tái)重量G=800（N）Fm=X1340+X(5360+800)=2456(N)計(jì)算最大動(dòng)載荷CC=3LfwfHFmL壽命60nTL=106n絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）,n=1000VsLoVs最大切削力條彳下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最高進(jìn)給速度的；

13、231現(xiàn)取最高進(jìn)給速度的的-3Lo絲杠的導(dǎo)程（mm）T使用壽命（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)車T=15000hfw運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)查表得運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)fw=,取硬度為60HRC,查表得硬度系數(shù)fH=0則最大動(dòng)載荷C1|60X1000X0.6XX15000C=3LfWfHFm=$-3XX1XLLoX1062456=,LoLo=4(mm)C=(N)Lo=6(mm)C=(N)Lo=8(mm)C=(N)Do=50(mm)選基本導(dǎo)程Lo=4(mm)則最大動(dòng)載荷,1C=3Lx=(N),4查表無(wú)法找到滿足要求的內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠選基本導(dǎo)程Lo=6(mm)則最大動(dòng)載荷C噓x=(N)選基本導(dǎo)程Lo=8(mm)C=*x=(N)由CCa查江漢機(jī)

14、床廠C1型滾珠絲杠。其公稱直徑Do=50(mm),時(shí)Lo=6(mm)Lo=8(mm)都滿足C滿足要求剛度驗(yàn)算FAL = mL EF絲杠的拉伸或壓縮變形量616 1= (mm)AL在工作負(fù)載在工作負(fù)載作用下引起的每一導(dǎo)程的變化量（mm）Fm工作負(fù)載，即進(jìn)給率引力（N）L滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）E材料的彈性模數(shù)，對(duì)鋼E=X104（N/mm2）D1 =F滾珠絲杠的截面積（mm2）Do絲杠的公稱直徑e偏心距R螺紋滾道半徑F=1017mm2初選公稱直徑為40mm的絲杠驗(yàn)算：基本導(dǎo)程為8mm的絲杠:滾道法面半徑R=x=(mm)偏心距e=(R-)sin04763sin45=(mm)螺紋內(nèi)徑di=do+2e-2

15、R=40+2XX=(mm)7t(滾珠絲杠截面積F=4(mm)=3.14X35.W=972(mm2)彈性模量E=xiO4(N/mm2)則:上2456X8=士20.6X104X972=xw5(mm)則滾珠絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量61為:AL1=XLLo_5=511x1300=(mm)精度不合要求，所以改選基本導(dǎo)程為6mm的絲杠Di=F=2滾道法面半徑R=x=(mm)de偏心距e=(R-)sin03.969一2sin45o=(mm)螺紋內(nèi)徑di=d0+2e-2R61 =40+2XX=(mm)冗(滾珠絲杠截面積F=4型咨幽=1017(mm2)彈性模量E=xi04(N/mm2)則:,FmLoAL1=

16、EF2456X6二土20.6X104X1017=X10-5(mm)則滾珠絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量6i為:eAL,6i=XLLo,7.06X10-5彳一、=X1300=(mm)6由于機(jī)床精度要求為，所以基本導(dǎo)程為6、8mm的絲杠都不合適，所以改選公稱直徑為50mm的絲杠。滾道法面半徑R=x=(mm)de偏心距e=(R-2-)sinB3.969o2sin45=(mm)螺紋內(nèi)徑di=d0+2e-2R=50+2XX=(mm)九or滾珠絲杠截面積F=；3.14X45.98522)4彈性模量E=xi04(N/mm2)則:A1JmLo從1=EF,2556X6=：20.6X104X1660.8=X10-5

17、(mm)則滾珠絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量6i為:AL61=XLLo4.3072X10-5一、=X1300=(mm)滾珠與螺紋滾道間接觸變形6262=63=滿足剛度要求有預(yù)緊時(shí)：62=Fm3doFyZjFm軸向工作載荷Fy預(yù)緊力（kgf）do滾珠直徑（mm）Ze滾珠數(shù)量Zi=ZX圈數(shù)x列數(shù)一.圈滾珠數(shù)，Z=-o-3（內(nèi)循環(huán)）doDo滾珠絲杠公稱直徑（mm）1頂索力Fy=-Fm3Fk =Z=2-3do個(gè)）則:Z!=X1X3=(個(gè))nk=則滾珠與螺紋滾道間接觸變形2456占2= X :=3：3.969 X9.8245612X-X109.729.83=(mm)支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形63采用

18、向心推力球軸承，用雙推一一雙推式軸向接觸變形心=0.00132Fm軸承所受軸向載荷（kgf）z軸承的滾動(dòng)體數(shù)目dQ軸承滾動(dòng)體直徑（mm）選用51106型推力球軸承其內(nèi)徑d=30(mm),外徑D=47(mm),則:D-d47-30dQ=2=2=(mm)軸承滾動(dòng)體數(shù)目z=1（d；D）2dQ3.14x(30+47)=i42X8.5則:63= 0.00243.1 Fm dQZ22456.2= 3 8.9.8282=(mm)滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算，主要是驗(yàn)算61、心、63之和不應(yīng)大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半。由于預(yù)緊的作d1= (mm)用，采用雙螺母預(yù)緊，可將原機(jī)床的剛度提高4倍。因此只要61+62+

19、634機(jī)床精度要求。而，61+2+3=+F= (mm2)=（mm）由于61+62+心小于機(jī)床的定位精度（mm）,故所選滾珠絲杠滿足剛度要求。穩(wěn)定性驗(yàn)算對(duì)已選定尺寸的絲杠在給定上的支撐條件下，承受最大軸向載荷時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算具有沒(méi)有產(chǎn)生縱向彎曲(失穩(wěn))危險(xiǎn).產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載Fk=fz U2EI126 1= (mm)E絲杠材料彈性模量，對(duì)剛E=X106I截面慣性矩(cm4)1絲杠兩端支撐距離(cm)fz絲杠支撐系數(shù)絲杠采用兩端固定支撐方式，支撐系數(shù)fz=4截面慣性矩 TOC o 1-5 h z _Tt44I=-d1=x6464l43.14220.6104219500.07Fk=21300二(N)穩(wěn)定性

20、安全系數(shù)nk=FkFm=1056299.2二一2456一取許用穩(wěn)定性安全系數(shù)nk=4由于nknk,所以絲杠不至失穩(wěn).(2)當(dāng)導(dǎo)程Lo=8(mm)時(shí):6 2=(mm)傳動(dòng)效率計(jì)算tgY傳動(dòng)效率Y=tg(T+O)Y絲杠螺旋升角小摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=,取f=，則摩擦角絲杠螺旋升角丫=arctgLo兀（0=arctg83.14 50滾珠絲杠副的摩擦角（）=_tg2.91550Tl=tg(2.180+0.170)”滿足要求6 3=(mm)剛度驗(yàn)算絲杠的拉伸或壓縮變形量61AL = FmL EFAL在工作負(fù)載在工作負(fù)載作用下引起的每一導(dǎo)程的變化量（mm）滿足剛度要求Fm工作負(fù)載，即進(jìn)給率引

21、力(N)Lo滾珠絲杠的導(dǎo)程(mm)E材料的彈性模數(shù)，對(duì)鋼E=xi04(N/mm2)F滾珠絲杠的截面積(mm2)Do絲杠的公稱直徑e偏心距R螺紋滾道半徑滾道法面半徑R=x=(mm)de偏心距e=(R-)sin0=3sin45o=(mm)Fk=(N)nk=選擇導(dǎo)程為8mm的滾珠絲杠。公稱直徑為50mm o螺紋內(nèi)徑di=d0+2e-2R=50+2XX=(mm)九1滾珠絲杠截面積F=/4八一一2=3.14X45.18122=(mm2)彈性模量E=X104(N/mm2)則：從=&EF2456X8=4i=520.6X104X1603.27=X10-5（mm）則滾珠絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量6i為:AL6

22、i=XLLo,4.3072X10-5c、=X1300=（mm）滾珠與螺紋滾道間接觸變形62Z1=20 Z2=100 d1=40 d2=200有預(yù)緊時(shí)：62=Fm3doFyZE2Fm軸向工作載荷Fy預(yù)緊力（kgf）do滾珠直徑（mm）Ze滾珠數(shù)量Zi=ZX圈數(shù)x列數(shù)Z一圈滾珠數(shù)，Z=必-3（內(nèi)循環(huán)）doDo滾珠絲杠公稱直徑（mm）預(yù)緊力Fy=1Fm3z=d do-33.14 504.763-3=（個(gè)）2Js=.cm貝U:Zi=30X1X=75（個(gè)）2Jz1=.cm則滾珠與螺紋滾道間接觸變形Jz2=200kgcm22456 TOC o 1-5 h z /XI9.8。24561234763XXX75

23、29.83=(mm)支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形63采用向心推力球軸承，用雙推一一雙推式F2軸向接觸變形心=0.002431mr，好2JG=.cm2Fm軸承所受軸向載荷（kgf）Z軸承的滾動(dòng)體數(shù)目dQ軸承滾動(dòng)體直徑（mm）選用51106型推力球軸承其內(nèi)徑d=30(mm),外徑D=47(mm),則:dQ =-2D-d 47-302=(mm)軸承滾動(dòng)體數(shù)目z=/（d，+D） 2dQ3.14 X(30 +47) 人() =14(個(gè))2 X8.5則:Fm63=0.00243QdQZ2Jl=Zi=20,Z2=25Jl=(2456)29.82=(mm)8.5282滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算，主要是驗(yàn)算663

24、之和nmax=500r/minFk=fz U2EIl2不應(yīng)大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半。由于預(yù)緊的作用，采用雙螺母預(yù)緊，可將原機(jī)床的剛度提高4倍。因此只要61+62+634機(jī)床精度要求。而，6l+2+3=+=(mm)由于61+62+心小于機(jī)床的定位精度(mm),故所選滾珠絲杠滿足剛度要求。穩(wěn)定性驗(yàn)算對(duì)已選定尺寸的絲杠在給定上的支撐條件下，承受最大軸向載荷時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算具有沒(méi)有產(chǎn)生縱向彎曲(失穩(wěn))危險(xiǎn).產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載E絲杠材料彈性模量，對(duì)剛E=X106I截面慣性矩(cm4)M amax=239Ncml絲杠兩端支撐距離(cm)fz絲杠支撐系數(shù)絲杠采用兩端固定支撐方式，支撐系數(shù)fz=4花44截面

25、慣性矩I=-d：=x46464-2_44一L43.1420.610204550.5Fk=21300二(N)穩(wěn)定性安全系數(shù)nk=1二Fm_984331.1_一2456一取許用穩(wěn)定性安全系數(shù)nk=4由于nknk,所以絲杠不至失穩(wěn).Mf=因?yàn)閷?dǎo)程為6mm和8mm的滾珠絲杠滿足要求，所以選擇導(dǎo)程為8mm的滾珠絲杠。3進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算初選三相異步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為28BF001，采用三相六拍工作方式，步距角為3度。.Z23X6匚i=5Z1360X0.01二、齒輪傳動(dòng)比的確定1、傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的選擇M 0=對(duì)于數(shù)控機(jī)車的齒輪傳動(dòng)，應(yīng)采用設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和工藝均較簡(jiǎn)單，而且易獲得高精度的平行軸漸開(kāi)線圓柱

26、齒輪傳動(dòng)。通常，齒輪傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)級(jí)數(shù)少一些較好，因?yàn)榭梢詼p少零部件的數(shù)目，簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)，并且可以提高傳動(dòng)精度，減少空程誤差，有利于提高傳動(dòng)效率。故，在此選用漸開(kāi)線圓柱斜齒輪單級(jí)傳動(dòng)。一般模數(shù)取m=12,數(shù)控車取m=2.齒輪寬b=(36)mm為了消除齒側(cè)隙，寬度可加大到(610)mm.所以：Zi=20 di=mZ i=2 x20=40(mm)dai=di+2m=40+2 x2 =44(mm)dfi=di x2=xx=39(mm)bi=(6i0)m取 bi=i6(mm)Z2=i00 d2=mZ i =2xi00=200(mm) da2=d2+2m=200+2 x2 =204(mm) df2=d

27、2 x2=i99(mm) b2=(6i0)m取 b2=i4(mm)Mt=128Ncm三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選擇i、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計(jì)算MD24-32J0.78D4Li0(kg.cm2)8M圓柱體質(zhì)量(kg)D圓柱體直徑(cm)L圓柱體長(zhǎng)度或圓度(cm)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:Js078(3.5)412510-3214.6(kg.cm2)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:Jz1 0.78 440.319kg.cm1.6210-3Jz2 0.78 204 1.6 10-32200kg.cm(2)拖板運(yùn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2一一vGL02 G2JG一J ) (kg.cm )G2 n

28、g2gZ1=36 Z2=60 d1=72(mm) d2=120(mm) df1=67(mm) df2=115(mm)b1=12(mm) b2=8(mm)v工作臺(tái)移動(dòng)速度(cm/min)n絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)G工作臺(tái)質(zhì)量(N)g重力加速度(/s2)Lo絲杠導(dǎo)程(cm),0.628002JG(哀S3kg.cm傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JLVj2nknn-o二Ji()2nkJs=Jz2.2iJs.2iJw.2iJz1=0.3220014.6Jz2=9.3kg.cm522因?yàn)镴L4Jm=4x=Xcm2,所以該電機(jī)不合適，改選100BF004電機(jī)。1、Ob=,i=X6/（360X=Zi=20

29、,di=40mm,Z2=iZ1=25,d2=50mm.Jzi=X44Xxi0-3=,Jz2=.JGJl=,Jm=.JL=*=,所以該電機(jī)不合適，改選150BF002電機(jī)。一、減速比的確定Z2L減速比為：i=2=0Z1360PdP脈沖當(dāng)量(mm/步)Lo滾珠絲杠的基本導(dǎo)程(mm)步進(jìn)電機(jī)的步距角由系統(tǒng)的定位精度要求可確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為：jp=初選三相異步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為150BF002，采用三相Mt=M 起=()M 切=()M p=滿足最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的要求。fk=4000(step/s)六拍工作方式，步距角為后。.Z20.75X8i=7=fc=500(step/s)Z1360X0.01二、齒輪傳動(dòng)

30、比的確定1、傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的選擇對(duì)于數(shù)控機(jī)車的齒輪傳動(dòng)，應(yīng)采用設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和工藝均較簡(jiǎn)單，而且易獲得高精度的平行軸漸開(kāi)線圓柱齒輪傳 動(dòng)。通常，齒輪傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)級(jí)數(shù)少一些較好，因?yàn)榭梢詼p少零部件的數(shù)目，簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)，并且可以提高傳 動(dòng)精度，減少空程誤差，有利于提高傳動(dòng)效率。故，在此 選用漸開(kāi)線圓柱斜齒輪單級(jí)傳動(dòng)。MlM jmax371.65 =0.4387847.89Jl 27.9452.515 _3.11Jm9.84(610)mm.所以：Zi=36d1=mZ 1=2 X36=72(mm)da仁d1+2m=72+2 x2 =76(mm)df1=d1 x2=xx=67(mm)b1=(6

31、12)mm取 b1=12(mm)Z2=60 d2=mZ i一般模數(shù)取m=12,數(shù)控車取m=2.齒輪寬b=(36)mm為了消除齒側(cè)隙，寬度可加大到=2X60=120(mm)da2=d2+2m=120+2x2=124(mm)df2=d2x2=XX=115(mm)b2=(612)mm取b2=8(mm)2、減少或消除空程誤差的方法對(duì)斜齒圓柱齒輪采用軸向墊片調(diào)整法，修正或改變軸向調(diào)整墊片的厚度以減少側(cè)隙，但不能自動(dòng)補(bǔ)償齒隙。三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選擇1、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計(jì)算MD24-32J0.78D4L10(kg.cm2)M圓柱體質(zhì)量(kg)D圓柱體直徑(cm)L圓柱體長(zhǎng)度或圓度

32、(cm)J0.78(5)413010-3滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：s263.375(kg.cm)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：Jz10.787.241.210-322.515kg.cm243Jz20.781240.8103212.939kg.cm(2)拖板運(yùn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2vGL02G2JG(9)(kgcm)G2ng2gv工作臺(tái)移動(dòng)速度(cm/min)n絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)G工作臺(tái)質(zhì)量(N)g重力加速度(/s2)Lo絲杠導(dǎo)程(cm)0.8 2 800(2一)9.8 21.3234kg.cm(3)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、，2一 TOC o 1-5 h z 1mVjnn.QJL-

33、MjtJi()L42j1nki1nkJz2JsJwJz1222i2i2i212.93963.3751.32342.51521.25227.948kg.cm2、電機(jī)力矩的計(jì)算主要考慮快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩M起，和最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩M切M起MamaxMfM0(N.cm)M切MfM0Mt(N.cm)電機(jī)的啟動(dòng)負(fù)載q=maxM快，M切1)空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩MamaxMamaxJ2nmax102amax60taJ傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量nmax電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min)ta運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大速度所需時(shí)間vmaxbnmaxp360Vmax運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度(m

34、m/min)運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度Vmax=(m/min)=2400(mm/min)則電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為：nmax2400 0.750.01360500(r/min)電機(jī)從靜止加速到最大轉(zhuǎn)速需要30ms,空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩Mamax查表初選150BF002型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為kg.cm2則電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JfJl+J電機(jī)=+=(2500Mamax40.26310603010-3702.72(N.cm)2)摩擦力矩MfMfFL-0-(N.cm)Fo導(dǎo)軌白摩擦力(N)Fz垂直方向的切削力(N)G運(yùn)動(dòng)部彳的總重量(N)f導(dǎo)軌摩擦系數(shù)i齒輪降速比i=Z2Zl傳動(dòng)鏈總效率，一般取“=

35、,取“二一一一、一、-1導(dǎo)軌的摩擦力Fo=f(Fy+G)垂直萬(wàn)向的切削力Fy=2144(N),導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=_1一F0f(FzG)0.15(5360800)924(N)MfFL(N.cm)2i9240.820.71.667100.84(N.cm)3)附加摩擦力矩M0Fp0L02M0-(1-2)(N.cm)Fpo滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載(N),一般取進(jìn)給率引力的1/3,“0滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取“0棄由前面算得00=o附加摩擦力矩Fp0L02M0；i(1-o)(N.cm)124560.83(1-0.94422)20.71.6672.7818(N.cm)4）折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩MtF

36、tL。Mttot2iFt進(jìn)給方向最大切削力（N）FtLnMttot2i24560.820.71.667268.03（N.cm）快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩M起MamaxMfM0（N.cm）=+=最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩M切MfM0Mt（N.cm）=+=3、步進(jìn)電機(jī)的選擇首先根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjmax初選電機(jī)型號(hào)步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mp=maxM起M切=電機(jī)的啟動(dòng)力矩與最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩之間具有下列關(guān)系：XMpMjmax選擇三相六拍步進(jìn)電機(jī)，具入二則：最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjmax=Mp806.830.951預(yù)選型號(hào)為150BF002的步進(jìn)電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為Mjmax=1372(),其值大于求得的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，故所選

37、電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩能滿足要求o計(jì)算電機(jī)工作頻率1)最大空載起動(dòng)頻率fk=max60pVmax運(yùn)動(dòng)部件最大快速進(jìn)給速度(m/min)運(yùn)動(dòng)部件的最大快速進(jìn)給速度Vmax=(m/min)10002.4則fk=4000(step/s)600.01fkfmax=8000(step/s),滿足要求.2)切削時(shí)的最大工作頻率1000Vsfe=e601Vs最大切肖4進(jìn)給速度(m/min)p-脈沖當(dāng)量(mm/step)最大切削進(jìn)給速度11Vs=_Vmax=2x=(m/min),1000X0.3fc=500(step/s)60X0.01校核步進(jìn)電機(jī)1）校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和慣量的匹配條件為了使步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動(dòng)能

38、力及較快的響速度，通常推薦M0.5Mjmax傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Ml=M切=Mjmax371.65=0.4380.57847.89Jl27.9452.515，L3.114Jm9.8故所選步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動(dòng)能力及較快的響速度。2）校核起動(dòng)轉(zhuǎn)矩頻率特性和運(yùn)行轉(zhuǎn)矩頻率特性根據(jù)計(jì)算出的最大空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)最大工作頻率分別查出在此頻率下電機(jī)不失步是所允許的最大力矩Mdme和Mdmk,應(yīng)？?jī)勺?M起MdmkM切M切，知足要求。假設(shè)其不能知足MM起的要求，可采取降壓起動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)空載起動(dòng)。dmk第三章、操縱系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)計(jì)算和參數(shù)選擇單片機(jī)的選擇依照整體方案的確信，微機(jī)已采納MCS-51系

39、列單片機(jī)，51系列相對(duì)48系列單片機(jī)指令更豐碩，相對(duì)96系列價(jià)錢(qián)更廉價(jià)，51系列有三種型號(hào)：8031是無(wú)ROM的8051；8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，數(shù)控機(jī)中應(yīng)用最多的是8031單片機(jī)。本設(shè)計(jì)采納8031。擴(kuò)展存貯器設(shè)計(jì)地址鎖存由8031的P0口別離作地址總線低8位和數(shù)據(jù)總線，故需采納74LS373作為地址線低8位的鎖存器。擴(kuò)展ROM8031無(wú)內(nèi)部ROM，須擴(kuò)展外部ROM，由車床數(shù)控系統(tǒng)包括系統(tǒng)操縱程序和加工程序，采納16K*8的27128蕊片，可與單片機(jī)所選的12MHZ時(shí)鐘相匹配。ROM的地址范圍為0000H3FFFH，而且采納譯碼器，使地址范圍為無(wú)重疊區(qū)。擴(kuò)展RAM8

40、031片內(nèi)僅有RAM128字節(jié)需擴(kuò)展，采納8K*8的6264蕊片，其地址范圍為60007FFFH，也采納譯碼器，使其無(wú)重疊區(qū)的地址范圍。I/O擴(kuò)展8031只有P1口可作為一般I/O口用，因此需擴(kuò)展，需要計(jì)算一下總共需多少I/O口線，設(shè)計(jì)中，鍵盤(pán)需32個(gè)鍵，采納矩陣式鍵盤(pán)。需13個(gè)I/O口；顯示器采納8個(gè)LED，需9個(gè)I/O口；一個(gè)三相步進(jìn)電機(jī)，采納硬件脈沖分派器，需5個(gè)I/O口，兩個(gè)坐標(biāo)軸的超程式報(bào)警及故障顯示及緊急停均采納8031的I/O口，不作內(nèi)擴(kuò)展口計(jì)算，為使系統(tǒng)顯現(xiàn)故障時(shí)，仍可利用原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行加工或由微機(jī)操縱自動(dòng)轉(zhuǎn)換刀架或用手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架，需用6個(gè)I/O口；為操縱工作臺(tái)X軸、Z軸的速度

41、和位移，使其具有暫停功能，起動(dòng)鍵可繼續(xù)執(zhí)行及單步操縱功能，需采納一個(gè)8155蕊片和一片8255蕊片確信能夠知足要求。伺服驅(qū)動(dòng)電路超程愛(ài)惜電路緊急停電電路：可采納兩點(diǎn)操縱環(huán)節(jié)為便于操作人員的操作也應(yīng)通過(guò)隔音電路。鍵盤(pán)與顯示電路：采納一片8155由地址范圍計(jì)算74LS138譯碼器接口電路a.蕊片27128地址范0000H3FFFH,共有14根地址線。CBA15A14A13A1A00000000111查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)表4-274LS138功能表00011111110001111111010101111101101111110111100111011111011101111111010111111

42、111011111114*6、54*32了1、0CBA由于27128需14個(gè)引腳，因此在74LS138中引腳C接地，由A、B腳來(lái)確信Yg Y7中的選擇。由地址范圍可知ABC為000,因此選擇Yo腳，即當(dāng)P2.70, P2.60時(shí)為0000H , P2.7 = 0, P2.6 = 02.5=1 時(shí)為 3FFFH 。b.蕊片6264地址范圍4000H5FFFH需13個(gè)引出腳。本應(yīng)該尋址范圍為4000H7FFFH但由于只連接了13個(gè)引腳因此只能地址范圍為4000H5FFFH的8K的地址范圍。P2.7P2,6P2,5P2,4010000010111查表4-274LS138功能表可知AB內(nèi)01時(shí)，選工腳

43、c.8155的地址范圍CBA010選Y2選定81558155采納匕，因此8155地址范圍為8000HBFFFH,但實(shí)際了只用三個(gè)即：PA口的地址為8001H,PB口的地址為8002H,PC口的地址為8003H,地址范圍：CBA011選Y3選定82558255地址范圍為C000HFFFFH,可是只用了三個(gè)地址即：PA口的地址為C000H,PB口的地址為C001H,PC口的地址為C002H,C003H為操縱字寄放器因此在74LS138CBA000Y027128001Y16264010Y28155011Y38255九、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)1、驅(qū)動(dòng)回路的時(shí)間常數(shù)采用三相拍方式的控制脈沖。每相工作三拍改變依次通電狀態(tài)，但為了每一拍都能正常工作，每拍脈沖寬度的2/3時(shí)間電流上升至額定電流的60%,即I=Im=負(fù)載回路的時(shí)間常數(shù)為_(kāi)LRm式中：L步進(jìn)電機(jī)一相繞組的平均電感量Rm通電回路的電阻由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)（97頁(yè)表3-8反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)性能數(shù)據(jù)），得:fy=1000Hz0.0355-i=_0.121fy=v1000p600.6X1000=100