臥式車床經(jīng)數(shù)控化改造畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘要4</b></p><p>　　第一章、車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)存在的問題分析5</p><p>　　第二章、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案7</p><p>　　1、主傳動系統(tǒng)的改造方案7</p><p>　　2、安裝電動卡盤7</p><p>　　3．進(jìn)給系統(tǒng)的改造

2、與設(shè)計(jì)方案8</p><p>　　第三章、進(jìn)給傳動部件的計(jì)算和選型9</p><p>　　1．脈沖當(dāng)量的確定9</p><p><b>　　2切削力的計(jì)算9</b></p><p>　　3.同步帶減速箱的設(shè)計(jì)(橫向)11</p><p>　　4.步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型（橫向）14<

3、;/p><p>　　5.同步帶傳遞功率的校核18</p><p>　　第四章、繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖19</p><p>　　第五章、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　第六章、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源的選用23</p><p><b>　　結(jié)論24</b></p>&l

4、t;p><b>　　參考資料25</b></p><p><b>　　致謝26</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　此設(shè)計(jì)是經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控車床橫向進(jìn)給系統(tǒng) 。面對我國目前機(jī)床數(shù)量少、工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小的特點(diǎn)，突出的任務(wù)是用較少的資金迅速改變機(jī)械工業(yè)落后的面貌

5、。而數(shù)控車床（及其系統(tǒng)）已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)器制造業(yè)中不可缺少的組成部分。所以，實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)的有效的、基本的途徑就是普及應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。</p><p>　　進(jìn)給系統(tǒng)是由伺服電機(jī)經(jīng)滾珠絲杠拖動工作臺來完成的所以設(shè)計(jì)涉及伺服電機(jī)的選擇，滾珠絲杠設(shè)計(jì)等。目前絕大部分的機(jī)床的橫向進(jìn)給均是采用滾珠絲杠來傳遞運(yùn)動的，傳動的精確性主要取決于絲杠支承形式，絲杠與伺服電機(jī)的聯(lián)接方式。在設(shè)計(jì)中充分考慮到這兩個問題，并且，設(shè)計(jì)精度須達(dá)

6、原始數(shù)據(jù)。</p><p>　　臥式車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，MCS-51系列的8位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機(jī)具有功能多、抗干擾能力強(qiáng)、性/價比高等優(yōu)點(diǎn)。</p>

7、<p>　　第一章、車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)存在的問題分析 </p><p>　　C6140車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)在連續(xù)的使用過程中，由于磨損等原因，使絲杠與絲母間隙過大，產(chǎn)生軸向竄動，影響進(jìn)給精度。通過調(diào)整可消除絲杠與絲母間的間隙，但實(shí)踐證明，這種調(diào)整方法只消除了絲母的磨損間隙，而沒有消除絲杠的磨損間隙。如果按絲杠磨損較大部位調(diào)整絲母，則在絲杠磨損較小部位可能因間隙過小而使進(jìn)給手柄轉(zhuǎn)動太沉。</p>

8、<p>　　經(jīng)過長期的觀察和實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的機(jī)床都在很大程度上存在著進(jìn)給機(jī)構(gòu)精度因磨損而嚴(yán)重下降的問題。普通車床的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)因其使用頻繁且承受很大的切削力，所以，磨損程度較其它機(jī)床嚴(yán)重，如果能夠有效地解決車床的進(jìn)給精度問題對其它類似的機(jī)構(gòu)都有指導(dǎo)意義。 </p><p>　　幾十年來，國內(nèi)外車床一直采用上述的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，操作者在使用過程中必須經(jīng)常進(jìn)行調(diào)整，并把這項(xiàng)工作列入一級保養(yǎng)內(nèi)容。因此，增加了工

9、人的勞動強(qiáng)度，降低了設(shè)備的利用率，即使這樣也不能很好地保證設(shè)備的精度。 </p><p>　　常見改進(jìn)方案及存在問題</p><p>　　針對普通車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給精度問題國內(nèi)外專家多采用以下三種解決方案。 </p><p>　　1.在中修或項(xiàng)修過程中，更換新的橫向進(jìn)給絲母。必要時，對橫向進(jìn)給絲杠進(jìn)行修復(fù)，然后再配作絲母，這種辦法并沒有從根本上解決橫向定位精度問

10、題。機(jī)床只是在修復(fù)后最初階段能夠保障橫向進(jìn)給精度，數(shù)月后就進(jìn)人反復(fù)調(diào)整階段.而且加大了維修成本。 </p><p>　　2.有的專家試圖用改進(jìn)橫向進(jìn)給絲杠支承結(jié)構(gòu)或減小絲杠變形的方法來解決問題。這種方案僅提高了絲杠的剛度，雖然能夠間接地減緩絲杠和絲母的磨損，但仍然沒有從實(shí)質(zhì)上解決問題。這種方法的缺點(diǎn)是改造的成本和維修費(fèi)用很大。 </p><p>　　3.80年代中期，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)

11、展，國內(nèi)外的專家們紛紛采用數(shù)控或數(shù)顯技術(shù)對機(jī)床進(jìn)行改造。采用數(shù)控技術(shù)改善機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)精度，尤其是采用閉環(huán)控制，很好地解決了進(jìn)給精度問題。但是這種技術(shù)改造成本太高，一般企業(yè)無法承受。采用數(shù)顯技術(shù)改善機(jī)床進(jìn)給精度的實(shí)例在國內(nèi)比較多，雖然這種方案比數(shù)控技術(shù)改造投資小，但考慮到投資收益比，也不適合普通車床這類造價較低的設(shè)備改造，一般企業(yè)僅把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于精、大、稀設(shè)備的改造，最常見的是造價幾十萬元的鏜銑床改造。 </p><

12、p>　　第二章、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案</p><p>　　1、主傳動系統(tǒng)的改造方案</p><p>　　臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的主傳動機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣減少改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。</p><p>　　提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，可用2~4速的多速電機(jī)和單速主電動機(jī)；當(dāng)多速電動機(jī)仍不

13、能滿足要求時，可用交流變頻器來控制主軸實(shí)現(xiàn)無級變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時，若工作頻率低于70Hz，原頻率可以不更換，但所選變頻器得功能應(yīng)比電動機(jī)大）。</p><p>　　其中，當(dāng)采用有級變速時，可選用浙超力電機(jī)有限公司生產(chǎn)的YD系列7.5KW的三湘異步電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)2~4檔變速；當(dāng)采用無級變速時，應(yīng)加裝交流變頻器，推動F1000——G0075T3B，適配7.5KW電動機(jī)，生產(chǎn)廠家為煙臺惠豐電子有限公司。

14、</p><p><b>　　2、安裝電動卡盤</b></p><p>　　為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動卡盤，選用呼和浩特機(jī)床附件總廠生產(chǎn)的電動三爪自定心卡盤。卡盤的夾緊與松開由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)信控制。</p><p><b>　　安裝自動回轉(zhuǎn)刀架</b></p><p>　　為了提高加工精

15、度，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動刀架換成自動回轉(zhuǎn)，選用常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LD4B——CK6140型四工位立式電動機(jī)，自動換刀需要配置相應(yīng)的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。</p><p>　　螺紋編碼器的安裝方法</p><p>　　螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動。&l

16、t;/p><p>　　當(dāng)中，改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程是24mm，Z向的進(jìn)給脈沖當(dāng)量是半脈沖，所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)—傳輸出的脈沖數(shù)應(yīng)不少于24mm/(0.01mm·脈沖)=2400脈沖?？紤]到編碼器的輸出有相位差為90°的A、B相信號，可將A、B經(jīng)邏輯運(yùn)算獲得2400個脈沖（一轉(zhuǎn)內(nèi)），這樣編碼器的線數(shù)可降到1200線（A、B信號）。另外，為了重復(fù)車削同一螺旋槽時不亂扣，編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一

17、個得零位脈沖Z。</p><p>　　基于上述要例選擇螺紋編碼器的型號為:ZLF-1200Z-05VO-15-CT。電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出1200個A/B脈沖與一個Z脈沖，信號為電壓輸出，軸頭直徑15mm,生產(chǎn)廠家為長春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。</p><p>　　螺紋編碼器同常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但它堵

18、住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在主軸箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對傳動比為1：1的同步齒形帶與主軸連接起來，需要注意的是編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性聯(lián)結(jié)，且車床主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。</p><p>　　3．進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案</p><p>　　1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的

19、同步軸，安裝螺紋的編碼器。</p><p>　　2）拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與同步帶減速箱總成。</p><p>　　3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在床鞍的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座與螺母座托架。</p><p>　　4）拆除四方刀架與小滑板總成，在中滑板上方安裝四工式電動刀架。</p><p>　　5）拆除中滑

20、板下的滑動絲杠螺母副，將滑動絲杠靠刻度盤一段（長216mm,見書后插頁圖6-2）鋸斷保留,拆掉刻度盤附近的兩個推力軸承,換上滾珠絲杠副。</p><p>　　6）將橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)通過法蘭座安裝到中滑板后部的床鞍上，并與滾珠絲杠的軸頭相連。</p><p>　　7）拆去三杠（絲杠、光杠與操作杠），更換絲杠的右支承。</p><p>　　改造后的橫向進(jìn)給系統(tǒng)如后插頁6

21、-2。</p><p>　　第三章、進(jìn)給傳動部件的計(jì)算和選型</p><p>　　縱、橫向進(jìn)給的計(jì)算和選型主要包括：確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力、選擇滾珠絲杠螺母副、設(shè)計(jì)減速箱、選擇步進(jìn)電動機(jī)等。以下詳細(xì)介紹橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)。</p><p><b>　　1．脈沖當(dāng)量的確定</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，X方向

22、（橫向）的脈沖當(dāng)量為脈沖為=0.005mm/脈沖，方向（橫向）為&x=0.01mm/脈沖。</p><p><b>　　2切削力的計(jì)算</b></p><p>　　以下是橫向切削力的詳細(xì)計(jì)算過程。</p><p>　　設(shè)工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，&b=650MPa;選用刀具材料為硬質(zhì)合金YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角kr=60。，

23、前角ro=10。，刃傾角a= -5。 ；切削用量為：背吃刀量ap=3mm，進(jìn)給量f=0.6mm/r，切削速度vc=105m/min。</p><p>　　查表，得：C=2795,x=1.0,y=0.75,n=-0.15。</p><p>　　查表，得：主偏角Kr的修正系數(shù)K=0.94；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0。</p><p>　　由經(jīng)驗(yàn)公式

24、（3-2），算得主切削力Fc=2673.4N。有經(jīng)驗(yàn)公式Fc:Ff:Fp=1:0.35:0.4,</p><p>　　算的縱向進(jìn)給切削力F f = 935.69 N，背向力F p = 1069.36 N。</p><p>　　3.滾珠絲杠螺母副的的計(jì)算和選型（橫向）</p><p>　?。?）計(jì)算進(jìn)給率引力 </p><p>　　橫向?qū)к?/p>

25、為燕尾型，計(jì)算如下：</p><p><b>　　=1.4</b></p><p>　?。?）計(jì)算最大動負(fù)載C。</p><p>　?。?）滾珠絲桿螺母副的選型 查閱【機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊】，可選用WL20051列2.5圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲桿副，額定動載荷為8800N，可滿足要求，選定精度為3級。</p><p>　　

26、（4）傳動效率η的計(jì)算 ：</p><p><b>　　(5)剛度的驗(yàn)算</b></p><p>　　先畫出此橫向進(jìn)給滾珠絲桿支撐方式草圖，最大進(jìn)給率引力為2023，支撐間距L=450mm；絲桿螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3.</p><p>　　1）絲杠的拉伸或壓縮變形量，根據(jù)=2023N，，查出，可算出：</p&g

27、t;<p>　　由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲桿又進(jìn)行了預(yù)拉緊，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實(shí)際變形量</p><p>　　2)滾珠與螺紋滾道間接觸變形。查【機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊】相關(guān)圖表，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量</p><p><b>　　因?yàn)檫M(jìn)行了預(yù)緊，故</b></p><p>　　3）支撐滾珠絲桿軸承

28、的軸向接觸變形</p><p><b>　　因?yàn)槭┘宇A(yù)緊力，故</b></p><p>　　綜合以上幾項(xiàng)變量之和：</p><p>　　=0.001365mm</p><p>　　顯然此變形量已大于定位精度要求，應(yīng)該采用相應(yīng)的措施修改設(shè)計(jì)，但因橫向溜板受空間限制，不宜再加大滾珠絲桿直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌減小摩擦力，從而減小

29、最大牽引力，重新計(jì)算如下：</p><p><b>　　=1155N</b></p><p>　?。?）壓桿穩(wěn)定性校核 計(jì)算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk</p><p>　　式中：E-----絲桿材料彈性模量，對剛E=</p><p>　　I------截面慣性矩，絲桿截面慣性矩I=</p><p>

30、　　l------絲桿兩支撐端距離</p><p>　　----絲桿的支撐方式系數(shù)，查表知=2.00</p><p><b>　　對于本設(shè)計(jì)：</b></p><p>　　I==；；；；；；；；；</p><p><b>　　=78214N</b></p><p>　　綜上所

31、述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求，不會產(chǎn)生失穩(wěn)。</p><p>　　3.同步帶減速箱的設(shè)計(jì)(橫向)</p><p>　　為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時也為了使傳動系統(tǒng)的負(fù)載慣量盡可能地減小，傳動鏈中常采用減速傳動。本設(shè)計(jì)中，橫向減速箱選用同步帶傳動。</p><p>　　設(shè)計(jì)同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳遞的功率P；主動輪轉(zhuǎn)速n1和傳動比i;傳動系

32、統(tǒng)的位置和工作條件等。</p><p>　　根據(jù)改造經(jīng)驗(yàn)，C6140車床縱向步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩通常在15～25N·m之間選擇。今初選電動機(jī)型號為130BYG5501,五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩為20N·m，十拍驅(qū)動時步距角0.72°。運(yùn)行矩頻特性曲線如圖6-4所示。</p><p>　?。?）傳動比i的確定 已知電動機(jī)的步距角α=0.72°，脈

33、沖當(dāng)量δz=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程Ph=6mm。根據(jù)式（3-12）算得傳動比i=1.2。</p><p>　?。?）主動輪最高轉(zhuǎn)速n1 由橫向床鞍的最快移動速度Uzmax=6000mm/min,可以算出主動輪最高轉(zhuǎn)速n1=（Uzmax/δz）×α/360=1200r/min 。</p><p>　?。?）確定帶的設(shè)計(jì)功率Pd 預(yù)選的步進(jìn)電動機(jī)在轉(zhuǎn)速為1200r/

34、min時，對應(yīng)的步進(jìn)脈沖頻率為∫max =1200×360/(60×a) =1200×360/(60×0.72) Hz =10000Hz。</p><p>　　從圖6-4查得，當(dāng)脈沖頻率為10000Hz時，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為3.8N·m，對應(yīng)的輸出功率為P O UT =nT/9.55 = 1200×3.8/9.55W≈478W。今取P = 0.478k

35、W，從表3-18中取工作情況系數(shù)KA = 1.2，則由式（3-14），求得帶的設(shè)計(jì)功率P d = K A P =1.2×0.478kW =0.574kW。</p><p>　　（4）選擇帶型和節(jié)距P b 根據(jù)帶的設(shè)計(jì)功率P d =0.574 kW和主動輪最高轉(zhuǎn)速n 1 =1200r/min，從中選擇同步帶，型號為L型節(jié)距P b =9.525mm。</p><p>　?。?）確

36、定小帶輪齒數(shù)Z1 和小帶輪節(jié)圓直徑d1 取Z1 = 15，則小帶輪節(jié)圓直徑d 1 ==45.48。當(dāng)n 1 達(dá)最高轉(zhuǎn)速1200r/min時，同步帶的速度為U ==2.86m/s，沒有超過L型帶的極限速度35m/s。</p><p>　　（6）確定大帶輪齒數(shù)Z2 和大帶輪節(jié)圓直徑d 2 大帶輪齒數(shù)Z 2 =i Z1 =18，節(jié)圓直徑d 2 =id 1 =54.57mm。</p><p>　　

37、（7）初選中心距a0 、帶的節(jié)線長度L0p、帶的齒數(shù)zb 初選中心距a0 =1.1(d1 + d2)=110.06mm，圓整后取a0 =110mm。則帶的節(jié)線長度為L0p ≈2a0 +(d1 + d2) + </p><p>　　=377.33mm。根據(jù)3-33，選取要接近的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長度=381mm，相應(yīng)齒數(shù)=40。</p><p>　?。?）計(jì)算實(shí)際中心距a 實(shí)際中心距。</p&

38、gt;<p>　　（9）效驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) =ent,嚙合齒數(shù)比6打，滿足要求。此處ent表示取整。</p><p>　　（10）計(jì)算基準(zhǔn)額定功率P0（所選型號同步帶在基準(zhǔn)寬帶下所允許傳遞的額定功率）：</p><p>　　式中 ——帶寬為時的許用工作拉力，由表查得=244.46N；</p><p>　　m——帶寬時的單位長度的質(zhì)量，由表查

39、得m=0.095kg/m;</p><p>　　u——同步帶的帶速，由上述（5）可知u=2.86m/s。</p><p>　　算得=0.697kW。</p><p>　　（11）確定實(shí)際所需同步寬帶</p><p>　　式中 ——選定型號的基準(zhǔn)寬帶，由表查得=25.4mm。</p><p>　　——小帶輪嚙合齒數(shù)系

40、數(shù)，由表查得=1。</p><p>　　由上式可得算得12，再根據(jù)表（3-22），計(jì)算同步帶額定功率P的精確值：</p><p>　　式中 為齒寬系數(shù)：=。</p><p>　　經(jīng)計(jì)算得=0.697kW，滿足。因此，帶的工作能力合格。</p><p>　　4.步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型（橫向）</p><p>　　計(jì)算

41、加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 已知：滾珠絲桿的公稱直徑，總長（帶接桿），導(dǎo)程，材料密度；橫向移動部件總重量G=1300N；同步帶減速箱大帶輪寬帶28mm，節(jié)徑54.57mm，孔徑30mm，輪轂外景42mm，寬度14mm；小帶輪寬度28mm，結(jié)晶45.48mm，孔徑19mm，輪轂外徑29mm，寬度12mm；傳動比。</p><p>　　，可以算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下（具體計(jì)算過程從略）：滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量

42、；床鞍折算到絲桿上的轉(zhuǎn)動慣量小帶輪的轉(zhuǎn)動慣量；大帶輪的轉(zhuǎn)動慣量。在設(shè)計(jì)減速箱時，初選的橫向步進(jìn)電動機(jī)型號130BYG5501，從表中查得該型號電動機(jī)轉(zhuǎn)自的轉(zhuǎn)動慣量。</p><p>　　則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：</p><p>　?。?）計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩，分快速空載啟動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　1）

43、快速空載啟動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式（4-8）可知，包括三部分：快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 、移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式（4-12）可知， 相對于 和 很小，可以忽略不計(jì)。則有：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><

44、p>　　根據(jù)式（4-9），考慮縱向傳動鏈的總效率η,計(jì)算快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中——對應(yīng)橫向空載最快移動速度的步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min；</p><p>　　——步進(jìn)電機(jī)由靜止到加速至所需要的時間，單位時間s。</p>

45、<p><b>　　其中：</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中——橫向空載最快移動速度，任務(wù)書指定為6000mm/min；</p><p>　　α——橫向步進(jìn)電機(jī)步距角，為72°；</p><p>　　δ——橫向脈沖當(dāng)量，本例δ=0

46、.01mm/脈沖。</p><p>　　將以上各值代入式（6-3）,算得=1200r/min。</p><p>　　設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時間=0.41s，橫向傳動鏈總效率η=0.7；則由式（6-2）求得：</p><p>　　由式（4-10）可知，移動部件運(yùn)動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：</p><p><b>

47、　?。?-4）</b></p><p>　　式中 µ——導(dǎo)軌的摩擦因素，滑動導(dǎo)軌取0.06;</p><p>　　——垂直方向的工作負(fù)載，空載時取0；</p><p>　　η——橫向傳動鏈總效率，取0.7。</p><p>　　則由式（6-4），得：</p><p>　　最后由式（6-1，求得快

48、速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)矩所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：</p><p><b>　　（6-5）</b></p><p>　　2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式（4-13）可知，包括三部分：折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩、移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩.相對于和 很小,可以忽略不計(jì).則有:&l

49、t;/p><p><b>　　(6-6)</b></p><p>　　其中，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1由式{4-14}計(jì)算。本設(shè)計(jì)中在對滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時候，已知進(jìn)給方向的最大工作載荷F1=.935.69N,則有：</p><p>　　=

50、 </p><p>　　再由式{4-10}計(jì)算承受最大工作負(fù)載{Fe=2673.4N}情況下，移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：</p><p>　　最后由式{6-6}，求的最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>

51、　　經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩： </p><p>　　{3}步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動機(jī)采用的開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟歩，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq來選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本設(shè)計(jì)中取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：</p><p><b>　　(6-8)&l

52、t;/b></p><p>　　對于前面預(yù)選的130BYG5501型步進(jìn)電動機(jī)，由表可知，其最大靜轉(zhuǎn)Tjmax= 20N· m,可見完全滿足式（6-8）的要求。</p><p>　　（4）步進(jìn)電動機(jī)的性能校核</p><p>　　1）最快工進(jìn)速度時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定橫向最快工進(jìn)速度=800mm/min,脈沖當(dāng)量δ=0.01mm/脈沖，由

53、式（4-16）求出電機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率=800/(60×0.01)Hz≈1333Hz。從130BYG5501的運(yùn)行矩頻特性圖6-4可以看出，在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf≈17N·m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2=1.78N·m,滿足要求。</p><p>　　2）最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定橫向最快空載移動速度=6000mm/min,仿照式（4-16）求出

54、電機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率=6000/(60×0.01)Hz=10000Hz。從圖6-4查得，在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=3.8N·m,大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=2.82N·m,滿足要求。</p><p>　　3）最快空載移動時電動機(jī)運(yùn)行頻率校核 最快空載移動速度Vmax=6000mm/min, 對應(yīng)電動機(jī)的運(yùn)行頻率?max=10000Hz。查表可知130BYG5501的極

55、限運(yùn)行頻率為20000Hz,可見沒有超出上限。</p><p>　　4）起動頻率的計(jì)算 已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量=57.55kg.cm,電動機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣量Jm=33kg.cm,查表可知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的最高空載起動頻率?q=1800Hz。則由式（4-17）可以求出步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率為：</p><p>　　上式說明，要想保證步進(jìn)電動機(jī)起動時不失歩，任何時候

56、的起動頻率都必須小于1087Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選的很低，通常只有100Hz（即100脈沖、s）。</p><p>　　綜上所述，本設(shè)計(jì)中橫向進(jìn)給系統(tǒng)選用130BYG5501步進(jìn)電動機(jī)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　5.同步帶傳遞功率的校核</p><p>　　分兩種工作情況，分別進(jìn)行校核。</p><p>　

57、?。?）快速空載起動 電動機(jī)從靜止到加速至nm=1200/min,由式（6-5）可知，同步帶傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=2.82N.m,傳遞的功率為P=nmTeq1/9.55=1200×2.82/9.55W≈354.3W</p><p>　　(2) 最大工作負(fù)載、最快工作速度 由式（6-7）可知，帶需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2 =1.78N.m，任務(wù)書給定最快工進(jìn)速度Vmaxf=800m

58、m/min,對應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速nmaxf=(Vmaxf/〥z) a/360=160r/min. 傳遞的功率為P=nmaxfTeq2/9.55=160×1.78/9.55W≈29.8W.</p><p>　　可見，兩種情況下同步帶傳遞的負(fù)載功率均小于帶的額定功率0.697KW。因此，選擇的同步帶功率合格。 </p><p>　　第四章、繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖</p>

59、<p>　　在完成滾珠絲杠螺母副、減速箱和步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算、選型后，就可以著手繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖了。在繪制裝配圖時，需要考慮以下問題：</p><p>　　1) 了解原車床的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、床鞍、中滑板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。</p><p>　　2) 根據(jù)載荷特點(diǎn)和支承形式，確定絲杠兩端軸承的型號、軸承座的結(jié)構(gòu)，以及軸承的預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式。 </

60、p><p>　　3) 考慮各部件之間的定位、連接和調(diào)整方式。例如：應(yīng)保證絲杠兩端支承與螺母座同軸，保證絲杠與機(jī)床導(dǎo)軌平行，考慮螺母座、支承座在安裝面上的連接與定位，同步帶減速箱的安裝與定位，同步帶的張緊力調(diào)節(jié)，步進(jìn)電動機(jī)的聯(lián)接與定位等。</p><p>　　4) 考慮密封、防護(hù)、潤滑以及安全機(jī)構(gòu)等問題。例如：絲杠螺母的潤滑、防塵防鐵屑保護(hù)、軸承的潤滑及密封、行程限位保護(hù)裝置

61、等。</p><p>　　5) 在進(jìn)行各零部件設(shè)計(jì)時，應(yīng)注意裝配的工藝學(xué)，考慮裝配的順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。</p><p>　　6) 注意繪制裝配圖時的一些基本要求。例如：制圖標(biāo)準(zhǔn)，視圖布置及圖形畫法要求，重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標(biāo)注，重要配合尺寸的標(biāo)注，裝配技術(shù)要求、標(biāo)題欄等。</p><p>　　第五章、控制系統(tǒng)

62、硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)人任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：</p><p>　　1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示;</p><p>　　2）接收控制面板的開關(guān)與按鈕信號;</p><p>　　3）接收車床限位開關(guān)信號;</p><p>　　4）接收螺紋編碼器信號；</p>

63、;<p>　　5）接收電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；</p><p>　　6）控制X、Z向步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器；</p><p>　　7）控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止；</p><p>　　8）控制多速電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級變速；</p><p>　　9）控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無級變速；</p><p>

64、;　　10）控制切削液泵起動/停止；</p><p>　　11）控制電動卡盤的夾緊與松開；</p><p>　　12）控制電動刀架的自動選刀；</p><p>　　13）與PC機(jī)的串行通信。</p><p>　　圖6-5為控制系統(tǒng)的原理框圖。CPU選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89S52；由于AT89S52本身資源有限，所以擴(kuò)展了一片EP

65、ROM芯片W27C512用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片SRAM芯片6264用作數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；鍵盤與LED顯示采用8279來管理；輸入/輸出口的擴(kuò)展選用了并行接口8255芯片，一些進(jìn)/出的信號均做了隔離放大；模擬電壓的輸出借助與DAC0832；與PC機(jī)的串行通信經(jīng)過MAX233芯片。如下圖所示：</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)的操作面板布置如圖6-6所示。面板設(shè)置了48個微動按鍵，三個船形開

66、關(guān)，一只急停按鈕，顯示器包括1組數(shù)碼顯示管和7只發(fā)光二極管。</p><p>　　第六章、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源的選用</p><p>　　本例中X向步進(jìn)電動機(jī)的型號為110BYG5802，Z向步進(jìn)電動機(jī)的型號為130BYG5501，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)公司。這兩種電動機(jī)除了外形尺寸，步距角和輸出轉(zhuǎn)矩不同外，電氣參數(shù)基本相同，均為5相混合式，5線輸出，電動機(jī)供電電壓DC120~310V，電流

67、5A。這樣，兩臺電動機(jī)的驅(qū)動電源可用同一型號。在此，選擇合肥科林?jǐn)?shù)控科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的五相混合式調(diào)頻調(diào)壓型步進(jìn)驅(qū)動器，型號為BD5A。它與控制系統(tǒng)的連接如圖6-9所示。八，控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　1.存儲器與I/O芯片地址分配</p><p>　　根據(jù)地址譯碼器U4（74LS138）的連接情況，可以算出主機(jī)板中存儲器與I/O芯片的地址分配，如表6-1所示。</

68、p><p>　　表6-1主機(jī)板中存儲器與I/O芯片的地址分配</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　經(jīng)過大量實(shí)踐證明普通機(jī)床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和穩(wěn)定性。其改造涉及到機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，是一項(xiàng)理論深、實(shí)踐強(qiáng)的系統(tǒng)工程。在進(jìn)行數(shù)控改造時，應(yīng)該做好改造前的技術(shù)準(zhǔn)備。改造過程中，機(jī)械修理與電氣改造相結(jié)合，先易后難

69、、先局部后全局。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　林其駿，數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995</p><p>　　徐灝文，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992</p><p>　　機(jī)床設(shè)計(jì)手冊聯(lián)合編寫組，機(jī)床設(shè)計(jì)手冊（第2冊），北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990</

70、p><p>　　孟少農(nóng)，機(jī)械加工工藝手冊，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992</p><p>　　王信義，等，機(jī)電一體化技術(shù)手冊，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994</p><p>　　張新義，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997</p><p>　　楊俊主，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，北京：科學(xué)出版社，1991</p>

71、<p>　　戴曙，金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981</p><p>　　余錫存，單片機(jī)原理與接口技術(shù)，西安：電子科技</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在論文完成之際，我的心情萬分激動。從論文的選題、資料的收集到論文的撰寫編排整個過程中，我得到了許多的熱情幫助。 我首先要感謝各位老師，是你們