机电一体化毕业设计（论文）用微机数控技术改造最大加工直径为400毫米普通车床的横向进给传动系统设计

1、南大本科毕业设计任务书题目：用微机数控技术改造最大加工直径为400毫米普通车床的横向进给传动系统设计学 院： 南 昌 大 学 姓 名： 专 业： 机电一体化 指导老师： 时 间： 二0一一年三月摘要随着科学技术和社会的不断发展，社会对产品多样化的要求日益提高，产品更新换代越来越快，多品种小批量生产比重加大，零件形状越来越复杂，精度越来越高，此外，激烈的市场竞争要求产品研制周期越来越短，传统的加工设备和制造手段已经难于满足这种变化，为了解决这些问题，数控机床就这样应运而生。数控技术是集，机，电，液及计算机等各项技术为一体的综合技术，数控机床以其精度高，效率高，能适应小批量多种复杂零件加工的特点，

2、在机械加工中得到日益广泛的应用，在本次设计中，就包括了关于数控技术的基本知识，并且针对本次设计的课题，拟定了一系列的方案，进给系统的总体方案，数控车床进给传动系统的机械部分，以及数控系统的硬件分析和设计。关键字：步进电机 数控设计 进给系统 滚珠丝杠单片机abstractalong with science and technology and the development of society, the society for increasing product diversification requirements, product update more and more quic

3、k, many varieties small batch production increased, parts shape proportion of more and more complicated, the accuracy is higher and higher, in addition, the fierce market competition requires shorter product development cycles, the traditional processing equipment and manufacturing technique has bee

4、n difficult to meet this change, in order to solve these problems, nc machine tools so arises at the historic moment. numerical control technology is the collection, machine, electricity, liquid and computer etc various technique is a body comprehensive technology, nc machine tools to its high accur

5、acy, high efficiency and can adapt small batch various complex parts processing the features in machining the get increasingly widelyin this design, including about the basic knowledge of numerical control technology in the design, and the topic, drew up a series of solutions, feeding system, overal

6、l scheme of the cnc lathe into give transmission system, and the mechanical parts of the cnc system hardware analysis and design.key word: stepping motor the number controls to design the system of enters roll the bead in silk microcontroller目录摘要2abstract.2第一章：绪论.41数控机床的概念，组成，特点.42数控机床的发展趋势与现状.53设计的

7、内容与方法.5第二章：数控机床进给传动系统总体方案.6 1：进给传动系统的组成和原理.6 2：进给系统传动部件.7 3：进给传动伺服系统的选择.8 4：数控伺服系统的选择.9 5：机械传动方式的选择.11第三章 机床横向进给系统机械部分设计计算.14 2.1 确定系统脉冲量.14 2.2 切削力计算.152.3进给系统机械部分的结构计算 16 2.4 步进电机的计算和选型.18第四章 微机数控机床硬件系统的分析和设计.20 3.1 微机数空系统的设计内容 . 20 3.2 硬件控制电路设计.22 3.3 存储器扩展电路设计.23结束语.27参考文献.28第一章，绪论1数控机床的概念，组成，特点

8、 1.1 数控机床是数字控制机床的简称，是指用数字指令来控制机械执行预定的动作，通常由硬件电路发出数字化信号，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。 数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。 1.2数控机床的组成普通的数控机床一般由输入介质、数控装置、伺服系统和机床体组成。 1、输入介质，数控机床工作时，有时不需要工人去操作机床，但它又要自动地执行人们的想法，因此这就必须

9、要在人和数控机床之间建立一定的联系，联系的物体则称为输入介质(或称程序介质、控制介质、信息载体)。 2、数控装置， 数控装置是数控机床的中枢，大多数的数控机床中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。数控装置是收取信息的，并将其信息代码加以识别、储存、计算，输出相应的指令脉冲后去驱动伺服系统，以便控制机床动作。 3、伺服系统，伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信息变换成为机床移动部件的运动系统，使工作台精确定位精确加工，严格按规定的轨迹做相对运动，最后加工出与图纸要求符合的的精密零件。 常用的伺服驱动元件有功率步进电机、电液脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等。 4、机床体，

10、 数控机床当中的机床，一般在开始时使用的通用机床，但是在自动变速、刀架或是工作台要自动转位和手柄等方面作些改变。数控机床在切削用量大、连续加工时会影响工件精度，并且由于是自动控制，当加工时不好控制。因此我们必须设计比通用机床更严格，制造要求更精密。因而在后来在数控机床设计时，采用了许多措施，减小热变形、提高精度，使得数控机床的外部造型、整体一个布局、伺服传动系统以及在刀具系统等方面都发生了比较大的变化。1.3数控机床的特点：数控机床与普通机床的比较：a：数控机床，操作者可以在较短的时间内掌握操作和加工技能，它加工精度高，质量稳定，较少依赖于操作者的操作水平，编制程序花费的时间较多，加工的零件比

11、较复杂，适合多工序的加工，易于加工工艺标准化和刀具管理规范化，数控机床还可以长时间无人操作和加工自动化，比且借助计算机辅助生产控制，生产率高等特点。b:普通机床:要求操作者有较高的长期的实战经历，高质量，高精度的零件要求操作者具有较高的技能水平，普通机床适合加工形状简单，单一的工序的产品，加工过程要求具有直觉和技巧，操作者以自己的方式完成加工，加工方式多样化，很难实现标准化，是实现自动化加工的准备环节必不可少的，例如材料应去除多少，普通机床很难提高加工的专门技术，不利于知识系统化和普及，生产率比较低，质量不稳定。1.2数控机床的发展趋势与现状！数控机床以其独特卓越的柔性自动化的性能、优异稳定的

12、精度、灵活敏捷多样化的功能引起广泛的关注，它开创了机械产品并向机电一体化发展的开始，成为先进制造技术当中的一门核心技术。数字控制系统技术的快速发展为数控机床的技术进步提供了条件。目前我国的数控机床的发展趋势主要体现在：高速、高效，数控机床逐渐向高速化方向发展，它大大的提高加工效率、降低加工生产成本，并且还达到了提高零件的表面质量及其加工精度。高速化的加工技术对一些企业制造业提供了更高效，优质，成本低生产比较广泛适用性。 而且目前在一些发达的国家数控机床的高速运行，其高速主轴单元，电主轴转速可达15000 100000r/min，快移速度在60120m/min范围之内，切削进给速度高达60m/m

13、in、一系列高性能控制伺服系统以及数控工具系统都有新的突破，数控机床发展到了更高的水平。现在的数控机床比以前的普通车床加工的零件更加的精密，精密加工技术有了相当大的提高，加工精度已从原来的丝级(0.01mm)提升到目前的微米级(0.001mm)，甚至有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达0.01m左右。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代，智能化，数控机床的智能化现在又

14、有了新的突破，在数控系统的性能上得到了充分的体现。比如说：自动调整干涉防碰撞功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段等等，数控机床的智能化提升了机床的功能及其品质，现代的数控机床在还有较高的可靠性，而且复合化，多轴化，网络化等方面都得到了大大的提高。我国的数控机床相比于前几年有了很大的提高，尤其是在以上的几个方面内，但是与发达国家相比还是有一定的差距，还没有与国际上的接轨，这也只能在日后加工中不断的完善！1.3设计的内容与方法 用微机数控技术改造加工零件时，数控改造必须首先拟定总体方案，绘制系统总统框图，才能觉得各种设计参数和结构，然后选择数控机床

15、，数控机床的选择，其进给传动系统的组成和原理，分析伺服系统的选择，怎样达到控制要求，合理的选择机械传动方式，数控机床坐标的进给伺服系统既可以采用步进电机驱动也可以用直流或交流伺服电机驱动。数控车床进给系统机械部分的计算，例如，脉冲当量，切削力和滚珠，丝杆削等等一些物理量的计算，还有应该对车床数控系统的硬件分析和设计，比如说：数控系统的总体设计及其一些扩展，存储和通信的设计，比且还要加以计算，必要时要绘图分析，数控机床的进给分为横向进给和纵向进给，本次设计为横向进给传动系统设计。通过以上的一些内容完成本次设计课题用微机数控技术改造最大加工直径为400mm普通车床的横向进给传动系统的设计！ 第二章

16、：数控机床进给传动系统总体方案1. 进给传动系统的组成和原理数控机床进给传动系统的作用：数控机床的进给传动系统是负责接受数控机床系统发出的脉冲指令，并经放大和转换之后驱动机床运动执行件来达到预期的运动。为保证数控机床加工精度，所以必须要求进给传动系统有比较高的传动精度、高的灵敏度，工作稳定、有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动惯量，并能清除传动间隙。进给传动系统一般有四种：1步进伺服电机伺服进给系统2直流伺服电机伺服进给系统 3交流伺服电机伺服进给系统4 直线电机伺服进给系统伺服进给系统的主要组成部分当中就包括进给系统机械传动结构，它主要由四大机构组成，传动机构、运动变换机构、导向机构、执

17、行件组成，由于数控机床的进给运动是由数字信号控制的直接对象，被加工的零件的一些参数都是由进给运动控制的！工作原理是数控装置内的计算机对以数字和字符编码方式所记录的信息进行一系列处理后，向机床进给等执行机构发出命令，执行机构则按其命令对加工所需各种动作，如刀具相对于工件的运动轨迹、位移量和速度等实现自动控制，从而完成工件的加工。2：进给系统传动部件 对于数控机床加工零件，就必须要求其零部件有较好的性能，比如说部件的刚度，运动副之间的摩擦，传动间隙，等等。一般的数控进给系统主要部件有：1、滚珠丝杠螺母副 ，数控加工时，需将旋转运动转变成直线运动，故采用丝杠螺母传动机构。2、回转工作台，每一台数控机

18、床都有其工艺范围，为了扩大数控机床的工艺范围，数控机床除了沿x、y、z三个坐标轴作直线进给外,往往还需要有绕y或z轴的圆周进给运动。数控机床的圆周进给运动一般由回转工作台来实现，对于加工中心,回转工作台已成为一个不可缺少的部件。 数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。 （1）分度工作台 分度工作台只能完成分度运动,不能实现圆周进给，它是按照数控系统的指令，在需要分度时将工作台连同工件回转一定的角度。分度时也可以采用手动分度。分度工作台一般只能回转规定的角度(如90、60和45度等)。 （2）数控回转工作台 数控回转工作台外观上与分度工作台相似，但内部结构和功用大不相同。数控回

19、转工作台的主要作用是根据数控装置发出的指令脉冲信号，完成圆周进给运动，进行各种圆弧加工或曲面加工，它也可以进行分度工作。 3、导轨，导轨是进给传动系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性。目前，数控机床上的导轨形式主要有滑动导轨、滚动导轨和液体静压导轨等。安全防护，改造效果必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨3：进给传动伺服系统的

20、选择一般数控机床的伺服系统可分为开环控制系统，半闭环控制系统。伺服系统的作用是将机械运动的驱动设备，电动机作为控制对象，将数控控制器为核心，利用电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。伺服系统可分为开环控制系统，半闭环控制系统。开环控制系统中

21、，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要是由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反映迅速，调试和维修比较简单。目前经济型数控机床普通采用开环伺服系统。半闭环控制系统中，对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过与伺服电机有联系的测量元件，如测速发电机或光电编码盘等间接测出伺服电机的转角，推算出工作台的实际位置量，用此值与指令植进行比较，用差值来实现控制。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比比环方便。闭环控制系统有机床移动部件

22、上的检测反馈装置，在加工时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置想符合，以期达到很高的加工精度。闭环系统多采用直流伺服电机或交流电机驱动。这类机床的优点是精度高，速度快，但是调试个维修比较复杂，其关键是系统的稳定性，所以在设计是必须对稳定性给予足够的重视。 4：数控伺服系统的选择数控机床的伺服驱动数控机床对数控进给伺服系统的要求（1）输出位置精度要高静态：要求定位精度高 / 重复定位精度高，即 定位误差要小 / 重复定位误差要小。保证尺寸精度。动态：要求跟随精度高，即跟随误差要小，以保证轮廓精度，另外，要求灵敏度高，有足够高的分辩率2.响应速度快且无超调： 对伺服系统动态性能的要

23、求反映了系统对插补指令的跟踪精度；为了保证轮廓切削形状精度和低表面粗糙度，要求响应速度快。即在无超调或超调很小的前提下，执行部件的运动速度的建立时间 tp 应尽可能短。通常要求从 0fmax（fmax0 ) , 其时间应小200ms，且不能有超调或超调很小，否则对机械部件不利，有害于加工质量。3) 良好的稳定性伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的调节过程后，恢复到原有的平衡状态或达到新的平衡状态，即有较强的抗干扰能力。稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。在系统负载范围内，负载特性要硬当负载变化时，输出速度应基本不变。即f尽可能小；当负载突变时，要求速度

24、的恢复时间短且无振荡。即t尽可能短；这要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。 4）低速大扭矩：数控加工的特点是在低速时切削深度和进给量较大。系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。综上所述：1， 对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面；2， 对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。5：机械传动方式的选择机械传动，包括螺旋传动、摩擦轮传动，带、链传动，齿轮传动，多点啮合柔性传动。1皮带传动 皮带传动能够生产连续的旋转运动，将力从一个传动轮传导到另外一个上面。早在公元前一世纪，中国就出现了皮带传动。公元前15年历史典籍中就有关于皮带传送的记载。皮带传送的最早出现和中国丝绸业的发展有着密切的关系。

25、 皮带传动对纺车的最终发明起着极为重要的作用。其后出现的链条传动是在皮带传动的基础上出现的另一改进。皮带传动技术随着纺车一同传入了欧洲，其后推动了众多相关的发明。皮带传动是将a传动轮转到b传动轮，也是现代传动技术的前身。皮带传动是由主动轮、从动轮和紧张在两轮上的皮带所组成。由于张紧，在皮带和皮带轮的接触面间产生了压紧力，当主动轮旋转时，借摩擦力带动从动轮旋转，这样就把主动轴的动力传给从动轴。皮带传动分为平皮带传动和三角皮带传动$g皮带传动的特点：可用于两轴中心距离较大的传动。皮带具有弹性、可缓冲和冲击与振动，使传动平稳、噪声小。当过载时，皮带在轮上打滑，可防止其它零件损坏。结构简单、维护方便。

26、由于皮带在工作中有滑动，故不能保持精确的传动比。外廓尺寸大，传动效率低，皮带寿命短。三角皮带的断面国家规定为o、a、b、c、d、e、f、t等8种，从o到t皮带剖面的面积逐渐增大，传动的功率也逐渐增大。在机械传动中常碰到传动动比的概念，什么是传动比呢？它是指主动轮的转速n1与从动轮的转速n2之比，用i表示：即i=n1/n2。由于皮带传动中存在“弹性滑动”现象，上述传动比公式只是个近似公式，那么皮带传动中这种“弹性滑动”现象是怎样表现的呢？概括如下：在主动轮处，传动带沿带轮的运动是一面绕进，一面向后收缩：在从动轮处，传动带沿带轮的运动是一面绕进，一面向前伸展。|2齿轮传动齿轮传动。其实在我国古代早

27、就都使用了相当复杂的齿轮传动系统。古代这些齿轮只用来传递运动，其强度要求不高。在生产上所采用的齿轮，要传递较大的动力，受力一般较大，强度要求较高。古代在利用水力和风力进行提水、粮食加工等工作时，都要应用此类齿轮，比如在翻车上，须应用一级齿轮传动机构，以改变运动的方位和传递，适应翻车的工作要求。齿轮传动是由分别安装在主动轴及从动轴上的两个齿轮相互啮合而成。齿轮传动是应用最多的一种传动形式，它有如下特点1）能保证传动比稳定不变。2）能传递很大的动力。3) 结构紧凑、效率高。4)制造和安装的精度要求较高。5)当两轴间距较大时，采用齿轮传动就比较笨重齿轮的种类很多，按其外形可分为圆柱齿轮和圆锥齿轮两大

28、类。圆柱齿轮的外形呈圆柱形、牙齿分布在圆柱体的表面上，按照牙齿与齿轮轴的相对位置，圆柱齿轮又分为直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮，（现在出现了人字形齿轮），圆柱齿轮多用于外啮合齿轮传动，也可以用作内啮合传动和齿轮齿条传动。在我们所用的许多转动设备的减速器内部使用圆柱齿轮传动结构。圆锥齿轮又叫伞齿轮，他的牙齿分布在圆锥体表面上。常用于相交轴之间的运动，轴线夹角可以是任意的，但最常见的是90度。一对齿轮的传动比计算如下式：i=n1/n2=z2/z1，n1、n2分别表示主动轮和从动轮转速rpmn1、z2分别表示主动轮和从动轮的牙齿数3，链传动：是由两个具有特殊齿形的的齿轮和一条闭合的链条所组成，链传动在我

29、国古代也早就开始使用了，商代的马具上已有青铜链条，其他青铜器和玉器上也有用链条作为装饰的，自行车也就是使用了链轮链条传动原理。它工作时主动连轮的齿与链条的链节相啮合带动与链条相啮合的从动链轮传动，链传动的特点如下：1）和皮带传动比链传动的传动比比较的精确。2）与齿轮传动相比链传动可以在两轴中心距较远的情况下传递动力3）链传动比较独特它只能用于平行轴间传动4）链传动的链条在长时间使用后磨损，可能会发生拖链现象链传动与齿轮传动它们的传动比计算相同3蜗轮蜗杆传动蜗轮蜗杆传动在机械中是很重要的一个传动，它用于两轴交叉成90度，但是彼此既不平行又不相交的情况下，一般在蜗轮传动中，蜗杆是主动件，而蜗轮是被

30、动件。蜗轮蜗杆传动：它结构紧凑、并能获得很大的传动比，一般传动比为7-80。工作平稳无噪音传动功率范围大，可以自锁，传动效率低，蜗轮常需用有色金属制造。蜗杆的螺旋有单头与多头之分。传动比的计算如下：n1-蜗杆的转速 n2-蜗轮的转速 k-蜗杆头数 z-蜗轮的齿数4螺旋传动在机械传动系统中还有一个螺旋传动，其特点是传动精度高，而且工作比较平稳无杂音，容易自锁，而且传动较大的动力等特点，螺旋传动用的螺旋分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋，这是按照特点分的。按螺纹间摩擦性质，螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。传力螺旋:以传递动力为主,它用较小的转矩产生较大的轴向推力,一般为间歇工作,工作速度不

31、高，而且通常要求自锁，例如螺旋千斤顶上的螺旋。传导螺旋：以传递运动为主，常要求具有高的运动精度，一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高，如机床的进给螺旋。调整螺旋：用于调整并固定零件或部件之间的相对位置，一般不经常转动，要求自锁，有时也要求很高精度，如机器和精密仪表微调机构的螺旋。按螺纹间摩擦性质，螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。滑动螺旋传动又可分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动。第三章 机床横向进给系统机械部分设计计算3.1 确定系统脉冲量 相对于每一脉冲信号的机床运动部件的位移量称为脉冲当量，又称作最小设定单位。 脉冲增量插补是行程标量插补，每次插补结束产生一个行程增量，以脉冲

32、的方式输出。这种插补算法主要应用在开环数控系统中，在插补计算过程中不断向各坐标轴发出互相协调的进给脉冲，驱动电机运动。一个脉冲所产生的坐标轴移动量叫做脉冲当量。脉冲当量是脉冲分配的基本单位，按机床设计的加工精度选定，普通精度的机床一般取脉冲当量为：0.01mm，较精密的机床取1 或0.5 。采用脉冲增量插补算法的数控系统，其坐标轴进给速度主要受插补程序运行时间的限制，一般为13m/min。脉冲增量插补主要有逐点比较法、数据积分插补法等。脉冲当量影响数控机床的加工精度，它的值取得越小， 加工精度越高！脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个技术参数。就普通经济型数控车床常采用的脉冲当量是0.010.

33、005mm/step。主要的技术参数最大加工直径（mm） 在床身上：400 在床鞍上：210最大加工长度(mm) ：750-1000溜板及刀架重量（n） 纵向：1000 横向：500刀架快移速度：纵向：1.6 横向：1最大进给速度（m/min）纵向：0.6 横向：0.3最小分辨率 纵向：0.01 横向：0.005定位精度（mm）0.02主机功率：（kw） 4.0起动加速时间（ms）： 30已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算） w=30kgf=300n时间常数 t=25ms滚珠丝杠基本导程 l=4mm左旋行程 s=230mm脉冲当量 =0.005mm/step步距角 =0.75 /step快速

34、进给速度 max=1mm/min2 切削力计算 切削力，是指在切屑过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力。通俗的讲：在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力，切削力有三个垂直的分力：切削力， 背向力、进给力。a.切削力计算 横向进给量为纵向的1/21/3,取1/2,则切削力约为纵向的1/2 f=(1/2)152.76=76.38kgf=763.8n 在切断工件时：f=0.5f=0.5076.38=38.19kgf=381.9n b.滚珠丝杠设计计算a.强度计算对于燕尾型导轨：p=kfy+f(fz+w) 取k=1.4 f=0.2则 p=1.438.19+0.2（76.3

35、8+30） =74.74kgf=747.4n 寿命值 l=13.5 最大动负载 q=1.2174.74=213.55kgf=2135.5n 在切削的过程当中影响切削力的主要因素工件材料的影响 ：工件材料的物理机械性能、加工硬化能力、化学成分和热处理状态，都对切削力产生影响。工件材料的硬度愈高，则切削力愈大。工件材料虽然硬度、强度较低，但塑性、韧性大，加工硬化能力大，其切削力仍很大，切削脆性材料（如铸铁）时，塑性变形小，加工硬化小，切屑与前刀面接触少，摩擦小，因此切削力也较小。切削用量的影响 背吃刀量 a p和进给量 f是通过对切削面积和单位切削力的变化而影响切削力的。背吃刀量 a p增大，切削

36、宽度 b d也增大，剪切面积 as和切屑与前刀面的接触面积按比例增大，第一变形区和第二变形区的变形与摩擦相应增大。当背吃力量增 大一倍时，切削力也增大一倍。进给量 f增大，切削厚度 h d增大，而切削宽度 b d 不变，这时剪切面积虽按比例 增大，第二变形区的变形未按比例增大。而进给量增大，平均变形变小，单位切削力降低，因此，进给量 f增大一倍，切削力约增加 70 80。还有刀具几何参数的刀尖圆弧半径，影响，在刀具几何参数中前角对切削力的影响最大，主偏角的影响，刃倾角的影响，其它影响因素。 3进给系统机械部分的结构计算 在机床的进给系统中要涉及到许多的计算，比如：效率计算，.稳定性验算，刚度验

37、算，下面就针对各部分作具体分析：a.滚珠丝杠设计计算a.强度计算对于燕尾型导轨：p=kfy+f(fz+w) 取k=1.4 f=0.2则 p=1.438.19+0.2（76.38+30） =74.74kgf=747.4n 寿命值 l =13.5 最大动负载 q=1.2174.74=213.55kgf=2135.5n （3-6）根据最大动负荷q的值，可选择滚珠丝杠的型号。查参考文献2可知，选用型号为wl2004-2.5x1b左，其额定动负荷为6100n，所以强度足够用。b.效率计算螺旋升角=339，摩擦角=10则传动效率 =0.956 c.刚度验算滚珠丝杠受工作负载p引起的导程的变化量l=5.96

38、10-6cm （3-8）滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量l2很小，可忽略，即：l=l。所以，导程变形总误差为=l=5.9610-6=14.9m/m 查表知e级精度丝杠允许的螺距误差1m长为15m/m，故刚度足够。d.稳定性验算由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不用验算。c.齿轮及转矩有关计算a.有关齿轮计算传动比 故取 z=18 z=30 m=2mm b=20mm =20d=36mm d=60mm d=40mm d=64mma=48mmb.转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量ji=（）2w=（）2

39、300.01=0.0439kgfcm2（3-11）丝杠转动惯量js=7.810-42450=0.624kgfcm2 齿轮的转动惯量j=7.810-43.642=0.262kgfcm2 j=7.810-4642=2.022kgfcm2 电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量j= =1.258kgfcm2 （3-15）c所需转动力矩计算 n=41607r/min m=nm=2.23kgfcm m=0.1775kgfcm 所以，快速空载启动所需转矩，切削时所需力矩：从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时， =2.633kgfcm=26.33ncm4步进电机的计算与选型步进电机是一种能将数字输入

40、脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电

41、机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩mjmax大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。 选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。 选择步进电

42、机需要进行以下计算： （1）计算齿轮的减速比 根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下: i=(.s)/(360.) (1-1) 式中 -步进电机的步距角（o/脉冲） s -丝杆螺距（mm) -(mm/脉冲） （2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量jt。 jt=j1+（1/i2)(j2+js）+w/g（s/2)2 （1-2） 式中jt -折算至电机轴上的惯量(kg.cm.s2) j1、j2 -齿轮惯量(kg.cm.s2) js -丝杆惯量(kg.cm.s2) w-工作台重量（n） s -丝杆螺距（cm） （3）计算电机输出的总力矩m m=ma+mf+mt （1-3） ma=（jm+

43、jt).n/t1.02102 （1-4） 式中ma -电机启动加速力矩（n.m) jm、jt-电机自身惯量与负载惯量(kg.cm.s2) n-电机所需达到的转速（r/min） t-电机升速时间（s） mf=(u.w.s)/(2i)102 （1-5） mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（n.m) u-摩擦系数 -传递效率 mt=(pt.s)/(2i)102 （1-6） mt-切削力折算至电机力矩（n.m) pt-最大切削力（n） （4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为 fq=fq0(1-(mf+mt)/ml）(1+jt/jm) 1/2 （1-7）

44、式中fq-带载起动频率（hz） fq0-空载起动频率 ml-起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（n.m) 若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算. （5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率 时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。 （6）负载力矩和最大静力矩mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于mf与mt之和，并留有余量。一般来说，mf与mt之和应小于（0.2 0.4)mmax. 第四章 微机数控机床硬件系统的分析和设计 .4.1 微

45、机数空系统的设计内容 微机数控系统都是有硬件和软件部分的，在我们分析微机数控系统内容中就必须包括这两大块，硬件，软件。硬件是数控系统的基础，没有硬件就不能正常的工作，其性能的好坏能直接影响到整个系统的正常工作，安装了硬件之后就可以安装软件，机床数控系统硬件电路由cpu、总线、存储器以及i/o接口四部分组成。cpu是整个系统的核心，它是运算和处理各个部分的数据和控制，存储器是存放软件的数据等作用，总线及i/o是与外界连接的，总线是其它们的纽带，i/o是连接软件和硬件的桥梁。在分析微机数控系统时我们就必须选好微型计算机，确定微机机型就是选择cpu。单片机价格低、可靠性较高，适用于控制，选择单片机做

46、控制器比较合适。微机采用mcs-51系列单片机。51系列有三种型号：8031是无rom的8051；8751是用eprom代替rom的80c51。目前， 80c51单片机成为当前8位单片机的典型代表。本设计就采用8051单片机作为数控系统的中央处理机。80c51单片机的组成，：1中央处理器（cpu2)， 2内部数据存储器（内部ram），3) 内部程序存储器（内部rom），4) 定时/计数器，5) 并行i/o，6) 串行口7) 中断控制系统，8) 时钟电路mcs-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚摆列如上图所示，vcc（40脚）：电源端，为5v。vss（20脚）：接地端。时钟电路引脚

47、xlal2(18脚)：接外部晶体和微调电容的一端。时钟电路引脚xlal1(19脚)：接外部晶体的微调电容的另一端。在片内它是振荡电路方相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。rst(9脚)：rst是复位信号输入端，高电平有效。rst引脚的第二功能是vpd,即备用电源的输入端。当主电源vcc发生故障降低到低电平规定值时，将5v电源自动接入rst端，为ram提供备用电源，以保证存储在ram中的信息不丢失，以使电源正常后能继续正常运行。ale（30脚）：地址锁存允许信号端pscn（29脚）：程序存储器允许输出信号端。ea（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端。 p0口（3932脚）：p

48、0口是一个漏极开路的8位准双向i/o端口。p1口（1脚8脚）：p1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向i/o端口。 p2口（21脚28脚）：p2口是一个带内部上接电阻的8位准双向i/o端口。 p3口（21脚28脚）：p3口是一个带内部上接电阻的8位准双向i/o端口。 4.2 硬件控制电路设计 数控机床的动作是由软件可以控制的，单片机数控系统硬件电路设计内容 ，单片机数控系统硬件电路设要绘制数控系统电气控制的结构框图 ，根据总体设计方案及机械结构的控制要求，确定出硬件电路的总体设计方案， 通常数控机床硬件电路有五大部分：主控制器，即中央处理单元cpu； 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；存储

49、器，包括程序存储器和数据存储器；接口，即i/o输入输出接口电路； 外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。2.在数控系统中对选择中央处理单元cpu的类型比较重要， 在微机应用数控系统中，选择cpu时应考虑几点要求： 第一：，控制数据处理的速度的因素：时钟频率和字长； 第二：可扩展存储器（包括rom 和ram）的容量； 第三：基本指令系统功能，影响编程灵活性； 第四： i/o地址接口扩展的能力，及对外接设备控制的能力； 第五：软件和硬件的开发除此之外，还应该考虑下综合因素等！ 本设计考虑到目前在经济型数控机床中采用mcs-51 系列单片机作为主控制器 4.3存储器扩展电路设计 存储器是单片机系统

50、中使用最多的外扩芯片，对mcs-51单片机而言，由于程序存储器与数据存储器空间在物理空间的上的各自独立性，使得两者的扩展方法略有不同。存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。.地址锁存器的选择由于8031芯片没有对外专用的地址总线和数据总线,那么在进行对外扩展存储器或i/o接口时,首先需要扩展对外总线。通过8031引脚ale可实现对外总线扩展。在ale为有效高电平期间, p0 口上输出a7a0,因而只需在cpu片外扩展一片地址锁存器,用ale的有效高电平边沿作锁存信号,即可将p0口上的地址信息锁存,直到ale再次有效。在ale无效期间p0口传送数据,即作数据总线口。这样就可将p

51、0口的地址线和数据线分开。 现选择74ls373 作单片机地址锁存器芯片。74ls373是一个8位的d型锁存器,具有三态总线驱动输出功能,当三态门的使能信号线e为低电平时,三态门处于导通状态,允许q端输出；当e端为高电平时,输出三态门断开,输出端对外电路呈高阻状态。因此,应使三态门的使能信号端e为低电平,这时,当g输入端为高电平时,锁存器输出端(1q8q)状态和输入端(1d8d)状态相同；当g端从高电平返回到低电平时,输入端(1d8d)的数据锁入（1q8q）中。74ls373的锁存控制端g与单片机的锁存控制信号端ale相连,在ale下降沿进行地址锁存。使能信号端oe接地。其管脚分布如图所示。2

52、.外部程序存储器的扩展外部程序存储器扩展时用作程序存储器的器件是eprom (紫外线擦除电可编程只读存储器) 和eep2rom (电擦除可编程只读存储器) ,常用eprom。在这里使用eprom芯片,掉电后信息不会丢失。eprom芯片有2716 ( 2k 8 位) 、2732 ( 4k 8 位) 、764 (8k 8位) 、27128 (16k 8 位) 、27256 31k 8位) 、27512 (64k 8位)等,为了减少芯片组合数量,简化扩展电路结构,扩展16kb的prom只需选用一片27128,但是,选用27128的扩展电路需要用到8031的p215引脚,这样的话, 8031的引脚就不

53、够与3 - 8译码器相连,因此,扩展两片764芯片。 2764eprom为28脚双列直插式封装（如图所示）, a0 a12为13根地址线,可寻址8kb；d07为数据输出线；ce为片选线；oe为数据输出选通线；pgm是编程脉冲输入端；vss是编程电源；vcc是主电源。 图为8031扩展2764的连接图,以扩展一片为例。从图中看出,接口时主要将764的地址线、数据线和控制线与8031的三总线对应相连。2764的容量为8kb,有a012共13条地址线,其中a0a7接地址锁存器的输出,a8a12接8031的p2.0p2.4；764的8条数据线d0d7直接连接到8031的p0.0p0.7； 2764的输出允许oe接8031的读选通控制线psen。如果是扩展单片eprom,其片选ce可接地,这里要扩展两片764,所以选用译码法进行扩展电路,即将片选端接到译码器的译码输出端。这里选用74ls138译码器,它具有a、b、c三个译码输入端,可组合成8种输入状态； y0y7 为八个译码输出端