机床进给系统设计说明书

1、guizhou university毕业设计课程名称：cjk6150数控车床进给系统设计学院：贵州大学专 业 机械设计制造及其自动化姓名：学 号：年级;任课教师：年5 月3贵州大学本科毕业设计诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的课程论文（设计），是在导师的指导 下独立进行研究所完成。课程论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成 果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名：口期：摘要第一章.前言1.1数控机床的产生和发展11.2数控机床的发展趋势21.3横、纵向进给系统设计的原因及意义31.4数控机床工作原理31.5数控机床的组成31.6数控机床的分类51.7数控机床

2、的特点及应用范围7第二章总体方案设计92.1总体设计方案论证92. 2总体设计方案确定11第三章.机床进给系统机械部分设计计算133. 1 cjk6150基本参数133.2滚珠丝杠设计计算13第四章控制系统的数控部分设计324.1控制系统的总体设计324. 2电气控制主控器的选用344. 3 8031单片机i/o的扩展设计374.4键盘及显示接口电路的设计384.5驱动电路的设计与计算394. 6辅助电路的设计414.7 步进电机脉冲环形分配器的选用454.8控制系统的软件设计46第五章.结论50参考文献51致谢52cjk6150数控车床进给系统设计经济型数控车床是特定时期需求的产物，对于发展

3、中国家工业重工化阶段的初期， 经济型数控车床具有较优越的性价比，价格低廉，设备费用投入较少，可以广泛的满足 企业发展初期的需要，受到企业，特别是受到民营企业的欢迎。对一个经济还不太发达 的国家来说，经济型数控车床既经济又合理，符合我国国情。经济型数控车床cjk6150采用由8031芯片为主构成开环控制系统，其进给系统是步 进电机通过消隙齿轮箱，带动滚珠丝杠转动，从而实现工作台沿机床导轨的水平移动。 经济型数控车床cjk6150具有加工精度高，稳定性好，生产效率高，工作可靠，价格低 等优点。关键词：车床改造,数控化，进给系统，滚珠丝杠，步进电机cjk6150 numerical control

4、lathe feed system designabstractthe economic number controls the lather is a particular and period and demanding outcome, turn the initial stage of stage for the heavy work of the developing country industry, the economic number controls the sex price that the lather has the superiority of compare t

5、o compare, the price is cheap, the equipments expenses devotion is less, can the extensively contented business enterprise develop the demand of the initial stage, being subjected to the business enterprise, being welcome among the run by private capital especially.to an economy still not that flour

6、ishing nation to say, the economic number controls the lather since economy and then reasonable, match the our country state of the nation.the economic nc machine-cjk6150 adopts open loop control system. through rotation of the lead screw, this is driven by a gear box, the working table moves in par

7、allel along the nc machine's lead railkey words： numberical control,lathe reform, conventional machines, stepper motor第章.前言当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状在我国对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国制造 业信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数 控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数 控技术及装备是发展新兴高新技术产

8、业和尖端工业的使能技术和最基木的装备，乂是 当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程 进行控制的技术，而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制 造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域。1.1数控机床的产生和发展我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶 段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国 的基础条件的制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期 间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶 段，

9、由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术 的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八 五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间 的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却 泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字 信息送入数控装置或计算机，经过译码、运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它 的执行元件，加工出所需的工件。其与与普通机床相比，其主要有以下的优点：1.适

10、 应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新 编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工；2.加工精度高；3.生产效率高； 4.减轻劳动强度，改善劳动条件；5.良好的经济效益；6.有利于生产管理的现 代化。数控机床，就是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化并保证 质量要求而生产的。数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。当前 世界数控机床的拥有量反映了该国家的经济能力和国防实力，而该技术乂是当今先进制 造技术及装备最核心的技术。车床在机器制造业中发展最为得用，所占比重最大。世界 车床技术发展经历了 50年的2阶段和6代的发展。发达国

11、家由于汽车轴承、电机等大 批量化的实现，高效自动化车床的数量多，nc车床发展快，中高档次车床比重大，总 体技术水平高，生产率和劳动生产率高，而发展中国家则滞后。与先进国家的同类产品 相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。1.2数控机床的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业 化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一 些重要行业（it、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这 些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装 备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。（1）高速、高精

12、加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高 效率，提高产胡的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日木先 端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（cirp）将其 确定为21世纪的中心研究方向z-o数控机床的发展趋势表现有：（1）性能方面： 高速高精高效化、柔性化、工艺复合性和多轴化、实时智能化；（2）功能发展方向：用 户界面图形化、科学计算可视化、插补和补偿方式多样化、内装高性能plc、多媒体技 术应用；（3）体系结构的发展；集成化、模块化、网络化、通用型开放式闭环控制模式。（2）5轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴

13、联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不 仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以 等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铳刀进行高速铳削淬 硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联 动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加 z编程技术难度较大，制约了 5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化, 其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴 头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。（3

14、）智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系 统屮的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适 应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈 控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编贵州大学本科课程设计论文程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有 智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。1.3横、纵向进给系统设计的原因及意义数控车床设计在国外已发展成一个新兴的工业部门。早在20世纪60代已经开始迅

15、 速发展，并乂专门的企业经营这门业务。其发展的原因是多方面的：首先是技术原因。随着社会牛产力的巨大发展，要求制造技术向自动化及精密化前 进。并且刀具材料和电子技术也有了很大进步，反映到控制系统中，它即能帮助机床自 动化乂能提高加工准确度。这些技术进步和高牛产率要求，精密加工和型面加工的增多 等，突出了旧机床技术改造的必要性及迫切性。其次是经济原因。经统计采用设计技术加以现代化比之更新设备可节约50%的资 金。这不仅为资金不充沛的小企业技术改造开创了新路，而且对实力雄厚的大型企业也 极具吸引力。第三是市场原因。因为许多国家目前还无能力更新所需的数控机床数量。因此就成 为满足机床市场需求的主要补助

16、手段。第四是生产上的原因。在工业生产中，多品种、中批量及小批量生产是现代机械制 造业的基本特征。不难看岀，完成这些生产任务数控机床是最佳选择。基于以上原因，要实现我国的牛产现代化，将我国现有一部分普通机床实现自动化 和精密化是必由之路。1.4数控机床工作原理数控机床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将 数控程序输入到数控装置，在由数控装置控制机床主运动的变速、启停、进给运动的方 向、速度、位移大小以及其它诸如刀具选择交换、工件加紧松开和冷却液的启、停等工 作，使刀具与工件及其它辅助装置严格按照数控程序规定的顺序、路程和参数进行工作, 从而加工岀形状、尺寸与精度符合要

17、求的零件。1.5数控机床的组成数控机床的种类繁多,但从组成一台完整的机床上讲,它由控制介质、数控装置、 伺服系统、检测反馈装置和机床本体五大部分及辅助设备组成。如图所示：图1-1数控机床组成1.5.1控制介质控制介质是指将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形 式，它随着数控装置的类型不同而不同，常有的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带和磁盘等。 除了上述几种控制介质外，还有一部分数控机床采用数码盘、数码插销或利用键盘直接 将程序及数据输入。另外，随着cad / cam技术的发展，有些数控设备利用cad / cam技 术在其它计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接

18、传送给数 控装置。1.5.2数控装置数控装置是数控机床的控制中心，现在的数控装置通常由一台通用或专用卫星计算 机构成。它由输入装置、控制运算器和输出装置等构成。输入装置接受控制介质上的信息，经过识别和译码之后，送到运算控制器。这些信 息将作为控制和运算的原始数据。控制运算器根据输入装置送來的信息进行运算，并 将控制命令送往输岀装置。输出装置将控制运算器发出的控制命令送到伺服系统，经功 率放大，驱动机床完成相应的动作。1-5.3伺服系统伺服系统是数控机床的执行机构，包括驱动和执行两大部分。伺服系统接受数控 系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或执行部分动作，以 加工出符合要

19、求的零件。指令信息是以脉冲信息体现的，每一个脉冲使机床移动部件产 生的位移量叫脉冲当量(常用的脉冲当量为0.0010.01)。目前数控机床的伺服系统 中，常用的位移执行机构是功率步进电机，直流伺服电动机和交流伺服电动机，后两者 都带有光电编码器等位置测量组件。1.5.4机床本体机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削工作的机械部分，它是在原普通 机床的基础上改进而得到的，具有以下优点：(1) 数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械传动结构简化，传动链较短。(2) 数控机床机械结构具有较高的刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小。(3) 更多的采用高效传动部件，如滚珠丝杠副，直线滚动导轨等

20、。1.5.5检测反馈装置检测反馈装置由检测元件和相应的测量电路组成。其作用是检测速度、位移或工件 尺寸，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制。没有检测反馈装置的数控系统被称为 开环系统；直接从工作台或工件获取反馈信息的数控系统被称为闭环系统；从伺服电机 运转轴获取反馈信息的数控系统被称为半闭环系统(检测反馈装置包括在伺服系统中)。 常用的检测元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、电感应传感器、光栅和磁尺 等。除上述五个部分外，数控机床还有一些辅助装置及附属设备，如电源、液压、气动 系统与冷却、排屑、润滑、照明、储运等装置以及编程机、对刀仪等。1.5.6基本操作步骤过程自检和机床参数设置一加

21、工控制信息输匚 加工控制信息预处理一 插补计算置控制plc控制显示和监控1.6数控机床的分类1.6.1按数控系统的特点分类(1) 点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是只控制移动部件的终点位置，即控制移动部件由一个 位置到另一个位置的精确定位，而对它们运动过程中的轨迹没有严格要求，在移动和定 位过程中不进行任何加工。因此，为了尽可能减少移动部件的运动时间和定位时间，通 常先以快速移动到接近终点坐标，然后以低速准确移动到定位点，以保证良好的定位精 度。例如数控坐标镇床、数控钻床、数控点焊机、数控折弯机都是点位数控机床。(2) .直线控制数控机床宜线控制数控机床的特点是刀具相对于工件的运动不仅要

22、控制两点之间的准确位 置(距离)，还要控制两点之间移动的速度和轨迹。在刀具相对于工件移动是进行切削 加工，其轨迹是平行机床各坐标轴的直线。一些数控机床、数控磨床、数控镇床和数控 铳床等都属于宜线控制系统，这类机床的数控装置的控制功能比点位系统复杂，不仅控 制直线运动轨迹，还要控制进给速度以适应不同材质的工件。(3) 轮廓控制数控机床轮廓控制又称连续控制，大多数机床具有轮懒控制功能。其特点是能同时控制两个 以上的轴，具有插补功能。它不仅要控制起点和终点的位置，还要控制加工过程中每一 点的加工速度和位置，加工出任意形状的曲线或曲面组成的复杂零件。属于这类机床的 有数控车床、数控铳床、加工中心等。1

23、.6.2按执行机构的控制方式分类(1) .开环控制系统开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统。其执行机构通常采用功率步进电机或 电液脉冲马达。数控装置发击的脉冲指令通过环形分配器和驱动电路，使步进电动机转 过相应的步距角，再经过传动系统，带动工作台或刀架移动。移动部件的速度和位移量 是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的，位移精度主要决定于该系统各有关零部件的制造 精度。如图1-2所示脉冲指令数勰貫环形規己器功率旅大器歩进电机图1-2开环控制系统开环控制系统具有结构简单、系统稳定、容易调试、成木低等优点。但是系统对移 动部件的误差没有补偿和校正，所以精度抵，一般适用于经济型数控机床和旧机床的数 控化

24、改造。(2) 闭环控制系统这种控制系统绝大多数采用伺服电机，在机床的运动部件上安装有位移测量装置。 如图所示，测量元件安装在工作台上，测出工作台的实际位移值反馈给数控装置。位置 比较电路将测量元件反馈的工作台实际位移值与指令的位移值相比较，用比较的误差值 控制伺服电机工作，盲至到达实际位置，误差值消除，此称之为闭环控制。图1-3闭环控制系统从理论上讲，闭环控制系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，它完全可以消 除由于传动部件制造中存在的误差给工件带来的影响。所以这种控制系统可以得到很高 的加工精度。闭环系统的设计和调整都有很大的难度，主要用于一些精度较高的数控锤 床、数控铳床、超精车床和加工

25、中心等。(3) 半闭环控制系统半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装置， 如圆光栅、光电编码器及旋转是感应同步器等。该系统不是育接测量工作台位移量，而 是通过检测丝杠转角间接的测量工作台的位移量，然后反馈给数控装置。这种控制系统 实际控制的是丝杠的转动，而丝杠螺母副的传动误差无法测量，只能靠制造保证。因而 半闭环控制系统的精度低于闭环控制系统，高于开环控制系统，调试比闭环控制系统容 易设备的成木介于开环与闭环控制系统之间。图1-4半闭环控制系统由于角位移检测装置比直线位移检测装置结构简单，安装调试方便，因此配有精密 滚珠丝杠和齿轮的半闭环系统正在被广泛的使用。目前

26、己逐步将角位移检测装置同伺服 电动机设计成一个部件，使系统变的更加简单，安装调试都比较方便，中档数控机床广 泛采用半闭环控制系统。1.6.3按工艺用途分类(1) 金属切削类数控机床这类数控机床包扌舌数控车床、数控钻床、数控铳床、数控磨床、数控镇床和加工中 心。切削类数控机床发展最早，目前种类繁多，功能差异也较大。这里需特别强调的是 加工中心，也称为自动换刀的数控机床，这类数控机床都带有一个刀库，可容纳10 100多把刀具，其特点是：工件一次装夹可完成多道工序。为进一步提高生产率，有的 加工中心釆用双工作台，一面加工一面装卸，工作台可自动交换等。(2) 金属成型类数控机床这类机床包扌舌数控折弯机

27、、数控组合冲床、数控回转头压力机等。这类机床起步晚, 但目前发展很快。(3) 数控特种加工机床如数控线切割机床、数控电火花加工、火焰切割机、数控激光切割机床等。(4) 其它类型的数控机床如数控三坐标测量机等。1.7数控机床的特点及应用范围1-7.1数控机床的特点(1) 加工精度高数控机床是高度综合的机电一体化产品。它由精密机械和自动化控制系统组成，所 以，机床的传动系统和机床的机构都有很高的刚度和热稳定性。在设计传动结构时采取 了减少误差的措施，并由数控装置进行补偿，因而，数控机床具有较高的加工精度。(2) 加工生产率高数控机床具有良好的刚性，可以进行强力切削，而且空行程可以进行快速进给，节

28、省了机动和空行程的时间。数控机床进给量和主轴转速范围都较大，可以选择最合理的 切削用量。在数控机床上加工零件，对夹具的要求较低，机床不需要进行复杂的调整， 数控机床有较高的重复定位精度，大大的缩短了牛产准备周期，节省了测量和检测时间。(3) 减轻劳动强度，改善劳动条件利用数控机床进行加工，首先，按图样要求编制加工程序，然后输入加工程序，调 试程序，安装零件进行加工，观察监测加工过程并装卸零件。除此之外，不需要进行繁 重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度大为减轻，劳动条件也因此得到了改善。(4) 有良好的经济效益在数控机床上改变加工对象时只需重新编写加工程序，不需要制造更换许多工具、 夹具和模

29、具，更不需要更换机床。节省了大量工艺装备费用，乂由于加工精度高，质量 稳定，减少了废品率，使生产成本下降，生产率乂较高，所以可获得良好的经济效益。(5) .有利于生产管理的现代化利用数控机床进行加工，能准确的计算加工工时，并有效的减化检验、工夹具和半 成品的管理工作，易于构成柔性制造系统(fms)和计算机集成制造系统(cims)。虽然数控机床有以上优点，但初期投资大，维修费用高，要求管理及操作人员的素 质也较高。因此，应合理的选择及使用数控机床，提高企业经济效益及竞争力。1.7.2数控机床的应用范围数控机床是一种高度自动化的机床，有一般机床所不具备的许多优点，所以数控机床 的应用范围在不断扩大

30、，但数控机床是一种高度机电一体化产品，技术含量高，成木高， 使用维修都具有一定的难度，若从最经济的角度出发，数控机床适用于加工：(1) 多品种小批量零件；(2) 结构较复杂，精度要求较高的零件；(3) 需要频繁改型的零件；(4) .价格昂贵，不允许报废的关键零件；(5) 需要小批量生产周期的急需零件。第二章总体方案设计根据毕业设计任务书及要求提出系统总体方案，对方案进行分析比较和论证，并查阅 有关cjk6150数控改造的资料，在老师的指导下，最后确定总体方案。2. 1总体设计方案论证由于该设计是数控机床进给系统，包扌舌横向和纵向进给，属经济型数控设计。(1) 数控系统按运动方式分为点位控制系统

31、、点位直线控制系统、连续(轮廓) 控制系统根据设计要求，cjk6150数控车床具有定位，纵向和横向的肓线插补功能，还 能要求暂停，进行循环加工复杂轮廓零件等，因此，数控系统选取连续控制系统。(2) . cjk6150数控卧式车床属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下， 应简化结构、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、降低成木，因此，进给伺服系 统应采用步进电机开环控制系统。(3) .数控系统硬件电路任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能好 坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。数控系统中的关 键部分是数控装置，硬件电路概括起来有

32、以下四部分组成：(a) 中央处理单元cpu。(b) 总线。包括数据总线(db )，地址总线(ab )和控制总线(cb )(c) 存储器。包括只读可编程存储器和随机读写存储器。(d) i/o 口,即输入/输出接口电路。其中cpu是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工 作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需的各种数据。i/o接口是系统于 外界进行信息交换的桥梁。总线则是cpu于存储器、接口以及其它转换电路联系的纽带， 是cpu于部分电路进行信息交换和通信的必由之路。数据系统硬件框图如下：控制系统采用了 mcs 51系列的8031单片机，8031单片机运算速度快、各

33、种指令运 行时间短、而且有完美的多级中断条件和内部时钟系统，h具有体积小、重量轻、成木低、 抗干扰能力强等诸多优点，在我国机床数控改造方面应用普遍，软件较多，其配套芯片廉 价，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控车床改造的需求。因 此采用8031单片机作为数控系统的cpu是非常经济的选择。木次cjk6150的改造以 mcs-51系列单片机中的8031芯片作为中心控制系统。(4) 根据系统的功能要求，微机控制系统中除了 cpu外，还包括扩展程序存储器，扩 展数据存储器，i/o接口电路，包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数 据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路

34、和步进电机驱动电路。(a) 光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。由于步 进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将输出信号与功率放大器宜接相连，将会 引起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计算机和接口电路的损坏。 所以一般在接口电路与功率放大器之间都要接上隔离电路。(b) 功率放大电路功率放大电路分为单电源和双电源型。单电源线路简单，但效率不高，所以选用双 电源型。双电源型采用高低压供电电路。(c) 步进电机的驱动用软件进行环行分配，微机通过子程序进行环行分配，然后将步进屯机的各向绕组 通电状态经74ls373输出，再经过光电耦合器将此通

35、电状态送给各绕组的驱动电路。将 信号进行功率放大，并采取措施使通入电机绕组的电流上升沿陡、下降沿陡，从而改善 电机的矩频特性。一般采用高低压驱动电路，步进电机选用反应式步进电机。步进电机驱动电源的组成其框图见下图所示：图2-2步进电机驱动电源组成及其框图(d) 强电控制主轴的启动、停止、正转、反转控制，刀架控制，切削液开关，都是开关量控制。 除刀架控制外，其它控制都只有输出，没有输入。开关信号由8255输出经隔离后驱动机 床的继电器，接触器。(e) 辅助电路为了防止机床行程越界，所以在机床上装有行程控制开关，为防止意外。装有急停 按键。由于这些开关都安装在机床上，距离控制箱较近，容易产牛电气干

36、扰，为避免干 扰，在电路与接口之间实行光电隔离，设报警电路，当绿色二极管亮为正常工作状态， 红色二极管亮时表示溜板已到极限位置。综上所述，因为纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机，齿轮副， 丝杠螺母副组成，它的传动比应满足机床所要求的。2. 2总体设计方案确定总体设计方案论证后，确定cjk6150型经济数控改造的总体方案示意图如下2-4所 示。cjk6150车床的主轴转速部分保留原机床功能，即手动变速。车床的纵向(z轴) 和横向(x轴)进给运动采用步进电机驱动.由mcs 51系列的8031单片机对数据进行 处理，在由i/o接口电路输出步进电机脉冲，经一级齿轮减速后，驱动滚珠丝杠转动

37、， 从而实现横向、纵向的进给运动。如下2-3图：开环系统原理如下：工作人员按加工图纸1,编写数控加工程序单2,然后将规定的程序命令用手工直接3 或用计算器4经磁带5记录，输入车床控制计算器6。自6发出脉冲信号，经放大器7。 驱动x向及z向的两个步进电机8、9,在经变速箱10及11,驱动滚珠丝杠，使托板按程 序命令动作。伺服驱动装置伺服驱动电路机械传动及执行部分图2-3数控进给系统原理及组成图24总体方案示意图工况参考:运转方式轴向载荷fff+礼（n）进给速度（mm/min）工作时间比例无切削fi=2000vt=14000qi 二 15轻切削f2=4000v2=1000q2=25普通切削e：f7

38、000v3=600qj=50重切削ff 11000v.f120qi=10fa -轴向载荷（n）f -一切削阻力（n）代-摩擦阻力（n）i二1 （电机至丝杠的传动比）fw二pxw xg二0. 1x2041x9.82000 n（摩擦阻力）第三章机床进给系统机械部分设计计算3. 1 cjk6150基本参数参照普通车床参数国家标准gb1582-79及金属切削机床设计简明手册，选择设计基木技术参数： 最大工件回转直径 最大车削肓径 最大工件长度 主轴转速 主轴通孔肓径 主轴锥孔 脉冲当量 快移速度 丝杠螺距 主功率 主电机转速 时间常数 步距角 外形尺寸500mm （床身上）210mm（刀架上）1000

39、mm121200r/min52mm6° （莫氏）0. olmm/step （z 向）0. 005 mm/step （x 向）5m / 分（z 向）2. 5 m / 分（x 向）10mm（z 向）5mm （x 向）7. 5kw1440r / pm25ms0. 60° /step （z 向）0. 75° /step （x 向）2680*1150*1400工作台重量+工件重量1241 kg+800 kg3. 2滚珠丝杠设计计算3.2.1纵向滚珠丝杠副的设计计算(1) 滚珠丝杠副的载荷计算(a) 工作载荷f工作载荷f是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向作用力，其

40、数值可用下列进给作用力的实验公式计算：对于燕尾形导轨机床(代+2&+g)(3-1)对于矩形导轨机床尸=£化+/'(巴+代+w)(3-2)对于三角形或组合导轨机床f = kfz+ffz+w)(3-3)对于钻镇主轴圆导轨机床(3-4)(3-5)对于滚动导轨机床式(3t)(3-5)中：fx、fy、fz一x、y、z方向上的切削分力,n； fr一密封阻力, n； w移动部件的重量，n； m主轴上的扭矩，n m； dz主轴肓径，mm； ff 导轨摩擦系数；f轴套和轴架以及主轴的键的摩擦系数；k考虑颠覆力矩影响的实 验系数。正常情况下，k、f'与f可取表1数值。本次设计采用

41、三角形或组合导轨机床由公式(3-3) f = +/'(e+w)计算工作载荷。表3-1导轨型式kf，f燕尾形1. 40.2矩形1. 10. 15三角形、组合形1. 150. 15 0. 18钻锂主轴圆导轨0. 15滚动导轨0. 0030. 004(b) 最小载荷fmin最小载荷finin为数控机床空载时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。此时，fx二fy二fz二0。 根据丝杠运转方式可取fmin二2000n(c) 最大工作载荷fmax最大载荷fmax为机床承受最大切削力时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。 根据丝杠运转方式可取fmax= 111000n(d) 平均工作载荷fm与平均转速nm当机床工作载荷随

42、时间变化且此间转速不同时，(3-6)=+ f訊 2=2 +v m +灯2 +"/“式中：st2,，s分別为滚珠丝杠在转速n.,n2,-, nn下，所受轴向载荷分别是f.,f2,人时的工作时间(min)(3-7)则根据参考数据，代入数值，计算平均工作载荷fm与平均转速nm如下"f呛喘+ f吩喘皿即盘+ f呛喘+f逬唏=3902n盘x仆蛊5+盘5+盘5=x1400 +x100 +x60 +x12100 100 100 100=266r/min当工作载荷与转速接近正比变化且各种转速使用机会均等时可用下式求得fm和nmofm=(2fmax+fmin) /3 (3-8) nm=(nm

43、ax+nmin) /2 (3-9)(e) 计算主切削力求工作载荷f由金属切削原理等有关资料可知，切削功率(3-10)nc =n n kn电机功率，查有关资料得7. 5kwnc切削功率h主传动系统总效率，一般取0.60.7,这里取0.65k进给系统功率系数，这里取0.96nc =7.5x0. 65x0. 96=4. 68kw由机械制造技术基础切削功率公式/v =fv xlo3(3-11)nc* iq3.fc=vc切削速度，取100m/minvc则主切削力fc = 468x103 x 60 = 2808nc 100由切削力经验公式fc=cwy广(3-12)查阅机床设计手册中可得知，c/r =191

44、0,% =l,y/r =0.75,z =1.则可计算得表3-2切削参数ap (nun)33f (mm)0.30.4fz (n)22872837由表可知：当f二2808n,时，切削深度ap=3,走刀量f=0. 4mm,从金属切削原理 中可得知在一般外圆车削吋，fx二(0. 1 0. 6)fcfy=(o. 150. 7)fc取 fx=o.5fc=0.5x2808=1404nfy=o. 6fc=0. 6x2808=1684. 8n其中(fc为主切削力，fx为走刀抗力，fy为吃刀抗力)则工作载荷由上公式(3-3) f = +/'(fz+w),取 k二 1.15, fz =0.18, w=800

45、n,得f=l. 15x 1404+0. i8x (2808+800) =1614. 6+649. 44=2264. 04n 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。fc=o. 5x2808=1404n在切断工件时，fy二0. 5 fc 二0. 5x 1404二702nfx=o. 4fc=0. 4x1404=561. 6n(2).滚珠丝杠副主要技术参数的确定(a) 导程ph根据机床传动要求，负载大小和传动效率等因素综合考虑确定。一般选择时，先按 机床传动要求确定，其公式为：phvmax/nmax(3-13)式中：vmax机床工作台最快进给速度，mm/min；门唤一驱动

46、电机最高转速，r/min。 在满足控制系统分辨率要求的前提下，p h应取较大的数值。"max= 14000-1440 = 9.72在此为了安全性考虑：ph =10(mm)表3-3进给速度及进给转速运转方式进给速度(mm/min)进给转速(r/min)无切削vi=14000ni=1400轻切削v2=1000112=100普通切削v3-600血二60重切削v尸 120n2=12(b) 螺母选择由于数控机床对滚珠丝杠副的刚度有较高要求，故选择螺母时要注重其刚度的保 证。推荐按高刚度要求选择预载的螺母型式，其中插管式外循环的端法兰双螺母应用最 为广泛，它适用重载荷传动、高速驱动及精密定位系统

47、，并在大导程、小导程和多头螺 纹中具有独特优点，且较为经济。滚珠的工作圈数i和列数jo根据所要求性能、工作寿命、推荐按表3-2 选取。表3-4滚珠圈数i和列数要求特性插管式(ixj)滚珠循环流畅1. 5x1 2.5x1 3. 5x1刚性2.5x22.5x3法兰形状。按安装空间由标准形状选择，亦可根据需要制成特殊法兰形状。 木次设计釆用插管式外循环的端法兰双螺母，取滚珠圈x列为3.5x1,刚性2.5x2. 即ctc系列。(c) 导程精度选择根据机床定位精度，确定滚珠丝杠副导程的精度等级。一般情况下，推荐按下式(13、e<tr)(3-14)u 5丿式中：e累计代表导程偏差，pm;td机床有效

48、行程的定位精度，pino对于车床一般选择三级或五级，精度偏高，导程应取小点，考虑公称育径不变，导 程小，则螺旋升角小，传动效率相对变小，所以在导程数值满足机床加工精度的条件下, 应尽可能取大。初步选择三级精度。(d) 滚珠丝杠的支承与连接 滚珠丝杠副的支承 为了获得高精度、高刚度的进给系统，不仅应选用高精度、 高刚度的滚珠丝杠副，而忖必须十分重视滚珠丝杠支承的设计。滚珠丝杠主要承受轴向 载荷，除自重外，一般无径向外载荷。因此，滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高，为 此应选用运转精度高、轴向刚度高、摩擦力矩小的滚动轴承。滚珠丝杠副的支承，主要是约束丝杠的轴向窜动，其次才是径向约束。较短的丝杠 或者

49、垂直安装的丝杠，可采用单支承形式；水平安装丝杠较长时，可以一端固定一段游 动；对于精密或高精度机床的滚珠丝杠副，为了提高拉压刚度，可以两端固定；为了补 偿热膨胀和减少丝杠因自重下垂，两端固定丝杠还可以进行预拉伸。常用支承形式如下 表 3-9。 连接形式 滚珠丝杠副与屯机的连接形式可分为三种形式：与电机直接连接、 通过齿轮连接和通过同步齿形带连接。第一种形式虽然减少了零件的数冃与中间环节的 影响，精度度高、效率高，但此种连接对安装、加工的要求较高，最好选用挠性联轴器。 这种结构减速比i=l,电机的额定转矩较大，等效转动惯量较大，对系统的稳定性与快 速性影响不利；电机通过减速装置联结丝杠，釆用此轮

50、副减速，要釆取减速齿轮间的措 施，否则就会产生噪声，影响传动精度；采用同步齿形带减速，可以自由调节传动比， 没有传动间隙，工作中没有冲击，这种结构减速比大于一，减速后的传动件，其转动惯 量对电机的影响随减速比的平方减少，而使等效转动关闭两降低。另外电机的额定转矩 减小，尺寸缩小。本次设计采用两端固定的支承方式，采用同步齿形带减速的连接形式。(e) 累积基准导程目标值t为补偿由于温度升高或在外部载荷下滚珠丝杠延伸，需规定累积导程的目标值t。 以避免温度上升对导程精度的影响。t二-a 0 l(3-15)式中：a热膨胀系数(a =12x10-6/°c)； 0 丝杠温升°c ,(一

51、般取b=23°c), 取3°c ； l丝杠长度mm；典型数控机床累积导程的目标值为:x轴:tx= (-0. 02-0. 05) mm / m,取-0. 05； z 轴：tz= (-0. 02-0. 03)mni / m,取-0. 03。(f) 丝杠螺纹长度1 按下式计算：l =+ 厶 + 2le(3-16)表3-6丝杠导程与余程导程ph (mm)456810121620余程l (mm)1620243240455060由ph=10mm从表中查得lu=40mm,又有机床的有效行程lv=lu-2le,*.lu=1000+80=1080mm，丝杠罗文长度不得小于1080加上螺母总长

52、一半84mm,即大 于等于 1164mm,取 1200nun.(g) 滚珠丝杠名义直径do确定直径do有两种方法，即计算图法和计算法。 计算图法。按计算图法选择滚珠丝杠肓径的步骤为：首先按最大轴向压缩 载荷fmax、丝杠支承方式和安装间距(选择前均已确定)，由图3-1确定丝杠直径doi, 再由容许轴向拉压载荷( = fmax),选择丝杠直径do2,取do 1与do2中较大的直径作为 滚珠丝杠的初选宜径，然后再按图3-2校核临界转速和dn值，最后按图3-3寿命曲线 进行确认。图3-1中的斜线表示丝杠压曲时的极限载荷；折线中与横坐标垂直的直线为相 应丝杠育径的容许拉压载荷；与横坐标平行的粗实线，表

53、示对应丝杠育径可制造加工的 极限长度。图3-2中的斜线表示相应直径丝杠的临界速度时的极限转速；与横坐标垂直的 育线，表示由dn值限制的转速，按要求dnw70000, d为丝杠滚珠中心圆的育径(mm), n为丝杠转速(r/min)；与横坐标平行的粗实线，表示丝杠相应直径可制造牛产的极限 长度。220.210.2e二pje羔谯图3-3中的斜线表示由导程ph、直径do与螺母型式和滚珠的工作圈数和列数所 确定的滚珠丝杠副的相应载荷比在对应转速时的寿命时间(h) o fw为载荷系数，按表3-7 选取。表3-7载荷性质无冲击平稳运动轻微冲击伴有冲击或振动fw1.0 1.21.2 1.51.5 2.00-4

54、 0.60.6102040 60 1o020010 20° g & )io 2&0 k2祝抽。40 <m>100200400 600充许蓟苟- 支押一玄持 阖定支持- 固定一固定一 网定-自由j0.04 0-06 0,1贵州大学本科课程设计论文第20页图3-1轴向载荷fq)计算法a.确定预期额定动载荷cam.按预期寿命时间计算(3-17)陰詡60讪化x/100式中：fm一滚珠丝杠副平均工作载荷，n； nm一平均转速，r / min； tt一寿命时间，对 数控机床，其目标值为24000h； fw载荷系数，按表3-7选取fw=1.4o .按最大载荷 fmax算

55、，当滚珠丝杠副有预加载荷时cam=fefmax(3-式中，fe为预加载荷系数，其 值按选取，取4. 5。计算时间寿命与回转寿命如=l心x60=>厶=厶力x nm x 60表3-8预加载荷类别轻中重fe>6.76. 73. 3<3. 3取上述两种计算结果中较大值为滚珠丝杠副的预期额定动载荷cam0二24000x266x60 =383040000 转次所以, 额定动载荷 ca = fm x x= 3902x1 4x383?°0- = 396737v b.公称直径do 根据预期额定动载荷cam和所确定的螺母型式从产品样本中选择do,并满足 下式：cacam(3-15),并使其d。与螺纹长度符合生产厂规定要求。一般情况下，国产滚珠丝杠副螺纹部分长径比小于或等于30；国外滚珠丝杠副长径w70。0.2030.02640.6 o.s 6» 1oox o.g 0.8 1ao4固定- s3定订tolloh 走一白 tfta «o工o/ o 圧 o-« 1回钟参 oo