CA6150普通车床的数控改造

1、南昌工程学院毕业设计（论文机械动力项目系系数控专业 毕业设计 论文）题目CA6150普通车床的数控技术学生姓名刘志林 班级数控三班学号 00415139指导教师唐 刚完成日期2007年6月_15日目录第一章绪论-2 -数控技术和装备发展趋势-2 -第二章数控机床系统总体设计 -7 -一总体方案设计内容 -7 -二总体方案确定-7 -第三章进给系统设计计算-8 -一选择脉冲当量 -8 -二计算切削力-8-三滚珠丝杠螺母副的计算和选型 -9 -四齿轮进给齿轮箱传动比计算 -18 -五步进电机的计算和选型 -19 -第四章微机数控系统的设计 -23 -一微机数控系统的设计纲要 -23 -一硬件电路设

2、计-23 -二软件电路设计-24 -二8031单片机及其扩展-25 -一 8031单片机的简介-25 -二8031单片机的系统扩展 -26 -三存储器扩展-27 -四I/O 口的扩展-28 -三步进电机驱动电路-29 -一脉冲分配器 环行分配器）-30 -二光电隔离电路-30 -三功率放大器-30 -四其他辅助电路-31 -四数控系统的软件设计-32 -一软件脉冲分配器-33 -二逐点比较法插补程序-34 -三步进电机升降速软件设计 -36 -第五章数控机床零件加项目序-37 -第六章总结与展望-38 -第一章绪论数控技术和装备发展趋势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

3、业化的现状，在此基础上讨论了在我国加入WTO和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业和尖端工业 如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术 和装备最核

4、心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水 平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数 控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及 其产业，而且在 高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总 之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发 展、提高综合国力和国家地位的重要途径。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，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，即 所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：（

5、1机械制造技术；（2信息处理、加工、传输技术；（3自动控制技术；（4伺服驱动技术；（5传感器技术；（6软件技 术等。1数控技术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、意料等）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14 。1 . 1高速、高精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，提高产品的质量和

6、档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将 其列为5大现代制造技术之一，国际生产项目学会<CIRP ）将其确定为 21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄 筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能 对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的 强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、

7、高精和高柔性的要 求。从EM02001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min ，甚至更高，空运行速度可达 100m/mi n 左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公 司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach 机床进给速度最大达60m/min ，快速为 100m/min ，加速度达 2g，主轴转速已达 60 000r/min 。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铳床加工需 3h，在普通铳床加工需8h ;德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm 和1g

8、。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10 ym提高到5 ym,精密级加工中心则从35 ym,提高到11.5 叫 并且超精密加工精度已开始进入纳 M级（0.01 y m>。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发 展，应用领域进一步扩大。1.2 5轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴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

9、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，加之编程技术难度较大，制约了 5轴联动机床的发展。当前因为电主轴的出现，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。在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一

10、台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出 DMUVoution 系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或 CAD/CAM直接或间接控制。1.3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中的各个方面：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

11、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。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许 多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC（The Next Ge neration Work-Statio n/Machi ne Con trol>、欧共体的 OSACA（Ope n System Architecture forCon trol within Automation Systems、日本的 OSEC（Ope n System Environmentfor Co ntroller> ，中国的 ONC（Ope n Numerical C

12、o ntrol System>等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统 一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象<数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快 速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前 开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库 以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将 极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信

13、息集成的需求，也是实现新的制造模式 如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统 制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克<Mazak> 公司展出的“CyberProduction Center ”<智能生产控制中心，简称CPC> ；日本大隈<Okuma ）机床公司展出“IT plaza 信息技术广场，简称IT广场；德国西门子 （Sieme ns> 公司展出的 Ope n Ma nu facturi ng Environment<开放制造环境，简称 OME ）等，反映了数控机床加工

14、向网络化方向发展的趋势。1.4重视新技术标准、规范的建立关于数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共 体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范（OMAC、OSACA、OSEC>的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。1.4.2 关于数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用 G，M代码描述如何

15、 <how ）加工，其本质特征是面 向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际 上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649<STEP NC>，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从 而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加项目序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技

16、术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸 < 约75 %）、加项目序编制时间< 约35 %）和加工时间 < 约50 %）。目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划2001.12.31> 。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC 用户、厂商和学术机构。美国的 STEP Tools公司是全球范围内 制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型 （Super Model，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换 格式已经在

17、配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。2对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3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，因为国外的技术封锁和我 国的基础条件的限制，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，因为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

18、和 九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段， 我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达 50 %，配国产数控系统 < 普及型）也达到了10 %。纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。a. 奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了 从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已 具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。b. 初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如 华中数控、

19、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控 等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控 主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。c. 建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认 识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的 现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比< 与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备 的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我

20、国数控技术水平和产业化水平估计 大致如下。a. 技术水平上，与国外先进水平大约落后1015年，在高精尖技术方面则更大。b. 产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件 专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足； 国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。c. 可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、项目化能力较弱；数控技 术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。a. 认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市 场的不规范、国外的封锁加扼

21、杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及 能力分析不够。b. 体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善的 培训、服务网络等支撑体系。c. 机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新， 且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。d. 技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的项目化能力不强。机 床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。3对我国数控技术和产业化发展的战略思考3.1战略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的

22、转移，即要掌握 先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步空芯”我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国 际 加工中心”和 组装中心”而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响 我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看， 因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而 且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把 高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，东芝事件”和 考克斯报告”就是最好的例证。3.2

23、发展策略从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以 提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主 导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、 配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机如量大面广的数控车床、铳床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控 产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的 产品；没有规

24、模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品。第二章 数控机床系统总体设计一 总体方案设计内容 接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框 图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的 选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最 后确定一个可行的总体方案。一、 系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。二、 控制方式的选择 系统可分为开环控制系统

25、、半闭环控制系统和闭环控制系统。 经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置， 数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是因为信号的单向流程，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。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调 试和维修都比较简单。二 总体方案确定 <1）、系统的运动方式伺服系统的选择 因为改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停， 循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数 控机床加工精度要求不高，为了简化结构

26、、降低成本，采用步进电机开环控制系统。<2）、数控系统根据机床要求，采用 8 位微机。因为 MCS-51 系列单片机具有集成度高，可靠性 好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用 MCS- 51 系列的 8031 单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、 I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率 放大电路等组成，系统的加项目序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管 显示加工数据及机床状态等信息。<3）、机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一 定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母

27、副。同时，为提高传动 刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。系统总体方案框图如下:IOIO图1系统总体方案框图第三章进给系统设计计算一选择脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铳床常采 用的脉冲当量是 0.010.005mm/step。根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向：0.01mm/step, 横向：0.005mm/step（半径 >二计算切削力用车床经验公式F z = 0.67 D来计算主切削力式中Dmax指车床身上最大加工直径 <mm ）。横切端面时主切削力Fz可取纵切时F z 的 1/2。求出主切削里F

28、z以后再按以下比例分别求出分力F z和F y。F z : Fx : F y=1 : 0.25 : 0.5式中Fx :指走刀方向的切削力<N ）;Fy :指垂直走刀方向的切削力 VN ）。F图为纵切和横切时切削力的示意图。I*横切端而纵车外圆图2纵切和横切时切削力的示意图1、纵车外圆主切削力F z （N按经验公式估计算:151 RFz = 0.67Dmax = 0.67 x5001.5 =7491.751 <N)按切削力各分力比例：F z : F x : Fy =1 : 0.25 : 0.4Fx =7491.751 0.25 = 1872.711<N)F y 二 7491.75

29、1 0.4 二 2996.335<N)2、横切端面主切削力Fz<N )可取纵切的1/2。1FzF=3745.421<N)2 sFx =3745.421 0.25=936.340 <N)Fy =3745.421 0.4 = 1498.165<N)三滚珠丝杠螺母副的计算和选型（一） 纵向进给丝杠1、计算进给轴向力 Fm<N )纵向进给这里为三角形导轨：Fm =kFx f(Fz G)式中K :指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15 ;f :指滑动导轨摩擦系数取0.150.18之间的值;G:指流板及刀架重力，G=1100N。则 Fm=1.15 1872.7

30、070.17(7490.816 1101) =3614.052 <N)2、计算最大动负载 Q考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响，则最大动负载 为：Q的计算公式60 n T1000vsL0106式中L0 :指滚珠丝杠导程，初选L0 =8 ；n:指丝杠转速，<r/min );Vs :指最大切削力条件下的进给速度<m/min )，可取最高进给速度的取 vs=0.3 mm ；T :指使用寿命时间<h),对于数控机床取T=15000h.。L:指寿命，以106转为一单位；运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.5'-2.5fw :指

31、运动系数，见表1，选fw=1.3。表1运转系数=37.47 ( r/min>L01000 0.6 0.5860 n T60 37.47 15000-33.761/21/3，此处3、滚珠丝杠螺母副的选型从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找到相应的动负载C的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应满足Q ： C的条件。查表：可采用 W! L5008外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5圈1列，其额定动负载为23400N，符合Q : C的条件。精度等级按表 2，选为1级。V 300p =6 10 mm表2滚珠丝杠行程公差项目符号有效行程Lu <mm)精度等级12345目标行程公

32、差eP<3156812162331540079131825400500810r 15 n2027500630911162230行程变动量公差V mp<3156812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300 mm内行程变动量V 300p681216232兀弧度内行程 变动量V 2Jlp456784、传动效率计算tgtg( J式中：指螺旋升角，=2 55：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f = 0.003 0.004,其摩擦角=arctgf，约等于10 otgtg2 55则=tg厂 tg< 55 10 厂

33、76;955、刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如图3所示，最大轴向力为 3614.054N,支承间距L=1500mm,丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。图3纵向进给系统计算简图计算如下：<1）丝杠的拉伸或压缩变形量i <mm）Fm = 3614.054N，L 0 =8mm,E = 20.6 104 N/mm 2 （材料弹性模数，对钢来说是等于这个值>，D0 = 50 mm, R=2.477, e=0.068mm则 di2e-2R =50 2 0.068-2 2.477 =45.182( mm>45 182 oA =(一) 二=()3.

34、14 = 1603.421 (mm> <A指滚珠丝杠按内径定的2 2截面积） 丝杠导程L0的变化量为:= 8.748 10 一5和FmL03614.055 汇 8L EA 20.6 1041603.421总长度L=1500mm，丝杠上的变形量 ，因为两端均采用推力球轴承，则值:、1L8.748 101500 = 4.121 10-3 (mm>4 L048由 db=4.763mm, F m = 361.4kgf,承载滚珠数量 Z二Z圈数列数-D0圈数列数db3.14 50 c , 2.5 1 4.763二 82.4477因为滚珠丝杠副施加预应力，且预应力Fp为轴向负载的1/3,

35、则变形、2=0.0013Vdb吧361.43 4.763 361.4 82.447721!3=2.979 10 <mm)（3>支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变3 <mm）这里采用有预紧时的推力球轴承则：3 = 1.746 10 *m召DwZ2Fp查机械设计手册中表 6-2-82，采用51109型推力球轴承，其 d=45mm,滚动体直径DW =3.969 mm,滚动体数量Z=22，= 1.746 10*Fm3 DwZ2Fp= 1.746 10,3614.0543 3.969 2223614.054/3 =4.782 10 "<mm）则定位误差二，3 V300P3_

36、3_33= 4.103 10-2.98 104.782 106 10=0.01785mm : 0.025mm（规定定位精度 >6、稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，故不需作稳定性校核。(二) 横向进给丝杠1、计算进给轴向力Fm横向导轨为燕尾形，计算如下：Fm =kFx f (Fz 2Fy G)因为是燕尾形导轨式中：K=1.4，f =0.2则 Fm =1.4 936.354 0.2(3745.414 2 1498.166 500) =2759 N 2、计算最大动负载 Qx 竺1000 0.3 0.5 r/min>L。106L-g'O 215000 = 22

37、.5106Q =3、LfwFm 二3 22.5 1.3 2759 = 10125<N)查表：可采用 W1 L2506外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5圈1列，其额定动负载13100N，符合Q : C的条件。精度等级按表2滚珠丝杠行程公差表，选为1级。V 300P =610mm4、传动效率计算tg5、4所示，最大轴向力为 2759N，支承间距 L=550mm,刚度验算横向进给滚珠丝杠支承方式如图 因丝杠长度较短，不需要预紧。tg4 220.958tg( ) tg(4 2210)图4横向进给系统计算简图计算如下：（1>丝杠的拉伸或压缩变形量 .i<mm）根据 Fm =275

38、9n， D0=25mm, E =20.6 104N/mm 2, R=2.064, e=0.056mmdi=D° 2e-2R=25 2 0.056-2 2.064 =20.9832（ mm>人=（賀二=（20j84）2 3.14 =345.8341 （mm>,ALFm2759丄-1L L4550 = 2.13 10 <mm）L0EA20.6 104 345.833（2>滚珠与螺纹滚道间接触变形:.2 <mm）对滚珠丝杠副施加预紧力F为轴向负载的1/3。由 db =3.969 mm, Fm= 275.9 kgf承载滚珠数量圈数列数二D。圈数列数db35 2.

39、5 13.969= 49.462=0.00133db -Fp .Z.2275.9二 0.00133 3.969 275.9/3 49.462=3.72 10“<mm）（3>支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变：3<mm）这里采用有预紧时的推力球轴承则、3 =1.746 10* Fm3 DwZ2Fp查机械设计手册中表 6-2-82，采用51104型推力球轴承，其 d=20mm,滚动体直径DW =3.175 mm,滚动体数量Z=14，F :.3 =1.746 10 - m4= 1.746 1027593 3.175 1422759/3V'DwZ2F.3.969 152.8/3

40、49.471528、3 =1.746 10= 5.8 10 J <mm)则定位误差匸:、：2 3 V300P=2.13 10-23.72 10 25.8 10”6 10=0.03682 (mm>显然变形量已大于规定的定位精度<_ 0.025mm)，应该采取相应的措施修改，因横向溜板空间限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨来减少摩擦力，从而减少轴向力，采用贴塑导轨 f =0.030.05。重新计算如下：Fm 二 kFx f (Fz 2Fy G)= 1.4 936.3550.03(3745.4142 1498.166 500)=1528NQ =3、LfwFm =3 22.5

41、 1.3 1527 =5606<N)由此可知：滚珠丝杠螺母副和轴承的型号可不改变。此时的变形量为：丈也LFm1528/：打 L L4550 二 1.17 10 <mm)L0 EA 20.6 104345.833F *152 82 =0.0013m = 0.00132.51 10 <mm)232_4. .3103.91 10 <mm)3 3.175 142 1528/3定位误差：=JS ' V302_3_3_3= 1.17 10-2.51 103.91 106 10=0.02412 (mm> <0.025mm(规定定位精度 >6、稳定性校核临界负

42、载Fk与工作负载Fm之比称为稳定性系数 nk，计算临界负载Fk<N)Fk二 2EJW式中E：指丝杠材料弹性模量，对钢 E = 20.6 104 <N/mm 2);J：指截面惯性矩<mm4)，丝杠截面惯性矩J a <di为丝杠螺纹的底径)；64I :丝杠两支承端距离<mm);J :丝杠支承方式系数，见表3，这里=2.00。表3滚珠丝杠支承方式系数方式一端固疋一端自由两端简支一端固疋一端简支两端固定0.251.002.004.002 '二 424 3. 144二2E d143.142 20.7 10420.9744则 Fk 6464155993 n(H)2(2

43、.00 汇551)2Fk 155992|nk -10.47 - nk JFm1528所以此丝杠不会产生失稳。<三)纵向及横向滚珠丝杠副几何参数 其几何参数见表：表4 W1 L5008及W1L2506滚珠丝杠几何参数名称符号W1L5008W1 L2506螺纹滚道公称直径D。5025导程L086接触角P2：55h4：22H钢球直径db4.7633.969滚道法面半径RR = 0.52db2.4772.064偏心距ee = (R-db/2)si n00.0680.056螺纹升角7Y - arctg2=55*a .4 22螺 杆丝杠外径dd = D0 -(0.2 0.25)db48.524丝杠内

44、径d1d1 = D0 +2e-2R45.18220.984螺杆接触直径dzdz=d1 _ d b cos P40.42417.025螺螺母螺纹直径DD=D° 2e + 2 R54.81829.016母螺母内径D1D1=D0 +(0.2 0.25)db51.19025.992四齿轮进给齿轮箱传动比计算1纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量.p =0.01，滚珠丝杠导程 Lo =8mm，初选步进电机步距角vb =0.75，可计算出传动比ii2:二 1.668b_00.75x8il2 :360、p 360 0.01在闭式软齿面齿轮传动中，齿轮的弯曲强度总是足够的，因此齿数可取多些

45、，推荐取Z=2440。所以可选定齿轮数为：i12Z2乙40242、横向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量p=0.005，滚珠丝杠导程 L0二6mm，初选步进电机步距角二b =0.75，可计算出传动比i12 :i 12 :360 p可选定齿轮数为:i12Z2乙4518因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。有关参数参照表 5。表5传动齿轮几何参数所处位置纵向横向齿数24401845分度圆直径d = mz48803690齿顶圆直径da =d +2m52844094齿根圆直径df =d -2".25m43753185齿宽<610) m16161616中心距AmR +Z2）2646

46、3五步进电机的计算和选型（一） 纵向进给步进电机计算1、等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J Jkgcm2）可由下式计算:Z2 2W L0 2_JLm+Ji+牙）心小了咗）式中 Jm :指步进电机转子转动惯量 （kg cm2）；2Ji、J2:指齿轮 乙、Z2的转动惯量（kgcm ）；2Js:指滚珠丝杠转动惯量（kg «cm ）；W :指工件及工作台重量 <N ）；Lo :指丝杠导程< cm）；参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量 JM =10kgcm2。Ji =0.78 10： dL<d和口L分别表示齿轮 Z 的分度圆直径和

47、齿宽）=0.78 10； 4.84 1.6 =0.66（kg cm2）J2 -0.78 10” dL<d和L分别表示齿轮 乙的分度圆直径和齿宽）= 0.78 10* 841.6 =5.11（kg cm2）Js = 0.78 10 dL < d和L分别表示纵向滚珠丝杠的公称直径和支承间距）=0.78 105150 =73.134（kg cm2）把这些数据代入上式：J= Jm +J1 +（互）2|（2 + Js）+W（丄-Z2丿 g F 一4 211000.8=100.66 （）（5.11 73.125）（）40 9.82兀二 43.97021（kg *cm2）2、电机力矩计算机床在不

48、同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按个阶段计算：<1）快速空载起动力矩 M起在快速空载起动阶段，加速度所占的比例较大，具体计算公式如下:M 起二 M amax M f M。M a max = J；=J-Xta2 二"max10,60taFoLo2G iMoFpL。以上式中Mamax :指空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩< N *cm)；M f :指折算到电机轴上的摩擦力矩 <N *cm）；Mo :指丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩<Ncm）；2J:指传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量（kg *cm ）；:指电机最大角加速度 < rad /s

49、2）；nmax:指电机最大转速<r/min）；'max:指运动部件最大进给速度 <mm/min）；、；p：指脉冲当量< mm/step）；入：指步进电机步距角<deg）；30ms；ta :指运动部件从停止起动到最大快进速度所需时间<S），这里是Fo :指导程的摩擦力<N ）, Fo二f （Fz W）；Fz:指垂直方向的切削力 <N）;W :指工件及工作台重量 <N);f :指导轨摩擦系数，= 0.15 0.18;G :指运动部件的总重量<N );i :指齿轮降速比；按i =生计算；乙:指传动链总效率，一般可取=0.7 0.85 ；F

50、 p :指滚珠丝杠预加负载，一般取Fm/3, Fm为进给轴向力<N);Lo :指滚珠丝杠导程;0 :指滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取 0 - 0.9。将以前计算所得数据代入:nmax證 匚二2000=416.56(r/mi n)、p 360°.°2360FoL°2G i_22 nmax 1060ta= 43.971 2416.56 1o-2 = 639.424<N cm)60 0.03f(Fz W) L0°.17 (7490.827 WOO) 0.839.38<Ncm)2二 Z2/Z12 二 0.8 1.667F pL°

51、2P (1 - 0 )1/3FmL°(12 二 Z2 /Z1-02)1/3 3614.°55 °.8(1-0.92)=21.84<Ncm)2 二 0.8 1.667M 起-M a maxM0 =639.424 139.38 21.84 = 800.644 < N *cm)<2)快速移动时所需力矩M 快=M f M0 =139.38 21.84 = 161.22 < N cm)<3)最大切削负载时所需力矩M切M 切二M f M 0 Mt二M f M0-139.3821.841872.707 0.8 -340.036 < N cm)

52、2二 i2二 0.8 1.667从上面计算可以看出，M起、M快和M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。由表6得：当步进电机为三相六拍时，二M q / M jmax二0.866，则800.770.886=903.8 <N)表6步进电机起动转距M q与最大静转距 M jmax关系步进电机相数三相四相五相六相拍数3648510612丸=M q / M j max0.50.8660.7070.8090.9510.8660.866按此最大静转距从表中查出，150BF002型最大静转距为 13.72 N，大于所需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电

53、机起动矩频特性和运动矩频特性。3、计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率1000 max60 p1000 2.060 0.01-3333.33Hzfe1000 s60、p1000 0.660 0.01=1000Hz可查出150BF002型步进电机允许的最高空载启动频率为2800 Hz运行频率为8000 Hz，再从图5查出150BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。从图中看出，当步进电机起动时，f起=2500Hz, M -100N *cm远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩 <800.77 N *cm），直接使用则会出现失步，所以必须采用升降速控制<用软件实现），半起动频率降到1000 Hz，起动力矩可提高到 588.4 N *cm，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，150BF002