1、1 / 52機械設計制造及其自動化專業(yè)課程設計說明書設計題目：普通型車床縱向進給系統(tǒng)數(shù)控升級設計我國目前機床總量為380萬余臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，這說 明我國機床數(shù)控化率不到3%。我們大多數(shù)制造業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、 加工設備大多數(shù) 是傳統(tǒng)機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種機床加工出來的 產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、成本高等缺點，因此這些產(chǎn)品在國際、國內(nèi)市場 上缺乏競爭了，這直接影響了企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須提高機床的數(shù)控化率。在過去的幾十年，雖然金屬切削的基本原理變化不大，但隨著社會生產(chǎn)力的 發(fā)展，要求制造業(yè)向自動化和精密化方向發(fā)展，而刀具材料和電子技術的進

2、步，特別是微電子技術、電子計算機的技術進步，運用到控制系統(tǒng)中，既能幫助機床 的自動化，又能提高加工精度。這些都要求對舊機床2 / 52進行改造。另外，在經(jīng)濟方 面，用機床的數(shù)控改造比更新設備節(jié)約50%的資金。再加上市場的原因，由于目 前機床市場供給無法滿足大量的機床設備的更新需要，因此更顯示出機床數(shù)控改 造的必要性。對于我國的實際情況，大批量的購置數(shù)控機床是不現(xiàn)實也是不經(jīng)濟的，只有 對現(xiàn)有的機床進行數(shù)控改造。數(shù)控改造相對于購置數(shù)控機床來說，能充分發(fā)揮設 備的潛力，改造后的機床比傳統(tǒng)機床有很多突出優(yōu)點，由于數(shù)控機床的計算機有 很高的運算能力，可以準確的計算出每個坐標軸的運動量，加工出較復雜的曲線

3、 和曲面。其計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記憶和存儲下來，然后 按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序， 就可以實現(xiàn)另一工件的加工，從而實現(xiàn)“柔性自動化” 。改造后的機床不象購買新 機那樣，要重新了解機床操作和維修，也不了解能否滿足加工要求。改造可以精 確計算出機床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解， 操作和維修方面培訓時間短，見效快。另外，數(shù)控改造可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新機那樣需要重新構筑地基， 還可以根據(jù)技術革新的發(fā)展速度，及時 地提高生產(chǎn)設備的自動化水平和檔次，將機床改造成當今水平的機床。數(shù)控技術改造機床是以微電子

4、技術和傳統(tǒng)技術相結合為基礎，不但技術上具 有先進性，同時在應用上比其他傳統(tǒng)的自動化改造方案有較大的通用性和可用性， 且投入費用低，用戶承擔得起。由于自投入使用以來取得了顯著的技術經(jīng)濟效益，已成為我國設備技術改造中主要方向之一，也為我國傳統(tǒng)機械制造技術朝機電一 體化技術方向過渡的主要內(nèi)容之一。3 / 52普通型車床縱向進給系統(tǒng)數(shù)控升級設計一、 設計任務將普通車床改造成用MCS-51系列單片機控制的經(jīng)濟型的數(shù)控車床，要求該 車床縱向有直線和圓弧插補功能。系統(tǒng)分辨率為：0.01mm/puls。給定參數(shù) 最大加工直徑：400mm（在床面上）最大加工長度：1000mm絲杠縱向長度：13001500mm原

5、車床絲杠縱向直徑：22mm縱向?qū)к夘愋停壕C合性導軌 主軸轉(zhuǎn)速范圍：正轉(zhuǎn)（24級）101400rpm反轉(zhuǎn)（12級）141580rpm溜板及刀架縱向重力：800N刀架縱向快移速度：2.4m/min最大縱向切削進給速度：0.6m/min主電機功率：735kW/1450rpm啟動加速時間：30ms機床定位精度：0.015mm三、 設計要求1 改裝后數(shù)控車床應具有性能：數(shù)控代碼制：ISO脈沖分配方式：逐點比較法 輸入方式：增量值、絕對值通用 同時控制坐標軸數(shù)：2坐標軸（縱向Z，橫向X） 縱向脈沖當量值：0.01mm/puls刀具補償量：099.99mm進給傳動鏈縱向間隙補償量：0.15mm自動升降速性能

6、：有2 改裝后數(shù)控車床的工藝范圍： 具有快速定位，直線插補，順、逆圓插補，暫停，循環(huán)加工。3 對微機數(shù)控系統(tǒng)的要求： 微機控制系統(tǒng)要有可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強，具有很 高的性能價格比等特點。 控制系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作 實現(xiàn)，4 / 52顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。四、 設計工作量1 一張縱向進給機構的結構改裝圖（A1）；2 一張驅(qū)動電路原理圖（A2）3 一份設計說明書包括以下內(nèi)容：1）前言（數(shù)控改裝的意義、用途及目的等） ；2）設計的主要思路：系統(tǒng)總體方案的確定、機械系統(tǒng)方案設計、控制 系統(tǒng)方案設計；3）機械部分改裝設計計算：1） 滾珠絲杠螺母副

7、的確定；（2） 傳動齒輪的傳動比和齒數(shù)的確定；（3） 步進電機的選擇。4）控制系統(tǒng)硬件電路設計計算和參數(shù)選擇；5）步進電機接口及驅(qū)動電路設計；6）總結及結束語5 / 52第一章 系統(tǒng)總體方案的分析與擬訂微 機CPU存儲器擴展I/O口擴展光電隔離功率放大電路急停第 I 條TOP清零等功能鍵主軸脈沖發(fā)生器縱橫等軸限位車刀回轉(zhuǎn)刀架刀架、系統(tǒng)總體改造方案的確定目前，在機械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機車，如果改用微機控制，實現(xiàn) 機電一體化的改造，會使機床適應小批量、復雜零件的加工，不但提高加工精度 和生產(chǎn)率，而且成本低、周期短，適合我國國情。利用微機實現(xiàn)機車的機電一體 化改造的方法有兩種：一種是以微機為

8、中心設計控制部分；另一種是采用標準的 步進電機數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。后者選用國內(nèi)標準化的微機數(shù)控系統(tǒng), 比較簡單。這種標準的微機數(shù)控系統(tǒng)通過采用單片機、驅(qū)動電源、步進電機及專 用的控制程序組成開環(huán)控制系統(tǒng)。起結果簡單、價格低廉。對機床的控制過程大 多是由單片機按照輸入脈沖的加工程序進行插補運算，產(chǎn)生進給，由軟件或硬件 實現(xiàn)脈沖分配，輸入一系列脈沖，經(jīng)功率放大、驅(qū)動刀架、縱橫軸運動的步進電 機，實現(xiàn)刀具按規(guī)定的輪廓軌跡運動。微機進行插補運算的速度較快，可以讓單 片機每完成一次插補、進給，就執(zhí)行一次延時程序，由延時程序控制進給速度。二、機械傳動系統(tǒng)的改造方案的確定在熟悉原機床的操作過程及傳

9、動系統(tǒng)后，根據(jù)設計要求確定系統(tǒng)的機械傳動 系統(tǒng)改造方案。驅(qū)動器電機電機7 / 52包括電機型號的選擇，減速比的確定，齒輪模數(shù)及齒數(shù)的確定，原有絲杠導軌是否要重新更換，改換成滾珠絲杠螺母副是絲杠螺母副的型號及安 裝形式如何確定，導軌的設計方法等。對CA6140車床的縱向（Z向）進給運動進行數(shù)控改造，此時可將開喝螺 母合上，離合器M5脫開，使主運動與進給運動脫開，此時，將脫落螺桿等橫向 自動進給機構調(diào)至空擋（脫開）位置。若原刀架為自動轉(zhuǎn)位刀架，則可以由微機 控制自動換刀具，否則仍由手動轉(zhuǎn)動刀架。如需加工螺紋，則要在主軸外端或其 他適合位置安裝一個脈沖發(fā)生器來檢測主軸轉(zhuǎn)位，用它發(fā)出的脈沖來保證主軸旋

10、 轉(zhuǎn)運動與縱向進給運動的相互關系。這種改造方案成本較低。但是，為了保證加 工精度，還需根據(jù)實際情況進行檢修，才能保證控制精度。原有機床運動部件（包 括導軌、絲杠副等）安裝質(zhì)量的好壞，直接影響阻力和阻力矩的大小，應盡量減 少阻力（力矩），以提高步進電機驅(qū)動力矩的效率。對絲杠及軸要提高其直線度，導軌壓板及螺母的預緊力都要調(diào)得合適。為減少導軌副的摩擦阻力可改換成滾動 導軌副或采用貼塑導軌。根據(jù)阻力（力矩），切削用量的大小及機床型號的不同， 應通過計算，選用與之相匹配的步進電機。對加工精度要求較高的機床，其進給絲杠應換成滾珠絲杠副微機控制系統(tǒng)方案的確定1、機控制系統(tǒng)的總體組成數(shù)控部分采用MCS-51系

11、列的單片機控制，其典型代表有8031、8051、8075等，其中8031的價格低，功能強，比較適合于一般機床的數(shù)控改造， 但 由于其無內(nèi)存，必須外接存儲器及I/O擴展芯片才可以成為一個較簡單的微 機控制系統(tǒng)。存儲芯片的選擇依據(jù)系統(tǒng)控制程序的大小及CPU的字長，I/O擴展芯片 和I/O通道的個數(shù)來確定。2、軟硬件任務合理分配8 / 52主要是控制步進電機的脈沖發(fā)生與脈沖分配； 數(shù)碼顯示的字符發(fā)生； 鍵盤 掃描管理。三者都可以用專用硬件芯片或軟件編程實現(xiàn)。 用硬件實現(xiàn)， 編程 簡單， 但增加硬件成本及故障源。用軟件實現(xiàn)，節(jié)省芯片，降低成本，但增 加編程難度。在決定用何種方法實現(xiàn)時，應統(tǒng)籌兼顧，根據(jù)

12、自我經(jīng)驗和能力 來確定。9 / 52第二章機車進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算計算與說明系統(tǒng)負載的確定確定系統(tǒng)脈沖當量 脈沖當量是衡量數(shù)控機車加工精度的一個基本技術參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)車床采用的脈沖當量是0.010.005mm脈沖，此次改造的CA6140車床在縱向的Fy垂直走刀方向的切削力( (N)脈沖當量取0.01mm/脈沖。二、切削力計算用經(jīng)驗公式計算主切削力對于車床的主切削力1 5縱切：Fz=0.67D(N)Dmax車床床身上加工最大直徑( (mm)1 5Fz=0.67 (400).=5360(N)按比例分別求出分力Fx和Fy由Fz：Fx：Fy=1:0.25:0.4Fx走刀方向的切削力( (N)F

13、z=5360(N)Fx=1340(N)Fy=2144(N)Fm=2456(N)主要結果10 / 52得：Fx=0.25 FzFy=0.4 Fz=0.25X5360=0.4X5360=1340(N)=2144(N)2滾珠絲杠螺母副的設計、計算與選型、計算進給率引力Fm(最大工作載荷) )Fm=K Fx+f(Fz+G)查表3-4選綜合導軌，其K=1.15,摩擦系數(shù)f=0.150.18取仁0.165工作臺重量G=800(N)Fm=1.15X1340+0.15X(5360+800)C=3LfwfHFm=2456(N)計算最大動載荷CL壽命L=60nT10絲杠轉(zhuǎn)速( (r/min).n=1000VsLo

14、=4(mm)Vs最大切削力條件下的進給速度( (m/min),可取最高1 1進給速度的231現(xiàn)取最高進給速度的的3Lo-絲杠的導程( (mm)T使用壽命(h),對于數(shù)控機車T=15000hfw-運轉(zhuǎn)系數(shù)C=10482.88(N)Lo=6(mm)C=9157.64(N)Lo=8(mm)11 / 52查表得運轉(zhuǎn)系數(shù)fw=1.2，取硬度為60HRC，查表得硬度 系數(shù)fH=1.0160 X1000 X0.6x X150003X1.2X1XLoX106選基本導程Lo=4(mm)則最大動載荷C=3 1X16640.53=10482.88 ( N)I 4查表無法找到滿足要求的內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠選基本導程Lo=6

15、(mm)1-C=3:X16640.53=9157 64(N)選基本導程Lo=8(mm)C=3飛飛X16640.53=8320.265(N)由CCa查江漢機床廠C1型滾珠絲杠。其公稱直徑Do=50(mm),時Lo=6(mm) Lo=8(mm)都滿足C0.9滿足要求剛度驗算 絲杠的拉伸或壓縮變形量AL-在工作負載在工作負載作用下引起的每一導程的 變化量(mm)Fm工作負載，即進給率引力( (N)d1=35.18 (mm)F=972 (mm2)tg2.18n=tg(2.18o+0.17)=0.92461=0.0154(mm)13 / 52Lo-滾珠絲杠的導程( (mm)E 材料的彈性模數(shù)，對鋼E=2

16、0.6Xl04(N/mm2)2F-滾珠絲杠的截面積( (mm )Do-絲杠的公稱直徑e-偏心距R螺紋滾道半徑初選公稱直徑為40mm的絲杠驗算：基本導程為8mm的絲杠：滾道法面半徑R=0.52do=0.52 M.763=2.4767(mm) do偏心距e =(R-2MsinB=(2.064-4.763)sin45=0.0673(mm)2螺紋內(nèi)徑d1=do+2e-2R42彈性模量E=20.6X10(N/mm )D1=35.99mm2F=10仃mm14 / 52=35.1812(mm)n(F=43.14X35.181242=972(mm2)=40+2 X0.0673-2X2.4767S1=0.014

17、7(mm)則:AL=FmLoEFD1=45.99mm滾珠絲杠截面積15 / 52丄2456 X8=十_420.6X104X972=9.85X10-5(mm)則滾珠絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量 &為:42彈性模量E=20.6X10 (N/mm )2F=1660.8mm2&=XL十9.85X10-5X1300=0.0154(mm)16 / 52精度不合要求，所以改選基本導程為6mm的絲杠滾道法面半徑R=0.52do=0.52 X3.969=2.064(mm)偏心距e =(R-) )sinB螺紋內(nèi)徑d1=do+2e-2R=40+2 X0.056-2X2.064 =35.985(mm)n(F=43.1

18、4X35.98524=1017(mm2)則:_1=FmLoEFS1=0.0093mm=(2.064-3.9692)sin45=0.056(mm)滾珠絲杠截面積17 / 52丄2456 X6=十_420.6X104X1017=7.06X10-5(mm)則滾珠絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量 &為:4Si=XL十7.06X10-5十6Xl300= 0.0147(mm)S2=0.00205mm18 / 52由于機床精度要求為0.015mm,所以基本導程為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=0.52do=0.52 X3.969=2.064(mm)偏心距e =(R-d

19、) )sinp=(2.064-3.：9)sin45=0.056(mm)螺紋內(nèi)徑d1=do+2e-2R=50+2 X0.056-2X2.064 =45.985(mm)nd滾珠絲杠截面積F=143.14X45.98522=1660.8(mm2)彈性模量E=20.6X104(N/mm2)S3=0.0031mm-319 / 52丄2556 X6=十_420.6X104X660.8=4.3072X10-5（mm）則滾珠絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量&為:滾珠與螺紋滾道間接觸變形&有預緊時：&2=0.0013Fm2評迅乙刀評迅乙刀1 2 3Fm-軸向工作載荷Fy預緊力（kgf）do-滾珠直徑（mm）ZE滾珠

20、數(shù)量Z注注X圈數(shù)X列數(shù)Z一圈滾珠數(shù)，Z=do-3（內(nèi)循環(huán)）=3.14漢50=3.969-3=36.6(個)則:ALi=FmLEFZ=nDod。滿足剛度要求Si=XL十4.3072X10-5十6X1300= 0.0093(mm)Fk=1056299.2NDo-滾珠絲杠公稱直徑（mm）nk=430.07720/52則：Z i=36.6X1X3=109 7(個)則滾珠與螺紋滾道間接觸變形24569.83【3.969X2456X1X109.79.83=0.00205(mm)支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形丹 采用向心推力球軸承，用雙推一一雙推式軸向接觸變形$3=0 001331Fm軸承所受軸向載荷( (kgf)Z軸承的滾動體數(shù)目dQ軸承滾動體直徑( (mm)選用51106型推力球軸承其內(nèi)徑d=30(mm),外徑D=47(mm),3.14 X(30 +47)=14.2=14(個)則:dQ=D-d - 47-302=2=8.5(mm)軸承滾動體數(shù)目Z=n(d +D)2dQ則:pm$3= 0.00243陀2S2=0.0013Xn=0.944721 / 52(2456)2=0.0024； 9.82=0.0031(mm)85X282滾珠絲杠副剛度的驗算，主要