1、畢畢 業業 設設 計計 題題 目：目：CA6140CA6140 車床主傳動變速箱的數車床主傳動變速箱的數控改造設控改造設計系系 別：別：機電工程學院機電工程學院班班 級：級：姓姓 名：名： 指導教師：指導教師： 職職 稱：稱：工工 程程 師師日日 期：期：20072007 年年 5 5 月月 1616 日日目目 錄錄前言前言 (2)摘要摘要 (3)設計任務及要求設計任務及要求 (4)一一 車床主傳動變速箱結構分析車床主傳動變速箱結構分析 (5)二二 數控車床頭箱結構分析數控車床頭箱結構分析(6)2.12.1 主傳動系統主傳動系統 2.22.2 進給傳動系統進給傳動系統2.32.3 自動回轉刀架

2、自動回轉刀架2.42.4 機床尾座機床尾座三三 伺服系統及步進電動機的設計和計算伺服系統及步進電動機的設計和計算 (7) 3.13.1 伺服系統結構改造設計方案伺服系統結構改造設計方案 3.23.2 進給伺服機構機械部分的設計計算進給伺服機構機械部分的設計計算四四 同步帶傳動設計同步帶傳動設計 (14)4.14.1 同步齒形帶的選擇和校核同步齒形帶的選擇和校核4.24.2 主軸組件的設計主軸組件的設計五五 數控系統驅動的電路設計數控系統驅動的電路設計 (19) 5.15.1 硬件電路的基本組成硬件電路的基本組成 5.25.2 控制系統的功能控制系統的功能六六 潤滑系統的改造潤滑系統的改造 (2

3、2)體會體會 (23)參考文獻參考文獻 (23)前前 言言本次畢業設計主要是對機床機械部分進行改造,以步進電機驅動橫向進給運動、縱向進給運動以及刀架的快速換刀,使傳動系統變得十分簡單，傳動鏈大大縮短,傳動件數減少,從而提高機床的精度。 設計中，我們對有關數控機床及數控改造的相關書籍、刊物進行大量閱讀,收集了很多資料,了解了數控機床的基本概念，數控機床的發展概況，數控機床的組成及其工作原理，擴大了我們的知識面。 隨著科學技術的發展,現代機械制造要求產品的形狀和結構不斷改進，對零件的加工質量的要求也越來越高。隨著社會對產品多樣化要求的增強，產品品種增多,產品更新換代加速。數控機床代替普通機床被廣泛

4、應用是一個必然的趨勢。同時，數控機床將向著更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能發展。機床作為機械制造業的重要基礎裝備，它的發展一直引起人們的關注，由于計算機技術的興起，促使機床的控制信息出現了質的突破，導致了應用數字化技術進行柔性自動化控制的新一代機床數控機床的誕生和發展。計算機的出現和應用，為人類提供了實現機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發展，數控機床也得到迅速的發展和廣泛的應用，同時使人們對傳統的機床傳動及結構的概念發生了根本的轉變。數控機床以其優異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創機械產品向機電一體化發展的先河。 數控機床是以數字化的信息實現機床控制的機

5、電一體化產品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數字記錄在控制介質上，然后將數字信息送入數控裝置或計算機，經過譯碼，運算，發出各種指令控制機床伺服系統或其它的執行元件，加工出所需的工件。 數控機床與普通機床相比，其主要有以下的優點： 1.1. 適應性強，適合加工單件或小批量的復雜工件；在數控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現新工件加工。 2.2. 加工精度高； 3.3. 生產效率高； 4 4. 減輕勞動強度，改善勞動條件； 5.5. 良好的經濟效益； 6.6. 有利

6、于生產管理的現代化。 數控機床已成為我國市場需求的主流產品，需求量逐年激增。我國數控機機床近幾年在產業化和產品開發上取得了明顯的進步，特別是在機床的高速化、多軸化、復合化、精密化方面進步很大。但是，國產數控機床與先進國家的同類產品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設的需要。我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質差，性能落后，單臺機床的平均產值只有先進工業國家的 1/10 左右，差距太大，急待改造。CA6140CA6140 型車床主軸箱的數控化改造設計型車床主軸箱的數控化改造設計摘要摘要:了解數控機床的概念，所謂數字控制是按照含有機床(刀具)運動信息程序所指定的順序自動執行操作的

7、過程。而計算機數控機床就是數控機床在計算機監控下進行工作。它的優點很多,可以在同一機我國現床上一次裝夾可完成多個操作，生產率顯著提高等優點，但它的價格昂貴。由于在使用的機床大多數為普通車床，自動化程度低,要更新現有機床需要很多資金。縱向進給機構的改造：拆去原機床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座,配上滾珠絲杠及相應的安裝裝置，縱向驅動的步進電機及減速箱安裝在車床的床尾,不占據絲杠空間。橫向進給機構的改造：拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠,由步進電機帶動。總體設計方案:CA6140 車床主軸轉速部分保留圓機床的手動變速功能。車床的縱向和橫向進給運動采用步進電機驅動。最后,根據已知條件對縱向橫向伺服進給機構進

8、行設計與計算。關鍵詞關鍵詞: :數控、車床、改造 CA6140CA6140 普通車床主軸箱數控化改造設計的任務及設計要求普通車床主軸箱數控化改造設計的任務及設計要求（一）設計任務1.主要內容對 CA6140 車床主傳動變速箱進行數控改造。研究內容包括 CA6140 車床主傳動變速箱結構分析、數控車床頭箱結構分析、步進電機選擇、主軸結構設計、齒形帶傳動設計、驅動方案和驅動電路設計等。2.技術指標（1）主軸調速范圍：02000r/min；（2）步進電機開環控制。 （二）設計要求1.畢業設計（論文）一份：有 200 字左右的中英文摘要，正文后有 5 篇左右的參考文獻，正文中要引用 3 篇以上文獻，并

9、注明文獻出處。論文字數在 8000 字以上；2.主軸零部件圖、驅動方案框圖、驅動電路圖等相關圖紙（三）總體方案的確定 由于被改裝的機床本身的機械結構不是按數控機床的要求設計的，其精度和剛度等性能指標往往不能滿足數控機床的要求，因此將普通機床改造為全功能的數控機床，一味追求先進指標則會得不償失，所以確定總體方案的原則應當是在滿足生產需要的前提下，對原機床盡可能減少機械部分的改動量，選擇簡單易用的數控系統，達到合理的性價比。本次改造設計要求就是根據這一原則提出的。根據設計要求、依據設計參數及機床數控改造的理解，總體方案確定如下：1.系統的運動方式與伺服系統的選擇由于改造后的經濟型數控機床應具有定位

10、、直線插補、順、逆圓插補、暫停、循環加工、公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續控制系統。考慮到屬于經濟型數控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環控制系統。2.計算機系統根據機床要求，采用 8 位微機。由于 MCS51 系列單片機具有集成度高，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，決定采用 MCS51 系列的 8031 單片機擴展系統。控制系統由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O 接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現，顯示器采用數碼管顯示加工數據及機床狀態等信息。3.機械傳動方式為實現機床所要求

11、的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的傳動精度和平穩度，盡量減少摩擦量力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的結構。一、一、CA6140CA6140 車床主傳動變速箱結構分析車床主傳動變速箱結構分析 主軸箱的結構分析主軸箱的結構分析 機床主軸箱是一個比較復雜的傳動件.表達主軸箱各傳動件的結構和裝配關系時常用展開圖.展開圖基本上 是按各傳動鏈傳遞運動的先后順序,沿軸心線剖開,并展開在一個平面上的裝配圖(如圖 1) ： 圖 11花鍵套；2帶輪；3法蘭；4箱體；5鋼球；6齒輪；7銷；8、9螺母； 10齒輪；11滑套

12、；12元寶銷；13制動盤；14制動帶；15齒條；16拉桿； 17撥叉；18齒扇；19圓鍵1.CA6140 型車床主軸箱展開圖如上圖所示。 該圖是沿軸 IV 一 I 一 II 一 III(V)一 VI 一 XI 一 X 的軸線剖切面展開的。展開圖把立體展開在一個平面上，因而 其中有些軸之間的距離拉開了。如軸 IV 畫得 III 與軸 V 較遠，因而使原來相互嚙合的齒輪副分開了。讀展開圖時 ，首先應弄清楚傳動關系。 1 卸荷帶輪電動機經皮帶將運動傳至軸 I 左端的帶輪 2（見圖 1 的左上部分）。帶輪 2 與花鍵套 1 用螺釘連接成一體，支承在法蘭 3 內的兩個深溝球軸承上。法蘭 3 固定在主軸箱

13、體 4 上，這樣帶輪 2 可通過花鍵 1 帶動軸 I 旋轉，皮帶 的拉力則經軸承和法蘭 3 傳至箱體 4。軸 I 的花鍵部分只傳遞轉距，從而可避免因皮帶拉力而使軸 I 產生彎曲變 形。這種帶輪是卸荷的（既把徑向載荷卸給箱體）。二、數控車床頭箱結構分析二、數控車床頭箱結構分析數控車床的典型結構。1主傳動系統數控車床主運動要求速度在一定范圍內可調，有足夠的驅動功率，主軸回轉軸心線的位置準確穩定，并有足夠的剛性與抗振性。如下圖所示為濟南第一機床廠生產的 MJ-50 型數控車床的傳動系統圖。2進給傳動系統數控車床進給傳動系統是用數字控制 X、Z 坐標軸的直接對象，工件最后的尺寸精度和輪廓精度都直接受進

14、給運動的傳動精度、靈敏度和穩定性的影響。為此，數控車床的進給傳動系統應充分注意減少摩擦力，提高傳動精度和剛度，消除傳動間隙以及減少運動件的慣量等。為使全功能型數控車床進給傳動系統要求高精度、快速響應、低速大轉矩，一般采用交、直流伺服進給驅動裝置，通過滾珠絲杠螺母副帶動刀架移動。刀架的快速移動和進給移動為同一條傳動路線。如圖 3-3 所示，MJ-50 數控車床的進給傳動系統分為 X 軸進給傳動和 Z 軸進給傳動。3自動回轉刀架數控車床的刀架是機床的重要組成部分，其結構直接影響機床的切削性能和工作效率。回轉式刀架上回轉頭各刀座用于安裝或支持各種不同用途的刀具，通過回轉頭的旋轉分度和定位，實現機床的

15、自動換刀。回轉刀架分度準確，定位可靠，重復定位精度高，轉位速度快，夾緊性好，可以保證數控車床的高精度和高效率。按照回轉刀架的回轉軸相對于機床主軸的位置，可分為立式和臥式回轉刀架。（1）立式回轉刀架（2）臥式回轉刀架4機床尾座如右圖所示為 MJ-50 數控車床出廠時配置的標準尾座結構簡圖。從它上面我們可以看出，對 CA6140 車床的改造的方向。三三. .機床進給伺服系統機械部分以及步進電動機的設計和計算機床進給伺服系統機械部分以及步進電動機的設計和計算（一）進給伺服系統機械部分的結構改造設計方案1.縱向進給機械結構改造方案拆除原機床的進給像、溜板箱、滑動絲杠、光杠等，裝上步進電機、齒輪減速箱和

16、滾珠絲杠螺母副。為了提高支承剛度，采用向心推力球軸承對加止推軸承支承方式。齒輪間隙采用雙薄片調隙方式。利用原機床進給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲桿仍安置在原來的位置，兩端仍采用原固定方式。這樣可減少改裝工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數小于原絲杠，且外徑比原先的大，從而使縱向進給整體剛度只可能增大。 縱向進給機構都采用了一級齒輪減速。雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙。因為彈簧的彈力很難適應負載的變化情況。當負載大時，彈簧彈力顯小，起不到消除間隙之目的；當負載小時，彈簧彈力又顯大，則加速齒輪的磨損。因此，采用定期人工調整、螺釘緊固的辦法消除間隙。 縱向齒輪箱和溜板箱均加外罩，以保持機床原

17、外觀，起到美化機床的效果，在溜板箱上安裝了縱向快速進給和急停按鈕，以適應機床調整時的操作需要和遇到意外情況時的急停處理需要。2.橫向進給機械結構改造方案 拆除原中拖板絲桿，安裝滾珠絲桿副，為提高橫向進給系統剛度，支承方式采用兩端裝止推軸承。步進電機、齒輪箱安裝于機床后側，為了使減速機構不影響走刀，同時消除傳動過程的沖擊，減速機構采用二級傳動，從動輪采用雙薄片錯位消除間隙。(二)進給伺服機構機械部分的設計計算1. 選擇脈沖當量根據機床精度要求確定脈沖當量，縱向：0.01mm/步， 橫向：0.005mm/步（半徑）2.計算切削力2.1 縱車外圓主切削力 FZ（N）按經驗公式估算：FZ=0。67Dm

18、ax1。5=0。67*4001。5=5360 按切削力各分力比例： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 F X=53600.25=1340 FY=53600.4=21442.2 橫切端面主切削力 FZ（N）可取縱切的 0.5 FZ=0.5FZ=2680此時走刀抗力為 FY（N） ，吃刀抗力為 Fx（N） 。仍按上述比例粗略計算： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 FY=26800.25=670 FX=26800.4=10723.滾珠絲桿螺母副的計算和選型3.1 縱向進給絲桿3.1.1 計算進給牽引力 Fm（N）縱向進給為綜合型導軌 Fm=KFx+f（Fz+G） =1.1581340+

19、0.16（5360+800） =2530 式中 K考慮顛復力距影響的實驗系數，綜合導軌取 K=1.15； f滑動導軌摩擦系數：0.150.18； G溜板及刀架重力：G=800N3.1.2 計算最大動負荷 C C=3LfWFM L=60nt/106 N=1000Vs/Lo 式中 Lo滾珠絲桿導程，初選 L=6mm； Vs最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的（1/21/3） ，此處 Vs=0.6m/min T使用壽命，按 15000h； fw運轉系數，按一般運轉取 F=1.21.5； L壽命、以 106為一單位。n=1000Vs/Lo=10000.60.5/6=50r/minL=60NT/1

20、06=606015000/106=45C=3LfwFm=3451.22530=10798.7N 3.1.3 滾珠絲桿螺母副的選型查閱表，可用 W1L400b 外循環螺紋調整預緊的雙螺母滾珠絲桿副，1 列 2.5圈，其額定動負載為 16400N，精度等級按表 4-15 選為 3 級（大致相當老標準E 級） 。3.1.4 傳動效率計算=tg/tg(+)試中 螺旋升角，W1L400b=244摩擦角 10滾動摩擦系數 0.003-0.004=tg/tg(+) =tg244/tg(244+10)=0.94 3.1.5 剛度驗算最大牽引力為 2530N。支撐間距 L=1500mm 螺母及軸承均進行預緊，預

21、緊力為最大軸向負荷的 1/3。A. 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1根據 Pm=2530N，D0=40mm，查出 L/L=1.210-5可算出：1=L/L1500=1.210-51500=1.810-2由于兩端采用向心推力球軸承，且絲桿又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高 4 倍。其實際變形量 1(mm)為： 1=0.2510-2 B滾珠與螺紋滾道間接觸變形 qW 系列 1 列 2.5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 q ：q=6.4m因進行了預緊， 2 =0.5q =0.56.4=3.2mC支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形 3采用 8107 型推力球軸承，d1=35mm，滾動體直徑 dq=6.34mm，

22、滾動體數量 Z=18，c=0.00243Fm2/(dqZ2) =0.002432532/(6.35182)注意，此公式中 Fm單位為 kgf應施加預緊力，故3=0.5=0.50.0075=0.0038mm 根據以上計算：= 1+2+3 =0.0045+0.0032+0.0038 =0.0115mm定位精度3.1.6 穩定性校核。滾珠絲桿兩端推力軸承，不會產生產生失穩現象不需作穩定性校核。3.2 橫向進給絲桿3.2.1 計算進給牽引力 Fm橫向導軌為燕尾形，計算如下：Fm=1.4Fy+f(Fz+2Fx+G) =1.4670+0.2(2680+21072+600)2023N3.2.2 計算最大動負

23、荷 C n=1000V3/L0=10000.30.5/5=30 L=60nT/106=603015000/106 C=3LfwFm=3271.22030=7283N3.2.3 選擇滾珠絲杠螺母副從附錄 A 表 3 中查出，W1L20051 列 2.5 圈外循環螺紋預緊滾珠絲杠副，額定動載荷為 8800N，可滿足要求，選定精度為 3 級。3.2.4 傳動效率計算=tg/tg(+)=tg433/tg(433+10)=0.9653.2.5 剛度驗算橫向進給絲杠支承方式如 圖所示，最大牽引力為 2425N，支承間距L=450mm，因絲杠長度較短，不需預緊，螺母及軸承預緊。計算如下： A.絲杠的拉伸或壓

24、縮變形量 1(mm)查圖 4-6，根據 Fm=2032N，D0=20MM，查出 L/L=5105 可算出1= L /LL=4.2105 450=1.89102mm顯然系統應進行預拉伸，以提高剛度 故 =0.251=4.7103B.滾珠與螺紋滾道間接觸變形查資料（機床數控改造設計與實例M1 版 ， ） 。 q=8.5m因進行了預緊 2=0.5q=0.58.5=4.25mC.支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形采用 8103 型推力球軸承，dq=5Z=13d=17mmc=0.00243Fm2/(dqZ2) =0.00243202.3/5132=1.3103考慮到進行了預緊，故 3=0.5 c=0.51.

25、3103=6.5104綜合以上幾次變形量之和得：=123=4.7103+4.25103/+ =0.00960.015（定位精度 ）3.2.6 穩定性校核滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產生失穩現象不需作穩定性校核。傳動比計算4.傳動比計算4.1 縱向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量 p =0.01，滾珠絲杠導程 L0=6mm，初選步進電機步距角 0.75。可計算出傳動比 i i=360p / bL 0 =3900.01/0.756=0.8可選定齒輪齒數為： I =Z1/Z2 Z1=32，Z2=40 ，或 Z1=20，Z2=254.2 橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定橫向進給脈沖當量 p =0

26、.005，滾珠絲杠導程 L0=5mm，初選步進電機步距角 0.75。可計算出傳動比 i I=360p / bL 0=3600.005/0.755=0.48考慮到結構上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可采用兩級齒輪降速：i=Z1Z2/Z3Z4=34/55=2420/4025Z1=24，Z2=40，Z3=20，Z4=25因進給運動齒輪受力不大，模數 m 取 2。有關參數參照下表：齒數32 40 24 40 20 25分度圓d=mz64 80 48 80 40 50齒頂數da=d+2m68 84 52 84 44 54齒根數df=d-21.25m 59 75 43 7

27、5 35 45齒寬(6-8)m20 20 20 20 20 20中心距A=(d1+d2)/27264455.步進電機的計算和選型5.1 縱向進給步進電機計算5.1.1 等效傳動慣量計算方法計算如下，傳動系統折算到電機軸上的總傳動慣量 J(kgcm2)可有下式計算：J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+Js)+G/g(L0/2)2式中：Jm步進電機轉子轉動慣量(kgcm2)J1，J2齒輪 Z1、Z2的轉動慣量(kgcm2)Js滾珠絲杠傳動慣量(kgcm2)參考同類型機床，初選反應式步進電機 150BF，其轉子轉動慣量Jm=10(kgcm2)J1=0.78103d14L1=0.781036.42

28、2=2.6 kgcm2J2=0.78103d24L2=0.78103822=6.39 kgcm2Js=0.7810344150=29.952 kgcm2G=800N代入上式： J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+Js)+G/g(L0/2)2 =10+2.62+(32/40)2(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2)2=36.355 kgcm2考慮步進電機與傳動系統慣量匹配問題。Jm/J=10/36.355=0.275基本滿足慣量匹配的要求。5.1.2 電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉距不同，下面分別按各階段計算：A.快速空載啟動力矩 M起在快速空載起動階段，加速力矩

29、占的比例較大，具體計算公式如下： M起=Mamax+Mf+Ma Mamax=J= Jnnax102/(60ta/2) = J2nmax102/(60ta)nmax=maxb/p360將前面數據代入，式中各符號意義同前。 nmax=maxb/p360=24000.75(0.01360)=500r/min 啟動加速時間 ta=30ms Mamax=J2nmax102/(60ta)=36.3552500102/(600.03)=634.5Ncm 折算到電機軸上的摩擦力距 Mf： Mf=FOL0/2i=f(Pz+G)L0/(2Z2/Z1) =0.16(5360+800)0.6/(20.81.25)=9

30、4Ncm 附加摩擦力距 M0 MO=FPOL0(1-02)/2i=1/3FtL0(1-02)/(2Z2/Z1) =1/325300.6(1-0.92)/( 20.81.25) =805.30.19=15.3Ncm上述三項合計： M起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8NcmB快速移動時所需力矩 M快。M快=Mf+M0=94+15.3=109.3NcmC快速切削負載時所需力矩 M切M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2i =94+15.3+13400.6/(20.81.25) =94+15.3+127.96=237.26Ncm 從上面計算可以看出，M起、M

31、快和 M切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據。從有關手冊機床數控改造設計與實例M查出，當步進電機為五相十拍時 =Mq/Mjmax=0.951最大靜力矩 Mjmax=743.8/0.951=782Ncm按此最大靜力矩從有關手冊中查出，150BF002 型最大靜轉矩為13.72Nm。大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號，但還需進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。5.1.3 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率Fk=1000Vmax/60p =10002.4/600.01=4000HzFe=1000Vs/60p =10000.6/600.01=1000

32、Hz從下表中查出 150BF002 型步進電機允許的最高空載起動頻率為 2800Hz 運行頻率為 8000Hz,再從有關手冊中查出 150BF002 型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線。當步進電機起動時，f起=2500 時，M=100Ncm,遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（782Ncm）直接使用則會產生失步現象，所以必須采用升降速控制（用軟件實現） ，將起動頻率降到 1000Hz 時，起動力矩可增加到 5884Ncm，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，150BF002 型步進電機運行矩頻特性完全可以滿足要求。5.2 縱向

33、進給步進電機計算5.2.1 等效傳動慣量計算橫向傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量 J 可由下式計算 J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+J3)+Z3/Z(J+J)+G/g(L0/2)2式中各符號意義同前，其中J1=0.78103d14L1=0.781034.822=0.83kgcm2J2=0.78103d24L2=0.78103842=6.4 kgcm2J3=0.78103d24L3=0.78103442=0.4 kgcm2J4=0.78103d24L4=0.78103542=0.98 kgcm2Js=0.781032445=0.56kgcm2G=600nJm=4.7 （初選反應式步進

34、電機為 110BF）代入上式為： J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+J3)+Z3/Z(J+J)+G/g(L0/2)2 =4.7+0.83+(24/10)2(6.4+0.4)+(20/25)2(0.98+0.56)+600/10(0.5/2)2 =8.42kgcm2考慮到步進電機與傳動系統慣量的匹配問題Jm/J=4.7/8.42=0. 558基本滿足慣量匹配要求5.2.2 電機力矩計算A.快速空載起動力矩 M M起=Mamax+Mf+MaMamax=J= Jnnax102/(60ta/2) = J2nmax102/(60ta)式中： nmax=maxb/p360 =12000.75/(0.

35、005360)=500r/min ta=30msMamax=J2nmax102/(60ta)=8.422500102/(600.03)=147Ncm折算到電機軸上的摩擦力矩 MfMf=FOL0/2i=f(Pz+G)L0/(2Z2/Z1) =0.2(2680+600)0.50.48/(20.8)=31.3Ncm附加摩擦力矩 M0 MO=FPOL0(1-02)/2i=1/3FtL0(1-02)/(2Z2/Z1) =1/320230.50.48(1-0.92)/( 20.8) =6.1Ncm上述三項合計： M起=Mamax+Mf+Ma=147+31.3+6.1=184.4NcmB快速移動時所需力矩

36、M快。M快=Mf+M0=31.3+6.1=37.4NcmC.最大切削福載時所需力矩 M切M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2i =37.4+10720.50.48/(20.8)=88.6Ncm 由上面計算可以看出, M起、M快和 M切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，故以此項作為選擇步進電機的依據。根據步進電機轉矩 Mq與最大靜轉矩Mjmax的關系可知，當步進電機為三相六拍時：=Mq/Mjmax=0.866最大靜力矩 Mjmax=184.4/0.866=213Ncm查 BF 反應式步進電機技術參數得，110BF003 型步進電機最大靜轉矩為7.84Nm。大于所需最大靜轉矩，

37、可作為初選型號，但必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。5.2.3 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率Fk=1000Vmax/60p =10002.4/600.01=4000HzFe=1000Vs/60p =10000.6/600.01=1000Hz由 110BF003 型步進電機的技術參數可知其最高空載起動頻率為 1500Hz，運行頻率為 7000Hz。根據 110BF003 型電機的起動距頻特性和運行矩頻特性曲線可以看出，當步進電機起動時 F=1500Hz，M=98Ncm，小于機床所需的起動力矩（184.4Ncm） ，直接使用會產生失步現象，所以必須采用升降速控制（用軟

38、件實現） 。將起動頻率將為 1000Hz 時，既可滿足要求。當機床快速起動和切削進給時，則完全滿足運行矩頻要求。四、同步帶傳動設計四、同步帶傳動設計1同步齒形帶的選擇和校核 在車床改造時中，步進電動機與四缸傳動副之間裝有減速機構，通過減速機構可得到所需的脈沖當量和增大的驅動力矩。通常采用齒輪傳動或同步齒形帶傳動機構。同步齒形帶傳動是一種新型的帶傳動，其利用同步帶的齒型與帶輪的輪齒傳遞運動，無相對滑動，無噪聲，無需潤滑，傳動精度和效率高，同步帶傳動的帶速高達 4080m/s.傳遞功率可達 100KW，傳動比可達 1020，傳動效率 98%。因此在這次數控改造中我們采用同步齒形帶來傳遞運動。同步帶

39、傳動的設計步驟為：（1）模數根據表 1.12 m=41.6 6.510.4cAPK Pkw（2）齒數 1minZZ查表 1.3 選 130Z 2130 1.545ZZ i（3）帶輪節圓直徑為：11224 301204 45180dmzmmdmzmm（4）帶速為： 1 1300060 100060 1000DnV （5）中心距為： 則 210a600 取 a=50012120.7()2()ddadd （6）帶長為： 21221()()2147324ddddLamma （7）小帶輪嚙合齒數： 則211min126nddZZZaminmin(2,4;2,6)mZmZ114Z （8）帶寬 100010

40、00 10.4()0.9515czicPbk kpF 1.21 同步帶模數的選擇參考機械設計教材 1.22 同步帶傳動工作情況系數AK一天運轉時間/h載荷性質16載荷平穩11.11.2載荷變動小1.21.41.6載荷變動大1.41.72 1.23 小帶輪最小齒數minZ小帶輪轉速 n1(r/min) 模數 m/mm1.522.5,34571030001618202224 1.24 傳動比系數 k1n1/n21/1.251/1.251/1.71/1.71/2.5 1/2.51/3.51/3.5k110.950.90.850.8 1.25 聚氨酯同步帶（強力層為鋼絲繩）的質量和許用拉力模數 m/m

41、m1.522.5345單位寬度每米長度的質量182430354860單位寬度的許用拉力468101525 1.26 同步帶的齒數、長度和寬度 齒數 z模數 m1.522.5345名義長度 L35164.9219.2274.9329.940188.5251.3314.2377502.7628.350235.6314.2392.7471.2628.3785.460282.7377471.2565.5754942.570329.9439.8549.8659.7879.71099.680377502.7628.37541005.31256.690424.1565.5706.9848.211311413

42、.7100471.2628.3784.4942.51256.61570.8寬度 b83210151260126016802080 寬度系列8、10、12、16、20、25、32、40、50、60、802主軸組件的設計主軸在改造過程中還可以選用原來的主軸，因為主軸在精度、力學性能和經濟性上都能滿足改造后的要求。軸的支撐軸頸、配合軸頸是軸類零件的主要表面，它影響軸的旋轉精度與工作狀態。CA6140 車床主軸支撐軸頸和配合軸頸的尺寸精度通常為 IT69 級公差，特別精密的軸頸為 IT5 級，甚至更高。在力學性能上由于主軸在工作時，應力集中在主軸心部，而 CA6140 車床主軸采用空心形狀大大減小了應

43、力的集中，使軸的剛度有很大提高。主軸支撐是主軸組件的重要組成部分，主軸支撐是指主軸軸承、支撐座及其相關零件的組合體，其中核心元件是軸承。滾動軸承的主要優點是適應轉速和載荷變動的范圍大；能在零間隙或負間隙條件下穩定運轉，具有教高的旋轉精度和剛度；軸承潤滑容易，維修、供應方便，摩擦因數小等。主軸懸伸量的確定。主軸懸伸量 a 是指主軸前支撐徑向支反力的作用點到主軸前端面之間的距離，它對主軸組件剛度影響較大。根據分析和試驗，縮短伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性。因此，設計時在滿足結構要求的前提下，盡量縮短懸伸量 a。前軸徑 D1115mm 后軸徑 D280mm根據結構定懸伸長 a=115mm(1

44、) 求軸承剛度 主軸最大輸出轉矩Mn=9550=1260.6N m6.6n床身上最大加工直徑約為最大回轉直徑 60即：240mm故半徑為 0.12mFZ=10505N1260.60.12Fy=0.5 FZ=5252.5N故總切削力為 F11745N22FzFy先暫取初值為：=2.5 即暫取 L0 的初值為l0a2.5115287mm前后支撐支反力 PA 和 PB 分別為：PAF=11745Nl0 + al0345 12015830345Pb=F=11754Nal01203085345取前后支撐剛度為 KA1530N m KB=1030 N m(2) 求懸體跨距=1.495KAKB1530103

45、0初算時可假設主軸當量外徑 D 為前后軸頸的平均值，即： D （115+80）298mm故慣性矩為： I 0.005（0.0984-0.0484）58110-8 m4則 1183632.1 10581 100.521530 100.115AEIK a查下圖得02.62.6 115300olalmm /a值與原假設值相近，符合要求。0l五數控系統驅動的電路設計五數控系統驅動的電路設計一、硬件電路的基本組成任何一個數控系統都由硬件和軟件兩部分組成。硬件組成系統的基礎，其性能的好壞，直接影響到系統的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行，是可工作的控制系統。機床數控系統的硬件電路概括起來由以下四部分

46、組成。（1）中央處理器 CPU。（2）總線，包括數據總線（DB） 、地址總線（AB）和控制總線（CB） 。（3）存儲器，包括只讀可編存儲器和隨機讀寫存儲器。（4）I/O 輸入、輸出接口電路。其中 CPU 是數控系統的核心，是控制其它各部分協調工作的“大腦” ，其作用是進行數據運算處理和控制各部分電路協調工作。存儲器用于存放系統軟件、應用程序（監控程序）和運行中所需的各種數據。I/O 接口是系統與外界進行信息交換的橋梁。三總線則是 CPU 與存儲器、接口以及其它轉換電路聯接的紐帶，是 CPU 與外界進行信息交換和通訊的必由之路。數控系統硬件框圖如下所示。 根據總體方案及機械結構的控制要求，確定硬

47、件電路基本組成如下圖所示：1、系統的構成及工作原理該系統是由 PC 機和自行開發的數控控制板兩級控制組成，其組成如圖 l 所示。主要功能部件有：（1）數控控制板。考慮到經濟型數控改造的特點，數控板沒有采用常見的 ISA 總線插卡，而是結合本課題的具體情自行開發一塊以 8031 單片機為核心的數控控制板。它主要成實 EI 性任務，如機床狀態檢測、緊急情況處理、細插補運算、脈沖分配等。PC 機利用標準并行打印口與 8031 進行通信，將預處理RAMROM CPU I/O接口 光電隔離 功率放大器 步進電機 外設 外設設 鍵盤、顯示器 及其它 后的數控加工信息通過數控控制板完成對機床的控這種結構省去

48、了打開機箱的麻煩，方便安裝和維護。為提靠性和處理速度，采用硬件環形分配器產生脈沖控機的運轉。為增強系統的抗干擾能力，輸入輸出信號要經電隔離。（2）驅動電路。采用離低壓驅動方式，自行設計步進電機驅動電路板。2、接口硬件設計PC 機的標準并行打印口是一個具有 25 個引腳，3 個端址的控制接口。本系統只需把 PC 機插補后的數據快速的下傳，而上傳的只是機床的少量狀態信息，機床的動作主要由 8031 來控制完成。這種情況很適合打印機接口的通信特點。利用打印機接口在和數控控制板之間通信，不需增加額外硬件，只要把并行打的 3 個端口根據數控加工的需要重新定義即可利用，尤其適于經濟型數控改造。數控控制板的

49、有關組成電路如圖 2 所示。二、控制系統的功能 ( 一 )CPU 和存儲器CPU 采用 8031 芯片 8031 芯片內部具有 128 字節數據存儲器 RAM，地址為佳 00H7FH，用作工作寄存器。堆棧，軟件標志和數據緩沖器，CPU 對內部 RAM 有較為有效的操作指令。另加有 128 字節的特殊功能寄存器，地址為 80H-7FH。是用于對片內各功能模塊進行管理，控制，監視等。8031 芯片內部雖然沒有程序存儲器，只有 128 字節 ROM，在組成該系統時 RAM 不夠用。現外接一片 6264 芯片來擴展8031 的 RAM 存儲器。8031 是一個無 ROM 的 CPU。單片機的 8031

50、 不能滿足設計要求，不能夠成完整的計算機。外接兩片 2764，一片作為系統存儲器，一片作為加工程序存儲器。8031 的輸入、輸出（I/O）口線不多，不能滿足設計要求，現外接兩片 8155 芯片以擴展 I/O 口。8031 芯片的 P0 和 P2 接口用來傳送外部存儲器的地址和數據。P0 口傳送高 8 位地址，P2 口傳送低 8 位地址和數據，故要采用 74LS373 地址鎖存器，鎖存底 8 位。ALE 作為選通信號，當 ALE 為高電平，鎖存器的輸入和輸出透明，既輸入的低 8 位存儲器地址在輸出端出現。此時不需鎖存。當 ALE 從高電平變為低電平，出現下降沿時，低 8 位地址存入地址鎖存器重中，74LS373 的輸出不再隨輸入變化，即地質被鎖存。這樣 P0 口就可以傳送讀寫的樹據。8031 芯片的 P2 口和 74LS373 送出的 P2 口共同組