1、、刖言隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已是衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造水平的重要 標(biāo)志。目前機(jī)床數(shù)控化改造的市場(chǎng)在我國(guó)還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國(guó)機(jī)床數(shù) 控化率不到3%。用普通機(jī)床加工出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、 成本高、供貨期長(zhǎng)，從而在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的 產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)對(duì)普通機(jī)床數(shù)控改造，尤其適合我國(guó)機(jī)床擁有量大、生產(chǎn)規(guī) 模小的具體國(guó)情。電氣時(shí)代、機(jī)械工人、電氣應(yīng)用等多家雜志為滿足廣 大企業(yè)技術(shù)改造發(fā)展生產(chǎn)的需要，多次聯(lián)合舉辦學(xué)習(xí)班，為企業(yè)提供權(quán)威、經(jīng)濟(jì)、 可行、實(shí)用的技術(shù)指導(dǎo)，改

2、造費(fèi)用為新購(gòu)置費(fèi)用的四分之一到三分之一。普通機(jī)床的數(shù)控改造有兩方面的意義：1、微觀看改造的意義從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均 來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力?？梢约庸こ鰝鹘y(tǒng)機(jī)床加工不出來(lái)的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計(jì)算機(jī) 有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量， 因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面?？梢詫?shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 37倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來(lái)， 然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程 序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的

3、自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被 稱為實(shí)現(xiàn)了 “柔性自動(dòng)化”。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間 無(wú)人看管加工。由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力(一 個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床)，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可 對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù) 控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS （柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS （計(jì)算機(jī)集 成制造系統(tǒng)）等

4、企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心 技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。2、宏觀看改造的意義從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已 開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī) 械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過(guò)程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS夕卜，還包括 在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS （管理 信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等 的含量。由于采用信息技術(shù)對(duì)國(guó)外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化）， 最終使得他們的產(chǎn)品在國(guó)際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大

5、為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔?技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落后20年。如我國(guó)機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī) 床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1. 9%，而日本在1994年已達(dá)20.8%，因 此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要 性。二、普通機(jī)床的數(shù)控改造方案的確定1、系統(tǒng)總體改造方案的確定目前，在機(jī)械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機(jī)床，如果改用微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn) 機(jī)電一體化的改造，會(huì)使機(jī)床適應(yīng)小批量、多品種、復(fù)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(guó)國(guó)情。利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的 機(jī)電一體化改造的方法有兩種：一種是以微機(jī)為中心設(shè)計(jì)控制部件；另一種是采 用標(biāo)

6、準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。前者需要新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)， 比較復(fù)雜；后者選用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，比較簡(jiǎn)單。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)數(shù) 控系統(tǒng)通常采用單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)及專用的控制程序組成開(kāi)環(huán)控制， 如圖2-1所示，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。對(duì)機(jī)床的控制過(guò)程大多是由單片機(jī)按照 輸入的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，產(chǎn)生進(jìn)給，由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，輸出一 系列脈沖，經(jīng)功率放大、驅(qū)動(dòng)刀架、縱橫軸運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)刀具按規(guī)定的 輪廓軌跡運(yùn)動(dòng)。微機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算的速度較快，可以讓單片機(jī)每完成一次插補(bǔ)、進(jìn)給，就執(zhí)行一次延時(shí)程序，由延時(shí)程序控制進(jìn)給速度。圖2-1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖2、機(jī)械系統(tǒng)的改造方案的確

7、定在熟悉原機(jī)床的操作過(guò)程及傳動(dòng)系統(tǒng)后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng) 系統(tǒng)改造方案。包括電機(jī)型號(hào)的選擇，減速比的確定，齒輪模數(shù)及齒輪的確定， 原有絲杠及導(dǎo)軌是否要重新更換，改換成滾珠絲杠螺母副時(shí)絲杠螺母副的型號(hào)及 安裝形式如何確定，導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)方法等。對(duì)CA6140車床的縱向（Z向）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)控改造，此時(shí)可將開(kāi)合螺母 合上，離合器M 5脫開(kāi)，使主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)脫開(kāi)，此時(shí)，將脫落螺桿等橫向自 動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)至空擋（脫開(kāi)）位置。若原刀架為自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，則可以由微機(jī)控 制自動(dòng)轉(zhuǎn)換刀具，否則仍由手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架。如需加工螺紋，則要在主軸外端或其 他適當(dāng)位置安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器來(lái)檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)位，用它發(fā)出的脈沖來(lái)

8、保證主軸旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的相互關(guān)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(shí)際情況進(jìn)行檢修，才能保證控制精度。原有機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件（包 括導(dǎo)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(yīng)盡量減 小阻力（力矩），以提高步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的效率。對(duì)絲杠及軸要提高其直線度， 導(dǎo)軌壓板及螺母的預(yù)緊力都要調(diào)得合適。為減少導(dǎo)軌副的摩擦阻力可改換成滾動(dòng) 導(dǎo)軌副或采用鑲塑料導(dǎo)軌。根據(jù)阻力（力矩），切削用量的大小及機(jī)床型號(hào)的不 同，應(yīng)通過(guò)計(jì)算，選用與之相匹配的步進(jìn)電機(jī)。如果選用步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩 過(guò)大，價(jià)格就貴，機(jī)電一體化改造的成本就高，且對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，在使用中，始終 用不到那

9、么大的驅(qū)動(dòng)能力，也是一個(gè)浪費(fèi)；如果選得過(guò)小，在使用中很可能因各 種原因而使切削阻力突然增大，驅(qū)動(dòng)能力不夠，將會(huì)引起丟步現(xiàn)象的產(chǎn)生，造成 加工誤差。因此，必須對(duì)執(zhí)行元件進(jìn)行匹配選擇。對(duì)加工精度較高的機(jī)床，其進(jìn) 給絲杠應(yīng)換成滾珠絲杠副。3、微機(jī)控制系統(tǒng)方案的確定（1）、微機(jī)控制系統(tǒng)的總體組成數(shù)控部分采用MCS-51系列單片機(jī)控制，其典型代表有8031、8051、8075等， 其中8031的價(jià)格低，功能強(qiáng)，使用靈活等特點(diǎn)，比較適用于一般機(jī)床的數(shù)控改 造，但由于其無(wú)內(nèi)存，必須外接存儲(chǔ)及I/O擴(kuò)展芯片才可以成為一個(gè)較簡(jiǎn)單的微 機(jī)控制系統(tǒng)。存儲(chǔ)芯片的選擇依據(jù)系統(tǒng)控制程序的大小及CPU的字長(zhǎng)，I/O擴(kuò)展芯片

10、的個(gè) 數(shù)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)需要的I/O通道的個(gè)數(shù)來(lái)確定。（2）、軟硬件任務(wù)合理分配涉及軟、硬件任務(wù)分配的有：控制步進(jìn)電機(jī)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。上述三個(gè)都可以用磚用硬件芯片實(shí)現(xiàn)，也可用軟件編程實(shí)現(xiàn)。用硬件實(shí)現(xiàn)， 編程時(shí)比較簡(jiǎn)單，但同時(shí)增加了硬件成本及故障源。用軟件實(shí)現(xiàn)，可節(jié)省芯片， 降低成本，但增加了編程難度。在決定用何種方法實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，同時(shí)還 應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)者的軟、硬件方面的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及能力。計(jì)算與說(shuō)明主要結(jié)果三、機(jī)床傳動(dòng)部分的改造系統(tǒng)負(fù)載的確定1、確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì) 型數(shù)控車床米用的脈沖當(dāng)量是 0.010.0

11、05mm/脈沖，此次改造的 CA6140車床在縱向的脈沖當(dāng)量取0.01mm/脈沖。2、切削力計(jì)算用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主切削力對(duì)于車床的主切削力縱切：Fz=0.67 D盅(N) Dmax車床床身上加工最大直徑(mm)F =0.67X400 l5=5360 (N) z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Fy切深抗力得：Fx=0.25X5360=1340 (N)F =0.4X5360=2144 (N)作用在進(jìn)給拖板上的載荷可按下列式子求出：拖板上進(jìn)給方向載何：F = F =1340(N)拖板上垂直方向載荷：F = F = 5630(N)拖板上橫向方

12、向載何：F = F = 2144(N)滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型1、計(jì)算進(jìn)給率引力Fm(最大工作載荷)Fm=KFx+ f( FV +G)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，查表34機(jī)電一體化專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)， 選綜合型導(dǎo)軌，其K=1.15,摩擦系數(shù)f=0.16,工作臺(tái)重量G=800(N), 則：Fm=1.15X1340+0.16X (5360+800) =2526.6 (N)2、計(jì)算最大動(dòng)載荷CFQ=3L FwFHFm60nT1000V其中：L=； n為絲杠轉(zhuǎn)速(r/min) ,n=-s ；106L0Vs為最大切削力條件下的進(jìn)給速度(m/min),可取最高進(jìn)給速度的 1/21/3，取 Vs=0.6/3=

13、0.2 (m/min);F =5360 (N) zFx=1340 (N)Fy=2144 (N)Fm=2526.6 (N)L0為絲杠的導(dǎo)程（mm）;T為使用壽命（h），對(duì)于數(shù)控機(jī)車T=15000h;七為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，查表35機(jī)電一體化專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)取七=1.3 ；取硬度52.5HRC，F(xiàn)h為硬度系數(shù)，取七=1.35?？紤]到絲杠對(duì)加工精度和經(jīng)濟(jì)性的影響，L0應(yīng)優(yōu)先取4、6、8（mm） 系列；（1）選基本導(dǎo)程L0=4mm,則：絲杠轉(zhuǎn)速 n=1000匕=頂0* 0.2 =50 （r/min）L4060nT 60 x 50 x 15000壽命L45106106最大動(dòng)載荷：F21LFwFHFm= 45 x

14、 1.3x 1.35x2526.615772（N）（2）選基本導(dǎo)程L06mm,則：絲杠轉(zhuǎn)速n=1000匕10暨 0.2 邪（r/min） L63060 x100 x 15000A60nT3壽命L30106106最大動(dòng)載荷：Fq2 = M FwFHFm=330 x 1.3x 1.35x2526.613778（N）（3）選基本導(dǎo)程L08mm,則：絲杠轉(zhuǎn)速 n=1000匕1000： 0.2 25 （r/min）L8060nT 60 x 25 x 15000 壽命 L= 1 n =1 n=22-5106106最大動(dòng)載荷：F =3，LFwFHFm-22.5 x 1.3x 1.35x2526.612518

15、（N）考慮到工作要求，外循環(huán)插管式雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，安裝尺寸小，剛度高等優(yōu)點(diǎn)可以滿足車床改造 要求，故選漢江機(jī)床廠C1型滾珠絲杠。查機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)表7.213得相應(yīng)的額定動(dòng)載荷C.滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類 型，選用時(shí)應(yīng)滿足Fq 氣。查表，選擇以下驗(yàn)算：Fq115772（N）F =13778（N）F312518（N）當(dāng)L0 = 4mm時(shí)，?1 =15772 （N）,表中額定動(dòng)載荷顯示：匕0.9滿足設(shè)計(jì)要求。.,P人=arctan nd0P絲杠基本導(dǎo)程，Ph= L0d 0絲杠公稱直徑則滾珠絲杠副的摩擦角中=10 = 0-1670當(dāng) Lo = 6mm 時(shí)，因?yàn)閏0

16、.9滿足要求；當(dāng) Lo = 8mm 時(shí)，1,P8C人=arctan 卜=arctan= 3.644。必3.14 x 400tan3.6440門=0.956tan(3.6440 + 0.1670)門=0.9560.9滿足要求。4、剛度驗(yàn)算1)絲杠的拉伸或壓縮變形量5 1eFa Ma 251= -ES 土 2 祚式中Fm-絲杠的最大工作載荷，單位為N；a絲杠兩端支承間的距離，單位為mm；E絲杠材料的彈性模量，鋼的E=2.1x105MP ；aS絲杠按底徑d2確定的截面積，單位為mm2 ；M轉(zhuǎn)矩，單位為N mm ；I絲杠按底徑d2確定的截面積慣性矩(I =兀d4/64)，單位為mm4。其中，“+”號(hào)用

17、于拉伸，“一”用于壓縮。由于轉(zhuǎn)矩M 一般較小， 式中第2項(xiàng)在計(jì)算式可酌情忽略。當(dāng) L 0=6mm 時(shí)，F(xiàn) a51 m a 取 1185mm兀d 2S 2-4Lo = 6mm 時(shí)門=0.9420.9 滿足要求Lo=8mm時(shí)門=0.9560.9 滿足要求d 2 = d 0 + 2e 2Rd。絲杠的公稱直徑，e偏心距，R 螺紋滾道的半徑。R = 0.52 db = 0.52 x 3.969 = 2.064e = (R d / 2) sin p=(2.0643.969/2) x sin45=0.0795x 0.707 = 0.056mm故 d2 = 40 + 2 x 0.056 2 x 2.064 =

18、 35.984mm3.14 x 35.98424=1016.456mm 28 =室=2526.6 x 1185= 0.0141 ES2.1 x 105 x 1016.456若兩端采用角接觸球軸承，且絲杠由進(jìn)行了預(yù)緊，預(yù)緊力為最大工 作載荷的1/3時(shí)，其拉伸剛度可比一端固定的絲杠提高4倍，其實(shí)際 變形量為：Q 8L81 =才=0.003512）滾珠與螺紋滾道間接觸變形82mm （此項(xiàng)在總變形量中也占比較 大的比重）有預(yù)緊時(shí)： F8 1=0.00351 (mm)8 2 = .0013EFZ 2/10 A w YJ S式中：Dw-滾珠直徑，單位為mm ；Zs滾珠總數(shù)量，Z = Z x圈數(shù)x列數(shù)；Z單

19、圈滾珠數(shù)，Z =兀d0/DW （外循環(huán)），Z =（兀 d0/ Dw ） - 3 （內(nèi)循環(huán)）Fyj 預(yù)緊力，單位為N。Z： 一圈的滾珠數(shù)（外循環(huán)）7 兀 d 3.14 x 40Z = = 31.645 取 Z=32d 3.969 bZ廣 Z X 1x 2.5 = 80F = 2526.6NFyj = F 13 = 842.2N F5 2 = .001 WZ 2/10% w YJ 2526 6 =0.0013,= 0.0025610或3.969 x 842.2 x 802/10當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時(shí)，值可減少 一半，即：5 2 = 0.001283)剛度驗(yàn)算絲杠的總變

20、形量5 =51 +52。一般總變形量不應(yīng)大于機(jī)床規(guī)定的 精度一半。5 =51 +5 2 = 0.0048(0.015/2符合條件要求當(dāng) L0 =8mm 時(shí)，1)絲杠的拉伸或壓縮變形量515 1 = ESa 取 1185mm兀d 2S =2-4d 2 = d 0 + 2e 2Rd 0絲杠的公稱直徑，e偏心距，R 螺紋滾道的半徑。R = 0.52d，= 0.52 x 4.763 = 2.477e = (R d / 2) sin p =(2.477 4.763/2) x sin 45=0.0953x 0.707 = 0.0674mm5 2 =0.00128(mm )L =6mm 時(shí)5 = 0.004

21、8 (mm)符合故 d2 = 40 + 2 x 0.0674 - 2 x 2.477 = 35.181mmS =性=3.14 x 35812 = 971.597mm 2 44F a2526.6x1185八紀(jì)5 =- = 0.0147ES2.1x105 x 971.597若兩端采用角接觸球軸承，且絲杠由進(jìn)行了預(yù)緊，預(yù)緊力為最大工 作載荷的1/3時(shí)，其拉伸剛度可比一端固定的絲杠提高4倍，其實(shí)際 變形量為：c55；=彳=0.0036852）滾珠與螺紋滾道間接觸變形52mm （此項(xiàng)在總變形量中也占比較大的比重）有預(yù)緊時(shí)：cF.10%D F Z2/10飛 w YJ X式中：Dw-滾珠直徑，單位為mm ；

22、Z滾珠總數(shù)量，Z = Zx圈數(shù)x列數(shù)；Z單圈滾珠數(shù)，Z =兀d0/DW （外循環(huán)），Z =（兀d0/ D/ - 3 （內(nèi)循環(huán)）Fyj 預(yù)緊力，單位為N。Z： 一圈的滾珠數(shù)（外循環(huán)）Z 工=3142 = 26.37 取 Z=26d4.763bZ廣 Z x 1x 2.5 = 65F = 2526.6NFyj = F /3 = 842.2cF5 2E 祠 DF Z 2/10F w YJ X51=0.00372526-6 =0.0013,= 0.00275610%4.763 x 842.2 x 652/10當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時(shí)，值可減少 一半，即：5 2 = 0.001

23、3783)剛度驗(yàn)算絲杠的總變形量5 =5 +52。一般總變形量不應(yīng)大于機(jī)床規(guī)定的 精度一半。5 =5 +5 2 = 0.0051(0.015/2故符合條件。L =6mm,L =8mm都滿足要求。以基本導(dǎo)程最大的滾珠絲杠作為最終選擇，即以L =8mm的作為計(jì)算依據(jù)。5、穩(wěn)定性的驗(yàn)算 滾珠絲杠屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，如果過(guò)軸向負(fù)載過(guò)大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷fk應(yīng)滿足：F = f El f k Ka 2m式中：Fk臨界載荷，單位為N；f絲杠支承系數(shù)；K壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取為2.54，垂直安裝時(shí)取最小值；a 滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為mm。E 絲杠材料的彈性模量，E= 2.1x

24、105MP ；aI絲杠按底徑d 2確定的截面積慣性矩(l 兀 d 4/64)，單位為 mm 4。2fk因絲杠兩端固定，取絲杠支撐方式系數(shù)fk = 4 ；a 取 1185 mm ；5 2 =0.0014(m m)L =8mm 時(shí)5 =0.0051(m m)符合選用基本導(dǎo)程 為8mm的滾珠 絲杠，型號(hào)為 4008-2.5K壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，取4；I =兀d4/64 = 3.14x35.1814/64 = 75159.24mm4 ；2F = N = 4E2 x2x 105 x75159.24 = 110821.56kKa 24 x11852Ff故絲杠不失穩(wěn)四、電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算(一)減速比的確定減速比

25、為：i_ 總3600p式中：0為脈沖當(dāng)里(mm/plus);L為滾珠絲桿的基本導(dǎo)程(mm),。， 步進(jìn)電機(jī)的步距角由系統(tǒng)的定位精度要求可確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)里為：0 =0.01mm/plus 初選三相異步電動(dòng)機(jī)：根據(jù)經(jīng)濟(jì)性要求，采用三相六拍工作方式的 步進(jìn)電機(jī)，步距角為廣0.750。i=0.75 x 8 /(360 x 0.01)=1.67(二)齒輪傳動(dòng)的確定1、傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的選擇對(duì)于數(shù)控機(jī)車的齒輪傳動(dòng)，應(yīng)采用設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和工藝均較簡(jiǎn)單， 而且易獲得高精度的平行軸漸開(kāi)線圓柱齒輪傳動(dòng)。通常，齒輪傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)級(jí)數(shù)少一些比較好，因?yàn)榭梢詼p少零部 件的數(shù)目，簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)，并且可以提高傳動(dòng)精度

26、，減少空程 誤差，有利于提高傳動(dòng)效率。同時(shí)h* + c*=1.25較小，故在此選用 圓柱直齒輪單級(jí)傳動(dòng)。一般模數(shù)取m=12,數(shù)控車取m=2。齒輪寬b=(36)m，為了消除齒側(cè)隙，寬度可加大到(610) m。Z - 17，取 Z=30，m=2，則d = mz = 2 x 30 = 60(mm)d = d + 2m = 60 + 2 x 2 = 64(mm)df 1 =-1.25m x 2 = 60 -1.25 x 2 x 2 = 55(mm)b = (6 - 10)mm 取 b = 10mm絲杠不失穩(wěn)。z2 = zi = 30 X 1.67 = 50.1 注 51d = mz = 2 x 51

27、= 102(mm)d 2 = d2 + 2m = 102 + 2 x 2 = 106(mm)d22 = d2 - 1.25m x 2 = 102 -1.25 x 2 x 2 = 97(mm)b = (6 - 10)mm 取 b = 8mm中心距。=H =墮空=81(mm)22選小齒輪齒數(shù)z1 = 30,小齒輪的齒寬度七=10mm，大齒輪齒數(shù)Z2 = 51,大齒輪的齒寬度b2 = 8mm。對(duì)斜齒圓柱齒輪采用軸向墊 片調(diào)整法，修正或改變軸向調(diào)整墊片的厚度以減少側(cè)隙，但不能自 動(dòng)補(bǔ)償齒隙。(三)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用1、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算(1)齒輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計(jì)算nLoR 4 MD 2J =*=

28、 0.78D4LX10-3(kg -cm2)28M-圓柱體質(zhì)量(kg)D圓柱體直徑(cm)L-圓柱體長(zhǎng)度或圓度(cm)滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J = 0.78 x 44 x 118.5x 10-3 = 23.66kg cm2齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J 1 = 0.78 x 64 x 1x 10-3 = 1.01kg cm2J 2 = 0.78 x 10.24 x 0.8 x 10-3 = 6.75kg cm2查表3.11機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)檫x用電機(jī)限定工作方式的是三相六拍，步距角為0 = 0.75。，故符合的是：110BF003和110BF004。 b電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為：110BF003: J =

29、46.1 x 10-5kg m2 = 4.61kg cm2110BF004： J = 34.3x 10-5kg m2 = 3.43kg cm2z1 = 30d = 60 mm1d = 64mm1d = 55mmf 1b = 10mmz = 512d = 102 mm2d = 106mmd = 97 mmf 2b = 8 mma = 81mmJ s = 23.66(kg.cm 2)(2)工作臺(tái)折算到絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J = 1.01z1 kg cm2J 2 = 6.75 kg cm2J = (J )2 G = (L) GG2兀ng2兀gv工作臺(tái)移動(dòng)速度(c m/min)n絲桿轉(zhuǎn)速(r/min)G-工

30、作臺(tái)的重量(N)g重力加速度(10m/s2 )L絲桿導(dǎo)程(cm)J = (08 ) x 800 = 10.19kg cm2G 2 x 3.1410(3)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由于:/ k 空(知)2 G xkb( n )22兀, g i2j=ii i=1Z+ J,)(于)22=( )2 x = x (30)2 +1.01 + (6.75 + 25.96)(30)22 x 3.14105151=12.78kg .cm 2J k = (2)2 x 3 + J0.8 、800,1+(七 2式中：i-系統(tǒng)總的減速比J-各轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.cm2 )n各轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)速(r/min)nk電機(jī)

31、的轉(zhuǎn)速(r/min)Jm -電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.cm2)(4)系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J a = J k + J i = 12.78 + 4.61 = 17.39kg cm 2J 2 = J k + J 2 = 12.78 + 3.43 = 16.21kg cm 22、電機(jī)力矩的計(jì)算主要考慮快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩M起和最大切削負(fù)載時(shí)所需J = 10.19kg.cm 2J k = 12.78 kg.cm 2力矩M切。M 起=M+ M / + M 0M 切=M / + M o + M電機(jī)的啟動(dòng)負(fù)載Tq= maxM起，M切空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩Ma max，2兀n小Mamaxi - 1 60

32、； aT 2兀n小Mamax2 - 2 60； 乂 a式中：J -傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.cm2)v max運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度(mm/min)v= 2.4(m / min) = 2.4 x 103(mm / min)n 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min)n=呆 x% = 24r121x 經(jīng)=500(./min)max 83600.01360pta -運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大進(jìn)給速度所需時(shí)間(s)；=30ms a綜上有電機(jī)軸上的加速度力矩：M 1 = 303.36N cmM2 = 282.77N cm摩擦力矩M fM = ；，。.(N .cm)當(dāng)使用110BF003電機(jī)J 1

33、 = 17.39kg cm 2當(dāng)使用110BF004電機(jī)J 2 = 16.21kg cm 2式中：F0 -導(dǎo)軌的摩擦力（N）F= f（F + G）F 垂直方向的切削力（N） F廣5360NG-運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）G=800Nf /-導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f /=0.16i-齒輪總減速比i=1.67門傳動(dòng)鏈總效率，一般可取門=0.7 0.85 門=0.8則有：m =業(yè)x（800 + 5360）x0.8 =93.98n.如f2 x 3.14 x 0.8 x 1.67（3）附加摩擦力矩M0M P0l 一 門 2 ）02兀門i0式中：Fp0-滾珠絲桿預(yù)加負(fù)載（N），一般取工作載荷的%F 1F 842.2N p

34、 03 mL0滾珠絲桿導(dǎo)程（cm）L = 0.8cm門0 -滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取門0 0.9門 0 0.9則有：u842.2 x 0.8八八、M =x （1 一 0.92） 15.26N - cm0 2 x 3.14 x 0.8 x1.67（4）折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩Mt睥 FLM -0-t2兀門i式中：F進(jìn)給方向最大切削力（N）F =七=1340N當(dāng)使用110BF003電機(jī)M 1 303.36 N - cm當(dāng)使用110BF004電機(jī)M 2 282.77N - cmM f = 93.98N - cmM =1340 x 0.8=127.77N - cmt 2 x 3.14 x

35、 0.8 x1.67快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩M 起=M1 + M + M 0 = 303.36 + 93.98 +15.26=412.6N - cmM 起2= M max2 + M + M 0=282.77 + 93.98 +15.26 = 392.01N - cm最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩M = M + M + M=93.98 +15.26 +127.77 = 237.01N - cm在M起、M切兩種力矩中取大者為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。對(duì)于 大多數(shù)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，因?yàn)橐ＷC一定的動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)時(shí)間常數(shù) 較小，而等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又較大，故電機(jī)力矩主要是用來(lái)產(chǎn)生加速度 的，而負(fù)載力矩往往小于加速力矩，故常常用

36、快速空載起動(dòng)力矩作 為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。3、步進(jìn)電機(jī)的選擇（1）首先根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩M jmax初選電機(jī)的型號(hào)步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩M = max M起，M切:由M起M切，所以M = M 起了 412.6（ N .cm）M = M 起2= 392.01（ N .cm）電機(jī)的起動(dòng)力矩與最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩之間具有以下關(guān)系，見(jiàn)機(jī)電M一體化專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表310）：人=；，（因電 Mj max機(jī)工作方式為三相六拍，故取入=0.866）查表3.11機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，110BF003： M. 1 =784N.cm110BF004： M. 2 = 490N.cmM 0 = 15.26 N - cmMf = 1

37、27.77N - cm當(dāng)使用110BF003 電機(jī)M = 4126起1N - cm當(dāng)使用110BF004電機(jī)M =39201 起2N cm攔 4 =四=0.53M784j maxi半=竺以= 0.8M 2490因?yàn)槿藇人V 0.866，所以型號(hào)為110BF003和110BF004 12均符合要求，但是，型號(hào)為110BF003的步進(jìn)電機(jī)更符合要求，因?yàn)?七= 0.53，裕度較大；且110BF003的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩比110BF004的 大，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩越大，自鎖力矩越大，靜態(tài)誤差就越小。故選型號(hào)為 110BF003的三相六拍的步進(jìn)電機(jī)。（2）計(jì)算電機(jī)的工作效率1000 xv1）最大空載起動(dòng)頻率f - 一

38、g maxK600p式中：V max為運(yùn)動(dòng)部件最大快速進(jìn)給速度（m/min），v= 2.4 m / min/1000 x 2.4故:二=60 x 0.01 = 4000（ HZ）fK v內(nèi)密=7000Hz滿足要求/1000V2）切削時(shí)的最大工作頻率f - 600 sp式中：vs為最大切削進(jìn)給速度（m/min）v，一 0.6m/min/1000 x 0.6故：fc - 60 x 0.01 1000（Hz）由上述計(jì)算可知：系統(tǒng)要求的空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩頻率要大于電機(jī)的 空載起動(dòng)頻率1500Hz，且很難找到空載起動(dòng)頻率滿足要求的電機(jī)型 號(hào)，可以采用調(diào)壓起動(dòng)等方式起動(dòng)電機(jī)使電機(jī)的空載起動(dòng)頻率滿足 要求；而電機(jī)

39、運(yùn)行頻率7000Hz可以滿足系統(tǒng)要求。（2） 校核步進(jìn)電機(jī)1）校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和慣量的匹配條件為了使步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動(dòng)能力及較快的響應(yīng)速度，通 常推薦：MM 0.5或 J 4j maxm初選型號(hào)為110BF003的三相六拍的步進(jìn)電機(jī)式中：Mjmax -步進(jìn)電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（N.cm）,見(jiàn)電機(jī)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)表3-11得：M = 784N.cm （110BF003）J max1M 2 = 490N.cm（ 110BF004）M L-傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N.m）；Ml = M 切=237.01N .cmJm -步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2），見(jiàn)電機(jī)一體化系 統(tǒng)設(shè)計(jì)表3-11

40、得：J = 4.6&.cm2（110BF003） m1J = 3.43Rg.cm2 （110BF004） m 2JL-傳動(dòng)系統(tǒng)折算到步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.cm2）， J = 13kg.cm2。Ml = 237.01 = 0.302 0.5M m 1784虬=旦=2.82 4J 1 4.61故所選步進(jìn)電機(jī)110BF003具有良好的起動(dòng)能力及較快的響應(yīng)速 度，滿足要求。J = 13kg .cm 2LM l = 237.01 = 0.48 0.5M 2490J =叢=3.79 1/f式中：L-步進(jìn)電機(jī)一相繞組的平均電感量;Rm -通電回路的電阻。nmax= 127.5 r /minL和

41、Rm由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(表3-11反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)性 能數(shù)據(jù))。3、若選用線路簡(jiǎn)單的串聯(lián)電阻法改善靜電流上升沿，其時(shí)間常數(shù)為:fy=1020HZt . = L /(R / R0)貝上R0 =(L-T R)/T,其中：t . = 1ms所以R0 = (0.0355 -1 x 10-3 x0.37)/1 x 10-3 = 35.130)需要串聯(lián)如此大的電阻，在該電阻上損失的功率為1.26kw顯然 很不合理，所以采用雙電源電路。4、高壓電源電壓的確定電機(jī)每相工作三拍改變一次通電狀態(tài)，設(shè)要求在控制脈沖23寬 度時(shí)間內(nèi)相電流達(dá)到額定電流的60%，這個(gè)時(shí)間也就是高壓電源工 作時(shí)間，即單穩(wěn)翻轉(zhuǎn)時(shí)間，其值

42、為：tb = 2/3 f = 2/(3 x 1000) = 0.667 (ms )高電壓電源電壓Eh = IR /( - e-tb/t.)= 3.6x 0.37 /( - e-0.667/95.9 )= 192.2 牝 192(V)5、元件的確定（1）為了使電路簡(jiǎn)單、緊湊，功率放大T1和T2選用復(fù)合管2SD851BUCBOBUCEOBUBEOICBOUCES1501503102UhIPTBEEGCNCN1830001080150(2)確定R 2和R 3R = 35.13Q采用雙電源電 路從T和孔性能數(shù)據(jù)知，負(fù)載電流II = 6，基極電流為:I，= / Hfg = 6/3000 = 2（mA）式

43、中：Hfg-電路放大倍數(shù)因此等效輸入電阻為：R 1 = UBE /Ib = 8/2 = 4（KQ）t = 0.667(ms) b光耦合器選用：G0102光耦合器光敏三極管的輸入等效電路見(jiàn)下圖：從等效電路可得：Eh = 192(V)T1和T2選用復(fù) 合管2SD851I = I +1，Ib = 2( mA)IR= Ube =8.01/ 2=氣 - Ube =72選擇耦合器輸入電流1. =10mA（最大的電流為50mA）,電流傳輸比Cr =30%；I = I.CTr=10 * 30%=3mA光耦合器選用解上述方程組得：R3 = 8KQ ； R2 = 24KQ。（3）確定R1前面已選定耦合器輸入電流I

44、, =10mA，可得到光耦合器輸入正向壓降為 1.3V，所以%=（51.3）/I=370Q。（4）確定R5，R6若使電流上升沿陡，希望T2工作于飽和狀態(tài)（實(shí)際還沒(méi)有達(dá)到飽和電流，單穩(wěn)已翻轉(zhuǎn)成低電平）。首先確定基極電流I 。C 2負(fù)載的平均阻抗：Z 牝 E JiN =80/6=13.3QT2的飽和電流：七=（氣-2 - U Z=（192-2乂 2-80）/13-8.31AT2基極電流應(yīng)為：IB 2 = Ics （2）/ hFg=8.31/3000=2.77mA光耦合器輸入電流為100mA，所以：光耦合器輸出電流：Ic 2=匕 C TR=10 x 33%=3.3mA因此：16 = I 2-1b2

45、=3.3-2.77=0.53 mAC,求U0（0點(diǎn)電位）在期間0 t 七，U0是變化的，變化范圍近似為Eh 2至EhEn，計(jì)算時(shí)取平均值：U0= （ Eh 2）+（ Eh En）/2G0102R3 = 8 KQR2 = 24 KQR1 =370Q=(192-2) + (192-80) /2=151VT2的等效輸入電阻為：脂 Ub2=8/0.35 x 10 -3=22.86K R6 = Ubes /16 = 8/0.53x 10-3 牝 15.09KQR 8=( Uh - UCES -U 0)C2=(192-2-151) /3.3 x 10-3=11.82K Q確定R9為提供給單穩(wěn)和驅(qū)動(dòng)門足夠輸

46、入電流(各5mA),所以： R9=500Q選擇D1，D2選用2CZ13A硅整流二極管單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74221翻轉(zhuǎn)時(shí)間的確定當(dāng)單穩(wěn)74221的“清除端”加高電平A端加低電平時(shí)，B端正 躍變可使單穩(wěn)的Q端從低電平變成高電平，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間自動(dòng)翻轉(zhuǎn) 成低電平，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，Q端輸入一個(gè)脈沖，脈沖寬度由外電 阻R (取10K Q )和Cx決定，即：疽 Rt Cx Ln2則：Cx =七 /(Ln2 Rt)=0.667 x 10-3/(Ln2 x 10 x 10-3)=0.096 R F74221為雙單端多諧振蕩器，步進(jìn)電機(jī)需用3片74221。R 廣10K QCX =0.096 F六、微機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)

47、計(jì)（一）模塊組成本程序主要由如下模塊組成：1、主模塊用于系統(tǒng)初始化和監(jiān)控；其中初始化包括8155初始化、緩沖區(qū)清零、定時(shí)/ 計(jì)數(shù)常數(shù)的設(shè)置、開(kāi)中斷等處理；監(jiān)控主要判斷是否有命令按下，并根據(jù)命令調(diào) 用相應(yīng)的子程序模塊。主模塊流程圖如下；開(kāi)始顯示提示符“P鍵盤掃描Y8031串行口工作方式設(shè)定（方式0）8155初始化8255初始化鍵盤、顯小緩沖器清零根據(jù)各鍵盤功能、定義 轉(zhuǎn)向相應(yīng)功能塊0功能1功能N功能根據(jù)鍵盤功能鍵的設(shè)定，相應(yīng)的子程序模塊包括“一”、“f”、“1”、“I” 各個(gè)命令及“暫?！泵钐幚砟K。這里設(shè)定一標(biāo)志，其作用是反映XY工作臺(tái) 的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向。標(biāo)志位為內(nèi)部RAM區(qū)的2BH，其定義如

48、下：2BH單元值當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向(2B) =01Hf+X(2B) =02Hj-X(2B)=03Ht+Z(2B)=04HI-Z(2B)=00H初始時(shí)為00H2、子程序模塊使用暫停鍵“STOP”子模塊，暫停鍵功能是暫時(shí)使XYX作臺(tái)停止移動(dòng)，因 此只需停止步進(jìn)脈沖信號(hào)即可。3、越界報(bào)警、急停處理模塊本模塊的主要功能是當(dāng)XY工作臺(tái)移動(dòng)越出邊界時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處理，停止一切 正常工作，由復(fù)位重新使系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。報(bào)警用紅燈亮指示。4、實(shí)時(shí)修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊根據(jù)鍵盤的接口電路，可以用編程掃描方式和定時(shí)掃描方式。這里選擇后一 種，用定時(shí)中斷模塊同時(shí)完成鍵盤和顯示的掃描。對(duì)于鍵盤掃描，應(yīng)該解決去抖 動(dòng)問(wèn)題，一

49、般調(diào)用延時(shí)10ms左右來(lái)實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于顯示掃描，為保證多位同時(shí)顯 示而無(wú)閃爍，應(yīng)使掃描頻率高于50Hz。設(shè)定定時(shí)時(shí)間為3ms，即每隔3ms中斷1 次，修改一次顯示位，每位顯示的點(diǎn)亮?xí)r間是3ms，掃描一遍共需5X3=15ms， 掃描頻率約64Hz，高于50Hz。鍵盤采用每隔3X3=9ms掃描一次，其目的是消除鍵盤抖動(dòng)。設(shè)置一標(biāo)志位， 其地址為內(nèi)存RAM30H單元，用于計(jì)數(shù)中斷次數(shù)，當(dāng)其等于3時(shí)，正好隔9ms， 馬上查詢鍵盤。另外還應(yīng)設(shè)一標(biāo)志位，用以標(biāo)志連續(xù)兩次查詢到按鍵值是否一樣， 其地址為31H，定義如下：（31H） =1，表明上次查詢有鍵按下；（31H） =0，則為 無(wú)鍵按下。只要當(dāng)上次有鍵按下，且隔9ms后再次查詢有同一鍵按下時(shí)，才