.專業(yè).專注..專業(yè).專注..專業(yè).專注.C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)方案有11.34萬臺(tái)，這說明我國機(jī)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(shè)備大多數(shù)是傳統(tǒng)機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種機(jī)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(diǎn)，因此這些產(chǎn)品在國際、國市場上缺乏競爭了，這直接影響了企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須提高機(jī)床的數(shù)控化率。對(duì)于我國的實(shí)際情況，大批量的購置數(shù)控機(jī)床是不現(xiàn)實(shí)也是不經(jīng)濟(jì)的，只有對(duì)現(xiàn)有的機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造。數(shù)控改造相對(duì)于購置數(shù)控機(jī)床來說，能充分發(fā)揮設(shè)備的潛力，改造后的機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有很多突出優(yōu)點(diǎn)，由于數(shù)控機(jī)床的計(jì)算機(jī)有很高的運(yùn)算能力，可以準(zhǔn)確的計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)量，加工出較復(fù)雜的曲線和曲面。其計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記憶和存儲(chǔ)下來，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，就可以實(shí)現(xiàn)另一工件的加工，從而實(shí)現(xiàn)“柔性自動(dòng)化”。改造后的機(jī)床不象購買新機(jī)那樣，要重新了解機(jī)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(jì)算出機(jī)床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者對(duì)機(jī)床的特性早已了解，操作和維修方面培訓(xùn)時(shí)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(jī)那樣需要重新構(gòu)筑地基，還可以根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時(shí)地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平和檔次，將機(jī)床改造成當(dāng)今水平的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床是以微電子技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合為基礎(chǔ)，不但技術(shù)上具有先進(jìn)性，同時(shí)在應(yīng)用上比其他傳統(tǒng)的自動(dòng)化改造方案有較大的通用性和可用性，且投入費(fèi)用低，用戶承擔(dān)得起。由于自投入使用以來取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，已成為我國設(shè)備技術(shù)改造中主要方向之一，也為我國傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)朝機(jī)電一體化技術(shù)方向過渡的主要容之一。第一節(jié)設(shè)計(jì)任務(wù)1.1題目：C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)1.2任務(wù)將一臺(tái)C6140普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標(biāo)如下：床身上最大加工直徑400mm;最大加工長度1000mm；（3）X方向（橫向）的脈沖當(dāng)量0.005mm/脈沖，Z方向（縱向）x0.01mm/脈沖；z（4）X方向最快移動(dòng)速度v 2500mm/min，Z方向?yàn)閤max v 6000mm/min；xmax（5）X方向最快工進(jìn)速度v 400mm/min，Z方向?yàn)閤maxfv 700mm/min；xmaxf（6）X方向定位精度0.01mm，Z方向0.02mm；可以車削柱面、平面、錐面與球面等；安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導(dǎo)程24mm；安裝四工位立式電動(dòng)刀架，系統(tǒng)控制自動(dòng)選刀；自動(dòng)控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級(jí)變速與無級(jí)變速信號(hào)；自動(dòng)控制冷卻泵的啟/停;安裝電動(dòng)卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；縱、橫向安裝限位開關(guān)；數(shù)控系統(tǒng)可與PC機(jī)串行通信；顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用ISO數(shù)控代碼。第二節(jié)總體方案的確定總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進(jìn)給傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。1．普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。2．普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)結(jié)構(gòu)簡化，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。3．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性/價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。4．根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等，還要選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源以及主軸電動(dòng)機(jī)的交流變頻器等。5．為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給傳動(dòng)應(yīng)選用摩擦力小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動(dòng)間隙提高傳動(dòng)剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。6．計(jì)算選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速齒輪副，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。7．選擇四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架與電動(dòng)卡盤，選擇螺紋編碼器等。第三節(jié)機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案3.1主軸系統(tǒng)的改造方案對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造時(shí)，一般可保留原有的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣可以減少機(jī)械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。若要提高車床的自動(dòng)化程度，需要在加工中自動(dòng)變換轉(zhuǎn)速，可用2~4速的多速電動(dòng)機(jī)代替原有的單速主電動(dòng)機(jī)；當(dāng)多速電動(dòng)機(jī)仍不能滿足要求時(shí)，可用交流變頻器來控制主軸電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時(shí)，若工作頻率低于70Hz，原來的電動(dòng)機(jī)可以不更換，但所選變頻器的功率應(yīng)比電動(dòng)機(jī)大）。改造C6140車床時(shí)，若采用有級(jí)變速，可選用超力生產(chǎn)的YD系列7.5kW變級(jí)多速三相異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)2~4檔變速；若采用無級(jí)變速，應(yīng)加裝交流變頻器，推薦型號(hào)為：F100-G0075T3B,適配7.5kW電動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)廠家為惠豐電子。3.2安裝電動(dòng)卡盤為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動(dòng)卡盤，選用呼和浩特附件總廠生產(chǎn)的KD11250型電動(dòng)三爪自定心卡盤。卡盤的夾緊與松開由數(shù)控系。3.3換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架為了提高加工精度，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動(dòng)刀架換成自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，選用市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)的LD4B-CK6140型四工位立式電動(dòng)刀架。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀需要配置相應(yīng)的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。3.4螺紋編碼器的安裝方案螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時(shí)，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸信號(hào)的反饋元件，它與車床主軸同步。改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程是24mm，Z向的進(jìn)給脈沖當(dāng)量是0.01mm/脈沖，所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應(yīng)不少于24mm/(0.01mm/脈沖）2400脈沖?？紤]到編碼器的輸出有相位差90的A、B相信號(hào)，可用A、B異或后獲得2400個(gè)脈沖（一轉(zhuǎn)），這樣編碼器的線數(shù)可降到1200線（A、B信號(hào)）。另外，為了重復(fù)車削同一螺旋槽時(shí)不亂扣，編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個(gè)的零位脈沖Z?；谏鲜鲆?，選擇螺紋編碼器的型號(hào)為：ZLF-1200Z-05VO-15-CT。電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出1200個(gè)A/B脈沖與1個(gè)Z脈沖，信號(hào)為電壓輸出，軸頭直徑15mm，生產(chǎn)廠家為光機(jī)數(shù)顯技術(shù)。螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對(duì)傳動(dòng)比為1:1的同步齒形帶與主軸連接起來。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性連接，且車床組、主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。3.5進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案拆除掛輪架所有齒輪，在此主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與同步帶減速箱總成。（3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的的螺母座與螺母座托架。拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四工位立式刀架。拆除橫溜板下的滑動(dòng)絲桿螺母副，將滑動(dòng)絲桿靠刻度盤一段（長216mm，見圖一）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個(gè)推力軸承，換上滾珠絲杠副。將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過法蘭安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支承。改造后的橫向、縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)分別見附圖一和附圖二。第四節(jié)進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型縱、橫向進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型主要包括：確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力、選擇滾珠絲杠螺母副、設(shè)計(jì)減速箱、選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。4.1脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，X方向（橫向）的脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，Z方向（縱向）為0.01mm/脈沖。x z4.2切削力的計(jì)算（1）縱向切削力算設(shè)工件為碳素結(jié)構(gòu)鋼，650MPa；選用刀具材料為硬質(zhì)合金bYT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角k60，前角10，刃傾角5； r 0 s切削用量為：背吃刀量3mm，進(jìn)給量f0.6mm/r，切削速度pv105m/min。c查表得：G2795，x1.0，y0.75，n0.15；主偏角KFc FC Fc Fc r的修正系數(shù)K 0.94；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)KrFc值均為1.0。由經(jīng)驗(yàn)公式：FCxFcfyFcVnFcK，算得主切削力F2673.4N;C F p c F cc c由經(jīng)驗(yàn)公式：F:F:F1:0.35:0.4，算得縱向進(jìn)給切削力F935.69N, c f p f背向力F1069.36N。P（2）橫向切削力計(jì)算橫向主切削力為縱向的一半，所以橫向主切削力1F'F1336.7Nc2c由經(jīng)驗(yàn)公式F:F:F1:0.35:0.4,求得橫向進(jìn)給切削力F467.85N，c f p f背向力F534.68N。p4.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型1.縱向：(1)工作載荷F的計(jì)算m已知移動(dòng)部件總重量G1300N；車削力F2673.4，F(xiàn)1069.36N，F(xiàn)935.69N。根據(jù)FF，F(xiàn)F，F(xiàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)P f z c y p x f系，可得：F2673.4N，F(xiàn)1069.36N，F(xiàn)935.69N。 z y x選用矩形-三角形組合滑動(dòng)導(dǎo)軌，查表，取K1.15，0.16，代入FKF(FG),得工作載荷F1712N. m x z m(2)最大動(dòng)載荷F的計(jì)算Q設(shè)本車床Z向在承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度v0.8m/min，初選絲杠基本導(dǎo)程P6mm，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速hn1000v/P133r/min。h取滾珠絲杠的使用壽命T15000h，代入L60nT/106,得絲杠壽0命系數(shù)L119.7(單位為：106r）。0查表，取載荷系數(shù)f1.15，再取硬度系數(shù)f1，代入式 W HF3LffF，求得最大動(dòng)載荷F3LffF9703N。Q0W H m Q0W H m初選型號(hào)根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷，查表，選擇啟東潤澤機(jī)床附件生產(chǎn)的FL4006型滾珠絲杠副。其公稱直徑為40mm，基本導(dǎo)程為6mm，雙螺母滾珠總?cè)?shù)為32圈6圈，精度等級(jí)取4級(jí)，額定動(dòng)載荷為132000N，滿足要求。傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑d40mm，基本導(dǎo)程P6mm，代入 0 harctan[P/(d)]，得絲杠螺旋升角244'。將摩擦角10'，代入 h 0tan/tan()，得傳動(dòng)效率94.2%。剛度的驗(yàn)算1）縱向滾珠絲杠的支承，采取一端軸向固定，一端簡支的方式，見圖二。固定端采取一對(duì)推力角接觸軸承，面對(duì)面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距離約為a1497mm；鋼的彈性模量E2.1105MPa；查表得滾珠直徑D3.9688mm，算得絲杠底徑WFaMa2d公稱直徑d滾珠直徑D36.0312mm。忽略式m中2 0 W 1 ES 2IE的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷F作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量mFa/(ES)0.01197mm。m根據(jù)公式Z(d/D)3，求得單圈滾珠數(shù)目Z29,該型號(hào) 0 W絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)?shù)為326，則滾珠總數(shù)量Z296174。滾珠絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力FF/3571N。則由式 YJ mF0.0013 m ,求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量103DFZ2/10 W YJ0.00117mm。因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)變形量可減小一半，取0.000585mm。將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對(duì) 1 2 總 1 2應(yīng)跨度1497mm）0.012555mm12.555m。由表知，4級(jí)精度滾珠絲總杠任意300mm軸向行程行程的變動(dòng)量允許16m，而對(duì)于跨度為1497mm的滾珠絲杠，總的變形量只有12.555m，可見絲杠剛度足總夠。(6)壓桿穩(wěn)定性校核f2EI根據(jù)式Fk F計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷F。查表取支承k Ka2 m k系數(shù)f2；由絲杠底徑d36.0312，求得截面積慣性矩 k 2Id4/6482734.15mm2；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安2裝）；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離a取最大值1497mm。代入式f2EIFk F，得臨界載荷F51012N,遠(yuǎn)大于工作載荷F(1712N)，k Ka2 m k m故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。綜上所述初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。4.4同步帶減速箱的設(shè)計(jì)為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量盡可能地減小，傳動(dòng)鏈中常采用減速傳動(dòng)。C6140車床縱向減速箱選用同步帶傳動(dòng)。設(shè)計(jì)同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳動(dòng)的功率P；主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n和傳動(dòng)比i；傳動(dòng)系統(tǒng)的位置和工作條件等。1根據(jù)改造經(jīng)驗(yàn)，C6140車床縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩通常在15~25Nm之間選擇。初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為130BYG5501,五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩20Nm，十拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為0.72。傳動(dòng)比的確定已知電動(dòng)機(jī)的步距角0.72，脈沖當(dāng)量0.01mm/脈沖，zP滾珠絲杠導(dǎo)程P6mm，代入式ih算得傳動(dòng)比i1.2h 360主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速n 由縱向床鞍的最快動(dòng)速度v 6000mm/min，得出主動(dòng)輪 的最高轉(zhuǎn)速n(v /)/3601r/min。 1 zmax z（3）確定帶的設(shè)計(jì)功率Pd預(yù)選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1200r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的步進(jìn)脈沖頻率為f1200360/(60)1200360/(600.72)Hz10000Hz。當(dāng)max脈沖頻率為10000Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為3.8Nm，對(duì)應(yīng)的輸出功率為PnT/9.5512003.8/9.55W478W。取OUTP0.478kW，K1.2,代入式PKP，得出 A d AP1.20.478kW0.574kW.4）選擇帶型和節(jié)距pb根據(jù)帶的設(shè)計(jì)功率P0.574kW和主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速dn1200r/min，選取同步帶的型號(hào)為L型節(jié)距p9.525mm。 1 b確定小帶輪齒數(shù)z和小帶輪節(jié)圓直徑d 1 1pz取z15，則小帶輪節(jié)圓直徑db145.48mm。當(dāng)n達(dá)到 1 1 1dn601000 最高轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)，同步帶速度為v 112.86m/s，沒有超過L型帶的極限速度35m/s。確定大帶輪齒數(shù)z和大帶輪節(jié)圓直徑d 2 2大帶輪齒數(shù)ziz18，節(jié)圓直徑did54.57mm。 2 1 2 1初選中心距a、帶的節(jié)線長度L、帶的齒數(shù)z 0 0p b初選中心距a1.1(dd)110.06mm，圓整后取a110mm。 0 1 2 0 (dd)2 則帶的節(jié)線長度為L2a(dd)1 2377.33mm。查 0p 021 2 4a0表選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長度L381mm，相應(yīng)齒數(shù)z40。 p b計(jì)算實(shí)際中心距aLL 實(shí)際中心距aap 0p111.835mm。 0 2校驗(yàn)帶與小帶輪的的嚙合齒數(shù)zmz pzzent[1b1(zz)]7，嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。m 222a2 1此處ent表示取整。計(jì)算基準(zhǔn)額定功率P0所選型號(hào)同步帶在基準(zhǔn)寬度下所允許傳遞的額定功率：(Tmv2)v Pa ，式中T表示帶寬為b時(shí)的許用工作壓力，查 0 1000 a s0表得T244.46N；m表示帶寬為b時(shí)的單位長度的質(zhì)量，查表 a s0得m0.095kg/m；v表示同步帶的帶速，由上述（5）知v2.86m/s。代入式子算得P0.697kW.0確定實(shí)際所需同步帶寬度bsPbb(d)1/1.14，式中b表示選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度，查表s s0KP s0z0得b25.4mm；K表示小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，查表得K1。由 s0 z z上式算得b21.42mm，再根據(jù)表選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬b25.4mm。 s s帶的工作能力驗(yàn)算b根據(jù)式P(KKTsmv2)v103，計(jì)算同步帶額定功率P的zw bs0精確值：式中K為齒寬系數(shù)：K(b/b)1.141。經(jīng)計(jì)算得 w w s s0P0.697kW,而P0.574kW,滿足PP。因此，帶的工作能力合d d格。4.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型（1）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq已知：滾珠絲杠的公稱直徑d40mm，總長（帶接桿）0l1560mm，導(dǎo)程P6mm，材料密度7.85103kg/cm3；縱向h移動(dòng)部件總重量G1300N；同步帶減速箱大帶輪寬度28mm，節(jié)徑54.57mm，孔徑30mm，輪轂外徑42mm，寬度14mm；小帶輪寬度28mm，節(jié)徑45.48mm，孔徑19mm，輪轂外徑29mm，寬度12mm；傳動(dòng)比i1.2。將上述數(shù)據(jù)代入公式，可得出：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J30.78kgcm2；床鞍折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量SJ1.21kgcm2；小帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J0.95kgcm2，大帶輪的 W z1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1.9kgcm2。在設(shè)計(jì)減速箱時(shí)，初選的縱向步進(jìn)z2電動(dòng)機(jī)型號(hào)為130BYG5501，查表得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J33kgcm2。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量m為：JJJ(JJJ)/i257.55kgcm2。（2）算在進(jìn)動(dòng)轉(zhuǎn)上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1）快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T由式TTTT，可知T包括三部分：快速載起 eq1 amax f 0 eq1 動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩T 、移動(dòng)部件運(yùn)amax動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩T、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T。為滾珠絲杠副傳動(dòng)0FP 效率很高，根據(jù)式TYJh(12)可知，T相對(duì)于T 和T很02i00amaxf小，可以忽略不計(jì)。則有：TTT（4-1） eq1 amax f2Jn根據(jù)式T Jeqm，考慮縱向傳動(dòng)鏈的總效率amax eq 60ta，計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn) 2Jn 1矩：T eqm（4-2）式中n表示對(duì)應(yīng)縱向空載amax 60t ma最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min；t表a示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至n轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為mvs。其中：nmax（4-3）式中v表示縱向空載最m360 max快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為6000mm/min；表示縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角。為0.72；表示縱向脈沖當(dāng)量，為0.01mm/脈沖。將以上各值帶入式（4-3），算得n1200r/mmin。m設(shè)表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至n轉(zhuǎn)速所需時(shí)間mt0.4s，縱向傳動(dòng)鏈總效率0.7；則由式（4-2）求得：a 257.551041200 FPTNm2.58Nm，由式T摩h可amax600.40.7 f2i知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：(FG)P T c h（4-4）式中表示導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滑動(dòng) f 2i導(dǎo)軌取0.16；F表示垂直方向的工作載荷，空載時(shí)取0；表c示縱向傳動(dòng)鏈總效率，取0.7。則由式（4-4）得：0.16(01300)0.006TNm0.24Nm，最后由式（4-1），f 20.71.2求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：TTT2.82Nm(4-5)eq1amaxf2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2由式TTTT可知，T包括三部分：折算到電 eq2 t f 0 eq2動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T、移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折t算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩T、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)T。T相對(duì)于T和T很 0 0 f t小，可以忽略不計(jì)。則有：TTT（4-6） eq2 t f其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩TtFP由式Tfh計(jì)算，本例中在對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)t2i候，已知進(jìn)給方向的最大工作載荷F935.69N,則有：f FP 935.690.006Tfh Nm1.06Nmt2i20.71.2FP再由式T摩h計(jì)算承受最大工作負(fù)載f2i（F2673.4N）情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)c轉(zhuǎn) 軸 上 的 摩 擦 轉(zhuǎn) 矩 : (FG)P 0.16(2673.41300)0.006TchNm0.72Nmf2i20.71.2最后由式（4-6），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：TTT1.78Nm（4-7） eq2 t f經(jīng)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩：Tmax{T,T}2.82Nm（4-7） eq eq1 eq2（3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟布，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： T 4T42.82Nm11.28Nm（4-8） jmax eq對(duì)于前面預(yù)選的130BYG5501型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，查表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩T20Nm，可見完全滿足式（4-8）要求。jmax（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1）最大工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定縱向最快工進(jìn)速度v 700mm/min，脈沖當(dāng)量maxfv0.01mm/脈沖，由式f maxf求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率maxf 60 f 700/(600.01)Hz1167Hz。在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)maxf 矩T 17Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1.78Nm，滿maxf eq2足要求。2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定縱向最快空載移動(dòng)速度v6000mm/min，由式maxvfmax，求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率max60f6000/(600.01)Hz10000Hz。查表得，此頻率下，電動(dòng)機(jī)的max輸出轉(zhuǎn)矩T3.8Nm，大于快速空載起動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2.82Nm滿足要求。eq1最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核最快空載移動(dòng)速度v6000mm/min，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻max率f10000Hz。查表可知130BYG550的極限運(yùn)行頻率為max20000Hz，可見沒有超出上限。起動(dòng)頻率的計(jì)算已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J57.55kgcm2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)eq子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J33kgcm2，查表可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何mf負(fù)載時(shí)最高空載起動(dòng)頻率f1800Hz。由式f q ，可q L 1Jeq/Jm以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為：f1087Hz，L上式說明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于1087Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻率時(shí)，起動(dòng)頻率選得很低，通常只有100Hz(即100脈沖/s)。綜上所述，縱向進(jìn)給系統(tǒng)選用130BYG550步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足要求。4.6同步帶傳遞效率的校核分兩種工作情況，分別進(jìn)行校核。（1）快速空載起動(dòng)電動(dòng)機(jī)從靜止到加速至n1200r/min，由式（4-5）可知，m同步帶傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2.82Nm，傳遞的功率為PnT/9.5512002.82/9.55W54.3W。meq1（2）最大工作負(fù)載、最快工進(jìn)速度由式（4-7）可知，帶需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1.78Nm，任務(wù)書給定最快工進(jìn)速度v700mm/min，對(duì)應(yīng) eq2 maxf 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n (v /)/360140r/min。傳遞的功率為 maxf maxf zPT/9.551401.78/9.55W26.1W。eq2可見，兩種情況下同步帶傳遞的負(fù)載功率均小于帶的額定功率0.697kW。因此，選擇的同步帶功率合格。第五節(jié)繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖在完成滾珠絲杠螺母副和步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選型后可以著手繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)的機(jī)械裝配圖。在繪制機(jī)械裝配圖時(shí)，還應(yīng)認(rèn)真的考慮與具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的一些問題。（1）了解原機(jī)床的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。（2）根據(jù)載荷特點(diǎn)和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號(hào)，軸承座的結(jié)構(gòu)以及軸承預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式，確定齒輪軸支承軸承的型號(hào)?？紤]各部件之間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。箱上的聯(lián)接與定位等?？紤]密封、防護(hù)、潤滑以及安全機(jī)構(gòu)等問題。在進(jìn)行各零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。第六節(jié)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考慮以下功能：接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示；接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號(hào)；接收車床限位開關(guān)信號(hào)；接收螺紋編碼器信號(hào)；接收電動(dòng)卡盤夾緊信號(hào)與電動(dòng)刀架刀位信號(hào)；控制X、Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止；控制多速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級(jí)變速；控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無級(jí)變速；控制切削液泵起動(dòng)/停止；控制電動(dòng)卡盤的夾緊與松開；控制電動(dòng)刀架的自動(dòng)選刀；與PC機(jī)的串行通信。圖（2）為控制系統(tǒng)的原理框圖。CPU選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89S52；由于AT89S52本身資源有限，所以擴(kuò)展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲(chǔ)器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存放用戶程序；鍵盤與LED顯示采用8279來管理；輸入/輸出口的擴(kuò)展選用了并行接口8255芯片，一些進(jìn)/出的信號(hào)均做了隔離放大；模擬電壓的輸出借助于DAC0832;與PC機(jī)的串行通信經(jīng)過MAX233芯片。數(shù)控系統(tǒng)的操作面板布置如圖（1）所示。面板設(shè)置了48個(gè)微動(dòng)按鈕，三個(gè)船形開關(guān)，一只急停按鈕，顯示器包括1組數(shù)碼管和77只發(fā)光二極管。交流變主軸電動(dòng)隔離放X向步進(jìn)電動(dòng)隔離放隔離放隔離放隔離放隔離放隔離放隔離放Z向步進(jìn)電動(dòng)刀架電動(dòng)機(jī)主軸電動(dòng)機(jī)卡盤電動(dòng)機(jī)切削液泵電刀架刀位信限位開關(guān)信SRAM芯片6264復(fù)位電晶振電EPROM芯片W27C5CPUAT89S52單片機(jī)鍵盤與顯示接口芯片串行接口芯片MAX23并行接口芯片8255D/A轉(zhuǎn)換芯片螺紋光柵信操作面板開關(guān)/按鈕主機(jī)板中存儲(chǔ)器與I/O芯片的地址分配，如下表所示：器器件名稱地址選擇線（0~15AA）片地址單元數(shù)地址編碼6264,,,0008KFFFHH1~0000825511,1111,1111,00114FFFHFFCH3~38279111,1111,1111,01012FFFHFFEH5~5DAC08321111,1111,1111,01111FFFH7控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序系統(tǒng)設(shè)有7檔功能可以相互切換，分別是“編輯”、“空刀”、“自動(dòng)”、“手動(dòng)1”、“手動(dòng)2”、“手動(dòng)3”和“回零”。選中某一功能時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮，進(jìn)入相應(yīng)的功能處理?？刂葡到y(tǒng)的監(jiān)控管理程序流程見圖（3）。系統(tǒng)上電CPU、8255、8279等工作狀態(tài)編編輯處回回零處N自自動(dòng)處N手手動(dòng)處N空空刀處NN圖（3）8255芯片初始化子程序B255:MOVDPTR，#3FFFH；指向8255的控制口地址MOVA，#10001001B；PA口輸出，PB口輸出，PC口輸入，均為方式0MOVXDPTR，A；控制字被寫入MOVDPTR，#3FFCH；指向PA口MOVA，#0FFH；預(yù)置PA口全“1”MOVXDPTR，A；輸出全“1”到PA口MOVDPTR，#3FFDH；指向PB口MOVA，#0FFH；預(yù)置PB口全“1”MOVXDPTR，A；輸出全“1”到PB口RET4.8279芯片初始化子程序B279:MOVDPTR，#5FFFH；指向8279的控制口地址MOVA，#0CFH；清除FIFO與顯示RAM命令MOVXDPTR，A；命令字被寫入WAIT:MOVXA，DPTR；從8279的控制口讀取8279的狀態(tài)字JBACC.7，WAIT；測試顯示RAM有沒有被清除完畢。只有狀態(tài)字的D7=0，清除才結(jié)束MOVA，#08H；編碼掃描，左入口，16位字符顯示，雙鍵互鎖MOVXA，DPTRMOVA，#34H；分頻系數(shù)取20MOVXDPTR，ARET5.8279控制LED顯示子程序設(shè)顯示緩沖區(qū)的首地址為6BH，系統(tǒng)在指定的工作狀態(tài)下，需要顯示的字符段碼的編碼，事先存儲(chǔ)在CPU部的RAM的6BH~73H這9個(gè)字節(jié)中。已知8279的控制口地址為5FFFH，數(shù)據(jù)口地址為5FFEH，則顯示程序如下：DIR:MOVDPTR，#5FFFH；8279的控制口地址MOVA，#90H；寫8279顯示RAM的命令MOVXDPTR，A；從顯示RAM的00H地址開始寫，每寫一次，顯示RAM的地址自動(dòng)加1MOVR0，#6BH；顯示緩沖區(qū)的首地址為6BHMOVR7，#09H；顯示緩沖區(qū)的長度為9個(gè)字節(jié)MOVDPTR，#5FFFH；8279的數(shù)據(jù)口地址DIR0:MOVA，R0；從CPU的RAM中讀取顯示段碼的編碼ADDA，#05H；PC與DTAB表格之間的偏移量MOVCA，A+PC；查表，取出顯示段碼MOVXDPTR，A；送到8279顯示RAM中指定的字節(jié)INCR0；寫8279的下一個(gè)顯示RAMDJNZR7，DIR0；循環(huán)9次，完成9位顯示RET；段碼字符編碼DTAB:DB6FH；F00-01DB0DAHDB0BEH；X02-03DB0E7HDB0A3H；Z04-05DB0CBHDB0D1H；U06-07DB0D3HDB0DCH；W08-09DB0CEHDB0DFH；-0ADB21H；00BDB7BH；10CDB91H；20DDB19H；30EDB4BH；40FDB0DH；510DB05H；611DB69H；712DB01H；813DB09H；914DB20H；0.15DB7AH；1.16DB90H；2.17DB18H；3.18DB4AH；4.19DB0CH；5.1ADB04H；6.1BDB68H；7.1CDB00H；8.1DDB08H；9.1E……；根據(jù)系統(tǒng)需要編制字庫當(dāng)需要顯示一組字符時(shí)，首先給顯示緩沖區(qū)的6BH~73H這9個(gè)字節(jié)賦值，然后調(diào)用DIR子程序即可。例如，要顯示“X-1234.56”，程序如下：MOV6BH，#02H；“X”的一半MOV6CH，#03H；“X”的另一半MOV6DH，#0AH；-MOV6E，#0CH；1MOV6FH，#0DH；2MOV70H，#0EH；3MOV71H，#19H；4.MOV72H，#10H；5MOV73H，#11H；6CALLDIR；向8279的顯示RAM寫數(shù)……顯示緩沖區(qū)（CPU部RAM）：(6BH)(6CH)(6DH)(6EH)(6FH)(70H)(71H)(72H)(73H)|||||||||顯示字符：X-1234.56|||||||||字符編碼：02H03H0AH0CH0DH0EH19H10H11H6.8279管理鍵盤子程序如圖三所示，當(dāng)矩陣鍵盤有鍵按下時(shí)，8279即向CPU的INT1申請(qǐng)中斷，CPU隨即執(zhí)行中斷服務(wù)程序，從8279的FIFO中讀取鍵值，程序如下：