经济型数控机床纵向进给系统设计.doc

经济型数控机床纵向进给系统设计.doc

《经济型数控机床纵向进给系统设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《经济型数控机床纵向进给系统设计.doc（28页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

23

经济型数控机床纵向进给系统设计

经济型数控机床纵向进给系统设计

摘要

鉴于我国目前资金短缺，工业生产规模小的特点，用较小的资金迅速改变机械工业落后的生产面貌，使之尽可能地提高自动化程度，保证生产质量，减轻劳动强度，提高经济效益，而实现这一任务有效的，基本的途径就是普及及应用经济型数控机床。

随着科学技术的飞速发展，机械产品的性能和质量不断提高，产品的更新换代也不断加快。

随之而来对机床的加工精度和生产率的要求也不断提高。

在这种形势下传统的旧式机床越来越不能适应新的要求。

随着电子技术的发展，把计算机技术引入机床中的数控机床技术得到了飞速发展。

当前，我国各大企业为了扩大生产，提高产品质量，从而对数控机床的需要日益增加。

然而对中小企业来说大批量地购进先进，功能复杂，价格昂贵的数控机床是不太现实的同时也是不必要的，但是，为了达到新的加工标准又必须采用数控机床，在这种形势下，经济型数控机床以其较高的性价比越来越受到企业的青睐和机床生产厂家的重视。

经济型数控车床CJK6140采用由8051芯片为主构成开环控制系统；其进给系统是步进电机通过消隙齿轮箱，带动滚珠丝杠转动，从而实现工作台沿机床导轨的水平移动。

经济型数控车床CJK6140具有加工精度高，稳定性好，生产效率高，工作可靠，价格低等优点。

关键词:

数控机床，8051，单片机，工作台

Numericalcontrollathelengthfeedsystemdesign

ABSTACT

Withthedevelopmentofsocialproductionscienceandtechnology.Itisessentialforamachinenotonlytohavehighprecisionandhighproductionandhighproductioncapability,butalsotoadjusttotherapidchangeofproduction.Inthiscondition,numericalcontrolmachinewasinventedandputintopractice.Furthermore,themorenumericalcontrolmachinesbecomeadvanced.Inordertoexpandproductionandimprovethequalityofproducts,thebiggroupsinourcountrydemandmoreNCmachinedayafterday.HoweveritisnotrealisticandnecessaryformediumandsmallindustrytobuyadvancedandexpensiveNCmachines.TheeconomicNCmachineswinmoreandmoreindustryfavors.TheeconomicNCmachine-CJK6140adoptsopenloopcontrolsystem.Throughrotationoftheleadscrew,thisisdrivenbyagearbox,theworkingtablemovesinparallelalongtheNCmachine’sleadrail.

KEYWORD:

Numericalcontrolenginebed，8031，monolithicintegratedcircuits，worktable

目录

摘要 I

ABSTACT II

第1章绪论 1

1.1数控机床的产生和发展 1

1.2数控车床的工作原理 2

1.3.设计方案的确立 2

第2章机械部分的设计计算 3

2.1丝杠的设计与计算 3

2.1.1切削力的计算 3

2.2滚珠丝杠的设计计算 3

2.3齿轮箱减速器设计部分 5

2.3.1传动比i 5

2.3.2齿面接触强度设计计算 6

2.3.3齿根弯曲强度设计 8

2.3.4设计计算 9

2.4其他机械设计部分 9

2.4.1减速箱最小输出轴的计算 9

2.4.2轴承的选择 10

2.5步进电机的选择 10

2.5.1计算减速器的传动比I 10

2.5.2确定步进电机动力参数 10

第3章数控系统设计 13

3.1数控系统硬件电路 13

3.1.1基本硬件组成 13

3.1.2硬件配套及基本结构 13

3.1.3接口线路 14

3.1.4光电隔离电路 14

3.1.5功率放大电路 15

3.1.6辅助电路 15

第4章软件设计 16

4.1C6140数控车床主要的技术参数及功能 16

4.2软件结构 17

第5章使用说明书 21

5.1机床的使用和说明 21

5.2机床的保养和维护 21

5.3机床重要零部件的维护和保养 21

第6章总结 22

致谢 23

参考文献 24

第1章绪论

1.1数控机床的产生和发展

数控机床经济型改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。

经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。

本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造,以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数减少,从而提高机床的精度.

设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。

随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。

随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。

数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。

同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。

数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。

数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。

数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：

 1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件； 在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。

2.加工精度高；3.生产效率高；4.减轻劳动强度，改善劳动条件；5.良好的经济效益；6.有利于生产管理的现代化。

数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。

我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。

但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。

 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。

但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。

 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。

随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。

在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。

许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。

我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。

 1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。

到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。

可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。

所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。

总体方案的设计。

1.2数控车床的工作原理

利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。

总体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。

（1）数控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、连续控制系统。

由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。

（2）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。

 因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。

所以，本设计决定采用开环控制系统。

 （3）数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。

硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。

有了硬件，软件才能有效地运行。

在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素：

1.时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关；2.可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关；3.I/O口扩展的能力。

1.3.设计方案的确立

在这次的设计中：

采用8051单片机作为车床的控制系统，纵向进给系统采用步进电机通过消隙齿轮箱带动滚珠丝杠传动，从而实现工作台沿机床导轨的水平移动。

第2章机械部分的设计计算

2.1丝杠的设计与计算

2.1.1切削力的计算

由《金属切削原理》可知：

切削功率

Nc=N·η·K（1-1）

N---电动机的确功率

η---主动传动系统总效率,一般为0.6～0.7取0.65

K---进给系统功率系数,取0.96

则:

Nc=4.68KW,因NC=（Fz·V）/6120,可推知

Fz=（Nc/V）·6120（1-2）

取切削速度V=100m/min.

则：

Fz=2864.16N

由《金属切削原理》可知：

主切削力Fz=Cfz·apXfz·fYfz可查得：

Cfz=1910mpa

Xfz=1,Yfz=0.75,Kfz=1

则可计算得

Ap（mm）

3

3

F（mm）

0.3

0.4

Fz（N）

2323

2882

由表可知：

当F=2864.16N，时，切削深度ap=3，走刀量f=0.4mm,从《金属切削原理》中可得知，在一般外圆车削时，Fx=（0.1～0.6）Fz,Fy=（0.15～0.7）Fz,

取Fx=0.5Fz=1432.08N,

Fy=0.6Fz=1718.58N

（Fz为主切削力，Fx为走刀抗力，Fy为吃刀抗力）

2.2滚珠丝杠的设计计算

1.求轴向力：

由《机械设计手册》可知

P=K·Fx·+fw·（Fz+W）（1-3）

式中K=1.15,fw=0.15～0.18取0.6,

W为工作台的重量,由图初估取800N.

则P=1.15×132.9+0.16×（2864.16+800）=2233.16N

2.计算丝杠动载荷Cj

1）强度计算

寿命值

Li=60×Ni×Ti/106（1-4）

Ni=1000vf/（∏·D·L0）（1-5）

取工件直径D=100㎜,丝杠导程L0=6㎜,

Ni---丝杠转速为15.92r/min.

由<<机床数控技术>>知,使用寿命系数T一般取15000h,

因此Li=60×Ni×Ti/106=14.33

求Cj

由<<数控技术>>6-16式可知:

Cj=·Kf·kh·P

Kf---载荷系数,一般取（1.2～1.5）取,1.2

Kh---硬度系数,取1.0

则Cj=7154.3N,根据Cj,选取滚珠丝杠,考虑其功能选汉江机床厂2506-3型

表1-1特性参数

公称直径

外径

导程

导程角

精度系数

动载量

25mm

24.5mm

6mm

4°22′

3级

11670N

因为:

6512.1N＜11670N

所以:

丝杆强度足够.

2）丝杠效率计算:

由<<机械原理>>公式知:

Лs=tm/[tm（+4）]

Лs---螺旋升角,=4°22′

---摩擦角,=10′

所以Лs=0.965.

3）.校核

①.刚度校核

滚珠丝杆受工作载荷P的作用而引起导程L0的变化是ΔL1。

其值按<<机床数控技术>>式6-19计算

ΔL1=±

E---弹性模量取21×10N/cm

A---滚珠丝杆截面积

A=∏（d0/2）=4.71

则ΔL1=±=±12.610cm

滚珠丝杆受扭矩引起导程变化ΔL2很小,可以忽略.即ΔL0=ΔL1.

导程变形的总误差Δ为

Δ=ΔL=21×10m/m

查<<机械设计手册>>知表12-1-19知:

3级精度,1m长的丝杠的螺距为2110m,

故刚度足够.

②.稳定校核

由<<材料力学>>中欧拉公式知

FK=∏2EI/（μl2）（1-6）

FK---长压杆临界失稳时的临界负载.

E---弹性模量,取21×10N/cm.

I---截面惯性矩,单位cm4.

对实心圆柱体I=∏=1.77cm2.

l---工作长度取1m

μ---丝杠轴端系数μ=1～2/3,取1.

则经计算:

FK=36648N.

Nk=FK/p=36648/2071.2=17.69.

一般[Nk]=2.5～4.对于水平丝杠考虑重量影响.[Nk]取4.

Nk﹥[Nk]

因此,丝杠稳定.

2.3齿轮箱减速器设计部分

2.3.1传动比i

i=

---步距角,取0.75.

p---脉冲当量.取0.01㎜/脉冲.

i==1.25

闭式齿轮传动一般转速较高,为了提高传动的平稳性,减小冲击振动,以齿数多一些为好,小齿轮的齿数可取Z=20～40,我选择Z=32

I=,Z=iZ=321.25=40

即Z=32Z=40

材料为45#钢调质，六级精度

2.3.2齿面接触强度设计计算

由设计计算公式（10-9a）进行试算,

即:

d≥2.32

1）确定公式内各计算数值

（1）选择载荷系数K=1.3

（2）计算小齿轮传递的转矩T

T=95.5*10,P≈N=4.32KW,n===1041.7R/min

则T≈3.9610N·㎜

（3）.由表10-7选取齿轮宽度系数

==0.5（1+μ）,取的规定值0.60,

=0.5（1+1.25）0.60=0.675

（4）.由表10-6查得材料的弹性影响系数:

Z=189.8MP（锻钢）

（5）.由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600MP

大齿轮的接触疲劳强度极限=550MP

（6）.由式10－13计算应力循环次数

N＝60njL=601041.71（2830010）=3.010

n---小齿轮的转速

j－――齿轮每转一圈时同一齿面啮合的次数，取1

L―――齿轮的工作寿命（单位为h）,取15000

设计的齿轮的工作寿命为10年，一年工作300天，一天工作8小时，2班制

N＝60njL＝601041.70.8（2830010）＝2.410

j＝0.8

（7）由图10－19查得接触疲劳寿命系数

K＝0.88，K＝0.9

（8）计算接触疲劳强度的许用应力

取失效率为1﹪，安全系数S＝1，由式（10－12）得：

［］＝＝＝528Mpa

［］＝==495Mpa

2）计算：

（1）计算小齿轮分度圆直径d,代入［］中较小的值．

d≥2.32≈63

（2）计算圆周速度Ｖ

Ｖ＝＝3.43ｍ/ｓ

（3）计算齿宽b

b=Φd·d=0.67563=42.525㎜

（4）计算齿宽与齿高之比b/h

模数m==≈2㎜

齿高h=2.25m=2.252=4.5㎜

b/h==9.45

（5）计算载荷系数

根据V=3.43ｍ/ｓ，6级精度，由图10-8查得动载荷系数K=1.06，

由表10-3查得K=K=1.0，由表10-2查得使用系数K=1；

由表10-4查得6级精度，小齿轮相对支承非对称分布时

K=1.12+0.18（1+0.6）+0.2310b

=0.675,b=42.525

K≈1.234.b/h=9.45,查得10-13:

K=1.17所以载荷系数

K=KKKK=1.308

按照实际的载荷系数校正所计算的分度圆直径，由式10-10a

d=d=63.13

（6）计算模数M

M==1.97㎜

2.3.3齿根弯曲强度设计

由式10-5得弯曲强度设计的公式为

M≥，

（1）．由图10－20Ｃ查得小齿轮的弯曲疲劳极限：

＝500Mpa，＝380Mpa

（2）．由图10－18查得弯曲疲劳寿命系数K，K

K＝0.85，K＝0.88．

（3）．计算弯曲疲劳许用应力：

取弯曲疲劳安全系数S＝1.4

［］＝＝303.57Mpa

［］＝＝238.83Mpa

（4）．计算载荷系数K：

K＝KKKK＝1*1.06*1*1.17＝1.2402

（5）．查取齿形系数：

由表10－5可查得，

Y＝2.52，Y＝2.40

（6）．查取应力校正系数：

由表10－5可查得：

Y＝1.625，Y＝1.67

（7）．计算大、小齿轮的，并且加以比较：

小齿轮：

＝＝0.01349

大齿轮：

＝＝0.01678

大齿轮的数值大，取大值

2.3.4设计计算

M≥＝＝1.33㎜

对比计算结果，由齿面的接触疲劳强度计算的模数Ｍ大于齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要是弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮的直径有关，可取由弯曲强度算得的模数M＝1.97，并就近圆整为标准值M＝2.0㎜，按照接触强度算得分度圆直径d=63.13㎜,

Z===31.565≈32

Z=i*Z=32*1.25=40

这样设计的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费．

齿轮参数取值如下：

参数

z

m

b

a

d

外圆直径

大齿轮

40

2

20

20

80

84

小齿轮

32

2

20

20

64

68

表1-2齿轮参数

2.4其他机械设计部分

2.4.1减速箱最小输出轴的计算

取每级齿轮传动效率（包括轴承效率在内）=0.97,则P=P=4.32*0.97=4.19KW

n===833.4R/min

由式15-2得d≥A,

即：

d=A.

《机械手册》查表15-3得45钢，调质淬火后A取112。

经过计算得：

d=112=19mm,输出选取d≥19mm,即可

2.4.2轴承的选择

已知丝杠的动载荷C=7154N=7.154KN

所以选择轴承如下：

名称

型号

国标号

C

角接触轴承

36204型

GB292-83

11.2KN

7.46KN

圆锥滚子轴承

7204E型

GB297-84

26.8KN

18.2KN

所以以上的两种类型，动、静载荷均大于7.154KN,故所选轴承符合要求。

2.5步进电机的选择

参考文献《机电系统设计》

2.5.1计算减速器的传动比I

I=

---步进电机步距角=0.75º

P---丝杠导程P=6mm

---工作台脉冲当量=0.01mm

计算得I=1.25

2.5.2确定步进电机动力参数

1.电机的负载转矩的计算：

作用在步进电机轴上的总负载转矩T按照下式公式计算

T=（J+J）++,

J---电机轴自身转动惯量（Kg）

---电机启动或制动时的角速度rad/s

F---作用在工作台上的摩擦力，N

F---作用在工作台上的其它外力，N

---伺服传动链的总效率

F---滚动丝杠螺母副的预紧力，N

---滚动丝杠螺母副未预紧时的传动效率，一般取0.9

初选J=1.010Kg，

=0.2（导轨摩擦因数），

最大轴向力F=2071.2N

并要求空载启动时间t=30ms,

最大进给速度V=5m/min

步进电机轴上的总惯量J：

J=J+J=1.010+1.175910=2.175910Kg

空载启动时，电机轴上的惯量转矩为：

（1）T=T=J=J =3.95（N·m）

设F=F/3=207.2/3=690.4N

则电机轴上的摩擦转矩为T：

（2）T===0.125（N·m）

（3）工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩T：

T===1.98（N·m），

（4）于是空载时电动机上的总负载转矩T

T=T+T+T=3.95+0.125+0.08=4.155（N·m））,

（其中T===0.08（N·m））.

2.电机最大的静转矩确定

初选步进电机采用三相六拍通电控制方式：

表5-1，T---T之间的比例关系如下：

表1-3电机转矩确定表

电机相数

3

3

4

4

5

5

6

6

运行节拍

3

6

4

8

5

10

6

12

T/T

0.5

0.866

0.707

0.707

0.809

0.951

0.866

0.866

根据前面所得的T、T，按照表5-1空载启动时需要电动机最大静转矩T为：

T=T/0.866=4.155/0.866=4.80N㎜

最大外载下工作时所需要的最大静转矩T：

T=T/（0.3～0.5）=（0.125+0.08+1.98）/（0.3～0.5）=7.28～4.37（N㎜）

T≥max（T,T）T=7.3（N㎜）

3.步进电机最高工作频率f：

f===8333.3HZ

综合考虑

查《机械手册》选用110BF003型步进电机，能满足其需要。

表1-4电机参数表

型号

相数

额定电压

额定电流

步矩角

最大静扭矩

运行频率

空载启动频率

回转直径

长度

轴径

110BF003

3

80V

6A

0.75

800N㎜

7000Step/S

1500Step/S

110mm

160m