CKJ6163经济型数控车床设计-毕业设计说明书(共74页)

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1、精选优质文档-倾情为你奉上毕业设计（论文）任务书姓 名： 李帆专 业： 机械设计制造及其自动化设计（论文）题目：CKJ6163经济型数控车床设计设计方案及参数：横向伺服进给机构设计与计算 设计内容1、横向伺服进给机构设计与计算包括：滚珠丝杠副的设计计算及选择，中间齿轮设计计算轴承选择、校核，步进电机的选择、绘制改动部分机械结构装配图2、数控系统设计（包括微机数控系统框图设计，微机数控系统电路原理图设计和绘制）3、数控插补软件的设计，以数字积分法直线插补为例，在Visual Basic平台下对数控插补运算编程，实现了数控插补过程的可视化。 指 导 教 师 魏效玲 系、部 主任 魏效玲 教 学 院

2、 长 李秋生 成 绩河北工程大学毕业设计（论文）评语学生姓名： 李帆 专业班级： 机械设计制造及其自动化 毕业设计（论文）题目： CKJ6163经济型数控车床设计 1、指导教师评语： 指导教师（签字） 年 月 日 2、评阅人评语： 评阅人（签字） 年 月 日 3、答辩组评语： 答辩组长（签字） 年 月 日 专心-专注-专业摘要 本设计对普通车床CW6163进行数控化改造。内容有横向进给传动系统的设计，内容包括：滚珠丝杠副的设计计算及选择，齿轮选型设计计算，轴承选择、校核，步进电机的选择、绘制改动部分机械结构装配图；控制系统的硬件设计，包括扩展程序存储器，数据存储器，键盘与显示电路，I/O接口电

3、路等；以及数控插补软件的设计，以数字积分法直线插补为例，理论分析了插补的宏观运动轨迹，推导出插补运算公式，并在Visual Basic平台下对数控插补运算编程，实现了数控插补的可视化。关键词：数控化改造 插补 数字积分法 Visual BasicAbstractThe paper presents the process of numerical control reforming of CW6163. It contains the design of transverse feed system, including design, calculation and selection of

4、 the ball screw pair, gear type selection, bearing and stepper motor selection, drawing the part of the mechanical structure; design hardware of control system , including extend ROM ,RAM, keyboard and display circuit, I/O interface circuit. In addition to , design CNC interpolation software based o

5、n Visual Basic , realizing the visualization of numerical control interpolation.Keywords : NC transformation, linear interpolation , digital integration,Visual Basic目录 第1章 绪论1.1数控发展简史 1948年，美国帕森斯公司提出计算机控制机床的设想，1952年，该公司在美国麻省理工学院的协助下，成功试制第一台三坐标数控铣床，这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始，具有划时代的意义和深远的影响。

6、数控加工是现代制造技术的基础，世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。 数控机床发展到今天，已经经历了几代的变化：第一代：1952年到1959年采用电子管元件构成的专用数控（NC）装置；第二代：1959年到1964年采用晶体管电路的NC装置；第三代：1965年到1970年采用小、中规模集成电路的NC装置；第四代：1971年到1974年采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（CNC）；第五代：1974年开始采用微型电子计算机控制的系统（MNC）。1.2数控机床的组成及特点1.2.1程序载体在加工过程中，机床的全部动作过程和刀具相对于工件的运动轨迹，都是通过编制加工程序

7、以一定的格式和代码，存储在一种程序载体上，如穿孔纸带、磁盘、磁带等。1.2.2输入/输出装置输入/输出装置可将不同加工信息传递于计算机。目前，可以利用机床上的显示屏及键盘手动输入加工程序指令，也可利用CAD/CAM软件在计算机上编程，然后通过计算机通信将程序上传到数控装置，大大方便了信息输入工作。1.2.3数控装置数控装置是数控机床的核心与主导，它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。数控装置通常是指一台专用计算机或通用计算机与输入输出接口版以及机床控制器等所组成的控制装置。1.2.4伺服系统伺服系统是数控机床的执行机构，其作用是把来自数控

8、装置的脉冲信号转化为机床移动部件的运动。一般来说，机床的伺服驱动要求有好的快速响应性能，能灵敏而准确的跟踪由数控装置发出的指令信号。1.2.5机床本体 机床本体包括床身、主轴、进给传动机构等机械部件。与传统机床相比，具有结构简单、精度高、机构刚性好、可靠性高、传动效率高等特点。1.2.6数控车床的特点 (1)加工零件的适应性强，灵活性好，可加工带有曲线、曲面以及锥度的复杂型 零件。 (2)加工精度高，产品质量稳定，尺寸的分散度小，便于装配。 (3)可实现加工的自动化，生产效率高。 (4)工序集中，大大减少了工人的劳动强度，由于操作失误减少，也降低了废品率和次品率。 (5)数控机床拥有自动报警、

9、监控、自动补偿等多种功能，便于实现生产计划调度，从而提高生产管理水平。1.3 数控插补技术1.3.1数控插补原理概述 机床数控系统的核心技术是插补。在数控加工中，数控系统要解决控制刀具与工件运动轨迹的问题。在所需的路径或轮廓上的两个已知点间，根据某一数学函数确定其中多个中间点位置的运动过程称为插补。数控系统根据这些坐标值控制刀具或工件的运动，实现数控加工。插补的实质是根据有限的信息完成“数据密化”的工作。数控加工程序提供了刀具运动的起点、终点和运动轨迹，而刀具怎么从起点沿运动轨迹走向终点则有主控系统的插补装置或插补软件来控制。实际加工中，被加工零件的轮廓种类很多，严格来说，为了满足加工要求，刀

10、具轨迹应该准确的按零件的轮廓形状生成。然而，对于复杂的曲线轮廓，直接计算刀具运功轨迹非常复杂，计算工作量很大，不能满足数控加工的实时控制要求。因此，在实际应用中，使用一小段直线或圆弧去逼近（或称为拟合）零件的轮廓曲线，即通常所说的直线和圆弧插补。某些高性能的数控系统中，还具有抛物线、螺旋线插补功能1。1.3.2 插补方法的分类在早期的数控系统中，插补是由专门设计的硬件数字电路完成的。而在现代计算机数控(Computerized Numerical Control ,CNC)系统中，常用的插补实现方法有两种：一种有硬件和软件的组合来实现；另一种全部采用软件实现。数控系统中完成插补运算的装置或程序

11、称为插补器，根据插补器的结构可分为硬件插补器、软件插补器和软、硬件结合插补器二种类型。早期NC系统的插补运算由硬接线的数字电路装置来完成，称为硬件插补，其结构复杂，成本较高。在CNC系统中插补功能一般由计算机程序来完成，称为软件插补。由于硬件插补具有速度高的特点，为了满足插补速度和精度的要求，现代CNC系统也采用软件与硬件相结合的方法，由软件完成粗插补，由硬件完成精插补。由于直线和圆弧是构成零件轮廓的基本线型，因此CNC系统一般都具有直线插补和圆弧插补两种基本类型，在二坐标以上联动的CNC系统中，一般还具有螺旋线插补和其它线型插补。为了方便对各种曲线、曲面的直接加工，人们一直研究各种曲线的插补

12、功能，在一些高挡CNC系统中，己经出现了抛物线插补、渐开线插补、弦线插补、样条曲线插补、球面螺旋线插补以及曲面直接插补等功能。插补的任务就是根据进给速度的要求，完成轮廓起点和终点之间中间点的坐标值计算。对于轮廓控制系统来说，插补运算是最重要的运算任务。插补对机床控制必须是实时的。插补运算速度直接影响系统的控制速度，而插补计算精度又影响到整个CNC系统的精度。人们一直在努力探求计算速度快且计算精度高的插补算法。目前普遍应用的插补算法分为两大类，一类是基准脉冲插补，另一类是数据采样插补，如下做简要介绍。（1）基准脉冲插补 基准脉冲插补又称为脉冲增量插补或行程标量插补，其特点是每次插补结束仅向各运动

13、坐标轴输出一个控制脉冲，因此各坐标仅产生一个脉冲当量或行程的增量。脉冲序列的频率代表坐标运动的速度，而脉冲的数量代表运动位移的大小。这类插补运算简单，容易用硬件电路来实现，早期的硬件插补都是采用这类方法，在日前的CNC系统中原来的硬件插补功能可以用软件来实现，但仅适用于一些中等速度和中等精度的系统，便要用于步进电机驱动的开环系统。也有的数控系统将其用做数据采样插补中的精插补2。 基准脉冲插补的方法很多，主要有逐点比较法、数字积分法、脉冲乘法器等等。应用较多的是逐点比较法和数字积分法。（2）数据采样插补 数据采样插补又称数字增量插补、时间分割插补或时间标量插补，其运算采用时间分割思想，根据编程的

14、进给速度将轮廓曲线分割为每个插补周期的进给直线段(又称轮廓步长)，以此来逼近轮廓曲线。数控装置将轮廓步长分解为各坐标轴的插补周期进给量，作为命令发送给伺服驱动装置。伺服系统按位移检测采样周期采集实际位移量，并反馈给插补器进行比较完成闭环控制。伺服系统中指令执行过程实质也是数据密化工作。闭环或半闭环控制系统都采用数据采样插补方法，它能满足控制速度和精度的要求。数据采样插补方法很多，主要有时间分割法、扩展DDA等，但都基于相同的思想。1.4数控机床的发展趋势 目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要

15、求。为适应这种情况，数控机床正朝着以下几个方面发展。 （1)高速度、高精度化 速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。 （2)引进自适应控制技术 智能化现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较好的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统

16、。 （3)柔性化 数控系统采用新一代模块化设计，功能覆盖面宽，可靠性更好，可满足不同用户的要求。根据不同生产流程，自动进行信息流动态调整，发挥群控系统的功能，满足了多种不同加工需要。1.5车床数控化改造的必要性传统的机械加工都是用手工操作普通机床作业的，加工时用手摇动机械刀具切削金属，靠眼睛用卡尺等工具测量产品的精度的。现代工业早已使用电脑数字化控制的机床进行作业了，数控机床可以按照技术人员事先编好的程序自动对任何产品和零部件直接进行加工了。这就是我们说的“”。数控加工广泛应用在所有机械加工的任何领域，更是模具加工的发展趋势和重要和必要的技术手段。 数控机床是按照事先编制好的加工程序，自动地对

17、被加工零件进行加工。我们把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数(主轴转数、进给量、背吃刀量等)以及辅助功能(换刀、主轴正转、反转、切削液开、关等)，按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，再把这程序单中的内容记录在控制介质上(如穿孔纸带、磁带、磁盘、磁泡存储器)，然后输入到数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。 这种从零件图的分析到制成控制介质的全部过程叫数控程序的编制。数控机床与普通机床加工零件的区别在于控机床是按照程序自动加工零件，而普通机床要由人来操作，我们只要改变控制机床动作的程序就可以达到加工不同零件的目的。因此，数控机床特别适用于加工小

18、批量且形状复杂要求精度高的零件。但是数控机床的应用也受到了其它条件的限制： （1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，不适用于中小型企业。 （2）目前各企业都用大量的普通机床，完全用数控机床代替不现实，投资巨 大而且被代替下的机床会造成资源的浪费。 （3）在国内购置一台数控机床的周期比较长，不能满足生产的急需。 为解决上述问题，我们提出机床数控化改造的方案，这种方法具有投资少、见效快的特点，且具有一定的经济性、实用性、稳定性。生产实践表明，用较少的资金，将普通车床数控化改造，可为企业带来可观的经济效益。1.6本次设计的主要任务 （1) 将横向进给系统该成用微机控制的，能独立运动的进给伺服系统，进

19、给机构的设计与计算包括：滚珠丝杠副的设计计算及选择，中间齿轮设计计算，轴承选择、校核、步进电机的选择、绘制改动部分机械结构装配图 （2)数控系统设计（包括微机数控系统框图设计，微机数控系统电路原理图设计和绘制） （3)数控插补软件设计：分析数字积分法数控插补原理，以直线数字积分法插补为例，在Visual Basic开发平台下编制数控插补算法程序，实现插补的可视化化动态控制仿真 第2章 总体方案的确定2.1横向进给系统的改造与设计方案 横向机构保留原手动机构，拆除横向丝杠换上滚珠丝杠，为了便于安装滚珠丝杠副丝杠轴不是整体的而采用分段式，然后用联轴器联接（或用套筒刚性联接）。（1）拆除挂轮架所有齿

20、轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹编码器。（2）拆除中滑板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘一端锯断保留，拆除刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。（3) 将横向进给步进电动机通过法兰座安装到中滑板后部的床鞍上，并与滚珠丝杠的轴头相连。 （4) 拆除三杠（丝杠，光杠，与操纵杠）更换丝杠的右支承。2.2 数控系统的硬件设计 （1）卧式车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补，圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。 （2）卧式车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步

21、进电动机的开环控制系统。 （3）根据技术指标中最大加工尺寸，最高控制速度以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列的8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。 （4）根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器，数据存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路等。2.3 数控系统控制软件的设计2.3.1 设计方法的选择数字积分器直线插补装置需要五条寄存器，其寄存器的内容是：JVX寄存x坐标终点值；JVY寄存y坐标终点值；JRX寄存x坐标余数； JRY寄存y坐标余数；JZ寄存总步数。图2-1为数字积分法直线插补逻辑图2。初始状态时将，存

22、放于JVX和JVY中，其余寄存器清0。当接到运算指令后，使运图2-1 数字积分法直线插补逻辑图MF进给脉冲发生器；SB时序脉冲发生器；JZ总步数寄存器；CYK运算开关；Q1Q2全加器；Tc1Tc2进位触发器；JVX被积函数；JVY被积函数；JRXx累加寄存器；JRYy累加寄存器；Y1Y3与门。算开关CYK置1，与门Y1开放,进给脉冲发生器MF没发出一个脉冲,累积运算一次.每一个进给脉冲通过Y1使时序脉冲发生器SB启动一次，将位移脉冲Pt4(脉冲数目由寄存器位数决定)送到有关位移寄存器中，一方面使JRX及JRY完成累加xz及yz的加法运算；另一方面又将JVX及JVY中溢出的数通过自循环线重新寄存

23、于JVX及JVY中。各坐标每次累加后其和大于2n或等于2n时便有溢出，溢出的标志是将累加器送入进位触发器Tc1中存1。在时序脉冲Pt3出现时，通过与门Y2或Y3分别发出进给脉冲x或y，使机床相应的坐标位移一步累加结果超过2n部分自动丢失，余下的小于2n部分保留在累加寄存器中，留待下一次累加运算。数字积分器直线插补的终点判断比较简单，因为每段程序需进行m=2n次累加运算，进行2n次累加运算后就一定达到终点，故可设置一字长为n位的计数器JZ，累加运算前首先清0，此后每累加运算一次，计数器加1，当记满2n时JZ的最高位即有溢出，使运算开关CYK置0，关闭与门Y1停止运算，插补完毕。而数字积分法（DD

24、A）具有运算速度快、脉冲分布均匀、易于实现多坐标联动及描绘平面各种函数曲线的特点，应用比较广泛。其缺点是速度调节不便，插补精度需要采用一定措施才能满足要求。由于计算机有较强的功能和灵活性，采用软件插补时，可克服以上缺点4。所以，本设计选择用软件对数字积分法的直线插补进行了实现。2.3.2设计语言的选择是由美国微软公司于1991年开发的一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可用于开发 Windows 环境下的各类应用程序。它简单易学、效率高，且功能强大可以与 Windows 专业开发工具SDK相媲美。在Visual Basic环境下，利用事件驱动的编程机制、新颖易用的

25、可视化设计工具，使用Windows内部的广泛应用程序接口（API）函数，动态链接库（DLL）、对象的链接与嵌入（OLE）、开放式数据连接（ODBC）等技术，可以高效、快速地开发Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。因此，本次设计选用Visual Basic开发环境3。第3章 横向进给传动部件的计算与选型主要参数原始数据：CW6163普通车床采用微机组成经济型数控系统。主电动机功率 P=11 kw工件最大回转直径 D=630mm主轴计算转速 n=100r/min最小设定运动单位 横0.005mm/step最大进给速度 横向=1.5m/min滚珠丝杠导程 S横4mm ； 行程

26、L横490mm工作台重量 G横197kg 电机钮矩 P横12 N.m步距角 0.6/1.2(0.75/1.5)工作速度 V横0.8m/min 定位精度 0.05mm/全行程重复定位精度 0.02mm/全行3.1 主切削力及其切削分力的计算3.1.1计算主切削力FZ已知机床主电动机的额定功率为，最大工件直径，主轴计算转速。在此转速下，主轴具有最大扭矩和功率，刀具的切削速度为 取机床的机械效率=0.75，则由参考文献5中公式（2-6）得 3.1.2计算各切削分力走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力Fy可由参考文献5中式（2-4）求出： 3.2 导轨摩擦力的计算（1）由参考文献5中式（2-8a

27、）计算在切削状态下的导轨摩擦力。此时，导轨受到的垂向切割分力，横向切割分力，移动部件的全部质量（包括机床夹具和工件的质量）（所受重力），查参考文献5表2-3得镶条紧固力，取导轨动摩擦系数，则（2）按参考文献5中式（2-9a）计算在不切削状态下的导轨摩擦力F0和F0。 3.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力(1) 按式（2-10a）计算最大轴向负载力。 (2) 按式（2-10b）计算最小轴向负载力。3.4 确定进给传动链的传动比i和传动级数取步进电动机的步距角，滚珠丝杠的基本导程，进给传动链的脉冲当量，则由参考文献5中式（2-69）得 按最小惯量条件，从参考书5图2-42和图2-43中查得该减速

28、器应采用1级传动，传动比取i=1.3.3.5 齿轮传动比计算与选型3.5.1 齿轮的设计选型(1) 根据结构需要，初选各传动齿轮的齿数分别为z1=20、z2=26,模数m=2，齿宽b=40mm。(2) 选用直齿圆柱齿轮传动，七级精度（GB 10095-88）；(3) 由参考资料6中表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。3.5.2 按齿面接触强度设计 由参考资料6设计计算公式（10-9a）进行试算，即 (1) 选载荷系数。(2) 小齿轮传递的转矩。(3) 由参考资料6表10-7选取齿宽系数。(4

29、) 由参考资料6表10-6查得材料的弹性影响系数。(5) 由参考资料6图10-21d查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度。(6) 计算力循环次数。 小齿轮的转速 -齿轮每转一圈时，同一齿面啮合的次数，此处 -齿轮的工作寿命（单位为h）工作寿命设为12000h (7) 由参考资料6图10-19取接触疲劳寿命系数,。(8) 计算接触疲劳许用应力。 3.5.3计算(1) 试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值。 (2) 计算圆周速度V (3) 计算齿宽b (4) 计算齿宽与齿高之比 模数 齿高 (5) 计算载荷系数由，七级精度，,根据参考文献6图10-4用插值法查得7级精度，由，由图参考

30、文献6图10-13得.故载荷系数 (6) 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径： (7) 计算模数m 3.5.4 按齿根弯曲强度设计由参考文献6(公式10-5) 得弯曲强度的计算公式为 (1)确定公式内的各计算数值1)由参考文献2图10-20查的小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限2)由图10-18取弯曲疲劳寿命系数3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数，得： 经过计算可知 4)计算载荷系数K 5)查取齿形系数 由参考资料6表10-5查得6)查取应力校压系数由参考资料6表10-5查得7)计算齿轮的并加以比较 (2)设计计算 对比设计结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿

31、根弯曲强度计算的模数；由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载力，而齿面接触疲劳强度所决定承载能力仅于齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取弯曲强度算得的模数1.15并就近圆整为标准值按接触强度算得的分度圆直径,算出齿数 大齿轮齿数：取。这样设计的齿轮传动即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。3.5.5 几何尺寸计算(1) 计算分度圆直径 则(2) 计算中心距 (3) 计算齿轮宽 取 3.6滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算(1) 按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam已知数控机床的预期工作时间，滚珠丝杠的当量载荷，查参考书5表2-28得

32、，载荷系数；查参考书5表2-29，初步选择滚珠丝杠的精度等级为3级精度，取精度系数；查表2-30得，可靠性系数。取滚珠丝杠的当量转速（该转速为最大切削进给速度时的转速），已知，滚珠丝杠的基本导程，则由参考书1式（2-19）得(2) 根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知本车床横向进给系统的定位精度为50m，重复定位精度为20m，则由参考文献5式（2-23）、式（2-24）得 取上述计算结果的较小值，即。(3) 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m。滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用一端固定、一端游动支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为 L=行程+安全

33、行程+2余程+螺母长度+支承长度（1.21.4）行程+（2530）L0取 由参考书5中式（2-25）得 (4) 初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 根据以上计算所得的,，d2m和结构的需要，初步选择FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副，型号为FFZD3204-5（见参考书5附录A表A-3），其公称直径d0、基本导程、额定动载荷和螺纹底径如下： 故满足要求。(5) 将以上结果用于该部件的装配图设计（见附图1），其计算简图如图3-1所示。 图3-1 普通车床数控化改造计算简图3.7滚珠丝杠螺母副的承载能力校验3.7.1 临界压缩载荷的校验已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径d2=28.9mm，由图4

34、-5可知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度L1=313mm，丝杠水平安装时，取K1=1/3，查表2-44得K2=2，则由式参考书5中式（2-35)得 本车床横向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为，远小于其临界压缩载荷的值，故满足要求。3.7.2 临界转速的校验由图3-1得滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度，其弹性模量，密度，重力加速度。滚珠丝杠的最小惯性矩为 滚珠丝杠的最小截面积为 取，由表2-44得，则由参考书5中式（2-36）得 本横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为，远小于其临界转速，故满足要求。3.7.3 额定寿命的检验查附录A表A-3得滚珠丝杠的额定动载荷Ca=15000N，已

35、知其轴向载荷，滚珠丝杠的转速，运转条件系数，则由式（2-37）、式（2-38）得 本车床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命，故满足要求。3.8 支承用轴承的选择与校核3.8.1 轴承的选择 (1) 已知，则 故 根据参考文献5表2-25得，径向系数,轴向系数。(2) 初步计算当量动载荷。 根据参考文献2中公式（13-8a）得， 轴承转速，预期计算寿命。根据参考文献6式（13-6），轴承应有的基本额定载荷值。 (3) 因为滚珠丝杠螺母副拟采用一端固定、一端游动的方式，所以选用60度角接触轴承组背对背安装，以承受两个方向的轴向力。由于滚珠丝杠的螺纹底径，所以选用轴承的内径，以满足结构的需要。

36、查参考资料6附录表A-2选择的TNI轴承。3.8.2 轴承的校核(1) 轴承的基本额定静载荷，而该轴承在12000h工作寿命下的基本额定动载荷，故满足要求。(2) 在油脂润滑状态下的极限转速为，高于机床滚珠丝杠的最高转速，满足要求。(3) 验算轴承的寿命。 故满足要求。 TNI角接触球轴承，尺寸为。 轴承的润滑：选择脂润滑。润滑脂形成的润滑膜强度高，能承受较大的载荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以维持相当长的一段时间。 轴承的密封：毡圈油封。在轴承盖上开出梯形槽，将毛毡制成环形或带形，放置在梯形槽中与轴承密合接触，或者在轴承盖上开缺口放置毡圈油封，然后用另为一个零件压在毡圈油封上，以调整毛毡

37、与轴的密合程度，从而提高密封效果。3.9计算机械传动系统的刚度3.9.1 计算滚珠丝杠的拉压刚度 本机床横向进给传动链的丝杠支承方式为一端固定、一端游动。丝杠的拉压刚度Ks可由参考书5式（2-42）计算。 已知滚珠丝杠的弹性模量，滚珠丝杠的底径。当滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度，根据式（2-43a）得 当时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度，根据式（2-43b）得 3.9.2 计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度Kb已知滚动体直径，滚动体个数Z=150，轴承的最大轴向工作载荷，则由表2-45、表2-46得3.9.3 计算滚珠与滚道的接触刚度Kc查附录A表A

38、-3得滚珠与滚道的接触刚度，滚珠丝杠的额定动载荷，已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷，则由式（2-46b）得 3.9.4 计算传动系统的综合拉压刚度K由式（2-47a）得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为 故。由式（2-47b）得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为 故。3.9.5 计算滚珠丝杠螺母副的扭转刚度由图4-5得扭矩作用点之间的距离，已知滚珠丝杠的剪切模量，滚珠丝杠的底径，则由式（2-48）得3.10 驱动电动机的选型与计算3.10.1 计算负载惯量(1) 计算滚珠丝杠的转动惯量Jr已知滚珠丝杠的密度=7.810-3kg/cm3,则由式（2-63）得 (2) 计算折算到丝杠轴上的移

39、动部件的转动惯量JL已知机床横向进给系统执行部件（即横向溜板及刀架）的总质量m=197kg；丝杠轴每转一圈，机床执行部件在轴向距离移动的距离L=0.4cm，则由式（2-65）得 (3) 计算各齿轮的转动惯量 (4) 由式（2-66）计算加在电动机轴上总负载转动惯量。 3.10.2 计算负载力矩(1) 计算折算到电动机轴上的切削负载力矩已知在切削状态下的轴向负载力，丝杠每转一周，机床执行部件轴向移动的距离，进给传动系统的传动比，进给传动系统的总效率,则由式（2-54）得 (2) 计算折算到电动机轴上的摩擦负载力矩T已知在不切削状态下的轴向负载力（即空载时的导轨摩擦力），则由式（2-55）得 (3

40、) 计算由滚珠丝杠预紧力Fp产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩。 已知滚珠丝杠螺母副的效率0，滚珠丝杠螺母副的预紧力Fp为 则由式（2-56）得 (4) 折算到电动机轴上的负载力矩T的计算。空载时（快进力矩），由式（2-57a）得 切削时（工进力矩），由式（2-57b）得 3.10.3 计算加速力矩根据以上计算结果，初选130BC3100型反应式步进电动机，其转动惯量；而进给传动系统的负载惯量；对开环系统，一般取加速世界。当机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速为 由式（2-59）得 3.10.4计算横向进给系统所需的各种力矩(1) 按式（2-61）计算空载启动力矩 (2) 按式（2

41、-57a）计算快进力矩TKJ (3) 按式（2-57b）计算工进力矩TGJ 3.10.5选择驱动电动机的型号(1) 选择驱动电动机的型号根据以上计算选择国产130BC3100型反应式步进电动机为驱动电动机，其主要技术参数如下：相数，3；步距角，0.6/1.2；最大静转矩，；转动惯量，；分配方式，三相六拍；质量，10kg。(2) 确定最大静转矩Ts由参考资料5中表2-48给出的机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电动机的最大静转矩的关系可得 机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电动机的最大静转矩的关系为 取和中的较大者为所需的步进电动机的最大静转矩，即。本电动机的最大静转矩为，大于，可以在规定的

42、时间里正常启动，故满足要求。(3) 验算惯量匹配为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量JL与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足式（2-67），即 因为，故满足惯量匹配要求。3.11 机械传动系统的动态分析(1) 计算在丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度，机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量分别为，滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为，已，则 (2) 计算扭转振动系统的最低固有频率折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为 已知滚珠丝杠的扭转刚度，则 由以上计算可知，丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率、扭转振动系统的最低固有频率，都比较

43、高。一般按的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足要求。3.12 机械传动系统的误差计算与分析3.12.1计算机械传动系统的反向死区已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值，导轨的静摩擦力，由式（2-52）得 即，故满足要求。3.12.2计算由综合拉压刚度变化引起的定位误差由式（2-53）得 即，故满足要求。3.12.3计算滚珠丝杠应扭转变形产生的误差(1) 计算由扭矩引起的滚珠丝杠螺母副的变形量已知负载力矩，由图4-5得扭矩作用点之间的距离，丝杠底径，则由式（2-49）得 (2) 由该扭转变形量引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度，由式（2-50）得 3.13 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级

44、和规格型号3.13.1确定滚珠丝杠螺母副的精度等级本进给传动系统采用开环控制系统，应满足下列要求： 取滚珠丝杠螺母副的精度等级为3级，查参考书5中表2-20得；当螺纹长度为700mm时，查表2-21得，；，满足设计要求。3.13.2确定滚珠丝杠螺母副的规格型号滚珠丝杠螺母副的规格型号为FFZD3204-5-P3/920700，其具体参数如下。公称直径与导程：32mm，4mm；螺纹长度：700mm；丝杠长度：920mm；类型与精度：P类，3级精度。第4章 微机数控系统硬件的设计4.1 硬件电路设计内容 硬件是组成系统的基础,也是软件编制的前提,数控系统硬件的设计包括以下几部分内容：4.1.1绘制

45、系统电气控制结构框图据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。机床硬件电路由五部分组成：(1) 主控制器，即中央处理单元CPU。(2) 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。(3) 存储器，包括程序存储器和数据存储器。(4) 接口，即输入/输出接口电路。(5) 外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。 RAMROM CPU光电隔离功 率放大器I/O接口步进电机 外 设键盘，显示器及其他 图4-1 系统电气控制结构框图4.1.2 选择中央处理单元CPU的类型在微机应用系统中，CPU的选择应考虑的因素：(1) 时钟频率和字长，这个指标将控制处理的进度。(2) 可

46、扩展存储器（包括RAM和ROM）的容量。(3) 指定系统功能，影响编程灵活性。(4) I/O扩展的能力，即对外设控制的能力。(5) 开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。CPU的种类很多，在此处选择MCS51系列单片机中8031芯片单片机，因为其集成度高,稳定性、可靠性好，体积小，而且有很强的外部扩展功能，外围扩展电路芯片大多是一些常规芯片，用户很容易通过标准扩展电路来构成较大规模的应用系统。4.1.3 存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。 在

47、存储器扩展电路的设计中还应该包括地址锁存器和译码电路的设计。4.1.4 I/O接口电路设计设计内容包括：根据外部要求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示器部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括。经考虑，选择8255为I/O接口芯片。4.2 8031单片机简介4.2.1 8031单片机的特征(1) 具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）。(2) 片内有时钟发生器（6或12MHz）、每执行一条指令时间为2或1。(3) 片内具有128字节RAM。(4) 具有21个特殊寄存器。(5) 可扩展64K字节的外部

48、数据存储器和64K字节的外部程序存储器。(6) 具有4个I/O口，32根I/O线。(7) 具有2个16位定时器/计数器。(8) 具有5个中断源，配备2个中断优先级。(9) 具有一个全双工串行接口。(10) 具有位寻址能力，适用逻辑运算。从上述特性可以看出，一块8031的功能几乎相当于一块Z80CPU、一块RAM，一块Z80CTC、两块Z80PIO和一块Z80SIO所组成的微机系统。可以看出这种芯片集成度高，功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。4.2.2 8031芯片引脚及其功能8031芯片具有40根引脚，其引脚图如图4-2所示，40根引脚按其功能可分为四类： 图4-2 8

49、031芯片引脚及其功能(1) 电源线2根 ：编程和正常操作时的电源电压，接+5V。 ：地电平。(2) 晶振线2根 XTAL1：振荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地。 XTAL2：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入，当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。 (3) I/O口共有p0、p1、p2、p3四个8位口，32根I/O线，其功能如下： 1) P0.0P0.7（AD0AD7）是I/O端口O的引脚，端口O是一个8位漏极开路的双向I/O端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口。（在此时内部上拉电阻有效）2) P1.0P1.7端口1的引脚，是

50、一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道，专供用户使用。3) P2.0P2.7 （A8A15）端口2的引脚。端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8A154) P3.0P3.7端口3的引脚。端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口，该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与P1口完全相同，第二功能如下示：口引脚 第二功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 （外部中断）P3.3 （外部中断）P3.4 T0（定时器0外部输入）P3.5 T1（定时器1外部输入）

51、P3.6 （外部数据存储器写选通）P3.7 （外部数据存储器读选通）(4) 控制线1) ：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。2) ：EA为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器的指令。因8031芯片没有内部程序存储器，故EA必须接地。是在8751EPROM编程时+21V的编程电源输入端。3) ：ALE是地址锁存使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效。因为p0端口是分时传送数据和8位地址。故访问外部存储器时，ALE信号锁存低8位地址。即使在不访问外部存储器时，也以1/6振荡频率的固定频率产生ALE，因此可以用它作为外部的时钟