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1、畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計計 (論論 文文) 機機械械動動力力工工程程系系 系 數(shù)控數(shù)控 專業(yè) 畢業(yè)設計（論文）題目 CA6150 普通車床的數(shù)控技普通車床的數(shù)控技 術改造術改造 全套全套 CAD 圖紙，聯(lián)系圖紙，聯(lián)系 153893706 學 生 姓 名 班 級 數(shù)控三班 學 號 指 導 教 師 完 成 日 期 2007 年 6 月 15 日 - 2 - 目錄目錄 第一章 緒論- 3 - 數(shù)控技術和裝備發(fā)展趨勢- 3 - 第二章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計- 8 - 一 總體方案設計內容- 8 - 二 總體方案確定- 8 - 第三章 進給系統(tǒng)設計計算- 10 - 一 選擇脈沖當量- 10 - 二 計算切削

2、力- 10 - 三 滾珠絲杠螺母副的計算和選型- 11 - 四 齒輪進給齒輪箱傳動比計算- 20 - 五 步進電機的計算和選型- 21 - 第四章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計- 26 - 一 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計綱要- 26 - 一 硬件電路設計- 26 - 二 軟件電路設計- 27 - 二 8031 單片機及其擴展- 27 - 一 8031 單片機的簡介- 27 - 二 8031 單片機的系統(tǒng)擴展- 28 - 三 存儲器擴展- 30 - 四 I/O 口的擴展- 31 - 三 步進電機驅動電路- 32 - 一 脈沖分配器（環(huán)行分配器）- 32 - 二 光電隔離電路- 33 - 三 功率放大器- 33 -

3、 四 其他輔助電路- 34 - 四 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設計- 35 - 一 軟件脈沖分配器- 35 - 二 逐點比較法插補程序- 37 - 三 步進電機升降速軟件設計- 38 - 第五章 數(shù)控機床零件加工程序- 40 - 第六章 總結與展望- 41 - - 3 - 第一章第一章 緒論緒論 數(shù)控技術和裝備發(fā)展趨勢數(shù)控技術和裝備發(fā)展趨勢 當今世界數(shù)控技術及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀， 在此基礎上討論了在我國加入WTO 和對外開放進一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展我國數(shù) 控技術及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性，并從戰(zhàn)略和策 略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術及裝備的幾

4、點看法。 裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù) 控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術及其產(chǎn)業(yè)、生物技術 及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說 過“各種經(jīng)濟時代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動資料生產(chǎn)”。 制造技術和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術又是當今先進制 造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術，以提高制造能 力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家 還將數(shù)控技術及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施

5、來發(fā)展自己的數(shù)控 技術及其產(chǎn)業(yè)，而且在 “高精尖”數(shù)控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。 總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā) 展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數(shù)控裝備是以數(shù) 控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品， 即所謂的數(shù)字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域：(1)機械制造技術； (2)信息處理、 加工、傳輸技術； (3)自動控制技術； (4)伺服驅動技術； (5)傳感器技術； (6)軟件 技術等。 1 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢 數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)

6、制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象 征，而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè) （IT、汽車、輕工、 意料等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備 的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看， 其主要研究熱點有 以下幾個方面 14。 11 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢 效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提 - 4 - 高產(chǎn)品的質量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會 將其列為 5 大現(xiàn)代制造技術之一，國際生產(chǎn)工程學會（CIRP）將其確定為 21

7、 世紀 的中心研究方向之一。 在轎車工業(yè)領域，年產(chǎn) 30 萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是 40 秒/輛，而且多品種加工是轎 車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業(yè)領域，其加工的零部件多為薄壁 和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下， 才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機 翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結方式拼裝，使 構件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性 的要求。 從 EMO2001 展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高， 空運行速度可達

8、 100m/min 左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車 公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。美國 CINCINNATI 公司的 HyperMach 機床進給速度最大達 60m/min，快速為 100m/min，加速度達 2g，主軸轉速已達 60 000r/min。加工一薄壁飛機零件，只用 30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需 8h；德國 DMG 公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*!000r/mm 和 1g。 在加工精度方面，近 10 年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10m 提高到 5m，精密級加工中心則從 35m

9、，提高到 11.5m，并且超精密加工精度已開 始進入納米級 (0.01m)。 在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF 值已達 6 000h 以上，伺服系統(tǒng)的 MTBF 值達到 30000h 以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。 為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā) 展，應用領域進一步擴大。 1.2 5 軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展 采用 5 軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光 潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1 臺 5 軸聯(lián)動機床的效率可以等于2 臺 3 軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時

10、， 5 軸聯(lián)動加工可比 3 軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主 機結構復雜等原因，其價格要比3 軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術難度較大， 制約了 5 軸聯(lián)動機床的發(fā)展。 當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5 軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結構大為簡化， 其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類 型 5 軸聯(lián)動機床和復合加工機床（含5 面加工機床）的發(fā)展。 在 EMO2001 展會上，新日本工機的 5 面加工機床采用復合主軸頭，可實現(xiàn)4 個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5 面加工和 5 軸加工可在同一臺機床上 實現(xiàn)，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的

11、加工。德國DMG 公司展出 DMUVoution 系列加 工中心，可在一次裝夾下5 面加工和 5 軸聯(lián)動加工，可由 CNC 系統(tǒng)控制或 CAD/CAM 直接或間接控制。 1.3 智能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21 世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)中 - 5 - 的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制， 工藝參數(shù)自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參 數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面 的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還

12、有智能診斷、智能監(jiān)控方 面的內容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許 多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，如美國的NGC(The Next Generation Work- Station/Machine Control)、歐共體的 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)，中國的 ONC(Open Numerical Control Syst

13、em)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化 已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一 的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象（數(shù)控功 能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快 速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前 開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結構規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫 以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。 網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化 將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造

14、模 式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。國內外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系 統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，如在EMO2001 展中，日本山 崎馬扎克（ Mazak)公司展出的 “CyberProduction Center”（智能生產(chǎn)控制中心，簡稱 CPC)；日本大隈（ Okuma）機床公司展出 “IT plaza”（信息技術廣場，簡稱 IT 廣場)； 德國西門子 (Siemens)公司展出的 Open Manufacturing Environment（開放制造環(huán) 境，簡稱 OME）等，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢。 1.4 重視新技術標準、規(guī)范的建立 1.4

15、.1 關于數(shù)控系統(tǒng)設計開發(fā)規(guī)范 如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，美國、歐 共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結構數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范 (OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界 3 個最大的經(jīng)濟體在短期內進行了幾 乎相同的科學計劃和規(guī)范的制定，預示了數(shù)控技術的一個新的變革時期的來臨。我國 在 2000 年也開始進行中國的 ONC 數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。 1.4.2 關于數(shù)控標準 數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術誕生后的50 年間的信息 交換都是基于 ISO6983 標準，即采用 G，M 代碼描述如何（ how）加工，其本

16、質特 征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術高速發(fā)展的需要。為此， 國際上正在研究和制定一種新的CNC 系統(tǒng)標準 ISO14649（STEPNC)，其目的是 提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模 型，從而實現(xiàn)整個制造過程，乃至各個工業(yè)領域產(chǎn)品信息的標準化。 STEP-NC 的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術領域的一次革命，對于數(shù)控技術的發(fā)展乃至整個 - 6 - 制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠的影響。首先，STEP-NC 提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制 造理念中， NC 加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下，NC 程序可以分散 在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術開放式

17、、網(wǎng)絡化發(fā)展的方向。其次，STEP-NC 數(shù)控系 統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75）、加工程序編制時間（約35）和加工時間 （約 50）。 目前，歐美國家非常重視STEP-NC 的研究，歐洲發(fā)起了 STEP-NC 的 IMS 計劃 (1999.1.12001.12.31)。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20 個 CAD/CAM/CAPP/CNC 用戶、廠商和學術機構。美國的STEP Tools 公司是全球范圍 內制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模 型(Super Model)，其目標是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換 格式已經(jīng)在配備了 S

18、IEMENS、FIDIA 以及歐洲 OSACA-NC 數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進 行了驗證。 2 對我國數(shù)控技術及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計 我國數(shù)控技術起步于 1958 年，近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為3 個階段：第 一階段從 1958 年到 1979 年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術封鎖 和我國的基礎條件的限制，數(shù)控技術的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、 “七五”期間以及 “八五”的前期，即引進技術，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。 在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國 數(shù)控技術的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步

19、。第三階段是在 國家的“八五”的后期和 “九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。在此 階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質性進步。在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機 床的國內市場占有率達 50，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了10。 縱觀我國數(shù)控技術近 50 年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過4 個 5 年計劃的攻關，總體 來看取得了以下成績。 a.奠定了數(shù)控技術發(fā)展的基礎，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術。我國現(xiàn)在已基本掌握了 從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅動、數(shù)控主機、專機及其配套件的基礎技術，其中大部分技術已 具備進行商品化開發(fā)的基礎，部分技術已商品化、產(chǎn)業(yè)化。 b.初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。在攻關成果和部分技術

20、商品化的基礎上，建立了諸如 華中數(shù)控、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠。蘭州電機廠、華中數(shù)控 等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機生產(chǎn)廠以及北京第一機床廠、濟南第一機床廠等若干數(shù)控 主機生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。 c.建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊伍。 雖然在數(shù)控技術的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足的進步，但我們也要清醒地認 識到，我國高端數(shù)控技術的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術水平現(xiàn)狀與我國的 現(xiàn)實需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快，但橫向比（與國外對 比）不僅技術水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距，即一些高精尖的數(shù)控裝備 的技術水平

21、差距有擴大趨勢。從國際上來看，對我國數(shù)控技術水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計 大致如下。 a.技術水平上，與國外先進水平大約落后1015 年，在高精尖技術方面則更大。 b.產(chǎn)業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件 專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低；外觀質量相對差；可靠性不高，商品化程度不足； - 7 - 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應，用戶信心不足。 c.可持續(xù)發(fā)展的能力上，對競爭前數(shù)控技術的研究開發(fā)、工程化能力較弱；數(shù)控技 術應用領域拓展力度不強；相關標準規(guī)范的研究、制定滯后。 分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面。 a.認識方面。對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進程艱巨性、復雜性和長期

22、性的特點認識不足；對市 場的不規(guī)范、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計不足；對我國數(shù)控技術應用水平及 能力分析不夠。 b.體系方面。從技術的角度關注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候多，從系統(tǒng)的、產(chǎn)業(yè)鏈的 角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候少；沒有建立完整的高質量的配套體系、完善的 培訓、服務網(wǎng)絡等支撐體系。 c.機制方面。不良機制造成人才流失，又制約了技術及技術路線創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新， 且制約了規(guī)劃的有效實施，往往規(guī)劃理想，實施困難。 d.技術方面。企業(yè)在技術方面自主創(chuàng)新能力不強，核心技術的工程化能力不強。機 床標準落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標準研究不夠。 3 對我國數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 3.1 戰(zhàn)略考

23、慮 我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移，即要掌握 先進制造核心技術，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結構調整中，我國制造業(yè)將進一步“空 芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國 際“加工中心 ”和“組裝中心 ”，而非掌握核心技術的制造中心的地位，這樣將會嚴重影 響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。 我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會安全看， 因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而 且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把 高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略

24、物質，對我國實現(xiàn)禁運和限制，“東芝事件 ”和 “考克斯報告 ”就是最好的例證。 3.2 發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導向，以 提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主 導 21 世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術、 配套技術作為研究開發(fā)的內容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 強調市場需求為導向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機（如量大面廣的數(shù)控車床、 銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關鍵設備等）帶動數(shù)控 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電

25、機、高速電主 軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性 的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品。 - 8 - 第二章第二章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計 一一 總體方案設計內容總體方案設計內容 接到一個數(shù)控裝置的設計任務以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖， 才能決定各種設計參數(shù)和結構，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設計。 機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內容：系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的 選擇、執(zhí)行機構的結構及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內容。 一般應根據(jù)設計任務和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，

26、最 后確定一個可行的總體方案。 一、系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。 二、控制方式的選擇 系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測反饋裝置， 數(shù)控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部 件的實際位置不做檢測，所以機床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng) 的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反應迅速，調 試和維修都比較簡單。 二二 總體方案確定總體方案確定 （1） 、系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇 由

27、于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控機床應具備定位，直線插補，順、逆圓弧插補，暫停， 循環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮達到屬于經(jīng)濟型數(shù) 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(huán)控制系統(tǒng)。 （2） 、數(shù)控系統(tǒng) 根據(jù)機床要求，采用 8 位微機。由于 MCS-51 系列單片機具有集成度高，可靠性 好，功能強，速度快，抗干擾性強，具有很高的性能價格比等特點，決定采用 MCS- 51 系列的 8031 單片機擴展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)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(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管

28、顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。 - 9 - （3） 、機械傳動方式 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定 的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛 度和消除間隙，采用預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結構。 系統(tǒng)總體方案框圖如下： 圖 1系統(tǒng)總體方案框圖 - 10 - 第三章第三章 進給系統(tǒng)設計計算進給系統(tǒng)設計計算 一一 選擇脈沖當量選擇脈沖當量 脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床、銑床常采 用的脈沖當量是 0.010.005mm/step。 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量： 縱向：0.

29、01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑) 二二 計算切削力計算切削力 用車床經(jīng)驗公式 F=D來計算主切削力 z 67 . 0 5 . 1 max 式中 D指車床身上最大加工直徑（mm） 。橫切端面時主切削力可取縱切時 maxz F F的 1/2。 z 求出主切削里 F以后再按以下比例分別求出分力 F和 F。 zzy F：F ：F =1 ：0.25 ：0.5 z xy 式中 F ：指走刀方向的切削力（N） ； x F ：指垂直走刀方向的切削力（N） 。 y 下圖為縱切和橫切時切削力的示意圖。 - 11 - 圖 2縱切和橫切時切削力的示意圖 1、 縱車外圓 主切削力 F(N)按

30、經(jīng)驗公式估計算： z F=D= （N） z 67 . 0 5 . 1 max 751.749150067 . 0 5 . 1 按切削力各分力比例： F：F ：F =1 ：0.25 ：0.4 z xy F（N） x 1872.71125 . 0 751.7491 F（N） y 2996.3354 . 0751.7491 2、 橫切端面 主切削力（N）可取縱切的 1/2。 z F （N） z F 3745.421F 2 1 s （N） x F 936.34025 . 0 421.3745 （N） y F 1498.1654 . 0421.3745 三三 滾珠絲杠螺母副的計算和選型滾珠絲杠螺母副的計

31、算和選型 （一） 縱向進給絲杠 1、 計算進給軸向力 F（N） m - 12 - 縱向進給這里為三角形導軌：Fm)(GFfkF zx 式中 K：指顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取 K=1.15； ：指滑動導軌摩擦系數(shù)取 0.150.18 之間的值； f G：指流板及刀架重力，G=1100N。 則 F=（N） m 3614.052)1101816.7490(17 . 0 707.187215 . 1 2、 計算最大動負載 Q 考慮滾珠絲杠在運轉過程中沖擊擾動對壽命的影響，則最大動負載 Q 的計算公式為： Q mwF fL 3 L 6 10 60Tn n 0 1000 L vs 式中 ：指滾珠絲

32、杠導程，初選=8； 0 L 0 L n：指絲杠轉速， （r/min） ； ：指最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的 s v 1/21/3，此處取=0.3； s vmm ：指使用壽命時間（h）,對于數(shù)控機床取 T=15000h.。T L：指壽命，以 10 轉為一單位； 6 ：指運動系數(shù)，見表 1，選=1.3。 w f w f 表 1運轉系數(shù) 運轉狀態(tài)運轉系數(shù) 無沖擊運轉1.01.2 一般運轉1.21.5 有沖擊運轉1.5-2.5 則 n( r/min)37.47 8 5 . 06 . 010001000 0 L vs L76.33 10 1500047.3760 10 6

33、0 66 Tn Q（N） 15183.17483614.0543 . 176.33 33 mwF fL - 13 - 3、 滾珠絲杠螺母副的選型 從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應的動負載 C 的滾珠絲杠副的 尺寸規(guī)格和結構類型，選用時應滿足 Q C 的條件。 查表：可采用 W L5008 外循環(huán)調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5 圈 1 列，其額定動 1 負載為 23400N，符合 Q C 的條件。精度等級按表 2，選為 1 級。 Vmm p300 3 106 表 2滾珠絲杠行程公差 精 度 等級 項目符號 有效行程 （mm） u L 12345 31568121623 31

34、540079131825 400500810152027 目標行程公差 e p 500630911162230 31568121623 31540068121725 400500710131926 行程變動量公差 Vmp 500630711142129 任意 300 mm 內 行程變動量 V p300 68121623 2弧度內行程 變動量 V p 2 45678 4、傳動效率計算 )( tg tg 式中 ：指螺旋升角，=2 55 ：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)其摩擦角,004 . 0 003 . 0 f ，約等于。arctgf0 1 則 95 . 0 )0155 2( 55 2 )(

35、tg tg tg tg 5、剛度驗算 先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖 3 所示，最大軸向力為N，3614.054 支承間距 L=1500mm, 絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的 1/3。 - 14 - 圖 3縱向進給系統(tǒng)計算簡圖 計算如下： （1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm） 1 F=N， m 3614.054 L =8mm, 0 EN/mm (材料彈性模數(shù)，對鋼來說是等于這個值)， 4 10 6 . 20 2 mm, R=2.477, e=0.068mm50 0 D 則 d( mm) 1 ReD22 0 182.45477 . 2 2068 . 0 250 A

36、(mm) （A 指滾珠絲杠按內徑定160342114 . 3 ) 2 182.45 () 2 d ( 221 的 截面積） 絲杠導程 L 的變化量為： 0 5 4 0 10748 . 8 421.160310 6 . 20 8055.3614 EA LF L m 總長度 L=1500mm，絲杠上的變形量，由于兩端均采用推力球軸承，則值： 1 (mm) 1 3- 5 0 104.1211500 8 10748 . 8 4 1 4 1 L L L (2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm） 2 - 15 - 由 d =4.763mm, F=kgf, bm 361.4 承載滾珠數(shù)量 ZZ 列數(shù)圈數(shù) 列

37、數(shù)圈數(shù) b d D0 15 . 2 763. 4 5014 . 3 82.4477 由于滾珠絲杠副施加預應力，且預應力 F為軸向負載的 1/3，則變形 p =0.0013 2 3 2 ZFd F pb m 3 2 4477.82 3 4 . 361 763 . 4 4 . 361 0013 . 0 （mm） 3 10979 . 2 (3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm） 3 這里采用有預緊時的推力球軸承則 3 2 4 3 10746 . 1 pw m FZD F 查機械設計手冊中表 6-2-82，采用 51109 型推力球軸承，其 d=45mm, 滾動體直徑 D=3.969 mm, 滾

38、動體數(shù)量 Z=22， W 3 2 4 3 10746 . 1 pw m FZD F 32 4 3/054.361422969 . 3 054.3614 10746. 1 （mm） 3 10782 . 4 則定位誤差 p V300 321 333-3 10610782 . 4 1098 . 2 104.103 =0.01785mm0.025mm(規(guī)定定位精度) 6、穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需作穩(wěn)定性校核。 - 16 - （二） 橫向進給絲杠 1、 計算進給軸向力 m F 橫向導軌為燕尾形，計算如下： m F)2(GFFfFk yzx 由于是燕尾形導軌式中： K

39、=1.4，=0.2 f 則 N2759)500166.14982414.3745(2 . 0354.9364 . 1 m F 2、計算最大動負載 Q n( r/min)26 6 5 . 03 . 010001000 0 L vs L 5 . 22 10 150002560 10 60 66 Tn Q（N）1012527593 . 1 5 . 22 33 mwF fL 查表：可采用 W L2506 外循環(huán)調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5 圈 1 列，其額定動負載 1 為 13100N，符合 Q C 的條件。精度等級按表 2滾珠絲杠行程公差表，選為 1 級。 Vmm p300 3 106 4、傳

40、動效率計算 958 . 0 )0122 4( 22 4 )( tg tg tg tg 5、剛度驗算 橫向進給滾珠絲杠支承方式如圖 4 所示，最大軸向力為 2759N，支承間距 L=550mm, 因絲杠長度較短，不需要預緊。 - 17 - 圖 4橫向進給系統(tǒng)計算簡圖 計算如下： (1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm） 1 根據(jù) N， D =25mm, EN/mm , R=2.064, e=0.056mm2759 m F 0 4 10 6 . 20 2 d( mm) 1 ReD22 0 20.9832064 . 2 2056 . 0 225 A(mm)345.834114 . 3 ) 2 984.

41、20 () 2 d ( 221 （mm） 2 4 0 1 1013 . 2 550 833.34510 6 . 20 2759 L EA F L L L m (2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm） 2 對滾珠絲杠副施加預緊力 F 為軸向負載的 1/3。 由 mm, kgf969 . 3 b d 9 . 275 m F 承載滾珠數(shù)量 ZZ 列數(shù)圈數(shù) 列數(shù)圈數(shù) b d D0 15 . 2 969 . 3 2514. 3 49.46 =0.0013 2 3 2 ZFd F pb m - 18 - 32 46.493/ 9 . 275969 . 3 9 . 275 0013 . 0 （mm） 3 1

42、072 . 3 (3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm） 3 這里采用有預緊時的推力球軸承則 3 2 4 3 10746 . 1 pw m FZD F 查機械設計手冊中表 6-2-82，采用 51104 型推力球軸承，其 d=20mm, 滾動體直徑 D=3.175 mm, 滾動體數(shù)量 Z=14， W 3 2 4 3 10746 . 1 pw m FZD F 32 4 3/275914175 . 3 2759 10746 . 1 （mm） 3 108 . 5 則定位誤差 p V300 321 333-2 106108 . 51072 . 3 1013 . 2 =0.03682 (mm) 顯

43、然變形量已大于規(guī)定的定位精度（） ，應該采取相應的措施修改，因橫向mm025 . 0 溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導軌來減少摩擦力，從而減少軸向力， 采用貼塑導軌=0.030.05。重新計算如下： f m F)2(GFFfFk yzx )500166.14982414.3745(03 . 0 355.9364 . 1 N1528 Q（N）560615273 . 1 5 . 22 33 mwF fL 由此可知：滾珠絲杠螺母副和軸承的型號可不改變。 此時的變形量為： （mm） 2 4 0 1 1017 . 1 550 833.34510 6 . 20 1528 L EA F L

44、L L m - 19 - =0.0013 （mm） 2 3 2 ZFd F pb m 32 47.493/ 8 . 152969 . 3 8 . 152 0013 . 0 3 1051 . 2 3 2 4 3 10746 . 1 pw m FZD F 32 4 3/152814175 . 3 1528 10746 . 1 （mm） 3 1091 . 3 定位誤差 p V300 321 333-2 1061091 . 3 1051 . 2 1017 . 1 0.02412 (mm) 0.025mm(規(guī)定定位精度) 6、穩(wěn)定性校核 臨界負載與工作負載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù)，如果，則壓桿 k F m

45、F k n m k k F F n k n 穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般=2.54。 k n k n 計算臨界負載（N）： k F 2 2 )( l EJ Fk 式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼 E（N/mm ） ； 4 10 6 . 20 2 J：指截面慣性矩（mm ）,絲杠截面慣性矩 J（為絲杠螺紋的底徑） ； 4 4 1 64 d 1 d ：絲杠兩支承端距離（mm） ；l ：絲杠支承方式系數(shù)，見表 3，這里。00 . 2 表 3滾珠絲杠支承方式系數(shù) 方式一端固定一端自由兩端簡支一端固定一端簡支兩端固定 0.251.002.004.00 則 N155993 )55100 . 2 (

46、974.20 64 14 . 3 10 7 . 2014 . 3 )( 64 2 442 2 4 1 2 l dE Fk 47.10 1528 155992 m k k F F n k n 所以此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。 （三）縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 其幾何參數(shù)見表： 表 4W L5008 及 W L2506 滾珠絲杠幾何參數(shù) 11 - 20 - 名稱符號 W L5008 1 W L2506 1 公稱直徑 0 D 5025 導程 0 L 86 接觸角 552 224 鋼球直徑 b d 4.7633.969 滾道法面半徑R b dR52 . 0 2.4772.064 偏心距e sin)2/( b

47、 dRe 0.0680.056 螺 紋 滾 道 螺紋升角 0 0 D L arctg 552 224 絲杠外徑d b dDd)25 . 0 2 . 0( 0 48.524 絲杠內徑 1 dReDd22 01 45.18220.984 螺 桿 螺桿接觸直徑 z dcos 1bz ddd 40.42417.025 螺母螺紋直徑D ReDD22 0 54.81829.016 螺 母 螺母內徑 1 D b dDD)25 . 0 2 . 0( 01 51.19025.992 四四 齒輪進給齒輪箱傳動比計算齒輪進給齒輪箱傳動比計算 1、縱向進給齒輪箱傳動比計算 已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步

48、進電機步距01 . 0 p mmL8 0 角，可計算出傳動比： 75 . 0 b 12 i 12 i668 . 1 01 . 0 360 875 . 0 360 0 p bL 在閉式軟齒面齒輪傳動中，齒輪的彎曲強度總是足夠的，因此齒數(shù)可取多些，推薦取 Z=2440。所以可選定齒輪數(shù)為： 12 i 24 40 1 2 Z Z 2、橫向進給齒輪箱傳動比計算 已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電機步距005 . 0 p mmL6 0 角，可計算出傳動比： 75 . 0 b 12 i - 21 - 12 i7 . 2 005 . 0 360 675 . 0 360 0 p bL 可選定齒輪

49、數(shù)為： 12 i 18 45 1 2 Z Z 因進給運動齒輪受力不大，模數(shù) m 取 2。有關參數(shù)參照表 5。 表 5傳動齒輪幾何參數(shù) 所處位置縱 向橫 向 齒數(shù)24401845 分度圓直徑mzd 48803690 齒頂圓直徑 mdda2 52844094 齒根圓直徑 mdd f 25 . 1 2 43753185 齒寬（610）m16161616 中心距)( 2 1 21 ZZmA6463 五五 步進電機的計算和選型步進電機的計算和選型 （一） 縱向進給步進電機計算 1、 等效轉動慣量計算 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下式計算：)( 2 cmkgJ 20 2 2 1 2 1 ) 2

50、 ()()( L g W JJ Z Z JJJ sM 式中 ：指步進電機轉子轉動慣量； M J)( 2 cmkg 、：指齒輪、的轉動慣量； 1 J 2 J 1 Z 2 Z)( 2 cmkg ：指滾珠絲杠轉動慣量； s J)( 2 cmkg ：指工件及工作臺重量（N） ；W ：指絲杠導程（） ； 0 Lcm 參考同類型機床，初選反應式步進電機 150BF，其轉子轉動慣量。 2 10cmkgJM （分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬）dLJ 3 1 1078 . 0 Ld和 2 Z - 22 - 6 . 18 . 41078 . 0 43 )(66 . 0 2 cmkg （分別表示齒輪的分度圓直徑和齒

51、寬）dLJ 3 2 1078 . 0 Ld和 1 Z 6 . 181078 . 0 43 )(11 . 5 2 cmkg （分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距）dLJs 3 1078 . 0 Ld和 15051078 . 0 43 )(73.134 2 cmkg 把這些數(shù)據(jù)代入上式： 20 2 2 2 1 1 ) 2 ()()( L g W JJ Z Z JJJ sM ) 2 8 . 0 ( 8 . 9 1100 )125.7311 . 5 () 40 24 (66 . 0 10 2 )cmkg(97021 . 3 4 2 2、 電機力矩計算 機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別

52、按個階段計算： （1）快速空載起動力矩 起 M 在快速空載起動階段，加速度所占的比例較大，具體計算公式如下： 0max MMMM fa 起 a a a t n J t n JJM 60 102 10 2 60 2 max2max max 360 max max b p n iG LF M f 2 00 )1 ( 2 2 0 0 0 i LF M p 以上式中 ：指空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩（） ； maxa McmN ：指折算到電機軸上的摩擦力矩（） ； f McmN ：指絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（） ； 0 McmN - 23 - ：指傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量； J)( 2 cmkg ：指電機最大角加速度（） ； 2 /srad ：指電機最大轉速（） ； max nmin/r ：指運動部件最大進給速度（） ； max min/mm ：指脈沖當量（） ； p stepmm/ ：指步進電機步距角（） ； b deg ：指運動部件從停止起動到最大快進速度所需時間（s） ，這里是 30ms； a t ：指導程的摩擦力（N） ，； 0 F)( 0 WFfF z ：指垂直方向的切削力（N） ； z F ：指工件及工作臺重量（N） ；W ：指導軌摩擦系數(shù)，； f 18 . 0 15 . 0