[数控]数控机床学习资料.doc

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1、5 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 .1 1.1、数控系统的发展简吏及国外发展现状.2 1.2我国数控系统的发展现状及趋势.3 1.3 伺服系统的特点4 第二章第二章 设计总体方案设计总体方案 .5 21 设计参数的确定6 22 总方案的确定6 第三章第三章 数控机床的机械部分设计数控机床的机械部分设计 .7 3.1 数控机床的传动装置设计8 3.2 机械部分的设计与计算9 第四章第四章 数控系统硬件电路设计数控系统硬件电路设计 .10 4.1 数控系统基本硬件组成11 4.2 单片机控制系统的设计12 第五章第五章 数控系统软件设计数控系统软件设计 .13 5.1 本数控系统软件设计任务1

2、4 5.2 进给伺服系统 X 轴与 Z 轴步进电机控制15 5.3 主轴电机的控制16 5.4 螺纹加工工作原理和加工程序17 第六章第六章 滚珠丝杠副的设计和计算滚珠丝杠副的设计和计算18 6.1 选择脉冲当量.19 6.2 计算切削力.20 6.3 滚珠丝杆螺母副的计算和选型.21 第七章第七章 数控系统的选择数控系统的选择.22 6.1 西门子数控系统的优点23 6.2 数控线图.24 6.3 数控零件图25 致谢致谢 .26 参考文献参考文献 .27 5 绪论绪论 1.11.1 数控系统的发展简史及国外发展现状数控系统的发展简史及国外发展现状 1949 年美国帕森公司首先提出了机床数字

3、控制的概念。1952 年第一代数控系统 电子管数控系统的诞生。20 世纪 50 年代末，完全由固定布线的晶休管元器件电路所 组成的第二代数控系统晶体管数控系统被研制成功，取代了昂贵的、易坏的、难 以推广的电子管控制装置。随着集成电路技术的发展，1965 年出现了第三代数控系统 集成电路数控系统。1970 年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四 代数控系统小型计算机数控系统，然后，随着微型计算机以其无法比拟的性能价 格比渗透各个行业，1974 年，第五代数控系统微型计算机数控系统也出现了。应 用一个或多个计算机作为数控系统的核心组件的数控系统统称为计算机数控系统(CNC)。 综上所述，

4、由于微电子技术和计算机技术的不断发展，数控机床的数控系统也随着不 断更新，发展非常迅速，几乎 5 年左右时间就更新换代一次1。 数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高科技含量的 机电一体化产品。欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产品进程，1990 年 日本机床产值数控化率达 75，美国达 701，德国达 57。目前世界数控机床年 产量超过 15 万台，品种超过 1500 多种2。 1.21.2 我国数控系统的发展现状及趋势我国数控系统的发展现状及趋势 1.2.1 数控技术状况 目前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也 是由封闭型向开放

5、型过渡的时期。 我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术(包括核心技术)，已达到国 际先进水平。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现 已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例 如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1 m当量的超精密数控系统、数控仿型系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、 5 实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于 PC 机的开放式智能化数控系统，可实 施多轴控制，具备联网进线等功能既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台， 为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件

6、。特别重要的是，我国数控系统的可靠性 已有很大提高，MPBF 值可以在 15000h 以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生 产，自我配套率超过 60%。这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础1。 我国进行改革开放后，由于政策的开放，使得金属切削行业得以和世界上先进的 机床制造国家进行技术交流，并通过引进技术，到 80 年代初，国产数控机床进入实用 化阶段，1991 年数控机床的产值数控化率为 143，到 1997 年数控机床产值数控化 率为 245。目前，我国数控机床(包括经济型机床)品种约有 500 个2。 但是，与国外数控车床相比，在性能、质量 设计、制造等各方面存在较大差

7、异， 并存在许多不足：机械件的材质、加工精度、加工工艺存在较大差距，装配工艺也存 在一定差距；主轴及卡盘刚性差，主轴定位准停不好；安全性较差，软硬件保护功能 不够；刀片磨损快，生产成本高，效率低；硬件设计方面不规范，不符合国标，比如 使用电压等级、电线颜色使用、图纸资料的绘制装订、提交等等，有的机床厂家甚至 仍然停留在十年二十年前的设计思想；程序设计方面缺乏标准，不规范，逻辑性不强， 故障率高，在使用过程中需不断对程序进行修改；外围元件布置及走线不规范，标牌 线号不清，图纸与实物不符，维修困难；使用的元器件本身质量差，使用寿命短，故 障率高，有的机床厂家为了降成本却忘记了质量、忘记了可靠性，选

8、用一些国产的轴 承、接触器、继电器、接近开关等元件，在生产过程中小故障连绵不断；柔性化不强， 多品种生产困难。而国外数控车床无论是设计水平，还是制造水平，都要高出国内数 控车床。机械件材质、加工精度、加工工艺、装配工艺比较好；软硬件设计有专门的 标准，设计规范合理，配套件齐全，标牌标示清楚齐全；使用的元器件质量好，故障 率低；新技术的应用及时领先；概括来说，精度及可靠性高、性能稳定故障率低3 。 1.2.2 数控系统的发展趋势 随着微电子技术和计算机技术的发展，数控系统性能日臻完善，数控系统应用领 域日益扩大。为了满足社会经济发展和科技发展的需要，数控系统正朝着高精度、高 速度、高可靠性、多功

9、能、智能化及开放性等方向发展。 1.31.3 伺服系统的特点伺服系统的特点 数字控制，是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方 法。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。数控机床 5 是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分 组成。 1. 信息载体 信息载体又称控制介质，用于记录数控机床上加工一个零件所必需的各种信息， 以控制机床的运动，实现零件的机械加工。常用的信息载体有穿孔带等，通过相应的 输入装置将信息输入到数控系统中。数控机床也可采用操作面板上的按钮和键盘将加 工信息直接输入，或通过窜行口将计算机上编写的加工

10、程序输入到数控系统。高级的 数控系统可能还包含一套自动编程机或者 CAD/CAM 系统。 2. 计算机数控系统 计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计 算和处理后去控制机床的动作。它由硬件和软件组成。硬件除计算机外，其外围设备 主要包括光电阅读机、CRT、键盘、面板、机床接口等。软件由管理软件和控制软件组 成。数控装置控制机床的动作可概括为：机床主运动、机床的进给运动、刀具的选择 和刀具的补偿、其它辅助运动等。 3. 伺服系统 它是数控系统的执行部分，包括驱动机构和机床移动部件,它接受数控装置发来的 各种动作命令，驱动受控设备运动。伺服电动机可以是步进电机、电液

11、马达、直流伺 服电机或交流伺服电机。 4. 机床 它是用于完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上发展起来的，但 也做了很多改进和提高，它的主要特点是：由于大多数数控机床采用了高性能的主轴 及伺服传动系统，因此数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短；为了适应 数控机床连续地自动化加工，数控机床机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐 磨性，热变形较小；更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等；不 少数控机床还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床工作效率1。 数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床三者的优点，将高效率、 高精度和高柔性集中于一体。而数控机床技术水

12、平的提高首先依赖于进给和主轴驱动 特性的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、 伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求。 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。在数控机床中， 5 伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。伺服系统接受来自 CNC 装置的进 给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作 台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的 机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。 进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要 组成部分。它包含机械、电子

13、、电机(早期产品还包含液压)等各种部件，并涉及到强 电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。要使它成为一个既能使各部件互相配合 协调工作，又能满足相当高的技术性能指标的控制系统，的确是一个相当复杂的任务。 提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能 的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。 数控机床伺服系统的一般结构如下图所示： 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相 同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高 的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 伺服系统对伺服电机的要求： 1

14、） 从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如 0.1r /min 或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。 2） 电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺 服电机要求在数分钟内过载 4-6 倍而不损坏。 3） 为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有 尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受 4000rad/s2以上的角加速度的能 力，才能保证电机可在 0.2s 以内从静止启动到额定转速。 4） 电机应能随频繁启动、制动和反转。 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开 始采用高速、高

15、精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向 全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字 PID，使 用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使 控制精度和品质大大提高4。 5 图 1.1 伺服系统结构图 第二章 总体方案设计 2.1 设计参数的确定 并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件： 第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装 车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以 及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的

16、平面度、直线度、圆柱度 以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需要 在改装前确定。 最大加工直径： 车床身上： 400mm 车床鞍上： 210mm 最大加工长度： 1000mm 快进速度： 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 最大切削进给速度： 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min 5 脉冲当量： 纵向 0.01mm/step 横向 0.005mm/step 脉冲分配方式： 逐点比较法 控制坐标数： 2 机床定位精度： 0.015 溜板及刀架重力： 纵向： 800N 横向： 60 8 自动生降速性能： 有 起动加速时间： 30ms 主电机功

17、率： 7.5Kw 当数控车床的性能和精度等内容基本选定后，可根据此来确定改造方案。目前机 床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般 均能满足车床的常规加工要求。因此，较典型的车床数控改造方案可选择为：配置专 用车床数控改造系统，更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电机 驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀 功能。 2 22 2 总方案的确定总方案的确定 2.2.1 系统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、 循环加工公英螺纹加工等功能，故应选择连续控

18、制系统。考虑到属于经济型数控机床 加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 2.2.2 计算机系统 根据机床要求，采用 8 位微机。由于 MCS51 系列单片机具有集成度高，可靠性 好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，决定采用 MCS51 系列 的 8031 单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O 接口及光隔离电路、步进电机功率放大 电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示 加工数据及机床状态等信息。 2.2.3 机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆。为了保证

19、一定 的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时，为了提高传动 刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。 2.2.4 运动方式的确定 数按系统运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。由于 CK6163 车床要加工复杂轮廓零件，所以本次设计采用连续控制系统。 2.2.5 系统的选择 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。经过比较，由于 CK6163 车床加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。 2.2.6 机构传动方式的确定 为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低 8 摩、低

20、惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下 几点： (1) 尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、 贴塑导轨等。 (2) 尽量消除传动间隙。例如采用隙齿轮等。 (3) 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采 用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。 2.2.7 微机的选择 微机数控系统由 CPU、存储器扩展电路、I/O 接口电路、伺服电机驱动电路、检测 电路等几部分组成。 第三章 数控机床的机械部分设计 3.1 数控机床的传动装置设计 传动装置设计包括传动系统改装设计、转动比的计算、电机

21、的选择等。 3.1.1.传动系统改装设计 在车床的改造中，一般采用直线控制开环系统即可满足要求。这种系统结构简单、 传动链短机床流板箱的运动速度和位移完全取决于输入指令脉冲的数目和频率。因此， 不需要位置检测机构。由于无检测装置，其位移精度主要取决于传动元件（如齿轮、 传动丝杠等等）的累积误差。所以，设计时应该选择合适的脉冲当量（常用的控制系 统的脉冲当量是 X 向 0.005mm/p。Y 向 0.01mm/p）并要求传动元件有足够的刚度和精度。 传动系统的传动误差尽量小，一般开环系统的定位精度可达0.02mm0.01 mm.有以下 几个方面的因素：一是将高转速低转矩的伺服电动机轴的输出，改变

22、为低转速高转矩 的执行元件的输出；另一方面是使丝杠哈溜板的转动惯量折算到电动机上数值减小， 此外对开环系统而言还可以保证所要求的脉冲当量。 纵向进给系统的改造全部拆除 CK6163 原机床的进给箱和溜板箱，拆除光杆及端部 的固定轴承。滚珠丝杠安装在原光杆略前一点。考虑到热胀冷缩对精度的影响，丝杠 的两端一固定一端自由伸缩。溜板箱拆除后，设一溜板箱和平动按钮安装板，滚动丝 杠副的螺母固定到溜板箱上，转动丝杠时，带动溜板箱移动。 纵向步进电机、齿轮箱和溜板箱均加外罩，以保持机床的外观整齐；在溜板箱上 安装纵、横向进给按钮和启动、暂停、急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇 到以外情况时的紧急处理

23、需要。为了便于安装滚珠丝杠副及检修，丝杠轴采用分段式。 8 安装后，用套桶刚性连接。如丝杆采用整体式，则加工难度大，易产生变形，装拆不 方便，且如果一端因磨损或装拆损坏，则丝杠也随之报废。无形之中增加使用成本步 进电机及齿轮箱安装在机床尾部，不影响操作，便于检修和布线。为保证传动精度及 避免多级传动带来的误差，采用一级齿轮减速，并采用双片薄齿轮错齿来消除间隙 （考虑到负载变化，不采用弹簧调节齿轮）运行一段时间后，拆开减速盖板调节两片 齿轮间的相对位置达到消除间隙的目的。此外为达到这个目的，在减速箱端盖上制造 腰子孔方式。当端盖与减速箱体联结时。围绕中心转动端盖，从而改变步进电机与丝 杠轴中心距

24、来达到消除齿轮间隙的目的。减速箱在安装后，配打定位销定位。在溜板 箱体上安装快速进给按钮和急停按钮，机床运行中如遇越界现象将不能及时发现。因 此在适当的位置安装越界报警系统。 原机床主轴部位保留，但加装主轴脉冲发生器，以实现螺纹加工功能。 保留其它进给和刀具部分。原来车床上的四位刀架改为四位可编程自动转位刀架。 3.2.2.主轴编码器 数控车床靠数控系统控制步进电机进给与主轴的旋转配合切削出符合的螺纹，须 配置主轴编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发出主 轴转角位置变化的信号。主轴编码器一般采用同轴安装或异轴安装，异轴安装较同轴 安装复杂，须配置一对齿轮或同步耻形带，

25、但可加工穿出车床主轴孔的零件。主轴编 码器传动用轴套连接，对连接件制造精度及安装要求较高，否则同轴度误差的影响会 引起主轴编码器发生偏扭而造成信号不准，严重会损坏 码盘。 3.1.3.滚珠丝杠 由于被改装机床的丝杠往往已有不同程度的磨损或弯曲变形，运动阻力较大，容 易造成步进电机伺服系统的丢步。如果机床用于粗加工，问题还不突出；如用于精加 工，为了提高机床的定位精度、应采用滚珠丝杠。在改装过程中，一般应注意以下几 个问题： A 改装前，应对机床的各项精度进行一次检测，作必要的修复，以保证改装后的机 床有较高的使用价值由于滚珠丝杠的定位圆往往比原丝杠大，需拆下纵向丝杠右端的 挂脚，细致地校正原安

26、装定位面，找正原定位孔中心，扩镗孔，使之与滚珠丝杠配合。 这是新安装的滚珠丝杠与机床导轨平行的关键之一；纵向滚珠丝杠选用时，应尽量使 8 其长度与原丝杠接近。为了降低成本，允许选用稍短的规格，因为车床丝杠的端部螺 纹在日常使用时一般是用不到的，可加连接杆补偿，但应保证加工和安装时的同轴度 要求。这一要求以及丝杠螺母座的安装位置，构成大拖板移动是否灵活的关键； 横向滚珠杆的有效长度，不仅要保证刀具刃尖过去轴中心，还应满足机床自动对 刀功能的要求。最好能使中拖板行程满足镗孔刀尖超过主轴中心 40mm。我们将原机床 丝杠的螺纹部分切去，与滚珠丝杠镶接，简化了改装工作量。螺纹部分切出前，需确 定起长度

27、。 3.2.4.丝杠后支撑用双列向心球面球轴承 后支撑采用自动调心双列向心球面球轴承。双列向心球面球轴承，不仅可 承受径 向载荷和横向载荷，更重要的是能消除由于安装误差，导轨直线度误差，加工过程中 切削变形而引起的轴和轴承之间的干涉，自动调节起相对位置，保证丝杠的回转精度 和位置精度。 3.3.5.采用波形弹簧垫圈消除齿轮间隙 车床数控装置中，弹簧是传动装置上采用一级减速齿轮来提高钮矩和传动精度， 而齿轮间隙会在旋转每次反向之后使运动滞后于指令信号；既形成反向间隙，对加工 精度产生影响。一般采用轴向压簧错齿结构，通过弹簧调节消除间隙，尽管齿侧间隙 可自动调节补偿，但轴向尺寸结构不紧凑，关系非线

28、形，而耐高温和耐油性比钢弹簧 弹性差，易老化。因此用波形弹簧垫圈消除间隙，既可自动补偿间隙又有紧凑结构 3.4.6.传动轴和滚动丝杠的连接连接轴用长联轴套 为减少联轴器径向尺寸和转动惯量，采用了套式联轴器；同时为保证连接两轴之 间同轴度和接触面积，连轴器的长度去 120 mm 左右，约为弹性柱销的 1.5 倍，轴径与 轴套相互垂直，圆锥销定位琐紧保证连接刚度 3.5.7.公差与配合的选用 （1）轴套与轴径之间用 H7/k6，采用这种配合，保证在装配时有过盈，以保证其 精密定位和连接刚度，消除里配合件之间的震动，当经过一段时期后，需要更换轴承 或进行导轨修磨而拆卸时，又能方便的将轴径从轴套 中取

29、出。 （2）与轴承配合的轴径用 js6。因为轴承是标准件周的公差采用 js6 当轴承过度 配合时平均间隙小，并允许有过盈，以保证刚度要求，又能方便轴承装卸。 3.2 机械部分的设计与计算 1.纵向进给系统的设计计算 8 （1）工作台质量的估算 工作台质量估算 mabc=86+21.6+26=133.6kg 式中：a床鞍的质量 86kg b中拖板的质量 21.6kg c刀架质量 26kg （2） 切削力的计算 P=pk P主电机功率=7.5kw 主传动系统总效率=0.75 k进给系统功率系数 k=0.96 P =7.50.80.96=5.76kw 2机床主电机功率计算 按照需要进行数控改造设计的

30、普通车床的主电机功率来计算切削力。其具体方法 如下: Pp 式中 c切削功率(KW) P 机床主传动功率(kw) 主传动系统总的机械效率，可以近似地取以下数值 精密机床 =0.80.85 中型机床 =0.750.8 大型机床 =0.70.85 Mn=9550Pc/n 式中 Mn 主轴传递的扭矩(Nm)； n 主轴计算转速(r/min)，是主轴传递全部功率时的最低转速。 Fz=2Mn/d10 式中 Fz 主切削力(N)； d 工作直径可采用在床鞍上加工的最大直径。 主切削力求出以后再按比例求出 FxFy。 8 3.滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计计算归结为滚珠丝杠副

31、的型号选 择。纵向滚珠丝杠选用时，尽量使其长度与原丝杠接近。为了降低成本，允许选用稍 短的规格，因为车床丝杠的端部螺纹在日常使用时一般是用不到的，可加连接杠补偿， 但应保证加工和安装时的同轴度要求。这一要求以及丝杠螺母座的安装位置，构成大 拖板移动是否灵活的关键。同时横向滚珠丝杠的有效长度，不仅要保证刀具刃尖过去 周中心，还应满足机床自动对刀功能的要求，最好能使中拖板行程满足镗孔刀尖超过 主轴中心 40MM。我们将原机床丝杠的螺纹部分切去，与滚珠丝杠镶接，简化了改装工 作量。螺纹部分切除前，需确定其长度。 （1）计算作用在丝杠下的最大动负载荷 F 首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，

32、计算丝杠的轴向载荷，再根 据要求的寿命计算出丝杠副应能承受的最大动载荷 F F=fgfgF F 最大动载荷（N） F 工作负载（N） F 运转系数，一般运转取 1.2 1.5；有冲击的运转取 1.52.5 F 硬度系数，HRC 为 60 时为 1；HRC60 时 F 大于 1； L寿命以 10 为单位 1，如 1.5 就为 150 万转。 L=60Nt/10 N滚珠丝杠的转速 t 为使用寿命，取 15000 小时 工作负载的数值可用机床设计手册中的进给牵引力实验公式计算： 则车床丝杠的纵向轴向力 F=KgF F切削分力；w 移动部件重力（1300N） K 考虑到颠覆力矩的影响的系数 k 取 1

33、.15 f 导轨摩擦系数取 0.16 则 F =2471N 8 当车床以线速度 100m/min,进给速度为 f=0.3mm/r,车削直径为 D=80 mm 的外圆时， 丝杠的转速 n= = =19.9r/min，则 L= = =17.91 万转。根据工作负载 F ，寿命 L，计算 出滚珠丝杠副承受的最大动负荷，取 f =1.2, f =1 F=fgfgF= 1.212471=12548.8N 由 F 查滚珠丝杠的产品样本选用丝杠的型号。查南京工艺设备制造厂的滚珠丝杠 样本选择滚珠丝杠的直径为 40mm,型号为 CD406Z5E2，插管外循环双螺母垫片预 紧及滚珠丝杠副。其额定动载荷为 259

34、70N，强度足够。参数如下： 公称直径 40mm，基本导程 6mm，钢球直径 7.144mm，丝杠大径 38mm 额定动负荷 25.97kN，额定静负荷 87kN 4 计算最大动负载 C 选用滚珠丝杠副的直径 d。时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 100 万转(1010后。在它的滚到上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该 滚珠丝杠能承受的最大动负载 C，可用下式计算 o s mw L V n nT L FfLC 1000 10 60 6 3 式中 L寿命，以 1010转为一单位； n丝杠转速(rmin); V 为最大切削力条件下的进给速度(m/min),可取醉倒进给速度的

35、1/21/3； L。丝杠导程()； 为使用寿命()，对于数控机床取； w运转系数，见表-。 表-运转系数 运转状态 运转系数 无冲击运转 . 一般运转 . 有冲击运转 . 5 计算最大静负载。 8 当滚珠丝杠副在静态或低速(情况下工作时，滚珠丝杠副的 破坏形式主要是在滚珠接触面上产生塑性变形，当塑性变形超过一定限度就会破坏珠 丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生这样大 的塑性变形量时的负载称为允许的最大静负载。 。 式中 滚珠丝杠的最大轴向负荷，()； 静态安全系数，当为一般运转时，当有冲击或振动是， fs23。 选用相应的滚珠丝杠副的额定静载荷 C。C。a。

36、6 .传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 tan tan 式中 丝杠螺旋升角； 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f=0.0030.004,其摩擦角约等于 10。 7 .刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑 以下引起轴向变形的因素 (1)丝杠的拉伸或压缩变形量 1；在总的变形量中占得比重较大。可以用计算方 法或查图表的方法决定。 1计算法 先用下式计算滚珠丝杠受工作负载 Fm 的作用引起的导程 L。的变化量 L(mm)再计算滚珠丝杠总长度上的拉伸或压缩变形量 1。 L=FmL。/EF 式中 L在工作负载 Fm 作用下引起每一导程的变化量(mm)；

37、 Fm工作负载，即进给牵引力(N)； L。滚珠丝杠的导程(mm)； E材料弹性模数(N/mm),对钢为 20.61010Nmm; 8 F滚珠丝杠截面积(鞍内径确定) (mm)。 “”号用于拉伸， “-”号用于压缩。 再计算滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩的变形量 1(mm) 1=L/LL 式中 L滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm) 。 （2）效率计算： 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率? 为 Y0.3 螺纹的螺旋升角，该 丝杠为 2.7349, 摩擦角为 10, 则 Y =0.94 （3）刚度计算 滚珠丝杠工作时，受轴向力和扭矩的作用，它将引起导程 L 的变化，因滚珠丝杠 受扭时引起导程变化

38、很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程的变化两 L（cm）为公 式中 S 弹簧摸量，对钢 S=20.610 N/cm ，F 是滚珠丝杠截面积等于 11.88cm 。 “+” 用于拉伸时， “-”用于压缩时。则?L 6.0610 cm，丝杠 1 米长度上导程变形总误差 10.10m/m，3 级精度丝杠允许的螺距误差为 15m/m，故刚度足够。 （4）滚珠丝杠副螺母副支承形式的选择 按如何布置承受轴向载荷的轴承和结构简单由适合中小型车床的支承形式分，一 般有下列两种。 a.“双推自由”式，图 A 所示为“双推自由”式原理图。这种方式是将两个 方向的推力都布置于一端。另一端为自由端。它适合于车床的横

39、向进给丝杠； b.“双推支承”式，图 B 所示为“双推支承”式原理图。与方式 A 不同的是 在另一端布置一盘或两盘向心球轴承。这种形式比较适合于中小型车床的纵向进给丝 杠 7.定齿轮传动比计算 根据系统的脉冲当量 0.01，选步进电机的步距角0.75?则 Y=1.25，取齿轮齿数 z =24，z=30 齿轮模数 m=3mm.取齿轮传动时效率 =0.98 8.步进电机的选择 （1）负载转动惯量的估算 折算到步进电机轴上的转动惯量可按下式估算： 8 JJ J 折算到电机轴上的转动惯量（ kg/cm ） J 齿轮 z 的转动惯量（kg/cm ） J 齿轮 z 的转动惯量（kg/cm ） J 丝杠的转

40、动惯量（kg/cm ） 对材料是钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算： 7.8 10JDLA D 圆柱零件的直径（cm） L零件轴向长度（cm） 所以 J7.8104.81=0.414kg/cm J=7.81061=1.011kg/cm j=7.8104152=30.35kg/cm j=0.299kg/cm JJ=0.414+0.299=20.784 （2）负载转矩计算及最大静转矩选择 根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩 2.05N.m 若不考虑起动时运动部件惯性的影响，则起动转矩 ,取安全系数 0.3， 对于 工作于三相六拍的步进电机 T = N/m .因数控机床对动态性能要求较高，确定

41、电动机 最大静转矩时，应满足快速空载启动时，所需转矩 T 的需求 TTTT T 空载快速启动是所需的转矩（N/m） T 克服摩擦所需的转矩（N/m） T 丝杠预紧所引起折算到电动机轴上的附加转矩（N/m） 当工作台快速移动时，电动机的转速 n 由动力学可知， TJ 式中 角加速度，则TJ=3.626N/m T =0.173N/m 式中 F 预加载荷，一般为最大轴向载荷的 1/3，即 F /3 则TTTT=3.626+0.173+0.683=4.482N/m 8 （3）步进电机的最高工作频率 f =3333.33HZ 根据计算综合考虑，查表选用 110BF003 型电动机。 第四章 数控系统硬件

42、电路设计 4.14.1 数控系统基本硬件组成数控系统基本硬件组成 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成，硬件是数控机床的基础，其性能 的好坏，直接影响整个系统的工作性能，有了硬件，软件就能发挥作用。 机床数控机床的硬件电路概括起来又以下四部分组成： （1） 中央处理单元 CPU。CPU 是数控系统的核心。 （2） 总线。包括数据总线（DB） 地址总线（AB）和控制总线（CB） 。 （3） 存储器。包括只读可编程存储器和随机读写存储器。 （4）O I 输入输出接口电路。 由于 8031 只有 P1 口和 P3 口部分能提供用户作为 I/O 口使用，不能满足输入输出 口的需要，因而系统必须扩展

43、输入输出接口电路。从附录 H 图 H2 可以看出，系统扩 展了一片 8155 和一片 8255 可编程 I/O 接口芯片。8155 的片选信号 CE 接 74LS138 的 Y0，8255 芯片片选信号 CS 接到 74LS138 的 Y2 端。74LS138 三八译码器有三个输入 A、B、C 分别接到 8031 的 P2。5，P2。6、P2。7，输出 Y0Y7 8 个输出，低电平有效。 Y0Y7 对应输入 A、B、C 的 000 至 111 的 8 种组合，其中 Y0 对应 A、B、C 为 000，Y7 对应 A、B、C 为 111。74LS138 还有三个使能端，其中 2 个（GA 和 G

44、B）为低电平使能， 另一个 G1 为高电平使能。吸有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否则输出 处于高电平无效状态。 I/O 接口芯片与外设的连接是这样安排的：8155 芯片 PA0PA7 作为显示器段选信 号输出，PB0PB7 是显示器的位选信号输出，PC0PC4 5 根线是键盘扫描输入。8155 芯 片的 IO/M 引脚接 8031 芯片的 P2。0，因为使用 8155 的 I/O 口故 P2。0 高电平。 8255 芯片 PA0PA6 接 X 向、Y 向和 Z 向步进电机硬件环形分配器，为输出， PB0PB7 为三个方向的点动及回零输入，PC0PC5 为面板上的选择开头是输入，设有

45、编 辑、单步运行、单段运行、自动、手动 I、手动 II 等方式。 系统各芯片采用全地址译码，各存储器及 I/O 接口芯片的地址编码如表 419 所 示： X 向，Y 向步进电机硬件环形分配器采用 YB015，32 相通电五相十拍方式工作， 故 A0，A1 引脚均接+5V，Z 向步进电机配件环形分配采用 YB014，是以 23 相通电四 相八拍方式工作。A0、A1 接高电平。三个芯片的选通输出控制 E0 分别接 8255 的 PA0、PA3、PA5，清零 R 接 8255 的 PA1，正、反转控制端分别接 8255 的 8 PA2、PA4、PA6，时钟输入端 CP 接 8155 芯片的 TIMR

46、OUT，用以决定脉冲分配器输出脉 冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补时不同的进给速度，可给 8155 芯片的定时/计 数器中设置不同的时间常数。 表 5 芯 片接 74LS138 引脚 地址选择线片内地址 单元 （B） 地址编码 2764（1） 0 Y000xxxxxxxxxxxxx8K0000H1FFF H 2764 (2 ) 1 Y001xxxxxxxxxxxxx8K2000H3FFF H 6264 2 Y010xxxxxxxxxxxxx8K4000H5FFF H RAM 4 Y10011110xxxxxxxx661009EFFH 8155I/O 4 Y1001111111111xxx69

47、FF8H9FFD H 8255 2 Y01011111111111xx45FFCH5FFF H 作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作，存储器用于存放系统软 件，应用程序和运行中所需要的各种数据，O I 输入输出接口是系统与外界进行交 换的 桥梁。总线则是 CPU 与存储器，接口以及其它转换的纽带，是 CPU 与部分电路进 行交换和通讯的必由之路。 数控系统的硬件框图为： 8 图 4-1 4.24.2 单片机控制系统的设计单片机控制系统的设计 1 向和 X 向进给伺服系统运动 2 键盘显示 3 自动转位刀架控制 4 螺纹加工控制 5 面板控制 6 行程控制 7 其他功能 报警电路、急停电路、复位电路、光隔离电路、功能电路等。 4.2.1 硬件电路的组成 采用 MCS-5 系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下： a) 采用 8031 作 CPU b) 扩展了两片 2764 芯片、一片 6264 芯片 c) 两片 8155 可编程并行 I/O 接口。 d) CPU、存储器及 I/O 接口 CPU 采用 8031 芯片，选用 6MHz 晶体振荡器。它的 o P作为数据总