(综合课程设计)指导书.doc

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1、机电一体化技术专业（网络专科） 综 合 课 程 设 计 指导书山东大学机械工程学院2010年12月修订目 录第一章、毕业设计（综合作业）的目的、要求和题目(3)第二章总体设计方案的拟定(8)第三章机床进给系统机械部分设计与计算(15)第四章微机数控系统软、硬件电路设计(28)设计参考资料(35)具体注意事项(36)附录(37)第一章、毕业设计（综合作业）的目的、要求和题目第一节、目的毕业设计（或称综合作业）是机电一体化工程专业 (高等专科)教学中最后一项实践性教学内容，它是在学生学习完技术基础课和专业课、特别是数控技术及应用课程之后进行的一项综合教学环节。它是培养工程技术人员理论联系实际、解决

2、生产实际问题能力的重要步骤。毕业设计的完成即检验了学生课程学习的效果，又为将来从事实际工作起到了过度和桥梁的作用。机电一体化专业综合作业是以机电一体化的典型课题数控机床的设计和应用为主线，通过对数控机床加工程序的编制，数控机床改装总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分设计与计算以及数控系统硬件电路、系统软件的设计，使学生综合运用所学的机械、电子和微机的知识，进行一次机电结合的全面训练。从而培养学生具备数控加工编程能力、初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机、电方面技术问题的能力。第二节、内容及要求本次毕业设计的内容由教师指定，题目是经济性数控机床的改装设计，要求学生在全面了解数控机床的

3、工作原理和使用方法的基础上，完成以下两项任务：一、指定零件的数控加工程序编制，内容包括：（1）零件工艺分析及确定工艺路线。（2）选择数控机床设备。（3）确定装夹方法及对刀点。（4）选择刀具。（5）确定切削用量。（6）编制加工程序。二、指定普通车床的数控化改装内容包括：1、进给系统机械部分设计计算(1)确定脉冲当量。(2) 滚珠丝杠螺母副的计算和选型。(3)滚动导轨的计算和选型。(4) 进给系统传动计算。(5) 步进电机的计算和选用。(6) 绘制进给系统任一个坐标轴（即横向或者纵向进给轴）的机械装配图。（7）选择一个机械装配图中需要自己制造的零件，设计、绘制零件图。2、单片微机数控系统的设计（1

4、）数控系统方案的确定及框图绘制。（2）8051单片微机及扩展芯片的选用。（3）1/O接口电路及译码电路的设计。 （4）系统软件程序框图的设计。（5）主要功能子程序的编制。（6）绘制一台数控机床单片微机应用系统电路原理图。第三节、毕业设计的工作量要求一、图纸部分：图纸应根据教师安排的课题和要求，手工绘制。内容包括：(1)进给系统一个坐标轴的机械改装装配图 (A0图纸一张)。(2) 零件图一张(图幅根据需要确定)。(3) 单片微机数控系统电路原理图一张 (A1图纸一张)。二、说明书部分， 说明书是毕业设计整个设计、计算过程的叙述说明，应包括以下内容:(1)目录(2)概述(3) 总体改装方案的分析与

5、设计。(4) 机械部分结构设计与计算说明。（5）硬件电路部分设计说明。（6）系统软件程序框图的设计及主要功能子程序的编制。（7）参考文献（8）给定零件的数控加工程序的编制及说明。说明书应针对课题手工书写在标准信纸上，应不少于8000字（大约35页）。 设计完成后，将图纸折叠，与说明书一起装入标准的档案袋（市面有售），并在档案袋的封面填入：姓名、专业、年级、学号、题目、内容等信息。第四节、考核方法及成绩评定 一、考核方法学生在完成了所有指定的毕业设计任务并经过仔细检查后，经指导教师审核并签字，提交辅导站。二、考核评定毕业设计汇总后，由山东大学组织具有丰富经验的教师进行统一的考核，根据学生完成毕业

6、设计的实际情况，按优、良、中、及格和不及格五级评定成绩。三、综合作业评分标准各级评判标准如下：优秀：内容完整，按期完成任务。加工程序编制正确，进给系统设计方案正确可行、论证充分，选用数据正确合理，计算准确，图面整洁，质量高，数控系统硬件电路设计合理。设计计算说明书整齐通顺、有条理。良好：内容完整，按期完成任务。加工程序编制正确，进给系统设计方案可行，论证较好，选用数据较合理、计算较准确，图面整洁、质量较高，硬件电路设计合理。说明书较通顺、整齐。中等：内容完整，按期完成任务。加工程序编制基本正确，进给系统设计方案基本正确，论证一般。选用数据基本正确图面质量较整洁、质量尚好。及格：基本完成规定的内

7、容。方案选择无原则性错误，说明书和图面比较粗糙，质量一般，存在一些错误，但主要部分基本符合要求。不及格：没有按期完成规定的内容，方案选择有原则性错误，计算和图纸有重大错误。 若发现有别人代作者，取消参加考核的资格。第五节、毕业设计的参考题目 一、数控机床加工程序编制 以下题目所选用的数控车床或数控铣床可以按照数控技术课程例题中的规格参数和方法进行编程，也可以选用自己熟悉的数控机床去编程。 （1）如图l-l所示零件，毛坯为5mm棒料，材料为45钢，HBS=235，表面粗糙度1.8，尺寸见图。试编出精加工程序单 （各表面留余量均为0.2mm）。图 1-l （2）如图1-2所示零件，毛坯为65mm棒

8、料，材料为45钢，HBS=235，其全部加工(粗加工、半精加工、精加工)在数控车床上完成，要求表面粗糙度1.6，试安排加工工艺路线，绘制刀具布置图，编制加工程序单。 图 1-2 （3）如图1-3所示零件，毛坯已按零件形状铸成铸件，材料为可锻铸铁，HBS=220一260。各表面加工余为4mm，表面粗糙度1.8，尺寸见图。试编出精加工程序单。图 1-3（4）如图1-4所示凸轮，毛坯采用可锻铸铁，铸造成形，工件硬度HBS=230，凸轮两端面及4mm孔已加工完毕。凸轮周边的余量为3mm，须在数控铣床上加工，试编制其加工程序。图1-4图1-5（5）如图1-5所示零件，毛坯采用铸钢铸造成形，材料为中碳钢，

9、HBS=160200，工件两端面及20m孔已加工完毕，圆弧与直线组成的周边轮廓加工余量为2mm需在数控铣床上加工，试编制加工程序。 二、进给伺服系统机械部分设计题目 将以下普通车床改造成用MCS51系列单片机控制的经济型数控车床，采用步进电机开环控制，纵例和横向均具有直线和圆弧插补功能。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。设计参数如表1-1所示。要求计算和设计一个坐标系统的进给伺服机构；题目如下:(l)、CA6140普通车床微机数控化改装设计。(2)、C6150普通车床微机数控化改装设计。(3)、C630普通车床微机数控化改装设计。(4)、C616普通车床微机数控化改装设计。(5)、

10、CA620普通车床微机数控化改装设计。表1-1、经济型数控车床设计及改装技术参数规格（型号）最大加工直径（mm）最大加工长度（mm）留板及刀架重力（N）刀架快移速度（m/min）最大进给速度(m/min)定位精度（mm）主电机功率(KW)启动加速时间（ms）面上鞍上纵向横向纵向横向纵向横向400mmCA6140400210750 10006002.41.20.60.30.0157.530400mmC620400210100010006002.41.20.60.30.0157.530500mmC615050028075011007002.41.20.60.30.0155.530630mmC630

11、630350140012008002.01.00.50.250.0151035320mmC6163201757008005002.41.20.80.40.014.525三、单片微机控制系统硬件电路设计 数控机床控制系统可以采用MCS-51系列单片机、也可以采用其他CPU作为控制器，控制系统中要求包括：程序存储器、数据存储器、I/O接口、键盘、显示等外设，还应包括车螺纹用的光电脉冲发生器和自动回转刀架的I/O接口。第二章总体设计方案的拟定第一节 引 言现代工业技术的发展，特别是对提高设备自动化水平的需求，使数字控制技术对提高生产效率和改善劳动条件起着越来越重要的作用。机床作为机械制造业的重要基础

12、装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。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

13、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

14、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

15、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。毕业设计还是高等学校工科学院学生毕业前进行的全面综合训练，是培养学生综合运用所学知识与技能解决实际问题的教学环节，是学生在校获得的最后训练机会，也是对学生在校期间所获得知识的体验。所以说，本毕业设计普通机床的

16、数控化改装具有典型性和实用性。第二节机床改装简介接到一个设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分机械部分和电气部分进行设计计算。下面以数控机床改装为例，分析总体方案拟定的内容和应该考虑的问题。 数控机床改装的原则：满足要求的前提下应尽可能利用原来的零、部件，尽量减少改动量。在对进给传动系统进行改造时，一般都应该把原来的进给变速传动装置及操纵机构全部拆除。而每个方向的进给传动都改由各自独立的功率步进电机，经减速齿轮直接与带动滑板移动的丝杠连接，分别实现各坐标方向的运动，进行各坐标的控制。例如普通机床的简易化数控改装，通常都是把原来由主轴箱到进给箱

17、的传动路线切断，且进给板箱拆除，在对机床进给传动系统改装的同时，也要对此传动系统中的传动装置元件进行相应的改造。具体如下：（1）丝杠。丝杠是将回转运动转换为直线运动的传动装置。改造时，为了满足数控机床上较高精度零件的加工要求，应该用滚珠丝杠螺母副替换原普通机床上的梯形丝杠螺母副和光杠；另外，进给的操作也由数控系统实现，操作杆也没有了存在的意义。滚珠丝杠螺母副把传动丝杠与螺母之间的滑动摩擦变为了滚动摩擦，使摩擦损失减小，精度保持性、传动平稳性、传动效率等都得以提高。其传动效率可达到92%98%，是普通丝杠螺母副的34倍。（2）机床导轨。为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，应充分考虑机床

18、导轨的耐磨性。当前国内普通机床床身等大件多采用普通铸铁，其摩擦系数较大。改造中，在对达不到预定要求的原机床导轨进行修磨、刮研后，要在上面贴上耐磨、吸振的聚四氟飞烯软带。（3）拖板。拖板是数控系统直接控制的对象。不论是点位控制、直线控制，还是轮廓控制，被加工零件的最终坐标精度都将受到拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响。除拖板及相配件精度要高外，由驱动电机到丝杠间的传动齿轮也要采用间隙消除结构。以满足传动精度和灵敏度的要求。常用的消隙方法有刚度调整法和柔性调整法两种。刚性调整法传动刚度较好，结构简单，但调整起来很费时；柔性调整法，一般用弹簧弹力自动消除齿侧间隙，传动刚度较低，传动平稳性差，结构复杂

19、。改造中，可根据机床加工目标选用。具体选用可参考有关资料。（4）、用可控的数控刀架代替手动刀架。 （5）、主轴后端加光电编码器，用于加工螺纹。 （6）、用可控进给电机驱动纵、横向进给运动。第三节 总体方案设计的内容数控机床系统总体方案的拟定应包括以下内容:系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，从经济性、环保、运动精度、可靠性、操作方便等多个方面进行综合分析、比较和论证，最后确定一个优化的总体方案。总体方案的确定没有唯一的结论。总体方案设计的内容包括：一、系统运动方式的确定：数控系统按运动方式可分为点

20、位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。二、伺服系统的选择：伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。三、执行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，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点:1)、采用合理的滚珠丝杆支撑形式常见的丝杠支撑形式有以下几种形式：a)、一端固定，一端自由特点：结构简单，轴向刚度较低，丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低，设计时尽量使丝杆受拉伸。主要用于行程小、转速低的情况下。b)、两端游动特点：结构简单

21、，轴向刚性差，仅能承受较小的轴向力，适用于中等转速的场合。c)、一端固定，一端游动对于高精度、中等转速的较长的卧式按转的丝杠，为了防止热变形造成丝杠伸长，常采用一端轴向固定的支撑方式。这种形式在安装时需保证螺母与两端支承同轴，固结构较复杂。d)、两端固定对于高精度、高转速的丝杠应采用两端固定的安装方法。特点：刚度最高，安装时需保证螺母与两端支承同轴，固结构较复杂。无压杆稳定性问题，固有频率较高，可以预拉伸。2)、尽量采用低摩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，如图2-1。图2-1 滚珠丝杠副滚珠丝杠的支承结构如图所示。 图2-2 滚珠丝杠的支承结构3)、尽量消除

22、传动间隙。在数控机床进给系统中，在考虑惯量、转矩或脉冲当量的要求，常采用齿轮副或齿形带减速；齿轮副的齿侧间隙会使换向后的运动滞后于指令信号，造成开环或半开环系统的死区误差，影响定位精度。为了消除齿隙并增强刚度，应采用具有消除间隙或具有预紧措施的齿轮副，常用的方法有：a)、偏心轴套法偏心轴套通过改变齿轮副的中心距，可以在一定程度上消除因齿厚误差和中心距误差引起齿侧间隙，但不能补偿齿轮偏心误差引起的齿侧间隙，如图2-3，1电机，2偏心套。 图2-3 偏心轴套法消除间隙b)、双片直齿轮错齿调整法弹簧力使两薄片齿轮产生相对运动，使两薄片齿轮的左、右齿面分别紧贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上，达到消除齿侧间隙

23、的目的。弹簧预紧力可以通过螺母来调节。1,2齿轮，3拉簧 4,7凸耳 5螺钉 6螺母图2-4双片直齿轮错齿调整法消除间隙4)、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。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副等。 图2-5为滚珠丝杠预紧举例：(a)螺母预紧：当螺母拧紧时，将两丝杠螺母分别向两边撑开，达到预紧和消除间隙的目的。（b）垫片预紧：当调节垫片厚度时，将两丝杠螺母分别向不同方向移动，达到预紧和消除间隙的目的。 （a） （b）图2-5 滚珠丝杠预紧举例四、计算机的选择随着技术的发展，用于机电一体化系统的计算机也发生着不断的变化，从单片机、D

24、SP、PC机都可以使用，对于性能要求较高的系统，还可以采用多CPU结构；在总体方案设计时，就需要根据设备的要求，并考虑将来的改进，选定最合适的计算机，并不是越先进越好。第四节总体方案设计举例例1、将普通车床改造成经济型数控车床。 1、设计任务将CA6140普通车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率：纵向：0.Olmm,横向：O.0O5mm。设计参数如下，最大加工直径:在床面上 40Omm在床鞍上 2lOmm最大加工长度: 10OOmm快进速度： 纵向2.4m/min 横向1.2 m/min最大切削

25、进给速度: 纵向0.5m/min横向 0.25了/min代码制: ISO脉冲分配方式:逐点比较法输入方式:增量值、绝对值通用控制坐标数: 2最小指令值:纵向 0.Olmm/脉冲横向 0.0O5mm/脉冲刀具补偿量： 0 99.99mm进给传动链间隙补偿量:纵向 0.l5mm横向0.075mm自动升降速性能:有 2、总体方案确定 (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、顺逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。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)、计算机系统

26、根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51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，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51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、1/0接口及光电隔离电路、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，显示器采用两排数码管显示加工数据及机床状态等信息。 (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杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为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

27、构。系统总体方案框图见图2-6。 图2-6 经济型数控车床总体方案框图1. 横向步进电动机 2. 横向进给减速箱 3.横向滚珠丝杆 4.大拖板 5.纵向滚珠丝杆 6.纵向步进电动机7纵向进给减速箱 8支座图2-7 经济型数控车床总体布置图第三章机床进给系统机械部分设计与计算在对进给传动系统进行改造时，一般都应该把原来的进给变速传动装置及操纵机构全部拆除。而每个方向的进给传动都改由各自独立的功率步进电机，经减速齿轮直接与带动滑板移动的丝杠连接，分别实现各坐标方向的运动，进行各坐标的控制。例如普通机床的简易化数控改装，通常都是把原来由主轴箱到进给箱的传动路线切断，且将进给箱拆除，直接把齿轮减速箱和

28、功率步进电机安装在纵向丝杠的左端和横向丝杠的外端。在对机床进给传动系统改装的同时，也要对此传动系统中的传动装置元件进行相应的改造。进给系统机械部分设计计算内容包括:确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下:第一节、确定系统脉冲当量 一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲，经济型数控磨床经常采用脉冲当量为0.002

29、0.00lmm/脉冲。脉冲当量有时也由设计任务书中直接给出。第二节、切削力计算在设计机床进给系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，常用的计算切削力的方法有：1、用经验公式计算主切削力：简单而实用。 2、按切削用量计算切削力：较准确。3、按照机床主电机功率计算：按切削用量计算切削力虽然比较准确，但只能适用于加工某种工件的专用机床，对于通用机床的数控化改造或设计通用的经济型数控机床来说，切削用量选择的范围较大，这样将会导致切削力计算结果差别很大；这就需要按照进行数控改造设计的普通车床的主电机功率来计算切削力。第三节、滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚

30、道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型:确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括:公称直径d。(或丝杠外径d)、导程L0、滚珠的工作圈数j、列数K、精度等级等。滚珠丝杠副的计算步骤如下:一、计算进给率引力Fm:作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小

31、和导轨的型式有关。二、计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径d0 时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。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。三、计算最大静负载C当滚珠丝杠副在静态或低速 (nlOr/min)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滚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C。四、传动效率计算五、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，因此应考虑引起轴向

32、变形的各种因素。包括：1、 的拉伸或压缩变形量1 在总的变形量中占的比重较大。2、 滚珠与螺纹滚道间接触变形量2 在总变形量中也占比较大的比重。3、支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形量3。4、滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量4。5、螺母座及轴承支座的变形。因此，滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算1、2和3之和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。 六、稳定性验算。 对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生失稳的危险。七、滚珠丝杠螺母副几何参数计算。八、滚珠丝杠副的精度等级。九、滚珠丝杠副的标注方法。滚珠丝杠副的种类、结构、

33、计算方法和参数，可在网上查到，国内的生产厂家很多，常用的有：济宁丝杠厂、南京工艺设备厂等。第四节、 进给系统传动计算由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足一走的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。当机床脉冲当量滚珠丝杠导程L。确定以后，可以先初选步进电机的步距角，用下式计算进给伺服系统的传动比i： i=(360p)/(bL0)式中:p: 脉冲当量 (mm/步); L。: 滚珠丝杠的基本导程 (mm);b : 步进电机的步距角。第五节、 步进电机的计算和选用选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置

34、及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，再根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。包括：一、转动惯量计算1、齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算。 2、丝杠折算到电机轴上的转动惯量。 3、工作台折算到丝杠轴上的转动惯量。4、丝杠传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量。 二、电机力矩的计算电机的负载力矩在各种工况下是不同的，须分别计算快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩和最大切削负载时所需力矩等几部分。三、步进电机的选择1、 首先根据最大静转矩，初选电机型号。必须特别注意，这样初选出来的步进电机型号并不一定能满足实际工作时的要求，也就是说，尽

35、管最大静转矩的数值能满足要求，但是并不能保证在快速空载起动和运行时不失步。所以还必须用起动矩频特性和运行矩频特性两条重要的性能曲线来检查所选步进电机的型号是否能满足要求。 2、计算电机工作频率可以分别计算快速进给时步进电机的最大空载起动频率和切削时的最大工作频率。 3、校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。步进电机由于本身性能的限制，其起动频率一般都较低，带负载时的起动频率约为数百赫兹。而数控系统要求的工作频率通常都远远大于起动频率。因此必须采用升降速措施。步进电机以较低的频率起动后，逐渐升速，以保证不失步，升速到规定的运行频率后，开始恒速运行，在到达终点前，要逐步降速，降到起动频率以下，以

36、保证准确定位。升降速控制是由软件实现。在采用升降速控制以后，如果步进电机起动力矩还不能满足要求，还可采用高低压驱动功放电路，将步进电机起动力矩再扩大一倍左右。电动机外形图及矩频图如图：步进电机使用安装面前端的法兰盘实现电机的径向定位，通过嵌入输出轴键槽中的键来传递扭矩。国内生产步进电机的厂家很多，可在网上查到相关资料。第六节、 进给系统机械部分的结构设计在对进给系统进行了运动和动力计算，已选定滚珠丝杠螺母副规格型号，步进电机型号，降速齿轮几何参数之后，就可进行结构设计。对于经济型数控机床进给伺服系统设计和普通车床微机数控化改造设计中，应该注意以下问题:一、尽量减少普通车床数控化改造设计时的改动

37、量对于普通车床数控化改造设计时在满足机床总体布局的前提下应尽可能利用原来的零、部件，尽量减少改动量。尤其是对机床上较大的部件，例如床身、床鞍、工作台等，尽量利用原来的部件，作少量的加工改造。这样可以大大的降低成本，缩短制造周期。在进行经济型数控机床设计时，虽然结构尺寸不像改造设计那样限制严格，但也应参考同类型机床。在初步计算以后，再进行类比，使结构尺寸比较紧凑合理。二、要求设计完整清楚的进给伺服机构装配图在设计绘制进给伺服机构装配图时，要求视图完整，按一定的比例画出主视图，向视图和必要的剖面图。要能清楚完整地表达出装配图中每-零件的几何形状和尺寸，应能拆出零件图。图中需标出必要的尺寸和配合，例

38、如:电机止口和箱体配合处，轴承外圈和箱体内孔之间，轴承内孔和轴之间均应标注尺寸和配合。三、设计时注意装配的工艺性在设计绘制进给伺服机构时，应注意装配工艺性，考虑到正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便。四、要求标注清楚装配图的技术条件绘制机械装配图时，应标注必要的技术条件。例如要求滚珠丝杠中心与导轨平行度在水平及垂直方向在全长上应小于0.O5mm(中型机床); 丝杠的轴向窜动量应小于0.Olmm，纵向进给丝杠两端的支承距安装基准面的尺寸应相同，以保证在水平面内丝杠与导轨平行度。而在垂直面内可利用安装螺钉的过孔调整，当丝杠与导轨平行度达到要求以后，再紧固螺钉并打上定位销。五、消隙齿轮安装调整要

39、方便。第七节、 经济型数控机床进给系统设计、计算实例将-台CA6140普通车床改造成微机数控车床，采用MCS-51系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下:加工最大直径: 在床面上4OOmm在床鞍上21Omm加工最大长度:10OOmm溜板及刀架重力: 纵向 800N 横向 600N刀架快速速度: 纵向2.4m/min 横向1.2m/Min最大进给速度: 纵向0.6m/min 横向0.3m/min主电机功率: 7.5kW起动加速时间: 30ms机床定位精度:0.015mm此机床进给系统运动及动力计算如下：一、进择脉冲当量根据机床精度要求

40、确定脉冲当量，纵向:0.01mm/步，横向:0.005mm/步(半径)。二、计算切削力1、纵车外圆主切削力Fz(N)按经验公式估算:Fz=0.67Dmax1.5=0.67 x 4001.5=5360按切削力各分力比例: Fz:Fx:Fy=l:0.25:0.4Fx =5360 x 0.25 = 1340Fy= 5360 x 0.4=21442、横切端面 主切削力Fz(N)可取纵切的1/2: 此时走刀抗力为Fy(N)，吃刀抗力为Fx(N)。仍按上述比例粗略计算: Fz:Fy:Fx=1:0.25:0.4 Fy=2680 x 0.25 = 670 Fx=2680 x 0.4=1072三、滚珠丝杠螺母副

41、的计算和选型(-)、纵向进给丝杠1、计算丝杠轴向力Fm(N)对综合型导轨：式中： K考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K1.15;-滑动导轨摩擦系数:0.15-0.18; G -溜板及刀架重力:G = 800N。2、 计算最大动负载c:式中:L0滚珠丝杠导程，初选L0=6mm;vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/21/3），此处vs0.6m/min；fw运转系数，按一般运转取fw1.21.5；L寿命、以106转为1单位。3、滚珠丝杠螺母副的选型可采用外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级选3级。4、传动效率计算式中：螺旋升角

42、，W1L4O0b=2044摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.0045、滚珠丝杠刚度验算一般滚珠丝杠比较细长，它的刚度应该给与充分重视。滚珠丝杠副传动系统的刚性包括轴向刚性及扭转刚性。扭转刚性与丝杠联轴器、传动齿轮、电机及控制系统有关，由于扭转刚性对定位精度的影响比轴向刚性的影响小的多，一般设计时就忽略。计算中用到的一些数据，可在各种手册、教材或产品样本中查找。也可选用其他教材或产品样本中推荐的滚珠丝杠刚度计算方法。滚珠丝杠螺母副的传动刚度验算步骤如下：先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图。最大牵引力为2530N。支承间距L=15OOmm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3

43、。 图3-1、纵向进给系统计算简图 (1)、丝杠的拉伸或压缩变形量1丝杠的拉伸或压缩变形量1=L/L支承间距。根据最大牵引力Pm=2530N,Do=4Omm,查资料可得L/L的值，通常可取L/L=l.2lO-5，算出:1=L/L1500=1.210-51500=1.810-2(mm)由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量1 (mm)为:(2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形2查资料W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量Q 因进行了预紧，(3)、支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3采用8107型推力球轴承，d1=35mm，滚动体直径dQ=6.35mm

44、，滚动体数量z=18,注意，此公式中Fm单位应为kgf因施加预紧力，故根据以上计算：定位精度要求。6、稳定性校核滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。(二)、横向进给丝杠1、计算进给牵引力Fm:横向导轨为燕尾形，计算如下:2、计算最大动负载c3、选择滚珠丝杠螺母副查资料，W1L20051列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额定动载荷为8800N，可满足要求，选定精度为3级。4、传动效率计算5、刚度验算横向进给丝杠支承方式如图所示，最大牵引力为2425N，支承间距L=45Omm，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。计算如下:(1)、丝杠的拉伸或压缩变形量1 (mm)根据Fm2023N，D。=2Omm，查相关资料，得出L/L=5*lO-5(如果无资料可查，可近似取L/L=5