机械工程及自动化专业
机电一体化系统设计课程设计
车床横向刀架（X轴）伺服进给系统的机电一体化设计
姓名：杨玉良
学号：20051531
院（系）：机械与车辆工程学院
专业：机械工程及其自动化
指导教师：周世圆
二〇〇八年十二月
目录
课程设计任务书 (3)
绪论 (5)
第一章总体方案的设计 (6)
第二章机械系统的改造设计方案 (7)
一、进给系统的改造与设计方案 (7)
二、进给传动部件的选型与计算 (7)
第三章控制系统方案的设计 (24)
一、控制系统硬件电路的设计 (24)
二、控制电路部分软件的设计 (25)
第四章总结 (31)
结语 (32)
课程设计任务书
1 题目
车床横向刀架伺服进给系统的机电一体化设计
2 设计要求
A 根据机械部分给定参数，分析应采用的恶机电一体化改造方案，确定微机控制系统设计方案。
B 进行机械系统的设计计算，绘制所改造部分的机械系统装配图（A0）。
C 绘制微机控制系统工作原理图（A1）。
D 绘制微机控制程序框图，并编写部分汇编语言程序。
E 撰写设计说明书一份。
3 机械部分给定参数
A 横向运动部件的总质量：100KG
B 进给速度：
快进：2100mm/min
工进：３５ｍｍ／ｍｉｎ
Ｃ横向进给切削力：１１５０Ｎ
Ｄ垂直切削力：１７５０Ｎ
Ｅ步进电机的步进脉冲当量：０．０１ｍｍ／脉冲
Ｆ工作台导轨的滑动摩擦系数：查手册
4 控制系统给定参数
A CPU：8086
B RAM全译码地址范围：0000H-1FFFH
C ROM全译码地址范围：２０００Ｈ－３ＦＦＦＨＤ步进电机驱动的脉冲环形分配方式：硬环分
Ｅ键盘显示器接口方式：8279芯片
绪论
机电一体化系统课程设计是一个重要的实践性教学环节。要求学生综合运用所学过的机械、电子、计算机和自动控制方面的知识，独立进行一次机电结合的设计训练，主要目的是：
（1）学习机电一体化系统总体设计方案拟定、分析与比较的方法。（2）通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算方法与选用原则。如齿轮/同步带减速装置、滚珠丝杠螺母副、滑动导轨副等。
（3）通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。
（4）通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路；如控制系统选用原则、CPU选择、存储器扩展、I/O接口扩展、键盘与显示电路设计等，以及控制系统的管理软件、伺服电动机的控制软件等。
（5）培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步建立“系统设计”的思想。
（6）锻炼学生应用标准和手册、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。
第一章总体方案的设计
总体方案的设计应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。根据设计任务书的总体方案设计如下：
（１）车床经数控化改造后属于经济型数控车床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电机的开环控制系统。
（２）根据技术指标中的最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，选用８０８６ＣＰＵ。
（３）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，还要选择步进电机的驱动电源及环形脉冲分配器。
（４）为了达到技术指标中的速度和精度要求，横向进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。
（５）计算选择步进电机，为了圆整脉冲当量，需要齿轮减速副，且应有消间隙机构。
第二章 机械系统的改造设计方案
一、 进给系统的改造与设计方案
（１）拆除挂轮架所有齿轮。
（２）将横向步进电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联。
（３）拆去三杠，更换丝杠的右支承。 二、进给传动部件的选型与计算
1、脉冲当量的确定
根据设计任务的要求，X 方向的脉冲当量X δ=0.01mm/脉冲
2、切削力计算 根据设计任务的要求， 垂直切削力 c F =1750 N 横向进给切削力 p F =1150 N
3、滚珠丝杠螺母副的计算和选型 （1） 工作载荷m F 的计算
横向运动部件的总质量m=100kg ，则重力 G=980N 。 根据1750z c F F N ==，1150y p F F N ==
选用三角形组合滑动导轨，根据参考文献[1]，查表3-29，取K=1.15，
μ=0.16。
() 1.1511500.16(1750980)1759.3m y z F KF F G N μ=++=?+?+= （2） 最大动载荷 Q F 的计算
本车床X 向在承受最大切削力条件下最快进给速度
v =35mm/min = 0.035m/min
初选丝杠基本导程 h P =5mm ， 则丝杠此时的转速为 1000/h n v P = =7r/min 取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h
代入丝杠寿命系数 6060/10 6.3L nT ==（单位：610）
根据参考文献[1]，查表3-30，取载荷系数 w f =1.2，硬度系数 H f =1， 代入，求得最大动载荷
1.211759.36789.9Q w H m F f F N ==??=
（3） 初选型号
根据计算出的最大动载荷，根据参考文献[1]，查表3-32，选用CM 系列2505-5型滚珠丝杠副。其公称直径0d =25mm ，基本导程h P =5mm ，循环滚珠为4圈×2列精度等级取4级，额定动载荷a C =11921 N ，大于最大动载荷Q F =6789N ，满足要求。 （4）传动效率η的计算
将公称直径025d =mm,导程5h P =mm 代入
()0arctan /h P d λπ=???? 得螺旋升角 4.047λ?=
将摩擦角'10?=代入 ()tan /tan ηλλ?=+ 得传动效率 η=96.03% （5） 刚度的验算
1）滚珠丝杠副的支撑采用“双推—简支”式。丝杠一端采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，一端简支支撑，左、右支承的中
心距离约为a=450mm,钢的弹性模量E=2.1?510MPa ；滚珠直径
w D =3.175 mm ，丝杠底径2d =21.825mm 。则丝杠截面积
2
22373.94
d S mm π=
=。
丝杠在工作载荷m F 的作用下产生的拉/压变形量 ()15
1759.3450
/0.012.110373.9
m F a ES δ?==
=??mm 2）根据公式0(/)3w Z d D π=-，求得单圈滚珠数目Z=22；该型号丝杠为单螺母，滚珠总圈数为 4x2=8，则滚珠总数量 Z Z ∑=?圈数?列数=22?8=176 。
丝杠预紧时，取轴向预紧力YJ F =m F /3=586 N 。则滚珠与螺纹滚道的接触变形量
20.0013δ==0.00128mm 。
因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取2δ=0.00064mm 。 3）丝杠总变形量
δ=1δ+2δ=0.01+0.00064=0.01064mm=10.64μm 。
丝杠的有效行程为330mm 。
查表3-27知，4级精度滚珠丝杠有效行程在315～400mm 时，行程偏差允许达到18μm ，可见滚珠丝杠的刚度足够。 （6）压杆稳定性校核
根据参考文献[1]，查表3-34，取支撑系数k f =2，压杆稳定安
全系数K=3；由丝杠底径2d =21.825mm ，求得截面惯性矩I=64/42d π =11131.8 4m m ；滚动螺母至轴向固定处的距离a 取最大值450mm 。
代入22
k k f EI
F Ka
π=，得失稳时的临界载荷k F =75880N ≥1759.3N 临界载荷k F =75880N 远大于工作载荷m F =1759.3N ，故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 4、步进电机的计算与选型
为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能小，在步进电机的输出轴上安装一套齿轮减速器。采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。 已知，步进电机的步进脉冲当量x δ=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的导程
h P =5mm ，步进电动机的步距角0.75α=?
减速比0.755
3603600.01
h x P i αδ??==???=25/24 （1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量eq J
已知：滚珠丝杠的公称直径0d =25mm ，总长l =450mm,导程h P =5mm,材料密度337.8510/kg cm ρ-=?；移动部件总重力G=980N ；小齿轮宽
1b =40mm ，直径1d =78.49mm ；大齿轮宽2b =32mm ，直径2d =81.51mm ；传
动比i =25/24。
各零部件的转动惯量： 滚珠丝杠的转动惯量
4343211
7.85107.85 2.54510320.4348
s J d l kg cm --=???=???÷=
小齿轮的转动惯量
4443211111
7.85107.857.84943210 3.7248
J d b kg cm --=???=??÷?=
大齿轮的转动惯量
44432222117.85107.858.151 3.21032 3.47J d b kg cm n n
--=
???=???÷= 预选步进电动机型号110BF003，为三相六拍，步距角0.75?，转子转动惯量25.5m J kg cm =
快速进给速度v =2100mm/min=2.1m/min 。
21000.753603600.01k m v n n αδ??
==
=???=437.5r/min ；直线运动部件质量m=100kg ；
2
21122222()[()()]2250.0055.5 3.72(
)[3.470.43100()]13.45242h eq m Z Z S i P Z J J J J J m Z kg m π
π
=++?++=++?++?=
（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩eq T 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。 ①快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩1eq T
1eq T 包括三部分：
快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩max a T 、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩f T 、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，0T 很小，则
1eq T =max a T +f T
横向传动链传动总效率97%97%98%92.2%η=??= 快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩
max 21
60eq m a a
J n T t πη
=
?
m n ——对应横向空载最快移动速度的步进电机最高转速
max 360m n να
δ
=
a t ——步进电机由静止加速到m n 转速所需的时间
设步进电机由静止加速到m n 转速所需的时间a t =0.4s max 21000.75
437.53603600.01
m n rpm ναδ?=
==?
4max 21
2 3.1413.45437.51010.16760600.40.922eq m a a
J n T N m t πη-????∴=
?=?=?? 移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩
求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为
1max 0.1670.130.297eq a f T T T N m =+=+=
②最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2eq T
2eq T 包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T 、移动
部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩f T 、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T 。0T 很小，则2eq T =t T +f T 折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩
3
11505100.95325220.92224
f h
t F P T N m i πηπ-??===??
移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩
3
()0.16(1750980)5100.36225220.92224
c h f F G P T N m i μπηπ-+?+??===??
3
()0.16(0980)5100.13025220.92224
c h f F G P T N m
i μπηπ-+?+??===??
加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩
12max{,} 1.279eq eq eq T T T m ==
（3）步进电动机最大静转矩的选定
考虑到步进电机采用的是开环控制，当电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据eq T 选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。安全系数取K=4，所选步进电动机的最大静转矩max 7.84j T N m = ，则步进电动机的最大静转矩应满足
max 44 1.279 5.116j eq T T N m ≥=?=
可见，电动机最大静转矩满足要求。 （4）步进电动机的性能校核
①最快工进速度时电动机输出转矩校核
最快工进速度max f v =35mm/min ，脉冲当量x δ=0.01mm/脉冲，电动机对应的运行频率max max 35
58.33360600.01
f f x
v f Hz δ=
=
=?
根据参考文献[4]图5.5-12（n ）,在此运行频率下，电动机的输出转矩max 26.25 1.279eq T N m T N m ≈>= 满足要求 ②最快空载移动时电动机输出转矩校核
横向快速移动速度max v =2100mm/min ，电动机对应的运行频率
max max 2100
350060600.01
x v f Hz δ=
==? 。在此频率下，电动机的输出转矩 max 13.40.297eq T N m T N m =>= 满足要求
③最快空载移动时电动机运行频率校核
20.9530.326 1.279eq t f T T T N m
=+=+=
最快空载移动速度max v =2100mm/min ，对应的电动机运行频率
max 3500f Hz =。根据参考文献[1]表4-3，110BF003的极限运行频率为
14000Hz ，没有超出上限。
④起动频率的计算
已知电动机转轴上的总转动惯量213.45eq J kg cm = ，电动机转子自身的转动惯量25.5m J kg cm = ，电动机不带任何负载时的最高空载启动频率
1500q f Hz =
。步进电动机克服惯性负载的起动频率为
808.1L f f Hz =
=
=
这说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于808.1Hz 。综上所述，选择110BF003步进电动机，完全满足设计要求。
５．齿轮传动设计
初选步进电机110BF003，三相六拍，最大静转矩为7.84 N ?M ，步距角α=0.75° （1）传动比的确定
已知：α=0.75°，δ=0.01mm/脉冲，Ph=5mm,
i=
25
36024
Ph αδ?=? （2）主动齿轮最高转速n1 快进时，
max 2100/min
mm ν=
n1=
2100
0.75360437.50.01
?÷=rpm (3)确定齿轮设计功率Pd
预选电机在转速为437.5 rpm 时，对应步进电机脉冲频率为
f max =()437.5360600.753500?÷?=HZ
根据参考文献[1]，查表4-7得，当脉冲当量为3500HZ 时，电机输出转矩为3.4N ?M ，对应输出功率为P /9.55155.8
0.158OUT P nT W KW === 取P=0.156KW ，根据参考文献[2]查表9-5，9-6中取工作情况系数
1A K = 由
0.156d A p K P KW =?=
（4）选择齿轮材料和热处理方法 根据参考文献[2]，查表9-1得， 小齿轮材料：40Cr 调质，硬度 270HBS 大齿轮材料：45钢 正火，硬度 195HBS 由参考文献[2]图9-19，9-25得，
lim1lim2lim1lim2720550290210H a
H a F a F a
MP MP MP MP σσσσ====
（5）按齿面接触疲劳强度设计主要尺寸 简化设计公式
476(a u ≥?± 1）小齿轮转矩
1
11
9549 3.405P T N m n =?
=? 2）齿数比i=25/24 3）齿宽系数
0.4a φ=
4）载荷系数取K=1.6 5）许用应力 取
min 1.1H S =
lim11min
lim22min
1.0
[]655[]500N WR W X H N WR W X
H a H H N WR W X
H a
H Z Z Z Z Z Z Z Z MP S Z Z Z Z MP S σσσσ???=???==???=
=
122[][]
[][]25476(
1)36.34324H H H H a mm
σσσσ?∴=≥+=
由于中心矩较小，综合考虑后选a=80mm 6)选取模数 经验公式
(0.0070.02)0.250.72n m a =-=-
综合考虑取模数为1。
7）计算主要主要几何参数 初选
精确计算螺旋角
121
122*
11*22()
arccos
7.12278.49cos 81.51cos 280.49283.51n n n a a n a a n m Z Z a
m Z d mm m Z
d mm
d d h m mm d d h m mm
βββ
+==?=
=?===+==+=
8）计算齿宽
120.48032(510)4032a b a mm
b b mm b b mm
φ==?==+-=== 9）计算当量齿数
1
132
2
379.48cos 7.12
81.17cos 7.12
V V Z Z Z Z ====
10）计算重合度
1212
1
102cos 77.478
(1)810.0032240.00320.307%25
n a Z m u Z uZ Z i i Z i i ββ
==
==+==?=-
=?=?=
11*
122*
21122tan tan 20arctan arctan 20.118cos cos 7.12cos arccos()22.4522cos arccos()22.37121
[(tan tan )(tan tan )]0.015792sin 32sin 7.12 1.137
1
n t t
at a
t at a
at t at t n Z Z h Z Z h Z Z b m αβααβααααεααααπ
βεππ=====+==+=
-+-=?===?
1.15319
r αβεεε=+=
11）计算圆周速度
11
1.797/601000
d n m s πν=
=?
（6）校核齿面接触疲劳强度 1）齿面接触疲劳许用应力 应力循环次数
8118
2
260601437.5350009.1875102460601437.5350008.8210
25
L L N an t N an t ==???=?==????=? 根据参考文献[2]图9-21查得，
121.02, 1.02
N N Z Z ==
根据参考文献[2]表9-3，9-4选齿轮精度为：8-7-7 GB10095-1988 选择润滑油运动黏度
83so cst ν=
根据参考文献[2]图9-21，9-23查得，
0.91,1LRV X Z Z ==
因小齿轮齿面未硬化，取
1W Z =
由参考文献[2]表9-8，失效概率小于1%时， min 1H S =
许用应力
lim111min
lim222min
72010.91 1.02
[]668.3155010.91 1.02
[]510.511
H N LVR W X
H a
H H N LVR W X
H a
H Z Z Z Z MP S Z Z Z Z MP S σσσσ???=
=
=???=
=
=
2）齿面接触疲劳应力 切应力
1120002000 3.405
86.7678.49
t T F N d ?=
== 根据参考文献[2]，查表9-5，
1A K =
查图9-6，9-7得
1,1V K K α==
按对称布置，查参考文献[2]图9-8，并减小5%，
1K α=
根据参考文献[2]，查表9-7查图9-12、9-13得
189.8, 2.5,1E H Z Z Z Z εβ===
齿面接触应力
189.8 2.51123.40
H E H
Z Z Z Z
εβ
σ==??=
3）强度校核
1
2
[]
[]
H H
H H
σσ
σσ
?
?
满足齿面接触疲劳强度要求
（7）校核齿根弯曲疲劳强度
1）齿根弯曲疲劳许用应力
取
12
2
ST ST
Y Y
==
根据参考文献[2]，图9-26，表9-9分别得，
12
12
1,
1,0.95
N N
relT relT
Y Y
Y Y
δδ
==
==
选择齿面粗糙度
12
1.6
0.9
a
RrelT RrelT
R m
Y Y
μ
=
==
由参考文献[2]图9-27得，
12
1
X X
Y Y
==
选择失效概率小于1/1000，由参考文献[2]表9-8得，
min1min2
1.25
F F
S S
==
摘要 金属切削机床（Metal cutting machine tools）是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，所以又称为“工作母机”或“工具机”，它的精度直接影响到加工出来的产品质量，因此，对机床的设计要求更高的精度。本次毕业设计主要是通过计算机辅助软件对普通车床（CA6140）横向进给机构进行设计，以提高车床的加工精度，提高了设计效率。设计主要内容包括横向进给传动系统的消隙机构的设计、基于Pro/E的三维建模及零件库的创建和进给丝杠的工艺规程的设计。 Pro/E是美国PTC（参数）公司开发的一款三维软件。作为高端三维软件的代表，功能强大、使用简单、易学易用，目前已经成为机械设计、家电设计、模具设计等行业所普遍采用的三维软件。同以往国内使用最多的AutoCAD等通用绘图软件相比，该软件直接采用了统一数据库和关联性处理、三维建模与二维工程图相关联等技术。 工艺规程设计涉及选材、确定毛坯和机械加工余量及工序尺寸与公差、拟定工艺路线、选择工艺设备，填写机械加工工艺过程卡和机械加工工序卡片。 关键词：消隙机构 Pro/E 零件库工艺规程
Abstract Metal cutting machine tools is the machine that using the methods of cutting to process the metal blank into the machine parts. It is the machine of manufacturing machine, so called "Mother machine" or "Machine tool ".Its accuracy directly affects the quality of products processed from , therefor , the design of the machine requires higher precision. The graduation design aims at designing of transversal feeding mechanism for lathe(CA6140) by CAD-Computer Aided Design software.In order to improve the machining accuracy of the lathe ,to improve the design efficiency .the main contents include the design of backlash institutions for transversal feeding mechanism ,3D modeling and the creation of parts library based Pro/E , and the screw process planning . Pro/E is a three-dimensional software developed by the U.S. PTC (parameters) .As a representative of the high-level 3D software , the powerful , easy to use , has now become a 3D software commonly used by mechanical design , appliance design , mold design industry . Compared with the past, the domestic use of the most common graphics software such as AutoCAD , the software directly using a unified database and associated processing , 3D modeling and 2D drawings and associated technologies . Screw process planning involves selection and determining the blank and mechanical machining allowance and procedure sizes and tolerance, drawing up the process route, selection process equipment, filling in machining process card and machining process card. Keywords: Backlash Institutions Pro/E Parts Library Procedure
数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计 1 引言 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。 X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X 、Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。 2 设计任务 题目：数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计 任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下： 1. 立铣刀最大直径的d=15mm ； 2. 立铣刀齿数Z=3; 3. 最大铣削宽度e a =15mm; 4. 最大背吃刀量p a =8mm; 5. 加工材料为碳素钢活有色金属。 6. X 、Y 方向的脉冲当量x y δδ==0.01mm;
7. X 、Z 方向的定位精度均为0.04mm; 8. 重复定位精度为0.02mm; 9. 工作台尺寸 250×250㎜; 10.X 坐标行程 300mm; 11.Y 坐标行程 120mm; 12.工作台空载进给最快移动速度：V xmaxf =V zmaxf =1500mm/min; 13.工作台进给最快移动速度:max max 400mm /min x f z f V V ==; 3 总体方案确定 3.1机械传动部件的选择 3.1.1导轨副的选用 要设计数控车床X-Z 工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度不是很高，因此选用直线滑动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 3.1.2丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.004mm 冲当量和01.0±mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。 3.1.3伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到0.01mm ，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此1500mm/min ，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。 3.1.4减速装置的选用 为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，需要设置减速装置，且应有消间隙机构。因此决定采用无间隙齿轮传动减速箱。 3.1.5检测装置的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所
CA6140横向进给系统及刀架的数控改造 学生： 学号： 专业：机械设计制造及其自动化 班级：机电一体化 指导教师： 机电工程系 年六月
摘要 所谓数字控制机床是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座,配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾,不占据丝杠空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠,由步进电机带动。总体设计方案:CA6140车床主轴转速部分保留圆机床的手动变速功能。车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动。最后,根据已知条件对纵向横向伺服进给机构进行设计与计算。 关键词:数控、车床、改造
ABSTRACT Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the vertical mechanism: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. The overall master design: the spindle’s gearshift of the CA6140 mechanism controlled by the former operating lever. The moving of the vertical table and the horizontal table is drove by the ball screw, which is drove by the Stepper motors. The last, we design the vertical and horizontal mechanism on the basis of known numbers. Key word: Numerical Control、machining、information
数控车床纵向进给系统和横向进给系统的设计1
1绪论 1.1数控系统的发展简史 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，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70．1％，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]。 1.2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 当量的超精密数控系统、数控仿型系统、非圆术对我们已不再是难题，0.1m 齿轮加工系统、高速进给数控系统、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
前言........................................................................................................................ 3 1 机床进给传动控制方向的选择 .. (4) 1.1 开环控制系统 ...................................................................................... 4 1.2 闭环控制系统 ...................................................................................... 4 1.3 半闭环控制系统 .................................................................................. 4 2 传动系统的设计 .. (5) 2.1 直联传动系统 ...................................................................................... 5 2.2 带传动系统 .......................................................................................... 5 2.3 传动系统图 .......................................................................................... 5 3 数控车床伺服进给系统X 轴设计 . (6) 3.1 确定滚珠丝杠副的导程()mm P h ......................................................... 6 3.2 确定当量转速与当量载荷 .................................................................. 6 3.3 预期额定动载荷()N C am ..................................................................... 7 3.4 确定允许的最小螺纹底径 .................................................................. 8 3.5 确定滚珠丝杠副的规格代号 .............................................................. 9 3.6 确定滚珠丝杠副预紧力()N F p ......................................................... 10 3.7 对预拉伸的滚珠丝杠副 .................................................................... 10 3.8 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格 .................................... 10 3.9 滚珠丝杠副工作图设计 .................................................................... 11 3.10 伺服电动机的选择 .......................................................................... 11 3.11 传动系统刚度 .................................................................................. 12 4 验算 .. (14) 4.1 传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择 ................................ 14 4.2 验算滚珠丝杠副临界压缩载荷()N F c .............................................. 15 4.3 验算滚珠丝杠副的临界转速()min n n c ........................................... 15 4.4 验算n D ............................................................................................... 15 4.5 基本轴向额定静载荷oa C 验算： (16)
液压传动课程设计 中国矿业大学机电学院 选修课
设计参数： 不计惯性负载 题目：在某专用机床上有一夹紧进给液压系统，完成工件的先夹紧后、后进给任务，工作原理如下： 夹紧油缸： 快进→慢进→达到夹紧力后启动进给油缸工作 进给油缸： 快进→慢进→达到进给终点→快速退回 夹紧油缸快速退回。 夹紧缸快进速度：0.05m/s 夹紧缸慢进速度：8mm/s 最大夹紧力：40KN 进给油缸快进速度：0.18m/s 进给油缸慢进速度：0.018m/s 最大切削力：120KN 夹紧缸行程：用行程开关调节（最大250mm） 进给缸行程：用行程开关调节（最大1000mm） 一、工况分析： 1．负载分析
已知最大夹紧力为40KN，则夹紧油缸工作最大负载 140 F KN = 已知最大切削力为120KN，则进给油缸工作最大负载 2120 F KN = 根据已知负载可画出负载循环图1(a) 根据已知快进、快退速度及工进时的速度范围可画出速度循环图1(b) 图1(a) 图1(b)
2.确定液压缸主要参数 根据系统工作原理可知系统最大负载约为120KN 参照负载选择执行元件工作压力和主机类型选择执行元件工作压力最大负载宜选取18p MPa =。动力滑台要求快进、快退速度相等，选用单杆液压缸。此时液压缸无缸腔面积1A 与有缸腔面积2A 之比为2，即用活塞杆直径d 与活塞直径D 有d=的关系。为防止液压缸冲击，回油路应有背压2P ，暂时取MPa P 6.02=。 从负载循环图上可知，工进时有最大负载，按此负载求液压缸尺寸。根据液压缸活塞力平衡关系可知： M e F A p A p η+= 2211 212A A = 其中，M η为液压缸效率，取95.0=M η 2 46 2 111046.8910)3.04(95.031448)2 (m p p F A M e -?=?-= - = η m A D 1067.014 .31046.894441 =??== -π m D d 075.0707.0== 将D 和d 按GB2348-30圆整就近取标准值，即
0、绪论 本设计课题为：经济型数控车床横向进给系统设计 。因为我们没有精良的 加工工具或者是自动化系数等各方面远远的不及西欧等国家。 所以我国的机械制 造业与他们的有着很大的差距的原因，。制造业是关系到国际民生的大事，是富 民强国的必要因素，我国要有更好的发展，必须形成我们自己富有特色的现代化 制造体系。 随着时代的发展，科技的日新月异，数控技术的应用范围日益扩大，数控机 床及其系统己成为现代化机器制造业中不可缺少的组成部分。 面对我国目前机床 拥有量少、工业生产规模小的特点，突出的任务是用较少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，保证加工质量，减轻劳动强 度，提高经济效益。 “横向进给系统”“主传动系统”和“纵向进给系统”被称为车床的三大核 心系统，其重要地位是不言而喻了。三大系统的精确性、准确性、必将影响加工 产品的性能。而实现这一任务的有效的、基本的途径就是普及应用经济型数控机 床，并对原有的机床进行数控改造。而这就是我们课题的目的。 前提条件：1.床身上最大回转直径?400mm 2.快移速度x轴4m/min 3.定位精度 x 轴0.035mm 4.重复定位精度x轴0.0075mm，刀架 0.010mm 设计要求： 设计课题要求： 横向进给运动设计时， 电机与丝杠采用柔性结构， 电机选用伺服电机，对电机的大小选择进行验证，及对滚珠丝杠直径和支承形式 选择进行强度较核，设计精度达原始数据。 本课题所设计的进给系统是针对经济型中档数控车床的， 该系统设计成功一 旦应用到生产实践中， 将使工厂的生产的数字化水平加强，生产力水平显著提 高 ，劳动强度减轻，经济效益得到提高。 根据自己三个多月来的设计过程，编写了这本《设计说明书》， 其中，书 中肯定存在着相当的一些问题，期望领导、老师给予批评，指正。
摘要 数控机床及其制造系统的柔性化、集成化和网络化水平进一步得到提高，可按照市场需求，实现生产能力快速重组，以适应用户多品种变批量生产的需求，更要在精度上满足客户的需求。 一台机床的精度主要分散在进给系统上，所以若能在进给系统有更高精度的突破，高精度、反向误差小、高负载能力、高可靠性、运行平稳。若满足这些机床的性能指标，从而提高数控机床加工质量和刀具的使用寿命。经济型数控车床适宜加工各种形状复杂的轴、套、盘类零件, 如车削内、外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、切槽、倒角、车螺纹等，工艺适应性强，加工效率高，精度高，加工质量稳定，可降低对工人技术熟练程度的要求。数控加工编程容易，操作简单，可广泛适用于汽摩配件、家电、液压气动、轴承、仪器仪表、五金阀门等制造业中、小型零件的批量加工，是理想的中小型机械加工设备。 通过技术调研，我们认为经济型数控机床的开发具有可行性。该项目的实施过程，是根据国内市场的需求分析及调研的结果，确定产品的性能，进行总体设计，部件研制，安装，以及整机的调试等一系列过程，需要设计，制造，供应，机加工，装配等一系列的密切配合。 关键词：数控；经济型；设计
目录 摘要 (1) 目录 (2) 1. 总体方案设计 (3) 1.1 设计任务 (3) 1.2 总体方案确定 (3) 2．经济型数控车床进给运动机械部件设计 (3) 2.1 系统脉冲当量 (4) 2.2 切削力计算 (4) 2.2.1 纵车外圆 (4) 2.2.2 横切端面 (5) 2.3 滚动螺旋副选型计算与验算 (5) 2.3.1 纵向进给丝杠 (5) 2.3.2 横向进给丝杠 (7) 2.3.3 滚珠丝杠副几何参数 (9) 2.4 齿轮传动比计算 (9) 2.4.1 纵向进给齿轮传动比计算 (9) 2.4.2 横向进给齿轮传动比计算 (10) 2.5 步进电机的计算与选型 (10) 2.5.1 等效转动惯量计算 (10) 2.5.2 电机力矩计算 (11) 2.5.3 步进电机性能验算 (12) 2.5.4 步进电机型号确定及主要参数列表： (13) 3. 电气控制原理图设计 (14) 3.1 CPU的选择 (14) 3.2 芯片的介绍 (15) 4. 数控加工编程设计 (18) 4.1 加工零件图 (18) 4.2 加工工艺卡的编写 (19) 4.2 加工程序的编写 (20) 总结 (25) 参考文献 (26)
数控机床进给系统设计
第一章、数控机床进给系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示： 图1-1数控机床进给系统伺服 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。 1.1、伺服系统对伺服电机的要求 （1）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。 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 1.2、伺服系统的分类 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反
馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。 直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。 交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。 1.3、主要设计任务参数 车床控制精度：0.01mm（即为脉冲当量）；最大进给速度：V max=5m/min。最大加工直径为D =400mm，工作台及刀架重：110㎏；最大轴，向力=160㎏；导轨静摩擦系数=0.2； max 行程=1280mm；步进电机：110BF003；步距角：0.75°；电机转动惯量：J=1.8×10-2㎏.m2。
1前言 我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例.但我国在五轴加工技术、高速加工技术、精密加工技术等方面与国外方面还有很大的差距。主要问题有：1缺乏系统深入的科研工作, 难以对各种技术资料进行积累, 设计方法旧。2、缺乏实事的科学精神, 忽视了数控机床本身的技术特点、发展规律, 没有实事地制定数控机床发展的规划, 盲目性大。3、没有合理地运用资源。各个研究所孤军奋战,不通力合作,并且床行业人员素质低, 缺乏各方面人才。4、我国制造业大环境的制约。我国依靠引进和合作生产来发展各类主机, 至今我国许多高性能、新结构的数控机床大都为合作产品, 基本处于仿制阶段。 国产数控机床及其功能部件无论在技术参数上，还是在各种动态指标上，与工业发达国家的同类产品均存在一定差距。目前，国机床集团在引进技术的基础上成功开发出BW60HS／I型系列高速卧式加工中心，并已批量进入市场。该机采用电主轴，主轴最高转速16 000 r／min，由零至最高转速的时间为l s，快速移动速度60 m／min。宁江集团开发的高速加工中心主轴转速高达40 000 r／min。 当前，在数控机床精密化方面，美国的水平最高，不仅生产中小型精密机床，而且由于国防和尖端技术的需要，研究开发了大型精密机床。其代表产品有LLL 实验室研制成功的DTM一3型精密车床和LODTM大型光学金刚石车床，它们是世界公认水平最高的、达到当前技术最前沿的大型精密机床。其它国家也相应研制成功各种类似的装备，如英国的Cran·field、日本的东芝机械等。近年来我国对超精密机床的研制也一直在进行。机床研究所研制成功了JCS一027型超精密车床、JCS一03型超精密铣床、JCS一035型数控超精密车床等。
数控系统课程设计 C6140普通卧式车床数控化改造之横向进给系统（X）轴设计 ----xxxx 一·车床横向进给系统存在的问题分析 C6140车床横向进给系统在连续的使用过程中，由于磨损等原因，使丝杠与丝母间隙过大，产生轴向窜动，影响进给精度。通过调整可消除丝杠与丝母间的间隙，但实践证明，这种调整方法只消除了丝母的磨损间隙，而没有消除丝杠的磨损间隙。如果按丝杠磨损较大部位调整丝母，则在丝杠磨损较小部位可能因间隙过小而使进给手柄转动太沉。 经过长期的观察和实践，发现几乎所有的机床都在很大程度上存在着进给机构精度因磨损而严重下降的问题。普通车床的横向进给机构因其使用频繁且承受很大的切削力，所以，磨损程度较其它机床严重，如果能够有效地解决车床的进给精度问题对其它类似的机构都有指导意义。 几十年来，国内外车床一直采用上述的传统结构，操作者在使用过程中必须经常进行调整，并把这项工作列入一级保养内容。因此，增加了工人的劳动强度，降低了设备的利用率，即使这样也不能很好地保证设备的精度。 常见改进方案及存在问题 针对普通车床横向进给机构的进给精度问题国内外专家多采用以下三种解决方案。 1.在中修或项修过程中，更换新的横向进给丝母。必要时，对横向进给丝杠进行修复，然后再配作丝母，这种办法并没有从根本上解决横向定位精度问题。机床只是在修复后最初阶段能够保障横向进给精度，数月后就进人反复调整阶段.而且加大了维修成本。 2.有的专家试图用改进横向进给丝杠支承结构或减小丝杠变形的方法来解决问题。这种方案仅提高了丝杠的刚度，虽然能够间接地减缓丝杠和丝母的磨损，但仍然没有从实质上解决问题。这种方法的缺点是改造的成本和维修费用很大。 3.80年代中期，随着电子技术的进步与发展，国内外的专家们纷纷采用数控或数显技术对机床进行改造。采用数控技术改善机床进给机构精度，尤其是采用闭环控制，很好地解决了进给精度问题。但是这种技术改造成本太高，一般企业无法承受。采用数显技术改善机床进给精度的实例在国内比较多，虽然这种方案比数控技术改造投资小，但考虑到投资收益比，也不适合普通车床这类造价较低的设备改造，一般企业仅把这项技术应用于精、大、稀设备的改造，最常见的是造价几十万元的镗铣床改造。
第一章、数控机床进给系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示： 图1-1数控机床进给系统伺服 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。 1.1、伺服系统对伺服电机的要求 （1）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。 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 1.2、伺服系统的分类 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。
1、数控机床进给系统概述 1.1 伺服进给系统概述 数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构和执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指 令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流 伺服电动机，功率步进电机，电业脉冲马达等）和机械传动机构，驱动机 床的工作台、主轴刀架等执行部件实现工作进给和快速移动。数控机床的 伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质的差别，他能根据指令信号精 确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定运动规律 所合成的运动轨迹。 1.2 伺服进给系统分类 数控私服进给系统按有无位置检测和反馈进行分类，有以下三种： (1)开环伺服系统 (2)半闭环伺服系统 (3)闭环伺服系统 1.3 伺服进给系统的基本要求 (1)精度要求 (2)响应速度 (3)调速范围 (4)低速、大转矩 1.4 主要设计任务 已知参数：最大加工直径D m a x=400m m，工作台及刀架重：30㎏； 最大轴向力：130㎏；导轨静摩擦系数：0.2；行程：360m m；步进电机： 110B F003；步距角：0.75°；电机转动惯量：J=1.8×10-2㎏.c m.s-2； 设计要求：车床控制精度：0.005m m（即为脉冲当量）；加速时间：25m s； 最大进给速度：V m a x=2.5m/m i n。
2、运动设计 2.1传动方案拟定 数控机床按控制方式分为开环、闭环、半闭环，由于采用直流式交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中，由于数控车床加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。若采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，精度较闭环控制的查，但是稳定性好，成本较低，调试维修较容易；但是对于经济型数控机床来说必要性不大。故在本次设计中，采用开环控制步进电机驱动。 确定设计任务后，初步拟定三种传动方案即1电机直接与丝杠相连；2电机通过同步带的传动带动丝杠转动；3电机通过齿轮传动带动丝杠转动。 步进电机具有如下优点 : (1)电动机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动 机的脉冲个数就能控制位移量； (2)电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，与要控制脉冲频率就能调节步 进电动机的转速； (3)停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某个 固定位置上，不需要机械制动装置； (4)变通电相序即可以改变电动机的转向； (5)进电动机存在齿间相邻误差，但是不会产生累积误差； (6)进电动机转动惯量小，启动、停止迅速。滚珠丝杠副具有摩擦数小传 动效率高，所需的传动转矩小；灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行；随着精度和定位精度高，磨损小，寿命长，精度保持性好，可通过预紧间隙消除措施提高轴承刚度和反向精度，运动具有可性。 故在本次设计中采用步进电机带动X向工作台移动。传动方案1的结构简单，但是消除由步进电动机引起的振动等现象能力较差，故在本次设计中不采用方案1；传动方案2采用同步带传动保持恒定传动比，传动精度高工作平稳，结构紧凑，无噪声，有良好减振性能，但制造工艺比较复杂，传递功率较小，寿命较低，故在本次设计中不易采用。所以本次设计中采用方案3的齿轮传动，其主要特点是效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比稳定，传动过程中采用消隙齿轮，消除正反转齿轮间隙提高传动精度，性价比高。 2.2降速比计算
数控车床纵向进给系统和横向进给系统的设计
目录 1 绪论 (3) 1.1 数控系统的发展简史及国外发展现状 (3) 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) 1.4 设计的内容、目的和方法 (7) 2 总体方案设计 (8) 2.1 方案设计及总体布局 (8) 2.2 主切削力的计算 (8) 3 横向进给系统 (11) 3.1 已知技术参数 (11) 3.2 滚珠丝杠的计算及选择 (11) 3.3 校核 (14) 4 纵向进给系统 (20) 4.1 已知技术参数 (20) 4.2 滚珠丝杠的计算及选择 (20) 4.3 校核 (21) 5 床身及导轨 (26) 5.1 床身 (26) 5.2 导轨 (27) 6 数控系统选择 (29) 6.1 西门子数控系统的优点 (29) 6.2 数控连线图 (30) 7 数控编程 (31) 结论 (35) 致谢 (36)
1绪论 1.1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，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70．1％，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]。 1.2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 当长期困扰我国、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，0.1m 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、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