1、江西科技學院本科生畢業論文（設計） 準考證號：010610300531本科生畢業論文（設計）用微機數控技術改造最大加工直徑為500毫米普通車床的進給系統 學 院： 江西科技學院 專 業： 機電一體化工程 班 級： 09機電四（2）班 學生姓名： 張添胤 指導老師： 程憲文 完成日期： 2012年11月5號本科論文原創性申明本人鄭重申明：所呈交的論文（設計）是本人在指導老師的指導下獨立進行研究，所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文（設計）不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法

2、律后果由本人承擔。學位論文作者簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 本科論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權江西科技學院可以將本論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。學位論文作者簽名（手寫）： 指導老師簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日指 導 教 師 評 語 建議成績：優 良 中 及格 不及格指導教師簽字： 年 月 日 最終評定成績： 優 良 中 及格 不及格系主任簽字： 年

3、月 日目 錄（緒論）一、數控機床系統總體設計方案的擬定二、機床進給系統機械部分設計計算 1、設計參數 2、進給伺服系統運動及動力計算 3、滾珠絲杠螺母副的計算及選型（1） 縱向進給絲桿螺母副的計算及選型（2） 橫向進給絲桿螺母副的計算及選型 4、輪進給齒輪箱傳動比計算（1) 縱向進給齒輪箱齒輪傳動比計算（2） 橫向進給齒輪箱齒輪傳動比計算 5、步進電動機的計算及選型（1） 縱向進給步進電動機的計算及選型（2）橫向進給步進電動機的計算及選型三、數控機床零件加工程序四、繪制進給伺服系統機械裝配圖五、繪制微機數控系統硬件電路圖 總結 主要參考文獻緒論接到一個數控裝置的設計任務以后，必須首先擬定總體方

4、案，繪制系統總體框圖，才能決定各種設計參數和結構，然后再分別對機械部分和電器部分、現已機電一體化的典型產品數控機床為例,分析總體方案擬定的基本內容。機床數控系統總體方案的擬定包括以下內容：系統運動方式的確定，伺服系統的選擇、執行機構的結構及傳動方式的確定，計算機系統的選擇等內容。一般應根據設計任務和要求提出數個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。1、 數控機床系統總體設計方案的擬定普通車床是金屬切削加工最常用的一類機床。普通機床刀架的縱向和橫向進給運動是由主軸回轉運動經掛輪傳遞而來，通過進給箱變速后，由光杠或絲杠帶動溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動。進給參數要靠手工預先調

5、整好，改變參數時要停車進行操作。刀架的縱向進給運動和橫向進給運動不能聯動，切削次序也由人工控制。對普通車床進行數控化改造，主要是將縱向和橫向進給系統改為用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統；刀架改造成為能自動換刀的回轉刀架。這樣，利用數控裝置，車床就可以按預先輸入的加工指令進行切削加工。由于加工過程中的切削參數，切削次序和刀具都會按程序自動調節和更換，再加上縱向和橫向進給聯動的功能，數控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復雜的回轉零件，并能實現多工序自動車削，從而提高了生產效率和加工精度，也能適應小批量多品種復雜零件的加工。二、機床進給系統機械部分設計計算1、設計參數用微機數控技術 改造最大加

6、工直徑為500毫米普通車床的進給系統最大 加工直徑（mm）： 在床身上：500 在床鞍上：260最大加工長度（mm）： 7501000溜板及刀架重量（N）： 橫向：550 縱向：1100刀架快移速度（m/min）： 橫向：1 縱向：2最大進給速度（m/min）： 橫向：0.3 縱向：0.6最小分辨率 （mm）： 橫向：0.005 縱向：0.01定位精度（mm）： 0.025主電機功率（KW）： 5.52、進給伺服系統運動及動力計算縱向：（1） 確定系統的脈沖當量脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執行部件產生的進給量,它是衡量數控機床加工精度的一個基本參數。因此,脈沖當量應根據機床精度的要求來確定。

7、對經濟型數控機床來說，縱向常采用的脈沖當量為0.01mm/step。（2）計算切削力1）縱車外圓主切削力(N)按經驗公式估算： FZ=0.67D1.5max=0.67*5001.5=7 491 按切削力各分力比例： 得：=1873(N)=2996(N)2）.橫切端面主切削力=3745.5(N)按切削力各分力比例： =936(N)=1498(N) 橫向：（1） 確定系統的脈沖當量 脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執行部件產生的進給量,它是衡量數控機床加工精度的一個基本參數。因此,脈沖當量應根據機床精度的要求來確定。對經濟型數控機床來說，常采用的脈沖當量為0.005mm/step。（2）計算切削力1

8、）縱車外圓主切削力(N)按經驗公式估算： 按切削力個分力比例： =702.225(N)=1123.56(N) 2）橫切端面主切削力可取縱切的此時走刀抗力(N)，吃刀抗力(N)，仍按上述比例粗略計算： =351.11(N)=561.78(N)3、滾珠絲杠螺母副的計算及選型（1）縱向滾珠絲杠螺母副的計算及選型 1）計算進給軸向力(N)按縱向進給為綜合型導軌式中K考慮顛覆力矩影響的實驗系數，綜合導軌取K=1.15滑動導軌摩擦系數0.150.18G溜板及刀架重力1000N則 2）計算最大動負載Q 式中 L 為絲杠壽命，以轉為1單位。 運轉系數，按一般運轉取1.21.5； 最大切削力條件下的進給速度，可

9、取最大進給速度的1/21/3；此處=0.6mmT 使用壽命，按15000h； 為絲杠的基本導程，初選=6mm；（m/min） 3）滾珠絲杠副的選型初選滾珠絲杠副的尺寸規格，相應的額定動載荷不得小于最大動載荷C；查閱數控設計指導書得到：采用外循環螺紋調整的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，額定動載荷16400N，精度等級按表2-12選為1級。 4）傳動效率計算式中為的螺旋升角，；為摩擦角取滾動摩擦系數0.0030.004； 5）縱向滾珠絲杠剛度驗算畫出縱向進給滾珠絲杠的支撐方式，根據最大軸向力2532N，支撐間距L=1500mm。絲杠螺母副及軸承均進行預緊，預緊為最大軸向負荷的。a: 絲杠的拉伸或

10、壓縮變形 已知=2532N，D=40mm，=6mm，=35.984mm，式中 是在工作載作用下引起每一導程的變化量； 工作負載，即進給牽引力；滾珠絲杠的導程； 材料彈性摸數，對鋼；滾珠絲杠截面積（按內徑確定）；“+”用于拉深，“”用于壓縮；絲杠有效截面A=絲杠導程的變化量滾珠絲杠總長度上的拉深或壓縮變形量 b: 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形由dp=3.969mm，=253kgf承載滾珠數量 (個) 由于對滾珠絲杠副施加預緊力，且預緊力Fp為軸向負載的,則變形 縱向滾珠絲杠副幾何參數 滾珠絲杠幾何參數名 稱符號計算公式螺紋滾道公稱直徑40導程6接觸角鋼球直徑（mm）3.969滾道法面半徑2.064

11、偏心距0.056螺旋升角螺桿螺桿外徑24.3螺桿內徑21.78螺桿接觸直徑21.83螺母螺母螺紋直徑28.22螺母內徑25.73c: 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形采用8 型推力球軸承=35mm；滾動體直徑=6.35；滾動體數量Z=18又 定位誤差 = =0.01560.02mm 6）穩定性校核 滾珠絲杠兩端面推理軸承不會產生失穩現象故不需作穩定性校核（2）橫向滾珠絲杠螺母副的計算及選型1）計算進給軸向力按橫向進給為燕尾形導軌： 式中 K考慮顛覆力矩影響的實驗系數，燕尾形導軌取；滑動導軌摩擦系數：=0.2；G溜板及刀架重力，G=550N。則: 2）計算最大動負載Q 式中 為絲杠的基本導程，初選

12、=6mm； 最大切削力條件下的進給速度，可取最大進給速度的1/21/3，此處=0.3m/min； 使用壽命，按15000h； 運轉系數，按一般運轉取1.21.5； 為絲杠轉速； 為絲杠壽命，以轉為1單位； 3）滾珠絲杠副的選型 縱向滾珠絲杠副幾何參數：W1L3506滾珠絲杠幾何參數名 稱符號計算公式W1L3506螺紋滾道公稱直徑35導程6接觸角鋼球直徑（mm）3.969滾道法面半徑2.064偏心距0.056螺旋升角螺桿螺桿外徑34螺桿內徑30.984螺桿接觸直徑31.042螺母螺母螺紋直徑39.016螺母內徑35794初選滾珠絲杠副的尺寸規格，相應的額定動載荷不得小于最大動載荷C；查閱數控設計

13、指導書得到：采用W1L3506型外循環螺紋預緊滾珠絲杠副，1列2.5圈，額定動載荷15400N，精度等級為1級，4）傳動效率計算式中為W1L2005的螺旋升角，；為摩擦角取滾動摩擦系數0.0030.004；5）橫向滾珠絲杠剛度驗算a: 畫出橫向進給滾珠絲杠的支撐方式，根據最大軸向力1317.82N，支撐間距 L=750mm。因絲杠長度較短，不需預緊，螺母及軸承預緊。b: 絲杠的拉深或壓縮變形 已知=1317.82N，D=35mm，=5mm，式中 是在工作載作用下引起每一導程的變化量； 工作負載，即進給牽引力； 滾珠絲杠的導程； 材料彈性摸數，對鋼；滾珠絲杠截面積（按內徑確定）；“+”用于拉深，

14、“”用于壓縮；滾珠絲杠總長度上的拉深或壓縮變形量c: 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形由=3.969mm，1317.82N承載滾珠數量(個) d: 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 采用8107型推力球軸承d1=35mm滾動體直徑dQ=4.763mm,滾動體數目Z=12(個）定位誤差： 所以定位誤差小于定位精度 即 =0.02410.025滾珠絲杠允許的誤差為；所選絲杠合格。6）壓桿穩定性校核滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失去穩定而產生縱向屈曲，即失穩。失穩時的臨界負載式中 為絲杠材料彈性模量，對鋼； 為截面慣性矩，對絲杠圓截面，為絲杠的內徑； 為絲杠兩支承端距離（cm

15、）；為絲杠的支撐方式系數由表4-13查出，一端固定，一端簡支 （一般） 此滾珠絲杠不會產生失穩。4、輪進給齒輪箱傳動比計算（1）縱向進給齒輪箱傳動比及齒輪幾何參數 縱向進給脈沖當量；滾珠絲杠導程；初選步進電機步距；可得：； 可選齒數為：；齒數32402025分度圓64804050齒頂圓68844454齒根圓59753545齒寬20202020中心距7245 2）橫向進給齒輪箱傳動比計算橫向進給脈沖當量；滾珠絲杠導程；初選步進電機步距角；可得：；可選齒數為：因進給運動齒輪受力不大，模數取22.傳動齒輪幾何參數齒數24402025分度圓48804050齒頂圓52844454齒根圓42753545齒

16、寬20202020中心距64455、 步進電機的計算和選型（1）縱向步進電機的計算和選型 1） 等效轉動慣量計算 算簡圖見前面，傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量為：式中 為步進電機轉子轉動慣量； 為齒輪的轉動慣量； 為滾珠絲杠轉動慣量；所選電機為150BF002反應式步進電機，其轉子轉動慣量： ；對于齒輪、軸、絲杠等圓柱體轉動慣量計算公式：；則：代入上式： =36.3552）電機力矩計算 機床在不同的工況下，所需的力矩也不同，分別計算：快速空載起動力矩：在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，其計算公式為：；式中 為快速空載起動力矩； 為空載起動時折算到電機軸上的加速力矩； 為折算到電機

17、軸上的摩擦力矩； 由于絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩；其它符號意義同前。；起動加速時間；折算到電機軸上的摩擦力矩：；式中 為導軌的摩擦力，；其它參數含義及取值同前， 為傳動鏈總效率，一般可取，這里取； ；附加摩擦力矩：；式中 滾珠絲杠預加負荷，一般取； 滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取；其它符號含義取值同上。；將數據代入公式：；快速移動時所需力矩：；最大切削負載時所需力矩：；式中折算到電機軸上的切削負載力矩；參數說明同上；從上面可以看出，三種工作情況下，以快速空載起動力矩最大，以此作為初選步進電動機的依據 查得當步進電機為五相十拍時; 最大靜力矩；按此最大靜轉矩從附表查出150BF0

18、02型最大靜轉矩為13.72 大大于所需最大靜轉矩，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機啟動矩頻特性和運行矩 ， 3）計算步進電動機空載啟動頻率及切削時工作頻率空載啟動時切削時工作頻率可查出150BF002型步進電機允許的最高空載頻率為2800運行頻率為800，再從圖2-7看出，當步進電機起動時，時，遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩；直接使用則會產生失步現象，必須采用升降速控制（用軟件實現），將起動頻率降到1000Hz左右時，起動力矩可提高588.4然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，從圖中看出150BF002型步進電機運行矩

19、頻特性完全滿足要求。（2） 縱向步進電機的計算和選型 1） 等效轉動慣量計算計算簡圖見前面，傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量為： 式中 為步進電機轉子轉動慣量； 為齒輪的轉動慣量； 為滾珠絲杠轉動慣量；所選電機為150BF反應式步進電機，其轉子轉動慣量： 對于齒輪、軸、絲杠等圓柱體轉動慣量計算公式：； 則：代入上式： 2）電機力矩計算機床在不同的工況下，所需的力矩也不同，分別計算：快速空載起動力矩：在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，其計算公式為：；式中 為快速空載起動力矩； 為空載起動時折算到電機軸上的加速力矩； 為折算到電機軸上的摩擦力矩； 由于絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦

20、力矩；其它符號意義同前。；起動加速時間；折算到電機軸上的摩擦力矩：；式中 為導軌的摩擦力，；其它參數含義及取值同前， 為傳動鏈總效率，一般可取，這里取； ；附加摩擦力矩：；式中 滾珠絲杠預加負荷，一般取； 滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取；其它符號含義取值同上。 ；上述三項合計：；快速移動時所需力矩：；最大切削負載時所需力矩：；式中折算到電機軸上的切削負載力矩；參數說明同上；從上面可以看出，三種工作情況下，以最大切削負載時空載起動力矩最大，查表得：當步進電機為五相十拍時，最大靜力矩按此最大靜轉距從附表查出150BF002型最大靜轉距為13.72，大于所需最大靜轉距。可作為初選型號。但還必須進

21、一步考核步進電機起動短頻特性和運行短頻特性。3）計算步進電動機空載啟動頻率及切削時工作頻率空載啟動時切削時工作頻率可查出150BF002型步進電機允許的最高空載起動頻率為2800Hz，運行頻率為8000Hz,再從圖表查出150BF002型步進電機起動短頻特性和運行短頻特性，從圖中分析可知當電機起動時頻率為2500Hz,最大靜轉矩為100N.cm遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩750.5N.cm直接使用則會產生失步現象，必須采用升降速控制（用軟件實現），把起動頻率降到1000Hz左右時起動力矩可提高588N.cm.然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右，起動力

22、矩可以滿足要求。當快速運動和切削進給時，從圖中看出150BF002型步進電機運行矩頻特性完全滿足要求。 三、數控機床零件加工程序O0321N010 G90G00G92X80,Z10;N020 M03S600;N030 G00X24.Z21;N040 G01X30,Z-2,F10;N050 X30,Z-64;N060 X32,Z-64;N070 X40,Z-120;N080 G02X40,Z-180.I51.96,K-30,F5;N090 G01X40,Z-200,F10;N100 G00X80,Z10;N110 M05T0100;N120 T0200;N130 M03S100;N140 G01X34,Z-64;N150 X26,Z-64;N160 G00X34,Z-64;N170 X80,Z10;N180 M05T0200;N190 T0300;N200 M03S50;N210 G00X28.402,Z10;N220 G33Z-64,F2;N230 G00X34.402;N240 X80,Z10;N259 X27,.602,Z10;N260 G33Z-62,F2N