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1目录1、总体方案确定.......................................41.1、C6132工艺范围...................................41.2、设计任务.........................................41.3、总体方案.........................................41.3.1、进给系统改造.................................41.3.2、伺服系统改造.................................51.3.3、导轨改造.....................................61.3.4、控制系统改造.................................61.3.5、系统框图.....................................62、机械部分改造........................................62.1、C6132普通车床的改造.............................62.2、切削力的计算....................................62.2.1、主切削力....................................72.2.2、进给力与背吃刀力.............................72.2.3、工作载荷....................................722.3、滚珠丝杠的计算及选型.............................82.3.1、丝杠转速....................................82.3.2、承载能力计算.................................82.3.3、计算额定载荷.................................92.3.4、滚珠丝杠螺母选型............................102.3.5、压杆稳定性校核..............................112.3.6、刚度演算...................................122.3.7、传动效率...................................122.3.8、临界转速...................................122.3.9、最大转速...................................132.3.10、压弯临界转速...............................132.3.11、预紧力....................................132.3.12、丝杠与导轨间接触变性.......................142.4、减速齿轮的计算.................................142.5、步进电机的计算及选型............................162.5.1、反应式步进电机特性..........................172.5.2、步进电机选型考虑因素........................182.5.3、步进电机初选................................1932.5.4、步进电机校核................................202.6、导轨的选型......................................243、数控部分硬件电路设计..............................243.1、硬件电路组成...................................243.2、中央处理器选择.................................223.3、存储器的扩展及选型.............................233.4、其他电路设计...................................244、总结..............................................285、致谢..............................................296、参考文献..........................................3041、总体设计方案确定1.1、c6132工艺范围数控车床主要用于轴类、盘类零件的加工,能自动完成外围柱面、内孔、锥面、圆弧面、螺纹等工序的粗细加工,并能在圆柱面或端面上进行铣槽、钻孔、铰孔等工作,可以实现回转体零件在预先加工好定位基面后,一次装夹下完成从毛坯到成品的全部工序。因此能够极大的提高生产率。C6132车床主要用于对小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工。1.2、设计任务本设计任务在现有C6132车床的结构基础上，对机床横向进给系统进行数控改造，主传动系统保留。，横向进给系统的脉冲当量分别为0.005mm/step，最大快移速度2000mm/min，定位精度±0.01mm。1.3、总体方案1.3.1、进给系统改造将车床溜板箱拆除，在原处安装滚珠丝杠螺母座，丝杠螺母固定在其上。将横溜板中的普通丝杠、螺母拆除，在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副，伺服电机与丝杠间采用一级减速器联接,以缩小传动链,提高系统刚度,并减少传动链误差。横向伺服电动机与齿轮减速器总成安装在机床后部并与滚珠丝杠通过柔性联轴器相连。柔性联轴器的特点是有一定的缓冲性能和较大的综合补偿性能（包括：轴向偏移，径向偏移，角度偏移）。滚珠丝杠螺母机构特点是具有摩擦力小,运动灵敏,无爬行现象,也可以进行预紧,以实现无间隙传动,传动刚度好,反向时无空程死区等特点。可提高传动精度。1.3.2、伺服系统的改造⑴、考虑到数控的方便性，伺服系统改造的经济型，所以在保证具有一定加工精度的前提下，从改造成本考虑。应简化结构，降低成本及考虑到加工精度的要求，应采用以伺服电动机为驱动的开环伺服系统。开环系统特点：环路短，刚性好，较容易获得较高的精度和速度。5伺服电动机机床工作台脉冲指令图1.1开环控制系统原理图⑵、开环伺服系统一般选用步进电机。步进电动机是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移量的执行元件。其转速则与脉冲频率成正比。由于输入为电脉冲，因而易于电子计算机或其他数字电路接口，适用于数字控制系统。步进电动机广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外部设备、绘图机、计时钟表等方面。步进电动机用于系统具有较好的开环稳定性，系统结构简单，有可能省去闭环系统中的测量元件。⑶、反应式步进电动机的特点：步距角小，启动和运行频率高，在一相绕组长期通电状态下，具有自锁能力，消耗功率较大，应用范围比较广泛。例如阀门控制、数控机床及其他数控装置。永磁式步进电动机的特点：功率比较小，在断电的情况下，有定位转矩，步距角大，启动和运行频率较低，主要应用在自动化仪表方面。故：从精度和经济的角度来选，伺服系统采用反应式步进电机的开环控制。为使步进电机正常运行并输出一定的功率，需要有足够功率提供给电动机因此需要有功率放大环节，脉冲分配器及前面的微机及接口芯片，工作电平一般为5V，而作为电动机电源需符合电机要求的额定电压值，为避免强电对弱电的干扰在它们之间应采用隔离电路。如下图图1.2电机驱动电路1.3.3、导轨改造导轨需沿用原机床的导轨，但因起精度较低，不适合数控机床。因而在原导轨上粘接四氟乙烯软带，使其有良好的耐摩性和较小的摩擦阻力，能预防爬行并比较器放大电路6具有自润滑性。1.3.4、控制系统选用控制系统选用MCS-51单片机。1.3.5、系统框图见图【01】2、机械部分改造2.1、C6132普通车床参数最大回转直径：ф320mm最大加工长度：640mm移动步件重盘：横向500N刀架快进速度：横向1.2m/min最大进给速度：横向0.3m/min主电机功率：4KW起动加速时间：25ms机床定位精度：0.015mm机床效率：0.82.2、切削力的计算在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，2.2.1、主切削力cF选工件材料碳素结构钢，b=650MPa；选用刀具材料为高速钢；刀具几何参数：主偏角rk=。75，前角0=。10，刃倾角s=。5；7切削用量为：背吃刀量pa=2mm，进给量f=0.8mm/r，切削速度cv=1m/min.。由表（2.1）查得：CFC=1770;CFx=1.0CFy=0.75CFn=0;由表（2.2）查得：主偏角修正系数CrFkK=0.92,前角，刃倾角修正系数都为1.0；代入公式：cCFCFCFCFncyxpFcKvfaCF=92.018.021770075.01=2754.92(N)2.2.2、进给力与背吃刀力由经验公式：cF：fF：pF=1:0.35:0.4知：zF=cF=2754.92NxF=fF=0.35x2754.92=964.22NyF=pF=0.4x2754.92=1101.97N2.2.3、工作载荷mF选择矩形三角形组合导轨由表（2.3）计算：)(/GFfKFFzxm=1.15x964.22+0.15x(2754.92+500)=1597.09（N）G：溜板箱及刀架（横向）重力G=500（N）;K：考虑颠覆力矩影响的实验系数由表（2.3）查得：K=1.15f：滑动导轨摩擦系数由表（2.3）查得：f=0.15表2.1车削力公式中系数参数结构钢，铸钢b=650MPa刀具材料加工外形公式中指数及参数主切削力cF高速钢外圆纵车，横车，切断CFCCFxCFyCFn17701.00.7508表2.2加工钢或铸铁刀具几何参数改变时切削力修正系数名称数值主偏角修正系数0.92前角1.0刃倾角1.0刀尖圆角半径1.0表2.3mF实验计算公式及参考参数导轨类型实验公式Kf矩形导轨)(/GFFfKFFyzxm1.10.15燕尾导轨)2(/GFFfKFFyzxm1,40.2三角形或综合导轨)(/GFfKFFzxm1.150.15-0.182.3、滚珠丝杠的设计计算和选型2.3.1、丝杠转速min)/(rnspshvn=200r/min；其中：sv：最大切削条件下进给速度（mm/min），取最高进给速度(2000mm/min)的1/2～1/3即：sv=2000×½=1000mm/minsph：丝杠导程初选5mm（导程越大，承载越大；导程越小，精度越高）；2.3.2、承载能力QF选择mWHQFffLF3=09.15972.111.11803=11010.38N其中：61060TnL=180(610r)；滚道硬度HRC=55；表2.4使用寿命时间T（h）9使用寿命时间T（h）普通机床数控机床航空机械5000～10000150001000表2-5硬度系数Hf硬度系数HfHRC≧58HRC=55HRC=52.5HRC=50HRC=451.01.111.351.562.4表2-6载荷系数Wf载荷系数Wf平稳或轻度冲击中等冲击较大冲击1.0～1.21.2～1.51.5～2.52.3.3、计算额定载荷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（106转）时，其中90%不产生疲劳损伤时所能承受的最大轴向载荷。①、计算最大额定动载荷/aCMwFfLC3/a=9919.26(N)丝杠选型应使得丝杠额定动载荷aC满足：、/aaCC知：此项满足要求。②、计算最大额定静载荷\oaCmdoaFfC\
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