用微机数控关键技术改造最大加工直径为500毫米普通车床的进给系统毕业设计方案.doc

准考证号：

本科生毕业论文（设计）

用微机数控技术改造最大加工直径为500毫米普通车床进给系统

学 院： 江西科技学院
专 业： 机电一体化工程
班 级： 09机电四（2）班
学生姓名： 张添胤
指引教师： 程宪文
完毕日期： 11月5号

本科论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交论文（设计）是本人在指引教师指引下独立进行研究，所获得研究成果。除了文中特别加以标注引用内容外，本论文（设计）不包括任何其她个人或集体已经刊登或撰写成果作品。对本文研究做出重要贡献个人和集体，均已在文中以明确方式表白。本人完全意识到本声明法律后果由本人承担。

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指 导 教 师 评 语

建议成绩：

优 良 中 及格 不及格
指引教师签字：
年 月 日
最后评估成绩：
优 良 中 及格 不及格
系主任签字：
年 月 日

目 录
（绪论）
一、数控机床系统总体设计方案拟定
二、机床进给系统机械某些设计计算
1、设计参数

2、进给伺服系统运动及动力计算

3、滚珠丝杠螺母副计算及选型

（1） 纵向进给丝杆螺母副计算及选型

（2） 横向进给丝杆螺母副计算及选型

4、轮进给齿轮箱传动比计算

（1) 纵向进给齿轮箱齿轮传动比计算

（2） 横向进给齿轮箱齿轮传动比计算

5、步进电动机计算及选型

（1） 纵向进给步进电动机计算及选型

（2）横向进给步进电动机计算及选型
三、数控机床零件加工程序
四、绘制进给伺服系统机械装配图
五、绘制微机数控系统硬件电路图
总结
重要参照文献

绪论

接到一种数控装置设计任务后来，必要一方面拟定总体方案，绘制系统总体框图，才干决定各种设计参数和构造，然后再分别对机械某些和电器某些、现已机电一体化典型产品——数控机床为例,分析总体方案拟定基本内容。
机床数控系统总体方案拟定涉及如下内容：系统运动方式拟定，伺服系统选取、执行机构构造及传动方式拟定，计算机系统选取等内容。普通应依照设计任务和规定提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后拟定一种可行总体方案。

一、 数控机床系统总体设计方案拟定
普通车床是金属切削加工最惯用一类机床。普通机床刀架纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱横溜板移动。进给参数要靠手工预先调节好，变化参数时要停车进行操作。刀架纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削顺序也由人工控制。
对普通车床进行数控化改造，重要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制、能独立运动进给伺服系统；刀架改导致为能自动换刀回转刀架。这样，运用数控装置，车床就可以按预先输入加工指令进行切削加工。由于加工过程中切削参数，切削顺序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动功能，数控改装后车床就可以加工出各种形状复杂回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件加工。

二、机床进给系统机械某些设计计算
1、设计参数
用微机数控技术 改造最大加工直径为500毫米普通车床进给系统
最大 加工直径（mm）： 在床身上：500 在床鞍上：260
最大加工长度（mm）： 750~1000
溜板及刀架重量（N）： 横向：550 纵向：1100
刀架快移速度（m/min）： 横向：1 纵向：2
最大进给速度（m/min）： 横向：0.3 纵向：0.6
最小辨别率 （mm）： 横向：0.005 纵向：0.01
定位精度（mm）： 0.025
主电机功率（KW）： 5.5
2、进给伺服系统运动及动力计算
纵向：
（1） 拟定系统脉冲当量
脉冲当量是指一种进给脉冲使机床执行部件产生进给量,它是衡量数控机床加工精度一种基本参数。因而,脉冲当量应依照机床精度规定来拟定。对经济型数控机床来说，纵向常采用脉冲当量为0.01mm/step。
（2）．计算切削力
1）纵车外圆
主切削力(N)按经验公式估算： 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）.横切端面
主切削力
=3745.5(N)
按切削力各分力比例：

=936(N)
=1498(N)
横向：
（1） 拟定系统脉冲当量
脉冲当量是指一种进给脉冲使机床执行部件产生进给量,它是衡量数控机床加工精度一种基本参数。因而,脉冲当量应依照机床精度规定来拟定。对经济型数控机床来说，常采用脉冲当量为0.005mm/step。
（2）．计算切削力
1）纵车外圆
主切削力(N)按经验公式估算：

按切削力个分力比例：

=702.225(N)
=1123.56(N)
2）横切端面
主切削力可取纵切

此时走刀抗力(N)，吃刀抗力(N)，仍按上述比例粗略计算：

=351.11(N)
=561.78(N)
3、滚珠丝杠螺母副计算及选型
（1）纵向滚珠丝杠螺母副计算及选型
1）计算进给轴向力(N)
按纵向进给为综合型导轨
式中K—考虑颠覆力矩影响实验系数，综合导轨取K=1.15
—滑动导轨摩擦系数0.15~0.18
G—溜板及刀架重力1000N
则
2）计算最大动负载Q

式中 L 为丝杠寿命，以转为1单位。
运转系数，按普通运转取1.2～1.5；
最大切削力条件下进给速度，可取最大进给速度1/2～1/3；此处=0.6mm
T 使用寿命，按15000h；
为丝杠基本导程，初选=6mm；
（m/min）

3）滚珠丝杠副选型
初选滚珠丝杠副尺寸规格，相应额定动载荷不得不大于最大动载荷C；查阅《数控设计》指引书得到：采用外循环螺纹调节双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，额定动载荷16400N，精度级别按表2-12选为1级。

4）传动效率计算

式中为螺旋升角，；
为摩擦角取滚动摩擦系数0.003～0.004；

5）纵向滚珠丝杠刚度验算
画出纵向进给滚珠丝杠支撑方式，依照最大轴向力2532N，支撑间距L=1500mm。丝杠螺母副及轴承均进行预紧，预紧为最大轴向负荷。

a： 丝杠拉伸或压缩变形
已知=2532N，D=40mm，=6mm，=35.984mm，
式中 是在工作载作用下引起每一导程变化量；
工作负载，即进给牵引力；滚珠丝杠导程；
材料弹性摸数，对钢；滚珠丝杠截面积（按内径拟定）；“+”用于拉深，“”用于压缩；
丝杠有效截面A=
丝杠导程变化量
滚珠丝杠总长度上拉深或压缩变形量

b： 滚珠与螺纹滚道间接触变形
由dp=3.969mm，=253kgf
承载滚珠数量 (个)
由于对滚珠丝杠副施加预紧力，且预紧力Fp为轴向负载,则变形

纵向滚珠丝杠副几何参数
滚珠丝杠几何参数

名 称
符号
计算公式

螺

纹

滚

道
公称直径

40
导程

6
接触角

钢球直径（mm）

3.969
滚道法面半径

2.064
偏心距

0.056
螺旋升角

螺

杆
螺杆外径

24.3
螺杆内径

21.78
螺杆接触直径

21.83
螺
母
螺母螺纹直径

28.22
螺母内径

25.73
c： 支承滚珠丝杠轴承轴向接触变形采用8 型推力球轴承=35mm；滚动体直径=6.35；滚动体数量Z=18

又 定位误差
=
=0.01560.02mm

6）稳定性校核
滚珠丝杠两端面推理轴承不会产生失稳现象故不需作稳定性校核

（2）横向滚珠丝杠螺母副计算及选型

1）计算进给轴向力

按横向进给为燕尾形导轨：
式中 K—考虑颠覆力矩影响实验系数，燕尾形导轨取；
—滑动导轨摩擦系数：=0.2；
G—溜板及刀架重力，G=550N。
则:

2）计算最大动负载Q

式中 为丝杠基本导程，初选=6mm；
最大切削力条件下进给速度，可取最大进给速度1/2～1/3，此处=0.3m/min；
使用寿命，按15000h；
运转系数，按普通运转取1.2～1.5；
为丝杠转速；
为丝杠寿命，以转为1单位；

3）滚珠丝杠副选型
纵向滚珠丝杠副几何参数：
W1L3506滚珠丝杠几何参数

名 称
符号
计算公式
W1L3506
螺

纹

滚

道
公称直径

35
导程

6
接触角

钢球直径（mm）

3.969
滚道法面半径

2.064
偏心距

0.056
螺旋升角

螺

杆
螺杆外径

34
螺杆内径

30.984
螺杆接触直径

31.042
螺
母
螺母螺纹直径

39.016
螺母内径

35794
初选滚珠丝杠副尺寸规格，相应额定动载荷不得不大于最大动载荷C；查阅《数控设计》指引书得到：采用W1L3506型外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，1列2.5圈，额定动载荷15400N，精度级别为1级，
4）传动效率计算

式中为W1L螺旋升角，；
为摩擦角取滚动摩擦系数0.003～0.004；

5）横向滚珠丝杠刚度验算
a： 画出横向进给滚珠丝杠支撑方式，依照最大轴向力1317.82N，支撑间距 L=750mm。因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。

b： 丝杠拉深或压缩变形
已知=1317.82N，D=35mm，=5mm，，
式中 是在工作载作用下引起每一导程变化量；
工作负载，即进给牵引力；
滚珠丝杠导程；
材料弹性摸数，对钢；滚珠丝杠截面积（按内径拟定）；“+”用于拉深，“”用于压缩；

滚珠丝杠总长度上拉深或压缩变形量

c： 滚珠与螺纹滚道间接触变形
由=3.969mm，1317.82N
承载滚珠数量(个)

d： 支承滚珠丝杠轴承轴向接触变形
采用8107型推力球轴承d1=35mm
滚动体直径dQ=4.763mm,滚动体数目Z=12(个）

定位误差：
因此定位误差不大于定位精度 即
=0.0241＜0.025
滚珠丝杠容许误差为；所选丝杠合格。
6）压杆稳定性校核
滚珠丝杠普通属于受轴向力细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时临界负载

式中 为丝杠材料弹性模量，对钢；
为截面惯性矩，对丝杠圆截面，为丝杠内径；
为丝杠两支承端距离（cm）；为丝杠支撑方式系数由表4-13查出，一端固定，一端简支

（普通） 此滚珠丝杠不会产生失稳。
4、轮进给齿轮箱传动比计算
（1）纵向进给齿轮箱传动比及齿轮几何参数
纵向进给脉冲当量；滚珠丝杠导程；初选步进电机步距；可得：
；
可选齿数为：
；
齿数

32
40
20
25
分度圆

64
80
40
50
齿顶圆

68
84
44
54
齿根圆

59
75
35
45
齿宽

20
20
20
20
中心距

72
45

2）横向进给齿轮箱传动比计算
横向进给脉冲当量；滚珠丝杠导程；初选步进电机步距角；可得：
；
可选齿数为：

因进给运动齿轮受力不大，模数取2

2.传动齿轮几何参数
齿数

24
40
20
25
分度圆

48
80
40
50
齿顶圆

52
84
44
54
齿根圆

42
75
35
45
齿宽

20
20
20
20
中心距

64
45
5、 步进电机计算和选型
（1）纵向步进电机计算和选型
1） 等效转动惯量计算
算简图见前面，传动系统折算到电机轴上总转动惯量为：

式中 为步进电机转子转动惯量；
为齿轮转动惯量；
为滚珠丝杠转动惯量；
所选电机为150BF002反映式步进电机，其转子转动惯量：
；
对于齿轮、轴、丝杠等圆柱体转动惯量计算公式：；
则：

代入上式：

=36.355
2）电机力矩计算
机床在不同工况下，所需力矩也不同，分别计算：
迅速空载起动力矩：
在迅速空载起动阶段，加速力矩占比例较大，其计算公式为：
；
；
；

式中 为迅速空载起动力矩；
为空载起动时折算到电机轴上加速力矩；
为折算到电机轴上摩擦力矩；
由于丝杠预紧时折算到电机轴上附加摩擦力矩；
其他符号意义同前。
；
起动加速时间；
折算到电机轴上摩擦力矩：
；
式中 为导轨摩擦力，；其他参数含义及取值同前，
为传动链总效率，普通可取，这里取；
；
附加摩擦力矩：
；
式中 滚珠丝杠预加负荷，普通取；
滚珠丝杠未预紧时传动效率，普通取；
其他符号含义取值同上。
；
将数据代入公式：
；
迅速移动时所需力矩：
；
最大切削负载时所需力矩：
；
式中折算到电机轴上切削负载力矩；参数阐明同上
；
从上面可以看出，三种工作状况下，以迅速空载起动力矩最大，以此作为初选步进电动机根据
查得当步进电机为五相十拍时;
最大静力矩；
按此最大静转矩从附表查出150BF002型最大静转矩为13.72 大不不大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必要进一步考核步进电机启动矩频特性和运营矩 ，
3）计算步进电动机空载启动频率及切削时工作频率

空载启动时
切削时工作频率
可查出150BF002型步进电机容许最高空载频率为2800运营频率为800，再从图2-7看出，当步进电机起动时，时，，远不能满足此机床所规定空载起动力矩；直接使用则会产生失步现象，必要采用升降速控制（用软件实现），将起动频率降到1000Hz左右时，起动力矩可提高588.4
然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。

当迅速运动和切削进给时，从图中看出150BF002型步进电机运营矩频特性完全满足规定
。

（2） 纵向步进电机计算和选型
1） 等效转动惯量计算
计算简图见前面，传动系统折算到电机轴上总转动惯量为：

式中 为步进电机转子转动惯量；
为齿轮转动惯量；
为滚珠丝杠转动惯量；
所选电机为150BF反映式步进电机，其转子转动惯量：
对于齿轮、轴、丝杠等圆柱体转动惯量计算公式：
；
则：

代入上式：

2）电机力矩计算
机床在不同工况下，所需力矩也不同，分别计算：
迅速空载起动力矩：
在迅速空载起动阶段，加速力矩占比例较大，其计算公式为：
；
；
；

式中 为迅速空载起动力矩；
为空载起动时折算到电机轴上加速力矩；
为折算到电机轴上摩擦力矩；
由于丝杠预紧时折算到电机轴上附加摩擦力矩；
其他符号意义同前。
；
起动加速时间；

折算到电机轴上摩擦力矩：
；
式中 为导轨摩擦力，；其他参数含义及取值同前，
为传动链总效率，普通可取，这里取；
；
附加摩擦力矩：
；
式中 滚珠丝杠预加负荷，普通取；
滚珠丝杠未预紧时传动效率，普通取；
其他符号含义取值同上。

；
上述三项共计：
；
迅速移动时所需力矩：
；
最大切削负载时所需力矩：
；
式中折算到电机轴上切削负载力矩；参数阐明同上

；
从上面可以看出，三种工作状况下，以最大切削负载时空载起动力矩最大，查表得：当步进电机为五相十拍时，，最大静力矩
按此最大静转距从附表查出150BF002型最大静转距为13.72，不不大于所需最大静转距。可作为初选型号。但还必要进一步考核步进电机起动短频特性和运营短频特性。

3）计算步进电动机空载启动频率及切削时工作频率
空载启动时

切削时工作频率

可查出150BF002型步进电机容许最高空载起动频率为2800Hz，运营频率为8000Hz,再从图表查出150BF002型步进电机起动短频特性和运营短频特性，从图中分析可知当电机起动时频率为2500Hz,最大静转矩为100N.cm远不能满足此机床所规定空载起动力矩7505N.cm直接使用则会产生失步现象，必要采用升降速控制（用软件实现），把起动频率降到1000Hz左右时起动力矩可提高588N.cm.然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右，起动力矩可以满足规定。
当迅速运动和切削进给时，从图中看出150BF002型步进电机运营矩频特性完全满足规定。

三、数控机床零件加工程序
O0321
N010 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,F2
N270 G00X33.602;
N280 X80,Z10;
N290 X27.402,Z10;
N300 G33Z-62,F2;
N310 G00X33.402;
N320 X80,Z10;
N330 M05T0300;
N340 T0100;
N350 M02;

四、 绘制进给伺服系统机械装配图。（略）
绘制微机数控系统硬件电路图（略）

总结
通过这次课程设计，使我可以较好掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现刚开始时不知从何下手，在教师指引下到图书馆查阅有关资料。参照了有关设计资料，终于懂得了该怎么做。在做设计过程中，不但复习了所学过知识点，还学到了新知识，同步将所学到知识充分运用起来，做到了学以致用。
固然，在此过程中由于时间紧张也有许多局限性之处，内容涉及到多方面有知识要想发展成实际产品还需要重复探讨和论证。
本次课程设计一开始就得到教师协助，正是有了她们悉心协助和支持，才使我课程设计顺利完毕。在此表达深深感谢！

重要参照文献
1. 丁洪生. 机械设计基本. 北京：机械工业出版社，.
2. 范超毅，赵天婵，吴斌方. 数控技术课程设计. 武汉：华中科技大学出版社，.
3. 蔡怀崇，张克猛. 工程力学（一）. 北京：机械工业出版社，.
4. 林其骏. 数控技术及应用. 北京：机械工业出版社，.
5. 毕万新. 单片机原理与接口技术. 大连：大连理工出版社，.
6. 王训杰，丘映辉. 机械设计/机械设计基本课程设计. 大连：大连理工出版社，.
7. 吴宗泽. 机械零件设计手册. 北京：北京机械工业出版社，.
8. 陈立德. 机械设计基本课程设计. 北京：北京教诲出版社，.
9. 《数控设计》指引书. 蓝天学院京东校区机电工程系，.