数控机床系统设计指南.docx

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1、数控机床系统设计阐明书第一章数控技术的地位数控技术是永数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是20世纪后半叶最重要，发展最快的工业技术之一.它以制造过程为对象，以信息技术为手段，以数控坐标方式对运动部件进行位置控制为重要特性，为单件、小批量生产的自动化开辟了可行的技术途径，也为现代柔性制造技术奠定了重要的技术基础。数控机床是以数控技术为代表的新技术对老式制造业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术覆盖诸多领域，其中，精密机械制造技术、信息处理、加工、传播技术、自动控制技术、伺服驱动技术、传感器和检测技术和计算机技术是数控技术涵盖的重要领域。数控技术还是运用高新技术对老式产业进行改

2、善和提高的重要羲体。以信息化带动工业化，实现社会生产力的跨越式发展，将在一定程度上取决于数控机床的技术进步.它代表着装备工业的技术水平和现代化程度，而装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术和装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和重要装备。数控技术又是当今先进制造技术和装备最关键的技术。目前世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外，世界上各个工业发达国家还将数控技术和数控装备列为国家的战略物资，不仅采用重大措施来发展自己的数控技术和其产业，并且在“高、精、尖”数控关键技术和装备方面对我国实行

3、封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为关键的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国历和国家地位的重要途径。目前，数控技术在我国国民经济的各行各业发挥着越来越篁要的作用，数控技术已经成为企业技术改造的首先设备之一，我国已经成为数控机床的生产大国、消费大国和进口大国。国民经济各个行业需要大量数控机床的开发人才和应用人才。第二章系统设计与计算一、总体方案确实定由于是经济型数控机床设计，因而在考虑详细方案时，基本原则是在满足使用规定的前提下，减少成本.确定总体的方案为：1、工作台工作面尺寸确定为240nX340;2、工作台的导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙稀

4、导轨板,3、对滚珠丝杠螺母副采用预案措施，并对濠珠丝杠进行预拉伸；4、采用步进电机进行驱动；5、采用联轴器将步进电机与滚珠丝杠直连。6、采用单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一齿轮减速后，带动滚珠丝杆转动，从而实现纵向、横向进给运动。二、机械部分改造设计与计算1、纵向进给系统的设计与计算:已知条件I工作台重量：W=800N时间常数：T=25ms滚珠丝杆基本导程：10=6n行程1S=320IiD脉冲当量：步进角I迅速进给速度：电机功率：N=1.5kw工作台迅速移动速度：(1)、切削力计算I由机床设计手册可知，切削功率查机床阐明书，得电机功率N=1.5kw;系统总效率5；系统功

5、率系数K=0.96;则:式中一一切削线速度V=IoOmmin主切削I由金属切削原理可知，主切削力：则可计算出FZ如下所示I查表，可知当FZ=5623N时，切削力深度皿，走刀量从机械设计手册中可知，在一般外圆车削时I即：(2)、滚珠丝杆设计计算I对于矩形槽，综合导轨丝杠的轴向力：取IK=115,摩擦系数f=0.161)、强度计算：寿命值：取工件直径：D=80,查表T1=15000h最大动负载：查表得：运转系数；硬度系数根据Q选择滚珠丝杆型号:CMD25042.5E其额定动载荷Q=14462N,因此强度足够用；d1=22.5,螺母长度U71mn,余程1e=16mm,螺纹长度1=320+71+2X1

6、6=423m12）、效率计算：根据机械原理，丝杆螺母副的传动效率：其中摩擦角，螺旋升角因此I3）、刚度验算：受工作负栽P引起导程变化10=6=0.6cm,E=20.6106Ncm2滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化很小，可忽视。即寻程变形总误差为：查表知E级精度丝杆容许的螺距误差（IIQ长）为故刚度足够。4）、稳定性验算：由于选用濠珠丝杆的直径与原丝杆直径相似，而支承方式不存在问题，故不验算。（3）、齿轮和转矩的有关计算D、有关齿轮计算，取Z1=30,Z2=47,n=2,b=20m,2）、传动惯量计算：工作台质量折算到电机轴上的传动惯量：丝杠的转动惯量：齿轮的转动惯量：因电机的转动惯量很小，可以忽视

7、，因此总的转动惯量为I3）、所需转动力矩计算：1、空教启动时折算到电机轴上的加速度力矩：2、切削时折算到电机轴上的加速度力矩：3、折算电机轴上的摩擦力矩，当，时：4、由于丝杠预案所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩:当时，预加载荷，则：5、折算到电机轴上的切削负载力矩I因此，迅速空载启动所需力矩切削时进给所需力矩:迅速进给所需力矩I由以上分析可知：所需最大力矩ItaaX发生在迅速启动时X2、横向进给系统的设计与计算经济型数控改造的横向进给系统的设比较简朴，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动.步进电机安装在大拖板上，使用方法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高

8、传动精度。已知条件：工作台重量：W=300N时间常数：T=25ns滚珠丝杆基本导程：10=6mm行程：S=200m脉冲当量：步进角，迅速进给速度:D、切削力计算：横向进给为纵向的1/21/3,取1/2,则切削力为纵向的1/2切断工件时：取K=I.15,滚动摩擦系数为则寿命值：最大动负载：根据Q选择滚珠丝杆型号：CMD20232.5其额定动载荷0=586小，因此强度足够用.d1=17.5,螺母长度1=72m,余程1e=16,螺纹长度1=200+72+216=304i12）、效率计算：根据机械原理，丝杆螺母副的传动效率：其中摩擦角，螺旋升角因此I3）、刚度验算：受工作负载P引起导程变化量：滚珠丝杆

9、受扭矩引起的导程变化很小，可忽视。即寻程变形总误差为：查表知E级精度丝杆容许的螺距误差（I1n长）为故刚度足够。4）、稳定性验算：由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相似，而支承方式不存在问题，故不验算。5）、齿轮和转矩的有关计算1、有关齿轮计算：传动比I故取：2、传动惯量计算：工作台质量折算到电机轴上的传动惯量：丝杠的转动惯量，齿轮的转动惯量:电机的转动惯量很小可以忽视。3、所需转动力矩计算I1、空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩：2、切削时折算到电机轴上的加速度力矩：3、折算电机轴上的摩擦力矩：当,滚动摩擦系数时：4、由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩:当时，预加载荷，则，5

10、、折算到电机轴上的切削负载力矩：因此，迅速空载启动所需力矩切削时进给所需力矩：迅速进给所需力矩I由以上分析可知，所需最大力矩MmaX发生在迅速启动时：3、步进电机的先择一般状况下，对于步进电机的选型，重要考虑三方面的问题：步进电机的步距角要满足进给传动系统脉冲当量的规定：步进电机的最大静扭矩要满足进给运动系统的空载迅速启动力拒规定：步进电机的启动矩频率特性和工作矩频率特性必须满足进给传动系统对启动扭矩与启动频率、工作运行扭矩与运行频率的规定。初步选择步进电机重要是选择电机的类型和步距角。目前，步进电机有三种类型可供选择：一是反应式步进电机，步距角小，运行频率高，价格较低，胆功耗较大：二是永磁式

11、步进电机，功耗较小，断电后仍有制动力拒，但步距角较大，启动和运行频率较低；三是混合式步进电机，它具有了上述两种电机的长处，不过价格较高。多种步进电机的产品样本中都给出了步进电机的通电方式和步距角等重要技术参数以供选用。D、纵向进给系统的电机确实定根据启动力矩的选择:一一电机启动力矩；一一电机静负载力矩则：为满足最小步角规定，电机选用三相六拍工作方式，查表知：因此，步进电机最大静转距为，进电机最高工作频率：综合考虑，查表选用UOBFoO3型直流步进电机，能满足使用规定。2）、横向进给系统步进电机确实定I则：为满足最小步角规定，电机选用三相六拍工作方式，查表知:因此，步进电机最大静转距为:步进电机

12、最高工作频率：综合考虑，仍选用H0BF003型直流步进电机，能满足使用规定。4、滚动导轨的选择导轨重要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副钟，运动的一方称为动导轨，不动的一方为支承导轨。动导轨相对于支承导轨运动，一般作直线运动和回转运动。导轨的几何精度综合反应了在静止或低俗下导轨的导向精度。因此对导轨的精度规定比较高。影响导轨精度的重要原因有导轨的几何精度、导轨的接触精度、导轨的构造形式、动导轨和支承导轨的刚度和热变形，尚有装配质量。导轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性，因此耐用的导轨就必须规定耐磨性好。同步要有足够的刚度，由于足够的刚度保证导轨在载荷作用下不产生过大的变形，从而保证

13、各部件的相对位置和导向精度。此外，还规定导轨在低速运动时有好的平稳性和制造的工艺性好。综合考虑机床的基本额定载荷和其他方面的原因，选用HTSD一一WAA（宽幅矩型滑块）的滚珠导轨。初步选用4滑块，工作台大小400X300,工作台自重300N,外戴荷700N。D、摩擦力计算I摩擦力计算公试式中为濠动摩擦系数取，P为法向载荷纵向P=349.2,横向P=229.4,f为密封件阻力，取f=0.5N.纵向F=0.003349.240.5=1.55N横向F=0.003X229.440.5=1.19N2）、寿命计算：纵向行程为0.32m目的寿命1=0.3225608300510-3=2304k选择HTSD-

14、1G20WAA型导轨，额定动或Ca为10.28H根据计算可知，满足强度规定。横向行程为0.2m,目的寿命1=O.2X2X5X60X8X300X5X10-3=144Okm选择HTSD1G20NAA型导轨。额定动载Ca为4.51%第三章控制系统设计和编程数控机床控制系统由硬件和软件两大部分构成。控制系统在使用中的控制对象各不相似，但其硬件的基本构成是一致的0如下图所示：以单片机为关键的控制系统大多数采用MCS-51系列单片机，通过扩展存储器、接口和面板操作开关等，构成功能较完善、抗干扰性能较强的控制系统一、设计步进电机工作台第一象限直线插补控制（逐点比较法）方案。原理：逐点比较法是一种代数算法，其

15、特点是能逐点计算和鉴别运动偏差，并逐点纠正以强迫理论轨迹。逐点比较法的理论误差是一种脉冲当量。在整个插补过程中走一步均需完毕四个工作节拍是：1、偏差鉴别，鉴别刀具的实际位置对规定图形的偏离位置，以决定进给方向;2、进给控制，沿减少偏差的方向进给一步，以向规定图形靠拢；3、新偏差计算，计算刀具在新位置上对给定图形的偏差，作为下一步偏差鉴别的根据;4、终点鉴别，判断与否抵达终点。若未到终点，回到1后继续不停地反复上述循环过程，若抵达终点，发出运算完毕信号，就能实现平面上直线和圆弧插补。二、步进电机的单片机控制步进电机的驱动电路根据控制信号工作。在步进电机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。其基本控制作用如下：D、控制换相次序.步进电机的通电换相次序严格按照步进电机的工作方式进行。一般把他通电换相这一过程称为脉冲分派。