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1、高等教育毕业设计说明书第一章 设计任务及总体方案的确定1.设计任务将CA1650普通车床改造成cs-51系列单片机控制的经济型数控机床。要求该机床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能，在纵向和横向有直线和圆弧插补功能，系统分辨率纵向0.001mm。横向0.005mm。设计参数如下：最大加工直径：在床面上：360mm在床面上：210mm最大加工长度： 快进速度：纵向： 2.4m/min横向： 1.2m/min最大切削进给速度：纵向：0.5m/min横向：0.3m/min主电机功率：7.5kw启动加速时间：30ms机床定位精度：0.015mm最小指令值： 纵向：0.1mm/脉冲横向：0.005mm/
2、脉冲自动升降性能：有2.总体方案的确定系统的伺服系统与与运动方式的选择由于改造后的数控经济型车床应具有定位，直线插补顺圆和逆圆插补，暂停和循环加工。公英制螺纹加工工艺功能。故应选择连续控制系统。考虑到经济型数控机床加工精度要求不高。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统。计算机系统根据机床要求，采用8位微机，由于MSC51系列单片机具有集成度高。可靠度好，功能强速度快，抗干扰能力强。性能价格比等特点，决定采用MSC-51系列的8031单片机扩展系统。机械传动方式为了实现机床所需求的分辨率，采用步进电动机，经齿轮减速再传动丝杆。为了保证一定的精度和平稳性，减小摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副
3、。同时为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加紧负荷齿轮传动，也要采用消除齿侧间隙的结构。第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算，内容包括确定系统的负载确定系统的脉冲当量，运动部分惯性计算空载启动及切削力矩的计算，确定伺服电动机传动及单向元件的设计计算及运用，绘制机械部分装配图及零件工作图等第一节 确定系统脉冲当量一个进给脉冲使机床运动部件产生的位移量称为脉冲当量，也称机床最小设定单位，脉冲当量衡量机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床采用的脉冲当量是0.010.005每脉冲，经济型数控车床常采用的脉冲当量是0.0020.001每脉冲，在本设计中，根据机床精度要
4、求确定其脉冲当量纵向0.01mm/step,横向：0.005mm/step。第二节 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动机等需要利用到切削力，下面就以切削力，用三种方法计算，并取其平均值做主切削力。一、 用经验公式计算切削力：1.5max1.纵切外圆： Fz=0.67D式中：D max-车床床身加工的最大直径（mm） Fz=(0.673601.5)N =4576N求出切削力Fz后，在按照下比例分别求出Fx和FYFz：Fx：Fy=1：0.25：0.4Fx=45760.25=1144NFY=45760.4=1830N2.横切断面：主切削力Dz可取横切削力的1/2Fz
5、、= Dz1/2=2280N此时走刀抗力为Fy、（N），吃刀抗力的Fx、（N）仍按上述比例粗略计算：Fz、： Fx、： Fy、=1：0.25：0.4Fx、=22880.25=572NFy、=22880.4=915 N二按切削力计算切削力下面介绍的按经验公式按求计算切削力的方法是比较简单而使用的，但对于不同的专用机床来说，计算结果不一定准确。所以对某一指定了专门用途的数控机床，应该根据具体加工条件，不同的工况选用合理的切削用量。用切削力计算公式来计算切削力。1.外圆车削切削力的计算 Fz=9.8/( FzaPDz fzfz fz(60v)n FzKFz Fx =9.8/( FxaPx fx fx
6、 fx(60v) n F xKFx FY =9.8/( FYaPy fy fy fy (60) n FYKFY式中; Fz、 Fx、 FY主切削力进给抗力切削抗力（N）aP切削深度(mm)V切削速度（m/s）f进给量（mm/v）KFz、 KFx、KFY总修正系数包括由于工件材料强度、硬度的改变，刀具材料的改变。刀具几何角度不同等因素，对切削力的修正系数。三按照机床主电机的功率计算：上面介绍了切削量计算切切削力虽然比较准确，但只能是用于加工某种工件的专用机床，对于普通机床的数控化改造或涉及通用的经济型数控机床来说，切削用量的范围较大，这样就导致了切削力计算结果差别很大，这里介绍的三种方式，就是按
7、照需要进行数控及改造设计的普通车床的主电动机功率来计算切削力，其具体方法如下：Pe：PY式中： Pe切削功率（KW） P机床主传动功率 Y主传动系统的机械功率，可近似取以下数值精密机床：Y=0.80.85大型机床：Y=0.70.88中型机床：Y=0.750.8Mn=9550Pe/n式中Mn 主轴传递的扭矩（Nm） N 主轴转矩（r/min）是主轴传递全部功率是的最低转速 Ft FzMn/d103式中：Fz 主切削力（N） d 工件直径可采用床鞍上的最大直径主切削力，求出以后再按比例求出Fx 、FY 。第三节 滚珠丝杆螺母副的设计计算和选型滚珠丝杆螺母副的设计者首先要选择结构类型，去定螺母循环方
8、式，结构类型确定之后，用于确定和计算其他参数，包括公称直径d或四缸外径d导程L，滚珠丝杆工作圈数J,列数k精度等级等。滚珠丝杠循环方式可分为外循环方式或内循环两类，本设计中选用是外循环双螺母滚珠丝杆，其滚珠丝杆副的预紧方式。滚珠丝杆副的计算步骤如下：一、计算进给牵引力Fm作用在丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动的件重量以及切削力在导轨上的摩擦力。因此其数值的大小和导轨的形式有关。纵向进给作用力综合型导轨，其进给牵引力Fm（N）的计算公式如下：Fm=kFx+f、(Fz+U)=1.151144+0.16（4576+1500）=2288（N）式中：k 考虑颠覆力矩实验系数综合导轨取k
9、=1.15 f 调整导轨摩擦系数取0.150.18U 溜板极刀架重力需1500N。二、计算最大动荷载选用滚珠丝杆副的直径do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）后，在它的轨道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值，即称为该丝杠能承受的最大负载，可用下试计算：C=3L fwFmL=60nt/106n=1000Vs/ Lo式中：Lo滚珠丝杠导程选6mm N丝杠转速（r/min） Vs最大进给力下的进给速度的1/21/3此外Vs为0.5m/min T使用寿命按1500h fw运转系数按一般运转取1.21.5 L寿命以106转为一个单位n=1000Vs/ Lo=10000
10、.50.5/0.6=41.67r/minL=60nT106=6041.67/1061500=37.5C=3LfwFm=337.51.22288=9191N三、滚珠丝杆螺母的选型查表可采用WoLr4006外循环螺母调整预紧力的双螺母滚珠丝杠副，例2.5圈其预定动荷载为16400N。等级精度选3级。四、传动效率计算=tanr/tan（r+）式中：r螺旋升高 WL4006=2q44 摩擦力取10，滚动摩擦力系数0.0030.004 =tanr/tan（r+） =tan2q44/tan（2o44+10） =0.94五、刚度验算横向进给丝杆支撑方式如下图，最大牵引力为2063N,支撑间距L=350mm。
11、因丝杠长度较短，不需要预紧，螺母及支撑预紧。车床横向进给丝杆计算图1.丝杆拉伸或压缩变形量f1（mm)查图根据Fm、=2785(N) D=20mm， 查出fL/L0=4.210-5可算出f1=fL/L0Z=14.210-5350=1.4710-2mm L2.滚珠与螺纹道间接触变性f2查图FQ=8.5m因进行了预紧 f2=1/2fQ=4.25m3.支撑滚珠丝杆的轴承的轴向变形f3采用8102推力球轴承dQ=4.763 、 Z=12 、 d=15mmfc=0.00523Fm2/dQZ2=0.0052327852/4=0.0117考虑到预紧，故：f3=1/2fc=1/20.0117=0.0585综合
12、以上几项变形量之和：f=f1+f2+f3=0.0147+0.0043+0.0585=0.02485mm显然，此变形量已大于定位精度的要求，应该采取相应的措施，修改设计。因横向溜板设计限制，不易再加大滚珠丝杆直径，故采用贴塑导轨，减小摩擦力，从而减小最大牵引力，从新计算如下：Fm、=1.4Fg、+f、（Fz+2Fx+、) =1.49.15+0.004(4576+2572+800) =1594N式中：f、轴套与轴架以及主轴的键上摩擦系数f、取0.004 从图中差：Fm、=1594N时，fL/L0=2.410-5f1=fL/L0L=2.410-5350=0.0084mm由于采用了贴塑导轨，减小了最大
13、牵引力Fm、所以需要从新计算或查表确定f2和f3查表图得fQ=5.4m因进行了预紧,故:f2=1/2fQ=2.7mfc=0.00523Fm2/dQ=0.005215.46=0.0080mf3=1/2fc=0.004mm则：f=f1+f2+f3=0.0084+0.0027+0.004=0.015mm横向进给定位精度应为纵向进给定位的1/2，应力此时变形量已能满足定位精度要求。如果变形量仍大于定位精度的要求，可将滚珠丝杆的直径加大到25mm也可将滚珠丝杆再经过预紧拉伸，刚度还可以提高四倍。则变形量可控制在要求的范围内。从上面的设计中可以查出设计的过程要经过反复修该系数，反复计算，才能达到满意的结果
14、。六、稳定性校核对于已选尺寸的丝杆在给定的条件下，承受最大轴向负载时，没有产生纵向弯曲（失稳)的危险。FK=f22E/L2式中：E材料弹性模量（N/cm2)刚为20.6106N/cm2 I截面惯性矩对于丝杆为d14/64(d1为丝杆半径） L丝杆两支承端离 f2丝杆支撑方式系数，从表中查出一端固定，一端简支f2为200I=d14/64=1.67884/64=0.3899cmFK=f22E/L2=23.14220.61060.3899/452=7821Nnk=FK/Fm、=78214/1155=57.7【nk】一般【nk】=2.54，所以该滚珠丝杆不会产生失稳。（三）纵向及横向滚珠丝杆副几何参数其几何参数见下表，各部分几何参数是在确定了滚珠丝杆副的公称直径和导程L以后，才进行计算出来的。WL4006及WL2005丝杆几何参数 单位（mm）参
