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沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書
摘 要
數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代的CAD/CAM、柔性制造系統(tǒng)、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)等等，都是建立在數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)之上的。同時，數(shù)控技術(shù)也關(guān)系到國家戰(zhàn)略地位，是體現(xiàn)國家綜合國力水平的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)因素之一，其水平高低是衡量一個國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志。實現(xiàn)加工機(jī)床及生產(chǎn)過程數(shù)控化，已成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。推廣與應(yīng)用數(shù)控技術(shù)是我國機(jī)械制造行業(yè)的一項重要的戰(zhàn)略任務(wù)。數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)準(zhǔn)備的時間短，所制造的零件重復(fù)精度高，對改變零件設(shè)計的適用性強(qiáng)，夾具成本低，加工形狀復(fù)雜的零件時準(zhǔn)確可靠。因此，數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)階段以及以后的時間將占據(jù)重要地位。
本題目是數(shù)控車床CK6163的縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計。首先根據(jù)典型工藝數(shù)據(jù)，結(jié)合擬定參數(shù)，傳動方案的確定。對傳動系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，包括選擇滾珠絲杠螺母副和減速箱體的機(jī)構(gòu)設(shè)計，從而完成整個進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。然后，通過計算選擇步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動滾珠絲杠運(yùn)動，從而帶動工作臺運(yùn)動?；贏T89C51對步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計，使電機(jī)實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，快速正反轉(zhuǎn)功能，保證對傳動系統(tǒng)的控制要求，從而完成整個進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；滾珠絲杠；步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)
I
Abstract
Numerical control technique is the basic of automation, flexible, integrated, production in manufacturing, modern CAD/CAM, flexible manufacturing systems, computer integrated manufacturing systems are all built on the basic of numerical control technology. At the same time, numerical control technique is related to the strategic importance of a country and it is one of the important foundation industries to reflect the overall national strength of a country, the level of which is the core signs of measuring the modernization of a country’s manufacturing. The realization of the processing of CNC machine tools and production processes has become the development direction of the manufacturing. Popularizing and using numerical control technology is a strategic task in our mechanical manufacturing industry. NC machine tools, which can produce parts with high repeated precision and manufacture complex shape parts with reliability, need no more time to prepare, have more flexibility to alteration of parts, and clamping apparatuses of NC machine tools are very simple. Consequently, NC machine tools will play an important position in mechanical manufacturing at now and a period of time in the future.
The topic is the design of CK6163 vertical feed system. First of all, the solution of transmission will be determined according to the typical technological data and combined with the formulation parameters. Design the main structure of the transmission system, including choice the ball screw and design the structure of the slowdown box, so as to complete the design of mechanical structure of the whole system. Then, choice the stepping motor by calculating, drive the ball screw, which led campaign table. In order to complete the design of feeding system, design the control system of stepping motor based on AT89C51, so that the motor to achieve positive or negative rotating, rapid positive or negative rotating, ensure the control of the transmission system.
Key words: CNC machine tools；ball screw；stepping motor；single-chip
II
目錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 1
1.2 發(fā)展數(shù)控機(jī)床的必要性 2
1.3 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 2
1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 5
2 設(shè)計任務(wù)與方案確定 7
2.1 設(shè)計任務(wù) 7
2.2 設(shè)計技術(shù)參數(shù) 7
2.3 總體方案的確定 7
3 機(jī)械傳動設(shè)計計算 8
3.1 計算內(nèi)容及步驟 8
3.2 滾珠絲杠設(shè)計計算 8
3.2.1 切削力的計算 8
3.2.2 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 8
3.2.3 滾珠絲杠螺母副的驗算 10
3.3 步進(jìn)電機(jī)的計算與選型 12
3.3.1 步進(jìn)電機(jī)選型 12
3.3.2 傳動比的確定 13
3.3.3 轉(zhuǎn)動慣量的計算 13
3.3.4 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 14
3.3.5 步進(jìn)電機(jī)性能校核 15
3.4 滾珠絲杠的預(yù)緊和消隙 16
4 環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性分析 17
4.1 經(jīng)濟(jì)性分析 17
4.2 環(huán)保性分析 17
結(jié)論 19
參考文獻(xiàn) 20
致 謝 21
IV
1 緒論
1.1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀
數(shù)字控制機(jī)床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運(yùn)動速度和軌跡進(jìn)行自動加工的機(jī)床，簡稱數(shù)控機(jī)床[1]。
計算機(jī)數(shù)值控制工具十分適應(yīng)性,只需要改變輸入指令修改方案,處理對象性能高于一般自動機(jī)、復(fù)雜曲面加工精度,適合中小批量加工,修改部分高精度和復(fù)雜形狀坯料,取得良好的經(jīng)濟(jì)效果。
數(shù)字技術(shù)在不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)種類不斷增加,有車床、銑床、鏜床、鉆床、砂輪機(jī)、機(jī)械加工、電氣火花機(jī)機(jī)器工具等等。除了自動更換刀具，還有加工中心、車削中心加工等。
1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓的加工設(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣化，精度要求較高，一般加工設(shè)備難以完成，于是提出計算機(jī)控制機(jī)床的設(shè)想。1949年，該公司在美國麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)研究室的協(xié)助下，開始數(shù)控機(jī)床的研究，并于1952年試制成功第一臺由大型立式仿形銑床改裝而成的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，不久便4開始正式生產(chǎn)。
當(dāng)時的數(shù)控裝置采用電子管元件，體積龐大，價格昂貴，只在航空工業(yè)等少數(shù)有特殊需要的部門來加工復(fù)雜型面零件；1959年，制成了晶體管元件和印刷電路板，使數(shù)控裝置進(jìn)入了第二代，體積縮小，成本有所下降；1960年以后，較為簡單與經(jīng)濟(jì)的點(diǎn)位控制數(shù)控鉆床，和直線控制數(shù)控銑床得到較快發(fā)展，使數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)各部門逐步獲得推廣。
1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，而且可靠性提高，價格進(jìn)一步下降，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。60年代末，先后出現(xiàn)了由一臺計算機(jī)直接控制多臺機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)(簡稱DNC)，又稱群控系統(tǒng)；采用小型計算機(jī)控制的計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(簡稱CNC),使數(shù)控裝置進(jìn)入了以小型計算機(jī)化為特征的第四代。
1974年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計算機(jī)數(shù)控裝置(簡稱MNC)，這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。第五代與第三代相比，數(shù)控裝置的功能擴(kuò)大了一倍，而體積則縮小為原來的1/20，價格降低了3/4，可靠性也得到極大的提高。
80年代初，隨著計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對話式自動編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機(jī)床上；數(shù)控機(jī)床的自動化程度進(jìn)一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實現(xiàn)自動編程[1]。
1.2 發(fā)展數(shù)控機(jī)床的必要性
在機(jī)械加工過程中，經(jīng)常要用到加工批量不大、改型頻繁、精度要求高、形狀復(fù)雜的一類零件。據(jù)統(tǒng)計，單件和中、小批量零件的加工約占機(jī)械加工總量的80%以上。如何解決這類產(chǎn)品的自動化加工呢？顯然，一般自動化機(jī)床已不適應(yīng)這類加工，因為一般自動化機(jī)床往往用凸輪或其他專門機(jī)構(gòu)來控制機(jī)床進(jìn)行加工。當(dāng)零件尺寸改變時，必須重新更換凸輪或靠模，調(diào)整尺寸，才能重新加工。重新調(diào)整的工作量非常大，同時也不經(jīng)濟(jì)。另外，對于那些形狀十分復(fù)雜的零件，通常的自動化加床也無能為力。針對這些問題，數(shù)控機(jī)床的迅速發(fā)展，為解決這類零件加工提供了良好的途徑，為機(jī)械工業(yè)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。相比較于普通機(jī)床，數(shù)控機(jī)床有著如下優(yōu)點(diǎn)：
1）可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
2） 可以實現(xiàn)加工的自動化，且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3到7倍。
由于計算機(jī)有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記錄和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只需更換程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)的自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。
3） 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配更加容易，不再需要"修配"。
4） 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁裝夾。
5） 由以上五條好處。如：降低工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機(jī)床），減少工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求做出快速反應(yīng)等等。
1.3 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
數(shù)字程序控制機(jī)床（數(shù)控機(jī)床）是近20年來綜合應(yīng)用了計算技術(shù)、自動控制、精密測量和機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計等各個技術(shù)領(lǐng)域里的最新技術(shù)成就而發(fā)展起來的一種既具有廣泛的通用性，又具有很高的自動化程度的完全新型的機(jī)床。
數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手動輸入。
數(shù)控裝置包括程序讀入裝置和由電子線路組成的輸入部分、運(yùn)算部分、控制部分和輸出部分等。數(shù)控裝置按所能實現(xiàn)的控制功能分為點(diǎn)位控制、直線控制、連續(xù)軌跡控制三大類。
點(diǎn)位控制是只控制刀具或者工作臺從一點(diǎn)移至另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，然后進(jìn)行定點(diǎn)加工，而點(diǎn)與點(diǎn)之間的路徑不需要控制。采用這類控制的有數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床和數(shù)控坐標(biāo)鏜床等。
直線控制是除控制直線軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)的準(zhǔn)確定位之外，還控制在這兩點(diǎn)之間以指定的進(jìn)給速度進(jìn)行直線切削。采用這類控制的有平面銑削的數(shù)控銑床，以及階梯軸車削和磨削用的數(shù)控車床與數(shù)控磨床等。
連續(xù)軌跡控制(或稱輪廓控制)能夠連續(xù)控制兩個或兩個以上的坐標(biāo)方向的聯(lián)合運(yùn)動。為了使刀具按照規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數(shù)控裝置具有插補(bǔ)運(yùn)算的功能，使刀具的運(yùn)動軌跡以最小的誤差接近規(guī)定的輪廓曲線，并協(xié)調(diào)各坐標(biāo)方向的運(yùn)動速度，以便在切削的過程中始終保持規(guī)定的進(jìn)給速度。采用這類控制的有能加工曲面用的數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控車床和加工中心等。
伺服機(jī)構(gòu)分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種。開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動線路，和步進(jìn)電機(jī)組成。每一脈沖信號使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一定的角度，通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離。這種伺服機(jī)構(gòu)比較簡單，工作穩(wěn)定，容易使用，但是精度和速度的提高受到限制。
半閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)是由比較線路、伺服放大線路、伺服馬達(dá)、速度檢測器和位置檢測器構(gòu)成。位置檢測器裝在絲杠或伺服馬達(dá)的端部，利用絲杠的回轉(zhuǎn)角度來間接測出工作臺的位置。常用的伺服馬達(dá)有寬調(diào)速直流電動機(jī)、寬調(diào)速交流電動機(jī)和電液伺服馬達(dá)。位置檢測器有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電式脈沖發(fā)生器和圓光柵等。這種伺服機(jī)構(gòu)所能達(dá)到的精度、速度和動態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)，為大多數(shù)中小型數(shù)控機(jī)床所采用。
閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)的工作原理和組成與半閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)相同，只是位置檢測器安裝在工作臺上，可直接測出工作臺的實際位置，故反饋精度高于半閉環(huán)控制，但掌握調(diào)試的難度較大，常用于高精度和大型數(shù)控機(jī)床。閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)所用伺服馬達(dá)和半閉環(huán)相同，位置檢測器則用長光柵、長感應(yīng)同步器或者長磁柵。
為了保證機(jī)床具有很大的工藝適應(yīng)性和連續(xù)穩(wěn)定工作的能力，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點(diǎn)具有足夠的剛度、精度、抗振性、熱穩(wěn)定性和精度保持性。進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等等，以盡量減小反向間隙。機(jī)床采用塑料減摩導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌，以提高運(yùn)動的平穩(wěn)性并且使低速運(yùn)動時不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。
由于采用了寬調(diào)速的進(jìn)給伺服電動機(jī)和寬調(diào)速的主軸電動機(jī)，可以不用或少用齒輪傳動和齒輪變速，這就簡化了機(jī)床的傳動機(jī)構(gòu)。機(jī)床布局便于排屑和工件裝卸，部分?jǐn)?shù)控機(jī)床帶有自動排屑器與自動工件交換裝置。大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床采用具有微處理器的可編程序控制器，以代替強(qiáng)電柜中大量的繼電器，提高了機(jī)床強(qiáng)電控制的可靠性和靈活性[4]。
數(shù)控機(jī)床加工時，既能控制機(jī)床的動作次序，又能控制機(jī)床運(yùn)動部件的移動量，其工作過程如下圖1.1所示：
圖1.1 數(shù)控機(jī)床加工過程
目前，在市場上已見不到普通的數(shù)控機(jī)床（NC），取而代之的是計算機(jī)數(shù)控機(jī)床（CNC），CNC是NC的發(fā)展。計算機(jī)數(shù)控是將通用的小型或微型計算機(jī)裝入數(shù)控機(jī)床的控制柜，再適當(dāng)增加借口電路及輸入、輸出裝置（如熒光屏等），用以替代數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)控制柜中的專用電子計算裝置。計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)不僅比原來的數(shù)控系統(tǒng)使用范圍廣、功能全，而且還有相當(dāng)大的通用性，改善了對機(jī)床操作的控制。計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)大致有以下一些特點(diǎn)：
1）用存儲的軟件實行控制，代替普通數(shù)控的硬件控制；
2）有存儲零件程序和修改零件程序的功能?？梢栽贑NC系統(tǒng)存儲器中劃出一部分可讀可寫的存儲器存放零件程序，而且還可以通過利用CNC系統(tǒng)軟件的編輯功能來修改零件程序；
3）有診斷故障功能。CNC系統(tǒng)具備了用軟件查找故障的功能；
4）可以用軟件取代機(jī)床的繼電器控制?？墒箼C(jī)床的全部動作全由軟件加以控制和監(jiān)視，提高了速度，可靠性和可變適應(yīng)性；
5）可以提高編程效率；
6）有保護(hù)零件的能力，可以實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的正確性，監(jiān)視數(shù)據(jù)在機(jī)床上的執(zhí)行情況。
1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向
目前，數(shù)控機(jī)床正在以下幾個方面得到發(fā)展：
（1） 使數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，以進(jìn)一步提高數(shù)控裝置的可靠性，降低其生產(chǎn)時間和生產(chǎn)成本；
（2） 發(fā)展簡易數(shù)控裝置。雖然簡易數(shù)控裝置機(jī)能較少，但一般由于其使用簡單、維護(hù)方便、價格低廉，在普通零件的中、大批量生產(chǎn)中也可以采用；
（3） 自適應(yīng)控制數(shù)控機(jī)床。它能在加工過程中，隨切削加工的參數(shù)變動，自動的調(diào)整進(jìn)給量、切削量等，使機(jī)床和刀具都在較佳狀態(tài)下工作，工作效率大大提高，并能保證零件得到更好的精度和光潔度；
（4） 分布式控制（DNC）：用一臺計算機(jī)直接控制多臺數(shù)控機(jī)床，或控制整個零件的加工生產(chǎn)過程；
（5） 自動編制程序。為了減輕人工編程的勞動強(qiáng)度，提高程序編制的效率與減少錯誤，出現(xiàn)了用電子計算機(jī)自動編制程序。
計算機(jī)數(shù)控機(jī)床（CNC）已有20多年歷史，最初階段，主要是采用通用機(jī)床進(jìn)行改裝的方法，例如把普通車床、銑床、鉆床及鏜床改造成數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床及數(shù)控鏜床等。但隨著技術(shù)的發(fā)展，由通用機(jī)床改為數(shù)控機(jī)床存在著一些嚴(yán)重的弱點(diǎn)，例如機(jī)床剛度不足，滑動面的摩擦阻力太大，傳動元件中存在間隙等問題越來越突出地暴露出來。由于在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工不能象在普通機(jī)床上加工那樣，可以用人工的手工操作來彌補(bǔ)上述因素對加工零件的精度影響，故對于數(shù)控機(jī)床幾乎在任何方面都要求比通用機(jī)床設(shè)計得更完善，制造得更精密。因此數(shù)控機(jī)床已由改裝通用機(jī)床逐步發(fā)展到專門為滿足數(shù)控要求而設(shè)計的新的數(shù)控機(jī)床。在這過程中，對機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計起了很大的推動作用，從通用機(jī)床的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)和原件，這些變動，大致體現(xiàn)在下列幾個方面：
1）采用了剛度和抗震性較好的機(jī)床新結(jié)構(gòu)；
2）采用了無間隙的齒輪傳動副，以消除傳動裝置反向時的空程死區(qū)；
3）采用了傳動效率很高的精密滾珠絲杠——螺母副等傳動元件；
4）采用了摩擦系數(shù)很低的滾動導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌，提高機(jī)床運(yùn)動靈敏性；
5）采用了增大功率的電機(jī)和先進(jìn)刀具，以提高切削用量；
6）采用了多主軸、多刀架結(jié)構(gòu)，以提高單位時間內(nèi)的切削效率；
7）采用了自動換刀和自動更換工件的裝置，以減少停機(jī)時間；
8）采用了自動排屑，自動潤滑裝置。
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沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書
2 設(shè)計任務(wù)與方案確定
2.1 設(shè)計任務(wù)
本設(shè)計任務(wù)是進(jìn)行CK6163縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計。利用微型計算機(jī)（單片機(jī)）對縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，對縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化設(shè)計。驅(qū)動系統(tǒng)采用BYG系列步進(jìn)電機(jī)，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠。
2.2 設(shè)計技術(shù)參數(shù)
最大加工直徑 在床面上 630mm
在床鞍上 350mm
最大加工長度 2900mm
快進(jìn)速度 縱向 2.0m/min
最大切削進(jìn)給速度 縱向 0.5m/min
滑板及刀架重力 縱向 1200N
最小指令值（脈沖當(dāng)量） 縱向 0.01mm/脈沖
機(jī)床定位精度
2.3 總體方案的確定
參照數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗及有關(guān)資料確定總體方案是：由微型計算機(jī)（單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)計算、程序運(yùn)行，然后經(jīng)I/O借口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)過硬件環(huán)分器、驅(qū)動芯片，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)動作，通過聯(lián)軸器直聯(lián)驅(qū)動滾珠絲杠，從而帶動工作臺實現(xiàn)縱向進(jìn)給。如圖2.1所示。
圖2.1 總體設(shè)計方案
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3 機(jī)械傳動設(shè)計計算
3.1 計算內(nèi)容及步驟
本節(jié)只對縱向進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行計算與選擇。采用由系統(tǒng)左端相系統(tǒng)右端步驟進(jìn)行計算與選擇。見圖3.1。
圖3.1 設(shè)計計算內(nèi)容
3.2 滾珠絲杠設(shè)計計算
3.2.1 切削力的計算
車床主切削力FZ（見文獻(xiàn)[6]）
（3-1）
式中：Dmax為在車床床面上加工的最大直徑（mm），已知Dmax=630mm。
代入公式（3-1）中，得
走刀方向切削分力Fx和垂直走刀方向的切削分力Fy可按以下比例求出：
Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4
則Fx=2649N, Fy=4238N
3.2.2 滾珠絲杠螺母副的計算和選型
（1）計算進(jìn)給牽引力Fm（見文獻(xiàn)[6]）
（3-2）
式中：Fx為走刀方向切削分力（N）；
FZ為主切削力（N）；
G為移動部件重力（N）；
K和f’為分別為考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，取 K=1.15，f’=0.15。
代入公式（3-2）中，得
（2）計算最大動載荷C（見文獻(xiàn)[6]）
（3-3）
式中：L為工作壽命，
n為絲杠轉(zhuǎn)速（r/min），
v為最大切削力條件下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3， ，取v=0.25m/min；
L0為絲杠基本導(dǎo)程，初取L0=6mm；
t為額定使用壽命，取t=15000h；
fm為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，取fm=1.2；
Fm為滾珠絲杠工作載荷
h
將上面結(jié)果代入公式（3-3）中，得
（3）計算最大靜載荷C0（見文獻(xiàn)[6]）
（3-4）
式中：fd為靜態(tài)安全系數(shù)，取fd =1.5；
Fm為絲杠工作載荷（N）。
代入公式（3-4）中，得
初選CDM5006滾珠絲杠螺母副 L0=6mm 公稱直徑d=50mm，絲杠取5級精度
該型號的絲杠為外循環(huán)插管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式的滾珠絲杠副。
該型號滾珠絲杠額定動載荷：
額定靜載荷：
（4）滾珠絲杠傳動效率（見文獻(xiàn)[6]）
（3-5）
式中：為絲杠螺旋升角，由絲杠型號查出，；
為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003~0.004，其摩擦角約等于 。
代入公式（3-5）計算，得
3.2.3 滾珠絲杠螺母副的驗算
（1）剛度驗算
1）絲杠的拉壓變形量（見文獻(xiàn)[6]）
（3-6）
式中：為在工作載荷Fm作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（mm）；
Fm為絲杠工作載荷（N）；
L為滾珠絲杠在支承間的受力長度（mm），滾珠絲杠工作長度為2900mm， 考慮兩端安裝軸承，左右支撐的中心距離約為3150mm；
E為材料彈性模量，對剛E=20.6×104MPa；
A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的橫截面積(mm2)。
代入式（3-6）中計算
2）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量（見文獻(xiàn)[6]）
（3-7）
式中：Dw為滾珠直徑，Dw=3.969mm；
為滾珠總數(shù)量=Z×圓數(shù)×列數(shù)；
Z為一圈滾珠數(shù)，；
dm為滾珠絲杠的公稱直徑(mm)；
FYJ為預(yù)緊力(N)；
Fm為滾珠絲杠工作載荷(N)。
= Z×圓數(shù)×列數(shù)=39.5×2×2.5×1=198
將上面各結(jié)果代入式（3-7）中進(jìn)行計算
滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3，值可減少一半左右
3）絲杠副剛度的驗算
絲杠的總變形量
絲杠有效行程為2900mm，5級精度滾珠絲杠有效行程在2500~3150mm時，行程偏差允許達(dá)到69，絲杠剛度足夠。
（2）壓桿穩(wěn)定性驗算
滾珠絲杠是一種受軸向力的長柱壓桿（見文獻(xiàn)[6]）
（3-8）
式中：E為絲杠材料彈性模量，對剛E=20.6×104MPa；
I為截面慣性矩(mm4)，對絲杠圓截面（d1為絲杠底徑）；
L為絲杠最大工作長度(mm)；fz為絲杠支承方式系數(shù)，取fz=2.0。
代入式（3-8）中，可得
故滾珠絲杠不會失穩(wěn)。
3.3 步進(jìn)電機(jī)的計算與選型
3.3.1 步進(jìn)電機(jī)選型
初選130BYG3502 步進(jìn)電機(jī)，該型號步進(jìn)電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)如下（見文獻(xiàn)[2]）：
相數(shù)
步距角
/()
電壓
/V
電流
/A
最大
靜轉(zhuǎn)矩
/()
空載起
動頻率
/Hz
空載運(yùn)
行頻率
/Hz
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)
動慣量
/
3
0.6
80~325
6
37
1500
15000
48
表3.1 1 30BYG3502步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)
步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性如下：
表3.2 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行矩頻特性（對應(yīng)表3.1）
電動機(jī)型號
運(yùn)行頻率/(Hz)
100
500
1000
2000
4000
6000
8000
10000
運(yùn)行步距角/()
不同頻率下的輸出轉(zhuǎn)矩/()
130BYG3502
0.6°
35.20
35.00
31.50
26.80
22.20
18.50
15.00
11.00
所選用BYG系列步進(jìn)電機(jī)工作特點(diǎn)如下：
（1）輸出轉(zhuǎn)矩大，矩頻特性硬；
（2）驅(qū)動電源電流小，功耗低；
（3）動態(tài)性能好，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，而且在時間上同步，因此 調(diào)節(jié)輸入脈沖的數(shù)量、頻率、相序即可控制電機(jī)相應(yīng)的角位移、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向獲 得所需要的運(yùn)動特性，而不需中間轉(zhuǎn)換裝置；
（4）起動制動時間短，在制動狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子可以鎖住定位；
（5）輸出角位移的定位精度高而且積累誤差不隨轉(zhuǎn)數(shù)而疊加；
（6）電機(jī)軸伸采用鍵聯(lián)接。
3.3.2 傳動比的確定
傳動比i計算如下（見文獻(xiàn)[2]）：
（3-9）
式中：θ為電動機(jī)步距角，θ=0.6°；
L0為絲杠基本導(dǎo)程，L0=6mm；
δ為脈沖當(dāng)量，δ=0.01mm/脈沖
代入式（3-9）中，計算得
3.3.3 轉(zhuǎn)動慣量的計算
絲杠轉(zhuǎn)動慣量（見文獻(xiàn)[6]）
（3-10）
對于鋼材，材料密度為7.8×10-3（kg/cm3），代入式（3-10），有
式中： D為絲杠直徑（cm）；
L為絲杠長度（cm）；
Mc為圓柱體質(zhì)量（kg）。
電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量
工作臺轉(zhuǎn)動慣量
（3-11）
式中：L0為絲杠導(dǎo)程（mm）；
M為工作臺質(zhì)量（kg）。
代入式（3-11）計算得
轉(zhuǎn)動慣量
3.3.4 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核
計算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq有快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計算。
1） 快速空載起動時電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1（見文獻(xiàn)[2]）
考慮縱向傳動鏈的總效率η，計算快速空載起動時折到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩（見文獻(xiàn)[2]）：
（3-12）
式中：nm——對應(yīng)縱向空載最快移動速度的步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min；
ta ——步進(jìn)電動機(jī)由靜止不動到加速至nm轉(zhuǎn)速所需要的時間，單位為s。
其中
（3-13）
式中：vmax——縱向空載最快移動速度，vmax=2000mm/min
θ ——縱向步進(jìn)電機(jī)步距角，為0.6°
δ ——縱向脈沖當(dāng)量，δ=0.01mm/脈沖
代入式（3-13）計算，得
設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速到nm所需要時間ta=0.4s，縱向傳動鏈總效率η=0.7，代入式（3-12）計算，得
移動部件運(yùn)動時，折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為（見文獻(xiàn)[2]）：
（3-14）
式中： μ——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，滑動導(dǎo)軌取0.15
Fz——垂直方向工作負(fù)載，空載取0
η——縱向傳動鏈總效率，η=0.7
代入式（3-14）計算，得
2） 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2（見文獻(xiàn)[2]）
前面對滾珠絲杠進(jìn)行計算的時候，已知進(jìn)給方向的最大工作載荷Fx=2649N
最大工作負(fù)載Fz=10595N，摩擦轉(zhuǎn)矩
取安全系數(shù)K=4
選用的130BYG3502步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 符合要求。
3.3.5 步進(jìn)電機(jī)性能校核
1）最快工進(jìn)速度時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核
最快工進(jìn)速度
脈沖當(dāng)量
求出電動機(jī)對應(yīng)運(yùn)行頻率
由130BYG3502的運(yùn)行矩頻特性（表3.2）可知，在此頻率下，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于，滿足要求。
2）最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核
最快空載移動速度
電動機(jī)對應(yīng)運(yùn)行頻率
由130BYG3502的運(yùn)行矩頻特性（表3.2）可知，在此頻率下，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于，滿足要求
3）最快空載移動時電動機(jī)運(yùn)行頻率校核
最快空載移動時，電動機(jī)對應(yīng)運(yùn)行頻率
查表3.1，130BYG3502步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行極限頻率為15000Hz，沒有超出上限，符合要求。
3.4 滾珠絲杠的預(yù)緊和消隙
對于滾絲杠副來說，除單一方向進(jìn)給傳動精度有一定要求外，其軸向間隙也應(yīng)該有嚴(yán)格的要求，以保證反向精度的要求。
軸向間隙一般是指絲杠固定不動，螺母在限制其回轉(zhuǎn)狀態(tài)下出現(xiàn)的軸向位移。滾珠絲杠副的軸向間隙是受負(fù)載時，在滾珠與滾道面接觸點(diǎn)的彈性變形所引起的螺母位移量與螺母原有間隙的總和，要將軸向間隙完全清除是相當(dāng)困難的。
通常采用雙螺母預(yù)緊的方式，將彈性變形控制在最小的限度內(nèi)，如果滾珠絲桿與配合公差選擇適當(dāng)，就可以獲得相當(dāng)高的定位精度。目前國內(nèi)生產(chǎn)的滾珠絲杠，外循環(huán)單螺母徑向間隙達(dá)0.05mm，而雙螺母經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后基本能消除間隙。
本人所設(shè)計選取的滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷方式為墊片預(yù)加負(fù)荷式。用螺釘聯(lián)接兩螺母套，在兩螺釘間加墊片，通過調(diào)整墊片的厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的，預(yù)緊力增大了絲杠的剛度。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，剛度高，裝拆方便，但調(diào)整費(fèi)時，滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和進(jìn)行預(yù)緊，運(yùn)用于一般精度的機(jī)構(gòu)中。同時，在采用預(yù)緊力消隙時應(yīng)注意：
（1）通過預(yù)緊力產(chǎn)生預(yù)拉變形，減少了彈性變形引起的位移，但不能使預(yù)緊力過大，否則加大驅(qū)動力矩，會降低效率，縮短使用壽命；
（2）特別注意絲杠安裝部分和驅(qū)動部分的間隙，盡可能使之減小。
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4 環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性分析
4.1 經(jīng)濟(jì)性分析
CK6163系列數(shù)控車床為普及型數(shù)控車床，適宜加工形狀復(fù)雜的軸、套、盤類零件。如車削內(nèi)、外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、切槽、倒角、車螺紋等，尤其適合多品種、中小批量的輪番加工。工藝適應(yīng)性強(qiáng)，加工效率高，廢品率低，成品一致性好，可降低對工人技術(shù)熟練程度的要求。編程容易，操作簡單，功能全面，是理想的中型機(jī)械加工設(shè)備。 主軸可實現(xiàn)分段變頻無級變速。寬段速，大重疊，全自動，適應(yīng)加工范圍廣。 主軸可實現(xiàn)低速大扭矩輸出。活動安全防護(hù)設(shè)計，便于操作及上下工件。尾座有減荷裝置，移動輕快靈活。錐體車削不受角度和長度限制 ?？绍嚫鞣N圓柱、圓錐螺紋，并可連續(xù)過渡。
本文主要設(shè)計CK6163數(shù)控車床的縱向進(jìn)給系統(tǒng)，進(jìn)給傳動采用開環(huán)伺服系統(tǒng)，開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有檢查機(jī)械運(yùn)動的檢測元件，沒有來自位置傳感器的反饋信號。由步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，運(yùn)動速度和精度可以保證，運(yùn)動中基本平穩(wěn)、不會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，主要用于經(jīng)濟(jì)型或簡易型數(shù)控機(jī)床，其精度和速度的提高受到限制。
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中滾珠絲杠螺母副和步進(jìn)電機(jī)可直接與廠商協(xié)商購買，設(shè)計中一些非標(biāo)準(zhǔn)配件可與制造廠外協(xié)生產(chǎn)加工?？刂葡到y(tǒng)采用抵擋配置，使用MCS-51系列單片機(jī)，簡單實用，性價比高。相比較于高端數(shù)控車床產(chǎn)品，雖然其精度及加工速度受到了一定的限制，但相比于普通機(jī)床其加工效率可以提高3-5倍，足以滿足上述加工要求。在很大程度上降低了生產(chǎn)加工成本。
4.2 環(huán)保性分析
環(huán)境污染是指人類直接或間接地向環(huán)境排放超過其自凈能力的物質(zhì)或能量，從而使環(huán)境的質(zhì)量降低，對人類的生存與發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)和財產(chǎn)造成不利影響的現(xiàn)象。具體包括：水污染、大氣污染、噪聲污染、放射性污染等。水污染是指水體因某種物質(zhì)的介入，而導(dǎo)致其化學(xué)、物理、生物或者放射性污染等方面特性的改變，從而影響水的有效利用，危害人體健康或者破壞生態(tài)環(huán)境，造成水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。大氣污染是指空氣中污染物的濃度達(dá)到有害程度，以致破壞生態(tài)系統(tǒng)和人類正常生存和發(fā)展的條件，對人和生物造成危害的現(xiàn)象。噪聲污染是指所產(chǎn)生的環(huán)境噪聲超過國家規(guī)定的環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)，并干擾他人正常工作、學(xué)習(xí)、生活的現(xiàn)象。放射性污染是指由于人類活動造成物料、人體、場所、環(huán)境介質(zhì)表面或者內(nèi)部出現(xiàn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)的放射性物質(zhì)或者射線。例如，超過國家和地方政府制定的排放污染物的標(biāo)準(zhǔn)，超種類、超量、超濃度排放污染物；未采取防止溢流和滲漏措施而裝載運(yùn)輸油類或者有毒貨物致使貨物?落水造成水污染；非法向大氣中排放有毒有害物質(zhì)，造成大氣污染事故，等等。隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和人民生活水平的提高，環(huán)境污染也在增加，特別是在發(fā)展中國家。?環(huán)境污染問題越來越成為世界各個國家的共同課題之一。每一個環(huán)境污染的實例，可以說都是大自然對人類敲響的一聲警鐘。為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，為了維護(hù)人類自身和子孫后代的健康，必須積極防治環(huán)境污染。
為了做好環(huán)境污染的防治工作，我們每一個公民必須努力增強(qiáng)環(huán)保意識：一方面要清醒地認(rèn)識到人類在開發(fā)和利用自然資源的過程中，往往對生態(tài)環(huán)境造成污染和破壞；另一方面要把這種認(rèn)識轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱膶嶋H行動，以“保護(hù)環(huán)境，人人有責(zé)”的態(tài)度積極參加各項環(huán)境保護(hù)活動，自覺培養(yǎng)保護(hù)環(huán)境的道德風(fēng)尚。
本設(shè)計中，進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動采用步進(jìn)電機(jī)，以電能作為能源。步進(jìn)電機(jī)在使用過程中，所需要的驅(qū)動電流小，功耗低，同時可以產(chǎn)生較大的輸出轉(zhuǎn)矩。避免了能源使用的污染和浪費(fèi)。在設(shè)計中零件的潤滑均可采用環(huán)保型的無污染潤滑液，潤滑充分還可以保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時不產(chǎn)生噪聲。
在整個車床工作過程中，一般使用乳化液或冷卻油作為冷卻液，從而產(chǎn)生大量的油霧油煙，影響工廠的生產(chǎn)環(huán)境，有害于生產(chǎn)工作人員的身心健康，可以通過購買使用油霧過濾器來吸收產(chǎn)生的油霧。
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結(jié)論
這次設(shè)計的CK6163縱向進(jìn)給系統(tǒng)，充分考慮到其實用性，操作方便，技術(shù)參數(shù)設(shè)置合理，極大地提高了加工效益，性能穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)任何故障。設(shè)計完后的機(jī)床屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。采有集成度高、可靠性強(qiáng)、功能好、速度快、抗干擾能力強(qiáng)的8位MCS-51系列單片機(jī)。選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，保證了進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性。
另外，該設(shè)計也可以用于其他車床，只需要根據(jù)相應(yīng)機(jī)床的設(shè)計技術(shù)參數(shù)的變化，對選用的滾珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的改變，就可用于其它不同型號的車床。同時，這種設(shè)計方法也適用于普通車床的數(shù)控化改造，具有很好的推廣前景。
在設(shè)計過程中，由于時間有限及自己在電路程序方面知識的欠缺，在電路設(shè)計中只設(shè)計了控制一臺步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的電路，在程序設(shè)計中，LED顯示上只實現(xiàn)了顯示固定數(shù)值，沒做到隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化動態(tài)顯示。
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致 謝
本論文是在老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的。從選題、到完成設(shè)計，老師給予了我很多及時且建設(shè)性的指導(dǎo)意見，我在設(shè)計中的每一點(diǎn)進(jìn)步，無不凝聚著恩師的心血。值此論文完成之際，謹(jǐn)向老師致以深深的感謝和崇高的敬意，這段時間讓我體會到設(shè)計人員一定要認(rèn)真、仔細(xì)，做事要考慮周全，不能偷懶，更不照搬照抄，要腳踏實地才會有收獲。