有关滚珠丝杠的毕业设计.docx
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有关滚珠丝杠的毕业设计
有关滚珠丝杠的毕业设计
目录
绪论
第一节 综合作业的目的……………………………………………
第二节 综合作业的内容……………………………………………
微型数控系统总体设计方案的拟定
第一节 综合作业任务书……………………………………………
第二节 总体方案的确定……………………………………………
机床进给伺服系统机械部分设计计算
系统脉冲当量及切削力的确定……………………………
切削力的计算………………………………………………
滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型…………………
进给司服系统传动计算……………………………………
步进电机的计算和选型……………………………………
微型数控系统硬件电路的设计
第一节 单片机数控系统硬件电路设计内容………………………
第二节 MCS—51系列单片机的选用………………………………
第三节 存储器扩展电路设计………………………………………
第四节 I/O接口电路及辅助电路设计……………………………
数控机床的加工程序编制
第一节 经济型数控车床数控系统的程序编制说明………………
第二节 加工说明及工艺路线设计…………………………………
做综合作业的亲身体会
做综合作业的感言
第1章 绪 论
第一节 综合作业的目的
综合作业是培养我们理论联系实际，解决生产实际问题能力的重要步骤，它起到了毕业设计的作用。
它通过对机床数控系统设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分结构设计.计算控制系统硬件电路的设计以及数控机床加工程序的编制，使我们综合运用所学的机械.电子和微机的知识,进行一次机电结合的全面训练。
从而培养了我们具有加工编程能力，初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机电方面技术问题的能力。
第二节 综合作业的内容
微机数控系统总体设方案的拟定
（1）系统运动方式的确定
（2）伺服系统的选择。
（3）执行机构传动方式的确定。
（4）计算机的选择。
二、进给伺服系统机械部分设计计算
（1）进给伺服系统机械部分设计方案的确定。
（2）确定脉冲当量。
（3）滚珠丝杠螺母副的选型。
（4）滚动导轨的选型。
（5）进给伺服系统传动计算。
（6）步进电机的计算和选用。
（7）设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。
（8）设计绘制进给伺服系统的一张或两张零件图。
三、微机控制系统的设计
（1）控制系统方案的确定及框图绘制。
（2）MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用。
（3）I/O接口电路及译码电路的设计。
（4）设计绘制一台数控机床微机控制系统电路原理图。
四、数控加工程序的编制
（1）零件工艺分析及确定工艺路线。
（2）选择数控机床设备。
（3）确定对刀点。
（4）选择刀具。
（5）确定切削用量。
（6）编制加工程序。
五、直线的逐点比较法插补软件程序流程框图的绘制。
第2章 微型数控系统总体设计方案的拟定
第一节综合作业任务书
一.题目:
《经济型数控车床纵向伺服单元》设计
二.设计任务:
（1）根据机床总体布局,分析应采用的机电一体化设计方案,确定微机控制 系统方案;
（2）进行机械伺服机构的设计计算,绘制机械装配图及其部分零件图（1—2
个）
（3）绘制微机控制系统电路原理图；
（4）绘制直线的逐点比较法插补软件程序流程框图；
（5）编制综合作业指导书上图1—1所示零件的数控加工程序； （6）攥写设计说明书一分（8000字以上）
三.给定条件:
（1）纵向移动部件总重量 200kg
（2）纵向定位精度 ±0.015mm
（3）最大移动速度（快进） 4.15m/min
（4）最大进给速度（工进） 158ｍm/min
（5）纵向进给切削力（Z向）1800N
（6）垂直切削力（Y向） 5000N
（7）控制系统用CPU 8031单片机
四.设计要求:
（1）机械结构设计合理,控制系统功能完备,原理正确,制图符合国家标准,图面整洁;
（2）设计说明书论述清楚,计算无误,数值单位明确,引用公式及资料有出处。
第二节总体方案的确定
系统的运动方试与伺服系统的选择
由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。
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位机。
由于MCS—51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。
对于简单的应用场合，MCS—51系统的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用MCS—51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。
所以应选用8031单片机。
其次，《设计任务书》也给出了选用8031。
由此可见选用8031是符合经济数控机床电路设计的。
机床传动方式
为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠。
为了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。
同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。
传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。
第3章 机床进给伺服第4章 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，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机，绘制机械部分装配图及零件工作图等。
现分述如下：
第一节 系统脉冲当量及切削力的确定
脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。
经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量,纵向:
0.01mm/step
第二节 切削力的计算
确定切削力（纵车外圆）:
由《设计任务书》可知：
主切削力:
FY=5000N
进给抗力:
FZ=1800N
按切削力各分力比例:
FY:
FZ:
FX=1:
0.25:
0.4
即1800/FX=0.25/0.4 FX= N
第三节 滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型
滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。
珠丝杠滚副的预紧方法有：
双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。
一. 计算进给牵引力Fm（N）
作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切屑分力作用在导轨上的摩擦力。
因而其数值大小和导轨的形式有关。
纵向进给为三角形导轨
Fm=kFZ+f'（FY+G）
=1.15×1800+0.04×（5000+2000）= N
式中:
K—考虑颠覆力矩影响的实验系数.三角形导轨取k=1.15
f—贴塑导轨摩擦系数:
0.03~0.05
G—溜板及刀架重力,取200kg×10N/kg=2000N
二. 计算最大动负载C
选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万（106）转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。
这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，计算如下：
C=fwFm
L=（60nT）/106
n=（1000Vs）/Lo
Lo—为滚珠丝杠导程,选丝杠名义直径为40ｍｍ,查滚珠丝杠转动惯量表,初选出Lo=6ｍｍ
Vs—最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/2~1/3,此处为0.15m/min;
T—使用寿命,按15000h;
fw—运转系数,按一般运转取1.2~1.5;
L—寿命以转106为1单位.
n=（1000Vs）/Lo=（1000×0.555×0.15）/6=12.5r/min
L=（60×n×T）/106=（60×12.5×15000）/106=11.25
C=fwFm=×1.2×1775=4772.7N
运转系数
运转状态 运转系数
无冲击运转 1.0~1.2
一般运转 1.2~1.5
有冲击运转 1.5~2.5
三. 滚珠丝杠螺母副的选型
查阅表A-1，可采用W1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈,其额定动负载为16400N,精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为3级（大致相当于老表准E级）
四. 传动效率计算
η=tanγ/tan（γ+φ）
式中.螺旋升角,W1L4006 γ=2°44′
φ—摩擦角取10′滚动摩擦系数0.003~0.004
η=tanγ/tan（γ+φ）
=tan2°44′/tan（2°44′+10′）=0.94
五. 稳定性校核
滚珠丝杠两端采用推力球轴承,不会产生失稳现象,不需作稳定性校核.
第四节 进给伺服系统传动计算
一. 齿轮传动比计算 （纵向进给齿轮箱传动比计算）
纵向进给脉冲当量δp=0.01,滚珠丝杠导程Lo=6ｍｍ,初选步进电机步距角0.75°,可计算出传动比i
i=（360δp）/（θbLo）=（360×0.01）/（0.75×6）=0.8
可选定齿轮齿数为:
i=Z1/Z2=32/40或20/25
Z1=32,Z2=40或Z1=20,Z2=25
由齿轮传动比i=0.8=，可以选定齿轮齿数为：
=32和=40或=32和=40。
再由于丝杠副的公称直径为40mm，则初选=32和=40的齿轮
参数如表。
齿数 z 32 40
分度圆 d=mz 64 80
齿顶圆 da=d+2m 68 84
齿根圆 df=d-21.25m 59 75
齿宽 （6—10）m 20 20
中心矩 A=（d1+d2）/2 70
二. 齿轮齿数及技术参数
计算出传动比i后,降速级数决定采用一对齿轮降速,因为进给伺服系统传递功率不大,一般取ｍ=1~2,数控车床,铣床取ｍ=2,此作业中取ｍ=2。
为了消除齿轮侧隙，此作业中采用双片齿轮。
第五节 步进电机的计算和选用
一. 初选步进电机
1.计算步进电机负载转矩Tm
Tm=（360δpFm）/（2πθbη）
=（360×0.01×1775）/（2×3.14×0.75×0.98×0.99× 0.99）N·mm=141.26N·cm
式中:
δp—脉冲当量（mm/step）;
Fm—进给牵引力（N）;
θb—步距角,初选双拍制为0.75°;
η—电机-丝杠的传动效率为齿轮,轴承,丝杠效率之积，分别为0.98,0.99,0.99;
2.估算步进电机起动转矩Tq
Tq=Tm/（0.3~0.5）
=1412.5/0.3N·mm=4708.6N·mm=470.8N·cm
3.计算最大静转矩Tjmax
查表
相数 三相 四相 五相 六相
拍数 3 6 4 8 5 10 6 12
0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866
如取五相10拍,则
Tjmax=Tq/0.951=4951.3N·mm=495.13N·cm
4.初选步进电机型号
根据估算出的最大静转矩Tjmax在国产BF反应式步进电机技术数据表中查出130BF001最大静转矩为931N·cm>Tjmax可以满足要求.考虑到此经济型数控车床有可能使用较大的切削用量,应该选稍大转矩的步进电机以留有一定的余量.另一方面,与国内同类型机床进行类比,决定采用150BF002步进电机.
二. 根据草图校核步进电机转矩
前面所述初选步进电机的转矩计算,均为估算;初选之后应该进行校核计算.
1.等效转动惯量计算
根据简图
运动件的转动惯量J∑可由下式计算:
J∑=J1+（Z1/Z2）2[（J2+Js）+G（Lo/2π）2/g]
式中 J1,J2—齿轮Z1,Z2的转动惯量（kg·cm2）
Js—滚珠丝杠转动惯量（kg·cm2）
J1=0.78×10-3×d14·L1=（0.78×10-3×6.44×2）kg·cm2=2.62kg·cm2
J2=0.78×10-3×d24·L2=（0.78×10-3×84×2）kg·cm2=6.39kg·cm2
Js=（0.78×10-3×44×170）kg·cm2=33.95kg·cm2
G=2000N
齿轮惯量计算
对于刚材:
J=0.78D4L×10-3刚材的密度为7.8×10-3kg/cm3
式中D—圆柱体直径（cm）;
L—圆柱体长度（cm）;
刚材的密度为7.8×10-3kg/cm3
代入上式:
J∑=J1+（Z1/Z2）2[（J2+Js）+G（Lo/2π）2/g]
={2.62+（32/40）2[（6.39+33.95）+2000×（0.6/2π）2/10]}kg·cm2
=29.6kg·cm2
J电机=（1~4）J∑ N取2
电机惯量:
J电机=2×J∑=2×29.6=59.2kg·cm2
总惯量:
J∑′=J电机+J∑=59.2+29.6=88.8kg·cm2
2.电机转矩计算
机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:
1）快速空载起动惯性矩
T惯=J∑′ε=J∑′×（2πnmax×10-2）/（60×ta）
nmax=（υmax/δp））×（θb/360）
将前面数据代入,式中各符号意义同上
nmax=（υmax/δp））×（θb/360）
=（4000/0.01）×（0.75/360）=833.3r/min
起动加速时间ta=200ms
T惯=J∑′×（2πnmax×10-2）/（60×ta）
=88.8×（2π×833.3×10-2）/（60×0.2）N·cm=387.31N·cm
2）快速空载起动
T负1=Tf+To+T惯
折算到电机轴上的摩擦转矩Tf
Tf=FoLo/2πηi=[f′（FY+G）×Lo]/[2πη（Z1/Z2）]
=[0.04×（5000+2000）×0.6]/[2π×0.8×1.25]N·cm
=26.75N·cm
附加摩擦转矩To
To=[FpoLo（1-ηo2）i]/（2πη）=[（1/3）Fm×Lo（1-ηo2）i]/（2πη）
=[（1/3）×1775×0.6×（1-0.92）×0.8]/（2π×0.8）N·cm
=10.74N·cm
η—传动链总效率,一般可取0.7~0.85此处取0.8;
i—传动比;
Fpo—滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3Fm,Fm为进给牵引力（N）;
ηo—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取≥0.9;
FY—垂直方向的切削力（N）;
T负1=26.75+10.74+387.31=424.8N·cm
3）快速移动时所需转矩T负2
T负2=T摩=Tf+To=26.75+10.74N·cm=37.49N·cm
4）最大（直线,匀速）切削负载时所需转矩T负3
T切=（FZLoi）/（2πη）
=（1300×0.6×0.8）/（2π×0.8）=124.2N·cm
T负3=T切+T摩=124.2+37.49N·cm=161.69N·cm
5）加速切削
T负4=T切+T摩+T惯
=124.2+37.49+387.31N·cm=549N·cm
从上面计算可以看出T负1,T负2,T负3和T负4四种工况下,以加速切削所需转矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据.
T电机静转矩=（2~5）T负4
取2倍 则:
T电机静转矩=2×549N·cm=1098N·cm
从国产BF反应式步进电机技术数据表中查出150BF002型步进电机最大转矩为13.72,大于所需最大静转矩,以满足此项要求.
当快速运动和切削进给时,按150BF002型步进电机运行矩频特性图，完全可以满足要求,所以初步选择150BF002型步进电机。
三. 根据机械结构精确图校核步进电机转矩）等效转动惯量计算
1.运动件的转动惯量J∑可由下式计算:
J∑=J1+（Z1/Z2）2[（J2+Js）+G（Lo/2π）2/g]
J1=0.78×10-3×（d1）4·L1=（0.78×10-3×6.44×2）kg·cm2=2.62kg·cm2
J1"=0.78×10-3×（d1"）4·L1=（0.78×10-3×3.64×1.8）kg·cm2=0.236kg·cm2
J1=J1+J1"=2.62+0.236=2.856kg·cm2
J2=0.78×10-3×（d2）4·L2=（0.78×10-3×84×2）kg·cm2=6.39kg·cm2
J2"=0.78×10-3×（d2"）4·L2=（0.78×10-3×3.64×0.9）kg·cm2=0.118kg·cm2
J2=J2+J2"=6.39+0.118=6.508kg·cm2
Js=（0.78×10-3×44×170）kg·cm2=33.95kg·cm2
G=2000N
代入上式:
J∑=J1+（Z1/Z2）2[（J2+Js）+G（Lo/2π）2/g]
={2.856+（32/40）2[（6.508+33.95）+2000×（0.6/2π）2/10]}kg·cm2
=29.9kg·cm2
J电机=（1~4）J∑ N取2
电机惯量:
J电机=2×J∑=2×29.9=59.8kg·cm2
总惯量:
J∑′=J电机+J∑=59.8+29.9=89.7kg·cm2
2.电机转矩计算
1）快速空载起动惯性矩
T惯=J∑′ε=J∑′×（2πnmax×10-2）/（60×ta）
nmax=（υmax/δp））×（θb/360）
将前面数据代入,式中各符号意义同上
nmax=（υmax/δp））×（θb/360）
=（4000/0.01）×（0.75/360）=833.3r/min
起动加速时间ta=200ms
T惯=J∑′×（2πnmax×10-2）/（60×ta）
=89.7×（2π×833.3×10-2）/（60×0.2）N·cm=391.176N·cm
2）快速空载起动
T负1=Tf+To+T惯
折算到电机轴上的摩擦转矩Tf
Tf=FoLo/2πηi=[f′（FY+G）×Lo]/[2πη（Z1/Z2）]
=[0.04×（5000+2000）×0.6]/[2π×0.8×1.25]N·cm
=26.75N·cm
附加摩擦转矩To
To=[FpoLo（1-ηo2）i]/（2πη）=[（1/3）Fm×Lo（1-ηo2）i]/（2πη）
=[（1/3）×1775×0.6×（1-0.92）×0.8]/（2π×0.8）N·cm
=10.74N·cm
T负1=26.75+10.74+391.176=428.67N·cm
3）快速移动时所需转矩T负2
T负2=T摩=Tf+To=26.75+10.74N·cm=37.49N·cm
4）最大（直线,匀速）切削负载时所需转矩T负3
T切=（FZLoi）/（2πη）
=（1300×0.6×0.8）/（2π×0.8）=124.2N·cm
T负3=T切+T摩=124.2+37.49N·cm=161.69N·cm
5）加速切削
T负4=T切+T摩+T惯
=124.2+37.49+391.18N·cm=552.87N·cm
从上面计算可以看出T负1,T负2,T负3和T负4四种工况下,以加速切削所需转矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据.
T电机静转矩=（2~5）T负4
取2倍 则:
T电机静转矩=2×552.87N·cm=1105.74N·cm
小于150BF002型步进电机最大转矩为13.72,所以最终选择150BF002型步进电机。
第四章 微机数控系统硬件电路设计
第一节 单片机数控系统硬件电路设计内容
一、绘制系统电器控制的结构框图
根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。
数控系统是由硬件和软件两部分组成。
硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。
硬件电路可靠性直接影响到数控系统性能指标。
机床硬件电路由以下五部分组成：
（1）主控制器，即中央处理单元（CPU）；
（2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；
（3）存储器，包括程序存储器和数据存储器；
（4）接口，即I/O输入/输出接口电路；
（5）外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等，见下图。
二、选择中央处理器的类型
在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素：
（1）时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的度；
（2）可扩展存储器的容量；
（3）指令系统功能，影响编程灵活性；
（4）I/O口扩展的能力，即对外设控制的能力；
（5）开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。
此外还要考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济的要求。
目前在经济型数控机床中，一般选用MCS—51系列单片机作为主控制器。
三、存储器扩展电路设计
存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。
在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU和EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。
在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。
四、I/O口接口电路设计
应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路、键盘显示电路以及其他辅助电路的设计。
第二节MCS—51系列单片机的选用
MCS—51系列单片机主要有三种型号的产品：
8031、8051和8751。
三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。
8031片内无ROM，适用于需扩展ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。
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