CM6132型精密車床主傳動系統數控改造設計

CM6132型精密車床主傳動系統數控改造設計,cm6132,精密,車床,傳動系統,數控,改造,設計 黑龍江科技學院 畢業(yè)設計（論文）任務書 姓名： 李艷娟 任務下達日期： 2007 年 3 月 19 日 設計（論文）開始日期： 2007 年 4月 2 日 設計（論文）完成日期： 2007年 7月 6 日 一、設計（論文）題目：CM6132型精密車床主傳動系統數控改造設計 二、設計的目的和意義 數控技術和數控裝備是制造工業(yè)現代化的重要基礎，直接影響到一個國家的經濟發(fā)展和綜合國力。數控機床的設計屬于工程設計類型題目，結構典型，滿足培養(yǎng)目標的要求。通過畢業(yè)設計可以使基礎理論和專業(yè)知識得到綜合運用。我國通用機床擁有量居世界第一位，因此對通用機床進行數控改造，是我國機床工業(yè)技術發(fā)展政策的重要方向。CM6132精密車床具有分離運動，加工精度高等特點，進行數控改造更有實際意義 三、設計（論文）主要內容： CM6132精密車床主傳動系統數控改造方案設計；主傳動系統設計；部分零件工作圖設計；撰寫設計計算說明書. 四、設計目標：1.床身最大加工直徑320mm;2.主運動系統保持主軸箱內背輪機構不變，取消變速箱，用變頻調速電機實現無極調速。 五、進度計劃 第1-4周　熟悉題目，收集資料，現場實習； 第5周　總體方案設計 第6-13周　結構設計、完成裝配圖設計 第14-15周　零件工作圖設計 第16-17周　撰寫設計說明書 第18周　評閱 第19周　打印、裝訂論文，準備畢業(yè)設計答辯 六、參考文獻資料：[1]丁軍，宋丹.C6132普通車床的數字化改造[J].機電一體化，2003，（4）；102~105. [2]李佳.數控機床及應用[M].北京：清華大學出版社.2001.[3]維邦.金屬切削機床設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1984. [4] 王潤孝.機床數控原理與系統[M].西安：西北工業(yè)出版社，1993. 指 導 教 師： 院（系）主管領導： 2007年 3月 19日 摘 要 對CM6132精密車床主傳動系統進行數控化改造， 主要對主傳動系統進行改造。改造包括機械和數控兩部分。 機械部分：拆掉變速箱改用變頻電動機實現無級調速。數控部分：數控系統采用開環(huán)控制系統，系統中沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號單方向傳遞。開環(huán)系統主要由步進電機驅動，結構簡單，成本低廉、易掌握，調試和維修比較方便簡單，已廣泛應用于數控機床.數控機床集計算機技術、電子技術、自動控制、傳感測量、機械制造、網絡通信技術于一體，是典型的機電一體化產品。它的發(fā)展和運用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時代，改變了制造業(yè)的生產方式、產業(yè)結構、管理方式，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大變化。現代的CAD/CAM、FMS、CIMS等技術都是建立在數控技術之上。數控技術水平的高低已成為衡量一個國家制造業(yè)水平的核心標志，實現加工機床及生產過程的數控化，已經成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向。 關鍵詞：數改造；數控車床；步進電機控 Abstract As to the NC transform of CM 6132 precise lathe, vertical and horizontal motion system are concerned including mechanism part and NC part. As for as the mechanism part is concerned, in order to decrease the friction and increase the motion precision, ball guide screw is adopted. As to the NC part, open loop control system is adopted in NC system. There is no feedback circuit and test and determining facilities with one-way instruction signal transmission.The open loop system is mainly droved by stepper motor, which is of simple structure, low cost, easy learning with simple preliminary test and maintenance. It is widely used in NC lathe. 【Key words】 Numerical control innovation NC lathe Stepper motor 37 目 錄 第1章 緒 論 4 1.1 數控機床的發(fā)展 4 1.2 普通機床數控改造的必要性 4 1.3 數控機床的發(fā)展趨勢 5 第2章 總體方案設計 6 2.1 計算參數和技術要求 6 2.2 總體方案的擬定 6 2.2.1 機械部分改造 6 2.3 基本參數的確定 8 2.3.1 運動參數 9 2.3.2 動力參數 9 第3章 主傳動系統設計 11 3.1 帶輪及帶的計算 11 3.2 齒輪校核 14 3.2.1 校核齒面接觸疲勞強度 14 3.2.2 校核齒根彎曲疲勞強度 16 3.3 軸的校核 18 3.4 鍵的校核 21 第4章 控制原理設計 23 4.1 數控系統的基本硬件組成 23 4.1.1 單CPU系統的組成 23 4.1.2 數控系統的選用 24 4.2 步進電機的控制 24 4.2.1步進電機的工作原理 24 4.3 鍵盤及顯示器接口 28 4.3.1 鍵盤接口電路 28 4.3.2 液晶顯示模塊的工作原理 28 第5章 經濟技術分析 30 5.1 產品結構改造的合理化 30 5.2 提高技術經濟價值的方法 30 5.3 產品成本核算 31 5.4 產品年利潤 32 結論 33 致謝 34 參考文獻 35 附錄1 36 第1章 緒 論 1.1 數控機床的發(fā)展 隨著電子技術和自動化技術的發(fā)展，數控技術的應用越來越廣泛。以微處理器為基礎，以大規(guī)模集成電路為標志的數控設備，已在我國批量生產、大量引進和推廣應用，它們給機械制造業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，并帶來很大的效益。但同時，由于它們的先進性、復雜性和智能化的特點，在維修理論、技術和手段上都發(fā)生了飛躍的變化。 數控機床自20世紀中期誕生以來，它們數控系統隨著電子器件的更新換代也不斷發(fā)展。特別是超大規(guī)模集成電路技術和微處理器引入數控系統，以及直流和交流伺服驅動技術的成熟，大大地推動了數控機床的發(fā)展。今天數控機床已發(fā)展為一種高度機電一體化的典型產品，成為現代生產系統得基本單元，成為支撐先進技術的基礎核心設備。 20世紀后半期， 數控機床不僅品種多，而且產量迅速發(fā)展，同期世界數控車床擁有達100萬臺，品種有1500種，數控機床的年產量近15萬臺。美國在1983年的機床擁有量比1973年下降了23．1﹪，而同期數控機床擁有量增加了2．6倍，日本1983年生產數控機床占機床品種數的65﹪，數控機床的產量（臺數）占車床總產量的28．3﹪，數控機床的產值為車床總產值的70．9﹪。美國1989年機床擁有量為232678臺，其中數控機床為2323566臺；日本1987年機床擁有量為792975臺，其中數控機床為70255臺。到1994年，日本機床擁有量的數控化率達20．9﹪，美國、意大利均達10﹪以上。1995年我國機床擁有量達85．12萬臺，占22．2﹪。機床擁有量的數控化率為1.9﹪，金屬切削加工數控化率達2.15﹪，成型機床的數控化率為1.02﹪。 據了解，2001年中國機床產值已進入世界前10名的第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25﹪。但由于國產數控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達24.06億美元，比上年增長27.3﹪。 1.2 普通機床數控改造的必要性 面對世界機床市場的強烈沖擊，國產數控機床如何從容應對并占有一定的市場份額，有關人士提出，必須把發(fā)展國產數控機床放在突出位置，因為數控機床是衡量一個國家經濟實力的重要標志；數控機床作為機電一體化的典型產品，在機械制造中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了形態(tài)復雜、精密、小批及多變零件的加工問題且能穩(wěn)定產品的加工質量，大幅度地提高生產率。因此，國產數控機床市場需求大力培育，不能光靠一個展覽會來推動，各級政府應重視數控機床開發(fā)研制及市場銷售等一系列問題，為國產數控機床發(fā)展大開“綠燈” 。 提高數控化率有兩個途徑：（1）投入巨資購買新的數控機床；因為我國現有老機床太多，再加上資金問題，我國購買的數控機床還是有限的。（2）對現有普通機床進行數控改造，對擁有300多萬臺普通機床的我國來說，普通機床的數控化無疑是一條簡單可行的途徑“研究如何簡便、實用地對普通機床進行數控改造是十分必要的?！? 1.3 數控機床的發(fā)展趨勢 隨著科學技術不斷發(fā)展，數控機床的發(fā)展也越來越快，數控機床也正朝著高性能、高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向發(fā)展。高性能：隨著數控系統集成度的增強，數控機床也實現多臺集中控制，甚至遠距離遙控。高精度：數控機床 本身的精度和加工件的精度越來越高，而精度的保持性要好。高速度：數控機床各軸運行的速度將大大加快。高柔性：數控機床的柔性化將向自動化程度更高的方向發(fā)展，將管理、物流及各相應輔機集成柔性制造系統。模塊化：數控機床要縮短周期和降低成本，就必然向模塊化方向發(fā)展，這既有利于制造商又有利于客戶。 機床工業(yè)被稱之為裝備工業(yè)，裝備工業(yè)又是技術密集、技術更新速度十分快的行業(yè)，面對入世和世界經濟一體化的進程，必須在新一輪經濟結構調整中找準自己的位置，加快發(fā)展、更新的頻率，用“限普贈數”來加快集約化進程，促進裝備工業(yè)的發(fā)展，參與世界經濟競爭。我國近幾年數控機床雖然發(fā)展較快，但與國際先進水平還存在一定的差距，主要表現在：可靠性差，外觀質量差，產品開發(fā)周期長，應變能力差。為了縮小與世界先進水平的差距。 現在國內的主要先進的數控機床都是靠進口的，即使自己做的車床中的精密部件例如精密絲杠都是靠進口的，沒法靠自己的技術來制造，這樣大大限制了我國機床的水平和與國際競爭的能力 這樣經濟數控機床就顯得尤為重要，不但可以節(jié)省資金而且技術水平不比大型數控機床簡單，也能體現一個國家的機床水平，從簡單向大型化， 復雜化，集成化發(fā)展奠定一定的技術。對現有老機床進行數控化改造費用低廉符合我國的國情，可以普遍提高我國的數控人員。 第2章 總體方案設計 2.1 計算參數和技術要求 （1）床身上最大加工直徑320㎜ （2）主傳動系統保持主軸箱內背輪機構不變，取消變速箱，用變頻調速電機實現無級調速。 （3）拆掉進給箱、溜板箱改用步進電機驅動縱、橫進給，脈沖當量≦0.01 總體方案的擬定 數控機床主要用于軸類、盤類件的加工，能自動完成外圓柱面、內孔、錐面、圓弧面 2.2 總體方案的擬定 數控機床主要用于軸類、盤類零件的加工，能自動完成外圓柱面、內孔、錐面、圓弧面、螺紋等工序的粗細加工，并能在外圓柱面或端面上進行銑、鉆孔、鉸孔等工作，可以實現回轉體零件在預先加工好定位基面后，一次裝夾下完成從毛坯到成品的全部工序。因此，能夠極大地提高生產率。本項研究的對象——CM6132車床，主要用于對小型軸類！盤類以及螺紋零件的加工。 2.2.1 機械部分改造 （1）主軸伺服系統的改造 拆去原床身的變速箱、進給箱、三相異步電動機，主軸箱繼續(xù)保留使用，變頻調速電動機、原進給機構輸出端接脈沖發(fā)生器。由于采用了先進的數控系統、變頻調速系統電動機驅動主軸進給系統，主軸的變速特性變佳，實現了無級調速。 PWM變頻調速 D/A 光電隔離 MCS-51 8155 ＡＣ電機 主軸 齒輪傳動 　　　　　　　 圖２－１ 主軸伺服系統的組成 （2）進給電機伺服系統的改造設計 為滿足盡可能減少改動量的要求，采用步進電機經常接口箱驅動絲杠，帶動刀具縱向和橫向移動。用滾珠絲杠螺母機構代替普通的滑動絲杠螺母機構，具有摩擦力小，運動靈敏，無爬行現象的特點，也可以進行預緊，以實現無間隙傳動，以使傳動剛度好，反向時無空程死區(qū)。縱向進給機構的改造：拆去原機床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座，配上滾珠絲杠及其相應的安裝裝置，縱向驅動的步進電機及其和絲杠的鏈接部分在主軸箱之下并不占據絲杠空間。由于采用滾珠絲杠可提高系統的精度和縱向進給的整體剛度；橫向進給機構的改造：由于原橫向進給的絲杠空間有限，所以拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠。由于現在的步進電機的驅動能力很強，步距角也比原來小了很多，所以步進電機和絲杠之間用聯軸器連接，1：1傳動。方案如圖2-2。 圖2-2整機方案圖 （3）聯軸器 圖2-3是現在廣泛采用的直接聯接電機軸和絲杠的撓性聯軸節(jié)。這種聯軸節(jié)的工作原理是：聯軸節(jié)的左半部裝在電機軸上，當擰緊螺釘2時，件3和件5相互靠近，擠壓內錐環(huán)17、外錐環(huán)4，使外錐環(huán)內徑縮小，內錐環(huán)外徑脹大，使件5與電機軸1形成無鍵聯接。右半部也同樣形成無鍵聯接。左半部通過剛性鋼片組成15的兩個對角孔與螺栓6、球面墊圈7、8相聯。圖中表明球面墊圈8和右半部件9沒有任何聯接關系。同樣，彈性鋼片組15的另外兩個對角孔通過球面墊圈14、16、螺栓13與右半部聯接，墊圈16與件5沒有任何聯接關系。這樣依靠彈性鋼片組對角聯接（即撓性）傳遞扭矩，且與電機軸和絲杠都無鍵聯接，便是撓性聯軸節(jié)的工作原理。 1—電機軸；2、12—螺釘；3—法蘭；4—外錐環(huán)；5—左本體； 6、13—螺栓；7、8、14、16—墊片；9—右本體；10—法蘭；11—絲杠。 圖2-2 撓性聯軸器 2.3 基本參數的確定 通過主軸孔最大棒料直徑d： 床身寬度B： B = 2.14 D0.82 = 273 mm 經濟合理的工件或刀具直徑按照以下幾種經驗公式估定： d max = (0.5 ~ 0.7)D = 0.6D = 0.6 × 320 = 192 mm d min = (0.08 ~ 0.12)D = 0.10D = 0.10 × 320 = 32 mm 2.3.1 運動參數 可通過類比實驗和計算等方法綜合確定： n max = 1000 × 220 = 2189 π × 32 v min 、v max 、d min 、d max為經濟加工切削速度和經濟合理的工件或刀具直徑。n max 、n max是機床的最低、最高轉速，其中常用經濟加工切削速度硬質合金刀具精車中碳剛v = 200 — 220 m/min 取 v max = 220 m/min v min 取高速鋼刀具精車絲杠v = 15m/min。 取n = 24 □ 2200r/min 計算速度：n j 2.3.2 動力參數 據下列公式及數據估算電機功率P： F z = f ? t ? s （公斤力） f — 單位切削面積上的切削力，取硬質合金刀加工中碳鋼f = 220 （公斤力/mm 2 ） t — 切削深度 s — 進給量 切削深度及進給量取半精車中碳鋼，故t 取1mm；s取0.2mm；v = 190m/s 取P = 2.5kw 第3章 主傳動系統設計 3.1 帶輪及帶的計算 選用宰V帶傳動，電動機的額定功率P = 2.5 KW,轉速n1 = 1500r/min傳動比i = 2一天的運轉時間≥10h 主傳動系統的傳動方式 機床主傳動系統可分為分級變速傳動和無級變速傳動。分級調速傳動是在一定的變速范圍內均勻地、離散地分布著有限級數的轉速，變速級數一般不超過20~30級。這種傳動方法主要用于普通機床，一些普通機床經數控化改造后也保留了原分級變速傳動方式。無級調速傳動可以在一定的變速范圍內連續(xù)改變轉速，以便得到滿足加工要求的最佳速度，能在運轉中變速，便于自動變速。數控車床的主傳動系統通常采用無級變速傳動。 與普通機床相比，數控車床的主傳動采用交、直流主軸調速電動機，電動機調速范圍大，并可無級調速，使主軸箱結構大為簡化。為了適應不同的加工需要，數控車床的主傳動系統有以下三種傳動方式。 （1） 由電動機直接驅動 （2） 采用定比傳動 （3） 采用分檔變速傳動 無級變速是指在一定的范圍內，轉速（或速度）能連續(xù)地變換，從而獲得最有利的切削速度。機床主傳動中常采用的無級變速裝置有三大類：變速電動機、機械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。 （1）變速電動機 機床上常有的變速電動機有直流電動機有直流電動機和交流變頻電動機，在額定轉數以上為恒功率變速，通常變速范圍僅為2 ―3；額定轉速以下為恒轉矩變速，調整范圍很大，變速范圍可達30甚至更大。上述功率和轉距特性一般不能滿足機床的使用要求。為了擴大恒功率調速范圍，在變速電動機和主軸之間串聯一個分級變速箱。變速電動機廣泛用于數控機床、大型機床中。 （2）機械無級變速裝置 機械無級變速裝置有柯普型、行星錐輪性、分離錐輪鋼環(huán)形和寬帶型等多種結構，它們都是利用摩擦力來傳遞轉距，通過連續(xù)地改變摩擦傳動副工作半徑來實現無級變速。由于它的變速范圍小，多數是恒轉距傳動，通常較少單獨使用，而是與分級變速機構串聯使用，以擴大變速范圍，機械無級變速器應用于要求功率和變速范圍較小的中小型車床、銑床等機床的主傳動中，更多的是用于進給變速傳動中。 （3）液壓無級變速裝置 液壓無級變速裝置通過改變單位時間內輸入液壓缸或液動機中液體的油量來實現無級變速。它的特點是變速范圍較廣、變速方便、傳動平穩(wěn)、運動換向時沖擊小、易于實現直線運動和自動化。液壓無級變速裝置常用在主運動的機床中，如刨床、拉床等。 1.確定計算功率P ca 由《機械設計》[3]表8—6工作情況系數查得工作情況系數K A = 1.3,故： P ca = K A P = 1.3 × 2.5 = 3.25 KW 2.選取窄V帶帶型 根據P ca、n 1由《機械設計》[3]圖8—9窄V帶選型圖確定選用SPB型。 3.確定帶輪基準直徑 由《機械設計》[3]表8—3V帶輪的最小基準直徑和8—7V帶輪的基準直徑系列取主動輪基準直徑d d1 = 125 mm 根據《機械設計》[3]式（8—15），從動輪基準直徑d d2。 d d2 = i d d1 = 2 × 125 =250 mm 根據《機械設計》[3]表8—7V帶輪的基準直徑系列，取d d2 = 250 mm 按《機械設計》[3]式（8—13）驗算帶的速度 所以帶的速度合適。 4.確定窄V帶的基準長度和傳動中心距 αmin = 0.7（d d1 + d d2）= 0.7 × （125 + 250） = 262.5 mm αmax = 2 (d d1 + d d2 ) = 2 × （125 +250） = 750 mm 初步確定中心距α0 =520 mm 根據《機械設計》[3]式（8—20）計算帶所需的基準長度 由《機械設計》[3]表 8—2V帶的基準長度系列及長度系數KL選帶的基準長度 Ld = 1600mm 按《機械設計》[3]式（8—21）計算實際中心距α 2 5.驗算主動輪上的包角α1 由《機械設計》[3]式（8—6）得 所以主動輪上的包角合適。 6.計算窄V帶的根數 由《機械設計》[3]式（8—22）知 由n1 = 1480、dd1 = 125mm、i = 2 查《機械設計》[3]表8—5c單根窄V帶的基本額定功率P0和表8—5d單根窄V帶額定功率的增量△P0得: P0 = 2.61KW △P0 = 0.56 KW 查《機械設計》表8—8包角系數Ka得：Ka=0.98，查表8—2V帶的基準長度系列及長度系數KL得：KL = 1.00則 取z =2根。 7.計算預緊力F0 查《機械設計》[3]表8—4V帶單位長度的質量得：q = 0.07kg/m，故 8.計算作用在軸上的壓軸力FP 由《機械設計》[3]式（8—24）得： 3.2 齒輪校核 主軸箱內的齒輪校核，小齒輪材料為40Cr，調質處理，硬度241HB~286HB，平均取為260HB，大齒輪選用雙片齒輪，用45鋼，調質處理，硬度為229HB~286HB，平均取240HB。 Z1 = 27，Z2 = 63，m = 2.5 由《機械零件設計手冊》[1]圖12—12及圖齒面接觸疲勞強度極限12—23按MQ級 質量要求取值，查得： σHlim1= 700N/mm2 σHlim2 = 510N/mm2 σFE1=580N/mm2 σFE2 = 460N/mm2 小齒輪傳遞的轉距T1 3.2.1 校核齒面接觸疲勞強度 按《機械零件設計手冊》[1]表12—20圓柱齒輪傳動齒面接觸疲勞強度與齒根彎曲疲勞強度校核計算公式 式中 分度園上的圓周力Ft： 使用系數KA：查《機械零件設計手冊》[1]表12—22使用系數得 齒面圓周速度V： 根據齒輪的圓周速度V，參考《機械零件設計手冊》[1]表12—34選擇齒輪的精度等級為：8—8—01 GB10095—88。 查《機械零件設計手冊》[1]圖12—8a 直齒圓柱齒輪的動載荷系數 得KV = 1.01.。 齒向載荷分布系數KHβ： 按 查《機械零件設計手冊》[1]圖12—9a齒向載荷分布系數，得KHβ=1。 齒間載荷分布系數K Ha： 按 查《機械零件設計手冊》[1]表12—23齒間載荷分布系數，得KHa = 1.2節(jié)點區(qū)域系數ZH：按β=0。查《機械零件設計手冊》[1]表12—24材料彈性系數 得 重合度ε： ε=εⅠ+εⅡ 查《機械零件設計手冊》[1]圖12—4標準外口齒合圓柱齒輪的端面重合度 得 εⅠ=0.82 εⅡ=0.91 所以 ε=εⅠ+εⅡ=0.82 +0.91 =1.73 直齒圓柱齒輪可知 Zεβ =1 以上各數值帶入齒面接觸應力計算方式得： 計算安全系數SH：按《機械零件設計手冊》[1]表12—20圓柱齒輪傳動齒面接觸疲勞強度與齒根彎曲強度校核計算公式 式中 壽命系數ZN：先計算應力循環(huán)次數 對于調質鋼（可以有一定量的點蝕），從《機械零件設計手冊》[1]圖12—23接觸強度壽命系數 可查得N∝=109 。 因為N1＞N∝，所以ZN1≈1。按N2 = 7.3 ×108從《機械零件設計手冊》[1]圖12—13接觸強度壽命系數 查得 ZN2=1.03 。 潤滑油膜影響系數ZLVR:按v=1.413m/s選320號中極壓型工業(yè)齒輪油，其運動粘度v40=320mm2/S，查接觸強度壽命系數圖12—14軟齒面及調質鋼、滲碳淬火鋼短時間氣體或液體氮化齒輪的ZLVR值，得 ZLVR = 0.92。 工業(yè)硬化系數ZW：因為小齒輪齒面未硬化處理，齒面未光整，故ZW=1。 接觸強度計算的尺寸系數ZX：查《機械零件設計手冊》[1]圖12—17接觸強度計算的尺寸系數 得 ZX=1。 將以上數值代入安全系數的計算公式得 按《機械零件設計手冊》[1]式（12—7） SHmin = 1 因為SH ＞ SHmin 故齒輪是安全的。 3.2.2 校核齒根彎曲疲勞強度 按《機械零件設計手冊》[1]表12—20圓柱齒輪傳動齒面接觸疲勞強度與齒根彎曲疲勞強度校核計算公式 式中 彎曲強度計算的載荷分布系數KFβ KFβ = KHβ =1.06 彎曲遷都計算的載荷分配系數K Fa： K Fa =K Ha =1.2 復合齒輪系數YFS，按Zv1 = 27，Zv2 = 63查《機械零件設計手冊》外齒輪的復合齒形系數圖12—18得 YFS1 = 3.1, YFS2 = 2.8 。 彎曲強度計算的重合度與螺旋角系數Yεβ：按ε=1.73，β=0°查《機械零件設計手冊》[1]圖12—22彎曲強度計算的重合度與螺旋角系數 得 Yεβ= 0.68 將以上各數值代入齒根彎曲應力計算公式得 式中 壽命系數YN：對調質鋼由《機械零件設計手冊》[1]圖12-24壽命系數，查得彎曲疲勞應力的循環(huán)基數N∝=3×105 。因為，N1=1.68 ×109，N2=7.3×108均大于N∞，所以YN1= YN2=1 。 相對齒根圓角敏感系數YδrelT：由《機械零件設計手冊》[1]圖12-18外齒輪的符合齒形系數知qS1＞1.5、qS2＞1.5 。查《機械零件設計手冊》[1]表12-25相對齒根圓角敏感系數表12-25相對齒根圓角敏感系數 得YδrelT= =1 。 相對齒根表面狀況系數YRrelT：由《機械零件設計手冊》[1]表12-33常用精度等級齒輪的加工方法及應用范圍，齒面粗糟度Ra1=Ra2=1.6μm 。按《機械零件設計手冊》[1]式12-22，YRrelT=1 。 尺寸系數YX：查《機械零件設計手冊》[1]圖12-25尺寸系數 得 YX=1 。將以上各數值帶入安全系數SF的公式得 由《機械零件設計手冊》[1]式 12-18，SFmin = 1.4 SF1和SF2均大于SFmin，故齒輪安全 。 3.3 軸的校核 軸的材料為45號鋼，經調質后，σb = 637 MPa，E = 210 MPa 。軸頸 d = 28 mm 。 齒輪直徑 ：大輪 d1 = mz1 = 2.5 ×63 d1 = 157.5 mm 小輪 d2 = mz2 = 3 ×17 d2 = 51 mm 大齒輪受力 ： 轉距 圓周力 徑向力 小齒輪受力：轉矩 圓周力 徑向力 計算機平面內支反力（圖3 -1c） 由∑MA =0得 由∑FZ =0,得 RAZ = Fr1 + Fr2 — RBZ = 309.66 + 956.31 – 734.30 = 531.67 N 垂直面的支反力（圖3—1 e） 由∑MA =0得 由∑FY =0 得 RAY = Ft1 + Ft2 — RDYA = 850.79 + 2627.45 — 2017.47 = 1460.77N 軸上的轉矩圖（圖3—1g） T = T1 =T2 T= 6.7 ×105 N?mm 由于齒輪的作用力在水平平面的彎矩圖（圖3—1d） MBZ = RAZ?a = 531.67 ×35 = 18608.48 N?mm = 18.61 N?m MCZ = RDZ?c = 734.30 ×110 = 80773 N?mm = 80.8 N?m 齒輪作用在垂直面的彎矩圖（圖3—1f） MBY = RAY?a = 100.68 ×35 = 3523.8 N?mm = 3.5 N?m MCY = RDY?c = 1877.34 ×110 = 206507.4 N?mm = 206.5 N?m 大齒輪作用力在B截面的最大彎矩 小齒輪作用力在C截面的最大彎矩： 根據軸的結構尺寸及彎矩圖、轉矩圖，截面C處彎矩較大，是危險截面 。下面對軸的C截面進行彎曲應力校核計算： 由《機械零件設計手冊》[2]表20—13得 式中許用應力值由《機械零件設計手冊》[2]表20—14查得： [σ0b ] = 110 Mpa [σ—1b ] = 65 Mpa 應力校正系數 當量轉矩 因為σ= 20.91MPa ＜[σ] = 637MPa 。 所以軸是安全的 。 圖3-1軸的載荷分布圖 3．4 鍵的校核 主軸上的普通圓頭平鍵，軸徑54㎜，傳動轉矩為286。47N*m，整個齒輪組的寬度B>50㎜,載荷穩(wěn)定。 （1） 選擇鍵的類型，選A 型普通平鍵； （2） 確定鍵的尺寸：查的可選鍵的尺寸為b×h×l=16×10×27㎜; （3） 擠壓強度：取k=h/2則工件表面的擠壓應力為： ； （4） ，故連接能滿足擠壓強度要求。 （5） 剪強度： 由公式得切應力為 由表得知，當載荷平穩(wěn)時，許用應力 所以，故能滿足剪切強度要求。 圖3—2主傳動系統圖 第4章 控制原理設計 4.1 數控系統的基本硬件組成 CNC系統主要由硬件和軟件兩大部分組成。硬件和軟件的關系是密不可分的。硬件為軟件提供了活動舞臺，是軟件的肌體，而軟件則是整個系統的靈魂。數控系統是在軟件的控制下，也叫控制軟件，存放在計算機EPROM內存中。各種CNC系統的功能設置和控制方案各不相同，它們的系統軟件在結構上和規(guī)模上差別很大，但是一般包括輸入數據處理程序、插補運算程序、速度控制程序、管理程序和診斷程序。 目前，CNC系統主要分為兩種形式：一種是單個CPU組成的系統；另一種是由兩個以上的CPU組成的多微處理器系統。CNC系統大都采用一個CPU完成機床的控制。 4.1.1 單CPU系統的組成 單CPU組成的系統，數控系統主要由微型計算機、外圍I/O設備和機床I/O控制部分組成。 （1）微型計算機 微型計算機又簡稱微機，它是數控系統的中樞，整個系統是在微機的指揮下協調工作。微機主要由微處理器（也稱CPU），內部存儲器（RAM及ROM）和I/O接口電路組成，相互之間由數據總線、地址總線和控制總線連接。 微機是在系統軟件控制下工作，系統軟件存放在只讀存儲器（ROM）中，當控制系統接通電源或重新復位時，CPU就執(zhí)行存放在ROM的系統程序。隨機存儲器RAM主要用來存放工件加工程序、加工現場參數和提供系統的工作緩沖區(qū)。由于系統掉電后，RAM中的信息會丟失，所以應具有掉電保持電路和后備電池供電電路。 （2）I/O接口 I/O接口是指外圍設備與CPU之間的接口電路。一般情況下，外圍與存儲器之間不能直接通信，必須靠CPU對I/O接口的讀/寫控制，完成外圍設備與CPU之間的信息傳遞。 （3）機床I/O控制部分 機床I/O控制部分是微機與機床連接的關鍵部件。CNC系統的機床I/O控制具有下面幾個特點： 1）能夠可靠的傳送控制機床動作的信息并能輸入機床當前的狀態(tài)信息。 2）能夠進行相應的信息轉換，以滿足CNC系統的輸入與輸出要求。輸入時，必須將機床有關狀態(tài)信息轉換成計算機能夠識別的二進制數字量； 輸出時，應將數字量轉換成機床各種執(zhí)行元件所需的物理量。信息轉換主要包括以下幾種方式：數字量模擬量轉換（D/A）模擬量/數字量轉換(A/D)；數字量和開關量之間的轉換。 （3）具有較強的阻斷干擾信號進入計算機的能力，以提高系統的可靠性。為了防止強電干擾信號通過I/O控制回路進入計算機，最常見的方法是在接口處增加光電隔離電路。 4.1.2 數控系統的選用 u'nsp單片機是由凌陽公司推出的16位單片機，它的數據處理較強，集成度較高，而且有較大的存貯器空間，較快的處理速度，片內較多的RAM和FLASHROM存貯器，有D/A、A/D接口和支持DSP（數字信號處理）的指令，因此在這里不過多地擴展存貯器監(jiān)控程序和功能子程序的可擦除存貯器和調試程序用的隨機存貯器。數控系統也可以直接購買國內外較好的數控系統系列產品作為數控裝置。在這里我們是在u'nsp單片機的基礎之上設計的數控系統。 4.2 步進電機的控制 4.2.1 步進電機的工作原理 步進電機是將電能轉化為機械能的電磁元件。定子上安排了六個磁極，相對的兩個磁極上放置著同一相勵磁繞組，而轉子上沒有，只有四個凸極，a、b、c、d組成，當s1接通，s2,s3斷開，A相建立磁場，轉子力求以磁路最大來取向，轉子齒與定子A相磁極對齊，即轉子a、c齒的軸線與定子A相磁極軸線重合。當s1,s3斷開，s2接通，轉子b、d齒的軸線與定子B相磁極軸線重合。以此類推s1—s2—s3—s1循環(huán)接通，轉子以一定的步距角旋轉，改變輸入電流方向，實現反轉即s1—s3—s2—s1。 4.2.2 步進電機的控制 （1）、單電壓驅動電路 單電壓驅動電路的工作原理如圖4-1所示。 在圖4-1中，L為步進電機激磁繞組的電感，R1為繞組電阻并串接一電阻Rc，為了減少回路的時間常數L/(R1+Rc),電阻Rc并聯一電容C（可提高負載瞬間電流的上升率），從而提高電機的快速相應能力和啟動性能。續(xù)流二極管VD和阻容吸收回路RC是功率管VT的保護線路。 單電壓驅動電路是早期的功率驅動電路，它的優(yōu)點是線路簡單，缺點是電流上升不夠快，高頻時負載能力低。 （2）、高低壓驅動電路 高低壓驅動電路是恒電壓驅動的改進型，它的特點是供給步進電機撓組兩種電壓，以改善電機啟動時的電流前沿特性。一種是高電壓UH，由電機參數和晶體管特性決定，一般在80V至更高范圍；一種是低電壓，即步進電機撓組額定電壓UL，一般為幾伏至20V。 圖4-2為高低壓驅動電路的原理。在相序輸入信號到來時，IH，IL信號使VT1，VT2同時導通，給撓組加上高壓UH，以提高撓組中電流上升率；當電流達到規(guī)定值時，VT1關斷、VT2仍然導通（tH脈寬小于tL），則自動切換到低電壓UL該電路的優(yōu)點是在較寬的頻率范圍有較大的平均電流，能產生較大的頻率且穩(wěn)定的平均轉矩，其缺點是電流波形由凹陷，電路較復雜。 圖4-1高壓驅動電路原理圖 圖4-2斬波驅動電路原理圖 （3）斬波驅動電路 高低壓驅動電路的電流波形的波頂會出現凹型，造成高頻輸出轉矩的下降，為了使激磁撓組中的電流維持在額定值附近，需采取斬波電路（見圖4-2）。 斬波電路以環(huán)行分配器的輸出脈沖作為輸入信號，若為正脈沖，則VT1 和VT2導通，由于 UH 電壓較高，撓組回路又沒有串電阻，所以撓組中的電流迅速上升；當撓組中的電流上升到額定值以上某個數值時，采樣電阻Re 的電壓將達到某設定值，并經反饋、放大后送至 VT1 的基極，使VT1截止。接著撓組由UL低電壓供電，撓組中的電流立即下降，但剛降至額定值以下時，由于采樣電阻RE的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使VT1導通，電流又上升。如此反復進行，形成一個在額定值上下波動呈鋸齒狀的電流波形，近似恒流，所以斬波電路也稱斬波恒流驅動電路。鋸齒波的頻率可通過調整采樣電阻Re和整形電路的電位來調整。斬波電路具有快速響應好、功率小、電機共振小、轉矩恒定的突出優(yōu)點，但電路復雜，低頻時會使電機產生嚴重振蕩。 （4）高低壓斬波恒流驅動電路 W是步進電機的一相繞組，VD3是續(xù)流二極管。74LS373是8路三態(tài)輸出觸發(fā)器，一路輸出信號控制一相繞組，可控制兩臺三相步進電機或兩臺四相步進電機。Q輸出高電平，將使其所控制的相繞組通電。74L＄373的LE是鎖存允許端，高電平有效。下面來分析一下接口電路的工作過程。 設繞組初始無電流流過，Rf上的壓降為零，即Uf=0,因此光耦合器VL3的發(fā)光二極管熄滅，其中的光電二極管截止，使與非門D5的一個輸入端為高電平。這時，如果8031通過P0口輸出01H時，WR有效，并通過反向器作用于74LS373的LE端，使74LS373將單片機輸出的信號鎖存到輸出端，即1Q輸出高電平信號。這個步進信號一方面通過與非門D2使VL2的發(fā)光二極管發(fā)光，使其光電三極管導通，反相器D4輸出高電平，使功率晶體管V4和v5導通；另一方面信號作用于D5門，使D5輸出低電平，經反向器D6輸出高電平，和1Q一起作用于D1,D1輸出低電平，因此光耦合器VL1發(fā)光二極管發(fā)光，使其中的光電三極管導通。這樣D3輸出高電平，V1截止，使高壓功率晶體管V2和V3導通，高電壓Ug作用于電機繞組，使步進電機的一相通電。 圖4-3 步進電機驅動電路 隨著繞組電流的上升，Rf的壓降Uf增加，當Uf增加到一定程度時，使VL3的發(fā)光二極管發(fā)光，從而使其中的光電三極管導通。導通后，D5輸出高電平，反相器D6輸出低電平，但不是立即關閉門D1使高壓管V2，V3截止，而是要延時一段時間。這是因為Rd,Cd的存在。Rd,Cd組成了延時電路，其目的就是延時關閉V2,V3,這樣可避免由于繞組電流的波動而使V2,V3通斷次數太多，以至于造成太多的開關損耗。高壓晶體管V2,V3關斷后，便由低壓電源供給繞組供電。當繞組電流下降，Uf下降，VL3發(fā)光二極管熄滅，光電三極管截止，若這時1Q仍為高電平，則又使高壓晶體管V2,V3導通，高壓電源再次作用在繞組上，使繞組中電流上升。上升到設定值后，Uf V2,V3截止。V2,V3的反復通斷，實現了繞組電流的恒流斬波控制。1Q輸出低電平后，V2~V5皆截止,繞組電流經VD3-Ud-地-Ud-VD4-L回路泄放。 由上述過程可知，只要8051按照步進電機工作方式和工作頻率向接口輸出相應的信號，便可實現對步進電機的速度和轉向控制。 4．3鍵盤及顯示器接口 鍵盤和顯示器是數控系統常用的人機對話的外圍設備，鍵盤可以完成程序數據的輸入，顯示器顯示計算機運行時的狀態(tài)數據。LCD的應用非常廣泛，從電子表到計算機，從袖珍儀表到便攜式微型計算機以及一些文字處理機都應用了液晶顯示器。 4．3．1 鍵盤接口電路 鍵盤接口電路，用8279作為并行接口使用。8279的地址，數據線和凌陽單片機的接口直接連接，由片選信號控制實現分時信息傳遞，IO/M引腳直接經電阻R接高電平。8279中PA口的8根列線按一定時間間隔輪流輸出低電平。當掃描到某一列線上時，若無鍵按下，則行線都是高電平，若有一鍵按下時，交叉點上對應的行線變?yōu)榈碗娖?，此低電平信號被計算機捕獲后，根據此位置，計算機可判斷出此鍵值。完成一次鍵輸入掃描工作。 4．3．2 液晶顯示模塊的工作原理 液晶顯示模塊是一種被動式顯示模塊，由于它的功耗低，抗干擾能力強，因而在低功耗的單片機應用系統中大量使用。 LCD本身不發(fā)光，只調節(jié)光的亮度，它是根據液晶的扭曲/向列效應原理制成的。在結構上，液晶顯示面板包括了兩片相當精致的無鈉玻璃索材作為感光基板層，中間夾著一層液晶。 夾在兩片導電玻璃電極間的液晶經過一定處理后，它內部的分子呈90°的扭曲。當線性偏振光透過上偏振片到達液晶材料時，會發(fā)生90°旋轉，正好與下偏振片的偏振方向取得一致，從而穿過下偏振片到達發(fā)射板，并按原路返回，使顯示器呈透明狀態(tài)。當在玻璃電極上加上電壓后，在電場作用下，液晶分子的扭曲結構消失，其旋光作用也消失，偏振光便直接通過，被下偏振片吸收，不會到達反射板，使顯示器呈黑色。當去掉電場后液晶分子又恢復其扭曲結構。這樣，只要將液晶置于兩個偏振光之間，改變偏振光的相對位置（正交或平行）就可得到自底黑字或黑底向字的顯示形式。 1LCD的主要參數如下： 響應時間：毫秒級： 余輝：毫秒級： 閩值電壓：3~20V 功耗：5mW/㎝2~100mW/㎝2. 2LCD的驅動方式 LCD因其兩極問不允許施加恒定電流電壓，而使其驅動電路變得比較復雜。為了得到LCD亮、滅所需的兩倍幅值及零電壓，常給I,CD的背極通以固定的交變電壓，通過控制前極的電壓值的改變實現對LCD顯示的控制。液晶顯示器的驅動方式一般有兩種，即直接驅動（或稱靜態(tài)驅動）和時分隔（多極）驅動方式。 第5章 經濟技術分析 總體設計方案的優(yōu)化決策是指在所列出的產品的全部組合方案中，用特征指標逐一核對各方案，然后依據選定的優(yōu)化指標，采用多目標規(guī)劃的方法，優(yōu)化選取最佳的設計方案，由于數控機床產品設計的基本目標是高性能、低價格，特征指標和優(yōu)化指標的選取都充分考慮了技術性和經濟性兩方面要求，因此總體方案優(yōu)化決策的目的就是使產品具有最好的技術經濟性。 總體設計方案的優(yōu)化決策的核心是多目標規(guī)劃的求解，目前比較常用，其應用效果較好的求解方法是評價函數法。評價函數的基本思想是：首先將各優(yōu)化指標依一定關系進行組合，構造出一個單目標問題的目標函數，稱為評價函數；然后依據這個評價函數對各方案進行評價，最終確定出最優(yōu)方案。 5．1 產品結構改造的合理化 結構設計是設計工作中重要的內容，好的結構設計可以對技術經濟產生非常大的影響。本篇畢業(yè)設計論文對CM6132改造設計上充分的考慮了以下方面： （1） 功能的合理布置和布局。 （2） 采用了比較短的傳動鏈和比較簡單的結構。 （3） 科學的劃分了部件。 （4） 零件間力的平衡，力流的合理傳遞與閉鎖。 （5） 系統或零件本身的等強度設計。 （6） 變形協調原理的應用及其計算。 （7） 穩(wěn)定性原則的應用。 （8） 考慮與強度因素有關的結構改善措施。 （9） 考慮與熱因素有關的結構設計。 （10） 考慮與摩擦磨損因素有關的結構設計。 （11） 考慮與腐蝕因素有關的結構設計。 在考慮上面這些結構設計的基礎上既可以滿足設計需要又可以最大限度 5．2 提高技術經濟價值的方法 （1）進一步改善和簡化設計，減少零件數目，提高標準化、通用化程度； （2）采用廉價材料; (3)改善毛坯、零件加工、裝配等工藝性，合理選擇精度、公差和配合以及其它技術條件； （4）改善生產、經營管理制度。 5．3 產品成本核算 本篇改造的CM6132數控機床機身凈重450㎏，本機床的3/4為鑄鐵，1/4為普通鋼材。 表6—1部件價格表 名稱 單價/元 每臺所用量 每臺成本/元 小箱體 變頻調速機 步進電機 V帶 軸承 液晶顯示 單片機 螺栓組 滾珠絲杠螺母副 200 4500（元/噸） 1500（元/臺） 10 15 2000 3000 0．8 3000 2臺 1臺 2臺 2根 30個 1臺 1臺 100臺 2副 400 4500 3000 20 450 2000 3000 80 6000 綜述上表外購件總成本大約為P1=19045元 表6—2工時成本 序號 工種 工時費（元/時） 工時（時） 每臺成本（元） 1 2 3 4 車 銑 磨 鏜 20 30 50 80 10 3 2 1 200 90 100 80 由表6-2可得工時總費用大約為P2=470元 所有的電費和水費大約為P3=1000元，所以銷售和管理人員的工資和運輸費用大約為P4=P15％=953元。 一臺舊的機床的價格大約是P5=50000元。 綜上所述所有成本大約為 P=P1+P2+P3+P4+P5=19045+470+1000+953+50000=71468元； 故總的成本為P=P×(1+17％)-P2÷(1+17％)×17％=83549.27元。 改造后的CM6132車床每臺的價格大約為9萬元，利潤為 A=90000-83549.27=6450.73元。 5．4 產品年利潤 設企業(yè)的生產能力為每月生產5臺數控車床，則每月的利潤得 A=5×6450.73=32253.65元，根據公式P=A(P/A,i ,n),n=12、i=10％由《技術經濟性分析》查得(P/A,i ,n)=6450.73×6.814=43955.27元。 結 論 數控機床集計算機技術、電子技術、自動控制、傳感測量、機械制造、網絡通信技術于一體，是典型的機電一體化產品。它的發(fā)展和運用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時代，改變了制造業(yè)的生產方式、產業(yè)結構、管理方式，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大變化?，F代的CAD/CAM、FMS、CIMS等技術都是建立在數控技術之上。數控技術水平的高低已成為衡量一個國家制造業(yè)水平的核心標志，實現加工機床及生產過程的數控化，已經成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向。 畢業(yè)設計是對我們所學知識的一次檢驗。 這次畢業(yè)設計是我們在學習了三年的基礎課程、專業(yè)課程的基礎上，在指導老師的指導下和自身的實踐而完成的。 通過此次畢業(yè)設計，培養(yǎng)了自己獨立分析問題，解決問題的能力，培養(yǎng)了自己對一般課程的設計步驟，設計思想有了初步了解，同時鍛煉了設計、繪圖、查閱資料和書寫技術論文的能力。更主要的是我們所研究的課題項目，有一定的跨越，包括了計算機原理。電路設計及機械制造工藝三個方面的知識，使我們學到了更多的新知識。 還有，在這次畢業(yè)中，培養(yǎng)了我們一絲不茍、認認真真、腳踏實地的工作態(tài)度，培養(yǎng)了我們謙虛謹慎、吃苦耐勞、積極向上的工作作風。所以，此次設計使我受益匪淺。 致 謝 經過在校期間的這段畢業(yè)設計使我們學到了很多課上學不到的本領，通過此次的設計培養(yǎng)了我們獨立分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)了自己對一般課程的設計步驟，設計思想有了初步了解，同時鍛煉了設計、繪圖、查閱資料和書寫技術論文的能力。更主要的是我們所研究的課題項目，有一定的跨越，包括了計算機原理。電路設計及機械制造工藝三個方面的知識，使我們學到了更多的新知識。 在此感謝一直給與我們力量支持的老師們！感謝您們在百忙之中給與我們指導，使我們能夠順利地完成畢業(yè)設計，在人生的路途中多一份自信，不會辜負您們的眾望！ 參考文獻 1蔡春源.機械零件設計手冊〔M〕（上冊）.北京：冶金出版社.1996，45～104 2蔡春源.機械零件設計手冊〔M〕（下冊）.北京：冶金出版社.1996，506～702 3紀名鋼.機械設計〔M〕.北京:高等教育出版社.2001,100～374 4丁