丝杆同步轮设计

进给传动部件的计算和选型主要包括:确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、计算减速器、选择步进电机等。

1、脉冲当量的确定

根据设计任务的要求，X方向的脉冲当量为δx=0.005mm/脉冲，Z方向为δz=0.01mm/脉冲。

2、切削力的计算

切削力的分析和计算过程如下：

设工件材料为碳素结构钢，σb=650Mpa；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角κr=60°，前角γo=10°，刃倾角λs=-5°；切削用量为：背吃刀量ap=3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度vc=105m/min。

查表得：CFc=2795，xFc=1.0，yFc=0.75，nFc=-0.15。

查表得：主偏角κr的修正系数kκrFc=0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数均为1.0。

由经验公式（3—2）,算得主切削力Fc=2673.4N。由经验公式Fc：Ff：Fp=1：0.35：0.4，算得进给切削力Ff=935.69N，背向力Fp=1069.36N。

3、滚珠丝杠螺母副的计算和选型

（1）工作载荷Fm的计算

已知移动部件总重G=1300N；车削力Fc=2673.4N，Fp=1069.36N，Ff=935.69N。根据Fz=Fc，Fy=Fp，Fx=Ff的对应关系，可得：Fz=2673.4N，Fy=1069.36N，Fx=935.69N。

选用矩形—三角形组合滑动导轨，查表，取K=1.15，μ=0.16，代入Fm=KFx+μ（Fz+G），得工作载荷Fm=1712N。

（2）最大动载荷FQ的计算

设本车床Z向在最大切削力条件下最快的进给速度v=0.8m/min，初选丝杠基本导程Ph=6mm，则此时丝杠转速n=1000v/Ph=133r/min。

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠系数L0=119.7×106r。

查表，取载荷系数fW=1.15，再取硬度系数fH=1，代入式（3—23），求得最大动载荷FQ=0fWfHFm=9703N。

（3）初选型号

根据计算出的最大动载荷，查表，选择FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为40mm，基本导程为6mm，双螺母滚珠总圈数为3×2圈=6圈，精度等级取四级，额定动载荷为13200N，满足要求。

（4）传动效率η的计算

将公称直径d0=40mm，基本导程Ph=6mm，代入λ=arctan［Ph/(πd0)］，得丝杠螺旋升角λ=2°44′。将摩擦角φ=10′，代入η=tanλ/tan（λ+φ），得传动效率η=94.2％。

（5）刚度的验算

1）滚珠丝杠副的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式，固定端采取一对推力角接触球轴承，面对面组配。丝杠加上两端接杆后，左右支承的中心距离约为a=1467mm；刚的弹性模量E=2.1×105MPa；查表，得滚珠直径Dw=3.9688mm，算得丝杠底径d2=公称直径d0—滚珠直径Dw=36.0312mm，则丝杠截面积S=πd22/4=1019.mm2。

2）根据公式Z=（πd0/Dw）-3,求得单圈滚珠数目Z＝29；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为3×2＝6，则滚珠总数量Ｚ∑=29×6=174。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ＝Fm/3≈571N。则由式（3—27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2≈0.00117mm。

因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取δ2＝0.000585mm。

3）将以上算出的δ1和δ2代入δ总＝δ1+δ2，求得丝杠总变形量δ总＝0.012555mm＝12.555μm。

查表，4级精度滚珠丝杠任意300mm轴向行程内的变动量允许16μm，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杠，总的变形量δ总只有12.555mm，可见丝杠强度足够。

4）压杆稳定性校核

根据式（3—28）计算失稳时的临界载荷Fk。查表，取支承系数fk＝2；由丝杠底径d2＝36.0312mm，求得截面惯性径I＝πd24/≈82734.15mm4；压杆稳定安全系数K取3；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值1497mm。代入式（3－28），得临界载荷Fk≈51012N，远大于工作载荷Fm（1712N）,故丝杠不会失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。

4、同步带减速箱的设计

为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能的减小，传动量中长使用减速传动。

设计同步减速箱需要的原始数据有：带传递的功率P，主动轮转速n1和传动比i，传动系统的位置和工作条件等。

（1）传动比i的确定

已知电动机的步距角α＝0.72°，脉冲当量δz＝0.01mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph＝6mm。根据式（3—12）算得传动比i＝1.2。

（2）主动轮最高转速n1

由纵向床鞍的最快移动速度vzmax＝6000mm/min，可以算出主动轮最高转速n1＝（vzmax/δz）×α/360=1200r/min。

（3）确定带的设计功率Pd

预选的步进电动机在转速为1200r/min时，对应的步进脉冲频率为fmax＝1200×360/（60×α）＝10000Hz。

（4）选择带型和节距pb

根据的带的设计功率Pd=0.574kW和主动轮最高转速n1＝1200r/min，选择同步带型号为L型节距pb＝9.525mm。

（5）确定小带轮齿数z1和小带轮节圆直径d1

取z1＝15，则小带轮节圆直径d1＝pb z1/π＝45.85mm。当n1达到最高转速1200r/min时同步带的速度为v＝πd1 n1/（60×1000）＝2.86m/s，没有超过L型带的极限速度35m/s。

（6）确定大带轮齿数z2和大带轮节圆直径d2

大带轮齿数z2＝i pb＝18，节圆直径d2＝id1＝54.57mm。

（7）初选中心距a0、带的节线长度L0p、带的齿数zb

初选中心距a0＝1.1（d1+d2）＝110.06mm，圆整后取a0＝110mm。则带的节线长度L0p≈2 a0+π/2（d1+d2）+(d2-d1)2/4 a0＝377.33mm。查表，选取接近的标准节线长度L0p＝381mm，相应齿数zb=40。

（8）计算实际中心距a

实际中心距a≈a0+（Lp-L0p）/2＝111.835mm。

（9）校验带与小带轮的啮合齿数zm

zm＝ent［z1/2—pb z1/2π2a（z2—z1）］＝7，啮合齿数比6大，满足要求。（ent表示取整）。

（10）计算基准额定功率P0

P0＝（Ta—mv2）v/1000

其中，Ta——带宽为bs0时的许用工作拉力。

m——带宽为bs0时的单位长度的质量。

v——同步带的带速。

算得P0＝0.697kW。

（11）确定实际所需同步带宽度bs

bs≥bs0（Pd/KzP0）1/1.14

其中，bs0——选定型号的基准宽度。

Kz——小带轮啮合齿数系数。由上式求得bs≥21.42mm，选定最接近的带宽bs＝25.4mm。

（12）带的工作能力计算

计算同步带额定功率P的精确值：

P＝（KzKwTa—bs/ bs0mv2）v×10-3

经计算得P＝0.697kW，而Pd＝0.574kW，满足P≥Pd。所以，带的工作能力合格。

5、步进电动机的计算和选型

（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq

Jeq＝Jm+Jz1+（Jz2+Jw+Js）/i2＝57.55kg.cm2

其中，Jm ＝33 kg.cm2

Jz1＝0.95 kg.cm2

Jz2＝1.99 kg.cm2

Jw＝1.21 kg.cm2

Js ＝30.78 kg.cm2

（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq

Teq1＝Tamax+Tf

Tamax＝2πJeq nm/60ta×1/η

其中，nm ——步进电动机的最高转速。

ta ——步进电动机由静止到nm 转速所需的时间。

又nm ＝vmaxα/360°δ

ta ＝0.4s，η＝0.7，

所以，Tamax ＝2π×57.55×10-4×1200/（60×0.4×0.7）N.m≈2.58 N.m

Tf＝μ（Fc+G）Ph/（2πηi）

其中，μ——导轨的摩擦系数，滑动导轨取0.16。

Fc——工作负载。

η——传动链总效率，取0.7。

所以，Tf＝0.16×（0+1300）×0.006/（2π×0.7×1.2）N.m≈0.24 N.m

所以，Teq1＝Tamax+ Tf＝2.82 N.m

Teq2= Tt+ Tf

Tt=FfPh/（2πηi）＝935.69×0.006/（2π×0.7×1.2）N.m≈1.06 N.m

Tf＝μ（Fc+G）Ph/（2πηi）＝0.16×（2673.4+1300）×0.006/（2π×0.7×1.2）N.m≈0.72 N.m

所以，Teq2= Tt+ Tf＝1.78 N.m

经过上述计算后，Teq＝max｛Teq1，Teq2｝＝2.82 N.m

（3）步进电动机最大静转矩的选定

步进电动机最大静转矩Tjmax≥4 Teq＝4×2.82 N.m＝11.28 N.m，可见对于预选的步进电动机完全满足工作要求。

（4）步进电动机的性能校核

1）最快工进速度时电动机输出转矩校核

最快工进速度vmaxf＝800mm/min，脉冲当量δ＝0.01mm/脉冲，可以求出fmaxf＝1333Hz，由此可知，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf≈17 N.m，满足工作要求。

2）最快空载移动时电动机输出转矩校核

最快空载移动速度vmax＝6000mm/min，可以求出fmax＝10000Hz，由此可知，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax≈3.8N.m，满足工作要求。

3）最快空载移动时电动机运行频率校核

最快空载移动速度vmax=6000mm/min，对应的电动机运行频率fmax=10000Hz。查表可知，运行频率没有超过上限。

4）起动频率的计算

已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=57.55kg.cm2，电动机转子自身的转动惯量Jm=33 kg.cm2，查表可知，最高空载起动频率fq=1800Hz。可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为：

fL=fq/（1+Jeq/Jm）1/2=1087Hz

由此可知，进给系统选用的步进电动机可以满足设计要求。

6、同步带传递功率的计算

分两种情况分别进行校核：

（1）快速空载起动

电动机从静止到nm=1200r/min，由式（6-5）可知，同步带传递的负载转矩Teq1=2.82N.m，传递的功率为P=nm Teq1/9.55=1200×2.82/9.55W≈354.3W。

（2）最大工作负载，最快工进速度

由式（6-7）可知，带需要传递的最大工作负载转矩Teq2=1.78N.m，任务书给定最快工进速度vmaxf=800mm/min，对应电动机转速nmaxf=（vmaxf/δz）α/360=160r/min。传递的功率为P=nmaxf Teq2/9.55=160×1.78/9.55W≈29.8W。

由计算可知:两种情况下，同步带传递的负载功率均小于带的额定功率0.697kW。因此，选择的同步带功率合格。

二、绘制进给传动机构的装配图

完成滚珠丝杠螺母副、减速箱和步进电动机的计算、选型后，就可以绘制进给传动机构的装配图了。但要注意以下问题：

（1）了解原车床的详细机构；

（2）根据载荷特点和支承方式，确定丝杠两端轴承的型号、轴承座的结构，以及轴承的预紧和调节方式；

（3）考虑各部件之间的定位、联接和调整方法；

（4）考虑密封、防护、润滑以及安全结构问题等；

（5）在进行各零部件设计时，应注意装配的工艺性，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便等；

（6）注意绘制装配图时的一些基本要求。

三、控制系统硬件电路设计

根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路主要考虑以下功能：

（1）接收键盘数据，控制LED显示;

（2）接收操作面板的开关与按钮信号；

（3）接收车床限位开关信号；

（4）接收螺纹编码器信号；

（5）接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号。

（6）控制步进电动机的驱动器；

（7）控制主轴的正转、反转与停止；

（8）控制多速电动机，实现主轴有级变速；

（9）控制交流变频器，实现主轴无级变速；

（10）控制切削液泵启动/停止；

（11）控制电动卡盘的夹紧与松开；

（12）控制电动刀架的自动选刀；

（13）与PC机的串行通信。

四、步进电动机驱动电源的选用

电动机为五相混合式，五线输出，电动机供电电压DC120︿310V，电流5A。

五、控制系统的部分软件设计

1、存储器与I/O芯片地址分配

2、控制系统的监控管理程序

系统设有7档功能可以相互切换，分别是编辑、空刀、自动、手动1、手动2、手动3、和回零，选中某一功能时，对应的指示灯点亮，进入相应的功能处理。控制系统的监控管理程序流程图如下所示：

3、8255芯片初始化子程序

B255:MOV  DPTR,#3FFFH

MOV  A,#10001001B

MOVX  @DPTR,A

MOV  DPTR,#3FFCH

MOV  A,#0FFH

MOVX  @DPTR,A

MOV  DPTR,#3FFDH

MOV   A,#0FFH

MOVX  @DPTR,A

RET

4、8279芯片初始化子程序

B279: MOV   DPTR,#5FFFH

MOV  A,#0CFH

MOVX  @DPTR,A

WAIT:MOVX  A,@DPTR

JB     ACC.7,WAIT

MOV  A,#08H

MOVX  @DPTR,A

MOV  A,#34H

MOVX  @DPTR,A

RET

5、8279控制LED显示子程序

设显示缓冲区的首地址为6BH，系统在指定的工作状态下，需要显示的字符段码的编码，事先存储在    CPU内部RAM的6BH～73H这九个字节中。已知8279的控制口地址为5FFFH,数据口地址为5FFEH,则显示程序如下：

DIR:MOV  DPTR,#5FFFH

MOV  A,#90H

MOVX  @ DPTR,A

MOV  R0,#6BH

MOV  R7,#09H

MOV  DPTR,#5FFEH

DIR0:MOV  A,@R0

ADD  A,#05H

MOVC  A,@A+PC

MOVX   @ DPTR,A

INC  R0

DJNZ  R7,DIR0

RET

DTAB:DB  6FH

DB  0DAH

DB  0BEH

DB  0E7H

DB  0A3H

DB  0CBH

DB  0D1H

DB  0D3H

DB  0DCH

DB  0CEH

DB  0DFH

DB  21H

DB  7BH

DB  91H

DB  19H

DB  4BH

DB  0DH

DB  05H

DB  69H

DB  01H

DB  09H

DB  20H

DB  7AH

DB  90H

DB  18H

DB  4AH

DB  0CH

DB  04H

DB  68H

DB  00H

DB  08H

……

当需要显示一组字符时，首先给显示缓冲区的6BH～73H这九个字节赋值，然后调用DIR子程序即可，程序如下:

MOV   6BH,#02H

MOV   6CH,#03H

MOV   6DH,#0AH

MOV   6EH,#0CH

MOV   6FH,#0DH

MOV   70H,#0EH

MOV   71H,#19H

MOV   72H,#10H

MOV   73H,#11H

CALL   DIR

6、8279管理键盘子程序

当矩阵键盘有键按下时，8279即向CPU的INT1申请中断，CPU随即执行中断服务程序，从8279的FIFO中读取键值，程序如下：

CLR  EX1

MOV  DPTR,#5FFFH

MOV  A,#01000000B

MOVX  @DPTR,A

MOV  DPTR,#5FFEH

MOVX  A,@DPTR

CJNE  A,#KEY0,NEXT0

JMP  _KEY0

NEXT0:CJNE  A,#KEY1,NEXT1

JMP  _KEY1

NEXT1:CJNE  A,#KEY2,NEXT2

JMP  _KEY2

NEXT2:……

7、D/A电路输出模拟电压程序

当CPU执行写指令时，只要选中7FFFH这个地址，DAC0832与741组成的D/A转换电路即可输出直流电压。程序如下：

MOV   DPTR,#7FFFH

MOV   A,#DATA

MOVX  @DPTR,A

8、主轴、卡盘与切削液泵的控制程序

主轴的正转由8255的PA0来控制，当用低电平信号来控制主轴正转时，程序如下：

MOV  DPTR,#3FFCH

MOVX  A,@DPTR

CLR  ACC.0

MOVX  @DPTR,A