C6163車床改造課程設(shè)計(jì)解讀

1、目錄一、緒論 . 31.1 選題目的及意義 31.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及總體方案的確定 3二、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì). 62.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 622 主軸脈沖發(fā)生器的安裝 62.3 進(jìn)給系統(tǒng)的改造 62.4 安裝防護(hù) 6三、進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 . 73.1 切削力的計(jì)算 7滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型C6163車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造第6頁(yè)共40頁(yè)3.3同步帶減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 13四、電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 174.1縱向直流電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 184.2同步帶傳動(dòng)功率的校核 22五、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 225. 1光電隔離電路 225.2單極性可逆 PWMfe路設(shè)計(jì) 23六、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 236.1

2、硬件電路設(shè)計(jì) 24七、數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 37總結(jié) 38致謝 39參考文獻(xiàn) 40一緒論1. 1選題目的及意義車床是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床， 當(dāng)工件隨主軸回轉(zhuǎn)時(shí)，通過到家的 縱向和橫向移動(dòng)，能夠加工內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋等，借助成型刀具， 還能加工各種成形回轉(zhuǎn)表面。臥式車床刀架的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，是由主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)掛輪傳遞而來(lái)， 通過進(jìn)給箱變速后，由光杠或絲杠帶動(dòng)溜板箱、床鞍以及中滑板產(chǎn)生移動(dòng)。進(jìn)給 參數(shù)依靠手工調(diào)整，改變參數(shù)時(shí)需要停車。刀架的縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給不能聯(lián)動(dòng)， 切削次序需要人工控制，致其效率低下并且無(wú)法加工復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件。對(duì)普通車床的數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系

3、統(tǒng)改成用微機(jī)控制的 并能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將手動(dòng)刀架換成能自動(dòng)換刀的電動(dòng)刀架。這樣， 利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。由于加工過程 中的切削參數(shù)、切削順序和刀具都可按程序自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和更換，再加上縱、橫向的聯(lián)動(dòng)進(jìn)給功能，所以，可以加工出普通車床加工不了的曲線、 曲面等復(fù)雜零 件。加工精度高，尺寸分散度小，易于裝配?？梢詫?shí)現(xiàn)多工序集中加工，提高了 相關(guān)加工精度，同時(shí)減少被加工零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。擁有自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ埽?簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)機(jī)床加工工藝中的工序， 機(jī)床利用率大幅度提高。由于采用自動(dòng)化加 工技術(shù)，可大大降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少?gòu)U品的產(chǎn)生，提高工作效率。1.

4、2設(shè)計(jì)任務(wù)與總體方案的確定將C6163普通車床（如圖1-1所示）改造成采用16位單片機(jī)半閉環(huán)控制的 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，要求該車床進(jìn)給兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)并且能夠?qū)崿F(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ) 并增配自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架和主軸脈沖發(fā)生器，能車削螺紋。圖1-1 普通車床C61631.2.1已知參數(shù)及設(shè)計(jì)參數(shù)最大加工直徑：630mm；床鞍上最大加工直徑：350mm ；最大加工長(zhǎng)度：1500mm ；縱向?qū)к夐L(zhǎng)度：2000mm ；主電動(dòng)機(jī)功率：11kW ；冷卻泵電機(jī)功率：0.12 kW ；主軸通孔直徑：105mm ；主軸轉(zhuǎn)速：14級(jí)12.51120r/min ；托板和刀架的總重力 G 1500N ；最大進(jìn)給速度Vjmax:縱向：0

5、.8m/min ,橫向：0.4 m/min ；最大刀架快移速度Vmax :縱向：6m/min ,橫向：4m/min ；脈沖當(dāng)量-；p：縱向：0.01 mm/脈沖，橫向：0.005 mm/脈沖；定位精度：縱向：0.01 mm, 橫向：0.005 mm;啟動(dòng)加速時(shí)間t。：縱向：200ms;橫向：100 ms ；電動(dòng)刀架轉(zhuǎn)位數(shù)：41. 2. 2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類 型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進(jìn)給傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。(1) 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式：該車床改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位， 兩坐標(biāo)直線/圓弧 插補(bǔ)的功能。所以數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制

6、型。(2) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型：按任務(wù)要求采用步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。這 樣改造后的車床屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，在保證一定加工精度的前提下，簡(jiǎn)化了結(jié) 構(gòu)，降低了成本。(3) 數(shù)控系統(tǒng)處理器的選擇：依據(jù)技術(shù)指標(biāo)中最大加工尺寸、最高控制速 度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用 MCS-51系列的8位單片機(jī)作為數(shù)控 系統(tǒng)的CPU MCS-51系列8位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高 等優(yōu)點(diǎn)。(4) 根據(jù)系統(tǒng)的要求，需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤與顯示電 路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū) 動(dòng)電源以及主軸電動(dòng)機(jī)的交流變頻器等。(5) 為了加工安全

7、還需安裝縱向和橫向限位開關(guān)。(6) 主軸電動(dòng)機(jī)的交流變頻器的選擇及主軸脈沖發(fā)生器的選擇。(7) 為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求中的速度和精度，縱向與橫向進(jìn)給傳動(dòng)應(yīng)選用摩擦 小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動(dòng)間隙、提高傳動(dòng)剛度，滾珠絲 杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)。(8) 為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了是傳動(dòng)系統(tǒng)的 負(fù)載慣量勁可能地減小，傳動(dòng)鏈中應(yīng)設(shè)有減速機(jī)構(gòu)。減速機(jī)構(gòu)選則同步帶，其綜 合了帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域已經(jīng)替代了齒輪傳動(dòng)和 鏈傳動(dòng)。二 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)2. 1主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造時(shí)，為了減少工作量，一般保留原有的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 和變速操縱機(jī)

8、構(gòu)。改造后使其主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離， 主電機(jī)的作用僅為帶動(dòng)主 軸旋轉(zhuǎn)，主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止由數(shù)控系統(tǒng)來(lái)控制。若要提高車床的自動(dòng)化程度，需要在加工中自動(dòng)變換轉(zhuǎn)速，可用2-4速的多 速電動(dòng)機(jī)代替原有的單速主電動(dòng)機(jī)；當(dāng)多速電動(dòng)機(jī)仍不滿足要求時(shí)，可用交流變 頻器來(lái)控制主軸電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速。采用交流變頻器實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)的無(wú)極變速，本設(shè)計(jì)選用F1000-G0110T3C型變頻器，該型號(hào)適配電機(jī)11KVy額定輸出電流為23A2. 2主軸脈沖發(fā)生器的安裝主軸脈沖發(fā)生器是為了加工螺紋而安裝的主軸檢測(cè)裝置，微機(jī)從主軸脈沖發(fā) 生器中取出與螺距相應(yīng)的脈沖數(shù)，使主軸旋轉(zhuǎn)角度與進(jìn)給量保持一定關(guān)系， 確保 螺距的準(zhǔn)確

9、性。主軸脈沖發(fā)生器的安裝通常有兩種： 一種是同軸安裝，另一種是 異軸安裝。一般經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造多采用同軸安裝。本設(shè)計(jì)選用1200線主軸脈沖發(fā)生器，采用同軸安裝方式并采用波紋管與主軸柔性連接，該連接方式在實(shí)現(xiàn)角位移傳遞的同時(shí)，能夠吸收車床的部分振動(dòng)，從而使脈沖發(fā)生器平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。2. 3進(jìn)給系統(tǒng)的改造拆除掛輪架所有齒輪并尋找主軸，安裝主軸脈沖發(fā)生器；拆除原機(jī)床進(jìn)給箱、 溜板箱、滑動(dòng)絲杠、光桿、操縱桿、齒條等；在縱溜板、橫溜板的下面絲杠螺母 座托架；在原進(jìn)給箱位置安裝縱向伺服電機(jī)與減速箱總成，在橫溜板后部安裝橫向伺服電機(jī)與減速箱總成；拆除四方刀架及上溜板總成，在橫溜板上方安裝電動(dòng) 刀架。2. 4安裝防護(hù)

10、普通車床的數(shù)控化改造中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的防護(hù)措施， 比如滾珠絲 杠副由于精度要求較高，工作時(shí)需防塵防灰，尤其不能讓金屬削進(jìn)入滾道，所以 縱向絲杠應(yīng)安裝防護(hù)罩。大托板與導(dǎo)軌接觸的兩端面要貼上橡膠片，防止雜質(zhì)進(jìn) 入滑動(dòng)導(dǎo)軌面損傷導(dǎo)軌。三 縱向進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型3. 1切削力的計(jì)算切削力是指在切屑過程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的講是在切削加工時(shí)，工件材料抵抗刀具切削時(shí)產(chǎn)生的阻力。車削外圓時(shí)的切削力如圖3-1所示。主切削力Fz與切削速度的方向一致，垂直 向下，是計(jì)算車床主軸電動(dòng)機(jī)切削功率的依據(jù)；進(jìn)給力 Fx與進(jìn)給方向平行且方向相反；背向力Fy與進(jìn)給方向相

11、垂直，對(duì)加工精度的影響較大C6163車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造第#頁(yè)共40頁(yè)C6163車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造第16頁(yè)共40頁(yè)設(shè)工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼,幾何參數(shù)為：主偏角 60(7 b=650MPa選用刀具材料為硬質(zhì)合金 YT15;刀具，前角10°，刃傾角-5 ° ,;切削用量為：背吃刀量ap=3mm 進(jìn)給量 f=0.6mm/r，切削速度為 105m/min。查表3-1，得:cfc=2795 Xfc=1.0yFc =0.75nfc=-0.15查表3-3，得主偏角的修正系數(shù) kkrFc =0.94 ;刀傾角、前角和刀尖圓弧半徑的 修正系數(shù)均為1.0.由經(jīng)驗(yàn)公式Fc 二 CFc

12、ap f yFcvcnFckFc得：Fc=2673.4Nc由 Fc : Ff : Fp=1：0.35:0.4，算得縱向進(jìn)給切削力 Ff =Fx=935.69N, Fp=Fy=1069.36N3.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)， 其螺旋傳動(dòng)是在絲杠和螺 母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿 螺紋滾道滾動(dòng)。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。 為了在滾 珠與滾道之間形成無(wú)間隙甚至有過盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長(zhǎng)工作壽命， 可設(shè)置潤(rùn)滑件和密封件。3. 2. 1精度的選擇滾珠絲杠副的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度，

13、在滾珠絲杠精度參數(shù)中， 其導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度最明顯。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300 mm行程變動(dòng)量V300應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/31/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。對(duì)于車床，選用滾珠絲杠的精度等級(jí) X軸為13級(jí)（1級(jí)精度最高），Z軸 為25級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求和改造的經(jīng)濟(jì)性，選擇 X軸精度等級(jí) 為3級(jí)，Z軸為4級(jí)。3. 2. 2絲杠導(dǎo)程的確定選擇導(dǎo)程跟所需要的運(yùn)動(dòng)速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在： 4、5、6、8、10、12、 20中選擇，規(guī)格較大，導(dǎo)程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿 足的情況下，一般選擇較小導(dǎo)程（利于提高控制精度），本設(shè)計(jì)中初選縱向絲杠 導(dǎo)程為

14、8mm，橫向絲杠導(dǎo)程為5mm。3. 2. 3最大工作載荷的計(jì)算最大工作載荷Fm是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所承受的最大軸向力，也叫進(jìn)給牽引力，其實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式如表3-1所示。表3-1Fm實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)導(dǎo)軌類型實(shí)驗(yàn)公式K矩形導(dǎo)軌Fm =KFx*(Fz +Fy +G)1.10.15燕尾導(dǎo)軌Fm=KFx+(Fz+2Fy+G)1.40.2綜合或三角導(dǎo)軌Fm=KFx+»(Fz+G)1.150.15-0.18表中K為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)；為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；G 為移動(dòng)部件總重量。查表3-1選擇綜合導(dǎo)軌，K取1.15，取0.16, G為1500N ;算得 Fm 二 KFx（Fz

15、G）=1.15 X 935.69+0.16 X（ 2673.4+1500）=1743.8（N）3. 2. 4最大動(dòng)載荷的計(jì)算載荷隨時(shí)間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動(dòng)載荷。比如起重機(jī)以等速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為靜載，起重 機(jī)以加速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為動(dòng)載。對(duì)于滾珠絲杠螺母副的最大動(dòng)載荷 Fq計(jì)算公式如下：Fq = 3 L fw fhFm式中：L 滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為106r，L=60 nT/106 （T為使用壽命，普通機(jī)床T取5000-10000h，數(shù)控機(jī)床T取15000h; n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）；fw 載荷系數(shù)，一般取1.21.5，本

16、設(shè)計(jì)取1.2 ;fh 硬度系數(shù)（HRC 58時(shí)取1.0;等于55時(shí)取1.11 ;等于52.5時(shí)取1.35 ;等于50時(shí)取1.56 ;等于45時(shí)取2.40）;Fm 滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。本設(shè)計(jì)中車床Z向承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度 Vjmax =0.8m/min, 初選絲杠基本導(dǎo)程Ph =8mm，則絲杠轉(zhuǎn)速n = 1000Vjmax / Ph =100r/min。取滾珠 絲杠使用壽命T =15000h，帶入L =60nT/106得L =90 （單位10許）;加工過程平 穩(wěn)或輕度沖擊，取載荷系數(shù)fw =1.2，硬度系數(shù)花=1，代入Fq = 3 L fw fhFm， 求得：Fq=

17、9377.6N。3. 2. 5滾珠絲杠螺母副的選型初選滾珠絲桿副時(shí)應(yīng)使其額定動(dòng)載荷 CrFq,當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速 狀態(tài)下（n <10r/mi n）長(zhǎng)時(shí)間承受工作載荷時(shí)，還應(yīng)使額定靜載荷Coa_（2-3）Fm。根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷 Fq =9377.6N,選擇江蘇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公 司生產(chǎn)的FL5008-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預(yù)緊，精度等級(jí) 為4級(jí)，其參數(shù)如表3-2所示。表3-2 FL5008-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)公稱直徑/ mm導(dǎo)程/ mm鋼球直徑/ mm絲杠外徑/ mm絲杠底徑/ mm額定載荷/ KN接觸剛度/ N -mdoPhDwd1d2CoaCa189

18、75084.76348.645.2466313. 2. 6滾珠絲杠副的支承方式滾珠絲杠副的支承主要用來(lái)約束絲杠的軸向竄動(dòng)， 為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合。 考慮到縱向絲杠長(zhǎng)度較大，本設(shè)計(jì)縱向絲杠 采用雙推一雙推支承方式，該方式臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。3. 2. 7傳動(dòng)效率的計(jì)算滾珠絲杠的傳動(dòng)效率 一般在0.80.9之間，其計(jì)算公式如下：式中：-tan Zfrl tan（兒-:）螺距升角，根據(jù)tanPh,可得 =2.91 ° ；3.14d0一摩擦角，一般取 =10，°算得：=94.57%3. 2. 8剛度的驗(yàn)算滾珠絲杠副工作時(shí)受軸向力和

19、轉(zhuǎn)矩的作用， 引起導(dǎo)程的變化，從而影響定位 精度和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形 “、絲杠與螺母 間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形 。因轉(zhuǎn)矩和絲杠-螺母滾道接觸對(duì)絲杠產(chǎn)生的導(dǎo)程變化很小，所以 ；-2、-: 3可以忽略不計(jì)，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為：- feSu “+”號(hào)代表拉伸，“-”代表壓縮）式中:Fm 絲杠的取大工作載何，單位為 N ；lu 滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為 mm;E 絲杠材料的彈性模量，鋼E =2.1 105MPa ；S 絲杠的橫截面面積，單位 mm2按絲杠螺紋的底徑d2確定。根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，F(xiàn)m為1743.8 N，lu取1990

20、mm，d?為45.24 mm，算得:1743.8X9902.1 105 0.25 3.14 45.242二 0.01029mm 二 10.29Ffk"EIKa2Fm查表3-3可知，；1 <365,所以剛度足夠表3-3 有效行程lu內(nèi)的目標(biāo)行程公差ep和行程變動(dòng)量Vup有效行程lu / mm精度等級(jí)12345大于至epVupepVupepVupepVupepVup一3156688121216162323400500871091513201927261600200018132518352548366551式中：fk 絲杠支承系數(shù)，雙推-雙推方式時(shí)，取4，其他方式如表3-4所示；K

21、滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取 2.54,垂直安裝時(shí)取最小值，本 設(shè)計(jì)取4;a 滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為mm，本設(shè)計(jì)中該值為1990mm；、兀d 2. 9壓桿穩(wěn)定性校核由于滾珠絲杠本身比較細(xì)長(zhǎng)又受軸向力的作用， 若軸向負(fù)載過大，則會(huì)產(chǎn)生 失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷 Fk應(yīng)該滿足:4I 按絲杠底徑d2確定的截面慣性矩（I ，單位為mm ）,本設(shè)64中將 d2 = 45.24mm代入算出 I =205513.36 mm4。由以上數(shù)據(jù)可以算出：4 沢 3.14 2.V 105 沢 205513.364Fk-10.75 104N4 19902臨界載荷Fk遠(yuǎn)大于工作載荷Fm (3233.76N)

22、，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。表3-4絲杠支承系數(shù)f k支承方式雙推-雙推雙推-簡(jiǎn)支單推-單推雙推-自由fk取值4210.253. 3同步帶減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)同步帶也叫同步齒形帶，它綜合了帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，主要用在驅(qū)動(dòng)帶輪與被動(dòng)帶輪之間要求有固定傳動(dòng)比的情況。同步帶是通過帶上 的凸齒與帶輪上的齒槽強(qiáng)制嚙合而工作，即當(dāng)主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能通過帶齒與帶輪 的依次嚙合將動(dòng)力傳給從動(dòng)輪，因此主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的線速度相同。 同步帶的張 緊力小，輪軸上的壓力輕，因此可以延長(zhǎng)軸承的使用壽命。同步帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊 湊，工作時(shí)不會(huì)打滑，線速度可達(dá)40m/s，可用于高速場(chǎng)合，傳動(dòng)比可達(dá)到10, 效率可達(dá)98%維護(hù)保養(yǎng)方便

23、，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，因此應(yīng)用日益廣泛。3. 3. 1傳動(dòng)比的確定初選電機(jī)型號(hào)為110BYG2602四相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩為 20N *M，步距角為0.75n1360n2Ph可得:Ph式中：“一電機(jī)編碼器分辨率，單位為度/脈沖；二2 絲杠分辨率，單位為度/脈沖；Ph 絲杠導(dǎo)程，其值為8mm；-p 脈沖當(dāng)量，本設(shè)計(jì)中Z軸為0.01 mm/脈沖。初選電機(jī)型號(hào)為130BYG2502查表4-5知：步距角為0.9 °。0.75 漢 8所以傳動(dòng)比i5 3360 7.01由縱向床鞍的最快移動(dòng)速度 vmax=3600m/min，可以算出主動(dòng)輪的 最高轉(zhuǎn)速：n廠（vmax/ z） : /360= （3600/

24、0.01） 0.75/36 750r/min3. 3. 2傳遞功率的估算由運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，對(duì)該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞功率的研究只要考慮三種工作狀態(tài)，他們分別是：最大負(fù)載且最大工進(jìn)速度、快速空載啟動(dòng)、最快空載移動(dòng)。由運(yùn)動(dòng)學(xué)可 知，最后一種狀態(tài)的傳遞功率一定小于快速空載啟動(dòng)（最后時(shí)刻）的瞬時(shí)傳遞功率，所以只需要比較前二者。預(yù)選步進(jìn)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為750 r /mi n時(shí)，對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率為f max = 750360600. 75H000從表6-4查得，當(dāng)脈沖頻率為 6000Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為10Nm 對(duì)應(yīng)的輸出功率為 Pout = nT 9550 = 750 10 9550 = 0.79kw據(jù)表3

25、-18取工作情況系數(shù) Ka=1.2，則由公式（3-14），求得帶的設(shè)計(jì)功率Pd =KaP =1.2 0.79 =0.948kW。3. 3. 3 選擇帶型和節(jié)距根據(jù)帶的設(shè)計(jì)功率Pd，查表3-6選擇同步帶，型號(hào)為H型,節(jié)距p =12.7mm。表3-6同步帶型號(hào)型號(hào)節(jié)距/ mm基準(zhǔn)帶寬傳遞功率范圍/ kW基準(zhǔn)帶寬/ mm說(shuō)明XL(特輕型)5.0800.004 0.5739.5GB/T11616-1989GB/T11362-1989L (輕型)9.5250.05 4.7625.4H (重型)12.7000.6 5576.23. 3. 4 確定帶輪齒數(shù)和節(jié)圓直徑H型小帶輪轉(zhuǎn)速在時(shí)的最少許用齒數(shù)為14，為

26、了提高傳動(dòng)精度，取小齒輪數(shù)，則小帶輪節(jié)圓直徑d,=四=60.64(mm)，根據(jù)傳動(dòng)比i =5 331算出大齒輪數(shù)z2 =25，則大帶輪節(jié)圓直徑did101.06(mm)。當(dāng)主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速nmaxi 60 Vmax =750(r/min)時(shí)，同步帶的線速度為:PhC6163車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造第#頁(yè)共40頁(yè)C6163車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造第21頁(yè)共40頁(yè)nd1 nmax3.14 疋 60.64 疋750 ,、vm/s=2.38(m/s)60 1000 60000遠(yuǎn)小于H型帶的極限速度40m/s，所以滿足要求。3. 3. 5中心距、節(jié)線長(zhǎng)度和帶齒數(shù)初選中心距 a =1.2(d, d2)

27、=177.線長(zhǎng)度 L = 2a(d1 - d2) (d2 一)2課程設(shè)計(jì)指4a導(dǎo)書表3-13，選取接近的標(biāo)準(zhǔn)齒數(shù)z= 4 8o= 612.3(mm)。根據(jù)，實(shí)際中心距 ar =a 復(fù) L =178 609.612.33. 3. 6校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù)m) o嚙合齒數(shù)Zm =entfp2z(zz1)，式中ent(x)為取整函數(shù)。一般情況22兀 ar下，應(yīng)該保證Zm -6。當(dāng)Zm不滿足要求時(shí)，可以增大3r或di不變時(shí)減小節(jié)距P。通過計(jì)算，得出 zm =ent15/2呼 15(25 -15) =7 6，2 匯江176.65滿足要求。3. 3. 7計(jì)算基準(zhǔn)額定功率基準(zhǔn)額定功率就是所選型號(hào)同步帶在基

28、準(zhǔn)寬度下所允許傳遞的額定功率，其計(jì)算公式如下：P0 =(Ta - mv2)v式中：P。一單位為W ；Ta 帶寬為基準(zhǔn)帶寬b時(shí)的許用工作拉力，單位N,如表3-8所示；m 帶寬為基準(zhǔn)帶寬b時(shí)的單位長(zhǎng)度質(zhì)量(線密度)，單位kg/m ；2(2100.85 -0.44 2.38 ) 2/381000v 同步帶線速度，上述3.3.4中已算出其值為2.38 m/s帶型號(hào)基準(zhǔn)帶寬b/ mm許用拉力/ N線密度/ kgXL9.550.170.022L25.4244.460.095H76.22100.850.448表3-8同步帶基準(zhǔn)寬度下的許用拉力和線密度經(jīng)計(jì)算,P。二kW =4.99kW3. 3. 8確定實(shí)際同

29、步帶寬度實(shí)際所需同步帶寬度br的計(jì)算公式如下:br -b(PdKzP。1/1.14式中：b 選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度，H型其值為 19.1 mm ;Kz 小帶輪嚙合系數(shù)，根據(jù)數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表3-22，當(dāng)Zm - 6 時(shí)，其值為1。經(jīng)計(jì)算得出：br -17. 6 2mm。根據(jù)數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表 3-11 ,選定最接近的帶寬br = 19.1 (mm)，若選擇雙邊擋圈，則最小寬度 br = 20.3mm, 擋圈厚度為2mm3. 3. 9同步帶工作能力的驗(yàn)算用下式來(lái)計(jì)算同步帶的額定功率：br2Pr =(KzKwTa -十 mv )vb式中：Kw 齒寬系數(shù)，其值為Kw =(br/b)1.14

30、=0.7225。Kz 小帶輪嚙合系數(shù)，取1;經(jīng)計(jì)算得出：Pr =3606.2W - Fd =948W,所以滿足要求。四電動(dòng)機(jī)的選擇及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來(lái) 一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。它具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能， 較高的效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性。隨著永磁材料和工藝的發(fā)展，已將直流電動(dòng)機(jī)的 勵(lì)磁部分用永磁材料代替，產(chǎn)生永磁直流電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用電量少， 所以目前在中小功率范圍內(nèi)運(yùn)用廣泛。近年來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn) 入控制領(lǐng)域以及新型電力電子功率元件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開關(guān)

31、功率元 件進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制(PWM控制方式已成為主流，并作為其數(shù)字控制的基礎(chǔ)。 如果直流電機(jī)要求工作在正反轉(zhuǎn)場(chǎng)合， 這時(shí)還需要使用可逆PWM控制方式，其又 分為單極性驅(qū)動(dòng)與雙極性驅(qū)動(dòng)兩種，一般大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用單極性驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)離不開半導(dǎo)體功率器件，在對(duì)直流電機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng) 中，對(duì)半導(dǎo)體功率器件的使用上又可以分為兩種方式： 線性放大驅(qū)動(dòng)和開關(guān)驅(qū)動(dòng)， 由于前者在工作時(shí)有大量功率消耗在元器件上，致使效率很低，因此絕大多數(shù)直流電機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，該方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。4. 1縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型4. 1. 1轉(zhuǎn)

32、動(dòng)慣量的折算折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：1G/q、J 二 J。 Jz1 2【Jz2 J3i0、2式中：J0 電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為 kq cm2，本設(shè)計(jì)初選電機(jī)值為215 kg cm ；Jz1、Jz2 同步帶帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為 kg cm2 ;Jz1 =7.8 10鼻 Dz14Lz1 = 2.14kg cm2Jz2 =7.8 10° Dz24Lz2 = 16.106kg cm2Dz1、Lz2分別為帶輪的外徑和寬度，單位為cm ;J3滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取值為 112.13 kg cm2 ;g、Ph 分別為重力加速度，取9.8 m/s2和導(dǎo)程Ph，其值換算為0.8 cm 計(jì)算

33、得出：J = 64.20kg cm24. 1. 2計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teqeq加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分為快速空載啟動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1）快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1由數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書式 4-8式可知Teq1包括三部分：快速空 載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 Tamax、移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)數(shù)控技術(shù)課 程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書式4-12式可知，T0相對(duì)于Tamax和Tf很小，可以忽略 不計(jì)。則有Teql = T

34、a maxTfC6163車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造第#頁(yè)共40頁(yè)C6163車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造第42頁(yè)共40頁(yè)根據(jù)式4-9，考慮縱向傳動(dòng)鏈的總效率=0.9，計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)2江 Jeqnm1機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：Tamax心-60tan其中nm 對(duì)應(yīng)縱向空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，為750r/minta 步進(jìn)電機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間，為0.2s其中:nmCt max360式中Vmax 縱向空載最快移動(dòng)速度，為3600mm/min:縱向步進(jìn)電機(jī)步距角，為 0.75縱向脈沖當(dāng)量，本設(shè)計(jì)中為 0.01mm脈沖V «帶入 n36=750r/min2兀

35、 Jeqnm1將上面數(shù)值帶入T；max3=2.301N m60ta口由式4-10可知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為式中一一導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌取1.6Fc垂直方向的負(fù)載，空載取0縱向傳動(dòng)鏈總效率，取0.9將上面數(shù)據(jù)帶入Tf二（Fc G）Pl =0.17N mi最后帶入 Teq1 = Tamax ' Tf =2 . 3 0 1 +0.17N m=2 . 4 7 N - m2） 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2由式4-13可知：T；q2包括三部分：折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt、移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf、滾珠絲杠預(yù)緊

36、后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 T0o T0相對(duì)于Tt和Tf很小，可忽略不計(jì)。則有:Teq2 = Tt Tf其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt由式丁Ff Rt2 i計(jì)算可得 t =0.662N m再由式4-10計(jì)算承受最大工作負(fù)載狀態(tài)下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：T 一氣巳G）Phf 2 i將數(shù)值帶入上式得Tf =0.473N m最后由式Teq2二Tt Tf，求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：Teq2=0.662+0.473=1.135N m經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩：Teq=maxTeq1，T°q2 =

37、2.47N m3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù) Teq來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿 eq足：Tj max - 4 Teq = 4 2.47 - 9.88 N m對(duì)于前面預(yù)選的110BYG2602型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由表4-5可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩Timax=20N- m可見完全滿足上式的要求。j max4) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定縱向最快工進(jìn)速度 vmaxf =800mm/min脈沖當(dāng)量：=0.01mm脈沖，由式4-16求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率fmaxf =

38、800/(60 0.01)Hz = 1333Hz從表4-7可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 Tmaxf =14.6N m，遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq=2.47N m，滿足要求。eq 最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定縱向最快空載移動(dòng)速度 vmax=3600mm/min，仿照式4-16求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率fmax 二 3600/ (60 0.01) Hz 二 6000Hz從表4-7可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 Tmax =10 N m,大于 max快速空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=2.47N m滿足要求。 最快空載移動(dòng)時(shí)電機(jī)運(yùn)行頻率校核最快空載移動(dòng)速度vmax=36

39、00mm/min，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率 fmax=6000Hz)查表4-5可知110BYG2602勺極限運(yùn)行頻率為20000Hz,可見沒有超出極限。 啟動(dòng)頻率的計(jì)算已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J =64.20kg cm2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm = 15kg cm2，查表4-5可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)最高空載啟動(dòng)頻率fq=1800Hz,則由式4-17可以求出步進(jìn)電機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率為:L783Hz1 J/Jm上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電機(jī)起步時(shí)不失步，任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率都必須小于783Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，啟動(dòng)頻率選的很低，通常只有100Hz=綜上所述，本例中縱向進(jìn)給系

40、統(tǒng)選用 110BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足設(shè)計(jì)要 求。4. 2同步帶傳遞功率的校核分兩種工作情況，分別進(jìn)行校核。(1) 快速空載啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)從靜止到加速至nm =750r/min ,，同步帶傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=2.47N m,傳遞的功率為P 二 nmTeq1 / 9.55 二 750 2.47 / 9.55 二 194W(2) 最大工作負(fù)載、最快工進(jìn)速度帶需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2=1.135N m任務(wù)書給定的最快工進(jìn)速度vmaxf二800mm/ min，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nmax f = (Vmax f / )a / 360 二 160r/min，傳遞的功率為 P = nmax

41、fTeq2 / 9.55 二 19.02W可見，兩種情況下同步帶傳遞的負(fù)載功率均小于帶的額定功率668.73W。因此選擇的同步帶功率合格。5電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)5. 1光電隔離電路光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下，以光為煤介傳送信號(hào)，對(duì)輸入和 輸出電路可以進(jìn)行隔離.因而具有良好的電絕緣能力并能夠有效地抑制系統(tǒng)噪 聲，消除接地回路的干擾，具有響應(yīng)速度較快、壽命長(zhǎng)、體積小耐沖擊等特點(diǎn)。 光電隔離在強(qiáng)-弱電接口、特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。 光電耦合器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。非線性光耦的電 流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關(guān)信號(hào)（數(shù)字信號(hào)）的傳輸

42、，不 適合于傳輸模擬量；線性光耦的電流傳輸手特性曲線接進(jìn)直線， 并且小信號(hào)時(shí)性 能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制。5. 2單極性可逆PWMfe路設(shè)計(jì)可逆PWNfe路分雙極性和單極性兩種，前者有低速運(yùn)行平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在 著電流波動(dòng)大，功率損耗大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來(lái)避免開關(guān)直通的危險(xiǎn)， 限制了開關(guān)頻率的提高，因此只用于中小功率直流電機(jī)的控制。 由于本設(shè)計(jì)選用 的直流電機(jī)功率較大，尤其是在啟動(dòng)加速時(shí)刻，故選擇后者。單極性驅(qū)動(dòng)又分T型和H型，以H型應(yīng)用最多。一般對(duì)中大功率的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以用相應(yīng)的 MOS管和續(xù)流二級(jí)管（肖特基管）搭建 H橋驅(qū)動(dòng)電路。使用MOS管，其開關(guān)速度 快，同時(shí)又是

43、電壓驅(qū)動(dòng)型，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單而且導(dǎo)通后內(nèi)阻小，通過電流大，這樣 加在電機(jī)的電壓就接近電源電壓， 使電機(jī)能正常工作。使用續(xù)流二級(jí)管，用來(lái)保 護(hù)元器件不被感應(yīng)電壓擊穿或燒壞，以及提供電機(jī)制動(dòng)回路。6 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，其設(shè)計(jì)也是普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的核 心工程，對(duì)機(jī)床而言，數(shù)控系統(tǒng)通過對(duì)輸入的加工程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算后， 輸出控制信號(hào)，控制主軸、進(jìn)給軸和其他輔助裝置正確、及時(shí)和可靠地執(zhí)行加工 程序所規(guī)定的任務(wù)，同時(shí)接受從機(jī)床反饋來(lái)的各種信息，對(duì)機(jī)床控制進(jìn)行調(diào)整。 任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成， 在處理信息方面，軟件和硬件對(duì) 要完成的任務(wù)是等價(jià)的，硬件處理速度快，

44、線路復(fù)雜，軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)， 但速度較慢。隨著高性能微處理器的誕生，現(xiàn)代數(shù)控已越來(lái)越傾向于軟件控制。數(shù)控系統(tǒng)最核心的控制是位置控制， 最重要的運(yùn)算是插補(bǔ)運(yùn)算，最主要的數(shù) 據(jù)處理是刀具補(bǔ)償。位置控制的實(shí)質(zhì)就是位置負(fù)反饋，即指令位置和實(shí)際位置進(jìn) 行比較，用位置偏差進(jìn)行控制；插補(bǔ)運(yùn)算就是根據(jù)加工程序所確定的坐標(biāo)點(diǎn)， 通 過一定的運(yùn)算法則實(shí)時(shí)獲得位置指令；刀具補(bǔ)償就是要解決編程軌跡和刀具中心 不相符的矛盾。6. 1硬件電路設(shè)計(jì)6. 1. 1數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)其使用微機(jī)結(jié)構(gòu)的劃分，一般可分為單微處理器和多微處理器 結(jié)構(gòu)兩大類。單微處理器數(shù)控系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 價(jià)格便宜，在一些標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控

45、 系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。多微處理器數(shù)控系統(tǒng)可以滿足當(dāng)今數(shù)控機(jī)床高速度、高精度和 許多復(fù)雜功能的要求，代表當(dāng)今數(shù)控發(fā)展的水平。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，本設(shè)計(jì)將 采用較經(jīng)濟(jì)的單微處理器數(shù)控結(jié)構(gòu)， 對(duì)于一般切削加工而言，其速度和精度已能 滿足實(shí)際要求。數(shù)控機(jī)床單微處理器硬件結(jié)構(gòu)電路概括起來(lái)有以下幾個(gè)部分組成：(1) 中央處理單元CPU(2) 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；(3) 存儲(chǔ)器，包括只讀可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器；(4) 輸入輸出接口電路；(5) 外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電編碼器等。6. 1. 2數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：(1) 讀取鍵盤輸入數(shù)據(jù)；(

46、2) 讀取操作面板開關(guān)及按鈕信號(hào)；(3) 讀取螺紋/光電編碼器信號(hào)；(4) 讀取電動(dòng)刀架刀位信號(hào)；(5) 接受車床行程開關(guān)信號(hào)；(6) 控制LED顯示；(7) 控制電動(dòng)刀架自動(dòng)選刀；(8) 控制縱向、橫向電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；(9) 控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止；(10) 控制交流變頻器；(11) 控制冷卻泵啟停；(12) 可與PC進(jìn)行串行通信。綜合上述所要實(shí)現(xiàn)的功能，選用intel8031作為主控芯片，接晶振電路、復(fù) 位電路，由于8031無(wú)內(nèi)部存儲(chǔ)器，選用2764作為程序存儲(chǔ)器，選6264作 為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8031P0 口 8位地址數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用，因此得選 74LS373鎖存 器,另外考慮到8031IO 口

47、較少，用8155擴(kuò)展10 口，之后分別接刀架電機(jī)、 縱橫向電機(jī)、6位數(shù)碼管、報(bào)警顯示等外圍電路。由于由 8031控制的芯片 較多，選74LS138譯碼器做片選，保證8031能夠準(zhǔn)確尋址并發(fā)送、接受控 制指令。74IS06六高壓輸出反相緩沖器-驅(qū)動(dòng)器用來(lái)提高電路的驅(qū)動(dòng)能力。6. 1. 3主控芯片及相關(guān)芯片的簡(jiǎn)介1、8031單片機(jī)8031是最常見的mcs51系列單片機(jī)，是inter公司早期的成熟的單片機(jī)產(chǎn) 品，應(yīng)用范圍涉及到各行各業(yè)，下面介紹一下它的引腳圖等資料。fl n嚴(yán)vac嚴(yán)1丄PO.D尼FJ.3ru.eFJ.+FD.3P1.5PO.4PO,5P1.FPO.£Rsr 8031PO.

48、7F*3XT"wxnrFNhP2J5P2r4P£pesxrAi_i尸亡VS5F£jD<8031管腳圖>8031引腳功能（1）主電源引腳Vss和Vcc Vss接地 Vcc正常操作時(shí)為+5伏電源（2）外接晶振引腳XTAL1和XTAL2 XTAL1內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個(gè)引腳。當(dāng)采用 外部振蕩器時(shí)，此引腳接地。 XTAL2內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸出端。是外接晶體的另一端。當(dāng)采用外 部振蕩器時(shí)，此引腳接外部振蕩源。（3）控制或與其它電源復(fù)用引腳 RST/VPD，ALE/，和/Vpp RST/VPD當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器

49、周期的高電平（由低到高跳變），將使單片機(jī)復(fù)位在Vcc掉電期間，此引腳可接上備用電源，由 VPD向內(nèi)部提供備用電源，以保 持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)。 ALE/正常操作時(shí)為ALE功能（允許地址鎖存）提供把地址的低字節(jié)鎖存到外部鎖存器，ALE引腳以不變的頻率（振蕩器頻率的）周期性地發(fā)出正脈沖信號(hào)。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。但要注意，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE脈沖，ALE端可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 八個(gè)LSTTL電路。 對(duì)于EPROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳接收 編程脈沖（功能） 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，在從外部程序存儲(chǔ)取指令（或數(shù)據(jù)）期間，在

50、每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)兩次有效。同樣可以驅(qū)動(dòng)八LSTTL輸入。 /Vpp、/Vpp為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和外部程序存儲(chǔ)器選擇端。當(dāng)/Vpp為高電平時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，當(dāng) /Vpp為低電平時(shí)，則訪問外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于EPROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳上加 21伏EPROM編程 電源（Vpp）。 8031引腳功能：Vcc:+5V電源電壓。Vss:電路接地端。P0.0P0.7通道0,它是8位漏極開路的雙向I/O通道，當(dāng)擴(kuò)展外部存貯器時(shí)， 這也是低八位地址和數(shù)據(jù)總線，在編程校驗(yàn)期間，它輸入和輸出字節(jié)代碼，通道 0吸收/發(fā)出二個(gè)TTL負(fù)載。P1.0P1.7:通道1是8位擬雙向I/O通道，在編程和校

51、驗(yàn)時(shí)，它發(fā)出低 8位 地址。通道1吸收/發(fā)出一個(gè)TTL負(fù)載。P2.0P2.7通道2是8位擬雙向I/O通道，當(dāng)訪問外部存貯器時(shí)，用作高 8 位地址總線。通道2能吸收/發(fā)出一個(gè)TTL負(fù)載。P3.0P3.7通道3準(zhǔn)雙向I/O通道。通道3能吸收/發(fā)出一個(gè)TTL負(fù)載，P3 通道的每一根線還有另一種功能：P3.0:RXD，串行輸入口。P3.1:TXD，串行輸出口。P32INT0，外部中斷0輸入口。P3.3:INT1，外部中斷1輸入口。P34T0,定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0外部事件脈沖輸入端。P3.5:T1，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1外部事件脈沖輸入端P1.0- 140-VCCP1.1- 239-P0.0/AD0P1.2- 3

52、38-P0.1/AD1P1.3- 437-P0.2/AD2P1.4- 536-P0.3/AD3P1.5- 635-P0.4/AD4RTS P1.6- 734 -P0.5/AD5CTS P1.7- 8RST/Vpp- 9I/O RXD/P3.0- 1033 -P0.6/AD632 -P0.7/AD731 -EA/VPPDATA TXD/P3.1- 1130 -ALE/PLOGINT0/P3.2- 12INT1/P3.3- 13T0/P3.4- 14SCLK T1/P3.5- 15WR/P3.6- 16RD/P3.7- 17XTAL1- 18XTAL2- 19VSS 2029 -PSEN28 -P

53、2.7/A1527 -P2.6/A1426 -P2.5/A1325 -P2.4/A1224 -P2.3/A1123 -P2.2/A1022 -P2.1/A921 -P2.0/A8P3.6:WR，外部數(shù)據(jù)存貯器寫脈沖。P3.7:RD,外部數(shù)據(jù)存貯器讀脈沖。RST/VpD:引腳9,復(fù)位輸入信號(hào)，振蕩器工作時(shí)，該引腳上 2個(gè)機(jī)器周期的 高電平可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，在掉電情況下（Vcc降到操作允許限度以下），后備 電源加到此引腳，將只給片內(nèi) RAM供電。ALE/PROG:引腳30,地址鎖存有效信號(hào)，其主要作用是提供一個(gè)適當(dāng)?shù)亩〞r(shí) 信號(hào)，在它的下降沿用于外部程序存儲(chǔ)器或外部數(shù)據(jù)存貯器的低8位地址鎖存，使總線

54、P0輸出/輸入口分時(shí)用作地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總線，此信號(hào)每個(gè)機(jī)器 出現(xiàn)2次,只是在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間才不輸出ALE。所以，在任何不使用外部數(shù)據(jù)存貯器的系統(tǒng)中，ALE以1/6振蕩頻率的固定速率 輸出，因而它能用 作外部時(shí)鐘或定時(shí)，8751內(nèi)的EPROM編程時(shí)，此端輸編程脈沖信號(hào)。PSEN:引腳29,程序選通有效信號(hào)，當(dāng)從外部程序存貯器讀取指令時(shí)產(chǎn)生，低電 平時(shí)，指令寄存器的內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)總線上。EA/VPP:引腳31，當(dāng)保持TTL高電平時(shí)，如果指令計(jì)數(shù)器小于 4096, 8051 執(zhí)行內(nèi)部ROM的指令，8751執(zhí)行內(nèi)部EPROM的指令，當(dāng)使TTL為低電平時(shí)， 從外部程序存貯器取出所有指令，在 8751內(nèi)的EPROM編程時(shí)，此端為21V編 程電源輸入端。XTAL1:引腳