C616型普通車床改造為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床解讀

1、一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)題目C616型普通車床改造為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。1.1設(shè)計(jì)要求由于是對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床改造，因而在考慮具體方案時(shí)，基本原則是在滿足使用要求的前提下，降低成本。根據(jù)C616車床有關(guān)資料，確定總體方案。采用控制器進(jìn)行控制，控制選擇電機(jī)的輸出經(jīng)齒輪減速后，帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn) 動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。圖1 C616車床1.2主要設(shè)計(jì)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo) 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)如下。 機(jī)械部分：工作臺(tái)重量： W=960N時(shí)間常數(shù)：T=30ms 滾珠絲桿基本導(dǎo)程：Lo=9mm行程：X=660mm Y=320mm 脈沖當(dāng)量：S p=5卩m/step步進(jìn)角：a=0.85 °/st

2、ep步進(jìn)電機(jī)通電方式：四相八拍快速進(jìn)給速度：Vmax=2m/mi n控制部分：采用單片機(jī)軌跡控制采用數(shù)字積分法（DDA步進(jìn)電機(jī)的控制二、總體方案設(shè)計(jì)2.1數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制方式的確定按照完成的加工制造任務(wù)，數(shù)控系統(tǒng)可分為點(diǎn)控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng) 和連續(xù)控制系統(tǒng)。于由要求 C616車床能加工復(fù)雜輪廓零件，所以數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該 設(shè)計(jì)成連續(xù)路徑控制型。2.2伺服進(jìn)給系統(tǒng)的選擇數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開(kāi)環(huán)、閉環(huán)之分。因?yàn)殚_(kāi)環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。所 以，本設(shè)計(jì)決定采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。圖2開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)2.3控制器的選擇由于C616普通數(shù)控機(jī)床

3、經(jīng)數(shù)控化改造后，實(shí)現(xiàn)控制性能的要求的控制算法不 是很復(fù)雜。所以以MCS-51系列的8位單片機(jī)作為控制器，外擴(kuò)存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器、I/O接口電路、鍵盤、顯示器等組成改造后機(jī)床的控制系統(tǒng)。2.4進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆去原有機(jī)床的溜板箱、光杠、絲杠以及安裝機(jī)座，選 用摩擦力小、傳動(dòng)效率和傳動(dòng)精度高的滾珠絲杠副， 且由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。橫向進(jìn) 給也是換以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠副。2.5主傳動(dòng)系統(tǒng)保留主傳動(dòng)系統(tǒng)，即保留原有的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)。但是主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止由計(jì)算機(jī)控制。為了使機(jī)床能夠加工螺紋，需要安裝能夠檢測(cè)主 軸位置的編碼器。編碼器既可以與主軸同軸安裝，即安裝在主軸的后端

4、，也可以 通過(guò)1:1的同步帶輪與主軸連接。三、機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 縱向進(jìn)給已知參數(shù)：工作臺(tái)重量：W=960N時(shí)間常數(shù)：T=30ms滾壞絲杠基本導(dǎo)程：Lo=9mm行程：S=640mm脈沖當(dāng)量：S p=5m / step =0.005mm/step步進(jìn)角：a =0.85 ° /step快速進(jìn)給速度:V max=2mm/min3.1.1切削力計(jì)算由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)和相關(guān)資料可知，切削功率N。二 N K式中N 電機(jī)功率，查機(jī)床說(shuō)明書，N=4K；n 主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般為 0.60.7取n =0.65 ；K進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為 K=0.96。則：N0 = 4 0.6

5、5 0.96 = 2.496kW又因?yàn)镹°七所以匚N。FZv式中v切削線速度，取 v=100m/min,即v=1.67m/s,有由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)中可知，在一般外圓車削時(shí):Fx = (0.1 0.6 ) FzFy=(0.15 0.7) F z取:Fx =0.5Fz =0.5 1495N =748N尸丫 =0.6Fz =0.6 1495N =897N主切削力»Nv2.964 1031.67=1495(N)3.1.2滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算進(jìn)給率引力(Fm )綜合導(dǎo)軌車床絲杠的軸向力：0 二 kFxf'(Fz W)式中 K=1.15 , f' =0.15 0.18，取為

6、 0.16。則Fm=1.15 748 0.16 (1495 960) = 1254N計(jì)算最大動(dòng)載荷負(fù)荷C滾珠絲杠導(dǎo)程初選L0=9mm ；取-、2m/min ； T按15000h計(jì)算；取 仏.2 , fh; L以106轉(zhuǎn)為一單位。士1000VS / .1000漢 2 / .cccc壽命值nr/minr / m in = 222.2L。960nT60 222.2大動(dòng)負(fù)荷為C = 3 L fw fh Fm = 3 200 1.2 1 1254 二 8800 N滾珠絲杠螺母的選型 根據(jù)滾珠絲杠的相關(guān)數(shù)據(jù)，可采用W.L3005外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲 杠副1列2.5圈，

7、其額定動(dòng)載荷為10700N,精度取3級(jí)，公稱直徑32mm所以 強(qiáng)度足夠用。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。*圖3滾珠絲杠螺母結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率計(jì)算x y傳動(dòng)效率按式-an計(jì)算，取 =3 39' 摩擦角取10',滾動(dòng)摩擦因數(shù)tan(YK)般為0.0030.004，則帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得tantan( )tan3 39'tan(3 39' 10')= 0.9535#剛度驗(yàn)算 絲杠的拉伸或壓縮變形量。滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程 L。的變化量按式L -： FmL°計(jì)算，式中Fm=1254N，Lg=9mm，E = 20.6104N/ cm2，EAd = 28.301mm取A為(

8、d/2)2二，帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得-Fm L0EA1254920.6 106 (28.031/2)2 3.14二-8.88 10mm#6滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量=L2很小，可以忽略#有效行程為L(zhǎng) = 660mm，所以_6605660-3丄 8.88 106.51 10 mm =6.51mLo9由于兩端采用推力球軸承，絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高四倍， 其實(shí)際變形量引起絲杠總的變形量1 =1.63m4滾珠與螺紋滾道間接觸變形：.2。查閱資料可知，W1L3005外循環(huán)螺紋，1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量為、：2=72血，因進(jìn)行了預(yù)緊，有、2'2=3.60m2支撐滾珠絲杠軸

9、承的軸向接觸變形、：3。采用51105型推力球軸承，滾動(dòng)體直徑1 f 2dQ =6.3mm，滾動(dòng)體數(shù)量Z=14,軸向力Fm =1254N，由公式= 0.00243m 2可.dQZ知，F(xiàn)m單位需換算成kgf,則Fm =128kgf，代入計(jì)算:、3 = 0.00243 Fm 2 = 0.00568mm =5.68lm3: dQZ2因施加預(yù)緊力，故、3'=2.84 52根據(jù)以上計(jì)算：、=打、2'、3' =163 3.60 2.84m =8.07m已知精度等級(jí)為3級(jí)。行程為660mm查表知，允許絲杠行程變動(dòng)量偏差為15 Jm，所以剛度足夠。穩(wěn)定性計(jì)算由于機(jī)床絲杠直徑為30mm現(xiàn)

10、選用的絲杠直徑為32mm支承的方式不變，為一 端固定、一端徑向支承，絲杠固定端安裝兩個(gè)8105型推力球軸承和一個(gè)305型球軸承（外徑要和原裝配孔一致），支撐端安裝一個(gè)3305型雙列角接觸球軸承， 所以穩(wěn)定性不存在問(wèn)題，故不再驗(yàn)算。通常還需適當(dāng)加大和機(jī)床結(jié)合部件的接觸面積，以提高螺母座的局部剛度和 接觸強(qiáng)度，新設(shè)計(jì)的機(jī)床在工藝條件允許時(shí)，常常把螺母座或支承座與機(jī)床本體 做成整體來(lái)增加剛度。3.1.3齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算步矩角 入=0.85 /step，導(dǎo)程 L0 =9mm，脈沖當(dāng)量、p =5：m/step= 0.005mm/step，齒輪傳動(dòng)比:ibL0蘭乞94.25360 p 360 0.005

11、可選定的齒數(shù)為50 452125-4.25z1 =21， z2 =50, z3 =25， z4 =45表3-1齒輪傳動(dòng)參數(shù)（單位：mm齒數(shù)z21502545模數(shù)m2齒寬b20分度圓d = mz421005090齒頂圓da =d +2m461045494齒根圓df =d -2>d.25m37955585中心距A =4d2/27170轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算Js =7.8 10 D4L=7.8 103.24 142.3kg *cm= 11.639kg *cm2齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J1 =7.8 10, 4.24 2kg cm2 = 0.485kg *cm2J2 =7.8 10，104 2kg *cm2 =

12、15.6kg *cm24422J3 = 7.8 10 一 5 2kg *cm = 0.975kg *cm4422J4 =7.8 109 2kg-cm = 10.235kg *cm工作臺(tái)質(zhì)量折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:卩09601X -0丿9.8 iJg=Ggv20.922kg *cm = 2.012kg cm 3.14電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可以忽略 因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:Zi 2Z3 2J"J1 ( -) J2 J3( 3) J3 Js Jg Z2Z42= 0.485 0.176 15.6 0.9750.30810.235 0.6489 2.012 kg *cm2=4.100kg *cm所

13、需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩：M起二MamaxI f最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩：M切二Mf *1。Mt快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：M快=Mf - a I式中 M amax空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；M f 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；M 0由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩;Mt切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；M 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。當(dāng) n = n max，Ma = M amax 時(shí)，有11#n maxvmaxlL02000 4.25二 944.4r/min#3 14X 944 4 oM amax= 4.1010N cm = 135.09N *cm30903當(dāng)

14、=0.8， f丨0.16時(shí)，有#Mff Fz G L。2二 i0.161254 9600.92 3.14 0.8 4.25N cm = 14.93N *cm121當(dāng)0 49時(shí)預(yù)加載荷卩卄3耳，則:13#2Fp0Lo (12 fx Lo(r|0 )2 - i ( - 0)_"iN cm = 1.99N cm2748 0.9 (1 -0.9 )6 3.14 0.8 4.25#軸向最大切削力為FX向切削力，有Ft L0748 29Mt 1 0N cm =31.53N 4cm2 兀"i2 漢 3.14 疋 0.8 漢 4.25所以，快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩為M起工MamaxIf 泊-

15、 135.09 14.93 1.99 N *c152.01N «cm最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩為M 切=M f 一 10 ： 11 = 14.93 1.99 31.53 N *cm = 48.45N *cm快速進(jìn)給時(shí)所需力矩為M 快=Mf II- 14.93 1.99 N cm = 16.92N * cm =16.85 N由以上分析計(jì)算可知：所需最大力矩Max發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)。3.2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算橫向進(jìn)給已知參數(shù)工作臺(tái)重量：W=960N時(shí)間常數(shù)：T=30ms滾壞絲杠基本導(dǎo)程：Lo=9mm行程：S=320mm脈沖當(dāng)量：S p=5 m/ step=0.005mm/step步進(jìn)角：a

16、=0.85 ° /step快速進(jìn)給速度:V max=2mm/min3.2.1切削力計(jì)算橫向進(jìn)給量為縱向的1/31/2，取1/2，則切削力約為縱向的1/2& = (1495/2)N=748N按經(jīng)驗(yàn)公式取:= 0.5 FZ = 0.5 748N 二 374NFy 二 0.6 Fz = 0.6 748N 二 449N3.2.2滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算進(jìn)給率引力(Fm )燕尾導(dǎo)軌取K=1.4, f'取0.2 , G=320N代入數(shù)據(jù)計(jì)算得Fm= 1.4 449 0.2 (748 2 374 320) = 1047.8N計(jì)算最大動(dòng)載荷負(fù)荷C滾珠絲杠導(dǎo)程初選L 9mm ；取、2m/m

17、in ； T按 15000h計(jì)算；取fw =1.2， fh = 1 ； L以10轉(zhuǎn)為一單位代入數(shù)據(jù)計(jì)算得1000vsL。r /min叫r/min= 222.2915#222f 15000 ： 200106106最大動(dòng)負(fù)載為C = 3fwfhFm = 3麗 1.2 1 1047.8 = 7359.4N滾珠絲杠螺母的選型 跟據(jù)滾珠絲杠的相關(guān)數(shù)據(jù)，可采用W.L2005外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副1列2.5圈，其額定動(dòng)載荷為8800N,精度取3級(jí), 公稱直徑20mm傳動(dòng)效率計(jì)算 傳動(dòng)效率按式計(jì)算，取=4 33'； '摩擦角取10'，滾動(dòng)摩擦因數(shù)般為0.0030.004，

18、則帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得tantan()tan4 33'tan(4 33 10')二 0.909剛度驗(yàn)算 絲杠的拉伸或壓縮變形量。滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程 L°的變化量按式計(jì)算，式中 Fm =1047.8N， L 9mm， E = 20.6 104N /cm2， EAd =17.619mm取A為(d/2)2二，帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得丄二FmLo6 1047.8921.88 10(mmEA20.6X0 x (17.619/2) ><3.14滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 AL?很小，可以忽略 有效行程為L(zhǎng) = 320mm，所以320320=.丄 1.88 10-65.4

19、14 10-3mm = 5.414 5Lo9由于采用推力球軸承，絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高四倍，其實(shí) 際變形量''1'1 = 1.35Lm4珠與螺紋滾道間接觸變形；2。查閱資料可知，W1L2005外循環(huán)螺紋，1列2.5圈 滾珠和螺紋滾道接觸變形量為2 =5.205，因進(jìn)行了預(yù)緊，有、.2'2.60 52支撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形、：3。采用51105型推力球軸承，滾動(dòng)體直徑2dQ = 5.56mm，滾動(dòng)體數(shù)量 Z=14,軸向力 Fm =1047.8N，由公式0.00243 -2；dQZ可知，F(xiàn)m單位需換算成kgf,則Fm =107kgf，代入計(jì)

20、算16#因施加預(yù)緊力，故根據(jù)以上計(jì)算：:.3'3=2.60m2#：、2'、3'=1.35 2.60 2.605 =6.55m已知精度等級(jí)為3級(jí)。行程為320mm查表知，允許絲杠行程變動(dòng)量偏差為12m , 所以剛度足夠。穩(wěn)定性計(jì)算由于機(jī)床改造后的滾珠絲杠直徑與原來(lái)的絲杠直徑相同，而支承方式由原來(lái)的一端固定、一端懸掛變?yōu)橐欢斯潭ǎ子?51104）、一端徑向支承（米用3304型雙 列角接觸球軸承），穩(wěn)定性增大，多以不再驗(yàn)算。3.2.3有關(guān)齒輪計(jì)算步矩角 厲=0.85 /step，導(dǎo)程 L0 =9mm，脈沖當(dāng)量、p = 5：m/step = 0.005mm/step,齒輪傳動(dòng)

21、比：.日 bL0i360 p0.85 9360 0.005-4.25可選定的齒數(shù)為i 二空卻二50 45 =4.25Z z321 25乙=21, z2 =50, z3 =25, z4 =45表3-2齒輪傳動(dòng)參數(shù)（單位：mr）齒數(shù)Z21502545模數(shù)m2齒寬b20分度圓d = mz421005090齒頂圓da =d +2m461045494齒根圓df =d -2>d.25m37955585中心距A =dd2/27170轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算Js=7.8 104D4L=7.8 10* 24 52kg cm2 = 0.6489kg cm2 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：-4422J1 =7.8 104.2 2kg

22、*cm 0.485kg *cm4422J2 =7.8 10一 10 2kg *cm = 15.6kg *cm4422J3 = 7.8 105 2kg «cm = 0.975kg «cm2 2J4 =7.8 109 2kg cm = 10.235kg cm工作臺(tái)質(zhì)量折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：2 2,GL。960 ( 0.9 2 “2JG =I =匯I kg cm = 2.012kg cmg i2兀丿9.8 丘匯3.14丿電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可以忽略。因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J J (3)2 J2 J3(32 J3 Js JG Z2Z42= 0.485 0.176 15.6 0.9

23、750.30810.235 0.6489 2.012 kg *cm2=4.100kg *cm所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩：M起=Mamax 口 f 口最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩：M切=M 10 M t快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：M快=Mf I，-式中 M amax空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；M f折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；M 0由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩;Mt切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；M 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。當(dāng) = nmax ，M a = M amax 時(shí)，有n maxvmaxlL02000 4.259= 944.4r/minMamax J 2

24、n10-4.103.14 944.4 10 N *c135.09N *cm60ta30 0.03當(dāng)=0.8， f 0.16 時(shí)，有Mf = F0L02 if Fz G Lo2- i0.16748 9600.92 3.14 0.8 4.25N -cm 二 11.52N cm當(dāng)時(shí)預(yù)加載荷Fp0才，則:斗。22- i6 二 i2374 0.9 (1 -0.9 )6 3.14 0.8 4.25N cm 二 0.998N *cm軸向最大切削力為FX向切削力，有FI374x0.9Mt 匕N cm =15.76N cm2- i 2 3.14 0.8 4.25所以，快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩為M 起=M amax

25、 f 135.09 11.52 0.998 N * cm = 147.61N * cm最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩為M 切二 Mf II0 二 11.52 0.998 15.76 N *cm =28.28N *cm快速進(jìn)給時(shí)所需力矩為M快二 Mf I - 11.52 0.998 N cm = 12.52N-cm由以上分析計(jì)算可知：所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)。3.3步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)的選擇的基本原則合理選用步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問(wèn)題，需要根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況，經(jīng)過(guò)分析后才能正確選擇。現(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則介紹如下： 步距角a 步距角應(yīng)滿足：-丄i式中 i 傳動(dòng)比a min系統(tǒng)

26、對(duì)步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件的最小轉(zhuǎn)角。精度步進(jìn)電機(jī)的精度可用步矩誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開(kāi)始，經(jīng)過(guò)任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值。用積累誤差衡量精度比較實(shí)用。所以選用不進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足 Q< i 9 s式中 Q 步進(jìn)電機(jī)的積累誤差； 9 s系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件允許的角度誤差。轉(zhuǎn)矩為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行（不失步、不越步），正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求,必須考慮：1）啟動(dòng)力矩一般啟動(dòng)力矩選取為：Mq -M L00.30.521#式中Mq電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩；ML0 電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載力矩。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)，啟動(dòng)力矩選取如下表所示。Mjm為步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，是步進(jìn)電

27、機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。表3-3步進(jìn)電機(jī)相數(shù)、拍數(shù)、啟動(dòng)力矩表運(yùn)行相數(shù)33445566方式拍數(shù)3648510612Mg /Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.8662）在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力力矩與電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。啟動(dòng)頻率由于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此相應(yīng) 負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足：ft > fcpm式中ft 極限啟動(dòng)頻率；fcpm要求步進(jìn)電機(jī)最高啟動(dòng)頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最咼工作頻率fmax1000 max60、p1000 260 0.0

28、05Hz = 6666.7Hz22#3.3.1縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定#23對(duì)于工作方式為四相八拍的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)M max 152.01M jm maxN *cm =175.53N cmJ 0.866 0.866根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)，以及為了便于設(shè)計(jì)和采購(gòu)選擇 70BF004型步進(jìn)電動(dòng)機(jī),具體性能參數(shù)如下表：型號(hào)相載eg-)電醫(yī) (v)電遭 WNm(Hl)走行頻率(HZ)Wdg瞥注70BF00151.5/3603,50592(4)40001600070BFD0315 3273.00.7R4(S)1600170BF00440.9 1.S273.00.7&4 2100綜合考慮能滿足使用要求。

29、3.3.2橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 對(duì)于工作方式為四相八拍的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)M jmmax0.866147.61N cm=170.45N *cm0.866根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)，以及為了便于設(shè)計(jì)和采購(gòu)選擇 70BF004型步進(jìn)電動(dòng)機(jī), 具體性能參數(shù)如下表：型號(hào)相埶eg-)電壓 (v)電這保檢矩Nm(Hz)運(yùn)行頻車(Hz)Wdg笛注7OBFOQ151.5 3603,50542(4)40001600070BF003J153273.00.7S4(S)1«00170BFQQ440.9 1.8273.00,7&4 2100綜合考慮能滿足使用要求四、單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.1微機(jī)控制系統(tǒng)硬

30、件的選擇根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考慮以下功能:（1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示（2）接受操作面板的開(kāi)關(guān)與按鈕信息；（3）接受車床限位開(kāi)關(guān)信號(hào)；（4）接受編碼器信號(hào)；（5）控制橫縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；（6）控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止；（7）其它?？紤]到通用性以及普遍性，選擇 MCS-51系列中的8031芯片。8031芯片屬于 8位單片機(jī)。它是集CPU I/O 口及部分RAM等一體的控制器，價(jià)格低，但功能 全，編程靈活性大，硬件資源豐富。由于8031單片機(jī)內(nèi)部無(wú)ROM 128字節(jié)的RAM也無(wú)法滿足要求，所以需要外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。根據(jù)控制要求， 還需要有鍵盤、數(shù)碼

31、顯示器、D/A轉(zhuǎn)換器以及一些I/O接口?，F(xiàn)采用8255A和 2764、 6264作為I/O接口和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。顯示器采用 LED數(shù)碼顯示。延時(shí)可以利 用8255的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。4.2 8031單片機(jī)8031各引腳功能簡(jiǎn)要介紹如下：*1.7 AllPOO ADO PC I ADI PJ.t At PIO A«14 AU33 <11AD4圖 4-1 8031421源引腳Vss：電源接地端。Vcc： +5v電源端。4.2.2輸入/輸出（I/O ） 口線8031單片機(jī)有P0 P1、P3 P4四個(gè)端口，每個(gè)端口 8根I/O線。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò) 展外部存儲(chǔ)器時(shí)，P0 口用來(lái)輸出低8位并行數(shù)據(jù)，

32、P2 口用來(lái)輸出高8位地址, P3 口除可作為一個(gè)8位準(zhǔn)雙向并行口外，還具有第二功能。在進(jìn)行第二功能操作前，對(duì)第二功能的輸出鎖存器必須由程序置1。423信號(hào)控制線RST/VPD RST為復(fù)位信號(hào)線輸入引腳，在時(shí)鐘電路工作以后，該引腳上出現(xiàn) 兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，完成一次復(fù)位操作。Vpp：當(dāng)EA為高電平且PC值小于0FFFH時(shí)CPL執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的程序。 當(dāng)EA為低電平時(shí)，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器中的程序。XTAL1振蕩器的反相放大器輸入，使用外部震蕩器時(shí)必須接地；XTAL2振蕩器的反響放大器輸出，使用外部振蕩器時(shí)，接受外圍震蕩信號(hào)；4.3 8255A可編程并行I/O 口擴(kuò)展芯片80

33、31單片機(jī)共有4個(gè)8位并行I/O接口，但供用戶使用的只有 P1 口及部分 P3 口線，因此要進(jìn)行I/O 口的擴(kuò)展。8255A與微機(jī)接口較簡(jiǎn)單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛 使用的接口芯片。根據(jù)功能需求，選擇兩片8255A 片擴(kuò)展接口主要完成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖 輸出、限位及鍵盤輸入等信號(hào)處理，另外一片8255A擴(kuò)展接口完成手動(dòng)調(diào)整、刀 架控制及螺紋信號(hào)的輸出、輸入信號(hào)的處理。8255A可編程并行I/O 口擴(kuò)展芯片可以直接與 MCS系列單片機(jī)系統(tǒng)總線連接， 它具有三個(gè)8位的并行I/O 口，具有三種工作方式，通過(guò)編程能夠方便地采用無(wú) 條件傳送、查詢傳送、中斷傳送方式完成CPU與外圍設(shè)備之間的信息交換。8255A 引

34、腳圖如下：3 2 10-_-SB10T6540123012- A A A a-r-c A A c _c c c c c- _c c E B E F p F p G p F p F p p F p p p p01234567S9O 1 2 3 4 5 6 T s 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2- c c c c c c c c c c c c c t c c c c t co 9 ® 7 6- 5 4 3 2 1 o 9 8 7 6 -5 4 3 2 1 -33333333332222-22222-4 5 8 I- s C A A A A wx o 1 2 3 4 5

35、& T cF p p pwrddddddddv圖4-2 8255A引腳圖8255A的結(jié)構(gòu):8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括三個(gè)8位并行數(shù)據(jù)I/O 口，兩個(gè)工作萬(wàn)式控制電路， 一個(gè)讀寫控制邏輯電路和一個(gè)8位數(shù)據(jù)總線緩沖器。三個(gè)8位并行I/O 口 A、B、CA口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器，可編 程為8位輸入、或8位輸出、或8位雙向寄存器。B口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩存器和一個(gè)8位輸入或輸出寄存器，但 不能雙向輸入/輸出。C口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩存器和一個(gè)8位輸入緩沖器，C 口可分 為兩個(gè)4位口，用于輸入或輸出，也可作為A 口和B 口選通方式工作時(shí)的狀

36、態(tài)控 制信號(hào)。8255擴(kuò)展I/O 口如圖4-3所示。OOOOODOO o o o o o o o _o RptpiR円pl円R也Q0QJQ2Q3Q49Q6W -eMDCDDDmDDtDoGJI12 3 D PD_csLo12 35-7 B B B B B B B B CT nr flu- _Dr -Dr nr _Dr.WR RD RESET,22妙剪勢(shì)抑13W2O2322叮24” M1 516I713U1 110圖 4-3 8255 擴(kuò)展 I/O 口4.4外部EPRO電路單片機(jī)外部擴(kuò)展常用的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片是 EPRO M其掉電后信息不會(huì)丟 失,且只有在紫外線的照射下，存儲(chǔ)器的單元信息才可以

37、擦除。 考慮到程序存儲(chǔ) 器的容量，本設(shè)計(jì)擴(kuò)展芯片采用 2764EPROJM擴(kuò)展2X 8KB的程序存儲(chǔ)容量。2764芯片28引腳，其主要有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，片選端,輸出允許端等。由于EPRO一般不含有地址鎖存器，因此 8031的P0 口要經(jīng)過(guò)機(jī)制鎖存器 74LS373與EPROI低 8位地址端相連，P2 口與2764高8為地址端相連。數(shù)據(jù)線有8031的P0 口直接與2764的8位數(shù)據(jù)端相連。控制線的鏈接。2764的OE端與8031的PSEh相連。ALE與74LS373的OC端 相連。34i65a12 一門廣15lit17H8蟲t?30PI.0J L.2 口 I snjt Pl 4 Pt

38、5Pt d Pl 7KEfDVFD P3O/RTO Hl l/lCL> P3 ZZI irno MbP3 4/T0 舟 57T1 F5 t1.空 P3 7/KD XTAL2 XTAL1 vssD1處7n)TPl.5P； 4V：. 2K IP； 0VCC Fl ii rc： v( 2Pt.3P( 4 PC ,PC 6 一氏7ALE/PKU 3M171'/ 3231!；，：MD3ISVpp HODUL>1 n?G O£川EMDi3HFCE A12All A10起膏 A? VCC AS GNOS96 $315lti斗TZlj2022423TTir2231ZE圖 4-4

39、擴(kuò)展 2764EPROM4.5外擴(kuò)RAM電路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展主要用于存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)采集的原始數(shù)據(jù)。運(yùn)算結(jié)果等。所以擴(kuò)展 的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器應(yīng)能隨機(jī)讀/寫，通常由半導(dǎo)體靜態(tài)隨機(jī)讀/寫存儲(chǔ)器RAM組 成。本設(shè)計(jì)擴(kuò)展芯片采用一片 6264,擴(kuò)展8KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。6264芯片為28引腳，主要有15個(gè)地址端（A0A14、8個(gè)雙向三態(tài)數(shù)據(jù)端、 片選端、讀選通端、寫允許端等。地址連接：8031的低八位地址經(jīng)P0 口通過(guò)74LS373與6264的低八位地址端 相連，高位地址線只用7根與6264的高7為地址端相連。在數(shù)據(jù)線鏈接上，同2764芯片一樣，P0 口直接與6264數(shù)據(jù)端相連控制端鏈接，片選端應(yīng)接 8031的P

40、2.7端，OE WE分別于8031的RD WE端 相連接來(lái)控制6264的讀寫。61_8二IH147i貞/hr :'IEIpFLOPL,1PL.2 Pr * 603LPL 4Pt.SPt «PL,7fi irrxi?P3, TU'iTO rsyfNTi HJ* IU P35T1 T3.&2ZP3.7 X7ZL2 XJAL1 VSSv?cPIOP1LPl 2P13P： 4PJ 5PJ 6P7A3 刖 M ；psiwP2 7KJ 0PJ 5刃-IP2 3Pl.2Pi LPl.Uvcc40TLJ 第:/LC 37 */ Z；/n二 XL-6>D7 32 r IS

41、31（亠 | 11匚匚刃DO r-L mD3D4 DS D旨D7G CE?4Lsra22丁69n615543aVCCIkDO 01 h?03cuU155pjji yz /yb£i6 y:/ / R 19 /4-5擴(kuò)展6264電路4.6四行四列矩陣式鍵盤圖4-6是矩陣式鍵盤原理圖，圖中鍵盤為四行四列共16個(gè)鍵，行掃描線分別 接到8031單片機(jī)的P1.0P1.3 口上；列掃描線分別接到8031單片機(jī)的P1.4P1.7 口上。第一行按鍵從左到右對(duì)應(yīng)數(shù)字 79和代碼G,第二行按鍵從左到右依次對(duì) 應(yīng)數(shù)字46和ENTER確認(rèn)），第三行按鍵從左到右對(duì)應(yīng)數(shù)字13和START開(kāi)始）， 第四行按鍵從左到

42、右依次為 X （表示X坐標(biāo)）、數(shù)字0、丫（表示丫坐標(biāo)）和一（負(fù) 號(hào)）。28#圖4-6四行四列矩陣式鍵盤原理圖#4.7顯示器圖4-76位數(shù)碼管I I I I I I I I顯示電路使用的是6位數(shù)碼管如圖4-7所示，引腳A、B、C、D、E、F、G 和DP是數(shù)碼管的段驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端口；引腳 1、2、3、4、5和6分別是數(shù)碼管 的位選擇信號(hào)輸入端口。該顯示器能及時(shí)的顯示鍵盤電路輸入的指令。4.8 X-Y向步進(jìn)電機(jī)控制電路分析RESF'ACK-8圖4-8 X/Y向步進(jìn)電機(jī)控制電路模擬圖D 1 3 5 6 7 acccocac PPPPPFPP圖4-8為X/Y向步進(jìn)電機(jī)控制電路模擬圖，從圖中我們可

43、以看到四相八拍步進(jìn)電 機(jī)通過(guò)8255A的PCOPC口分別向X向步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖信號(hào)，PC4PC則分別 向丫向步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖信號(hào)。四相八拍步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)相序是 A-A4B-BSC-C»DDA反轉(zhuǎn)相序是DA f D C»C BC Bf BA-A;表4-1將給出X向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí) PC口各弓I腳 輸出電平與X向電機(jī)相位關(guān)系；表4-2將給出丫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)PC 口各引 腳輸出電平與丫向電機(jī)相位關(guān)系；而反轉(zhuǎn)時(shí)，控制的方式只需把從上往下循環(huán)改 為從下往上循環(huán)即可。表4-1 X向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)PC 口各引腳輸出電平與X向電機(jī)相位關(guān)系X向步進(jìn)電機(jī)相位可編程控制器8255A的PC

44、口各引腳的電平PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7PC 口輸出的 16進(jìn)制數(shù)A100000000x01AB110000000x03B010000000x02BC011000000x06C001000000x04CD001100000x0cD000100000x08DA100100000x09表4-2 丫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)PC 口各引腳輸出電平與丫向電機(jī)相位關(guān)系丫向步進(jìn)電機(jī)相位可編程控制器8255A的PC 口各引腳的電平PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7PC 口輸出的 16進(jìn)制數(shù)A000010000x10AB000011000x30B000001000x20BC0000

45、01100x60C000000100x40CD000000110xc0D000000010x80DA000010010x90五、軟件設(shè)計(jì)5.1系統(tǒng)控制功能分析系統(tǒng)控制功能包括：（1）系統(tǒng)初始化。如對(duì)I/O接口 8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作 方式控制字。（2）工作臺(tái)復(fù)位。開(kāi)機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)位。（3）輸入和顯示加工程序。（4）監(jiān)視按鍵，鍵盤及開(kāi)關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開(kāi)關(guān)，鍵盤掃描等功能。（5）工作臺(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過(guò)規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示字符。（6）工作臺(tái)的自動(dòng)控制。(7) 工作臺(tái)的手動(dòng)控制。(8) 工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制。5

46、.2系統(tǒng)管理程序控制管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開(kāi)機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí) 行操作者的命令。在設(shè)計(jì)管理程序時(shí)，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作 功能等。數(shù)控X-Y工作臺(tái)的基本操作功能有：輸入加工程序，自動(dòng)加工，刀位控 制，工作臺(tái)位置控制，手動(dòng)操作，緊急停機(jī)等。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)管理程序流 程圖如下所示：開(kāi)貽系統(tǒng)初始化機(jī)味復(fù)位圖5-1管理程序流程5.3自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì)(1) 機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序：工作臺(tái)移動(dòng)到位-刀具快速進(jìn)給-加工一 退刀工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位置；(2) 計(jì)算機(jī)在加工過(guò)程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工；(3) 由以上分析，設(shè)計(jì)自動(dòng)加工程序框圖如下所示

47、：2-_讀M蚌盟折1詢步主電H子趨字 工作臺(tái)毬融我埜1rr注工髯欄坐垢堆址 崔軒加1送回圖5-2自動(dòng)加工程序流程5.4電機(jī)的控制電機(jī)與8255引腳的接線簡(jiǎn)圖如圖所示338255APC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PCI PCO34#功放電路功放電路#X向電機(jī)A相Y向電機(jī)A相 Y向IliJJIrlil-.'J.R Y向Itk機(jī)C相 Y向電機(jī)D相#圖5-3電機(jī)與8255引腳的接線簡(jiǎn)圖X、Y電機(jī)對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址如下8255控制控制口地址為 4BH PC口地址為48H。X電機(jī)電機(jī) 狀態(tài)丫電機(jī)內(nèi)存地址狀態(tài)內(nèi)容內(nèi)存地址狀態(tài)內(nèi)容08H00H15H00H正09H01HA16H10H反0AH

48、03HAB17H30H0BH02HB18H20H轉(zhuǎn)0CH06HBC19H60H轉(zhuǎn)0DHP 04HC1AH40Hf0EH0CHCD1BHC0H0FH08HD1CH80H10H09HDA1DH90H11H00H1FH00H355.5 程序清單MAIN:MOV SP,#60H主程序開(kāi)始MOV R0,#4BHMOV A,#80HMOVX R0,AMOV R5,#08HMOV R6,#17H CLR A ;MOV 08H,AMOV 10H,AMOV 17H,AMOV 1FH,AMOV R0,#09HMOV R0,#01HINC R0MOV R0,#03HINC R0MOV R0,#02HINC R0MOV R0,#06HINC R0MOV R0,#04HINC R0;8255 初始化設(shè)置A C口方式0輸出位清零使表頭表尾為 0裝 X 電機(jī)狀態(tài)碼到內(nèi)存MOV R0,#0CHINC R0MOV R0,#08HINC R0MOV R0,#09HMOV R0,#16H裝 Y 電機(jī)狀態(tài)碼到內(nèi)存37MOV R0,#10HINC R0MOV R0,#30HINC R0MOV R0,#20HINC R0MOV R0,#60HINC R0MOV R0,#40HINC R0MOV R0,#C