C6163縱向數(shù)控改造設計1

1、摘 要目前,在市場上購買一臺數(shù)控車床的價格遠大于改裝一臺普通車床所需花費，且在有技術條件下，對普通車床的數(shù)控化改造更可行。所以，本課題著重對普通車床的數(shù)控化改造設計。本設計是對普通車床C6163的數(shù)控化改造，主要是對原有機床的結構進行創(chuàng)造性的設計，最終使機床達到比較理想的狀態(tài)。其中主要對伺服系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等方面做了詳細的計算和設計。本文研究了數(shù)控伺服系統(tǒng)的工作原理，闡述了C6163機床的數(shù)控化改造方案，分析了數(shù)控化改造過程中數(shù)控系統(tǒng)的選型。根據(jù)機械、動力學及電氣設計原理，對數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)進行了設計和校核；根據(jù)進給系統(tǒng)的要求，對切削力和滾珠絲杠進行了計算，并選配了合適的齒輪和進給電機。主要

2、設計過程如下：首先，明確設計任務，構思總體結構方案，確定主要構件位置和總體結構；其次，根據(jù)工作條件進行理論計算，分析性能要求，合理選擇主要零部件；第三，對設計的產品進行經(jīng)濟性、環(huán)保性分析。 通過設計，可以得到以下結論：一是，機床數(shù)控化改造后，能夠達到所要求的加工精度，有很大的經(jīng)濟價值；二是，設計理論不夠成熟，本設計最大的缺陷是從生產技術來看，設計產品的實用與推廣進一步研究。我們要加強理論與實踐的結合，使我們的設計越來越科學先進。關鍵詞：C6163車床;數(shù)控化;改造設計 43 目 錄第一章 概論 1.1數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的簡史21.2國內數(shù)控機床狀況的分析21.3數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢21.4機床數(shù)控化改

3、造的必要性3第二章普通車床數(shù)控改造的可行性論證2.1 車床的數(shù)控改造42.2可行性論證7第三章設計方案3.1總體設計方案的確定83.2橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與校核 103.2.1 選擇脈沖當量113.2.2計算切削113.2.3滾珠絲桿螺母副的計算與選型123.2.4齒輪傳動比的計算16 3.2.5步進電機的計算,校核與選型17第四章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計4.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成224.2單片機控制系統(tǒng)的設計24 4.2.1 硬件電路的組成24 4.2.2機械控制系統(tǒng)原理及電路設計總結264.3數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)軟件的設計29參考文獻341 概 論1.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史1946年誕生

4、了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產生了質的變化。1.2國內數(shù)控機床狀況分析1.2.1國內數(shù)控機床現(xiàn)狀：近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我

5、國機床工業(yè)產值已進入世界第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(shù)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%。 近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。 1.3 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1.3.1繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方

6、向發(fā)展：基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。1.3.2向高速化和高精度化發(fā)展：這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。1.4機床數(shù)控化改造的必要性1.4.1微觀看改造的必要性：從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 (1) 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。由于計

7、算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 (2) 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高37倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。 (3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。 (4) 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 (5) 擁有自

8、動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 (6) 由以上五條派生的好處。 1.4.2宏觀看改造的必要性從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)方面比發(fā)達國家約落20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已達20.8，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。2 普通車床數(shù)控改造

9、的可行性論證對于普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在考慮總體設計方案時，應遵循的原則是：在滿足設計要求的前提下，對機床的改動應盡可能的少，以降低成本。2.1 車床的數(shù)控改造2.1.1數(shù)控機床工作原理及組成(1) 數(shù)控機床工作原理：數(shù)控機床加工零件時，首先應編制零件的加工程序，這是數(shù)控機床的工作指令。將加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變化、起停，進給運動的方向、速度和位移量以及其它如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的開、關等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進行工作，從而加工出符合要求的零件。(2) 數(shù)控機床的組成：數(shù)控機床主要由控制介質、數(shù)

10、控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體等四部分組成，其組成框圖如圖2-1 圖2-1數(shù)控機床的組成圖2.1.2設計內容及任務普通車床（C6163）的數(shù)控改造設計內容包括：總體方案的確定和驗證、機械改造部分的設計計算（包括縱向、橫向進給系統(tǒng)的設計與計算）、主運動自動變速原理及改造后的機床傳動系統(tǒng)圖的設計、機床調速電動機控制電路的設計。本設計任務是對C6163臥式車床進行數(shù)控化改造，實現(xiàn)微機對車床的數(shù)控化控制。利用微機對車床的縱向、橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)字控制，并要達到縱向最小運動單位為0.01/脈沖，橫向最小運動單位0.005/脈沖，主運動要實現(xiàn)自動變速，刀架要改造成自動控制的自動轉位刀架，要能自動的切削螺紋。2

11、.1.3 數(shù)控部分的設計改造(1) 數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按其運動軌跡可分為：點位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點位控制系統(tǒng)只要求控制刀具從一點移到另外一點的位置，而對于運動軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對兩個或兩個以上坐標方向的位移進行嚴格的不間斷的控制。由于C6163車床要加工復雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。(2)伺服進給系統(tǒng)的設計改造 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)控制方案的優(yōu)點是可以達到高的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾對加工精度的影響。但他結構復雜、技術難度大、調式和維

12、修困難、造價高。半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調速范圍寬，過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠優(yōu)于以步進電動機驅動的開環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其調式比開環(huán)要復雜，設計上也要有其自身的特點，技術難度較大。開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有位置控制器及反饋線路，因此開環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但其結構簡單，易于調整，所以常用于精度要求不高的場合。經(jīng)過上序比較，由于所改造的C6163車床的目標加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。(3) 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設計 數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是控制系統(tǒng)的基礎，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。數(shù)控裝置的設計方案通常有：2.1.4機械改造部分的設計(1)

13、 主傳動部分的改造設計 將原機床的主軸電動機換成變頻調速電動機，無級調速部分由變頻器控制。將原機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構。改造后使其主運動和進給運動分離，主軸電動機的作用只是帶動主軸旋轉。(2) 進給機構的改造將原機床的掛輪機構、進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除?？v向、橫向進給以步進電動機作為驅動元件經(jīng)一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動。2.2 可行性論證 根據(jù)自動化制造系統(tǒng)，可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進行的技術和經(jīng)濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準立項的基本依據(jù)。同樣，在進行普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造之前進行合理的、科學的可行性論證是必要的。根

14、據(jù)傳統(tǒng)的論證方法，普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造的可行性論證應圍繞以下幾個方面進行，即企業(yè)生產經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產經(jīng)營目標，改造的基礎條件、目標、技術方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實施計劃，結論等。由于本設計僅作為大學本科生的畢業(yè)設計，故在此，設計者僅對改造的投資概算作一簡要的可行性論證。本改造設計是對普通車床C6136進行經(jīng)濟型數(shù)控改造。在改造設計中，采用自己設置的數(shù)控裝置，加上兩臺伺服電機，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調速電動機，四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設備改造費用和舊設備費用總計不會超過8萬元。因此，對普通車床作經(jīng)濟型數(shù)控改造適合我

15、國國情，是國內企業(yè)提高車床的自動化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實用性。 3 設計方案3.1 總體方案的確定3.1.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應具有定位、直線插補、順圓和逆圓插補、暫停、循環(huán)加工公英螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。3.1.2 計算機系統(tǒng)根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS51系列單片機具有集成度高，可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、性能價格比高等特點，決定采用MCS51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。3.1.3 機械傳動方式為實

16、現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿。為了保證一定的傳動精度跟平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的結構。3.1.4 運動方式的確定數(shù)按系統(tǒng)運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。由于C6163車床要加工復雜輪廓零件，所以本次設計采用連續(xù)控制系統(tǒng)。3.1.5 系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)過比較，由于C6163車床加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。3.1.6 機構傳動方式的確定為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設計機

17、械傳動裝置時，通常提出低摩、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。在設計中應考慮以下幾點：(1) 盡量采用低磨擦的傳動和導向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌、貼塑導軌等。(2) 盡量消除傳動間隙。例如采用隙齒輪等。(3) 提高系統(tǒng)剛度。縮短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差。可采用預緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預加負載導軌和滾珠絲杠副等。3.1.7 微機的選擇微機數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲器擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅動電路、檢測電路等幾部分組成。3.2 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核實例3.2.1 計算切削力橫切端面式中車床床身上加工最大直徑橫切端面

18、時主切削力可取縱切時的式中 走刀方向的切削力（N） 垂直走刀方向的切削力（N） 3.2.2 桿螺母副的設計、計算與選型(1) 計算牽引力橫向進給選為三角型或綜合導軌 參考機床設計手冊.26.2-2；6.2-3表式中：，切削分力（） G移動部件的重量（N） 表1-1查得橫向溜板及刀架重力500N 滑動導軌摩擦系數(shù)，隨導軌形式而不同 取=0.15-0.18 K考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù) 取K=1.15(2) 計算最大動負載C 選用滾珠絲桿導軌 參考機床設計手冊.3P185-P210式中：L壽命，以轉為一單位 n絲桿轉速（r/min） 為最大切削條件下進給速度，可取最高進給速度的1/2-1/3 取

19、絲桿導程（mm） 初選=6mm T為使用壽命（h）,對于數(shù)控機床取15000h 運轉系數(shù)，查表3-14一般取1.2-1.5(3) 螺母副的選型可采用WD3006外循環(huán)墊片調整緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動負載為9700N,精度等級按表3-17選為級。(4) 傳動效率計算式中：螺旋升角，WD3006 摩擦角取 滾動摩擦系數(shù)0.003-0.004 (5) 剛度驗算橫向進給絲桿支承方式圖所示，最大牽引力2087.98N,支承間距350mm，因絲桿長度較短，不需預緊螺母及軸承預緊。計算如下:絲桿的拉伸或壓縮變形量(mm)查閱,根據(jù)2087.98N,D=30mm查出 可算出：c) 滾珠與螺

20、紋滾道間接觸變形量查圖得系列列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量因進行了預緊d) 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形采用推力球軸承5204查閱機床設計手冊.表5.9-137,d=20mm,滾動體直徑=5.556mm,數(shù)量Z=13綜合以上幾項變形量之和：定位精度>(6) 穩(wěn)定性校核計算臨界負載(N) 式中:E材料彈性模量() I截面慣性矩() L絲桿兩軸承端距離(cm) 絲桿支承方式系數(shù)，從表3.15中查出，一端固定，一端簡支為2.00 一般=2.5-4.0,所以>>此滾珠絲桿不會產生失穩(wěn)。 (7) 橫向滾珠絲桿副的幾何參數(shù) (見表1)表1參數(shù)名稱符號關系式WD3006螺紋滾道公稱

21、直徑30導程6接觸角鋼球直徑3.175滾道法面半徑R1.651偏心距e0.045螺紋升角螺桿外徑d29.365內徑26.788接觸直徑26.83螺母螺紋直徑D33.212內徑30.6353.2.3 齒輪傳動比計算已確定橫向脈沖當量，滾珠直徑導程=6mm, 初選步進電動機步距角可計算傳動比: 考慮到結構上的原因不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板有行程，故此處可采用兩級齒輪降速。因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)取2，有關參數(shù)參照表2表2: 傳動齒輪幾何參數(shù)齒數(shù) Z18452032分度圓d=mz36904064齒頂圓40944468齒根圓31853559齒寬(6-10)m20中心距6352 3.2.

22、4 橫向步進電機的計算，校核和選型(1) 初選步進電機a) 計算步進電機負載轉矩 式中: 脈沖當量，取0.01mm/step. 進給牽引力(N) 步距角，初選雙拍制為 電機絲桿傳動效率為齒輪、軸承、絲桿效率之積分別為 b) 估算步進電機起動轉矩根據(jù)負載轉矩除以一定的安全系數(shù)來估算步進電機起動轉矩(N.cm) 一般橫向進給伺服系統(tǒng)取0.4-0.5c) 計算最大靜轉矩查表3-22如取五相十拍，則d) 計算步進電機運行頻率和最高啟動頻率 式中:最大切削進給速度 最大快移速度 脈沖當量，取 根據(jù)估算出的最大靜轉矩在表3-23中查出150BFG2815最大靜轉矩為245N.cm >可以滿足經(jīng)濟型數(shù)

23、控機床有可能使用較大的切削用量，應該選用稍大轉矩的步進電機，以留有一定余量，另一方面與國內同類型機床進行類比的要求。決定采用150BFG2915，但從綜合作業(yè)指導書P24頁查出，步進電機最高空載啟動頻率為4000Hz,滿足空載時(3333.33Hz)的要求。(2) 校核步進電機轉矩前面所述初選步進電機的轉矩計算，均為估算，初選后，應該進行校核計算。a) 等效轉動慣量計算計算簡圖見圖2，根據(jù)表3-24，經(jīng)二對齒輪降速時，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量可由下式計算: 式中:齒輪及其軸的轉動慣量 齒輪的轉動慣量 絲桿轉動慣量 絲桿導程(cm) G工件及工作臺重量(N) G=500(N)b) 齒輪

24、、軸、絲桿等圓柱體慣量計算 表3-24所示圓柱體轉動慣量計算公式如下: 對于鋼材，式中:M圓柱體質量 D圓柱體直徑 (cm) L圓柱體長度或原長(cm) 鋼材的密度為 因此 基本滿足慣量匹配的要求。c) 電機轉矩計算機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按各階段計算: 快速空載起動轉矩在快速空載起動階段，加速轉矩占的比例較大，具體計算如下： 式中: 快速空載起動轉矩 空載起動時折算到電機軸上的摩擦轉矩 折算到電機軸上的摩擦轉矩 由于絲桿預緊時折算到電機軸上的附加摩擦轉矩 在采用絲桿螺母副傳動時，上述各種轉矩可用下式計算： 式中:傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉動慣量 電機最大角速度 電機

25、最大轉速 運動部件最快速度 脈沖當量 步進電機的步距角 運動部件從停止到起動加速到最大快進速度所需時間(s) 起動加速時間=30(ms) 折算到電機軸上的摩擦轉矩 式中: 導軌的摩擦力(N) 垂直方向的切削力(N) G運動部件的總重量(N) 導軌摩擦系數(shù)，取=0.15 齒輪降速比 傳動鏈總效率，一般可取0.7-0.8 附加摩擦轉矩: 式中: 滾珠絲桿預加負荷，一般取，為進給牽引力(N) 滾珠絲桿導程(cm) 滾珠絲桿未預緊時的傳動效率，一般取 上述三項合計: 快速移動時所需轉矩 最大切削負載時所需要的轉矩 式中: 折算到電機軸上的切削負載轉矩 從上面計算看出、三種工況下，以快速空載所需轉矩最大

26、，即以此項作為校核步進電機轉矩的依據(jù)。從表3-22查出，當步進電機為五相十拍時為則最大靜轉矩為: 從表3-23查出150BFG2815最大轉矩為為245，大于所需最大靜轉矩，可以滿足此項要求。d) 校核步進電動機起動矩頻特性和運行矩頻特性前面已經(jīng)計算出機床最大快移時，需步進電機的最高起動頻率為3333.33Hz,切削進給時所需步進電機運行頻率為1666.7Hz從表3-23中查出150BFG2815型步進電機允許的最高空載起動頻率為4000Hz，運行頻率為16000Hz，再從圖3-15，3-16查出150BFG2815步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性如圖3所示: 當快速運動和切削進給時，150

27、BFG2815型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性可以滿足要求。3.3縱向進給伺服系機械部分計算與校核3.3.1 計算切削力主切削力F（N）按經(jīng)驗公式估算：走刀方向的切削分力（N）車床身上加工最大直徑（mm）=630mm=10594.63（N） ：=1：0.25：0.4走刀方向的切削力垂直走刀方向的切削力=0.25=2648.66(N)=0.4=4237.85(N)3.3.2 絲桿螺母副的計算和造型(1) 計算進給牽引力縱向進給選為綜合導軌。參考表6.22，6.23兩表機床設計手冊.3查書綜合作業(yè)指導書P22在正常情況下：考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取K=1.15滑動導軌磨擦系數(shù)0.1

28、50.18溜板及刀架重力查綜合作業(yè)指導書表11，取=800N=1.152648.66+0.16(4237.85+500)=2175.94(N)(2) 計算最大動負載CC=參考機床設計手冊.3P185P210 選用滾珠絲桿導軌式中：滾珠絲桿導程。 初選為最大切削力條件下的進給速度，可取最高進給速度的1/21/3 取=1m/min使用壽命（h），對于數(shù)控機車取 =15000h 運轉系數(shù)，按一般運轉取1.21.5（查表314綜合作業(yè)指導取為1.2壽命以 轉為1單位絲桿轉速r/min125113C=19512.57(3) 滾珠絲桿螺母副的選型可采用WD6008外循環(huán)螺紋調整預緊的雙螺母珠絲桿副，1列2

29、.5圈，其額定功動負載為18200（N），精度等級按表綜合作業(yè)指導書表3-17選為3級。(4) 傳功效率計算：=式中：r螺旋升角，WD6008 r=磨擦角取10 滾動磨擦系數(shù)0.0030.004(5) 剛度驗算先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖如A圖所示，最大牽引力2175.94(N)。支承L=1500mm，絲桿螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷1/3。 絲杠的拉伸或壓縮變形量 圖3-5查綜合作業(yè)指導書圖3-4，根據(jù)=2175.94(N), 查出10-5 可算出=(0.65×10-5×1500)mm=0.975×10-2 mm由于兩端均采用向心推力球軸承

30、，且絲桿進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量(mm)為=1/4=0.975×10-2/2=0.244×10-2mm 滾珠與螺紋滾道間接觸變形查綜合作業(yè)指導書圖3-5，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 =6.0m因進行預緊 =1/2=1/2×6.0=3.0m 支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形采用D8208型推力球軸承，=35mm,滾動體直徑=6.35mm,滾動體數(shù)量Z=18, 注意此公式中單位應為N因施加預緊力，故 =1/2×=1/2×0.009065=0.004528mm根據(jù)以上計算 =0.002440.00300.00

31、4528=0.009968<定位精度因為查表達1-1綜合作業(yè)指導書定位精度為±0.01(6) 穩(wěn)定性校核滾珠絲桿兩端采用推力球軸承，不會產生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。(7) 縱向滾珠絲桿副幾何參數(shù)表3：WD6008滾珠絲桿副幾何參數(shù)參數(shù)名稱符號關系式WD6008螺紋滾道公稱直徑60導 程8接觸角2.183鋼球直徑3.969滾道法面半徑2.064偏心距0.0030螺紋升角=螺桿外 徑=-(0.20.25) 59.2內 徑=2255.878接觸直徑=Cos56.034螺 母螺紋直徑=2264.122內 徑=(0.20.25) 60.79383.3.3 齒輪傳動比計算已知縱向進給脈沖

32、當量=0.01mm/step,滾珠絲桿導程=8mm，初選步進電動機步距角，可計算出傳動比： = 脈沖當量（mm/step）滾珠絲桿的基本導程（mm）步進電機的步距角=3/8因為可進定齒輪齒數(shù)為=/=24/64=24 ，=64根據(jù)機械設計，又因進給給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2，則有關參數(shù)如下表所示(見表4)： 表4：傳動齒輪幾何參數(shù)齒 數(shù)2464分度圓=48128齒頂圓=252132齒根圓=21.2546.5126.5齒 寬(610) 2020中心距=()/2883.3.4 進電機的計算和選型(1)初選步進電機 計算步進電機負載轉矩 =脈沖當量（mm/step）取 =0.01mm/step進給

33、牽引力（N）取 =2175.94N步距角，初選雙拍制為電機絲桿的傳動效率，為齒輪、軸承、絲桿效率之積，分別為0.98、0.99、0.99和0.94。=N.cm 算步進電機啟動轉矩根據(jù)負載轉矩除以一定的安全系數(shù)來估算步進電機啟動轉矩=/0.30.5 一般縱向進給伺服系統(tǒng)的安全系數(shù)取0.30.4= /0.4=182.36/0.4=455.9N.mm 計算最大靜扭矩查綜合作業(yè)指導書表3-22，如取五相十拍，則=0.951 =/0.951=455.9/0.951=479.39N.mm 計算步進電機運行的頻率和最高起動頻率 =HZ=HZ式中：最大切削進給速度m/min , =1m/min最大快移速度m/

34、min, =2m/min脈沖當量, =0.01mm/step 根據(jù)估算出的最大的靜轉矩=479.39N.mm在表3-23中查出130BF001最大靜扭矩為931N>479.39N可以滿足要求，但從表中看出130BF001步進電機最高空載起動頻率為3000HZ，不能滿足=3333HZ的要求，此項指標可暫不考慮，可以采用軟件開降速程序來解決。(2) 校核步進電機轉矩前面所初步電機的轉矩計算，均為估算，初迭之后，應該進行校核計算。錯誤！未找到引用源。效轉動慣量計算計算簡圖如前（a）所示，根據(jù)綜合作業(yè)指導書表3-24，傳動系統(tǒng)計算到電機軸上的總的轉動慣量 可由下式計算：=()()步進電機轉子轉動

35、慣量（）.矢輪Z1Z2的轉動慣量（）滾珠絲桿轉動慣車（）參考同類型機床，初步反應式步進電機BF1，作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量：I4()2w()2×800.468kg·cm24.68N·cm2 齒輪轉動慣量：J17.8×10-4×4.84×2=8.281kg·cm2=82.81 N·cm2 J27.8×10-4×12.84×2=53.678kg·cm2 絲桿傳動慣量： J3=7.8×10-4×64×140=141.52kg·cm2=

36、1415.2 N·cm2電機轉動慣量很小，可以忽略。因此，總的轉動慣量：(J3+J2)+J1+J4 =(141.52+53.68)+0.468+8.281 = 130.52 kg·cm2=1305.2 N·cm2(1) 所需轉動力矩計算。快速空載啟動所需力矩：最大切削力負載時所需力矩：式中：空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩折算到電機軸上的摩擦力矩由于絲桿預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩切削時折算到電機軸上的加速度力矩折算到電機軸上的切削負載力矩 當時， 當時， 當，時，N·cm 當時，預加載荷則 所以，快速空載啟動所需力矩： 快速進給時所需力

37、矩： 切削時所需力矩： 由以上分析計算可知：所需最大力矩發(fā)生快速啟動時： ，所以選擇型號WD6008 校核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。已計算出機床最大快移時需步進電機的最高起動頻率為3333Hz，切削進入時所需步進電機運行頻率為1333.3Hz。從綜合作業(yè)指導書表323中查出型步進電機允許的最高空BF1-160載起動頻率為3000Hz，運行頻率為16000Hz，再從綜合作業(yè)指導書圖315，316查出BF1-160步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線如（C）圖所示，當步進電機起動時，時，,不能滿足此機床所要求的空載起動力矩222.916N.cm。直接使用則會施行失步現(xiàn)象，所以必須采取開

38、降進控制用軟件實現(xiàn)，將起動頻率到1000Hz起動轉矩可增高到588.4N.cm，然后電路上再采用高低壓驅動電路，可將電機輸出轉矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，BF1-160型步進電機運行矩頻特性（D）圖完全可以滿足要求： 圖3-64 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計4.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，硬件是數(shù)控機床的基礎，其性能的好壞，直接影響整個系統(tǒng)的工作性能，有了硬件，軟件就能發(fā)揮作用。 機床數(shù)控機床的硬件電路概括起來又以下四部分組成：中央處理單元CPU。CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心。總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB） 地址總線（AB）和控制總線（CB）。存儲器。包括只讀可編

39、程存儲器和隨機讀寫存儲器。I/O輸入輸出接口電路。由于8031只有P1口和P3口部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴展輸入輸出接口電路。從附錄H圖H2可以看出，系統(tǒng)擴展了一片8155和一片8255可編程I/O接口芯片。8155的片選信號CE接74LS138的Y0，8255芯片片選信號CS接到74LS138的Y2端。74LS138三八譯碼器有三個輸入A、B、C分別接到8031的P2。5，P2。6、P2。7，輸出Y0Y7 8個輸出，低電平有效。Y0Y7對應輸入A、B、C的000至111的8種組合，其中Y0對應A、B、C為000，Y7對應A、B、C為111。74L

40、S138還有三個使能端，其中2個（GA和GB）為低電平使能，另一個G1為高電平使能。吸有當使能端均處于有效電平時，輸出才能產生，否則輸出處于高電平無效狀態(tài)。I/O接口芯片與外設的連接是這樣安排的：8155芯片PA0PA7作為顯示器段選信號輸出，PB0PB7是顯示器的位選信號輸出，PC0PC4 5根線是鍵盤掃描輸入。8155芯片的IO/M引腳接8031芯片的P2。0，因為使用8155的I/O口故P2。0高電平。8255芯片PA0PA6接X向、Y向和Z向步進電機硬件環(huán)形分配器，為輸出，PB0PB7為三個方向的點動及回零輸入，PC0PC5為面板上的選擇開頭是輸入，設有編輯、單步運行、單段運行、自動、

41、手動I、手動II等方式。系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲器及I/O接口芯片的地址編碼如表419所示：X向，Y向步進電機硬件環(huán)形分配器采用YB015，32相通電五相十拍方式工作，故A0，A1引腳均接+5V，Z向步進電機配件環(huán)形分配采用YB014，是以23相通電四相八拍方式工作。A0、A1接高電平。三個芯片的選通輸出控制E0分別接8255的PA0、PA3、PA5，清零R接8255的PA1，正、反轉控制端分別接8255的PA2、PA4、PA6，時鐘輸入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以決定脈沖分配器輸出脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實現(xiàn)插補時不同的進給速度，可給8155芯片的定時/計數(shù)器中設置

42、不同的時間常數(shù)。芯 片接74LS138引腳 地址選擇線片內地址單元（B） 地址編碼2764（1）000xxxxxxxxxxxxx8K0000H1FFFH2764 (2 )001xxxxxxxxxxxxx8K2000H3FFFH6264010xxxxxxxxxxxxx8K4000H5FFFH8155RAM10011110xxxxxxxx661009EFFHI/O1001111111111xxx69FF8H9FFDH825501011111111111xx45FFCH5FFFH 表5，作用是進行數(shù)據(jù)運算處理和控制各部分電路協(xié)調工作，存儲器用于存放系統(tǒng)軟件，應用程序和運行中所需要的各種數(shù)據(jù)，輸入輸出

43、接口是系統(tǒng)與外界進行交換的橋梁。總線則是CPU與存儲器，接口以及其它轉換的紐帶，是CPU與部分電路進行交換和通訊的必由之路。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖為：圖4-14.2 單片機控制系統(tǒng)的設計1 向和X向進給伺服系統(tǒng)運動2 鍵盤顯示3 自動轉位刀架控制4 螺紋加工控制5 面板控制6 行程控制7其他功能 報警電路、急停電路、復位電路、光隔離電路、功能電路等。4.2.1 硬件電路的組成采用MCS-5系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下：a) 采用8031作CPUb) 擴展了兩片2764芯片、一片6264芯片c) 兩片8155可編程并行I/O接口。d) CPU、存儲器及I/O接口CPU采用

44、8031芯片，選用6MHz晶體振蕩器。它的作為數(shù)據(jù)總線和地址共用。16位地址線由經(jīng)地址鎖存器74LS373提供8位地址，高8位地址由8031的口直接提供。ALE為地址鎖存允許。為低電平時選通外部存儲器（EPROM），相應的指令字節(jié)出現(xiàn)在EPROM的數(shù)據(jù)線（）上，輸入到口，8031將指令讀入。RESET為復位控制，當RESET輸入端出現(xiàn)高電平時，8031被初始化復位，在復位有效期向ALE、PSEN也輸出高電平。當RESET輸入端返回低電平后，CPU從O地址開始執(zhí)行程序。（故設計中一定有一片2764芯片連到74LS138的）設計中采用上電復位和開關復位。另外，兩片8155的RESET也與8031的

45、RESET管腳相連，它們可同時復位。8031的是片內的定時器/計數(shù)器溢出中斷申請，由主軸后面的光電編碼器輸入。當車床車螺紋時，主軸光電編碼器向8031發(fā)出進給脈沖，用以控制不同導程的螺紋加工。光電編碼器還發(fā)出一個零位螺紋信號，輸入8155(1)的，用以防止車螺紋亂扣。8155(1)主要用于功能鍵的控制，刀架轉位控制以及報警等。其中PA口為輸入口，作為功能鍵的控制管理，刀架控制編輯、空運行、自動、手動I，手動和回零。PB口也是輸入口，由面板上的按鍵分別控制起動、暫停、單段、連續(xù)、急停等功能。是換刀回答，當自動轉位刀架按指令轉位、夾緊，刀架電機停轉之后，發(fā)出此信號，開始執(zhí)行進給指令。接光電編碼器輸

46、出的零位螺紋信號。PC口是輸出口，控制自動轉位刀架四個刀位的選刀。用于報警顯示，系統(tǒng)正常工作時，輸出低電平，綠色發(fā)光二極管亮，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，輸出高電平，經(jīng)反向后，紅色發(fā)光二極管亮，實現(xiàn)報警功能。 8155(2)控制步進電機，行程控制，以及鍵盤，顯示電路。其中為輸出口，用于控制Z向、X向步進電機運轉，Z向步進電機為五相，X向為三相。此系統(tǒng)采用軟件分配。鍵盤顯示電路為46鍵和6位顯示器。作為鍵盤的6條列線，是鍵盤掃描線，是輸出口。接行線作為鍵盤輸入口。是6位數(shù)碼顯示器的位選信號，8031的口是數(shù)碼顯示器的段選信號。接越程限位控制電路，當床鞍或拖板在Z向或X向越程時，即向計算機輸入此信號，使

47、進給系統(tǒng)停止。 表6 ：數(shù)控車床控制系統(tǒng)芯片地址分配芯片接74LS138引腳地址選擇線片內地址單元地址編碼2764(1)000xxxxxxxxxxxxx8K0000H-1FFFH2764(2)001xxxxxxxxxxxxx8K2000H-3FFFH6264010xxxxxxxxxxxxx8K4000H-5FFFH8155(1)I/O0110000100000xxx66100H-6105H8155(2)I/O1000000100000xxx68100H-8105H4.2.2機械控制系統(tǒng)原理及電路設計總結：設計要求: 采用MCS-51系列單片機來完成此控制系統(tǒng)的設計,完成控制系統(tǒng)原理圖等.主要包

48、括鍵盤,LED顯示,電動機的啟動、停止、單進控制、聯(lián)動控制等的控制.同時還要有一些自動錯誤處理功能.如限位控制,驅動出錯處理,這就需要在程序設計時提供相應的中斷處理程序。(2)方案分析: 由前面電動機的選擇:選用電動機型號為130BF001的步進電機.此電機是一個五相十拍的電動機。由機電一體化可以知道步進電機的運行特性與配套的驅動電源（驅動器）由密切的關系。驅動器由脈沖發(fā)生器和功率放大器兩大部分組成的。在微機控制電機過程中，需要使電機按照一定規(guī)律變化進行運動，而控制這部分規(guī)律變化的部分叫做脈沖分配器。實現(xiàn)脈沖分配有兩種方法：計算機軟件和硬件電路法。當有了環(huán)形脈沖分配后，還是不夠的。由于我們的脈

49、沖是由微機單片機發(fā)出的，屬于低電平，是不能直接驅動電機進行運動的，這時我們可以采用功率放大電路將脈沖進行功率放大，然后驅動硬件電路。 對于復雜的電路驅動，如五相十拍電路，具有A,B,C,D,E無相，他的十拍工作方式為：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EAB-AB-對于這這種復雜的驅動方式，如果采用軟件編程或者硬件電路來實現(xiàn)驅動控制都是比較復雜的，這時我們可以采用專用驅動控制芯片，這里采用HXD55型五相混合式驅動器。 我們采用MCS-51系列的8031型的單片機作為微機控制的主芯片。系統(tǒng)原理圖中，采用74LS373進行P0口的鎖存，同時擴展一片2764的程序存儲器和一片6264的數(shù)據(jù)存儲器，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和存儲之用。同時，我們需要擴展鍵盤和顯示，就需要擴展接口來連接。采用8155進行接口擴展，PA口，PC口屬于輸出口，PB口屬于輸入口。