C6140普通車床數(shù)控改造及橫縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)2331

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1、 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第V頁(yè) C6140普通機(jī)床數(shù)控改造及橫縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 中國(guó)是一個(gè)傳統(tǒng)的機(jī)械制造大國(guó)，但其裝備水平落后，特別是一些老的機(jī)械制造廠大多還是比較舊的機(jī)床，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足加工的要求。針對(duì)目前制造業(yè)的技術(shù)裝備現(xiàn)狀，用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)對(duì)大批故障機(jī)床尤其是一大批閑置的普通機(jī)床進(jìn)行改造、升級(jí)，以較小的投入盡快使這批設(shè)備在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮效能、創(chuàng)造效益，的確是許多企業(yè)的一項(xiàng)不可忽視的課題，是我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展方向。本課題是針對(duì)CA6140普通廢舊車床進(jìn)行數(shù)控化改造，其現(xiàn)實(shí)意義在于如何尋找一種可行的、有推廣價(jià)值的設(shè)備改造方法，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制造行業(yè)的技術(shù)裝備進(jìn)行技術(shù)提升，

2、以解決目前設(shè)備老化所帶來(lái)的問(wèn)題。本課題研究過(guò)程中，首先對(duì)目前工廠所使用的常規(guī)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行了全面的調(diào)查和分析。在結(jié)合原C6140車床本身的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)其主傳動(dòng)部分進(jìn)行重新計(jì)算設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出符合改造要求的主傳動(dòng)系統(tǒng)，在滿足正常加工的條件下，選擇合適的動(dòng)力與控制系統(tǒng)，使整個(gè)主傳動(dòng)系統(tǒng)能在控制系統(tǒng)下完成設(shè)計(jì)所要求動(dòng)力運(yùn)轉(zhuǎn)。 關(guān)鍵詞: 滾珠絲杠；滾珠絲杠螺母副；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)。 Transformation of ordinary C6140 CNC vertical and horizontal feed system design Abstract: China is a tr

3、aditional machine manufacture great nation, however, its equipment level falls behind, In particular, in some Engineering works, and most of the machine is quite old, far from enough to meet the requirements of processing. In view of present manufacturing industrys technical equip present situation,

4、 makes the transformation, the promotion particularly with the modern vanguard technology to a large quantities of breakdown engine bed large quantities of idles ordinary engine bed, enables this batch of equipment by the small investment to display the potency, the creation benefit as soon as possi

5、ble in the economic development, indeed is a many enterprises noticeable topic, is our country manufacturing industry development direction .This topic is aims at CA6140 the ordinary worn out lathe to make the numerical control transformation, how does its practical significance lie in seeks for one

6、 kind feasible, to have the promoted value equipment to transform the method, carries on the technical promotion to the traditional machine manufacture professions technical equip, solves the problem which the present equipment gets older brings. In this topic research process, the first convention

7、numerically-controlled machine tool which used for the present factory has carried on the comprehensive investigation and the analysis. In unifies the original C6140 lathes structure and the state of motion, carries on the recompilation design to its master drive part, designs conforms to the modifi

8、cation requirement master drive system, in satisfies the normal processing under the condition, chooses the appropriate power and the control system, enables the entire master drive system to complete the design under the control system to request the power revolution. Keywords: Ball screw;Ball t

9、he screw nut is auxiliary;Monolithic machine; Step-by-step electric motor.  目 錄 1 緒論 1 1.1 機(jī)床數(shù)控技術(shù)簡(jiǎn)介 1 1.2 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展 1 1.3 普通機(jī)床數(shù)控改造意義 2 1.3.1 普通機(jī)床數(shù)控改造的好處： 3 1.3.2 機(jī)床數(shù)控化改造的市場(chǎng) 4 1.3.3 數(shù)控改造基本步驟 4 2 總體方案設(shè)計(jì) 6 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 6 2.2 確定總體方案 7 2.2.1 伺服系統(tǒng)方案的確定 7 2.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定 7 2.2.3

10、 單片微機(jī)控制方案確定 8 3 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 9 3.1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算 9 3.2 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量選擇及切削力確定 9 3.2.1 脈沖當(dāng)量選擇 9 3.2.2 縱車外圓 10 3.2.2 橫切端面 10 3.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 10 3.3.1 滾珠絲杠的選型 10 3.3.2 縱向進(jìn)給絲杠的計(jì)算 10 3.3.3 橫向進(jìn)給絲杠 14 3.4 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 18 3.4.1 縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 18 3.4.2 橫向同步齒形帶傳動(dòng)比計(jì)算 18 4 步進(jìn)電機(jī)的選型和計(jì)算 20 4.1 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)與種類 20

11、 4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用原則 21 4.3 縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 22 4.3.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 22 4.3.2 電機(jī)力矩計(jì)算 23 4.3.3 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率： 25 4.4 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型 26 4.4.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 26 4.4.2 電機(jī)力矩計(jì)算 27 4.4.3 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率： 30 5 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 31 5.1 單片微機(jī)控制方案確定 31 5.2 控制系統(tǒng)的作用及要求 32 5.2.1 控制系統(tǒng)作用. 32 5.2.2 基本要求 32

12、5.3 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 32 5.4 控制電路部分軟件的設(shè)計(jì) 34 5.4.1 存儲(chǔ)器與I/O芯片地址分配 34 5.4.2 控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序 34 5.4.3 8255芯片初始化程序 35 5.4.4 8289芯片初始化程序 36 5.5 步進(jìn)電機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng) 36 5.5.1 開環(huán)步進(jìn)電機(jī)控制 36 5.5.2 軟件環(huán)形分配 36 5.5.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制程序 37 6 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析及環(huán)保 40 6.1 機(jī)床改造技術(shù)分析 40 6.2 機(jī)床改造的環(huán)保問(wèn)題 41 結(jié)束語(yǔ) 42 致謝 43 參考文獻(xiàn)： 44

13、 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第45頁(yè) 1 緒論 1.1 機(jī)床數(shù)控技術(shù)簡(jiǎn)介 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，產(chǎn)品更新速度越來(lái)越快，復(fù)雜形狀的零件越來(lái)越多，精度要求越來(lái)越高，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加。激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來(lái)越短。傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法以難于適應(yīng)這種多樣化、柔性化與復(fù)雜形狀零件的高效質(zhì)量加工要求。因此近幾十年來(lái)，世界各國(guó)十分重視發(fā)展能有效解決復(fù)雜、精密、小批多變零件的數(shù)控加工技術(shù)。 機(jī)床數(shù)控技術(shù)是應(yīng)用數(shù)字化代碼程序，控制機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工的柔性自動(dòng)化控制技術(shù)。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用是將傳統(tǒng)的機(jī)械制造與微電子、計(jì)算機(jī)、信息

14、處理、現(xiàn)代控制理論、檢測(cè)技術(shù)以及光電磁等多種科學(xué)技術(shù)融為一體的機(jī)電一體化技術(shù)，使制造業(yè)成為知識(shí)密集的大科學(xué)范疇的現(xiàn)代制造業(yè)，其生產(chǎn)規(guī)模沿著“小批量→少品種大批量→多品種變批量”的方向發(fā)展。數(shù)控技術(shù)的利用關(guān)系到國(guó)家的戰(zhàn)略地位，是體現(xiàn)國(guó)家綜合實(shí)力的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，其水平高低是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)加工機(jī)床及生產(chǎn)過(guò)程數(shù)控化，已成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。 1.2 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展 20世紀(jì)50年代美國(guó)研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床及其數(shù)控技術(shù)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展。1959年，由于在計(jì)算機(jī)行業(yè)中研制出晶體管元件，在數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印刷電路板，從而跨入了第二代。

15、1965年，出現(xiàn)小規(guī)模集成電路，由于它體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。尤其是近20年，由于微處理器和微電子技術(shù)的發(fā)展，使數(shù)控機(jī)床的性能價(jià)格比有了極大的提高，這不僅提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和效率，縮短了生產(chǎn)周期，改善了生產(chǎn)環(huán)境。 我國(guó)從1958年開始研制數(shù)控機(jī)床，在研制和使用數(shù)控機(jī)床方面取的了一定成績(jī)。近年來(lái)，由于引進(jìn)了國(guó)外的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的制造技術(shù)，使我國(guó)數(shù)控機(jī)床在品種、數(shù)量和質(zhì)量方面得到了迅速的發(fā)展。目前我國(guó)已有幾十家機(jī)床廠能夠生產(chǎn)不同類型的的機(jī)床和加工中心。我國(guó)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的研究、生產(chǎn)和推廣工作也取得了較大進(jìn)展，他必須對(duì)我國(guó)各行業(yè)的技術(shù)改造起積極的推

16、廣作用。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外在數(shù)控裝置、機(jī)床結(jié)構(gòu)等的研究與開發(fā)方面不斷取得成果出現(xiàn)了新的發(fā)展特點(diǎn)。從數(shù)控系統(tǒng)方面看，主要有： （1）主控機(jī)向著多位的微處理機(jī)化發(fā)展。 （2）數(shù)控裝置向著集成化和智能化的方向發(fā)展。 （3）數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)。 （4）數(shù)控編程更加圖形化和自動(dòng)化。 （5）數(shù)控系統(tǒng)更加可靠和宜人化。 在數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)方面，一是其驅(qū)動(dòng)裝置正向著交流和數(shù)字化的方向發(fā)展；二是機(jī)床床體部分的設(shè)計(jì)和制造不斷選用新的材料；三是其加工刀具等輔助工具的材料引人注目。 1.3 普通機(jī)床數(shù)控改造意義 機(jī)床數(shù)控化改造，顧名思義就是在機(jī)床

17、上增加微型計(jì)算機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動(dòng)化能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。 眾所周知，企業(yè)要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得生存、得到發(fā)展,就必須在最短的時(shí)間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本,制造出滿足市場(chǎng)需求、性能合適的產(chǎn)品。目前,采用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床已成為我國(guó)制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。購(gòu)買新的數(shù)控機(jī)床是提高數(shù)控化率的主要途徑,而改造舊機(jī)床、配備數(shù)控系統(tǒng)把普通機(jī)床改裝成數(shù)控機(jī)床也是提高機(jī)床數(shù)控化率的另一條有效途徑。機(jī)床數(shù)控化改造的市場(chǎng)目前在我國(guó)有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到3％。用普通機(jī)床加工出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高等不良因素，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)

18、的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 近年來(lái)，美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，在制造大量數(shù)控機(jī)床的同時(shí)，也非常重視對(duì)普通機(jī)床的數(shù)控化改造，機(jī)床的技術(shù)改造市場(chǎng)十分活躍。機(jī)床改造業(yè)正逐步從機(jī)床制造業(yè)中分化出來(lái)，形成了用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線的新的行業(yè)和領(lǐng)域。 1.3.1 普通機(jī)床數(shù)控改造的好處： （1）數(shù)控改造費(fèi)用低，減少了投資額，經(jīng)濟(jì)性好。數(shù)控改造費(fèi)用僅為新購(gòu)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床費(fèi)用的20%～30%， 機(jī)床的數(shù)控改造同購(gòu)置新機(jī)床相比一般可節(jié)省60%左右的費(fèi)用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購(gòu)置費(fèi)的1/3。即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級(jí)也只需花費(fèi)購(gòu)買新機(jī)床6

19、0%的費(fèi)用，改造后幾乎就是一臺(tái)新的數(shù)控機(jī)床，甚至精度會(huì)更好，因?yàn)榕f機(jī)床床身不會(huì)再產(chǎn)生變形，并可以利用現(xiàn)有地基。 （2）力學(xué)性能穩(wěn)定可靠。所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。數(shù)控化改造使原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。原有的手搖進(jìn)給機(jī)構(gòu)全部消失，這一方面可以提高精度，減少傳動(dòng)鏈對(duì)精度的影響；另一方面可以減少機(jī)械故障率，提高運(yùn)動(dòng)的可靠性。因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期時(shí)效，幾乎不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。 （3）熟悉了解設(shè)備、便于操作維修，降低了操作者的技術(shù)要求，更易提高管理水平。購(gòu)買新設(shè)備時(shí)，不了解新設(shè)備是否滿足其加工要

20、求，改造則不然，可以精確的計(jì)算出機(jī)床的加工能力；另外由于多年使用，操作者對(duì)機(jī)床的特性早已理解，在操作和維修方面培訓(xùn)時(shí)間短，見效快。改造機(jī)床一旦安裝好，就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。操作者只需要裝夾工件和按開關(guān)，加工全部由電腦控制自動(dòng)完成，使在復(fù)雜的工件也能快速完成，省去了對(duì)技術(shù)要求的煩惱。同時(shí)提高定額管理水平。 （4） 提高生產(chǎn)效率。 機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3至5倍。對(duì)復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費(fèi)用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。 （5）可以利用最新的控制技術(shù)?？梢愿鶕?jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時(shí)地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水

21、平和效率，提高設(shè)備的質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改成當(dāng)今水平的機(jī)床。自動(dòng)化程度高，專業(yè)性強(qiáng)，加工精度高，生產(chǎn)效率高，提高了生產(chǎn)率，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度。 （6）增強(qiáng)了功能，如圓弧加工，錐度加工，這是傳統(tǒng)加工難于實(shí)現(xiàn)的。 （7）交貨期短，可以滿足生產(chǎn)急需。 1.3.2 機(jī)床數(shù)控化改造的市場(chǎng) （1）機(jī)床數(shù)控化改造的市場(chǎng) 我國(guó)目前機(jī)床總量380余萬(wàn)臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬(wàn)臺(tái)，即我國(guó)數(shù)控化率不到3%。近10年來(lái)我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量為3萬(wàn)～4萬(wàn)臺(tái)，年產(chǎn)值約為70億元，機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率不到6%。我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大多數(shù)是傳統(tǒng)機(jī)床，而且半數(shù)以上的就機(jī)床。用這種裝備加工

22、出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，從而在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。 （2）進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場(chǎng) 我國(guó)自改革開放以來(lái)，很多企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造。這些為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進(jìn)項(xiàng)目由于中中原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)甚至癱瘓，使企業(yè)的效益收到影響。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國(guó)外引進(jìn)以后，由于備件不全，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良。有的已引進(jìn)較長(zhǎng)時(shí)間需要進(jìn)行技術(shù)更新。 這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財(cái)富。只要找出主要技術(shù)難點(diǎn)，解決關(guān)

23、鍵技術(shù)問(wèn)題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭(zhēng)取最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 1.3.3 數(shù)控改造基本步驟 將普通機(jī)床改造為數(shù)控機(jī)床，是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，必須根據(jù)加工對(duì)象的要求和工廠實(shí)際情況，確定切實(shí)可行的技術(shù)改造方案，搞好機(jī)床的改造設(shè)計(jì)。其改造設(shè)計(jì)的一般過(guò)程如下： 1、對(duì)加工對(duì)象進(jìn)行工藝分析，確定工藝方案被加工工件既是機(jī)床改造的依據(jù)，又是機(jī)床改造后加工的對(duì)象。不同形狀，不同技術(shù)要求的工件，其加工方法就不同，對(duì)機(jī)床的要求也不相同。例如，對(duì)于圓柱形狀的零件可用車削、外圓磨等方法加工，而平面則一般用銑削，平面磨等方法加工；對(duì)精度、表面粗糙度要求一般的外圓柱表面，常用車削加工；而

24、精度高和表面粗糙度要求低時(shí)則要在外圓磨床上加工。在工藝分析基礎(chǔ)上，繪制工序圖，初步選定切削用量、刀具運(yùn)動(dòng)路線，計(jì)算（或估算）生產(chǎn)率。然后計(jì)算切削力及切削功率，從而計(jì)算出進(jìn)給系統(tǒng)需要的功率和力矩等。這是選擇方案及驅(qū)動(dòng)部件的依據(jù)，目前多用類比法或測(cè)定法完成。 2、分析被改造機(jī)床，確定被改造機(jī)床類型。改造機(jī)床和設(shè)計(jì)機(jī)床是不同的，機(jī)床設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，對(duì)機(jī)床的整機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后將機(jī)床的各組成零、部件逐一地制造，最后裝成機(jī)床；而機(jī)床改造則是圍繞某臺(tái)機(jī)床進(jìn)行工作，不僅要考慮機(jī)床本身結(jié)構(gòu)的改造，還要考慮工藝系統(tǒng)中的刀具、夾具及其它輔具的改進(jìn)，以滿足生產(chǎn)的需要。在制定機(jī)床改造方案時(shí)，可先根據(jù)制定

25、的工藝方案，初步選定被改造機(jī)床的類型，然后對(duì)被選定的機(jī)床進(jìn)行認(rèn)真分析，了解被改造機(jī)床的技術(shù)規(guī)格，技術(shù)狀況，各部聯(lián)系尺寸等，分析機(jī)床強(qiáng)度和剛度，分析被改造機(jī)床能否適應(yīng)改造要求以及經(jīng)濟(jì)性等。最后確定被改造機(jī)床的型號(hào)。 3、擬定技術(shù)措施，制定改造方案。根據(jù)加工對(duì)象的要求和被改造機(jī)床的實(shí)際情況，擬定應(yīng)采取的技術(shù)措施，制定出機(jī)床的改造方案，選用外購(gòu)件時(shí)，一定要保證質(zhì)量。在擬定技術(shù)措施，制定改造方案的過(guò)程中，應(yīng)充分進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，力求使改造的機(jī)床不僅能滿足技術(shù)性能的要求，還要獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益，使技術(shù)的先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)的合理性較好地統(tǒng)一起來(lái)。 4、設(shè)計(jì)或選用數(shù)控裝置。在滿足加工零件要求的

26、同時(shí)，盡量使設(shè)計(jì)的數(shù)控裝置功能強(qiáng)，穩(wěn)定可靠，通用性好，價(jià)格低，或選用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)較好的專用數(shù)控裝置。 5、進(jìn)給機(jī)床改造的技術(shù)設(shè)計(jì)。 6、繪制機(jī)床改造的工作圖。 7、整機(jī)安裝調(diào)試。 以上各步，并非一成不變，而是要根據(jù)實(shí)際情況，相互穿插，有時(shí)要反復(fù)進(jìn)行，直至達(dá)到要求為止。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容就是：c6140簡(jiǎn)易數(shù)控化改造對(duì)橫縱向伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了滾珠絲杠副傳動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、單片微機(jī)控制的數(shù)控改造。 2 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 將CA6140普通車床改造成用MCS-51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，縱向和橫向均具有直線

27、和圓弧插補(bǔ)功能。要求該車床具有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，具有切削螺紋的功能。 設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計(jì)算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。 （1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能，還要求能暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。 （2）車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用8位微機(jī)。在8位微機(jī)中，MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)

28、、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、具有很高的性價(jià)比，因此，可選 MCS—51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng) （4）縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。 （5）為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。 （6）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。 （7）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器，包括

29、光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。其原理如圖2.1： 圖 2.1 主要給定設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 工件最大加工直徑： 在床面上 ： 400mm 工件最大長(zhǎng)度： 1500mm 刀架快移速度： 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/min 最大進(jìn)給速度： 縱向 0.6m/min 橫向 0.3m/min 主電機(jī)功率： 7.5kw 2.2 確定總體方案 2.2.1 伺服系統(tǒng)方案的確定

30、 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能，所以應(yīng)該選用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠。為了保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載荷的結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)齒輪縱向采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。橫向采用齒形帶。 2.2.3 單片微機(jī)控制方案確定 根據(jù)機(jī)床要求，采用8位機(jī)。由于MCS—51系列單片機(jī)的特點(diǎn)

31、之一是硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，MCS—51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片8031外擴(kuò)一片EPROM就能滿足功能的要求，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，可以利用MCS—51的擴(kuò)展功能，構(gòu)成功能強(qiáng)、規(guī)模較大的系統(tǒng)。所以應(yīng)選用8031單片機(jī) 3 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算 主運(yùn)動(dòng)參數(shù) 對(duì)于通用機(jī)床，由于完成的工序范圍較廣，又要適應(yīng)一定范圍的不同尺寸和不同材質(zhì)零件的加工需要，需求主軸有不同的轉(zhuǎn)速。 1.最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速的確定 = 式中的、可根據(jù)切削用量手冊(cè)和車床適用情況確

32、定，C6140車床可取200m/min, 取15m/min對(duì)于通用機(jī)床一般取 ; 式中 D — 機(jī)床加工的最大直徑 K — 系數(shù)，根據(jù)對(duì)現(xiàn)有同類機(jī)床適用情況的調(diào)查確定，設(shè)計(jì)車床K=0.5; — 計(jì)算直徑范圍，通常=0.2~0.25 =0.5 =0.25 ==r/min 根據(jù)實(shí)際需要和發(fā)展的儲(chǔ)備最后確定=1300r/min,同理r/min 3.2 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量選擇及切削力確定 3.2.1 脈沖當(dāng)量選擇 脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01~0.005mm/脈沖,根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)

33、量,縱向:0.01mm/步 橫向：0.005mm/步 3.2.2 縱車外圓 由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)知道而且類比同規(guī)格車床，主切削力F按經(jīng)驗(yàn)公式估算 F=0.67D =0.67=5360N 按切削力各分力比例 F: Fx: Fy=1: 0.25: 0.4 Fx=1340N Fy=2144N 3.2.2 橫切端面 橫切端面時(shí)主切削力可取縱向主切削力的1/2 主切削力=F=2680N 仍按上述比例計(jì)算： F: Fx: Fy =1: 0.25: 0.4 Fx=26800.25=670N Fy=26800.4=1072N 3.3 滾珠絲杠螺母副的

34、計(jì)算和選型 3.3.1 滾珠絲杠的選型 滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。珠絲杠滾副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊，雙螺母螺紋式預(yù)緊，雙螺母齒差式預(yù)緊，單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過(guò)盈滾珠預(yù)緊等幾種。 3.3.2 縱向進(jìn)給絲杠的計(jì)算 1..絲杠導(dǎo)程的確定 絲杠導(dǎo)程的選擇一般根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)快速進(jìn)給的最大速度和伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速及電機(jī)絲杠的傳動(dòng)比i確定?；窘z杠導(dǎo)程應(yīng)該滿足下式 ==4.6mm 根據(jù)設(shè)計(jì)需要初選L0=6mm 2. 計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm(N) 滾珠絲杠的工作載荷Fm（N）是指滾珠絲杠副的在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力。

35、它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。由于原普通CA6140車床的縱向?qū)к壥蔷C合導(dǎo)軌，則用下面計(jì)算 托板上的進(jìn)給方向載荷 F1=Fx=1340(N) 托板上的垂直方向載荷 Fv=Fz=5360(N) 托板上的橫向載荷 Fc=Fy=2144(N) 工作載荷的大小: Fm = KFx+ (F+G) =1.151340+0.17(5360+980) =2555N 式中 K — 考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合性導(dǎo)軌取K=1.15； — 滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.15~0.

36、18取=0.17 G — 縱向﹑橫向溜板箱和刀架的重量，選縱向溜板箱的重量為80kg,刀架重量為20kg. G=980N 3. 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C C = = 式中 Vs — 最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的—，此處取 Vs=0.6=0.3 —預(yù)期工作壽命，可取=16000h fw — 載荷性質(zhì)系數(shù)其取值由表4.1得取fw=1.3 fa — 精度系數(shù)其取值由表4.2知取fa=0.9 fc — 可靠性系數(shù)其取值由表4.3知取 fc=1 載荷性質(zhì) 無(wú)沖擊 輕微沖擊 伴有沖擊和振動(dòng) 1~1.2 1.2~1.5

37、1.5~2 表4.1載荷性質(zhì)系數(shù) 精度等級(jí) 1，2，3 4，5 6，7 fa 1 0.9 0.8 表4.2精度系數(shù) 可靠性/% 90 95 96 97 98 99 fc 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 表4.3可靠性系數(shù) n = = = 50r/min C = = 4. 滾珠絲杠螺母副的選擇 初選滾珠絲杠為：外循環(huán)，因?yàn)閮?nèi)循環(huán)較外循環(huán)絲杠貴，并且較難安裝?？紤]到簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)改裝，所以采用外循環(huán)。 據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（化學(xué)工業(yè)出版社出版發(fā)行）第三版第3卷。根據(jù)計(jì)算出來(lái)的最大動(dòng)載荷，選擇漢江機(jī)床附件有限公司生

38、產(chǎn)的WL4006—2.5外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，其額定動(dòng)負(fù)載為16083N,可滿足要求。 5. 傳動(dòng)效率計(jì)算 = 式中r — 螺旋升角， r=` — 摩擦角取10取滾動(dòng)摩擦，系數(shù)0.003 ~ 0.004. = ==94.2% 6.剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠和螺母之間滾道的接觸變形，絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 本次設(shè)計(jì)絲杠安裝采用兩端固定，這種支撐的特點(diǎn)是剛度高，絲杠的軸向剛度為

39、一端固定的4倍，安裝時(shí)需保持螺母與兩端支撐同軸，絲杠一般不會(huì)受壓無(wú)壓桿穩(wěn)定問(wèn)題。畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖 3.1所示： 圖3.1 最大牽引力為2555N，支承間距L=2000mm,絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的。 a.絲杠的拉壓剛度R1 滾珠絲杠的拉壓剛度是隨螺母在絲杠上的位置而變化的，最大值在端點(diǎn)處。 式中d2 — 絲杠螺紋底經(jīng)d2=35.2 a — 滾珠螺母中點(diǎn)至軸承中點(diǎn)的距離a=180 ==1248.1N/m 由于兩端均采用推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)緊拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實(shí)際變形量為： R1

40、= R1 =1248.1 = 312 N/m b. 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 式中 — 絲杠剛度查手冊(cè)得=1080 FP —絲杠螺母預(yù)緊力FP=853 = N/m c. 支承滾珠絲杠軸承的軸向剛度 Rb 采用8206型推力球軸承，d1=30mm,滾動(dòng)體直徑d=7.927mm,滾動(dòng)體數(shù)量Z=14. RBo== Rb=2 RBo=2 N/m == 傳動(dòng)系統(tǒng)的定位誤差m 0.8定位精度- -=0.815-2.6=9.4m 所選絲杠副精度等級(jí)為6m<9.4m 故所選絲杠合格。 7. 穩(wěn)定性校核 滾動(dòng)絲杠兩端推力軸承，不會(huì)產(chǎn)生失

41、穩(wěn)現(xiàn)象不需要作穩(wěn)定性校核 3.3.3 橫向進(jìn)給絲杠 1. 計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm 橫向?qū)к墳檠辔膊坌?，?jì)算如下： Fm=KFy+f(F1+2Fx+G) =1.45670+0.18(2680+21072+588)=1946N 式中 K — 考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，燕尾槽導(dǎo)軌取K=1.45； f’ — 滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.18 G — 溜板及刀架重力：選縱向溜板箱的重量為40kg,刀架重量為20kg. G=588N 2. 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C C = n = 式中 初選L0=5mm Vs — 最大切削力下的進(jìn)給

42、速度，可取最高進(jìn)給速度的—，此處取 Vs=0.30.5=0.015 —預(yù)期工作壽命，可取=16000h fw — 載荷性質(zhì)系數(shù)其取值由表4.1得取fw=1.3 fa — 精度系數(shù)其取值由表4.2知取fa=0.9 fc — 可靠性系數(shù)其取值由表4.3知取 fc=1 n = ==30 r/min C = =7238 3. 據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》（化學(xué)工業(yè)出版社出版發(fā)行）第三版第3卷，W.L2005 1到2.5圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副，額定動(dòng)載荷為8800可滿足要求，選精度3級(jí) 4. 傳動(dòng)效率計(jì)算 = 式中r — 螺旋升角，W.L4006 r=

43、 — 摩擦角取10取滾動(dòng)摩擦，系數(shù)0.003 ~ 0.004. = ==0.964 5. 剛度計(jì)算 橫向進(jìn)給絲杠仍然按兩端固定安裝，支撐方式如圖3-2所示 最大牽引力為2023N,支承間距L=450mm因絲杠長(zhǎng)度較短，不需預(yù)緊，而螺母及軸承預(yù)緊計(jì)算如下： （1）絲杠的拉伸或壓縮變形量1（mm）查手冊(cè)根據(jù)Fm=1946N,D0=20mm查的=3.9 1==3.9=0.0176 圖3-2 （2）滾珠與螺紋滾道間接觸變形2,查手冊(cè)， = 8.6m 因進(jìn)行預(yù)緊2 =

44、=8.6=0.0043mm （3）支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 3 采用8202型推力球軸承d=0.5H=6 取Z=10 c=0.0024=0.0024=0.0094mm 考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，故3=c=0.0047mm 綜合以上幾項(xiàng)變形量之和： =1+2+3=0.0176+0.0043+0.0047=0.0266mm顯然此變形量已大于定位精度要求，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改設(shè)計(jì)，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌減少摩擦力，貼塑導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)在0.03~0.05之間，在此取=0.03，從而減少最大牽引力

45、，重新計(jì)算如下： Fm =1.4F+ =1.4)=1138N 查手冊(cè)，F(xiàn)m =1138N，=2.2 1==2.2=0.9910mm 2和3不變 則=1+2+3=0.0099+0.0043+0.0047=0.0189mm定位精度為0.015，故此變量仍不滿足，如果將滾珠絲杠在進(jìn)行預(yù)拉伸，則精度還可以提高4倍，則變形量。 =1+2+3=0.0099+0.0043+0.0047=0.0115mm 0.0115mm<0.015所以滿足要求 6. 穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作負(fù)載過(guò)大，將使絲杠失去穩(wěn)定

46、而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為Fk 式中：E——材料彈性模量 鋼：E=20.6N/cm： I——截面慣性距（cm4） 絲杠：I=，為絲杠內(nèi)徑； L——絲杠兩支撐端距離（cm）; ——絲杠支撐方式系數(shù)，查手冊(cè)知兩端固定=4.00 I= = = （一般=2.5 ~ 4）所以絲杠很穩(wěn)定 3.4 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 3.4.1 縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程L0=6mm.初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.75o.可計(jì)算出傳動(dòng)比 可選定齒輪齒數(shù)

47、為: 或 、或、 選 Z1=32 , Z2=40 ,模數(shù)m=2 齒寬 b=20mm 壓力角α=20 齒輪的直徑 d1=mz1=232=64mm d2=mz1=240=80mm dα1=d1+2ha*=68mm dα2=d2+2ha*=84mm 則中心距A=/2=72 3.4.2 橫向同步齒形帶傳動(dòng)比計(jì)算 （1）模數(shù)的選擇 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇，初選m=1.5 （2）帶輪的最小直徑D 此直徑不是直接選定，而是由其最小齒數(shù)控制，查手冊(cè)得=14.所以應(yīng)大于14 （3） 大小輪齒幾何參

48、數(shù)定 已知橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.005、滾珠絲杠導(dǎo)程L0=5mm、初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.75，可以計(jì)算出傳動(dòng)比： ==0.48 可選齒數(shù) 即 （4）初選中心距 因中心距未給定，這可按下式確定 0.5（ D1.D2 — 小輪和大輪分度圓直徑（mm）,即0.5.選A0=80mm （5） 確定帶長(zhǎng)L 中心距初選后，按下式初選后帶長(zhǎng)： ==339.02 則帶的齒數(shù) 圓準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)化的齒

49、數(shù)值=70，L=329.9 （6）最終確定中心距A =75.24mm 4 步進(jìn)電機(jī)的選型和計(jì)算 4.1 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)與種類 1．根據(jù)設(shè)計(jì)方案確定 本次設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的開環(huán)驅(qū)動(dòng)，伺服進(jìn)給系統(tǒng)中設(shè)有位移檢測(cè)反饋裝置。數(shù)控裝置的指令直接通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，然后通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)化為刀架或工作臺(tái)的位移。 2．步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步。只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)

50、繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具體有以下特點(diǎn)： 工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電壓波動(dòng)、電流大小與波形變化、溫度等)的影響； (1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?； (2)由于可以直接用數(shù)字信號(hào)控制，與微機(jī)接口 比較容易； (3) 控制性能好,在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”； (4)不需要傳感器進(jìn)行反饋，可以進(jìn)行開環(huán)控制； (5)缺點(diǎn)是能量效率較低。 3．步進(jìn)電機(jī)種類 就常用的旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，可將其

51、分為以下三種： （1）可變磁阻(VR-Variable Reluctance),也叫反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) （2）永磁(PM-Permanent Magnet)型 （3）混合(HB-Hybrid)型 4．根據(jù)設(shè)計(jì)需要 本次設(shè)計(jì)選用可變磁阻步進(jìn)電機(jī)，即反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 結(jié)構(gòu)原理：該類電動(dòng)機(jī)由定子繞組產(chǎn)生的反應(yīng)電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉(zhuǎn)子作步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，故又稱作反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其結(jié)構(gòu)原理如圖4.1定子1上嵌有線圈，轉(zhuǎn)子2朝定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻最小方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并由此而得名可變磁阻型。 圖4.1可變式阻步進(jìn)電機(jī) 4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用原則 選用步進(jìn)電動(dòng)

52、機(jī)時(shí)，通常希望步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距，啟動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率高，步距誤差小，性能價(jià)格比高。但增大轉(zhuǎn)距也快速運(yùn)行存在一定矛盾，高性能也低成本存在矛盾，因此實(shí)際選用時(shí)，必須全面考慮。 首先，應(yīng)考慮系統(tǒng)的精度和速度的要求。為了提高精度，希望脈沖當(dāng)量小。但是脈沖當(dāng)量越小，系統(tǒng)的運(yùn)行速度越低。故因兼顧精度也速度的要求來(lái)選定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量。在脈沖當(dāng)量確定以后，又可以為依據(jù)來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。 其次，對(duì)位移誤差的要求。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角從理論上說(shuō)是固定的，但實(shí)際上還是有誤差的。此外，負(fù)載轉(zhuǎn)距也將引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定位誤差。應(yīng)將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距誤差、負(fù)載引起的定位誤差和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差全部考

53、慮在內(nèi)，使總的誤差小于數(shù)控機(jī)床允許的定位誤差。 第三，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性曲線對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇有影響的特性曲線包括：起動(dòng)距頻特性曲線和反映轉(zhuǎn)距也連續(xù)運(yùn)行頻率之間關(guān)系的工作距頻特性曲線。 第四，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇既要滿足快速進(jìn)給的要求，又要滿足切削進(jìn)給的要求。在這兩種情況下，對(duì)轉(zhuǎn)距和進(jìn)給速度有不同的要求。若要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置有如下性能：在切削進(jìn)給時(shí)的轉(zhuǎn)距為 ,最大切削進(jìn)給速度為v,在快速進(jìn)給時(shí)的轉(zhuǎn)距為 ，最大快速進(jìn)給速度為. 4.3 縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 4.3.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3-1，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算： 式中 — 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子

54、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ ,— 齒輪Z1,Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 — 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ 1.參考同類機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=10（. 2.齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算： 式中 D---圓柱形零件的直徑,cm L---零件的軸向長(zhǎng)度,cm 3滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 G=980N 代入上式得： = =42.831 4.3.2 電機(jī)力矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面分別按各階段計(jì)算： （1）快速空載起動(dòng)力矩M起 在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占得比例較大，具體計(jì)算公式如下：

55、 Mamax — 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速度力矩; Ma — 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速度力矩; Mf — 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力 Mo — 由絲杠預(yù)緊所引起,折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦力矩; — 起動(dòng)加速時(shí)間 η — 傳動(dòng)效率取η=0.8，， ηo — 絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率，取0.9 將前面數(shù)據(jù)帶入： = = ==95 = 上述三項(xiàng)合計(jì)：

56、 =743.1+95+13.15=851.25 （2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩： （3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩： =108.15+ 從上面計(jì)算可以看出，.和三種情況下，以快速空載啟動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 查手冊(cè)知當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)。 最大靜力矩從手冊(cè)查出，130BF001型最大靜轉(zhuǎn)矩為931N.m,大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)，但是必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。圖4.1為130BF001電機(jī)實(shí)圖以及技術(shù)參數(shù)。 圖4.1 4.3.3 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作

57、頻率： 130BF001電機(jī)頻矩特性如圖4.2 （a） 130BF001型起動(dòng)矩頻特性 （b）130BF001型運(yùn)行矩頻特性 圖4.2 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，=2400Hz時(shí)，M=90N.cm，還不能滿足此機(jī)床所 求的空載起動(dòng)力矩（758.08）直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（軟件實(shí)現(xiàn)），將起動(dòng)頻率降到1000Hz時(shí)起動(dòng)力矩可增大到387.6N.cm,然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右，當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，130BF001的運(yùn)行矩頻率性完全滿足要求。 4.4 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選

58、型 4.4.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3-2，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算： 式中 — 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ ,— 齒輪Z1,Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 — 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ 1.參考同類機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)90BF其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=1.8（. 2.齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算： 式中 D---圓柱形零件的直徑,cm L---零件的軸向長(zhǎng)度,cm 3滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 G=588N 代入上式得： = =6.79 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配 ==0.265 基本滿足

59、慣量匹配的要求 4.4.2 電機(jī)力矩計(jì)算 （1）快速空載起動(dòng)力矩M起 在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占得比例較大，具體計(jì)算公式如 將前面數(shù)據(jù)帶入： = 起動(dòng)加速時(shí)間 = 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩： ==24.86 附加摩擦力矩M0 = 上述三項(xiàng)合計(jì)： =118.45+24.86+4.46=147.77 （2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩： （3） 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩：

60、 =24.86+4.46+ =40.77 從上面計(jì)算可以看出，.和 三種情況下，以快速空載啟動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 最大靜力矩從手冊(cè)查出，90BF002型最大靜轉(zhuǎn)矩為3.92N.m,大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)，但是必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。圖4.3是90BF002步進(jìn)電機(jī)實(shí)圖和技術(shù)參數(shù)： 圖4.3 4.4.3 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率： 當(dāng)帶負(fù)載起動(dòng)時(shí)，所允許的起動(dòng)控制頻率會(huì)大大下降，它反映了電機(jī)跟蹤的快速性，且隨負(fù)載慣量的增加而下降。步進(jìn)電動(dòng)

61、機(jī)帶動(dòng)慣性負(fù)載時(shí)的起跳頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系為慣-頻特性。 除慣性負(fù)載之外，還有外負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則起跳頻率將會(huì)進(jìn)一步下降。 90BF002型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線和運(yùn)行矩頻特性如圖4.4 圖4.4 5 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 5.1 單片微機(jī)控制方案確定 參考同類車床，以及相關(guān)要求選用了MCS-51系列單片機(jī)（選用8031芯片），擴(kuò)展一片6264芯片，二片2764芯片，三片8155可編程并行I/O口，并用軟件環(huán)形分配器。 MCS-51單片機(jī)基本特性： 1.片內(nèi)存儲(chǔ)容量較小:原因是受集成度的限制.ROM一般小于8KB,RAM一般小于256B,但可以在外部

62、擴(kuò)展.通常ROM,RAM可分別擴(kuò)展至64KB. 2.可靠性高: 因?yàn)樾酒前垂I(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的,故抗干擾的能力優(yōu)于PC機(jī).系統(tǒng)軟件(如:程序指令,常數(shù),表格)固化在ROM中,不易受病毒破壞.許多信號(hào)的通道均在一個(gè)芯片內(nèi),故運(yùn)作時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠. 3.便于擴(kuò)展: 片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件,片外有很多供擴(kuò)展用的(總線,并行和串行的輸入/輸出)管腳,很容易組成一定規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng). 4.控制功能強(qiáng): 具有豐富的控制指令:如:條件分支轉(zhuǎn)移指令,I/O口的邏輯操作指令,位處理指令. 5.實(shí)用性好: 積小,功耗低,價(jià)格便宜,易于產(chǎn)品化. 5.2 控制系統(tǒng)的作用及要求 5.

63、2.1 控制系統(tǒng)作用. 將來(lái)自傳感器的檢測(cè)信息和外部輸入命令進(jìn)行處理，并按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。它在機(jī)電一體化系統(tǒng)中所處的位置見圖5.1。 圖5.1 5.2.2 基本要求 （1）適用性，系統(tǒng)的性能必須滿足生產(chǎn)要求； （2）可靠性，系統(tǒng)能夠無(wú)故障運(yùn)行的能力，硬件、軟件的容錯(cuò)能力； （3）經(jīng)濟(jì)性，在滿足任務(wù)要求的前提下，使系統(tǒng)成本盡可能低； （4）可維護(hù)性，檢測(cè)和維修方便； （5）可擴(kuò)展性，使系統(tǒng)能在不做大的變動(dòng)的條件下很快適應(yīng)新的 5.3 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都有硬件與軟件兩部分組成，硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其

64、性能的好壞，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能，有了硬件，軟件才可以有效的運(yùn)行。數(shù)控機(jī)床的硬件電路主要由以下4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（DB），地址總線（AB）,和控制總線（CB） （3）存儲(chǔ)器。包括只讀可編程存儲(chǔ)器與隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器 （4）I/O輸入/輸出接口電路 其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路的協(xié)調(diào)工作。存儲(chǔ)器用于系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù)，I/O接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁。總線則是CPU與存儲(chǔ)器、接口以及其他轉(zhuǎn)換電路聯(lián)系的紐帶，是CPU與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。 根據(jù)任務(wù)書要

65、求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要根據(jù)以下功能： （1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制ＬＥＤ顯示； （2）接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號(hào)； （3）控制Ｘ、Ｚ向步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器； （4）接收車床限位開關(guān)信號(hào)； 控制系統(tǒng)原理框圖如下： 5.4 控制電路部分軟件的設(shè)計(jì) 5.4.1 存儲(chǔ)器與I/O芯片地址分配 5.4.2 控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序 系統(tǒng)設(shè)有五檔功能可以相互切換，分別是“編輯”、“空刀”、“自動(dòng)”、“手動(dòng)”、“回零”，選中某一功能時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮，進(jìn)入相應(yīng)的功能處理。控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序流程圖如下： 5.4.3 8255芯片初始化程序 B255:

66、 MOV DPTR, #3FFFH ;指向8255的控制口地址 MOV A, #10001001B ;PA口輸出，PB口輸出，PC口輸入， 均為方式0 MOVX @DPTR,A ;控制字被寫入 MOV DPTR, #3FFCH ;指向PA口 MOV A, #0FFH ;預(yù)置PA口全“1” MOVX @DPTR, A ;輸出全“1”到PA口 MOV DPTR, #3FFDH ;指向PB口 MOV A, #0FFH ;預(yù)置PB口全“１” MOVX @DPTR, A ;輸出全“１”到ＰＢ口 RET 5.4.4 828