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目 錄
1、 總體方案確定.......................................4
1.1、C6132工藝范圍...................................4
1.2、設(shè)計任務(wù).........................................4
1.3、總體方案.........................................4
1.3.1、進(jìn)給系統(tǒng)改造.................................4
1.3.2、伺服系統(tǒng)改造.................................5
1.3.3、導(dǎo)軌改造.....................................6
1.3.4、控制系統(tǒng)改造.................................6
1.3.5、系統(tǒng)框圖.....................................6
2、機械部分改造........................................6
2.1、C6132普通車床的改造.............................6
2.2、切削力的計算....................................6
2.2.1、主切削力....................................7
2.2.2、進(jìn)給力與背吃刀力.............................7
2.2.3、工作載荷....................................7
2.3、滾珠絲杠的計算及選型.............................8
2.3.1、絲杠轉(zhuǎn)速....................................8
2.3.2、承載能力計算.................................8
2.3.3、計算額定載荷.................................9
2.3.4、滾珠絲杠螺母選型............................10
2.3.5、壓桿穩(wěn)定性校核..............................11
2.3.6、剛度演算...................................12
2.3.7、傳動效率...................................12
2.3.8、臨界轉(zhuǎn)速...................................12
2.3.9、最大轉(zhuǎn)速...................................13
2.3.10、壓彎臨界轉(zhuǎn)速...............................13
2.3.11、預(yù)緊力....................................13
2.3.12、絲杠與導(dǎo)軌間接觸變性.......................14
2.4、減速齒輪的計算.................................14
2.5、步進(jìn)電機的計算及選型............................16
2.5.1、反應(yīng)式步進(jìn)電機特性..........................17
2.5.2、步進(jìn)電機選型考慮因素........................18
2.5.3、步進(jìn)電機初選................................19
2.5.4、步進(jìn)電機校核................................20
2.6、導(dǎo)軌的選型......................................24
3、 數(shù)控部分硬件電路設(shè)計..............................24
3.1、硬件電路組成...................................24
3.2、中央處理器選擇.................................22
3.3、存儲器的擴展及選型.............................23
3.4、其他電路設(shè)計...................................24
4、 總結(jié)..............................................28
5、 致謝..............................................29
6、 參考文獻(xiàn)..........................................30
1、總體設(shè)計方案確定
1.1、c6132工藝范圍
數(shù)控車床主要用于軸類、盤類零件的加工, 能自動完成外圍柱面、內(nèi)孔、錐面、圓弧面、螺紋等工序的粗細(xì)加工, 并能在圓柱面或端面上進(jìn)行銑槽、鉆孔、鉸孔等工作, 可以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件在預(yù)先加工好定位基面后, 一次裝夾下完成從毛坯到成品的全部工序。因此能夠極大的提高生產(chǎn)率。C6132車床主要用于對小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工。
1.2、設(shè)計任務(wù)
本設(shè)計任務(wù)在現(xiàn)有C6132車床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對機床橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造，主傳動系統(tǒng)保留。，橫向進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量分別為0.005mm/step，最大快移速度2000mm/min，定位精度±0.01mm。
1.3、總體方案
1.3.1、進(jìn)給系統(tǒng)改造
將車床溜板箱拆除，在原處安裝滾珠絲杠螺母座，絲杠螺母固定在其上。將橫溜板中的普通絲杠、螺母拆除，在該處安裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副，伺服電機與絲杠間采用一級減速器聯(lián)接, 以縮小傳動鏈, 提高系統(tǒng)剛度, 并減少傳動鏈誤差。橫向伺服電動機與齒輪減速器總成安裝在機床后部并與滾珠絲杠通過柔性聯(lián)軸器相連。柔性聯(lián)軸器的特點是有一定的緩沖性能和較大的綜合補償性能（包括：軸向偏移，徑向偏移，角度偏移）。滾珠絲杠螺母機構(gòu)特點是具有摩擦力小,運動靈敏, 無爬行現(xiàn)象, 也可以進(jìn)行預(yù)緊, 以實現(xiàn)無間隙傳動,傳動剛度好,反向時無空程死區(qū)等特點。可提高傳動精度。
1.3.2、伺服系統(tǒng)的改造
⑴、考慮到數(shù)控的方便性，伺服系統(tǒng)改造的經(jīng)濟(jì)型，所以在保證具有一定加工精度的前提下，從改造成本考慮。應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本及考慮到加工精度的要求，應(yīng)采用以伺服電動機為驅(qū)動的開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)特點：環(huán)路短，剛性好，較容易獲得較高的精度和速度。
伺服電動機 機床工作臺
比較器
放大電路
脈沖指令
圖1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖
⑵、開環(huán)伺服系統(tǒng)一般選用步進(jìn)電機。步進(jìn)電動機是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移量的執(zhí)行元件。其轉(zhuǎn)速則與脈沖頻率成正比。由于輸入為電脈沖，因而易于電子計算機或其他數(shù)字電路接口，適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。步進(jìn)電動機廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、自動生產(chǎn)線、自動化儀表、計算機外部設(shè)備、繪圖機、計時鐘表等方面。步進(jìn)電動機用于系統(tǒng)具有較好的開環(huán)穩(wěn)定性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，有可能省去閉環(huán)系統(tǒng)中的測量元件。
⑶、反應(yīng)式步進(jìn)電動機的特點：步距角小，啟動和運行頻率高，在一相繞組長期通電狀態(tài)下，具有自鎖能力，消耗功率較大，應(yīng)用范圍比較廣泛。例如閥門控制、數(shù)控機床及其他數(shù)控裝置。
永磁式步進(jìn)電動機的特點：功率比較小，在斷電的情況下，有定位轉(zhuǎn)矩，步距角大，啟動和運行頻率較低，主要應(yīng)用在自動化儀表方面。
故：從精度和經(jīng)濟(jì)的角度來選，伺服系統(tǒng)采用反應(yīng)式步進(jìn)電機的開環(huán)控制。
為使步進(jìn)電機正常運行并輸出一定的功率，需要有足夠功率提供給電動機因此需要有功率放大環(huán)節(jié)，脈沖分配器及前面的微機及接口芯片，工作電平一般為5V，而作為電動機電源需符合電機要求的額定電壓值，為避免強電對弱電的干擾在它們之間應(yīng)采用隔離電路。如下圖
圖1.2 電機驅(qū)動電路
1.3.3、導(dǎo)軌改造
導(dǎo)軌需沿用原機床的導(dǎo)軌，但因起精度較低，不適合數(shù)控機床。因而在原導(dǎo)軌上粘接四氟乙烯軟帶，使其有良好的耐摩性和較小的摩擦阻力，能預(yù)防爬行并具有自潤滑性。
1.3.4、控制系統(tǒng)選用
控制系統(tǒng)選用MCS-51單片機。
1.3.5、系統(tǒng)框圖
見圖【01】
2、機械部分改造
2.1、C6132普通車床參數(shù)
最大回轉(zhuǎn)直徑：ф320mm
最大加工長度：640mm
移動步件重盤：橫向 500N
刀架快進(jìn)速度：橫向 1.2m/min
最大進(jìn)給速度：橫向0.3m/min
主電機功率：4KW
起動加速時間：25ms
機床定位精度：0.015mm
機床效率：0.8
2.2、切削力的計算
在設(shè)計機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)時，計算傳動和導(dǎo)向元件，選用伺服電機等都需要用到切削力，
2.2.1、主切削力
選工件材料碳素結(jié)構(gòu)鋼，=650 MP；選用刀具材料為高速鋼；
刀具幾何參數(shù)：主偏角=，前角=，刃傾角=；
切削用量為：背吃刀量=2mm，進(jìn)給量=0.8mm/r，切削速度=1 m /min.。
由表（2.1）查得：=1770; =1.0 =0.75 =0;
由表（2.2）查得：主偏角修正系數(shù)=0.92 ,前角，刃傾角修正系數(shù)都為1.0；
代入公式：
=
=2754.92 ( N )
2.2.2、進(jìn)給力與背吃刀力
由經(jīng)驗公式：
：：=1:0.35:0.4
知：==2754.92N
==0.35x2754.92=964.22N
==0.4x2754.92=1101.97N
2.2.3、工作載荷
選擇矩形三角形組合導(dǎo)軌由表（2.3）計算：
=1.15x964.22+0.15x(2754.92+500)
=1597.09（N）
： 溜板箱及刀架（橫向）重力=500（N）;
： 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)由表（2.3）查得：K=1.15
f ： 滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)由表（2.3）查得：f= 0.15
表2.1車削力公式中系數(shù)參數(shù)
結(jié)構(gòu)鋼，鑄鋼=650 MP
刀具材料
加工外形
公式中指數(shù)及參數(shù)主切削力
高速鋼
外圓縱車，橫車，切斷
1770
1.0
0.75
0
表2.2加工鋼或鑄鐵刀具幾何參數(shù)改變時切削力修正系數(shù)
名稱
數(shù)值
主偏角
修正系數(shù)
0.92
前角
1.0
刃傾角
1.0
刀尖圓角半徑
1.0
表2.3實驗計算公式及參考參數(shù)
導(dǎo)軌類型
實驗公式
f
矩形導(dǎo)軌
1.1
0.15
燕尾導(dǎo)軌
1,4
0.2
三角形或綜合導(dǎo)軌
1.15
0.15-0.18
2.3、滾珠絲杠的設(shè)計計算和選型
2.3.1、絲杠轉(zhuǎn)速
=200r/min；
其中：：最大切削條件下進(jìn)給速度（mm/min），
取最高進(jìn)給速度(2000mm/min)的 1/2～1/3
即： =2000 × ?=1000mm/min
：絲杠導(dǎo)程初選5 mm（導(dǎo)程越大，承載越大；導(dǎo)程越小，精度越高）；
2.3.2、承載能力選擇
=
=11010.38 N
其中：
=180 (r)；
滾道硬度HRC=55；
表2.4 使用壽命時間（h）
使用壽命時間（h）
普通機床
數(shù)控機床
航空機械
5000～10000
15000
1000
表2-5 硬度系數(shù)
硬度系數(shù)
HRC≧58
HRC=55
HRC=52.5
HRC=50
HRC=45
1.0
1.11
1.35
1.56
2.4
表2-6載荷系數(shù)
載荷系數(shù)
平穩(wěn)或輕度沖擊
中等沖擊
較大沖擊
1.0～1.2
1.2～1.5
1.5～2.5
2.3.3、計算額定載荷C
選用滾珠絲杠副的直徑d0時，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）時，其中90%不產(chǎn)生疲勞損傷時所能承受的最大軸向載荷。
①、計算最大額定動載荷
=9919.26 (N)
絲杠選型應(yīng)使得絲杠額定動載荷滿足：
知：此項滿足要求。
②、計算最大額定靜載荷
=2x1597.09=3194.18 (N)
絲杠選型應(yīng)使得絲杠額定靜載荷滿足：=28538
知：此項滿足要求。
表2.7靜態(tài)安全系數(shù)
靜態(tài)安全系數(shù)
一般運動
有沖擊及振動的運動
1～2
2～3
2.3.4、選擇滾珠的杠螺母的選型：
⑴、滾珠絲杠選型
根據(jù)上面的計算查表選滾珠絲杠型號為：FL2505-3
表2.8 FLF2505-3 型滾珠絲杠參數(shù)
型號
公稱直徑
基本導(dǎo)程
絲杠外徑
滾
珠
直
徑
螺旋升角
循環(huán)圈數(shù)
額定載荷N
接觸剛度R
(N/）
動剛度
靜剛度
絲
杠
底
徑
2505-5
25
5
24.5
3.175
3`39`
2x2.5-2x2.5
11670
28538
870
21.2
表2.9螺母安裝尺寸
D
D
D
B
M
40
66
53
11
4
10
5.8
6
M6
28
30
102
余程
有效行程
全長
20
=-2=360
400
12
6
P1042
⑵、滾珠絲杠循環(huán)方式
本設(shè)計循環(huán)方式采用：外循環(huán)滾珠絲杠，螺旋槽式。
⑶、滾珠絲杠副的標(biāo)注方法
滾珠絲杠 GB/T ××××× - ××× × ×× ××××× × ×× ×
名稱
國家標(biāo)準(zhǔn)號
公稱直徑
基本導(dǎo)程
螺紋長度
類型P/T
公差等級
旋向R/L
FL25005-3-310 /400
表示：
外循環(huán)墊片調(diào)隙式、法蘭式雙螺母螺紋預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠母副，名義直徑為25mm，導(dǎo)程為5mm,一個螺母工作滾珠為3.5圈，單列，3級精度，右旋，絲杠螺紋部分長度為310mm,絲杠總長度為400mm。
2.3.5、壓桿穩(wěn)定性效核
=
=17081.98 >>=1597.09 ( N )
知：此項滿足要求；
其中：
：實際承受載荷能力N；-剛的彈性模量，MPa；
：滾珠絲杠底徑的抗彎截面慣性矩，=9910.44 mm；
：壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)取2.5～4；
表2.10 壓桿穩(wěn)定支撐系數(shù)
壓桿穩(wěn)定支撐系數(shù)
雙推-雙推
單推-單推
雙推-簡支
雙推-自由
4
1
2
0.25
注：①若＜時，絲杠失去穩(wěn)定發(fā)生翹曲；
②兩端裝推力軸承及向心軸承時一般不會發(fā)生現(xiàn)象；
③當(dāng)n＜10r/min時，無需計算，只效核≥。
2.3.6、剛度驗算
每一導(dǎo)程變形量 （mm）
=
= 0.006+0.1x
0.006 （mm）
其中：T===0.768 （N·cm）
（“+” 取拉，“–”取壓）
：剛的彈性模量，MPa；
：絲杠最小截面積，；：扭矩，N·cm；
：滾珠絲杠底徑的抗彎截面慣性矩，；
2.3.7、傳動效率
==95.6%
：絲杠螺旋線升角；：摩擦角（滾珠絲杠?。?
2.3.8、臨界轉(zhuǎn)速
== 9060000 ( r/min )
：絲杠底徑（mm）；：絲杠支撐間距（mm）。
表2.11 臨界裝束系數(shù)
臨界裝束系數(shù)
雙推-雙推
雙推-支撐
雙推-單推
雙推-自由
21.9
15.1
9.7
3.4
2.3.9、最大轉(zhuǎn)速
絲杠最大轉(zhuǎn)速滿足：
=50000/25=2000 ( r/min )
：絲杠名義直徑（mm）；：常取=50000～70000。
2.3.10、壓彎臨界載荷 N
== 367.2 ( N )
：絲杠底徑（mm）；：絲杠支撐間距（mm）
表2.12 臨界載荷系數(shù)m
臨界載荷系數(shù)
雙推-雙推
雙推-支撐
雙推-單推
雙推-自由
20.3
10.2
5.1
1.3
2.3.11、預(yù)緊力
預(yù)緊力增加，滾珠與滾道間接觸剛度也增加，傳動精度提供；但過大預(yù)緊力會影響甚至降低絲杠的壽命。
按下表選擇
表2.13 預(yù)緊力計算公式
工 作 條 件
（N）
舉例
工作速度
反向間隙
定位精度
接觸剛度
中速
無
高
高
=（0.1～0.13）×
加工中心NC機床
中速
無
較高
較高
=(1/3)
經(jīng)濟(jì)型NC機床，普通機床
高速
無
一般
低
<<(1/3)
工業(yè)機器人工程機械
=(1/3) =1/3x1597.09=532.36 ( N )
滾珠絲杠副的預(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)緊以及過盈滾珠預(yù)緊等。
2.3.12、絲杠與軌道間接觸變形
?。?0.005mm
其中：=3281.93 N ；=532.36N
:滾珠直徑；=3.173 mm；
：滾珠總數(shù)；=x圈數(shù)x列數(shù)=370個；
由：=+=0.005+0.006=11 <=13
查表知：3級精度，310-400長度內(nèi)允許變量為13
故：此項滿足要求。
綜上知：選用 FL2505-3 型滾珠絲杠可以設(shè)計滿足要求。
2.4、減速齒輪計算
⑴、算進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動比i
=360 × 0.005/×5
=0.48
式中：脈沖當(dāng)盒(mm/步）;=0.005 mm/setp
：滾珠絲杠的基本導(dǎo)程(mm); =5
：步進(jìn)電機的步距角。初選。
⑵、減速齒輪的計算
計算出傳動比以后，再根據(jù)降速級數(shù)決定一對或兩對齒輪的齒數(shù)、模數(shù)和各項技術(shù)參數(shù)。因為進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大，一般取模數(shù)m=1—2，數(shù)控臺鉆x—y工作臺取m=1，數(shù)控車床，銑床可取m=2。
由（、為降速齒輪的齒數(shù)）可計算和選取齒數(shù)。
齒輪各部分幾何參數(shù)如表（2.15）計算。
I=Z1/Z2=0.48
所以選主動輪Z1=24，從動齒輪Z2=50
表2.15減速齒輪計算參數(shù)
名稱
代號
計算
=24
=50
齒頂高
=2
齒根高
=2.5
齒全高
=4.5
分度圓直徑
=48
=100
齒頂圓直徑
=52
=104
齒根圓直徑
=43
=95
齒距
=6.28
齒厚
=3.14
中心距
=74
模數(shù)
=2
齒頂高系數(shù)
=1
齒隙系數(shù)
=0.2
齒形角
=20
齒輪寬（初選）
B=20
B=14
⑶、齒輪消隙
由于數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)常處于自動變向狀態(tài)，反向時如果驅(qū)動鏈中的齒輪等傳動副存在間隙，就會使進(jìn)給運動的反向滯后于指令信號，從而影響其驅(qū)動精度。因此必須采取措施消除齒輪傳動中的間隙，以提高數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動精度。故采用：雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法（如圖2.1）。其特點：既可以消除間隙，且反向時不會出現(xiàn)死區(qū)。
圖2.1 可拉彈簧式雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法
圖中,在2 個薄片齒輪1 和2 上裝有螺紋的凸耳4 和8 ,彈簧的一段鉤在凸耳4上,另一端鉤在螺釘5 上。彈簧3 所受的張力大小可用螺母6 來調(diào)節(jié)螺釘5 的伸出長度,調(diào)整好后再用螺母7 鎖緊。
雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法原理：在一對嚙合的齒輪中，其中一個是寬齒輪（圖中標(biāo)出），另一個是由兩薄齒輪組成。薄片齒輪1和2上各開有周向圓弧槽，并在兩齒輪的槽內(nèi)各壓配有安裝彈贊4的短圈柱3。在彈簧4的作用下使齒輪1和2錯位，分別與寬齒輪的齒槽左、右側(cè)貼緊，消除了齒側(cè)間隙，但彈簧4的張力必須足以克服扭矩
2.5、步進(jìn)電機計算及選用
2.5.1、反應(yīng)式步進(jìn)電動機的特性
⑴、步距角
步距角是步進(jìn)電動機的主要指標(biāo)之一，它的大小由公式（1）決定步距角的大小反映了系統(tǒng)能夠達(dá)到的分辨能力。目前國產(chǎn)步進(jìn)電動機的步距角由0.3750到900最常用的為1.20/0.60、1.50/0.750、1．80/0.90、20/10、30/1.50、4.50/2.250等幾種。
（1）
⑵、靜特性
靜特性是指步進(jìn)電動機在穩(wěn)定狀態(tài)時的特性，包括矩角特性、靜態(tài)稚定區(qū)等。1.矩角特性
在脈沖電流不變的情況下，步進(jìn)電動機的靜轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子失調(diào)角的關(guān)系M=f(θ)稱為矩角特性。
失調(diào)角的關(guān)系，即定、轉(zhuǎn)子齒中心線間的夾角θ在反應(yīng)式步進(jìn)電動機中一個齒距對應(yīng)的電角度為2。
定、轉(zhuǎn)子齒對齊時，即θ=0，電機轉(zhuǎn)子無切向力轉(zhuǎn)矩為零；若定、轉(zhuǎn)子齒錯開一個角度．這時出現(xiàn)切向力，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，其作用是使齒對齊。根據(jù)理論和實驗驗證，M=f(θ)近似為一條正弦曲線，如圖19所示，矩角特性上電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。它表示步進(jìn)電動機承受負(fù)載的能力，是步進(jìn)電動機最主要的性能指標(biāo)之一。
⑶、步進(jìn)動行特性
①、靜穩(wěn)定區(qū)
由步進(jìn)電動機的矩角特性可知，當(dāng)失調(diào)角θ在到（即相當(dāng)齒距）的范圍內(nèi)，若去掉負(fù)載，轉(zhuǎn)子仍能回到初始穩(wěn)定平衡位置稱到為靜穩(wěn)定區(qū)，如圖19所示若失調(diào)角超過這個范圍，去掉負(fù)載再也不能自動加到這個平衡位置。
步進(jìn)運行特性是指脈沖頻率很低，每一個脈沖到來之前，轉(zhuǎn)子運動己經(jīng)停止，這種運行狀態(tài)稱為步進(jìn)運行狀態(tài)。
②、動穩(wěn)定區(qū)
動穩(wěn)定區(qū)是指步進(jìn)電動機從一種通電狀態(tài)切換到另一種通電狀態(tài)時，不致引起失步的區(qū)域。如步進(jìn)電動機空載，在A相通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子位于矩角特性曲線A上的平衡點OA處：A相斷電，B相通電，工作點將由OA點跳至曲線B上，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運行于OB點。改為B相通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子位置處于B'--B"之間，轉(zhuǎn)子就能向OB點運動。而達(dá)到新的德定平衡，區(qū)域B'--B"為步進(jìn)電動機空載狀態(tài)下的動穩(wěn)定區(qū)，如圖20所示，顯然相數(shù)或拍數(shù)增加，步距角減小，穩(wěn)定區(qū)越接近靜穩(wěn)定區(qū)。
③、步進(jìn)運行時的負(fù)載能力
如果步進(jìn)電動機有負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZI較小時，在A相繞組通電的情況下，電動機穩(wěn)定工作點在曲線A上的a1點，A相繞組斷電，B相繞組通電時，工作點將由點a1跳到曲線B上的b1點，此時電磁轉(zhuǎn)矩大于MZI，轉(zhuǎn)子加速，工作點由b1點沿曲線B移到的b1'，達(dá)到新的平衡位置，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZ2很大時，在A相通電時，電動機穩(wěn)定在曲線A上的a2點。A相斷電，B相通電瞬間，工作點由a2跳到曲線B上的b2點，此時電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZ2，轉(zhuǎn)子無法帶動負(fù)載轉(zhuǎn)矩作步進(jìn)運動。顯然，電動機步進(jìn)運動所能帶動的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩取決于曲線A和曲線B交點對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。此稱最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZM如圖21所示，步進(jìn)電動機的相數(shù)m或拍數(shù)N的增加，步距角減小，兩曲線的交點就升高，帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩的能力增強。
⑶、連續(xù)運行特性
如果輸入脈沖頻率很高時，控制脈沖的時間間隔小于過渡過程時間，轉(zhuǎn)子尚未走完前一步，下一個脈沖已經(jīng)到來步進(jìn)電動機呈連續(xù)狀態(tài)。
①、矩頻特性：
因為步進(jìn)電動機的控制繞組中存在電感，所以電流增長就有個過渡過程，頻率較高時，電流達(dá)不到穩(wěn)定值，電流峰值隨脈沖頻率增大而減小，轉(zhuǎn)矩就隨脈沖頻率的升高而降低如圖22所示。
②、工作頻率
起動頻率是指步進(jìn)電動機要在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步起動的最高頻率。
因為步進(jìn)電動機在起動時，除要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，還要克服慣性轉(zhuǎn)矩，頻率高時，轉(zhuǎn)子就可能跟不上，為保證正常起動，起動頻率要有限制。
連續(xù)工作頻率又稱運行頻率，它是指步進(jìn)電動機起動后，當(dāng)控制脈沖連續(xù)上升時，能不失步運行的最高頻率，起動后，再逐步升高脈沖頻率，慣性轉(zhuǎn)矩不那么大，所以達(dá)到的最高頻率要比起動頻率高得多。有關(guān)。布距角越小，最大靜轉(zhuǎn)矩越大，起動頻率和工作頻率越高。
2.5.2、選擇步進(jìn)電動機考慮因素
根據(jù)系統(tǒng)的需要，參照各種步進(jìn)電動機的特點，選擇步進(jìn)電動機的類型，然后再考慮以下各項具體因素，選擇步進(jìn)電動機的規(guī)格。
⑴、根據(jù)需要的脈沖當(dāng)量（每一個脈沖步進(jìn)電動機帶動負(fù)載所轉(zhuǎn)的角或直線位移）和可能選擇的傳動比來選擇步進(jìn)電動機的步距角
⑵、根據(jù)負(fù)載的阻力矩，按下式選擇步進(jìn)電動機的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩MJM=MZ/（0.3~0.5）
⑶、對大轉(zhuǎn)動慣量的負(fù)載來說，起和停動頻率不宜過高。應(yīng)當(dāng)考慮在低頻下起動后再升到工作頻率，停動應(yīng)從工作頻率下降到適當(dāng)頻率在停動。
⑷、盡量使工作過程負(fù)載均衡，避免由于突變引起動態(tài)誤差。
⑸、對有強迫冷卻的步進(jìn)電動機要注意工作過程中冷卻裝置的正常運行。
⑹、發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電動機有失步現(xiàn)象，首先應(yīng)檢查負(fù)載是否過大，電派電壓是否正常，指令安排是否合理，然后再檢查驅(qū)動電源輸出是否正常，波形是否正常，最后根據(jù)原因再處理，處理中不宜任意更換元件或改變其規(guī)格。
2.5.3、步進(jìn)電機初選
根據(jù)初選查表初選距角 選擇步進(jìn)電機型號為150BF002。電機的有關(guān)參數(shù)見表2-14。
其中：150BF002步距角/,其中是五相十拍，是五相五拍。選擇五相十拍其步距角是，滿足減速比的計算。
表2.14 步進(jìn)電機參數(shù)
型 號
主要技術(shù)數(shù)據(jù)
外形尺寸
重量
步距角
最 大靜轉(zhuǎn)距
最高空載啟動頻率()
相數(shù)
電壓
電流
外徑
長度
軸徑
45BF003-Ⅱ
1．5
0.196
3700
3
60
2
45
58
4
3.8
55BF004
1．5
0.49
2200
3
27
3
55
60
6
6.5
75BF001
1．5
0.392
1750
3
24
3
75
53
6
11
75BF003
1．5
0.882
1250
3
30
4
75
75
8
15.8
90BF001
0.9
3.92
2000
4
80
7
90
145
9
45
110BF003
0.75
7.84
1500
3
80
6
110
160
11
60
110BF004
0.75
4.9
1500
3
30
4
110
110
11
55
130BF001
0.75
9.31
3000
5
80/12
10
130
170
14
92
150BF002
0.75
13.72
2800
5
80/12
12
105
155
18
140
2.5.4、步進(jìn)電機的校核
⑴、電機軸上總轉(zhuǎn)動慣量
=
=26.11 ( )
其中：：滾珠絲杠轉(zhuǎn)矩；
==1.20 ()
：床鞍折算到絲杠上轉(zhuǎn)動慣量；
=== 0.32 ( )
：齒輪轉(zhuǎn)動慣量；
==0.81 ( )
= =1.15( )
：電機轉(zhuǎn)動慣量；查表（3-1）=13.72 ( )
⑵、電動機上等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩
①快速空載啟動時電動機軸所受負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N/m
其中：：最大加速轉(zhuǎn)矩；
：最大轉(zhuǎn)速；==833.33 ( r/min )
：步進(jìn)電機由靜止加速到最大轉(zhuǎn)速歷時；設(shè)=0.4 （ s ）
：橫向傳動總效率；取=0.8
則：
=
=0.71 ( N/m )
移動部件運動時折算到電動機軸上摩擦轉(zhuǎn)矩
=
其中：：導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；取=0.2
：垂直方向工作負(fù)載；空載時取=0
則：=
=
=0.004 ( N/m )
絲杠部分忽不計
故： =0.71+0.004=0.714 ( N/m )
②最大工作負(fù)載下電機轉(zhuǎn)軸所承受負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N/m
其中：：最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；
==2.00 ( N/m )
=
=
=0.13 ( N/m )
故： =2.00+0.13=2.13 ( N/m )
故： ==2.13 ( N/m )
⑶、步進(jìn)電機最大靜轉(zhuǎn)矩選定
=4x1.01=8.52 ( N/m )
由表（2.14）知 150BF002 型步進(jìn)電機最大靜轉(zhuǎn)矩=13.72 N/m 。
故：此項滿足要求。
⑷、步進(jìn)電機性能校核
①、最大工進(jìn)時電機輸出轉(zhuǎn)矩 N/m校核
由：=1000 mm/min；=0.005 mm；
求得運行頻率=3333.33 ;
查圖（2.14）得：= ( N/m )
知： =1.01 ( N/m )；
故：此項滿足要求。
②、最大空載時電機輸出轉(zhuǎn)矩 N/m校核
由： =2000 mm/min；=0.005 mm；
=6666.67 ;
查圖（2-14）得：= ( N/m )
知： =0.714 ( N/m )
故：此項滿足要求。
③、最快空載運行時電動機運行頻率
由：=6666.67 ；
查表（2-14）150BF002 極限運行頻率=8000；
知：<；
故：此項滿足要求。
④、啟動頻率計算
===1643
其中：最高空載啟動頻率，由表（3.1）查得=2800 ；
：電機總轉(zhuǎn)動慣量，由上計算知：=26.11
：電動機轉(zhuǎn)動慣量，查表（2.14）知：=13.72
由上式計算知：要保證步進(jìn)電機不是步，任何時候啟動頻率都必須小于1643。
綜上知：本設(shè)計選150BF002型步進(jìn)電機，可以滿足設(shè)基要求。
2.6、導(dǎo)軌的選擇
導(dǎo)軌需沿用原機床的導(dǎo)軌，但因起精度較低，不適合數(shù)控機床。因而在原導(dǎo)軌上粘接四氟乙烯軟帶，使其有良好的耐摩性和較小的摩擦阻力，能預(yù)防爬行并具有自潤滑性。
其特點是：摩擦系數(shù)低，運動平穩(wěn)，可吸收震動，維修方便，損壞后更換容易。伺服控制系統(tǒng)的選擇。
綜上知：機械部分改造均已滿足要求。
由此得：機械部分裝配圖，見圖【02】；
傳動鏈圖，見圖【03】。
3、數(shù)控部分硬件電路設(shè)計
3.1、硬件電路組成機床硬件電路由以下組成。
（1）、主控制器，即中央處理單元CPU。
（2）、總線。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。
（3）、存儲器。包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器
（4）、接口。即I/O輸入/輸出接口電路。
（5）、處圍設(shè)備。如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。見圖7
RAM
ROM
I/O
步進(jìn)電機
功率放大器
光電隔離
CPU
外設(shè)
鍵盤，顯示等
圖 3.1 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）
3.2、中央處理器（CPU）選擇
①、本設(shè)計選用MCS-51的8031芯片。8031芯片內(nèi)部無程序存儲器（故EA端必須接地），8031有256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，地址從00H－FFH。內(nèi)部256字節(jié)的空間被分成兩部分，其中低8位內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）地址為00H-7FH,高8 位特殊功能寄存器（SFR）的地址80H－FFH為4個工作寄存器區(qū)，每個區(qū)都有8個8位寄存器R0-R7，可以用來暫存運算的中間結(jié)果以提高運算速度。其中的R0和R1還可以用來存放8位地址，要確定采用哪個工作寄存器，可通過標(biāo)志寄存器PSW中的RS0、RS1來指定。8031在組成控制系統(tǒng)時可根據(jù)需要擴展外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器，由于地址線是16位的，故最多能擴展64K程序存儲器和64K數(shù)據(jù)存儲器，其地址均為0000－FFFFH，即程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器為獨立編址。因此，EPROM和RAM的地址分配比較自由，編程不必考慮地址沖突問題。
圖3.2 8031管腳圖
②、地址鎖存器74L373
由于MCS－51單片機的P0口是分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在進(jìn)行程序存儲器擴展時，必須利用地址鎖存器將地址信號從地址/數(shù)據(jù)總線中分離開來。
圖3.4 74LS373的管腳圖
3.3、存儲器的選擇與擴展
⑴、因為8031沒有內(nèi)部ROM，故需外擴一片EROM，此處選擇一片8KB的2764作為外擴EROM。
程序存儲器2764
圖 3.5 2764管腳圖
⑵、因為8031只有00F-7FH的128位數(shù)據(jù)存儲空間，故此處選擇一片6264作為外擴RAM。
數(shù)據(jù)存儲器6264
6264芯片是一個8KX8的CMOS SRAM 芯片，它共有28條引出線，包括13根地址線、8根數(shù)據(jù)線以及4根控制信號線。
圖3.6 6264管腳圖
⑶、因為需要接顯示及鍵盤電路而8031單片機共有四個8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口及部分P2口線。因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免的要進(jìn)行I/O口擴展。此處選8155，以便更好的實現(xiàn)c6132機床的數(shù)控功能，利用8155的PC及P0口外接輸入鍵盤；利用8155的PA口及PB口外接輸出顯示。此處顯示采用LED數(shù)碼管，并選用兩篇BIC8718驅(qū)動器來連接PA口和PB口以驅(qū)動LED顯示。
8155
8155是具有40條引腳的雙列直插式RAM/IO/CTC擴展器。含有256個字節(jié)的RAM存儲器，一個6位、兩個8位可編程I/O口，一個14位可編程的定時器/計數(shù)器。
圖3.7 8155管腳圖
擴展芯片地址
芯片
地址選線
片內(nèi)單元
地址編碼
2764
001x xxxx xxxx xxxx
8K
2000H-3FFFH
6264
000x xxxx xxxx xxxx
8K
0000H-1FFFH
8155
I/O
01xx xxxx xxxx xxxx
6
4000H-7FFFH
RAM
00xx xxxx xxxx xxxx
256
0000H-3FFFH
綜上： 把上述所給硬件連接起來，組成一個單片機開發(fā)系統(tǒng)，其中8031的P1口連接步進(jìn)電動機；8031的P0口經(jīng)74L373地址鎖存器分別與2764、6264的低8位地址線相連接；8031的P2口分別直接與2764、6264相連接；8031的P0口與8155相連接；8155的PA口，PC口分別作為鍵盤的列口、行口，另外PA口加一個驅(qū)動器8718作為顯示器的位控口，PB口作為顯示器的段控口。
3.4、其他電路
⑴、復(fù)位電路
⑵、時鐘電路
⑶、報警電路
⑷、光電耦合電路
⑸、功率放大電路
即得電氣原理硬件接線圖：見圖【04】
4、總結(jié)
本設(shè)計主要任務(wù)是C6132橫向進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控改造，是基于現(xiàn)有普通型C6132車床的基礎(chǔ)之上進(jìn)行數(shù)控改造，以減少普通車床的勞動強度，提高普通型C6132車床的加工精度、工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，同時改善車削加工的工作環(huán)境。
本設(shè)計中我堅持思考和踐行相結(jié)合，從設(shè)計任務(wù)出發(fā)閱讀所有學(xué)過知識及設(shè)計可能用到的相關(guān)課本，以便在知識儲備方面有個好的基礎(chǔ)，此外也在許多網(wǎng)站尋找瀏覽有關(guān)知識，的確這次的做課設(shè)過程中復(fù)習(xí)了不少學(xué)過的知識，也學(xué)到和接觸了許多新知識，當(dāng)然，接觸的多了也遇到了不少的問題，而面對問題時，的確讓我很是苦惱，思考，詢問，查資料，還好有老師和同學(xué)的幫助，自己也在網(wǎng)上論壇提問求解，大多問題也都解決了。所以，通過這次課設(shè)我鞏固了許多知識也學(xué)到的確很多知識，懂得了虛心求教，多思考，多查資料，多看書，多總結(jié)的學(xué)習(xí)態(tài)度。謙恭而進(jìn)取，集思而廣益，我很感謝我的老師和同學(xué)們是你們的智慧幫我完成了本次的課程設(shè)計，使我學(xué)到如此之多的知識。
事躬行而得知。通過這次的課程設(shè)計我學(xué)到許多。雖然4個周的課設(shè)時間，但在這段時間里我學(xué)到了許多知識，懂得了長久學(xué)習(xí)的重要性，做完這次課設(shè)，對我來說不是一個終點，而是邁相機械方面學(xué)習(xí)的又一次起航。
5、致謝
本次課程設(shè)計任務(wù)是C6132橫向進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控改造，主要是在黃崇麗老師的精心指導(dǎo)下完成的。黃老師給了我無私的幫助和指導(dǎo)，老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，豐富的知識，永遠(yuǎn)是我的學(xué)習(xí)榜樣。
同時，也感謝王長乾老師的幫助和指導(dǎo)。感謝同班同學(xué)的幫助。
我能夠順利完成此次課程設(shè)計，離不開黃老師，王老師和同學(xué)們的幫助，再次我想你們表示誠摯的謝意。
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