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1 數(shù)控系統(tǒng)課程設計 C6140 普通臥式車床數(shù)控化改造之橫向進給系統(tǒng)（X ）軸設計 目錄 第一章 緒論 .............................................................................................................................................3 1.1、數(shù)控機床的產(chǎn)生 ..........................................................................................................................3 1.2、數(shù)控機床的發(fā)展 ..........................................................................................................................3 1.3、我國數(shù)控機床的發(fā)展概況 ..........................................................................................................4 1.4、數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 ..................................................................................................................4 1.5、數(shù)控機床改造的意義 ..................................................................................................................4 第二章、車床橫向進給系統(tǒng)存在的問題分析 .......................................................................................6 2.1 常見改進方案及存在問題 .............................................................................................................6 第三章、機械系統(tǒng)的改造設計方案 .......................................................................................................7 3.1、主傳動系統(tǒng)的改造方案 ..............................................................................................................7 3.2、安裝電動卡盤 ..............................................................................................................................7 3.3、進給系統(tǒng)的改造與設計方案 ......................................................................................................8 第四章、進給傳動部件的計算和選型 ...................................................................................................9 4.1、脈沖當量的確定 ..........................................................................................................................9 4.2 切削力的計算 .................................................................................................................................9 4.3、滾珠絲杠螺母 副的的計算和選型（橫向） ..............................................................................9 第五章、繪制進給傳動機構的裝配圖 .................................................................................................14 第六章、控制系統(tǒng)硬件電路設計 .........................................................................................................15 第七章、步進電動機驅動電源的選用 .................................................................................................17 第八章、控制系統(tǒng)的部分軟件設計 .....................................................................................................18 第九章、結論 .........................................................................................................................................24 第十章 心得體會 ...................................................................................................................................25 第十一章 參考資料 ...............................................................................................................................27 2 第一章 緒論 隨著社會生產(chǎn)和科學技術的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密復雜，且需頻繁 改型，普通機床已不能適應這些要求，數(shù)控機床應運而生。這種新型機床具有 適應性強、加工精度高、加工質量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。它綜合應用了電 子計算機、自動控制、伺服驅動、精密測量和新型機械結構等多方面的技術成 果，是今后機床控制的發(fā)展方向。 1.1、數(shù)控機床的產(chǎn)生 數(shù)控機床最早是從美國開始研制的。1948 年，美國帕森斯公司在研制加工 直升機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務時，提出了研制數(shù)控機床的初始設 想。1949 年，帕森斯公司與麻省理工學院伺服機構實驗室合作，開始從事數(shù)控 機床的研制工作。并于 1952 年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床實驗性樣機。這 是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床。經(jīng)過三年改進和 自動編程研究，于 1955 年進入實用階段。一直到 20 世紀 50 年代末，由于價格 和技術原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了 60 年代，由于晶體管的應用，數(shù)控 系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機床，其中多 數(shù)是鉆床、沖床等點位控制的機床。數(shù)控技術不僅在機床上得到實際應用，而 且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等，使數(shù)控技術不斷的擴展應用范圍。 1.2、數(shù)控機床的發(fā)展 自 1952 年，美國研制成功第一臺數(shù)控機床以來，隨著電子技術、計算機技 術、自動控制和精密測量等相關技術的發(fā)展，數(shù)控機床也在迅速地發(fā)展和不斷 地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。 第一代數(shù)控：1952-1959 年采用電子管元件構成的專用數(shù)控裝置。 第二代數(shù)控：從 1959 年開始采用晶體管電路的 NC 系統(tǒng)。 第三代數(shù)控：從 1965 年開始采用小、中規(guī)模集成電路的 NC 系統(tǒng)。 第四代數(shù)控：從 1970 年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控 制的系統(tǒng)。 第五代數(shù)控：從 1974 年開始采用微型電子計算機控制的系統(tǒng)。 目前，第五代微機數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn) 代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，具有很強的程 序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實現(xiàn)的。這些數(shù) 控系統(tǒng)的通用性很強，幾乎只需改變軟件，就可以適應不同類型機床的控制要 求，具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴大，光纜通信技術應用于數(shù) 3 控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加 完善。 近年來，微電子和計算機技術的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機械 制造的各個領域中，先后出現(xiàn)了計算機直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計算機 集成制造系統(tǒng)。所有這些高級的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)均是以數(shù)控機床為基礎，它們 代表著數(shù)控機床今后的發(fā)展趨勢。 1.3、我國數(shù)控機床的發(fā)展概況 我國從 1958 年由北京機床研究所和清華大學等首先研制數(shù)控機床，并試制 成功第一臺電子管數(shù)控機床。從 1965 年開始，研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到 60 年代末和 70 年代初，研制的劈錐數(shù)控銑床、非圓錐插齒機等獲得成功。與此同 時，還開展了數(shù)控加工平面零件自動編程的研究。1972-1979 年是數(shù)控機床的生 產(chǎn)和使用階段。例如：清華大學研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控技術在車、 銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領域開始研究與應用；數(shù)控加工中心機床研 制成功；數(shù)控升降臺銑床和數(shù)控齒輪加工機床開始小批生產(chǎn)供應市場。從 80 年 代初開始，隨著我國開放政策的實施，先后從日本、美國、德國等國家引進先 進的數(shù)控技術。上海機床研究所引進美國 GE 公司的 MTC-1 數(shù)控系統(tǒng)等。在引 進、消化、吸收國外先進技術基礎上，北京機床研究所又開發(fā)出 BSO3 經(jīng)濟型 數(shù)控系統(tǒng)和 BSO4 全功能數(shù)控系統(tǒng)，航空航天部 706 所研制出 MNC864 數(shù)控系 統(tǒng)等。進而推動了我國數(shù)控技術的發(fā)展，使我國數(shù)控機床在品種上、性能上以 及水平上均有了新的飛躍。我國的數(shù)控機床已跨入一個新的發(fā)展階段。 1.4、數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 從數(shù)控機床技術水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是 數(shù)控機床的重要發(fā)展趨勢。對單臺主機不僅要求提高其柔性和自動化程度，還 要求具有進入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)的適應能力。 在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，諸如日本的 FANCU，德國的 SIEMENS 和美國的 A-B 公司，產(chǎn)品都向系列化、模塊化、高 性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了 16 位和 32 位微機處理機、 標準總線及軟件模塊和硬件模塊結構，內存容量擴大到 1MB 以上，機床分辨率 可達 0.1 微米，高速進給可達 100m/min,控制軸數(shù)可達 16 個，并采用先進的電 裝工藝。 在驅動系統(tǒng)方面，交流驅動系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動已由模擬式向數(shù)字式 方向發(fā)展，以運算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù) 字集成元件所取代，從而克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。 4 1.5、數(shù)控機床改造的意義 數(shù)控機床改造在國外已發(fā)展成一個新興的工業(yè)部門，早在 60 年代已經(jīng)開始 迅速發(fā)展，其發(fā)展的原因是多方面的，主要有技術、經(jīng)濟、市場和生產(chǎn)上的原 因。我國是擁有 300 多萬臺機床的國家。而這些機床又大多是多年累積生產(chǎn)的 通用機床，不論資金和我國機床制造廠的能力都是辦不到的。因此，盡快將我 國現(xiàn)有一部分普通機床實現(xiàn)自動化和精密化改裝，是我國現(xiàn)有設備技術改造迫 切要求解決的課題。用數(shù)控技術改造機床，正是適應了這一要求。它是建立在 微電子現(xiàn)代技術與傳統(tǒng)技術相結合的基礎上。在機床改造中引入微機的應用， 不但技術上具有先進性，同時，在應用上比其它傳統(tǒng)的自動化改裝方案，有較 大的通用性與可調性。而且所投入的改造費用低，一套經(jīng)濟型數(shù)控裝置的價格 僅為全功能數(shù)控裝置的 1/3 至 1/5，用戶承擔的起。從若干單位成功應用的實例 可以證明，投入使用后，確實成倍地提高了生產(chǎn)效率，減少了廢品率，取得了 顯著的技術經(jīng)濟效益。因此，我國提出從大力推廣經(jīng)濟型數(shù)控這一中間技術的 基礎上，再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路，適合我國的經(jīng)濟水平、教育水平和 生產(chǎn)水平，已成為我國設備技術改造主要方向之一。同時，它還可以作為全功 能數(shù)控機床應用的準備階段，為今后使用全功能數(shù)控機床，培養(yǎng)人才，積累維 護、使用經(jīng)驗，而且也是實現(xiàn)我國傳統(tǒng)的機械制造技術朝機電一體化的方向過 渡的主要內容之一。 5 第二章、車床橫向進給系統(tǒng)存在的問題分析 C6140 車床橫向進給系統(tǒng)在連續(xù)的使用過程中，由于磨損等原因，使絲杠 與絲母間隙過大，產(chǎn)生軸向竄動，影響進給精度。通過調整可消除絲杠與絲母 間的間隙，但實踐證明，這種調整方法只消除了絲母的磨損間隙，而沒有消除 絲杠的磨損間隙。如果按絲杠磨損較大部位調整絲母，則在絲杠磨損較小部位 可能因間隙過小而使進給手柄轉動太沉。 經(jīng)過長期的觀察和實踐，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的機床都在很大程度上存在著進給 機構精度因磨損而嚴重下降的問題。普通車床的橫向進給機構因其使用頻繁且 承受很大的切削力，所以，磨損程度較其它機床嚴重，如果能夠有效地解決車 床的進給精度問題對其它類似的機構都有指導意義。 幾十年來，國內外車床一直采用上述的傳統(tǒng)結構，操作者在使用過程中必 須經(jīng)常進行調整，并把這項工作列入一級保養(yǎng)內容。因此，增加了工人的勞動 強度，降低了設備的利用率，即使這樣也不能很好地保證設備的精度。 2.1 常見改進方案及存在問題 針對普通車床橫向進給機構的進給精度問題國內外專家多采用以下三種解 決方案。 1.在中修或項修過程中，更換新的橫向進給絲母。必要時，對橫向進 給絲杠進行修復，然后再配作絲母，這種辦法并沒有從根本上解決橫向定位精 度問題。機床只是在修復后最初階段能夠保障橫向進給精度，數(shù)月后就進人反 復調整階段.而且加大了維修成本。 2.有的專家試圖用改進橫向進給絲杠支承結構或減小絲杠變形的方法來解 決問題。這種方案僅提高了絲杠的剛度，雖然能夠間接地減緩絲杠和絲母的磨 損，但仍然沒有從實質上解決問題。這種方法的缺點是改造的成本和維修費用 很大。 3.80 年代中期，隨著電子技術的進步與發(fā)展，國內外的專家們紛紛采用數(shù) 控或數(shù)顯技術對機床進行改造。采用數(shù)控技術改善機床進給機構精度，尤其是 采用閉環(huán)控制，很好地解決了進給精度問題。但是這種技術改造成本太高，一 般企業(yè)無法承受。采用數(shù)顯技術改善機床進給精度的實例在國內比較多，雖然 這種方案比數(shù)控技術改造投資小，但考慮到投資收益比，也不適合普通車床這 類造價較低的設備改造，一般企業(yè)僅把這項技術應用于精、大、稀設備的改造， 最常見的是造價幾十萬元的鏜銑床改造。 6 第三章、機械系統(tǒng)的改造設計方案 3.1、主傳動系統(tǒng)的改造方案 臥式車床進行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的主傳動機構和變速操縱機 構，這樣減少改造的工作量。主軸的正轉、反轉和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。 提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉速，可用 24 速的多速 電機和單速主電動機；當多速電動機仍不能滿足要求時，可用交流變頻器來控 制主軸實現(xiàn)無級變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時，若工作頻率低于 70Hz，原頻率可以不更換，但所選變頻器得功能應比電動機大） 。 其中，當采用有級變速時，可選用浙超力電機有限公司生產(chǎn)的 YD 系列 7.5KW 的三湘異步電動機，實現(xiàn) 24 檔變速；當采用無級變速時，應加裝交流 變頻器，推動 F1000G0075T3B，適配 7.5KW 電動機，生產(chǎn)廠家為煙臺惠 豐電子有限公司。 3.2、安裝電動卡盤 為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動卡盤，選用呼和浩特機床 附件總廠生產(chǎn)的電動三爪自定心卡盤。卡盤的夾緊與松開由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)信控制。 安裝自動回轉刀架 為了提高加工精度，實現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動刀架 換成自動回轉，選用常州市宏達機床數(shù)控設備有限公司生產(chǎn)的 LD4B CK6140 型四工位立式電動機，自動換刀需要配置相應的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完 成。 螺紋編碼器的安裝方法 螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時，需要配 置主軸脈沖發(fā)生器為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉動。 當中，改造后的車床能夠加工的最大螺紋導程是 24mm，Z 向的進給脈沖 當量是半脈沖，所以螺紋編碼器每轉傳輸出的脈沖數(shù)應不少于 24mm/(0.01mm脈沖)=2400 脈沖?？紤]到編碼器的輸出有相位差為 90的 A、B 相信號，可將 A、B 經(jīng)邏輯運算獲得 2400 個脈沖（一轉內） ，這樣編碼器 的線數(shù)可降到 1200 線（A、B 信號） 。另外，為了重復車削同一螺旋槽時不亂 扣，編碼器還需要輸出每轉一個得零位脈沖 Z。 基于上述要例選擇螺紋編碼器的型號為:ZLF-1200Z-05VO-15-CT。電源 電壓+5V ，每轉輸出 1200 個 A/B 脈沖與一個 Z 脈沖，信號為電壓輸出，軸頭直 7 徑 15mm,生產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術有限公司。 螺紋編碼器同常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指 將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結構簡單，但它堵住了 主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在主軸箱的后端，一般盡量裝在與主 軸同步旋轉的輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對傳動比為 1：1 的同步齒形帶與主軸連接起來，需要注意的是編碼器的軸頭與安裝軸之間必須 采用無間隙柔性聯(lián)結，且車床主軸的最高轉速不允許超過編碼器的最高許用轉 速。 3.3、進給系統(tǒng)的改造與設計方案 1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的同步軸，安裝螺紋的編碼器。 2）拆除進給箱總成，在此位置安裝縱向進給步進電機與同步帶減速箱總 成。 3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在床鞍的下面安裝縱向滾珠絲 杠的螺母座與螺母座托架。 4）拆除四方刀架與小滑板總成，在中滑板上方安裝四工式電動刀架。 5）拆除中滑板下的滑動絲杠螺母副，將滑動絲杠靠刻度盤一段（長 216mm,見書后插頁圖 6-2）鋸斷保留,拆掉刻度盤附近的兩個推力軸承,換上滾珠 絲杠副。 6）將橫向進給步進電機通過法蘭座安裝到中滑板后部的床鞍上，并與滾 珠絲杠的軸頭相連。 7）拆去三杠（絲杠、光杠與操作杠），更換絲杠的右支承。 改造后的橫向進給系統(tǒng)如后插頁 6-2。 8 第四章、進給傳動部件的計算和選型 縱、橫向進給的計算和選型主要包括：確定脈沖當量、計算切削力、選擇 滾珠絲杠螺母副、設計減速箱、選擇步進電動機等。以下詳細介紹橫向進給機 構。 4.1、脈沖當量的確定 根據(jù)設計任務的要求，X 方向（橫向）的脈沖當量為脈沖為 x=0.005mm/ 脈沖。 4.2 切削力的計算 以下是橫向切削力的詳細計算過程。 設工件材料為碳素結構鋼， b=650MPa;選用刀具材料為硬質合金 YT15； 刀具幾何參數(shù)為：主偏角 kr=60。 ，前角 ro=10。 ，刃傾角 s= -5。 ；切削用量 為：背吃刀量 ap=3mm，進給量 f=0.6mm/r，切削速度 vc=105m/min。 查表，得：C FC=2795,XFC=1.0,yFC=0.75,nFC=-0.15。 查表，得：主偏角 Kr 的修正系數(shù) KKrFC=0.94；刃傾角、前角和刀尖圓弧半 徑的修正系數(shù)值均為 1.0。 由經(jīng)驗公式： （4-1）FcnycXFPckvfC 算得主切削力 FC=2673.4N。有經(jīng)驗公式 FC:FF:FP=1:0.35:0.4, 算得橫向進給切削力 FF = 935.69 N，背向力 FP = 1069.36 N。 4.3、滾珠絲杠螺母副的的計算和選型（橫向） （1）計算進給率引力 m 橫向導軌為燕尾型，計算如下： (4-2) 1.4(2)yxXFfFG =1.4 670.2(8076)3N （2）計算最大動負載 C。 (4-3) 06633.305/min127127.038swmvnrLTfFN （3）滾珠絲桿螺母副的選型 查閱【機電一體化設計手冊】 ，可選用 WL20051 列 2.5 圈外循環(huán)螺紋預緊滾珠絲桿副，額定動載荷為 8800N，可滿足 要求，選定精度為 3 級。 （4）傳動效率 的計算 ： 9 (4-4) 0tantan43.965()(1) (5)剛度的驗算 先畫出此橫向進給滾珠絲桿支撐方式草圖，最大進給率引力為 2023，支撐 間距 L=450mm；絲桿螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的 1/3. 1）絲杠的拉伸或壓縮變形量 ，根據(jù) =2023N， ，查出1mF02Dm ，可算出：54.20L (4-5)5140.241.89L 由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲桿又進行了預拉緊，故其拉壓剛度 可以提高 4 倍。其實際變形量 21.74y m 2)滾珠與螺紋滾道間接觸變形 。查【機電一體化設計手冊】相關圖表，2 W 系列 1 列 2.5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 Q 38.50Q 因為進行了預緊，故 3321.14.250m 3）支撐滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形 因為施加預緊力，故 3339..72e 綜合以上幾項變量之和： (4-6) 313(4.25.)10 =0.001365mm 顯然此變形量已大于定位精度要求，應該采用相應的措施修改設計，但因 橫向溜板受空間限制，不宜再加大滾珠絲桿直徑，故采用貼塑導軌減小摩擦力， 從而減小最大牽引力，重新計算如下： (4-7) 1.4(2)myzxFfFG =1155N （6）壓桿穩(wěn)定性校核 計算失穩(wěn)時的臨界載荷 Fk (4-8) 2ZKfEIl 式中：E-----絲桿材料彈性模量，對剛 E= 60.1 I------截面慣性矩，絲桿截面慣性矩 I= 4d l------絲桿兩支撐端距離 ----絲桿的支撐方式系數(shù)，查表知 =2.00zf zf 對于本設計： I= = ； (4-9)416d443.6780.39cm 10 =78214N (4-10) 2ZKfEIFl (4-11)67.kmn 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求，不會產(chǎn)生失穩(wěn)。 4.4、步進電動機的計算與選型（橫向） （1）計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量 已知：滾珠絲桿的公eqj 稱直徑 ，總長（帶接桿） ，導程 ，材料密度md40l1560mph6 ；橫向移動部件總重量 G=1300N；同步帶減速箱大帶輪33/85.7ckgp 寬帶 28mm，節(jié)徑 54.57mm，孔徑 30mm，輪轂外景 42mm，寬度 14mm；小帶 輪寬度 28mm，結晶 45.48mm，孔徑 19mm，輪轂外徑 29mm，寬度 12mm；傳 動比 ?？梢运愕酶鱾€零部件的轉動慣量如下（具體計算過程從略）：滾2.1i 珠絲桿的轉動慣量 ；床鞍折算到絲桿上的轉動慣量278.30cmkgjs 小帶輪的轉動慣量 ；大帶輪的轉動慣量.cmkgjw 2195.0ckgjz 。在設計減速箱時，初選的橫向步進電動機型號229s 130BYG5501，從表中查得該型號電動機轉自的轉動慣量 。23cmkgjm 則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為： （4-12）2215.7/ckgijjjswzmeq （2）計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩 ，分快速空載啟動和eqT 承受最大工作負載兩種情況進行計算。 1）快速空載啟動時電動機轉軸所承受的負載轉矩 可知， 包括三部eqleql 分：快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩 、移動部件運max 動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩 、滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸fT 上的附加摩擦轉矩 。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，可知， 相對于 0T 0Tmax 和 很小，可以忽略不計。則有：fT （4-13）maxeqlf 根據(jù)式（4-13） ，考慮縱向傳動鏈的總效率 ,計算快速空載起動時折算到 電動機轉軸上的最大加速轉矩： （4-14）max2160eqnJTt 式中 對應橫向空載最快移動速度的步進電機最高轉速，單位為mn r/min； 步進電機由靜止到加速至所需要的時間，單位時間 s。at 其中： （4-15）max036vn 式中 橫向空載最快移動速度，任務書指定為 3000mm/min；maxv 11 橫向步進電機步距角，為 72； 橫向脈沖當量，本例 =0.005mm/脈沖。 將以上各值代入式（4-15）,算得 =1200r/min。mn 設步進電機由靜止到加速至 轉速所需時間 =0.41s，橫向傳動鏈總效率at =0.7 ；則由式（ 4-14）求得： (4-16) 4max257.102.58.6.TNm 可知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： （4-17） ()chfFGPTi 式中 導軌的摩擦因素，滑動導軌取 0.06; 垂直方向的工作負載，空載時取 0；cF 橫向傳動鏈總效率，取 0.7。 則由式（17） ，得： 、 (4-18)0.16(30).6.24.2.7fTNm 最后由式（4-20，求得快速空載起動時電動機轉矩所承受的負載轉矩為： （4-19）ax.8wqlfT 2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩 ，可知， 包2eqT2eq 括三部分：折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩 、移動部件運動時折算t 到電動機轉軸上的摩擦轉矩 、滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩t 擦轉矩 . 相對于 和很小,可以忽略不計.則有:0Tt (4-20)2eqtfT 其中，折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩 T1計算。本設計中在對 滾珠絲杠進行計算的時候，已知進給方向的最大工作載荷 F1=.935.69N,則有： = (4-21) 1TmNiPFhf 06.2.17069.352 再計算承受最大工作負載Fe=2673.4N情況下，移動部件運動時折算到電 動機轉 軸上的摩擦轉矩： iGhC 72.0.34..1 (4-22) 求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩： （4-23）mNTfteq78.2 經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩： （4-24）mNTTeqeq 82.,ax1 3步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機采用的開環(huán)控制，當 電網(wǎng)電壓降低時其輸出轉矩會下降，可能造成丟歩，甚至堵轉。因此，根據(jù) Teq 來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。本設計中取安全 12 系數(shù) K=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： (4-25)mNTeqj 28.18.24max 對于前面預選的 130BYG5501 型步進電動機，由表可知，其最大靜轉 Tjmax= 20N m,可見完全滿足要求。 （4）步進電動機的性能校核 1）最快工進速度時電動機輸出轉矩校核 任務書給定橫向最快工進速度 =400mm/min,脈沖當量 =0.005mm/ 脈沖，求出電機對應的運行頻率fvmax =400/(600.01)Hz1333Hz。從 130BYG5501 的運行矩頻特性圖 6-4 可以 看出，在此頻率下，電動機的輸出轉矩 Tmaxf17N m,遠遠大于最大工作負載 轉矩 Teq2=1.78Nm,滿足要求。 2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 任務書給定橫向最快空載移動速 度 =3000mm/min,求出電機對應的運行頻率 =3000/(600.005)maxv fmax Hz=10000Hz。查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩 =3.8 Nm,大于快axT 速空載起動時的負載轉矩 Teq1=2.82Nm,滿足要求。 3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 最快空載移動速度 Vmax=3000mm/min, 對應電動機的運行頻率 max=10000Hz。查表可知 130BYG5501 的極限運行頻率為 20000Hz,可見沒有超出上限。 4）起動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總轉動慣量 =57.55kg.cm,電動eqJ 機轉子自身的轉動慣量 Jm=33kg.cm,查表可知電動機轉軸不帶任何負載時的最 高空載起動頻率 q=1800Hz。則由式可以求出步進電動機克服慣性負載的起動 頻率為： （4-26）HzJffmeqL10871 上式說明，要想保證步進電動機起動時不失歩，任何時候的起動頻率都必 須小于 1087Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選的很低，通常只有 100Hz（即 100 脈沖/s ） 。 綜上所述，本設計中橫向進給系統(tǒng)選用 130BYG5501 步進電動機，可以滿 足設計要求。 13 第五章、繪制進給傳動機構的裝配圖 在完成滾珠絲杠螺母副、減速箱和步進電動機的計算、選型后，就可以著 手繪制進給傳動機構的裝配圖了。在繪制裝配圖時，需要考慮以下問題： 1) 了解原車床的詳細結構，從有關資料中查閱床身、床鞍、中滑板、刀架 等的結構尺寸。 2) 根據(jù)載荷特點和支承形式，確定絲杠兩端軸承的型號、軸承座的結構， 以及軸承的預緊和調節(jié)方式。 3) 考慮各部件之間的定位、連接和調整方式。例如：應保證絲杠兩端支承 與螺母座同軸，保證絲杠與機床導軌平行，考慮螺母座、支承座在安裝面上的 連接與定位，同步帶減速箱的安裝與定位，同步帶的張緊力調節(jié)，步進電動機 的聯(lián)接與定位等。 4) 考慮密封、防護、潤滑以及安全機構等問題。例如：絲杠螺母的潤滑、 防塵防鐵屑保護、軸承的潤滑及密封、行程限位保護裝置等。 5) 在進行各零部件設計時，應注意裝配的工藝學，考慮裝配的順序，保證 安裝、調試和拆卸的方便。 6) 注意繪制裝配圖時的一些基本要求。例如：制圖標準，視圖布置及圖形 畫法要求，重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標注，重要配合尺 寸的標注，裝配技術要求、標題欄等。 14 第六章、控制系統(tǒng)硬件電路設計 根據(jù)人任務書的要求，設計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能： 1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制 LED 顯示; 2）接收控制面板的開關與按鈕信號; 3）接收車床限位開關信號; 4）接收螺紋編碼器信號； 5）接收電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號； 6）控制 X、Z 向步進電動機的驅動器； 7）控制主軸的正轉、反轉與停止； 8）控制多速電動機，實現(xiàn)主軸有級變速； 9）控制交流變頻器，實現(xiàn)主軸無級變速； 10）控制切削液泵起動/停止； 11）控制電動卡盤的夾緊與松開； 12）控制電動刀架的自動選刀； 13）與 PC 機的串行通信。 圖 6-1 為控制系統(tǒng)的原理框圖。CPU 選用 ATMEL 公司的 8 位單片機 AT89S52；由于 AT89S52 本身資源有限，所以擴展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴展了一片 SRAM 芯片 6264 用作數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；鍵盤與 LED 顯示采用 8279 來管理；輸入/輸 出口的擴展選用了并行接口 8255 芯片，一些進/出的信號均做了隔離放大；模 擬電壓的輸出借助與 DAC0832；與 PC 機的串行通信經(jīng)過 MAX233 芯片。 15 晶振電 路EPRO M 芯片 W27C 512 SRA M 芯片 6264鍵盤與 顯示口 芯 片 8279 串行接 口 芯片 MAX23 3 并行 接口 芯片 8255 CPU AT89S5 2 單片機 復合電 路 隔離放 大電路 隔離放 大 X 向步進電 動機 刀架電動 機隔離放 大電路隔離放 大隔離放 大隔離放 大電路隔離放 大 隔離放 大電路 Z 向步進電 動機 主軸電動 機卡盤電動 機切削液泵電 動機刀架刀位信 號限位開關信 號 D/A 轉換 芯 片 DAC0832 螺紋光柵信 號操作面板開關/按鈕 信號 交流變頻 器 主軸電動 機 圖 6-1 控制系統(tǒng)原理框圖 16 第七章、步進電動機驅動電源的選用 本例中 X 向步進電動機的型號為 110BYG5802，Z 向步進電動機的型號為 130BYG5501，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團公司。這兩種電動機除了外形尺寸， 步距角和輸出轉矩不同外，電氣參數(shù)基本相同，均為 5 相混合式，5 線輸出， 電動機供電電壓 DC120310V，電流 5A。這樣，兩臺電動機的驅動電源可用同 一型號。在此，選擇合肥科林數(shù)控科技有限責任公司生產(chǎn)的五相混合式調頻調 壓型步進驅動器，型號為 BD5A。它與控制系統(tǒng)的連接如圖 7-1 所示。+5V方 向 ABC DE LNPE脈 沖+5VX方 向 (PB4) LN 保 護 接 地 PE脈 沖M x20v +5V方 向 ABC DE LNPE脈 沖+5VX方 向 (PB6) LN保 護 接 地 PE脈 沖 7M z20v 圖 7-1 BD5A 驅動器與控制系統(tǒng)連接 17 第八章、控制系統(tǒng)的部分軟件設計 1.存儲器與 I/O 芯片地址分配 根據(jù)地址譯碼器 U4（74LS138）的連接情況，可以算出主機板中存儲器 與 I/O 芯片的地址分配，如表 8-1 所示。 表 8-1 主機板中存儲器與 I/O 芯片的地址分配 器件名稱 地址選擇線（A15- A0） 片內地 址單元數(shù) 地址編碼 6264 000 8k 0000H1FFFH 8255 0011，1111，1111， 4 3FFCH3FFFH 8279 0101,1111,1111,111 2 5FFEH5FFFH DAC0832 0111,1111,1111,1111 1 7FFFH 2.控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序 系統(tǒng)設有 7 檔功能可以相互切換，分別是“編輯” 、 “空刀” 、 “自動” 、 “手 動 1”、 “手動 2”、 “手動 3”和“回零” 。選中某一功能時，對應的指示燈點亮， 進入相應的功能處理。系統(tǒng)監(jiān)控管理程序流程圖如圖 8-1。 圖 8-1 監(jiān)控管理程序流程 3. 8255 芯片初始化子程序 B255 : 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 18 MOV A, #OFFH ; 預置 PA 口全“1” MOVX DPTR, A ; 輸出全“1”到 PA 口 MOV DPTR,#3FFDH ; 指向 PB 口 MOV A, #OFFH ; 預置 PB 口全“1” MOVX DPTR, A ; 輸出全“1”到 PB 口 RET 8279 芯片初始化子程序 B270： MOV DPTR,#5FFFH ; 指向 8279 的控制口地址 MOV A,#OCFH ; 清除 FIFO 與顯示 RAM 命令 MOVX DPTR, A ; 命令字被寫入 WAIT: MOVX A, DPTR ; 從 8279 的控制口讀取 8279 的狀態(tài)字 JB ACC.7，WAIT ; 測試顯示 RAM 有沒有被清除完畢。 只有狀態(tài)字的 時，清除才結束 MOV A,#08H ; 編碼掃描，左入口，16 位字符顯示， 雙鍵互鎖 MOVX DPTR，A MOV A, #34H ; 分頻系數(shù)取 20 MOVX DPTR, A ; RET 8279 控制 LED 顯示子程序 設顯示緩沖區(qū)的首地址為 6BH，系統(tǒng)在指定的工作裝態(tài)下，需要顯示的字 符段碼的編碼，事先存儲在 CPU 內部 RAM 的 6BH73H 這 9 個字節(jié)中。已知 8279 的控制口地址為 5FFFH,數(shù)據(jù)口地址為 5FFEH,則顯示程序如下： DIR: MOV DPTR,#5FFFH ; 指向 8279 的控制口地址 MOV A,#90H ; 寫 8279 顯示 RAM 的命令 MOVX DPTR, A ; 從顯示 RAM 的 OOH 地址開始寫， 每寫一次，顯示 RAM 的地址自動加 1 MOV R0，#6BH ; 顯示緩沖區(qū)的首地址為 6BH MOV R7，#09H ; 顯示緩沖區(qū)的長度為 9 個字節(jié) MOV DPTR,#5FFEH ; 8279 的數(shù)據(jù)口地址 DIRO: MOV A,RO ; 從 CPU 的 RAM 中讀取顯示段碼的 編碼 19 ADD A, #05H ; PC 與 DTAB 表格之間的偏移量 MOVC A, A+PC ; 查表，取出顯示段碼 MOVX DPTR, A ; 送到 8279 顯示 RAM 中指定的字節(jié) INC RO ; 寫 8279 的下一個顯示 RAM DJNZ R7, DIRO ; 循環(huán) 9 次，寫成 9 位顯示 RET 段碼 字符 編碼 DTAB: DB 6FH ； F 0001 DB 0DAH DB 0BEH ; X 0203 DB 0E7H DB 0A3H ; Z 0405 DB 0CBH DB 0D1H ; U 0607 DB 0D3H DB 0DCH ; W 0809 DB 0CEH DB 0DFH ; - 0A DB 21H ; 0 0B DB 7BH ; 1 0C DB 91H ; 2 0D DB 19H ; 3 0E DB 4BH ; 4 0F DB 0DH ; 5 10 DB 05H ; 6 11 DB 69H ; 7 12 DB 01H ; 8 13 DB 09H ; 9 14 DB 20H ; 0. 15 DB 7AH ; 1. 16 DB 90H ; 2. 17 DB 18H ; 3. 18 DB 4AH ; 4. 19 20 DB 0CH ; 5. 1A DB 04H ; 6. 1B DB 68H ; 7. 1C DB 00H ; 8. 1D DB 08H ; 9. 1E ； 根據(jù)系統(tǒng)需要編制字庫 當需要顯示一組字符時，首先給顯示緩沖區(qū)的 6BH73H 這 9 個字節(jié)賦 值，然后調用 DIR 子程序即可。例如，要顯示“X1234.56” ，程序如下： MOV 6BH,#02H ; “X”的一半 MOV 6CH,#03H ; “X”的另一半 MOV 6DH,#0AH ; - MOV 6EH,#0CH ; 1 MOV 6FH,#0DH ; 2 MOV 70H,#0EH ; 3 MOV 71H,#19H ; 4 MOV 72H,#10H ; 5 MOV 73H,#11H ; 6 CALL DIR ; 向 8279 的顯示 RAM 寫數(shù) 顯示緩沖區(qū)（CPU 內部 RAM）： （6BH） （6CH） （6DH） （6EH） （6FH） （70H） （71H） （72H ） （73H） | | | | | | | | | 顯示字符： X - 1 2 3 4. 5 6 | | | | | | | | | 字符編碼：02H 03H 0AH 0CH 0DH 0EH 19H 10H 11H 8279 管理鍵盤子程序 如插圖所示，當矩陣鍵盤有鍵按下時，8279 既向 CPU 的 INT1 申請中斷， CPU 隨即執(zhí)行中斷服務程序，從 8279 的 FIFO 中讀取鍵值，程序如下： CLR EX1 ; 關 CPU 的 INT1 中斷 21 MOV DPTR，#5FFFH ; 指向 8279 控制口地址 MOV A，#01000000B ； 準備讀 8279FIFO 的命令 MOVX DPTR, A ； 寫入 8279 控制口 MOV DPTR,#5FFEH ; 指向 8279 數(shù)據(jù)口地址 MOVX A，DPTR ； 讀出鍵值 CJNE A,#KEY0，NEXT0 ; 依次進行判別 JMP -KEY0 ; 對應鍵進行處理 NEXT0：CJNE A,#KEY1，NEXT1 JMP -KEY1 NEXT0：CJNE A,#KEY2，NEXT2 JMP -KEY2 NEXT2： 7. D/A 電路輸出模擬電壓程序 如插圖所示，當 CPU 執(zhí)行寫指令時，只要選中 7FFFH 這個地址， DAC0832 與 741 組成的 D/A 轉換電路即可輸出直流電壓。程序如下： MOV DPTR, #7FFFH ；指向 DAC0832 口地址 MOV A, #DATA ；準備輸出的數(shù)字量 00H0FFH MOVX DPTR，A ；輸出直流電壓 010V 8. 步進電動機的運動控制順序 步進電動機的運動控制采用的是硬環(huán)分，其走步程序包括勻速與升降 速兩種，詳細的設計思路見第四張第四節(jié)。 9. 電動刀架的轉位控制程序 電動刀架的轉位包括控制刀架電動機的正轉、反轉與停止，以及 4 個刀位 信號的識別，具體程序參考本章第二節(jié)。 10. 主軸、卡盤與切削液泵的控制程序 車床主軸的控制，就是控制主電動機的正/反/停，以及自動變速；電動卡盤 需要控制其夾緊與松開；切削液泵需要控制它的起/ 停。這些程序都非常簡單， 對于某個動作的控制，只要從輸出接口芯片的某個引腳輸出一個電平信號即可。 現(xiàn)以主軸正轉為例，從書后插頁圖 6-7 可以看出，主軸的正轉由 8255 的 PA0 來控制，當用低電平信號來控制主軸正轉時，程序如下： MOV DPTP，#3FFCH ；8255PA 口地址 MOVX A，DPTR ；讀出 PA 口鎖存器內容 22 CLR ACC. 0 ；修改 MOVX DPTR，A ；置 PA0=0，直流繼電器 K+閉合， 主軸正轉 控制系統(tǒng)的軟件還包括兩坐標直線和圓弧的插補程序、直螺紋和錐螺紋的 插補程序，另外還有串行通信程序等。由于這些軟件的設計工作量都比較大， 課程設計時一般不要求編制詳細的程序清單。 23 第九章、結論 經(jīng)過大量實踐證明普通機床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟性、實用性和穩(wěn)定性。 其改造涉及到機械、電氣、計算機等領域，是一項理論深、實踐強的系統(tǒng)工程。 在進行數(shù)控改造時，應該做好改造前的技術準備。改造過程中，機械修理與電 氣改造相結合，先易后難、先局部后全局。 24 第十章 心得體會 這次課程設計中,我所從事設計的課題是經(jīng)濟型數(shù)控車床主傳動機構設計。 此類數(shù)控車床屬于經(jīng)濟型中檔精度機床，這類機床的傳動要求采用手動與電控 雙操縱方式，在一定范圍內實現(xiàn)電控變速。總體的設計方案就是對傳動方案進 行比較，繪出轉速圖，對箱體及內部結構進行設計，包括軸和齒輪的設計、校 核等。 為什么要設計此類數(shù)控車床呢？因為隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國 制造業(yè)領域涌現(xiàn)出了許多私營企業(yè)，這些企業(yè)的規(guī)模普遍不大，沒有太多的資 本。一些全功能數(shù)控系統(tǒng)，其功能雖然豐富，但成本高，對于這些中小型企業(yè) 來說購置困難，但是中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，希望對原有機床進行改造，進 行數(shù)控化、自動化，以提高生產(chǎn)效率。我國機床工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀是機床擁有量 大、工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小，突出的任務就是用較少的資金迅速改變機械工業(yè)落后的 生產(chǎn)面貌，使之盡可能提高自動化程度，保證加工質量，減輕勞動強度，提高 經(jīng)濟效益。我國是擁有 300 多萬臺機床的國家，而這些機床又大量是多年累積 生產(chǎn)的通用機床，自動化程度低，要想在近幾年內用自動和精密設備更新現(xiàn)有 機床，不論是資金還是我國機床廠的能力都是辦不到的。因此，普通機床的數(shù) 控改造，大有可為。它適合我國的經(jīng)濟水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我 國設備技術改造主要方法之一。目前，我國經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展迅速，研制了 幾十種簡易數(shù)控系統(tǒng)，有力地促進了我國數(shù)控事業(yè)的發(fā)展。經(jīng)濟型數(shù)控機床系 統(tǒng)就是結合現(xiàn)實的生產(chǎn)實際，我國的國情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡 可能地降低價格。 經(jīng)濟型數(shù)控車床有許多優(yōu)點。1）其降格便宜，且性能價格比適中，與進口 標準數(shù)控車床相比，前者只需一萬元左右，后者則需十萬甚至幾十萬元。因此， 它特別適合于改造在設備中占有較大比重的普通車床，適合在生產(chǎn)第一線大面 積推廣。從提高資本效率出