普通銑床的數(shù)控化改造畢業(yè)設(shè)計(jì) 機(jī)電一體化畢業(yè)論文

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1、XX大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，是實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石，是保證高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國防軍工現(xiàn)代化的戰(zhàn)略裝備。在全球倡導(dǎo)綠色制造的大環(huán)境下，機(jī)床數(shù)控化改造成為了熱點(diǎn)。它包括普通機(jī)床的數(shù)控化改造和數(shù)控機(jī)床的升級(jí) 本設(shè)計(jì)是對(duì)XA5032普通立式銑床進(jìn)行數(shù)控化改造。為了實(shí)現(xiàn)把XA5032普通立式銑床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，我針對(duì)此銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng)，X,Y,Z向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造，并增加了CNC裝置和伺服系統(tǒng)。對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)，我選用FANUC AC 電動(dòng)機(jī)通過帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸。對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)，我把原先的滑動(dòng)絲杠換成滾珠絲杠，以提高精度和效率，并由原先的手動(dòng)控制，改造成

2、由電動(dòng)機(jī)控制。通過變頻器實(shí)現(xiàn)主軸傳動(dòng)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的無級(jí)變速。通過單片機(jī)的設(shè)計(jì)，構(gòu)成控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：數(shù)控改造，滾珠絲杠，伺服系統(tǒng)ABSTRACTNC machine tools is the Machine Tools and equipment manufacturing, is to achieve manufacturing technology and the cornerstone of modern equipment is to ensure that high-tech industry development and national defense modernization

3、 of the military strategy and equipment. Green Manufacturing in the global advocacy of the environment, transformation of CNC machine tools to become a hot spot. It includes general of the CNC machine tools to transform and upgrade the CNC machine tools This design is XA5032 ordinary vertical millin

4、g machine NC transformation. In order to achieve the XA5032 vertical milling machine into the general economy CNC milling machine, I am against this milling the main drive system, X, Y, Z to the feed system NC transformation, and to increase the CNC servo devices and systems. The main drive system,

5、I choose FANUC AC motor drive through the belt drive spindle. The feed system, I replaced the original sliding screw ball screws, to improve accuracy and efficiency, and the original manual control, into the motor control. Converter to achieve through the main transmission and feed the CVT. SCM thro

6、ugh the design of a control system. Key words: NC transformation, ball screw, Servo System 目 錄第1章 數(shù)控機(jī)床的概述 11.1 數(shù)控機(jī)床1 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的概念 11.1.2 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 1 1.1.3 數(shù)控機(jī)床的組成 11.1.4 數(shù)控機(jī)床的分類 11.2 機(jī)床數(shù)控化改造 21.3 機(jī)床數(shù)控化改造的意義 2 第2章 銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計(jì)32.1 概述 3 2.1.1 數(shù)控銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn) 32.1.2 數(shù)控銑床對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本要求 32.2 數(shù)控化改造銑床的總體布局 3 2.2.1

7、 XA5032型立式升降臺(tái)銑床的布局及簡(jiǎn)介3 2.2.2 立式數(shù)控改造銑床的布局型式及簡(jiǎn)介4 2.3 數(shù)控化改造銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng) 4 2.3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求和變速方式4 2.3.2 XA5032型銑床數(shù)控化改造主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5 2.3.3 XA5032型銑床數(shù)控化改造主軸系統(tǒng)計(jì)算設(shè)計(jì)62.4 數(shù)控化改造銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) 13 2.4.1 數(shù)控銑床對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)基本要求14 2.4.2 數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本型式152.4.3 數(shù)控改造銑床進(jìn)給系統(tǒng)的型式及介紹 15 2.4.4 數(shù)控改造銑床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)計(jì)15 第3章 普通銑床的電氣改造部分 203.1 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置2

8、0 3.1.1 CNC系統(tǒng)的組成 203.1.2 CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)20 3.1.3 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)20 3.1.4 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)24 3.2 數(shù)控改造銑床的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29 3.2.1 8031應(yīng)用系統(tǒng)30 3.2.2 8031的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 303.2.3 8031輸入/輸出口的擴(kuò)展 30 3.3 數(shù)控改造的伺服系統(tǒng)30 3.3.1 對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求31 3.3.2 伺服系統(tǒng)的分類31 3.3.3 數(shù)控改造伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件32 3.3.4數(shù)控改造伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)元件的連接電路 34結(jié)論 35 致謝36 參考文獻(xiàn)37第1章 數(shù)控機(jī)床的概述1.1 數(shù)控機(jī)床1.1

9、1數(shù)控機(jī)床的概念 數(shù)控機(jī)床是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床，既包括NC機(jī)床，也包括CNC機(jī)床。數(shù)字控制機(jī)床（Numerical Controlled Machine Tool），簡(jiǎn)稱NC機(jī)床。數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它能控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和加工過程。計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床（Computerized Numerecal Controlled Machine Tool），簡(jiǎn)稱CNC機(jī)床，是利用具有專門存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的全部或部分控制功能。工作原理是：將數(shù)控加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制主運(yùn)動(dòng)的變速、起停、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向、速度和位移大小，以及諸如刀具的選擇、交換、工件夾緊，松開和冷卻的起、停等動(dòng)作，

10、使刀具與工件及其他輔助裝置嚴(yán)格按數(shù)控程序的要求進(jìn)行工作。數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及發(fā)展簡(jiǎn)史1.1.2數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗哂腥缦绿攸c(diǎn)：1）能適應(yīng)不同零件的自動(dòng)加工。2）工序集中。3）生產(chǎn)效率和加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定。4）能完成復(fù)雜型面的加工。5）減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。1.1.3 數(shù)控機(jī)床的組成1)程序編制及程序載體 2)輸入裝置 3)數(shù)控裝置4)輔助控制裝置 5)驅(qū)動(dòng)裝置和位置檢測(cè)裝置 6)機(jī)床的機(jī)械部件1.1.4 數(shù)控機(jī)床的分類按照不同的分類方式，數(shù)控機(jī)床有不同的類型。1、按控制運(yùn)動(dòng)軌跡分類 （1）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 （2）直線控制機(jī)床 （3）輪廓控制的數(shù)控機(jī)

11、床2、按驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)分類 （1） 開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 （2） 閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 （3） 半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 1.2 機(jī)床數(shù)控化改造 機(jī)床數(shù)控化改造，顧名思義就是在機(jī)床上增加微型計(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)。它是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要提出，并隨著機(jī)床行業(yè)以及技術(shù)的不斷進(jìn)步而發(fā)展起來，它的內(nèi)容是應(yīng)用成熟數(shù)控技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，以適應(yīng)生產(chǎn)的具體要求為目的，對(duì)現(xiàn)有機(jī)床的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，并安裝上新部件、新裝置、新附件，用計(jì)算機(jī)控制機(jī)床的工作，提高機(jī)床的技術(shù)性能指標(biāo)，使之全部或局部達(dá)到新數(shù)控機(jī)床的水平。1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的意義 眾所周知，制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，

12、是推動(dòng)國家技術(shù)進(jìn)步的主要力量。加入WTO之后，我國制造業(yè)正面臨極大的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)。我國制造業(yè)水平與發(fā)達(dá)國家相比，總體水平偏低，這直接影響到我國工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的提高和制造成本的降低，影響到我國工業(yè)產(chǎn)品的國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。為改變這種落后狀況，必須提高制造業(yè)的裝備水平，特別是機(jī)床的數(shù)控化率。購置數(shù)控機(jī)床是提高機(jī)床數(shù)控化率的途徑；對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，也是提高機(jī)床數(shù)控化率的重要途徑之一。 我國機(jī)電行業(yè)（包括機(jī)械、電子、汽車、航空、航天、輕工、紡織、冶金、煤炭、郵電、船舶等）擁有的機(jī)床結(jié)構(gòu)比較陳舊，操作系統(tǒng)復(fù)雜，控制系統(tǒng)落后，生產(chǎn)效率低下，如果靠購置新的數(shù)控機(jī)床取而代之，顯然耗資巨大，不符合國情。因此，采用

13、數(shù)控技術(shù)對(duì)現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行改造，符合國家的產(chǎn)業(yè)政策。 近年來，美國、日本、德國、英國、等發(fā)達(dá)國家，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。在美國，機(jī)床改造業(yè)被稱為機(jī)床再生業(yè)；在日本，機(jī)床改造業(yè)被稱為機(jī)床改裝業(yè)。機(jī)床改造業(yè)正逐步從機(jī)床制造業(yè)中分化處理，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。第二章 銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計(jì)2.1 概述 根據(jù)我國國情，八十年代在普通機(jī)床的改造方面，出現(xiàn)了以經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)床，尤其是普車、普銑數(shù)控化改造的熱潮，并逐步形成了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控產(chǎn)業(yè)。“八五”后期和“九五”，國家把舊設(shè)備的改造列入企業(yè)技術(shù)進(jìn)步，工藝更新的

14、一個(gè)重要途徑，很多工廠把普通機(jī)床的數(shù)控化改造列入企業(yè)的發(fā)展計(jì)劃，作為企業(yè)適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)、提高產(chǎn)品市場(chǎng)占有率的一項(xiàng)措施。普通銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造，除了選擇可靠性高、性能穩(wěn)定的數(shù)控系統(tǒng)外，對(duì)銑床自身的改造也是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。普通銑床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造包括兩個(gè)方面，即機(jī)床電氣的數(shù)控化改造和機(jī)床本體的數(shù)控化改造。 2.1.1 數(shù)控銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、自動(dòng)化程度高2. 廣泛采用高效、無間隙傳動(dòng)裝置和新技術(shù)、新產(chǎn)品3. 具有適應(yīng)無人化、柔性化加工的特殊部件4. 對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、零部件的要求高 2.1.2 數(shù)控銑床對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本要求1. 具有較高的靜、動(dòng)剛度和良好的抗振性 2. 具

15、有良好的熱穩(wěn)定性 3. 具有較高的運(yùn)動(dòng)精度與良好的低速穩(wěn)定性4. 具有良好的操作、安全防護(hù)性能2.2 數(shù)控化改造銑床的總體布局選擇機(jī)床的總體布局是銑床設(shè)計(jì)的重要步驟，它直接影響到機(jī)床的結(jié)構(gòu)和性能，合理選擇機(jī)床布局，不但可以滿足銑床數(shù)控化的要求，而且能使機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、合理、經(jīng)濟(jì)。2.2.1 XA5032型立式升降臺(tái)銑床的布局及簡(jiǎn)介XA5032立式升降臺(tái)銑床是一種使用范圍很廣的機(jī)床，它適應(yīng)與用各種棒狀、銑刀、角度銑刀及銑切平面、斜面、溝槽、齒輪等。該銑床上裝置分度頭是，可以銑切直齒齒輪和鉸刀等零件，分度由手動(dòng)來完成，如果在裝上分度頭的同時(shí)，把分度頭的傳動(dòng)軸與工作臺(tái)的縱向絲杠用掛輪架聯(lián)系起來，尚能

16、銑切螺旋面。該銑床還可以裝上園工作臺(tái)，用以銑切凸輪及弧形槽。該銑床適應(yīng)與各種機(jī)械加工工業(yè)，從小規(guī)模的機(jī)械修理站到大量生產(chǎn)的部門的都可以使用。2.2.2 立式數(shù)控改造銑床的布局型式及簡(jiǎn)介 機(jī)床本體的數(shù)控化改造，是將原工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)，進(jìn)給箱及其傳動(dòng)鏈拆除，然后進(jìn)行如下改造：用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)升降，縱向，橫向坐標(biāo)軸，根據(jù)各輪的脈沖當(dāng)量配置相應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，換成滾珠絲杠傳動(dòng)。（1）改造前對(duì)原機(jī)床的要求 機(jī)床主軸傳動(dòng)精度，工作臺(tái)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸導(dǎo)軌面的集合精度，即垂直度、半行度等，均應(yīng)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。由于工作臺(tái)三個(gè)軸的傳動(dòng)系統(tǒng)要更換，故可不必嚴(yán)格要求，對(duì)于精度差的機(jī)床，可通過大修恢復(fù)其精度，然后進(jìn)行改造。（2

17、）傳動(dòng)系統(tǒng)的方案選擇 第一種方案是采用齒輪傳動(dòng)，單螺母滾珠絲杠作為傳動(dòng)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，根據(jù)實(shí)際需要可保留原機(jī)床的手動(dòng)和機(jī)動(dòng)功能，但存在潛在缺陷；齒輪傳動(dòng)噪聲打，齒輪磨損后消隙難，單螺母滾珠絲杠螺距的一致性難以調(diào)整。 第二種方案是采用圓弧齒型同步帶傳動(dòng)，雙螺母滾珠絲杠作為傳動(dòng)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可克服上方案的缺點(diǎn)，能提高加工精度1-2級(jí)。 我采用第二種傳動(dòng)方案，主軸采用H型同步帶傳動(dòng)，進(jìn)給系統(tǒng)采用雙螺母滾珠絲杠傳動(dòng)。2.3 數(shù)控化改造銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng)2.3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求和變速方式數(shù)控銑床和普通銑床一樣，主傳動(dòng)系統(tǒng)也必須通過變速，才能使主軸獲得不同的轉(zhuǎn)速，以

18、適應(yīng)不同的加工要求，在變速的同時(shí)，還要求傳遞一定的功率和足夠的扭矩，滿足切削的需要。數(shù)控銑床作為高度自動(dòng)化的設(shè)備，它對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求如下：（1） 為了達(dá)到最佳切削效果，一般都應(yīng)在最佳切削條件下工作，因此，主軸一般都要求能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。（2） 要求機(jī)床主軸系統(tǒng)必須具有足夠高的轉(zhuǎn)速和足夠大的功率，以適應(yīng)高速、高效的加工需要。（3） 為了降低噪聲、減輕發(fā)熱、減少振動(dòng)，主傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少傳動(dòng)件。（4） 在加工中心上，還必須具有安裝刀具和刀具交換所需要的自動(dòng)夾緊裝置，以及主軸定向準(zhǔn)停裝置，以保證刀具和主軸、刀庫、機(jī)械手的正確嚙合。（5） 為了擴(kuò)大機(jī)床功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)C軸位置（主軸回轉(zhuǎn)角度）

19、的控制，主軸還需要安裝位置檢測(cè)裝置，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸位置的控制。主傳動(dòng)的無級(jí)變速通常有以下三種方法：（1） 采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速傳動(dòng)，在早期的控制機(jī)床或大型數(shù)控機(jī)床（主軸功率超過100kw）上，也有采用直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的情況。（2） 在經(jīng)濟(jì)型、普及型數(shù)控機(jī)床上，為了降低成本，可以采用變頻器帶變頻電動(dòng)機(jī)或普通交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速的方式。（3） 在高速加工機(jī)床上，廣泛使用主軸和電動(dòng)機(jī)一體化的新穎功能部件電主軸。電主軸的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸一體，無需任何傳動(dòng)件，可以使主軸達(dá)到數(shù)萬轉(zhuǎn)，甚至十幾萬轉(zhuǎn)的高速。但是，不管采用任何型式，數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都要比普通機(jī)床簡(jiǎn)單的多。2.3.2 XA5

20、032型銑床數(shù)控化改造主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 主傳動(dòng) 主傳動(dòng)由FANUC 8 AC驅(qū)動(dòng)，經(jīng)一對(duì)減速為1：2的齒形帶輪和同步齒形帶傳到主軸。 機(jī)床主軸電機(jī)7.5kw，交流變頻調(diào)速，主軸具有恒轉(zhuǎn)矩，恒功率調(diào)速特性及失速防止、過流、過載保護(hù)等功能。 2 主軸箱 主軸箱結(jié)構(gòu)見圖2.2，箱體材料為HT20-40鑄鐵件，主軸軸承采用前軸承軸向固定，后軸承可游動(dòng)的支承方式，前軸承用兩個(gè)角接觸向心球D46118軸承，后軸承用一個(gè)深溝球E317軸承。 主軸錐孔的錐度為NO3（7：24），用于安裝銑夾頭或鉆夾頭刀柄，并用二個(gè)端面鍵，傳遞銑削或鉆削扭矩，銑夾頭或鉆夾頭刀柄，用拉桿拉緊在主軸錐孔內(nèi)。 為保證主軸箱在伺服電機(jī)

21、斷電后，不會(huì)因自重而下滑，在立柱內(nèi)腔設(shè)有與主軸箱相連結(jié)的鋼絲繩、滑輪、平衡塊等組成的平衡裝置。 圖 2.22.3.3 XA5032型銑床數(shù)控化改造主軸系統(tǒng)計(jì)算設(shè)計(jì) 1 主傳動(dòng)中同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) （1）給出傳動(dòng)要求 1）傳動(dòng)的功率 Pw=7.5Kw 2）主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速 n1=1500r/min；傳動(dòng)比 i=2； 3）中心距要求 300mm左右； 4）電動(dòng)機(jī) 7.5Kw FANUC 8 AC； 5）動(dòng)轉(zhuǎn)時(shí)數(shù) 每天16小時(shí)； 6）其它 帶輪直徑不受限制； （2）選擇帶的型號(hào)和節(jié)距 1）計(jì)算設(shè)計(jì)功率Pd a.查書實(shí)用電子機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，由表6-61得載荷Ko=1.7，因未使用張緊輪，又是減速運(yùn)動(dòng)，故表的附加修

22、正系數(shù)為零。 b.計(jì)算設(shè)計(jì)功率Pd=KoPm=1.77.5=12.75Kw 2）選擇帶的型號(hào)和節(jié)距 由Pd=12.75Kw和n1=1500r/min，從實(shí)用電子機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖6-9查得帶的節(jié)距代號(hào)為H，對(duì)應(yīng)的節(jié)距為Pb=12.700mm （3）確定帶輪直徑和帶節(jié)線長 1）確定帶輪直徑d由實(shí)用電子機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-69的：H型帶，小帶輪轉(zhuǎn)速n1=1500r/min時(shí)，帶輪最小許用齒數(shù)為Z1=18。取小帶輪齒數(shù)Z1=24。傳動(dòng)比i=2，Z2=224=48小帶輪直徑為d1=PbZ1/=12.724/3.14=97.07mm大帶輪直徑為d2=PbZ2/=12.748/3.14=194.14mm 2）選

23、擇帶長Lp Lp=2acos+（d1+d2）/2+（d2-d1）/180 式中，=arcsin（d2-d1/2a）=arcsin（97.07/600）=9.31。 所以Lp=592.096+457.19+15.765=1065.05mm 按表6-59取標(biāo)準(zhǔn)值Lp=1066.8mm 該帶齒數(shù)為Zb=84 3）傳動(dòng)中心距的計(jì)算 按近似公式計(jì)算： M=Pb（2Zb-Z1-Z2）/8=12.7（284-24-48）/8=152.4mm a=M+ （4）選擇標(biāo)準(zhǔn)帶寬 1）確定基準(zhǔn)額定功率 小帶輪齒數(shù)=24，轉(zhuǎn)速=1500r/min，由表6-66內(nèi)插法得H型帶的基準(zhǔn)額定功率 2）確定額定功率P a嚙合齒數(shù)

24、系數(shù) 嚙合齒數(shù)，故 b帶寬系數(shù) （查表6-62） c額定功率P 3）選擇帶寬根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 故帶寬按表6-58選擇帶寬，（標(biāo)準(zhǔn)值） 4）工作能力驗(yàn)算a許用工作拉力有表6-61得b單位長度質(zhì)量由表6-61得c帶的圓周速度 d工作能力驗(yàn)算 （5）額定功率大于設(shè)計(jì)功率，故帶的傳動(dòng)能力足夠 結(jié)果整理 1）帶選用H型同步帶 2) 帶輪 3）傳動(dòng)中心距2.主軸的設(shè)計(jì)（1）初步估算軸的直徑選取軸的材料為調(diào)質(zhì)處理，由式得， ，取軸端銑削力（見金屬切削刀具表4-3）由機(jī)械制造工程學(xué)表2-3知：橫向進(jìn)給力 縱向進(jìn)給力 垂直進(jìn)給力同步齒形帶作用在主軸上的力為：主軸上轉(zhuǎn)距為： 圓周力徑向力（2）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 確定各軸

25、段直徑和長度段 ，由螺母（GB812-88）厚度定， 段 為固定螺母，由同步帶大帶輪段 為固定軸承，由套筒長度得段 ，由軸承長度， 段 參考原主軸，（3） 繪制軸的彎矩圖和扭矩圖L1=100mm，L2=189mm，L3=208mmH水平面Fr=168.318N，V垂直面Ft=462.449N，求彎矩H水平面， V垂直面，合成彎矩M明顯判斷出C點(diǎn)為危險(xiǎn)截面，所以扭矩T彎矩圖、扭矩圖見下圖（4）按彎矩合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度當(dāng)量彎矩軸的材料為調(diào)質(zhì)處理，查表得根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，該軸滿足強(qiáng)度要求。（3）精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 1）判斷危險(xiǎn)截面危險(xiǎn)截面應(yīng)該是應(yīng)力較大，同時(shí)應(yīng)力集中較嚴(yán)重的截面。從受載情況觀察，

26、兩角接觸軸承中心雖最大，但應(yīng)力集中不大，而且這是軸徑較大，故不是危險(xiǎn)截面，危險(xiǎn)截面在前端軸承左側(cè)，該截面較大，應(yīng)力較集中。2）計(jì)算危險(xiǎn)截面應(yīng)力截面右側(cè)彎矩為截面上的扭矩T為：抗彎截面系數(shù)： 抗扭截面系數(shù)： 截面上的彎曲應(yīng)力： 截面上的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力： 彎曲應(yīng)力幅：彎曲平均應(yīng)力：扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的應(yīng)力幅與平均應(yīng)力相等，即3）確定影響系數(shù)軸的材料為調(diào)質(zhì)處理，查表得軸肩圓角處的有效應(yīng)力集中系數(shù)、 取由上面結(jié)果可得查機(jī)械設(shè)計(jì)表8.13中的許用安全系數(shù)值：由，可知該軸安全。（4）主軸軸承的校核 由主軸的校核計(jì)算中，得知主軸軸承的受力情況，現(xiàn)對(duì)主軸后端軸承校核如下：由公式得，A/R=788.88/1356.849=

27、0.581e由機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)查表得，E317軸承的參數(shù)： 由機(jī)械設(shè)計(jì)查表10.5的：X=1,Y=0所以當(dāng)量動(dòng)載荷： 由軸承壽命公式得溫度系數(shù)：載荷系數(shù)：極限轉(zhuǎn)速：壽命指數(shù)：對(duì)球軸承故 由表10.4查得24小時(shí)連續(xù)工作的機(jī)械的軸承由此可見：故E317軸承壽命足夠。2.4 數(shù)控化改造銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)常用伺服進(jìn)給系統(tǒng)來工作，伺服進(jìn)給系統(tǒng)的作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)傳來的指令信息，進(jìn)行放大以后控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)，不僅控制進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度，同時(shí)還要精確控制刀具相對(duì)于工作的移動(dòng)位置和軌跡，因此，數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)，尤其是輪廓控制系統(tǒng)，必須對(duì)經(jīng)運(yùn)動(dòng)的位置和運(yùn)動(dòng)的速度兩方面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。與普

28、通銑床相比，對(duì)數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求除了具有較高的定位精度之外，還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。一個(gè)典型的數(shù)控銑床閉環(huán)控制的進(jìn)給系統(tǒng)，通常有位置比較、放大元件、驅(qū)動(dòng)單元、機(jī)械傳動(dòng)裝置和檢測(cè)反饋元件等幾部分組成，而其中的機(jī)械傳動(dòng)裝置是位置控制環(huán)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。這里所說的機(jī)械傳動(dòng)裝置，是指將驅(qū)動(dòng)源旋動(dòng)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)直線運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈，包括減速裝置、絲杠螺母副等中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 2.4.1 數(shù)控銑床對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的精度、靈敏度、穩(wěn)定性直接影響了數(shù)控銑床的定位精度和輪廓加工精度。從系統(tǒng)控制的角度分析，其中其決定作用的因素主要有：（1）

29、傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和慣量，它直接影響進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度。（2）傳動(dòng)部件的精度與傳動(dòng)系統(tǒng)的非線性，他直接影響系統(tǒng)的位置精度和輪廓加工精度，在閉環(huán)系統(tǒng)中還影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和慣量主要決定于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙、摩擦死區(qū)則是造成傳動(dòng)系統(tǒng)非線性的主要原因。因此，數(shù)控銑床對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的要求可以概況如下：1 提高傳動(dòng)部件的剛度2 減小傳動(dòng)部件的慣量3 減小系統(tǒng)的摩擦阻力2.4.2 數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本型式 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以分為直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)兩大類。直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)包括機(jī)床的基本坐標(biāo)軸（X、Y、Z軸）以及和基本坐標(biāo)軸平行的坐標(biāo)軸（U、V、W等）的運(yùn)動(dòng)；圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

30、是指繞基本坐標(biāo)軸X、Y、Z回轉(zhuǎn)的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。在數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)主要有三種型式：（1）通過絲杠（通常為滾珠絲杠或靜壓絲杠）螺母副，將伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)。（2）通過齒輪、齒條副、將伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)。（3）直接采用直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)除少數(shù)情況直接使用齒輪副外，一般都采用蝸輪蝸桿副。2.4.3 數(shù)控改造銑床進(jìn)給系統(tǒng)的型式及介紹 XA5032型銑床數(shù)控化改造進(jìn)給系統(tǒng)，X、Y、Z三軸在滿足傳遞扭矩的前提下采用FANUC 20M 直流伺服電機(jī)并配有直流功能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提高了驅(qū)動(dòng)性能。步進(jìn)電機(jī)通過精密膜片抗繞性聯(lián)軸器與滾珠絲杠直接相連，提高了傳動(dòng)精度，效率較高

31、，其中Z向通過圓錐齒輪轉(zhuǎn)換成垂直方向的傳動(dòng)。 X、Y、Z三軸采用帖塑導(dǎo)軌，靜，動(dòng)摩擦系統(tǒng)變化小，快速移動(dòng)響應(yīng)快，振動(dòng)小，低速移動(dòng)是無爬行，穩(wěn)定性好。2.4.4 數(shù)控改造銑床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)計(jì) 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì) （1）縱向滾珠絲杠螺母副設(shè)計(jì) 用于計(jì)算的下列數(shù)據(jù)是已知的： 工作臺(tái)質(zhì)量：，最大加工受力： 快進(jìn)速度： 工進(jìn)速度： 最大加速度： 工作臺(tái)導(dǎo)軌摩擦力： 工作進(jìn)程： 軸承軸向剛度：，絲杠螺母剛度： 螺母支座剛度：絲杠傳動(dòng)效率： 絲杠長度： 絲杠軸承、絲杠螺母摩擦力距： 軸承平均間距：導(dǎo)程： 確定最大轉(zhuǎn)速的常熟： 軸承支承方式：雙推雙推 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量： 鋼的密度： （2）橫向滾珠絲杠

32、螺母副設(shè)計(jì) 橫向滾珠絲杠長度要求為：354mm 同縱向滾珠絲杠螺母副設(shè)計(jì)得知，足夠滿足要求，故選用。 （3）Z向滾珠絲杠螺母副設(shè)計(jì) Z向滾珠絲杠長度要求為：469mm，同縱向滾珠絲杠螺母副設(shè)計(jì)得知，海雄聯(lián)精密配件有限公司滾珠絲杠副的產(chǎn)品，可采用CDM3206-5型滾珠絲杠副，滾珠絲杠的直徑為32mm，基本導(dǎo)程為6mm，滿足要求。 2.垂直進(jìn)給系統(tǒng)中的圓錐齒輪設(shè)計(jì) 已知：圓錐齒輪需要傳遞的功率為1.5,小齒輪轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比，雙向運(yùn)轉(zhuǎn)，工作平穩(wěn)，每天工作8小時(shí)，每年工作300天，預(yù)期壽命8年。 （1）選擇齒輪材料 查機(jī)械設(shè)計(jì)表6.2 小齒輪選用45調(diào)質(zhì),大齒輪選用45正火 （2）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)

33、計(jì)計(jì)算 確定齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)，按，估取圓周速度，參靠表6.8選取公差組8級(jí)。 齒寬系數(shù)，小齒輪齒數(shù)選取，大齒輪齒數(shù) 齒數(shù)比 傳動(dòng)比誤差為最佳 小輪轉(zhuǎn)矩 使用系數(shù) 查表6.3得 動(dòng)載荷系數(shù)的初值 由推薦值， 齒向載荷分布系數(shù) 由推薦值， 載荷系數(shù)K的初值 彈性系數(shù) 查表6.4 得 節(jié)點(diǎn)影響系數(shù) 查圖6-3得 接觸疲勞極限 查圖6-4得 接觸壽命系數(shù) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N 有式6-7得 查圖6-5得 硬化系數(shù) 接觸安全系數(shù) 則 故的設(shè)計(jì)初值為 齒輪模數(shù)m m 按表6.6圓整 小輪大端分度圓直徑的計(jì)算值為 小輪平均分度圓直徑： 圓周速度 動(dòng)載荷系數(shù) 由推薦值 載荷系數(shù) 小輪分度圓直徑 取 大輪大端分度圓直

34、徑 錐距R: 齒寬 圓整 （3）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算 由式6-10 齒形系數(shù)由當(dāng)量齒數(shù) 查表6.5得 應(yīng)力修正系數(shù) 查表6.5得 許用彎曲應(yīng)力 由式6-12得， 彎曲疲勞極限 查圖6-7得 彎曲壽命系數(shù) 查圖6-8得 尺寸系數(shù) 查圖6-9 安全系數(shù) 則 第三章 普通銑床的電氣改造部分3.1 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置3.1.1 CNC系統(tǒng)的組成CNC是用一個(gè)存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)，按照存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的讀寫存儲(chǔ)器中的控制程序去執(zhí)行數(shù)控裝置的部分或全部功能，在計(jì)算機(jī)之外的唯一裝置是接口。數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機(jī)床移動(dòng)和加工零件。數(shù)控裝置有兩種類型：一是完全

35、由硬件邏輯電路構(gòu)成的專用硬件數(shù)控裝置，即NC裝置，NC裝置是數(shù)控技術(shù)發(fā)展早期普遍采用的數(shù)控裝置。二是由計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成的計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置，即CNC裝置，它是由硬件和軟件共同完成或是在硬件的支持下由軟件單獨(dú)實(shí)現(xiàn)全部數(shù)控功能。3.1.2 CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)1.數(shù)控裝置的主要功能CNC裝置的功能是指滿足用戶操作和機(jī)床控制要求的方法和手段。包括：基本功能數(shù)控系統(tǒng)基本配置的功能，即必備功能。選擇功能用戶可根據(jù)實(shí)際要求選擇的功能。3.1.3 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)1. CNC裝置的硬件構(gòu)成CNC裝置是在硬件支持下，通過系統(tǒng)軟件控制來進(jìn)行工作的。其控制功能在相當(dāng)程度上取決于硬件結(jié)構(gòu)。硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)控制

36、功能的復(fù)雜程度可分別采用單處理器結(jié)構(gòu)和多處理器結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)易的經(jīng)濟(jì)型采用單微處理器結(jié)構(gòu),中高檔的CNC裝置以多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)為多。隨著機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床提出了復(fù)雜功能、高進(jìn)給速度和高加工精度的要求，因此多處理器結(jié)構(gòu)得到了迅速發(fā)展。2. CNC裝置的體系結(jié)構(gòu)單微處理器硬件結(jié)構(gòu)裝置內(nèi)的所有信息處理工作都由一個(gè)CPU來完成，它集中控制和管理整個(gè)系統(tǒng)資源，通過分時(shí)處理的方式來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能。它的優(yōu)點(diǎn)是投資小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。但系統(tǒng)的功能則受CPU的字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素限制。CPUROMRAMIN接口OUT接口閱讀機(jī)接口MDI/CRT接口位置控制其它接口總線單微處理器硬件結(jié)

37、構(gòu)圖多微處理機(jī)CNC裝置的結(jié)構(gòu)（1） 主從結(jié)構(gòu)該裝置中只有一個(gè)CPU，對(duì)整個(gè)裝置的資源有控制權(quán)和使用權(quán)，處于主導(dǎo)地位，而其它CPU處于從屬地位。（2） 多主結(jié)構(gòu)該裝置中有兩個(gè)或更多CPU對(duì)裝置資源有控制權(quán)和使用權(quán)。通過總線仲裁器來解決爭(zhēng)用總線問題，通過公共存儲(chǔ)器來交換裝置內(nèi)的信息。（3）分布式結(jié)構(gòu)該裝置有兩個(gè)或更多CPU模塊，每個(gè)模塊有自己獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境，它們之間采用通訊方式交換信息。此外，還有一種多通道結(jié)構(gòu)。3單微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)單微處理機(jī)數(shù)控裝置：?jiǎn)挝⑻幚砥鞯腃NC是指系統(tǒng)只有一個(gè)微處理器作為核心，這個(gè)CPU通過總線連接存儲(chǔ)器和各種接口，采用集中控制、分時(shí)處理的方法來完成諸如輸入/

38、輸出、插補(bǔ)計(jì)算、伺服控制等各種任務(wù)。這種系統(tǒng)硬件和軟件結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單。單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)：微處理器、存儲(chǔ)器、總線、接口等。接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、數(shù)控技術(shù)中的控制單元部件和接口電路，如位置控制單元、可編程控制器、主軸控制單元、穿孔機(jī)和紙帶閱讀機(jī)接口，以及其它選件接口等。典型的單微處理器CPU外部存儲(chǔ)RS-232人機(jī)交互選件ROMRAMPLC接口位控位控位控位控速度控制單元D/A轉(zhuǎn)換電路MMMMM、S、T微機(jī)系統(tǒng)機(jī)床的控制部分典型的單微處理器裝置結(jié)構(gòu)框圖微處理器（CPU）是CNC的核心，CPU執(zhí)行系統(tǒng)程序，首先讀取工件加工程序，對(duì)加工程序段進(jìn)行譯碼和數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)處理后

39、得到的指令，進(jìn)行對(duì)該加工程序段的實(shí)時(shí)插補(bǔ)和機(jī)床位置伺服控制；它還將輔助動(dòng)作指令通過可編程控制器（PLC）送到機(jī)床，同時(shí)接收由PLC返回的機(jī)床各部分信息并予以處理，以決定下一步的操作。 位置控制單元接收插補(bǔ)運(yùn)算得到的每一個(gè)坐標(biāo)軸在單位時(shí)間間隔內(nèi)位移量，控制伺服電機(jī)工作，并根據(jù)接收到的實(shí)際位置反饋信號(hào)，修正位置指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確控制。同時(shí)產(chǎn)生速度指令送往速度控制單元。 速度控制單元將速度指令與速度反饋信號(hào)相比較，修正速度指令，用其差值去控制伺服電機(jī)以恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)。 數(shù)據(jù)輸入/輸出接口與外圍設(shè)備是CNC與操作者之間交換信息的橋梁。如通過MDI方式或串行通信，可以將工件加工程序送入CNC裝置；通

40、過CRT顯示器，可以顯示工件的加工程序和其他信息。 總線是CPU與各組成部件、接口等之間的信息公共傳輸線，包括控制、地址和數(shù)據(jù)三總線。傳輸信息的高速度和多任務(wù)性，使總線結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展。 CNC裝置中的存儲(chǔ)器包括只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）兩類。系統(tǒng)程序存放在只讀存儲(chǔ)器EROM中；運(yùn)算的中間結(jié)果、需顯示的數(shù)據(jù)、運(yùn)行中的狀態(tài)、標(biāo)志信息等存放在隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM中；加工的零件程序、機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)存放在磁泡存儲(chǔ)器中。 4. 多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu) 多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU，各個(gè)CPU之間采用緊耦合，資源共享，有集中的操作系統(tǒng)，甚至有兩個(gè)或兩個(gè)以

41、上微處理器構(gòu)成的功能模塊，模塊之間采用松耦合，多重操作系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)并行處理。（1）多微處理機(jī)CNC裝置的典型結(jié)構(gòu) 互聯(lián)方式：總線互聯(lián)方式。典型的結(jié)構(gòu)：共享總線型、共享存儲(chǔ)器型及混合型結(jié)構(gòu)。1）功能模塊 CNC管理模塊 ；負(fù)責(zé)管理和組織協(xié)調(diào)整個(gè)CNC系統(tǒng)的工作，完成諸如初始化、終端管理、總線仲裁、系統(tǒng)錯(cuò)誤識(shí)別和處理、系統(tǒng)軟硬件診斷等。 CNC插補(bǔ)模塊 ；完成數(shù)控代碼編譯、坐標(biāo)計(jì)算和轉(zhuǎn)換、刀具半徑補(bǔ)償、速度規(guī)劃和處理等工作，按規(guī)定的插補(bǔ)類型通過插補(bǔ)計(jì)算為各坐標(biāo)提供位置給定值。 位置控制模塊 ；負(fù)責(zé)比較插補(bǔ)后的位置給定值與檢測(cè)到的位置實(shí)際值，并根據(jù)比較結(jié)果完成加減速、回基準(zhǔn)點(diǎn)、伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視

42、和補(bǔ)償運(yùn)算，最后得到速度控制的模擬電壓，用以驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)，完成相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)。 PLC模塊 ；零件程序中的開關(guān)功能和由機(jī)床來的信號(hào)在這個(gè)模塊中作邏輯處理，實(shí)現(xiàn)各功能和操作方式之間的連鎖，機(jī)床電氣設(shè)備的啟停、刀具交換、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的分度、工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)數(shù)等。 人機(jī)接口模塊。負(fù)責(zé)處理零件程序、參數(shù)、操作控制、數(shù)據(jù)的輸入/輸出和顯示等。 存儲(chǔ)器模塊 。指程序和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器，或功能模塊間數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲(chǔ)器。2）共享總線結(jié)構(gòu)在共享總線結(jié)構(gòu)中，將各功能模塊插在配有總線插座的機(jī)框內(nèi)，由系統(tǒng)總線把各個(gè)模塊有效地連接在一起，按照要求交換各種控制指令和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的功能。只有主模塊有權(quán)

43、控制和使用系統(tǒng)總線。但對(duì)于同時(shí)有多個(gè)主模塊請(qǐng)求使用總線時(shí)，由總線仲裁器根據(jù)預(yù)先排好的優(yōu)先級(jí)別的順序來判別出各模塊的優(yōu)先權(quán)高低。仲裁方式有兩種：串行方式和并行方式。3）共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)插補(bǔ)（CPU2）來自機(jī)床的控制信號(hào)輸?shù)綑C(jī)床的控制信號(hào)軸控制（CPU3）I/O CPU1CRT（CPU4）共享存儲(chǔ)器共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖3.1.4 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)CNC軟件是為實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項(xiàng)功能而編制的專用軟件，又稱為系統(tǒng)軟件，其管理作用類似于計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)的功能。不同的廠家的軟件并不兼容，其功能和控制方案也不同，結(jié)構(gòu)和規(guī)模上差別也較大。CNC系統(tǒng)是一個(gè)專用的實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在它的控制軟件中，融會(huì)了當(dāng)今

44、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)中的許多先進(jìn)技術(shù)。都具有多任務(wù)并行處理和多重實(shí)時(shí)中斷的特點(diǎn)。軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1. CNC裝置軟件硬件的界面CNC軟件的結(jié)構(gòu)取決于CNC裝置中軟件和硬件的分工，也取決于軟件本身所應(yīng)完成的工作內(nèi)容。軟件與硬件在實(shí)現(xiàn)各種功能方面的關(guān)系CNC裝置由軟件和硬件組成，硬件為軟件的運(yùn)行提供了支持環(huán)境，是軟件的運(yùn)行基礎(chǔ)，而軟件反過來則可以優(yōu)化硬件的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和柔性。 從理論上講，硬件能完成的功能也可以用軟件來完成。從實(shí)現(xiàn)功能的角度看，軟件與硬件在邏輯上是等價(jià)的。軟件與硬件在實(shí)現(xiàn)各種功能方面的特點(diǎn)硬件處理速度快，但靈活性差，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制的功能困難。軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度相對(duì)較慢。

45、功能界面劃分的準(zhǔn)則系統(tǒng)的性能價(jià)格比。軟件、硬件實(shí)現(xiàn)功能的分配就是軟件、硬件功能界面的劃分。下圖就是CNC的軟、硬件界面。2. 系統(tǒng)軟件的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)類型系統(tǒng)軟件的組成：（管理和控制）管理部分：輸入、I/O處理、通訊、顯示、診斷以及加工程序的編制管理等程序?？刂撇糠郑鹤g碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)和位置控制等軟件。系統(tǒng)軟件管理軟件程序輸入輸出顯示診斷控制軟件刀具補(bǔ)償速度控制插補(bǔ)運(yùn)算位置控制譯碼通訊管理方式：?jiǎn)挝⑻幚頇C(jī)數(shù)控系統(tǒng)：前后臺(tái)型和中斷型的軟件結(jié)構(gòu)。多微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)：將微處理機(jī)作為一個(gè)功能單元。3. 多任務(wù)并行處理（1）CNC裝置的多任務(wù)性在許多情況下CNC的管理工作和控制工作必須同時(shí)進(jìn)行，

46、即所謂的并行處理。例如，加工控制時(shí)必須同步顯示系統(tǒng)的有關(guān)狀態(tài)、位置控制與I/O控制同步處理，并始終伴隨著故障診斷功能；控制本身的插補(bǔ)、位置控制、預(yù)處理之間的并行處理。（2）并行處理是指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。并行處理的優(yōu)點(diǎn)是提高了運(yùn)行速度。并行處理的分類： “資源重復(fù)”，“時(shí)間重疊”和“資源共享”。資源共享：根據(jù)“分時(shí)共享”的原則，使多個(gè)用戶按時(shí)間順序使用同一套設(shè)備。時(shí)間重疊：根據(jù)流水線處理技術(shù)，使多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流使用同一套設(shè)備的幾個(gè)部分。硬件結(jié)構(gòu)中使用“資源重復(fù)”技術(shù)；軟件結(jié)構(gòu)中采用“時(shí)間重疊”和“資源共享”方法。1）資源分

47、時(shí)共享并行處理（對(duì)單一資源的系統(tǒng)）VSVS診斷I/O處理輸入插補(bǔ)準(zhǔn)備顯示初始化插補(bǔ)位控鍵盤中斷級(jí)別高中斷級(jí)別低資源（CPU）分時(shí)共享圖在單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，可采用“資源分時(shí)共享”并行處理技術(shù)。資源分時(shí)共享在規(guī)定的時(shí)間長度（時(shí)間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實(shí)時(shí)性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時(shí)間，使它們分時(shí)共享系統(tǒng)的資源?！百Y源分時(shí)共享”的技術(shù)關(guān)鍵：其一：各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配問題。其二：各任務(wù)占用CPU的時(shí)間長度，即時(shí)間片的分配問題。資源分時(shí)共享技術(shù)的特征在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)占用CPU；在一個(gè)時(shí)間片（如8ms或16ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)。因此，資源分時(shí)共享的并行處理只具

48、有宏觀上的意義，即從微觀上來看，各個(gè)任務(wù)還是逐一執(zhí)行的。 2) 并發(fā)處理和流水處理（對(duì)多資源的系統(tǒng)） 在多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，根據(jù)各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度，可采用以下兩種并行處理技術(shù)：若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度不高，則可讓其分別在不同的CPU上同時(shí)執(zhí)行 并發(fā)處理；若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個(gè)任務(wù)的輸出是另一個(gè)任務(wù)的輸入，則可采取流水處理的方法來實(shí)現(xiàn)并行處理。流水處理技術(shù)的涵義流水處理技術(shù)是利用重復(fù)的資源（CPU），將一個(gè)大的任務(wù)分成若干個(gè)子任務(wù)，這些小任務(wù)是彼此關(guān)系的，然后按一定的順序安排每個(gè)資源執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，就象在一條生產(chǎn)線上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣。并發(fā)處理和流水處理的特征在任何時(shí)刻（

49、流水處理除開始和結(jié)束外）均有兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)在并發(fā)執(zhí)行。并發(fā)處理和流水處理的關(guān)鍵是時(shí)間重疊，是以資源重復(fù)的代價(jià)換得時(shí)間上的重疊，或者說以空間復(fù)雜性的代價(jià)換得時(shí)間上的快速性。3）并行處理中的信息交換和同步在CNC裝置中信息交換主要通過各種緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)。各緩沖區(qū)數(shù)據(jù)交換和更新的同步是靠同步信號(hào)指針來實(shí)現(xiàn)的。加工程序譯 碼譯碼緩沖區(qū)刀補(bǔ)處理刀補(bǔ)緩沖區(qū)速度預(yù)處理插補(bǔ)緩沖區(qū)插補(bǔ)處理運(yùn)行緩沖區(qū)伺服驅(qū)動(dòng)位控處理位置反饋PLC控制CNC裝置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程示意圖4. 實(shí)時(shí)中斷處理當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)某種非預(yù)期的事件，CPU暫時(shí)停下現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)向?yàn)樵撌录?wù)，待事件處理完畢，再恢復(fù)執(zhí)行原程序，這個(gè)過程稱為中斷

50、。中斷賦予數(shù)控系統(tǒng)中的CPU應(yīng)變能力，把有序的運(yùn)行和無序的事件統(tǒng)一起來，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的處理能力。 中斷的處理過程（1）CNC系統(tǒng)的中斷類型1）外部中斷：紙帶光電閱讀機(jī)中斷，外部監(jiān)控中斷和鍵盤操作面板輸入中斷。2）內(nèi)部定時(shí)中斷：插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和位置采樣定時(shí)中斷。3）硬件故障中斷：各種硬件故障檢測(cè)裝置發(fā)出的中斷。4）程序性中斷：程序中出現(xiàn)異常情況的報(bào)警中斷。（2）CNC系統(tǒng)中斷結(jié)構(gòu)模式1）前后臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)適合于采用集中控制的單微處理器CNC裝置。在這種軟件結(jié)構(gòu)中，前臺(tái)程序?yàn)閷?shí)時(shí)中斷程序，承擔(dān)全部實(shí)時(shí)功能，這些功能都與機(jī)床動(dòng)作直接相關(guān)，如位置控制、插補(bǔ)、輔助功能處理、面

51、板掃描及輸出等。后臺(tái)程序主要用來完成準(zhǔn)備工作和管理工作，包括輸入、譯碼、插補(bǔ)準(zhǔn)備及管理等，通常稱為背景程序。背景程序是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行程序，在其運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)中斷程序不斷插入。前后臺(tái)程序相互配合完成加工任務(wù)。背景程序初始化實(shí)施中斷程序 2）中斷型軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式：除了初始化程序之外，整個(gè)系統(tǒng)軟件的各種任務(wù)模塊分別安排在不同級(jí)別的中斷服務(wù)程序中，整個(gè)軟件就是一個(gè)大的中斷系統(tǒng)。其管理功能主要通過各級(jí)中斷服務(wù)程序之間的相互通訊來解決。3.2 數(shù)控改造銑床的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)MCS-51系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，特別是8031單片機(jī)以其構(gòu)成系統(tǒng)的成本低及不需要特殊的開發(fā)手段等，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到廣

52、泛應(yīng)用。根據(jù)前面的數(shù)控知識(shí)和大學(xué)課程的學(xué)習(xí)，我為X5032型普通銑床設(shè)計(jì)了數(shù)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示 3.2.1 8031應(yīng)用系統(tǒng) 8.31內(nèi)部不帶ROM，需外接ERPOM作為外部程序存儲(chǔ)器。又因?yàn)?031在外接程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)地址的低8位信息及數(shù)據(jù)信息分時(shí)送出，故還需要采用一片74LS373來鎖存低8位地址信息。這樣，一片，EPROM2764及一片74LS373組成了一個(gè)最小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。3.2.2 8031的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展在8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM芯片有6116和兩種。3.2.3 8031輸入/輸出口的擴(kuò)展 在使用單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，往往需要通

53、訊的外部設(shè)備或控制對(duì)象比較多，單片機(jī)本身的口無法滿足要求，因而需要擴(kuò)展口。3.3 數(shù)控改造的伺服系統(tǒng)近幾十年來，伺服技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展和越來越廣泛的應(yīng)用。數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件（如工作臺(tái)、主軸和刀具等）的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)，經(jīng)過一定的信號(hào)變換及電壓、功率放大，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，以保證動(dòng)作的快速性和準(zhǔn)確性。數(shù)控伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)很大程度上取決與伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。因此，對(duì)高性能伺服系統(tǒng)的研究和開發(fā)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。3.3.1 對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)提出了較高的要求，可以歸納為以下幾個(gè)方面。 （1）精度高（2） 穩(wěn)定性好 （3） 快速響應(yīng)好 （4）調(diào)速范圍寬 （5）低速大轉(zhuǎn)矩 3.3.2 伺服系統(tǒng)的分類（1）開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)無位置