CA6140臥式車床經(jīng)濟型數(shù)控化改造

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1、 本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 第I頁 CA6140臥式車床經(jīng)濟型數(shù)控化改造 摘 要 由于目前國內(nèi)的數(shù)控機床數(shù)量需求量大，達到300萬臺之巨，要進行全部翻新在時間，物質(zhì)上尚不具有足夠的條件，為了達到的條件，為達到較高精度，實現(xiàn)較好的經(jīng)濟性，對普通車床實行數(shù)控開環(huán)改造。 本次設(shè)計著重對CA6140普通車床的縱橫向進給系統(tǒng)改造，并對縱橫向進給伺服系統(tǒng)齒輪箱進行改造。本次設(shè)計作了下面的一些工作： 1機械部分采用了一級齒輪傳動，以BF型步進電動機作為驅(qū)動源，以CBM/CDM滾珠絲杠作為重要元件，

2、以便更好的實行軟件控制； 2數(shù)控部分采用MCS-51中的8031作為主控芯片建立一套單片機應(yīng)用系統(tǒng)。擴展I/O接口用8155芯片及外存儲器，采用地址鎖存和譯碼器。 3 SolidWorks造型，包括軟件的應(yīng)用和對車床的實體建摸。 關(guān)鍵詞：數(shù)控機床改造、單片機, 滾珠絲杠 BF型步進電機 SolidWorks ABSTRAC Because of the great number of machine tools in our country ,the number is3,000,000.It is impossib

3、le to renew them all without enough time and materialTo reform part of old ones with Numerrical Control(nc) Open-Loop control System to get high precision and high economy is a good way. The design emphases on the reform of lengthwise and axial feed systems, the fear box of the axial system, to

4、o.some work has been in the paper: (1) Based on the one-level driving , the style BFstepper Motor which acts the Soure of power, the CDM/CBM screw ball which is the important transmission element, the part of machinery realizes the software control. (2) The numerical control partially uses in MCS-

5、51 8031 to do primarily controls the chip to establish a set of monolithic integrated circuits application system。Expands the I/Oconnection with 8155 chips and the external memory, uses the address lock to save with the decoder (3) SolidWorks Modelling Constructs including the software application

6、 and to the lathe entitytraces Keywords: Numerical control machine tool ,Single-chip Microcomputer ，Ball screw, the style BF stepper Motor, SolidWorks。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 第頁 目 錄 1．緒 論 1 2. 總體方案確定 3 2.1車床改造方案的選擇 3 2.2車床改造

7、方案的確定 4 3 .機械計算部分 5 3.1選擇脈沖當(dāng)量 5 3.2計算切削力 5 3.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型 6 3.3.1縱向進給絲杠 6 3.3.2橫向進給絲杠 9 3.4齒輪傳動比的計算 10 3.4.1縱向齒輪傳動比計算 10 3.4.2橫向齒輪傳動比計算 11 3.5步進電機的計算和選型 11 3.5.1縱向步進電機的計算 11 3.5.2橫向進給步進電機的計算和選型 14 4.微機控制部分 17 4.1 總體設(shè)計 17 4.2主控制器 17 4.2.1主控器的選擇 17 4.2.2 8031對片外存儲器的選擇 18 4.2.3 80

8、31并行I/O口擴展 18 5.電路原理圖設(shè)計 19 5.1關(guān)于各線路元件之間線路連接 19 5.2. 關(guān)于電路原理圖的一些說明 20 專題部分 24 6.SolidWorks造型 24 6.1 SolidWorks 軟件介紹 24 6.2 繪制草圖 25 6.3 裝配體設(shè)計 28 結(jié) 論 32 致 謝 33 參考文獻 34 附 錄 35 鞍山科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 1． 緒 論 數(shù)控機床改造在國外以發(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，并有專門企業(yè)經(jīng)營這門業(yè)務(wù)，

9、其發(fā)展的原因是多方面的。 首先是技術(shù)的原因，過去20年里，金屬切削的基本原理變化不大，但社會的生產(chǎn)力的巨大發(fā)展，要求制造技術(shù)向自動化和精密化前進。而刀具材料和電子技術(shù)卻有很的大的進步，特別是微電子技術(shù)，電子計算機的技術(shù)進步，反應(yīng)出控制系統(tǒng)，它能幫助機床自動化又能提高加工精度，技術(shù)進步和高生產(chǎn)率的要求，精密加工的增多等，突出了舊機床技術(shù)改造技術(shù)的必要性和急迫性。 其次是經(jīng)濟上的原因。許多發(fā)達國家多做過系統(tǒng)的分析，如果舊機床設(shè)備以新設(shè)備更新，要付出很大的代價的，若利用“改造技術(shù)”，則節(jié)省大半資金，這種事半功倍的技術(shù)，不僅不浪費資金而切還為小企業(yè)技術(shù)改造開創(chuàng)了新路，而且對實力雄厚的大企業(yè)也有很大

10、的經(jīng)濟吸引力。 再次是市場因素，目前許多國家設(shè)備所需的數(shù)控機床數(shù)量，按機床工業(yè)現(xiàn)狀是無力及時提供的。機床“改造”就成為機床市場需要的補足手段。 最后是生產(chǎn)力的因素，在工業(yè)生產(chǎn)中，品種多小批量生產(chǎn)是現(xiàn)代化機械制造業(yè)的基本特征，只有相當(dāng)大比重完成生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機床、專業(yè)機床和數(shù)控機床，柔性制造系統(tǒng)，就工業(yè)復(fù)雜程度和一批工件所需要生產(chǎn)總成本比較中看出，數(shù)控機床最能適應(yīng)這一需要。 我國是擁有300萬機床國家。而這些機床又大量是多年累積生產(chǎn)的通用機床，自動化程度不高，要想在近幾年內(nèi)大量用自動、半自動和精密機床更新現(xiàn)有設(shè)備，不論資金還是我國機床的能力是辦不到的。因此應(yīng)盡快將我國現(xiàn)有一部分普

11、通機床實現(xiàn)自動化和精密化改裝，是我國現(xiàn)有設(shè)備改造自動化要求解決的課題。用這控制技術(shù)正是適應(yīng)這一要求。它是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。在機床改造中引入了微機的應(yīng)用，不但技術(shù)具有先進性，同時在應(yīng)用此自動化改造方案，有較大的應(yīng)用性和可調(diào)性，而且投資改造的費用低，一套經(jīng)濟型數(shù)控裝置的價格僅是全功能型數(shù)控裝置的1/3到1/5擁護承擔(dān)的起。從若干單位應(yīng)用的實例可論證，投入使用后，成倍的提高了生產(chǎn)效率，取得了顯著的經(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(shù)的基礎(chǔ)上，再推出全功能型數(shù)控這條道路，適合我國經(jīng)濟、教育、生產(chǎn)水平，對于以后全動能型數(shù)控機床應(yīng)用的準(zhǔn)備階段，為實現(xiàn)我國傳統(tǒng)

12、的機械制造的方向過度的重要內(nèi)容。 CA6140機床是一種普通精度的及萬能臥式機床，屬于使用范圍廣的通用機床。這種機床的性能及質(zhì)量較好。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自動化程序較低，是一種屬于中型的普通機床，再各廠礦企業(yè)，應(yīng)用的程序很廣。 為此，本次設(shè)計的任務(wù)是對CA6140普通機床進行數(shù)控改造，利用微機對縱橫向進給系統(tǒng)實行開環(huán)控制。驅(qū)動元件是利用步進電動機，傳動系統(tǒng)利用滾珠絲杠。 2． 總體方案確定 2.1車床改造方案的選擇 2.1.1設(shè)計系統(tǒng)的選擇 在簡易數(shù)控系統(tǒng)中，大多數(shù)是利用八位微處里機和單片機，近年來國有一些主要的半導(dǎo)體制造廠家相繼生產(chǎn)了各

13、種八位單片微型機，主要有MCS—48系列，CS-51系列，Mostek的3870，Motorolo公司的6801和6805。目前在國內(nèi)用的較廣，開發(fā)工具較齊的是MCS-51系列，這里選用MCS-51系列中的8031。 2.1.2系統(tǒng)運用方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)，點位直線控制系統(tǒng)，輪廓控制系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。車床是控制刀具以給定速率沿指定路線運動來加工工件輪廓復(fù)雜的零件，其個坐標(biāo)軸的運動之間有著精確的出數(shù)關(guān)系，根據(jù)車床加工這一特點，采用連續(xù)控制系統(tǒng)比較合適，連續(xù)控制系統(tǒng)具有點位控制系統(tǒng)的功能，故定位方式采用增量坐標(biāo)控制。 2.1.3伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)位

14、量伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種控制方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著精度不能達到太高的基本問題，但是步進電機具有位移和輸出脈沖的嚴格對應(yīng)關(guān)系，使誤差不能積累，轉(zhuǎn)速和輸出脈沖頻率有嚴格的對映關(guān)系，而且在負載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動變化的特點，數(shù)據(jù)裝置發(fā)出信號的流向是單向的，對移動部件如工作臺的實際位置工件檢測。并且伴隨電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，目前大多采用直流電動機或交流電動機作為執(zhí)行元件。 雖然閉環(huán)、半閉環(huán)對控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高精確的位置伺副。由于反饋環(huán)節(jié)必須的技術(shù)條件要控制閉環(huán)系統(tǒng)的良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，其難度也大為提高。 本設(shè)計是基于CA6140普通型的

15、車床的經(jīng)濟化、數(shù)控化改造故采用步進電動機實現(xiàn)開環(huán)伺服系統(tǒng)。 2.1.4執(zhí)行機構(gòu)傳動式的確定 （1）導(dǎo)軌 由于普通型車床的改造精度要求的不高的開環(huán)系統(tǒng)，而滑動導(dǎo)軌定位精度和靈敏不需研磨措施可達到10um左右。能夠滿足改裝后的要求，所以仍采用原機床的導(dǎo)軌。 （2）螺旋傳動 原機床的絲杠屬于滑動螺旋傳動，主要缺點就是機械效率低，一般僅為30~60%，與改造后的精度相差很多。數(shù)控機床除了具有較高的定位精度外，還應(yīng)良好的動態(tài)間應(yīng)特征，滾珠絲杠副的特點，傳動效率高，一般達到90%以上，通過預(yù)緊力可消除絲杠間隙，運動平穩(wěn)，傳動精度高，有可靠性，磨損小，使用壽命長，但制造復(fù)雜，成本高。要使系統(tǒng)指令好，

16、有能滿足精度要求，本次改造采用滾動螺旋機構(gòu)。 （3）齒輪傳動 考慮步進電動機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選擇，為達到0.001秒的分辨率的要求，縱、橫向均采用錯齒調(diào)隙的齒輪做減速運動。 2.2車床改造方案的確定 （1）保留原車床的主傳動鏈。 為了保證機床加工螺紋的功能，在主軸外端安裝一個YGM脈沖發(fā)生器，使其與主軸轉(zhuǎn)速相一致是1:1的關(guān)系，用它來發(fā)出脈沖發(fā)生器，使微機處理機根據(jù)主軸的脈沖信號，使刀架通過絲杠的轉(zhuǎn)角產(chǎn)生進給運動。 （2）縱向進給機構(gòu)的改造,拆除原機床的進給箱和溜板箱利用原機床的安裝孔銷釘孔安裝齒輪箱體,滾珠絲杠仍安裝在原絲杠位置,兩端仍利用原固定方

17、式,這樣可減少改裝工作量。 （3）橫向進給機構(gòu)的安裝：保留原手動機構(gòu)。用于微機進給和機床對零件操作，原有的支撐結(jié)構(gòu)也保留，電動機、齒輪箱安裝在機床后側(cè)。 （4）縱、橫向進給機構(gòu)采用齒輪減速，并且用雙齒輪錯齒法消除間隙，雙片齒輪間采用消除彈簧，布量成互為120的位置。當(dāng)螺釘松開時，由于各個彈簧所受力不同而自動調(diào)節(jié)間隙，再用螺釘緊固。 　縱向齒輪箱和溜板箱均加外罩,以保持機床原外觀，起到美化機床的效果,溜板箱上安裝了縱向快速進給按鈕,以適應(yīng)機床調(diào)整時的操作需要和遇到意外時緊急處理。 3.機械計算部分 本次設(shè)計將一臺CA6140普通機床改造成微機數(shù)控機床，采用MC

18、S-51型系列單片機控制系統(tǒng)，步進電機開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補功能,具有降速控制功能,其他設(shè)計參數(shù)如下: 最大回直徑: 400 mm 電機功率: 7.5KW 快速進給: 縱向2.4m/min 橫向1.2m/min 切削速度: 縱向0.5m/min 橫向0.25m/min 定位精度: 0.015mm 移動部件重量: 縱向:800N 橫向600N 加速時間: 30ms 機床效率: 0 .8 3.1

19、選擇脈沖當(dāng)量 根據(jù)機床精度要求脈沖當(dāng)量,縱向0.01mm/脈沖， 橫向為0.005mm/脈沖 3.2計算切削力 3.2.1縱切外圓 1主切削力（Fz）計算由《金屬切削原理》可知 切削率：P：電機功率7.5Kw n:主傳動系統(tǒng)總效率?。害?0.78 Pc-切削功率Pc=0.787.5=5.85Kw 又∵Pc=FzV ∴Fz= 式中: V 切削速度 V=100m/min FzPc/V=60Pc1000/v=3510N 3.2.2 橫切端面 主切削力F, 可取縱切的1/2 F=1/2Fz1/23510=1755N 又F: :F=1:0.4:

20、0.25 =0.4=0.41755=702N F=0.25=0.251755=438.75N Fx=0.25Fz=0.251755=877.5N Fy=0.4Fz=0.43510=1404N 3.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型 3.3.1縱向進給絲杠 1．計算進給牽引力Fm 縱向進給的綜合型導(dǎo)軌 采用三角型或綜合導(dǎo)軌: Fm=kFx+ (Fz+G) （3.1） 式中:Fx,Fy,Fz, —切削分力(N): G-移動部件的重量(N) —導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù),隨導(dǎo)軌形

21、式而不同 K考慮顛復(fù)力距影響的實驗系數(shù). f=0.16 則Fm=1.15877.5+0.16(3510+800)=1698.75N 2．計算最大動負載C C=fwFm （3.2） 選用滾珠絲杠副的直徑d.時必須保證在一定軸向負載 作用下.絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)后,在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕 現(xiàn)象.這個軸向負載的最大值稱為該滾珠絲杠能承受的最大動 負載C可用C=fw.Fm （3.3） L=

22、 （3.4） n= （3.5） 式中滾珠絲杠導(dǎo)程L=6mm.可取最高進給速度的(1/2~1/3)此處 VS=0.50.5=0.25m/min T: 使用壽命按15000h計算 L: 壽命以106轉(zhuǎn)為1單位 Fw: 運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取 fw:12~1.5 取fw=1.3 N==42r/min L===38小時 C=.fw.Fm C=1.31698.7

23、5=7508.47 3．滾珠絲杠螺母的選型 查<<精密機床配件系列>>-山東濟寧 選取滾珠絲杠公稱直徑為φ40選用的型號為 CDM4006-2.5 其額定動載荷15470N,所用強度足夠用 ４．效率計算 η= （3.6） 式中摩擦角r=2, φ=10 式中:r絲杠螺旋升角 r—摩擦角滾珠副的滾動摩擦系數(shù) , f=0.003~0.004 R摩擦角約為10分 式中:r螺旋角 CDM4006 r = r:摩擦角取10分 n==94.24% 5．剛度驗算

24、 先畫出縱向進給滾珠絲杠支承方式如圖 圖3—1縱向進給計算簡圖 最大牽引力為1698.75N, 支承間距L=1700mm 絲杠螺母及軸承均采用預(yù)緊,預(yù)緊力為最大牽引力為1698.75N. ΔL= （3.7） 式中: Fm工作負載(N) L.:滾珠絲杠L=6mm E:材料彈性模數(shù)對鋼E=20.610(N/mm) F:滾珠絲杠面積mm F=1/4πD=1/4π40=1256m △L=0.394104mm 再算滾珠絲杠總長度上拉伸或壓縮的變形量δmm δ=0.3

25、9410-4L/6=0.011 對滾珠絲杠經(jīng)過預(yù)拉拉伸,拉壓剛度可提高4倍 其實際變量=1/40.011=2.7510mm =0.00756mm<定位精度0.015mm 3.3.2橫向進給絲杠 1．計算進給牽引力Fm 橫向?qū)к墳檠辔残螌?dǎo)軌 其計算公式如下: Fm=KFx+ (Fz+2Fy+G) 式中K:考慮顛復(fù)力矩的影響實驗系數(shù)K=1.4 :導(dǎo)軌上摩擦系數(shù)為=0.2,移動部件重量G=600N Fm=1.4702+0.2(1755+2438.75+600)=1629.3N 2．計算最大動負載(N) n=.==31.25 L==28.125 C=1.21629.3=5

26、865.48N 3．選擇滾珠絲杠螺母副 查<<精密機床配件系列>>叢書 山東濟寧 選用滾珠絲杠為CDM2504-2.5 其額定的動載荷為6638 d=25mm =24.5mm 循環(huán)列數(shù)為12.52 Coa=16826 螺旋導(dǎo)程角 r==arctan r=2 選擇精度等級為3級 4．傳動效率的計算 η==tg2/tg(2+)=0.945 5．剛度計算 橫向進給絲杠方式,如圖所示最大牽引力為2612.1N 支承間距 L=450mm 因絲杠長度較短不需要預(yù)緊 圖3—2橫向進給系統(tǒng)計算簡圖 1滾珠絲杠的拉伸或壓縮變形量 △L===0.644810

27、 滾珠絲杠經(jīng)過預(yù)拉伸 =1/40.007254=0.0018 =0.0054小于定位精度 定位精度為0.015 3.4齒輪傳動比的計算 3.4.1縱向齒輪傳動比計算 已確定縱向脈沖當(dāng)量δ=0.01 ,滾珠絲杠導(dǎo)程L=6mm和步距角0.75, 可計算出i i===0.8 可選定齒輪的齒數(shù)為i=z1/z2=32/40 或20/25 d=mz=64 z1=32 z2=40 或z1=20 z2=35 d2=70 3.4.2橫向齒輪傳動比計算 已確定橫向脈沖當(dāng)量δ=0.005mm/step,滾珠絲杠導(dǎo)程L=4mm 和步距角0.75 ,可計算出傳動比i i===0.6

28、 z1=21 ,z2=35 3.5步進電機的計算和選型 3.5.1縱向步進電機的計算 計算簡圖見滾珠絲杠選擇中簡圖.傳動系統(tǒng)折算到電機 軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 (kg.cm2)由此式計算 =J+(z1/z2){Js+J2+G/g(L/2E)} （3.7） 式中:J—齒輪z1的轉(zhuǎn)動慣量. J2—齒輪z2的轉(zhuǎn)動慣量 Js—絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 G—工作臺及工件等移動部件的重量(N) L—絲杠的導(dǎo)程 J1=0.7810d1b = 0.78106.42 =2.62Kg.cm J2=0.7810d2b =0.7810

29、82=6.39Kg.cm Js=07810DL=0.78104170=33.9946Kg.cm G=800N代入式中 J=2.62+(32/40){33.946+6.39+800/9.8(0.6/2π)}=28.91Kg.cm 電機力矩的計算 機床在不同工況下,其所需要的轉(zhuǎn)距不同,下面分別按各階段計算 快速空載啟動時所需要的力矩 =Mmax+Mf+M0 （3.8） 式中:M起-快速空載啟動力矩(N.m) Mmax-折算到電機軸上的加速力矩(N.m) Mf-折算到電機軸上的附加摩擦力矩(M.m

30、) 起動加速時間ta=30ms Mmax=.e=10 nmax= —傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量(Kg.cm2) ε—電機最大角加速度 nmax-電機最大轉(zhuǎn)速 (r/min) —脈沖當(dāng)量 —步進電機的步距角 nmax===500r/min Mmax==504.4N.cm 摩擦力矩Mf(N.m) Mf== F.—導(dǎo)軌摩擦力(N)了發(fā) G運動部件總重量(N) i —齒輪降速比按i=Z1/Z2計算 η—傳動鏈總效率一般η=0.7~0.85 取0.8 Mf==12.22N.cm 附加摩擦力M0 M0= 式中 FP0-滾珠絲杠預(yù)加載荷一般取1/3F

31、 m Fm為進給牽引力(N) L0—滾珠絲杠導(dǎo)程(cm) N—滾珠絲杠未預(yù)緊時傳動效率94.24% M0== M0= ∴=Mmax+Mf+M0=504.4+12.22+10.28=526.9N.cm (2)快速移動時所需力矩 =M+M0 M===65.88N.cm (3)最大切削力負載時所需力矩 =M+M0+Mt Mt= 式中 Fmax-進給方向上的切削力取Fx=877.5N Mt-折算到電機軸上的切削負載力矩(N.cm) Mt=`=83.84(N.cm) =Mt+M0+Mt=65.88+10.28+83.84=16

32、0N.cm 從上面可以看出, ,,三種情況下,以快速空載時 所需力矩最大,以此項工作為初選步進電機的依據(jù) (4)計算電機空載轉(zhuǎn)動和切削堵的工作頻率 fk===4000Hz ==10000.5/600.01=833Hz (5) 步進電機的選擇 對于工作方式為五相十拍的步進電機 Mjmax==526.9/0951=554.048 查表選用130BF001型直流步進電機的最大靜轉(zhuǎn)距為930N.cm，滿足其要求: 3.5.2橫向進給步進電機的計算和選型 (1).步進電機的計算

33、 橫向計算簡圖見滾珠絲杠選擇中的簡圖,傳動系統(tǒng)折算到電機 電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 (kg.cm) 可由此式計算: =J1+(z1/z2){JS+J2+G/g(L0/2π) } 式中:J1-齒輪z1的轉(zhuǎn)動慣量 J2-齒輪z2的轉(zhuǎn)動慣量 JS-絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 G-工作臺及工件等移動部件的重量(N) L0-絲杠的導(dǎo)程 J1=0.7810d1L1=0.78104.22=0.485kg.cm2 J2=0.7810d2L1=0.781072=3.746kg.cm2 G=600N, Js=0.78102.545=1.37kgcm2

34、 =J1+(Z1/Z2){Js+J2+G/g(L0/2π)} =0.465+(0.6){1.37+3.746+600/10(0.4/6.28)} =2.414kg.cm (2) 電機力矩的計算: 機床在不同工況下其所需的轉(zhuǎn)距不同,下面分別按各段計算 1.快速空載起動時所需的力矩M起 =Mmax+Mf+M0 Mmax=.e= nmax===500r/min Mmax=2.414=42.1N.cm 折算電機軸上的摩擦力力矩Mf Mf===4.58N.cm 附加摩擦力矩M0 M0=)=) ==11.07Ncm Mmax=42.1+4.58+1

35、1.07=57.75N.cm (3)快速進給時所需力矩M快 =+M0 Mf==4.58N.cm M0=1/3Fm/2paini(1-n2)=11.07N.cm =4.58+11.07=15.65N.cm (4)最大切削負載所需力矩M切 =Mf+M0+Mt Mt===33.4N.cm Mf===17.96N.cm M切=33.4+17.96+11.07=62.43N.cm 上面計算可以看出,,和三種工況下, 以最大切削負載所需力矩作為選用電機的依據(jù)當(dāng) 步進電機為五相十拍時=/Mmax Mjmax=/=62.43/0.951

36、=65.64 步進 電機 相數(shù) 三相 四相 五相 六相 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 =M/M 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 選用90BF002其最大靜轉(zhuǎn)距為400滿足要求: fk===4000HZ fv==833HZ 4.微機控制部分 在普通車床CA6140基礎(chǔ)上加數(shù)控部分,以使其成為經(jīng)濟型數(shù)控機床,以完成較高的精度加工. 4.1 總體設(shè)計 我國目前廣泛使用MCS-51系列中的8031芯片,通過擴展

37、和I/O口擴展功能,實現(xiàn)對機床X,Z兩個方向的控制.以及軟硬的任務(wù)分配有:控制步進電機脈沖發(fā)生和脈沖分配,數(shù)碼顯示的字符發(fā)生,鍵盤掃描管理既用硬件管理,又可用軟件實現(xiàn),此次采用若干方案:控制步進電機用的脈沖發(fā)生器用硬件.采用國產(chǎn)YB015環(huán)行分配器實現(xiàn),字符發(fā)生及鍵盤掃描均有軟件實現(xiàn). 4.2主控制器 4.2.1主控器的選擇 近年來同外的一些主要的半導(dǎo)體制造廠家相繼生產(chǎn)了各種8位的單片微型端口及部分RAM于一體的功能很強的控制器。目前國內(nèi)用得較廣，開發(fā)工具較齊的是MCS—51系列包含三個產(chǎn)品：8031、8051和8751。三者的引腳完全兼容，僅在結(jié)構(gòu)上有一些差異，主要是8031：803

38、1是無ROM的8051，而8751是用EPROM代替ROM的8051。用得較多的就是我所選用的8031。 (1) 8031型芯片: 1) 單片機是集CPU,I/O端口及部分RAM一體的功能很強的控制器,8031基本特點如下: 1處理器CPU8位 2芯片內(nèi)有時鐘電位 3具有12 各字節(jié)RAM 4具有21特殊功能的存儲器 5具有4 各I / O端口,32根I/O線 6可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲器 7可尋址64K外部程序存儲器 8具有兩個16位定時/記時數(shù)量 9具有5 個中斷位,配備兩個優(yōu)先級 10具有一個全功能竄行接口 11具有尋址能力,適宜邏輯計算 從以上論證可以

39、看出,8031型芯片,功能幾乎為一塊Z80CPU,一塊RAM,一塊Z80CTC兩塊Z80PLO和一塊Z80SLO處理的微機計算機. (2)8031芯片管腳的功能及其他功能 按引腳功能可分三類，即：其一：I/O口線：P、P、P、P共4個8為口。其二：控制線：（片外取指令控制）、ALE（地址鎖存控制）、（片外取存儲器選擇）、RESET（復(fù)位控制）。其三：電源及時鐘：V、V、XTAL、XTAL。 4.2.2 8031對片外存儲器的選擇 1、EPRAM選擇： 根據(jù)MCS—51單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常用的EPRAM芯片，確定存儲器容量為16K。選擇EPRAM的型號時，主要考慮的因素是讀取速度

40、，這決定著系統(tǒng)是否正確工作。根據(jù)CPU與EPRAM時序匹配要求，可選用2片2764程序存儲器。 2、RAM選擇：單片機的擴展RAM多選用靜態(tài)RAM，根據(jù)容量要求和RAM與CPU的讀寫時序匹配的要求，這里選用大容量的RAM6264兩片。 4.2.3 8031并行I/O口擴展 8031有四個8位口(I/O端口),但真正能夠提供用戶使用的只有P1口,因為P2 P0口通常用來傳送外存儲器的地址和數(shù)據(jù),P3口也需要使用他的第二功能.因此8031的I/O的端口通常需要擴充.以便他能和更多外聯(lián)機工作.擴充方法有兩種: ①借用外面RAM地址來擴充I/O端口; ②利用并行I/O接

41、口芯片來擴充I/O端口. 5.電路原理圖設(shè)計 本次設(shè)計在采用8031作為主控芯片,采用兩片2764程序存儲器之外還擴展了一片6264數(shù)據(jù)存儲器,用一片74LS373鎖存P0口傳遞低8位地址,地址譯碼采用74LS138C3~8譯碼器;采用全地址碼,采用二個8155芯片,完成對執(zhí)行元件的控制。此外,還設(shè)有越界報警急停處理電路. 5.1關(guān)于各線路元件之間線路連接 8031芯片的P 和P用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù), P口送的是8位地址, P口傳送低八位地址和數(shù)據(jù),故采用74LS373地址鎖存器,鎖存低八位地址,ALE作為首選通信號,當(dāng)ALE為高電位,鎖存器的輸入輸出速度,即輸入的低八位地址

42、在輸出端出現(xiàn),此時不需鎖存,當(dāng)ALE從高電平變?yōu)榈碗娖?出現(xiàn)下降沿時,低八位地址在輸出端出現(xiàn),此時不需鎖存,當(dāng)ACE這樣POD共組成16位地址,2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址線, A~A低8位安74L373芯片的輸出,A~A按8031芯片的P~P系統(tǒng)采用全地址譯碼,兩片2764新片選信號CE分別按74LS138譯碼器的和,系統(tǒng)復(fù)位以后程序從0000H~開始執(zhí)行,6264芯片的片選信號CE地址按74LS138的,單片機的擴展系統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址,8031芯片控制信號PSEN按2764的OE引腳,讀寫控制信號WR和RD分別按6264芯片內(nèi)部沿有ROM,始終要選片

43、外程序存儲器,故按EA地址 由于8031只有P口和P口的部分能提供用戶作I/O接口使用,不能滿足輸入輸出口的需要,因此比喻擴展輸入輸出擴展電路.系統(tǒng)擴展3片8155可編程I/O接口芯片,8155(1)的片選信號按74LS138的端74LS138譯碼器有3個輸入A B C 分別按8031的 P P P8個輸出,低電平有效. 對應(yīng)輸出A B C DE 000至111 8種現(xiàn)合.其中對應(yīng)A B C 為111.74LS138有3個使能端,其中2個為低電平使能端,另一個為高電平使能端.只有當(dāng)使能端均處于有效電平是,輸出才能產(chǎn)生,否則輸出才能處在高電平無效. I/O接口芯片與外設(shè)的

44、聯(lián)接是這樣安排的.8155芯片PA作為顯示器段選信號, 輸出PA~P為顯示器的位選信號,輸出PC0~PC4 5根線是鍵盤輸入.8155芯片的20個引腳按8031芯片的P2.0,因此使用8155的I/O口時P2.0為高電平.8155(2),按X Z 向步進電機硬件環(huán)形分配器為輸出,系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼,各存儲器及I/O接口芯片.X向Z向步進電機硬件環(huán)形分配器采用YB0153-2相5相10拍方式工作,故 均按+5V,時鐘輸入端CP按8155芯片的TIME007用以決定脈沖分配器是如脈沖的頻率,為實現(xiàn)插補時不同的進給的速度,可給8155芯片定時/計數(shù)器中設(shè)置不同的常數(shù). 5.2. 關(guān)于電

45、路原理圖的一些說明 在此電路圖中,還有其他功能電路,如報警電路,急停電路,復(fù)位電路,隔離電路,功效電路等,此外還有對自動回轉(zhuǎn)刀架,螺紋加工進行控制. 1、 復(fù)位電路 通常8031的復(fù)位有自動復(fù)位,和人工按鈕復(fù)位兩種,下面將分別顯示電路結(jié)構(gòu) （A）(A)上電復(fù)位電路 （B）開關(guān)復(fù)位電路 2、時鐘電路 時鐘電路如圖所示,XTAL和XTAL2為內(nèi)振蕩電路輸入線,這兩個端口用來外接石英晶體和微調(diào)電器,用來聯(lián)接8031片內(nèi)OSC的定時反饋回路. 3、 光電隔離電路 在步進電機驅(qū)動電路,脈沖分配器輸出的信號經(jīng)過放大

46、后,控制步進電機的勵磁繞組.由于步進電機需要的驅(qū)動電壓數(shù)高,電流也較大,如果將I/O口輸出信號直接與功率放大電路相連,將引起電路干擾,輕則影響計數(shù)機程序的正常運行,重則導(dǎo)致接口電路的破壞.因此一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路,實行電氣隔離使用最多的是光電耦合器.如下圖 光電耦合器是以發(fā)光二級管和光敏二級管組成,為輸入信號的輸入端時,發(fā)光二級管導(dǎo)通激發(fā)紅外光,受光三極管照射后,由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流。通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)了以光為信號的輸出，輸入端與輸出端在電器繪出一種光隔離輸出電路，當(dāng)開關(guān)斷開，發(fā)光二級管不通，光敏三級管截止，輸出+5V高電平，當(dāng)閉合，發(fā)光二級管導(dǎo)通，激勵輸出

47、三級管導(dǎo)通。適當(dāng)選擇電阻R，可使輸出三級管飽和，輸出0.3左右的TTL低電平。 隨著運行頻率的增高，步進電機輸出力矩C帶動負載的能力，這一產(chǎn)生的原因，作為功率放大器負載的步進電機是電感負載。當(dāng)改變通電時，電流從零逐漸增大，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢使電流按指數(shù)規(guī)律上升。 4、鍵盤顯示 本次設(shè)計中，采用PC~~~PC 作為掃描口信號反向放大器按顯示器公共級，8031P口作為片選數(shù)據(jù)口。8155的PB~~PB作為行線輸入?；竟ぷ髟砣缦拢? 鍵盤顯示口電路圖 當(dāng)鍵松開時，測試信號為 1，鍵閉合，測試信號為0 ，當(dāng)測試信號為1 則禁止，不能對鍵進行識別。 鍵盤是由若干個按鍵組成的開關(guān)陣

48、列， 圖中行線通過電阻接+5V，當(dāng)鍵盤上沿有閉和時，所有行線和列線都以斷開，行線PC~PCX是4根行線，PA0~PA7Ss是6 根列線，在行線與列線交叉點上安裝有鍵，PA口的6 根列線按一定的時間間隔輪流輸出低電平。當(dāng)掃描到某一列線上時，若無鍵按下，則行線都是高電平；若有一鍵按下時，交叉點上對應(yīng)的行線變?yōu)榈碗娖?。這個低電平信號被計算機捕獲后，根據(jù)此間對應(yīng)的行線和列線的位置，計算機可以判斷出鍵值，完成控制。 5、越界報警電路 X，Z方向的越界和急停信號經(jīng)過門引入8031的P中斷原LNT，采用硬件申請中斷軟件查詢的方法。這樣無論哪個方向都能引起中斷，當(dāng)X，Z等一越界，則相應(yīng)的紅燈亮報警。

49、 專題部分 6.SolidWorks造型 6.1 SolidWorks 軟件介紹 SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng),是由美國SolidWorks公司在總結(jié)和繼承了大型機械CAD軟件的基礎(chǔ)上,在Windows環(huán)境下實現(xiàn)的第一個三維機械設(shè)計CAD軟件。 SolidWorks全面采用非全約束的特征建模技術(shù),由于其設(shè)計過程的全相關(guān)性,可以在設(shè)計過程的任何階段修改設(shè)計,同時牽動相關(guān)部分的改變.它既提供自底向上的裝配方法,同時還提供自頂向下的裝配方法,自頂向下的裝配方法使工程師能夠

50、在裝配環(huán)境中參考裝配體其他零件的位置及尺寸設(shè)計新零件,更加符合工程習(xí)慣.它具有獨創(chuàng)性的“封套”功能,來分塊處理復(fù)雜裝配體.其具有的“產(chǎn)品配置”功能,可為用戶設(shè)計不同“構(gòu)型”的產(chǎn)品.它集成了設(shè)計、分析、加工和數(shù)據(jù)管理整個過程,所獲得的分析和加工模擬結(jié)果成了產(chǎn)品模型的屬性,在SolidWorks的特征管理器中清晰的列出了詳細的數(shù)據(jù)信息。他還可以動態(tài)模擬裝配過程,進行靜態(tài)干涉檢查，計算質(zhì)量特征，如質(zhì)心、慣性矩等。它將2D繪圖和3D造型技術(shù)容為一體,能自動的生成零部件尺寸、材料明晰表、具有指引線的零部件編號等技術(shù)資料，從而簡化了工程圖樣的生成過程。SolidWorks同時有中英文兩種界面選擇，其先進的

51、特征樹結(jié)構(gòu)使更加簡便直接，而且它具有較好的開發(fā)性接口和功能擴展性，能輕松實現(xiàn)各種CAD軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳送。 Solidwokrs 可充分發(fā)揮用三維工具進行產(chǎn)品開發(fā)的威力，它提供從現(xiàn)有二維數(shù)據(jù)建立三維模型的強大轉(zhuǎn)換工具。Solidworks 能夠直接讀取DWG格式的文件，在人工干預(yù)下，將 AutoCAD 的圖形轉(zhuǎn)換成Solidworks三維實體模型。另一方面，Solidworks 軟件對于熟悉Windows的用戶特別易懂易用，它的開放性體現(xiàn)在符合Windows標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用軟件，可以集成到Solidworks軟件中，從而為用戶提供一體化的解決方案。 進入SolidWorks的操作界面如

52、圖： 圖6—1 6.2 繪制草圖 圖6—2 利用獨特的基于特征的零部件建模功能，可以使用拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級抽殼、放樣和掃描、陣列特征和孔輕松創(chuàng)建設(shè)計。 ■通過獨特的對多個實體的特征及控制，加快零部件建模速度。 ■通過動態(tài)編輯特征和草圖，只需執(zhí)行簡單的拖放操作即可進行實時更改。 6.2.1 進入SolidWorks系統(tǒng)后,單擊（標(biāo)準(zhǔn)工具欄）的新建，系統(tǒng)將彈出（新建SolidWorks文件）窗口。選擇（零件）項，單擊（確定）進入。然后在特征管理器中選擇（前視基準(zhǔn)面）為基準(zhǔn)面，繪制草圖。具體如圖6—2所示。然后在利用拉伸功能就完成了主軸箱的設(shè)計，如圖：

53、圖6—3 從而生成主軸箱，實圖下： 圖6—4主軸箱 這就是主軸箱的設(shè)計過程，在CA6140設(shè)計過程中需要大量的零件如：刀架、導(dǎo)軌、頂 圖6—5 頂尖 圖6—6導(dǎo)軌床身 尖等。； 以上是頂尖、導(dǎo)軌床身的設(shè)計結(jié)果。 6.3 裝配體設(shè)計 創(chuàng)建新的零部件時，可直接參照其他零部件并保持關(guān)系。設(shè)計具有成千上萬個零件的大型裝配體時可獲得無可比擬的性能?？蓪⒘悴考吞卣魍戏诺竭m當(dāng)?shù)奈恢谩? SolidWorks 提供完善的產(chǎn)品級的裝配特征功能，以便創(chuàng)建和記錄特定的裝配體設(shè)計過程。實際設(shè)計中，根據(jù)設(shè)計意

54、圖有許多特征是在裝配環(huán)境下在裝配操作發(fā)生后才能生成的，設(shè)計零件時無需考慮的。在產(chǎn)品的裝配圖作好之后，零件之間進行配合加工比如：零件焊接、切除、打孔等功能。 SolidWorks 支持大裝配的裝配模式，擁有干涉檢查、產(chǎn)品的簡單運動仿真、編輯零件裝配體透明的功能。 SolidWorks提供兩種裝配體設(shè)計方法： ⑴由下而上的設(shè)計:首先繪制零件,然后將它們插入裝配體中,并把這些零件按設(shè)計目的結(jié)合,完成裝配。這是較常用的設(shè)計方法。當(dāng)使用已建的零件來裝配時,這種有下而上的方法較好。 ⑵由上而下的設(shè)計:與由下而上的方法比,有上而下的設(shè)計不同之處在于:先從裝配體開始,邊裝配邊繪制零件。由一個零

55、件的幾何參數(shù)來定義其他的零件,或者產(chǎn)生在裝配零件之后加工的加工特征。也可以從草圖開始,定義固定零件位置、基準(zhǔn)面等,然后參考這些定義來設(shè)計零件。 由兩者比較來看,由下而上的設(shè)計中,由于零件皆為獨立的設(shè)計,所以其間的關(guān)系和重新產(chǎn)生零件的操作較由上而下的設(shè)計更為簡單,為此本次設(shè)計采用第一種方法。 在進入SolidWorks時,單擊（標(biāo)準(zhǔn)工具）中的新建選擇 (裝配體) 進入裝配體的工作窗口,如圖： 圖6—7 然后通過配合使各個零件裝在一起形成裝配體, 所形成的裝配體如圖： 圖6—8刀架 上圖

56、為刀架和刀架導(dǎo)軌的裝配體,其就用由下而上的裝配方法. 下面是本次設(shè)計的車床CA6140的設(shè)計結(jié)果,具體如圖: 圖6—9 CA6140車床 結(jié) 論 通過此次畢業(yè)設(shè)計,使我對機床有了更加深刻的了解,比如可以對普通車床可以進行簡單數(shù)控改造，使之變?yōu)楹唵谓?jīng)濟數(shù)控機床，分別將普通車床的絲杠、光杠改造成為滾珠絲杠，分別對機床的橫向，縱向進行數(shù)控改造，采用步進電動機作為主傳動力，采用微機控制，由于目前的水平將理論知識轉(zhuǎn)為現(xiàn)實的生產(chǎn)力，還有一段距離，這就要求我們在今后工作和學(xué)習(xí)中不斷鉆研本專業(yè)知識，用知識去創(chuàng)造財富。牢記科學(xué)技術(shù)

57、是第一生產(chǎn)力。 致 謝 本次研究及學(xué)位論文是在我的老師趙亮老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。由于我能力有限,在整個設(shè)計過程中趙老師付出了很多心血,認真地查閱了設(shè)計過程中涉及的資料,逐一修改.又細心地幫助我改正,對此表示深摯的感謝. 在設(shè)計結(jié)尾階段,我的同學(xué)和朋友們對我的設(shè)計和論文的書寫給予很大的幫助.在此表示感謝. 再一次地感謝趙老師的辛勤指導(dǎo). 設(shè)計者

58、 孫慶東 2007.6.25 參考文獻 [1] 李善術(shù). 數(shù)控機床及其應(yīng)用[M]. 機械工業(yè)出版社 2004年 [2] 李華. 機械制造技術(shù)[M]. 高等教育出版社.2000年 [3] 數(shù)控機床課程設(shè)計[M]. 機械工業(yè)出版社.1997年 [4] 機械零件設(shè)計手冊（上,下）[M] . 東北大學(xué)出版社1994年 [5] 張玉.李文敏. 互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 東北大學(xué)出版社. 1994年 [6] 張新義 .經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計[

59、M]. 機械工業(yè)出版社1993年 [7] 王永章 . 機床的數(shù)字控制技術(shù)[M]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社. [8] 陳顯禎、任全積、 汪思伯. 單片微機開發(fā)調(diào)試與實驗技術(shù)[M] 四川大學(xué)出版社. [9] 成大先 機械設(shè)計手冊[M] 化學(xué)工業(yè)出版社.2002年 [10] 精密機床配件系列[M]. 山東濟寧絲杠制造廠. 附 錄 Numerical control system development brief history andtendency In 1946 was born in

60、 the world the first electronic accounting machine,this indicated the humanity created has been possible to strengthenand partially to replace the mental labor the tool. It with thehumanity these which in the agriculture, the industry society createdonly is strengthens the physical labor the tool to

61、 compare, got up thequantitive leap, entered the information society for the humanity tolay the foundation. After 6 years, namely in 1952, the computer technology applied on theengine bed, were born the first numerical control engine bed in US.From this time on, the traditional engine bed has ha

62、d the archerytarget change. Since nearly half century, the numerical control systemhas experienced two stages and six generation of development. The early computer operating speed is low, was not big to then sciencecomputation and the data processing influence, but could not adapt theengine bed r

63、eal-time control request. The people can not but usenumeral logic circuit " Builds " Becomes an engine bedspecial purpose computer to take the numerical control system, iscalled the hardware connection numerical control (HARD-WIRED NC), iscalled for the numerical control (NC). Along with the primary

64、 devicedevelopment, this stage has had been through repeatedly threegenerations, namely 1952 first generation of -- electron tube; 1959second-generation -- transistor; 1965 third generation -- small scaleintegration electric circuit. To 1970, the general minicomputer already appeared and the massp

65、roduction. Thereupon transplants it takes the numerical controlsystem the core part, from this time on entered the computer numericalcontrol (CNC) the stage (" which should have the computer in frontof; General " Two characters have abbreviated). To 1971, AmericanINTEL Corporation in the world first

66、 time the computer two most corespart -- logic units and the controller, used the large scaleintegrated circuit technology integration on together the chip, calledit the microprocessor (MICROPROCESSOR), also might be called thecentral processing element (to be called CPU). The microprocessor is applied to 1974 to the numerical control system.This is because minicomputer function too strong, controll