C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 1 頁 前 言我國目前機床總量為 380 萬余臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11.34 萬臺，這說明我國機床數(shù)控化率不到 3%。我們大多數(shù)制造業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工設(shè)備大多數(shù)是傳統(tǒng)機床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床。用這種機床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、成本高等缺點，因此這些產(chǎn)品在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭了，這直接影響了企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須提高機床的數(shù)控化率。對于我國的實際情況，大批量的購置數(shù)控機床是不現(xiàn)實也是不經(jīng)濟的，只有對現(xiàn)有的機床進行數(shù)控改造。數(shù)控改造相對于購置數(shù)控機床來說，能充分發(fā)揮設(shè)備的潛力，改造后的機床比傳統(tǒng)機床有很多突出優(yōu)點，由于數(shù)控機床的計算機有很高的運算能力，可以準確的計算出每個坐標軸的運動量，加工出較復(fù)雜的曲線和曲面。其計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記憶和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可以實現(xiàn)另一工件的加工，從而實現(xiàn)“柔性自動化” 。改造后的機床不象購買新機那樣，要重新了解機床操作和維修，也不了解能否滿足加工要求。改造可以精確計算出機床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，操作和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。另外，數(shù)控改造可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新機那樣需要重新構(gòu)筑地基，還可以根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和檔次，將機床改造成當今水平的機床。數(shù)控技術(shù)改造機床是以微電子技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合為基礎(chǔ)，不但技術(shù)上具有先進性，同時在應(yīng)用上比其他傳統(tǒng)的自動化改造方案有較大的通用性和可用性，且投入費用低，用戶承擔(dān)得起。由于自投入使用以來取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益，已成為我國設(shè)備技術(shù)改造中主要方向之一，也為我國傳統(tǒng)機械制造技術(shù)朝機電一體化技術(shù)方向過渡的主要內(nèi)容之一。目 錄第一節(jié) 設(shè)計任務(wù) ...........................................31.1 題目： ......................................................31.2 任務(wù) ........................................................3C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 2 頁 第二節(jié) 總體方案的確定 .....................................4第三節(jié) 機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案 .............................53.1 主軸系統(tǒng)的改造方案 ..........................................53.2 安裝電動卡盤 ................................................53.3 換裝自動回轉(zhuǎn)刀架 ............................................53.4 螺紋編碼器的安裝方案 ........................................63.5 進給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案 ....................................6第四節(jié) 進給傳動部件的計算和選型 ...........................74.1 脈沖當量的確定 ..............................................74.2 切削力的計算 ................................................74.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 ..................................84.4 同步帶減速箱的設(shè)計 .........................................104.5 步進電動機的計算與選型 .....................................124.6 同步帶傳遞效率的校核 .......................................16第五節(jié) 繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖 ..........................16第六節(jié) 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 ..............................17第七節(jié) 步進電動機驅(qū)動電源的選用 ..........................19第八節(jié) 控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計 ............................19參考文獻 .................................................26C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 3 頁 第一節(jié) 設(shè)計任務(wù)1.1 題目：C6140 普通車床數(shù)控化改造設(shè)計1.2 任務(wù)將一臺 C6140 普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標如下：（1） 床身上最大加工直徑 ;m40（2） 最大加工長度 ；1（3） X 方向（橫向）的脈沖當量 ，Z 方向（縱向）脈 沖/05.x??；脈 沖/0.z??（4） X 方向最快移動速度 ，Z 方向為 ；in/3maxv min/60maxv?（5） X 方向最快工進速度 ， Z 方向為 ；i/40axf? i/8axf（6） X 方向定位精度 ，Z 方向 ；1.?2.?（7） 可以車削柱面、平面、錐面與球面等；（8） 安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導(dǎo)程 ；m24（9） 安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀；（10）自動控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級變速與無級變速信號；（11）自動控制冷卻泵的啟/停;（12）安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；（13）縱、橫向安裝限位開關(guān)；（14）數(shù)控系統(tǒng)可與 PC 機串行通信；（15）顯示界面采用 LED 數(shù)碼管，編程采用 ISO 數(shù)控代碼。C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 4 頁 第二節(jié) 總體方案的確定總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU 的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。1． 普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標定位，兩坐標直線插補、圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成連續(xù)控制型。2． 普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)結(jié)構(gòu)簡化，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。3． 根據(jù)技術(shù)指標中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求，決定選用 MCS-51 系列的 8 位單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的 CPU。MCS-51 系列 8 位機具有功能多、速度快、抗干擾能力強、性/價比高等優(yōu)點。4． 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O 接口電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等，還要選擇步進電動機的驅(qū)動電源以及主軸電動機的交流變頻器等。5． 為了達到技術(shù)指標中的速度和精度要求，縱、橫向的進給傳動應(yīng)選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)等。6． 計算選擇步進電動機，為了圓整脈沖當量，可能需要減速齒輪副，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)。7． 選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。第三節(jié) 機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案3.1 主軸系統(tǒng)的改造方案對普通機床進行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的主傳動機構(gòu)和變速操縱機構(gòu)，這樣可以減少機械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 5 頁 控制。若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，可用 2~4 速的多速電動機代替原有的單速主電動機；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電動機，以實現(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 ，原來的電動機可以不更換，但所選變頻器的功率應(yīng)比電Hz70動機大） 。改造 C6140 車床時，若采用有級變速，可選用浙江超力有限公司生產(chǎn)的 YD系列 變級多速三相異步電動機，實現(xiàn) 檔變速；若采用無級變速，應(yīng)加kW5.7 4~2裝交流變頻器，推薦型號為：F100-G0075T3B,適配 電動機，生產(chǎn)廠家為煙kW5.7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，選用呼和浩特附件總廠生產(chǎn)的 KD11250 型電動三爪自定心卡盤?？ūP的夾緊與松開由數(shù)控系。3.3 換裝自動回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)刀架，選用常州市宏達機床數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的 LD4B-CK6140型四工位立式電動刀架。實現(xiàn)自動換刀需要配置相應(yīng)的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。3.4 螺紋編碼器的安裝方案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，作為車床主軸信號的反饋元件，它與車床主軸同步。改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程是 ，Z 向的進給脈沖當量是m24，所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應(yīng)不少于脈 沖/01.m?？紤]到編碼器的輸出有相位差 的 A、B 相脈 沖脈 沖 ） 240/.(24? ?90信號，可用 A、B 異或后獲得 個脈沖（一轉(zhuǎn)內(nèi)） ，這樣編碼器的線數(shù)可降到線（ A、 B 信號） 。另外，為了重復(fù)車削同一螺旋槽時不亂扣，編碼器還需要10C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 6 頁 輸出每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖 Z?；谏鲜鲆螅x擇螺紋編碼器的型號為：ZLF-1200Z-05VO-15-CT。電源電壓 +5V，每轉(zhuǎn)輸出 個 A/B 脈沖與 1 個 Z 脈沖，信號為電壓輸出，軸頭直徑120，生產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。m15螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：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(jié)構(gòu)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床頭箱的的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)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 的同步齒1: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連接，且車床組、主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。3.5 進給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案（1） 拆除掛輪架所有齒輪，在此主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。（2） 拆除進給箱總成，在此位置安裝縱向進給步進電動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，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的的螺母座與螺母座托架。（4） 拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四工位立式刀架。（5） 拆除橫溜板下的滑動絲桿螺母副，將滑動絲桿靠刻度盤一段（長 ，m216見圖一）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。（6） 將橫向進給步進電動機通過法蘭安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。（7） 拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿） ，更換絲桿的右支承。（8） 改造后的橫向、縱向進給傳動系統(tǒng)分別見附圖一和附圖二。第四節(jié) 進給傳動部件的計算和選型縱、橫向進給傳動部件的計算和選型主要包括：確定脈沖當量、計算切削力、C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 7 頁 選擇滾珠絲杠螺母副、設(shè)計減速箱、選擇步進電動機等。4.1 脈沖當量的確定根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，X 方向（橫向）的脈沖當量為 ，Z 方脈 沖/05.mx??向（縱向）為 。脈 沖/01.mz??4.2 切削力的計算（1）縱向切削力算設(shè)工件為碳素結(jié)構(gòu)鋼， ；選用刀具材料為硬質(zhì)合金 YT15；刀MPab650??具幾何參數(shù)為：主偏角 ，前角 ，刃傾角 ；切削用量為：?rk?1????5s?背吃刀量 ，進給量 ，切削速度 。mp3??rmf/. min/10vc查表得： ， ， ， ；主偏角 的修2795FcG0FCx75.Fcy.FnrK正系數(shù) ；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為 。4.0Kr 0.由經(jīng)驗公式： ，算得主切削力 ;由經(jīng)驗cFcFcnyxpKVf?Nc42673?公式： ，算得縱向進給切削力 ,背向力.0:351:?pfc f9.5。NFP36.109?（2）橫向切削力計算橫向主切削力為縱向的一半，所以橫向主切削力 NFcc7.1362'?由經(jīng)驗公式 ,求得橫向進給切削力 ，背向力4.0:351:?pfcFf85.4。NFp68.534?4.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型1.縱向：(1) 工作載荷 的計算mF已知移動部件總重量 ；車削力 ， ，NG130?4.2673?cFNP36.109?C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 8 頁 。根據(jù) ， ， 的對應(yīng)關(guān)系，可得：NFf69.35?czF?pyfxF?， ， 。z427Ny36.109x69.35選用矩形-三角形組合滑動導(dǎo)軌，查表，取 ， ，代入15.K6.0??,得工作載荷 .)(GKzxm??m172?(2) 最大動載荷 的計算 QF設(shè)本車床 Z 向在承受最大切削力條件下最快的進給速度 ，初選min/8.0v絲杠基本導(dǎo)程 ，則此時絲杠轉(zhuǎn)速 。Ph6?13/0rPnh??取滾珠絲杠的使用壽命 ，代入 ,得絲杠壽命系數(shù)hT1506TL。）單 位 為 ： r10(7.1960?L查表，取載荷系數(shù) ，再取硬度系數(shù) ，代入式.Wf 1Hf，求得最大動載荷 。mHWQFf30 NFmWQ970330??(3) 初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷，查表，選擇啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)的FL4006 型滾珠絲杠副。其公稱直徑為 ，基本導(dǎo)程為 ，雙螺母滾珠總?cè)?06數(shù)為 ，精度等級取 4 級，額定動載荷為 ，滿足要求。圈圈 623?? N1320(4) 傳動效率 的計算?將公稱直徑 ，基本導(dǎo)程 ，代入 ，得md0mPh6?)]/(arctn[0dPh???絲杠螺旋升角 。將摩擦角 ，代入 ，得傳動效'42??'10?/t???率 。%.94?(5) 剛度的驗算1） 縱向滾珠絲杠的支承，采取一端軸向固定，一端簡支的方式，見圖二。固定端采取一對推力角接觸軸承，面對面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距離約為 ；鋼的彈性模量 ；查表得滾珠直ma1497?MPaE510.2??徑 ，算得絲杠底徑 公稱直徑 滾珠直徑 。DW968.3?2d?dmDW0312.6?忽略式 中的第二項，算得絲杠在工作載荷 作用下產(chǎn)生的IEMSFm??21? mF變形量 。壓拉 /a0197.)/(?2）根據(jù)公式 ，求得單圈滾珠數(shù)目 ,該型號絲杠為雙3??WDdZ 29?Z螺母，滾珠總?cè)?shù)為 ，則滾珠總數(shù)量 。滾珠絲杠預(yù)緊時，623?1746??取軸向預(yù)緊力 。則由式 ,求得滾珠NFmYJ571/?322 0/0.?FDYJWm?C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 9 頁 與螺紋滾道間的接觸變形量 。因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負m017.2??載的 ，所以實際變形量可減小一半，取 。3/1 m058.2??3）將以上算出的 和 代入 ，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度121??總） 。由表知，4 級精度滾珠絲杠任意m497??5.0.?總軸向行程內(nèi)行程的變動量允許 ，而對于跨度為 的滾珠絲杠，0 61497總的變形量 只有 ，可見絲杠剛度足夠?？?m.12(6) 壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)式 計算失穩(wěn)時的臨界載荷 。查表取支承系數(shù) ；mkFKaEIf??2?kF2?kf由絲杠底徑 ，求得截面積慣性矩 ；壓桿穩(wěn)031.62d 24215.8736/mdI???定安全系數(shù) 取 3（絲杠臥式水平安裝） ；滾動螺母至軸向固定處的距離 取最大a值 。代入式 ，得臨界載荷 ,遠大于工作載m1497mkFKaEIf??2?NFk0荷 ，故絲杠不會失穩(wěn)。)2(NF綜上所述初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。4.4 同步帶減速箱的設(shè)計為了滿足脈沖當量的設(shè)計要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時也為了使傳動系統(tǒng)的負載慣量盡可能地減小，傳動鏈中常采用減速傳動。C6140 車床縱向減速箱選用同步帶傳動。設(shè)計同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳動的功率 ；主動輪轉(zhuǎn)速 和傳P1n動比 ；傳動系統(tǒng)的位置和工作條件等。i根據(jù)改造經(jīng)驗，C6140 車床縱向步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩通常在之間選擇。初選電動機型號為 130BYG5501,五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)mN?25~1矩 ，十拍驅(qū)動時步距角為 。0?72.0（1） 傳動比的確定已知電動機的步距角 ，脈沖當量 ，滾珠絲?.?脈 沖/01.mz??杠導(dǎo)程 ，代入式 算得傳動比mh6P???360hPi 2.i（2） 主動輪最高轉(zhuǎn)速 1nC6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 10 頁 由縱向床鞍的最快移動速度 ，得出主動輪的最高轉(zhuǎn)min/60maxvz?速 。in/12360/)/(max1 rvnzz????（3） 確定帶的設(shè)計功率 dP預(yù)選的步進電動機在轉(zhuǎn)速為 時，對應(yīng)的步進脈沖頻率為i/。當脈沖頻率Hzzf 10)72.60(312)60/(32max ???為 時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩約為 ，對應(yīng)的輸出功率為Hz10 mN?8。取 ， ,代WnTPOU 45.9/85.9/ ??? kP48.2.1?AK入式 ，得出 .KAd kPd57.021（4） 選擇帶型和節(jié)距 bp根據(jù)帶的設(shè)計功率 和主動輪最高轉(zhuǎn)速 ，選d574.0?min/120rn取同步帶的型號為 L 型節(jié)距 。mb29（5） 確定小帶輪齒數(shù) 和小帶輪節(jié)圓直徑1z1d取 ，則小帶輪節(jié)圓直徑 。當 達到最高轉(zhuǎn)15?z zpb48.51??1n速 時，同步帶速度為 ，沒有超過 L 型帶min/20r smndv/6.206?的極限速度 。s/35（6） 確定大帶輪齒數(shù) 和大帶輪節(jié)圓直徑2z2d大帶輪齒數(shù) ，節(jié)圓直徑 。182?i i57.41?（7） 初選中心距 、帶的節(jié)線長度 、帶的齒數(shù)0apL0bz初選中心距 ，圓整后取 。則帶md6.)(.21?ma10的節(jié)線長度為 。查表選取標adLp 3.74)(0210 ????準節(jié)線長度 ，相應(yīng)齒數(shù) 。m381?bz（8） 計算實際中心距 a實際中心距 。mLp835.1200????（9） 校驗帶與小帶輪的的嚙合齒數(shù) z，嚙合齒數(shù)比 6 大，滿足要求。此處7)](2[121??zapzentbm?表示取整。tC6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 11 頁 （10） 計算基準額定功率 0P所選型號同步帶在基準寬度下所允許傳遞的額定功率：，式中 表示帶寬為 時的許用工作壓力，查表得10)(20vmTPa??aT0sb； 表示帶寬為 時的單位長度的質(zhì)量，查表得Na46. 0sb； 表示同步帶的帶速，由上述（5）知 。代入kg/9v smv/86.2?式子算得 .WP7.0?（11） 確定實際所需同步帶寬度 sb，式中 表示選定型號的基準寬度，查表得14./0)(Kbzds?0s； 表示小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，查表得 。由上式算得ms4.250? 1?zK，再根據(jù)表選取標準帶寬 。1 mbs4.25?（12） 帶的工作能力驗算根據(jù)式 ，計算同步帶額定功率 的精確值：3201)(????vmbTKPswz P式中 為齒寬系數(shù)： 。經(jīng)計算得 ,而)/(4.0?swbkW697.0?,滿足 。因此，帶的工作能力合格。kWd574.0d?4.5 步進電動機的計算與選型（1） 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 eqJ已知：滾珠絲杠的公稱直徑 ，總長（帶接桿） ，md40?ml1560?導(dǎo)程 ，材料密度 ；縱向移動部件總重量mPh6?33/185.7ckg???；同步帶減速箱大帶輪寬度 ，節(jié)徑 ，孔徑 ，NG13027.543輪轂外徑 ，寬度 ；小帶輪寬度 ，節(jié)徑 ，孔徑42148，輪轂外徑 ，寬度 ；傳動比 。99.1?i將上述數(shù)據(jù)代入公式，可得出：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；床鞍折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量 ；小帶278.30cmkgJS?? 2.cmkgJW?輪的轉(zhuǎn)動慣量 ，大帶輪的轉(zhuǎn)動慣量 。在設(shè)2195.0ckgJz??291z計減速箱時，初選的縱向步進電動機型號為 130BYG5501，查表得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動23mm?C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 12 頁 慣量為： 。2221 5.7/)( cmkgiJJSWzzmeq ?????（2） 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 eqT分快速空載起動和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(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩 1eq由式 ，可知 包括三部分：快速空載起動時折0max1TTfeq??1eq算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 、移動部件運動時折算到電動機max轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦f轉(zhuǎn)矩 。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式 可知，0T )1(2200????iPFThYJ相對于 和 很小，可以忽略不計。則有： maxf faeqT?mx1（4-1）根據(jù)式 ，考慮縱向傳動鏈的總效率 ，計算ameqeqatnJT602x????快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：（4-2）式中 表示對應(yīng)縱向空載最快移動速度??1602max??ameqtnJmn的步進電動機最高轉(zhuǎn)速，單位為 ； 表示步進電動機由靜止到加i/rat速至 轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為 。其中： （4-3） 式mns????360maxvn中 表示縱向空載最快移動速度，任務(wù)書指定為 ； 表axv in/示縱向步進電動機步距角。為 ； 表示縱向脈沖當量，為?72.0?。將以上各值帶入式（4-3） ，算得 。脈 沖/01.?? i/120rm?設(shè)表示步進電動機由靜止到加速至 轉(zhuǎn)速所需時間 ，縱向mnsta4.傳動鏈總效率 ；則由式（4-2）求得：7.0??，由式 可知，NTa ?????58.2.46152mx? iPFThf??2摩?移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：（4-4）式中 表示導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滑動導(dǎo)軌取iPGFhcf???2)(???； 表示垂直方向的工作載荷，空載時取 ； 表示縱向傳動鏈總16.0c 0?C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 13 頁 效率，取 。則由式（4-4）得：7.0，最后由式（4-1） ，求得快mNTf ??????24.02.160)3(16?速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩為：(4-5)Tfaeq ??8.mx12）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩 2eqT由式 可知， 包括三部分：折算到電動機轉(zhuǎn)軸02fteq?2eqT上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩 、移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩t擦轉(zhuǎn)矩 、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 。fT 0相對于 和 很小，可以忽略不計。則有： 0ft fteqT??2（4-6）其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩 由式t計算，本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知進給方向iPFThft??2?的最大工作載荷 ,則有：Nf69.35?mihft ????0.12.70.92再由式 計算承受最大工作負載（ ）情況iPFThf??摩? NFc4.2673?下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩: miGhcf ?????? 72.02.170)34.6(1.02)(?最后由式（4-6） ，求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承的負載轉(zhuǎn)矩： （4-7）mNTfteq??8.12經(jīng)上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩：（4-7）Teqeq ??.},max{21（3） 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當電網(wǎng)電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟布，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù) 來選擇步進電動機的最eqT大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù) ，則步進電動機4?K的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： （4-8）mNTeqj ?????28.18.24maxC6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 14 頁 對于前面預(yù)選的 130BYG5501 型步進電動機，查表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩，可見完全滿足式（4-8）要求。mNTj??20ax（4） 步進電動機的性能校核1）最大工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定縱向最快工進速度 ，脈沖當量min/80maxvf?，由式 求出電動機對應(yīng)的運行頻率脈 沖/0.m???6axff。在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩Hzf 13)0.6(8ax ??，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩 ，滿足要求。NTf??17 NTeq??78.122）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定縱向最快空載移動速度 ，由式min/60maxv，求出電動機對應(yīng)的運行頻率?60maxavf?。查表得，此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)Hzz10)./(x ??矩 ，大于快速空載起動時負載轉(zhuǎn)矩 ，滿足要求。NT?8.3ma NTeq??82.13）最快空載移動時電動機運行頻率校核最快空載移動速度 ，對應(yīng)的電動機運行頻率min/60maxv?。查表可知 130BYG550 的極限運行頻率為 ，可見Hzf10max? Hz20沒有超出上限。4）起動頻率的計算已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 ，電動機轉(zhuǎn)子自身的25.7ckgJeq??轉(zhuǎn)動慣量 ，查表可知電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時最高空載起23cmkgJm??動頻率 。由式 ，可以求出步進電動機克服慣Hzfq180meqLJff/1?性負載的起動頻率為： ，上式說明，要想保證步進電動機起動zf087?時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于 。實際上，在采用軟件Hz087升降頻率時，起動頻率選得很低，通常只有 (即 )。1s/脈 沖綜上所述，縱向進給系統(tǒng)選用 130BYG550 步進電動機，可以滿足要求。C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 15 頁 4.6 同步帶傳遞效率的校核分兩種工作情況，分別進行校核。（1） 快速空載起動電動機從靜止到加速至 ，由式（4-5）可知，同步帶傳遞min/120rnm?的負載轉(zhuǎn)矩 ，傳遞的功率為NTeq??82.1。WnPm 3.54.9/05.9/ ??（2） 最大工作負載、最快工進速度由式（4-7 ）可知，帶需要傳遞的最大工作負載轉(zhuǎn)矩 ，任mNTeq??78.12務(wù)書給定最快工進速度 ，對應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速min/80maxvf?。傳遞的功率為163/)(maxax rvnzff???。WTPeq .295.705.9/2?可見，兩種情況下同步帶傳遞的負載功率均小于帶的額定功率 。因kW697.0此，選擇的同步帶功率合格。第五節(jié) 繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖在完成滾珠絲杠螺母副和步進電機的計算選型后可以著手繪制進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖。在繪制機械裝配圖時，還應(yīng)認真的考慮與具體結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)的一些問題。（1）了解原機床的詳細結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。（2）根據(jù)載荷特點和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號，軸承座的結(jié)構(gòu)以及軸承預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式，確定齒輪軸支承軸承的型號。（3）考慮各部件之間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。箱上的聯(lián)接與定位等。（4）考慮密封、防護、潤滑以及安全機構(gòu)等問題。（5）在進行各零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 16 頁 第六節(jié) 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)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）接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號；3）接收車床限位開關(guān)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(qū)動器；7）控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)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（2）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 用做數(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于 DAC0832;與 PC 機的串行通/信經(jīng)過 MAX233 芯片。數(shù)控系統(tǒng)的操作面板布置如圖（1）所示。面板設(shè)置了 48 個微動按鈕，三個船形開關(guān)，一只急停按鈕，顯示器包括 1 組數(shù)碼管和 7 只發(fā)光二極管。交流變頻器主軸電動機隔離放大 X 向步進電動機隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大Z 向步進電動機刀架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(guān)信號SRAM芯片6264復(fù)位電路晶振電路EPROM芯片W27C512CPUAT89S52單片機鍵盤與顯示接口芯片 8279串行接口芯片MAX233并行接口芯片8255D/A 轉(zhuǎn)換芯片DAC0832螺紋光柵信號操作面板開關(guān)/按鈕信號C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 17 頁 圖（2）C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 18 頁 第七節(jié) 步進電動機驅(qū)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30BYG5501。兩種電動機除了外形尺寸、步距角和輸出轉(zhuǎn)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 ，電流 5 安。VDC310~2這樣，兩臺電動機的驅(qū)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(zé)任公司生產(chǎn)的五相混合式調(diào)頻調(diào)壓型步進驅(qū)動器，型號為 BD5A。第八節(jié) 控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計1. 存儲器與 I/O 芯片地址分配根據(jù)圖三中地址譯碼器 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，如下表所示：器件名稱 地址選擇線（ ）0~15A片內(nèi)地址單元數(shù)地址編碼6264 ??,,08K FH1~08255 4 C3C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 19 頁 8279 ?1,,012 FHE5~DAC0832 1 72. 控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序系統(tǒng)設(shè)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(yīng)的指示燈點亮，進入相應(yīng)的功能處理?？刂葡到y(tǒng)的監(jiān)控管理程序流程見圖（3） 。圖（3）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 0MOVX @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 口系統(tǒng)上電復(fù)位CPU、8255、8279 等初始化工作狀態(tài)選擇編輯？編輯處理回零？回零處理N自動？自動處理N 手動？手動處理N空刀？空刀處理N NC6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 20 頁 MOV A，#0FFH ；預(yù)置 PB 口全“1”MOVX @DPTR，A ；輸出全“ 1”到 PB 口RET4. 8279 芯片初始化子程序B279: MOV DPTR，#5FFFH ；指向 8279 的控制口地址MOV A，#0CFH ；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 D7=0，清除才結(jié)束MOV A，#08H ；編碼掃描，左入口，16 位字符顯示，雙鍵互鎖MOVX A，@DPTRMOV A，#34H ；分頻系數(shù)取 20MOVX @DPTR，ARET5. 8279 控制 LED 顯示子程序設(shè)顯示緩沖區(qū)的首地址為 6BH，系統(tǒng)在指定的工作狀態(tài)下，需要顯示的字符段碼的編碼，事先存儲在 CPU 內(nèi)部的 RAM 的 6BH~73H 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 ；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 00H 地址開始寫，每寫一次，顯示 RAM 的地址自動加 1MOV R0，#6BH ；顯示緩沖區(qū)的首地址為 6BHMOV R7，#09H ；顯示緩沖區(qū)的長度為 9 個字節(jié)MOV DPTR，#5FFFH ；8279 的數(shù)據(jù)口地址DIR0: MOV A，@R0 ；從 CPU 的 RAM 中讀取顯示段碼的編碼C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 21 頁 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 R0 ； 寫 8279 的下一個顯示 RAM DJNZ R7，DIR0 ；循環(huán) 9 次，完成 9 位顯示RET； 段碼 字符 編碼DTAB: DB 6FH ；F 00-01DB 0DAH DB 0BEH ；X 02-03DB 0E7HDB 0A3H ；Z 04-05DB 0CBHDB 0D1H ；U 06-07DB 0D3H DB 0DCH ；W 08-09DB 0CEHDB 0DFH ；- 0ADB 21H ；0 0BDB 7BH ；1 0CDB 91H ；2 0DDB 19H ；3 0EDB 4BH ；4 0FDB 0DH ；5 10DB 05H ；6 11DB 69H ；7 12DB 01H ；8 13DB 09H ；9 14DB 20H ；0. 15DB 7AH ；1. 16C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 22 頁 DB 90H ；2. 17DB 18H ；3. 18DB 4AH ；4. 19DB 0CH ；5. 1ADB 04H ；6. 1BDB 68H ；7. 1CDB 00H ；8. 1DDB 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 6BH~73H 這 9 個字節(jié)賦值，然后調(diào)用 DIR 子程序即可。例如，要顯示“X-1234.56” ，程序如下：MOV 6BH，#02H ；“X”的一半MOV 6CH，#03H ；“X”的另一半MOV 6DH，#0AH ；-MOV 6E，#0CH ；1MOV 6FH，#0DH ；2MOV 70H，#0EH ；3MOV 71H，#19H ；4.MOV 72H，#10H ；5MOV 73H，#11H ；6CALL DIR ；向 8279 的顯示 RAM 寫數(shù)……顯示緩沖區(qū)（CPU 內(nèi)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 11H6. 8279 管理鍵盤子程序如圖三所示，當矩陣鍵盤有鍵按下時，8279 即向 CPU 的 INT1 申請中斷，CPU 隨即執(zhí)行中斷服務(wù)程序，從 8279 的 FIFO 中讀取鍵值，程序如下：C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 23 頁 CLR EX1 ；關(guān) CPU 的 INT1 中斷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，#5FFFH ；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(yīng)鍵進行處理NEXT0: CJNE A，#KEY1，NEXT1 JMP _KEY1 NEXT1: CJNE A，#KEY2，NEXT2 JMP _KEY2NEXT2: …… 7. D/A 電路輸出模擬電壓程序如圖三所示，當 CPU 執(zhí)行寫命令時，只要選中 7FFFH 這個地址，DAC0832與 741 組成的 D/A 轉(zhuǎn)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 00H~0FFHMOVX @DPTR，A ；輸出直流電壓 0~10V8. 步進電動機的運動控制程序9. 電動刀架的轉(zhuǎn)位控制程序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?，F(xiàn)以主軸正轉(zhuǎn)為例，從圖三可以看出，主軸的正轉(zhuǎn)由 8255 的 PA0 來控制，當用低電平信號來控制主軸正轉(zhuǎn)時，程序如下：MOV DPTR，#3FFFH ；8255 的 PA 口地址MOVX A，@DPTR ；讀出 PA 口鎖存器內(nèi)容CLR ACC.0 ；修改MOVX @DPTR，A ；置 PA0=0,直流繼電器 K+閉合，C6140 車床數(shù)控化改造設(shè)計第 24 頁 主軸正轉(zhuǎn)參考文獻[1]張新義主編．經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計．北京：機械工業(yè)出版社，1998[2]余英良主編．機床數(shù)控改造設(shè)計與實例．北京：機械工業(yè)出版社，1994[3]王貴明主編．數(shù)控實用技術(shù)．北京：機械工業(yè)出版社，2001[4]普通 C6140 車床的說明書 [5]張建明主編．機電一體華系統(tǒng)控制．北京：高等教育出版社，2001[6]鄧星鐘主編．機電傳動控制．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001[7]王愛玲主編．現(xiàn)代數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與設(shè)計．北京：兵器工業(yè)出版社，1999[8]卜云峰主編．機械工業(yè)及自動化簡明設(shè)計手冊上下冊．北京：機械工業(yè)出版社，1999[9]世紀星數(shù)控裝置連接說明書．武漢：武漢華中數(shù)控股份有限公司，2001[10]李洪主編．實用機床設(shè)計手冊.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999[11]尹志強主編．系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書．合肥：機械工業(yè)出版社，2007[12]陶曉杰主編．伺服電機用于車床進給系統(tǒng).制造業(yè)自動化，第 22 期，2000[13]機床設(shè)計手冊編寫組，機床設(shè)計手冊（第三冊），機械工業(yè)出版社，1986[14]李立強等主編．數(shù)控車床自動轉(zhuǎn)位刀臺設(shè)計，制造技術(shù)與車床，2000[15]黃玉美主編．車床總體方案的創(chuàng)新設(shè)計，設(shè)備管理與維修，2000[16]孫桓等主編．機械原理，高等教育出版社，1995[17]陶乾主編．金屬切削原理，高等教育出版社，1957 [18]劉淑華．淺談數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計.52668 網(wǎng)路博覽會.產(chǎn)業(yè)頻道，2003[19]楊波．淺談機床數(shù)控改造.e-works,e-works 論壇，2001[20]大連理工大學(xué)工程畫教研室主編.機械制圖.北京:高等教育出版社，1993