機(jī)械畢業(yè)設(shè)計（論文）-C616數(shù)控車床改造設(shè)計及典型零件數(shù)控編程設(shè)計【全套圖紙】

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1、1 目錄 1 緒論1 1.1 數(shù)控設(shè)備與技術(shù)現(xiàn)狀11 1.1.1 數(shù)控設(shè)備1 1.1.2 數(shù)控技術(shù)2 1.1.3 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考3 1.2 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況24 1.2.1 數(shù)控機(jī)床的一般原理4 1.2.2 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分類7 1.2.3 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)1.9 1.2.4 國外數(shù)控機(jī)床狀況分析1.10 1.2.5 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展預(yù)測1.11 1.3 本文的選題及主要研究內(nèi)容11 1.3.1 本文的選題11 1.3.2 主要研究內(nèi)容12 2 機(jī)械部分改造12 2.1 設(shè)計方案的確定12 2.2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的計算與設(shè)計.13 2.2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的計算與設(shè)計2

2、1 3 電氣部分改造25 3.1 步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則4.25 3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇4.26 3.2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定26 3.2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定26 3.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計27 3.3.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 4.27 3.3.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計11.28 3.5 功率放大電路4.30 參考文獻(xiàn)：32 附 錄33 5 軟件編程33 致 謝37 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706153893706 2 1 緒論 1.1 數(shù)控設(shè)備與技術(shù)現(xiàn)狀1 1.1.1 數(shù)控設(shè)備 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用， 在中

3、小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床 以 FMS 模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效 率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001 年，我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世界第 5 名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上 升到第 3 位，達(dá) 47.39 億美元，僅次于美國的 53.67 億美元，消費(fèi)額比上一年 增長 25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場的需求，使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈 逐年上升態(tài)勢，2001 年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第 2 位，達(dá) 24.06 億美元，比上年 增長 27.3%。 近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種 加工機(jī)床、數(shù)控剪

4、板機(jī)、數(shù)控成形折彎機(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、 鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等，出口的數(shù)控機(jī)床品 種以中低檔為主。 1.1.2 數(shù)控技術(shù) 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程 度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn) 業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的 裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟(jì)時代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣 3 生產(chǎn)，有什么勞動資料生產(chǎn)” 。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本 的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世 界各國制造業(yè)廣泛

5、采用的數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變 市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控 裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)， 而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策?？傊?大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā) 展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備 是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電 一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：（1）機(jī)械制 造技術(shù)；（2）信

6、息處理、加工、傳輸技術(shù)；（3）自動控制技術(shù)；（4）伺服 驅(qū)動技術(shù)；（5）傳感器技術(shù)；（6）軟件技術(shù)等。 1.1.3 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 一 、戰(zhàn)略考慮 我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移， 即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè) 將進(jìn)一步“空芯” 。我們以資源。環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是 世界新經(jīng)濟(jì)格局中的國際“加工中心”和“組裝中心” ，而非掌握核心技術(shù)的 制造中心的地位，這樣將會嚴(yán)重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。 我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會 安全看，因為制造業(yè)是我國

7、就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民 的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定；其次從國防安 全看，西方發(fā)達(dá)國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，多我國實現(xiàn)禁 運(yùn)和限制， “東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。 二 、發(fā)展戰(zhàn)略 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場需求為 導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方 4 法，選擇能夠主導(dǎo) 21 世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨 躍式發(fā)展。 強(qiáng)調(diào)市場需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以

8、整機(jī)（如量大面廣的數(shù) 控技術(shù)、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、典型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè) 備等）帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件（數(shù)字化伺服 系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。 沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力 的產(chǎn)品；當(dāng)然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。 在高精尖裝備研發(fā)方面，要強(qiáng)調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以 “做得出、用得上、買得掉”為目標(biāo)，按國家意志實施攻關(guān)，以解決國家之急 需。 在競爭前數(shù)控技術(shù)方面，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技 術(shù)和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備

9、制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基 礎(chǔ)。 1.2 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況2 1949 年，美國帕森公司與美國空軍合作，研制了一種計算裝置，用于滿足 日益復(fù)雜的飛機(jī)葉片的自動加工，于是，帕森公司首先提出了機(jī)床數(shù)字控制的 概念。在半個世紀(jì)里，數(shù)控技術(shù)經(jīng)歷了電子管數(shù)控系統(tǒng)、晶體管數(shù)控系統(tǒng)、集 成電路數(shù)控系統(tǒng)到微型計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（CNC）四個階段。 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)是 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的機(jī)床控制新技術(shù)，它綜合了微 電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)和機(jī) 械制造技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的核心。而采用數(shù)控技術(shù)的典型產(chǎn)品數(shù)控機(jī) 床是機(jī)電工業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，是汽車、石化、電子

10、等支柱產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的重要 手段。 從 20 世紀(jì) 80 年代開始，我國的數(shù)控機(jī)床在引進(jìn)、消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上， 進(jìn)行了大量的開發(fā)工作，到 1995 年底，我國數(shù)控機(jī)床的可供品種已超過 300 種，其中數(shù)控車床占 40%以上。 5 1.2.1 數(shù)控機(jī)床的一般原理 一 、數(shù)字控制的基本概念 數(shù)字控制（Numerical ControlNC） ，簡稱為數(shù)控，是一種自動控制技 術(shù)，是用數(shù)字化信號對控制對象加以控制的一種方法。數(shù)字控制是相對于模擬 控制而言的，數(shù)字控制系統(tǒng)中的控制信息是數(shù)字量，而模擬控制系統(tǒng)中的控制 量是模擬量。數(shù)字控制與模擬控制相比有許多優(yōu)點(diǎn)，如可用不同的字長表示不 同精度的信息，可對數(shù)

11、字化信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算等復(fù)雜的信息處理工 作，特別是可用軟件來改變信息處理的方式或過程，而不用改動電路或機(jī)械機(jī) 構(gòu)，從而使機(jī)械設(shè)備具有很大的“柔性” 。因此數(shù)字控制已被廣泛用于機(jī)械運(yùn) 動的軌跡控制和機(jī)械系統(tǒng)的開關(guān)量控制，如機(jī)床的控制、機(jī)器人的控制等。 數(shù)字控制的對象是多種多樣的，但數(shù)控機(jī)床是最早應(yīng)用數(shù)控技術(shù)的控制對 象，也是最典型的數(shù)控化設(shè)備。數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是 裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。國際信息處理聯(lián)盟（International Federation of Information ProcessingIFIP）第五技術(shù)委員會對數(shù)控機(jī)床作了如下定義： 數(shù)控機(jī)床是一種

12、裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。該系統(tǒng)能邏輯地處理具有使用號碼 或其它符號編碼指令規(guī)定的程序。 定義中所提的程序控制系統(tǒng)，就是數(shù)控系統(tǒng)（Numerical Control System） 。數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動輸入載體上事先給定數(shù)字量，并 將其譯碼，在進(jìn)行必要的信息處理和運(yùn)算后，控制機(jī)床動作和加工零件。最初 的數(shù)控系統(tǒng)是由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的專用硬件數(shù)控系統(tǒng)。隨著微型計算機(jī)的發(fā) 展，硬件數(shù)控系統(tǒng)已逐漸被淘汰，取而代之的是計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（Computer Numerical Control）簡稱 CNC。CNC 系統(tǒng)是由計算機(jī)承擔(dān)數(shù)控中的命令發(fā)生器 和控制器的數(shù)控系統(tǒng)。由于計算機(jī)可完全由軟件來確

13、定數(shù)字信息的處理過程， 從而具有真正的“柔性” ，并可以處理硬件邏輯電路難以處理的復(fù)雜信息，使 數(shù)字控制系統(tǒng)的性能大大提高。 二、 數(shù)控機(jī)床的組成 數(shù)控機(jī)床是典型的數(shù)控化設(shè)備，它一般由信息載體、計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、伺 服系統(tǒng)和機(jī)床四部分組成，如圖 1-1 所示 6 計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)伺服系統(tǒng)機(jī)床信息載體 圖 1-1 數(shù)控機(jī)床的組成 1. 信息載體 信息載體又稱控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機(jī)床加工一個零件所必需的各種信 息，如零件加工位置數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)等，以控制機(jī)床的運(yùn)動，實現(xiàn)零件的機(jī)械 加工。常用的信息載體有穿孔帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等，并通過相應(yīng)的輸入 裝置將信息輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。數(shù)控機(jī)床也可采用操作面板

14、上的按鈕和鍵盤將 加工信息直接輸入，或通過竄行口將計算機(jī)上編寫的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)。 高級的數(shù)控系統(tǒng)可能還包括一套自動編程機(jī)或者 CAD/CAM 系統(tǒng)。由這些設(shè)備實 現(xiàn)編制程序、輸入程序、輸入數(shù)據(jù)以及顯示、模擬顯示、存儲和打印等功能。 2. 計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，它的功能是接受載體送來的加工信息， 經(jīng)計算和處理后去控制機(jī)床的動作。它由硬件和軟件組成。硬件除計算機(jī)外， 其外圍設(shè)備主要包括光電閱讀機(jī)、CRT、鍵盤、棉板、機(jī)床接口等。光電閱讀 機(jī)是輸入系統(tǒng)程序和零件加工程序；CRT 供顯示和監(jiān)控用；鍵盤用于輸入操作 命令及編輯、修改程序段，也可輸入零件加工程序；操作面板

15、可供操作人員改 變操作方式、輸入整定數(shù)據(jù)、啟停加工等；機(jī)床接口是計算機(jī)和機(jī)床之間聯(lián)系 的橋梁，機(jī)床接口包括伺服驅(qū)動接口及機(jī)床輸入/輸出接口。伺服驅(qū)動接口主 要是進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)化，以及對反饋元件的輸出進(jìn)行數(shù)字化處理并記錄，以供計 算機(jī)采樣；機(jī)床輸入/輸出接口是用于處理輔助功能。軟件由管理軟件和控制 軟件組成。管理軟件主要包括輸入輸出、顯示、診斷等程序；控制軟件包括譯 碼、刀具補(bǔ)償、速度控制、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制等部分組成。數(shù)控裝置控制機(jī) 床的動作可概括為： （1）機(jī)床主運(yùn)動，包括主軸的啟動、停止、轉(zhuǎn)向和速度選擇等 ； （2）機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動，如點(diǎn)位、直線、圓弧、循環(huán)進(jìn)給的選擇，坐標(biāo)方向 進(jìn)給速度的選擇

16、等； （3）刀具的選擇和刀具的補(bǔ)償（長度、半徑） ； （4）其它輔助運(yùn)動，如各種輔助操作，工作臺的鎖緊和松開，工作臺的旋 7 轉(zhuǎn)與分度和冷卻泵的開、停等。 3. 伺服系統(tǒng) 它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)和機(jī)床移動部件，它接受數(shù)控裝 置發(fā)來的各種動作命令，驅(qū)動受控設(shè)備運(yùn)動。伺服電動機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)、電 液馬達(dá)、直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)。 4. 機(jī)床 它是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分，是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展來的， 但也做了很多改進(jìn)和提高，它的主要特點(diǎn)是： （1）由于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用了高性能的主軸和伺服傳動系統(tǒng)，因此數(shù) 控機(jī)床的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)得到了簡化，傳動鏈較短； （2）為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)

17、床連續(xù)地自動化加工，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)具有較高的動 態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形較??； （3）更多的采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌等； （4）不少數(shù)控技術(shù)還采用了刀庫和自動換刀裝置以提高機(jī)床各種效率。 三、 計算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理 1.輸入 輸入給數(shù)控系統(tǒng)的有零件加工程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)等。 2.譯碼 輸入的程序段含有零件的輪廓信息（起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線還是圓弧 等） 、要求的加工速度以及其它的輔助信息（換刀、換檔、冷卻液開關(guān)等） 。計 算機(jī)依靠譯碼程序來識別這些符號，將加工程序翻譯成計算機(jī)內(nèi)部能識別的語 言。 3.數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理程序一般包括刀具半徑補(bǔ)償、速度計算是解決該加

18、工數(shù)據(jù)段以什么樣的速度運(yùn)動的問題。加工速度的確定也是一個工藝問題。數(shù) 控系統(tǒng)僅僅是保證這個編程速度的可靠實現(xiàn)。另外，輔助功能如換刀、換檔等 亦在這個程序中實現(xiàn)。 4.插補(bǔ) 即根據(jù)給定的曲線類型（如直線、圓弧或高次曲線） 、起點(diǎn)、終點(diǎn) 以及速度，在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化。計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)功能 主要由軟件來實現(xiàn)，目前主要有兩類插補(bǔ)方法：一是脈沖增量插補(bǔ)，它的特點(diǎn) 是每次插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)束產(chǎn)生一個進(jìn)給脈沖；二是數(shù)字增量插補(bǔ)，它的特點(diǎn)是插補(bǔ) 運(yùn)算在每個插補(bǔ)周期進(jìn)行一次，根據(jù)指令進(jìn)行速度計算出一個微小的直線數(shù)據(jù) 8 段。 5.伺服控制 將計算機(jī)送出的位置進(jìn)給脈沖或進(jìn)給速度指令，經(jīng)變換和放 大后轉(zhuǎn)化

19、為伺服電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)或交、直流伺服電機(jī)）的轉(zhuǎn)動，從而帶動機(jī)床 工作臺移動。 6.管理程序 當(dāng)一個數(shù)據(jù)段開始插補(bǔ)時，功能程序即著手準(zhǔn)備下一個數(shù)據(jù) 段的讀入、譯碼、數(shù)據(jù)處理。即由它調(diào)用各個功能子程序，且保證一個數(shù)據(jù)段 加工過程中將下一個程序段準(zhǔn)備就緒。一旦本數(shù)據(jù)段加工完成，即開始下一個 數(shù)據(jù)段的插補(bǔ)加工。整個零件加工就是在這種周而復(fù)始的工程中完成。 1.2.2 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分類 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的種類很多，為了便于了解和研究，可以從不同的角度對其 分類?？梢园此欧到y(tǒng)的控制方式，機(jī)床的運(yùn)動軌跡，數(shù)控系統(tǒng)功能水平分類。 一般地，按伺服系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行分類。 伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)和機(jī)床移動部件，它是數(shù)

20、控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，按其 控制原理可分為以下三類。 1.開環(huán)控制系統(tǒng)（Open Loop Control System） 典型的開環(huán)伺服系統(tǒng)如圖 1-2 所示，是采用步進(jìn)電機(jī)的伺服系統(tǒng)。對于數(shù) 控裝置發(fā)來的每一個進(jìn)給脈沖經(jīng)驅(qū)動線路放大并驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一個步距 （即一個固定的角度，如 1.5） ，再經(jīng)減速齒輪帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，并通過絲杠螺 母副傳東工作臺的移動?？梢钥闯龉ぷ髋_的移動量與進(jìn)給脈沖的數(shù)量成正比。 顯然這種開環(huán)系統(tǒng)的精度完全依賴于步進(jìn)電機(jī)的步距精度及齒輪、絲杠的傳動 精度。它沒有測量反饋矯正措施，所以對高精度的數(shù)控機(jī)床往往不能滿足要求， 但開環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試容易、造價低，在數(shù)控機(jī)床的

21、發(fā)展過程中占有一 定的重要地位，現(xiàn)在仍普遍采用。 數(shù)控裝置放大步進(jìn)電機(jī)減速齒輪絲杠螺母工作臺 圖 1-2 開環(huán)伺服系統(tǒng)方框圖 9 2. 半閉環(huán)控制系統(tǒng)（Semi-closed Loop Control System） 如圖 1-3 所示，采用裝在絲杠上的角位測量絲杠或電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動量間接地 測量工作臺的移動量。它的優(yōu)點(diǎn)就是不論工作臺位移的長短，角位移測量元件 制成可循環(huán)使用。 360 數(shù)控 裝置 伺服 電機(jī) 放 大 減速 齒輪 工 作 臺 比較 裝置 測量 裝置 測量 裝置 絲杠 螺母 圖 1-3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)方框圖 半閉環(huán)的意思就是用絲杠（或電機(jī)軸）的轉(zhuǎn)動量與數(shù)控裝置的命令相比較 （閉環(huán)）

22、，而另一部分絲杠螺母工作臺的位移量不受閉環(huán)控制（開環(huán)） ，故稱為 半閉環(huán)。顯然，從理論上講，半閉環(huán)的精度低于閉環(huán)，但半閉環(huán)調(diào)試方便，穩(wěn) 定性好，角位移的測量元件簡單、價廉，所以配備傳動精度較高的齒輪、絲杠 的半閉環(huán)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。 3.閉環(huán)控制系統(tǒng)（Closed Control System） 如圖 1-4 所示，采用直線位移測量元件，測量機(jī)床移動部件工作臺（主軸 箱）的位置并將測量結(jié)果送回與數(shù)控裝置命令的移動量相比較，二者不相等而 有差值時，將此差值放大外控制伺服電機(jī)帶工作太繼續(xù)移動；直至測量值與命 令值相等差值為零或接近于零時停止移動。從理論上講，閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度 取決于測量工作臺的精

23、度，但實際上機(jī)床的結(jié)構(gòu)、傳動裝置以及傳動間隙等非 線形因素都會影響精度，嚴(yán)重的還會使閉環(huán)伺服系統(tǒng)的品質(zhì)下降甚至引起振蕩。 10 數(shù)控 裝置 比較 裝置 放大 絲杠 螺母 減速 齒輪 伺服 電機(jī) 測量裝置 工作臺 圖 1-4 閉環(huán)伺服系統(tǒng)方框圖 1.2.3 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)1 1.新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位 例如：全長 33 公里的上海磁懸浮快速列車線，是“十五”期間國家重點(diǎn) 建設(shè)項目，其中組成列車線的 2550 根軌道梁是整個工程的最關(guān)鍵部分，對加 工軌道梁的精度提出了相當(dāng)高的要求。前年年初，沈陽機(jī)床集團(tuán)機(jī)床股份有限 公司中捷友誼廠以工期 6 個月、標(biāo)的 6200

24、萬元在磁懸浮軌道專用數(shù)控機(jī)床項 目公開招標(biāo)中折掛，并于 8 月低將一次性驗收合格的 8 臺數(shù)控鏜銑床組成的軌 道梁生產(chǎn)線一次試車成功，目前這套銑鏜加工中心已加工出軌道梁 1100 根， 確保了軌道梁的加工精度和速度，為實現(xiàn)今年年底試車打下了良好了基礎(chǔ)。 2. 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高 2001 年國內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá) 1.8 萬臺，比上年增長 28.5%。金切機(jī) 床產(chǎn)值數(shù)控化率從 2000 年的 17.4%提高到 2001 年的 22.7%。 3. 數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破 今年來通過政府的支持，數(shù)控機(jī)床配套生產(chǎn)得到了快速發(fā)展，如北京航天 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)集團(tuán)公司建立

25、了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺； 煙臺第二機(jī)床附件廠開發(fā)了為數(shù)控龍門鏜銑床、數(shù)控落地鏜銑床及數(shù)控鍛壓設(shè) 備等 30 多個系列 100 多個品種的數(shù)控配套產(chǎn)品。 1.2.4 國外數(shù)控機(jī)床狀況分析1 1.國際機(jī)床市場的消費(fèi)主流是數(shù)控機(jī)床 1998 年世界機(jī)床進(jìn)口額中大部分是數(shù)控機(jī)床，美國進(jìn)口機(jī)床的數(shù)控化率達(dá) 70%，我國為 60%。目前世界數(shù)控機(jī)床消費(fèi)額趨勢已從初期以數(shù)控電加工機(jī)床、 11 數(shù)控車床、數(shù)控銑床為主轉(zhuǎn)向以加工中心、專用數(shù)控機(jī)床、成套設(shè)備為主。 2.國外數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化 隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益普遍運(yùn)用，數(shù)控機(jī)床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化 已為必然的趨勢和方向，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入制造

26、工廠的車間只是時間的問題。從另一 角度來看，目前流行的 ERP 即工廠信息化對于制造業(yè)來說，僅僅局限于通常的 管理部門（人、財、物、產(chǎn)、供、銷）或設(shè)計、開發(fā)等等上層部分的信息化是 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工廠、車間的最底層加工設(shè)備數(shù)控機(jī)床不能夠連成網(wǎng)絡(luò)或信 息化就必然成為制造業(yè)工廠信息化的制約瓶頸，所謂的 ERP 就比較“虛”沒有 能夠真正地解決制造工廠的最關(guān)鍵的問題。所以，對于面臨日益全球化競爭的 現(xiàn)代制造工廠來說，第一是要大大提高機(jī)床的數(shù)控化率，即數(shù)控機(jī)床必須達(dá)到 起碼的數(shù)量或比例；第二就是所擁有的數(shù)控機(jī)床必須具有雙向、高速的聯(lián)網(wǎng)通 訊功能，以保證信息流在工廠、車間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通

27、 無阻。 以 FANUC 和 SIEMENS 為代表的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商已在幾年前推出了具有網(wǎng) 絡(luò)功能的數(shù)控系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的 RS232 接口外，還備有以太網(wǎng)， 為數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)提供了基本條件。由于國外企業(yè)的發(fā)展水平，數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò) 接口功能被定義為用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷。 1.2.5 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展預(yù)測1 1. 數(shù)控機(jī)床推廣應(yīng)用逐步由經(jīng)濟(jì)型為主普及型為主轉(zhuǎn)變 據(jù)預(yù)測分析，到 2006 年我國機(jī)床的數(shù)控化率為 9.5%10.36%，到 2010 年 將達(dá)到 16.5%19.27%。經(jīng)濟(jì)型所占比重繼續(xù)減少，普及型所占比重繼續(xù)增長， 高級型的需求緩慢增長。 2. 數(shù)控金切機(jī)床的構(gòu)成比逐漸

28、趨于合理 數(shù)控機(jī)床工序集中的加工特點(diǎn)，將使具有復(fù)合功能的高效數(shù)控機(jī)床的需求 增長，這將導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床擁有量和市場消費(fèi)量中各類數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成比不同于 傳統(tǒng)的機(jī)床構(gòu)成比。 3. 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用由單機(jī)向單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展 目前歐、美、日等國應(yīng)用 DNC 已很普遍，柔性制造單元已占數(shù)控機(jī)床銷售 12 量的 30%以上。而我國 FMC、FMS 和 FML 的擁有量不足 50 套，相當(dāng)于日本 80 年 代的水平，占數(shù)控機(jī)床消費(fèi)額不到 5%。 4. 出口前景良好 1998 年及前幾年我國機(jī)床工具的出口額徘徊在 5 億美元左右，2000 年上 升到 7.85 億美元，隨著東南亞經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和我國出口多極化市場的形

29、成和鞏固， 以及我國加入 WTO，今后幾年我國機(jī)床出口將實現(xiàn)平穩(wěn)、持續(xù)增長。預(yù)計到 2006 年出口創(chuàng)匯可達(dá)到 12 億美元。 1.3 本文的選題及主要研究內(nèi)容 1.3.1 本文的選題 對 C616 型車床進(jìn)行數(shù)控化改造 1.3.2 主要研究內(nèi)容 1.機(jī)械部分改造 2.電氣部分改造 3.軟件設(shè)計（編程） 2 機(jī)械部分改造 2.1 設(shè)計方案的確定 利用數(shù)控裝置對縱橫進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動元件，傳動 系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架，對 C616 普通車床進(jìn)行技術(shù)改 造就可以組成一個經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，實現(xiàn)微機(jī)控制下的自動加工。改造后的車 床把車床的主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動分離開來。主

30、電機(jī)的作用僅僅是帶動工件旋轉(zhuǎn)， 而刀架的進(jìn)給運(yùn)動則是由步進(jìn)電機(jī)直接帶動車床的縱橫絲杠來實現(xiàn)。其改造后 結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖 2-1 所示。 13 單 片 微 型 機(jī) 接 口 接 口 接 口 光電耦合 光電耦合 主軸脈沖發(fā)生器 功率 放大 器 縱向步進(jìn)電機(jī) 橫向步進(jìn)電機(jī) 變速箱 變速箱 滾珠絲桿 滾珠絲桿 功率放大交流控制電動機(jī)電動刀架 圖 2-1 C616 型車床的數(shù)控化改造結(jié)構(gòu)原理圖 操作時，根據(jù)零件的加工工藝，按數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)定的方式編制零件的加工 程序，通過數(shù)控裝置上的鍵盤輸入微機(jī)，微機(jī)對加工程序處理后發(fā)出一系列脈 沖信號，經(jīng)過功率放大器放大后驅(qū)動 2 臺步進(jìn)電機(jī)，按規(guī)定的方向、速度和位 移

31、量，完成刀架縱橫兩個方向的進(jìn)給，使車刀實現(xiàn)直線或圓弧的切削。在加工 螺紋時，通過主軸脈沖發(fā)生器發(fā)生進(jìn)給運(yùn)動，從而加工出各種標(biāo)準(zhǔn)螺紋。換刀 時，微機(jī)發(fā)出換刀信號，刀架控制箱繼電器動作，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)構(gòu)和 升降機(jī)構(gòu)，將上刀體上升至一定位置，帶動刀體旋轉(zhuǎn)到所選刀位，然后定位， 完成換刀動作。20 2.2 機(jī)械部分改造4 2.2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的計算與設(shè)計 1. 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速 驅(qū)動絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架左右移動。步進(jìn)電機(jī)的布置，可放 在絲杠的任意一端。對車床改造來說，外觀不必像產(chǎn)品設(shè)計要求的那么高，而 從改造方便，實用方面來考慮。一般

32、都把步進(jìn)電機(jī)放在縱向絲杠的右端，如圖 2-2 所示。 14 加工工件圖紙程序編制手工輸入控制計算機(jī) 功率放大器 步進(jìn)電機(jī) 變速箱 變速箱 步進(jìn)電機(jī) 變速箱 圖 2-2 數(shù)控改造的總體方案示意圖 2. 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 已知條件： 工作臺重量： W=750N 時間常數(shù)： T=28ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： =8mm 0 L 行程： S =700mm 脈沖當(dāng)量: p=0.02mm/step 步距角： =0.75/step 快速進(jìn)給速度： =2.5m/min max V (1) 切削力計算 由機(jī)床設(shè)計手冊可知，切削功率 （2-KNNc 1） 式中 N電機(jī)功率，查機(jī)床說明書，N=4kW； 主傳動系

33、統(tǒng)總效率，一般為 0.60.7 取65 . 0 K進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為 K=0.96。 15 則： =40.650.96=2.496 kW c N 又因為 （2-6120/vFN zc 2） 所以 vNF cz /6120 式中 v切削線速度，取 v=100m/min。 主切削力 =61202.496/100=152.76（kg f）=1527.6（N） z F 由金屬切削原理可知，主切削力 （2- Z Z F Z F Z F YX pFz KfCF 3） 查表得： =188kgf/=1880MPa Z F C =1 =0.75 =1 Z F X Z F Y Z F K 則可計算如表 2-1

34、 所示： Z F 表 2-1 計算結(jié)果 Z F ）（mmp 222333 f（mm） 0.20.30.40.20.30.4 ）（NFZ 112515241891168722872837 當(dāng)=1520N 時，切削深度=2mm，走刀量=0.3mm，以此參數(shù)作為下面 Z F p f 計算的依據(jù)。 從機(jī)床設(shè)計手冊中可得知，在一般外圓車削時： =（0.10.6） =（0.150.7） （2- X F Z F Y F Z F 4） 16 ?。?=0.5Fz=0.51527.6=763.8N X F =0.6Fz=0.61527.6=916.5N Y F (2) 滾珠絲杠設(shè)計計算 A.滾珠絲杠副傳動的特點(diǎn)：

35、 1)傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副傳動的效率為=0.920.96， 比常規(guī)的絲杠螺母副提高 34 倍（滑動絲杠效率為 0.20.4） 。因此，功率消 耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠螺母副的 1/41/3。 2)給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空 程死區(qū)，定位精度高，剛度好。 3) 啟動力矩小，運(yùn)動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高，同步性好。 4) 有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動換為直線運(yùn)動，也可以從直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，即絲杠和螺母都可以作為主傳動。 5)磨損小，使用壽命長，精度保持好。 6) 不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于重力的作用，下降時當(dāng)傳動切 斷后，不能立刻停止運(yùn)動，

36、故常需添加制動裝置。 B.滾珠絲杠副的精度與代號 根據(jù)機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠副精度的規(guī)定，滾珠絲杠副按其使用 范圍及要求分為六個等級，即 C,D,E,F,G,H 級，C 級精度最高，其余一次逐級 降低 各種類型數(shù)控機(jī)床對滾珠絲杠副精度的要求如表 2-2 表 2-2 滾珠絲杠 副精度要求表 坐 標(biāo) 方 向機(jī) 床 種 類 XYZW 數(shù)控壓力機(jī)標(biāo)準(zhǔn)級標(biāo)準(zhǔn)級 數(shù)控繪圖機(jī)標(biāo)準(zhǔn)級標(biāo)準(zhǔn)級 開 環(huán)數(shù)控車床標(biāo)準(zhǔn)級 精密級 標(biāo)準(zhǔn)級 17 數(shù)控磨機(jī)精密級精密級 數(shù)控線切割 機(jī) 精密級精密級 數(shù)控鉆床標(biāo)準(zhǔn)級普通級標(biāo)準(zhǔn)級 數(shù)控銑床標(biāo)準(zhǔn)級標(biāo)準(zhǔn)級標(biāo)準(zhǔn)級 數(shù)控鏜床精密級精密級精密級標(biāo)準(zhǔn)級 數(shù)控坐標(biāo)鏜 床 精密級 超精密級 精

37、密級 超精密級 精密級 超精密級 精密級 系 統(tǒng) 自動換刀數(shù) 控機(jī)床 精密級 超精密級 精密級 超精密級 精密級 超精密級 標(biāo)準(zhǔn)級 坐標(biāo)鏜床、螺紋磨床精密級 超精密級 精密級 超精密級 精密級 超精密級 精密級 普通機(jī)床、通用機(jī)床普通級普通級普通級 滾珠絲杠副的精度包括各元件的精度和裝配后的綜合精度，其中包括導(dǎo) 程誤差，絲杠大徑對螺紋軸線的徑向圓跳動，絲杠和螺母表面粗糙度，由預(yù)加 載荷時螺母安裝端面對絲杠螺紋軸線的圓跳動，有預(yù)加載荷時螺母安裝端面對 絲杠螺紋軸線的徑向圓跳動以及滾珠絲杠公稱直徑尺寸變動量等。 在開環(huán)數(shù)控機(jī)床和其他精度機(jī)床中，滾珠絲杠的精度直接影響定位精度和隨動 精度。對于閉環(huán)系

38、統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，絲杠的制造誤差使得它在工作時負(fù)載分布不 均勻，從而降低承載能力和接觸剛度，并使預(yù)緊力和驅(qū)動力矩不穩(wěn)定，因此傳 動精度始終是滾珠絲杠的最重要的質(zhì)量指標(biāo)。 C.綜合導(dǎo)軌車床絲杠的軸向力： （2-）（WFfKFP ZX 5） 式中 K=1.15， =0.150.18，取為 0.16。 f 則 P=1.15763.8+0.16（1527.6+800） 18 =1250.8N 1) 強(qiáng)度計算： 壽命值 （2- 6 60/10 iii LnT 6） （2- /1000/ ioo nn fLvfDL 主 7） 取工件直徑 D=80mm，查表得 =15000h i T 則： =10001000.

39、3/3.14806=20r/min i n =602015000/=18 i L 6 10 最大動負(fù)載 Q= （2- HWi fPfL 3 8） 查表得： 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) =1.2 硬度系數(shù) =1 W f H f 則 Q=1.211250.8=3933.6N 3 18 根據(jù)最大動負(fù)載 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號。例如，滾珠絲杠參 照漢江機(jī)床廠的產(chǎn)品樣本選取 FB 系列，滾珠絲杠直徑選為 32mm，型號為 1 C FB326-5-，其額定動載荷是 10689N，所以強(qiáng)度足夠用。 1 C 2 E 2) 效率計算： 根據(jù)機(jī)械原理的公式，絲杠螺母副的傳動效率為： （2- /tgtg（） 9） 式中 摩擦

40、角=10 螺旋升角=325 19 則 =0.953）（01523/523 tgtg 3) 剛度驗算： 滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程的變化量 （2-EFPLL/ 01 10） 式中 =6mm=0.6cm； 0 L E=20.6 6 10 2 /cmN 滾珠絲杠截面積 22 /22.8031/23.14Fd（）（） 則 cmL 626 1 109 . 514 . 3 2/8031 . 2 10 6 . 20/6 . 0 8 . 1250 ）（ 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略，即：。 2 L 1 LL 所以： 導(dǎo)程變形總誤差 為 mmLL/8 . 96 . 0/109 . 5100

41、/100 6 0 查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差（1m 長）為 15m/m，故剛度足 夠。 4）穩(wěn)定性驗算： 由于機(jī)床原絲杠直徑為 32mm，支承方式不變，所以 穩(wěn)定性不存在問題，不在驗算。 (3) 齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算 1) 有關(guān)齒輪計算 傳動比 /3600.75 6/360 0.011.25 op iL 故取 =32 =40 1 Z 2 Z m=2mm b=20mm =20 mmmZd64322 11 mmmZd80402 22 20 mmhdd aa 682 * 11 mmhdd aa 842 * 22 2) 轉(zhuǎn)動慣量計算 工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量： cmNcmkgWJ

42、p .67 . 4 .467 . 0 8075 . 0 14 . 3 /01 . 0 180/180 222 1 ）（）（ 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量： 224444 .789.81.1789 . 8 1002 . 3108 . 7108 . 7cmNcmkgLDJs 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： 4422 1 7.8 106.422.617.26.17. Z Jkg cmN cm 4422 2 7.8 10826.39.63.9 . Z Jkg cmN cm 電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略。 因此，總的轉(zhuǎn)動慣量： 467 . 0 617 . 2 39 . 6 1789 . 8 25 . 1 /1/1 2 112 2 ）（）

43、（JJJJiJ ZZS = 22 .08.124.408.12cmNcmkg 3) 所需轉(zhuǎn)動力矩計算： 快速空載啟動時所需力矩 + maxa MM f M o M 最大切削負(fù)載時所需力矩 + at MM f M o M t M 快速進(jìn)給時所需力矩 + f MM o M 式中 空載啟動時折算到電機(jī)軸上的加速力矩； maxa M 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩； f M 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩； o M 21 切削時折算到電機(jī)軸上的加速度力矩； at M 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。 t M （2-TJnMa6 . 9/10 4 11） 當(dāng)時 max nn aa MM max

44、 min/ 7 . 4166/25 . 1 2000/ 0maxmax rLivn cmkgfmNMa. 5 . 21.15 . 2 025 . 0 6 . 9/10 7 . 416408.12 4 max 當(dāng)時 t nn ata MM 68014 . 3 /25 . 1 3 . 01001000/100/ 00 DLvfiLfinnt 主 24.88 /minr =12.40824.88/9.60.025=0.1286 N.m=1.286kgf.cm at M 4 10 iWLfiLFM f 2/2/ 000 當(dāng)=0.8 =0.16 時 f 0.16 80 0.6/2 3.14 0.8 1.

45、25 f M =1.223=12.23cmkgf.cmN. 當(dāng)=0.9 時預(yù)加載荷 Po=1/3則： 0 X F 25 . 1 8 . 014 . 3 6/9 . 016 . 038.766/1 2 2 000 ）（）（iLFM X =mNcmkgf.62 . 4 .462 . 0 =76.30.6/23.140.81.25=7.297kgf.cm=72.97N.cm /2 txo MF Li 所以，快速空載啟動所需力矩 maxafO MMMM =21.5+1.223+0.462=23.185kgf.cm=231.85N.cm 22 切削時所需力矩： atfot MMMMM =1.286+1.

46、223+0.462+7.297 =10.268kgf.cm=102.68N.cm 快速進(jìn)給時所需力矩 fo MMM =1.223+0.462=1.685kgf.cm=16.85N.cm 由以上分析計算可知： 所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時， max M cmNcmkgfM.85.231.185.23 max 2.2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的計算與設(shè)計 1. 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計比較簡 單，一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)安裝 在大拖板上，用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來，以保證其同軸度， 提高轉(zhuǎn)動精度，如圖 2-2 所示。 2. 橫向

47、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算與縱向類似， 所用到的公式不在詳細(xì)說明，只計算結(jié)果。 已知條件： 工作臺重量： W=30kgf=300N 時間常數(shù)： T=25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： =4mm 左旋 0 L 行程： S =190mm 脈沖當(dāng)量: p=0.005mm/step 步距角： =0.75/step 快速進(jìn)給速度： =1m/min max V (1) 切削力計算 橫向進(jìn)給量為縱向的 1/21/3，取 1/2，則切削力約 23 為縱向的 1/2。 =1/2152.76=76.38kgf=763.8N Z F 在切斷工件時： NcmkgfFF Zy 9 . 381.19.383

48、8.765 . 05 . 0 （2）滾珠絲杠設(shè)計計算 1)強(qiáng)度計算： 對于燕尾型導(dǎo)軌： （2-）（WFfKFP ZY 12） 取 K=1.4 =0.2 f 則 P=1.438.19+0.2（76.38+30） =74.74kgf=747.4N 壽命值 5 . 1310/15000156010/60 66 iii TnL 最大動負(fù)載 Q=根據(jù)最大動負(fù)NkgfPffL HWi 5 . 213555.21374.7412 . 1 5 . 13 3 3 荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號。例如，滾珠絲杠參照漢江機(jī)床廠的產(chǎn)品樣 本選取系列，滾珠絲杠公稱直徑為 20mm，型號為204-5-E2 左，BFC

49、1BFC1 其額定動負(fù)荷為 5393N，所以強(qiáng)度足夠用。 2) 效率計算： 螺旋升角=338，摩擦角=10 則傳動效率由公式（2-9）得 956 . 0 )01833(/833tgtg 3) 剛度驗算：由公式（2-10）得滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程的變 化量 =74.74100.44/3.1420.6=5.96cm 1 L 6 10 2 1.7619 6 10 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略，即：所以， 2 L 1 LL 導(dǎo)程變形總誤差為 24 =100L/Lo=1005.96/0.4=14.9m/m 6 10 查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差（1m 長）為 15m/m

50、，故剛度足夠。 4) 穩(wěn)定性驗算： 由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承 方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定 性增強(qiáng)，故不再驗算。 (3) 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算 1)有關(guān)齒輪計算 傳動比 67 . 1 3/5005 . 0 360/475 . 0 360/ 0 P Li 故取 1 18Z 2 30Z =20 2mmm20bmm 1 36dmm 2 60dmm 1 40 a dmm 2 64 a dmm 48mm 2)轉(zhuǎn)動慣量計算 工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量 222 (180/)(180 0.005/3.14 0.75)30 1/1000.043

51、9. tp JWkg cm 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 442 7.8 102500.624. s Jkg cm 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 442 1 442 2 7.8 103.620.262. 7.8 10622.022. Z Z Jkg cm Jkg cm 電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略，因此，總的慣量 222 21 1/()(3/5) (0.6242.022)0.2620.04391.258. SZZt JiJJJJkg cm 25 3) 所需轉(zhuǎn)動力矩計算 maxmax /1000 5/3/4416.7 /min o nvi Lr 44 maxmax 10/9.61.258 416.7 10/9.6 0.0250.

52、2184 .2.23. a MJnTN mkgf cm /1000/1000 100 0.15 5/3.14 60 4 333.17 /min tioo nn fLvfiDLr 主 4 1.258 33.17 10/9.6 0.0250.0174 .0.1775. at MN mkgf cm mNcmkgf iWLfiLFM f .028 . 0 .287 . 0 58 . 014 . 3 2/34 . 0302 . 02/2/ 000 22 (1)/638.19 0.4 3(1 0.9 )/6 3.14 0.8 50.116.0.011 . ovoo MF Likgf cmN m /238.

53、19 0.4 3/2 3.14 0.8 51.824.0.179 . tyo MF Likgf cmN m 所以，快速空載啟動所需轉(zhuǎn)矩 maxaf MMMM =2.23+0.287+0.116=2.633kgf.cm=26.33N.cm 切削時所需力矩： atfot MMMMM =0.1774+0.287+0.116+1.824 =2.40kgf.cm=24.04N.cm 快速進(jìn)給時所需轉(zhuǎn)矩： fo MMM =0.287+0.116=0.403kgf.cm=4.03N.cm 以上計算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動時 max 2.633.26.33 . a Mkgf cmN m 3 電氣部分改造

54、3.1 步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則4 合理選用步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電機(jī)在整個系統(tǒng)中的實際 26 工作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則介紹 如下： 1.步矩角 步矩角應(yīng)滿足： i mn/ 式中 傳動比； i 系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角。 mn 2.精度 步進(jìn)電機(jī)的精度可用步矩誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn) 子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值， 用積累誤差衡量精度比較實用。所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足 sm iQ 式中 步進(jìn)電機(jī)的積累誤差； m Q 系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動部分允許的角度誤差。 s 3.轉(zhuǎn)矩 為了使步進(jìn)電機(jī)正常

55、運(yùn)行（不失步、不越步） ，正常啟動并滿足 對轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮： 1）啟動力矩 一般啟動力矩選取為： 5 . 03 . 0/ 0 Lq MM 式中 電動機(jī)啟動力矩； q M 電動機(jī)靜負(fù)載力矩。 0 L M 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)，啟動力矩選取如表 1-2 所示。為步進(jìn) jm M 電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，是步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。 在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電動機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動機(jī)的靜載力矩與電 動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量（包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性矩之和。 4.啟動頻率 由于步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而 降低，因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足： top m ff 極限啟

56、動頻率 t f 27 要求步進(jìn)電機(jī)最高啟動頻率。 op m f 3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇4 3.2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 cmNMM Lq .625.5794 . 0/10185.234 . 0/ 0 為滿足最小步矩要求，電動機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知： 所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：866 . 0 / imq MM cmNMM aim .31.669866 . 0 /625.579866 . 0 / 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 maxmax/60 2000/60 0.013333.3 p fvHz 綜合考慮，查表選用 110BF003 型直流步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求。 3.2.2 橫向進(jìn)

57、給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 /0.42.633 10/0.465.825 . qLo MMN cm 仍選用三相六拍工作方式，查表知： /0.866 qim MM 所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為： /0.86665.825/0.86676.01 . ima MMN cm 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 maxmax/60 1000/60 0.0053333.3 p fvHz 為了便于設(shè)計和采購，仍選用 110BF003 型直流步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要 求。 3.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 3.3.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 4 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)， 28 其性能的好壞，直接影

58、響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn) 行。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成。 1.中央處理單元 CPU。 2.總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB） 、地址總線（AB）和控制總線（CB） 。 3.存貯器。包括只讀可編程存貯器和隨機(jī)讀寫存貯器。 4.I/O 輸入/輸出接口電路。 其中 CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路 協(xié)調(diào)工作。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù)。 I/O 接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁?？偩€則是 CPU 與存貯器、接口以 及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是 CPU 與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之 路。數(shù)控系

59、統(tǒng)硬件框圖如圖 3-1 所示。 存儲器 RAM ROM CPUI/O 接口 信號 變換 控制 對象 外設(shè) 圖 3-1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 由于 Z80CPU 以及 MCS-51 系列單片機(jī)在我國機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍， 其配套芯片價廉，普及性、通用性強(qiáng)，制造和維修方便，完全能夠滿足經(jīng)濟(jì)型 數(shù)控車床改造的需要。C616 數(shù)控改造以 Z80CPU 組成的單板機(jī)作為數(shù)控控制系 統(tǒng)。也可直接購買國內(nèi)較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品做作為數(shù)控裝置，如南京大方 29 數(shù)控設(shè)備公司生產(chǎn)的 JWK 系列數(shù)控產(chǎn)品。 3.3.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計11 考慮到通用性及普遍性，選擇 MCS-51 系列中的 8031 芯片

60、。如圖所示為用 8031 單片機(jī)控制的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計的框圖。該系統(tǒng)主要由中央處理器 8031 單片 機(jī)、一片只讀存貯器 2764（8K8） ，一片靜態(tài)存貯器 6264（8K8） 、一片可 編程接口芯片 8155、一片可編程鍵盤/顯示器接口芯片 8279、一片地址鎖存器 74LS373 和兩片譯碼器 74LS138 等組成。 1. 單片機(jī)的選擇 8031 屬 8 位單片機(jī)，它是集 CPU、I/O 端口及部分 RAM 等為一體的控制器， 具有價格低、功能全、體積小、編程靈活性大、開發(fā)手段齊全、硬件資源豐富 等特點(diǎn)。在國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中多數(shù)使用 8031 單片機(jī)。 8031 芯便內(nèi)部具有 128

61、個字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯器 RAM，內(nèi)部地址為 00H7FH，CPU 對片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯器有很豐富的操作指令，通過直接尋址或間接 尋址方式進(jìn)行訪問。這 128 個字節(jié)單元可作為數(shù)據(jù)緩沖器、堆棧和工作寄存器。 但應(yīng)用片內(nèi)的 RAM 往往不夠，故外接 6264 芯便來擴(kuò)展 8031 的 RAM 存貯器。 8031 是一個無 ROM/EPROM 的單片機(jī)，必須擴(kuò)展程序存貯器，存放控制程序，所 以外接了一片 2764 芯片。8031 本身提供給用戶使用的輸入、輸出口線不夠， 只有口和部分口線用來與外部設(shè)備連接，但若處設(shè)較多時，不能滿足需要， 1 P 3 P 所以在該應(yīng)用系統(tǒng)中還要在 8031 外接一片 8155

62、芯片以擴(kuò)展 I/O 口。 8031 為 40 引腳的雙列直插式器件，有 4 個雙向 8 位 I/O 口。）（ 0 . 30 . 0 PP 口和作為地址總線使用。16 位地址總線由口經(jīng)地址鎖存器 74LS373 0.0 P 0 . 2 P 0 . 0 P 提供低 8 位（） 。高 8 位（）由口直接提供。8 位數(shù)據(jù)總線 70 AA 158 AA 2 P 由口提供。這樣數(shù)據(jù)總線與地址總線共用，SLE 為地址鎖存允許，當(dāng)送低 8 0 . 0 P 位地址時，使 ALE 有效并鎖存到 74LS373，當(dāng)送數(shù)據(jù)時使 ALE 無效。 30 圖 3-2 8031 控制的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計原理圖 2. 存儲器芯片的選

63、擇 在選擇存儲器時，要考慮到 CPU 與存儲器的時序匹配，若不匹配，進(jìn)行 讀寫操作的數(shù)據(jù)就不可靠。為解決時間匹配問題，應(yīng)盡量選用高速存儲器芯片。 另外，還要考慮最大的讀取速度、工作溫度及存儲容量。 2764 芯片是一種高速、容量為 8KB8 的 EPROM 存儲器電路，讀取時間為 250ns，而 8031 選用晶振頻率為 6MHz，則讀取時間為 480ns，都滿足要求。 2764 為 28 腳器件，其中，為 13 位地址線，為 8 位數(shù)據(jù)線。 120 AA 70 DD CE 為片選信號，低電平有效。 6264 芯片是 8KB8 的 RAM 存儲器，集成度很高，讀芯片讀取時間為 200ns，也為 28 腳器件，其中為13 位地址線，為 8 位數(shù)據(jù)線。 120 AA 70 DD 31 由于 2764 和 6264 芯片都是 8KB8，需要 13 根地址線。低 8 位接 70 AA 任何硬件邏輯，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的一種芯片，其中 A 口作為控制 縱橫向步進(jìn)電機(jī)接口，B 口控制主軸正反轉(zhuǎn)、進(jìn)給速度調(diào)整，C 口控制回轉(zhuǎn)刀 架等。 8279 芯片是一種可編程的鍵盤、顯示接口器