CA6140車床橫向進給改造的設計論文

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1、 數(shù)控CA6140車床橫向進給改造的設計 作者:司琰 （北京人文大學理工學院機電一體化系0901班） 指導教師：李木 職稱：教授 目 錄 緒 論......................................................3 第1章 數(shù)控機床改造的目的........................4 1.1數(shù)控機床的概述....................

2、...................4 1.2數(shù)控機床的發(fā)展.......................................4 1.3二十一世紀初切削加工技術(shù)發(fā)展的主要趨勢...............5 1.4數(shù)控機床改造的意義....................................6 1.5數(shù)控機床的優(yōu)越特性和發(fā)展前景..............6 第2章 數(shù)控機床改造的方法及原理.........................7 2.1系統(tǒng)運動方案的確定......................7

3、 2.2伺服系統(tǒng)的選擇....................................8 2.3執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定...............................8 2.4計算機的選擇....................................8 第3章 機床伺服系統(tǒng)機械部分設計計算....................9 3.1脈沖當量....................................10 3.2滾珠絲杠螺母副的計算和選型..........................

4、.11 3.3 齒輪傳動比計算....................................14 3.4 步進電機的計算和選型..............................15 第4章 單片機微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計內(nèi)容...........20 4.1電氣控制系統(tǒng)的設計方案.............................20 4.2 主控制器...........................................20 4.3 譯碼器...................

5、..........................22 4.4 存儲器............................................22 4.5 I/O接口控制芯片以及外設連接說明...................22 總結(jié).......................................................23 參考文獻.................................................24 緒 論 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在

6、中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達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)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機

7、床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。 數(shù)控機床是機械、電子、自動化及電機拖動于一體化的裝備。它是有計算機作為控制核心，來控制異步電機，從而控制機床的換刀、走刀、停頓的。隨著數(shù)控機床的發(fā)展，使機械制造進入一個嶄新的階段，是機械制造業(yè)中的一次技術(shù)革命。數(shù)控機床作為期間的產(chǎn)品價格也十分昂貴，對大對數(shù)企業(yè)來說，更換設備所需資金太大，老的設備得不到利用。結(jié)合我國的實際國情，所以把普通機床改造成為經(jīng)濟型數(shù)控機床就有十分重大的意義。也是我國發(fā)展數(shù)控產(chǎn)品的主要渠道之一。 第1章、

8、數(shù)控機床改造的目的 1．1數(shù)控機床的概述 數(shù)字控制是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法，簡稱數(shù)控。 數(shù)控機床是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號碼，或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。其實程序控制系統(tǒng)就是所說的數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字植，并將其譯碼，從而使機床動作和加工零件。數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置，可編程序控制器，主軸驅(qū)動及進給驅(qū)動裝置等部分。所以數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產(chǎn)品，也是集多種新技術(shù)于一體的機電一體化裝備。數(shù)控機床作為機電一體化產(chǎn)品的典型代表，在先進制造技術(shù)領(lǐng)

9、域里起著至關(guān)重要的作用。 1．2數(shù)控機床的發(fā)展 數(shù)控機床是一種高效的自動化機床，它較好地滿足了機械行業(yè)零部件加工的高性能，高精度與高動化的要求。在機械產(chǎn)品中，是機械制造業(yè)中的一次技術(shù)革命。 1952年美國PARSONS公司與麻省理工學院合作試制了世界上第一臺三坐標數(shù)控立式銑床。54年美國Bendix-Cooperation公司生產(chǎn)了第一臺工業(yè)用數(shù)控機床。先是由電子管控制，隨后經(jīng)歷了晶體管控制，集成電路控制（NC）,計算機控制（CNC）,直到現(xiàn)在的微處理器控制（MNC）。 我國從1958年開始研制數(shù)控機床，70年代初得到廣泛發(fā)展，數(shù)控技術(shù)在車床，銑床，鉆床，鏜床，磨床，齒輪加工機床。電加

10、工機床等得到應用，并指出加工中心。 目前我國能夠生產(chǎn)多種類型的數(shù)控機床，生產(chǎn)幾千臺，并有向國外出口。但我國生產(chǎn)的數(shù)控機床在精度，速度，數(shù)控系統(tǒng)的功能及傳感元件等方面比先進國家都有一定差距，近幾年我國機床業(yè)受到世界市場的沖擊，迫使我國的機床質(zhì)量有很大的提高，面向21世紀，我國數(shù)控機床的生產(chǎn)一定能達到國際先進水平。 數(shù)控機床也向（1）具有先進的自檢能力。（2）向高速，高精度發(fā)展（3）更高的生產(chǎn)率和利用率。（4）單元模塊化。（5）有更強的通訊功能，圖像編程和顯示功能的方向發(fā)展。 機床作為工作母機和維修工具，早已成為各個工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的必要裝備。數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展，更是制造高質(zhì)量、高效率、高

11、一致性產(chǎn)品的有力保障。隨著人類社會的飛速發(fā)展與進步，各種新材料、新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)、新配件不斷涌現(xiàn)，各個領(lǐng)域不斷提出新的要求，這一切都使得機床的結(jié)構(gòu)、性能千變?nèi)f化。計算機技術(shù)的高速發(fā)展又使得機床數(shù)控系統(tǒng)正在以更短的周期更新。面對如此的形勢，機床制造者在不斷努力跟蹤時代的步伐，機床的使用者、維修者也要努力跟上。為使讀者及時了解數(shù)控機床的技術(shù)與知識，加深數(shù)控機床使用與維修理念上的認識。 1．3 21世紀初切削加工技術(shù)發(fā)展的主要趨勢 21世紀，我們正處于制造技術(shù)快速發(fā)展的時期。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，也進入了以發(fā)展高速切削、開發(fā)新的切削工藝和加工方法、提供成套技術(shù)為特征的發(fā)展新階段。其主要趨

12、勢有四個方面： (1)高速切削將成為切削加工的新工藝 當前，以高速切削為代表的干切削、硬切削等新型切削工藝已經(jīng)顯示出很多的優(yōu)點和強大的生命力，這是制造技術(shù)為提高加工效率和質(zhì)量、降低成本、縮短開發(fā)周期對切削加工提出的要求。因此，發(fā)展高速切削等新型切削工藝，促進制造技術(shù)的發(fā)展是現(xiàn)代切削技術(shù)發(fā)展最顯著的特點。當代高速切削不只是切削速度的提高，而是需要制造技術(shù)全面進步和進一步創(chuàng)新達到切削速度和進給速度的成倍提高，并帶動傳統(tǒng)切削工藝的變革和創(chuàng)新，使制造業(yè)整體切削加工效率有顯著的提高。 (2)實現(xiàn)難加工材料加工技術(shù)的重大突破 長期以來，難加工材料如奧氏體不銹鋼、高猛鋼、淬硬鋼、復合

13、材料、耐磨鑄鐵等一直是切削加工中的難題，不僅切削效率低，而且刀具壽命短。隨著制造業(yè)的發(fā)展，21世紀這些材料的用量將迅速增加，加工矛盾將更加突出。與此同時，產(chǎn)品的材料構(gòu)成將不斷優(yōu)化，新的工程材料也不斷問世，而每一種新型材料的采用都對切削加工提出了新的要求。 (3)滿足制造業(yè)對切削加工新技術(shù)和新產(chǎn)品需求 進入21世紀以后，產(chǎn)品多樣化和個性化的趨勢將進一步加劇，制造業(yè)的產(chǎn)品更新速度也勢必大大加快。每一種新產(chǎn)品的開發(fā)都意味著零件功能、結(jié)構(gòu)、材料的重大變更，也是對切削加工提出新的開發(fā)任務。制造業(yè)對切削加工新技術(shù)、新產(chǎn)品的需求在21世紀初將達到空前的高度。 (4)環(huán)境保護對切削加工行業(yè)提出挑

14、戰(zhàn) 隨著社會的發(fā)展，人們在環(huán)境保護、生態(tài)平衡等方面獲得了高度共識，并成為全球的共同行動綱領(lǐng)。以降耗、節(jié)能、節(jié)材、減廢、有利于環(huán)境保護和人身健康、實行清潔安全生產(chǎn)的“綠色工程”已在工業(yè)發(fā)達國家興起。實行“綠色工程”，開發(fā)“綠色制造技術(shù)”是新世紀切削加工發(fā)展的重要課題。 1．4數(shù)控機床改造的意義 數(shù)控機床改造在國外已發(fā)展成一個新心的工業(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。其發(fā)展的原因是多方面的。 首先是技術(shù)的原因。在過去的20年里，金屬切削的基本原理變化不大，但社會生產(chǎn)力的巨大發(fā)展，要求制造技術(shù)向自動化及精密化前進。而刀具材料和電子技術(shù)卻有很大進步，特

15、別是微電子技術(shù)，電子計算機進步，反映到控制系統(tǒng)中來，它既能幫助機床自動化又能提高加工準確度。這些技術(shù)進步和高生產(chǎn)率的要求，精密加工和型面加工的增多等，突出了舊機床技術(shù)改造的必要性及迫切性。 其次是經(jīng)濟上的原因。舊機床設備更新，支付很多費用。若采用“改造”技術(shù)（主要是數(shù)控技術(shù)）加以現(xiàn)代化，則可以節(jié)約50%還多的資金。這種事半功倍的技術(shù)，不僅為資金不充沛的小型企業(yè)技術(shù)改造開創(chuàng)了新路，而且對實力雄厚的大型企業(yè)也有極大的經(jīng)濟吸引力。 第三是市場的原因。目前許多國家設備更新所需的數(shù)控機床數(shù)量，按機床工業(yè)現(xiàn)狀是無力及時提供的。因此，機床“改造”就成為滿足機床市場需求的主要補足手段。 第四是生產(chǎn)上的原

16、因。在工業(yè)生產(chǎn)中，多品種，中批量及小批量生產(chǎn)是現(xiàn)代機械制造業(yè)的基本特征，占有相當大的比重。完成這些生產(chǎn)任務，不外乎選擇通用機床專用機床或數(shù)控機床，根據(jù)幾者的相比較，得知數(shù)控機床最能適應這一需要。 1．5 數(shù)控機床的優(yōu)越特性和發(fā)展前景 數(shù)控機床之所以在國民經(jīng)濟發(fā)展和國防尖端工業(yè)建設中 占有重要的地位和作用，而且受到各國的重視，主要是數(shù)控機床 具有如下的優(yōu)越性和發(fā)展前景： (1)能加工具有復雜形狀曲線或曲面的零件 數(shù)控機床可以加工傳統(tǒng)機床所不能加工的具有復雜形狀曲線或曲面的零件。如變螺距螺紋、錐面上的螺旋線、非圓齒輪、拋物面、雙曲面等。特別是那些由一定的數(shù)字理論方程式

17、所描述的并要求有足夠精度的曲線和曲面，如螺旋槳、葉片、高速飛行 不可的。 (2)提高加工精度并保證加工重復精度的一致性 數(shù)控機床是按預先編制好的加工程序進行工作的，I旺過程中無需人的參與或調(diào)整，因此不受操作工人的技術(shù)水平和情緒的影響，故加工精度穩(wěn)定。另外，數(shù)控機床可以通過采用在線自動補償(實時補償)技術(shù)來消除或減少熱變形、力變形、重量變形和刀具磨損的影響，使加工精度的一致性得到保證。這在傳統(tǒng)機床上則是無法做到的。 (3)稱為柔性自動化加工裝備 數(shù)控機床被稱為柔性自動化加工裝備。是因為用數(shù)控}幾床加工零件時不需要制作專用的模具或模板，加工對象(零件)的改變，也不用改變機

18、床結(jié)構(gòu)裝置和進行復雜的調(diào)整，一般只要變換加工程序軟件即可，而程序軟件可以由編程人員在機外預先編好。因此，大大減少了加工前的生產(chǎn)準備和調(diào)整時間；另外，部分現(xiàn)代的數(shù)控機床，具有更為優(yōu)異的柔性加工功能，如柔性加工單元具有自動上、下料，更換刀具和變速乃至檢測等功能。因比可以進行混流加工(即在一臺機床上連續(xù)交替加工不同的零件)，又如數(shù)控銑鏜加工中心、車削加工中心等能夠在工件一次裝夾后．完成全部或大部分多種工序(如鉆、銑、鏜、擴孔和攻絲等)的加 工，從而使加工周期縮短，生產(chǎn)效率提高，機床利用率也大大提高，最終導致加工成本的降低。數(shù)控機床的柔性具備了傳統(tǒng)輔鏜床的萬能性和剛性自動化機床的高效率性，兩種特性兼

19、備優(yōu)點。數(shù)控機床除單臺機床的柔性外，還可以組成柔性制造單元(FMC)、柔性制造生產(chǎn)線(FMS)，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展成計算機集成制造系統(tǒng)(CMS)。 (4)可以實現(xiàn)全自動化和較長時間的“無人看管加工” 數(shù)控機床是由電腦控制的設備，在配有適當?shù)牡稁?、工件毛坯庫、上下料裝置和多種傳感器的條件下，不僅具有全自動∞加工功能，而且具有對加工過程進行自動監(jiān)控、檢測、報警及修正誤差等功能。因此，可以實現(xiàn)白班有人看管和做好各種準備工作后，二、三、班則可以在“無人看管”的條件下(國外稱為“熄燈生產(chǎn)”)進行24小時乃至72小時的連續(xù)加工。這不僅改善了镕動條件，解決了晚上和節(jié)假日(含周六、周日)連續(xù)工作的問

20、題，也大大提高了勞動生產(chǎn)率，設備利用率，縮短生產(chǎn)周期和增加企業(yè)的經(jīng)濟效益。 (5)適應信息化的發(fā)展 數(shù)控機床通過因特網(wǎng)(Intemet)、外聯(lián)目(Extranet)現(xiàn)在已可實現(xiàn)遠程故障診斷、維修，已初步具備遠程控制和調(diào)度，進行異地分散網(wǎng)絡化生產(chǎn)的可能。從而為今后進一步實現(xiàn)制造過程網(wǎng)絡化、智能化提供必備的基礎(chǔ)條件。 第二章、數(shù)控機床改造的方法及原理 2．1系統(tǒng)運動方案的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)，點位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，

21、可選用點位控制方式。例如數(shù)控鉆床，在工作臺移動過程中鉆頭并不進行鉆孔加工，因此數(shù)控系統(tǒng)可采用點為控制方式。對點位控制系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。 如果要求工作臺或刀具沿各坐標軸的運動有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運動的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機床可以加工各種外形輪廓復雜的零件，所以連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)。例如數(shù)控銑床，數(shù)控車床等均屬于此種運動方式。在點位控制系統(tǒng)中不具有連續(xù)控制系統(tǒng)中才具有的軌跡計算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻具有點位系統(tǒng)的功能。 還有一些采用點位控制的數(shù)控機床，例如數(shù)控鏜床等，不但要求工作臺運動的終點坐標，還要求工作臺沿

22、坐標軸運動過程中切削工作。這種系統(tǒng)叫點位/直線系統(tǒng)。其控制方法與點位系統(tǒng)十分相似，故有時也將這兩種系統(tǒng)統(tǒng)稱為點位控制系統(tǒng) 2．2伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)中，設有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，容易掌握，調(diào)試和維修都比較簡單。目前國內(nèi)大力發(fā)展的經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件來檢測實際 位移量，能補償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直

23、流伺服電機驅(qū)動或交流伺服電機驅(qū)動，閉環(huán)系統(tǒng)造價高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復雜，多用于精度要求高的場合。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位移量，而是用檢測元件測出驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺實際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。 2．3執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定 為確?？刂葡到y(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)，在設計機械傳動裝置時，通常提出低摩擦，低慣量，高剛度，無間隙，高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在設計中應考慮以下幾點： （1）盡量采用低摩擦的轉(zhuǎn)動和導向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副， 滾動導軌，塑導軌等。 （2）盡量消除傳動間隙。例如采用消除齒輪等。

24、（3）提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛減小傳動鏈誤差。 可采用預緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預加負載的滾動導軌和滾珠絲杠副等。 2．4計算機的選擇 微機數(shù)控系統(tǒng)由CPU，存儲器擴展電路I/O接口電路，伺服電機驅(qū)動，檢測電路等幾部分組成。 微機市數(shù)控系統(tǒng)的核心，其他裝置均是在指揮下進行的。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用微機直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對微機的要求是多方面的，但主要指標是字長和速度。字長不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運算的精度。字長較長的計算機，價格顯著上升，而字長較短的計算機，要進行雙字長或三字長的運算，就會影響速度。目前一些高檔的CNC系統(tǒng)，已普遍使用

25、32位微機，主機頻率由5MHz提高到20-30MHz，有的采用多CPU系統(tǒng)，減輕主CPU的負擔，進一步提高控制速度。標準型的CNC系統(tǒng)多使用16位微機 ，經(jīng)濟型CNC系統(tǒng)則普遍采用8位機?？刹捎肕CS-51系列單片微機。 第三章、機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算 伺服系統(tǒng)機械部分設計計算內(nèi)容包括： 確定系統(tǒng)的負載，確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣量計算，空載起動及切削力矩計算。確定伺服電機，傳動及導向元件的設計，計算及選用，繪制機械部分裝配圖及零件工作圖等。 將普通車床CA6140改造成MCS-51系列單片機控制的經(jīng)濟型數(shù)控車床，采用步進電機開環(huán)控制，縱向和橫向

26、均具有直線和圓狐插補功能，也具有升降功能。其主要設計參數(shù)如下： 加工最大直徑：在床面上 Ф 400mm 在床鞍上 Ф 210mm 最大加工長度：1000mm 溜板及刀架重量： 橫向W=80kgf=800N 最大移動速度（快進）：1.2m/min 最大進給速度（工進）：0.22m/min 主電機功率： 7.5kw 起動加速時間： 30ms 橫向定位精度： ±0.015mm 1脈沖當量 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量，橫向：0.005mm/step 3．2橫向進給滾珠絲杠螺母副的計算和選型

27、 3.2.1絲杠計算 1計算進給牽引力Fm（N）， 橫向?qū)к墳檠辔残螌к? Z 1,J1 Fm= kFy′+f′（Fz+G′+2F′X） = 1.15×670+0.04×（2680+800+2×1072） = 995.46 N 式中K----考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取K=1.4 f，---滑動導軌摩檫系數(shù)0.03~0.05 G----溜板及刀架重力：G=800N 2計算最大負載C： C = L= n= 式中L0---滾珠絲杠導程。初始L0=5mm Vs----最大切削力下的進給速度，可

28、提高進給速度（1/2----1/3）此處VS =0.22m/min T----使用壽命，按15000h； fw—運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取fw=3-1.5； L---壽命，以106轉(zhuǎn)為1單位。 L= = n== C = ==4158N 3滾珠絲杠螺母 可采用W1L2005外循環(huán)螺母紋調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈。其額定動負載為8800N，精度等級按表4—15選為3級. 4傳動效率計算 式子中r—螺旋升角，W1L2005=4033’ φ---摩擦角取10’ 滾動摩擦系數(shù)0.003

29、~0.004 ==0.965 5剛度驗算： 絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1： △L=±Fm×L0／E×F=1.4×10-4 = （2）珠滾與羅紋滾道間接觸變形δ2 。 查圖4-7，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量δQ ；因此進行預緊， δ2=1/2δq=3μm （3）支撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3， δ3=2μm 綜合以上變形量之和：計算如下 δ2=δ1′+δ2+δ3′=0.00815mm（定位精度） 從上面計算可以看出，設計過程要反復修改參數(shù)，反復計算，才能達到滿足的要求。

30、 6穩(wěn)定性較核： 滾珠絲杠兩端采用了專用的滾珠絲杠軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需要穩(wěn)定性較核。 3.2.2橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 表3—1 W1L2005滾珠絲杠幾何參數(shù) 名稱 符號 計算 W1L2005 螺 紋 滾 道 公稱直徑 do 標準 20 導程 Lo 標準 5 接觸角 β 標準 4033ˊ 鋼球直徑 dq 標準 3.915 滾道法面直徑 R R=0.52 dq 1.651 偏心矩 e e=( R- dq/2)sinβ 0.045 螺紋升角 γ γ=arc tg(Lo/∏do) 4033ˊ

31、 螺 桿 螺紋外徑 d d= do-(0.2～0.25) dq 19.4 螺桿內(nèi)徑 d1 d1 = do +2e-2R 16.788 螺桿接觸直徑 dz dz = do - dq cosβ 16.835 螺紋 螺母螺紋直徑 D D= do -2e+2R 23.212 螺母內(nèi)徑 D1 D1= do +(0.2～0.25) dq 20.635 3．3 齒輪傳動比計算 3.3.1、橫向進給齒輪傳動比計算： 以確定縱向進給脈沖當量δp=0.005，滾珠絲杠導程L0=5mm； 初選步進電機步距角為0.750?？捎嬎愠鰝鲃颖萯；

32、 i=(360 ×δp)/(θb×L0) =(360×0.01) ÷(0.75×5) =0.48 考慮結(jié)構(gòu)問題，不當使大齒輪直徑過大，以免影響橫向溜板有效行程，故用兩級齒輪將速： 可選齒輪齒數(shù)為 i= Z1 =24 Z2=40 Z3 =20 Z4=25 因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2。有關(guān)參數(shù)請參照表3—2 表3—2 傳動齒輪幾何參數(shù) 齒 數(shù) 24 40 20 25 分度圓 d=mz 48 80 40 50 齒頂圓 da

33、=d+2m 52 84 44 54 齒根圓 df=d-2×1.25m 43 75 35 45 齒 寬 ( 6～8)m 20 20 20 20 中心矩 A=( d1+d2)/2 64 45 3．4 橫向進給步進電機的計算和選型 3.4.1等效傳動慣量計算： 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的傳動慣量Jε(㎏·cm2)可由下式計算： Jε=JM+J1+( Z1/Z2)2{（J2+Js）+[(G/g) ×(L0/2∏)2]} 式中JM---步進電機轉(zhuǎn)子傳動慣量(㎏·cm2)； J1 ，J2---齒輪Z1

34、，Z2的轉(zhuǎn)動慣量(㎏·cm2)； Js---滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量(㎏·cm2)； 參考同類型機床，初選反應式步進電機150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)慣量JM =10㎏·cm2； J1=0.78×10-3×d14×L1 =0.78×10-3×6.44×2 =2062㎏·cm2 J2=0.78×10-3×d24×L2 =0.78×10-3×84×2 =6.39㎏·cm2

35、 Js=0.78×10-3×44×150 =29.952㎏·cm2 G=800N 代如上式： Jε=JM+J1+( Z1/Z2)2{（J2+Js）+[(G/g) ×(L0/2∏)2]} =10+2.62+（32/40）2{（6.39+29.952）+[（1000/9.8）×（0.5/2∏）2]} =36.478㎏·cm2 考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題 JM/ Jε=10/36.478 =0.274 基本滿足

36、匹配的要求。 2．電機力矩計算 機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算： （1）快速空載起動力矩M起 在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下： M起=Mamax+Mf+M0 Mamax= Jε×ε = Jε×{nmax÷[(60/2∏) ×ta]×10-2} = Jε×[(2∏nmax×10-2)/(60×ta)] nmax =(vmax/δp)×(θb/3600) 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。 nmax =(vmax/δp)×(θb/

37、3600) =（2400/0.01）×（0.75/360） =500r/min 起動加速時間ta=30ms； Mamax= Jε×[(2∏nmax×10-2)/(60×ta)] =636.3N·cm 折算到電機軸上的摩擦力矩Mf： Mf=(F0×L0)/( 2∏ηi) =[f′(Fz+G) ×L0]/[ 2∏η( Z1/Z2)] =[0.16(5360+1000)

38、×0.6]/( 2∏×0.8 ×1.25) =97 N·cm 附加摩擦力矩M0 M0 =(Fp0×L0)/ (2∏ηi) ={(1/3×Fm×L0)/ [ 2∏η( Z1/Z2)]}(1-η02) =[(1/3×2560×0.6) ÷(2∏×0.8×1.25)] ×(1-0.92) =15.5N·cm 上述三項合計： M起=Mamax+Mf+M0 =634+97+15.5 =747 N·cm

39、（2）快速移動時所需力矩M快 M快 = Mf+M0=97+15.5=112.5 N·cm (3)最大切削負載時所需力矩M切 M切= Mf+M0+Mt = Mf+M0+(Fx×L0)/( 2∏ηi) =97+15.5+(1340×0.6)/ (2∏×0.8×1.25) =240.5 N·cm 從上面計算可以看出： M起 ， M快和M切三種工況下，以快速空載起動力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。 查出，當步進電機為 λ=Mq/Mjmax =0.951 最大靜力矩Mjma

40、x =747/0.951 =785 N·cm 按此最大靜轉(zhuǎn)矩查出，150BF002型最大轉(zhuǎn)矩為13.72N·m，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。 3．計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作效率 fk=(1000× vmax)/(60×δp) =(1000×2.4) ÷(60×0.001) =4000Hz fe=(1000× vs)/(

41、60×δp) =(1000×0.6) ÷(60×0.01) =1000 Hz 150BF002型步進電機允許的最高空載起動頻率為2800 Hz，運行頻率為8000 Hz，再從圖4-18中查出150BF002步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線如圖4-22所示。 從圖（4-22a）看出， 當步進電機起動時， f起=2500 Hz時， M=100 N·cm ，運行不能滿足此機床所要求得空載起動力矩（747 N·cm）直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實現(xiàn)），將起動頻率降到1000 Hz

42、時，起動力矩可增高到588.4 N·cm，然后在電路上在采用低壓驅(qū)動帶內(nèi)陸，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。 啟動矩頻特性 圖3--1 運行矩頻特性 圖3—2 當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻特性圖3—2完全可以滿足要求。 第四章、單片機微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計內(nèi)容 4.1電氣控制系統(tǒng)的設計方案 機床硬件電路由以下五部分組成： （1）主控制器：即中央處理單元CPU。 （2）總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線。

43、（3）存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。 （4）接口：即I/O輸入/輸出接口電路。 （5）外圍設備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。見下圖 圖4—1 4.2 主控制器8031 40根引腳按其功能可以分為四類： 1．電源線：2根 Vcc Vss Vcc：編程和正常操作時的電源電壓，接+5伏。 Vss：地電平 2. 晶振： 2根 XTAL1 XTAL2 振蕩器的反相放大器輸入。使用外部振蕩器時必須接地。 振蕩器的反相放大器輸出和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。當使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號。 3. I/O口共有P0、P1、P2、P3四個8位口，32根

44、I/O線。其功能如下： （1） P0.0～P0.7(AD0～AD7)是I/O端口0的引腳。 （2）P1.0～P1.7是端口1的引腳，是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。 （3）P2.0～P2.7(A8～A15)是端口2的引腳。 （4）P3.0～P3.7是端口3的引腳 4．控制線 （1）PSEN：程序存儲器的使用引腳，是外部程序存儲器的讀選通信號，低電平有效。從外部程序存儲器取數(shù)時，在每個機器周期內(nèi)二次有效。 （2）EA/VPP: EA為高電平時，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器。 （3）ALE/PAOG: ALE是地址所存儲能信號。 （4）RST/VPP:是復

45、位/備用電源端。 由于單片機8031芯片的P0口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片是74L373。74L373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器。 8031單片機允許擴展64K程序存儲器和64K數(shù)據(jù)存儲器（包括I/O口芯片），這樣就需要擴展多個外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲器各芯片之間，數(shù)據(jù)存儲器各芯片之間（包括I/O口芯片）地址互相不重疊，以使單片機訪問外部存儲器時，避免發(fā)生沖突。當8031數(shù)據(jù)總線分時地與各個外圍新品進行數(shù)據(jù)傳送時，首先要進行偏選（指選中某一個芯片）。而當片內(nèi)有多字節(jié)單元時，還要

46、進行片內(nèi)地址選擇。 8031單片機共有四個6位并行I/O口，但可供用產(chǎn)使用的只有P1口和部分P3口,因此。在大部分應用系統(tǒng)中都需要擴展I/O口芯片。 本設計采用8155：可編程的RAM/IO擴展接口電路（有256個RAM單元、2個8位口、1個6位口、1個14位的定時/計數(shù)器）。 8031單片機允許擴展64K程序存儲器和64K數(shù)據(jù)存儲器（包括I/O口芯片），這樣就需要擴展多個外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲器各芯片之間，數(shù)據(jù)存儲器各芯片之間（包括I/O口芯片）地址互相不重疊，以使單片機訪問外部存儲器時，避免發(fā)生沖突。當8031數(shù)據(jù)總線分時地與各個外

47、圍新品進行數(shù)據(jù)傳送時，首先要進行偏選（指選中某一個芯片）。而當片內(nèi)有多字節(jié)單元時，還要進行片內(nèi)地址選擇。 4.3 譯碼器 采用74LS138譯碼器的輸出作為片選信號。2764（1）、2764（2）、6264、8155（1）和8155（2）的片選信號分別接到譯碼器的Y0~Y4,74LS138的輸入A、B、C分別接8031的P2.5、P2.6、P2.7。 4.4 存儲器 由于2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線，A0~A7低8位接74LS373芯片的輸出。A8~A12接8031芯片的P2.0~P2.A，74LS373地址鎖存器在選通信號ALE在高電平時直接傳送8031

48、P0口低8位地址，當ALE在高電平變低電平的下降沿時，低8位地址鎖存器，此時，P0口可用來向片外傳送讀寫數(shù)據(jù)。 4.5 I/O接口控制芯片以及外設連接說明 8155（2）PA.0~PA.7輸出的指令脈沖通過光電隔離電路和功率放大電路直接驅(qū)動縱向和橫向步進電機的共八相繞組。在本系統(tǒng)中采用軟件環(huán)形分配器方式，雖然運行速度慢一些，但可以省去兩個硬件環(huán)形分配器，電路比較簡單，由于步進電機的每一相繞組需和一個I/O接口相連，以便與控制寄存器中某一指定相位對應，因此，占用的I/O口數(shù)量較多。 8155（2）的PC.0~PC.5作為顯示器位選信號，顯示器的段選信號則由8031的P1.0~P1.

49、7發(fā)出，8155的PB.0~PB.3是鍵盤掃描輸入。 行程限位報警信號+Z,-Z,+X,-X分別通過8155（2）的PB.4,PB.5,PB.6,PB.7提出中斷請求，根據(jù)不同的中斷口可以直接識別行程的方向，此時相應的紅燈報警。 8155小的PC.0~PC..3接自動回轉(zhuǎn)刀架（四方刀架），自動回轉(zhuǎn)刀架需要換刀時，由PC.0~PC..3發(fā)出換位信號，經(jīng)交流控制箱控制刀架電機回轉(zhuǎn)，到達指定的刀位。刀架夾緊后，即發(fā)出回答信號，表示已完成換刀過程，可以進行切削加工。換刀回答信號經(jīng)8155（1）的PB.5輸入計算機，控制刀架開始進給。 8155（1）PA.0~PA.5接控制面板上的控制開關(guān)，設有編

50、輯空運行、自動、手工（I）、手工（II）、回零等選著方式。 8155（1）PB.0~PB.4接控制面板上的按鈕開關(guān)，設有啟動、暫停、單段運行、連續(xù)運行、急停等操作功能。 總結(jié) 通過這次畢業(yè)設計，完成了對普通機床橫向的數(shù)控化改造，對所學知識進行了一次鞏固和系統(tǒng)的綜合考察，感到收益非淺，收獲很大。 通過這次畢業(yè)設計又一次鍛煉了我獨立思考，深入研究及和別人融洽配合等的能力。同時讓我學會了查閱資料的方法，使我也認識搞好各自的工作不僅需要個人的獨立工作，更需要其他人的密切配合，才能把工作做的更好。我對普通機床改造進行了認真的設計，是我深刻的認識到計算機數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)越性，以及數(shù)控機

51、床在整個制造業(yè)中所起的重要作用。 也希望我國能研究發(fā)展新型數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控功能部件、數(shù)控機床整機等的具體技術(shù)途徑。我們衷心希望，我國科技界、產(chǎn)業(yè)界和教育界通力合作，把握好知識經(jīng)濟給我們帶來的難得機遇，迎接競爭全球化帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，為在21世紀使我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)走向世界的前列，使我國經(jīng)濟繼續(xù)保持強勁的發(fā)展勢頭而共同努力奮斗！ 同時在設計中，我也發(fā)現(xiàn)自己的不足。這次設計缺乏實踐基礎(chǔ)，再加上我們的能力有限，在設計中難免有考慮不周之處，還有代于實際調(diào)試中不斷完善。這將是我今后努力和學習的方向。指導老師在設計中給予關(guān)鍵性的指導與幫助。再此我表示感謝！ 不過，由于我個人對知識的疏淺和經(jīng)驗不足，難免還

52、會有很多不足之處，請老師批評與指正。 參考文獻 [1]《綜合作業(yè)指導書》 郝忠軍 雷小玲 機械工業(yè)出版社 [2]《機電一體化系統(tǒng)設計自學指導》 董景新 機械工業(yè)出版社 [3]《機械設計手冊》 汪興橋 何伯吹 機械工業(yè)出版社 [4]《機械設計手冊》 機械設計手冊編委會改 [5]《機械設計基礎(chǔ)課程設計》 李海平 機械工業(yè)出版社 [6]《單片機原理及接口技術(shù)》 胡漢才 清華大學出版社 [7]《單片微型計算機應用技術(shù)》 徐長貴 機械工業(yè)出版社 [8]《微型計算機接口技術(shù)實用教程》 史德才 清華大學出版社