C6132型普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)含5張CAD圖
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C6132型普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)
摘 要
普通機(jī)床雖然有價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),但其傳動(dòng)鏈復(fù)雜從而導(dǎo)致傳動(dòng)精度低,使產(chǎn)品的加工精度降低,產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性也不是很高，且不能加工能較復(fù)雜的零件,加工零件的品種也比較少。由于普通機(jī)床幾乎所有工作都靠工人手動(dòng)操作,對(duì)工人的熟練程度要求高,因而工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)生產(chǎn)效率低。普通機(jī)床在當(dāng)今日益競(jìng)爭(zhēng)的社會(huì)中處于劣勢(shì)。將普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，使其具有數(shù)控機(jī)床的性能，即滿足了加工的需求，又節(jié)約了資金。
本次設(shè)計(jì)是對(duì)C6132型普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，設(shè)計(jì)包括機(jī)械部分改造和電路控制部分改造，具體內(nèi)容是橫向進(jìn)給與縱向進(jìn)給的改造:滾珠螺母副的計(jì)算選型，步進(jìn)電機(jī)的選型及校核。單片微機(jī)數(shù)控控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：數(shù)控化改造；控制系統(tǒng)；微機(jī)控制
I
Numerical?control?transformation?design?of?C6132?general?lathe
Abstract
Although ordinary machine tool has the advantages of cheap, simple operation, its transmission chain complex resulting in low accuracy, reduce the machining precision products, the quality of the product stability is not very high, and can't processing more complex parts, fewer varieties of machining parts.Due to the common machine tool almost all work by manual workers, high proficiency requirements for workers, and workers labor intensity, production preparation time production efficiency is low.Ordinary machine tools in today's increasingly competitive society at a disadvantage.Ordinary machine tool numerical control transformation, make its have the performance of nc machine tools, which meet the needs of processing, and saved money.
This design is a type of C6132 ordinary lathe numerical control innovation, design including the reconstruction of mechanical parts and circuit control part, specific content is horizontally into giving longitudinal feed transformation: the calculation of ball nut vice selection, stepper motor selection and checking.Single chip microcomputer numerical control system design.
Key words: numerical control transformation; control system; microcomputer control
目 錄
摘 要 I
Abstract II
前 言 1
1 緒論 2
1.1 數(shù)控機(jī)床起源 2
1.2 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn) 2
1.3 數(shù)控化改造國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.4 機(jī)床數(shù)控化改造的意義 3
1.5 設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù) 3
2 總體方案的確定 3
2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 3
2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 3
2.3 機(jī)械傳動(dòng)方式 4
3 縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與校核 4
3.1 計(jì)算切削力 4
3.2.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力 5
3.2.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 5
3.2.3 滾珠絲桿螺母副的選型 6
3.2.4 傳功效率計(jì)算 7
3.2.5 剛度驗(yàn)算 7
3.2.6 穩(wěn)定性校核 8
3.2.7 縱向滾珠絲桿副幾何參數(shù) 8
3.3 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 9
3.4 步進(jìn)進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 10
3.4.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 10
3.4.2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 11
3.4.3 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 14
3.5 縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
3.5.1 縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)總圖設(shè)計(jì) 15
3.5.2 縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)的裝配圖 16
4 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與校核 17
4.2 滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型 17
4.2.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力 17
4.2.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 18
4.2.3 滾珠絲桿螺母副的選型 18
4.2.4 傳動(dòng)效率計(jì)算 18
4.2.5 剛度驗(yàn)算 19
4.2.6 穩(wěn)定性校核 20
4.2.7 橫向滾珠絲桿副的幾何參數(shù) 21
4.3 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 21
4.4 橫向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型 22
4.4.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 22
4.4.2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算 24
4.4.3 校核步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性 26
4.5 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27
4.5.1 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)總圖設(shè)計(jì) 27
4.5.2 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)的裝配圖 28
5 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 29
5.1 硬件電路的設(shè)計(jì) 29
5.1.1 控制對(duì)象及要求 29
5.1.2 總體方案的確定 29
5.1.3 選擇中央處理器CPU的類型 29
5.1.4 存儲(chǔ)擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 30
5.1.5 I/O接口電路的設(shè)計(jì) 30
5.2 8031單片機(jī)的簡(jiǎn)介及其擴(kuò)展 30
5.2.1 8031單片機(jī)的基本特性 30
5.2.2 8031芯片引腳及其功能 31
5.2.3 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 32
5.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 32
5.2.5 I/O口的擴(kuò)展 33
5.3 電路連接 35
5.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 36
5.4.1 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 36
5.4.2 光電隔離電路 37
5.4.3 功率放大器 37
5.4.4其他輔助電路的設(shè)計(jì) 38
6 微機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 40
6.1 插補(bǔ)原理及其程序設(shè)計(jì) 40
6.1.1 插補(bǔ)方法概述 40
6.1.2 逐點(diǎn)插補(bǔ)原理 41
6.1.3 插補(bǔ)控制軟件 48
結(jié) 論 56
參考文獻(xiàn) 57
致 謝 70
V
前 言
隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高。因此對(duì)機(jī)床要求具有較高的精度，生產(chǎn)的需要促使了數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生。數(shù)控機(jī)床是指機(jī)床的操作命令以數(shù)值數(shù)字的形式描述工作過(guò)程按規(guī)定的程序自動(dòng)進(jìn)行的機(jī)床。數(shù)控機(jī)床與通用機(jī)床相比，增加了功能，提高了性能，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批及形狀多變零件的普通機(jī)床不能加工的問(wèn)題，能夠獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)。 盡管數(shù)能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率。但是目前我國(guó)在役機(jī)床總量約380萬(wàn)臺(tái),其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11萬(wàn)多臺(tái),數(shù)控機(jī)床占有率不足3%,而一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家早已達(dá)到20%以上[1]。我國(guó)是制造大國(guó),但不是制造強(qiáng)國(guó)。機(jī)械制造業(yè)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比相對(duì)落后,設(shè)備陳舊,技術(shù)水平差距大,國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力弱,影響了生產(chǎn)力的發(fā)展。逐步提高數(shù)控機(jī)床的占有率,已經(jīng)成為我國(guó)制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。提高機(jī)床數(shù)控率有兩個(gè)途徑:一是增加新的數(shù)控機(jī)床,價(jià)格昂貴,一次性投資大,目前各企業(yè)均有大量的普通機(jī)床,完全用數(shù)控機(jī)床替代是根本不可能的;二是對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。我國(guó)是一個(gè)機(jī)床擁有量極大的國(guó)家,但大部分機(jī)床服役齡較長(zhǎng),采取對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行改造來(lái)提高設(shè)備的先進(jìn)性和數(shù)控化率,是一個(gè)極其有效和實(shí)用的途徑[2]。
1 緒論
1.1 數(shù)控機(jī)床起源
1946年，世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生，它的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用把人類從繁重的腦力勞動(dòng)中解放出來(lái)。6年后，即在1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)床上，在美國(guó)誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。我國(guó)于1958年研究出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。
1.2 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)
數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比，具有以下一些特點(diǎn)：1、具有高度柔性2、加工精度高3、加工質(zhì)量穩(wěn)定、可靠4、生產(chǎn)率高5、改善勞動(dòng)條件6、利用生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。
1.3 數(shù)控化改造國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家把機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè),美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在大量生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的同時(shí),還非常重視普通機(jī)床的數(shù)控化改造,機(jī)床改造正逐步從制造業(yè)中分化出來(lái),并形成了把機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)。在美國(guó)機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生(Remanufacturing)業(yè)[3]。從事再生業(yè)的著名公司有:工程公司、ayton機(jī)床公司、Devlieg—Bullavd(得寶)服務(wù)集團(tuán)、US設(shè)備公司等。美國(guó)得寶公司已在中國(guó)開(kāi)辦公司。在日本,機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝(Retrofilng)業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有:大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公第一章緒論司、濱田工程公司、山本工程公司等。
在我國(guó)大力發(fā)展機(jī)床數(shù)控化改造業(yè),提高機(jī)床的數(shù)控化率,不僅可行,而且前景廣闊。如:國(guó)防科技工業(yè)開(kāi)展普通機(jī)床數(shù)控化改造“十五”期間計(jì)劃改造1.2-1.6萬(wàn)臺(tái)。改造后生產(chǎn)效率提高約3倍,加工精度提高20%,與新購(gòu)設(shè)備相比可節(jié)約資金50%以上[4]。中國(guó)三江航天集團(tuán)對(duì)具有改造價(jià)值的109臺(tái)普通機(jī)床進(jìn)行了數(shù)控化改造,取得了良好的效果[5]。中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)西南自動(dòng)化研究所積極開(kāi)發(fā)普通機(jī)床數(shù)控化改造技術(shù),累計(jì)完成普通機(jī)床數(shù)控化改造2000余臺(tái)。自年90代開(kāi)始,關(guān)于數(shù)控化改造的研究一直沒(méi)有中斷過(guò),還有很多學(xué)者針對(duì)數(shù)控化改造的問(wèn)題和改造過(guò)程進(jìn)行了研究。
1.4 機(jī)床數(shù)控化改造的意義
數(shù)控化改造后機(jī)床具有數(shù)控機(jī)床的優(yōu)越性：
1) 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來(lái)的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力,可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量,因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
2) 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化、柔性化,從而效率比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～5倍。
3) 加工零件的精度高,尺寸分散度小,裝配容易,不再需要“修配”。
4) 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中,減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。
5) 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能,一次裝卡長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看管加工。
1.5 設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù)
普通車床（）的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：總體方案的確定、機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)計(jì)算（縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)）、部分系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)。
本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì)臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造，將一臺(tái)C6132普通車床改造成微機(jī)數(shù)控車床。對(duì)原車床的縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化改造設(shè)計(jì)，采用MCS-51系列單片機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，開(kāi)環(huán)（或半閉環(huán)）控制，具有直線、圓弧插補(bǔ)功能及升降速控制功能，系統(tǒng)分辯率縱向0.01mm/脈沖，橫向0.005mm/脈沖。
2 總體方案的確定
2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順圓和逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)[6]。
2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
由于MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，決定采用MCS—51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。
2.3 機(jī)械傳動(dòng)方式
為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲桿。為了保證一定的傳動(dòng)精度跟平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。
總體方案框圖繪制見(jiàn)圖1
圖1總體方案框圖
3 縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與校核
根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量0.01mm/脈沖
3.1 計(jì)算切削力
查[6]主切削力FZ（N）按經(jīng)驗(yàn)公式估算：
式中：—走刀方向的切削分力（N）；
—車床身上加工最大直徑（mm）=320m。
=3835.30(N)
：：=1：0.25：0.4
——走刀方向的切削分力（N)
——垂直走刀方向的切削分力(N）
=×0.25=958.8(N)
=×0.4=1534.1(N)
3.2 滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型
3.2.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力
縱向進(jìn)給選為綜合導(dǎo)軌。查書(shū)《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》P53
式中：
、——切削力分力
—考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.16
—滑動(dòng)導(dǎo)軌磨擦系數(shù):0.15～0.18
—溜板及刀架重力，取=800N
計(jì)算得
=1.15×958.8+0.16(3835.3+800)
=1844.3(N)
3.2.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載
選用滾珠絲杠副的直徑d0時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)載荷C。
式中：
L——壽命，以轉(zhuǎn)為一單位；
n ——絲桿轉(zhuǎn)速（r/min）；
——為最大切削條件下進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2-1/3
此處取；
——絲桿導(dǎo)程（mm） 初選=6mm；
T——為使用壽命（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)床取15000h；
——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般取=1.2-1.5。
計(jì)算得：
60
3.2.3 滾珠絲桿螺母副的選型
查閱《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》附錄A表3，可采用W1L3006外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的不帶襯套的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定功動(dòng)負(fù)載為14200（N），精度等級(jí)按《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表4-15選為3級(jí)。
3.2.4 傳功效率計(jì)算
滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率：
=
式中：
r—螺旋升角，W1L3006 r=3039’
—磨擦角取10’ 滾動(dòng)磨擦系數(shù)0.003～0.004
3.2.5 剛度驗(yàn)算
先畫(huà)出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖2所示，最大牽引力1844.3N。支承間距L=1200mm，絲桿螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷1/3。
圖2 縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式
(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量
查《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》，根據(jù)
，查出 可算出
由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲桿進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實(shí)際變形量(mm)為
(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形
查《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量
=5.8μm
因進(jìn)行預(yù)緊
(3) 支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形
查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》采用8105型推力球軸承，=25mm,滾動(dòng)體直徑=5.556mm,滾動(dòng)體數(shù)量Z=16,
注意此公式中單位應(yīng)為N
因施加預(yù)緊力，故
根據(jù)以上計(jì)算
<定位精度
3.2.6 穩(wěn)定性校核
滾珠絲桿兩端采用推力球軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。
3.2.7 縱向滾珠絲桿副幾何參數(shù)
表1 W1L3006滾珠絲桿副幾何參數(shù)
參數(shù)名稱
符號(hào)
關(guān)系式
W1L3006
螺
紋
滾
道
公稱直徑
30
導(dǎo) 程
6
接觸角
3?39’
鋼球直徑
3.969
滾道法
面半徑
=0.52
2.064
偏心距
=(－
0.056
螺紋升角
3?39’
螺
桿
外 徑
=-(0.2～0.25)
29
內(nèi) 徑
=＋2－2
25.984
接觸直徑
=－Cos
26.039
螺
母
螺紋直徑
=－2＋2
34.016
內(nèi) 徑
=＋(0.2～0.25)
30.7938
3.3 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算
已確定縱向脈沖當(dāng)量，滾珠直徑導(dǎo)程=6mm,
初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角可計(jì)算傳動(dòng)比:
因?yàn)榭蛇M(jìn)定齒輪齒數(shù)為
32/40或20/25
， 或 ，
選第一組齒輪，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取2。
則有關(guān)參數(shù)如表2所示：
表2 傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù)
齒數(shù)
Z
32
40
分度圓
d=mz
64
80
齒頂圓
68
84
齒根圓
59
75
齒寬
(6-10)m
20
20
中心距
72
3.4 步進(jìn)進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型
3.4.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算:
式中:——齒輪及其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;
——滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;
——絲桿導(dǎo)程(cm) =6mm;
——工件及工作臺(tái)重量(N) G=800(N);
——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
參考同類型機(jī)床，初步反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)130BF001，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)量
齒輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計(jì)算
表《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》4-20所示圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式如下:
對(duì)于鋼材，
式中: D——圓柱體直徑 (cm)
L——圓柱體長(zhǎng)度或原長(zhǎng)(cm)
代入公式可得：
=4.7+2.62＋0.82[(6.39+7.58)＋800/9.8(0.6/2π)2]
=16.73
考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣車匹配問(wèn)題：
基本滿足慣量匹配的要求。
3.4.2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
機(jī)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(jì)算:
1） 快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
在快速空載起動(dòng)階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計(jì)算如下：
式中: ——快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；
——空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；
——折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；
——由于絲桿預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。
在采用絲桿螺母副傳動(dòng)時(shí)，上述各種轉(zhuǎn)矩可用下式計(jì)算：
式中: ——傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——電機(jī)最大角速度
——電機(jī)最大轉(zhuǎn)速
——運(yùn)動(dòng)部件最快速度
——脈沖當(dāng)量
——步進(jìn)電機(jī)的步距角
——運(yùn)動(dòng)部件從停止到起動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間(s)
起動(dòng)加速時(shí)間=25(ms)
折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
式中: ——導(dǎo)軌的摩擦力(N)
—絲桿導(dǎo)程(cm) =0.6cm
——垂直方向的切削力(N)
G——運(yùn)動(dòng)部件的總重量(N)
——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取=0.17
——齒輪降速比
——傳動(dòng)鏈總效率，一般可取0.7-0.8
附加摩擦轉(zhuǎn)矩:
式中: ——滾珠絲桿預(yù)加負(fù)荷，一般取，為進(jìn)給牽引力1844.3(N)
——滾珠絲桿導(dǎo)程(cm) =0.6cm
——滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取 取0.9
上述三項(xiàng)合計(jì):
2） 快速移動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩
3） 最大切削負(fù)載時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩
從上面計(jì)算看出、、三種工況下，以快速空載所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。
從《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表4-22查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)為
則最大靜轉(zhuǎn)矩為:
查《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表4—23中130BF001型步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為931，大于所需最大轉(zhuǎn)靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足要求。
3.4.3 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率
式中 ——最大空載起動(dòng)頻率；
——切削時(shí)的最大頻率；
——運(yùn)動(dòng)部件最大快速進(jìn)給速度；
——最大切削進(jìn)給速度；
——脈沖當(dāng)量。
從《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表4-23中查出130BF001型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為3000Hz，運(yùn)行頻率為16000Hz，再?gòu)摹稊?shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》查出130BF001步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線如圖3所示，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，=3000Hz時(shí)，=90N.cm,不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩423.39（N.cm）。直接使用則會(huì)施行失步現(xiàn)象，所以必須采取開(kāi)降速控制，將起動(dòng)頻率到1000Hz起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可增高到392.3（N.cm），然后電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，可將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)大一倍左右。
當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，130BF001型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性圖完全可以滿足要求：如圖3
圖3 130BF001電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性
3.5 縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是畫(huà)出進(jìn)給伺服系統(tǒng)的機(jī)械裝配圖，用以表達(dá)設(shè)計(jì)者構(gòu)思，設(shè)計(jì)特點(diǎn)及計(jì)算結(jié)果。
3.5.1 縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)總圖設(shè)計(jì)
縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，在原機(jī)床裝進(jìn)給箱的位置，將進(jìn)給箱拆除，裝伺服系統(tǒng)齒輪箱，在箱體的左面裝步進(jìn)電機(jī)，滾珠絲桿右端軸承座仍裝在原機(jī)床滑動(dòng)絲桿后軸承座處。滾珠絲桿裝有擋板，以防止切屑掉下?lián)p壞滾珠絲杠。將C6132床的溜板箱拆除，在滾珠螺母座前面有控制板，裝有急停，電源開(kāi)關(guān)等幾個(gè)按鈕，便于工人操作。
總圖上還必須畫(huà)出此車床上加工螺紋的部件光電編碼器在經(jīng)濟(jì)型數(shù)按車床上，利用光電編碼器裝在主軸或在主軸箱與主軸保持一定傳動(dòng)比的伸出軸上，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，光電編碼器就發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，輸入計(jì)算中，經(jīng)過(guò)計(jì)算的運(yùn)算，控制步進(jìn)電機(jī)，帶功滾珠絲杠，使刀架進(jìn)給一定的螺距。
而光電編碼器用彎板裝在主軸箱左端面，通過(guò)彈性聯(lián)軸器與主軸箱中一伸出軸相連，因伸出軸不可能與彈性聯(lián)軸器的尺寸完全一致，故中間還要設(shè)計(jì)一個(gè)中間過(guò)渡套。
3.5.2 縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)的裝配圖
經(jīng)過(guò)計(jì)算，已知此縱向進(jìn)給系統(tǒng)采用130BF001型步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)過(guò)一對(duì)齒輪減速，齒輪系數(shù)=32。=40。模數(shù)m=2滾珠絲桿公稱直徑為=30mm。滾珠絲杠螺母副采用的是外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的不帶襯套的雙螺母滾珠絲杠副W1L3006。
進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)，注意考慮以下問(wèn)題
（1）進(jìn)行改造設(shè)計(jì)時(shí)，將原C6132車床進(jìn)給箱拆掉，利用原來(lái)的安裝基面安裝齒輪箱體。因而必須注意齒輪箱體螺釘中心距的尺寸，應(yīng)保證箱的安裝螺釘和銷釘均在原來(lái)的安裝基礎(chǔ)面上。
（2）為保證滾珠絲杠與導(dǎo)軌平行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意使齒輪箱體的絲杠中心，與床尾軸承座中心線距安裝基面尺寸一致以保證水平面的絲杠與導(dǎo)軌平行。齒輪箱體在床身上的安裝螺釘?shù)奈恢门c車尾軸承座螺釘在床身上的安裝位置必須根據(jù)床身具體情況確定，以保證在垂直面內(nèi)絲桿與導(dǎo)軌平行。水平面內(nèi)的平行度達(dá)不到要求可刮研齒輪箱體或床尾軸承座的安裝基面，如垂直面內(nèi)平行度達(dá)不到要求，可安裝螺釘?shù)倪^(guò)孔進(jìn)行調(diào)整，調(diào)好后，插入定位銷。
（3）保證滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，輕快，必須使?jié)L珠絲桿螺母座板與絲杠兩端支承同軸，設(shè)計(jì)時(shí)，在螺母座與彎板之間設(shè)計(jì)墊片，裝調(diào)時(shí)可以修磨墊片來(lái)保證螺母座在平面內(nèi)與兩面端支承同軸，垂而直面內(nèi)的同軸，靠螺釘?shù)剡^(guò)孔來(lái)的調(diào)整，調(diào)好后，打入銷釘。
（4）步進(jìn)電機(jī)裝在箱體左側(cè)，利用短圓柱面中，在箱體上定位，由于是定位面，一定要在圖上標(biāo)注出孔的尺寸及配合。
（5）設(shè)計(jì)中滾珠螺母副采用了螺紋·調(diào)整方式預(yù)緊，即用調(diào)整螺母使?jié)L珠絲杠滾珠與兩個(gè)滾珠螺母擠緊，避免在反向失步
（6）消隙齒輪，是采用兩個(gè)薄片齒輪，中間開(kāi)有三個(gè)月芽形的槽放入壓簧，并用三個(gè)內(nèi)六角螺釘固定，這種消隙齒輪的裝配順序是：首先將雙片只輪相對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒輪，使雙片尖輪的齒輪的矢對(duì)齊，彈簧受壓，上緊螺裝入箱體后，將螺釘松開(kāi)，彈簧將雙片齒輪沿用向錯(cuò)開(kāi)，消除與齒輪的側(cè)隙，此時(shí)將螺釘上緊，在設(shè)計(jì)時(shí)，箱壁上要留有可伸入六角搬手孔，彈簧兩端用削扁的銷子壓住。
（7）當(dāng)車床床鞍移動(dòng)時(shí)，滾珠絲杠要受到軸向力，此軸向力由床身前端的兩個(gè)止推軸承承受，向左的軸向力通過(guò)擋圈，止推軸承，擋塊，傳到齒輪箱體上，向右的軸向力則通過(guò)螺母，齒輪，軸承，軸套，到左邊的止推軸承，經(jīng)擋塊傳到端蓋上，此端蓋與齒輪箱體用螺釘固連。
床尾部分的圓螺母是用來(lái)對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，以增加絲杠的剛度，外側(cè)的圓螺母是鎖緊用的，由于旋轉(zhuǎn)螺母進(jìn)行預(yù)拉伸時(shí)，端面磨擦力大，故要用止推軸承來(lái)減小端面磨擦力。
4 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與校核
根據(jù)機(jī)床精度要求橫向脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖。
4.1 計(jì)算切削力
橫切端面時(shí)主切削力可取縱切時(shí)的
式中 ——走刀方向的切削力（N）
——垂直走刀方向的切削力（N）
4.2 滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型
4.2.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力
橫向?qū)к墳檠辔残危瑓⒖肌稊?shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》p53
式中：，，——切削分力（Ｎ）
G’——移動(dòng)部件的重量（N）,取G’=500(N)
——滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式而不同
K——考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) ，取K=1.4
4.2.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載
式中：
L——壽命，以轉(zhuǎn)為一單位;
n ——絲桿轉(zhuǎn)速（r/min）;
——為最大切削條件下進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2-1/3
此處取;
——滾珠絲桿導(dǎo)程（mm），初選=5mm；
T——為使用壽命（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)床取15000h；
——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取=1.2-1.5。
4.2.3 滾珠絲桿螺母副的選型
查閱《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》附表Ａ表3，可采用W1L2505外循螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動(dòng)負(fù)載為9700N,精度等級(jí)按表4-15選為3級(jí)。
4.2.4 傳動(dòng)效率計(jì)算
式中：——螺旋升角，W1L2505
——摩擦角取 滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.003-0.004
4.2.5 剛度驗(yàn)算
橫向進(jìn)給絲桿支承方式圖4 所示，最大牽引力958.97N,支承間距＝380mm，因絲桿長(zhǎng)度較短，不需預(yù)緊螺母及軸承預(yù)緊。
計(jì)算如下:
1) 絲桿的拉伸或壓縮變形量(mm)
根據(jù)＝1461.5N,D=25mm查出可算出：
圖4 橫向進(jìn)給絲桿支承方式
2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量
查《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》圖4-7得Ｗ1L系列１列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量
因進(jìn)行了預(yù)緊
3) 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形
采用推力球軸承8104查閱《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表5.9-139,d=20mm,滾動(dòng)體直徑=5.556mm,數(shù)量Z=13
綜合以上幾項(xiàng)變形量之和：
將滾珠絲桿經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸，剛度可提高4倍
則 ＜ 定位精度
4.2.6 穩(wěn)定性校核
計(jì)算臨界負(fù)載(N)
式中:E——材料彈性模量() 鋼的E=20.6×106（）；
I ——截面慣性矩() ；
L——絲桿兩軸承端距離()；
——絲桿支承方式系數(shù)，一端固定，一端簡(jiǎn)支為2.00。
一般 =2.5-4.0
此滾珠絲桿不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。
4.2.7 橫向滾珠絲桿副的幾何參數(shù)
其參數(shù)如表3
表3 WD2505滾珠絲杠幾何參數(shù)
參數(shù)名稱
符號(hào)
關(guān)系式
W1L2505
螺
紋
滾
道
公稱直徑
25
導(dǎo)程
5
接觸角
鋼球直徑
3.175
滾道法面半徑
R
1.651
偏心距
e
0.045
螺紋升角
螺
桿
外徑
d
24.365
內(nèi)徑
21.788
接觸直徑
21.83
螺
母
螺紋直徑
D
28.212
內(nèi)徑
25.635
4.3 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算
已確定橫向脈沖當(dāng)量，滾珠直徑導(dǎo)程=5mm,
初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角可計(jì)算傳動(dòng)比:
考慮到結(jié)構(gòu)上的原因不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板有行程，故此處可采用兩級(jí)齒輪降速。
因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取2，
有關(guān)參數(shù)參照表4
表4 傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù)
齒數(shù)
Z
24
40
20
25
分度圓
d=mz
48
80
40
50
齒頂圓
52
84
44
54
齒根圓
43
75
35
45
齒寬
(6-10)m
20
中心距
64
45
4.4 橫向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型
4.4.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4，經(jīng)二對(duì)齒輪降速時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算:
式中: ——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——齒輪及其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——絲桿導(dǎo)程(cm)，
G——工件及工作臺(tái)重量(N) G=500(N)。
齒輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計(jì)算
圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式如下:
對(duì)于鋼材，
式中: D——圓柱體直徑 (cm)
L——圓柱體長(zhǎng)度或原長(zhǎng)(cm)
鋼材的密度為
因此
基本滿足慣量匹配的要求。
4.4.2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算
機(jī)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(jì)算:
1） 快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
在快速空載起動(dòng)階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計(jì)算如下：
式中: ——快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
——空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
——折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
——由于絲桿預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩
在采用絲桿螺母副傳動(dòng)時(shí)，上述各種轉(zhuǎn)矩可用下式計(jì)算：
式中: ——傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
——電機(jī)最大角速度
——電機(jī)最大轉(zhuǎn)速
——運(yùn)動(dòng)部件最快速度
——脈沖當(dāng)量
——步進(jìn)電機(jī)的步距角
——運(yùn)動(dòng)部件從停止到起動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間(s)
起動(dòng)加速時(shí)間=25(ms)
折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
式中: ——導(dǎo)軌的摩擦力(N)
——垂直方向的切削力(N)
G——運(yùn)動(dòng)部件的總重量(N)
——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取=0.2
——齒輪降速比
——傳動(dòng)鏈總效率，一般可取0.7-0.8
附加摩擦轉(zhuǎn)矩:
式中: ——滾珠絲桿預(yù)加負(fù)荷，一般取，為進(jìn)給牽引力(N)
——滾珠絲桿導(dǎo)程(cm)
——滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取
上述三項(xiàng)合計(jì):
2） 快速移動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩
3） 最大切削負(fù)載時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩
從上面計(jì)算看出、、三種工況下，以快速空載所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。
從《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表4-22查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)為
則最大靜轉(zhuǎn)矩為:
從表《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》4-23查出110BF003最大轉(zhuǎn)矩為為784，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足此項(xiàng)要求。
4.4.3 校核步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性
從《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表4-23中查出110BF003型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為1500Hz，運(yùn)行頻率為7000Hz，再?gòu)摹稊?shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》查出110BF003步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線如圖5所示，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，=1500Hz時(shí)，=98（N.cm）,不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩221.7（N.cm）。直接使用則會(huì)施行失步現(xiàn)象，所以必須采取開(kāi)降速控制，將起動(dòng)頻率到1000Hz起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可增高到320（N.cm）。
當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，110BF003型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性可以滿足要求。
圖5 110BF003電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性
4.5 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是畫(huà)出進(jìn)給伺服系統(tǒng)的裝配圖，用以表達(dá)設(shè)計(jì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)特點(diǎn)及計(jì)算結(jié)果，進(jìn)給伺服系統(tǒng)總圖設(shè)計(jì)。
4.5.1 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)總圖設(shè)計(jì)
橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)可以從俯視圖看出，橫向進(jìn)給的齒輪箱和步進(jìn)電機(jī)裝在床鞍后面，滾珠絲桿也需用蓋板保護(hù)。橫向進(jìn)給的手柄可以拆除也可保留，將原機(jī)的方刀架拆除，改裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，由計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)程序，自動(dòng)轉(zhuǎn)位、夾緊。從總圖中可以看到帶動(dòng)刀架回轉(zhuǎn)的微型電機(jī)、齒輪箱。
總體圖上還畫(huà)出此車床上加工螺紋的部件光電編碼器在數(shù)控車床上，利用光電編碼器裝在主軸或主軸箱中與主軸保持一定傳動(dòng)比的伸出軸上，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，光電編碼器就發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，輸入到計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算控制步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)滾珠絲桿，使刀架進(jìn)給一定的螺距。光電編碼器用彎板裝在主軸箱左端面，通過(guò)彈性聯(lián)軸器與主軸箱中一伸出軸相連。因伸出軸不可能與彈性聯(lián)軸器孔的尺寸完全一致，故還要設(shè)計(jì)一個(gè)中間過(guò)渡套。
控制面板上有數(shù)碼顯示，按鍵、各種指示燈及開(kāi)關(guān)，注意設(shè)計(jì)時(shí)要與硬件電路圖一致。
4.5.2 橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)的裝配圖
經(jīng)過(guò)計(jì)算，已知橫向進(jìn)給系統(tǒng)采用110BF003型步進(jìn)電機(jī)。經(jīng)過(guò)二對(duì)齒輪減速，齒輪齒數(shù)。齒輪模數(shù)m=2,滾珠絲桿直徑為mm, 滾珠絲桿螺母選用的是W1L2505外循螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿副。
進(jìn)行應(yīng)保證足夠應(yīng)考慮以下問(wèn)題
（1）設(shè)計(jì)應(yīng)保證足夠的行程，C6132經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，圖中設(shè)計(jì)了兩對(duì)減速齒輪，減小了齒輪箱體的高度，使橫向拖板運(yùn)動(dòng)時(shí)，防塵蓋不致和箱體上蓋干涉。
（2）滾珠絲桿與橫向?qū)С痰钠叫卸葢?yīng)小于0.05mm，為達(dá)到此要求，可在鏜床上對(duì)床鞍兩邊的裝軸承孔在一次裝卡中鏜出。
（3） 為保證滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)輕快靈活，無(wú)阻滯現(xiàn)象，必須使?jié)L珠螺母與兩端軸承同軸。
（4） 滾珠絲桿左右各采用一對(duì)徑向軸承，在右端又采用一對(duì)止推軸承，以承受軸向力。當(dāng)絲桿受到向右的軸向力時(shí)，通過(guò)絲桿臺(tái)階傳給止推軸承動(dòng)圈，再通過(guò)擋圈，一對(duì)徑向軸承的外圈傳給端蓋再傳到床鞍上。絲桿受到向左的軸向力通過(guò)絲桿右端的圓螺母?jìng)鹘o止推軸承，傳給端蓋、床鞍上。
（5） 雙片消隙齒輪的中間開(kāi)有三個(gè)月牙形的槽放入壓簧，并用三個(gè)內(nèi)六角螺釘固定（A-A斷面和E-E斷面），這種消隙齒輪的裝配順序:首先將雙片齒輪相對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，使雙片齒輪的齒對(duì)齊，彈簧受壓，上緊螺釘，裝入箱體后將螺釘松開(kāi)，彈簧將雙片齒輪沿周向錯(cuò)開(kāi)，以消除與齒輪的間隙，此時(shí)在將螺釘上緊（因而在設(shè)計(jì)時(shí)，箱壁上要留有可伸入六角扳手的孔，彈簧兩端用削扁的銷子壓?。┐嗽O(shè)計(jì)中應(yīng)注意箱體中留足夠的扳手空間，雙片齒輪用二個(gè)六角螺釘固緊，六角扳手可以齒輪箱體上端面伸入（端蓋拆下），六角螺釘和滾珠絲桿在軸向留有足夠的空間，但此空間也不宜留得過(guò)大，以免加大箱體尺寸，雙片齒輪采用三個(gè)開(kāi)槽螺釘緊固。螺絲刀需從箱體左面孔中伸入（拆去端蓋）。
（6）110BF003型步進(jìn)電機(jī)軸為平鍵，為防止運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中齒輪從電機(jī)上松動(dòng)滑出，在齒輪的輪轂上通過(guò)銷釘連接在電機(jī)軸上。
5 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)
5.1 硬件電路的設(shè)計(jì)
5.1.1 控制對(duì)象及要求
此次設(shè)計(jì)對(duì)象為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)硬件電路，采用MCS-51系列單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。要求需控制兩軸：X軸和Y軸，且具有直線、圓弧插補(bǔ)功能及升降速控制功能。改裝后的車床應(yīng)有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架和切削螺紋的功能。
5.1.2 總體方案的確定
數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。
機(jī)床硬件電路由以下五部分組成。
(1)中央處理單元CPU；
(2)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；
(3)數(shù)據(jù)總線、控制總線和地址總線；
(4)接口，即輸入/輸出接口電路；
(5)外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器等。
圖6 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開(kāi)環(huán)系統(tǒng)）
5.1.3 選擇中央處理器CPU的類型
在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
1) 時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)，這個(gè)指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度；
2) 可擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量；
3) 指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性；
4) I/O口擴(kuò)展的能力，即對(duì)外設(shè)控制的能力；
5) 開(kāi)發(fā)手段，包括支持開(kāi)發(fā)的軟件和硬件電路。
目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，一般選用MSC-51系列單片機(jī)作為主控制器。MSC-51系列單片機(jī)主要有8031、8051、8751三種型號(hào)的產(chǎn)品。三種型號(hào)的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少量差異。8751具有EPROM，但價(jià)格是8051的10—15倍，所以適合開(kāi)發(fā)樣機(jī)，小批量生產(chǎn)和需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步完善的場(chǎng)合。8051的EPROM程序時(shí)Intel公司制作芯片時(shí)為用戶制備的，因此在國(guó)內(nèi)很難采用8051型芯片。而8031片內(nèi)無(wú)ROM，適用于需擴(kuò)展ROM，可在現(xiàn)場(chǎng)修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場(chǎng)合，其價(jià)格低，使用靈活，適合在我國(guó)使用。在此選用8031單片機(jī)作為CPU.
5.1.4 存儲(chǔ)擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。
在選擇程序存儲(chǔ)器芯片時(shí)，要考慮CPU和EPROM時(shí)序的匹配，還要考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲(chǔ)器的容量。
在存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)中還應(yīng)該包括地址鎖村器和譯碼電路的設(shè)計(jì)。
5.1.5 I/O接口電路的設(shè)計(jì)
包括接口芯片的選用，步進(jìn)電機(jī)控制電路，鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設(shè)計(jì)。
5.2 8031單片機(jī)的簡(jiǎn)介及其擴(kuò)展
5.2.1 8031單片機(jī)的基本特性
8031單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：
（1）具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元（CPU）；
（2）片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路，每執(zhí)行一條指令時(shí)間為2微秒或1微秒；
（3）片內(nèi)具有128字節(jié)RAM；
（4）具有21個(gè)特殊寄存器；
（5）可擴(kuò)展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K字節(jié)的外部程序存儲(chǔ)器。
（6）具有4個(gè)I/O口，32根I/O線；
（7）具有2個(gè)16位定時(shí)/器計(jì)數(shù)器；
（8）具有5個(gè)中斷源，配備2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；
（9）具有一個(gè)全雙功串行接口；
（10）具有位尋址能力，適合邏輯功能。
從上述特性可知，一塊8031的功能幾乎相當(dāng)于一塊Z80CPU、一塊RAM、一塊Z80CTC、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微機(jī)系統(tǒng)。可以看出這種芯片集成度高、功能強(qiáng)，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)系統(tǒng)。
5.2.2 8031芯片引腳及其功能
8031芯片具有40根引腳，引腳圖如圖7所示：
圖7 8031芯片引腳
5.2.3 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
常用的程序存儲(chǔ)器芯片（EPROM）有2716（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、
27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等。2764、27128、27512均為28腳雙列直插式扁平封裝長(zhǎng)片。本設(shè)計(jì)中選擇兩片2764（8K×8）半導(dǎo)體芯片，晶體頻率選用6MHz，其所能提供的讀取時(shí)間t小于480ms，故其芯片在時(shí)序上滿足要求。其引腳如圖8。由于單片機(jī)8031芯片的P0口是分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中統(tǒng)一要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片是74LS373。
圖8 2764芯片的引腳
5.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
由于8031芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要，需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。常用的靜態(tài)RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，6264、62256采用CMOS工藝，它們都由單一的+5V電源供電，典型存取時(shí)間為150-200ns，28腳雙列直插式扁平封裝。本設(shè)計(jì)中選擇的是6264(8K×8)芯片。引腳如圖9所示。
圖9 6264引腳
5.2.5 I/O口的擴(kuò)展
MCS—51單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，可提供給用戶使用的只有P1口和部分P3口線，因此不可避免的要進(jìn)行I/O端口的擴(kuò)展。Intel公司常用的外圍接口芯片有：8155：可編程的RAM/IO擴(kuò)展接口電路（256個(gè)RAM單元、2個(gè)8位口、1個(gè)6位口、一個(gè)14位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器）；8255：可編程的通用并行接口電路（3個(gè)8位口）；8253：3個(gè)16位的可編程的定時(shí)/計(jì)數(shù)器；8279：可編程的鍵盤、顯示電路；8243：4個(gè)4位口I/O擴(kuò)展接口電路。此外，74LS系列的LSTTS電路或MOS電路也可作MCS-51單片機(jī)的擴(kuò)展I/O口，如74LS373、74LS377等。
本設(shè)計(jì)中使用兩片8155可編程接口芯片。下面簡(jiǎn)單介紹8155通用可編程接口芯片。
（1）8155的結(jié)構(gòu)及其引腳
8155有3個(gè)可編程并行I/O端口：A口、B口、C口，其中，A口和B口是八位，C口是6位，1個(gè)14位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器和256B的靜態(tài)RAM，能方便的進(jìn)行I/O擴(kuò)展和RAM擴(kuò)展，其引腳圖10。
（2）8155共有40個(gè)引腳，按其功能特點(diǎn)分類說(shuō)明如下：
1）地址數(shù)據(jù)線 是低八位地址和數(shù)據(jù)共用輸入口，當(dāng)時(shí)，輸入的是地址信息，否則是數(shù)據(jù)信息。所以應(yīng)與MCS-51的P0口相連。
2）端口線 、用于8155與外設(shè)之間傳送數(shù)據(jù)，既可用于8155與外設(shè)之間傳送數(shù)據(jù)，也可作為A口、B口的控制信號(hào)線。
圖10 8155引腳圖
3）地址鎖存線 在下降沿將單片機(jī)P0口輸出的低8位地址信息及、的狀態(tài)都所存到內(nèi)部寄存器，因此，單片機(jī)P0口輸出的。
4）或口選擇線 當(dāng)=0時(shí)，選中8155的片內(nèi)RAM，為RAM地址；若時(shí)，選中8155片內(nèi)3個(gè)I/O端口及命令/狀態(tài)寄存器和定時(shí)/計(jì)數(shù)器。
5）片選線 為低電平時(shí)選中8155。
6）讀、寫(xiě)線 、控制對(duì)8155的讀/寫(xiě)操作。
7）定時(shí)/計(jì)數(shù)器的脈沖輸入、輸出線 是外界向8155輸入計(jì)數(shù)脈沖的輸入端，是8155向外界輸出脈沖或方波的輸出端。
（3）8155的工作方式
8155I/O口有四種工作方式可供選擇：即。其中各符號(hào)說(shuō)明如下：
AINTR：A口中斷，請(qǐng)求輸入信號(hào)，高電平有效。
BINTR：B口中斷，請(qǐng)求輸入信號(hào)，高電平有效。
ABF(BBF)：A口（B口）緩沖器滿狀態(tài)標(biāo)志輸出線，緩沖器有數(shù)據(jù)時(shí)，BF為高電平。
ASTB(BSTB)：A口(B口)設(shè)備選通信號(hào)輸入線，低電平有效。
5.3 電路連接
8031芯片的P0和P2用來(lái)傳送外部存儲(chǔ)器的地址和數(shù)據(jù)，故要采用74LS373地址鎖存器用74LS373鎖存低8位地址，ALE作為其選通信號(hào)，當(dāng)ALE為高電平，鎖存器的輸入和輸出透明，即輸入的低8位存儲(chǔ)器地址在輸出端出現(xiàn)，此時(shí)不需鎖存。當(dāng)ALE從高電平變低電平，出現(xiàn)下降沿時(shí)，低8位地址鎖存入地址鎖存器中，74LS373送出讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)了。8031芯片的P2口和74LS373送出的P0口共組成16位地址，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～P2.4。系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片
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