CA6140車床橫向進(jìn)給改造的設(shè)計(jì)論文

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1、 數(shù)控CA6140車床橫向進(jìn)給改造的設(shè)計(jì) 作者:司琰（北京人文大學(xué)理工學(xué)院機(jī)電一體化系0901班）指導(dǎo)教師：李木 職稱：教授 目 錄緒 論.3第1章 數(shù)控機(jī)床改造的目的.41.1數(shù)控機(jī)床的概述.4 1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展.41.3二十一世紀(jì)初切削加工技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì).51.4數(shù)控機(jī)床改造的意義.6 1.5數(shù)控機(jī)床的優(yōu)越特性和發(fā)展前景.6第2章 數(shù)控機(jī)床改造的方法及原理.7 2.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案的確定.7 2.2伺服系統(tǒng)的選擇.8 2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定.8 2.4計(jì)算機(jī)的選擇.8第3章 機(jī)床伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算.9 3.1脈沖當(dāng)量.103.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型.11 3.3 齒

2、輪傳動(dòng)比計(jì)算.14 3.4 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型.15第4章 單片機(jī)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容.20 4.1電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.20 4.2 主控制器.20 4.3 譯碼器.22 4.4 存儲(chǔ)器.224.5 I/O接口控制芯片以及外設(shè)連接說明.22總結(jié).23參考文獻(xiàn).24緒 論近年來我國(guó)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，在中小企業(yè)甚至個(gè)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(guó)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)4

3、7.39億美元，僅次于美國(guó)的53.67億美元，消費(fèi)額比上一年增長(zhǎng)25%。但由于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場(chǎng)的需求，使我國(guó)機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢(shì)，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(zhǎng)27.3%。近年來我國(guó)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)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎?rùn)C(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。數(shù)控機(jī)床是機(jī)械、電子、自動(dòng)化及電機(jī)拖動(dòng)于一體化的裝備。它是有計(jì)算機(jī)作為控制核心，來控制異步電機(jī)，從而控制機(jī)床的換刀、走刀、停頓的。隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，使機(jī)械制造進(jìn)

4、入一個(gè)嶄新的階段，是機(jī)械制造業(yè)中的一次技術(shù)革命。數(shù)控機(jī)床作為期間的產(chǎn)品價(jià)格也十分昂貴，對(duì)大對(duì)數(shù)企業(yè)來說，更換設(shè)備所需資金太大，老的設(shè)備得不到利用。結(jié)合我國(guó)的實(shí)際國(guó)情，所以把普通機(jī)床改造成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床就有十分重大的意義。也是我國(guó)發(fā)展數(shù)控產(chǎn)品的主要渠道之一。 第1章、 數(shù)控機(jī)床改造的目的11數(shù)控機(jī)床的概述數(shù)字控制是近代發(fā)展起來的一種自動(dòng)控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法，簡(jiǎn)稱數(shù)控。數(shù)控機(jī)床是一個(gè)裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號(hào)碼，或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。其實(shí)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(dòng)閱讀輸入載體上事先

5、給定的數(shù)字植，并將其譯碼，從而使機(jī)床動(dòng)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(dòng)及進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置等部分。所以數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，也是集多種新技術(shù)于一體的機(jī)電一體化裝備。數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化產(chǎn)品的典型代表，在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域里起著至關(guān)重要的作用。12數(shù)控機(jī)床的發(fā)展數(shù)控機(jī)床是一種高效的自動(dòng)化機(jī)床，它較好地滿足了機(jī)械行業(yè)零部件加工的高性能，高精度與高動(dòng)化的要求。在機(jī)械產(chǎn)品中，是機(jī)械制造業(yè)中的一次技術(shù)革命。1952年美國(guó)PARSONS公司與麻省理工學(xué)院合作試制了世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床。54年美國(guó)Bendix-Cooperation公司生產(chǎn)了第一臺(tái)工業(yè)用數(shù)控機(jī)

6、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(jì)算機(jī)控制（CNC）,直到現(xiàn)在的微處理器控制（MNC）。我國(guó)從1958年開始研制數(shù)控機(jī)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(jī)床。電加工機(jī)床等得到應(yīng)用，并指出加工中心。目前我國(guó)能夠生產(chǎn)多種類型的數(shù)控機(jī)床，生產(chǎn)幾千臺(tái)，并有向國(guó)外出口。但我國(guó)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)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(jìn)國(guó)家都有一定差距，近幾年我國(guó)機(jī)床業(yè)受到世界市場(chǎng)的沖擊，迫使我國(guó)的機(jī)床質(zhì)量有很大的提高，面向21世紀(jì)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)一定能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。數(shù)控機(jī)床也向（1）具有先進(jìn)的自檢能力。（2）向高速，

7、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(qiáng)的通訊功能，圖像編程和顯示功能的方向發(fā)展。機(jī)床作為工作母機(jī)和維修工具，早已成為各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的必要裝備。數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展，更是制造高質(zhì)量、高效率、高一致性產(chǎn)品的有力保障。隨著人類社會(huì)的飛速發(fā)展與進(jìn)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(gè)領(lǐng)域不斷提出新的要求，這一切都使得機(jī)床的結(jié)構(gòu)、性能千變?nèi)f化。計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展又使得機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)正在以更短的周期更新。面對(duì)如此的形勢(shì)，機(jī)床制造者在不斷努力跟蹤時(shí)代的步伐，機(jī)床的使用者、維修者也要努力跟上。為使讀者及時(shí)了解數(shù)控機(jī)床的技術(shù)與知識(shí)，加深數(shù)控機(jī)床使用與維修

8、理念上的認(rèn)識(shí)。13 21世紀(jì)初切削加工技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)21世紀(jì)，我們正處于制造技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)期。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，也進(jìn)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。其主要趨勢(shì)有四個(gè)方面：(1)高速切削將成為切削加工的新工藝 當(dāng)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(diǎn)和強(qiáng)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(duì)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(jìn)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(diǎn)。當(dāng)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(jìn)步和進(jìn)一步創(chuàng)新達(dá)到切削速度和進(jìn)

9、給速度的成倍提高，并帶動(dòng)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(shí)現(xiàn)難加工材料加工技術(shù)的重大突破 長(zhǎng)期以來，難加工材料如奧氏體不銹鋼、高猛鋼、淬硬鋼、復(fù)合材料、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(jì)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(shí)，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(duì)切削加工提出了新的要求。(3)滿足制造業(yè)對(duì)切削加工新技術(shù)和新產(chǎn)品需求 進(jìn)入21世紀(jì)以后，產(chǎn)品多樣化和個(gè)性化的趨勢(shì)將進(jìn)一步加劇，制造業(yè)的產(chǎn)品更新速度也勢(shì)必大大加快。每一種新產(chǎn)品的開發(fā)都意味

10、著零件功能、結(jié)構(gòu)、材料的重大變更，也是對(duì)切削加工提出新的開發(fā)任務(wù)。制造業(yè)對(duì)切削加工新技術(shù)、新產(chǎn)品的需求在21世紀(jì)初將達(dá)到空前的高度。(4)環(huán)境保護(hù)對(duì)切削加工行業(yè)提出挑戰(zhàn) 隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)诃h(huán)境保護(hù)、生態(tài)平衡等方面獲得了高度共識(shí)，并成為全球的共同行動(dòng)綱領(lǐng)。以降耗、節(jié)能、節(jié)材、減廢、有利于環(huán)境保護(hù)和人身健康、實(shí)行清潔安全生產(chǎn)的“綠色工程”已在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家興起。實(shí)行“綠色工程”，開發(fā)“綠色制造技術(shù)”是新世紀(jì)切削加工發(fā)展的重要課題。14數(shù)控機(jī)床改造的意義數(shù)控機(jī)床改造在國(guó)外已發(fā)展成一個(gè)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(yíng)這門業(yè)務(wù)。其發(fā)展的原因是多方面的。首先是技術(shù)的原因。在

11、過去的20年里，金屬切削的基本原理變化不大，但社會(huì)生產(chǎn)力的巨大發(fā)展，要求制造技術(shù)向自動(dòng)化及精密化前進(jìn)。而刀具材料和電子技術(shù)卻有很大進(jìn)步，特別是微電子技術(shù)，電子計(jì)算機(jī)進(jìn)步，反映到控制系統(tǒng)中來，它既能幫助機(jī)床自動(dòng)化又能提高加工準(zhǔn)確度。這些技術(shù)進(jìn)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(jī)床技術(shù)改造的必要性及迫切性。其次是經(jīng)濟(jì)上的原因。舊機(jī)床設(shè)備更新，支付很多費(fèi)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(duì)實(shí)力雄厚的大型企業(yè)也有極大的經(jīng)濟(jì)吸引力。第三是市場(chǎng)的原因。目前許多國(guó)家設(shè)備更

12、新所需的數(shù)控機(jī)床數(shù)量，按機(jī)床工業(yè)現(xiàn)狀是無力及時(shí)提供的。因此，機(jī)床“改造”就成為滿足機(jī)床市場(chǎng)需求的主要補(bǔ)足手段。第四是生產(chǎn)上的原因。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(jī)械制造業(yè)的基本特征，占有相當(dāng)大的比重。完成這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機(jī)床專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床，根據(jù)幾者的相比較，得知數(shù)控機(jī)床最能適應(yīng)這一需要。15 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)越特性和發(fā)展前景 數(shù)控機(jī)床之所以在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防尖端工業(yè)建設(shè)中占有重要的地位和作用，而且受到各國(guó)的重視，主要是數(shù)控機(jī)床具有如下的優(yōu)越性和發(fā)展前景：(1)能加工具有復(fù)雜形狀曲線或曲面的零件 數(shù)控機(jī)床可以加工傳統(tǒng)機(jī)床所不能加工的具有復(fù)雜形狀曲線或曲面的零件。如變

13、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(fù)精度的一致性 數(shù)控機(jī)床是按預(yù)先編制好的加工程序進(jìn)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(jī)床可以通過采用在線自動(dòng)補(bǔ)償(實(shí)時(shí)補(bǔ)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(jī)床上則是無法做到的。(3)稱為柔性自動(dòng)化加工裝備 數(shù)控機(jī)床被稱為柔性自動(dòng)化加工裝備。是因?yàn)橛脭?shù)控幾床加工零件時(shí)不需要制作專

14、用的模具或模板，加工對(duì)象(零件)的改變，也不用改變機(jī)床結(jié)構(gòu)裝置和進(jìn)行復(fù)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(jī)外預(yù)先編好。因此，大大減少了加工前的生產(chǎn)準(zhǔn)備和調(diào)整時(shí)間；另外，部分現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)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(dòng)上、下料，更換刀具和變速乃至檢測(cè)等功能。因比可以進(jìn)行混流加工(即在一臺(tái)機(jī)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(kuò)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(jī)床利用率也大大提高，最終導(dǎo)致加工成本的降低。數(shù)控機(jī)床的柔性具備了傳統(tǒng)輔鏜床

15、的萬能性和剛性自動(dòng)化機(jī)床的高效率性，兩種特性兼?zhèn)鋬?yōu)點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床除單臺(tái)機(jī)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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CMS)。(4)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化和較長(zhǎng)時(shí)間的“無人看管加工” 數(shù)控機(jī)床是由電腦控制的設(shè)備，在配有適當(dāng)?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(dòng)加工功能，而且具有對(duì)加工過程進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控、檢測(cè)、報(bào)警及修正誤差等功能。因此，可以實(shí)現(xiàn)白班有人看管和做好各種準(zhǔn)備工作后，二、三、班則可以在“無人看管”的條件下(國(guó)外稱為“熄燈生產(chǎn)”)進(jìn)行24小時(shí)乃至72小時(shí)的連續(xù)加工。這不僅改善了镕動(dòng)條件，解決了晚上和節(jié)假

16、日(含周六、周日)連續(xù)工作的問題，也大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，設(shè)備利用率，縮短生產(chǎn)周期和增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。(5)適應(yīng)信息化的發(fā)展 數(shù)控機(jī)床通過因特網(wǎng)(Intemet)、外聯(lián)目(Extranet)現(xiàn)在已可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷、維修，已初步具備遠(yuǎn)程控制和調(diào)度，進(jìn)行異地分散網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)的可能。從而為今后進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)制造過程網(wǎng)絡(luò)化、智能化提供必備的基礎(chǔ)條件。 第二章、數(shù)控機(jī)床改造的方法及原理21系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案的確定數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)，點(diǎn)位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對(duì)于刀具移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控制方式。例如數(shù)控鉆床，在工作臺(tái)移動(dòng)過程中鉆頭并不進(jìn)行鉆孔加工，因此數(shù)控系統(tǒng)可采用點(diǎn)

17、為控制方式。對(duì)點(diǎn)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(tái)或刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運(yùn)動(dòng)的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機(jī)床可以加工各種外形輪廓復(fù)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(yùn)動(dòng)方式。在點(diǎn)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(jì)算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻具有點(diǎn)位系統(tǒng)的功能。還有一些采用點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床，例如數(shù)控鏜床等，不但要求工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)坐標(biāo)，還要求工作臺(tái)沿坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)過程中切削工作。這種系統(tǒng)叫點(diǎn)位/直線系統(tǒng)。其控制方法與點(diǎn)位系統(tǒng)十分相似，故有時(shí)也將這兩種系統(tǒng)

18、統(tǒng)稱為點(diǎn)位控制系統(tǒng)22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(shè)有反饋電路，不帶檢測(cè)裝置，指令信號(hào)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，容易掌握，調(diào)試和維修都比較簡(jiǎn)單。目前國(guó)內(nèi)大力發(fā)展的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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(jī)床移動(dòng)部件上的檢測(cè)反饋元件來檢測(cè)實(shí)際 位移量，能補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，閉環(huán)系統(tǒng)造價(jià)高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場(chǎng)合。半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)不同，不直

19、接檢測(cè)工作臺(tái)的位移量，而是用檢測(cè)元件測(cè)出驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺(tái)實(shí)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。23執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定為確保控制系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，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(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：（1）盡量采用低摩擦的轉(zhuǎn)動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副，滾動(dòng)導(dǎo)軌，塑導(dǎo)軌等。（2）盡量消除傳動(dòng)間隙。例如采用消除齒輪等。（3）提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛減小傳動(dòng)鏈誤差。可采用預(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。24計(jì)算機(jī)的選擇微機(jī)數(shù)

20、控系統(tǒng)由CPU，存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路I/O接口電路，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)電路等幾部分組成。微機(jī)市數(shù)控系統(tǒng)的核心，其他裝置均是在指揮下進(jìn)行的。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用微機(jī)直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對(duì)微機(jī)的要求是多方面的，但主要指標(biāo)是字長(zhǎng)和速度。字長(zhǎng)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(yùn)算的精度。字長(zhǎng)較長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)，價(jià)格顯著上升，而字長(zhǎng)較短的計(jì)算機(jī)，要進(jìn)行雙字長(zhǎng)或三字長(zhǎng)的運(yùn)算，就會(huì)影響速度。目前一些高檔的CNC系統(tǒng)，已普遍使用32位微機(jī)，主機(jī)頻率由5MHz提高到20-30MHz，有的采用多CPU系統(tǒng)，減輕主CPU的負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步提高控制速度。標(biāo)準(zhǔn)型的CNC系統(tǒng)多使用16位微機(jī) ，經(jīng)濟(jì)型CNC系統(tǒng)則普遍采用8

21、位機(jī)?？刹捎肕CS-51系列單片微機(jī)。第三章、機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載，確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載起動(dòng)及切削力矩計(jì)算。確定伺服電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)，計(jì)算及選用，繪制機(jī)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(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，縱向和橫向均具有直線和圓狐插補(bǔ)功能，也具有升降功能。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：加工最大直徑：在床面上 400mm 在床鞍上 210mm最大加工長(zhǎng)度：1000mm溜板及刀架重量： 橫向W=80kgf=800N最大移動(dòng)速度（快進(jìn)）：1.2m/mi

22、n最大進(jìn)給速度（工進(jìn)）：0.22m/min主電機(jī)功率： 7.5kw起動(dòng)加速時(shí)間： 30ms橫向定位精度： 0.015mm1脈沖當(dāng)量根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，橫向：0.005mm/step32橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型3.2.1絲杠計(jì)算 1計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm（N），橫向?qū)к墳檠辔残螌?dǎo)軌 Z 1,J1Fm= kFy+f（Fz+G+2FX）= 1.15670+0.04（2680+800+21072）= 995.46 N 式中K-考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.4f，-滑動(dòng)導(dǎo)軌摩檫系數(shù)0.030.05 G-溜板及刀架重力：G=800N 2計(jì)算最大負(fù)載C： C = L= n=

23、式中L0-滾珠絲杠導(dǎo)程。初始L0=5mmVs-最大切削力下的進(jìn)給速度，可提高進(jìn)給速度（1/2-1/3）此處VS =0.22m/min T-使用壽命，按15000h；fw運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)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(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈。其額定動(dòng)負(fù)載為8800N，精度等級(jí)按表415選為3級(jí).4傳動(dòng)效率計(jì)算式子中r螺旋升角，W1L2005=4033 -摩擦角取10 滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.0030.004 =0.9655剛度驗(yàn)算：絲杠的拉伸或壓縮變形量1：L=FmL0EF=1

24、.410-4 =（2）珠滾與羅紋滾道間接觸變形2 。查圖4-7，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量Q ；因此進(jìn)行預(yù)緊，2=1/2q=3m （3）支撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形3， 3=2m 綜合以上變形量之和：計(jì)算如下 2=1+2+3=0.00815mm（定位精度）從上面計(jì)算可以看出，設(shè)計(jì)過程要反復(fù)修改參數(shù)，反復(fù)計(jì)算，才能達(dá)到滿足的要求。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(huì)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31 W1L2005滾珠絲杠幾何參數(shù) 名稱符號(hào)計(jì)算W1L2005螺紋滾道公稱直徑do標(biāo)準(zhǔn)20導(dǎo)程Lo標(biāo)準(zhǔn)5接觸角標(biāo)準(zhǔn) 4033鋼球

25、直徑dq標(biāo)準(zhǔn)3.915滾道法面直徑RR=0.52 dq1.651偏心矩ee=( R- dq/2)sin0.045螺紋升角=arc tg(Lo/do) 4033螺桿螺紋外徑dd= do-(0.20.25) dq19.4螺桿內(nèi)徑d1d1 = do +2e-2R16.788螺桿接觸直徑dzdz = do - dq cos16.835螺紋螺母螺紋直徑DD= do -2e+2R23.212螺母內(nèi)徑D1D1= do +(0.20.25) dq20.63533 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 3.3.1、橫向進(jìn)給齒輪傳動(dòng)比計(jì)算： 以確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量p=0.005，滾珠絲杠導(dǎo)程L0=5mm； 初選步進(jìn)電機(jī)步距角為0.75

26、0?？捎?jì)算出傳動(dòng)比i； i=(360 p)/(bL0) =(3600.01) (0.755) =0.48考慮結(jié)構(gòu)問題，不當(dāng)使大齒輪直徑過大，以免影響橫向溜板有效行程，故用兩級(jí)齒輪將速：可選齒輪齒數(shù)為i= Z1 =24 Z2=40 Z3 =20 Z4=25 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)請(qǐng)參照表32表32 傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù)齒 數(shù)24402025分度圓d=mz48804050齒頂圓da=d+2m52844454齒根圓df=d-21.25m43753545齒 寬( 68)m20202020中心矩A=( d1+d2)/2644534 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型3.4.1等效傳動(dòng)慣量計(jì)算

27、： 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的傳動(dòng)慣量J(cm2)可由下式計(jì)算： J=JM+J1+( Z1/Z2)2（J2+Js）+(G/g) (L0/2)2 式中JM-步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子傳動(dòng)慣量(cm2)； J1 ，J2-齒輪Z1，Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(cm2)；Js-滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(cm2)； 參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)慣量JM =10cm2； J1=0.7810-3d14L1 =0.7810-36.442 =2062cm2 J2=0.7810-3d24L2 =0.7810-3842 =6.39cm2 Js=0.7810-344150 =29.952cm2 G=800N 代如上式： J

28、=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 =36.478cm2 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問題 JM/ J=10/36.478 =0.274 基本滿足匹配的要求。2電機(jī)力矩計(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)力矩M起 在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： M起=Mamax+Mf+M0 Mamax= J = Jnmax(60/2) ta10-2= J(2nmax10-2)/(60ta) n

29、max =(vmax/p)(b/3600) 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號(hào)意義同前。 nmax =(vmax/p)(b/3600) =（2400/0.01）（0.75/360） =500r/min 起動(dòng)加速時(shí)間ta=30ms； Mamax= J(2nmax10-2)/(60ta) =636.3Ncm 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩Mf： Mf=(F0L0)/( 2i) =f(Fz+G) L0/ 2( Z1/Z2) =0.16(5360+1000) 0.6/( 20.8 1.25) =97 Ncm 附加摩擦力矩M0 M0 =(Fp0L0)/ (2i) =(1/3FmL0)/ 2( Z1/Z2)(1-02)

30、=(1/325600.6) (20.81.25) (1-0.92)=15.5Ncm 上述三項(xiàng)合計(jì)： M起=Mamax+Mf+M0 =634+97+15.5 =747 Ncm （2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩M快 M快 = Mf+M0=97+15.5=112.5 Ncm (3)最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩M切 M切= Mf+M0+Mt= Mf+M0+(FxL0)/( 2i)=97+15.5+(13400.6)/ (20.81.25)=240.5 Ncm從上面計(jì)算可以看出： M起 ， M快和M切三種工況下，以快速空載起動(dòng)力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為 =Mq/Mjmax=0.951最

31、大靜力矩Mjmax =747/0.951 =785 Ncm按此最大靜轉(zhuǎn)矩查出，150BF002型最大轉(zhuǎn)矩為13.72Nm，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。3計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作效率 fk=(1000 vmax)/(60p) =(10002.4) (600.001) =4000Hz fe=(1000 vs)/(60p) =(10000.6) (600.01) =1000 Hz150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為2800 Hz，運(yùn)行頻率為8000 Hz，再?gòu)膱D4-18中查出150BF002步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性

32、和運(yùn)行矩頻特性曲線如圖4-22所示。 從圖（4-22a）看出， 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，f起=2500 Hz時(shí)， M=100 Ncm ，運(yùn)行不能滿足此機(jī)床所要求得空載起動(dòng)力矩（747 Ncm）直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），將起動(dòng)頻率降到1000 Hz時(shí)，起動(dòng)力矩可增高到588.4 Ncm，然后在電路上在采用低壓驅(qū)動(dòng)帶內(nèi)陸，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。 啟動(dòng)矩頻特性圖3-1 運(yùn)行矩頻特性圖32當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性圖32完全可以滿足要求。 第四章、單片機(jī)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容4.1電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案機(jī)床硬件電

33、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。（3）存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。（4）接口：即I/O輸入/輸出接口電路。（5）外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機(jī)等。見下圖圖414.2 主控制器803140根引腳按其功能可以分為四類：1電源線：2根 Vcc VssVcc：編程和正常操作時(shí)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(shí)必須接地。振蕩器的反相放大器輸出和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào)。3. I/O口共有P0、P1、P

34、2、P3四個(gè)8位口，32根I/O線。其功能如下：（1） P0.0P0.7(AD0AD7)是I/O端口0的引腳。（2）P1.0P1.7是端口1的引腳，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。 （3）P2.0P2.7(A8A15)是端口2的引腳。（4）P3.0P3.7是端口3的引腳4控制線（1）PSEN：程序存儲(chǔ)器的使用引腳，是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，低電平有效。從外部程序存儲(chǔ)器取數(shù)時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)二次有效。 （2）EA/VPP: EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。（3）ALE/PAOG: ALE是地址所存儲(chǔ)能信號(hào)。（4）RST/VPP:是復(fù)位/備用電源端。由于單片

35、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(jī)允許擴(kuò)展64K程序存儲(chǔ)器和64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（包括I/O口芯片），這樣就需要擴(kuò)展多個(gè)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(chǔ)器各芯片之間，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，避免發(fā)生沖突。當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時(shí)地與各個(gè)外圍新品進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，首先要進(jìn)行偏選（指選中某一個(gè)芯片）。而當(dāng)片內(nèi)有多字節(jié)單元時(shí)，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。8031單片機(jī)共有四

36、個(gè)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(yīng)用系統(tǒng)中都需要擴(kuò)展I/O口芯片。本設(shè)計(jì)采用8155：可編程的RAM/IO擴(kuò)展接口電路（有256個(gè)RAM單元、2個(gè)8位口、1個(gè)6位口、1個(gè)14位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器）。 8031單片機(jī)允許擴(kuò)展64K程序存儲(chǔ)器和64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（包括I/O口芯片），這樣就需要擴(kuò)展多個(gè)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(chǔ)器各芯片之間，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，避免發(fā)生沖突。當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時(shí)地與各個(gè)外圍新品進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，首先要進(jìn)行偏選（指選中某一個(gè)芯片）。而

37、當(dāng)片內(nèi)有多字節(jié)單元時(shí)，還要進(jìn)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(hào)。2764（1）、2764（2）、6264、8155（1）和8155（2）的片選信號(hào)分別接到譯碼器的Y0Y4,74LS138的輸入A、B、C分別接8031的P2.5、P2.6、P2.7。4.4 存儲(chǔ)器由于2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線，A0A7低8位接74LS373芯片的輸出。A8A12接8031芯片的P2.0P2.A，74LS373地址鎖存器在選通信號(hào)ALE在高電平時(shí)直接傳送8031P0口低8位地址，當(dāng)ALE在高電平變低電平的下降沿時(shí)，低8位地址鎖存器，此時(shí)，P0口可用來向

38、片外傳送讀寫數(shù)據(jù)。4.5 I/O接口控制芯片以及外設(shè)連接說明 8155（2）PA.0PA.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(dòng)縱向和橫向步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行速度慢一些，但可以省去兩個(gè)硬件環(huán)形分配器，電路比較簡(jiǎn)單，由于步進(jìn)電機(jī)的每一相繞組需和一個(gè)I/O接口相連，以便與控制寄存器中某一指定相位對(duì)應(yīng)，因此，占用的I/O口數(shù)量較多。8155（2）的PC.0PC.5作為顯示器位選信號(hào)，顯示器的段選信號(hào)則由8031的P1.0P1.7發(fā)出，8155的PB.0PB.3是鍵盤掃描輸入。行程限位報(bào)警信號(hào)+Z,-Z,+X,-X分別通過8155（2）的PB

39、.4,PB.5,PB.6,PB.7提出中斷請(qǐng)求，根據(jù)不同的中斷口可以直接識(shí)別行程的方向，此時(shí)相應(yīng)的紅燈報(bào)警。8155小的PC.0PC.3接自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架（四方刀架），自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架需要換刀時(shí)，由PC.0PC.3發(fā)出換位信號(hào)，經(jīng)交流控制箱控制刀架電機(jī)回轉(zhuǎn)，到達(dá)指定的刀位。刀架夾緊后，即發(fā)出回答信號(hào)，表示已完成換刀過程，可以進(jìn)行切削加工。換刀回答信號(hào)經(jīng)8155（1）的PB.5輸入計(jì)算機(jī)，控制刀架開始進(jìn)給。8155（1）PA.0PA.5接控制面板上的控制開關(guān)，設(shè)有編輯空運(yùn)行、自動(dòng)、手工（I）、手工（II）、回零等選著方式。8155（1）PB.0PB.4接控制面板上的按鈕開關(guān)，設(shè)有啟動(dòng)、暫停、單段運(yùn)行、連

40、續(xù)運(yùn)行、急停等操作功能?？偨Y(jié)通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，完成了對(duì)普通機(jī)床橫向的數(shù)控化改造，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)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(shè)計(jì)又一次鍛煉了我獨(dú)立思考，深入研究及和別人融洽配合等的能力。同時(shí)讓我學(xué)會(huì)了查閱資料的方法，使我也認(rèn)識(shí)搞好各自的工作不僅需要個(gè)人的獨(dú)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(duì)普通機(jī)床改造進(jìn)行了認(rèn)真的設(shè)計(jì)，是我深刻的認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)越性，以及數(shù)控機(jī)床在整個(gè)制造業(yè)中所起的重要作用。也希望我國(guó)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(jī)床整機(jī)等的具體技術(shù)途徑。我們衷心希望，我國(guó)科技界、產(chǎn)業(yè)界和教育界通力合作，把握好知識(shí)經(jīng)濟(jì)

41、給我們帶來的難得機(jī)遇，迎接競(jìng)爭(zhēng)全球化帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，為在21世紀(jì)使我國(guó)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)走向世界的前列，使我國(guó)經(jīng)濟(jì)繼續(xù)保持強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭而共同努力奮斗！同時(shí)在設(shè)計(jì)中，我也發(fā)現(xiàn)自己的不足。這次設(shè)計(jì)缺乏實(shí)踐基礎(chǔ)，再加上我們的能力有限，在設(shè)計(jì)中難免有考慮不周之處，還有代于實(shí)際調(diào)試中不斷完善。這將是我今后努力和學(xué)習(xí)的方向。指導(dǎo)老師在設(shè)計(jì)中給予關(guān)鍵性的指導(dǎo)與幫助。再此我表示感謝！不過，由于我個(gè)人對(duì)知識(shí)的疏淺和經(jīng)驗(yàn)不足，難免還會(huì)有很多不足之處，請(qǐng)老師批評(píng)與指正。 參考文獻(xiàn)1綜合作業(yè)指導(dǎo)書 郝忠軍 雷小玲 機(jī)械工業(yè)出版社 2機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)自學(xué)指導(dǎo) 董景新 機(jī)械工業(yè)出版社3機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 汪興橋 何伯吹 機(jī)械工業(yè)出版社4機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)改5機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 李海平 機(jī)械工業(yè)出版社6單片機(jī)原理及接口技術(shù) 胡漢才 清華大學(xué)出版社7單片微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 徐長(zhǎng)貴 機(jī)械工業(yè)出版社8微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)實(shí)用教程 史德才 清華大學(xué)出版社