CA6140車床橫向進給改造的設計論文

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.41.1數(shù)控機床的概述.4 1.2數(shù)控機床的發(fā)展.41.3二十一世紀初切削加工技術發(fā)展的主要趨勢.51.4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 2.2伺服系統(tǒng)的選擇.8 2.3執(zhí)行機構傳動方式的確定.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.103.2滾珠絲杠螺母副的計算和選型.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.22 4.4 存儲器.224.5 I/O接口控制芯片以及外設連接說明.22總結.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、 數(shù)控機床改造的目的11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，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，主軸驅動及進給驅動裝置等部分。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，在先進制造技術領域里起著至關重要的作用。12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)控技術在車床，銑床，鉆床，鏜床，磨床，齒輪加工機床。電加工機床等得到應用，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，更是制造高質量、高效率、高一致性產(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、新工藝、新結構、新配件不斷涌現(xiàn)，各個領域不斷提出新的要求，這一切都使得機床的結構、性能千變萬化。計算機技術的高速發(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)控機床的技術與知識，加深數(shù)控機床使用與維修理念上的認識。13 21世紀初切削加工技術發(fā)展的主要趨勢21世紀，我們正處于制造技術快速發(fā)展的時期。隨著制造技術的發(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、提供成套技術為特征的發(fā)展新階段。其主要趨勢有四個方面：(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，這是制造技術為提高加工效率和質量、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，促進制造技術的發(fā)展是現(xiàn)代切削技術發(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、結構、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、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。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”是新世紀切削加工發(fā)展的重要課題。14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，要求制造技術向自動化及精密化前進。而刀具材料和電子技術卻有很大進步，特別是微電子技術，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（主要是數(shù)控技術）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，不僅為資金不充沛的小型企業(yè)技術改造開創(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。15 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整，因此不受操作工人的技術水平和情緒的影響，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，也不用改變機床結構裝置和進行復雜的調整，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?zhèn)鋬?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條件。 第二章、數(shù)控機床改造的方法及原理21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，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)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)主要由步進電機驅動。開環(huán)伺服系統(tǒng)結構簡單，成本低廉，容易掌握，調試和維修都比較簡單。目前國內大力發(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)多采用直流伺服電機驅動或交流伺服電機驅動，閉環(huán)系統(tǒng)造價高，結構和調試較復雜，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動軸的轉角，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。23執(zhí)行機構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。（3）提高系統(tǒng)剛度。縮短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛減小傳動鏈誤差?？刹捎妙A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。24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。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 400mm 在床鞍上 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： ±0.015mm1脈沖當量根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量，橫向：0.005mm/step32橫向進給滾珠絲杠螺母副的計算和選型3.2.1絲杠計算 1計算進給牽引力Fm（N），橫向導軌為燕尾形導軌 Z 1,J1Fm= kFy+f（Fz+G+2FX）= 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=1.4f，-滑動導軌摩檫系數(shù)0.030.05 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=5mmVs-最大切削力下的進給速度，可提高進給速度（1/2-1/3）此處VS =0.22m/min T-使用壽命，按15000h；fw運轉系數(shù)，按一般運轉取fw=3-1.5；L-壽命，以106轉為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415選為3級.4傳動效率計算式子中r螺旋升角，W1L2005=4033 -摩擦角取10 滾動摩擦系數(shù)0.0030.004 =0.9655剛度驗算：絲杠的拉伸或壓縮變形量1：L=±Fm×L0E×F=1.4×10-4 =（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 ；因此進行預緊，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：計算如下 2=1+2+3=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。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31 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接觸角標準 4033鋼球直徑dq標準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螺母內徑D1D1= do +(0.20.25) dq20.63533 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p=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； i=(360 ×p)/(b×L0) =(360×0.01) ÷(0.75×5) =0.48考慮結構問題，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。有關參數(shù)請參照表32表32 傳動齒輪幾何參數(shù)齒 數(shù)24402025分度圓d=mz48804050齒頂圓da=d+2m52844454齒根圓df=d-2×1.25m43753545齒 寬( 68)m20202020中心矩A=( d1+d2)/2644534 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J(·cm2)可由下式計算： J=JM+J1+( Z1/Z2)2（J2+Js）+(G/g) ×(L0/2)2 式中JM-步進電機轉子傳動慣量(·cm2)； J1 ，J2-齒輪Z1，Z2的轉動慣量(·cm2)；Js-滾珠絲杠轉動慣量(·cm2)； 參考同類型機床，初選反應式步進電機150BF，其轉子轉慣量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 Js=0.78×10-3×44×150 =29.952·cm2 G=800N 代如上式： J=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/ J=10/36.478 =0.274 基本滿足匹配的要求。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= J× = J×nmax÷(60/2) ×ta×10-2= J×(2nmax×10-2)/(60×ta) nmax =(vmax/p)×(b/3600) 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。 nmax =(vmax/p)×(b/3600) =（2400/0.01）×（0.75/360） =500r/min 起動加速時間ta=30ms； Mamax= J×(2nmax×10-2)/(60×ta) =636.3N·cm 折算到電機軸上的摩擦力矩Mf： Mf=(F0×L0)/( 2i) =f(Fz+G) ×L0/ 2( Z1/Z2) =0.16(5360+1000) ×0.6/( 2×0.8 ×1.25) =97 N·cm 附加摩擦力矩M0 M0 =(Fp0×L0)/ (2i) =(1/3×Fm×L0)/ 2( Z1/Z2)(1-02)=(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 （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)/( 2i)=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 =Mq/Mjmax=0.951最大靜力矩Mjmax =747/0.951 =785 N·cm按此最大靜轉矩查出，150BF002型最大轉矩為13.72N·m，大于所需最大靜轉矩，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×p) =(1000×2.4) ÷(60×0.001) =4000Hz fe=(1000× vs)/(60×p) =(1000×0.6) ÷(60×0.01) =1000 Hz150BF002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動帶內陸，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32當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻特性圖32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。（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，是一個帶內部上拉電阻的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，在每個機器周期內二次有效。 （2）EA/VPP: EA為高電平時，CPU執(zhí)行內部程序存儲器。（3）ALE/PAOG: ALE是地址所存儲能信號。（4）RST/VPP:是復位/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）。而當片內有多字節(jié)單元時，還要進行片內地址選擇。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）。而當片內有多字節(jié)單元時，還要進行片內地址選擇。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Y0Y4,74LS138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，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ALE在高電平時直接傳送8031P0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.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.0PC.5作為顯示器位選信號，顯示器的段選信號則由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.0PC.3接自動回轉刀架（四方刀架），自動回轉刀架需要換刀時，由PC.0PC.3發(fā)出換位信號，經(jīng)交流控制箱控制刀架電機回轉，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.0PA.5接控制面板上的控制開關，設有編輯空運行、自動、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，設有啟動、暫停、單段運行、連續(xù)運行、急停等操作功能?？偨Y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，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 胡漢才 清華大學出版社7單片微型計算機應用技術 徐長貴 機械工業(yè)出版社8微型計算機接口技術實用教程 史德才 清華大學出版社