1目 錄引言 31 概述 41.1 設(shè)計的目的 .41.2 設(shè)計任務(wù) .41.3 設(shè)計的必要性 .41.3.1 數(shù)控改造目的 .41.3.2 數(shù)控改造的優(yōu)點 .52 總體方案設(shè)計 52.1 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 .52.2 計算機系統(tǒng) .52.3 機械傳動方式 .52.3.1 縱向滾珠絲杠 62.3.2 橫向滾珠絲杠 62.3.3 總體方案 73 進給伺服系統(tǒng)設(shè)計 73.1 縱向進給伺服系統(tǒng) 83.1.1 計算進給牽引力 Fm(N) 83.1.2 計算最大動載荷 C93.1.3 滾珠絲杠螺母副的傳動效率計算 103.1.4 剛度驗算 103.1.5 穩(wěn)定性校核 113.2 橫向進給伺服系統(tǒng) .113.2.1 計算進給牽引力 11mF?3.2.2 計算最大動負載 C.123.2.3 選擇滾動絲杠螺母副 .123.2.4 傳動效率計算 .133.2.5 剛度驗算 133.2.6 穩(wěn)定性校核 .153.3 齒輪傳動比計算 .1623.3.1 縱向進給齒輪 箱傳動比計算 163.3.2 橫向進給齒輪箱傳動比計算 .163.4 步進電機的選型 .173.4.1 縱向進給步進電機 .173.4.2 橫向步進電機 .213.4.3 計算步進電機空載啟動頻率和工作時的頻率 244 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)置 .244.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 244.2 選擇 CPU 的類型 .254.3 74LS138 CPU 和存儲器 .264.4 I/O 接口電路 264.5 軟件環(huán)行分配器 .274.6 控制系統(tǒng) .274.7 其它輔助電路 .28參考書目 29致 謝 30外文翻譯 313引言 隨著市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，特別是我國加入ＷＴＯ以后，企業(yè)要在當前市場需求多變、競爭激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最低價格、最好的質(zhì)量、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機床已不適應(yīng)多品種、小批量的生產(chǎn)要求，數(shù)控機床則綜合了數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、自動檢測技術(shù)等先進技術(shù)，最適宜加工小批量、高精度、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要更換零件加工程序，無需對機床作任何調(diào)整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。而且我國存在大批普通機床，利用數(shù)控系統(tǒng)改造機床是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率,提高舊設(shè)備利用率，推廣機電一體化技術(shù)的重要手段。數(shù)控機床在機械加工行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。數(shù)控機床的發(fā)展，一方面是全功能、高性能;另一方面是簡單實用的經(jīng)濟型數(shù)控機床，具有自動加工的基本功能，操作維修方便。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為驅(qū)動元件，無檢測反饋機構(gòu)，系統(tǒng)的定位精度一般可達±0 01 至 0 02ｍｍ ，已能滿足普通零件的精度要求。普通車床經(jīng)過多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大，主要傳動零件幾經(jīng)更換和調(diào)整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達到大修驗收標準，而且費用較高。因此合理選擇數(shù)控系統(tǒng)是改造得以成功的主要環(huán)節(jié)。數(shù)控機床的改造目的是要求機床穩(wěn)定可靠，以盡可能低的故障率運轉(zhuǎn)。普通車床應(yīng)用微機控制系統(tǒng)進行改造，可以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，減輕操作者的勞動強度。1 概述1.1 畢業(yè)設(shè)計的目的通過畢業(yè)設(shè)計，學(xué)習(xí)系統(tǒng)地綜合運用知識和技能解決實際工程問題的本領(lǐng)，鞏4固和加深對所學(xué)知識的理解，并且在設(shè)計過程中擴大和補充了知識面，使對知識的認識提高到一個新的水平。通過畢業(yè)設(shè)計，培養(yǎng)調(diào)查研究的習(xí)慣和能力，練習(xí)查閱資料，合理選擇計算標準，建立正確的設(shè)計和科研思想，加強科學(xué)性，牢固樹立實事求是和嚴肅認真的工作態(tài)度。1.2 設(shè)計任務(wù)將一臺普通 C620 車床改造為經(jīng)濟型數(shù)控機床，利用微機對縱、橫進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，驅(qū)動元件采用直流步進電機，傳動機構(gòu)采用滾珠絲杠，設(shè)計控制電路圖。1.3 設(shè)計的必要性隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加快，因此，對機床的要求不僅要具有較高的精度和生產(chǎn)率，而且還要能適應(yīng)產(chǎn)品零件的變換。生產(chǎn)的需要促使了數(shù)控機床的發(fā)展。從第一臺數(shù)控機床問世至今，世界上主要的工業(yè)化國家的數(shù)控機床已進入批量生產(chǎn)。隨著我國加入 WTO，我國數(shù)控技術(shù)的普及和發(fā)展顯得更加迫切和需要。這種情況下，普通機床的數(shù)控改造十分必要，可以從以下幾點說明：1.3.1 數(shù)控改造目的數(shù)控改造一般指對不同機床某些部位做一定的改造，配上數(shù)控裝置，從而使機床具有數(shù)控加工能力。其改造的目的有以下幾點：(1)從提高資本效率出發(fā)，改造閑置舊設(shè)備，發(fā)揮機床的原有功能和改造后的新增功能，提高機床的使用價值；(2)為提高生產(chǎn)效率；(3)為適應(yīng)多品種，小批量零件的生產(chǎn)；(4)有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性；(5)為減小整個設(shè)備投資計劃。1.3.2 數(shù)控改造的優(yōu)點(1)穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量；(2)減少輔助加工時間，提高機床生產(chǎn)效率；(3)降低工人技術(shù)等級的要求；(4)可充分利用原有機床設(shè)備，費用低；5(5)數(shù)控改造周期短，可滿足生產(chǎn)急需。2 總體方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇選用連續(xù)控制系統(tǒng)。由于本機加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的，輸入裝置把信號輸給數(shù)控裝置，經(jīng)數(shù)控裝置運算后分配出指令脈沖，通過步進電機驅(qū)動工作臺移動。由于該系統(tǒng)無位置和速度檢測裝置，因此，它的精度主要由步進電機的步距角和與之相連的絲杠等傳動機構(gòu)的傳動精度決定。2.2 計算機系統(tǒng)根據(jù)機床要求，采用 8 位微機。由于 MCS–51 系列單片機具有集成度高 ,成本低，可靠性好，功能強，速度快，運用靈活，抗干擾能力強，適應(yīng)溫度范圍寬，具有很高的性能價格比等特點，決定采用 MCS–51 系列的 8031 單片機擴展系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由微機部分，RAM、ROM、鍵盤及顯示器、I/O 接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作，采用數(shù)碼管顯示器顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。2.3 機械傳動方式為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速后，再帶動絲杠，為了保證一定的傳動精度和傳動平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要消除齒側(cè)間隙。2.3.1 縱向滾珠絲杠縱向滾珠絲杠的步進電機可布置在機床的任意一端。拆除原機床縱向進給部分的進給箱，溜板箱，滑動絲杠，光杠，利用原機床進給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。這里選用 W1L4506 型外循環(huán)插管式滾珠螺母副。滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置上，在絲杠的左端采用一對深溝球軸承和一對推力球軸承，在絲桿的右端采用一個深溝球軸承和一個推力球軸承。支承短軸與滾珠絲杠的右端通過聯(lián)軸套和減速器的輸出軸聯(lián)結(jié)起來。在絲杠托架上布置一個軸套式滑動軸承作為徑向支承，減速箱固定在絲杠托架上。絲杠中間支承為滾珠螺母，其與床鞍直接聯(lián)結(jié)。這種改造6能減少改造工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而使縱向進給總體剛度增加。2.3.2 橫向滾珠絲杠橫向進給部分也采用滾珠絲杠代替原來的滑動絲杠，橫向齒輪減速箱和步進電機一般都安裝在床鞍的右端，滾珠絲杠須用蓋板保護，并拆除原來的方刀架，換為自動回轉(zhuǎn)刀架，由計算機控制，根據(jù)程序自動轉(zhuǎn)位、夾緊。電機經(jīng)兩對齒輪減速后傳動滾珠絲杠螺母副，這里選用 W1L2505 型外循環(huán)插管式滾珠螺母副，滾珠絲杠左端支承采用一對深溝球軸承，右端采用一對深溝球軸承和一對推力球軸承。裝配時應(yīng)注意使齒輪箱體中的絲杠中心與床尾軸承座中心線安裝基面尺寸一致，以保證水平面內(nèi)絲杠與導(dǎo)軌平行。齒輪箱體在床身上安裝螺釘?shù)奈恢门c床尾軸承座螺釘在床身上的安裝位置也須根據(jù)床身的具體情況確定，以保證在垂直面內(nèi)絲杠與導(dǎo)軌平行。為保證滾珠絲杠傳動平穩(wěn)、輕快，必須使?jié)L珠絲杠螺母座與絲杠兩端支承同軸，裝配時可以修磨墊片來保證螺母座在水平面內(nèi)與兩端支承同軸。垂直面內(nèi)的同軸度靠螺釘?shù)倪^孔來調(diào)整，調(diào)好后，打入銷釘。2.3.3 總體方案如圖 2-1：圖 2-1 總體方案框圖73 進給伺服系統(tǒng)設(shè)計將一臺 C620 普通車床改造為經(jīng)濟型數(shù)控車床，采用 MCS-51 系列單片機作為控制系統(tǒng)，步進電機開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補功能，具有升降速控制功能。其主要設(shè)計參數(shù)如下最大加工直徑： 在床面上 400mm在床鞍上 210mm加工最大長度： 1000mm溜板及刀架重力：縱向: 1000N 橫向: 600N刀架快進速度： 縱向：2.4 m/min橫向：1.2 m/min最大進給速度： 縱向：0.6 m/min橫向：0.3 m/min主電機功率： 7.5kw起動加速時間： 30 ms機床定位精度： ±0.015 mm此機床進給伺服系統(tǒng)運動及動力計算如下：1）脈沖當量選取縱向：0.01 mm/脈沖橫向：0.005 mm/脈沖2）切削力的計算由于改造的是通用車床，所以切削力選擇的范圍如下(1)縱車外圓：主切削力 Fz(N)按經(jīng)驗公式估算：Fz=0.67D max=0.67×4001.5= 5360N5.1Dmax—車床床身上加工最大直徑按切削力各力比例Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4Fx=5360×0.25=1340NFy=5360×0.4=2144N8(2)橫向端面：主切削力 F z(N)可取縱切的 1/2'F z=1/2Fz=2680 N'此時走刀抗力 F y(N)，吃刀抗力為 F x(N)。仍按上述比例粗略計算：' 'F y=2680×0.25=670N'F x=2680×0.4=1072 N'(3)滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算和選型滾珠循環(huán)選型：由于是經(jīng)濟性數(shù)控機床，要考慮其性能價格比。因此，選用外循環(huán)插管式滾珠絲杠。3.1縱向進給伺服系統(tǒng)3.1.1 計算進給牽引力F m(N) 作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力 Fx 以及溜板、刀架和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。C620 車床的兩條縱向?qū)к?，屬于綜合型導(dǎo)軌，因此，計算公式可確定如下：縱向： F =K×Fx +f ( Fz +G) m'=1.5×1340+0.16×(5360+1000)=2558.6NK—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌 K 取 1.5；f —滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，0.15~0.18 ，取 0.16；'G—溜板及刀架的重力，縱向 G=1000N。3.1.2 計算最大動載荷C選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定的軸負荷作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)10000 轉(zhuǎn)后，再它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即為該絲杠所承受的最大動負載 C MFfL?3?061LVnTs??9L —壽命以 106 轉(zhuǎn)為 1 單位；n — 滾珠絲杠轉(zhuǎn)速；L0—滾珠絲杠導(dǎo)程，L 0 取 6mm；T—為使用壽命，T=15000h ；Fω—運轉(zhuǎn)系數(shù)， Fω=1.2；Vs—最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的 1/2 ～1/3, 此處取 Vs =0.6mm/s。所以 min/506.10rLVns ???466?TNFfCM8.1092532.433 ????查表得出滾珠絲杠螺母副 W1L4506 型外循環(huán)螺紋的雙螺母滾珠絲杠副，1 列 2.5圈，其額定動載荷為 17100N,精度等級取 3 級。3.1.3 滾珠絲杠螺母副的傳動效率計算 93.0)126tan()t('''???????rr— 絲杠螺旋升角，W 1L4506 型 = ；?'26?—摩擦角，滾珠絲杠副其摩擦角約為 。'13.1.4 剛度驗算縱向進給滾珠絲杠支承方式如圖 3-1 所示：10圖 3-1 縱向進給滾珠絲杠支承方式最大牽引力為 2558.6N，支承間距=1500mm，絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向力的 1/3,為 852.87N。(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量 δ 1 （mm）L=1500 mmFm=2558.6 N， D0=40 mm由表查得：δ L/L0=1.25×10-5δ=δ 0/L0×L =1.25×10-5×1500=1.875×10-2 mm由于采用推力球軸承，且絲杠又進行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可提高 4 倍，其實際變形量 δ 1 （mm）δ 1=1/4δ=1/4×1.875×10 -2=0.45×10-2 mm (2) 滾球與螺紋滾道間的接觸變形 δ 2（mm）此項在總變形中也占有較大的比重，查表知 1 列 2.5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 δ Q，δ Q=6.4μm,因進行了預(yù)緊，其變形量可減少一半，δ 2=1/2δ Q=1/2×6.4=3.2 μm(3) 支承滾球絲杠的軸承的軸向接觸變形 δ 3（mm）采用 51207 型推力球軸承，滾動體直徑 do =6.35 mm，滾動體數(shù)量 Z=18， d=35 mm mZdFQmC 076.1835.620.052. 232 ??????因施加了預(yù)緊力，故δ 3=1/2δ c=1/2×0.0076=0.0038 mm根據(jù)以上計算δ=δ 1+δ 2+δ 3=0.0045+0.0032+0.0038=0.0115mmδ ，可以滿足要求?？紤]到此經(jīng)濟型數(shù)控車床有可能使用較大的切削maxTj用量，應(yīng)該選稍大轉(zhuǎn)矩的步進電機，以留有一定的余量。另一方面，與國內(nèi)同類型機床進行類比，決定采用 150BF002 步進電機。但從圖中看出， 150BF002 步進電機最高起動頻率為 2800Hz，不能滿足 (4000 Hz)的要求，此項指標可暫不考慮，可kf以采用軟件升降程序來解決。2) 校核步進電機轉(zhuǎn)矩cmNTqm???723.061.max7259.0.95.1qTj Ncm???19(1)等效轉(zhuǎn)動慣量計算計算簡圖見圖 3-1，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量( )可由下2cmkg?式計算：= JM+ J1+(Z1/Z2)2［(J 2+ Js)+G/g(L0/2π) 2］JM—步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 ( )；2cmkg?J1，J 2—齒輪 Z1、Z 2 的轉(zhuǎn)動慣量( )；Js—滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 ( )。2?參考同類型機床初選反應(yīng)式步進電機 150BF002，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 JM=102cmkg?J1=0.78×10-3× ·l1=0.78×10-3×6.44×2=2.62 4d 2cmkg?J2= 0.78×10-3× ·l2=0.78×10-3×84×2=6.39 Js= 0.78×10-3×44×150=29.952 2ckg?G=1000N代入上式：= JM+ J1+(Z1/Z2)2［(J 2+ Js)+G/g(L0/2π) 2］=10+2.62+(32/40)2×［(6.39+29.952)+1000/9.8 ×( ) ］?6.02=36.475 2cmkg?考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題：J M/ J∑ =10/36.475=0.274基本滿足慣量匹配要求。(2) 電機力矩的計算a 快速空載起動時所需力矩 M 起M 起 =Mamax+ Mf+ M0Mamax—空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩( )；cmN?Mf—折算到電機軸上的摩擦力矩( )；cN?M0—折算到電機軸上的附加摩擦力矩。 2max2maxmax 1061026???? ????tnJtnJ???5307.1.4360axma?bVn??—電機最大角加速度（rad/s 2） ；??J??20—電機最大轉(zhuǎn)速 (r/min)；maxn—運動部件最大快進速度（mm/min） ；Vδ P—脈沖當量（mm/步） ；θ b—步進電機的步距角（°） ；t0—運動部件從停止起動加速到最大快進速度所需時間（ s）代入上式得cmNMa ?????3.6103.605247.32mx?折算到電機軸上的摩擦力矩 ：f cilGfiLFzf ????? 2.975.1802)(.2)(00 ???F0—導(dǎo)軌的摩擦力 (N)；F —垂直方向的切削力 (N)；zG—運動部件的總重量(N)；—導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；'fi — 齒輪降速比，按 i= 計算；12zη—傳動鏈總效率，一般取 0.75~0.85。折算到電機軸上的附加摩擦力矩 M0 ： cmNilFMp ???????? 482.159.068)9.01(25.82631)(2. 200???—滾珠絲杠預(yù)加負荷，一般取 1/3 F ；0p m—傳動總效率；一般可取 =0.7~0.85，此處取 0.8；?—滾珠絲杠的傳動效率，一般取 0.9，此處取 0.9。0?0?以上三項合計： cNMfax ?????? 74982.15973.60起b 快速移動時所需力矩： cmf ?.482.15970快c 最大切削負載時所需力矩 M 切 cmNilFMxftf ????????? 7.2405.1802634.1597200 ???切21由上面的計算可以看出：M 起 ，M 快 和 M 切 三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以作為初選步進電機的依據(jù)。由資料查得當步進電機為五相十拍時λ=M q / Mjmax=0.951最大靜力矩 Mjmax=749/0.951=787.6 cmN?由資料知 150BF002 型步進電機的最大靜力矩為 13.72 大于所需最大靜轉(zhuǎn)N?矩，可作為初選型號。圖 3-5 150BF002 型步進電機矩頻特性從圖 3-5 中看出 150BF002 型步進電機允許的最高空載起動頻率為 2800Hz 運行頻率為 8000Hz，有圖 3-5 知當步進電機起動時 f 起 =2500Hz 時，M=100 ，cmN?遠不能滿足此機床所需要的空載起動力矩（749 ） 。直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)cmN?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 1000Hz 時，起動力矩可增加到 588.4 ，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可將步進電機輸cmN?出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，150BF002 型步進電機完全可以滿足要求。3.4.2 橫向步進電機1) 等效轉(zhuǎn)動慣量的計算計算簡圖見圖 3-2 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動可由下式計算：).(2cmkgJ?f(Hz)M( )cmN?20001000196.1392.3588.1150BF002 起動矩頻性特性 150BF002 運行矩頻特性性f(Hz)M( )c?100005000490.3980.71225.888.8822?????????? ????????????????? 2042321 )()?LgGJzZJZJJ sMJM—步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量；Js—滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量；J4—齒輪 Z4 的轉(zhuǎn)動慣量；J1、J 2、J 3、— 齒輪 Z1、Z 2、 Z3 的及其軸的轉(zhuǎn)動慣量。參考同類型機床，初選步進電機 130BF001，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM=4.7 2cmkg?82.0.41078.1078. 31431 ???????Ld 2cmkg?39622 9433?J 2cmkg?75010784643????s 2?NG6?????????? ???????????????? 2042321 )()5040?LgGJJJ sM ????????????? 22 )5.(8.965.97.8.96.82.74=8.4156 cmkg?考慮步進電機與傳動慣量匹配問題JM/ J∑∑ =4.7/8.4156=0.56，基本滿足慣量匹配要求。 2) 電機力矩計算(1)快速起動空載力矩 M 起M 起 0maxf??Mamax—空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩( )；cmN?Mf—折算到電機軸上的摩擦力矩( )；cN?M0—絲杠折算到電機軸上的附加摩擦力矩( )。?in50367.0.1236maxa rVnbP?????aa tnJ?? ??2mxx??23ε—電機最大角加速度（rad/s 2） ；—電機最大轉(zhuǎn)速 (r/min)；maxn—運動部件最大快進速度（mm/min） ；Vδ P—脈沖當量（mm/步） ；θ b—步進電機的步距角（°） ；t0—起動加速到最大快進速度所需時間 30μs。代入上式得 cmNMa ?????8.14603.65241.82mx?折算到電機軸上的摩擦力矩 cmNiLGFfiLZf ?????? 39.1258.02.)(.2)(200 ???314i??F = ( +G)0'f'zF0—導(dǎo)軌的摩擦力(N) ；—垂直方向的切削力(N) ；'zFG—運動部件的總重量(N) ；—導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；'fi — 齒輪降速比，按 。3142Zi??附加摩擦力矩 0M)(22031??????iLFmcmN??49.3).(8.0521231M???68.146快(2) 快速移動時所需力矩 M 快cf ??9.34.9.30快(3)最大切削負載時所需力矩 M 切M 切 cf??0240 25107.31.9.431.9.486.2xFL Ncmi???? ???????從上面計算可以看出：M 起 、M 快 和 M 切 中以空載起動所需力矩最大，以此作為初選步進電機的依據(jù)。從表查出，當步進電機為五相十拍時， 951.0max?jq?最大靜力矩： cNj ??36.1549.08max按此最大靜力矩，從圖 3-6 中查出， 130BF001 型最大轉(zhuǎn)矩為 9.31 ，大于所需最大靜cN?轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號。3.4.3 計算步進電機空載啟動頻率和工作時的頻率 HzVfpk 405.62101max????─運動部件最大快速進給速度 ；ax ??min/─最大切削進給速度 ；s ??in/─脈沖當量 。p?步從圖 3-6 查出，130BF001 型步進電機允許的最高空載起動頻率為 3000Hz，不能滿足 (4000 Hz)的要求。此時空載起動轉(zhuǎn)矩不滿足kf此機床所需要求的空載起動轉(zhuǎn)矩，會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)） ，將起動頻率降到 1000Hz 時，起動轉(zhuǎn)矩可增加到 400 ，然后電路cmN?上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可將步進電機輸出轉(zhuǎn)矩擴大一倍左右。240020001000392.33784.5f(Hz)M(N.cm) )M( )cmN?130BF001 型起動矩頻特性196.1588.1M( )cmN?f(KHz)M(N.cm) )2 4490.3980.7130BF001 型運行矩頻特性xing xing 性 xing 性6 8825圖 3-6 130BF001 型步進電機矩頻特性當快速運動和切削進給時，130BF001 步進電機完全可以滿足要求。4 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)置4.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的，硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標。它有以下五個部分組成：(1)主控制器，即中央處理單元；(2)總線，包括數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線；(3)存儲器，包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器；(4)接口，即 I/O 接口電路；(5)外圍設(shè)備，如鍵盤，顯示器及光電輸入器等。其中 CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進行數(shù)據(jù)運算處理和協(xié)調(diào)控制各部分電路工作。存儲器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運行中所需的各種數(shù)據(jù)。I/O 接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁?？偩€則是 CPU 與存儲器，I/O 接口及其它轉(zhuǎn)換電路的聯(lián)接紐帶，是 CPU 與部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。4.2 選擇 CPU 的類型在微機應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU 的選擇應(yīng)考慮以下因素：(1)時鐘頻率和字長，該指標將控制數(shù)據(jù)處理的速度；(2)可擴展存儲器的容量；(3)指令系統(tǒng)功能；(4)I/O 擴展指令能力，即對外設(shè)控制的能力；(5)開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。此外，還要考慮到系統(tǒng)的應(yīng)用場合，控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟性26的要求?；诖?，采用 8031 單片機，它具有以下特點：(1)具有功能強的 8 位 CPU； (2)片內(nèi)有時鐘發(fā)生器，每執(zhí)行一條指令的時間為 2 微秒或 1 微秒；(3)片內(nèi)有 128 字節(jié) RAM；(4)具有 21 個特殊功能寄存器；(5)可擴展 64K 字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和 64K 字節(jié)的程序存儲器；(6)具有 4 個 I/O 接口，32 根 I/O 線；(7)具有 2 個 16 位 T/C；(8)具有 5 個中斷源，配備 2 個終端優(yōu)先級；(9)具有 1 個全功能串行接口；(10)具有位尋址功能，使用邏輯計算。從上述特性可知，8031 芯片集成度高，功能強，適用與擴展 ROM、現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合。它價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。4.3 74LS138 CPU 和存儲器CPU 采用 8031 芯片，由于 8031 芯片內(nèi)無程序存儲器，需要有外部程序存儲器的支持。同時，8031 內(nèi)部只有 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，也遠不能滿足控制系統(tǒng)的要求，故擴展了 16KB 程序存儲器，由兩片 2764 組成，又擴展了一片 6264 數(shù)據(jù)存儲器。8031 芯片的 和 用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù)， 口傳送高 8 位地0P2 2P址， 口傳送低 8 位地址和數(shù)據(jù)，故采用 74LS373 地址鎖存器，鎖存低 8 位地址，0ALE 作為其選通信號，當 ALE 為高電平，鎖存器的輸出和輸入透明，即輸入的低8 位存儲器地址在輸出端出現(xiàn)，此時不需鎖存。當 ALE 從高電平變低電平，出現(xiàn)下降沿時，低 8 位地址鎖存入地址鎖存器中，74LS373 的輸出不再隨輸入變化，這樣口就可以用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。 8031 芯片的 口和 74LS373 送出的 口共組0P 2P0P成 16 位地址，2764 和 6264 芯片都是 8KB,需要 13 根地址線。 ~ 低 8 位接0A774LS373 芯片的輸出， ~ 接芯片的 ~ 。系統(tǒng)采用全地址譯碼， 2 片 27648A120.24.芯片片選信號 分別接 74LS138 譯碼器的 和 ,系統(tǒng)復(fù)位后程序從 0000H 開始CEY1執(zhí)行。6264 芯片的片選信號 接 74LS138 的 。 8031 芯片的 引腳接 27642PSEN的 ，以實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲器的讀寫。由于 8031 芯片內(nèi)部無 ROM，故始終要選O外部程序存儲器，故其 必須接地。A274.4 I/O接口電路由于 8031 只有 口和 口部分能提供用戶作為 I/O 口使用，不能滿足輸入、1P3輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴展輸入、輸出接口電路。系統(tǒng)擴展了 2 片 8155 可編程 I/O 接口芯片。74LS138 譯碼器有 3 個輸入 A、B 、C 分別接 8031 的 、5.P、 ，輸出 ~ ，低電平有效。74LS138 還有 3 個使用端，其中 2 個6.2P7.0Y7（ 和 ）為低電平，另一個 為高電平。只有當端口處于有效電平時，輸AGB2 1G出才能產(chǎn)生，否則，輸出屬于高電平無效狀態(tài)。存儲器及 I/O 地址編碼見表 4-1。4.5 軟件環(huán)行分配器步進電機采用軟件環(huán)行分配器。雖然運行速度沒有硬件環(huán)行分配器快，但可以節(jié)省兩個硬件環(huán)行分配器專用芯片，且電路較簡單。由于 C620 普通車床縱向最大加工直徑為 400mm，規(guī)格較小，故 Z 向進給系統(tǒng)采用 150BF002 型五相十拍工作方式， X 向進給系統(tǒng)采用 130BF001 型五相十拍工作方式。由 8155（2）的 PA 口輸出，經(jīng)光電隔離電路，功率放大電路直接驅(qū)動電機4.6 控制系統(tǒng)當需要自動回轉(zhuǎn)刀架換刀時，由 8155（1）的 ～ 發(fā)出換刀位信號，控0PC3制刀架電機回轉(zhuǎn)，到達指定的刀位。刀架卡緊后，發(fā)出換刀回答信號，經(jīng) 8155（1）的 輸入計算機，控制刀架進給。當加工螺紋時，5PB由與主軸相連的光電脈沖發(fā)生器發(fā)出螺紋信號和零位螺表 4-1 存儲器及 I/O 地址編碼芯片 接 74LS138 引腳 地址選擇線片 內(nèi)地 址單 元地址編碼2764（1） 0Y000××××××××××××× 8K 0000H-1FFFH2764（2） 1001××××××××××××× 8K 2000H-3FFFH6264 2001××××××××××××× 8K 4000H-5FFFHRAM 31 0 0 1 1 1 1 0×××××××× 256 7E00H-7EFFF8155（1） I/O 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1××× 6 7FF8H-7FFDHRAM 4Y1 0 0 1 1 1 1 0×××××××× 256 9E00H-9EFFH8155（2） I/O 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1××× 6 9FF8H-9FFDH28紋信號，分別送入 8031 的 和 8155（1）的 。通過設(shè)置不同的時間常數(shù)來加工0T6PB不同螺距的螺紋，零位螺紋信號防止螺紋亂扣。4.7 其它輔助電路此控制系統(tǒng)中設(shè)有報警電路、急停電路、復(fù)位電路、光電隔離電路、功率放大電路等。8155（1）的面板上設(shè)有選擇開關(guān) ～ ，分別為編輯、空運行、自動、0PA5手動 1、手動 2、回零方式。8155（2）上的 ～ 這 6 根線是鍵盤掃描輸入，C8155 芯片的 IO/M 引腳接 8031 芯片的 ， 為高電平。0.2.29參考書目[1]周開勤.機械零件設(shè)計手冊[M].北京：高等教育出版社,2001.1[2]文懷興,夏田.數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.6[3]卜文峰.機械工程及自動化簡明設(shè)計手冊（下冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000 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