c6132普通車床數(shù)控化改造設(shè)計-畢業(yè)論文

1、<p>　　C6132普通車床數(shù)控化改造設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機床數(shù)控化改造的研究是提高我國技術(shù)裝備水平的重要項目，在我國目前擁有大量超期服役和技術(shù)陳舊的機床急待更新的情況下，由于數(shù)控機床的加工能力和資金受限，對機床進行數(shù)控化改造是一條節(jié)約資金、快速有效的途徑。 </p><p>　　本

2、文對C6132普通車床數(shù)控化改造進行了深入研究，包括對機床改造進行可行性分析、對機床關(guān)鍵部件參數(shù)的計算、對機床結(jié)構(gòu)的設(shè)計、對機床改造方案優(yōu)化選擇、選擇合適的機床伺服系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)，以及在改造中應注意的事項等進行了詳細的論述。結(jié)果表明:經(jīng)改造后的機床已達到預期的功能和精度，完全能實現(xiàn)加工外圓、錐度、螺紋、端面等的自動控制，提高了原機床的生產(chǎn)效率，降低了勞動強度。 </p><p>　　關(guān)鍵詞:普通車床，數(shù)控改造，

3、步進電機，經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，MCS-51</p><p>　　C6132 NC lathe design of ordinary</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Study on machine tool numerical control transformation of important proj

4、ect is</p><p>　　to improve the level of technical equipment in China, with large extended</p><p>　　serviceand technology in China urgently needs to be updated of the old machine tool case, becau

5、se the NC machine tool processing capacity and funding is limited, of machine tool numerical control transformation is a saves money, fasted effective way.</p><p>　　C6132 lathe NC system to rebuild this arti

6、cle to be an in-depth study, including machine tools retrofitting feasibility analysis, calculation of parameters of the key parts of machine tool design, machine tool, machine tool structure rebuilding scheme optimal se

7、lection, choose a suitable machine tools servo system and computer system, and matters for attention in the reform are discussed in detail. Results: after the transformation has reached the expected functionality and acc

8、uracy of machine t</p><p>　　KEY WORDS：Lathe, numerical control transformation, stepping motors, CNC system, MCS-51</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　前　言</b><

9、;/p><p>　　數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床 </p><p>　　數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控(Numerical Corltrol——NC)，是利用數(shù)字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法。由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計算機進行控制，因此，也可以稱為計算機數(shù)控(Computer Numerical Control——CNC)。 </p><p>　　采用了數(shù)控技術(shù)進行控制的機床，或

10、者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床稱為數(shù)控機床。它是一種綜合應用了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、精密測量技術(shù)和機床設(shè)計等先進技術(shù)的典型機電一體化產(chǎn)品，是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它很好地解決了形狀結(jié)構(gòu)復雜、精度要求高及小批量零件的加工問題且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低工人勞動強度，大幅度提高生產(chǎn)效率。機床控制也是數(shù)控技術(shù)應用最早、最廣泛的領(lǐng)域，因此，數(shù)控機床的水平代表了當前數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和方向。與普通機床相比，數(shù)控機床能夠自動換刀、自動變更切削參數(shù)，完成

11、平面、回旋面、平面曲線的加工，加工精度和生產(chǎn)效率都比較高，因而應用日益廣泛。 </p><p>　　機床數(shù)控化改造的意義 </p><p>　　目前各企業(yè)都有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床來替換根本不現(xiàn)實，而且替換下來的舊機床閑置起來又會造成浪費，要解決這些問題，應走普通機床的數(shù)控化改造之路。從美國、日本等國家工業(yè)現(xiàn)代化進程看，機床的數(shù)控化改造也必不可少，數(shù)控改造機床占有較大比例。因此，普

12、通機床的數(shù)控化改造不但有存在的必要，而且大有可為，尤其對一些中小型企業(yè)更是如此。 </p><p>　　利用現(xiàn)有閑置的舊機床，通過數(shù)控化改造，使其成為一臺高效、多功能的數(shù)控機床，投資少、見效快，是一種盤活存量資產(chǎn)的有效方法，也是低成本實現(xiàn)自動化的有效方法，也是在短期內(nèi)提高我國機床的數(shù)控化率的一條有效途徑。 </p><p>　　另外對普通機床進行數(shù)控化改造有許多積極的意義: </p&

13、gt;<p>　　1）節(jié)省資金。機床的數(shù)控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省60%左右的費用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。。 </p><p>　　2）性能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應力變形而影響精度。 </p><p>　　3）提高生產(chǎn)效率。機床經(jīng)數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化,效率可比傳統(tǒng)機床提高3至5倍。。 </p><p>　

14、　4）可實現(xiàn)多工序的集中,提高了相關(guān)的加工精度,同時減少了零件在機床間的頻繁運轉(zhuǎn)。 </p><p>　　5）可縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期,對市場需求做出快速反應。</p><p>　　6）擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自檢功能，更好的調(diào)節(jié)了機床的加工狀態(tài)。</p><p>　　本文所研究的主要內(nèi)容 </p><p>　　1）根據(jù)數(shù)

15、控化改造后車床所具備的功能，制訂了車床總體改造方案 </p><p>　　2）為使改造后的車床主軸能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及停止等功能，本次改造采用了變頻器驅(qū)動主電機的方式，本文對主軸變頻器的選用做了相應的說明；</p><p>　　3）為使改造后的車床能夠加工螺紋，改造時，拆除原來的掛輪架部分，在機床Ⅹ軸伸出端安裝主軸脈沖編碼器，本文對脈沖編碼器的安裝方法作了簡要論述； </

16、p><p>　　4）在電氣改造方面，設(shè)計了車床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路圖，橫向步進電機的計算和選型也作了詳細闡述；</p><p>　　5）在機械改造方面，對縱橫向伺服進給機構(gòu)，特別是滾珠絲杠螺母副作了詳細設(shè)計研究，并對數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架的安裝和選用作了介紹；</p><p>　　6）在軟件設(shè)計方面，對MCS-51單片機做了簡要的介紹</p><p>　　車

17、床總體改造方案設(shè)計</p><p><b>　　設(shè)計任務 </b></p><p>　　在現(xiàn)有C6132車床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對機床橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)控改造，主傳動系統(tǒng)保留。橫向脈沖當量：0.005mm/step、定位精度：±0.01mm、快移：3000mm/min 。</p><p><b>　　設(shè)計參數(shù)如下： </b&

18、gt;</p><p>　　最大加工直徑： 在床身上 320mm 在刀架上 175mm </p><p>　　最大加工長度： 750mm </p><p>　　快進速度： 橫向3000mm/min </p><p>　　最大切削進給速度： 橫向 0.25m/min </p><p><b>　　溜板及刀架

19、重力： </b></p><p><b>　　橫向 500N </b></p><p>　　脈沖分配方式 逐點比較法 </p><p>　　空載啟動時間 25ms </p><p>　　輸入方式 增量值、絕對值通用 </p><p>　　最小指令值： 橫向 0.005mm/脈沖 <

20、;/p><p>　　定位精度 ±0.01mm?</p><p><b>　　有自動升降速性能 </b></p><p>　　1.1 主傳動系統(tǒng)的改造 </p><p>　　1.1.1 主軸無級變速的實現(xiàn) </p><p>　　C6132車床的主軸變速為手動、有級變速?？紤]到數(shù)控車床在自動加工

21、的過程中負載切削力隨時會發(fā)生變化，為了保證工件表面加工質(zhì)量的一致性、提高工件加工質(zhì)量，主軸要能實現(xiàn)恒切削速度切削。這就要求主軸能實現(xiàn)無級變速。目前實現(xiàn)無級變速主要有兩種方式，其一是采用變頻器驅(qū)動電機的方式，同時保留原有的主傳動系統(tǒng)和變速操縱機構(gòu)，這樣既保留了車床的原有功能，又減少了改造量；其二是用雙速或者是四速電動機替代原有車床的主電動機。由于多速電機的功率是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，所以要選擇功率較大一些的電動機，隨之電動機的尺寸也變大

22、了，機床改造相對較麻煩，另外在這種改造方式下，主傳動系統(tǒng)也要拆除并進行重新設(shè)計，這樣可以得到加工精度和穩(wěn)定性更高的車床，但是加大了改造成本。 </p><p>　　考慮到改造的成本，我決定采用第一種方式，這樣可以利用原車床的三相異步電動機。即由數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器，變頻器驅(qū)動異步電動機實現(xiàn)主軸無級變速。 </p><p>　　交流異步電動機的轉(zhuǎn)速與電源頻率，電動機磁極對數(shù)nfp以及轉(zhuǎn)差率之間

23、的關(guān)系式為：</p><p>　　對于C6132，電動機磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率是定值，因此利用變頻器改變電源頻率fn即可改變電動機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　目前，無反饋矢量控制方式的變頻器已經(jīng)能夠做到在0．5Hz時穩(wěn)定運行。所以，完全可以滿足主運動系統(tǒng)的要求。而且無反饋矢量控制方式能夠克服U／f控制方式的缺點，因此可以說，是一種最佳選擇。 </p><p>　　數(shù)控車

24、床連續(xù)運轉(zhuǎn)時所需的變頻器容量(kVA)計算式如下：</p><p>　　式中 PM——負載所要求的電動機的軸輸出功率； </p><p>　　η——電動機的效率(通常約O．85)； </p><p>　　cosφ——電動機的功率因素(通常約O．75) </p><p>　　MU——電動機的電壓，380V； </p><p&

25、gt;　　MI——電動機工頻電源時的電流，為15．4A； </p><p>　　k——電流波形的修正系數(shù)(PWM方式時取1．05-1．10)； </p><p>　　PCN——變頻器的額定容量，kVA； </p><p>　　ICN——變頻器的額定電流，A；</p><p><b>　　由以上公式可得：</b></

26、p><p>　　選擇變頻器時應同時滿足以上三個等式的關(guān)系。綜合以上分析計算，確定選用三菱FR-A540系列變頻器，具體型號為FR-A540-7．5K-CH。</p><p>　　1.2 橫向進給傳動系統(tǒng)的改造 </p><p>　　1.2.1 橫向傳動系統(tǒng)的改造 </p><p>　　如圖2-8所示是橫向傳動系統(tǒng)的改造布置圖，步進電機和減速箱安裝

27、在遠離操作者的床鞍一端，拆除床鞍上原來的手動操作裝置，在原來支承絲杠的軸承位置，安裝角接觸球軸承進行支撐，同縱向一樣，滾珠絲杠一端直接充當減速器的輸出軸，滾珠絲杠兩端同樣有兩對鎖緊螺母對滾珠絲杠進行預拉伸，滾珠絲杠螺母副采用雙螺母螺紋預緊方式消除絲杠和螺母間的間隙。螺母座和中拖板的連接可以利用原來的螺釘孔進行連接。</p><p>　　圖 2-8 橫向傳動結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　車床進

28、行橫向進給時，由步進電機通過減速箱將動力傳遞給滾珠絲杠，再由滾珠絲杠帶動螺母座，再通過螺母座帶動中拖板做橫向運動。滾珠絲杠螺母副繼續(xù)采用雙螺母螺紋預緊方式消除絲杠和螺母間的間隙。 </p><p>　　1.2.2 齒輪傳動間隙的消除 </p><p>　　數(shù)控車床在加工過程中，會經(jīng)常變換移動方向。當進給方向改變時，如果齒側(cè)存在間隙會造成進給運動滯后于指令信號，丟失指令脈沖并產(chǎn)生反向死區(qū)，影

29、響傳動精度和系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，必須消除齒側(cè)間隙。通常齒側(cè)間隙的消除主要有剛性調(diào)整法和柔性調(diào)整法。剛性調(diào)整法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但側(cè)隙調(diào)整后不能自動補償，柔性調(diào)整法是調(diào)整后齒側(cè)間隙仍可自動補償?shù)恼{(diào)整法。因此決定采用柔性調(diào)整法中的雙片齒輪錯齒消隙法和周向彈簧調(diào)整法。 </p><p>　　1）雙片齒輪錯齒消隙法 圖2-9是雙片齒輪錯齒式消除間隙結(jié)構(gòu)。兩個相同齒數(shù)的薄齒輪1和2與另一個厚齒輪(圖中未畫出)嚙合。齒輪l空套在齒輪

30、2上并可作相對回轉(zhuǎn)。每個齒輪的端面均勻分布著四個螺孔，分別裝上凸耳3和8。齒輪1的端</p><p>　　1、2—薄齒輪 3、8—凸耳 4—彈簧 5、6—螺母 7—調(diào)節(jié)螺釘 </p><p>　　圖 2-9 雙圓柱薄片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu) </p><p>　　面還有另外四個通孔，凸耳8可以在其中穿過。彈簧4的兩端分別鉤在凸耳3和調(diào)節(jié)螺釘7上，通過轉(zhuǎn)動螺母5就可以調(diào)節(jié)彈

31、簧4的拉力，調(diào)節(jié)完畢用螺母6鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪1和2錯位，即兩個薄齒輪的左、右齒面分別緊貼在厚齒輪齒槽的左、右齒面上，消除了齒側(cè)間隙。這種方法適合直徑較大，有充分安裝螺釘空間的圓柱齒輪。 </p><p>　　2）周向彈簧調(diào)整法 圖2-10是周向彈簧消隙結(jié)構(gòu)。同樣是兩個齒數(shù)、模數(shù)相同的兩片薄齒輪2和3。齒輪2空套在齒輪3上可以做相對回轉(zhuǎn)運動。在齒輪3上開有三個周向圓弧槽，齒輪2上均布著三個螺紋孔，裝配時在

32、齒輪3的槽中放置3個彈簧，</p><p>　　利用齒輪2上安裝的螺釘頂住彈簧，裝配完成后兩片齒輪在彈簧力作用下錯齒，從而達到消除間隙的目的。這種結(jié)構(gòu)適合齒輪直徑偏小，安裝空間較小的情況下。</p><p>　　1.3 刀架部分的改造 </p><p>　　拆除原手動刀架和小拖板，安裝由數(shù)控系統(tǒng)控制的四工位電動刀架。根據(jù)車床的型號及主軸中心高度，選用常州市宏達機床數(shù)

33、控設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4-C6132型電動刀架，該刀架內(nèi)帶120W三相交流異步電動機用于驅(qū)動正轉(zhuǎn)選刀。內(nèi)置的4只霍爾元件檢測刀位位置，電動機反轉(zhuǎn)完成刀具定位鎖緊。安裝時，拆除車床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉電機風罩，逆時針方向轉(zhuǎn)動電機，使刀架轉(zhuǎn)動到?45°左右時，裝上螺釘，然后固定刀架即可。電機安裝好如圖2-11所示。 </p><p>　　圖 2-11 電動刀架安裝實物圖 </p>

34、<p>　　LD4-C6132型電動刀架技術(shù)參數(shù)見表2-1。電動刀架的安裝較為方便，安裝時 </p><p><b>　　須注意以下兩點： </b></p><p>　　1)電動刀架的兩側(cè)面與原車床縱、橫向的進給方向平行； </p><p>　　2)電動刀架與系統(tǒng)的連線在安裝時應合理，以免加工時切屑、冷卻液及其它雜物磕碰電動刀架連線。

35、</p><p>　　根據(jù)以上分析可初步確定車床改造的總體布置方案，如圖2-12所示：</p><p>　　圖 2-12 車床改造總體布置圖</p><p>　　1.4 數(shù)擇控系統(tǒng)的類型及選</p><p>　　1.4.1 數(shù)控系統(tǒng)的分類</p><p>　　目前,數(shù)控系統(tǒng)的品種規(guī)格繁多,功能各異,分類方法不一,通?？?/p>

36、按下面兩種方法進行分類。</p><p><b>　　1.按加工路線分類</b></p><p><b>　　1）點位控制系統(tǒng)</b></p><p>　　其特點是，只要求控制機床移動部件從一點移動到另一點的準確位置，至于點與點之間的移動軌跡（路徑和方向）并不嚴格要求。各坐標軸之間的運動是不相關(guān)的，并且在移動過程中不進行切

37、削。</p><p>　　2）直線切削控制系統(tǒng)</p><p>　　其特點是，除了控制移動部件從一點到另一點之間的準確定位外，還要控制兩相關(guān)點之間的移動速度和路線（即軌跡），但其路線只是與機床坐標軸平行的直線。也就是說，同時控制的坐標軸只有一個，且在移動過程中刀具能以給定的進給速度進行切削，一般只能加工矩形、臺階形零件。</p><p>　　3）連續(xù)切削控制系統(tǒng)&l

38、t;/p><p>　　也稱為輪廓控制系統(tǒng)，其特點是能夠?qū)蓚€或兩個以上運動坐標的位移和速度同時進行連續(xù)相關(guān)控制。在這類控制方式中，要求數(shù)控裝置具有插補運算的功能，即根據(jù)程序輸入的基本數(shù)據(jù)，通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的插補運算器的數(shù)學處理，把直線或曲線的形狀描述出來，并一邊運算，一邊根據(jù)計算結(jié)果向各坐標軸控制器分配脈沖，從而控制各坐標軸的聯(lián)動位移量與所要求的輪廓相符合。</p><p>　　2.按伺服系統(tǒng)的

39、類型分類</p><p><b>　　1）開環(huán)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　采用開環(huán)控制系統(tǒng)的機床，沒有檢測反饋裝置。指令信號單方向傳送，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。其驅(qū)動電動機采用步進電機。這種機床采用開環(huán)進給伺服系統(tǒng)，數(shù)控裝置根據(jù)所給的進給速度和進給位移，輸出一定的頻率和數(shù)量的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路放大后，每一個進給脈沖控制步進電機

40、旋轉(zhuǎn)一個步距角，再經(jīng)減速齒輪、絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成工作臺的一個當量直線位移。</p><p><b>　　2）閉環(huán)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　數(shù)控裝置將位移指令與位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時進行比較，根據(jù)其差值與指令進給速度的要求，按一定的規(guī)律進行轉(zhuǎn)換后，得到進給伺服系統(tǒng)的速度指令。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點是定位精度高，但由于這類系統(tǒng)采用直流伺服電動機或交

41、流伺服電動機作為驅(qū)動元件，所以電動機的控制線路比較復雜。另外檢測元件昂貴，調(diào)試和維修比較困難，成本高，所以主要用于精度要求很高的大型或精密數(shù)控機床。</p><p><b>　　3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　這種機床是將位置檢測裝置安裝在驅(qū)動電機端部，或安裝在傳動絲杠端部，間接測量部件的實際位置或位移，然后反饋到控制裝置的比較器中，與輸入原指令位移值

42、進行比較，用比較后的差值進行控制，直到差值消除為止。</p><p>　　2.6.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇</p><p>　　本設(shè)計中由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應具有定位、直線插補、順、逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。</p><p>　　考慮到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)系統(tǒng)，雖然開

43、環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有速度反饋和位移反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號單向發(fā)送，但開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，容易掌握，調(diào)試和維修都比較簡單。如果采用螺距誤差補償和徑向間隙補償?shù)却胧?，定位精度可提高?#177;0.01mm，可以滿足設(shè)計要求。</p><p>　　1.5 計算機系統(tǒng)的選擇</p><p>　　微型機數(shù)控系統(tǒng)由CPU、ROM、RAM擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅(qū)動電路等幾

44、部分組成。</p><p>　　由于MCS-51單片微型機具有各種尋址方式并有硬件乘法和除法指令，具有很強的位尋址和運算功能，特別適合于控制應用場合，使用MCS-51來構(gòu)成各種控制系統(tǒng)，可大大簡化硬件結(jié)構(gòu)，降低成本。</p><p><b>　　1）單片機的選擇</b></p><p>　　MCS-51系列中的8031單片機片內(nèi)無ROM，適于需

45、外接ROM、能在現(xiàn)場進行修改和更新程序存儲器的應用場合，價格低，使用靈活，從實用性與經(jīng)濟性考慮，采用8031作為控制系統(tǒng)的單片機。</p><p><b>　　2）存儲器擴展</b></p><p>　?、?8031的片內(nèi)沒有程序存儲器，必須外接擴展電路，具有擴展2片2764共16K的程序擴展電路。</p><p>　?、?數(shù)據(jù)存儲器的擴展&l

46、t;/p><p>　　8031內(nèi)部有128個字節(jié)RAM存儲器。它可以作為寄存器，堆棧，軟件標志和數(shù)據(jù)緩沖器，CPU對其內(nèi)部RAM有豐富的操作指令。因此，這個RAM是十分珍惜的資源。我們應合理地充分地應用片內(nèi)RAM存儲器，但片內(nèi)RAM存儲器往往是不夠的。外接RAM擴展電路可擴大存儲器容量。本設(shè)計擴展一個6264（8K）的外部RAM。</p><p>　　③ 接口電路，伺服電機驅(qū)動電路等</

47、p><p>　　接口電路主要用于控制縱向和橫向步進電機，刀架電機等。鍵盤有32個鍵。此外，還有伺服電機驅(qū)動電路，光電耦合器電路，報警電路，8031時鐘電路，復位電路等。</p><p>　　由此可得車床伺服系統(tǒng)控制方案，如圖2-13所示。</p><p>　　圖 2-13 車床改造伺服系統(tǒng)控制方案圖</p><p>　　第二章 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計

48、計算 </p><p>　　在現(xiàn)有C6132車床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對機床橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)控改造，主傳動系統(tǒng)保留。橫向脈沖當量：0.005mm/step </p><p>　　2.1 橫切端面時切削力計算</p><p>　　例如車床的主切削力Fz（N）可用下式計算</p><p>　　Fz（N）=0.67</p><p>

49、;　　=0.67x320max1.5</p><p>　　=3835.3(N)</p><p><b>　　1.縱切外圓:</b></p><p>　　式中----車床身上加工最大直徑單位為mm橫切端面時主切削力可取縱切時Fz的1/2。</p><p>　　求出主切削力Fz以后再按以下比例分別求出分力Fx和Fy</

50、p><p>　　Fz：Fx：Fy = 1:0.25:0.4</p><p>　　式中Fx一一縱向走刀方向的切削分力（N）</p><p>　　Fy一一橫向走刀方向的切削分力（N)</p><p>　　橫切時的切削力可取縱切時1/2。 </p><p>　　按切削力各分力比例：</p><p>　　

51、FZ ：Fx ：Fy=1 ：0.25 ：0.4</p><p>　　Fx=0.24X3835.3=938.5</p><p>　　Fy=0.24X3835.3=1534</p><p><b>　　橫切端面:</b></p><p>　　主切削力FZ'（N）可取縱切的1/2</p><p>

52、;　　FZ'=1/2FZ=1917.65(N)</p><p>　　此時走刀抗力為Fy'（N），吃刀抗力為Fx'，仍按上太述雙例粗略計算：</p><p>　　FZ' : Fy' : Fx'=1 : 0.25 : 0.4</p><p>　　Fx'=479.4(N)</p><p>　　

53、Fy'=761.7(N)</p><p>　　2.2滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算和選型</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的設(shè)計首先要選擇結(jié)構(gòu)類型：確定滾珠絲杠副的預緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定之后，再計算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑以d0（或絲杠外徑d)、導程Lo、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)K。</p><p>　　滾珠循環(huán)方式可為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分

54、為螺旋槽式和插管式。可參照圖1選用。</p><p>　　圖1 滾珠循環(huán)方式</p><p>　　圖1 滾珠循環(huán)方式</p><p>　　滾珠絲杠副的預緊方法有：雙螺母墊片式預緊、雙螺母螺紋式預緊、雙螺母齒差式預緊、單螺母變導程預緊以及過盈滾珠預緊等。</p><p>　　本設(shè)計循環(huán)方式采用：外循環(huán)滾珠絲杠，螺旋槽式。</p>

55、<p>　　滾珠絲杠副的計算步驟如下：</p><p>　　①計算進給牽引力Fm:</p><p>　　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以及移動件的重量和切削分力作用在導軌上的磨擦力。因而其數(shù)值大小和導軌的型式有關(guān)．Fm（N）計算公式如下：</p><p><b>　　矩形導軌：</b></p>

56、<p>　　Fm = KFx + （Fx + Fy + G）</p><p><b>　　燕尾形導軌：</b></p><p>　　Fm = KFx + （Fx + 2Fy + G）</p><p><b>　　三角形或綜合導軌：</b></p><p>　　F = KFx +

57、 （Fx + G）</p><p>　　圓導軌（鉆鏜床主軸）</p><p>　　式中Fx、Fy、Fz----切削分力，（N）</p><p>　　G----移動部件的重量，（N），G：溜板及刀架（橫向）重力G'=500(N)</p><p>　　M----主軸上的扭矩 。（N. com）</p><p&g

58、t;　　dz----主軸直徑。</p><p>　　----導軌上的磨擦系數(shù)，隨導軌型式而不同。</p><p>　　f----軸套和軸架以及主軸的鍵上磨擦系數(shù)。</p><p>　　K----考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)。</p><p>　　在正常情況下，K, f及可取下列數(shù)值：</p><p>　　矩形導軌

59、 K=1. 1 =0.15</p><p>　　燕尾形導軌 K=1.4 =0.2</p><p>　　三角形或綜合導軌 K=1.1 =0.15－0.18</p><p>　　鉆鏜床主軸圓導軌 f=0.15</p><p>　　上列摩擦系數(shù)均是滑動導軌,如果采用貼塑導軌=0.03--

60、0.05;滾動導軌=0.0025---0.005;靜壓導軌 =0.0005</p><p>　　圖2 滾珠絲杠副預緊方式</p><p>　　本設(shè)計預緊方式采用螺紋式預緊。</p><p><b>　?、谟嬎阕畲髣迂撦dC</b></p><p>　　選用滾珠絲杠副的直徑d0時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)1

61、00萬轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載C，可用下式計算：</p><p><b>　　C =Wm</b></p><p>　　式中L----壽命，以106轉(zhuǎn)為一單位</p><p>　　n----絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min)，有下式計算 </p&

62、gt;<p>　　Vs----為最大切削力條件下的進給速度（m/min），可以最高進給速度的 1/2---1/3</p><p>　　Vs=0.3 × ½=0.15mm</p><p>　　L0----絲杠導程，(mm)；初選6mm</p><p>　　T----為使用壽命，（h）對于數(shù)控機床取T=150000h；</p>

63、;<p>　　—運轉(zhuǎn)系數(shù)，見表1．按一般運轉(zhuǎn)選</p><p><b>　　表1 運轉(zhuǎn)系數(shù)</b></p><p>　　從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找出相應的額定動載荷的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型，選用時應<。</p><p><b>　?、蹅鲃有视嬎?lt;/b></p>

64、<p>　　滾珠絲杠螺母副的傳動效率：</p><p>　　式中T—絲杠螺旋長升角；</p><p>　　—摩擦角，滾珠絲杠的滾動摩擦系數(shù)f=0.003—0.004，其摩擦角約等于10’。</p><p><b>　　一橫向進給絲杠</b></p><p>　　計算進給率引力Fm(N)</p>

65、<p>　　Fm=KF × f(Fz+G)=1.4 × 767.1 × 0.2 × (1917.65+2 × 479.4+500) =1450.26(N)</p><p>　　G： 溜板及刀架（橫向）重力G'=500（N）</p><p>　　K： 考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)K=0.4</p><p&g

66、t;　　f ： 滑動導軌摩擦系數(shù)f= 0.2</p><p><b>　　計算最大動負載C</b></p><p>　　l0-----絲杠導程 初選6mm</p><p>　　Vs----為最大切削力條件下的進給速度（m/mm）可取最高進給予速度1/2---1/3</p><p>　　Fw ------運轉(zhuǎn)系數(shù)，選一

67、般運轉(zhuǎn)1.2~1.5, fw=1.2</p><p>　　絲杠轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)</p><p>　　壽命 L壽==60 × 50 × 15000/=45（萬轉(zhuǎn)）</p><p><b>　　3．最大動負載C</b></p><p><b>　　C==(N)</b>

68、</p><p>　　選擇滾珠比杠螺母的選型：</p><p>　　滾珠絲杠型號為：CDM2005-5-P3，額定動負載為 15338N>C，可滿足要求數(shù)度等級為為3級。</p><p>　　傳動效率和計算： 滾珠絲杠螺母副的傳動效率</p><p>　　2.3橫向減速器設(shè)計</p><p>　　由設(shè)計任務可確定

69、橫向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程</p><p><b>　　由傳動比計算公式 </b></p><p>　　初選步進電機步距角，可計算出傳動比</p><p>　　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的有效行程，故此處可采用兩級齒輪降速,按照經(jīng)驗公式可取</p><p>　　即,齒輪模數(shù)=2mm,齒

70、輪傳動效率</p><p>　　因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2，齒輪參數(shù)如表</p><p>　　2.4橫向進給步進電機計算和選型</p><p>　　1）等效轉(zhuǎn)動慣量計算 </p><p>　　由于橫向步進電機經(jīng)兩對齒輪降速后傳到絲桿，此傳動系統(tǒng)折算到電機軸上總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算 </p><p>　　式中為

71、轉(zhuǎn)動慣量，i為傳動比，m取50kg,絲杠導程為0.005m；</p><p>　　計算圓柱體轉(zhuǎn)動慣量的公式為 J=</p><p>　　為材料密度，d為傳動件的等效直徑，l為軸向長度；</p><p>　　按照上式可依次計算出各傳動件的轉(zhuǎn)動慣量，其中絲杠的等效直徑取????mm</p><p><b>　　經(jīng)計算： ，</b&

72、gt;</p><p><b>　　，</b></p><p>　　則將各傳動部件及工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　2) 慣量匹配驗算 </p><p>　　參考同類型機床，初選反應式步進電機110BF003型反應式步進電動機，查《機械設(shè)計手冊第5卷》表34.3-11得到其最大靜轉(zhuǎn)矩Ts=4.

73、87N.m,則<=0.82<1所以慣量匹配比較合理。</p><p>　　3）步進電機負載能力校驗 </p><p>　　作用在步進電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩T可按下式計算 </p><p>　?、倏蛰d啟動時，電動機軸上的慣性轉(zhuǎn)矩：</p><p>　?、陔妱訖C軸上的當量摩擦轉(zhuǎn)矩：</p><p>　?、酃ぷ髋_

74、上的最大軸向載荷折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩：</p><p>　　④設(shè)滾珠絲杠螺母副的預緊力是最大軸向載荷的，則可得到因預緊力而引起的、折算到電動機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩： </p><p>　　則空載啟動時電動機上的總負載轉(zhuǎn)矩為 </p><p>　　反應式步在最大外載荷下工作時，電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩為 </p><p>　　步進電機正常運行

75、時所需的最大靜轉(zhuǎn)矩Ts可由以下經(jīng)驗公式計算 </p><p>　　由于初選的步進電機110BF003最大靜轉(zhuǎn)矩>mas所以按給定要求110BF003步進電機可以正常啟動，可作為初選電機，但還必須進一步考核步進電機的啟動矩頻特性和運行矩頻特性。 </p><p>　　電機最大空載啟動頻率和最大運行工作頻率的確定 </p><p>　　從《機械設(shè)計手冊（新版）第5

76、卷》表34.3-11查出110BF003型步進電機允許最大空載啟動頻率為1500Hz，運行頻率為7000Hz.再查出110BF003步進電機的啟動矩頻特性和運行矩頻特性曲線?？煽闯觯敳竭M電機起動時，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩，直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制，將起動頻率降到1230Hz.，起動力矩可增高到M=196N.m左右，，即可滿足要求。當快速運動和切削進給時，110BF003型步進電機運行矩頻特性完全

77、可以滿足要求。</p><p>　　5） 系統(tǒng)剛度計算 </p><p>　　絲杠螺母機構(gòu)的剛度主要由絲杠本身的拉壓剛度、絲杠螺母間的接觸剛度以及軸承和軸承座組成的支承剛度三部分組成。由于絲杠本身的扭轉(zhuǎn)剛度與拉壓剛度相比要小得多，故可將其忽略不計。</p><p>　?、?絲杠本身的最大、最小拉壓剛度</p><p>　　②軸承和軸承座組成的

78、支承剛度</p><p><b>　　絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度</b></p><p><b>　　動態(tài)分析</b></p><p>　　絲杠工作臺縱振的最低頻率</p><p>　　折算到絲杠軸上系統(tǒng)的總當量轉(zhuǎn)動慣量為</p><p>　　如果忽略電動機軸與減速器的扭轉(zhuǎn)變形，則系統(tǒng)最

79、低扭振固有頻率為</p><p>　　此設(shè)計中，>>300rad/s,>>300rad/s說明系統(tǒng)動態(tài)特性良好，滿足要求。</p><p><b>　　7）系統(tǒng)誤差分析 </b></p><p><b>　?、偎绤^(qū)誤差 </b></p><p>　　查《機電一體化設(shè)計》式5-

80、59可得</p><p>　　?? max<0.005mm</p><p>　　所以滿足單脈沖進給的要求。</p><p>　?、谟上到y(tǒng)剛度變化引起的定位誤差</p><p>　　影響系統(tǒng)定位誤差的因素很多，但是主要是由絲杠螺母機構(gòu)綜合拉壓剛度的變化鎖引起的定位誤差。查《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》式5-60可得到由絲杠螺母機構(gòu)綜合拉壓剛度的變

81、化所引起的最大定位誤差為</p><p>　　對于開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)，將其控制在定位誤差的1/3~1/5范圍內(nèi)，由于系統(tǒng)要求的定位精度為mm，即允許的定位誤差為0.02mm，?<<0.004mm,因而系統(tǒng)剛度滿足定位精度要。</p><p>　　綜合上述7條分析，所選步進電動機100BF003以及CDM2005-5-P3絲杠螺母副符合設(shè)計要求。</p><p

82、>　　第三章 硬件電路設(shè)計</p><p>　　3.1 單片機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容</p><p>　　當前，在經(jīng)濟型數(shù)控機床控制系統(tǒng)中廣泛采用關(guān)國Intel公司的MCS--51系列單片計算機，因此本章著重介紹用MCS--51系列單片徽機構(gòu)成的控制系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容，方法及步驟。單片微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計包括以下幾部分內(nèi)容：</p><p>　　（一）繪制系

83、統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　根據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。</p><p>　　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，軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標。</p><p>　　機床硬件電路由以下五部分組成。</p><p&

84、gt;　?。?）主控制器，即中央處理單元CPU。</p><p>　?。?）總線。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。</p><p>　　（3）存儲器。包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器</p><p>　　（4）接口。即I/O輸入/輸出接口電路。</p><p>　?。?）處圍設(shè)備。如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。</p><p&

85、gt;　?。ǘ┻x擇中央處理單元CPU的類型。</p><p>　　在徽機應用系統(tǒng)中，CPU的選擇應考慮以下因素：</p><p>　?。?）時鐘頻率和字長，這個指標將控制數(shù)據(jù)處理的速度。</p><p>　　（2）可擴展存儲器（包括ROM和RAM）的容量。</p><p>　?。?）指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性。</p>&l

86、t;p>　　（4）I/O口擴展的能力，即對外設(shè)控制的能力。</p><p>　?。?）開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。</p><p>　　此外還要考慮到系統(tǒng)應用場合，控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟價格比等經(jīng)濟性的要求。</p><p>　　目前在經(jīng)濟型數(shù)控機床中，推薦采用MCS—51系列單片微機作為主控制器。</p><p&g

87、t;　　（三）存儲器擴展電路設(shè)計</p><p>　　在存儲器擴展電路設(shè)計應該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展。</p><p>　　在選擇程序存儲器芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配，還應考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。</p><p>　　在存儲器擴燕尾服電路的設(shè)計中還應包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計。（四）I/O口即輸入／輸出接口電路設(shè)

88、計</p><p>　　應包括接口芯片的選用，步進電機控制電路，鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設(shè)計（例如復位電路，越界報警電路，掉電保護電路等）。此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設(shè)，這些部分的電路設(shè)計也應包括。</p><p>　　3.2存儲器擴展電路設(shè)計</p><p>　　3.3.1地址鎖存器選用</p><p>　　現(xiàn)選擇74LS

89、373 作單片機地址鎖存器芯片。</p><p>　　74LS373引腳圖</p><p>　　3.3.2外部程序存儲器選擇</p><p>　　選用27128的擴展電路需要用到8031的P215引腳,這樣的話, 80的引腳就不夠與3 - 8譯碼器相連,因此,擴展兩片2764芯片。</p><p>　　3.3.3內(nèi)部程序存儲器選擇</p

90、><p>　　選用6264作為數(shù)據(jù)存儲器擴展芯片。</p><p>　　3.3.4 外部I/O接口電路的擴展</p><p>　　因為8031單片機本身提供的輸入、輸出口線只有P1口和部分P3口線,所以要對其系統(tǒng)進行I/O口擴展。 擴展I/O口所用芯片主要有通用可編程I/O口芯片及TTL或CMOS鎖存器、緩沖器電路兩大類。</p><p>　　I

91、/O口擴展方式主要有并行總線擴展法和串行口擴展法。這里選用可編程I/O口芯片,可編程接口是指其功能可由計算機的指令來改變的接口芯片?？删幊探涌谕ㄟ^編制程序,可使一個接口芯片執(zhí)行多種不同的接口功能,使用十分靈活。用它來連接計算機和外設(shè)時,不需要或只需要很少的外加硬件。在8031單片機中常用的兩種接口芯片: 8255和8155可編程通用并行接口。8255具有3個8位的并行I/O口,具有三種工作方式,可通過編程改變其功能,使用方便,通用性強。

92、8155芯片內(nèi)包含有256字節(jié)RAM, 2個8位和1個6位的可編程并行I/O口, 1個14位定時器/計數(shù)器。8155可直接與8031單片機連接,不需要增加任何硬件邏輯。由于8031單片機外接一片8155 后,就綜合地擴展了數(shù)據(jù)RAM、I/O端口和定時器/計數(shù)器,因而是8031單片機系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一,通過比較選擇8155擴展外部I/O口。 </p><p>　　在8155的控制邏輯部件中,設(shè)置有一個控

93、制命令寄存器和一個狀態(tài)標志寄存器。8155 的工作方式由CPU寫入控制命令寄存器中的控制字來確定?？刂泼罴拇嫫髦荒軐懭氩荒茏x出, 8 位控制命令寄存器的低4位用來設(shè)置A口、B口和C口的工作方式。8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或選通方式, C口可作為輸入輸出口線,也可作為A口、B口選通方式工作時的狀態(tài)控制信號線。8031與8155可直接相連,其接口方法如圖4-7所示。</p><p>　　圖 4-7

94、8031擴展8155連接圖</p><p>　　3.4 其他輔助電路設(shè)計 </p><p><b>　　1）時鐘電路 </b></p><p>　　8031的時鐘電路單片機的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，如圖4-10所示。晶體可在1.2-12MHZ之間任選，

95、耦合電容在5-30PF之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式，可把XTA1直接接地， XTA2接外部時鐘源。 </p><p><b>　　2）復位電路 </b></p><p>　　單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上高電平單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復位，以后單片機便從0000H單元開始執(zhí)行程序。單片機通常采用上電自動復位和

96、按鈕復位兩種。圖4-11所示為上電與按鈕復位組合。在上電瞬間，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上高電平，就能使單片機有效的復位。</p><p>　　3.5 步進電機的控制 </p><p>　　3.5.1 步進電機的工作原理 </p><p>　　步進電機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的電磁元件。定子上安裝了六個磁極，相對的兩個磁極上

97、放置著同一相勵磁繞組，而轉(zhuǎn)子上沒有，只有四個凸極，a、b、c、d組成，當s1接通，s2，s3斷開，A相建立磁場，轉(zhuǎn)子力求以磁路最大來取向，轉(zhuǎn)子齒與定子A相磁極對齊，即轉(zhuǎn)子a、c齒的軸線與定子A相磁極軸線重合。當s1，s3斷開，s2接通，轉(zhuǎn)子b、d齒的軸線與定子B相磁極軸線重合。依次類推s1—s2—s3—s1循環(huán)接通，轉(zhuǎn)子以一定的步距角旋轉(zhuǎn)，改變輸入電流方向，實現(xiàn)反轉(zhuǎn)即s1—s3—s2—s1。 </p><p>　

98、　3.5.2 步進電機的控制 </p><p>　　步進電機是由脈沖信號控制的，脈沖信號的產(chǎn)生和分配由軟件編程來完成，而信號的放大由放大電路來完成。由于強弱信號的原因，我們在放大電路前加上光電耦合電路，以防止電源串路。具體控制電路如圖4-15所示。</p><p>　　圖 4-15 步進電機控制原理電路 </p><p>　　W是步進電機的一相繞組，VD3是續(xù)流二極

99、管。74LS373是8路三態(tài)輸出觸發(fā)器，一路輸出信號控制一相繞組，可控制兩臺三相步進電機或兩臺四相步進電機。Q輸出高電平，將其所控制的相繞組通電。74LS373的LE是鎖存允許端，高電平有效。下面來分析一下該接口電路的工作過程。</p><p>　　3.5.3 步進電機接口及驅(qū)動電路 </p><p>　　步進電機控制框圖如圖4-16所示：</p><p><

100、b>　　1.脈沖分配器 </b></p><p>　　又叫環(huán)形分配器，有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種。硬件環(huán)形分配器需要的I/O口接線數(shù)少，且執(zhí)行速度快，但需要專用的芯片。軟件環(huán)形分配器是用程序?qū)崿F(xiàn)的。 </p><p>　　1）硬件環(huán)形分配器 是由門電路及其邏輯電路組成，目前已經(jīng)大量采用可靠性高，外形尺寸小，使用方便的集成脈沖分配器。按其電路結(jié)構(gòu)不同分為TTL集成

101、電路和CMOS集成電路。 </p><p>　　2）軟件環(huán)形分配器 軟件環(huán)形分配器在電路上不需要環(huán)形分配專用芯片，而是在微處理中專門安排一個輸出寄存器作為步進電動機的控制寄存器，步進電動機的每一相繞組都與這個寄存器中某一指定位相對應。寄存器中這一位為“1”，對應相應繞組的通電狀態(tài)，這一位為“0”，對應著相應繞組的斷電狀態(tài)。微處理器按照程序中規(guī)定的順序，循環(huán)的向寄存器中寫入各控制字節(jié)，從而使步進電動機繞組按固定的規(guī)

102、律，循環(huán)地通電或斷電，步進電動機便按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動。 </p><p>　　在電路上步進電動機的每一繞組需和一個I/O口相連（經(jīng)光電隔離電路）故占用的I/O口數(shù)量較多。 </p><p>　　本設(shè)計采用軟件環(huán)形分配器。 </p><p><b>　　2.光電隔離電路 </b></p><p>　　在步進電動機驅(qū)動電路中

103、，脈沖分配輸出的信號經(jīng)放大后，控制步進電動機的勵磁繞組。由于步進電動機需要的驅(qū)動電壓較高（幾十伏），電流也較大，如果將I/O口輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起強電干擾，輕則影響計算機程序的正常運行，重則導致計算機接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。如圖4-17：</p><p>　　耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，圖4-18為共集

104、電極輸出型。當輸入信號加到輸入端時，發(fā)光二極管導通激發(fā)發(fā)出紅外光，受光三極管受光照射后，由于光敏效應產(chǎn)生光電源，通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)了以光為媒介的電信號傳輸。輸入端與輸出端在電氣上完全隔離。下圖為光電隔離輸出及輸入電路，且為同向輸出電路，控制信號經(jīng)74LS05集電極開路門反相后驅(qū)動耦合器的輸入發(fā)光二極管，當控制信號為低電平，74LS05不吸收電流，發(fā)出二極管不導通，從而輸出的三極管截止。同相電路輸入電平為零電平，反相電路輸出電壓為高

105、電平（12V）。當控制信號為低電平時，反相輸出電平接近零。 </p><p><b>　　3.功率放大器 </b></p><p>　　脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的要求，必須將它放大以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動步進電機正常運轉(zhuǎn)。 </p><p>　　從步進電動機的啟動矩頻特性可以看出,隨著運行頻率的增高， 步進電機輸出力 矩（即帶

106、動負載的能力）下降，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是:作為功率放大器負載的步進電機是電感負載。</p><p><b>　　第四章 軟件設(shè)計 </b></p><p>　　數(shù)控機床通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)對硬件及機床的控制，數(shù)控系統(tǒng)軟件是根據(jù)機床零件加工的實際需要而編號的控制程序。每種數(shù)控機床都配有相應的控制程序，用來完成各個控制功能。首先要建立數(shù)學模型，確定控制算法和控制功能，然后

107、編寫成相應的控制程序，固化在只讀存儲器中。 </p><p>　　本次設(shè)計編寫了四個軟件程序，分別為：（1）環(huán)形分配器軟件設(shè)計（2）逐點比較直線插補軟件設(shè)計（3）圓弧插補軟件設(shè)計（4）步進電動機自動升降速控制。 </p><p>　　4.1 總體方案設(shè)計 </p><p>　　軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主要包括主模塊、子程序模塊和定時中斷模塊，主模塊主要完成初始化和監(jiān)

108、控，初始化包括PIO、CTC的初始化、標志位，原鍵盤緩沖區(qū)及顯示緩沖區(qū)的初始化，監(jiān)控主要包括鍵盤管理和顯示管理，均可調(diào)原監(jiān)控程序中的鍵盤管理和顯示管理子程序，功能子模塊包括+X，-X，+Z，-Z及STOP功能子模塊并可調(diào)用原監(jiān)控程序中的許多子程序，中斷模塊包括急停、中斷模塊和報警中斷等。主模塊系統(tǒng)圖如下：</p><p>　　4.2逐點比較法的直線插補軟件設(shè)計 </p><p>　　在直線

109、或圓弧廓形加工中，需要X向和Z向驅(qū)動電機同時動作，合成所需的運動軌跡。由于一個進給脈沖只能沿坐標軸（X軸或Z軸）進給一步，這個距離（步距）稱為脈沖當量。</p><p>　　基本原理：進給機構(gòu)每進給一步，計算新的坐標點位置和它與理想直線（或曲線）的偏差。</p><p>　　設(shè)要插補圖中的直線OA，坐標原點位于被插補直線的起點，直線終點為A（xa,ya）</p><p&

110、gt;　　第一象限直線插補程序框圖</p><p>　　4.3逐點比較法的圓弧插補軟件設(shè)計</p><p>　　原理同逐點比較法直線插補相似，可利用相似性得到。</p><p><b>　　第一象限如圖</b></p><p>　　圖 4-6 第一象限圓弧插補程序框圖、</p><p><b

111、>　　總 結(jié) </b></p><p>　　對普通車床進行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改為用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)。將原有車床的光杠、絲杠和操縱剛拆除，換成滾珠絲杠螺母副，在選取滾珠絲杠螺母副時要注意，滾珠絲杠螺母副的制造精度要求高，加工工藝比較復雜，都是由專業(yè)工廠按系列化進行生產(chǎn)。因此在進行設(shè)備改造時，要按廠家生產(chǎn)標準進行選擇，選擇合適以后再決定被改造設(shè)備的其他相關(guān)部分

112、的結(jié)構(gòu)和尺寸。 </p><p>　　控制部分采用單片機控制，在選取單片機時，采用MCS-51系列的8031。MCS-51系列單片機的特點之一是硬件電路設(shè)計簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，對于簡單的應用場合，MCS-51系列的最小系統(tǒng)用一片8031外擴一片EPROM就能滿足功能的要求，對于復雜的應用場合，可利用MCS-51的擴展功能，構(gòu)成功能強、規(guī)模較大的系統(tǒng)。本設(shè)計程序存儲器的擴展采用兩片2764芯片，數(shù)據(jù)存儲器的擴展采用

113、一片6264芯片，I/O接口的擴展采用兩片8155芯片。 </p><p>　　程序設(shè)計根據(jù)第一象限的直線及圓弧插補原理，采用逐點比較法編程。 </p><p>　　在做設(shè)計的過程中，我不但復習了所學過的知識點，還學到了新的知識，同時將所學到的知識充分的運用起來，做到了學以致用，還學會了查資料，除此之外，我還懂得了團結(jié)合作的重要性，知道了集體的力量有多么強大！ </p>&l

114、t;p><b>　　致 謝 </b></p><p>　　在本課程設(shè)計結(jié)束之際，我要向曾經(jīng)幫助過我的老師和同學表示感謝。通過這次課程設(shè)計，我學會了獨立分析問題和解決問題的能力，獲得了不少寶貴的經(jīng)驗。 </p><p>　　本設(shè)計是在蔡宗琰老師的親切關(guān)懷和悉心指導下完成的，從設(shè)計任務的下達、研究的內(nèi)容和方法的確定到整個論文的撰寫、修改直至最終完稿，無不包含蔡老師的

115、心血與精力。尤其在我遇到難題和困惑時，蔡老師總能抽出寶貴的時間對我進行指導，為我及時解決困惑；當我沒有信心進行下去時，也是蔡老師的鼓勵和支持讓我堅持下去。蔡老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的知識、對學生誨人不倦的指導和幫助，不僅讓我學到了知識，更讓我學會了怎么做人。 </p><p>　　在此我還要感謝工程機械學院的各位老師對我的辛勤培育，使我獲得了豐富的知識，感謝各位老師在論文的修改和校正過程中給予的幫助；同時感謝所有