課程設(shè)計(jì)--c6132普通車床微機(jī)數(shù)控化改裝設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　C6132普通車床微機(jī)數(shù)控化改裝設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院</p><p><b>　　班級(jí)： </b></p><p><b>　　姓 名： </b></p><

2、;p><b>　　學(xué) 號(hào)： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機(jī)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(xiàng)目，在我國目前擁有大量超期服役和技術(shù)陳舊的機(jī)床急待更新的情況下，由于數(shù)控機(jī)床的加工能力和資金

3、受限，對(duì)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造是一條節(jié)約資金、快速有效的途徑。 </p><p>　　本文對(duì)C6132普通車床數(shù)控化改造進(jìn)行了深入研究，包括對(duì)機(jī)床改造進(jìn)行可行性分析、對(duì)機(jī)床關(guān)鍵部件參數(shù)的計(jì)算、對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、對(duì)機(jī)床改造方案優(yōu)化選擇、選擇合適的機(jī)床伺服系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及在改造中應(yīng)注意的事項(xiàng)等進(jìn)行了詳細(xì)的論述。結(jié)果表明:經(jīng)改造后的機(jī)床已達(dá)到預(yù)期的功能和精度，完全能實(shí)現(xiàn)加工外圓、錐度、螺紋、端面等的自動(dòng)控制，提高了原

4、機(jī)床的生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。 </p><p>　　關(guān)鍵詞:普通車床，數(shù)控改造，步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，MCS-51</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章緒論..........................................................5</p><

5、;p>　　1.1 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床...............................................5</p><p>　　1.2 機(jī)床數(shù)控化改造的興起及意義.......................................5</p><p>　　1.2.1 國外機(jī)床改造業(yè)的興起</p><p>　　1.2.2 我國機(jī)

6、床數(shù)控化改造的意義</p><p>　　1.3 本文所研究的主要內(nèi)容.............................................6</p><p>　　第二章車床總體改造方案設(shè)計(jì)..........................................7</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)..................

7、.......................................7</p><p>　　2.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造.................................................7</p><p>　　2.2.1 主軸無級(jí)變速的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　2.2.2 主軸脈沖編碼器的安裝</p><p&

8、gt;　　2.3 橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造..........................................9</p><p>　　2.3.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇</p><p>　　2.3.2 機(jī)械傳動(dòng)方式</p><p>　　2.3.3橫向傳動(dòng)系統(tǒng)的改造</p><p>　　2.3.4. 齒輪傳動(dòng)間隙的消除&l

9、t;/p><p>　　2.4 刀架部分的改造..................................................11</p><p>　　2.5 導(dǎo)軌的改造......................................................12</p><p>　　2.6 數(shù)控系統(tǒng)的類型及選擇...........

10、.................................12</p><p>　　2.6.1 數(shù)控系統(tǒng)的分類</p><p>　　2.6.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇</p><p>　　2.7 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇................................................14</p><p>　　第三章橫向

11、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算.......................................15</p><p>　　3.1 橫切端面時(shí)切削力計(jì)算............................................15</p><p>　　3.2 橫向滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型..................................16</p>

12、;<p>　　3.3 橫向減速器設(shè)計(jì)..................................................20</p><p>　　3.4 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型......................................20</p><p>　　第四章硬件電路設(shè)計(jì)...............................

13、..................25</p><p>　　4.1 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容..................................25</p><p>　　4.2 MCS-51系列單片機(jī)簡介............................................26</p><p>　　4.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

14、..............................................26</p><p>　　4.3.1 地址鎖存器的選擇</p><p>　　4.3.2 外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展</p><p>　　4.3.3 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展</p><p>　　4.3.4 外部I/O接口電路的擴(kuò)展</p><

15、p>　　4.3.5 鍵盤接口電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.4 譯碼電路設(shè)計(jì)....................................................28</p><p>　　4.5 其他輔助電路設(shè)計(jì)................................................29</p><p>　　4.6

16、 步進(jìn)電機(jī)的控制..................................................30</p><p>　　4.6.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理</p><p>　　4.6.2 步進(jìn)電機(jī)的控制</p><p>　　4.6.3 步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　4.7 C6132普通車床微機(jī)數(shù)控化改裝硬件設(shè)

17、計(jì)說明..........................32</p><p>　　第五章軟件設(shè)計(jì)......................................................34</p><p>　　5.1 總體方案設(shè)計(jì)....................................................34</p><

18、p>　　5.2 環(huán)形分配器軟件設(shè)計(jì)..............................................34</p><p>　　5.3 逐點(diǎn)比較法的直線插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì)....................................36</p><p>　　5.4 逐點(diǎn)比較法的圓弧插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì)................................

19、....37</p><p>　　5.5 步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)升降速控制..........................................38</p><p>　　設(shè)計(jì)心得............................................................40</p><p>　　致謝..................

20、..............................................41</p><p>　　參考文獻(xiàn)............................................................42</p><p><b>　　第一章 緒論 </b></p><p>　　1.1 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控

21、機(jī)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(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，因此，也可以稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控(Computer Numerical Control——CNC)。 </p><p>　　采用了數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機(jī)床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)控機(jī)床。它是一種綜合應(yīng)用

22、了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、精密測量技術(shù)和機(jī)床設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)的典型機(jī)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(fù)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(dòng)強(qiáng)度，大幅度提高生產(chǎn)效率。機(jī)床控制也是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用最早、最廣泛的領(lǐng)域，因此，數(shù)控機(jī)床的水平代表了當(dāng)前數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和方向。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床能夠自動(dòng)換刀、自動(dòng)變更切削參數(shù)，完成平面、回旋面、平面曲線的加工，加工精度和生產(chǎn)效率都比較

23、高，因而應(yīng)用日益廣泛。 </p><p>　　1.2 機(jī)床數(shù)控化改造的興起及意義 </p><p>　　1.2.1 國外機(jī)床改造業(yè)的興起 </p><p>　　在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，他們的機(jī)床改造業(yè)作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生氣盎然，正處在黃金時(shí)期。由于機(jī)床以及數(shù)控技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造成了一個(gè)“永恒"的課題。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和

24、生產(chǎn)線具有廣闊的市場，這已形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國,機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生(Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機(jī)床公司、DeVlieg—BuUavd(得寶)服務(wù)集團(tuán)、US設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝(Retrofitting)業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大限工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)械公司、野崎工程公司、

25、濱田工程公司、山本工程公司等。 </p><p>　　1.2.2 我國機(jī)床數(shù)控化改造的意義 </p><p>　　我國目前機(jī)床總量約400萬臺(tái)，其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有20萬臺(tái)，即我國機(jī)床數(shù)控化率僅為5％左右，而國外發(fā)達(dá)國家的機(jī)床數(shù)控化率，多年前就達(dá)到20％以上。我國機(jī)床役齡10年以上的占60％以上；役齡10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)／半自動(dòng)機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC／FMS等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)(美

26、國和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占60％以上)?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大多數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長等現(xiàn)象，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 </p><p>　　目前各企業(yè)都有大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控

27、機(jī)床來替換根本不現(xiàn)實(shí)，而且替換下來的舊機(jī)床閑置起來又會(huì)造成浪費(fèi)，要解決這些問題，應(yīng)走普通機(jī)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(jìn)程看，機(jī)床的數(shù)控化改造也必不可少，數(shù)控改造機(jī)床占有較大比例。如日本的大企業(yè)中有26％的機(jī)床經(jīng)過數(shù)控改造，中小型企業(yè)則是74％，在美國有許多數(shù)控專業(yè)化公司，為世界各地提供機(jī)床數(shù)控化改造服務(wù)。因此，普通機(jī)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(duì)一些中小型企業(yè)更是如此。 </p>

28、<p>　　利用現(xiàn)有閑置的舊機(jī)床，通過數(shù)控化改造，使其成為一臺(tái)高效、多功能的數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的有效方法，也是在短期內(nèi)提高我國機(jī)床的數(shù)控化率的一條有效途徑。 </p><p>　　另外對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造有許多積極的意義: </p><p>　　1）節(jié)省資金。機(jī)床的數(shù)控改造同購置新機(jī)床相比一般可節(jié)省60%左右的費(fèi)用，

29、大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購置費(fèi)的1/3。即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級(jí)也只需花費(fèi)購買新機(jī)床60%的費(fèi)用，并可以利用現(xiàn)有地基。 </p><p>　　2）性能穩(wěn)定可靠。因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時(shí)效，幾乎不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。 </p><p>　　3）提高生產(chǎn)效率。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化,效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3至5倍。對(duì)復(fù)雜零件而言難度越高

30、功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費(fèi)用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。 </p><p>　　4）可實(shí)現(xiàn)多工序的集中,提高了相關(guān)的加工精度,同時(shí)減少了零件在機(jī)床間的頻繁運(yùn)轉(zhuǎn)。 </p><p>　　5）可縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期,對(duì)市場需求做出快速反應(yīng)。機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC、FMS以及CIMS等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。 </p><p>　　6）擁有自

31、動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自檢功能，更好的調(diào)節(jié)了機(jī)床的加工狀態(tài)。還可以提示操作者機(jī)床故障或編程錯(cuò)誤等機(jī)床運(yùn)行中出現(xiàn)的問題。 </p><p>　　1.3 本文所研究的主要內(nèi)容 </p><p>　　1）根據(jù)數(shù)控化改造后車床所具備的功能，制訂了車床總體改造方案，并繪制了改造后車床總體布置圖； </p><p>　　2）為使改造后的車床主軸能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)變速、正轉(zhuǎn)、

32、反轉(zhuǎn)以及停止等功能，本次改造采用了變頻器驅(qū)動(dòng)主電機(jī)的方式，本文對(duì)主軸變頻器的選用做了相應(yīng)的說明；3）為使改造后的車床能夠加工螺紋，改造時(shí)，拆除原來的掛輪架部分，在機(jī)床Ⅹ軸伸出端安裝主軸脈沖編碼器，本文對(duì)脈沖編碼器的安裝方法作了簡要論述； </p><p>　　4）在利用聚四氟乙烯軟帶對(duì)原車床導(dǎo)軌貼塑的工作中，粘接工藝的好壞將直接影響改造后導(dǎo)軌的性能。本文對(duì)粘接工藝的控制作了簡要論述； </p>&l

33、t;p>　　5）在電氣改造方面，設(shè)計(jì)了車床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路圖，橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型也作了詳細(xì)闡述； </p><p>　　6）在機(jī)械改造方面，對(duì)縱橫向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)，特別是滾珠絲杠螺母副作了詳細(xì)設(shè)計(jì)研究，并對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架的安裝和選用作了介紹； </p><p>　　7）在軟件設(shè)計(jì)方面，對(duì)MCS-51單片機(jī)做了簡要的介紹，并在8031單片機(jī)的基礎(chǔ)上編制了相應(yīng)的程序。</p&g

34、t;<p>　　第二章 車床總體改造方案設(shè)計(jì) </p><p><b>　　2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) </b></p><p>　　在現(xiàn)有C6132車床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造，主傳動(dòng)系統(tǒng)保留。橫向脈沖當(dāng)量：0.005mm/step、定位精度：±0.01mm、快移：3000mm/min 。</p><p>&

35、lt;b>　　設(shè)計(jì)參數(shù)如下： </b></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(jìn)速度： 橫向3000mm/min </p><p>　　最大切削進(jìn)給速度： 橫向 0.25m/min </p>

36、<p><b>　　溜板及刀架重力： </b></p><p><b>　　橫向 500N </b></p><p>　　脈沖分配方式 逐點(diǎn)比較法 </p><p>　　空載啟動(dòng)時(shí)間 25ms </p><p>　　輸入方式 增量值、絕對(duì)值通用 </p><p>　

37、　最小指令值： 橫向 0.005mm/脈沖 </p><p>　　定位精度 ±0.01mm?</p><p><b>　　有自動(dòng)升降速性能 </b></p><p>　　2.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 </p><p>　　2.2.1 主軸無級(jí)變速的實(shí)現(xiàn) </p><p>　　C6132車床的

38、主軸變速為手動(dòng)、有級(jí)變速。考慮到數(shù)控車床在自動(dòng)加工的過程中負(fù)載切削力隨時(shí)會(huì)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(shí)現(xiàn)恒切削速度切削。這就要求主軸能實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。目前實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速主要有兩種方式，其一是采用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式，同時(shí)保留原有的主傳動(dòng)系統(tǒng)和變速操縱機(jī)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(dòng)機(jī)替代原有車床的主電動(dòng)機(jī)。由于多速電機(jī)的功率是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，所以

39、要選擇功率較大一些的電動(dòng)機(jī)，隨之電動(dòng)機(jī)的尺寸也變大了，機(jī)床改造相對(duì)較麻煩，另外在這種改造方式下，主傳動(dòng)系統(tǒng)也要拆除并進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，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(dòng)機(jī)。即由數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器，變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)主軸無級(jí)變速。 </p><p>　　交流異步電動(dòng)機(jī)的

40、轉(zhuǎn)速與電源頻率，電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)nfp以及轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系式為：</p><p>　　對(duì)于C6132，電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　另外，變頻器能方便地與數(shù)控系統(tǒng)連接，控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止。 </p><p>　　變頻器的控制方式主要有U／f恒定控制方式、無反饋矢量控制方式和有反饋矢量控

41、制方式。數(shù)控車床除了在車削毛坯時(shí)，負(fù)荷大小有較大變化外，以后的車削過程中，負(fù)荷的變化通常是很小的。因此，就切削精度而言，選擇U／f恒定控制方式是能夠滿足要求的。但在低速切削時(shí)，需要預(yù)置較大的U／f，在負(fù)載較輕的情況下，電動(dòng)機(jī)的磁路常處于飽和狀態(tài)，勵(lì)磁電流較大。因此，從節(jié)能的角度看，并不理想。數(shù)控車床屬于高精度、快響應(yīng)的恒功率負(fù)載加工設(shè)備，應(yīng)盡可能選用矢量控制高性能型通用變頻器，而且中、小容量變頻器以電壓型變頻器為主。有反饋矢量控制方式雖

42、然是運(yùn)行性能最為完善的一種控制方式，但由于需要增加編碼器等轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，不但增加了費(fèi)用，而且編碼器的安裝也比較麻煩。所以，除非對(duì)加工精度有特殊要求，一般沒有必要選擇此種控制方式。 </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(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。所以，完全可以滿足主運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，因此可以說，是一種最佳選擇。 </p>&l

43、t;p>　　數(shù)控車床連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻器容量(kVA)計(jì)算式如下：</p><p>　　式中 PM——負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率； </p><p>　　η——電動(dòng)機(jī)的效率(通常約O．85)； </p><p>　　cosφ——電動(dòng)機(jī)的功率因素(通常約O．75) </p><p>　　MU——電動(dòng)機(jī)的電壓，380V； </p

44、><p>　　MI——電動(dòng)機(jī)工頻電源時(shí)的電流，為15．4A； </p><p>　　k——電流波形的修正系數(shù)(PWM方式時(shí)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：<

45、;/b></p><p>　　選擇變頻器時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足以上三個(gè)等式的關(guān)系。綜合以上分析計(jì)算，確定選用三菱FR-A540系列變頻器，具體型號(hào)為FR-A540-7．5K-CH。</p><p>　　2.2.2 主軸脈沖編碼器的安裝 </p><p>　　為了使改造后的數(shù)控車床能自動(dòng)加工螺紋，須配置主軸脈沖編碼器作為車床主軸位置信號(hào)的反饋元件，其目的是用來檢測主軸轉(zhuǎn)角

46、的位置，通過主軸—脈沖編碼器—數(shù)控系統(tǒng)—步進(jìn)電機(jī)的信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架縱向移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程的車螺紋運(yùn)動(dòng)。 </p><p>　　主軸脈沖編碼器的安裝，通常采用兩種方式：一種是同軸安裝，另外一種是異軸安裝。同軸安裝的結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是安裝后不能加工穿入車床主軸孔的零件，限制了工件的加工長度，而異軸安裝不會(huì)遇到這種問題，因此，異軸安裝較合適。主軸通過主軸箱中Ⅵ軸和Ⅸ軸的58／58及Ⅸ軸和Ⅹ軸的33／33兩級(jí)齒

47、輪(實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比1：1)把動(dòng)力傳遞給掛輪軸X，如圖2-3、2-4所示，主軸脈沖編碼器1通過支架2固定，并通過聯(lián)軸器3與悶頭4相連，悶頭4通過過盈配合與主軸箱內(nèi)X軸連接。</p><p>　　C6132主軸轉(zhuǎn)速范圍是20~2000 r/min，可以選擇歐姆龍E6B2-CWZ6C型光電脈沖編碼器，其允許的最高轉(zhuǎn)速為6000r/ min，所以滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　2.3 橫向進(jìn)給傳動(dòng)

48、系統(tǒng)的改造 </p><p>　　2.3.4 橫向傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 </p><p>　　如圖2-8所示是橫向傳動(dòng)系統(tǒng)的改造布置圖，步進(jìn)電機(jī)和減速箱安裝在遠(yuǎn)離操作者的床鞍一端，拆除床鞍上原來的手動(dòng)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(jìn)行支撐，同縱向一樣，滾珠絲杠一端直接充當(dāng)減速器的輸出軸，滾珠絲杠兩端同樣有兩對(duì)鎖緊螺母對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，滾珠絲杠螺母副采用雙螺母螺紋預(yù)緊方式

49、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(jìn)行連接。</p><p>　　圖 2-8 橫向傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　車床進(jìn)行橫向進(jìn)給時(shí)，由步進(jìn)電機(jī)通過減速箱將動(dòng)力傳遞給滾珠絲杠，再由滾珠絲杠帶動(dòng)螺母座，再通過螺母座帶動(dòng)中拖板做橫向運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠螺母副繼續(xù)采用雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙。 </p><p>　　2.3.5 齒輪

50、傳動(dòng)間隙的消除 </p><p>　　數(shù)控車床在加工過程中，會(huì)經(jīng)常變換移動(dòng)方向。當(dāng)進(jìn)給方向改變時(shí)，如果齒側(cè)存在間隙會(huì)造成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)滯后于指令信號(hào)，丟失指令脈沖并產(chǎn)生反向死區(qū)，影響傳動(dòng)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(dòng)補(bǔ)償，柔性調(diào)整法是調(diào)整后齒側(cè)間隙仍可自動(dòng)補(bǔ)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(cuò)齒消隙法和周向

51、彈簧調(diào)整法。 </p><p>　　雙片齒輪錯(cuò)齒消隙法 圖2-9是雙片齒輪錯(cuò)齒式消除間隙結(jié)構(gòu)。兩個(gè)相同齒數(shù)的薄齒輪1和2與另一個(gè)厚齒輪(圖中未畫出)嚙合。齒輪l空套在齒輪2上并可作相對(duì)回轉(zhuǎn)。每個(gè)齒輪的端面均勻分布著四個(gè)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

52、 2-9 雙圓柱薄片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu) </p><p>　　面還有另外四個(gè)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(dòng)螺母5就可以調(diào)節(jié)彈簧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(cuò)位，即兩個(gè)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）

53、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(gè)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(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在齒輪3上開有三個(gè)周向圓弧槽，齒輪2上均布著三個(gè)螺紋孔，裝配時(shí)在齒輪3的槽中放置3個(gè)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(cuò)齒，從而達(dá)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><

54、p>　　2.4 刀架部分的改造 </p><p>　　拆除原手動(dòng)刀架和小拖板，安裝由數(shù)控系統(tǒng)控制的四工位電動(dòng)刀架。根據(jù)車床的型號(hào)及主軸中心高度，選用常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4-C6132型電動(dòng)刀架，該刀架內(nèi)帶120W三相交流異步電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)正轉(zhuǎn)選刀。內(nèi)置的4只霍爾元件檢測刀位位置，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)完成刀具定位鎖緊。安裝時(shí)，拆除車床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉電機(jī)風(fēng)罩，逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，使刀架

55、轉(zhuǎn)動(dòng)到?45°左右時(shí)，裝上螺釘，然后固定刀架即可。電機(jī)安裝好如圖2-11所示。 </p><p>　　圖 2-11 電動(dòng)刀架安裝實(shí)物圖 </p><p>　　LD4-C6132型電動(dòng)刀架技術(shù)參數(shù)見表2-1。電動(dòng)刀架的安裝較為方便，安裝時(shí) </p><p><b>　　須注意以下兩點(diǎn)： </b></p><p>

56、　　1)電動(dòng)刀架的兩側(cè)面與原車床縱、橫向的進(jìn)給方向平行； </p><p>　　2)電動(dòng)刀架與系統(tǒng)的連線在安裝時(shí)應(yīng)合理，以免加工時(shí)切屑、冷卻液及其它雜物磕碰電動(dòng)刀架連線。</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><b>

57、;　　2.5 導(dǎo)軌的改造</b></p><p>　　由于導(dǎo)軌表面有明顯的劃痕，摩擦系數(shù)變大，會(huì)產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的失真。為了恢復(fù)導(dǎo)軌的精度，增加耐磨性，提高機(jī)床的穩(wěn)定性，提高機(jī)床的防爬行和吸振性能，對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌選用填充聚四氟乙烯軟帶來改造。填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加青銅粉、二硫化硅、玻璃纖維粉、二硫化銅、石墨、聚苯等填充劑，使聚四氟乙烯的性能改善如下：(1)耐負(fù)荷變形可提高5倍；(2)剛性提高4～5

58、倍；(3)熱膨脹系數(shù)減小1／3—1／2；(4)導(dǎo)熱率提高2倍；(5)硬度提高10％；(6)抗壓強(qiáng)度增加2～3倍。</p><p>　　在利用填充聚四氟乙烯軟帶對(duì)原車床導(dǎo)軌貼塑的工作中，主要是對(duì)粘接工藝的控制。具體工藝為：首先對(duì)原導(dǎo)軌進(jìn)行刮研，保證粘貼前導(dǎo)軌的表面粗糙度1.6—6.3um，平面度達(dá)到0．01／1000精度；選用厚度為1.5mm的軟帶，用鈉基溶液處理聚四氟乙烯軟帶表面；粘接前需對(duì)金屬導(dǎo)軌粘接面除銹去油

59、，可先用砂布、砂紙或鋼絲刷清除銹斑雜質(zhì)，然后再用丙酮擦洗干凈、晾干；專用膠須隨配隨用，按A組份／B組份=1／l的重量比混合，攪拌均勻后即可涂膠?？捎谩皫X刮板”或lmm厚的膠木片進(jìn)行涂膠。專用膠可縱向涂布于金屬導(dǎo)軌上，橫向涂布于軟帶上，涂布應(yīng)均勻，膠層不宜過薄或太厚，膠層厚度控制在0.08—0.12mm之間；軟帶剛粘貼在金屬導(dǎo)軌上時(shí)需前后左右蠕動(dòng)一下，使其全面接觸，要用手或器具從軟帶長度中心向兩邊擠壓，以趕走氣泡。用重物加壓或扣壓于床身

60、導(dǎo)軌上，加壓均勻，壓強(qiáng)通常為0.05—0.1MPa。加壓前在軟帶面上覆蓋一層油紙或在加壓面上涂一薄層潤滑脂或機(jī)油，防止膠粘劑粘接加壓物。軟帶粘接后約24小時(shí)固化(環(huán)境溫度15℃以上)，可清除余膠，切去軟帶工藝余量，并倒角；對(duì)軟帶進(jìn)行開油槽和刮研，油槽深度可為軟帶厚度的1／2—2</p><p>　　2.6 數(shù)控系統(tǒng)的類型及選擇</p><p>　　2.6.1 數(shù)控系統(tǒng)的分類</p&g

61、t;<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,通常可按下面兩種方法進(jìn)行分類。</p><p><b>　　1.按加工路線分類</b></p><p><b>　　1）點(diǎn)位控制系統(tǒng)</b></p><p>　　其特點(diǎn)是，只要求控制機(jī)床移動(dòng)部件從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，至于點(diǎn)與點(diǎn)之間的

62、移動(dòng)軌跡（路徑和方向）并不嚴(yán)格要求。各坐標(biāo)軸之間的運(yùn)動(dòng)是不相關(guān)的，并且在移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削。</p><p>　　2）直線切削控制系統(tǒng)</p><p>　　其特點(diǎn)是，除了控制移動(dòng)部件從一點(diǎn)到另一點(diǎn)之間的準(zhǔn)確定位外，還要控制兩相關(guān)點(diǎn)之間的移動(dòng)速度和路線（即軌跡），但其路線只是與機(jī)床坐標(biāo)軸平行的直線。也就是說，同時(shí)控制的坐標(biāo)軸只有一個(gè)，且在移動(dòng)過程中刀具能以給定的進(jìn)給速度進(jìn)行切削，一般只能加

63、工矩形、臺(tái)階形零件。</p><p>　　3）連續(xù)切削控制系統(tǒng)</p><p>　　也稱為輪廓控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移和速度同時(shí)進(jìn)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(bǔ)運(yùn)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(bǔ)運(yùn)算器的數(shù)學(xué)處理，把直線或曲線的形狀描述出來，并一邊運(yùn)算，一邊根據(jù)計(jì)算結(jié)果向各坐標(biāo)軸控制器分配脈沖，從而控制各坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)

64、位移量與所要求的輪廓相符合。</p><p>　　2.按伺服系統(tǒng)的類型分類</p><p><b>　　1）</b></p><p><b>　　開環(huán)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　采用開環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)床，沒有檢測反饋裝置。指令信號(hào)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)。

65、其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)。這種機(jī)床采用開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)，數(shù)控裝置根據(jù)所給的進(jìn)給速度和進(jìn)給位移，輸出一定的頻率和數(shù)量的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后，每一個(gè)進(jìn)給脈沖控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，再經(jīng)減速齒輪、絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)的一個(gè)當(dāng)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(shí)際位置反

66、饋信號(hào)，隨時(shí)進(jìn)行比較，根據(jù)其差值與指令進(jìn)給速度的要求，按一定的規(guī)律進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，得到進(jìn)給伺服系統(tǒng)的速度指令。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是定位精度高，但由于這類系統(tǒng)采用直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，所以電動(dòng)機(jī)的控制線路比較復(fù)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(jī)床。</p><p><b>　　3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)</b></p&g

67、t;<p>　　這種機(jī)床是將位置檢測裝置安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)端部，或安裝在傳動(dòng)絲杠端部，間接測量部件的實(shí)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進(jìn)行比較，用比較后的差值進(jìn)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(jì)中由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋

68、加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。</p><p>　　考慮到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)，雖然開環(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(hào)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(bǔ)償和徑向間隙補(bǔ)償?shù)却胧?，定位精度可提高?#177;0.01mm，可以滿足設(shè)計(jì)要求。</p>&

69、lt;p>　　2.7 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇</p><p>　　微型機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU、ROM、RAM擴(kuò)展電路、I/O接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。</p><p>　　由于MCS-51單片微型機(jī)具有各種尋址方式并有硬件乘法和除法指令，具有很強(qiáng)的位尋址和運(yùn)算功能，特別適合于控制應(yīng)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>&

70、lt;p><b>　　1）</b></p><p><b>　　單片機(jī)的選擇</b></p><p>　　MCS-51系列中的8031單片機(jī)片內(nèi)無ROM，適于需外接ROM、能在現(xiàn)場進(jìn)行修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場合，價(jià)格低，使用靈活，從實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性考慮，采用8031作為控制系統(tǒng)的單片機(jī)。</p><p><b

71、>　　2）</b></p><p><b>　　存儲(chǔ)器擴(kuò)展</b></p><p>　　① 8031的片內(nèi)沒有程序存儲(chǔ)器，必須外接擴(kuò)展電路，具有擴(kuò)展2片2764共16K的程序擴(kuò)展電路。</p><p>　?、?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展</p><p>　　8031內(nèi)部有128個(gè)字節(jié)RAM存儲(chǔ)器。它可以作為寄存器

72、，堆棧，軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器，CPU對(duì)其內(nèi)部RAM有豐富的操作指令。因此，這個(gè)RAM是十分珍惜的資源。我們應(yīng)合理地充分地應(yīng)用片內(nèi)RAM存儲(chǔ)器，但片內(nèi)RAM存儲(chǔ)器往往是不夠的。外接RAM擴(kuò)展電路可擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量。本設(shè)計(jì)擴(kuò)展一個(gè)6264（8K）的外部RAM。</p><p>　　③ 接口電路，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等</p><p>　　接口電路主要用于控制縱向和橫向步進(jìn)電機(jī)，刀架電機(jī)等。鍵盤有32

73、個(gè)鍵。此外，還有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，光電耦合器電路，報(bào)警電路，8031時(shí)鐘電路，復(fù)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>　　第三章 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 </p><p>　　在現(xiàn)有C6132車床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床橫向進(jìn)

74、給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造，主傳動(dòng)系統(tǒng)保留。橫向脈沖當(dāng)量：0.005mm/step </p><p>　　3.1 橫切端面時(shí)切削力計(jì)算</p><p>　　例如車床的主切削力Fz（N）可用下式計(jì)算</p><p>　　Fz（N）=0.67</p><p>　　=0.67x320max1.5</p><p>　　=3835.3(

75、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(shí)主切削力可取縱切時(shí)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</p><p>　　Fz：Fx：Fy = 1:0.25:0.4</p>

76、<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(shí)的切削力可取縱切時(shí)1/2。 </p><p>　　按切削力各分力比例：</p><p>　　FZ ：Fx ：Fy=1 ：0.25 ：0.4</p><p>　　Fx=

77、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>　　FZ'=1/2FZ=1917.65(N)</p><p>　

78、　此時(shí)走刀抗力為Fy'（N），吃刀抗力為Fx'，仍按上太述雙例粗略計(jì)算：</p><p>　　FZ' : Fy' : Fx'=1 : 0.25 : 0.4</p><p>　　Fx'=479.4(N)</p><p>　　Fy'=761.7(N)</p><p>　　3.2滾珠絲杠螺母副

79、的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇結(jié)構(gòu)類型：確定滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定之后，再計(jì)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(dǎo)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)又分為螺旋槽式和插管式?？蓞⒄?qǐng)D1選用。</p><p>　　圖1 滾珠循環(huán)

80、方式</p><p>　　圖1 滾珠循環(huán)方式</p><p>　　滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過盈滾珠預(yù)緊等。</p><p>　　本設(shè)計(jì)循環(huán)方式采用：外循環(huán)滾珠絲杠，螺旋槽式。</p><p>　　滾珠絲杠副的計(jì)算步驟如下：</p><p>　　

81、①計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm:</p><p>　　作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的磨擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)．Fm（N）計(jì)算公式如下：</p><p><b>　　矩形導(dǎo)軌：</b></p><p>　　Fm = KFx + （Fx + Fy + G）</p>

82、<p><b>　　燕尾形導(dǎo)軌：</b></p><p>　　Fm = KFx + （Fx + 2Fy + G）</p><p><b>　　三角形或綜合導(dǎo)軌：</b></p><p>　　F = KFx + （Fx + G）</p><p>　　圓導(dǎo)軌（鉆鏜床主軸）<

83、;/p><p>　　式中Fx、Fy、Fz----切削分力，（N）</p><p>　　G----移動(dòng)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>　　dz----主軸直徑。</p><p>　　----導(dǎo)軌上的磨擦系

84、數(shù)，隨導(dǎo)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(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)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(dǎo)軌 K=1. 1 =0.15</p><p>　　燕尾形

85、導(dǎo)軌 K=1.4 =0.2</p><p>　　三角形或綜合導(dǎo)軌 K=1.1 =0.15－0.18</p><p>　　鉆鏜床主軸圓導(dǎo)軌 f=0.15</p><p>　　上列摩擦系數(shù)均是滑動(dòng)導(dǎo)軌,如果采用貼塑導(dǎo)軌=0.03--0.05;滾動(dòng)導(dǎo)軌=0.0025---0.005;靜壓導(dǎo)軌 =0.0005</p>

86、<p>　　圖2 滾珠絲杠副預(yù)緊方式</p><p>　　本設(shè)計(jì)預(yù)緊方式采用螺紋式預(yù)緊。</p><p><b>　?、谟?jì)算最大動(dòng)負(fù)載C</b></p><p>　　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)100萬轉(zhuǎn)（106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)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最

87、大動(dòng)負(fù)載C，可用下式計(jì)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(jì)算 </p><p>　　Vs----為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min），可以最高進(jìn)

88、給速度的 1/2---1/3</p><p>　　Vs=0.3 × ½=0.15mm</p><p>　　L0----絲杠導(dǎo)程，(mm)；初選6mm</p><p>　　T----為使用壽命，（h）對(duì)于數(shù)控機(jī)床取T=150000h；</p><p>　　—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，見表1．按一般運(yùn)轉(zhuǎn)選</p><p&g

89、t;<b>　　表1 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)</b></p><p>　　從手冊(cè)或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找出相應(yīng)的額定動(dòng)載荷的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型，選用時(shí)應(yīng)<。</p><p><b>　?、蹅鲃?dòng)效率計(jì)算</b></p><p>　　滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率：</p><p>　　式中

90、T—絲杠螺旋長升角；</p><p>　　—摩擦角，滾珠絲杠的滾動(dòng)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(jìn)給絲杠</b></p><p>　　計(jì)算進(jìn)給率引力Fm(N)</p><p>　　Fm=KF × f(Fz+G)=1.4 × 767.1

91、× 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(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)K=0.4</p><p>　　f ： 滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f= 0.2</p><p><b&

92、gt;　　計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C</b></p><p>　　l0-----絲杠導(dǎo)程 初選6mm</p><p>　　Vs----為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/mm）可取最高進(jìn)給予速度1/2---1/3</p><p>　　Fw ------運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，選一般運(yùn)轉(zhuǎn)1.2~1.5, fw=1.2</p><p>　　絲杠轉(zhuǎn)數(shù)(r

93、/min)</p><p>　　壽命 L壽==60 × 50 × 15000/=45（萬轉(zhuǎn)）</p><p><b>　　3．最大動(dòng)負(fù)載C</b></p><p><b>　　C==(N)</b></p><p>　　選擇滾珠比杠螺母的選型：</p>&l

94、t;p>　　滾珠絲杠型號(hào)為：CDM2005-5-P3，額定動(dòng)負(fù)載為 15338N>C，可滿足要求數(shù)度等級(jí)為為3級(jí)。</p><p>　　傳動(dòng)效率和計(jì)算： 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率</p><p>　　3.3橫向減速器設(shè)計(jì)</p><p>　　由設(shè)計(jì)任務(wù)可確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程</p><p><b>　　由傳

95、動(dòng)比計(jì)算公式 </b></p><p>　　初選步進(jìn)電機(jī)步距角，可計(jì)算出傳動(dòng)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(jí)齒輪降速,按照經(jīng)驗(yàn)公式可取</p><p>　　即,齒輪模數(shù)=2mm,齒輪傳動(dòng)效率</p><p>　　因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取2，齒輪參

96、數(shù)如表</p><p>　　3.4橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型</p><p>　　1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 </p><p>　　由于橫向步進(jìn)電機(jī)經(jīng)兩對(duì)齒輪降速后傳到絲桿，此傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算 </p><p>　　式中為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，i為傳動(dòng)比，m取50kg,絲杠導(dǎo)程為0.005m；</p><p&g

97、t;　　計(jì)算圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的公式為 J=</p><p>　　為材料密度，d為傳動(dòng)件的等效直徑，l為軸向長度；</p><p>　　按照上式可依次計(jì)算出各傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其中絲杠的等效直徑取????mm</p><p><b>　　經(jīng)計(jì)算： ，</b></p><p><b>　　，</b><

98、;/p><p>　　則將各傳動(dòng)部件及工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量</p><p>　　2) 慣量匹配驗(yàn)算 </p><p>　　參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)110BF003型反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第5卷》表34.3-11得到其最大靜轉(zhuǎn)矩Ts=4.87N.m,則<=0.82<1所以慣量匹配比較合理。</p><p

99、>　　3）步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力校驗(yàn) </p><p>　　作用在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可按下式計(jì)算 </p><p>　?、倏蛰d啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的慣性轉(zhuǎn)矩：</p><p>　?、陔妱?dòng)機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩：</p><p>　　③工作臺(tái)上的最大軸向載荷折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：</p><p>　?、茉O(shè)滾珠

100、絲杠螺母副的預(yù)緊力是最大軸向載荷的，則可得到因預(yù)緊力而引起的、折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩： </p><p>　　則空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 </p><p>　　反應(yīng)式步在最大外載荷下工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 </p><p>　　步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩Ts可由以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 </p><p>　　由于初選

101、的步進(jìn)電機(jī)110BF003最大靜轉(zhuǎn)矩>mas所以按給定要求110BF003步進(jìn)電機(jī)可以正常啟動(dòng)，可作為初選電機(jī)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 </p><p>　　電機(jī)最大空載啟動(dòng)頻率和最大運(yùn)行工作頻率的確定 </p><p>　　從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新版）第5卷》表34.3-11查出110BF003型步進(jìn)電機(jī)允許最大空載啟動(dòng)頻率為1500Hz，運(yùn)行頻率為7

102、000Hz.再查出110BF003步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線?？煽闯?，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩，直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制，將起動(dòng)頻率降到1230Hz.，起動(dòng)力矩可增高到M=196N.m左右，，即可滿足要求。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，110BF003型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性完全可以滿足要求。</p><p>　　5） 系統(tǒng)剛度計(jì)算 </p>

103、;<p>　　絲杠螺母機(jī)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(jì)。</p><p>　　① 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支承剛度</p><p><b>　　絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度</b

104、></p><p><b>　　動(dòng)態(tài)分析</b></p><p>　　絲杠工作臺(tái)縱振的最低頻率</p><p>　　折算到絲杠軸上系統(tǒng)的總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為</p><p>　　如果忽略電動(dòng)機(jī)軸與減速器的扭轉(zhuǎn)變形，則系統(tǒng)最低扭振固有頻率為</p><p>　　此設(shè)計(jì)中，>>300ra

105、d/s,>>300rad/s說明系統(tǒng)動(dòng)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(jī)電一體化設(shè)計(jì)》式5-59可得</p><p>　　?? max<0.005mm</

106、p><p>　　所以滿足單脈沖進(jìn)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(jī)構(gòu)綜合拉壓剛度的變化鎖引起的定位誤差。查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》式5-60可得到由絲杠螺母機(jī)構(gòu)綜合拉壓剛度的變化所引起的最大定位誤差為</p><p>　　對(duì)于開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)，將其

107、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(jìn)電動(dòng)機(jī)100BF003以及CDM2005-5-P3絲杠螺母副符合設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　第四章硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><

108、;p>　　4.1 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容</p><p>　　當(dāng)前，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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(jì)算機(jī)，因此本章著重介紹用MCS--51系列單片徽機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，方法及步驟。單片微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括以下幾部分內(nèi)容：</p><p>　?。ㄒ唬├L制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>

109、　　根據(jù)總體方案及機(jī)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(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。</p><p>　　機(jī)床硬件電路由以下五部分組成。</p><p>　?。?）主控制器，即中央處理單元CPU。</p&

110、gt;<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(chǔ)器。包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器</p><p>　?。?）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(jī)等。</p><p>　?。ǘ┻x擇中央處理單元CPU的類型。</p&g

111、t;<p>　　在徽機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素：</p><p>　?。?）時(shí)鐘頻率和字長，這個(gè)指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度。</p><p>　?。?）可擴(kuò)展存儲(chǔ)器（包括ROM和RAM）的容量。</p><p>　　（3）指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性。</p><p>　?。?）I/O口擴(kuò)展的能力，即對(duì)外設(shè)控制的能力

112、。</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(yīng)用場合，控制對(duì)象對(duì)各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟(jì)價(jià)格比等經(jīng)濟(jì)性的要求。</p><p>　　目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，推薦采用MCS—51系列單片微機(jī)作為主控制器。</p><p>　?。ㄈ┐鎯?chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)</p><

113、;p>　　在存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)應(yīng)該包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。</p><p>　　在選擇程序存儲(chǔ)器芯片時(shí)，要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲(chǔ)器的容量等問題。</p><p>　　在存儲(chǔ)器擴(kuò)燕尾服電路的設(shè)計(jì)中還應(yīng)包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計(jì)。（四）I/O口即輸入／輸出接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　應(yīng)包括接口芯片

114、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)（例如復(fù)位電路，越界報(bào)警電路，掉電保護(hù)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(jì)也應(yīng)包括。</p><p>　　4.2MCS--51系列單片機(jī)簡介</p><p>　　1980年問世，它的集成度很高，是多部件于一體的優(yōu)良的單片機(jī)系統(tǒng)，在我國已廣泛地被應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。 MCS-51系列單片機(jī)主要有三

115、種型號(hào)的產(chǎn)品：8031、8051、8751。三種型號(hào)的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異。8751具有片內(nèi)ERPOM，但價(jià)格高出10-15倍，所以適合于開發(fā)樣機(jī)，小批量生產(chǎn)和需要在現(xiàn)場進(jìn)一步完善的場合。8051的ERPOM程序是Inter公司制作芯片時(shí)為用戶制備的，因此在國內(nèi)很難采用8051型芯片。而8031片內(nèi)無ROM，適用于需擴(kuò)展ROM，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場合，其價(jià)格低，使用靈活，非常適合在我國使用。我們的設(shè)計(jì)也

116、推薦使用8031芯片。</p><p>　　4.3存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.3.1地址鎖存器選用</p><p>　　現(xiàn)選擇74LS373 作單片機(jī)地址鎖存器芯片。</p><p>　　74LS373引腳圖</p><p>　　4.3.2外部程序存儲(chǔ)器選擇</p><p>