[數(shù)控]數(shù)控機(jī)床學(xué)習(xí)資料.doc

5 目錄目錄 第一章第一章 緒論緒論 .1 1.1、數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)吏及國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀.2 1.2我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì).3 1.3 伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)4 第二章第二章 設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)總體方案 .5 21 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定6 22 總方案的確定6 第三章第三章 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部分設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部分設(shè)計(jì) .7 3.1 數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)8 3.2 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算9 第四章第四章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) .10 4.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成11 4.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)12 第五章第五章 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .13 5.1 本數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)任務(wù)14 5.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng) x 軸與 z 軸步進(jìn)電機(jī)控制15 5.3 主軸電機(jī)的控制16 5.4 螺紋加工工作原理和加工程序17 第六章第六章 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)和計(jì)算滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)和計(jì)算18 6.1 選擇脈沖當(dāng)量.19 6.2 計(jì)算切削力.20 6.3 滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型.21 第七章第七章 數(shù)控系統(tǒng)的選擇數(shù)控系統(tǒng)的選擇.22 6.1 西門子數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)23 6.2 數(shù)控線圖.24 6.3 數(shù)控零件圖25 致謝致謝 .26 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .27 5 緒論緒論 1.11.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)史及國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)史及國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 1949 年美國(guó)帕森公司首先提出了機(jī)床數(shù)字控制的概念。1952 年第一代數(shù)控系統(tǒng) 電子管數(shù)控系統(tǒng)的誕生。20 世紀(jì) 50 年代末，完全由固定布線的晶休管元器件電路所 組成的第二代數(shù)控系統(tǒng)晶體管數(shù)控系統(tǒng)被研制成功，取代了昂貴的、易壞的、難 以推廣的電子管控制裝置。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，1965 年出現(xiàn)了第三代數(shù)控系統(tǒng) 集成電路數(shù)控系統(tǒng)。1970 年，在美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，首次展出了第四 代數(shù)控系統(tǒng)小型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，然后，隨著微型計(jì)算機(jī)以其無(wú)法比擬的性能價(jià) 格比滲透各個(gè)行業(yè)，1974 年，第五代數(shù)控系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)也出現(xiàn)了。應(yīng) 用一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的核心組件的數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(cnc)。 綜上所述，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)也隨著不 斷更新，發(fā)展非常迅速，幾乎 5 年左右時(shí)間就更新?lián)Q代一次1。 數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)制造業(yè)的基礎(chǔ)機(jī)械，是最典型的多品種、小批量、高科技含量的 機(jī)電一體化產(chǎn)品。歐、美、日等工業(yè)化國(guó)家已先后完成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品進(jìn)程，1990 年 日本機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá) 75，美國(guó)達(dá) 701，德國(guó)達(dá) 57。目前世界數(shù)控機(jī)床年 產(chǎn)量超過(guò) 15 萬(wàn)臺(tái)，品種超過(guò) 1500 多種2。 1.21.2 我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 1.2.1 數(shù)控技術(shù)狀況 目前，我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開(kāi)發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過(guò)渡的關(guān)鍵時(shí)期，也 是由封閉型向開(kāi)放型過(guò)渡的時(shí)期。 我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù)(包括核心技術(shù))，已達(dá)到國(guó) 際先進(jìn)水平。自“七五”以來(lái)，國(guó)家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來(lái)支持，現(xiàn) 已開(kāi)發(fā)出具有中國(guó)版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，掌握了國(guó)外一直對(duì)我國(guó)封鎖的一些關(guān)鍵技術(shù)。例 如，曾長(zhǎng)期困擾我國(guó)、并受到西方國(guó)家封鎖的多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)技術(shù)對(duì)我們已不再是難題，0.1 5 當(dāng)量的超精密數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控仿型系統(tǒng)、非圓齒輪加工系統(tǒng)、高速進(jìn)給數(shù)控系統(tǒng)、m 實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)都已研制成功。尤其是基于 pc 機(jī)的開(kāi)放式智能化數(shù)控系統(tǒng)，可實(shí) 施多軸控制，具備聯(lián)網(wǎng)進(jìn)線等功能既可作為獨(dú)立產(chǎn)品，又是一代開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)， 為機(jī)床廠及軟件開(kāi)發(fā)商二次開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了條件。特別重要的是，我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性 已有很大提高，mpbf 值可以在 15000h 以上。同時(shí)大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品已能國(guó)內(nèi)生 產(chǎn)，自我配套率超過(guò) 60%。這些成功為中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的自行開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)1。 我國(guó)進(jìn)行改革開(kāi)放后，由于政策的開(kāi)放，使得金屬切削行業(yè)得以和世界上先進(jìn)的 機(jī)床制造國(guó)家進(jìn)行技術(shù)交流，并通過(guò)引進(jìn)技術(shù)，到 80 年代初，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床進(jìn)入實(shí)用 化階段，1991 年數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)值數(shù)控化率為 143，到 1997 年數(shù)控機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化 率為 245。目前，我國(guó)數(shù)控機(jī)床(包括經(jīng)濟(jì)型機(jī)床)品種約有 500 個(gè)2。 但是，與國(guó)外數(shù)控車床相比，在性能、質(zhì)量 設(shè)計(jì)、制造等各方面存在較大差異， 并存在許多不足：機(jī)械件的材質(zhì)、加工精度、加工工藝存在較大差距，裝配工藝也存 在一定差距；主軸及卡盤剛性差，主軸定位準(zhǔn)停不好；安全性較差，軟硬件保護(hù)功能 不夠；刀片磨損快，生產(chǎn)成本高，效率低；硬件設(shè)計(jì)方面不規(guī)范，不符合國(guó)標(biāo)，比如 使用電壓等級(jí)、電線顏色使用、圖紙資料的繪制裝訂、提交等等，有的機(jī)床廠家甚至 仍然停留在十年二十年前的設(shè)計(jì)思想；程序設(shè)計(jì)方面缺乏標(biāo)準(zhǔn)，不規(guī)范，邏輯性不強(qiáng)， 故障率高，在使用過(guò)程中需不斷對(duì)程序進(jìn)行修改；外圍元件布置及走線不規(guī)范，標(biāo)牌 線號(hào)不清，圖紙與實(shí)物不符，維修困難；使用的元器件本身質(zhì)量差，使用壽命短，故 障率高，有的機(jī)床廠家為了降成本卻忘記了質(zhì)量、忘記了可靠性，選用一些國(guó)產(chǎn)的軸 承、接觸器、繼電器、接近開(kāi)關(guān)等元件，在生產(chǎn)過(guò)程中小故障連綿不斷；柔性化不強(qiáng)， 多品種生產(chǎn)困難。而國(guó)外數(shù)控車床無(wú)論是設(shè)計(jì)水平，還是制造水平，都要高出國(guó)內(nèi)數(shù) 控車床。機(jī)械件材質(zhì)、加工精度、加工工藝、裝配工藝比較好；軟硬件設(shè)計(jì)有專門的 標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)規(guī)范合理，配套件齊全，標(biāo)牌標(biāo)示清楚齊全；使用的元器件質(zhì)量好，故障 率低；新技術(shù)的應(yīng)用及時(shí)領(lǐng)先；概括來(lái)說(shuō)，精度及可靠性高、性能穩(wěn)定故障率低3 。 1.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日臻完善，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng) 域日益擴(kuò)大。為了滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技發(fā)展的需要，數(shù)控系統(tǒng)正朝著高精度、高 速度、高可靠性、多功能、智能化及開(kāi)放性等方向發(fā)展。 1.31.3 伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)伺服系統(tǒng)的特點(diǎn) 數(shù)字控制，是一種自動(dòng)控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)控制對(duì)象加以控制的一種方 5 法。數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說(shuō)是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。數(shù)控機(jī)床 是典型的數(shù)控化設(shè)備，它一般由信息載體、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機(jī)床四部分 組成。 1. 信息載體 信息載體又稱控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機(jī)床上加工一個(gè)零件所必需的各種信息， 以控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件的機(jī)械加工。常用的信息載體有穿孔帶等，通過(guò)相應(yīng)的 輸入裝置將信息輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。數(shù)控機(jī)床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加 工信息直接輸入，或通過(guò)竄行口將計(jì)算機(jī)上編寫(xiě)的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)。高級(jí)的 數(shù)控系統(tǒng)可能還包含一套自動(dòng)編程機(jī)或者 cad/cam 系統(tǒng)。 2. 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，它的功能是接受載體送來(lái)的加工信息，經(jīng)計(jì) 算和處理后去控制機(jī)床的動(dòng)作。它由硬件和軟件組成。硬件除計(jì)算機(jī)外，其外圍設(shè)備 主要包括光電閱讀機(jī)、crt、鍵盤、面板、機(jī)床接口等。軟件由管理軟件和控制軟件組 成。數(shù)控裝置控制機(jī)床的動(dòng)作可概括為：機(jī)床主運(yùn)動(dòng)、機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、刀具的選擇 和刀具的補(bǔ)償、其它輔助運(yùn)動(dòng)等。 3. 伺服系統(tǒng) 它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)床移動(dòng)部件,它接受數(shù)控裝置發(fā)來(lái)的 各種動(dòng)作命令，驅(qū)動(dòng)受控設(shè)備運(yùn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)、電液馬達(dá)、直流伺 服電機(jī)或交流伺服電機(jī)。 4. 機(jī)床 它是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分，是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但 也做了很多改進(jìn)和提高，它的主要特點(diǎn)是：由于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用了高性能的主軸 及伺服傳動(dòng)系統(tǒng)，因此數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈較短；為了適應(yīng) 數(shù)控機(jī)床連續(xù)地自動(dòng)化加工，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動(dòng)態(tài)剛度、阻尼精度及耐 磨性，熱變形較??；更多地采用高效傳動(dòng)部件，如滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等；不 少數(shù)控機(jī)床還采用了刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置以提高機(jī)床工作效率1。 數(shù)控機(jī)床集中了傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)床、精密機(jī)床和萬(wàn)能機(jī)床三者的優(yōu)點(diǎn)，將高效率、 高精度和高柔性集中于一體。而數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高首先依賴于進(jìn)給和主軸驅(qū)動(dòng) 特性的改善以及功能的擴(kuò)大，為此數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、 伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)等方面都有很高的要求。 5 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床中， 伺服系統(tǒng)主要指各坐標(biāo)軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受來(lái)自 cnc 裝置的進(jìn) 給脈沖，經(jīng)變換和放大，再驅(qū)動(dòng)各加工坐標(biāo)軸按指令脈沖運(yùn)動(dòng)。這些軸有的帶動(dòng)工作 臺(tái)，有的帶動(dòng)刀架，通過(guò)幾個(gè)坐標(biāo)軸的綜合聯(lián)動(dòng)，使刀具相對(duì)于工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的 機(jī)械運(yùn)動(dòng)，加工出所要求的復(fù)雜形狀工件。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要 組成部分。它包含機(jī)械、電子、電機(jī)(早期產(chǎn)品還包含液壓)等各種部件，并涉及到強(qiáng) 電與弱電控制，是一個(gè)比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。要使它成為一個(gè)既能使各部件互相配合 協(xié)調(diào)工作，又能滿足相當(dāng)高的技術(shù)性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)，的確是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。 提高伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性，對(duì)于數(shù)控機(jī)床具有重大意義，研究與開(kāi)發(fā)高性能 的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示： 由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，它們對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相 同，但通?？筛爬橐韵聨追矫妫嚎赡孢\(yùn)行；速度范圍寬；具有足夠的傳動(dòng)剛度和高 的速度穩(wěn)定性；快速響應(yīng)并無(wú)超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。 伺服系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的要求： 1） 從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如 0.1r /min 或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象。 2） 電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺 服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載 4-6 倍而不損壞。 3） 為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有 盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受 4000rad/s2以上的角加速度的能 力，才能保證電機(jī)可在 0.2s 以內(nèi)從靜止啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。 4） 電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已開(kāi) 始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向 全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字 pid，使 用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使 控制精度和品質(zhì)大大提高4。 5 圖 1.1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 并不是所有的舊機(jī)床都可以進(jìn)行數(shù)控改造，機(jī)床的改造主要應(yīng)具備兩個(gè)條件： 第一，機(jī)床基礎(chǔ)件必須有足夠的剛性。第二，改造的費(fèi)用要合適，經(jīng)濟(jì)性好。在改裝 車床前，要對(duì)機(jī)床的性能指標(biāo)做出決定。改裝后的車床能加工工件的最大回轉(zhuǎn)直徑以 及最大長(zhǎng)度、主電動(dòng)機(jī)功率等一般都不會(huì)改變。加工工件的平面度、直線度、圓柱度 以及粗糙度等基本上仍決定于機(jī)床本身原有水平。主要有下述性能和精度的選擇需要 在改裝前確定。 最大加工直徑： 車床身上： 400mm 車床鞍上： 210mm 最大加工長(zhǎng)度： 1000mm 快進(jìn)速度： 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/min 最大切削進(jìn)給速度： 縱向 0.6m/min 橫向 0.3m/min 5 脈沖當(dāng)量： 縱向 0.01mm/step 橫向 0.005mm/step 脈沖分配方式： 逐點(diǎn)比較法 控制坐標(biāo)數(shù)： 2 機(jī)床定位精度： 0.015 溜板及刀架重力： 縱向： 800n 橫向： 60 8 自動(dòng)生降速性能： 有 起動(dòng)加速時(shí)間： 30ms 主電機(jī)功率： 7.5kw 當(dāng)數(shù)控車床的性能和精度等內(nèi)容基本選定后，可根據(jù)此來(lái)確定改造方案。目前機(jī) 床數(shù)控改造技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，專用化的機(jī)床數(shù)控改造系統(tǒng)所具備的性能和功能一般 均能滿足車床的常規(guī)加工要求。因此，較典型的車床數(shù)控改造方案可選擇為：配置專 用車床數(shù)控改造系統(tǒng)，更換進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)絲杠傳動(dòng)為滾珠絲杠傳動(dòng)、采用步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、配置脈沖發(fā)生器實(shí)現(xiàn)螺紋加工功能、配置自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀 功能。 2 22 2 總方案的確定總方案的確定 2.2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 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)、順圓和逆圓插補(bǔ)、暫停、 循環(huán)加工公英螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 2.2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)床要求，采用 8 位微機(jī)。由于 mcs51 系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性 好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，決定采用 mcs51 系列 的 8031 單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、i/o 接口及光隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大 電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示 加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 2.2.3 機(jī)械傳動(dòng)方式 為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲桿。為了保證一定 的傳動(dòng)精度跟平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng) 剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 2.2.4 運(yùn)動(dòng)方式的確定 數(shù)按系統(tǒng)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)。由于 ck6163 車床要加工復(fù)雜輪廓零件，所以本次設(shè)計(jì)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 2.2.5 系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)比較，由于 ck6163 車床加工精度要求不高，所以決定采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 2.2.6 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定 為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出低 8 摩、低慣量、高剛度、無(wú)間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下 幾點(diǎn)： (1) 盡量采用低磨擦的傳動(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、 貼塑導(dǎo)軌等。 (2) 盡量消除傳動(dòng)間隙。例如采用隙齒輪等。 (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)剛度，減小傳動(dòng)鏈誤差?？刹?用預(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負(fù)載導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。 2.2.7 微機(jī)的選擇 微機(jī)數(shù)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)電路、檢測(cè) 電路等幾部分組成。 第三章 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部分設(shè)計(jì) 3.1 數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)包括傳動(dòng)系統(tǒng)改裝設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)動(dòng)比的計(jì)算、電機(jī)的選擇等。 3.1.1.傳動(dòng)系統(tǒng)改裝設(shè)計(jì) 在車床的改造中，一般采用直線控制開(kāi)環(huán)系統(tǒng)即可滿足要求。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 傳動(dòng)鏈短機(jī)床流板箱的運(yùn)動(dòng)速度和位移完全取決于輸入指令脈沖的數(shù)目和頻率。因此， 不需要位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)。由于無(wú)檢測(cè)裝置，其位移精度主要取決于傳動(dòng)元件（如齒輪、 傳動(dòng)絲杠等等）的累積誤差。所以，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該選擇合適的脈沖當(dāng)量（常用的控制系 統(tǒng)的脈沖當(dāng)量是 x 向 0.005mm/p。y 向 0.01mm/p）并要求傳動(dòng)元件有足夠的剛度和精度。 傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差盡量小，一般開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的定位精度可達(dá)0.02mm0.01 mm.有以下 幾個(gè)方面的因素：一是將高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的伺服電動(dòng)機(jī)軸的輸出，改變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩 的執(zhí)行元件的輸出；另一方面是使絲杠哈溜板的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)上數(shù)值減小， 此外對(duì)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)而言還可以保證所要求的脈沖當(dāng)量。 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造全部拆除 ck6163 原機(jī)床的進(jìn)給箱和溜板箱，拆除光桿及端部 的固定軸承。滾珠絲杠安裝在原光桿略前一點(diǎn)?？紤]到熱脹冷縮對(duì)精度的影響，絲杠 的兩端一固定一端自由伸縮。溜板箱拆除后，設(shè)一溜板箱和平動(dòng)按鈕安裝板，滾動(dòng)絲 杠副的螺母固定到溜板箱上，轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠時(shí)，帶動(dòng)溜板箱移動(dòng)。 縱向步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱和溜板箱均加外罩，以保持機(jī)床的外觀整齊；在溜板箱上 安裝縱、橫向進(jìn)給按鈕和啟動(dòng)、暫停、急停按鈕，以適應(yīng)機(jī)床調(diào)整時(shí)的操作需要和遇 到以外情況時(shí)的緊急處理需要。為了便于安裝滾珠絲杠副及檢修，絲杠軸采用分段式。 8 安裝后，用套桶剛性連接。如絲桿采用整體式，則加工難度大，易產(chǎn)生變形，裝拆不 方便，且如果一端因磨損或裝拆損壞，則絲杠也隨之報(bào)廢。無(wú)形之中增加使用成本步 進(jìn)電機(jī)及齒輪箱安裝在機(jī)床尾部，不影響操作，便于檢修和布線。為保證傳動(dòng)精度及 避免多級(jí)傳動(dòng)帶來(lái)的誤差，采用一級(jí)齒輪減速，并采用雙片薄齒輪錯(cuò)齒來(lái)消除間隙 （考慮到負(fù)載變化，不采用彈簧調(diào)節(jié)齒輪）運(yùn)行一段時(shí)間后，拆開(kāi)減速蓋板調(diào)節(jié)兩片 齒輪間的相對(duì)位置達(dá)到消除間隙的目的。此外為達(dá)到這個(gè)目的，在減速箱端蓋上制造 腰子孔方式。當(dāng)端蓋與減速箱體聯(lián)結(jié)時(shí)。圍繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)端蓋，從而改變步進(jìn)電機(jī)與絲 杠軸中心距來(lái)達(dá)到消除齒輪間隙的目的。減速箱在安裝后，配打定位銷定位。在溜板 箱體上安裝快速進(jìn)給按鈕和急停按鈕，機(jī)床運(yùn)行中如遇越界現(xiàn)象將不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。因 此在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b越界報(bào)警系統(tǒng)。 原機(jī)床主軸部位保留，但加裝主軸脈沖發(fā)生器，以實(shí)現(xiàn)螺紋加工功能。 保留其它進(jìn)給和刀具部分。原來(lái)車床上的四位刀架改為四位可編程自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。 3.2.2.主軸編碼器 數(shù)控車床靠數(shù)控系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給與主軸的旋轉(zhuǎn)配合切削出符合的螺紋，須 配置主軸編碼器作為車床主軸位置信號(hào)的反饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)出主 軸轉(zhuǎn)角位置變化的信號(hào)。主軸編碼器一般采用同軸安裝或異軸安裝，異軸安裝較同軸 安裝復(fù)雜，須配置一對(duì)齒輪或同步恥形帶，但可加工穿出車床主軸孔的零件。主軸編 碼器傳動(dòng)用軸套連接，對(duì)連接件制造精度及安裝要求較高，否則同軸度誤差的影響會(huì) 引起主軸編碼器發(fā)生偏扭而造成信號(hào)不準(zhǔn)，嚴(yán)重會(huì)損壞 碼盤。 3.1.3.滾珠絲杠 由于被改裝機(jī)床的絲杠往往已有不同程度的磨損或彎曲變形，運(yùn)動(dòng)阻力較大，容 易造成步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的丟步。如果機(jī)床用于粗加工，問(wèn)題還不突出；如用于精加 工，為了提高機(jī)床的定位精度、應(yīng)采用滾珠絲杠。在改裝過(guò)程中，一般應(yīng)注意以下幾 個(gè)問(wèn)題： a 改裝前，應(yīng)對(duì)機(jī)床的各項(xiàng)精度進(jìn)行一次檢測(cè)，作必要的修復(fù)，以保證改裝后的機(jī) 床有較高的使用價(jià)值由于滾珠絲杠的定位圓往往比原絲杠大，需拆下縱向絲杠右端的 掛腳，細(xì)致地校正原安裝定位面，找正原定位孔中心，擴(kuò)鏜孔，使之與滾珠絲杠配合。 這是新安裝的滾珠絲杠與機(jī)床導(dǎo)軌平行的關(guān)鍵之一；縱向滾珠絲杠選用時(shí)，應(yīng)盡量使 8 其長(zhǎng)度與原絲杠接近。為了降低成本，允許選用稍短的規(guī)格，因?yàn)檐嚧步z杠的端部螺 紋在日常使用時(shí)一般是用不到的，可加連接桿補(bǔ)償，但應(yīng)保證加工和安裝時(shí)的同軸度 要求。這一要求以及絲杠螺母座的安裝位置，構(gòu)成大拖板移動(dòng)是否靈活的關(guān)鍵； 橫向滾珠桿的有效長(zhǎng)度，不僅要保證刀具刃尖過(guò)去軸中心，還應(yīng)滿足機(jī)床自動(dòng)對(duì) 刀功能的要求。最好能使中拖板行程滿足鏜孔刀尖超過(guò)主軸中心 40mm。我們將原機(jī)床 絲杠的螺紋部分切去，與滾珠絲杠鑲接，簡(jiǎn)化了改裝工作量。螺紋部分切出前，需確 定起長(zhǎng)度。 3.2.4.絲杠后支撐用雙列向心球面球軸承 后支撐采用自動(dòng)調(diào)心雙列向心球面球軸承。雙列向心球面球軸承，不僅可 承受徑 向載荷和橫向載荷，更重要的是能消除由于安裝誤差，導(dǎo)軌直線度誤差，加工過(guò)程中 切削變形而引起的軸和軸承之間的干涉，自動(dòng)調(diào)節(jié)起相對(duì)位置，保證絲杠的回轉(zhuǎn)精度 和位置精度。 3.3.5.采用波形彈簧墊圈消除齒輪間隙 車床數(shù)控裝置中，彈簧是傳動(dòng)裝置上采用一級(jí)減速齒輪來(lái)提高鈕矩和傳動(dòng)精度， 而齒輪間隙會(huì)在旋轉(zhuǎn)每次反向之后使運(yùn)動(dòng)滯后于指令信號(hào)；既形成反向間隙，對(duì)加工 精度產(chǎn)生影響。一般采用軸向壓簧錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)，通過(guò)彈簧調(diào)節(jié)消除間隙，盡管齒側(cè)間隙 可自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償，但軸向尺寸結(jié)構(gòu)不緊湊，關(guān)系非線形，而耐高溫和耐油性比鋼彈簧 彈性差，易老化。因此用波形彈簧墊圈消除間隙，既可自動(dòng)補(bǔ)償間隙又有緊湊結(jié)構(gòu) 3.4.6.傳動(dòng)軸和滾動(dòng)絲杠的連接連接軸用長(zhǎng)聯(lián)軸套 為減少聯(lián)軸器徑向尺寸和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，采用了套式聯(lián)軸器；同時(shí)為保證連接兩軸之 間同軸度和接觸面積，連軸器的長(zhǎng)度去 120 mm 左右，約為彈性柱銷的 1.5 倍，軸徑與 軸套相互垂直，圓錐銷定位瑣緊保證連接剛度 3.5.7.公差與配合的選用 （1）軸套與軸徑之間用 h7/k6，采用這種配合，保證在裝配時(shí)有過(guò)盈，以保證其 精密定位和連接剛度，消除里配合件之間的震動(dòng)，當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)期后，需要更換軸承 或進(jìn)行導(dǎo)軌修磨而拆卸時(shí)，又能方便的將軸徑從軸套 中取出。 （2）與軸承配合的軸徑用 js6。因?yàn)檩S承是標(biāo)準(zhǔn)件周的公差采用 js6 當(dāng)軸承過(guò)度 配合時(shí)平均間隙小，并允許有過(guò)盈，以保證剛度要求，又能方便軸承裝卸。 3.2 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 1.縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 8 （1）工作臺(tái)質(zhì)量的估算 工作臺(tái)質(zhì)量估算 =86+21.6+26=133.6kgmabc 式中：a床鞍的質(zhì)量 86kg b中拖板的質(zhì)量 21.6kg c刀架質(zhì)量 26kg （2） 切削力的計(jì)算 p=pk p主電機(jī)功率=7.5kw 主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率=0.75 k進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù) k=0.96 p =7.50.80.96=5.76kw 2機(jī)床主電機(jī)功率計(jì)算 按照需要進(jìn)行數(shù)控改造設(shè)計(jì)的普通車床的主電機(jī)功率來(lái)計(jì)算切削力。其具體方法 如下: pp 式中 c切削功率(kw) p 機(jī)床主傳動(dòng)功率(kw) 主傳動(dòng)系統(tǒng)總的機(jī)械效率，可以近似地取以下數(shù)值 精密機(jī)床 =0.80.85 中型機(jī)床 =0.750.8 大型機(jī)床 =0.70.85 mn=9550pc/n 式中 mn 主軸傳遞的扭矩(nm)； n 主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速(r/min)，是主軸傳遞全部功率時(shí)的最低轉(zhuǎn)速。 fz=2mn/d10 式中 fz 主切削力(n)； d 工作直徑可采用在床鞍上加工的最大直徑。 主切削力求出以后再按比例求出 fxfy。 8 3.滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 滾珠絲杠已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算歸結(jié)為滾珠絲杠副的型號(hào)選 擇。縱向滾珠絲杠選用時(shí)，盡量使其長(zhǎng)度與原絲杠接近。為了降低成本，允許選用稍 短的規(guī)格，因?yàn)檐嚧步z杠的端部螺紋在日常使用時(shí)一般是用不到的，可加連接杠補(bǔ)償， 但應(yīng)保證加工和安裝時(shí)的同軸度要求。這一要求以及絲杠螺母座的安裝位置，構(gòu)成大 拖板移動(dòng)是否靈活的關(guān)鍵。同時(shí)橫向滾珠絲杠的有效長(zhǎng)度，不僅要保證刀具刃尖過(guò)去 周中心，還應(yīng)滿足機(jī)床自動(dòng)對(duì)刀功能的要求，最好能使中拖板行程滿足鏜孔刀尖超過(guò) 主軸中心 40mm。我們將原機(jī)床絲杠的螺紋部分切去，與滾珠絲杠鑲接，簡(jiǎn)化了改裝工 作量。螺紋部分切除前，需確定其長(zhǎng)度。 （1）計(jì)算作用在絲杠下的最大動(dòng)負(fù)載荷 f 首先根據(jù)切削力和運(yùn)動(dòng)部件的重量引起的進(jìn)給抗力，計(jì)算絲杠的軸向載荷，再根 據(jù)要求的壽命計(jì)算出絲杠副應(yīng)能承受的最大動(dòng)載荷 f f=fgfgf f 最大動(dòng)載荷（n） f 工作負(fù)載（n） f 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 1.2 1.5；有沖擊的運(yùn)轉(zhuǎn)取 1.52.5 f 硬度系數(shù)，hrc 為 60 時(shí)為 1；hrc60 時(shí) f 大于 1； l壽命以 10 為單位 1，如 1.5 就為 150 萬(wàn)轉(zhuǎn)。 l=60nt/10 n滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速 t 為使用壽命，取 15000 小時(shí) 工作負(fù)載的數(shù)值可用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)中的進(jìn)給牽引力實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算： 則車床絲杠的縱向軸向力 f=kgf f切削分力；w 移動(dòng)部件重力（1300n） k 考慮到顛覆力矩的影響的系數(shù) k 取 1.15 f 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取 0.16 則 f =2471n 8 當(dāng)車床以線速度 100m/min,進(jìn)給速度為 f=0.3mm/r,車削直徑為 d=80 mm 的外圓時(shí)， 絲杠的轉(zhuǎn)速 n= = =19.9r/min，則 l= = =17.91 萬(wàn)轉(zhuǎn)。根據(jù)工作負(fù)載 f ，壽命 l，計(jì)算 出滾珠絲杠副承受的最大動(dòng)負(fù)荷，取 f =1.2, f =1 f=fgfgf= 1.212471=12548.8n 由 f 查滾珠絲杠的產(chǎn)品樣本選用絲杠的型號(hào)。查南京工藝設(shè)備制造廠的滾珠絲杠 樣本選擇滾珠絲杠的直徑為 40mm,型號(hào)為 cd406z5e2，插管外循環(huán)雙螺母墊片預(yù) 緊及滾珠絲杠副。其額定動(dòng)載荷為 25970n，強(qiáng)度足夠。參數(shù)如下： 公稱直徑 40mm，基本導(dǎo)程 6mm，鋼球直徑 7.144mm，絲杠大徑 38mm 額定動(dòng)負(fù)荷 25.97kn，額定靜負(fù)荷 87kn 4 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 c 選用滾珠絲杠副的直徑 d。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(wàn)轉(zhuǎn)(1010后。在它的滾到上不產(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大動(dòng)負(fù)載 c，可用下式計(jì)算 o s mw l v n nt l fflc 1000 10 60 6 3 式中 l壽命，以 1010轉(zhuǎn)為一單位； n絲杠轉(zhuǎn)速(rmin); v 為最大切削力條件下的進(jìn)給速度(m/min),可取醉倒進(jìn)給速度的 1/21/3； l。絲杠導(dǎo)程()； 為使用壽命()，對(duì)于數(shù)控機(jī)床??； w運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，見(jiàn)表-。 表-運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 無(wú)沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) . 一般運(yùn)轉(zhuǎn) . 有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) . 5 計(jì)算最大靜負(fù)載。 8 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速(情況下工作時(shí)，滾珠絲杠副的 破壞形式主要是在滾珠接觸面上產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)塑性變形超過(guò)一定限度就會(huì)破壞珠 絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過(guò)滾珠直徑的萬(wàn)分之一。產(chǎn)生這樣大 的塑性變形量時(shí)的負(fù)載稱為允許的最大靜負(fù)載。 。 式中 滾珠絲杠的最大軸向負(fù)荷，()； 靜態(tài)安全系數(shù)，當(dāng)為一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)有沖擊或振動(dòng)是， fs23。 選用相應(yīng)的滾珠絲杠副的額定靜載荷 c。c。a。 6 .傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 tan tan 式中 絲杠螺旋升角； 摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) f=0.0030.004,其摩擦角約等于 10。 7 .剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，因此應(yīng)考慮 以下引起軸向變形的因素 (1)絲杠的拉伸或壓縮變形量 1；在總的變形量中占得比重較大。可以用計(jì)算方 法或查圖表的方法決定。 1計(jì)算法 先用下式計(jì)算滾珠絲杠受工作負(fù)載 fm 的作用引起的導(dǎo)程 l。的變化量 l(mm)再計(jì)算滾珠絲杠總長(zhǎng)度上的拉伸或壓縮變形量 1。 l=fml。/ef 式中 l在工作負(fù)載 fm 作用下引起每一導(dǎo)程的變化量(mm)； fm工作負(fù)載，即進(jìn)給牽引力(n)； l。滾珠絲杠的導(dǎo)程(mm)； e材料彈性模數(shù)(n/mm),對(duì)鋼為 20.61010nmm; 8 f滾珠絲杠截面積(鞍內(nèi)徑確定) (mm)。 “”號(hào)用于拉伸， “-”號(hào)用于壓縮。 再計(jì)算滾珠絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮的變形量 1(mm) 1=l/ll 式中 l滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度(mm) 。 （2）效率計(jì)算： 根據(jù)機(jī)械原理的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率? 為 y0.3 螺紋的螺旋升角，該 絲杠為 2.7349, 摩擦角為 10, 則 y =0.94 （3）剛度計(jì)算 滾珠絲杠工作時(shí)，受軸向力和扭矩的作用，它將引起導(dǎo)程 l 的變化，因滾珠絲杠 受扭時(shí)引起導(dǎo)程變化很小，可忽略不計(jì)，故工作負(fù)載引起的導(dǎo)程的變化兩 l（cm）為公 式中 s 彈簧摸量，對(duì)鋼 s=20.610 n/cm ，f 是滾珠絲杠截面積等于 11.88cm 。 “+” 用于拉伸時(shí)， “-”用于壓縮時(shí)。則6.0610 cm，絲杠 1 米長(zhǎng)度上導(dǎo)程變形總誤差?l 10.10m/m，3 級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差為 15m/m，故剛度足夠。 （4）滾珠絲杠副螺母副支承形式的選擇 按如何布置承受軸向載荷的軸承和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單由適合中小型車床的支承形式分，一 般有下列兩種。 .“雙推自由”式，圖 a 所示為“雙推自由”式原理圖。這種方式是將兩個(gè)a 方向的推力都布置于一端。另一端為自由端。它適合于車床的橫向進(jìn)給絲杠； .“雙推支承”式，圖 b 所示為“雙推支承”式原理圖。與方式 a 不同的是b 在另一端布置一盤或兩盤向心球軸承。這種形式比較適合于中小型車床的縱向進(jìn)給絲 杠 7.定齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 根據(jù)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 0.01，選步進(jìn)電機(jī)的步距角則 y=1.25，取齒輪齒數(shù)0.75? z =24，z=30 齒輪模數(shù) m=3mm.取齒輪傳動(dòng)時(shí)效率 =0.98 8.步進(jìn)電機(jī)的選擇 （1）負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的估算 折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算： 8 jj j 折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kg/cm ） j 齒輪 z 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg/cm ） j 齒輪 z 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg/cm ） j 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg/cm ） 對(duì)材料是鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算： 7.8 10jdla d 圓柱零件的直徑（cm） l零件軸向長(zhǎng)度（cm） 所以 j7.8104.81=0.414kg/cm j=7.81061=1.011kg/cm j=7.8104152=30.35kg/cm j=0.299kg/cm =0.414+0.299=20.784jj （2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 根據(jù)能量守恒原理，電動(dòng)機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 2.05n.m 若不考慮起動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ,取安全系數(shù) 0.3， 對(duì)于 工作于三相六拍的步進(jìn)電機(jī) t = n/m .因數(shù)控機(jī)床對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高，確定電動(dòng)機(jī) 最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，應(yīng)滿足快速空載啟動(dòng)時(shí)，所需轉(zhuǎn)矩 t 的需求 tttt t 空載快速啟動(dòng)是所需的轉(zhuǎn)矩（n/m） t 克服摩擦所需的轉(zhuǎn)矩（n/m） t 絲杠預(yù)緊所引起折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加轉(zhuǎn)矩（n/m） 當(dāng)工作臺(tái)快速移動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 由動(dòng)力學(xué)可知， tj 式中 角加速度，則=3.626n/mtj t =0.173n/m 式中 f 預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的 1/3，即 f /3 則=3.626+0.173+0.683=4.482n/mtttt 8 （3）步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率 f =3333.33hz 根據(jù)計(jì)算綜合考慮，查表選用 110bf003 型電動(dòng)機(jī)。 第四章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 4.14.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，硬件是數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)，其性能 的好壞，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能，有了硬件，軟件就能發(fā)揮作用。 機(jī)床數(shù)控機(jī)床的硬件電路概括起來(lái)又以下四部分組成： （1） 中央處理單元 cpu。cpu 是數(shù)控系統(tǒng)的核心。 （2） 總線。包括數(shù)據(jù)總線（db） 地址總線（ab）和控制總線（cb） 。 （3） 存儲(chǔ)器。包括只讀可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器。 （4）輸入輸出接口電路。o i 由于 8031 只有 p1 口和 p3 口部分能提供用戶作為 i/o 口使用，不能滿足輸入輸出 口的需要，因而系統(tǒng)必須擴(kuò)展輸入輸出接口電路。從附錄 h 圖 h2 可以看出，系統(tǒng)擴(kuò) 展了一片 8155 和一片 8255 可編程 i/o 接口芯片。8155 的片選信號(hào) ce 接 74ls138 的 y0，8255 芯片片選信號(hào) cs 接到 74ls138 的 y2 端。74ls138 三八譯碼器有三個(gè)輸入 a、b、c 分別接到 8031 的 p2。5，p2。6、p2。7，輸出 y0y7 8 個(gè)輸出，低電平有效。 y0y7 對(duì)應(yīng)輸入 a、b、c 的 000 至 111 的 8 種組合，其中 y0 對(duì)應(yīng) a、b、c 為 000，y7 對(duì)應(yīng) a、b、c 為 111。74ls138 還有三個(gè)使能端，其中 2 個(gè)（ga 和 gb）為低電平使能， 另一個(gè) g1 為高電平使能。吸有當(dāng)使能端均處于有效電平時(shí)，輸出才能產(chǎn)生，否則輸出 處于高電平無(wú)效狀態(tài)。 i/o 接口芯片與外設(shè)的連接是這樣安排的：8155 芯片 pa0pa7 作為顯示器段選信 號(hào)輸出，pb0pb7 是顯示器的位選信號(hào)輸出，pc0pc4 5 根線是鍵盤掃描輸入。8155 芯 片的 io/m 引腳接 8031 芯片的 p2。0，因?yàn)槭褂?8155 的 i/o 口故 p2。0 高電平。 8255 芯片 pa0pa6 接 x 向、y 向和 z 向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器，為輸出， pb0pb7 為三個(gè)方向的點(diǎn)動(dòng)及回零輸入，pc0pc5 為面板上的選擇開(kāi)頭是輸入，設(shè)有編 輯、單步運(yùn)行、單段運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng) i、手動(dòng) ii 等方式。 系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲(chǔ)器及 i/o 接口芯片的地址編碼如表 419 所 示： x 向，y 向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器采用 yb015，32 相通電五相十拍方式工作， 故 a0，a1 引腳均接+5v，z 向步進(jìn)電機(jī)配件環(huán)形分配采用 yb014，是以 23 相通電四 相八拍方式工作。a0、a1 接高電平。三個(gè)芯片的選通輸出控制 e0 分別接 8255 的 pa0、pa3、pa5，清零 r 接 8255 的 pa1，正、反轉(zhuǎn)控制端分別接 8255 的 8 pa2、pa4、pa6，時(shí)鐘輸入端 cp 接 8155 芯片的 timrout，用以決定脈沖分配器輸出脈 沖分配器輸出脈沖的頻率。為實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)時(shí)不同的進(jìn)給速度，可給 8155 芯片的定時(shí)/計(jì) 數(shù)器中設(shè)置不同的時(shí)間常數(shù)。 表 5 芯 片接 74ls138 引腳 地址選擇線片內(nèi)地址 單元 （b） 地址編碼 2764（1） 0 y000xxxxxxxxxxxxx8k0000h1fff h 2764 (2 ) 1 y001xxxxxxxxxxxxx8k2000h3fff h 6264 2 y010xxxxxxxxxxxxx8k4000h5fff h ram 4 y10011110xxxxxxxx661009effh 8155i/o 4 y1001111111111xxx69ff8h9ffd h 8255 2 y01011111111111xx45ffch5fff h 作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作，存儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)軟 件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù)，輸入輸出接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行交o i 換的 橋梁?？偩€則是 cpu 與存儲(chǔ)器，接口以及其它轉(zhuǎn)換的紐帶，是 cpu 與部分電路進(jìn) 行交換和通訊的必由之路。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖為： 8 圖 4-1 4.24.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 向和 x 向進(jìn)給伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng) 2 鍵盤顯示 3 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架控制 4 螺紋加工控制 5 面板控制 6 行程控制 7 其他功能 報(bào)警電路、急停電路、復(fù)位電路、光隔離電路、功能電路等。 4.2.1 硬件電路的組成 采用 mcs-5 系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下： a) 采用 8031 作 cpu b) 擴(kuò)展了兩片 2764 芯片、一片 6264 芯片 c) 兩片 8155 可編程并行 i/o 接口。 d) cpu、存儲(chǔ)器及 i/o 接口 cpu 采用 8031 芯片，選用 6mhz 晶體振蕩器。它的作為數(shù)據(jù)總線和地址共用。 o p 16 位地址線由經(jīng)地址鎖存器 74ls373 提供 8 位地址，高 8 位地址由 o p 70 aa 158 aa 8031 的口直接提供。ale 為地址鎖存允許。為低電平時(shí)選通外部存儲(chǔ)器 2 ppsen （eprom） ，相應(yīng)的指令字節(jié)出現(xiàn)在 eprom 的數(shù)據(jù)線（）上，輸入到口， 70 dd o p 8031 將指令讀入。reset 為復(fù)位控制，當(dāng) reset 輸入端出現(xiàn)高電平時(shí)，8031 被初始 化復(fù)位，在復(fù)位有效期向 ale、psen 也輸出高電平。當(dāng) reset 輸入端返回低電平后， cpu 從 o 地址開(kāi)始執(zhí)行程序。 （故設(shè)計(jì)中一定有一片 2764 芯片連到 74ls138 的）設(shè) 0 y 計(jì)中采用上電復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位。另外，兩片 8155 的 reset 也與 8031 的 reset 管腳 8 相連，它們可同時(shí)復(fù)位。 8031 的是片內(nèi)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器溢出中斷申請(qǐng)，由主軸后面的光電編碼器輸入。 0 t 當(dāng)車床車螺紋時(shí)，主軸光電編碼器向 8031發(fā)出進(jìn)給脈沖，用以控制不同導(dǎo)程的螺紋 0 t 加工。光電編碼器還發(fā)出一個(gè)零位螺紋信號(hào)，輸入 8155(1)的，用以防止車螺紋亂 6 pb 扣。 8155(1)主要用于功能鍵的控制，刀架轉(zhuǎn)位控制以及報(bào)警等。其中 pa 口為輸入口， 作為功能鍵的控制管理，刀架控制編輯、空運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng) i，手動(dòng)和 50 papa ii 回零。pb 口也是輸入口，由面板上的按鍵分別控制起動(dòng)、暫停、單段、連 40 pbpb 續(xù)、急停等功能。是換刀回答，當(dāng)自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架按指令轉(zhuǎn)位、夾緊，刀架電機(jī)停 5 pb 轉(zhuǎn)之后，發(fā)出此信號(hào)，開(kāi)始執(zhí)行進(jìn)給指令。接光電編碼器輸出的零位螺紋信號(hào)。 6 pb pc 口是輸出口，控制自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架四個(gè)刀位的選刀。用于報(bào)警顯示， 30 pcpc 4 pc 系統(tǒng)正常工作時(shí)，輸出低電平，綠色發(fā)光二極管亮，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，輸出高 電平，經(jīng)反向后，紅色發(fā)光二極管亮，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。 8155(2)控制步進(jìn)電機(jī)，行程控制，以及鍵盤，顯示電路。其中為輸出口， 70 papa 用于控制 z 向、x 向步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，z 向步進(jìn)電機(jī)為五相，x 向?yàn)槿?。此系統(tǒng)采用 軟件分配。鍵盤顯示電路為 4 6 鍵和 6 位顯示器。作為鍵盤的 6 條列線， 50 pcpc 是鍵盤掃描線，是輸出口。接行線作為鍵盤輸入口。是 6 位數(shù)碼 30 pbpb 50 pcpc 顯示器的位選信號(hào)，8031 的口是數(shù)碼顯示器的段選信號(hào)。接越程限位控制 1 p 74 pbpb 電路，當(dāng)床鞍或拖板在 z 向或 x 向越程時(shí)，即向計(jì)算機(jī)輸入此信號(hào)，使進(jìn)給系統(tǒng)停止。 表 6 ：數(shù)控車床控制系統(tǒng)芯片地址分配 芯片 接 74ls1 38 引腳 地址選擇線 片內(nèi)地 址單元 地址編碼 2764(1) 0 y000xxxxxxxxxxxxx8k0000h-1fffh 2764(2) 1 y001xxxxxxxxxxxxx8k2000h-3fffh 6264 2 y010xxxxxxxxxxxxx8k4000h-5fffh 8 8155(1)i/o 4 y0110000100000xxx66100h-6105h 8155(2) i/o 4 y1000000100000xxx68100h-8105h 第五章第五章 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5.1 本數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)任務(wù) 1.系統(tǒng)管理程序 2. 零件加工源程序的輸入處理命令 3. 插補(bǔ)程序 4. 伺服控制 程序 5. 診斷程序 6. 機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)控制程序 7. 鍵盤操作和顯示處理程序 5.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng) x 軸與 z 軸步進(jìn)電機(jī)控制 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度與加工精度、表面光潔度和生產(chǎn)率有密切關(guān)系。要求進(jìn)給速 度穩(wěn)定、有一定的調(diào)速范圍、啟動(dòng)快、停車準(zhǔn)。在 cnc 系統(tǒng)中，可用軟件或軟件與接 口配合實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度控制。常見(jiàn)的有程序計(jì)時(shí)法、時(shí)鐘中斷法及 v/ 積分器法等。在這 里只介紹時(shí)鐘中斷法。時(shí)鐘中斷法只要求一種時(shí)鐘頻率，用軟件控制每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi) 的插補(bǔ)次數(shù)，以達(dá)到控制速度的目的。進(jìn)給速度可每分鐘毫米數(shù)給定。時(shí)鐘頻率選擇： 根據(jù)最高插補(bǔ)進(jìn)給速度要求，并結(jié)合計(jì)算機(jī)換算的方便，可取一特殊的 f（mm/min） ， 使該速度下每個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次插補(bǔ)。如取 f=256mm/min，脈沖當(dāng)量為 0.01mm/l 時(shí)： f=256mm/min=256100/60=426.66l/s 取 f=427hz。這樣對(duì) f=256mm/min 時(shí)，恰好每次時(shí)鐘中斷作一次插補(bǔ)。因?yàn)?z 軸步 進(jìn)電機(jī)的控制方法與 x 軸步進(jìn)電機(jī)的控制方法一樣，所以在此僅以 x 軸步進(jìn)電機(jī)的控 制為例說(shuō)明。 5.3 主軸電機(jī)的控制 目前，數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)電機(jī)已經(jīng)基本不再采用普通的交流異步電機(jī)或傳統(tǒng)的直 流調(diào)速電機(jī)，它們已逐步被新型的交流調(diào)速電機(jī)和直流調(diào)速電機(jī)所代替。數(shù)控機(jī)床的 主傳動(dòng)要求較大的調(diào)速范圍，以保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的 生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的。 5.4 螺紋加工工作原理和加工程序 主軸脈沖發(fā)生器是為加工螺紋安裝的主軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置。解決螺紋精度和粗糙度， 8 加工出高質(zhì)量的螺紋是當(dāng)前數(shù)控機(jī)床急需解決的問(wèn)題。被采集的主軸脈沖發(fā)生器的脈 沖 n，經(jīng)過(guò) 8031 單片機(jī)軟件處理，轉(zhuǎn)換成沿主軸方向進(jìn)給的脈沖，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)推動(dòng) 刀架運(yùn)動(dòng)，完成螺紋加工 機(jī)床數(shù)控的控制對(duì)象，是使刀架按給定要求，沿不同坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)，完成預(yù)定加 工。對(duì)螺紋加工說(shuō)，只要把裝有主軸發(fā)生器的旋轉(zhuǎn)軸 和沿主軸 z 運(yùn)動(dòng)的刀架，看成 z、 坐標(biāo)系內(nèi)的兩軸聯(lián)動(dòng)，則螺紋加工就是解決 和 z 的聯(lián)動(dòng)問(wèn)題。當(dāng)主軸脈沖數(shù)固定 后，螺距不同，得到不同斜率的直線；轉(zhuǎn)速不同，脈沖頻率，只影響沿 z 軸的進(jìn)給速 度，對(duì)斜率無(wú)影響； 在螺紋加工中，脈沖的到來(lái)是沿螺距方向進(jìn)給的依據(jù)。螺紋加工的進(jìn)給速度由脈 沖的頻率決定。因此，每來(lái)一個(gè)脈沖，做一次偏差計(jì)算，當(dāng) f0 時(shí)，進(jìn)給z。因此 脈沖的到來(lái)，標(biāo)志 方向已進(jìn)給了 ，所以，f0 進(jìn)給z，并需繼續(xù)進(jìn)行偏差計(jì)算， 直至 f0，再等待下一次脈沖的到來(lái)。對(duì)于 z 方向定義第一象限的進(jìn)給是+z，可加 工反螺紋。第二象限進(jìn)給-z，加工正螺紋。 1.采用軟件環(huán)形分配器控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行 步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)如下： (1)判斷旋轉(zhuǎn)方向 (2)按相序確定控制字 (3)按順序輸入控制字即傳送控制脈沖序列 (4)控制步數(shù) 本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)采用三相六拍工作方式，當(dāng)電機(jī) a、b、c 三相繞組分別接于 8031 的 p1.0、p1.1、p1.2，其工作狀態(tài)及控制字如表 4-1 所示，其中 p1.0，p1.1，p1.2 經(jīng) 光電耦合和驅(qū)動(dòng)電路到 a、b、c 三相電機(jī)繞組。 2.手動(dòng)操作移動(dòng)溜板程序設(shè)計(jì) 在機(jī)床手動(dòng)工作或自動(dòng)加工啟動(dòng)前，常需手動(dòng)移動(dòng)溜板，使它到達(dá)指定位置。這 對(duì)于零件加工的調(diào)刀特別有用。它相當(dāng)于普通機(jī)床用手移動(dòng)溜板，所不同的是不用手 搖手柄，而是通過(guò)按鍵完成。鍵盤分板指令識(shí)別后，控制系統(tǒng)在軟件功能指令下自動(dòng) 發(fā)出進(jìn)給指令，并記憶其移動(dòng)位置。但要注意，該操作程序必須在主程序執(zhí)行后才能 起作用。程序說(shuō)明如下： （1）設(shè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序中 2027h 單元內(nèi)存方向代碼，2028h 單元內(nèi)存速度系數(shù)。 （2）使用該程序可使溜板按給定方向移動(dòng)到指定位置，也可點(diǎn)動(dòng)，分別由鍵處理 8 程序調(diào)動(dòng)。 （3）軟件自動(dòng)規(guī)定移動(dòng)速度，按“9 速”移動(dòng)，即縱、橫向分別以 6.24mm/s 和 16mm/s 的速