(完整word版)C6140車床數(shù)控化改造課程設(shè)計

1、C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計 目錄 第一節(jié)設(shè)計任務(wù) 2 1.1題目： 2 1.2任務(wù) 2 第二節(jié)總體方案的確定 3 第三節(jié)機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案 3 3.1主軸系統(tǒng)的改造方案 3 3.2安裝電動卡盤 4 3.3換裝自動回轉(zhuǎn)刀架 4 3.4螺紋編碼器的安裝方案 4 3.5進給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案 5 第四節(jié)進給傳動部件的計算和選型 5 4.1脈沖當量的確定 5 4.2切削力的計算 5 4.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型 6 4.4同步帶減速箱的設(shè)計 8 4.5步進電動機的計算與選型 10 4.6同步帶傳遞效率的校核 14 第五節(jié) 繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖 14 第六節(jié) 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 15

2、第七節(jié) 步進電動機驅(qū)動電源的選用 16 第八節(jié)控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計 17 參考文獻 21 第24頁共22頁 第一節(jié)設(shè)計任務(wù) 1.1設(shè)計方案的確定: C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計。 C6140型普通車床是一種加工效率高，操作性能好，并且社會擁有量較大的 普通型車床。經(jīng)過大量實踐證明，將其改造為數(shù)控機床，無論是經(jīng)濟上還是技術(shù) 都是確實可行了。 一般說來，如果原有車床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的數(shù)控車 床，同時具有數(shù)控控制和原機床操作的性能， 而且在加工精度，加工效率上都有 新的突破。 本設(shè)計主要是對 C6140普通型車床進行數(shù)控改造，用微機對縱、橫進給系 統(tǒng)進行控制。系統(tǒng)可采用開環(huán)

3、控制和閉環(huán)控制， 開環(huán)控制雖然有不穩(wěn)定、振動等 缺點，但其成本較低，經(jīng)濟性較好，車床本身所進行的加工尺寸是粗、 半精加工。 驅(qū)動原件采用步進電動機。系統(tǒng)傳動主要有：滑動絲杠螺母傳動和滾珠絲杠螺母 傳動兩種，經(jīng)比較分析：前者傳動效率及精度較低，后者精度和效率高，但成本 高，考慮對車床的性能要求，故采用滾珠絲杠螺母傳動。刀架性能要求是準確快 速的換刀，因此采用自動轉(zhuǎn)位刀架。 1.2任務(wù) 將一臺C6140普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標如下： （1）床身上最大加工直徑400mm; （2）最大加工長度1000mm； （3）X方向（橫向）的脈沖當量x 0.005mm/脈沖，Z方向（縱向） z

4、0.01mm/脈沖； （4）X 方向最快移動速度 Vxmax 3000mm/min ,Z方向為 Vxmax 6000mm/min ; （5） X 方向最快工進速度Vxmaxf 400mm/ mi n ，Z 方向為 Vxmaxf 800mm/min ； （6）X方向定位精度 0.01mm，Z方向 0.02mm； （7）可以車削柱面、平面、錐面與球面等； （8）安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導程 24mm ； （9）安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀； （10）自動控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級變速與無級變速信 號； (11) 自動控制冷卻泵的啟/停 ；

5、 (12) 安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開； (13) 縱、橫向安裝限位開關(guān)； (14) 數(shù)控系統(tǒng)可與PC機串行通信； (15) 顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用ISO數(shù)控代碼。 第二節(jié)總體方案的確定 總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng) CPU的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。由于是對車床進行數(shù)控 改造，所以在考慮具體方案時，基本原則是在滿足使用前提下， 對同床的改動盡 可能少，以降低成本。 1. 普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標定位，兩坐標直線插補、圓弧插補以 及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成連續(xù)控制型。 2. 普通車床經(jīng)數(shù)控化改造

6、后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前 提下，應(yīng)結(jié)構(gòu)簡化，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電動機的開 環(huán)控制系統(tǒng)。 3. 根據(jù)技術(shù)指標中的最大加工尺寸、 最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟性 要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的 CPUoMCS-51 系列8位機具有功能多、速度快、抗干擾能力強、性/價比高等優(yōu)點。 4. 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電 路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等，還要選擇步進電動 機的驅(qū)動電源以及主軸電動機的交流變頻器等。 5. 為了達到技術(shù)指標中的速度和精度要求， 縱、橫向的進給傳動應(yīng)選用摩

7、擦 力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙提高傳動剛度， 滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預緊機構(gòu)等。 6. 計算選擇步進電動機，為了圓整脈沖當量，可能需要減速齒輪副，且應(yīng)有 消間隙機構(gòu)。 7. 選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。 第三節(jié) 機械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案 3.1主軸系統(tǒng)的改造方案 對普通機床進行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的主傳動機構(gòu)和變速操縱 機構(gòu)，這樣可以減少機械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng) 來控制。 若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，可用24速的多 速電動機代替原有的單速主電動機；當多速電動機仍不能滿足要求時，可用交流 變頻器

8、來控制主軸電動機，以實現(xiàn)無級變速(工廠使用情況表明，使用變頻器時， 若工作頻率低于70Hz，原來的電動機可以不更換，但所選變頻器的功率應(yīng)比電 動機大）。 改造C6140車床時，若采用有級變速，可選用浙江超力有限公司生產(chǎn)的YD 系列7.5kW變級多速三相異步電動機，實現(xiàn) 24檔變速；若采用無級變速，應(yīng) 加裝交流變頻器，推薦型號為：F100-G0075T3B,適配7.5kW電動機，生產(chǎn)廠家 為煙臺惠豐電子有限公司。 3.2安裝電動卡盤 為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動卡盤， 選用呼和浩特附件總 廠生產(chǎn)的KD11250型電動三爪自定心卡盤?？ūP的夾緊與松開由數(shù)控系。 3.3換裝自動回轉(zhuǎn)刀架

9、 為了提高加工精度，實現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動刀架換 成自動回轉(zhuǎn)刀架，選用常州市宏達機床數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LD4B-CK6140 型四工位立式電動刀架。實現(xiàn)自動換刀需要配置相應(yīng)的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。 3.4螺紋編碼器的安裝方案 螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時，需要配置 主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸信號的反饋元件，它與車床主軸同步。 改造后的車床能夠加工的最大螺紋導程是24mm，Z向的進給脈沖當量是 0.01mm/脈沖，所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應(yīng)不少于 24mm/（0.01mm/脈沖）2400脈沖?？紤]到編碼器的輸出有相位差 90的A、B

10、 相信號，可用A、B異或后獲得2400個脈沖（一轉(zhuǎn)內(nèi)），這樣編碼器的線數(shù)可降 到1200線（A、B信號）。另外，為了重復車削同一螺旋槽時不亂扣，編碼器還 需要輸出每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖 Z。 基于上述要求，選擇螺紋編碼器的型號為： ZLF-1200Z-05V0-15-CT。電源 電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出1200個A/B脈沖與1個Z脈沖，信號為電壓輸出，軸頭直 徑15mm，生產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。 螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編 碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但它堵住了主軸的 通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的的后端，一般盡量

11、裝在與主軸同步 旋轉(zhuǎn)的輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對傳動比為1:1的同步齒 形帶與主軸連接起來。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間 隙柔性連接，且車床組、主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。 3.5進給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案 （1）拆除掛輪架所有齒輪，在此主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。 （2）拆除進給箱總成，在此位置安裝縱向進給步進電動機與同步帶減速箱總 成。 （3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠 的的螺母座與螺母座托架。 （4）拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四工位立式刀架。 （5） 拆除橫溜板下的滑動絲桿螺母

12、副，將滑動絲桿靠刻度盤一段（長216mm， 見圖一）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸 承，換上滾珠絲杠副。 （6） 將橫向進給步進電動機通過法蘭安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠 絲杠的軸頭相聯(lián)。 （7）拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支承。 （8）改造后的橫向、縱向進給傳動系統(tǒng)分別見附圖一和附圖二。 第四節(jié) 進給傳動部件的計算和選型 縱、橫向進給傳動部件的計算和選型主要包括：確定脈沖當量、計算切削力、 選擇滾珠絲杠螺母副、設(shè)計減速箱、選擇步進電動機等。 4.1脈沖當量的確定 根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，X方向（橫向）的脈沖當量為 x 0.005mm/脈沖，Z 方向

13、（縱向）為 z 0.01mm/脈沖。 4.2切削力的計算 （1）縱向切削力算 設(shè)工件為碳素結(jié)構(gòu)鋼，b 650MPa ;選用刀具材料為硬質(zhì)合金 YT15 ;刀 具幾何參數(shù)為：主偏角kr 60，前角 10，刃傾角s 5 ;切削用量為: 背吃刀量p 3mm，進給量 查表得：Gfc2795，Xfc 1.0， yFc 0.75，nFc 0.15 ;主偏角Kr的修 0.6mm/r，切削速度 Vc 105m/min。 正系數(shù)Kkfc 0.94 ;刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0。 由經(jīng)驗公式：FC CF pFc f yFcVcnFc K，算得主切削力Fc 2673.4N ;由經(jīng)驗 公式：Fc

14、：FFp 1:0.35:0.4，算得縱向進給切削力Ff 935.69N ,背向力 Fp 1069.36 N。 (2) 橫向切削力計算 橫向主切削力為縱向的一半，所以橫向主切削力Fc 1耳1336.7N 2 由經(jīng)驗公式Fc ： Ff : Fp 1： 0.35:0.4,求得橫向進給切削力Ff 467.85N，背向力 Fp 534.68N。 4.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型 1.縱向： (1) 工作載荷Fm的計算 已知移動部件總重量G 1300N ;車削力Fc 2673.4，F(xiàn)p 1069.36N， Ff 935.69N。根據(jù) Fz 耳，F(xiàn)y Fp，F(xiàn)* Ff 的對應(yīng)關(guān)系，可得：Fz 2673.4N

15、， Fy 1069.36 N，F(xiàn)x 935.69 N。 選用矩形-三角形組合滑動導軌，查表，取K 1.15，0.16，代入 Fm KFx (Fz G),得工作載荷 Fm 1712N . (2) 最大動載荷Fq的計算 設(shè)本車床Z向在承受最大切削力條件下最快的進給速度v 0.8m/min，初選 絲杠基本導程Ph 6mm，則此時絲杠轉(zhuǎn)速n 1000v/Ph 133r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命 T 15000h，代入L。60nT/106,得絲杠壽命系數(shù) L0119.7(單位為：106r)0 查表，取載荷系數(shù)fw 1.15，再取硬度系數(shù)fH1，代入式 Fq LofwfHFm，求得最大動載荷 Fq

16、3 Lo fwfHFm 9703N。 (3) 初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷，查表，選擇啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)的 FL4006型滾珠絲杠副。其公稱直徑為 40mm,基本導程為6mm，雙螺母滾珠總 圈數(shù)為3 2圈6圈，精度等級取4級，額定動載荷為132000N，滿足要求。 (4) 傳動效率的計算 將公稱直徑d 40mm，基本導程Ph 6mm，代入arctanPh/( d。)，得 絲杠螺旋升角 2 44。將摩擦角 10，代入 tan /tan()，得傳動效 率 94.2%。 (5) 剛度的驗算 1) 縱向滾珠絲杠的支承，采取一端軸向固定，一端簡支的方式，見圖二。 固定端采取一對推力角接觸軸

17、承，面對面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支 承的中心距離約為a 1497mm;鋼的彈性模量E 2.1 105MPa ；查表得滾珠直 徑Dw 3.9688mm ，算得絲杠底徑d? 公稱直徑d滾珠直徑 F a Ma Dw 36.0312mm。忽略式1 丘 蘭邑 中的第二項，算得絲杠在工作載荷 ES 2 IE Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量1 Fma/(ES) 0.01197mm。 2) 根據(jù)公式Z ( d/Dw) 3，求得單圈滾珠數(shù)目Z 29,該型號絲杠為雙 螺母，滾珠總?cè)?shù)為3 26，則滾珠總數(shù)量Z 29 6174。滾珠絲杠預緊時， 取軸向預緊力Fyj Fm/3 571N。則由式2 0.0013

18、，求得滾珠 10耳 DwFyjZ2/10 與螺紋滾道間的接觸變形量2 0.00117mm。因為絲杠加有預緊力，且為軸向負 載的1/3，所以實際變形量可減小一半，取2 0.000585mm。 3) 將以上算出的1和2代入總12，求得絲杠總變形量(對應(yīng)跨度 1497mm)總0.012555mm12.555 m。由表知，4級精度滾珠絲杠任意300mm 軸向行程內(nèi)行程的變動量允許 16 m,而對于跨度為1497mm的滾珠絲杠，總的 變形量 總只有12.555 m，可見絲杠剛度足夠。 (6) 壓桿穩(wěn)定性校核 f 2ei 根據(jù)式Fk-k Fm計算失穩(wěn)時的臨界載荷 Ka fk2 ;由絲杠底徑d2 36.03

19、12，求得截面積慣性矩I Fk。查表取支承系數(shù) 42 d2 /6482734.15mm ; 取最大值1497mm。代入式Fk k 2ei Ka2 Fm ,得臨界載荷Fk 51012N ,遠大于 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3(絲杠臥式水平安裝)；滾動螺母至軸向固定處的距離a 工作載荷Fm(1712N)，故絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 4.4同步帶減速箱的設(shè)計 為了滿足脈沖當量的設(shè)計要求和增大轉(zhuǎn)矩， 同時也為了使傳動系統(tǒng)的負載慣 量盡可能地減小，傳動鏈中常采用減速傳動。C6140車床縱向減速箱選用同步帶 傳動。 設(shè)計同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳動的功率P ；主動輪轉(zhuǎn)速n1

20、和傳 動比i ;傳動系統(tǒng)的位置和工作條件等。 根據(jù)改造經(jīng)驗，C6140車床縱向步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩通常在 1525N m 之間選擇。初選電動機型號為 130BYG5501,五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩20N m， 十拍驅(qū)動時步距角為0.72。 (1) 傳動比的確定 已知電動機的步距角0.72，脈沖當量z 0.01mm/脈沖，滾珠絲 杠導程Ph 6mm，代入式i乩算得傳動比i 1.2 360 (2)主動輪最高轉(zhuǎn)速m 由縱向床鞍的最快移動速度 Vzmax 6000mm/min，得出主動輪的最高 轉(zhuǎn)速 n1 (Vzmax/ z)/360 1200r/min。 (3) 確定帶的設(shè)計功率Pd 預選的步進電動

21、機在轉(zhuǎn)速為1200r / min時，對應(yīng)的步進脈沖頻率為 fmax 1200 360/(60)1200 360/(60 0.72) Hz 10000 Hz。當脈沖頻率 為10000Hz時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩約為3.8N m，對應(yīng)的輸出功率為 FOutnT/9.55 1200 3.8/9.55W 478W。取 P 0.478kW， Ka 1.2,代 入式 Pd KAP，得出 Pd 1.2 0.478kW0.574kW. (4) 選擇帶型和節(jié)距pb 根據(jù)帶的設(shè)計功率Pd 0.574kW和主動輪最高轉(zhuǎn)速n1 1200r/min， 選取同步帶的型號為L型節(jié)距Pb 9.525mm。 (5) 確定小帶輪齒數(shù)

22、z1和小帶輪節(jié)圓直徑d1 取z115，則小帶輪節(jié)圓直徑d1衛(wèi)旦 45.48mm。當片達到最高轉(zhuǎn) 2.86m/s，沒有超過L型帶 速1200r/min時，同步帶速度為v 60 1000 的極限速度35m/ s。 (6) 確定大帶輪齒數(shù)z2和大帶輪節(jié)圓直徑d2 大帶輪齒數(shù)z2 iz1 18，節(jié)圓直徑d2 id1 54.57mm。 (7) 初選中心距a0、帶的節(jié)線長度L0p、帶的齒數(shù)zb 初選中心距a。1.1(d1 d2)110.06mm，圓整后取a。110mm。則帶 2 的節(jié)線長度為L0p 2a0-(d1 d2) 虬377.33mm。查表選取標 P24a0 準節(jié)線長度Lp 381mm，相應(yīng)齒數(shù)zb

23、 40 (8) 計算實際中心距a 實際中心距a a L p L0p 2 111.835mm。 (9) 校驗帶與小帶輪的的嚙合齒數(shù)zm zm ent互 衛(wèi)寧(Z2 Z1) 7，嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。此處ent 2 2a 表示取整。 (10) 計算基準額定功率P。 所選型號同步帶在基準寬度下所允許傳遞的額定功率： P0 （Ta m）V，式中Ta表示帶寬為bso時的許用工作壓力，查表得 1000 Ta 244.46N ； m表示帶寬為bs。時的單位長度的質(zhì)量，查表得 m 0.095kg/m ； v表示同步帶的帶速，由上述（5）知v 2.86m/s。代入 式子算得F00.697kW. （11）確定

24、實際所需同步帶寬度bs bs bs0（旦）1/1.14，式中bs0表示選定型號的基準寬度，查表得 KzP0 bs0 25.4mm ；心表示小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，查表得 Kz 1。由上式算得 bs 21.42mm，再根據(jù)表選取標準帶寬 bs 25.4mm。 （12）帶的工作能力驗算 根據(jù)式P （KzKwT 電mv2）v 10 3，計算同步帶額定功率 P的精確 bs0 值：式中Kw為齒寬系數(shù)：Kw （bs/bs）1.14 1。經(jīng)計算得P 0.697kW, 而Pd 0.574kW，滿足P Pd。因此，帶的工作能力合格。 4.5步進電動機的計算與選型 （1）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 Jeq

25、已知：滾珠絲杠的公稱直徑d 40mm，總長（帶接桿）| 1560mm， 導程Ph 6mm，材料密度7.85 10kg/cm3 ;縱向移動部件總重量 G 1300N ；同步帶減速箱大帶輪寬度28mm，節(jié)徑54.57mm，孔徑30mm， 輪轂外徑42mm，寬度14mm ;小帶輪寬度 28mm，節(jié)徑45.48mm，孔徑 19mm，輪轂外徑29mm，寬度12mm;傳動比i 1.2。 將上述數(shù)據(jù)代入公式，可得出：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 Js 30.78kg cm2 ;床鞍折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量 Jw 1.21kg cm2 ;小帶 輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz1 0.95kg cm2，大帶輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz2 1.9kg

26、cm2。在設(shè) 計減速箱時，初選的縱向步進電動機型號為130BYG5501，查表得該型號 電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm 33kg cm2。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動 慣量為：Jeq Jm Jz1 （JZ2 JW JS）/i2 57.55kg cm2。 （2）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Teq 分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。 1）快速空載啟動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩Teq1 由式Teq1 Tamax Tf T。，可知Tq1包括三部分：快速空載起動時折 算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 Tamax、移動部件運動時折算到電動 機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩滾珠絲杠預緊后折算到電動機

27、轉(zhuǎn)軸上的附加 摩擦轉(zhuǎn)矩T。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式T。吟（12 ） 可知，T0相對于Tamax和Tf很小，可以忽略不計。則有：Tq1 Tamax Tf （4-1） 根據(jù)式Tamax Jeq，考慮縱向傳動鏈的總效率，計 q 60ta 算快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： Tamax丄（4-2）式中 g表示對應(yīng)縱向空載最快移動速度 60ta 的步進電動機最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min ； ta表示步進電動機由靜止到加 速至nm轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為S。其中：nm Vmax （4-3）式 360 中vmax表示縱向空載最快移動速度，任務(wù)書指定為6000mm/min ；表 示縱向步

28、進電動機步距角。為0.72 ； 表示縱向脈沖當量，為 0.01mm/脈沖。將以上各值帶入式（4-3）,算得nm 1200r/mmin。 設(shè)表示步進電動機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時間ta 0.4s，縱向 傳動鏈總效率 0.7 ;貝9由式（4-2 ）求得： Tamax -一555 101200 N m 2.58N m，由式Tf摩冬 可知, 60 0.4 0.72 i 移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： Tf （F； G）Ph（4-4）式中 表示導軌的摩擦因數(shù)，滑動導軌取 0.16 ； Fc表示垂直方向的工作載荷, 空載時取0; 表示縱向傳動鏈總 效率，取 0.7 o 則 0.16

29、（0 1300） 0.006 , N m 20.7 1.2 快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩為: Tf Teq1 TamaX Tf2.82N m 由式 （4-4） 得 0.24N m，最后由式（4-1），求得 (4-5) 2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩T eq2 由式Teq2 Tt Tf T0可知，Teq2包括三部分：折算到電動機轉(zhuǎn)軸 上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩Tt、移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩 擦轉(zhuǎn)矩Tf、滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 T0 0 T0 相對于Tf和Tt很小，可以忽略不計。則有：T eq2 Tt Tf (4-6) 其中，折算到電動機

30、轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩 由式Tt Ff Ph 計算，本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知進給方向的最大工 Ff Ph 作載荷Ff 935.69N,則有：卩汀f5晉詈Nm06Nm 再由式Tf F摩牛計算承受最大工作負載（Fc 2673.4N ）情況下, 移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： Tf(Fc G)PhO.16(2673.4 1300) O.。06 n m 0.72N m 20.7 1.2 最后由式（4-6），求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承的負載 轉(zhuǎn)矩：Teq2 Tt Tf1.78N m (4-7) 經(jīng)上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩: Teqma

31、x Teq1,Teq22.82N m (4-7) （3）步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當電網(wǎng)電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn) 矩會下降，可能造成丟布，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq來選擇步進電動機的 最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù) K 4，則步進電動 機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：Tjmax 4Teq 4 2.82N m 11.28N m（4-8） 對于前面預選的130BYG5501型步進電動機，查表可知，其最大靜轉(zhuǎn) 矩Tjmax 20N m，可見完全滿足式（4-8）要求。 （4）步進電動機的性能校核 1）最大工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定縱向最快工進速度v

32、maxf 800mm/mi n ，脈沖當量 0.01mm/脈沖，由式fmaxf昔求出電動機對應(yīng)的運行頻率 max 800/（60 0.01）Hz1333Hz。在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 Tmaxf 17N m，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩Teq2 1.78N m，滿足要求。 2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定縱向最快空載移動速度Vmax 6000mm/min，由式 max vmax 60 電動機對 應(yīng)的運行頻率 max 6000/（60 0.01）Hz10000Hz。查表得，此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn) 矩Tmax 3.8N m ,大于快速空載起動時負載轉(zhuǎn)矩 Teq1 2.82N m，

33、滿足要 求。 3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 最快空載移動速度Vmax 6000mm/min，對應(yīng)的電動機運行頻率 fmax 10000 Hz。查表可知130BYG550的極限運行頻率為20000Hz，可見 沒有超出上限。 4）起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq 57.55kg cm2，電動機轉(zhuǎn)子自身 的轉(zhuǎn)動慣量Jm 33kg cm2，查表可知電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時最高空載 起動頻率fq 1800Hz。由式fL 1 J eq / J m 可以求出步進電動機克服 慣性負載的起動頻率為：fL 1087Hz，上式說明，要想保證步進電動機起 動時不失步，任何時候的起動頻率都必須

34、小于 1087Hz。實際上，在采用軟 件升降頻率時，起動頻率選得很低，通常只有 100Hz（即100脈沖/s）。 綜上所述，縱向進給系統(tǒng)選用130BYG550步進電動機，可以滿足要求。 4.6同步帶傳遞效率的校核 分兩種工作情況，分別進行校核。 （1）快速空載起動 電動機從靜止到加速至nm 1200r / min，由式（4-5）可知，同步帶傳 遞的負載轉(zhuǎn)矩Teq1 2.82N m ， 傳遞的功率為 P nmTeq1/9.55 1200 2.82/9.55W 354.3W。 （2）最大工作負載、最快工進速度 由式（4-7）可知，帶需要傳遞的最大工作負載轉(zhuǎn)矩 Teq2 1.78N m，任 務(wù)書給定

35、最快工進速度Vmaxf 800mm/min ，對應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速 nmaxf（Vmaxf / z） /360 160r/min 。 傳 遞 的 功 率 為 P Teq2/9.55160 1.78/9.55W29.8W。 可見，兩種情況下同步帶傳遞的負載功率均小于帶的額定功率0.697kW。因 此，選擇的同步帶功率合格。 第五節(jié) 繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖 在完成滾珠絲杠螺母副和步進電機的計算選型后可以著手繪制進給伺服系 統(tǒng)的機械裝配圖。在繪制機械裝配圖時，除了從總體上考慮機床布局情況以及伺 服進給機構(gòu)與原機床的聯(lián)系外， 還應(yīng)認真的考慮與具體結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)的一些問題。 （1）了解原機床的詳細結(jié)構(gòu)，從有關(guān)

36、資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架 等的結(jié)構(gòu)尺寸。 （2）根據(jù)載荷特點和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號，軸承座的結(jié)構(gòu)以 及軸承預緊和調(diào)節(jié)方式，確定齒輪軸支承軸承的型號。 （3）考慮各部件之間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。例如，應(yīng)保證絲杠兩端支承與 滾珠絲杠螺母同軸，保證絲杠與機床導軌平行，考慮螺母座。軸承座在安裝面上 的聯(lián)接與定位、齒輪箱在安裝面上的定位、步進電機在齒輪箱上的聯(lián)接與定位等。 （4）考慮密封、防護、潤滑以及安全機構(gòu)等問題。例如，絲杠螺母的潤滑、防 塵、防鐵屑保護、軸承的潤滑及密封、齒輪的潤滑及密封、行程限位保護裝置等。 （5）在進行各零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確

37、的裝配順序， 保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。 此外，注意繪制裝配圖時的一些基本要求。例如，制圖標準、視圖布置及圖 形畫法要求、重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標準、重要配合的 標注、裝配技術(shù)要求、標題欄要求等。 第六節(jié)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能： 1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示； 2）接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號； 3）接收車床限位開關(guān)信號； 4）接收螺紋編碼器信號； 5）接收電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號； 6）控制X、Z向步進電動機的驅(qū)動器； 7）控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止； 8）控制多速電動機，實現(xiàn)主軸有級變速； 9）控制

38、交流變頻器，實現(xiàn)主軸無級變速； 10）控制切削液泵起動/停止； 11）控制電動卡盤的夾緊與松開； 12）控制電動刀架的自動選刀； 13）與PC機的串行通信。 圖（2）為控制系統(tǒng)的原理框圖。 CPU選用ATMEL公司的8位單片機 AT89S52;由于 AT89S52本身資源有 限，所以擴展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程 序；擴展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；鍵盤與LED 顯示采用8279來管理；輸入/輸出口的擴展選用了并行接口 8255芯片，一些進 /出的信號均做了隔離放大；模擬電壓的輸出借助于 DAC0832;與PC機的串行通 信經(jīng)過

39、MAX233芯片。 數(shù)控系統(tǒng)的操作面板布置如圖（1）所示。面板設(shè)置了 48個微動按鈕，三個 船形開關(guān)，一只急停按鈕，顯示器包括 1組數(shù)碼管和7只發(fā)光二極管。 圖（2） 第七節(jié) 步進電動機驅(qū)動電源的選用 本例中X向步進電動機的型號為110BYG5802,Z向步進電動機的型號為 30BYG550J生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團公司。兩種電動機除了外形尺寸、步距角 和輸出轉(zhuǎn)矩不同外，電氣參數(shù)基本相同，均為 5相混合式，5線輸出，電動機供 電電壓DC120310V，電流5安。這樣，兩臺電動機的驅(qū)動電源可用同一型號。 在此，選擇合肥科林數(shù)控科技有限責任公司生產(chǎn)的五相混合式調(diào)頻調(diào)壓型步進驅(qū) 動器，型號為BD5A

40、第八節(jié)控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計 1.存儲器與I/O芯片地址分配 根據(jù)圖三中地址譯碼器 U4（ 74LS138）的連接情況，可以算出主機板中存 儲器與I/O芯片的地址分配，如下表所示： 器件名稱 地址選擇線（A15 A0） 片內(nèi)地址單元 數(shù) 地址編碼 6264 000 , , , 8K 0000H 1FFFH 8255 0011,1111,1111,11 4 3FFCH 3FFFH 8279 0101,1111,1111,111 2 5FFEH 5FFFH DAC0832 0111,1111,1111,1111 1 7FFFH 2.控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序 系統(tǒng)設(shè)有7檔功能可以相互切換，分別是“編輯

41、”、“空刀”、“自動” “手動1” 、“手動2” 、“手動3”和“回零”。選中某一功能時，對應(yīng)的指 示燈點亮，進入相應(yīng)的功能處理。控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序流程見圖（3）。 3. B255: MOV MOV DPTR，#3FFFH A， #10001001B MOVX DPTR, A MOV DPTR， #3FFCH MOV A， #0FFH MOVX DPTR，A MOV DPTR， #3FFDH MOV A，#0FFH MOVX DPTR，A RET 8255芯片初始化子程序 ;指向8255的控制口地址 ;PA 口輸出，PB 口輸出，PC 口輸入，均 為方式0 ；控制字被寫入 ;指向PA 口

42、;預置PA 口全“1” ;輸出全“ 1”到PA 口 ;指向PB 口 ;預置PB 口全“1” ;輸出全“ T到PB 口 4. 8279芯片初始化子程序 B279:MOV DPTR， #5FFFH ;指向8279的控制口地址 MOV A，#0CFH ;清除FIFO與顯示RAM命令 MOVX DPTR，A ;命令字被寫入 WAIT: MOVX A，DPTR ;從8279的控制口讀取8279的狀態(tài)字 JB ACC.7，WAIT ;測試顯示RAM有沒有被清除元畢。只 有狀態(tài)字的D7=0,清除才結(jié)束 MOV A，#08H ;編碼掃描，左入口，16位字符顯示，雙 鍵互鎖 MOVX A，DPTR MOV A，

43、#34H ;分頻系數(shù)取20 MOVX RET DPTR，A 5. 8279控制LED顯示子程序 設(shè)顯示緩沖區(qū)的首地址為6BH，系統(tǒng)在指定的工作狀態(tài)下，需要顯示的字 符段碼的編碼，事先存儲在 CPU內(nèi)部的RAM的6BH73H這9個字節(jié)中。已知 8279的控制口地址為5FFFH，數(shù)據(jù)口地址為5FFEH，則顯示程序如下： DIR:MOV DPTR，#5FFFH ;8279的控制口地址 MOV A，#90H ;寫8279顯示RAM的命令 MOVX DPTR，A ;從顯示RAM的00H地址開始寫，每 寫一次，顯示RAM的地址自動加1 MOV R0， #6BH ;顯示緩沖區(qū)的首地址為6BH MOV R7，

44、 #09H ;顯示緩沖區(qū)的長度為9個字節(jié) MOV DPTR，#5FFFH ;8279的數(shù)據(jù)口地址 DIR0:MOV A，R0 ;從CPU的RAM中讀取顯示段碼的編碼 ADD A，#05H ;PC與DTAB表格之間的偏移量 MOVC A，A+PC ;查表，取出顯示段碼 MOVX DPTR，A ;送到8279顯示RAM中指定的字節(jié) INC R0 ； 寫8279的下一個顯示RAM DJNZ R7， DIR0 ;循環(huán)9 次，完成9位顯示 RET 段碼 字符 編碼 DTAB:DB 6FH ；F 00-01 DB 0DAH DB 0BEH ；X 02-03 DB 0E7H DB 0A3H ；Z 04-05

45、 DB 0CBH DB 0D1H ；U 06-07 DB 0D3H DB 0DCH ；W 08-09 DB 0CEH DB 0DFH 0A DB 21H ；0 0B DB 7BH ；1 0C DB 91H ；2 0D DB 19H ；3 0E DB 4BH ；4 0F DB 0DH ；5 10 DB 05H ；6 11 DB 69H ；7 12 DB 01H ；8 13 DB 09H ；9 14 DB 20H ；0. 15 DB 7AH ；1. 16 DB 90H ；2. 17 DB 18H ；3. 18 DB 4AH ；4. 19 DB 0CH ；5. 1A DB 04H ；6. 1B DB

46、 68H ；7. 1C DB 00H ；8. 1D DB 08H ；9. 1E ;根據(jù)系統(tǒng): 需要編制字庫 當需要顯示一組字符時，首先給顯示緩沖區(qū)的6BH73H這9個字節(jié)賦值, 然后調(diào)用DIR子程序即可。例如，要顯示“ X-1234.56” ，程序如下： MOV 6BH，#02H ;“X”的一半 MOV 6CH，#03H ;“X ”的另一半 MOV 6DH，#0AH MOV 6E，#0CH ;1 MOV 6FH，#0DH ;2 MOV 70H，#0EH ;3 MOV 71H，#19H ;4. MOV 72H，#10H ;5 MOV 73H，#11H ;6 CALL DIR ;向8279的顯示R

47、AM 寫數(shù) 顯示緩沖區(qū)（CPU內(nèi)部RAM ）: (6BH)(6CH)(6DH) | | | (6EH) (6FH) (70H) 丨 (71H) 丨 (72H) 丨 (73H) 丨 丨丨丨 顯示字符：X- 丨丨丨 1 1 丨 1 2 丨 丨 3 丨 丨 4. 丨 丨 5 丨 丨 6 丨 丨 丨 丨 字符編碼：02H 03H 0AH 丨 0CH 丨 0DH 丨 0EH 丨 19H 丨 10H 丨 11H 6. 8279管理鍵盤子程序 如圖三所示，當矩陣鍵盤有鍵按下時， 8279即向CPU的 INT1申請中斷, CPU隨即執(zhí)行中斷服務(wù)程序，從8279的FIFO中讀取鍵值，程序如下: CLR EX1

48、;關(guān)CPU的INT1中斷 MOV DPTR，#5FFFH ;指向8279控制口地址 MOV A， #01000000B ;準備讀8279FIFO的命令 MOVX DPTR，A ;寫入8279控制口 MOV DPTR，#5FFFH ;指向8279數(shù)據(jù)口地址 MOVX A，DPTR ;讀出鍵值 CJNE A，#KEY0，NEXT0 ;依次進行判別 JMP _KEY0 對應(yīng)鍵進行處理 NEXT0: CJNE A，#KEY1，NEXT1 JMP _KEY1 NEXT1: CJNE A，#KEY2，NEXT2 JMP _KEY2 NEXT2: 7. D/A電路輸出模擬電壓程序 如圖三所示，當CPU執(zhí)行寫命令時，只要選中