CA6240車床數(shù)控改造畢業(yè)設(shè)計

1、1 引言 機床作為機械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機技術(shù)的興起，促使機床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進行柔性自動化控制的新一代機床數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。計算機的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時使人們對傳統(tǒng)的機床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河。數(shù)控機床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機床控制的機電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工

2、件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機，經(jīng)過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。數(shù)控機床與普通機床相比，其主要有以下的優(yōu)點：1.適應(yīng)性強，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工。2.加工精度高；3.生產(chǎn)效率高；4.減輕勞動強度，改善勞動條件；5.良好的經(jīng)濟效益；6.有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。數(shù)控機床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機機床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進

3、步，特別是在機床的高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化方面進步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機床與先進國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設(shè)的需要。我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機床的平均產(chǎn)值只有先進工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，急待改造。舊機床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。隨著數(shù)控機床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機床的技術(shù)經(jīng)濟效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機床的微機數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、pc技術(shù)改造普通機床，并取得了良

4、好的經(jīng)濟效益。我國經(jīng)濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù)控機床，而我國的舊機床很多，用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國的國情。1984年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)?？梢灶A(yù)料，今后，機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設(shè)計實例具有典型性和實用性。2 總體方案設(shè)計對ca6240車床數(shù)控改造，首先得擬訂總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖和機床總聯(lián)系尺寸圖，才能決定各種設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分機械部分和電器部分進行設(shè)

5、計計算?？傮w方案的擬訂包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、計算機系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)以及傳動方式的選擇等內(nèi)容，最后繪制機床總聯(lián)系尺寸圖。2.1 系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。例如數(shù)控鉆床，在工作臺移動過程中鉆頭并不進行鉆孔加工，因此數(shù)控系統(tǒng)可采用點位控制方式。對點位控制系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。如果要求工作臺或刀具沿各坐標(biāo)軸的運動有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運動的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機床可以加工各種外形輪

6、廓的零件，所以連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)。例如數(shù)控銑床、數(shù)控車床等均屬于此種運動方式。在點位控制系統(tǒng)中不具備連續(xù)控制系統(tǒng)中才具有的軌跡計算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻有點位系統(tǒng)的功能。還有一些采用點位控制的數(shù)控機車，例如數(shù)控鏜銑床等，不但要求工作臺運動的終點坐標(biāo)，還要求工作臺沿坐標(biāo)軸運動過程中切削工件。這種系統(tǒng)叫點位/直線系統(tǒng)。其控制方法與點位系統(tǒng)十分相似，故有時也將這兩種系統(tǒng)統(tǒng)稱為點位控制系統(tǒng)。由于改造后的ca6140車床應(yīng)具有定位，直線插補，順、逆插補，暫停，循環(huán)加工和公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。2.2 伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)

7、。開環(huán)控制系統(tǒng)中設(shè)有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳遞的。指令發(fā)出后不再反饋回來，故稱為開環(huán)控制。開環(huán)系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易掌握、調(diào)試和維修都比較簡單。目前國內(nèi)大力發(fā)展的經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件來檢測實際位移量，能補償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機或交流伺服電機驅(qū)動，閉環(huán)系統(tǒng)造價高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試復(fù)雜，多用于精度要求高的場合。半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位置，而是用檢測元件測出驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺的實際位移量，也有反饋電路，其性

8、能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間?？紤]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)控制系統(tǒng)。2.3執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計機械傳動裝置時，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙以及有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計中應(yīng)考慮以下幾點：1）盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件，如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等；2）盡量消除傳動間隙，例如采用消隙齒輪等；3）提高系統(tǒng)剛度。縮短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的剛度，減小傳動誤差?？刹捎妙A(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠等。為實現(xiàn)ca6240車床所要求的分辨率，采用步

9、進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。2.4計算機系統(tǒng)的選擇 微機數(shù)控系統(tǒng)由cpu、存儲器擴展電路i/o接口電路，伺服電機驅(qū)動電路、檢測電路等幾部分組成。微機是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其他裝置均是在微機的指揮下進行工作的。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用微機直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對微機的要求是多方面的，但主要指標(biāo)是字長和速度。字長不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運算的精度。字長較長的計算機，價格顯著上升，而字長較短的計算機要進行雙字長或三字長的運算就會影響

10、速度。目前一些高檔的cnc系統(tǒng)已普遍采用32位機，主機頻率由5mhz提高到2030mhz，有的采用多cpu系統(tǒng)，減輕主cpu的負擔(dān)，進一步提高控制速度。標(biāo)準型的cnc系統(tǒng)多使用16位微機，經(jīng)濟型cnc系統(tǒng)普遍采用8位機?？梢圆捎胢cs51系列單片微機或z80單板機組成的應(yīng)用系統(tǒng)。 根據(jù)ca6240機床的要求，采用8位機。由于mcs51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強和性價比高等特點，因此采用mcs51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、i/o接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工命令和控制程序通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器

11、采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)等信息。 系統(tǒng)總體方案如圖所示：功率放大器光電隔離 z向步進電機功率放大器光電隔離 x向步進電機 圖2.1 系統(tǒng)總體方案圖3 車床橫向、縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算將一臺ca6240車床改造成微機數(shù)控車床，采用mcs51系列單片機控制系統(tǒng)，步進電機開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補功能，具有升降速控制功能。其主要設(shè)計參數(shù)選擇如下：加工最大直徑：在馬鞍內(nèi) 630mm 在床身上 400mm 在刀架上 210mm 棒料 46mm加工最大長度： 900mm馬鞍內(nèi)有效長度： 210mm溜板和刀架重力：縱向 800n 橫向 600n刀架快速速度： 縱向 4m/min 橫向 2m/min

12、最大進給速度： 縱向 1m/min 橫向 0.5m/min主傳動電動機功率： 7.5km起動加速時間： 30ms機床定位精度： 0.015mm此機床進給伺服系統(tǒng)運動和動力計算如下：3.1選擇脈沖當(dāng)量根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向：0.01mm/步（半徑）橫向：0.005mm/步（半徑）3.2計算切削力3.2.1 縱車外圓主切削力fz(n)按經(jīng)驗公式估算： fz(n)=0.67dmax(1.5)=0.67630(1.5)=10595按切削力個分力比例： fz：fx：fy=1：0.25：0.4 fx=105950.25=2648.75 fy=105950.4=4238 3.2.2 橫切端面主切

13、削力fz(n)可取縱切的1/2， fz(n)=1/2fz=5297.5此時走刀抗力為fy(n),吃刀抗力為fx(n)。按上述比例初略計算： fz：fy：fx=1：0.25：0.4 fy=5297.50.25=1324.375 fx=5297.50.4=21193.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型3.3.1縱向進給絲杠（1）計算進給率引力fm(n) 縱向進給為綜合型導(dǎo)軌 fm=kfx+f(fz+g)=1.152648.75+0.16(10595+800)=4869式中 k考慮顛復(fù)力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取k=1.15；f滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.150.18；g溜板及刀架重力：g=800n。（2）

14、計算最大動負載c n=(1000vs)/l。式中 l。滾珠絲杠導(dǎo)程，初選l。=8mm；vs最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的(1/21/3)，此處vs=1m/min；t使用壽命，按15000h；fw運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取fw=1.21.5；l壽命、以轉(zhuǎn)為1單位。 n=(1000vs)/l。=（100010.4）/8= 50r/minl=(60nt)/=(605015000)/ =45=1.24869=20782.2n（3）滾珠絲杠螺母副的選型 查閱附錄a表3，可采用w1l5008外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠，1列2.5圈，其額定動負載為23400n，精度等級按表415選為3級（大

15、致相當(dāng)于老標(biāo)準e級）。（4）傳動效率計算=tg/tg（+）式中 螺旋升角，w1l5008=255 摩擦角取10滾動摩擦系數(shù)0.0030.004=tg/tg（+） =tg255/tg(255+10)=0.946（5）剛度計算先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖如下圖所示。最大牽引力為4869n。支承間隔l=1500mm絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負荷的1/3。 z2,j2 g js ljm z1,j1 圖3.2 縱向進給系統(tǒng)計算簡圖 絲杠的拉伸或壓縮變形量1查圖46，根據(jù)pm=4869n，d0=50mm，查出l/l=1.210，可計算出：1=(l/l)1500=1.2101500=

16、1.8/10(mm)由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實際變形量1=1/41=0.45/10滾珠與螺紋滾道間接觸變形2查圖4-7，w系列1列2.5圈滾珠與螺紋滾道間接觸變形q=9.2m,因進行了預(yù)緊，2=1/2q=1/29.2=4.6m支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形3采用8107型推力球軸承，d1=35mm，滾動體直徑dq=6.35mm，滾動體數(shù)量z=18， c=0.0024 =0.0024 =0.0075(mm)注意，此公式中fm單位應(yīng)為kgf因施加預(yù)緊力，故3=1/2c=1/20.0075=0.00375根據(jù)以上計算：=1+2+3=0.0045

17、+0.0046+0.00375=0.01285定位精度（6）穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端推力軸承不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需要作穩(wěn)定性校核。3.3.2橫向進給絲杠（1）計算進給率引力fm(n)橫向?qū)к墳檠辔残螌?dǎo)軌，計算如下： fm=1.4fy+f(fz+2fx+g)=1.41324.375+0.2(5297.5+22119+600)3882（2）計算最大動負載c n=(1000vs)/l。=（10000.50.48）/6= 40r/minl=(60nt)/=(604015000)/=36c=fwfm=1.23882=15382n（3）滾珠絲杠螺母副的選型 查閱附錄a表3，可采用w1l4006外循環(huán)螺紋調(diào)

18、整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠，1列2.5圈，其額定動負載為16400n，精度等級按表415選為3級（大致相當(dāng)于老標(biāo)準e級）。（4）傳動效率計算=tg/tg（+）式中 螺旋升角，w1l4006=244 摩擦角取10滾動摩擦系數(shù)0.0030.004=tg/tg（+）= tg244/tg(244+10)=0.94（5）剛度計算先畫出此橫向進給滾珠絲杠支承方式草圖如下圖所示。最大牽引力為3882n。支承間隔450mm，因絲杠長度較短，不需預(yù)緊，但螺母和軸承需要預(yù)緊。 z4,j4 g js z2,j2 l z3,j3jm z1,j1 圖3.3 橫向進給系統(tǒng)計算簡圖 絲杠的拉伸或壓縮變形量1查圖46，根據(jù)pm=

19、3882n，d0=40mm，查出l/l=1.810，可計算出：1=l/l=1.8101500=2.7/10mm 由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實際變形量1=1/41=6.75m 滾珠與螺紋滾道間接觸變形2查圖47，w系列1列2.5圈滾珠與螺紋滾道間接觸變形q=8m，因進行了預(yù)緊，2=1/2q=1/28=4m 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形3采用8107型推力球軸承，d1=35mm，滾動體直徑dq=6.35mm，滾動體數(shù)量z=18， c=0.0024 =0.0024 =0.0075(mm)注意，此公式中fm單位應(yīng)為kgf因施加預(yù)緊力，故3=1/2

20、c=1/20.0075=0.00375mm根據(jù)以上計算：=1+2+3=0.00675+0.004+0.00375=0.0145定位精度（6）穩(wěn)定性校核計算臨界負載fk(n)fk=(fzei)/l式中 e材料彈性模量，e=20.6n/cm;i截面慣性矩（cm ）絲杠：i=()/64，為絲杠內(nèi)徑；l絲杠兩支承端距離(cm)；fz絲杠支承方式系數(shù)，從表中查出，一端固定，一端簡支fz=2.00 i=()/64=( 3.5984 )/64=8.23cm fk=(fzei)/l=(220.6108.23)/45=1652615n nk= fk/fm=1652615/3882=425.7nk(一般nk=2.

21、54)此滾珠絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。3.3.3縱向和橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)其幾何參數(shù)如下表所示：名稱符號w1l5008w1l4006公稱直徑d05040導(dǎo)程l086接觸角255244剛球直徑(mm)dq4.7633.969滾道法面半徑rr=0.52dq2.4772.064偏心距ee=(r-dq/2)sin0.0680.056螺紋升角=arctg(l0/d0)255244螺桿外徑dd=d0-(0.20.25)dq48.539螺桿內(nèi)徑d1d1=d0+2e-2r45.18235.984螺桿接觸直徑dzdz=d0-dqcos45.243236.0355螺母螺紋直徑dd=d0-2e+2r54.81844.01

22、6螺母內(nèi)徑d1d1=d0+(0.20.25)dq50.952640.79383.4齒輪傳動比計算3.4.1縱向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當(dāng)量=0.01滾珠絲杠導(dǎo)程=8mm，初選步進電機步距角0.75?？捎嬎愠鰝鲃颖萯i=(360)/( )=(3600.01)/(0.758)=0.6可選定齒輪齒數(shù)為： i= / =24/40或18/30=24，=40 或 =18，=303.4.2橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定橫向進給脈沖當(dāng)量=0.005,滾珠絲杠導(dǎo)程=6mm,初選步進電機步距角0.75，可計算傳動比i：i=(360)/( )=(3600.005)/(0.756)=0.4考慮到結(jié)構(gòu)上的

23、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：i=(/)(/)=(3/5)(2/3)=(24/40)(20/30)=24，=40，=20，=30因進給齒輪受力不大，模數(shù)m取2，有關(guān)參數(shù)如下表所示：齒數(shù)244024402030分度圓d=mz488048804060齒頂圓da=d+2m528452844464齒根圓=d-21.25m437543753555齒寬b=(610)m202020202020中心距a=( + )/26464453.5 步進電機的計算和選型3.5.1縱向進給步進電機計算（1）等效轉(zhuǎn)動慣量計算計算簡圖如縱向進給系統(tǒng)計算簡圖所示，傳動系統(tǒng)折算到

24、電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量j（kg.cm）可由下式計算：j=jm+j1+(z1/z2)(j2+js)+(g/g)(l。/2)式中 j步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（kgcm） j1 、j2齒輪z1、z2的轉(zhuǎn)動慣量（kgcm）js滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量（kgcm）參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進電機150bf003，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量j=10.5 kgcmj1=0.78(d1)l1/1000=0.78(4.8)2/1000=0.828 kgcmj2=0.78(d2)l2/1000=0.78(8)2/1000=6.39 kgcmjs =0.78(5)150/1000=73.125 kgcmg=800n代入上式：j=jm+j

25、1+(z1/z2)(j2+js)+(g/g)(l。/2)=10.5+0.828+(24/40)(6.39+73.125)+(800/9.8)(0.8/2)=40.43 kgcm考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題，jm /j=10.5/40.43=0.260基本滿足慣量匹配的要求。（2）電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算：快速空載起動力矩m起在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下：m起=mamax+mf+m0mamax=j= (j2nmax)/(60100ta)nmax=(vmax/p)(b/360)將前面的數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。nm

26、ax=(vmax/p)(b/360)= (4000/0.01)(0.75/360)=833.33 r/min起動加速時間ta=30msmamax=j= (j2nmax)/(60100ta) =(40.432833.33)/(601000.03) =1175.46ncm折算到電機軸上的摩擦力矩mf：mf=(f0l0)/(2i)=f(px+g)l0/( 2z2/z1) =0.16(10595+800)0.8/( 20.81.67)=173.8 ncm附加摩擦力矩m0m0=(fp0l0)(1-0)/(2i)=(1/3fml0)(1-0)/(2z2/z1) =(1/348690.8)(1-0.9)/(

27、20.81.67) =154.750.19=29.4 ncm上述三項合計： m起=mamax+mf+m0=1175.46+173.8+29.4=1378.66 ncm快速移動時所需力矩m快 m快=mf+m0=173.8+29.4=203.2 ncm最大切削負載時所需力矩m切m切=mf+m0+mt= mf+m0+(fxl0)/ (2i) =173.8+29.4+(2648.750.8)/(20.81.67)=173.8+29.4+252.56=455.76 ncm 從上面計算可以看出，m起、m快和m切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。從表4-24查出，當(dāng)步進電

28、機為五相十拍時， =mq/mjmax=0.951最大靜力矩mjmax=1378.66/0.951=1449.7 ncm按此最大靜力矩從表4-23查出，150bf003型最大靜轉(zhuǎn)矩為1568ncm。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。（3）計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 fk=(1000vmax)/(60)= (10004)/(600.01)=6667 hz fe=(1000vs)/(60)= (10001)/(600.01)=1667 hz從表4-23中查出150bf003型步進電機允許的最高空載起動頻率為2600hz，運行頻率

29、為8000hz，再從圖4-17、圖4-18查出150bf003步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線如下圖所示。從圖可以看出，當(dāng)步進電機起動時，f起=2500hz時，m=160 ncm，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（1378.66ncm）直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實現(xiàn)），將起動頻率降到1000hz時，起動力矩可增高到650ncm，然后在電路上采用高低壓驅(qū)動電路，還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。 m(ncm)392.3196.10 1000 2000 2500 f(hz) 圖3.4 150bf003型起動矩頻特性 m(ncm)1471.0980.749

30、0.8 0 4000 8000 f(hz)圖3.5 150bf003型運行矩頻特性 當(dāng)快速運動和切削進給時，150bf002型步進電機運行矩頻特性完全可以滿足要求。3.5.2.橫向步進電機計算和選型（1）等效轉(zhuǎn)動慣量計算計算簡圖如橫向進給系統(tǒng)計算簡圖所示，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量j（kg.cm）可由下式計算：j=jm+j1+(z1/z2)(j2+j3)+(z3/z4) (j4+js)+(g/g)(l。/2)式中 j步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（kgcm） j1 、j2、j3、j4齒輪z1、z2、z3、z4的轉(zhuǎn)動慣量（kgcm）js滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量（kgcm）參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進電

31、機110bf003，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量j=4.7kgcmj1=0.78(d1)l1/1000=0.78(4.8)2/1000=0.828 kgcmj2=0.78(d2)l2/1000=0.78(8)2/1000=6.39kgcmj3=0.78(d3)l2/1000=0.78(4)2/1000=0.399 kgcmj4=0.78(d4)l2/1000=0.78(6)2/1000= 2.022kgcmjs =0.78(5)45/1000=21.9375 kgcmg=600n代入上式：j= jm+j1+(z1/z2)(j2+j3)+(z3/z4) (j4+js)+(g/g)(l。/2)=4.7+0.82

32、8+(24/40) (6.39+0.399)+(20/30) (2.022+21.9375)+(600/9.8)(6/2) =20.747 kgcm考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題，jm /j=4.7/20.747=0.227基本滿足慣量匹配的要求。（2）電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算：快速空載起動力矩m起在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下：m起=mamax+mf+m0mamax=j= (j2nmax)/(60100ta)nmax=(vmax/p)(b/360)將前面的數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。nmax=(vmax/p)(b/

33、360)= (2000/0.005)(0.75/360)=416.67r/min起動加速時間ta=30msmamax=j= (j2nmax)/(60100ta) =(20.7472416.67)/(601000.03) =301.6ncm折算到電機軸上的摩擦力矩mf：mf=(f0l0)/(2i)=f(px+g)l0/2(z2/z1)(z4/z3) =0.16(3882+600)0.6/( 20.82.5)=34.26 ncm附加摩擦力矩m0m0=(fp0l0)(1-0)/(2i)=(1/3fml0)(1-0)/2(z2/z1)(z4/z3) =(1/338820.6)(1-0.9)/(20.8

34、2.5) =61.80.19= 11.74ncm上述三項合計： m起=mamax+mf+m0=301.6+34.26+ 11.74=347.6 ncm快速移動時所需力矩m快 m快=mf+m0=34.26+ 11.74=46 ncm最大切削負載時所需力矩m切m切=mf+m0+mt= mf+m0+(fxl0)/ (2i) =34.26+ 11.74+(21190.6)/(20.82.5)=34.26+ 11.74+101.2=147.2 ncm 從上面計算可以看出，m起、m快和m切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。從表4-22查出，當(dāng)步進電機為三相六拍時， =m

35、q/mjmax=0.886最大靜力矩mjmax=347.6/0.886=392.3 ncm按此最大靜力矩從表4-223查出，110bf003型最大靜轉(zhuǎn)矩為784ncm。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。（3）計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 fk=(1000vmax)/(60)= (10002)/(600.01)=3333 hz fe=(1000vs)/(60)= (10000.5)/(600.01)=833 hz從表4-23中查出110bf003型步進電機允許的最高空載起動轉(zhuǎn)矩為1500hz，運行頻率為7000hz，再從圖4-

36、17、圖4-18查出110bf003步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線如下圖所示。從下圖可以看出，當(dāng)步進電機起動時，f起=1500hz時，m=100 ncm，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（301.6ncm）直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實現(xiàn)），將起動頻率降到1000hz時，起動力矩可增高到350ncm。 m(ncm) 392.3 294.2 196.1 98 0 200 600 1000 1400 1600 f(hz)圖3.6 110bf003型起動矩頻特性 m(ncm) 245.2 196.1 98 0 2000 4000 6000 f(hz) 圖3.

37、7 110bf003型運行矩頻特性當(dāng)快速運動和切削進給時，110bf003型步進電機運行矩頻特性完全可以滿足要求。3.6 設(shè)計繪制進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖在完成運動和動力計算之后，已經(jīng)確定了滾珠絲杠螺母副、步進電機規(guī)格型號，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)和軸承型號之后，就可以畫機械裝配圖。4 ca6240車床數(shù)控改造的刀架系統(tǒng)設(shè)計對于ca6240的數(shù)控改造來說，刀架系統(tǒng)應(yīng)該由原來的方刀架改為自動轉(zhuǎn)位刀架，并裝上微型電機。自動轉(zhuǎn)位刀架有兩種可以選擇，四方刀架和六方刀架，兩種刀架均能自動轉(zhuǎn)位和定位，具有多刀自動換位的優(yōu)點，是提高生產(chǎn)率的重要措施，可按照加工零件的需求決定用哪一種刀架。根據(jù)設(shè)計要求，決定采用四方刀

38、架并裝上微型電機。選用微型電機的轉(zhuǎn)速n=1400轉(zhuǎn)/分，功率p=120瓦。繪制刀架結(jié)構(gòu)圖（附圖）四方刀架的轉(zhuǎn)位由微型電機經(jīng)齒輪7、8、9、10，帶動蝸桿11，蝸輪12，通過馬氏槽輪機構(gòu)1和2實現(xiàn)。刀架的定位，先以彈簧銷3作粗定位，后用齒盤機構(gòu)作精定位。4與5是端面齒盤定位機構(gòu)，精確度高，重復(fù)定位精度可以達到0.005mm以內(nèi)。刀架的抬起和夾緊是由液壓傳動，如壓力油從下部進入液壓缸，推動活塞6上升將刀架抬起，如壓力油從上部進入液壓缸，則推動活塞6下降將刀架壓緊。5 微機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計當(dāng)前，在經(jīng)濟型數(shù)控機床控制系統(tǒng)中廣泛采用美國intel公司的mcs51系列單片機。單片微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)

39、計包括以下幾個部分：繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖，選擇中央處理單元cpu的類型，存儲器擴展電路設(shè)計和i/o口即輸入/輸出接口電路設(shè)計，最后繪制ca6240車床數(shù)控改造電路原理圖.5.1 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，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)的性能指標(biāo)。機床硬件電路由以下五部分組成：1主控制器，即中央處理單元cpu。2總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。3存儲器，包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。4接口，即i/o輸入/輸出接口電路。5外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器和光電輸入機等。機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）如

40、下圖所示： 圖5.1 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）5.2 選擇中央處理單元cpu的類型在微機應(yīng)用系統(tǒng)中，cpu的選擇應(yīng)考慮以下因素：1時鐘頻率和字長，著個指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度。2可擴展存儲器（包括rom和ram）的容量。3指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性。4i/o口擴展的能力，即對外設(shè)控制的能力。5開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。此外還要考慮到系統(tǒng)的應(yīng)用場合、控制對象對個參數(shù)的要求和經(jīng)濟價格比等經(jīng)濟性指標(biāo)。目前在經(jīng)濟性數(shù)控機床中，多采用mcs51系列單片機作為主控制器，因此ca6240的數(shù)控改造采用mcs51系列單片機做為主控制器。mcs51系列單片機主要有三種型號的產(chǎn)品：8031

41、、8051和8751。三種型號的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異。8751具有片內(nèi)eprom，但價格是8051的1015倍，所以適合于開發(fā)樣機，小批量生產(chǎn)和需要在現(xiàn)場進一步完善的場合。8051的eprom是intel公司制作芯片時為用戶制備的，因此在國內(nèi)很難采用8051型芯片。而8031片內(nèi)無rom，適合用于需擴展rom，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合，其價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。在ca6240的數(shù)控改造中也采用8031芯片。5.3 存儲器擴展電路設(shè)計mcs51系列單片機的特點之一是硬件設(shè)計簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對于簡單的應(yīng)用場合，mcs51系列的最小系統(tǒng)用一片8031

42、外擴一片eprom就能滿足功能的要求，對于復(fù)雜的應(yīng)用場合，可利用mcs51的擴展功能構(gòu)成功能強、規(guī)模較大的系統(tǒng)。因此，ca6240車床的數(shù)控改造需要對mcs51的存儲器進行擴展。存儲器擴展電路設(shè)計包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展，其中還包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計。5.3.1 程序存儲器的擴展mcs51的程序存儲器的尋址空間為64k字節(jié)，8031片內(nèi)不帶rom，用作程序存儲器的器件是eprom。其中常用的半導(dǎo)體rom芯片有：27162(2k8)、2732(4k8)、2764(8k8)、27128(16k8)、27256(32k8)、27512(64k8)。2764、27128、27256、2

43、7512芯片均為28腳雙列直插式扁平封裝芯片，引腳向下兼容。不同型號的eprom工作速度也有差別，一般為200450ns，選擇時應(yīng)注意芯片的工作速度是否滿足系統(tǒng)時序的要求。8031訪問eprom時，其所能提供的讀取時間t與所選的晶體時鐘有關(guān)，約為3t，t為時鐘周期。若晶體頻率選用6mhz，則t480ns，故凡是工作速度小于480ns的芯片在時序上均滿足要求。根據(jù)功能要求和價格比較，選用2764芯片作為8031的rom擴展芯片。5.3.2 地址鎖存器由于單片機8031芯片的p。口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片是74ls373和74ls

44、138。74ls373是帶三態(tài)緩沖輸出的8d觸發(fā)器。其與8031芯片連接如下圖所示：p0.0 p0.7 8031alevcc gnd1d 1q8d 8qg oe 圖5.2 8031與74ls373連線圖5.3.3 8031與eprom芯片的連接（1）地址線的連接 eprom低8位地址a0a7經(jīng)地址鎖存器與8031p0口（p0.0p0.7）相連；eprom高8位地址線a8a15直接與8031的p2口（p2.0p2.7）相連。由于8031的p0口是分時輸出低8位地址和數(shù)據(jù)，故要外接地址鎖存器（常用的地址鎖存器有74ls373、74ls138等），并由cpu發(fā)出的地址允許鎖存信號ale的下降沿將地址

45、信息鎖存入地址鎖存器中。如外接存儲器芯片片內(nèi)有地址鎖存器，則單片機的p0口可與存儲器低8位地址線直連，但還要將cpu的ale信號與存儲器芯片ale端相連。單片機的p2口用作高8位地址線及片選線，由于p2口輸出具有鎖存的功能，故不必外加地址鎖存器。存儲器的8位數(shù)據(jù)線d0d7與p8031芯片的p0口p0.0p0.7直連，單片機規(guī)定指令碼和數(shù)據(jù)都是由p0口讀入，數(shù)位對應(yīng)相連即可。（2）控制線的連接8031芯片的（外部程序存儲器讀選通信號）與eprom芯片的端（外部程序存儲器的使能端）相連；8031芯片接地，cpu執(zhí)行外部程序存儲器的指令； 8031芯片ale（地址鎖存允許信號）接主地址鎖存器74ls

46、373的g引腳。下圖為8031外部eprom的一般連接方法：譯碼電路 p2.7 p2.0 ale 8031 p0.7 p0.0 a15a8a7 eproma0 （0k64k）d7d0g 74ls37374ls373 圖5.3 8031與外部eprom的一般連接方法5.3.4 數(shù)據(jù)存儲器的擴展由于8031芯片內(nèi)部ram只有128字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的需要，需擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器ram。（1）常用的數(shù)據(jù)存儲器常用的靜態(tài)ram芯片有6116、6264、62256等，6264、62256均采用cmos工藝，由單一5v供電，典型存取時間為150200ns。他們均采用28腳雙列直插式扁平封裝。（2）80

47、31與外部數(shù)據(jù)存儲器芯片的連接單片機cpu與數(shù)據(jù)存儲器ram的連接方法與程序存儲器的連接方法大致相同。唯有控制線連接不同：ram讀入信號與8031芯片的（p3.7）引腳相連；ram的寫入信號與8031芯片（p3.6）相連。其連接示意圖如下圖所示：ce1a15a8a7 rama0 d7d0weoe譯碼電路 p2.7 p2.0 ale 8031 p0.7 p0.0 wr rd eag 74ls37374ls373 圖5.4 8031與ram的一般連接方法5.3.5 譯碼電路的設(shè)計 8031單片機允許擴展64k程序存儲器和64k數(shù)據(jù)存儲器（包括i/o口芯片），這樣就需要擴展多個外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲器各芯片之間、數(shù)據(jù)存儲器各芯片之間（包括i/o口芯片）地址互相不重疊，以使單片機訪問外部存儲器時避免發(fā)生沖突。當(dāng)80331數(shù)據(jù)總線分時地與各個外圍芯片進行數(shù)據(jù)傳送時，首先要進行片選