畢業(yè)設(shè)計（論文）CAK6132數(shù)控車床的設(shè)計

1、大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）cak6132數(shù)控車床的設(shè)計學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 院 2011年05月30日graduation project (thesis) the number controls lather of cak6132s designstudent supervisor specialty mechanical design school harbin university of commerce 2011-05-30畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書姓名學(xué)院班級機(jī)械設(shè)計制造及其自動化三班專業(yè)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：cak6132數(shù)

2、控車床設(shè)計 立題目的和意義：數(shù)控機(jī)床是典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。以數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計為題可以提高學(xué)生機(jī)械設(shè)計制造、自動控制技術(shù)、力學(xué)、計算機(jī)技術(shù)等方面的知識綜合運(yùn)用能力。培養(yǎng)和提高學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計，為從事機(jī)電一體化方面產(chǎn)品設(shè)計打下基礎(chǔ)。技術(shù)要求與工作計劃：技術(shù)要求：主軸轉(zhuǎn)速：50-2000rpmx軸行程：350mmz軸行程：550mm最小位移單位：0.001mm工作計劃：1.總體方案處理2.完成傳動系統(tǒng)設(shè)計3.完成控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計5.典型零件圖6.撰寫設(shè)計說明書時間安排：1-3 周畢業(yè)實(shí)習(xí)，調(diào)研，搜集畢業(yè)設(shè)計資料4-5 周總體方案設(shè)計（第一階段檢查）6-11周 結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成裝配圖

3、設(shè)計（第二階段檢查）12 周控制系統(tǒng)設(shè)計13 周零件工作圖設(shè)計14 周整理說明書（第三階段檢查）15 周評閱，準(zhǔn)備答辯（驗(yàn)收）16 周答辯 指導(dǎo)教師要求：按照時間要求和質(zhì)量要求完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。（簽字） 年 月 日教研室主任意見：（簽字） 年 月 日院長意見：（簽字） 年 月 日畢業(yè)設(shè)計（論文）審閱評語一、指導(dǎo)教師評語：指導(dǎo)教師簽字：年 月 日畢業(yè)設(shè)計（論文）審閱評語二、評閱人評語：評閱人簽字：年 月 日畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯評語及成績?nèi)?、答辯委員會評語：四、畢業(yè)設(shè)計（論文）成績：專業(yè)答辯組負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日五、答辯委員會主任單位： （簽章） 答辯委員會主任職稱： 答辯委員會主任簽字： 年

4、 月 日哈爾濱商業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要cak6132數(shù)控車床的設(shè)計主要是由傳動系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。本次設(shè)計不僅對各個部分進(jìn)行了詳細(xì)的分析，還對其機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。從最初的幾個方案選出一個合理的方案。根據(jù)給定的參數(shù)來進(jìn)行設(shè)計計算，計算出其傳動和進(jìn)給系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)是數(shù)控車床的一個重要組成部分?？刂葡到y(tǒng)是由鍵盤、顯示、脈沖發(fā)生器和電機(jī)驅(qū)動部分組成。由它來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動從而帶動滾珠絲杠正常運(yùn)動。它也控制脈沖發(fā)生器來計算主軸的轉(zhuǎn)速。此數(shù)控車床的最大轉(zhuǎn)速為2000rpm，主電機(jī)功率5.5kw。由于只用于精加工的半精加工，故所用電機(jī)功率不是很大。最后進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，生產(chǎn)商的利潤是可觀的

5、。關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；主軸箱；步進(jìn)電機(jī)；進(jìn)給系統(tǒng)abstractnc lathe-cak6132 consists of drive system,movement system and control system.the detailed analysis of every part as well as the design of their mechanism is the concern of this project. the final programme is selected from the programmes fixed before.the drive and move

6、ment systems are decided after designing calculation according to display,pulser and motor drive ,is the main part of this nc lathe. the roller guide screw works properly drived by step motor ,which is controlled by control system.also the control system control system controls the speed of the spin

7、dle.the max-speed of this nc lathe is 2000rpm.the horsepower of the main motor is 5.5kw.the horsepower of the motor is not so high for the reason of that the nc lathe is only used for half and finish machining.in the end,after the economic analysis,the manufacturers profits considerably.keywords: nc

8、 lathe; headstock;step motor;movement systemii目 錄摘 要iabstractii目 錄41 緒 論11.1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢11.2 課題的意義和目的12 總體方案設(shè)計22.1 設(shè)計參數(shù)22.2 傳動原理32.3 基本參數(shù)的確定43 傳動設(shè)計53.1 帶輪及帶的計算53.2 主軸撓度校核83.3 主軸剛度校核84 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計11 4.1 縱向向進(jìn)給絲杠設(shè)計114.2 橫向進(jìn)給絲杠設(shè)計134.3 步進(jìn)電機(jī)選擇135 控制原理設(shè)計175.1 數(shù)控系統(tǒng)的基本硬件組成175.2 步進(jìn)電機(jī)的控制175.2.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理175.2.2 步進(jìn)電機(jī)的

9、控制175.2.3 譯碼法尋址195.2.4 鍵盤顯示器接口195.2.5 程序存儲器（eeprom）芯片206 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析21總 結(jié)24參考文獻(xiàn)25附錄126附錄227附錄332附錄434哈爾濱商業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）1 緒 論1.1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量持續(xù)高速增長，根據(jù)市場需求和技術(shù)發(fā)展趨勢，應(yīng)重點(diǎn)推進(jìn)高效、精密為核心的數(shù)控機(jī)床“m”級工程，加強(qiáng)發(fā)展高性能、高可靠性數(shù)控功能部件，積極開展復(fù)合加工機(jī)床、超精密數(shù)控機(jī)床和可重構(gòu)制造系統(tǒng)的工程化研究等相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的柔性化制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)機(jī)械加工裝備產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)，它的發(fā)展一直備受人們

10、關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目。它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。通過持續(xù)的開發(fā)研究以及對信息技術(shù)的深化應(yīng)用，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床性能和質(zhì)量的進(jìn)一步提升，使數(shù)控機(jī)床成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要制造裝備。 近6年來，我國數(shù)控金切機(jī)床（簡稱數(shù)控機(jī)床）產(chǎn)量一直以年均增長超過30%速度發(fā)展。據(jù)初步統(tǒng)計，2008年數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量為51860臺，同比增長40.8%,數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)量約74000臺，同比增長32%。數(shù)控機(jī)床需求的旺盛也促進(jìn)了2008年內(nèi)新建的三資和民營機(jī)床廠以及數(shù)控機(jī)床品種的明顯增加

11、。 與此同時，我國進(jìn)口的數(shù)控機(jī)床數(shù)量也在逐年同步增加，而且進(jìn)口數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)額的增長趨勢更快。2008年數(shù)控機(jī)床的進(jìn)口數(shù)量同比年增長30%，而進(jìn)口消費(fèi)額的增長卻達(dá)52%，從而導(dǎo)致國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在國內(nèi)市場消費(fèi)額中的所占比例已不足30%。之所以出現(xiàn)這一現(xiàn)象，其主要原因在于國內(nèi)市場對技術(shù)和附加值高的高效、精密和高性能大型、重型數(shù)控機(jī)床需求增長，需要依靠進(jìn)口解決。 振興我國數(shù)控機(jī)床市場占有率應(yīng)著重于剖析數(shù)控機(jī)床及由其組成的制造系統(tǒng)（生產(chǎn)線）的技術(shù)現(xiàn)況及發(fā)展趨勢，探討使其能適應(yīng)變批量，多品種、高質(zhì)量、低成本以及具有快速響應(yīng)的柔性和符合環(huán)保的未來生產(chǎn)模式的解決方案。數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)面臨挑戰(zhàn)。 1.2 課題的意義

12、和目的數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化課題，通過畢業(yè)設(shè)計可使所學(xué)機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電工學(xué)知識得到綜合應(yīng)用。結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)設(shè)計能力都能受到訓(xùn)練，可有力的提高學(xué)生的分析問題、解決問題能力及機(jī)電一體化水平。2 總體方案設(shè)計2.1 設(shè)計參數(shù)方案設(shè)計主要是確定機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)，傳動原理以及基本的運(yùn)動動力參數(shù)。設(shè)計任務(wù)給出各項(xiàng)指標(biāo)如下：床身上最大加工直徑：320，主軸轉(zhuǎn)速范圍：502000r/min，進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量需。主要特點(diǎn)：cak6132數(shù)控車床的導(dǎo)軌經(jīng)超音頻淬火并精磨，耐磨性好，精度高，主軸采用變頻無級調(diào)速控制，可自動完成對零件的內(nèi)外柱面、端面、任意錐面、圓弧面及公英制螺紋切削等工序連續(xù)加工。由于此次設(shè)

13、計的cak6132只用于精加工和半精加工，所以一些參數(shù)會比以上的參數(shù)小些。初步確定主軸箱部分主軸由電機(jī)直接經(jīng)過帶輪傳動，電機(jī)使用無極調(diào)速，而后用一對一比一的齒輪來帶動脈沖發(fā)生器，采用三項(xiàng)異步電動機(jī)進(jìn)行定比傳動，主軸電動機(jī)經(jīng)定比傳動傳遞給主軸，定比傳動可以采用帶傳動或齒輪傳動，帶傳動具有傳動噪聲小，震動小等優(yōu)點(diǎn)，一般應(yīng)用于中小型數(shù)控車床上，所以優(yōu)先選擇了帶傳動。皮帶輪的降速比為：i=2860/2000=1.43，由此可知皮帶的降速比也合適，故此方案可行。再就是縱向和橫向進(jìn)給是靠絲杠來實(shí)現(xiàn)的，絲杠用步進(jìn)電機(jī)來帶動。大帶輪與帶輪軸連接采用卸荷方式，可以使大帶輪的重量不壓在軸上，減輕了軸的負(fù)荷，使傳動

14、更平穩(wěn)。主軸與脈沖發(fā)生器連接采用齒輪一比一傳動，這樣方便計算主軸轉(zhuǎn)一圈，絲杠進(jìn)給多少?？v、橫向進(jìn)給系統(tǒng)選擇的步進(jìn)電機(jī)步距角都為1.5，縱向進(jìn)給的最小進(jìn)給量為0.002，橫向進(jìn)給的最小進(jìn)給量為0.01，所以必須通過減小步距角來實(shí)現(xiàn)這個最小進(jìn)給量。減小布距角采取調(diào)解帶輪的方法。采用定比傳動擴(kuò)大了直接驅(qū)動的應(yīng)用范圍，即在一定程度上滿足主軸功率與轉(zhuǎn)速要求，但其變速范圍仍與電動機(jī)的調(diào)速范圍相同，總體方案原理圖如圖（2-1）：36圖2-1 cak6132總體方案圖2.2 傳動原理1 傳動原理主要滿足設(shè)計任務(wù)所給出的精度要求。 2 應(yīng)當(dāng)在保證精度的情況下盡量使結(jié)構(gòu)簡單。3 主軸的轉(zhuǎn)速范圍為502000rpm

15、。4 脈沖當(dāng)量為0.005mm，若采用較高級數(shù)的步進(jìn)電機(jī)，通過帶輪減速來帶動絲杠就可以達(dá)到，并且結(jié)構(gòu)簡單，在該處還沒有傳動誤差，可以使電控部分的結(jié)構(gòu)及程序編制更為簡單。2.3 基本參數(shù)的確定通過主軸孔最大棒料直徑： d=d/10320/10=32mm床身寬度： =375經(jīng)濟(jì)合理的工件或刀具直徑按照以下幾種經(jīng)驗(yàn)公式估定=0.6320=192=0.10320=32運(yùn)動參數(shù)：可通過類比實(shí)驗(yàn)和計算等方法綜合確定： 、為經(jīng)濟(jì)加工切削速度和經(jīng)濟(jì)合理的工件或刀具直徑。、是機(jī)床的最低、最高轉(zhuǎn)速，其中常用經(jīng)濟(jì)加工切削速度硬質(zhì)合金刀具精車中碳鋼=200220取=220取高速鋼刀具精車絲杠=1.5=1000 1.5

16、/3.14192=2r/min =1000220/3.1432=2189r/min取401800計算轉(zhuǎn)速： 動力參數(shù)：據(jù)下列公式及數(shù)據(jù)估算電機(jī)功率。（公斤力）單位切削面積上的切削力，取硬質(zhì)合金刀加工中碳鋼=200（公斤力/）切削深度 進(jìn)給量切削深度及進(jìn)給量取半精車中碳鋼，故取1；取0.2；=297=1.94（取5.5kw）哈爾濱商業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）3 傳動設(shè)計表3-1 設(shè)計參數(shù)表3-1 cjk6032主要技術(shù)參數(shù)項(xiàng) 目 單 位 參 數(shù)床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑 mm 320拖板上最大工件回轉(zhuǎn)直徑 mm 200最大工件長度 mm 750主軸轉(zhuǎn)速范圍 rpm 502000主軸通孔直徑 mm 24主

17、軸錐孔 主軸錐孔主軸電機(jī)功率 kw 5.5刀架刀位數(shù) 4車刀刀桿最大尺寸（寬高） mm 2020進(jìn)給電機(jī)扭矩（功率）橫向（x） n.m 7 縱向（z） n.m 7尾架套筒錐孔 莫氏6號機(jī)床外形尺寸（長寬高） 206012401260機(jī)床重量（毛重/凈重） kg 9003.1 帶輪及帶的計算選用窄v帶傳動，設(shè)已知電動機(jī)的型號為yd(ip44)-132s，額定功率=5.5，轉(zhuǎn)速=2860傳動比=1.43一天的運(yùn)轉(zhuǎn)時間101 確定計算功率 又表(86)工作情況系數(shù)查得工作情況系數(shù)=1.3，故1.15.5kw=6.052 選取窄v帶帶型根據(jù)、由圖(89)窄v帶選型圖確定選用b型。3 確定帶輪基準(zhǔn)直徑由

18、表(83)v帶輪的最小基準(zhǔn)直徑和表(87)v帶輪的基準(zhǔn)直徑系列取主動輪基準(zhǔn)直徑=140。根據(jù)式（815），從動輪基準(zhǔn)直徑。1.43150=200.2 根據(jù)表(87)v帶輪的基準(zhǔn)直徑系列，取=200按式（813）驗(yàn)算帶的速度14.6535帶的速度合適。4 確定窄v帶的基準(zhǔn)長度和傳動中心距根據(jù)， 初步確定中心距=500根據(jù)式（820）計算帶所需的基準(zhǔn)長度1592由表(82)v帶的基準(zhǔn)長度系列及長度系數(shù)選帶的基準(zhǔn)長度1600按式（821）計算實(shí)際中心距=500+1/2（1600-1592）=504由于車床的傳動需要,其中心距可調(diào)取a=510mm.5 驗(yàn)算主動輪上的包角a由式（86）得：主動輪上的包角

19、合適。6 計算窄v帶的根數(shù)由式（822）知：由、查表（85c）單根窄v帶的基本額定功率和表（85d）得單根窄v帶的基本額定功率的增量：3.85 0.69查表(88)包角系數(shù)得0.925，查表(82)v帶的基準(zhǔn)長度系列及長度系數(shù)得0.99則取2根。7.計算預(yù)緊力:由式（8-23）知： 查表(8-4)v帶單位長度的質(zhì)量得:3.3 主軸最佳跨距的確定320mm車床，p=5.5kw.1 選擇軸頸直徑,軸承型號和最佳跨距前軸頸應(yīng)為60-80mm,初選=65mm,后軸頸取,前軸承為nn3020k,后軸承為nn3016k,根據(jù)結(jié)構(gòu),定懸伸長度2 求軸承剛度考慮機(jī)械效率主軸最大輸出轉(zhuǎn)距床身上最大加工直徑約為最

20、大回轉(zhuǎn)直徑的60%,取50%即200,故半徑為0.1.切削力 背向力 故總的作用力 次力作用于頂在頂尖間的工件上主軸尾架各承受一半,故主軸軸端受力為 先假設(shè) 前后支撐分別為根據(jù) 。3 主傳動軸支承處軸承的選擇主軸 前支承：nn3020k;后支承：nn3016k3.2 主軸撓度的校核 確定主軸計算轉(zhuǎn)速：主軸的計算轉(zhuǎn)速為 3.3 主軸剛度的校核主軸圖:前支承為雙列圓柱滾子軸承，后支承為角接觸球軸承與推力球軸承組合當(dāng)量外徑主軸剛度：由于故根據(jù)式（10-8）對于機(jī)床的剛度要求，取阻尼比當(dāng)v=50m/min,s=0.1mm/r時,取 計算 可以看出，該機(jī)床主軸是合格的.3.4 鍵的校核床頭箱內(nèi)第一根軸與

21、齒輪連接的普通圓頭平鍵。軸徑為36，傳動轉(zhuǎn)矩為60720n,齒輪輪轂寬度是87，載荷穩(wěn)定。1 選擇鍵的類型：選a型普通平鍵。2 確定鍵的尺寸：查表可選鍵的尺寸為bhl=108125.3 擠壓強(qiáng)度：按式（10-32），并取 l = lb,則工作表面的擠壓應(yīng)力為： , 故聯(lián)結(jié)能滿足擠壓強(qiáng)度要求。4 剪切強(qiáng)度：由式（10-33）得剪切應(yīng)力為： 由表10-10提高外嚙合齒輪傳動強(qiáng)度的變位系數(shù)薦用值可知，當(dāng)載荷平穩(wěn)時，許用切應(yīng)力=120mpa = 2.933mpa，故能滿足剪切強(qiáng)度要求。4 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計4.1 縱向進(jìn)給絲杠設(shè)計1 最小載荷：fmin為機(jī)床空載時作用在滾珠絲杠上的軸向載荷。此時 fx =

22、fy = fz = 0 ,ck6132型數(shù)控機(jī)床的拖板加電動四方刀架的重量約為50+20=70, 查三角形組合導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為0.15，fmin = 700.159.8103n .2 最大載荷：fmax為機(jī)床承受最大切削力時作用于滾珠絲杠的軸向載荷，fmax等于最大進(jìn)給力加摩擦力。已知最大進(jìn)為520n，則fmax=520+103=623nfm = 因?yàn)?ck61633000絲杠 nmax = 600r/min ck61805000 絲杠 nmax = 500r/min拖板的最低速度為 1mm/min 故絲杠最低轉(zhuǎn)速可為0 ck61633000絲杠的平均轉(zhuǎn)速為300r/min ck61805000

23、 絲杠的平均轉(zhuǎn)速為250r/min類比法 ck6132絲杠的平均轉(zhuǎn)速nm = 300r/min3 計算絲杠1） fc = kfkhk1fm = 1.211450 = 540n2) 求必需的額定動載荷 lh= 15000hca= 3) 選擇滾珠絲杠的型號和主要尺寸根據(jù)查選取外循環(huán)雙螺母對旋預(yù)緊滾珠絲杠副，ca選取l4000型號滾珠絲杠，ca =9800n d0 = 40ph = 10 dw = 0.6ph螺母螺紋大徑 螺桿大徑 偏心距 接觸角 螺紋滾道曲率半徑rs/rn=（0.51-0.56）pw=0.556=3.3mm. 材料為crwmn d = 39 rc = 9800n/m循環(huán)圈數(shù)：3.5

24、1。螺旋導(dǎo)程角：4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算因螺桿較長，應(yīng)驗(yàn)算螺桿的穩(wěn)定性，臨界載荷為 e 螺桿材料的彈性模量 e = 2.06105n/mm2ia 螺桿危險截面的軸慣性矩 長度系數(shù) 按一端固定一端鉸支 = 0.7l1 絲杠螺紋全長 l1 = lu+2le = 750+224 =798故 2.54 通過。5） 剛度驗(yàn)算按最不利情況考慮，即在螺距（應(yīng)為導(dǎo)程）內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向一致，此時變形量為最大，計算公式為：式中： = = 453n (式中磨擦系數(shù)f按0.0025計，當(dāng)量磨擦角v = 840)剪切彈性模量 g = 8.33104 n/mm2則： =0.062m每米螺桿長度上的

25、螺距的彈性變形6） 計算效率 = = 0.95 (式中)4.2 橫向進(jìn)給絲杠設(shè)計同縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計相同，橫向進(jìn)給絲杠也用以上相同類型的絲杠。4.3 步進(jìn)電機(jī)選擇縱向與橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)根據(jù)同型號機(jī)床縱向保持靜轉(zhuǎn)矩為8nm,橫向保持靜轉(zhuǎn)矩為12nm,采用類比法選擇：4.4 回轉(zhuǎn)刀架選擇5 控制原理設(shè)計5.1 數(shù)控系統(tǒng)的基本硬件組成任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來有以下幾個部分組成：1 中央處理單元cpu2 總線 包括數(shù)據(jù)總線（db）、地址總線（ab）和控制總線（cb

26、）。3 存貯器 包括可擦除存貯器（eeprom）和隨機(jī)存貯器（ram）。4 i/o輸入/輸出接口電路其中cpu是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路的協(xié)調(diào)工作。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用中所需的各種數(shù)據(jù)。i/o接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁?？偩€則是cpu與存貯器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是cpu與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如下圖所示：u，n sp 單片機(jī)是由凌陽公司推出的16位單片機(jī)，它的數(shù)據(jù)處理較強(qiáng)，集成度較高，而且有較大的存貯器空間，較快的處理速度，片內(nèi)較多的ram和flashrom存貯器，有d/a、a/d接口和支持dsp（數(shù)字

27、信號處理）的指令，因此在這里不過多地擴(kuò)展存貯器監(jiān)控程序和功能子程序的可擦除存貯器和調(diào)試程序用的隨機(jī)存貯器。數(shù)控系統(tǒng)也可以直接購買國內(nèi)外較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品做為數(shù)控裝置。如德國的西門子系列。5.2 步進(jìn)電機(jī)的控制5.2.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電磁元件。定子上安排了六個磁極，相對的兩個磁極上放置著同一相勵磁繞組，而轉(zhuǎn)子上沒有，只有四個凸極，a、b、c、d組成，當(dāng)s1接通，s2，s3斷開，a相建立磁場，轉(zhuǎn)子力求以磁路最大來取向，轉(zhuǎn)子齒與定子a相磁極對齊，即轉(zhuǎn)子a、c齒的軸線與定子a相磁極軸線重合。當(dāng)s1，s3斷開，s2接通，轉(zhuǎn)子b、d齒的軸線與定子b相磁極軸線重合。依

28、次類推s1s2s3s1循環(huán)接通，轉(zhuǎn)子以一定的步距角旋轉(zhuǎn)，改變輸入電流方向，實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)即s1s3s2s1。5.2.2 步進(jìn)電機(jī)的控制步進(jìn)電機(jī)是手脈沖信號控制的，脈沖信號的產(chǎn)生和分配由軟件編程來完成，而信號的放大由放大電路來完成。由于強(qiáng)弱信號的原因，我們在放大電路前加上光電耦合電路，已防止電源串路。具體控制電路如圖所示。圖5-1 控制電路圖w是步進(jìn)電機(jī)的一相繞組，vd3是續(xù)流二極管。74ls373是8路三態(tài)輸出觸發(fā)器，一路輸出信號控制一相繞組，可控制兩臺三相步進(jìn)電機(jī)或兩臺四相步進(jìn)電機(jī)。q輸出高電平，將使其所控制的相繞組通電。74ls373的le是鎖存允許端，高電平有效。下面來分析一下該接口電路的工作

29、過程。設(shè)繞組初始狀態(tài)無電流流過，r上的壓降為零，即=o，因此光耦合器的發(fā)光二極管熄滅，其中的光電三極管截止，使與非門的一個輸入端為高電平。這時，如果8031通過p0口輸出01h時，有效，并通過反相器作用于74ls373的le端，使74ls373將單片機(jī)輸出的信號鎖存到輸出端，即1q輸出高電平信號。這個步進(jìn)信號一方面通過與非門使的發(fā)光二極管發(fā)光，使其光電三極管導(dǎo)通，反相器輸出高電平，使功率晶體管和v5導(dǎo)通；另一方面信號作用于門，使輸出低電平，經(jīng)反相器輸出高電平，和1q一起作用于,輸出低電平，因此光電耦合器發(fā)光二極管發(fā)光，使其中的光電三極管導(dǎo)通。這樣d3輸出高電平，截止，使高壓功率晶體管和導(dǎo)通，高

30、電壓作用于電機(jī)繞組，使步進(jìn)電機(jī)的一相通電。隨著繞組電流的上升，的壓降增加，當(dāng)增加到一定程度時，使的發(fā)光二極管發(fā)光，從而使其中的光電三極管導(dǎo)通。導(dǎo)通后，輸出高電平，反相器輸出低電平，但不是立即關(guān)閉門使高壓管截止，而是要延時一段時間。這是因?yàn)榈拇嬖?。組成了延時電路，其目的就是延時關(guān)閉，這樣可避免由于繞組電流的波動而使通斷次數(shù)太多，以致于造成太多的開關(guān)損耗。高壓晶體管關(guān)斷后，便由低壓電源供給繞組供電。當(dāng)繞組電流下降，下降，發(fā)光二極管熄滅，光電三極管截止，若這時1q仍為高電平，則又使高壓晶體管導(dǎo)通，高壓電源再次作用在繞組上，使繞組中電流上升。上升到設(shè)定值后，又使截止。的反復(fù)通斷，實(shí)現(xiàn)了繞組電流的恒流斬

31、波控制。lq輸出低電平后，v2v5皆截止，繞組電流經(jīng)vd3-ud-地-vd4-l回路泄放。 由上述過程可知，只要8031按照步進(jìn)電機(jī)工作方式和工作頻率向接口輸出相應(yīng)的信號，便可實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向控制。若用凌陽單片機(jī)的話，就不需要用74ls373鎖存器和8255，用于擴(kuò)展接口等，故用凌陽單片機(jī)。5.2.3 譯碼法尋址由于擴(kuò)展的存貯器和其它外圍芯片的數(shù)量較多，常常采用譯碼法尋址，由譯碼器組成譯碼電路對系統(tǒng)的高位地址進(jìn)行譯碼，譯碼電路將地址空間劃分若干塊，其輸出作為存貯器芯片的片選信號，分別選通各芯片。這樣既充分利用了存貯器空間，又避免了空間分散的缺點(diǎn)，還可以減少i/o口線。本數(shù)控機(jī)床采用7

32、4ls138地址譯碼器如5.2.4 鍵盤顯示器接口鍵盤和顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)對話的外圍設(shè)備，鍵盤可以完成程序數(shù)據(jù)的輸入，顯示器顯示計算機(jī)運(yùn)行時的狀態(tài)數(shù)據(jù)。鍵盤接口電路，用8255作為并行接口使用。8255的地址，數(shù)據(jù)線和凌陽單片機(jī)的接口直接連接，由片選信號控制實(shí)現(xiàn)分時信息傳遞。 lcd的應(yīng)用非常廣泛，從電子表到計算機(jī)，從袖珍儀表到便攜式微型計算機(jī)以及一些文字處理機(jī)都應(yīng)用了液晶顯示器。1 液晶顯示模塊的工作原理液晶顯示模塊是一種被動式顯示模塊，由于它的功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，因而在低功耗的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中大量使用。lcd本身不發(fā)光，只調(diào)節(jié)光的亮度，它是根據(jù)液晶的扭曲向列效應(yīng)原理制成的。在結(jié)構(gòu)

33、上，液晶顯示面板包含了兩片相當(dāng)精致的無鈉玻璃索材作為感光基板層(substrates)，中間夾著一層液晶。夾在兩片導(dǎo)電玻璃電極問的液晶經(jīng)過一定處理后，它內(nèi)部的分子呈90。的扭曲。當(dāng)線性偏振光透過上偏振片到達(dá)液晶材料時，會發(fā)生90。旋轉(zhuǎn)，正好與下偏振片的偏振方向取得一致，從而穿過下偏振片到達(dá)發(fā)射板，并按原路返回，使顯示器呈透明狀態(tài)。當(dāng)在玻璃電極上加上電壓后，在電場作用下，液晶分子的扭曲結(jié)構(gòu)消失，其旋光作用也消失，偏振光便直接通過，被下偏振片吸收，不會到達(dá)反射板，使顯示器呈黑色。當(dāng)去掉電場后液晶分子又恢復(fù)其扭曲結(jié)構(gòu)。 這樣，只要將液晶置于兩個偏振光之間，改變偏振光的相對位置(正交或平行)就可得到自

34、底黑字或黑底向字的顯示形式。2 lcd的驅(qū)動方式lcd因其兩極問不允許施加恒定直流電壓，而使其驅(qū)動電路變得比較復(fù)雜。為了得到lcd亮、滅所需的兩倍幅值及零電壓，常給i,cd的背極通以固定的交變電壓，通過控制前極的電睚值的改變實(shí)現(xiàn)對lcd顯示的控制。液晶顯示器的驅(qū)動方式一般有兩種，即直接驅(qū)動(或稱靜態(tài)驅(qū)動)和時分隔(多極)驅(qū)動方式。5.2.5 程序存儲器（eeprom）芯片由于數(shù)控機(jī)床在加工的時候要進(jìn)行加工程序的監(jiān)控，所以數(shù)控系統(tǒng)需要有程序存儲器，放置監(jiān)控程序。本數(shù)控機(jī)床選用eeprom （容量為8k）。6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析隨著技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控車床正在迅速普及和發(fā)展，并已形成了一個縱深而廣闊的市場。

35、數(shù)控車床是具有高技術(shù)附加值的高技術(shù)產(chǎn)品，其市場占有能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的普通車床。因此企業(yè)可以通過產(chǎn)品的規(guī)?；鴶U(kuò)大市場占有率，從中獲得巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。市場競爭規(guī)律要求產(chǎn)品不僅應(yīng)具有高性能，而且要有低價格，從而給數(shù)控車床的設(shè)計提出了越來越高的要求，此外，種類繁多、性能各異的集成電路、傳感器和新材料等，也給數(shù)控車床的設(shè)計提供了眾多的可選方案，使設(shè)計工作具有很大的靈活性，如何充分利用這些條件，設(shè)計出滿足市場需求的數(shù)控產(chǎn)品. 提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)價值可以從以下四個方面著手：1 進(jìn)一步改善和簡化設(shè)計，減少零件數(shù)目，提高標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度；2 采用廉價材料；3 改善毛坯、零件加工、裝配等工藝性，合理選擇精度、公

36、差和配合以及其他技術(shù)條件；4 改善生產(chǎn)、經(jīng)營管理制度。技術(shù)和經(jīng)濟(jì)在人類進(jìn)行物質(zhì)生產(chǎn)，交換活動中始終并存，是不可分割的兩個方面。兩者相互促進(jìn)又相互制約。技術(shù)具有強(qiáng)烈的應(yīng)用性和明顯的經(jīng)濟(jì)目的性，沒有應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)是沒有生命力的。而經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必須依賴于一定的技術(shù)手段，世界上不存在沒有技術(shù)基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的這種特性使得它們之間有著密切而不可分割的聯(lián)系，所以有必要對設(shè)計方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析。對工程技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價，其核心內(nèi)容是經(jīng)濟(jì)效果的評價。為了確保經(jīng)濟(jì)決策的正確性和科學(xué)性，研究經(jīng)濟(jì)效果評價的指標(biāo)和方法是十分必要的。經(jīng)濟(jì)效果評價的指標(biāo)和方法是多種多樣的，它們從不同程度反映工程技術(shù)方

37、案的經(jīng)濟(jì)性，這些指標(biāo)主要可以分為三大類：第一類是以時間作為計量單位的時間型指標(biāo)，如投資回收期，貸款償還期等；第二類是以貨幣單位計量的價值型指標(biāo)，如凈現(xiàn)值，費(fèi)用現(xiàn)值等；第三類是反映資源利用效率型指標(biāo)，如投資利潤率，內(nèi)部收益率等。本篇設(shè)計的ck6140型數(shù)控車床機(jī)身凈重800kg，本機(jī)床的3/4為鑄鐵，1/4為普通鋼材，以下為成本核算：表6-1原材料成本 綜述上表原材料總成本大約為p1=3278.5元外構(gòu)件的成本：在數(shù)控車床上我們要用3臺電機(jī)，每臺的單價為1500元，所以電機(jī)要用4500元。v帶 要用2根，每根的價格大約為10元，所以費(fèi)用是20元。軸承平均為15元一個，我們大約要用30個，所以費(fèi)用

38、是450元，在控制部分要的液晶顯示器和單片機(jī)單價均為3000元，所以要用的費(fèi)用是6000元。在進(jìn)給的時間要用2根絲杠，市場單價為1500元，費(fèi)用為3000元。螺栓組單價為0.8元/個，大約買100個，所以其費(fèi)用是80元。鍵為2元一個，買11個，共用22元。變頻器單價為1500元，數(shù)量為1，所以其費(fèi)用為1500元。脈沖發(fā)生器單價為1500元，所以起費(fèi)用為1500員。外購件 的總成本為17072元。 表6-3工時成本由表6-3可得工時總費(fèi)用大約為p3=13450元生產(chǎn)一臺車床所用的電費(fèi)和水費(fèi)大約為p4=3500元，所有設(shè)計師和管理人員的工資和運(yùn)輸費(fèi)用大約為p5=20000元。 增值稅為17%,成本

39、=材料的費(fèi)用+工時費(fèi)+設(shè)計管理等費(fèi)用+外構(gòu)件的費(fèi)用=3278.5+17072+13450+3500+20000=57300.5元。因?yàn)椴牧虾屯鈽?gòu)件已經(jīng)交了增值稅,所以成本： = (1+17%)-(材料的費(fèi)用和外構(gòu)的費(fèi)用)1.1717%.=57300.5(1+17%)-2342.25+17072) 1.1717%=64085元.ck6140數(shù)控車床每臺的價格大約為9萬元，利潤為90000-64085=25915元企業(yè)要上交的企業(yè)所得稅率為33%，則要上交的企業(yè)所得稅為2591533%=8551.95元 ,凈利潤為25915-8551.95=17363元,預(yù)計企業(yè)的生產(chǎn)能力為每年生產(chǎn)50臺數(shù)控車床

40、，則企業(yè)的年利潤1736350=868150元.利潤可以達(dá)到25%，而且該機(jī)床的生產(chǎn)屬于批量生產(chǎn)，成本會相應(yīng)降低，所以該機(jī)床的生產(chǎn)是有利潤的。數(shù)控車床總體設(shè)計是一項(xiàng)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它涉及到多種學(xué)科技術(shù)知識，要求設(shè)計者充分掌握有關(guān)市場、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、設(shè)計、制造和使用等多方面資料。一個理智的總體設(shè)計方案，需要經(jīng)過性能指標(biāo)分析、功能分析、可行方案選擇、功能及性能指標(biāo)分配、總體優(yōu)化決策等多個設(shè)計環(huán)節(jié)才能獲得，而且設(shè)計過程中始終貫穿著各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題的提出，分析和解決。一個理想的數(shù)控車床總體設(shè)計方案，實(shí)際上就是一個綜合采用各種先進(jìn)技術(shù)所設(shè)計出來的，機(jī)與電緊密結(jié)合的，能夠帶來最大經(jīng)濟(jì)效益的方案。數(shù)控車床

41、總體設(shè)計是應(yīng)用系統(tǒng)總體技術(shù)。從整體目標(biāo)出發(fā)，統(tǒng)一分析產(chǎn)品的性能要求及各機(jī)、電組成單元組合方案，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品整體設(shè)計的過程。因此，這一過程也是始終貫穿著技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與決策過程?？?結(jié)大學(xué)四年馬上就要結(jié)束了，這最后一次的畢業(yè)設(shè)計，我把它看的很重，因?yàn)槲蚁Ｍㄟ^這次設(shè)計能很大程度的提高自己的各方面的能力，得到一次很好的鍛煉，而回想起這學(xué)期的各方面的努立，都覺得都很充實(shí)，四年的收獲在這一刻將得到老師的認(rèn)可，心里當(dāng)然高興，而通過這次設(shè)計后，我們的大學(xué)生活將圓滿的畫上句號。也將走上社會，所學(xué)的知識也將用于實(shí)踐，也就能體現(xiàn)自我的價值。半學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計馬上就要結(jié)束了，在這段時間里，收獲不小，使我對設(shè)計有

42、了更深一步的了解，這對我以后的工作有著重大的影響，在這段時間里使我發(fā)現(xiàn)了不少問題，通過請教老師，也掌握了不少解決問題的方法，對以后的設(shè)計工作做好了鋪墊，這次設(shè)計也算是自己獨(dú)立完成，同時培養(yǎng)了自己發(fā)現(xiàn)問題及解決問題的方法，在設(shè)計中也查閱了不少資料，也鍛煉了查閱資料的能力。至此，畢業(yè)設(shè)計也都圓滿完成了，自我感覺良好，能力得到了很大的提高，使我對四年的大學(xué)所學(xué)的知識及平時所積累的常識是一次很好的集合，由于這次設(shè)計所涉及的面很廣，所以大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)知識都有所涉及，也算是對四年所學(xué)知識的一次綜合應(yīng)用，也算是一種復(fù)習(xí)和鞏固。這次設(shè)計也將使我們對以后的工作充滿了信心和激情。總之，這次設(shè)計使我受益匪淺。參

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44、設(shè)計手冊（2零件設(shè)計，上,下冊）s. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1980,2046239 維邦. 金屬切削機(jī)床設(shè)計（上冊）s. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1984,3410310 承恩. 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床（上冊）m. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1991,378811 蔡春源. 機(jī)械零件設(shè)計手冊（上冊）s. 北京：冶金出版社.1996,4510412 蔡春源. 機(jī)械零件設(shè)計手冊（下冊）s. 北京：冶金出版社.1996,50670213 孫恒. 機(jī)械原理（第五版）m. 北京：高等教育出版社.1996,10233214 譚家玉，鄭大宇. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)m. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.2003,231051

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46、84,105204附錄1主 要 符 號 表 主軸計算轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩 主軸要求恒功率調(diào)速范圍 彎矩 電動機(jī)恒功率調(diào)速范圍 圓周力 切削深度 徑向力 進(jìn)給量 接觸疲勞極限 計算功率 電動機(jī)軸輸入轉(zhuǎn)矩 電動機(jī)額定功率 許用接觸應(yīng)力 傳動比 使用系數(shù) 張緊力 動載系數(shù) 緊邊拉力 齒間載荷分配系數(shù)（接觸強(qiáng)度） 松邊拉力 齒向載荷分布系數(shù)（接觸強(qiáng)度） 軸上載荷 載荷系 彈性系數(shù) 接觸最小安全系數(shù) 接觸壽命系數(shù) 重合度系數(shù) 齒間載荷分布系數(shù)（彎曲強(qiáng)度） 齒間載荷分布系數(shù)（彎曲強(qiáng)度） 齒形系數(shù) 應(yīng)力修正系數(shù) 彎曲疲勞極限 彎曲最小安全系數(shù) 彎曲壽命系數(shù) 尺寸系數(shù) 許用彎曲應(yīng)力 齒數(shù)比 速度附錄2輸入數(shù)據(jù)處理程序.

47、definep_ioa_data 0x7000 .definep_ioa_dir 0x7002 .definep_ioa_attrib0x7003 .definep_iob_data 0x7005 .definep_iob_dir 0x7007 .definep_iob_attrib0x7008.ram .var key_buf,k_in_p,k_in_c,k_in_d.var kd00, kd01, kd02, kd03.var kda0, kda1, kda2, kda3.var kdb0, kdb1, kdb2, kdb3.var kdc0, kdc1, kdc2, kdc3.var kdd0, kdd1, kdd2, kdd3disp_buf:.dw 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00.