經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要鑒于我國目前資金短缺，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小的特點(diǎn)，用較小的資金迅速改變機(jī)械工業(yè)落后的生產(chǎn)面貌，使之盡可能地提高自動化程度，保證生產(chǎn)質(zhì)量，減輕勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益，而實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)有效的，基本的途徑就是普及及應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加快。隨之而來對機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率的要求也不斷提高。在這種形勢下傳統(tǒng)的舊式機(jī)床越來越不能適應(yīng)新的要求。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，把計(jì)算機(jī)技術(shù)引入機(jī)床中的數(shù)控機(jī)床技術(shù)得到了飛速發(fā)展。當(dāng)前，我國各大企業(yè)為了擴(kuò)大生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而對數(shù)控機(jī)床的需要日益增加。然而對中小企業(yè)來

2、說大批量地購進(jìn)先進(jìn)，功能復(fù)雜，價(jià)格昂貴的數(shù)控機(jī)床是不太現(xiàn)實(shí)的同時(shí)也是不必要的，但是，為了達(dá)到新的加工標(biāo)準(zhǔn)又必須采用數(shù)控機(jī)床，在這種形勢下，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床以其較高的性價(jià)比越來越受到企業(yè)的青睞和機(jī)床生產(chǎn)廠家的重視。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床CJK6140采用由8051芯片為主構(gòu)成開環(huán)控制系統(tǒng)；其進(jìn)給系統(tǒng)是步進(jìn)電機(jī)通過消隙齒輪箱，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)工作臺沿機(jī)床導(dǎo)軌的水平移動。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床CJK6140具有加工精度高，穩(wěn)定性好，生產(chǎn)效率高，工作可靠，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞: 數(shù)控機(jī)床，8051，單片機(jī)，工作臺Numerical control lathe length feed system design

3、 ABSTACT With the development of social production science and technology. It is essential for a machine not only to have high precision and high production and high production capability, but also to adjust to the rapid change of production. In this condition, numerical control machine was invented

4、 and put into practice. Furthermore, the more numerical control machines become advanced. In order to expand production and improve the quality of products, the big groups in our country demand more NC machine day after day. However it is not realistic and necessary for medium and small industry to

5、buy advanced and expensive NC machines. The economic NC machines win more and more industry favors. The economic NC machine-CJK6140 adopts open loop control system. Through rotation of the lead screw, this is driven by a gear box, the working table moves in parallel along the NC machines lead rail.K

6、EY WORD: Numerical control engine bed，8031，monolithic integrated circuits，work table目 錄摘 要IABSTACTII第1章 緒 論11.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展11.2數(shù)控車床的工作原理21.3.設(shè)計(jì)方案的確立2第2章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算32.1絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算3切削力的計(jì)算32.2 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算32.3齒輪箱減速器設(shè)計(jì)部分5傳動比i52.3.2 齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算62.3.3 齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)82.3.4 設(shè)計(jì)計(jì)算92.4 其他機(jī)械設(shè)計(jì)部分9減速箱最小輸出軸的計(jì)算9軸承的選擇102.5步進(jìn)電機(jī)的選擇10

7、計(jì)算減速器的傳動比I10確定步進(jìn)電機(jī)動力參數(shù)10第3章 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)133.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路133.1.1 基本硬件組成133.1.2 硬件配套及基本結(jié)構(gòu)133.1.3 接口線路14光電隔離電路143.1.5 功率放大電路153.1.6 輔助電路15第4章 軟件設(shè)計(jì)164.1 C6140數(shù)控車床主要的技術(shù)參數(shù)及功能164.2 軟件結(jié)構(gòu)17第5章 使用說明書215.1 機(jī)床的使用和說明215.2 機(jī)床的保養(yǎng)和維護(hù)215.3 機(jī)床重要零部件的維護(hù)和保養(yǎng)21第6章 總結(jié)22致 謝23參考文獻(xiàn)24第1章 緒 論1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展數(shù)控機(jī)床經(jīng)濟(jì)型改造,實(shí)質(zhì)是機(jī)械工程技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合。經(jīng)改

8、造后的機(jī)床加工的精度、效率、速度都有了很明顯的提高，適合我國現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展要求。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是對機(jī)床機(jī)械部分進(jìn)行改造,以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動橫向進(jìn)給運(yùn)動、縱向進(jìn)給運(yùn)動以及刀架的快速換刀,使傳動系統(tǒng)變得十分簡單，傳動鏈大大縮短,傳動件數(shù)減少,從而提高機(jī)床的精度. 設(shè)計(jì)中，我們對有關(guān)數(shù)控機(jī)床及數(shù)控改造的相關(guān)書籍、刊物進(jìn)行大量閱讀,收集了很多資料,了解了數(shù)控機(jī)床的基本概念，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況，數(shù)控機(jī)床的組成及其工作原理，擴(kuò)大了我們的知識面。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代機(jī)械制造要求產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對零件的加工質(zhì)量的要求也越來越高。隨著社會對產(chǎn)品多樣化要求的增強(qiáng)，產(chǎn)品品種增多,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。

9、數(shù)控機(jī)床代替普通機(jī)床被廣泛應(yīng)用是一個(gè)必然的趨勢。同時(shí)，數(shù)控機(jī)床將向著更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能發(fā)展。數(shù)控機(jī)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(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。      數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機(jī)床電機(jī)的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，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(jì)算機(jī)，經(jīng)過譯碼，運(yùn)算，發(fā)出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工

10、件。數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，其主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：  1. 適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；  在數(shù)控機(jī)床上改變加工工件時(shí)，只需重新編制新工件的加工程序，就能實(shí)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(qiáng)度，改善勞動條件；5.良好的經(jīng)濟(jì)效益；6.有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。數(shù)控機(jī)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(jī)機(jī)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(jìn)步，特別是在機(jī)床的高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化方面進(jìn)步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)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(gè)

11、機(jī)床大國，有三百多萬臺普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，急待改造。  舊機(jī)床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。隨著數(shù)控機(jī)床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機(jī)床的微機(jī)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(jī)床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國經(jīng)濟(jì)資源有限，國家大，機(jī)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(jī)床，而我國的舊機(jī)床很多，用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改

12、造普通機(jī)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(jī)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(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機(jī)床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)?？梢灶A(yù)料，今后，機(jī)床的經(jīng)濟(jì)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(jì)實(shí)例具有典型性和實(shí)用性?？傮w方案的設(shè)計(jì)。1.2數(shù)控車床的工作原理利用微機(jī)對縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，縱向（Z向）脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架?？傮w方案的論證  對于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計(jì)

13、要求的前提下，對機(jī)床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。  （1）數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定  數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。由于要求CA6140車床加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動連續(xù)控制系統(tǒng)。  （2）伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)  數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。  因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。所以，本設(shè)計(jì)決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。  （3）數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)  任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分

14、組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。在設(shè)計(jì)的數(shù)控裝置中，CPU的選擇是關(guān)鍵，選擇CPU應(yīng)考慮以下要素：1.時(shí)鐘頻率和字長與被控對象的運(yùn)動速度和精度密切相關(guān)；2.可擴(kuò)展存儲器的容量與數(shù)控功能的強(qiáng)弱相關(guān)；3.I/O口擴(kuò)展的能力。1.3.設(shè)計(jì)方案的確立在這次的設(shè)計(jì)中：采用8051單片機(jī)作為車床的控制系統(tǒng)，縱向進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)通過消隙齒輪箱帶動滾珠絲杠傳動，從而實(shí)現(xiàn)工作臺沿機(jī)床導(dǎo)軌的水平移動。第2章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算2.1絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算 切削力的計(jì)算由金屬切削原理可知：切削功率 Nc=N··K （1-1）N-電

15、動機(jī)的確功率-主動傳動系統(tǒng)總效率,一般為0.60.7取0.65K-進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù),取0.96則:Nc=4.68KW,因NC=(Fz·V)/6120,可推知 Fz=(Nc/V) ·6120 （1-2）取切削速度V=100m/min.則：Fz=2864.16N由金屬切削原理可知：主切削力Fz=Cfz·apXfz·fYfz可查得：Cfz=1910mpaXfz=1, Yfz=0.75, Kfz=1則可計(jì)算得Ap(mm)33F(mm)0.30.4Fz(N)23232882由表可知：當(dāng)F=2864.16N，時(shí)，切削深度ap=3，走刀量f=0.4mm,從金屬切削原理

16、中可得知，在一般外圓車削時(shí)，F(xiàn)x=(0.10.6)Fz,Fy=(0.150.7)Fz, 取 Fx=0.5Fz=1432.08N,Fy=0.6Fz=1718.58N (Fz為主切削力，F(xiàn)x為走刀抗力，F(xiàn)y為吃刀抗力) 2.2 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 1. 求軸向力：由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可知 P=K·Fx·+fw·(Fz+W) （1-3）式中K=1.15,fw=0.150.18取0.6,W為工作臺的重量,由圖初估取800N.則P=1.15×132.9+0.16×(2864.16+800)=2233.16N2.計(jì)算絲杠動載荷Cj1) 強(qiáng)度計(jì)算壽命值 Li=60

17、×Ni×Ti/106 （1-4） Ni=1000vf/(·D·L0) （1-5）取工件直徑D=100 , 絲杠導(dǎo)程L0=6,Ni-絲杠轉(zhuǎn)速為15.92r/min.由<<機(jī)床數(shù)控技術(shù)>>知,使用壽命系數(shù)T一般取15000h,因此Li=60×Ni×Ti/106=14.33求Cj由<<數(shù)控技術(shù)>>6-16式可知:Cj=·Kf·kh·PKf-載荷系數(shù),一般取(1.21.5)取,1.2Kh-硬度系數(shù),取1.0則Cj=7154.3N,根據(jù)Cj,選取滾珠絲杠,考慮其功能選

18、漢江機(jī)床廠2506-3型表1-1 特性參數(shù)公稱直徑外徑導(dǎo)程導(dǎo)程角精度系數(shù)動載量25mm24.5mm6mm4°223級11670N因?yàn)? 6512.1N11670N所以: 絲桿強(qiáng)度足夠.2）絲杠效率計(jì)算:由<<機(jī)械原理>>公式知:s=tm/tm(+4)s-螺旋升角, =4°22-摩擦角, =10所以s=0.965.3）.校核.剛度校核滾珠絲桿受工作載荷P的作用而引起導(dǎo)程L0的變化是L1。其值按<<機(jī)床數(shù)控技術(shù)>>式6-19計(jì)算L1=±E-彈性模量取21×10N/cm A-滾珠絲桿截面積 A=(d0/2)=4.

19、71則L1=±=±12.610cm滾珠絲桿受扭矩引起導(dǎo)程變化L2很小,可以忽略.即L0=L1.導(dǎo)程變形的總誤差為=L=21×10m/m查<<機(jī)械設(shè)計(jì)手冊>>知表12-1-19知:3級精度 ,1m長的絲杠的螺距為2110m,故剛度足夠.穩(wěn)定校核由<<材料力學(xué)>>中歐拉公式知 FK=2EI/(l2) （1-6）FK-長壓桿臨界失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載.E-彈性模量,取21×10N/cm.I-截面慣性矩,單位cm4.對實(shí)心圓柱體I=1.77cm2.l-工作長度取1m-絲杠軸端系數(shù)=12/3,取1.則經(jīng)計(jì)算: FK=366

20、48N.Nk= FK /p=36648/2071.2=17.69.一般Nk=2.54.對于水平絲杠考慮重量影響. Nk取4. Nk Nk因此,絲杠穩(wěn)定.2.3齒輪箱減速器設(shè)計(jì)部分傳動比ii=-步距角,取0.75.p-脈沖當(dāng)量.取0.01/脈沖.i=1.25閉式齒輪傳動一般轉(zhuǎn)速較高,為了提高傳動的平穩(wěn)性,減小沖擊振動,以齒數(shù)多一些為好,小齒輪的齒數(shù)可取Z=2040,我選擇Z=32I=,Z=iZ=321.25=40即Z=32 Z=40材料為45#鋼 調(diào)質(zhì)，六級精度 齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算由設(shè)計(jì)計(jì)算公式(10-9a)進(jìn)行試算,即:d2.32 1) 確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值(1)選擇載荷系數(shù)K=1.3(2)

21、計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩TT=95.5*10,PN=4.32KW,n=1041.7R/min則T3.9610N·(3).由表10-7選取齒輪寬度系數(shù)=0.5(1+),取的規(guī)定值0.60, =0.5(1+1.25)0.60=0.675(4).由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù):Z=189.8MP(鍛鋼)(5).由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=600 MP大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550 MP(6).由式1013計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N60njL=601041.71(2830010)=3.010n -小齒輪的轉(zhuǎn)速j齒輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)同一齒面嚙合的次數(shù)，取1 L齒輪的工作壽命（單

22、位為h）,取15000設(shè)計(jì)的齒輪的工作壽命為10年，一年工作300天，一天工作8小時(shí)，2班制N60njL601041.70.8（2830010）2.410j0.8(7)由圖1019查得接觸疲勞壽命系數(shù)K0.88，K0.9(8)計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度的許用應(yīng)力取失效率為1，安全系數(shù)S1，由式（1012）得：528Mpa=495Mpa2)計(jì)算：,(1)計(jì)算小齒輪分度圓直徑d,代入中較小的值d2.32 63(2)計(jì)算圓周速度3.43/(3)計(jì)算齒寬bb=d·d=0.67563=42.525(4)計(jì)算齒寬與齒高之比b/h模數(shù)m=2齒高h(yuǎn)=2.25 m=2.252=4.5b/h=9.45(5)計(jì)算載

23、荷系數(shù)根據(jù)V=3.43/，6級精度，由圖10-8查得動載荷系數(shù)K=1.06，由表10-3查得K=K=1.0，由表10-2查得使用系數(shù)K=1；由表10-4查得6級精度，小齒輪相對支承非對稱分布時(shí)K=1.12+0.18（1+0.6）+0.2310b=0.675,b=42.525K1.234. b/h=9.45, 查得10-13:K=1.1 7所以載荷系數(shù)K=KKKK=1.308按照實(shí)際的載荷系數(shù)校正所計(jì)算的分度圓直徑，由式10-10ad=d=63.13(6)計(jì)算模數(shù)MM=1.97 齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由式10-5得彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)的公式為M，（1）由圖1020查得小齒輪的彎曲疲勞極限：500Mpa， 38

24、0Mpa（2）由圖1018查得彎曲疲勞壽命系數(shù)K，KK0.85， K0.88（3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力：取彎曲疲勞安全系數(shù)S1.4303.57Mpa238.83Mpa（4）計(jì)算載荷系數(shù)K：KKKKK1*1.06*1*1.171.2402（5）查取齒形系數(shù)：由表105可查得， Y2.52， Y2.40（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)：由表105可查得：Y1.625，Y1.67（7）計(jì)算大、小齒輪的，并且加以比較：小齒輪： 0.01349大齒輪：0.01678大齒輪的數(shù)值大，取大值 設(shè)計(jì)計(jì)算M1.33對比計(jì)算結(jié)果，由齒面的接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要是彎曲疲勞

25、強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪的直徑有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)M1.97，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值M2.0，按照接觸強(qiáng)度算得分度圓直徑d=63.13,Z=31.56532Z=i* Z=32*1.25=40這樣設(shè)計(jì)的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)齒輪參數(shù)取值如下：參數(shù)zmbad外圓直徑大齒輪40220208084小齒輪32220206468 表1-2 齒輪參數(shù)2.4 其他機(jī)械設(shè)計(jì)部分 減速箱最小輸出軸的計(jì)算取每級齒輪傳動效率（包括軸承效率在內(nèi)）=0.97,則P=P=4.32*0.97=4.19KWn=833

26、.4 R/min由式15-2得dA,即：d= A.機(jī)械手冊查表15-3得45鋼，調(diào)質(zhì)淬火后A取112。經(jīng)過計(jì)算得：d=112=19mm,輸出選取d19mm,即可軸承的選擇已知絲杠的動載荷C=7154N=7.154KN所以選擇軸承如下：名稱型號國標(biāo)號C角接觸軸承36204型GB292-8311.2KN7.46KN圓錐滾子軸承7204E型GB297-8426.8KN18.2KN所以以上的兩種類型，動、靜載荷均大于7.154KN,故所選軸承符合要求。2.5步進(jìn)電機(jī)的選擇參考文獻(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 計(jì)算減速器的傳動比II=-步進(jìn)電機(jī)步距角 =0.75º P-絲杠導(dǎo)程 P=6mm -工作臺脈沖當(dāng)量

27、=0.01mm計(jì)算得I=1.25 確定步進(jìn)電機(jī)動力參數(shù)1.電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算：作用在步進(jìn)電機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩T按照下式公式計(jì)算T=（J+J）+,J-電機(jī)軸自身轉(zhuǎn)動慣量（Kg）-電機(jī)啟動或制動時(shí)的角速度rad/sF-作用在工作臺上的摩擦力，NF-作用在工作臺上的其它外力，N-伺服傳動鏈的總效率F-滾動絲杠螺母副的預(yù)緊力，N-滾動絲杠螺母副未預(yù)緊時(shí)的傳動效率，一般取0.9初選J=1.010 Kg，=0.2（導(dǎo)軌摩擦因數(shù)），最大軸向力F=2071.2N并要求空載啟動時(shí)間t=30ms,最大進(jìn)給速度V=5m/min步進(jìn)電機(jī)軸上的總慣量J：J=J+J=1.010+1.175910=2.175910 Kg

28、空載啟動時(shí)，電機(jī)軸上的慣量轉(zhuǎn)矩為：（1） T=T=J=J=3.95 (N·m)設(shè)F=F/3=207.2/3=690.4N則電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為T：（2） T=0.125（ N·m）（3） 工作臺上的最大軸向載荷折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T ：T=1.98（ N·m），（4） 于是空載時(shí)電動機(jī)上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩TT =T+T+T=3.95+0.125+0.08=4.155(N·m),（其中T=0.08 (N·m)）.2.電機(jī)最大的靜轉(zhuǎn)矩確定初選步進(jìn)電機(jī)采用三相六拍通電控制方式：表5-1，T-T之間的比例關(guān)系如下：表1-3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩確定表電機(jī)相數(shù)334

29、45566運(yùn)行節(jié)拍3648510612T/T0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866根據(jù)前面所得的T 、T，按照表5-1空載啟動時(shí)需要電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩T為：T=T/0.866=4.155/0.866=4.80 N最大外載下工作時(shí)所需要的最大靜轉(zhuǎn)矩T：T=T/（0.30.5）=（0.125+0.08+1.98）/（0.30.5）=7.284.37（N ）Tmax(T,T) T=7.3( N)3.步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率f：f=8333.3HZ綜合考慮查機(jī)械手冊選用110BF003型步進(jìn)電機(jī)，能滿足其需要。表1-4 電機(jī)參數(shù)表型號相數(shù)額定電壓額定電流步矩角最大靜扭矩

30、運(yùn)行頻率空載啟動頻率回轉(zhuǎn)直徑長度軸徑110BF003380V6A0.75800 N7000Step/S1500Step/S110mm160mm11mm第3章 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路 基本硬件組成任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能好壞，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作組成。1）中央處理單元CPU。2）總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。3）存儲器。包括只讀可編程存儲器和隨機(jī)讀寫存儲器。4）I/O口，即輸入/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協(xié)調(diào)工作。存儲器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程

31、序和運(yùn)行中所需的各個(gè)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與存儲器、接口及其他電路聯(lián)系的紐帶，是CPU與部分電路進(jìn)行信息交換和通信的必由之路。CPU存儲器ROM、RAMI/O接口信號變頻外設(shè)控制對象圖2-1 數(shù)據(jù)系統(tǒng)硬件框圖由于MCS-51系列單片機(jī)在我國機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用普遍，其配套芯片廉價(jià)、普及通用性強(qiáng)，制造和維修方便，完全能夠滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床改造的需要。本次C6140的改造以MCS-51系列單片機(jī)中的8051芯片作為中心控制系統(tǒng)。 硬件配套及基本結(jié)構(gòu)本數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)是采用8051為CPU的8位微型專用計(jì)算機(jī)。它包括一個(gè)微處理器，一個(gè)123字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，

32、4個(gè)8位的I/O接口（其中P1，P2，P3是準(zhǔn)雙向口，P0是三態(tài)雙向口），此外還有為用戶留一個(gè)擴(kuò)展區(qū)。8051通過I/O口擴(kuò)展一片8255接口芯片實(shí)現(xiàn)空運(yùn)轉(zhuǎn)、自動、手動轉(zhuǎn)換、回零、換刀超程的按鍵功能，還通過P0口和P2口及一塊74LS373地址所存器擴(kuò)展了兩片16K的ROM（27128）、兩片16K的RAM（62128）來作為開發(fā)程序的存儲器。8051通過P0口擴(kuò)展了一片8279接口芯片來實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入和電路顯示的功能。通過P1口經(jīng)光耦和隔離電路TLP521-4來消除電路干擾，并實(shí)現(xiàn)X、Z向正反轉(zhuǎn)及連續(xù)啟動的功能。通過功率放大電路實(shí)現(xiàn)S、T、M等備用功能。兩步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一塊74LS373直接與PO

33、口相連。具體結(jié)構(gòu)參考電路控制原理圖。 接口線路光電隔離接口電路X向步進(jìn)電機(jī)8051單片機(jī)驅(qū)動放大Y向步進(jìn)電機(jī) 主動機(jī)限位開關(guān)冷卻系統(tǒng)刀架驅(qū)動放大主軸脈沖發(fā)生器圖2-2 微機(jī)與機(jī)床的連接光電隔離電路在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中，脈沖信號經(jīng)功率放大器后控制步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大，如果將輸出信號與功率放大器直接相連，將會引起強(qiáng)電干擾。輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常工作，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)和接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要接上隔離電路。 功率放大電路功率放大電路分為單電源和雙電源型。單電源線路簡單，但效率不高，所以選用雙電源型。雙電源型采用高低壓供電電路，如圖。

34、 輔助電路 為了防止機(jī)床行程越界，所以在機(jī)床上裝有行程控制開關(guān)，為防止意外。裝有急停按鍵。由于這些開關(guān)都安裝在機(jī)床上，距離控制箱較近，容易產(chǎn)生電氣干擾，為避免干擾，在電路與接口之間實(shí)行光電隔離，設(shè)報(bào)警電路，當(dāng)綠色二極管亮為正常工作狀態(tài)，紅色二極管亮?xí)r表示溜板已到極限位置。第4章 軟件設(shè)計(jì)改造后的C6140數(shù)控機(jī)床，主要控制功能由軟件實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)。主要包括主模塊、子程序模塊和定時(shí)中斷模塊。主模塊主要完成初始化和監(jiān)控。初始化包括PIO、CTC的初始化。監(jiān)控主要包括鍵盤管理和顯示管理，均可調(diào)用原監(jiān)控程序中的子程序。功能子程序包括+X、-X、+Y、-Y及STOP功能子程序，并可調(diào)用監(jiān)控

35、程序中的子程序。中斷模塊包括急停中斷模塊、報(bào)警中斷模塊等。4.1 C6140數(shù)控車床主要的技術(shù)參數(shù)及功能、數(shù)控裝置：計(jì)算機(jī)型號 8051插補(bǔ)方式 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)坐標(biāo)數(shù) 二坐標(biāo) 數(shù)據(jù)形式 增量、絕對值及混合使用輸入方式 手動鍵盤輸入或磁帶機(jī)一次輸入Z向脈沖當(dāng)量 0.01/脈沖X向脈沖當(dāng)量（直徑上） 0.01/脈沖單行程段最大圓弧半徑 5m 傳動系統(tǒng)間隙補(bǔ)償量 0255脈沖程序段顯示數(shù) 9999數(shù)控裝置機(jī)能設(shè)置：1） 準(zhǔn)備功能G：G00 快速進(jìn)給G01 直線插補(bǔ)G02 圓弧插補(bǔ)（順時(shí)針）G03 圓弧插補(bǔ)（逆時(shí)針）G04 延時(shí)G32 切削圓柱螺紋G33 切削錐螺紋G50 坐標(biāo)設(shè)定G90 直線切削循環(huán)

36、G90 錐度切削循環(huán)G92 圓柱切削螺紋循環(huán)G93 錐螺紋切削循環(huán)G94 1/4凸圓循環(huán)G95 1/4凹圓循環(huán)2） 輔助功能M00 程序暫停M02 程序終止M03 主軸正轉(zhuǎn)M04 主軸反轉(zhuǎn)M05 主軸停止M08 冷卻液開M09 冷卻液關(guān) 3） 刀具的選擇功能TT后跟兩位數(shù)，第一位為14表示刀號。第二位為16表示刀具補(bǔ)償開關(guān)順序號。D進(jìn)給速度選擇機(jī)能F：F后面跟四位數(shù)，表示脈沖/轉(zhuǎn) 4） 坐標(biāo)指令X 橫向絕對坐標(biāo)值±Z縱向絕對坐標(biāo)值±V 橫向增量值±W 縱向增量值±I 圓弧起點(diǎn)相對于圓心在X向坐標(biāo)值±K 圓弧起點(diǎn)相對于圓心在Y向坐標(biāo)值±

37、 5） 循環(huán)次數(shù)指令JJ后跟的數(shù)碼為自動循環(huán)次數(shù)可在19中選擇4.2 軟件結(jié)構(gòu)車床的軟件結(jié)構(gòu)如附圖所示，加工零件的程序通過手動鍵盤輸入或磁帶輸入，以固定的格式存入規(guī)定地址的存儲區(qū)，啟動控制后，首選取第一段加工程序的指令并通過譯碼將各類指令分別存入相應(yīng)的單元。如，M，T等指令直接譯碼輸出使機(jī)床執(zhí)行各類輔助動作：G指令或坐標(biāo)指令則分別存入相應(yīng)的單元以備插補(bǔ)運(yùn)算，用以控制X向和Z向的拖板運(yùn)動。插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)束依次取下一段加工程序，這樣，直到加工零件程序取完。鍵盤管理模塊的程序設(shè)計(jì)：鍵盤是數(shù)控機(jī)床最常用的輸入設(shè)備，它由排列矩陣的一系列按鍵開關(guān)組成。鍵盤有兩種基本的類型：全編碼鍵盤和非編碼鍵盤。全編碼鍵盤每

38、按下一個(gè)鍵，其鍵盤功能由硬件邏輯自動提供被按鍵的代碼，并能產(chǎn)生一選通脈沖同志CPU。但這種鍵盤的價(jià)格昂貴，一般系統(tǒng)很少應(yīng)用。非編碼鍵盤僅僅提供鍵盤的行和列矩陣，其他全部工作由軟件來完成，所以非編碼鍵盤是最便宜的微機(jī)輸入設(shè)備，本次車床改造就選用此種設(shè)備。要實(shí)現(xiàn)鍵盤的識別，產(chǎn)生與被按鍵對應(yīng)的編碼，消除鍵接觸時(shí)的抖動干擾等功能，鍵盤程序必須依次執(zhí)行以下步驟：1）掃描鍵盤，判斷有無鍵合上。2）獲取合上鍵的行、列信號。3）由行、列特征識別合上鍵的含義。4）根據(jù)鍵的特征進(jìn)行分類。5）分類處理。 考慮到大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)都采用BCD碼輸入數(shù)據(jù)。因此，只需要用09作為鍵即可。而AF可設(shè)置為專門的命令鍵。程序框圖見

39、圖紙，具體程序如下：KEYBD：ORG 0100HMOV A, #00H; OOH為空格符（不顯示）MOV R1 , #OFEH;段選碼輸出口地址送R1MOV R1, A;關(guān)閉顯示器 MOV R1, #OFDH;行信號輸出口的地址送R1MOV R1, A;使行信號全為0 MOV R1, #OFBH;列信號輸入口地址送R1 MOV A, R1;取列信號到累加器 XRL A, #OFFH;判斷是否有鍵合上 JZ KEYBD;無鍵合上再檢查 MOV RS, #OEH;有鍵合上調(diào)延時(shí)程序 D15ms: ACALL DIMS; DJNZ R5, D15MS; MOV R2, #OFEH; 為掃描第一行作

40、準(zhǔn)備 MOV R0, #OFDH; 列信號輸出口地址送R0 MOV R1, #OFBH;列信號輸入口地址送R1KEYB1: MOV A, R2; 逐行掃描 MOV RO, A; MOV A, R1;讀入列信號 MOV R3, A;列信號暫存在R3 CJNE A, OFEH; 有鍵合上，轉(zhuǎn)鍵譯碼KEYB2: MOV A, R2; MOV A;為掃描下一行做準(zhǔn)備 MOV R2, A; XLR A, #OEFH; 檢查是否各行都掃描了一次 JZN KEYB1;未掃描完一次繼續(xù) AJMP KEYBD;進(jìn)行新一輪掃描KEYB2: MOV A, R2; CPL A;獲得行信號特征字 MOV 06H, A;

41、特征字暫存06H單元 MOV A, R3; CPL A;獲得列信號特征字 MOV 07H, A;特征字暫存07H單元 MOV R4, #00H;查找次數(shù)初值 MOV DPTR, #KEYB2;置查表起始地址KEYB3: CLR A; MOVC A, A+DPTR;查鍵的特征字 CJNE A, 06H,NEQ;沒有查到，轉(zhuǎn)NEQ AJMP EQQ;再查ENQ: INC R4; INC DPTR; AJMP KEYB3;EQQ: MOV R5, OEH;延時(shí)，等待鍵釋放DLY: ACALL DIMS; DJNZ R5, DIY; MOV A, #00H;判斷鍵是否釋放 MOVX R0, A; MO

42、VX A, R1; ANL A, #OFFH; CJNE A, #OFFH,EQQ;未釋放繼續(xù)等待 MOV A, R4;鍵值在R4中 CJNE A, #09H,NOT9;判斷鍵值是否9 AJMP NNN;等于9轉(zhuǎn)數(shù)字鍵處理NOT9: JC NNN;小于9轉(zhuǎn)數(shù)字鍵處理KEYB4: MOV DPTR, #JMPTBL;轉(zhuǎn)到各命令鍵分支 CLR C; SUBB A, #OAH; RL AL; JMP A+DPTR;轉(zhuǎn)到各命令鍵分支JMPTBL: AJMP AAA;AAA,BBB,CCC, AJMP BBB; 為各相應(yīng)的命令分支 AJMP CCC; 入口 NNN: AJMP 000;處理數(shù)字鍵000,

43、111 AJMP 111; 222為各相應(yīng)的數(shù) AJMP 222;字鍵分支入口 AJMP 333; KEYTBL: DB 21H; 對應(yīng)鍵為0 DB 22H;對應(yīng)鍵為1 DB 23H;對應(yīng)鍵為2 DB 60H;對應(yīng)鍵為Y DB 61H;對應(yīng)鍵為ZDIMS: MOV R7, #64H;DLAY: NOP; NOP; NOP; DJNZ R7, DLAY; RET 第5章 使用說明書5.1 機(jī)床的使用和說明本機(jī)床是8051微機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的簡單試數(shù)數(shù)控臥式車床。1） 機(jī)床能自動完成內(nèi)外圓柱面，任意錐面，圓弧面，端面等各種車削加工。2） 機(jī)床配有自動回轉(zhuǎn)刀架。可同時(shí)安裝四把刀具，能滿足不同的加工要求。3） 機(jī)床配有自動快速對刀裝置，能在很短時(shí)間內(nèi)確定刀尖位置，減少輔助時(shí)間4） 機(jī)床裝有可開閉的半封閉防護(hù)門，確保操作者的安全5.2 機(jī)床的保養(yǎng)和維護(hù) 機(jī)床的維護(hù)主要包括以下幾個(gè)方面：1） 擦除油泥2） 導(dǎo)通油路，保證移動部件潤滑良好3） 導(dǎo)軌的修磨鑲