CA6140普通車床數(shù)控化改造

1、第一章 前言1.1問題提出數(shù)控車床作為機(jī)電液氣一體化的典型產(chǎn)品，是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中不可缺少的加工設(shè)備，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，能解決機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、零件多變的加工問題，且產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、求得發(fā)展,就必須在最短的時(shí)間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本,制造出合乎市場需要的、性能合適的產(chǎn)品,而產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣,制造周期的快慢,生產(chǎn)成本的高低,又往往受工廠現(xiàn)有加工設(shè)備的直接影響。購買新的數(shù)控機(jī)床是提高數(shù)控化率的主要途徑,但是成本太高，很多工廠在短時(shí)間內(nèi)都無法有那么多的資金，這嚴(yán)重阻礙企業(yè)的設(shè)備更新和設(shè)備改造的步伐；同時(shí)目前大多數(shù)企業(yè)還

2、有數(shù)量眾多，而且還具有較長使用壽命的普通機(jī)床，由于普通機(jī)床加工精度相對(duì)較低、不能批量生產(chǎn)，生產(chǎn)的自動(dòng)化程度不高，生產(chǎn)自適應(yīng)性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性和轉(zhuǎn)型周期，又不能馬上淘汰。而改造現(xiàn)有舊機(jī)床、配備與之相適應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，把普通機(jī)床改裝成數(shù)控機(jī)床，是當(dāng)前許多企業(yè)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備改造換代的首選辦法，也是提高機(jī)床數(shù)控化率的一條有效途徑，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品加工精度及質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率的捷徑，使企業(yè)提升競爭力，在我國成為世界制造業(yè)中心及制造強(qiáng)國的進(jìn)程中，占有一席之地。1.1.1國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況   機(jī)床作為機(jī)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

3、，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)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(jìn)行柔性自動(dòng)化控制的新一代機(jī)床數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家投入巨資，對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動(dòng)檢測、自動(dòng)控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動(dòng)化等特點(diǎn)，對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超薄型、

4、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計(jì)算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動(dòng)修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC只能作為非智能的機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實(shí)際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個(gè)制造過程中CNC只是一個(gè)封閉式的開環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變

5、條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機(jī)因素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機(jī)修正CAD/CAM中的設(shè)定量，因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見，傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程，因此，對(duì)數(shù)控技術(shù)實(shí)行變革勢在必行。1.1.2數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 1 性能發(fā)展方向   (1) 高速高精高效化  速度、精度和效率是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于采用了高速CPU芯

6、片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對(duì)式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時(shí)采取了改善機(jī)床動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機(jī)床的高速高精高效化已大大提高。  (2) 柔性化  包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，功能覆蓋面大，可裁剪性強(qiáng)，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。  (3) 工藝復(fù)合性和多軸化  以減少工序、輔助時(shí)間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的

7、工藝復(fù)合化是指工件在一臺(tái)機(jī)床上一次裝夾后，通過自動(dòng)換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺(tái)等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。數(shù)控技術(shù)軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達(dá)24軸。  (4) 實(shí)時(shí)智能化  早期的實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常針對(duì)相對(duì)簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)人類的各種智能行為?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，實(shí)時(shí)系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具有實(shí)時(shí)響應(yīng)的、更現(xiàn)實(shí)的領(lǐng)域發(fā)展，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復(fù)雜的應(yīng)用發(fā)展，由此產(chǎn)生了實(shí)時(shí)智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)時(shí)智能控制的研究和應(yīng)用正沿著

8、幾個(gè)主要分支發(fā)展：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動(dòng)設(shè)定和刀具自動(dòng)管理及補(bǔ)償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時(shí)的綜合運(yùn)動(dòng)控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能、動(dòng)態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達(dá)到最佳控制的目的。1.1.3智能化新一代PCNC數(shù)控系統(tǒng)    當(dāng)前開發(fā)研究適應(yīng)于復(fù)雜制造過程的、具有閉環(huán)控制體系結(jié)構(gòu)的、智能化新一代PCNC數(shù)控系統(tǒng)已成為可能。    智能化新一代PCNC數(shù)控系統(tǒng)將計(jì)

9、算機(jī)智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理及動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，形成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系。第二章 CA6140普通車床數(shù)控改造總體方案的設(shè)計(jì)要求2.1總體方案總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計(jì)算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。（1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位、縱向和橫向的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)功能，還要求能暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。 （2）車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）根據(jù)普通車

10、床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用8位微機(jī)。在8位微機(jī)中，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)、具有很高的性價(jià)比，因此，可選 MCS51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，此外，系統(tǒng)中還應(yīng)包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。 （5）設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。 （6）縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由

11、步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。 （7）為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。 （8）采用貼塑導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌的摩擦力。 （9） 原機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動(dòng)量 ，以降低成本縮短改造周期。 （10）機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝部分應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應(yīng)方便?？傮w方案設(shè)計(jì)圖如2.1圖所示2.2設(shè)計(jì)要求將CA6140普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。要求該車床具有切削螺紋的功能，縱向和橫向

12、具有直線和圓弧插補(bǔ)功能。系統(tǒng)分辨率縱向：0.01mm，橫向：0.005mm。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：最大加工直徑：在床面上400mm在床鞍上210mm最大加工長度：1000mm快進(jìn)速度縱向2.4m/min橫行1.2m/min最大切削進(jìn)給速度縱向0.5m/min橫行0.25m/min代碼制ISO脈沖分配方式逐點(diǎn)比較法輸入方式增量值、絕對(duì)值通用控制坐標(biāo)數(shù)2最小指令值縱向0.01mm/pulse橫行0.005mm/pulse刀具補(bǔ)償量099.99mm進(jìn)給傳動(dòng)鏈間隙補(bǔ)償量縱向0.15mm橫行0.075mm自動(dòng)升降速性能有2.3主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造CA6140型普通車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)都由主軸電機(jī)控制

13、，而改造后的車床則把主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分離開。分別由各自的步進(jìn)電機(jī)來控制，但是為保證車床在車螺紋時(shí)主傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系，所以在拆掉進(jìn)給系統(tǒng)的同時(shí)，必須在主軸上安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器，來實(shí)現(xiàn)主軸傳動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系。同時(shí)，為了提高機(jī)床的精度和效率，用滾珠絲杠來代替原機(jī)床的光杠，并且采用單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)來控制。這樣不僅提高了機(jī)床的性能和精度，還提高了機(jī)床的使用性能。1. 機(jī)械部分的改造首先拆去進(jìn)給箱、溜板箱；還要對(duì)車床的床鞍進(jìn)行部分的改造，拆去縱向小拖板、 橫向拖板，將絲杠換成滾珠絲杠，并且由一端驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)來控制。2. 刀架的改造CA6140普通車床的刀架不能滿足數(shù)改后的車床的

14、性能和精度的要求。所以，必須要換成數(shù)控自動(dòng)刀架。2.4主軸脈沖發(fā)生器為保持切削螺紋的功能，必須在主軸上安裝脈沖發(fā)生器，采用脈沖發(fā)生器直接與主軸由無間隙傳動(dòng)聯(lián)軸器連接，達(dá)到傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，傳動(dòng)鏈短，傳動(dòng)剛度提高。主軸與脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號(hào)：每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)和一個(gè)同步信號(hào)，經(jīng)隔離電路以及I/O接口送給數(shù)控裝置（CNC），脈沖發(fā)生器及光柵編碼器安裝位置如圖2.2圖2.2光柵編碼器安裝位置主軸脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及原理:脈沖發(fā)生器的組成部分包括白熾燈、聚光鏡、光柵盤、光闌板、光敏管及其光電整形放大電路組成。光柵盤和光闌板都是玻璃材料制成，玻璃表面經(jīng)過研磨拋光后用鍍膜法鍍上一層不透光的鉻層，

15、透光條及用照相腐蝕法制成。在光柵盤上刻有明暗條紋，有單條和1024個(gè)條兩組。當(dāng)平行光束經(jīng)過光柵盤時(shí)，在光柵盤的另一面就產(chǎn)生明暗光帶，這光帶通過一個(gè)光闌狹縫，照在對(duì)應(yīng)的光敏管上，從而產(chǎn)生光電脈沖信號(hào)，經(jīng)斯密特電路整形后輸出。單條紋的一組產(chǎn)生同步脈沖，每轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)脈沖；1024條紋的一組通過光欄上兩個(gè)相位差/4間距的狹縫，產(chǎn)生兩組每轉(zhuǎn)1024個(gè)脈沖組相差為/4的脈沖序列，供給微機(jī)處理，借以判斷主軸正、反轉(zhuǎn)，且可以從1024個(gè)脈沖中均勻地取出F個(gè)脈沖，作為中斷信號(hào)控制插補(bǔ)速度，實(shí)現(xiàn)F進(jìn)給控制的目的。第三章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)需要改動(dòng)的主要部分有

16、掛輪架、進(jìn)給箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案：掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動(dòng)軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。進(jìn)給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副、橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。刀架：拆除原刀架，改裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)四方刀架總成。3.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型進(jìn)給

17、伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型、齒輪傳動(dòng)計(jì)算、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型等。3.2.1確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是指一個(gè)進(jìn)給脈沖使機(jī)床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量,它是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本參數(shù)。因此,脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床精度的要求來確定。對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床來說，常采用的脈沖當(dāng)量為0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技術(shù)參數(shù)中，要求縱向脈沖當(dāng)量為0.01mm/step。橫向脈沖當(dāng)量為=0.005mm/step。3.2.2縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號(hào)選擇與校核步驟（1）滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼

18、球?yàn)闈L動(dòng)體的螺旋傳動(dòng)元件。滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖所示，它可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，或者將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，滾珠絲杠副既是傳動(dòng)元件，也是直線運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的元件。圖3.1滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)原理圖組成：主要由絲桿、螺母、滾珠和滾道（回珠器）、螺母座等組成。 工作原理：在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時(shí)便形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。而滾珠則沿滾道滾動(dòng)，并經(jīng)回珠管作周而復(fù)始的循環(huán)運(yùn)動(dòng)?；刂楣軆啥诉€起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉出。 特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高：機(jī)械效率可高達(dá)92%98%。 摩擦力小：主要是用滾珠的滾動(dòng)代替了普通絲桿螺母副的滑動(dòng)。 軸向間隙可消

19、除：也是由于滾珠的作用，提高了系統(tǒng)的剛性。經(jīng)預(yù)緊后可消除間隙。 使用壽命長、制造成本高：主要采用優(yōu)質(zhì)合金材料，表面經(jīng)熱處理后獲得高的硬度。1）最大工作荷載計(jì)算滾珠絲杠的工作載荷（N）是指滾珠絲杠副的在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力。它包括滾珠絲杠的走到抗力及與移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。由于原普通CA6140車床的縱向?qū)к壥侨切螌?dǎo)軌，則用公式2-1計(jì)算工作載荷的大小。 （3-1） 車削抗力分析車削外圓時(shí)的切削抗力有，主切削力與主切削速度方向一致垂直向下，是計(jì)算機(jī)床主軸電機(jī)切削功率的主要依據(jù)。切深抗力與縱向進(jìn)給垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進(jìn)

20、給抗力與進(jìn)給方向平行且相反指向，設(shè)計(jì)或校核進(jìn)給系統(tǒng)是要用它。圖3.2切削時(shí)總切削力的分解縱切外圓時(shí)，車床的主切削力可以用下式計(jì)算： （3-2） =5360(N)由金屬切削原理知：=1:0.25:0.4 （3-3） 得 =1340(N)=2144(N)因?yàn)檐嚨堆b夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進(jìn)給拖板和導(dǎo)軌上，車削作業(yè)時(shí)作用在進(jìn)給托板的載荷和與車刀所受到的車削抗力有對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，作用在進(jìn)給托板上的載荷可以按下式求出：托板上的進(jìn)給方向載荷 = =1340(N)托板上的垂直方向載荷 = =5360(N)托板上的橫向載荷 = =2144(N) 因此，最大工作載荷 =1.15×

21、1340+0.04×(5360+90×9.8)=1790.68(N) 對(duì)于三角形導(dǎo)軌K=1.15, =0.030.05,選=0.04(因?yàn)槭琴N塑導(dǎo)軌)，G是縱向橫向溜板箱和刀架的重量，選縱向橫向溜板箱的重量為75kg,刀架重量為15kg.最大動(dòng)載荷C的計(jì)算滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動(dòng)載荷Ca選用，可用式3-4計(jì)算： （3-4） L為工作壽命，單位為10r，L=60nt10;n為絲杠轉(zhuǎn)速（rmin）,n=1000vL0;v為 最大切削力條件下的進(jìn)給速度（mmin）,可取最高進(jìn)給速度的1/21/3;L0為絲杠的基本導(dǎo)程，查資料得L0=12mm; 為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，因?yàn)榇藭r(shí)有沖擊振動(dòng)，所以

22、取=1.5.V縱向=1.59mm/r×1400r/min=2226mm/minn縱向=v縱向×1/2/L0=2226×1/2/12=92.75r/min L=60nt/106=60×92.75×15000/106=83.5則 =×1.5×1790.68=11740（N）初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動(dòng)載荷Ca不得小于最大載荷C;因此有CaC=11740N另外例如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)下工作并受載，那么還需考慮其另一種失效形式-滾珠接觸面上的塑性變形。即要考慮滾珠絲杠的額定靜載荷是否充分地超過了滾珠絲杠的工作載

23、荷Fm,一般使=23.初選滾珠絲杠為：外循環(huán)，因?yàn)閮?nèi)循環(huán)較外循環(huán)絲杠貴，并且較難安裝?？紤]到簡易經(jīng)濟(jì)改裝，所以采用外循環(huán)。因此初選滾珠絲杠的型號(hào)為型CD63×8-3.5-E型，主要參數(shù)為=4.763mm, =8mm, =63mm, =2o19 ，圈數(shù)×列數(shù)3.5×1 縱向滾珠絲杠的校核 1）傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為 92% （3-5）2）剛度驗(yàn)算滾珠絲杠副的軸向變形將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠和螺母之間滾道的接觸變形，絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向

24、接觸變形。絲杠的拉壓變形量 （3-6） =±1790.68×2280/20.6×10××(31.5)2 =0.0064mm2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量采用有預(yù)緊的方式，因此用公式=0.0013× （3-7）=0.0028mm在這里 =1/3=1/3×1790.68=597N3.14×63/4.763=41.5341.53×3.5×1=145.36 絲杠的總變形量= + =0.0064+0.0028=0.0092mm<0.015mm查表知E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差為0.015mm，故所選

25、絲杠合格。3）壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為 （3-8）式中：E為絲杠材料彈性模量，對(duì)鋼E=20.6×104Mpa；I為截面慣性矩，對(duì)絲杠圓截面 (為絲杠的底徑)；L為絲杠的最大工作長度（mm）；為絲杠的支撐方式系數(shù)由下表查得。方式兩端端自由一端固定一端自由兩端固定兩端簡支0.252.04.01.0表3.3F的固定值由 且=2.0, E=Mpa, ,L=2800mm為絲杠的長度由于I=519614mm =276276 所以絲杠很穩(wěn)定。3.3橫向滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇與校核步驟經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改

26、造的橫向進(jìn)給的設(shè)計(jì)比較簡單，一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動(dòng)精度。3.3.1橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與縱向類似，所用到的公式不再詳細(xì)說明，只計(jì)算結(jié)果。電機(jī)初步估算轉(zhuǎn)速為1500r/min，進(jìn)給速度=2。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知；則：；根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可查到滾珠絲杠的標(biāo)準(zhǔn)系列，初選。已知條件如下：工作臺(tái)重量：； 脈沖當(dāng)量：；步距角：；進(jìn)給速度：；滾珠絲杠基本導(dǎo)程：；滾珠絲杠行程：；(1) 削力計(jì)算橫向進(jìn)給量為縱向的，取，則切削力約為縱向的：；在切斷工件時(shí)：；3.3.2滾

27、珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算(1) 強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌：；取K=1.4，=0.2；則：；壽命值：；由以上條件，可以確定步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠齒輪傳動(dòng)比： ；由于電機(jī)軸與滾珠絲杠之間是降速傳動(dòng)則：;由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，當(dāng)量轉(zhuǎn)速在之間變化時(shí)：；取為時(shí)，；?。灰虼耍?；根據(jù)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床可知，最大動(dòng)負(fù)載為：。根據(jù)最大負(fù)載Q值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào),外循環(huán)插管埋入式雙螺母預(yù)緊式的滾珠絲杠，型號(hào)為20042.53左，其中額定動(dòng)載荷為14200N，所以強(qiáng)度夠用。(2) 效率計(jì)算經(jīng)計(jì)算螺旋升角，摩擦角；則：。(3) 剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量：；滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，即：。所以，導(dǎo)程變形總

28、誤差為：；查表可知3級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差（1m）為15，故剛度足夠。(4) 穩(wěn)定性由于選用的滾珠絲杠的直徑與絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定，一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ǎ欢藦较蛑С?，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不再驗(yàn)算。3.3.3齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算(1) 有關(guān)齒輪計(jì)算傳動(dòng)比：；故?。?，。(2) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：；絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：；齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：；電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：(3) 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算；所以，快速空載啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩：切削時(shí)需力矩： 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：。從上計(jì)算可，最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速進(jìn)給啟動(dòng)時(shí)：3.4滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)：數(shù)控機(jī)床根據(jù)定

29、位精度的要求通常選用1-5級(jí)精度的滾珠絲杠，1-5級(jí)度絲杠的行程公差數(shù)值如下表所示：項(xiàng)目符號(hào)有效行程lm/mm精度等級(jí)12345 目標(biāo)行程公差ep3156812162331540079131825400500810152027500630911162230行程變動(dòng)量公差Vmp3156812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300mm內(nèi)行程變動(dòng)量V300p681216232rad內(nèi)行程變動(dòng)量V2p45678表3.4行程公差數(shù)3.5滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方法滾珠絲杠副的軸向間隙，是指負(fù)載時(shí)滾珠與滾道型面接觸的彈性變形所引起的

30、螺母位移量和螺母原有間隙的總和。滾珠絲杠副的軸向間隙直接影響其傳動(dòng)剛度和傳動(dòng)精度，尤其是反向傳動(dòng)精度。因此，滾珠絲杠副除了對(duì)本身單一方面的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)精度有要求外，對(duì)其軸向間隙也有嚴(yán)格的要求。滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊，通常采用雙螺母預(yù)緊方式，其結(jié)構(gòu)型式有三種?；驹硎鞘箖蓚€(gè)螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。1墊片調(diào)隙式圖35所示結(jié)構(gòu)。是通過改變墊片的厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。這種結(jié)構(gòu)簡單可靠、剛性好，但調(diào)整費(fèi)時(shí)，且不能在工作中隨意調(diào)整。圖35 雙螺母墊片式結(jié)構(gòu)圖2螺帽調(diào)隙式 圖36所示為利用螺帽來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)螺母以平鍵與外套相聯(lián)，鍵可限制螺母在外套內(nèi)移動(dòng)，其中右

31、邊的一個(gè)螺母外伸部分有螺紋。用兩個(gè)鎖緊螺帽1、2能使螺母相對(duì)絲杠作軸向移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)既緊湊，工作又可靠，調(diào)整也方便，故應(yīng)用較廣。但調(diào)整位移量不易精確控制。這種結(jié)構(gòu)既緊湊，工作又可靠，調(diào)整也方便，幫應(yīng)用較廣。但調(diào)整位移量不易精確控制，因此，預(yù)緊力也不能準(zhǔn)確控制。圖36 雙螺母帽式結(jié)構(gòu)圖 1、2鎖緊螺帽 3.6進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)齒輪間隙的消除3.6.1采用減速箱的目的及注意事項(xiàng)為了保證步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)性能，要特別考慮負(fù)載慣性矩。當(dāng)所帶負(fù)載的慣性矩增大時(shí)，由于步進(jìn)電機(jī)是按電磁鐵吸力原理來動(dòng)作，所以當(dāng)慣性矩增大到某一值時(shí)，就會(huì)使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生擅動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生啟動(dòng)不良效果，所以，使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)盡量選小的負(fù)載。在本次設(shè)

32、計(jì)過程中我們采用減速齒輪來聯(lián)結(jié)滾珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)，以達(dá)到改變慣性矩的目的。同時(shí)，應(yīng)該盡可能地消除配對(duì)齒輪之間的間隙，否則就會(huì)產(chǎn)生使運(yùn)動(dòng)滯后的指示信號(hào)的誤差，對(duì)加工件的精度就會(huì)產(chǎn)生很大的影響。3.6.2減少或消除空程的必要性和方法1. 減少或消除空程的必要性數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)精度，除了機(jī)床的幾何精度、絲桿精度影響外，又受其本身因素的影響，產(chǎn)生滯后現(xiàn)象而引起的間隙誤差。在這次設(shè)計(jì)改造過程中只能采用開環(huán)系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)不能對(duì)車床的誤差進(jìn)行修改，所以只能通過機(jī)械的方式對(duì)其各部分傳動(dòng)誤差進(jìn)行修改。2. 消除方法本次設(shè)計(jì)采用雙片齒輪來達(dá)到消隙的目的，通常將一對(duì)齒輪的從動(dòng)齒制成兩片，其中一片固定在軸上，兩片之間裝

33、有彈簧，彈簧力使兩片齒輪的齒廓分別與主動(dòng)齒輪的齒廓貼緊，從而完全消除了齒側(cè)間隙。第四章 CA6140數(shù)控改造步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)是受脈沖信號(hào)控制的，脈沖信號(hào)的產(chǎn)生和分配由軟件編程來完成，而信號(hào)的放大由放大電路來完成。由于強(qiáng)弱信號(hào)的原因，我們?cè)诜糯箅娐非凹由瞎怆婑詈想娐罚苑乐闺娫创贰?.1 步進(jìn)電機(jī)的工作方式步進(jìn)電機(jī)的工作方式和一般電機(jī)的不同，是采用脈沖控制方式工作的。只有按一定的規(guī)律對(duì)各相繞組輪流通電，步進(jìn)電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床中采用的功率步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相、和六相等。工作方式有單m拍，雙m拍、三m拍及2×m拍，m是電機(jī)的相數(shù)。所謂單m拍是指每拍只有一相通電，循環(huán)拍

34、數(shù)為m；雙m拍是指每拍同時(shí)有兩相通電，循環(huán)拍數(shù)為m；三m拍是每拍有三相通電，循環(huán)拍數(shù)為m拍；2×m拍是各拍既有單相通電，也有兩相或三相通電。一般電機(jī)的相數(shù)越多，工作方式越多。由步距角計(jì)算可知，循環(huán)拍數(shù)越多，步距角越小，因此定位精度越高。另外，通電循環(huán)拍數(shù)和每拍通電相數(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性、穩(wěn)定性等都有很大的影響。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)也對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能有很大影響。為提高步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、工作頻率和穩(wěn)定性，可選用多相步進(jìn)電機(jī)，并采用2×m拍工作方式。42步進(jìn)電機(jī)的選擇4.21步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則合理選用步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，經(jīng)過分析后才

35、能正確選擇。現(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則介紹如下：步距角 步距角應(yīng)滿足：；式中：傳動(dòng)比；系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件的最小轉(zhuǎn)角。 精度步進(jìn)電機(jī)的精確可用步距誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實(shí)用。所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足：式中：步進(jìn)電機(jī)的積累誤差；系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差。 轉(zhuǎn)距為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行（不失步、不越步），正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮： 啟動(dòng)力矩一般啟動(dòng)力矩選取為：式中：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩；電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載力矩。在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

36、動(dòng)慣量（包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。啟動(dòng)頻率由于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足：式中：極限啟動(dòng)頻率；要求步進(jìn)電機(jī)最高啟動(dòng)頻率；4.22 CA6140縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定為了滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知：；所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距為：步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率：綜合考慮，查表選用130BF003型直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，能滿足要求。4.23 CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定為了滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知：；所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距為：步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率：綜合考慮，查表

37、選用110BF003型直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，能滿足要求。第五章 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的選型臥式車床數(shù)控化改造應(yīng)將原車床的普通手動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架替換成自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架由數(shù)控系統(tǒng)控制，效率高，工藝性能可靠。根據(jù)所加工零件的工藝要求及車床控制方式確定自動(dòng)刀架的刀位數(shù)和刀架類型。5.1數(shù)控車床刀架的基本要求數(shù)控車床的刀架是車床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了車床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平，所以有如下要求：(1)轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確可靠，工作平穩(wěn)安全；(2)按最短線路就近選擇，轉(zhuǎn)位時(shí)間短；(3)重復(fù)定位精度高；(4)防水、防屑，密封性能優(yōu)良；(5)夾緊剛性高，適宜重負(fù)荷切削。5.2自動(dòng)

38、回轉(zhuǎn)刀架的工作原理當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀信號(hào)后，刀架控制器中繼電器動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)螺桿升降機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)使上刀架上升,當(dāng)上刀架上升到一定高度時(shí)，離合轉(zhuǎn)盤起作用，帶動(dòng)上刀體旋轉(zhuǎn)。刀架上端的發(fā)信盤中對(duì)應(yīng)每個(gè)刀位都安裝一個(gè)霍爾傳感器元件，當(dāng)(1-電動(dòng)機(jī)；2-固定安裝絲杠；3-安全離合器；4-刀架)上刀體旋轉(zhuǎn)到某一刀位時(shí)，該刀架上霍爾元件輸出高電平。在上刀體旋轉(zhuǎn)過程中，發(fā)信盤不斷的向數(shù)控系統(tǒng)反饋刀位信號(hào)。數(shù)控系統(tǒng)將反饋刀位信號(hào)與指令刀位信號(hào)相比較，當(dāng)兩信號(hào)相同時(shí)，說明上刀體已旋轉(zhuǎn)到所選刀位。此時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)立即控制刀架控制繼電器使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，活動(dòng)銷反靠在反靠盤上初定位。在活動(dòng)銷反靠作

39、用下，螺桿帶動(dòng)上刀體下降，直至齒牙盤嚙合，完成精定位，并通過渦輪蝸桿鎖緊螺母，使刀架緊固。向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)位完成信號(hào)，切斷電源，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，完成選刀過程。第六章 CA6140車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng)6.1數(shù)控車床及數(shù)控系統(tǒng)概述第五技術(shù)委員會(huì)，對(duì)數(shù)控機(jī)床的定義：數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能夠處理用號(hào)碼或其它符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。定義中所指的程序控制系統(tǒng)，就是數(shù)控系統(tǒng)或數(shù)控裝置。它是一種控制系統(tǒng)，能自動(dòng)閱讀讀入載體事先給定的數(shù)字值，并將其譯碼，從而控制機(jī)床動(dòng)作，進(jìn)行零件加工。數(shù)控機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)見圖6-1，由機(jī)床主機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置、輔助裝置、CNC裝置和編程裝置等組成。圖6-1數(shù)控機(jī)

40、床的主要結(jié)構(gòu)6.1.1機(jī)床主機(jī)機(jī)床主機(jī)是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械主體，由能實(shí)現(xiàn)各可控運(yùn)動(dòng)主軸和主運(yùn)動(dòng)的帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)（變速箱）系統(tǒng)、工作部件和支承件等組成。在結(jié)構(gòu)上數(shù)控機(jī)床主機(jī)與相應(yīng)的非數(shù)控機(jī)床雖有類似的部分，但也有自己的特點(diǎn)：采用高性能的主軸及進(jìn)給伺服傳動(dòng)系統(tǒng)；能長時(shí)間連續(xù)自動(dòng)化加工，又能保持加工質(zhì)量穩(wěn)定性；通常采用預(yù)加載荷的滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副以及貼塑導(dǎo)軌等。6.1.2驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)一般都由直流或交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。主軸調(diào)速功能由主軸伺服電動(dòng)機(jī)的伺服單元接受數(shù)控裝置給出的電位信號(hào)或數(shù)碼轉(zhuǎn)換信號(hào)控制，使電動(dòng)機(jī)達(dá)到指定的轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)上帶速度反饋元件，它把電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋給控制單元。

41、1)開環(huán)伺服系統(tǒng)。如圖5-2中虛線方框內(nèi)結(jié)構(gòu)，開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有檢查機(jī)械運(yùn)動(dòng)的檢測元件，即沒有來自位置傳感器的反饋信號(hào)。典型的開環(huán)伺服系統(tǒng)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或電液脈沖馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度和精度較低，運(yùn)動(dòng)中容易產(chǎn)生振蕩、丟步等現(xiàn)象，因此僅用于經(jīng)濟(jì)型或簡易型數(shù)控機(jī)床，其精度和速度的提高受到限制。2)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。這一類系統(tǒng)的位置檢測元件從機(jī)械傳動(dòng)鏈的中間取得信號(hào)，檢測元件大多是裝在伺服電動(dòng)機(jī)后端或滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)端，能獲得比閉環(huán)伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性好的控制特性，而且也較經(jīng)濟(jì)，是全功能數(shù)控機(jī)床廣泛采用的一種控制形式。3)閉環(huán)伺服系統(tǒng)。如圖5-2所示，這類系統(tǒng)接受數(shù)控裝置輸出的指令信號(hào)，同時(shí)又接受由位置傳感器檢測的實(shí)際

42、位置反饋信號(hào)，兩者進(jìn)行比較處理并由其差值不斷進(jìn)行誤差修正；因此可以消除由于傳動(dòng)系統(tǒng)中存在的誤差（如滾珠絲杠的導(dǎo)程誤差)和熱變形等的影響，得到較高的定位精度和加工精度。主要用于一些精度要求較高的數(shù)控機(jī)床，特別是精密、高精密數(shù)控機(jī)床，如精密臥式加工中心。6.1.3輔助裝置數(shù)控機(jī)床和非數(shù)控機(jī)床類似，包括液壓和氣動(dòng)裝置，冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、自動(dòng)排屑裝置、防護(hù)裝置等。數(shù)控機(jī)床對(duì)這些裝置的工作質(zhì)量、可靠性和技術(shù)性能都要求較高。6.1.4數(shù)控裝置系統(tǒng)數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的控制核心，包括運(yùn)算和存儲(chǔ)等計(jì)算機(jī)硬件、CRT顯示器，操作面板和鍵盤、各種不同形式紛輸入輸出裝置，以及相應(yīng)配套的運(yùn)算控制軟件等。多數(shù)數(shù)控機(jī)床一

43、般都采用計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(CNC裝置)，即按微機(jī)結(jié)構(gòu)原理的硬件平臺(tái)(有的采用少量專用芯片)配置專用軟件，構(gòu)成軟件數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控裝置通常具備的功能有：各可控軸控制及多軸聯(lián)動(dòng)控制、各種插補(bǔ)運(yùn)算、代碼轉(zhuǎn)換、人機(jī)對(duì)話、局部加工功能選擇、各種補(bǔ)償功能、CRT顯示、故障自診斷功能、與管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信功能。數(shù)控系統(tǒng)功能檔次可分為經(jīng)濟(jì)型(簡易型)、全功能普及型和全功能高級(jí)型。全功能高級(jí)型還可有MAP通信協(xié)議接口，具有計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)和集成信息通信功能。6.1.5編程裝置數(shù)控機(jī)床程序編制(簡稱編程)方法有手工和自動(dòng)編程。對(duì)于點(diǎn)位加工或形狀不太復(fù)雜的零件，編程計(jì)算較簡單，程序段不多，用手工即可實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于復(fù)雜零件，特別是

44、空間曲面零件，編程計(jì)算相當(dāng)繁瑣，編程工作量大，必須采用自動(dòng)編程方法。自動(dòng)可分為離線編程和在線編程。與數(shù)控系統(tǒng)相脫離單獨(dú)的自動(dòng)編程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)離線編程，可為多臺(tái)數(shù)控機(jī)床，編程時(shí)不占用機(jī)床工作時(shí)間。自動(dòng)編程系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)連在一起時(shí)，可進(jìn)行在線編程。例如有的CNC裝置具有人機(jī)對(duì)話型編程功能，就是將離線編程機(jī)的許多功能移植到了數(shù)控系統(tǒng)。按輸入方式的不同，自動(dòng)有語言輸入、圖形輸入和語音輸入三種方式。6.2微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)6.2.1控制系統(tǒng)的功能要求（1）z向和x向進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)控制（2）自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架控制（3）螺紋加工控制（4）行程控制（5）鍵盤及顯示（6）面板管理（7）其他功能：光電隔離、功率放大、報(bào)

45、警、急停、復(fù)位。6.2.2硬件電路的組成后面所畫大圖采用MCS-51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：（1）CPU采用8031芯片；（2）擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器2764兩片，6264一片；（3）擴(kuò)展可編程接口芯片8155兩片；（4）地址鎖存器，譯碼器個(gè)一個(gè)；（5）鍵盤電路，顯示電路；（6）光電隔離電路，功率放大功率；（7）越程報(bào)警電路，急停電路，復(fù)位電路；（8）面板管理電路。由于MCS51系列單片機(jī)在我國機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍，其配套芯片價(jià)廉，普及性、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。C6140數(shù)控改造以8031CPU組成的單板機(jī)為數(shù)控控制系統(tǒng)。

46、也可直接購買國內(nèi)較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品做為數(shù)控裝置。6.3 單板機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6.3.1 硬件配置存貯器選用1片4K×8的2732EPROM和1片8K×8位的6234RAM。監(jiān)控程序固化在2732EPROM內(nèi)，各功能模塊程序及常用零件的的加工存放在2732EPROM內(nèi)。1片6234RAM做為調(diào)試程序存放和運(yùn)行程序的中間數(shù)據(jù)存放用。I/O接口芯片選用8155可編程I/O擴(kuò)展接口，它的A口做為X、Y進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)脈沖的輸出口，其中PA0PA2為X向的輸出口，PA3PA5為Y向輸出口。B口為為位控方式，其中PB4PB7為-Y、+Y、-X、+X的行程越位信號(hào)輸入。顯示由8位LED構(gòu)

47、成，具有24鍵的鍵盤。6.3.2 存貯器空間分配單板機(jī)可尋址范圍是64K字節(jié)，板上提供的插座占16K，已插入的芯片占10K，其余以備擴(kuò)展使用。其存貯空間分配如下。0000H07FFH 2KB EPROM 放監(jiān)控程序0800H0FFFH 2KB EPROM 放零件加工程序1000H17FFH 2KB RAM 調(diào)試程序2000H27FFH 2KB RAM 測試程序等6.3.3 I/O口地址分配單板機(jī)設(shè)置I/O口地址為809FH共32個(gè)口地址，分配如下。80H83H MCS51 803184H87H 字形鎖存88H8BH 字位鎖存8CH8FH 讀鍵值90H9FH 用戶使用6.3.4.光電隔離電路在步

48、進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器后控制步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流較大，如果將輸出信號(hào)與功率放大器直接相聯(lián)，將會(huì)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)和接口電路損壞。所以一般在接口電路功率放大器之間都要接上隔離電路。6.4 8031單片機(jī)簡介8031單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1） 具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元（CPU）；（2） 片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路，每執(zhí)行一條指令時(shí)間為2微秒或1微秒；（3） 片內(nèi)具有128字節(jié)RAM；（4） 具有21個(gè)特殊寄存器；（5） 可擴(kuò)展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K字節(jié)的外部程序存儲(chǔ)器。（6） 具有4個(gè)I/O口，32

49、根I/O線；（7） 具有2個(gè)16位定時(shí)/器計(jì)數(shù)器；（8） 具有5個(gè)中斷源，配備2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；（9） 具有一個(gè)全雙功串行接口；（10） 具有位尋址能力，適合邏輯功能。從上述特性可知，一塊8031的功能幾乎相當(dāng)于一塊Z80CPU、一塊RAM。一塊Z80CTC、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微機(jī)系統(tǒng)。可以看出這種芯片集成度高、功能強(qiáng)，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)系統(tǒng)。8031芯片引腳見下圖：圖6.28031芯片引腳數(shù)據(jù)6.5存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)6.5.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展(1)MCS-51系列單片機(jī)的特點(diǎn)之一是硬件電路設(shè)計(jì)簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對(duì)于簡單的應(yīng)用場合，MCS-5

50、1系列的最小系統(tǒng)用一片8031外擴(kuò)一片EPROM就能滿足功能的要求，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用場合，可利用MCS-51的擴(kuò)展功能，構(gòu)成功能強(qiáng)、規(guī)模較大的系統(tǒng)。MCS-51的程序存儲(chǔ)器的尋址空間為64K字節(jié)，8031片內(nèi)不帶ROM，用作程序存儲(chǔ)器的器件是EPROM。常用的半導(dǎo)體ROM芯片有：2716、2732、2764、27218、27256、27512等。2764、27218、27256、27512芯片均為8腳雙列直插式扁平封裝芯片，本設(shè)計(jì)中采用兩片2764，其引腳如下圖：(2)ROM芯片及引腳的選擇選擇2764（8K×8）半導(dǎo)體芯片。晶體頻率選用6MHz，其所能提供的讀取時(shí)間t小于480ms，

51、故其芯片在時(shí)序上滿足要求。2764芯片的引腳排列與兼容特性如下圖：圖6.3芯片引腳數(shù)據(jù)(3)地址鎖存器的設(shè)計(jì)與選擇由于單片機(jī)8031芯片的口是分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。選擇74LS373芯片。74LS373芯片是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器。其引腳及與8031芯片連接見下圖：圖6.4芯片引腳連接圖其真值表見下表：EGDQLHHHLHLLLLX注釋： L低電平；H高電平；X不定態(tài)；建立穩(wěn)態(tài)前Q的電平；G輸入端，與8031ALE 連高電平：暢通無阻；低電平：關(guān)門所存使能端，接地 當(dāng)G=“1”時(shí)，74LS373輸出端1Q8Q與輸入端1D8D相同 當(dāng)G為下降沿

52、 時(shí)，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。（4）8031與EPROM2764芯片連接。6.5.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展由于8031芯片內(nèi)部RAM芯片只有128字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要，需擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。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(shí)間為150-200ns。它們均采用28腳雙列直插式片平封裝。6.5.3并行I/O接口電路的擴(kuò)展8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有口和部分口，因此，在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都需要擴(kuò)展I/O口芯片。Intel公司常用的外圍接口芯片有：8155：可編程的RAM/IO擴(kuò)展接

53、口電路（256個(gè)RAM單元、2個(gè)8位口、1個(gè)6位口、一個(gè)14位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器）。8255：可編程的通用并行接口電路（3個(gè)8位口）。8253：3個(gè)16位的可編程的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。8279：可編程的鍵盤、顯示電路。8243：4個(gè)4位口I/O擴(kuò)展接口電路。此外，74LS系列的LSTTS電路或MOS電路也可作MCS-51單片機(jī)的擴(kuò)展I/O口，如74LS373、74LS377等。本設(shè)計(jì)中使用兩片8155可編程接口芯片。下面簡單介紹8155通用可編程接口芯片。8155通用可編程接口芯片：1）8155的結(jié)構(gòu)及其引腳8155有3個(gè)可編程并行I/O端口：A口、B口、C口，其中，A口和B口是八位，C口是6位;1個(gè)14位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器和256B的靜態(tài)RAM，能方便的進(jìn)行I/O擴(kuò)展和RAM擴(kuò)展，其引腳下圖：圖6.5 8155芯片引腳圖8155共有40個(gè)引腳，按其功能特點(diǎn)分類說明如下：（1）地址數(shù)據(jù)線：是低八位地址和數(shù)據(jù)共用輸入口，當(dāng)時(shí)，輸入的是地址信息，否則是數(shù)據(jù)信息。所以應(yīng)與MCS-51的P0口相連。（2）端口線：、用于8155與外設(shè)之間傳送數(shù)據(jù)，既可用于8155與外設(shè)之間傳送