數(shù)控機床改造(機械類畢業(yè)設(shè)計)_圖文

1、CA6140臥式車床經(jīng)濟型數(shù)控化改造摘 要由于目前國內(nèi)的數(shù)控機床數(shù)量需求量大, 達到 300萬臺之巨, 要進行全部翻新在時 間,物質(zhì)上尚不具有足夠的條件,為了達到的條件,為達到較高精度,實現(xiàn)較好的經(jīng)濟 性,對普通車床實行數(shù)控開環(huán)改造。本次設(shè)計著重對 CA6140普通車床的縱橫向進給系統(tǒng)改造, 并對縱橫向進給伺服系 統(tǒng)齒輪箱進行改造。本次設(shè)計作了下面的一些工作:1機械部分采用了一級齒輪傳動,以 BF 型步進電動機作為驅(qū)動源,以 CBM/CDM滾珠絲杠作為重要元件,以便更好的實行軟件控制;2數(shù)控部分采用 MCS-51中的 8031作為主控芯片建立一套單片機應(yīng)用系統(tǒng)。 擴展 I/O接口用 8155芯

2、片及外存儲器,采用地址鎖存和譯碼器。3 SolidWorks造型,包括軟件的應(yīng)用和對車床的實體建摸。關(guān)鍵詞 :數(shù)控機床改造、單片機 , 滾珠絲杠 BF 型步進電機 SolidWorksABSTRACBecause of the great number of machine tools in our country ,the number is3,000,000.It is impossible to renew them all without enough time and materialTo reform part of old ones with Numerrical Control

3、(nc Open-Loop control System to get high precision and high economy is a good way.The design emphases on the reform of lengthwise and axial feed systems, the fear box of the axial system, too.some work has been in the paper:(1 Based on the one-level driving , the style BFstepper Motor which acts the

4、 Soure of power, the CDM/CBM screw ball which is the important transmission element, the part of machinery realizes the software control.(2 The numerical control partially uses in MCS-51 8031 to do primarily controls the chip to establish a set of monolithic integrated circuits application system。 E

5、xpands the I/Oconnection with 8155 chips and the external memory, uses the address lock to save with the decoder (3 SolidWorks Modelling Constructs including the software application and to the lathe entitytracesKeywords : Numerical control machine tool ,Single-chip Microcomputer , Ball screw, the s

6、tyle BF stepper Motor, SolidWorks。目 錄1.緒 論 . . 12. 總體方案確定 . . 3 2.1車床改造方案的選擇 . . 32.2車床改造方案的確定 . . 43 .機械計算部分 . . 5 3.1選擇脈沖當量 . . 5 3.2計算切削力 . . 5 3.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型 . . 6 3.3.1縱向進給絲杠 . 6 3.3.2橫向進給絲杠 . 9 3.4齒輪傳動比的計算 . . 10 3.4.1縱向齒輪傳動比計算 . 10 3.4.2橫向齒輪傳動比計算 . 11 3.5步進電機的計算和選型 . .11 3.5.1縱向步進電機的計算 . 11

7、 3.5.2橫向進給步進電機的計算和選型 . 144. 微機控制部分 . . 17 4.1總體設(shè)計 . . 17 4.2主控制器 . . 17 4.2.1主控器的選擇 . 17 4.2.28031對片外存儲器的選擇 . 184.2.3 8031并行 I/O口擴展 . 185. 電路原理圖設(shè)計 . . 19 5.1關(guān)于各線路元件之間線路連接 . . 19 5.2. 關(guān)于電路原理圖的一些說明 . . 20 專題部分 . . 24 6. SolidWorks 造型 . 24 6.1 SolidWorks軟件介紹 . 24 6.2 繪制草圖 . . 25 6.3 裝配體設(shè)計 . . 27 結(jié) 論 .

8、. 31致 謝 . . 31參考文獻 . . 32附 錄 . . 331. 緒 論數(shù)控機床改造在國外以發(fā)展成一個新興的工業(yè)部門。早在 60年代已經(jīng)開始迅速發(fā) 展,并有專門企業(yè)經(jīng)營這門業(yè)務(wù),其發(fā)展的原因是多方面的。首先是技術(shù)的原因,過去 20年里,金屬切削的基本原理變化不大,但社會的生產(chǎn) 力的巨大發(fā)展, 要求制造技術(shù)向自動化和精密化前進。 而刀具材料和電子技術(shù)卻有很的 大的進步,特別是微電子技術(shù),電子計算機的技術(shù)進步,反應(yīng)出控制系統(tǒng),它能幫助機 床自動化又能提高加工精度,技術(shù)進步和高生產(chǎn)率的要求,精密加工的增多等,突出了 舊機床技術(shù)改造技術(shù)的必要性和急迫性。其次是經(jīng)濟上的原因。 許多發(fā)達國家多做

9、過系統(tǒng)的分析, 如果舊機床設(shè)備以新設(shè)備 更新,要付出很大的代價的,若利用“改造技術(shù)” ,則節(jié)省大半資金,這種事半功倍的 技術(shù), 不僅不浪費資金而切還為小企業(yè)技術(shù)改造開創(chuàng)了新路, 而且對實力雄厚的大企業(yè) 也有很大的經(jīng)濟吸引力。再次是市場因素, 目前許多國家設(shè)備所需的數(shù)控機床數(shù)量, 按機床工業(yè)現(xiàn)狀是無力 及時提供的。機床“改造”就成為機床市場需要的補足手段。最后是生產(chǎn)力的因素, 在工業(yè)生產(chǎn)中, 品種多小批量生產(chǎn)是現(xiàn)代化機械制造業(yè)的基 本特征,只有相當大比重完成生產(chǎn)任務(wù),不外乎選擇通用機床、專業(yè)機床和數(shù)控機床, 柔性制造系統(tǒng), 就工業(yè)復(fù)雜程度和一批工件所需要生產(chǎn)總成本比較中看出, 數(shù)控機床最 能適應(yīng)

10、這一需要。我國是擁有 300萬機床國家。 而這些機床又大量是多年累積生產(chǎn)的通用機床, 自動 化程度不高, 要想在近幾年內(nèi)大量用自動、 半自動和精密機床更新現(xiàn)有設(shè)備, 不論資金 還是我國機床的能力是辦不到的。 因此應(yīng)盡快將我國現(xiàn)有一部分普通機床實現(xiàn)自動化和 精密化改裝, 是我國現(xiàn)有設(shè)備改造自動化要求解決的課題。 用這控制技術(shù)正是適應(yīng)這一 要求。 它是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。 在機床改造中引入了微 機的應(yīng)用, 不但技術(shù)具有先進性, 同時在應(yīng)用此自動化改造方案, 有較大的應(yīng)用性和可 調(diào)性,而且投資改造的費用低,一套經(jīng)濟型數(shù)控裝置的價格僅是全功能型數(shù)控裝置的 1/3到 1/5擁護

11、承擔的起。從若干單位應(yīng)用的實例可論證,投入使用后,成倍的提高了 生產(chǎn)效率, 取得了顯著的經(jīng)濟效益。 因此, 我國提出從大力推廣經(jīng)濟型數(shù)控這一中間技術(shù)的基礎(chǔ)上,再推出全功能型數(shù)控這條道路,適合我國經(jīng)濟、教育、生產(chǎn)水平,對于以 后全動能型數(shù)控機床應(yīng)用的準備階段, 為實現(xiàn)我國傳統(tǒng)的機械制造的方向過度的重要內(nèi) 容。CA6140機床是一種普通精度的及萬能臥式機床,屬于使用范圍廣的通用機床。這 種機床的性能及質(zhì)量較好。 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 自動化程序較低, 是一種屬于中型的普通機床, 再各廠礦企業(yè),應(yīng)用的程序很廣。為此, 本次設(shè)計的任務(wù)是對 CA6140普通機床進行數(shù)控改造, 利用微機對縱橫向進 給系統(tǒng)實行開環(huán)

12、控制。驅(qū)動元件是利用步進電動機,傳動系統(tǒng)利用滾珠絲杠。2. 總體方案確定2.1車床改造方案的選擇2.1.1設(shè)計系統(tǒng)的選擇在簡易數(shù)控系統(tǒng)中, 大多數(shù)是利用八位微處里機和單片機, 近年來國有一些主要的 半導(dǎo)體制造廠家相繼生產(chǎn)了各種八位單片微型機, 主要有 MCS 48系列, CS-51系列, Mostek 的 3870, Motorolo 公司的 6801和 6805。目前在國內(nèi)用的較廣,開發(fā)工具較齊 的是 MCS-51系列,這里選用 MCS-51系列中的 8031。2.1.2系統(tǒng)運用方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng), 點位直線控制系統(tǒng), 輪廓控制系統(tǒng), 連 續(xù)控制系統(tǒng)。車床是控制刀

13、具以給定速率沿指定路線運動來加工工件輪廓復(fù)雜的零件, 其個坐標軸的運動之間有著精確的出數(shù)關(guān)系, 根據(jù)車床加工這一特點, 采用連續(xù)控制系 統(tǒng)比較合適,連續(xù)控制系統(tǒng)具有點位控制系統(tǒng)的功能,故定位方式采用增量坐標控制。 2.1.3伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)位量伺服控制有開環(huán)、 閉環(huán)和半閉環(huán)三種控制方式。 開環(huán)控制的伺 服系統(tǒng)存在著精度不能達到太高的基本問題, 但是步進電機具有位移和輸出脈沖的嚴格 對應(yīng)關(guān)系, 使誤差不能積累, 轉(zhuǎn)速和輸出脈沖頻率有嚴格的對映關(guān)系, 而且在負載能力 范圍內(nèi)不受電流、電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動變化的特點,數(shù)據(jù)裝置發(fā)出信號的 流向是單向的, 對移動部件如工作臺的實際位

14、置工件檢測。 并且伴隨電子技術(shù)和計算機 控制技術(shù)的發(fā)展,目前大多采用直流電動機或交流電動機作為執(zhí)行元件。雖然閉環(huán)、 半閉環(huán)對控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高精確的位置伺副。 由于反饋環(huán)節(jié)必須的技術(shù) 條件要控制閉環(huán)系統(tǒng)的良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能,其難度也大為提高。本設(shè)計是基于 CA6140普通型的車床的經(jīng)濟化、 數(shù)控化改造故采用步進電動機實現(xiàn) 開環(huán)伺服系統(tǒng)。2.1.4執(zhí)行機構(gòu)傳動式的確定(1 導(dǎo)軌 由于普通型車床的改造精度要求的不高的開環(huán)系統(tǒng), 而滑動導(dǎo)軌定位精度和 靈敏不需研磨措施可達到 10um 左右。能夠滿足改裝后的要求,所以仍采用原機床的導(dǎo) 軌。(2螺旋傳動 原機床的絲杠屬于滑動螺旋傳動,主要缺點就是機

15、械效率低,一般僅 為 3060%,與改造后的精度相差很多。數(shù)控機床除了具有較高的定位精度外,還應(yīng)良 好的動態(tài)間應(yīng)特征, 滾珠絲杠副的特點, 傳動效率高, 一般達到 90%以上, 通過預(yù)緊力 可消除絲杠間隙,運動平穩(wěn),傳動精度高,有可靠性,磨損小,使用壽命長,但制造復(fù) 雜,成本高。要使系統(tǒng)指令好,有能滿足精度要求,本次改造采用滾動螺旋機構(gòu)。 (3齒輪傳動 考慮步進電動機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標準選擇,為達到 0.001秒 的分辨率的要求,縱、橫向均采用錯齒調(diào)隙的齒輪做減速運動。2.2車床改造方案的確定(1保留原車床的主傳動鏈。為了保證機床加工螺紋的功能,在主軸外端安裝一個 YGM 脈沖發(fā)生器,使

16、其與主 軸轉(zhuǎn)速相一致是 1:1的關(guān)系,用它來發(fā)出脈沖發(fā)生器,使微機處理機根據(jù)主軸的脈沖信 號,使刀架通過絲杠的轉(zhuǎn)角產(chǎn)生進給運動。(2縱向進給機構(gòu)的改造 , 拆除原機床的進給箱和溜板箱利用原機床的安裝孔銷釘孔安 裝齒輪箱體 , 滾珠絲杠仍安裝在原絲杠位置 , 兩端仍利用原固定方式 , 這樣可減少改裝工 作量。(3橫向進給機構(gòu)的安裝:保留原手動機構(gòu)。用于微機進給和機床對零件操作,原有 的支撐結(jié)構(gòu)也保留,電動機、齒輪箱安裝在機床后側(cè)。(4縱、橫向進給機構(gòu)采用齒輪減速,并且用雙齒輪錯齒法消除間隙,雙片齒輪間采 用消除彈簧, 布量成互為 120的位置。 當螺釘松開時, 由于各個彈簧所受力不同而自動 調(diào)節(jié)

17、間隙,再用螺釘緊固?？v向齒輪箱和溜板箱均加外罩 , 以保持機床原外觀, 起到美化機床的效果 , 溜板箱上 安裝了縱向快速進給按鈕 , 以適應(yīng)機床調(diào)整時的操作需要和遇到意外時緊急處理。3. 機械計算部分本次設(shè)計將一臺 CA6140普通機床改造成微機數(shù)控機床, 采用 MCS-51型系列單片 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 , 具有降速控制功能 , 其他設(shè) 計參數(shù)如下 :最大回直徑 : 400 mm電機功率 : 7.5KW快速進給 : 縱向 2.4m/min橫向 1.2m/min切削速度 : 縱向 0.5m/min橫向 0.25m/min定位精度 : 0.015mm移動部件重量

18、 : 縱向 :800N橫向 600N加速時間 : 30ms機床效率 : 0 .83.1選擇脈沖當量根據(jù)機床精度要求脈沖當量 , 縱向 0.01mm/脈沖,橫向為 0.005mm/脈沖3.2計算切削力3.2.1縱切外圓1主切削力(Fz 計算由金屬切削原理可知切削率:P :電機功率 7.5Kwn:主傳動系統(tǒng)總效率取:=0.78Pc-切削功率 Pc=0.787.5=5.85Kw又 Pc=FzV Fz=vPc式中 : V 切削速度 V=100m/minFzPc/V=60Pc 1000/v=3510N3.2.2 橫切端面主切削力 F z , 可取縱切的 1/2F z =1/2Fz1/23510=1755

19、N又 F x :z F :Fy =1:0.4:0.25xF =0.4z F =0.41755=702NF y =0.25z F =0.251755=438.75NFx=0.25Fz=0.251755=877.5NFy=0.4Fz=0.43510=1404N3.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型3.3.1縱向進給絲杠1.計算進給牽引力 Fm縱向進給的綜合型導(dǎo)軌采用三角型或綜合導(dǎo)軌 :Fm=kFx+f (Fz+G (3.1 式中 :Fx,Fy,Fz, 切削分力 (N:G-移動部件的重量 (Nf 導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) , 隨導(dǎo)軌形式而不同K 考慮顛復(fù)力距影響的實驗系數(shù) . f=0.16則 Fm=1.15877

20、.5+0.16(3510+800=1698.75N2.計算最大動負載 CC=L fwFm (3.2 選用滾珠絲杠副的直徑 d. 時必須保證在一定軸向負載作用下 . 絲杠在回轉(zhuǎn) 100萬轉(zhuǎn)后 , 在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象 . 這個軸向負載的最大值稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載 C 可用 C=3L fw.Fm (3.3 L=61060nT(3.4 n=01000L VS (3.5 式中滾珠絲杠導(dǎo)程 L=6mm.可取最高進給速度的 (1/21/3此處VS=0.50.5=0.25m/minT: 使用壽命按 15000h 計算L: 壽命以 106轉(zhuǎn)為 1單位Fw: 運轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運轉(zhuǎn)取fw:121

21、.5 取 fw=1.3 N=625. 01000=42r/min L=61060nT =610150004260=38小時 C=3L .fw.Fm C=381.31698.75=7508.473.滾珠絲杠螺母的選型查 -山東濟寧選取滾珠絲杠公稱直徑為 40選用的型號為 CDM4006-2.5其額定動載荷 15470N, 所用強度足夠用4.效率計算= (+r rtan tan(3.6 式中摩擦角 r=2644, =10式中 :r絲杠螺旋升角r 摩擦角滾珠副的滾動摩擦系數(shù) ,f=0.0030.004 R摩擦角約為 10分第 8頁 式中 :r螺旋角 CDM4006 r =2446r:摩擦角取 10分

22、 n= 01442tan(442tan +=94.24%5.剛度驗算先畫出縱向進給滾珠絲杠支承方式如圖 圖 3 1縱向進給計算簡圖最大牽引力為 1698.75N, 支承間距 L=1700mm絲杠螺母及軸承均采用預(yù)緊 , 預(yù)緊力為最大牽引力為 1698.75N. L=EF L Fm 0.(3.7 式中 : Fm工作負載 (NL.:滾珠絲杠 L=6mmE:材料彈性模數(shù)對鋼 E=20.6106(N/mm2F:滾珠絲杠面積 mm 2F=1/4D 2=1/4402=1256m第 9頁 L=0. 1256106. 20673. 169860.394104mm 2再算滾珠絲杠總長度上拉伸或壓縮的變形量 mm

23、=0.39410-4L/6=0.011對滾珠絲杠經(jīng)過預(yù)拉拉伸 , 拉壓剛度可提高 4倍其實際變量 =1/40.011=2.75103-mm3=0.00756mm定位精度 0.015mm3.3.2橫向進給絲杠1.計算進給牽引力 Fm橫向?qū)к墳檠辔残螌?dǎo)軌其計算公式如下 :Fm=KFx+f (Fz+2Fy+G式中 K:考慮顛復(fù)力矩的影響實驗系數(shù) K=1.4f :導(dǎo)軌上摩擦系數(shù)為 f =0.2,G 移動部件重量 G=600NFm=1.4702+0.2(1755+2438.75+600=1629.3N2.計算最大動負載 (N n=01000L VS .=45. 025. 01000=31.25 L=61

24、01500025. 3160=28.125 C=3125. 281.21629.3=5865.48N3.選擇滾珠絲杠螺母副查 叢書 山東濟寧選用滾珠絲杠為 CDM2504-2.5 其額定的動載荷為 6638d=25mm 1d =24.5mm 循 環(huán) 列 數(shù) 為 12.52 Coa=16826螺 旋 導(dǎo) 程 角 r=D p arctan =arctan2514. 34 r=255 選擇精度等級為 3級4.傳動效率的計算第 10頁= +r rtan(tan =tg255/tg(255+01=0.9455.剛度計算橫向進給絲杠方式 , 如圖所示最大牽引力為 2612.1N 支承間距 L=450mm

25、因絲杠長度較短不需要預(yù)緊 圖 3 2橫向進給系統(tǒng)計算簡圖1滾珠絲杠的拉伸或壓縮變形量 L=EF FmL =26254/106. 2043. 1629=0.6448104-滾珠絲杠經(jīng)過預(yù)拉伸=1/40.007254=0.00183=0.0054小于定位精度定位精度為 0.0153.4齒輪傳動比的計算3.4.1縱向齒輪傳動比計算已確定縱向脈沖當量 =0.01 ,滾珠絲杠導(dǎo)程 L=6mm和步距角 0.75, 可計算出 i i=0. 360L b P=675. 001. 0360=0.8第 11頁 可選定齒輪的齒數(shù)為 i=z1/z2=32/40 或 20/25d=mz=64 z1=32 z2=40 或

26、 z1=20 z2=35 d2=703.4.2橫向齒輪傳動比計算已確定橫向脈沖當量 =0.005mm/step,滾珠絲杠導(dǎo)程 L=4mm 和步距角 0.75 ,可計算出傳動比 i i=0. 360L b p=475. 0005. 0360=0.6 z1=21 ,z2=353.5步進電機的計算和選型3.5.1縱向步進電機的計算計算簡圖見滾珠絲杠選擇中簡圖 . 傳動系統(tǒng)折算到電機 軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 J (kg.cm2由此式計算J =J1+(z1/z22Js+J2+G/g(L/2E2 (3.7 式中 :J 齒輪 z1的轉(zhuǎn)動慣量 .J 2齒輪 z2的轉(zhuǎn)動慣量J s 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量G 工作臺及工件等移

27、動部件的重量 (NL 絲杠的導(dǎo)程J1=0.78103-d14b= 0.78103-6.442=2.62Kg.cm2J2=0.78103-d24b=0.78103-842=6.39Kg.cm2Js=078103-D 4L=0.78103-44170=33.9946Kg.cm G=800N代入式中第 12頁 J=2.62+(32/40233.946+6.39+800/9.8(0.6/2 2=28.91Kg.cm2 電機力矩的計算機床在不同工況下 , 其所需要的轉(zhuǎn)距不同 , 下面分別按各階段計算 快速空載啟動時所需要的力矩 起 M起 M =Mmax+Mf+M0 (3.8式中 :M起 -快速空載啟動力

28、矩 (N.mMmax-折算到電機軸上的加速力矩 (N.mMf-折算到電機軸上的附加摩擦力矩 (M.m起動加速時間 ta=30msMmax=J .e=J ta n 60max 2102-n max =360. . max p bV J 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量 (Kg.cm2 電機最大角加速度nmax-電機最大轉(zhuǎn)速 (r/minp 脈沖當量b 步進電機的步距角 nmax=360. . max p b v =36001. 075. 02400=500r/min Mmax=2310 10302/60(5009. 28-=504.4N.cm摩擦力矩 Mf(N.m Mf=i L F 200

29、=i GL f 20F . 導(dǎo)軌摩擦力 (N了發(fā) G 運動部件總重量 (Ni 齒輪降速比按 i=Z1/Z2計算傳動鏈總效率一般 =0.70.85取 0.8 Mf=25. 18. 026. 080016. 0=12.22N.cm附加摩擦力 M0 M0=1(20. 02-i L FP 式中 FP0-滾珠絲杠預(yù)加載荷一般取 1/3F mFm 為進給牽引力 (NL 0滾珠絲杠導(dǎo)程 (cmN 滾珠絲杠未預(yù)緊時傳動效率 94.24% M0=1(20. 02-i L FP = 1(2003/12-i L Fm M0= 9. 01(25. 18. 026. 073. 16983/12- 起 M =Mmax+M

30、f+M0=504.4+12.22+10.28=526.9N.cm(2快速移動時所需力矩 快 M快 M =Mf +M0M f =02( L i G FZ f +=6. 025. 18. 028003510(16. 0+=65.88N.cm(3最大切削力負載時所需力矩 切 M切 M =Mf +M0+MtMt=i L F 20. max式中 Fmax-進給方向上的切削力取 Fx=877.5NMt-折算到電機軸上的切削負載力矩 (N.cmMt=25. 18. 026. 05. 877=83.84(N.cm切 M =Mt+M0+Mt=65.88+10.28+83.84=160N.cm從上面可以看出 起

31、M , 快 M , 切 M , 三種情況下 , 以快速空載時所需力矩最大 , 以此項工作為初選步進電機的依據(jù)(4計算電機空載轉(zhuǎn)動和切削堵的工作頻率 fk=pV 60max1000=01. 0604. 21000=4000Hz f =p VS601000=10000.5/600.01=833Hz(5 步進電機的選擇對于工作方式為五相十拍的步進電機Mjmax=maxM =526.9/0951=554.048查表選用 130BF001型直流步進電機的最大靜轉(zhuǎn)距為 930N.cm ,滿足其要求 :3.5.2橫向進給步進電機的計算和選型(1.步進電機的計算橫向計算簡圖見滾珠絲杠選擇中的簡圖 , 傳動系統(tǒng)

32、折算到電機電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 J (kg.cm2可由此式計算 :J =J1+(z1/z22JS+J2+G/g(L0/2 2式中 :J1-齒輪 z1的轉(zhuǎn)動慣量J2-齒輪 z2的轉(zhuǎn)動慣量JS-絲杠的轉(zhuǎn)動慣量G-工作臺及工件等移動部件的重量 (NL0-絲杠的導(dǎo)程J1=0.78103-d14L1=0.78103-4.222=0.485kg.cm2J2=0.78103-d24L1=0.78103-742=3.746kg.cm2G=600N, Js=0.78103-2.5245=1.37kgcm2J =J1+(Z1/Z22Js+J2+G/g(L0/2 2J =0.465+(0.621.37+3.746+6

33、00/10(0.4/6.282J =2.414kg.cm2(2 電機力矩的計算 :機床在不同工況下其所需的轉(zhuǎn)距不同 , 下面分別按各段計算1. 快速空載起動時所需的力矩 M 起起 M =Mmax+Mf+M0Mmax=J .e=J 21060max2-ta n nmax=360max p b V =360005. 075. 01200=500r/minMmax=2.41432103060105002-=42.1N.cm折算電機軸上的摩擦力力矩 Mf Mf=i L F 200=3/514. 324. 060016. 0=4.58N.cm附加摩擦力矩 M0M0=21(20. 0-i L FP =21

34、(3/58. 023/1-Fm = 9. 01(3/58. 023. 16293/12-=11.07NcmMmax=42.1+4.58+11.07=57.75N.cm(3快速進給時所需力矩 M 快快 M =f M +M0Mf=i Gf i L F 2 200=4.58N.cmM0=1/3Fm/2paini(1-n2=11.07N.cm快 M =4.58+11.07=15.65N.cm(4最大切削負載所需力矩 M 切切 M =Mf+M0+MtMt=it F 200=3/58. 014. 324. 0702 =33.4N.cm Mf=i L F 200=2 ( G FZ f +=+3/58. 01

35、4. 32600175516. 0(17.96N.cmM 切 =33.4+17.96+11.07=62.43N.cm上面計算可以看出 起 M , 快 M , 和 切 M 三種工況下 ,以最大切削負載所需力矩 切 M 作為選用電機的依據(jù)當步進電機為五相十拍時 =切 M /MmaxMjmax=切 M /=62.43/0.951=65.64 選用 90BF002其最大靜轉(zhuǎn)距為 400滿足要求 :fk=pV 60max1000=005. 0602. 11000=4000HZ fv=025. 06025. 01000=833HZ4. 微機控制部分在普通車床 CA6140基礎(chǔ)上加數(shù)控部分 , 以使其成為經(jīng)

36、濟型數(shù)控機床 , 以完成較高的 精度加工 .4.1總體設(shè)計我國目前廣泛使用 MCS-51系列中的 8031芯片 , 通過擴展和 I/O口擴展功能 , 實現(xiàn)對 機床 X,Z 兩個方向的控制 . 以及軟硬的任務(wù)分配有 :控制步進電機脈沖發(fā)生和脈沖分配 , 數(shù)碼顯示的字符發(fā)生 , 鍵盤掃描管理既用硬件管理 , 又可用 軟件實現(xiàn) , 此次采用若干方案 :控制 步進電 機用的脈沖發(fā)生器用硬件 . 采用國產(chǎn) YB015環(huán)行分配器實現(xiàn) , 字符發(fā)生及鍵盤掃描 均有軟件實現(xiàn) .4.2主控制器4.2.1主控器的選擇近年來同外的一些主要的半導(dǎo)體制造廠家相繼生產(chǎn)了各種 8位的單片微型端口及 部分 RAM 于一體的功

37、能很強的控制器。 目前國內(nèi)用得較廣, 開發(fā)工具較齊的是 MCS 51系列包含三個產(chǎn)品:8031、 8051和 8751。三者的引腳完全兼容,僅在結(jié)構(gòu)上有一些差 異,主要是 8031:8031是無 ROM 的 8051,而 8751是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。 用得較多的就是我所選用的 8031。(1 8031型芯片 :1 單片機是集 CPU,I/O端口及部分 RAM 一體的功能很強的控制器 ,8031基本特點如下 : 1處理器 CPU8位2芯片內(nèi)有時鐘電位3具有 12 各字節(jié) RAM4具有 21特殊功能的存儲器5具有 4 各 I / O端口 ,32根 I/O線6可尋址 64K

38、 外部數(shù)據(jù)存儲器7可尋址 64K 外部程序存儲器8具有兩個 16位定時 /記時數(shù)量9具有 5 個中斷位 , 配備兩個優(yōu)先級10具有一個全功能竄行接口11具有尋址能力 , 適宜邏輯計算從以上 論證 可以 看出 ,8031型芯 片 , 功能 幾乎 為一 塊 Z80CPU, 一 塊 RAM, 一塊 Z80CTC 兩塊 Z80PLO 和一塊 Z80SLO 處理的微機計算機 .(28031芯片管腳的功能及其他功能按引腳功能可分三類,即:其一:I/O口線:P 、 P1、 P2、 P3共 4個 8為口。其二:控制線:PSEN (片外取指令控制 、 ALE (地址鎖存控制 、 EA (片外取存儲器選擇 、 R

39、ESET (復(fù)位控制 。其三:電源及時鐘:V cc 、 Vss、 XTAL1、 XTAL 2。4.2.28031對片外存儲器的選擇1、 EPRAM 選擇:根據(jù) MCS 51單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常用的 EPRAM 芯片,確定 存儲器容量為 16K 。選擇 EPRAM 的型號時,主要考慮的因素是讀取速度,這決定著系 統(tǒng)是否正確工作。根據(jù) CPU 與 EPRAM 時序匹配要求,可選用 2片 2764程序存儲器。 2、 RAM 選擇:單片機的擴展 RAM 多選用靜態(tài) RAM , 根據(jù)容量要求和 RAM 與 CPU 的讀寫時序匹配的要求,這里選用大容量的 RAM6264兩片。4.2.3 8031并行 I/O

40、口擴展8031有四個 8位口 (I/O端口 , 但真正能夠提供用戶使用的只有 P1口 , 因為 P2 P0口 通常用來傳送外存儲器的地址和數(shù)據(jù) ,P3口也需要使用他的第二功能 . 因此 8031的 I/O的端口通常需要擴充 . 以便他能和更多外聯(lián)機工作 . 擴充方法有兩種 :借用外面 RAM 地址來擴充 I/O端口 ;利用并行 I/O接口芯片來擴充 I/O端口 .5. 電路原理圖設(shè)計本 次設(shè)計在采用 8031作為主控芯片 , 采用兩片 2764程序存儲器之外還擴展了一片6264數(shù)據(jù)存儲器 , 用一片 74LS373鎖存 P0口傳遞低 8位地址 , 地址譯碼采用 74LS138C38譯碼器 ;

41、采用全地址碼 , 采用二個 8155芯片 , 完成對執(zhí)行元件的控制。此外 , 還設(shè)有越界報 警急停處理電路 .5.1關(guān)于各線路元件之間線路連接8031芯片的 P 0 和 P 2用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù) , P 2口送的是 8位地址 , P 0口傳送低八位地址和數(shù)據(jù) , 故采用 74LS373地址鎖存器 , 鎖存低八位地址 ,ALE 作為首選 通信號 , 當 ALE 為高電位 , 鎖存器的輸入輸出速度 , 即輸入的低八位地址在輸出端出現(xiàn) , 此 時不需鎖存 , 當 ALE 從高電平變?yōu)榈碗娖?, 出現(xiàn)下降沿時 , 低八位地址在輸出端出現(xiàn) , 此時 不需鎖存 , 當 ACE 這樣 POD 共

42、組成 16位地址 ,2764和 6264芯片都是 8KB, 需要 13根地 址線 , A 0A7低 8位安 74L373芯片的輸出 ,A 8A12按 8031芯片的 P 2.0P4. 2系統(tǒng)采用全 地址譯碼 , 兩片 2764新片選信號 CE 分別按 74LS138譯碼器的 0Y 和 1Y , 系統(tǒng)復(fù)位以后程 序從 0000H開始執(zhí)行 ,6264芯片的片選信號 CE 地址按 74LS138的 2Y , 單片機的擴展系 統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址 ,8031芯片控制信號 PSEN 按 2764的 OE 引腳 , 讀寫控制信號 WR 和 RD 分別按 6264芯片內(nèi)部沿有 ROM, 始終

43、要選片外程序存儲器 , 故 按 EA 地址由于 8031只有 P 1口和 P 3口的部分能提供用戶作 I/O接口使用 , 不能滿足輸入輸出口 的需要 , 因此比喻擴展輸入輸出擴展電路 . 系統(tǒng)擴展 3片 8155可編程 I/O接口芯片 ,8155(1的片選信號 CE 按 74LS138的 4Y 端 74LS138譯碼器有 3個輸入 A B C 分別按 8031的 P 5. 2 P 6. 2 P 7. 28個輸出 , 低電平有效 . 70Y Y 對應(yīng)輸出 A B C DE 000至 111 8種現(xiàn)合 . 其中 0Y 對應(yīng) A B C 為 111.74LS138有 3個使能端 , 其中 2個為低電

44、平使能 端 , 另一個為高電平使能端 . 只有當使能端均處于有效電平是 , 輸出才能產(chǎn)生 , 否則輸出才能處在高電平無效 .I/O接口芯片與外設(shè)的聯(lián)接是這樣安排的 .8155芯片 PA 70PA 作為顯示器段選信號 , 輸出 PAP為顯示器的位選信號 , 輸出 PC0PC4 5根線是鍵盤輸入 .8155芯片的 20個引 腳按 8031芯片的 P2.0, 因此使用 8155的 I/O口時 P2.0為高電平 .8155(2,按 X Z 向步 進電機硬件環(huán)形分配器為輸出 , 系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼 , 各存儲器及 I/O接口芯片 .X 向 Z 向步進電機硬件環(huán)形分配器采用 YB0153-2相 5相

45、 10拍方式工作 , 故 0A 1A 均按 +5V, 時鐘輸入端 CP 按 8155芯片的 TIME007用以決定脈沖分配器是如脈沖的頻率 , 為實現(xiàn)插 補時不同的進給的速度 , 可給 8155芯片定時 /計數(shù)器中設(shè)置不同的常數(shù) . 5.2. 關(guān)于電路原理圖的一些說明在此電路圖中 , 還有其他功能電路 , 如報警電路 , 急停電路 , 復(fù)位電路 , 隔離電路 , 功 效電路等 , 此外還有對自動回轉(zhuǎn)刀架 , 螺紋加工進行控制 .1、復(fù)位電路通常 8031的復(fù)位有自動復(fù)位 , 和人工按鈕復(fù)位兩種 , 下面將分別顯示電路結(jié)構(gòu)s sC C(A (A上電復(fù)位電路 (B 開關(guān)復(fù)位電路2、時鐘電路時鐘電路

46、如圖所示 ,XTAL 和 XTAL2為內(nèi)振蕩電路輸入線 , 這兩個端口用來外接 石英晶體和微調(diào)電器 , 用來聯(lián)接 8031片內(nèi) OSC 的定時反饋回路 .3、光電隔離電路在步進電機驅(qū)動電路 , 脈沖分配器輸出的信號經(jīng)過放大后 , 控制步進電機的勵磁繞 組 . 由于步進電機需要的驅(qū)動電壓數(shù)高 , 電流也較大 , 如果將 I/O口輸出信號直接與功率放 大電路相連 , 將引起電路干擾 , 輕則影響計數(shù)機程序的正常運行 , 重則導(dǎo)致接口電路的破 壞 . 因此一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路 , 實行電氣隔離使用最多的 是光電耦合器 . 如下圖 光電耦合器是以發(fā)光二級管和光敏二級管組成 , 為輸入信號的輸入端時 , 發(fā)光二級管導(dǎo)通 激發(fā)紅外光 , 受光三極管照射后 , 由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流。通過輸出端輸出,從而實現(xiàn) 了以光為信號的輸出,輸入端與輸出端在電器繪出一種光隔離輸出電路,當開關(guān)斷開, 發(fā)光二級管不通,光敏三級管截止,輸出 +5V高電平,當閉合,發(fā)光二級管導(dǎo)通,激勵 輸出三級管導(dǎo)通。適當選擇電阻 RC,可使輸出三級管飽和,輸出 0.3左右的 TTL 低電 平。 隨著運行頻率的增高,步進電機輸出力矩 C 帶動負載的能力,這一產(chǎn)生的原因, 作為功率放大器負載的步進電機是電感負載。 當改變通電時, 電流從零逐漸增大, 產(chǎn)生 感應(yīng)電動勢使電流按指數(shù)規(guī)律上升。4