ca6163車床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造-學(xué)位論文

畢業(yè)設(shè)計PAGEPAGE47摘要隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字控制（CNC）機床已成為當(dāng)前機械制造業(yè)進行技術(shù)改造，技術(shù)革新的必有之路，是未來工廠自動化的基礎(chǔ)。因此，此次對普通床進給系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計更顯得重要。目前中國大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大多數(shù)是普通機床，機床數(shù)控化率遠低于美國、日本等國家。如果大量添置全新的數(shù)控機床，不僅資金投入量大、成本高，而且又會造成原有設(shè)備的閑置浪費。把普通機床改造成數(shù)控機床則不失為一條提高數(shù)控化率的有效途徑。第一部分是數(shù)控機床的概述，第二部分是進給系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，第三部分是伺服進給機械部分設(shè)計計算，第四部分是控制部分的單片機原理設(shè)計?；诓竭M電機的機械改裝減少了人的工作量，把手動轉(zhuǎn)變成為電動。本次改造用了兩個步進電機，分別控制機床的兩個方向（縱向和橫向）的進給，通過帶輪帶動滾珠絲杠的軸向運動?；趩纹瑱C控制的電子部分設(shè)計提高了工作效率和測量的準確度、可信度。該儀器采用了8031單片機。關(guān)鍵詞車床數(shù)控絲杠步進電機單片機AbstractAsthedevelopmentoftechnology,thenumericalcontrolmachinehasbecomesthetrendofthereformationinthemanufacturingindustryandthefoundationoffactoriesinthefuture.Therefore,theprojectofautomatthemachineisimportanttotheprospectivestudyandwork.AtpresenttheChinesemajoritymanufactureprofessionsandenterprise'sproduction,theprocessunitoverwhelmingmajorityistheordinaryenginebed,theenginebednumericalcontrolrateislowerthancountriesfarandsoonUS,Japan.Ifacquiresthebrand-newnumerically-controlledmachinetoolmassively,notonlythefundinputsarebig,cost,willcreatetheoriginalequipment'sidlewaste.Transformsthenumerically-controlledmachinetooltheordinaryenginebedisenhancesthenumericalcontrolrateefficientpath.IntroductionwillbepresentedinSection1.TheoveralldesigningschemewillbeproposedinSection2.ThecalculatinganddataofmechanicalpartisinSection3andSection4isthepartofcontrolincludingtheprincipleofSCM.Thereformationtomachinebasedthesteppingmotordecreasestheworkloadbyturningthehandoperationtoelectriccontrol.Twomotorscontrollingtwodirectionsrespectivelymovetheballscrewsbystrapwheels.ThedesigninelectricalpartbasedtheSCMimprovestheproductefficiencyandtheaccuracyandstabilityintheaspectofmeasuringbyusingthe8031SCM.Keywords:LathecomputernumericalcontrolballscrewsteppingmotorSCM目錄摘要 1Abstract 2第1章緒論 51.1數(shù)控機床的發(fā)展過程 51.2數(shù)控機床的組成 5第2章數(shù)控化改造總體技術(shù)方案的確定 82.1設(shè)計任務(wù) 82.2總體方案設(shè)計的內(nèi)容 82.2.1伺服驅(qū)動 82.2.2總體方案框圖 9第3章伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算 103.1設(shè)計要求 103.2確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 103.3計算切削力 103.4滾珠絲杠螺母副的計算和選擇 123.4.1縱向滾珠絲杠螺母副的計算和選型 123.4.2橫向滾珠絲杠螺母副的計算和選型 163.5進給伺服系統(tǒng)傳動計算 203.5.1縱向進給伺服系統(tǒng)傳動計算 203.5.2橫向進給伺服系統(tǒng)傳動計算 233.6步進電機的計算和選型 253.6.1縱向步進電機的計算和選型 253.6.2橫向步進電機的計算和選型 293.7自動轉(zhuǎn)位刀架 333.7.1數(shù)控車床刀架的基本要求 333.7.2工作原理 343.7.3刀架的安裝 35第4章控制系統(tǒng)硬件原理及其控制程序編制 364.1主控制器 364.1.1主控制器及其選擇 364.1.2MCS-51系列單片機介紹 364.2地址分配及接線方法 384.2.1地址的分配 384.2.28031的連接方式 384.3接口電路的設(shè)計 394.4控制系統(tǒng)程序編譯 404.4.1數(shù)控的插補方法 404.4.2直線插補工作原理 404.4.3圓弧插補工作原理 414.5自動換刀程序設(shè)計 43參考文獻 46致謝 47第1章緒論1.1數(shù)控機床的發(fā)展過程1946年誕生了世界上第一臺電子計算機。6年后，即在1952年，計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。第一階段：數(shù)控（NC）階段（1952~1970年）。早期采用數(shù)字邏輯電路組合成一臺機床，專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱作硬件連接數(shù)控（HARAWIREDNC）,簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段經(jīng)歷了三代，即1952年的第一代——電子管時代；1959年的第二代——晶體管時代；1965年的第三代——小規(guī)模集成電路時代。第二階段：計算機數(shù)控（CNC）階段（1970年~現(xiàn)在）。到1970年，通用小型計算機作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控（CNC）階段。到1971年，美國INTEL公司第一次將計算機的兩個最核心的部件——運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR）,又可成為中央處理單元（簡稱CPU）。到1974年，微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。到了1990年，PC的性能已發(fā)展到較高的水平，從8位、16位，發(fā)展到32位，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進入了基于PC的階段?？傊嬎銠C數(shù)控的發(fā)展也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代——小型計算機；1974年的第五代——微處理器；1990年的第六代——基于PC。必須指出，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第五代以后，才從根本上解決了可靠性低、價格較為昂貴、應(yīng)用很不方便（主要是編程困難）等極為關(guān)鍵的問題。因此，數(shù)控技術(shù)經(jīng)過了近三十年的發(fā)展才走向普及應(yīng)用[1]。1.2數(shù)控機床的組成如圖1-1所示，數(shù)控機床由以下幾個部分組成。圖1-1數(shù)控機床的組成部分[2]程序編制及程序載體數(shù)控加工程序是數(shù)控系統(tǒng)自動加工零件的工作指令。在對加工零件進行工藝分析的基礎(chǔ)上，確定零件坐標系在機床坐標系上的相對位置，即零件在機床上的安裝位置；刀具與零件相對位置的尺寸參數(shù)；零件加工的工藝路線或加工順序；主運動的起、停、換向、變速；進給運動的速度、位移大小等工藝參數(shù)，以及輔助裝置的動作。然后應(yīng)用標準的由文字、數(shù)字和符號組成的數(shù)控代碼，按規(guī)定的方法和格式，將零件的所有運動、尺寸、工藝參數(shù)等加工信息，編制成零件加工的數(shù)控程序單。編好的數(shù)控程序存放在便于輸入到數(shù)控裝置的一種存儲載體上，它可以是穿孔紙帶、磁盤、閃存卡等。閃存卡由于存儲容量大、數(shù)據(jù)交流迅速和記錄可靠，在開放式數(shù)控系統(tǒng)的新型數(shù)控機床上開始使用。輸入裝置輸入裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼變成相應(yīng)的電脈沖信號，傳送并存入數(shù)控裝置內(nèi)。根據(jù)程序存儲介質(zhì)的不同，輸入裝置可以是錄音機或軟盤驅(qū)動器。有些數(shù)控機床，不用任何程序存儲載體，而是將數(shù)控程序單的內(nèi)容通過數(shù)控裝置的鍵盤，用手工方式（MDI）輸入，或者將數(shù)控程序計算機以網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送到數(shù)控裝置。數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心，它接收輸入裝置送來的脈沖信號，經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或邏輯電路進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令控制機床的各個部分，進行規(guī)定的、有序的動作。這些控制信號中最基本的信號是：經(jīng)插補運算決定的各坐標軸（即做進給運動的執(zhí)行部件）的進給速度、進給方向和位移量指令，送伺服驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動執(zhí)行部件做進給運動。其他還有主運動部件的變速、換向和起停信號；選擇和交換刀具的刀具指令信號；控制冷卻、潤滑的啟停、工件和機床部件松開、夾緊、分度工作臺轉(zhuǎn)位等輔助指令信號等。輔助控制裝置輔助控制裝置也稱為強電控制裝置，是介于數(shù)控裝置和機床機械、液壓部件之間的控制系統(tǒng)，其主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主運動變速、刀具選擇交換、輔助裝置動作等指令信號，經(jīng)必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅(qū)動相應(yīng)的電器、液壓、氣動和機械部件，以完成指令所規(guī)定的動作。此外，還有開關(guān)經(jīng)它送數(shù)控裝置進行處理。5.伺服驅(qū)動系統(tǒng)及位置檢測裝置伺服驅(qū)動系統(tǒng)又由伺服驅(qū)動電路和伺服驅(qū)動裝置組成，并與機床上的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控車床的進給系統(tǒng)。每個做進給運動的執(zhí)行部件，都配有一套伺服驅(qū)動系統(tǒng)。伺服驅(qū)動系統(tǒng)又開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。位置檢測裝置檢測位移和速度，發(fā)送反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。6.機床的機械部件數(shù)控機床的機械部件包括主運動部件，進給運動執(zhí)行部件(如工作臺)，拖板及其傳動部件和床身立柱等支撐部件，此外，還有冷卻、潤滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置。對于加工中心類的數(shù)控機床，還有存放刀具的刀庫、交換刀具的機械手等部件。數(shù)控機床機械部件的組成與普通機床相似，但傳動結(jié)構(gòu)要求更為簡單，在精度、剛度、抗震性等方面要求更高，而且其傳動和變速系統(tǒng)要便于實現(xiàn)自動化控制。第2章數(shù)控化改造總體技術(shù)方案的確定2.1設(shè)計任務(wù)（1）將CA6163車床改造成微機數(shù)控車床，采用單片機控制系統(tǒng)，步進電機開環(huán)控制。在縱向和橫向具有直線和圓弧插補功能。刀架要改造成自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架。（2）進給伺服系統(tǒng)設(shè)計計算機械部分的計算，包括脈沖當(dāng)量的確定；滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算和選型；進給伺服系統(tǒng)的傳動計算；步進電機的計算和選型；設(shè)計并繪制總裝配圖。（3）單片機控制系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計并繪制控制系統(tǒng)圖，編寫直線插補程序及圓弧插補程序。2.2總體方案設(shè)計的內(nèi)容（1）系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床具有直線插補程序及圓弧插補等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？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）計算機系統(tǒng)根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成高，可靠性好、功能強、抗干擾能力強等特點，決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。（3）機械傳動方式為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速在傳絲杠。為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。2.2.1伺服驅(qū)動CA6163車床的改進要求周期短，而且不需要太高的精度，綜合考慮經(jīng)濟及功用等因素，決定選用步進電機開環(huán)伺服驅(qū)動。微機光電阻隔微機刀架光阻編碼器光電阻隔功率放大微機光電阻隔微機刀架光阻編碼器光電阻隔功率放大功率放大光電阻隔功率放大變頻調(diào)速電機步進電機機步進電機電機主軸縱向工作臺橫向工作臺。第3章伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算3.1設(shè)計要求將CA6163車床改造成微機數(shù)控車床，采用單片機控制系統(tǒng)，步進電機開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補功能。CA6163機床主要參數(shù)如下：最大回轉(zhuǎn)直徑630mm電機功率7.5KW640mm快進速度縱向2.4m/min橫向1.2m/min定位精度0.015mm移動部件重量縱向1200N橫向800N加速時間30ms機床效率0.73.2確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖增量是行程標量插補，每次插補結(jié)束產(chǎn)生一個行程增量，以脈沖的方式輸出。這種插補算法主要應(yīng)用在開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，在插補計算過程中不斷向各坐標軸發(fā)出互相協(xié)調(diào)的進給脈沖，驅(qū)動電機運動。一個脈沖所產(chǎn)生的坐標軸移動量叫做脈沖當(dāng)量。它的值取得越小，加工精度越高。經(jīng)濟型數(shù)控車床常用脈沖當(dāng)量是0.01~0.005mm/脈沖，這里取縱向進給0.01mm/脈沖；橫向進給0.005mm/脈沖。3.3計算切削力（1）縱切外圓主切削力FZ（N）通過主電機功率來確定。（3-1）式中：P為機床主傳動功率（KW）η為主傳動系統(tǒng)的機械效率，通過查取η=0.75所以：（3-2）而切削力：（3-3）式中V表示車床車削的線速度，單位為m/s；表示主軸的運動功率，單位為KW；表示切削力,單位為N；在此取V=100m/min=1.67m/s。所以：（3-4）按切削力各分力比例：（3-5）（3-6）（3-7）（2）橫切端面主切削力：（3-8）此時走刀抗力為仍按上比例計算：（3-9）（3-10）（3-11）3.4滾珠絲杠螺母副的計算和選擇3.4.1縱向滾珠絲杠螺母副的計算和選型軸向力及轉(zhuǎn)速計算作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時走刀抗力以及移動部件重量和切削力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。車床絲杠上總的軸向力可以表示為QUOTE：（3-12）式中：G表示移動部件所受的重量，本機床為1200N；f為導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，車床為0.17；K為考慮傾覆力矩影響的實驗系數(shù)，常情況下取1.15。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得：（3-13）滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為：（3-14）其中表示為最大切削力條件下進給速度（m/min）通常取最高進給速度的1/2~1/3，即：（3-15）在此取。為滾珠絲杠的導(dǎo)程，為6mm。所以（3-16）動載荷的計算選用滾珠絲杠的直徑d必須保證在一定軸向負載作用下絲杠在回轉(zhuǎn)100萬次后，它的軌道上不產(chǎn)生電蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值稱為該滾珠絲杠所能承受的最大動負載。由以下公式計算：（3-17）上式中L為滾珠絲杠的使用壽命（次），以為單位。（3-18）其中T表示使用壽命，單位為（h），對于數(shù)控車床來說通常取T=15000h。為運轉(zhuǎn)系數(shù)，取1.3。由以上數(shù)據(jù)得：（3-19）查書[3]，取CDM5005-5型號的滾珠絲杠。公稱直徑為50mm，額定動載荷為31671N>18774N，合適。絲杠傳動效率的計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率可以由以下公式計算得（3-20）式中：表示絲杠螺母螺旋升角；表示摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)為0.003~0.004，滾珠絲杠摩擦角約為。絲杠的螺旋升角可以由一下式算得：（3-21）其中：為絲杠的公稱直徑；為絲杠的導(dǎo)程。所以（3-22）（3-23）剛度校核滾珠絲杠副的變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度以及運動的平穩(wěn)性，因此必須考慮軸向變形。絲杠受力拉伸或者被壓縮的變形量為主要軸向變形量，可以由以下公式計算得到：（3-24）式中為滾珠絲杠的導(dǎo)程；為每個導(dǎo)程內(nèi)的變形量，由以下公式計算得：(3-25)其中E為材料的彈性模量，，A為滾珠絲杠的截面積(按底徑確定)，該絲杠的底徑為，所以。（3-26）為絲杠支撐軸承之間距離，查書[6]：=1.1行程+（10~14）導(dǎo)程其中：縱向最大行程為200mm，導(dǎo)程為6mm。取整數(shù)300mm。所以由公式（3-24）得此外還有滾珠與螺紋道之間的接觸變形，支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形，通常用絲杠的拉壓變形的3倍來取代總的變形量。剛度變形。滿足剛度要求。穩(wěn)定性校核（1）計算臨街負荷：（3-27）式中：E材料的彈性模量；I為滾珠絲杠的截面的慣性矩，L為絲杠的長度，為2000mm；為壓桿長度因數(shù)，取。所以滿足穩(wěn)定性校核。預(yù)緊力的計算預(yù)緊可以提高剛性和壽命，預(yù)緊力可以由以下公式計算。（3-28）式中：為預(yù)緊載荷，約為為導(dǎo)程為車床縱向傳動效率，取0.85。3.4.2橫向滾珠絲杠螺母副的計算和選型軸向力及轉(zhuǎn)速計算作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時走刀抗力以及移動部件重量和切削力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力[4]。車床絲杠上總的軸向力可以表示為：（3-29）式中：G表示移動部件所受的重量，本機床為800N；f為導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，車床為0.17；K為考慮傾覆力矩影響的實驗系數(shù)，常情況下取1.15。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得：（3-30）滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為：（3-31）其中表示為最大切削力條件下進給速度（m/min）通常取最高進給速度的1/2~1/3，即：（3-32）在此取。為滾珠絲杠的導(dǎo)程，為6mm。所以（3-33）動載荷的計算選用滾珠絲杠的直徑d必須保證在一定軸向負載作用下絲杠在回轉(zhuǎn)100萬次后，它的軌道上不產(chǎn)生電蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值稱為該滾珠絲杠所能承受的最大動負載。由以下公式計算：（3-34）上式中L為滾珠絲杠的使用壽命（次），以為單位。（3-35）其中T表示使用壽命，單位為（h），對于數(shù)控車床來說通常取T=15000h。為運轉(zhuǎn)系數(shù)，取1.3。由以上數(shù)據(jù)得：（3-36）查書[5]，取CDM2505-3型號的滾珠絲杠。公稱直徑為25mm，額定動載荷為14718N>8514.79N，合適。絲杠傳動效率的計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率可以由以下公式計算得（3-37）式中：表示絲杠螺母螺旋升角；表示摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)為0.003~0.004，滾珠絲杠摩擦角約為。絲杠的螺旋升角可以由一下式算得：（3-38）其中：為絲杠的公稱直徑；為絲杠的導(dǎo)程。所以（3-39）（3-40）剛度校核滾珠絲杠副的變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度以及運動的平穩(wěn)性，因此必須考慮軸向變形。絲杠受力拉伸或者被壓縮的變形量為主要軸向變形量，可以由以下公式計算得到：（3-41）式中為滾珠絲杠的導(dǎo)程；為每個導(dǎo)程內(nèi)的變形量，由以下公式計算得：（3-42）其中E為材料的彈性模量，，A為滾珠絲杠的截面積(按底徑確定)，該絲杠的底徑為，所以。（3-43）為絲杠支撐軸承之間距離，查書[6]：=1.1行程+（10~14）導(dǎo)程其中：縱向最大行程為300mm，導(dǎo)程為6mm。取整數(shù)400mm。所以由公式（3-41）得此外還有滾珠與螺紋道之間的接觸變形，支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形，通常用絲杠的拉壓變形的3倍來取代總的變形量。剛度變形，不滿足剛度要求，必須改進。改進方法為對絲杠進行預(yù)緊，如果對絲杠進行預(yù)拉伸，剛度可以提高四倍，剛度變形降低到原來的1/4。改進后滿足剛度要求。穩(wěn)定性校核（1）計算臨街負荷：（3-44）式中：E材料的彈性模量；I為滾珠絲杠的截面的慣性矩，L為絲杠的長度，為390mm；為壓桿長度因數(shù)，取。所以滿足穩(wěn)定性校核。預(yù)緊力的計算預(yù)緊可以提高剛性和壽命，預(yù)緊力可以由以下公式計算。（3-45）式中：為預(yù)緊載荷，約為為導(dǎo)程為車床橫向傳動效率，取0.85。3.5進給伺服系統(tǒng)傳動計算3.5.1縱向進給伺服系統(tǒng)傳動計算進給系統(tǒng)的傳動比當(dāng)機床的脈沖當(dāng)量和滾珠絲杠的導(dǎo)程確定后，可以先初選步進電動機的步距角，在此初選電動機的步距角為，用下列公式計算伺服系統(tǒng)的降速比：（3-46）式中：步進電動機的步距角；為脈沖當(dāng)量，為0.01mm；為滾珠絲杠的導(dǎo)程，為6mm。所以同步帶論的設(shè)計計算縱向進給系統(tǒng)的功率：（3-47）其中設(shè)計功率：（3-48）查手冊取1.6，絲杠的轉(zhuǎn)速：（3-49）小帶輪的轉(zhuǎn)速：（3-50）根據(jù)和選用L型周節(jié)制同步帶，節(jié)距根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速確定最小齒數(shù)小帶輪齒數(shù)取小帶輪節(jié)圓直徑同步帶的帶速L型同步帶最大速度，，合適。大帶輪齒數(shù)大帶輪節(jié)圓直徑初定軸間距：（3-51）取軸間距確定帶長及其齒數(shù)（3-52）查手冊選取，齒數(shù)。實際軸間距（3-53）計算基本額定功率:（3-54）式中:——寬度為的帶的許用工作拉力，查書[7]得244.46Nm——寬度為的帶單位長度的質(zhì)量，查書[7]得0.095kg/m所以計算帶寬：（3-55）式中：——選定型號的基準寬度25.4mm——小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，取所以，查書[7]取。作用在軸上的力。查書[8]得初步張緊力帶輪的寬度為齒槽深度小帶輪的外徑大帶輪的外徑3.5.2橫向進給伺服系統(tǒng)傳動計算進給系統(tǒng)的傳動比當(dāng)機床的脈沖當(dāng)量和滾珠絲杠的導(dǎo)程確定后，可以先初選步進電動機的步距角，在此初選電動機的步距角為，用下列公式計算伺服系統(tǒng)的降速比：（3-56）式中：步進電動機的步距角；為脈沖當(dāng)量，為0.005mm；為滾珠絲杠的導(dǎo)程，為6mm。所以同步帶論的設(shè)計計算縱向進給系統(tǒng)的功率：（3-57）其中設(shè)計功率：（3-58）查手冊取1.6，絲杠的轉(zhuǎn)速：（3-59）小帶輪的轉(zhuǎn)速：（3-60）根據(jù)和選用XL型帶，節(jié)距根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速確定最小齒數(shù)小帶輪齒數(shù)取小帶輪節(jié)圓直徑同步帶的帶速XL型同步帶最大速度，，合適。大帶輪齒數(shù)大帶輪節(jié)圓直徑初定軸間距：（3-61）取軸間距確定帶長及其齒數(shù)（3-62）查手冊選取，齒數(shù)。實際軸間距（3-63）計算基本額定功率:（3-64）式中:——寬度為的帶的許用工作拉力，查手冊得50.17Nm——寬度為的帶單位長度的質(zhì)量，查手冊得0.022kg/m所以計算帶寬：（3-65）式中：——選定型號的基準寬度9.5mm——小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，取所以，查手冊取。作用在軸上的力。查手冊得初步張緊力帶輪的寬度為齒槽深度小帶輪的外徑大帶輪的外徑3.6步進電機的計算和選型通過計算步進電動機的力矩來選取步進電動機，先計算各部分的轉(zhuǎn)動慣量，再折合到電動機軸上，從而得到力矩。3.6.1縱向步進電機的計算和選型轉(zhuǎn)動慣量的計算（3-66）式中：M——圓柱體的質(zhì)量(kg)D——圓柱體的直徑(cm)L——圓柱體的長度(cm)對于圓柱體鋼材，已知鋼的密度，（3-64）可以改寫成：（3-67）說明：對于帶輪，，L取帶輪的寬度；對于絲杠，L取絲杠的長度。小同步帶輪的轉(zhuǎn)動慣量：大同步帶輪的轉(zhuǎn)動慣量：絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：絲杠傳動折算到電動機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量（3-68）力矩的計算在不同的情況下電動機的力矩不同，下面我們分情況進行計算?？焖賳訒r（3-69）式中：——啟動力矩；——加速時由于產(chǎn)生加速度而引起的力矩；——由摩擦力產(chǎn)生的力矩；——預(yù)緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩。（3-70）電機最大角加速度，為換算過的電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量。所以（3-71）為導(dǎo)軌的摩擦力，空載啟動時：進行切削時：——運動部件總重量約為1200N；——導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，約為0.17；——機床縱向傳動鏈的總效率，取0.8?？蛰d啟動時：切削加工時：附加摩擦力矩：附加摩擦力矩的大小等于預(yù)緊力矩綜合以上幾式，得：快速啟動總力矩：快速進給總力矩：最大負載切削時的力矩：表示折算到電動機上的切削負載力矩所以：通過比較以上三種情況，得出車床在快速啟動時所需力矩最大，選取步進電動機時需要以快速啟動時所需力矩為計算依據(jù)。步進電動機的最高頻率計算（3-72）式中：——縱向進給機構(gòu)快進時最高速度，為2400mm/min；——縱向進給機構(gòu)的脈沖當(dāng)量，為0.01mm。綜上，我們選擇160BF5B-1.5/0.75型步進電動機。表3-1160BF5B-1.5/0.75型步進電動機參數(shù)最大靜力矩2000N*cm運行頻率8000Hz相數(shù)5電壓80/1280/12電流13A3.6.2橫向步進電機的計算和選型轉(zhuǎn)動慣量的計算（3-73）對于圓柱體鋼材，已知鋼的密度，（3-71）可以改寫成：（3-74）說明：對于帶輪，，L取帶輪的寬度；對于絲杠，L取絲杠的長度。小同步帶輪的轉(zhuǎn)動慣量：大同步帶輪的轉(zhuǎn)動慣量：絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：絲杠傳動折算到電動機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量（3-75）力矩的計算在不同的情況下電動機的力矩不同，下面我們分情況進行計算。快速啟動時（3-76）式中：——啟動力矩；——加速時由于產(chǎn)生加速度而引起的力矩；——由摩擦力產(chǎn)生的力矩；——預(yù)緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩。（3-77）電機最大角加速度，為換算過的電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量。所以（3-78）為導(dǎo)軌的摩擦力，空載啟動時：進行切削時：——運動部件總重量約為800N；——導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，約為0.17；——機床縱向傳動鏈的總效率，取0.8?？蛰d啟動時：切削加工時：附加摩擦力矩：附加摩擦力矩的大小等于預(yù)緊力矩綜合以上幾式，得：快速啟動總力矩：快速進給總力矩：最大負載切削時的力矩：表示折算到電動機上的切削負載力矩所以：通過比較以上三種情況，得出車床在最大負載切削時所需力矩最大，選取步進電動機時需要以最大負載切削時所需力矩為計算依據(jù)。步進電動機的最高頻率計算（3-79）式中：——縱向進給機構(gòu)快進時最高速度，為1200mm/min；——縱向進給機構(gòu)的脈沖當(dāng)量，為0.005mm。綜上，我們選擇90BF002-0.36/0.72型步進電動機。表3-290BF002-0.36/0.72型步進電動機參數(shù)最大靜力矩2200N*cm運行頻率16000Hz相數(shù)5電壓80/1224電流3A3.7自動轉(zhuǎn)位刀架臥式車床數(shù)控改造應(yīng)將原機床的普通手動轉(zhuǎn)位刀架替換成自動轉(zhuǎn)位刀架。自動轉(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機床控制方式確定自動刀架的刀位數(shù)和刀架類型。3.7.1數(shù)控車床刀架的基本要求數(shù)控車床的刀架是機床的重要組成部分。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)了機床的設(shè)計和制造技術(shù)水平，所以有如下要求：①轉(zhuǎn)位準確可靠，工作平穩(wěn)安全；②按最短線路就近選擇，轉(zhuǎn)位時間短；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，適宜重負荷切削。圖3-1自動轉(zhuǎn)位刀架大致尺寸圖3.7.2工作原理自動轉(zhuǎn)位刀架工作原理如圖3-2所示，微電機經(jīng)彈簧安全離合器至渦輪副帶動螺母旋轉(zhuǎn)，螺母抬起刀架使定位用的端齒盤的上盤與下盤分離，隨即帶動刀架旋轉(zhuǎn)到位。然后發(fā)信號使電機反轉(zhuǎn)鎖緊，完成刀架換位后，再進行切削加工。其具體過程是：當(dāng)微機發(fā)出換刀信號后，刀架控制器中繼電器動作，電動機正轉(zhuǎn)驅(qū)動渦輪蝸桿減速機構(gòu)，螺桿升降機構(gòu)使上刀架上升,當(dāng)上刀架上升到一定高度時，離合轉(zhuǎn)盤起作用，帶動上刀體旋轉(zhuǎn)。圖3-2自動轉(zhuǎn)位刀架工作原理圖(1-電機；2-固定安裝絲杠；3-安全離合器；4-刀架)刀架上端的發(fā)信盤中對應(yīng)每個刀位都安裝一個霍爾元件，當(dāng)上刀體旋轉(zhuǎn)到某一刀位時，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。數(shù)控系統(tǒng)將反饋刀位信號與指令刀位信號相比較，當(dāng)兩信號相同時，說明上刀體已旋轉(zhuǎn)到所選刀位。此時，數(shù)控系統(tǒng)立即控制刀架控制繼電器使電動機反轉(zhuǎn)，活動銷反靠在反靠盤上初定位。在活動銷反靠作用下，螺桿帶動上刀體下降，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，切斷電源，電機停轉(zhuǎn)，完成選刀過程[13]。3.7.3刀架的安裝該刀架安裝時，需先拆除原機床上的小拖板和原刀架，然后把電動刀架置于中拖板上。此時，刀架高度應(yīng)使車刀前刀面基本通過車床主軸軸心線，否則要在刀架下面加墊板，調(diào)整其高度。然后，卸掉刀架電動機風(fēng)扇罩殼，逆時針方向轉(zhuǎn)動電動機，使上刀體相當(dāng)于下刀體轉(zhuǎn)動450左右。打裝螺孔，再用內(nèi)六角螺栓將刀架與中拖板固定，固定時應(yīng)注意，將刀架的兩側(cè)面分別與車床縱向和橫向的進給方向平行。電動刀架與系統(tǒng)的連線應(yīng)如下安裝：沿橫向工作臺右側(cè)面先走線到車床后面，再沿車床后導(dǎo)軌下方拉出一鐵絲滑線，走線到系統(tǒng)。其好處在于:避免走線雜亂無章，而使得加工時切屑、切削液以及其它雜物磕碰電動刀架連線。圖3-3刀架的安裝尺寸第4章控制系統(tǒng)硬件原理及其控制程序編制4.1主控制器4.1.1主控制器及其選擇目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片有8086，8088，80286，80386以及8098，8096等16位機的CPU[9]。此次數(shù)控系統(tǒng)中采用MCS-51系列單片機作為主控制器。這里選用MCS-51系列中的8031芯片。4.1.2MCS-51系列單片機介紹（1）MCS-51系列單片機的基本特征MCS-51系列單片機是美國Intel公司于1980年推出的一種8位單片機系列。該系列的基本型產(chǎn)品是8051、8031和8751。這3種產(chǎn)品之間的區(qū)別只是在片內(nèi)程序存儲器方面。8051的片內(nèi)程序存儲器（ROM）是掩膜型的，即在制造芯片時已將應(yīng)用程序固化進去；8031片內(nèi)沒有程序存儲器；8751內(nèi)部包含有用作程序存儲器的4KB的EPROM。由于8051的編程需要制造商的支持，8751的價格昂貴，因此8031獲得了更為廣泛的使用[10]。8031的基本特征如下：具有8位中央處理器（CPU）。片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（6MHz或12MHz），每執(zhí)行一條指令時間為2或者1。具有128字節(jié)的RAM。具有21個特殊功能寄存器?？蓪ぶ?4KB的外部數(shù)據(jù)存儲器和64KB的外部程序存儲器。具有四個I/O口，32根I/O線。具有兩個16位定時器/計數(shù)器。具有5個中斷源，配備兩個優(yōu)先級。具有一個全雙工串行接口。具有位尋址能力，適用邏輯運算。從上述特性可知：一塊8031的功能相當(dāng)于微型計算機系統(tǒng)[11]。（2）管腳功能分析及特性簡介引腳功能分類表：I/O口線：，，，共四個8位口?？刂凭€：（中斷取指令控制），ALE（地址鎖存控制），（中斷存儲器選擇），RESET（復(fù)位控制）。電源及時鐘：，，，。應(yīng)用特性：I/O口線不能都用作用戶I/O線，除8051，8751外真正可完全為用戶使用的I/O口線，只有口以及部分作為第一功能使用口。I/O口的驅(qū)動功能為：口驅(qū)動8個TTL門電路，而，只能驅(qū)動4個TTL門電路?？诰哂刑嵘娮璧?位雙向I/O口，該口的每一位均可獨立的定義為第一I/O口功能或者第二I/O口功能。時鐘頻率：外接時鐘頻率可在1.2~12MHz間選取[13]。（3）總線結(jié)構(gòu)地址總線AB地址總線寬度為16位，其外部存儲器直接尋址范圍達到64KB，16位地址總線由口經(jīng)地址鎖存器提供低8位，由直接提供。數(shù)據(jù)總線DB數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由口直接提供.控制總線CB由口提供的第二功能狀態(tài)和四根獨立的控制線，ALE，，RESET組成。（4）存儲器結(jié)構(gòu)單片機的存儲器包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，它們是可以選用并可直接尋址的存儲器[12]。4.2地址分配及接線方法4.2.1地址的分配與一般存儲關(guān)系不同，8031所支持的存儲系統(tǒng)其程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器獨立編址。因此,EPROM和RAM的地址分配較自由，不必考慮是否發(fā)生沖突。由于8031復(fù)位后從0000H單元開始執(zhí)行程序，故程序存儲器地址應(yīng)從0000H就開始。在這里只用EPROM，地址為0000H-1FFFH，擴展RAM與I/O口及外圍設(shè)備實行統(tǒng)一編址[14]。4.2.28031的連接方式（1）地址總線將與EPROM的一一對應(yīng)連接。與RAM的一一對應(yīng)連接，其余地址經(jīng)譯碼產(chǎn)生片選信號。（2）數(shù)據(jù)總線將與存儲器的一一對應(yīng)連接。4.3接口電路的設(shè)計圖4-1單片機和PC機的串行通信接口串行通信是CPU與外界交換信息的一種基本通信方式。單片機用語數(shù)據(jù)采集時，往往作為前端機安裝在工業(yè)現(xiàn)場，遠離主機，現(xiàn)場必須采用串行通信方式發(fā)往主機進行處理，以降低通信成本，提高通信可靠性。5-1系列單片機自身有兩個的異步通信接口，實現(xiàn)串行通信很是方便。單片機和PC的串行通信接口電路圖如圖（6-9）圖中MAX232完成TTL-EIA的電平轉(zhuǎn)換。在PC機內(nèi)接有PC16550（和8250兼容）串行接口、EIA-TTL的電平轉(zhuǎn)換和RS-232C連接器，除鼠標占用一個串行口以外，還留有兩個串行口給用戶，這就是COM1（地址3F8H~~3FFH）和COM2（地址2F8H~~2FFH），通過這兩個口，可以連接MODEM和電話線互聯(lián)網(wǎng)，也可以連接其他通信設(shè)備，如單片機、仿真機等。8155的內(nèi)部RAM和I/O的選擇由引腳IO/控制，當(dāng)IO/=0時，CPU訪問RAM,RAM的低8位編制為：00H~FFH；、IO/+1時，CPU訪問IO口，其低8位編址見教材的真值表，8155的工作方式選擇通過對8155內(nèi)部命令，寄存器通過設(shè)定控制命令來實現(xiàn)。8155具有兩種基本操作，即用8155中的256字節(jié)RAM及擴展I/O口適用，當(dāng)RAM與系統(tǒng)RAM無區(qū)別：作I/O口使用時，可通過工作方式以滿足不同需要。8155與一個狀態(tài)寄存器，鎖存I/O口和定時器的當(dāng)前狀態(tài)，使CPU查詢用。狀態(tài)寄存器和命令寄存器公用一個地址，只能讀入，不能寫入。CPU讀地址時，作狀態(tài)寄存器，讀出時是當(dāng)前I/O口和定時器的狀態(tài)，而寫時則作為命令急促請你寫入命令。4.4控制系統(tǒng)程序編譯4.4.1數(shù)控的插補方法在CNC數(shù)控機床上，各種輪廓的加工都是通過插補計算實現(xiàn)的，插補計算的任務(wù)就是對輪廓線的起點到終點之間再密集的計算出有限各坐標點，刀具沿著這些坐標點移動，來逼近理論輪廓[15]。插補方法可分兩大類：脈沖增量插補和數(shù)據(jù)采樣插補。脈沖增量插補是控制單個脈沖輸出規(guī)律的方法。每輸出一個脈沖，移動部件都要相應(yīng)的移動一段距離，這個距離叫脈沖當(dāng)量。脈沖增量插補通常用于步進電動機控制系統(tǒng)。4.4.2直線插補工作原理下面以逐點比較法來說明其工作原理。直線插補原理：加工如圖4-2所示的平面斜線AB，圖4-2平面斜線AB此斜線的方程為：=在第一象限插補時，若沿X方向走一步，則：若沿Y方向走一步，則：根據(jù)對線段加工方向的不同來判斷它所處的象限，如表4-1所示：表4-1象限判別象限方向第一象限第二象限第三象限第四象限＞0＜0＜0＞0＞0＞0＜0＜0X向的電動機正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)Y向的電動機正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)對于四個象限可公用如下判別式：沿X方向走一步，則：沿X方向走一步，則：4.4.3圓弧插補工作原理下面以逐點比較法來說明其工作原理。圓弧插補原理：在圖4-3中，AB是一段被加工圓弧。圖4-3圓弧AB點的判別式可寫成如下形式：沿+X方向走一步沿—X方向走一步沿+Y方向走一步沿—Y方向走一步在插補過程中不斷計算出的I和J的值，都是以圓心為原點的坐標系中的坐標值。根據(jù)給出的判別式的正負號與進給方向關(guān)系，和表4-2給出的象限和、符號的關(guān)系，可對四個象限的順逆圓弧加工編寫出插補程序。逐點比較法圓弧插補的終點，可根據(jù)圓弧終點對圓心坐標值判定。當(dāng)滿足條件、符號的時，就達到了終點。表4-2象限判別第一象限第二象限第三象限第四象限+--+++--X向電動機順圓++--逆圓--++Y向電動機順圓-++-逆圓+--+4.5自動換刀程序設(shè)計自動換刀程序要根據(jù)換刀電機的控制電路設(shè)計，各種經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中，其換刀電機控制電路的設(shè)計思想上基本相同的，都是采用一個出口的二位信號線分別控制電機正，反轉(zhuǎn)，用一個輸出入口的二位信號線分別檢測電機正，反轉(zhuǎn)時換刀到位和壓緊狀態(tài)。其程序設(shè)計如下：ZDHD:PUSHAEPUSHBCPUSHDE………