經(jīng)濟型數(shù)控車床橫向伺服單元設(shè)計,經(jīng)濟型數(shù)控車床橫向伺服單元設(shè)計,經(jīng)濟型,數(shù)控車床,橫向,伺服,單元,設(shè)計 （設(shè) 計） 論文題目：經(jīng)濟型數(shù)控車床橫向伺服單元設(shè)計 學(xué) 部 專 業(yè) 姓 名 學(xué) 號 班 級 指導(dǎo)教師 答辯日期 評語（一） 姓名 學(xué)號 專業(yè) 班級 總 成績 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目：經(jīng)濟型數(shù)控車床橫向伺服單元設(shè)計 答 辯 委 員 會 評 語 答辯成績 主任簽字： 年 月 日 答辯委員會成員簽字 評語（二） 姓名 學(xué)號 專業(yè)班級 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目：經(jīng)濟型數(shù)控車床橫向伺服單元設(shè)計 指 導(dǎo) 教 師 評 語 指導(dǎo)教師成績 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 評語（三） 姓名 學(xué)號 專業(yè)班級 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目：經(jīng)濟型數(shù)控車床橫向伺服單元設(shè)計 評 閱 教 師 評 語 評閱教師成績 評閱教師簽字： 年 月 日 任務(wù)書 姓名 學(xué)號 專業(yè)班級 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目：經(jīng)濟型數(shù)控車床橫向伺服單元設(shè)計 畢業(yè)論文（設(shè)計）的立題依據(jù) 課題來源于實際工程應(yīng)用 主要內(nèi)容及要求 1、查閱資料； 2、數(shù)控車床橫向伺服單元結(jié)構(gòu)方案選擇； 3、數(shù)控車床橫向伺服單元結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計計算； 4、數(shù)控車床橫向伺服單元裝配圖繪制； 5、橫向伺服單元關(guān)鍵零件圖繪制； 6、撰寫論文、準(zhǔn)備答辯。 進度安排 3月1日—3月14日 查閱資料； 3月15日—3月20日 數(shù)控車床橫向伺服單元結(jié)構(gòu)方案選擇； 3月21日—3月28日 數(shù)控車床橫向伺服單元結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計計算； 3月29日—4月18日 數(shù)控車床橫向伺服單元裝配圖繪制； 4月19日—5月5日 橫向伺服單元關(guān)鍵零件圖繪制； 5月6日—5月14日 撰寫論文、準(zhǔn)備答辯。 學(xué)生簽字： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 經(jīng)濟型數(shù)控車床橫向伺服單元設(shè)計 摘 要 本文主要是對普通機床的橫向伺服進給系統(tǒng)進行設(shè)計，在合理選擇數(shù)控系統(tǒng)的前提下，然后對普通車床的橫向進給系統(tǒng)進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，在此基礎(chǔ)上設(shè)計結(jié)構(gòu)的控制電路圖，最后檢查設(shè)計成果。設(shè)計的內(nèi)容主要包括： (1) 床身的設(shè)計，為使重新設(shè)計后的機床有較好的精度保持性，除盡可能地減少電器和機械故障的同時，應(yīng)充分考慮機床零部件的耐磨性，尤其是機床導(dǎo)軌。為此，論文中采用舊床身淬火并貼膜。 (2) 拖板的設(shè)計，拖板是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對象，所以對其設(shè)計尤顯重要。這中間最突出一點就是拆除光桿，絲杠，選用滾珠絲杠代替絲杠，提高了傳動的靈敏性和降低功率步進電機力矩損失，在拖板的一端裝配上步進電機。 (3) 變速箱體的安裝，由于在拖板的一端裝配上伺服電機，所以要對輸入和輸出軸以及減速齒輪進行設(shè)計，裝配上變速箱體。 (4) 設(shè)計系統(tǒng)電路圖，在機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計基礎(chǔ)上，設(shè)計出由單片機控制的電路圖，實現(xiàn)機械的自動化功能。 上述設(shè)計完成后，進行典型零件的加工，以檢驗設(shè)計成果。 關(guān)鍵詞：經(jīng)濟型；數(shù)控車床；橫向伺服單元 - 31 - Design the Horizontal Servo Unit of Economic CNC Lathe Abstract This article is designed for horizontal servo feed system of general machine tools. Under the premise of NC system in a reasonable choice, and then design machinery to the ordinary lathe horizontal feed system, on this basis, design the control circuit of this structure. Final inspect the results of this design. The main content of design is: (1)The design of bed, to enable the re-design of a machine to maintain the better accuracy, in addition to the extent possible, to reduce electrical and mechanical failure, at the same time, should take full account of the wear-resistance machine parts, in particular the machine tool. To this end, the paper uses the old bed quenching and transfer coating of splitting. (2)The design of extension units，NC system extension units is the direct control of the object，therefore, its design is particularly important. The most prominent is removed rod, screw, the choice of ball screw instead of screw，enhance the transmission of sensitive and reduce the power loss stepper motor torque，in the end extension units on the stepper motor assembly. (3)The install of Transmission，install the stepper motor on the end of the extension units，therefore, to the input and output shaft and the slowdown gear design，install gearbox. (4)Design system schematics, on the basis of the mechanical structure, designed the circuit by the MCU control, and Implement automation of the machinery. Upon completion of machinery structural design, typical components of the processing, designed to test results process typical component to test the design results. Keywords：economic；CNC lathes；horizontal servo unit 目　　錄 摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ Abstract……………………………………………………………………………………Ⅱ 第1章 緒論……………………………………………………………………………………1 1.1課題背景及目的……………………………………………………………………1 1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢…………………………………………………………2 第2章 設(shè)計任務(wù)和設(shè)計方案的確定…………………………………………………………6 2.1設(shè)計任務(wù)…………………………………………………………………………6 2.2總方案的確定…………………………………………………………………………6 第3章 機械設(shè)計計算及機構(gòu)設(shè)計說明………………………………………………………7 3.1橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計…………………………………………………………………7 3.2橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算……………………………………………………………7 3.2.1系統(tǒng)脈沖當(dāng)量及切削力的確定……………………………………………………7 3.2.2切削力的計算（橫車外圓）…………………………………………………………8 3.2.3滾珠絲杠的設(shè)計、計算和選型………………………………………………………9 3.2.4進給伺服系統(tǒng)傳動計算 …………………………………………………………11 3.2.5步進電機的選用 …………………………………………………………………12 第4章 機械設(shè)計計算及機構(gòu)設(shè)計說明……………………………………………………16 4.1微機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計…………………………………………………………16 4.2單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計………………………………………………………………17 4.2.1主要技術(shù)特性及硬件配置…………………………………………………………17 4.2.2存儲器擴展電路設(shè)計 ……………………………………………………………19 4.2.3 I/O口接口電路設(shè)計 …………………………………………………………… 22 4.2.4輔助電路設(shè)計 ……………………………………………………………………23 4.2.5微機控制系統(tǒng)電路原理圖 ………………………………………………………25 第5章 數(shù)控車床的加工程序編制………………………………………………………27 5.1經(jīng)濟型數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)的程序編制說明…………………………………………27 5.1.1概述…………………………………………………………………………………27 5.1.2編碼本系統(tǒng)用到如下數(shù)字、字母和符號…………………………………………27 5.2加工說明及工藝路線設(shè)計……………………………………………………………27 5.3零件加工工序…………………………………………………………………………28 結(jié)論 ………………………………………………………………………………………30 參考文獻…………………………………………………………………………………31 附錄………………………………………………………………………………………32 致謝………………………………………………………………………………………51 經(jīng)濟型數(shù)控車床橫向伺服單元設(shè)計 第1章 緒 論 1.1 課題背景及目的 我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的數(shù)控化率僅為6％。這些機床中,役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品國內(nèi)、外市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的生存和發(fā)展。而相對于傳統(tǒng)機床，數(shù)控機床有以下明顯的優(yōu)越性： 1. 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 2. 可以實現(xiàn)加工的柔性自動化，從而效率比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。 3. 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 4. 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 5. 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，可實現(xiàn)長時間無人看管加工，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 基于經(jīng)濟型數(shù)控車床的設(shè)計，就是在普通機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。隨著數(shù)控機床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機床的技術(shù)經(jīng)濟效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，普通機床的微機數(shù)控化設(shè)計已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機床，并取得了良好的經(jīng)濟效益。我國經(jīng)濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù)控機床，而我國的舊機床很多，用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國的國情。同時，還可以作為全功能數(shù)控機床應(yīng)用準(zhǔn)備階段，而且也是實現(xiàn)我國由傳統(tǒng)的機械制造技術(shù)朝機電一體化技術(shù)的方向過渡的主要內(nèi)容[11]。 因此，在這樣一種背景下，我的課題選擇為基于經(jīng)濟型數(shù)控車床橫向伺服單元設(shè)計——對CA6140普通車床橫向伺服單元進行設(shè)計，是MCS-51系列單片機控制的，采用先進的步進電機開環(huán)控制，橫向具有圓弧和直線插補功能，具有切削螺紋的功能。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 自從1951年計算機技術(shù)應(yīng)用于機床上，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控（NC）和計算機數(shù)控（CNC）兩個階段的發(fā)展。目前，數(shù)控系統(tǒng)正處于第六代――基于PC（PC－BASED）。未來數(shù)控系統(tǒng)將呈以下發(fā)展趨勢： (1)繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。 (2)向高速化個高精度化發(fā)展 (3)繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 ①應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)向高速化和高精度化發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。 ②引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 ③引入故障診斷專家系統(tǒng)。 ④引入動裝置智能化數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)可以通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。 2.我國數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 (1)研究現(xiàn)狀 我國數(shù)控車床從20世紀70年代初進入市場，至今通過各大機床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機床廠家的合作、合資、技術(shù)引進、樣機消化吸收等措施，使得我國的機床制造水平有了很大的提高，其產(chǎn)量在金屬切削機床中占有較大的比例。目前，國產(chǎn)數(shù)控車床的品種、規(guī)格較為齊全，質(zhì)量基本穩(wěn)定可靠，已進入實用和全面發(fā)展階段[2]。 ①床身:按照床身導(dǎo)軌面與水平面的相對位置，床身有圖1所示的5種布局形式。一般來說，中、小規(guī)格的數(shù)控車床采用斜床身和平床身斜滑板的居多，只有大型數(shù)控車床或小型精密數(shù)控車床才采用平床身，立床身采用的較少。平床身工藝性好，易于加工制造。由于刀架水平放置，對提高刀架的運動精度有好處，但排屑困難；刀架橫滑板較長，加大了機床的寬度尺寸，影響外觀。平床身斜滑板結(jié)構(gòu)，再配置上傾斜的導(dǎo)軌防護罩，這樣既保持了平床身工藝性好的優(yōu)點，床身寬度也不會太大。斜床身和平床身斜滑板結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代數(shù)控車床中被廣泛應(yīng)用，是因為這種布局形式具有以下特點： a.容易實現(xiàn)機電一體化； b.機床外形整齊、美觀，占地面積?。? c.容易設(shè)置封閉式防護裝置； d.容易排屑和安裝自動排屑器； e.從工件上切下的熾熱切屑不至于堆積在導(dǎo)軌上影響導(dǎo)軌精度； f.宜人性好，便于操作； g.便于安裝機械手，實現(xiàn)單機自動化。 ②導(dǎo)軌: 車床的導(dǎo)軌可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌兩種。滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點。但傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導(dǎo)軌和新型塑料滑動導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點。 滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點是摩擦系數(shù)小，動、靜摩擦系數(shù)很接近，不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，可以使用油脂潤滑。根據(jù)滾動體的不同，滾動導(dǎo)軌可分為滾珠直線導(dǎo)軌和滾柱直線導(dǎo)軌。后者的承載能力和剛度都比前者高，但摩擦系數(shù)略大[5]。 ?????? a)后斜床身-斜滑板 b)直立床身-直立滑板 ? ? c)平床身-平滑板 d)前斜床身-平滑板 e)平床身-斜滑板 圖1-1 床身布局型式 ③主軸變速系統(tǒng) 經(jīng)濟型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，全功能數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機，通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。 ④刀架系統(tǒng) 按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主?；剞D(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來實現(xiàn)機床的自動換刀動作，根據(jù)加工要求可設(shè)計成四方、六方刀架或圓盤式刀架。根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對位置，回轉(zhuǎn)刀架分為立式刀架和臥式刀架兩種。排刀式刀架和回轉(zhuǎn)刀架對刀具的數(shù)目有一定的限制，當(dāng)需要數(shù)量較多的刀具時，應(yīng)采用帶刀庫的自動換刀裝置。 ⑤進給傳動系統(tǒng) 數(shù)控車床的進給傳動系統(tǒng)一般均采用進給伺服系統(tǒng)，按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。前者定位精度低，但它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉；后者控制精度高、快速性能好，但它對機床的要求比較高，且造價較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數(shù)控車床的進給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動裝置是伺服電機。伺服電機有直流伺服電機和交流伺服電機之分。前者由于具有可靠性高、造價低等特點而被廣泛采用。 (2)發(fā)展趨勢 ①高速、高精密化 當(dāng)前機床正向高速切削、干切削和準(zhǔn)干切削方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線電機的成功應(yīng)用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導(dǎo)程空心內(nèi)冷和滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導(dǎo)軌副等機床功能部件的面市，也為機床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。 ②高可靠性 ③數(shù)控車床設(shè)計CAD化、結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊化 采用CAD技術(shù)以替代人工完成繁瑣的繪圖工作，進行設(shè)計方案選擇和大件整機的靜、動態(tài)特性分析、計算、預(yù)測及優(yōu)化設(shè)計，以及對整機各工作部件進行動態(tài)模擬仿真。這樣大大提高了工作效率，提高設(shè)計的一次成功率，從而縮短試制周期，降低設(shè)計成本，提高市場競爭能力。 ④功能復(fù)合化 擴大機床的使用范圍、提高效率，實現(xiàn)一機多用、一機多能，即一臺數(shù)控車床既可以實現(xiàn)車削功能，也可以實現(xiàn)銑削加工[2]。 第2章 設(shè)計任務(wù)和設(shè)計方案的確定 2.1設(shè)計任務(wù) 對經(jīng)濟型數(shù)控車床橫向伺服單元進行設(shè)計，就是對普通車床進行數(shù)控化改造。選擇CA6140普通車床進行數(shù)控化設(shè)計，利用MCS-51系列單片機對車床橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，要求車床具有切削螺紋的功能，在橫向具有直線和圓弧插補的功能，橫向脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠。 2.2總方案的確定 1.系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于設(shè)計是基于經(jīng)濟型數(shù)控車床，所以在考慮具體方案是，原則是在滿足使用要求的情況下，對機床改動盡量少，以降低成本。由于重新設(shè)計后的經(jīng)濟型數(shù)控車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能，所以應(yīng)該選用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到經(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位數(shù)微機。由于MCS—51系列單片機的特點之一是硬件設(shè)計簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，功能強，速度快，抗干擾能力強，具有很強的性價比。對于簡單的應(yīng)用場合，MCS—51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片8031外擴一片EPROM就能滿足功能的要求，對于復(fù)雜的應(yīng)用場合，可以利用MCS—51的擴展功能，構(gòu)成功能強、規(guī)模較大的系統(tǒng)。所以應(yīng)選用8031單片機。 3.機械傳動方式 為了實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠。為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負載荷的結(jié)構(gòu)。傳動齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 第3章 機械設(shè)計計算及機構(gòu)設(shè)計說明 3.1橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計 經(jīng)濟型數(shù)控車床橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計比較簡單，一般是用步進電機經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進電機和車床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高運動精度，如圖3－1所示。 圖3-1 設(shè)計方案示意圖 3.2橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 機械部分設(shè)計計算內(nèi)容包括確定系統(tǒng)的負載，確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運動部件慣量計算，空載起動及切削力矩計算，確定伺服電機，繪制機械裝配圖和零件工作圖等。已知條件： 工作臺 W=30kgf=300N 時間常數(shù) T=25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程 ＝ 4mm 左旋 行程 S＝190mm 脈沖當(dāng)量 ＝0.005mm/step 步距角 ＝0.75°/step 快速進給速度 ＝1 m/min 3.2.1系統(tǒng)脈沖當(dāng)量及切削力的確定 脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01~0.005mm/脈沖,根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量,橫向: 0.005mm/step 。 3.2.2切削力的計算（橫車外圓） 由《機床設(shè)計手冊》知[8]，切削功率 (3-1) 式中N－電機功率，機床說明書，N＝4KW； η－主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.6～0.7，取η＝0.65； K－進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為K＝0.96。 則： 又因為 式中v－切削線速度，取v＝100m/min。 主切削力 ＝＝1527.6N 由《金屬切削原理》可知，主切削力 (3-2) 查表得，＝1880MPa； ＝1，= 0.75，=1 則可計算如表3-1所示： 表3-1 FZ計算結(jié)果 aP 2 2 2 8 8 8 f 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 FZ 1125 1524 1891 1687 2287 2837 當(dāng)＝1520N時，切削深度＝2mm，走刀量f＝0.3mm。從《機床設(shè)計手冊》[8]中可知，在一般切削外圓時： ＝(0.1～0.6) = (0.15～0.7) 則橫向切削力 ＝0.5＝0.5×1527.6＝763.8N 在切斷工件時： ＝0.5＝ 381.9N[9] 3.2.3滾珠絲杠的設(shè)計、計算和選型 滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊，雙螺母螺紋式預(yù)緊，雙螺母齒差式預(yù)緊，單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過盈滾珠預(yù)緊等幾種。 3.2.3.1計算進給牽引力 作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切屑時的走刀抗力以及移動件的重量和切屑分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的形式有關(guān)。由于導(dǎo)軌為燕尾型導(dǎo)軌，則 =1.4×381.9+0.2× (763.8+300) =747.4N 式中: K— 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，燕尾型導(dǎo)軌取k=1.4; f′—在導(dǎo)軌上的當(dāng)量摩擦系數(shù):0.15～0.18; G— 溜板及刀架重力,取300N. 3.2.3.2計算最大動負載Q 選用滾珠絲杠副的直徑時，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即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載Q, 壽命值: (3-3) 取工件直徑D＝80mm，查表的 ＝15000h 最大動負載 根據(jù)最大動負載Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號。選擇系列，滾珠絲杠工程直徑為ф20mm，型號為左，其額定動負載5393N，所以強度足夠用。 3.2.3.3效率計算 η=＝＝＝0.956 式中：螺旋升角γ=，摩擦角φ＝。 3.2.3.4剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載Fm引起的導(dǎo)程的變化量: (3-5) ＝ ＝ 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略，即：，所以導(dǎo)程變形總誤差為 查表知E級精度絲杠允許得螺距誤差（1m長）為15 um/m，故剛度足夠[4]。 3.2.3.5穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端采用推力球軸承,不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象,不需作穩(wěn)定性校核。 3.2. 4 進給伺服系統(tǒng)傳動計算 3.2.4.1齒輪傳動比計算（橫向進給齒輪箱傳動比計算） 橫向進給脈沖當(dāng)量＝0.005mm/step,滾珠絲杠導(dǎo)程＝4mm,初選步進電機步距角α為,可計算出傳動比 i＝＝1.67 i＝＝ Z1＝30 ，Z2＝50, m＝2mm，b＝20mm，α＝ , d1＝60mm, d2＝100mm , da1 ＝62mm, da2＝102mm, a＝80mm 3.2.4.2轉(zhuǎn)動慣量計算 工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量： (3-6) 絲杠轉(zhuǎn)動慣量： 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： 電動機的轉(zhuǎn)動慣量很小可以忽略，因此，總的轉(zhuǎn)動慣量 ＝ ＝7.907 。 3.2.4.3所需轉(zhuǎn)動力矩計算 M0 所以，快速空載啟動所需轉(zhuǎn)矩 (3-7) ＝1.372＋0.028＋0.116＝1.516kgf?cm＝15.16N?cm 切削時所需力矩： ＝24.04 N?cm 快速進給時所需轉(zhuǎn)矩 ＝0.287＋0.116＝4.03 N?cm 從以上計算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生載快速啟動時，。 3.2.5步進電機的選用 3.2.5.1步進電機選用的原則 合理使用步進電機是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電機在整個系統(tǒng)中的實際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇。 1）步距角α步距角應(yīng)滿足： α≤ amini (3-8) 式中i－傳動比; －系統(tǒng)對步進電機所驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角。 2）精度 步進電機的精度可用步距誤差與積累誤差衡量。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用。所選用的步進電機應(yīng)滿足： △Q≦i〔△θ〕 (3-9) 式中△Q －步進電機的累積誤差； 〔△θ〕－系統(tǒng)對步進電機驅(qū)動部分允許的角度誤差。 3）轉(zhuǎn)矩 為了使步進電機正常的運行（不失步、不越步），正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮： a.啟動力矩 一般啟動力矩選取為： (3-10) 式中－電動機的啟動力矩； －電動機靜負載力矩。根據(jù)步進電機的相數(shù)和拍數(shù)，啟動力矩選取如表3-2所示。為步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩，是步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的，如表3-2所示。 表3-2 步進電機相數(shù)、拍數(shù)、啟動力矩表 運行 方式 相數(shù) 3 3 4 4 5 5 6 6 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 Mq/Mjm 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 表3-3 反應(yīng)式步進電機技術(shù)指標(biāo) 型號 步距角 最大轉(zhuǎn)矩 空載啟動頻率 運行頻率 相數(shù) 電壓 相電流 110BF003 0.75/1.5 800 N·cm 1500 step/s 7000 3 80 6A b.要求的運行頻率范圍內(nèi)，電動機運行力矩應(yīng)大于電動機的靜載力矩與電動機轉(zhuǎn)動慣量（包括負載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性力矩之和。 4）啟動頻率 由于步進電機的啟動頻率隨著負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率因滿足： (3-11) 式中 －極限啟動頻率； －要求步進電機最高啟動頻率。 3.2.5.2步進電機的選擇 電動機選用三相六拍工作方式。查表知： ＝0.866 所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩 步進電機最高工作頻率 選用110BF003型直流步進電機，能滿足使用要求[3]。 第4章 微機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 4.1微機控制的系統(tǒng)電路圖概述 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，直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運行。機床的數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由五部分組成。 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）和控制中線（CB） ③存儲器。包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫存儲器。 ④I/O輸入/輸出接口電路 ⑤外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。 其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進行數(shù)據(jù)運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)用程序和運行所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O接口是系統(tǒng)和外界進行信息交換的橋梁?？偩€則是CPU與存儲器、接口以及其他轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU與部分電路進行信息交換和通訊的必有之路。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖4-1。 圖4-1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 由于MCS－51系列單片機在我國機床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍，其配套芯片價廉，普及性、通用性強，制造和維修方便，完全可以滿足我國經(jīng)濟型數(shù)控改造的需要。所以選用MCS-51系列單片機為控制裝置。 4.2單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計 4.2.1主要技術(shù)特性及硬件配置 MCS—51系列單片機主要有三種型號的產(chǎn)品：8031、8051和8751。三種型號的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異。8031片內(nèi)無ROM，適用于需擴展ROM，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合，其價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。此次設(shè)計使用的是8031芯片。 ①8031單片機的基本特性： a. CPU為8位。 b. 16根地址總線（與I/O線共用）,可直接尋址64KB（64KB程序存 儲器，64KB外部數(shù)據(jù)存儲器）。 c. 32根并行I/O線（分為4個8位I/O口） d. I/O端口和片外存儲器統(tǒng)一編址，I/O尋址靈活。 e. 2個16位定時/計數(shù)器。 f. 片內(nèi)有128B。 g. 具有一個全雙工串行I/O。 h. 具有5個中斷源，配備了兩個中斷優(yōu)先級。 i. 內(nèi)部有時鐘振蕩器 j. 有一個一位布爾處理器，具有很強的布爾處理能力 ②8031芯片引腳功能 8031芯片具有40根引腳，功能分四類： a.電源線：2根。 ：編程和正常操作時的電源，接＋5V。 ：接電平。 b.晶振：2根。 ：振蕩器的方向放大器接入，使用外部振蕩器時必須接地。 ：振蕩器輸入的反向放大器輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入，當(dāng)使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號。 c. I/O口共有四個八位口，32根口線，功能如下： ⅰ.（）：是I/O端口0的引腳。端口0是一個8位漏極開路的雙向三態(tài)I/O端口。在存取外部存儲器時，該端口分時用作低8位的地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口（在此時內(nèi)部上拉電阻有效）。 ⅱ.：端口1的引腳，是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。 ⅲ. （）：端口2的引腳。端口2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址。 ⅳ.：端口3的引腳。端口3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，該口的每一位均可獨立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。 第一功能：作為通用I/0口。 第二功能如下所示： : RXD (串行輸入口); :?TXD (串行輸出); :? (外部中斷0輸入線); :? (外部中斷1輸入線); :? (定時/計數(shù)器0外部計數(shù)脈沖輸入線）; : (定時/計數(shù)器1外部計數(shù)脈沖輸入線); : (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通脈沖輸出線)； :?(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通脈沖輸出線); 由上看出，8031單片機不是將地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線分開，而是地址線、數(shù)據(jù)線和部分控制均由I/O口完成。 d.控制線 ⅰ.：程序存儲器的使能引腳，是外部程序存儲器的選通信號， 低電平有效。從外部程序存儲器取數(shù)時，在每個機器周期內(nèi)二次有效。 ⅱ. ：為高電平時，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。為低電平時，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲器的指令。因為8031芯片沒有內(nèi)部程序存儲器，所以必須接地。 ⅲ.ALE/：ALE是地址鎖存器使能信號。作為地址鎖存允許時高電平有效。因為端口是分時傳送數(shù)據(jù)和低8位地址。所以訪問外部存儲器時，ALE信號鎖存低8位地址。即使在不訪問外部存儲器時，也以1/6振蕩頻率的固定頻率產(chǎn)生ALE，因此可以用它作為外部的時鐘信號。ALE主要是提供一個定時信號，在從外部程序存儲器取指令時，把口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的地址鎖存器中。 ⅳ.RST/：是復(fù)位/備用電源端。在振蕩器運行時，使RST引腳至少保持兩個機器周期為高電平，可實現(xiàn)復(fù)位操作，復(fù)位后程序計數(shù)器清零，即程序從0000H單元開始執(zhí)行。在關(guān)斷前加上(掉電保護）RAM的內(nèi)容將不變[1]。 圖4-2 8031芯片引腳圖 4.2.2存儲器擴展電路設(shè)計 存儲器擴展電路設(shè)計應(yīng)該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展。在選擇程序存儲器芯片時，要考慮CPU和EPROM時序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。在存儲器擴展電路的設(shè)計中還應(yīng)包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計。 4.2.2.1外部程序存儲器的擴展 外部程序存儲器擴展時用作程序存儲器的器件是EPROM (紫外線擦除電可編程只讀存儲器) 和EEP2ROM (電擦除可編程只讀存儲器) ,常用EPROM。在這里使用EPROM芯片,掉電后信息不會丟失。EPROM芯片有2716(2K×8 位)、2732(4K×8位)、2764(8K×8位)、27128(16K×8 位)、27256(31K×8位)、27512(64K×8位)等,為了減少芯片組合數(shù)量,簡化擴展電路結(jié)構(gòu),擴展16KB的EPROM只需選用一片27128,但是,選用27128的擴展電路需要用到8031的引腳,這樣的話, 8031的引腳就不夠與3 - 8譯碼器相連,因此,擴展兩片2764芯片。 2764EPROM為28腳雙列直插式封裝, 為13根地址線,可尋址8KB; 為數(shù)據(jù)輸出線; 為片選線; 為數(shù)據(jù)輸出選通線; PGM是編程脈沖輸入端; 是編程電源; 是主電源。 圖4-3 8031擴展2764的連接圖 從圖中看出,接口時主要將2764的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線與8031的三總線對應(yīng)相連。2764的容量為8KB,有共13條地址線,其中接地址鎖存器的輸出, 接8031的～;2764的8條數(shù)據(jù)線直接連接到8031的～; 2764的輸出允許接8031的讀選通控制線。如果是擴展單片EPROM,其片選可接地,這里要擴展兩片2764,所以選用譯碼法進行擴展電路,即將片選端接到譯碼器的譯碼輸出端。這里選用74LS138譯碼器,它具有A、B、C三個譯碼輸入端,可組合成8種輸入狀態(tài); ～為八個譯碼輸出端,每個輸入端分別對應(yīng)8種輸入狀態(tài)中的一種。它還有三個譯碼輸出允許控制端、、,當(dāng)且僅當(dāng)譯碼輸出允許端、為低電平, 為高電平時,譯碼輸出端～中有且僅有一個輸出低電平,至于哪個譯碼輸出端輸出低電平,則由譯碼輸入端ABC編碼對應(yīng)的二進制決定。這里將片選端接譯碼器的和; A、B、C三個輸入端分別接到8031的、、。輸出端接到存儲器的片選端。、端接地, 端通過一個2KΩ的電阻接到+ 5V的電源上。這樣,就能保證、端為低電平, 端為高電平。又由于8031運行所需的程序指令來自2764