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1、 車床數(shù)控改造 目 錄 1．前言 5 1.1 概述 5 1.2 數(shù)控機床和數(shù)控技術(shù) 5 2．總體方案的設(shè)計 6 2.1 設(shè)計任務(wù)與要求 6 2.1.1 課程設(shè)計的目的 6 2.1.2 課程設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù) 6 2.1.3 課程設(shè)計的內(nèi)容 7 2.1.4 課程設(shè)計的要求 7 2.2 總體方案的設(shè)計 7 2.2.1 數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定 7 2.2.2 伺服進給系統(tǒng)的改造設(shè)計 7 2.2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 8 3．伺服進給系統(tǒng)的計算 8 3.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 9 3.2 切削力的計算 9 3.2.1 縱車外圓 9 3.2.2 橫切端

2、面 9 3.3 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 9 3.3.1 縱向進給絲杠 9 3.3.2 橫向進給絲杠 .12 3.3.3 縱向和橫向滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) .14 3.4 齒輪傳動比計算 .14 3.4.1 縱向進給齒輪箱傳動計算 .14 3.4.2 橫向進給齒輪箱傳動計算 .15 3.5 步進電動機的計算和選型 .15 3.5.1 縱向進給步進電動機計算 .15 3.5.2 橫向進給步進電動機的計算和選型 .18 4．微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 .18 4.1 微機控制系統(tǒng)硬件的選擇 .18 4.2 8255A可編程并行I/O口擴展芯片 .20 4.3 8255

3、端口的尋址 .22 結(jié) 論 ..22 參考文獻 .23 摘 要 機床作為機械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機技術(shù)的興起，促使機床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進行柔性自動化控制的新一代機床－數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。計算機的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化的理想手段。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。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)?？梢灶A(yù)料，今后，機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改

4、造將迅速發(fā)展和普及。 關(guān)鍵詞：機床, 數(shù)控機床, 伺服進給系統(tǒng), 單片機 1 前言 1.1 概述 整個人類社會的文明史，就是制造技術(shù)不斷演變和發(fā)展的歷史。任何國家的制造業(yè)都是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是國民經(jīng)濟的主要來源。沒有發(fā)達的制造業(yè)，就不可能有國家真正的繁榮和強大。制造技術(shù)是制造業(yè)的技術(shù)支柱，是一個國家科技水平、綜合國力的重要體現(xiàn)，制造技術(shù)的發(fā)展是一個國家經(jīng)濟增長的根本動力。而制造業(yè)中機床是其基礎(chǔ)裝備。我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機床的平均產(chǎn)值只有先進工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，急待改造。舊機床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在

5、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。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，機床的微機數(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。1984年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很

6、多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。可以預(yù)料，今后機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。 1.2 數(shù)控機床和數(shù)控技術(shù) 數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機床在當(dāng)今機械制造業(yè)中的重要地位和巨大效益，顯示了其在國家基礎(chǔ)工業(yè)現(xiàn)代化中的戰(zhàn)略性作用，并已成為傳統(tǒng)機械制造工業(yè)提升改造和實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的重要手段和標志。數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用，給機械制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品種類和檔次以及生產(chǎn)方式帶來了革命性的變化。數(shù)控機床是現(xiàn)代加工車間最重要的裝備。它的發(fā)展是信息技術(shù)(1T)與制造技術(shù)(MT)結(jié)合發(fā)展的結(jié)果?，F(xiàn)代的CAD/CAM、FMS、CIMS、敏捷制造和智能制造技術(shù)，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上的。掌握現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)

7、知識是現(xiàn)代機電類專業(yè)學(xué)生必不可少的。 在數(shù)控加工中，從零件的設(shè)計圖紙到零件成品合格交付，不僅要考慮到數(shù)控程序的編制，還要考慮到諸如零件加工工藝路線的安排、加工機床的選擇、切削刀具的選擇、零件加工中的定位裝夾等一系列因素的影響，在開始編程前，必須要對零件設(shè)計圖紙和技術(shù)要求進行詳細的數(shù)控加工工藝分析，以最終確定哪些是零件的技術(shù)關(guān)鍵，哪些是數(shù)控加工的難點，以及數(shù)控程序編制的難易程度。 零件的數(shù)控加工工藝分析是編制數(shù)控程序中最重要而又極其復(fù)雜的環(huán)節(jié)，也是數(shù)控加工工藝方案設(shè)計的核心工作，必須在數(shù)控加工方案制定前完成。一個合格的編程人員對數(shù)控機床及其控制系統(tǒng)的功能及特點，以及影響數(shù)控加工的每個環(huán)節(jié)都要

8、有一個清晰、全面的了解，這樣才能避免由于工藝方案考慮不周而可能出現(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量問題，造成無謂的人力、物力等資源的浪費。全面合理的數(shù)控加工工藝分析是提高數(shù)控編程質(zhì)量的重要保障。 數(shù)控車床是目前使用最廣泛的數(shù)控機床之一。數(shù)控車床主要用于加工軸類、盤類等回轉(zhuǎn)體零件。通過數(shù)控加工程序的運行，可自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、成形表面、螺紋和端面等工序的切削加工，并能進行車槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等工作。 車床數(shù)控改造 2 總體方案的擬定 2.1 設(shè)計任務(wù)與要求 2.1.1 課程設(shè)計的目的 課程設(shè)計 是一個實踐性很強的環(huán)節(jié),是諸多實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的最后一環(huán),是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、解決

9、生產(chǎn)實際問題能力的重要步驟。 機電一體化專業(yè)課程設(shè)計是以機電一體化的典型產(chǎn)品----數(shù)控機床的應(yīng)用與設(shè)計為主線,進行一次所學(xué)機、電知識有機結(jié)合的全面訓(xùn)練。從而培養(yǎng)學(xué)生具有加工編程能力、繪圖能力、機械傳動機構(gòu)設(shè)計計算能力以及分析和處理生產(chǎn)中所遇到的機、電方面技術(shù)問題的能力。 2.1.2 課程設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù) 用微機數(shù)控技術(shù)改造最大加工直徑為320毫米普通車床的進給系統(tǒng) 最大加工直徑（mm）： 在床身上： 320 在床鞍上： 175 最大加工長度（mm）：

10、 750 溜板及刀架重量（N）： 縱向： 800 橫向： 400 刀架快移速度（m/min）： 縱向： 2 橫向： 1 最大進給速度（m/min）： 縱向： 0.8

11、 橫向： 0.4 最小分辨率 （mm）： 縱向： 0.01 橫向： 0.005 定位精度（mm）： 0.02 主電機功率（KW）： 3 起動加速時間（ms）： 25 2.1.3 課程設(shè)計的內(nèi)容 1)、總體方案的選擇。 2)、進給伺服系統(tǒng)機械部分的設(shè)計計算并繪制Z向坐標軸的機械傳動機構(gòu)

12、的裝配圖。 3)、設(shè)計并繪制用單片機控制的數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的硬件電路原理圖。 4)、編寫設(shè)計說明書一份。 2.1.4 課程設(shè)計的要求 1)、CNC系統(tǒng)的主CPU 宜采用8031單片機。 2)、機械進給伺服系統(tǒng)宜采用混合式步進電機驅(qū)動。 3)、所編寫的零件加工程序應(yīng)符合 ISO 標準的有關(guān)規(guī)定。 4)、所繪制的機械裝配圖和硬件電路原理圖要求正確、合理、圖面整潔、符合標準。 5)、說明書應(yīng)簡明扼要、計算準確、條理清楚。 2.2 總體方案的設(shè)計 本設(shè)計是針對CA6140普通車床進行數(shù)控改造。利用微機對縱、橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制

13、，縱向（Z向）脈沖當(dāng)量為0.01mm、脈沖，橫向（X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，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架。 對于普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計方案時，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，對機床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。 2.2.1 數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定 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)、連續(xù)控制系統(tǒng)。由于要求CA6140車床加工復(fù)雜輪廓零件，所以微機數(shù)控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動連續(xù)控制系統(tǒng)。 2.2.2 伺服進給系統(tǒng)的改造設(shè)計 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)之分。因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控

14、制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。所以，本設(shè)計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 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)，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，軟件才能有效的運行。再設(shè)計的數(shù)控裝置中，CPU是關(guān)鍵。 在我國，普通機床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的事MCS-51系列單片機。主要是因為它的配套芯片便宜，普及型、通用性強。制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床的改造需要。本設(shè)計中世以MCS- 51系列單片機，51系列相對48系列指令豐富，相對96系列價格便宜。本設(shè)計以8031為核心，增加儲存器擴展電路

15、，接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。 CA6140車床的主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機床的功能，即手動變速。車床的縱向（Z軸）和橫向（X軸）進給運動采用步進電機驅(qū)動。由8031單片機組成微機作為數(shù)控裝置的核心，由I/O接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進電機轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)車床的縱向、橫向進給運動。刀架改成由微機控制的經(jīng)電機驅(qū)動的自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架。為保持切削螺紋的功能，必須安裝主軸脈沖發(fā)生器，為此采用主軸靠同步齒行帶使脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號：每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步信號，經(jīng)隔離電路以及I/O接口送給微機。系統(tǒng)總體方案圖2-1所示： 圖2-1

16、經(jīng)濟型數(shù)控機床總體方案總體 3 伺服進給系統(tǒng)的計算 機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計算,計算內(nèi)容包括:確定系統(tǒng)的負載,確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量,部分部件慣量計算,空栽啟動及切削刀矩計算,確定伺服電機轉(zhuǎn)動及導(dǎo)向元件的設(shè)計,計算及選用繪制部分裝配及零件工作圖等.現(xiàn)分述如下: 3.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 一個進給脈沖，使機床運動部件產(chǎn)生的位移量，稱為脈沖當(dāng)量，也稱為機床的最小設(shè)定單位。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)控機床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01-0.005mm一個脈沖。 3.2 切削力的計算 在設(shè)計機床進給伺服系統(tǒng)時，計算傳動和導(dǎo)向元件，選用伺服電動機等都需

17、要用到切削力。 3. 2.1 縱車外圓： 計算切削力F 主切削力： Fz=0.67Dmax1.5=0.673201.5=3835N 按切削力各分力比例： Fz：Fx：Fy =1：0.25：0.4 Fx=0.25Fz=0.253835=959N Fy =0.4Fz =0.43835=1534N G=800N 3. 2.2 橫切端面： 主切削力可取縱切的； =Fz= 3835=1918N 式（2-1） 此時走刀抗力

18、，吃刀抗力。 按照：：=1：0.25：0.4 計算：=19180.4=767N；=19180.25=480N 3.3 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 3.3.1 縱向進給絲杠 （1）、計算進給牽引力Fm 作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值的大小與導(dǎo)軌的型號有關(guān)。 縱向進給的綜合導(dǎo)軌 Fm =KFx +f′ (Fz +G)=1.15959+0.16(3835+800)=1844N 式（2-2） 式中K－考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15； f’－滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.15～0

19、.18，f’=0.16； G－溜板幾倒架重力：G=800N （2 ）、計算最大動負載C C=fwFm 式（2-3） 式（2-4） 式（2-5） 式中 L0－滾珠絲杠導(dǎo)程，初選L0=6mm; T－使用壽命，按15000h；

20、 fw－運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取fw=1.2～1.5； L-壽命，以106轉(zhuǎn)為1單位 =67min 式（2-6） =60 C=fwFm=1.21844=8663N 式（2-7） （3）、 滾珠絲杠杠螺母副的選型 查閱《數(shù)控設(shè)計》指導(dǎo)書附錄A表3，可采用W1L2506外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈,其額定動負載為13100N,精度等級按表4-15選為3級

21、. （4 ）、傳動效率計算 η== =0.95 式（2-8） 其中γ—螺旋升角W1L2506 γ=4o22′ （5）、剛度驗算 先畫此縱向進給滾珠絲杠杠支承方式如圖3-1所示，最大牽引力為1844N.支承間距L=1200mm.因絲杠長度較長,故需要預(yù)緊,螺母及軸承預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負載的1/3。 G L 圖3-1 縱向進給系統(tǒng)計算簡圖 1)、絲杠的拉伸或壓變形量δ1 查圖4—6根據(jù)F=1844N Do=25mm 查出8L/L=2.410-5 δ1=1200=2.410-51200=2.8810

22、-2mm 式（2-9） 由于兩端均采用向心推力球軸承,且絲杠又進行了預(yù)拉伸,故其拉壓剛度可以提高4倍.其實際變量δ(mm)為: δ1=δ1=0.7210-2 mm 2）、滾珠與螺紋滾道間接觸變形δ2 查圖4-7W,系列1列2.5圈滾珠與螺紋滾道間接觸變量δQ δQ=6.4μm 因進行了預(yù)緊,δ2=1/2δQ=1/26.4=3.2μm 3）、支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3 采用8107型推力球軸承，d1=35mm,滾動體直徑dQ=6.35mm,滾動體數(shù)量Z=18 δc=0.0024 =0.0024=0.0060mm 注意: 此公式中Fm單位應(yīng)

23、為kgf 考慮到施加預(yù)緊力,故δ3=1/2δC=1/20.0060=0.003mm 4）、根據(jù)此上計算 δ=δ1+δ2+δ3 =0.0072+0.0032+0.003 =0.0107mm<定位精度 5）、穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需要作穩(wěn)定性校核。 3.3.2 橫向進給絲杠 （1）、 計算進給牽引力 橫向?qū)к墳檠辔残?，計算如下? =1.4 +f(+2+G)=1.4767+0.2（1918+2480+400）≈1729N （2 ）、最大動負載C nt===40 L===36 C=fw=1

24、.21729=6851N （3 ）、滾珠絲杠杠螺母副的選型 查閱《數(shù)控設(shè)計》指導(dǎo)書附錄A表3，可采用W1L2505外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈,其額定動負載為9700N,精度等級按表4-15選為3級. （4）、 傳動效率計算 η== =0.94 其中r—螺旋升角W1L2506 λ=339′ φ┈摩擦角，滾珠絲杠螺母副的 滾動摩擦系數(shù)f=0.003~0.004,摩擦角取10′ （5）、剛度驗算 先畫此橫向進給滾珠絲杠杠支承方式如圖3-2所示，最大牽引力為1729N.支承間距L=400mm.因絲杠長度較長,故需要預(yù)緊,螺母及軸承預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸

25、向負載的1/3。 G L 圖3-2 橫向進給系統(tǒng)計算簡圖 1)、絲杠的拉伸或壓變形量δ1 查圖4-—6根據(jù)=1729N，Do=25mm 查出8L/L=2.210-5 δ1400=2.210-5400=8.810-3mm 2）、 滾珠與螺紋滾道間接觸變形δ2 查圖4-7W,系列1列2.5圈滾珠與螺紋滾道間接觸變量δQ δQ=6.4μm 因進行了預(yù)緊,δ2=1/2δQ=1/26.4=3.2μm 3）、支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3 采用8102型推力球軸承，d1=15 mm,滾動體直徑dQ=4.763 mm,滾動體數(shù)量Z= 12 δc

26、=0.0024 =0.0024=0.0084mm 注意: 此公式中Fm單位應(yīng)為kgf 考慮到施加預(yù)緊力,故δ3=1/2δC=1/20.0084=0.0042mm 4）、根據(jù)此上計算 δ=δ1+δ2+δ3 =0.0088+0.0032+0.0042 =0.0162mm<定位精度 5）、穩(wěn)定性校核 計算臨界負載FK（N） FK= 式中 E——材料彈性模量，鋼：E=20.6106N/cm2 I——截面慣性矩(cm4)絲杠：I=，d1為絲杠內(nèi)徑； L——絲杠兩支承端距離（cm）

27、 fz——絲杠支承方式系數(shù)，從表4-13中查出，一端固定，一端簡支fz =2.00 I== FK== nk==>>[ nk] (一般[nk]=2.5~4) 此滾珠絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。 3.3.3 縱向及橫向滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)： 其幾何參數(shù)如表3-1所示。 表3-1 W1L2506及W1L2505滾珠絲杠的幾何參數(shù) 名 稱 符號 W1L2506 W1L2505 螺 紋 滾 道 公稱直徑 d0 25 25 導(dǎo)程 L0 6 5 接觸角 β

28、 422′ 339′ 鋼珠直徑 dq 3.969 3.175 滾道法面半徑 R R=0.52 dq 2.064 1.651 偏心距 e e=(R- dq/2)sinβ 0.056 0.040 螺紋升角 γ γ=arctg(L0/) 422′ 339′ 螺 桿 螺桿外經(jīng) d d=d0-(0.2~0.25)dq 24.365 24.365 螺桿內(nèi)經(jīng) d1 d1= d0+2e-2R 21 21.778 螺桿接觸直徑 dz dz=d0-dqcosβ 21 21.831 螺 母 螺母螺紋直徑 D

29、D=d0-2e+2R 29 29 螺母內(nèi)經(jīng) D1 D1= d0+(0.2~0.25) dq 26 26 3.4齒輪傳動比計算 3.4.1 縱向進給齒輪箱傳動計算 已確定縱向脈沖當(dāng)量δP=0.01,滾動絲杠導(dǎo)程L0=6mm,初 選步進電動機步距角0.750,可計算也傳動比i： i==3600.01/0.756=0.8 可選定齒輪數(shù)i==或 故齒輪齒數(shù)為：Z1=32，Z2=40，或Z1=20，Z2=25 3.4.2 橫向進給齒輪箱傳動計算 已確定橫向脈沖當(dāng)量δP=0.005,滾動絲杠導(dǎo)程L0=5m

30、m,初 選步進電動機步距角0.750,可計算也傳動比i： i= =3600.005/0.755=0.48 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處采用兩級齒輪減速；24、40 i== 故齒輪齒數(shù)為：Z1=24，Z2=40，Z3=20 Z4=25 因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2，有關(guān)參數(shù)請參照表3-2。 表3-2 傳動齒輪幾何參數(shù) 齒 數(shù) 30 40 24 40 20 25 分度圓 d=mz 64 80 48 80 40 50 齒頂圓 da=d+2m 68 84 52 84

31、 44 54 齒根圓 df=d-21.25m 59 75 43 75 35 45 齒 寬 (6~10)m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=(d1+d 2)/2 72 64 45 3.5 步進電動機的計算和選型 3.5.1 縱向進給步進電動機計算 （1）、 計算步進電動機負載轉(zhuǎn)矩Tm 根據(jù)滾珠絲杠螺母副所承受的進給牽引力Fm計算步進電動機的負載轉(zhuǎn)矩Tm。 Tm= 式中 δP—脈沖當(dāng)量（mm/step） Fm—進給牽引力 δp—步進電動機的步距角（）

32、 η—電動機到絲杠的傳動效率，為齒輪，軸承和絲杠效率之積，分別為0.98，0.99，0.94。 （2）、 估算步進電動機啟動轉(zhuǎn)矩Tq 根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩Tm 除于一定的安全系數(shù)來估算步進電動機啟動轉(zhuǎn)矩Tq。 Tq= （3）、 計算最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax 查《數(shù)控指導(dǎo)書》表4-22，如取五相十拍時，則 Tjmax= （4）、 計算步進電機空載起動頻率和切削的工作效率 fk=Hz fe=Hz 式中 fk—步進電動機快速進給時的最大空載啟動頻率 fe—步進電動機切削時的最大工作頻率 vmax—運

33、動部件最大快速進給速度 vs—最大切削進給速度 δp—脈沖當(dāng)量 （5）、 初選步進電動機型號 根據(jù)最大靜負載轉(zhuǎn)矩Tjmax選步進電動機型號，查表4-23中查出130BF001型的最大靜負載轉(zhuǎn)矩 Tjmax=9.31N.m>Tjmax滿足要求，130BF001型步進電機允許的最高空載起動頻率為3000HZ運行頻率外16000HZ。 （6）、 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 計算簡圖見圖3-2。傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量(kg.cm2)可由下式計算： =Jm+J1+ [(J2+ Js)+] 其中：Jm ---步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量

34、 J1 J2---齒輪Z1 Z2轉(zhuǎn)動慣量 Js----滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣量 參考同類型機床，初選混合式步進電動機130BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量：Jm =4.7kg.cm2 J1=0.7810-3L1=0.7810-32=2.62kg.cm2 J2=0.7810-3L2=0.7810-3842=6.39 kg.cm2 Js= 0.7810-354120=58.5 kg.cm2 G=800N 代入公式： =Jm+J1+ [(J2+ Js)+] = =49.326kg.cm2 考慮步進電動機與傳動系統(tǒng)慣量匹配

35、問題 JM/JΣ=4.7/49.326=0.0953 基本滿足慣量匹配的要求 （7）、 電動機力矩的計算 機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算： 1）、快速空載起動力矩M起 M起= Mamax +Mf+M0 Mamax=JΣ.ε= = nmax= 將前面的數(shù)據(jù)代入式中各符號意義同前。 nmax===417r/min. 起動加速時間ta=30ms Mamax=JΣ.ε= = = =717.63N.cm 折算到電動機軸上的摩擦力矩Mf: Mf=N.cm 一般取η=0.7~0.85 附加摩擦力矩M0： 上述三項合計：

36、 M起= Mamax+Mf+M0=717.63+70.85+111.58=900N.cm 2)、快速移動時所需要力矩M快： M快= Mf+ M0 =70.85+111.58 =182.43N.cm 最大切削負載時所需力矩M切： M切=Mf+M0+Mt=Mf+ M0+=70.85+111.58+ =70.85+111.58+91.62=274N.cm 最大靜力矩Mjmax=900/0.951=946N.cm 大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動短頻特性和運行矩頻特性。 從表中查出130BF001型步進電機允許的最高空載起動頻率為3000HZ運行頻

37、率外16000HZ，在從圖4-18查出130BF001型步進電機起動矩頻率特性曲線如圖1-3所示。從圖1-3a看出，當(dāng)步進電機起動時f起=2000HZ，M=100N.cm遠遠滿足此機床所要求的空載起動力矩（900N.cm）直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（用軟件來實現(xiàn)）將起動頻率降到1000HZ時，起動力矩可增高到588.1N.cm然后在電路上再高低壓驅(qū)動電路還可將步進電動機輸出力矩擴大一倍左右。 3.5.2 橫向進給步進電動機的計算和選型 橫向進給步進電動機的計算和選型與縱向進給的相同，經(jīng)過計算橫向進給步進電動機選用110BF003型。 4 微機數(shù)

38、控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 4.1 微機控制系統(tǒng)硬件的選擇 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)，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，軟件才能有效的運行。再設(shè)計的數(shù)控裝置中，CPU是關(guān)鍵。 在我國，普通機床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的事MCS-51系列單片機。主要是因為它的配套芯片便宜，普及型、通用性強。制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床的改造需要。本設(shè)計中世以MCS- 51系列單片機，51系列相對48系列指令豐富，相對96系列價格便宜。本設(shè)計以8031為核心，增加儲存器擴展電路，接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。 CA6140車床的主軸轉(zhuǎn)速部分保

39、留原機床的功能，即手動變速。車床的縱向（Z軸）和橫向（X軸）進給運動采用步進電機驅(qū)動。由8031單片機組成微機作為數(shù)控裝置的核心，由I/O接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進電機轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)車床的縱向、橫向進給運動。刀架改成由微機控制的經(jīng)電機驅(qū)動的自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架。為保持切削螺紋的功能，必須安裝主軸脈沖發(fā)生器，為此采用主軸靠同步齒行帶使脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號：每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步信號，經(jīng)隔離電路以及I/O接口送給微機。 本系統(tǒng)選用8031CPU作為數(shù)控系統(tǒng)的中央處理機。外界2764EPROM，作為監(jiān)控程序的程序存儲器和存放常用零件的

40、加工程序。再選用一片6264RAM用于存放需要隨機修改的零件程序、工作參數(shù)。采用譯碼法對擴展芯片進行尋址，采用74LS138譯碼器完成此功能。8279作為系統(tǒng)出入輸出口擴展，分別接鍵盤的出入、輸出顯示，8255接步進電機的環(huán)形分配器，分別并行控制X和Z軸的步進電機。另外，還要考慮機床與單片機之間的光電隔離，功率放大電路等。各引腳功能簡要介紹如下： 4.1.1源引腳 Vss：電源接地端。 Vcc：+5v電源端。 4.1.2輸入/輸出（I/O）口線 圖4-1 8031 8031單片機有P0、P1、P3、P4四個端口

41、，每個端口8根I/O線。當(dāng)系統(tǒng)擴展外部存儲器時，P0口用來輸出低8為并行數(shù)據(jù)，P2口用來輸出高8為地址，P3口除可作為一個8位準雙向并行口外，還具有第二功能。 在進行第二功能操作前，對第二功能的輸出鎖存器必須由程序置1。 4.1.3信號控制線 RST/VPD：RST為復(fù)位信號線輸入引腳，在時鐘電路工作以后，該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平，完成一次復(fù)位操作。 Vpp：當(dāng)EA為高電平且PC值小于0FFFH時CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的程序。當(dāng)EA為低電平時，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲器中的程序。 XTAL1:振蕩器的反相放大器輸入，使用外部震蕩器時必須接地； XTAL2:振蕩器的反

42、響放大器輸出，使用外部振蕩器時，接受外圍震蕩信號； 4.2 8255A可編程并行I/O口擴展芯片 8255A可編程并行I/O口擴展芯片可以直接與MCS系列單片機系統(tǒng)總線連接，它具有三個8位的并行I/O口，具有三種工作方式，通過編程能夠方便地采用無條件傳送、查詢傳送、中斷傳送方式完成CPU與外圍設(shè)備之間的信息交換。8255A的結(jié)構(gòu)及引腳功能： 4.2.1 8255的結(jié)構(gòu) 8255的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括三個8為并行數(shù)據(jù)I/O口，兩個工作方式控制電路，一個讀寫控制邏輯電路和一個8位數(shù)據(jù)總線緩沖器，各部 分功能介紹如圖4-2所示： 三個8位并行I/O口A、B、C A口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖

43、存/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器，可編程為8位輸入、或8位輸出、或8位雙向寄存器。B口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩存器和一個8位輸入或輸出寄存器，但不能雙向輸入/輸出。C口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩存器和一個8位輸入緩沖器，C口可分為兩個4位口，用于輸入或輸出，也可作為A口和B口選通方式工作時的狀態(tài)控制信號。 4.2.2 工作方式控制電路 A、B兩組控制電路把三個端口分別分成A、B兩組，A組控制A口各位和C口高四位，B組控制B口各位和C口低四位。兩組控制電路各有一個控制命令寄存器，用來接收由CPU寫入的控制字，以決定兩組端口的工作方式。也可根據(jù)控制字的要求對C口按位清0或置1。

44、 4.2.3 讀/寫邏輯電路 他接受來自CPU的地址信號及一些控制信號，控制各個口德工作狀態(tài)。 圖4-2 8255引腳圖 4.2.4 數(shù)據(jù)總線緩沖器 它是一個三態(tài)雙向緩沖器，用于和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中線直接相連，以實現(xiàn)CPU和8255之間信息的傳送，如圖 4-3所示。 4.2.5 引腳功能 8255為雙列直插式40引腳封裝芯片。 D7-D0三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，與單片機數(shù)據(jù)總線連接，用來傳送數(shù)據(jù)信息。 PA7-PA0、PB7-PB0及PC7-PC0 A口、B口及C口的輸入/輸出線。 CS片選信號線，低電平有效。 RD讀出信號線，低電平有效。

45、 WR寫入信號線，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的寫入。 A1、A0端口選擇信號，用來尋址控制端口和I/O端口。 RESET復(fù)位信號線，高電平有效。有效時，控制寄存器的內(nèi)部都被清零，三個I/O端口都被置成輸入方式。 Vcc+5V電源。 GND接地。 4.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計 1.系統(tǒng)管理程序 2.零件加工源程序的出入處理命令 3.插補程序 4.伺服控制程序 5.診斷程序 6.機床的自動加工機手動控制程序 7.鍵盤操作和顯示處理程序 數(shù)控機床的進給速度與加工精度、表面光潔度和生產(chǎn)率有密切關(guān)系。要就進給速度穩(wěn)定、有一定的調(diào)節(jié)范圍、啟動快、停車準。在CNC系統(tǒng)中，可用軟件或

46、軟件與接口配合實現(xiàn)進給速度的控制。常見的方法有程序計時法、時鐘中斷法及V/積分器法等。在這里選用時鐘中斷法。時鐘中斷法只要求一種時鐘頻率，用軟件控制每個時鐘周期內(nèi)的插補次數(shù)，以達到控制速度的目的，進給速度可以每分鐘毫米給定。時鐘頻率選擇：根據(jù)最插補進給速度要求，并結(jié)合計算機換算方式，可取一特殊的F（mm/min），使該速度下每個時鐘周期進行一次插補。 輸入處理程序的任務(wù)是接收用戶的零件加工程序，并將它轉(zhuǎn)換為便于在加工過程中處理的數(shù)據(jù)形式。這樣，在加工過程中只做實時性強的插補運算和控制調(diào)節(jié)等工作，從而提高系統(tǒng)的速度和精度。 輸入處理程序的任務(wù)是接收用戶的零件加工程序，并將它裝換便于在加工過程

47、中處理的數(shù)據(jù)形式。這樣，在加工過程中只要做實時性強的插補運算和控制調(diào)節(jié)等工作，從而提高系統(tǒng)的速度和精度。 輸入處理程序?qū)?shù)控程序有鍵盤輸入，逐行存入內(nèi)存中。這個存儲區(qū)叫源程序區(qū)，一個字母存于一個字節(jié)中，每一個數(shù)都占一個字節(jié)。在加工時，控制軟件將數(shù)控語句從N到LF將程序段讀入到控制軟件的工作區(qū)，工作區(qū)內(nèi)各單元都對應(yīng)一個代碼和坐標單元，并且在讀入程序過程中對數(shù)據(jù)進行十翻二處理。 結(jié) 論 論文介紹了經(jīng)濟型數(shù)控車床改造的內(nèi)容，在此過程中我不僅運用了以前所學(xué)的各個學(xué)科方面的知識，而且學(xué)到了課本以外的知識。在此次設(shè)計過程中遇到了不少問題，也走了不少彎路，通過此次設(shè)計實踐讓我學(xué)會虛心求教，細心體察

48、，大膽實踐。任何能力都是在實踐中積累起來的，都會有一個從不會到會，從不熟練到熟練的過程，人常說“生活是最好的老師”就是說只有在生活實踐中不斷磨練，才能提高獨立思考和解決問題的能力；同時也培養(yǎng)了自己優(yōu)良的學(xué)風(fēng)、高尚的人生、團結(jié)和合作的精神；學(xué)會了勤奮、求實的學(xué)習(xí)態(tài)度。 勤奮就是要發(fā)奮努力、不畏艱難。唐代思想家韓愈有句名言：業(yè)精于勤，荒于嬉；行成于思，毀于隨。優(yōu)良的學(xué)業(yè)是辛勤汗水的結(jié)晶，成就只有通過刻苦的學(xué)習(xí)和拼搏才能獲得。馬克思說過：“在科學(xué)上沒有平坦的大道，只有不畏勞苦沿著陡峭山路攀登的人，才有希望達到光輝的頂點?！鼻髮嵕褪悄_踏實地，求真務(wù)實，謙虛謹慎、介驕介躁、對知識的掌握要弄通弄懂，對技術(shù)

49、的掌握要嚴守規(guī)范、嚴謹細致、精益求精。一個人的力量是有限的，團結(jié)合作的力量是無窮的，通過對各個設(shè)計環(huán)節(jié)的確定讓我明白：一粒沙雖小，但無數(shù)粒卻能匯成無限的沙漠；水滴雖小，卻你匯成遼闊的海洋；你的一個思想、一個方法，他的一個思想和方法，相互交流互換就有了兩個思想和方法，當(dāng)今社會競爭日益激烈，而我們現(xiàn)在就應(yīng)該學(xué)會與他人合作。 當(dāng)然，在設(shè)計實踐過程中，我們也收獲了快樂、與同學(xué)的快樂、與老師的快樂。因為每當(dāng)自己或自己和同學(xué)完成了此次設(shè)計時，或多或少有些欣慰，會感到開心，同時和老師的交流也是一種快樂。雖然設(shè)計的時間和水平有限，但對我今后的學(xué)習(xí)有很大幫助。這只是起點，終點離我們還有一定的距離，所以

50、還是需要我們繼續(xù)努力去走以后的路。而我們要把握好每一次的機會，錯過了就再也找不回來了。 參考文獻 [1]. 林其駿主編，綜合作業(yè)指導(dǎo)書[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001 [2]. 林其駿主編，機床數(shù)控系統(tǒng)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1991 [3]. 郝忠軍主編，數(shù)控機床原理與編程[M].西安：陜西機械學(xué)院，1986 [4]. 李福生主編，數(shù)控機床程序編制－手工編程[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982 [5] 范俊廣主編，數(shù)控機床及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993 [6]. 張毅剛、修林成、胡振江主編，MCS-51單片應(yīng)用設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990 [7]. 機床設(shè)計手冊[M].機械工業(yè)出版社，1980 [8]. 機械加工技術(shù)手冊[M].北京出版社，1989 [9]. 羅良玲、劉旭波，數(shù)控技術(shù)與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2005 23