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近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。 數(shù)控機床是機械、電子、自動化及電機拖動于一體化的裝備。它是有計算機作為控制核心，來控制異步電機，從而控制機床的換刀、走刀、停頓的。隨著數(shù)控機床的發(fā)展，使機械制造進入一個嶄新的階段，是機械制造業(yè)中的一次技術(shù)革命。數(shù)控機床作為期間的產(chǎn)品價格也十分昂貴，對大對數(shù)企業(yè)來說，更換設(shè)備所需資金太大，老的設(shè)備得不到利用。結(jié)合我國的實際國情，所以把普通機床改造成為經(jīng)濟型數(shù)控機床就有十分重大的意義。也是我國發(fā)展數(shù)控產(chǎn)品的主要渠道之一。 第一章、 數(shù)控機床改造的目的 1．1數(shù)控機床的概述 數(shù)字控制是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法，簡稱數(shù)控。 數(shù)控機床是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號碼，或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。其實程序控制系統(tǒng)就是所說的數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字植，并將其譯碼，從而使機床動作和加工零件。數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置，可編程序控制器，主軸驅(qū)動及進給驅(qū)動裝置等部分。所以數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產(chǎn)品，也是集多種新技術(shù)于一體的機電一體化裝備。數(shù)控機床作為機電一體化產(chǎn)品的典型代表，在先進制造技術(shù)領(lǐng)域里起著至關(guān)重要的作用。 1．2數(shù)控機床的發(fā)展 數(shù)控機床是一種高效的自動化機床，它較好地滿足了機械行業(yè)零部件加工的高性能，高精度與高動化的要求。在機械產(chǎn)品中，是機械制造業(yè)中的一次技術(shù)革命。 1952年美國PARSONS公司與麻省理工學(xué)院合作試制了世界上第一臺三坐標數(shù)控立式銑床。54年美國Bendix-Cooperation公司生產(chǎn)了第一臺工業(yè)用數(shù)控機床。先是由電子管控制，隨后經(jīng)歷了晶體管控制，集成電路控制（NC）,計算機控制（CNC）,直到現(xiàn)在的微處理器控制（MNC）。 我國從1958年開始研制數(shù)控機床，70年代初得到廣泛發(fā)展，數(shù)控技術(shù)在車床，銑床，鉆床，鏜床，磨床，齒輪加工機床。電加工機床等得到應(yīng)用，并指出加工中心。 目前我國能夠生產(chǎn)多種類型的數(shù)控機床，生產(chǎn)幾千臺，并有向國外出口。但我國生產(chǎn)的數(shù)控機床在精度，速度，數(shù)控系統(tǒng)的功能及傳感元件等方面比先進國家都有一定差距，近幾年我國機床業(yè)受到世界市場的沖擊，迫使我國的機床質(zhì)量有很大的提高，面向21世紀，我國數(shù)控機床的生產(chǎn)一定能達到國際先進水平。 數(shù)控機床也向（1）具有先進的自檢能力。（2）向高速，高精度發(fā)展（3）更高的生產(chǎn)率和利用率。（4）單元模塊化。（5）有更強的通訊功能，圖像編程和顯示功能的方向發(fā)展。 機床作為工作母機和維修工具，早已成為各個工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的必要裝備。數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展，更是制造高質(zhì)量、高效率、高一致性產(chǎn)品的有力保障。隨著人類社會的飛速發(fā)展與進步，各種新材料、新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)、新配件不斷涌現(xiàn)，各個領(lǐng)域不斷提出新的要求，這一切都使得機床的結(jié)構(gòu)、性能千變?nèi)f化。計算機技術(shù)的高速發(fā)展又使得機床數(shù)控系統(tǒng)正在以更短的周期更新。面對如此的形勢，機床制造者在不斷努力跟蹤時代的步伐，機床的使用者、維修者也要努力跟上。為使讀者及時了解數(shù)控機床的技術(shù)與知識，加深數(shù)控機床使用與維修理念上的認識。 1．3 21世紀初切削加工技術(shù)發(fā)展的主要趨勢 21世紀，我們正處于制造技術(shù)快速發(fā)展的時期。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，也進入了以發(fā)展高速切削、開發(fā)新的切削工藝和加工方法、提供成套技術(shù)為特征的發(fā)展新階段。其主要趨勢有四個方面： (1)高速切削將成為切削加工的新工藝 當(dāng)前，以高速切削為代表的干切削、硬切削等新型切削工藝已經(jīng)顯示出很多的優(yōu)點和強大的生命力，這是制造技術(shù)為提高加工效率和質(zhì)量、降低成本、縮短開發(fā)周期對切削加工提出的要求。因此，發(fā)展高速切削等新型切削工藝，促進制造技術(shù)的發(fā)展是現(xiàn)代切削技術(shù)發(fā)展最顯著的特點。當(dāng)代高速切削不只是切削速度的提高，而是需要制造技術(shù)全面進步和進一步創(chuàng)新達到切削速度和進給速度的成倍提高，并帶動傳統(tǒng)切削工藝的變革和創(chuàng)新，使制造業(yè)整體切削加工效率有顯著的提高。 (2)實現(xiàn)難加工材料加工技術(shù)的重大突破 長期以來，難加工材料如奧氏體不銹鋼、高猛鋼、淬硬鋼、復(fù)合材料、耐磨鑄鐵等一直是切削加工中的難題，不僅切削效率低，而且刀具壽命短。隨著制造業(yè)的發(fā)展，21世紀這些材料的用量將迅速增加，加工矛盾將更加突出。與此同時，產(chǎn)品的材料構(gòu)成將不斷優(yōu)化，新的工程材料也不斷問世，而每一種新型材料的采用都對切削加工提出了新的要求。 (3)滿足制造業(yè)對切削加工新技術(shù)和新產(chǎn)品需求 進入21世紀以后，產(chǎn)品多樣化和個性化的趨勢將進一步加劇，制造業(yè)的產(chǎn)品更新速度也勢必大大加快。每一種新產(chǎn)品的開發(fā)都意味著零件功能、結(jié)構(gòu)、材料的重大變更，也是對切削加工提出新的開發(fā)任務(wù)。制造業(yè)對切削加工新技術(shù)、新產(chǎn)品的需求在21世紀初將達到空前的高度。 (4)環(huán)境保護對切削加工行業(yè)提出挑戰(zhàn) 隨著社會的發(fā)展，人們在環(huán)境保護、生態(tài)平衡等方面獲得了高度共識，并成為全球的共同行動綱領(lǐng)。以降耗、節(jié)能、節(jié)材、減廢、有利于環(huán)境保護和人身健康、實行清潔安全生產(chǎn)的“綠色工程”已在工業(yè)發(fā)達國家興起。實行“綠色工程”，開發(fā)“綠色制造技術(shù)”是新世紀切削加工發(fā)展的重要課題。 1．4數(shù)控機床改造的意義 數(shù)控機床改造在國外已發(fā)展成一個新心的工業(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。在過去的20年里，金屬切削的基本原理變化不大，但社會生產(chǎn)力的巨大發(fā)展，要求制造技術(shù)向自動化及精密化前進。而刀具材料和電子技術(shù)卻有很大進步，特別是微電子技術(shù)，電子計算機進步，反映到控制系統(tǒng)中來，它既能幫助機床自動化又能提高加工準確度。這些技術(shù)進步和高生產(chǎn)率的要求，精密加工和型面加工的增多等，突出了舊機床技術(shù)改造的必要性及迫切性。 其次是經(jīng)濟上的原因。舊機床設(shè)備更新，支付很多費用。若采用“改造”技術(shù)（主要是數(shù)控技術(shù)）加以現(xiàn)代化，則可以節(jié)約50%還多的資金。這種事半功倍的技術(shù)，不僅為資金不充沛的小型企業(yè)技術(shù)改造開創(chuàng)了新路，而且對實力雄厚的大型企業(yè)也有極大的經(jīng)濟吸引力。 第三是市場的原因。目前許多國家設(shè)備更新所需的數(shù)控機床數(shù)量，按機床工業(yè)現(xiàn)狀是無力及時提供的。因此，機床“改造”就成為滿足機床市場需求的主要補足手段。 第四是生產(chǎn)上的原因。在工業(yè)生產(chǎn)中，多品種，中批量及小批量生產(chǎn)是現(xiàn)代機械制造業(yè)的基本特征，占有相當(dāng)大的比重。完成這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機床專用機床或數(shù)控機床，根據(jù)幾者的相比較，得知數(shù)控機床最能適應(yīng)這一需要。 1．5 數(shù)控機床的優(yōu)越特性和發(fā)展前景 數(shù)控機床之所以在國民經(jīng)濟發(fā)展和國防尖端工業(yè)建設(shè)中 占有重要的地位和作用，而且受到各國的重視，主要是數(shù)控機床 具有如下的優(yōu)越性和發(fā)展前景： (1)能加工具有復(fù)雜形狀曲線或曲面的零件 數(shù)控機床可以加工傳統(tǒng)機床所不能加工的具有復(fù)雜形狀曲線或曲面的零件。如變螺距螺紋、錐面上的螺旋線、非圓齒輪、拋物面、雙曲面等。特別是那些由一定的數(shù)字理論方程式所描述的并要求有足夠精度的曲線和曲面，如螺旋槳、葉片、高速飛行 不可的。 (2)提高加工精度并保證加工重復(fù)精度的一致性 數(shù)控機床是按預(yù)先編制好的加工程序進行工作的，I旺過程中無需人的參與或調(diào)整，因此不受操作工人的技術(shù)水平和情緒的影響，故加工精度穩(wěn)定。另外，數(shù)控機床可以通過采用在線自動補償(實時補償)技術(shù)來消除或減少熱變形、力變形、重量變形和刀具磨損的影響，使加工精度的一致性得到保證。這在傳統(tǒng)機床上則是無法做到的。 (3)稱為柔性自動化加工裝備 數(shù)控機床被稱為柔性自動化加工裝備。是因為用數(shù)控}幾床加工零件時不需要制作專用的模具或模板，加工對象(零件)的改變，也不用改變機床結(jié)構(gòu)裝置和進行復(fù)雜的調(diào)整，一般只要變換加工程序軟件即可，而程序軟件可以由編程人員在機外預(yù)先編好。因此，大大減少了加工前的生產(chǎn)準備和調(diào)整時間；另外，部分現(xiàn)代的數(shù)控機床，具有更為優(yōu)異的柔性加工功能，如柔性加工單元具有自動上、下料，更換刀具和變速乃至檢測等功能。因比可以進行混流加工(即在一臺機床上連續(xù)交替加工不同的零件)，又如數(shù)控銑鏜加工中心、車削加工中心等能夠在工件一次裝夾后．完成全部或大部分多種工序(如鉆、銑、鏜、擴孔和攻絲等)的加 工，從而使加工周期縮短，生產(chǎn)效率提高，機床利用率也大大提高，最終導(dǎo)致加工成本的降低。數(shù)控機床的柔性具備了傳統(tǒng)輔鏜床的萬能性和剛性自動化機床的高效率性，兩種特性兼?zhèn)鋬?yōu)點。數(shù)控機床除單臺機床的柔性外，還可以組成柔性制造單元(FMC)、柔性制造生產(chǎn)線(FMS)，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展成計算機集成制造系統(tǒng)(C『MS)。 (4)可以實現(xiàn)全自動化和較長時間的“無人看管加工” 數(shù)控機床是由電腦控制的設(shè)備，在配有適當(dāng)?shù)牡稁臁⒐ぜ鲙?、上下料裝置和多種傳感器的條件下，不僅具有全自動∞加工功能，而且具有對加工過程進行自動監(jiān)控、檢測、報警及修正誤差等功能。因此，可以實現(xiàn)白班有人看管和做好各種準備工作后，二、三、班則可以在“無人看管”的條件下(國外稱為“熄燈生產(chǎn)”)進行24小時乃至72小時的連續(xù)加工。這不僅改善了镕動條件，解決了晚上和節(jié)假日(含周六、周日)連續(xù)工作的問題，也大大提高了勞動生產(chǎn)率，設(shè)備利用率，縮短生產(chǎn)周期和增加企業(yè)的經(jīng)濟效益。 (5)適應(yīng)信息化的發(fā)展 數(shù)控機床通過因特網(wǎng)(Intemet)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)(¨ranef)、外聯(lián)目(Extranet)現(xiàn)在已可實現(xiàn)遠程故障診斷、維修，已初步具備遠程控制和調(diào)度，進行異地分散網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)的可能。從而為今后進一步實現(xiàn)制造過程網(wǎng)絡(luò)化、智能化提供必備的基礎(chǔ)條件。 第二章、數(shù)控機床改造的方法及原理 一 總體方案的設(shè)計內(nèi)容 2．1系統(tǒng)運動方案的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)，點位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。例如數(shù)控鉆床，在工作臺移動過程中鉆頭并不進行鉆孔加工，因此數(shù)控系統(tǒng)可采用點為控制方式。對點位控制系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。 如果要求工作臺或刀具沿各坐標軸的運動有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運動的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機床可以加工各種外形輪廓復(fù)雜的零件，所以連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)。例如數(shù)控銑床，數(shù)控車床等均屬于此種運動方式。在點位控制系統(tǒng)中不具有連續(xù)控制系統(tǒng)中才具有的軌跡計算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻具有點位系統(tǒng)的功能。 還有一些采用點位控制的數(shù)控機床，例如數(shù)控鏜床等，不但要求工作臺運動的終點坐標，還要求工作臺沿坐標軸運動過程中切削工作。這種系統(tǒng)叫點位/直線系統(tǒng)。其控制方法與點位系統(tǒng)十分相似，故有時也將這兩種系統(tǒng)統(tǒng)稱為點位控制系統(tǒng) 2．2伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)中，設(shè)有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，容易掌握，調(diào)試和維修都比較簡單。目前國內(nèi)大力發(fā)展的經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件來檢測實際 位移量，能補償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機驅(qū)動或交流伺服電機驅(qū)動，閉環(huán)系統(tǒng)造價高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場合。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位移量，而是用檢測元件測出驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺實際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。 2．3執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定 為確?？刂葡到y(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)，在設(shè)計機械傳動裝置時，通常提出低摩擦，低慣量，高剛度，無間隙，高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計中應(yīng)考慮以下幾點： （1） 盡量采用低摩擦的轉(zhuǎn)動和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副， 滾動導(dǎo)軌，塑導(dǎo)軌等。 （2）盡量消除傳動間隙。例如采用消除齒輪等。 （3）提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛減小傳動鏈誤差。 可采用預(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。 2．4計算機的選擇 微機數(shù)控系統(tǒng)由CPU，存儲器擴展電路I/O接口電路，伺服電機驅(qū)動，檢測電路等幾部分組成。 微機市數(shù)控系統(tǒng)的核心，其他裝置均是在指揮下進行的。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用微機直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對微機的要求是多方面的，但主要指標是字長和速度。字長不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運算的精度。字長較長的計算機，價格顯著上升，而字長較短的計算機，要進行雙字長或三字長的運算，就會影響速度。目前一些高檔的CNC系統(tǒng)，已普遍使用32位微機，主機頻率由5MHz提高到20-30MHz，有的采用多CPU系統(tǒng)，減輕主CPU的負擔(dān)，進一步提高控制速度。標準型的CNC系統(tǒng)多使用16位微機 ，經(jīng)濟型CNC系統(tǒng)則普遍采用8位機?？刹捎肕CS-51系列單片微機或Z-80單板機組成的應(yīng)用系統(tǒng)。 2．5總體方案框圖 2--1 數(shù)控機床系統(tǒng)運動框圖 第三章、機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計、計算 伺服系統(tǒng)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，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計，計算及選用，繪制機械部分裝配圖及零件工作圖等。 將普通車床CA6140改造成MCS-51系列單片機控制的經(jīng)濟型數(shù)控車床，采用步進電機開環(huán)控制，縱向和橫向均具有直線和圓狐插補功能，也具有升降功能。其主要設(shè)計參數(shù)如下： 加工最大直徑：在床面上 Ф 400mm 在床鞍上 Ф 210mm 加工最大長度：1000mm 溜板及刀架重量： 橫向600N 刀架快速速度： 橫向 1.2m/min 最大進給速度： 橫向 0.3m/min 主電機功率： 7.5kw 起動加速時間： 30ms 機床定位精度： +0.015mm;-0.015mm 此機床進給伺服系統(tǒng)運動及動力計算如下： 3． 1脈沖當(dāng)量 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量，橫向：0.005mm/步（半徑) 3．2滾珠絲杠螺母副的計算和選型 （一）橫向進給絲杠 1計算進給牽引力Fm（N）， 橫向?qū)к墳檠辔残螌?dǎo)軌 Z 1,J1 Fm= kFy′+f′（Fz+G′+2F′X） = 1.15*670+0.04*（2680+600+2*1072） = 1155 N 式中K----考慮顛復(fù)力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.4 f，---滑動導(dǎo)軌摩檫系數(shù)0.03~0.05 G----溜板及刀架重力：G=600N 2計算最大負載C： C = L= n= 式中L0---滾珠絲杠導(dǎo)程。初始L0=5mm Vs----最大切削力下的進給速度，可提高進給速度（1/2----1/3）此處VS =0.6m/min T----使用壽命，按15000h； 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。 L= = n== C = ==4158N 3滾珠絲杠螺母的原型 查閱附錄A表示可采用W1L2005外循環(huán)螺母紋調(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8800N，精度等級按表4—15選為3級. 4傳動效率計算 式子中r—螺旋升角，W1L2005=4033’ φ---摩擦角取10’ 滾動摩擦系數(shù)0.003~0.004 ==0.965 5剛度驗算： （1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1： △L=±Fm×L0／E×F=1.4×10-4 = （2）珠滾與羅紋滾道間接觸變形δ2 。 查圖4-7，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量δQ ；因此進行預(yù)緊， δ2=1/2δq=3μm （3）支撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3， δ3=2μm 綜合以上變形量之和：計算如下 δ2=δ1′+δ2+δ3′=0.00815mm（定位精度） 從上面計算可以看出，設(shè)計過程要反復(fù)修改參數(shù)，反復(fù)計算，才能達到滿足的要求。 6穩(wěn)定性較核： 滾珠絲杠兩端采用了專用的滾珠絲杠軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需要穩(wěn)定性較核。 （二）橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 表4-25 W1L2005滾珠絲杠幾何參數(shù) 名稱 符號 W1L2005 螺 紋 滾 道 公稱直徑 do 20 導(dǎo)程 Lo 5 接觸角 β 4033ˊ 鋼球直徑 dq 3.915 滾道法面直徑 R R=0.52 dq 1.651 偏心矩 e e=( R- dq/2)sinβ 0.045 螺紋升角 γ γ=arc tg(Lo/∏do) 4033ˊ 螺 桿 螺紋外徑 d d= do-(0.2～0.25) dq 19.4 螺桿內(nèi)徑 d1 d1 = do +2e-2R 16.788 螺桿接觸直徑 dz dz = do - dq cosβ 16.835 螺紋 螺母螺紋直徑 D D= do -2e+2R 23.212 螺母內(nèi)徑 D1 D1= do +(0.2～0.25) dq 20.635 表3--1 3．4 齒輪傳動比計算 一、橫向進給齒輪箱傳動比計算： 以確定縱向進給脈沖當(dāng)量δp=0.005，滾珠絲杠導(dǎo)程L0=50mm； 初選步進電機步距角為0.750。可計算出傳動比i； i=(360 ×δp)/(θb×L0) =(360×0.01) ÷(0.75×5) =0.48 考慮結(jié)構(gòu)問題，不當(dāng)使大齒輪直徑過大，以免影響橫向溜板有效行程，故用兩級齒輪將速： 可選齒輪齒數(shù)為 i= 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4-26 表4-26傳動齒輪幾何參數(shù) 齒 數(shù) 24 40 20 25 分度圓 d=mz 48 80 40 50 齒頂圓 da=d+2m 52 84 44 54 齒根圓 df=d-2×1.25m 43 75 35 45 齒 寬 ( 6～8)m 20 20 20 20 中心矩 A=( d1+d2)/2 64 45 表3--2 3．5 步進電機的計算和選型 橫向進給步進電機計算 1．等效傳動慣量計算： 計算簡圖見圖4-20，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的傳動慣量Jε(㎏·cm2)可由下式計算： Jε=JM+J1+( Z1/Z2)2{（J2+Js）+[(G/g) ×(L0/2∏)2]} 式中JM---步進電機轉(zhuǎn)子傳動慣量(㎏·cm2)； J1 ，J2---齒輪Z1，Z2的轉(zhuǎn)動慣量(㎏·cm2)； Js---滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量(㎏·cm2)； 參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進電機150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)慣量JM =10㎏·cm2； J1=0.78×10-3×d14×L1 =0.78×10-3×6.44×2 =2062㎏·cm2 J2=0.78×10-3×d24×L2 =0.78×10-3×84×2 =6.39㎏·cm2 Js=0.78×10-3×44×150 =29.952㎏·cm2 G=1000N 代如上式： Jε=JM+J1+( Z1/Z2)2{（J2+Js）+[(G/g) ×(L0/2∏)2]} =10+2.62+（32/40）2{（6.39+29.952）+[（1000/9.8）×（0.5/2∏）2]} =36.478㎏·cm2 考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題 JM/ Jε=10/36.478 =0.274 基本滿足匹配的要求。 2．電機力矩計算 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 在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下： M起=Mamax+Mf+M0 Mamax= Jε×ε = Jε×{nmax÷[(60/2∏) ×ta]×10-2} = Jε×[(2∏nmax×10-2)/(60×ta)] nmax =(vmax/δp)×(θb/3600) 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。 nmax =(vmax/δp)×(θb/3600) =（2400/0.01）×（0.75/360） =500r/min 起動加速時間ta=30ms； Mamax= Jε×[(2∏nmax×10-2)/(60×ta)] =636.3N·cm 折算到電機軸上的摩擦力矩Mf： Mf=(F0×L0)/( 2∏ηi) =[f′(Fz+G) ×L0]/[ 2∏η( Z1/Z2)] =[0.16(5360+1000) ×0.6]/( 2∏×0.8 ×1.25) =97 N·cm 附加摩擦力矩M0 M0 =(Fp0×L0)/ (2∏ηi) ={(1/3×Fm×L0)/ [ 2∏η( Z1/Z2)]}(1-η02) =[(1/3×2560×0.6) ÷(2∏×0.8×1.25)] ×(1-0.92) =15.5N·cm 上述三項合計： M起=Mamax+Mf+M0 =634+97+15.5 =747 N·cm （2）快速移動時所需力矩M快 M快 = Mf+M0 =97+15.5 =112.5 N·cm (3)最大切削負載時所需力矩M切 M切= Mf+M0+Mt = Mf+M0+(Fx×L0)/( 2∏ηi) =97+15.5+(1340×0.6)/ (2∏×0.8×1.25) =240.5 N·cm 從上面計算可以看出： M起 ， M快和M切三種工況下，以快速空載起動力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。 從表4-23查出，當(dāng)步進電機為五相十拍時， λ=Mq/Mjmax =0.951 最大靜力矩Mjmax =747/0.951 =785 N·cm 按此最大靜轉(zhuǎn)矩從表4-23查出，150BF002型最大轉(zhuǎn)矩為13.72N·m，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矩頻特性和運行矩頻特性。 3．計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作效率 fk=(1000× vmax)/(60×δp) =(1000×2.4) ÷(60×0.001) =4000Hz fe=(1000× vs)/(60×δp) =(1000×0.6) ÷(60×0.01) =1000 Hz 從表4-23查出，150BF002型步進電機允許的最高空載起動頻率為2800 Hz，運行頻率為8000 Hz，再從圖4-18中查出150BF002步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線如圖4-22所示。 從圖（4-22a）看出， 當(dāng)步進電機起動時， f起=2500 Hz時， M=100 N·cm ，運行不能滿足此機床所要求得空載起動力矩（747 N·cm）直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實現(xiàn)），將起動頻率降到1000 Hz時，起動力矩可增高到588.4 N·cm，然后在電路上在采用低壓驅(qū)動帶內(nèi)陸，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。 圖3--1 圖3--2 圖（4-22b） 150BF002型步進電機矩頻特性 當(dāng)快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻特性圖（4-22b）完全可以滿足要求。 第四章、單片機微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容 一：繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 機床硬件電路由以下五部分組成： （1）主控制器：即中央處理單元CPU。 （2）總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線。 （3）存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。 （4）接口：即I/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。見下圖 圖4--1 40根引腳按其功能可以分為四類： 1．電源線：2根 Vcc Vss Vcc：編程和正常操作時的電源電壓，接+5伏。 Vss：地電平 2. 晶振： 2根 XTAL1 XTAL2 振蕩器的反相放大器輸入。使用外部振蕩器時必須接地。 振蕩器的反相放大器輸出和內(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。 3. I/O口共有P0、P1、P2、P3四個8位口，32根I/O線。其功能如下： （1） P0.0～P0.7(AD0～AD7)是I/O端口0的引腳。 （2）P1.0～P1.7是端口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。 （3）P2.0～P2.7(A8～A15)是端口2的引腳。 （4）P3.0～P3.7是端口3的引腳 4．控制線 （1）PSEN：程序存儲器的使用引腳，是外部程序存儲器的讀選通信號，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。 （2）EA/VPP: EA為高電平時，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器。 （3）ALE/PAOG: ALE是地址所存儲能信號。 （4）RST/VPP:是復(fù)位/備用電源端。 由于單片機8031芯片的P0口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片是74L373。74L373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器。 8031單片機允許擴展64K程序存儲器和64K數(shù)據(jù)存儲器（包括I/O口芯片），這樣就需要擴展多個外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲器各芯片之間，數(shù)據(jù)存儲器各芯片之間（包括I/O口芯片）地址互相不重疊，以使單片機訪問外部存儲器時，避免發(fā)生沖突。當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時地與各個外圍新品進行數(shù)據(jù)傳送時，首先要進行偏選（指選中某一個芯片）。而當(dāng)片內(nèi)有多字節(jié)單元時，還要進行片內(nèi)地址選擇。 8031單片機共有四個6位并行I/O口，但可供用產(chǎn)使用的只有P1口和部分P3口,因此。在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都需要擴展I/O口芯片。 本設(shè)計采用8155：可編程的RAM/IO擴展接口電路（有256個RAM單元、2個8位口、1個6位口、1個14位的定時/計數(shù)器）。 8031單片機允許擴展64K程序存儲器和64K數(shù)據(jù)存儲器（包括I/O口芯片），這樣就需要擴展多個外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲器各芯片之間，數(shù)據(jù)存儲器各芯片之間（包括I/O口芯片）地址互相不重疊，以使單片機訪問外部存儲器時，避免發(fā)生沖突。當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時地與各個外圍新品進行數(shù)據(jù)傳送時，首先要進行偏選（指選中某一個芯片）。而當(dāng)片內(nèi)有多字節(jié)單元時，還要進行片內(nèi)地址選擇。 六、典型零件的加工程序設(shè)計 圖中Φ86mm處不加工。編制加工程序步驟如下： （1） 數(shù)控機床的選擇 被加工零件為回轉(zhuǎn)體零件，需進行倒角，螺紋，錐度，圓弧加工，選書空車床可滿足要求/ （2） 加工程序劃分 經(jīng)分析確定工藝路線如下： 1） 從右到左切削外輪廓沒秒年 ，其路線為：倒角—車螺紋M48mm×1.5mm 的外圓—車錐度部分——車Φ62mm外圓——車Φ80mm外圓——切R70圓弧——車Φ80mm外圓。 2） 切3mm×Φ45mm槽。 3） 車M48mm×1.5mm螺紋。 （3）選擇刀具、確定換刀點 根據(jù)加工要求選用三把刀具，1號刀 車外圓，1 號刀切槽，3 號刀車螺紋。繪制刀具布置圖（如下圖所示），要注意正確選用換刀點，以避免刀具與車床、工件、夾具在換到時發(fā)生碰撞現(xiàn)象，本例換刀點選A（200，350） （4）正確切削用量 根據(jù)數(shù)控加工的特點，本例切削用量確定如下：車外圓時，主軸轉(zhuǎn)速取630r/min（S630），進給量取0.15mm/r。切槽時，主軸轉(zhuǎn)速取315r/min（S315）。進給量取0.16mm/r。車螺紋時，主軸轉(zhuǎn)速取200r/min（S200），進給量為1.5mm/r，螺距F1.5），切削深度為精加工余量。 圖8-16 車削零件圖 （5）編制精加工程序如下： NOO1 G92 X200 Z350.MO6 T01 N002 S630 MO3 N003 G00 G90 Z292 MO8 NOO4 G43 X41.8 H01 N005 G01 X48 Z289 G95 F0.15 N006 Z227 N007 X50 NOO8 X62 Z167.0 NOO9 Z155 N010 X78 N011 X80 Z154 N012 Z135 N013 G03 Z75 I63.25K-30 N014 G01 Z65 N015 X90 N016 G00 Z350 H00 M09 N017 M06 T02 N018 G43 X200 H02 N019 S315 M03 M020 G00 X51 Z227 M08 N021 G01 X45 F50 N022 G04 X500 N023 G00 X51 N024 Z350 H00 M09 N025 MO6 T03 NO26 G43 X200 H03 N027 S200 M03 N028 G00 X47 Z296 M08 NO29 G33Z233 K1.5 N030 G01 X50 N031 G00 Z296 N032 G01X46.373 N033 G33 Z233 K1.5 N034 G01 X50 N035 G00 X200 Z350 H00 M09 N036 M05 N037 M30 體會與感受 通過這次畢業(yè)設(shè)計，完成了對普通機床縱向的數(shù)控化改造，對所學(xué)知識進行了一次鞏固和系統(tǒng)的綜合考察，感到收益非淺，收獲很大。 通過這次畢業(yè)設(shè)計又一次鍛煉了我獨立思考，深入研究及和別人融洽配合等的能力。同時讓我學(xué)會了查閱資料的方法，使我也認識搞好各自的工作不僅需要個人的獨立工作，更需要其他人的密切配合，才能把工作做的更好。我對普通機床改造進行了認真的設(shè)計，是我深刻的認識到計算機數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)越性，以及數(shù)控機床在整個制造業(yè)中所起的重要作用。 也希望我國能研究發(fā)展新型數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控功能部件、數(shù)控機床整機等的具體技術(shù)途徑。我們衷心希望，我國科技界、產(chǎn)業(yè)界和教育界通力合作，把握好知識經(jīng)濟給我們帶來的難得機遇，迎接競爭全球化帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，為在21世紀使我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)走向世界的前列，使我國經(jīng)濟繼續(xù)保持強勁的發(fā)展勢頭而共同努力奮斗！ 同時在設(shè)計中，我也發(fā)現(xiàn)自己的不足。這次畢業(yè)設(shè)計的時間短，任務(wù)重，缺乏實踐基礎(chǔ)，再加上我們的能力有限，在設(shè)計中難免有考慮不周之處，還有代于實際調(diào)試中不斷完善。這將是我今后努力和學(xué)習(xí)的方向。指導(dǎo)老師在設(shè)計中給予了，關(guān)鍵性的指導(dǎo)與幫助。再此我表示忠心的感謝！ 不過，由于我個人對知識的疏淺和經(jīng)驗不足，難免還會有很多不足之處，懇請各位老師批評與指正。 孫志金 2006年5月 參考資料 繆常初 主編《可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)》重慶大學(xué)出版社 楊有軍 主編 《數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機床》機械工業(yè)出版社 陳紹廉 主編 《數(shù)控機床改造技術(shù)》航空工業(yè)出版社 畢承恩 ，丁乃鍵 主編《經(jīng)濟型數(shù)控機床》上下冊 機械工業(yè)出版社 盧頌峰 主編《機械零件課程設(shè)計手冊》中央廣播電視大學(xué)出版社 張柱銀 主編《數(shù)控原理與數(shù)控機床》化學(xué)工業(yè)出版社 余英良 主編《機床數(shù)控改造設(shè)計與實例》機械工業(yè)出版社 指導(dǎo)教師評語： 建議此次畢業(yè)設(shè)計成績?yōu)椋? 指導(dǎo)教師簽名： 答辯委員會組成人員名單 姓 名 性 別 職 稱 單 位 答辯委員會意見 答辯評語： 成績： 答辯委員會主任：________(簽名) 年 月 日 - 26