《畢業(yè)設計（論文）-C616普通車床進行數(shù)控改造（含全套CAD圖紙）》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《畢業(yè)設計（論文）-C616普通車床進行數(shù)控改造（含全套CAD圖紙）（31頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、目 錄 1. 緒論.1 1.1 數(shù)控車床的發(fā)展歷史.1 1.2 數(shù)控車床改造的目的.2 1.3 數(shù)控車床改造的意義.2 1.4 數(shù)控車床改造的內容.2 2. 機械部分的設計.3 2.1 縱向進給系統(tǒng)的設計與計算.3 2.1.1 縱向進給系統(tǒng)的設計 .3 2.1.2 滾珠絲杠計算與選擇 .3 2.2 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算12 2.2.1 橫向進給系統(tǒng)的設計 12 2.2.2 滾珠絲杠的計算與選擇 12 2.3 機床導軌改造19 3.電氣部分的設計.20 3.1 硬件基本組成20 3.2 控制系統(tǒng)的設計20 3.3 軟件系統(tǒng)的設計24 總結.28 參考文獻.29 全套全套 CAD 圖紙，聯(lián)系圖

2、紙，聯(lián)系 153893706 1 緒論 隨著社會生產和科學技術的迅速發(fā)展，機械產品日趨精密復雜，且需頻繁改型， 普通機床已不能適應這些要求，數(shù)控機床應運而生。數(shù)控機床作為機電一體化的典 型產品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結構復 雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產品的加工質量，大幅度地提 高生產效率。這種新型機床具有適應性強、加工精度高、加工質量穩(wěn)定和生產效率 高等優(yōu)點。它綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅動、精密測量和新型機械 結構等多方面的技術成果，是今后機床控制的發(fā)展方向。 數(shù)控技術，簡稱數(shù)控(Numerical Control)。它是利用

3、數(shù)字化的信息對機床運動 及加工過程進行控制的一種方法。用數(shù)控技術實施加工控制的機床，或者說裝備了 數(shù)控系統(tǒng)的機床稱為數(shù)控機床。數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置、可編程序控制器、主軸 驅動及進給裝置等部分。要實現(xiàn)對機床的控制，需要用幾何信息描述刀具和工件間 的相對運動以及用工藝信息來描述機床加工必須具備的一些工藝參數(shù)，如：進給速 度、主軸轉速、主軸正反轉、換刀、冷卻液的開關等。這些信息按一定的格式形成 加工程序，通過數(shù)控系統(tǒng)的譯碼，從而使機床準確地動作和加工出優(yōu)質的零件。 1.1 數(shù)控車床的發(fā)展歷史 數(shù)控機床最早是從美國開始研制的。1948 年，美國帕森斯公司在研制加工直 升機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床

4、任務時，提出了研制數(shù)控機床的初始設想。 1949 年，帕森斯公司與麻省理工學院伺服機構實驗室合作，開始從事數(shù)控機床的研 制工作。并于 1952 年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床實驗性樣機隨著電子技術、計 算機技術、自動控制和精密測量等相關技術的發(fā)展，數(shù)控機床也在迅速地發(fā)展和不 斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。 第一代數(shù)控：1952-1959 年采用電子管元件構成的專用數(shù)控裝置。 第二代數(shù)控：從 1959 年開始采用晶體管電路的 NC 系統(tǒng)。 第三代數(shù)控：從 1965 年開始采用小、中規(guī)模集成電路的 NC 系統(tǒng)。 第四代數(shù)控：從 1970 年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的

5、系統(tǒng)。 第五代數(shù)控：從 1974 年開始采用微型電子計算機控制的系統(tǒng)。 目前，第五代微機數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù) 控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路，具有很強的程序存儲能 力和控制功能。隨著集成電路規(guī)模的日益擴大，光纜通信技術應用于數(shù)控裝置中， 使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。近年來， 2 微電子和計算機技術的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機械制造的各個領域中， 先后出現(xiàn)了計算機直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)。所有這些 高級的自動化生產系統(tǒng)均是以數(shù)控機床為基礎，它們代表著數(shù)控機床今后的發(fā)展趨 勢。 1

6、.2 數(shù)控車床改造的目的 我國是擁有 300 多萬臺機床的國家。而這些機床又大多是多年累積生產的通用 機床，不論資金和我國機床制造廠的能力都是辦不到的。因此，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)有設備技術改造迫切要求解決的 課題。 1.3 數(shù)控車床改造的意義 數(shù)控機床改造在國外已發(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，其發(fā)展的原因是多方面的，主要有技術、經(jīng)濟、市場和生產上的原因。用數(shù) 控技術改造機床，正是適應了這一要求。它是建立在微電子現(xiàn)代技術與傳統(tǒng)技術相 結合的基礎上。在機床改造中引入微機的應用，而且所投入的改造費用低，我國提 出從大力推廣經(jīng)濟

7、型數(shù)控這一中間技術的基礎上，再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路， 適合我國的經(jīng)濟水平、教育水平和生產水平，已成為我國設備技術改造主要方向之 一。同時，它還可以作為全功能數(shù)控機床應用的準備階段，為今后使用全功能數(shù)控 機床，培養(yǎng)人才，積累維護、使用經(jīng)驗，而且也是實現(xiàn)我國傳統(tǒng)的機械制造技術朝 機電一體化的方向過渡的主要內容之一。 1.4 數(shù)控車床改造的內容 微機數(shù)控系統(tǒng)總體設計方案的擬定:數(shù)控技術是先進制造技術的核心，是制造業(yè) 實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡化、柔性化、集成化的基礎。數(shù)控裝備的整體水平標志著一個國 家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強弱。機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應包括以下內 容：系統(tǒng)運動方式的確定，伺服系統(tǒng)

8、的選擇、執(zhí)行機構的結構及傳動方式的確定， 計算機系統(tǒng)的選擇等內容。一般應根據(jù)設計任務和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜 合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。 本設計任務是對 C616 普通車床進行數(shù)控改造。主要有兩個方面的設計：機械部 分的改造、控制部分的設計。機械部分的設計是對縱向、橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控 制。主電機的作用僅僅是帶動工件旋轉，而刀架的進給運動則是由步進電機直接帶 動車床的縱向和橫向的滾珠絲杠來實現(xiàn)。控制部分的設計主要是對單片機控制步進 電機的設計，實現(xiàn)加工自動化，驅動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副， 3 4 1. 機械部分的設計 2.1 縱向進給系統(tǒng)的設計與

9、計算 2.1.1 縱向進給系統(tǒng)的設計 縱向進給系統(tǒng)機械部分的計算內容主要包括：脈沖當量計算、切削力的計算、 滾珠絲杠螺母副的設計與計算、齒輪傳動的計算、步進電機的設計與計算等等。 2.1.2 滾珠絲杠計算與選擇 主要技術參數(shù)： 1、最大加工直徑：mmD160 2、時間常數(shù)： msT30 3、步長： mmX01 . 0 mmY02 . 0 4、快進速度：min/5 . 2 mV 5、定位精度：0.01 （1）切削力的計算 由機床設計手冊可知，切削功率 （2-1）KNNc 式中 電機功率，查機床說明書，； NkwN4 主傳動系統(tǒng)總效率，一般為 取； 7 . 06 . 00.65 進給系統(tǒng)功率系數(shù)，

10、取為 。 K96 . 0 K 則： kwNc496 . 2 96. 065. 04 又因為 （2-2）6120VFN Zc （2-3）VNFz c 6120 所以 式中 V切削線速度，取 min100mV 主切削力 1527.6(N)(kgf)76.152 z F 由金屬切削原理可知，主切削力 5 C（2-4） z F Z F z F X p a z f F Y z F K 查表得： MPammkgfC z F 1880/188 2 Z F X1 z F Y0.75 z F K1 由表可知 表2.1 切削用量選用表 p a 222888 (mm) f 0.20.30.40.20.30.4 （N

11、） z F 112515241891168722872837 當 時，切削深度 ，走刀量 ，以此參數(shù)做為下面NFz1520mmap2mmf3 . 0 計算的依據(jù)。 從機床設計手冊中可知，在一般外圓車削時： （2-5） z 0.6)F(0.1 x F （2-6） z 0.7)F(0.15 y F 取： NFF zx 8 .7636 .15275 . 05 . 0 NFF zy 5 .9166 .15276 . 06 . 0 (2)滾珠絲杠設計計算 在設計滾珠絲杠時，首先確定其名義直徑，螺距。滾珠直徑等，確定上述參數(shù) 一般是放在防止疲勞點蝕的基礎上，對軌道上的點而言，其應力狀態(tài)是交變的接觸 力，因

12、此設計時必須保證它在一定軸向負載的作用下，這種名義直徑和螺距的滾珠 絲杠回轉一百萬轉后，不產生點蝕現(xiàn)象，這個負載稱為滾珠絲杠最大動載荷。 車床縱向導軌的牽引力計算： （2-7）G)(F z fKFF xm 式中 、 ：切削分力 x F z F)(N ：顛覆力矩影響的實驗系數(shù)K ：導軌上的摩擦系數(shù) f ：移動部件重量G)(N 由于此設計采用的是貼膜導軌，所以 6 15 . 1 K 取為18. 015 . 0 f16 . 0 因此： 1250.8N800)(1527.616 . 0 8 . 76315 . 1 m F （3）最大動載荷的計算： 由機電設計手冊查得，最大動載荷由此公式計算：C （2-

13、8） mhw 3 fffLC 式中： ：工作壽命，為滾珠絲杠的轉速，初步計算導程。L 6 10 n60T L n max max 0 n V L 為工作臺的快進速度，為絲杠最大轉速。 max V max n 取 min/2500min/5 . 2 max mmmV min/1500 max rn 經(jīng)計算得 67 . 1 0 L min/ 7 . 4166/ 5 . 21000rn T 為使用壽命時間，查表得 hT15000 因此 L=60 416.7 15000/10 =36036010/15000 7 . 41660 6 L 6 為運轉系數(shù)，查得 w f2 . 1 w f 為硬度系數(shù)，查得

14、h f0 . 1 h f 所以 10677.51250.81.01.2375 3 C 最大靜載荷的計算 0 C （2-9） md0 ffC 為靜態(tài)安全系數(shù)， 取 d f2 d f 所以 2501.61250.82 0 C （4）滾珠絲杠的選型 根據(jù)最大動負載的值，可選擇滾珠絲杠的型號。例如，滾珠絲杠參照漢江機床廠C 7 的產品樣本選取系列，滾珠絲杠直徑為,型號為，其BFC1mm32 21 5632EBFC 額定動載荷是，所以強度足夠用。N10689 （5）傳動效率的計算 （2-10） )(tan tan 式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)，取10 所以： 0 0 00 94.9)1025(

15、3tan/ 253tan （6）剛度驗算 滾珠絲杠螺母副的軸向剛度會影響進給系統(tǒng)的定位精度和運動平穩(wěn)性，由于軸 向剛度不足引起的軸向變形量一般不應大于機床定位精度的一半，滾珠絲杠在工作 負載和轉矩的共同作用下引起每個導程的變形量為：)m( 0 L （2-11） C GJ TL EA FL L 2 2 00 0 式中：為絲杠截面積A （2-12） 2 1 d 4 1 A 導程：6mmP 螺旋角：2530 滾珠直徑：mm175. 3d0 公稱直徑：32mm 0 D 滾道半徑：mmR651 . 1 175 . 3 52 . 0 0.52d0 偏心率：mm 2- 0 104.5) 2 3.175 -(

16、1.6510.707) 2 d -(R707 . 0 e 絲杠內徑：mmReD78.28651 . 1 2-105 . 42322-2d 2- 01 48- -34 1 a 1037 . 3 64 )10(28.7814. 3 64 m d I 由以上條件求得 24-2 m106.50.028783.14 4 1 A 為絲杠的極慣性矩 C J 8- 44 1 107 . 6 32 02878. 014 . 3 32 d C J 為絲杠切變模量 G a 83.3GPG 8 為轉矩 T1.25)1025(3tan 2 1032 1250.8)(tan 2 0 -3 0 D FT m mN 有上述計

17、算結果得：（2-13） C GJ TP EA PF L 2 2 0 所以 m105.73 106.71083.33.142 1.25)106( 106.510306 1250.8106 -8 2- 8-9 2-3 4-9 -3 0 L 絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為： m L L IL5.73 106 105.73 0.6 3- -2 0 絲杠允許的誤差為，所以剛度足夠。m15 （7）穩(wěn)定性的驗算 絲杠不發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 （2-14） 2 2 l)( a cr EI F 為長度系數(shù)，=2/3。 所以 NFcr 6 . 427795 0.6) 3 2 ( 1037.

18、31020614 . 3 2 8-92 安全系數(shù) 342 8 .1250 6 .427795 m cr F F S 查表得 ,所以絲杠是穩(wěn)定的，經(jīng)驗算，性能符合要求，可以使35 . 2SSS 用。 （8)步進電機的計算 步進電機的選擇的基本原則合理選用步進電機是比較復雜的問題，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?，F(xiàn)僅就選用步進電機 最基本的原則介紹如下： 當步進電機在負載力矩的作用下，轉過一個步距角時，所做的功為： 0 T 9 （2-15） 2 360 0 TWD 工作臺克服負載 F，位移所做的功為： （2-16） FWa 根據(jù)能量守恒原理，其中味電機的傳動效率。

19、 aD WW0.964 所以： mmN F T 8 . 991 964 . 0 75. 014 . 3 2 8 .125001. 0360 2 360 0 啟動轉矩為： ，安全系數(shù)為 0.4 6 . 0-3 . 0 0 T Tq 所以 N T Tq 6 . 2479 4 . 0 8 .991 4 . 0 0 電機選擇三相六拍工作方式，查表得 866 . 0 max T Tq 所以 2 .2863 max T 步進電機運行頻率 Hz V f 7 . 4166 01 . 0 60 5 . 21000 60 1000 max max 根據(jù)以上條件，選用反應式步進電機 110BF003 傳動比25.

20、1 01. 0360 675. 0 360 0 p L i 模數(shù) 齒寬 mmm2mmb20 0 20 mmmZd64322 11 mmmZd80402 22 mmhadda68*2 1 1 mmhadda84*2 2 2 mm dd a72 2 8064 2 21 10 工作臺的質量折算到電機軸上的轉動慣量為： 23-22p 108 . 1 100 1 30) 0.753.14 0.01180 () 180 (mkgWJm 絲杠的轉動慣量 22- 434 1019 . 1 32 6 . 003 . 0 108 . 714 . 3 32 mkg ld Js 齒輪的轉動慣量 mkg ld Jz 3

21、- 434 1 1057 . 2 32 2 . 0064 . 0 108 . 714 . 3 32 1 2 23- 434 2 1027. 6 32 2 . 008. 0108 . 714. 3 32 2 mkg ld Jz 總傳動慣量為 26- 22-3- 2 3- 2 z 2 1046 . 1 800) 1.253.142 0.006 ()101.1910(6.27 25 . 1 1 1057 . 2 ) 2 p ()( 1 21 mkg m i JJ i JJ szd 所以，慣量匹配合理。 快速空載啟動時所需的力矩為： （2-17） 0 MMMM fat 最大切削負載所需的力矩為： （2

22、-18） 0 MMMM fat t M 快速進給時所需的力矩為 （2-19） 0 MMM f 式中：為空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩 max M 為折算到電機軸上的摩擦力矩 r M 為由絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩 0 M 11 為切削時折算到電機軸上的加速度力矩 at M 為折算到電機軸上的切削負載力矩 t M （2-20）mN T J M N n 4- 10 6 . 9 當時， max nn aa MM max min/83.520 6 25 . 1 2500 0 max max r L iV n mNMa 2531 . 0 03 . 0 6 . 9 83.52010

23、46 . 1 6- max 當時， t nn ata MM min/88.24 68014 . 3 25 . 1 3 . 01001000 1000 00 r L f D v L fn n i i t 主 mNMat 1261 . 0 03. 06 . 9 88.241046 . 1 6- ii f wLfLF M 2 2 000 當，時0.816 . 0 f mNM f 1223. 0 25. 18 . 014. 32 6 . 08016 . 0 )-1 ( 2 2 0 00 0 i LP M 當時，預加載荷，則：0.9 x FP 3 1 0 mN LF M i 0462 . 0 25 .

24、1 8 . 014 . 3 2 100.9)-(138.76 )-(1 2 2-2 2 0 00 0 7297. 0 25 . 1 14. 32 106 . 038.76 2 2- 00 i t LF M mN 所以，快速空載所需力矩 12 0max MMMM fa 0.43160.04620.12230.2631mN 最大切削負載時所需的力矩 tfat MMMMM 0 1.0250.72970.04620.12230.1261mN 快速進給所需的力矩 0 MMM f 0.16850.04620.1223mN 由以上可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時 262. 0 max MmN 根據(jù)以上計算

25、結果可知，步進電機滿足工作要求。 13 2.2 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算 2.2.1 橫向進給系統(tǒng)的設計 經(jīng)濟型數(shù)控改造的橫向進給系統(tǒng)的設計比較簡單,一般是步進電機經(jīng)減速后驅 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機 床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。 2.2.2 滾珠絲杠的計算與選擇 （1）切削力的計算 車削外圓的切削抗力、和。主切削力與切削速度 V 的方向一致，垂 x F y F z F z F 直向下，是計算車床主軸電機切削功率的主要依據(jù)，切深抗力與縱向進給方向垂 y F 直，影響加工精度或已加工表面質量，進給抗力與進給方向平行且相反指向，

26、設 x F 計或校核進給系統(tǒng)時要用到它，橫向進給約為縱向進給量的，取，31212/1 則橫向進給切削力約為縱向的。2/1 NFz8 .763 2 6 . 1527 取 NFF zy 9 . 3818 .7635 . 05 . 0 NFF zx 5 . 305 8 . 7634 . 04 . 0 （2）滾珠絲杠的計算 牽引力由公式計算： m F f()（2-21） xm KFFGFF yz 2 式中： 、為切削分力（N） x F y F z F 為顛覆力矩的實驗系數(shù)K 為導軌上的摩擦系數(shù) f 為移動部件重量G ，取05 . 0 03. 0f05 . 0 f 4 . 1K 所以 519.08N)3

27、009 .3812(763.805 . 0 5 .3054 . 1 m F 14 （3）最大動載荷的計算 由機電設計手冊查得，最大動載荷 C 由此公式計算： （2-22） mhw 3 fffLC 式中： L：工作壽命，L=，n 為滾珠絲杠的轉速，初步計算導程。 6 10 n60T max max 0 n V L 為工作臺的快進速度，為絲杠最大轉速。 max V max n 取 min/1000 max mmV min/1500 max rn 經(jīng)計算得 67 . 0 0 L min/2005/ 11000rn T 為使用壽命時間，查表得 hT15000 因此 18010/1500020060 6

28、 L 為硬度系數(shù)，查得 h f0 . 1 h f 所以 NC5175.09763.81.01.2180 3 最大靜載荷的計算 0 C （2-23） md0 ffC 為靜態(tài)安全系數(shù)， 取 d f2 d f 所以 NC1527.6763.82 0 （4）滾珠絲杠的選型 根據(jù)最大動負載 C 的值，可選擇滾珠絲杠的型號。例如，滾珠絲杠參照漢江機 床廠的產品樣本選取 FC1 型滾珠絲杠，滾珠絲杠直徑為,型號為，其額定動mm20 載荷是 8630N，所以強度足夠用。 15 （5）傳動效率的計算 （2-24） )(tan tan 式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)，取10 所以： % 9 . 92)10

29、33(4tan/ 334tan 00 （6）剛度的驗算 滾珠絲杠螺母副的軸向剛度會影響進給系統(tǒng)的定位精度和運動平穩(wěn)性，由于軸 向剛度不足引起的軸向變形量一般不應大于機床定位精度的一半，滾珠絲杠在工作 負載和轉矩的共同作用下引起每個導程的變形量為：)m( 0 L （2-25） C GJ TL EA FL L 2 2 00 0 式中：A 為絲杠截面積 2 1 d 4 1 A 導程：6mmP 螺旋角：2530 滾珠直徑：mm175. 3d0 公稱直徑：32mm 0 D 滾道半徑：mmR651 . 1 175 . 3 52 . 0 0.52d0 偏心率：mm 2- 0 104.5) 2 3.175 -

30、(1.6510.707) 2 d -(R707 . 0 e 絲杠內徑：mmReDd79.16651. 12-105 . 42202-2 2- 01 29- 4-34 1 109 . 3 64 )10(16.7914. 3 64 m d Ia 由以上條件求得 24-2 m102.210.016793.14 4 1 A 為絲杠的極慣性矩 C J 9- 44 1 108 . 7 32 01679 . 0 14 . 3 32 d Jc 為絲杠切變模量 G a 83.3GPG 16 為轉矩 Tm0.63N)1033(4tan 2 1020 763.8)(tan 2 0 -3 0 D FT m 有上述計算

31、結果得：（2-26） C GJ TP EA PF L 2 2 0 所以 mL 2- 8-9 2-3 4-9 3- 0 101 .10 108 . 7103 .8314 . 3 2 63 . 0 )10(6 1021. 210206 8 . 763106 絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為： m L L IL84 . 3 106 10 1 . 10 19 . 0 3- 2- 0 絲杠允許的誤差為，所以剛度足夠。m15 （7）穩(wěn)定性的驗算 絲杠不發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 （2-27） 2 2 l)( a cr EI F 為長度系數(shù)，。3/2 所以 NFcr4950750 0.19)

32、 3 2 ( 109 . 31020614 . 3 2 8-92 安全系數(shù) 7 . 6481 8 . 763 4950750 m cr F F S 查表得 ,所以絲杠是穩(wěn)定的，經(jīng)驗算，性能符合要求，可以使35 . 2SSS 用。 (8)步進電機的計算 為了滿足需要，所以步進電機時通過兩對降速齒輪與絲杠連接的。 減速器傳動比25 . 1 01. 0360 675 . 0 360 0 p L i 取,模數(shù) ,齒寬 , 16 1 Z20 2 Zmmm2mmb20 0 20 17 mmmZd32 11 mmmZd40 22 mmhadda36*2 11 mmhadda44*2 22 56mm)/2(

33、21 dda 當步進電機在負載力矩的作用下，轉過一個步距角時，所做的功為： 0 T （2-28） 2 360 0 TWD 工作臺克服負載 F，位移所做的功為： （2-29） FWa 根據(jù)能量守恒原理，其中味電機的傳動效率。 aD WW0.964 所以： 9 . 495 964 . 0 75 . 0 14 . 3 2 8 . 76301 . 0 360 2 360 0 F TmN 啟動轉矩為： ，安全系數(shù)為 0.4 6 . 0-3 . 0 0 T Tq 所以 N75.1239 4 . 0 9 .495 4 . 0 0 T Tq 電機選擇三相六拍工作方式，經(jīng)查表得 866 . 0 max T Tq

34、 所以 N 6 . 1431 max T 步進電機運行頻率 Hz V f 7 . 4166 01 . 0 60 5 . 21000 60 1000 max max 根據(jù)以上條件，選用反應式步進電機 110BF003 工作臺的質量折算到電機軸上的轉動慣量為： 23-22p 108 . 1 100 1 30) 0.753.14 0.01180 () 180 (mkgWJm 18 絲杠的轉動慣量 32 019 . 0 019. 0108 . 714 . 3 32 434 ld Js -5 101.8 2 mkg 齒輪的轉動慣量 3- 434 1 1 1014 . 5 32 2 . 0032. 010

35、8 . 714 . 3 32 ld Jz 2 mkg 2- 434 2 2 1025 . 1 32 2 . 004 . 0 108 . 714 . 3 32 ld Jz 2 mkg 總傳動慣量為 300 1.252 0.006 101.8101.25 1.25 1 105.18 25-2- 2 3- ）（）（ -6 101.34 2 mkg 轉動力矩的計算 min/83.520 6 25 . 1 2500 0 max max r L iV n 2423 . 0 03 . 0 6 . 9 83.5201034 . 1 10 6 . 9 6- 4- max max T Jn MamN min/11

36、.22 366014. 3 515 . 0 10010001000 00 r DL vf L nf n ii t 0103. 0 03. 06 . 9 11.221034. 1 6- at MmN 432. 0 58 . 014. 32 36 . 0302 . 0 2 2 000 ii f wLtLF M cmkgf 0.043mN 19 0.17)0.9-(1 50.83.146 0.30.638.19 )-(1 6 22 0 0 0 i yL F Mcmkgf 0.017mN =0.27474. 2 58 . 014 . 3 2 36 . 019.38 2 0 i y t LF M cmk

37、gf mN 所以，快速空載所需力矩 0max MMMM fa 0.30230.0170.0430.2423mN 切削時所需的力矩為： 0 MMMM fat t M 34480.2740.0170.04320.0106mN 快速進給時所需的力矩為 0 MMM f 0.060.0170.043mN 由以上可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時 3448. 0 max MmN 根據(jù)以上計算結果可知，步進電機滿足工作要求。 20 2.3 機床導軌改造 臥式車床上的運動部件，如刀架、工作臺都是沿著機床導軌面運動的。導軌就 是支承和導向，即支承運動部件并保證運動部件在外力作用下，能準確的沿著一定 的方向運動。

38、導軌的導向精度、精度保持性和低速運動平穩(wěn)性，直接影響機床的加 工精度、承載能力和使用性能。 數(shù)控機床上，常使用滑動導軌和滾動導軌。滾動導軌摩擦系數(shù)小，動靜摩擦系 數(shù)接近，因而運動靈活輕便，低速運行時不易產生爬行現(xiàn)象。精度高，但價格貴。 經(jīng)濟型數(shù)控一般不使用滾動導軌，尤其是數(shù)控改造，若使用滾動導軌，將太大增加 機床床身的改造工作量 和改造成本。因此，數(shù)控改造一般仍使用滑動導軌?；瑒訉?軌具有結構簡單，剛性好，抗振性強等優(yōu)點。普通機床的導軌一般是鑄鐵鑄 鐵或 鑄鐵淬火鋼導軌。這種導軌的缺點是靜摩擦系數(shù)大，且動摩擦系數(shù)隨速度的變化 而變化，低速時易產生爬行現(xiàn)象，影響行動平穩(wěn)性和定位精度，為克服滑動導

39、軌的 上述缺點，數(shù)控改造一般是將原機床導軌進行修整后貼塑，使其成為貼塑導軌。貼 塑導軌摩擦系數(shù)小，且動靜摩擦系數(shù)差很小，能防止低速爬行現(xiàn)象；耐磨性、抗咬 傷能力強、加工性和化學性能穩(wěn)定，且有良好的自潤滑性和抗振性，加工簡單，成 本低。 目前應用較多的聚四氟乙稀（PTEE）貼塑軟帶，如美國生產的 TwrciteB 和我 國生產的 TSF 軟帶材料，此種軟帶厚度為 0.8 、1.6 、3.2 等幾種規(guī)格。考 慮承載變形，宜厚度小的規(guī)格，如果考慮到加工余量，選用厚度為 1.6 為宜。貼 塑軟帶粘貼工藝非常簡單，可直接粘結在原有的滑動導軌面上，不受導軌形式的限 制，各種組合形式的滑動導軌均可粘結。粘結

40、前按導軌精度要求對金屬導軌面進行 加工修理。根據(jù)導軌尺寸長度放大 34，切下貼塑軟帶。金屬粘結面與軟帶結面 應清洗干凈，用特殊配制的粘合劑粘結，加壓固化，待其完全固化后進行修整加工。 作為導軌面的表面，根據(jù)需要可進行磨、銑、刮研、開油槽、鉆孔等加工，以滿足 裝配要求。 21 3.電氣部分的設計 3.1 硬件基本組成 硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎，其性能的好壞，直接影響整體的工作性能，有了硬件， 軟件才能有效的運行，機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由大致四部分組成： 1）中央處理單元 CPU，CPU 采用 8051 芯片。 2）總線。包括地址總線（AB）,數(shù)據(jù)總線（DB）和控制總線（CB） 。 3）存儲器。只

41、讀可編程存儲器和隨即讀寫存儲器。 4）I/O 接口電路。 其中，CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進行數(shù)據(jù)運算處理和控制各個部分電路 協(xié)調工作。存儲器用于存儲系統(tǒng)軟件，應用程序和運行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O 接口是系統(tǒng)與外界信息交換的橋梁?？偩€是 CPU 與存儲器，接口以及其它轉換電路 連接的紐帶。 3.2 控制系統(tǒng)的設計 CPU 采用 8051 芯片，選用外部存儲器。8051 的引腳功能分為四部分。 1、主電源引腳 VCC 和 VSS VCC（40 腳）接+5V 電壓； VSS（20 腳）接地。 2、外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1（19 腳）接外部晶體的一個引腳。在單片

42、機內部，它是一個反相放大器的 輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器。當采用外部振蕩器時，對 HMOS 單片機，此 引腳應接地；對 CHMOS 單片機，此引腳作為驅動端。 XTAL2（18 腳）接外晶體的另一端。在單片機內部，接至上述振蕩器的反相放大 器的輸出端。采用外部振蕩器時，對 HMOS 單片機，該引腳接外部振蕩器的信號，即 把外部振蕩器的信號直接接到內部時鐘發(fā)生器的輸入端；對 XHMOS，此引腳應懸浮。 3、控制或與其它電源復用引腳 RST/VPD、ALE/PROG、PSEN 和 EA/VPP RST/VPD（9 腳）當振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使 單片機復位。推薦在

43、此引腳與 VSS 引腳之間連接一個約 8.2k 的下拉電阻，與 VCC 引 腳之間連接一個約 10F 的電容，以保證可靠地復位。 VCC 掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保證內部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失。當 VCC 主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而 VPD 在其規(guī)定的電壓范圍（50.5V）內，VPD 就 22 向內部 RAM 提供備用電源。 ALE/PROG（30 腳）：當訪問外部存貯器時，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于 鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 端仍以不變的頻率周期性地出 現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或 用于定時目的。然而

44、要注意的是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈 沖。ALE 端可以驅動（吸收或輸出電流）8 個 LS 型的 TTL 輸入電路。 對于 EPROM 單片機（如 8751） ，在 EPROM 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖 （PROG） 。 PSEN（29 腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序 存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次 PSEN 有效。但在此期間，每當訪 問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號將不出現(xiàn)。PSEN 同樣可以驅動（吸 收或輸出）8 個 LS 型的 TTL 輸入。 EA/VPP（引腳）：當 EA 端保持高電平時，訪問內部

45、程序存儲器，但在 PC（程 序計數(shù)器）值超過 0FFFH 或 1FFFH 時，將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序。 當 EA 保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內部程序存儲器。對于 常用的 8051 來說，所以 EA 腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲器。 4、輸入/輸出（I/O）引腳 P0、P1、P2、P3（共 32 根） P0 口（39 腳至 32 腳）：是雙向 8 位三態(tài) I/O 口，在外接存儲器時，與地址 總線的低 8 位及數(shù)據(jù)總線復用，能以吸收電流的方式驅動 8 個 LS 型的 TTL 負載。 P1 口（1 腳至 8 腳）：是準雙向 8 位 I/O 口。由于這種

46、接口輸出沒有高阻狀 態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向 I/O 口。P1 口能驅動（吸收或輸出電流） 4 個 LS 型的 TTL 負載。對 8052、8032，P1.0 引腳的第二功能為 T2 定時/計數(shù)器的 外部輸入，P1.1 引腳的第二功能為 T2EX 捕捉、重裝觸發(fā)，即 T2 的外部控制端。對 EPROM 編程和程序驗證時，它接收低 8 位地址。 P2 口（21 腳至 28 腳）：是準雙向 8 位 I/O 口。在訪問外部存儲器時，它可 以作為擴展電路高 8 位地址總線送出高 8 位地址。在對 EPROM 編程和程序驗證期間， 它接收高 8 位地址。P2 可以驅動（吸收或輸出電流）4 個

47、 LS 型的 TTL 負載。 P3 口（10 腳至 17 腳）：是準雙向 8 位 I/O 口，在 MCS-51 中，這 8 個引腳還 用于專門功能，是復用雙功能口。P3 能驅動（吸收或輸出電流）4 個 LS 型的 TTL 負 載。 作為第一功能使用時，就作為普通 I/O 口用，功能和操作方法與 P1 口相同。 作為第二功能使用時，各引腳的定義如表所示。 值得強調的是，P3 口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。 P3.0 10 RXD（串行輸入口） 23 P3.1 11 TXD（串行輸出口） P3.2 12 INT0（外部中斷 0） P3.3 13 INT1（外部中斷 1）

48、 P3.4 14 T0（定時器 0 外部輸入） P3.5 15 T1（定時器 1 外部輸入） P3.6 16 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖） P3.7 17 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖） 采用 74LS138 譯碼器的輸出作為片選信號。 當一個選通端（E1）為高電平，另兩個選通端（(/E2)和/(E3)）為低電平時， 可將地址端（A0、A1、A2）的二進制編碼在 Y0 至 Y7 對應的輸出端以低電平譯出。 比如：A2A1A0=110 時，則 Y6 輸出端輸出低電平信號。 1、利用 E1、E2 和 E3 可級聯(lián)擴展成 24 線譯碼器；若外接一個反相器還 可級聯(lián)擴展成 32 線譯碼器。 3、若將選通

49、端中的一個作為數(shù)據(jù)輸入端時，74LS138 還可作數(shù)據(jù)分配器 。 4、可用在 8086 的譯碼電路中，擴展內存。 74LS373 為三態(tài)輸出的透明鎖存器，輸出端 O0O7 可直接與總線相連。 當三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，Q0Q7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅動 負載或總線。當 OE 為高電平時，Q0Q7 呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總 線的負載，但鎖存器內部的邏輯操作不受影響。 當鎖存允許端 LE 為高電平時，Q 隨數(shù)據(jù) D 而變。當 LE 為低電平時，D 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當 LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流 和直流噪聲抗擾度被改善 400mV。 引出端符號： D0D

50、7 數(shù)據(jù)輸入端 OE 三態(tài)允許控制端（低電平有效） LE 鎖存允許端 Q0Q7 輸出端 27256 是 32K*8 字節(jié)的紫外線镲除、電可編程只讀存儲器，單一+5V 供電， 工作電流為 100mA，維持電流為 40mA，讀出時間最大為 250nS，28 腳雙列直插 式封裝。 27256 各引腳的含義: A0 一 A15：16 根地址輸入線。用于尋址片內的 32K 個存儲單元。 D0D7：8 根雙向數(shù)據(jù)線，正常工作時為數(shù)據(jù)輸出線。編程時為數(shù)據(jù)輸入線。 24 OE：輸出允許信號。低電平有效。當該信號為 0 時，芯片中的數(shù)據(jù)可由 D0D7 端輸出。 CE：選片信號。低電平有效。當該信號為 0 時表示

51、選中此芯片。 PGM:編程脈沖輸入端。對 EPROM 編程時，在該端加上編程脈沖。讀操作時 該信號為 1。 VPP：編程電壓輸入端。編程時應在該端加上編程高電壓，不同的芯片對 VPP 的值要求的不一樣，可以是+12.5V，+15V，+21V，+25V 等。 62256 的容量為 32KB,是 28 引腳雙列直插式芯片，采用 CMOS 工藝制造。操 作方式由 OE,WE, CE1 , CE2 的共同作用決定 寫入：當 WE 和 CE1 為低電平，且 OE 和 CE2 為高電平時，數(shù)據(jù)輸入緩沖器 打開，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線 D7D0 寫入被選中的存儲單元。 讀出：當 OE 和 CE1 為低電平，且 WE

52、和 CE2 為高電平時，數(shù)據(jù)輸出緩沖器 選通，被選中單元的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線 D7D0 上。 保持：當 CE1 為高電平，CE2 為任意時，芯片未被選中，處于保持狀態(tài)，數(shù) 據(jù)線呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。 A12A0（address inputs）：地址線，可尋址 32KB 的存儲空間。 D7D0（data bus）：數(shù)據(jù)線，雙向，三態(tài)。 OE（output enable）：讀出允許信號，輸入，低電平有效。 WE（write enable）：寫允許信號，輸入，低電平有效。 CE1（chip enable）：片選信號 1，輸入，在讀/寫方式時為低電平。 CE2（chip enable）：片選信號 2，輸入，在讀/

53、寫方式時為高電平。 VCC：+5V 工作電壓。 GND：信號地。 8279 特性 8279 能自動完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤控制部分提供一種掃描工 作方式，可與 64 個按鍵的矩陣鍵盤連接，能對鍵盤進行自動掃描、自動消抖、自動 識別出按下的鍵并給出編碼，能同時按下雙鍵或鍵實行保護，其接收鍵盤上的輸 入信息存入內部 FIFO 緩沖器，并可在有鍵輸入時向 CPU 請求中斷。8279 提供了按 掃描方式工作的顯示接口，其內部有一個 168 的顯示緩沖器，能對 8 位或 16 位 LED 自動進行掃描，將顯示緩沖器的內容在 LED 上顯示出來。 8279 通過 74LS138 譯碼器擴展 8

54、4 鍵盤、6 位顯示器。由 3-8 譯碼器對 SL0 SL2 譯出鍵掃描線，由另一 3-8 譯碼器譯出顯示器的位掃描線，并采用了編碼掃 描方式。為了防止出現(xiàn)重鍵現(xiàn)象，掃描輸出線高位 SL3 不參加鍵掃描譯碼。CPU 對 8 279 的監(jiān)視采用了查詢方式，故 8279 的中斷請求信號 IRQ 懸空未用。 25 8279 的引腳功能： 采用單5V 電源供電，40 腳封裝。 DB0DB7:雙向數(shù)據(jù)總線，用來傳送 8279 與 CPU 之間的數(shù)據(jù)和命令。 CLK:時鐘輸入線，用以產生內部定時的時鐘脈沖。 RESET:復位輸入線，8279 復位后被置為字符顯示左端輸入，二鍵閉鎖的觸點回 彈型式，程序時鐘

55、前置分頻器被置為 31,RESET 信號為高電平有效。 S:片選輸入線，低電平有效，單片機在 CS 端為低時可以對 8279 讀/寫操作。 A0:緩沖器低位地址，當 A0 為高電平時，表示數(shù)據(jù)總線上為命令或狀態(tài)，當為 低電平時，表示數(shù)據(jù)總線上為數(shù)據(jù)。 RD:讀信號輸入線，低電平有效，將緩沖器讀出，數(shù)據(jù)送往外部總線。 WR:寫信號輸入線，低電平有效，將緩沖器讀出，將數(shù)據(jù)從外部數(shù)據(jù)總線寫入 8 279 的緩沖器。 常用的顯示器由 8 個發(fā)光二極管和 1 個米字管組成，其中 7 個發(fā)光二極管控制 7 個筆畫的亮或暗。本設計中運用靜態(tài)顯示，作為 MCS-51 串行口方式 0 輸出的應用， 我們可以在串

56、行口上擴展多片串行輸入并行輸入并行輸出的位移寄存器 7404 作為靜 態(tài)顯示接口。 3.3 軟件系統(tǒng)的設計 軟件系統(tǒng)一般由兩個部分組成，即管理軟件和控制軟件。管理軟件一般又稱為 監(jiān)控軟件，其作用是進行監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)并提供基本操作管理，控制軟件的作用是根 據(jù)用戶編制的加工程序，控制機床運行，軟件是硬件的補充，確定硬件電路后，根 據(jù)系統(tǒng)功能要求設計軟件。 8051 單片機作為中央處理單元構成的數(shù)控系統(tǒng)，其軟件設計主要包括：中央處 理單元，步進電機的狀態(tài)，有關寄存器等初始化程序，鍵盤處理，顯示，報警，急 停等功能程序。 系統(tǒng)啟動后，開始初始化操作，初始化包括單片機定時器/計數(shù)器初始化，8255 I/O

57、 口初始化，鍵盤數(shù)據(jù)區(qū)初始化，顯示緩沖區(qū)初始化，各種軟件標志初始化等操 作，然后根據(jù)輸入信息，判別運行的方式，執(zhí)行手動或自動功能。 8279 的 OUTA0-OUTA3 和 OUT0-OUT3 作為顯示器位選信號，顯示器的段選信號則 由 8279 的 SL0-SL2 發(fā)出。8279 的 RL0-RL3 是鍵盤掃描輸入。 8255 的 PC0-PC5 接控制面板上的按鈕開關，設有啟動，暫停，單段運行，連續(xù) 運行，急停等操作功能。 26 復位 將顯示 RAM 清零 設置鍵盤顯示器工作方式，左 邊輸入雙鍵互鎖外部譯碼掃描 設置時鐘 20 分頻 顯示字符 P 表示正常工作 將 IBDFF 置空 調用讀

58、鍵盤子程序 （50H）=1 調用步進電機子程序 （51H）=1 調用越程報警子程序 （52H）=1 數(shù)字鍵處理 調用步進電機 子程序入口 50H=1 數(shù)字鍵處理 52H=1 調用越程報警子 程序 51H=1 （橫向） 30H=1？ （縱向） 40H=1？ 橫向工作臺 工作 縱向工作臺 工作 返回 系統(tǒng)控制軟件流程圖 27 系統(tǒng)初始化程序 系統(tǒng)上電或復位后，系統(tǒng)軟件進行初始化處理。當開機后系統(tǒng)受到干擾后，系 統(tǒng)的各個部分可能處于隨機狀態(tài)，必須用初始化程序對有關接口設置工作狀態(tài)，對 有關寄存器、存儲器單元設置常數(shù)或清零，然后系統(tǒng)才能工作。 地址分配 8255 芯片：8000H9FFFH；8279

59、芯片：A000HBFFFH 8255 芯片初始化 PA 輸入，PB 口輸入，PC 口高低位均輸出。 方式控制字：10011000 98H PA 口地址：8FFCH 、PB 口地址：8FFDH 、PC 口地址：8FFEH 控制字寄存器地址：8FFFH 8279 初始化 命令狀態(tài)口地址：1010111111111111AFFFH 數(shù)據(jù)口令地址： 1010111111111110AFFEHA 操作指令字： 0000100008H （16 個字符現(xiàn)實左入口編碼，掃描鍵盤，雙鍵互鎖） 時鐘編程命令字：0011010034H 讀 FIFO RAM 命令字：010000040H 寫顯示緩沖器 RAM：100

60、1000090H 清除命令字：11010001101H 寄存器相關 地址寄存器 R1、R0，工作寄存器 R0R7。 步進電機控制設計 步進電機程序設計的主要任務是： 判斷旋轉方向和按順序傳送控制脈沖，判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢； 程序清單如下： MASTER:MOVDPTR,#AFFFH;設置指針 AFFFH 為 8279 命令狀態(tài) 口 地址 MOVA,#011H;送入清零命令字 MOVXDPTR,A;熄滅顯示器 LP:MOVXA,DPTR;讀狀態(tài)字 JBACET，LP MOV A， #08H;鍵盤顯示器工作命令（ 置 8279 左端 輸 入外部譯碼器掃描，雙鍵互鎖） 28 MOVXDP

61、TR A MOVA,#34H;20 分頻 MOVXDPTR,A MOVXA,#73H;73H 為字符 P 的代碼 MOVDPTR,#AFFEH;AFFFH 為 8279 數(shù)據(jù)寄存器口地址 MOVXDPTR,A;顯示字符 P MOVR5,#80H;R5 作 IBOFF，設為空 ACALLRDKB;調用讀鍵盤子程序 V ADDA ,#0D1H;A 中為 FIFO 的數(shù)據(jù) JCORDER,KEY;若0 為命令 AJMPNUMBER,KEY;否則轉數(shù)據(jù)鍵 MOVA,R5;取 IBOFF 中的內容 JBACC.7,PDK10;為空脫離循環(huán) MOVR5,#80H;否則將 IBOFF 置空 CLKEX1;關

62、 INT1 中斷 RET;返回 SETBEA;中斷開放 SETBEX1;允許 INT1 中斷 AJMPRDKB;循環(huán)等待 ORG0013H;INT 中斷入口 PUSHPSW;程序狀態(tài)寄存器入棧 PUSHDPH;數(shù)據(jù)指針高位入棧 PUSHDPL;數(shù)據(jù)指針低位入棧 PUSHA;累加器 A 入棧 MOVDPTR,#AFFFH MOVA,#40H;控制字送累加器 MOVXDPTR,A;發(fā)讀 FIFO 命令 MOVDPTR,#AFFFH MOVXA,DPTR MOVR5,A;將字符送入數(shù)據(jù)寄存器 POPA;A 出棧 POPDPL POPDPH POPPSW RET1;返回 29 總結 四年的大學學習，讓我們對機械電子工程方面的知識有了一個系統(tǒng)而 又全新的 的認識。畢業(yè)設計是我們學習中最后一個重要的實踐性環(huán)節(jié)，是一個綜合性較強的 設計任務，它為我們以后從事技術工作打下了一個良好的基礎，對我們掌握所學知 識情況進行了全面而又直觀的檢測。 為了能夠較好