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1、C6140車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 前 言 我國(guó)目前機(jī)床總量為380萬余臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺(tái)，這說明我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到3%。我們大多數(shù)制造業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工設(shè)備大多數(shù)是傳統(tǒng)機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種機(jī)床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、成本高等缺點(diǎn)，因此這些產(chǎn)品在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)了，這直接影響了企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須提高機(jī)床的數(shù)控化率。 對(duì)于我國(guó)的實(shí)際情況，大批量的購(gòu)置數(shù)控機(jī)床是不現(xiàn)實(shí)也是不經(jīng)濟(jì)的，只有對(duì)現(xiàn)有的機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造。數(shù)控改造相對(duì)于購(gòu)置數(shù)控機(jī)床來說，能充分發(fā)揮設(shè)備的潛力，改造后的機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有很多突出優(yōu)點(diǎn)，由于

2、數(shù)控機(jī)床的計(jì)算機(jī)有很高的運(yùn)算能力，可以準(zhǔn)確的計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)量，加工出較復(fù)雜的曲線和曲面。其計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記憶和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可以實(shí)現(xiàn)另一工件的加工，從而實(shí)現(xiàn)“柔性自動(dòng)化”。改造后的機(jī)床不象購(gòu)買新機(jī)那樣，要重新了解機(jī)床操作和維修，也不了解能否滿足加工要求。改造可以精確計(jì)算出機(jī)床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者對(duì)機(jī)床的特性早已了解，操作和維修方面培訓(xùn)時(shí)間短，見效快。另外，數(shù)控改造可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購(gòu)入新機(jī)那樣需要重新構(gòu)筑地基，還可以根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時(shí)地提高生產(chǎn)設(shè)備的自

3、動(dòng)化水平和檔次，將機(jī)床改造成當(dāng)今水平的機(jī)床。 數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床是以微電子技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合為基礎(chǔ)，不但技術(shù)上具有先進(jìn)性，同時(shí)在應(yīng)用上比其他傳統(tǒng)的自動(dòng)化改造方案有較大的通用性和可用性，且投入費(fèi)用低，用戶承擔(dān)得起。由于自投入使用以來取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，已成為我國(guó)設(shè)備技術(shù)改造中主要方向之一，也為我國(guó)傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)朝機(jī)電一體化技術(shù)方向過渡的主要內(nèi)容之一。 目 錄 第一節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù) 3 1.1題目： 3 1.2 任務(wù) 3 第二節(jié) 總體方案的確定 4 第三節(jié) 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案 5 3.1主軸系統(tǒng)的改造方案 5 3.2安裝電動(dòng)卡盤 5 3.3換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 5

4、 3.4螺紋編碼器的安裝方案 6 3.5進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案 6 第四節(jié) 進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型 7 4.1脈沖當(dāng)量的確定 7 4.2切削力的計(jì)算 7 4.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 8 4.4同步帶減速箱的設(shè)計(jì) 10 4.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 12 4.6同步帶傳遞效率的校核 16 第五節(jié) 繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖 16 第六節(jié) 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 17 第七節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用 19 第八節(jié) 控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì) 19 參考文獻(xiàn) 26 第一節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù) 1.1題目：C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 1.2

5、 任務(wù) 將一臺(tái)C6140普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標(biāo)如下： （1） 床身上最大加工直徑; （2） 最大加工長(zhǎng)度； （3） X方向（橫向）的脈沖當(dāng)量，Z方向（縱向）； （4） X方向最快移動(dòng)速度，Z方向?yàn)椋? （5） X方向最快工進(jìn)速度，Z方向?yàn)椋? （6） X方向定位精度，Z方向； （7） 可以車削柱面、平面、錐面與球面等； （8） 安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導(dǎo)程； （9） 安裝四工位立式電動(dòng)刀架，系統(tǒng)控制自動(dòng)選刀； （10） 自動(dòng)控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級(jí)變速與無級(jí)變速信號(hào)； （11） 自動(dòng)控制冷卻泵的啟/停;

6、 （12） 安裝電動(dòng)卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開； （13） 縱、橫向安裝限位開關(guān)； （14） 數(shù)控系統(tǒng)可與PC機(jī)串行通信； （15） 顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用ISO數(shù)控代碼。 第二節(jié) 總體方案的確定 總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進(jìn)給傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。 1． 普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。 2． 普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

7、的開環(huán)控制系統(tǒng)。 3． 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性/價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。 4． 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等，還要選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源以及主軸電動(dòng)機(jī)的交流變頻器等。 5． 為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給傳動(dòng)應(yīng)選用摩擦力小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動(dòng)間隙提高傳動(dòng)剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。 6． 計(jì)算選擇步

8、進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速齒輪副，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。 7． 選擇四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架與電動(dòng)卡盤，選擇螺紋編碼器等。 第三節(jié) 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案 3.1主軸系統(tǒng)的改造方案 對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造時(shí)，一般可保留原有的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣可以減少機(jī)械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。 若要提高車床的自動(dòng)化程度，需要在加工中自動(dòng)變換轉(zhuǎn)速，可用2~4速的多速電動(dòng)機(jī)代替原有的單速主電動(dòng)機(jī)；當(dāng)多速電動(dòng)機(jī)仍不能滿足要求時(shí)，可用交流變頻器來控制主軸電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時(shí)，若工作頻率低于，原來的電動(dòng)機(jī)可以不

9、更換，但所選變頻器的功率應(yīng)比電動(dòng)機(jī)大）。 改造C6140車床時(shí)，若采用有級(jí)變速，可選用浙江超力有限公司生產(chǎn)的YD系列變級(jí)多速三相異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)檔變速；若采用無級(jí)變速，應(yīng)加裝交流變頻器，推薦型號(hào)為：F100-G0075T3B,適配電動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)廠家為煙臺(tái)惠豐電子有限公司。 3.2安裝電動(dòng)卡盤 為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動(dòng)卡盤，選用呼和浩特附件總廠生產(chǎn)的KD11250型電動(dòng)三爪自定心卡盤。卡盤的夾緊與松開由數(shù)控系。 3.3換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 為了提高加工精度，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動(dòng)刀架換成自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，選用常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LD4

10、B-CK6140型四工位立式電動(dòng)刀架。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀需要配置相應(yīng)的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。 3.4螺紋編碼器的安裝方案 螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時(shí)，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸信號(hào)的反饋元件，它與車床主軸同步。 改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程是，Z向的進(jìn)給脈沖當(dāng)量是，所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應(yīng)不少于?？紤]到編碼器的輸出有相位差的A、B相信號(hào)，可用A、B異或后獲得個(gè)脈沖（一轉(zhuǎn)內(nèi)），這樣編碼器的線數(shù)可降到線（A、B信號(hào)）。另外，為了重復(fù)車削同一螺旋槽時(shí)不亂扣，編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個(gè)的零位脈沖Z。 基于上述要求，選擇螺紋編碼器的型號(hào)為：ZLF

11、-1200Z-05VO-15-CT。電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出個(gè)A/B脈沖與1個(gè)Z脈沖，信號(hào)為電壓輸出，軸頭直徑，生產(chǎn)廠家為長(zhǎng)春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。 螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對(duì)傳動(dòng)比為的同步齒形帶與主軸連接起來。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性連接，且車床組、主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。 3.5進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案

12、（1） 拆除掛輪架所有齒輪，在此主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。 （2） 拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與同步帶減速箱總成。 （3） 拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的的螺母座與螺母座托架。 （4） 拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四工位立式刀架。 （5） 拆除橫溜板下的滑動(dòng)絲桿螺母副，將滑動(dòng)絲桿靠刻度盤一段（長(zhǎng)，見圖一）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個(gè)推力軸承，換上滾珠絲杠副。 （6） 將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過法蘭安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。 （7） 拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），

13、更換絲桿的右支承。 （8） 改造后的橫向、縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)分別見附圖一和附圖二。 第四節(jié) 進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型 縱、橫向進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型主要包括：確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力、選擇滾珠絲杠螺母副、設(shè)計(jì)減速箱、選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。 4.1脈沖當(dāng)量的確定 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，X方向（橫向）的脈沖當(dāng)量為，Z方向（縱向）為。 4.2切削力的計(jì)算 （1）縱向切削力算 設(shè)工件為碳素結(jié)構(gòu)鋼，；選用刀具材料為硬質(zhì)合金YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角，前角，刃傾角；切削用量為：背吃刀量，進(jìn)給量，切削速度。 查表得：，，，；主偏角的修正系數(shù)；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為

14、。 由經(jīng)驗(yàn)公式：，算得主切削力;由經(jīng)驗(yàn)公式：，算得縱向進(jìn)給切削力,背向力。 （2）橫向切削力計(jì)算 橫向主切削力為縱向的一半，所以橫向主切削力 由經(jīng)驗(yàn)公式,求得橫向進(jìn)給切削力，背向力。 4.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 1.縱向： (1) 工作載荷的計(jì)算 已知移動(dòng)部件總重量；車削力，，。根據(jù)，，的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可得：，，。 選用矩形-三角形組合滑動(dòng)導(dǎo)軌，查表，取，，代入,得工作載荷. (2) 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 設(shè)本車床Z向在承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度，初選絲杠基本導(dǎo)程，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速。 取滾珠絲杠的使用壽命，代入,得絲杠壽命系數(shù)。 查表，取載荷系數(shù)，

15、再取硬度系數(shù)，代入式，求得最大動(dòng)載荷。 (3) 初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷，查表，選擇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL4006型滾珠絲杠副。其公稱直徑為，基本導(dǎo)程為，雙螺母滾珠總?cè)?shù)為，精度等級(jí)取4級(jí)，額定動(dòng)載荷為，滿足要求。 (4) 傳動(dòng)效率的計(jì)算 將公稱直徑，基本導(dǎo)程，代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角，代入，得傳動(dòng)效率。 (5) 剛度的驗(yàn)算 1） 縱向滾珠絲杠的支承，采取一端軸向固定，一端簡(jiǎn)支的方式，見圖二。固定端采取一對(duì)推力角接觸軸承，面對(duì)面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距離約為；鋼的彈性模量；查表得滾珠直徑，算得絲杠底徑公稱直徑滾珠直徑。忽略式中的

16、第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的變形量。 2）根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)目,該型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)?shù)為，則滾珠總數(shù)量。滾珠絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力。則由式,求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量。因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的，所以實(shí)際變形量可減小一半，取。 3）將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度）。由表知，4級(jí)精度滾珠絲杠任意軸向行程內(nèi)行程的變動(dòng)量允許，而對(duì)于跨度為的滾珠絲杠，總的變形量只有，可見絲杠剛度足夠。 (6) 壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)式計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷。查表取支承系數(shù)；由絲杠底徑，求得截面積慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動(dòng)螺母至軸向

17、固定處的距離取最大值。代入式，得臨界載荷,遠(yuǎn)大于工作載荷，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 綜上所述初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 4.4同步帶減速箱的設(shè)計(jì) 為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量盡可能地減小，傳動(dòng)鏈中常采用減速傳動(dòng)。C6140車床縱向減速箱選用同步帶傳動(dòng)。 設(shè)計(jì)同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳動(dòng)的功率；主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)比；傳動(dòng)系統(tǒng)的位置和工作條件等。 根據(jù)改造經(jīng)驗(yàn)，C6140車床縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩通常在之間選擇。初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為130BYG5501,五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩，十拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為。 （1） 傳動(dòng)比的確定 已知電動(dòng)機(jī)的步距角，脈

18、沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，代入式算得傳動(dòng)比 （2） 主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速 由縱向床鞍的最快移動(dòng)速度，得出主動(dòng)輪的最高轉(zhuǎn)速。 （3） 確定帶的設(shè)計(jì)功率 預(yù)選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為時(shí)，對(duì)應(yīng)的步進(jìn)脈沖頻率為。當(dāng)脈沖頻率為時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為，對(duì)應(yīng)的輸出功率為。取，,代入式，得出. （4） 選擇帶型和節(jié)距 根據(jù)帶的設(shè)計(jì)功率和主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速，選取同步帶的型號(hào)為L(zhǎng)型節(jié)距。 （5） 確定小帶輪齒數(shù)和小帶輪節(jié)圓直徑 取，則小帶輪節(jié)圓直徑。當(dāng)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)，同步帶速度為，沒有超過L型帶的極限速度。 （6） 確定大帶輪齒數(shù)和大帶輪節(jié)圓直徑 大帶輪齒數(shù)，節(jié)圓直徑。

19、 （7） 初選中心距、帶的節(jié)線長(zhǎng)度、帶的齒數(shù) 初選中心距，圓整后取。則帶的節(jié)線長(zhǎng)度為。查表選取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)度，相應(yīng)齒數(shù)。 （8） 計(jì)算實(shí)際中心距 實(shí)際中心距。 （9） 校驗(yàn)帶與小帶輪的的嚙合齒數(shù) ，嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。此處表示取整。 （10） 計(jì)算基準(zhǔn)額定功率 所選型號(hào)同步帶在基準(zhǔn)寬度下所允許傳遞的額定功率：，式中 表示帶寬為時(shí)的許用工作壓力，查表得；表示帶寬為時(shí)的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，查表得；表示同步帶的帶速，由上述（5）知。代入式子算得. （11） 確定實(shí)際所需同步帶寬度 ，式中表示選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度，查表得；表示小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)

20、，查表得。由上式算得，再根據(jù)表選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬。 （12） 帶的工作能力驗(yàn)算 根據(jù)式，計(jì)算同步帶額定功率的精確值：式中 為齒寬系數(shù)：。經(jīng)計(jì)算得,而,滿足。因此，帶的工作能力合格。 4.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 （1） 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 已知：滾珠絲杠的公稱直徑，總長(zhǎng)（帶接桿），導(dǎo)程，材料密度；縱向移動(dòng)部件總重量；同步帶減速箱大帶輪寬度，節(jié)徑，孔徑，輪轂外徑，寬度；小帶輪寬度，節(jié)徑，孔徑，輪轂外徑，寬度；傳動(dòng)比。 將上述數(shù)據(jù)代入公式，可得出：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；床鞍折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；小帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，大帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在設(shè)計(jì)減速箱時(shí)，初選的縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為1

21、30BYG5501，查表得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：。 （2） 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。 1） 快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式，可知包括三部分：快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩、移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式可知，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： （4-1） 根據(jù)式，考慮縱向傳動(dòng)鏈的總效率，計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：

22、 （4-2）式中 表示對(duì)應(yīng)縱向空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為；表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為。其中： （4-3） 式中 表示縱向空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為；表示縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角。為；表示縱向脈沖當(dāng)量，為。將以上各值帶入式（4-3），算得。 設(shè)表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間，縱向傳動(dòng)鏈總效率；則由式（4-2）求得：，由式可知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： （4-4）式中 表示導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌??；表示垂直方向的工作載荷，空載時(shí)?。槐硎究v向傳動(dòng)鏈總效率，取。則由式（4-4）得：，最后由式（4-1），求得快速空載起動(dòng)

23、時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： (4-5) 2） 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式可知，包括三部分：折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩、移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： （4-6） 其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式計(jì)算，本例中在對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知進(jìn)給方向的最大工作載荷,則有： 再由式計(jì)算承受最大工作負(fù)載（）情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩: 最后由式（4-6），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承的負(fù)載

24、轉(zhuǎn)矩： （4-7） 經(jīng)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩： （4-7） （3） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟布，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： （4-8） 對(duì)于前面預(yù)選的130BYG5501型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，查表可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩，可見完全滿足式（4-8）要求。 （4） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 1）最大工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定縱向最快工進(jìn)速度，脈沖當(dāng)量，由式求

25、出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。 2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定縱向最快空載移動(dòng)速度，由式，求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。查表得，此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，大于快速空載起動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。 3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 最快空載移動(dòng)速度，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率。查表可知130BYG550的極限運(yùn)行頻率為，可見沒有超出上限。 4）起動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，查表可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)最高空載起動(dòng)頻率。由式，可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為：

26、，上式說明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于。實(shí)際上，在采用軟件升降頻率時(shí)，起動(dòng)頻率選得很低，通常只有(即)。 綜上所述，縱向進(jìn)給系統(tǒng)選用130BYG550步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足要求。 4.6同步帶傳遞效率的校核 分兩種工作情況，分別進(jìn)行校核。 （1） 快速空載起動(dòng) 電動(dòng)機(jī)從靜止到加速至，由式（4-5）可知，同步帶傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，傳遞的功率為。 （2） 最大工作負(fù)載、最快工進(jìn)速度 由式（4-7）可知，帶需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，任務(wù)書給定最快工進(jìn)速度，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。傳遞的功率為。 可見，兩種情況下同步帶傳遞的負(fù)載功率均小于帶的額定功率。因此

27、，選擇的同步帶功率合格。 第五節(jié) 繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖 在完成滾珠絲杠螺母副和步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選型后可以著手繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)的機(jī)械裝配圖。在繪制機(jī)械裝配圖時(shí)，還應(yīng)認(rèn)真的考慮與具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的一些問題。 （1） 了解原機(jī)床的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。 （2） 根據(jù)載荷特點(diǎn)和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號(hào)，軸承座的結(jié)構(gòu)以及軸承預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式，確定齒輪軸支承軸承的型號(hào)。 （3） 考慮各部件之間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。箱上的聯(lián)接與定位等。 （4） 考慮密封、防護(hù)、潤(rùn)滑以及安全機(jī)構(gòu)等問題。 （5） 在進(jìn)行各零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意裝配的工藝性

28、，考慮正確的裝配順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。 第六節(jié) 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考慮以下功能： 1） 接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示； 2） 接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號(hào)； 3） 接收車床限位開關(guān)信號(hào)； 4） 接收螺紋編碼器信號(hào)； 5） 接收電動(dòng)卡盤夾緊信號(hào)與電動(dòng)刀架刀位信號(hào)； 6） 控制X、Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器； 7） 控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止； 8） 控制多速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級(jí)變速； 9） 控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無級(jí)變速； 10） 控制切削液泵起動(dòng)停止； 11） 控制電動(dòng)卡盤的夾緊與松開； 12） 控制電

29、動(dòng)刀架的自動(dòng)選刀； 13） 與PC機(jī)的串行通信。 圖（2）為控制系統(tǒng)的原理框圖。 CPU選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89S52；由于AT89S52本身資源有限，所以擴(kuò)展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲(chǔ)器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存放用戶程序；鍵盤與LED顯示采用8279來管理；輸入輸出口的擴(kuò)展選用了并行接口8255芯片，一些進(jìn)出的信號(hào)均做了隔離放大；模擬電壓的輸出借助于DAC0832;與PC機(jī)的串行通信經(jīng)過MAX233芯片。 數(shù)控系統(tǒng)的操作面板布置如圖（1）所示。面板設(shè)置了48個(gè)微動(dòng)按鈕，三個(gè)船形開關(guān)，一只急停按鈕，顯示器包

30、括1組數(shù)碼管和7只發(fā)光二極管。 交流變頻器 主軸電動(dòng)機(jī) 隔離放大 X向步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 隔離放大 隔離放大 隔離放大 隔離放大 隔離放大 隔離放大 隔離放大 Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 刀架電動(dòng)機(jī) 主軸電動(dòng)機(jī) 卡盤電動(dòng)機(jī) 切削液泵電動(dòng)機(jī) 刀架刀位信號(hào) 限位開關(guān)信號(hào) SRAM 芯片 6264 復(fù)位電路 晶振電路 EPROM 芯片 W27C512 CPU AT89S52 單片機(jī) 鍵盤與顯示接口芯片827

31、9 串行接口芯片 MAX233 并行接口芯片 8255 D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832 螺紋光柵信號(hào) 操作面板開關(guān)/按鈕信號(hào) 圖（2） 第七節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用 本例中X向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為110BYG5802,Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為30BYG5501。兩種電動(dòng)機(jī)除了外形尺寸、步距角和輸出轉(zhuǎn)矩不同外，電氣參數(shù)基本相同，均為5相混合式，5線輸出，電動(dòng)機(jī)供電電壓，電流5安。這樣，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源可用同一型號(hào)。在此，選擇合肥科林?jǐn)?shù)控

32、科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的五相混合式調(diào)頻調(diào)壓型步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為BD5A。 第八節(jié) 控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì) 1. 存儲(chǔ)器與I/O芯片地址分配 根據(jù)圖三中地址譯碼器U4（74LS138）的連接情況，可以算出主機(jī)板中存儲(chǔ)器與I/O芯片的地址分配，如下表所示： 器件名稱 地址選擇線（） 片內(nèi)地址單元數(shù) 地址編碼 6264 8K 8255 4 8279 2 DAC0832 1 2. 控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序 系統(tǒng)設(shè)有7檔功能可以相互切換，分別是“編輯” 、“空刀” 、“自動(dòng)” 、“手動(dòng)1” 、“手動(dòng)2” 、“手動(dòng)3”和“回零” 。選中某一

33、功能時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮，進(jìn)入相應(yīng)的功能處理?？刂葡到y(tǒng)的監(jiān)控管理程序流程見圖（3）。 系統(tǒng)上電復(fù)位 CPU、8255、8279等初始化 工作狀態(tài)選擇 編輯？ 編輯處理 回零？ 回零處理 N 自動(dòng)？ 自動(dòng)處理 N 手動(dòng)？ 手動(dòng)處理 N 空刀？ 空刀處理 N N 圖（3） 3. 8255芯片初始化子程序 B255: MOV DPTR，#3FFFH ；指向8255的控制口地址 MOV A，#10001001B ；PA口輸出，PB口輸出，PC口輸入，均為方式0

34、 MOVX @DPTR，A ；控制字被寫入 MOV DPTR，#3FFCH ；指向PA口 MOV A，#0FFH ；預(yù)置PA口全“1” MOVX @DPTR，A ；輸出全“1”到PA口 MOV DPTR，#3FFDH ；指向PB口 MOV A，#0FFH ；預(yù)置PB口全“1” MOVX @DPTR，A ；輸出全“1”到PB口 RET 4. 8279芯片初始化子程序 B2

35、79: MOV DPTR，#5FFFH ；指向8279的控制口地址 MOV A，#0CFH ；清除FIFO與顯示RAM命令 MOVX @DPTR，A ；命令字被寫入 WAIT: MOVX A，@DPTR ；從8279的控制口讀取8279的狀態(tài)字 JB ACC.7，WAIT ；測(cè)試顯示RAM有沒有被清除完畢。只有狀態(tài)字的D7=0，清除才結(jié)束 MOV A，#08H ；編碼掃描，左入口，16位字符顯示，雙鍵互鎖

36、 MOVX A，@DPTR MOV A，#34H ；分頻系數(shù)取20 MOVX @DPTR，A RET 5. 8279控制LED顯示子程序 設(shè)顯示緩沖區(qū)的首地址為6BH，系統(tǒng)在指定的工作狀態(tài)下，需要顯示的字 符段碼的編碼，事先存儲(chǔ)在CPU內(nèi)部的RAM的6BH~73H這9個(gè)字節(jié)中。已知 8279的控制口地址為5FFFH，數(shù)據(jù)口地址為5FFEH，則顯示程序如下： DIR: MOV DPTR，#5FFFH ；8279的控制口地址 MOV A，#90H

37、 ；寫8279顯示RAM的命令 MOVX @DPTR，A ；從顯示RAM的00H地址開始寫，每寫一次，顯示RAM的地址自動(dòng)加1 MOV R0，#6BH ；顯示緩沖區(qū)的首地址為6BH MOV R7，#09H ；顯示緩沖區(qū)的長(zhǎng)度為9個(gè)字節(jié) MOV DPTR，#5FFFH ；8279的數(shù)據(jù)口地址 DIR0: MOV A，@R0 ；從CPU的RAM中讀取顯示段碼的編碼 ADD A，#05H

38、；PC與DTAB表格之間的偏移量 MOVC A，@A+PC ；查表，取出顯示段碼 MOVX @DPTR，A ；送到8279顯示RAM中指定的字節(jié) INC R0 ； 寫8279的下一個(gè)顯示RAM DJNZ R7，DIR0 ；循環(huán)9次，完成9位顯示 RET ； 段碼 字符 編碼 DTAB: DB 6FH ；F

39、 00-01 DB 0DAH DB 0BEH ；X 02-03 DB 0E7H DB 0A3H ；Z 04-05 DB 0CBH DB 0D1H ；U 06-07 DB 0D3H DB 0DCH ；W 08-09 DB 0CEH DB 0DFH ；- 0A DB 21H

40、 ；0 0B DB 7BH ；1 0C DB 91H ；2 0D DB 19H ；3 0E DB 4BH ；4 0F DB 0DH ；5 10 DB 05H ；6 11 DB 69H ；7 12 DB

41、01H ；8 13 DB 09H ；9 14 DB 20H ；0. 15 DB 7AH ；1. 16 DB 90H ；2. 17 DB 18H ；3. 18 DB 4AH ；4. 19 DB 0CH ；5. 1A DB

42、 04H ；6. 1B DB 68H ；7. 1C DB 00H ；8. 1D DB 08H ；9. 1E …… ；根據(jù)系統(tǒng)需要編制字庫(kù) 當(dāng)需要顯示一組字符時(shí)，首先給顯示緩沖區(qū)的6BH~73H這9 個(gè)字節(jié)賦值，然后調(diào)用DIR子程序即可。例如，要顯示“X-1234.56” ，程序如下： MOV 6BH，#02H ；“X”的一半

43、 MOV 6CH，#03H ；“X”的另一半 MOV 6DH，#0AH ；- MOV 6E，#0CH ；1 MOV 6FH，#0DH ；2 MOV 70H，#0EH ；3 MOV 71H，#19H ；4. MOV 72H，#10H ；5 MOV 73H，#11H ；6 CALL DIR

44、 ；向8279的顯示RAM寫數(shù) …… 顯示緩沖區(qū)（CPU內(nèi)部RAM）： (6BH)(6CH)(6DH) (6EH) (6FH) (70H) (71H) (72H) (73H) | | |　　 | | | | | | 顯示字符： X - 1 2 3 4. 5 6 | | | | | | | | | 字符編

45、碼： 02H 03H 0AH 0CH 0DH 0EH 19H 10H 11H 6. 8279管理鍵盤子程序 如圖三所示，當(dāng)矩陣鍵盤有鍵按下時(shí)，8279即向CPU的INT1申請(qǐng)中斷，CPU隨即執(zhí)行中斷服務(wù)程序，從8279的FIFO中讀取鍵值，程序如下： CLR EX1 ；關(guān)CPU的INT1中斷 MOV DPTR，#5FFFH ；指向8279控制口地址 MOV A，#01000000B ；準(zhǔn)備讀8279FIFO的命令 MOVX @DP

46、TR，A ；寫入8279控制口 MOV DPTR，#5FFFH ；指向8279數(shù)據(jù)口地址 MOVX A，@DPTR ；讀出鍵值 CJNE A，#KEY0，NEXT0 ；依次進(jìn)行判別 JMP _KEY0 ；對(duì)應(yīng)鍵進(jìn)行處理 NEXT0: CJNE A，#KEY1，NEXT1 JMP _KEY1 NEXT1: CJNE A，#KEY2，NEXT2

47、 JMP _KEY2 NEXT2: …… 7. D/A電路輸出模擬電壓程序 如圖三所示，當(dāng)CPU執(zhí)行寫命令時(shí)，只要選中7FFFH這個(gè)地址，DAC0832與741組成的D/A轉(zhuǎn)換電路即可輸出直流電壓。程序如下： MOV DPTR，#7FFFH ；指向DAC0832口地址 MOV A，#DATA ；準(zhǔn)備輸出的數(shù)字量00H~0FFH MOVX @DPTR，A ；輸出直流電壓0~10V 8. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制程序 9. 電動(dòng)刀架的轉(zhuǎn)位控制程序 10. 主軸、卡盤

48、與切削液泵的控制程序 車床主軸的控制，就是控制主電動(dòng)機(jī)的正反停，以及自動(dòng)變速；電動(dòng)卡盤需要控制其夾緊與松開；切削液泵需要控制它的起停。這些程序都非常簡(jiǎn)單，對(duì)于某個(gè)動(dòng)作的控制，只要從輸出接口芯片的某個(gè)引腳輸出一個(gè)電平信號(hào)即可。 現(xiàn)以主軸正轉(zhuǎn)為例，從圖三可以看出，主軸的正轉(zhuǎn)由8255的PA0來控制，當(dāng)用低電平信號(hào)來控制主軸正轉(zhuǎn)時(shí)，程序如下： MOV DPTR，#3FFFH ；8255的PA口地址 MOVX A，@DPTR ；讀出PA口鎖存器內(nèi)容 CLR ACC.0 ；修改

49、 MOVX @DPTR，A ；置PA0=0,直流繼電器K+閉合，主軸正轉(zhuǎn) 參考文獻(xiàn) [1]張新義主編．經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998 [2]余英良主編．機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994 [3]王貴明主編．?dāng)?shù)控實(shí)用技術(shù)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [4]普通C6140車床的說明書 [5]張建明主編．機(jī)電一體華系統(tǒng)控制．北京：高等教育出版社，20

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