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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
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設(shè)計(jì)（論文）開始日期： 年月 日
設(shè)計(jì)（論文）完成日期：年 月 日
一、設(shè)計(jì)（論文）題目：320mm數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
二、設(shè)計(jì)的目的和意義
數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)，直接影響到一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國力。數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)屬于工程設(shè)計(jì)類型題目，結(jié)構(gòu)典型，滿足培養(yǎng)目標(biāo)的要求。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)可以使基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識得到綜合運(yùn)用。我國通用機(jī)床擁有量居世界第一位，因此對通用機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造，是我國機(jī)床工業(yè)技術(shù)發(fā)展政策的重要方向。CM6132精密車床具有分離運(yùn)動(dòng)，加工精度高等特點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)控改造更有實(shí)際意義
三、設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容： CM6132精密車床主傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控改造方案設(shè)計(jì)；主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；部分零件工作圖設(shè)計(jì)；撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書.
四、設(shè)計(jì)目標(biāo)：1.床身最大加工直徑320mm;2.主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)保持主軸箱內(nèi)背輪機(jī)構(gòu)不變，取消變速箱，用變頻調(diào)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。
五、進(jìn)度計(jì)劃
第1-4周 熟悉題目，收集資料，現(xiàn)場實(shí)習(xí)；
第5周 總體方案設(shè)計(jì)
第6-13周 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、完成裝配圖設(shè)計(jì)
第14-15周 零件工作圖設(shè)計(jì)
第16-17周 撰寫設(shè)計(jì)說明書
第18周 評閱
第19周 打印、裝訂論文，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯
六、參考文獻(xiàn)資料：[1]丁軍，宋丹.C6132普通車床的數(shù)字化改造[J].機(jī)電一體化，2003，（4）；102~105. [2]李佳.數(shù)控機(jī)床及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社.2001.[3]維邦.金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984. [4] 王潤孝.機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng)[M].西安：西北工業(yè)出版社，1993.
指 導(dǎo) 教 師：
院（系）主管領(lǐng)導(dǎo)：
摘 要
對CM6132精密車床主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 主要對主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。改造包括機(jī)械和數(shù)控兩部分。 機(jī)械部分：拆掉變速箱改用變頻電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。數(shù)控部分：數(shù)控系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號單方向傳遞。開環(huán)系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉、易掌握，調(diào)試和維修比較方便簡單，已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床.數(shù)控機(jī)床集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、傳感測量、機(jī)械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它的發(fā)展和運(yùn)用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時(shí)代，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大變化?，F(xiàn)代的CAD/CAM、FMS、CIMS等技術(shù)都是建立在數(shù)控技術(shù)之上。數(shù)控技術(shù)水平的高低已成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平的核心標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)加工機(jī)床及生產(chǎn)過程的數(shù)控化，已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：數(shù)改造；數(shù)控車床；步進(jìn)電機(jī)控
Abstract
As to the NC transform of CM 6132 precise lathe, vertical and horizontal motion system are concerned including mechanism part and NC part. As for as the mechanism part is concerned, in order to decrease the friction and increase the motion precision, ball guide screw is adopted. As to the NC part, open loop control system is adopted in NC system. There is no feedback circuit and test and determining facilities with one-way instruction signal transmission.The open loop system is mainly droved by stepper motor, which is of simple structure, low cost, easy learning with simple preliminary test and maintenance. It is widely used in NC lathe.
【Key words】 Numerical control innovation NC lathe Stepper motor
35
目 錄
第1章 緒 論 4
1.1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 4
1.2 普通機(jī)床數(shù)控改造的必要性 4
1.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 5
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 6
2.1 計(jì)算參數(shù)和技術(shù)要求 6
2.2 總體方案的擬定 6
2.2.1 機(jī)械部分改造 6
2.3 基本參數(shù)的確定 8
2.3.1 運(yùn)動(dòng)參數(shù) 9
2.3.2 動(dòng)力參數(shù) 9
第3章 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11
3.1 帶輪及帶的計(jì)算 11
3.2 齒輪校核 14
3.2.1 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 14
3.2.2 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 16
3.3 軸的校核 18
3.4 鍵的校核 21
第4章 控制原理設(shè)計(jì) 23
4.1 數(shù)控系統(tǒng)的基本硬件組成 23
4.1.1 單CPU系統(tǒng)的組成 23
4.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的選用 24
4.2 步進(jìn)電機(jī)的控制 24
4.2.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理 24
4.3 鍵盤及顯示器接口 28
4.3.1 鍵盤接口電路 28
4.3.2 液晶顯示模塊的工作原理 28
第5章 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析 30
5.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改造的合理化 30
5.2 提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的方法 30
5.3 產(chǎn)品成本核算 31
5.4 產(chǎn)品年利潤 32
結(jié)論 33
致謝 34
參考文獻(xiàn) 35
附錄1 36
第1章 緒 論
1.1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展
隨著電子技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。以微處理器為基礎(chǔ)，以大規(guī)模集成電路為標(biāo)志的數(shù)控設(shè)備，已在我國批量生產(chǎn)、大量引進(jìn)和推廣應(yīng)用，它們給機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，并帶來很大的效益。但同時(shí)，由于它們的先進(jìn)性、復(fù)雜性和智能化的特點(diǎn)，在維修理論、技術(shù)和手段上都發(fā)生了飛躍的變化。
數(shù)控機(jī)床自20世紀(jì)中期誕生以來，它們數(shù)控系統(tǒng)隨著電子器件的更新?lián)Q代也不斷發(fā)展。特別是超大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理器引入數(shù)控系統(tǒng)，以及直流和交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的成熟，大大地推動(dòng)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。今天數(shù)控機(jī)床已發(fā)展為一種高度機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，成為現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)得基本單元，成為支撐先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)核心設(shè)備。
20世紀(jì)后半期， 數(shù)控機(jī)床不僅品種多，而且產(chǎn)量迅速發(fā)展，同期世界數(shù)控車床擁有達(dá)100萬臺，品種有1500種，數(shù)控機(jī)床的年產(chǎn)量近15萬臺。美國在1983年的機(jī)床擁有量比1973年下降了23．1﹪，而同期數(shù)控機(jī)床擁有量增加了2．6倍，日本1983年生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床占機(jī)床品種數(shù)的65﹪，數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量（臺數(shù)）占車床總產(chǎn)量的28．3﹪，數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)值為車床總產(chǎn)值的70．9﹪。美國1989年機(jī)床擁有量為232678臺，其中數(shù)控機(jī)床為2323566臺；日本1987年機(jī)床擁有量為792975臺，其中數(shù)控機(jī)床為70255臺。到1994年，日本機(jī)床擁有量的數(shù)控化率達(dá)20．9﹪，美國、意大利均達(dá)10﹪以上。1995年我國機(jī)床擁有量達(dá)85．12萬臺，占22．2﹪。機(jī)床擁有量的數(shù)控化率為1.9﹪，金屬切削加工數(shù)控化率達(dá)2.15﹪，成型機(jī)床的數(shù)控化率為1.02﹪。
據(jù)了解，2001年中國機(jī)床產(chǎn)值已進(jìn)入世界前10名的第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第3位，達(dá)47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費(fèi)額比上一年增長25﹪。但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場的需求，使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)24.06億美元，比上年增長27.3﹪。
1.2 普通機(jī)床數(shù)控改造的必要性
面對世界機(jī)床市場的強(qiáng)烈沖擊，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床如何從容應(yīng)對并占有一定的市場份額，有關(guān)人士提出，必須把發(fā)展國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床放在突出位置，因?yàn)閿?shù)控機(jī)床是衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)志；數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了形態(tài)復(fù)雜、精密、小批及多變零件的加工問題且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)率。因此，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場需求大力培育，不能光靠一個(gè)展覽會來推動(dòng)，各級政府應(yīng)重視數(shù)控機(jī)床開發(fā)研制及市場銷售等一系列問題，為國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床發(fā)展大開“綠燈” 。
提高數(shù)控化率有兩個(gè)途徑：（1）投入巨資購買新的數(shù)控機(jī)床；因?yàn)槲覈F(xiàn)有老機(jī)床太多，再加上資金問題，我國購買的數(shù)控機(jī)床還是有限的。（2）對現(xiàn)有普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造，對擁有300多萬臺普通機(jī)床的我國來說，普通機(jī)床的數(shù)控化無疑是一條簡單可行的途徑“研究如何簡便、實(shí)用地對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造是十分必要的?！?
1.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢
隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展也越來越快，數(shù)控機(jī)床也正朝著高性能、高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向發(fā)展。高性能：隨著數(shù)控系統(tǒng)集成度的增強(qiáng)，數(shù)控機(jī)床也實(shí)現(xiàn)多臺集中控制，甚至遠(yuǎn)距離遙控。高精度：數(shù)控機(jī)床
本身的精度和加工件的精度越來越高，而精度的保持性要好。高速度：數(shù)控機(jī)床各軸運(yùn)行的速度將大大加快。高柔性：數(shù)控機(jī)床的柔性化將向自動(dòng)化程度更高的方向發(fā)展，將管理、物流及各相應(yīng)輔機(jī)集成柔性制造系統(tǒng)。模塊化：數(shù)控機(jī)床要縮短周期和降低成本，就必然向模塊化方向發(fā)展，這既有利于制造商又有利于客戶。
機(jī)床工業(yè)被稱之為裝備工業(yè)，裝備工業(yè)又是技術(shù)密集、技術(shù)更新速度十分快的行業(yè)，面對入世和世界經(jīng)濟(jì)一體化的進(jìn)程，必須在新一輪經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整中找準(zhǔn)自己的位置，加快發(fā)展、更新的頻率，用“限普贈(zèng)數(shù)”來加快集約化進(jìn)程，促進(jìn)裝備工業(yè)的發(fā)展，參與世界經(jīng)濟(jì)競爭。我國近幾年數(shù)控機(jī)床雖然發(fā)展較快，但與國際先進(jìn)水平還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：可靠性差，外觀質(zhì)量差，產(chǎn)品開發(fā)周期長，應(yīng)變能力差。為了縮小與世界先進(jìn)水平的差距。
現(xiàn)在國內(nèi)的主要先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床都是靠進(jìn)口的，即使自己做的車床中的精密部件例如精密絲杠都是靠進(jìn)口的，沒法靠自己的技術(shù)來制造，這樣大大限制了我國機(jī)床的水平和與國際競爭的能力
這樣經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床就顯得尤為重要，不但可以節(jié)省資金而且技術(shù)水平不比大型數(shù)控機(jī)床簡單，也能體現(xiàn)一個(gè)國家的機(jī)床水平，從簡單向大型化， 復(fù)雜化，集成化發(fā)展奠定一定的技術(shù)。對現(xiàn)有老機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造費(fèi)用低廉符合我國的國情，可以普遍提高我國的數(shù)控人員。
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 計(jì)算參數(shù)和技術(shù)要求
（1）床身上最大加工直徑320㎜
（2）主傳動(dòng)系統(tǒng)保持主軸箱內(nèi)背輪機(jī)構(gòu)不變，取消變速箱，用變頻調(diào)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。
（3）拆掉進(jìn)給箱、溜板箱改用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)縱、橫進(jìn)給，脈沖當(dāng)量≦0.01
總體方案的擬定
數(shù)控機(jī)床主要用于軸類、盤類件的加工，能自動(dòng)完成外圓柱面、內(nèi)孔、錐面、圓弧面
2.2 總體方案的擬定
數(shù)控機(jī)床主要用于軸類、盤類零件的加工，能自動(dòng)完成外圓柱面、內(nèi)孔、錐面、圓弧面、螺紋等工序的粗細(xì)加工，并能在外圓柱面或端面上進(jìn)行銑、鉆孔、鉸孔等工作，可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件在預(yù)先加工好定位基面后，一次裝夾下完成從毛坯到成品的全部工序。因此，能夠極大地提高生產(chǎn)率。本項(xiàng)研究的對象——CM6132車床，主要用于對小型軸類！盤類以及螺紋零件的加工。
2.2.1 機(jī)械部分改造
（1）主軸伺服系統(tǒng)的改造
拆去原床身的變速箱、進(jìn)給箱、三相異步電動(dòng)機(jī)，主軸箱繼續(xù)保留使用，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)、原進(jìn)給機(jī)構(gòu)輸出端接脈沖發(fā)生器。由于采用了先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)給系統(tǒng)，主軸的變速特性變佳，實(shí)現(xiàn)了無級調(diào)速。
PWM變頻調(diào)速
D/A
光電隔離
MCS-51
8155
ＡＣ電機(jī)
主軸
齒輪傳動(dòng)
圖２－１ 主軸伺服系統(tǒng)的組成
（2）進(jìn)給電機(jī)伺服系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)
為滿足盡可能減少改動(dòng)量的要求，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)常接口箱驅(qū)動(dòng)絲杠，帶動(dòng)刀具縱向和橫向移動(dòng)。用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)代替普通的滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)，具有摩擦力小，運(yùn)動(dòng)靈敏，無爬行現(xiàn)象的特點(diǎn)，也可以進(jìn)行預(yù)緊，以實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng)，以使傳動(dòng)剛度好，反向時(shí)無空程死區(qū)?？v向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆去原機(jī)床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座，配上滾珠絲杠及其相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)及其和絲杠的鏈接部分在主軸箱之下并不占據(jù)絲杠空間。由于采用滾珠絲杠可提高系統(tǒng)的精度和縱向進(jìn)給的整體剛度；橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：由于原橫向進(jìn)給的絲杠空間有限，所以拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠。由于現(xiàn)在的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，步距角也比原來小了很多，所以步進(jìn)電機(jī)和絲杠之間用聯(lián)軸器連接，1：1傳動(dòng)。方案如圖2-2。
圖2-2整機(jī)方案圖
（3）聯(lián)軸器
圖2-3是現(xiàn)在廣泛采用的直接聯(lián)接電機(jī)軸和絲杠的撓性聯(lián)軸節(jié)。這種聯(lián)軸節(jié)的工作原理是：聯(lián)軸節(jié)的左半部裝在電機(jī)軸上，當(dāng)擰緊螺釘2時(shí)，件3和件5相互靠近，擠壓內(nèi)錐環(huán)17、外錐環(huán)4，使外錐環(huán)內(nèi)徑縮小，內(nèi)錐環(huán)外徑脹大，使件5與電機(jī)軸1形成無鍵聯(lián)接。右半部也同樣形成無鍵聯(lián)接。左半部通過剛性鋼片組成15的兩個(gè)對角孔與螺栓6、球面墊圈7、8相聯(lián)。圖中表明球面墊圈8和右半部件9沒有任何聯(lián)接關(guān)系。同樣，彈性鋼片組15的另外兩個(gè)對角孔通過球面墊圈14、16、螺栓13與右半部聯(lián)接，墊圈16與件5沒有任何聯(lián)接關(guān)系。這樣依靠彈性鋼片組對角聯(lián)接（即撓性）傳遞扭矩，且與電機(jī)軸和絲杠都無鍵聯(lián)接，便是撓性聯(lián)軸節(jié)的工作原理。
1—電機(jī)軸；2、12—螺釘；3—法蘭；4—外錐環(huán)；5—左本體；
6、13—螺栓；7、8、14、16—墊片；9—右本體；10—法蘭；11—絲杠。
圖2-2 撓性聯(lián)軸器
2.3 基本參數(shù)的確定
通過主軸孔最大棒料直徑d：
床身寬度B：
B = 2.14 D0.82 = 273 mm
經(jīng)濟(jì)合理的工件或刀具直徑按照以下幾種經(jīng)驗(yàn)公式估定：
d max = (0.5 ~ 0.7)D = 0.6D = 0.6 × 320 = 192 mm
d min = (0.08 ~ 0.12)D = 0.10D = 0.10 × 320 = 32 mm
2.3.1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)
可通過類比實(shí)驗(yàn)和計(jì)算等方法綜合確定：
n max = 1000 × 220 = 2189
π × 32
v min 、v max 、d min 、d max為經(jīng)濟(jì)加工切削速度和經(jīng)濟(jì)合理的工件或刀具直徑。n max 、n max是機(jī)床的最低、最高轉(zhuǎn)速，其中常用經(jīng)濟(jì)加工切削速度硬質(zhì)合金刀具精車中碳剛v = 200 — 220 m/min 取 v max = 220 m/min v min 取高速鋼刀具精車絲杠v = 15m/min。
取n = 24 □ 2200r/min
計(jì)算速度：n j
2.3.2 動(dòng)力參數(shù)
據(jù)下列公式及數(shù)據(jù)估算電機(jī)功率P：
F z = f ? t ? s （公斤力）
f — 單位切削面積上的切削力，取硬質(zhì)合金刀加工中碳鋼f = 220 （公斤力/mm 2 ）
t — 切削深度
s — 進(jìn)給量
切削深度及進(jìn)給量取半精車中碳鋼，故t 取1mm；s取0.2mm；v = 190m/s
取P = 2.5kw
第3章 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 帶輪及帶的計(jì)算
選用宰V帶傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的額定功率P = 2.5 KW,轉(zhuǎn)速n1 = 1500r/min傳動(dòng)比i = 2一天的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間≥10h
主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式
機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)可分為分級變速傳動(dòng)和無級變速傳動(dòng)。分級調(diào)速傳動(dòng)是在一定的變速范圍內(nèi)均勻地、離散地分布著有限級數(shù)的轉(zhuǎn)速，變速級數(shù)一般不超過20~30級。這種傳動(dòng)方法主要用于普通機(jī)床，一些普通機(jī)床經(jīng)數(shù)控化改造后也保留了原分級變速傳動(dòng)方式。無級調(diào)速傳動(dòng)可以在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳速度，能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于自動(dòng)變速。數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)通常采用無級變速傳動(dòng)。
與普通機(jī)床相比，數(shù)控車床的主傳動(dòng)采用交、直流主軸調(diào)速電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍大，并可無級調(diào)速，使主軸箱結(jié)構(gòu)大為簡化。為了適應(yīng)不同的加工需要，數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)有以下三種傳動(dòng)方式。
（1） 由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)
（2） 采用定比傳動(dòng)
（3） 采用分檔變速傳動(dòng)
無級變速是指在一定的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速（或速度）能連續(xù)地變換，從而獲得最有利的切削速度。機(jī)床主傳動(dòng)中常采用的無級變速裝置有三大類：變速電動(dòng)機(jī)、機(jī)械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。
（1）變速電動(dòng)機(jī) 機(jī)床上常有的變速電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流變頻電動(dòng)機(jī)，在額定轉(zhuǎn)數(shù)以上為恒功率變速，通常變速范圍僅為2 ―3；額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩變速，調(diào)整范圍很大，變速范圍可達(dá)30甚至更大。上述功率和轉(zhuǎn)距特性一般不能滿足機(jī)床的使用要求。為了擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動(dòng)機(jī)和主軸之間串聯(lián)一個(gè)分級變速箱。變速電動(dòng)機(jī)廣泛用于數(shù)控機(jī)床、大型機(jī)床中。
（2）機(jī)械無級變速裝置 機(jī)械無級變速裝置有柯普型、行星錐輪性、分離錐輪鋼環(huán)形和寬帶型等多種結(jié)構(gòu)，它們都是利用摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)距，通過連續(xù)地改變摩擦傳動(dòng)副工作半徑來實(shí)現(xiàn)無級變速。由于它的變速范圍小，多數(shù)是恒轉(zhuǎn)距傳動(dòng)，通常較少單獨(dú)使用，而是與分級變速機(jī)構(gòu)串聯(lián)使用，以擴(kuò)大變速范圍，機(jī)械無級變速器應(yīng)用于要求功率和變速范圍較小的中小型車床、銑床等機(jī)床的主傳動(dòng)中，更多的是用于進(jìn)給變速傳動(dòng)中。
（3）液壓無級變速裝置 液壓無級變速裝置通過改變單位時(shí)間內(nèi)輸入液壓缸或液動(dòng)機(jī)中液體的油量來實(shí)現(xiàn)無級變速。它的特點(diǎn)是變速范圍較廣、變速方便、傳動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)換向時(shí)沖擊小、易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)化。液壓無級變速裝置常用在主運(yùn)動(dòng)的機(jī)床中，如刨床、拉床等。
1.確定計(jì)算功率P ca
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]表8—6工作情況系數(shù)查得工作情況系數(shù)K A = 1.3,故：
P ca = K A P = 1.3 × 2.5 = 3.25 KW
2.選取窄V帶帶型
根據(jù)P ca、n 1由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]圖8—9窄V帶選型圖確定選用SPB型。
3.確定帶輪基準(zhǔn)直徑
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]表8—3V帶輪的最小基準(zhǔn)直徑和8—7V帶輪的基準(zhǔn)直徑系列取主動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑d d1 = 125 mm
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]式（8—15），從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑d d2。
d d2 = i d d1 = 2 × 125 =250 mm
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]表8—7V帶輪的基準(zhǔn)直徑系列，取d d2 = 250 mm
按《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]式（8—13）驗(yàn)算帶的速度
所以帶的速度合適。
4.確定窄V帶的基準(zhǔn)長度和傳動(dòng)中心距
αmin = 0.7（d d1 + d d2）= 0.7 × （125 + 250） = 262.5 mm
αmax = 2 (d d1 + d d2 ) = 2 × （125 +250） = 750 mm
初步確定中心距α0 =520 mm
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]式（8—20）計(jì)算帶所需的基準(zhǔn)長度
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]表 8—2V帶的基準(zhǔn)長度系列及長度系數(shù)KL選帶的基準(zhǔn)長度
Ld = 1600mm
按《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]式（8—21）計(jì)算實(shí)際中心距α
2
5.驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角α1
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]式（8—6）得
所以主動(dòng)輪上的包角合適。
6.計(jì)算窄V帶的根數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]式（8—22）知
由n1 = 1480、dd1 = 125mm、i = 2 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]表8—5c單根窄V帶的基本額定功率P0和表8—5d單根窄V帶額定功率的增量△P0得:
P0 = 2.61KW △P0 = 0.56 KW
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8—8包角系數(shù)Ka得：Ka=0.98，查表8—2V帶的基準(zhǔn)長度系列及長度系數(shù)KL得：KL = 1.00則
取z =2根。
7.計(jì)算預(yù)緊力F0
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]表8—4V帶單位長度的質(zhì)量得：q = 0.07kg/m，故
8.計(jì)算作用在軸上的壓軸力FP
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[3]式（8—24）得：
3.2 齒輪校核
主軸箱內(nèi)的齒輪校核，小齒輪材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB~286HB，平均取為260HB，大齒輪選用雙片齒輪，用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為229HB~286HB，平均取240HB。
Z1 = 27，Z2 = 63，m = 2.5
由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]圖12—12及圖齒面接觸疲勞強(qiáng)度極限12—23按MQ級 質(zhì)量要求取值，查得：
σHlim1= 700N/mm2 σHlim2 = 510N/mm2
σFE1=580N/mm2 σFE2 = 460N/mm2
小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)距T1
3.2.1 校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度
按《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]表12—20圓柱齒輪傳動(dòng)齒面接觸疲勞強(qiáng)度與齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算公式
式中 分度園上的圓周力Ft：
使用系數(shù)KA：查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]表12—22使用系數(shù)得
齒面圓周速度V：
根據(jù)齒輪的圓周速度V，參考《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]表12—34選擇齒輪的精度等級為：8—8—01 GB10095—88。
查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]圖12—8a 直齒圓柱齒輪的動(dòng)載荷系數(shù) 得KV = 1.01.。
齒向載荷分布系數(shù)KHβ：
按
查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]圖12—9a齒向載荷分布系數(shù)，得KHβ=1。
齒間載荷分布系數(shù)K Ha：
按
查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]表12—23齒間載荷分布系數(shù)，得KHa = 1.2節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH：按β=0。查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]表12—24材料彈性系數(shù) 得
重合度ε： ε=εⅠ+εⅡ
查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]圖12—4標(biāo)準(zhǔn)外口齒合圓柱齒輪的端面重合度 得
εⅠ=0.82 εⅡ=0.91
所以 ε=εⅠ+εⅡ=0.82 +0.91 =1.73
直齒圓柱齒輪可知 Zεβ =1
以上各數(shù)值帶入齒面接觸應(yīng)力計(jì)算方式得：
計(jì)算安全系數(shù)SH：按《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]表12—20圓柱齒輪傳動(dòng)齒面接觸疲勞強(qiáng)度與齒根彎曲強(qiáng)度校核計(jì)算公式
式中 壽命系數(shù)ZN：先計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
對于調(diào)質(zhì)鋼（可以有一定量的點(diǎn)蝕），從《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]圖12—23接觸強(qiáng)度壽命系數(shù) 可查得N∝=109 。
因?yàn)镹1＞N∝，所以ZN1≈1。按N2 = 7.3 ×108從《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]圖12—13接觸強(qiáng)度壽命系數(shù) 查得 ZN2=1.03 。
潤滑油膜影響系數(shù)ZLVR:按v=1.413m/s選320號中極壓型工業(yè)齒輪油，其運(yùn)動(dòng)粘度v40=320mm2/S，查接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)圖12—14軟齒面及調(diào)質(zhì)鋼、滲碳淬火鋼短時(shí)間氣體或液體氮化齒輪的ZLVR值，得 ZLVR = 0.92。
工業(yè)硬化系數(shù)ZW：因?yàn)樾↓X輪齒面未硬化處理，齒面未光整，故ZW=1。
接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)ZX：查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]圖12—17接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù) 得 ZX=1。
將以上數(shù)值代入安全系數(shù)的計(jì)算公式得
按《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]式（12—7）
SHmin = 1
因?yàn)镾H ＞ SHmin 故齒輪是安全的。
3.2.2 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
按《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]表12—20圓柱齒輪傳動(dòng)齒面接觸疲勞強(qiáng)度與齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算公式
式中 彎曲強(qiáng)度計(jì)算的載荷分布系數(shù)KFβ
KFβ = KHβ =1.06
彎曲遷都計(jì)算的載荷分配系數(shù)K Fa：
K Fa =K Ha =1.2
復(fù)合齒輪系數(shù)YFS，按Zv1 = 27，Zv2 = 63查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》外齒輪的復(fù)合齒形系數(shù)圖12—18得
YFS1 = 3.1, YFS2 = 2.8 。
彎曲強(qiáng)度計(jì)算的重合度與螺旋角系數(shù)Yεβ：按ε=1.73，β=0°查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]圖12—22彎曲強(qiáng)度計(jì)算的重合度與螺旋角系數(shù) 得
Yεβ= 0.68
將以上各數(shù)值代入齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算公式得
式中 壽命系數(shù)YN：對調(diào)質(zhì)鋼由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]圖12-24壽命系數(shù)，查得彎曲疲勞應(yīng)力的循環(huán)基數(shù)N∝=3×105 。因?yàn)椋琋1=1.68 ×109，N2=7.3×108均大于N∞，所以YN1=
YN2=1 。
相對齒根圓角敏感系數(shù)YδrelT：由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]圖12-18外齒輪的符合齒形系數(shù)知qS1＞1.5、qS2＞1.5 。查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]表12-25相對齒根圓角敏感系數(shù)表12-25相對齒根圓角敏感系數(shù) 得YδrelT= =1 。
相對齒根表面狀況系數(shù)YRrelT：由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]表12-33常用精度等級齒輪的加工方法及應(yīng)用范圍，齒面粗糟度Ra1=Ra2=1.6μm 。按《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]式12-22，YRrelT=1 。
尺寸系數(shù)YX：查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]圖12-25尺寸系數(shù) 得 YX=1 。將以上各數(shù)值帶入安全系數(shù)SF的公式得
由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[1]式 12-18，SFmin = 1.4
SF1和SF2均大于SFmin，故齒輪安全 。
3.3 軸的校核
軸的材料為45號鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后，σb = 637 MPa，E = 210 MPa 。軸頸 d = 28 mm 。
齒輪直徑 ：大輪 d1 = mz1 = 2.5 ×63 d1 = 157.5 mm
小輪 d2 = mz2 = 3 ×17 d2 = 51 mm
大齒輪受力 ：
轉(zhuǎn)距
圓周力
徑向力
小齒輪受力：轉(zhuǎn)矩
圓周力
徑向力
計(jì)算機(jī)平面內(nèi)支反力（圖3 -1c）
由∑MA =0得
由∑FZ =0,得
RAZ = Fr1 + Fr2 — RBZ
= 309.66 + 956.31 – 734.30
= 531.67 N
垂直面的支反力（圖3—1 e）
由∑MA =0得
由∑FY =0 得
RAY = Ft1 + Ft2 — RDYA
= 850.79 + 2627.45 — 2017.47
= 1460.77N
軸上的轉(zhuǎn)矩圖（圖3—1g） T = T1 =T2 T= 6.7 ×105 N?mm
由于齒輪的作用力在水平平面的彎矩圖（圖3—1d）
MBZ = RAZ?a
= 531.67 ×35
= 18608.48 N?mm
= 18.61 N?m
MCZ = RDZ?c
= 734.30 ×110
= 80773 N?mm
= 80.8 N?m
齒輪作用在垂直面的彎矩圖（圖3—1f）
MBY = RAY?a
= 100.68 ×35
= 3523.8 N?mm
= 3.5 N?m
MCY = RDY?c
= 1877.34 ×110
= 206507.4 N?mm
= 206.5 N?m
大齒輪作用力在B截面的最大彎矩
小齒輪作用力在C截面的最大彎矩：
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸及彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖，截面C處彎矩較大，是危險(xiǎn)截面 。下面對軸的C截面進(jìn)行彎曲應(yīng)力校核計(jì)算：
由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[2]表20—13得
式中許用應(yīng)力值由《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》[2]表20—14查得：
[σ0b ] = 110 Mpa
[σ—1b ] = 65 Mpa
應(yīng)力校正系數(shù)
當(dāng)量轉(zhuǎn)矩
因?yàn)棣? 20.91MPa ＜[σ] = 637MPa 。
所以軸是安全的 。
圖3-1軸的載荷分布圖
3．4 鍵的校核
主軸上的普通圓頭平鍵，軸徑54㎜，傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩為286。47N*m，整個(gè)齒輪組的寬度B>50㎜,載荷穩(wěn)定。
（1） 選擇鍵的類型，選A 型普通平鍵；
（2） 確定鍵的尺寸：查的可選鍵的尺寸為b×h×l=16×10×27㎜;
（3） 擠壓強(qiáng)度：取k=h/2則工件表面的擠壓應(yīng)力為：
；
（4） ，故連接能滿足擠壓強(qiáng)度要求。
（5） 剪強(qiáng)度：
由公式得切應(yīng)力為
由表得知，當(dāng)載荷平穩(wěn)時(shí)，許用應(yīng)力
所以，故能滿足剪切強(qiáng)度要求。
圖3—2主傳動(dòng)系統(tǒng)圖
第4章 控制原理設(shè)計(jì)
4.1 數(shù)控系統(tǒng)的基本硬件組成
CNC系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成。硬件和軟件的關(guān)系是密不可分的。硬件為軟件提供了活動(dòng)舞臺，是軟件的肌體，而軟件則是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂。數(shù)控系統(tǒng)是在軟件的控制下，也叫控制軟件，存放在計(jì)算機(jī)EPROM內(nèi)存中。各種CNC系統(tǒng)的功能設(shè)置和控制方案各不相同，它們的系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上和規(guī)模上差別很大，但是一般包括輸入數(shù)據(jù)處理程序、插補(bǔ)運(yùn)算程序、速度控制程序、管理程序和診斷程序。
目前，CNC系統(tǒng)主要分為兩種形式：一種是單個(gè)CPU組成的系統(tǒng)；另一種是由兩個(gè)以上的CPU組成的多微處理器系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)大都采用一個(gè)CPU完成機(jī)床的控制。
4.1.1 單CPU系統(tǒng)的組成
單CPU組成的系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)主要由微型計(jì)算機(jī)、外圍I/O設(shè)備和機(jī)床I/O控制部分組成。
（1）微型計(jì)算機(jī) 微型計(jì)算機(jī)又簡稱微機(jī)，它是數(shù)控系統(tǒng)的中樞，整個(gè)系統(tǒng)是在微機(jī)的指揮下協(xié)調(diào)工作。微機(jī)主要由微處理器（也稱CPU），內(nèi)部存儲器（RAM及ROM）和I/O接口電路組成，相互之間由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線連接。
微機(jī)是在系統(tǒng)軟件控制下工作，系統(tǒng)軟件存放在只讀存儲器（ROM）中，當(dāng)控制系統(tǒng)接通電源或重新復(fù)位時(shí)，CPU就執(zhí)行存放在ROM的系統(tǒng)程序。隨機(jī)存儲器RAM主要用來存放工件加工程序、加工現(xiàn)場參數(shù)和提供系統(tǒng)的工作緩沖區(qū)。由于系統(tǒng)掉電后，RAM中的信息會丟失，所以應(yīng)具有掉電保持電路和后備電池供電電路。
（2）I/O接口 I/O接口是指外圍設(shè)備與CPU之間的接口電路。一般情況下，外圍與存儲器之間不能直接通信，必須靠CPU對I/O接口的讀/寫控制，完成外圍設(shè)備與CPU之間的信息傳遞。
（3）機(jī)床I/O控制部分 機(jī)床I/O控制部分是微機(jī)與機(jī)床連接的關(guān)鍵部件。CNC系統(tǒng)的機(jī)床I/O控制具有下面幾個(gè)特點(diǎn)：
1）能夠可靠的傳送控制機(jī)床動(dòng)作的信息并能輸入機(jī)床當(dāng)前的狀態(tài)信息。
2）能夠進(jìn)行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換，以滿足CNC系統(tǒng)的輸入與輸出要求。輸入時(shí)，必須將機(jī)床有關(guān)狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識別的二進(jìn)制數(shù)字量； 輸出時(shí)，應(yīng)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成機(jī)床各種執(zhí)行元件所需的物理量。信息轉(zhuǎn)換主要包括以下幾種方式：數(shù)字量模擬量轉(zhuǎn)換（D/A）模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換(A/D)；數(shù)字量和開關(guān)量之間的轉(zhuǎn)換。
（3）具有較強(qiáng)的阻斷干擾信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)的能力，以提高系統(tǒng)的可靠性。為了防止強(qiáng)電干擾信號通過I/O控制回路進(jìn)入計(jì)算機(jī)，最常見的方法是在接口處增加光電隔離電路。
4.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的選用
u'nsp單片機(jī)是由凌陽公司推出的16位單片機(jī)，它的數(shù)據(jù)處理較強(qiáng)，集成度較高，而且有較大的存貯器空間，較快的處理速度，片內(nèi)較多的RAM和FLASHROM存貯器，有D/A、A/D接口和支持DSP（數(shù)字信號處理）的指令，因此在這里不過多地?cái)U(kuò)展存貯器監(jiān)控程序和功能子程序的可擦除存貯器和調(diào)試程序用的隨機(jī)存貯器。數(shù)控系統(tǒng)也可以直接購買國內(nèi)外較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品作為數(shù)控裝置。在這里我們是在u'nsp單片機(jī)的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)。
4.2 步進(jìn)電機(jī)的控制
4.2.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理
步進(jìn)電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電磁元件。定子上安排了六個(gè)磁極，相對的兩個(gè)磁極上放置著同一相勵(lì)磁繞組，而轉(zhuǎn)子上沒有，只有四個(gè)凸極，a、b、c、d組成，當(dāng)s1接通，s2,s3斷開，A相建立磁場，轉(zhuǎn)子力求以磁路最大來取向，轉(zhuǎn)子齒與定子A相磁極對齊，即轉(zhuǎn)子a、c齒的軸線與定子A相磁極軸線重合。當(dāng)s1,s3斷開，s2接通，轉(zhuǎn)子b、d齒的軸線與定子B相磁極軸線重合。以此類推s1—s2—s3—s1循環(huán)接通，轉(zhuǎn)子以一定的步距角旋轉(zhuǎn)，改變輸入電流方向，實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)即s1—s3—s2—s1。
4.2.2 步進(jìn)電機(jī)的控制
（1）、單電壓驅(qū)動(dòng)電路
單電壓驅(qū)動(dòng)電路的工作原理如圖4-1所示。
在圖4-1中，L為步進(jìn)電機(jī)激磁繞組的電感，R1為繞組電阻并串接一電阻Rc，為了減少回路的時(shí)間常數(shù)L/(R1+Rc),電阻Rc并聯(lián)一電容C（可提高負(fù)載瞬間電流的上升率），從而提高電機(jī)的快速相應(yīng)能力和啟動(dòng)性能。續(xù)流二極管VD和阻容吸收回路RC是功率管VT的保護(hù)線路。
單電壓驅(qū)動(dòng)電路是早期的功率驅(qū)動(dòng)電路，它的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單，缺點(diǎn)是電流上升不夠快，高頻時(shí)負(fù)載能力低。
（2）、高低壓驅(qū)動(dòng)電路
高低壓驅(qū)動(dòng)電路是恒電壓驅(qū)動(dòng)的改進(jìn)型，它的特點(diǎn)是供給步進(jìn)電機(jī)撓組兩種電壓，以改善電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流前沿特性。一種是高電壓UH，由電機(jī)參數(shù)和晶體管特性決定，一般在80V至更高范圍；一種是低電壓，即步進(jìn)電機(jī)撓組額定電壓UL，一般為幾伏至20V。
圖4-2為高低壓驅(qū)動(dòng)電路的原理。在相序輸入信號到來時(shí)，IH，IL信號使VT1，VT2同時(shí)導(dǎo)通，給撓組加上高壓UH，以提高撓組中電流上升率；當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值時(shí)，VT1關(guān)斷、VT2仍然導(dǎo)通（tH脈寬小于tL），則自動(dòng)切換到低電壓UL該電路的優(yōu)點(diǎn)是在較寬的頻率范圍有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大的頻率且穩(wěn)定的平均轉(zhuǎn)矩，其缺點(diǎn)是電流波形由凹陷，電路較復(fù)雜。
圖4-1高壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖
圖4-2斬波驅(qū)動(dòng)電路原理圖
（3）斬波驅(qū)動(dòng)電路
高低壓驅(qū)動(dòng)電路的電流波形的波頂會出現(xiàn)凹型，造成高頻輸出轉(zhuǎn)矩的下降，為了使激磁撓組中的電流維持在額定值附近，需采取斬波電路（見圖4-2）。
斬波電路以環(huán)行分配器的輸出脈沖作為輸入信號，若為正脈沖，則VT1 和VT2導(dǎo)通，由于 UH 電壓較高，撓組回路又沒有串電阻，所以撓組中的電流迅速上升；當(dāng)撓組中的電流上升到額定值以上某個(gè)數(shù)值時(shí)，采樣電阻Re 的電壓將達(dá)到某設(shè)定值，并經(jīng)反饋、放大后送至 VT1 的基極，使VT1截止。接著撓組由UL低電壓供電，撓組中的電流立即下降，但剛降至額定值以下時(shí)，由于采樣電阻RE的反饋?zhàn)饔?，使整形電路無信號輸出，此時(shí)高壓前置放大電路又使VT1導(dǎo)通，電流又上升。如此反復(fù)進(jìn)行，形成一個(gè)在額定值上下波動(dòng)呈鋸齒狀的電流波形，近似恒流，所以斬波電路也稱斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路。鋸齒波的頻率可通過調(diào)整采樣電阻Re和整形電路的電位來調(diào)整。斬波電路具有快速響應(yīng)好、功率小、電機(jī)共振小、轉(zhuǎn)矩恒定的突出優(yōu)點(diǎn)，但電路復(fù)雜，低頻時(shí)會使電機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重振蕩。
（4）高低壓斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路
W是步進(jìn)電機(jī)的一相繞組，VD3是續(xù)流二極管。74LS373是8路三態(tài)輸出觸發(fā)器，一路輸出信號控制一相繞組，可控制兩臺三相步進(jìn)電機(jī)或兩臺四相步進(jìn)電機(jī)。Q輸出高電平，將使其所控制的相繞組通電。74L＄373的LE是鎖存允許端，高電平有效。下面來分析一下接口電路的工作過程。
設(shè)繞組初始無電流流過，Rf上的壓降為零，即Uf=0,因此光耦合器VL3的發(fā)光二極管熄滅，其中的光電二極管截止，使與非門D5的一個(gè)輸入端為高電平。這時(shí)，如果8031通過P0口輸出01H時(shí)，WR有效，并通過反向器作用于74LS373的LE端，使74LS373將單片機(jī)輸出的信號鎖存到輸出端，即1Q輸出高電平信號。這個(gè)步進(jìn)信號一方面通過與非門D2使VL2的發(fā)光二極管發(fā)光，使其光電三極管導(dǎo)通，反相器D4輸出高電平，使功率晶體管V4和v5導(dǎo)通；另一方面信號作用于D5門，使D5輸出低電平，經(jīng)反向器D6輸出高電平，和1Q一起作用于D1,D1輸出低電平，因此光耦合器VL1發(fā)光二極管發(fā)光，使其中的光電三極管導(dǎo)通。這樣D3輸出高電平，V1截止，使高壓功率晶體管V2和V3導(dǎo)通，高電壓Ug作用于電機(jī)繞組，使步進(jìn)電機(jī)的一相通電。
圖4-3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
隨著繞組電流的上升，Rf的壓降Uf增加，當(dāng)Uf增加到一定程度時(shí)，使VL3的發(fā)光二極管發(fā)光，從而使其中的光電三極管導(dǎo)通。導(dǎo)通后，D5輸出高電平，反相器D6輸出低電平，但不是立即關(guān)閉門D1使高壓管V2，V3截止，而是要延時(shí)一段時(shí)間。這是因?yàn)镽d,Cd的存在。Rd,Cd組成了延時(shí)電路，其目的就是延時(shí)關(guān)閉V2,V3,這樣可避免由于繞組電流的波動(dòng)而使V2,V3通斷次數(shù)太多，以至于造成太多的開關(guān)損耗。高壓晶體管V2,V3關(guān)斷后，便由低壓電源供給繞組供電。當(dāng)繞組電流下降，Uf下降，VL3發(fā)光二極管熄滅，光電三極管截止，若這時(shí)1Q仍為高電平，則又使高壓晶體管V2,V3導(dǎo)通，高壓電源再次作用在繞組上，使繞組中電流上升。上升到設(shè)定值后，Uf V2,V3截止。V2,V3的反復(fù)通斷，實(shí)現(xiàn)了繞組電流的恒流斬波控制。1Q輸出低電平后，V2~V5皆截止,繞組電流經(jīng)VD3-Ud-地-Ud-VD4-L回路泄放。
由上述過程可知，只要8051按照步進(jìn)電機(jī)工作方式和工作頻率向接口輸出相應(yīng)的信號，便可實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向控制。
4．3鍵盤及顯示器接口
鍵盤和顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)對話的外圍設(shè)備，鍵盤可以完成程序數(shù)據(jù)的輸入，顯示器顯示計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。LCD的應(yīng)用非常廣泛，從電子表到計(jì)算機(jī)，從袖珍儀表到便攜式微型計(jì)算機(jī)以及一些文字處理機(jī)都應(yīng)用了液晶顯示器。
4．3．1 鍵盤接口電路
鍵盤接口電路，用8279作為并行接口使用。8279的地址，數(shù)據(jù)線和凌陽單片機(jī)的接口直接連接，由片選信號控制實(shí)現(xiàn)分時(shí)信息傳遞，IO/M引腳直接經(jīng)電阻R接高電平。8279中PA口的8根列線按一定時(shí)間間隔輪流輸出低電平。當(dāng)掃描到某一列線上時(shí)，若無鍵按下，則行線都是高電平，若有一鍵按下時(shí)，交叉點(diǎn)上對應(yīng)的行線變?yōu)榈碗娖剑说碗娖叫盘柋挥?jì)算機(jī)捕獲后，根據(jù)此位置，計(jì)算機(jī)可判斷出此鍵值。完成一次鍵輸入掃描工作。
4．3．2 液晶顯示模塊的工作原理
液晶顯示模塊是一種被動(dòng)式顯示模塊，由于它的功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，因而在低功耗的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中大量使用。
LCD本身不發(fā)光，只調(diào)節(jié)光的亮度，它是根據(jù)液晶的扭曲/向列效應(yīng)原理制成的。在結(jié)構(gòu)上，液晶顯示面板包括了兩片相當(dāng)精致的無鈉玻璃索材作為感光基板層，中間夾著一層液晶。
夾在兩片導(dǎo)電玻璃電極間的液晶經(jīng)過一定處理后，它內(nèi)部的分子呈90°的扭曲。當(dāng)線性偏振光透過上偏振片到達(dá)液晶材料時(shí)，會發(fā)生90°旋轉(zhuǎn)，正好與下偏振片的偏振方向取得一致，從而穿過下偏振片到達(dá)發(fā)射板，并按原路返回，使顯示器呈透明狀態(tài)。當(dāng)在玻璃電極上加上電壓后，在電場作用下，液晶分子的扭曲結(jié)構(gòu)消失，其旋光作用也消失，偏振光便直接通過，被下偏振片吸收，不會到達(dá)反射板，使顯示器呈黑色。當(dāng)去掉電場后液晶分子又恢復(fù)其扭曲結(jié)構(gòu)。這樣，只要將液晶置于兩個(gè)偏振光之間，改變偏振光的相對位置（正交或平行）就可得到自底黑字或黑底向字的顯示形式。
1LCD的主要參數(shù)如下：
響應(yīng)時(shí)間：毫秒級：
余輝：毫秒級：
閩值電壓：3~20V
功耗：5mW/㎝2~100mW/㎝2.
2LCD的驅(qū)動(dòng)方式
LCD因其兩極問不允許施加恒定電流電壓，而使其驅(qū)動(dòng)電路變得比較復(fù)雜。為了得到LCD亮、滅所需的兩倍幅值及零電壓，常給I,CD的背極通以固定的交變電壓，通過控制前極的電壓值的改變實(shí)現(xiàn)對LCD顯示的控制。液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)方式一般有兩種，即直接驅(qū)動(dòng)（或稱靜態(tài)驅(qū)動(dòng)）和時(shí)分隔（多極）驅(qū)動(dòng)方式。
第5章 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析
總體設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化決策是指在所列出的產(chǎn)品的全部組合方案中，用特征指標(biāo)逐一核對各方案，然后依據(jù)選定的優(yōu)化指標(biāo)，采用多目標(biāo)規(guī)劃的方法，優(yōu)化選取最佳的設(shè)計(jì)方案，由于數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是高性能、低價(jià)格，特征指標(biāo)和優(yōu)化指標(biāo)的選取都充分考慮了技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩方面要求，因此總體方案優(yōu)化決策的目的就是使產(chǎn)品具有最好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。
總體設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化決策的核心是多目標(biāo)規(guī)劃的求解，目前比較常用，其應(yīng)用效果較好的求解方法是評價(jià)函數(shù)法。評價(jià)函數(shù)的基本思想是：首先將各優(yōu)化指標(biāo)依一定關(guān)系進(jìn)行組合，構(gòu)造出一個(gè)單目標(biāo)問題的目標(biāo)函數(shù)，稱為評價(jià)函數(shù)；然后依據(jù)這個(gè)評價(jià)函數(shù)對各方案進(jìn)行評價(jià)，最終確定出最優(yōu)方案。
5．1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改造的合理化
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)工作中重要的內(nèi)容，好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以對技術(shù)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生非常大的影響。本篇畢業(yè)設(shè)計(jì)論文對CM6132改造設(shè)計(jì)上充分的考慮了以下方面：
（1） 功能的合理布置和布局。
（2） 采用了比較短的傳動(dòng)鏈和比較簡單的結(jié)構(gòu)。
（3） 科學(xué)的劃分了部件。
（4） 零件間力的平衡，力流的合理傳遞與閉鎖。
（5） 系統(tǒng)或零件本身的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
（6） 變形協(xié)調(diào)原理的應(yīng)用及其計(jì)算。
（7） 穩(wěn)定性原則的應(yīng)用。
（8） 考慮與強(qiáng)度因素有關(guān)的結(jié)構(gòu)改善措施。
（9） 考慮與熱因素有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
（10） 考慮與摩擦磨損因素有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
（11） 考慮與腐蝕因素有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
在考慮上面這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上既可以滿足設(shè)計(jì)需要又可以最大限度
5．2 提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的方法
（1）進(jìn)一步改善和簡化設(shè)計(jì)，減少零件數(shù)目，提高標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度；
（2）采用廉價(jià)材料;
(3)改善毛坯、零件加工、裝配等工藝性，合理選擇精度、公差和配合以及其它技術(shù)條件；
（4）改善生產(chǎn)、經(jīng)營管理制度。
5．3 產(chǎn)品成本核算
本篇改造的CM6132數(shù)控機(jī)床機(jī)身凈重450㎏，本機(jī)床的3/4為鑄鐵，1/4為普通鋼材。
表6—1部件價(jià)格表
名稱
單價(jià)/元
每臺所用量
每臺成本/元
小箱體
變頻調(diào)速機(jī)
步進(jìn)電機(jī)
V帶
軸承
液晶顯示
單片機(jī)
螺栓組
滾珠絲杠螺母副
200
4500（元/噸）
1500（元/臺）
10
15
2000
3000
0．8
3000
2臺
1臺
2臺
2根
30個(gè)
1臺
1臺
100臺
2副
400
4500
3000
20
450
2000
3000
80
6000
綜述上表外購件總成本大約為P1=19045元
表6—2工時(shí)成本
序號
工種
工時(shí)費(fèi)（元/時(shí)）
工時(shí)（時(shí)）
每臺成本（元）
1
2
3
4
車
銑
磨
鏜
20
30
50
80
10
3
2
1
200
90
100
80
由表6-2可得工時(shí)總費(fèi)用大約為P2=470元
所有的電費(fèi)和水費(fèi)大約為P3=1000元，所以銷售和管理人員的工資和運(yùn)輸費(fèi)用大約為P4=P15％=953元。
一臺舊的機(jī)床的價(jià)格大約是P5=50000元。
綜上所述所有成本大約為
P=P1+P2+P3+P4+P5=19045+470+1000+953+50000=71468元；
故總的成本為P=P×(1+17％)-P2÷(1+17％)×17％=83549.27元。
改造后的CM6132車床每臺的價(jià)格大約為9萬元，利潤為
A=90000-83549.27=6450.73元。
5．4 產(chǎn)品年利潤
設(shè)企業(yè)的生產(chǎn)能力為每月生產(chǎn)5臺數(shù)控車床，則每月的利潤得
A=5×6450.73=32253.65元，根據(jù)公式P=A(P/A,i ,n),n=12、i=10％由《技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析》查得(P/A,i ,n)=6450.73×6.814=43955.27元。
結(jié) 論
數(shù)控機(jī)床集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、傳感測量、機(jī)械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它的發(fā)展和運(yùn)用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時(shí)代，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大變化?，F(xiàn)代的CAD/CAM、FMS、CIMS等技術(shù)都是建立在數(shù)控技術(shù)之上。數(shù)控技術(shù)水平的高低已成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平的核心標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)加工機(jī)床及生產(chǎn)過程的數(shù)控化，已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是對我們所學(xué)知識的一次檢驗(yàn)。
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們在學(xué)習(xí)了幾年的基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程的基礎(chǔ)上，在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下和自身的實(shí)踐而完成的。
通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了自己獨(dú)立分析問題，解決問題的能力，培養(yǎng)了自己對一般課程的設(shè)計(jì)步驟，設(shè)計(jì)思想有了初步了解，同時(shí)鍛煉了設(shè)計(jì)、繪圖、查閱資料和書寫技術(shù)論文的能力。更主要的是我們所研究的課題項(xiàng)目，有一定的跨越，包括了計(jì)算機(jī)原理。電路設(shè)計(jì)及機(jī)械制造工藝三個(gè)方面的知識，使我們學(xué)到了更多的新知識。
還有，在這次畢業(yè)中，培養(yǎng)了我們一絲不茍、認(rèn)認(rèn)真真、腳踏實(shí)地的工作態(tài)度，培養(yǎng)了我們謙虛謹(jǐn)慎、吃苦耐勞、積極向上的工作作風(fēng)。所以，此次設(shè)計(jì)使我受益匪淺。
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