2196 XA6132控制部分的數(shù)控化改造,xa6132,控制,節(jié)制,部分,部份,數(shù)控,改造 I摘要此次畢業(yè)設計中，設計任務是將一臺 XA6132 普通升降臺臥式銑床，改造成三坐標數(shù)控銑床。采用滾珠絲杠作為傳動裝置。共有三根絲杠分別在縱向，橫向工作臺和垂直向升降臺上。驅(qū)動元件為步進電機。微機數(shù)控系統(tǒng)由 CPU、存儲擴展電路和 I/O 接口電路、伺服電機驅(qū)動電路等幾部分組成。數(shù)控系統(tǒng)的核心是微機，其它裝置均在微機的控制下進行工作。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用的微機直接相關(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精度。本設計采用的是MCS—51 機，并擴展 2 片 2764 芯片，1 片 6264 芯片，3 片 8155 可編程并行 I/O等組成的控制系統(tǒng)。結(jié)合畢業(yè)設計的的工作和時間的限制，機械部分主要解剖三個坐標軸，完成機械結(jié)構(gòu)設計，零件和參數(shù)的選擇，部分計算過程；電氣和微機部分主要有硬件原理圖和程序框圖，以及部分程序段，共計五張 A0 圖。此次畢業(yè)設計中，我熟悉了機電一體化設計的基本過程，并把各門所學的知識融會貫通形成一個有機的整體，為以后的設計工作打下了良好的基礎，同時我也深深的體會到了不足之處，準備在今后的工作中不斷學習，不斷實踐。關(guān)鍵詞：XA6132 普通升降臺臥式銑床，數(shù)控，改造IIAbstractIn this time graduation design, the design mission is to reform a set of XA6132 common working panel lifter lying type miller into the three coordinate number controlling miller，adopting the ball guide screw as the transmission device .There are three silk bar different totally at lengthways, horizontal work pedestal and perpendicularity to ascend and descend on the stage. The driving component is the stepping electrical engineering. The tiny machine number controls the system from the CPU, save to expand the electric circuit and I/ O connects a people's electric circuit, servo electrical engineering to drive the electric circuit etc. several parts constitute. The number controls the core of the system is a tiny machine, the other equips to all carry on the work under the control of the tiny machine. The tiny machine use is directly related in the function and systems of the system. The number controls the request of system to tiny machine is various, but the main index sign is a word to grow and speed, the word is long not only affect the system biggest to process the size, and the accuracy that influence process and operation accuracy. What this design adoption is machines MCS-51s, and expand 2 slices of 2764 chips, a slice of 6264 chips, 3 slices of 8155 programmable proceed together to constitute the control system .Because the work of graduation project and restriction of time, the mechanical part dissects three coordinate axes mainly, finishes mechanical structural design, the choices of the part and parameter, some computational processes; Electric and the computer part have principle pictures of hardware and procedure block diagram , and some procedure sections mainly, it is five A0 picture altogether.In this time graduation design, I acquainted with the machine electricity integral whole to turn the basic process of design, and integrate the knowledge that each one learn to become an organic whole, is a later design work to beat to descend the good foundation, I also realized the place of the shortage deeply at the same time, preparing to study continuously in the work of the aftertime, practicing continuously.Keywords: The XA6132 universal knee-type milling machine, the number control, reform.III目錄摘要 .................................................................IAbstract............................................................II目錄 ...............................................................III第一章 緒論 .........................................................11.1 數(shù)控機床改造的意義 ...........................................11.2 國內(nèi)外的數(shù)控機床的比較 .......................................11.3 數(shù)控未來發(fā)展的趨勢 ...........................................21.3.1　 繼續(xù)向開放式、基于 PC 的第六代方向發(fā)展 ..................21.3.2　 向高速化和高精度化發(fā)展 .................................21.3.3　 向智能化方向發(fā)展 .......................................2第二章 設計任務和總體方案的確定 ......................................42.1 設計任務 .....................................................42.2 總體方案設計的內(nèi)容 ...........................................42.2.1 伺服驅(qū)動 ................................................42.2.2 數(shù)控裝置 ................................................52.2.3 系統(tǒng)功能 ................................................52.2.4 采用環(huán)形分配器 ..........................................52.2.5 采用滾珠絲杠螺母副 ......................................5第三章 伺服系統(tǒng)機 械部分設計計算 ......................................63.1 確定系統(tǒng)脈沖當量 .............................................63.2 滾珠絲杠螺母副的設計，計算和選型 .............................63.2.1 縱向絲杠的選擇 ..........................................73.2.2 橫向絲杠的選擇 ..........................................93.2.3 垂直向絲杠的選擇 .......................................123.3 傳動效率計算 .................................................143.4 齒輪傳動比計算 ..............................................153.4.1 縱向絲杠傳動比 .........................................153.4.2 橫向絲杠的傳動比 .......................................153.4.3 垂直絲杠的傳動比 .......................................163.5 步進電機的計算和選用 ........................................163.5.1 縱向絲杠步進電機的計算 .................................163.5.2 橫向絲杠步進電機計算 ...................................193.5.3 垂直向絲杠步進電機的計算 ...............................22第四章 數(shù)控系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)及其工作原理 .............................24IV4.1 主控器 .......................................................244.2 選擇芯片 .....................................................264.3 地址分配器及譯碼 .............................................264.4 接口電路及輔助電路具體設計 ...................................27專題部分：控制系統(tǒng)軟件程序設計 ......................................32第五章 綠色設計及環(huán)保分析 ...........................................40致謝 ................................................................41參考文獻 ............................................................42外文資料翻譯 ........................................................431第一章 緒論1.1 數(shù)控機床改造的意義企業(yè)要在當前市場需求多變，競爭激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最低價格、最好的質(zhì)量、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機床已不適應多品種、小批量生產(chǎn)要求，數(shù)控機床綜合了數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、自動檢測技術(shù)等先進技術(shù)，最適宜加工小批量、高精度、形狀復雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要換零件加工程序，無需對機床作任何調(diào)整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。數(shù)控機床在機械加工行業(yè)中的應用越來越廣泛。數(shù)控機床的發(fā)展，一方面是全功能、高性能；另一方面是簡單實用的經(jīng)濟型數(shù)控機床，具有自動加工的基本功能，操作維修方便。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為驅(qū)動元件，無檢測反饋機構(gòu)，系統(tǒng)的定位精度一般可達±0.01mm 至0.02mm，已能滿足 C620 車床改造后加工零件的精度要求。普通車床經(jīng)過多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大，主要傳動零件幾經(jīng)更換和調(diào)整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達到大修驗收標準，而且費用較高。因此合理選擇數(shù)控系統(tǒng)是改造得以成功的主要環(huán)節(jié)。數(shù)控機床的改造目的是要求機床穩(wěn)定可靠，以盡可能低的故障率運轉(zhuǎn)。普通車床應用微機控制系統(tǒng)進行改造，可以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，減輕操作者的勞動強度。1.2 國內(nèi)外的數(shù)控機床的比較傳統(tǒng)機床在我國占有比例相當大，　我國目前機床總量 380 余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11.34 萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到 3%。近 10 年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為 0.6～0.8 萬臺，年產(chǎn)值約為 18 億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6%。我國機床役齡 10 年以上的占 60%以上；10 年以下的機床中，自動/半自動機床不到 20%，F(xiàn)MC/FMS 等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占 60%以上） ?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國2際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。但廢棄傳統(tǒng)機床大量引進數(shù)控機床對企業(yè)來說是一筆巨大的負擔，利用現(xiàn)有設備，提升傳統(tǒng)制造業(yè)的科技含量，是適合我國國情的一條道路，它不僅完成企業(yè)設備的更新?lián)Q代，而且也有良好的經(jīng)濟價值。在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造是個“永恒”的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務集團、US 設備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造造業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大畏工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。1.3 數(shù)控未來發(fā)展的趨勢1.3.1　繼續(xù)向開放式、基于 PC 的第六代方向發(fā)展基于 PC 所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用 PC 機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務。PC 機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。1.3.2　向高速化和高精度化發(fā)展這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要1.3.3　向智能化方向發(fā)展隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。（1）應用自適應控制技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達到改3進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。（2）引入專家系統(tǒng)指導加工將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)（4）智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置可以通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。4第二章 設計任務和總體方案的確定2.1 設計任務（1）進給伺服系統(tǒng)設計計算此部分為機械部分，它包括脈沖當量的確定；滾珠絲杠螺母副的設計、計算和選型；進給伺服系統(tǒng)的傳動計算；步進電機的計算和選用；設計并繪制總裝配圖，其中包括橫向，縱向工作臺和垂直向升降臺。（2）單片機控制系統(tǒng)設計此部分包括設計并繪制控制系統(tǒng)線路圖，編寫直線差補程序和圓弧差補程序。2.2 總體方案設計的內(nèi)容機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬訂應包括以下內(nèi)容：伺服系統(tǒng)的選擇，執(zhí)行機構(gòu)及運動方式的確定，控制芯片的選擇等內(nèi)容。一般應根據(jù)設計任務和要求提出幾個總體方案，進行綜合分析，比較和論證，最后選出一個合理的總體方案。2.2.1 伺服驅(qū)動在我過設備數(shù)控化改造的一段時間里，較多采用步進電機作為伺服驅(qū)動元件。步進電機是一種特殊結(jié)構(gòu)的電機,它利用通電激磁繞組產(chǎn)生反應力矩，將脈沖電信號的能量轉(zhuǎn)換為機械位移的電機執(zhí)行元件。當激磁繞組按一定規(guī)律獲得分配脈沖時，步進電機的轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度與輸入的脈沖個數(shù)具有較嚴格的比例關(guān)系，而且轉(zhuǎn)動與輸入脈沖在時間上同步，因此可以利用這些特點控制運動的速度和位移量。步進電機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，電氣控制和驅(qū)動電路也簡單，體積小，重量輕，價格便宜，設計制造較簡單，容易調(diào)試，使用維修方便。位移精度較好，對各種干擾因素不敏感，結(jié)構(gòu)誤差不會累積。另外，電機時間常數(shù)小，反應快。但步進電機也有缺點，主要是容易丟步，啟動頻率低，工作效率也不夠高，低頻時振動大，可能造成失誤，因此步進電機多用于負載較小，負載變化不大或要求不太高的經(jīng)濟型簡易型數(shù)控設備中。綜上所述，綜合了成功率，技術(shù)難度，精度和投資等因素，決定選用步進電機開環(huán)伺服驅(qū)動52.2.2 數(shù)控裝置微機數(shù)控系統(tǒng)由 CPU、存儲擴展電路和 I/O 接口電路、伺服電機驅(qū)動電路等幾部分組成。數(shù)控系統(tǒng)的核心是微機，其它裝置均在微機的控制下進行工作。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用的微機直接相關(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精度。本設計采用的是 MCS—51 機，并擴展 2 片 2764 芯片，1 片 6264 芯片，3片 8155 可編程并行 I/O 等組成的控制系統(tǒng)。2.2.3 系統(tǒng)功能（1）橫向，縱向，垂直方向進給伺服運動。（2）行程控制（3）鍵盤控制（4）功能：報警電路，復位電路，隔離電路，功放電路等。2.2.4 采用環(huán)形分配器本系統(tǒng)采用軟件環(huán)形分配器。由于銑床三個方向的三步進電機均為三相，所以直接與 8155（2）的 PA 口再加上 8155（1）的 PA 口相接就可以了，經(jīng)光電耦合電路，功放電路驅(qū)動電機。2.2.5 采用滾珠絲杠螺母副采用滾珠絲杠螺母副傳動結(jié)構(gòu),具有精度高,效率高,壽命長,低能耗,摩擦系數(shù)小,較高緊湊,通用性強等特點.6第三章 伺服系統(tǒng)機械部分設計計算3.1 確定系統(tǒng)脈沖當量銑床脈沖當量應選 0.01mm/脈沖3.2 滾珠絲杠螺母副的設計，計算和選型最大回轉(zhuǎn)直徑：工作臺寬 320mm電機功率 P：7.5KW縱向快進速度：2.3m/min橫向快進速度：1.2m/min垂向快進速度：0.77m/min縱向切削數(shù)據(jù)：0.06m/min橫向切削速度：0.06m/min垂向切削速度：0.06m/min定位精度：0.015mm縱向移動部件重量：220kg橫向移動部件重量：450kg垂向移動部件重量：1000kg加速時間：30ms機床效率：0.8機動范圍：680mm/240mm/300mm工藝數(shù)據(jù)：工件加工余量----最大銑削寬度： ，最大銑削深度：刀具數(shù)據(jù)--------高速鋼圓柱銑刀，直徑 32-40mm，刀齒書 3-4工藝數(shù)據(jù)--------主軸轉(zhuǎn)速 150-190rpm;40-60mm/min;每齒切厚 0.05-0.2mm 取 0.1mm。根據(jù)機床設計手冊，對高速鋼圓柱銑刀，以工件為碳鋼計算=9.81 ZZFFZC0.86ea.72fp0.86d?7=68.2， =7， =0.1， =40,Z=4, =32FZC0deafpa0d3.2.1 縱向絲杠的選擇（1）計算進給牽引力 m在以工作壽命為基礎進行計算時，應按實際加工中平均銑削條件為準， =9.81 Z =5528（N ） (4-ZFFZC0.86ea.72fp0.86d?1)=1.1 ; =0.25 ; =0.375 HPZVZ0PZF=1.1 =6081N;F=0.25 =1382N;VZ=0.375 =2073N；0P得 NPFNPFZYVHX 2073;0;158322 ????導軌類型為燕尾導軌= 1.4×1558+0.2(2073+2×0+2200) = 3.0358 '()mXZYFkfG??(KN) (4-2)式中：—導軌上的摩擦系數(shù) 0.2'f—移動部件重量 = 2200 NGG（2）計算最大負載 C選用滾珠絲杠副的 d0時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100 萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠所能承受的最大動負載 C，計算如下：C = × (4-3)3LmwFf?8L = 610Tn?n = 0vs式中： L 0 — 滾珠絲杠導程 L 0 = 6 mm— 最大切削力下的進給速度 = 0.03m/mins vsT — 使用壽命 對于數(shù)控機床取 T = 15000 h— 運轉(zhuǎn)系數(shù)，無沖擊運轉(zhuǎn) = 1.0～1.2，此處取 = 1.0wf wf wfL — 壽命 ， 以 轉(zhuǎn)為單位。610∴ n = = = 5r/min01vs?.3L = = = 4.56T6510?C = × = ×1.0w×3035.8 =5012N=5.012kN3mwFf34.（3）滾珠絲杠副螺母的選型查閱《精密滾珠絲杠副》可采用 BNF4006-5 型外循環(huán)插管式，導管埋入式法蘭型螺母。此螺母為單螺母絲杠副，額定動載荷為 = 27.7KNaC（4）剛度驗算滾珠絲杠副的軸向變形將會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性。因此選用絲杠時應考慮絲杠的軸向剛度。絲杠的拉伸或壓縮變形量 在總的變形量中1?占很大的比重，所以要計算 是否滿足要求： （不預緊）1?13??總計算如下：在工作負載 的作用下引起導程 的變化量 ：mF0L?= (4-4)?FEm?9式中： — 在工作負載 作用下引起每一導程的變化量（mm）L?mF— 工作負載，即進給牽引力（N）mF— 滾珠絲桿導程（mm）0— 材料彈性模量，對于鋼 = 20.6 N/mmEE410?2— 滾珠絲杠橫截面積 （按內(nèi)徑確定） （mm ）F 2= 3035.8N = 6mm = 20.6 N/mmm0L4= = =1256mm2d???????24???????2∴ = = = mmL?FEm01560.28344107.??滾珠絲杠總長度上的變形量 :?= = = 0.0117 mm1?L?010674.??∴ 剛度 = 3×0.0117 = 0.0351 mm > 0.015 (定位精度)13??總因此，絲杠需預緊。（5）穩(wěn)定性校核無需進行穩(wěn)定性校核。3.2.2 橫向絲杠的選擇（1）計算進給牽引力 mF在以工作壽命為基礎進行計算時，應按實際加工中平均銑削條件為準，=9.81 Z =5528（N ）ZFFZC0.86ea.72fp0.86d?=1.1 ;HP10=0.25 ;VPZF=0.3750得 NPFNPZYVHX 2073;0;158322 ????導軌類型為矩形導軌。= 1.21965(KN)'()mXZYFkfFG式中：—導軌上的摩擦系數(shù) 0.15'f—移動部件重量 = 4500 NG（2）計算最大負載 C選用滾珠絲杠副的 d0時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100 萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠所能承受的最大動負載 C，計算如下：C = ×3LmwFf?L = 610Tnn = 0vs式中： L 0 — 滾珠絲杠導程 L 0 = 6 mm— 最大切削力下的進給速度 = 0.03m/mins vsT — 使用壽命 對于數(shù)控機床取 T = 15000 h— 運轉(zhuǎn)系數(shù)，無沖擊運轉(zhuǎn) = 1.0～1.2，此處取 = 1.0wf wf wfL — 壽命 ， 以 轉(zhuǎn)為單位。610∴ n = = = 5r/min01vs?.311L = = = 4.5610Tn?6510C = × = ×1.0w×1219.653mwFf34.= 2014 N=2.014kN（3）滾珠絲杠副螺母的選型查閱《精密滾珠絲杠副》可采用 BNF3606-3 型外循環(huán)插管式，導管埋入式法蘭型螺母。此螺母為單螺母絲杠副，額定動載荷為 = 15KNaC（4）剛度驗算滾珠絲杠副的軸向變形將會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性。因此選用絲杠時應考慮絲杠的軸向剛度。絲杠的拉伸或壓縮變形量 在總的變形量中1?占很大的比重，所以要計算 是否滿足要求： （不預緊）1?13??總計算如下：在工作負載 的作用下引起導程 的變化量 ：mF0L?= L?E?0式中： — 在工作負載 作用下引起每一導程的變化量（mm）mF— 工作負載，即進給牽引力（N）mF— 滾珠絲桿導程（mm）0L— 材料彈性模量，對于鋼 = 20.6 N/mmEE410?2— 滾珠絲杠橫截面積 （按內(nèi)徑確定） （mm ）F 2= 1219.65N = 6mm = 20.6 N/mmm0L4= = =1017.4mm2d???????236???????212∴ = = mmL?FEm?0 441035.1076.29???滾珠絲杠總長度上的變形量 :?= = mm1?L0 03.563.4??∴ 剛度 = 3×0.003= 0.009mm <0.015 (定位精度)1??總因此，絲杠不需預緊。（5）穩(wěn)定性校核無需進行穩(wěn)定性校核。3.2.3 垂直向絲杠的選擇（1）計算進給牽引力 mF在以工作壽命為基礎進行計算時，應按實際加工中平均銑削條件為準，=9.81 Z =5528（N ）ZFFZC0.86ea.72fp0.86d?=1.1 ;HP=0.25 ;VZ=0.3750F得 NPFNPZYVHX 2073;0;158322 ????導軌類型為燕尾導軌= 5.5254 (KN)'()mXZYFkfFG式中：—導軌上的摩擦系數(shù) 0.2'f—移動部件重量 = 10000 NG（2）計算最大負載 C13選用滾珠絲杠副的 d0時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100 萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠所能承受的最大動負載 C，計算如下：C = ×3LmwFf?L = 610Tnn = 0vs式中： L 0 — 滾珠絲杠導程 L 0 = 6 mm— 最大切削力下的進給速度 = 0.03m/mins vsT — 使用壽命 對于數(shù)控機床取 T = 15000 h— 運轉(zhuǎn)系數(shù)，無沖擊運轉(zhuǎn) = 1.0～1.2，此處取 = 1.0wf wf wfL — 壽命 ， 以 轉(zhuǎn)為單位。610∴ n = = = 5r/min01vs?.3L = = = 4.56T6510?C = × = ×1.0w×5525.43mwFf34.= 9122 N=9.122kN（3）滾珠絲杠副螺母的選型查閱《精密滾珠絲杠副》可采用 BNF6306-5 型外循環(huán)插管式，導管埋入式法蘭型螺母。此螺母為單螺母絲杠副，額定動載荷為 = 45KNaC（4）剛度驗算滾珠絲杠副的軸向變形將會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性。因此選用絲杠時應考慮絲杠的軸向剛度。絲杠的拉伸或壓縮變形量 在總的變形量中1?14占很大的比重，所以要計算 是否滿足要求： （不預緊）1?13??總計算如下：在工作負載 的作用下引起導程 的變化量 ：mF0L?= L?E?0式中： — 在工作負載 作用下引起每一導程的變化量（mm）mF— 工作負載，即進給牽引力（N）mF— 滾珠絲桿導程（mm）0L— 材料彈性模量，對于鋼 = 20.6 N/mmEE410?2— 滾珠絲杠橫截面積 （按內(nèi)徑確定） （mm ）F 2= 5525.4N = 6mm = 20.6 N/mmm0L4= = =3116mm2d???????263???????2∴ = = mmL?FEm0 44105.3061.5???滾珠絲杠總長度上的變形量 :?= = mm1?L?0 043.562.4??∴ 剛度 = 3×0.0043 = 0.0126 mm < 0.015 (定位精度)13??總因此，絲杠不需預緊。（5）穩(wěn)定性校核無需進行穩(wěn)定性校核。153.3 傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率 ηη = (4-6))tan(??r式中： η —摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù) f =0.003～0.004，摩擦角η 約為 ,即 0.1667°'10r — 絲杠螺旋升角 絲杠中徑 d = (d 1+d2)/2 = (19+16.7)/2 = 17.85 mmr = acrtan = arctan = 5.0977°dL?085.17??∴ η = = = 0.968)tan(??r )6.09.5tan(??3.4 齒輪傳動比計算3.4.1 縱向絲杠傳動比傳動比 i： i = (4-7)pbL???360式中： — 脈沖當量（mm） ， = 0.01mmp?— 基本導程 = 6mm0L0L— 步進電機的步距角（初選） = 0.75b?b?i = = = p??360.75601?4根據(jù)實際結(jié)構(gòu)要求取 ： ， , 。2?Z523140Z?3.4.2 橫向絲杠的傳動比脈沖當量 = 0.01mmp?16基本導程 = 6mm0L初選步距角 = 0.75b?計算傳動比 i = = p??360324根據(jù)實際結(jié)構(gòu)要求?。?， ; 。1Z?02因為進給伺服系統(tǒng)傳遞的功率不大，一般取模數(shù) m = 1～2，在此取 m=2。3.4.3 垂直絲杠的傳動比脈沖當量 = 0.01mmp?基本導程 = 6mm0L初選步距角 = 0.75b?計算傳動比 i = =p??3605.201.7?根據(jù)實際結(jié)構(gòu)要求取一對錐齒輪： 4;2Z取 L 型同步帶輪，規(guī)格如下： 71?3.5 步進電機的計算和選用3.5.1 縱向絲杠步進電機的計算（1）轉(zhuǎn)動慣量的計算齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量： kg .cm (4-8)1z41110.7832dLJ????2∴ = ；41110.7832dLJ????260.7mkg??17齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量 ：2z=41110.7832dLJ????2610.7mkg???齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量 ：3z=41110.7832dLJ????26102.53mkg???絲杠的轉(zhuǎn)動慣量=1959.4 41110.7832dLJ????2610kg???折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量：212031)( JZLgGJZJS??????=4126.8kg/m 其中： — 齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量 （kg .cm ）1J1z2— 齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量 （kg .cm ）22— 齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量 （kg .cm ）3J3z2— 主軸的轉(zhuǎn)動慣量 （kg .cm ）s（2）電動力矩的計算電機的負載力矩在各種工況下是不同的，下面分快速空載起動時所需力矩、快速進給時所需力矩、工進負載時所需力矩等幾部分分別計算。① 快速空載起動時所需力矩 起M= 起M0max'f?式中： — 空載起動時折算到電 機軸上的加速力矩18— 折算到電機軸的摩擦力矩'fM— 由于絲杠預緊時折算到電機軸的附加力矩0電機最大轉(zhuǎn)速 360maxabpvn????由技術(shù)要求得知 in/479axr起動加速時間 =30 mst摩擦力矩：cmNtnJMa .906103.647218.1062 22mxmax ??????? ?????cNiLFf .5.)73(.2'0 ???式中: —導軌摩擦力 N（空起時）'0 fGF'0— 傳動鏈總效率— 降速比 =1.25ii附加摩擦力矩： cmNiLFMP.180)(2200?????式中： — 滾珠絲杠預加載荷0p— 滾珠絲杠傳動效率∴ = = 7.9N.m起 0max'Mf?② 快速進給時所需力矩， = 0快③ 工進時需力矩 工=工 0??tf19式中： — 工進時折算到電機軸上摩擦力矩（N.m）fM— 折算到電機軸上的負載力矩t從上面的計算可以看出，在 、 、 三種工況下，快速空載起動所起M快 工需力矩最大，此項為初選電機的依據(jù)，從表中查出，當步進電機為三相六拍時，0.79?max/j起?86.0j?起按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進電機型號表（三相）可查出，110BC380B 型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為 10N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號。但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）計算電機工作頻率步進電機快速運行 Hz6705.2160max???pqvf?最高工作頻率 Hz.psgf從電機表中查出 110BC380A 型步進電機的空載起動頻率為 1400Hz，運行頻率為15000Hz3.5.2 橫向絲杠步進電機計算（1）轉(zhuǎn)動慣量的計算齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量：1z 26124 .03.80328.7mkgLDJ???????齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量：z20261241 .08.50328.7mkgLDJ???????絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 : 261241.s ????折算到電機軸的轉(zhuǎn)動慣量為： ???????????????????????2021?LgGJzJs=605× 60?mk?（2）電機力矩的計算①快速空載起動時所需力矩 =起M起 0max'Mf?最高轉(zhuǎn)速:in/25036maxa rvnbp????起動加速時間: sta0∴ 摩擦力矩：mNtnJMa ??????? ??? 53.0103.62515062 222mxmax ??mNiLFf ?..8192'0?式中: —導軌摩擦力 N（空起時）'0 fGF?'0— 傳動鏈總效率— 降速比 =1.25ii附加摩擦力矩：= =22Ncm0M)1(220???iLFP21∴ = =1.91 起M0max'f?mN?②快速進給所需力矩 快由前面所知 <快 起③工進所需力矩 工=工Mtf?0導軌摩擦力： NGfF65.129'0?∴ 0?iLt??=工MmNtf .101.0???從上面計算可以看出，在 、 、 三種工況下，快速空載起動所需起M快 工力矩最大，此項為初選電機的依據(jù)，從表中查出，當步進電機為三相六拍時，0.347?max/j起?86.0j?起按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進電機型號表（三相）可查出，110BC380 型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為 5.5N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號。但必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。從電機表中查出 110BC380 型步進電機的空載起動頻率為 1500Hz，運行頻率為 15000Hz3.5.3 垂直向絲杠步進電機的計算（1）轉(zhuǎn)動慣量的計算錐齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量：1z=34078.???LdJ 261029mkg???22錐齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量：2z 263411047078. mkgLdJ ??????絲杠的轉(zhuǎn)動慣量： 263419.s ???帶輪的轉(zhuǎn)動慣量： 261241 05.4028.7mkgLDJ ????????帶 383帶折算到電機軸的轉(zhuǎn)動慣量為：262202221103459 )06.19647(5.1)90.4(.8.mkgLgGJJZJ??? ?????? ??）（帶帶帶帶（2）電機力矩的計算由前面計算可知，在 、 、 三種工況下，快速空載起動所需力矩起M快 工最大，所以只需計算 。起=起 0max'f?最高轉(zhuǎn)速 ： in/3260axma rvnbp????起動加速時間： sta3?∴ 空載時導mNtnJMa ????????? 86.3103.062134591062 222mxmax ??軌摩擦力: =2623.2NfGF'023摩擦力矩： mNiLFMf ????5.28.02163'0??附加摩擦力矩：= =0.330)1(20?iPn?∴ = =起 0max'f?mN?69.以此項為初選電機的依據(jù)，從表中查出，當步進電機為三相六拍時，836.0/./ax??jM起? 86.0M/jmax?起?按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進電機型號表（三相）可查出，110BC380A 型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為 8N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號。但必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。從電機表中查出，110BC380A 型步進電機的空載起動頻率為 1400Hz，運行頻率為 15000Hz。24第四章 數(shù)控系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)及其工作原理4.1 主控器（1）主控制器及主控制芯片的選擇目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片有 8086，8088，80286，80386 以及8098，8096 等 16 位機的 CPU，在一般的數(shù)控系統(tǒng)中推薦采用 MCS—51 系列單片機作為主控制器。這里選用 MCS—51 系列中的 8031 芯片。 （2）MSC—51 系列單片機介紹① MSC—51 系列單片機的基本特征MSC—51 系列單片機主要有三種：8031，8051 和 8751。該系列產(chǎn)品是集CPU、I/0 口及部分 RAM 等為一體的功能很強的控制器，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完整的微機控制系統(tǒng)。并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強，編程靈活性大，硬件資料也很豐富。三種型號的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少許差別，可以說 8031 是沒有 ROM 的 8051，而 8751 是 EPROM 代替 ROM 的8051。工業(yè)控制中應用最多的是 8031。8031 的基本特征如下：a，具有 8 位中央處理單元（CPU） 。b，片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（6MHz 或 12MHz）,每執(zhí)行一條指令時間為 2μs 或者1μs。c，具有 128 字節(jié)的 RAM。d，具有 21 個特殊功能寄存器。e，可尋址 64KB 的外部數(shù)據(jù)存儲器和 64KB 的外部程序存儲器。f，具有四個 I/O 口，32 根 I/O 線。g，具有兩個 16 位定時器/計數(shù)器。h，具有 5 個中斷源，配備兩個優(yōu)先級i，具有一個全雙工串行接口j，具有位尋址能力，適用邏輯運算從上述特性可知:一塊 8031 的功能相當于微型計算機系統(tǒng)。②管腳功能分析及特性簡介引腳功能分類表：25a. I/O 口線： ， ， ， 共四個 8 位口。0P123b. 控制線： （中斷取指令控制） ，ALE（地址鎖存控制） ， （中斷存SENEA儲器選擇） ，RESET（復位控制）電源及時鐘： ， ， ，cVs1XATL2應用特性：a. I/O 口線不能都用作用戶 I/O 線，除 8051，8751 外真正可完全為用戶使用的 I/O 口線，只有 口以及部分作為第一功能使用的 口。1P3Pb. I/O 口的驅(qū)動功能為： 口驅(qū)動 8 個 TTL 門電路，而 、 只能驅(qū)動 40 2個 TTL 門電路。c. 口具有提升電阻的 8 位雙向 I/O 口，該口的每一位均可獨立的定義為3P第一 I/O 口功能或者第二 I/O 口功能。時鐘頻率：外接時鐘頻率可在 1.2～12MHz 間選取。③總線結(jié)構(gòu)a. 地址總線 AB地址總線寬度為 16 位，故其外部存儲器直接熏之范圍達到 64KB，16 位地址總線由 口經(jīng)地址鎖存器提供低 8 位， ～ 由 直接提供。0P8A152Pb. 數(shù)據(jù)總線 DB數(shù)據(jù)總線寬度為 8 位，由 口直接提供。0c. 控制總線 CB由 口的第二功能狀態(tài)和四根獨立的控制線 RESET， ，ALE， 組成。3P EAPSN④ 存儲器結(jié)構(gòu)單片機的存儲器包括程序存儲器（EPROM 或 ROM）和數(shù)據(jù)存儲器（RAM） ，它們是可以選用并可直接尋址的存儲器。⑤ 擴展芯片I/O 口擴展集成電路中有三種專用 I/O 口擴展芯片。I/O 口擴展復合芯片，26TTL 電路芯片，在本次設計中，除了采用 I/O 口外還能擴展其他外圍功能電路，主要有 8155（2×8+6 并行 I/O 口，256 個靜態(tài) RAM，一個 14 位定時器） ，TTL 電路芯片，也廣泛用作 MCS-51 單片機 I/O 擴展芯片，主要有74LS373，273，374，244 等。4.2 選擇芯片（1）EPROM 的選擇芯片的型號不同，應用參數(shù)也不同，主要有最大讀出速度，工作溫度及容量。在確定容量內(nèi)選擇 EPROM 的型號，主要考慮因素是讀取速度，這是決定系統(tǒng)能否正確工作隊的前提。根據(jù) CPU 與 EPROM 的匹配要求，應滿足 8031 能提供的讀取時間大于 EPROM 所需要的讀取時間。實際設計中，應考慮在滿足容量要求的同時盡可能選擇大容量芯片，以減少芯片組合數(shù)。（2）RAM 的選擇選 RAM 是主要考慮因素是 RAM 的讀寫速度與 CPU 提供的讀寫時序的匹配要求，還應滿足這樣一個關(guān)系：即 8031 所能提供的讀寫時間應大于 RAM 所需求的讀寫時間，常用 RAM 主要有 6116 和 6264 兩種。4.3 地址分配器及譯碼（1）地址分配與一般存儲系統(tǒng)不同，8031 所支持的存儲系統(tǒng)其程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器獨立編址。因此，EPROM 和 RAM 的地址分配較自由，不必考慮是否發(fā)生沖突。由于 8031 復位后從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，故程序存儲器地址應從 0000H 就開始。在這里只用 EPROM，地址為 0000H-1FFFH，擴展 RAM 與 I/O 口及外圍設備實行統(tǒng)一編址。（2）EPROM、RAM 與 8031存儲器與單片機的連接主要是三總線的連接，應考慮單片機的總線驅(qū)動能力是否夠，若不夠應當加以驅(qū)動，如總線驅(qū)動器 74LS244，74LS245 等，根據(jù)單片機8031 的驅(qū)動特性，在本次設計中，不必加以驅(qū)動，下面給出 EPROM，RAM 與 8031的具體連接。a. 地址總線27將 ～ 與 EPROM 的 ～ 一一對應連接。 ～ 與 RAM 的 ～ 一0A120A120A120A12一對應連接，其余地址經(jīng)譯碼產(chǎn)生片選信號。b. 數(shù)據(jù)總線～ 分別與存儲器 ～ 一一對應連接。01P70D7c. 地址總線將 ～ 與 EPROM 的 ～ 一一對應連接。 ～ 與 RAM 的 ～ 一0A120A120A120A12一對應連接，其余地址經(jīng)譯碼產(chǎn)生片選信號。d. 數(shù)據(jù)總線～ 分別與存儲器 ～ 一一對應連接。01P70D74.4 接口電路及輔助電路具體設計本系統(tǒng)接口電路包括鍵盤、數(shù)碼顯示器及步進電機接口電路，輔助電路包括復位電路及報警顯示電路。8031 單片機的口 可以作為 I/O 接口，為管理上述接口電路，還需要擴展1P接口電路，現(xiàn)在用 8031 的 管理步進電機，用擴展接口管理鍵盤和顯示電路。（1）接口電路具體設計8155 的內(nèi)部 RAM 和 I/O 的選擇由引腳 IO/ 控制，當 IO/ =0 時，CPU 訪M問 RAM，ＲＡＭ的低８位編制為：００Ｈ～ＦＦＨ；IO/ ＝１時，ＣＰＵ訪問ＩＯ口，其低８位編址見教材的真值表，８１５５的工作方式選擇通過對８１５５內(nèi)部命令，寄存器通過設定控制命令來實現(xiàn)。８１５５具有兩種基本操作，即用８１５５中的２５６字節(jié)ＲＡＭ及擴展Ｉ／Ｏ口使用，作ＲＡＭ時與系統(tǒng)ＲＡＭ無區(qū)別；作Ｉ／Ｏ口使用時，可通過工作方式以滿足不同需要。８１５５有一個狀態(tài)寄存器，鎖存Ｉ／Ｏ口和定時器的當前狀態(tài)，使ＣＰＵ查詢用。狀態(tài)寄存器和命令寄存器共用一個地址，只能讀入，不能寫入。ＣＰＵ讀地址時，做狀態(tài)寄存器，讀出時是當前Ｉ／Ｏ口和定時器的狀態(tài)，28而寫時則作為命令寄存器寫入命令。（２）輔助電路的具體設計①８０３１的時鐘電路如圖４－１時鐘電路圖。單片機的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式是利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在 ， 引腳上1XTAL2外接定時元件。采用外部時鐘方式，可把 直接接地， 接外部時1鐘源。圖 4-1 時鐘電路圖②復位電路單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)。在時鐘電路工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引腳上出現(xiàn)１０ｍｓ以上的高電平，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復位，以后單片機便從００００Ｈ單元開始執(zhí)行程序。單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種。圖４－２所示為電自動復位與按鈕復位的組合，在上電瞬間 電路充電，ＲＥＳＥＴ引腳出現(xiàn)正脈沖，只要電路充電，ＲＥＳＥＴ端RC保持１０ｍｓ以上的高電平，就能使單片機有效的復位。圖 4-2 復位電路圖③光電隔離電路29步進電機驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后控制步進電機的勵磁繞組。由于步進電機需要的驅(qū)動電壓較高（幾十伏） ，電流也較大（幾安到幾十安） ，如果將Ｉ／Ｏ口輸出的信號直接與功率放大器相聯(lián)，將會引起強電干擾，輕則影響計算機程序的正常運行，重則導致計算機接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。如圖４－３所示。圖 4-3 光電隔離電路光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，當輸入信號加到輸入端時，發(fā)光二極管導通激發(fā)出紅外光，光敏三極管受光照射后，由于光敏效應產(chǎn)生光電流，通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)了以光為媒介的電信號傳輸。輸入端與輸出端在電氣上完全隔離。④功率放大器脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要，必須將其輸出的信號放大產(chǎn)生足夠大的功率才能驅(qū)動步進電機正常運轉(zhuǎn)。設計時根