畢業(yè)設計論文CA6132普通車床的數(shù)控技術改造.doc

目錄第一章 緒論- 3 -數(shù)控技術和裝備發(fā)展趨勢- 3 -第二章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計- 8 -一 總體方案設計內(nèi)容- 8 -二 總體方案確定- 8 -第三章 進給系統(tǒng)設計計算- 10 -一 選擇脈沖當量- 10 -二 計算切削力- 10 -三 滾珠絲杠螺母副的計算和選型- 11 -四 齒輪進給齒輪箱傳動比計算- 20 -五 步進電機的計算和選型- 21 -第四章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計- 26 -一 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計綱要- 26 -一 硬件電路設計- 26 -二 軟件電路設計- 27 -二 8031單片機及其擴展- 27 -一 8031單片機的簡介- 27 -二 8031單片機的系統(tǒng)擴展- 28 -三 存儲器擴展- 30 -四 I/O口的擴展- 31 -三 步進電機驅(qū)動電路- 32 -一 脈沖分配器（環(huán)行分配器）- 32 -二 光電隔離電路- 33 -三 功率放大器- 33 -四 其他輔助電路- 34 -四 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設計- 35 -一 軟件脈沖分配器- 35 -二 逐點比較法插補程序- 37 -三 步進電機升降速軟件設計- 38 -第五章 數(shù)控機床零件加工程序- 40 -第六章 總結與展望- 41 -摘要 當今世界數(shù)控技術及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀，在此基礎上討論了在我國加入WTO和對外開放進一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展我國數(shù)控技術及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性，并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術及裝備的幾點看法。 裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術及其產(chǎn)業(yè)、生物技術及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟時代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動資料生產(chǎn)”。制造技術和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策?？傊罅Πl(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域：(1)機械制造技術；(2)信息處理、加工、傳輸技術；(3)自動控制技術；(4)伺服驅(qū)動技術；(5)傳感器技術；(6)軟件技術等。關鍵詞：普通車床； 數(shù)控改造； 伺服系統(tǒng)； 數(shù)控系統(tǒng) The transformation and design of the economic CNC lathe ABSTRACTThe survey found that most enterprises of china still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production , low automatization and adaptability ,but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprises productionPurchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises equipment updating step are counteracted severly. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The economical efficiency of the reform and the application of NC technology in General purpose lathe CA6132s numerically controlled reforming is researched in this paper according to our practice of CA6132s numerically controlled reforming. And the reforming scheme and main points are formed. The main contents is: The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the rerorming scheme is maked according to misty optimums synthesize adjudicate principle.The ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motor of feeding system is designed.he import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function. Methods of installing and testing of general purpose lathes numerically controlled reforming were put forward. KEY WORDS: General purpose lathe; NC reform ; Servo system ; CNC system第一章 緒論數(shù)控技術和裝備發(fā)展趨勢1 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、意料等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面14。11 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術之一，國際生產(chǎn)工程學會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一。 在轎車工業(yè)領域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業(yè)領域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結方式拼裝，使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。 從EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min，快速為100m/min，加速度達2g，主軸轉(zhuǎn)速已達60 000r/min。加工一薄壁飛機零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*!000r/mm和1g。 在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10m提高到5m，精密級加工中心則從35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01m)。 在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6 000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應用領域進一步擴大。1.2 5軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展 采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結構復雜等原因，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術難度較大，制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展。 當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結構大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復合加工機床（含5面加工機床）的發(fā)展。 在EMO2001展會上，新日本工機的5面加工機床采用復合主軸頭，可實現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺機床上實現(xiàn)，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。 1.3 智能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，如美國的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、歐共體的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中國的ONC(Open Numerical Control System)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結構規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。 網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，如在EMO2001展中，日本山崎馬扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生產(chǎn)控制中心，簡稱CPC)；日本大隈（Okuma）機床公司展出“IT plaza”（信息技術廣場，簡稱IT廣場)；德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（開放制造環(huán)境，簡稱OME）等，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢。1.4 重視新技術標準、規(guī)范的建立1.4.1 關于數(shù)控系統(tǒng)設計開發(fā)規(guī)范 如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結構數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個最大的經(jīng)濟體在短期內(nèi)進行了幾乎相同的科學計劃和規(guī)范的制定，預示了數(shù)控技術的一個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。 1.4.2 關于數(shù)控標準 數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標準，即采用G，M代碼描述如何（how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整個制造過程，乃至各個工業(yè)領域產(chǎn)品信息的標準化。 STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術領域的一次革命，對于數(shù)控技術的發(fā)展乃至整個制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠的影響。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下，NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術開放式、網(wǎng)絡化發(fā)展的方向。其次，STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75）、加工程序編制時間（約35）和加工時間（約50）。 目前，歐美國家非常重視STEP-NC的研究，歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計劃(1999.1.12001.12.31)。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學術機構。美國的STEP Tools公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模型(Super Model)，其目標是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證。2 對我國數(shù)控技術及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計我國數(shù)控技術起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術封鎖和我國的基礎條件的限制，數(shù)控技術的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國數(shù)控技術的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。在此階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進步。在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達50，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了10。 縱觀我國數(shù)控技術近50年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過4個5年計劃的攻關，總體來看取得了以下成績。 a.奠定了數(shù)控技術發(fā)展的基礎，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術。我國現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、數(shù)控主機、專機及其配套件的基礎技術，其中大部分技術已具備進行商品化開發(fā)的基礎，部分技術已商品化、產(chǎn)業(yè)化。 b.初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。在攻關成果和部分技術商品化的基礎上，建立了諸如華中數(shù)控、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠。蘭州電機廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機生產(chǎn)廠以及北京第一機床廠、濟南第一機床廠等若干數(shù)控主機生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。 c.建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊伍。雖然在數(shù)控技術的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足的進步，但我們也要清醒地認識到，我國高端數(shù)控技術的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術水平現(xiàn)狀與我國的現(xiàn)實需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快，但橫向比（與國外對比）不僅技術水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距，即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術水平差距有擴大趨勢。從國際上來看，對我國數(shù)控技術水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計大致如下。 a.技術水平上，與國外先進水平大約落后1015年，在高精尖技術方面則更大。 b.產(chǎn)業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低；外觀質(zhì)量相對差；可靠性不高，商品化程度不足；國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應，用戶信心不足。 c.可持續(xù)發(fā)展的能力上，對競爭前數(shù)控技術的研究開發(fā)、工程化能力較弱；數(shù)控技術應用領域拓展力度不強；相關標準規(guī)范的研究、制定滯后。 分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面。 a.認識方面。對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進程艱巨性、復雜性和長期性的特點認識不足；對市場的不規(guī)范、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計不足；對我國數(shù)控技術應用水平及能力分析不夠。 b.體系方面。從技術的角度關注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候多，從系統(tǒng)的、產(chǎn)業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候少；沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓、服務網(wǎng)絡等支撐體系。 c.機制方面。不良機制造成人才流失，又制約了技術及技術路線創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新，且制約了規(guī)劃的有效實施，往往規(guī)劃理想，實施困難。 d.技術方面。企業(yè)在技術方面自主創(chuàng)新能力不強，核心技術的工程化能力不強。機床標準落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標準研究不夠。 3 對我國數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考3.1 戰(zhàn)略考慮 我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進制造核心技術，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整中，我國制造業(yè)將進一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術的制造中心的地位，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。 我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對我國實現(xiàn)禁運和限制，“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。3.2 發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術、配套技術作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 強調(diào)市場需求為導向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機（如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關鍵設備等）帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品。第二章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設計 一 總體方案設計內(nèi)容接到一個數(shù)控裝置的設計任務以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設計參數(shù)和結構，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設計。機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)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(nèi)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。一、 系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。二、 控制方式的選擇系統(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)。經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不做檢測，所以機床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反應迅速，調(diào)試和維修都比較簡單。二 總體方案確定（1）、系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控機床應具備定位，直線插補，順、逆圓弧插補，暫停，循環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。（2）、數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾性強，具有很高的性能價格比等特點，決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。（3）、機械傳動方式為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結構。系統(tǒng)總體方案框圖如下： 圖1系統(tǒng)總體方案框圖第三章 進給系統(tǒng)設計計算一 選擇脈沖當量脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當量是0.010.005mm/step。根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量：縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑)二 圖2縱切和橫切時切削力的示意圖1、 縱車外圓主切削力F(N)按經(jīng)驗公式估計算： F=D= （N）按切削力各分力比例： F：F：F=1 ：0.25 ：0.4 F（N）F（N）2、 橫切端面主切削力（N）可取縱切的1/2。 （N） （N） （N）三 滾珠絲杠螺母副的計算和選型（一） 縱向進給絲杠1、 計算進給軸向力F（N）縱向進給這里為三角形導軌：F式中K：指顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取K=1.15；：指滑動導軌摩擦系數(shù)取0.150.18之間的值；G：指流板及刀架重力，G=1100N。則 F=（N）2、 計算最大動負載Q考慮滾珠絲杠在運轉(zhuǎn)過程中沖擊擾動對壽命的影響，則最大動負載Q的計算公式為：Q L n式中 ：指滾珠絲杠導程，初選=8； n：指絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min）； ：指最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的1/21/3，此處取=0.3； ：指使用壽命時間（h）,對于數(shù)控機床取T=15000h.。L：指壽命，以10轉(zhuǎn)為一單位；：指運動系數(shù)，見表1，選=1.3。表1運轉(zhuǎn)系數(shù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)運轉(zhuǎn)系數(shù)無沖擊運轉(zhuǎn)1.01.2一般運轉(zhuǎn)1.21.5有沖擊運轉(zhuǎn)1.5-2.5則 n( r/min)L Q（N）3、 滾珠絲杠螺母副的選型從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應的動負載C的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結構類型，選用時應滿足Q C的條件。查表：可采用WL5008外循環(huán)調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動負載為23400N，符合Q C的條件。精度等級按表 2，選為1級。Vmm表 2滾珠絲杠行程公差項目符號有效行程（mm）精度等級12345目標行程公差e6812162331540079131825400500810152027500630911162230行程變動量公差V6812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300 mm內(nèi)行程變動量V681216232弧度內(nèi)行程變動量V45678圖3縱向進給系統(tǒng)計算簡圖計算如下：（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm） F=N， L=8mm, 5、剛度驗算橫向進給滾珠絲杠支承方式如圖4所示，最大軸向力為2759N，支承間距L=550mm, 因絲杠長度較短，不需要預緊。圖4橫向進給系統(tǒng)計算簡圖計算如下：(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）根據(jù) N， D=25mm, EN/mm, R=2.064, e=0.056mmd( mm)A(mm) （mm）(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm）對滾珠絲杠副施加預緊力F為軸向負載的1/3。由 mm, kgf承載滾珠數(shù)量 ZZ =0.0013 （mm）(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）這里采用有預緊時的推力球軸承則 查機械設計手冊中表6-2-82，采用51104型推力球軸承，其d=20mm,滾動體直徑D=3.175mm, 滾動體數(shù)量Z=14， （mm）則定位誤差 =0.03682 (mm) 顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度（），應該采取相應的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導軌來減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導軌=0.030.05。重新計算如下： NQ（N）由此可知：滾珠絲杠螺母副和軸承的型號可不改變。此時的變形量為：（mm）=0.0013 （mm） （mm）定位誤差 0.02412 (mm) 0.025mm(規(guī)定定位精度)6、穩(wěn)定性校核臨界負載與工作負載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù)，如果，則壓桿穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般=2.54。計算臨界負載（N）： 式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼E（N/mm）； J：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J（為絲杠螺紋的底徑）； ：絲杠兩支承端距離（mm）；：絲杠支承方式系數(shù)，見表3，這里。表3滾珠絲杠支承方式系數(shù)方式一端固定一端自由兩端簡支一端固定一端簡支兩端固定0.251.002.004.00則 N 所以此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。（三）縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)其幾何參數(shù)見表：表4WL5008及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù)名稱符號WL5008WL2506螺 紋 滾 道公稱直徑5025導程86接觸角鋼球直徑4.7633.969滾道法面半徑2.4772.064偏心距0.0680.056螺紋升角螺 桿絲杠外徑48.524絲杠內(nèi)徑45.18220.984螺桿接觸直徑40.42417.025螺 母螺母螺紋直徑54.81829.016螺母內(nèi)徑51.19025.992四 齒輪進給齒輪箱傳動比計算1、縱向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電機步距角，可計算出傳動比： 在閉式軟齒面齒輪傳動中，齒輪的彎曲強度總是足夠的，因此齒數(shù)可取多些，推薦取Z=2440。所以可選定齒輪數(shù)為：2、橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電機步距角，可計算出傳動比：可選定齒輪數(shù)為： 因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2。有關參數(shù)參照表5。表5傳動齒輪幾何參數(shù)所處位置縱 向橫 向齒數(shù)24401845分度圓直徑48803690齒頂圓直徑52844094齒根圓直徑43753185齒寬（610）m16161616中心距6463五 步進電機的計算和選型（一） 縱向進給步進電機計算1、 等效轉(zhuǎn)動慣量計算傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算：式中 ：指步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；、：指齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量；：指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量；：指工件及工作臺重量（N）；：指絲杠導程（）；參考同類型機床，初選反應式步進電機150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。（分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距） 把這些數(shù)據(jù)代入上式： 2、 電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按個階段計算：（1）快速空載起動力矩 在快速空載起動階段，加速度所占的比例較大，具體計算公式如下：以上式中 ：指空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩（）； ：指折算到電機軸上的摩擦力矩（）；：指絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（）；：指傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量； ：指電機最大角加速度（）； ：指電機最大轉(zhuǎn)速（）；：指運動部件最大進給速度（）；：指脈沖當量（）；：指步進電機步距角（）；：指運動部件從停止起動到最大快進速度所需時間（s），這里是30ms；：指導程的摩擦力（N），；：指垂直方向的切削力（N）；：指工件及工作臺重量（N）；：指導軌摩擦系數(shù)，；：指運動部件的總重量（N）；：指齒輪降速比；按計算；：指傳動鏈總效率，一般可?。唬褐笣L珠絲杠預加負載，一般取/3，為進給軸向力（N）；：指滾珠絲杠導程；：指滾珠絲杠未加預緊時的傳動效率，一般取。將以前計算所得數(shù)據(jù)代入： （） （）（）則 （）（2）快速移動時所需力矩 （）（3）最大切削負載時所需力矩 （）從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。由表6得：當步進電機為三相六拍時，則（N）。表6步進電機起動轉(zhuǎn)距與最大靜轉(zhuǎn)距關系步進電機相 數(shù)三 相四 相五 相六 相拍 數(shù)36485106120.50.8660.7070.8090.9510.8660.866按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72，大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，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動矩頻特性。3、 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率可查出150BF002型步進電機允許的最高空載啟動頻率為2800運行頻率為8000，再從圖5查出150BF002步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。從圖中看出，當步進電機起動時，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（800.77），直接使用則會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），半起動頻率降到1000，起動力矩可提高到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。圖5150BF002型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性（二） 橫向進給步進電機計算和選型與縱向進給步進電機計算的方法一樣，如果縱向的步進電機能滿足條件那橫向的就也可以滿足條件，則這選用與縱向相同的步進電機。第四章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計一 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計綱要一 硬件電路設計硬件是組成系統(tǒng)的基礎，也是軟件編程的前提，數(shù)控系統(tǒng)硬件設計包括以下幾部分內(nèi)容：1、 繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖據(jù)總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結構圖。機床硬件電路由五部分組成：（1） 主控制器，即中央處理單元CPU；（2） 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；（3） 存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器；（4） 接口，即輸入/輸出接口電路；（5） 外圍設備，如鍵盤、顯示器等。機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖6所示： 圖6機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）2、 選擇中央處理單元CPU的類型根據(jù)設計要求，CNC系統(tǒng)的主CPU采用8031單片機。3、 存儲器擴展電路設計存儲器擴展包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器擴展兩部分。選擇EPROM作程序存儲器時，應考慮：（1） 速度應與CPU時鐘匹配；（2） 容量適中。4、 I/O接口電路設計設計內(nèi)容包括：據(jù)外部要求選用I/O接口芯片，步進電機伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設計（如復位、掉電保護等）。這部分設計要求考慮系統(tǒng)的驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠。在存儲器擴展和I/O接口電路中，均涉及到地址譯碼問題。二 軟件電路設計軟件是硬件的補充。確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設計軟件。1、 軟件設計步驟軟件設計步驟分為以下幾步：（3） 據(jù)軟件要求實現(xiàn)的功能，制定出軟件技術要求；（4） 將整個軟件模塊化，確定個模塊的編制要求，包括個模塊功能，入口參數(shù)，出口參數(shù)；（5） 據(jù)硬件資源，合理分配好存儲單元；（6） 分別對個模塊編程，并調(diào)試；（7） 連接各模塊，進行統(tǒng)一調(diào)試及優(yōu)化；（8） 固化到程序存儲器中。2、 數(shù)控系統(tǒng)中常用的軟件模塊（1） 軟件實現(xiàn)環(huán)形分配器；（2） 插補運算模塊；（3） 自動升降速控制模塊等。二 8031單片機及其擴展一 8031單片機的簡介1、8031芯片引腳及片外總線結構（1）8031芯片引腳功能8031芯片有40個引腳，引腳配置見圖7： 圖78031芯片引腳（2）各引腳按功能可分為三部分：l I/O口線：P0，P1，P2，P3共4個8位口；l 控制口線：，ALE，RST； l 電源及時鐘：V、V；XTAL1，XTAL2。（3）應用特性：l I/O口線不能都用作用戶I/O口線；l I/O口的驅(qū)動能力，P0口可驅(qū)動8個TTL門電路，P1，P2，P3則只能驅(qū)動4個；l P3是雙重功能口。2、8031單片機片內(nèi)結構8031單片機由7個部件組成，既微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定時/計數(shù)器及中斷系統(tǒng)，它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成的。二 8031單片機的系統(tǒng)擴展 8031單片機內(nèi)無程序存儲器，如不擴展外部程序存儲器則不能工作，且片內(nèi)僅有128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，對于需要較多數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的程序來說，片內(nèi)RAM也不夠用，須擴展。8031片內(nèi)四個I/O口中僅P1口可作為8位雙向的I/O接口用戶使用，也須擴展，有些情況還須擴展定時/計數(shù)器等。1、8031的片外總線結構所有的外部芯片都通過三組總線進行擴展：（1） 數(shù)據(jù)總線（DB）：由P0口提供，數(shù)據(jù)總線要連接到連接的所有外圍芯片上，但在同一時間只能夠有一個是有效的數(shù)據(jù)傳輸通道。（2） 地址總線（AB）：16位，可尋址范圍為64K字節(jié)，AB由P0口提供低8位地址，與數(shù)據(jù)分時傳送，傳送數(shù)據(jù)時將低8位地址鎖存。高8位地址由P2口提供。（3） 控制總線（CB）：系統(tǒng)擴展用控制總線有、ALE、。2、系統(tǒng)擴展能力據(jù)地址總線的寬度，在片外可擴展的存儲器最大容量為64K字節(jié)。片外數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的操作使用不同的指令和控制信號。允許兩者的地址重復。故片外可擴展的數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器分別為64K。擴展的I/O口與片外數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，不再另外提供地址線。3、地址鎖存器8031擴展系統(tǒng)時，由P0口提供數(shù)據(jù)及低8位地址，分時傳送，故須地址鎖存。常用的地址鎖存器芯片是74LS373（帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器），其引腳及連接見圖8。圖874LS373引腳及連接圖圖中：DD：信號輸入端；QQ：信號輸出端；G：下降沿時，將DD鎖存于內(nèi)部；E：使能端，E=0時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，輸出端QQ與輸入端DD連通，當E=1時，輸出三態(tài)門斷開，輸入數(shù)據(jù)鎖存。4、地址譯碼8031擴展電路中，都涉及到外部地址空間分配問題，即當8031數(shù)據(jù)總線分時與多個外圍芯片進行數(shù)據(jù)傳送時，首先要進行片選，然后再進行片內(nèi)地址選擇。地址譯碼實現(xiàn)片選的方法可分為三種：線選法、全地址譯碼法和部分地址譯碼法。這里選用部分地址譯碼法。這種方法是線選與地址譯碼相結合。圖9為74LS138碼器的引腳圖。當G時，74LS138工作。C、B、A的輸出決定譯碼器的輸出引腳。圖974LS138引腳圖三 存儲器擴展1、存儲器常用芯片（1）EPROM芯片 常用的程序存儲器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均為28腳雙列直插式扁平封裝長片，圖10為常用EPROM引腳。圖10常用EPROM引腳排列EPROM選用原則：（a） 據(jù)控制對象和任務的復雜程度，以及是否需要大量計算來確定存儲系統(tǒng)容量（粗略估計，留有一定余地，以備系統(tǒng)的功能擴展用），為使電路簡化，盡可能選擇大容量芯片，以減少芯片組合。（b） 芯片的工作速度滿足系統(tǒng)的時序要求。8031訪問EPROM時，其所提供的讀取時間t與所選的晶體時鐘有關，約為3T，不同型號的EPROM工作速度一般為200450ns，故選取芯片時，應使其工作速度小于t。（2）數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器有動態(tài)和靜態(tài)之分，兩者相比，靜態(tài)RAM無須考慮保持數(shù)據(jù)而設置的刷新電路，擴展簡單，在數(shù)據(jù)存儲器擴展電路中應用較廣泛。常用的靜態(tài)RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K