機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)說明書 c6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)專業(yè)： 機(jī)電一體化工程（本） 姓名： 準(zhǔn)考證號(hào)： 課程名： c6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師： 日期： 2011年七月十一日八月一日 第一節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)21.1設(shè)計(jì)任務(wù)2第三節(jié) 總體體方案的確定32.1總體體方案的確定3第三節(jié) 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案43.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案43.2換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架53.3螺紋編碼器的安裝方案5第四節(jié) 進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型64.1脈沖當(dāng)量的確定64.2切削力的計(jì)算64.3滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型（縱向）74.4同步帶減速箱的設(shè)計(jì)（縱向）84.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型（縱向）104.6同步帶傳遞功率的校

2、核16第五節(jié) 繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖165.1繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖17第六節(jié) 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)176.1控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)18第七節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用187.1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)198.1控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì)19 第一節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)題目c6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)任務(wù)將一臺(tái)c614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400mm；（2）最大加工長(zhǎng)度1000mm；（3）x方向（橫行）的脈沖當(dāng)量0.005/脈沖,z方向（縱向）的脈沖當(dāng)量0.01/脈沖；（4）x方向最快移動(dòng)速度vmax30

3、00mmmin，z方向?yàn)関max6000mmmin；（5）x方向最快工進(jìn)速度vmax400mmmin，z方向?yàn)関max800mmmin；（6）x方向定位精度0.01mm，z方向定位精度0.02mm；（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)程為24mm；（9）主動(dòng)控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級(jí)變速與無極變速信號(hào)；（10）安裝四工位立式電動(dòng)刀架，系統(tǒng)自動(dòng)控制選刀；（11）自動(dòng)控制冷卻泵的起與停；（12）安裝電動(dòng)卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；（13）縱，橫安裝限位開關(guān)；（14）數(shù)控系統(tǒng)可與pc機(jī)串行通信；（15）顯示界面采

4、用led數(shù)碼管，編程采用iso數(shù)控代碼。 第三節(jié) 總體體方案的確定2.1總體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)行方式，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型，數(shù)控系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）普通數(shù)控車床數(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）普通數(shù)控車床數(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)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)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

5、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，io接口電路，da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)電動(dòng)以及主軸電動(dòng)機(jī)的交流變頻器。（5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱，橫向進(jìn)給傳動(dòng)應(yīng)選擇摩擦力小，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，滾珠絲杠螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。（6）計(jì)算選擇步進(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) 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案 3.1主

6、傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案 對(duì)普通車床進(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，需要在加工中自變換轉(zhuǎn)速，可用2-4檔的多速電動(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，使用變頻時(shí)，若工作頻率低于70hz，原來的電動(dòng)機(jī)可以不更換，但所選變頻器的功率要比電動(dòng)機(jī)大）。 本例中，當(dāng)采用有級(jí)變速時(shí)，可選用浙江超力電機(jī)有限公司生產(chǎn)的yd系列7.5kw變極多速三相異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)24檔變速；當(dāng)采用無級(jí)變速時(shí)，應(yīng)加裝交流變頻器

7、，推薦型號(hào)為：f1000-g0075t3h，適配7.5kw電動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)廠家為煙臺(tái)惠豐電子有限公司。 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，選用呼和浩特機(jī)床附件總廠生產(chǎn)的kd11250型電動(dòng)三爪卡盤?？ūP的夾緊與松開由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)信控制。 3.2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ld4b-ck6140型四位立式電動(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。 3.3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

8、沖發(fā)生器，作為車床主軸位置信號(hào)的反饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。 本例中，改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程24mm，z向的進(jìn)給脈沖當(dāng)量是0.01脈沖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24(0.01mm/脈沖)=2400脈沖。考慮到編碼器的輸出有相位差為90的a、b相信號(hào)，可用a、b異或后獲得2400個(gè)脈沖(一轉(zhuǎn)內(nèi))，這樣編碼器的線數(shù)可降到1200線（a、b信號(hào)）。另外，為了重復(fù)車削同一螺紋槽時(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，本例中選擇螺紋編碼器的型號(hào)為：zlf-1200z-05z0-15-ct。電源電壓+5v，每轉(zhuǎn)輸出1200個(gè)ab脈沖與1個(gè)z脈沖，信號(hào)

9、為電壓輸出，軸頭直徑15mm，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。同軸安裝時(shí)指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它堵住了主軸的通孔，異軸安裝時(shí)是指將編碼器安裝在床頭箱的后端，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，可以將編碼器通過一對(duì)傳動(dòng)比為1:1的同步齒形帶與主軸連接起來，需要注意的是，編碼器的最高允許轉(zhuǎn)速。5.進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找的同步軸，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刀的齒輪齒條，

10、在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座和螺母座墊架。（4）拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四位工位立式電動(dòng)機(jī)刀架。（5）拆除橫溜板下的滑動(dòng)絲杠螺母副，將滑動(dòng)絲杠靠刻度盤一段（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)通過法蘭座安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相連。（7）拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支承。 改造后的橫向、縱向進(jìn)給傳給系統(tǒng)見圖一、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、選擇滾珠絲桿螺母副、設(shè)計(jì)減速箱、選擇步進(jìn)

11、電動(dòng)機(jī)。 4.1脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，x方向（橫向）的脈沖當(dāng)量為x=0.005脈沖，z方向（縱向）為z=0.005脈沖。4.2切削力的計(jì)算 縱向切削力的詳細(xì)計(jì)算過程。設(shè)工件材料為碳素機(jī)構(gòu)鋼，b=650mpa;刀具材料為硬質(zhì)合金yt15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角，前角0=100，刃傾角s=50；切削用量為： =3mm背吃刀量，進(jìn)給量f=0.6mmr，切削速度 =105mmin。查表10-1，得： =2795， =1.0， =0.75， =0.15。查表10-3，得：主偏角kr的修正系數(shù) =0.94；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0。由經(jīng)驗(yàn)公式（10-2），算得主切削力

12、=2673.4n。由經(jīng)驗(yàn)公 ：ff ： =1：0.35：0.4，算得縱向進(jìn)給切削力ff=935.69n，背向力 =1069.36n。4.3滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型（縱向）（1）工作載荷f的計(jì)算 已知移動(dòng)部件總重量g=1300n；車削力 =2673.4n， =1069.36n，ff=935.69n。如圖10-20所示，根據(jù) = ， = ， =ff的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可得：=2673.4 ， =1069.36n， =935.69n。選用矩形三角形組合滑動(dòng)導(dǎo)軌，查表10-29，得k=1.15，=0.16代人fm=kfx （g），得工件載荷f1712n。（2）最大動(dòng)載荷fq的計(jì)算 設(shè)本車床z向在承受最大切削

13、力條件下最快的進(jìn)給速度v=0.8mmin，初選絲桿基本導(dǎo)軌ph=6mm，則此時(shí)絲桿轉(zhuǎn)速n=1000vph 133rmin。取滾珠絲桿的使用壽命t=15000h，代入l0=60nt106，得絲杠壽命l0=119.7。查表10-30，取載荷系數(shù)fm=1.15、硬質(zhì)系數(shù)=1，代入式（10-23），求得最大動(dòng)載荷。（3）初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算的最大動(dòng)載荷，查表10-34，選擇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的fl4006型滾珠絲桿副。其公稱直徑為40mm，基本導(dǎo)程為6mm，雙螺母滾珠總?cè)?shù)為32=6圈，精度等級(jí)取4級(jí)，額定動(dòng)載荷為13200n，滿足要求。（4）傳動(dòng)效率的計(jì)算 將公稱直徑d0=40mm，基本導(dǎo)程

14、ph=6mm，代入= ph(d0)，得絲桿螺旋升角=2044，將摩擦角=10，代入=tantan(+)，得傳動(dòng)效率=94.2。（5）剛度的計(jì)算 z向滾珠絲桿副的支承，采用一端軸向固定，一端簡(jiǎn)支的方式，見圖二。固定端采用一對(duì)推力角接觸球軸承，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a=1497mm；鋼的彈性模量e=2.1105mpa；查表10-34，得滾珠直徑=3.9688mm，算得絲杠底徑d2=公稱直徑d0滾珠直徑則絲杠截面積s=d224=1019.64mm2。忽略式（10-25）中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷fm作用下產(chǎn)生的拉壓變形量1=(es) 0.01197mm。根據(jù)公式

15、z=（d0）3，求的單圈滾珠數(shù)目z=29；該型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)?shù)為32=6，則滾珠總數(shù)量z=296=174。滾珠絲桿預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力fyj=fm3571n；則由式（10-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2=0.00117mm。因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可減小一半，取2=0.000585mm。將以上計(jì)算的1和2代入總，求得絲杠總變形量總=0.012555mm=12.555m。由表10-27知，四級(jí)精度滾珠絲杠任意300mm軸向行程內(nèi)行程的變動(dòng)量允許16m，而對(duì)于跨度為1497mm的滾珠絲杠，總的變形量總只有12.555m，可見絲杠剛度足夠。（6）

16、壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（10-28）計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷，查表10-31，取支承系數(shù)=2；由絲杠底徑d2=36.0312mm，求得截面慣性矩i=d2482734.15mm4；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)k取3（絲杠臥底式安裝）；滾動(dòng)螺母至軸向固定處得距離取最大值1497mm。代入式（10-28），得臨界載荷fk51012n，遠(yuǎn)大于工作載荷fm(1712n)，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)（縱向）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)載慣量盡可能的減小，傳動(dòng)鏈中常采用減速傳動(dòng)，本例中z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

17、始數(shù)據(jù)有：帶傳動(dòng)的功率p；主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n1和傳動(dòng)比i;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z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩通常在1525n. m之間選擇。今初步選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為130by5501，五相混合式，最大轉(zhuǎn)矩為20n.m，十拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步進(jìn)角為0.720。運(yùn)行矩特性曲線如下圖。（1）傳動(dòng)比的確定 已知電動(dòng)機(jī)的步距角=0.720，脈沖當(dāng)量z=0.01mm脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程ph=6mm。根據(jù)公式（10-12）算得傳動(dòng)比=1.2。（2）主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速n1 由z向拖板的最快移動(dòng)速度vzmax6000mmmin，可以算出主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速n1=(z) 360=1200rmin。（3）確定帶的設(shè)計(jì)

18、功率pd 預(yù)選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1200/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的步進(jìn)脈沖頻率為：=1200360(60)=1200360(600.72)=10000hz。從表9-2差得，當(dāng)脈沖頻率為10000hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為3.8n.m，對(duì)應(yīng)的輸出功率為pout=nt9.55=12003.89.55477.5w。同步帶傳遞的負(fù)載功率應(yīng)該小于477.5，今取p=0.32kw，從表10-18中取工作情況系數(shù)fa=1.2，則由式（10-14），求得帶的設(shè)計(jì)功率pd=kap=1.20.32kw=0.384kw。（4）選擇帶型和節(jié)距 根據(jù)帶的設(shè)計(jì)功率pd=0.384kw和主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速n1=1200rmin。，

19、從圖10-14中選擇同步帶，型號(hào)為xl型，節(jié)。距 =5.08mm。（5）確定小帶輪齒數(shù)z1和小帶輪節(jié)圓直徑d1 取z1=25，則小帶輪節(jié)圓直徑d1= pdz1=40.43mm。當(dāng)n1達(dá)到最高轉(zhuǎn)速1200/min時(shí)，同步帶的速度為v=d1n1601000=2.54ms，沒有超過xl型帶的極限速度40m/s。（6）確定大帶輪齒數(shù)z2和大帶輪節(jié)圓直徑d2 大帶輪齒數(shù)z2=iz1=30，節(jié)圓直徑d2=id1=48.51mm。（7）初選中心距a0、帶的節(jié)線長(zhǎng)度l0p、帶的齒數(shù) 初選中心距a=1.3(d1d2)=115.662mm，圓整后取a0=120mm。則帶的節(jié)線長(zhǎng)度為k。根據(jù)表10-13，選取接近標(biāo)

20、準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)度f，相應(yīng)齒數(shù)f。（8）計(jì)算實(shí)際中心距a 實(shí)際中心距。 （9）校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) ，嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。（10）計(jì)算基準(zhǔn)額定功率p0（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：ta帶寬為的bs0許用工作拉力，由表10-21查得ta =50.17n； m帶寬為bs0的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，由表10-21查得m=0.022kgm； v 同步帶的帶速，由上述（5）可知v=2.54ms。算得p0=0.127kw。（11）確定實(shí)際所需同步帶寬度 式中：bs0 選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度，由表10-21查得bs0=9.5mm； kz 小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，由表10-22查得kz=1。由上

21、式算得bs25.07mm，再根據(jù)表10-11選定最接近的帶寬bs25.4mm。（12）帶的工作能力驗(yàn)算 根據(jù)式（10-22），計(jì)算同步帶額定功率p的精確值： 式中，kw為齒寬系數(shù)：；經(jīng)計(jì)算得p=0.390kw，而pd=0.384kw，滿足ppd。因此，帶的工作能力合格。4.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型（縱向）（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g=1300n；同步帶減速箱大帶輪寬度28mm，節(jié)徑48.51mm,孔徑30mm，輪轂外徑42mm，寬度14mm；小帶輪寬度28mm，節(jié)徑40.43mm，孔徑19mm，輪轂外徑

22、29mm，寬度12mm；傳動(dòng)比i=1.2。參照表11-1，可以算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；拖板折算到絲杠上的轉(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z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為130byg5501，從表11-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。則步進(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)矩分快速空載荷啟動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。快速空載啟動(dòng)時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式（11-8）可知，包括三部分：快速空載啟動(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

23、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)（11-12）式可知，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： 根據(jù)式（11-9），考慮z向傳動(dòng)鏈的總效率，計(jì)算快空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：式中： 對(duì)應(yīng)z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r/min； 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s。其中： 式中： z向空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為6000mm/min； z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，為0.720。 z向脈沖當(dāng)量，本例=0.01mm脈沖。將以上各值代入式（9-3），算得=1200rmin。設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間ta=0.4s，z向傳

24、動(dòng)鏈總效率=0.7。則由式（9-2）求得： 由式（11-10）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： 式中：導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.16； 垂直方向的工作負(fù)載，空載時(shí)取0； z向傳動(dòng)鏈總效率，取0.7。則由式（9-4），得： 最后由式（9-1），求得快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： 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(11-13)可知，包括如下三個(gè)部分，即：折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩tt：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t0。t0相對(duì)于tt和很小，可以忽略不計(jì)。則有： 其中，折算

25、到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由（11-14）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ff=935.69n，則有： 在有式（11-10）計(jì)算承受最大工作載荷（fc=2673.4n）情況下，移動(dòng)部件時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： 最后由式（9-6），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 經(jīng)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 （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，可能造成丟步，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)k=4，則步

26、進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 對(duì)于前面預(yù)選的130byg5501型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由表11-5可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩=20n.m，可見完全滿足（9-8）式的要求。（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定z向最快工進(jìn)速度，脈沖當(dāng)量，由（11-16）式求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率的運(yùn)行矩頻特性圖9-4可以看出在此頻率下，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。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z向最快空載移動(dòng)速度，仿照（11-16）式求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從圖9-4查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,大于快速空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。最快空載移動(dòng)時(shí)電

27、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11-5可知130byg5501的極限運(yùn)行頻率為20000hz，可見沒有超出上限。啟動(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，查表11-5可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高空載啟動(dòng)頻率。則由式（11-7）可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率為 上式說明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率必需小于1092hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，啟動(dòng)頻率選的很低，通常只有100hz。綜上所述，本例中z向進(jìn)給系統(tǒng)選用130byg5501步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足要求。4.6同步帶傳遞功率的校核（1）快速空載起動(dòng)

28、電動(dòng)機(jī)從靜止到加速至，由（9-5）式可知，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（9-7）式可知，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0.39kw。因此，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5.1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、減速箱和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算、選型后，就可以著手繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖了。在繪制裝配圖時(shí)，需要考慮以下問題：（1）了解原車床的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。（2）根據(jù)載荷特點(diǎn)和

29、支承形式，確定絲杠兩端軸承的型號(hào)，軸承座的結(jié)構(gòu)以及軸承的預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式。（3）考慮各部件之間的定位、連接和調(diào)節(jié)方法。例如，應(yīng)保證絲杠兩端支承與螺母座同軸，保證絲杠與機(jī)床導(dǎo)軌平行，考慮螺母座、支承座在安裝面上的連接和定位，同步帶減速箱的安裝與定位，同步帶的張緊力調(diào)節(jié)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的連接與定位等。（4）考慮密封、防護(hù)、潤(rùn)滑以及安全機(jī)構(gòu)等問題。例如，絲杠螺母副的潤(rùn)滑、防塵防鐵銷保護(hù)、軸承的潤(rùn)滑及密封、行程限位保護(hù)裝置等。（5）在進(jìn)行各零件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮裝配的順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。（6）注意繪制裝配圖時(shí)的一些基本要求。比如，制圖標(biāo)準(zhǔn)，視圖布置及圖形畫法要求，重要的中心距、中

30、心高、聯(lián)系尺寸和輪轂尺寸的標(biāo)注，重要配合尺寸的標(biāo)注，裝配技術(shù)要求，標(biāo)題欄等。本例中，橫向與縱向進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖，分別見附圖1和附圖2。 第六節(jié) 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)6.1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)和按鈕信號(hào)；（3）接收車床限位開關(guān)信號(hào)；（4）接收螺紋編碼器的信號(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）控制主軸的正轉(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）控制冷卻泵啟

31、動(dòng)與停止；（11）控制電動(dòng)卡盤的夾緊與松開；（12）控制電動(dòng)刀架的自動(dòng)選刀；（13）與pc機(jī)得串行通信。圖9-3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用作程序存儲(chǔ)器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片sram芯片6264用作數(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/輸出口得擴(kuò)展選用了并行口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)得串行通信經(jīng)過max233芯片。晶振電路eprom芯片w27c512sram芯片6264鍵

32、盤與顯示口芯片8279串行接口芯片max233并行接口芯片8255cpuat89s52單片機(jī)復(fù)合電路隔離放大電路隔離放大x向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)刀架電動(dòng)機(jī)隔離放大電路隔離放大隔離放大隔離放大電路隔離放大隔離放大電路z向步進(jìn)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)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)交流變頻器主軸電動(dòng)機(jī)面板設(shè)置了48個(gè)微動(dòng)按鈕，三個(gè)船行開關(guān)，一只急停按鈕，顯示器包括1組數(shù)碼顯示管和7只發(fā)光二極管。控制系統(tǒng)的主機(jī)板電原理圖見附圖3，鍵盤與led顯示電原理圖見附圖四。第七節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用7.1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

33、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130byg5501，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)公司。這兩種電動(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，電機(jī)供電電壓dc120 310v，電流5a。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)壓型不僅驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為bd5a。它與控制系統(tǒng)的連接課本圖9-5所示。 第八節(jié) 控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì)8.1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)附圖3中地址譯碼器u4(74ls138)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

34、如表9-1所示。 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)控管理程序管理流程圖如圖9-6所示。3.8255芯片初始化程序 b255： mov dptr，#3fffh ；指向8255的控制口地址 mov ；pa口輸出，pb口輸出，pc口輸入，均為方式0 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 d

35、ptr，#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ret4.9279芯片初始化程序b279： mov dptr，#3fffh ；指向8255控制地址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的控制口讀取狀態(tài)字 jb acc.7，wait ；測(cè)試顯示ram有沒有被清理完畢。只有狀態(tài)字的d7=0時(shí)，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movx dptr，amov a，#34h ；分頻系數(shù)

36、取20 movx dptr，aret 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得編碼，事先存儲(chǔ)在cpu內(nèi)部ram的6bh73h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，#5fffhmov a，#90h movx dptr，amov r0，#6bmov r7，#09hmov dptr，#5ffehdir0： mov a，r0 add a，#05h movc a，a+pcmovx dptr，ain0 r0djnz r7，dir0ret 斷碼 字符 編碼 dta

37、b： db 6fh ； f 00-01db 0dah ； db 0beh ； x 02-03db 0e7h ； db 0a3h ； z 04-05db 0cbh ； db 0d1h ； u 06-07db 0d3h ； db 0dch ； w 08-09db 0deh ； db 0dfh ； 0adb 21h ； 0 0bdb 7bh ； 1 0cdb 91h ； 2 0ddb 19h ； 3 0edb 4bh ； 4 0fdb 0dh ； 5 10db 05h ； 6 11db 69h ； 7 12db 01h ； 8 13 db 09h ； 9 14db 20h ； 0 15db 7ah ； 1 16db 90h ； 2 17db 18h ； 3 18db ah ； 4 18db 0ch ； 5 19db 04h ； 6 1adb 68h ； 7 1bdb 00h ； 8 1cdb 08h ； 9 1d ；根據(jù)系統(tǒng)需要編制字庫 當(dāng)需要顯示一組字符時(shí)，首先給顯示緩沖區(qū)的6bh73h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-的1234.56”，程序如下： mov 6bh，#02h ； “x”的一半 mov 6ch，#03h ； “x”