CA6140車床改造說明書DOC

1、目錄第一章 設(shè)計(jì)任務(wù) 1第二章 總體體方案的確定 1第三章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案 23.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案 23.2 換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 23.3 螺紋編碼器的安裝方案 3第四章 進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型 44.1 脈沖當(dāng)量的確定 44.2 切削力的計(jì)算 44.3 滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型（縱向） 44.4 同步帶減速箱的設(shè)計(jì)（縱向） 64.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型（縱向） 64.6 同步帶傳遞功率的校核 12第五章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 14第六章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用 16第七章 控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì) 16總結(jié) 22參考文獻(xiàn) 22第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)題目：C6140普通車床數(shù)控化

2、改造設(shè)計(jì)任務(wù)：將一臺 C6 1 40臥式車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，主要技術(shù)指標(biāo)如下：1. 床身最大加工直徑 400mm；2. 最大加工長度 1000mm；3. X (橫向)方向定位精度土 0.01mm Z (縱向)方向土 0.02mm4. X方向最快移動(dòng)速度Vxmax=3m/min, Z方向?yàn)閂zmax=6m/min；5. X 方向最快工進(jìn)速度 Vxmaxf=0.3m/min，Z 方向?yàn)?Vzmaxf=0.6m/min ；6. 可以采用LED液晶數(shù)碼管顯示；7. 冷卻泵自動(dòng)啟動(dòng) /停止；8. 制動(dòng)控制主軸正反轉(zhuǎn)、停止；9. 縱橫向安裝限位開關(guān)；10. 選擇51系列的單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的 CPU

3、擴(kuò)展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、 鍵盤與顯示電路、 I/O 接口電路、 D/A 裝換電路等。第二章 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 CPL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

4、，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-5係列 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)展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，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

5、自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架與電動(dòng)卡盤，選擇螺紋編碼器等。第三章 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案對普通車床進(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)采用有級變速時(shí)，可選用浙江超力電機(jī)有

6、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)采用無級變速時(shí)，應(yīng)加裝 交流變頻器，推薦型號為：F1000-G0075T3H適配7.5KW電動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)廠家為煙 臺惠豐電子有限公司。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。3.3 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 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)

7、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，作為車床主軸位置信號的反饋元件， 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?？紤]到編碼器的輸出有相位差為 90的A B相信號，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）。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。

8、基于上述要求，本例中選擇螺紋編碼器的型號為： ZLF-1200Z-05Z0-15-CT。 電源電壓+5V,每轉(zhuǎn)輸出1200個(gè)A/ B脈沖與1個(gè)Z脈沖，信號為電壓輸出，軸 頭直徑15mm生產(chǎn)廠家為長春光機(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。3.5 進(jìn)給系統(tǒng)的改

9、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，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

10、絲桿的右支承。第四章 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)電動(dòng)機(jī)。計(jì)算過程結(jié)果4.1脈4.1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SS x=0.005沖當(dāng)量的確x=0.005 /脈沖，Z方向（縱向）為S z=0.01 /脈沖。/脈沖疋4.2縱向切削力的詳細(xì)計(jì)算過程。S z=0.01 /4.2切設(shè)工件材料為碳素機(jī)構(gòu)鋼，cb=650MPa刀具材料為硬質(zhì)合金脈沖削力的計(jì)算YT15刀具幾何參數(shù)為：主偏角K=60，前角丫 0=100,刃傾角入s=50;切削用量為：ap =3mm背吃刀量，進(jìn)給量f=0

11、.6mm/ r，切削速度Vc =105m/ min。查表 3-1，得：Gfc =2795，Xfc =1.0，Yfc =0.75，F(xiàn)c =2616.5nFC = - 0.15。查表3-3，得：主偏角Kr的修正系數(shù)KkrFC =0.92 ;刃N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（3-2 ），F(xiàn)f=784.95N算得主切削力 Fac =2616.5N。由經(jīng)驗(yàn)公Fc : Ff : Fp =1 : 0.3 : 0.4，F(xiàn)p =1046.6算得縱向進(jìn)給切削力Ff=784.95N,背向力Fp =1046.6N。N4.3（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

12、 Fc =2616.5N，F(xiàn)p =1046.6N，F(xiàn)f=784.95N。根據(jù) Fz = Fc，F(xiàn)y = Fp，F(xiàn)x = Ff 的對應(yīng)關(guān)系，可得：Fz=2616.5N，F(xiàn)y =1046.6N，4.3滾Fx =784.95N。珠絲杠螺母選用矩形三角形組合滑動(dòng)導(dǎo)軌，查表3-29，得K=1.15,卩=0.16副的計(jì)算和代人 Fm=KFX+y( Fz + G),得工件載荷 F 1529.3N。選型（縱向）（2）最大動(dòng)載何FQ的計(jì)算設(shè)本車床Z向在承受最大切削力條件下取快的進(jìn)給速度v=0.6m/ min，初選絲桿基本導(dǎo)軌Ph=6mm則此時(shí)絲桿轉(zhuǎn)速 n=1000v/ Ph =100r / min。取滾珠絲桿的

13、使用壽命Fq =8221.5Nn =94.2 %T=15000h,代入 L0=60nT/ 106,得絲杠壽命 L0=90。查表 10-30，取 載荷系數(shù)fw=1.2、硬質(zhì)系數(shù)fH=1，代入式（10-23）,求得最大動(dòng)載 荷 F3L0fwfH Fm 8221.5N。（3） 初選型號 根據(jù)計(jì)算的最大動(dòng)載荷，查表 3-34，選擇啟 東潤澤機(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 3X2=6圈，精度等 級取4級，額定動(dòng)載荷為13200N,滿足要求。（4） 傳動(dòng)效率n的計(jì)算將公稱直徑do =40mm基本導(dǎo)程Ph=6mm代入入=arctan

14、 Ph / （ n d0），得絲桿螺旋升角入=2044，,將摩擦角 =10/，代入n =tan入/ tan（入+ ），得傳動(dòng)效率n =94.2%o（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，一端簡支的方式，見圖二。固定端采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配。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=2.1 X 105MPa查表10-34，得滾珠直徑Dw=3.9688mm算得絲杠底徑d2=公稱直徑d0 滾珠直徑Dw則絲杠截面積S=n d22 /4=1019.64mm2忽略式（3-25）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S仁Fm

15、a /（ES）0.01069mm根據(jù)公式Z= （n d0/ Dw ） 3,求的單圈滾珠數(shù)目Z=29;該型號絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)?shù)為 3X 2=6,則滾珠總數(shù)量 ZE =29X6=174。滾珠絲桿預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力FYJ=Fn/ 3509.8N;則由式3-27 ）,求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量-0.001310 3 DwFyjZ、/100.00606mm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S 總=13.72 卩m減小一半，取 S 2=0.00303mm將以上計(jì)算的S 1和S 2代入S總，求得絲杠總變形量S總 =0.01372mm=13.74 m由表3-27知，四級精

16、度滾珠絲杠任意 300mr 軸向行程內(nèi)行程的變動(dòng)量允許16卩m而對于跨度為1497mm勺滾珠絲 杠，總的變形量S總只有13.72卩m可見絲杠剛度足夠。Fk 51012N（6）壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式（3-28 ）計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk，查表10-31，取支承系數(shù)fk=2;由絲杠底徑d2=36.0312mm求 得截面慣性矩 匸n d24 82734.15mm4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a取最大值1497mmf 兀 2eiF = Jk_巳廠 kix 2代入式（3-28）Ka ，得臨界載荷F3 51012N,遠(yuǎn)大于工作載荷Fm（1529.3N），故絲杠不

17、會(huì)失穩(wěn)。4.4 同步帶減速箱 的設(shè)計(jì)（縱 向）綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。4.4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。T/(H圖67130BYG5S01步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行

18、矩頻特性曲線(1) 傳動(dòng)比i的確定 已知電動(dòng)機(jī)的步距角a =0.720 ,脈沖當(dāng) 量S z=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程 Ph=6mm根據(jù)公式(3-12)算得 傳動(dòng)比i =1.2。(2) 主動(dòng)輪取咼轉(zhuǎn)速n1由Z向拖板的取快移動(dòng)速度 vzmax-6000m/ min，可以算出主動(dòng)輪最咼轉(zhuǎn)速ni =( zmax /S z) Xa/360=1200r/ min。(3) 確定帶的設(shè)計(jì)功率Pd預(yù)選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1600/min 時(shí)，對應(yīng)的步進(jìn)脈沖頻率為：fmax=1200X 360 / (60 Xa )=1200 X 360/ (60 X 0.72)=10000Hz。從圖6-4查得，當(dāng)脈沖頻率

19、為10000Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約 為 3.8N.m,對應(yīng)的輸出功率為 POUT=X T/ 9.55=1200X 3.8 / 9.55 478W同步帶傳遞的負(fù)載功率應(yīng)該小于478，今取P=0.478KVy從表3-18中取工作情況系數(shù)Ka=1.2，則由式(3-14)，求得帶的設(shè)計(jì)功率 Pd=KAP=1.X 0.636KW=0.574KW(4) 選擇帶型和節(jié)距根據(jù)帶的設(shè)計(jì)功率Pd=0.574KW和主 動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速n1=1200r/ min。，從圖3-14中選擇同步帶，型號為L 型節(jié)距 Pb=9.525mm(5) 確定小帶輪齒數(shù)z1和小帶輪節(jié)圓直徑d1 取z1=15，則小 帶輪節(jié)圓直徑d仁Pdz

20、1/n =45.48mm當(dāng)n1達(dá)到最高轉(zhuǎn)速1200/min 時(shí)，同步帶的速度為 v=n d1n 1/ (60 X 1000)=2.86m/ s，沒有超過 L 型帶的極限速度35m/s。(6) 確疋大帶輪齒數(shù)z2和大帶輪節(jié)圓直徑d2大帶輪齒數(shù)Z2=i 乙=18，節(jié)圓直徑 d2=i d1 =54.576mm(7) 初選中心距a0、帶的節(jié)線長度L0p，帶的齒數(shù)Zb初選中心 距a=1.3(d1 + d2)=110.06mm 圓整后取 a0=110mm則帶的節(jié)線長度 為L0p=377.33mm根據(jù)表3-13，選取接近標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長度 L0p=381,相i =1.2n1=1200r /minfmax =100

21、00HzPd= 0.574KWPb=9.525mmv= 2.86m / s d2=54.576m mLop=377.33應(yīng)齒數(shù)Zb=40。Lp_L0p一aao = 111.835mm(8)計(jì)算實(shí)際中心距a2。(9 ) 校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù)Zmzm = entZpbZz2 (Z2 - Z1)= 72 2二a，嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。(10)計(jì)算基準(zhǔn)額定功率P0 (所選型號同步帶在基準(zhǔn)寬度下所允許傳遞的額定功率)P = ( _mv2)v0 一 1000a = 111.835mm式中：Ta-帶寬為的bs0許用工作拉力，由表3-21查得Ta =244.46N;m帶寬為bs0的單位長度的質(zhì)量，由表

22、3-21查得m=0.095kgPo=0.766KWv 同步帶的帶速，由上述(5)可知v=2.86m/ s。算得 P0=0.697KW(11) 式中：bs0Pd 1 1.14 bs 旨 bs0 ( k p ) 確定實(shí)際所需同步帶寬度bsKzP選定型號的基準(zhǔn)寬度，由表3-21查得bs0=25.4mmbs0=25.4mmKZ小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，由表3-22查得KZ=1。bs=25.4mm由上式算得 bs三21.42mm再根據(jù)表 3-11選定最接近的帶寬bs=25.4mm(12)帶的工作能力驗(yàn)算根據(jù)式(3-22 ),計(jì)算同步帶額定功4.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型(縱向)bs率P的精確值：p = (KzK

23、wTa - 一bs0mv2)v 10 _3式中，Kw為齒寬系數(shù)：Kw =他bs。)可；經(jīng)計(jì)算得p=0.697KW而Pd=0.574KW滿足PPd。因此，帶的工作能力合格。4.5 ( 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JeqP=0.697KW已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0 = 40mm，總長(帶接桿)I = 1560mm，導(dǎo)程Ph =6mm，材料密度P =7.810-kgcm3 ;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54.57mm孔徑30mm 輪轂外徑42mm寬度14mrp小帶輪寬度 28mm節(jié)徑45.48mm 孔徑 19mm輪轂外徑29mm寬度12mm傳動(dòng)比

24、i=1.2。參照表4-1，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Js =30.78kg.cm2 ；拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw =1.21kg.cm2 ;小帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.95kg.cm2 ;大帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量Jz2 =1.99kg.cm2 ;在設(shè)計(jì)減速箱時(shí)，初選的 Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號為 130BYG5501從表4-5查得該型號電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2Jm =33kg.cm /則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：Jeq = Jm+Jz1+（ Jz2+Jw+Js）/i2 = 57.55kg.cm2（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Tem分快速空載荷啟動(dòng)和承受最大工作負(fù)

25、載兩種情況進(jìn)行計(jì)算?？焖倏蛰d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（4-8 ）可知，Teq!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Tamax ,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Tf ,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 T。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高。根據(jù)（4-12 ）式可知，相對于Tamax 和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則有：Teq =Tamax+Tf根據(jù)式（4-9），考慮Z向傳動(dòng)鏈的總效率n，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：2兀 T n1T_leqg 匯 1a max60 tanJeq =57.55kg.cm2式中：b對應(yīng)Z向

26、空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最咼轉(zhuǎn)速， 單位為r/min ；ta步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位s。 甘中:V max工J.n m_.360 工 5式中：Vmax 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。6 Z 向脈沖當(dāng)量，本例-O.OImn/脈沖。將以上各值代入式（6-3），算得nm=1200r / min。設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間Ta=0.4s，Z向 傳動(dòng)鏈總效率n =0.7。則由式（6-2）求得：丁2x57.55X200Tamax =茫 2.58N.m60匯0.恥 0.7X0000由式（4-10

27、）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：T卜（Fc + G）Phf2 兀 口 i式中：卩導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌取 0.16 ;F垂直方向的工作負(fù)載，空載時(shí)取 0;n Z向傳動(dòng)鏈總效率，取0.7。創(chuàng)+卡 c ,侗 T 0.17x（0+1300）7.006 CC貝H由式 6-4 得：Tf _1托 0.24N.m2兀漢0.7X.2最后求得快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Teq 1 = Ta max +T f =2.82N.m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Teq2由式（4-13）可知，Teq2包括如下二個(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

28、:移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的Ta max =2.58NM摩擦轉(zhuǎn)矩Tf ;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TO。TO相對于Tt和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則有：Teq2 = Tt +T f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Tt由（4-14）式計(jì)算。本例中在對滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知進(jìn)給方向的最大工作載荷 Ff=784.95N，則有：Tt -拓 0.89N.m2Bi2兀 x0.7x1.2在有式（11-10）計(jì)算承受最大工作載荷（Fc=2616.5N）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：T4（Fc+G）R 0.17漢（2616.5+1300）7.006

29、O71Nm 曰匚出Tf =止 0.71N.m 最后 由2已i2兀漢0.7如.2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Teq2 = Tt+Tf = 1.60 N .m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Teq = maxbeg TeqP=2.82N.m（3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選疋考慮到步進(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)Teq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,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：Tjmax X4XTeq =4X2.82N.m =11

30、.28N.m對于前面預(yù)選的130BYG550型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由表4-5可知，其最 大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax =20N.m可見完全滿足（6-8 ）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)書給疋 Z向最快工進(jìn)速度Vzmaxf-800mm，min，脈沖當(dāng)量5 =0.01mmstep，由（4-16 ）式求出電動(dòng)機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率 fzmaxf =800/（60.01） 1333Hz的運(yùn)行矩頻特性圖6-4可以看出在此Tf =0.24NMTeq1 =2.86NMTt=0.89NMTf =0.71NMT 2=1.60NM1 eq2Teq =3.695NMTjmax =20Nn4.6 同

31、步帶傳遞功 率的校核頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tzmaxf ： 17.5Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載 轉(zhuǎn)矩Teq2 J.6N.m，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Vma6000mm min，仿照（4-16） 式求出電動(dòng)機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率fmax =6000 （60 0.01） OOOOHz。從圖6-4查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmax =3.7Nm ,大于快速空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩= 2.82N.m，滿足要求最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核最快空載移動(dòng)速度Vmax =6000mm min對應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率fmaxhOOOOHz，查表4-5可知130BY

32、G5501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 Jeq =57.55kg.cm2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣Jm =33kg.cm2，查表4-5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fq =1800Hz。則由式（4-7）可以求出步進(jìn)電動(dòng)-11.28 NMTzmaxf ：-17.5N-m機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率為f Lq =1087 Hz 1 J eq J m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1087Hz.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

33、用130BYG550步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可 以滿足要求。4.6 （1）快速空載起動(dòng)Teq2 =1.60N.mTmax =37N.m電動(dòng)機(jī)從靜止到加速至nm =1600r min，由（6-5）式可知，同步帶傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teqi =3.695N.m，傳遞的功率為Teq1 =2.82 N.mP = nm xTeqi / 9.55 = 1200 x 2.82 / 9.55 氏 354.3W（2）取大工作負(fù)載、取快工進(jìn)速度fmax=10000Hz由（9-7）式可知，帶需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2 -1.60N.m ,任務(wù)書給定最快工進(jìn)速度Vmaxf -800mm/min，對應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速fq = 1800

34、 Hznmaxf = (vmaxf/ )漢ot /360 =160r / min傳 遞 的 功 率 為p =354.3wP = nmaxf x：Teq2 / 9.55 =160 =1.60 / 9.55 化 26.8W?？梢?，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697W因此，選擇的同步帶功率合格p =26.8w第五章控制系統(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；( 3)接收車床限位開關(guān)信號；( 4)接收螺紋編碼器的信號；( 5)接收電動(dòng)卡盤夾緊信號與電動(dòng)刀架刀位信號；( 6)

35、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)主軸有級變速；( 9)控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無級變速；( 10)控制冷卻泵啟動(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ATME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 器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片 SRAMK片6264用作數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶 程序；鍵盤與LED顯示采用8279來管理；輸入/輸出口得

36、擴(kuò)展選用了并行口 8255 芯片，一些進(jìn) /出的信號均做了隔離放大；模擬電壓的輸出借助于DAC083；2 與 PC機(jī)得串行通信經(jīng)過 MAX233E片。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?？刂葡到y(tǒng)的主機(jī)板電原理圖見附圖，鍵盤與 LED顯示電原理圖見附圖。第六章 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)的型號為 110BYG5802， Z 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號為 130BYG550，1 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，

37、電機(jī)供 電電壓DC12O310V,電流5A。這樣，兩臺電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源可用同一型號。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，型號為 BD5A。第七章 控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì)1. 存儲器與 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)板中存儲器 與 I/O 芯片的地址分配如表 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

38、序管理流程圖如圖 9-6 所示。B255 ： MOVDPTR ， #3FFFHMOV;PA口輸出,MOVX DPTR， AMOVDPTR ， #3FFCHMOVA ， #0FFHMOVXDPT，RAMOVDPTR ， #3FFDHMOVA ， #0FFHMOVXDPT，RA3.8255 芯片初始化程序RET；指向 8255 的控制口地址PB 口輸出，PC口輸入，均為方式0；控制字被寫入;指向PA口;預(yù)置PA口全“T;輸出全“ 1 “到PA 口;指向PB 口;預(yù)置PB口全“T;輸出全“ 1 “至U PB 口4.9279 芯片初始化程序B279： MOV DPTR，#3FFFHMOV A ，#0C

39、FHMOVX DPTR，AWAIT： MOVX A ， DPTRJB ACC.7， WAITMOV A ， #08HMOVX DPT，R AMOV A ， #34HMOVX DPTR， ARET5.8279控制LED顯示子程序；指向 8255 控制地址;清除FIFO與顯示RAM命令；命令字被寫入;從 8279 的控制口讀取狀態(tài)字;測試顯示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;編碼掃描,左入口, 16 位字符 顯示,雙鍵互鎖;分頻系數(shù)取 20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，事先存儲在 CPU內(nèi)部RAM的6BH73H這9個(gè)字節(jié)

40、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 MOVMOVMOVXMOVMOVMOVDIR0： MOV AADDAMOVCMOVXDPTR#5FFFHA #90HDPTR AR0#6BR7#09HDPTR #5FFEHR0#05HA A+PC DPTR AIN0R0DJNZ R7，DIR0RET斷碼 字符編碼 DTAB ：DB6FH； F00-01DB0DAH?DB0BEH； X02-03DB0E7H?DB0A3H； Z04-05DB0CBH?DB0D1H； U06-07DB0D3H?DB0DCH； W08-09DB0DEH?DB0DFH?0ADB21H

41、； 00BDB7BH； 10CDB91H； 20DDB19H； 30EDB4BH； 40FDB0DH； 510DB05H； 611DB69H； 712DB01H； 813DB09H； 914DB20H； 015DB7AH； 116DB90H； 217DB18H； 318DBAH； 418DB0CH; 519DB04H; 61ADB68H;71BDB00H; 81CDB08H;91D；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：MOV6BH#02H?“ X”的一半MOV6CH#03H?“ X”的另一半MOV6DH#0AH?MOV6EH#0CH?1MOV6FH#0DH?2MOV70H#0EH?3MOV71H#19H?4MOV72H#10H?5MOV73H#11H?6CALLDIR;向8279的顯示RAM寫數(shù)顯示緩沖區(qū)（CPU內(nèi)部 RAM：（6BH）（6CH）（6DH）（6EH）（Illi6FH）（70 H）（ 7 1