數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計

1、陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 機(jī)電工程系機(jī)電工程系 機(jī)電一體化 專業(yè)專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名 XXX 學(xué)號 指導(dǎo)教師 XXX 職稱 高級講師 2010 年 11 月 8 日 陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯成績評定書畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯成績評定書 系部 機(jī)電工程系 專業(yè) 機(jī)電一體化 設(shè)計（論文）題目 數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 成績總評_ 學(xué)生姓名 XXX 學(xué)號 指導(dǎo)老師 XXX 職稱 高級講師 評閱老師 職稱 答辯委員會主任（簽字） 2010 年 11 月 8 日 畢業(yè)

2、設(shè)計（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 機(jī)電工程系 系 機(jī)電一體化 專業(yè) 學(xué)生姓名 XXX 學(xué)號 XXXXXXX 一、畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 二、畢業(yè)設(shè)計（論文）時間 2010 年 11 月 9 日至 2010 年 12 月 20 日 三、畢業(yè)設(shè)計（論文）地點： 陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四、畢業(yè)設(shè)計（論文）的內(nèi)容要求： 指導(dǎo)老師 年 月 日 批 準(zhǔn) 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師意見書畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師意見書 姓 名杜艷雄學(xué)號08544-15專業(yè)機(jī)電一體化技術(shù) 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 指導(dǎo)教師評語： 指導(dǎo)教師 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文

3、）評閱教師意見書畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱教師意見書 姓 名杜艷雄學(xué)號08544-15專業(yè)機(jī)電一體化 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 評閱教師評語： 評閱教師 年 月 日 數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 了解數(shù)控機(jī)床的概念，所謂數(shù)字控制是按照含有機(jī)床(刀具)運(yùn)動信息程序所指定的 順序自動執(zhí)行操作的過程。而計算機(jī)數(shù)控機(jī)床就是數(shù)控機(jī)床在計算機(jī)監(jiān)控下進(jìn)行工作。 它的優(yōu)點很多,可以在同一機(jī)床上一次裝 夾可完成多個操作，生產(chǎn)率顯著提高等優(yōu)點， 但它的價格昂貴。由于我國現(xiàn)在使用的機(jī)床大多數(shù)為普通車床，自動化程度低,要更新 現(xiàn)有機(jī)床需要很多資金。為了解決這個問題,也為了適應(yīng)

4、多品種中、小批量零件加工我 們選擇機(jī)床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造?？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,配上滾珠絲杠及相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)及減速箱安裝在 車床的床尾,不占據(jù)絲杠空間。橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠,由步 進(jìn)電機(jī)帶動。總體設(shè)計方案:CJK6140 車床主軸轉(zhuǎn)速部分保留圓機(jī)床的手動變速功能。 車床的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。最后,根據(jù)已知條件對縱向橫向伺服進(jìn) 給機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與計算。 關(guān)鍵詞：運(yùn)動信息，滾珠絲杠，步進(jìn)電機(jī) CJK6140 NC Lathes Vertical Feed System Design ABSTRACT

5、Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automatically in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CN

6、C).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is

7、used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the tool movement: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then r

8、eplace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. The overall master design: the spindles gearshift of the CA6140 mechanism controlled by the for

9、mer operating lever. The moving of the vertical table and the horizontal table is drove by the ball screw, which is drove by the Stepper motors. The last, we design the vertical and horizontal mechanism on the basis of known numbers.) KEY WORDS: tool movement，conventional machines，Stepper motor 目 錄

10、CJK6140 數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計.I 摘 要.I ABSTRACT.II 第一部分 緒 論.1 第二部分 設(shè)計方案的確定.3 2.1 數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定.3 2.2 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計.3 2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計.4 2.4 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計.5 第三部分 機(jī) 械 設(shè) 計.6 3.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計.6 3.2 切削力的計算.6 3.3 滾珠絲杠的設(shè)計計算.7 3.3.1 求軸向力.7 3.3.2 計算絲杠動載荷 Cj.7 3.3.3 絲杠效率計算.8 3.3.4 校核.8 3.4 齒輪箱減速器設(shè)計部分.9 3.4.1 傳動比 i .9 3.4.2 齒面接觸強(qiáng)度設(shè)

11、計計算.9 3.4.3 齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計：.11 3.4.4 設(shè)計計算：.12 3.5 其他機(jī)械設(shè)計部分.12 3.5.1 減速箱最小輸出軸的計算.12 3.5.2 軸承的選擇.13 3.6 步進(jìn)電機(jī)的選擇.13 3.6.1 計算減速器的傳動比 I.13 3.6.2 計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量.13 3.6.3 確定步進(jìn)電機(jī)動力參數(shù).14 第四部分 數(shù)控設(shè)計.17 4.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路.17 4.1.1 基本硬件組成.17 4.1.2 硬件配套及基本結(jié)構(gòu).17 4.1.3 接口線路.18 4.1.4 光電隔離電路.19 4.1.5 功率放大器.19 4.1.6 輔助電路.19 4.2 軟件設(shè)計.19

12、 第五部分 使用說明.25 5.1 概述.25 5.2 主要技術(shù)參數(shù).25 5.3 主要功能.25 5.4 安裝調(diào)整步驟.25 5.5 機(jī)床使用步驟簡述.25 5.6 維護(hù)和保養(yǎng).26 第六部分 結(jié)束語.27 參 考 文 獻(xiàn).28 第一部分 緒 論 隨著微電子、計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展與應(yīng)用，精密機(jī)械技術(shù)與這些前沿學(xué) 科的相互滲透，使機(jī)械系統(tǒng)向著高技術(shù)集成系統(tǒng)的方向發(fā)展。這是當(dāng)今機(jī)械科學(xué)技術(shù) 發(fā)展的重要趨勢。機(jī)械工程學(xué)科正朝著機(jī)電一體化方向發(fā)展，而數(shù)控機(jī)床便是此領(lǐng)域 中的一個典型發(fā)展方向。隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì) 量不斷提高，改行頻繁。目前，機(jī)械零件加工中單件、小

13、批量加工約占 80%，因此對 加工設(shè)備不僅要求具有高的加工精度和生產(chǎn)效率，而且還要具備有相當(dāng)?shù)摹叭嵝浴?，既 靈活、通用、能迅速適應(yīng)加工零件的變更。數(shù)控機(jī)床較好地解決了形狀復(fù)雜、精密、 小批、多變的零件的加工問題。它具有適應(yīng)性強(qiáng)，較高的加工精度，穩(wěn)定的加工質(zhì)量 和高生產(chǎn)效率的特點和優(yōu)點。所以，數(shù)控機(jī)床是一種靈活而高效的自動化機(jī)床。隨著 電子、自動化、計算機(jī)和精密測試等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中的地位將 變得越來越重要了。 數(shù)控機(jī)床經(jīng)濟(jì)型改造,實質(zhì)是機(jī)械工程技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合。經(jīng)改造后的機(jī)床 加工的精度、效率、速度都有了很明顯的提高，適合我國現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展要求。 本次畢業(yè)設(shè)計主要

14、是對機(jī)床機(jī)械部分進(jìn)行改造,以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動橫向進(jìn)給運(yùn)動、縱向進(jìn) 給運(yùn)動以及刀架的快速換刀,使傳動系統(tǒng)變得十分簡單，傳動鏈大大縮短,傳動件數(shù)減少, 從而提高機(jī)床的精度。 設(shè)計中，我們對有關(guān)數(shù)控機(jī)床及數(shù)控改造的相關(guān)書籍、刊物進(jìn)行大量閱讀,收集了 很多資料,了解了數(shù)控機(jī)床的基本概念，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況，數(shù)控機(jī)床的組成及其工 作原理，擴(kuò)大了我們的知識面。 機(jī)床計算機(jī)系統(tǒng)是本世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的機(jī)床控制新技術(shù)。它綜合了計算機(jī)、 自動控制、電器控制、測量技術(shù)、機(jī)械制造等領(lǐng)域的最新成就、使機(jī)器工具發(fā)展到新 的水平。 計算機(jī)數(shù)控機(jī)床具有精度高，加工周期短，適應(yīng)性強(qiáng)等一系列的優(yōu)點。特別對于 中小批生產(chǎn)的精密

15、復(fù)雜零件加工尤為合適。因而在機(jī)械、航空、造船、動力等行業(yè)中 得到了廣泛地運(yùn)用。 此外，數(shù)控技術(shù)也在繪圖機(jī)械、坐標(biāo)測量機(jī)、激光于火焰切割機(jī)等機(jī)械設(shè)備中得 到了廣泛的應(yīng)用。特別是相續(xù)出現(xiàn)的自動換刀數(shù)控機(jī)床（即加工中心 Machining Center） 、直接數(shù)字控制系統(tǒng)（即計算器群控系統(tǒng)，DCN, Direct Numerical Control） 、自 適應(yīng)控制系統(tǒng)（AC, Adaptive Control） 、柔性控制系統(tǒng) (FMS, Flexible Manufacturing System)、計算器集成（綜合）制造系統(tǒng) (CIMS, Computer Integrated Manufac

16、turing System)等、進(jìn)一步說明，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為組成現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)計 (CAD)、制造 (CAM)、檢驗 (CAT) 于生產(chǎn)管理等全部生產(chǎn)過程自動化的基本設(shè)備。 數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之 間的相對位置，機(jī)床電機(jī)的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇， 冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后 將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機(jī)，經(jīng)過譯碼，運(yùn)算，發(fā)出各種指令控制機(jī)床伺服系 統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，其主要有以 下的優(yōu)點： 1. 適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工

17、單件或小批量的復(fù)雜工件； 在數(shù)控機(jī)床上改變加 工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工； 2. 加工精度高； 3. 生產(chǎn)效率高； 4. 減輕勞動強(qiáng)度，改善勞動條件； 5. 良好的經(jīng)濟(jì)效益； 6. 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 數(shù)控機(jī)床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機(jī)機(jī)床近 幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進(jìn)步，特別是在機(jī)床的高速化、多軸化、復(fù) 合化、精密化方面進(jìn)步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)國家的同類產(chǎn)品相比，還存 在差距，還不能滿足國家建設(shè)的需要。 我國是一個機(jī)床大國，有三百多萬臺普通機(jī)床。 但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)

18、國家的 1/10 左右，差 距太大，急待改造。 舊機(jī)床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)控制 裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。 隨著數(shù)控機(jī)床越來 越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中， 機(jī)床的微機(jī)數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機(jī)床一面利用數(shù)控、 數(shù)顯、PC 技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國經(jīng)濟(jì)資源有限，國家大， 機(jī)床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù)控機(jī)床，而我國的舊機(jī) 床很多，用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的 需要，又能提高機(jī)床的自動化程

19、度，比較符合我國的國情。 1984 年，我國開始生產(chǎn)經(jīng) 濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機(jī)床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。 可以預(yù)料，今后，機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設(shè)計 實例具有典型性和實用性。 第二部分 設(shè)計方案的確定 利用微機(jī)對縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，縱向（Z 向）脈沖當(dāng)量為 0.01mm/脈 沖，驅(qū)動元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架?？?體方案的論證 對于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計方案時，應(yīng)考慮在 滿足設(shè)計要求的前提下，對機(jī)床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。 2.1 數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按

20、運(yùn)動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。 由于要求 CA6140 車床加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動連續(xù)控制 系統(tǒng)。 數(shù)控系統(tǒng)是一種位置控制系統(tǒng)。其本質(zhì)是根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，從而得到較 理想的運(yùn)動軌跡，然后輸入到執(zhí)行部件，加工出所需的零件。按照這一原理，數(shù)控系 統(tǒng)可分為開環(huán)數(shù)控和閉環(huán)系統(tǒng)。所謂閉環(huán)控制系統(tǒng)，即指對所加工的零件隨時進(jìn)行檢 測并輸入（反饋）到控制系統(tǒng)，用以調(diào)節(jié)加工時所帶來的誤差。其主要采用反饋檢測 裝置及交流變頻控制，因此功率較大，精密很高。但也由于采用交流變頻伺服系統(tǒng)和 反饋檢測裝置，因而其造價十分高，結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜，其穩(wěn)定性也不十分理想

21、。由于 以上特點，閉環(huán)控制系統(tǒng)常用于要求精密加工機(jī)床、單件生產(chǎn)，即整機(jī)生產(chǎn)之中。其 控制系統(tǒng)框圖如下圖所示： 速度反饋 伺服電機(jī) 位置反饋 位置比較 電路 指令 + - 速度控制 電 路 圖 1-1 控制系統(tǒng)框圖 2.2 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計 數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。 開環(huán)控制系統(tǒng)是指不帶反饋裝置的控制系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)指令、經(jīng)過控制運(yùn)算發(fā)出 脈沖信號，輸送到步進(jìn)電機(jī)，使伺服裝置轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，然后經(jīng)過減速齒輪和絲桿 螺母機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)換為移動部件的直線位移。 因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便 宜、使用維修方便等優(yōu)點。 與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，

22、步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有外部的位置反饋回路及速度反 饋回路。因此不必使用位置速度測量裝置、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及高增益放大器等高性能器件。 因此，使設(shè)備投資顯著降低，系統(tǒng)簡單可靠，與機(jī)床間的組配也十分方便，即結(jié)構(gòu)簡 單，使用維護(hù)方便，可靠性高、制造成本低等一系列優(yōu)點。在中小型機(jī)床的速度、精 度要求不十分高的場合，得到了廣泛的應(yīng)用。 下面是開環(huán)控制系統(tǒng)框圖： 開環(huán)控制框圖 開環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大的情況下多采下步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī)。所以，本設(shè)計 決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的 好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。

23、有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。 在設(shè)計的數(shù)控裝置中，CPU 的選擇是關(guān)鍵，選擇 CPU 應(yīng)考慮以下要素： 1）時鐘頻率和字長與被控對象的運(yùn)動速度和精度密切相關(guān)； 2）可擴(kuò)展存儲器的容量與數(shù)控功能的強(qiáng)弱相關(guān)； 3）I/O 口擴(kuò)展的能力。 控制系統(tǒng)采用單 CPU 形式分為處理數(shù)據(jù)。CPU 采用 8031 芯片使用廣泛，功能強(qiáng) 大，性能好，價格便宜。它包括一個微處理器，一個 128 字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，4 個 8 位的 I/O 接口（其中 P1，P2，P3 是準(zhǔn)雙向口，P0 是三態(tài)雙向口） ，另外還為用戶 留一個擴(kuò)展區(qū)。 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如下： 8031 通過 I/O 口擴(kuò)展一片 8255 接口

24、芯片實現(xiàn)空運(yùn)轉(zhuǎn)，自動，手動轉(zhuǎn)換，回零，換 刀，超程的按鍵功能。還通過 P0 口和 P2 口及一塊 74LS373 地址鎖存器擴(kuò)展了兩片 16K 的 ROM 接口，兩片 16K 的 RAM 來作為開發(fā)程序的存儲器。8031 通過 P0 口擴(kuò)展 了一片 8279 接口芯片來實現(xiàn)鍵盤輸入和電路顯示的功能。通過 P1 口經(jīng)過光耦合隔離 電路 TLP521-4 來消除電路干擾，并實現(xiàn) X，Z 向正反轉(zhuǎn)及連續(xù)啟動的功能，通過功率 放大電路實現(xiàn) S，T，M 等備用功能。兩步進(jìn)電機(jī)經(jīng) 一塊 74LS373 直接與 P0 口相連。 軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計。主要包括主模塊，子程序模塊和定時中斷模塊。主模 塊主要完

25、成初始化和監(jiān)控。初始化包括 PIO，CTC 的初始化。監(jiān)控主要包括鍵盤的管 理和顯示管理，可調(diào)用原監(jiān)控程序中的鍵盤管理和顯示管理子程序。功能子模塊包括 +X，-X，+Z，-Z，及 STOP 功能子模塊，并可調(diào)用圓監(jiān)控程序中的許多子程序。中斷 模塊包括急停中斷模塊，報警中斷模塊等。 2.4 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動原理：步進(jìn)電機(jī)通過 消 隙 齒輪箱將轉(zhuǎn)矩輸出同時放大，以帶動 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動。絲杠轉(zhuǎn)動，使絲杠螺和絲杠螺母座 水平移動，由于絲杠螺母座與工作 臺通過拖板固聯(lián)，因而絲杠螺母座 水平 移動也迫使工作臺沿機(jī)床導(dǎo)軌水平移動。 通過對步進(jìn)電機(jī)在工作時所需要的最大靜轉(zhuǎn)矩和最高啟動頻率的計算

26、，并參照反 應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)指示表，選擇所用的步進(jìn)電機(jī)為 110BF-1 型。由于脈沖當(dāng)量 =0.01mm/脈沖與滾珠絲杠基本導(dǎo)程之間滿足關(guān)系：I=，其中 I 為電機(jī)輸出 p 0 L P L 360 軸與絲杠之間的傳動比，為電動機(jī)的步矩角，計算出 I 是不等于 1 的，I 為齒輪的嚙 合，同時電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩?zé)o法直接帶動絲杠工作，因此對其放大，這是加齒輪箱的一 個目的。為了使機(jī)床的結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，齒輪箱采用一級傳動。通過計算和校核，選 擇齒輪箱的主動小齒輪的齒數(shù)=32，從動件的齒數(shù)為 40，其模數(shù)為 2.0mm，為了防 1 Z 止進(jìn)給系統(tǒng)在正常工作時出現(xiàn)齒輪被卡死和空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，進(jìn)一步提高傳動的精度

27、，則必 須對齒輪箱進(jìn)行消隙。其方法是：采用雙片齒輪錯齒法，將從動輪做成兩片，其中一 片固定在軸上，另外一片為動片，兩者之間裝上周向彈簧，彈簧力使兩片齒輪的輪廓 分別與主動輪的輪廓貼緊，從而消除了齒輪間的間隙，避免了卡死與空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象出現(xiàn)。 通過對絲杠的設(shè)計計算和對剛度，強(qiáng)度，壓桿穩(wěn)定性的校核，選擇絲杠的公稱直徑 為 25mm，基本導(dǎo)程為 6mm,精度為 3 級。滾珠絲杠的預(yù)加負(fù)載方式為變位導(dǎo)程單螺母 自預(yù)緊，可實現(xiàn)螺母的拉伸或壓縮的受力方式，其調(diào)整方法是：取下滾珠螺母，精確 測量原裝鋼球的直徑，然后根據(jù)螺母的力的需要，從新更換裝入若干大數(shù)微米的鋼球。 它具有結(jié)構(gòu)簡單，尺寸簡單的特點，并能避免雙螺

28、母形位誤差的影響。對于螺母副我 們采用了調(diào)整墊片的方法進(jìn)行預(yù)緊。我們通過改變墊片的厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。 消除它們之間的間隙和施加預(yù)緊力。在工作中不能隨意的去調(diào)整。 加工過程中，為了保護(hù)絲杠不受鐵屑的磨損和冷卻液的腐蝕，加防護(hù)板。同時， 為了防止灰塵和鐵屑碎片等雜物進(jìn)入滾珠絲杠的軌道中，避免出現(xiàn)滾珠卡死或傳動精 度大大降低的現(xiàn)象，我們采用防塵護(hù)罩的保護(hù)形式。 機(jī)床導(dǎo)軌與矩形導(dǎo)軌的綜合形式。這種導(dǎo)軌的優(yōu)點有：接觸剛度大，不易磨損以 及承載能力強(qiáng)，運(yùn)行平穩(wěn)等。 第三部分 機(jī) 械 設(shè) 計 3.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動絲杠，螺母固定在溜板箱上， 帶動刀架

29、左右移動滾珠絲杠采用外插管變螺距型滾珠絲杠副，他的優(yōu)點是螺母的軸向 尺寸小，而預(yù)加載荷消除間隙，他仍安裝在原絲杠的位置，采用固定，由于滾珠絲杠 的磨擦系數(shù)小，從而使縱向進(jìn)給剛度增大，縱向進(jìn)給的減速機(jī)構(gòu)采用齒輪減速，并用 雙片齒輪消齒法消除間隙，縱向齒輪和溜板箱上均加外罩，以保證機(jī)床原外觀，得到 美化機(jī)床的外觀，在溜板箱上裝上了縱向快速進(jìn)給及急停按鈕，以適應(yīng)機(jī)床調(diào)整時的 操作需要和遇到以外情況時緊急處理需要。 已知條件： 最大回轉(zhuǎn)直徑 400mm 最大車削直徑 400mm 最大工件長度 1000mm 工作臺量 W=80kgf 時間常數(shù)為 T=25ms 滾珠絲杠的導(dǎo)程 L0=6mm 行程 S=10

30、00mm 脈沖當(dāng)量 =0.01mm/step 步距角 =0.75/step 快速進(jìn)給速度 Vmax=5m/min 主功率 P=7.5KW 最大切削直徑 D=80mm 3.2 切削力的計算 由機(jī)床設(shè)計手冊可知，切削功率 Nc=nk 式中：N電動機(jī)功率，有同類型 C6140 車床可知，N 為 7.5kw。 主傳動系統(tǒng)總功率，一般為 0.60.7，取 =0.65。 k進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取 k=0.96。 則： Nc=7.50.650.96=4.68 kw 又因為： Nc=Fzv/6120 所以 Fz=6120Nc/v 取切削速度 V=100m/min. 則：Fz=2864.16N 由機(jī)床設(shè)計手冊可知

31、，車外圓時 FX=(0.10.6) z F Fy=(0.150.7) z F 取 FX=0.5，F(xiàn)z=1432.08N Fy=1718.58 N （Fz 為主切削力，F(xiàn)x 為走刀抗力，F(xiàn)y 為吃刀抗力） 3.3 滾珠絲杠的設(shè)計計算 滾珠絲杠在工作 過程中受軸向負(fù)載使?jié)L珠和滾道面間產(chǎn)生接觸應(yīng)力。對于滾道型 面的一點是交變接觸應(yīng)力，在這種交變接觸應(yīng)力的作用下，經(jīng)常一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 后，使 其產(chǎn)生疲勞損傷，這是它的主要破壞形式。因此在設(shè)計時必須保證它在一定的 軸向力作用下回轉(zhuǎn) 10 度轉(zhuǎn)后滾道上雖然受滾珠壓力但不發(fā)生點 （a）先確定最大動載荷 Q （b）由 Q 在滾珠絲杠設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中選出相應(yīng)尺寸系列

32、的最大動載荷 Q 近似值，初 選幾個型號。 （c）由工作要求、結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)方式等條件下選出合適的 d l0 R 等一型號。 （d）然后列出主要參數(shù)，計算傳動效率，剛度驗算穩(wěn)定性 3.3.1 求軸向力 由機(jī)械設(shè)計手冊可知： P=KFx+fw(Fz+W) 式中 K=1.15,fw=0.150.18，取 0.16, W 為工作臺的重量,由圖初估取 800N 則 P=1.15132.9+0.16(2864.16+800)=2233.16N 3.3.2 計算絲杠動載荷 Cj （a）強(qiáng)度計算 壽命值:Li=60NiTi/106，Ni=1000vf/(DL0)， 取工件直徑 D=100，絲杠導(dǎo)程 L0=6

33、，Ni絲杠轉(zhuǎn)速為 15.92r/min。 由知，使用壽命系數(shù) T 一般取 15000h， 因此 Li=60NiTi/106=14.3， （b）求 Cj 由6-16 式可知： Cj= 3 LKfkhP 其中：Kf載荷系數(shù)，一般取(1.21.5)取，1.2 Kh硬度系數(shù)，取 1.0 則 Cj=7154.3N，根據(jù) Cj，選取滾珠絲杠，考慮其功能選漢江機(jī)床廠 2506-3 型 特性參數(shù)： 公稱直徑外徑導(dǎo)程導(dǎo)程角精度系數(shù)動載量 25mm24.5mm6mm4223 級11670N 因為：6512.1N11670N 所以，絲桿強(qiáng)度足夠。 3.3.3 絲杠效率計算 由公式知: S=tm/tm(+4) S螺旋

34、升角, =422 摩擦角, =10 所以，經(jīng)計算得 S =0.965。 3.3.4 校核 剛度校核 滾珠絲桿受工作載荷 P 的作用而引起導(dǎo)程 L0的變化是 L1。 其值按式 6-19 計算 L1= EA PL0 其中，E彈性模量，取 2110 6N/cm2 A滾珠絲桿截面積 A=(d0/2) 2 =4.71 則 L1=12.610cm 4.711021 6 . 0 2 . 2071 6 6 滾珠絲桿受扭矩引起導(dǎo)程變化 L2很小,可以忽略，即 L0=L1。 導(dǎo)程變形的總誤差 為 =L=2110m/m 0 100 L 6 查表 12-1-19 知:3 級精度,1m 長的絲杠的螺距為 2110 6

35、m,故 剛度足夠。 穩(wěn)定校核 由中的歐拉公式知： FK=2EI/(l2) 式中，F(xiàn)K長壓桿臨界失穩(wěn)時的臨界負(fù)載； E彈性模量,取 2110 6N/cm2 ； I截面慣性矩,單位 cm4，對實心圓柱體 I=1.77cm2； d 4 1 l工作長度取 1m； 絲杠軸端系數(shù) =12/3,取 1。 則經(jīng)計算，得: FK=36648N。 Nk= FK /p=36648/2071.2=17.69。 一般Nk=2.54，對于水平絲杠考慮重量影響，Nk取 4。 NkNk 因此,絲杠穩(wěn)定。 3.4 齒輪箱減速器設(shè)計部分 3.4.1 傳動比 i i= 361 L 式中，步距角,取 0.75 0 ； p脈沖當(dāng)量，取

36、 0.01/脈沖。 i=1.25 01 . 0 361 675 . 0 閉式齒輪傳動一般轉(zhuǎn)速較高,為了提高傳動的平穩(wěn)性,減小沖擊振動,以齒數(shù)多一些 為好,小齒輪的齒數(shù)可取 Z =2040,本設(shè)計選擇 Z =32 11 I=, Z =i Z =321.25=40 1 2 Z Z 21 即 Z =32，Z =40 12 選擇材料為 45#鋼，調(diào)質(zhì)，六級精度。 3.4.2 齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計計算 由設(shè)計計算公式(10-9a)進(jìn)行計算，即： d 2.32 t 1 3 2 2 1 ) 1( H Et d ZTK 1) 確定公式內(nèi)各計算數(shù)值 (1) 選擇載荷系數(shù) K =1.3 T (2) 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)

37、矩 T1 T =95.510 , 1 5 1 1 n P P N =4.32KW, 1c n =1041.7R/min 1 0 max L iV 6 25 . 1 5000 則 T 3.9610 Nmm 1 6 (3) 由表 10-7 選取齒輪寬度系數(shù) d =0.5(1+),取的規(guī)定值 0.60d 1 d b da =0.5(1+1.25)0.60=0.675d (4) 由表 10-6 查得材料的彈性影響系數(shù)：Z =189.8MP(鍛鋼) Ea 2 1 (5) 由圖 10-21d 按齒面硬度查得：小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=600 MP 1lim a 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550 MP 2l

38、im a (6) 由式 1013 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N160n1j1Lh=601041.71(2830010)=3.010 9 n1小齒輪的轉(zhuǎn)速； j1齒輪每轉(zhuǎn)一圈時同一齒面嚙合的次數(shù)，取 1； Lh齒輪的工作壽命（單位為 h）,取 15000。 設(shè)計的齒輪的工作壽命為 10 年，一年工作 300 天，一天工作 8 小時，2 班制， j 0.8，則： 2 N160 n j L 601041.70.8（2830010）2.410 9 22h (7) 由圖 1019 查得接觸疲勞壽命系數(shù) 0.88，0.9 1HN2HN (8) 計算接觸疲勞強(qiáng)度的許用應(yīng)力 取失效率為 1，安全系數(shù) S1，由式（10

39、12）得： 528MpH 1 S K HLIMHN11 1 60088 . 0 =495MpH 2 S KHLIM LIM22 1 5509 . 0 2)計算： (1) 計算小齒輪分度圓直徑 d ,代入 H 中較小的值，則： t 1 d 2.32 63 t 1 3 2 2 1 ) 1( H Et d ZTK (2) 計算圓周速度 V： V3.43m/s 100060 11 nd t (3) 計算齒寬 b b=dd=0.67563=42.525 t 1 (4) 計算齒寬與齒高之比 b/h 模數(shù) m =2 t 1 1 z d t 32 63 齒高 h=2.25 mt=2.252=4.5 b/h=9

40、.45 5 . 4 525.42 (5) 計算載荷系數(shù)： 根據(jù) V=3.43m/s，6 級精度，由圖 10-8 查得動載荷系數(shù) K =1.06 V 由表 10-3 查得 K=K=1.0，由表 10-2 查得使用系數(shù) K =1； HFA 由表 10-4 查得 6 級精度，小齒輪相對支承非對稱分布時： K=1.12+0.18（1+0.6）+0.2310b H 2 d 2 d 3 =0.675,b=42.525 d K1.234. b/h=9.45, 查得 10-13:K=1.1 7 所以載荷系數(shù) HF K=K K KK=1.308 AVHH 按照實際的載荷系數(shù)校正所計算的分度圓直徑，由式 10-1

41、0a d =d=63.13 1t 1 3 t K K (6)計算模數(shù) M M=1.97 1 1 z d t 3.4.3 齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計： 由式 10-5 得彎曲強(qiáng)度設(shè)計的公式為： MM=1.97 1 1 z d t （1） 由圖 1020查得小齒輪的彎曲疲勞極限： 1FE 500Mpa， 2FE 380Mpa （2） 由圖 1018 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) K 1FN ，K 2FN K 1FN 0.85， K 2FN 0.88 （3） 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力：取彎曲疲勞安全系數(shù) S1.4 303.57Mpa F 1 S K FEFN11 2238.83Mpa F S K FEFN22 （4） 計

42、算載荷系數(shù) K： KK K KK11.0611.171.2402 AVFF （5） 查取齒形系數(shù)： 由表 105 可查得，Y2.52，Y2.40 1Fa2Fa （6） 查取應(yīng)力校正系數(shù)： 由表 105 可查得：Y1.625，Y1.67 1Sa2Sa （7） 計算大、小齒輪的，并且加以比較： F SaFaY Y 小齒輪：0.01349 F SaFaY Y 57.303 625 . 1 52 . 2 大齒輪：0.01678 F SaFaY Y 86.238 17 . 1 40 . 2 大齒輪的數(shù)值大，取大值 3.4.4 設(shè)計計算： M1.33mm01678 . 0 32675 . 0 1096 .

43、 3 2402 . 1 2 2 4 對比計算結(jié)果，由齒面的接觸疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算 的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要是彎曲疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲 勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪的直徑有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù) M1.97，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值 M2.0，按照接觸強(qiáng)度算得分度圓直徑 d1=63.13, Z =31.56532 1 1 1 m d 0 . 2 13.63 Z =iZ =321.25=40 21 這樣設(shè)計的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度， 并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。齒輪參數(shù)取值如下： 參數(shù)Zmbad外圓直徑 大齒輪

44、40220208084 小齒輪32220206468 3.5 其他機(jī)械設(shè)計部分 3.5.1 減速箱最小輸出軸的計算 取每級齒輪傳動效率（包括軸承效率在內(nèi)） c =0.97,則 PZ=P c =4.320.97=4.19KW n =833.4 R/min Z i n1 25 . 1 7 . 1041 由式 15-2 得 dA, 0 3 z Z n P 即：d= A。 min0 3 z Z n P 由機(jī)械手冊查表 15-3 得 45 鋼，調(diào)質(zhì)淬火后 A0取 112。 經(jīng)過計算，得：d=112=19mm min 3 4 . 833 19 . 4 輸出選取 d19mm 即可。 min 3.5.2 軸承

45、的選擇 已知絲杠的動載荷 C j =7154N=7.154KN，所以選擇軸承如下： 名稱型號國標(biāo)號C j 0 C 角接觸軸承36204 型GB292-8311.2KN7.46KN 圓錐滾子軸承7204E 型GB297-8426.8KN18.2KN 所以以上的兩種類型，動、靜載荷均大于 7.154KN,故所選軸承符合要求。 3.6 步進(jìn)電機(jī)的選擇 參考文獻(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計 ，選擇過程分以下幾個小節(jié)介紹。 3.6.1 計算減速器的傳動比 I I= p p 360 步進(jìn)電機(jī)步距角，=0.75； P絲杠導(dǎo)程，P=6mm； p 工作臺脈沖當(dāng)量， p =0.01mm； 經(jīng)計算，得 I=1.25。 3.6.2

46、計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量 齒輪、絲杠等的轉(zhuǎn)動慣量計算不易精確計算，可將其等效成圓柱體來近似計算。 圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量 J（Kgcm2）的計算公式： J=(5-7) 32 4l d 其中，材料密度，kg/cm3 取=7.8103kg/m3 d傳動件的等效直徑 m l傳動件軸向長度 m 總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量 Je(Kgm2) Je=Jz1+() W 2 2 i JsJz 4 180 p 2 其中，Jz1,Jz2電機(jī)軸和絲杠軸上齒輪的轉(zhuǎn)動慣量，Kgm2； Js絲杠轉(zhuǎn)動慣量，Kgm2； m工作臺質(zhì)量，Kg。 按公式（5-7）首先分別計算各傳動件的轉(zhuǎn)動慣量，其中齒輪的等效直徑取分度圓直徑 d1=80mm,d2=64

47、mm,絲杠的等效直徑為 24.5mm Jz1=6.3 10(Kg) 32 02 . 0 )08 . 0 (108 . 7 43 4 m 2 Jz2=5.04(Kg) 32 02 . 0 )064 . 0 (108 . 7 43 4 10m 2 Js=2.76(Kg) 32 1)0245 . 0 (108 . 7 43 4 10m 2 按公式（5-8）得總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量 Je=Jz1+()W/g=11.75910( Kg) 2 2 i JsJz p180 2 4 m 2 3.6.3 確定步進(jìn)電機(jī)動力參數(shù) （1）電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算： 作用在步進(jìn)電機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T 按照下式公式計算： 公式

48、計算：T=（J +J ）+, me i FFP wu 2 )( i PF 2 )1 ( 2 00 其中，J 電機(jī)軸自身轉(zhuǎn)動慣量（Kg） ； m m 2 電機(jī)啟動或制動時的角速度 rad/s ； 2 F作用在工作臺上的摩擦力，N； u F作用在工作臺上的其它外力，N； W 伺服傳動鏈的總效率； F滾動絲杠螺母副的預(yù)緊力，N 0 滾動絲杠螺母副未預(yù)緊時的傳動效率，一般取 0.9 0 初選 J =1.010 Kg，=0.2（導(dǎo)軌摩擦因數(shù)） ，最大軸向力為 m 3 m 2 F=2071.2N maxw 并要求空載啟動時間t=30ms,最大進(jìn)給速度為 V=5m/min max 則步進(jìn)電機(jī)軸上的總慣量 J

49、： J=J +J =1.010+1.175910=2.175910 Kg e m 333 m 2 空載啟動時，電機(jī)軸上的慣量轉(zhuǎn)矩為： （）T =T =J=J=3.95 (Nm) j t V max tL iV 0 max 2 設(shè) F =F/3=207.2/3=690.4N 0maxw 則電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為 T ： （）T =0.125（ Nm） i PF 2 )1 ( 2 00 25. 18 . 014 . 3 2 )9 . 01 (4 .690006 . 0 2 （）工作臺上的最大軸向載荷折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T： W T=1.98（ Nm） ， W i PFw 2 max 25 .

50、 1 8 . 014 . 3 2 2 . 2071006 . 0 （）于是空載時電動機(jī)上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tq T =T +T +T =3.95+0.125+0.08=4.155(Nm), qj0 （其中 T =0.08 (Nm)）. 0 i FP 6 )1 ( 2 0 25 . 1 8 . 014. 36 )9 . 01 (006 . 0 96.1321 2 （2）電機(jī)最大的靜轉(zhuǎn)矩確定 初選步進(jìn)電機(jī)采用三相六節(jié)拍通電控制方式：表 5-1，T T之間的比例關(guān)系如 q1s 下： 電機(jī)相數(shù)33445566 運(yùn)行節(jié)拍3648510612 T q/T1s 0.50.8660.7070.7070.8090.

51、9510.8660.866 根據(jù)前面所得的 T 、T ，按照表 5-1 空載啟動時需要電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩T為： 1sq1S T=T /0.866=4.155/0.866=4.80 N 1Sq 最大負(fù)載下工作時所需要的最大靜轉(zhuǎn)矩 T 2S ： T=T /（0.30.5）=（0.125+0.08+1.98）/（0.30.5）=7.284.37（N ） 2S1 T max(T,T) S1S2S T =7.3( N) S （3）步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 f： max f=8333.3HZ max p V 60 max 01 . 0 60 5000 綜合考慮： 查機(jī)械手冊選用 110BF003 型步進(jìn)電機(jī)，能

52、滿足其需要。電機(jī)參數(shù)如下表； 型號110BF003 相數(shù) 額定電壓80V 額定電流6A 步距角0.75 0 最大靜扭矩800 Nmm 運(yùn)行頻率7000Step/S 空載啟動頻率1500Step/S 回轉(zhuǎn)直徑110mm 長度160mm 軸徑11mm 第四部分 數(shù)控設(shè)計 4.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路 4.1.1 基本硬件組成 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了 硬件才能有效的運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)，其性能好 壞，直接影響整個系統(tǒng)的工作組成。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分 組成： 主控器 即中央處理單元 CPU； 總線包括數(shù)據(jù)總

53、線（DB） 、地址總線（AB）和控制總線（CB） ； 存儲器包括只讀可編程存儲器和隨機(jī)讀寫存儲器； I/O 口即輸入/輸出接口電路。 其中 CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心。其作用是發(fā)布命令以協(xié)調(diào)各部分正常工作。存儲用 于存放系統(tǒng)軟件（即程序）以及運(yùn)動過程中的各種數(shù)據(jù)。I/O 接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信 息交換的橋梁。三總線則是 CPUI 與存儲器、接口以及其它各種轉(zhuǎn)換電路連接的紐帶， 是 CPU 與各部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。 除此之外，還要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的要求配備一些外圍設(shè)備和信號變換電路。如下圖 所示為數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。其中 CPU、存儲器及 I/O 接口是任何一個數(shù)控系統(tǒng)必不 可少的環(huán)

54、節(jié)，其于部分并非所有數(shù)控系統(tǒng)都具備。其一類機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)可能只包括其 中的一部分或幾部分。通常，CPU 通過 I/O 接口連接得人機(jī)交換外設(shè)是鍵盤、打印機(jī)、 磁帶記錄儀等通訊接口：訊號變換電路是 A/D 轉(zhuǎn)換、D/A 轉(zhuǎn)換、光電隔離、功率放大 等，是實現(xiàn)微機(jī)與控制對象之間的訊號匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路。這兩部分可根據(jù)控制 系統(tǒng)的要求選擇： CPU 存儲器 ROM、RAM I/O 接口信號變頻 外設(shè)控制對象 由于 MCS-51 系列單片機(jī)在我國機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用普遍，其配套芯片廉價、 普及通用性強(qiáng)，制造和維修方便，完全能夠滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床改造的需要。本次 C6140 的改造以 MCS-51 系列單

55、片機(jī)中的 6031 芯片作為中心控制系統(tǒng)。 4.1.2 硬件配套及基本結(jié)構(gòu) 本數(shù)控系統(tǒng)計算機(jī)是采用 8031 為 CPU 的 8 位微型專用計算機(jī)。它包括一個微處 理器，一個 123 字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，4 個 8 位的 I/O 接口（其中 P1，P2，P3 是準(zhǔn) 雙向口，P0 是三態(tài)雙向口） ，此外還有為用戶留一個擴(kuò)展區(qū)。 8031 通過 I/O 口擴(kuò)展一片 8255 接口芯片實現(xiàn)空運(yùn)轉(zhuǎn)、自動、手動轉(zhuǎn)換、回零、換刀超 程的按鍵功能，還通過 P0 口和 P2 口及一塊 74LS373 地址所存器擴(kuò)展了兩片 16K 的 ROM（27128） 、兩片 16K 的 RAM（62128）來作為開發(fā)程

56、序的存儲器。8031 通過 P0 口擴(kuò)展了一片 8279 接口芯片來實現(xiàn)鍵盤輸入和電路顯示的功能。通過 P1 口經(jīng)光耦和 隔離電路 TLP521-4 來消除電路干擾，并實現(xiàn) X、Z 向正反轉(zhuǎn)及連續(xù)啟動的功能。通過 功率放大電路實現(xiàn) S、T、M 等備用功能。兩步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一塊 74LS373 直接與 PO 口相 連。具體結(jié)構(gòu)參考電路控制原理圖。 4.1.3 接口線路 微機(jī)與機(jī)床的連接如下圖： 微機(jī)與機(jī)床的連接 它通過光電隔離接口板將兩者信號聯(lián)系起來，光電隔離接口主要是為防止干擾及 電平相配合。 機(jī)床拖板的運(yùn)動是通過軟件的插補(bǔ)控制及環(huán)形分配器，由 PIO 口的輸出信號控制 X、Z 向兩個步進(jìn)電機(jī)來實

57、現(xiàn)。 主軸起停，刀架轉(zhuǎn)位等輔助動作都是通過譯碼后由 PIO 口輸出相應(yīng)的電信號執(zhí)行 相應(yīng)的動作。螺紋車削由主軸脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的主軸脈沖及螺頭脈沖分別輸入 CTC 口 及 PIO 口來控制進(jìn)給。 4.1.4 光電隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中，脈沖信號經(jīng)過功率放大器后控制步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組。由 于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大，如果輸出信號與功率放大器直接相連， 8031 單片機(jī) 光 電 隔 離 接 口 電 路 驅(qū) 動 放 大 驅(qū) 動 放 大 X 向步進(jìn)電機(jī) Y 向步進(jìn)電機(jī) 主軸脈沖發(fā)生器 主動機(jī) 冷卻系統(tǒng) 刀架 限位開關(guān) 將會引起強(qiáng)電流干擾。輕則影響計算機(jī)程序的正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作，重則導(dǎo)致計算機(jī)

58、和接口 電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要接上隔離電路。 4.1.5 功率放大器 功率放大電路分為單電源和雙電源型。單電源線路簡單，但效率不高，所以選用 雙電源型。雙電源采用高低壓供電電路。由于我國目前步進(jìn)電機(jī)的功率放大器已經(jīng)由 生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出系列化產(chǎn)品，在設(shè)計數(shù)控機(jī)床電路時只需要步進(jìn)電機(jī)的容量大小進(jìn)行 選擇，所以不在進(jìn)行計算。 4.1.6 輔助電路 為了防止機(jī)床行程越界，所以在機(jī)床上裝有行程控制開關(guān)。為了防止意外，裝有 急停按鈕。由于這些開關(guān)都裝在機(jī)床上，距控制箱較近，容易產(chǎn)生電器干擾。為了避 免這種情況的發(fā)生，在電路和接口之間實行光電隔離。 4.2 軟件設(shè)計 改造后的 CJ

59、K6140 數(shù)控機(jī)床，主要控制功能由軟件實現(xiàn)。軟件設(shè)計采用模塊化設(shè) 計。主要包括主模塊、子程序模塊和定時中斷模塊。主模塊主要完成初始化和監(jiān)控。 初始化包括 PIO、CTC 的初始化。監(jiān)控主要包括鍵盤管理和顯示管理，均可調(diào)用原監(jiān)控 程序中的子程序。功能子程序包括+X、-X、+Y、-Y 及 STOP 功能子程序，并可調(diào)用監(jiān)控 程序中的子程序。中斷模塊包括急停中斷模塊、報警中斷模塊等。 （1） CJK6140 數(shù)控車床主要的技術(shù)參數(shù)及功能 數(shù)控裝置： 計算機(jī)型號 8031 插補(bǔ)方式 逐點比較法 插補(bǔ)坐標(biāo)數(shù) 二坐標(biāo) 數(shù)據(jù)形式 增量、絕對值及混合使用 輸入方式 手動鍵盤輸入或磁帶機(jī)一次輸入 Z 向脈沖當(dāng)量 0.01/脈沖 X 向脈沖當(dāng)量（直徑上） 0.01/脈沖 單行程段最大圓弧半徑 5m 傳動系統(tǒng)間隙補(bǔ)償量 0255 脈沖 程序段顯示數(shù) 9999 數(shù)控裝置機(jī)能設(shè)置： （a）準(zhǔn)備機(jī)能 G： G00 快速進(jìn)給 G01 直線插補(bǔ) G02 圓弧插補(bǔ)（順時針） G03 圓弧插補(bǔ)（逆時針） G04 延時 G32 切削圓柱螺紋 G33 切削錐螺紋 G50 坐標(biāo)設(shè)定 G90 直線切削循環(huán) G90 錐度切削循環(huán) G92 圓柱切削螺紋循環(huán) G93 錐螺紋切削循環(huán) G94 1/4 凸圓循環(huán) G95 1/4 凹圓循環(huán) （b）補(bǔ)助機(jī)能： M00 程序暫停 M02 程序終止 M03 主軸正轉(zhuǎn) M0