機電一體化畢業(yè)設(shè)計最大加工直徑為500毫米普通車床的進給系統(tǒng)傳動系統(tǒng)設(shè)計

1、NANCHANGUNIVERSITY本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目最大加工直徑為500毫米普通車床的進給系統(tǒng)傳動系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 校： 南昌大學(xué) 專 業(yè)： 機電一體化工程 班 級： 09機電本科（1）班 學(xué) 號：學(xué)生姓名： 劉云 指導(dǎo)教師： 李老師 起訖日期： 2011年9月2011年10月 目 錄摘要·························&#

2、183;··································2Abstract··············

3、;··········································3第一章：緒論4 1.1數(shù)控機床的概念、組成、特點 4數(shù)控機床的概念4數(shù)控機床的組成4數(shù)控機床

4、的特點5 1.2數(shù)控機床的發(fā)張趨勢與現(xiàn)狀5 1.3設(shè)計的內(nèi)容與方法6第二章：數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)總體方案 7 2.1進給傳動系統(tǒng)的組成和原理7 2.2進給系統(tǒng)傳動部件8 2.3進給傳動伺服系統(tǒng)的選擇9 2.4系統(tǒng)設(shè)計要求·······························

5、3;·········10 2.5方案設(shè)計內(nèi)容······································

6、3;··11第三章：機床橫向進給系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算 14 3.1確定系統(tǒng)脈沖量14 3.2切削力計算15 3.3滾珠絲桿螺母副的計算和選型···························15 3.4齒輪進給齒輪箱傳動比計算······

7、3;······················19 3.5縱向進給步進電機計算·························

8、········20 3.4步進電機的計算和選型21第四章:微機數(shù)控機床硬件系統(tǒng)的分析和設(shè)計 244.1微型計算機的選擇24 MCS-51的信號引腳24 4.1.2 8051單片機基本組成 264.2擴展存儲器的選擇27 4.3確定I/O及鍵盤接口28按鍵開關(guān)去抖動問題29 按鍵連接方式 30鍵盤掃描控制方式31結(jié)束語 33參考文獻 34摘     要：隨著科學(xué)技術(shù)和社會的不斷發(fā)展，社會對產(chǎn)品多樣化的要求日益提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，多品種小批量生產(chǎn)比重加大，零件形狀越來越

9、復(fù)雜，精度越來越高，此外，激烈的市場競爭要求產(chǎn)品研制周期越來越短，傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造手段已經(jīng)難于滿足這種變化，為了解決這些問題，數(shù)控機床就這樣應(yīng)運而生。在本次設(shè)計中，就包括了關(guān)于數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)知識，并且針對本次設(shè)計的課題，擬定了一系列的方案，進給系統(tǒng)的總體方案，數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)的機械部分，以及數(shù)控系統(tǒng)的硬件分析和設(shè)計。關(guān)鍵字：數(shù)控機床 單片機數(shù)控系統(tǒng) 伺服電機 傳動系統(tǒng)Abstract As science and technology and continuous development of society, society's demands for increa

10、sing product diversification, product upgrades faster and faster, and more varieties of small batch production increased in importance, more and more complex shape parts, increasing accuracy, In addition, the fierce market competition requires product development cycles are getting shorter, conventi

11、onal processing equipment and manufacturing methods have been difficult to meet such changes, in order to solve these problems, numerical control machine tools came into being this way.In this design, it includes information on the basics of digital technology and design for this project, developed

12、a series of solutions into the overall solution to the system, CNC lathe feed drive system of mechanical parts, and CNC system hardware analysis and design.Keywords: CNC machine CNC servo motor drive system microcontroller第一章：緒論1.1數(shù)控機床的概念，組成，特點 ：數(shù)控機床的概念：數(shù)控機床是數(shù)字控制機床的簡稱，是指用數(shù)字指令來控制機械執(zhí)行預(yù)圖1-1數(shù)控機床定的動作，通常由

13、硬件電路發(fā)出數(shù)字化信號，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機床動作數(shù)控折彎機并加工零件。數(shù)控機床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動化機床，代表了現(xiàn)代機床控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。數(shù)控機床的組成：數(shù)控機床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體組成，其中實線部分表示開環(huán)系統(tǒng)。為提高加J精度，再加入測量裝置，由虛線構(gòu)成反饋，稱為閉環(huán)系統(tǒng)。主機：他是數(shù)控機床的主體，包括機床身、立柱、主軸、進給機構(gòu)等機械部件。他是用于完成各種切削加工的機械部件。數(shù)控

14、裝置：是數(shù)控機床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應(yīng)的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數(shù)據(jù)的變換、插補運算以及實現(xiàn)各種控制功能。驅(qū)動裝置：他是數(shù)控機床執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動部件，包括主軸驅(qū)動單元、進給單元、主軸電機及進給電機等。他在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)主軸和進給驅(qū)動。當幾個進給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。輔助裝置：指數(shù)控機床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機床的運行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉(zhuǎn)臺和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。編

15、程及其他附屬設(shè)備：可用來在機外進行零件的程序編制、存儲等。數(shù)控機床的特點：數(shù)控機床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批、多變的零件加工問題，是一種靈活的、高效能的自動化機床，尤其對于約占機械加工總量80%的單件、小批量零件的加工，更顯示出其特有的靈活性。概括起來，數(shù)控機床有以下幾方面的特點：u 加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量；u 可進行多坐標的聯(lián)動，能加工形狀復(fù)雜的零件；u 加工零件改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)備時間；u 機床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高（一般為普通機床的35倍）；u 機床自動化程度高，可以減輕勞動強度；對操作人員的素質(zhì)要求較高，對維修人員的技術(shù)要

16、求更高 。1.2數(shù)控機床的發(fā)展趨勢與現(xiàn)狀：數(shù)控機床以其獨特卓越的柔性自動化的性能、優(yōu)異穩(wěn)定的精度、靈活敏捷多樣化的功能引起廣泛的關(guān)注，它開創(chuàng)了機械產(chǎn)品并向機電一體化發(fā)展的開始，成為先進制造技術(shù)當中的一門核心技術(shù)。數(shù)字控制系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展為數(shù)控機床的技術(shù)進步提供了條件。目前我國的數(shù)控機床的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在，高速、精密、復(fù)合、智能和綠色等幾個方面。1、高速、高效，數(shù)控機床逐漸向高速化方向發(fā)展，它大大的提高加工效率、降低加工生產(chǎn)成本，并且還達到了提高零件的表面質(zhì)量及其加工精度。高速化的加工技術(shù)對一些企業(yè)制造業(yè)提供了更高效，優(yōu)質(zhì)，成本低生產(chǎn)比較廣泛適用性。目前在一些發(fā)達的國家數(shù)控機床的高速運行，其

17、高速主軸單元，電主軸轉(zhuǎn)速可達15000 100000r/min，快移速度在60120m/min范圍之內(nèi)，切削進給速度高達60m/min、一系列高性能控制伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都有新的突破，數(shù)控機床發(fā)展到了更高的水平。2、現(xiàn)在的數(shù)控機床比以前的普通車床加工的零件更加的精密，精密加工技術(shù)有了相當大的提高，加工精度已從原來的絲級(0.01mm)提升到目前的微米級(0.001mm)，甚至有些品種已達到0.05m左右。超精密數(shù)控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達到0.05m左右，形狀精度可達0.01m左右。通過機床結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、機床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動

18、態(tài)誤差補償技術(shù)，提高機床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進入亞微米、納米級超精加工時代3、智能化，數(shù)控機床的智能化現(xiàn)在又有了新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了充分的體現(xiàn)。比如說：自動調(diào)整干涉防碰撞功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能進入了實用化階段等等，數(shù)控機床的智能化提升了機床的功能及其品質(zhì)。4、現(xiàn)代的數(shù)控機床在還有較高的可靠性，而且復(fù)合化，多軸化，網(wǎng)絡(luò)化等方面都得到了大大的提高。1.3設(shè)計的內(nèi)容與方法：用微機數(shù)控技術(shù)改造加工零件時，數(shù)控改造必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總統(tǒng)框圖，才能覺得各種設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后選擇數(shù)控機床，數(shù)控機床的選擇，

19、其進給傳動系統(tǒng)的組成和原理，分析伺服系統(tǒng)的選擇，怎樣達到控制要求，合理的選擇機械傳動方式，數(shù)控機床坐標的進給伺服系統(tǒng)既可以采用步進電機驅(qū)動也可以用直流或交流伺服電機驅(qū)動。數(shù)控車床進給系統(tǒng)機械部分的計算，例如，脈沖當量，切削力和滾珠，絲桿削等等一些物理量的計算，還有應(yīng)該對車床數(shù)控系統(tǒng)的硬件分析和設(shè)計，比如說：數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計及其一些擴展，存儲和通信的設(shè)計，比且還要加以計算，必要時要繪圖分析，數(shù)控機床的進給分為橫向進給和縱向進給，本次設(shè)計為橫向進給傳動系統(tǒng)設(shè)計。通過以上的一些內(nèi)容完成本次設(shè)計課題用微機數(shù)控技術(shù)改造最大加工直徑為500mm普通車床的橫向進給傳動系統(tǒng)的設(shè)計！第二章：數(shù)控機床進給傳動系

20、統(tǒng)總體方案2.1進給傳動系統(tǒng)的組成和原理數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)的作用：數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)是負責(zé)接受數(shù)控機床系統(tǒng)發(fā)出的脈沖指令，并經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換之后驅(qū)動機床運動執(zhí)行件來達到預(yù)期的運動。為保證數(shù)控機床加工精度，所以必須要求進給傳動系統(tǒng)有比較高的傳動精度、高的靈敏度，工作穩(wěn)定、有高的構(gòu)件剛度及使用壽命、小的摩擦及運動慣量，并能清除傳動間隙。進給傳動系統(tǒng)一般有四種：1步進伺服電機伺服進給系統(tǒng)2直流伺服電機伺服進給系統(tǒng) 3交流伺服電機伺服進給系統(tǒng)4直線電機伺服進給系統(tǒng)伺服進給系統(tǒng)的主要組成部分當中就包括進給系統(tǒng)機械傳動結(jié)構(gòu)，它主要由四大機構(gòu)組成，傳動機構(gòu)、運動變換機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、執(zhí)行件組成，由于數(shù)控機床

21、的進給運動是由數(shù)字信號控制的直接對象，被加工的零件的一些參數(shù)都是由進給運動控制的！工作原理是數(shù)控裝置內(nèi)的計算機對以數(shù)字和字符編碼方式所記錄的信息進行一系列處理后，向機床進給等執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出命令，執(zhí)行機構(gòu)則按其命令對加工所需各種動作，如刀具相對于工件的運動軌跡、位移量和速度等實現(xiàn)自動控制，從而完成工件的加工。2.2進給系統(tǒng)傳動部件：對于數(shù)控機床加工零件，就必須要求其零部件有較好的性能，比如說部件的剛度，運動副之間的摩擦，傳動間隙，等等。一般的數(shù)控進給系統(tǒng)主要部件有：1、滾珠絲杠螺母副，圖2-1數(shù)控加工時，需將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線運動，故采用絲杠螺母傳動機構(gòu)。2、回轉(zhuǎn)工作臺，每一臺數(shù)控機床都有其工藝范

22、圍，為了擴大數(shù)控機床的工藝范圍，數(shù)控機床除了沿X、Y、Z三個坐標軸作直線進給外,往往還需要有繞Y或Z軸的圓周進給運動。數(shù)控機床的圓周進給運動一般由回轉(zhuǎn)工作臺來實現(xiàn)，對于加工中心,回轉(zhuǎn)工作臺已成為一個不可缺少的部件。 數(shù)控機床中常用的回轉(zhuǎn)工作臺有分度工作臺和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。    （1）分度工作臺     分度工作臺只能完成分度運動,不能實現(xiàn)圓周進給，它是按照數(shù)控系統(tǒng)的指令，在需要分度時將工作臺連同工件回轉(zhuǎn)一定的角度。分度時也可以采用手動分度。分度工作臺一般只能回轉(zhuǎn)規(guī)定的角度(如90、60和45度等)。    （2）數(shù)控回轉(zhuǎn)工

23、作臺    數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺外觀上與分度工作臺相似，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功用大不相同。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的主要作用是根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖信號，完成圓周進給運動，進行各種圓弧加工或曲面加工，它也可以進行分度工作。  3、導(dǎo)軌，導(dǎo)軌是進給傳動系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是機床基本結(jié)構(gòu)的要素之一，它在很大程度上決定數(shù)控機床的剛度、精度與精度保持性。目前，數(shù)控機床上的導(dǎo)軌形式主要有滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和液體靜壓導(dǎo)軌等。安全防護，改造效果必須以安全為前提。在機床改造中要根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進入滾道。在縱向絲杠上

24、也可加整體鐵板防護罩。大拖板與滑動導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進入滑動面損傷導(dǎo)軌。2.3進給傳動伺服系統(tǒng)的選擇：一般數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的作用是將機械運動的驅(qū)動設(shè)備，電動機作為控制對象，將數(shù)控控制器為核心，利用電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)運動機械的運動要求。具體在數(shù)控機床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經(jīng)變換、放調(diào)與整大后，由電動機和機械傳動機構(gòu)驅(qū)動機床坐標軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯(lián)動使刀

25、具相對工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機械運動，從而加工出用戶所要求的復(fù)雜形狀的工件。伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(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)主要是由步進電機驅(qū)動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反映迅速，調(diào)試和維修比較簡單。目前經(jīng)濟型數(shù)控機床普通采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對工作臺的實際位置不進行檢查測量，而是通過與伺服電機有聯(lián)系的測量元件，如測速發(fā)電機或光電編碼盤等間接測出伺服電機的轉(zhuǎn)角，推算出工作臺的實際位置量，用此

26、值與指令植進行比較，用差值來實現(xiàn)控制。這種控制方式介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒有閉環(huán)高，調(diào)試卻比比環(huán)方便。閉環(huán)控制系統(tǒng)有機床移動部件上的檢測反饋裝置，在加工時刻檢測機床移動部件的位置，使之和數(shù)控裝置所要求的位置想符合，以期達到很高的加工精度。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機或交流電機驅(qū)動。這類機床的優(yōu)點是精度高，速度快，但是調(diào)試個維修比較復(fù)雜，其關(guān)鍵是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以在設(shè)計是必須對穩(wěn)定性給予足夠的重視。2.4系統(tǒng)設(shè)計要求：本次設(shè)計要求是設(shè)計最大加工直徑為500毫米普通車床橫向進給進給傳動系統(tǒng)。采用8051單片微機控制系統(tǒng)，步進電機驅(qū)動，開環(huán)控制。要求設(shè)計后的車床及數(shù)控系統(tǒng)具有以下功能：(1).縱、橫

27、向直線，圓弧插補；(2).螺紋切削(3).刀架自動回轉(zhuǎn)換刀(4).使用軟件自動變速驅(qū)動步進電機(5).實現(xiàn)現(xiàn)場輸入、修改程序數(shù)據(jù)(6).回零、連續(xù)、暫停運行方式設(shè)置(7).編輯、空運行、自動、手動、回零工作方式選擇(8).掉電保護、越位報警、急停、復(fù)位等輔助功能1.機床總體尺寸參數(shù)的選定根據(jù)設(shè)計要求并參考實際情況，初步選定機床主要參數(shù)如下：最大加工直徑(mm）： 在床身上：500 在床鞍上：260最大加工長度(mm)： 750-1000溜板及刀架重量(N)： 縱向：1100 橫向：550刀架快移速度(m/min)： 縱向：2 橫向：1最大進給速度(m/min)： 縱向：0.6 橫向：0.3最小

28、分辨率(mm): 縱向：0.01 橫向：0.005定位精度(mm)： 0.025主電機功率(KW)： 5.5起動加速時間(ms)： 30設(shè)計要求1) 坐標的進給伺服系統(tǒng)既可采用步進電機驅(qū)動也可用直流或交流伺服電機驅(qū)動。2) 所繪制的機械裝配圖要求正確、合理、圖面整潔、符合標準。3) 說明書應(yīng)簡明扼要、計算準確、條理清楚、圖文并茂并全部用計算機打印后裝訂成冊。2.5方案設(shè)計內(nèi)容：總體方案設(shè)計內(nèi)容數(shù)控改造，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總統(tǒng)框圖，才能覺得各種設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分別對機械部分和電氣部分進行計算。（一）系統(tǒng)運動方案的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為定位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控

29、制系統(tǒng)。1控制方式選擇伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(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)主要是由步進電機驅(qū)動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反映迅速，調(diào)試和維修比較簡單。目前經(jīng)濟型數(shù)控機床普通采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對工作臺的實際位置不進行檢查測量，而是通過與伺服電機有聯(lián)系的測量元件，如測速發(fā)電機或光電編碼盤等間接測出伺服電機的轉(zhuǎn)角，推算出工作臺的實際位置量，用此值與指令植進行比較，用差值來實現(xiàn)控制。這種控制方式

30、介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒有閉環(huán)高，調(diào)試卻比比環(huán)方便。閉環(huán)控制系統(tǒng)有機床移動部件上的檢測反饋裝置，在加工時刻檢測機床移動部件的位置，使之和數(shù)控裝置所要求的位置想符合，以期達到很高的加工精度。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機或交流電機驅(qū)動。這類機床的優(yōu)點是精度高，速度快，但是調(diào)試個維修比較復(fù)雜，其關(guān)鍵是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以在設(shè)計是必須對穩(wěn)定性給予足夠的重視。（二）總體方案的確定1系統(tǒng)運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床具有定位、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(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工的精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機

31、開環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對工作臺的實際位置不進行檢查測量，而是通過與伺服電機有聯(lián)系的測量元件，如測速發(fā)電機或光電編碼盤等間接測出伺服電機的轉(zhuǎn)角，推算出工作臺的實際位置量，用此值與指令植進行比較，用差值來實現(xiàn)控制。這種控制方式介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒有閉環(huán)高，調(diào)試卻比比環(huán)方便。閉環(huán)控制系統(tǒng)有機床移動部件上的檢測反饋裝置，在加工時刻檢測機床移動部件的位置，使之和數(shù)控裝置所要求的位置想符合，以期達到很高的加工精度。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機或交流電機驅(qū)動。這類機床的優(yōu)點是精度高，速度快，但是調(diào)試個維修比較復(fù)雜，其關(guān)鍵是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以在設(shè)計是必須對穩(wěn)定性給予足夠的重視。（二）總體方案的確

32、定1系統(tǒng)運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇：由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床具有定位、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(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工的精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、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為微機。由于MCS51系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快?？垢蓴_性強，具有很高的性能價格比等特點，決定采用MCS51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤和顯示器、I/O接口及發(fā)光隔離電路、步進電機功率放大電路組成，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

33、機床狀態(tài)等信息。3機械傳動方式：為了實現(xiàn) 機床所要的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速傳動絲桿，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，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體方案框圖見圖11。圖11經(jīng)濟型數(shù)控車床總體方案框圖第三章：機床橫向進給系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算3.1確定系統(tǒng)脈沖量：進給系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)負載、確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣量計算，空載啟動及切削力矩計算，確定伺服電機，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算及選用，繪制機械部分裝配圖及零件圖等?，F(xiàn)分別如下：主要參數(shù)：在床面上 500在床鞍

34、上 260最大加工長度 750-1000溜板及刀架重量 縱向 1100N 橫向 550N 刀架快進速度 縱向 3m/min 橫向 1.5 m/min最大進給速度 縱向 0.8 m/min 橫向 0.4 m/min主電機功率 7.5KW起動加速時間 30ms機床定位精度 0.025最小分辨率 縱向 0.01mm 橫向 0.005mm脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床常采用的脈沖當量是0.010.005mm/step。已知條件：工作臺重（根據(jù)圖紙粗略計算） W=30kgf=300N時間常數(shù) T=25ms滾珠絲杠基本導(dǎo)程 L=4mm左旋行程 S=230mm脈沖當量 =0.0

35、05mm/step步距角 =0.75 °/step快速進給速度 max=1mm/min3.2切削力計算：切削力，是指在切屑過程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力。通俗的講：在切削加工時，工件材料抵抗刀具切削時產(chǎn)生的阻力，切削力有三個垂直的分力：切削力， 背向力、進給力。1 Z坐標3473N 其中 V=90100，取V=95，（0.70.8）=（0.70.8）×3=2.12.55 KW, 取5.5 KW0.51736N0.62083N3.3滾珠絲桿螺母副的計算和選型 (一)縱（Z）向進給絲桿1 計算進給軸向力（N）2728.08 N其中，K=1.15（三角

36、形導(dǎo)軌），f=0.16，W=1100 N2 計算最大負載QQ17115.88NL= 90 n= 100 其中 壽命T=15000h，導(dǎo)程=8，=0.8，運轉(zhuǎn)系數(shù)=1.43 滾珠絲桿螺母副的選型 查表：可采用3508外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動載荷為2000N，精度等級按表212選為1級。4 傳動效率計算 0.963其中，螺旋升角=，摩擦角5 剛度驗算先畫出縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，最大軸向力為1524.2N。支承間距L=950，絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負荷的1/3。如圖(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量材料彈性模數(shù)E=20.610滾珠絲杠截面積A

37、758.283mm絲杠導(dǎo)程的可變化量 0.780610絲杠上的變形量，由于兩端均采用推力球軸承，則，=L2.31710mm(2)滾珠與螺紋滾道間接觸變形=0.001321.2410mm其中，承載滾珠數(shù)量 57.68有預(yù)緊時 50.8kgf5剛度驗算 橫向進給絲杠支承方式下圖 所示，最大軸向力為 829.5N，支承間距L=500 mm，因絲桿長度較短，不需要欲緊，螺母與軸承欲緊。計算如下：(1)絲桿的拉伸或壓縮變型量1（mm）5.75510mm其中 ，F(xiàn)=829.5N，do=20mm, A=223.88(2) 滾珠與螺紋滾道間接變形2 （mm）=0.0013 1.79110mm 其中，承載滾珠數(shù)

38、量 49.44有預(yù)緊時， 27.65kgf 所以：8.38410滿足精度要求6穩(wěn)定性校核計算臨界負載： 15828N 式中 E 材料彈性摸量， 鋼：E=20.6X10N/cmI截面慣性矩（cm）絲桿：為絲杠內(nèi)徑16.888cm；L 絲杠兩支承距320（cm）;fz -絲杠支承方式系數(shù)，從表中查出 一端固定，一端簡支；fz =2.00=19.29 (一般=2.54)此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。（三）縱向及橫向滾珠絲杠幾何參數(shù)W1L3508及W1L2506滾珠絲杠幾何參數(shù)名 稱符號W1L3508W1L2005螺紋滾道公稱直徑3520導(dǎo)程85接觸角鋼球直徑4.7633.175滾道法面半徑 R=0.522.4

39、771.601偏心距0.0680.045螺紋升角螺杠螺杠外徑3419.1螺杠內(nèi)徑30.18216.788螺杠接觸直徑25.434617.0255螺母螺母螺紋直徑39.81818.221螺母內(nèi)徑36213.4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 傳動比 0.75其中，脈沖當量=0.01，滾珠絲杠導(dǎo)程=8mm，初選步距角=0.6可選定齒輪齒數(shù)為，模數(shù)取m=22橫向進給齒輪箱傳動比計算 傳動比 0.75其中，脈沖當量=0.005，滾珠絲杠導(dǎo)程=5mm，初選步距角=0.6采用兩級齒輪降速，可選定齒輪齒數(shù)為，模數(shù)取m=2。傳動齒輪幾何參數(shù)齒數(shù)273620253040分度圓547240506

40、080齒頂圓587644546484齒根圓496735455575齒寬（610）m2020中心距6345703.5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 9.856 式中 2.021 6.39 9.481 初選混合式步進電機BS86HB3L103-05，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量2電機力矩的計算（1）快速空載起動力矩在快速空載起動階段，加速例句所占的比例較大 333.33r/min，=25ms 137.5N cm折算到電機軸上的摩擦力矩35.40N cm附加摩擦力矩 13.18 N cm上述三項合計 184.68N cm(2) 快速移動時所需力矩 47.18N cm(3

41、) 最大切削載時所需力矩 119.5N cm從上面計算可以看出，在三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選電機的依據(jù)。查得，當步進電機為三相六拍時，=0.866 得到 最大靜力矩=184.68/0.866=213.26 N cm 按此最大靜轉(zhuǎn)矩從下表查出，BS86HB3L103-02 型最大靜轉(zhuǎn)矩大于2.545 N .m。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行起動矩頻。3計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率3.6步進電機的計算與選型：步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步

42、距角增量 步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應(yīng)用于機電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復(fù)印機、傳真機等。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各

43、種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應(yīng)使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進電機的細分驅(qū)動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應(yīng)當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。 選擇步進電機需要進行以下計算： （1）計算齒輪的減速比 根據(jù)所要求脈沖當量，齒輪減速比

44、i計算如下: i=(.S)/(360.) (1-1) 式中 -步進電機的步距角（o/脈沖） S -絲桿螺距（mm) -(mm/脈沖） （2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt。 Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2 （1-2） 式中Jt -折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s2) J1、J2 -齒輪慣量(Kg.cm.s2) Js -絲桿慣量(Kg.cm.s2) W-工作臺重量（N） S -絲桿螺距（cm） （3）計算電機輸出的總力矩M M=Ma+Mf+Mt （1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×102 （1-4） 式中Ma

45、-電機啟動加速力矩（N.m) Jm、Jt-電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2) n-電機所需達到的轉(zhuǎn)速（r/min） T-電機升速時間（s） Mf=(u.W.s)/(2i)×102 （1-5） Mf-導(dǎo)軌摩擦折算至電機的轉(zhuǎn)矩（N.m) u-摩擦系數(shù) -傳遞效率 Mt=(Pt.s)/(2i)×102 （1-6） Mt-切削力折算至電機力矩（N.m) Pt-最大切削力（N） （4）負載起動頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為 fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）÷(1+Jt/Jm) 1/2 （1-7） 式中fq-帶載起

46、動頻率（Hz） fq0-空載起動頻率 Ml-起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m) 若負載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算. （5）運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動負載，并留有足夠的余量。 （6）負載力矩和最大靜力矩Mmax。負載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應(yīng)小于（0.2 0.4)Mmax. 第四章 微機數(shù)控機床硬件系統(tǒng)的分析和設(shè)計4.1微型計算機的選擇：確定微

47、機機型就是選擇CPU。單片機價格低、可靠性較高，適用于控制，選擇單片機做控制器比較合適。根據(jù)總體方案的確定，微機采用MCS-51系列單片機。51系列有三種型號：8031是無ROM的8051；8751是用EPROM代替ROM的8051。目前， 8051單片機成為當前8位單片機的典型代表。本設(shè)計就采用8051單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的中央處理機。8051單片機是美國Intel公司的產(chǎn)品MCS51系列單片機的一個型號，是目前性能較高的8位單片微型計算機。MCS-51的信號引腳MCS-51是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列請見圖4-1。 1) 信號引腳介紹 P0.0 P0.7： P0口8位雙向

48、口線。 P1.0 P1.7 ：P1口8位雙向口線。 P2.0 P2.7 ：P2口8位雙向口線。 P3.0 P3.7 ：P3口8位雙向口線。圖4-1ALE：地址鎖存控制信號。在系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定頻率輸出的正脈沖，因此,可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。：外部程序存儲器讀選通信號。在讀外部ROM時，有效（低電平），以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。：訪問程序存儲控制信號。當信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；當信號為高電平時，對ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部程

49、序存儲器。RST：復(fù)位信號。當輸入的復(fù)位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機的復(fù)位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶體引線端。當使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。VSS：地線。VCC：+5 V電源。以上是MCS-51單片機芯片40條引腳的定義及簡單功能說明，讀者可以對照實訓(xùn)電路找到相應(yīng)引腳，在電路中查看每個引腳的連接使用。2) 信號引腳的第二功能由于工藝及標準化等原因，芯片的引腳數(shù)目是有限制的。例如，MCS-51系列把芯片引腳數(shù)目限定為40條，但單片機為實現(xiàn)其功能所需要的信號數(shù)目卻遠遠超過此數(shù)，因此

50、就出現(xiàn)了需要與可能的矛盾。如何解決這個矛盾？“兼職”是惟一可行的辦法，即給一些信號引腳賦以雙重功能。如果把前述的信號定義為引腳第一功能的話，則根據(jù)需要再定義的信號就是它的第二功能。下面介紹一些信號引腳的第二功能。(1) P3口線的第二功能。P3的8條口線都定義有第二功能，詳見下表。P3口引腳特殊功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時器0外部輸入）P3.5T1（定時器1外部輸入）圖4-2 P3口特殊功能 8051單片機的基本組成：8051單片機的基本組成請參見圖4-1.1。下面介紹各部分的基本情況。1) 中央處理

51、器（CPU）中央處理器是單片機的核心，完成運算和控制功能。MCS-51的CPU能處理8位二進制數(shù)或代碼。2) 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部RAM）8051芯片中共有256個RAM單元，但其中后128單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。因此通常所說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指前128單元，簡稱內(nèi)部RAM。圖4-38051 單片機結(jié)構(gòu)框圖3) 內(nèi)部程序存儲器（內(nèi)部ROM）8051共有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格，因此，稱之為程序存儲器，簡稱內(nèi)部ROM。4) 定時/計數(shù)器 8051共有兩個16位的定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時或

52、計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。 5) 并行I/O口 MCS-51共有4個8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入/輸出。在實訓(xùn)中我們已經(jīng)使用了P1口，通過P1口連接8個發(fā)光二極管。6) 串行口MCS-51單片機有一個全雙工的串行口，以實現(xiàn)單片機和其它設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。 7) 中斷控制系統(tǒng) MCS-51單片機的中斷功能較強，以滿足控制應(yīng)用的需要。8051共有5個中斷源，即外中斷兩個，定時/計數(shù)中斷兩個，串行中斷一個。全部中斷分為高級和低級共兩個優(yōu)先級別。 8) 時鐘電路 MCS-51芯片的內(nèi)部有時

53、鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列。系統(tǒng)允許的晶振頻率一般為6 MHz和12 MHz。從上述內(nèi)容可以看出，MCS-51雖然是一個單片機芯片，但作為計算機應(yīng)該具有的基本部件它都包括，因此，實際上它已是一個簡單的微型計算機系統(tǒng)了。4.2 擴展存儲器的選擇：8051單片機內(nèi)有256個RAM單元，但其中后128單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。及有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格。機床數(shù)控系統(tǒng)需要的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量都較大，必須外接程序存儲器（EPROM）和數(shù)據(jù)存儲器（RAM）芯片。A程序存

54、儲器的擴展a選用27128芯片常用的EPROM存儲器有2716，2732，2764，27128，27256等，容量分別為2K、4K、8K、16K，32K。由于車床數(shù)控系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制程序和加工程序，采用16KB×8的27128芯片，可與單片機所選的12MHz時鐘相匹配。27128EPROM芯片是一個有28根引腳的雙列直插式集成元件。該芯片共有14根地址線A0A13，8根數(shù)據(jù)線D0D7，其余的為控制線。27128低八位地址線和74LS373的輸出端連接,高六位地址線直接與8051的P2.0P2.5連接。它的八位數(shù)據(jù)線直接與8051的P0口連接。ROM的尋址范圍為0000H3FFFH，并且采用譯碼器，使地址范圍無重疊區(qū)。b地址鎖存器74LS373單片機規(guī)定P0口提供低8位地址線，同時又要作為數(shù)據(jù)線，所以P0是一個分時輸出低8位地址和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信息分離出來保存，提供外接存儲器的低8位地址信息，通常采用74LS373作為地址鎖存器。除74LS373外，74LS273、8282、8212等芯片也可用作地址鎖存器，使用