C620型普通車床數(shù)控化改造設計

PAGEword文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯畢業(yè)設計（論文）設計（論文）題目：C620車床數(shù)控化改造系部名稱：機電工程系專業(yè)：機電一體化班級：1學生姓名：學號：指導教師：二O一四年5月摘要這次畢業(yè)設計主要是將一臺C620型普通車床進行經(jīng)濟型數(shù)控改造設計，由于定位精度高，所以縱、橫向?qū)к壘捎觅N塑導軌，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠，同時，為提高傳動剛度和消除間隙，對絲杠進行預拉伸，傳動齒輪采用雙片錯齒消隙齒輪，驅(qū)動元件采用步進電機。為了保證加工螺紋時，主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動一個被加工螺紋的螺距或?qū)С?，主軸用脈沖發(fā)生器通過波紋管聯(lián)接，并將縱向和橫向進給系統(tǒng)用單片機控制，是其成為一個能獨立運動的開環(huán)進給伺服系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)采用MCS—51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。因為MCS—51系列的單片機具有集成度高、可靠性高、功能強、速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點。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，以顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。為了達到機床要求的分辨率，傳動系統(tǒng)采用步進電機齒輪減速后，帶動絲杠。設計改造后的經(jīng)濟型數(shù)控機床具有定位、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，且加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。零件加工的適應性強，自動化程度高。關鍵詞：車床，數(shù)控，改造，滾珠絲杠PAGEword文檔可自由復制編輯AbstractThisdesignmainlyistransforminganordinaryC620latheintoaneconomynumericalcontrol,becausetheaccuracyishigh,theleadrailusesplasticleadrail;thetransmissionsystemusestheballscrew.Atthesametime,wecancarryonthepre-stretchtotheguidescrewandusedoublegearsinthetransmissiongeartoenhancethetransmissionrigidityandtheeliminationgap.Thedrivingpartsuseballscrew.Whenprocessingthread,themainaxletransfersarevolution,thetoolholdermustmovesapitchorleadofthethread,themainaxleandthepulsegeneratorlinktogetherthroughacorrugatedpipe.ASingleChipMicrocomputercontrolsthelongitudinalandcrosswisefeedingsystem,soitwillbecauseanopen-loopservosystemwhichcanmoveindependently.ThenumericalcontrolsystemusestheMCS-51series8031SingleChipMicrocomputertoexpandthesystem.BecausetheMCS-51seriesSingleChipMicrocomputerhavehighintegrationrate,highreliability,strongfunction,quickspeed,andstronganti-jammingabilityandsoon.Thecontrolsystemismadeupofthemicrocomputerpart,thekeyboardandthemonitor,theI/Ointerfacesandthelightelectricityisolationelectriccircuit.Thesystemprocessingprocedureandcontrolordersarecontrolledbykeyboard,themonitorrealizedprocessdataandtheinformationofmachinetoolswithfigurestube.Inordertorealizetheresolvingpower,transmissionsystemusesteppermotortodrivetheballscrewafterbeingdecreased.Afterthetransformationdesign,theeconomynumericalcontrolmachinehasthelocalization,thestraightlineinserts,insertsalongthecountercirculararc,functionsuspension,circulationprocessing,maleinchthreadprocessingandsoon.Theprocessingqualityisstableandreliable.Componentsprocessingcompatibilityandtheautomationarestrengthened.Keyword:lathe，numericalcontrol，alteration，ballscrew目錄引言 31概述 41.1畢業(yè)設計的目的 41.2設計任務 41.3設計的必要性 41.3.1數(shù)控改造目的 41.3.2數(shù)控改造的優(yōu)點 52總體方案設計 52.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 52.2計算機系統(tǒng) 52.3機械傳動方式 52.3.1縱向滾珠絲杠 62.3.2橫向滾珠絲杠 62.3.3總體方案 73進給伺服系統(tǒng)設計 73.1縱向進給伺服系統(tǒng) 83.1.1計算進給牽引力Fm(N) 83.1.2計算最大動載荷C 93.1.3滾珠絲杠螺母副的傳動效率計算 103.1.4剛度驗算 103.1.5穩(wěn)定性校核 113.2橫向進給伺服系統(tǒng) 113.2.1計算進給牽引力 113.2.2計算最大動負載C 123.2.3選擇滾動絲杠螺母副 123.2.4傳動效率計算 133.2.5剛度驗算 133.2.6穩(wěn)定性校核 153.3齒輪傳動比計算 163.3.1縱向進給齒輪箱傳動比計算 163.3.2橫向進給齒輪箱傳動比計算 163.4步進電機的選型 173.4.1縱向進給步進電機 173.4.2橫向步進電機 213.4.3計算步進電機空載啟動頻率和工作時的頻率 244數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設置 244.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 244.2選擇CPU的類型 254.374LS138CPU和存儲器 264.4I/O接口電路 264.5軟件環(huán)行分配器 274.6控制系統(tǒng) 274.7其它輔助電路 28參考書目 29致謝 30圖紙簡介 31引言隨著市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，特別是我國加入ＷＴＯ以后，企業(yè)要在當前市場需求多變、競爭激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最低價格、最好的質(zhì)量、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機床已不適應多品種、小批量的生產(chǎn)要求，數(shù)控機床則綜合了數(shù)控技術、微電子技術、自動檢測技術等先進技術，最適宜加工小批量、高精度、形狀復雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要更換零件加工程序，無需對機床作任何調(diào)整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。而且我國存在大批普通機床，利用數(shù)控系統(tǒng)改造機床是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率,提高舊設備利用率，推廣機電一體化技術的重要手段。數(shù)控機床在機械加工行業(yè)中的應用越來越廣泛。數(shù)控機床的發(fā)展，一方面是全功能、高性能;另一方面是簡單實用的經(jīng)濟型數(shù)控機床，具有自動加工的基本功能，操作維修方便。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為驅(qū)動元件，無檢測反饋機構，系統(tǒng)的定位精度一般可達±001至002ｍｍ，已能滿足普通零件的精度要求。普通車床經(jīng)過多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大，主要傳動零件幾經(jīng)更換和調(diào)整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達到大修驗收標準，而且費用較高。因此合理選擇數(shù)控系統(tǒng)是改造得以成功的主要環(huán)節(jié)。數(shù)控機床的改造目的是要求機床穩(wěn)定可靠，以盡可能低的故障率運轉(zhuǎn)。普通車床應用微機控制系統(tǒng)進行改造，可以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，減輕操作者的勞動強度。1概述1.1畢業(yè)設計的目的通過畢業(yè)設計，學習系統(tǒng)地綜合運用知識和技能解決實際工程問題的本領，鞏固和加深對所學知識的理解，并且在設計過程中擴大和補充了知識面，使對知識的認識提高到一個新的水平。通過畢業(yè)設計，培養(yǎng)調(diào)查研究的習慣和能力，練習查閱資料，合理選擇計算標準，建立正確的設計和科研思想，加強科學性，牢固樹立實事求是和嚴肅認真的工作態(tài)度。1.2設計任務將一臺普通C620車床改造為經(jīng)濟型數(shù)控機床，利用微機對縱、橫進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，驅(qū)動元件采用直流步進電機，傳動機構采用滾珠絲杠，設計控制電路圖。1.3設計的必要性隨著社會生產(chǎn)和科學技術的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加快，因此，對機床的要求不僅要具有較高的精度和生產(chǎn)率，而且還要能適應產(chǎn)品零件的變換。生產(chǎn)的需要促使了數(shù)控機床的發(fā)展。從第一臺數(shù)控機床問世至今，世界上主要的工業(yè)化國家的數(shù)控機床已進入批量生產(chǎn)。隨著我國加入WTO，我國數(shù)控技術的普及和發(fā)展顯得更加迫切和需要。這種情況下，普通機床的數(shù)控改造十分必要，可以從以下幾點說明：1.3.1數(shù)控改造目的數(shù)控改造一般指對不同機床某些部位做一定的改造，配上數(shù)控裝置，從而使機床具有數(shù)控加工能力。其改造的目的有以下幾點：(1)從提高資本效率出發(fā)，改造閑置舊設備，發(fā)揮機床的原有功能和改造后的新增功能，提高機床的使用價值；(2)為提高生產(chǎn)效率；(3)為適應多品種，小批量零件的生產(chǎn)；(4)有廣泛的適應性和較大的靈活性；(5)為減小整個設備投資計劃。1.3.2數(shù)控改造的優(yōu)點(1)穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量；(2)減少輔助加工時間，提高機床生產(chǎn)效率；(3)降低工人技術等級的要求；(4)可充分利用原有機床設備，費用低；(5)數(shù)控改造周期短，可滿足生產(chǎn)急需。2總體方案設計2.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇選用連續(xù)控制系統(tǒng)。由于本機加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構，降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的，輸入裝置把信號輸給數(shù)控裝置，經(jīng)數(shù)控裝置運算后分配出指令脈沖，通過步進電機驅(qū)動工作臺移動。由于該系統(tǒng)無位置和速度檢測裝置，因此，它的精度主要由步進電機的步距角和與之相連的絲杠等傳動機構的傳動精度決定。2.2計算機系統(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,成本低，可靠性好，功能強，速度快，運用靈活，抗干擾能力強，適應溫度范圍寬，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，RAM、ROM、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，采用數(shù)碼管顯示器顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。2.3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)齒輪減速后，再帶動絲杠，為了保證一定的傳動精度和傳動平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結(jié)構。齒輪傳動也要消除齒側(cè)間隙。2.3.1縱向滾珠絲杠縱向滾珠絲杠的步進電機可布置在機床的任意一端。拆除原機床縱向進給部分的進給箱，溜板箱，滑動絲杠，光杠，利用原機床進給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。這里選用W1L4506型外循環(huán)插管式滾珠螺母副。滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置上，在絲杠的左端采用一對深溝球軸承和一對推力球軸承，在絲桿的右端采用一個深溝球軸承和一個推力球軸承。支承短軸與滾珠絲杠的右端通過聯(lián)軸套和減速器的輸出軸聯(lián)結(jié)起來。在絲杠托架上布置一個軸套式滑動軸承作為徑向支承，減速箱固定在絲杠托架上。絲杠中間支承為滾珠螺母，其與床鞍直接聯(lián)結(jié)。這種改造能減少改造工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而使縱向進給總體剛度增加。2.3.2橫向滾珠絲杠橫向進給部分也采用滾珠絲杠代替原來的滑動絲杠，橫向齒輪減速箱和步進電機一般都安裝在床鞍的右端，滾珠絲杠須用蓋板保護，并拆除原來的方刀架，換為自動回轉(zhuǎn)刀架，由計算機控制，根據(jù)程序自動轉(zhuǎn)位、夾緊。電機經(jīng)兩對齒輪減速后傳動滾珠絲杠螺母副，這里選用W1L2505型外循環(huán)插管式滾珠螺母副，滾珠絲杠左端支承采用一對深溝球軸承，右端采用一對深溝球軸承和一對推力球軸承。裝配時應注意使齒輪箱體中的絲杠中心與床尾軸承座中心線安裝基面尺寸一致，以保證水平面內(nèi)絲杠與導軌平行。齒輪箱體在床身上安裝螺釘?shù)奈恢门c床尾軸承座螺釘在床身上的安裝位置也須根據(jù)床身的具體情況確定，以保證在垂直面內(nèi)絲杠與導軌平行。為保證滾珠絲杠傳動平穩(wěn)、輕快，必須使?jié)L珠絲杠螺母座與絲杠兩端支承同軸，裝配時可以修磨墊片來保證螺母座在水平面內(nèi)與兩端支承同軸。垂直面內(nèi)的同軸度靠螺釘?shù)倪^孔來調(diào)整，調(diào)好后，打入銷釘。2.3.3總體方案如圖2-1：圖2-1總體方案框圖3進給伺服系統(tǒng)設計將一臺C620普通車床改造為經(jīng)濟型數(shù)控車床，采用MCS-51系列單片機作為控制系統(tǒng)，步進電機開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補功能，具有升降速控制功能。其主要設計參數(shù)如下最大加工直徑：在床面上400mm在床鞍上210mm加工最大長度：1000mm溜板及刀架重力：縱向:1000N橫向:600N刀架快進速度：縱向：2.4m/min橫向：1.2m/min最大進給速度：縱向：0.6m/min橫向：0.3m/min主電機功率：7.5kw起動加速時間：30ms機床定位精度：±0.015mm此機床進給伺服系統(tǒng)運動及動力計算如下：1）脈沖當量選取縱向：0.01mm/脈沖橫向：0.005mm/脈沖2）切削力的計算由于改造的是通用車床，所以切削力選擇的范圍如下(1)縱車外圓：主切削力Fz(N)按經(jīng)驗公式估算：Fz=0.67Dmax=0.67×4001.5=5360NDmax—車床床身上加工最大直徑按切削力各力比例Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4Fx=5360×0.25=1340NFy=5360×0.4=2144N(2)橫向端面：主切削力Fz(N)可取縱切的1/2Fz=1/2Fz=2680N此時走刀抗力Fy(N)，吃刀抗力為Fx(N)。仍按上述比例粗略計算：Fy=2680×0.25=670NFx=2680×0.4=1072N(3)滾珠絲杠螺母副的設計、計算和選型滾珠循環(huán)選型：由于是經(jīng)濟性數(shù)控機床，要考慮其性能價格比。因此，選用外循環(huán)插管式滾珠絲杠。3.1縱向進給伺服系統(tǒng)3.1.1計算進給牽引力Fm(N)作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力Fx以及溜板、刀架和切削分力作用在導軌上的摩擦力。C620車床的兩條縱向?qū)к?，屬于綜合型導軌，因此，計算公式可確定如下：縱向：F=K×Fx+f(Fz+G) =1.5×1340+0.16×(5360+1000)=2558.6NK—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌K取1.5；f—滑動導軌摩擦系數(shù)，0.15~0.18，取0.16；G—溜板及刀架的重力，縱向G=1000N。3.1.2計算最大動載荷C選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定的軸負荷作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)10000轉(zhuǎn)后，再它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即為該絲杠所承受的最大動負載CL—壽命以106轉(zhuǎn)為1單位；n—滾珠絲杠轉(zhuǎn)速；L0—滾珠絲杠導程，L0取6mm；T—為使用壽命，T=15000h；Fω—運轉(zhuǎn)系數(shù)，F(xiàn)ω=1.2；Vs—最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的1/2～1/3,此處取Vs=0.6mm/s。所以查表得出滾珠絲杠螺母副W1L4506型外循環(huán)螺紋的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動載荷為17100N,精度等級取3級。3.1.3滾珠絲杠螺母副的傳動效率計算r—絲杠螺旋升角，W1L4506型=；—摩擦角，滾珠絲杠副其摩擦角約為。3.1.4剛度驗算縱向進給滾珠絲杠支承方式如圖3-1所示：圖3-1縱向進給滾珠絲杠支承方式最大牽引力為2558.6N，支承間距=1500mm，絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向力的1/3,為852.87N。(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1（mm）L=1500mmFm=2558.6N，D0=40mm由表查得：δL/L0=1.25×10-5δ=δ0/L0×L=1.25×10-5×1500=1.875×10-2mm由于采用推力球軸承，且絲杠又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可提高4倍，其實際變形量δ1（mm）δ1=1/4δ=1/4×1.875×10-2=0.45×10-2mm(2)滾球與螺紋滾道間的接觸變形δ2（mm）此項在總變形中也占有較大的比重，查表知1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量δQ，δQ=6.4μm,因進行了預緊，其變形量可減少一半，δ2=1/2δQ=1/2×6.4=3.2μm(3)支承滾球絲杠的軸承的軸向接觸變形δ3（mm）采用51207型推力球軸承，滾動體直徑do=6.35mm，滾動體數(shù)量Z=18，d=35mm因施加了預緊力，故δ3=1/2δc=1/2×0.0076=0.0038mm根據(jù)以上計算δ=δ1+δ2+δ3=0.0045+0.0032+0.0038=0.0115mmδ<定位精度滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的導程變化，一般占的比重較小，可忽略不計，螺母及軸承支座的變形常為滾珠絲杠螺母副系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，但變形計算較為困難，一般不計算在內(nèi)。3.1.5穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端采用推力球軸承，絲杠沿軸向有852.87N的預緊力，所以不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需做穩(wěn)定性校核。3.2橫向進給伺服系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的設計、計算選型。3.2.1計算進給牽引力橫向?qū)к墳檠辔残危嬎闳缦拢?K×+(+2+)K—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，對燕尾導軌取1.4；G—移動部件的重量（N）；—導軌上的摩擦系數(shù)，對燕尾型貼塑導軌取0.2；—橫向走刀抗力，計算得出為670N；—橫切端面的主切削力，計算得出為2680N；—橫切端面時的吃刀抗力，計算得出為1072N。=K×+(+2+)=1.4×670+0.2×(2680+2×1072+600)=2023N3.2.2計算最大動負載C絲杠導程預選5mm,選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定的軸向負荷作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)10000轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即為該絲杠能承受的最大動負載C：L—壽命以106轉(zhuǎn)為1單位n—滾珠絲杠轉(zhuǎn)速；L0—滾珠絲杠導程，L0取5mm；T—為使用壽命，T=15000h；fω—運轉(zhuǎn)系數(shù)，fω=1.2；v—最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的1/2～1/3，此處取v=0.3mm/s。3.2.3選擇滾動絲杠螺母副查資料可采用L2005型1列2.5圈外循環(huán)滾珠絲杠副，額定動負載為8800N，精度等級選3級。3.2.4傳動效率計算—螺旋升角；—摩擦角，滾珠絲杠副的摩擦角約為。3.2.5剛度驗算橫向進給絲杠支承方式如圖3-2最大牽引力為2023N，支承間距=450mm。絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。圖3-2橫向進給絲杠支承方式(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1（mm）查表可得： 當2023N,D0=20mm,δL/L0=4.2×10-5(2)滾珠與螺紋滾道間的接觸變形δ2（mm）查表得δQ=8.5μm因為進行了預緊δ2=1/2δQ=0.5×8.5=4.25μm(3)支承滾珠絲杠的軸承軸向接觸變形δ3（mm）采用51202推力球軸承，do=4.763mm，z=12，d=15mm考慮進行了預緊，故綜合以上幾項變形量之和：=0.0279mm顯然，此變形量已大于定位精度要求，應該采取相應的措施修改設計。因橫向溜板箱空間限制，不宜再加大滾珠絲杠直徑故采用貼塑導軌減小摩擦力，從而減小最大牽引力。重新計算如下：=K×+(+2+)=1.4×670+0.04×(2680+2×1072+600)=1155N當=1155N時，查表知δL/L0=2.4×10-5查表知：δQ=5.4μmδ2=1/2δQ=0.5×5.4=2.7μm橫向進給定位精度應為縱向進給定位精度的1/2，應為±0.0075mm，選用該絲杠其變形量不能滿足要求，將滾珠絲杠再經(jīng)過預拉伸，剛度還可提高4倍仍不滿足，可將滾珠絲杠直徑加大到25mm，即選用L2505型1列2.5圈外循環(huán)滾珠絲杠副，額定動負載為9700N，精度等級選3級。3.2.6穩(wěn)定性校核計算臨界負載Fk(N)L—絲杠兩支承端距離（cm）；E—材料的彈性模量（），鋼E=20.6I—截面慣性矩(cm4)，絲杠，（d1為絲杠內(nèi)徑）；fz—絲杠支撐方式系數(shù)，一端固定，一端簡支，fz=2.00。一般[]=2.5~4所以此滾珠絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)?？v向及橫向滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)如表3-3所示

表3-3縱向及橫向滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名稱符號W1L4506型W1L2505型螺紋滾道公稱直徑d04525.0螺距L065接觸角β鋼珠直徑dq3.9693.175滾道法面半徑R2.0641.651偏心距E0.0030.004螺紋升角R螺桿螺桿外徑D44.224.37螺桿內(nèi)徑d140.87821706螺桿接觸直徑dz41.03521.831螺母螺母螺紋直徑D49.12228.294螺母內(nèi)徑D145.79425.6353.3齒輪傳動比計算3.3.1縱向進給齒輪箱傳動比計算脈沖當量δP=0.01，絲杠導程L0=6mm初選步進電機的步距角為θb=/脈沖，可計算傳動比i：可選齒輪齒數(shù)為，或，因為進給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大，所以模數(shù)取m=2,齒寬取20mm。3.3.2橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定橫向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程。注意，初選步進電機的步距角為0.75°，可計算傳動比i：考慮到結(jié)構上的原因，齒輪直徑不應太大，以免影響到橫向溜板的有效行程。故此，可采用兩級齒輪降速。 因為進給齒輪受力不大，模數(shù)m取2，齒寬取20mm。有關參數(shù)如表3-4所示：表3-4傳動齒輪幾何參數(shù)齒輪齒數(shù)Z324024402025分度圓D=mZ648048804050齒頂圓D0=D+2m688452844454齒根圓Df=d-2×1.25m597543753545齒寬(6—10)m202020202020中心距A=(d1+d2)/27264453.4步進電機的選型3.4.1縱向進給步進電機1)初選步進電機(1)計算步進電機的負載轉(zhuǎn)矩Tm脈沖當量為0.01mm；Fm—進給牽引力；θb—步距角，初選；η—電機至絲杠的傳動效率，為齒輪軸承絲杠效率之積，分別為0.98、0.99、0.99和0.94(2)估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩(3)計算最大靜轉(zhuǎn)矩查表取五相10拍，則(4)計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率─運動部件最大快速移動速度；─最大切削進給速度；─脈沖當量取0.01mm/脈沖。(5)初選步進電機型號根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩在圖中查出，130BF001最大靜轉(zhuǎn)矩為931N·cm>，可以滿足要求?？紤]到此經(jīng)濟型數(shù)控車床有可能使用較大的切削用量，應該選稍大轉(zhuǎn)矩的步進電機，以留有一定的余量。另一方面，與國內(nèi)同類型機床進行類比，決定采用150BF002步進電機。但從圖中看出，150BF002步進電機最高起動頻率為2800Hz，不能滿足(4000Hz)的要求，此項指標可暫不考慮，可以采用軟件升降程序來解決。2)校核步進電機轉(zhuǎn)矩(1)等效轉(zhuǎn)動慣量計算計算簡圖見圖3-1，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：=JM+J1+(Z1/Z2)2［(J2+Js)+G/g(L0/2π)2］JM—步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量()；J1，J2—齒輪Z1、Z2的轉(zhuǎn)動慣量()；Js—滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量()。參考同類型機床初選反應式步進電機150BF002，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM=10J1=0.78×10-3×·l1=0.78×10-3×6.44×2=2.62J2=0.78×10-3×·l2=0.78×10-3×84×2=6.39Js=0.78×10-3×44×150=29.952G=1000N代入上式：=JM+J1+(Z1/Z2)2［(J2+Js)+G/g(L0/2π)2］=10+2.62+(32/40)2×［(6.39+29.952)+1000/9.8×()］=36.475考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題：JM/J∑=10/36.475=0.274基本滿足慣量匹配要求。(2)電機力矩的計算a快速空載起動時所需力矩M起M起=Mamax+Mf+M0Mamax—空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩()；Mf—折算到電機軸上的摩擦力矩()；M0—折算到電機軸上的附加摩擦力矩。—電機最大角加速度（rad/s2）；—電機最大轉(zhuǎn)速(r/min)；—運動部件最大快進速度（mm/min）；δP—脈沖當量（mm/步）；θb—步進電機的步距角（°）；t0—運動部件從停止起動加速到最大快進速度所需時間（s）代入上式得折算到電機軸上的摩擦力矩：F0—導軌的摩擦力(N)；F—垂直方向的切削力(N)；G—運動部件的總重量(N)；—導軌摩擦系數(shù)； i—齒輪降速比，按i=計算；η—傳動鏈總效率，一般取0.75~0.85。折算到電機軸上的附加摩擦力矩M0：—滾珠絲杠預加負荷，一般取1/3F； —傳動總效率；一般可取=0.7~0.85，此處取0.8；—滾珠絲杠的傳動效率，一般取0.9，此處取0.9。以上三項合計：b快速移動時所需力矩：c最大切削負載時所需力矩M切由上面的計算可以看出：M起，M快和M切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以作為初選步進電機的依據(jù)。由資料查得當步進電機為五相十拍時λ=Mq/Mjmax=0.951最大靜力矩Mjmax=749/0.951=787.6由資料知150BF002型步進電機的最大靜力矩為13.72大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號。150BF002運行矩頻特性性150BF002運行矩頻特性性f(Hz)M()100005000490.3980.71225.888.88f(Hz)M()20001000196.1392.3588.1150BF002起動矩頻性特性圖3-5150BF002型步進電機矩頻特性從圖3-5中看出150BF002型步進電機允許的最高空載起動頻率為2800Hz運行頻率為8000Hz，有圖3-5知當步進電機起動時f起=2500Hz時，M=100，遠不能滿足此機床所需要的空載起動力矩（749）。直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實現(xiàn)），將起動頻率降到1000Hz時，起動力矩可增加到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可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型步進電機完全可以滿足要求。3.4.2橫向步進電機1)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算計算簡圖見圖3-2傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動可由下式計算：JM—步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量；Js—滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量；J4—齒輪Z4的轉(zhuǎn)動慣量；J1、J2、J3、—齒輪Z1、Z2、Z3的及其軸的轉(zhuǎn)動慣量。參考同類型機床，初選步進電機130BF001，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM=4.7=8.4156考慮步進電機與傳動慣量匹配問題JM/J∑=4.7/8.4156=0.56，基本滿足慣量匹配要求。2)電機力矩計算(1)快速起動空載力矩M起M起Mamax—空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩()；Mf—折算到電機軸上的摩擦力矩()；M0—絲杠折算到電機軸上的附加摩擦力矩()。ε—電機最大角加速度（rad/s2）；—電機最大轉(zhuǎn)速(r/min)；—運動部件最大快進速度（mm/min）；δP—脈沖當量（mm/步）；θb—步進電機的步距角（°）；t0—起動加速到最大快進速度所需時間30μs。代入上式得折算到電機軸上的摩擦力矩F=(+G)F0—導軌的摩擦力(N)；—垂直方向的切削力(N)；G—運動部件的總重量(N)；—導軌摩擦系數(shù)；i—齒輪降速比，按。附加摩擦力矩(2)快速移動時所需力矩M快(3)最大切削負載時所需力矩M切M切從上面計算可以看出：M起、M快和M切中以空載起動所需力矩最大，以此作為初選步進電機的依據(jù)。從表查出，當步進電機為五相十拍時，最大靜力矩：按此最大靜力矩，從圖3-6中查出，130BF001型最大轉(zhuǎn)矩為9.31，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號。3.4.3計算步進電機空載啟動頻率和工作時的頻率─運動部件最大快速進給速度；─最大切削進給速度；─脈沖當量。從圖3-6查出，130BF001型步進電機允許的最高空載起動頻率為3000Hz，不能滿足(4000Hz)的要求。此時空載起動轉(zhuǎn)矩不滿足此機床所需要求的空載起動轉(zhuǎn)矩，會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），將起動頻率降到1000Hz時，起動轉(zhuǎn)矩可增加到400，然后電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可將步進電機輸出轉(zhuǎn)矩擴大一倍左右。2400240020001000392.33784.5f(Hz))M()130BF001型起動矩頻特性196.1588.1M()f(KHz))24490.3980.7130BF001型運行矩頻特性xingxing性xing性688圖3-6130BF001型步進電機矩頻特性當快速運動和切削進給時，130BF001步進電機完全可以滿足要求。4數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設置4.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的，硬件是組成系統(tǒng)的基礎。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標。它有以下五個部分組成：(1)主控制器，即中央處理單元；(2)總線，包括數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線；(3)存儲器，包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器；(4)接口，即I/O接口電路；(5)外圍設備，如鍵盤，顯示器及光電輸入器等。其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進行數(shù)據(jù)運算處理和協(xié)調(diào)控制各部分電路工作。存儲器用于存放系統(tǒng)軟件，應用程序和運行中所需的各種數(shù)據(jù)。I/O接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁。總線則是CPU與存儲器，I/O接口及其它轉(zhuǎn)換電路的聯(lián)接紐帶，是CPU與部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。4.2選擇CPU的類型在微機應用系統(tǒng)中，CPU的選擇應考慮以下因素：(1)時鐘頻率和字長，該指標將控制數(shù)據(jù)處理的速度；(2)可擴展存儲器的容量；(3)指令系統(tǒng)功能；(4)I/O擴展指令能力，即對外設控制的能力；(5)開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。此外，還要考慮到系統(tǒng)的應用場合，控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟性的要求?；诖耍捎?031單片機，它具有以下特點：(1)具有功能強的8位CPU；(2)片內(nèi)有時鐘發(fā)生器，每執(zhí)行一條指令的時間為2微秒或1微秒；(3)片內(nèi)有128字節(jié)RAM；(4)具有21個特殊功能寄存器；(5)可擴展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的程序存儲器；(6)具有4個I/O接口，32根I/O線；(7)具有2個16位T/C；(8)具有5個中斷源，配備2個終端優(yōu)先級；(9)具有1個全功能串行接口；(10)具有位尋址功能，使用邏輯計算。從上述特性可知，8031芯片集成度高，功能強，適用與擴展ROM、現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應用場合。它價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。4.374LS138CPU和存儲器CPU采用8031芯片，由于8031芯片內(nèi)無程序存儲器，需要有外部程序存儲器的支持。同時，8031內(nèi)部只有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，也遠不能滿足控制系統(tǒng)的要求，故擴展了16KB程序存儲器，由兩片2764組成，又擴展了一片6264數(shù)據(jù)存儲器。8031芯片的和用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù)，口傳送高8位地址，口傳送低8位地址和數(shù)據(jù)，故采用74LS373地址鎖存器，鎖存低8位地址，ALE作為其選通信號，當ALE為高電平，鎖存器的輸出和輸入透明，即輸入的低8位存儲器地址在輸出端出現(xiàn)，此時不需鎖存。當ALE從高電平變低電平，出現(xiàn)下降沿時，低8位地址鎖存入地址鎖存器中，74LS373的輸出不再隨輸入變化，這樣口就可以用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。8031芯片的口和74LS373送出的口共組成16位地址，2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址線。~低8位接74LS373芯片的輸出，~接芯片的~。系統(tǒng)采用全地址譯碼，2片2764芯片片選信號分別接74LS138譯碼器的和,系統(tǒng)復位后程序從0000H開始執(zhí)行。6264芯片的片選信號接74LS138的。8031芯片的引腳接2764的，以實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲器的讀寫。由于8031芯片內(nèi)部無ROM，故始終要選外部程序存儲器，故其必須接地。4.4I/O接口電路由于8031只有口和口部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入、輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴展輸入、輸出接口電路。系統(tǒng)擴展了2片8155可編程I/O接口芯片。74LS