c6132普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

1、<p>　　C6132普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機(jī)床數(shù)控化改造的研究是提高我國(guó)技術(shù)裝備水平的重要項(xiàng)目，在我國(guó)目前擁有大量超期服役和技術(shù)陳舊的機(jī)床急待更新的情況下，由于數(shù)控機(jī)床的加工能力和資金受限，對(duì)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造是一條節(jié)約資金、快速有效的途徑。 </p><p>　　本

2、文對(duì)C6132普通車床數(shù)控化改造進(jìn)行了深入研究，包括對(duì)機(jī)床改造進(jìn)行可行性分析、對(duì)機(jī)床關(guān)鍵部件參數(shù)的計(jì)算、對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、對(duì)機(jī)床改造方案優(yōu)化選擇、選擇合適的機(jī)床伺服系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及在改造中應(yīng)注意的事項(xiàng)等進(jìn)行了詳細(xì)的論述。結(jié)果表明:經(jīng)改造后的機(jī)床已達(dá)到預(yù)期的功能和精度，完全能實(shí)現(xiàn)加工外圓、錐度、螺紋、端面等的自動(dòng)控制，提高了原機(jī)床的生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。 </p><p>　　關(guān)鍵詞:普通車床，數(shù)控改造，

3、步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，MCS-51</p><p>　　C6132 NC lathe design of ordinary</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Study on machine tool numerical control transformation of important proj

4、ect is</p><p>　　to improve the level of technical equipment in China, with large extended</p><p>　　serviceand technology in China urgently needs to be updated of the old machine tool case, becau

5、se the NC machine tool processing capacity and funding is limited, of machine tool numerical control transformation is a saves money, fasted effective way.</p><p>　　C6132 lathe NC system to rebuild this arti

6、cle to be an in-depth study, including machine tools retrofitting feasibility analysis, calculation of parameters of the key parts of machine tool design, machine tool, machine tool structure rebuilding scheme optimal se

7、lection, choose a suitable machine tools servo system and computer system, and matters for attention in the reform are discussed in detail. Results: after the transformation has reached the expected functionality and acc

8、uracy of machine t</p><p>　　KEY WORDS：Lathe, numerical control transformation, stepping motors, CNC system, MCS-51</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　前　言</b><

9、;/p><p>　　數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床 </p><p>　　數(shù)控技術(shù)，簡(jiǎn)稱數(shù)控(Numerical Corltrol——NC)，是利用數(shù)字化信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，因此，也可以稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控(Computer Numerical Control——CNC)。 </p><p>　　采用了數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機(jī)床，或

10、者說(shuō)裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)控機(jī)床。它是一種綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、精密測(cè)量技術(shù)和機(jī)床設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品，是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它很好地解決了形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高及小批量零件的加工問(wèn)題且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅度提高生產(chǎn)效率。機(jī)床控制也是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用最早、最廣泛的領(lǐng)域，因此，數(shù)控機(jī)床的水平代表了當(dāng)前數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和方向。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床能夠自動(dòng)換刀、自動(dòng)變更切削參數(shù)，完成

11、平面、回旋面、平面曲線的加工，加工精度和生產(chǎn)效率都比較高，因而應(yīng)用日益廣泛。 </p><p>　　機(jī)床數(shù)控化改造的意義 </p><p>　　目前各企業(yè)都有大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床來(lái)替換根本不現(xiàn)實(shí)，而且替換下來(lái)的舊機(jī)床閑置起來(lái)又會(huì)造成浪費(fèi)，要解決這些問(wèn)題，應(yīng)走普通機(jī)床的數(shù)控化改造之路。從美國(guó)、日本等國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程看，機(jī)床的數(shù)控化改造也必不可少，數(shù)控改造機(jī)床占有較大比例。因此，普

12、通機(jī)床的數(shù)控化改造不但有存在的必要，而且大有可為，尤其對(duì)一些中小型企業(yè)更是如此。 </p><p>　　利用現(xiàn)有閑置的舊機(jī)床，通過(guò)數(shù)控化改造，使其成為一臺(tái)高效、多功能的數(shù)控機(jī)床，投資少、見(jiàn)效快，是一種盤活存量資產(chǎn)的有效方法，也是低成本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的有效方法，也是在短期內(nèi)提高我國(guó)機(jī)床的數(shù)控化率的一條有效途徑。 </p><p>　　另外對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造有許多積極的意義: </p&

13、gt;<p>　　1）節(jié)省資金。機(jī)床的數(shù)控改造同購(gòu)置新機(jī)床相比一般可節(jié)省60%左右的費(fèi)用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。。 </p><p>　　2）性能穩(wěn)定可靠。因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期時(shí)效，幾乎不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。 </p><p>　　3）提高生產(chǎn)效率。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化,效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3至5倍。。 </p><p>　

14、　4）可實(shí)現(xiàn)多工序的集中,提高了相關(guān)的加工精度,同時(shí)減少了零件在機(jī)床間的頻繁運(yùn)轉(zhuǎn)。 </p><p>　　5）可縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期,對(duì)市場(chǎng)需求做出快速反應(yīng)。</p><p>　　6）擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自檢功能，更好的調(diào)節(jié)了機(jī)床的加工狀態(tài)。</p><p>　　本文所研究的主要內(nèi)容 </p><p>　　1）根據(jù)數(shù)

15、控化改造后車床所具備的功能，制訂了車床總體改造方案 </p><p>　　2）為使改造后的車床主軸能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)變速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及停止等功能，本次改造采用了變頻器驅(qū)動(dòng)主電機(jī)的方式，本文對(duì)主軸變頻器的選用做了相應(yīng)的說(shuō)明；</p><p>　　3）為使改造后的車床能夠加工螺紋，改造時(shí)，拆除原來(lái)的掛輪架部分，在機(jī)床Ⅹ軸伸出端安裝主軸脈沖編碼器，本文對(duì)脈沖編碼器的安裝方法作了簡(jiǎn)要論述； </

16、p><p>　　4）在電氣改造方面，設(shè)計(jì)了車床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路圖，橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型也作了詳細(xì)闡述；</p><p>　　5）在機(jī)械改造方面，對(duì)縱橫向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)，特別是滾珠絲杠螺母副作了詳細(xì)設(shè)計(jì)研究，并對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架的安裝和選用作了介紹；</p><p>　　6）在軟件設(shè)計(jì)方面，對(duì)MCS-51單片機(jī)做了簡(jiǎn)要的介紹</p><p>　　車

17、床總體改造方案設(shè)計(jì)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù) </b></p><p>　　在現(xiàn)有C6132車床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造，主傳動(dòng)系統(tǒng)保留。橫向脈沖當(dāng)量：0.005mm/step、定位精度：±0.01mm、快移：3000mm/min 。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)參數(shù)如下： </b&

18、gt;</p><p>　　最大加工直徑： 在床身上 320mm 在刀架上 175mm </p><p>　　最大加工長(zhǎng)度： 750mm </p><p>　　快進(jìn)速度： 橫向3000mm/min </p><p>　　最大切削進(jìn)給速度： 橫向 0.25m/min </p><p><b>　　溜板及刀架

19、重力： </b></p><p><b>　　橫向 500N </b></p><p>　　脈沖分配方式 逐點(diǎn)比較法 </p><p>　　空載啟動(dòng)時(shí)間 25ms </p><p>　　輸入方式 增量值、絕對(duì)值通用 </p><p>　　最小指令值： 橫向 0.005mm/脈沖 <

20、;/p><p>　　定位精度 ±0.01mm?</p><p><b>　　有自動(dòng)升降速性能 </b></p><p>　　1.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 </p><p>　　1.1.1 主軸無(wú)級(jí)變速的實(shí)現(xiàn) </p><p>　　C6132車床的主軸變速為手動(dòng)、有級(jí)變速?？紤]到數(shù)控車床在自動(dòng)加工

21、的過(guò)程中負(fù)載切削力隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化，為了保證工件表面加工質(zhì)量的一致性、提高工件加工質(zhì)量，主軸要能實(shí)現(xiàn)恒切削速度切削。這就要求主軸能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。目前實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速主要有兩種方式，其一是采用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式，同時(shí)保留原有的主傳動(dòng)系統(tǒng)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣既保留了車床的原有功能，又減少了改造量；其二是用雙速或者是四速電動(dòng)機(jī)替代原有車床的主電動(dòng)機(jī)。由于多速電機(jī)的功率是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，所以要選擇功率較大一些的電動(dòng)機(jī)，隨之電動(dòng)機(jī)的尺寸也變大

22、了，機(jī)床改造相對(duì)較麻煩，另外在這種改造方式下，主傳動(dòng)系統(tǒng)也要拆除并進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，這樣可以得到加工精度和穩(wěn)定性更高的車床，但是加大了改造成本。 </p><p>　　考慮到改造的成本，我決定采用第一種方式，這樣可以利用原車床的三相異步電動(dòng)機(jī)。即由數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器，變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)主軸無(wú)級(jí)變速。 </p><p>　　交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率，電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)nfp以及轉(zhuǎn)差率之間

23、的關(guān)系式為：</p><p>　　對(duì)于C6132，電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)差率是定值，因此利用變頻器改變電源頻率fn即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　目前，無(wú)反饋矢量控制方式的變頻器已經(jīng)能夠做到在0．5Hz時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。所以，完全可以滿足主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的要求。而且無(wú)反饋矢量控制方式能夠克服U／f控制方式的缺點(diǎn)，因此可以說(shuō)，是一種最佳選擇。 </p><p>　　數(shù)控車

24、床連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻器容量(kVA)計(jì)算式如下：</p><p>　　式中 PM——負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率； </p><p>　　η——電動(dòng)機(jī)的效率(通常約O．85)； </p><p>　　cosφ——電動(dòng)機(jī)的功率因素(通常約O．75) </p><p>　　MU——電動(dòng)機(jī)的電壓，380V； </p><p&

25、gt;　　MI——電動(dòng)機(jī)工頻電源時(shí)的電流，為15．4A； </p><p>　　k——電流波形的修正系數(shù)(PWM方式時(shí)取1．05-1．10)； </p><p>　　PCN——變頻器的額定容量，kVA； </p><p>　　ICN——變頻器的額定電流，A；</p><p><b>　　由以上公式可得：</b></

26、p><p>　　選擇變頻器時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足以上三個(gè)等式的關(guān)系。綜合以上分析計(jì)算，確定選用三菱FR-A540系列變頻器，具體型號(hào)為FR-A540-7．5K-CH。</p><p>　　1.2 橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 </p><p>　　1.2.1 橫向傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 </p><p>　　如圖2-8所示是橫向傳動(dòng)系統(tǒng)的改造布置圖，步進(jìn)電機(jī)和減速箱安裝

27、在遠(yuǎn)離操作者的床鞍一端，拆除床鞍上原來(lái)的手動(dòng)操作裝置，在原來(lái)支承絲杠的軸承位置，安裝角接觸球軸承進(jìn)行支撐，同縱向一樣，滾珠絲杠一端直接充當(dāng)減速器的輸出軸，滾珠絲杠兩端同樣有兩對(duì)鎖緊螺母對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，滾珠絲杠螺母副采用雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙。螺母座和中拖板的連接可以利用原來(lái)的螺釘孔進(jìn)行連接。</p><p>　　圖 2-8 橫向傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　車床進(jìn)

28、行橫向進(jìn)給時(shí)，由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速箱將動(dòng)力傳遞給滾珠絲杠，再由滾珠絲杠帶動(dòng)螺母座，再通過(guò)螺母座帶動(dòng)中拖板做橫向運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠螺母副繼續(xù)采用雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙。 </p><p>　　1.2.2 齒輪傳動(dòng)間隙的消除 </p><p>　　數(shù)控車床在加工過(guò)程中，會(huì)經(jīng)常變換移動(dòng)方向。當(dāng)進(jìn)給方向改變時(shí)，如果齒側(cè)存在間隙會(huì)造成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)滯后于指令信號(hào)，丟失指令脈沖并產(chǎn)生反向死區(qū)，影

29、響傳動(dòng)精度和系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，必須消除齒側(cè)間隙。通常齒側(cè)間隙的消除主要有剛性調(diào)整法和柔性調(diào)整法。剛性調(diào)整法雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但側(cè)隙調(diào)整后不能自動(dòng)補(bǔ)償，柔性調(diào)整法是調(diào)整后齒側(cè)間隙仍可自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整法。因此決定采用柔性調(diào)整法中的雙片齒輪錯(cuò)齒消隙法和周向彈簧調(diào)整法。 </p><p>　　1）雙片齒輪錯(cuò)齒消隙法 圖2-9是雙片齒輪錯(cuò)齒式消除間隙結(jié)構(gòu)。兩個(gè)相同齒數(shù)的薄齒輪1和2與另一個(gè)厚齒輪(圖中未畫(huà)出)嚙合。齒輪l空套在齒輪

30、2上并可作相對(duì)回轉(zhuǎn)。每個(gè)齒輪的端面均勻分布著四個(gè)螺孔，分別裝上凸耳3和8。齒輪1的端</p><p>　　1、2—薄齒輪 3、8—凸耳 4—彈簧 5、6—螺母 7—調(diào)節(jié)螺釘 </p><p>　　圖 2-9 雙圓柱薄片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu) </p><p>　　面還有另外四個(gè)通孔，凸耳8可以在其中穿過(guò)。彈簧4的兩端分別鉤在凸耳3和調(diào)節(jié)螺釘7上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)螺母5就可以調(diào)節(jié)彈

31、簧4的拉力，調(diào)節(jié)完畢用螺母6鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪1和2錯(cuò)位，即兩個(gè)薄齒輪的左、右齒面分別緊貼在厚齒輪齒槽的左、右齒面上，消除了齒側(cè)間隙。這種方法適合直徑較大，有充分安裝螺釘空間的圓柱齒輪。 </p><p>　　2）周向彈簧調(diào)整法 圖2-10是周向彈簧消隙結(jié)構(gòu)。同樣是兩個(gè)齒數(shù)、模數(shù)相同的兩片薄齒輪2和3。齒輪2空套在齒輪3上可以做相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在齒輪3上開(kāi)有三個(gè)周向圓弧槽，齒輪2上均布著三個(gè)螺紋孔，裝配時(shí)在

32、齒輪3的槽中放置3個(gè)彈簧，</p><p>　　利用齒輪2上安裝的螺釘頂住彈簧，裝配完成后兩片齒輪在彈簧力作用下錯(cuò)齒，從而達(dá)到消除間隙的目的。這種結(jié)構(gòu)適合齒輪直徑偏小，安裝空間較小的情況下。</p><p>　　1.3 刀架部分的改造 </p><p>　　拆除原手動(dòng)刀架和小拖板，安裝由數(shù)控系統(tǒng)控制的四工位電動(dòng)刀架。根據(jù)車床的型號(hào)及主軸中心高度，選用常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)

33、控設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4-C6132型電動(dòng)刀架，該刀架內(nèi)帶120W三相交流異步電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)正轉(zhuǎn)選刀。內(nèi)置的4只霍爾元件檢測(cè)刀位位置，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)完成刀具定位鎖緊。安裝時(shí)，拆除車床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉電機(jī)風(fēng)罩，逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，使刀架轉(zhuǎn)動(dòng)到?45°左右時(shí)，裝上螺釘，然后固定刀架即可。電機(jī)安裝好如圖2-11所示。 </p><p>　　圖 2-11 電動(dòng)刀架安裝實(shí)物圖 </p>

34、<p>　　LD4-C6132型電動(dòng)刀架技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2-1。電動(dòng)刀架的安裝較為方便，安裝時(shí) </p><p><b>　　須注意以下兩點(diǎn)： </b></p><p>　　1)電動(dòng)刀架的兩側(cè)面與原車床縱、橫向的進(jìn)給方向平行； </p><p>　　2)電動(dòng)刀架與系統(tǒng)的連線在安裝時(shí)應(yīng)合理，以免加工時(shí)切屑、冷卻液及其它雜物磕碰電動(dòng)刀架連線。

35、</p><p>　　根據(jù)以上分析可初步確定車床改造的總體布置方案，如圖2-12所示：</p><p>　　圖 2-12 車床改造總體布置圖</p><p>　　1.4 數(shù)擇控系統(tǒng)的類型及選</p><p>　　1.4.1 數(shù)控系統(tǒng)的分類</p><p>　　目前,數(shù)控系統(tǒng)的品種規(guī)格繁多,功能各異,分類方法不一,通?？?/p>

36、按下面兩種方法進(jìn)行分類。</p><p><b>　　1.按加工路線分類</b></p><p><b>　　1）點(diǎn)位控制系統(tǒng)</b></p><p>　　其特點(diǎn)是，只要求控制機(jī)床移動(dòng)部件從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，至于點(diǎn)與點(diǎn)之間的移動(dòng)軌跡（路徑和方向）并不嚴(yán)格要求。各坐標(biāo)軸之間的運(yùn)動(dòng)是不相關(guān)的，并且在移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行切

37、削。</p><p>　　2）直線切削控制系統(tǒng)</p><p>　　其特點(diǎn)是，除了控制移動(dòng)部件從一點(diǎn)到另一點(diǎn)之間的準(zhǔn)確定位外，還要控制兩相關(guān)點(diǎn)之間的移動(dòng)速度和路線（即軌跡），但其路線只是與機(jī)床坐標(biāo)軸平行的直線。也就是說(shuō)，同時(shí)控制的坐標(biāo)軸只有一個(gè)，且在移動(dòng)過(guò)程中刀具能以給定的進(jìn)給速度進(jìn)行切削，一般只能加工矩形、臺(tái)階形零件。</p><p>　　3）連續(xù)切削控制系統(tǒng)&l

38、t;/p><p>　　也稱為輪廓控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移和速度同時(shí)進(jìn)行連續(xù)相關(guān)控制。在這類控制方式中，要求數(shù)控裝置具有插補(bǔ)運(yùn)算的功能，即根據(jù)程序輸入的基本數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的插補(bǔ)運(yùn)算器的數(shù)學(xué)處理，把直線或曲線的形狀描述出來(lái)，并一邊運(yùn)算，一邊根據(jù)計(jì)算結(jié)果向各坐標(biāo)軸控制器分配脈沖，從而控制各坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)位移量與所要求的輪廓相符合。</p><p>　　2.按伺服系統(tǒng)的

39、類型分類</p><p><b>　　1）開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)床，沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置。指令信號(hào)單方向傳送，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來(lái)，故稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)。這種機(jī)床采用開(kāi)環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)，數(shù)控裝置根據(jù)所給的進(jìn)給速度和進(jìn)給位移，輸出一定的頻率和數(shù)量的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后，每一個(gè)進(jìn)給脈沖控制步進(jìn)電機(jī)

40、旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，再經(jīng)減速齒輪、絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)的一個(gè)當(dāng)量直線位移。</p><p><b>　　2）閉環(huán)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　數(shù)控裝置將位移指令與位置檢測(cè)裝置測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)，隨時(shí)進(jìn)行比較，根據(jù)其差值與指令進(jìn)給速度的要求，按一定的規(guī)律進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，得到進(jìn)給伺服系統(tǒng)的速度指令。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是定位精度高，但由于這類系統(tǒng)采用直流伺服電動(dòng)機(jī)或交

41、流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，所以電動(dòng)機(jī)的控制線路比較復(fù)雜。另外檢測(cè)元件昂貴，調(diào)試和維修比較困難，成本高，所以主要用于精度要求很高的大型或精密數(shù)控機(jī)床。</p><p><b>　　3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　這種機(jī)床是將位置檢測(cè)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)端部，或安裝在傳動(dòng)絲杠端部，間接測(cè)量部件的實(shí)際位置或位移，然后反饋到控制裝置的比較器中，與輸入原指令位移值

42、進(jìn)行比較，用比較后的差值進(jìn)行控制，直到差值消除為止。</p><p>　　2.6.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇</p><p>　　本設(shè)計(jì)中由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓插補(bǔ)、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)。</p><p>　　考慮到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，雖然開(kāi)

43、環(huán)控制系統(tǒng)中，沒(méi)有速度反饋和位移反饋電路，不帶檢測(cè)裝置，指令信號(hào)單向發(fā)送，但開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，容易掌握，調(diào)試和維修都比較簡(jiǎn)單。如果采用螺距誤差補(bǔ)償和徑向間隙補(bǔ)償?shù)却胧?，定位精度可提高?#177;0.01mm，可以滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇</p><p>　　微型機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU、ROM、RAM擴(kuò)展電路、I/O接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等幾

44、部分組成。</p><p>　　由于MCS-51單片微型機(jī)具有各種尋址方式并有硬件乘法和除法指令，具有很強(qiáng)的位尋址和運(yùn)算功能，特別適合于控制應(yīng)用場(chǎng)合，使用MCS-51來(lái)構(gòu)成各種控制系統(tǒng)，可大大簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，降低成本。</p><p><b>　　1）單片機(jī)的選擇</b></p><p>　　MCS-51系列中的8031單片機(jī)片內(nèi)無(wú)ROM，適于需

45、外接ROM、能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場(chǎng)合，價(jià)格低，使用靈活，從實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性考慮，采用8031作為控制系統(tǒng)的單片機(jī)。</p><p><b>　　2）存儲(chǔ)器擴(kuò)展</b></p><p>　?、?8031的片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，必須外接擴(kuò)展電路，具有擴(kuò)展2片2764共16K的程序擴(kuò)展電路。</p><p>　?、?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展&l

46、t;/p><p>　　8031內(nèi)部有128個(gè)字節(jié)RAM存儲(chǔ)器。它可以作為寄存器，堆棧，軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器，CPU對(duì)其內(nèi)部RAM有豐富的操作指令。因此，這個(gè)RAM是十分珍惜的資源。我們應(yīng)合理地充分地應(yīng)用片內(nèi)RAM存儲(chǔ)器，但片內(nèi)RAM存儲(chǔ)器往往是不夠的。外接RAM擴(kuò)展電路可擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量。本設(shè)計(jì)擴(kuò)展一個(gè)6264（8K）的外部RAM。</p><p>　　③ 接口電路，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等</

47、p><p>　　接口電路主要用于控制縱向和橫向步進(jìn)電機(jī)，刀架電機(jī)等。鍵盤有32個(gè)鍵。此外，還有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，光電耦合器電路，報(bào)警電路，8031時(shí)鐘電路，復(fù)位電路等。</p><p>　　由此可得車床伺服系統(tǒng)控制方案，如圖2-13所示。</p><p>　　圖 2-13 車床改造伺服系統(tǒng)控制方案圖</p><p>　　第二章 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

48、計(jì)算 </p><p>　　在現(xiàn)有C6132車床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造，主傳動(dòng)系統(tǒng)保留。橫向脈沖當(dāng)量：0.005mm/step </p><p>　　2.1 橫切端面時(shí)切削力計(jì)算</p><p>　　例如車床的主切削力Fz（N）可用下式計(jì)算</p><p>　　Fz（N）=0.67</p><p>

49、;　　=0.67x320max1.5</p><p>　　=3835.3(N)</p><p><b>　　1.縱切外圓:</b></p><p>　　式中----車床身上加工最大直徑單位為mm橫切端面時(shí)主切削力可取縱切時(shí)Fz的1/2。</p><p>　　求出主切削力Fz以后再按以下比例分別求出分力Fx和Fy</

50、p><p>　　Fz：Fx：Fy = 1:0.25:0.4</p><p>　　式中Fx一一縱向走刀方向的切削分力（N）</p><p>　　Fy一一橫向走刀方向的切削分力（N)</p><p>　　橫切時(shí)的切削力可取縱切時(shí)1/2。 </p><p>　　按切削力各分力比例：</p><p>　　

51、FZ ：Fx ：Fy=1 ：0.25 ：0.4</p><p>　　Fx=0.24X3835.3=938.5</p><p>　　Fy=0.24X3835.3=1534</p><p><b>　　橫切端面:</b></p><p>　　主切削力FZ'（N）可取縱切的1/2</p><p>

52、;　　FZ'=1/2FZ=1917.65(N)</p><p>　　此時(shí)走刀抗力為Fy'（N），吃刀抗力為Fx'，仍按上太述雙例粗略計(jì)算：</p><p>　　FZ' : Fy' : Fx'=1 : 0.25 : 0.4</p><p>　　Fx'=479.4(N)</p><p>　　

53、Fy'=761.7(N)</p><p>　　2.2滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇結(jié)構(gòu)類型：確定滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定之后，再計(jì)算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑以d0（或絲杠外徑d)、導(dǎo)程Lo、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)K。</p><p>　　滾珠循環(huán)方式可為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分

54、為螺旋槽式和插管式?？蓞⒄?qǐng)D1選用。</p><p>　　圖1 滾珠循環(huán)方式</p><p>　　圖1 滾珠循環(huán)方式</p><p>　　滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過(guò)盈滾珠預(yù)緊等。</p><p>　　本設(shè)計(jì)循環(huán)方式采用：外循環(huán)滾珠絲杠，螺旋槽式。</p>

55、<p>　　滾珠絲杠副的計(jì)算步驟如下：</p><p>　?、儆?jì)算進(jìn)給牽引力Fm:</p><p>　　作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的磨擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)．Fm（N）計(jì)算公式如下：</p><p><b>　　矩形導(dǎo)軌：</b></p>

56、<p>　　Fm = KFx + （Fx + Fy + G）</p><p><b>　　燕尾形導(dǎo)軌：</b></p><p>　　Fm = KFx + （Fx + 2Fy + G）</p><p><b>　　三角形或綜合導(dǎo)軌：</b></p><p>　　F = KFx +

57、 （Fx + G）</p><p>　　圓導(dǎo)軌（鉆鏜床主軸）</p><p>　　式中Fx、Fy、Fz----切削分力，（N）</p><p>　　G----移動(dòng)部件的重量，（N），G：溜板及刀架（橫向）重力G'=500(N)</p><p>　　M----主軸上的扭矩 。（N. com）</p><p&g

58、t;　　dz----主軸直徑。</p><p>　　----導(dǎo)軌上的磨擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌型式而不同。</p><p>　　f----軸套和軸架以及主軸的鍵上磨擦系數(shù)。</p><p>　　K----考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)。</p><p>　　在正常情況下，K, f及可取下列數(shù)值：</p><p>　　矩形導(dǎo)軌

59、 K=1. 1 =0.15</p><p>　　燕尾形導(dǎo)軌 K=1.4 =0.2</p><p>　　三角形或綜合導(dǎo)軌 K=1.1 =0.15－0.18</p><p>　　鉆鏜床主軸圓導(dǎo)軌 f=0.15</p><p>　　上列摩擦系數(shù)均是滑動(dòng)導(dǎo)軌,如果采用貼塑導(dǎo)軌=0.03--

60、0.05;滾動(dòng)導(dǎo)軌=0.0025---0.005;靜壓導(dǎo)軌 =0.0005</p><p>　　圖2 滾珠絲杠副預(yù)緊方式</p><p>　　本設(shè)計(jì)預(yù)緊方式采用螺紋式預(yù)緊。</p><p><b>　?、谟?jì)算最大動(dòng)負(fù)載C</b></p><p>　　選用滾珠絲杠副的直徑d0時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)1

61、00萬(wàn)轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載C，可用下式計(jì)算：</p><p><b>　　C =Wm</b></p><p>　　式中L----壽命，以106轉(zhuǎn)為一單位</p><p>　　n----絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min)，有下式計(jì)算 </p&

62、gt;<p>　　Vs----為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min），可以最高進(jìn)給速度的 1/2---1/3</p><p>　　Vs=0.3 × ½=0.15mm</p><p>　　L0----絲杠導(dǎo)程，(mm)；初選6mm</p><p>　　T----為使用壽命，（h）對(duì)于數(shù)控機(jī)床取T=150000h；</p>

63、;<p>　　—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，見(jiàn)表1．按一般運(yùn)轉(zhuǎn)選</p><p><b>　　表1 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)</b></p><p>　　從手冊(cè)或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找出相應(yīng)的額定動(dòng)載荷的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型，選用時(shí)應(yīng)<。</p><p><b>　?、蹅鲃?dòng)效率計(jì)算</b></p>

64、<p>　　滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率：</p><p>　　式中T—絲杠螺旋長(zhǎng)升角；</p><p>　　—摩擦角，滾珠絲杠的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.003—0.004，其摩擦角約等于10’。</p><p><b>　　一橫向進(jìn)給絲杠</b></p><p>　　計(jì)算進(jìn)給率引力Fm(N)</p>

65、<p>　　Fm=KF × f(Fz+G)=1.4 × 767.1 × 0.2 × (1917.65+2 × 479.4+500) =1450.26(N)</p><p>　　G： 溜板及刀架（橫向）重力G'=500（N）</p><p>　　K： 考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)K=0.4</p><p&g

66、t;　　f ： 滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f= 0.2</p><p><b>　　計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C</b></p><p>　　l0-----絲杠導(dǎo)程 初選6mm</p><p>　　Vs----為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/mm）可取最高進(jìn)給予速度1/2---1/3</p><p>　　Fw ------運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，選一

67、般運(yùn)轉(zhuǎn)1.2~1.5, fw=1.2</p><p>　　絲杠轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)</p><p>　　壽命 L壽==60 × 50 × 15000/=45（萬(wàn)轉(zhuǎn)）</p><p><b>　　3．最大動(dòng)負(fù)載C</b></p><p><b>　　C==(N)</b>

68、</p><p>　　選擇滾珠比杠螺母的選型：</p><p>　　滾珠絲杠型號(hào)為：CDM2005-5-P3，額定動(dòng)負(fù)載為 15338N>C，可滿足要求數(shù)度等級(jí)為為3級(jí)。</p><p>　　傳動(dòng)效率和計(jì)算： 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率</p><p>　　2.3橫向減速器設(shè)計(jì)</p><p>　　由設(shè)計(jì)任務(wù)可確定

69、橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程</p><p><b>　　由傳動(dòng)比計(jì)算公式 </b></p><p>　　初選步進(jìn)電機(jī)步距角，可計(jì)算出傳動(dòng)比</p><p>　　考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可采用兩級(jí)齒輪降速,按照經(jīng)驗(yàn)公式可取</p><p>　　即,齒輪模數(shù)=2mm,齒

70、輪傳動(dòng)效率</p><p>　　因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取2，齒輪參數(shù)如表</p><p>　　2.4橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型</p><p>　　1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 </p><p>　　由于橫向步進(jìn)電機(jī)經(jīng)兩對(duì)齒輪降速后傳到絲桿，此傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算 </p><p>　　式中為

71、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，i為傳動(dòng)比，m取50kg,絲杠導(dǎo)程為0.005m；</p><p>　　計(jì)算圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的公式為 J=</p><p>　　為材料密度，d為傳動(dòng)件的等效直徑，l為軸向長(zhǎng)度；</p><p>　　按照上式可依次計(jì)算出各傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其中絲杠的等效直徑取????mm</p><p><b>　　經(jīng)計(jì)算： ，</b&

72、gt;</p><p><b>　　，</b></p><p>　　則將各傳動(dòng)部件及工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量</p><p>　　2) 慣量匹配驗(yàn)算 </p><p>　　參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)110BF003型反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第5卷》表34.3-11得到其最大靜轉(zhuǎn)矩Ts=4.

73、87N.m,則<=0.82<1所以慣量匹配比較合理。</p><p>　　3）步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力校驗(yàn) </p><p>　　作用在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可按下式計(jì)算 </p><p>　?、倏蛰d啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的慣性轉(zhuǎn)矩：</p><p>　?、陔妱?dòng)機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩：</p><p>　?、酃ぷ髋_(tái)

74、上的最大軸向載荷折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：</p><p>　　④設(shè)滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力是最大軸向載荷的，則可得到因預(yù)緊力而引起的、折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩： </p><p>　　則空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 </p><p>　　反應(yīng)式步在最大外載荷下工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 </p><p>　　步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行

75、時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩Ts可由以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 </p><p>　　由于初選的步進(jìn)電機(jī)110BF003最大靜轉(zhuǎn)矩>mas所以按給定要求110BF003步進(jìn)電機(jī)可以正常啟動(dòng)，可作為初選電機(jī)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 </p><p>　　電機(jī)最大空載啟動(dòng)頻率和最大運(yùn)行工作頻率的確定 </p><p>　　從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新版）第5

76、卷》表34.3-11查出110BF003型步進(jìn)電機(jī)允許最大空載啟動(dòng)頻率為1500Hz，運(yùn)行頻率為7000Hz.再查出110BF003步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線?？煽闯?，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩，直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制，將起動(dòng)頻率降到1230Hz.，起動(dòng)力矩可增高到M=196N.m左右，，即可滿足要求。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，110BF003型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性完全

77、可以滿足要求。</p><p>　　5） 系統(tǒng)剛度計(jì)算 </p><p>　　絲杠螺母機(jī)構(gòu)的剛度主要由絲杠本身的拉壓剛度、絲杠螺母間的接觸剛度以及軸承和軸承座組成的支承剛度三部分組成。由于絲杠本身的扭轉(zhuǎn)剛度與拉壓剛度相比要小得多，故可將其忽略不計(jì)。</p><p>　　① 絲杠本身的最大、最小拉壓剛度</p><p>　　②軸承和軸承座組成的

78、支承剛度</p><p><b>　　絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度</b></p><p><b>　　動(dòng)態(tài)分析</b></p><p>　　絲杠工作臺(tái)縱振的最低頻率</p><p>　　折算到絲杠軸上系統(tǒng)的總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為</p><p>　　如果忽略電動(dòng)機(jī)軸與減速器的扭轉(zhuǎn)變形，則系統(tǒng)最

79、低扭振固有頻率為</p><p>　　此設(shè)計(jì)中，>>300rad/s,>>300rad/s說(shuō)明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性良好，滿足要求。</p><p><b>　　7）系統(tǒng)誤差分析 </b></p><p><b>　?、偎绤^(qū)誤差 </b></p><p>　　查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)》式5-

80、59可得</p><p>　　?? max<0.005mm</p><p>　　所以滿足單脈沖進(jìn)給的要求。</p><p>　?、谟上到y(tǒng)剛度變化引起的定位誤差</p><p>　　影響系統(tǒng)定位誤差的因素很多，但是主要是由絲杠螺母機(jī)構(gòu)綜合拉壓剛度的變化鎖引起的定位誤差。查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》式5-60可得到由絲杠螺母機(jī)構(gòu)綜合拉壓剛度的變

81、化所引起的最大定位誤差為</p><p>　　對(duì)于開(kāi)環(huán)控制的伺服系統(tǒng)，將其控制在定位誤差的1/3~1/5范圍內(nèi)，由于系統(tǒng)要求的定位精度為mm，即允許的定位誤差為0.02mm，?<<0.004mm,因而系統(tǒng)剛度滿足定位精度要。</p><p>　　綜合上述7條分析，所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)100BF003以及CDM2005-5-P3絲杠螺母副符合設(shè)計(jì)要求。</p><p

82、>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容</p><p>　　當(dāng)前，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)中廣泛采用關(guān)國(guó)Intel公司的MCS--51系列單片計(jì)算機(jī)，因此本章著重介紹用MCS--51系列單片徽機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，方法及步驟。單片微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括以下幾部分內(nèi)容：</p><p>　?。ㄒ唬├L制系

83、統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。</p><p>　　機(jī)床硬件電路由以下五部分組成。</p><p&

84、gt;　?。?）主控制器，即中央處理單元CPU。</p><p>　　（2）總線。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。</p><p>　?。?）存儲(chǔ)器。包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器</p><p>　?。?）接口。即I/O輸入/輸出接口電路。</p><p>　?。?）處圍設(shè)備。如鍵盤、顯示器及光電輸入機(jī)等。</p><p&

85、gt;　?。ǘ┻x擇中央處理單元CPU的類型。</p><p>　　在徽機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素：</p><p>　　（1）時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)，這個(gè)指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度。</p><p>　?。?）可擴(kuò)展存儲(chǔ)器（包括ROM和RAM）的容量。</p><p>　?。?）指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性。</p>&l

86、t;p>　?。?）I/O口擴(kuò)展的能力，即對(duì)外設(shè)控制的能力。</p><p>　　（5）開(kāi)發(fā)手段，包括支持開(kāi)發(fā)的軟件和硬件電路。</p><p>　　此外還要考慮到系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合，控制對(duì)象對(duì)各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟(jì)價(jià)格比等經(jīng)濟(jì)性的要求。</p><p>　　目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，推薦采用MCS—51系列單片微機(jī)作為主控制器。</p><p&g

87、t;　?。ㄈ┐鎯?chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)應(yīng)該包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。</p><p>　　在選擇程序存儲(chǔ)器芯片時(shí)，要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲(chǔ)器的容量等問(wèn)題。</p><p>　　在存儲(chǔ)器擴(kuò)燕尾服電路的設(shè)計(jì)中還應(yīng)包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計(jì)。（四）I/O口即輸入／輸出接口電路設(shè)

88、計(jì)</p><p>　　應(yīng)包括接口芯片的選用，步進(jìn)電機(jī)控制電路，鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設(shè)計(jì)（例如復(fù)位電路，越界報(bào)警電路，掉電保護(hù)電路等）。此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設(shè)，這些部分的電路設(shè)計(jì)也應(yīng)包括。</p><p>　　3.2存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1地址鎖存器選用</p><p>　　現(xiàn)選擇74LS

89、373 作單片機(jī)地址鎖存器芯片。</p><p>　　74LS373引腳圖</p><p>　　3.3.2外部程序存儲(chǔ)器選擇</p><p>　　選用27128的擴(kuò)展電路需要用到8031的P215引腳,這樣的話, 80的引腳就不夠與3 - 8譯碼器相連,因此,擴(kuò)展兩片2764芯片。</p><p>　　3.3.3內(nèi)部程序存儲(chǔ)器選擇</p

90、><p>　　選用6264作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。</p><p>　　3.3.4 外部I/O接口電路的擴(kuò)展</p><p>　　因?yàn)?031單片機(jī)本身提供的輸入、輸出口線只有P1口和部分P3口線,所以要對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。 擴(kuò)展I/O口所用芯片主要有通用可編程I/O口芯片及TTL或CMOS鎖存器、緩沖器電路兩大類。</p><p>　　I

91、/O口擴(kuò)展方式主要有并行總線擴(kuò)展法和串行口擴(kuò)展法。這里選用可編程I/O口芯片,可編程接口是指其功能可由計(jì)算機(jī)的指令來(lái)改變的接口芯片。可編程接口通過(guò)編制程序,可使一個(gè)接口芯片執(zhí)行多種不同的接口功能,使用十分靈活。用它來(lái)連接計(jì)算機(jī)和外設(shè)時(shí),不需要或只需要很少的外加硬件。在8031單片機(jī)中常用的兩種接口芯片: 8255和8155可編程通用并行接口。8255具有3個(gè)8位的并行I/O口,具有三種工作方式,可通過(guò)編程改變其功能,使用方便,通用性強(qiáng)。

92、8155芯片內(nèi)包含有256字節(jié)RAM, 2個(gè)8位和1個(gè)6位的可編程并行I/O口, 1個(gè)14位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。8155可直接與8031單片機(jī)連接,不需要增加任何硬件邏輯。由于8031單片機(jī)外接一片8155 后,就綜合地?cái)U(kuò)展了數(shù)據(jù)RAM、I/O端口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,因而是8031單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一,通過(guò)比較選擇8155擴(kuò)展外部I/O口。 </p><p>　　在8155的控制邏輯部件中,設(shè)置有一個(gè)控

93、制命令寄存器和一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志寄存器。8155 的工作方式由CPU寫(xiě)入控制命令寄存器中的控制字來(lái)確定?？刂泼罴拇嫫髦荒軐?xiě)入不能讀出, 8 位控制命令寄存器的低4位用來(lái)設(shè)置A口、B口和C口的工作方式。8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或選通方式, C口可作為輸入輸出口線,也可作為A口、B口選通方式工作時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)線。8031與8155可直接相連,其接口方法如圖4-7所示。</p><p>　　圖 4-7

94、8031擴(kuò)展8155連接圖</p><p>　　3.4 其他輔助電路設(shè)計(jì) </p><p><b>　　1）時(shí)鐘電路 </b></p><p>　　8031的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，如圖4-10所示。晶體可在1.2-12MHZ之間任選，

95、耦合電容在5-30PF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式，可把XTA1直接接地， XTA2接外部時(shí)鐘源。 </p><p><b>　　2）復(fù)位電路 </b></p><p>　　單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)鐘電路工作后，只要RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上高電平單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和

96、按鈕復(fù)位兩種。圖4-11所示為上電與按鈕復(fù)位組合。在上電瞬間，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上高電平，就能使單片機(jī)有效的復(fù)位。</p><p>　　3.5 步進(jìn)電機(jī)的控制 </p><p>　　3.5.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 </p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電磁元件。定子上安裝了六個(gè)磁極，相對(duì)的兩個(gè)磁極上

97、放置著同一相勵(lì)磁繞組，而轉(zhuǎn)子上沒(méi)有，只有四個(gè)凸極，a、b、c、d組成，當(dāng)s1接通，s2，s3斷開(kāi)，A相建立磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子力求以磁路最大來(lái)取向，轉(zhuǎn)子齒與定子A相磁極對(duì)齊，即轉(zhuǎn)子a、c齒的軸線與定子A相磁極軸線重合。當(dāng)s1，s3斷開(kāi)，s2接通，轉(zhuǎn)子b、d齒的軸線與定子B相磁極軸線重合。依次類推s1—s2—s3—s1循環(huán)接通，轉(zhuǎn)子以一定的步距角旋轉(zhuǎn)，改變輸入電流方向，實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)即s1—s3—s2—s1。 </p><p>　

98、　3.5.2 步進(jìn)電機(jī)的控制 </p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是由脈沖信號(hào)控制的，脈沖信號(hào)的產(chǎn)生和分配由軟件編程來(lái)完成，而信號(hào)的放大由放大電路來(lái)完成。由于強(qiáng)弱信號(hào)的原因，我們?cè)诜糯箅娐非凹由瞎怆婑詈想娐?，以防止電源串路。具體控制電路如圖4-15所示。</p><p>　　圖 4-15 步進(jìn)電機(jī)控制原理電路 </p><p>　　W是步進(jìn)電機(jī)的一相繞組，VD3是續(xù)流二極

99、管。74LS373是8路三態(tài)輸出觸發(fā)器，一路輸出信號(hào)控制一相繞組，可控制兩臺(tái)三相步進(jìn)電機(jī)或兩臺(tái)四相步進(jìn)電機(jī)。Q輸出高電平，將其所控制的相繞組通電。74LS373的LE是鎖存允許端，高電平有效。下面來(lái)分析一下該接口電路的工作過(guò)程。</p><p>　　3.5.3 步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動(dòng)電路 </p><p>　　步進(jìn)電機(jī)控制框圖如圖4-16所示：</p><p><

100、b>　　1.脈沖分配器 </b></p><p>　　又叫環(huán)形分配器，有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種。硬件環(huán)形分配器需要的I/O口接線數(shù)少，且執(zhí)行速度快，但需要專用的芯片。軟件環(huán)形分配器是用程序?qū)崿F(xiàn)的。 </p><p>　　1）硬件環(huán)形分配器 是由門電路及其邏輯電路組成，目前已經(jīng)大量采用可靠性高，外形尺寸小，使用方便的集成脈沖分配器。按其電路結(jié)構(gòu)不同分為TTL集成

101、電路和CMOS集成電路。 </p><p>　　2）軟件環(huán)形分配器 軟件環(huán)形分配器在電路上不需要環(huán)形分配專用芯片，而是在微處理中專門安排一個(gè)輸出寄存器作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制寄存器，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每一相繞組都與這個(gè)寄存器中某一指定位相對(duì)應(yīng)。寄存器中這一位為“1”，對(duì)應(yīng)相應(yīng)繞組的通電狀態(tài)，這一位為“0”，對(duì)應(yīng)著相應(yīng)繞組的斷電狀態(tài)。微處理器按照程序中規(guī)定的順序，循環(huán)的向寄存器中寫(xiě)入各控制字節(jié)，從而使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組按固定的規(guī)

102、律，循環(huán)地通電或斷電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)便按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 </p><p>　　在電路上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每一繞組需和一個(gè)I/O口相連（經(jīng)光電隔離電路）故占用的I/O口數(shù)量較多。 </p><p>　　本設(shè)計(jì)采用軟件環(huán)形分配器。 </p><p><b>　　2.光電隔離電路 </b></p><p>　　在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中

103、，脈沖分配輸出的信號(hào)經(jīng)放大后，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高（幾十伏），電流也較大，如果將I/O口輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)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加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。如圖4-17：</p><p>　　耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，圖4-18為共集

104、電極輸出型。當(dāng)輸入信號(hào)加到輸入端時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通激發(fā)發(fā)出紅外光，受光三極管受光照射后，由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電源，通過(guò)輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了以光為媒介的電信號(hào)傳輸。輸入端與輸出端在電氣上完全隔離。下圖為光電隔離輸出及輸入電路，且為同向輸出電路，控制信號(hào)經(jīng)74LS05集電極開(kāi)路門反相后驅(qū)動(dòng)耦合器的輸入發(fā)光二極管，當(dāng)控制信號(hào)為低電平，74LS05不吸收電流，發(fā)出二極管不導(dǎo)通，從而輸出的三極管截止。同相電路輸入電平為零電平，反相電路輸出電壓為高

105、電平（12V）。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，反相輸出電平接近零。 </p><p><b>　　3.功率放大器 </b></p><p>　　脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，必須將它放大以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 </p><p>　　從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性可以看出,隨著運(yùn)行頻率的增高， 步進(jìn)電機(jī)輸出力 矩（即帶

106、動(dòng)負(fù)載的能力）下降，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是:作為功率放大器負(fù)載的步進(jìn)電機(jī)是電感負(fù)載。</p><p><b>　　第四章 軟件設(shè)計(jì) </b></p><p>　　數(shù)控機(jī)床通過(guò)軟件程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)硬件及機(jī)床的控制，數(shù)控系統(tǒng)軟件是根據(jù)機(jī)床零件加工的實(shí)際需要而編號(hào)的控制程序。每種數(shù)控機(jī)床都配有相應(yīng)的控制程序，用來(lái)完成各個(gè)控制功能。首先要建立數(shù)學(xué)模型，確定控制算法和控制功能，然后

107、編寫(xiě)成相應(yīng)的控制程序，固化在只讀存儲(chǔ)器中。 </p><p>　　本次設(shè)計(jì)編寫(xiě)了四個(gè)軟件程序，分別為：（1）環(huán)形分配器軟件設(shè)計(jì)（2）逐點(diǎn)比較直線插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì)（3）圓弧插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì)（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)升降速控制。 </p><p>　　4.1 總體方案設(shè)計(jì) </p><p>　　軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主模塊、子程序模塊和定時(shí)中斷模塊，主模塊主要完成初始化和監(jiān)

108、控，初始化包括PIO、CTC的初始化、標(biāo)志位，原鍵盤緩沖區(qū)及顯示緩沖區(qū)的初始化，監(jiān)控主要包括鍵盤管理和顯示管理，均可調(diào)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)用原監(jiān)控程序中的許多子程序，中斷模塊包括急停、中斷模塊和報(bào)警中斷等。主模塊系統(tǒng)圖如下：</p><p>　　4.2逐點(diǎn)比較法的直線插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì) </p><p>　　在直線

109、或圓弧廓形加工中，需要X向和Z向驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)動(dòng)作，合成所需的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于一個(gè)進(jìn)給脈沖只能沿坐標(biāo)軸（X軸或Z軸）進(jìn)給一步，這個(gè)距離（步距）稱為脈沖當(dāng)量。</p><p>　　基本原理：進(jìn)給機(jī)構(gòu)每進(jìn)給一步，計(jì)算新的坐標(biāo)點(diǎn)位置和它與理想直線（或曲線）的偏差。</p><p>　　設(shè)要插補(bǔ)圖中的直線OA，坐標(biāo)原點(diǎn)位于被插補(bǔ)直線的起點(diǎn)，直線終點(diǎn)為A（xa,ya）</p><p&

110、gt;　　第一象限直線插補(bǔ)程序框圖</p><p>　　4.3逐點(diǎn)比較法的圓弧插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　原理同逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)相似，可利用相似性得到。</p><p><b>　　第一象限如圖</b></p><p>　　圖 4-6 第一象限圓弧插補(bǔ)程序框圖、</p><p><b

111、>　　總 結(jié) </b></p><p>　　對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改為用微機(jī)控制的、能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)。將原有車床的光杠、絲杠和操縱剛拆除，換成滾珠絲杠螺母副，在選取滾珠絲杠螺母副時(shí)要注意，滾珠絲杠螺母副的制造精度要求高，加工工藝比較復(fù)雜，都是由專業(yè)工廠按系列化進(jìn)行生產(chǎn)。因此在進(jìn)行設(shè)備改造時(shí)，要按廠家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，選擇合適以后再?zèng)Q定被改造設(shè)備的其他相關(guān)部分

112、的結(jié)構(gòu)和尺寸。 </p><p>　　控制部分采用單片機(jī)控制，在選取單片機(jī)時(shí)，采用MCS-51系列的8031。MCS-51系列單片機(jī)的特點(diǎn)之一是硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，MCS-51系列的最小系統(tǒng)用一片8031外擴(kuò)一片EPROM就能滿足功能的要求，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，可利用MCS-51的擴(kuò)展功能，構(gòu)成功能強(qiáng)、規(guī)模較大的系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展采用兩片2764芯片，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展采用

113、一片6264芯片，I/O接口的擴(kuò)展采用兩片8155芯片。 </p><p>　　程序設(shè)計(jì)根據(jù)第一象限的直線及圓弧插補(bǔ)原理，采用逐點(diǎn)比較法編程。 </p><p>　　在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我不但復(fù)習(xí)了所學(xué)過(guò)的知識(shí)點(diǎn)，還學(xué)到了新的知識(shí)，同時(shí)將所學(xué)到的知識(shí)充分的運(yùn)用起來(lái)，做到了學(xué)以致用，還學(xué)會(huì)了查資料，除此之外，我還懂得了團(tuán)結(jié)合作的重要性，知道了集體的力量有多么強(qiáng)大！ </p>&l

114、t;p><b>　　致 謝 </b></p><p>　　在本課程設(shè)計(jì)結(jié)束之際，我要向曾經(jīng)幫助過(guò)我的老師和同學(xué)表示感謝。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，獲得了不少寶貴的經(jīng)驗(yàn)。 </p><p>　　本設(shè)計(jì)是在蔡宗琰老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的，從設(shè)計(jì)任務(wù)的下達(dá)、研究的內(nèi)容和方法的確定到整個(gè)論文的撰寫(xiě)、修改直至最終完稿，無(wú)不包含蔡老師的

115、心血與精力。尤其在我遇到難題和困惑時(shí)，蔡老師總能抽出寶貴的時(shí)間對(duì)我進(jìn)行指導(dǎo)，為我及時(shí)解決困惑；當(dāng)我沒(méi)有信心進(jìn)行下去時(shí)，也是蔡老師的鼓勵(lì)和支持讓我堅(jiān)持下去。蔡老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)、對(duì)學(xué)生誨人不倦的指導(dǎo)和幫助，不僅讓我學(xué)到了知識(shí)，更讓我學(xué)會(huì)了怎么做人。 </p><p>　　在此我還要感謝工程機(jī)械學(xué)院的各位老師對(duì)我的辛勤培育，使我獲得了豐富的知識(shí)，感謝各位老師在論文的修改和校正過(guò)程中給予的幫助；同時(shí)感謝所有