畢業(yè)設計---數控機床改造（含圖紙）

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1緒論………………………………………………………………………… 1</p><p>　　1.1國內外數控機床發(fā)展趨勢………………………………………… 1</p><p>　　1.2數控機床改造的重要性…………………………………………… 2</p><p>

2、　　1.3數控改造的意義…………………………………………………… 2</p><p>　　1.4數控機床改造的優(yōu)點……………………………………………… 2</p><p>　　1.5數控機床改造的主要內容………………………………………… 3</p><p>　　1.6機床的經濟型數控化改造主要解決的問題……………………… 3</p><p>

3、　　2機械部分設計…………………………………………………………………4</p><p>　　2.1縱向進給系統(tǒng)的設計與計算……………………………………… 4</p><p>　　2.1.1縱向進給系統(tǒng)的設計…………………………………………… 4</p><p>　　2.1.2執(zhí)行機構設計…………………………………………………… 4</p><p&

4、gt;　　2.1.3滾珠絲杠及步進電機的計算與選擇…………………………… 4</p><p>　　2.2橫向進給系統(tǒng)的設計與計算………………………………………13</p><p>　　2.2.1橫向進給系統(tǒng)的設計……………………………………………13</p><p>　　2.2.2執(zhí)行機構設計……………………………………………………13</p><

5、;p>　　2.2.3滾珠絲杠及步進電機的計算與選擇……………………………14</p><p>　　2.3有關軸承的計算……………………………………………………21</p><p>　　3控制系統(tǒng)硬件設計………………………………………………………… 22</p><p>　　3.1控制系統(tǒng)硬件基本組成…………………………………………… 22</p>

6、<p>　　3.2控制系統(tǒng)的設計…………………………………………………… 22</p><p>　　3.3 MCS-51系統(tǒng)程序擴展………………………………………………23</p><p>　　3.3.1程序存儲器的擴展……………………………………………… 23</p><p>　　3.3.2數據存儲器的擴展……………………………………………… 25&l

7、t;/p><p>　　3.3.3I/O接口的擴展………………………………………………… 26</p><p>　　3.3.4顯示器接口設計………………………………………………… 28</p><p>　　3.3.5鍵盤接口設計…………………………………………………… 28</p><p>　　3.3.6地址鎖存器…………………………………………

8、…………… 28</p><p>　　3.3.7報警電路設計…………………………………………………… 29</p><p>　　3.3.8時鐘電路設計…………………………………………………… 29</p><p>　　3.3.9復位電路設計…………………………………………………… 30</p><p>　　3.3.10光電偶合電路設計…………

9、……………………………………30</p><p>　　4控制系統(tǒng)軟件設計………………………………………………………… 31</p><p>　　4.1軟件分類…………………………………………………………… 31</p><p>　　4.2應用軟件及設計程序……………………………………………… 33</p><p>　　4.2.1系統(tǒng)初始化程序

10、………………………………………………… 33</p><p>　　4.2.2步進電機控制設計……………………………………………… 33</p><p>　　4.2.3鍵盤中斷處理…………………………………………………… 34</p><p>　　4.2.4動態(tài)顯示子程序設計…………………………………………… 37</p><p>　　4.2.

11、5越程報警程序設計……………………………………………… 39</p><p>　　設計總結……………………………………………………………………… 42</p><p>　　參考文獻……………………………………………………………………… 43</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　數控機床作為機電

12、一體化的典型產品,在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用, 很好地解決了現代機械制造中結構復雜、精度高、批量小、多變零件的加工問題, 且能穩(wěn)定產品質量,大幅度提高生產效率。但由于一臺全功能的數控車床價格較貴,而且在許多具體應用場合其功能不能充分利用。我國作為機床大國,對C616普通車床進行數控化改造,使之盡可能提高自動化程度, 保證加工質量,減輕勞動強度,提高經濟效益, 是一條廣泛推廣數控技術的良好途徑。本次設計是對C616普通車床進行數控化改

13、造，其現實意義在于如何尋找一種可行的、有推廣價值的設備改造方法，對傳統(tǒng)機械制造行業(yè)的技術裝備進行技術提升。</p><p>　　對C616普通車床的數控化改造主要有兩個方面的設計：機械改造和控制部分。機械部分的設計主要是對橫向和縱向進給系統(tǒng)的改造，改造后的車床把車床的主運動和進給運動分離開來, 主電機的作用僅僅是帶動工件旋轉,而刀架的進給運動則是由步進電機直接帶動車床的縱向和橫向絲杠來實現。而控制部分主要是實現對

14、機械部分的自動化控制，它包括縱向和橫向的進給，螺紋加工，行程控制，鍵盤輸入及數碼管顯示，光電隔離，功率放大，報警，急停，復位等。</p><p>　　關鍵詞：數控改造，滾珠絲杠，數控機床，自動化，步進電機。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　CNC machine as the typical elect

15、romechanical products, in machinery manufacturing industry plays an enormous role, solves the modern machinery manufacturing complex structure of high precision, small batch and changeable parts processing, and stable pr

16、oduct quality, can greatly improve the production efficiency. But because of a full-featured CNC lathe price is more expensive, and in many specific applications can make full use of its function. China, as a country to

17、C616 ordinary machine, numer</p><p>　　C616 CNC lathes in general reform has two main aspects of the design ：Mechanical and control of mechanical parts. Mechanical parts of the design is mainly to the horizon

18、tal and vertical feeding system reform, the reform of the lathe after the movement of the lathe and feed movement, the main motor drive workpiece rotate effect is only, but in exercise by step-motor direct drive lathe lo

19、ngitudinal and transverse ball screw. But control of mechanical part is to realize the main part of automation </p><p>　　Keywords: CNC transformation, The ball screw, Numerical control machine, automation, s

20、tepping motor.</p><p><b>　　1 .緒論</b></p><p>　　在現今世界，工業(yè)發(fā)達的國家對機床工業(yè)高度重視，爭相發(fā)展機電一體化、高效、高精、高自動化的先進機床，用以加速工業(yè)制造業(yè)和國民經濟的發(fā)展。對普通車床進行數控化改造是勢在必行的工程，同時改造也是使中國制造業(yè)適應市場需求的途徑,通過對普通車床的數控改造,能達到用較少的資金實現最大

21、的利益的效果,同時其社會意義更是不可估量的。它能迅速提高我國制造業(yè)的裝備,和市場競爭能力。對于數控系統(tǒng)的選擇我們不能單純得追求高性能、高指標，而是應該使其對我們的現實工作更有用處，也就是所謂的性價比更高。使系統(tǒng)所擁有的功能和機床所能達到的功能相匹配,這樣一方面能避免資金浪費,另一方面更能避免由于系統(tǒng)過于復雜，使實際生產中的故障率升高帶來的潛伏隱患。</p><p>　　1.1數控機床的技術特點  

22、;當今的數控機床一般具有以下三大突出特點：1）利用二進制的數學方法輸入所需程序，2）加工中可以任意進行編程，3）主軸運動及進給速度可根據加工工藝的需求進行變化，且能實現多座標聯動，更易加工復雜曲面。    自1958年中國研制出第一臺數控機床后，其發(fā)展過程概括可分為兩大階段。第一階段為1958～1979年，從1979年至今是第二階段。在第一階段時對數控機床的特點、發(fā)展條件等缺乏認識，又處于人員素質差、基礎薄弱、配套

23、設施不齊全的狀況，上上下下、起起落落，終因效果太差而無法用于生產。在第二階段時，先后從日、德、美、西班牙引進數控系統(tǒng)技術，從日、美、德、意、英等共11國(地區(qū))引進相關的數控機床先進技術并進行合作、合資生產，解決了穩(wěn)定性、可靠性兩大問題，數控機床開始正式在中國生產、使用，并逐步向前發(fā)展。</p><p>　　1.2數控機床改造的重要性</p><p>　　我國是機械大國，擁有300多萬臺不

24、同類型的機床,它們都是經過長年累月逐步積攢下來的，大多都是通用機床，通過手動完成一系列的工作，自動化程度很低,如果想要在較短時間內將其全部由數控機床所取代，改變成擁有精密設備的新型機床,那無論是所需的資金問題，還是我國現有的機床制造的能力都無法完成。所以,普通機床的數控化改造就成為一種可行性極高的解決辦法，更是我國實現機電一體化的重要里程碑。</p><p>　　利用微型計算機原理，將普通的車床進行改造,需要解決

25、的問題最重要的就是：如何將手動的機械傳動的進給方式和手動的刀架轉位方式改造成由微機控制的自動方式,即改造成成本較低、性價比較高的經濟型數控車床。而C616型車床是我國大量使用的一種車床，它具有操作簡捷方便、生產加工效率高、價格適宜等特點 ,將這種普通機床改造為數控機床,必然會帶來很好的影響.</p><p>　　1.3數控精度的分析</p><p>　　1）機械加工機床的精度主要分為定位精

26、度、靜精度、重復定位精度和加工精度（包括尺寸精度和幾何精度）等5種。</p><p>　　2）機床精度體系劃分：目前我們國家內部承認的大致有四種體系：日本JIS標準、德國VDI標準、國標GB、國際標準ISO標準，其中國標和國際標準相差無幾。</p><p>　　3）測試一臺機床水平的高低，主要是看它的重復定位精度，如果一臺機床的重復定位精度能達到0.005mm(ISO標準統(tǒng)計法),那么這就

27、是一臺高精度機床，它需要有最好的軸承和絲杠；若在0.005mm(ISO標準統(tǒng)計法)以下，就是超高精度機床。</p><p>　　4）想要加工出高精度的零件，不只要求機床的精度高，還要有非常好的加工工藝方法、好的刀具和好的夾具。</p><p>　　1.4數控機床改造的優(yōu)點</p><p>　　數控機床對于實際生產很有優(yōu)越性，而且它在合理化加工、高效率操作等方面都比普

28、通機床具有更多的優(yōu)勢，它具體表現在：</p><p>　　l)數控加工是用機械加工出品種多樣、批量小的產品的一種自動化加工手段。它具有高自動化、高效率、高品質等突出特點。</p><p>　　2)數控加工能使產品在加工條件不變的情況下，質量誤差降低到最小值。由于加工所需的條件（如：刀具類型、進刀量、退刀量、主軸轉速等）都已事先規(guī)定，所以無論由何人進行操作都能得到相同的質量精度。</p

29、><p>　　3)零件經過數控加工，大幅度的提高了工件與其對照面相關尺寸的精度，這樣便能有效地提高零件裝配的互換性，從而提高裝配質量和效率。</p><p>　　4)對于數控加工這種工作方式，時間和流程相對固定，促使加工零件產量固定，便于生產管理。這為將來實現微機管理乃至建立全方位的微機制造體系打下了夯實的基礎。</p><p>　　5)通過數據化的技術操作，可以大量的

30、減少技術性人才，得到資源的合理利用。</p><p>　　1.5數控機床改造的主要內容</p><p>　　普通機床的數控化改造主要有以下幾點內容：第一是恢復原功能，對機床和生產線所存在故障的部分進行診斷并修復；第二是NC化，在原有的普通機床上添加數控顯示裝置，或者添加數控系統(tǒng)，將其改造成NC機床或CNC機床；第三是翻新，為了提高加工精度、生產效率和自動化程度，對機械部分進行加工處理，恢復

31、原有精度；對無法滿足新的生產要求的CNC系統(tǒng)進行替換，用新系統(tǒng)取代已經不適用的老系統(tǒng)；第四是創(chuàng)新，為提高機器的性能，或者為了使用新的工藝技術，就在原有的基礎上進行大范圍的技術換代或技術創(chuàng)新開發(fā)，較大幅度提升檔次。而我們在這里只進行相對簡單的NC化改造。</p><p>　　1.6數控的發(fā)展形勢</p><p>　　自20世紀中葉數控技術出現以來，數控機床給機械制造業(yè)帶來了歷史性的變革。由于

32、數控加工具有：加工精度高，加工柔性好，生產效率高等特點，又能改善勞動條件、減輕操作者的勞動強度，有利于現代化的生產管理以及經濟效益的進一步提高。數控機床作為一種機電一體化產品，適用于加工不同類型的小批量零件，如結構較復雜、精度要求比較高的和需要不定期變動的、價格較貴不允許隨意報廢的關鍵零件、需要縮短生產周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。    進入21世紀以來，我國經濟逐步與國際經濟全面接軌，特別是加入WT

33、O后，全社會對數控技術的發(fā)展有了更高的要求，使機電領域進入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。整個社會對數控技術的高效、高速要求尤為看重，再而隨著制造加工業(yè)對數控機床的需求量增大以及現代設計技術的突飛猛進，數控機床的應用范圍更在不斷擴大，并且不斷發(fā)展以更適應生產加工的需要。</p><p><b>　　2．機械部分設計</b></p><p>　　2.1縱向進給系統(tǒng)的設計與計算&

34、lt;/p><p>　　2.1 .1縱向進給系統(tǒng)的設計</p><p>　　在進給伺服系統(tǒng)的機械部分中，其計算和類型選擇包括：確定脈沖當量、計算所需切削力、滾珠絲杠螺母副的相關設計、計算與類型選擇、齒輪傳動的計算和步進電機的計算等。簡易車床的數控化改造，一般包括步進電機經由減速驅動絲杠和螺母固定在溜板箱上,帶動刀架向左右移動。將步進電機放在絲杠的任意一端即可，因為對車床改造來說,外觀不必像正規(guī)

35、產品要求的那么精致,而是從改造的方便性和實用性來考慮。本次設計把步進電機放在縱向絲杠的右端。</p><p>　　2.1.2執(zhí)行機構的設計</p><p>　　縱向進給裝置有如下工作過程：首先步進電機通過聯軸器把轉矩傳遞給滾珠絲杠，讓絲杠帶動工作臺運動，完成自動安裝過程。如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1：縱向進給系統(tǒng)計算簡圖</p>&l

36、t;p>　　2.1.3滾珠絲杠和步進電機的計算與選擇</p><p><b>　　已知條件:</b></p><p>　　工作臺重量: W=800N</p><p>　　時間常數: T=30ms</p>

37、;<p>　　滾珠絲杠導程: =6mm</p><p>　　行程: S=600mm</p><p>　　脈沖當量: =0.01mm/step</p><p>

38、;　　步距角: =0.75/step</p><p>　　快速進給速度: =2.5m/min</p><p>　?。?）切削力的計算:</p><p>　　車削外圓時有三個切削抗力，分別是Fx，Fy和Fz。主切削力Fz和切削速度v的方向相同

39、，為垂直向下，是計算車床主軸電機切削功率的重要依據。切深抗力Fy和縱向進給方向相垂直，它能影響加工的精度和已加工表面的質量。而進給抗力Fx和進給方向平行但方向相反，是設計或校核進給系統(tǒng)時需用的物理量。</p><p>　　由<<機床設計手冊>>可查得,切削功率=NηK</p><p>　　式中N：指電機功率,查機床說明書可知N=4kw;</p><

40、;p>　　η：指主傳動系統(tǒng)總效率,一般為0.6~0.7,本次設計取η=0.65;</p><p>　　K：指進給系統(tǒng)的功率系數,本次設計取K=0.96.</p><p>　　所以==2.496kw</p><p>　　又因為 =v/6120 所以=6120/ v</p><p>　　其中v為切削線速度,本次取v=100m/min

41、</p><p>　　主切削力=61202.496/100=152.76kgf=1527.6 N</p><p>　　由《金屬切削原理》可查得: =</p><p>　　查表得: =188kgf/=1880MPa </p><p>　　=1 =0.75 =1</p><p><b>　　由表可知&

42、lt;/b></p><p>　　當=1527.5 N時,可知其切削深度=2mm,走刀量f=0.3mm,將這些數據作為以下計算的參數.</p><p>　　由<<機床設計手冊>>可知,在車削一般外圓時:</p><p>　　=(0.1~0.6) =(0.15~0.7) </p><p>　　本次取: =0.

43、5=0.51527.6=763.8 N =0.6=0.61527.6=916.5 N</p><p>　　（2）滾珠絲杠的計算和選型：</p><p><b>　　1）計算進給牽引力</b></p><p>　　在設計滾珠絲杠時，首先要確定其名義直徑，螺距和滾珠直徑等，確定這些參數是在防止疲勞點蝕的基礎上的，對于軌道上的點來說，其應力狀態(tài)是

44、交變的接觸力。因此設計時要保證它能達到滾珠絲杠的最大動載荷，即：在一定軸向負載的作用下，具有這種性質名義直徑和螺距的滾珠絲桿回轉一百萬轉后，不發(fā)生點蝕現象，則這個負載稱為滾珠絲杠的最大動載荷。</p><p>　　作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括兩種：切削時的走刀抗力和導軌摩擦力，其數值大小和導軌的類型有關。</p><p>　　對于車床縱向導軌，牽引力可由下列公式計算：</p&

45、gt;<p><b>　　=K+f′(+G)</b></p><p>　　式中： 、—切削分力(N) K—顛覆力矩影響的試驗系數</p><p>　　f′—導軌摩擦系數 G—移動部件重量(N)</p><p>　　由于本次的設計采用的是貼塑導軌，所以f′=0.03-0.05，取f′=0.05，K=1.15

46、</p><p>　　由上式求得=1.15763.8+0.05(1527.6+800)=994.75N</p><p>　　2）計算最大動載荷C</p><p>　　由《機電綜合設計指導》可知，最大動載荷C可由下式計算：</p><p><b>　　C=</b></p><p>　　式中：L—工作

47、壽命（以為單位）其中L可由L= 計算，</p><p>　　式中n為滾珠絲桿的轉速（r/min） 初步計算導程 </p><p>　　式中為工作臺快進速度（mm/min），</p><p>　　取=2.5m/min=2500mm/min; </p><p>　　為絲桿最大轉速（r/min）,</p>

48、<p>　　取=1500r/min,</p><p>　　由以上式子可算得=2500/1500=1.67，</p><p>　　取=6mm得絲桿轉速，得 n=10002.5/6=416.7r/min</p><p>　　T為使用壽命時間(h) 查得T=15000h,所以</p><p>　　L=60416.715000/=360&

49、lt;/p><p>　　—運轉系數 查得=1.2</p><p>　　—硬度系數 查得=1.0</p><p>　　由上述數據求得 C=1.21.0994.75=10677.5N</p><p><b>　　3）計算最大靜載荷</b></p><p>　　最大靜載荷可由下式計算：</p&g

50、t;<p><b>　　=</b></p><p>　　式中： 為靜態(tài)安全系數 取=2</p><p>　　由以上求得==21250.8=2501.6N</p><p>　　4）滾珠絲桿螺母副的選型</p><p>　　根據滾珠絲杠螺母副的額定動載荷等于或稍大于C的原則，本次選用漢江機床廠的FC

51、1型滾珠絲桿3206-2.5其額定動載荷為10689N，足夠用。</p><p>　　其型號尺寸如表2.1所示：</p><p>　　表2.1漢江機床廠C1型滾珠絲杠3206-2.5型號尺寸</p><p>　　選數控機床的導程精度為E級。</p><p><b>　　5）傳動效率計算</b></p>&l

52、t;p>　　式中物理量：—摩擦角，其正切函數值為摩擦系數，本次設計取=10′</p><p>　　由以上公式及各相關參數，可求得η=tan/tan(+10′)=94.9%</p><p><b>　　6)絲杠剛度的驗算</b></p><p>　　對于滾珠絲杠螺母副來說，它的軸向剛度會直接影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性。而由于軸向剛

53、度不足所引起的變形量在一般情況來說，是不能大于機床定位精度一半的。而滾珠絲杠在工作負載與轉矩的共同作用下，所引起的每個導程的變形量Δ（m）可表示以下公式：</p><p><b>　　Δ=±±</b></p><p>　　式中： A為絲杠截面積 可表示為A=</p><p>　　由《機電一體化設計基礎》中表2.1計算可得：

54、</p><p>　　公稱直徑 導程 P=6mm 螺旋角 </p><p><b>　　滾珠直徑 </b></p><p>　　按該書中表2-1中尺寸公式計算可知：</p><p>　　滾道半徑 R=0.52=0.52=1.651mm </p><p>　　其偏心率 e=0.

55、707（R-）=0.707=4.5mm</p><p>　　而絲杠內徑 ==28.78mm</p><p><b>　　===3.37</b></p><p>　　由以上公式可以求得 A==6.5</p><p>　　—絲杠的極慣性矩 其表達式===6.7</p><p>　　G—絲杠切變模量

56、 其表達式G=83.3G</p><p>　　T—轉矩 其表達式T=tan()=1250.8tan(+10′) =1.25Nm</p><p>　　由以上公式可得： Δ=+</p><p>　　所以：Δ=+=5.73</p><p>　　則可以計算出絲杠在工作長度上發(fā)生彈性變形時所引起的導程誤差是：</p><p>

57、;　　ΔL=l=0.6=5.73 </p><p>　　而E級精度的絲杠所允許誤差為15，所以此剛度符合標準。</p><p><b>　　7）驗算絲杠穩(wěn)定性</b></p><p>　　為了使絲杠穩(wěn)定，則需使其達到臨界載荷，即：絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷。</p><p>　　—臨界載荷 其表達式 = <

58、;/p><p>　　式中為長度系數，本次設計采用一端固定一端游動的支撐方式，故取=2/3。</p><p>　　由上式可知==427795.6N</p><p>　　安全系數S===342</p><p>　　查表可得[S]取2.5-3，由于S＞[S]，所以絲杠符合標準，不會失穩(wěn)。</p><p>　　通過上述計算可知，所

59、選用的FC1型滾珠絲桿3206-2.5中的各項性能符合本次設計要求，可以使用。 </p><p>　　（3）步進電機的選擇與計算：</p><p>　　在步進電機中，由于脈沖量和減速減振的需要，所以需要通過絲杠和一對降速齒輪進行連接。在選用步進電機時，需要考慮三個問題：①所選用的步距角需要符合系統(tǒng)脈沖當量的要求；②需要滿足最大轉矩的要求；③所得出的工作運行轉矩與運行頻率，啟動轉矩和啟動頻率

60、，必須能滿足所選用的電機型號工作矩頻特性與啟動矩頻特性。</p><p><b>　　1)步進電機的選擇</b></p><p>　　負載力矩— 步矩角— </p><p>　　步進電機在的作用下，轉過角時，所做的功是： </p><p><b>　　=</b></p><

61、p>　　而克服負載力F和所移動的位移所做的功是： =F</p><p>　　根據能量守恒原理可知： =，</p><p>　　式中 —電機的傳動效率，本次設計取=0.964</p><p>　　由以上各式可以求得：</p><p>　　=360= ==991.8</p><p>　　若不考慮電機在啟動時，其運動部

62、件的慣性影響情況，則啟動轉矩為可表示為：</p><p>　　=，安全系數s的范圍是0.3-0.6 本次取s=0.4</p><p>　　則 ===2479.6N</p><p>　　根據電動機的最小步距角要求，本次設計選用三項六拍的工作方式，查表可知：</p><p><b>　　=0.866</b></p&g

63、t;<p>　　計算可得==2863.2N</p><p>　　步進電機運行頻率===4166.7Hz</p><p>　　根據以上求得的參數，本次設計選用反應式步進電機110BF003，各參數見表2.2：</p><p>　　表2.2 反應式步進電機110BF003的參數</p><p>　　其安裝尺寸可參考《機電綜合設計指導

64、》書中圖2-23</p><p>　　2）步進電機慣性負載的計算：</p><p>　　根據《機電一體化設計基礎》的設計過程可以驗算如下：</p><p>　　重要的齒輪和轉矩的計算</p><p>　　傳動比 i===1.25</p><p>　　本次設計齒數取 =32 =40</p><p

65、>　　模數取 m=2mm 齒寬取 b=20mm =20</p><p><b>　　則計算可知：</b></p><p><b>　　=m=2=64mm</b></p><p>　　=m=240=80mm</p><p>　　=+2ha*=68mm </p>

66、;<p>　　=+2ha*=84mm</p><p>　　求得 a===72mm</p><p>　　電機軸上轉動慣量的計算</p><p>　　通過《機電一體化設計基礎》書中第五章可知：</p><p>　　工作臺的質量折合成電機軸上的轉動慣量可表示為:</p><p>　　絲杠的轉動慣量可表示為: &

67、lt;/p><p>　　齒輪的轉動慣量可表示為: </p><p>　　由于電機轉動慣量非常小，故可忽略不計。</p><p>　　則總的轉動慣量等于各運動件的轉動慣量和工作臺的質量折算到電機軸上的轉動慣量的和，可表示為： </p><p>　　根據各項標準可知，慣量匹配符合要求。</p><p>　　各部分所需轉動力矩的

68、計算</p><p>　　由《機電綜合設計指導》書中可知： </p><p>　　在快速空載起動時，所需的力矩可表示為：</p><p>　　在最大切削負載時，所需的力矩可表示為：</p><p>　　在快速進給時，所需的力矩可表示為：</p><p>　　在上述公式式中，各物理量分別表示：</p>&l

69、t;p>　　—在空載啟動時，動力反應在電機軸上的加速度力矩；</p><p>　　—動力反應在電機軸上的摩擦力矩；</p><p>　　—反應在電機軸上的附加摩擦力矩，是由絲杠預緊引起的； </p><p>　　—在切削時，反應在電機軸上的加速度力矩；</p><p>　　—反應在電機軸上的切削負載力矩；</p><

70、p><b>　　又因為： </b></p><p><b>　　當時， </b></p><p><b>　　可得： </b></p><p><b>　　又當時，</b></p><p><b>　　可得 ：</b>&

71、lt;/p><p><b>　　又因為：</b></p><p><b>　　由上式可知：當，時</b></p><p>　　又當時，預加載荷值，</p><p><b>　　則有以下表達式：</b></p><p>　　所以可求得在快速空載時所需的力矩為：

72、</p><p>　　在最大切削負載時所需的力矩為：</p><p>　　在快速進給時所需的力矩為：</p><p>　　由上述各式及所求得的結果可知，所需的最大力矩發(fā)生在快速啟動時，</p><p><b>　　為：</b></p><p>　　因此，所選擇的步進電機可以滿足相關要求。</

73、p><p>　　2.2 .橫向進給系統(tǒng)的設計與計算</p><p>　　2.2.1 橫向進給系統(tǒng)的設計</p><p>　　在對普通機床的數控化改造中，其橫向進給系統(tǒng)的設計是相對較為簡單的。一般情況下是步進電機經過減速后，驅動滾珠絲杠并促使刀架做橫向運動。將步進電機安裝在機床的大拖板上，再用法蘭盤將步進電機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，并提高其傳動精度。<

74、/p><p>　　2.2.2執(zhí)行機構的設計</p><p>　　而橫向進給系統(tǒng)的計算也與縱向進給系統(tǒng)的計算相似，橫向運動裝置的工作過程是：首先，步進電機經由聯軸器將轉矩傳遞給滾珠絲杠，并讓絲杠帶動工作臺進行運動，進而完成其自動安裝過程。如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2：橫向進給系統(tǒng)計算簡圖</p><p>　　2.2.3滾珠絲杠和步

75、進電機的計算與選擇</p><p><b>　　已知條件： </b></p><p>　　工作重量： W=300N</p><p>　　時間常數： T=30ms</p><p>　　滾珠絲杠基本導程：

76、 L0=6mm</p><p>　　行程： S=190mm</p><p>　　脈沖當量： </p><p>　　步距角： </p

77、><p>　　快速進給速度： =2.5m/min</p><p>　　（1）切削力的計算： </p><p>　　車削外圓時有三個切削抗力，分別是Fx，Fy和Fz。主切削力Fz和切削速度v的方向相同，為垂直向下，是計算車床主軸電機切削功率的重要依據。切深抗力Fy和縱向進給方向相垂直，它能影響加工精度或已加工表面的質量。而

78、進給抗力Fx和進給方向平行但方向相反，是設計或校核進給系統(tǒng)時需用的物理量。一般來講，橫向進給量約為縱向進給量的1/2至1/3，本次設計中，取橫向進給切削力為縱向進給力的1/2。</p><p>　　根據縱向進給力的相關參數計算，可得橫向進給力為：</p><p><b>　　==763.8N</b></p><p>　　則取=0.5=0.576

79、3.8=381.9N =0.4=0.4763.8=305.5N</p><p>　　(2) 滾珠絲杠的計算和選型：</p><p>　　1）計算其進給牽引力</p><p>　　牽引力可表示為： =K+f′(+2+G)</p><p>　　式中各物理量分別表示： </p><p>　　、、—各個切削分力 (N)

80、 K—顛覆力矩的影響試驗系數</p><p>　　f′—導軌上的摩擦系數 G—移動部件的重量 (N)</p><p>　　由于本次設計采用的是貼塑導軌，則f′=0.03-0.05，</p><p>　　本次設計取f′=0.05，K=1.4</p><p>　　由上式及各參數可求得：</p><

81、p>　　=1.4×305.5+0.05（763.8 +2×381.9+300）=519.08 N</p><p>　　2）計算最大動載荷C</p><p>　　由《機電綜合設計指導》書中可知，最大動載荷C的公式可表示為：</p><p><b>　　C=</b></p><p>　　式中：L—工

82、作壽命（），其公式為L=， </p><p>　　n—滾珠絲杠的轉速（ r/min），</p><p>　　初步計算導程公式為：，</p><p>　　式中：—工作臺快進速度（mm/min），為絲桿最大轉速（r/min）,</p><p>　　本次設計取=1000mm/min; =1500r/min,</p><p>

83、　　由以上各式可算得：1000/1500=0.67，</p><p>　　取=5mm，可得 n=10001/5=200r/min</p><p>　　又： T—壽命(h)，經查得T=15000h,</p><p>　　所以： L=6020015000/=180</p><p>　　又：—運轉系數 經查得=1.2</p><

84、;p>　　—硬度系數 經查得=1.0</p><p>　　根據公式C=，可知C=1.21.0763.8=5175.09N</p><p>　　3）計算最大的靜載荷</p><p>　　最大靜載荷可表示為：</p><p><b>　　=</b></p><p>　　式中：—靜態(tài)安全系數 ，

85、本次設計取=2</p><p>　　由公式可求得：==2763.8=1527.6N</p><p>　　4）滾珠絲桿螺母副的選型</p><p>　　在滾珠絲杠螺母副的選擇上，由于滾珠絲杠螺母副的額定動載荷要等于或稍大于C，故本次設計選擇的是漢江機床廠生產的FC1型滾珠絲杠2005-2.5型，它的額定動載荷是8360 N，其型號尺寸見表2.3所示：</p>

86、;<p>　　表2.3 FC1型滾珠絲桿2005-2.5型號尺寸</p><p>　　則數控機床的導程精度為E級。</p><p><b>　　5）傳動效率的計算</b></p><p>　　式中物理量：—摩擦角，其正切函數值為摩擦系數，本次設計取=10′</p><p>　　由以上公式及各相關參數，可求

87、得η=tan/tan(+10′)=92.9%</p><p><b>　　6)絲杠剛度的驗算</b></p><p>　　對于滾珠絲杠螺母副來說，它的軸向剛度會直接影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性。而由于軸向剛度不足所引起的變形量在一般情況來說，是不能大于機床定位精度一半的。而滾珠絲杠在工作負載與轉矩的共同作用下，所引起的每個導程的變形量Δ（m）可表示以下公式：&

88、lt;/p><p><b>　　Δ=±±</b></p><p>　　式中： A為絲杠截面積，可表示為 A=</p><p><b>　　計算可知：</b></p><p>　　滾道半徑 R=0.52=0.523.175=1.651mm</p><p>　　

89、偏心率 e=0.707（R-）=0.707（1.651-）=4.5mm</p><p>　　絲杠內經 ==16.79mm</p><p><b>　　===3.9</b></p><p>　　由以上公式可以求得 A==2.21</p><p>　　—絲杠的極慣性矩 其表達式為：===7.8</p><

90、;p>　　G—絲杠切變模量 其表達式為：G=83.3G</p><p>　　T—轉矩 其表達式為： T=tan()=763.8tan(+10′)</p><p><b>　　=0.63</b></p><p>　　由以上公式可得： Δ=+</p><p>　　所以： Δ=+=10.1</p>&l

91、t;p>　　則可以計算出絲杠在工作長度上發(fā)生彈性變形時所引起的導程誤差為：</p><p>　　ΔL=l=0.19=3.84 </p><p>　　而E級精度的絲杠允許誤差為15，所以此剛度符合標準。</p><p><b>　　7）驗算絲杠穩(wěn)定性</b></p><p>　　為了使絲杠穩(wěn)定，則需使其達到臨界載荷

92、，即：絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷。</p><p>　　—臨界載荷 其表達式為：= </p><p>　　式中為長度系數，本次設計采用一端固定一端游動的支撐方式，故取=2/3。</p><p>　　由上式可知==4950750N</p><p>　　安全系數S===6481.7</p><p>　　查表可得[S]取2.

93、5-3，由于S＞[S]，所以絲杠符合標準，不會失穩(wěn)。</p><p>　　通過上述計算可知，所選用的FC1型滾珠絲杠2005-2.5中的各項性能均符合本次設計要求，可以使用。</p><p>　?。?）步進電機的選擇與計算</p><p>　　在步進電機中，由于需要滿足脈沖當量的設計要求和增大轉矩的要求，也為了讓傳動系統(tǒng)的負載慣量盡可能減少，所以本次設計的步進電機需

94、要通過二對降速齒輪和絲杠進行連接。</p><p>　　1)齒輪的設計與計算</p><p>　　在系統(tǒng)中，其脈沖當量為=0.01mm/step,則初步選定步進電機的步距角為=0.75°。</p><p>　　則減速器的傳動比為：i===1.25</p><p>　　本次設計的齒數取=16, =20, 模數m=2mm, 齒寬b=20

95、mm, ,</p><p><b>　　則計算可知： </b></p><p><b>　　=m=2=32mm</b></p><p>　　=m=220=40mm</p><p>　　=+2ha*=36mm </p><p>　　=+2ha*=44mm<

96、;/p><p>　　求得 a===36mm</p><p>　　2)步進電機的選擇與計算</p><p>　　負載力矩— 步矩角— </p><p>　　步進電機在的作用下，轉過角時，所做的功是：</p><p><b>　　=</b></p><p>　　而克服負載力F

97、和所移動的位移所做的功是： =F</p><p>　　根據能量守恒原理可知：=，</p><p>　　式中 —電機的傳動效率，本次設計取=0.964</p><p><b>　　由以上各式可求得：</b></p><p><b>　　= ==495.9</b></p><p>

98、;　　若不考慮電機在啟動時，其運動部件的慣性影響情況，則啟動轉矩為可表示為：</p><p>　　=，安全系數s的范圍是0.3-0.6 本次取s=0.4</p><p>　　則 ===1239.75N</p><p>　　根據電動機的最小步距角要求，本次設計選用三項六拍的工作方式，查表可知：</p><p><b>　　=0.86

99、6</b></p><p>　　計算可得=1431.6N</p><p>　　步進電機運行頻率 ===4166.7Hz</p><p>　　由《小功率電動機應用技術手冊》可選擇：</p><p>　　根據以上求得的參數，本次設計選用反應式步進電機110BF003，其參數見表2.4：</p><p>　　表2

100、.4 反應式步進電機110BF003的參數</p><p>　　其安裝尺寸可參考《機電綜合設計指導》書中圖2-23</p><p>　　3）步進電機慣性負載的計算</p><p>　　工作臺重量轉換到電機軸上的轉動慣量可表示為：</p><p>　　絲杠的轉動慣量可表示為:</p><p>　　齒輪的轉動慣量可表示為

101、: </p><p>　　由于電機轉動慣量很小，故可忽略不計。</p><p>　　所以總的轉動慣量可表示為:</p><p>　　各部分所需轉動力矩的計算</p><p>　　所以可求得在快速啟動時所需的轉矩為：</p><p>　　在切削時所需的力矩為：</p><p>　　在快速進給時所需

102、的力矩為：</p><p>　　由上述各式及所求結果可知，所需的最大力矩發(fā)生在快速啟動時，</p><p><b>　　為：</b></p><p>　　2.3相關軸承的計算：</p><p>　　計算滾動軸承的疲勞壽命，其表達式為：</p><p>　　由于軸承安裝在機床上，故取=20000h

103、，本次使用球軸承，則</p><p>　　P為軸軸的最大動負載：故取P=3933.6N，n=20r/min</p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　根據上式可求得：C=11346.47N，所以選擇7000206軸承</p><p>　　其相關參數為：內徑為30mm，d=30mm，D=62mm，B=

104、16mm</p><p>　　則橫向進給系統(tǒng)的軸承：</p><p>　　取=20000h，，P=2135.5N，n=20r/min</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　根據上式可求得：C=5596.59N所以選擇36202軸承</p><p>　　其相關參數為：內徑15

105、，d=15mm，D=35mm，B=11mm</p><p>　　則左側推力軸承選8103</p><p>　　3. 控制系統(tǒng)硬件部分的設計</p><p>　　3.1 控制系統(tǒng)硬件的基本構成</p><p>　　在機電一體化控制系統(tǒng)中，一般由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分構成。而在機床數控系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)主要由以下四部分組成：</p>

106、<p>　　中央處理單元CPU，本次設計中CPU采用8051芯片。</p><p>　　總線：包括地址總線（AB），控制總線（CB）和數據總線（DB）。</p><p>　　存貯器：包括只讀可編程存貯器和隨機讀寫存貯器。</p><p>　　接口：包括I/O輸入接口和I/O輸出接口。</p><p>　　其中CPU是數控系統(tǒng)的核

107、心，它的作用是進行數據運算處理和控制各部分電路的協(xié)調運作。存貯器是一個大的存儲工具，它能存放系統(tǒng)的軟件，應用程序和運行中所需的各種相關數據。I/O接口是系統(tǒng)本身與外界進行信息交換的橋梁。而總線則是CPU、存貯器與接口以及其它轉換電路的連接紐帶，更是CPU與部分相關電路進行信息交換的必經之路。</p><p>　　具體的電路硬件如下：</p><p>　?。?）CPU為8031芯片；<

108、/p><p>　　（2）擴展可編程接口芯片8155兩片；</p><p>　?。?）擴展程序存儲器2764兩片；擴展程序存儲器6264一片；</p><p>　?。?）地址鎖存器、譯碼器各一片；</p><p>　?。?）鍵盤電路，顯示電路；</p><p>　?。?）光電隔離電路，公率放大電路；</p>&

109、lt;p>　?。?）越程報警電路、急停電路、復位電路；</p><p>　?。?）面板管理電路。</p><p>　　3.2 控制系統(tǒng)的設計</p><p>　?。?）CPU采用8031芯片，由于片內無程序存儲器，數據存儲器也只有128字節(jié)，因此選用外部存儲器27512兩片（64KB），數據存儲器62256一片。且8031的I/O口也不能滿足輸入輸出需要，所以

110、另采用8255可編程接口芯片一片。</p><p>　?。?）采用74LS138譯碼器的輸出作為片選信號。8279，8255的片選信號分別接入譯碼器的Y0、Y1。74LS138的輸入A、B、C分別接8031的P2.4、P2.5、P2.6。</p><p>　?。?）由于27512和62256芯片分別需要15根和14根地址線。A0~A7低8位接74LS373芯片的輸出，高8位接8031芯片的

111、P2.0到P2.7，74LS373地址鎖存器在選通信號ALE為高電平時直接傳送8031P0口低8位地址，當ALE在高電平變低電平的下降沿時，低8位地址被鎖存，此時，P0口可用來向外傳送讀寫數據。</p><p>　?。?）接口芯片與外設的連接如下：</p><p>　　行程限位報警信號+Z，-Z，+X，-X分別通過88031的P1.4提出中斷請求。根據不同的中斷可以直接識別行程的方向，此時

112、相應的紅燈報警。</p><p>　　8255的PC0~PC3接自動回轉刀架。自動回轉刀架需要換刀時，由PC0~PC3發(fā)出刀位信號，經交流控制箱控制刀架電機回轉，達到指定刀位。刀架夾緊后，即發(fā)出回答信號，表示已經完成換刀過程，可以進行切削加工。換刀回答信號經8155（1）的PB5輸入計算機，控制刀架開始進給。</p><p>　　8279的OUTA0-OUTA3和OUT0-OUT3作為顯示

113、器位選信號，顯示器的段選信號則由8279的SL0-SL2發(fā)出。8279的RL0-RL3是鍵盤掃描輸入。</p><p>　　8255的PC0~PC5接控制面板上的選擇開關，設有編輯，空運行，自動，手動I，手動II，回零等選擇方式。</p><p>　　8255的PC0~PC5接控制面板上的按鈕開關，設有啟動，暫停，單段運行，連續(xù)運行，急停等操作功能。</p><p>

114、;　　加工螺紋時，與車床主軸相連的光電脈沖發(fā)生器會發(fā)出螺紋加工信號和零位螺紋信號。螺紋加工信號輸入8031的T0，通過設置不同的時間常數，可以改變主軸運轉時的縱向進給量，從而加工出不同螺距的螺紋。零位螺紋信號送入8255的PB6，用來防止多次走刀時螺紋亂扣。</p><p>　　3.3 MCS-51系統(tǒng)程序擴展</p><p>　　MCS-51系列單片機的程序存儲空間和數據存儲空間是相互獨

115、立的。MCS-51是一個高性能的單片機系列，產品規(guī)格多、片內資源豐富。該系列中一些新型的單片機內部不僅增大了存儲器的容量，還集成了很多常用的輸入輸出部件，一般情況下已能滿足各種應用要求。大多數單片機應用系統(tǒng)，可以在MCS-51系列單片機中選擇到一個合適的產品，組成一個單片的微機應用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的設計和調試都十分方便。</p><p>　　8031片內不帶ROM，當片內ROM不夠或采用8031芯片時，需擴展程序存

116、儲器。MCS-51還具有很強的系統(tǒng)擴展能力，可以擴展64K字節(jié)的程序存儲器和64K字節(jié)的數據存儲器或輸入輸出口，使應用系統(tǒng)的設計更靈活，對用戶要求的適應性更強。</p><p>　　MCS-51的P0口和P2口可以直接作為輸入輸出口使用，也可以作為擴展總線口使用，MCS-51系列單片機主要是通過P0和P2口進行系統(tǒng)擴展的。</p><p>　　3.3.1 程序存儲器的擴展</p>

117、;<p>　　程序存儲器顧名思義是用于存儲程序代碼的，也存放程序常數。由于單片機的應用系統(tǒng)通常是專用的微機系統(tǒng)，一旦系統(tǒng)研制完畢其軟件也就定型了，所以單片機的程序存儲器一般由半導體只讀存儲器組成。</p><p>　　對于無ROM型的單片機，或當單片機內部程序存儲器容量不夠時，就需要在外部擴展程序存儲器。</p><p>　　MCS-51的程序存儲器空間、數據存儲空間是相互獨

118、立的。程序存儲器尋址空間為64字節(jié)，其中8051、8751片內包含4K字節(jié)的ROM或EPROM，8031片內不帶ROM。當片內ROM不夠使用或采用8031芯片時，需擴展存儲器。用做程序存儲器的器件是EOROM和EEPROM。如圖3-1</p><p>　　圖3-1：MCS-51單片機程序存儲器的擴展原理圖</p><p>　　MS-51單片機訪問外部程序存儲器所使用的控制信號有：</

119、p><p>　　ALE：低8位地址鎖存控制。</p><p>　　PSEN：外部程序存儲器“讀取”控制。</p><p>　　在外部存儲器取值間，P0口和P2口的16根I/O線輸入地址碼，其中P0作為分時復用地址/數據總線，它送出程序計數器中的低8位地址（PLC），由ALE信號選通進入地址鎖存器，然后變成浮置狀態(tài)等待從程序存儲器讀出指令碼，P2口輸出的程序計數器中的高8