C6150普通車床的數(shù)控化改造資料

1、晉 中 學(xué) 院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）題 目 C6150普通車床的數(shù)控化 改造設(shè)計 院 系 機(jī)械學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 姓 名 祁妍婷 學(xué) 號 1214312122 學(xué)習(xí)年限2012年09月至2014年07月指導(dǎo)教師 薛小蘭 職稱 講師 申請學(xué)位 工學(xué)學(xué)士學(xué)位 2014年5月20日C6150普通車床的數(shù)控化改造學(xué)生姓名：祁妍婷 指導(dǎo)教師：薛小蘭摘 要： 與普通車床相比較，數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電液氣一體化的典型產(chǎn)品，可以解決在機(jī)械加工中結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜多變的零件加工的問題，而且加工質(zhì)量好，生產(chǎn)效率也高。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的占有率已經(jīng)成為衡量一個國家機(jī)械制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。 購買

2、新的數(shù)控機(jī)床或者從國外進(jìn)口是提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的主要方法，但是費(fèi)用高，許多工廠在較短時間內(nèi)沒有辦法實現(xiàn)，這樣就嚴(yán)重阻礙企業(yè)設(shè)備更新的腳步。采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，特別適合我國普通機(jī)床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。 本次設(shè)計是對C6150普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計計算，主要是對原有機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計，最終使機(jī)床達(dá)到比較理想的狀態(tài)。其中主要對伺服系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等方面做了詳細(xì)的計算和設(shè)計。設(shè)計時我先對數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案的設(shè)計，然后對進(jìn)給系統(tǒng)、齒輪箱傳動比及步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計、選型和計算，最后對微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行了設(shè)計。關(guān)鍵詞：數(shù)控改造 步進(jìn)電動機(jī) 單片微機(jī)R

3、eforming design of NC for C6150 general l-athe Authors Name: Qi Yan-ting Tutor: Xue Xiao-lanABSTRACT: As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and hig

4、h efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining.Along with the science technical fast fierce development, numerical controlling tool machine has already become the important marking which measures a national machine manufactu

5、re industry level. Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Adopt the economic number controls system to carry on a number to control to turn a reformation to

6、the common tool machine, particularly in keeping with our country the common tool machine own to have great capacity, the small concrete state of the nation of the production scale. This design is to control to turn a reformation to the number of C6150 common lather，mainly on the creative design of

7、original structure of lathe to make lathe relative perfect. While in the process, we do detailed calculation and design of servo system, NC and so on. Design when I first CNC machine tool system, the overall design, and then calculated the feeding system, the gearbox ratio and the stepper motor, com

8、puter numerical control system hardware circuit design.KEYWORDS：Numerical transformation of Mechatronics Stepping motor Single chip microcomputer目 錄1 緒論12 機(jī)床改造總體設(shè)計方案的擬定22.1 設(shè)計任務(wù)22.2 總體方案設(shè)計內(nèi)容32.3 總體方案確定33 機(jī)床伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計和計算43.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量43.2 計算切削力43.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型63.4 齒輪箱的計算133.5 步進(jìn)電動機(jī)的選型和計算143.6 繪制進(jìn)給傳

9、動機(jī)構(gòu)的裝配圖214微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計214.1硬件電路的設(shè)計214.2 8031單片機(jī)的簡介及其擴(kuò)展234.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路284.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計315總結(jié)37參考文獻(xiàn)381 緒論 一個企業(yè)要在當(dāng)前競爭激烈的環(huán)境中存活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。目前，我國的大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)大都采用的是普通的機(jī)床，用這種設(shè)備加工出來的產(chǎn)品存在很多缺點，在國內(nèi)和國際市場上缺乏競爭力。普通機(jī)床已不再適應(yīng)現(xiàn)在生產(chǎn)的要求，而數(shù)控機(jī)床則綜合了現(xiàn)在先進(jìn)技術(shù)，最適宜形狀復(fù)雜、加工小批量、生產(chǎn)周期要求短的零件。當(dāng)加工對象改變時，只需要重新對零

10、件進(jìn)行編程，就可以不改變機(jī)床繼續(xù)加工。因此具有很好的柔性，能很好的滿足現(xiàn)在產(chǎn)品不斷變化的要求。 最近幾年我們國家數(shù)控機(jī)床的占有率逐年增加，很多家企業(yè)己經(jīng)開始較多的使用。在這些使用的數(shù)控機(jī)床中，除了少數(shù)機(jī)床以FMS模式集成使用外，大部分處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，而且很大一部分使用效率不高，管理方式落后。而從國外進(jìn)口數(shù)控車床成本又較高，因此普通車床數(shù)控改裝已成為不可避免的。近年來我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)己有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以FMS模式集成使用外，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。200

11、1年，我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值己進(jìn)入世界第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第3位，達(dá)47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費(fèi)額比上一年增長25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場的需求，使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)24.06億美元，比上年增長27.3%，成本太高。所以數(shù)控化改造在我國很有必要。 數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)在機(jī)械行業(yè)中的使用用越來越廣泛。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，一方面，是功能齊全；另一方面是簡單而實用。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有以下優(yōu)點：第一，高柔性；第二，加工精度和生產(chǎn)效率高；第三，降低了勞動強(qiáng)度；第四，經(jīng)濟(jì)效益良好，有利于企業(yè)的發(fā)展。在國內(nèi)工廠技術(shù)改

12、造中數(shù)控機(jī)床改造已成為一個重要的內(nèi)容。2 機(jī)床改造總體設(shè)計方案的擬定2.1 設(shè)計任務(wù) 畢業(yè)設(shè)計題目：C6150型普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計。 畢業(yè)設(shè)計要求及原始數(shù)據(jù)（資料）： 要求：將一臺C6150普通車床改造成微機(jī)數(shù)控車床。對原車床的縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化改造設(shè)計，采用MCS-51系列單片機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，開環(huán)（或半閉環(huán)）控制，具有直線、圓弧插補(bǔ)功能及升降速控制功能，改裝后的車床應(yīng)有自動回轉(zhuǎn)刀架和切削螺紋的功能。系統(tǒng)分辯率縱向0.01mm，橫向0.005mm.原始數(shù)據(jù)：床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑：500mm刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑：300mm最大車削長度： 1200mm 溜板及刀架重

13、力： 縱向 1100N 橫向 500N刀架快移速度： 縱向 2.0m/min 橫向 1.0m/min最大進(jìn)給速度： 縱向 0.6m/min 橫向 0.3m/min主電機(jī)功率： 6kW起動加速時間： 30ms機(jī)床定位精度： 縱向0.02mm 橫向0.01mm代碼制： ISO脈沖分配方式： 逐點比較法輸入方式： 增量值、絕對值通用控制坐標(biāo)數(shù)： 2 脈沖當(dāng)量： 縱向 0.01mm/脈沖 橫向0.005mm /脈沖刀具補(bǔ)償量： 099.99mm進(jìn)給傳動鏈間隙補(bǔ)償量： 縱向 0.15mm； 橫向0.075mm自動升降速性能： 有2.2 總體方案設(shè)計內(nèi)容 接到一個數(shù)控裝置的設(shè)計任務(wù)以后，必須首先擬定總體方

14、案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分別對機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行設(shè)計。 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定、選擇伺服系統(tǒng)、選擇計算機(jī)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定等內(nèi)容。一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出一個總體方案，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。2.3 總體方案確定2.3.1控制系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(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，固應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。2.3.2 計算機(jī)系統(tǒng)

15、根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。因為MCS - 51系列單片機(jī)可靠性好、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價高等優(yōu)點，決定選用MCS - 51系列8031單片機(jī)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)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實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。2.3.3 機(jī)械傳動方式為實現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時為提高傳動精度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)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2-1。 圖2-

16、1 系統(tǒng)總體方案框圖3 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計和計算3.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù),經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床常采用的脈沖當(dāng)量是0.010.005mm/脈沖。任務(wù)書中直接給出了脈沖當(dāng)量：縱向0.01mm/脈沖，橫向：0.005mm/脈沖。3.2 計算切削力 車削外圓時的切削抗力有，主切削力與主切削速度方向一致垂直向上，是計算機(jī)床主軸電機(jī)切削功率的主要依據(jù)。切深抗力與縱向進(jìn)給垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進(jìn)給力與進(jìn)給方向平行且相反指向，設(shè)計或校核進(jìn)給系統(tǒng)是要用它。圖3-1為切削時總切削力的分解。圖3-2橫切和縱切時切削力的示意圖。 圖3-1 切削時總切削力的

17、分解圖3-2橫切和縱切時切削力的示意圖3.2.1.縱車外圓 主切削力根據(jù)經(jīng)驗估算: =0.67D (3.1) =0.67×500=7491（N） 其他切削力分別為： (3.2) =5360×0.25=1873（N） =5360×0.4=2996（N）3.2.2.橫切端面主切削力取縱切外圓主切削力的1/2. （N） (3.3) 此時走刀抗力為(N),吃刀抗力為.仍按上述比例粗略計算: :=1:0.25:0.4 (3.4) =3745×0.25=936（N） =3745×0.4=1498（N）3.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型普通車床大多數(shù)采用的是

18、矩形螺紋絲杠等滑動絲杠副，與滾珠絲杠副相比摩擦阻力大、傳動效率低，不能適用于高速運(yùn)動。另外由于磨損快，從而造成其精度差和壽命較低等缺陷。因此，在普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計中經(jīng)常將其改變?yōu)闈L珠絲杠螺母副。滾珠絲杠副有以下一些優(yōu)點：摩擦損失小，傳動效率高，可達(dá)0.900.96；絲杠螺母預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高傳動剛度；摩擦阻力小，幾乎與運(yùn)動速度無關(guān)，動靜摩擦力之差極小，能保證運(yùn)動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象；磨損小、壽命長、精度保持性好。但應(yīng)注意，由于滾珠絲杠副不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此絲杠立式和傾斜使用時，應(yīng)增加制動裝置或平衡裝置。滾珠絲

19、杠副的計算步驟如下。3.3.1 縱向滾珠絲杠螺母副的設(shè)計計算3.3.1.1 計算進(jìn)給牽引力(N) 縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌： (3.5) =1.15×1873+0.16×(7491+1100) =3465(N) 式中 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15； 滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.150.18;溜板及刀架重力：G=1100N。3.3.1.2 計算最大動載荷C C (3.6) L (3.7) n (3.8) 式中 ：指滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=6； n：指絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min）； ：指最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最高進(jìn)給速度的1/21/3，此處取=0.6

20、； ：指使用壽命時間（h）,對于數(shù)控機(jī)床取T=15000h.。 L：指壽命，以10轉(zhuǎn)為一單位； ：指運(yùn)動系數(shù)，見表1，選=1.2。 表3-1 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)無沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)1.01.2一般運(yùn)轉(zhuǎn)1.21.5有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)1.52.5則 n( r/min) L （N） 3.3.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格時，相應(yīng)的額定動載荷最大動載荷。查表W系列外循環(huán)滾珠絲桿副系列尺寸：型滾珠絲杠副的額定動載荷=14790N 因此，初選滾珠絲杠的型號為型，主要參數(shù)為：滾珠直徑 圈數(shù)列數(shù)，其額定動載荷為16400N，精度等級選3級。3.3.1.4 傳動效率計算 (3.9)式中 ：指螺旋升角，

21、=244 ：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)其摩擦角，約等于。3.3.1.5 剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運(yùn)動平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，滾珠和螺紋滾道間的接觸變形，滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖，如下圖3-3所示。最大牽引力3465N。支撐間距L=1500mm,絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。 圖3-3 縱向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量 查圖滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖，根據(jù)=3465N,Do=40mm,查出L/L=1.5×10-5可算出

22、=(L/L)×15000.0225mm (3.10) 由于兩端采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量為 (3.11)(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量由于選用的滾珠絲杠副為W系列2.5 圈1列，可得：mm因進(jìn)行了預(yù)緊，所以： (3) 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形查機(jī)械設(shè)計手冊中表6-2-82，采用51107型推力球軸承，=35mm，滾動體直徑=6.35mm，滾動體數(shù)量Z=18 (3.12)因施加預(yù)緊力，所以： 絲杠的總變形量查表知3級精度絲杠允許的螺距誤差為0.015mm，故所選絲杠合格。3.3.1.6 穩(wěn)定性驗算滾珠絲杠兩端采用推力軸承

23、，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需作穩(wěn)定性校核。3.3.2 橫向滾珠絲杠螺母副的設(shè)計計算3.3.2.1 計算進(jìn)給牽引力對于燕尾型導(dǎo)軌： (3.13)由于是燕尾形導(dǎo)軌式中：K=1.4，=0.23.3.2.2 計算最大動載荷C （N） (3.14) n( r/min) (3.15) L (3.16) 3.3.2.3 滾珠絲桿螺母副的選型型滾珠絲杠副的額定動載荷=9932N，因此，初選滾珠絲杠的型號為型，主要參數(shù)為：滾珠直徑=3.969mm，=6mm，,其額定動載荷為13100N,精度等級選3級。3.3.2.4 傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率: (3.17)3.3.2.5 剛度驗算橫向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方

24、式草圖如圖3-4所示，最大軸向力為2759N，支承間距L=450mm, 因絲杠長度較短，不需要預(yù)緊。 圖3-4 橫向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量 查圖表可得： (3.18) (2)滾珠與螺紋滾道間接觸變形量由于選用的滾珠絲杠副為W系列2.5圈1列，故可得考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，所以： (3.19)(3) 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形查機(jī)械設(shè)計手冊中表6-2-82，采用51102型推力球軸承，其=15mm,滾動體直徑=4.763mm, 滾動體數(shù)量Z=12， (3.20)考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，故： 絲杠的總變形量0.015mm。顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度要求，應(yīng)該采取相應(yīng)的

25、措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌來減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導(dǎo)軌=0.030.05。重新計算如下： (3.21) 查表可得：時，則。此變形量仍不能滿足，如果將滾珠絲杠再經(jīng)過預(yù)拉伸，剛度還可提高4倍，則變形量 (3.22)故所選絲杠合格。3.3.2.6 穩(wěn)定性校核臨界負(fù)載與工作負(fù)載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù)，如果，則壓桿穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般=2.54。計算臨界負(fù)載（N）： (3.23)式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼E（N/mm）； I：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J（為絲杠螺紋的底徑）； ：絲杠兩支承端距離（cm）；：絲杠支承方式系數(shù)

26、，見表3-2，這里。表3-2 滾珠絲杠支承方式系數(shù)方式一端固定一端自由兩端簡支一端固定一端簡支兩端固定0.251.002.004.00則 所以此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。3.3.2.7 滾珠絲杠副的精度等級滾珠絲杠副的精度，按機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)JB3162.2-91的規(guī)定，分為七個等級，即1、2、3、4、5、6、7和10級，1級精度最高，依次逐級降低。通常數(shù)控機(jī)床根據(jù)定位精度的要求選用1-5級精度的滾珠絲杠。表3-3給出1-5級精度的行程公差。如下表所示： 表3-3滾珠絲杠行程公差 (m)項目符號有效行程（mm）精度等級 12345目標(biāo)行程公差 e68121623315400791318254005008

27、10152027500630911162230行程變動量公差 V6812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300 mm行程變動量V68121623弧度內(nèi)行程變動量 V456783.3.2.8縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)表3-4 WL4006及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù)名稱符號WL4006WL2506螺 紋 滾 道公稱直徑4025導(dǎo)程66接觸角鋼球直徑3.9693.969滾道法面半徑2.0642.064偏心距0.0560.056螺紋升角螺 桿絲杠外徑3924絲杠內(nèi)徑35.98423螺桿接觸直徑36.03519.35螺 母螺母螺紋

28、直徑44.01628螺母內(nèi)徑40.79324.23.4 齒輪箱的計算3.4.1 縱向進(jìn)給齒輪箱的計算 已知縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 ，選擇絲杠導(dǎo)程，初定步進(jìn)電機(jī)步距角，計算傳動比: (3.24)可以選擇的齒輪齒數(shù)為： 或 或3.4.2 橫向進(jìn)給齒輪箱的計算 已知橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.005，所選絲杠導(dǎo)程=6mm，步距角,所以傳動比為： (3.25) 從結(jié)構(gòu)上考慮，不能使大齒輪直徑過大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可以選用兩級齒輪降速： 模數(shù)m取2。齒輪有關(guān)參數(shù)參照下表： 表3-5 齒輪參數(shù)縱 向橫 向齒數(shù) 32 40 24 40 20 30分度圓 64 80 48 80 40 60齒頂圓 68

29、 84 52 84 44 64齒根圓597543753555齒寬 20 20 20 20 20 20中心距 72 6450 3.5 步進(jìn)電動機(jī)的選型和計算3.5.1 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計算3.5.1.1 步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量的計算傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算： （3.26）式中 ：指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF002，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 =10 、：指齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量； ：指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量； ：指工件及工作臺重量（N）； ：指絲杠導(dǎo)程（）； 對于齒輪：D可取分度圓直徑，L取齒輪寬度； 對于絲杠：D可近似取絲杠公稱直徑滾珠直徑，L取絲

30、杠長度。具體計算如下： 代入上式3.26： 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題（）基本滿足慣量匹配的要求。3.5.1.2 步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算電機(jī)在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算：(1) 快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （3.27）快速空載起動時折算到電動機(jī)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 （3.28） （3.29） 移動部件運(yùn)動時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 (3.30)滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 （3.31） 由于滾珠絲杠的傳動效率很高，所以由上述公式計算的值很小，通?？梢院雎圆挥?。則有： (2) 最大工作狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承擔(dān)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （

31、3.32） （3.33） （3.34）經(jīng)上述計算后，得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 以此作為初步選擇步進(jìn)電動機(jī)的選擇依據(jù)。(3)步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定由表3-6得：當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)為三相六拍時，則 表3-6步進(jìn)電動機(jī)起動轉(zhuǎn)距與最大靜轉(zhuǎn)距關(guān)系步進(jìn)電機(jī)相 數(shù) 三 相四 相五 相六 相拍 數(shù)36485106120.50.8660.7070.8090.9510.8660.866按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72，比所需最大靜轉(zhuǎn)距要大，所以可選作初選型號，但是也必須再一次考核步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)動矩頻特性和起動矩頻特性。(4)計算步進(jìn)電動機(jī)的工作頻率和切削時的空載

32、起動頻率步進(jìn)電動機(jī)的起動頻率： （3.35）最高工作頻率: （3.36）可查出150BF003型的步進(jìn)電動機(jī)所允許的最高空載啟動頻率為3800，運(yùn)行頻率為7000，再從圖3-5看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足機(jī)床的空載啟動力矩（5.49），如果直接使用就會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），半起動頻率降到1000，起動力矩可提高到5.88，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩擴(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動和切削進(jìn)給時，150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿足要求。 圖3-5 150BF002型步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性3.5.2 橫向進(jìn)給步進(jìn)電

33、機(jī)計算3.5.2.1 步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量的計算折算到電動機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量的計算： （3.37）式中 步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 、齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量參考這類型的機(jī)床，初步選擇反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)110BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量=4.606 代入上式3.37： 由此可見步進(jìn)電機(jī)與傳動系統(tǒng)慣量的匹配滿足慣量匹配的要求。3.5.2.2 步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算電機(jī)在不同的工作狀態(tài)下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面就進(jìn)行分別的計算：(1)快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （3.38） 快速空載起動時折算到電動機(jī)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 （3.39） （3.40） 移動部件運(yùn)動時折算到

34、電機(jī)軸上的摩擦力矩 絲杠預(yù)緊以后折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 （3.41） 由于滾珠絲杠的傳動效率很高，所以由上述公式計算的值很小，通?？梢院雎圆挥嫛t有： (2)最大工作狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （3.42） （3.43） （3.44）經(jīng)上述計算后，得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 以此作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。(3)步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定由表3-6得：當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)為三相六拍時， ，則 按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，110BF003型最大靜轉(zhuǎn)距為7.84，比所需的最大靜轉(zhuǎn)距還大，可成為初步選擇的型號，但是還是需要進(jìn)一步考慮步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)動矩頻特性和啟動矩頻特性。(4)計算

35、切削時的工作頻率和空載時的啟動頻率 步進(jìn)電動機(jī)的啟動頻率： （3.45）最高工作頻率: （3.46）查表110BF002型步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行頻率為7000，最高空載啟動頻率為1500，不能滿足（3333Hz）的要求。再從圖3-6查出110BF002步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行矩頻特性和起動矩頻特性。不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動力矩（1.27），直接使用則會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），半起動頻率降到1000，起動力矩可提高到400，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩擴(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動和切削進(jìn)給時，110BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿足要求。 圖3-

36、6 110BF002型步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性3.6 繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖完成了絲杠螺母副的選型、齒輪箱的計算和步進(jìn)電動機(jī)的選型以后，就可以開始繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖了。在繪制裝配圖時需要注意一下幾點：（1） 了解原機(jī)床的詳細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、床鞍、中滑板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。（2） 根據(jù)載荷特點和支撐形式，確定絲杠兩端軸承的型號、軸承座的結(jié)構(gòu)，以及軸承的預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式。（3） 考慮各部件之間的定位、連接和調(diào)整方法。（4） 考慮密封和防護(hù)、安全機(jī)構(gòu)以及潤滑等等的問題。比如：絲杠的潤滑、軸承的潤滑及密封、防塵、防鐵屑、行程限位保護(hù)裝置等。（5） 在進(jìn)行各零部件設(shè)計時

37、，應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮裝配的順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。本設(shè)計具體的裝配圖和零件圖見圖紙。4微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計4.1硬件電路的設(shè)計4.1.1控制對象及要求 此次設(shè)計對象為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)硬件電路，采用MCS-51系列單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。要求需控制兩軸：X軸和Y軸，且具有直線、圓弧插補(bǔ)功能及升降速控制功能。改裝后的車床應(yīng)有自動回轉(zhuǎn)刀架和切削螺紋的功能。4.1.2總體方案的確定 數(shù)控系統(tǒng)的組成部分是硬件和軟件。硬件是基礎(chǔ)，沒有硬件，軟件就不能有效的運(yùn)行。數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)是由硬件電路的可靠性直接決定的。硬件電路的組成部分如下所示：(1)中央處理單元CPU；(2)程

38、序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器；(3)數(shù)據(jù)總線、控制總線和地址總線；(4)接口，即輸入/輸出接口電路；(5)外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器等。4.1.3中央處理器CPU的選用 在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下幾點：1) 時鐘頻率和字長，這個指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度；2) 可擴(kuò)展存儲器的容量；3) 指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性；4) I/O口擴(kuò)展的能力，即對外設(shè)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。 目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，一般選用MSC-51系列單片機(jī)作為主控制器。MSC-51系列單片機(jī)包括8051、8751、8031、8951.這四個機(jī)種區(qū)別，僅在于片內(nèi)程序儲存器。8051為4K

39、BROM，8751為4KBEPROM，8031片內(nèi)無程序儲存器，8951為4KBEEPROM。其他性能結(jié)構(gòu)一樣，有片內(nèi)128B RAM，2個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源。其中，8031性價比較高，又易于開發(fā)，目前應(yīng)用面廣泛。由此可見選用8031芯片是符合經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床電路設(shè)計的。4.1.4存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計 8031單片機(jī)內(nèi)片只有128個字節(jié)的RAM，需要外擴(kuò)存儲器。存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。 在選擇程序存儲器時，有三種ROM可供選擇，一種是掩膜ROM,一種是可編程ROM(PROM），還有一種是紫外線可檫除ROM(EPROM)，現(xiàn)在多用的是EPROM，在選擇EP

40、ROM時考慮CPU和EPROM時序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。 在選擇數(shù)據(jù)存儲器時，常采用半導(dǎo)體靜態(tài)隨機(jī)存儲器RAM電路。常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài)RAM（SRAM)和動態(tài)RAM(DRAM)兩類。雖然DRAM具有大容量、功率低、價格便宜等優(yōu)點，但它極易受干擾，對外界環(huán)境、工藝結(jié)構(gòu)、控制邏輯和電源質(zhì)量等的要求都很高而SRAM無需考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，故擴(kuò)展電路較簡單。因此，此次設(shè)計的控制系統(tǒng)選用SRAM。在8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器RAM芯片有6116(2K×8)HE 6264(8K×8)兩種。根據(jù)設(shè)計要求選擇6264(

41、8K×8)芯片。4.1.5擴(kuò)展鍵盤及 I/O接口電路的設(shè)計 擴(kuò)展鍵盤及I/O接口電路的設(shè)計包括：伺服控制電路、鍵盤、顯示部分、I/O接口芯片以及其他電路的設(shè)計。設(shè)計時要求考慮系統(tǒng)的驅(qū)動能力，驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）見圖4-1： 圖4-1 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）4.2 8031單片機(jī)的簡介及其擴(kuò)展4.2.1 8031單片機(jī)的引腳及其功能 8031芯片有40個引腳，各引腳按功能可分為三部分：I/O口線：P0，P1，P2，P3共4個8位口；控制口線：，ALE，RST； 電源及時鐘：V、V；XTAL1，XTAL2。8031芯片引腳見圖4-2。

42、圖4-2 8031芯片引腳4.2.2 8031單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8031單片機(jī)由7個部件組成，既微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定時/計數(shù)器及中斷系統(tǒng)，它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成的。4.2.3 8031單片機(jī)的應(yīng)用特性（1）具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元（CPU）；（2）片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路，每執(zhí)行一條指令時間為2微秒或1微秒；（3）片內(nèi)具有128字節(jié)RAM；（4）具有21個特殊寄存器；（5）可擴(kuò)展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的外部程序存儲器。（6）具有4個I/O口，32根I/O線；（7）具有2個16位定時/器計數(shù)器；（8）具有5個中斷

43、源，配備2個中斷優(yōu)先級；（9）具有一個全雙功串行接口；（10）具有位尋址能力，適合邏輯功能。從上述特性可知，一塊8031的功能幾乎相當(dāng)于一塊Z80CPU、一塊RAM、一塊Z80CTC、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微機(jī)系統(tǒng)?？梢钥闯鲞@種芯片集成度高、功能強(qiáng)，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完整的微機(jī)系統(tǒng)。4.2.4 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展 8031單片機(jī)內(nèi)無程序存儲器，如不擴(kuò)展外部程序存儲器則不能工作，且片內(nèi)僅有128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，對于需要較多數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的程序來說，片內(nèi)RAM也不夠用，須擴(kuò)展。8031片內(nèi)四個I/O口中僅P1口可作為8位雙向的I/O接口用戶使用，也須擴(kuò)展，有些

44、情況還須擴(kuò)展定時/計數(shù)器等。 所有的外部芯片都通過三組總線進(jìn)行擴(kuò)展：數(shù)據(jù)總線（DB）：由P0口提供，數(shù)據(jù)總線要連接到連接的所有外圍芯片上，但在同一時間只能夠有一個是有效的數(shù)據(jù)傳輸通道。地址總線（AB）：16位，可尋址范圍為64K字節(jié)，AB由P0口提供低8位地址，與數(shù)據(jù)分時傳送，傳送數(shù)據(jù)時將低8位地址鎖存。高8位地址由P2口提供。控制總線（CB）：系統(tǒng)擴(kuò)展用控制總線有、ALE、。4.2.4.1存儲器的擴(kuò)展（1） 程序存儲器的擴(kuò)展 常用的程序存儲器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等

45、，均為28腳雙列直插式扁平封裝長片。本設(shè)計中選擇兩片2764（8K×8）半導(dǎo)體芯片，晶體頻率選用6MHz，其所能提供的讀取時間t小于480ms，故其芯片在時序上滿足要求。2764芯片的引腳排列如圖4-4。 圖4-4 2764芯片的引腳（2） 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 常用的靜態(tài)RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它們都由單一的+5V電源供電，28腳雙列直插式扁平封裝，典型存取時間為150200ns。本設(shè)計中選擇的是6264(8K×8)芯片。Intel 6264 是8K ×8 SRAM，單一的+5V電源，所有的輸入端和輸出端都與TTL電路

46、兼容。其引腳如圖4-5所示。其中，CS為片選信號，OE為輸出允許信號，WE為寫信號，A0A12為13根地址線，D0D7為8位數(shù)據(jù)線。 圖4-5 6264引腳4.2.4.2 I/O口的擴(kuò)展MCS51單片機(jī)共有四個8位并行I/O口，可提供給用戶使用的只有P1口和部分P3口線，因此不可避免的要進(jìn)行I/O端口的擴(kuò)展。Intel公司常用的外圍接口芯片有：8155：可編程的RAM/IO擴(kuò)展接口電路（256個RAM單元、2個8位口、1個6位口、一個14位的定時/計數(shù)器）；8255：可編程的通用并行接口電路（3個8位口）；8253：3個16位的可編程的定時/計數(shù)器；8279：可編程的鍵盤、顯示電路；8243：4個4位口I/O擴(kuò)展接口電路。此外，74LS系列的LSTTS電路或MOS電路也可作MCS-51單片機(jī)的擴(kuò)展I/O口，如74LS373、74LS377等。本設(shè)計中使用兩片8155可編程接口芯片。下面簡單介紹8155通用可編程接口芯片。（1）8155的結(jié)構(gòu)