C616車床經(jīng)濟型數(shù)控化的改造

1、課程設計說明書 設計題目：C616車床經(jīng)濟型數(shù)控化的改造 學 院：河北理工大學機械工程學院 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 班 級： 姓 名： 指導教師： 2011年1月14日目 錄一、序言3二、設計題目4三、機械設計部分5四、電氣部分13五、課程設計小結30六、參考文獻31序言面對日趨激烈的競爭形勢，企業(yè)只有不斷開發(fā)適銷對路的新產(chǎn)品，才能保持其旺盛的生命力，而具有高精密、柔性化、高效率的特點的現(xiàn)代化自動化制造系統(tǒng)是企業(yè)開發(fā)和創(chuàng)新產(chǎn)品的保證。我國是一個工業(yè)化相對落后的地區(qū)。雖擁有大量的機械加工設備，但還不能適應制造業(yè)的多品種、小批量的生產(chǎn)方式。所以，加工中心數(shù)控系統(tǒng)等加工設備為大多數(shù)制造商所青

2、睞，但不菲的價格成為企業(yè)創(chuàng)新的瓶頸。目前，在機械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是日式機床，如果改用微機控制，實現(xiàn)機電一體化的改造，會使機床適應小批量、多品種復雜零件的加工，不但能提高加工精度和生產(chǎn)率，而且成本低、周期短，適合我國國情，有利于我國加工業(yè)的發(fā)展。設計題目：C616車床經(jīng)濟型數(shù)控化的改造設計內(nèi)容：1. 設計采用步進點擊伺服機構的開環(huán)機床數(shù)控系統(tǒng)，控制對象為機床進給系統(tǒng)的X、Z向工作臺。2. 總體方案設計包括機械、電器、微機部分的選擇與設計。3. 機械部分：對縱向進給系統(tǒng)進行機械結構設計，并畫出縱向進給系統(tǒng)的裝配圖。4. 設計一步進電機驅(qū)動電路包括環(huán)形分配程序設計，光電耦合器和功放電路的設計及其

3、與微機的接口電路。畫出驅(qū)動電路圖。5. 軟件設計。機械部分設計一機電一體化對接卸部分的要求1低摩擦導軌（滾動摩擦）精密絲杠（滾珠絲桿）。2無傳動間隙（用絲杠螺母副消除間隙）。3高剛度。4高諧振頻率。5低慣量（以提高穩(wěn)定性和響應特性）。二設計已知條件1工作臺質(zhì)量 W=800N2啟動加速時間 50ms3脈沖當量 =0.01mm/step4快速進給速度 =2m/min5工作臺行程 640mm6滾珠絲杠基本導程 =6mm7步進電機步距角 =0.75/step三機械設計計算1切削力計算有金屬切削原理可知，v的單位用m/min，而Fz的單位用kgf，Pm可按下式計算：Pm=FzV/6120(KW)Fx消耗

4、在進給運動中的功率，相對與Fz所消耗的功率來說一般很小，1%2%，因此可忽略。又，因為 Pm=PePe：機床電機功率，查機床書說明可知 Pe=4KW：電機到主軸傳動機構的機械效率：取0.75則 Pm=4*0.75=3KW普通車床加工工件時，當采用硬質(zhì)合金刀具時，其最小和最大切削速度為100m/min和600m/min，取v=100m/min。則Fz=6120Pm/v=6120*3/100=183.6kgf=1800N當?shù)毒逰r=45，忍傾角=0，前角=15時，F(xiàn)z、Fx、Fy之間有以下近似關系：Fy=（0.40.5）Fz Fx=（0.30.4）Fz取 Fx=0.4Fz=0.41800=720N

5、 Fy=0.5Fz=0.51800=900N2絲杠所受軸向力的計算：查機電一體化系統(tǒng)設計手冊知：對于三角形綜合導軌的車床絲杠的軸向工作負載Fa=KFx+（Fz+G）式中：Fx、Fz切削分力G移動部件的重量導軌上的摩擦系數(shù)K考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)其中，對于三角形或綜合導軌K=1.15，=0.150.181絲杠所受軸向力Fa=KFx+（Fz+G） =1.15720+0.16（1800+800）（1） 強度計算：壽命值 L=60T/式中：絲杠轉(zhuǎn)速，T：使用壽命系數(shù)，對于數(shù)控機床 T=15000h=20r/min式中：為主運動轉(zhuǎn)速， v=1000m/min 切削速度。f=0.3mm/r 為進給量。

6、 D=80mm為被切削工件直徑。=6mm 為絲杠導程則：L=60T/=602015000/=18最大動載荷，由機電一體化系統(tǒng)設計查得：=壽命值 L=18載荷系數(shù) =1.2（平穩(wěn)或輕度沖擊）硬度系數(shù) =1（HRC58）則最大動載荷=N查機電一體化技術手冊絲杠型號：2506-2.5有關參數(shù)：中徑=25mm 大徑d=24.5mm 導程=6mm 螺旋角=422 滾珠直徑=3.175mm 螺母長度=86mm額定動載荷=9610N易知，則 強度符合要求。（2） 剛度驗算：因扭矩M引起的導程變形量很小可忽略，故據(jù)公式 =F工作負載； 滾珠絲杠的基本導程；E彈性模量對于剛E=2.1N/； S絲杠的橫截面積。內(nèi)

7、徑：=23.4125mm2.34cm S=3.14=4.3則=8.27cm絲杠受拉伸，取=8.27cm任意300mm行程中絲杠的變形量為=30=4.14cm=4.14um查機械設計手冊可知任意300mm內(nèi)累積螺距公差為15um。4.1415，故，剛度滿足要求。（3）穩(wěn)定性驗算絲杠螺紋長度=工作臺行程+螺母長度+2余程。由機電一體化系統(tǒng)設計手冊查得：余程=24mm則= =640mm+86mm224mm=774mm=77.4cm由機電一體化系統(tǒng)設計手冊查知：絲杠實際承受載荷的能力：式中 =2 支撐方式選擇雙推簡支E：剛的彈性模量 N/I絲杠內(nèi)徑的抗彎截面慣性矩（I=）K壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，取4. =

8、25400NFa絲杠滿足穩(wěn)定性要求。3齒輪計算縱向進給脈沖當量：滾珠絲杠導程：=6mm步進電機的步距角：=0.75/step傳動比計算：取=28 =35 m=2.5 =28mm 取20 4等效轉(zhuǎn)動慣量計算：齒輪選用45鋼，近似看作圓柱體齒輪1：齒輪2：絲杠轉(zhuǎn)動慣量的近似計算：支撐跨距 =1200mm等效轉(zhuǎn)動慣量：式中Vi采用最不利于機床運動時的速度，這里選用快速進給速度=2m/min。則（電機）=工作臺質(zhì)量W=80kg 電機轉(zhuǎn)動慣量 預選 則5所需轉(zhuǎn)動力矩的計算快速空載啟動時所需力矩： 最大切削負載時所需力矩： 快速進給時所需力矩：式中： 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩。折算到電機軸上的

9、摩擦力矩。由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸的附加摩擦力矩。切削時折算到電機軸上的加速度力矩。折算到電機軸上的切削負載力矩。當時，當時，摩擦力矩 當=0.8 =0.16時 附加摩擦力矩 當=0.9時，預加載荷，則切削力矩 所以快速空載啟動所需力矩：切削時所需力矩快速進給時所需力矩由以上分析可知：所需最大力矩發(fā)生在快速空載啟動時，。6步進電機的選擇啟動力矩 電機采用三相六拍方式，查機電一體化系統(tǒng)設計表3-7知，由機電一體化系統(tǒng)設計表3-8知 選取110BF003電機參數(shù)： 外徑：110mm 長度：160mm 軸徑：11 步距角：0.75du6/step 重量：60N電氣部分設計微型計算機的應用已深

10、入到機床數(shù)控系統(tǒng)，在本設計中所謂經(jīng)濟型計算機數(shù)控采用八位微機系統(tǒng)與步進電機驅(qū)動系統(tǒng)組成開環(huán)兩坐標進給的簡易數(shù)控系統(tǒng)。電器部分設計包括硬件電路的設計和軟件設計兩部分一 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設計硬件是數(shù)控系統(tǒng)的組成，其性能的好壞直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行，數(shù)控系統(tǒng)的基本硬件電路由以下及部分組成：控制器、存儲器、接口電路、光電隔離電路、功率放大電路。1 控制器本系統(tǒng)采用808CPU系統(tǒng)作為數(shù)控系統(tǒng)的控制器件。（1） 一般計算機的性能指標有速度、字長、內(nèi)存的大小、軟件配置等。808一般由CPU、I/O電路、存儲器三部分組成。（2） 時鐘脈沖頻率是計算機工作速度的主要因素，8

11、08CPU的時鐘頻率為2 存儲器20位的地址在CPU內(nèi)可尋址1M字節(jié)的內(nèi)存空間，而機構內(nèi)的存儲器是16位的，只能尋址64KB，808系統(tǒng)把1M存儲空間分成若干個邏輯段，每個邏輯段容量64KB，因此，1M存儲器空間可分成16個邏輯段，每個邏輯段允許在存儲器空間浮動，即段與段之間可以部分重疊、完全重疊、連續(xù)排列、斷續(xù)排列，非常靈活，在整個存儲空間中可設置若干個邏輯段，對任意一個物理地址可以唯一的被包含在一個邏輯段內(nèi)，也可以包含在多個相互重疊的邏輯段內(nèi)，只要有段基地址和段內(nèi)偏移地址，就可以訪問到這個物理地址所對應的存儲空間。在808存儲空間中，把16KB的存儲空間稱作為一節(jié)，為簡化操作，要求各個邏輯

12、段從節(jié)的整數(shù)邊界開始，也就是說段首地址的高16位稱作段基址，存放在段寄存器內(nèi)，段間偏移地址存放在IP或SP中。3 光電耦合電路光電耦合電路在微機系統(tǒng)中具有非常重要的作用，其通過發(fā)光二極管的光輝推動光敏三極管導通，從而實現(xiàn)通信系統(tǒng)中的光電隔離。光電耦合電路的作用：（1） 隔離功能：是微機與現(xiàn)場隔離，防止現(xiàn)場信號竄入微機，從而保證微機可靠工作。（2） 實現(xiàn)信號電平轉(zhuǎn)換：將來自微機的輸出信號電平很方便地轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機構所需的信號電平或?qū)碜陨a(chǎn)現(xiàn)場的信號電平轉(zhuǎn)換為微機所需要的信號電平。（3） 負載驅(qū)動：達林頓管可將電流放大很多，具有較強的負載驅(qū)動能力。8255A輸出口的放出及吸入電流較大，故可直接用高

13、電平來推動三極管驅(qū)動發(fā)光管，由于8255A在上電復位時，端口初置為輸入狀態(tài)即高阻狀態(tài)，為不使開機輸出額外的信息，三極管基極應拉成低電平。4 功率放大電路功率放大電路分為單電源和雙電源。單電源線路簡單，但效率不高，所以選用雙電源型。雙電源型采用高低壓供電電路，如下圖：工作原理：無脈沖輸入時，VT1、VT2、VT3、VT4均截止，電動機繞阻W無電流通過，電動機不轉(zhuǎn)：有脈沖輸入時，VT1、VT2、VT4飽和導通，由VT2由截止到飽和期間，其集電極電流，也就是脈沖變壓TI的一次電流急劇增加，在變壓器二次側(cè)感生成一個電壓，使VT3導通，80V的高壓經(jīng)高壓管VT3加到繞阻W上，使電流迅速上升，當VT2進入

14、穩(wěn)定狀態(tài)后，TI一次側(cè)電流暫時恒定，無磁通量變化，二次側(cè)的感應電壓為零，VT3截止，這時12V低壓電源經(jīng)VD1加到電動機繞阻W上并維持繞阻中的電流，輸入脈沖結束后，VT1、VT2、VT3、VT4有都截止，儲存在W中的能量通過18歐姆的電阻和VD2放電，該電路由于采用高壓驅(qū)動，電流增長加快，脈沖電流的前沿變徒，電動機的轉(zhuǎn)矩和運行頻率都得到了提高。二 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設計設計一個采用步進電機伺服機構的開環(huán)機床，數(shù)控系統(tǒng)控制對象為機床進給系統(tǒng)X、Z工作臺，用逐點比較法直線插補加工已知直線，故主程序調(diào)用插補子程序，由8255A中斷服務子程序完成越界急停報警。1主程序功能8255A初始化，8259A初始化

15、，調(diào)用插補加工子程序28255A的設置本設計采用A口的8根引線來控制X、Z電機、紅燈、綠燈。其中紅燈與警鈴相連，紅燈亮，警鈴響，作輸出用?？刂谱諨7D6D5D4D3D2D1D010000000工作方式控制字： 10000000=80H8255作為基本的輸入/出口，A口工作方式為0。PA0-PA2分別控制X點擊的XA、XB、XC相。PA4-PA6分別控制Z電機的ZA、ZB、ZC相。PA3控制綠燈，綠燈亮表示運行正常。PA7控制紅燈，紅燈亮表示有中斷輸入。3三相六拍環(huán)形分配器脈沖通電代碼X電機通電代碼相PA7PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0代碼A0000100109HAB00001011

16、0BHB000010100AHBC000011100EHC000011000CHCA000011010DHZ電機通電代碼相PA7PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0代碼A0001100018HAB0011100038HB0010100028HBC0110100068HC0100100048HCA0101100058H中斷時：PA7PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0代碼1000000080H48259A的設置8259A可編程序中斷控制器一共可以接受8個中斷，本次設計共用5個中端口，分別用來控制+X,-X,+Z,-Z方向的越界和急停按鈕。8259A預置命令字：ICW1：其端口地址為偶

17、地址A076543210命令字00001001113HICW2: 其端口地址為奇地址A076543210命令字10110000060H采用邊緣觸發(fā)、單極使用，需設置ICW4，其端口地址為奇地址A076543210命令字10000000101H采用非特殊完全嵌套方式，非自動EOI方式8259A操作命令字OCW1：其端口地址為奇地址A076543210命令字1111000000E0HIR0IR4都可以引入中斷。OCW1：其端口地址為偶地址A076543210命令字0101000000A0H采用普通EOI循環(huán)方式5逐點比較法直線插補加工程序設計1）直線差不計算原理根據(jù)逐點比較法的原理，每走一步必須把

18、動點的實際位置與給定軌跡的理想位置間的誤差以“偏差”形式計算出來，然后根據(jù)偏差的正負決定下一步的走向，以逼近給定軌跡。2）逐點比較查補加工中由四個環(huán)節(jié)組成a偏差判斷通過偏差計算確定刀具的位置，當偏差F0時，加工刀具在被加工斜線上方，當F0時，刀具在被加工斜線下方。b刀具進給由上一步偏差判斷結果，確定刀具進給方向，由此糾正偏差，若F0向X方向移動，若F0，沿Z方向移動。c偏差計算d終點判別 判別刀具是否到達終點，到達終點時則停止，否則繼續(xù)插補。6三相六拍環(huán)分子程序步進電動機的各相繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。環(huán)形脈沖分配器可用硬件實現(xiàn)也可用軟件來實現(xiàn)。采用軟環(huán)分是利用查表或計算方法來進行

19、脈沖的環(huán)形分配。通過正向順序讀取和方向吮吸讀取可控制電動機正反轉(zhuǎn)，通過控制讀取一次數(shù)據(jù)的時間間隔可控制電動機的轉(zhuǎn)速。該方法能充分利用計算機軟件資源以降低硬件成本，尤其是對多相脈沖分配具有更大的優(yōu)點。7輔助電路為防止機床程序越界，在機床上裝有行程控制開關，為防止意外裝有急停按鈕，由于這些開關離控制箱較近，易產(chǎn)生電氣干擾，為避免此種情況發(fā)生，在電路與接口之間實行光電隔離，當綠燈亮時，表示正常工作，當紅燈亮時表示溜板箱已到極限位置。8控制系統(tǒng)的程序1）主程序NAME JGDATA SEGMENT ；定義數(shù)據(jù)段M DW 4 DUPC?)T DW ?F DW OHS DB ?C DB OHD DB OH

20、XT DB 09H,0BH,0AH,0EH,0CH,0DH ；X電機通電代碼ZT DB 18H,38H,28H,68H,48H,58H ；Z電機通電代碼DATA ENDSSTACK SEGMENT STACK ；設置堆棧段STA DW 100 DUPC(?)STACK ENDSCODE DEGMENTASSUME CS:CODE , DS:DATA ；寄存器說明ASSUME SS:STACK, ES:DATASTAR: SLI MOV AX, 00H MOV DS, AX ；中斷向量表段基址送DS MOV AX, SEG INTR ；取中斷子程序的段基址 MOV BX, OFFSET INTR

21、 ；去中斷子程序的偏移地址 MOV SI, 60H ；中斷類型碼送SIMOV SI, BX ；將中斷偏移量送SI.，SI+1中MOV SI+2, AX ；將中斷段基址送到SI+2，SI+3中 MOV AX, DATA MOV DS, AX ；恢復DS MOV DX, 2003H ；初始化8255A MOV AL,80H OUT DX,AL MOV DX,2800H ；定義8259A ICW1 MOV AL, 13H OUT DX,AL MOV DX, 2801H ；定義8259A ICW2 MOV AL, 60H VOT DX, AL MOV AL, 01H ；定義8259A ICW4 OUT

22、 DX, AL MOV AL, 0E0H ；定義8259A OCW1 OUT DX,AL MOV DX, 2800H ；定義8259A OCW2 MOV AL, 0A0H OUT DX, AL STI ；中斷打開 CALL CB ；調(diào)用插補程序 HLT2）直線插補子程序CB PROCPUSH AXPUSH BXPUSH CXPUSH DXPUSHF ；保護現(xiàn)場MOV AH, 0H ；標志位清零SAHFMOV AX,M ；取起點，終點的X坐標MOV BX, M+2SUB BX,AX ；取終點相對于起點橫坐標的絕對值JGE B1NEG BXB1：MOV AX, M+1 ；取起點，終點的Z坐標MOV

23、 DX, M+3SUB DX, AX ；取終點相對于起點的Z坐標的絕對值JGE B2NEG DXB2：ADD DX, BX ；計算縱進給步數(shù)MOV CX,DXMOV AX, F ；將偏差值送AXXH：CMP AX, 00H ；判斷走向JN2 B4 ；跳向Z向MOV S, 0H ；寫X電機狀態(tài)字（X/Z，正/反）CMP M+2, MJC B3OR S, 00HB3：OR S, 01HCALL HF ；調(diào)用環(huán)分子程序，X電機走一步SUB AX, DX ；計算偏差值CALL TIME ；調(diào)用延時程序JMP B6B4：MOV S, 02H ；寫Z電機狀態(tài)字（X/Z，正/反）CMP M+3, M+1JC

24、 B5OR S, 00HB5：OR S, 01HCALL HF ；調(diào)用環(huán)分子程序，Z電機走一步ADD AX, BX ；計算偏差值CALL TIME ；調(diào)用延時子程序B6：DEC CX ；總步數(shù)減1LOOP XHPOPF ；出棧，恢復現(xiàn)場POP DXPOP CXPOP BXPOP AXRETCB ENDP3)三相六拍環(huán)分子程序HF PROCPUSH AXPUSH BXPUSH DXPUSHF ；壓棧，保護現(xiàn)場MOV BL, S ；送電機操作字給BLAND BL, 01H ；判斷正反轉(zhuǎn)CMP BL, 0HJNZ FR ；跳轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)MOV BL, S ；判斷X、Z電機AND BL, 02HCMP B

25、L, 0HJNZ ZDZ ；跳轉(zhuǎn)至Z電機正轉(zhuǎn)XDZ：CMP C. 0H ；判斷是否為第1次轉(zhuǎn)動JNZ L1LEA SI, XT ；送通電代碼首地址給SIL1：MOV C, 01HMOV BX, XT+5MOV DX, 2000H ；通過8255A給電機送通電代碼MOV AL, SIOUT DX,ALCMP SI, BX ；判斷通電代碼是否用完JZ L2INC SI ；指針自增1JMP L9L2：LEA SI,XTJMP L9ZDZ：CMP D, 0H ；判斷是否為第1次轉(zhuǎn)動JNZ L3LEA DI,ZT ；送通電代碼首地址給DIL3：MOV D,01HMOV BX, ZT+5MOV DX, 2

26、000H ；通過8255A送通電代碼給電機MOV AL, DIOUT DX,ALCMP DI, BX ；判斷通電代碼是否用完JZ L4INC DI ；指針自增1JMP L9L4：LEA DZ, ZTJMP L9FR：AND BL,02H ；判斷用哪個電機CMP BL, 0HJNZ ZDFXDF：CMP C,0H ；判斷是否為第1次轉(zhuǎn)動JNZ L5LEA SI, XT+5 ；送通電代碼末地址給SIL5：MOV C, 01HMOV BX, XTMOV DX,2000H ；通過8255A給電機送通電代碼MOV AL,SIOUT DX, ALCMP SI, BX ；判斷通電代碼是否用完JZ L6DEC SI ；指針自減1JMP L9L6：LEA SI,XT+5JMP L9ZDF：CMP D, 0H ；判斷是否為第1次轉(zhuǎn)動JNZ L7LEA DI,ZT+5 ；送通電代碼末地址給DIL7：MOV D, 01HMOV BX, ZTMOV DX,2000H ；通過8255A給電機送通電代碼 MOV AL, DIOUT DX, ALCMP DI, BX ；判斷通電代碼是否用完JZ L8DEC DI ；指針自減1JMP L9L8：LES DI, ZT+5L9：POPF ；出棧，恢復現(xiàn)場POPDXPOPBXPOPAX