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中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計譯文
畢業(yè)設(shè)計（論文）譯文
題目名稱： 自動控制液壓板料剪切生產(chǎn)線設(shè)計
——展平機、送料機構(gòu)設(shè)計
院系名稱： 機 電 學(xué) 院
班 級： 機 自 072
學(xué) 號： 200700314230
學(xué)生姓名： 剛 義 春
指導(dǎo)教師： 樊 瑞
2011年 05 月22
封面故事
2001年1月/體積53 /數(shù)1 作者是 邁克爾德仁
關(guān)于數(shù)控
5
數(shù)控車床的應(yīng)用概述
讓我們說你增加店鋪的能力或者高維修設(shè)備的機會已經(jīng)到來了?，F(xiàn)在你看你的第一臺數(shù)控車床采購。（您購買了第一臺數(shù)控車床。）接下來的問題是：“我需要什么類型的車床或車削中心？“這取決于你生產(chǎn)的零件的類型。
例如，如果你是加工原型零件或小批量，你可能需要考慮組合車床。一般來說，他們是一起飛和短期的生產(chǎn)運行。他們提供了很大的靈活性，并且易于安裝。
但如果你的工作量包括長期生產(chǎn)運行，一臺數(shù)控車削中心可最好地滿足您的需求。數(shù)控車削中心還提供靈活性和易于設(shè)置，但它們是專為從低到高的生產(chǎn)運行設(shè)計。
有許多風(fēng)格的車床可以選擇。在接下來的幾頁里，我們將回顧其中的一些車床。
組合機床
一個組合或半加工中心車床可以車削螺紋，倒角和仿形加工，這些操作一般在手動車床上比較耗時。這是過渡到數(shù)控車床的理想選擇，因為大多數(shù)的組合車床培訓(xùn)還包括培訓(xùn)工人會話編程，可以在一天之內(nèi)完成，在您的設(shè)施（工廠里）。
組合機床類似于手動車床。它有手輪操作的X和Z軸，一個手柄控制自動進給，在背面有限的面積上有完全防護切削液，可前端移動的擋泥板。顯示屏幕提供了一個定位數(shù)字。
該刀架可以是一個單一的，快速變化的模型，4位旋轉(zhuǎn)甚至是8位八邊形旋轉(zhuǎn)。工具車間車床往往屬于這一類。各種尺寸大小的組合機床通常不比全數(shù)控同行車床昂貴。
一個組合車床允許手動操作示教模式，對話編程和全G代碼編程。通過允許動手操作，操作者有一個熟悉和控制感。而在教學(xué)模式，操作人員跑步到位手動切刀，壓載或輸入按鈕，控制記錄和存儲這種運動。
會話的編程功能不要求操作人員知道代碼計劃的一部分。帶有預(yù)先編程周期，操作人員可以生成零件程序。典型的周期為粗加工和精加工型材，車槽，車螺紋，攻絲，鉆。這些周期提示操作員輸入各種各樣的命令來產(chǎn)生適當(dāng)?shù)穆窂?
那些具備必要編程知識的人具有離線編程完成一個完整的G代碼編程能力。通常情況下，機床生產(chǎn)商或設(shè)計者提供了必要的編程類課程。
數(shù)控車削中心
術(shù)語“數(shù)控車削中心 “適用于幾種不同類型的機器。數(shù)控車削中心是全封閉環(huán)境并且要比組合車床昂貴。讓我們來看看其中幾個，從最簡單到最復(fù)雜的來看。
車削棒料或切斷車床。車削中心倒角，成形，溝槽，以及切斷管，管材和棒料。他們是理想的短期和長期運行，并允許快速安裝和更換。通常情況下，自動送料器上棒料機器的標準，所以你可以把成捆的管材，管件或棒料放置在喂料機上 ，如果需要的，機器能無人值守自動加工運行。
瑞士風(fēng)格 。 該機采用了固定刀架和滑動主軸箱的方式來加工零件。棒料不斷沿主軸方向進給，同時固定式的切削刀具切除金屬。盡可能接近主軸切削，最大工件和刀具剛度得以維持。
車床類型的購買應(yīng)取決于你生產(chǎn)的零件類型。
瑞士風(fēng)格的機床提供了大量的刀具庫，并允許較高的轉(zhuǎn)速和較大的進給率。因此，某些零件被加工的效率要比傳統(tǒng)的數(shù)控車削中心效率高。作為瑞
士最佳車削中心轉(zhuǎn)動部分的直徑小于1英寸，并且比他們最大的直徑長至少四倍。
斜床車削中心。傾斜床機是一種高性能的單元技術(shù)的一個奇跡。它提供了在百萬分之一英寸的定位精度和可重復(fù)性，具有快速遍歷超過1,100 ipm的幾種模式。此外，有些車削中心30- ，40-甚至是50馬力的主軸。他們可以使一個工件旋轉(zhuǎn)速度高達6000轉(zhuǎn)，視卡盤大小而定。標準是從零加速到全速以0.01秒，與在不到0.01秒
回轉(zhuǎn)分度。斜床車削中心允許納入精密可轉(zhuǎn)位刀具索引和快速設(shè)置。刀架有8到12個刀具位置和容納內(nèi)徑和外徑的刀具。傾斜床一般比同樣大小的平板機器，有一個更大的直徑。
雙主軸車削中心。這個斜床版本車削中心是為較長的生產(chǎn)線設(shè)計的，特別有用當(dāng)加工零件的前表面和后表面。第一次加工完成后，小組主軸，而不是一個尾座，移動憑借其在開啟位置，夾緊工件。主軸釋放一部分，這是收回其新加工的位置。然后加工零件后面的部分。這圖片（車床類型的購買應(yīng)取決于你生產(chǎn)的零件類型。）作人員的參與。雙主軸/雙回轉(zhuǎn)機。類似的雙主軸的安排，這類型的車削中心有兩個回轉(zhuǎn)臺，讓您可以從一個工件的兩端同時加工。
轉(zhuǎn)/磨中心。這臺機器，也可稱為現(xiàn)場加工車削中心而聞名，是為部分設(shè)計運行從100到1000。這種機床可能是配備了C軸或Y軸交叉鉆，銑鍵槽，加工螺栓孔模式和其他業(yè)務(wù)。它可以加工非常復(fù)雜的零件。
在零件配置，車削/銑削中心可以消除二次操作。雖然它的代價巨大，但是它不適合心臟虛弱。這些機床效率非常高，并能產(chǎn)生高利潤，但應(yīng)仔細衡量成效與成本的回報率。而且，車削/磨削中心的成功運行需要大量的機床語言編程的專業(yè)知識。
小型和高生產(chǎn)運行理想，是一種高性能數(shù)控車削中心可以消除重光量對金屬軸或卡盤支持的工件。
由于這一要求，車削中心的設(shè)計者提供會話編程，以及G代碼編程和離線編程系統(tǒng)培訓(xùn)。由于機器的復(fù)雜程度，大多數(shù)的生產(chǎn)制造商推薦工人在車間里進行一周的培訓(xùn)。此外，還包括一些基本的培訓(xùn)費用;其他人選擇賣掉它。當(dāng)然，買方為學(xué)員支付包括旅行社，酒店及膳食的費用。
數(shù)控車床操作
為您的數(shù)控車床（s）選擇正確的選項是機器選擇的另一種重要方面。最常見的附加組件的建設(shè)者提供以下幾段說明。
夾頭。大多數(shù)數(shù)控車削中心帶有一個標準夾頭。它可能是一個套筒卡盤或一個簡單的液壓卡盤，三爪卡盤。也有其他類型的夾頭可供選擇。
孔徑的大小。大多數(shù)數(shù)控車床及組合車削中心采用標準的通孔。尺寸大小視生產(chǎn)制造商而定?？淄ǔ１葮丝捎?。
接觸式探針。接觸式探針值得認真考慮。機器制造商包括一些標準的設(shè)備，特別是生產(chǎn)數(shù)控車削中心。隨著接觸式探針擺動，操作人員在X和Z軸方向上緩慢移動探測工具。然后，接觸式探針傳輸?shù)毒唛L度和直徑補償控制器，自動消除任何操作員的錯誤。在一些車削中心，操作員只需輸入他想要什么工具來探測和循環(huán)程序可以自行執(zhí)行這些工作。
生活工具。用刀允許交叉鉆孔，銑鍵槽，銑平面，對加工中心的正常運作等等。該驅(qū)動器的電機用刀馬力范圍從4.5到7馬力或更高。他們有一個相對較低轉(zhuǎn)速和扭矩。
尾座。雖然一些制造商認為尾座是標準件，他們很可能排名在組合車床和車削數(shù)控中心兩者選項列表的頂部。有趣的是，他們在多個版本可供選擇：手動手動身上的刺，帶可編程刺，可編程尾座第i個固定的剛毛和可編程剛毛可編程尾座尾座尾座手冊。
前三種類型可以在一些組合車床以及數(shù)控車削中心見到，因為最后一個在數(shù)控車床上能見到。一個帶有手動套筒的尾座和普通車床的標準裝備是相似的。用可編程尾座套筒加工冊略有不同。如用普通車床，操做工人滑動尾座到位置，一些組合車床可以拉到交叉滑移位置，然后，在教導(dǎo)模式下，他按下一個按鈕進給到程序所需位置。
具有固定的可編程尾座套筒以同樣的方式運行，除了編程尾座位置時，套筒仍然在擴大，保持在車尾恒定距離?？删幊痰奈沧?套筒被編程定位，同樣套筒編程延伸到中心鉆洞。因此，尾座套筒相對于工件之間保持恒定的距離。
手工和可編程穩(wěn)定之上。這些部件限制細長軸偏轉(zhuǎn)。組合機床通常有手動穩(wěn)定的靠架，而數(shù)控車削中心具有可編程的單元。
高壓冷卻液輸送系統(tǒng)。使用此選項，鉆深孔時，您可以使用最新的冷卻液沿著軸向冷卻，添加冷卻液到切削刃，能適應(yīng)較快的進給，較大的切削力以及更好地完成任務(wù)。
一個自動化的一部分加載程序是一個受歡迎的選擇。這里展示的是一個多任務(wù)機和部分被挑選由機器的裝載機一個。
送料器。這是一個受歡迎的選擇時，建筑面積在一溢價。全長條饋線處理10'至12'酒吧和較短的單位通常處理4'到5'的長度。這些單位，氣動或伺服驅(qū)動器型號，送入主軸吧。他們可以進行編程，以一個特定的長度飼料或飼料轉(zhuǎn)化為長期運行時無需操作員干預(yù)的硬停止。有些型號的處理庫存高達5輪的直徑。 部分卸船機。使用此選項，已完成的部分落入一個小籃子或托盤并通過在本機通過門的加工循環(huán)下更復(fù)雜的模型集成了龍門和選擇器的胳膊。
排屑器。這可能是一個方便的項目。它內(nèi)置的芯片會自動刪除，他們直接傾倒到一個容器中。傳送帶消除了運營商不得不停止了芯片的機器和鐵鍬。
獲取情報
上述信息是為了幫助您確定哪臺機器和風(fēng)格適合你目前的需求和預(yù)計增長。經(jīng)過文獻的供應(yīng)商，你可以縮小場三至五種模式。供應(yīng)商聯(lián)系，并讓他們報價的基礎(chǔ)機和選項分開。
南 昌 工 程 學(xué) 院
畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文)
機械動力工程系 系 數(shù)控 專業(yè)
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 CA6150普通車床的數(shù)控技術(shù)改造
學(xué) 生 姓 名 劉志林
班 級 數(shù)控《三》班
學(xué) 號 00415139
指 導(dǎo) 教 師 唐 剛
完 成 日 期 2007 年 6 月 15 日
目錄
第一章 緒論 - 3 -
數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢 - 3 -
第二章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設(shè)計 - 8 -
一 總體方案設(shè)計內(nèi)容 - 8 -
二 總體方案確定 - 8 -
第三章 進給系統(tǒng)設(shè)計計算 - 10 -
一 選擇脈沖當(dāng)量 - 10 -
二 計算切削力 - 10 -
三 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 - 11 -
四 齒輪進給齒輪箱傳動比計算 - 20 -
五 步進電機的計算和選型 - 21 -
第四章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計 - 26 -
一 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計綱要 - 26 -
[一] 硬件電路設(shè)計 - 26 -
[二] 軟件電路設(shè)計 - 27 -
二 8031單片機及其擴展 - 27 -
[一] 8031單片機的簡介 - 27 -
[二] 8031單片機的系統(tǒng)擴展 - 28 -
[三] 存儲器擴展 - 30 -
[四] I/O口的擴展 - 31 -
三 步進電機驅(qū)動電路 - 32 -
[一] 脈沖分配器（環(huán)行分配器） - 32 -
[二] 光電隔離電路 - 33 -
[三] 功率放大器 - 33 -
[四] 其他輔助電路 - 34 -
四 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計 - 35 -
[一] 軟件脈沖分配器 - 35 -
[二] 逐點比較法插補程序 - 37 -
[三] 步進電機升降速軟件設(shè)計 - 38 -
第五章 數(shù)控機床零件加工程序 - 40 -
第六章 總結(jié)與展望 - 41 -
第一章 緒論
數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢
當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上討論了在我國加入WTO和對外開放進一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性，并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點看法。?
? 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟時代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動資料生產(chǎn)”。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策?？傊罅Πl(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。
??? 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：(1)機械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)；(3)自動控制技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動技術(shù)；(5)傳感器技術(shù)；(6)軟件技術(shù)等。
1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、意料等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面［1～4］。
???1．1 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢
??? 效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一。
??? 在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
??? 從EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min，快速為100m/min，加速度達2g，主軸轉(zhuǎn)速已達60 000r/min。加工一薄壁飛機零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*!000r/mm和1g。
???
在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。
??? 在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6 000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。
為了實現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。
??1.2 5軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機床快速發(fā)展
??? 采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展。
??? 當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復(fù)合加工機床（含5面加工機床）的發(fā)展。
??? 在EMO2001展會上，新日本工機的5面加工機床采用復(fù)合主軸頭，可實現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺機床上實現(xiàn)，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。
? 1.3 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
??? 21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
???
為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，如美國的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、歐共體的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中國的ONC(Open Numerical Control System)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。
??? 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機，如在EMO2001展中，日本山崎馬扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生產(chǎn)控制中心，簡稱CPC)；日本大隈（Okuma）機床公司展出“IT plaza”（信息技術(shù)廣場，簡稱IT廣場)；德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（開放制造環(huán)境，簡稱OME）等，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。
1.4 重視新技術(shù)標準、規(guī)范的建立
1.4.1 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)規(guī)范
??? 如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個最大的經(jīng)濟體在短期內(nèi)進行了幾乎相同的科學(xué)計劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。
?? 1.4.2 關(guān)于數(shù)控標準
??? 數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標準，即采用G，M代碼描述如何（how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整個制造過程，乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標準化。
??? STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠的影響。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下，NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。其次，STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75％）、加工程序編制時間（約35％）和加工時間（約50％）。
??? 目前，歐美國家非常重視STEP-NC的研究，歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計劃(1999.1.1～2001.12.31)。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學(xué)術(shù)機構(gòu)。美國的STEP Tools公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模型(Super Model)，其目標是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證。
???2 對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計
???我國數(shù)控技術(shù)起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術(shù)，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。在此階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進步。在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達50％，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了10％。
??? 縱觀我國數(shù)控技術(shù)近50年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過4個5年計劃的攻關(guān)，總體來看取得了以下成績。
??? a.奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)。我國現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、數(shù)控主機、專機及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù)，其中大部分技術(shù)已具備進行商品化開發(fā)的基礎(chǔ)，部分技術(shù)已商品化、產(chǎn)業(yè)化。
??? b.初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。在攻關(guān)成果和部分技術(shù)商品化的基礎(chǔ)上，建立了諸如華中數(shù)控、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠。蘭州電機廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機生產(chǎn)廠以及北京第一機床廠、濟南第一機床廠等若干數(shù)控主機生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。
??? c.建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊伍。
雖然在數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足的進步，但我們也要清醒地認識到，我國高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國的現(xiàn)實需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快，但橫向比（與國外對比）不僅技術(shù)水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距，即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴大趨勢。從國際上來看，對我國數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計大致如下。
??? a.技術(shù)水平上，與國外先進水平大約落后10～15年，在高精尖技術(shù)方面則更大。
??? b.產(chǎn)業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低；外觀質(zhì)量相對差；可靠性不高，商品化程度不足；國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。
??? c.可持續(xù)發(fā)展的能力上，對競爭前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱；數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強；相關(guān)標準規(guī)范的研究、制定滯后。
??? 分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面。
??? a.認識方面。對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進程艱巨性、復(fù)雜性和長期性的特點認識不足；對市場的不規(guī)范、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計不足；對我國數(shù)控技術(shù)應(yīng)用水平及能力分析不夠。
??? b.體系方面。從技術(shù)的角度關(guān)注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候多，從系統(tǒng)的、產(chǎn)業(yè)鏈的
角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候少；沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系。
??? c.機制方面。不良機制造成人才流失，又制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新，且制約了規(guī)劃的有效實施，往往規(guī)劃理想，實施困難。
??? d.技術(shù)方面。企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強，核心技術(shù)的工程化能力不強。機床標準落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標準研究不夠。
???
3 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考
?3.1 戰(zhàn)略考慮
??? 我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進制造核心技術(shù)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè)將進一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。
??? 我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對我國實現(xiàn)禁運和限制，“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。
?3.2 發(fā)展策略
??? 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。
??? 強調(diào)市場需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機（如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品。
第二章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設(shè)計
一 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)，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設(shè)計。
機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。
一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。
一、 系統(tǒng)運動方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。
二、 控制方式的選擇
系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不做檢測，所以機床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，調(diào)試和維修都比較簡單。
二 總體方案確定
（1）、系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控機床應(yīng)具備定位，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，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
（2）、數(shù)控系統(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，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾性強，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、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實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。
（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)齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)總體方案框圖如下：
圖1—系統(tǒng)總體方案框圖
第三章 進給系統(tǒng)設(shè)計計算
一 選擇脈沖當(dāng)量
脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01~0.005mm/step。
根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量：
縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑)
二 計算切削力
用車床經(jīng)驗公式F=D來計算主切削力
式中D指車床身上最大加工直徑（mm）。橫切端面時主切削力可取縱切時F的1/2。
求出主切削里F以后再按以下比例分別求出分力F和F。
F：F：F=1 ：0.25 ：0.5
式中 F：指走刀方向的切削力（N）；
F：指垂直走刀方向的切削力（N）。
下圖為縱切和橫切時切削力的示意圖。
圖2—縱切和橫切時切削力的示意圖
1、 縱車外圓
主切削力F(N)按經(jīng)驗公式估計算：
F=D= （N）
按切削力各分力比例：
F：F：F=1 ：0.25 ：0.4
F（N）
F（N）
2、 橫切端面
主切削力（N）可取縱切的1/2。
（N）
（N）
（N）
三 滾珠絲杠螺母副的計算和選型
（一） 縱向進給絲杠
1、 計算進給軸向力F（N）
縱向進給這里為三角形導(dǎo)軌：F
式中K：指顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15；
：指滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取0.15~0.18之間的值；
G：指流板及刀架重力，G=1100N。
則 F=（N）
2、 計算最大動負載Q
考慮滾珠絲杠在運轉(zhuǎn)過程中沖擊擾動對壽命的影響，則最大動負載Q的計算公式為：
Q
L
n
式中 ：指滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=8；
n：指絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min）；
：指最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的1/2~1/3，此處取=0.3；
：指使用壽命時間（h）,對于數(shù)控機床取T=15000h.。
L：指壽命，以10轉(zhuǎn)為一單位；
：指運動系數(shù)，見表1，選=1.3。
表1—運轉(zhuǎn)系數(shù)
運轉(zhuǎn)狀態(tài)
運轉(zhuǎn)系數(shù)
無沖擊運轉(zhuǎn)
1.0~1.2
一般運轉(zhuǎn)
1.2~1.5
有沖擊運轉(zhuǎn)
1.5`-~2.5
則 n( r/min)
L
Q（N）
3、 滾珠絲杠螺母副的選型
從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應(yīng)的動負載C的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型，選用時應(yīng)滿足Q C的條件。
查表：可采用WL5008外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動負載為23400N，符合Q C的條件。精度等級按表 2，選為1級。
Vmm
表 2—滾珠絲杠行程公差
項目
符號
有效行程（mm）
精度等級
1
2
3
4
5
目標行程公差
e
6
8
12
16
23
315~400
7
9
13
18
25
400~500
8
10
15
20
27
500~630
9
11
16
22
30
行程變動量公差
V
6
8
12
16
23
315~400
6
8
12
17
25
400~500
7
10
13
19
26
500~630
7
11
14
21
29
任意300 mm內(nèi)行程變動量
V
6
8
12
16
23
2弧度內(nèi)行程變動量
V
4
5
6
7
8
4、傳動效率計算
式中 ：指螺旋升角，=255
：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)其摩擦角，約等于。
則
5、剛度驗算
先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3所示，最大軸向力為N，支承間距L=1500mm, 絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負荷的1/3。
圖3—縱向進給系統(tǒng)計算簡圖
計算如下：
（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）
F=N，
L=8mm,
EN/mm(材料彈性模數(shù)，對鋼來說是等于這個值)，
mm, R=2.477, e=0.068mm
則 d( mm)
A(mm) （A指滾珠絲杠按內(nèi)徑定的 截面積）
絲杠導(dǎo)程L的變化量為：
總長度L=1500mm，絲杠上的變形量，由于兩端均采用推力球軸承，則值：
(mm)
(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm）
由d=4.763mm, F=kgf,
承載滾珠數(shù)量 ZZ
由于滾珠絲杠副施加預(yù)應(yīng)力，且預(yù)應(yīng)力F為軸向負載的1/3，則變形
=0.0013
（mm）
(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）
這里采用有預(yù)緊時的推力球軸承則
查《機械設(shè)計手冊》中表6-2-82，采用51109型推力球軸承，其d=45mm,
滾動體直徑D=3.969 mm, 滾動體數(shù)量Z=22，
（mm）
則定位誤差
=0.01785mm0.025mm(規(guī)定定位精度)
6、穩(wěn)定性校核
滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需作穩(wěn)定性校核。
（二） 橫向進給絲杠
1、 計算進給軸向力
橫向?qū)к墳檠辔残危嬎闳缦拢?
由于是燕尾形導(dǎo)軌式中： K=1.4，=0.2
則 N
2、計算最大動負載Q
n( r/min)
L
Q（N）
查表：可采用WL2506外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動負載為13100N，符合Q C的條件。精度等級按表 2—滾珠絲杠行程公差表，選為1級。
Vmm
4、傳動效率計算
5、剛度驗算
橫向進給滾珠絲杠支承方式如圖4所示，最大軸向力為2759N，支承間距L=550mm, 因絲杠長度較短，不需要預(yù)緊。
圖4—橫向進給系統(tǒng)計算簡圖
計算如下：
(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）
根據(jù) N， D=25mm, EN/mm, R=2.064, e=0.056mm
d( mm)
A(mm)
（mm）
(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm）
對滾珠絲杠副施加預(yù)緊力F為軸向負載的1/3。
由 mm, kgf
承載滾珠數(shù)量 ZZ
=0.0013
（mm）
(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）
這里采用有預(yù)緊時的推力球軸承則
查《機械設(shè)計手冊》中表6-2-82，采用51104型推力球軸承，其d=20mm,
滾動體直徑D=3.175 mm, 滾動體數(shù)量Z=14，
（mm）
則定位誤差
=0.03682 (mm)
顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度（），應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改，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=0.03~0.05。重新計算如下：
N
Q（N）
由此可知：滾珠絲杠螺母副和軸承的型號可不改變。
此時的變形量為：
（mm）
=0.0013 （mm）
（mm）
定位誤差
0.02412 (mm) 0.025mm(規(guī)定定位精度)
6、穩(wěn)定性校核
臨界負載與工作負載 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=2.5~4。
計算臨界負載（N）：
式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼E（N/mm）；
J：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（mm）；
：絲杠支承方式系數(shù)，見表3，這里。
表3—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
0.25
1.00
2.00
4.00
則 N
所以此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。
（三）縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)
其幾何參數(shù)見表：
表4—WL5008及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù)
名稱
符號
WL5008
WL2506
螺 紋 滾 道
公稱直徑
50
25
導(dǎo)程
8
6
接觸角
鋼球直徑
4.763
3.969
滾道法面半徑
2.477
2.064
偏心距
0.068
0.056
螺紋升角
螺 桿
絲杠外徑
48.5
24
絲杠內(nèi)徑
45.182
20.984
螺桿接觸直徑
40.424
17.025
螺 母
螺母螺紋直徑
54.818
29.016
螺母內(nèi)徑
51.190
25.992
四 齒輪進給齒輪箱傳動比計算
1、縱向進給齒輪箱傳動比計算
已確定縱向進給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進電機步距角，可計算出傳動比：
在閉式軟齒面齒輪傳動中，齒輪的彎曲強度總是足夠的，因此齒數(shù)可取多些，推薦取Z=24~40。所以可選定齒輪數(shù)為：
2、橫向進給齒輪箱傳動比計算
已確定縱向進給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進電機步距角，可計算出傳動比：
可選定齒輪數(shù)為：
因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2。有關(guān)參數(shù)參照表5。
表5—傳動齒輪幾何參數(shù)
所處位置
縱 向
橫 向
齒數(shù)
24
40
18
45
分度圓直徑
48
80
36
90
齒頂圓直徑
52
84
40
94
齒根圓直徑
43
75
31
85
齒寬
（6~10）m
16
16
16
16
中心距
64
63
五 步進電機的計算和選型
（一） 縱向進給步進電機計算
1、 等效轉(zhuǎn)動慣量計算
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：
式中 ：指步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；
、：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（）；
參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進電機150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。
（分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬）
（分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬）
（分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距）
把這些數(shù)據(jù)代入上式：
2、 電機力矩計算
機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按個階段計算：
（1）快速空載起動力矩
在快速空載起動階段，加速度所占的比例較大，具體計算公式如下：
以上式中 ：指空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩（）；
：指折算到電機軸上的摩擦力矩（）；
：指絲杠預(yù)緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（）；
：指傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量；
：指電機最大角加速度（）；
：指電機最大轉(zhuǎn)速（）；
：指運動部件最大進給速度（）；
：指脈沖當(dāng)量（）；
：指步進電機步距角（）；
：指運動部件從停止起動到最大快進速度所需時間（s），這里是30ms；
：指導(dǎo)程的摩擦力（N），；
：指垂直方向的切削力（N）；
：指工件及工作臺重量（N）；
：指導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，；
：指運動部件的總重量（N）；
：指齒輪降速比；按計算；
：指傳動鏈總效率，一般可??；
：指滾珠絲杠預(yù)加負載，一般取/3，為進給軸向力（N）；
：指滾珠絲杠導(dǎo)程；
：指滾珠絲杠未加預(yù)緊時的傳動效率，一般取。
將以前計算所得數(shù)據(jù)代入：
（）
（）
（）
則 （）
（2）快速移動時所需力矩
（）
（3）最大切削負載時所需力矩
（）
從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。
由表6得：當(dāng)步進電機為三相六拍時，，則（N）。
表6—步進電機起動轉(zhuǎn)距與最大靜轉(zhuǎn)距關(guān)系
步進
電機
相 數(shù)
三 相
四 相
五 相
六 相
拍 數(shù)
3
6
4
8
5
10
6
12
0.5
0.866
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72，大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性。
3、 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率
可查出150BF002型步進電機允許的最高空載啟動頻率為2800運行頻率為8000，再從圖5查出150BF002步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。從圖中看出，當(dāng)步進電機起動時，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（800.77），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588.4，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當(dāng)快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。
圖5—150BF002型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性
（二） 橫向進給步進電機計算和選型
與縱向進給步進電機計算的方法一樣，如果縱向的步進電機能滿足條件那橫向的就也可以滿足條件，則這選用與縱向相同的步進電機。
第四章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計
一 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計綱要
[一] 硬件電路設(shè)計
硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是軟件編程的前提，數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計包括以下幾部分內(nèi)容：
1、 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖
據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結(jié)構(gòu)圖。
機床硬件電路由五部分組成：
（1） 主控制器，即中央處理單元CPU；
（2） 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；
（3） 存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器；
（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。
機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖6所示：
圖6—機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）
2、 選擇中央處理單元CPU的類型
根據(jù)設(shè)計要求，CNC系統(tǒng)的主CPU采用8031單片機。
3、 存儲器擴展電路設(shè)計
存儲器擴展包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器擴展兩部分。
選擇EPROM作程序存儲器時，應(yīng)考慮：
（1） 速度應(yīng)與CPU時鐘匹配；
（2） 容量適中。
4、 I/O接口電路設(shè)計
設(shè)計內(nèi)容包括：據(jù)外部要求選用I/O接口芯片，步進電機伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設(shè)計（如復(fù)位、掉電保護等）。這部分設(shè)計要求考慮系統(tǒng)的驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠。
在存儲器擴展和I/O接口電路中，均涉及到地址譯碼問題。
[二] 軟件電路設(shè)計
軟件是硬件的補充。確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計軟件。
1、 軟件設(shè)計步驟
軟件設(shè)計步驟分為以下幾步：
（3） 據(jù)軟件要求實現(xiàn)的功能，制定出軟件技術(shù)要求；
（4） 將整個軟件模塊化，確定個模塊的編制要求，包括個模塊功能，入口參數(shù)，出口參數(shù)；
（5） 據(jù)硬件資源，合理分配好存儲單元；
（6） 分別對個模塊編程，并調(diào)試；
（7） 連接各模塊，進行統(tǒng)一調(diào)試及優(yōu)化；
（8） 固化到程序存儲器中。
2、 數(shù)控系統(tǒng)中常用的軟件模塊
（1） 軟件實現(xiàn)環(huán)形分配器；
（2） 插補運算模塊；
（3） 自動升降速控制模塊等。
二 8031單片機及其擴展
[一] 8031單片機的簡介
1、8031芯片引腳及片外總線結(jié)構(gòu)
（1）8031芯片引腳功能
8031芯片有40個引腳，引腳配置見圖7：
圖7—8031芯片引腳
（2）各引腳按功能可分為三部分：
l I/O口線：P0，P1，P2，P3共4個8位口；
l 控制口線：，ALE，，RST；
l 電源及時鐘：V、V；XTAL1，XTAL2。
（3）應(yīng)用特性：
l I/O口線不能都用作用戶I/O口線；
l I/O口的驅(qū)動能力，P0口可驅(qū)動8個TTL門電路，P1，P2，P3則只能驅(qū)動4個；
l P3是雙重功能口。
2、8031單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu)
8031單片機由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。
[二] 8031單片機的系統(tǒng)擴展
8031單片機內(nèi)無程序存儲器，如不擴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，也須擴展，有些情況還須擴展定時/計數(shù)器等。
1、8031的片外總線結(jié)構(gòu)
所有的外部芯片都通過三組總線進行擴展：
（1） 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。
（2） 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。
（3） 控制總線（CB）：系統(tǒng)擴展用控制總線有、、、ALE、。
2、系統(tǒng)擴展能力
據(jù)地址總線的寬度，在片外可擴展的存儲器最大容量為64K字節(jié)。
片外數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的操作使用不同的指令和控制信號。允許兩者的地址重復(fù)。故片外可擴展的數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器分別為64K。
擴展的I/O口與片外數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，不再另外提供地址線。
3、地址鎖存器
8031擴展系統(tǒng)時，由P0口提供數(shù)據(jù)及低8位地址，分時傳送，故須地址鎖存。常用的地址鎖存器芯片是74LS373（帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器），其引腳及連接見圖8。
圖8—74LS373引腳及連接圖
圖中：
D~D：信號輸入端；
Q~Q：信號輸出端；
G：下降沿時，將D~D鎖存于內(nèi)部；
E：使能端，E=0時，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出端Q~Q與輸入端D~D連通，當(dāng)E=1時，輸出三態(tài)門斷開，輸入數(shù)據(jù)鎖存。
4、地址譯碼
8031擴展電路中，都涉及到外部地址空間分配問題，即當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時與多個外圍芯片進行數(shù)據(jù)傳送時，首先要進行片選，然后再進行片內(nèi)地址選擇。
地址譯碼實現(xiàn)片選的方法可分為三種：線選法、全地址譯碼法和部分地址譯碼法。這里選用部分地址譯碼法。這種方法是線選與地址譯碼相結(jié)合。圖9為74LS138碼器的引腳圖。
當(dāng)G時，74LS138工作。C、B、A的輸出決定譯碼器的輸出引腳。
圖9—74LS138引腳圖
[三] 存儲器擴展
1、存儲器常用芯片
（1）EPROM芯片
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，均為28腳雙列直插式扁平封裝長片，圖10為常用EPROM引腳。
圖10—常用EPROM引腳排列
EPROM選用原則：
（a） 據(jù)控制對象和任務(wù)的復(fù)雜程度，以及是否需要大量計算來確定存儲系統(tǒng)容量（粗略估計，留有一定余地，以備系統(tǒng)的功能擴展用），為使電路簡化，盡可能選擇大容量芯片，以減少芯片組合。
（b） 芯片的工作速度滿足系統(tǒng)的時序要求。8031訪問EPROM時，其所提供的讀取時間t與所選的晶體時鐘有關(guān)，約為3T，不同型號的EPROM工作速度一般為200~450ns，故選取芯片時，應(yīng)使其工作速度小于t。
（2）數(shù)據(jù)存儲器
數(shù)據(jù)存儲器有動態(tài)和靜態(tài)之分，兩者相比，靜態(tài)RAM無須考慮保持數(shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，擴展簡單，在數(shù)據(jù)存儲器擴展電路中應(yīng)用較廣泛。
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150~200ns。其引腳如圖11所示：
圖11—常用RAM的引腳
2、存儲器的擴展
8031芯片與存儲器的連接
存儲器擴展實質(zhì)是三總線的連接。
1） 據(jù)芯片存儲容量的大小確定數(shù)據(jù)、地址線的根數(shù)。
2） 數(shù)據(jù)線的連接：將8031芯片的P~P按位與RAM數(shù)據(jù)線D~D直連。
3） 地址總線的連接：據(jù)確定的地址線根數(shù)，將相應(yīng)的低位地址線相連，剩余高位地址線作片選。
4） 控制總線的連接：對應(yīng)控制線連接。
[四] I/O口的擴展
MCS—51單片機共有四個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行I/O端口的擴展。Intel公司常用的外圍接口芯片有：8155、8255及8279等。此外還有74LS系列的TTL電路和CMOS電路鎖存器、三態(tài)門電路也可以為擴展I/O口。
1、 I/O口擴展方法
據(jù)擴展并行I/O口時數(shù)據(jù)線的連接方式，I/O口擴展方式可分為三種：
1） 總線擴展方法
2） 串行口擴展方法
3） 通過單片機片內(nèi)I/O口的擴展方法
2、 常用接口芯片
（1）8155芯片
8155芯片內(nèi)具有256個字節(jié)RAM、2個8位、1個6位的可編程I/O口和1個14位計數(shù)器。
8155的結(jié)構(gòu)和引腳見圖12：
（a） (b)
圖12—8155的邏輯結(jié)構(gòu)與引腳
(2)8255芯片
8255具有3個8位的并行I/O口，分別為PA、PB、PC口，其中PC口又分為高4位（PC~PC）和低4位（PC~PC）。
（3）8279芯片
8279內(nèi)部有168顯示數(shù)據(jù)RAM，通過命令字可選擇顯示器的4種工作方式，內(nèi)部還有6字節(jié)。
三 步進電機驅(qū)動電路
在經(jīng)濟型數(shù)控機床中，大多采用步進電機開環(huán)控制。而單片機的I/O口或I/O擴展口的驅(qū)動能力有限，為使步進電機正常運行并輸出一定功率，需有功功率放大環(huán)節(jié)；為避免強電干擾，因此還需采用隔離電路。其控制電路框圖如圖14所示：
圖14—步進電機控制框圖
[一] 脈沖分配器（環(huán)行分配器）
有硬件和軟件分配器兩種，硬件分配器需要的I/O接口連線少，執(zhí)行速度快，需要專用的芯片，軟件則用程序?qū)崿F(xiàn)。
脈沖分配器的芯片
目前采用的TTL集成脈沖分配器有三相、四相、五相和六相，其型號分別為YB0B、YB014、YB015及YB016，都為18個引腳的直插式封裝。其主要性能參見表8：
表8—TTL脈沖分配器主要性能參數(shù)
輸入高電平（V）
輸入底電平（V）
輸出高電平（V）
輸出高電平（V）
吸收電流（mA）
工作頻率（Hz）
電源電壓（V）
環(huán)境溫度（）
2.4
0.4
0.8
2.4
1.6
0~160
5
0~+70
[二] 光電隔離電路
單片機系統(tǒng)要控制電壓高、電流大的信號，必須采用電氣上的隔離并抑制干擾，光電耦合器就是利用光傳遞信息的器件，使電路的輸入和輸出在電氣上完全隔離，大大提高了系統(tǒng)安全可靠性，并可實現(xiàn)共模噪聲的抑制和電源的變換等。
光電耦合器的類型按輸出結(jié)構(gòu)可分為直流和交流輸出兩類。直流輸出可采用：（1）晶體管輸出；（2）達林頓管輸出；（3）史密特觸發(fā)器輸出。交流可采用：（1）單向可控硅輸出；（2）雙向可控硅輸出等。
[三] 功率放大器
脈沖分配器的功率很小，不能滿足步進電機的要求，必須將它放大以產(chǎn)生足夠大的功率，驅(qū)動步進電極正常運轉(zhuǎn)。
從步進電機的起動矩頻特性和運行矩頻特性可以看出，隨著運行矩頻的增高，步進電機帶動負載的能力下降。產(chǎn)生的主要原因是：作為功率放大器負載的步進電機是電感負載，當(dāng)改變通電狀態(tài)時，通電繞組的電流將從零逐漸增大，該繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢使電流按指數(shù)規(guī)律上升，并將電源一部分能量存在（電感）繞組中，電流的時間常數(shù)為：
式中：指步進電機一相繞組的平均電感量
：通電回路的電阻，包括繞組電阻、功率放大器輸出級的內(nèi)阻及串聯(lián)電阻。
而斷電繞組電流是下降的，這時存儲于繞組中的勢能將以電流式釋放出來，使電流按指數(shù)規(guī)律下降，其時間常數(shù)為：
式中：指放電回路電阻，包括繞組電阻，續(xù)流二極管正向電阻等。
這樣就使繞組中電流緩慢增加和下降，步進各相繞組電流幾乎同時存在，步進電機負載能力下降，嚴重時會出現(xiàn)失步。
為提高步進電機動態(tài)特性，可采用以下幾種方法：（1）電阻法；（2）雙電源法。
[四] 其他輔助電路
1、 掉電保護電路
RAM中存放的數(shù)據(jù)一掉電就會全部丟失。為了保護RAM中的信息，采用掉電保護電路。圖15所示為一簡單掉電保護電路的工作原理。圖中V為電源電壓，V為備用電池電壓，并且VV；V為RAM的電源端。
圖15—掉電保護電路
2、 越界報警電路
為防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)，一旦某一方向越界應(yīng)立即停止工作臺移動，圖16（a）為報警指示, （b）為報警信號的產(chǎn)生，這里利用的8031的外部中斷INT0來控制報警。
（a） (b)
圖16—越界報警電路
四 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計
軟件是硬件的補充，確定硬件電路后，根基系統(tǒng)功能要求設(shè)計軟件。經(jīng)濟型數(shù)控機床軟件的設(shè)計一般可分為以下幾個典型模塊：
（1） 軟件脈沖分配器；
（2） 插補模塊；
（3） 步進電機升降速模塊等。
圖17是兩坐標連續(xù)系統(tǒng)機床的微機控制的原理圖，該系統(tǒng)用8031的P1口作為輸出信號，分別控制X、Y方向的步進電機。
圖17—兩坐標連續(xù)系統(tǒng)機床的微機控制的原理圖
[一] 軟件脈沖分配器
機工作原理，改變繞組通電狀態(tài)，步進電機按規(guī)定方向運轉(zhuǎn)。軟件分配器采用查表法，在微處理器中專門安排一個輸出寄存器作為步進電機的控制寄存器，步進電