裝配圖車床-CA6140車床主傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)

裝配圖車床-CA6140車床主傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計(jì),裝配,車床,ca6140,傳動系統(tǒng),數(shù)控,改造,設(shè)計(jì) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目：CA6140 車床主傳動變速箱的數(shù) 控改造設(shè)計(jì) 系 別：機(jī)電工程學(xué)院 班 級： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 職 稱：工 程 師 日 期：2007 年 5 月 16 日 2 目 錄 前言……………………………………………………… (2) 摘要……………………………………………………… (3) 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求………………………………………………… (4) 一 車床主傳動變速箱結(jié)構(gòu)分析…………………………… (5) 二 數(shù)控車床頭箱結(jié)構(gòu)分析……………………………………(6) 2.1 主傳動系統(tǒng) 2.2 進(jìn)給傳動系統(tǒng) 2.3 自動回轉(zhuǎn)刀架 2.4 機(jī)床尾座 三 伺服系統(tǒng)及步進(jìn)電動機(jī)的設(shè)計(jì)和計(jì)算……………………… (7) 3.1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)方案 3.2 進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 四 同步帶傳動設(shè)計(jì)……………………………………… (14) 4.1 同步齒形帶的選擇和校核 4.2 主軸組件的設(shè)計(jì) 五 數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動的電路設(shè)計(jì)…………………………… (19) 5.1 硬件電路的基本組成 5.2 控制系統(tǒng)的功能 六 潤滑系統(tǒng)的改造……………………………………… (22) 體會………………………………………………………… (23) 參考文獻(xiàn)…………………………………………… (23) 3 前 言 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是對機(jī)床機(jī)械部分進(jìn)行改造,以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動橫向進(jìn)給運(yùn) 動、縱向進(jìn)給運(yùn)動以及刀架的快速換刀,使傳動系統(tǒng)變得十分簡單，傳動鏈大大 縮短,傳動件數(shù)減少,從而提高機(jī)床的精度。 設(shè)計(jì)中，我們對有關(guān)數(shù)控機(jī)床及數(shù)控改造的相關(guān)書籍、刊物進(jìn)行大量閱讀,收 集了很多資料,了解了數(shù)控機(jī)床的基本概念，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況，數(shù)控機(jī)床的 組成及其工作原理，擴(kuò)大了我們的知識面。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代機(jī)械制造要求產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對 零件的加工質(zhì)量的要求也越來越高。隨著社會對產(chǎn)品多樣化要求的增強(qiáng)，產(chǎn)品 品種增多,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。數(shù)控機(jī)床代替普通機(jī)床被廣泛應(yīng)用是一個必然的 趨勢。同時(shí)，數(shù)控機(jī)床將向著更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能發(fā)展。 機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由 于計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字 化技術(shù)進(jìn)行柔性自動化控制的新一代機(jī)床－數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。計(jì)算機(jī)的 出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計(jì) 算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)使人們對傳統(tǒng)的 機(jī)床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機(jī)床以其優(yōu)異的性能和精度、 靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。 數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和 工件之間的相對位置，機(jī)床電機(jī)的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊， 刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄 在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)，經(jīng)過譯碼，運(yùn)算，發(fā) 出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，其主要有以下的優(yōu)點(diǎn)： 1. 適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機(jī)床上改變加工 工件時(shí)，只需重新編制新工件的加工程序，就能實(shí)現(xiàn)新工件加工。 2. 加工精度高； 3. 生產(chǎn)效率高； 4. 減輕勞動強(qiáng)度，改善勞動條件； 5. 良好的經(jīng)濟(jì)效益； 6. 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 數(shù)控機(jī)床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機(jī)機(jī)床 近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進(jìn)步，特別是在機(jī)床的高速化、多 軸化、復(fù)合化、精密化方面進(jìn)步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)國家的同類 產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設(shè)的需要。我國是一個機(jī)床大國， 有三百多萬臺普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機(jī)床的平均產(chǎn)值只 有先進(jìn)工業(yè)國家的 1/10 左右，差距太大，急待改造。 4 CA6140 型車床主軸箱的數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 摘要:了解數(shù)控機(jī)床的概念，所謂數(shù)字控制是按照含有機(jī)床(刀具) 運(yùn)動信息程序所指定的順序自動執(zhí)行操作的過程。而計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī) 床就是數(shù)控機(jī)床在計(jì)算機(jī)監(jiān)控下進(jìn)行工作。它的優(yōu)點(diǎn)很多,可以在同 一機(jī)我國現(xiàn)床上一次裝夾可完成多個操作，生產(chǎn)率顯著提高等優(yōu)點(diǎn)， 但它的價(jià)格昂貴。由于在使用的機(jī)床大多數(shù)為普通車床，自動化程 度低,要更新現(xiàn)有機(jī)床需要很多資金?？v向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆去原 機(jī)床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座,配上滾珠絲杠及相應(yīng)的安裝 裝置，縱向驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)及減速箱安裝在車床的床尾,不占據(jù)絲杠 空間。橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠,由步進(jìn)電 機(jī)帶動?？傮w設(shè)計(jì)方案:CA6140 車床主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機(jī)床的手 動變速功能。車床的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。最后, 根據(jù)已知條件對縱向橫向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。 關(guān)鍵詞:數(shù)控、車床、改造 Abstract:Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. The reformation of the vertical mechanism: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing 5 stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. The overall master design: the spindle’s gearshift of the CA6140 mechanism controlled by the former operating lever. The moving of the vertical table and the horizontal table is drove by the ball screw, which is drove by the Stepper motors. The last, we design the vertical and horizontal mechanism on the basis of known numbers. Key word: Numerical Control、 machining、 information CA6140 普通車床主軸箱數(shù)控化改造設(shè)計(jì)的任務(wù)及設(shè)計(jì)要求 （一） 設(shè)計(jì)任務(wù) 1.主要內(nèi)容 對 CA6140 車床主傳動變速箱進(jìn)行數(shù)控改造。研究內(nèi)容包括 CA6140 車床主 傳動變速箱結(jié)構(gòu)分析、數(shù)控車床頭箱結(jié)構(gòu)分析、步進(jìn)電機(jī)選擇、主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 齒形帶傳動設(shè)計(jì)、驅(qū)動方案和驅(qū)動電路設(shè)計(jì)等。 2.技術(shù)指標(biāo) （1）主軸調(diào)速范圍：0～2000r/min； （2）步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。 （二）設(shè)計(jì)要求 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）一份：有 200 字左右的中英文摘要，正文后有 5 篇左 右的參考文獻(xiàn)，正文中要引用 3 篇以上文獻(xiàn)，并注明文獻(xiàn)出處。論文字?jǐn)?shù) 在 8000 字以上； 2.主軸零部件圖、驅(qū)動方案框圖、驅(qū)動電路圖等相關(guān)圖紙 （三）總體方案的確定 由于被改裝的機(jī)床本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)不是按數(shù)控機(jī)床的要求設(shè)計(jì)的，其精度 和剛度等性能指標(biāo)往往不能滿足數(shù)控機(jī)床的要求，因此將普通機(jī)床改造為全功 能的數(shù)控機(jī)床，一味追求先進(jìn)指標(biāo)則會得不償失，所以確定總體方案的原則應(yīng) 當(dāng)是在滿足生產(chǎn)需要的前提下，對原機(jī)床盡可能減少機(jī)械部分的改動量，選擇 簡單易用的數(shù)控系統(tǒng)，達(dá)到合理的性價(jià)比。本次改造設(shè)計(jì)要求就是根據(jù)這一原 則提出的。根據(jù)設(shè)計(jì)要求、依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及機(jī)床數(shù)控改造的理解，總體方案確 定如下： 1.系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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)?？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.計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)床要求，采用 8 位微機(jī)。由于 MCS—51 系列單片機(jī)具有集成度高， 可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)， 6 決定采用 MCS—51 系列的 8031 單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 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(shí)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。 3.機(jī)械傳動方式 為實(shí)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 桿，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)度，盡量減少摩擦量力，選用滾珠絲桿螺母 副。同時(shí)，為提高傳動剛度和消除間隙，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)。 一、CA6140 車床主傳動變速箱結(jié)構(gòu)分析 主軸箱的結(jié)構(gòu)分析 機(jī)床主軸箱是一個比較復(fù)雜的傳動件.表達(dá)主軸箱各傳動件的結(jié)構(gòu)和 裝配關(guān)系時(shí)常用展開圖.展開圖基本上 是按各傳動鏈傳遞運(yùn)動的先后順序,沿軸 心線剖開,并展開在一個平面上的裝配圖(如圖 1) ： 7 圖 1 1——花鍵套；2——帶輪；3——法蘭；4——箱體；5——鋼球；6——齒輪；7 ——銷；8、9——螺母； 10——齒輪；11——滑套；12——元寶銷；13——制動盤；14——制動帶； 15——齒條；16——拉桿； 17——撥叉；18——齒扇；19——圓鍵 1.CA6140 型車床主軸箱展開圖如上圖所示。 該圖是沿軸 IV 一 I 一 II 一 III(V)一 VI 一 XI 一 X 的軸線剖切面展 開的。展開圖把立體展開在一個平面上，因而 其中有些軸之間的距離拉開了。 如軸 IV 畫得 III 與軸 V 較遠(yuǎn)，因而使原來相互嚙合的齒輪副分開了。讀展開圖 時(shí) ，首先應(yīng)弄清楚傳動關(guān)系。 1 卸荷帶輪電動機(jī)經(jīng)皮帶將運(yùn)動傳至軸 I 左端的帶輪 2（見圖 1 的左上 部分）。帶輪 2 與花鍵套 1 用螺釘連接成一體，支承在法蘭 3 內(nèi)的兩個深溝球 軸承上。法蘭 3 固定在主軸箱體 4 上，這樣帶輪 2 可通過花鍵 1 帶動軸 I 旋轉(zhuǎn)， 皮帶 的拉力則經(jīng)軸承和法蘭 3 傳至箱體 4。軸 I 的花鍵部分只傳遞轉(zhuǎn)距，從而 可避免因皮帶拉力而使軸 I 產(chǎn)生彎曲變 形。這種帶輪是卸荷的（既把徑向載荷 卸給箱體）。 二、數(shù)控車床頭箱結(jié)構(gòu)分析 數(shù)控車床的典型結(jié)構(gòu)。 1．主傳動系統(tǒng) 數(shù)控車床主運(yùn)動要求速度在一定范圍內(nèi)可調(diào)，有足夠的驅(qū)動功率，主軸回 轉(zhuǎn)軸心線的位置準(zhǔn)確穩(wěn)定，并有足夠的剛性與抗振性。 如下圖所示為濟(jì)南第一機(jī)床廠生產(chǎn)的 MJ-50 型數(shù)控車床的傳動系統(tǒng)圖。 8 2．進(jìn)給傳動系統(tǒng) 數(shù)控車床進(jìn)給傳動系統(tǒng)是用數(shù)字控制 X、Z 坐標(biāo)軸的直接對象，工件最后的 尺寸精度和輪廓精度都直接受進(jìn)給運(yùn)動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。 為此，數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)應(yīng)充分注意減少摩擦力，提高傳動精度和剛度， 消除傳動間隙以及減少運(yùn)動件的慣量等。 為使全功能型數(shù)控車床進(jìn)給傳動系統(tǒng)要求高精度、快速響應(yīng)、低速大轉(zhuǎn)矩， 一般采用交、直流伺服進(jìn)給驅(qū)動裝置，通過滾珠絲杠螺母副帶動刀架移動。刀 架的快速移動和進(jìn)給移動為同一條傳動路線。 如圖 3-3 所示，MJ-50 數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)分為 X 軸進(jìn)給傳動和 Z 軸進(jìn) 給傳動。 3．自動回轉(zhuǎn)刀架 數(shù)控車床的刀架是機(jī)床的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)直接影響機(jī)床的切削性能 和工作效率。回轉(zhuǎn)式刀架上回轉(zhuǎn)頭各刀座用于安裝或支持各種不同用途的刀具， 通過回轉(zhuǎn)頭的旋轉(zhuǎn)﹑分度和定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動換刀。回轉(zhuǎn)刀架分度準(zhǔn)確， 定位可靠，重復(fù)定位精度高，轉(zhuǎn)位速度快，夾緊性好，可以保證數(shù)控車床的高 精度和高效率。 按照回轉(zhuǎn)刀架的回轉(zhuǎn)軸相對于機(jī)床主軸的位置，可分為立式和臥式回轉(zhuǎn)刀 架。 （1）立式回轉(zhuǎn)刀架 （2）臥式回轉(zhuǎn)刀架 4．機(jī)床尾座 如右圖所示為 MJ-50 數(shù)控車床出廠時(shí)配置的標(biāo)準(zhǔn)尾座結(jié)構(gòu)簡圖。 從它上面我們可以看出，對 CA6140 車床的改造的方向。 三.機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分以及步進(jìn)電動機(jī)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 9 （一）進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)方案 1.縱向進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案 拆除原機(jī)床的進(jìn)給像、溜板箱、滑動絲杠、光杠等，裝上步進(jìn)電機(jī)、齒輪 減速箱和滾珠絲杠螺母副。為了提高支承剛度，采用向心推力球軸承對加止推 軸承支承方式。齒輪間隙采用雙薄片調(diào)隙方式。 利用原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲桿仍安置在原 來的位置，兩端仍采用原固定方式。這樣可減少改裝工作量，并由于滾珠絲杠 的摩擦系數(shù)小于原絲杠，且外徑比原先的大，從而使縱向進(jìn)給整體剛度只可能 增大。 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用了一級齒輪減速。雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間 隙。因?yàn)閺椈傻膹椓茈y適應(yīng)負(fù)載的變化情況。當(dāng)負(fù)載大時(shí)，彈簧彈力顯小， 起不到消除間隙之目的；當(dāng)負(fù)載小時(shí)，彈簧彈力又顯大，則加速齒輪的磨損。 因此，采用定期人工調(diào)整、螺釘緊固的辦法消除間隙。 縱向齒輪箱和溜板箱均加外罩，以保持機(jī)床原外觀，起到美化機(jī)床的效果， 在溜板箱上安裝了縱向快速進(jìn)給和急停按鈕，以適應(yīng)機(jī)床調(diào)整時(shí)的操作需要和 遇到意外情況時(shí)的急停處理需要。 2.橫向進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案 拆除原中拖板絲桿，安裝滾珠絲桿副，為提高橫向進(jìn)給系統(tǒng)剛度，支承方 式采用兩端裝止推軸承。步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱安裝于機(jī)床后側(cè)，為了使減速機(jī)構(gòu) 不影響走刀，同時(shí)消除傳動過程的沖擊，減速機(jī)構(gòu)采用二級傳動，從動輪采用 雙薄片錯位消除間隙。 (二)進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 1. 選擇脈沖當(dāng)量 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量， 縱向：0.01mm/步， 橫向：0.005mm/步（半徑） 2.計(jì)算切削力 2.1 縱車外圓 主切削力 FZ（N）按經(jīng)驗(yàn)公式估算： FZ=0。67D max1。5 =0。67*400 1。5 =5360 按切削力各分力比例： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 F X=5360×0.25=1340 FY=5360×0.4=2144 2.2 橫切端面 主切削力 Fˊ Z（N）可取縱切的 0.5 Fˊ Z=0.5FZ=2680 此時(shí)走刀抗力為 Fˊ Y（N） ，吃刀抗力為 Fˊx（N） 。仍按上述比例粗略計(jì) 算： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 Fˊ Y=2680×0.25=670 Fˊ X=2680×0.4=1072 3.滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型 3.1 縱向進(jìn)給絲桿 10 3.1.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力 Fm（N） 縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌 Fm=KFx+fˊ（Fz+G） =1.158×1340+0.16×（5360+800） =2530 式中 K—考慮顛復(fù)力距影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取 K=1.15； fˊ—滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.15—0.18； G—溜板及刀架重力：G=800N 3.1.2 計(jì)算最大動負(fù)荷 C C=3√Lf WFM L=60×n×t/106 N=1000×Vs/Lo 式中 L o—滾珠絲桿導(dǎo)程，初選 L=6mm； Vs—最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的（1/2—1/3） ，此 處 Vs=0.6m/min T—使用壽命，按 15000h； fw—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 F=1.2—1.5； L—壽命、以 106為一單位。 n=1000Vs/Lo=1000×0.6×0.5/6=50r/min L=60×N×T/106=60×60×15000/106=45 C=3√Lf wFm=3√45×1.2×2530=10798.7N 3.1.3 滾珠絲桿螺母副的選型 查閱表，可用 W1L400b 外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿副，1 列 2.5 圈，其額定動負(fù)載為 16400N，精度等級按表 4-15 選為 3 級（大致相當(dāng)老標(biāo)準(zhǔn) E 級） 。 3.1.4 傳動效率計(jì)算 η=tgγ/tg(γ+φ) 試中 γ—螺旋升角，W 1L400bγ=2o44ˊ φ—摩擦角 10ˊ滾動摩擦系數(shù) 0.003--0.004 η=tgγ/tg(γ+φ) =tg2o44ˊ/tg(2o44+10ˊ)=0.94 3.1.5 剛度驗(yàn)算 最大牽引力為 2530N。支撐間距 L=1500mm 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。 A. 絲杠的拉伸或壓縮變形量 δ 1 根據(jù) Pm=2530N，D 0=40mm，查出 ΔL/L=1.2×10 -5 可算出： δ 1=δL/L×1500=1.2×10 -5×1500=1.8×10-2 由于兩端采用向心推力球軸承，且絲桿又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度 可以提高 4 倍。其實(shí)際變形量 δ 1(mm)為： δˊ 1=0.25×10-2 B．滾珠與螺紋滾道間接觸變形 δ q W 系列 1 列 2.5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 δ q ： δ q=6.4μm 11 因進(jìn)行了預(yù)緊， δ 2 =0.5δ q =0.5×6.4=3.2μm C．支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形 δ 3 采用 8107 型推力球軸承，d 1=35mm，滾動體直徑 dq=6.34mm，滾動體 數(shù)量 Z=18，δ c=0.0024×3√F m2/(dq×Z2) =0.0024×3√253 2/(6.35×182) 注意，此公式中 Fm單位為 kgf 應(yīng)施加預(yù)緊力，故 δ 3=0.5δ=0.5×0.0075=0.0038mm 根據(jù)以上計(jì)算：δ= δ 1+δ 2+δ 3 =0.0045+0.0032+0.0038 =0.0115mm＜定位精度 3.1.6 穩(wěn)定性校核。 滾珠絲桿兩端推力軸承，不會產(chǎn)生產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。 3.2 橫向進(jìn)給絲桿 3.2.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力 Fˊ m 橫向?qū)к墳檠辔残?，?jì)算如下： Fˊ m=1.4×Fˊ y+fˊ(F z+2Fˊ x+Gˊ) =1.4×670+0.2×(2680+2×1072+600)≈2023N 3.2.2 計(jì)算最大動負(fù)荷 C n=1000×V3/L0=1000×0.3×0.5/5=30 L=60×n×T/106=60×30×15000/106 C=3√Lf wFˊ m=3√27×1.2×2030=7283N 3.2.3 選擇滾珠絲杠螺母副 從附錄 A 表 3 中查出，W 1L20051 列 2.5 圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副，額 定動載荷為 8800N，可滿足要求，選定精度為 3 級。 3.2.4 傳動效率計(jì)算 η=tgγ/tg(γ+φ)=tg4o33ˊ/tg(4o33ˊ+10ˊ)=0.965 3.2.5 剛度驗(yàn)算 橫向進(jìn)給絲杠支承方式如 圖所示，最大牽引力為 2425N，支承間距 L=450mm，因絲杠長度較短，不需預(yù)緊，螺母及軸承預(yù)緊。 計(jì)算如下： A.絲杠的拉伸或壓縮變形量 δ 1(mm) 查圖 4-6，根據(jù) Fˊ m=2032N，D 0=20MM，查出 δ L/L=5×10ˉ 5 可算出 δ 1= δ L /L×L=4.2×10‐5 ×450=1.89×10‐ 2mm 顯然系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行預(yù)拉伸，以提高剛度 故 δˊ=0.25δ 1=4.7×10—3 B.滾珠與螺紋滾道間接觸變形 查資料（《機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例[M]．1 版》 ， ） 。 δ q=8.5μm 因進(jìn)行了預(yù)緊 δ 2=0.5δ q=0.5×8.5=4.25μm C.支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 采用 8103 型推力球軸承，d q=5 Z=13 12 d=17mm δ c=0.00243√F m2/(dq×Z2) =0.00243√202.3/5×13 2=1.3×10ˉ 3 考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，故 δ 3=0.5 δ c=0.5×1.3×10ˉ 3=6.5×10–4 綜合以上幾次變形量之和得： δ=δ ˊ 1δ 2δ 3=4.7×10ˉ3+4.25×10ˉ3/+ =0.0096＜0.015（定位精度 ） 3.2.6 穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。傳動比計(jì)算 4.傳動比計(jì)算 4.1 縱向進(jìn)給齒輪箱傳動比計(jì)算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 δ p =0.01，滾珠絲杠導(dǎo)程 L0=6mm，初選步進(jìn)電 機(jī)步距角 0.75?？捎?jì)算出傳動比 i i=360δ p / θ bL 0 =390×0.01/0.75×6=0.8 可選定齒輪齒數(shù)為： I =Z1/Z2 Z1=32，Z 2=40 ，或 Z1=20，Z 2=25 4.2 橫向進(jìn)給齒輪箱傳動比計(jì)算 已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 δ p =0.005，滾珠絲杠導(dǎo)程 L0=5mm，初選步進(jìn)電 機(jī)步距角 0.75o?？捎?jì)算出傳動比 i I=360δ p / θ bL 0=360×0.005/0.75×5=0.48 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，故此處可采用兩級齒輪降速： i=Z1Z2/Z3Z4=3×4/5×5=24×20/40×25 Z1=24，Z 2=40，Z 3=20，Z 4=25 因進(jìn)給運(yùn)動齒輪受力不大，模數(shù) m 取 2。有關(guān)參數(shù)參照下表： 齒數(shù) 32 40 24 40 20 25 分度圓 d=mz 64 80 48 80 40 50 齒頂數(shù) da=d+2m 68 84 52 84 44 54 齒根數(shù) df=d-21.25m59 75 43 75 35 45 齒寬 (6--8)m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=(d1+d2)/2 72 64 45 5.步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 5.1 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 5.1.1 等效傳動慣量計(jì)算 方法計(jì)算如下，傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總傳動慣量 JΣ (kg?cm2)可有下 式計(jì)算： JΣ =Jm+J1+（Z 1/Z2） 2〔(J 2+Js)+G/g(L0/2π) 2〕 式中：J m—步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量(kg?cm 2) J1，J 2—齒輪 Z1、Z 2的轉(zhuǎn)動慣量(kg?cm 2) Js—滾珠絲杠傳動慣量(kg?cm 2) 13 參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 Jm=10(kg?cm2) J1=0.78×10-3×d14·L1=0.78×10-3×6.42×2=2.6 kg?cm2 J2=0.78×10-3×d24·L2=0.78×10-3×82×2=6.39 kg?cm2 Js=0.78×10-3×44×150=29.952 kg?cm2 G=800N 代入上式： JΣ =Jm+J1+（Z 1/Z2） 2〔(J 2+Js)+G/g(L0/2π) 2〕 =10+2.62+(32/40)2〔(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2π) 2〕 =36.355 kg?cm2 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題。 Jm/JΣ =10/36.355=0.275 基本滿足慣量匹配的要求。 5.1.2 電機(jī)力矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面分別按各階段計(jì)算： A.快速空載啟動力矩 M 起 在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： M 起 =Mamax+Mf+Ma Mamax=JΣ ·ε= J Σ nnax×10-2/(60×ta/2π) = JΣ ×2π·n max×10-2/(60×ta) nmax=ν max·θ b/δ p·360 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。 nmax=ν max·θ b/δ p·360=2400×0.75÷(0.01×360)=500r/min 啟動加速時(shí)間 ta=30ms Mamax=JΣ ×2π·n max×10-2/(60×ta) =36.355×2π×500×10 -2/(60×0.03) =634.5N·cm 折算到電機(jī)軸上的摩擦力距 Mf： Mf=FOL0/2πηi=f 1(Pz+G)×L0/(2πηZ 2/Z1) =0.16×(5360+800)×0.6/(2π×0.8×1.25)=94N·cm 附加摩擦力距 M0 MO=FPOL0(1-η 02)/2πηi=1/3×F t×L0(1-η 02)/(2πηZ 2/Z1) =1/3×2530×0.6×(1-0.92)/( 2π×0.8×1.25) =805.3×0.19=15.3N·cm 上述三項(xiàng)合計(jì)： M 起 =Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8N·cm B．快速移動時(shí)所需力矩 M 快 。 M 快 =Mf+M0=94+15.3=109.3N·cm C．快速切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M 切 M 切 =Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2πηi =94+15.3+1340×0.6/(2π×0.8×1.25) =94+15.3+127.96 =237.26N·cm 14 從上面計(jì)算可以看出，M 起 、M 快 和 M 切 三種工況下，以快速空載起動所需力 矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 從有關(guān)手冊[《[機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例[M]》]查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五 相十拍時(shí) λ=M q/Mjmax=0.951 最大靜力矩 Mjmax=743.8/0.951=782N·cm 按此最大靜力矩從有關(guān)手冊中查出，150BF002 型最大靜轉(zhuǎn)矩為 13.72N·m。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還需進(jìn)一步考核步進(jìn)電 機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 5.1.3 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率和切削時(shí)的工作頻率 Fk=1000Vmax/60δ p =1000×2.4/60×0.01=4000Hz Fe=1000Vs/60δ p =1000×0.6/60×0.01=1000Hz 從下表中查出 150BF002 型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動頻率為 2800Hz 運(yùn) 行頻率為 8000Hz,再從有關(guān)手冊中查出 150BF002 型步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn) 行矩頻特性曲線。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動時(shí)，f 起 =2500 時(shí)，M=100N·cm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿 足此機(jī)床所要求的空載起動力矩（782N·cm）直接使用則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所 以必須采用升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)） ，將起動頻率降到 1000Hz 時(shí)，起動力矩 可增加到 5884N·cm，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可將步進(jìn)電機(jī) 輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。 當(dāng)快速運(yùn)動和切削進(jìn)給時(shí)，150BF002 型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性完全可以滿 足要求。 5.2 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 5.2.1 等效傳動慣量計(jì)算 橫向傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 J 可由下式計(jì)算 JΣ =Jm+J1+（Z 1/Z2） 2{(J2+J3)+Z3/Zф 〔(J φ +Jξ )+G/g(L0/2π) 2〕} 式中各符號意義同前，其中 J1=0.78×10-3×d14·L1=0.78×10-3×4.82×2=0.83kg?cm2 J2=0.78×10-3×d24·L2=0.78×10-3×84×2=6.4 kg?cm2 J3=0.78×10-3×d24·L3=0.78×10-3×44×2=0.4 kg?cm2 J4=0.78×10-3×d24·L4=0.78×10-3×54×2=0.98 kg?cm2 Js=0.78×10-3×24×45=0.56kg?cm2 G=600n Jm=4.7 （初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為 110BF） 代入上式為： JΣ =Jm+J1+（Z 1/Z2） 2{(J2+J3)+Z3/Zф 〔(J φ +Jξ )+G/g(L0/2π) 2〕} =4.7+0.83+(24/10)2{(6.4+0.4)+(20/25)2[(0.98+0.56)+600/10(0.5/2π) 2]} =8.42kg·cm2 考慮到步進(jìn)電機(jī)與傳動系統(tǒng)慣量的匹配問題 Jm/JΣ =4.7/8.42=0. 558 基本滿足慣量匹配要求 5.2.2 電機(jī)力矩計(jì)算 A.快速空載起動力矩 M M 起 =Mamax+Mf+Ma Mamax=JΣ ·ε= J Σ nnax×10-2/(60×ta/2π) = JΣ ×2π·n max×10-2/(60×ta) 15 式中： n max=ν max·θ b/δ p·360 =1200×0.75/(0.005×360)=500r/min ta=30ms Mamax=JΣ ×2π·n max×10-2/(60×ta) =8.42×2π×500×10 -2/(60×0.03)=147N·cm 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 Mf Mf=FOL0/2πηi=f 1(Pz+G)×L0/(2πηZ 2/Z1) =0.2×(2680+600)×0.5×0.48/(2π×0.8) =31.3N·cm 附加摩擦力矩 M0 MO=FPOL0(1-η 02)/2πηi=1/3×F ˊ t×L0(1-η 02)/(2πηZ 2/Z1) =1/3×2023×0.5×0.48×(1-0.92)/( 2π×0.8) =6.1N·cm 上述三項(xiàng)合計(jì)： M 起 =Mamax+Mf+Ma=147+31.3+6.1=184.4N·cm B．快速移動時(shí)所需力矩 M 快 。 M 快 =Mf+M0=31.3+6.1=37.4N·cm C.最大切削福載時(shí)所需力矩 M 切 M 切 =Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2πηi =37.4+1072×0.5×0.48/(2π×0.8) =88.6N·cm 由上面計(jì)算可以看出, M 起 、M 快 和 M 切 三種工況下，以快速空載起動所需力矩 最大，故以此項(xiàng)作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩 Mq與最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax的關(guān)系可知，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)：λ=M q/Mjmax=0.866 最大靜力矩 Mjmax=184.4/0.866=213N·cm 查 BF 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)得，110BF003 型步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為 7.84N·m。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電 機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 5.2.3 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率和切削時(shí)的工作頻率 Fk=1000Vmax/60δ p =1000×2.4/60×0.01=4000Hz Fe=1000Vs/60δ p =1000×0.6/60×0.01=1000Hz 由 110BF003 型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)可知其最高空載起動頻率為 1500Hz，運(yùn)行 頻率為 7000Hz。根據(jù) 110BF003 型電機(jī)的起動距頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線可 以看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動時(shí) F=1500Hz，M=98N·cm，小于機(jī)床所需的起動力矩 （184.4N·cm） ，直接使用會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（用軟件 實(shí)現(xiàn)） 。將起動頻率將為 1000Hz 時(shí)，既可滿足要求。當(dāng)機(jī)床快速起動和切削進(jìn) 給時(shí)，則完全滿足運(yùn)行矩頻要求。 四、同步帶傳動設(shè)計(jì) 1．同步齒形帶的選擇和校核 在車床改造時(shí)中，步進(jìn)電動機(jī)與四缸傳動副之間裝有減速機(jī)構(gòu)，通過減速機(jī) 構(gòu)可得到所需的脈沖當(dāng)量和增大的驅(qū)動力矩。通常采用齒輪傳動或同步齒形帶 傳動機(jī)構(gòu)。同步齒形帶傳動是一種新型的帶傳動，其利用同步帶的齒型與帶輪 的輪齒傳遞運(yùn)動，無相對滑動，無噪聲，無需潤滑，傳動精度和效率高，同步 16 帶傳動的帶速高達(dá) 40~80m/s.傳遞功率可達(dá) 100KW，傳動比可達(dá) 10~20，傳動效 率 98%。因此在這次數(shù)控改造中我們采用同步齒形帶來傳遞運(yùn)動。 同步帶傳動的設(shè)計(jì)步驟為： （1）模數(shù) 根據(jù)表 1.12 m=41.650.4cAPK???kw （2）齒數(shù) 1minZ? 查表 1.3 選 130Z213.5Zi （3）帶輪節(jié)圓直徑為： 12458dzm??? （4）帶速為： 13060DnV?? （5）中心距為： 則 210〈a<600 取 a=5001212.7()()dad??? （6）帶長為： 2121()()473Lma???? （7）小帶輪嚙合齒數(shù)： 則21min6ndZZ?????????inmin(2,;2,6)ZZ???14Z? （8）帶寬 ????1010.4().95cziPbkpF????? 1.21 同步帶模數(shù)的選擇參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》教材 1.22 同步帶傳動工作情況系數(shù) AK 一天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間/h載荷性質(zhì) 16 載荷平穩(wěn) 1 1.1 1.2 載荷變動小 1.2 1.4 1.6 載荷變動大 1.4 1.7 2 17 1.23 小帶輪最小齒數(shù) minZ 小帶輪轉(zhuǎn)速 n1(r/min) 模數(shù) m/mm 1.5 2 2.5,3 4 5 7 10 3000 16 18 20 22 24 1.24 傳動比系數(shù) k1 n1/n2 ≥1/1.25 <1/1.25～1/1.7 <1/1.7～1/2.5 <1/2.5～1/3.5 <1/3.5 k1 1 0.95 0.9 0.85 0.8 1.25 聚氨酯同步帶（強(qiáng)力層為鋼絲繩）的質(zhì)量和許用拉力 模數(shù) m/mm 1.5 2 2.5 3 4 5 單位寬度每米長度的質(zhì)量 18 24 30 35 48 60 單位寬度的許用拉力 4 6 8 10 15 25 1.26 同步帶的齒數(shù)、長度和寬度 齒數(shù) z 模數(shù) m 1.5 2 2.5 3 4 5 名義長度 L 35 164.9 219.2 274.9 329.9 40 188.5 251.3 314.2 377 502.7 628.3 50 235.6 314.2 392.7 471.2 628.3 785.4 60 282.7 377 471.2 565.5 754 942.5 70 329.9 439.8 549.8 659.7 879.7 1099.6 80 377 502.7 628.3 754 1005.3 1256.6 90 424.1 565.5 706.9 848.2 1131 1413.7 100 471.2 628.3 784.4 942.5 1256.6 1570.8 寬度 b 8～32 10～15 12～60 12～60 16～80 20～80 寬度系列 8、10、12、16、20、25、32、40、50、60、80 2．主軸組件的設(shè)計(jì) 主軸在改造過程中還可以選用原來的主軸，因?yàn)橹鬏S在精度、力學(xué)性能和 經(jīng)濟(jì)性上都能滿足改造后的要求。軸的支撐軸頸、配合軸頸是軸類零件的主要 表面，它影響軸的旋轉(zhuǎn)精度與工作狀態(tài)。CA6140 車床主軸支撐軸頸和配合軸頸 的尺寸精度通常為 IT6~9 級公差，特別精密的軸頸為 IT5 級，甚至更高。在力 學(xué)性能上由于主軸在工作時(shí)，應(yīng)力集中在主軸心部，而 CA6140 車床主軸采用空 心形狀大大減小了應(yīng)力的集中，使軸的剛度有很大提高。 主軸支撐是主軸組件的重要組成部分，主軸支撐是指主軸軸承、支撐座及 其相關(guān)零件的組合體，其中核心元件是軸承。滾動軸承的主要優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)轉(zhuǎn)速 18 和載荷變動的范圍大；能在零間隙或負(fù)間隙條件下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，具有教高的旋轉(zhuǎn) 精度和剛度；軸承潤滑容易，維修、供應(yīng)方便，摩擦因數(shù)小等。 主軸懸伸量的確定。主軸懸伸量 a 是指主軸前支撐徑向支反力的作用點(diǎn)到 主軸前端面之間的距離，它對主軸組件剛度影響較大。根據(jù)分析和試驗(yàn)，縮短 伸量可以顯著提高主軸組件的剛度和抗振性。因此，設(shè)計(jì)時(shí)在滿足結(jié)構(gòu)要求的 前提下，盡量縮短懸伸量 a。 前軸徑 D1＝115mm 后軸徑 D2＝80mm 根據(jù)結(jié)構(gòu)定懸伸長 a=115mm (1) 求軸承剛度 主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩 Mn=9550 =1260.6N m6.n?A 床身上最大加工直徑約為最大回轉(zhuǎn)直徑 60％即：240mm 故半徑為 0.12m FZ= =10505N1260. Fy=0.5 FZ=5252.5N 故總切削力為 F＝ ＝11745N2zy? 先暫取初值為： =2.5 即暫取 L0 的初值為 l0a 2.5×115＝287mm 19 前后支撐支反力 PA 和 PB 分別為： PA＝F =11745 N l0+al0 ?34512083?? Pb=F =11754 N? al0 1203854?? 取前后支撐剛度為 KA＝1530N／ m? KB=1030 N／ m (2) 求懸體跨距 = =1.495 KAKB15301030 初算時(shí)可假設(shè)主軸當(dāng)量外徑 D 為前后軸頸的平均值，即： D ＝ （115+80）／2＝98mm 故慣性矩為： I ＝ 0.005 （0.098 4-0.0484）＝581? 10-8 m4? 20 則 183632.050.52.AEIKa????? 查下圖得 0.2150o lm? /a值與原假設(shè)值相近，符合要求。0l 五．?dāng)?shù)控系統(tǒng)驅(qū)動的電路設(shè)計(jì) 一、硬件電路的基本組成 21 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其 性能的好壞，直接影響到系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行， 是可工作的控制系統(tǒng)。 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成。 （1）中央處理器 CPU。 （2）總線，包括數(shù)據(jù)總線（DB） 、地址總線（AB）和控制總線（CB） 。 （3）存儲器，包括只讀可編存儲器和隨機(jī)讀寫存儲器。 （4）I/O 輸入、輸出接口電路。 其中 CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心，是控制其它各部分協(xié)調(diào)工作的“大腦” ， 其作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作。存儲器用于存放系統(tǒng) 軟件、應(yīng)用程序（監(jiān)控程序）和運(yùn)行中所需的各種數(shù)據(jù)。I/O 接口是系統(tǒng)與外 界進(jìn)行信息交換的橋梁。三總線則是 CPU 與存儲器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián) 接的紐帶，是 CPU 與外界進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 如下所示。 根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路基本組成如下圖 所示： 1、系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理 該系統(tǒng)是由 PC 機(jī)和自行開發(fā)的數(shù)控控制板兩級控制組成，其組成如圖 l 所 示。主要功能部件有： RAM ROM CPU I/O 接口 光電 隔離 功率 放大器 步進(jìn) 電機(jī) 外設(shè) 外設(shè)設(shè) 鍵盤、顯示器 及其它 22 （1）數(shù)控控制板?？紤]到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的特點(diǎn)，數(shù)控板沒有采用常見 的 ISA 總線插卡，而是結(jié)合本課題的具體情自行開發(fā)一塊以 8031 單片機(jī)為核心 的數(shù)控控制板。它主要成實(shí) EI 性任務(wù)，如機(jī)床狀態(tài)檢測、緊急情況處理、細(xì)插 補(bǔ)運(yùn)算、脈沖分配等。PC 機(jī)利用標(biāo)準(zhǔn)并行打印口與 8031 進(jìn)行通信，將預(yù)處理 后的數(shù)控加工信息通過數(shù)控控制板完成對機(jī)床的控這種結(jié)構(gòu)省去了打開機(jī)箱的 麻煩，方便安裝和維護(hù)。為提靠性和處理速度，采用硬件環(huán)形分配器產(chǎn)生脈沖 控機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。為增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，輸入輸出信號要經(jīng)電隔離。 （2）驅(qū)動電路。采用離低壓驅(qū)動方式，自行設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路板。 2、接口硬件設(shè)計(jì) PC 機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)并行打印口是一個具有 25 個引腳，3 個端址的控制接口。本系 統(tǒng)只需把 PC 機(jī)插補(bǔ)后的數(shù)據(jù)快速的下傳，而上傳的只是機(jī)床的少量狀態(tài)信息， 機(jī)床的動作主要由 8031 來控制完成。這種情況很適合打印機(jī)接口的通信特點(diǎn)。 利用打印機(jī)接口在和數(shù)控控制板之間通信，不需增加額外硬件，只要把并行打 的 3 個端口根據(jù)數(shù)控加工的需要重新定義即可利用，尤其適于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造。 數(shù)控控制板的有關(guān)組成電路如圖 2 所示。 23 二、控制系統(tǒng)的功能 ( 一 )CPU 和存儲器 CPU 采用 8031 芯片 8031 芯片內(nèi)部具有 128 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器 RAM，地址為佳 00H—7FH，用作工 作寄存器。堆棧，軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器，CPU 對內(nèi)部 RAM 有較為有效的操作 指令。另加有 128 字節(jié)的特殊功能寄存器，地址為 80H---7FH。是用于對片內(nèi) 各功能模塊進(jìn)行管理，控制，監(jiān)視等。8031 芯片內(nèi)部雖然沒有程序存儲器，只 有 128 字節(jié) ROM，在組成該系統(tǒng)時(shí) RAM 不夠用?，F(xiàn)外接一片 6264 芯片來擴(kuò)展 8031 的 RAM 存儲器。8031 是一個無 ROM 的 CPU。單片機(jī)的 8031 不能滿足設(shè)計(jì) 要求，不能夠成完整的計(jì)算機(jī)。外接兩片 2764，一片作為系統(tǒng)存儲器，一片作 為加工程序存儲器。8031 的輸入、輸出（I/O）口線不多，不能滿足設(shè)計(jì)要求， 現(xiàn)外接兩片 8155 芯片以擴(kuò)展 I/O 口。 8031 芯片的 P0 和 P2 接口用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù)。P0 口傳送 高 8 位地址，P2 口傳送低 8 位地址和數(shù)據(jù)，故要采用 74LS373 地址鎖存器，鎖 存底 8 位。ALE 作為選通信號，當(dāng) ALE 為高電平，鎖存器的輸入和輸出`透明， 既輸入的低 8 位存儲器地址在輸出端出現(xiàn)。此時(shí)不需鎖存。當(dāng) ALE 從高電平變 為低電平，出現(xiàn)下降沿時(shí)，低 8 位地址存入地址鎖存器重中，74LS373 的輸出 不再隨輸入變化，即地質(zhì)被鎖存。這樣 P0 口就可以傳送讀寫的樹據(jù)。 8031 芯片的 P2 口和 74LS373 送出的 P2 口共同組成它的地址，2764 和 6264 芯片都是 8kb，需要 13 根地址線。A0—A7 低 8 接 74LS373 芯片的輸出，A8— A12 接 8031 芯片的 P2.0—P2.4,系統(tǒng)采用全地譯碼，兩片 2764 芯片片選信號 CE 分別接 74LS138 譯碼器的 Y0 和 Y1，系統(tǒng)復(fù)位以后從 0000H 開始執(zhí)行。6264 芯片的片選信號 CE 接 74LS132 的 Y2。單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù) 存儲器獨(dú)立編址（即地址重疊） 。在本次設(shè)計(jì)并沒有地址重疊。8051 芯片的控 制信號 PSEN 接 2764 的 OE 引腳，作為外部程序存儲器的選通信號。讀寫控制信 號 WR 和 RD 分部接 6264 芯片的 WE 和 OE。以實(shí)現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)存儲器的讀寫。由 于 8031 芯片內(nèi)部無 ROM，故要選外部程序存儲器，且其 EA 必須接地。 I/O 接口電路 (二)隔離電路和功率放大電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中，脈沖信號經(jīng)功率放大電路后控制步進(jìn)電機(jī)勵磁 繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大（幾安到幾十安） ，如果將 輸出信號與功率放大器直接相聯(lián)，將會起強(qiáng)電干擾。輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正 常工作，重則導(dǎo)至計(jì)算機(jī)和接口電路損壞。所以一般在接口電路與功率放大電 路之間接上隔離電路，采用的光電隔離電路。 功率放大電路分為單電源和雙電源型。單電源型線路簡單，效率不高，所 以選雙電源型。雙電源型采用高低壓供電電路。 在功率放大器導(dǎo)通初始，T1、T3、T4 均導(dǎo)通，并使脈沖變壓器 B 的副邊產(chǎn) 生一定寬度的脈沖電流，使 T2 導(dǎo)通。高壓電源 EH 通告 T2、T1 為步進(jìn)電機(jī)某一 相繞組供電，使其電流上升沿變逗。經(jīng)過 T0 時(shí)間后脈沖電流消失，使 T2 截止， 高電壓電源與繞組之間被切斷，EN 通過 D2、T1 為繞組 WA 供電，提供所需的額 定電流。通過調(diào)節(jié)脈沖變壓器的磁芯和 R4 可改變高壓供電的時(shí)間寬度 Tb。 以上是從原理上分析說明，由于我國步進(jìn)電機(jī)的功率放大器已由生產(chǎn)廠 家生產(chǎn)出系列化產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床電路時(shí)只需根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的容量大小進(jìn) 行選擇。前面已選 110BF003 型電機(jī)，因此只須根據(jù) 110BF003 步進(jìn)電機(jī)來選擇 24 功放電路，所以不再進(jìn)行計(jì)算. 六、 潤滑系統(tǒng)的改造 油氣潤滑方式 這種潤滑方式不同于油霧潤滑方式，油氣潤滑是用壓縮空 氣把小油滴送進(jìn)軸承空隙中，油量大小可達(dá)最佳值。壓縮空氣有散熱作用，潤 滑油可回收，不污染周圍空氣。油氣潤滑原理圖如下圖： 根據(jù)軸承供油量的要求，定時(shí)器的循環(huán)時(shí)間可從 1~99min 定時(shí),兩位兩通氣 閥每定時(shí)開通一次,壓縮空氣進(jìn)入注油器,把少量油帶入混合市,經(jīng)節(jié)流閥的壓縮 空氣,經(jīng)混合室把油帶入塑料管道內(nèi),油液沿管道壁被風(fēng)吹入軸承內(nèi),此時(shí)形成小 油滴狀. 七、畢業(yè)設(shè)計(jì)體會 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)這門課程進(jìn)一步加深了理解。對于各 方面知識之間的相互聯(lián)系有了實(shí)際的體會。同時(shí)也深深感到自己初步掌握的知 識與實(shí)際需要還有相當(dāng)距離，還需在今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)和實(shí)踐。 本設(shè)計(jì)由于時(shí)間緊和對知識的掌握程度的限制，在設(shè)計(jì)上不很周詳，許多 應(yīng)考慮進(jìn)去的方面，可能沒在設(shè)計(jì)上體現(xiàn)。 在這次設(shè)計(jì)過程中，我得到徐秀芬老師的精心指導(dǎo)和各方面的幫助，才使 設(shè)計(jì)得以順利進(jìn)行，借此我深表謝意。 參考文獻(xiàn)： [1]劉文信，孫學(xué)禮機(jī)床數(shù)控技術(shù) 北京：機(jī)械工業(yè)出版杜，1995． 25 [2]上海交通大學(xué)，華南工學(xué)皖．沈陽機(jī)電學(xué)院，等．?dāng)?shù)控機(jī)床[Mj上海：上海 科學(xué)技術(shù)出版杜1990. [3]劉又午，杜君文．?dāng)?shù)字控制機(jī)床[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，l999． [4]王炳實(shí)．機(jī)床電氣控制[M]．北京：機(jī)床工業(yè)出版社，20O4． [5]王也仿．可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：機(jī)床工業(yè)出版社，2004． [6]余英良．機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例[M]．1版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2001． [7]王潤孝，秦現(xiàn)生.機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng)〔M〕.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社， 2000 [8]李華.WCS—51 單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京：北京航空天大學(xué)出版社， 1993 [9]李圣怡等.VFrindows 環(huán)境下軟硬件接口設(shè)計(jì)〔M〕.長沙：科技大學(xué)出版社