臥式車床CA6140數(shù)控化改造說明書1.doc

沈 陽 理 工 大 學(xué)機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書題 目： 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 所屬系部： 機(jī)械運(yùn)載學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)電一體化 班 級： 101313 學(xué) 號： 10131304 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 趙 晉 芳 2012年 6月 13日目錄摘要2設(shè)計(jì)題目31. 設(shè)計(jì)任務(wù)42. 總體方案的確定53. 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案54. 進(jìn)給傳動部件的計(jì)算和選型84.1 脈沖當(dāng)量的確定84.2 切削力的計(jì)算84.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型（縱向）94.4 同步帶減速箱的設(shè)計(jì)（縱向）104、5 步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型（縱向）134.6 同步帶傳遞功率的校核175. 繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖176. 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)187. 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源的選擇198. 控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì)208.1 存儲器與I/O芯片地址分配208.2 控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序208.3 8255芯片初始化子程序218.4 8279芯片初始化子程序218.5 8279控制LED顯示子程序228.6 8279管理鍵盤子程序248.7 D/A電路輸出模擬電壓程序258.8 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)動控制程序258.9 電動刀架的轉(zhuǎn)位控制程序258.10 主軸、卡盤與冷卻泵的控制程序25機(jī)電一體化課設(shè)的感受與收獲 27結(jié)論28 謝辭29 參考文獻(xiàn)30摘 要整個人類社會的文明史，就是制造技術(shù)不斷演變和發(fā)展的歷史。任何國家的制造業(yè)都是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是國民經(jīng)濟(jì)的主要來源。沒有發(fā)達(dá)的制造業(yè)，就不可能有國家真正的繁榮和強(qiáng)大。制造技術(shù)是制造業(yè)的技術(shù)支柱，是一個國家科技水平、綜合國力的重要體現(xiàn)，制造技術(shù)的發(fā)展是一個國家經(jīng)濟(jì)增長的根本動力。而制造業(yè)中機(jī)床是其基礎(chǔ)裝備。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。舊機(jī)床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。隨著數(shù)控機(jī)床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機(jī)床的微機(jī)數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機(jī)床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國經(jīng)濟(jì)資源有限，國家大，機(jī)床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù)控機(jī)床，而我國的舊機(jī)床很多，用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機(jī)床的自動化程度，比較符合我國的國情。1984年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機(jī)床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。可以預(yù)料，今后機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。 （機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書）設(shè)計(jì)題目：臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 普通車床（如C616/C6132、C618/C6136、C620/C6140、C630等）是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床。C6140普通車床的結(jié)構(gòu)布局如圖所示。當(dāng)工件隨主軸回轉(zhuǎn)時，通過刀架的縱向和橫向移動，能加工出內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋面等，借助成型刀具，還能加工各種成形回轉(zhuǎn)表面。C6140普通車床的結(jié)構(gòu)布局圖1-床腳 2-掛輪 3-進(jìn)給箱 4-主軸箱 5-縱溜板 6-溜板箱 7-橫溜板8-刀架 9-上溜板 10-尾座 11-絲杠 12-光杠 13-床身 機(jī)床實(shí)體圖普通車床刀架的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動，是由主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進(jìn)給箱變速后，由光桿或絲桿帶動溜板箱、縱溜板以及橫溜板產(chǎn)生移動。進(jìn)給參數(shù)依靠手工調(diào)整，改變參數(shù)時需要停車。刀架的縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給不能聯(lián)動，切削次序需要人工控制。 對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改成用微機(jī)控制的、能獨(dú)立運(yùn)動的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將手動刀架換成能自動換刀的電動刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。由于加工過程中的切削參數(shù)、切削次序和刀具都可按程序自動進(jìn)行調(diào)節(jié)和更換，再加上縱、橫向的聯(lián)動進(jìn)給功能，所以，改造后的車床就可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實(shí)現(xiàn)多工序集中車削，從而提高生產(chǎn)效率和加工精度。1. 設(shè)計(jì)任務(wù) 題目：C6140普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 任務(wù)：將一臺C6140普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標(biāo)如下 （1）床身上最大加工直徑400 mm； （2）最大加工長度1000 mm； （3）X方向(橫向)的脈沖當(dāng)量 = 0.005 mm/脈沖,Z方向(縱向) = 0.01 mm/脈沖； （4）X方向最快移動速度 = 3000 mm/min，Z方向?yàn)?= 6000 mm/min； （5）X方向最快工進(jìn)速度= 400 mm/min，Z方向?yàn)? 800 mm/min； （6）X方向定位精度 0.01 mm，Z方向 0.02 mm； （7）可以車削柱面、平面、錐面與球面等； （8）安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導(dǎo)程為24 （9）安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀； （10)自動控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級變速與無級變速信號； （11)自動控制冷卻泵的啟/停； （12)安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開； （13)縱、橫向安裝限位開關(guān)； （14)數(shù)控系統(tǒng)可與PC機(jī)串行通信； （15)顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用ISO數(shù)控代碼。2. 總體方案的確定 總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進(jìn)給傳動方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。 （1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。 （2）普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電 動機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性/價比高等優(yōu)點(diǎn)。 （4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源以及主軸電動機(jī)的交流變頻器等。 （5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給傳動應(yīng)選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。 （6）計(jì)算選擇步進(jìn)電動機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速輪副，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。 （7）選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。3. 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案 3.1 主傳動系統(tǒng)的改造方案 對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的主傳動機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣可減少機(jī)械改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。 若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，可用2速的多速電動機(jī)代替原有的單速主電動機(jī)；當(dāng)多速電動機(jī)仍不能滿足要求時，可用交流變頻器來控制主軸電動機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無級變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時，若工作頻率低于70Hz，原來的電動機(jī)可以不更換，但所選變頻器的功率應(yīng)比電動機(jī)大）。本例中，當(dāng)采用有級變速時，可選用浙江超力電機(jī)有限公司生產(chǎn)的YD系列7.5kW變極多速三相異步電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)2檔變速；當(dāng)采用無級變速時，應(yīng)加裝交流變頻器，推薦型號為：F1000-G0075T3B，適配7.5kW電動機(jī)，生產(chǎn)廠家為煙臺惠豐電子有限公司。 3.2 安裝電動卡盤 為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動卡盤，選用呼和浩特機(jī)床附件總廠生產(chǎn)的KD11250型電動三爪自定心卡盤。卡盤的夾緊與松開由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)信控制。 3.3 換裝自動回轉(zhuǎn)刀架 為了提高加工精度，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動刀架換成自動回轉(zhuǎn)刀架，選用常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LD4B-CK6140型四工位立式電動刀架。實(shí)現(xiàn)自動換刀需要配置相應(yīng)的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成 3.4 螺紋編碼器的安裝方案 螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉(zhuǎn)動 本例中，改造后的車床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程是24 mm，Z向的進(jìn)給脈沖當(dāng)量是0.02 mm/脈沖，所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)應(yīng)不少于24 mm /（0.02 mm/脈沖）=1200脈沖?？紤]到編碼器的輸出有相位差為90的A、B相信號，可用A、B異或后獲得1200個脈沖（一轉(zhuǎn)內(nèi)），這樣編碼器的線數(shù)可降到600線（A、B信號）。另外，為了重復(fù)車削同一螺旋槽時不亂扣，編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖Z。 基于上述要求，本例選擇螺紋編碼器的型號為：ZLF-1200Z-05V0-15-CT。電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出1200個A/B脈沖與1個Z脈沖，信號為電壓輸出，軸頭直徑15 mm，生產(chǎn)廠家為長春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。 螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過一對傳動比為1：1的同步齒形帶與主軸聯(lián)接起來。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性聯(lián)接，且車床主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。 3.5 進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案 （1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。 （2）拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)與同步帶減速箱總成。 （3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座與螺母座托架。 （4）拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四工位立式電動刀架 （5）拆除橫溜板下的滑動絲桿螺母副，將滑動絲桿靠刻度盤一段（長216 mm，見書后圖6-2）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。 （6）將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)通過法蘭座安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。 （7）拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支承。改造后的橫向、縱向進(jìn)給系統(tǒng)分別見圖紙。 4. 進(jìn)給傳動部件的計(jì)算和選型 縱、橫向進(jìn)給傳動部件的計(jì)算和選型主要包括：確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力、選擇滾珠絲杠螺母副、設(shè)計(jì)減速箱、選擇步進(jìn)電動機(jī)等。以下詳細(xì)介紹縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)與縱向類似，在此從略。 4.1 脈沖當(dāng)量的確定 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，X方向（橫向）的脈沖當(dāng)量為= 0.005 mm/脈沖，Z方向（縱向）為 = 0.01脈沖。4.2 切削力的計(jì)算 切削力的分析和計(jì)算詳見相關(guān)教材。以下是縱向車削力的詳細(xì)計(jì)算過程 設(shè)工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，650 Mpa；選用刀具材料為硬質(zhì)合金YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角60，前角10，刃傾角5；切削用量為：背吃刀量3 mm，進(jìn)給量f =0.6 mm/r，切削速度105 m/min。 查參考文獻(xiàn)1表3-1，得：2795， 1.0， 0.75，0.15。 查參考文獻(xiàn)1查表3-3，得：主偏角的修正系0.94；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0。 由經(jīng)驗(yàn)公式（3-2），算得主切削力2673.4 N。由經(jīng)驗(yàn)公式 : :1：0.35：0.4，算得縱向進(jìn)給切削力935.69 N，背向力=1069.36 N。4.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型（縱向） （1）工作載荷的計(jì)算 已知移動部件總重量G=1300 N；車削力=2673.4 N， =1069.36 N，=935.69 N。如圖3-20所示，根據(jù)=，=，=的對應(yīng)關(guān)系，可得：=2673.4 N，=1069.36 N，=935.69 N。 選用矩形三角形組合滑動導(dǎo)軌，查表3-29，取K= 1.15，= 0.16，代入, 得工作載荷 1712 N。（2）最大動載荷的計(jì)算 設(shè)本車床Z向在承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度V=0.8 m/min，初選絲杠基本導(dǎo)程 = 6 mm，則此時絲杠轉(zhuǎn)速n = 1000V/ 133 （ r/min）。 取滾珠絲杠的使用壽命T=15000 h，代入= 60 n T / ，得絲杠壽命系數(shù) = 119.7（單位為： r）。 查參考文獻(xiàn)1表，取載荷系數(shù)=1.15，再取硬度系數(shù)=1，代入式（323），求得最大動載荷。（3） 初選型號 根據(jù)計(jì)算出的最大動載荷，查表3-31，選擇啟東潤澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL4006型滾珠絲杠副。其公稱直徑為40 mm，基本導(dǎo)程為6 mm，雙螺母滾珠總?cè)?shù)為3 2 = 6 圈，精度等級取4級，額定動載荷為13200 N，滿足要求。（4）傳動效率 的計(jì)算 將公稱直徑=40 mm，基本導(dǎo)程mm，代入= arctan / ( ) ，得絲杠螺旋升角= 。將摩擦角=10，代入= tan / tan(+ )，得傳動效率 = 94.2%。（5） 剛度的驗(yàn)算 1）Z向滾珠絲杠副的支承，采取一端軸向固定，一端簡支的方式，見書后圖6-3。固定端采取一對推力角接觸球軸承，面對面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距離約為a=1497 mm；鋼的彈性模量EMpa；查表3-33，得滾珠直徑=3.9688 mm，算得:絲杠底徑=公稱直徑滾珠直徑=36.0312 mm，則絲杠截/4 =1019.64 （） 2）根據(jù)公式Z()3，求得單圈滾珠數(shù)目Z= 29；該型號絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)?shù)為32 = 6，則滾珠總數(shù)量296 =174。滾珠絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力= /3571 N。則由（3-27）式，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量0.00117 mm。因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可減小一半，取= 0.000585 mm。 3）將以上算出的和代入 ,求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度1497 mm） =0.012555 mm=12.555m。由表3-27知，4級精度滾珠絲杠任意300 mm軸向行程內(nèi)行程的變動量允許16m，而對于跨度為1497 mm的滾珠絲杠，總的變形量只有12.555m，可見絲杠剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（3-28）計(jì)算失穩(wěn)時的臨界載荷。查表3-31，取支承系數(shù)= 2；由絲杠底徑= 36.0312mm, 得截面慣性矩82734.15；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝)；滾動螺母至軸向固定處的距離。取最大值1497 mm。代入式（3-28）,得臨界載荷51012 N，遠(yuǎn)大于工作載荷 （1712N） 故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。4.4 同步帶減速箱的設(shè)計(jì)（縱向） 為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時也為了使傳動系統(tǒng)的負(fù)載慣量盡可能地減小，傳動鏈中常采用減速傳動。本例中，Z向減速箱選用同步帶傳動，同步帶與帶輪的計(jì)算和選型參見第三章第三節(jié)相關(guān)內(nèi)容。設(shè)計(jì)同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳遞的功率P；主動輪轉(zhuǎn)速n和傳動比i；傳動系統(tǒng)的位置和工作條件等。 根據(jù)改造經(jīng)驗(yàn)，C6140車床Z向步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩通常在15-25 Nm之間選擇。今初選電動機(jī)型號為130BYG5501，五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩為20 Nm，十拍驅(qū)動時步距角為0.72。該電動機(jī)的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表4-5，運(yùn)行矩頻性曲線見圖4-1。 圖4-1 130BYG5501步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性 （1）傳動比i的確定 已知電動機(jī)的步距角= 0.72，脈沖當(dāng)量= 0.01 mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程= 6 mm。根據(jù)公式（3-12）算得傳動比i = 1.2。 （2）主動輪最高轉(zhuǎn)速 由Z向拖板的最快移動速度=6000mm/min，可以算出主動輪最高轉(zhuǎn)速=（ /）/ 360 =1200（r/min）。 （3）確定帶的設(shè)計(jì)功率 預(yù)選的步進(jìn)電動機(jī)在轉(zhuǎn)速為1200 r/min時，對應(yīng)的步進(jìn)脈沖頻率為：= 1200360 / ( 60) = 10000（Hz）。 從圖6-4查得，當(dāng)脈沖頻率為10000 Hz時，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為3.8 Nm，對應(yīng)的輸出功率為 = nT / 9.55 = 12003.8 / 9.55478（W）。同步帶傳遞的負(fù)載功率應(yīng)該小于477.5 W，今取P = 0.487 kW，從表3-18中取工作情況系數(shù)= 1.2，則由式（3-14），求得帶的設(shè)計(jì)功率 = =1.20.32 kW= 0.57 4kW。 （4）選擇帶型和節(jié)距 根據(jù)帶的設(shè)計(jì)功率=0.574 kW和主動輪最高轉(zhuǎn)速=1200 r/min，從圖3-14中選擇同步帶，型號為 XL型，節(jié)距=9.525 mm。（5） 確定小帶輪齒數(shù) 和小帶輪節(jié)圓直徑 取=15，則小帶輪節(jié)圓直徑= =40.48mm。當(dāng)達(dá)最高轉(zhuǎn)速1200r/min時，同步帶的速度為v=2.86（m/s），沒有超過XL型帶的極限速度35 m/s。（6）確定大帶輪齒數(shù)和大帶輪節(jié)圓直徑 大帶輪齒數(shù)=i =18,節(jié)圓直徑 =54.57mm。（7）初選中心距、帶的節(jié)線長度、帶的齒數(shù) 初選中心距=1.1（+）=110.06 mm，圓整后取=110mm.則帶的節(jié)線長度為。選取接近的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長度=381mm，相應(yīng)齒數(shù)。（8） 計(jì)算實(shí)際中心距a 實(shí)際中心距。 （9） 校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) =，嚙合齒數(shù)6大，滿足要求。此處ent取整。 （10）計(jì)算基準(zhǔn)額定功率 式中 帶寬為的許用工作拉力，由表3-21查得=244.46N； m帶寬為的單位長度的質(zhì)量，由表3-21查得m=0.095kg/m； v同步帶的帶速，由上述（5）可知v=2.86 m/s。算得 = 0.697kW。（11）確定實(shí)際所需同步帶寬度 式中 選定型號的基準(zhǔn)寬度，由表3-21查得= 25.4mm； 小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，由表3-22查得=1。 由上式算得21.42 mm，再根據(jù)表3-11選定最接近的帶寬=25.4 mm（12）帶的工作能力驗(yàn)算 根據(jù)式（3-22），計(jì)算同步帶額定功率P的精確值： 式中， 為齒寬系數(shù):：經(jīng)計(jì)算得P = 0.697 kW，而 = 0.574 kW，滿足P因此，帶的工作能力合格。4.5 步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型（縱向） （1）計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 已知：滾珠絲杠的公稱直徑=40 mm，總長（帶接桿)l=1560 mm，導(dǎo)程6 mm，材料密度;縱向移動部件總重量G = 1300 N；同步帶減速箱大帶輪寬度28 mm，節(jié)徑48.51 mm，孔徑30 mm，輪轂外徑42 mm，寬度14 mm；小帶輪寬度28 mm，節(jié)徑40.43 mm，孔徑19mm，輪轂外徑29 mm，寬度12 mm；傳動比i =1.2。 參照表4-1，可以算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下（具體計(jì)算過程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量=30.78 ；拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量=1.21 ；小帶輪的轉(zhuǎn)動慣量=0.95;大帶輪的轉(zhuǎn)動慣量=1.99。在設(shè)計(jì)減速箱時，初選的Z向步進(jìn)電動機(jī)型號為130BYG5501，從表4-5查得該型號電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。 則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： （2）計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 分快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)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 包括三部分：快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩，移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩，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。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)（4-12）式可知，相對于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： （4-1） 根據(jù)式（4-9），考慮Z向傳動鏈的總效率，計(jì)算快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： （4-2） 式中 對應(yīng)Z向空載最快移動速度的步進(jìn)電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min； 步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為s。其中： （4-3） 式中 Z向空載最快移動速度，任務(wù)書指定為6000 mm/min； Z向步進(jìn)電動機(jī)步距角，為0.72； Z向脈沖當(dāng)量，本例=0.01 mm/脈沖。 將以上各值代入式（6-3），算得=1200 r/min。 設(shè)步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時間=0.4 s，Z向傳動鏈總效率 = 0.7。則由式（6-2）求得： 由式（4-10）可知，移動部件運(yùn)動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： （4-4） 式中 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，滑動導(dǎo)軌取0.16； 垂直方向的工作負(fù)載，空載時取0； Z向傳動鏈總效率，取0.7。則由式（6-4），得： 最后由式（6-1），求得快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： Nm （4-5） 2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩， 包括三部分：折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩，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。相對于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： （4-6） 其中，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩。本例中在對滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時候，已知進(jìn)給方向的最大工作載荷= 935.69 N，則有： 再計(jì)算承受最大工作負(fù)載（=2673.4N）情況下，移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：（Nm） 最后由式（6-6），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 = + = 1.78 Nm （4-7） 經(jīng)過上述計(jì)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 =max，= 2.82 Nm （3）步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動機(jī)采用的是開環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K = 4，則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： （4-8） 對于前面預(yù)選的130BYG5501型步進(jìn)電動機(jī)，由表4-5可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩= 20 Nm，可見完全滿足（6-8）式的要求。（4）步進(jìn)電動機(jī)的性能校核 1）最快工進(jìn)速度時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定Z向最快工進(jìn)速度 =800mm/min，脈沖當(dāng)量=0.01 mm/脈沖，求出電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率 = 800/（600.01）1333(Hz)。從130BYG5501的運(yùn)行矩頻特性圖6-4可以看出，在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩17 Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=1.78 Nm，滿足要求。 2）最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定Z向最快空載移動速度 =6000mm/min，求出電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率=6000/（600.01）Hz=10000(Hz)。從圖6-4查得，在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=3.8 Nm，大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩= 2.82Nm，滿足要求。 3）最快空載移動時電動機(jī)運(yùn)行頻率校核 最快空載移動速度= 6000 mm/min對應(yīng)的電動機(jī)運(yùn)行頻率= 10000 Hz。查表4-5可知130BYG5501的極限運(yùn)行頻率為20000 Hz，可見沒有超出上限。 4）起動頻率的計(jì)算 已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量= 57.55 ，電動機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣量，查表4-5可知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的最高空載起動頻率=1800Hz 。則由式（4-17）可以求出步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率為： 上式說明，要想保證步進(jìn)電動機(jī)起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于1087Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得很低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。綜上所述，本例中Z向進(jìn)給系統(tǒng)選用130BYG5501步進(jìn)電動機(jī)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。4.6 同步帶傳遞功率的校核 分兩種工作情況，分別進(jìn)行校核。 （1）快速空載起動 電動機(jī)從靜止到加速至=1200 r/min，由（6-5）式可知，同步帶傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=2.82 Nm，傳遞的功率為P = / 9.55 =12002.78/9.55354.3W （2）最大工作負(fù)載、最快工進(jìn)速度 由（6-7）式可知，帶需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 = 1.78 Nm，任務(wù)書給定最快工進(jìn)速度= 800mm/min，對應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速 =（/）/360=160（r/min）。傳遞的功率為 P=/9.55=1601.78/9.55W29.8W 可見，兩種情況下同步帶傳遞的負(fù)載功率均小于帶的額定功率0.697kW。因此，選擇的同步帶功率合格。5. 繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖 在完成滾珠絲杠螺母副、減速箱和步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算、選型后，就可以著手繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖了。在繪制裝配圖時，需要考慮以下問題：（1）了解原車床的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。（2） 根據(jù)載荷特點(diǎn)和支承形式，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、聯(lián)接和調(diào)整方法。例如，應(yīng)保證絲杠兩端支承與螺母座同軸，保證絲杠與機(jī)床導(dǎo)軌平行，考慮螺母座、支承座在安裝面上的聯(lián)接與定位，同步帶減速箱的安裝與定位，同步帶的張緊力調(diào)節(jié)，步進(jìn)電動機(jī)的聯(lián)接與定位等。（4）考慮密封、防護(hù)、潤滑以及安全機(jī)構(gòu)等問題。例如，絲杠螺母的潤滑、防塵防鐵屑保護(hù)、軸承的潤滑及密封、行程限位保護(hù)裝置等。（5）在進(jìn)行各零部件設(shè)計(jì)時，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。（6）注意繪制裝配圖時的一些基本要求。比如，制圖標(biāo)準(zhǔn)，視圖布置及圖形畫法要求，重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標(biāo)注，重要配合尺寸的標(biāo)注，裝配技術(shù)要求，標(biāo)題欄等。6.控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：（1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示；（2）接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號；（3）接收車床限位開關(guān)信號：（4）接收螺紋編碼器信號；（5）接收電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；（6）控制X、Z向步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器；（7）控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止；（8）控制多速電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級變速；（9）控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無級變速；（10）控制冷卻泵啟動/停止；（11）控制電動卡盤的夾緊與松開；（12）控制電動刀架的自動選刀；（13）與PC機(jī)的串行通信。 圖6-1為控制系統(tǒng)的原理框圖。CPU選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89S52；由于AT89S52本身資源有限，所以擴(kuò)展了一片EPROM芯片W27C512用作程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片SRAM芯片6264用作數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；鍵盤與LED顯示采用8279來管理；輸入/輸出口的擴(kuò)展選用了并行接口8255芯片，一些進(jìn)/出的信號均做了隔離放大；模擬電壓的輸出借助于DAC0832；與PC機(jī)的串行通信經(jīng)過MAX233芯片。圖6-1 車床數(shù)控系統(tǒng)操作面板布置圖 圖6-2 控制系統(tǒng)原理框圖 控制系統(tǒng)的操作面板布置如圖6-1所示。面板設(shè)置了48個微動按鍵，三個船形開關(guān)，一只急停按鈕，顯示器包括1組數(shù)碼顯示管和7只發(fā)光二極管。 控制系統(tǒng)的主機(jī)板電原理圖見書后圖6-2，鍵盤與LED顯示電原理圖見書后圖6-8。詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)原理及電路分析請參考第五章相關(guān)內(nèi)容7.步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源的選用 本例中X向步進(jìn)電動機(jī)的型號為110BYG5802，Z向步進(jìn)電動機(jī)的型號為130BYG5501，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)公司。這兩種電動機(jī)除了外形尺寸、步距角和輸出轉(zhuǎn)矩不同外，電氣參數(shù)基本相同，均為5相混合式，5線輸出，電機(jī)供電電壓DC120310V，電流5A。這樣，兩臺電動機(jī)的驅(qū)動電源可用同一型號。在此，選擇合肥科林?jǐn)?shù)控科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的五相混合式調(diào)頻調(diào)壓型步進(jìn)驅(qū)動器，型號為BD5A。它與控制系統(tǒng)的連接如圖7-1所示。圖7-1 BD5A驅(qū)動器與控制系統(tǒng)的連接8. 控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì)8.1 存儲器與I/O芯片地址分配 根據(jù)書后圖6-7中地址譯碼器U4（74LS138）的連接情況，可以算出主機(jī)板中存儲器與I/O芯片的地址分配如表 8-1所示。表8-1 主機(jī)板中存儲器與I/O芯片的地址分配表8.2 控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序 系統(tǒng)設(shè)有7檔功能可以相互切換，分別是“編輯”、“空刀”、“自動”、“手動1”、“手動2”、“手動3”和“回零”。選中某一功能時，對應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮，進(jìn)入相應(yīng)的功能處理?？刂葡到y(tǒng)的監(jiān)控管理程序流程如圖8-2所示。 圖8-1 系統(tǒng)監(jiān)控管理程序流程圖8.3 8255芯片初始化子程序B255: MOV DPTR，#3FFFH；指向8255的控制口地址 MOV A，#10001001B；PA口輸出，PB口輸出，PC口輸入均為方式0 MOVX DPTR，A ；控制字被寫入 MOV DPTR，#3FFCH；指向PA口 MOVA，#0FFH；預(yù)置PA口全“1” MOVXDPTR，A；輸出全“1”到PA口 MOVDPTR，#3FFDH；指向PB口 MOVA，#0FFH；預(yù)置PB口全“1” MOVXDPTR，A；輸出全“1”到PB口 RET8.4 8279芯片初始化子程序B279: MOV DPTR，#5FFFH；指向8279控制口地址 MOV A，#0CFH；清除FIFO與顯示RAM命令 MOVX DPTR，A；命令字被寫入WAIT:MOVX A，DPTR；從8279的控制口讀取8279的狀態(tài)字 JB ACC.7，WAIT ；測試顯示RAM有沒有被清除完畢。只有狀態(tài)字的D7=0時， 清除才結(jié)束MOV A，#08H；編碼掃描，左入口，16位字符顯示，雙鍵互鎖MOVX DPTR，AMOV A，#34H；分頻系數(shù)取20MOVX DPTR，ARET 8.5 8279控制LED顯示子程序 設(shè)顯示緩沖區(qū)的首地址為6BH，系統(tǒng)在指定的工作狀態(tài)下，需要顯示的字符段碼的編碼，事先存儲在CPU內(nèi)部RAM 的6BH73H這9個字節(jié)中。已知8279的控制口地址為5FFFH，數(shù)據(jù)口地址為5FFEH，則顯示程序如下：DIR：MOVDPTR，#5FFFH ；8279的控制口地址MOVA，#90H ；寫8279顯示RAM的命令，MOVXDPTR，A ；從顯示RAM的00H地址開始寫，每寫一次， 顯示RAM的地址自動加1MOVR0，#6BH ；顯示緩沖區(qū)的首地址為6BHMOVR7，#09H ；顯示緩沖區(qū)的長度為9個字節(jié)MOVDPTR，#5FFEH；8279的數(shù)據(jù)口地址DIR0:MOVA，R0 ；從CPU的RAM中讀取顯示段碼的編碼ADDA，#05H ；PC與DTAB表格之間的偏移量MOVCA，A+PC ；查表，取出顯示段碼MOVXDPTR，A ；送到8279顯示RAM中指定的字節(jié)INCR0 ；寫8279的下一個顯示RAMDJNZR7，DIR0 ；循環(huán)9次，完成9位顯示RET； 段碼字符 編碼DTAB:DB6FH ；F 00-01DB 0DAHDB 0BEH ；X 02-03DB 0E7HDB 0A3H ；Z 04-05DB 0CBHDB 0D1H ；U 06-07DB 0D3HDB 0DCH ；W 08-09DB 0CEHDB 0DFH ； - 0ADB 21H ； 0 0BDB 7BH ； 1 0CDB 91H ； 2 0DDB 19H ； 3 0EDB 4BH ； 4 0FDB 0DH ； 5 10DB 05H ； 6 11DB 69H ； 7 12DB 01H ； 8 13DB 09H ； 9 14DB 20H ； 0. 15DB 7AH ； 1. 16DB 90H ； 2. 17DB 18H ； 3. 18DB 4AH ； 4. 19DB 0CH ； 5. 1ADB 04H ； 6. 1BDB 68H ； 7. 1CDB 00H ； 8. 1DDB 08H ； 9. 1E. .； 根據(jù)系統(tǒng)需要編制字庫當(dāng)需要顯示一組字符時，首先給顯示緩沖區(qū)的6BH73H這9個字節(jié)賦值，然后調(diào)用DIR子程序即可。例如，要顯示“X-1234.56”，程序如下： MOV6BH，#02H；“X”的一半 MOV6CH，#03H；“X”的另一半MOV6DH，#0AH；-MOV6EH，#0CH；1MOV6FH，#0DH；2MOV70H，#0EH；3MOV71H，#19H；4.MOV72H，#10H；5MOV73H，#11H；6CALLDIR；向8279的顯示RAM寫數(shù). .顯示緩沖區(qū)（CPU內(nèi)部RAM）： （6BH）（6CH）（6DH）（6EH）（6FH）（70H）（71H）（72H）（73H） | | | | | | | | | 顯示字符： X - 1 2 3 4. 5 6 | | | | | | | | | 字符編碼： 02H 03H 0AH 0CH 0DH 0EH 19H 10H 11H8.6 8279管理鍵盤子程序 如書后圖6-7所示，當(dāng)矩陣鍵盤有鍵按下時，8279即向CPU的INT1申請中斷，CPU隨即執(zhí)行中斷服務(wù)程序，從8279的FIFO中讀取鍵值，程序如下：CLREX1；關(guān)CPU的INT1中斷MOVDPTR，#5FFFH；指向8279控制口地址MOVA，#01000000B；準(zhǔn)備讀8279 FIFO的命令MOVXDPTR，A；寫入8279控制口MOVDPTR，#5FFEH；指向8279數(shù)據(jù)口地址MOVXA，DPTR；讀出鍵值CJNEA，#KEY0,NEXT0；依次進(jìn)行判別JMP_KEY0；對應(yīng)鍵進(jìn)行處理NEXT0:CJNEA，#KEY1，NEXT1JMP_KEY1NEXT1:CJNEA，#KEY2，NEXT2JMP_KEY2NEXT2: .8.7 D/A電路輸出模擬電壓程序 如書后圖6-7所示，當(dāng)CPU執(zhí)行寫指令時，只要選中7FFFH這個地址，DAC0832與741組成的D/A轉(zhuǎn)換電路即可輸出直流電壓。程序如下：MOVDPTR，#7FFFH；指向DAC0832口地址MOVA，#DATA；準(zhǔn)備輸出的數(shù)字量00H0FFHMOVXDPTR，A；輸出直流電壓010V8.8 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)動控制程序 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)動控制采用的是硬環(huán)分，其走步程序包括勻速與升降速兩種，詳細(xì)的設(shè)計(jì)思路見第四章第四節(jié)。8.9 電動刀架的轉(zhuǎn)位控制程序 電動刀架