數(shù)控機床系統(tǒng)設計說明書

1、數(shù)控機床系統(tǒng)設計說明書第一章 數(shù)控技術的地位數(shù)控技術是永數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，是20世紀后半葉最重要，發(fā)展最快的工業(yè)技術之一。它以制造過程為對象，以信息技術為手段，以數(shù)控坐標方式對運動部件進行位置控制為主要特征，為單件、小批量生產(chǎn)的自動化開辟了可行的技術途徑，也為現(xiàn)代柔性制造技術奠定了重要的技術基礎。數(shù)控機床是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，其技術覆蓋很多領域，其中，精密機械制造技術、信息處理、加工、傳輸技術、自動控制技術、伺服驅(qū)動技術、傳感器及檢測技術和計算機技術是數(shù)控技術涵蓋的主要領域。數(shù)控技術還是運用高新技術對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行

2、改進和提升的重要載體。以信息化帶動工業(yè)化，實現(xiàn)社會生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展，將在一定程度上取決于數(shù)控機床的技術進步。它代表著裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度，而裝備工業(yè)的技術水平和現(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)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術和重要裝備。數(shù)控技術又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術?，F(xiàn)在世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。此外，世界上各個工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術及數(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)控技術及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高、精、尖”數(shù)控關鍵技術和裝備方面對我國實

3、行封鎖和限制政策?？傊罅Πl(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國歷和國家地位的重要途徑。目前，數(shù)控技術在我國國民經(jīng)濟的各行各業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用，數(shù)控技術已經(jīng)成為企業(yè)技術改造的首先設備之一，我國已經(jīng)成為數(shù)控機床的生產(chǎn)大國、消費大國和進口大國。國民經(jīng)濟各個行業(yè)需要大量數(shù)控機床的開發(fā)人才和應用人才。第二章 系統(tǒng)設計與計算一、 總體方案的確定 由于是經(jīng)濟型數(shù)控機床設計，因而在考慮具體方案時，基本原則是在滿足使用要求的前提下，降低成本。確定總體的方案為：1、工作臺工作面尺寸確定為240mm340mm；2、工作臺的導軌采用矩形導軌，在與之相配的動導軌滑動面上

4、貼聚四氟乙稀導軌板；3、對滾珠絲杠螺母副采用預緊措施，并對滾珠絲杠進行預拉伸；4、采用步進電機進行驅(qū)動；5、采用聯(lián)軸器將步進電機與滾珠絲杠直連。6、采用單片機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖，經(jīng)一齒輪減速后，帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向進給運動。二、 機械部分改造設計與計算1、縱向進給系統(tǒng)的設計與計算：已知條件：工作臺重量： W=800N時間常數(shù)： T=25ms滾珠絲桿基本導程： L0=6mm行程： S=320mm脈沖當量： 步進角： 快速進給速度： 電機功率 ： N=1.5kw工作臺快速移動速度： （1）、切削力計算：由機床設計手冊可知，切削功率 查機床說明書，得電機功率

5、N=1.5kw；系統(tǒng)總效率 5；系統(tǒng)功率系數(shù)K=0.96；則： ； 式中切削線速度V=100m/min 主切削： 由金屬切削原理可知，主切削力： , 則可計算出FZ如下所示： 查表，可知當FZ=562.3N時，切削力深度 mm，走刀量 從機械設計手冊中可知，在一般外圓車削時；, 即： （2）、滾珠絲桿設計計算：對于矩形槽，綜合導軌絲杠的軸向力： ?。?K=1.15, 摩擦系數(shù)f=0.161）、強度計算：壽命值： ； 取工件直徑：D=80mm， 查表T1=15000h 最大動負載： 查表得：運轉(zhuǎn)系數(shù) ； 硬度系數(shù) 根據(jù)Q選擇滾珠絲桿型號：CMD25042.5E其額定動載荷Q=14462N，所以強

6、度足夠用；d1=22.5mm。螺母長度L=71mm,余程le=16mm,螺紋長度l=320+71+216=423mm.2）、效率計算：根據(jù)機械原理，絲桿螺母副的傳動效率： 其中摩擦角 ，螺旋升角 因此： 3）、剛度驗算：受工作負載P引起導程變化量： L0=6mm=0.6cm, E=20.6106N/cm2 滾珠絲桿受扭矩引起的導程變化 很小，可忽略。即 尋程變形總誤差為：查表知E級精度絲桿允許的螺距誤差（1m長）為 故剛度足夠。4）、穩(wěn)定性驗算：由于選用滾珠絲桿的直徑與原絲桿直徑相同，而支承方式不存在問題，故不驗算。(3)、齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關計算1）、有關齒輪計算：, 取 Z1=30, Z2=4

7、7, m=2, b=20mm, 2）、傳動慣量計算：工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的傳動慣量： 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量： 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： 因電機的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略；所以總的轉(zhuǎn)動慣量為： 3）、所需轉(zhuǎn)動力矩計算：1、空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩： 2、切削時折算到電機軸上的加速度力矩： 3、折算電機軸上的摩擦力矩：當 , 時：4、由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩：當 時，預加載荷 ,則：5、折算到電機軸上的切削負載力矩：所以，快速空載啟動所需力矩 切削時進給所需力矩：快速 進給所需力矩： 由以上分析可知：所需最大力矩Mmax 發(fā)生在快速啟動時： 2、橫向進給系統(tǒng)的設計與計算經(jīng)濟

8、型數(shù)控改造的橫向進給系統(tǒng)的設比較簡單，一般是步進電機經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進電機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。已知條件：工作臺重量： W=300N時間常數(shù)： T=25ms滾珠絲桿基本導程： L0=6mm行程： S=200mm脈沖當量： 步進角： 快速進給速度： 1）、切削力計算： 橫向進給為縱向的1/21/3,取1/2，則切削力為縱向的1/2 切斷工件時： 取K=1.15, 滾動摩擦系數(shù)為 則 壽命值： 最大動負載：根據(jù)Q選擇滾珠絲桿型號：CMD20042.5E其額定動載荷Q=5862N，所以強度足夠用。d1=17.5m

9、m。螺母長度L=72mm,余程le=16mm,螺紋長度l=200+72+216=304mm.2）、效率計算：根據(jù)機械原理，絲桿螺母副的傳動效率： 其中摩擦角 ，螺旋升角 因此： 3）、剛度驗算：受工作負載P引起導程變化量： , 滾珠絲桿受扭矩引起的導程變化 很小，可忽略。即 尋程變形總誤差為：查表知E級精度絲桿允許的螺距誤差（1m長）為 故剛度足夠。4）、穩(wěn)定性驗算：由于選用滾珠絲桿的直徑與原絲桿直徑相同，而支承方式不存在問題，故不驗算。5）、齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關計算1、有關齒輪計算：傳動比： 故?。?， ， ， ， 2、傳動慣量計算： 工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的傳動慣量：絲杠的轉(zhuǎn)動慣量： 齒輪的

10、轉(zhuǎn)動慣量： 電機的轉(zhuǎn)動慣量很小可以忽略。 3、所需轉(zhuǎn)動力矩計算：1、空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩： 2、切削時折算到電機軸上的加速度力矩： 3、折算電機軸上的摩擦力矩：當 , 滾動摩擦系數(shù) 時： 4、由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩：當 時，預加載荷 ,則：5、折算到電機軸上的切削負載力矩：所以，快速空載啟動所需力矩切削時進給所需力矩：快速 進給所需力矩： 由以上分析可知，所需最大力矩Mmax 發(fā)生在快速啟動時： 3、步進電機的先擇一般情況下，對于步進電機的選型，主要考慮三方面的問題：步進電機的步距角要滿足進給傳動系統(tǒng)脈沖當量的要求；步進電機的最大靜扭矩要滿足進給運動系

11、統(tǒng)的空載快速啟動力拒要求；步進電機的啟動矩頻率特性和工作矩頻率特性必須滿足進給傳動系統(tǒng)對啟動扭矩與啟動頻率、工作運行扭矩與運行頻率的要求。初步選擇步進電機主要是選擇電機的類型和步距角。目前，步進電機有三種類型可供選擇：一是反應式步進電機，步距角小，運行頻率高，價格較低，膽功耗較大；二是永磁式步進電機，功耗較小，斷電后仍有制動力拒，但步距角較大，啟動和運行頻率較低；三是混合式步進電機，它具備了上述兩種電機的優(yōu)點，但是價格較高。各種步進電機的產(chǎn)品樣本中都給出了步進電機的通電方式及步距角等主要技術參數(shù)以供選用。1）、縱向進給系統(tǒng)的電機的確定根據(jù)啟動力矩的選擇； 電機啟動力矩； 電機靜負載力矩 則：

12、為滿足最小步角要求，電機選用三相六拍工作方式，查表知:所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距為： 進電機最高工作頻率： 綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進電機，能滿足使用要求。2）、橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定：則： 為滿足最小步角要求，電機選用三相六拍工作方式，查表知:所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距為：步進電機最高工作頻率：綜合考慮，仍選用 110BF003 型直流步進電機，能滿足使用要求。4、滾動導軌的選擇 導軌主要用來支撐和引導運動部件沿一定的軌道運動。在導軌副鐘，運動的一方稱為動導軌，不動的一方為支承導軌。動導軌相對于支承導軌運動，通常作直線運動和回轉(zhuǎn)運動。導軌的幾何精度綜合反映了在靜止或低俗下導

13、軌的導向精度。因此對導軌的精度要求比較高。影響導軌精度的主要因素有導軌的幾何精度、導軌的接觸精度、導軌的結構形式、動導軌及支承導軌的剛度和熱變形，還有裝配質(zhì)量。導軌的耐磨性決定了導軌的精度保持性，因此耐用的導軌就必須要求耐磨性好。同時要有足夠的剛度，因為足夠的剛度保證導軌在載荷作用下不產(chǎn)生過大的變形，從而保證各部件的相對位置和導向精度。此外，還要求導軌在低速運動時有好的平穩(wěn)性和制造的工藝性好。綜合考慮機床的基本額定載荷及其它方面的因素，選取HTSDWAA(寬幅矩型滑塊)的滾珠導軌。初步選用4滑塊，工作臺大小400300，工作臺自重300N，外載荷700N。1）、摩擦力計算：摩擦力計算公試 式中

14、 為滾動摩擦系數(shù)取 ,P為法向載荷縱向P=349.2,橫向P=229.4，f為密封件阻力，取f=0.5N.縱向F=0.003349.2+0.5=1.55N橫向F=0.003229.4+0.5=1.19N2）、壽命計算： 縱向行程為0.32m目標壽命L=0.3225608300510-3=2304km選擇HTSDLG20WAA型導軌，額定動載Ca為10.28W，根據(jù)計算可知，滿足強度要求。橫向行程為0.2m，目標壽命L=0.225608300510-3=1440km選擇HTSDLG20WAA型導軌。額定動載Ca為4.51W.第三章 控制系統(tǒng)設計及編程數(shù)控機床控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。控制

15、系統(tǒng)在使用中的控制對象各不相同，但其硬件的基本組成是一致的。如下圖所示：圖1 控制系統(tǒng)示意圖 以單片機為核心的控制系統(tǒng)大多數(shù)采用MCS-51系列單片機，經(jīng)過擴展存儲器、接口和面板操作開關等，組成功能較完善、抗干擾性能較強的控制系統(tǒng)。一、設計步進電機工作臺第一象限直線插補控制（逐點比較法）方案。原理：逐點比較法是一種代數(shù)算法，其特點是能逐點計算和判別運動偏差，并逐點糾正以逼迫理論軌跡。逐點比較法的理論誤差是一個脈沖當量。在整個插補過程中走一步均需完成四個工作節(jié)拍是：1、偏差判別，判別刀具的實際位置對規(guī)定圖形的偏離位置，以決定進給方向；2、進給控制，沿減少偏差的方向進給一步，以向規(guī)定圖形靠攏；3、

16、新偏差計算，計算刀具在新位置上對給定圖形的偏差，作為下一步偏差判別的依據(jù)；4、終點判別，判斷是否到達終點。若未到終點，回到1后繼續(xù)不斷地重復上述循環(huán)過程，若到達終點，發(fā)出運算完成信號，就能實現(xiàn)平面上直線和圓弧插補。二、步進電機的單片機控制步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作。在步進電機的單片機控制中，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本控制作用如下：1）、控制換相順序。步進電機的通電換相順序嚴格按照步進電機的工作方式進行。通常把他通電換相這一過程稱為脈沖分配。2）、控制步進電機的轉(zhuǎn)向。如果按給定的工作方式正序通電換相，步進電機就正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，則電動機反轉(zhuǎn)。3)、控制步進電機的速度。如果給步進

17、電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔時間越短，步進電機轉(zhuǎn)得就越快。因此，脈沖的頻率決定了步進電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)整單片機發(fā)出脈沖的頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。三、硬件控制示意圖實現(xiàn)脈沖分配（通電換相控制）的方法有兩種：軟件法和硬件法。這里主要用的是軟件法。軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通過單片機的I/O口向驅(qū)動電路發(fā)出控制脈沖。如下圖所示，利用8051系列單片機的P1.0P1.5這6條線，向兩個三相步進電機傳送控制信號。圖2 單片機的I/O口分配圖 三相步進電機工作在六拍方式時，其通電換相的正序為：AABBBCCCAA,共6個通電狀態(tài)。如果P

18、1口輸出的控制信號中，0代表使繞組通電，1代表使繞組斷電，則可用6個控制字來對應這6個通電狀態(tài)，如下表所示：表1 X步進電機工作方式的控制字 表2 Y步進電機工作方式的控制字 （一）、主程序框圖：圖3 主程序框圖表3 內(nèi)存分配表 （二）、子程序框圖表4 軟環(huán)分表及X、Y電機帶電狀態(tài)碼的內(nèi)存分配表正轉(zhuǎn)X電機電機狀態(tài)Y電機反轉(zhuǎn)內(nèi)存地址狀態(tài)內(nèi)容內(nèi)存地址狀態(tài)內(nèi)容80H00H90H00H81HFEHA91HF7H82HFCHAB92HE7H83HFDHB93HEFH84HF9HBC94HCFH85HFBHC95HDFH86HFAHCA96HD7H87H00H97H00H 圖4 子程序框圖（三）、程序清單

19、MAIN:PUSH A ;保護現(xiàn)場 MOV R4,#N ;設步長計數(shù)器 CLR C MOV R5,#80H MOV R6,#90H CLR A ;位清零使表頭表尾為0 MOV 80H,A MOV 87H,A MOV 90H,A MOV 97H,A MOV R0,#81H ;裝X電機狀態(tài)碼到內(nèi)存 MOV R0,#FEH INC R0 MOV R0,#FCH INC R0 MOV R0,#FDH INC R0 MOV R0,#F9H INC R0 MOV R0,#FBH INC R0MOV R0,#FAH MOV R1,#01H ;裝Y電機狀態(tài)碼到內(nèi)存 MOV R1,#F7H INC R1 MOV

20、 R1,#E7H INC R1 MOV R1,#EFH INC R1 MOV R1,#CFH INC R1 MOV R1,#DFH INC R1 MOV R1,#D7HLOR4:MOV 98H,#0C8H ;Xe MOV 99H,#0C8H ;Ye MOV 9AH,#00H ;X MOV 9BH,#00H ;Y MOV 9EH,#00H ;F MOV A0H,#0AH ;電機初始狀態(tài)LOP3:MOV A,2EH ;偏差送到A口 JNZ A,LOP1 ;F0跳到LOP1Y轉(zhuǎn) MOV A,A0H CLR P1.0 ;P1.0=0,X轉(zhuǎn) SETB P1.3 ;P1.3=1,Y不轉(zhuǎn) MOV A0H,A

21、 ;送控制字 LCALL MOTR ;X方向走一步 MOV A,9EH ;偏差送到A SUBB A,99H ;F-Ye INC 9AH ;X+1 AJMP LOP2 ;跳轉(zhuǎn)到LOP2進行偏差判斷LOP1:MOV A,A0H CLR P1.3 ;P1.3=0,Y轉(zhuǎn) SETB P1.0 ;P1.0=1,X不轉(zhuǎn) MOV A0H,A ;送控制字 LCALL MOTR ;Y方向走一步 MOV A,9EH ;偏差送到A ADD A,98H ;F+Xe INC 9BH ;Y+1LOP2:MOV 9EH,A ;將A的偏差送到9EH單元 MOV A,98H CJNE A,9AH,LOP3 ;Xe=X?,不等則轉(zhuǎn)

22、移 MOV A,99H CJNE A,9BH,LOP1 ;Ye=Y?,不等則轉(zhuǎn)移 AJMP STMOTR:MOV A,70H ;MOTR子程序，查看控制字 JNB P1.0,Y ;P1.0=!1,X不轉(zhuǎn),則執(zhí)行Y(Y轉(zhuǎn)) X:JNB P1.1,XF ;P1.1=!1,X不轉(zhuǎn),則執(zhí)行XF XZ:INC R5 ;X正轉(zhuǎn)地址指針R5+1 MOV A,R5 ;從代碼表中取R5指向的代碼到A MOV R0,A MOV A,R0 CJNE A,#00H,LP1 ;判斷是否到表底,不是則執(zhí)行LP1 MOV R5,#81H ;到表底則重新指向表首 MOV A,R5 ;從代碼表中取R5指向的代碼到A MOV R

23、0,A MOV A,R0 LP1:MOV R7,#28H ;代碼輸出兩行 MOVX R7,A MOV R2,#10H LCALL YANS ;延時兩行 RET XF:DEC R5 ;X正轉(zhuǎn)地址指針R5-1 MOV A,R5 ;從代碼表中取R5指向的代碼到A MOV R0,A MOV A,R0 CJNE A,#00H,LP2 ;判斷是否到表頭,不是則執(zhí)行LP2 MOV R5,#86H ;到表頭則重新指向表底 MOV A,R5 ;從代碼表中取R5指向的代碼到A MOV R0,A MOV A,R0 LP2:MOV R7,#28H ;代碼輸出兩行 MOVX R7,A MOV R2,#10H LCALL YANS ;延時兩行 RETY:JNB P1.3,YF ;P1.3=!1,Y不轉(zhuǎn),則執(zhí)行X(X轉(zhuǎn)) YZ:INC R6 ;Y正轉(zhuǎn)地址指針R6+1 MOV A,R6 ;從代碼表中取R5指向的代碼到A MOV R0,A MOV A,R0 CJNE A,#00H,LP3 ;判斷是否到表底,不是則執(zhí)行LP3 MOV R6,#91H ;到表底則重新指向表首 MOV A,R6 ;從代碼表中取R5指向的代碼到A MOV R