CA6140車床數(shù)控化改造縱向伺服進給單元設(shè)計說明書

1、. . . 第一章 微機數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案的擬定第一節(jié) 總體方案設(shè)計的容機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下容：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)與傳動方式的確定、計算機系統(tǒng)的選擇等容。具體包括：一、數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案的擬定（1）系統(tǒng)運動方式的確定。（2）伺服系統(tǒng)的選擇。（3）執(zhí)行機構(gòu)的傳動方式確定。（4）計算機的選擇。應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求，參考現(xiàn)有同類型數(shù)控機床，進行綜合分析、比較和論證，確定以上容。二、進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算（1）進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計方案的確定。（2）確定脈沖當量。（3）滾珠絲杠螺母副的計算和選型。（4）導(dǎo)軌的計算和選型。（5）進給伺服系統(tǒng)傳動

2、計算。（6）步進電動機的計算和選用。（7）設(shè)計繪制進給伺服系統(tǒng)一個坐標軸的機械裝配圖。三、微機控制系統(tǒng)的設(shè)計（1）控制系統(tǒng)方案的確定與框圖繪制。（2）MCS-51系列單片機與擴展芯片的選用。（3）I/O接口電路與譯碼電路的設(shè)計。（4）設(shè)計繪制一臺數(shù)控機床微機控制系統(tǒng)電路原理圖。四、數(shù)控加工程序的編制（1）零件工藝分析與確定工藝路線。（2）選擇數(shù)控機床設(shè)備。（3）確定工件裝夾方法與對刀點。（4）選擇刀具。（5）確定切削用量。（6）編制零件加工程序。第二節(jié) 總體設(shè)計方案的確定一、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/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行

3、切削，可選用點位控制系統(tǒng)。例如數(shù)控鉆床，在工作臺移動過程中不進行鉆孔加工，因此可選用點位控制系統(tǒng)。對點位控制系統(tǒng)的要快速定位，保證定位精度。若要求工作臺或刀具沿各坐標軸的運動有確定的函數(shù)關(guān)系，則為連續(xù)控制系統(tǒng)，應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運動的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機床可以加工各種外形輪廓復(fù)雜的零件，所以連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)。例如數(shù)控銑床、數(shù)控車床等均屬于此種運動方式。還有一些采用點位控制的數(shù)控機床，例如數(shù)控鏜銑床等，不但要求工作臺運動的終點坐標，還要求工作臺沿坐標軸運動過程中切削工件。這種系統(tǒng)叫點位/直線控制系統(tǒng)。根據(jù)綜合作業(yè)任務(wù)書的要求，對CA6140車床的縱向伺服系

4、統(tǒng)進行數(shù)控化改造。依據(jù)車床的加工特點，應(yīng)該選用連續(xù)控制系統(tǒng)。二、伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(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)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易掌握、調(diào)試和維修都比較簡單。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件，用來檢測實際位移量，能補償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機或交流伺服電機驅(qū)動。閉環(huán)系統(tǒng)造價高、結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場合。半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測工作

5、臺的位移量，而是用檢測元件測出驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺實際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。由于開環(huán)控制有許多優(yōu)點，所以目前國大力發(fā)展的經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)任務(wù)書的要求，這次對車床縱向進給伺服單元進行數(shù)控化改造應(yīng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)。三、執(zhí)行機構(gòu)運動方式的確定為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和運動平穩(wěn)性，在設(shè)計機械傳動裝置時，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以與有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計中應(yīng)考慮以下幾點：（1）盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。（2）盡量消除傳動間隙。例如采用消隙齒輪等。（3）提

6、高系統(tǒng)剛度。縮短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。四、計算機的選用微機數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲器擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅(qū)動電路、檢測電路等幾部分組成。微機是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其他裝置均是在微機的指揮下進行工作的。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用微機直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對微機的要多方面的，但主要指標是字長和速度。字長不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運算的精度。字長較長的計算機，價格顯著上升，而字長較短的計算機要進行雙字長或三字長的運算，就會影響速度。目前一些高檔的CNC系統(tǒng)，已普遍使用32位微機，主機

7、頻率由5MHz提高到2030MHz,有的采用多CPU系統(tǒng)，減輕主CPU的負擔，進一步提高控制速度。標準型的CNC系統(tǒng)多使用16位微機，經(jīng)濟型CNC系統(tǒng)則采用8位微機?？刹捎肕CS-51系列單片機或Z-80單板機組成的應(yīng)用系統(tǒng)。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、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點，所以本次設(shè)計決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。五、經(jīng)濟型數(shù)控車床縱向伺服單元框圖車床縱向伺服單元框圖第二章 車床進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算伺服系統(tǒng)機械部分的設(shè)計計算容包括：確定系統(tǒng)負載，確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣量計算，空載起動與切削力矩計算，確定伺服電機，

8、傳動與導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算與選用，繪制機械部分裝配圖與零件工作圖等。第一節(jié) 給定條件與脈沖當量的選擇1、縱向移動部件總質(zhì)量 200Kg2、縱向運動分辨率（脈沖當量） 優(yōu)于0.02mm3、最大移動速度（快進） 5000mm/min4、最大進給速度（工進） 500mm/min5、橫向進給切削力（X向）即為FY 1800N6、垂直切削力（Y向）即為FZ 4500N7、縱向切削力（Z向）即為FX 1100N一個進給脈沖使機床運動部件產(chǎn)生的位移量稱為脈沖當量，也稱為機床的最小設(shè)定單位。脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當量是0.010.005mm/脈沖，經(jīng)濟型

9、數(shù)控磨床經(jīng)常采用的脈沖當量為0.0020.001mm/脈沖。而本設(shè)計脈沖當量已給出，要優(yōu)于0.02mm,所以選擇0.01mm/脈沖。第二節(jié) 滾珠絲杠螺母副的計算和選型滾珠絲杠螺母副的設(shè)計首先要選擇結(jié)構(gòu)類型：確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定以后，再計算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑d0(或絲杠外徑d)、導(dǎo)程L0、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)K、精度等級等。滾珠的循環(huán)方式有外循環(huán)和循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。而外循環(huán)插管式的顯著優(yōu)點是：彎管由兩半合成，采用沖壓件，工藝性好，制造容易，成本低。所以，本設(shè)計選用外循環(huán)插管式的滾珠絲杠螺母副。滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊方法有：雙螺

10、母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以與過盈滾珠預(yù)緊等幾種。而雙螺母墊片式預(yù)緊有結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，裝卸方便，成本低等優(yōu)點，所以本次設(shè)計采用雙螺母墊片式預(yù)緊結(jié)構(gòu)。滾珠絲杠副的計算：一、進給牽引力Fm的計算按導(dǎo)軌為三角形或綜合導(dǎo)軌計算：Fm=KFx+f(FZ+G)式中Fx、FZ切削分力（N）; G移動部件的重量（N）;f導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式而不同； K考慮顛覆力矩影響的試驗系數(shù)。在正常情況下，K、f可取下列數(shù)值：三角形或綜合導(dǎo)軌 K=1.15 f=0.150.18上列摩擦系數(shù)f均指滑動導(dǎo)軌，如果采用貼塑導(dǎo)軌，f=0.030.05；滾動導(dǎo)軌f=0.00250.0

11、05；靜壓導(dǎo)軌f=0.0005.由已知條件知，F(xiàn)x=1100N, FZ=4500N,移動部件質(zhì)量200Kg，g取10N/Kg，K取1.15. f取0.05。將這些數(shù)據(jù)代入公式得： Fm=KFx+f(FZ+G) =1.15X1100+0.05X(4500+200X10)N =1590N二、最大動負載C的計算選用滾珠絲杠螺母副的直徑d0時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載C，可用下式計算：C=3LfwFmL=60nT106n=1000vsL0式中 L壽命，以106轉(zhuǎn)為一單位； n絲杠

12、轉(zhuǎn)速（r/min）;vs為最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的1/21/3，由已知條件知，最高進給速度為500mm/min，本例取最高進給速度的1/2。L0絲杠導(dǎo)程（mm），初選為6mm; T為使用壽命（h）,對于數(shù)控機床取15000h;fw運轉(zhuǎn)系數(shù)，取值見下表，按一般運轉(zhuǎn)，取1.5。運轉(zhuǎn)系數(shù)取值運轉(zhuǎn)狀態(tài)運轉(zhuǎn)系數(shù)無沖擊運轉(zhuǎn)1.01.2一般運轉(zhuǎn)1.21.5有沖擊運轉(zhuǎn)1.52.5將以上數(shù)值代入公式，n=1000vsL0=1000X0.5X0.56r/min=41.67r/minL=60nT106=60X41.67X15000106=37.5C=3LfwFm=337.5X1.

13、5X1590N=7983N三、滾珠絲杠副的選型根據(jù)最打動負載C，就可查表選擇滾珠絲杠副的型號，查閱綜合作業(yè)指導(dǎo)書附錄A表A-2,可選用W1D4006外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動載荷為16400N，大于最大動載荷7983N,滿足要求,額定靜負載為57800N；精度等級選為3級。四、最大靜負載C0的驗算當滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速（n10r/min）情況下工作時，滾珠絲杠副的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產(chǎn)生塑性變形，當塑性變形超過一定限度就會破壞滾珠絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬分之一。產(chǎn)生這樣大的塑性變形量時的負載稱為允許的最大靜負載C0。C

14、0=fsFmax式中 Fmax滾珠絲杠的最大軸向負荷（N），即為進給牽引力Fm; fs靜態(tài)安全系數(shù)，當為一般運轉(zhuǎn)時fs=12，當有沖擊或振動時，fs=23，此處取2。C0=fsFmax=2X1590N=3180N最大靜負載小于所選滾珠絲杠副的額定靜負載，滿足要求。五、傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率=tantan（+）式中 絲杠螺旋角；W1D4006絲杠的螺旋升角為=244；摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)f=0.0030.004，其摩擦角約等于10，將數(shù)值代入公式得：=tantan（+）=tan244tan（244+10）=0.94六、剛度驗算滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度

15、與運動的平穩(wěn)性，因此應(yīng)考慮以下軸向變形的因素：(1)絲杠拉伸或壓縮變形量1查綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖3-4，根據(jù)Fm=1590N，D0=40mm,支撐間距為1500mm,查出L/L=6X10-5，可算出：1=LLX1500=(6X10-6X1500)mm=9m有預(yù)緊時的實際變形量為： 1=12X1=4.5m (2)滾珠與螺紋滾道接觸變形2查綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖3-5，W系列2.5圈1列絲杠副滾珠和螺紋滾道的接觸變形，軸向載荷為1590N,4006型號的滾珠絲杠螺母副的軸向彈性變形量為Q=5m.對其進行預(yù)緊，預(yù)緊后其實際變形量為：2=12XQ=2.5m綜合以上兩項變形量之和：= 1+2=7m此變形量小于系統(tǒng)

16、要求的定位精度，故滿足剛度要求。第三節(jié) 進給伺服系統(tǒng)傳動計算由于步進電動機的工作特點是一個脈沖走一步，每一步都有一個加速過程，因而對負載慣量很敏感。為滿足負載慣量盡可能小的要求，同時也要滿足一定的脈沖當量，常采用降速齒輪傳動。一、初選步進電機步距角b對步進電機施加一個電脈沖信號時，步進電機就回轉(zhuǎn)一個固定的角度，叫做步距角。電機的總回轉(zhuǎn)角和輸入脈沖數(shù)成正比，而電機的轉(zhuǎn)速則正比于輸入脈沖的頻率。步進電機的步距角越小，意味著它能達到的位置精度越高。通常的步距角是3 、1.5或0.75。步距角的大小與通電方式與轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)。本設(shè)計初選步距角0.75。二、傳動比計算當機床脈沖當量、滾珠絲杠導(dǎo)程L0以與步

17、進電機步距角b確定后，傳動比的計算公式如下：i=bL0360P式中 P脈沖當量（mm/step）;L0滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（mm）;b步進電機的步距角。將P=0.01mm/step,L0=6mm, b=0.75帶入得：i=bL0360P=0.75X6360X0.01=54三、計算齒輪齒數(shù)與各項技術(shù)參數(shù)因為進給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大，本設(shè)計取模數(shù)m=2。采用一級降速齒輪傳動。這對齒輪的各部分幾何參數(shù)如下表所示。齒輪幾何參數(shù)名稱計算公式單位齒輪1齒輪2齒 數(shù)z3240模 數(shù)m22分度圓直徑d=mzmm6480齒頂圓直徑da=d+2mmm6884齒根圓直徑df=d-2.5mmm5975齒 寬bb=(61

18、0)mmm2020中心距AA=d1+d22mm 72第四節(jié) 步進電機的計算和選用一、初選步進電機1.計算步進電機負載轉(zhuǎn)矩Tm根據(jù)滾珠絲杠副所承受的進給牽引力Fm計算步進電機的負載轉(zhuǎn)矩Tm（Ncm）:Tm=36PFm2b式中 P脈沖當量（mm/step）; Fm進給牽引力（N）;b步距角；電機絲杠的傳動效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積，其中一對齒輪之效率為0.98，一對軸承之效率為0.99，絲杠傳動效率為0.94。將P=0.01mm/step, Fm=1590N, b=0.75, =0.903代入得：Tm=36PFm2b=36X0.01X15902X3.14X0.75X0.903Ncm =134

19、.52Ncm2.估算步進電機啟動轉(zhuǎn)矩Tq根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩Tm除以一定的安全系數(shù)來估算步進電機啟動轉(zhuǎn)矩Tq（Ncm）。Tq=Tm0.30.5一般縱向伺服系統(tǒng)的安全系數(shù)取0.30.4，將Tm=134.52Ncm代入得：Tq=Tm0.30.5=134.520.3Ncm=448.4Ncm3.計算最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax表示步進電機所能承受的最大靜態(tài)負載轉(zhuǎn)矩。查綜合作業(yè)指導(dǎo)書表3-22，五相十拍步進電機=0.951。由公式Tjmax=Tq得：Tjmax=Tq=448.40.951 Ncm =471.50Ncm4.計算步進電機運行頻率fe和最高起動頻率fk(Hz)fe=1000vs60p=10

20、00X0.560X0.01Hz=833.3Hzfk=1000vmax60p=1000X560X0.01Hz=8333Hz式中 vs最大切削進給速度（m/min），本例為0.5m/min；vmax運動部件最大快移速度（m/min），本例為5m/min；p脈沖當量（mm/step），本例為0.01mm/step.5.初選步進電機型號根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=471.50Ncm，在綜合作業(yè)指導(dǎo)書查表3-23，選取型號為150BF002的五相十拍步進電機,其最大靜轉(zhuǎn)矩為1372NcmTjmax=471.50 Ncm, 滿足要求。其最高空載起動頻率為2800Hz,不滿足fk（8333Hz）的要求

21、，此項指標可暫不考慮，可以采用軟件升速程序來解決。二、步進電機轉(zhuǎn)矩的校核計算1.等效轉(zhuǎn)動慣量計算絲杠傳動時傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量可按下公式計算：J=JM+J1+(Z1Z2)2(J2+JS)+Gg(L02)2式中 JM步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（kgcm2）;J1、J2齒輪Z1、Z2的轉(zhuǎn)動慣量（kgcm2）;Js滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量（kgcm2）;G工作臺與工件等移動部件的重量（N）;L0絲杠導(dǎo)程，已選定為0.6cm.國產(chǎn)反應(yīng)式步進電機150BF002的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為10 kgcm2。對于材料是鋼材的圓柱體，其轉(zhuǎn)動慣量的計算公式為：J=0.78X10-3D4L.式中 D圓柱體直徑（cm）; L

22、圓柱體長度（cm）.則各部分的轉(zhuǎn)動慣量計算過程如下：J1=0.78X10-3Xd14L1=(0.78X10-3X6.44X2) kgcm2=2.617kgcm2J2=0.78X10-3Xd24L2=(0.78X10-3X84X2) kgcm2=6.390kgcm2Js=0.78X10-3XdS4LS=(0.78X10-3X44X150) kgcm2=29.952kgcm2G=2000N代入上式：J=JM+J1+(Z1Z2)2(J2+JS)+Gg(L02)2 =10+2.617+(3240)2(6.390+29.952)+ 200010(0.62)2kgcm2 =37.04kgcm2考慮步進電機

23、與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題：JM/J=10/37.04=0.27基本滿足慣量匹配的要求。2.電機轉(zhuǎn)矩的計算機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算：1）快速空載起動轉(zhuǎn)矩M在快速空載起動階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計算公式如下：M=Mamax+Mf+MoMamax=J=Jnmax602XtaX10-2=JX2nmaxX10-260Xtanmax=vmaxpXb360Mf=FOLO2iFO=f(FZ+G)i=z2z1MO=FpoLo2i(1-o2)式中 M快速空載起動轉(zhuǎn)矩（Ncm）;Mamax空載起動時折算到電機軸上的加速轉(zhuǎn)矩（Ncm）;Mf折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩（Ncm）; M

24、o由于絲杠預(yù)緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（Ncm）;J傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量（kgcm2），本例為37.04kgcm2；電機最大角加速度（rad/s2）; nmax電機最大轉(zhuǎn)速； vmax運動部件最大快進速度（mm/min），本例為5000mm/min； FO導(dǎo)軌的摩擦力（N）; FZ垂直方向上的切削力（N）,本例為4500N;f導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，對于貼塑導(dǎo)軌，本例取0.05；G運動部件的總質(zhì)量（N），本例為2000N;i齒輪降速比，本例為40/32,即為1.25； p脈沖當量（mm/step），本例為0.01mm/step; b步進電機的步距角（）,本例為0.75； ta運動

25、部件從停止起動加速到最大快進速度所需時間（s）,一般取0.20.5s,本例取0.2s; Fpo滾珠絲杠預(yù)加載和，一般取1/3Fm, Fm為進給牽引力（N），此例中Fm為1590N; Lo滾珠絲杠導(dǎo)程（cm）,此例為0.6cm; 0滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取0.9,本例取0.9；傳動鏈總效率，一般可取0.70.85,本例取0.8。將以上數(shù)據(jù)代入公式可得：nmax=vmaxpXb360=50000.01X0.75360=1042r/minMamax=JX2nmaxX10-260Xta=37.04X2X104260X0.2X10-2Ncm =198.60Ncm折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩MfMf

26、=FOLO2i=f(FZ+G)XLO2Z2/Z1=0.05X4500+2000X0.62X0.8X1.25Ncm=31.04Ncm附加摩擦轉(zhuǎn)矩Mo MO=FpoLo2i(1-o2)= 1/3XFmXLo2Z2/Z1(1-o2)=1/3X1590X0.62X0.8X1.25(1-0.92)Ncm=9.62Ncm以上三項合計：M=Mamax+Mf+Mo=198.60+31.04+9.62 =239.26Ncm2）快速移動時所需轉(zhuǎn)矩MM=Mf+MO=(31.04+9.62) Ncm =40.66Ncm3)最大切削負載時所需轉(zhuǎn)矩M M=Mf+Mo+Mt=Mf+Mo+FXLO2i =(31.04+9.6

27、2+1100X0.62X0.8X1.25)Ncm =145.70Ncm從上面計算可以看出，M、M、M三種工況下，以快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項作為校核步進電機轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。從綜合作業(yè)指導(dǎo)書表3-22查出，當步進電機為五相十拍時=Mq/Mjmax=0.951,則最大靜轉(zhuǎn)矩為 Mjmax=（239.26/0.951）Ncm=251.59Ncm從表3-23查出150BF002型步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩為13.72Nm,大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足要求。3.校核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性前面已經(jīng)計算出此機床最大快移時需步進電機的最高起動頻率fk為8333Hz,切削進給時所需步進電機運行頻率f

28、e為833.3Hz。從表3-23中查出，150BF002型步進電機允許的最高起動頻率為2800Hz，運行頻率為8000Hz,如果直接起動，則會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實現(xiàn)），也可采用高低壓驅(qū)動電路，還可將步進電機輸出轉(zhuǎn)矩擴大一倍左右。而當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻特性完全可以滿足要求。第五節(jié) 齒輪傳動的強度校核驗算一、彎曲疲勞強度校核先選擇齒輪材料，確定許用應(yīng)力。小齒輪材料：40Cr,調(diào)質(zhì)，硬度為230280HBS,計算中取260HBS.大齒輪材料：45鋼，正火，硬度為170210HBS,計算中取200HBS.小齒輪許用彎曲應(yīng)力：F1=155+

29、0.3HBS=(155+0.3X260)MPa=233MPa大齒輪許用彎曲應(yīng)力： F2=140+0.2HBS=(140+0.2X200)MPa=180MPa彎曲疲勞強度的計算式為：F=2KTbm2zYFS式中 K載荷系數(shù)，一般取1.31.7，當原動機為電動機、工作機載荷較平穩(wěn)、齒輪支撐為對稱布置或齒輪制造精度較高時取較小值; T齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)矩，單位為Nmm; b工作齒寬，單位為mm; m模數(shù); z齒數(shù)；YFS齒輪復(fù)合齒形系數(shù)。校核小齒輪彎曲疲勞強度：將K=1.35, T1=13720Nmm,b=20mm,m=2, z1=32，YFS1=4.07代入公式得，F(xiàn)1=2KT1bm2z1YFS1=

30、2X1.35X1372020X22X32X4.07=58.894MPaF1=233MPa校核大齒輪彎曲疲勞強度： 大齒輪齒數(shù)為40，查表取YFS2=4.01，代入公式得，F(xiàn)2=F1YFS2YFS1=58.894X4.014.07=58.460MPaF2=180MPa大小齒輪均滿足彎曲疲勞強度的要求。二、接觸疲勞強度校核小齒輪的許用接觸應(yīng)力值：H1=380+HBS=(380+260)MPa=640MPa大齒輪的許用接觸應(yīng)力值：H2=380+0.7HBS=(380+0.7X180)MPa=506MPa選取H1和H2中的最小值，即H=506MPa.齒輪傳動的接觸疲勞強度校核式為：H=335aKT1(

31、u+1)3bu式中 a齒輪中心距，單位為mm，本例為72mm； u減速傳動比，本例為1.25；將數(shù)據(jù)代入公式得：H1=335aKT1(u+1)3bu=33572X1.35X13720X(1.25+1)320X1.25=427.43MPa15000h則深溝球軸承滿足壽命要求。三、角接觸球軸承的壽命驗算型號為7206B的角接觸球軸承的基本額定動載荷為20500N,基本靜載荷為13800N，其接觸角為40，能承受更大的軸向力。其力學模型如下圖所示：FS=1.14FrFA=Fm+0.05(G+GS)=1590+0.05X(2000+147)N=1697.35N式中 FS部軸向力，單位為N； FA外部軸

32、向力，單位為N;其徑向力為：Fr=Fttan20=2Tdtan20=2X13.7280X10-3X0.364=124.85N則兩對軸承所承受的部軸向力為：FS1=FS2=1.14Fr=1.14X124.85N=142.33N兩軸承面對面安裝，1端（左端）為壓緊端軸承，其所承受的軸向力為：Fa1=FA+FS2=(1697.35+142.33)N=1839.68N2端（右端）為放松軸承，其所承受的軸向力為：Fa2=FS2=142.33N由：Fa1Fr1=1839.68124.85=14.74e=1.14,則查表可得：Y1=0.57,X1=0.35.則1軸承所承受的當量動載荷為：P1=X1Fr1+Y

33、1Fa1=(0.35X124.85+0.57X1839.68)N=1092.32N由：Fa2Fr2=142.33124.85=1.14=e=1.14，查表可得：Y2=0，X2=1.則2軸承所承受的當量動載荷為：P2=Fr2=124.85N取P1、P2中的較大值，與以P1作為壽命校核的依據(jù)。將C=20500N,P=1092.32N代入壽命計算公式得：Lh=10660n(ftCfpP)=10660X833X(1X205001.5X1092.32)3 =39187h15000h所以，這一對角接觸球軸承可以滿足使用壽命的要求。第七節(jié) 齒輪間隙的消除進給伺服系統(tǒng)中的減速齒輪，除了本身要求較高的運動精度和

34、工作平穩(wěn)性外，還必須盡可能消除齒側(cè)傳動間隙，否則，進給運動會產(chǎn)生反向死區(qū)，影響傳動精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。常用的消除齒輪間隙的方法有以下兩種：一、偏心套調(diào)整法這種方法是將電機通過偏心套裝在減速箱殼體上，通過偏心套的轉(zhuǎn)動能夠方便地調(diào)整兩齒輪的中心距，從而達到消除齒側(cè)間隙的目的。該方法結(jié)構(gòu)簡單，傳動剛度好，能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，但齒輪的磨損后齒側(cè)間隙不能自動補償。二、雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法其示意圖如下所示：雙薄片齒輪調(diào)整結(jié)構(gòu)1、6、8 齒輪 2、5 螺釘 3 螺母 4 軸套 7 拉簧該結(jié)構(gòu)中，兩個齒數(shù)一樣的薄片齒輪1、8與另個一個寬齒6嚙合。兩薄片齒輪之間可以做相對回轉(zhuǎn)運動。每個薄齒輪上分別聯(lián)接三個沉頭螺釘2

35、，5并在齒輪1上開有三個較大通孔。齒輪8上的三個螺釘2從齒輪1上三個大孔中穿過后，再通過拉簧7與齒輪1上的螺釘5相聯(lián)，螺母3可防止拉簧滑出。由于拉簧7的拉力作用使齒輪1、8之間產(chǎn)生回轉(zhuǎn)，分別與寬齒輪6的兩側(cè)貼緊，從而消除了齒側(cè)間隙。該機構(gòu)因為拉簧的的作用，嚙合時完全消除了齒輪側(cè)隙，并且能夠自動補償。不足之處是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不宜傳遞大力矩。在負載不大的齒輪傳動裝置中被廣泛應(yīng)用。本設(shè)計采用此方法消除齒輪間隙。第三章 微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計第一節(jié) 繪制機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖一、數(shù)控系統(tǒng)的組成數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效的運行。硬件電路的可靠性直接影響到

36、數(shù)控系統(tǒng)性能指標。二、機床硬件電路的組成機床硬件電路由以下五部分組成：（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I/O輸入/輸出接口電路；（5）外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器與光電輸入機等。機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如下圖所示。機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖第二節(jié) CPU和存儲器CPU采用8031芯片，由于8031片無程序存儲器，需要有外部存儲器的支持，同時8031只有128B的部數(shù)據(jù)存儲器，也遠遠不能滿足控制系統(tǒng)的要求。故擴展了16KB程序存儲器，由兩片2764實現(xiàn)。而且其部的數(shù)據(jù)存儲器只有128B,所以有擴展了

37、16KB的數(shù)據(jù)存儲器，由兩片6264實現(xiàn)。80C31芯片的P0和P2用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù)，P2口傳送高8位地址，P0口傳送低8位地址和數(shù)據(jù)，故要采用74LS373地址鎖存器，鎖存低8位地址，ALE作為其選通信號，當ALE為高電平，鎖存器的輸入和輸出透明，即輸入的低8位存儲器地址在輸出端出現(xiàn)，此時不需鎖存。當ALE從高電平變?yōu)榈碗娖?，出現(xiàn)下降沿時，低8位地址鎖存入地址鎖存器，74LS373的輸出不再隨輸入變化,這樣P0口就可以用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。8031芯片的P2口和74LS373送出的P0口共組成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線。A0A7低8位接74L

38、S373芯片的輸出，A8A12接8031芯片的P2.0P2.4。系統(tǒng)采用全地址譯碼，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)位以后程序從0000H開始執(zhí)行。兩片6264芯片的片選信號CE分別接74LS138譯碼器的Y2和Y3，單片機擴展系統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立變址（即允許地址重疊），8031芯片控制信號PSEN接2764的OE引腳，讀寫控制信號WR和RD分別接6264芯片的WE和OE,以實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲器的讀寫。由于8031芯片部沒有ROM,故始終要選外部程序存儲器，故其EA必須接地。第三節(jié) I/O接口芯片的擴展由于80C31只有P口和P口部分能提供

39、用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的要求，因此系統(tǒng)擴展了一片8279和一片8255A可編程I/O接口芯片。8279的片選信號CS接74LS138的Y4端。芯片8255的片選信號接74LS138的Y5端。74LS138有三個輸入A、B、C分別接到8031的P2.5、P2.6、P2.7，輸出為Y0Y78個輸出，均為低電平有效。I/O接口與外設(shè)的連接是：鍵盤的行線接8279的RL0RL3,8279采用外部譯碼方式，SLSL經(jīng)74LS138（2）譯碼器輸出Y0Y7；按鍵盤的橫線，SLSL由74LS138（3）譯碼器輸出Y0Y7，經(jīng)驅(qū)動后輸出到顯示器各位的公共陽極，輸出線OUTA、OUTB作為8位

40、段數(shù)據(jù)輸出口，控制74LS138(3)的譯碼，當位切換時，輸出低電平，使74LS138(3)輸出全為高電平，當鍵盤上出現(xiàn)有效的閉合健時，鍵輸入數(shù)據(jù)自動的進入8279的FIFO RAM存儲器，并向80C31申請中斷，80C31響應(yīng)中斷，讀取FIFO RAM中的輸入鍵值。更新顯示器輸出，僅需改變8279種顯示緩沖器RAM中的容。還使用了用可編程輸入輸出芯片8255A擴展的輸入輸出接口電路。第四節(jié) 所用芯片的工作方式和性能特點介紹一、8031單片機芯片MCS51系列單片機是美國Intel公司在MCS48系列單片機基礎(chǔ)上推出的產(chǎn)品，于1980年問世，它的集成度很高，是集片存儲器、片輸入/輸出部件和CP

41、U于一體的優(yōu)良的單片機系統(tǒng)，在我國已廣泛地被應(yīng)用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。MCS51系列單片機主要有三種型號：8031、8051和8071。而8031片無ROM，使用時需擴展ROM，可用在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合，其價格低廉，使用靈活，非常適合在我國使用。所以本設(shè)計使用8031單片機。其性能和特點如下所示：（一）8031單片機的基本特性8031單片機具有以下特點：（1）具有功能很強的8位中央處理單元（CPU）；（2）片有時鐘發(fā)生電路（6MHz或12MHz）,每執(zhí)行一條指令時間為2s或1s；（3）片具有128字節(jié)RAM；（4）具有21個特殊寄存器；（5）可擴展64KB字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64

42、KB的外部程序存儲器；（6）具有4個I/O接口，32根I/O總線；（7）具有2個16位定時器/計數(shù)器；（8）具有5個中斷源，配備2個中斷優(yōu)先級；（9）具有一個全雙工串行接口；（10）具有位尋址能力，適用邏輯運算。從上述特性可知，一塊8031的功能幾乎相當于一塊Z80CPU、一塊RAM，一塊Z80CTC、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微機系統(tǒng)?？梢钥闯鲞@種芯片集成度高、功能強、只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完整的微機系統(tǒng)。（二）8031芯片引腳與其功能8031芯片具有40根引腳，其引腳如下圖所示：8031管腳圖40根引腳按其功能可以分為四類：1.電源線 2根VCC:編程和正常操作

43、時的電源電壓，接+5V。VSS:地電平。2.晶體振蕩器 2根XTAL1:振蕩器的反相放大器輸入。使用外部振蕩器時必須接地。XTAL2:振蕩器的反相放大器輸出和部時鐘發(fā)生器的輸入。當使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號。3.I/O口 共有P0、P1、P2、P3四個8位口，32根I/O總線，其功能如下：（1）P0.0P0.7(AD0AD7)是I/O端口0的引腳。端口0是一個8位漏極開路的雙向I/O端口。在存取外部存儲器時，該端口分時地用作低8位的地址和8位雙向的數(shù)據(jù)端口（在此時部上拉電阻有效）。（2）P1.0P1.7端口1的引腳，是一個帶部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。（3）P2.0

44、P2.7(A8A15)端口2的引腳。端口2是一個帶部上拉電阻的8位雙向I/O通道，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址A8A15。（4）P3.0P3.7端口3的引腳。端口3是一個帶部上拉電阻的8位雙向I/O口，該口的每一個均可獨立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時，口的結(jié)構(gòu)與操作與P1口完全一樣，第二功能如下： 口引腳 第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INT0(外部中斷)P3.3INT1(外部中斷)P3.4T0(定時器0外部輸入)P3.5T1(定時器1外部輸入)P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選

45、通)4.控制線（1）PSEN:程序存儲器的使能引腳，是外部程序存儲器的讀選通信號，低電平有效。從外部程序存儲器取數(shù)時，在每個機器周期二次有效。（2）EA/VPP: EA為高電平時，CPU執(zhí)行部程序存儲器的指令。EA為低電平時，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲器的指令。因8031芯片沒有部程序存儲器，故EA必須接地。（3）ALE/PROG:ALE是地址鎖存使能信號。作為地址鎖存允許時高電平有效。因為P0端口是分時傳送數(shù)據(jù)和低8位地址，故訪問存儲器時，ALE信號鎖存低8位地址。即使在不能訪問外部存儲器時，也以1/6振蕩頻率的固定頻率產(chǎn)生ALE,因此可以用它作為外部的時鐘信號。ALE主要是提供一個定時信號，

46、在從外部程序存儲器取指令時，把P0口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的地址鎖存器中。（4）RST/VPD:是復(fù)用/備用電源端。在振蕩器運行時，使RST引腳至少保持兩個機器周期為高電平，可實現(xiàn)復(fù)位操作，復(fù)位后程序計數(shù)器清零，即程序從0000H單元開始執(zhí)行。在VCC關(guān)斷前加上VPD（掉電保護）RAM的容將不變。二、地址鎖存器74LS373和地址譯碼器74LS138(一) 地址鎖存器74LS373由于單片機8031芯片的P0口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片是74LS373。8031芯片的PO口是數(shù)據(jù)線和低8位地址的分時復(fù)用口，P2口是高8位地址的

47、傳送口，所以需要將低8位地址進行鎖存，故采用芯片74LS373進行低8位地址的鎖存，芯片8031上ALE低8位地址鎖存允許進行鎖存控制，其連接到74LS373G端。當ALE從高電平變?yōu)榈碗娖?，出現(xiàn)下降沿時，74LS373的輸出不再隨輸入變化，這樣P0 口就可以用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，其引腳如下圖所示。（二）地址譯碼器74LS138采用74LS138（38）譯碼器的輸出作為片選信號。輸入端占用3根最高位地址線，剩余13根低位地址線可作為片地址線。74LS138譯碼器的8根輸出線分別對應(yīng)8個8K字節(jié)的地址空間。其引腳如下圖所示。74LS373引腳圖 74L

48、S138引腳圖8031芯片的P2 口和74LS373送出的P0 口芯片16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線。A0 A7 低8位地址的輸出接74LS373的輸入,A8 A12 接8031芯片的P2.0 P2.4 。三、程序存儲器2764和數(shù)據(jù)存儲器6264（一）程序存儲器2764芯片程序存儲器是用于存放程序與表格常數(shù)的，在程序存儲器中，有6個單元具有特定的含義：0000H:單片機復(fù)位后，PC=0000H,即程序從0000H開始執(zhí)行指令。0003H:外部中斷0入口地址。000BH:定時器0溢出中斷入口地址。 0013H:外部中斷1入口地址。001BH:定時器1溢出中斷入口

49、地址。0023H:串行口中斷入口地址。該芯片為28腳雙列直插式扁平封裝芯片。其引腳圖如下圖所示。圖中VPP是編程電壓，PGM是編程控制端，OE是輸出使能端，CS是片選端，它們均為低電平有效。2764芯片管腳功能如下:Vdd:編程電源端; PGM:編程控制端;OE:輸出允許端; CS:片選端;D00D07：數(shù)據(jù)端接口； A0A12：地址端接口；NC：空引腳未用.2764引腳圖 6264引腳圖（二）數(shù)據(jù)存儲器6264芯片數(shù)據(jù)存儲器是用于存放運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存與數(shù)據(jù)緩沖等，它由讀寫存儲器RAM組成，片為256字節(jié)，片外最大擴展為64K。6264型芯片也為28腳雙列直插式扁平封裝芯片其引腳如前圖

50、：管腳功能如下：Vdd、VSS：電源端； CS1、CS2：片選端； WE：寫輸入選通端； OE：讀輸入選通端；A0A12：地址線；I/OI/O：I/O輸入輸出接口端。四、可編程并行I/O接口芯片8255A可編程并行I/O接口芯片8255A有3個8位的并行I/O口，為PA口、PB口和PC口，他們都可以通過軟件編程來改變I/O口的工作方式。其引腳圖如圖所示： 8255A管腳圖 8279管腳圖其引腳功能為：引腳含義引腳含義 D0D7 PA0PA7 PB0PB7 PC0PC7 A0、A1RD數(shù)據(jù)線A口B口C口地址線讀WRCERESETGNDVCC寫片選復(fù)位地電源五、專用鍵盤顯示器接口芯片8279使用8279，可實現(xiàn)對鍵盤顯示器的