CK6163車床數(shù)控化改造-畢業(yè)設計

緒論1．1選題目的及意義機床是裝備制造業(yè)的工作母機，是實現(xiàn)制造技術和裝備現(xiàn)代化的基石。數(shù)控機床是一種高效率、高精度，能保證加工質量，解決工藝難題，而且又有一定柔性的生產(chǎn)設備。自五十年代末世界上第一臺數(shù)控機床在美國研制成功的半個多世紀以來，數(shù)控技術正在發(fā)生根本性變革，由專用封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在美國、日本和德國等發(fā)達國家，他們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，正處在黃金時代，由于技術的不斷進步，機床改造是個永恒的課題。在國內(nèi)，機床的數(shù)控化改造是發(fā)展我國數(shù)控設備的一個重要方面。《國務院關于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》的發(fā)布和實施，是提高我國國際競爭力，實現(xiàn)國民經(jīng)濟全面、協(xié)調和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略舉措，把發(fā)展數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件作為振興裝備制造業(yè)重大突破的16個關鍵領域之一，對我國機床工具行業(yè)的發(fā)展，具有重要的指導意義。車床是金屬切削加工最常用的一類機床，它能夠加工內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋等。普通車床由于造價低廉在我國運用十分廣泛，但是因為其進給軸不能聯(lián)動，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且無法加工復雜的回轉零件。對普通車床的數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改成用微機控制的并能獨立運動的進給伺服系統(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，車床就可以按預先輸入的加工指令進行切削加工。改造后的車床針對性高，專業(yè)性強，可以加工出普通車床加工不了的曲線、曲面等復雜零件。加工精度高，尺寸分散度小，易于裝配?？梢詫崿F(xiàn)多工序集中加工，提高了相關加工精度，同時減少被加工零件在機床間的頻繁搬運。擁有自動補償?shù)裙δ埽喕藗鹘y(tǒng)機床加工工藝中的工序，機床利用率大幅度提高。由于采用自動化加工技術，可大大降低操作者的勞動強度，減少廢品的產(chǎn)生，提高工作效率。另外其改造成本同購置新機床相比，節(jié)省的費用十分可觀，國產(chǎn)數(shù)控機床價格也要4～8萬元，進口機床有的近20萬元，而對普通車床進行數(shù)控化改造也能滿足實際生產(chǎn)要求，其改造費用僅2～3萬元，非常符合我國國情。1．2設計任務與總體方案的確定將C6163普通車床（如圖1-1所示）改造成采用16位單片機半閉環(huán)控制的經(jīng)濟型數(shù)控車床，要求該車床進給兩坐標聯(lián)動并且能夠實現(xiàn)直線插補和圓弧插補并增配自動回轉刀架和主軸脈沖發(fā)生器，能車削螺紋。圖1-1普通車床C6163已知參數(shù)及設計參數(shù)最大加工直徑：630；床鞍上最大加工直徑：350；最大加工長度：1500；縱向導軌長度：2000；主電動機功率：11；冷卻泵電機功率：0.12；主軸通孔直徑：105；主軸轉速：14級12.5～1120；托板和刀架的總重力G：1500；最大進給速度：縱向：，橫向：0.4；最大刀架快移速度：縱向：6，橫向：4；脈沖當量：縱向：0.001/脈沖，橫向：0.0005/脈沖；定位精度：縱向：0.01，橫向：0.005；啟動加速時間：縱向：200；橫向：100；電動刀架轉位數(shù)：4系統(tǒng)總體方案設計數(shù)控系統(tǒng)總體方案設計的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機構及傳動方案的確定，伺服電機類型及調速方案確定，計算機控制系統(tǒng)的選擇等。（1）系統(tǒng)的運動方式：該車床改造后應具有單坐標定位，兩坐標直線/圓弧插補的功能。所以數(shù)控系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。（2）進給伺服系統(tǒng)的類型：按任務要求采用直流電動機的半閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有精度高，動態(tài)性能良好的特點。相應的進給傳動鏈由自帶增量式光電編碼器的直流電機與減速機構及滾珠絲杠螺母副組成。（3）數(shù)控系統(tǒng)處理器的選擇：采用TI公司推出的MSP430系列16位單片機，該系列單片功能強大，性價比高，是16位單片機中的主流芯片之一。另外采用LM629全數(shù)字專用運動控制處理器，可以進行位置與速度的反饋控制。（4）根據(jù)系統(tǒng)的要求，還要設計鍵盤與顯示電路，顯示界面采用LED數(shù)碼管，數(shù)控系統(tǒng)還可以和PC機串行通信，所以還要設計串行接口電路。（5）為了加工安全還需安裝縱向和橫向限位開關。（6）主軸電動機的交流變頻器的選擇及主軸脈沖發(fā)生器的選擇。（7）為了達到設計要求中的速度和精度，縱向與橫向進給傳動應選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副。（8）為了滿足脈沖當量的設計要求和增大轉矩，同時也為了是傳動系統(tǒng)的負載慣量勁可能地減小，傳動鏈中應設有減速機構。減速機構選則同步帶，其綜合了帶傳動、鏈條傳動以及齒輪傳動的優(yōu)點，在許多領域已經(jīng)替代了齒輪傳動和鏈傳動。（9）自動回轉刀架的選擇及其控制電路的設計等。（10）保留原來的冷卻系統(tǒng)，滾珠絲杠和滑板輪滑采用手動泵注入。根據(jù)以上選定的普通機床數(shù)控化改造方案，擬訂它的數(shù)控系統(tǒng)及控制方法，系統(tǒng)的總體框圖如下：數(shù)控裝置隔離放大MM光電編碼器光電編碼器鍵盤與顯示接口芯片串行接口冷卻泵刀位信號限位信號按鈕信號刀架控制交流變頻器主軸編碼器主軸電機Z軸傳動X軸傳動圖1-2系統(tǒng)結構方框圖2機械系統(tǒng)的改造設計2．1主傳動系統(tǒng)的改造普通車床進行數(shù)控化改造時，為了減少工作量一般保留原有的主傳動機構和變速操縱機構。改造后使其主運動和進給運動分離，主電機的作用僅為帶動主軸旋轉，主軸的正轉、反轉和停止由數(shù)控系統(tǒng)來控制。采用交流變頻器實現(xiàn)主軸電機的無極變速，本設計選用F1000-G0110T3C型變頻器，該型號適配電機11KW，額定輸出電流為23A。2．2換裝自動回轉刀架為了提高加工精度和加工效率，實現(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刀架，選用常州市南新數(shù)控設備有限公司生產(chǎn)的LD4-6163型四工位立式電動刀架,該型號刀架采用蝸桿傳動，上下齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理。具有轉位快，定位精度高，切向扭矩大的優(yōu)點。同時采用無觸點霍爾開關發(fā)信，使用壽命長。該系列電動刀架是用戶普通采用的經(jīng)濟型產(chǎn)品。其相關參數(shù)如表2-1所示。表2-1LD4-6163電動刀架相關參數(shù)型號換刀時間（s）最大許用力矩(N·m)重復定位精度（mm）電機功率（W）電機轉速（rpm）凈重（KG）90度180度270度MqMxMsLD4-61632.83.54.210002500800<0.0051801400552．3主軸脈沖發(fā)生器的安裝主軸脈沖發(fā)生器是為了加工螺紋而安裝的主軸檢測裝置，微機從主軸脈沖發(fā)生器中取出與螺距相應的脈沖數(shù)，使主軸旋轉角度與進給量保持一定關系，確保螺距的準確性。主軸脈沖發(fā)生器的安裝通常有兩種：一種是同軸安裝，另一種是異軸安裝。一般經(jīng)濟型數(shù)控改造多采用同軸安裝。本設計選用1200線主軸脈沖發(fā)生器，采用同軸安裝方式并采用波紋管與主軸柔性連接，該連接方式在實現(xiàn)角位移傳遞的同時，能夠吸收車床的部分振動，從而使脈沖發(fā)生器平穩(wěn)轉動。2．4進給系統(tǒng)的改造拆除掛輪架所有齒輪并尋找主軸，安裝主軸脈沖發(fā)生器；拆除原機床進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光桿、操縱桿、齒條等；在縱溜板、橫溜板的下面絲杠螺母座托架；在原進給箱位置安裝縱向伺服電機與減速箱總成，在橫溜板后部安裝橫向伺服電機與減速箱總成；拆除四方刀架及上溜板總成，在橫溜板上方安裝電動刀架。2．5．安裝防護普通車床的數(shù)控化改造中應根據(jù)實際情況采取相應的防護措施，比如滾珠絲杠副由于精度要求較高，工作時需防塵防灰，尤其不能讓金屬削進入滾道，所以縱向絲杠應安裝防護罩。大托板與導軌接觸的兩端面要貼上橡膠片，防止雜質進入滑動導軌面損傷導軌。3縱向進給傳動部件的計算和選型3．1切削力的計算切削力是指在切屑過程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的講是在切削加工時，工件材料抵抗刀具切削時產(chǎn)生的阻力。車削外圓時的切削力如圖3-1所示。主切削力與切削速度的方向一致，垂直向下，是計算車床主軸電動機切削功率的依據(jù)；進給力與進給方向平行且方向相反；背向力與進給方向相垂直，對加工精度的影響較大。FFzFxFy圖3-1車削力分析由《機床設計手冊》可知，切削功率式中：—主軸電動機功率，；—主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.75～0.85，取=0.8；—進給系統(tǒng)功率系數(shù)，一般取=0.96。則切削功率應按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力和最大切削速度來計算，即，式中切削速度v取100,則主切削力：==5088根據(jù)經(jīng)驗公式::=1:0.4:0.35，計算出：=5088×0.4=2035.2=5088×0.35=1780.8滾珠絲杠螺母副的計算和選型滾珠絲杠副的作用是將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，其螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。絲杠轉動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。螺母上設有返向器，與螺紋滾道構成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設置預緊裝置。為延長工作壽命，可設置潤滑件和密封件。精度的選擇滾珠絲杠副的精度直接影響數(shù)控機床的定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導程誤差對機床定位精度最明顯。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。對于車床，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設計的定位精度要求和改造的經(jīng)濟性，選擇X軸精度等級為3級，Z軸為4級。絲杠導程的確定選擇導程跟所需要的運動速度、系統(tǒng)等有關，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿足的情況下，一般選擇較小導程（利于提高控制精度），本設計中初選縱向絲杠導程為8，橫向絲杠導程為5。2．3最大工作載荷的計算最大工作載荷是指滾珠絲杠螺母副在驅動工作臺時所承受的最大軸向力，也叫進給牽引力,其實驗計算公式如表3-1所示。表3-1實驗計算公式及參考系數(shù)導軌類型實驗公式矩形導軌1.10.15燕尾導軌1.40.2綜合或三角導軌1.150.15-0.18表中為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數(shù)；為滑動導軌摩擦系數(shù)；為移動部件總重量。查表3-1選擇綜合導軌，取1.15,取0.18,為1500；算得=1.15×1780.8+0.18×（5088+1500）=3233.763．2．4最大動載荷的計算載荷隨時間急劇變化且使構件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動載荷。比如起重機以等速度吊起重物，重物對吊索的作用為靜載，起重機以加速度吊起重物，重物對吊索的作用為動載。對于滾珠絲杠螺母副的最大動載荷計算公式如下：式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r，（T為使用壽命，普通機床T取5000-10000h，數(shù)控機床T取15000h；n為絲杠每分鐘轉速）；—載荷系數(shù)，一般取1.2～1.5，本設計取1.2；—硬度系數(shù)（HRC58時取1.0；等于55時取1.11；等于52.5時取1.35；等于50時取1.56；等于45時取2.40）；—滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。本設計中車床Z向承受最大切削力條件下最快的進給速度,初選絲杠基本導程，則絲杠轉速。取滾珠絲杠使用壽命，帶入得=90；取，代入，求得：=17390N。3．2．5滾珠絲杠螺母副的選型初選滾珠絲桿副時應使其額定動載荷,當滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長時間承受工作載荷時，還應使額定靜載荷。根據(jù)計算出的最大動載荷,選擇江蘇啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)的FL5008-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預緊，精度等級為4級，其參數(shù)如表3-2所示。表3-2FL5008-3型滾珠絲杠相關參數(shù)公稱直徑/導程/鋼球直徑/絲杠外徑/絲杠底徑/額定載荷/接觸剛度/18975084.76348.645.2466313．2．6滾珠絲杠副的支承方式滾珠絲杠副的支承主要用來約束絲杠的軸向竄動，為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合?？紤]到縱向絲杠長度較大，本設計縱向絲杠采用雙推—簡支支承方式，該方式臨界轉速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。3．2．7傳動效率的計算滾珠絲杠的傳動效率一般在0.8～0.9之間，其計算公式如下：=式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°91′；—摩擦角，一般取=10′。算得：==96.67%2．8剛度的驗算滾珠絲杠副工作時受軸向力和轉矩的作用，引起導程的變化，從而影響定位精度和運動的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形。因轉矩和絲杠-螺母滾道接觸對絲杠產(chǎn)生的導程變化很小，所以、可以忽略不計，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為：=（“+”號代表拉伸，“-”代表壓縮）式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；—絲杠縱向最大有效行程，單位為；—絲杠材料的彈性模量，鋼；—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。根據(jù)前面的設計，為3233.76，取1665，為45.24，算得：==±0.01597=±15.97查表3-3可知，,所以剛度足夠。表3-3有效行程內(nèi)的目標行程公差和行程變動量有效行程精度等級12345大于至—31566881212161623234005008710915132019272616002000181325183525483665512．9穩(wěn)定性校核由于滾珠絲杠本身比較細長又受軸向力的作用，若軸向負載過大，則會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時的臨界載荷Fk應該滿足：=式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時，取2，其他方式如表3-4所示；—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，垂直安裝時取最小值，本設計取4；—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設計中該值為2200；—按絲杠底徑確定的截面慣性矩（，單位為）,本設中將代入算出=205513.36。由以上數(shù)據(jù)可以算出：==臨界載荷遠大于工作載荷（3233.76N），故絲杠不會失穩(wěn)。表3-4絲杠支承系數(shù)支承方式雙推-雙推雙推-簡支單推-單推雙推-自由取值4210.253．2．10臨界轉速的驗證滾珠絲杠副高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速，要求絲杠的最高轉速：式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時，取值如表3-5所示；—臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值為2300；—絲杠內(nèi)徑，單位；—安全系數(shù)，可取=0.8表3-5絲杠支承系數(shù)支承方式雙推-雙推雙推-簡支單推-單推雙推-自由取值27.418.912.14.3經(jīng)過計算，得出=1293，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。3．3同步帶減速機構設計同步帶也叫同步齒形帶，它綜合了帶傳動、鏈條傳動以及齒輪傳動的優(yōu)點，主要用在驅動帶輪與被動帶輪之間要求有固定傳動比的情況。同步帶是通過帶上的凸齒與帶輪上的齒槽強制嚙合而工作，即當主動帶輪轉動時能通過帶齒與帶輪的依次嚙合將動力傳給從動輪，因此主動輪和從動輪的線速度相同。同步帶的張緊力小，輪軸上的壓力輕，因此可以延長軸承的使用壽命。同步帶結構簡單、緊湊，工作時不會打滑，線速度可達，可用于高速場合，傳動比可達到10，效率可達98%，維護保養(yǎng)方便，運轉費用低，因此應用日益廣泛。3．3．1傳動比的確定由和可得：式中：—電機編碼器分辨率，單位為度/脈沖；—絲杠分辨率，單位為度/脈沖；—絲杠導程，其值為8；—脈沖當量，本設計中Z軸為0.001/脈沖。初選電機編碼器紋數(shù)為1000，四倍細分，即==0.09（度/脈沖），算得：==23．3．2傳遞功率的估算由運動學可知，對該傳動機構傳遞功率的研究只要考慮三種工作狀態(tài)，他們分別是：最大負載且最大工進速度、快速空載啟動、最快空載移動。由運動學可知，最后一種狀態(tài)的傳遞功率一定小于快速空載啟動（最后時刻）的瞬時傳遞功率，所以只需要比較前二者。（1）最大工作負載下最大傳遞功率的估算：式中：—絲杠的最大工作載荷，其值為3233.76；—最大工進速度，換算為；—預緊摩擦力，單位N，，（摩擦系數(shù)取0.15）計算得出：。（2）快速啟動時的最大傳遞功率估算：式中：—移動部件（僅包括絲杠折算，而忽略的從動輪、軸承等由增大系數(shù)來補償）加速時所受的合力即慣性力，=3607.4該式中絲杠的轉動慣量112.13，D為絲杠的公稱直徑，L為絲杠的長度，單位為，換算為，為，換算為0.8；—移動部件與綜合導軌的滑動摩擦力，=270。計算得出：因為，所以帶的設計功率(根據(jù)一般數(shù)控機床情況以及相關參數(shù)的補償，系數(shù)取1.5)。3．3．3選擇帶型和節(jié)距根據(jù)帶的傳遞功率Pd，查表3-6選擇同步帶，型號為XL型，節(jié)距。表3-6同步帶型號型號節(jié)距/基準帶寬傳遞功率范圍/基準帶寬/說明XL(特輕型)5.0800.004～0.5739.5GB/T11616-1989GB/T11362-1989L（輕型）9.5250.05～4.7625.4H（重型）12.7000.6～5576.23．3．4確定帶輪齒數(shù)和節(jié)圓直徑XL型小帶輪轉速在1200至1800時的最少許用齒數(shù)為12，為了提高傳動精度，取小齒輪數(shù)，則小帶輪節(jié)圓直徑，根據(jù)傳動比算出大齒輪數(shù)，則大帶輪節(jié)圓直徑。當主動輪最高轉速時，同步帶的線速度為：，遠小于XL型帶的極限速度，所以滿足要求。3．3．5中心距、節(jié)線長度和帶齒數(shù)的確定初選中心距，圓整后取。則帶的節(jié)線長度。根據(jù)表3-7，選取接近的標準節(jié)線長度，相應的齒數(shù)z=100。實際中心距。表3-7同步帶的節(jié)線長度長度代號節(jié)線長度型號XLLH公稱尺寸極限偏差齒數(shù)190482.6±0.5195200508100210533.4105563．3．6校驗帶與小帶輪的嚙合齒數(shù)嚙合齒數(shù)，式中為取整函數(shù)。一般情況下，應該保證，對于XL型至少要保證。當不滿足要求時，可以增大或不變時減小節(jié)距。通過計算，得出，滿足要求。3．3．7計算基準額定功率基準額定功率就是所選型號同步帶在基準寬度下所允許傳遞的額定功率，其計算公式如下：式中：—單位為；—帶寬為基準帶寬b時的許用工作拉力，單位N，如表3-8所示；—帶寬為基準帶寬b時的單位長度質量（線密度），單位；—同步帶線速度，上述3.3.4中已算出其值為3.05。表3-8同步帶基準寬度下的許用拉力和線密度帶型號基準帶寬b/許用拉力/線密度/XL9.550.170.022L25.4244.460.095H76.22100.850.448經(jīng)計算，3．3．8確定實際同步帶寬度實際所需同步帶寬度的計算公式如下：式中：—選定型號的基準寬度，XL型其值為9.5；—小帶輪嚙合系數(shù)，根據(jù)文獻，當時，其值為1。經(jīng)計算得出：31.88。根據(jù)相關文獻，選定最接近的帶寬33.33．3．9同步帶工作能力的驗算用下式來計算同步帶的額定功率:式中：—齒寬系數(shù)，其值為?！л唶Ш舷禂?shù)，取1；經(jīng)計算得出：,所以滿足要求。4橫向進給傳動部件的計算和選型切削力的計算因為橫向切削力大小一般等于縱向切削力的一半，所以：=2035.2÷2=1017.6=1780.8÷2=890.4式中：—橫向主切削力；—走刀方向切削力； —吃刀方向切削力。滾珠絲杠螺母副的計算和選型最大工作載荷的計算已知移動部件總重力，電動刀架重量為，則橫向進給機構的重力約為，橫向為燕尾導軌，查表3-1，最大工作載荷的計算如下：=式中：—為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數(shù)，取1.4；—為滑動導軌摩擦系數(shù)，取0.2。4．2．2最大動載荷的計算式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r；—絲杠壽命，取15000；—載荷系數(shù)，一般取1.2；—硬度系數(shù)取1；—橫向絲杠副最大工作載荷，其值為2459.6；—橫向滾珠絲杠導程，初選為?！獧M向最大工進速度，該設計值為；—橫向最大工進速度對應絲杠的轉度，單位。計算得出得：=12278.8。2．3滾珠絲杠螺母副的選型根據(jù)計算出的最大動載荷,選擇江蘇啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)的FL4005-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母方式預緊，精度等級為3級，其參數(shù)如表4-1所示。表4-1FL4005-3型滾珠絲杠相關參數(shù)公稱直徑/導程/鋼球直徑/絲杠外徑/絲杠底徑/額定載荷/接觸剛度/14534053.53936.532.8144．2．4滾珠絲杠副的支承方式考慮到橫向滾珠絲杠副的長度、精度與負載的大小以及改造成本，采用雙推-單推支承方式，該方式軸向剛度高，位移精度好，可以進行預拉伸。4．2．5傳動效率的計算=式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°28′；—摩擦角，一般取=10′。算得：==95.67%2．6剛度的驗算=（“+”號代表拉伸，“-”代表壓縮）式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；—絲杠縱向最大有效行程，單位為；—絲杠材料的彈性模量，鋼；—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。根據(jù)設計，為2459.6N，為420，為36.5，算得：==±0.0047=±4.7查表3-3可知，,所以剛度足夠。4．2．7穩(wěn)定性校核=式中：—絲杠支承系數(shù)，由表3-4得出單推-單推時，取1；—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，本設計取4；—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設計中該值為500；—按絲杠底徑確定的截面慣性矩，（，單位為）本設中將代入算出=87080。由以上數(shù)據(jù)可以算出：==臨界載荷遠大于工作載荷（2459.6N），故絲杠不會失穩(wěn)。4．2．8臨界轉速的驗證式中：—絲杠支承系數(shù)，單推-單推方式時，由表3-5可得該值為12.1；—臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值約為720；—絲杠內(nèi)徑，單位；—安全系數(shù)，可取=0.8經(jīng)過計算，得出=5321，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。4．3同步帶減速機構設計4．3．1傳動比的確定由和可得：式中：—電機編碼器分辨率，單位為度/脈沖；—絲杠分辨率，單位為度/脈沖；—絲杠導程，其值為5；—脈沖當量，本設計中X軸為0.0005/脈沖。初選電機編碼器紋數(shù)為1500，四倍細分，即==0.06（度/脈沖），算得：==4．3．2傳遞功率的估算（1）最大工作負載下最大傳遞功率的估算：式中：—絲杠的最大工作載荷，其值為2459.6；—橫向最大工進速度，其值換算為；—預緊摩擦力，單位N，（摩擦系數(shù)取0.15）；計算得出：。（2）快速啟動時的最大傳遞功率估算：式中：—移動部件（僅包括絲杠折算，而忽略的從動輪、軸承等由增大系數(shù)來補償）加速時所受的合力即慣性力，=1568.67該計算式中絲杠轉動慣量=14.377式中D為絲杠的公稱直徑，L為絲杠兩端的大約長度，單位均為，換算成，換算為0.5，；—橫向移動部件與燕尾導軌的滑動摩擦力，=170；—預緊摩擦力，其值為123N。計算得出：因為，所以帶的設計功率(根據(jù)一般數(shù)控機床情況以及相關參數(shù)的補償，系數(shù)取1.6)4．3．3選擇帶型和節(jié)距根據(jù)帶的傳遞功率，查表3-4選擇同步帶，型號為XL型，節(jié)距。4．3．4確定帶輪齒數(shù)和節(jié)圓直徑取小齒輪數(shù)，則小帶輪節(jié)圓直徑，根據(jù)傳動比算出大齒輪數(shù)，則大帶輪節(jié)圓直徑。經(jīng)計算，主動輪，同步帶最大線速度。4．3．5中心距、節(jié)線長度和帶齒數(shù)的確定初選中心距，圓整后取。則帶的節(jié)線長度。根據(jù)表4-2，選取接近的標準節(jié)線長度，相應的齒數(shù)。實際中心距。表4-2同步帶的節(jié)線長度長度代號節(jié)線長度型號MXLXLL公稱尺寸極限偏差齒數(shù)160406.4±0.5120080170431.885180457.2225904．3．6校驗帶與小帶輪的嚙合齒數(shù)嚙合齒數(shù)，式中為取整函數(shù)。一般情況下，應該保證，對于XL型至少要保證。通過計算，得出，滿足要求。4．3．7計算基準額定功率基準額定功率就是所選型號同步帶在基準寬度下所允許傳遞的額定功率，其計算公式如下：式中：—帶寬為基準帶寬b時的許用拉力，根據(jù)表3-8其值為50.17N；—帶寬為基準帶寬b時的線密度，根據(jù)表3-8其值為0.022；—同步帶線速度，其值為2.7。經(jīng)過計算得出：4．3．8確定實際同步帶寬度實際所需同步帶寬度的計算公式如下：式中：—選定型號的基準寬度，XL型其值為9.5；—小帶輪嚙合系數(shù)，根據(jù)文獻，當時，其值為1?！O計功率，其值為200經(jīng)計算得出：13.408。根據(jù)相關文獻，選定最接近的帶寬。4．3．9同步帶工作能力的驗算用下式來計算同步帶的額定功率:式中：—齒寬系數(shù)，其值為；—小帶輪嚙合系數(shù)，其值為1；—帶寬為時的許用拉力，其值為50.17N；—帶寬為時的線密度，其值為0.022；—同步帶線速度，其值為2.7。經(jīng)計算得出：,所以滿足要求。5電動機的選擇及其驅動電路設計直流電動機是最早出現(xiàn)的電動機，也是最早能實現(xiàn)調速的電動機。長期以來一直占據(jù)著調速控制的統(tǒng)治地位。它具有良好的線性調速特性，簡單的控制性能，較高的效率，優(yōu)異的動態(tài)特性。隨著永磁材料和工藝的發(fā)展，已將直流電動機的勵磁部分用永磁材料代替，產(chǎn)生永磁直流電動機，這種電機結構簡單，用電量少，所以目前在中小功率范圍內(nèi)運用廣泛。近年來，直流電動機的結構和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計算機進入控制領域以及新型電力電子功率元件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開關功率元件進行脈沖寬度調制（PWM）控制方式已成為主流，并作為其數(shù)字控制的基礎。如果直流電機要求工作在正反轉場合，這時還需要使用可逆PWM控制方式，其又分為單極性驅動與雙極性驅動兩種，一般大功率電機驅動采用單極性驅動方式。電動機的驅動離不開半導體功率器件，在對直流電機電樞電壓的控制和驅動中，對半導體功率器件的使用上又可以分為兩種方式：線性放大驅動和開關驅動，由于前者在工作時有大量功率消耗在元器件上，致使效率很低，因此絕大多數(shù)直流電機采用開關驅動方式，該方式是使半導體功率器件工作在開關狀態(tài)，通過脈寬調制來控制電動機的電樞電壓，實現(xiàn)調速。5．1縱向直流電動機的計算與選型5．1．1轉動慣量的折算折合到電機軸上的轉動慣量如下：式中：—電機轉子的轉動慣量，單位為，本設計初選值為25；、—同步帶帶輪的轉動慣量，單位為；、分別為帶輪的外徑和寬度，單位為；—滾珠絲杠的轉動慣量，取值為112.13；、—分別為重力加速度，取9.8和導程，其值換算為0.8。計算得出：=56.6≈605．1．2電動機的計算和選型縱向電動機的相關計算如表5-1所示。根據(jù)計算結果：，，即,選用深圳市泰科智能伺服技術有限公司推出的NT4P101-20E型直流有刷伺服電機，該電機采用高強度永磁材料，體積小轉矩大，過載能力強，編碼器選定1000P/R，具體參數(shù)如表5-2所示。5．2橫向直流電動機的計算與選型5．2．1轉動慣量的折算折合到電機軸上的轉動慣量如下：式中：—電機轉子的轉動慣量，單位為，本設計初選值為20；、—同步帶帶輪的轉動慣量，單位為；、分別為帶輪的外徑和寬度，單位為；—滾珠絲杠的轉動慣量，其值為14.377；—絲杠導程，其值換算為；—重力加速度，取9.8。計算得出：5．2．2電動機的計算和選型橫向電動機的相關計算如表5-3所示。根據(jù)計算結果：，，即選用深圳市泰科智能伺服技術有限公司推出的NT4P101-16E型直流有刷伺服電機，編碼器選定1500P/R，具體參數(shù)如表5-4所示。表5-1縱向電動機最大負載轉矩計算1．快速空載啟動狀態(tài)為折合到電機軸上的慣性力矩，、分別為折合到電機軸上的摩擦力矩和預緊力矩，，（即）能量守恒：或在3.3.2中已經(jīng)算出：（考慮到總傳動效率約為90%）；由，和得：由能量守恒：得：同理，2．最大負載狀態(tài)為最大工作載荷根據(jù)能量守恒等效到電機軸上的力矩由能量守恒：得：3．最快空載移動狀態(tài)表5-2NT4P101-20E型直流有刷伺服電機相關參數(shù)額定功率614超載功率1096.5連續(xù)轉矩3.00超載峰值轉矩6.00額定電壓90V超載峰值電流15.7A額定電流8.1A轉動慣量26.129最高空載轉速2163重量7.71最高超載轉速1746長度21.97表5-3橫向電動機最大負載轉矩計算1．快速空載啟動狀態(tài)為折合到電機軸上的慣性力矩，、分別為折合到電機軸上的摩擦力矩和預緊力矩，，（即）能量守恒：或在4.3.2（考慮到總傳動效率約為90%）；由，和得：由能量守恒：得：同理，2．最大負載狀態(tài)為最大工作載荷根據(jù)能量守恒等效到電機軸上的力矩由能量守恒：得：3．最快空載移動狀態(tài)表5-4NT4P101-16E型直流有刷伺服電機相關參數(shù)額定功率491超載功率891.627連續(xù)轉矩2.54超載峰值轉矩5.08額定電壓90V超載峰值電流12.5A額定電流6.5A轉動慣量21.186最高空載轉速1843重量6.80最高超載轉速1677長度19.435．3直流電動機驅動電路設計5．3．1光電隔離電路（1）光電耦合器(光電隔離器)簡介光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下,以光為煤介傳送信號,對輸入和輸出電路可以進行隔離.因而具有良好的電絕緣能力并能夠有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，具有響應速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等特點。光電隔離在強-弱電接口、特別是在微機系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應用。光電耦合器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關信號（數(shù)字信號）的傳輸，不適合于傳輸模擬量；線性光耦的電流傳輸手特性曲線接進直線，并且小信號時性能較好，能以線性特性進行隔離控制。（2）相關設計與選用本設計選用6N135高速光耦與PWM信號連接，其最高轉換頻率可達1M赫茲，工作電壓0-15V，典型的驅動電流為16mA，工作時LED現(xiàn)以5V電源供電，計算光電耦合器的輸入端電阻和輸出端電阻。=（Ω），取整，得=200（Ω）===625（Ω），為了使輸入端深度飽和以及歸一化處理，可取=1000（Ω）。5．3．2單極性可逆PWM電路設計（1）電路簡介可逆PWM電路分雙極性和單極性兩種，前者有低速運行平穩(wěn)的優(yōu)點，但存在著電流波動大，功率損耗大的缺點，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關直通的危險，限制了開關頻率的提高，因此只用于中小功率直流電機的控制。由于本設計選用的直流電機功率較大，尤其是在啟動加速時刻，故選擇后者。單極性驅動又分T型和H型，以H型應用最多。一般對中大功率的直流電機驅動電路可以用相應的MOS管和續(xù)流二級管（肖特基管）搭建H橋驅動電路。使用MOS管，其開關速度快，同時又是電壓驅動型，驅動電路簡單而且導通后內(nèi)阻小，通過電流大，這樣加在電機的電壓就接近電源電壓，使電機能正常工作。使用續(xù)流二級管，用來保護元器件不被感應電壓擊穿或燒壞，以及提供電機制動回路。（2）相關設計與選用根據(jù)第5章第2節(jié)內(nèi)容可知，選用的直流電動機參數(shù)為：縱軸電動機：額定電壓為90V，超載峰值電流為15.7A；橫軸電動機：額定電壓為90V，超載峰值電流為12.5A。根據(jù)以上參數(shù)，選用MOS管型號為：縱軸：IRFP250（200V33A）橫軸：IRFP240（200V19A）。選用續(xù)流二級管型號為：10CTQ150-1（150V10A），與門電路選用二輸入端四與門74LS08,非門電路選用74LS06。縱向驅動電路如圖5-1所示，橫向驅動電路如圖5-2所示。圖5-1縱向直流電動機驅動電路圖5-2橫向直流電動機驅動電路6數(shù)控系統(tǒng)設計數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的“大腦”，其設計也是普通機床進行數(shù)控化改造的核心工程，對機床而言，數(shù)控系統(tǒng)通過對輸入的加工程序進行數(shù)據(jù)處理和運算后，輸出控制信號，控制主軸、進給軸和其他輔助裝置正確、及時和可靠地執(zhí)行加工程序所規(guī)定的任務，同時接受從機床反饋來的各種信息，對機床控制進行調整。任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，在處理信息方面，軟件和硬件對要完成的任務是等價的，硬件處理速度快，線路復雜，軟件設計靈活，適應性強，但速度較慢。隨著高性能微處理器的誕生，現(xiàn)代數(shù)控已越來越傾向于軟件控制。數(shù)控系統(tǒng)最核心的控制是位置控制，最重要的運算是插補運算，最主要的數(shù)據(jù)處理是刀具補償。位置控制的實質就是位置負反饋，即指令位置和實際位置進行比較，用位置偏差進行控制；插補運算就是根據(jù)加工程序所確定的坐標點，通過一定的運算法則實時獲得位置指令；刀具補償就是要解決編程軌跡和刀具中心不相符的矛盾。硬件電路設計數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)其使用微機結構的劃分，一般可分為單微處理器和多微處理器結構兩大類。單微處理器數(shù)控系統(tǒng)由于結構簡單，價格便宜，在一些標準型數(shù)控系統(tǒng)中應用廣泛。多微處理器數(shù)控系統(tǒng)可以滿足當今數(shù)控機床高速度、高精度和許多復雜功能的要求，代表當今數(shù)控發(fā)展的水平。根據(jù)設計任務要求，本設計將采用較經(jīng)濟的單微處理器數(shù)控結構，對于一般切削加工而言，其速度和精度已能滿足實際要求。數(shù)控機床單微處理器硬件結構電路概括起來有以下幾個部分組成：（1）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，包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫存儲器；（4）輸入輸出接口電路；（5）外圍設備，如鍵盤、顯示器及光電編碼器等。6．1．2數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能根據(jù)設計要求，確定數(shù)控系統(tǒng)應具有以下功能：讀取鍵盤輸入數(shù)據(jù)；讀取操作面板開關及按鈕信號；讀取螺紋/光電編碼器信號；讀取電動刀架刀位信號；接受車床行程開關信號；控制LED顯示；控制電動刀架自動選刀；控制縱向、橫向電動機驅動；控制主軸正轉、反轉與停止；(10)控制交流變頻器；(11)控制冷卻泵啟停；(12)可與PC進行串行通信。6．1．3主控芯片簡介（1）MSP430簡介本設計采用的核心芯片為TI公司推出16位系列單片機MSP430。MSP430具有集成度高，外圍設備豐富，超低功耗等優(yōu)點。MSP430系列種類繁多，針對不同的場合需要選用相應合適的芯片，本次設計選用MSP430F149型，該型號為64引腳封裝，工作電壓為1.8V-3.6V。單片集成了多通道12bit的A/D轉換、片內(nèi)精密比較器、多個具有PWM功能的定時器、片內(nèi)USART、看門狗定時器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、大量的I/O端口以及大容量的片內(nèi)存儲器，采用串行在線編程方法，單片可以滿足絕大多數(shù)的應用需要。MSP430的這種高集成度使應用人員不必在接口、外接I/O及存儲器上花太多的精力，而可以方便的設計真正意義上的單片系統(tǒng)；在運算性能上，MSP430系列單片機采用目前流行的精簡指令集（RISC）結構，1個時鐘周期可以執(zhí)行1條指令(傳統(tǒng)的MCS51系列單片機要12個時鐘周期才可以執(zhí)行一條指令)。（2）MSP430的擴展MSP430F149擁有6個8位并行接口且2個8位端口（P1、P2）有中斷能力，完全可以實現(xiàn)系統(tǒng)所有信號的輸入、輸出，無需硬件擴展。在存儲器方面，其內(nèi)置FLASH（閃存，具有ROM的非易失性和EPROM的可擦除性）多達60KB，，RAM多達2KB并支持JTAG仿真，真正實現(xiàn)了在線仿真調試，對于一般數(shù)控系統(tǒng)而言已經(jīng)足夠，所以也無需擴展外部存儲器。（3）MSP430的復位及晶振電路設計如圖6-1所示。圖6-1MSP430單片機的復位電路及晶振電路鍵盤與顯示接口電路設計（1）鍵盤、顯示器接口電路芯片8279單片機系統(tǒng)中有兩種LED顯示方式，即靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，靜態(tài)顯示的優(yōu)點是顯示效果好，編程簡單，但由于輸出的每一位都需要鎖存，使用的硬件較多；動態(tài)顯示方式中，每一時刻只有一位數(shù)碼管被點亮，各位依次輪流被點亮，硬件電路簡單，但由于需要不停地進行刷新顯示，降低了CPU的效率，而且編程的工作量很大。為了解決動態(tài)顯示中存在的問題，Intel公司研制出了專用的鍵盤、顯示器接口電路芯片8279，該芯片采用單±5V電源供電，40腳封裝，能自動完成對顯示的刷新，同時還可以對鍵盤自動掃描，識別閉合鍵的鍵號，能自動消除開關抖動并能對多鍵同時按下提供保護。顯示輸出時，它有一個16×8位顯示RAM，其內(nèi)容通過自動掃描，可由8或16位LED數(shù)碼管顯示。（2）各引腳功能與連接由于本設計為兩軸聯(lián)動，需同時顯示Z方向和X方向的位置信息，所以8279要能夠控制16個LED數(shù)碼管輸出。鍵盤采用56鍵，在普通數(shù)控系統(tǒng)中已足用。8279芯片的8位數(shù)據(jù)口與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線DB0-DB7連接，在MSP430和8279之間傳遞命令或數(shù)據(jù)。8259的A0用來區(qū)分信息區(qū)分信息特征，當A0為0時，CPU從8279讀出的是狀態(tài)，寫入的是命令；當A0=1時讀出和寫入的都是數(shù)據(jù)。8279內(nèi)部有兩個緩沖區(qū)，即一個8字節(jié)的FIFO（FirstInFirstOut）鍵盤RAM和一個16字節(jié)的顯示RAM，顯示數(shù)據(jù)時只要將待顯示數(shù)據(jù)的段碼寫入顯示RAM即可；當有鍵閉合時，8279會自動執(zhí)行去抖、得到鍵值、等待按鍵釋放等操作，最后將鍵值存入FIFORAM中，程序只需從FIFO中讀取鍵值即可。8279芯片的掃描線SL0-SL2與74LS138（3-8譯碼器）相連接用來掃描鍵盤行線，鍵盤的列線與5V電源連接并接入5.1K歐限流電阻，另一端與回復線RL0-RL7連接；同時SL0-SL3與74HC154（4-16譯碼器）相連接用來掃描16位LED數(shù)碼管各陰極。8位輸出線與集電極開路六正相高壓驅動器74LS07相連接，需上拉電阻。具體電路如圖6-2所示。圖6-28279與單片機MSP430的連接(3)7407驅動電路以及上拉電阻的計算由于7407為OC門正相高壓驅動器，所以需要上拉電阻。已知七段數(shù)碼管中的LED正常工作時的電流，壓降=，則上拉電阻具體電路如圖6-3所示。圖6-37407驅動電路位置半閉環(huán)控制電路設計數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的加工程序，經(jīng)插補運算獲得位置指令脈沖，由伺服電機驅動裝置和伺服電機通過減速機構以及滾珠絲杠使工作臺移動，安裝在伺服電機軸端的角位移檢測裝置即增量式光電編碼器對電機實際角位移進行檢測并進行反饋，與位置指令進行比較，用比較后的偏差進行后續(xù)控制，直到位置偏差為零時才停止工作臺運動，這就是位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。本設計將采用一款電機專用運動控制處理器LM629來進行橫向及縱向的位置控制。（1）LM629專用運動控制處理器LM629是美國國家半導體公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，它是全數(shù)字式控制的運動處理器。通過一片單片機、一片LM629、一個功率驅動裝置、一只直流電動機、一個光電編碼器就可以構成一個半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。這樣使得設計一個運動控制系統(tǒng)變得更加簡便、輕松。LM629芯片采用28引腳封裝，使用5V電源工作，它有如下功能：內(nèi)置32位位置、速度和加速度寄存器；16位可編程數(shù)字PID控制器；可編程微分項采樣時間間隔；8位分辨率的PWM輸出；內(nèi)部梯形速度發(fā)生圖；可以進行位置和速度控制；速度、位置和數(shù)字PID控制器參數(shù)可以在控制過程中改變；實時可編程中斷；可對增量式光電編碼器的輸出進行4倍頻處理和信號處理。（2）各引腳功能與連接LM629的8位數(shù)據(jù)口與系統(tǒng)總線連接，用單片機來傳送數(shù)據(jù)或控制指令。LM629的PS端口為1時，單片機可以向其寫數(shù)據(jù)，為0時，單片機可以向LM629寫指令或讀其狀態(tài)。單片機主要的工作就是向LM629傳送運動數(shù)據(jù)和PID數(shù)據(jù)，并通過LM629對電動機的運行進行監(jiān)控。LM629則根據(jù)單片機發(fā)來的數(shù)據(jù)生成速度梯形圖，進行位置跟蹤、PID控制和生成PWM信號輸出。LM629的2個輸出PWMS和PWMM經(jīng)光電隔離后與電機驅動橋相連，來使電機運轉，與此同時，安裝在電機軸端的增量光電編碼器進行角位移檢測，其輸出連接到LM629的A、B、輸入口，形成反饋環(huán)節(jié)。具體電路如圖6-4（縱向）、圖6-5（橫向）所示。圖6-4LM629與單片機的連接（縱向）圖6-5LM629與單片機的連接（橫向）變頻調速電路設計（1）變頻器的控制方式變頻器的控制方式主要有三種：1.通過變頻器面板操作，即通過操作面板改變頻率的輸出和其他運行參數(shù);2.在變頻器模擬量輸入端輸入0～10V或4～20mA信號,通過改變輸入模擬量的大小控制變頻器的輸出頻率;3.通過變頻器的通訊口(多為RS485)進行控制。使用單片機控制變頻器可以選擇后二種方式，采用通訊口方式控制，其優(yōu)點是控制功能全面，通過相應的電平轉換電路適合變頻器的通訊口形式(RS484/RS232/CAN等)，就可與變頻器進行通訊，硬件簡單，二者間的連線數(shù)量少連接方便。缺點是需要了解掌握變頻器的通訊協(xié)議才能進行控制編程，軟件設計復雜。由于不同品牌的變頻器通訊接口和通訊協(xié)議各不相同，目前尚沒有統(tǒng)一的標準，只能針對一種變頻器進行開發(fā)，縮小了變頻器品種的選擇范圍，適用性受到限制。而對于模擬量輸入控制方式，則幾乎在所有的變頻器中都能支持，雖然在功能上比較單一，但可實現(xiàn)調速的主要功能，能滿足多數(shù)場合的使用要求，具有普遍性。（2）用DAC0832數(shù)模轉換芯片來控制變頻器本設計選用DAC0832數(shù)模轉換芯片來進行模擬量的輸出，該芯片是美國國家半導體公司生產(chǎn)的8位集成電路芯片，采用20引腳封裝，5-15V電源供電。該芯片有三種工作方式：雙緩沖工作方式、單緩沖工作方式和直通工作方式。雙緩沖方式的優(yōu)點是數(shù)據(jù)接收和啟動轉換可以異步進行，單緩沖的優(yōu)點是可以減少一條輸出指令，由于本設計不要求多個模擬通道同時刷新模擬輸出，因此采用單緩沖工作方式。DAC0832的基準電壓選定為-10V，由于其輸出為電流型，所以還要連接成電壓輸出方式，在本設計中為單極性輸出。具體電路如圖6-6所示。圖6-6DAC0832數(shù)模轉換電路電動回轉刀架控制電路設計電動回轉刀架是數(shù)控機床的重要部件之一，由單片機控制的自動回轉刀架具有重復精度高、工作剛性好、性能可靠、使用方便等特點。四工位電動刀架采用和普通車床刀架基本相同的外形尺寸與安裝方式，一共可安裝四把刀具，程序可控制刀架依次旋轉、、、，刀架的回轉電機采用普通三相異步電機，其正反轉也由單片機來控制。電動回轉刀架每個刀位都安裝了一個霍爾元件，刀具在某個刀位時，由霍爾效應使霍爾元件輸出低電平信號，通過光電隔離電路，使單片機上相應的輸入輸出端口位置零，由此可以判斷此時刀架的具體位置。本設計選用TLP521系列光電隔離器，接受信號時，與單片機連接的一端接入電源電壓為3.3V，根據(jù)經(jīng)驗，上拉電阻為100K歐，另一端接入電源電壓為12V，輸入電阻為。輸出信號時，單片機控制的刀架正反轉信號要與繼電器模塊連接。當光耦TLP521工作在開關狀態(tài)時LED壓降為1.2V，電流為5mA，則輸入電阻：,取整后=2.2單片機接受刀架信號電路如圖6-7所示。圖6-7單片機接受刀架信號電路串行通信接口電路設計串口是系統(tǒng)與外界聯(lián)系的重要手段，數(shù)控系統(tǒng)通過串口與計算機通信來實現(xiàn)CAD（計算機輔助設計）、CAM（計算機輔助制造）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）已是當今數(shù)控領域的潮流。比如，在計算機上通過CAD/CAM生成的加工程序可以通過通信接口傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中去，同時數(shù)控系統(tǒng)也可以將系統(tǒng)內(nèi)存的加工程序通過接口備份到計算機中，此外還可以利用計算機監(jiān)控數(shù)控系統(tǒng)的伺服性能、運行狀態(tài)等。因此通信接口是保證數(shù)據(jù)和信號快速、安全和準確傳輸?shù)年P鍵裝置。在數(shù)控系統(tǒng)的串行通信中，RS232C是數(shù)據(jù)通信中最重要的一種通信接口，它完全遵循國際數(shù)據(jù)通信的標準。RS232C接口有25針型（DB25）和9針型（BD9），前者是標準接口，后者為當今計算機最常用的接口。本設計中要實現(xiàn)單片機與計算機的通信，還需要中間轉換電路，MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的接口電路,使用+5v單電源供電。該芯片使用非常方便，單片機數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232C數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232C數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN圖6-8串行通信接口電路繼電器驅動電路設計在車床的數(shù)控化改造中，單片機要通過發(fā)送指令來控制主軸電機的正轉、反轉和停止，刀架的正轉和反轉和冷卻泵的啟停，這些執(zhí)行電動機都是380V異步電機，其直接控制部件是交流接觸器。根據(jù)交流接觸器的特點：只要電磁鐵兩極和三相中的兩相連接便可以使開關觸合，所以可將兩相中的一相接入直流繼電器，即通過直流繼電器的開閉來控制電磁鐵的吸附。（1）MC1413七路OC門反相驅動器本設計選用12V直流繼電器，由于單片機的驅動能力有限，所以還選用了MC1413七路反相驅動器。MC1413是個集電極開路(OC)輸出的反向器，最大驅動電流可以達到500mA。在輸出端接的是繼電器時,9腳接到VDD上,這樣可以防止繼電器在接通或斷開瞬間產(chǎn)生的脈沖損壞內(nèi)部晶體管，因為如有脈沖將會通過內(nèi)部二極管泄放掉。當MC