課程設計--c6132普通車床微機數控化改裝設計

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　C6132普通車床微機數控化改裝設計</p><p>　　學 院：機械工程學院</p><p><b>　　班級： </b></p><p><b>　　姓 名： </b></p><

2、;p><b>　　學 號： </b></p><p><b>　　指導教師： </b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機床數控化改造的研究是提高我國技術裝備水平的重要項目，在我國目前擁有大量超期服役和技術陳舊的機床急待更新的情況下，由于數控機床的加工能力和資金

3、受限，對機床進行數控化改造是一條節(jié)約資金、快速有效的途徑。 </p><p>　　本文對C6132普通車床數控化改造進行了深入研究，包括對機床改造進行可行性分析、對機床關鍵部件參數的計算、對機床結構的設計、對機床改造方案優(yōu)化選擇、選擇合適的機床伺服系統和計算機系統，以及在改造中應注意的事項等進行了詳細的論述。結果表明:經改造后的機床已達到預期的功能和精度，完全能實現加工外圓、錐度、螺紋、端面等的自動控制，提高了原

4、機床的生產效率，降低了勞動強度。 </p><p>　　關鍵詞:普通車床，數控改造，步進電機，經濟型數控系統，MCS-51</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章緒論..........................................................5</p><

5、;p>　　1.1 數控技術與數控機床...............................................5</p><p>　　1.2 機床數控化改造的興起及意義.......................................5</p><p>　　1.2.1 國外機床改造業(yè)的興起</p><p>　　1.2.2 我國機

6、床數控化改造的意義</p><p>　　1.3 本文所研究的主要內容.............................................6</p><p>　　第二章車床總體改造方案設計..........................................7</p><p>　　2.1 設計任務..................

7、.......................................7</p><p>　　2.2 主傳動系統的改造.................................................7</p><p>　　2.2.1 主軸無級變速的實現</p><p>　　2.2.2 主軸脈沖編碼器的安裝</p><p&

8、gt;　　2.3 橫向進給傳動系統的改造..........................................9</p><p>　　2.3.1 系統的運動方式與伺服系統的選擇</p><p>　　2.3.2 機械傳動方式</p><p>　　2.3.3橫向傳動系統的改造</p><p>　　2.3.4. 齒輪傳動間隙的消除&l

9、t;/p><p>　　2.4 刀架部分的改造..................................................11</p><p>　　2.5 導軌的改造......................................................12</p><p>　　2.6 數控系統的類型及選擇...........

10、.................................12</p><p>　　2.6.1 數控系統的分類</p><p>　　2.6.2 數控系統的選擇</p><p>　　2.7 計算機系統的選擇................................................14</p><p>　　第三章橫向

11、進給系統的設計計算.......................................15</p><p>　　3.1 橫切端面時切削力計算............................................15</p><p>　　3.2 橫向滾珠絲杠螺母副的計算和選型..................................16</p>

12、;<p>　　3.3 橫向減速器設計..................................................20</p><p>　　3.4 橫向進給步進電機計算和選型......................................20</p><p>　　第四章硬件電路設計...............................

13、..................25</p><p>　　4.1 單片機數控系統硬件電路設計內容..................................25</p><p>　　4.2 MCS-51系列單片機簡介............................................26</p><p>　　4.3 存儲器擴展電路設計

14、..............................................26</p><p>　　4.3.1 地址鎖存器的選擇</p><p>　　4.3.2 外部程序存儲器的擴展</p><p>　　4.3.3 外部數據存儲器的擴展</p><p>　　4.3.4 外部I/O接口電路的擴展</p><

15、p>　　4.3.5 鍵盤接口電路的設計</p><p>　　4.4 譯碼電路設計....................................................28</p><p>　　4.5 其他輔助電路設計................................................29</p><p>　　4.6

16、 步進電機的控制..................................................30</p><p>　　4.6.1 步進電機的工作原理</p><p>　　4.6.2 步進電機的控制</p><p>　　4.6.3 步進電機接口及驅動電路</p><p>　　4.7 C6132普通車床微機數控化改裝硬件設

17、計說明..........................32</p><p>　　第五章軟件設計......................................................34</p><p>　　5.1 總體方案設計....................................................34</p><

18、p>　　5.2 環(huán)形分配器軟件設計..............................................34</p><p>　　5.3 逐點比較法的直線插補軟件設計....................................36</p><p>　　5.4 逐點比較法的圓弧插補軟件設計................................

19、....37</p><p>　　5.5 步進電機自動升降速控制..........................................38</p><p>　　設計心得............................................................40</p><p>　　致謝..................

20、..............................................41</p><p>　　參考文獻............................................................42</p><p><b>　　第一章 緒論 </b></p><p>　　1.1 數控技術與數控

21、機床 </p><p>　　數控技術，簡稱數控(Numerical Corltrol——NC)，是利用數字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法。由于現代數控都采用了計算機進行控制，因此，也可以稱為計算機數控(Computer Numerical Control——CNC)。 </p><p>　　采用了數控技術進行控制的機床，或者說裝備了數控系統的機床稱為數控機床。它是一種綜合應用

22、了計算機技術、自動控制技術、精密測量技術和機床設計等先進技術的典型機電一體化產品，是現代制造技術的基礎，它很好地解決了形狀結構復雜、精度要求高及小批量零件的加工問題且能穩(wěn)定產品的加工質量，降低工人勞動強度，大幅度提高生產效率。機床控制也是數控技術應用最早、最廣泛的領域，因此，數控機床的水平代表了當前數控技術的發(fā)展水平和方向。與普通機床相比，數控機床能夠自動換刀、自動變更切削參數，完成平面、回旋面、平面曲線的加工，加工精度和生產效率都比較

23、高，因而應用日益廣泛。 </p><p>　　1.2 機床數控化改造的興起及意義 </p><p>　　1.2.1 國外機床改造業(yè)的興起 </p><p>　　在美國、日本和德國等發(fā)達國家，他們的機床改造業(yè)作為新的經濟增長行業(yè)，生氣盎然，正處在黃金時期。由于機床以及數控技術的不斷進步，機床改造成了一個“永恒"的課題。在美國、日本、德國，用數控技術改造機床和

24、生產線具有廣闊的市場，這已形成了機床和生產線數控改造的新的行業(yè)。在美國,機床改造業(yè)稱為機床再生(Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機床公司、DeVlieg—BuUavd(得寶)服務集團、US設備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝(Retrofitting)業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大限工程集團、崗三機械公司、千代田工機械公司、野崎工程公司、

25、濱田工程公司、山本工程公司等。 </p><p>　　1.2.2 我國機床數控化改造的意義 </p><p>　　我國目前機床總量約400萬臺，其中數控機床總數只有20萬臺，即我國機床數控化率僅為5％左右，而國外發(fā)達國家的機床數控化率，多年前就達到20％以上。我國機床役齡10年以上的占60％以上；役齡10年以下的機床中，自動／半自動機床不到20％，FMC／FMS等自動化生產線更屈指可數(美

26、國和日本自動和半自動機床占60％以上)?？梢娢覀兊拇蠖鄶抵圃煨袠I(yè)和企業(yè)的生產、加工裝備絕大多數是傳統的機床，而且半數以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長等現象，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機床的數控化率。 </p><p>　　目前各企業(yè)都有大量的普通機床，完全用數控

27、機床來替換根本不現實，而且替換下來的舊機床閑置起來又會造成浪費，要解決這些問題，應走普通機床的數控化改造之路。從美國、日本等國家工業(yè)現代化進程看，機床的數控化改造也必不可少，數控改造機床占有較大比例。如日本的大企業(yè)中有26％的機床經過數控改造，中小型企業(yè)則是74％，在美國有許多數控專業(yè)化公司，為世界各地提供機床數控化改造服務。因此，普通機床的數控化改造不但有存在的必要，而且大有可為，尤其對一些中小型企業(yè)更是如此。 </p>

28、<p>　　利用現有閑置的舊機床，通過數控化改造，使其成為一臺高效、多功能的數控機床，投資少、見效快，是一種盤活存量資產的有效方法，也是低成本實現自動化的有效方法，也是在短期內提高我國機床的數控化率的一條有效途徑。 </p><p>　　另外對普通機床進行數控化改造有許多積極的意義: </p><p>　　1）節(jié)省資金。機床的數控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省60%左右的費用，

29、大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3。即使將原機床的結構進行徹底改造升級也只需花費購買新機床60%的費用，并可以利用現有地基。 </p><p>　　2）性能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎件經過長期時效，幾乎不會產生應力變形而影響精度。 </p><p>　　3）提高生產效率。機床經數控改造后即可實現加工的自動化,效率可比傳統機床提高3至5倍。對復雜零件而言難度越高

30、功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產準備周期。 </p><p>　　4）可實現多工序的集中,提高了相關的加工精度,同時減少了零件在機床間的頻繁運轉。 </p><p>　　5）可縮短新產品試制周期和生產周期,對市場需求做出快速反應。機床數控化還是推行FMC、FMS以及CIMS等企業(yè)信息化改造的基礎。 </p><p>　　6）擁有自

31、動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自檢功能，更好的調節(jié)了機床的加工狀態(tài)。還可以提示操作者機床故障或編程錯誤等機床運行中出現的問題。 </p><p>　　1.3 本文所研究的主要內容 </p><p>　　1）根據數控化改造后車床所具備的功能，制訂了車床總體改造方案，并繪制了改造后車床總體布置圖； </p><p>　　2）為使改造后的車床主軸能夠實現無級變速、正轉、

32、反轉以及停止等功能，本次改造采用了變頻器驅動主電機的方式，本文對主軸變頻器的選用做了相應的說明；3）為使改造后的車床能夠加工螺紋，改造時，拆除原來的掛輪架部分，在機床Ⅹ軸伸出端安裝主軸脈沖編碼器，本文對脈沖編碼器的安裝方法作了簡要論述； </p><p>　　4）在利用聚四氟乙烯軟帶對原車床導軌貼塑的工作中，粘接工藝的好壞將直接影響改造后導軌的性能。本文對粘接工藝的控制作了簡要論述； </p>&l

33、t;p>　　5）在電氣改造方面，設計了車床數控系統的硬件電路圖，橫向步進電機的計算和選型也作了詳細闡述； </p><p>　　6）在機械改造方面，對縱橫向伺服進給機構，特別是滾珠絲杠螺母副作了詳細設計研究，并對數控轉位刀架的安裝和選用作了介紹； </p><p>　　7）在軟件設計方面，對MCS-51單片機做了簡要的介紹，并在8031單片機的基礎上編制了相應的程序。</p&g

34、t;<p>　　第二章 車床總體改造方案設計 </p><p><b>　　2.1 設計任務 </b></p><p>　　在現有C6132車床的結構基礎上，對機床橫向進給系統進行數控改造，主傳動系統保留。橫向脈沖當量：0.005mm/step、定位精度：±0.01mm、快移：3000mm/min 。</p><p>&

35、lt;b>　　設計參數如下： </b></p><p>　　最大加工直徑： 在床身上 320mm 在刀架上 175mm </p><p>　　最大加工長度： 750mm </p><p>　　快進速度： 橫向3000mm/min </p><p>　　最大切削進給速度： 橫向 0.25m/min </p>

36、<p><b>　　溜板及刀架重力： </b></p><p><b>　　橫向 500N </b></p><p>　　脈沖分配方式 逐點比較法 </p><p>　　空載啟動時間 25ms </p><p>　　輸入方式 增量值、絕對值通用 </p><p>　

37、　最小指令值： 橫向 0.005mm/脈沖 </p><p>　　定位精度 ±0.01mm?</p><p><b>　　有自動升降速性能 </b></p><p>　　2.2 主傳動系統的改造 </p><p>　　2.2.1 主軸無級變速的實現 </p><p>　　C6132車床的

38、主軸變速為手動、有級變速?？紤]到數控車床在自動加工的過程中負載切削力隨時會發(fā)生變化，為了保證工件表面加工質量的一致性、提高工件加工質量，主軸要能實現恒切削速度切削。這就要求主軸能實現無級變速。目前實現無級變速主要有兩種方式，其一是采用變頻器驅動電機的方式，同時保留原有的主傳動系統和變速操縱機構，這樣既保留了車床的原有功能，又減少了改造量；其二是用雙速或者是四速電動機替代原有車床的主電動機。由于多速電機的功率是隨著轉速的變化而變化的，所以

39、要選擇功率較大一些的電動機，隨之電動機的尺寸也變大了，機床改造相對較麻煩，另外在這種改造方式下，主傳動系統也要拆除并進行重新設計，這樣可以得到加工精度和穩(wěn)定性更高的車床，但是加大了改造成本。 </p><p>　　考慮到改造的成本，我決定采用第一種方式，這樣可以利用原車床的三相異步電動機。即由數控系統控制變頻器，變頻器驅動異步電動機實現主軸無級變速。 </p><p>　　交流異步電動機的

40、轉速與電源頻率，電動機磁極對數nfp以及轉差率之間的關系式為：</p><p>　　對于C6132，電動機磁極對數和轉差率是定值，因此利用變頻器改變電源頻率fn即可改變電動機的轉速。</p><p>　　另外，變頻器能方便地與數控系統連接，控制電動機的正轉、反轉及停止。 </p><p>　　變頻器的控制方式主要有U／f恒定控制方式、無反饋矢量控制方式和有反饋矢量控

41、制方式。數控車床除了在車削毛坯時，負荷大小有較大變化外，以后的車削過程中，負荷的變化通常是很小的。因此，就切削精度而言，選擇U／f恒定控制方式是能夠滿足要求的。但在低速切削時，需要預置較大的U／f，在負載較輕的情況下，電動機的磁路常處于飽和狀態(tài)，勵磁電流較大。因此，從節(jié)能的角度看，并不理想。數控車床屬于高精度、快響應的恒功率負載加工設備，應盡可能選用矢量控制高性能型通用變頻器，而且中、小容量變頻器以電壓型變頻器為主。有反饋矢量控制方式雖

42、然是運行性能最為完善的一種控制方式，但由于需要增加編碼器等轉速反饋環(huán)節(jié)，不但增加了費用，而且編碼器的安裝也比較麻煩。所以，除非對加工精度有特殊要求，一般沒有必要選擇此種控制方式。 </p><p>　　目前，無反饋矢量控制方式的變頻器已經能夠做到在0．5Hz時穩(wěn)定運行。所以，完全可以滿足主運動系統的要求。而且無反饋矢量控制方式能夠克服U／f控制方式的缺點，因此可以說，是一種最佳選擇。 </p>&l

43、t;p>　　數控車床連續(xù)運轉時所需的變頻器容量(kVA)計算式如下：</p><p>　　式中 PM——負載所要求的電動機的軸輸出功率； </p><p>　　η——電動機的效率(通常約O．85)； </p><p>　　cosφ——電動機的功率因素(通常約O．75) </p><p>　　MU——電動機的電壓，380V； </p

44、><p>　　MI——電動機工頻電源時的電流，為15．4A； </p><p>　　k——電流波形的修正系數(PWM方式時取1．05-1．10)； </p><p>　　PCN——變頻器的額定容量，kVA； </p><p>　　ICN——變頻器的額定電流，A；</p><p><b>　　由以上公式可得：<

45、;/b></p><p>　　選擇變頻器時應同時滿足以上三個等式的關系。綜合以上分析計算，確定選用三菱FR-A540系列變頻器，具體型號為FR-A540-7．5K-CH。</p><p>　　2.2.2 主軸脈沖編碼器的安裝 </p><p>　　為了使改造后的數控車床能自動加工螺紋，須配置主軸脈沖編碼器作為車床主軸位置信號的反饋元件，其目的是用來檢測主軸轉角

46、的位置，通過主軸—脈沖編碼器—數控系統—步進電機的信息轉換系統，實現主軸轉一轉，刀架縱向移動一個導程的車螺紋運動。 </p><p>　　主軸脈沖編碼器的安裝，通常采用兩種方式：一種是同軸安裝，另外一種是異軸安裝。同軸安裝的結構簡單，缺點是安裝后不能加工穿入車床主軸孔的零件，限制了工件的加工長度，而異軸安裝不會遇到這種問題，因此，異軸安裝較合適。主軸通過主軸箱中Ⅵ軸和Ⅸ軸的58／58及Ⅸ軸和Ⅹ軸的33／33兩級齒

47、輪(實現傳動比1：1)把動力傳遞給掛輪軸X，如圖2-3、2-4所示，主軸脈沖編碼器1通過支架2固定，并通過聯軸器3與悶頭4相連，悶頭4通過過盈配合與主軸箱內X軸連接。</p><p>　　C6132主軸轉速范圍是20~2000 r/min，可以選擇歐姆龍E6B2-CWZ6C型光電脈沖編碼器，其允許的最高轉速為6000r/ min，所以滿足設計要求。</p><p>　　2.3 橫向進給傳動

48、系統的改造 </p><p>　　2.3.4 橫向傳動系統的改造 </p><p>　　如圖2-8所示是橫向傳動系統的改造布置圖，步進電機和減速箱安裝在遠離操作者的床鞍一端，拆除床鞍上原來的手動操作裝置，在原來支承絲杠的軸承位置，安裝角接觸球軸承進行支撐，同縱向一樣，滾珠絲杠一端直接充當減速器的輸出軸，滾珠絲杠兩端同樣有兩對鎖緊螺母對滾珠絲杠進行預拉伸，滾珠絲杠螺母副采用雙螺母螺紋預緊方式

49、消除絲杠和螺母間的間隙。螺母座和中拖板的連接可以利用原來的螺釘孔進行連接。</p><p>　　圖 2-8 橫向傳動結構圖</p><p>　　車床進行橫向進給時，由步進電機通過減速箱將動力傳遞給滾珠絲杠，再由滾珠絲杠帶動螺母座，再通過螺母座帶動中拖板做橫向運動。滾珠絲杠螺母副繼續(xù)采用雙螺母螺紋預緊方式消除絲杠和螺母間的間隙。 </p><p>　　2.3.5 齒輪

50、傳動間隙的消除 </p><p>　　數控車床在加工過程中，會經常變換移動方向。當進給方向改變時，如果齒側存在間隙會造成進給運動滯后于指令信號，丟失指令脈沖并產生反向死區(qū)，影響傳動精度和系統穩(wěn)定。因此，必須消除齒側間隙。通常齒側間隙的消除主要有剛性調整法和柔性調整法。剛性調整法雖然結構簡單，但側隙調整后不能自動補償，柔性調整法是調整后齒側間隙仍可自動補償的調整法。因此決定采用柔性調整法中的雙片齒輪錯齒消隙法和周向

51、彈簧調整法。 </p><p>　　雙片齒輪錯齒消隙法 圖2-9是雙片齒輪錯齒式消除間隙結構。兩個相同齒數的薄齒輪1和2與另一個厚齒輪(圖中未畫出)嚙合。齒輪l空套在齒輪2上并可作相對回轉。每個齒輪的端面均勻分布著四個螺孔，分別裝上凸耳3和8。齒輪1的端</p><p>　　1、2—薄齒輪 3、8—凸耳 4—彈簧 5、6—螺母 7—調節(jié)螺釘 </p><p>　　圖

52、 2-9 雙圓柱薄片齒輪錯齒消隙結構 </p><p>　　面還有另外四個通孔，凸耳8可以在其中穿過。彈簧4的兩端分別鉤在凸耳3和調節(jié)螺釘7上，通過轉動螺母5就可以調節(jié)彈簧4的拉力，調節(jié)完畢用螺母6鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪1和2錯位，即兩個薄齒輪的左、右齒面分別緊貼在厚齒輪齒槽的左、右齒面上，消除了齒側間隙。這種方法適合直徑較大，有充分安裝螺釘空間的圓柱齒輪。 </p><p>　　2）

53、周向彈簧調整法 圖2-10是周向彈簧消隙結構。同樣是兩個齒數、模數相同的兩片薄齒輪2和3。齒輪2空套在齒輪3上可以做相對回轉運動。在齒輪3上開有三個周向圓弧槽，齒輪2上均布著三個螺紋孔，裝配時在齒輪3的槽中放置3個彈簧，</p><p>　　利用齒輪2上安裝的螺釘頂住彈簧，裝配完成后兩片齒輪在彈簧力作用下錯齒，從而達到消除間隙的目的。這種結構適合齒輪直徑偏小，安裝空間較小的情況下。</p><

54、p>　　2.4 刀架部分的改造 </p><p>　　拆除原手動刀架和小拖板，安裝由數控系統控制的四工位電動刀架。根據車床的型號及主軸中心高度，選用常州市宏達機床數控設備廠生產的LD4-C6132型電動刀架，該刀架內帶120W三相交流異步電動機用于驅動正轉選刀。內置的4只霍爾元件檢測刀位位置，電動機反轉完成刀具定位鎖緊。安裝時，拆除車床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉電機風罩，逆時針方向轉動電機，使刀架

55、轉動到?45°左右時，裝上螺釘，然后固定刀架即可。電機安裝好如圖2-11所示。 </p><p>　　圖 2-11 電動刀架安裝實物圖 </p><p>　　LD4-C6132型電動刀架技術參數見表2-1。電動刀架的安裝較為方便，安裝時 </p><p><b>　　須注意以下兩點： </b></p><p>

56、　　1)電動刀架的兩側面與原車床縱、橫向的進給方向平行； </p><p>　　2)電動刀架與系統的連線在安裝時應合理，以免加工時切屑、冷卻液及其它雜物磕碰電動刀架連線。</p><p>　　根據以上分析可初步確定車床改造的總體布置方案，如圖2-12所示：</p><p>　　圖 2-12 車床改造總體布置圖</p><p><b>

57、;　　2.5 導軌的改造</b></p><p>　　由于導軌表面有明顯的劃痕，摩擦系數變大，會產生進給運動的失真。為了恢復導軌的精度，增加耐磨性，提高機床的穩(wěn)定性，提高機床的防爬行和吸振性能，對機床導軌選用填充聚四氟乙烯軟帶來改造。填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加青銅粉、二硫化硅、玻璃纖維粉、二硫化銅、石墨、聚苯等填充劑，使聚四氟乙烯的性能改善如下：(1)耐負荷變形可提高5倍；(2)剛性提高4～5

58、倍；(3)熱膨脹系數減小1／3—1／2；(4)導熱率提高2倍；(5)硬度提高10％；(6)抗壓強度增加2～3倍。</p><p>　　在利用填充聚四氟乙烯軟帶對原車床導軌貼塑的工作中，主要是對粘接工藝的控制。具體工藝為：首先對原導軌進行刮研，保證粘貼前導軌的表面粗糙度1.6—6.3um，平面度達到0．01／1000精度；選用厚度為1.5mm的軟帶，用鈉基溶液處理聚四氟乙烯軟帶表面；粘接前需對金屬導軌粘接面除銹去油

59、，可先用砂布、砂紙或鋼絲刷清除銹斑雜質，然后再用丙酮擦洗干凈、晾干；專用膠須隨配隨用，按A組份／B組份=1／l的重量比混合，攪拌均勻后即可涂膠?？捎谩皫X刮板”或lmm厚的膠木片進行涂膠。專用膠可縱向涂布于金屬導軌上，橫向涂布于軟帶上，涂布應均勻，膠層不宜過薄或太厚，膠層厚度控制在0.08—0.12mm之間；軟帶剛粘貼在金屬導軌上時需前后左右蠕動一下，使其全面接觸，要用手或器具從軟帶長度中心向兩邊擠壓，以趕走氣泡。用重物加壓或扣壓于床身

60、導軌上，加壓均勻，壓強通常為0.05—0.1MPa。加壓前在軟帶面上覆蓋一層油紙或在加壓面上涂一薄層潤滑脂或機油，防止膠粘劑粘接加壓物。軟帶粘接后約24小時固化(環(huán)境溫度15℃以上)，可清除余膠，切去軟帶工藝余量，并倒角；對軟帶進行開油槽和刮研，油槽深度可為軟帶厚度的1／2—2</p><p>　　2.6 數控系統的類型及選擇</p><p>　　2.6.1 數控系統的分類</p&g

61、t;<p>　　目前,數控系統的品種規(guī)格繁多,功能各異,分類方法不一,通?？砂聪旅鎯煞N方法進行分類。</p><p><b>　　1.按加工路線分類</b></p><p><b>　　1）點位控制系統</b></p><p>　　其特點是，只要求控制機床移動部件從一點移動到另一點的準確位置，至于點與點之間的

62、移動軌跡（路徑和方向）并不嚴格要求。各坐標軸之間的運動是不相關的，并且在移動過程中不進行切削。</p><p>　　2）直線切削控制系統</p><p>　　其特點是，除了控制移動部件從一點到另一點之間的準確定位外，還要控制兩相關點之間的移動速度和路線（即軌跡），但其路線只是與機床坐標軸平行的直線。也就是說，同時控制的坐標軸只有一個，且在移動過程中刀具能以給定的進給速度進行切削，一般只能加

63、工矩形、臺階形零件。</p><p>　　3）連續(xù)切削控制系統</p><p>　　也稱為輪廓控制系統，其特點是能夠對兩個或兩個以上運動坐標的位移和速度同時進行連續(xù)相關控制。在這類控制方式中，要求數控裝置具有插補運算的功能，即根據程序輸入的基本數據，通過數控系統內的插補運算器的數學處理，把直線或曲線的形狀描述出來，并一邊運算，一邊根據計算結果向各坐標軸控制器分配脈沖，從而控制各坐標軸的聯動

64、位移量與所要求的輪廓相符合。</p><p>　　2.按伺服系統的類型分類</p><p><b>　　1）</b></p><p><b>　　開環(huán)控制系統</b></p><p>　　采用開環(huán)控制系統的機床，沒有檢測反饋裝置。指令信號單方向傳送，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱為開環(huán)控制系統。

65、其驅動電動機采用步進電機。這種機床采用開環(huán)進給伺服系統，數控裝置根據所給的進給速度和進給位移，輸出一定的頻率和數量的進給指令脈沖，經驅動電路放大后，每一個進給脈沖控制步進電機旋轉一個步距角，再經減速齒輪、絲杠螺母副轉換成工作臺的一個當量直線位移。</p><p><b>　　2）閉環(huán)控制系統</b></p><p>　　數控裝置將位移指令與位置檢測裝置測得的實際位置反

66、饋信號，隨時進行比較，根據其差值與指令進給速度的要求，按一定的規(guī)律進行轉換后，得到進給伺服系統的速度指令。閉環(huán)控制系統的特點是定位精度高，但由于這類系統采用直流伺服電動機或交流伺服電動機作為驅動元件，所以電動機的控制線路比較復雜。另外檢測元件昂貴，調試和維修比較困難，成本高，所以主要用于精度要求很高的大型或精密數控機床。</p><p><b>　　3）半閉環(huán)控制系統</b></p&g

67、t;<p>　　這種機床是將位置檢測裝置安裝在驅動電機端部，或安裝在傳動絲杠端部，間接測量部件的實際位置或位移，然后反饋到控制裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進行比較，用比較后的差值進行控制，直到差值消除為止。</p><p>　　2.6.2 數控系統的選擇</p><p>　　本設計中由于改造后的經濟型數控車床應具有定位、直線插補、順、逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋

68、加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統。</p><p>　　考慮到屬于經濟型數控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)系統，雖然開環(huán)控制系統中，沒有速度反饋和位移反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號單向發(fā)送，但開環(huán)伺服系統結構簡單、成本低，容易掌握，調試和維修都比較簡單。如果采用螺距誤差補償和徑向間隙補償等措施，定位精度可提高到±0.01mm，可以滿足設計要求。</p>&

69、lt;p>　　2.7 計算機系統的選擇</p><p>　　微型機數控系統由CPU、ROM、RAM擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅動電路等幾部分組成。</p><p>　　由于MCS-51單片微型機具有各種尋址方式并有硬件乘法和除法指令，具有很強的位尋址和運算功能，特別適合于控制應用場合，使用MCS-51來構成各種控制系統，可大大簡化硬件結構，降低成本。</p>&

70、lt;p><b>　　1）</b></p><p><b>　　單片機的選擇</b></p><p>　　MCS-51系列中的8031單片機片內無ROM，適于需外接ROM、能在現場進行修改和更新程序存儲器的應用場合，價格低，使用靈活，從實用性與經濟性考慮，采用8031作為控制系統的單片機。</p><p><b

71、>　　2）</b></p><p><b>　　存儲器擴展</b></p><p>　?、?8031的片內沒有程序存儲器，必須外接擴展電路，具有擴展2片2764共16K的程序擴展電路。</p><p>　?、?數據存儲器的擴展</p><p>　　8031內部有128個字節(jié)RAM存儲器。它可以作為寄存器

72、，堆棧，軟件標志和數據緩沖器，CPU對其內部RAM有豐富的操作指令。因此，這個RAM是十分珍惜的資源。我們應合理地充分地應用片內RAM存儲器，但片內RAM存儲器往往是不夠的。外接RAM擴展電路可擴大存儲器容量。本設計擴展一個6264（8K）的外部RAM。</p><p>　　③ 接口電路，伺服電機驅動電路等</p><p>　　接口電路主要用于控制縱向和橫向步進電機，刀架電機等。鍵盤有32

73、個鍵。此外，還有伺服電機驅動電路，光電耦合器電路，報警電路，8031時鐘電路，復位電路等。</p><p>　　由此可得車床伺服系統控制方案，如圖2-13所示。</p><p>　　圖 2-13 車床改造伺服系統控制方案圖</p><p>　　第三章 橫向進給系統的設計計算 </p><p>　　在現有C6132車床的結構基礎上，對機床橫向進

74、給系統進行數控改造，主傳動系統保留。橫向脈沖當量：0.005mm/step </p><p>　　3.1 橫切端面時切削力計算</p><p>　　例如車床的主切削力Fz（N）可用下式計算</p><p>　　Fz（N）=0.67</p><p>　　=0.67x320max1.5</p><p>　　=3835.3(

75、N)</p><p><b>　　1.縱切外圓:</b></p><p>　　式中----車床身上加工最大直徑單位為mm橫切端面時主切削力可取縱切時Fz的1/2。</p><p>　　求出主切削力Fz以后再按以下比例分別求出分力Fx和Fy</p><p>　　Fz：Fx：Fy = 1:0.25:0.4</p>

76、<p>　　式中Fx一一縱向走刀方向的切削分力（N）</p><p>　　Fy一一橫向走刀方向的切削分力（N)</p><p>　　橫切時的切削力可取縱切時1/2。 </p><p>　　按切削力各分力比例：</p><p>　　FZ ：Fx ：Fy=1 ：0.25 ：0.4</p><p>　　Fx=

77、0.24X3835.3=938.5</p><p>　　Fy=0.24X3835.3=1534</p><p><b>　　橫切端面:</b></p><p>　　主切削力FZ'（N）可取縱切的1/2</p><p>　　FZ'=1/2FZ=1917.65(N)</p><p>　

78、　此時走刀抗力為Fy'（N），吃刀抗力為Fx'，仍按上太述雙例粗略計算：</p><p>　　FZ' : Fy' : Fx'=1 : 0.25 : 0.4</p><p>　　Fx'=479.4(N)</p><p>　　Fy'=761.7(N)</p><p>　　3.2滾珠絲杠螺母副

79、的設計、計算和選型</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的設計首先要選擇結構類型：確定滾珠絲杠副的預緊方式。結構類型確定之后，再計算和確定其他技術參數，包括：公稱直徑以d0（或絲杠外徑d)、導程Lo、滾珠的工作圈數j、列數K。</p><p>　　滾珠循環(huán)方式可為外循環(huán)和內循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。可參照圖1選用。</p><p>　　圖1 滾珠循環(huán)

80、方式</p><p>　　圖1 滾珠循環(huán)方式</p><p>　　滾珠絲杠副的預緊方法有：雙螺母墊片式預緊、雙螺母螺紋式預緊、雙螺母齒差式預緊、單螺母變導程預緊以及過盈滾珠預緊等。</p><p>　　本設計循環(huán)方式采用：外循環(huán)滾珠絲杠，螺旋槽式。</p><p>　　滾珠絲杠副的計算步驟如下：</p><p>　　

81、①計算進給牽引力Fm:</p><p>　　作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導軌上的磨擦力。因而其數值大小和導軌的型式有關．Fm（N）計算公式如下：</p><p><b>　　矩形導軌：</b></p><p>　　Fm = KFx + （Fx + Fy + G）</p>

82、<p><b>　　燕尾形導軌：</b></p><p>　　Fm = KFx + （Fx + 2Fy + G）</p><p><b>　　三角形或綜合導軌：</b></p><p>　　F = KFx + （Fx + G）</p><p>　　圓導軌（鉆鏜床主軸）<

83、;/p><p>　　式中Fx、Fy、Fz----切削分力，（N）</p><p>　　G----移動部件的重量，（N），G：溜板及刀架（橫向）重力G'=500(N)</p><p>　　M----主軸上的扭矩 。（N. com）</p><p>　　dz----主軸直徑。</p><p>　　----導軌上的磨擦系

84、數，隨導軌型式而不同。</p><p>　　f----軸套和軸架以及主軸的鍵上磨擦系數。</p><p>　　K----考慮顛復力矩影響的實驗系數。</p><p>　　在正常情況下，K, f及可取下列數值：</p><p>　　矩形導軌 K=1. 1 =0.15</p><p>　　燕尾形

85、導軌 K=1.4 =0.2</p><p>　　三角形或綜合導軌 K=1.1 =0.15－0.18</p><p>　　鉆鏜床主軸圓導軌 f=0.15</p><p>　　上列摩擦系數均是滑動導軌,如果采用貼塑導軌=0.03--0.05;滾動導軌=0.0025---0.005;靜壓導軌 =0.0005</p>

86、<p>　　圖2 滾珠絲杠副預緊方式</p><p>　　本設計預緊方式采用螺紋式預緊。</p><p><b>　　②計算最大動負載C</b></p><p>　　選用滾珠絲杠副的直徑d0時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉100萬轉（106轉）后，在它的滾道上不產生點蝕現象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最

87、大動負載C，可用下式計算：</p><p><b>　　C =Wm</b></p><p>　　式中L----壽命，以106轉為一單位</p><p>　　n----絲杠轉速，（r/min)，有下式計算 </p><p>　　Vs----為最大切削力條件下的進給速度（m/min），可以最高進

88、給速度的 1/2---1/3</p><p>　　Vs=0.3 × ½=0.15mm</p><p>　　L0----絲杠導程，(mm)；初選6mm</p><p>　　T----為使用壽命，（h）對于數控機床取T=150000h；</p><p>　　—運轉系數，見表1．按一般運轉選</p><p&g

89、t;<b>　　表1 運轉系數</b></p><p>　　從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找出相應的額定動載荷的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結構類型，選用時應<。</p><p><b>　　③傳動效率計算</b></p><p>　　滾珠絲杠螺母副的傳動效率：</p><p>　　式中

90、T—絲杠螺旋長升角；</p><p>　　—摩擦角，滾珠絲杠的滾動摩擦系數f=0.003—0.004，其摩擦角約等于10’。</p><p><b>　　一橫向進給絲杠</b></p><p>　　計算進給率引力Fm(N)</p><p>　　Fm=KF × f(Fz+G)=1.4 × 767.1

91、× 0.2 × (1917.65+2 × 479.4+500) =1450.26(N)</p><p>　　G： 溜板及刀架（橫向）重力G'=500（N）</p><p>　　K： 考慮顛復力矩影響的實驗系數K=0.4</p><p>　　f ： 滑動導軌摩擦系數f= 0.2</p><p><b&

92、gt;　　計算最大動負載C</b></p><p>　　l0-----絲杠導程 初選6mm</p><p>　　Vs----為最大切削力條件下的進給速度（m/mm）可取最高進給予速度1/2---1/3</p><p>　　Fw ------運轉系數，選一般運轉1.2~1.5, fw=1.2</p><p>　　絲杠轉數(r

93、/min)</p><p>　　壽命 L壽==60 × 50 × 15000/=45（萬轉）</p><p><b>　　3．最大動負載C</b></p><p><b>　　C==(N)</b></p><p>　　選擇滾珠比杠螺母的選型：</p>&l

94、t;p>　　滾珠絲杠型號為：CDM2005-5-P3，額定動負載為 15338N>C，可滿足要求數度等級為為3級。</p><p>　　傳動效率和計算： 滾珠絲杠螺母副的傳動效率</p><p>　　3.3橫向減速器設計</p><p>　　由設計任務可確定橫向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程</p><p><b>　　由傳

95、動比計算公式 </b></p><p>　　初選步進電機步距角，可計算出傳動比</p><p>　　考慮到結構上的原因，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,按照經驗公式可取</p><p>　　即,齒輪模數=2mm,齒輪傳動效率</p><p>　　因進給運動齒輪受力不大，模數m取2，齒輪參

96、數如表</p><p>　　3.4橫向進給步進電機計算和選型</p><p>　　1）等效轉動慣量計算 </p><p>　　由于橫向步進電機經兩對齒輪降速后傳到絲桿，此傳動系統折算到電機軸上總的轉動慣量可由下式計算 </p><p>　　式中為轉動慣量，i為傳動比，m取50kg,絲杠導程為0.005m；</p><p&g

97、t;　　計算圓柱體轉動慣量的公式為 J=</p><p>　　為材料密度，d為傳動件的等效直徑，l為軸向長度；</p><p>　　按照上式可依次計算出各傳動件的轉動慣量，其中絲杠的等效直徑取????mm</p><p><b>　　經計算： ，</b></p><p><b>　　，</b><

98、;/p><p>　　則將各傳動部件及工作臺質量折算到電機軸上的總的轉動慣量</p><p>　　2) 慣量匹配驗算 </p><p>　　參考同類型機床，初選反應式步進電機110BF003型反應式步進電動機，查《機械設計手冊第5卷》表34.3-11得到其最大靜轉矩Ts=4.87N.m,則<=0.82<1所以慣量匹配比較合理。</p><p

99、>　　3）步進電機負載能力校驗 </p><p>　　作用在步進電動機軸上的總負載轉矩T可按下式計算 </p><p>　　①空載啟動時，電動機軸上的慣性轉矩：</p><p>　?、陔妱訖C軸上的當量摩擦轉矩：</p><p>　　③工作臺上的最大軸向載荷折算到電動機軸上的負載轉矩：</p><p>　?、茉O滾珠

100、絲杠螺母副的預緊力是最大軸向載荷的，則可得到因預緊力而引起的、折算到電動機軸上的附加摩擦轉矩： </p><p>　　則空載啟動時電動機上的總負載轉矩為 </p><p>　　反應式步在最大外載荷下工作時，電動機軸上的總負載轉矩為 </p><p>　　步進電機正常運行時所需的最大靜轉矩Ts可由以下經驗公式計算 </p><p>　　由于初選

101、的步進電機110BF003最大靜轉矩>mas所以按給定要求110BF003步進電機可以正常啟動，可作為初選電機，但還必須進一步考核步進電機的啟動矩頻特性和運行矩頻特性。 </p><p>　　電機最大空載啟動頻率和最大運行工作頻率的確定 </p><p>　　從《機械設計手冊（新版）第5卷》表34.3-11查出110BF003型步進電機允許最大空載啟動頻率為1500Hz，運行頻率為7

102、000Hz.再查出110BF003步進電機的啟動矩頻特性和運行矩頻特性曲線。可看出，當步進電機起動時，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩，直接使用則會產生失步現象，所以必須采用升降速控制，將起動頻率降到1230Hz.，起動力矩可增高到M=196N.m左右，，即可滿足要求。當快速運動和切削進給時，110BF003型步進電機運行矩頻特性完全可以滿足要求。</p><p>　　5） 系統剛度計算 </p>

103、;<p>　　絲杠螺母機構的剛度主要由絲杠本身的拉壓剛度、絲杠螺母間的接觸剛度以及軸承和軸承座組成的支承剛度三部分組成。由于絲杠本身的扭轉剛度與拉壓剛度相比要小得多，故可將其忽略不計。</p><p>　?、?絲杠本身的最大、最小拉壓剛度</p><p>　?、谳S承和軸承座組成的支承剛度</p><p><b>　　絲杠的扭轉剛度</b

104、></p><p><b>　　動態(tài)分析</b></p><p>　　絲杠工作臺縱振的最低頻率</p><p>　　折算到絲杠軸上系統的總當量轉動慣量為</p><p>　　如果忽略電動機軸與減速器的扭轉變形，則系統最低扭振固有頻率為</p><p>　　此設計中，>>300ra

105、d/s,>>300rad/s說明系統動態(tài)特性良好，滿足要求。</p><p><b>　　7）系統誤差分析 </b></p><p><b>　?、偎绤^(qū)誤差 </b></p><p>　　查《機電一體化設計》式5-59可得</p><p>　　?? max<0.005mm</

106、p><p>　　所以滿足單脈沖進給的要求。</p><p>　?、谟上到y剛度變化引起的定位誤差</p><p>　　影響系統定位誤差的因素很多，但是主要是由絲杠螺母機構綜合拉壓剛度的變化鎖引起的定位誤差。查《機電一體化設計基礎》式5-60可得到由絲杠螺母機構綜合拉壓剛度的變化所引起的最大定位誤差為</p><p>　　對于開環(huán)控制的伺服系統，將其

107、控制在定位誤差的1/3~1/5范圍內，由于系統要求的定位精度為mm，即允許的定位誤差為0.02mm，?<<0.004mm,因而系統剛度滿足定位精度要。</p><p>　　綜合上述7條分析，所選步進電動機100BF003以及CDM2005-5-P3絲杠螺母副符合設計要求。</p><p><b>　　第四章硬件電路設計</b></p><

108、;p>　　4.1 單片機數控系統硬件電路設計內容</p><p>　　當前，在經濟型數控機床控制系統中廣泛采用關國Intel公司的MCS--51系列單片計算機，因此本章著重介紹用MCS--51系列單片徽機構成的控制系統的設計內容，方法及步驟。單片微機數控系統硬件電路設計包括以下幾部分內容：</p><p>　?。ㄒ唬├L制系統電氣控制的結構框圖</p><p>

109、　　根據總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統電氣控制的結構框圖。</p><p>　　數控系統是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統的基礎，有了硬件，軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數控系統性能指標。</p><p>　　機床硬件電路由以下五部分組成。</p><p>　?。?）主控制器，即中央處理單元CPU。</p&

110、gt;<p>　?。?）總線。包括數據總線、地址總線和控制總線。</p><p>　?。?）存儲器。包括程序存儲器和數據存儲器</p><p>　　（4）接口。即I/O輸入/輸出接口電路。</p><p>　?。?）處圍設備。如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。</p><p>　?。ǘ┻x擇中央處理單元CPU的類型。</p&g

111、t;<p>　　在徽機應用系統中，CPU的選擇應考慮以下因素：</p><p>　?。?）時鐘頻率和字長，這個指標將控制數據處理的速度。</p><p>　　（2）可擴展存儲器（包括ROM和RAM）的容量。</p><p>　?。?）指令系統功能，影響編程靈活性。</p><p>　?。?）I/O口擴展的能力，即對外設控制的能力

112、。</p><p>　?。?）開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。</p><p>　　此外還要考慮到系統應用場合，控制對象對各種參數的要求，以及經濟價格比等經濟性的要求。</p><p>　　目前在經濟型數控機床中，推薦采用MCS—51系列單片微機作為主控制器。</p><p>　?。ㄈ┐鎯ζ鲾U展電路設計</p><

113、;p>　　在存儲器擴展電路設計應該包括程序存儲器和數據存儲器的擴展。</p><p>　　在選擇程序存儲器芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配，還應考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。</p><p>　　在存儲器擴燕尾服電路的設計中還應包括地址鎖存器和譯碼電路的設計。（四）I/O口即輸入／輸出接口電路設計</p><p>　　應包括接口芯片

114、的選用，步進電機控制電路，鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設計（例如復位電路，越界報警電路，掉電保護電路等）。此外，不同的數控系統還要求配備不同的外設，這些部分的電路設計也應包括。</p><p>　　4.2MCS--51系列單片機簡介</p><p>　　1980年問世，它的集成度很高，是多部件于一體的優(yōu)良的單片機系統，在我國已廣泛地被應用于經濟型數控機床。 MCS-51系列單片機主要有三

115、種型號的產品：8031、8051、8751。三種型號的引腳完全相同，僅在內部結構上有少數差異。8751具有片內ERPOM，但價格高出10-15倍，所以適合于開發(fā)樣機，小批量生產和需要在現場進一步完善的場合。8051的ERPOM程序是Inter公司制作芯片時為用戶制備的，因此在國內很難采用8051型芯片。而8031片內無ROM，適用于需擴展ROM，可在現場修改和更新程序存儲器的應用場合，其價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。我們的設計也

116、推薦使用8031芯片。</p><p>　　4.3存儲器擴展電路設計</p><p>　　4.3.1地址鎖存器選用</p><p>　　現選擇74LS373 作單片機地址鎖存器芯片。</p><p>　　74LS373引腳圖</p><p>　　4.3.2外部程序存儲器選擇</p><p>