畢業(yè)設(shè)計(jì)---ca6150普通車床的數(shù)控技術(shù)改造

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)</p><p>　　機(jī)械動(dòng)力工程系 系 數(shù)控 專業(yè)</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 CA6150普通車床的數(shù)控技術(shù)改造 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 緒論- 3 -</p><

2、;p>　　數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢(shì)- 3 -</p><p>　　第二章 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)- 8 -</p><p>　　一 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容- 8 -</p><p>　　二 總體方案確定- 8 -</p><p>　　第三章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算- 10 -</p><p>　　一 選擇脈沖

3、當(dāng)量- 10 -</p><p>　　二 計(jì)算切削力- 10 -</p><p>　　三 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型- 11 -</p><p>　　四 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算- 20 -</p><p>　　五 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型- 21 -</p><p>　　第四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-

4、 26 -</p><p>　　一 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綱要- 26 -</p><p>　　[一] 硬件電路設(shè)計(jì)- 26 -</p><p>　　[二] 軟件電路設(shè)計(jì)- 27 -</p><p>　　二 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展- 27 -</p><p>　　[一] 8031單片機(jī)的簡(jiǎn)介- 27 -

5、</p><p>　　[二] 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展- 28 -</p><p>　　[三] 存儲(chǔ)器擴(kuò)展- 30 -</p><p>　　[四] I/O口的擴(kuò)展- 31 -</p><p>　　三 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路- 32 -</p><p>　　[一] 脈沖分配器（環(huán)行分配器）- 32 -<

6、;/p><p>　　[二] 光電隔離電路- 33 -</p><p>　　[三] 功率放大器- 33 -</p><p>　　[四] 其他輔助電路- 34 -</p><p>　　四 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)- 35 -</p><p>　　[一] 軟件脈沖分配器- 35 -</p><p

7、>　　[二] 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)程序- 37 -</p><p>　　[三] 步進(jìn)電機(jī)升降速軟件設(shè)計(jì)- 38 -</p><p>　　第五章 數(shù)控機(jī)床零件加工程序- 40 -</p><p>　　第六章 總結(jié)與展望- 41 -</p><p><b>　　摘　要</b></p><p

8、>　　本文介紹普通車床的數(shù)控化改造，重點(diǎn)介紹機(jī)床數(shù)控化改造方案的確定，基本步驟，目的，經(jīng)濟(jì)合理性，機(jī)床數(shù)控化改造計(jì)算（各種設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，機(jī)械部分和電氣部分）。</p><p>　　關(guān)鍵詞：普通機(jī)床；數(shù)控化改造；傳動(dòng)裝置；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；零件加工；編程。</p><p>　　Summary:This text introduces the number of the com

9、mon lather to control to turn a reformation, the point introduction tool machine number controls to turn the reformation project to really settle, basic step, purpose, economic rationality, the tool machine number contro

10、ls to turn the reformation calculation.(various design parameter and structure, the machine part and electricities part)</p><p>　　Keyword:Common tool machine;The number controls to turn a reformation;Spread

11、to move device;Servo drive system;Calculator system;The spare parts process;Weave a distance.</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢(shì)及我國(guó)數(shù)控

12、裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上討論了在我國(guó)加入WTO和對(duì)外開放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國(guó)制造業(yè)信息化水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的重要性，并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。   裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國(guó)防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的

13、使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“各種經(jīng)濟(jì)時(shí)代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動(dòng)資料生產(chǎn)”。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國(guó)制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來(lái)發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”

14、數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策?？傊罅Πl(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為</p><p>　　1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、意料等）的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字

15、化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面［1～4］。</p><p>　　1．1 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì)    效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（CIRP）將

16、其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。    在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬(wàn)輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)問(wèn)題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對(duì)這些筋、壁進(jìn)行加工。近來(lái)采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來(lái)制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來(lái)替代多個(gè)零件通過(guò)眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝

17、，使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對(duì)加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。    從EMO2001展會(huì)情況來(lái)看，高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá)80m/min，甚至更高，空運(yùn)行速度可達(dá)100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國(guó)的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。美國(guó)CINCINN</p><p>　　在加工精度方面，近10年來(lái)，普

18、通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級(jí)加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0.01μm)。    在可靠性方面，國(guó)外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6 000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。</p>

19、<p>　　1.2 5軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展    采用5軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為，1臺(tái)5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于2臺(tái)3軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí)，5軸聯(lián)動(dòng)加工可比3軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。但過(guò)去因5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價(jià)格要比3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控

20、機(jī)床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。    當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床（含5面加工機(jī)床）的發(fā)展。    在EMO2001展會(huì)上，新日本工機(jī)的5面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭，可實(shí)現(xiàn)4個(gè)垂直平面的加工和任意角度

21、的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，還可實(shí)現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國(guó)DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動(dòng)加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。</p><p>　　1.3 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)    21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)

22、中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過(guò)程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。    </p><p>　　為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)

23、封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問(wèn)題。目前許多國(guó)家對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，如美國(guó)的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、歐共體的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)

24、，中國(guó)的ONC(Open Numerical Control System)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來(lái)之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上，面向機(jī)床廠家和最終用戶，通過(guò)改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對(duì)象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、

25、運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫(kù)以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。    網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是</p><p>　　1.4 重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立</p><p>　　1.4.1 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)規(guī)范    如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，美國(guó)、歐共體和日本等國(guó)紛紛實(shí)施戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，

26、并進(jìn)行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個(gè)最大的經(jīng)濟(jì)體在短期內(nèi)進(jìn)行了幾乎相同的科學(xué)計(jì)劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個(gè)新的變革時(shí)期的來(lái)臨。我國(guó)在2000年也開始進(jìn)行中國(guó)的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。</p><p>　　1.4.2 關(guān)于數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)    數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢(shì)。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換

27、都是基于ISO6983標(biāo)準(zhǔn)，即采用G，M代碼描述如何（how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過(guò)程，顯然，他已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國(guó)際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過(guò)程，乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。    STEP-NC的出現(xiàn)可能是

28、數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對(duì)于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個(gè)制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC加工程序都集中在單個(gè)計(jì)算機(jī)上。而在新標(biāo)準(zhǔn)下，NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。其次，STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75％）、加工程序編制時(shí)間（約35％）和加工時(shí)間（約50％）。    目前，歐美國(guó)家非常重視STEP

29、-NC的研究，歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計(jì)劃(1999.1.1～2</p><p>　　2 對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì)</p><p>　　我國(guó)數(shù)控技術(shù)起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個(gè)階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國(guó)外的技術(shù)封鎖和我國(guó)的基礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國(guó)家的“六五”、“七五”期間

30、以及“八五”的前期，即引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，初步建立起國(guó)產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國(guó)家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國(guó)際環(huán)境的改善，我國(guó)數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。第三階段是在國(guó)家的“八五”的后期和“九五”期間，即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究，進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段。在此階段，我國(guó)國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。在“九五”末期，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)50％，配國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達(dá)到了10％。&

31、#160;   縱觀我國(guó)數(shù)控技術(shù)近50年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過(guò)4個(gè)5年計(jì)劃的攻關(guān)，總體來(lái)看取得了以下成績(jī)。    a.奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)。我國(guó)現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、數(shù)控主機(jī)、專機(jī)及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù)，其中大部分技術(shù)已具備進(jìn)行商品化開發(fā)的基礎(chǔ)，部分技術(shù)已商品化、產(chǎn)業(yè)化。    b.初步</p>&

32、lt;p>　　角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題的時(shí)候少；沒(méi)有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系。    c.機(jī)制方面。不良機(jī)制造成人才流失，又制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新，且制約了規(guī)劃的有效實(shí)施，往往規(guī)劃理想，實(shí)施困難。    d.技術(shù)方面。企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)，核心技術(shù)的工程化能力不強(qiáng)。機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標(biāo)準(zhǔn)研究不夠

33、。    </p><p>　　3 對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考</p><p>　　3.1 戰(zhàn)略考慮    我國(guó)是制造大國(guó)，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)，否則在新一輪國(guó)際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國(guó)制造業(yè)將進(jìn)一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場(chǎng)為代價(jià)，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)

34、格局中的國(guó)際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會(huì)嚴(yán)重影響我國(guó)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。    我們應(yīng)站在國(guó)家安全戰(zhàn)略的高度來(lái)重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問(wèn)題，首先從社會(huì)安全看，因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國(guó)就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國(guó)就業(yè)的壓力，保障社會(huì)的穩(wěn)定；其次從國(guó)防安全看，西方發(fā)達(dá)國(guó)家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國(guó)家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制，“東芝

35、事件”和“考克斯報(bào)告”就是最好的例證。</p><p>　　3.2 發(fā)展策略    從我國(guó)基本國(guó)情的角度出發(fā)，以國(guó)家的戰(zhàn)略需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以提高我國(guó)制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國(guó)制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 

36、0;  強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機(jī)（如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、典型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問(wèn)題。沒(méi)有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品；沒(méi)有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)格低廉而富有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。</p><p>　　第二章 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)總體

37、設(shè)計(jì)</p><p>　　一 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容</p><p>　　接到一個(gè)數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)任務(wù)以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分別對(duì)機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。&l

38、t;/p><p>　　一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出數(shù)個(gè)總體方案，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，最后確定一個(gè)可行的總體方案。</p><p><b>　　系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定</b></p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　控制方式的選擇<

39、;/b></p><p>　　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)。</p><p>　　經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號(hào)的流程是單向的，也正是由于信號(hào)的單向流程，它對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置不做檢測(cè)，所以機(jī)床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類機(jī)床工作比較穩(wěn)定，

40、反應(yīng)迅速，調(diào)試和維修都比較簡(jiǎn)單。</p><p><b>　　二 總體方案確定</b></p><p>　?。?）、系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式伺服系統(tǒng)的選擇</p><p>　　由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床應(yīng)具備定位，直線插補(bǔ)，順、逆圓弧插補(bǔ)，暫停，循環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達(dá)到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)

41、構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　（2）、數(shù)控系統(tǒng)</b></p><p>　　根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾性強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)，決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。</p><p>　　控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤

42、及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。</p><p>　?。?）、機(jī)械傳動(dòng)方式</p><p>　　為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲桿，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)

43、。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　系統(tǒng)總體方案框圖如下：</p><p>　　圖1—系統(tǒng)總體方案框圖</p><p>　　第三章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p><b>　　一 選擇脈沖當(dāng)量</b></p><p>　　脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參

44、數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01~0.005mm/step。</p><p>　　根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量：</p><p>　　縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑)</p><p><b>　　二 計(jì)算切削力</b></p><p>　　用車床經(jīng)驗(yàn)公式F=

45、D來(lái)計(jì)算主切削力</p><p>　　式中D指車床身上最大加工直徑（mm）。橫切端面時(shí)主切削力可取縱切時(shí)F的1/2。</p><p>　　求出主切削里F以后再按以下比例分別求出分力F和F。</p><p>　　F：F：F=1 ：0.25 ：0.5</p><p>　　式中 F：指走刀方向的切削力（N）；</p><p>

46、;　　F：指垂直走刀方向的切削力（N）。</p><p>　　下圖為縱切和橫切時(shí)切削力的示意圖。</p><p>　　圖2—縱切和橫切時(shí)切削力的示意圖</p><p><b>　　縱車外圓</b></p><p>　　主切削力F(N)按經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)算：</p><p><b>　　F=D

47、= （N）</b></p><p>　　按切削力各分力比例：</p><p>　　F：F：F=1 ：0.25 ：0.4</p><p><b>　　F（N）</b></p><p><b>　　F（N）</b></p><p><b>　　橫切端面<

48、;/b></p><p>　　主切削力（N）可取縱切的1/2。 </p><p><b>　?。∟）</b></p><p><b>　　（N）</b></p><p><b>　?。∟）</b></p><p>　　三 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選

49、型</p><p><b>　　縱向進(jìn)給絲杠</b></p><p>　　計(jì)算進(jìn)給軸向力F（N）</p><p>　　縱向進(jìn)給這里為三角形導(dǎo)軌：F</p><p>　　式中K：指顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15；</p><p>　?。褐富瑒?dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取0.15~0.18之間的值；

50、</p><p>　　G：指流板及刀架重力，G=1100N。</p><p>　　則 F=（N）</p><p><b>　　計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Q</b></p><p>　　考慮滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中沖擊擾動(dòng)對(duì)壽命的影響，則最大動(dòng)負(fù)載Q的計(jì)算公式為：</p><p><b>　　Q&

51、lt;/b></p><p><b>　　L</b></p><p><b>　　n</b></p><p>　　式中 ：指滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=8；</p><p>　　n：指絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min）；</p><p>　?。褐缸畲笄邢髁l件下的進(jìn)給速度（m/min）

52、,可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3，此處取=0.3；</p><p>　?。褐甘褂脡勖鼤r(shí)間（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)床取T=15000h.。</p><p>　　L：指壽命，以10轉(zhuǎn)為一單位；</p><p>　?。褐高\(yùn)動(dòng)系數(shù)，見表1，選=1.3。</p><p><b>　　表1—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)</b></p><

53、;p>　　則 n( r/min)</p><p><b>　　L</b></p><p><b>　　Q（N）</b></p><p>　　滾珠絲杠螺母副的選型</p><p>　　從手冊(cè)或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應(yīng)的動(dòng)負(fù)載C的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類

54、型，選用時(shí)應(yīng)滿足Q C的條件。</p><p>　　查表：可采用WL5008外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動(dòng)負(fù)載為23400N，符合Q C的條件。精度等級(jí)按表 2，選為1級(jí)。</p><p><b>　　Vmm</b></p><p>　　表 2—滾珠絲杠行程公差</p><p><b>

55、;　　4、傳動(dòng)效率計(jì)算</b></p><p>　　式中 ：指螺旋升角，=255</p><p>　　：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)其摩擦角，約等于。</p><p><b>　　則 </b></p><p><b>　　5、剛度驗(yàn)算</b></p><p&

56、gt;　　先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3所示，最大軸向力為N，支承間距L=1500mm, 絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。</p><p>　　圖3—縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖</p><p><b>　　計(jì)算如下：</b></p><p>　?。?） 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）</p><

57、;p><b>　　F=N，</b></p><p><b>　　L=8mm,</b></p><p>　　EN/mm(材料彈性模數(shù)，對(duì)鋼來(lái)說(shuō)是等于這個(gè)值)，</p><p>　　mm, R=2.477, e=0.068mm</p><p>　　則 d( mm)</p>

58、<p>　　A(mm) （A指滾珠絲杠按內(nèi)徑定的 截面積）</p><p>　　絲杠導(dǎo)程L的變化量為：</p><p>　　總長(zhǎng)度L=1500mm，絲杠上的變形量，由于兩端均采用推力球軸承，則值：</p><p><b>　　(mm)</b></p><p>　　(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm）

59、</p><p>　　由d=4.763mm, F=kgf,</p><p>　　承載滾珠數(shù)量 ZZ</p><p>　　由于滾珠絲杠副施加預(yù)應(yīng)力，且預(yù)應(yīng)力F為軸向負(fù)載的1/3，則變形</p><p><b>　　=0.0013</b></p><p><b>　?。╩m）</b

60、></p><p>　　(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）</p><p>　　這里采用有預(yù)緊時(shí)的推力球軸承則 </p><p>　　查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表6-2-82，采用51109型推力球軸承，其d=45mm,</p><p>　　滾動(dòng)體直徑D=3.969mm, 滾動(dòng)體數(shù)量Z=22，</p><

61、p><b>　　（mm）</b></p><p><b>　　則定位誤差</b></p><p>　　=0.01785mm0.025mm(規(guī)定定位精度)</p><p><b>　　6、穩(wěn)定性校核</b></p><p>　　滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故

62、不需作穩(wěn)定性校核。</p><p><b>　　橫向進(jìn)給絲杠</b></p><p><b>　　計(jì)算進(jìn)給軸向力</b></p><p>　　橫向?qū)к墳檠辔残?，?jì)算如下：</p><p>　　由于是燕尾形導(dǎo)軌式中： K=1.4，=0.2</p><p><b>　　

63、則 N</b></p><p>　　2、計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Q</p><p><b>　　n( r/min)</b></p><p><b>　　L</b></p><p><b>　　Q（N）</b></p><p>　　查表：可采用WL25

64、06外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動(dòng)負(fù)載為13100N，符合Q C的條件。精度等級(jí)按表 2—滾珠絲杠行程公差表，選為1級(jí)。</p><p><b>　　Vmm</b></p><p><b>　　4、傳動(dòng)效率計(jì)算</b></p><p><b>　　5、剛度驗(yàn)算</b><

65、/p><p>　　橫向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式如圖4所示，最大軸向力為2759N，支承間距L=550mm, 因絲杠長(zhǎng)度較短，不需要預(yù)緊。</p><p>　　圖4—橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖</p><p><b>　　計(jì)算如下：</b></p><p>　　(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）</p><p&g

66、t;　　根據(jù) N， D=25mm, EN/mm, R=2.064, e=0.056mm</p><p><b>　　d( mm)</b></p><p><b>　　A(mm)</b></p><p><b>　?。╩m）</b></p><p>　　(2) 滾珠與螺紋滾道

67、間接觸變形（mm）</p><p>　　對(duì)滾珠絲杠副施加預(yù)緊力F為軸向負(fù)載的1/3。</p><p>　　由 mm, kgf</p><p>　　承載滾珠數(shù)量 ZZ</p><p><b>　　=0.0013</b></p><p><b>　　（mm）</b></

68、p><p>　　(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）</p><p>　　這里采用有預(yù)緊時(shí)的推力球軸承則 </p><p>　　查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表6-2-82，采用51104型推力球軸承，其d=20mm,</p><p>　　滾動(dòng)體直徑D=3.175mm, 滾動(dòng)體數(shù)量Z=14，</p><p><

69、b>　?。╩m）</b></p><p><b>　　則定位誤差</b></p><p>　　=0.03682 (mm)</p><p>　　顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度（），應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌來(lái)減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導(dǎo)軌=0.03~0.05。重新計(jì)

70、算如下：</p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Q（N）</b></p><p>　　由此可知：滾珠絲杠螺母副和軸承的型號(hào)可不改變。</p><p><b>　　此時(shí)的變形量為：</b></p><p><b>　

71、　（mm）</b></p><p>　　=0.0013 （mm）</p><p><b>　?。╩m）</b></p><p><b>　　定位誤差</b></p><p>　　0.02412 (mm) 0.025mm(規(guī)定定位精度)</p><p><b&

72、gt;　　6、穩(wěn)定性校核</b></p><p>　　臨界負(fù)載與工作負(fù)載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù)，如果，則壓桿穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般=2.5~4。</p><p>　　計(jì)算臨界負(fù)載（N）： </p><p>　　式中 E：指絲杠材料彈性模量，對(duì)鋼E（N/mm）；</p><p>　　J：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J

73、（為絲杠螺紋的底徑）；</p><p>　?。航z杠兩支承端距離（mm）；</p><p>　?。航z杠支承方式系數(shù)，見表3，這里。</p><p>　　表3—滾珠絲杠支承方式系數(shù)</p><p><b>　　則 N</b></p><p>　　所以此絲杠不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。</p>

74、<p>　?。ㄈ┛v向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)</p><p><b>　　其幾何參數(shù)見表：</b></p><p>　　表4—WL5008及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù)</p><p>　　四 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算</p><p>　　1、縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算</p><p&g

75、t;　　已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進(jìn)電機(jī)步距角，可計(jì)算出傳動(dòng)比：</p><p>　　在閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)中，齒輪的彎曲強(qiáng)度總是足夠的，因此齒數(shù)可取多些，推薦取Z=24~40。所以可選定齒輪數(shù)為：</p><p>　　2、橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算</p><p>　　已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進(jìn)電機(jī)步距角，可計(jì)算出傳動(dòng)比：<

76、/p><p>　　可選定齒輪數(shù)為： </p><p>　　因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取2。有關(guān)參數(shù)參照表5。</p><p>　　表5—傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù)</p><p>　　五 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型</p><p>　　縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算</p><p><b>　　

77、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算</b></p><p>　　傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算：</p><p>　　式中 ：指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；</p><p>　　、：指齒輪、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；</p><p>　?。褐笣L珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；</p><p>　?。褐腹ぜ肮ぷ髋_(tái)重量（N）；</p

78、><p><b>　?。褐附z杠導(dǎo)程（）；</b></p><p>　　參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。</p><p>　　（分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬）</p><p>　?。ǚ謩e表示齒輪的分度圓直徑和齒寬）</p><p>　?。ǚ謩e表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支

79、承間距）</p><p>　　把這些數(shù)據(jù)代入上式： </p><p><b>　　電機(jī)力矩計(jì)算</b></p><p>　　機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按個(gè)階段計(jì)算：</p><p>　?。?）快速空載起動(dòng)力矩</p><p>　　在快速空載起動(dòng)階段，加速度所占的比例較大，

80、具體計(jì)算公式如下：</p><p>　　以上式中 ：指空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩（）；</p><p>　?。褐刚鬯愕诫姍C(jī)軸上的摩擦力矩（）；</p><p>　　：指絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩（）；</p><p>　?。褐?jìng)鲃?dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；</p><p>　　：指電機(jī)最

81、大角加速度（）；</p><p>　?。褐鸽姍C(jī)最大轉(zhuǎn)速（）；</p><p>　?。褐高\(yùn)動(dòng)部件最大進(jìn)給速度（）；</p><p><b>　　：指脈沖當(dāng)量（）；</b></p><p>　　：指步進(jìn)電機(jī)步距角（）；</p><p>　　：指運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間（s），這里是30

82、ms；</p><p>　　：指導(dǎo)程的摩擦力（N），；</p><p>　?。褐复怪狈较虻那邢髁Γ∟）；</p><p>　?。褐腹ぜ肮ぷ髋_(tái)重量（N）；</p><p>　?。褐笇?dǎo)軌摩擦系數(shù)，；</p><p>　?。褐高\(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）；</p><p>　　：指齒輪降速比；按計(jì)算；&l

83、t;/p><p>　?。褐?jìng)鲃?dòng)鏈總效率，一般可??；</p><p>　?。褐笣L珠絲杠預(yù)加負(fù)載，一般取/3，為進(jìn)給軸向力（N）；</p><p><b>　?。褐笣L珠絲杠導(dǎo)程；</b></p><p>　　：指滾珠絲杠未加預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取。</p><p>　　將以前計(jì)算所得數(shù)據(jù)代入：</

84、p><p><b>　?。ǎ?lt;/b></p><p><b>　?。ǎ?lt;/b></p><p><b>　?。ǎ?lt;/b></p><p><b>　　則 （）</b></p><p>　?。?）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩</p>

85、<p><b>　　（）</b></p><p>　?。?）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩</p><p><b>　?。ǎ?lt;/b></p><p>　　從上面計(jì)算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。</p><p>　　由表6得：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相

86、六拍時(shí)，，則（N）。</p><p>　　表6—步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)距與最大靜轉(zhuǎn)距關(guān)系</p><p>　　按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72，大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)動(dòng)矩頻特性。</p><p>　　計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率</p><p>　

87、　可查出150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為2800運(yùn)行頻率為8000，再?gòu)膱D5查出150BF002步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。從圖中看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩（800.77），直接使用則會(huì)出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），半起動(dòng)頻率降到1000，起動(dòng)力矩可提高到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給

88、時(shí)，150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿足要求。</p><p>　　圖5—150BF002型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性</p><p>　　橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型</p><p>　　與縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算的方法一樣，如果縱向的步進(jìn)電機(jī)能滿足條件那橫向的就也可以滿足條件，則這選用與縱向相同的步進(jìn)電機(jī)。</p><p>

89、　　第四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　一 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綱要</p><p>　　[一] 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是軟件編程的前提，數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括以下幾部分內(nèi)容：</p><p>　　繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控

90、制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　機(jī)床硬件電路由五部分組成：</p><p>　　主控制器，即中央處理單元CPU；</p><p>　　總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；</p><p>　　存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；</p><p>　　接口，即輸入/輸出接口電

91、路；</p><p>　　外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器等。</p><p>　　機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖6所示：</p><p>　　圖6—機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）</p><p>　　選擇中央處理單元CPU的類型</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，CNC系統(tǒng)的主CPU采用8031單片機(jī)。</p>&

92、lt;p><b>　　存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　存儲(chǔ)器擴(kuò)展包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展兩部分。</p><p>　　選擇EPROM作程序存儲(chǔ)器時(shí)，應(yīng)考慮：</p><p>　　速度應(yīng)與CPU時(shí)鐘匹配；</p><p><b>　　容量適中。</b></p>

93、<p><b>　　I/O接口電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：據(jù)外部要求選用I/O接口芯片，步進(jìn)電機(jī)伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設(shè)計(jì)（如復(fù)位、掉電保護(hù)等）。這部分設(shè)計(jì)要求考慮系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠。</p><p>　　在存儲(chǔ)器擴(kuò)展和I/O接口電路中，均涉及到地址譯碼問(wèn)題。</p>

94、<p>　　[二] 軟件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　軟件是硬件的補(bǔ)充。確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)軟件。</p><p><b>　　軟件設(shè)計(jì)步驟</b></p><p>　　軟件設(shè)計(jì)步驟分為以下幾步：</p><p>　　據(jù)軟件要求實(shí)現(xiàn)的功能，制定出軟件技術(shù)要求；</p><p

95、>　　將整個(gè)軟件模塊化，確定個(gè)模塊的編制要求，包括個(gè)模塊功能，入口參數(shù)，出口參數(shù)；</p><p>　　據(jù)硬件資源，合理分配好存儲(chǔ)單元；</p><p>　　分別對(duì)個(gè)模塊編程，并調(diào)試；</p><p>　　連接各模塊，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試及優(yōu)化；</p><p>　　固化到程序存儲(chǔ)器中。</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)中常

96、用的軟件模塊</p><p>　　軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器；</p><p><b>　　插補(bǔ)運(yùn)算模塊；</b></p><p>　　自動(dòng)升降速控制模塊等。</p><p>　　二 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展</p><p>　　[一] 8031單片機(jī)的簡(jiǎn)介</p><p>　　

97、1、8031芯片引腳及片外總線結(jié)構(gòu)</p><p>　?。?）8031芯片引腳功能</p><p>　　8031芯片有40個(gè)引腳，引腳配置見圖7：</p><p>　　圖7—8031芯片引腳</p><p>　?。?）各引腳按功能可分為三部分：</p><p>　　I/O口線：P0，P1，P2，P3共4個(gè)8位口；<

98、;/p><p>　　控制口線：，ALE，，RST； </p><p>　　電源及時(shí)鐘：V、V；XTAL1，XTAL2。</p><p><b>　?。?）應(yīng)用特性：</b></p><p>　　I/O口線不能都用作用戶I/O口線；</p><p>　　I/O口的驅(qū)動(dòng)能力，P0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門電路，

99、P1，P2，P3則只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)；</p><p><b>　　P3是雙重功能口。</b></p><p>　　2、8031單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu)</p><p>　　8031單片機(jī)由7個(gè)部件組成，既微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及中斷系統(tǒng)，它們都是通過(guò)片內(nèi)單一總線連接而成的。</p>

100、<p>　　[二] 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展</p><p>　　8031單片機(jī)內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器，如不擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器則不能工作，且片內(nèi)僅有128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，對(duì)于需要較多數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的程序來(lái)說(shuō)，片內(nèi)RAM也不夠用，須擴(kuò)展。8031片內(nèi)四個(gè)I/O口中僅P1口可作為8位雙向的I/O接口用戶使用，也須擴(kuò)展，有些情況還須擴(kuò)展定時(shí)/計(jì)數(shù)器等。</p><p>　　1、8031的片外

101、總線結(jié)構(gòu)</p><p>　　所有的外部芯片都通過(guò)三組總線進(jìn)行擴(kuò)展：</p><p>　　數(shù)據(jù)總線（DB）：由P0口提供，數(shù)據(jù)總線要連接到連接的所有外圍芯片上，但在同一時(shí)間只能夠有一個(gè)是有效的數(shù)據(jù)傳輸通道。</p><p>　　地址總線（AB）：16位，可尋址范圍為64K字節(jié)，AB由P0口提供低8位地址，與數(shù)據(jù)分時(shí)傳送，傳送數(shù)據(jù)時(shí)將低8位地址鎖存。高8位地址由P2口

102、提供。</p><p>　　控制總線（CB）：系統(tǒng)擴(kuò)展用控制總線有、、、ALE、。</p><p><b>　　2、系統(tǒng)擴(kuò)展能力</b></p><p>　　據(jù)地址總線的寬度，在片外可擴(kuò)展的存儲(chǔ)器最大容量為64K字節(jié)。</p><p>　　片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器的操作使用不同的指令和控制信號(hào)。允許兩者的地址重復(fù)。故片

103、外可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器分別為64K。</p><p>　　擴(kuò)展的I/O口與片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，不再另外提供地址線。</p><p><b>　　3、地址鎖存器</b></p><p>　　8031擴(kuò)展系統(tǒng)時(shí)，由P0口提供數(shù)據(jù)及低8位地址，分時(shí)傳送，故須地址鎖存。常用的地址鎖存器芯片是74LS373（帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器），其

104、引腳及連接見圖8。</p><p>　　圖8—74LS373引腳及連接圖</p><p><b>　　圖中：</b></p><p>　　D~D：信號(hào)輸入端；</p><p>　　Q~Q：信號(hào)輸出端；</p><p>　　G：下降沿時(shí)，將D~D鎖存于內(nèi)部；</p><p>

105、　　E：使能端，E=0時(shí)，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出端Q~Q與輸入端D~D連通，當(dāng)E=1時(shí)，輸出三態(tài)門斷開，輸入數(shù)據(jù)鎖存。</p><p><b>　　4、地址譯碼</b></p><p>　　8031擴(kuò)展電路中，都涉及到外部地址空間分配問(wèn)題，即當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時(shí)與多個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，首先要進(jìn)行片選，然后再進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。</p><p

106、>　　地址譯碼實(shí)現(xiàn)片選的方法可分為三種：線選法、全地址譯碼法和部分地址譯碼法。這里選用部分地址譯碼法。這種方法是線選與地址譯碼相結(jié)合。圖9為74LS138碼器的引腳圖。</p><p>　　當(dāng)G時(shí)，74LS138工作。C、B、A的輸出決定譯碼器的輸出引腳。</p><p>　　圖9—74LS138引腳圖</p><p>　　[三] 存儲(chǔ)器擴(kuò)展</p&g

107、t;<p><b>　　1、存儲(chǔ)器常用芯片</b></p><p>　?。?）EPROM芯片</p><p>　　常用的程序存儲(chǔ)器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、</p><p>　　27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均為28腳雙列直插式扁平封

108、裝長(zhǎng)片，圖10為常用EPROM引腳。</p><p>　　圖10—常用EPROM引腳排列</p><p>　　EPROM選用原則：</p><p>　　據(jù)控制對(duì)象和任務(wù)的復(fù)雜程度，以及是否需要大量計(jì)算來(lái)確定存儲(chǔ)系統(tǒng)容量（粗略估計(jì)，留有一定余地，以備系統(tǒng)的功能擴(kuò)展用），為使電路簡(jiǎn)化，盡可能選擇大容量芯片，以減少芯片組合。</p><p>　　芯

109、片的工作速度滿足系統(tǒng)的時(shí)序要求。8031訪問(wèn)EPROM時(shí)，其所提供的讀取時(shí)間t與所選的晶體時(shí)鐘有關(guān)，約為3T，不同型號(hào)的EPROM工作速度一般為200~450ns，故選取芯片時(shí)，應(yīng)使其工作速度小于t。</p><p><b>　?。?）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器</b></p><p>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)之分，兩者相比，靜態(tài)RAM無(wú)須考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，擴(kuò)展簡(jiǎn)單，在

110、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路中應(yīng)用較廣泛。</p><p>　　常用的靜態(tài)RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它們都由單一的+5V電源供電，28腳雙列直插式扁平封裝，典型存取時(shí)間為150~200ns。其引腳如圖11所示：</p><p>　　圖11—常用RAM的引腳</p><p><b>　　2、存儲(chǔ)器的擴(kuò)展</b>

111、</p><p>　　8031芯片與存儲(chǔ)器的連接</p><p>　　存儲(chǔ)器擴(kuò)展實(shí)質(zhì)是三總線的連接。</p><p>　　據(jù)芯片存儲(chǔ)容量的大小確定數(shù)據(jù)、地址線的根數(shù)。</p><p>　　數(shù)據(jù)線的連接：將8031芯片的P~P按位與RAM數(shù)據(jù)線D~D直連。</p><p>　　地址總線的連接：據(jù)確定的地址線根數(shù)，將相應(yīng)的

112、低位地址線相連，剩余高位地址線作片選。</p><p>　　控制總線的連接：對(duì)應(yīng)控制線連接。</p><p>　　[四] I/O口的擴(kuò)展</p><p>　　MCS—51單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，可提供給用戶使用的只有P1口和部分P3口線，因此不可避免的要進(jìn)行I/O端口的擴(kuò)展。Intel公司常用的外圍接口芯片有：8155、8255及8279等。此外還有74L

113、S系列的TTL電路和CMOS電路鎖存器、三態(tài)門電路也可以為擴(kuò)展I/O口。</p><p><b>　　I/O口擴(kuò)展方法</b></p><p>　　據(jù)擴(kuò)展并行I/O口時(shí)數(shù)據(jù)線的連接方式，I/O口擴(kuò)展方式可分為三種：</p><p><b>　　總線擴(kuò)展方法</b></p><p><b>

114、　　串行口擴(kuò)展方法</b></p><p>　　通過(guò)單片機(jī)片內(nèi)I/O口的擴(kuò)展方法</p><p><b>　　常用接口芯片</b></p><p><b>　　（1）8155芯片</b></p><p>　　8155芯片內(nèi)具有256個(gè)字節(jié)RAM、2個(gè)8位、1個(gè)6位的可編程I/O口和1個(gè)1

115、4位計(jì)數(shù)器。</p><p>　　8155的結(jié)構(gòu)和引腳見圖12：</p><p>　　（a） (b)</p><p>　　圖12—8155的邏輯結(jié)構(gòu)與引腳</p><p><b>　　(2)8255芯片</b></p><p&g

116、t;　　8255具有3個(gè)8位的并行I/O口，分別為PA、PB、PC口，其中PC口又分為高4位（PC~PC）和低4位（PC~PC）。</p><p><b>　?。?）8279芯片</b></p><p>　　8279內(nèi)部有168顯示數(shù)據(jù)RAM，通過(guò)命令字可選擇顯示器的4種工作方式，內(nèi)部還有6字節(jié)。</p><p>　　三 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

117、</p><p>　　在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，大多采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。而單片機(jī)的I/O口或I/O擴(kuò)展口的驅(qū)動(dòng)能力有限，為使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定功率，需有功功率放大環(huán)節(jié)；為避免強(qiáng)電干擾，因此還需采用隔離電路。其控制電路框圖如圖14所示：</p><p>　　圖14—步進(jìn)電機(jī)控制框圖</p><p>　　[一] 脈沖分配器（環(huán)行分配器）</p>

118、<p>　　有硬件和軟件分配器兩種，硬件分配器需要的I/O接口連線少，執(zhí)行速度快，需要專用的芯片，軟件則用程序?qū)崿F(xiàn)。</p><p><b>　　脈沖分配器的芯片</b></p><p>　　目前采用的TTL集成脈沖分配器有三相、四相、五相和六相，其型號(hào)分別為YB0B、YB014、YB015及YB016，都為18個(gè)引腳的直插式封裝。其主要性能參見表8：<

119、;/p><p>　　表8—TTL脈沖分配器主要性能參數(shù)</p><p>　　[二] 光電隔離電路</p><p>　　單片機(jī)系統(tǒng)要控制電壓高、電流大的信號(hào)，必須采用電氣上的隔離并抑制干擾，光電耦合器就是利用光傳遞信息的器件，使電路的輸入和輸出在電氣上完全隔離，大大提高了系統(tǒng)安全可靠性，并可實(shí)現(xiàn)共模噪聲的抑制和電源的變換等。</p><p>　　

120、光電耦合器的類型按輸出結(jié)構(gòu)可分為直流和交流輸出兩類。直流輸出可采用：（1）晶體管輸出；（2）達(dá)林頓管輸出；（3）史密特觸發(fā)器輸出。交流可采用：（1）單向可控硅輸出；（2）雙向可控硅輸出等。</p><p>　　[三] 功率放大器</p><p>　　脈沖分配器的功率很小，不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，必須將它放大以產(chǎn)生足夠大的功率，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電極正常運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>

121、;　　從步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性可以看出，隨著運(yùn)行矩頻的增高，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載的能力下降。產(chǎn)生的主要原因是：作為功率放大器負(fù)載的步進(jìn)電機(jī)是電感負(fù)載，當(dāng)改變通電狀態(tài)時(shí)，通電繞組的電流將從零逐漸增大，該繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)使電流按指數(shù)規(guī)律上升，并將電源一部分能量存在（電感）繞組中，電流的時(shí)間常數(shù)為：</p><p>　　式中：指步進(jìn)電機(jī)一相繞組的平均電感量</p><p>　?。和?/p>

122、回路的電阻，包括繞組電阻、功率放大器輸出級(jí)的內(nèi)阻及串聯(lián)電阻。</p><p>　　而斷電繞組電流是下降的，這時(shí)存儲(chǔ)于繞組中的勢(shì)能將以電流式釋放出來(lái)，使電流按指數(shù)規(guī)律下降，其時(shí)間常數(shù)為：</p><p>　　式中：指放電回路電阻，包括繞組電阻，續(xù)流二極管正向電阻等。</p><p>　　這樣就使繞組中電流緩慢增加和下降，步進(jìn)各相繞組電流幾乎同時(shí)存在，步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力下

123、降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)失步。</p><p>　　為提高步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，可采用以下幾種方法：（1）電阻法；（2）雙電源法。</p><p>　　[四] 其他輔助電路</p><p><b>　　掉電保護(hù)電路</b></p><p>　　RAM中存放的數(shù)據(jù)一掉電就會(huì)全部丟失。為了保護(hù)RAM中的信息，采用掉電保護(hù)電路。圖15所