CA6240车床数控改造毕业设计.doc

中国矿业大学成人教育专科生毕业设计1 引言 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：1.适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。2.加工精度高；3.生产效率高；4.减轻劳动强度，改善劳动条件；5.良好的经济效益；6.有利于生产管理的现代化。数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、pc技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。2 总体方案设计对ca6240车床数控改造，首先得拟订总体方案，绘制系统总体框图和机床总联系尺寸图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分机械部分和电器部分进行设计计算。总体方案的拟订包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、计算机系统的选择、执行机构的结构以及传动方式的选择等内容，最后绘制机床总联系尺寸图。2.1 系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。例如数控钻床，在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因此数控系统可采用点位控制方式。对点位控制系统的要求是快速定位，保证定位精度。如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓的零件，所以连续控制系统又称为轮廓控制系统。例如数控铣床、数控车床等均属于此种运动方式。在点位控制系统中不具备连续控制系统中才具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中却有点位系统的功能。还有一些采用点位控制的数控机车，例如数控镗铣床等，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工件。这种系统叫点位/直线系统。其控制方法与点位系统十分相似，故有时也将这两种系统统称为点位控制系统。由于改造后的ca6140车床应具有定位，直线插补，顺、逆插补，暂停，循环加工和公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。2.2 伺服系统的选择伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统中设有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传递的。指令发出后不再反馈回来，故称为开环控制。开环系统主要由步进电机驱动。开环伺服系统结构简单、成本低廉、容易掌握、调试和维修都比较简单。目前国内大力发展的经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动，闭环系统造价高，结构和调试复杂，多用于精度要求高的场合。半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位置，而是用检测元件测出驱动轴的转角，再间接推算出工作台的实际位移量，也有反馈电路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。考虑到属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。2.3执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件，如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等；2）尽量消除传动间隙，例如采用消隙齿轮等；3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的刚度，减小传动误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠等。为实现ca6240车床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。2.4计算机系统的选择 微机数控系统由cpu、存储器扩展电路i/o接口电路，伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。微机是数控系统的核心，其他装置均是在微机的指挥下进行工作的。系统的功能和系统中所用微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度。字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算的精度。字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机要进行双字长或三字长的运算就会影响速度。目前一些高档的cnc系统已普遍采用32位机，主机频率由5mhz提高到2030mhz，有的采用多cpu系统，减轻主cpu的负担，进一步提高控制速度。标准型的cnc系统多使用16位微机，经济型cnc系统普遍采用8位机。可以采用mcs51系列单片微机或z80单板机组成的应用系统。 根据ca6240机床的要求，采用8位机。由于mcs51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强和性价比高等特点，因此采用mcs51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、i/o接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工命令和控制程序通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据和机床状态等信息。 系统总体方案如图所示：功率放大器光电隔离 z向步进电机功率放大器光电隔离 x向步进电机 图2.1 系统总体方案图3 车床横向、纵向进给系统的设计计算将一台ca6240车床改造成微机数控车床，采用mcs51系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数选择如下：加工最大直径：在马鞍内 630mm 在床身上 400mm 在刀架上 210mm 棒料 46mm加工最大长度： 900mm马鞍内有效长度： 210mm溜板和刀架重力：纵向 800n 横向 600n刀架快速速度： 纵向 4m/min 横向 2m/min最大进给速度： 纵向 1m/min 横向 0.5m/min主传动电动机功率： 7.5km起动加速时间： 30ms机床定位精度： 0.015mm此机床进给伺服系统运动和动力计算如下：3.1选择脉冲当量根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/步（半径）横向：0.005mm/步（半径）3.2计算切削力3.2.1 纵车外圆主切削力fz(n)按经验公式估算： fz(n)=0.67dmax(1.5)=0.67630(1.5)=10595按切削力个分力比例： fz：fx：fy=1：0.25：0.4 fx=105950.25=2648.75 fy=105950.4=4238 3.2.2 横切端面主切削力fz(n)可取纵切的1/2， fz(n)=1/2fz=5297.5此时走刀抗力为fy(n),吃刀抗力为fx(n)。按上述比例初略计算： fz：fy：fx=1：0.25：0.4 fy=5297.50.25=1324.375 fx=5297.50.4=21193.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型3.3.1纵向进给丝杠（1）计算进给率引力fm(n) 纵向进给为综合型导轨 fm=kfx+f(fz+g)=1.152648.75+0.16(10595+800)=4869式中 k考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取k=1.15；f滑动导轨摩擦系数：0.150.18；g溜板及刀架重力：g=800n。（2）计算最大动负载c n=(1000vs)/l。式中 l。滚珠丝杠导程，初选l。=8mm；vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(1/21/3)，此处vs=1m/min；t使用寿命，按15000h；fw运转系数，按一般运转取fw=1.21.5；l寿命、以转为1单位。 n=(1000vs)/l。=（100010.4）/8= 50r/minl=(60nt)/=(605015000)/ =45=1.24869=20782.2n（3）滚珠丝杠螺母副的选型 查阅附录a表3，可采用w1l5008外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠，1列2.5圈，其额定动负载为23400n，精度等级按表415选为3级（大致相当于老标准e级）。（4）传动效率计算=tg/tg（+）式中 螺旋升角，w1l5008=255 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004=tg/tg（+） =tg255/tg(255+10)=0.946（5）刚度计算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如下图所示。最大牵引力为4869n。支承间隔l=1500mm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。 z2,j2 g js ljm z1,j1 图3.2 纵向进给系统计算简图 丝杠的拉伸或压缩变形量1查图46，根据pm=4869n，d0=50mm，查出l/l=1.210，可计算出：1=(l/l)1500=1.2101500=1.8/10(mm)由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍，其实际变形量1=1/41=0.45/10滚珠与螺纹滚道间接触变形2查图4-7，w系列1列2.5圈滚珠与螺纹滚道间接触变形q=9.2m,因进行了预紧，2=1/2q=1/29.2=4.6m支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3采用8107型推力球轴承，d1=35mm，滚动体直径dq=6.35mm，滚动体数量z=18， c=0.0024 =0.0024 =0.0075(mm)注意，此公式中fm单位应为kgf因施加预紧力，故3=1/2c=1/20.0075=0.00375根据以上计算：=1+2+3=0.0045+0.0046+0.00375=0.01285定位精度（6）稳定性校核滚珠丝杠两端推力轴承不会产生失稳现象，故不需要作稳定性校核。3.3.2横向进给丝杠（1）计算进给率引力fm(n)横向导轨为燕尾形导轨，计算如下： fm=1.4fy+f(fz+2fx+g)=1.41324.375+0.2(5297.5+22119+600)3882（2）计算最大动负载c n=(1000vs)/l。=（10000.50.48）/6= 40r/minl=(60nt)/=(604015000)/=36c=fwfm=1.23882=15382n（3）滚珠丝杠螺母副的选型 查阅附录a表3，可采用w1l4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠，1列2.5圈，其额定动负载为16400n，精度等级按表415选为3级（大致相当于老标准e级）。（4）传动效率计算=tg/tg（+）式中 螺旋升角，w1l4006=244 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004=tg/tg（+）= tg244/tg(244+10)=0.94（5）刚度计算先画出此横向进给滚珠丝杠支承方式草图如下图所示。最大牵引力为3882n。支承间隔450mm，因丝杠长度较短，不需预紧，但螺母和轴承需要预紧。 z4,j4 g js z2,j2 l z3,j3jm z1,j1 图3.3 横向进给系统计算简图 丝杠的拉伸或压缩变形量1查图46，根据pm=3882n，d0=40mm，查出l/l=1.810，可计算出：1=l/l=1.8101500=2.7/10mm 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍，其实际变形量1=1/41=6.75m 滚珠与螺纹滚道间接触变形2查图47，w系列1列2.5圈滚珠与螺纹滚道间接触变形q=8m，因进行了预紧，2=1/2q=1/28=4m 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3采用8107型推力球轴承，d1=35mm，滚动体直径dq=6.35mm，滚动体数量z=18， c=0.0024 =0.0024 =0.0075(mm)注意，此公式中fm单位应为kgf因施加预紧力，故3=1/2c=1/20.0075=0.00375mm根据以上计算：=1+2+3=0.00675+0.004+0.00375=0.0145定位精度（6）稳定性校核计算临界负载fk(n)fk=(fzei)/l式中 e材料弹性模量，e=20.6n/cm;i截面惯性矩（cm ）丝杠：i=()/64，为丝杠内径；l丝杠两支承端距离(cm)；fz丝杠支承方式系数，从表中查出，一端固定，一端简支fz=2.00 i=()/64=( 3.5984 )/64=8.23cm fk=(fzei)/l=(220.6108.23)/45=1652615n nk= fk/fm=1652615/3882=425.7nk(一般nk=2.54)此滚珠丝杠不会产生失稳。3.3.3纵向和横向滚珠丝杠副几何参数其几何参数如下表所示：名称符号w1l5008w1l4006公称直径d05040导程l086接触角255244刚球直径(mm)dq4.7633.969滚道法面半径rr=0.52dq2.4772.064偏心距ee=(r-dq/2)sin0.0680.056螺纹升角=arctg(l0/d0)255244螺杆外径dd=d0-(0.20.25)dq48.539螺杆内径d1d1=d0+2e-2r45.18235.984螺杆接触直径dzdz=d0-dqcos45.243236.0355螺母螺纹直径dd=d0-2e+2r54.81844.016螺母内径d1d1=d0+(0.20.25)dq50.952640.79383.4齿轮传动比计算3.4.1纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量=0.01滚珠丝杠导程=8mm，初选步进电机步距角0.75。可计算出传动比ii=(360)/( )=(3600.01)/(0.758)=0.6可选定齿轮齿数为： i= / =24/40或18/30=24，=40 或 =18，=303.4.2横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量=0.005,滚珠丝杠导程=6mm,初选步进电机步距角0.75，可计算传动比i：i=(360)/( )=(3600.005)/(0.756)=0.4考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可采用两级齿轮降速：i=(/)(/)=(3/5)(2/3)=(24/40)(20/30)=24，=40，=20，=30因进给齿轮受力不大，模数m取2，有关参数如下表所示：齿数244024402030分度圆d=mz488048804060齿顶圆da=d+2m528452844464齿根圆=d-21.25m437543753555齿宽b=(610)m202020202020中心距a=( + )/26464453.5 步进电机的计算和选型3.5.1纵向进给步进电机计算（1）等效转动惯量计算计算简图如纵向进给系统计算简图所示，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量j（kg.cm）可由下式计算：j=jm+j1+(z1/z2)(j2+js)+(g/g)(l。/2)式中 j步进电机转子转动惯量（kgcm） j1 、j2齿轮z1、z2的转动惯量（kgcm）js滚珠丝杠转动惯量（kgcm）参考同类型机床，初选反应式步进电机150bf003，其转子转动惯量j=10.5 kgcmj1=0.78(d1)l1/1000=0.78(4.8)2/1000=0.828 kgcmj2=0.78(d2)l2/1000=0.78(8)2/1000=6.39 kgcmjs =0.78(5)150/1000=73.125 kgcmg=800n代入上式：j=jm+j1+(z1/z2)(j2+js)+(g/g)(l。/2)=10.5+0.828+(24/40)(6.39+73.125)+(800/9.8)(0.8/2)=40.43 kgcm考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题，jm /j=10.5/40.43=0.260基本满足惯量匹配的要求。（2）电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：快速空载起动力矩m起在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：m起=mamax+mf+m0mamax=j= (j2nmax)/(60100ta)nmax=(vmax/p)(b/360)将前面的数据代入，式中各符号意义同前。nmax=(vmax/p)(b/360)= (4000/0.01)(0.75/360)=833.33 r/min起动加速时间ta=30msmamax=j= (j2nmax)/(60100ta) =(40.432833.33)/(601000.03) =1175.46ncm折算到电机轴上的摩擦力矩mf：mf=(f0l0)/(2i)=f(px+g)l0/( 2z2/z1) =0.16(10595+800)0.8/( 20.81.67)=173.8 ncm附加摩擦力矩m0m0=(fp0l0)(1-0)/(2i)=(1/3fml0)(1-0)/(2z2/z1) =(1/348690.8)(1-0.9)/(20.81.67) =154.750.19=29.4 ncm上述三项合计： m起=mamax+mf+m0=1175.46+173.8+29.4=1378.66 ncm快速移动时所需力矩m快 m快=mf+m0=173.8+29.4=203.2 ncm最大切削负载时所需力矩m切m切=mf+m0+mt= mf+m0+(fxl0)/ (2i) =173.8+29.4+(2648.750.8)/(20.81.67)=173.8+29.4+252.56=455.76 ncm 从上面计算可以看出，m起、m快和m切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。从表4-24查出，当步进电机为五相十拍时， =mq/mjmax=0.951最大静力矩mjmax=1378.66/0.951=1449.7 ncm按此最大静力矩从表4-23查出，150bf003型最大静转矩为1568ncm。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。（3）计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 fk=(1000vmax)/(60)= (10004)/(600.01)=6667 hz fe=(1000vs)/(60)= (10001)/(600.01)=1667 hz从表4-23中查出150bf003型步进电机允许的最高空载起动频率为2600hz，运行频率为8000hz，再从图4-17、图4-18查出150bf003步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如下图所示。从图可以看出，当步进电机起动时，f起=2500hz时，m=160 ncm，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（1378.66ncm）直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率降到1000hz时，起动力矩可增高到650ncm，然后在电路上采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 m(ncm)392.3196.10 1000 2000 2500 f(hz) 图3.4 150bf003型起动矩频特性 m(ncm)1471.0980.7490.8 0 4000 8000 f(hz)图3.5 150bf003型运行矩频特性 当快速运动和切削进给时，150bf002型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。3.5.2.横向步进电机计算和选型（1）等效转动惯量计算计算简图如横向进给系统计算简图所示，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量j（kg.cm）可由下式计算：j=jm+j1+(z1/z2)(j2+j3)+(z3/z4) (j4+js)+(g/g)(l。/2)式中 j步进电机转子转动惯量（kgcm） j1 、j2、j3、j4齿轮z1、z2、z3、z4的转动惯量（kgcm）js滚珠丝杠转动惯量（kgcm）参考同类型机床，初选反应式步进电机110bf003，其转子转动惯量j=4.7kgcmj1=0.78(d1)l1/1000=0.78(4.8)2/1000=0.828 kgcmj2=0.78(d2)l2/1000=0.78(8)2/1000=6.39kgcmj3=0.78(d3)l2/1000=0.78(4)2/1000=0.399 kgcmj4=0.78(d4)l2/1000=0.78(6)2/1000= 2.022kgcmjs =0.78(5)45/1000=21.9375 kgcmg=600n代入上式：j= jm+j1+(z1/z2)(j2+j3)+(z3/z4) (j4+js)+(g/g)(l。/2)=4.7+0.828+(24/40) (6.39+0.399)+(20/30) (2.022+21.9375)+(600/9.8)(6/2) =20.747 kgcm考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题，jm /j=4.7/20.747=0.227基本满足惯量匹配的要求。（2）电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：快速空载起动力矩m起在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：m起=mamax+mf+m0mamax=j= (j2nmax)/(60100ta)nmax=(vmax/p)(b/360)将前面的数据代入，式中各符号意义同前。nmax=(vmax/p)(b/360)= (2000/0.005)(0.75/360)=416.67r/min起动加速时间ta=30msmamax=j= (j2nmax)/(60100ta) =(20.7472416.67)/(601000.03) =301.6ncm折算到电机轴上的摩擦力矩mf：mf=(f0l0)/(2i)=f(px+g)l0/2(z2/z1)(z4/z3) =0.16(3882+600)0.6/( 20.82.5)=34.26 ncm附加摩擦力矩m0m0=(fp0l0)(1-0)/(2i)=(1/3fml0)(1-0)/2(z2/z1)(z4/z3) =(1/338820.6)(1-0.9)/(20.82.5) =61.80.19= 11.74ncm上述三项合计： m起=mamax+mf+m0=301.6+34.26+ 11.74=347.6 ncm快速移动时所需力矩m快 m快=mf+m0=34.26+ 11.74=46 ncm最大切削负载时所需力矩m切m切=mf+m0+mt= mf+m0+(fxl0)/ (2i) =34.26+ 11.74+(21190.6)/(20.82.5)=34.26+ 11.74+101.2=147.2 ncm 从上面计算可以看出，m起、m快和m切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。从表4-22查出，当步进电机为三相六拍时， =mq/mjmax=0.886最大静力矩mjmax=347.6/0.886=392.3 ncm按此最大静力矩从表4-223查出，110bf003型最大静转矩为784ncm。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。（3）计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 fk=(1000vmax)/(60)= (10002)/(600.01)=3333 hz fe=(1000vs)/(60)= (10000.5)/(600.01)=833 hz从表4-23中查出110bf003型步进电机允许的最高空载起动转矩为1500hz，运行频率为7000hz，再从图4-17、图4-18查出110bf003步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如下图所示。从下图可以看出，当步进电机起动时，f起=1500hz时，m=100 ncm，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（301.6ncm）直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率降到1000hz时，起动力矩可增高到350ncm。 m(ncm) 392.3 294.2 196.1 98 0 200 600 1000 1400 1600 f(hz)图3.6 110bf003型起动矩频特性 m(ncm) 245.2 196.1 98 0 2000 4000 6000 f(hz) 图3.7 110bf003型运行矩频特性当快速运动和切削进给时，110bf003型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。3.6 设计绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动和动力计算之后，已经确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机规格型号，以及齿轮齿数、模数和轴承型号之后，就可以画机械装配图。4 ca6240车床数控改造的刀架系统设计对于ca6240的数控改造来说，刀架系统应该由原来的方刀架改为自动转位刀架，并装上微型电机。自动转位刀架有两种可以选择，四方刀架和六方刀架，两种刀架均能自动转位和定位，具有多刀自动换位的优点，是提高生产率的重要措施，可按照加工零件的需求决定用哪一种刀架。根据设计要求，决定采用四方刀架并装上微型电机。选用微型电机的转速n=1400转/分，功率p=120瓦。绘制刀架结构图（附图）四方刀架的转位由微型电机经齿轮7、8、9、10，带动蜗杆11，蜗轮12，通过马氏槽轮机构1和2实现。刀架的定位，先以弹簧销3作粗定位，后用齿盘机构作精定位。4与5是端面齿盘定位机构，精确度高，重复定位精度可以达到0.005mm以内。刀架的抬起和夹紧是由液压传动，如压力油从下部进入液压缸，推动活塞6上升将刀架抬起，如压力油从上部进入液压缸，则推动活塞6下降将刀架压紧。5 微机控制系统硬件电路设计当前，在经济型数控机床控制系统中广泛采用美国intel公司的mcs51系列单片机。单片微机数控系统硬件电路设计包括以下几个部分：绘制系统电气控制的结构框图，选择中央处理单元cpu的类型，存储器扩展电路设计和i/o口即输入/输出接口电路设计，最后绘制ca6240车床数控改造电路原理图.5.1 绘制系统电气控制的结构框图数控系统是由硬件和软件两部分组成的。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。机床硬件电路由以下五部分组成：1主控制器，即中央处理单元cpu。2总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。3存储器，包括数据存储器和程序存储器。4接口，即i/o输入/输出接口电路。5外围设备，如键盘、显示器和光电输入机等。机床数控系统硬件框图（开环系统）如下图所示： 图5.1 机床数控系统硬件框图（开环系统）5.2 选择中央处理单元cpu的类型在微机应用系统中，cpu的选择应考虑以下因素：1时钟频率和字长，着个指标将控制数据处理的速度。2可扩展存储器（包括rom和ram）的容量。3指令系统功能，影响编程灵活性。4i/o口扩展的能力，即对外设控制的能力。5开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。此外还要考虑到系统的应用场合、控制对象对个参数的要求和经济价格比等经济性指标。目前在经济性数控机床中，多采用mcs51系列单片机作为主控制器，因此ca6240的数控改造采用mcs51系列单片机做为主控制器。mcs51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8751具有片内eprom，但价格是8051的1015倍，所以适合于开发样机，小批量生产和需要在现场进一步完善的场合。8051的eprom是intel公司制作芯片时为用户制备的，因此在国内很难采用8051型芯片。而8031片内无rom，适合用于需扩展rom，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。在ca6240的数控改造中也采用8031芯片。5.3 存储器扩展电路设计mcs51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，mcs51系列的最小系统用一片8031外扩一片eprom就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可利用mcs51的扩展功能构成功能强、规模较大的系统。因此，ca6240车床的数控改造需要对mcs51的存储器进行扩展。存储器扩展电路设计包括程序存储器和数据存储器的扩展，其中还包括地址锁存器和译码电路的设计。5.3.1 程序存储器的扩展mcs51的程序存储器的寻址空间为64k字节，8031片内不带rom，用作程序存储器的器件是eprom。其中常用的半导体rom芯片有：27162(2k8)、2732(4k8)、2764(8k8)、27128(16k8)、27256(32k8)、27512(64k8)。2764、27128、27256、27512芯片均为28脚双列直插式扁平封装芯片，引脚向下兼容。不同型号的eprom工作速度也有差别，一般为200450ns，选择时应注意芯片的工作速度是否满足系统时序的要求。8031访问eprom时，其所能提供的读取时间t与所选的晶体时钟有关，约为3t，t为时钟周期。若晶体频率选用6mhz，则t480ns，故凡是工作速度小于480ns的芯片在时序上均满足要求。根据功能要求和价格比较，选用2764芯片作为8031的rom扩展芯片。5.3.2 地址锁存器由于单片机8031芯片的p。口是分时传送低8位地址线和数据线，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器。常用的地址锁存器芯片是74ls373和74ls138。74ls373是带三态缓冲输出的8d触发器。其与8031芯片连接如下图所示：p0.0 p0.7 8031alevcc gnd1d 1q8d 8qg oe 图5.2 8031与74ls373连线图5.3.3 8031与eprom芯片的连接（1）地址线的连接 eprom低8位地址a0a7经地址锁存器与8031p0口（p0.0p0.7）相连；eprom高8位地址线a8a15直接与8031的p2口（p2.0p2.7）相连。由于8031的p0口是分时输出低8位地址和数据，故要外接地址锁存器（常用的地址锁存器有74ls373、74ls138等），并由cpu发出的地址允许锁存信号ale的下降沿将地址信息锁存入地址锁存器中。如外接存储器芯片片内有地址锁存器，则单片机的p0口可与存储器低8位地址线直连，但还要将cpu的ale信号与存储器芯片ale端相连。单片机的p2口用作高8位地址线及片选线，由于p2口输出具有锁存的功能，故不必外加地址锁存器。存储器的8位数据线d0d7与p8031芯片的p0口p0.0p0.7直连，单片机规定指令码和数据都是由p0口读入，数位对应相连即可。（2）控制线的连接8031芯片的（外部程序存储器读选通信号）与eprom芯片的端（外部程序存储器的使能端）相连；8031芯片接地，cpu执行外部程序存储器的指令； 8031芯片ale（地址锁存允许信号）接主地址锁存器74ls373的g引脚。下图为8031外部eprom的一般连接方法：译码电路 p2.7 p2.0 ale 8031 p0.7 p0.0 a15a8a7 eproma0 （0k64k）d7d0g 74ls37374ls373 图5.3 8031与外部eprom的一般连接方法5.3.4 数据存储器的扩展由于8031芯片内部ram只有128字节，远远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器ram。（1）常用的数据存储器常用的静态ram芯片有6116、6264、62256等，6264、62256均采用cmos工艺，由单一5v供电，典型存取时间为150200ns。他们均采用28脚双列直插式扁平封装。（2）8031与外部数据存储器芯片的连接单片机cpu与数据存储器ram的连接方法与程序存储器的连接方法大致相同。唯有控制线连接不同：ram读入信号与8031芯片的（p3.7）引脚相连；ram的写入信号与8031芯片（p3.6）相连。其连接示意图如下图所示：ce1a15a8a7 rama0 d7d0weoe译码电路 p2.7 p2.0 ale 8031 p0.7 p0.0 wr rd eag 74ls37374ls373 图5.4 8031与ram的一般连接方法5.3.5 译码电路的设计 8031单片机允许扩展64k程序存储器和64k数据存储器（包括i/o口芯片），这样就需要扩展多个外围芯片，因而需要把外部地址空间分配给这些芯片，并且使程序存储器各芯片之间、数据存储器各芯片之间（包括i/o口芯片）地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器时避免发生冲突。当80331数据总线分时地与各个外围芯片进行数据传送时，首先要进行