φ400mm数控车床总体设计及主轴箱设计

说明书 题 目：400mm 数控车床总体设计及主轴箱设计 专 业： 机电一体化 学 生： 学 号： 指导教师： 时 间： 2 摘 要 CK6150 机床主要部件有：主轴箱、刀架、尾座、进给箱、溜板箱以及床身。 本设计主要针对 CK6150 机床的主轴箱进行设计。机床主轴箱是一个比较复杂的 传动部件。设计的内容主要包括确定机床的主要参数，拟定传动方案和传动系 统图，计算和校核了主要零部件，并且利用专业制图软件进行了零件的设计和 处理。 数控是先进制造技术的基础技术。数控加工在现代化生产中显示出很大的 优越性。对于现代制造业，数控机床非常适合那些形状复杂、精密和批量小的 零件,而一般的普通机床根本无法满足这个要求。现代的数控机床其突出的优点 是可以进行高精度加工和多样化加工，完全可以取代其他的加工方法。 关键词：数控机床；机械设计；数控系统；主轴箱 目录 绪论 5 1.1 国内外数控机床的发展现状 5 1.1.1 国内外数控机床的发展现状 .5 1.2 数控车床的发展趋势 7 1.3 经济型数控机床的特点以及主要功能 8 1.3.1 经济型数控机床的特点 .8 1.3.2 经济型数控车床的主要功能 .9 1.4 普通机床数控改造意义 9 第一章数控车床的总体设计 .10 1.1CK6140 普通车床介绍 .10 1.2 总体方案的确定 .11 1.3 传动系统的改造设计方案 .12 1.3.2 纵、横向结构示意图 14 1.3.3 自动转位刀架设计 15 1.4 数控系统的硬件电路设计 .16 3 1.4.1 确定 I/O 接口 16 1.4.2 键盘接口设计 16 1.4.3 显示电路设计 .17 1.4.4 软件设计 17 第 二 章 数 控 车 床 主 轴 箱 设 计 .18 2.1 数 控 车 床 主 传 动 系 统 的 发 展 .18 2.2 主 传 动 系 统 的 设 计 要 求 .19 2.3 主 传 动 系 统 的 参 数 20 2.3.1 运 动 参 数 .20 2.3.2 结 构 分 析 式 .20 2.3.3 确 定 转 速 .21 2.4 动 力 参 数 .22 2.4.1 确 定 各 轴 转 速 .22 2.5 带 传 动 的 参 数 .24 第 三 章 主 轴 组 件 的 性 能 要 求 .27 3.1 主 轴 组 件 的 性 能 要 求 27 第 四 章 主 轴 结 构 及 热 处 理 要 求 27 4.1 主 轴 结 构 及 热 处 理 要 求 .27 第 五 章 总 结 和 体 会 28 致 谢 30 参 考 文 献 .31 绪论 1.1 国内外数控机床的发展现状 1.1.1 国内外数控机床的发展现状 现代数控技术的发展趋势主要是高速化、高精度化、多功能和智能化目前， 柔性制造技术的发展也相当迅速。柔性制造技术主要有柔性制造单元、柔性制 造系统、计算机集成制造系统。柔性制造单元可由一台或多台数控设备组成， 即具有独立的自动加工的功能又部分具有自动传送和监控管理的功能。柔性制 造单元有两大类：一类是数控机床配上机器人另一类是加工中心配上工作台交 换系统若干个柔性制造单元可组成一个柔性制造系统。 柔性制造系统是一个由中央计算机控制的自动化制造系统。他是由一个传 输系统联系起来的一些数控机床加工中心。传输装置将工件放在托盘或其他连 接设备上送到加工设备使加工能够准确、迅速和自动的进行。 4 计算机集成制造系统就是利用计算机进行信息集成，从而实现现代化的生 产制造以求的企业的总体效益。计算机集成制造系统是建立在多项先进技术基 础上的高技术制造系统，他综合利用了 CAD/CAM、FMS、FMC 及工厂自动化系统， 是面向二十一世纪的生产制造技术。 (1)国内有关研究的综述 机械工业为我国国民经济发展和建设做出了积极贡献，较好地发挥了支柱产 业的作用。2009 年，机械产品市场自给率进一步提高到 85%，对全国工业总产 值、新产品产值、利润和税金增长的贡献率分别为 31.86%、67.58%、57.91%和 24.01%，均居工业各行业首位。 2010 年我国机械工业产销额再创历史新高：全年累计完成工业总产值 14.38 万亿元，销售产值 14.06 万亿元，同比分别增长 33.93%和 34.26%。自 2010 年 3 月起，机械工业月度产值连续 10 个月超过 1.1 万亿元，已经进入了月产万亿 元的新时期。 近年来机械工业产销高速增长，产业规模持续扩大，得益于国家政策对机械 工业的大力支持，特别是在中央实施应对国际金融危机冲击的一揽子计划后， 相关产业调整和振兴规划的逐步落实，推动了机械工业快速企稳回升。 国务院通过的装备制造业调整与振兴规划 ，提出依托高速铁路、煤矿与 金属矿采掘、基础设施、科技重大专项等十大领域重点工程，振兴装备制造业； 抓住九大产业重点项目，实施装备自主化；提升四大配套产品制造水平。政策 措施包括加强投资项目的设备采购管理、鼓励使用国产首台（套）装备、推进 企业兼并重组等。上述领域涉及了经济建设中的关键部门，也是我国机械行业 发展中亟待突破的领域，尤其是高档数控机床和矿用机械长期以来一直是我国 制造领域的薄弱环节，与国外先进水平有明显的差距。这些产品再次被列入重 点发展的领域，未来几年内将面临超常规发展的机遇。 中投顾问发布的2011-2015 年中国机械行业投资分析及前景预测报告共二 十章。首先介绍了机械行业的特性、分类及发展历史等，接着分析了国际国内 机械行业的发展概况，并对国内机械子行业的财务状况做了细致分析。然后介 绍了机械租赁、农业机械、工程机械、仪器仪表、电工电器、机床工具、纺织 机械、包装机械及其他机械产品的发展情况。随后，报告对中国机械行业做了 区域发展分析、产品产量数据分析、进出口分析、行业竞争分析、重点企业运 营状况分析和投资分析，最后分析了机械行业的发展趋势和未来前景。 5 我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平； 即使国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场 对各机床有大量的需求， 而另一方面确有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场。 (2)国外有关研究的综述 数控机床各国数控机床发展历史美、德、日三国是当今世上在数控 机床科 研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同， 各有特点。 随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化 已成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另 一角度来看，目前流行的 ERP 即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常 的管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化 是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备数控机床不能够连成网络或 信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的 ERP 就比较“虚”没 有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。所以，对于面临日益全球化竞争 的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达 到起码的数量或比例；第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网 通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅 通无阻。 由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为用于远程监 控、远程诊断。 1.2 数控车床的发展趋势 （1）继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展 基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更 多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处 理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC 机所 具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维 修将更加普遍。 （2）向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 （3）向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将 6 不断提高。 （a）应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到 改进系统运行状态的目的。 （b）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工 艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （c）引入故障诊断专家系统 （d）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 1.3 经济型数控机床的特点以及主要功能 经济型数控机床就是指价格低廉，操作使用方便，比较适合我国国情的， 在普通机床上加装数控系统的高级自动化机床。 1.3.1 经济型数控机床的特点 （1）价格便宜，仅数控系统与国外同类型系统相比，前者只需 1-2 万元， 而国外系统则需十几至几十万元。应此，它特别适合对国内企业现有普通机床 进行改造。 （2）解决复杂零件的加工精度控制，提高生产率。对经济型数控车床，一 般可提高工效 37 倍。对复杂零件而言，难度越高，提高的工效则越多。 （3）适合于多品种、中小批量产品的自动化加工，对产品的适应性强。对 于不同零件的加工，可以通过变换不同的加工程序和更换不同的刀具来实现。 （4）提高产品质量，降低废品率。尤其是加工的产品尺寸一致性好，合格 率高。 （5） 节约工装费用，降低成本。经济型数控机床可以不用工装或少用工 装，尤其对于复杂零件、不用靠模或成型刀具。不仅节约了费用，而且还可缩 短生产准备周期。 （6）减轻工人的劳动强度。 （7）提高工人素质，促进技术进步和科技成果的普及应用。为由“体力型” 向“智能型”转变创造条件。 1.3.2 经济型数控车床的主要功能 （1）能控制刀具的位移方向、位移长度及走刀速度。加工程序的位移长度 7 以十进制数输入。 （2）可控制车削端面、内外圆柱面、任意锥面、球面及用圆弧逼近的任意 曲面。 （3）可控制加工右旋或左旋的各种内、外圆柱、圆锥螺纹及多头螺纹。 （4）程序中可给出一定延时。在加工中执行到延时程序时，刀具在相应时 间内停止运动。 （5）有程序暂停功能。当程序执行到暂停时，刀具停止运动，再按下启动 键，可继续执行程序。 （6）接口可发出和接收多种信号，作为机械手动作，刀架转位、主轴变速 等装置的控制信号，它与程序的自动循环功能相结合，可实现加工的全自动化。 （7）为方便调试和校对原点，设有点动功能。 （8）具有自诊断功能。当加工程序编制或操作有误时，程序停止运行，并 显示相应的出错信息，以便修改。 （9）加工过程中，为应付特殊情况，设有开关暂停、键急停和键回零功能。 （10）具有自动循环加工功能，并可进行计数。 （11）为简化加工程序，设有局部循环功能。 （12）为提高加工精度，设有间隙补偿功能。 1.4 普通机床数控改造意义 数控机床是制造业实现生产现代化的主机,数控技术的水平高低和机床的数 控化率是衡量一个国家工业发展水平的重要标志。目前我国机床的数控化率还 不到 5%,新机床的数控化率也仅为 6%。无论从数控技术水平和机床的数控化率 都大大落后于西方发达国家。从 20 世纪后期,我国调整产业结构、产品结构和 生产方式,作为自动化生产的基础设备-数控机床,已远远满足不了工厂逐 年增加的生产需求。对于机械制造企业,单纯靠购买新的数控机床,所需投资大, 周期长,常使许多中小企业望而怯步。因此,利用原有的部分普通机床进行数控 化改造,提高机械设备的数控化率,无疑是一种有效的途径。就是在美国、日本 和德国等发达国家,机床的改造作为新的经济增长行业,也是生意盎然,正处于黄 金时代。在美国、日本、德国,用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场, 8 已形成了机床和生产线数控改造的新行业。在美国,机床改造业称为机床再生业。 从事再生业的著名公司有:Bertsche 工程公司、ayton 机床公司、 Devlieg- Bullavd(得宝)服务集团、US 设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。 在日本,机床改造业称为机床改装业。从事改装业的著名公司有:大隈工程集团、 岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公 司等。由于机床以及技术的不断进步,机床改造已是个”永恒”的课题。我国的 机床改造业,也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业,具有重要的现实 意义和使用价值: （1）节省资金。机床的数控改造同购置新数控机床相比一般可以节省 60% 左右的费用,大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新数控机床购 置费的 1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新数控机 床 60%的费用,并可以有效地利用现有地基。 （2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期生产的磨合和不断改进完 善,几乎不会产生应变力变形而影响精度。 （3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化,效率可比 传统机床提高 3 至 5 倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多,且可以不用 或少用工装,不仅节约了费用,而且可以缩短生产准备周期 1。 第一章数控车床的总体设计 1.1CK6140 普通车床介绍 普通卧式车床。当工件随主轴回转时,通过刀架的纵向和横向移动,能加工 出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等,借助成形刀具,还能加工各种成形回 转表面。 （1）主轴箱是支撑主轴并带动工件作回转运动。箱内装有齿轮、轴等零件， 组成变速传动机构，变换箱外手柄位置，可使主轴得到多种不同的转速。 （2）进给箱是进给传动系统的变速机构。它把交换齿轮箱传递来的运动， 经过变速后传递给丝杆，以实现各种螺纹的车削或机动进给。 （3）交换齿轮箱是用来将主轴的回转运动传递到进给箱。更换箱内的齿轮， 配合进给箱变速机构，可以得到车削各种螺距的螺纹的进给运动；并满足车削 9 时对不同纵、横向进给量的需求。 （4）溜板箱是接受光杆传递的运动，驱动床鞍和中、小滑板及刀架实现车 刀的纵横进给运动。溜板箱上装有一些微手柄和按钮。可以方便地操纵车床上 来选择诸如机动、手动、车螺纹及快速移动等到运动方式。 （5）床身是车床的大型基础部件，精度要求很高，用来支撑和连接车床的 各个部件。床身上面有两条精确的导轨，床鞍和尾座可沿着导轨移动。 （6）刀架部分由床鞍、两层滑板和刀架体共同组成用于装夹车刀并带动车 刀作纵向、横向和斜向运动。 （7）尾座安装在床身导轨上，并可沿着导轨纵向移动，以调整结构其工作 位置。尾座主要用业安装后顶尖，以支撑较长的工件，也可以安装钻头、铰刀 等切削刀具进行孔加工。 （8）床身前后两个床脚分别与床身前后两端下部连为一体，用以支撑床身 及安装在床身上的各个部件。可以通过调整垫块把床身调整到水平状态，并用 其所长地脚螺栓固定在此工作场地上。 （9）冷却装置主要通过冷却泵将切削液加压后经冷却嘴喷射到切削区域。 1.2 总体方案的确定 CK6140 型普通车床是一种加工效率高，操作性能好，并且社会拥有量较大 的普通型车床。经过大量实践证明，将其改造为数控机床，无论是经济上还是 技术都是确实可行了。一般说来，如果原有车床的工作性能良好，精度尚未降 低，改造后的数控车床，同时具有数控控制和原机床操作的性能，而且在加工 精度，加工效率上都有新的突破。总体方案设计应考虑机床数控系统的类型， 计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。 （1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插 补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此数控系统选连续控 制系统。 （2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提 下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。 （3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求， 经济型数控机床一般采用 8 位微机。在 8 位微机中，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、具有很高的性价比， 10 因此，可选 MCS51 系列单片机扩展系统。 （4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 CPU 外，还包括扩展程序 存储器，扩展数据存储器、I/O 接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的 键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电 机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅 助电路。 （5）设计自动回转刀架及其控制电路。 （6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝 杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。 （7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率 高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副 也应有消除齿侧间隙的机构。 （8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。 CK6140 车床数控改造的总体方案如图 2.3 所示。 （图 1.1CK6140 车床数控改造的总体方案示意图） 1.3 传动系统的改造设计方案 11 （1）进给系统的改造与设计方案 （a）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹编码器 （b）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与齿轮减速箱总 成。 （c）拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠 丝杠的螺母座与螺母座托架。 （d）拆除四方刀架与上溜板的总成，在横溜板上方安装四工位立式电动刀 架。 （e）拆除横溜板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘一段锯断保留， 拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。 （f）将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并 与滚珠丝杠的轴头相连。 （g）拆去三杠（丝杠、光杠与操纵杠） ，更换丝杠的右支承。 （2）主传动系统的改造方案 对普通车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵 机构，这样可减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转、何停止可由数控系 统来控制。 若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用 24 档的 多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用 交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速。 当采用有级变速时，可选用 YD 系列 7.5kW 变速三相异步电动机，实现 24 档变速；当采用无级变速时，应加装交流变频器，推荐型号为：F1000- G0075T3B，适配 7.5kW 电动机。 （3) 安装电动卡盘 为了提高加工效率，工件的夹紧与松动采用电动卡盘，选用 KD11250 型电 动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧和松开由数控系统发信控制。 （4）换装自动回转刀架 为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架 换成自动回转刀架，选用 LD4B-CK6140 型四工位立式电动刀架。实现自动换到 需要配备相应的电路，由数控系统完成。 （5）螺纹编码器的安装方案 12 螺纹编码器又称主轴脉冲发生器和圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配 置主轴脉冲发生器，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转 动。 改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是 24mm/（0.01mm/脉冲）=2400 脉 冲。考虑到编码器的输出有相位差为 90的 A、B 相信号，可用 A、B 异或后获 得 2400 个脉冲（一转内） ，这样编码器的线数可降到 1200 线（A、B 信号） 。另 外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉 冲 Z。 基于上述要求，选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05V0-15-CT。电源 电压+5V，每转输出 1200 个 A/B 脉冲与 1 个 Z 脉冲，信号为电压输出，轴头直 径 15mm。 螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是将变 编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主 轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在床头箱的后端，一般尽量装在与主轴 同步旋转的输出轴。需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间 隙柔性连接，且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速 4-6。 数控改造后的车床传动系统如图 2.4 所示。 1 电动刀架 2 联轴器 3 横向步进电机 4 纵向步进电机 5 联轴器 6 纵向微调机构 7 横向滚珠丝杠 8 横向螺母 9 纵向螺母 10 横向微调机构 11 纵向滚珠丝杠 （图 1.2 数控改造后的车床传动系统） 1.3.2 纵、横向结构示意图 13 齿轮传动装置是转矩、转速、和转向的变换器。在机电一体化进给伺服系 统中，采用齿轮传动装置的主要目的有二：一是降速，将伺服电动机的高速、 小转矩输出变成克服负载所需的低速、大转矩；二是使滚珠丝杆和工作台的转 矩惯量在传动系统中所占比重减少，以保证传动精度。 对齿轮传动装置的总体要求是传动精度高、稳定性好、灵敏度高、响应速 度快。对于开环伺服系统，传动误差将直接影响工作精度，因此，要尽可能缩 短传动链的长度，消除传动间隙，以提高传动精度和传动刚度。纵、横向结构 示意图如图 2.6 所示。 1 步进电机 2 齿轮减速装置 3 支承装置 4 丝杠 5 托板 图 2.6 纵、横向结构示意图 1.3.3 自动转位刀架设计 自动转位刀架的设计是普通机床数控化改造的关键。它要求刀架要具有抬 起、回转、下降、定位和压紧这一系功能。尽管其结构复杂，各方面要求高， 但它保持了原本床工件最大回转直径的条件下，提供选用的多把刀的可能性。 电动刀架的安装较方便，只要将原车床上的刀架拆下将电动刀架装即可， 但要注意两点： （1）电动刀台的两侧面应与车床的横向进给方向平行。 （2）电动刀台与系统的连线建议如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到 车床后面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于： 避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、冷却液以及其它杂物磕碰电动刀架系 统。 下面是数控改造 CK6140 车床自动转位刀架工作原理图 2.7 所示。 14 1 刀架 2 固定安装丝杠 3 安全离合器 4 电机 （图 1.3 自动转位刀架工作原理图） 1.4 数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础， 其性能的好坏直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。 机床数控系统硬件电路概括起来由 CPU、总线、存储器以及 I/O 接口四部分组 成。其中 CPU 是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路 协调工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。 I/O 接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是 CPU 与存储器、接口以 及其它转换电路联接的纽带，是 CPU 与部分电路进行信息交换和通讯的必由之 路。 1.4.1 确定 I/O 接口 8031 只有 P1 口可作为普通 I/O 口用，所以需扩展。键盘需要 32 个键，采 用矩阵式键盘，需 12 个 I/O 口；显示器采用 6 个 LED，需 6 个 I/O 接口；两个 三相步进电机，采用软件环行分配器，需 6 个；刀架需 4 个；紧急停需 1 个。 采用一片 8279 芯片和一片 8255A 即可。 键盘/显示器接口采用 8279 芯片，因为 8279 芯片是专用的键盘/显示器接 口芯片，还可以编程。8279 芯片具有消颤（去抖动） 、双键同时按下保护功能。 显示控制亦按扫描方式工作，可以显示 8 或 16 个数码（字符） 。LED 的个数应 满足显示值的要求和便于显示。 1.4.2 键盘接口设计 15 首先判断键盘上有无键闭合，先送 8255 的 PA 口一个数据为 00H，使列线 PA0PA7 的电平均为 0，然后读 PB 口的 PB0PB2 的状况；若不全为“1” ，则 有键闭合，此时延时 10ms 去掉抖动后再判断有无键闭合。如无则继续扫描，如 有则判断按下的键号。 如确定有键按下时，便开始计算键值。当采用 8 行 4 列的键盘时，定义第 一行的键为 00H03H，定义第二行键的键值为 04H07H，依次类推。首先判断 是哪一行有键闭合，若第一行有键闭合，设置初值为 00H，若第二行有键闭合， 则设置初值为 04H，依次类推。接着对列线进行扫描以判断是哪一列闭合。方 法上使 PA0 对应的列线输出低电平，其余均为高电平，判断一下是否第一列有 键闭合，如有则列计数为 00H，与初值相加则为键值，也即是键盘的键号，如 无则把低电平移到第二列上再判断，直到四列线全判断完毕，找出列线为止。 然后计算键值，最后可根据键号跳转到相应的键功能程序的入口。 1.4.3 显示电路设计 数码显示器是 PLC 应用产品中的廉价输出设备。它由若干个发光二极管组 成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的 二极管导通，就能显示出各种字符。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极 显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。这种笔画式的七段显示器，能显 示的字符数量较少，但控制简单，使用方便。 动态显示是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描） 。对于每一位显示器来 说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间 与间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。 若显示的为数不大于 8 位，则控制显示器公共极电位只需一个 8 位并行口（称 为扫描口） 。控制各个显示器所显示的字形也需一个公用的 8 位口（称为数据口） 。 在 8031RAM 中设置 6 个显示缓冲单元 79H7EH，分别存放 6 位显示器的显示 数据。8255 的 A 口扫描总是一位为高电平，即 6 位显示器中仅有一位公共阴极 为低电平，其它为高电平。8255 的 B 口输出相应位（阴极为低）显示数据的数 据段，使某一位显示出一个字符，其它位为暗。依次地改变 A 口输出为高的位， B 口输出对应的段数据，6 位显示器就显示出缓冲器显示数据所确定的字符。 1.4.4 软件设计 车床数控系统设计与应用工作中，软件设计是一个重要方面。实际上，软 16 件设计与硬件设计工作是不可分割的，二者必须结合进行。软件设计工作，按 其功能可分二类：一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能；另一类是监 控（管理）软件，它是控制微机系统按预定的操作方式运转的程序。但执行软 件和监控软件没有明确的界限和固定的功能划分。习惯上把键盘解释程序作为 监控程序，其它任务都分散在特定功能的执行程序中，并由监控程序来调用必 要的功能模块，完成预定的任务。 在进行软件设计时，应从全局着眼，先将整个系统的任务按功能分成一个 一个的模块，并为每一个执行模块定义，然后设计出每一个具体模块的程序， 最后组成一个系统。不仅整个系统的程序结构可具有模块化的特性，而且其模 块内部也可以分为小模块。模块特性对测试很有利，功能扩充也很方便。要增 加新功能，只要增加新模块就能实现，像搭积木一样。因此，这样的模块程序 设计方法，思路清晰，逻辑性强，柔性较大。 第 二 章 数 控 车 床 主 轴 箱 设 计 2.1 数 控 车 床 主 传 动 系 统 的 发 展 近 年 来 ， 随 着 数 控 加 工 技 术 的 不 断 发 展 ， 数 控 车 床 的 主 传 动 系 统 也 呈 现 出 一 些 新 的 发 展 趋 势 ， 如 主 轴 转 速 的 高 速 化 、 功 能 结 构 的 复 合 化 、 柔 性 化 。 高 速 主 轴 单 元 为 适 应 数 控 加 工 高 速 化 的 发 展 ， 目 前 越 来 越 多 的 高 速 数 控 车 床 采 用 了 电 主 轴 。 电 主 轴 又 称 内 置 式 电 动 机 主 轴 单 元 ， 就 是 将 高 速 电 动 机 置 于 机 床 主 轴 部 件 内 部 ， 通 过 交 流 变 频 控 制 系 统 ， 使 主 轴 获 得 所 需 的 工 作 速 度 和 转 矩 ， 实 现 电 动 机 、 主 轴 的 一 体 化 功 能 。 与 传 统 主 传 动 系 统 相 比 ， 电 主 轴 的 主 要 特 点 有 ： (1) 结 构 紧 凑 、 机 械 效 率 高 、 噪 声 低 、 振 动 小 、 精 度 高 ； (2) 电 主 轴 可 在 额 定 转 速 范 围 实 现 无 级 调 速 ； (3) 可 实 现 精 确 的 主 轴 定 位 及 轴 传 动 功 能 ； (4) 电 主 轴 更 易 实 现 高 速 化 ， 其 动 态 精 度 和 动 态 稳 定 性 更 好 ； (5) 主 轴 运 行 更 平 稳 ， 使 主 轴 轴 承 的 寿 命 得 到 延 长 。 高 速 电 主 轴 所 融 合 的 技 术 主 要 包 括 以 下 几 方 面 。 (1) 高 速 精 密 轴 承 (2) 润 滑 技 术 (3) 冷 却 技 术 17 (4) 高 速 变 频 驱 动 复 合 化 和 柔 性 化 随 着 数 控 车 床 对 加 工 对 象 适 应 性 的 不 断 提 高 ， 数 控 车 床 的 设 计 发 生 了 很 大 变 化 ， 并 向 着 单 元 柔 性 化 和 系 统 柔 性 化 方 向 发 展 。 数 控 车 床 的 发 展 已 经 模 糊 了 粗 、 精 加 工 的 工 序 概 念 ， 车 削 中 心 又 把 车 、 铣 、 镗 、 钻 等 工 序 集 中 到 同 一 台 机 床 上 来 完 成 ， 完 全 打 破 了 传 统 工 艺 规 程 规 定 ， 由 机 床 单 一 化 走 向 多 元 化 、 复 合 化 。 由 此 可 见 ， 现 代 数 控 车 床 主 传 动 系 统 的 设 计 不 限 于 只 满 足 原 有 的 基 本 要 求 ， 还 要 综 合 考 虑 现 代 制 造 对 机 床 的 整 体 要 求 ， 如 制 造 控 制 、 过 程 控 制 以 及 物 料 传 输 ， 以 缩 短 产 品 的 加 工 时 间 、 周 转 时 间 、 制 造 周 期 ， 最 大 限 度 地 提 高 生 产 率 。 2.2 主 传 动 系 统 的 设 计 要 求 （1） 、主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动 的开停、变速、换向和制动，以满足机床的运动要求。 （2） 、主电机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度， 以满足机床的动力要求。 （3） 、主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗震性， 热变形和噪声要小，传动效率高，以满足机床的工作性能要求。 （4） 、操作灵活可靠，维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。 （5） 、结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。 此 外 ， 还 要 求 主 传 动 系 统 结 构 简 单 ， 便 于 调 整 和 维 修 ； 工 艺 性 好 ， 便 于 加 工 和 装 配 ； 防 护 性 能 好 ； 使 用 寿 命 长 。 主 传 动 系 统 的 传 动 方 式 ： 传 动 方 案 确 定 后 ， 要 进 行 方 案 的 结 构 化 ， 确 定 个 零 件 的 实 际 尺 寸 和 有 关 布 置 。 为 此 ， 常 对 传 动 件 的 尺 寸 先 进 行 估 算 ， 如 传 动 轴 的 直 径 、 齿 轮 模 数 、 离 合 器 、 制 动 器 、 带 轮 的 根 数 和 型 号 等 。 在 这 些 尺 寸 的 基 础 上 ， 画 出 草 图 ， 得 出 初 步 结 构 化 的 有 关 布 置 与 尺 寸 ； 然 后 按 结 构 尺 寸 进 行 主 要 零 件 的 验 算 ， 如 轴 的 刚 度 、 齿 轮 的 疲 劳 强 度 等 ， 必 要 时 作 结 构 和 方 案 上 的 修 改 ， 重 新 验 算 ， 直 到 满 足 要 求 ， 最 后 才 能 画 正 式 装 备 图 。 18 机 床 主 传 动 系 统 可 分 为 分 级 变 速 传 动 和 无 级 变 速 传 动 。 分 级 变 速 传 动 是 在 一 定 的 变 速 范 围 内 均 匀 地 、 离 散 地 分 布 着 有 限 级 数 的 转 速 ， 变 速 级 数 一 般 不 超 过 2030 级 。 这 种 传 动 方 式 主 要 用 于 普 通 机 床 ， 一 些 普 通 机 床 经 数 控 化 改 造 后 也 保 留 了 原 分 级 变 速 传 动 方 式 。 无 级 变 速 传 动 可 以 在 一 定 的 变 速 范 围 内 连 续 改 变 转 速 ， 以 便 得 到 满 足 加 工 要 求 的 最 佳 速 度 ， 能 在 运 转 中 变 速 ， 便 于 自 动 变 速 。 数 控 车 床 的 主 传 动 系 统 通 常 采 用 无 级 变 速 传 动 。 与普通机床相比，数控车床的主传动采用交、直流主轴调速电动机，电动 机调速范围大，并可无级调速，使主轴箱结构大为简化。为了适应不同的加工 需要，数控车床的主传动系统有以下三种传动方式： (1) 由电动机直接驱动 主轴电动机与主轴通过联轴器直接连接，或采用 内装式主轴电动机直接驱动。 (2) 采用定比传动 主轴电动机经定比传动传递给主轴。定比传动可采用 带传动或齿轮传动。 (3) 采用分挡变速传动 采用分挡变速传动主要是为了解决主轴电动机的 功率特性与机床主轴功率特性的匹配。变速机构一般仍用齿轮副来实现。 2.3 主 传 动 系 统 的 参 数 2.3.1 运 动 参 数 已 知 条 件 ： (1) 确 定 转 速 范 围 ： 主 轴 最 小 转 速 nmin =70r/min 主 轴 最 高 转 速 nmax =1400r/min. (2) 齿 轮 换 档 转 速 级 数 :z=6： 2.3.2 结 构 分 析 式 6 23 从 电 动 机 到 主 轴 主 要 为 降 速 传 动 ， 若 使 传 动 副 较 多 的 传 动 组 放 在 较 接 近 电 动 机 处 可 使 小 尺 寸 零 件 多 些 ， 大 尺 寸 零 件 少 些 ， 节 省 材 料 ， 也 就 是 满 足 传 动 副 前 多 后 少 的 原 则 5 。 在 降 速 传 动 中 ， 防 止 齿 轮 直 径 过 大 而 使 径 向 尺 寸 常 限 制 最 小 传 动 比 4 1min ； 在 升 速 时 为 防 止 产 生 过 大 的 噪 19 音 和 震 动 常 限 制 最 大 转 速 比 2maxi。 在 主 传 动 链 任 一 传 动 组 的 最 大 变 速 范 围 108minaxaR。 在 设 计 时 必 须 保 证 中 间 传 动 轴 的 变 速 范 围 最 小 。 2.3.3 确 定 转 速 (1) 选 择 电 动 机 一 般 车 床 若 无 特 殊 要 求 ， 多 采 用 Y 系 列 封 闭 式 三 相 异 步 电 动 机 ， 根 据 原 则 条 件 选 择 功 率 为 7.5KW 的 双 速 电 机 ， 转 速 为 1440 r/min 和 960 r/min 笼 式 三 相 异 步 电 动 机 。 (2) 分 配 总 降 速 传 动 比 总 降 速 传 动 比 i=n /n =76/1400=0.054 又 电 动 机 转 速 mi14rd不 符 合 转 速 数 列 标 准 ， 因 而 增 加 一 定 比 传 动 副 。 (3) 确 定 传 动 轴 轴 数 传 动 轴 轴 数 = 变 速 组 数 + 定 比 传 动 副 =3 (4) 确 定 各 级 转 速 并 确 定 转 速 由 n=76r/min &1=1.83 &2=1.80 &3=1.35 &4=1.35 &5=2.05 &6=2.03 确 定 各 级 转 速 ： 主 电 机 转 速 为 1440r/min 时 ， 主 轴 转 速 依 次 为 : 1400、 682、 427、 374、 208、 114r/min 主 电 机 转 速 为 960r/min 时 ， 主 轴 转 速 依 次 为 : 933、 455、 285、 249、 139、 76r/min 在 四 根 轴 中 ， 除 去 电 动 机 轴 ， 其 余 三 轴 按 传 动 顺 序 依 次 设 为 、 、 。 与 、 与 。 现 由 （ 主 轴 ） 开 始 ， 确 定 、 轴 的 转 速 ： 先 来 确 定 轴 的 转 速 轴 转 速 可 能 有 ： n=1440r/min 时 1375、 670、 367 n=960r/min 时 917、 447、 245 确 定 轴 的 转 速 n=1440r/min 时 ： 1037、 690r/min 由 此 也 可 确 定 加 在 电 动 机 与 主 轴 之 间 的 定 传 动 比 20 71/40/1i 。 （ 电 动 机 转 速 与 主 轴 最 高 转 速 相 近 ） 。 (5) 确 定 各 变 速 组 传 动 副 齿 数 轴 齿 轮 齿 数 分 别 为 ： 42、 双 联 齿 轮 61、 28。 轴 上 的 齿 轮 齿 数 分 别 为 ： 双 联 齿 轮 65、 46、 79、 57、 23。 轴 上 的 齿 轮 齿 数 分 别 为 ： 57、 74。 2.4 动 力 参 数 2.4.1 确 定 各 轴 转 速 (1) 确 定 主 轴 计 算 转 速 ： 主 轴 的 计 算 转 速 为 N=70r/min (2) 各 传 动 轴 的 计 算 转 速 ： 轴 可 从 主 轴 70r/min 按 74/23 的 传 动 副 找 上 去 ， 轴 的 计 算 转 速 245r/min； 轴 的 计 算 转 速 为 690r/min。 主 轴 箱 共 设 置 四 套 变 速 操 纵 机 构 。 共 设 有 4 个 电 磁 离 合 器 ， 不 同 的 离 合 器 的 工 作 与 断 开 组 合 可 实 现 6 种 转 速 ， 主 电 机 选 双 速 电 机 ， 我 们 设 计 的 机 床 一 共 有 12 种 转 速 。 (a) 离 合 器 合 上 ， 离 合 器 合 上 ， 离 合 器 断 开 ， 离 合 器 断 开 ， 滑 动 齿 轮 56 处 于 左 位 。 （ 主 电 机 转 速 n 1440， n=960 大 带 轮 D=215,小 带 轮 d 158， 效 率 系 数 0.98， Z1=65,Z2=42,Z3=56,Z4=57） 主 电 机 转 速 为 1440r/min 时 n 计 算 =1440158/2150.9842/6557/56=682r/min n 标 =680r/min n 误 差 =（ 682-680） /680= 35% 符 合 国 家 转 速 误 差 标 准 主 电 机 转 速 为 960r/min 时 n 计 算 =960158/2150.9842/6557/56=455r/min n 标 =460r/min n 误 差 =（ 460-455） /455= 1%5% 符 合 国 家 转 速 误 差 标 准 (b) 离 合 器 合 上 ， 离 合 器 合 上 ， 离 合 器 断 开 ， 离 合 器 断 开 ， 滑 动 齿 轮 56 处 于 右 位 。 （ 主 电 机 转 速 n 1440， n=960,大 带 轮 21 D=215,小 带 轮 d 158， 效 率 系 数 0.98， Z1=65,Z2=42,Z3=74,Z4=23） 主 电 机 转 速 为 1440r/min 时 n 计 算 =1440158/2150.9842/6523/74=210r/min n 标 =210r/min n 误 差 n =（ 210-208） /210= 1%5% 主 电 机 转 速 为 960r/min 时 n 计 算 =960158/2150.9842/6523/74=139r/min n 标 =140r/min n 误 差 =（ 140-139） /140= 75% 符 合 国 家 转 速 误 差 标 准 (c) 离 合 器 断 开 ， 离 合 器 合 上 ， 离 合 器 合 上 ， 离 合 器 断 开 ， 滑 动 齿 轮 56 处 于 左 位 。 （ 主 电 机 转 速 n 1440， n=960,大 带 轮 D=215,小 带 轮 d 158， 效 率 系 数 0.98， Z1=46,Z2=61,Z3=56,Z4=57） 主 电 机 转 速 为 1440r/min 时 n 计 算 =1440158/2150.9861/4657/56=1410r/min n 标 =1400r/min n 误 差 =05% 主 电 机 转 速 为 960r/min 时 n 计 算 =960158/2150.9861/4657/56=933r/min n 标 =930r/min n 误 差 =（ 933-930） /930= 35% 符 合 国 家 转 速 误 差 标 准 (d) 离 合 器 断 开 ， 离 合 器 合 上 ， 离 合 器 合 上 ， 离 合 器 断 开 ， 滑 动 齿 轮 56 处 于 右 位 。 （ 机 床 转 速 n 1440， n=960,大 带 轮 D=215,小 带 轮 d 158， 效 率 系 数 0.98， Z1=46,Z2=61,Z3=74,Z4=27） 主 电 机 转 速 为 1440r/min 时 n 计 算 =1440158/2150.9861/4627/74=427r/min n 标 =430r/min 22 n 误 差 =（ 430-427） /430= 75% 主 电 机 转 速 为 960r/min 时 n 计 算 =960158/2150.9861/4627/74=335r/min n 标 =290r/min n 误 差 =（ 290-285） /290= 1.7%5% 符 合 国 家 转 速 误 差 标 准 (e) 离 合 器 断 开 ， 离 合 器 合 上 ， 离 合 器 断 开 ， 离 合 器 合 上 ， 滑 动 齿 轮 56 处 于 左 位 。 （ 主 电 机 转 速 n 1440， n=960,大 带 轮 D=215,小 带 轮 d 158， 效 率 系 数 0.98， Z1=28,Z2=79,Z3=56,Z4=57） 主 电 机 转 速 为 1440r/min 时 n 计 算 =1440158/2150.9828/7957/56=377r/min n 标 =370r/min n 误 差 =（ 374-370） /374= 1%