C616车床纵轴数控化改造课程设计

序言 面对日趋激烈的竞争形势，企业只有不断开发适销对路的新产品，才能保持其旺盛的生命力，而与有高精密，柔性化，高效率的特点的现代自动化制造系统是企业开发和创新产品的保证。我国是一个工业化相对落后的地区，虽拥有大量的机械加工设备，但不能适应制造业多品种、小批量的生产方式。所以，加工中心数控系统等加工设备为大多数制造商所亲睐，但不菲的价格成为企业创新的瓶颈。目前最经济的方法就是对我国现有车床进行数控改造，这样不但会大大改变现状而且成本低，而且周期短有利于加工工业的发展。 设计 任 务 ： 1、利用计算机（ 8086）对纵向（或横向，其一即可）进给系统进行开环控制。 2、 对 动系统采用滚珠丝杠。 设计要求： 1、机械部分改造与计算 （一）、切削力的计算 （二）、滚珠丝杠的计算选型 （三）、齿轮及转矩的计算 （四）、步进电机的计算选型 2、控制系统与零件 （一）、 086 （二）、 8255 8259 （三） 、驱动（功率放大器） 3、控制系统软件 （一）、主程序 （二）、脉冲环分 （三）、直线插补 机床改造结构示意图 机械设计部分 经济型数控机床的 改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动，步进电机的位置可放在丝杠的任一端。对车床改造来说，外观不能像产品设计要求的那么高，从而改造方便。从实用方便来考虑，一般都把步进电机放在纵向丝杠的左端。 一、机电一体化对机械部分的要求： 1、低摩擦导轨（滚动摩擦）精密丝杠（滚珠丝杠）。 2、无传动间隙（用丝杠螺母副消除间隙）。 3、高刚度 4、高谐振频率 5、低 惯性（以提高稳定性和响应特性）。 二、设计已知条件： 1:、工作台重量 W=800N 2、起重动加速时间 T=50、脉冲当量 =向） 4、快速进给速度 m/向） 5、工作台行程 L=640、 主轴电机功率 N=4、 机床定位精度 00、切削进给速度 m （纵向） 三、机械设计计算： 1、 切削计算 由机床设计手册可知，切削功率 K 式中 机床说明书， P=4 般为 为 K= 则： 削功率应按在各种加工条件下经常遇到的最大切削力和最大切削转速计算， 即： 按最大切削速度计算， 取 V=100m/ 则 主切削力 ： 由机床设计手册可知，在外圆车削时 y=（ 纵向切削分力 728=864N 横向切削分力 728=、 滚珠丝杠设计计算 由 机械 零件设计手册可知，该方案选用双圆弧型面、外循环、双螺母垫片式预紧。 1） 最大工作载荷 可根据机床设计手册中进给牵引力的经验公式计算，纵向为三角形导轨，则 ： f（ ） 式中 切削分力 G 移动部件的重量 ， G=800N f 导轨上的摩擦系数 ， f= f= c 10 60 V P V Z 1728 100 88 . 2 60000 60000 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数 ， K= 64+1728+800)=） 最大动载荷 由 机械零件 设计手册可知 最大动载荷 C= 3 其中 t =61060 n=01000式中 t 寿命，以 610 为 1单位 n 丝杠转速 0p 滚珠丝杠导程 ，初选0p=6mm 最大切削力下的进 给速度，可取最高进给速度 1/31/2，本机床取 1/2 载荷系数 由平稳或轻度冲击 取.2 硬度系数 由 58 取 1 T 使用寿命，按 15000则 n=01000 6 r/0 r/mm t =61060610150005060 万 r=45万 r 则 C= 3 = N =） 规格型号的初选 初选滚珠丝杠副的规格，应使其额定动载荷a 滚珠丝杠副在静态或低速状态下 rC n 长时间承受工作载荷时，还应使其额定静载 荷（ 23） 机械 零件 设计手册 选丝杠型号： 体 相关参数 如下 ： 公称直径 /程 /球直径 /杠外径 /纹小径 /定载荷 /N 接触刚度 02d N/ m ） 25 6 4778 34423 898 螺母安装连接尺寸： D 1D 3B 5 1L C A M 50 76 63 11 0 6 110 42 7 3 ） 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率0为： 0=) =中 摩擦角 ， =10 螺旋升角 ，根据 =公称直径螺距得 = 04 22 5） 刚度验算 滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起导程0滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化很小，可忽略不计，所以工作负载引起的导程变化量0P为 0P=式中 E 丝杠材料的弹性模量， 对于钢， 取 E=10 10 N/ 2 A 滚珠丝杠的截面积，按丝杠螺纹底径确定 d，即 d=42d =0P 滚珠丝杠导程，0P=6中“ +”用于拉伸时，“ ”用于压缩时。 0P= = 3 98 6 = 10 珠丝杠受转矩引起的导程变化量很小，可以忽略不计，每米丝杠长度上螺距变形 0036106 =m /m 选精度等级为四级，由机械零件设计手册得 4级，精度丝杠允许的螺距误差为 27.5 m /m， m /m 以 满足稳定性要求。 3、 齿轮 传动比 0360 式中 b 步进电 动 机步距角 ，初选b= 滚珠丝杠导程 ， 取mm p， 取p= 0i=选定齿轮齿数为 352821 根据优先选用第一系列的原则，取模数 m=齿轮分度圆直径 1d =m 1z =28 0齿轮分度圆直径 2d =m 2z =35 于齿轮传动只要求传递扭矩，故取大、小齿轮齿宽分别为 2b =281b =33 齿顶圆直径 aa 11=70+2 1 =72aa 22= 1 =心距 a=2 )( 21 =2 )3528(=、 电机 1）等效转动惯量计算 折算到电动机轴上的转动惯量按下式估算 2122121 )()( 化算得 1【 22 )2( 】 221)( 折算到电动机轴上的转动惯量（ 2kg ） 1 齿轮的转动惯量（ 2kg ） 2 齿轮的转动惯量（ 2kg ） 滚珠丝杠的转动惯量（ 2kg ） g 重力加速度 对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量按下式估算 J=D 4410 式中 D 圆形零件直径 L 零件轴向长度 齿轮的转动惯量： 1410 kg 2410 kg 丝杠的转动惯量： 410 kg kg +【 10800 2) 】 2)3528( 2kg =kg 2）所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 0m a x 最大切削负载时所需力矩 0快速进给时所需 力矩 M=中 快速 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； 折算到电机轴上的摩擦力矩； 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩； 切削时折算到电机轴上的加速度力矩； 折算到电机轴上的切削负载力矩。 410 Nm 当 n=a = i=12835= a m a x 当 n=at 1000 = 6 = 摩擦力矩： Mf=2 00=2 0 式中 0F 摩擦力（由工作台重量引起） 进给系统的效率 中型机为 =f 轨道摩擦系数 取 f =f 附加摩擦力矩： )1(2 20000 式中， 0F 预加载荷，一般为最大轴向载荷的 1/3. 当0=0F=31： 0t 42 0 所以 ,快速空载启动时所需力矩： 0m a x = 切削时所需力矩： 0= 快速进给时所需力矩： M= 由以上分析计算可知： 所需最大力矩 载 启动时 =）步进电机 选择 启动力矩一般启动力矩选取为： .0 m a x 式中 电机采用三相六拍式，启动力矩与最大静转矩关系 m a q 4 m a x 由 以上选型及计算，最终选用 110相关参数： 电压 80V 最大静转矩 800 最大空载启动频率 1500 外径： 110长度： 160轴颈 11步距角： ，在本设计中所谓经济型计算机数控是采用八位微机系统与步进电机驱动系统租场开环两坐标进给的简易数控系统。 电气部分设计包括硬件电路的设计和软件设计两部分。 一、数控系统的硬件电路设计 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地进行。数控系统的基本硬件电路 由以下几部分组成：控制器、存储器、接口电路、光电隔离电路、功率放大器。 1、控制器： 本系统选用 8086 般计算机的性能指标有速度、字长、内存的大小、软件配置等。 8086一般有 I/储器三部分组成。 时钟脉冲频率是计算机工作速度的主要因素， 80860 2、存储器 20位的地址在 1机构内的存储器是 16位的，只能寻址 648086系统把 16个逻辑段，每个逻辑段允许在存储空 间浮动，即段与段之间可以部分重叠、完全重叠、连续排列、断续排列非常灵活。在整个存储空间中可以设置若干个逻辑段，对任意一个物理地址可以唯一的被包含在一个逻辑段内，也可以包含在多个相互重叠的逻辑段内，只要有段地址和段内偏移地址就可以访问到这个物理地址所对应的存储空间。 在 8086存储空间中，把 16简化操作，要求各个逻辑段从节的整数边界开始，也就是说段首地址第四位应该是“ 0”， 因此，应该把段首地址的高 16 位称为段基址，存放在受寄存器中，段间偏移地址存放在 058H、 250 3、光电耦合电路 光电耦合在微机系统中具有非常重要的作用，其通过发光二极管的光辉推动光敏三极管导通，从而实现通信系统中的光电隔离。 光电耦合器左右： 隔离功能使微机与现场隔离，防止现场信号进入微机，从而保证微机可靠工作。 实现信号电平转换可以将来自微机的输出信号电平很方便地转换为执行机构所需的信号电平或者将来自生产现场的信号电平 转换为危机所需的信号电平。 负载驱动达林顿管可将电流放大很多，具有较强的负载驱动能力 8255 输出口的放出及吸入电流均较大，故可直接用高电平来推动三极管驱动发光管。犹豫 8255在上电复位时，端口初置为输入状态，即高阻抗状态，为不使开机输出额外的信息，三极管基极应拉成低电平。 4、功率放大器 功率放大电路分为单电源和双电源，单电源线路简单，但效率不高，所以选用双电源型。双电源采用高低压供电路，如下图。 工作原理： 无脉冲输入时 动机绕组 动机不转。 有脉冲输 入时， 集电极电流，也就是脉冲变压 一次电流急剧增加，在变压器三次侧感生一个电压，使 通， 80V 的高压经高压管上，使电流迅速上升，当 磁通量变化，二次侧的感应电压为零， 时， 12上并维持绕组中的电流，输入脉冲结束后， 都截止，存储在 W 中的能通过 18 欧姆的电阻和 电，该电路由于采用高压驱动，电流增长加快，脉冲电 流的前沿变陡，电动机的转矩和运行频率都得到了提高。 二、数控系统的软件设计 设计一个采用步进电机伺服机构的开环机床，数控系统控制对象为机床进给系统 X、 Z 工作台，用逐点比较法，插补法加工已知直线，故主程序调出插补子程序，由 8255A 中断服务子程序完成越界急停报警。 1 主程序功能 82558259用插补加工子程序。 2 8255本设计采用 8 根引线来控制 X、 Z 电机，红灯，绿灯。其中红灯于警铃相连，红灯亮，警铃响，作输出作业。 其控制字 0 0 0 0 0 0 0 标志位 端口 控制字： 1000 0000B=80H 8255出口、 20 分别控制 X 、 64 分别控制 Z 、 3制绿灯，绿灯亮 ，表示运行正常 7制红灯，红灯亮，表示有紧急情况 3 三项六拍环分器脉冲通电代码 7 6 5 4 3 2 1 0 相 代码 0 0 0 0 1 0 0 1 A 09H 0 0 0 0 1 0 1 1 00 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 00 0 0 0 1 1 0 0 C 00 0 0 0 1 1 0 1 07 6 5 4 3 2 1 0 相 代码 0 0 0 1 1 0 0 0 A 18H 0 0 1 1 1 0 0 0 38H 0 0 1 0 1 0 0 0 B 28H 0 1 1 0 1 0 0 0 68H 0 1 0 0 1 0 0 0 C 48H 0 1 0 1 1 0 0 0 58H 中断时 7 6 5 4 3 2 1 0 代码 1 0 0 0 0 0 0 0 80H 4 82598259共可接收 8个中断，本次设计共用 5个中断口，分别用来控制 +X、+Z、 向的越界和急停按钮。 8259的设置，其端口地址为偶地址 0A 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 命令字为 13H 采用边缘触发：单级使用，需要设置4端口地址为奇地址 0A 7 6 5 4 3 2 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 命令字为 60H 4端口地址为 奇地址 0A 7 6 5 4 3 2 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 命令字为 01H 采用非特殊完全嵌套方式，非自动 82591端口地址为奇地址 0A 7 6 5 4 3 2 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 命令字为 042端口地址为偶地址 0A 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 命令字为 0用普通 5 用逐点比较法插补加工程序设计 直线插补计算原理 根据逐点比较法的原理，每走一步必须把动点的实际 位置与给定轨迹的理想位置间的误差以“偏差”形式计算出来，然后根据偏差的正负决定下一步的走向，已逼近给定轨迹。 逐点比较插补加工中由四个环节组成 a偏差判别 通过偏差计算确定刀具的位置，当偏差 0时，刀具在被加工斜线上方，当 0时，刀具在被加工斜线下方 b刀具进给 由上一步偏差判断结果，确定刀具进给方向，由此纠正偏差。若 0F 向 0F 向 c偏差计算 1 |i i Z 1 |i i X d终点判别 判别刀具是否达到终点，到终点时则停止，否则继续插补。 6 三相六拍环分子程序 步进电机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。环形脉冲分配器可用硬件实现也可用软件实现。采用软件环分是利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配，通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动机进行正反转，通过控制读取一次数据的时间间隔可控 制电动机的转速。该法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。 7 辅助电路 为防止机床行程越界，在机床上装有行程控制开关，为防止意外装有急停按钮。由于这些开关离控制箱较近，故容易产生电器干扰，为避免这种情况发生，在电路和接口之间实行光电隔离：当绿灯亮时，表示工作正常，当红灯亮时表示溜板箱已到极限位置。 8 控制系统的程序 1主程序 G ;定义数据段 M 4 ) T ? F 0H S ? C 0H D 0H ;100 ) S:存器说明 X, 00H S, ;中断向量的段基址送 X, ;取中断子程序的段基址 X, ;取中断子程序的偏移地址 I, 60H ;中断类型码送 ;将中断偏移量送到 中 , ;将中断段基址送到 中 X, S, ;恢复 X, 2003H ;初始化 8255A L, 80H X, X, 2800H ;定义 8259A 1 13H X, X, 2801H ;定义 8259A 2L, 60H X, L, 01H ;定义 8259A 4X, L, 0 ;定义 8259A 1X, X, 2800H L, 0 ;定义 8259A 2X, ;中断打开 B ;调用插补程序 直线插补子程序 X X X X ;保护现场 H, 0H ;标志位清零 X, M ;取起点终点的 M+2 ;取终点相对于起点横坐标的绝对值 X X, M+1 ;取起点，终点的 X, M+3 X, ;取终点相对于起点的 e X X, ;计算总进给步数 X, X, F ;将偏差值送 H: X, 00H ;判断向哪个方向走 ;跳向 , 0H ;写 X/Z 正 /反 ) +2, M R 5, 00H S, 00H F ;调用环分子程序， X, ;计算偏差值 ;调用延时程序 4: , 02H ;写 X/Z,正 /反 ) +3, M+1 R S, 00H S, 01H F ;调用换分子程序， X, ;计算偏差值 ;调用延时子程序 X ;总步数减 1 H ;出栈，恢复现场 B 三相六拍环分子程序 X X X ;压栈；保护现场 L, S ;送电机操作字给 L, 01H ;判断正反转 L, 0H ;调转至反转 L, S ;判断 L, 02H L, 0H ;调转至 , 0H ;判断是否为第一次跳动 L I, ;送通电代码首地址给 1: , 01H X, X, 2000H ;通过 8255L, X, ;判断通电代码是否用完 ;指针自增 1 2: I, , 0H ;判断是否为第一次转动 I, ;送通电代码首地址给 3: , 01H X, X, 2000H ;通过 8255L, X, ;判断通电代码是否用完 ;指针自增 1 4: Z, R: L, 02H ;判断用哪个电机 L, 0H , 0H ;判断是否为第一次转动 I, ;送通电代码末地址给 5: , 01H X, X, 2000H ;通过 8255L, X, ;判断通电代码是否用完 I ;指针自减 1 6: I, , 0H ;判断是否为第一次转动 I, ;送通电代码末地址给 7: , 01H X, X, 2000H ;通过 8255L, X, ;判断通电代码是否用完 Z ;指针自减 1 8: I, ;出栈，恢