JC01-141@车床数控化改造课程设计C6140（带主传动系统CAD图）
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JC01-141@车床数控化改造课程设计C6140（带主传动系统CAD图）,机械毕业设计全套
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C6140 车床数控化改造设计 第 1 页 前 言 我 国 目 前 机 床 总 量 为 380 万 余 台 ， 而 其 中 数 控 机 床 总 数 只 有11.34 万台，这说明我国机床数控化率不到 3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国内市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。 对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备 的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时 间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。 数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要内容之一。 ntsC6140 车床数控化改造设计 第 2 页 目 录 第一节 设计任务 . 3 1.1 题目： . 3 1.2 任务 . 3 第二节 总体方案的确定 . 4 第三节 机械系统的改造设计方案 . 5 3.1 主轴系统的改造方案 . 5 3.2 安装电动卡盘 . 5 3.3 换装自动回转刀架 . 5 3.4 螺纹编码器的安装方案 . 6 3.5 进给系统的改造与设计方案 . 6 第四节 进给传动部件的计算和选型 . 7 4.1 脉冲当量的确定 . 7 4.2 切削力的计算 . 7 4.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 . 8 4.4 同步带减速箱的设计 . 10 4.5 步进电动机的计算与选型 . 12 4.6 同步带传递效率的校核 . 16 第五节 绘制进给传动机构的装配图 . 16 第六节 控制系统硬件电路设计 . 17 第七节 步进电动机驱动电源的选用 . 19 第八节 控制系统的部分软件设计 . 19 参考文献 . 26 ntsC6140 车床数控化改造设计 第 3 页 第一节 设计任务 1.1 题目： C6140 普通车床数控化改造设计 1.2 任务 将一台 C6140 普通车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下： （ 1） 床身上最大加工直径 mm400 ; （ 2） 最大加工长度 mm1000 ； （ 3） X 方向（横向）的脉冲当量 脉冲/005.0 mmx ， Z 方向（纵向）脉冲/01.0 mmz ； （ 4） X 方 向 最 快 移 动 速 度 m in/3000m a x mmv x ， Z 方向为m i n/6 0 0 0m a x mmv x ； （ 5） X 方 向 最 快 工 进 速 度 m in/400m a x mmv fx ， Z 方向为m i n/800m a x mmv fx ； （ 6） X 方向定位精度 mm01.0 ， Z 方向 mm02.0 ； （ 7） 可以车削柱面、平面、锥面与球面等； （ 8） 安装 螺 纹 编码 器 ， 可以 车 削 公 /英 制的 直螺 纹 与 锥螺 纹 ， 最 大导程 mm24 ； （ 9） 安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀； （ 10） 自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与无级变速信号； （ 11） 自动控制冷却泵 的启 /停 ; （ 12） 安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开； （ 13） 纵、横向安装限位开关； （ 14） 数控系统可与 PC 机串行通信； （ 15） 显示界面采用 LED 数码管，编程采用 ISO 数控代码。 ntsC6140 车床数控化改造设计 第 4 页 第二节 总体方案的确定 总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统 CPU 的选择，以及进给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单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。 2 普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。 因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。 3 根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用 MCS-51 系列的 8 位单片机作为数控系统的 CPU。 MCS-51 系列 8 位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性 /价比高等优点。 4 根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、 I/O 接口电路、 D/A 转换电路、串行接口电路等，还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。 5 为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的 滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。 6 计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速齿轮副，且应有消间隙机构。 7 选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。 ntsC6140 车床数控化改造设计 第 5 页 第三节 机械系统的改造设计方案 3.1 主轴系统的改造方案 对普通机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，这样可以减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转和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 速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（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于 Hz70 ，原来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率应比电动机大）。 改造 C6140 车床时，若采用有级变速，可选用浙江超力有限公司生产 的 YD 系列 kW5.7 变级多 速三 相异步 电动机 ，实 现 42 档变速 ； 若 采 用 无 级 变 速 ， 应 加 装 交 流 变 频 器 ， 推 荐 型 号 为 ：F100-G0075T3B,适配 kW5.7 电 动 机 ， 生 产 厂 家 为 烟 台 惠 丰 电 子 有 限公司。 3.2 安装电动卡盘 为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特附件总厂生产的 KD11250 型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系。 3.3 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，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的 LD4B-CK6140 型四工位立式电动刀架。实现自动换刀ntsC6140 车床数控化改造设计 第 6 页 需要配置相应的电路，由数控系统完成。 3.4 螺纹编码器的安装方案 螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴信号的反馈元件，它与车床主轴同步。 改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是 mm24 ， Z 向的进给脉冲当量是 脉冲/01.0 mm ，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于 脉冲脉冲） 2 4 0 0/01.0/(24 mmmm 。 考 虑 到 编 码 器 的 输 出 有 相 位 差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-05VO-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 mm15 ，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。 螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将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的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比为 1:1 的同步齿形带与主轴连接起来。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，且车床组、主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。 3.5 进给系 统的改造与设计方案 （ 1） 拆除挂轮架所有齿轮，在此主轴的同步轴，安装螺纹编码器。 （ 2） 拆 除 进 给 箱 总 成 ， 在 此 位 置 安 装 纵 向 进 给 步 进 电 动 机 与 同 步带减速箱总成。 ntsC6140 车床数控化改造设计 第 7 页 （ 3） 拆 除 溜 板 箱 总 成 与 快 走 刀 的 齿 轮 齿 条 ， 在 纵 溜 板 的 下 面 安 装纵向滚珠丝杠的的螺母座与螺母座托架。 （ 4） 拆 除 四 方 刀 架 与 上 溜 板 总 成 ， 在 横 溜 板 上 方 安 装 四 工 位 立 式刀架。 （ 5） 拆 除 横 溜 板 下 的 滑 动 丝 杆 螺 母 副 ， 将 滑 动 丝 杆 靠 刻 度 盘 一 段（长 mm216 ，见图一）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。 （ 6） 将 横 向 进 给 步 进 电 动 机 通 过 法 兰 安 装 到 横 溜 板 后 部 的 纵 溜 板上，并与滚珠丝杠的轴头相联。 （ 7） 拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆），更换丝杆的右支承。 （ 8） 改造后的横向、纵向进给传动系统分别见附图一和附图二。 第四节 进给传动部件的计算和选型 纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机等。 4.1 脉冲当量的确定 根 据 设 计 任 务 要 求 ， X 方 向 （ 横 向 ） 的 脉 冲 当 量 为脉冲/005.0 mmx ， Z 方向（纵向）为 脉冲/01.0 mmz 。 4.2 切削 力的计算 （ 1）纵向切削力算 设工件为碳素结构钢， MPab 650；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角 60rk ，前角 100，刃倾角 5s；切 削 用 量 为 ： 背 吃 刀 量 mmp 3，进给量 rmmf /6.0 ，切削速度min/105mvc 。 ntsC6140 车床数控化改造设计 第 8 页 查表得： 2795FcG， 0.1FCx， 75.0Fcy， 15.0Fcn；主偏角 rK的修正系数 94.0cFK rK； 刃 倾 角 、 前 角 和 刀 尖 圆 弧 半 径 的 修 正 系 数值均为 0.1 。 由经验公式：ccFcFcFc FncyxpFC KVfCF ，算得主切削力 NFc 4.2673 ;由经验公式： 4.0:35.0:1: pfc FFF，算得纵向进给切削力 NFf 69.935,背向力 NFP 36.1069 。 （ 2）横向切削力计算 横向主切削力为纵向的一半，所以横向主切削力NFF cc 7.133621 由经验公式 4.0:35.0:1: pfc FFF,求得横向进给切削力 NFf 85.467，背向力 NFp 68.534。 4.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 1.纵向： (1) 工作载荷mF的计算 已 知 移 动 部 件 总 重 量 NG 1300 ； 车 削 力 4.2673cF，NF P 36.1069 ， NF f 69.935 。根据 cz FF ， py FF ， fx FF 的对应关系，可得： NF z 4.2673 ， NFy 36.1069， NFx 69.935。 选 用 矩 形 -三 角 形 组 合 滑 动 导 轨 ， 查 表 ， 取 15.1K ， 16.0 ，代入 )( GFKFFzxm ,得工作载荷 NFm 1712. (2) 最大动载荷QF的计算 设 本 车 床 Z 向 在 承 受 最 大 切 削 力 条 件 下 最 快 的 进 给 速 度min/8.0 mv ， 初 选 丝 杠 基 本 导 程 mmPh 6 ， 则 此 时 丝 杠 转 速m in/1 3 3/1 0 0 0 rPvn h 。 取 滚 珠 丝 杠 的 使 用 寿 命 hT 15000 ，代入 60 10/60 nTL ,得 丝 杠 寿命系数 ）单位为： r10(7.1 1 9 60 L。 ntsC6140 车床数控化改造设计 第 9 页 查表，取载荷系数 15.1Wf，再取硬度系数 1Hf ，代入式mHWQ FffLF 3 0，求得最大动载荷 NFffLFmHWQ 97033 0 。 (3) 初选型号 根据计算出的最大动载荷，查表，选择启东润泽机床附件有限公司生产的 FL4006 型滚珠丝杠副。其公称直径为 mm40 ，基本导程为 mm6 ，双螺母滚珠总圈数为 圈圈 623 ，精度等级取 4 级，额定动载荷为 N132000 ，满足要求。 (4) 传动效率 的计算 将 公 称 直 径 mmd 400 ，基本导程 mmPh 6，代入)/(a rc ta n 0dP h ，得丝杠螺旋升角 442 。将摩擦角 10 ，代入)t a n (/t a n ，得传动效率 %2.94 。 (5) 刚度的验算 1） 纵向滚珠丝杠的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式，见图二。固 定端采取一对推力角接触轴承，面对面组配。丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为 mma 1497 ；钢的弹性模量 M PaE 5101.2 ；查表得滚珠直径 mmDW 9688.3，算得丝杠底径2d 公称直径 0d 滚珠直径 mmD W 0312.36 。忽略式 IEMaES aF m 2 21 中的 第 二 项 ， 算 得 丝 杠 在 工 作 载 荷mF作 用 下 产 生 的 压拉 / 变 形 量mmESaF m 0 1 1 9 7.0)/(1 。 2）根据公式 3)/(0 WDdZ ， 求 得 单 圈 滚 珠 数 目 29Z ,该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为 623 ，则滚珠总数量 174629 Z。滚 珠 丝 杠 预 紧 时 ， 取 轴 向 预 紧 力 NFFmYJ 5713/ 。则由式3 22 10/100013.0 ZFD FYJWm, 求 得 滚 珠 与 螺 纹 滚 道 间 的 接 触 变 形 量mm00117.02 。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的 3/1 ，所以实际变形量可减小一半，取 mm000585.02 。 3）将以上算出的 1 和 2 代入21 总，求得丝杠总变形量（对应跨度 mm1497 ） mmm 5 5 5.120 1 2 5 5 5.0 总。由表知， 4 级精度滚珠丝杠任意 mm300 轴 向 行 程 内 行 程 的 变 动 量 允 许 m16 ， 而 对 于 跨 度 为mm1497 的滚珠丝杠，总的变形量 总 只有 m555.12 ，可见丝杠刚度足ntsC6140 车床数控化改造设计 第 10 页 够。 (6) 压杆稳定性校核 根据式mkk FKaEIfF 22 计 算 失 稳 时 的 临 界 载 荷kF。 查 表 取 支 承系数 2kf； 由 丝 杠 底 径 0312.362 d ， 求 得 截 面 积 惯 性 矩242 15.8 2 7 3 464/ mmdI ；压杆稳定安全系数 K 取 3（丝杠卧式水平安装 ）； 滚 动 螺 母 至 轴 向 固 定 处 的 距 离 a 取最大值 mm1497 。 代 入 式mkk FKaEIfF 22 ，得临界载荷 NFk 51012,远大于工作载荷 )1712( NFm，故丝杠不会失稳。 综上所述初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 4.4 同步带减速箱的设计 为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系 统 的 负 载 惯 量 尽 可 能 地 减 小 ， 传 动 链 中 常 采 用 减 速 传 动 。 C6140车床纵向减速箱选用同步带传动。 设计 同 步带 减 速箱 需要 的 原始 数 据有 ：带 传 动的 功 率 P ；主 动轮转速 1n 和传动比 i ；传动系统的位置和工作条件等。 根据改造经验， C6140 车床纵向步进电动机的最大静转矩通常在 mN 2515 之 间 选 择 。 初 选 电 动 机 型 号 为 130BYG5501,五 相 混 合式，最大静转矩 mN20 ，十拍驱动时步距角为 72.0 。 （ 1） 传动比的确定 已知电动机的步距角 72.0 ，脉冲当量 脉冲/01.0 mmz ，滚珠丝杠导程 mmh 6P ，代入式360hPi算得传动比 2.1i （ 2） 主动轮最高转速 1n 由纵向床鞍的最快移动速度 m in/6000m a x mmv z ，得出主动轮的最高转速 m in/1 2 0 03 6 0/)/(m a x1 rvn zz 。 （ 3） 确定带的设计功率dP预选的步进电动机在转速为 min/1200r 时，对应的步进脉冲ntsC6140 车床数控化改造设计 第 11 页 频率为 HzHzf 1 0 0 0 0)72.060/(3 6 01 2 0 0)60/(3 6 01 2 0 0m a x 。当脉冲频率为 Hz10000 时，电动机的输出转矩约为 mN8.3 ，对应的输出功率为 WWnTPOUT 47855.9/8.31 2 0 055.9/ 。取kWP 478.0 ， 2.1AK , 代入式 PKP Ad ， 得 出kWkWP d 5 7 4.04 7 8.02.1 . （ 4） 选择带型和节距bp根 据 带 的 设 计 功 率 kWPd 574.0和 主 动 轮 最 高 转 速min/12001 rn ，选取同步带的型号为 L 型节距 mmp b 525.9 。 （ 5） 确定小带轮齿数 1z 和小带轮节圆直径 1d 取 151 z ，则小 带轮 节圆直 径 mmzpd b 48.4511 。当 1n 达到最高转速 min/1200r 时 ， 同 步 带 速 度 为 smndv /86.21 0 0 060 11 ，没有超过 L 型带的极限速度 sm/35 。 （ 6） 确定大带轮齿数 2z 和大带轮节圆直径 2d 大带轮齿数 1812 izz ，节圆直径 mmidd 57.5412 。 （ 7） 初选中心距0a、带的节线长度pL0、带的齿数bz初选中心距 mmdda 06.1 1 0)(1.1210 ，圆整后取 mma 1100 。则 带 的 节 线 长 度 为 mmaddddaLp 33.3774)()(22 02212100 。查表选取标准节线长度 mmLp 381，相应齿数 40bz。 （ 8） 计算实际中心距 a 实际中心距 mmLLaa pp 8 3 5.1 1 12 00 。 （ 9） 校验带与小带轮的的啮合齿数mz7)(22 122 11 zzazpze n tz bm ，啮合齿数比 6 大，满足要求。此处 ent 表示取整。 （ 10） 计算基准额定功率0P所 选 型 号 同 步 带 在 基 准 宽 度 下 所 允 许 传 递 的 额 定 功 率 ：ntsC6140 车床数控化改造设计 第 12 页 1000 )(20vmvTP a ， 式 中 aT 表 示 带 宽 为 0sb 时 的 许 用 工 作 压 力 ， 查表得 NTa 46.244； m 表示 带宽 为0sb时的单 位长 度的 质 量，查 表得 mkgm /095.0 ； v 表示同步带的带速，由上述（ 5）知 smv /86.2 。代入式子算得 kWP 697.00 . （ 11） 确定实际所需同步带宽度sb14.1/100)( PKPbbzdss ， 式 中0sb表 示 选 定 型 号 的 基 准 宽 度 ， 查 表得 mmbs 4.250 ； zK 表示小带轮啮合齿数系数，查表得 1zK 。由上式算得 mmbs 42.21，再根据表选取标准带宽 mmbs 4.25。 （ 12） 带的工作能力验算 根据式32010)( vmvbbTKKPsswz，计算同步 带额定功率 P 的精确值：式中 wK为齿宽系数： 1)/( 14.10 ssw bbK。 经 计 算 得kWP 697.0 ,而 kWPd 574.0 ,满足 dPP 。因此，带的工作能力合格。 4.5 步进电动机的计算与选型 （ 1） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量eqJ已 知 ： 滚 珠 丝 杠 的 公 称 直 径 mmd 400 ， 总 长 （ 带 接 杆 ）mml 1560 ，导程 mmPh 6 ，材料密度 33 /1085.7 cmkg ；纵向移动部件总重量 NG 1300 ；同步带减速箱大带轮宽度 mm28 ，节径 mm57.54 ，孔径 mm30 ，轮毂外径 mm42 ，宽度 mm14 ；小带轮宽度 mm28 ，节径 mm48.45 ，孔径 mm19 ，轮毂外径 mm29 ，宽度 mm12 ；传动比 2.1i 。 将上述数据代入公式，可得出：滚珠丝杠的转动惯量278.30 cmkgJ S ； 床 鞍 折 算 到 丝 杠 上 的 转 动 惯 量221.1 cmkgJ W ；小带轮的转动惯量 21 95.0 cmkgJ z ，大带轮的转 动 惯 量 22 9.1 cmkgJ z 。 在 设 计 减 速 箱 时 ， 初 选 的 纵 向 步 进电动机型号为 130BYG5501，查表得该型号电动机转子的转动ntsC6140 车床数控化改造设计 第 13 页 惯量 233 cmkgJm 。 则 加 在 步 进 电 动 机 转 轴 上 的 总 转 动 惯 量为： 2221 55.57/)( cmkgiJJJJJJ SWzzmeq 。 （ 2） 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩eqT分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进 行计算。 1） 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩1eqT由式0m a x1 TTTT faeq ，可知1eqT包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩maxaT、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩fT、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T。因为滚珠丝杠副传动效率 很高，根据式 )1(2 200 iPFT hYJ 可知， 0T 相对于 maxaT 和 fT 很小，可以忽略不计。则有：faeq TTT m ax1（ 4-1） 根据式ameqeqa t nJJT 602m a x ， 考 虑 纵 向 传 动 链 的 总 效 率 ，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上 的最大加速转矩： 1602m a x a meqa tnJT （ 4-2）式中 mn 表示对应纵向空载最快 移 动 速 度 的 步 进 电 动 机 最 高 转 速 ， 单 位 为 min/r ；at表示步进电动机由静止到加速至mn转速所需的时间，单位为 s 。其中： 360maxvnm（ 4-3） 式中 maxv表示纵向空载最快移动速度，任务书指定为 min/6000 mm ； 表示纵向步进电动机步距角。为 72.0 ； 表示纵向脉冲当量，为 脉冲/01.0 mm 。将以上各值带入式（ 4-3），算得 min/1200 mrnm 。 设 表 示 步 进 电 动 机 由 静 止 到 加 速 至mn转速所需时间sta 4.0 ， 纵 向 传 动 链 总 效 率 7.0 ； 则 由 式 （ 4-2）求得：mNmNT a 58.27.04.060 1 2 0 01055.572 4m a x ， 由 式 iPFT hf 2摩 可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：iPGFT hcf 2)( （ 4-4）式中 表示导轨的摩擦因数，滑动ntsC6140 车床数控化改造设计 第 14 页 导轨取 16.0 ；cF表示垂直方向的工作载荷，空载时取 0 ； 表示纵向传动链总效率，取 7.0 。则由式（ 4-4 ）得：mNmNT f 24.02.17.02 006.0)13000(16.0 ， 最 后 由 式 （ 4-1 ），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为： mNTTT faeq 82.2m a x1 (4-5) 2） 最 大 工 作 负 载 状 态 下 电 动 机 转 轴 所 承 受 的 负 载 转 矩2eqT由式02 TTTT fteq 可知，2eqT包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩tT、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩fT、滚珠丝杠预紧后折算到 电 动 机 转 轴 上 的 附 加 摩 擦 转 矩0T。0T相对于fT和tT很小，可以忽略不计。则有：fteq TTT 2（ 4-6） 其 中 ， 折 算 到 电 动 机 转 轴 上 的 最 大 工 作 负 载 转 矩tT由式iPFT hft 2计 算 ， 本 例 中 在 对 滚 珠 丝 杠 进 行 计 算 的 时候 ， 已 知 进 给 方 向 的 最 大 工 作 载 荷 NFf 69.935,则 有 ：mNmNiPFT hft 06.12.17.02 0 0 6.069.9 3 52 再由式iPFT hf 2摩计 算 承 受 最 大 工 作 负 载（ NFc 4.2673） 情 况 下 ， 移 动 部 件 运 动 时 折 算 到 电 动 机转轴上的摩擦转矩 : mNmNi PGFT hcf 72.02.17.02 0 0 6.0)1 3 0 04.2 6 7 3(16.02 )( 最后由式（ 4-6）， 求 得 最 大 工 作 负 载 状 态 下 电 动 机转轴所承的负载转矩： mNTTTfteq 78.12（ 4-7） 经 上 述 计 算 后 ， 得 到 加 在 步 进 电 动 机 转 轴 上 的 最 大等效负载转矩： mNTTTeqeqeq 82.2,m ax 21（ 4-7） （ 3） 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时，ntsC6140 车床数控化改造设计 第 15 页 其输出转矩会下降，可能造成丢布，甚至 堵转。因此，根据eqT来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中 取 安 全 系 数 4K ， 则 步 进 电 动 机 的 最 大 静 转 矩 应 满 足 ：mNmNTT eqj 28.1182.244m a x （ 4-8） 对于前面预选的 130BYG5501 型步进电动机，查表可知，其最大静转矩 mNTj 20m ax，可见完全满足式（ 4-8）要求。 （ 4） 步进电动机的性能校核 1）最大工进速度时电动机输出转矩校核 任 务 书 给 定 纵 向 最 快 工 进 速 度 min/800m a x mmv f ， 脉 冲 当 量脉冲/01.0 mm ， 由 式 60maxmax ff vf 求 出 电 动 机 对 应 的 运 行 频 率HzHzf f 1 3 3 3)01.060/(8 0 0m a x 。在此频率下，电动机的输出转矩mNT f 17m ax ，远远大于最大工作负载转矩 mNT eq 78.12 ，满足要求。 2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定纵向最快空载移动速度 m in/6 0 0 0m a x mmv ，由式60maxmax vf ， 求 出 电 动 机 对 应 的 运 行 频 率HzHzf 1 0 0 0 0)01.060/(6 0 0 0m a x 。查表得 ，此 频率 下，电动 机的输出转矩 mNT 8.3m a x，大于快速空载起动时负载转矩mNTeq 82.21 ，满足要求。 3）最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度 m in/6 0 0 0m a x mmv ，对应的电动机运行频率 Hzf 10000m ax 。 查 表 可 知 130BYG550 的 极 限 运 行 频 率 为Hz20000 ，可见没有超出上限。 4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量 255.57 cmkgJeq ，电动机转子自身的转动惯量 233 cmkgJm ，查表可知电动机转轴不带任何负载时 最高空 载起 动频率 Hzfq 1800。由式meqqL JJff/1 ，可以 求 出 步 进 电 动 机 克 服 惯 性 负 载 的 起 动 频 率 为 ： Hzf L 1087 ，ntsC6140 车床数控化改造设计 第 16 页 上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动 频 率 都必 须 小 于 Hz1087 。 实 际 上， 在 采 用 软 件 升 降频 率 时 ，起动频率选得很低，通常只有 Hz100 (即 s/100脉冲 )。 综上所述，纵向进给系统选用 130BYG550 步进电动机，可以满足要求。 4.6 同步带传递效率的校核 分两种工作情况，分别进行校核。 （ 1） 快速空载起动 电 动 机 从 静 止 到 加 速 至 min/1200 rnm ， 由 式 （ 4-5） 可 知 ，同 步 带 传 递 的 负 载 转 矩 mNTeq 82.21， 传 递 的 功 率 为WWTnP eqm 3.3 5 455.9/82.21 2 0 055.9/1 。 （ 2） 最大工作负载、最快工进速度 由 式 （ 4-7 ） 可 知 ， 带 需 要 传 递 的 最 大 工 作 负 载 转 矩mNT eq 78.12 ，任务书给定最快工进速度 min/800m a x mmv f ，对应电 动 机 转 速 m in/1 6 03 6 0/)/(m a xm a x rvn zff 。 传 递 的 功 率 为WWTP eq 8.2955.9/78.11 6 055.9/2 。 可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率kW697.0 。因此，选择 的同步带功率合格。 第五节 绘制进给传动机构的装配图 在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型后可以着手绘制进给伺服系统的机械装配图。在绘制机械装配图时，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。 （ 1） 了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。 （ 2） 根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号，轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。 （ 3） 考虑各部件之间的定位、联接和调整方法。箱上的联接与定位等。 ntsC6140 车床数控化改造设计 第 17 页 （ 4） 考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。 （ 5） 在进行各零部件结 构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。 第六节 控制系统硬件电路设计 根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能： 1） 接收键盘数据，控制 LED 显示； 2） 接收操作面板的开关与按钮信号； 3） 接收车床限位开关信号； 4） 接收螺纹编码器信号； 5） 接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号； 6） 控制 X、 Z 向步进电动机的驱动器； 7） 控制主轴正转、反转与停止； 8） 控制多速电动机，实现主轴有级变速； 9） 控制交流变频器，实现主轴无级变速； 10） 控制切削液泵起动 / 停止； 11） 控制电动卡盘的夹紧与松开； 12） 控制电动刀架的自动选刀； 13） 与 PC 机的串行通信。 图（ 2）为控制系统的原理框图。 CPU 选用 ATMEL 公司的 8 位单片机 AT89S52；由于 AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片 SRAM 芯片 6264 用做数据存储器，存放用户程序；键盘与 LED 显示采用 8279 来管理；输入 /输出口的扩展选用了并行接口 8255 芯片，一 些进 / 出的信号均做了隔离放大；模拟电压的输出借助于 DAC0832;与 PC 机的串行通信经过 MAX233 芯片。 数控系统的操作面板布置如图（ 1）所示。面板设置了 48 个微ntsC6140 车床数控化改造设计 第 18 页 动按钮，三个船形开关，一只急停按钮，显示器包括 1 组数码管和7 只发光二极管。 图（ 2） 交流变频器 主轴电动机 隔离放大 X 向步进电动机 隔离放大 隔离放大 隔离放大 隔离放大 隔离放大 隔离放大 隔离放大 Z 向步进电动机 刀架电动机 主轴电动机 卡盘电动机 切削液泵电动机 刀架刀位信号 限位开关信号 SRAM 芯片 6264 复位电路 晶振电路 EPROM 芯 片 W27C512 CPU AT89S52 单片机 键盘与显示接口芯片8279 串行接口芯片 MAX233 并行接口芯片 8255 D/A 转换芯片DAC0832 螺纹光栅信号 操作面板开关 /按钮信号 ntsC6140 车床数控化改造设计 第 19 页 第七节 步进电动机驱动电源的选用 本例中 X 向步进电动机的型号为 110BYG5802,Z 向步进电动机的型号为 30BYG5501。两种电动机除了外形尺寸、步距 角和输出转矩不同外，电气参数基本相同，均为 5 相混合式， 5 线输出，电动机供电电压 VDC 310120 ，电流 5 安。这样，两台电动机的驱动电源可用同一型号。在此，选择合肥科林数控科技有限责任公司生产的五相混合式调频调压型步进驱动器，型号为 BD5A。 第八节 控制系统的部分软件设计 1. 存储器与 I/O 芯片地址分配 根据图三中地址译码器 U4（ 74LS138）的连接情况，可以算出主机板中存储器与 I/O 芯片的地址分配，如下表所示： 器件名称 地址选择线（ 015 AA ） 片内地址单元数 地址编码 ntsC6140 车床数控化改造设计 第 20 页 6264 ,0 00 8K FFFHH 10000 8255 11,1111,1111,0011 4 FFFHFFC H 33 8279 111,1111,1111,0101 2 FFFHFFEH 55 DAC0832 1111,1111,1111,0111 1 FFFH7 2. 控制系统的监控管理程序 系统设有 7 档功能可以相互切换，分别是“编辑” 、“空刀” 、“自动” 、“手动 1” 、“手动 2” 、“手动 3”和“回零” 。选中某一功能时，对应的指示灯点亮，进入相应的功能处理。控制系统的监控管理程序流程见图（ 3）。 图（ 3） 3. 8255 芯片初始化子程序 B255: MOV DPTR， #3FFFH ；指向 8255 的控制口地址 MOV A， #10001001B ； PA 口输出， PB 口输出， PC口输入，均为方式 0 MOVX DPTR， A ；控制字被写入 MOV DPTR， #3FFCH ；指向 PA 口 系统上电复位 CPU、 8255、 8279 等初始化 工作状态选择 编辑？ 编辑处理 回零？ 回零处理 N 自动？ 自动处理 N 手动？ 手动处理 N 空刀？ 空刀处理 N N ntsC6140 车床数控化改造设计 第 21 页 MOV A， #0FFH ；预置 PA 口全“ 1” MOVX DPTR， A ；输出全“ 1”到 PA 口 MOV DPTR， #3FFDH ；指向 PB 口 MOV A， #0FFH ；预置 PB 口全“ 1” MOVX DPTR， A ；输出全“ 1”到 PB 口 RET 4. 8279 芯片初始化子程序 B279: MOV DPTR， #5FFFH ；指向 8279 的控制口地址 MOV A， #0CFH ；清除 FIFO 与显示 RAM 命令 MOVX DPTR， A ；命令字被写入 WAIT: MOVX A， DPTR ；从 8279 的控制口读取 8279的状态字 JB ACC.7， WAIT ；测试显示 RAM 有没有被清除完毕。只有状态字的D7=0，清除才结束 MOV A， #08H ；编码扫描，左入口， 16 位字符显示，双键互锁 MOVX A， DPTR MOV A
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