C6150普通车床数控化改造

第一章 绪 论1.1 本文选题的背景及意义1.1.1 概述整 个 人 类 社 会 的 文 明 史 ， 就 是 制 造 技 术 不 断 演 变 和 发 展 的 历 史 。 任 何 国家 的 制 造 业 都 是 国 民 经 济 的 基 础 产 业 ， 也 是 国 民 经 济 的 主 要 来 源 。 没 有 发 达的 制 造 业 ， 就 不 可 能 有 国 家 真 正 的 繁 荣 和 强 大 。 制 造 技 术 是 制 造 业 的 技 术 支柱 ， 是 一 个 国 家 科 技 水 平 、 综 合 国 力 的 重 要 体 现 ， 制 造 技 术 的 发 展 是 一 个 国家 经 济 增 长 的 根 本 动 力 。 而 制 造 业 中 机 床 是 其 基 础 装 备 。 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 。1.1.2 数控机床的优越性数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物,是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比,其优越性是显而易见的,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,且自动化程度极高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。1.1.3 数控机床在我国的发展现状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类机床产品特别是数控机床有大量的需求,而另一方面却有不少国产机床滞销积压,国外机床产品充斥市场。90 年国外数控机床在我国市场的占有率仅达 15%左右,而 95 年已达77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说,这个问题反映在下列五个方面:(1) 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为 1518 个月,其中设计时间约为 58 个月,占总周期的 40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为 69 个月,其中设计约 1.52 个月,只占 25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。(2) 我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具(如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等),自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计,使设计一次成功的把握性降低,往往需要反复试制才能定型,从而可能错过新产品推向市场的良机。(3) 用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求,甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外,这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周,而在我国机床厂用手工操作就至少需 12 个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门,常会出现漏改和失误的现象,影响了产品的质量和交货期。(4) 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数,他们的专业知识和实际经验不足, 又担负着开发的重任。(5)由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立,缺乏有效的协同开发的模式,不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成产品的反复修改,延长了开发的周期。为解决这些问题,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术,发展优化和仿真技术,提高产品结构性能,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面,使企业取得良好的经济效益。1.1.4 机床数控化改造的必要性我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3%。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6%。我国机床役龄 10 年以上的占 60%以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20%，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60%以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。1.2 机床数控技术的基本概念1.2.1 数控机床和数控技术数 控 技 术 及 数 控 机 床 在 当 今 机 械 制 造 业 中 的 重 要 地 位 和 巨 大 效 益 ， 显 示了 其 在 国 家 基 础 工 业 现 代 化 中 的 战 略 性 作 用 ， 并 已 成 为 传 统 机 械 制 造 工 业 提升 改 造 和 实 现 自 动 化 、 柔 性 化 、 集 成 化 生 产 的 重 要 手 段 和 标 志 。 数 控 技 术 及数 控 机 床 的 广 泛 应 用 ， 给 机 械 制 造 业 的 产 业 结 构 、 产 品 种 类 和 档 次 以 及 生 产方 式 带 来 了 革 命 性 的 变 化 。 数 控 机 床 是 现 代 加 工 车 间 最 重 要 的 装 备 。 它 的 发展 是 信 息 技 术 (1T)与 制 造 技 术 (MT)结 合 发 展 的 结 果 。 现 代 的CAD/CAM、 FMS、 CIMS、 敏 捷 制 造 和 智 能 制 造 技 术 ， 都 是 建 立 在 数 控 技 术 之上 的 。 掌 握 现 代 数 控 技 术 知 识 是 现 代 机 电 类 专 业 学 生 必 不 可 少 的 。在 数 控 加 工 中 ， 从 零 件 的 设 计 图 纸 到 零 件 成 品 合 格 交 付 ， 不 仅 要 考 虑 到数 控 程 序 的 编 制 ， 还 要 考 虑 到 诸 如 零 件 加 工 工 艺 路 线 的 安 排 、 加 工 机 床 的 选择 、 切 削 刀 具 的 选 择 、 零 件 加 工 中 的 定 位 装 夹 等 一 系 列 因 素 的 影 响 ， 在 开 始编 程 前 ， 必 须 要 对 零 件 设 计 图 纸 和 技 术 要 求 进 行 详 细 的 数 控 加 工 工 艺 分 析 ，以 最 终 确 定 哪 些 是 零 件 的 技 术 关 键 ， 哪 些 是 数 控 加 工 的 难 点 ， 以 及 数 控 程 序编 制 的 难 易 程 度 。零 件 的 数 控 加 工 工 艺 分 析 是 编 制 数 控 程 序 中 最 重 要 而 又 极 其 复 杂 的 环 节 ，也 是 数 控 加 工 工 艺 方 案 设 计 的 核 心 工 作 ， 必 须 在 数 控 加 工 方 案 制 定 前 完 成 。一 个 合 格 的 编 程 人 员 对 数 控 机 床 及 其 控 制 系 统 的 功 能 及 特 点 ， 以 及 影 响 数 控加 工 的 每 个 环 节 都 要 有 一 个 清 晰 、 全 面 的 了 解 ， 这 样 才 能 避 免 由 于 工 艺 方 案考 虑 不 周 而 可 能 出 现 的 产 品 质 量 问 题 ， 造 成 无 谓 的 人 力 、 物 力 等 资 源 的 浪 费 。全 面 合 理 的 数 控 加 工 工 艺 分 析 是 提 高 数 控 编 程 质 量 的 重 要 保 障 。 数 控 车 床 是 目 前 使 用 最 广 泛 的 数 控 机 床 之 一 。 数 控 车 床 主 要 用 于 加 工轴 类 、 盘 类 等 回 转 体 零 件 。 通 过 数 控 加 工 程 序 的 运 行 ， 可 自 动 完 成 内 外 圆 柱面 、 圆 锥 面 、 成 形 表 面 、 螺 纹 和 端 面 等 工 序 的 切 削 加 工 ， 并 能 进 行 车 槽 、 钻孔 、 扩 孔 、 铰 孔 等 工 作 。1.2.2 数 控 机 床 的 特 点数 控 机 床 的 操 作 和 监 控 全 部 在 这 个 数 控 单 元 中 完 成 ， 它 是 数 控 机 床 的 大脑 。 与 普 通 机 床 相 比 ， 数 控 机 床 有 如 下 特 点 ： 加 工 精 度 高 ， 具 有 稳 定 的 加 工 质 量 ； 可 进 行 多 坐 标 的 联 动 ， 能 加 工 形 状 复 杂 的 零 件 ； 加 工 零 件 改 变 时 ， 一 般 只 需 要 更 改 数 控 程 序 ， 可 节 省 生 产 准 备 时间 ； 机 床 本 身 的 精 度 高 、 刚 性 大 ,可 选 择 有 利 的 加 工 用 量 ， 生 产 率 高（ 一 般 为 普 通 机 床 的 35 倍 ） ； 机 床 自 动 化 程 度 高 ， 可 以 减 轻 劳 动 强 度 ； 对 操 作 人 员 的 素 质 要 求 较 高 ， 对 维 修 人 员 的 技 术 要 求 更 高 。 数 控 机 床 一 般 由 下 列 几 个 部 分 组 成 ： 主 机 ， 他 是 数 控 机 床 的 主 题 ， 包 括 机 床 身 、 立 柱 、 主 轴 、 进 给 机构 等 机 械 部 件 。 他 是 用 于 完 成 各 种 切 削 加 工 的 机 械 部 件 。 数 控 装 置 ， 是 数 控 机 床 的 核 心 ， 包 括 硬 件 （ 印 刷 电 路 板 、 CRT显 示 器 、 键 盒 、 纸 带 阅 读 机 等 ） 以 及 相 应 的 软 件 ， 用 于 输 入 数 字 化 的 零 件 程序 ， 并 完 成 输 入 信 息 的 存 储 、 数 据 的 变 换 、 插 补 运 算 以 及 实 现 各 种 控 制 功能 。 驱 动 装 置 ， 他 是 数 控 机 床 执 行 机 构 的 驱 动 部 件 ， 包 括 主 轴 驱 动 单元 、 进 给 单 元 、 主 轴 电 机 及 进 给 电 机 等 。 他 在 数 控 装 置 的 控 制 下 通 过 电 气 或电 液 伺 服 系 统 实 现 主 轴 和 进 给 驱 动 。 当 几 个 进 给 联 动 时 ， 可 以 完 成 定 位 、 直线 、 平 面 曲 线 和 空 间 曲 线 的 加 工 。 辅 助 装 置 ， 指 数 控 机 床 的 一 些 必 要 的 配 套 部 件 ， 用 以 保 证 数 控 机床 的 运 行 ， 如 冷 却 、 排 屑 、 润 滑 、 照 明 、 监 测 等 。 它 包 括 液 压 和 气 动 装 置 、排 屑 装 置 、 交 换 工 作 台 、 数 控 转 台 和 数 控 分 度 头 ， 还 包 括 刀 具 及 监 控 检 测装 置 等 。 编 程 及 其 他 附 属 设 备 ， 可 用 来 在 机 外 进 行 零 件 的 程 序 编 制 、 存 储等 。 自 从 1952 年 美 国 麻 省 理 工 学 院 研 制 出 世 界 上 第 一 台 数 控 机 床 以 来 ，数 控 机 床 在 制 造 工 业 ， 特 别 是 在 汽 车 、 航 空 航 天 、 以 及 军 事 工 业 中 被 广 泛 地应 用 ， 数 控 技 术 无 论 在 硬 件 和 软 件 方 面 ， 都 有 飞 速 发 展 。1.3 数控机床的组成和分类1.3.1 数控机床的组成(1)输入输出设备输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印 。(2)数控装置数控装置是数控机床的核心。它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。(3)伺服系统伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驭动部件。它包括伺服电路和伺服电机组成。一般来说，数控机床的伺服驱动要求有好的快速响应性能，能灵敏而准确地跟踪由数控装置发出的指令信号。(4)测量反馈装置该装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。(5)机床本体机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。1.4 数控机床的特点数 控 机 床 的 操 作 和 监 控 全 部 在 这 个 数 控 单 元 中 完 成 ， 它 是 数 控 机 床 的 大脑 。 与 普 通 机 床 相 比 ， 数 控 机 床 有 如 下 特 点 ： 加 工 精 度 高 ， 具 有 稳 定 的 加 工 质 量 ； 可 进 行 多 坐 标 的 联 动 ， 能 加 工 形 状 复 杂 的 零 件 ； 加 工 零 件 改 变 时 ， 一 般 只 需 要 更 改 数 控 程 序 ， 可 节 省 生 产 准 备 时间 ； 机 床 本 身 的 精 度 高 、 刚 性 大 ,可 选 择 有 利 的 加 工 用 量 ， 生 产 率 高（ 一 般 为 普 通 机 床 的 35 倍 ） ； 机 床 自 动 化 程 度 高 ， 可 以 减 轻 劳 动 强 度 ； 对 操 作 人 员 的 素 质 要 求 较 高 ， 对 维 修 人 员 的 技 术 要 求 更 高 。 数 控 机 床 一 般 由 下 列 几 个 部 分 组 成 ： 主 机 ， 他 是 数 控 机 床 的 主 题 ， 包 括 机 床 身 、 立 柱 、 主 轴 、 进 给 机构 等 机 械 部 件 。 他 是 用 于 完 成 各 种 切 削 加 工 的 机 械 部 件 。 数 控 装 置 ， 是 数 控 机 床 的 核 心 ， 包 括 硬 件 （ 印 刷 电 路 板 、 CRT显 示 器 、 键 盒 、 纸 带 阅 读 机 等 ） 以 及 相 应 的 软 件 ， 用 于 输 入 数 字 化 的 零 件 程序 ， 并 完 成 输 入 信 息 的 存 储 、 数 据 的 变 换 、 插 补 运 算 以 及 实 现 各 种 控 制 功能 。 驱 动 装 置 ， 他 是 数 控 机 床 执 行 机 构 的 驱 动 部 件 ， 包 括 主 轴 驱 动 单元 、 进 给 单 元 、 主 轴 电 机 及 进 给 电 机 等 。 他 在 数 控 装 置 的 控 制 下 通 过 电 气 或电 液 伺 服 系 统 实 现 主 轴 和 进 给 驱 动 。 当 几 个 进 给 联 动 时 ， 可 以 完 成 定 位 、 直线 、 平 面 曲 线 和 空 间 曲 线 的 加 工 。 辅 助 装 置 ， 指 数 控 机 床 的 一 些 必 要 的 配 套 部 件 ， 用 以 保 证 数 控 机床 的 运 行 ， 如 冷 却 、 排 屑 、 润 滑 、 照 明 、 监 测 等 。 它 包 括 液 压 和 气 动 装 置 、排 屑 装 置 、 交 换 工 作 台 、 数 控 转 台 和 数 控 分 度 头 ， 还 包 括 刀 具 及 监 控 检 测装 置 等 。 编 程 及 其 他 附 属 设 备 ， 可 用 来 在 机 外 进 行 零 件 的 程 序 编 制 、 存 储等 。 自 从 1952 年 美 国 麻 省 理 工 学 院 研 制 出 世 界 上 第 一 台 数 控 机 床 以 来 ，数 控 机 床 在 制 造 工 业 ， 特 别 是 在 汽 车 、 航 空 航 天 、 以 及 军 事 工 业 中 被 广 泛 地应 用 ， 数 控 技 术 无 论 在 硬 件 和 软 件 方 面 ， 都 有 飞 速 发 展 。1.5 数控机床的发展电 子 技 术 、 信 息 技 术 、 网 络 技 术 、 模 糊 控 制 技 术 的 发 展 使 新 一 代数 控 系 统 技 术 水 平 大 大 提 高 ， 促 进 了 数 控 机 床 产 业 的 蓬 勃 发 展 ， 也 促 进 了 现代 制 造 技 术 的 快 速 发 展 。 数 控 机 床 性 能 在 高 速 度 、 高 精 度 、 高 可 靠 性 和 复 合化 、 网 络 化 、 智 能 化 、 柔 性 化 、 绿 色 化 方 面 取 得 了 长 足 的 进 步 。 现 代 制 造 业正 在 迎 来 一 场 新 的 技 术 革 命 。 数 控 系 统 未 来 分 以 下 几 个 发 展 方 向 ： 数 控 系 统 向 开 放 式 体 系 结 构 发 展 数 控 系 统 向 软 数 控 方 向 发 展 数 控 系 统 控 制 性 能 向 智 能 化 方 向 发 展 数 控 系 统 向 网 络 化 方 向 发 展 数 控 系 统 向 高 可 靠 性 方 向 发 展 数 控 系 统 向 复 合 化 方 向 发 展 数 控 系 统 向 多 轴 联 动 化 方 向 发 展2 总 体 方 案 的 拟 定2.1 设 计 任 务 与 要 求2.1.1 课程设计的内容 1)、 总 体 方 案 的 选 择 。2)、 进 给 伺 服 系 统 机 械 部 分 的 设 计 计 算 并 绘 制 Z 向 坐 标 轴 的 机 械 传 动机 构 的 装 配 图 。3)、 设 计 并 绘 制 用 单 片 机 控 制 的 数 控 机 床 进 给 伺 服 系 统 的 硬 件 电 路 原 理图 。4)、 编 写 设 计 说 明 书 一 份 。2.1.2 课程设计的要求1)、 CNC 系 统 的 主 CPU 宜 采 用 8031 单 片 机 。2)、 机 械 进 给 伺 服 系 统 宜 采 用 混 合 式 步 进 电 机 驱 动 。3)、 所 编 写 的 零 件 加 工 程 序 应 符 合 ISO 标 准 的 有 关 规 定 。4)、 所 绘 制 的 机 械 装 配 图 和 硬 件 电 路 原 理 图 要 求 正 确 、 合 理 、 图 面 整 洁 、符 合 标 准 。5)、 说 明 书 应 简 明 扼 要 、 计 算 准 确 、 条 理 清 楚 、 图 文 并 茂 。2.1.3 课程设计的图纸1)、 滚 珠 丝 杠 装 配 图 A1 2 张2)、 传 动 齿 轮 配 合 图 A1 2 张2.2 总 体 方 案 的 设 计本 设 计 是 针 对 CA6150 普 通 车 床 进 行 数 控 改 造 。 利 用 微 机 对 纵 向 进给 系 统 进 行 开 环 控 制 ， 纵 向 （ Z 向 ） 脉 冲 当 量 为 0.01mm、 脉 冲 驱 动 元 件 采用 步 进 电 机 ， 传 动 系 统 采 用 滚 珠 丝 杠 。对 于 普 通 机 床 的 经 济 型 数 控 改 造 ， 在 确 定 总 体 设 计 方 案 时 ， 应 考 虑 在 满足 设 计 要 求 的 前 提 下 ， 对 机 床 的 改 动 应 尽 可 能 少 ， 以 降 低 成 本 。2.2.1 数控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 控 制 系 统 、 连 续控 制 系 统 。 由 于 要 求 CA6150 车 床 加 工 复 杂 轮 廓 零 件 ， 所 以 微 机 数 控 系 统采 用 两 轴 联 动 连 续 控 制 系 统 。 图 2-1 所 示 。2.2.2 伺服进给系统的改造设计数 控 机 床 的 伺 服 进 给 系 统 有 开 环 、 闭 环 之 分 。 因 为 开 环 控 制 具 有 结 构 简单 、 设 计 制 造 容 易 、 控 制 精 度 较 好 、 容 易 调 试 、 价 格 便 宜 、 使 用 维 修 方 便 等优 点 。 所 以 ， 本 设 计 决 定 采 用 开 环 控 制 系 统 。2.2.3 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 ，性 能 的 好 坏 直 接 影 响 整 体 数 控 系 统 的 工 作 性 能 。 有 了 硬 件 ， 软 件 才 能 有 效 的运 行 。 再 设 计 的 数 控 装 置 中 ， CPU 是 关 键 。在 我 国 ， 普 通 机 床 数 控 改 造 方 面 应 用 较 普 遍 的 事 MCS-51 系 列 单 片 机 。主 要 是 因 为 它 的 配 套 芯 片 便 宜 ， 普 及 型 、 通 用 性 强 。 制 造 和 维 修 方 便 ， 完 全能 满 足 经 济 型 数 控 机 床 的 改 造 需 要 。 本 设 计 中 是 以 MCS- 51 系 列 单 片 机 ，51 系 列 相 对 48 系 列 指 令 丰 富 ， 相 对 96 系 列 价 格 便 宜 。 本 设 计 以 8031 为核 心 ， 增 加 储 存 器 扩 展 电 路 ， 接 口 和 面 板 操 作 开 关 组 成 的 控 制 系 统 。图 2-1 CA6150 卧 式 车 床 简 图CA6140 车 床 的 主 轴 转 速 部 分 保 留 原 机 床 的 功 能 ， 即 手 动 变 速 。 车 床的 纵 向 （ Z 轴 ） 进 给 运 动 采 用 步 进 电 机 驱 动 。 由 8031 单 片 机 组 成 微 机 作为 数 控 装 置 的 核 心 ， 由 I/O 接 口 、 环 形 分 配 器 与 功 率 放 大 器 一 起 控 制 步 进电 机 转 动 ， 经 齿 轮 减 速 后 带 动 滚 珠 丝 杠 转 动 ， 从 而 实 现 车 床 的 纵 向 进 给 运 动 。为 保 持 切 削 螺 纹 的 功 能 ， 必 须 安 装 主 轴 脉 冲 发 生 器 ， 为 此 采 用 主 轴 靠 同 步 齿行 带 使 脉 冲 发 生 器 同 步 旋 转 ， 发 出 两 路 信 号 ： 每 转 发 出 的 脉 冲 个 数 和 一 个 同步 信 号 ， 经 隔 离 电 路 以 及 I/O 接 口 送 给 微 机 。 系 统 总 体 方 案 图 2-2 所 示 ：图 2-2 经 济 型 数 控 机 床 总 体 方 案 总 体3 伺 服 进 给 系 统 的 计 算机 床 进 给 伺 服 系 统 机 械 部 分 设 计 算 ,计 算 内 容 包 括 :确 定 系 统 的 负 载 ,确定 系 统 的 脉 冲 当 量 ,部 分 部 件 惯 量 计 算 ,空 栽 启 动 及 切 削 刀 矩 计 算 ,确 定 伺 服电 机 转 动 及 导 向 元 件 的 设 计 ,计 算 及 选 用 绘 制 部 分 装 配 及 零 件 工 作 图 等 .现分 述 如 下 : 3.1 确 定 系 统 脉 冲 当 量一 个 进 给 脉 冲 ， 使 机 床 运 动 部 件 产 生 的 位 移 量 ， 称 为 脉 冲 当 量 ， 也 称为 机 床 的 最 小 设 定 单 位 。 脉 冲 当 量 是 衡 量 数 控 机 床 加 工 精 度 的 一 个 基 本 技 术参 数 。 经 济 型 数 控 机 床 常 采 用 的 脉 冲 当 量 是 0.01-0.005mm 一 个 脉 冲 。3.2 切 削 力 的 计 算在 设 计 机 床 进 给 伺 服 系 统 时 ， 计 算 传 动 和 导 向 元 件 ， 选 用 伺 服 电 动 机等 都 需 要 用 到 切 削 力 。3.2.1 已知数据工作台重量：W=80kgf=800N时间常量： T=25ms行 程： s=950mm步 驱 角： 2=0.75 o/step快速进给速度：Vmax=3.6m/ms脉冲当量： 8p=0.01mm/8tep3. 2.2 纵车外圆：计 算 切 削 力 F主 切 削 力 ：Fz=0.67Dmax1.5=0.674001.5=5360N 按 切 削 力 各 分 力 比 例 ：Fz： Fx： Fy =1： 0.25： 0.4Fx=0.25Fz=0.255360=1340N Fy =0.4Fz =0.45360=2144N G=800N3. 2.3 横切端面：主 切 削 力 可 取 纵 切 的 0.5；Z=0.5Fz=0.55360=2680N 式 （ 2-1）此 时 走 刀 抗 力 ， 吃 刀 抗 力 。yx按 照 ： ： =1： 0.25： 0.4Zx计 算 ： =26800.4=1072N； =26800.25=670NyFxF3.3 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 计 算 与 选 型3.3.1 纵向进给丝杠（ 1） 、 计 算 进 给 牵 引 力 Fm作 用 在 滚 珠 丝 杠 上 的 进 给 牵 引 力 主 要 包 括 切 削 时 的 走 刀 抗 力 以 及 移 动件 的 重 量 和 切 削 分 力 作 用 在 导 轨 上 的 摩 擦 力 。 因 而 其 数 值 的 大 小 与 导 轨 的 型号 有 关 。纵 向 进 给 的 综 合 导 轨Fm =KFx +f (Fz +G)=1.151340+0.16(5360+800)=2527 N 式（ 2-2）式 中 K 考 虑 颠 覆 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 ： 0.15 0.18， f=0.16；G 溜 板 几 倒 架 重 力 ： G=800N（ 2 ） 、 计 算 最 大 动 负 载 CC= fwFm 式3L（ 2-3） 式 （ 2-610Tnt4）式 （ 2-0LVtS5）式 中 L0 滚 珠 丝 杠 导 程 ， 初 选 L0=6mm;Vs 最 大 切 削 力 下 的 进 给 速 度 ， 可 取 最 高 进 给 速 度 的（ 1/21/3） ;T 使 用 寿 命 ， 按 15000h；fw 运 转 系 数 ， 按 一 般 运 转 取 fw=1.2 1.5；L-寿 命 ， 以 106 转 为 1 单 位=300min 式nt切.（ 2-6）=270 610Tt615C= fwFm= 1.22527=19599N 式3L37（ 2-7）（ 3） 、 滚 珠 丝 杠 杠 螺 母 副 的 选 型由计算出的 C 在现代机床设计手册中选取相应规格的滚珠丝杠副FFZD4005-5 已确定得型号：FFZD公称直径：40，导程：5螺纹长度 1290，丝杠长度 1410P 类 3 级精度所选规格型号：FFZD4005-3-P3/141012903.4 滚珠丝杠的安装与使用(1)润滑为使滚珠丝杠副能充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑方式主要有以下两种1. 润滑脂润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的 1/3，我厂滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已加注 GB7324-94 2#锂基润滑脂； 2. 润滑油润滑油的给油量标准如表 16 所示，但是随行程、润滑油的种类、使用条件（热抑制量）等的不同而有所变化。请注意使用。表 16 润滑油的给油量标准（间隔 3 分钟）表三润滑油的给油量标准轴 颈 (mm) 给油量 (cc)48 0.031014 0.051518 0.072025 0.102832 0.153640 0.254550 0.305563 0.4070100 0.50100160 0.60(2)防尘滚珠丝杠副与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨耗，成为破损的原因。因此，考虑有污物异物（切削碎削）进入时，必须采用防尘装置（折皱保护罩、丝杠护套等），将丝杠轴完全保护起来。另外，如没有异物，但有浮尘时可在滚珠螺母两端增加防尘圈，请用户根据需要按编号规则选定合适规格型号。(3)使用滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项：1. 滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时要在行程两端配置限位，以避免螺母越程脱离丝杠轴而使滚珠脱落。2. 滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动时，如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。防逆传动方法可用蜗轮蜗杆传动、液压式电器制动器及超越离合器等。 (4)安装 1)滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项：1. 滚珠丝杠副仅用于承受轴向负荷。径向力、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等不良负荷，从而可能造成丝杠的永久性损坏。因此，滚珠丝杠副安装到机床时应注意： o 丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床的两端轴 承座与螺母座必须三点成一线。 o 安装螺母时，尽量靠近支撑轴承； o 同样安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位。2. 滚珠丝杠副安装到机床时，请不要把螺母从丝杠轴上卸下来。如必须卸下来时，要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意下列几点： o 辅助套外径应小于丝杠底径 0.10.2mm. o 辅助套在使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩。 o 装卸时，不可使过大力以免螺母损坏。 o 装入安装孔时要避免撞击和偏心。3.5 齿 轮 传 动 比 计 算3.5.1 纵向进给齿轮箱传动计算已 确 定 纵 向 脉 冲 当 量 P=0.01,滚 动 丝 杠 导 程 L0=5mm,初选 步 进 电 动 机 步 距 角 0.750,可 计 算 也 传 动 比 i：i= =3600.01/0.755=0.96Lbp可 选 定 齿 轮 数 i= =21Z4故 齿 轮 齿 数 为 ： Z1=24， Z2=25， 或 Z1=48， Z2=50 因 进 给 运 动 齿 轮 受 力 不 大 ， 模 数 m 取 2， 有 关 参 数 请 参 照 表 3-2。表 传动齿轮几何参数齿 数 24 25分 度 圆 d=mz 48 50齿 顶 圆 da=d+2m 52 54齿 根 圆 df=d-21.25m 43 45齿 宽 (610)m 20 203.5.2 纵向电机的计算与选择（1） 等效转动惯量计算。根据理论力学公式计算进给系统中各回转部件的转动惯量。滚珠丝杠设计时假设传动比 i 为 4，取脉冲当量 为 0.005mm/脉冲；纵向快速进给速度为 4m/min；步进电机的步矩角 预选为1.8（ ）/step 。0故可取 20、 80；m1.5mm（模数） ，a20 ； m 30mm，1z2 01dzm 120mm， 33， 1232d1adah2dah则齿轮的转动惯量分别为（齿轮为 45 号钢，并将齿轮近似看成圆柱体）=7.8 0.1851ZJ21ab404427.8310.kgc2.kgc0.185 2kgm7.8 = 35.72ZJ2ad4442. .kcm2.kc=35.7 210k滚珠丝杠选用型号为 FFZD4005-3-P3/14101290 的丝杠其长度为 1410mm，直径为 40mm，则丝杠的转动惯量近似为 2.815488sJ4427.8.kgcm2.kgcm=2.8 210设电动机转子的转动惯量为 7.5 （当有效到电动机轴上的mJ4210.k负载转动惯量大于电动机转子转动惯量一个数量级时， 值可以忽略，但当等mJ效到电动机轴上的负载惯量较小时，就不能轻易地忽略它。现预选电动机为110BYG450，其电动机转子地抓动惯量为 7.5 ） 。4210.kg根据书上机电一体化公式可知22211()()4mnjkiep ii jkkvJ式中： 采用最不利于机床启动时的速度，这里选用快速进给速度iv4m/min； （电动机） /（360 ）v溜 knmv溜 04000r/min； 100kg； ； /i1000 r/min。则i 1znm2z1zn212210(/4).()/4mep zsJkgjji（0.006 7.5 0.185 41040（35.7 2.8 ）/ ）41022.kgm1.0 32.kgm（2） 丝杠摩擦阻力力矩（ ）的计算。由于丝杠承受轴向载荷，又由于采取sT了一定的预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩，但由于滚珠丝杠的传动效率很高，其摩擦阻力矩相对与其它负载转矩小得多，故一般不用考虑。（3） 等效负载转矩 。由书上机电一体化公式得mepT ep1()02mvFn溜纵 摩 12(2016)03.440.18N.m（4） 启动惯性阻转矩（ ）得计算。这里以最不利于启动得快进速度进行计T惯算，启动加速度（或制动减速）时间为 t0.03s（一般在 0.031s 之间选择） ，由于电动机转速2 418.7 ，取加（减）速曲线为等mw1/60(240/6)ns1s加（减）速梯形曲线，故角加速度为2218.7/395t则 mepTJ惯 N.m1.395 N.m31.095（5）步进电动机输出轴上总负载转矩 的计算T Tmep惯（0.18+1.395）N.m=1.575 N.m（6）步进电动机的匹配选择上述计算均未考虑机械系统的传动效率，当选择机械传动总效率 0.7时/1.57/0.2.5TNm在车削时，由于材料的不均匀等因素的影想，会引起负载转矩突然增大，为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电动机丢步而引起加工误差，可以适当考虑安全系数，安全系数一般可在 1.22 之间选取。如果安全系数 K1.5，则步进电动机可按以下总负载转矩选择1.52.375.TNm若选用上述预选的电动机 110BYG450，其最大静转矩 7.1 N.m。在maxjT四相六拍驱动时，其步矩角为 0.75（ ）/step，为保证带负载能正常加速起动0和定位停止，电动机的启动转矩 必须满足qT由书上机电一体化表 3.7 可知， 0.87，则 0.87 7.1=6.17 maxqjTqTN.m故选用合格。4 微 机 数 控 系 统 硬 件 电 路 设 计4.1 微 机 控 制 系 统 硬 件 的 选 择任 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 ，性 能 的 好 坏 直 接 影 响 整 体 数 控 系 统 的 工 作 性 能 。 有 了 硬 件 ， 软 件 才 能 有 效 的运 行 。 再 设 计 的 数 控 装 置 中 ， CPU 是 关 键 。在 我 国 ， 普 通 机 床 数 控 改 造 方 面 应 用 较 普 遍 的 事 MCS-51 系 列 单 片 机 。主 要 是 因 为 它 的 配 套 芯 片 便 宜 ， 普 及 型 、 通 用 性 强 。 制 造 和 维 修 方 便 ， 完 全能 满 足 经 济 型 数 控 机 床 的 改 造 需 要 。 本 设 计 中 世 以 MCS- 51 系 列 单 片 机 ，51 系 列 相 对 48 系 列 指 令 丰 富 ， 相 对 96 系 列 价 格 便 宜 。 本 设 计 以 8031 为核 心 ， 增 加 储 存 器 扩 展 电 路 ， 接 口 和 面 板 操 作 开 关 组 成 的 控 制 系 统 。CA6150 车 床 的 主 轴 转 速 部 分 保 留 原 机 床 的 功 能 ， 即 手 动 变 速 。 车 床 的纵 向 （ Z 轴 ） 进 给 运 动 采 用 步 进 电 机 驱 动 。 由 8031 单 片 机 组 成 微 机 作 为数 控 装 置 的 核 心 ， 由 I/O 接 口 、 环 形 分 配 器 与 功 率 放 大 器 一 起 控 制 步 进 电机 转 动 ， 经 齿 轮 减 速 后 带 动 滚 珠 丝 杠 转 动 ， 从 而 实 现 车 床 的 纵 向 、 横 向 进 给运 动 。 刀 架 改 成 由 微 机 控 制 的 经 电 机 驱 动 的 自 动 控 制 的 自 动 转 位 刀 架 。 为 保持 切 削 螺 纹 的 功 能 ， 必 须 安 装 主 轴 脉 冲 发 生 器 ， 为 此 采 用 主 轴 靠 同 步 齿 行 带使 脉 冲 发 生 器 同 步 旋 转 ， 发 出 两 路 信 号 ： 每 转 发 出 的 脉 冲 个 数 和 一 个 同 步 信号 ， 经 隔 离 电 路 以 及 I/O 接 口 送 给 微 机 。本 系 统 选 用 8031CPU 作 为 数 控 系 统 的 中 央 处 理 机 。 外 界2764EPROM， 作 为 监 控 程 序 的 程 序 存 储 器 和 存 放 常 用 零 件 的 加 工 程 序 。 再选 用 一 片 6264RAM 用 于 存 放 需 要 随 机 修 改 的 零 件 程 序 、 工 作 参 数 。 采 用 译码 法 对 扩 展 芯 片 进 行 寻 址 ， 采 用 74LS138 译 码 器 完 成 此 功 能 。 8279 作 为系 统 出 入 输 出 口 扩 展 ， 分 别 接 键 盘 的 出 入 、 输 出 显 示 ， 8255 接 步 进 电 机的 环 形 分 配 器 ， 分 别 并 行 控 制 X 和 Z 轴 的 步 进 电 机 。 另 外 ， 还 要 考 虑 机 床与 单 片 机 之 间 的 光 电 隔 离 ， 功 率 放 大 电 路 等 。 各 引 脚 功 能 简 要 介 绍 如 下 ：4.1.1 源 引 脚Vss： 电 源 接 地 端 。Vcc： +5v 电 源 端 。4.1.2 输 入 /输 出 （ I/O） 口 线图 4-1 8031 8031 单 片 机 有 P0、 P1、 P3、 P4 四 个 端 口 ， 每 个 端 口 8 根 I/O 线 。当 系 统 扩 展 外 部 存 储 器 时 ， P0 口 用 来 输 出 低 8 为 并 行 数 据 ， P2 口 用 来 输出 高 8 为 地 址 ， P3 口 除 可 作 为 一 个 8 位 准 双 向 并 行 口 外 ， 还 具 有 第 二 功 能 。在 进 行 第 二 功 能 操 作 前 ， 对 第 二 功 能 的 输 出 锁 存 器 必 须 由 程 序 置 1。4.1.3 信号控制线RST/VPD： RST 为 复 位 信 号 线 输 入 引 脚 ， 在 时 钟 电 路 工 作 以 后 ， 该 引脚 上 出 现 两 个 机 器 周 期 以 上 的 高 电 平 ， 完 成 一 次 复 位 操 作 。Vpp： 当 EA 为 高 电 平 且 PC 值 小 于 0FFFH 时 CPU 执 行 内 部 程 序 存 储器 中 的 程 序 。 当 EA 为 低 电 平 时 ， CPU 仅 执 行 外 部 程 序 存 储 器 中 的 程 序 。XTAL1:振 荡 器 的 反 相 放 大 器 输 入 ， 使 用 外 部 震 荡 器 时 必 须 接 地 ；XTAL2:振 荡 器 的 反 响 放 大 器 输 出 ， 使 用 外 部 振 荡 器 时 ， 接 受 外 围 震 荡信 号 ；4.2 8255A 可 编 程 并 行 I/O 口 扩 展 芯 片8255A 可 编 程 并 行 I/O 口 扩 展 芯 片 可 以 直 接 与 MCS 系 列 单 片 机 系 统 总线 连 接 ， 它 具 有 三 个 8 位 的 并 行 I/O 口 ， 具 有 三 种 工 作 方 式 ， 通 过 编 程 能够 方 便 地 采 用 无 条 件 传 送 、 查 询 传 送 、 中 断 传 送 方 式 完 成 CPU 与 外 围 设备 之 间 的 信 息 交 换 。 8255A 的 结 构 及 引 脚 功 能 ：4.2.1 8255 的结构8255 的 内 部 结 构 包 括 三 个 8 为 并 行 数 据 I/O 口 ， 两 个 工 作 方 式 控 制 电路 ， 一 个 读 写 控 制 逻 辑 电 路 和 一 个 8 位 数 据 总 线 缓 冲 器 ， 各 部分 功 能 介 绍 如 图 4-2 所 示 ：三 个 8 位 并 行 I/O 口 A、 B、 CA 口 ： 具 有 一 个 8 位 数 据 输 出 锁 存 /缓 冲 器 和 一 个