机电一体化数控车床纵向进给系统设计论文

1、数控车床纵向进给系统的设计摘要了解数控机床的概念。所谓数控，就是按照包含机床（刀具）运动信息的程序指定的顺序，自动进行运算的过程。计算机数控机床是数控机床在计算机监督下的工作。它有很多优点。它可以一次在同一台机床上完成多项操作，生产率显着提高，但价格昂贵。由于我国目前使用的机床多为普通车床，自动化程度不高，更新现有机床需要大量资金。为了解决这个问题，也为了适应多品种小批量零件的加工，我们选择了经济型的机床数控改造。纵向进给机构的改造：将原机床的滑箱、光面丝杠、丝杠与安装座拆下，配合滚珠丝杠及相应的安装装置，将纵向驱动的步进电机和减速箱装上车床。床身末端不占用丝杠空间。横向进给机构的改造：去掉横

2、向丝杠，换成滚珠丝杠，由步进电机驱动。总体设计方案：C JK 6140车床主轴调速部分保留了圆弧机床的手动变速功能。车床的纵向和横向进给运动由步进电机驱动。最后根据已知条件设计计算了纵向和横向伺服进给机构。关键词：运动信息滚珠丝杠步进电机第一部分简介随着微电子学、计算机和信息技术的快速发展和应用，精密机械技术与这些前沿学科的相互渗透，使机械系统朝着高技术集成系统方向发展。这是当今机械科学技术发展的一个重要趋势。机械工程学科正向机电一体化方向发展，数控机床是该领域典型的发展方向。随着社会生产和科学技术的快速发展，机械产品的性能和质量不断提高，业务变化频繁。目前，单件和小批量加工约占机械零件加工的

3、80%。因此，加工设备不仅要求加工精度和生产效率高，而且具有相当大的“灵活性”，即灵活、通用、快捷。适应加工零件的变化。数控机床能较好地解决复杂、精密、小批量、多变零件的加工问题。具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定、生产效率高等特点和优势。因此，数控机床是灵活高效的自动化机床。随着电子、自动化、计算机和精密检测等技术的发展，数控机床在机械制造业中的地位将越来越重要。数控机床的经济改造本质上是机械工程技术与微电子技术的结合。改造后的机床加工精度、效率和速度均有明显提高，适合我国当前经济水平的发展要求。这个毕业设计主要是改造机床的机械部分。步进电机带动横向进给运动、纵向进给运动以及与刀架的快速

4、换刀，使传动系统非常简单，传动链大大缩短，传动件数减少，从而提高机床的精度。在设计中，我们阅读了很多关于数控机床和数控改造的书籍和刊物，收集了很多资料，了解了数控机床的基本概念、数控机床的发展、数控机床的组成和他们的工作原则。知识。机床计算机系统是1970年代发展起来的机床控制新技术。它融合了计算机、自动控制、电气控制、测量技术、机械制造等领域的最新成果，使机床发展上了一个新台阶。计算机数控机床具有精度高、加工周期短、适应性强等一系列优点。特别适用于中小批量生产的精密复杂零件的加工。因此，在机械、航空、船舶、电力等行业得到了广泛的应用。此外，数控技术在拉丝机械、三坐标测量机、激光和火焰切割机等

5、机械设备中也得到了广泛的应用。特别是自动换刀数控机床（即加工中心）、直接数控系统（即计算器群控系统、 DCN、Direct Numerical Control ）、自适应控制系统（ AC、Adaptive Control ）、柔性控制系统（FMS、Flexible制造系统） 、计算机集成（综合）制造系统（CIMS，Computer Integrated Manufacturing System）等，进一步说明数控机床已成为现代机械制造生产系统，实现设计（CAD） 、制造（CAM） 、检测（CAT）和生产管理等基本设备，用于所有生产过程的自动化。数控机床是一种以数字信息实现机床控制的机电一体化产

6、品。它决定了刀具与工件的相对位置、机床电机的启停、主轴的变速、工件的松紧、夹紧、刀具的选择、冷却泵等。各种操作和启动、停止等顺序动作等信息以编码数字记录在控制介质上，然后将数字信息致给数控装置或计算机。经过解码和计算后，发出各种指令，控制机床伺服系统或其他执行器加工所需的工件。与普通机床相比，数控机床具有以下优点： 1、适应性强，适合加工单个或小批量复杂工件；在数控机床上更换工件时，只需重新编译新工件的加工程序，即可加工新工件；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、经济效益好；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。近年来

7、，我国数控机床在产业化和产品开发方面取得了重大进展，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面。但与先进国家的同类产品相比，国产数控机床还存在一定差距，不能满足国家建设的需要。我国是机床大国，拥有普通机床三百万多台。但是，机床质量差，性能落后。单台机床的平均产值仅为先进工业国家的1/10左右。差距太大，亟待改革。旧机床数控化改造，顾名思义，就是在普通机床上加装微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以达到预定的加工目标。随着数控机床的日益普及和应用，数控机床的技术和经济效益为大家所了解。在国家工厂的技术改造中，机床的计算机数控化改造成为一个重要方面。许多工厂采购数控机床，利用CNC、数显

8、和PC技术对普通机床进行改造，取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家幅员辽阔，对机床的需求量大，不可能花相当大的钱购买新的数控机床，而且我国有很多旧机床。用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，既能满足加工需要，又能提高机床的自动化程度，更符合我国国情。 1984年，我国开始生产经济型数控系统，用于旧机床改造。到目前为止，许多制造商已经生产出经济型数控系统。可以预见，未来机床经济型CNC改造将迅速发展，普及开来。因此，这个毕业设计案例具有典型性和实用性。第二部分设计方案的确定纵向和横向进给系统由微型计算机以开环方式控制。纵向（Z方向）脉冲当量为0.01mm/pulse，驱动元件采

9、用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动分度刀架。总体方案的论证对于普通机床的经济型CNC改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计的前提下，尽量减少对机床的改动，以降低成本要求。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控制系统、点直线控制系统和连续控制系统。由于CA6140车床需要加工复杂的轮廓零件，因此本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。数控系统是一种位置控制系统。其本质是根据输入的数据进行插值，从而得到一个理想的运动轨迹，然后输入到执行部分处理需要的部分。根据这一原理，数控系统可分为开环数控系统和闭环系统。所谓闭环控制系统，是指随时检测加工零件，并输入（反馈

10、）给控制系统，以调整加工造成的误差。主要采用反馈检测装置和交流变频控制，功率大，精度高。但由于采用交流变频伺服系统和反馈检测装置，成本很高，结构也很复杂，稳定性也不是很理想。由于上述特点，闭环控制系统常用于需要精密加工和单件生产的机床，即整机生产中。其控制系统框图如下图所示：图 1-1 控制系统框图2.2 伺服进给系统改造设计 数控机床的伺服进给系统分为开环、半闭环和闭环。开环控制系统是指没有反馈装置的控制系统。根据数据指令，通过控制运算，将脉冲信号送入步进电机，使伺服装置转动相应的角度，再经过减速齿轮和丝杠螺母机构。转换为运动部件的线性位移。因为开环控制具有结构简单、易于设计制造、控制精度好

11、、易于调试、价格低廉、使用维护方便等优点。与闭环控制系统相比，步进电机开环伺服系统没有外部位置反馈环和速度反馈环。这消除了对诸如位置速度测量设备、模数转换器和高增益放大器等高性能组件的需求。因此，设备投资显着降低，系统简单可靠，与机床装配也十分方便，即具有结构简单、使用维修方便、可靠性高、制造成本低等一系列优点。成本。已广泛应用于中小型机床的速度和精度要求不高的场合。以下是开环控制系统的框图：开环控制框图开环伺服系统多采用步进电机作为负载不大时的伺服电机。因此，设计决定使用开环控制系统。2.3数控系统硬件电路设计 任何 CNC 系统都由硬件和软件组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整

12、个数控系统的工作性能。有了硬件，软件就可以高效运行。在数控装置的设计中，CPU的选择是关键，在选择CPU时应考虑以下几点：1 ）时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关；2 ）可扩展内存的容量与数控功能的强弱有关；3 ） I/O口扩展能力。控制系统采用单CPU的形式处理数据。 CPU采用8031芯片，应用广泛，功能强大，性能好，价格低。它包括一个微处理器、一个128字节的片上数据存储器、4个8位I/O接口（P1、P2、P3为准双向口，P0为三态双向口），还预留了为用户。一个扩展。控制系统的总体结构如下：8031通过I/O口扩展一个8255接口芯片，实现干运行、自动、手动转换、回零、换刀

13、、超程等关键功能。它还通过P0口和P2口和一个74LS373地址锁存器扩展了两个16K ROM接口，两个16K RAM用作开发程序的内存。 8031通过P0口扩展一块8279接口芯片，实现键盘输入和电路显示等功能。通过P1口通过光耦隔离电路TLP521-4，消除电路干扰，实现X、Z方向正反转和连续启动功能，通过S、T、M等待机功能实现功率放大电路。两个步进电机通过一个74LS373直接连接到P0口。软件设计采用模块化设计。主要包括主模块、子程序模块和定时中断模块。主模块主要完成初始化和监控。初始化包括PIO和CTC的初始化。监控主要包括键盘管理和显示器管理，可以调用原监控程序中的键盘管理和显示

14、器管理子程序。功能子模块包括+X、-X、+Z、-Z、STOP功能子模块，可以调用循环监控程序中的很多子程序。中断模块包括急停中断模块、报警中断模块等。2.4 纵向进给系统设计进给系统的传动原理：步进电机通过消隙齿轮箱同时放大扭矩输出，带动滚珠丝杠旋转。丝杠的转动使丝杠和丝杠螺母座水平移动。由于丝杠螺母座和工作台是通过滑座固定连接的，丝杠螺母座的水平运动也迫使工作台沿机床导轨水平运动。通过计算步进电机在运行过程中所需的最大静态转矩和最大启动频率，并参照反应式步进电机技术指导表，选用110BF-1型步进电机。由于脉冲当量= 0.01mm/pulse 与滚珠丝杠的基本导程之间的关系满足： I = ，

15、其中 I 为电机输出轴与丝杠之间的传动比， 为电机的步距角，则为计算出来I不等于1是的，I是齿轮的啮合，电机输出的扭矩不能直接带动丝杠工作，所以放大了，就是加齿轮箱的目的之一。为使机床结构简单紧凑，齿轮箱采用一级传动。经计算校核，选择变速箱主动小齿轮齿数=32，从动部分齿数为40，模数2.0mm为变速箱的齿隙。方法如下：采用双片式齿轮错齿法，将从动轮制成两片，一个固定在轴上，一个为动片，在两者之间安装圆周弹簧，弹簧力使两个齿轮运动。轮廓分别与驱动轮的轮廓紧密接触，从而消除了齿轮之间的间隙，避免了卡滞和空转现象。通过丝杠的设计计算和压杆的刚度、强度和稳定性校核，丝杠的公称直径选择为25mm，基本

16、导程为6mm，精度为 3。滚珠丝杠是位移导程单螺母的自预紧，可实现螺母的拉伸或压缩。调整方法是：拆下滚珠螺母，准确测量原钢球的直径。然后，根据螺母的受力，换上几个几微米大小的钢球。它具有结构简单、尺寸简单的特点，可以避免双螺母形状和位置误差的影响。对于螺母副，我们使用调整垫片进行预紧的方法。通过改变垫片的厚度，螺母轴向位移。消除它们之间的间隙并施加预紧力。不能随意调整。在加工过程中，为了保护丝杠免受铁屑的磨损和冷却液的腐蚀，增加了保护板。同时，为了防止灰尘、铁屑等杂物进入滚珠丝杠的轨道，避免出现卡住滚珠或传动精度大大降低的现象，我们采用了防护形式防尘罩。机床导轨和矩形导轨的一体化形式。这种导轨

17、的优点是：接触刚度高、不易磨损、承载能力强、运行平稳等。第三部分机械设计3.1纵向进给系统设计经济型数控车床的改造一般是步进电机通过减速驱动丝杠，螺母固定在滑块上，带动刀架左右移动。滚珠丝杠轴向尺寸小，预紧力消除间隙。它仍然安装在原来的螺丝位置，并固定。由于滚珠丝杠摩擦系数小，纵向进给刚性增加。纵向进给减速机构采用齿轮减速，采用双齿轮消除方式消除间隙。纵向齿轮和滑箱采用罩盖，保证了机床的原貌，美化了机床的外观。滑盒上装有纵向快速进给和急停装置。按钮以适应机床调整的操作需要和遇到其他情况时的应急处理需要。已知条件：最大回转直径400mm最大车削直径400mm最大工件长度1000mm工作台量W =

18、 80kgf时间常数为T = 25ms滚珠丝杠导程L 0 =6mm行程S =1000mm脉冲当量 = 0.01mm/step步距角 =0.75/步快速进给速度V max = 5m/min主功率P =7.5KW最大切削直径D =80mm3.2切削力的计算根据机床设计手册，切削功率N c = nk式中： N电机功率，由同型号的C6140车床可知，N为7.5kw。主驱动系统的总功率，一般为0.60.7，取=0.65。k 馈电系统功率系数，取k=0.96。但：N c =7.50.650.96=4.68 kw还因为：N c =F z v/6120所以F z= 6120N c /v取切削速度V= 100m

19、/min。那么：Fz=2864.16N从机床设计手册中可以看出，车外圆转动时F X =(0.10.6) F y =(0.150.7)取F X =0.5 , =1432.08NF y =1718.58 N（Fz为主切削力，Fx为切削阻力，Fy为切削阻力）3.3滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠在运转过程中承受轴向载荷，使滚珠与滚道面产生接触应力。滚道轮廓的一个点是交变接触应力。在这种交变接触应力的作用下，往往经过一定次数的应力循环后才产生疲劳破坏，这是其主要失效形式。因此，在设计中，必须保证在一定的轴向力作用下旋转10度，滚道上虽然有滚珠压力，但不会出现点。(a) 首先确定最大动载荷 Q(b) 从滚珠丝

20、杠设计标准中的 Q 中选择相应尺寸系列的最大动载荷 Q 的近似值，并选择几个型号。(c) 根据工作要求、结构尺寸、循环方式等条件选择合适的型号如d l0 R。(d) 然后列出主要参数，计算传动效率，检查刚度的稳定性3.3.1求轴向力根据机械设计手册：P=KFx+fw(Fz+W)式中，K=1.15，fw=0.150.18，取0.16，W为工作台的重量，从图中估计为800N那么P=1.15132.9+0.16(2864.16+800)=2233.16N3.3.2计算丝杠动载荷Cj(a) 强度计算寿命值：Li=60NiTi/10 6 ，Ni=1000vf/(DL0)，取工件直径D=100mm，丝杠L

21、0=6mm，镍丝杠转速15.92r/min。根据机床数控技术，使用寿命系数T一般取15000h，因此Li=60NiTi/10 6 =14.3，(b) 求 C j由数控技术的公式6-16可知：C j = K f k h P其中：K f 载荷系数，一般取（1.21.5），1.2K h 硬度系数，取1.0则C j = 7154.3N，根据C j ，选择滚珠丝杠，考虑其功能，选择汉江机床厂2506-3型功能参数：公称通径外径带领导程角精度系数动态负载25mm24.5mm6mm4223级11670N因为：6512.1N 11670N因此，螺钉的强度是足够的。3.3.3螺杆效率计算从公式： S =tm /

22、tm( +4) S - 螺旋角， =422-摩擦角， =10因此，计算得到 S =0.965 。3.3.4查看= 1 * GB3刚度检查由工作载荷P引起的滚珠丝杠的导程L 0为L 1 。其值按公式6-19计算L 1 =其中，E弹性模量，取2110 N/cmA滚珠丝杠的截面积A=(d 0 /2) =4.71那么L 1 = =12.610cm由扭矩引起的滚珠丝杠的导程变化L 2很小，可以忽略不计，即L 0 =L 1 。引线变形的总误差为= L=21 10m/m查阅机械设计手册表12-1-19可知：3级精度，1m长丝杠螺距为21 10m 稳定性检查由材料力学中的欧拉公式：F K = 2 EI/(l

23、2 )式中，F K为长压杆临界不稳定时的临界载荷；E弹性模量，取2110 N/cm ；I - 截面惯性矩，单位 cm 4 ，对于实心圆柱体 I= = 1.77cm2 ；l取工作长度1m； 丝杠轴端系数=12/3，取1。然后经过计算，我们得到：F K =36648N。N k = F K /p=36648/2071.2=17.69。一般N k =2.54，考虑水平螺杆重量的影响，N k 取4。N k N k 因此，丝杠是稳定的。3.4 齿轮箱减速器设计部分3.4.1传动比 i我=式中， 步距角，取0.75 ；p脉冲当量，取0.01mm/脉冲。我= =1.25闭式齿轮传动通常具有高转速。为了提高传动

24、的稳定性，减少冲击和振动，齿数越多越好。小齿轮的齿数优选Z =2040，本设计中选择Z=32。I = , Z =iZ =321.25=40即Z =32，Z =40选用材质为45#钢，调质，6级精度。3.4.2齿面接触强度设计计算按设计计算公式（ -9a10 ）计算，即：d2.32 _确定公式的计算值(1) 选择负载系数 K = 1.3(2) 计算小齿轮传递的扭矩TT =95.5 10 ,PN =4.32KW ，n = = = 1041.7R / min则 T 3.96 10 N mm(3) 从表 10-7 中选择齿宽系数= =0.5(1+) ,指定值为 0.60=0.5(1+1.25) 0.6

25、0=0.675(4) 表10-6中材料的弹性影响系数： Z =189.8MP （锻钢）(5) 由图10-21d，根据齿面硬度：小齿轮的接触疲劳强度极限=600 MP大齿轮接触疲劳强度极限=550 MP(6) 按公式10-13计算应力循环次数N 1 =60n 1 j 1 L h =60 1041.7 1 (2 8 300 10)=3.0 10n 1 小齿轮的转速；j 1 齿轮每转同一齿面的啮合次数，取1 ；L h齿轮的工作寿命（单位为h），取15000 。设计齿轮工作寿命10年，一年300天，每天8小时，2班倒，j = 0.8 ，则：N 1 = 60 n j L = 60 1041.7 0.8

26、(2 8 300 10) = 2.4 10(7) 从图10-19中求出接触疲劳寿命系数K = 0.88, K = 0.9(8) 计算接触疲劳强度的许用应力取故障率为1，安全系数S=1，由公式（10-12）可得： = = = 528Mp = = =495Mp2) 计算：(1) 计算小齿轮分度圆的直径 d ，代入 中较小的值，则：d 2.32 63(2) 计算圆周速度V：V 3.43m/s(3) 计算齿宽bb=dd =0.67563=42.525(4)计算齿宽与齿高的比值b/h模数 m = = 2齿高h= 2.25 m=2.252=4.5mmb/h= =9.45(5) 计算负载系数：根据V=/s，

27、6级精度，动载荷系数K 3.43m=1.06，见图10-8K =K=1.0见表10-3，使用系数K =1见表10-2；根据表 10-4，得到 6 级精度，当小齿轮相对于支撑不对称分布时：K = 1.12+0.18 (1+0.6 ) +0.23 10 b=0.675,b=42.525K1.234 。 b/h=9.45, 发现 10-13:K =1.1 7 所以负载系数K=K K K K =1.308根据实际载荷系数修正计算出的指标圆直径，由公式10-10ad =d =63.13(6) 计算模量MM= =1.973.4.3根部抗弯强度设计：公式 10-5 的抗弯强度设计公式为：MM= =1.97(

28、1) 小齿轮的弯曲疲劳极限见图10-20C：=500Mpa, =380Mpa(2) 由图 10-18 求弯曲疲劳寿命系数 K , KK = 0.85，K = 0.88。(3)计算弯曲疲劳的许用应力：取弯曲疲劳安全系数S=1.4 = = 303.57Mpa 2 = = 238.83Mpa(4) 计算负载系数K：K = K K K K = 1 1.06 1 1.17 = 1.2402(5)检查齿形系数：由表10-5可以查到，Y =2.52，Y =2.40(6)检查应力修正系数：由表10-5可以得出：Y =1.625，Y =1.67( 7 )计算大齿轮和小齿轮并进行比较：小齿轮： = = 0.013

29、49大齿轮： = = 0.01678大齿轮数值大，取较大数值3.4.4设计计算：M =1.33mm对比计算结果，齿面接触疲劳强度计算的模量M大于齿根弯曲疲劳强度计算的模量，因为齿轮模量的大小主要是由弯曲决定的承载能力疲劳强度，而齿面的接触疲劳强度所确定的承载能力只与齿轮的直径有关。可以取从弯曲强度计算的模量M=1.97，标准值M=2.0mm四舍五入到最接近的标准值，根据接触强度计算等级圆的直径。Z = = =31.56532Z =i Z =32 1.25=40这样设计的齿轮传动既满足齿面的接触疲劳强度，又满足齿根的弯曲疲劳强度，实现了结构紧凑，避免浪费。齿轮参数值如下：范围Z米b一个d外径大齿

30、轮40220208084齿轮322202064683.5 其他机械设计零件3.5.1变速箱最小输出轴的计算取各级齿轮传动效率（包括轴承效率）=0.97，则P =P =4.320.97=4.19KWn = = =833.4 R/min由式 15-2 可得 dA ，即： d = A 。查机械手册表15-3，得45钢，调质后， A0取112。经过计算，我们得到：d =112 =19mm输出可以选择为 d 19mm。3.5.2轴承选择已知丝杠的动载荷C =7154N=7.154KN，所以选择轴承如下：姓名模型国家标签C角接触轴承36204 型GB292-8311.2KN7.46KN圆锥滚子轴承7204

31、E 型GB297-8426.8KN18.2KN因此，上述两种类型的动静载荷均大于7.154KN，因此选用的轴承符合要求。3.6 步进电机的选择参考“机电一体化系统设计”，选择过程在以下小节中描述。3.6.1计算减速机的传动比I我=步进电机角度， =0.75；P 丝杠导程，P= 6mm；工作台脉冲当量， = 0.01mm；经过计算， I = 1.25。3.6.2计算系统的转动惯量齿轮、丝杠等的转动惯量的计算并不容易准确计算，可以近似为等效于一个圆柱体。圆柱转动惯量J（Kgcm 2 ）的计算公式：J = . (5-7)其中， 物质密度， kg/cm 3 = 7.8 103kg/m 3d传动部分的当

32、量直径ml 传动部分的轴向长度，m总等效负载转动惯量 Je(Kg m 2 )Je=Jz 1 + +( ) W其中， Jz1、Jz2电机轴和丝杠轴上齿轮的转动惯量， Kg m 2 ；Js丝杠转动惯量， Kg m 2 ；m -工作台质量， Kg 。根据公式（5-7），首先计算各传动部分的转动惯量，其中齿轮的当量直径为分度圆的直径d 1 = 80mm，d 2 = 64mm，当量直径为丝杠是24.5mmJz1= =6.3 10 (公斤)Jz2= =5.04 （公斤）Js= =2.76 （公斤）根据公式（5-8），可得到总等效负载的转动惯量Je=Jz1+ +( ) W/g=11.75910 ( Kg )

33、3.6.3确定步进电机功率参数(1)电机负载转矩的计算：作用在步进电机轴上的总负载转矩 T 按下式计算：公式计算：T=(J + J ) + + ,其中， J电机轴本身的转动惯量（Kg ）；- 电机启动或制动时的角速度 rad/s ；F作用在工作台上的摩擦力，N；F作用在工作台上的其他外力，N；- 伺服驱动链的总效率；F 滚动丝杠螺母副的预紧力，N滚动丝杠螺母副未预紧时的传动效率，一般取0.9初步选择J = 1.0 10 Kg， = 0.2 （导轨摩擦系数），最大轴向力为F = 2071.2N并要求空载启动时间t=30ms，最大进给速度V = 5m/min那么步进电机轴上的总惯量J：J=J +J

34、 =1.0 10 +1.1759 10 =2.1759 10Kg空载启动时，电机轴上的惯性转矩为：(a) T = T = J = J = 3.95 (Nm)设 F =F /3=207.2/3= 690.4N则电机轴上的摩擦力矩为 T ：(b) T = = =0.125 (N m )(c) 工作台上的最大轴向载荷换算为电机轴上的载荷扭矩 T ：T = = =1.98 (N m ) ,(d) 则电机空载时的总负载转矩 TT =T +T +T =3.95+0.125+0.08=4.155(Nm),（其中 T = = =0.08 (N m) ） 。(2)确定电机的最大静态转矩步进电机初级选型采用三相六

35、拍上电控制方式： 表5-1， T与T的比例关系如下：电机相数33445566跑步节拍3648510612电汇/电汇0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866根据上面得到的T和T ，根据表5-1，空载启动所需电机的最大静态转矩T为：T =T /0.866=4.155/0.866=4.80 N在最大负载下工作时所需的最大静扭矩T ：T =T /(0.30.5)=(0.125+0.08+1.98)/(0.30.5)= 7.284.37(Nmm)T max(T ,T )T =7.3(N)(3) 步进电机最大工作频率f ：f = = = 8333.3HZ考虑：查阅机械手

36、册选择110BF003步进电机，即可满足其需要。电机参数如下；模型110BF003阶段3额定电压80V额定电流6A步距角0.75最大静态扭矩800 牛米工作频率7000步/秒空载启动频率1500步/秒回转直径110mm长度160mm轴径11mm第四部分 CNC 设计4.1 CNC系统硬件电路4.1.1基本硬件组成任何数控系统都是由硬件和软件组成的。硬件是数控系统的基础，只有硬件才能有效运行。硬件电路的可靠性直接影响数控系统的性能指标，其性能直接影响整个系统的工作组成。机床数控系统的硬件电路一般由以下四部分组成：= 1 * GB3主控制器为中央处理器CPU；= 2 * GB3总线包括数据总线（D

37、B）、地址总线（AB）和控制总线（CB）；= 3 * GB3存储器包括只读可编程存储器和随机读写存储器；= 4 * GB3 I/O口为输入/输出接口电路。CPU是数控系统的核心。它的作用是下达指令，协调各部分的正常工作。存储用于存储系统软件（即程序）和运动过程中的各种数据。 I/O接口是系统与外界交换信息的桥梁。三总线是CPUI与内存、接口等各种转换电路之间的纽带，是CPU与电路各部分进行信息交换和通信的唯一途径。此外，还应根据数控系统的要求配备一些外围设备和信号转换电路。下图显示了数控系统的硬件结构。其中，CPU、内存和I/O接口是任何数控系统不可缺少的组成部分，但并非所有数控系统都有。它的

38、机床数控系统类型可能只包括它的一部分或几个部分。通常，通过I/O接口与CPU相连的人机交换外设是键盘、打印机、录音机等通讯接口。信号转换电路有A/D转换、D/A转换、光电隔离、功率放大等微机与控制对象之间进行信号匹配和转换的中间电路。这两个部分可以根据控制系统的要求来选择：CPUCPU存储器ROM、RAMI/O接口信号变频外设控制对象由于MCS-51系列单片机在我国广泛应用于机床数控改造，其配套芯片价格便宜、通用通用、制造维护方便，完全可以满足经济型数控车床改造的需要。本次C6140的改造以MCS-51系列单片机中的6031芯片为中央控制系统。4.1.2硬件配套及基本结构数控系统计算机是以80

39、31为CPU的8位微专用计算机。它包括一个微处理器、一个123字节的片上数据存储器、四个8位I/O接口（P1、P2、P3为准双向端口，P0为三态双向端口），还有Leave一个扩展。8031通过I/O口扩展一个8255接口芯片，实现干运行、自动、手动转换、回零、换刀超行程等关键功能。它还通过P0端口和P2端口以及一个74LS373地址寄存器扩展了两个16K芯片。 ROM（27128）和两块16K RAM（62128）用作开发程序的内存。 8031通过P0口扩展一块8279接口芯片，实现键盘输入和电路显示等功能。通过P1口通过光耦和隔离电路TLP521-4，消除电路干扰，实现X、Z方向正反转、连续

40、启动等功能。通过功放电路实现S、T、M等待机功能。两个步进电机通过一个74LS373直接连接到PO口。具体结构参考电路控制原理图。4.1.3接口线微机与机床的连接如下：驱动驱动放大X向步进电机X向步进电机光电隔离接口电路8031单片机8031单片机Y向步进电机Y向步进电机主轴脉冲发生器主轴脉冲发生器驱动驱动放大主动机主动机刀架刀架冷却系统冷却系统限位开关限位开关微机与机床的连接它通过光电隔离接口板将两个信号连接起来。光电隔离接口主要是防止干扰和匹配电平。机床小车的运动是通过软件插补控制和环分配器实现的，PIO口的输出信号控制X、Z方向两个步进电机。对主轴启停、刀架分度等辅助动作进行解码，从PI

41、O口输出相应的电信号，执行相应的动作。螺纹车削时，主轴脉冲发生器产生的主轴脉冲和螺丝头脉冲分别输入CTC口和PIO口，控制进给量。4.1.4光隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲信号经过功率放大器后控制步进电机励磁绕组。因为步进电机需要高驱动电压和大电流，如果输出信号直接接到功放上，会造成强电流干扰。会影响电脑程序的正常运行，对电脑和接口电路造成损坏。因此，一般在接口电路与功放之间连接隔离电路。4.1.5功率放大器功放电路分为单电源型和双电源型。单电源电路简单，但效率不高，所以选择双电源型。双电源采用高低压供电电路。由于我国步进电机的功率放大器是厂家串联生产的，所以在设计数控机床电路时只需要选择

42、步进电机的容量，所以不进行计算。4.1.6辅助电路为了防止机床行程越界，在机床上安装了行程控制开关。为了防止事故发生，安装了紧急停止按钮。由于这些开关安装在机床上且靠近控制箱，因此很可能发生电气干扰。为了避免这种情况发生，在电路和接口之间实现了光电隔离。4.2 软件设计改造后的CJK6140数控机床的主要控制功能由软件实现。软件设计采用模块化设计。主要包括主模块、子程序模块和定时中断模块。主模块主要完成初始化和监控。初始化包括PIO和CTC的初始化。监控主要包括键盘管理和显示管理，可以调用原监控程序中的子程序。功能子程序包括+X、-X、+Y、-Y和STOP功能子程序，可以调用监控程序中的子程序

43、。中断模块包括急停中断模块、报警中断模块等。CJK6140数控车床主要技术参数及功能 = 1 * GB3 数控装置：电脑型号 8031插值法逐点比较法插值坐标编号二坐标数据形式增量、绝对值和混合使用输入方式 手动键盘输入或磁带机一次性输入Z方向脉冲当量 0.01/脉冲X方向脉冲当量（直径） 0.01/脉冲单次行程最大圆弧半径5m传动系统间隙补偿0255脉冲块显示编号 9999 = 2 * GB3 CNC设备功能设置：(a)准备函数 G：G00 快速移动G01 直线插补G02 圆弧插补（顺时针）G03 圆弧插补（逆时针）G04 延迟G32切削圆柱螺纹G33切削锥螺纹G50坐标设定G90 直线切削

44、循环G90 锥度切削循环G92 圆柱螺纹切削循环G93 锥螺纹切削循环G94 1/4 凸轮循环G95 1/4 凹圆循环(b)补充功能：M00 程序暂停M02 程序终止M03 主轴正转M04 主轴反转M05 主轴停止M08 冷却液开M09 冷却液关闭C。刀具选择功能T：T 后跟两位数字，第一位是 1 到 4 表示刀具编号。第二位为16，表示刀补开关的序号。D. 进给速度选择功能 F：F后跟四位数字，表示脉冲/转数E、坐标指令：X水平绝对坐标值Z垂直绝对坐标值V横向增量值W 垂直增量 I 圆弧相对于圆心的起点在X坐标值K 圆弧起点相对于圆心的 Y 方向坐标值 F. 循环时间命令 J：J后面的数字是

45、自动循环次数，可以从1到9中选择( 2 )软件结构：加工零件的程序由手动键盘或磁带输入，并以固定格式存储在指定地址的存储区中。启动控制后，首先执行加工程序指令的第一步，将各种指令解码存储在对应的对应位置。单元。如M、T等指令直接译码输出，使机床进行各种辅助动作：G指令或坐标指令分别存储在相应的单元中进行插补运算，控制小车在X、Z方向的运动.插补操作结束后，依次取出下一段加工程序，直至取出加工零件程序。( 3 )键盘管理模块的程序设计：键盘是数控机床最常用的输入设备，由一系列排列成矩阵的按键开关组成。有两种基本类型的键盘：全编码和非编码。在全编码键盘上每按一次键，键盘功能由硬件逻辑自动提供要按下

46、的代码，并能产生一个选通脉冲同志给CPU。但这种键盘价格昂贵，一般系统很少使用。无编码键盘只提供键盘的行列矩阵，其他工作全部由软件完成，所以无编码键盘是最便宜的电脑输入设备，本次车床改造选用这种设备。为了实现对键盘的识别，生成按键对应的代码，消除按键接触时的抖动干扰，键盘程序必须依次执行以下步骤：1）扫描键盘判断按键是否关闭2) 获取关闭键的行列信号3）通过行列特征识别闭键的含义4）根据按键的特点进行分类5）分类处理考虑到大多数应用系统使用BCD码来输入数据。因此，只需使用 0 到 9 作为键。 AF 可以设置为特殊的命令键。程序框图如图所示，具体流程如下：密钥：组织机构0100H移动一个，#

47、00H ;00 H 是空格字符（不显示）移动R1 ,#OFEH ;段选择码输出端口地址致到R1移动R1 ,一个;关闭显示器移动R1 ,#OFDH ;线路信号输出端口的地址致到R1移动R1 ,一个;使线路信号全为0移动R1 ,#OFBH ;列信号输入端口地址致到R1移动一个，R1 ;获取列信号到累加器高铁一个，#OFFH ;确定是否存在债券JZ键；没有绑定，重新检查移动, _#OEH ;有按键式、延时调整程序D15 毫秒：一个电话暗淡;DJ新西兰R5 ,D15MS ;移动R2 ,#OFEH ;准备扫描第一行移动R0 ,#OFDH ;列信号输出端口地址致到R0移动R1 ,#OFBH ;列信号输入端

48、口地址致到R1KEYB1 ：移动一个，R2 ;逐行扫描移动反渗透,一个;移动一个，R1 ;读列信号移动R3 ,一个;列信号临时存储在 R3 中CJNE一个，; _有钥匙，钥匙被解码KEYB2 ：移动一个，R2 ;移动一个，准备扫描下一行移动R2 ,一个;卡侬一个，#OEFH ;检查每一行是否被扫描一次JZNKEYB1 ,继续不扫描一次AJMP键；进行新扫描KEYB2 ：移动一个，R2 ;CPL一个;获取线路信号特征词移动06H ,一个;特征词暂存器 06H 单位移动一个，R3 ;CPL一个获取列信号特征字移动07H ,一个;特征词暂存器 07H 单元移动R4 ,#00H ;搜索次数的初始值移动

49、DPTR ,#KEYB2 ;查找表起始地址KEYB3 ：CLR一个;MOVC一个，A+DPTR ;关键人物CJNE一个，06H,NEQ ;如果没有找到，转移到NEQAJMP乙;再检查一遍查询：INCR4 ;INCDPTR ;AJMPKEYB3 ;乙：移动R5 ,#OEH ;延迟，等待按键释放DLY ：一个电话暗淡;DJ新西兰R5 ,自己动手做；移动一个，#00H ;判断键是否释放MOVXR0 ,一个;MOVX一个，R1 ;ANL一个，#OFFH ;CJNE一个，#OFFH , E ;未发布继续等待移动一个，R4 ;关键值在 R4CJNE一个，#09H ,非9 ;判断key值是否9AJMP神经网络；等于9转数字键处理非9 ：JC神经网络；小于9转数字键处理KEYB4 ：移动DPTR ,#JMPTBL ;转到每个命令键分支CLRC ;SUBB一个，#OAH ;强化学习铝;JMPA+DPTR ;转到每个命令键分支JMPTBL :AJMPAAA ,