【正文】 == 專(zhuān) 業(yè)：機(jī)電一體化 重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 二 O 一 O 年 十二 月 重慶大學(xué)專(zhuān)科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要 摘 要 本 設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì) C616 普通車(chē)床進(jìn)行數(shù)控改造。 縱向脈沖當(dāng)量為 0 .01/脈沖，橫向脈沖當(dāng)量為 脈沖，驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采 用滾珠絲杠副，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械制造耍求產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對(duì)零件的加工質(zhì)量的要求也越來(lái)越高 。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也得到迅 速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)使人們對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)床傳動(dòng)及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，數(shù)控機(jī)床將向著更高的速度、精度、一可靠性及完善性的功能發(fā)展。重型機(jī)床發(fā)展之快速是我國(guó)電力、船舶、石化和礦山等重型設(shè)備制造大量需求直接拉動(dòng)的反映。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上的差別并不大，采用的新技術(shù)也相差無(wú)幾，但在先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用和制造工藝水平上與世界先進(jìn)國(guó)家還有一定差距。 作為機(jī)械裝備母機(jī)，機(jī)床制造業(yè)發(fā)展來(lái)源于其下游產(chǎn)業(yè)推動(dòng)，機(jī)床行業(yè)下游產(chǎn)業(yè)主要有造船、工程機(jī)械、航空航天、汽車(chē)、鐵路、電力設(shè)備、風(fēng)電設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備、制冷設(shè)備和石化設(shè)備等。為此，航空航天業(yè)對(duì)機(jī)床要求高，加之歐美、日本等國(guó)外強(qiáng)勢(shì)機(jī)床企業(yè)進(jìn)駐與當(dāng)前國(guó)際金融危機(jī)影響下不明朗的環(huán)境，應(yīng)進(jìn)一步加速推動(dòng)國(guó)內(nèi)機(jī)床調(diào)頭向高端發(fā) 展。 汽車(chē)制造水平質(zhì)量取決于裝備水平，同時(shí)，汽車(chē)工業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力又取決于裝備先進(jìn)性制造成本。國(guó)內(nèi)制造能力已進(jìn)入世界前列，而國(guó)外機(jī)床廠家的制造能力正在削弱。 C616 普通車(chē)床進(jìn)行數(shù)控步進(jìn)改造后， 機(jī)床的數(shù)控改造同購(gòu)置新機(jī)床比擬一般可節(jié)省 60%左右的費(fèi)用，大型及特殊裝備尤為明顯 ,一般機(jī)床改造只需 花新機(jī)床購(gòu)置費(fèi)的 1/3。使之車(chē)床生產(chǎn)效率高 ,是普通車(chē)床的 3～ 5 倍 。 確定改造目標(biāo)、 C616 車(chē)床的參數(shù)； 編寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告； 確定改造總體方案； 確定機(jī)械改造方案（包括絲桿、導(dǎo)軌、傳動(dòng)裝置的選型確定） ①確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量； ②運(yùn)動(dòng)部件慣性計(jì)算； ③計(jì)算伺服電機(jī)參數(shù)； ④傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算、校核； ⑤其它相關(guān)零件的選型及計(jì)算。 設(shè)計(jì)參數(shù)如下：快速進(jìn)給速度縱向 X： 2m/分；快速進(jìn)給速度橫向 Y： 2m/分；切削進(jìn)給速度： ；時(shí)間常數(shù)： t≤ 200ms ； 最大鉆孔直徑 d=5mm；銑刀直徑φ 15mm，齒數(shù) Z=3； 銑削最大余量α e=2mm；銑削最大深度α p=2mm；工作臺(tái)加工范圍 X=320mm， Y=260mm?？紤]到機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) XY工作臺(tái)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)及顯示器、 I/O 接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。為了提高支承剛度，采用向心推力球軸承對(duì)加止推軸承支承方式。 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用一級(jí)齒輪減速。當(dāng)負(fù)載小時(shí)，彈簧彈力又顯大，則加速齒輪的磨損。 考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率 的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。 211 ??橫橫ZZi ； 212 ??縱縱ZZi 經(jīng)翻閱《機(jī)械設(shè)計(jì)》和計(jì)算得 45,27 21 ?? 橫橫 ZZ ； 50,24 21 ?? 縱縱 ZZ 。92 ????? FzFzFzFzFz KnyxC 。 進(jìn)給抗力xF 中 。由于傳統(tǒng)的導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)大，動(dòng)摩擦系數(shù)隨速度的變化而變化，摩擦損失大，低速時(shí)易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象而降低運(yùn)動(dòng)部件的定位精度，因而本設(shè)計(jì)采用在原來(lái)的導(dǎo)軌上進(jìn)行貼塑（貼聚四氟乙烯塑料導(dǎo)軌軟帶）處理，使之具有摩擦特性好、耐磨性好、減震性好等優(yōu)點(diǎn)，其摩擦系數(shù) ~39。 39。 39。 經(jīng)查詢(xún)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得 當(dāng)其一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)~?wf ，本設(shè)計(jì)取?wf ；精度等級(jí)為 3 級(jí)時(shí)，精度系數(shù) 。t 10 接觸角 39。39。39。039。39。39。zd o s 39。D 39。 ???? RedD 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 39。1 ??? ?ddD 由于絲杠的價(jià)格較高，一般按導(dǎo)程選取絲杠，由于絲杠長(zhǎng)度一定，所以采用聯(lián)軸器的方式來(lái)補(bǔ)償其長(zhǎng)度。10 。 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式， 式中： —— 折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載（ ）； —— 齒輪 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ ）； —— 齒輪 2Z 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ ） ； —— 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ ）； M—— 移動(dòng)部件與工件的質(zhì)量（ kg）。2 cmkgJ ?????? ? )( 24339。139。0 ??? 空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的力矩 （ ） 2m a x2m a xm a x 1060 n210260 ?? ????? aaa tJtnJJM ??? 總總總 式中 —— 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ ）； —— 電機(jī)最大角加速度（ ）； —— 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（ r/min） , ； —— 運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大進(jìn)給速度所需要的時(shí)間（ s），因?yàn)?at =200ms； —— 運(yùn)動(dòng)部件的最大進(jìn)給速度（ mm/min）； —— 脈沖當(dāng)量（ mm/步）； —— 步進(jìn)電機(jī)的步距角（ ）； mi n/25 036 30 036 01m a x rvn bx ????? ??? mi n/250360 39。m a x ?總 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 iTFM zt ??2? 式中 T —— 絲杠導(dǎo)程（ cm）； i—— 齒輪降速比，按計(jì)算12ZZi? ； ?—— 傳動(dòng)鏈總效率，一般可取 ~?? cmNiTFM zt ????? ??? 3011?? cmNiTFM zt ????? ??? 4814 3 922239。 ?fmF0M cmN?)1(2 200 ??? ?? iTFM po0pF mF31 mF0L0? ??maxaM cmN?總J 2cmkg??2/sradmaxn?360m a xm a x bpVn ?? ??atmaxVp? b? ?重慶大學(xué)專(zhuān)科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 即 ② 縱向 快速起動(dòng)時(shí)所需力矩 即 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 即 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 即 經(jīng)過(guò)上述計(jì)算后，在 、 兩種力矩中取其大者作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 則 cmNMMj ???? a x ? 切； cmNMMj ???? 5839。 ??? ② 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 橫向 最大空載頻率： maxV —— 最快進(jìn)給速度， min/ mVx ? 。maxV —— 最快進(jìn)給速度， min/3mVz ? 。 所以根據(jù)以上數(shù)據(jù)，橫向選取一個(gè) 90BF001 型步進(jìn)電機(jī)，縱向選取一個(gè) 90BF002型步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的的相關(guān)參數(shù)如下： 型號(hào) 主要技術(shù)參數(shù) 外形尺寸 (mm) 重量(N) 步 距 角 最大靜轉(zhuǎn)矩 （ mN? ） 最高空載啟動(dòng)頻率（ Hz） 相 數(shù) 電壓(V) 電流(A) 外徑 長(zhǎng)度 軸徑 90BF001 ? 20xx 4 80 7 90 145 9 90BF002 3800 5 80 7 90 145 9 由于只靠最大靜轉(zhuǎn)矩 來(lái)選擇步進(jìn)電機(jī)不一定能滿(mǎn)足實(shí)際工作時(shí)的要求，也就是說(shuō)， 盡管最大靜轉(zhuǎn)矩 數(shù)值能滿(mǎn)足要求，但是并不能保證在快速空載起動(dòng)和運(yùn)行時(shí)不失步。自動(dòng)換刀裝置應(yīng)滿(mǎn)足換刀時(shí)問(wèn) 短、刀具重復(fù)定位精度高、足夠的刀具儲(chǔ)存量、刀庫(kù)體積小及安全可靠等基本要求。同時(shí)，活塞桿下端的端齒輪離合器 .與空套齒輪結(jié)合。缸體的底盤(pán)上精確地安裝著四個(gè)帶斜楔的圓形固定插銷(xiāo)，利用活動(dòng)插銷(xiāo)消除定位銷(xiāo)一與孔之間的間隙，實(shí)現(xiàn)反靠定位。 ?90重慶大學(xué)專(zhuān)科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 確定硬件電路的總體方案 控制系統(tǒng)框圖如下： 主控制器 CPU 的選擇 隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。從本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)看，選用 8031 單片可以獲得較高的性?xún)r(jià)比。 8031 所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM 所要求的讀取時(shí)間。 單片機(jī)規(guī)定 P0 口提供 8為位地址線(xiàn)，同時(shí)又作為數(shù)據(jù)線(xiàn)使用，所以為分時(shí)用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來(lái)保存，以便為外接存儲(chǔ)器提高低８位的地址信息，一般采用 74LS373 芯片作為地址鎖存器，并由 CPU發(fā)出允許鎖存信號(hào) ALE 的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。本次設(shè)計(jì)選用 6264 芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一編址，因此單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜。對(duì)于 RAM 和 I/O 容量較大的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線(xiàn)的時(shí)候，多采用全地址譯碼法。因此要進(jìn)行 I/O 口的擴(kuò)展。 數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有 LED 和 LCD。 鍵盤(pán)顯示器接口電路如下所示： 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ① 脈沖分配器 步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起電氣干擾。本設(shè)計(jì)選用功率放大器。采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，可將 XTAL1 直接接地， XTAL2 接外部時(shí)鐘源。當(dāng)晶振頻率選用 6MHz 時(shí)，復(fù)位電路中 C 取 10μ F,R 取10KΩ。 8031 可利用軟件設(shè)計(jì)成查詢(xún)的方法隨時(shí)檢查有無(wú)越界信號(hào)。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為 4K，數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器擴(kuò)展為 8K。所以 6264 的空間地址為 4000 ～ 5FFFH。 8155 的 A口為控制工作抬 X， Y 向電機(jī)的接口。該系統(tǒng)采用 4X6 共 24 個(gè)行列式鍵盤(pán)和 6位 8 段共陰極 LED 顯示器。計(jì)算機(jī)隨時(shí)巡回檢測(cè) PB4— PB7 的電平，當(dāng)某 I/O 線(xiàn)為 0時(shí)，應(yīng)立即停止X， Y 向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 重慶大學(xué) 本科 /專(zhuān)科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制功能分析 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床的主要控制功能包括： 系統(tǒng)初始化。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開(kāi)關(guān)，鍵盤(pán)掃描等功能，并作相應(yīng)處理。 系統(tǒng)管理程序設(shè)計(jì) 管理程序是系統(tǒng)的主程序。如從鍵盤(pán)上接收命令則需要定義鍵盤(pán)上各鍵的功能。 2AH：存放終點(diǎn)坐標(biāo) 0Z 。第 0 位和第 1位分別表示 X 軸和 Z 軸的進(jìn)給方向， 1為正向， 0為