【正文】 CS— 51 系列單片機擴展系統(tǒng)。 （ 7）為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)， 以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機構(gòu)。 總體方案設(shè)計圖如 圖所示 圖 數(shù)控車床改造的總體方案示意圖 設(shè)計要求 將 CA6140普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。分別由各自的步進電機來控制，但是為保證車床在車螺紋時主傳動運動與進給運動之間的聯(lián)系，所以在拆掉進給系統(tǒng)的同時，必須在主軸上安裝一個脈沖發(fā)生器，來實現(xiàn)主軸傳動和進給運動之間的聯(lián)系。 （ 2） 刀架的改造 CA6140 普通車床的刀架不能滿足數(shù)改后的車床的性能和精度的要求。 進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱總成絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當量、計算切削力 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進電機的計算和選型等。橫向脈沖當量為 pf =。 圖 滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)原理圖 組成：主要由絲桿、螺母、滾珠和滾道（回珠器）、螺母座等組成。 9 特點：①傳動效率高：機械效率可高達 92%~98%。 ④使用壽命長、制造成本高：主要采用優(yōu)質(zhì)合金材料，表面經(jīng)熱處理后獲得高的硬度。 ()mvF K FL f F G?? ? ? （ 31） ①車削抗力分析 車削外圓時的切削抗力有 xF ﹑ yF ﹑ zF ，主 切削力 zF 與主切削速度方向一致 垂直向下，是計算機床主軸電機切削功率的主要依據(jù)。 因此，作用在進給托板上的載荷可以按下式求出： 托板上的進給方向載荷 1F = xF =1340(N) 托板上的垂直方向載荷 vF = zF =5360(N) 托板上的橫向載荷 cF = yF =2144(N) 因此，最 大工作載荷 ()mvF K FL f F G?? ? ? = 1340+ (5360+90 ) =(N) 對于三角形導(dǎo)軌 K=, f? =～ ,選 f? =(因為是貼塑導(dǎo)軌 )， G是 縱向﹑橫向溜板箱和刀架的 重量，選縱向﹑橫向溜板箱的重量為 75kg,刀架重量為15kg. ②最大動載荷 C的計算 滾 珠 絲 杠 應(yīng) 根 據(jù) 額 定 動 載 荷 Ca 選 用 ， 可 用 式 34 計 算 ： 3 mmC Lf F? （ 34） L 為工作壽命，單位為 10r， L=60nt／ 10。 mf 為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，因為此時有沖擊振動，所以取 mf =. V縱向 = 1400r/min=2226mm/min 11 n縱向 =v縱向 1/2/L0=2226 1/2/12=∴ L=60nt/106=60 15000/106= 則 3 mmC Lf F? = =11740（ N） 初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動載荷 Ca不得小于最大載荷 C。 因此初選滾珠絲杠的型號為型 FL2021330/410型，主要參數(shù)為 wD =, 0L =8mm, md =63mm, ? =2o19 ’，圈數(shù)列數(shù) 1 ③縱向 滾 珠 絲 杠 的 校 核 1）傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 ? ta n ta n 2 1 9ta n ( ) ta n ( 2 1 9 1 0 )o o?? ? ?? ? ??? ???92% （ 35） 2）剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定 位精度和運動平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠和螺母之間滾道的接觸變形，絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。失穩(wěn)時的臨界載荷為 kF 2 2zk f EIF L? （ 38） 式中： E為絲杠材料彈性模量，對鋼 E= 104Mpa； I為截面慣性矩，對絲杠圓截面4 4()64ldI mm?? (ld 為絲杠的底徑 )； L為絲杠的最大工作長度（ mm）； z f 為絲杠的支撐方式系數(shù)由表 。 由于橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算與縱向類似，所用到的公式不再詳細說明，只計算結(jié)果。 由資料可知，當量轉(zhuǎn)速 mV 在 max minVV與 之間變化時： max min2m VVV ?? ； 取 minV 為 1/minr 時， / minmVr? ；取 450 / minmVr? ； 因此： 15 6660 6 0 4 5 0 1 5 0 0 0 4051 0 1 0iii nTL ??? ? ?； 根據(jù)資料可知，最大動負載為： 33 4 0 5 9 1 9 .2 4 8 1 1 .2 8 1 6 1 .4 2i W HQ L P f f N? ? ? ? ? ?。所以，導(dǎo)程變形總誤差為： 6100 2 .7 1 1 0 6 .7 8 /0 .4 mm??? ? ? ? ?； 查表 可知 3級精度絲杠允許的螺距誤差（ 1m）為 15 /mm? ，故剛度足夠。 從上計算可，最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速進給啟動時： m ax N cm?? 滾珠絲杠螺母副的精度等級： 數(shù)控機床根據(jù)定位精度的要求通常選用 15級精度的滾珠絲杠， 15級 度絲杠的行程公差數(shù)值如表 ： 表 項目 符號 有效行程lm/mm 精度等級 1 2 3 4 5 目標行程公差 ep ＜315 6 8 12 16 23 315~400 7 9 13 18 25 400~500 8 10 15 20 27 500~630 9 11 16 22 30 行程變動量公差 Vmp ＜315 6 8 12 16 23 315~400 6 8 12 17 25 400~500 7 10 13 19 26 500~630 7 11 14 21 29 任意 300mm 內(nèi)行程變動量 V300p 6 8 12 16 23 2π rad內(nèi)行程變動量 V2 4 5 6 7 8 18 π p 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方法 滾珠絲杠副的軸向間隙，是指負載時滾珠與滾道型面接觸的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。基本原理是使兩個螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。 圖 雙螺母墊片式結(jié)構(gòu)圖 （ 2）雙螺母調(diào)隙式 圖 3— 6 所示為利用螺帽來實現(xiàn)預(yù)緊的結(jié)構(gòu)，兩個螺母以平鍵與外 套相聯(lián)，鍵可限制螺母在外套內(nèi)移動，其中右邊的一個螺母外伸部分有螺紋。這種結(jié)構(gòu)既緊湊，工作又可靠，調(diào)整也方便，幫應(yīng)用較廣。內(nèi)齒圈緊固在螺母座上，預(yù)緊時脫開內(nèi)齒圈，使兩個螺母同向轉(zhuǎn)過相同的齒數(shù)，然后再合上內(nèi)齒圈。例如：當 n=1， Z1=99， Z2=100， 10 19900hP um??,即兩個螺母在軸向產(chǎn)生 1um 的位移。當所帶負載的慣性矩增大時， 20 由于步進電機是按電磁鐵吸力原理來動作，所以當慣性矩增大到某一值時，就 會使步進電機產(chǎn)生擅動就會產(chǎn)生啟動不良效果，所以，使用步進電機時盡量選小的負載。在這次設(shè)計改造過程中只能采用開環(huán)系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)不能對車 床的誤差進行修改，所以只能通過機械的方式對其各部分傳動誤差進行修改。根據(jù)所加工零件的工藝要求及車床控制方式確定自動刀架的刀位數(shù)和刀架類型。刀架上端的發(fā)信盤中對應(yīng)每個刀位都安裝一個霍爾傳感器元件，當(1電動機； 2固定安裝絲杠； 3安全離合器； 4刀架 )上刀體旋轉(zhuǎn)到某一刀位時，該刀架上 21 霍爾元件輸出高電平。在活動銷反靠作用下，螺桿帶動上刀體下降，直至齒牙盤嚙合，完成精定位，并通過渦輪蝸桿鎖緊螺母，使刀架緊固 。 步進電機的工作方式 步進電機的工作方式和一般電機的不同，是采用脈沖控制方式工作的。所謂單 m拍是指每拍只有一相通電，循環(huán)拍數(shù)為 m；雙 m拍是指每拍同時有兩相通電，循環(huán)拍數(shù)為 m；三 m拍是每拍有三相通電，循環(huán)拍數(shù)為 m 拍； 2 m 拍是各拍既有單相通電，也有兩相或三相通電。步進電機的相數(shù)也對步進電機的運行性能有很大影響。 ② 精度 步進電機的精確可用步距誤差或積累誤差衡量。 在要求的運行頻率范圍內(nèi)，電動機運行力矩應(yīng)大于電動機的靜載力矩與電動機轉(zhuǎn)動慣量（包括負載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性矩之和。 它是一種控制系統(tǒng)，能自動閱讀讀入載體事先給定的數(shù)字值，并將其譯碼，從而控制機床動作，進行零件加工。 數(shù)控機床主傳動一般都由直流或交流主軸伺服電動機驅(qū)動。 圖 62 數(shù)控機床進給機構(gòu)伺服系統(tǒng) 1)開環(huán)伺服系統(tǒng)。這一類系統(tǒng)的位置檢測元件從機械傳動鏈的中間取得信號，檢測元件大多是裝在伺服電動機后端或滾珠絲杠驅(qū)動端，能獲得比閉環(huán)伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性好的控制特性，而且也較經(jīng)濟，是全功能數(shù)控機床廣泛采用的一種控制形式。 數(shù)控機床和非數(shù)控機床類似，包括液壓和氣動裝置，冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、自動排屑裝置、防護裝置等。數(shù)控裝置通常具備的功能有：各可控軸控制及多軸聯(lián)動控制、各種插補運算、代碼轉(zhuǎn)換、人機對話、局部加工功能選擇、各種補償功能、 CRT 顯示、故障自診斷功能、與管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信功能。對于點位加工或形狀不太復(fù)雜的零件，編程計算較簡單，程序段不多，用手工即可實現(xiàn)。自動編程系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)連在一起時，可進行在線編程。 后面所畫大圖采用 MCS51系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。也可直接購買國內(nèi)較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品做為數(shù)控裝置。 I/O 接口芯片選用 8155 可編程 I/O 擴展接口，它的 A口做為 X、 Y進給系統(tǒng)步進脈沖的輸出口，其中 PA0~PA2為 X 向的輸出口， PA3~PA5為 Y 向輸出口。其存貯空間分配如下。輕則影響計算機程序的正常工作，重則導(dǎo)致計算機和接口電路損壞。 從上述特性可知，一塊 8031 的功能幾乎相當于一塊 Z80CPU、一塊 RAM。對于簡單的應(yīng)用場合， MCS51 系列的最小系統(tǒng)用一片 8031 外擴一片 EPROM 就能滿足功能的要求，對于復(fù)雜的應(yīng)用場合，可利用 MCS51的擴展功能，構(gòu)成功能強、規(guī)模較大的系統(tǒng)。晶體頻率選用 6MHz，其所能提供的讀取時間 t 小于 480ms，故其芯片在時序上滿足要求。 其引腳及與 8031 芯片連接見下圖： 30 其真值表 見下表： E G D Q L H H H L H L L L L X 0Q 注釋： L— 低電平； H— 高電平； X— 不定態(tài)； 0Q — 建立穩(wěn)態(tài)前 Q的電平； G— 輸入端，與 8031ALE 連高電平：暢通無阻；低電平：關(guān)門所存 OE — 使能端，接地 當 G=“ 1”時， 74LS373 輸出端 1Q~8Q 與輸入端 1D~8D 相同 當 G為下降沿 時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。 626 62256 均采用 CMOS工藝，由單一 5V供電，典型存取時間為 150200ns。 8255：可編程的通用并行接口電路（ 3個 8位口）。 此外， 74LS 系列的 LSTTS 電路或 MOS 電路也可作 MCS51單片機的擴展 I/O口，如 74LS37 74LS377 等。1 個 14 位可編程定時 /計數(shù)器和 256B 的靜態(tài) RAM，能方便的進行 I/O 擴展和 RAM 擴展， 其引腳下圖： 32 8155 共有 40 個引腳，按其功能特點分類說明如下： （ 1）地址數(shù)據(jù)線： 07AD AD 是低八位地址和數(shù)據(jù)共用輸入口，當 1ALE?時，輸入的是地址信息，否則是數(shù)據(jù)信息。 （ 4） RAM 或 IO口選擇線 :當 IOM =0 時，選中 8155 的片內(nèi) RAM，0~ 7AD AD 為 RAM 地址；若 1IOM? 時，選中 8155 片內(nèi) 3 個 I/O 端口及命令 /