【正文】 N， ??myj Ff ? )(N，（摩擦系數(shù) ? 取 ） 計(jì)算得出： )( ????mP )(W。 表 34 絲 杠支承系數(shù) kf 支承方式 雙推 雙推 雙推 簡支 單推 單推 雙推 自由 kf 取值 4 2 1 3． 2． 10 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 crn ，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速 ： 722m a x 10???? kccr adfKnn 式中： nkf — 絲杠支承系數(shù)，雙 推 簡支方式時(shí)，取 值如表 35所示 ； ca — 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度，單位為 mm ，本設(shè)計(jì)中該值為 2300mm ； 2d — 絲杠內(nèi)徑，單位 mm ； 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 13 頁 共 49 頁 cK — 安全系數(shù)，可取 cK = 表 35 絲杠支承系數(shù) nkf 支承方式 雙推 雙推 雙推 簡支 單推 單推 雙推 自由 nkf 取值 經(jīng)過計(jì)算，得出 crn = 1293 min/r ，由已知 min/6max mV ? ， mmPh 8? 可以算出 min/750m ax rn ? ，該值小于絲杠 臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 11 頁 共 49 頁 算得 ： ? =)01192tan( 192tan ???? ??=% 3． 2． 8 剛度的驗(yàn)算 滾珠絲杠副 工作時(shí)受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，引起導(dǎo)程的變化，從而影響定位精度和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。 本設(shè)計(jì) 中車床 Z向承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給 速度 m in/ ax mV j ? , 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 10 頁 共 49 頁 初選絲杠基本導(dǎo)程 mmPh 8? ，則絲杠轉(zhuǎn)速 m in/100/1000 m a x rPVn hj ?? 。在速度滿足的情況下，一般選擇 較小導(dǎo)程（利于提高控制精度） ，本設(shè)計(jì)中初選 縱向 絲杠導(dǎo)程為 8mm ，橫向絲 杠導(dǎo)程為 5mm 。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)。大托板與導(dǎo)軌接觸的兩端面要貼上橡膠片，防止雜質(zhì)進(jìn)入滑動(dòng)導(dǎo)軌面損傷導(dǎo)軌。其相關(guān)參數(shù)如表 21所示。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 4 頁 共 49 頁 （ 10） 保留原來的冷卻系統(tǒng)，滾珠絲杠和滑板輪滑采用手動(dòng)泵注入。 另外采用LM629 全數(shù)字 專用運(yùn)動(dòng)控制處理器，可以進(jìn)行位置與 速度 的反饋 控制。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 2 頁 共 49 頁 1． 2 設(shè)計(jì)任務(wù) 與總體方案的確定 將 C6163 普通車床 （如圖 11 所示） 改造成 采 用 16 位單片機(jī) 半閉環(huán) 控制的經(jīng)濟(jì) 型數(shù)控車床，要求該車床進(jìn)給兩坐 標(biāo)聯(lián)動(dòng)并 且能夠?qū)崿F(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)并增配自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架和主軸脈沖發(fā)生器，能車削螺紋。對普通車床的數(shù)控化改造，主要是 將縱向和 橫向進(jìn)給系統(tǒng)改成用微機(jī)控制的并能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將手動(dòng)刀架換成能自動(dòng)換刀的電動(dòng)刀架。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 1 頁 共 49 頁 1 緒論 1． 1 選題目的 及意義 機(jī)床是裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，是實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石。 普通車床由于 造價(jià)低廉在我國運(yùn)用十分廣泛，但是 因?yàn)槠?進(jìn)給 軸不能聯(lián)動(dòng)，切削次序需要人工控制，致其 效率低下并且 無法加工復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件。另外其 改造成本同購置新機(jī)床相比， 節(jié)省 的 費(fèi)用 十分 可觀 ， 國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床價(jià)格也要 4～ 8萬元，進(jìn)口機(jī)床有的近 20 萬元，而對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造也能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，其改造費(fèi)用僅 2～ 3萬元， 非常符合我國國情。 （ 3） 數(shù)控系統(tǒng) 處理器 的選擇：采用 TI 公司 推出 的 MSP430 系列 16 位單片機(jī)，該系列單片功能強(qiáng)大 ，性價(jià)比高， 是 16 位單片機(jī)中 的主流芯片之一 。 （ 9） 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的選擇及其控制電路的設(shè)計(jì)等。該系列電動(dòng)刀架是用戶普通采用的經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品 。 2． 5． 安裝防護(hù) 普通車床的數(shù)控化改造中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的防護(hù)措施，比如滾珠絲杠副由于精度要求較高，工作時(shí)需防塵防灰，尤其不能讓金屬削進(jìn)入滾道，所以縱向絲杠應(yīng)安裝防護(hù)罩。 = )(N 3． 2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，其螺旋傳 動(dòng)是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。 3． 2． 2 絲杠導(dǎo)程的確定 選 擇導(dǎo)程跟所需要的運(yùn)動(dòng)速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在： 120中選擇，規(guī)格較大，導(dǎo)程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。 對于滾珠絲杠螺母副的最大動(dòng)載荷 QF 計(jì)算公式如下： mhwQ FffLF 3? 式中： L — 滾珠絲杠副的壽命 系數(shù) ，單位為 610 r， 610/60nTL ? （ T為使用壽命，普通機(jī)床 T 取 500010000h，數(shù)控機(jī)床 T 取 15000h； n 為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）； wf — 載荷系數(shù)，一般取 ～ ，本設(shè)計(jì)取 ； hf — 硬度系數(shù)（ HRC? 58 時(shí)取 ；等于 55 時(shí)取 ；等于 時(shí)??；等于 50時(shí)取 ；等于 45 時(shí)取 ） ； mF — 滾珠絲杠副的最大工作載荷 ，單位為 N。 91′ ； ? — 摩擦角，一般取 ? =10′ 。 由以上數(shù)據(jù)可以算出： KF = 220212021 5?? ????? = )( 4 N? 臨界載荷 KF 遠(yuǎn)大于工作載荷 mF （ ） ，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 由運(yùn)動(dòng)學(xué)可 知， 最后一種狀態(tài)的傳遞功率一定小于快速空載啟動(dòng)（最后時(shí)刻）的瞬時(shí)傳遞功 率，所以只需要比較前二者。則帶的節(jié) 線長度 )( )()(22 22121 mmaddddaL ?????? ?。 3． 3． 7 計(jì)算基準(zhǔn)額定功率 基準(zhǔn)額定功率就是所選型號同步帶在基準(zhǔn)寬度下所允許傳遞的額定功率，其計(jì)算公式如下： vmvTP a )( 20 ?? 式中： 0P — 單位為 W ； aT — 帶寬為 基準(zhǔn)帶寬 b時(shí)的許用工作拉力，單位 N，如表 38 所示 ； m — 帶寬為 基準(zhǔn)帶寬 b時(shí)的單位長度質(zhì)量 （線密度） ，單位 mkg/ ； v — 同步帶線速度， 上述 中 已算出其值為 sm/ 。 4． 2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 4． 2． 1 最大工作載荷的計(jì)算 已知移動(dòng)部件總重力 NG 1500? ，電動(dòng)刀架重量為 kg55 ，則橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的重力 G? 約為 N850 ， 橫向?yàn)檠辔矊?dǎo)軌，查表 31， 最大工作載荷 mF 的計(jì)算如下： )2( GFFFKF xzym ????????? ? = )( N 式中： K — 為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，取 ； ? — 為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取 。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 20 頁 共 49 頁 算得： ?? =)01822tan( 822tan ???? ??=% 4． 2． 6 剛度的驗(yàn)算 1?? = SElF um???? （ “ +” 號代表拉伸， “ ” 代表壓縮） 式中：mF?— 絲杠的最大工作載荷，單位為 N ； ul?— 絲杠縱向最大有效行程，單位為 mm ； E — 絲杠材料的彈性模量，鋼 MPaE ?? ； S? — 絲杠的橫截面面積，單位 2mm 按絲杠螺紋的底徑2d?確定。 初選電機(jī)編碼器紋數(shù)為 1500，四倍細(xì)分，即1??= 41500360?? =（度 /脈沖），算得：i? = ? ? =35 4． 3． 2 傳遞功率的估算 （ 1） 最大工作負(fù)載下最大傳遞功率的估算： m a x)( jyjmm VfFP ??????? 式中： mF? — 絲杠的最大工作載荷， 其值 為 ； 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 22 頁 共 49 頁 maxjV? — 橫向最 大工進(jìn)速度，其值 換算 為 sm/ ； yjf? — 預(yù)緊摩擦力，單位 N， 12331 ???? myj Ff ? )(N （摩擦系數(shù) ? 取 ）； 計(jì)算得出： 60 )( ?????mP )(W。 實(shí)際中心距 )( mmLLaa pr ???????。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，選定最接近的帶寬mmbr ?? 。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以及新型電力電子功率元件的不斷出現(xiàn)，使采用全控 型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（ PWM）控制方式已成為主流，并作為其數(shù)字控制的基礎(chǔ)。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果： m in/ ax rn ?? ， mNT ??? ax ， 即 WP ??選用深圳市泰科智能伺服技術(shù)有限公司推出的 NT4P10116E 型直流有刷伺服電機(jī)，編碼器選定 1500P/R，具體參數(shù)如表 54 所示。 5． 3． 2 單極性可逆 PWM 電路 設(shè)計(jì) （ 1）電路簡介 可逆 PWM 電路分雙極性和單極性兩種，前者有低速運(yùn)行平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在著電流波動(dòng)大，功率損耗大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)直通的危險(xiǎn)，限制了開關(guān)頻率的提高，因此只用于中小功率直流電機(jī)的控制。 選用續(xù)流二級管型號為 ： 10CTQ1501（ 150V 10A）， 與門電路選用二輸入端四與門 74LS08,非門電路選用 74LS06。單微處理器數(shù)控系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，在一些標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。 單片 集成了多通道 12bit 的 A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)精密比較器、多個(gè)具有 PWM 功能的定時(shí)器、片內(nèi) USART、看門狗定時(shí)器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（ DCO）、大量的 I/O 端口以及大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器，采用串行在線編程方法，單片可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用需要。 顯示輸出時(shí)，它有一個(gè) 16179。 8位輸出線與 集電極開路六正相高壓驅(qū)動(dòng)器 74LS07 相連接， 需 上拉電阻 。 這樣使得設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)變得更加簡便、輕松。 圖 64 LM629與單片機(jī)的連接（縱向） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 39 頁 共 49 頁 圖 65 LM629與單片機(jī)的連接（橫向） 6． 1． 6 變 頻調(diào)速電路設(shè)計(jì) （ 1） 變頻器的控制方式 變頻器的控制方式主要有三種： ，即通過操作面板改變頻率的輸出和其他運(yùn)行參數(shù) 。該芯片有三種工作方式：雙緩沖工作方式、單緩沖工作方式和直通工作方式。缺點(diǎn)是需要了解掌握變頻器的通訊協(xié)議才能進(jìn)行控制編程，軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜。單片機(jī)主要的工作就是向 LM629 傳送運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和 PID 數(shù)據(jù)，并通過 LM629 對電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 37 頁 共 49 頁 圖 63 7407驅(qū)動(dòng)電路 6． 1． 5 位置 半閉環(huán) 控制電路設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的加工程序，經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算獲得位置指令脈沖，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和伺服電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)以及滾珠絲杠使工作臺(tái)移動(dòng) ，安裝在伺服電機(jī)軸端的角位移檢測裝置即增量式光電編碼器對電機(jī)實(shí)際角位移進(jìn)行檢測并進(jìn)行反饋，與位置指令進(jìn)行比較，用比較后的偏差進(jìn)行后續(xù)控制，直到位置偏差 為零時(shí)才停止工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，這就是位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。8279 芯片的 8 位 數(shù)據(jù)口與 系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線 DB0DB7 連接，在 MSP430 和 8279 之間 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 36 頁 共 49 頁 傳遞命令或數(shù)據(jù)。 （ 3） MSP430 的復(fù)位及晶振電路設(shè)計(jì)如圖 61所示。 6． 1． 2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 34 頁 共 49 頁 (1) 讀取 鍵盤輸入數(shù)據(jù)； (2) 讀取 操作面板開關(guān)及按鈕信號； (3) 讀取 螺紋 /光電編碼器信號 ； (4) 讀取 電動(dòng)刀架刀位信號； (5) 接受 車床行程開關(guān)信號； (6) 控制 LED 顯示； (7) 控制電動(dòng)刀架自動(dòng)選刀； (8) 控制縱向、橫向電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)； (9) 控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止； (10) 控制交流變頻器； (11) 控制冷卻泵啟停； (12) 可與 PC 進(jìn)行串行通信。 隨著高性能微處理器的誕生，現(xiàn)代數(shù)控已越來越傾向于軟件控制。使用 MOS管，其 開關(guān)速度快，同 時(shí)又是電壓驅(qū)動(dòng)型，驅(qū)動(dòng)電路簡單 而且 導(dǎo)通后內(nèi)阻小，通過電流大 ， 這樣加在電機(jī)的電壓就接近電源電壓，使電機(jī)能正常工作 。 非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于 開關(guān)信號 （數(shù)字信號） 的傳輸，不適合于傳輸模擬量； 線性光耦的電流傳輸手特性曲線接進(jìn)直線，并且小信號時(shí)性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制。 計(jì)算得出： J =≈ 60 2cmkg? 5． 1． 2 電動(dòng)機(jī)的 計(jì)算和選