【正文】 部分 ,以使其成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床 ,以完成較高的精度加工 . 總體設(shè)計(jì) 我國(guó)目前廣泛使用 MCS51 系列中的 8031 芯片 ,通過擴(kuò)展和 I/O 口擴(kuò)展功能 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床 X,Z 兩個(gè)方向的控制 .以及軟硬的任務(wù)分配有 :控制步進(jìn)電機(jī)脈沖發(fā)生和脈沖分配 ,數(shù)碼顯示的字符發(fā)生 ,鍵盤掃描管理既用硬件管理 ,又可用 軟件實(shí)現(xiàn) ,此次采用若干方案 :控制步進(jìn)電 機(jī)用的脈沖發(fā)生器用硬件 .采用國(guó)產(chǎn) YB015 環(huán)行分配器實(shí)現(xiàn) ,字符發(fā)生及鍵盤掃描均有軟件實(shí)現(xiàn) . 主控制器 主控器的選擇 近年來同外的一些主要的半導(dǎo)體制造廠家相繼生產(chǎn)了各種 8 位的單片微型端口及部分 RAM于一體的功能很強(qiáng)的控制器。 韶關(guān)電大畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 6頁(yè) 本次設(shè)計(jì)將一臺(tái) CA6140 普通機(jī)床改造成微機(jī)數(shù)控機(jī)床，采用 MCS51 型系列單片機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，具有直線和圓 弧插 補(bǔ)功能 ,具有降速控制功能 ,其他設(shè)計(jì)參數(shù)如下 : 最大回直徑 : 400 mm 電機(jī)功率 : 快速進(jìn)給 : 縱向 橫向 切削速度 : 縱向 橫向 定位精度 : 移動(dòng)部件重量 : 縱向 :800N 橫向 600N 加速時(shí)間 : 30ms 機(jī)床效率 : 0 .8 選擇脈沖當(dāng)量 根據(jù)機(jī)床精度要求脈沖當(dāng)量 ,縱向 ， 橫向?yàn)? 計(jì)算切削力 縱切外圓 1 主切削力（ Fz）計(jì)算由《金屬切削原理》可知 切削率： P： 電機(jī)功率 n:主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率取：η = Pc切削功率 Pc= = 又∵ Pc=FzV ∴ Fz= vPc 韶關(guān)電大畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7頁(yè) 式中 : V 切削速度 V=100m/min FzPc/V=60 Pc 1000/v=3510N 橫切端面 主切削力 Fz? , 可取縱切的 1/2 Fz? =1/2Fz1/2 3510=1755N 又 Fx? : zF? :Fy? =1:: xF? = zF? = 1755=702N Fy? = zF? = 1755= Fx== 1755= Fy== 3510=1404N 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 縱向進(jìn)給絲杠 1．計(jì)算進(jìn)給牽引力 Fm 縱向進(jìn)給的綜合型導(dǎo)軌 采用三角型或綜合導(dǎo)軌 : Fm=kFx+f? (Fz+G) （ ） 式中 :Fx,Fy,Fz, — 切削分力 (N): G移動(dòng)部件的重量 (N) f? — 導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) ,隨導(dǎo)軌形式而不同 K 考慮顛復(fù)力距影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) . f= 則 Fm= +(3510+800)= 2．計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 C C=3L fwFm （ ） 選用滾珠絲杠副的直徑 作用下 .絲杠在回轉(zhuǎn) 100 萬轉(zhuǎn)后 ,在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕 韶關(guān)電大畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8頁(yè) 現(xiàn)象 .這個(gè)軸向負(fù)載的最大值稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng) 負(fù)載 C 可用 C=3L （ ） L=61060nT （ ） n=01000LVS （ ） 式中滾珠絲杠導(dǎo)程 L= 的 (1/2~ 1/3)此處 VS= =T: 使用壽命按 15000h 計(jì)算 L: 壽命以 106轉(zhuǎn)為 1 單位 Fw: 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 fw:12~ 取 fw= N= 6 ? =42r/min L=61060nT=610 150004260 ??=38 小時(shí) C=3L . C=338 = 3．滾珠絲杠螺母的選型 查 精密機(jī)床配件系列 山東濟(jì)寧 選取滾珠絲杠公稱直徑為φ 40 選用的型號(hào)為 其額定動(dòng)載荷 15470N,所用強(qiáng)度足夠用 ４．效率計(jì)算 η =）（ ??rrtantan （ ） 式中摩擦角 r=2176。 車床改造方案的確定 （ 1）保留原車床的主傳動(dòng) 鏈。由于反饋環(huán)節(jié)必須的技術(shù)條件要控制閉環(huán)系統(tǒng)的良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，其難度也大為提高。 韶關(guān)電大畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 4頁(yè) 2． 總體方案確定 車床改造方案的 選擇 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的選擇 在簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)中，大多數(shù)是利用八位微處里機(jī)和單片機(jī)，近年來國(guó)有一些主要的半導(dǎo)體制造廠家相繼生產(chǎn)了各種八位單片微型機(jī)，主要有 MCS— 48 系列， CS51 系列，Mostek 的 3870， Motorolo 公司的 6801 和 6805。在機(jī)床改造中引入了微機(jī)的應(yīng)用，不但技術(shù)具有先進(jìn)性，同時(shí)在應(yīng)用此自動(dòng)化改造方案，有較大的應(yīng)用性和可調(diào)性，而且投資改造的費(fèi)用低 ，一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅是全功能型數(shù)控裝置的1/3 到 1/5 擁護(hù)承擔(dān)的起。 再次是市場(chǎng)因素，目前許多國(guó)家設(shè)備所需的數(shù)控機(jī)床數(shù)量，按機(jī)床工業(yè)現(xiàn)狀是無力及時(shí)提供的。正常情況下，加工程序可直接運(yùn)行到其結(jié)束。它把機(jī)械加工過程中的各種控制信息用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置。擴(kuò)展 I/O接口用 8155 芯片及外存儲(chǔ)器，采用地址鎖存和譯碼器。 3 SolidWorks 造型，包括軟件的應(yīng)用和對(duì)車床的實(shí)體建摸。經(jīng)運(yùn)算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號(hào)，控制機(jī)床的動(dòng)作，按圖紙要求的形 狀和尺寸，自動(dòng)地將零件加工出來。當(dāng)改變加工零件時(shí)，在數(shù)控機(jī)床上只要改變加工程序，就可以繼續(xù)加工新零件。機(jī)床“改造”就成為機(jī)床市場(chǎng)需要的補(bǔ)足手段。從若干單位應(yīng)用的實(shí)例可論證，投入使用后，成倍的提高了生產(chǎn)效率，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。目前在國(guó)內(nèi)用 的較廣，開發(fā)工具較齊的是 MCS51 系列，這里選用 MCS51 系列中的 8031。 本設(shè) 計(jì)是基于 CA6140 普通型的車床的經(jīng)濟(jì)化、數(shù)控化改造故采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)開環(huán)伺服系統(tǒng)。 為了保證機(jī)床加工螺紋的功能，在主軸外端安裝一個(gè) YGM 脈沖發(fā)生器，使其與主軸轉(zhuǎn)速相一致是 1:1 的關(guān)系，用它來發(fā)出脈沖發(fā)生器，使微機(jī)處理機(jī)根據(jù) 主軸的脈沖信號(hào)，使刀架通過絲杠的轉(zhuǎn)角產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 644 ?? , φ =10 式 中 :r 絲杠螺旋升角 r— 摩擦角滾珠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) , f=~ R 摩擦角約為 10 分 韶關(guān)電大畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 9頁(yè) 式中 :r 螺旋角 CDM4006 r =2446?? r:摩擦角取 10 分 n=）01442tan( 442tan ???? ??=% 5．剛度驗(yàn)算 先畫出縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式如圖 圖 3— 1 縱向進(jìn)給計(jì)算簡(jiǎn)圖 最大牽引力為 , 支承間距 L=1700mm 絲杠螺母及軸承均采用預(yù)緊 ,預(yù)緊力 為最大牽引力為 . Δ L= EFLFm0. （ ） 式中 : Fm工作負(fù)載 (N) L.:滾珠絲杠 L=6mm E:材料彈性模數(shù)對(duì)鋼 E= 106 (N/mm2 ) F:滾珠絲杠面積 mm2 F=1/4π D2 =1/4π 402 =1256m 韶關(guān)電大畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 10頁(yè) △ L= ??? ? 98 6 104mm2 再算滾珠絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮的變形量δ mm δ = 104 L/6= 對(duì)滾珠絲杠經(jīng)過預(yù)拉拉伸 ,拉壓剛度可提高 4 倍 其實(shí)際變量 ?? =1/4 = 10 3? mm ?3 =定位精度 橫向進(jìn)給絲杠 1．計(jì)算進(jìn)給牽引力 Fm 橫向?qū)к墳檠辔残螌?dǎo)軌 其計(jì)算公式如下 : Fm=KFx+f? (Fz+2Fy+G) 式中 K:考慮顛復(fù)力矩的影響實(shí)驗(yàn)系數(shù) K= f? :導(dǎo)軌上摩擦系數(shù)為 f? =,G? 移動(dòng)部件重量 G=600N Fm= 702+(1755+2 +600)= 2．計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 (N) n= 01000LVS .= 4 ?? = L=610 1500 ??= C= 3 = 3．選擇滾珠絲杠螺母副 查 精密機(jī)床配件系列 叢書 山東濟(jì)寧 選用滾珠絲杠為 其額定的動(dòng)載荷為 6638 d=25mm 1d = 循環(huán)列數(shù)為 1 2 Coa=16826 螺 旋 導(dǎo)程 角 r= Dp?arctan =arctan 4? r=2176。目前國(guó)內(nèi)用得較廣，開發(fā)工具較齊的是 MCS— 51系列包含三個(gè)產(chǎn)品： 803 8051 和 8751。根據(jù) CPU與 EPRAM 時(shí)序匹配要求，可選用 2 片 2764 程序存儲(chǔ)器。 隨著運(yùn)行頻率的增高，步進(jìn)電機(jī)輸出力矩 C 帶動(dòng)負(fù)載的能力，這一產(chǎn)生的原因，作為功率放大器負(fù)載的步進(jìn)電機(jī)是電感負(fù)載。 越界報(bào)警電路 ? X， ? Z 方向的越界和急停信號(hào)經(jīng)過門引入 8031 的 P 中斷原 LNT0 ，采用硬件申請(qǐng)韶關(guān)電大畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 24頁(yè) 中斷軟件查詢的方法。其目的是確認(rèn)系統(tǒng)的主要硬件是否可以正常工作。當(dāng)確認(rèn)所有項(xiàng)目都正確無誤后，整個(gè)系統(tǒng)才進(jìn)入正常的初始化完成狀態(tài)或運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)。只要系統(tǒng)不斷電，在線診斷就不會(huì)停止。 （ 3）離線診斷 也稱手工診斷，由專門訓(xùn)練的技術(shù)人員查明故障原因、確定故障部位的高層次診斷。因此，這些系統(tǒng)不需要再輸入軟件就具備離線診斷機(jī)能。這使系統(tǒng)體積增大，價(jià)格提高。操作者也可通過顯示單元 ，用簡(jiǎn)單人機(jī)對(duì)話的方式選擇故障狀態(tài)，必要時(shí)回答系統(tǒng)的提問以補(bǔ)充為得出結(jié)論所需要的其他信息。只需按預(yù)定的時(shí)間對(duì)機(jī)床作一系列試運(yùn)行檢查。當(dāng)機(jī)床故障造成停機(jī)時(shí)，滾動(dòng)緩沖器記錄的內(nèi)容被“凍結(jié)”。 韶關(guān)電大畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 30頁(yè) 造型 SolidWorks 軟件介紹 SolidWorks 是一套基于 Windows 的 CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng) ,是由美國(guó)SolidWorks 公司在總結(jié)和繼承了大型機(jī)械 CAD 軟件的基礎(chǔ)上 ,在 Windows 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)三維機(jī)械設(shè)計(jì) CAD軟件。 韶關(guān)電大畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 31頁(yè) 進(jìn)入 SolidWorks 的操作界面如圖： 圖 7— 1 繪制草圖 圖 7— 2 利用獨(dú)特的基于特征的零部件建模功能，可以使用拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級(jí)抽殼、放樣和掃描、陣列特征和孔輕松創(chuàng)建設(shè)計(jì)。 ； 以上是頂尖、導(dǎo)軌床身的設(shè)計(jì)結(jié)果。 SolidWorks 提供兩種裝配體設(shè)計(jì)方 法： ⑴由下而上的設(shè)計(jì) :首先繪制零件 ,然后將它們插入裝配體中 ,并把這些零件按設(shè)計(jì)目的 韶關(guān)電大畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 34頁(yè) 結(jié)合 ,完成裝配。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（ CNC）階段（把計(jì)算機(jī)前面應(yīng)有的 通用 兩個(gè)字省略了）。 到 1974 年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。 從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。當(dāng)使用已建的零件來裝配時(shí) ,這種有下而上的方法較好。設(shè)計(jì)具有成千上萬個(gè)零件的大型裝配體時(shí)可獲得無可比擬的性能。 ■ 通過動(dòng)態(tài) 編輯特征和草圖，只需執(zhí)行簡(jiǎn)單的拖放操作即可進(jìn)行實(shí)時(shí)更改。他還可以動(dòng)態(tài)模擬裝配過程 ,進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查，計(jì)算質(zhì)量特征，如質(zhì)心、慣性矩等。 （ 3）圖示技術(shù)的應(yīng)用 隨著個(gè)人計(jì)算機(jī) 迅速發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)圖示技術(shù)成果，不斷地移植到數(shù)控系境中。 未來數(shù)控系統(tǒng)的診斷技術(shù) （ 1）運(yùn)用數(shù)宇伺服技術(shù)擴(kuò)大診斷范圍 隨著數(shù)事伺服技術(shù)的迅速發(fā)展和普及應(yīng)用