【正文】 機(jī) 啟動力矩； 0IM —— 電動機(jī)靜負(fù)載力矩。0 39。 因此，總的傳動慣量： 2 1 121 ()S Z ZJ J J J Ji? ? ? ? 21 ( 1 1 . 4 7 5 6 . 3 9 ) 2 . 6 1 7 0 . 4 6 81 . 2 5? ? ? ?221 4 .5 1 9 1 4 5 .1 9kg cm N cm?? 所需轉(zhuǎn)動力矩計(jì)算 快速空載啟動時(shí)所需力矩 m a x 0afM M M M? ? ? 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 0a t f tM M M M M? ? ? ? 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 0fM M M?? 式中 maxaM —— 空載啟動時(shí)折算到電機(jī)軸上的 加速度力矩； 10 fM —— 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩； 0M —— 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩； atM —— 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩； tM —— 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。10 螺旋升角 ? = 039。 如下圖所示。繪制縱、橫向坐標(biāo)軸機(jī)械傳動裝配圖： 完成單片機(jī)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，繪制數(shù)控系統(tǒng)硬件電氣原理圖： 繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及編程流程圖一張： 編制 8000 字左右的設(shè)計(jì)說明書一份： （二 ） 設(shè)計(jì)要求 本次設(shè)計(jì)要求是將一臺 CA6140 型普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床 。 ▲ 刀架的改造。 第 二是 NC 化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機(jī)床、CNC 機(jī)床 。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè) “ 永恒 ” 的課題。 我國機(jī)床 年 齡 在 10 年以上的占 60%以上； 10 年以下的機(jī)床中，自動 /半自動機(jī)床不到 20%， FMC/FMS 等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù) (美國和日本自動和半自動機(jī)床占 60%以上 )。 大量實(shí)踐證明，普通機(jī)床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和穩(wěn)定性。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購置費(fèi)的 1/3 。 規(guī)模較大的機(jī)床改造企業(yè)尚未形成。 改造后的機(jī)車，主運(yùn)動實(shí)現(xiàn)自動變速，縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控控制，并要求達(dá)到縱向最小運(yùn)動單 位為 /脈沖 ，橫向最小運(yùn)動單位 /脈沖 ，刀架要是自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架，要能自動切削螺紋 。 ★ 普通 機(jī)床數(shù)控 化 改造具有節(jié)省資金、性能穩(wěn)定可靠和提高生產(chǎn)效率等特點(diǎn)。 機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提 高 3至 5 倍。 目前機(jī)床數(shù)控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間 。 我國近幾年內(nèi)需要數(shù)控化改造的普通設(shè)備在 10 萬臺以上，舊數(shù)控機(jī)床在4000 臺以上。在日本，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝 (Retrofitting)業(yè)。 ▲ 伺服系統(tǒng)的選擇。 4 第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 一 、普通車床簡易數(shù)控化改造設(shè)計(jì)的任務(wù)及設(shè)計(jì)要求 （一 ） 設(shè)計(jì)任務(wù) 本次設(shè)計(jì)任務(wù)是將 CA6140 型普通車床進(jìn)行簡易數(shù)控化改造與設(shè)計(jì)。步 進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任意一端。()XZP KF f F W? ? ? 式中 K=， 39。 滾珠絲杠截面積 222 .8 0 3 1( ) ( ) 3 .1 422dF ?? ? ? 則 1 622 2 3 3 .1 5 7 6 0 .62 .8 0 3 12 0 .6 1 0 ( ) 3 .1 42L?? ? ? ? ?? ? ? 610? cm 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 2L? 很小，可忽略即： L? = 1L? 。f = 則 P= +（ +30） = N? 壽命值 6 1 060 6 0 1 5 1 5 0 0 0 1 3 . 51 0 1 0iii nTL ??? ? ? 最大動負(fù)載 33 1 3 . 5 1 . 2 1 7 4 . 7 4 2 1 3 . 5 5 2 1 3 5 . 5i W HQ L f f P k g f N? ? ? ? ? ? ? 效率計(jì)算：螺旋升角 ? = 039。0 0 0 0 . 2 3 0 0 . 4 3 0 . 2 8 7 0 . 0 2 82 2 2 3 . 1 4 0 . 8 5f F L f W LM k g f c m N mii? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? 22021 3( 1 ) ( 1 ) 6 5YFLM k gf c m N mi ??? ??? ? ? ? ? ?? ? ? 0 3 2 5Yt FLM k gf c m N mi?? ??? ? ? ?? ? ? 所以，快速空載啟動所需轉(zhuǎn)矩 0at f tM M M M M? ? ? ? 14 2 . 2 3 0 . 2 8 7 0 . 1 1 6 2 . 6 3 3 2 6 . 3 3k g f c m N m? ? ? ? ? 切削時(shí)所需力矩： 0at f tM M M M M? ? ? ? 0 . 1 7 7 4 0 . 2 8 7 0 . 1 1 6 1 . 8 2 4 2 . 4 0 4 2 4 . 0 4k g f c m N c m? ? ? ? ? ? 快速進(jìn)給時(shí)所需 轉(zhuǎn)矩： 0fM M M?? 0 . 2 8 7 0 . 1 1 6 0 . 4 0 3 4 . 0 3k g f c m N c m? ? ? ? 由以上計(jì)算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動時(shí)， maxM = 2 .6 3 3 2 6 .3 3kgf cm N cm? 15 第四章 步進(jìn)電機(jī)的選擇 一 、 步進(jìn)電機(jī)的選擇 （一）步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則 步矩角 ? 步矩角應(yīng)滿足 mni??? 式中 i—— 傳動比 mn? —— 系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角 精度 步進(jìn)電機(jī)的精度可用步矩誤差或積累誤差衡量。 啟動頻率 由于步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足： 0fftp??????? 16 式中 ft —— 極限啟動頻率； 0mfp??????—— 要求步進(jìn)電機(jī)最高啟動頻率。 17 第五章 電路設(shè)計(jì) 一 、 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 1． 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成。包括只讀編程存貯器和隨機(jī)讀寫存貯器。 2．單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) CPU采用 8031 芯片 8031 芯片內(nèi)部具有 128 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器 RAM，地址為佳 00H— 7FH，用作工作寄存器。外接兩片 2764，一片作為系統(tǒng)存儲器，一片作為加工程序存儲存儲器 RAM /ROM I/O 接口 光電 隔離 功率放大器 外設(shè) CPU 步進(jìn) 電機(jī) 18 器。 8031 芯片的 P2 口和 74LS373 送出的 P2 口共同組成它的地址， 2764 和 6264芯片都是 8kb，需要 13 根地址線。由于 8031 芯片內(nèi)部無 ROM，故要選外部程序存儲器，且其 EA 必須接地。 RESET 為復(fù)位控制。 I/O 接口電路 由于分別只有 P1 口和 P2口部分能提供用戶作為 I/O 口使用。 PA0— PA5為面板上的選擇開關(guān)，設(shè)有編輯、空運(yùn)行、自動、手動、手動 手動 2和回零。 PB0— PB3 和 PC0— PC5 以及 8031 的— 是作為鍵盤、顯示電路的 I/O 接口。 LED 是采用共陰極顯示。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大（幾安到幾十安），如果將輸出信號與功率放大器直接相聯(lián)，將會起強(qiáng)電干擾。雙電源型采用高低電壓供電電路 如下圖所示： 功率放大電路 輔助電路 為了防止機(jī)床 行程越界，所以在機(jī)床上裝有行程控制開關(guān)。功能子模塊包括 +X、 X、+Y、 Y 及 STOP 功能子模塊，并可調(diào)用原監(jiān)控 程序中的許多子程序。 ◆ 主軸脈沖發(fā)生器的引起與車 床主軸 1： 1 無間隙揉性連接傳動，連接后應(yīng)保證兩者有很好的同步性。此次設(shè)計(jì) 需要我們將學(xué)過的相關(guān)知識都系統(tǒng)地聯(lián)系起來 ， 從中暴露出自身的不足 ， 以待改進(jìn) 。因此如果不從整個(gè)普通車床 的全局出發(fā)，任何一個(gè)零 部 件都是不可能被正確地設(shè)計(jì)出來的。 其次要感謝和我一起作畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)們，他 們在本次設(shè)計(jì)中勤奮工作 ，克服了許多困難來完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，并 分擔(dān)了許多工作。 本設(shè)計(jì)由于時(shí)間緊和對知識的掌握程度的限制，在設(shè)計(jì)上 不很周詳，許多應(yīng)該考慮 的 因素 ，可能沒在設(shè)計(jì)上體現(xiàn) 出來 。 感謝學(xué)校圖書館的開放，讓我們有足夠的資料可供參考。在此衷心感謝各位老師的幫助和指導(dǎo)。 在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重 。使用中車床主軸轉(zhuǎn)速不能超過主軸脈沖發(fā)生器的轉(zhuǎn)速。各子模塊程序設(shè)計(jì)前面已介紹。當(dāng)綠色的發(fā)光二極管亮?xí)r表示正常工作，當(dāng)紅色二極管亮?xí)r，表示溜板箱已到極限位置。所以一般在接口電路與功率放大電路之間接上隔離電路，采用的光電隔離電路如下圖所示 ◆ 光電隔離電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中，脈沖信號經(jīng)功率放大器后控制步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組。 IO/M=0 時(shí)選擇內(nèi)部 RAM，既當(dāng) RAM。如硬件電路配置圖。 PB5 是換刀回答輸入端，當(dāng)需要自動回轉(zhuǎn)刀架換刀 時(shí)，由 8155（ 1）的 PC0— PC3 發(fā)出刀位信號，控制刀架電機(jī)回轉(zhuǎn)，到達(dá)指定的刀位，刀架夾緊之后，發(fā)出回答信號，經(jīng) 8155(1)的 PB5 輸入計(jì)算機(jī)，控制刀架開始進(jìn)給。本系統(tǒng)擴(kuò)展了兩片 8155接口芯片， 8155 的片選信號 CE 接口分別接 74LS138 的 Y3和 Y4 端。只要輸入端保持高電平則將循環(huán)復(fù)位。在 XTAL XTAL2 引腳上接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生自激振蕩，定時(shí)電路一般用石英晶體和電容組成的并聯(lián)電路。 6264 芯片的片選信號 CE 接 74LS132 的 Y2。 8031 芯片的 P0 和 P2 接口用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù)。另加有 128 字節(jié)的特殊功能寄存器，地址為 80H7FH。 其中 CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心，是控制其它各部分協(xié)調(diào)工作的“大腦”，其作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。 CA6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 0 2 . 6 3 3 1 06 5 . 8 5 20 . 4 0 . 4Lq MM N c m?? ? ? 電動機(jī)仍選用三相六拍工作方式，查表知： / imMM ? 所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 imM 為： 65 .82 576 . 66 66qim MM N c m? ? ? 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 m a xm a x 1000 3 3 3 3 . 36 0 6 0 0 . 0 0 5pvf H z?? ? ?? 為了便于設(shè)計(jì)和采購，仍選用 110BF003 型直流步進(jìn)電機(jī)， 由 于 110BF003 型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)可知其最高空載起動頻率為 1500Hz，運(yùn)行頻率為 7000Hz。所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足 ? ?Qi???? 式中 mQ? —— 步進(jìn)電機(jī)的積累誤差； ? ?s?? —— 系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動部分允許的角度誤差。10?? 則傳動效率 039。 齒輪及轉(zhuǎn)矩的有 關(guān)計(jì)算 9 傳動比 ： 0 0 . 7 5 6 1 . 2 53 6 0 3 6 0 0 . 0 1pLi ? ? ?? ? ?? 故取 ： 1Z =32 2Z =40 2m mm? 20b