【文章內(nèi)容簡介】 響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。 在設(shè)計(jì)的數(shù)控裝置中，CPU 的選擇是關(guān)鍵，選擇 CPU 應(yīng)考慮以下要素： 1）時(shí)鐘頻率和字長與被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度和精度密切相關(guān)； 2）可擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量與數(shù)控功能的強(qiáng)弱相關(guān)； 3）I/O 口擴(kuò)展的能力。控制系統(tǒng)采用單 CPU 形式分為處理數(shù)據(jù)。CPU 采用 8031 芯片使用廣泛，功能強(qiáng)大，性能好，價(jià)格便宜。它包括一個(gè)微處理器，一個(gè) 128 字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，4個(gè) 8 位的 I/O 接口（其中 P1，P2，P3 是準(zhǔn)雙向口，P0 是三態(tài)雙向口） ，另外還為用戶留一個(gè)擴(kuò)展區(qū)?？刂葡到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如下：8031 通過 I/O 口擴(kuò)展一片 8255 接口芯片實(shí)現(xiàn)空運(yùn)轉(zhuǎn)，自動(dòng)，手動(dòng)轉(zhuǎn)換，回零，換刀，超程的按鍵功能。還通過 P0 口和 P2 口及一塊 74LS373 地址鎖存器擴(kuò)展了兩片16K 的 ROM 接口，兩片 16K 的 RAM 來作為開發(fā)程序的存儲(chǔ)器。8031 通過 P0 口擴(kuò)展了一片 8279 接口芯片來實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入和電路顯示的功能。通過 P1 口經(jīng)過光耦合隔離電路 TLP5214 來消除電路干擾，并實(shí)現(xiàn) X，Z 向正反轉(zhuǎn)及連續(xù)啟動(dòng)的功能，通過功率放大電路實(shí)現(xiàn) S，T ，M 等備用功能。兩步進(jìn)電機(jī)經(jīng) 一塊 74LS373 直接與 P0 口相連。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)。主要包括主模塊，子程序模塊和定時(shí)中斷模塊。主模塊主要完成初始化和監(jiān)控。初始化包括 PIO，CTC 的初始化。監(jiān)控主要包括鍵盤的管理和顯示管理，可調(diào)用原監(jiān)控程序中的鍵盤管理和顯示管理子程序。功能子模塊包括+X，X，+Z，Z ，及 STOP 功能子模塊，并可調(diào)用圓監(jiān)控程序中的許多子程序。中斷模塊包括急停中斷模塊，報(bào)警中斷模塊等。 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)原理：步進(jìn)電機(jī)通過 消 隙 齒輪箱將轉(zhuǎn)矩輸出同時(shí)放大，以帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使絲杠螺和絲杠螺母座 水平移動(dòng)，由于絲杠螺母座與工作臺(tái)通過拖板固聯(lián)，因而絲杠螺母座 水平 移動(dòng)也迫使工作臺(tái)沿機(jī)床導(dǎo)軌水平移動(dòng)。通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)在工作時(shí)所需要的最大靜轉(zhuǎn)矩和最高啟動(dòng)頻率的計(jì)算，并參照反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)指示表，選擇所用的步進(jìn)電機(jī)為 110BF1 型。由于脈沖當(dāng)量=：I= ，其中 I 為電機(jī)輸出p? 0LPL??360軸與絲杠之間的傳動(dòng)比， 為電動(dòng)機(jī)的步矩角，計(jì)算出 I 是不等于 1 的，I 為齒輪的嚙?合，同時(shí)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩?zé)o法直接帶動(dòng)絲杠工作，因此對(duì)其放大，這是加齒輪箱的一個(gè)目的。為了使機(jī)床的結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，齒輪箱采用一級(jí)傳動(dòng)。通過計(jì)算和校核，選擇齒輪箱的主動(dòng)小齒輪的齒數(shù) =32，從動(dòng)件的齒數(shù)為 40，其模數(shù)為 ，為了防1Z止進(jìn)給系統(tǒng)在正常工作時(shí)出現(xiàn)齒輪被卡死和空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，進(jìn)一步提高傳動(dòng)的精度，則必須對(duì)齒輪箱進(jìn)行消隙。其方法是：采用雙片齒輪錯(cuò)齒法，將從動(dòng)輪做成兩片，其中一片固定在軸上，另外一片為動(dòng)片，兩者之間裝上周向彈簧，彈簧力使兩片齒輪的輪廓分別與主動(dòng)輪的輪廓貼緊，從而消除了齒輪間的間隙，避免了卡死與空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象出現(xiàn)。通過對(duì)絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算和對(duì)剛度，強(qiáng)度，壓桿穩(wěn)定性的校核，選擇絲杠的公稱直徑為 25mm，基本導(dǎo)程為 6mm,精度為 3 級(jí)。滾珠絲杠的預(yù)加負(fù)載方式為變位導(dǎo)程單螺母自預(yù)緊，可實(shí)現(xiàn)螺母的拉伸或壓縮的受力方式，其調(diào)整方法是：取下滾珠螺母，精確測量原裝鋼球的直徑，然后根據(jù)螺母的力的需要，從新更換裝入若干大數(shù)微米的鋼球。它具有結(jié)構(gòu)簡單，尺寸簡單的特點(diǎn)，并能避免雙螺母形位誤差的影響。對(duì)于螺母副我們采用了調(diào)整墊片的方法進(jìn)行預(yù)緊。我們通過改變墊片的厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。消除它們之間的間隙和施加預(yù)緊力。在工作中不能隨意的去調(diào)整。加工過程中，為了保護(hù)絲杠不受鐵屑的磨損和冷卻液的腐蝕，加防護(hù)板。同時(shí)，為了防止灰塵和鐵屑碎片等雜物進(jìn)入滾珠絲杠的軌道中，避免出現(xiàn)滾珠卡死或傳動(dòng)精度大大降低的現(xiàn)象，我們采用防塵護(hù)罩的保護(hù)形式。機(jī)床導(dǎo)軌與矩形導(dǎo)軌的綜合形式。這種導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)有：接觸剛度大，不易磨損以及承載能力強(qiáng)，運(yùn)行平穩(wěn)等。第三部分 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動(dòng)絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動(dòng)刀架左右移動(dòng)滾珠絲杠采用外插管變螺距型滾珠絲杠副，他的優(yōu)點(diǎn)是螺母的軸向尺寸小，而預(yù)加載荷消除間隙，他仍安裝在原絲杠的位置，采用固定，由于滾珠絲杠的磨擦系數(shù)小，從而使縱向進(jìn)給剛度增大，縱向進(jìn)給的減速機(jī)構(gòu)采用齒輪減速，并用雙片齒輪消齒法消除間隙，縱向齒輪和溜板箱上均加外罩，以保證機(jī)床原外觀，得到美化機(jī)床的外觀，在溜板箱上裝上了縱向快速進(jìn)給及急停按鈕，以適應(yīng)機(jī)床調(diào)整時(shí)的操作需要和遇到以外情況時(shí)緊急處理需要。已知條件： 最大回轉(zhuǎn)直徑 400mm 最大車削直徑 400mm 最大工件長度 1000mm 工作臺(tái)量 W=80kgf 時(shí)間常數(shù)為 T=25ms 滾珠絲杠的導(dǎo)程 L0=6mm 行程 S=1000mm 脈沖當(dāng)量 δ = 步距角 Φ = 快速進(jìn)給速度 Vmax=5m/min 主功率 P= 最大切削直徑 D=80mm 切削力的計(jì)算 由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》可知，切削功率 Nc=nηk式中：N ——電動(dòng)機(jī)功率，有同類型 C6140 車床可知，N 為 。 η ——主傳動(dòng)系統(tǒng)總功率，一般為 ~，取 η=。 k——進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取 k=。則：Nc== kw又因?yàn)椋篘c=Fzv/6120所以Fz=6120Nc/v取切削速度 V=100m/min. 則：Fz=由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》可知，車外圓時(shí) FX=(~) z? Fy=(~) z? 取 FX=， = Fy= N（Fz 為主切削力，F(xiàn)x 為走刀抗力， Fy 為吃刀抗力） 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算滾珠絲杠在工作 過程中受軸向負(fù)載使?jié)L珠和滾道面間產(chǎn)生接觸應(yīng)力。對(duì)于滾道型面的一點(diǎn)是交變接觸應(yīng)力，在這種交變接觸應(yīng)力的作用下，經(jīng)常一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，使 其產(chǎn)生疲勞損傷，這是它的主要破壞形式。因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證它在一定的軸向力作用下回轉(zhuǎn) 10 度轉(zhuǎn)后滾道上雖然受滾珠壓力但不發(fā)生點(diǎn)（a）先確定最大動(dòng)載荷 Q（b）由 Q 在滾珠絲杠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中選出相應(yīng)尺寸系列的最大動(dòng)載荷 Q 近似值，初選幾個(gè)型號(hào)。（c）由工作要求、結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)方式等條件下選出合適的 d l0 R 等一型號(hào)。（d）然后列出主要參數(shù)，計(jì)算傳動(dòng)效率，剛度驗(yàn)算穩(wěn)定性 求軸向力由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》可知： P=KFx+fw(Fz+W)式中 K=,fw=～，取 , W 為工作臺(tái)的重量,由圖初估取 800N則 P=+(+800)= 計(jì)算絲杠動(dòng)載荷 Cj（a）強(qiáng)度計(jì)算壽命值:Li=60NiTi/10 6，Ni=1000vf/(πDL0)，取工件直徑 D=100㎜，絲杠導(dǎo)程 L0=6㎜，Ni—絲杠轉(zhuǎn)速為 。由機(jī)床數(shù)控技術(shù) 知，使用壽命系數(shù) T 一般取 15000h，因此 Li=60NiTi/106=，（b）求 Cj由數(shù)控技術(shù)616 式可知：Cj= 3LKfkhP其中：K f——載荷系數(shù)，一般取(～)取，1. 2 Kh——硬度系數(shù)，取 則 Cj=，根據(jù) Cj，選取滾珠絲杠，考慮其功能選漢江機(jī)床廠 25063 型特性參數(shù)：公稱直徑 外徑 導(dǎo)程 導(dǎo)程角 精度系數(shù) 動(dòng)載量25mm 6mm 4176。22′ 3 級(jí) 11670N因?yàn)椋海?1670N所以，絲桿強(qiáng)度足夠。 絲杠效率計(jì)算由機(jī)械原理公式知:π S=tm?/[tm( +4)]π S——螺旋升角, =4176。22′?——摩擦角, ?=10′所以，經(jīng)計(jì)算得 π S =。 校核① 剛度校核滾珠絲桿受工作載荷 P 的作用而引起導(dǎo)程 L0的變化是 ΔL 1。其值按機(jī)床數(shù)控技術(shù)式 619 計(jì)算ΔL 1=177。 EAL0其中，E——彈性模量，取 21106N/cm2A——滾珠絲桿截面積 A=π(d 0/2)2=則 ΔL 1=177。 =177。10 cm 6?6?滾珠絲桿受扭矩引起導(dǎo)程變化 ΔL 2很小,可以忽略，即 ΔL 0=ΔL 1。導(dǎo)程變形的總誤差 Δ 為Δ= ΔL=2110 m/m?01L6?查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表 12119 知:3 級(jí)精度,1m 長的絲杠的螺距為 2110 6?m,故剛度足夠。② 穩(wěn)定校核由材料力學(xué)中的歐拉公式知：FK=π 2EI/(μl 2)式中，F(xiàn) K——長壓桿臨界失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載；E——彈性模量,取 21106N/cm2；I——截面慣性矩,單位 cm4，對(duì)實(shí)心圓柱體 I=π =；d41l——工作長度取 1m；μ——絲杠軸端系數(shù) μ=1～2/3,取 1。則經(jīng)計(jì)算，得: F K=36648N。Nk= FK /p=36648/=。一般[N k]=～4，對(duì)于水平絲杠考慮重量影響，[N k]取 4。 Nk＞[N k]因此,絲杠穩(wěn)定。 齒輪箱減速器設(shè)計(jì)部分 傳動(dòng)比 i i= ?????361L式中， ——步距角,取 ； p——脈沖當(dāng)量，取 ㎜/脈沖。 i= =?? 閉式齒輪傳動(dòng)一般轉(zhuǎn)速較高,為了提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性,減小沖擊振動(dòng),以齒數(shù)多一些為好,小齒輪的齒數(shù)可取 Z =20～40,本設(shè)計(jì)選擇 Z =321 1I= , Z =i Z =32=40122即 Z =32，Z =40選擇材料為 45鋼，調(diào)質(zhì)，六級(jí)精度。 齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算由設(shè)計(jì)計(jì)算公式(109a) 進(jìn)行計(jì)算，即： d ≥ t1321μσΦ)(HEtdZTK??1) 確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值 (1) 選擇載荷系數(shù) K = (2) 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T1T =10 ,151nPP ≈N =,cn = = =?則 T ≈10 Nmm (3) 由表 107 選取齒輪寬度系數(shù) d?= =(1+μ) ,取 的規(guī)定值 ?1ba=(1+)= (4) 由表 106 查得材料的彈性影響系數(shù)：Z = (鍛鋼)Ea21 (5) 由圖 1021d 按齒面硬度查得：小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 =600 MP1lim?a大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 =550 MP2(6) 由式 10－ 13 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1＝60n 1j1Lh=601(2830010)=10 9n1——小齒輪的轉(zhuǎn)速；j1――齒輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)同一齒面嚙合的次數(shù)，取 1；Lh――齒輪的工作壽命（單位為 h）,取 15000。設(shè)計(jì)的齒輪的工作壽命為 10 年，一年工作 300 天，一天工作 8 小時(shí)，2 班制，j ＝，則：2N1＝60 n j L ＝60（28300 10）＝10 92h(7) 由圖 10－ 19 查得接觸疲勞壽命系數(shù)Ｋ ＝，Ｋ ＝ (8) 計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度的許用應(yīng)力取失效率為 1﹪，安全系數(shù) S＝1，由式（10－12）得：［ ］ ＝ ＝ ＝528MpσKHLIMNσ608.?［ ］ ＝ = =495Mp2SII21592)計(jì)算：(1) 計(jì)算小齒輪分度圓直徑 d ,代入［ Hσ］中較小的值，則：t1d ≥ ≈63t1321μσΦ)(HEtZTK??(2) 計(jì)算圓周速度 V：V＝ ＝?nt (3) 計(jì)算齒寬 bb=Φdd =63=㎜t1 (4) 計(jì)算齒寬與齒高之比 b/h模數(shù) m = = ≈2㎜t1zdt326齒高 h= m t=2=㎜b/h= = (5) 計(jì)算載荷系數(shù)：根據(jù) V=，6 級(jí)精度，由圖 108 查得動(dòng)載荷系數(shù) K =由表 103 查得 K =K =，由表 102 查得使用系數(shù) K =1；?HF A