【正文】 在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長(zhǎng)大含辛茹苦的父母，謝謝你們! 最后，向所有關(guān)心我的親人、師長(zhǎng)和朋友們表示深深的謝意。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，郭老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持，在此謹(jǐn)向郭老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，重新把以前所學(xué)知識(shí)系統(tǒng)的溫習(xí)了一遍，使所學(xué)知識(shí)融入到實(shí)踐中，更重要的是使我掌握了一定的設(shè)計(jì)能力，為以后更好的適應(yīng)工作打下了一定基礎(chǔ)。本次機(jī)床改造是在原有機(jī)床上換掉部分零部件，使其具有數(shù)控機(jī)床的基本功能，設(shè)計(jì)中主要對(duì)車床的進(jìn)給系統(tǒng)做了數(shù)控化改造，自行選擇的自轉(zhuǎn)位刀架，數(shù)控裝置也是自行設(shè)計(jì)。這樣設(shè)備改造費(fèi)用和舊設(shè)備費(fèi)用總計(jì)不會(huì)超過(guò)5萬(wàn)元。在溜板下加裝滾珠絲杠螺母托架，在滾珠絲杠的頭、尾部加裝接套、接桿及支撐；3）刀架 采用購(gòu)置自轉(zhuǎn)位刀架；4）數(shù)控部分 為降低成本，采用開(kāi)環(huán)控制方式對(duì)X軸和Z軸進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改造。所以數(shù)控化改造在我國(guó)仍有較大的發(fā)展空間。 I/O接口電路及譯碼電路的設(shè)計(jì) I/O接口地址編碼，：芯 片74LS138 地址選擇線片內(nèi)地址單元 地址 編碼器8155（1）Y0011000010000XXXXX8K4100H——4105H8155（2）Y1100000010000XXXXX8K8100H——8105H控制面板是數(shù)控機(jī)床整體造型的重要組成部分 ,控制面板設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到數(shù)控機(jī)床的造型質(zhì)量和宜人性。由8155（2）的PA口輸出，經(jīng)光電隔離電路、功率放大電路直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。 8051單片機(jī)的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)其基本特性如下 8051單片機(jī)的CPU為8位，有片內(nèi)振蕩器 ；4k字節(jié)ROM、128字節(jié)RAM 以及21個(gè)特殊功能寄存器 ；32根I/O線 ，可尋址的64k字節(jié)外部數(shù)據(jù)、程序存貯空間 ；2個(gè)16位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器 ；其中斷結(jié)構(gòu)具有二個(gè)優(yōu)先級(jí)、五個(gè)中斷源 ，一個(gè)全雙口串行口 ；位尋址（即可尋找某位的內(nèi)容）功能，適于按位進(jìn)行邏輯運(yùn)算的位處理器。由于8051有P0P3四個(gè)8位的并行I/O口可提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因此需要擴(kuò)展輸入輸出口電路。即I/O輸入/輸出接口電路； （5）外圍設(shè)備。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。 6 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，它的功能是接受載體送來(lái)的加工信息，經(jīng)計(jì)算和處理后來(lái)控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)組成的控制器。然后，卸掉電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇罩殼，逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使上刀體相當(dāng)于下刀體轉(zhuǎn)動(dòng)左右。最后向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)位完成信號(hào)，切斷電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，完成選刀過(guò)程。在上刀體旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，發(fā)信盤不斷的向數(shù)控系統(tǒng)反饋刀位信號(hào)。 LD4CK6140型立式自轉(zhuǎn)位刀架工作原理微電機(jī)經(jīng)彈簧安全離合器至渦輪副帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，螺母抬起刀架使定位用的端齒盤的上盤和下盤分離，隨即帶動(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)到位。一些機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠在參加全國(guó)聯(lián)合設(shè)計(jì)組設(shè)計(jì)了LD1LD2LD34刀架之后，又結(jié)合該廠生產(chǎn)刀架經(jīng)驗(yàn)，吸收了LD型刀架結(jié)構(gòu)、原理的優(yōu)點(diǎn)，參考國(guó)外專利刀架的特點(diǎn)，使刀架設(shè)計(jì)更合理，如煙臺(tái)瑞特機(jī)床附件有限公司。 數(shù)控車床刀架的基本要求自傳位刀架是數(shù)控車床的重要組成部分。 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 分別計(jì)算快速進(jìn)給時(shí)步進(jìn)電機(jī)的最大空載啟動(dòng)頻率（Hz）和切削時(shí)的最大工作頻率（Hz）： 1000 從《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)》相關(guān)圖表中查出其參數(shù)與所選步進(jìn)電機(jī)110BYG260BSAKRMT0602(GB/T206382006)型相匹配，可以滿足使用要求。最大靜力矩Mjmax=214Ncm 2）快速移動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩=+= N在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： 將數(shù)據(jù)代入式中，則： = =起動(dòng)加速時(shí)間=30ms = = 參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)110BYG260BSAKRMT0602型，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)慣量= kgcm2）可由下式計(jì)算: 式中：——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg 110BYG260CSAKRMA0402型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性 所選電機(jī)的安裝和接線：， 110BYG260CSAKRMA0402型步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸 ， 圖4. 3 電機(jī)外部接線圖 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 初選步進(jìn)電機(jī)1）步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。cm 根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩從《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)》相關(guān)圖表中查出，110BYG260CSAKRMA0402(GB/T206382006)型最大靜轉(zhuǎn)矩為8000 N 3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩。cm 綜上： =++ = Ncm②折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩：式中： ——導(dǎo)軌的摩擦力，； ——傳動(dòng)鏈總效率，一般可取，這里取。cm）； ——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（N 電機(jī)力矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工作情況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面按各工況分快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩、快速進(jìn)給時(shí)所需力矩、最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩計(jì)算。cm2 kg由下式計(jì)算： 式中： ——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg ==～，～。消除齒輪間隙的措施，一方面是利用計(jì)算機(jī)軟件修正，另一方面是采用無(wú)隙齒輪傳動(dòng)。 因?yàn)檫M(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)功率不大，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，故一般取模數(shù)=1～2，本設(shè)計(jì)中取?？捎?jì)算出傳動(dòng)比：式中： ——脈沖當(dāng)量（mm/步）； ——步進(jìn)電機(jī)的步距角； ——滾珠絲杠的螺距（mm）。 縱向及橫向滾珠絲杠副的幾何參數(shù) 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)見(jiàn)表31。 式中，“ +”用于拉伸，“”用于壓縮。 4）傳動(dòng)效率計(jì)算 式中： ——螺旋升角,查手冊(cè)2005型，′； ——摩擦角，～，滾珠絲杠副的摩擦角約等 于10180。失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載：式中：——材料彈性模量，對(duì)鋼：（N/cm2） ——截面慣性矩（cm4）絲杠： ,（為絲杠螺紋的內(nèi)徑）； ——絲杠兩支承端距離（cm）。 式中，“+”用于拉伸，“”用于壓縮。滾珠絲杠副的軸向變形影響其定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，滾珠與螺紋滾道間的接觸變形，滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形和絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導(dǎo)程的變化量等。 代入上式可得： =3）滾珠絲杠螺母副的選擇。1）計(jì)算進(jìn)給牽引力。 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇結(jié)構(gòu)類型：確定滾珠循環(huán)方式、滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。 切削力的計(jì)算在設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)，切削力是一個(gè)必不可少的參數(shù)，傳動(dòng)和導(dǎo)向元件、選用伺服電機(jī)等都需要用到它。 總體方案示意圖 3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算，內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載，確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量，部分部件慣量計(jì)算,空栽啟動(dòng)及切削刀矩計(jì)算，確定伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)，計(jì)算及選用繪制部分裝配及零件工作圖等。車床的縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式采用步進(jìn)式電機(jī)驅(qū)動(dòng)。采用自行設(shè)計(jì)數(shù)控裝置的方案，既使自己進(jìn)行一次所學(xué)機(jī)、電知識(shí)有機(jī)結(jié)合的全面訓(xùn)練，也提高了運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，雖然有一定難度，但可以為今后從事其他類似的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造中，通常多采用后兩種方法。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的。下圖所示為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)框圖： 圖2. 1 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)框圖 ① 縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆去原有機(jī)床的光杠、絲杠、溜板箱以及安裝座，裝配上滾珠絲杠以及相應(yīng)的裝置，縱向驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)及減速箱安裝在車床的尾座，不占據(jù)絲杠空間。因?yàn)殚_(kāi)環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度較好，設(shè)計(jì)制造容易，容易調(diào)試，價(jià)格便宜，使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。由于調(diào)速范圍寬，過(guò)載能力強(qiáng)，又具有反饋控制，因此性能優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制。直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制方案的優(yōu)點(diǎn)是能達(dá)到很高的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的各種誤差、干擾及傳動(dòng)間隙等對(duì)加工精度的影響。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：（1）最大加工直徑： 在床身上： 400 mm在床鞍上： 210 mm（2）最大加工長(zhǎng)度： 7501000 mm（3）溜板及刀架重量：縱向： 1000 N橫向： 500 N（4）刀架快移速度： 縱向： 2 m/min 橫向： 1 m/min（5）最大切削進(jìn)給速度： 縱向： m/min 橫向： m/min（6）最小分辨率：縱向： mm橫向： mm（7）定位精度： mm（8）刀具補(bǔ)償量： 0～ mm（9）脈沖分配方式： 逐點(diǎn)比較法（10）輸入方式： 增量值、絕對(duì)值通用（11）控制坐標(biāo)數(shù)： 2（12）代碼制： ISO 總體方案的論證 普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在考慮總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)遵循的基本原則是：在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)原機(jī)床的改造盡可能的少，以降低成本。 設(shè)計(jì)中以及實(shí)現(xiàn)以上要求需解決的關(guān)鍵問(wèn)題：1） mm；2）步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型；3）I/O接口電路及譯碼電路的設(shè)計(jì)；4）數(shù)控操作面板的設(shè)計(jì)。柔性自動(dòng)化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動(dòng)態(tài)市場(chǎng)需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國(guó)制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。高可靠性：一般數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于數(shù)控設(shè)備的可靠性在一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，但也不是可靠性越高越好，因?yàn)樯唐肥苄阅軆r(jià)格比的約束。數(shù)控技術(shù)的問(wèn)世已有40多年的歷史，它是由機(jī)械學(xué)、控制學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)四大基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展起來(lái)的一門綜合性新型學(xué)科。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費(fèi)用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。機(jī)床的數(shù)控改造和購(gòu)置新機(jī)床相比可節(jié)省60%左右的費(fèi)用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。 普通車床CA6140主要結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)下圖， CA6140結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1主軸箱；2拖板；3尾座；4床身；9床腿； 6光杠；7絲杠；8溜板箱；10進(jìn)給箱 數(shù)控車床的組成 數(shù)控車床由程序編制及程序載體、輸入裝置、數(shù)控裝置（CNC）、伺服驅(qū)動(dòng)及位置檢測(cè)裝置、車床本體等幾部分組成。從而，我在加工編程能力、初步設(shè)計(jì)計(jì)算的能力以及分析和處理生產(chǎn)中所遇到的機(jī)、電方面技術(shù)問(wèn)題的能力進(jìn)一步提高。由于機(jī)床及其技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。1971年蘇聯(lián)生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床2538臺(tái)，一舉超過(guò)美國(guó)，名列世界第一。在步驟措施上，必須使國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)先進(jìn)、可靠，狠抓產(chǎn)品質(zhì)量與配套件過(guò)關(guān)，打好技術(shù)基礎(chǔ)。中國(guó)廠多人眾，極需正確的方針、政策對(duì)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展進(jìn)行有力的指引。但是，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)國(guó)家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國(guó)家建設(shè)的需要。機(jī)床數(shù)控化改造的市場(chǎng)在我國(guó)還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率還不是很高。內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床17,521臺(tái)，約占9%。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，制造技術(shù)和自動(dòng)化水平的高低已成為一個(gè)國(guó)家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，而其中最具代表性的就是機(jī)械加工技術(shù)。Automatic knife目 錄摘要 IAbstract II1 課題的提出 1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 1 2 設(shè)計(jì)要求及需解決的關(guān)鍵問(wèn)題 42 總體方案設(shè)計(jì) 5 設(shè)計(jì)任務(wù) 5 總體方案的論證 6 83 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算 9 確定脈沖當(dāng)量 9 切削力的計(jì)算 9