1、 . 畢業(yè)設計（論文）任務書姓 名： 帆專 業(yè)： 機械設計制造與其自動化設計（論文）題目：CKJ6163經(jīng)濟型數(shù)控車床設計設計方案與參數(shù)：橫向伺服進給機構設計與計算設計容1、橫向伺服進給機構設計與計算包括：滾珠絲杠副的設計計算與選擇，中間齒輪設計計算軸承選擇、校核，步進電機的選擇、繪制改動部分機械結構裝配圖2、數(shù)控系統(tǒng)設計（包括微機數(shù)控系統(tǒng)框圖設計，微機數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖設計和繪制）3、數(shù)控插補軟件的設計，以數(shù)字積分法直線插補為例，在Visual Basic平臺下對數(shù)控插補運算編程，實現(xiàn)了數(shù)控插補過程的可視化。工程大學畢業(yè)設計（論文）評語學生： 帆 專業(yè)班級： 機械設計制造與其自動化 畢業(yè)設計

2、（論文）題目：CKJ6163經(jīng)濟型數(shù)控車床設計 1、指導教師評語：指導教師（簽字） 年 月 日 2、評閱人評語：評閱人（簽字） 年 月 日 3、答辯組評語：答辯組長（簽字） 年 月 日 66 / 74摘要 本設計對普通車床CW6163進行數(shù)控化改造。容有橫向進給傳動系統(tǒng)的設計，容包括：滾珠絲杠副的設計計算與選擇，齒輪選型設計計算，軸承選擇、校核，步進電機的選擇、繪制改動部分機械結構裝配圖；控制系統(tǒng)的硬件設計，包括擴展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路等；以與數(shù)控插補軟件的設計，以數(shù)字積分法直線插補為例，理論分析了插補的宏觀運動軌跡，推導出插補運算公式，并在Visual Ba

3、sic平臺下對數(shù)控插補運算編程，實現(xiàn)了數(shù)控插補的可視化。關鍵詞：數(shù)控化改造 插補 數(shù)字積分法 Visual BasicAbstractThe paper presents the process of numerical control reforming of CW6163. It contains the design of transverse feed system, including design, calculation and selection of the ball screw pair, gear type selection,bearing and stepper mo

4、tor selection, drawing the part of the mechanical structure; design hardware of control system , including extendROM ,RAM, keyboard and display circuit, I/O interface circuit. In addition to , design CNC interpolation software based on VisualBasic , realizing the visualization of numerical control i

5、nterpolation.Keywords: NC transformation, linear interpolation , digital integration,VisualBasic目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1數(shù)控發(fā)展簡史11.2數(shù)控機床的組成與特點11.2.1程序載體11.2.2輸入/輸出裝置11.2.3數(shù)控裝置11.2.4伺服系統(tǒng)21.2.5機床本體21.2.6數(shù)控車床的特點21.3 數(shù)控插補技術21.3.1數(shù)控插補原理概述21.3.2 插補方法的分類31.4數(shù)控機床的發(fā)展趨勢41.5車床數(shù)控化改造的必要性41.6本次設計的主要任務5第2章 總體方案的確定6

6、2.1橫向進給系統(tǒng)的改造與設計方案62.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設計62.3 數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的設計62.3.1 設計方法的選擇62.3.2設計語言的選擇8第3章 橫向進給傳動部件的計算與選型93.1 主切削力與其切削分力的計算93.1.1計算主切削力FZ93.1.2計算各切削分力93.2 導軌摩擦力的計算103.3 計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力103.4 確定進給傳動鏈的傳動比i和傳動級數(shù)103.5 齒輪傳動比計算與選型113.5.1 齒輪的設計選型113.5.2 按齒面接觸強度設計113.5.3計算123.5.4 按齒根彎曲強度設計133.5.5 幾何尺寸計算143.6滾珠絲杠的動載荷計算與直

7、徑估算143.7滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗163.7.1 臨界壓縮載荷的校驗163.7.2 臨界轉速的校驗173.7.3 額定壽命的檢驗173.8 支承用軸承的選擇與校核173.8.1 軸承的選擇183.8.2 軸承的校核183.9計算機械傳動系統(tǒng)的剛度193.9.1 計算滾珠絲杠的拉壓剛度193.9.2 計算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度Kb193.9.3 計算滾珠與滾道的接觸剛度Kc203.9.4 計算傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K203.9.5 計算滾珠絲杠螺母副的扭轉剛度203.10 驅(qū)動電動機的選型與計算203.10.1 計算負載慣量203.10.2 計算負載力矩213.10.3 計算加速

8、力矩223.10.4計算橫向進給系統(tǒng)所需的各種力矩223.10.5選擇驅(qū)動電動機的型號233.11 機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析243.12 機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析243.12.1計算機械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)253.12.2計算由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差253.12.3計算滾珠絲杠應扭轉變形產(chǎn)生的誤差253.13 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號253.13.1確定滾珠絲杠螺母副的精度等級253.13.2確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號26第4章 微機數(shù)控系統(tǒng)硬件的設計274.1 硬件電路設計容274.1.1繪制系統(tǒng)電氣控制結構框圖274.1.2 選擇中央處理單元CPU的類型274.1.

9、3 存儲器擴展電路設計284.1.4 I/O接口電路設計284.2 8031單片機簡介284.2.1 8031單片機的特征284.2.2 8031芯片引腳與其功能294.2.3 8031芯片的存儲器結構與地址分配314.2.4 特殊功能寄存器324.3 存儲器擴展電路324.3.1 程序存儲器的擴展324.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展354.3.3 譯碼電路的設計364.4 I/O口的擴展374.4.1 8155通用可編程接口芯片374.4.2 鍵盤接口電路設計394.4.3 LED顯示器接口414.5 步進電機接口與其輔助電路424.5.1 脈沖分配器434.5.2 光電隔離電路444.5.3

10、8031的時鐘電路454.5.4 復位電路454.5.5 越界報警電路464.5.6 掉電保護電路46第5章 基于Visual Basic的插補軟件設計485.1 數(shù)字積分法插補485.2 數(shù)字積分法直線插補的基本原理495.3 Visual Basic程序設計語言簡述525.4 軟件設計535.4.1 對象屬性535.4.2 軟件截圖55第6章 結論58參考文獻59附錄60致65第1章 緒論1.1數(shù)控發(fā)展簡史1948年，美國帕森斯公司提出計算機控制機床的設想，1952年，該公司在美國麻省理工學院的協(xié)助下，成功試制第一臺三坐標數(shù)控銑床，這是制造技術發(fā)展過程中的一個重大突破，標志著制造領域中數(shù)控

11、加工時代的開始，具有劃時代的意義和深遠的影響。數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術的基礎，世界上主要工業(yè)發(fā)達國家都十分重視數(shù)控加工技術的研究和發(fā)展。 數(shù)控機床發(fā)展到今天，已經(jīng)經(jīng)歷了幾代的變化：第一代：1952年到1959年采用電子管元件構成的專用數(shù)控（NC）裝置；第二代：1959年到1964年采用晶體管電路的NC裝置；第三代：1965年到1970年采用小、中規(guī)模集成電路的NC裝置；第四代：1971年到1974年采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)（CNC）；第五代：1974年開始采用微型電子計算機控制的系統(tǒng)（MNC）。1.2數(shù)控機床的組成與特點1.2.1程序載體在加工過程中，機床的全部動作過程和

12、刀具相對于工件的運動軌跡，都是通過編制加工程序以一定的格式和代碼，存儲在一種程序載體上，如穿孔紙帶、磁盤、磁帶等。1.2.2輸入/輸出裝置輸入/輸出裝置可將不同加工信息傳遞于計算機。目前，可以利用機床上的顯示屏與鍵盤手動輸入加工程序指令，也可利用CAD/CAM軟件在計算機上編程，然后通過計算機通信將程序上傳到數(shù)控裝置，大大方便了信息輸入工作。1.2.3數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心與主導，它接受來自輸入設備的程序和數(shù)據(jù)，并按輸入信息的要求完成數(shù)值計算、邏輯判斷和輸入輸出控制等功能。數(shù)控裝置通常是指一臺專用計算機或通用計算機與輸入輸出接口版以與機床控制器等所組成的控制裝置。1.2.4伺服系統(tǒng)伺

13、服系統(tǒng)是數(shù)控機床的執(zhí)行機構，其作用是把來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉化為機床移動部件的運動。一般來說，機床的伺服驅(qū)動要求有好的快速響應性能，能靈敏而準確的跟蹤由數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號。1.2.5機床本體機床本體包括床身、主軸、進給傳動機構等機械部件。與傳統(tǒng)機床相比，具有結構簡單、精度高、機構剛性好、可靠性高、傳動效率高等特點。1.2.6數(shù)控車床的特點 (1)加工零件的適應性強，靈活性好，可加工帶有曲線、曲面以與錐度的復雜型 零件。 (2)加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸的分散度小，便于裝配。 (3)可實現(xiàn)加工的自動化，生產(chǎn)效率高。 (4)工序集中，大大減少了工人的勞動強度，由于操作失誤減少，也降低了廢

14、品率和次品率。 (5)數(shù)控機床擁有自動報警、監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N功能，便于實現(xiàn)生產(chǎn)計劃調(diào)度，從而提高生產(chǎn)管理水平。1.3 數(shù)控插補技術1.3.1數(shù)控插補原理概述 機床數(shù)控系統(tǒng)的核心技術是插補。在數(shù)控加工中，數(shù)控系統(tǒng)要解決控制刀具與工件運動軌跡的問題。在所需的路徑或輪廓上的兩個已知點間，根據(jù)某一數(shù)學函數(shù)確定其中多個中間點位置的運動過程稱為插補。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)這些坐標值控制刀具或工件的運動，實現(xiàn)數(shù)控加工。插補的實質(zhì)是根據(jù)有限的信息完成“數(shù)據(jù)密化”的工作。數(shù)控加工程序提供了刀具運動的起點、終點和運動軌跡，而刀具怎么從起點沿運動軌跡走向終點則有主控系統(tǒng)的插補裝置或插補軟件來控制。實際加工中，被加工零件的

15、輪廓種類很多，嚴格來說，為了滿足加工要求，刀具軌跡應該準確的按零件的輪廓形狀生成。然而，對于復雜的曲線輪廓，直接計算刀具運功軌跡非常復雜，計算工作量很大，不能滿足數(shù)控加工的實時控制要求。因此，在實際應用中，使用一小段直線或圓弧去逼近（或稱為擬合）零件的輪廓曲線，即通常所說的直線和圓弧插補。某些高性能的數(shù)控系統(tǒng)中，還具有拋物線、螺旋線插補功能1。1.3.2 插補方法的分類在早期的數(shù)控系統(tǒng)中，插補是由專門設計的硬件數(shù)字電路完成的。而在現(xiàn)代計算機數(shù)控(Computerized Numerical Control ,CNC)系統(tǒng)中，常用的插補實現(xiàn)方法有兩種：一種有硬件和軟件的組合來實現(xiàn)；另一種全部采用

16、軟件實現(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)中完成插補運算的裝置或程序稱為插補器，根據(jù)插補器的結構可分為硬件插補器、軟件插補器和軟、硬件結合插補器二種類型。早期NC系統(tǒng)的插補運算由硬接線的數(shù)字電路裝置來完成，稱為硬件插補，其結構復雜，成本較高。在CNC系統(tǒng)中插補功能一般由計算機程序來完成，稱為軟件插補。由于硬件插補具有速度高的特點，為了滿足插補速度和精度的要求，現(xiàn)代CNC系統(tǒng)也采用軟件與硬件相結合的方法，由軟件完成粗插補，由硬件完成精插補。由于直線和圓弧是構成零件輪廓的基本線型，因此CNC系統(tǒng)一般都具有直線插補和圓弧插補兩種基本類型，在二坐標以上聯(lián)動的CNC系統(tǒng)中，一般還具有螺旋線插補和其它線型插補。為了方便對各種曲線

17、、曲面的直接加工，人們一直研究各種曲線的插補功能，在一些高擋CNC系統(tǒng)中，己經(jīng)出現(xiàn)了拋物線插補、漸開線插補、弦線插補、樣條曲線插補、球面螺旋線插補以與曲面直接插補等功能。插補的任務就是根據(jù)進給速度的要求，完成輪廓起點和終點之間中間點的坐標值計算。對于輪廓控制系統(tǒng)來說，插補運算是最重要的運算任務。插補對機床控制必須是實時的。插補運算速度直接影響系統(tǒng)的控制速度，而插補計算精度又影響到整個CNC系統(tǒng)的精度。人們一直在努力探求計算速度快且計算精度高的插補算法。目前普遍應用的插補算法分為兩大類，一類是基準脈沖插補，另一類是數(shù)據(jù)采樣插補，如下做簡要介紹。（1）基準脈沖插補 基準脈沖插補又稱為脈沖增量插補或

18、行程標量插補，其特點是每次插補結束僅向各運動坐標軸輸出一個控制脈沖，因此各坐標僅產(chǎn)生一個脈沖當量或行程的增量。脈沖序列的頻率代表坐標運動的速度，而脈沖的數(shù)量代表運動位移的大小。這類插補運算簡單，容易用硬件電路來實現(xiàn)，早期的硬件插補都是采用這類方法，在日前的CNC系統(tǒng)中原來的硬件插補功能可以用軟件來實現(xiàn)，但僅適用于一些中等速度和中等精度的系統(tǒng)，便要用于步進電機驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)。也有的數(shù)控系統(tǒng)將其用做數(shù)據(jù)采樣插補中的精插補2。 基準脈沖插補的方法很多，主要有逐點比較法、數(shù)字積分法、脈沖乘法器等等。應用較多的是逐點比較法和數(shù)字積分法。（2）數(shù)據(jù)采樣插補 數(shù)據(jù)采樣插補又稱數(shù)字增量插補、時間分割插補或時間

19、標量插補，其運算采用時間分割思想，根據(jù)編程的進給速度將輪廓曲線分割為每個插補周期的進給直線段(又稱輪廓步長)，以此來逼近輪廓曲線。數(shù)控裝置將輪廓步長分解為各坐標軸的插補周期進給量，作為命令發(fā)送給伺服驅(qū)動裝置。伺服系統(tǒng)按位移檢測采樣周期采集實際位移量，并反饋給插補器進行比較完成閉環(huán)控制。伺服系統(tǒng)中指令執(zhí)行過程實質(zhì)也是數(shù)據(jù)密化工作。閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)都采用數(shù)據(jù)采樣插補方法，它能滿足控制速度和精度的要求。數(shù)據(jù)采樣插補方法很多，主要有時間分割法、擴展DDA等，但都基于一樣的思想。1.4數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 目前，世界先進制造技術不斷興起，超高速超精密加工等技術的應用，柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機集成

20、系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術提出了更高的要求。為適應這種情況，數(shù)控機床正朝著以下幾個方面發(fā)展。 （1)高速度、高精度化 速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要指標，它直接關系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，數(shù)控系統(tǒng)采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運算速度。同時，采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結構，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補運算的速度和精度。 （2)引進自適應控制技術 智能化現(xiàn)代數(shù)控機床將引進自適應控制技術，根據(jù)切削條件的變化，自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使加工過程中能保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較好的表面粗糙度，同時也能提高刀具的使用壽命和設備的生產(chǎn)效率。為實現(xiàn)更高的故障診

21、斷要求，其發(fā)展趨勢是采用人工智能專家診斷系統(tǒng)。 （3)柔性化 數(shù)控系統(tǒng)采用新一代模塊化設計，功能覆蓋面寬，可靠性更好，可滿足不同用戶的要求。根據(jù)不同生產(chǎn)流程，自動進行信息流動態(tài)調(diào)整，發(fā)揮群控系統(tǒng)的功能，滿足了多種不同加工需要。1.5車床數(shù)控化改造的必要性傳統(tǒng)的機械加工都是用手工操作普通機床作業(yè)的，加工時用手搖動機械刀具切削金屬，靠眼睛用卡尺等工具測量產(chǎn)品的精度的?，F(xiàn)代工業(yè)早已使用電腦數(shù)字化控制的機床進行作業(yè)了，數(shù)控機床可以按照技術人員事先編好的程序自動對任何產(chǎn)品和零部件直接進行加工了。這就是我們說的“數(shù)控加工”。數(shù)控加工廣泛應用在所有機械加工的任何領域，更是模具加工的發(fā)展趨勢和重要和必要的技術

22、手段。 數(shù)控機床是按照事先編制好的加工程序，自動地對被加工零件進行加工。我們把零件的加工工藝路線、工藝參數(shù)、刀具的運動軌跡、位移量、切削參數(shù)(主軸轉數(shù)、進給量、背吃刀量等)以與輔助功能(換刀、主軸正轉、反轉、切削液開、關等)，按照數(shù)控機床規(guī)定的指令代碼與程序格式編寫成加工程序單，再把這程序單中的容記錄在控制介質(zhì)上(如穿孔紙帶、磁帶、磁盤、磁泡存儲器)，然后輸入到數(shù)控機床的數(shù)控裝置中，從而指揮機床加工零件。 這種從零件圖的分析到制成控制介質(zhì)的全部過程叫數(shù)控程序的編制。數(shù)控機床與普通機床加工零件的區(qū)別在于控機床是按照程序自動加工零件，而普通機床要由人來操作，我們只要改變控制機床動作的程序就可以達到

23、加工不同零件的目的。因此，數(shù)控機床特別適用于加工小批量且形狀復雜要求精度高的零件。但是數(shù)控機床的應用也受到了其它條件的限制： （1）數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，不適用于中小型企業(yè)。 （2）目前各企業(yè)都用大量的普通機床，完全用數(shù)控機床代替不現(xiàn)實，投資巨 大而且被代替下的機床會造成資源的浪費。 （3）在國購置一臺數(shù)控機床的周期比較長，不能滿足生產(chǎn)的急需。 為解決上述問題，我們提出機床數(shù)控化改造的方案，這種方法具有投資少、見效快的特點，且具有一定的經(jīng)濟性、實用性、穩(wěn)定性。生產(chǎn)實踐表明，用較少的資金，將普通車床數(shù)控化改造，可為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。1.6本次設計的主要任務 （1) 將橫向進給系

24、統(tǒng)該成用微機控制的，能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)，進給機構的設計與計算包括：滾珠絲杠副的設計計算與選擇，中間齒輪設計計算，軸承選擇、校核、步進電機的選擇、繪制改動部分機械結構裝配圖 （2)數(shù)控系統(tǒng)設計（包括微機數(shù)控系統(tǒng)框圖設計，微機數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖設計和繪制） （3)數(shù)控插補軟件設計：分析數(shù)字積分法數(shù)控插補原理，以直線數(shù)字積分法插補為例，在Visual Basic開發(fā)平臺下編制數(shù)控插補算法程序，實現(xiàn)插補的可視化化動態(tài)控制仿真第2章 總體方案的確定2.1橫向進給系統(tǒng)的改造與設計方案 橫向機構保留原手動機構，拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠，為了便于安裝滾珠絲杠副絲杠軸不是整體的而采用分段式，然后用聯(lián)軸器聯(lián)

25、接（或用套筒剛性聯(lián)接）。（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。（2）拆除中滑板下的滑動絲杠螺母副，將滑動絲杠靠刻度盤一端鋸斷保留，拆除刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。（3) 將橫向進給步進電動機通過法蘭座安裝到中滑板后部的床鞍上，并與滾珠絲杠的軸頭相連。 （4) 拆除三杠（絲杠，光杠，與操縱杠）更換絲杠的右支承。2.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設計 （1）臥式車床數(shù)控化改造后應具有單坐標定位，兩坐標直線插補，圓弧插補以與螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。 （2）臥式車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，應

26、簡化結構，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)常采用步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）根據(jù)技術指標中最大加工尺寸，最高控制速度以與數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列的8位機具有功能多、速度快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。 （4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路等。2.3 數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的設計2.3.1 設計方法的選擇數(shù)字積分器直線插補裝置需要五條寄存器，其寄存器的容是：JVX寄存x坐標終點值；JVY寄存y坐標終點值；JRX寄存x坐標余數(shù)； JRY寄存y坐標余數(shù)；JZ寄存總步數(shù)。圖2-1為

27、數(shù)字積分法直線插補邏輯圖2。初始狀態(tài)時將，存放于JVX和JVY中，其余寄存器清0。當接到運算指令后，使運圖2-1 數(shù)字積分法直線插補邏輯圖MF進給脈沖發(fā)生器；SB時序脈沖發(fā)生器；JZ總步數(shù)寄存器；CYK運算開關；Q1Q2全加器；Tc1Tc2進位觸發(fā)器；JVX被積函數(shù)；JVY被積函數(shù)；JRXx累加寄存器；JRYy累加寄存器；Y1Y3與門。算開關CYK置1，與門Y1開放,進給脈沖發(fā)生器MF沒發(fā)出一個脈沖,累積運算一次.每一個進給脈沖通過Y1使時序脈沖發(fā)生器SB啟動一次，將位移脈沖Pt4(脈沖數(shù)目由寄存器位數(shù)決定)送到有關位移寄存器中，一方面使JRX與JRY完成累加xz與yz的加法運算；另一方面又將

28、JVX與JVY中溢出的數(shù)通過自循環(huán)線重新寄存于JVX與JVY中。各坐標每次累加后其和大于2n或等于2n時便有溢出，溢出的標志是將累加器送入進位觸發(fā)器Tc1中存1。在時序脈沖Pt3出現(xiàn)時，通過與門Y2或Y3分別發(fā)出進給脈沖x或y，使機床相應的坐標位移一步累加結果超過2n部分自動丟失，余下的小于2n部分保留在累加寄存器中，留待下一次累加運算。數(shù)字積分器直線插補的終點判斷比較簡單，因為每段程序需進行m=2n次累加運算，進行2n次累加運算后就一定達到終點，故可設置一字長為n位的計數(shù)器JZ，累加運算前首先清0，此后每累加運算一次，計數(shù)器加1，當記滿2n時JZ的最高位即有溢出，使運算開關CYK置0，關閉與

29、門Y1停止運算，插補完畢。而數(shù)字積分法（DDA）具有運算速度快、脈沖分布均勻、易于實現(xiàn)多坐標聯(lián)動與描繪平面各種函數(shù)曲線的特點，應用比較廣泛。其缺點是速度調(diào)節(jié)不便，插補精度需要采用一定措施才能滿足要求。由于計算機有較強的功能和靈活性，采用軟件插補時，可克服以上缺點4。所以，本設計選擇用軟件對數(shù)字積分法的直線插補進行了實現(xiàn)。2.3.2設計語言的選擇Visual Basic是由美國微軟公司于1991年開發(fā)的一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動方式的結構化高級程序設計語言，可用于開發(fā) Windows 環(huán)境下的各類應用程序。它簡單易學、效率高，且功能強大可以與 Windows 專業(yè)開發(fā)工具SDK相媲美。

30、在Visual Basic環(huán)境下，利用事件驅(qū)動的編程機制、新穎易用的可視化設計工具，使用Windows部的廣泛應用程序接口（API）函數(shù)，動態(tài)庫（DLL）、對象的與嵌入（OLE）、開放式數(shù)據(jù)連接（ODBC）等技術，可以高效、快速地開發(fā)Windows環(huán)境下功能強大、圖形界面豐富的應用軟件系統(tǒng)。因此，本次設計選用Visual Basic開發(fā)環(huán)境3。第3章 橫向進給傳動部件的計算與選型主要參數(shù)原始數(shù)據(jù)：CW6163普通車床采用微機組成經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。主電動機功率 P=11 kw工件最大回轉直徑 D=630mm主軸計算轉速 n=100r/min最小設定運動單位 橫0.005mm/step最大進給速度

31、橫向=1.5m/min滾珠絲杠導程 S橫4mm ； 行程 L橫490mm工作臺重量 G橫197kg 電機鈕矩 P橫12 N.m步距角 0.6/1.2(0.75/1.5)工作速度 V橫0.8m/min 定位精度 0.05mm/全行程重復定位精度 0.02mm/全行3.1 主切削力與其切削分力的計算3.1.1計算主切削力FZ已知機床主電動機的額定功率為，最大工件直徑，主軸計算轉速。在此轉速下，主軸具有最大扭矩和功率，刀具的切削速度為 取機床的機械效率=0.75，則由參考文獻5中公式（2-6）得3.1.2計算各切削分力走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力Fy可由參考文獻5中式（2-4）求出：

32、3.2 導軌摩擦力的計算（1）由參考文獻5中式（2-8a）計算在切削狀態(tài)下的導軌摩擦力。此時，導軌受到的垂向切割分力，橫向切割分力，移動部件的全部質(zhì)量（包括機床夾具和工件的質(zhì)量）（所受重力），查參考文獻5表2-3得鑲條緊固力，取導軌動摩擦系數(shù)，則（2）按參考文獻5中式（2-9a）計算在不切削狀態(tài)下的導軌摩擦力F0和F0。3.3 計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力(1) 按式（2-10a）計算最大軸向負載力。(2) 按式（2-10b）計算最小軸向負載力。3.4 確定進給傳動鏈的傳動比i和傳動級數(shù)取步進電動機的步距角，滾珠絲杠的基本導程，進給傳動鏈的脈沖當量，則由參考文獻5中式（2-69）得按最小慣量

33、條件，從參考書5圖2-42和圖2-43中查得該減速器應采用1級傳動，傳動比取i=1.3.3.5 齒輪傳動比計算與選型3.5.1 齒輪的設計選型(1) 根據(jù)結構需要，初選各傳動齒輪的齒數(shù)分別為z1=20、z2=26,模數(shù)m=2，齒寬b=40mm。(2) 選用直齒圓柱齒輪傳動，七級精度（GB 10095-88）；(3) 由參考資料6中表10-1選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。3.5.2 按齒面接觸強度設計 由參考資料6設計計算公式（10-9a）進行試算，即(1) 選載荷系數(shù)。(2) 小齒輪傳遞的轉矩。

34、(3) 由參考資料6表10-7選取齒寬系數(shù)。(4) 由參考資料6表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)。(5) 由參考資料6圖10-21d查得小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞強度。(6) 計算力循環(huán)次數(shù)。小齒輪的轉速-齒輪每轉一圈時，同一齒面嚙合的次數(shù)，此處-齒輪的工作壽命（單位為h）工作壽命設為12000h(7) 由參考資料6圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù),。(8) 計算接觸疲勞許用應力。3.5.3計算(1) 試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值。(2) 計算圓周速度V(3) 計算齒寬b(4) 計算齒寬與齒高之比 模數(shù) 齒高 (5) 計算載荷系數(shù)由，七級精度，,根據(jù)參考文獻6圖10-4用

35、插值法查得7級精度，由，由圖參考文獻6圖10-13得.故載荷系數(shù)(6) 按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑：(7) 計算模數(shù)m3.5.4 按齒根彎曲強度設計由參考文獻6(公式10-5)得彎曲強度的計算公式為(1)確定公式的各計算數(shù)值1)由參考文獻2圖10-20查的小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲疲勞強度極限2)由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)3)計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù)，得：經(jīng)過計算可知4)計算載荷系數(shù)K5)查取齒形系數(shù) 由參考資料6表10-5查得6)查取應力校壓系數(shù)由參考資料6表10-5查得7)計算齒輪的并加以比較(2)設計計算 對比設計結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模

36、數(shù)m大于由齒根彎曲強度計算的模數(shù)；由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載力，而齒面接觸疲勞強度所決定承載能力僅于齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取彎曲強度算得的模數(shù)1.15并就近圓整為標準值按接觸強度算得的分度圓直徑,算出齒數(shù) 大齒輪齒數(shù)：取。這樣設計的齒輪傳動即滿足了齒面接觸疲勞強度又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。3.5.5 幾何尺寸計算(1) 計算分度圓直徑 則(2) 計算中心距(3) 計算齒輪寬 取3.6滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算(1) 按預期工作時間估算滾珠絲杠預期的額定動載荷Cam已知數(shù)控機床的預期工作時間，滾珠絲杠的當量載荷，查參考書5表2

37、-28得，載荷系數(shù)；查參考書5表2-29，初步選擇滾珠絲杠的精度等級為3級精度，取精度系數(shù)；查表2-30得，可靠性系數(shù)。取滾珠絲杠的當量轉速（該轉速為最大切削進給速度時的轉速），已知，滾珠絲杠的基本導程，則由參考書1式（2-19）得(2) 根據(jù)定位精度和重復定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。已知本車床橫向進給系統(tǒng)的定位精度為50m，重復定位精度為20m，則由參考文獻5式（2-23）、式（2-24）得 取上述計算結果的較小值，即。(3) 估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2m。滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用一端固定、一端游動支承方式，滾珠絲杠螺母副的兩個固定支承之間的距離為 L=行

38、程+安全行程+2余程+螺母長度+支承長度（1.21.4）行程+（2530）L0取 由參考書5中式（2-25）得 (4) 初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 根據(jù)以上計算所得的,，d2m和結構的需要，初步選擇FFZD型循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲杠螺母副，型號為FFZD3204-5（見參考書5附錄A表A-3），其公稱直徑d0、基本導程、額定動載荷和螺紋底徑如下：故滿足要求。(5) 將以上結果用于該部件的裝配圖設計（見附圖1），其計算簡圖如圖3-1所示。 圖3-1 普通車床數(shù)控化改造計算簡圖3.7滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗3.7.1 臨界壓縮載荷的校驗已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑d2=28.9mm，由

39、圖4-5可知滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度L1=313mm，絲杠水平安裝時，取K1=1/3，查表2-44得K2=2，則由式參考書5中式（2-35)得本車床橫向進給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為，遠小于其臨界壓縮載荷的值，故滿足要求。3.7.2 臨界轉速的校驗由圖3-1得滾珠絲杠螺母副臨界轉速的計算長度，其彈性模量，密度，重力加速度。滾珠絲杠的最小慣性矩為滾珠絲杠的最小截面積為取，由表2-44得，則由參考書5中式（2-36）得 本橫向進給傳動鏈的滾珠絲杠螺母副的最高轉速為，遠小于其臨界轉速，故滿足要求。3.7.3 額定壽命的檢驗查附錄A表A-3得滾珠絲杠的額定動載荷Ca=15000N，已知

40、其軸向載荷，滾珠絲杠的轉速，運轉條件系數(shù)，則由式（2-37）、式（2-38）得本車床數(shù)控化改造后，滾珠絲杠螺母副的總工作壽命，故滿足要求。3.8 支承用軸承的選擇與校核3.8.1 軸承的選擇(1) 已知，則 故 根據(jù)參考文獻5表2-25得，徑向系數(shù),軸向系數(shù)。(2) 初步計算當量動載荷。 根據(jù)參考文獻2中公式（13-8a）得， 軸承轉速，預期計算壽命。根據(jù)參考文獻6式（13-6），軸承應有的基本額定載荷值。(3) 因為滾珠絲杠螺母副擬采用一端固定、一端游動的方式，所以選用60度角接觸軸承組背對背安裝，以承受兩個方向的軸向力。由于滾珠絲杠的螺紋底徑，所以選用軸承的徑，以滿足結構的需要。查參考資料

41、6附錄表A-2選擇的760206TNI軸承。3.8.2 軸承的校核(1) 軸承的基本額定靜載荷，而該軸承在12000h工作壽命下的基本額定動載荷，故滿足要求。(2) 在油脂潤滑狀態(tài)下的極限轉速為，高于機床滾珠絲杠的最高轉速，滿足要求。(3) 驗算軸承的壽命。 故滿足要求。 760206TNI角接觸球軸承，尺寸為。 軸承的潤滑：選擇脂潤滑。潤滑脂形成的潤滑膜強度高，能承受較大的載荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以維持相當長的一段時間。 軸承的密封：氈圈油封。在軸承蓋上開出梯形槽，將毛氈制成環(huán)形或帶形，放置在梯形槽中與軸承密合接觸，或者在軸承蓋上開缺口放置氈圈油封，然后用另為一個零件壓在氈圈油封

42、上，以調(diào)整毛氈與軸的密合程度，從而提高密封效果。3.9計算機械傳動系統(tǒng)的剛度3.9.1計算滾珠絲杠的拉壓剛度 本機床橫向進給傳動鏈的絲杠支承方式為一端固定、一端游動。絲杠的拉壓剛度Ks可由參考書5式（2-42）計算。 已知滾珠絲杠的彈性模量，滾珠絲杠的底徑。當滾珠絲杠的螺母中心至固定端支承中心的距離時，滾珠絲杠螺母副具有最小拉壓剛度，根據(jù)式（2-43a）得當時，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度，根據(jù)式（2-43b）得3.9.2 計算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度Kb已知滾動體直徑，滾動體個數(shù)Z=150，軸承的最大軸向工作載荷，則由表2-45、表2-46得3.9.3 計算滾珠與滾道的接觸剛度Kc查附

43、錄A表A-3得滾珠與滾道的接觸剛度，滾珠絲杠的額定動載荷，已知滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷，則由式（2-46b）得3.9.4 計算傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K由式（2-47a）得進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為故。由式（2-47b）得進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為故。3.9.5 計算滾珠絲杠螺母副的扭轉剛度由圖4-5得扭矩作用點之間的距離，已知滾珠絲杠的剪切模量，滾珠絲杠的底徑，則由式（2-48）得3.10 驅(qū)動電動機的選型與計算3.10.1 計算負載慣量(1) 計算滾珠絲杠的轉動慣量Jr已知滾珠絲杠的密度=7.810-3kg/cm3,則由式（2-63）得(2) 計算折算到絲杠軸上的移

44、動部件的轉動慣量JL已知機床橫向進給系統(tǒng)執(zhí)行部件（即橫向溜板與刀架）的總質(zhì)量m=197kg；絲杠軸每轉一圈，機床執(zhí)行部件在軸向距離移動的距離L=0.4cm，則由式（2-65）得(3) 計算各齒輪的轉動慣量(4) 由式（2-66）計算加在電動機軸上總負載轉動慣量。3.10.2 計算負載力矩(1) 計算折算到電動機軸上的切削負載力矩已知在切削狀態(tài)下的軸向負載力，絲杠每轉一周，機床執(zhí)行部件軸向移動的距離，進給傳動系統(tǒng)的傳動比，進給傳動系統(tǒng)的總效率,則由式（2-54）得(2) 計算折算到電動機軸上的摩擦負載力矩T已知在不切削狀態(tài)下的軸向負載力（即空載時的導軌摩擦力），則由式（2-55）得(3) 計算由

45、滾珠絲杠預緊力Fp產(chǎn)生的并折算到電動機軸上的附加負載力矩。 已知滾珠絲杠螺母副的效率0，滾珠絲杠螺母副的預緊力Fp為 則由式（2-56）得(4) 折算到電動機軸上的負載力矩T的計算?？蛰d時（快進力矩），由式（2-57a）得切削時（工進力矩），由式（2-57b）得3.10.3 計算加速力矩根據(jù)以上計算結果，初選130BC3100型反應式步進電動機，其轉動慣量；而進給傳動系統(tǒng)的負載慣量；對開環(huán)系統(tǒng)，一般取加速世界。當機床執(zhí)行部件以最快速度運動時電動機的最高轉速為由式（2-59）得 3.10.4計算橫向進給系統(tǒng)所需的各種力矩(1) 按式（2-61）計算空載啟動力矩(2) 按式（2-57a）計算快進力

46、矩TKJ(3) 按式（2-57b）計算工進力矩TGJ3.10.5選擇驅(qū)動電動機的型號(1) 選擇驅(qū)動電動機的型號根據(jù)以上計算選擇國產(chǎn)130BC3100型反應式步進電動機為驅(qū)動電動機，其主要技術參數(shù)如下：相數(shù)，3；步距角，0.6/1.2；最大靜轉矩，；轉動慣量，；分配方式，三相六拍；質(zhì)量，10kg。(2) 確定最大靜轉矩Ts由參考資料5中表2-48給出的機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩與所需的步進電動機的最大靜轉矩的關系可得機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩與所需的步進電動機的最大靜轉矩的關系為取和中的較大者為所需的步進電動機的最大靜轉矩，即。本電動機的最大靜轉矩為，大于，可以在規(guī)定的時間里正常啟動，故滿足要求。

47、(3) 驗算慣量匹配為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達到較合理的匹配，系統(tǒng)的負載慣量JL與伺服電動機的轉動慣量之比一般應滿足式（2-67），即因為，故滿足慣量匹配要求。3.11 機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析(1) 計算在絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度，機床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量分別為，滾珠絲杠螺母副和機床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為，已，則(2) 計算扭轉振動系統(tǒng)的最低固有頻率折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當量轉動慣量為已知滾珠絲杠的扭轉剛度，則由以上計算可知，絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率、扭轉振動系統(tǒng)的最低固有頻率，都比較高。一般按的要求來設計機械傳動系統(tǒng)的

48、剛度，故滿足要求。3.12 機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析3.12.1計算機械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)已知進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值，導軌的靜摩擦力，由式（2-52）得即，故滿足要求。3.12.2計算由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差由式（2-53）得即，故滿足要求。3.12.3計算滾珠絲杠應扭轉變形產(chǎn)生的誤差(1) 計算由扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量已知負載力矩，由圖4-5得扭矩作用點之間的距離，絲杠底徑，則由式（2-49）得(2) 由該扭轉變形量引起的軸向移動滯后量將影響工作臺的定位精度，由式（2-50）得3.13 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號3.13.1確定滾珠絲杠螺母副的精

49、度等級本進給傳動系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，應滿足下列要求：取滾珠絲杠螺母副的精度等級為3級，查參考書5中表2-20得；當螺紋長度為700mm時，查表2-21得，；，滿足設計要求。3.13.2確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號為FFZD3204-5-P3/920700，其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導程：32mm，4mm；螺紋長度：700mm；絲杠長度：920mm；類型與精度：P類，3級精度。第4章 微機數(shù)控系統(tǒng)硬件的設計4.1 硬件電路設計容 硬件是組成系統(tǒng)的基礎,也是軟件編制的前提,數(shù)控系統(tǒng)硬件的設計包括以下幾部分容：4.1.1繪制系統(tǒng)電氣控制結構框圖據(jù)總體方案與機械結構的控制要求

50、，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結構圖。機床硬件電路由五部分組成：(1) 主控制器，即中央處理單元CPU。(2) 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。(3) 存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。(4) 接口，即輸入/輸出接口電路。(5) 外圍設備，如鍵盤、顯示器與光電輸入機等。RAMROMCPU光電隔離功 率放大器I/O接口步進電機外 設鍵盤，顯示器與其他圖4-1 系統(tǒng)電氣控制結構框圖4.1.2 選擇中央處理單元CPU的類型在微機應用系統(tǒng)中，CPU的選擇應考慮的因素：(1) 時鐘頻率和字長，這個指標將控制處理的進度。(2) 可擴展存儲器（包括RAM和ROM）的容量。(3) 指定系統(tǒng)功

51、能，影響編程靈活性。(4) I/O擴展的能力，即對外設控制的能力。(5) 開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。CPU的種類很多，在此處選擇MCS51系列單片機中8031芯片單片機，因為其集成度高,穩(wěn)定性、可靠性好，體積小，而且有很強的外部擴展功能，外圍擴展電路芯片大多是一些常規(guī)芯片，用戶很容易通過標準擴展電路來構成較大規(guī)模的應用系統(tǒng)。4.1.3 存儲器擴展電路設計存儲器擴展電路設計應該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展。在選擇程序存儲器芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配，還應考慮最大讀出速度、工作溫度與存儲器的容量等問題。 在存儲器擴展電路的設計中還應該包括地址鎖存器和譯碼電路的設計

52、。4.1.4 I/O接口電路設計設計容包括：根據(jù)外部要求選用I/O接口芯片，步進電機伺服控制電路，鍵盤、顯示器部分以與其他輔助電路設計（如復位、掉電保護等）。此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設，這些部分的電路設計也應包括。經(jīng)考慮，選擇8255為I/O接口芯片。4.2 8031單片機簡介4.2.1 8031單片機的特征(1) 具有功能很強的8位中央處理單元（CPU）。(2) 片有時鐘發(fā)生器（6或12MHz）、每執(zhí)行一條指令時間為2或1。(3) 片具有128字節(jié)RAM。(4) 具有21個特殊寄存器。(5) 可擴展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的外部程序存儲器。(6) 具有4個I/O口

53、，32根I/O線。(7) 具有2個16位定時器/計數(shù)器。(8) 具有5個中斷源，配備2個中斷優(yōu)先級。(9) 具有一個全雙工串行接口。(10) 具有位尋址能力，適用邏輯運算。從上述特性可以看出，一塊8031的功能幾乎相當于一塊Z80CPU、一塊RAM，一塊Z80CTC、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微機系統(tǒng)?？梢钥闯鲞@種芯片集成度高，功能強，只需增加少量外圍器件就可以構成一個完整的微機系統(tǒng)。4.2.2 8031芯片引腳與其功能8031芯片具有40根引腳，其引腳圖如圖4-2所示，40根引腳按其功能可分為四類：圖4-2 8031芯片引腳與其功能(1) 電源線2根 ：編程和正常操作時的電源電壓，接+5V。：地電平。(2) 晶振線2根 XTAL1：振蕩器的