CA6136車床數(shù)控改造及控制系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計PAGE4PAGE42前言本課題是圍繞將普通機(jī)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床展開設(shè)計的，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床是指價格低廉、操作使用方便，適合我國國情的裝有簡易數(shù)控系統(tǒng)的高效自動化機(jī)床。中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，常希望對原有舊機(jī)床進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、自動化。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)就是結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，結(jié)合我國國情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價格。價格比適中是其最主要的特點(diǎn)，特別適合在設(shè)備中占有較大比重的普通車床改造，適合在生產(chǎn)第一線大面積推廣。企業(yè)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控型系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行改造后，將提高產(chǎn)品加工精度和批量生產(chǎn)的能力，同時又能保持“萬能加工”和“專用高效”這兩種屬性，提高設(shè)備自身對產(chǎn)品更新?lián)Q代的應(yīng)變能力，增強(qiáng)企業(yè)的競爭能力。進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的改造是非常有必要的。數(shù)控機(jī)床可以很好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批量及多變零件的加工問題。但是數(shù)控車床的運(yùn)用也受到其他條件的限制。如：數(shù)控車床價格昂貴，一次性投資巨大等，因此，普通車床的數(shù)控改造，大有可為。它適合我國的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一。第一章緒論第一節(jié)機(jī)床的數(shù)控化改造目前，關(guān)于機(jī)床改造方面的報道比較多，其方法多種多樣，具體表現(xiàn)在:（1）、根據(jù)用戶的需求可以選擇不同的數(shù)控系統(tǒng)。（2）、根據(jù)要求可以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性數(shù)控化改造，也可以進(jìn)行智能化數(shù)控機(jī)床改造。不管哪種形式的數(shù)控改造，最基本的思路是要滿足用戶的基本使用需求。但目前對車床的數(shù)控化改造，主要是經(jīng)濟(jì)性數(shù)控化改造。在改造過程中，主要沿用系統(tǒng)供應(yīng)商提供的外部接線要求進(jìn)行控制電路設(shè)計，沒有對系統(tǒng)進(jìn)行深入的分析研究，不能結(jié)合實(shí)際應(yīng)用解決當(dāng)前同類機(jī)床存在的問題，比如:現(xiàn)在的機(jī)床普遍采用正邏輯控制，當(dāng)限位保護(hù)電路，如發(fā)生電路開路或接觸不良時，不會立即報警，容易造成事故。針對目前同類數(shù)控機(jī)床使用中存在的問題，經(jīng)過仔細(xì)的研究和分析系統(tǒng)特性，在改造機(jī)床時所有限位保護(hù)電路均采用負(fù)邏輯，如發(fā)生電路開路或接觸不良時會立即報警，防止意外事故發(fā)生；設(shè)定了特殊的限位控制裝置，使刀架在特定的位置不能換刀，保證了生產(chǎn)安全。第二節(jié)數(shù)控機(jī)床與數(shù)控技術(shù)一、數(shù)控機(jī)床1、國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)（1）、新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位（2）、數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高（3）、數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破2、國內(nèi)控機(jī)床的發(fā)展趨勢（1）、數(shù)控機(jī)床推廣應(yīng)用逐步加深據(jù)分析，2005年我國機(jī)床的數(shù)控化率為9.5%～10.36%，到2010年將達(dá)到16.50%～19.27%。（2）、數(shù)控金切機(jī)床的構(gòu)成比逐漸趨于合理數(shù)控機(jī)床工序集中的加工特點(diǎn)，將使具有復(fù)合功能的高效數(shù)控機(jī)床的需求增長，這將導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床擁有量和市場消費(fèi)量中各類數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成比不同于傳統(tǒng)的機(jī)床構(gòu)成比。二、數(shù)控技術(shù)1、數(shù)控技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀（1）、開放結(jié)構(gòu)的發(fā)展數(shù)控技術(shù)從發(fā)明到現(xiàn)在，已有近50年的歷史。按照電子器件的發(fā)展可分為五個發(fā)展階段：電子管數(shù)控，晶體管數(shù)控，中小規(guī)模IC數(shù)控，小型計算機(jī)數(shù)控，微處理器數(shù)控；從體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，可分為以硬件及連線組成的硬數(shù)控系統(tǒng)、計算機(jī)硬件及軟件組成的CNC數(shù)控系統(tǒng)，后者也稱為軟數(shù)控系統(tǒng)：從伺服及控制的方式可分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)和伺服電機(jī)驅(qū)動的閉環(huán)系統(tǒng)。（2）、軟件伺服驅(qū)動技術(shù)伺服技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分。廣義上說，采用計算機(jī)控制，控制算法采用軟件的伺服裝置稱為“軟件伺服”。它有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)無溫漂，穩(wěn)定性好。(2)基于數(shù)值計算，精度高。(3)通過參數(shù)對設(shè)定，調(diào)整減少。(4)容易做成ASIC電路。70年代，美國GATTYS公司發(fā)明了直流力矩伺服電機(jī)，從此開始大量采用直流電機(jī)驅(qū)動。開環(huán)的系統(tǒng)逐漸由閉環(huán)的系統(tǒng)取代。但直流電機(jī)存在以下缺點(diǎn)：(1)電動機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速、環(huán)境條件受到限制；(2)換向器、電刷維護(hù)不方便。交流異步電機(jī)雖然價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，但早期由於控制性能差，所以很長時間沒有在數(shù)控系統(tǒng)上得到應(yīng)用。（3）、CNC系統(tǒng)的連網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)從控制單臺機(jī)床到控制多臺機(jī)床的分級式控制需要網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信；網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是進(jìn)行通信，共享信息。這種通信通常分三級：(1)工廠管理級。一般由以太網(wǎng)組成。(2)車間單元控制級。一般由DNC功能進(jìn)行控制。通過DNC功能形成網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對零件程序的上傳或讀、寫CNC的數(shù)據(jù)：PLC數(shù)據(jù)的傳送；存貯器操作控制；系統(tǒng)狀態(tài)采集和遠(yuǎn)程控制等。更高檔次的DNC還可以對CAD／CAM/CAPP以及CNC的程序進(jìn)行傳送和分級管理。CNC與通信網(wǎng)絡(luò)連系在一起還可以傳遞維修數(shù)據(jù)，使用戶與NC生產(chǎn)廠直接通信：進(jìn)而，把制造廠家連系一起，構(gòu)成虛擬制造網(wǎng)絡(luò)。(3)現(xiàn)場設(shè)備級。現(xiàn)場級與車間單元控制級及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備單機(jī)及I／0控制、連線控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)、運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計等功能，保證現(xiàn)場設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層，向工廠級提供數(shù)據(jù)。同時也可接受工廠管理層下達(dá)的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場級與車間級是實(shí)現(xiàn)工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第二章總體方案的確定第一節(jié)設(shè)計要求一、設(shè)計基本思路CA6136臥式車床（圖2-1）改造的基本思路是在原來的機(jī)床進(jìn)行修改，拆掉手動刀架和小拖板裝上數(shù)控刀架；拆掉普通絲桿、光桿進(jìn)給箱、溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副；主軸后端加一光電編碼器用波紋管連接，供加工螺紋使用；經(jīng)過嚴(yán)密的計算和論證，選擇絲杠和驅(qū)動電機(jī)，根據(jù)使用要求，選擇系統(tǒng)配置和設(shè)計控制電路，布置各傳感器。數(shù)控系統(tǒng)采用國際通用的DTMSYSTEM5T系統(tǒng)，可靠性好，功能強(qiáng)大。并根據(jù)用戶的要求設(shè)計了新穎的外觀。該機(jī)床改造后取名“CK6136A數(shù)控車床”。圖2-1CA6136臥式車床示意圖二、設(shè)計參數(shù)CA6136設(shè)計參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)所需要的參數(shù)。設(shè)計參數(shù)如下：最大加工直徑在床面上360mm在床鞍上180mm最大加工長度750mm快進(jìn)速度縱向2m/min橫向1m/min最大切削進(jìn)給速度縱向0.5m/min橫向0.25m/min溜板及刀架重力縱向800N橫向600N主電機(jī)功率5.5KW代碼制ISO脈沖分配方式逐點(diǎn)比較法輸入方式增量值，絕對值通用控制坐標(biāo)系2最小指令值（脈沖當(dāng)量）橫向0.005mm/脈沖縱向0.01mm/脈沖機(jī)床定位精度±0.015mm刀具補(bǔ)償量0mm～99.99mm進(jìn)給傳動鏈間隙補(bǔ)償量縱向0.15mm橫向0.075mm第二節(jié)總體方案的論證普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在考慮總體方案時應(yīng)該遵循的基本原則為：在滿足設(shè)計要求的前提下，對機(jī)床的改造盡可能少，以降低成本。數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動的確定：1）采用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動的閉環(huán)控制方案的優(yōu)點(diǎn)是可以達(dá)到很好的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械運(yùn)動中的各種誤差，消除間隙、干擾等對加工精度的影響。但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大。調(diào)試和維修困難，造價高。由于所造成的CA6136促車床的目標(biāo)加工精度不很高，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的必要性不大。2）采用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動的半閉環(huán)控制，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)之間。由于調(diào)速范圍寬，過載能力強(qiáng)，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)控制。由于反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機(jī)械傳動元件，調(diào)試比閉環(huán)簡單，系統(tǒng)和穩(wěn)定性較易保證。所以比閉環(huán)容易實(shí)現(xiàn)。但是，采用半閉環(huán)控制，調(diào)試比開環(huán)復(fù)雜，設(shè)計上也要有其特點(diǎn)，技術(shù)難度大。本設(shè)計要求不高，為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，通常情況下均采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)控制。開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計制造容易，控制精度較好，易調(diào)試，價格便宜，使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是步進(jìn)電機(jī)沒有過載能力啟動頻率低，工作頻率也不高等。開環(huán)控制多用于負(fù)載變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床中。通過比較，決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定縱向進(jìn)給結(jié)構(gòu)的改造：拆去原機(jī)床的溜板箱，光桿與絲桿以及安裝座，配上滾珠絲桿及其相應(yīng)的安裝裝置。縱向驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)及減速箱安裝在車床床尾，并不占據(jù)絲桿空間。由于采用了滾珠絲桿，可提高系統(tǒng)的精度和縱向進(jìn)給剛度。橫向進(jìn)給結(jié)構(gòu)的改造：由于原橫向進(jìn)給的絲桿空間有限，一種方法是拆除橫向絲桿換上滾珠絲桿，但在現(xiàn)在的滾珠絲桿系列中選出合適的絲桿副比較困難，需特制滾珠絲桿副的絲桿軸不是整體的，而是采用分移式，然后采用聯(lián)軸器聯(lián)接；另一種方法仍采用原絲桿，這樣做就避免了特制滾珠絲桿副的麻煩，減少成本，但需要電氣補(bǔ)償絲桿精度和反向間隙的措施。本方案采用前者，并且保留原手動機(jī)構(gòu)，橫向步進(jìn)電機(jī)和減速器安裝在機(jī)床后側(cè)。主軸箱的設(shè)計：由于本設(shè)計可在不對主軸改動的情況下滿足要求，因此主軸不改動以降低成本。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計：數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能好壞直接影響整個數(shù)控系統(tǒng)的性能。有了硬件，軟件才可有效運(yùn)行。數(shù)控系統(tǒng)中關(guān)鍵部分為控制裝置。一般情況下，要求如果有現(xiàn)成的數(shù)控裝置可以滿足要求，這時通常都采取現(xiàn)成數(shù)控裝置的方案。因?yàn)樽孕性O(shè)計制作不但費(fèi)時且不經(jīng)濟(jì)。同時質(zhì)量上也難以保證，另一種情況為購置現(xiàn)成數(shù)控裝置產(chǎn)品，當(dāng)滿足不了所需的數(shù)控功能，這時須將數(shù)控裝置經(jīng)自行補(bǔ)充或改造其硬件電路來滿足要求。單作為畢業(yè)設(shè)計，本設(shè)計采用自行設(shè)計數(shù)控裝置。在自行設(shè)計的數(shù)控裝置中，CPU的選擇是關(guān)鍵，選擇CPU應(yīng)考慮以下要素：a）、時鐘頻率和字長與被控裝置的運(yùn)動速度和精度密切相關(guān)b）、可擴(kuò)展存儲器的容量與數(shù)控功能的強(qiáng)弱相關(guān)c）、指令系統(tǒng)功能強(qiáng)弱與靈敏性相關(guān)d）、I/O口擴(kuò)展的能力與對外控制的能力有關(guān)在我國，普通機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的是Z80CPU和MCS-51系列單片機(jī)，主要因?yàn)樗鼈兊呐涮仔酒瑑r廉，普及性、通用性強(qiáng)，制造和維修方便。為此，本設(shè)計采用MCS-51系列單片機(jī)組成的數(shù)控裝置用微型控制機(jī)。第三節(jié)總體設(shè)計方案的確定經(jīng)過總體方案的論證后，確定的CA6136車床經(jīng)濟(jì)型改造的總體方案如圖2-2所示，車床主軸的轉(zhuǎn)速部分保留原機(jī)床的功能，即手動變速。車床的縱向（Z軸）和橫向（X軸）進(jìn)給運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，由MCS-51系列單片機(jī)組成微機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，由I/O接口、軟件環(huán)節(jié)分配器與放大控制功率步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪減速后帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)車床的縱向、橫向進(jìn)給的運(yùn)動。刀架改裝成由微機(jī)控制的經(jīng)電動機(jī)驅(qū)動的自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架。為保持切削螺紋的功能，必須安裝主軸脈沖發(fā)生器，為此采用主軸靠同步齒輪帶使脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號。每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步信號，經(jīng)隔離電力以及I/O接口送給微機(jī)。第三章主軸箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計由于主軸箱不需要改造，因而可查關(guān)于CA6136車床主軸箱結(jié)構(gòu)的相關(guān)書籍參考設(shè)計。其設(shè)計過程如下：主軸箱的傳動系統(tǒng)圖如下圖CA6136臥式車床傳動系統(tǒng)圖左邊部分所示。主運(yùn)動的傳動路線表達(dá)式為：圖3-1CA6136型臥式車床主軸轉(zhuǎn)速分布圖由傳動系統(tǒng)圖和傳動路線表達(dá)式可知主軸正轉(zhuǎn)有2×3×（2×2-1）=30級轉(zhuǎn)速，但由于軸IV至V間四種傳動比為：U1=50/50×51/50=1U2=20/80×51/50=1/4U3=50/50×20/80=1/4U4=20/80×20/80=1/16其中U3=U4，即IV軸至V軸間只有三種不同傳動，故主軸實(shí)際獲得的轉(zhuǎn)速級數(shù)為：正轉(zhuǎn)：2×3×[（2×2-1）+1]=24河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第四章機(jī)械部分設(shè)計與計算第一節(jié)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)改造設(shè)計一、縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱，利用原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和銷孔安裝齒輪箱體。滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置，兩端采用原固定方式，這樣可減小改裝現(xiàn)場，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而使縱向進(jìn)給整體剛性略優(yōu)于以前。滾珠絲杠選用單圓弧滾道截面，外循環(huán)方式、精度選F級。為了在齒輪傳動中消除間隙，實(shí)現(xiàn)微量自動補(bǔ)償以提高傳動精度，選用雙片薄齒輪調(diào)隙、可調(diào)拉簧式結(jié)構(gòu)。二、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)改造保留原手動機(jī)構(gòu)，用于調(diào)整操作，原有的支撐結(jié)構(gòu)也保留，步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱體安裝在中拖板的后側(cè)?？v、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用了一級齒輪減速，并用雙片齒輪錯齒法消除間隙，雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙，因?yàn)閺椈傻膹椓茈y適應(yīng)負(fù)載的變化情況。當(dāng)負(fù)載較大時，彈簧彈力顯得小，起不到消除間隙的作用；當(dāng)負(fù)載較小時，彈簧彈力又顯得大，則加速齒輪的磨損。為此采用人工定期調(diào)整螺釘緊固的辦法來消除間隙。三、主傳動系統(tǒng)改裝為提高機(jī)床的自動化程度，實(shí)現(xiàn)在加工過程中自動變速，對原CA6136主傳動系統(tǒng)作如下改裝：(1)取消原變速箱，將主電機(jī)換成四速異步電機(jī)；(2)保留原主軸箱內(nèi)的背輪機(jī)構(gòu)。四、刀架的改造刀架部分是機(jī)床的重要部件，對其進(jìn)行改裝主要是為了實(shí)現(xiàn)多刀夾持，自動轉(zhuǎn)位。拆除原刀架和小拖板，換上數(shù)控刀架。刀架選用常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠的LD4B電工刀架。該刀架具有重復(fù)定位精度高、剛性好、使用壽命長、工藝性好等特點(diǎn)。LD4系列立式電動刀架采用蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動，上下齒盤嚙合螺桿鎖緊的工作原理。改裝后的機(jī)床總體布置請參看所畫機(jī)床總體布置圖。第二節(jié)縱向伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算縱向伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計主要內(nèi)容有：滾珠絲桿副的設(shè)計計算及選擇、減速比的確定及減速箱的設(shè)計、步進(jìn)電機(jī)的選擇、繪制改動部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖等等。切削力計算圖4-1進(jìn)給系統(tǒng)計算簡圖（a）縱向進(jìn)給（b）橫向進(jìn)給1、車削抗力分析車削外圓時的切削抗力Fx、Fy及Fz如圖所示，主切削力Fz與切削速度V的方向一致，垂直向下，是計算主軸電機(jī)車削功率的主要依據(jù)。切深抗力Fy與縱向進(jìn)給方向垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進(jìn)給抗力Fx與進(jìn)給方向平行且相反指向，設(shè)計或校核進(jìn)給系統(tǒng)時要用到它。圖4-2縱向外圓及橫切端面切削離示意圖2、拖板工作載荷的計算在進(jìn)行進(jìn)給系統(tǒng)的傳動計算、選用步進(jìn)電機(jī)時，都要用到切削力（機(jī)床的主要負(fù)載），車削切削力的計算方法可用以下簡單而實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式計算。縱向切削外圓時，車床的主切削力Fz可以用下式計算：Fz=0.67Dmax（N）《機(jī)械加工工藝手冊》則：Fz=0.67Dmax（N）=0.67360＝4577N進(jìn)給抗力Fx和切深力可按下列比例分別計算：Fz：Fx：Fy=1：0.25：0.4Fx=0.25×Fz=0.25×4577=1145NFy=0.4×Fz=0.4×4577=1831N因?yàn)檐嚨堆b夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進(jìn)給拖板和導(dǎo)軌上。如上圖所示，車削作業(yè)時作用在進(jìn)給拖板上的載荷Fl、Fv和Fc與車刀所受的車削力有對應(yīng)的關(guān)系。因此，作用在進(jìn)給拖板上的載荷可以按下式求得：拖板上進(jìn)給方向載荷Fl=Fx=1145N拖板上垂直方向載荷Fv=Fz=4577N拖板上橫向載荷Fc=Fy=1831N二、滾珠絲桿副的設(shè)計一般情況下，設(shè)計滾珠杠時，已知條件為：在最大工作負(fù)荷F（或平均工作負(fù)荷Fm）作用下的使用壽命，絲桿的工作長度（或螺母的有效行程），絲桿的轉(zhuǎn)速（或平均轉(zhuǎn)速），滾道的硬度及絲桿運(yùn)轉(zhuǎn)情況。設(shè)計步驟：計算作用在滾珠絲桿上的最大動負(fù)荷。從滾珠絲桿系列表中找出相應(yīng)最大動載荷的近似值，并初選幾個型號。根據(jù)具體工作要求，對結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)方式、調(diào)隙方法及傳動效率等方面的要求，從中再挑出比較合適的直徑、導(dǎo)程、滾珠列數(shù)等，確定某一型號。根據(jù)所選的型號，列出或計算出其主要參數(shù)的數(shù)值，計算傳動效率并驗(yàn)算系數(shù)是否滿足要求。如不滿足要求，則需另選其他型號，再作上述計算與驗(yàn)算，直到滿足要求為止。設(shè)計計算過程：1）計算進(jìn)給牽引力Fm作用在滾珠絲桿上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時的走刀抗力和導(dǎo)軌摩擦力，其數(shù)值大小與導(dǎo)軌的類型有關(guān)。在本設(shè)計中，車削縱向?qū)к壊捎萌切螌?dǎo)軌。對三角形導(dǎo)軌，F(xiàn)m的計算公式為：Fm=KF+f（F+G）《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》式中：F——主切削力F——走刀方向切削分力G——縱溜板上承載的移動部件的重力K——考慮顛覆力矩的試驗(yàn)系數(shù)，對上述類型導(dǎo)軌可取K=1.15f——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，對上述類型導(dǎo)軌可取0.165則：Fm=kFx+f（Fz+G）=1.15×1145+0.165×（4577+800）=2203.955Nb、最大動負(fù)荷C及主要尺寸初選滾珠絲桿應(yīng)根據(jù)額定載荷Ca選用，最大動載荷計算原理與滾珠軸承相同。滾珠絲桿最大動載荷C可用下式計算：C=fmFm《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》式中：L——工作壽命，單位為10r，L=60nt/10fm——運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1—1.2，一般情況下取1.2—1.5，有沖擊振動取1.5—2.5，此處取fm=1.3Fm——滾珠絲桿工作載荷（N）n——絲桿轉(zhuǎn)速（r/min），n=1000v/Lt——額定使用壽命（h），可取1500hv——最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2—1/3L——絲桿基本導(dǎo)程，可根據(jù)快進(jìn)速度Vmax和絲桿最大轉(zhuǎn)nmax初選一數(shù)值（L0大于或等于Vmax/nmax），此處選取L0為10mm，待剛度驗(yàn)算后再確定。L=60nt/10=60×1000vt/10×L0=60×1000×2×15000/10×10=180（10r）C=fmFm=×1.3×2203.955=16177.21N初選滾珠絲桿的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定載荷Ca不得小于最大動載荷Co：Ca＞Co假如滾珠絲桿副有可能在靜態(tài)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)（n小于或等于10r/min）下工作并受載那么還需要考慮其另一種失效形式——滾珠絲桿接觸面上的朔性變形。即考慮滾珠絲桿杠的額定靜載荷Coa是否充分地超過了滾珠絲桿的工作載荷Fm，一般使Coa/Fm=2~3。查資料選取滾珠絲桿的型號為CLM3208—2.5—P3。由《機(jī)床設(shè)計手冊》零件設(shè)計部分查表得，可采用滾珠絲杠螺母副1列2.5圈，其額定動負(fù)載為22000Kgf,選定精度等級為4級。滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)的計算：（見下表）：表4-1滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)螺紋滾道名稱符號計算公式和結(jié)果公稱直徑Dm32mm螺距Lo8mm接觸角45o鋼球直徑dq4．763mm螺紋滾道直徑RR=0.52d=2.477mm偏心距ee=(R-d/2)=0.9526mm螺紋升角4°33′螺桿螺桿外徑dD=dm-(0.2～0.25)dq=24mm螺桿內(nèi)徑didi=dm+2e-2R=22.474mm螺桿接觸直徑dzdz=dm-dq=28.632mm螺母螺母螺紋外徑DD=dm+2R-2e=36.763mm螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）Didi=dm+(0.2～0.25)dq=40mmc、傳動效率計算滾珠螺母副的傳動效率為=tg/tg（+）式中：——絲桿螺旋升角，可根據(jù)初選型號查出——摩擦角，滾珠絲桿副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003~0.004，其摩擦角約等于10。有：=tg/tg（+）=tg433′/tg(433′+10′)=0.977d、剛度驗(yàn)算滾珠絲桿副的軸向變形導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運(yùn)動平穩(wěn)性。滾珠絲桿副的軸向變形包括絲桿的拉壓變形、絲桿和螺母之間滾道的接觸變形、絲桿的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形。滾珠絲桿的扭轉(zhuǎn)變成較小，對縱向變形影響小，可忽略不計。螺母座只要設(shè)計合理，其變形量也可忽略不計。絲桿軸承的軸向接觸形計算方法可參考機(jī)械設(shè)計手冊?？晒L珠絲桿杠支承使用的滾珠軸承種類很多，目前占優(yōu)勢的有：接觸為60的推力角接觸球軸承，可以背靠背或面對面組配，還可以三聯(lián)組配、四聯(lián)組配等，以提高剛度和承載能力；滾針——推力圓柱滾子組合軸承，從雙向軸承支承絲桿，剛度好、多用于重載。因此，只要滾珠絲桿支承的剛度設(shè)計好，軸承的軸向接觸變形在此可以不考慮。絲桿螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。(1)絲桿的拉壓變形量δ為：δ=±FmLo/EA式中：E——彈性模數(shù)，歲對鋼E=20.6×10MP即（20.6×10N/cm）A——滾珠絲桿截面（cm）（按絲桿螺紋底徑d1=28.632mm確定）A=2.8632/4=6.4353cm即：δ=±FmLo/EA=±13310mm±——“+”號用于拉伸，“-”號用于壓宿(2)滾珠與螺紋滾道間的變形量δ有預(yù)緊時：δ=0.0013Fm/D為滾珠直徑（mm）；Z為滾珠總數(shù)量、Z=Z圓數(shù)列數(shù)；F 為預(yù)緊力；δ=0.001039δ+δ<0.005所以絲桿的剛度符合要求。（3）壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算滾珠絲桿通常屬于軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)荷過大，使絲桿失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈服，即失穩(wěn)，失穩(wěn)的臨界載荷Fk=fzEI/L（N）式中：E——絲桿材料彈性模量，對鋼E=20.6×10MPa，即（20.6×10N/cm）I——截面慣量距，對絲桿圓截面I=d/64（mm）（d1為絲桿底直徑）L——絲桿最大工作長度（mm）fz——絲桿支承方式系數(shù)，在此選擇一端固定，一端簡支fz=2.0I=d/64=28.632/64=32972.84（mm）Fk=fzEI/L=2×20.6×10×32972.84/300=148.81×10N臨界載荷Fk與絲桿工作載荷Fm之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果nk大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[nk]，則絲桿不會失穩(wěn)，因此，滾珠壓桿的壓桿穩(wěn)定條件為nk=Fk/Fm≥[nk]nk=148.81×10/2203.955=67519.52≥4注：一般[nk]取2.5~4，考慮到絲桿杠自重對水平滾珠的絲桿的影響可取[nk]≥4。所以絲桿符合穩(wěn)定條件。三、齒輪傳動比的計算為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求和增大轉(zhuǎn)距，同時也為了使傳動系統(tǒng)的負(fù)荷慣量盡可能地減少，傳動鏈中常采用齒輪降速傳動。已知脈沖當(dāng)量p，滾珠絲桿杠導(dǎo)程Lo=8mm，初選步進(jìn)電機(jī)的步距角b后，可以依據(jù)下式計算出齒輪傳動比i，即i=bLo/360p縱向進(jìn)給齒輪箱傳動比計算：已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量p=0.01mm，滾珠絲桿導(dǎo)程Lo=10mm，初選步進(jìn)電機(jī)步距角b=1.5，可計算傳動比i，i=bLo/360p=1.5×8/（360×0.01）≈3.334計算出i〈5，因此可以采用一級傳動。大小齒輪絲桿導(dǎo)程均采用45號鋼調(diào)質(zhì)，選小齒輪硬度為260HB~290HB，大齒輪硬度為220HB~250HB，精度選六級，模數(shù)m=2，齒輪Z=18，Z=75，則a＝（1/2）m（Z+Z）=93mm還應(yīng)該校核齒輪接觸疲勞強(qiáng)度。經(jīng)校核均合格，其校核過程從略。四、導(dǎo)軌的選型采用貼塑導(dǎo)軌，以減少導(dǎo)軌的摩擦力。五、步進(jìn)電機(jī)的計算和選型步進(jìn)電機(jī)選型主要考慮三個問題：（1）步距角b要滿足脈沖當(dāng)量的要求。（2）滿足最大靜轉(zhuǎn)距的要求。（3）啟動轉(zhuǎn)距與啟動頻率，工作運(yùn)行轉(zhuǎn)距與運(yùn)行頻率必須滿足所選電機(jī)型號相應(yīng)的啟動距率特性和工作距頻特性。縱向伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的計算和選型1、根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)距初選電機(jī)型號（1）步距角初選步進(jìn)電機(jī)時應(yīng)合理選擇b和減速比i，并滿足bLo/i360≤p，由于前面確定齒輪傳動比已初選b=1.5，且Lo=8mm，i=18/72，代入上式得1.5×8/(18/75×360）=0.0083≤p=0.01，滿足要求，初選從《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-11步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)表查到步距角為1.5，型號為55BF003的步進(jìn)電機(jī)。（2）矩頻特性步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩M是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩（靜止?fàn)顟B(tài)），其值可根據(jù)初選的步進(jìn)電機(jī)型號，從《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-11查得M=0.686N.m，步進(jìn)電機(jī)的名義啟動轉(zhuǎn)距M與最大靜轉(zhuǎn)距M有《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-12所示的關(guān)系：即M=M由《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-12，得=0.866，所以M=0.866×0.686=0.594N.m步進(jìn)電機(jī)空載啟動是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)荷下的啟動，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩可按下式計算：M=M+M+M式中：M——空載啟動力矩（N.m）M——空載啟動時運(yùn)動部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上加速力矩（N.m）M——空載時折算到電機(jī)軸上的摩擦力距（N.m）M——由于絲桿預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力距（N.m）初選電機(jī)型號時應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動轉(zhuǎn)距，即：M≤M=M有關(guān)M的各項(xiàng)計算如下：①加速力矩M=J∑=J∑2nmax/（60t×10）（N.cm）式中：J∑——傳動系統(tǒng)個部件慣量折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量——電機(jī)最大加速度（rad/s）nmax——運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（r/min）t——運(yùn)動部件從靜止啟動加速到最大快進(jìn)速度所需時間（s），假設(shè)t=1sVmax——運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度（mm/min）p——脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）b——部件電機(jī)的步距角nmax=Vmaxb/p360（r/min）=2.4×10×1.5/（360×0.01）=833.34（r/min）M=2nmax/（60t×10）=2×833.34（60×1×10）=0.8725（rad/s）J=J+J+[J+Js+（Lo/2）M]（Z/Z）（㎏.c㎡）式中：J——電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，由初選的電機(jī)型號查《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-11得JD=0.0617（㎏.c㎡）J——小齒輪轉(zhuǎn)動慣量J——大齒輪轉(zhuǎn)動慣量Js——滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣量M——工作太質(zhì)量（㎏），M=800/9.8=81.633（㎏）Lo——絲桿導(dǎo)程（cm）Z——齒輪1的齒數(shù)Z——齒輪2的齒數(shù)對材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算J=7.8×10DL（㎏.c㎡）式中：D——圓柱體直徑（cm）L——圓柱體長度（cm）J=7.8×10×3.6×1=1310.1×10（㎏.c㎡）J=7.8×10×14.4×1=33.5385（㎏.c㎡）Js=7.8×10×3.2×100=8.1788928（㎏.c㎡）即：J=J+J+[J+Js+（Lo/2）M]（Z/Z）（㎏.c㎡）=0.0617+1310.1×10+[33.5385+8.1788928+（1/2）×81.633]×（18/72）=2.930（㎏.c㎡）加速力矩：M=J=2.9294×1.0467=3.070（N.cm）②空載摩擦力距：M=GfLo/2i=800×0.05×8×18/（2×0.775×72）=1.644（N.cm）式中：G——運(yùn)動部件的總重力（N）f——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，f=0.05i——齒輪轉(zhuǎn)動降速比——傳動系數(shù)總效率，一般取=0.7～0.85，取=0.775Lo——滾珠絲桿的基本導(dǎo)程（cm）③附加摩擦力矩：Mo=FLo（1-o）/2i=2203.955×0.8×（1-0.9）×18/（3×2×0.775×72）=5.736式中：F——滾珠絲桿預(yù)加載荷，即預(yù)緊力，一般取Fm的1/3，F(xiàn)m為進(jìn)給牽引力（N）o——滾珠絲桿未預(yù)緊時的傳動效率，一般取o≥0.9Lo——滾珠絲桿的基本導(dǎo)程（cm）傳動系數(shù)總效率，一般取=0.7～0.85，取=0.0775所以M=M+M+Mo=3.07＋1.64372＋5.7359≈10.450（N.cm）M=0.594N.m=59.4N.cm所以M≤M，即滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動轉(zhuǎn)距2、啟動矩頻率特性校核步進(jìn)電機(jī)有三種工況：啟動、快進(jìn)進(jìn)給運(yùn)動、工進(jìn)運(yùn)動。前面提出的M≤M=M，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大轉(zhuǎn)距是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)在快速啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進(jìn)行校核。以后還要對快進(jìn)、工進(jìn)時的運(yùn)行矩頻特性作校核。圖4-3啟動矩頻率特性步進(jìn)電機(jī)啟動有突跳啟動和升速啟動，一般突跳啟動很少使用。在升速啟動中，步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，（如上圖所示）在零時刻（t1=0），啟動頻率fq=0。在一段時間△t1內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結(jié)束時，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度，即fq=fmax。在整個升速、均勻運(yùn)行、降速過程中，步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)與應(yīng)該完成的輸入指令脈沖總數(shù)相等。升速時間△t1足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩M中的加速力矩項(xiàng)M不會很大，一般不會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，但是降低了工作效率。升速時間△t1過短，則步進(jìn)電機(jī)啟動力矩中的加速力矩M就會很大，所以需要校核啟動矩頻特性。最高運(yùn)行頻率fmax=1000Vmax/60p（Hz）=1000×2/（60×0.01）=3333（Hz）式中：V——運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度（m/min）查相關(guān)初選的步進(jìn)電機(jī)的啟動矩頻特性曲線，以已知的空載啟動力矩Mkq值所對應(yīng)的允許啟動頻率fq＞fyq，（fyq為允許啟動頻率）步進(jìn)電機(jī)會丟步，這時必須采用適應(yīng)采用適合的升（降）速控制措施，比如延長升速時間△t，直到滿足要求?；蛘叻侄螁?，每段啟動頻率僅為最高運(yùn)行頻率的幾分之一，即分幾個升速階段使啟動頻率降下來，從而滿足啟動頻特性曲線的要求，最后電機(jī)運(yùn)行頻率達(dá)到最高運(yùn)行頻率。3、運(yùn)行矩頻特性校核（1）快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率fkj=1000V/60p=3333（Hz）快速進(jìn)給時已經(jīng)不存在加速力矩項(xiàng)M，并且一般快進(jìn)時處于空載狀態(tài)，故快進(jìn)力矩M的計算公式為：M=M+Mo=1.64372+5.7359=7.380（N.cm）從相關(guān)資料可查到初選步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線，以已知的快進(jìn)力矩M值找到對應(yīng)的允許快進(jìn)頻率特性要求。工進(jìn)運(yùn)行矩頻率特性校核：工進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率為f：f=1000VG/60p（Hz）=1000×0.5/（60×0.01）=833.333（Hz）式中：VG——最大工作進(jìn)給速度工進(jìn)時，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩MGJ可按下式計算：M=Mo+Mf+Mt（N.cm）式中：Mo——附加摩擦力距，由上可知Mo=5.736N.cmMf——摩擦力矩Mt——折算到電機(jī)軸上的工作負(fù)載力矩Mf=f（Fv+G）Lo/2i（N.cm）=0.05×（4577+800）×0.8×18/(2×72×0.775)=11.048（N.cm）Mt=FtLo/2i（N.cm）=1145×0.8×18/(2×0.775×72)=47.051（N.cm）式中：Fv——垂直方向作用于工作臺的工作載荷Ft——沿進(jìn)給方向的切削負(fù)荷，F(xiàn)t=FLMGJ=Mo+Mf+Mt=5.7359+11.048+47.051=63.835（N.cm）在初選步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線中，查得f所對應(yīng)的允許工進(jìn)運(yùn)行力矩My＞M，滿足工進(jìn)時運(yùn)行矩頻特性的要求。第三節(jié)橫向伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算一、車削抗力分析橫向伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計主要內(nèi)容有：滾珠絲桿副的設(shè)計計算及選擇、減速比的確定及減速箱的設(shè)計、步進(jìn)電機(jī)的選擇、繪制改動部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖等等。1、切削力計算（1）、車削抗力分析車削外圓時的切削抗力Fx、Fy及Fz如圖所示，主切削力Fz與切削速度V的方向一致，垂直向下，是計算主軸電機(jī)車削功率的主要依據(jù)。切深抗力Fy與縱向進(jìn)給方向垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進(jìn)給抗力Fx與進(jìn)給方向平行且相反指向，設(shè)計或校核進(jìn)給系統(tǒng)時要用到它。（2）、拖板工作載荷的計算在進(jìn)行進(jìn)給系統(tǒng)的傳動計算、選用步進(jìn)電機(jī)時，都要用到切削力（機(jī)床的主要負(fù)載），車削切削力的計算方法可用以下簡單而實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式計算?？v向切削外圓時，車床的主切削力Fz可以用下式計算：Fz=0.67Dmax（N）式中：Dmax——在車床上加工的最大直徑（mm）則：Fz=0.67Dmax（N）=0.67×8000＝4577N進(jìn)給抗力Fx和切深力可按下列比例分別計算：Fz：Fx：Fy=1：0.25：0.4Fx=0.25×Fz=0.25×4577=1145NFy=0.4×Fz=0.4×4577=1831N因?yàn)檐嚨堆b夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進(jìn)給拖板和導(dǎo)軌上。如上圖所示，車削作業(yè)時作用在進(jìn)給拖板上的載荷Fl、Fv和Fc與車刀所受的車削力有對應(yīng)的關(guān)系。因此，作用在進(jìn)給拖板上的載荷可以按下式求得：拖板上進(jìn)給方向載荷Fl=Fx=1145N拖板上垂直方向載荷Fv=Fz=4577N拖板上橫向載荷Fc=Fy=1831N二、滾珠絲桿副的設(shè)計一般情況下，設(shè)計滾珠杠時，已知條件為：在最大工作負(fù)荷Fd（或平均工作負(fù)荷Fm）作用下的使用壽命，絲桿的工作長度（或螺母的有效行程），絲桿的轉(zhuǎn)速（或平均轉(zhuǎn)速），滾道的硬度及絲桿運(yùn)轉(zhuǎn)情況。1、設(shè)計步驟a、計算作用在滾珠絲桿上的最大動負(fù)荷。b、從滾珠絲桿系列表中找出相應(yīng)最大動載荷的近似值，并初選幾個型號。c、根據(jù)具體工作要求，對結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)方式、調(diào)隙方法及傳動效率等方面的要求，從中再挑出比較合適的直徑、導(dǎo)程、滾珠列數(shù)等，確定某一型號。d、根據(jù)所選的型號，列出或計算出其主要參數(shù)的數(shù)值，計算傳動效率并驗(yàn)算系數(shù)是否滿足要求。如不滿足要求，則需另選其他型號，再作上述計算與驗(yàn)算，直到滿足要求為止。2、設(shè)計計算概況計算進(jìn)給牽引力Fm作用在滾珠絲桿上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時的走刀抗力和導(dǎo)軌摩擦力，其數(shù)值大小與導(dǎo)軌的類型有關(guān)。在本設(shè)計中，車削縱向?qū)к壊捎萌切螌?dǎo)軌。對三角形導(dǎo)軌，F(xiàn)m的計算公式為：Fm=kFl+f（Fv+2Fc+G）《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》式中：Fv——主切削力Fl——走刀方向切削分力Fc——切深抗力G——縱溜板上承載的移動部件的重力（已知G=600N）K——考慮顛覆力矩的試驗(yàn)系數(shù)，對上述類型導(dǎo)軌可取K=1.4f——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，對上述類型導(dǎo)軌可取f=0.04則：Fm=kFx+f（Fz+2Fy+G）=1.4×1145+0.04×（4577+2×1831+600）=1956.56Nb、最大動負(fù)荷C及主要尺寸初選滾珠絲桿應(yīng)根據(jù)額定載荷Ca選用，最大動載荷計算原理與滾珠軸承相同。滾珠絲桿最大動載荷C可用下式計算：C=fmFm式中：L——工作壽命，單位為10r，L=60nt/10fm——運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1—1.2，一般情況下取1.2—1.5，有沖擊振動取1.5—2.5，此處取fm=1.3Fm——滾珠絲桿工作載荷（N）n——絲桿轉(zhuǎn)速（r/min），n=1000v/L0t——額定使用壽命（h），可取1500hv——最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2—1/3L0——絲桿基本導(dǎo)程，可根據(jù)快進(jìn)速度Vmax和絲桿最大轉(zhuǎn)nmax初選一數(shù)值（L0大于或等于Vmax/nmax），此處選取L0為5mm，待剛度驗(yàn)算后再確定。L=60nt/10=60×1000vt/10×L0=60×1000×0.25×15000/10×5=45（10r）C=fmFm=1.3×1956.56=9047.053N初選滾珠絲桿的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定載荷Ca不得小于最大動載荷Co：Ca＞Co假如滾珠絲桿副有可能在靜態(tài)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)（n小于或等于10r/min）下工作并受載那么還需要考慮其另一種失效形式——滾珠絲桿接觸面上的朔性變形。即考慮滾珠絲桿杠的額定靜載荷Coa是否充分地超過了滾珠絲桿的工作載荷Fm，一般使Coa/Fm=2~3。查資料選取滾珠絲桿的型號為CLM3208—2.5—P3。由《機(jī)床設(shè)計手冊》零件設(shè)計部分查表得，可采用滾珠絲杠螺母副1列2.5圈，其額定動負(fù)載為22000Kgf,選定精度等級為4級。滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)的計算：（見下表）：表4-2滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)螺紋滾道名稱符號計算公式和結(jié)果公稱直徑Dm32mm螺距Lo8mm接觸角45o鋼球直徑dq4．763mm螺紋滾道直徑RR=0.52d=2.477mm偏心距ee=(R-d/2)=0.9526mm螺紋升角4°33′螺桿螺桿外徑dD=dm-(0.2～0.25)dq=24mm螺桿內(nèi)徑didi=dm+2e-2R=22.474mm螺桿接觸直徑dzdz=dm-dq=28.632mm螺母螺母螺紋外徑DD=dm+2R-2e=36.763mm螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）Didi=dm+(0.2～0.25)dq=40mmc、傳動效率計算滾珠螺母副的傳動效率為=tg/tg（+）式中：——絲桿螺旋升角，可根據(jù)初選型號查出——摩擦角，滾珠絲桿副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003~0.004，其摩擦角約等于10。有：=tg/tg（+）=tg433′/tg(433′+10′)=0.977d、剛度驗(yàn)算滾珠絲桿副的軸向變形導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運(yùn)動平穩(wěn)性。滾珠絲桿副的軸向變形包括絲桿的拉壓變形、絲桿和螺母之間滾道的接觸變形、絲桿的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形。滾珠絲桿的扭轉(zhuǎn)變成較小，對縱向變形影響小，可忽略不計。螺母座只要設(shè)計合理，其變形量也可忽略不計。絲桿軸承的軸向接觸形計算方法可參考機(jī)械設(shè)計手冊?？晒L珠絲桿杠支承使用的滾珠軸承種類很多，目前占優(yōu)勢的有：接觸為60的推力角接觸球軸承，可以背靠背或面對面組配，還可以三聯(lián)組配、四聯(lián)組配等，以提高剛度和承載能力；滾針——推力圓柱滾子組合軸承，從雙向軸承支承絲桿，剛度好、多用于重載。因此，只要滾珠絲桿支承的剛度設(shè)計好，軸承的軸向接觸變形在此可以不考慮。下圖所示，為縱向進(jìn)給滾珠絲桿杠支承方式草圖。絲桿螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。由工作負(fù)荷引起的導(dǎo)程變化量為：（1）絲桿的拉壓變形量δ為：δ=±FmLo/EA式中：E——彈性模數(shù)，歲對鋼E=20.6×10MP即（20.6×10N/cm）A——滾珠絲桿截面（cm）（按絲桿螺紋底徑d1=28.632mm確定）A=2.8632/4=6.4353cm即：δ=±FmLo/EA=±118.0710mm±——“+”號用于拉伸，“-”號用于壓宿(2)滾珠與螺紋滾道間的變形量δ有預(yù)緊時：δ=0.0013Fm/D為滾珠直徑（mm）；Z為滾珠總數(shù)量、Z=Z圓數(shù)列數(shù)；F 為預(yù)緊力；δ=0.000922δ+δ<0.005所以絲桿的剛度符合要求。（3）壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算滾珠絲桿通常屬于軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)荷過大，使絲桿失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈服，即失穩(wěn)，失穩(wěn)的臨界載荷Fk=fzEI/L（N）式中：E——絲桿材料彈性模量，對鋼E=20.6×10MPa，即（20.6×10N/cm）I——截面慣量距，對絲桿圓截面I=d/64（mm）（d1為絲桿底直徑）L——絲桿最大工作長度（mm）fz——絲桿支承方式系數(shù)，在此選擇一端固定，一端簡支fz=2.0I=d/64=28.632/64=32972.84（mm）Fk=fzEI/L=2×20.6×10×32972.84/300=148.81×10N臨界載荷Fk與絲桿工作載荷Fm之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果nk大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[nk]，則絲桿不會失穩(wěn)，因此，滾珠壓桿的壓桿穩(wěn)定條件為nk=Fk/Fm≥[nk]nk=148.81×10/2203.955=67519.52≥4注：一般[nk]取2.5~4，考慮到絲桿杠自重對水平滾珠的絲桿的影響可取[nk]≥4。所以絲桿符合穩(wěn)定條件。三、齒輪傳動比的計算為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求和增大轉(zhuǎn)距，同時也為了使傳動系統(tǒng)的負(fù)荷慣量盡可能地減少，傳動鏈中常采用齒輪降速傳動。已知脈沖當(dāng)量p，滾珠絲桿杠導(dǎo)程Lo=8mm，初選步進(jìn)電機(jī)的步距角b后，可以依據(jù)下式計算出齒輪傳動比i，即i=bLo/360p橫向進(jìn)給齒輪箱傳動比計算：已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量p=0.005mm，滾珠絲桿導(dǎo)程Lo=8mm，初選步進(jìn)電機(jī)步距角=1.5，可計算傳動比i，i=Lo/360p=1.5×8/（360×0.005）≈6.67計算出i>5，因此可以采用二級傳動。大小齒輪絲桿導(dǎo)程均采用45號鋼調(diào)質(zhì)，選小齒輪硬度為260HB~290HB，大齒輪硬度為220HB~250HB，精度選六級，模數(shù)m=2，齒輪Z1=18，Z2=45，則a1＝（1/2）m（Z1+Z2）=63mm第二級：Z3=18，Z4=54a2=（1/2）m（Z3+Z4）=72mm四、導(dǎo)軌的選型采用燕尾滾珠導(dǎo)軌，以減少導(dǎo)軌的摩擦力。選用GDA20S/TV/W。壽命的驗(yàn)算：滾動體為滾球：L=3720.37kmLh=L×1000/2ns×60=4436.566h經(jīng)化簡：L>Lh所以導(dǎo)軌符合要求。五、步進(jìn)電機(jī)的計算和選型步進(jìn)電機(jī)選型主要考慮三個問題：（1）步距角要滿足脈沖當(dāng)量的要求。（2）滿足最大靜轉(zhuǎn)距的要求。（3）啟動轉(zhuǎn)距與啟動頻率，工作運(yùn)行轉(zhuǎn)距與運(yùn)行頻率必須滿足所選電機(jī)型號相應(yīng)的啟動距率特性和工作距頻特性。橫向伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的計算和選型1、根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)距初選電機(jī)型號（1）步距角初選步進(jìn)電機(jī)時應(yīng)合理選擇和減速比i，并滿足Lo/i360≤，由于前面確定齒輪傳動比已初選=1.5，且Lo=8mm，i=18/75，代入上式得1.5×8/（7.5×360）=0.0044<=0.005，滿足要求，初選從《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-11步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)表查到步距角為1.5，型號為55BF003的步進(jìn)電機(jī)。（2）矩頻特性步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩M是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩（靜止?fàn)顟B(tài)），其值可根據(jù)初選的步進(jìn)電機(jī)型號，從《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-11查得M=0.686N.m，步進(jìn)電機(jī)的名義啟動轉(zhuǎn)距M與最大靜轉(zhuǎn)距M有《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-12所示的關(guān)系：即M=M由《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-12，得=0.866，所以M=0.866×0.686=0.594N.m步進(jìn)電機(jī)空載啟動是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)荷下的啟動，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩可按下式計算：M=M+M+M式中：M——空載啟動力矩（N.m）M——空載啟動時運(yùn)動部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上加速力矩（N.m）M——空載時折算到電機(jī)軸上的摩擦力距（N.m）M——由于絲桿預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力距（N.m）初選電機(jī)型號時應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動轉(zhuǎn)距，即：M≤M=M有關(guān)M的各項(xiàng)計算如下：①加速力矩M=J∑=J∑2n/（60t×10）（N.cm）式中：J——傳動系統(tǒng)個部件慣量折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量——電機(jī)最大加速度（rad/s）n——運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（r/min）t——運(yùn)動部件從靜止啟動加速到最大快進(jìn)速度所需時間（s），假設(shè)t=1sV——運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度（mm/min）p——脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）b——部件電機(jī)的步距角n=Vb/p360（r/min）=2×10×1.5/（360×0.005）=1666.7（r/min）M=2nmax/（60t×10）=2×1666.7/（60×1×10）=1.745（rad/s）J=J+J+（J+J）()+（㎏.c㎡）式中：J——電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，由初選的電機(jī)型號查《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表2-11得J=0.0617（㎏.c㎡）J——一級小齒輪轉(zhuǎn)動慣量J——一級大齒輪轉(zhuǎn)動慣量J——二級小齒輪轉(zhuǎn)動慣量J——二級大齒輪轉(zhuǎn)動慣量J——滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣量M——工作臺質(zhì)量（㎏），M=5500/9.8=8561.224（㎏）L——絲桿導(dǎo)程（cm）Z——一級齒輪1的齒數(shù)Z——一級齒輪2的齒數(shù)Z——二級齒輪2的齒數(shù)Z——二級齒輪2的齒數(shù)對材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算J=7.8×10DL（㎏.c㎡）式中：D——圓柱體直徑（cm）L——圓柱體長度（cm）J=7.8×10×3.6×1=1310.1×10（㎏.c㎡）J=7.8×10×9×1=5.117（㎏.c㎡）J=7.8×10×3.2×100=8.1788928（㎏.c㎡）J=7.8×10×3.6×1=1310.1×10（㎏.c㎡）J=7.8×10×10.8×1=10.612（㎏.c㎡）即：J=J+J+（J+J）()+（㎏.c㎡）=0.0617+1310.1×10+（5.117+1310.1×10）+[10.612+8.1788928+（1/2）×52.245]×=0.0617+0.13101+0.839+（18.791+1.325）/56.25=1.389加速力矩：M=J∑=1.389×1.0467=1.454（N.cm）②空載摩擦力距：M=GfLo/2i=600×0.0025×8/（2×0.775×7.5）=0.329（N.cm）式中：G——運(yùn)動部件的總重力（N）f——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，f=0.0025i——齒輪轉(zhuǎn)動降速比——傳動系數(shù)總效率，一般取=0.7～0.85，取=0.0775L——滾珠絲桿的基本導(dǎo)程（cm）③附加摩擦力矩：M=FL（1-）/2i=1956.56×（1-0.9）×0.8/（3×2×0.775×7.5）=2.7158式中：F——滾珠絲桿預(yù)加載荷，即預(yù)緊力，一般取Fm的1/3，F(xiàn)m為進(jìn)給牽引力（N）——滾珠絲桿未預(yù)緊時的傳動效率，一般取≥0.9L——滾珠絲桿的基本導(dǎo)程（cm）傳動系數(shù)總效率，一般取=0.7～0.85，取=0.775所以M=M+M+M=1.454＋0.329＋2.7158≈4.4988（N.cm）M=6.789N.m=67.89N.cm所以M≤M，即滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動轉(zhuǎn)距。2、啟動矩頻率特性校核步進(jìn)電機(jī)有三種工況：啟動、快進(jìn)進(jìn)給運(yùn)動、工進(jìn)運(yùn)動。前面提出的M≤M=M，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大轉(zhuǎn)距是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)在快速啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進(jìn)行校核。以后還要對快進(jìn)、工進(jìn)時的運(yùn)行矩頻特性作校核。圖4-4啟動矩頻率特性步進(jìn)電機(jī)啟動有突跳啟動和升速啟動，一般突跳啟動很少使用。在升速啟動中，步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，（如上圖所示）在零時刻（t=0），啟動頻率f=0。在一段時間△t內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結(jié)束時，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度，即f=f。在整個升速、均勻運(yùn)行、降速過程中，步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)與應(yīng)該完成的輸入指令脈沖總數(shù)相等。升速時間△t1足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩M中的加速力矩項(xiàng)M不會很大，一般不會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，但是降低了工作效率。升速時間△t1過短，則步進(jìn)電機(jī)啟動力矩中的加速力矩M就會很大，所以需要校核啟動矩頻特性。最高運(yùn)行頻率f=1000V/60p（Hz）=1000×1/（60×0.005）=3333.33（Hz）式中：V——運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度（m/min）查相關(guān)初選的步進(jìn)電機(jī)的啟動矩頻特性曲線，以已知的空載啟動力矩Mkq值所對應(yīng)的允許啟動頻率f＞f，（f為允許啟動頻率）步進(jìn)電機(jī)會丟步，這時必須采用適應(yīng)采用適合的升（降）速控制措施，比如延長升速時間△t，直到滿足要求。或者分段啟動，每段啟動頻率僅為最高運(yùn)行頻率的幾分之一，即分幾個升速階段使啟動頻率降下來，從而滿足啟動頻特性曲線的要求，最后電機(jī)運(yùn)行頻率達(dá)到最高運(yùn)行頻率。3、運(yùn)行矩頻特性校核（1）快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率f=1000V/60p=4666.67（Hz）快速進(jìn)給時已經(jīng)不存在加速力矩項(xiàng)M，并且一般快進(jìn)時處于空載狀態(tài)，故快進(jìn)力矩M的計算公式為：M=M+M=0.329+2.7158=3.0448（N.cm）從相關(guān)資料可查到初選步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線，以已知的快進(jìn)力矩Mkj值找到對應(yīng)的允許快進(jìn)頻率特性要求。工進(jìn)運(yùn)行矩頻率特性校核：工進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率為f：f=1000VG/60p（Hz）=1000×0.25/（60×0.005）=833.33（Hz）式中：VG——最大工作進(jìn)給速度工進(jìn)時，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩M可按下式計算：M=M+M+M（N.cm）式中：M——附加摩擦力距，由上可知Mo=2.7158N.cmM——摩擦力矩M——折算到電機(jī)軸上的工作負(fù)載力矩M=f（F+G）Lo/2i（N.cm）=0.0025×（1831+600）×1×0.8/2×7.5×0.775=0.1332（N.cm）M=FLo/2i（N.cm）=1145×1×0.8/2×0.775×7.5=25.094（N.cm）式中：F——垂直方向作用于工作臺的工作載荷F——沿進(jìn)給方向的切削負(fù)荷，F(xiàn)=FM=M+M+M=2.7158+0.1332+25.094=27.943（N.cm）在初選步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線中，查得f所對應(yīng)的允許工進(jìn)運(yùn)行力矩M＞M，滿足工進(jìn)時運(yùn)行矩頻特性的要求。第四節(jié)自動刀架部分的設(shè)計自動刀架的設(shè)計是普通機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械方面的關(guān)鍵，而由微機(jī)控制的自動轉(zhuǎn)位刀架具有重復(fù)定位、精度高、工作剛性好、性能可靠、使用壽命長以及工藝性能好等特點(diǎn)。一、設(shè)計方案本設(shè)計采用立式數(shù)控轉(zhuǎn)塔架，其回轉(zhuǎn)軸線與安裝基面垂直，可裝夾多把刀具，采用數(shù)字信息指令控制轉(zhuǎn)位的刀架。采用四工位，按主要機(jī)的編程要求完成刀架的自動換刀動作，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床加工程序的自動化和高效化，驅(qū)動數(shù)控轉(zhuǎn)搭架的動力源是電機(jī)。二、刀架工作原理微機(jī)程序發(fā)出換刀信號，刀架控制箱繼電器動作，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過蝸桿蝸輪副，螺紋副將上刀體上升到一定位置時，撥盤起作用，帶動定位銷，定位銷帶動上刀體旋轉(zhuǎn)到可需刀位。發(fā)信盤（霍爾元件）電路發(fā)出刀架信號，刀架控制繼電器使電機(jī)反轉(zhuǎn)，反靠銷初定位，上刀體下降，端齒盤嚙合，完全精定位動作，并使刀架鎖緊，電機(jī)停轉(zhuǎn)，并向微機(jī)發(fā)出信號，加工開始。三、刀架動作順序電機(jī)減速機(jī)構(gòu)升降機(jī)構(gòu)上刀體上升轉(zhuǎn)位信號符合粗定位機(jī)構(gòu)上刀體下降精定位刀體鎖緊電機(jī)停轉(zhuǎn)換刀答信加工順序執(zhí)行從自動轉(zhuǎn)位刀架的工作原理可知，刀架由控制系統(tǒng)直接控制，刀架能完全抬起、回轉(zhuǎn)、選位、下降、定位和鎖緊一系列的動作。四、減速機(jī)構(gòu)參數(shù)采用蝸輪蝸桿傳動減速。1、確定近似蝸輪傳動比i=10，查手冊，選用普通圓柱蝸桿傳動的基本參數(shù)：中心距：a=（d1+d2）/2=50.2mm模數(shù)m=2mm蝸輪變位系數(shù)X2=-0.12、主要幾何尺寸（單位mm）①、圓柱蝸桿分度圓直徑：d=22.4mm齒頂圓直徑：d=d+2hm=22.4+2×1×2=26.4mm齒根圓直徑：df=d-2（h+c）m=22.4-2×（1+0.2）×2=17.6mm齒頂圓：h=hm=1×2=2mm齒根高：hf=（h+c）m=（1+0.2）×2=2.4mm齒高：h=ha+hf=2+2.4=4.4mm蝸輪齒寬：b≥（9.5+0.09Z1）m=（9.5+0.09×4）×2-19.72mm，取b=35mm蝸桿頭數(shù)：Z=4②、蝸輪分度圓直徑：d=mZ=2×39=78mm齒頂圓直徑：d=d2+2（h+c-x）m=78+2×（1-0.1）×2=81.6mm齒根圓直徑：d=d2-2（h+c-x）m=78-2×[1+0.2-（-0.1）]×2=72.8mm齒頂高：h=（h+x）m=（1-0.1）×2=1.8mm齒根高：h=（h+c-x）m=（1+0.2+0.1）×2=2.6mm外圓直徑：d≤d+h+m=78+1.8+2=81.8mm，取d=82mm蝸輪寬：b2=0.67d=0.67×26.4=17.688≈18mm五、刀架組成及特點(diǎn)1、組成立式（簡易）數(shù)控轉(zhuǎn)搭刀架由固定部分（下刀體）、轉(zhuǎn)動部分（上刀體）和驅(qū)動電機(jī)三部分組成。2、特點(diǎn)①、設(shè)置端齒盤組作精定位元件；②、采用霍爾開關(guān)（或無觸點(diǎn)霍爾元件）和電刷等動作信號傳感控制；③、借助雙重粗定位機(jī)構(gòu)使刀架工作平穩(wěn)；④、具有防水、防滑等功能；⑤、立式全功能刀架可按最短路程就近選位。河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計第五章CNC數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計第五章CNC數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計第一節(jié)控制系統(tǒng)的功能要求Z向、X向的進(jìn)給伺服運(yùn)動控制；行程控制；鍵盤及顯示；面板管理；其他功能：光電隔離、功率放大、報警、急停、復(fù)位等。第二節(jié)硬件電路的組成電路的組成如下：CUP產(chǎn)用8031芯片；擴(kuò)展程序存儲器2764兩片；擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器6264一片；擴(kuò)展可編程接口芯片8155兩片；地址鎖存器、譯碼器各一片；鍵盤電路，顯示電路；光電隔離電路，功率放大電路；越程報警電路、急停電路、復(fù)位電路；面板管理電路。第三節(jié)總體設(shè)計方案一、總體設(shè)計方案的擬定微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用8031單片機(jī)作為控制核心,以步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動裝置,以工作臺作為執(zhí)行部件構(gòu)成一個開環(huán)控制系統(tǒng),。二、CPU的選用和說明本系統(tǒng)采用8031芯片原因是因?yàn)檫@類單片機(jī)比較便宜適合于我們這類經(jīng)濟(jì)型的設(shè)計。8031芯片說明：8031芯片簡介：單片記內(nèi)部包括一個8位CPU，128字節(jié)的DAM，二個16位定時器，四個8位并行口，一個全雙功能串行口，可擴(kuò)展的外部存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量個64K，具有五個中斷源分配有兩個優(yōu)先級，還要二個特殊功能的寄存器。8031運(yùn)算速度低、編程困難、但是價格底、運(yùn)用廣泛，開發(fā)容易，適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)功能特性：8031單片機(jī)是Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機(jī)中的一種，除無片內(nèi)ROM外，其余特性與MCS-51單片機(jī)基本一樣。可實(shí)現(xiàn)以下功能：實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，并有邏輯判斷能力；能對指令系統(tǒng)進(jìn)行譯碼，并執(zhí)行指令所要求的工作；具有訪問內(nèi)部存貯器和外部存貯器的能力；提供整個系統(tǒng)所需的定時和控制信號；可響應(yīng)中斷請求。三、存儲器選用和擴(kuò)展設(shè)計由于CUP采用的8031芯片，由于片內(nèi)沒有程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器也只有128字節(jié)，因此，擴(kuò)展外部程序存儲器2764兩片（16KB），數(shù)據(jù)存儲器6264（8KB）一片，才能滿足系統(tǒng)要求。2764和6264芯片分別與8031芯片接線的擴(kuò)展如圖1圖2所示：擴(kuò)展附件――74LS373地址鎖存器由于2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線。A0～A7低8位接74S373芯片輸出，A8～A12接8031芯片的P2.0～P2.A，74LS373地址鎖存器在選通信號ALE為高電平時直接傳送8031P0口的低8位地址，當(dāng)ALE在高電平變低電平的下降沿時，低8位地址被鎖存，此時，P0口可用來向片外傳送讀寫數(shù)據(jù)接口說明：由于2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線。A0～A7低8位接74S373芯片輸出，A8～A12接8031芯片的P2.0～P2.A，74LS373地址鎖存器在選通信號ALE為高電平時直接傳送8031P0口的低8位地址，當(dāng)ALE在高電平變低電平的下降沿時，低8位地址被鎖存，此時，P0口可用來向片外傳送讀寫數(shù)據(jù)圖5-1數(shù)據(jù)存儲器2764擴(kuò)展圖圖5-2數(shù)據(jù)存儲器6264擴(kuò)展圖四、接口的選定和設(shè)計1、I/O接口I/O接口是指外圍設(shè)備和CPU之間的接口電路。一般情況下，外圍設(shè)備于存儲器不直接相接，必須通過CPU對I/O接口的讀寫控制，完成外圍設(shè)備與CPU間的信息傳遞。機(jī)床I/O控制部分是微機(jī)與機(jī)床相連的關(guān)鍵部件。（1）CPU采用8031芯片，由于片內(nèi)無程序儲存器，數(shù)據(jù)儲存器也只有128字節(jié)，因此，擴(kuò)展外部程序儲存器2764兩片（16K），數(shù)據(jù)儲存器6264（8K）一片。8031的I/O口也不能滿足輸入輸出口的要求，本系統(tǒng)也擴(kuò)展了兩片8155可編程接口芯片。（2）采用74LS138三八譯碼器的輸出作為片選信號。2764（1），2764（2），6264，8155（1），8155（2）的片選信號分別接到譯碼器的。74LS138的輸入A，B，C分別接8031的P2.5，P2.6，P2.7。（3）由于2764和6264芯片都是8KB，，需要13根地址線。A0～A7低8位接74S373芯片輸出，A8～A12接8031芯片的P2.0～P2.A，74LS373地址鎖存器在選通信號ALE為高電平時直接傳送8031P0口的低8位地址，當(dāng)ALE在高電平變低電平的下降沿時，低8位地址被鎖存，此時，