CA6140车床数控化改造—纵向进给单元设计(第二份)

《CA6140车床数控化改造—纵向进给单元设计(第二份)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CA6140车床数控化改造—纵向进给单元设计(第二份)（52页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 I XX 大学 机电一体化综合作业(论文)CA6140 车床数控化改造纵向进给单元设计 所 在 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指 导 老 师 年 月 日 II 目 录 目 录.II 第 1 章 绪 论.4 1.1 课题研究的意义.8 1.2 本课题研究的参数要求.8 第 2 章 微机数控系统总体设计方案的拟定.10 2.1 总体方案设计的内容.10 2.1.1 数控系统总体设计方案的拟定.10 2.1.2 进给伺服系统机械部分设计计算.10 2.1.3 微机控制系统的设计.10 2.1.4 数控加工程序的编制.10 2.2 总体设计方案的确定.11 2.2.1 系统运动方式的确定

2、.11 2.2.2 伺服系统的选择 .11 2.2.3 执行机构运动方式的确定 .12 2.2.4 计算机的选用.12 2.3 经济型数控车床纵向伺服单元框图.13 第 3 章 纵向进给伺服进给结构设计.13 3.1 确定脉冲当量.13 3.2 切削力的计算.13 3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型.14 3.2.1 精度的选择.14 2.2.2 丝杠导程的确定.14 3.2.3 最大工作载荷的计算.15 3.2.4 最大动载荷的计算.15 3.2.5 滚珠丝杠螺母副的选型.16 3.2.6 滚珠丝杠副的支承方式.16 3.3.3 传动效率的计算.17 III 3.2.8 刚度的验算.17 3

3、.2.9 稳定性校核.18 3.2.10 临界转速的验证.18 3.4 齿轮传动的计算.19 3.5 伺服电机的选择.19 3.6 导轨的特点.23 3.7 导轨的设计.24 第 4 章 电气控制系统设计.27 4.1 单片机数控系统硬件电路设计内容.27 4.2 I/O 接口电路.29 4.3 所用芯片接线引脚介绍.30 4.4 辅助电路的设计.34 4.5 微机控制软件.39 4.6 系统直线插补软件设计.41 第 5 章 数控机床的加工程序编制.44 5.1 零件图数控加工工艺分析.44 4.2 零件图分析.44 5.3 确定加工方法.44 5.4 确定加工方案.45 5.5 定位基准的

4、选择.45 5.6 装夹方式的选择.45 5.7 选择数控刀具的原则.45 5.8 选择数控车削用刀具.46 5.9 典型轴类零件加工工艺.47 5.10 编程.49 参考文献.51 致 谢.52 4 5 6 7 8 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究的意义 机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石。电气机床是一种高效率、高精度，能保证加工质量，解决工艺难题，而且又有一定柔性的生产设备。自五十年代末世界上第一台电气机床在美国研制成功的半个多世纪以来，电气技术正在发生根本性变革，由专用封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在美国、日本和德国等发达国家，

5、他们的机床改造作为新的经济增长行业，正处在黄金时代，由于技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。在国内，机床的电气化改造是发展我国电气设备的一个重要方面。车床是金属切削加工最常用的一类机床，它能够加工内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹等。普通车床由于造价低廉在我国运用十分广泛，但是因为其进给轴不能联动，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且无法加工复杂的回转零件。对普通车床的电气化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用单片机控制的并能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。这样，利用电气装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。1.2 本课题研究的参数要求 一、题目:C

6、A6140 车床数控化改造纵向进给单元设计。二、设计任务：1.根据机床总体布局,确定机械传动系统方案,确定微机控制系统方案；2.进行机械传动系统机构的设计计算，绘制机械装配图一张及其两个零件图（三视图）分别一张;3.进行微机控制系统功能实现技术分析，设计微机扩展和接口电路，绘制控制系统原理图一张；3.分析下图所示零件的数控加工工艺，编制数控加工程序;5.撰写设计说明书一份（8000 字以上）。三、给定条件：1.纵向移动部件总重量 250kg;9 2.纵向运动分辨率 优于 0.02mm;3.最大移动速度(快进)4000mm/min;4.最大进给速度(工进)400mm/min;5.横向进给切削力(

7、X 向)1600N;6.垂直切削力(Y 向)4000N；7.纵向切削力（Z 向）1000N；四、设计要求：1.机械结构设计合理，原理正确，制图符合国家标准，图面整洁；2.微机控制系统功能完备，包括微机部分，人机交互部分和电机控制部分；微机部分扩展 16K 程序存储器容量，16K 数据存储器；人机交互部分的数据和程序输入采用 4行 8 列的行列式键盘，状态和信息显示采用 8 位 8 段 LED 数码限管；2 个行程限位信号及工作方式采用开关量信号输入，电机控制部分采用软环分和高低压驱动；3.设计说明书论述清楚，计算无误，数值明确，引用公式及资料有出处。10 第 2 章 微机数控系统总体设计方案的

8、拟定 2.1 总体方案设计的内容 机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。具体包括：2.1.1 数控系统总体设计方案的拟定（1）系统运动方式的确定。（2）伺服系统的选择。（3）执行机构的传动方式确定。（4）计算机的选择。应根据设计任务和要求，参考现有同类型数控机床，进行综合分析、比较和论证，确定以上内容。2.1.2 进给伺服系统机械部分设计计算（1）进给伺服系统机械部分设计方案的确定。（2）确定脉冲当量。（3）滚珠丝杠螺母副的计算和选型。（4）导轨的计算和选型。（5）进给伺服系统传动计算。（6）步进电

9、动机的计算和选用。（7）设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。2.1.3 微机控制系统的设计（1）控制系统方案的确定及框图绘制。（2）MCS-51 系列单片机及扩展芯片的选用。（3）I/O 接口电路及译码电路的设计。（4）设计绘制一台数控机床微机控制系统电路原理图。2.1.4 数控加工程序的编制（1）零件工艺分析及确定工艺路线。11（2）选择数控机床设备。（3）确定工件装夹方法及对刀点。（4）选择刀具。（5）确定切削用量。（6）编制零件加工程序。2.2 总体设计方案的确定 2.2.1 系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀

10、具移动过程中不进行切削，可选用点位控制系统。例如数控钻床，在工作台移动过程中不进行钻孔加工，因此可选用点位控制系统。对点位控制系统的要求是快速定位，保证定位精度。若要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，则为连续控制系统，应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件，所以连续控制系统又称为轮廓控制系统。例如数控铣床、数控车床等均属于此种运动方式。还有一些采用点位控制的数控机床，例如数控镗铣床等，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工件。这种系统叫点位/直线控制系统。根据综合作业任务书的要求，对 CA

11、6140 车床的纵向伺服系统进行数控化改造。依据车床的加工特点，应该选用连续控制系统。2.2.2 伺服系统的选择 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的。指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环控制系统主要由步进电机驱动。开环伺服系统结构简单、成本低廉、容易掌握、调试和维修都比较简单。闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动。闭环系统造价高、结构和调试较复杂，多用于精度要求高的场合。半闭环控制系

12、统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元 12 件测出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。由于开环控制有许多优点，所以目前国内大力发展的经济型数控机床普遍采用开环控制系统。根据任务书的要求，这次对车床纵向进给伺服单元进行数控化改造应采用开环控制系统。2.2.3 执行机构运动方式的确定 为确保数控系统的传动精度和运动平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：（1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨

13、等。（2）尽量消除传动间隙。例如采用消隙齿轮等。（3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副等。2.2.4 计算机的选用 微机数控系统由 CPU、存储器扩展电路、I/O 接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。微机是数控系统的核心，其他装置均是在微机的指挥下进行工作的。系统的功能和系统中所用微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度。字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算的精度。字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机要进行双字长或三字长

14、的运算，就会影响速度。目前一些高档的 CNC 系统，已普遍使用 32 位微机，主机频率由 5MHz 提高到2030MHz,有的采用多 CPU 系统，减轻主 CPU 的负担，进一步提高控制速度。标准型的 CNC 系统多使用 16 位微机，经济型 CNC 系统则采用 8 位微机。可采用 MCS-51 系列单片机或 Z-80 单板机组成的应用系统。由于 MCS-51 系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点，所以本次设计决定采用 MCS-51 系列的 8031 单片机扩展系统。13 2.3 经济型数控车床纵向伺服单元框图 车床纵向伺服单元框图 第 3 章 纵向进

15、给伺服进给结构设计 3.1 确定脉冲当量 一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量电气机床加工精度的一个基本技术参数。经济型车床铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲。而本设计脉冲当量已给出，要优于 0.02mm,根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/脉冲。3.2 切削力的计算 切削力是指在切屑过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的讲是在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力。车削外圆时的切削力如图 3-1 所示。主切削力zF与切削速度的方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电动机切削功率的依据；进

16、给力xF与进给方向平行且方向相反；背向力yF与进给方向相垂直，对加工精度的影响较大。14 图 3-1 车削力分析 根据课题条件可知：横向进给切削力(X 向)xF=1600N;垂直切削力(Y 向)yF=4000N；纵向切削力（Z 向）zF=1000N；3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动，其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。3.2.1 精度

17、的选择 滚珠丝杠副的精度直接影响电气机床的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，其导程误差对机床定位精度最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意 300mm行程变动量300V应小于目标设定定位精度值的 1/31/2,在最后精度验算中确定。对于车床，选用滚珠丝杠的精度等级 X 轴为 13 级（1 级精度最高），Z 轴为 25 级，考虑到本设计的定位精度要求和改造的经济性，选择 X 轴精度等级为 3 级，Z 轴为 4 级。2.2.2 丝杠导程的确定 选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在：4、5、6、8、10、12、20 15 中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚）。在速度满足

18、的情况下，一般选择较小导程（利于提高控制精度），本设计中初选纵向丝杠导程为8mm 3.2.3 最大工作载荷的计算 最大工作载荷mF是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给牵引力,其实验计算公式如表3-1 所示。表 3-1 mF实验计算公式及参考系数 导轨类型 实验公式 K 矩形导轨)(GFFKFFyzxm 1.1 0.15 燕尾导轨)2(GFFKFFyzxm 1.4 0.2 综合或三角导轨)(GFKFFzxm 1.15 0.15-0.18 表中K为考虑颠覆力矩影响时的实验系数；为滑动导轨摩擦系数；G为移动部件总重量。G=2500 N（纵向移动部件总重量 250kg）查表 3

19、-1 选择综合导轨，K取 1.15,取 0.18,G为 2000N；算得)(GFKFFzxm=1.151600+0.18（1000+2500）=2470)(N 3.2.4 最大动载荷的计算 载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力），此类载荷为动载荷。比如起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载，起重机以加速度吊起重物，重物对吊索的作用为动载。对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷QF计算公式如下：mhwQFffLF3 式中：L滚珠丝杠副的寿命系数，单位为610r，610/60nTL（T 为使用寿命，普通机床 T 取 5000-10000h，电气机床T 取 15000h；n 为

20、丝杠每分钟转速）；wf载荷系数，一般取1.21.5，本设计取1.2；hf硬度系数（HRC58 时取 1.0；等于55 时取 1.11；等于 52.5 时取 1.35；等于 50 时取 1.56；等于 45 时取 2.40）；mF滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。16 本设计中车床纵向承受最大切削力条件下最快的进给速度min/4.0maxmVj（题设条件最大进给速度(工进)400mm/min）;,初选丝杠基本导程mmPh8，则丝杠转速min/50/1000maxrPVnhj。取滚珠丝杠使用寿命hT15000，带入610/60nTL 得L=45；取2.1wf，1hf代入mhwQFffLF3，求得

21、：QF=10542.63N。3.2.5 滚珠丝杠螺母副的选型 初选滚珠丝杆副时应使其额定动载荷QaFC,当滚珠丝杠副在静态或低速状态下min)/10(rn 长时间承受工作载荷时，还应使额定静载荷moaFC)32(。根据计算出的最大动载荷QF,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的 FL5008-3型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母螺纹式预紧，精度等级为 4 级，其参数如表 3-2 所示。表 3-2 FL5008-3 型滚珠丝杠相关参数 公称直径/mm 导程/mm 钢球直径/mm 丝杠外径/mm 丝杠底径/mm 额定载荷/KN 接触刚度/1 mN 0d hP wD 1d 2d oaC aC 189

22、7 50 8 3.763 48.6 43.24 66 31 3.2.6 滚珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合。考虑到纵向丝杠长度较大，本设计纵向丝杠采用双推简支支承方式，该方式临界转速、压杆稳定性高，有热膨胀的余地。17 3.3.3 传动效率的计算 滚珠丝杠的传动效率一般在 0.80.9 之间，其计算公式如下：=)tan(tan 式中：螺距升角，根据0h14.3Ptand,可得=291；摩擦角，一般取=10。算得：=)01192tan(192tan=96.67%3.2.8 刚度的验算 滚珠丝杠副工作时受轴向力和转

23、矩的作用，引起导程的变化，从而影响定位精度和运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形1、丝杠与螺母间滚道的接触变形2、支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形3。因转矩和丝杠-螺母滚道接触对丝杠产生的导程变化很小，所以2、3可以忽略不计，所以丝杠的拉伸或压缩变形量为：1=ESlFum（“+”号代表拉伸，“-”代表压缩）式中：mF丝杠的最大工作载荷，单位为N；ul丝杠纵向最大有效行程，单位为mm；E丝杠材料的弹性模量，钢MPaE5101.2；S丝杠的横截面面积，单位2mm按丝杠螺纹的底径2d确定。根据前面的设计，mF为 3233.36N，ul取 1665mm，2d为 43.24mm，算得：1=

24、25)24.45(14.325.0101.2166576.3233=0.01597)(mm=13.97m 查表 3-3 可知，m361,所以刚度足够。表 3-3 有效行程ul内的目标行程公差pe和行程变动量upV 有效行程mmlu/精度等级 18 1 2 3 4 5 大于 至 pe upV pe upV pe upV pe upV pe upV 315 6 6 8 8 12 12 16 16 23 23 400 500 8 7 10 9 15 13 20 19 27 26 1600 2000 18 13 25 18 35 25 48 36 65 51 3.2.9 稳定性校核 由于滚珠丝杠本身比

25、较细长又受轴向力的作用，若轴向负载过大，则会产生失稳现象，不失稳时的临界载荷 Fk 应该满足：KF=22KaEIfkmF 式中：kf丝杠支承系数，双推-简支方式时，取2，其他方式如表3-4 所示；K滚珠丝杠稳定安全系数，一般取 2.54，垂直安装时取最小值，本设计取 4；a滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm，本设计中该值为2500mm；（其中工件加工长度为2000，留 500的两端余量）I按丝杠底径2d确定的截面惯性矩（6442dI，单位为4mm）,本设 中将mmd24.452代入算出I=205512.364mm。由以上数据可以算出：KF=200020004205513101.214.314

26、.325=)(1041.44N 临界载荷KF远大于工作载荷mF（2398N），故丝杠不会失稳。表 3-4 丝杠支承系数kf 支承方式 双推-双推 双推-简支 单推-单推 双推-自由 kf取值 4 2 1 0.25 3.2.10 临界转速的验证 滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速crn，要求丝杠的最高转速：19 722m a x10cnkccradfKnn 式中：nkf丝杠支承系数，双推-简支方式时，取值如表 3-5 所示；ca临界转速计算长度，单位为mm，本设计中该值为2300mm；2d丝杠内径，单位mm；cK安全系数，可取cK=0.8 表 3-5 丝杠支承系数nkf 支承

27、方式 双推-双推 双推-简支 单推-单推 双推-自由 nkf取值 27.4 18.9 12.1 3.3 经过计算，得出crn=1293min/r，由已知min/4maxmV，mmPh8可以算出min/500maxrn，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。3.4 齿轮传动的计算 有关齿轮计算 传动比i 0360360 0.0130.75 85piL 故取 124z；240z；2m；20mmb ；20；0.98i 112 2448mmdmZ 222 4080mmdmZ 11252mmaaddh 22284mmaaddh 12488064mm22dda 3.5 伺服电机的选择（1）工作台质量折算到电

28、机轴上的转动惯量 20 丝杠的转动惯量 4417.8 10sJD L 式中 D滚珠丝杠的公称直径；1L丝杠长度。则 齿轮的转动惯量 44217.8 106.4226.17N gcmzJ 44227.8 108263.9N gmzJ 电机的转动惯量很小可忽略。因此，总转动惯量 21122211(299.5263.9)26.175.55264.3N gcm1.25sZZJJJJJi（2）所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 max0fMMMM 最大切削负载时所需力矩 0atftMMMMM 快速进给时所需力矩 0fMMM 式中 maxM空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；fM折算到电机轴上的摩

29、擦力矩；0M由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；atM切削时折算到电机轴上的加速度力矩；tM折算到电机轴上的切削负载力矩。410N gm9.6aJnMT 当maxnn时 21 maxaaMM maxmax3500 1.333833.33r/min8hVinP 4max26.43 833.33109.177N gm91.77kg fgcm9.6 0.025aM 当tnn时 aatMM 0010001000 150 0.3 1.25142.17r/min3.1421 6itVfin fiDnLL 426.43 142.17101.5715.7kg fgcm9.6 0.025atMNg

30、m 00022fFLfW LMih i 当0.8h 时，0.16f 时 0.16 95 0.61.4522kgfgcm14.522N gcm2 3.14 0.8 1.25fM 0020012P LMi 当00.9时预加载荷13bXPF，则 22000195.472 0.61 0.90.5776kg fgcm5.776N gcm66 3.14 0.8 1.25xFLMi 095.4720.69.12kg fgcm91.2N gcm22 3.14 0.8 1.25xtFLMi 所以，快速空载启动所需力矩 max0917.714.5225.776738.000N gcmfMMMM 切削时所需力矩 0

31、15.71.45220.57769.1226.85kg fgcm268.5N gcmatfMMMM 快速进给时所需力矩 01.45220.57762.0298kg fgcm20.298N gcmfMMM 22 由上分析计算可知，所需最大力矩maxM发生在快速启动时：max738.000N gcmM（3）纵向进给系统伺服电机的确定 0938.0781876.16N cm0.50.5lqMM 为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知/0.866qjmMM 所以，伺服电机最大静转距jmM为 1876.162166.46N cm0.8660.866qjmMM 伺服电机最高工作频率 ma

32、xmaxZ40006666.7H60600.01pVf 综合考虑，查表选用 130SZ04型伺服电动机，能满足要求7-12。23 3.6 导轨的特点 滑动导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法、以及使用与维护。提高导轨的耐磨性，使其在较长时期内保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。常用的提高导轨耐磨性的方法有：采用镶装导轨、提高导轨的精度与改善表面粗糙度、采用卸荷装置减小导轨单位面积上的压力(即比压)等。滑动导轨的优点是结构简单、制造方便和抗振性良好；缺点是磨损快。为了提高耐磨性，国内外主要采用镶钢滑动导轨和塑料滑动导轨。1铸

33、铁 铸铁有良好的耐磨性、抗振性和工艺性。常用铸铁的种类有：（1）灰铸铁 一般选择 HT200，用于手工刮研、中等精度和运动速度较低的导轨，硬度在 HB180 以上；（2）孕育铸铁 把硅铝孕育剂加入铁水而得，耐磨性高于灰铸铁；（3）合金铸铁 包括：含磷量高于 0.3的高磷铸铁，耐磨性高于孕育铸铁一倍以上；磷铜钛铸铁和钒钛铸铁，耐磨性高于孕育铸铁二倍以上；各种稀土合金铸铁，有很高的耐磨性和机械性能；铸铁导轨的热处理方法，通常有接触电阻淬火和中高频感应淬火。接触电阻淬火，淬硬层为 0.150.2mm。硬度可达 HRC55。中高频感应淬火，淬硬层为 23mm，硬度可达 HRC4855，耐磨性可提高二倍

34、，但在导轨全长上依次淬火易产生变形，全长上同时淬火需要相应的设备。2钢 镶钢导轨的耐磨性较铸铁可提高五倍以上。常用的钢有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr 等采用表面淬火或整体淬硬处理，硬度为 5258HRC；20Cr、20CrMnTi、15 等渗碳淬火，渗碳淬硬至 5662HRC；38C rMoAlA 等采用氮化处理。3有色金属 常用的有色金属有黄铜 HPb59-l，锡青铜 ZCuSn6Pb3Zn6，铝青铜ZQAl9-2 和锌合金 ZZn-Al10-5，超硬铝 LC4、铸铝 ZL106 等，其中以铝青铜较好。4塑料 镶装塑料导轨具有耐磨性好(但略低于铝青铜)，抗振性

35、能好，工作温度适应范围广(-200+260)，抗撕伤能力强，动、静摩擦系数低、差别小，可降低低速运动的临界速度，加工性和化学稳定件好，工艺简单，成本低等优点。目前在各类机床的动导轨及图形发生器工作台的导轨上都有应用。塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨搭配。24 3.7 导轨的设计 作用力合作用点位置，作用力方向和作用点的位置唏嘘合理安置。一边导轨倾斜的力矩尽量小。否则会使导轨中的摩擦力增大，磨加剧，从而降低导轨的灵活性和导向精度。严重时甚至还可能卡死，不能正常工作。作用在运动件上的推力有三种情况：1.推力通过运动件在轴线 2.推力作用点在运动件的轴线上。但推力的方向与轴线成一夹角 2.推力平行于运动

36、件的轴线上 对于第一种情况，导轨镇南关的摩擦力只受到载荷及运动件本身重量的影响，推力不会产生附加摩擦力。犹豫结构上的限制，实际的结构中往往出项第二第三中情况。为了保证导轨的灵活性，要对导轨进行验算，在已知的条件先，确定各部分的集合尺寸。推力 F 与运动件轴线组成夹角 a,如图所示 选与运动件轴线与轴线相距 h，图中oF为轴向阻力1N和2N为反作用力，为当量摩擦系数，根据静力平衡条件 25 000AXYM,1221,1211002022oFFNNfNNddFhLNNLLN fNf 解得：,12/OFFf h L 推动运动件则必须：,12/OFFf h L 保证运动件不卡死条件,1 2/0f h

37、L 即：,2/1f h L 为了保证运动灵活，可取值,20.5hfL 当取 f=0.25 时，则有：对圆柱形导轨：1.5hL 对矩形导轨：2hL 对燕尾形或三角形导轨：1hL 推力 F 的作用将使运动件产生倾斜，从而使运动件与承导体的俩点处压紧，设正压力分别为1N.2N，相应摩擦力1N,f，2N,f，作用间的距离为 L，轴向阻力为oF 000AXYM ,1221,121cos0sin0sin022oNNfFFNNfbdLh FLNN fN f 根据静力平衡条件,运动件的直径较小时，上式中含有 d 的各项可以略去。可 解得：,cossin12/oFFfh L 26 欲推动运动件，则必须使,cos

38、sin12/oFFfh L 若要保证不卡死的条件是：,c o ss i n12/0fhL 由此，可得到当推力 F 与运动件有一夹角 a 时，运动件正常工作的条件是,2tan1tanLfhf ,f为当量摩擦系数 在燕尾形和三角形导轨中:,/cosff f-滑动摩擦系数-眼尾轮廓角与三角底角 在本设计的导轨中：h=200mm L=360 因此：2000.561360hL 符合相关要求。27 第 4 章 电气控制系统设计 4.1 单片机数控系统硬件电路设计内容 绘制系统电气控制的结构框图 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。（1）数控系统的组成 数控

39、系统是由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。（2）机床的硬件电路有以下五部分组成:1、主控制器 即中央处理单元（CPU）；2、总线 包括数据总线(DB)，地址总线(AB)和控制总线(CB)；3、存储器 包括程序存储器和数据存储器；4、接口 即 I/O 输入/输出接口电路；5、外围设备 如键盘、显示器及光电输入机等。绘制机床数控系统硬件框图 图 4-1 机床数控系统硬件框图（开环系统）目前在经济型数控机床中，推荐采用 MCS-51 系列单片机作为主控制器。由于其具有集成度高、可靠性好、功能强、抗干扰能力强、性能价格

40、比高等特点，28 经过分析本次任务要求，决定采用 MCS-51 系列的 8031 单片机扩展系统。由于8031 内部无程序存储器，且只有地址为 007FH 这 128 个单元作为片内 RAM 供用户使用。由于本次任务要求：微机部分扩展 16k8 位程序存储器，16k8 位数据存储器；人机交互部分的输入接口采用 4 行 8 列的行列式键盘，输出接口采用 8 位 8 段 LED 数码管；2 个行程限位信号（Z 向直线运动单元）、工作方式（手动、自动、编辑等）及报警指示等采用开关量信号输入；电机控制部分采用软环分和高低压驱动，控制机床的两个运动单元，所以，RAM、ROM、I/O 接口均需扩展。决定扩

41、展两片 2764、两片 6264、一片 8279、一片 8255。1、不同型号的 EPROM 工作速度有差别，一般为 200450ns,选择时应注意是否系统的时序要求。即 8031 所提供的读取时间应大于 EPROM 的工作时间。8031 访问 EPROM 时，其所能提供的读取时间 t 与所选的晶体时钟有关，大约为3T，其中的 T 为时钟周期，本次设计系统选用晶体频率为 6MHz，则 t480ns故凡工作速度小于 480ns 的芯片在时序上均满足要求，所以 2764 满足要求。2、常用的静态 RAM 芯片有 6116、6264、62256 等，6264 采用 CMOS 工艺，有+5V 供电，典

42、型存取时间为 150200ns。所以 6264 满足要求，采用 28 引脚双列直插式扁平封装。由于单片机 8031 芯片的 P0 口分时传送低 8 位地址线和数据线，P2 口传送高 8 位地址，所以采用 74LS 373 地址锁存器，锁存低 8 位地址。单片机的 P2 口用作高位地址线和片选地址线，由于P2 口具有锁存功能，故不必外加地址锁存器。2764 和 6264 芯片均具有 8KB，需要 13 根地址线。A0 A7 低 8 位相应接74LS 373 的输出 1Q8Q，A8 A12 相应接 8031 芯片的 P2.0 P2.4。由于扩展了两片 2764、两片 6264、一片 8279、一片

43、 8255，所以系统采用全地址译码，两片 2764 芯片片选信号CS对应接 74LS138 译码器的0 和1。两片 6264 芯片的片选信号CS对应接 74LS138 的2 和3，单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即允许地址重叠），8031 芯片控制信号PSEN接 2764的OE引脚，读写控制信号RD和WR分别接 6264 芯片的OE和 29 WE。由于 8031 芯片内部没有 ROM，只能用外部程序存储器，所以EA必须接地。ROM、RAM、I/O 接口芯片地址分配 器件 地址选择线 片内地址单元/字节 地址编辑 2764（1）000 x xxxx xxxx xxxx 8K 0

44、000H1FFFH 2764（2）001x xxxx xxxx xxxx 8K 2000H3FFFH 6264（1）010 x xxxx xxxx xxxx 8K 4000H5FFFH 6264（2）011x xxxx xxxx xxxx 8K 6000H7FFFH 8279 1001 1111 1111 111x 2 9FFEH9FFFH 8255 1011 1111 1111 11xx 4 BFFCHBFFFH 三、软环分 课程设计任务书要求采用软环分，又因为两运动单元都选用了 55BF003步进电动机，并且 Z 轴采用三相六拍的控制方式，C 轴采用三相双三拍的控制方式。所以选用了 825

45、5 的 PA0PA2 分别对应 Z 轴步进电动机的 A、B、C 三相绕组，确定 A-AB-B-BC-C-CA-A 为电动机正转;PA3PA5 分别对应 C 轴步进电机的 A、B、C 三相绕组,并确定 AB-BC-CA-AB 为电动机正转。4.2 I/O 接口电路 一、I/O 接口电路的扩展 由于 8031 只有 P1口和 P3口部分能提供用户作为 I/O 口使用，不能满足输入输出口的要求，因此系统扩展了一片8279 和一片 8255可编程 I/O 接口芯片。8279的片选信号CS接 74LS138 的4 端。8255 的片选信号CS接 74LS138 的5 端。74LS138 有三个输入 A、

46、B、C 分别接到 8031 的 P5.2、P6.2、P7.2,输出0Y7Y8个输出，低电平有效。8279 与键盘、显示器的连接：键盘的行线接 8279 的 RL0RL3，本次设计8279 采用外部译码方式，SL0SL2经 74LS138（1）译码器输出0Y7Y，作为按键盘的列线，SL0SL2又由 74LS138(2)译码器输出0Y7Y，经驱动后输出 30 到显示器各位的共阴极，输出线 OUTB30、OUTA30作为 8 位段数据输出口，BD控制74LS138(2)的译码，当位切换时，BD输出低电平，使 74LS138(2)输出全为高电平，当键盘上出现有效的闭合健时，键输入数据自动的进入8279

47、 的FIFORAM，并向 8031 请求中断，8031 响应中断，读取 FIFORAM 中的输入键值更新显示器输出，仅需改变 8279 种显示缓冲器 RAM 中的内容。8255 的 PA 口用于控制 Z 向,C 向的步进电机的运转。根据任务书要求采用软环分，于是 PB 口和 PC 口主要用于功能键的控制。4.3 所用芯片接线引脚介绍 一、8031 单片机芯片的介绍 8031 芯片具有 40 根引脚按其功能分为四类 1.电源线 2 根（VCC,VSS）2.晶体振荡器 2 根 XTAL1:振荡器的反相放大器输入，使用外部振荡器时必须接地。XTAL2:当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号 31 3

48、.I/O 口 共用 P0,P1,P2,P3四个八位口，32 根地址线，其功能如下：（1）P0.0P7.0：分时用作低 8 位地址线和 8 位数据线。（2）P0.1P7.1：供用户使用。（3）P0.2P7.2：它作为高 8 位地址线（4）P0.3P7.3：该口的每一位均可独立的定义为第一 I/O 口或第二 I/O 口功能 作为第一功能实用时，口结构与操作与 P1口完全相同。第二功能如下所示：RD：外部数据存储器读选通 WR：外部数据存储器写选通 T0,T1:定时器 0，1 外部输入 0I NT、1INT：外部中断 RxD:串行输入口 TxD:串行输出口 4.控制线（1）PSEN：程序存储器的使能

49、引脚，是外部程序存储器的读选通信号；（2）EA：EA为高电平时，CPU 执行内部程序存储器的指令；EA为低电平时，CPU 仅执行外部程序存储器的指令，8031 的EA端口必须接地；（3）ALE：ALE 是地址锁存器的使能信号，ALE 信号锁存低 8 位地址（4）RST/VPD：是复位/备用电源端 二、2764 ROM 芯片的介绍 32 2764 芯片为 28 脚双列直插式扁平封装芯片，其管脚的功能介绍如下：CS：片选端；OE：输出使能端；A0A12：地址端接口；D00D07：数据端接口；PGM：编程控制端；VPP：编程电源端；Vdd：电源端；VSS：接地。三、6264 RAM 芯片的介绍 62

50、64 芯片也为 28 脚双列直插式扁平封装芯片，其管脚功能介绍：Vdd：电源端；VSS：接地。1CS：片选端 1;CS2：片选端 2;OE：读输入选通端;WE：写输入选通端;A0A12：地址线;I/O0I/O7：I/O 口。四、地址锁存器 74LS373 和地址译码器 74LS138 的引脚图 五、专用键盘显示器接口芯片 8279 33 8279 是通用可编程键盘和显示器 I/O 接口部件。利用 8279，可实现对键盘/显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合健的键号，不仅可以大大节省 CPU 对键盘显示器的操作时间，从而减轻 CPU 的负担，而且显示稳定。程序简单，不会出现误动作，由于这些优点，8

51、279 芯片被日益广泛地应用，其引脚功能如下：（1）I/O 控制器与数据缓冲器 利用CS、A0和RD、WR信号去控制各种内部寄存器读写，A0=1，表示传送的是命令或状态信息，A0=0 时数据信息。DB0DB7与 CPU 数据总线相连。CS为片选信号，CS为低电平时，CPU 才选中 8279 进行读写。（2）IRQ 为中断请求输出线，高电平有效。（3）RL0RL7为反馈输入线，作为键输入线由内部拉高电阻拉成高电平，也可由按键拉成低电平。（4）SHIFT、CNTL/STB 为控制键输入线，由内部拉高电阻拉成高电平。（5）SL0SL7为扫描输出线，用于对键盘显示器扫描。34（6）OUTB30,OUT

52、A30为显示段数据输出线。（7）BD为消隐输出线，低电平有效，当显示器切换时，或使用显示消隐命令时，将显示消隐。（8）RESET为复位输入线，高电平有效。六、8255可编程接口芯片：8255具有3 个 8 位的并行I/O 口，分别为 PA 口、PB 口和 PC 口，它们都可以通过软件编程来改变 I/O 口的工作方式，其功能如下：CS：片选端；PA0PA7:A 口；PB0PB7:B 口；PC0PC7:C 口 A0,A1:地址线；RD：读信号；WR:写信号 D0D7:数据线 RESET:复位信号；GND:地。4.4 辅助电路的设计 一、辅助电路的介绍 微机数控系统除了各种主要功能芯片外，还必须包括

53、一些其他必要的辅助电路。这些辅助电路有：键盘显示器电路，步进电机控制电路，时钟电路，复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等。各种电路介绍如下：35 1.键盘显示器接口电路 数控系统中使用的显示器主要有：LED 显示器，LCD 和 CRT 显示器。本设计采用 LED 显示器，通常它是由八个发光二极管组成的，具有共阴极和共阳极两种结构，本次设计采用共阴极结构具体结构如图所示：键盘是由若干按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，其工作原理如图所示：2.步进电机控制电路 步进电机控制电路如下列框图所示：36 步进电机控制电路框图 现分别介绍如下：（1）脉冲分配器（环形分配器）环形分配器有硬件和

54、软件两种，硬件环形分配器需要的 I/O 口接线少，其执行速度快，但需要专有的芯片。软环形分配器实用程序实现的。本设计中要求使用软环分配器。其具体程序内容见下部分。（2）光电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流也较大。如果将 I/O 口输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机的程序正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般要在接口电路与功率放大器间加上隔离电路，实现电气隔离。电路图如图所示：光电隔离电路图 37 该图为同向输出电路，控制信号经 74LS05 集电极开路门反相后驱动光耦

55、合器的输入发光二极管。当控制信号为低电平时，74LS05 不吸收电路，发光二极管不导通，从而输出的光敏晶体管截至，输入电压为零电平。反之输出电压为高电平。（3）功率放大电路 脉冲分配器的输出功率很小，远不满足步进电机的要求，必须将它放大，已产生足够大的功率驱动步进电机正常运转，本次设计所选用的是一种高低压供电电路。其具体电路图如图所示。高低压驱动电路图 其工作原理：电路中各晶体管均处在开关状态，当控制脉冲到来时，V、V、V均导通，同时脉冲变压器的二次侧产生一定宽度的脉冲电流，使 V出于导通状态，使二极管处于负偏置而截止，将电动机绕组 L与电源 En 断开，高压电源通过V2、V1 为步进电机绕组

56、 L供电，使其电流上升沿变陡，通过b 时间后，脉冲电流消失，使 V2处于截至状态，切断高压电源 EH 与电动机绕组 LA 的回路，En 通过 VD2,V1 为电动机供电，提供电动机所需的额定电流。3.8031 的时钟电路 单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，本次设计采用内部方式，如图所示。晶体可在 1.212MHz 之间任选，耦合电容在 530PF 之间，对时钟有微调作用。38 时钟电路图 4.复位电路 单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在 RESET 引脚上出现 10ms 以上的高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从 0

57、000H单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。下图中为上电与按钮复位组合。在上电瞬间，RC 电路充电，RESET 引脚端出现正脉冲，只要 RESET 端保持 10ms 以上高电平，就能使单片机有效复位。复位电路图 5.越界报警电路 为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。本次设计采用中断方式，利用 8031 的外部中断0INT，只要有任一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生中断信号0INT，为了报警，设置红绿灯指示，正常工作时绿灯亮，当越界报警是红灯亮。两灯均由一个 I/O 口输出。39（a）为报警信号的产生。(b)为报警指示。6.掉电保护电路 掉

58、电保护电路，保护一些重要的现场参数，如几何尺寸，工艺参数，再掉电后仍能妥善保存，恢复供电后又能马上运行。掉电保护电路图 图中 Va 为电源电压，Vb 为备用电池电压并且VaVb，VCC为存储器 RAM电源端，正常通电时，二极管 VD2 导通，VD1截止，电压由 Va 提供，同时 Va还通过电阻 R 对电池充电。断电后，VD2 截止，VD1导通，此时 RAM 的工作电压由电池 Vb 经二极管 VD1 和电阻提供。4.5 微机控制软件 典型的计算机数控系统控制软件的组成形式如下图中所示：40 数控系统控制软件的功能介绍如下：（一）系统总控程序 这是计算机数控系统的主循环程序，系统上电后便进入这部分

59、程序运行，它主要完成以下工作：1:系统的初始化；2：命令处理循环（二）零件加工程序的输入和输出管理 零件加工程序的输入有两种方法：1：通过光电阅读机输入。2：从键盘输入。零件程序存储器一般容量较大，可以存放多个零件加工程序。数控系统采用的零件加工方式是存储器工作方式，系统从零件存储器中逐段取出程序送入程序缓冲器。然后对程序缓冲器中程序段数据预处理，形成可供插补运算的数据。（三）零件加工程序的编辑 编辑程序也可以看作键盘命令处理程序，既可以用来从键盘输入新的零件加工程序，也可以用来对已经存储在零件程序存储器中的零件加工程序进行编辑和修改。常用的编辑功能包括插入、删除、查找、移动等。（四）机床手动

60、调整控制 机床手动调整动作包括：各坐标轴的运动、主轴运动、刀架转位、冷却液的开停等。在手动调整状态下，除了控制机床的动作外，还要对系统的参数进行修改设置。由上述内容可看出，手动调整的控制程序是一个对操作面板和键盘输入命令进行扫描的循环。它不断地读取操作面板和键盘的输入信息。分析识别输入的命令进形相应的处理。（五）零件加工程序的解释和执行 零件加工程序的解释与执行是完成零件加工任务的基本模块，用来根据零件加工 程序实现零件的轨迹加工，一个加工程序段的解释执行，包括取得程序段，41 程序译码，完成程序段中指定的 G、M、S、T 功能。对轨迹加工类程序段进行数据预处理，插补计算，伺服控制等步骤。（六

61、）插补计算 插补程序是根据插补数学模型而编制的一种运算处理程序，它的作用是决定在所要求的进给长度上数控机床各坐标轴的运动规律，机床运动部件的每一次进给都需要执行一次插补程序。插补的频率是由程序所要求的进给速度所决定的。进给越快，插补频率越高。（七）伺服控制 伺服控制程序是根据插补程序的结果，经适当计算直接输出去控制执行元件的动作。对于开环的步进电机的控制，主要完成脉冲分配和步进电动机的加减速控制。和插补计算一样，伺服控制也是由定时中断引起的，也常常作为定时中断服务程序的一部分出现或由定时中断服务程序调用（八）系统自检 该程序检测计算机数控系统各个硬件部件功能的正确性。只是可能存在的故障的位置与

62、性质。这样可以提高系统的可靠性。4.6 系统直线插补软件设计 一、直线插补（一）第一象限插补轨迹如图所示：（二）、插补程序 1.直线插补的程序框图如下：（42 0?2.插补程序 此程序根据经济性数控车床硬件电路图编写，程序首先对芯片 8255进行初始化，再用逐点比较法对第一象限直线进行插补程序设计。环行分配器是采用软环分配。程序如下：ORG 1000H LP:MOV SP,#60H 设置堆栈指针 MOV DPTR,#BFFFH 8255 初始化，BFFFH 为 8255 控制口地址 MOV A#8BH 控制字为 8BH，（即 10001011B）设置为 A 口输出，B 口输入，C 口输入 MO

63、VX DPTR A MOV 4AH,#00H 偏差单元清零 MOV 49H,#00H MOV 48H#01H 置 Z 向电机初态 43 MOV 47H,#20H 置 C 向电机初态 MOV A,4EH （eZ低 8 位eC低 8 位）50H ADD A,4CH MOV 50H,A MOV A,4DH （eZ高 8 位eC高 8 位）50H ADDC A,4BH MOV 4FH,A MOV A,#21H Z 向、C 向电机上电 MOX DPTR,#BFFCH 将控制字#21H 送入 8255 芯片的 A 口 MOVX DPTR,A LP1:MOV A,49H 将偏差值高 8 位A JB ACC7

64、LP3 ACC7=1 偏差值为负值，F0 则跳转到子程序 LP3，否则向下执行 ACALL ZMP F0 走一步Z CLR C 清进位 MOV A,4AH 计算偏差 F=eiCF-MOV A,4CH MOV 4AH,A MOV A,49H SUBB A,4BH MOV 49H A ACALL DLO 延时 1ms LP2:CLR C MOV A,50H 终判值减 1，送到 A，判断是否为 0 SUBB A,#01H MOV A,50H MOV A,4FH SUBB A,#00H MOV 4FH,A ORL A,50H JNZ LP1 A 不为 0，转移到 LP1 再判断偏差值 F 的正负 LJ

65、MP 0000H LP3:ACALL CMP F0，转入此程序，走一步C，CMP为 C 向电机正转子程序 MOV A,4AH 计算新偏差 F=eiZF+ADD A,4EH MOV 4AH,A MOV A,49H ADDC A,4DH MOV 49H,A 44 ACALL DLO SJMP LP2 转移至 LP2，重新进行判终 DLO:MOV R2,#02H 延时子程序 D2:MOV R1,#7DH D1:DJNZ R1,D1 DJNZ R2,D2 RET ZMP,CMP 子程序略。第 5 章 数控机床的加工程序编制 5.1 零件图数控加工工艺分析 图 4-4 典型轴类零件图 4.2 零件图分析

66、 该零件表面由圆柱、顺圆弧、逆圆弧、槽、螺纹等表面组成。所注尺寸详细、正确。，选用毛坯为 45#钢，65mm120mm，无热处理和硬度要求。符合数控加工工艺的特点。5.3 确定加工方法 加工方法的选择原则是保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求。由于获得同一级精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，因而在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸大小和形位公差要求等全面考虑。图上几个精度要求较高的尺寸，因其公差值较小，所以编程时没有取平均值，而取其基本尺寸。通过以上数据分析，考虑加工的效率和加工的经济性，最理想的加工方式为车削，考虑该零件为大批量加工，故加工设备采用数控车床。根据加工零件的外形和材料等条件，选用 CJK6032数控机床。45 5.4 确定加工方案 零件上比较精密表面的加工，常常是通过粗加工、半精加工和精加工逐步达到的。对这些表面仅仅根据质量要求选择相应的最终加工方法是不够的，还应正确地确定从毛坯到最终成形的加工方案。该典型轴加工顺序为：预备加工-车端面-粗车右端轮廓-精车右端轮廓-切槽-切退刀槽-粗车螺纹-精车螺纹。5.5 定位基准的选择 在制定零件加工的工艺规程时，正确地选择