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哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 畢 業(yè) 設(shè) 計 題 目 C616 車床數(shù)控系統(tǒng)改造 院 系 機械設(shè)計與制造 姓 名 王政海 指導(dǎo)教師 張寶海 系 主 任 陶福春 2013 年 5 月 8 日 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 I 摘要 介紹普通C616車床的數(shù)控改造 因為我國多年積累了大部分的普通機 床 自動化程度低 想要短期內(nèi)大量更換新機床 是不現(xiàn)實的 為了節(jié)省 資金 提高生產(chǎn)效率 所以要對普通車床進(jìn)行數(shù)控改造 采用MCS 51系列單片機控制經(jīng)濟型數(shù)控機床 用步進(jìn)電機來驅(qū)動進(jìn) 給系統(tǒng) 實現(xiàn)自動加工 原理為 根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案 通過 單片機控制 轉(zhuǎn)化成脈沖信號 經(jīng)放大電路后驅(qū)動縱向和橫向步進(jìn)電機 通過滾珠絲杠實現(xiàn)刀架縱向 橫向兩個方向的進(jìn)給 以完成工件的加工 數(shù)控改裝后的車床在縱向和橫向具有圓弧和直線插補功能 該車床有 自動回轉(zhuǎn)刀架 具有切削螺紋的功能 改造后車床可以加工出各種形狀的 復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件 并能實現(xiàn)多工序自動車削 從而提高了生產(chǎn)效率和加工精 度 也能適應(yīng)小批量多品種復(fù)雜零件的加工 關(guān)鍵詞 數(shù)控改造 進(jìn)給系統(tǒng) 步進(jìn)電機 單片機 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 II 目 錄 摘要 I 第 1 章 緒論 1 1 1 課題背景 1 1 2 數(shù)控改造的必要性 1 1 3 設(shè)計任務(wù) 2 第 2 章 設(shè)計任務(wù)與總體方案的確定 3 2 1 設(shè)計 任務(wù) 3 2 2 總體設(shè)計方案確定 3 第 3 章 機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機械設(shè)計計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計說明 5 3 1 主要設(shè)計參數(shù)如下 5 3 2 確定脈沖當(dāng)量 5 3 3 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 5 3 3 1 已知條件 5 3 3 2 切削力計算 6 3 3 3 滾珠絲杠設(shè)計計算 6 3 3 4 齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算 8 3 4 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 10 3 4 1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 10 3 4 2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的計算 10 3 5 步進(jìn)電機的選擇 14 3 5 1 步進(jìn)電機選用的基本原則 14 3 5 2 步進(jìn)電機的選擇 16 第 4 章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路 設(shè)計 18 4 1 繪制系統(tǒng)電氣控 制結(jié)構(gòu)框圖 18 4 2 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 19 4 2 1 8031 單片機的基本 特性 19 4 2 2 8031 芯片引腳功能 19 4 3 存儲器擴展電路 20 4 3 1 8031 與 EPROM 的連接 20 4 3 2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 20 4 3 3 程序存儲器的擴展 21 4 4 I O 接口電路及輔助電路設(shè)計 21 4 4 1 I O 接口電路 21 4 4 2 輔助電路設(shè)計 22 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 III 4 5 繪制微機控制電路原理圖 24 4 5 1 控制系統(tǒng)的功能 24 4 5 2 采用軟件環(huán)形分配圖 24 4 5 3 自動回轉(zhuǎn)刀架的控制 24 4 5 4 螺紋加工控制 24 4 5 5 地址編碼 24 結(jié)論 26 參考 文獻(xiàn) 27 致謝 28 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 1 1 課題背景 隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展 機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量的不斷 提高 產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷加快 因此對機床不僅要求具有較高的精度 和生長率 而且應(yīng)能迅速的適應(yīng)產(chǎn)品零件的變換 我國生產(chǎn)的需要促使了 數(shù)控機床的產(chǎn)生 隨著電子技術(shù) 特別是計算機技術(shù)的發(fā)展 數(shù)控車床迅 速發(fā)展起來 我國目前機床總量 380 余萬臺 而其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11 34 萬臺 即我國機床數(shù)控化率不到 3 近 10 年來 我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為 0 6 0 8 萬臺 年產(chǎn)值約為 18 億元 機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6 我國 機床役齡 10 年以上的占 60 以上 10 年以下的機床中 自動 半自動機床 不到 20 FMC FMS 等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù) 美國和日本自動和半 自動機床占 60 以上 可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn) 加工 裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床 而且半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床 用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差 品種少 檔次低 成本高 供貨期長 從而在國際 國內(nèi)市場上缺乏競爭力 直接影響一個企業(yè)的產(chǎn) 品 市場 效益 影響企業(yè)的生存和發(fā)展 所以必須大力提高機床的數(shù)控 化率 1 2 數(shù)控改造的必要性 數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性 而且這些優(yōu)越性均來自數(shù) 控系統(tǒng)所包含的計算機的威力 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線 曲面等復(fù)雜的零件 由于計算機有高超的運算能力 可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬 時應(yīng)該運動的運動量 因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面 可以實現(xiàn)加工的自動化 而且是柔性自動化 從而效率可比傳統(tǒng)機床 提高 3 7 倍 由于計算機有記憶和存儲能力 可以將輸入的程序記住和存儲下來 然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行 從而實現(xiàn)自動化 數(shù)控機床只要更換 一個程序 就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化 從而使單件和小批生產(chǎn)得以 自動化 故被稱為實現(xiàn)了 柔性自動化 加工零件的精度高 尺寸分散度小 使裝配容易 不再需要 修配 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 2 可實現(xiàn)多工序的集中 減少零件在機床間的頻繁搬運 擁有自動報警 自動監(jiān)控 自動補償?shù)榷喾N自律功能 因而可實現(xiàn)長 時間無人看管加工 由以上五條派生的好處 如 降低了工人的勞動強度 節(jié)省了勞動力 一個人可以看管多臺機床 減少了工裝 縮短了新產(chǎn)品試制周期和生 產(chǎn)周期 可對市場需求作出快速反應(yīng)等等 1 3 設(shè)計任務(wù) 本課題是將普通 C616 車床改造 MCS 51 系列單片機控制的經(jīng)濟型數(shù) 控車床 采用步進(jìn)電機開環(huán)控制 縱向和橫向具有圓弧和直線插補功能 該車床有自動回轉(zhuǎn)刀架 具有切削螺紋的功能 1 4 本章小結(jié) 本章主要介紹了論文的課題背景 數(shù)控改造的必要性以及設(shè)計任務(wù) 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 3 第 2 章 設(shè)計任務(wù)與總體方案的確定 2 1 設(shè)計任務(wù) 本設(shè)計任務(wù)是對 C616 普通機床進(jìn)行數(shù)控改造 利用 MCS 51 系列單 片機對縱向橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制 縱向脈沖當(dāng)量為 0 01mm 脈沖 橫向脈沖當(dāng)量為 0 005 脈沖 驅(qū)動元件采用步進(jìn)電機 傳動系統(tǒng)采用滾珠 絲杠 刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架 設(shè)計參數(shù)如下 最大加工直徑 在床面上 320mm 在床鞍上 175mm 最大加工長度 700mm 快進(jìn)速度 縱向 2 0m min 橫向 1 2m min 最大切削進(jìn)給速度 縱向 0 5mm min 橫向 0 25mm min 代碼制 ISO 脈沖分配方式 逐點比較法 輸入方式 增量 絕對值通用 控制坐標(biāo)數(shù) 2 最小指令數(shù) 縱向 0 01mm 脈沖 橫向 0 005mm 脈沖 刀具補償量 0 99 99mm 進(jìn)給傳動鏈間隙補償量 縱向 0 15mm 橫向 2 5mm 自動升降速性能 有 2 2 總體設(shè)計方案確定 由于是經(jīng)濟型數(shù)控改造 所以在考慮具體方案時 基本原則是在滿足 使用要求的前提下 對機床的改動盡可能少 以降低成本 因為改造后車床具有定位 直線插補 圓弧插補 順逆插補 暫停 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 4 循環(huán)加工 公制螺紋車削等加工功能 故應(yīng)采用連續(xù)控制系統(tǒng) 考慮到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高 為了簡化結(jié)構(gòu) 降低 成本 采用步進(jìn)電機開環(huán)控制 因為 MCS 51 系列單片機具有集成度高 可靠性好 功能強 速度 快 抗干擾能力強 性價比高等特點 決定采用 MCS 51 系列 8031 單片 擴展系統(tǒng) 為保證一定的傳動精度和平衡性 盡量減小摩擦力 選用滾珠絲杠螺 旋副 車床數(shù)控改造的總體方案見圖 2 1 功 率 放 大 器控 制 計 算 機磁 帶計 算 機手 工 輸 入數(shù) 控 程 序編 制加 工 工 件圖 紙 或步 進(jìn) 電 機變 速 箱車 床 工 件 變 速 箱 圖 2 1 數(shù)控改造的總體方案示意圖 2 3 本章小結(jié) 本章主要介紹了 C616 的數(shù)控改造設(shè)計任務(wù)以及確定了整體設(shè)計方案 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 5 第 3 章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機械設(shè)計計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 1 主要設(shè)計參數(shù)如下 溜板重量 800N 刀架重量 300N 刀架快進(jìn)速度 縱向 2m min 橫向 1 2m min 最大進(jìn)給速度 縱向 0 5mm min 橫向 0 25mm min 主電機功率 7 5KW 啟動加速時間 26ms 機床定位精度 0 015mm 3 2 確定脈沖當(dāng)量 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量 縱向 0 01mm 步 橫向 0 005mm 步 3 3 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 3 3 1 已知條件 工作臺重量 W 80kgf 800N 根據(jù)圖紙粗略計算 時間常數(shù) T 25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程 6mmoL 行程 S 640mm 脈沖當(dāng)量 0 01 stepp 步距角 0 75 step 快速進(jìn)給速度 2m minmaxV 3 3 2 切削力計算 由 機床設(shè)計手冊 可知 切削功率 7 3 1 KN c 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 6 式中 N 電機功率 查機床說明書 N 4kW 主傳動系統(tǒng)總功率 一般為 0 6 0 7 取 0 65 K 進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù) 取 K 0 96 則 2 496kW0 654 c 又因為 3 2 1 FNzc 所以 3 3 zc 式中 v 切削線速度 取 v 100m min 主切削力 1527 6N kgf102 496 zF 由 金屬切削原理 可知 主切削力 3 4 ZzFpKfYX CZ 查表得 188kgf 1880MPaZF2m 1 0 75 1ZZF 則可計算 如表 3 1 所示 z 表 3 1 計算結(jié)果z mmp 2 2 2 3 3 3 f mm 0 2 0 3 0 4 0 2 0 3 0 4 NzF1125 1524 1891 1687 2287 2837 當(dāng) 1520N 時 切削深度 2mm 走刀量 0 3mm 以此參數(shù)z p f 做為下面計算的依據(jù) 從 機床設(shè)計手冊 中可得知 在一般外圓車削時 7 0 1 0 6 0 15 0 7 3 5 XFzFz zF 取 0 5 0 5 1527 6 763 8Nz 0 6 0 6 1527 6 916 5NY 3 3 3 滾珠絲杠設(shè)計計算 三角或綜合導(dǎo)軌機床的軸向力 3 6 W f FKPZX 式中 1 15 0 15 0 18 取為 0 16Kf 則 1 15 763 8 0 16 1527 6 800 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 7 3 3 3 1 強度計算 壽命值 3 7 6ii10nLT 3 8 0主i Dvff 取工件直徑 D 80mm 查表得 15000hi 則 2r min683 14 ni 1052Li 最大動負(fù)載 3 9 HW3ifPQ 查表得 運轉(zhuǎn)系數(shù) 1 2 硬度系數(shù) 1f Hf 則 6N25 8 18 根據(jù)最大動負(fù)荷 Q 的值 可選擇滾珠絲杠的型號 滾珠絲杠參照漢江 機床廠的產(chǎn)品樣本選取 系列 滾珠絲杠直徑選為 型號為BFC 32m 32 6 5 其額定動載荷式 10689N 所以強度夠用 BFC12E 3 3 3 2 效率計算 根據(jù) 機械原理 的公式 絲杠螺母副的傳動效率 為 8 3 10 tan 式中 摩擦角 螺旋升角 10 253 則 0 9 1 t 3 3 3 3 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程的變化量 3 11 EFL 01 式中 6mm 0 6cm0 26N cm2 滾珠絲杠截面積 3 14 80 d 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 8 則 mc105 93 42 80120 665 L61 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 很小 可忽略 即 L 所以 L 1 導(dǎo)程變形總誤差 為 L10 9 8 105 66 查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差 1m 長 為 15 故剛度m 足夠 3 3 3 4 穩(wěn)定性驗算 由于機床原絲杠直徑為 現(xiàn)選用的滾珠絲杠的直徑為 30m32 支承方式不變 所以穩(wěn)定性不存在問題 3 3 4 齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算 3 3 4 1 有關(guān)齒輪的計算 傳動比 1 250 367 Lip0 故取 32 401ZZ m 2mm b 20mm 20 4m2d 82 6ha1a 720 2 3 3 4 2 轉(zhuǎn)動慣量計算 工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 2 22p1 cm0 468kg0 753148W 80 J 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 3 1 LD7 44s 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 9 22cm14 75Nc1 475kg 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 2Z c6 17N 6kg 0 8J 242 3939 電機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略 因此 總的轉(zhuǎn)動慣量 2221Zs cm45 9Nc14 59kg0 468763 7J Ji1J 3 3 4 3 所需轉(zhuǎn)動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩 3 12 0maxMf 最大切削負(fù)載時所需力矩 3 13 tft 快速進(jìn)給時所需力矩 3 14 0f 式中 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩 maxM 折算到電機軸上的摩擦力矩 f 由于絲杠預(yù)緊所引起 折算到電機軸上的附加摩擦力矩 0 切削時折算到電機軸上的加速度力矩 at 折算到電機軸上的切削負(fù)載力矩 mN109 6TJ4n a 當(dāng) 時 maxn aMmx 16 7r in 25Liv0a 0 64194max 當(dāng) 時 tn t 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 10 24 8r min6803 14 5Lf D10vfnii主t N0 259648Mat ii Wf Ff 當(dāng) 0 8 0 16 時 m123 0 583 14260 f LP20i0 M 當(dāng) 0 9 時預(yù)加載荷 則 0 XF31 2508 46 9 71200 ix 0 0462N m 3 120 ixtLM 0 7297N m 所以 快速空載啟動所需力矩 m2 7405N 4621 30ax f 切削時所需力矩 1 0587 296360 MtMtfa 快速進(jìn)給時所需力矩 m6N 0 4 f 由以上分析計算可知 所需最大力矩 發(fā)生在快速啟動時axM2 7405 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 11 3 4 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 3 4 1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 經(jīng)濟型數(shù)控改造的橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計比較簡單 一般是步進(jìn)電機經(jīng)減 速后驅(qū)動滾珠絲杠 使刀架橫向運動 步進(jìn)電機安裝在大拖板上 用法蘭 盤將步進(jìn)電機和機床大拖板連接起來 以保證其同軸度 提高傳動精度 3 4 2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的計算 由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算與縱向類似 所用到的公式不再詳細(xì)說 明 只計算結(jié)果 已知條件 工作臺重 W 300N 時間常數(shù) T 25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程 4mm 左旋0L 行程 S 190mm 脈沖當(dāng)量 0 005mm stepp 步距角 0 75 step 快速進(jìn)給速度 1m minmaxv 3 4 2 1 切削力計算 橫向進(jìn)給量為縱向的 1 2 1 3 取 1 2 則切削力約為縱向的 1 2763 8N152 Fz 在切斷工件時 1 9 0 zy 3 4 2 2 滾珠絲杠設(shè)計計算 1 強度計算 對于燕尾型導(dǎo)軌 3 15 W f FKPzy 取 K 1 4 f 0 2 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 12 則 74 N30 2 7683819P 壽命值 513 051066 iiTnL 最大動負(fù)載 2 N74 23PfQHW3i 根據(jù)最大動負(fù)載 Q 的值 可選擇滾珠絲杠的型號 例如 滾珠絲杠參 照漢江機床廠的產(chǎn)品樣本選取 系列 滾珠絲杠公稱直徑為 BFc1 m30 型號為 左 其額定負(fù)荷 5393N 所以強度夠用 215430EBFc 2 效率計算 螺旋升角 摩擦角 8 10 則傳動效率 0 956 38tan ta 3 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程的變化量 cm105 961 702 63 1447EFL 201 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 很小 可忽略 即 L 所以 導(dǎo)程變形總誤差為1L 14 9 05 964L0 查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差 1m 長 為 故剛度足5m 夠 4 穩(wěn)定性計算 由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同而支承方式由原來的一端 固定 一端懸空 變?yōu)橐欢斯潭?一端徑向支承 所以穩(wěn)定性增強 故不 再驗算 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 13 3 4 2 3 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算 1 有關(guān)齒輪計算 1 第一對齒輪 傳動比 1 67350 3647 Lip0 故取 64ma52d8 4z11 20 84mdb0za2 2 第二對齒輪 傳動比 i 4ma26d za143 20 b 2 轉(zhuǎn)動慣量計算 工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 2 22pI cm0 439N13 14058W 180 J 絲杠轉(zhuǎn)動慣量 24s c9 37 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 24z43 242z1 cm0 37N2 07 8J6 8 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 14 電機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略 因此 總的轉(zhuǎn)動慣量 22Iz1s cm10 78N0 439 826 39 453J Ji1J 2Iz43s2 c195 70 439 7 JJiJ 3 所需轉(zhuǎn)動力矩計算 416 7r min30maxa Livn m0 39N10 259694aax T JM7r in63410 Dvfifin主t 7 259673 at 0 28N5 31400 if WLiFf m 1 9 68 9 1 6200 My 025 34 iyt 所以 快速空載啟動所需轉(zhuǎn)矩 378N 10 287 90famx 切削時所需力矩 m0 42 4 tfat MM 快速進(jìn)給時所需的轉(zhuǎn)矩 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 15 m0 43N 160 2870 Mf 從以上計算可知 最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動時 m0 378Nmax M 3 5 步進(jìn)電機的選擇 3 5 1 步進(jìn)電機選用的基本原則 合理選用步進(jìn)電機是比較復(fù)雜的問題 需要根據(jù)電機在整個系統(tǒng)中的 實際工作情況 經(jīng)過分析后才能正確選擇 現(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機最基本的 原則介紹如下 3 5 1 1 步距角 步距角應(yīng)滿足 3 16 i mn 式中 傳動比 i 系統(tǒng)對步進(jìn)電機所驅(qū)動不見的最小轉(zhuǎn)角 mn 3 5 1 2 精度 步進(jìn)電機的精度可用步距誤差或積累誤差衡量 積累誤差是指轉(zhuǎn)子從 任意位置開始 經(jīng)過任意步后 轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值 用積累誤差衡量精度比較使用 所選用的步進(jìn)電機應(yīng)滿足 Q i Q 3 17 式中 Q 步進(jìn)電機的積累誤差 Q 系統(tǒng)對步進(jìn)電機驅(qū)動部分允許的角度誤差 3 5 1 3 轉(zhuǎn)矩 為了使步進(jìn)電機正常運行 不失步 不越步 正常啟動并滿足對轉(zhuǎn) 速的要求 必須考慮 1 啟動轉(zhuǎn)矩 一般啟動力矩選取為 3 18 5 0 3LqM 式中 電動機啟動力矩 qM 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 16 電動機靜負(fù)載力矩 0LM 根據(jù)步進(jìn)電機的相數(shù)和拍數(shù) 啟動力矩選取如表 3 2 所示 為步j(luò)mM 進(jìn)電機的最大靜轉(zhuǎn)矩 是步進(jìn)電機技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的 如表 3 3 所示 2 在要求的運行頻率范圍內(nèi) 電動機運行力矩應(yīng)大于電動機的靜 載力矩與電動機轉(zhuǎn)動慣量 包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量 引起的慣性矩之和 表 3 2 步進(jìn)電機相數(shù) 拍數(shù) 啟動力矩表 相數(shù) 3 3 4 4 5 5 6 6運行 方式 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12jmgM 0 5 0 866 0 707 0 707 0 809 0 951 0 866 0 866 表 3 3 反應(yīng)式步進(jìn)電機技術(shù)指標(biāo) 主要技術(shù)數(shù)據(jù)型號 步距角 最 大 靜 轉(zhuǎn)矩 N cm 最高空 載啟動 頻率 step s 運行頻率 step s 相 數(shù) 電壓 V 相電 流 A 110BF003 0 75 1 5 800 1500 7000 3 80 6 3 5 1 4 啟動頻率 由于步進(jìn)電機啟動頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低 因此 相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足 3 19 moptf 式中 極限啟動頻率 tf 要求步進(jìn)電機最高啟動頻率 mop 3 5 2 步進(jìn)電機的選擇 3 5 2 1 C616 縱向進(jìn)給電機的確定 cm685 12N0 427 0 LqM 為滿足最小步距要求 電動機選用三相六拍工作方式 查表知 0 866jmgM 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 17 所以 步進(jìn)電機最大靜轉(zhuǎn)矩 為 jmMcm791 4N0 8652 qjm 步進(jìn)電機最高工作頻率 3 Hz axa p vf 綜合考慮 查表選用 110BF003 型直流步進(jìn)電機 能滿足使用要求 3 5 2 2 C616 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機的確定 cm65 82N0 4123 MLq 電動機仍選用三相六拍工作方式 查表知 jmq 所以步進(jìn)電機選擇最大轉(zhuǎn)矩 為 j c76 0182560 qjm 步進(jìn)電機最高工作頻率 3 Hz 5axa p vf 綜合考慮 選用 110BF003 型直流步進(jìn)電機 能滿足使用要求 3 6 本章小結(jié) 本章主要介紹了縱向進(jìn)給系統(tǒng)和橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 滾珠絲杠 的設(shè)計計算步進(jìn)電機的選擇 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 18 第 4 章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 4 1 繪制系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)框圖 任何一個數(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) 其性能的好壞 直接影響整個系統(tǒng)的工作性能 有了硬件 軟件才能 有效的運行 機床的數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由五部分組成 1 處理單元 CPU 2 總線 包括數(shù)據(jù)總線 DB 地址總線 AB 和控制總線 CB 3 存儲器 包括制度可編程存儲器和隨機讀寫存儲器 4 I O 輸入 輸出接口電路 5 外圍設(shè)備 如鍵盤 顯示器及光電輸入機等 其中 CPU 是數(shù)控系 統(tǒng)的核心 作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作 存儲器 用于存放系統(tǒng)軟件 應(yīng)用程序和運行所需要的各種數(shù)據(jù) I O 接口是系統(tǒng) 和外界進(jìn)行信息交換的橋梁 總線則是 CPU 與存儲器 接口以及其他轉(zhuǎn) 換電路聯(lián)接的紐帶 是 CPU 與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路 數(shù)控系統(tǒng)硬件如圖 4 1 存 儲 器RAMOCPUI 接 口 信 息交 換 控 制對 象外 設(shè) 圖 4 1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 由于 MCS 51 系列單片機在我國機床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍 其 配套芯片價廉 普及性 通用性強 制造和維修方便 完全可以滿足我國 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 19 經(jīng)濟型數(shù)控改造的需要 所以選用 MCS 51 系列單片機為控制裝置 4 2 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 MCS 51 系列單片機主要有三種型號的產(chǎn)品 8031 8051 和 8751 三種型號的引腳完全相同 僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異 8031 片內(nèi)無 ROM 適用于需擴展 ROM 可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合 其價格低 使用靈活 非常適合在我國使用 此次設(shè)計使用的是 8031 芯 片 見圖 4 2 4 2 1 8031 單片機的基本特性 1 CPU 為 8 位 2 16 根地址總線 與 I O 線共用 可直接尋址 64KB 64KB 程序存 儲器 64KB 外部數(shù)據(jù)存儲器 3 32 根并行 I O 線 分為 4 個 8 位 I O 口 4 I O 端口和片外存儲器統(tǒng)一編址 I O 尋址靈活 5 2 個 16 位定時 計數(shù)器 6 片內(nèi)有 128B 7 具有一個全雙工串行 I O 8 具有 5 個中斷源 配備兩個中斷優(yōu)先級 9 內(nèi)部有時鐘振蕩器 10 有一個一位布爾處理器 具有很強的布爾處理能力 4 2 2 8031 芯片引腳功能 8031 芯片具有 40 根引腳 功能分四類 3 4 2 2 1 電源線 電源線有 2 根 編程和正常操作時的電源 接 5V cV 接電平 s 4 2 2 2 晶振 晶振 2 根 振蕩器的反向放大器接入 使用外部振蕩器時必須接入 1XTAL 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 20 振蕩器輸入的反向放大器輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入 當(dāng)2XTAL 使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號 4 2 2 3 I O 口 I O 口共有 四個 8 位口 32 根口線 功能如下 3210P 1 口 雙向 8 位三態(tài) I O 口 與地址總線低 8 位分時工作 0 2 口 準(zhǔn)雙向通用 I O 帶上拉電路 在 EPROM 編程期間 用1 輸入低 8 位地址 1P 3 口 準(zhǔn)雙向 I O 帶上拉電路 口可以作為通用的并行 I O 使2 2P 用 又可作為外部存儲器的地址總線 高 8 位 當(dāng) CPU 訪問片外存儲器 時 由 口輸出高 8 位地址碼 4 口 準(zhǔn)雙向雙動功能 I O 口 其使用方法同 口 帶上拉電路 3 1 第一功能 作為通用 I O 口 第二功能 串行輸入口 RXDP 0 3 串行輸出口 T1 外部中斷 0 輸入線 02 3 IN 外部中斷 1 輸入線 1 定時 計數(shù)器 0 外部計數(shù)脈沖輸入線 04 3 P 定時 計數(shù)器 1 外部計數(shù)脈沖輸入線 15 T 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通脈沖輸出線 WR 6 3 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通脈沖輸出線 D7 9823987654211456100P 0RST VPDX INOWTALXVSCEPGP 圖 4 2 MCS 51 雙列直插封裝方式的引腳 3 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 21 4 2 2 4 控制線 1 程序存儲器的使能引腳 是外部程序存儲器的選通信號 PSEN 低電平有效 從外部程序存儲器取數(shù)時 在每個機器周期內(nèi)二次有效 2 內(nèi)部和外部程序存儲器選擇控制端 當(dāng) 腳為高電平時 VA EA CPU 執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令 當(dāng) 腳為低電平時 CPU 僅執(zhí)行外部EA 程序存儲器的指令 因為 8031 芯片沒有內(nèi)部程序存儲器 所以 必須接 地 3 地址所存信號 編程脈沖輸入信號 PROGLE 4 復(fù)位 備用電源端 輸入 低電平有效 DVST 4 3 存儲器擴展電路 4 3 1 8031 與 EPROM 的連接 EPROM 低 8 位地址線 經(jīng)地址鎖存器與 8031 口相連 高 8 位70 A0P 地址線 直接與 8031 的 口相連 由于 8031 的 口是分時輸出低158 A2P 8 位地址和數(shù)據(jù) 故要外接地址鎖存器 74LS373 并由 CPU 發(fā)出的地址 允許鎖存信號 ALE 的下降將地址信息鎖存入地址鎖存器中 如外接存儲 器芯片內(nèi)有地址鎖存器 存儲器的 8 位數(shù)據(jù)線 與 8031 芯片 口直連 單片機規(guī)定指令70 D0P 碼和數(shù)據(jù)都是由 口讀入 數(shù)位對應(yīng)相連即可 0P 8031 芯片的 PSEN 與 EPROM 的 OE 端相連 8031 芯片的 EA 接地 CPU 執(zhí)行外部程序存儲器命令 8031 芯片的 ALE 接主地址鎖存器 74LS373 的 G 引腳 8031 與 EPROM 連接如圖 4 3 4 3 2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 單片機 CPU 與 R 數(shù)據(jù)存儲器的連接方式和程序存儲器連接大致相同 唯控制器線的連接不同 RAM 讀入信號 OE 分別于 8031 芯片的 RD 引腳相連 RAM 的寫輸入信號 WE 于 8031 芯片 引腳相連 7 3P 6 3P 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 22 4 3 3 程序存儲器的擴展 2764 芯片是一種高速 容量為 的 EPROM 存儲器電路讀出時間8 k 為 250ns 2764 為 28 線元件 其中 為 13 位地址線 為 8120 A70 D 位數(shù)據(jù)線 CE 為片選信號線 低電平有效 OE 為數(shù)據(jù)輸出選通信號線 低電平有效 PGM 為編程脈沖輸入線 為主電源線 為編程電源CVPV 線 6264 芯片式 的 RAM 存儲器電路 集成度很高 其中 為8 k 120 A 13 位地址線 輸入地址與內(nèi)部 8K 字節(jié)的單元對應(yīng) 位 8 位數(shù)據(jù)線 70 CE 為片選信號線 OE WE 為讀寫信號線 都是低電平有效 對于容量較大的系統(tǒng) 擴展的外部芯片較多 芯片所需的片選信號利 用地址線時 就需要用全地址譯碼的方法 它將低地址作為片內(nèi)地址 而 用譯碼器對高位地址進(jìn)行譯碼 譯碼器輸出的地址選擇線作片選線 圖 4 3 8031 與 EPROM 連接示意圖 4 4 I O 接口電路及輔助電路設(shè)計 4 4 1 I O 接口電路 1 8031 芯片 8031 芯片共有四個 8 位并行 I O 口 但可供用戶使用的只有 口和部1P 分 口 因此在大部分應(yīng)用分流中都需擴展 I O 芯片 常用的外用接口芯3P 片為 8155 是可編程的 RAM 擴展接口電路 256 個 RAM 系統(tǒng)單元 2 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 23 個 8 位接口 1 個 6 位口 1 個 14 位定時計數(shù)器 2 8155 芯片可直接和 MCS 51 系列單片機連接 不需要任何外加邏 輯電路 通常用 口的高 8 位地址線作為 8155 芯片的片選信號及 IO M 的2P 選擇信號 將 8031 的 與 8155 芯片 IO M 引腳相連 若 是高電平 0 0 2P 則 8155 用來作接口 若 是低電平 則使用 8155 內(nèi)部 256 字節(jié)的 2 RAM 由于 8155 芯片內(nèi)部有地址鎖存器 所以 8031 的 ALE 端可以和 8155 的 ALE 端直連 利用 8031 的 ALE 的信號下降沿鎖存 8031 口送出0 的低 8 位地址信息 若要求 8155A 口 B 口工作在基本狀態(tài) C 口為基本輸入狀態(tài) 不要求 中斷申請 不啟動定時器 則其控制它為 00000011B 03H 初始化程序如下 MOV DPTR 2100H 命令地址寄存器 DPTR MOV A 03 控制字 03H A MOV DPTR A 控制字 命令寄存器 4 4 2 輔助電路設(shè)計 4 4 2 1 光電隔離電路 在步進(jìn)電機驅(qū)動器中 脈沖信號經(jīng)功放后控制步進(jìn)電機勵磁繞組 由 于步進(jìn)電機需要的驅(qū)動電壓較高 電流較大 如果將信號與功率放大器直 接相連 將會引起強電干擾 輕則影響計算機程序的正常工作 重則導(dǎo)致 計算機和接口電路損壞 所以 一般在接口電路與功率放大器之間都要接 上隔離電路 采用的光電耦合電路如圖 4 4 輸 入 輸 出 圖 4 4 光電耦合電路 4 4 2 2 功率放大電路 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 24 功率放大電路分為單電源和雙電源型 單電源型線路簡單 但功率不 高 所以選用雙電源型 在功率放大器導(dǎo)通初始 全導(dǎo)通 并使脈431V 沖變壓器 B 的副邊產(chǎn)生一定寬度的脈沖電流 使 導(dǎo)通 高壓電源 通2HE 過 為步進(jìn)電機某一相繞組供電 使其電流上升沿變陡 同時 出2V1 D 于反向偏置 將低壓 與繞組 切斷 經(jīng)過 時間后脈沖電流消失 使nEALbt 截至 高壓電源與繞組之間被切斷 通過 為繞組 供電 提nED1AL 供所需的額定電流 通過調(diào)整脈沖變壓器的磁芯和 可改變高壓供電的時4R 間寬度 bt 圖 4 5 功率放大電路 由于我國目前步進(jìn)電機的功率放大器已由生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出系列化產(chǎn)品 在設(shè)計數(shù)控機床電路時只需根據(jù)步進(jìn)電機的容量大小進(jìn)行選擇 所以不再 進(jìn)行計算 功率放大電路見圖 4 5 4 4 2 3 8031 時鐘電路 單片機的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生 內(nèi)部方式和外部方式 內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部震蕩電路在 引腳上外接定時元1XTAL2 件如圖 4 6 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 25 圖 4 6 8031 內(nèi)部時鐘方式 4 4 2 4 復(fù)位電路 單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)的 因為上電與按鈕復(fù)位組合 在 上電瞬間 RC 電路充電 RESET 引腳端出現(xiàn)正脈沖 只要 RESET 端保持 10ms 以上高電壓 就能使單片機有效復(fù)位 見圖 4 7 圖 4 7 8031 復(fù)位電路 4 4 2 5 報警電路 為了防治工作臺越界 可分別在極限位安裝限位開關(guān) 這是采用中斷 方式 利用 8031 的外部中斷 只要有任何一個行程開關(guān)閉合 即工0INT 作臺在某一方向上越界 均能產(chǎn)生中斷信號 為了便于觀察 設(shè)置紅0IT 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 26 綠燈指示 正常時為綠燈亮 報警時紅燈亮 兩燈均由一個 I O 口輸出 4 5 繪制微機控制電路原理圖 4 5 1 控制系統(tǒng)的功能 1 Z 向 X 向的進(jìn)給伺服運動功能 2 鍵盤顯示 3 自動回轉(zhuǎn)刀架控制 4 螺紋加工控制 5 面板控制 6 行程控制 7 其他功能 報警電路 復(fù)位電路 隔離電路 功率放大電路 4 5 2 采用軟件環(huán)形分配圖 步進(jìn)電機采用軟件環(huán)形分配器 雖運行速度沒有硬件環(huán)形分配器快 但可以省掉兩個硬環(huán)分配芯片 且電路簡單 4 5 3 自動回轉(zhuǎn)刀架的控制 當(dāng)需要自動回轉(zhuǎn)刀架時 由 8155 1 的 發(fā)出刀位信號 控C30P 制刀架電機回轉(zhuǎn) 到達(dá)制定的刀位 刀架夾緊后發(fā)出換刀回答信號 經(jīng) 8155 1 的 輸入計算機 控制刀架開始進(jìn)給 B5P 4 5 4 螺紋加工控制 當(dāng)加工螺紋時 由與主軸相連的光電脈沖器發(fā)出螺紋信號 分別送入 8031 的 和 8155 1 的 通過設(shè)置不同的時間常數(shù)來加工不同螺距0TB6P 螺紋 零件螺紋信號是防止螺紋亂扣 4 5 5 地址編碼 地址編碼如表 4 1 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 27 表 4 1 控制電路地址編碼 芯片進(jìn)址編碼芯片 接 74LS138 引腳 地址選擇線 片內(nèi)地址 單元 地址編碼 2764 1 Y0 000X XXXX XXXX XXXX 8K 0000H 1FFFH Y1 001X XXXX XXXX XXXX 8K 2000H 3FFFH2764 2 Y2 010X XXXX XXXX XXXX 8K 4000H 5FFFH RAM Y3 0111 1110 XXXX XXXX 256 7E00H 7EFFH8155 1 I O Y3 0111 1111 1111 1XXX 6 7FF8H 7FF0H RAM Y4 1001 1110 XXXX XXXX 256 9E00H 9WFFH8155 2 I O Y4 1001 1111 1111 XXXX 6 9FF8H 9FF0H 4 6 本章小結(jié) 本章主要介紹了 C616 車床數(shù)控改造數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 單片 機控制系統(tǒng)設(shè)計 存儲器擴展電路 I O 接口電路及輔助電路設(shè)計 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 28 結(jié)論 畢業(yè)論文是專科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論和實際相結(jié)合的機會 通過這次比較完整的對 C616 車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設(shè)計 我擺脫了單純 的理論學(xué)習(xí)狀態(tài) 和實際設(shè)計結(jié)合鍛煉了我綜合運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識 解決實際問題的能力 通過本次對伺服進(jìn)給系統(tǒng) 步進(jìn)電機的選擇 單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計 我可以更深刻充分的了解到數(shù)控改造的優(yōu)點與必要性 普通車床數(shù)控改造后擁有了自己的伺服進(jìn)給系統(tǒng) 橫向進(jìn)給 縱向進(jìn) 給更加穩(wěn)定 減少了操作人員素質(zhì)帶來的人為誤差 機床的數(shù)控裝置可以 對機床運動中產(chǎn)生的位移 熱變形等導(dǎo)致的誤差 確定自己的脈沖當(dāng)量 通過測量系統(tǒng)進(jìn)行補償而獲得很高且穩(wěn)定的加工精度 提高了同批零件的 一致性 提高加工精度 對步進(jìn)電機的選擇時 通過計算布距角 精度 轉(zhuǎn)矩等確定正確的步 進(jìn)電機 保證車床的正常工作 軟件方面選用 MCS 51 系列單片機為控制裝置 由于 MCS 51 系列 單片機在我國機床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍 其配套芯片價廉 普及性 通用性強 制造和維修方便 完全可以滿足我國經(jīng)濟型數(shù)控改造的需要 普通車床數(shù)控管改造后極大的提高生產(chǎn)效率及工件的精度與加工的穩(wěn) 定性 更易操作節(jié)省勞動成本 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 29 參考文獻(xiàn) 1 張新義 經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計 機械工業(yè)出版社 1994 338 357 2 董玉紅 數(shù)控技術(shù) 高等教育出版社 2004 156 178 3 張毅剛 MCS 51 單片機原理及應(yīng)用 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 2004 4 顧維邦 金屬切削機床概論 機械工業(yè)出版社 1995 35 92 5 邱宣懷 機械設(shè)計 第四版 高等教育出版社 1997 11 398 6 余英良 機床數(shù)控改造設(shè)計與實例 機械工業(yè)出版社 1994 32 46 7 機床設(shè)計手冊編寫組 機床設(shè)計手冊 第三冊 機械工業(yè)出版社 1986 8 鄭文緯 機械原理 第七版 高等教育出版社 1997 153 228 9 劉躍南 機床計算機數(shù)控及應(yīng)用 機械工業(yè)出版社 1997 76 137 10 李洪 實用機床設(shè)計手冊 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社 1999 11 Guk Chan Han Dong I1 Kim Hyo Gyu Kim Kibeom Nam Byeong Kap Choi and Sung kwun Kim A High Speed Machining Algorithm for CNC Machine Tools Samsung Electronics Co Ltd Suwon City KOREA 1999 pp 1493 1497 12 F J Lin P H Shieh and P H Shen Robust recurrent neural network sliding mode control for the X Y table of a CNC machine IEEE Proc Control Theory Appl vol 153 No 1 January 2006 哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文 30 致謝 本文是在論文指導(dǎo)老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的 老師以其嚴(yán)謹(jǐn) 求實的治學(xué)態(tài)度 高度的敬業(yè)精神 兢兢業(yè)業(yè) 孜孜以求的工作作風(fēng)和大 膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對我產(chǎn)生重要影響 在此次課程設(shè)計過程中我也學(xué)到了 許多有關(guān)設(shè)計方面的知識 對其現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢有了很大的了解 通過這次數(shù)控改造設(shè)計 本人在多方面能力都得到了提高 通過這次 課程設(shè)計 綜合運用了本專業(yè)所學(xué)課程的理論知識和結(jié)合生產(chǎn)實際知識進(jìn) 行一次數(shù)控改造設(shè)計 通過實際設(shè)計從而培養(yǎng)和提高了自己的獨立工作能 力 鞏固與擴充課程所學(xué)的內(nèi)容 掌握改造設(shè)計的方法和步驟 掌握改造 設(shè)計的基本的技能 懂得了從分析所要設(shè)計的零件功能入手 確定改造方 案 提高了計算能力 繪圖能力 熟悉了相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn) 同時對各科相 關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí) 獨立思考的能力也有了提高 并提高了查閱 設(shè)計資料和手冊的能力 熟悉了設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等 在這次設(shè)計過程中 體現(xiàn)出自己單獨設(shè)計改造的能力以及綜合運用知 識的能力 體會了學(xué)以致用 突出自己勞動成果的喜悅心情 從中發(fā)現(xiàn)自 己平時學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié) 從而加以彌補