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畢業(yè)設(shè)計 論文 題目 CA6150 普通車床的數(shù)控技 術(shù)改造 目錄 第一章 緒論 3 數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢 3 第二章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設(shè)計 8 一 總體方案設(shè)計內(nèi)容 8 二 總體方案確定 8 第三章 進給系統(tǒng)設(shè)計計算 10 一 選擇脈沖當量 10 二 計算切削力 10 三 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 11 四 齒輪進給齒輪箱傳動比計算 20 五 步進電機的計算和選型 21 第四章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計 26 一 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計綱要 26 一 硬件電路設(shè)計 26 二 軟件電路設(shè)計 27 二 8031 單片機及其擴展 27 一 8031 單片機的簡介 27 二 8031 單片機的系統(tǒng)擴展 28 三 存儲器擴展 30 四 I O 口的擴展 31 三 步進電機驅(qū)動電路 32 一 脈沖分配器 環(huán)行分配器 32 二 光電隔離電路 33 三 功率放大器 33 四 其他輔助電路 34 四 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計 35 2 一 軟件脈沖分配器 35 二 逐點比較法插補程序 37 三 步進電機升降速軟件設(shè)計 38 第五章 數(shù)控機床零件加工程序 40 第六章 總結(jié)與展望 41 第一章 緒論 數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢 當 今 世 界 數(shù) 控 技 術(shù) 及 裝 備 發(fā) 展 的 趨 勢 及 我 國 數(shù) 控 裝 備 技 術(shù) 發(fā) 展 和 產(chǎn) 業(yè) 化 的 現(xiàn) 狀 在 此 基 礎(chǔ) 上 討 論 了 在 我 國 加 入 WTO 和 對 外 開 放 進 一 步 深 化 的 新 環(huán) 境 下 發(fā) 展 我 國 數(shù) 控 技 術(shù) 及 裝 備 提 高 我 國 制 造 業(yè) 信 息 化 水 平 和 國 際 競 爭 能 力 的 重 要 性 并 從 戰(zhàn) 略 和 策 略 兩 個 層 面 提 出 了 發(fā) 展 我 國 數(shù) 控 技 術(shù) 及 裝 備 的 幾 點 看 法 裝 備 工 業(yè) 的 技 術(shù) 水 平 和 現(xiàn) 代 化 程 度 決 定 著 整 個 國 民 經(jīng) 濟 的 水 平 和 現(xiàn) 代 化 程 度 數(shù) 控 技 術(shù) 及 裝 備 是 發(fā) 展 新 興 高 新 技 術(shù) 產(chǎn) 業(yè) 和 尖 端 工 業(yè) 如 信 息 技 術(shù) 及 其 產(chǎn) 業(yè) 生 物 技 術(shù) 及 其 產(chǎn) 業(yè) 航 空 航 天 等 國 防 工 業(yè) 產(chǎn) 業(yè) 的 使 能 技 術(shù) 和 最 基 本 的 裝 備 馬 克 思 曾 經(jīng) 說 過 各 種 經(jīng) 濟 時 代 的 區(qū) 別 不 在 于 生 產(chǎn) 什 么 而 在 于 怎 樣 生 產(chǎn) 用 什 么 勞 動 資 料 生 產(chǎn) 制 造 技 術(shù) 和 裝 備 就 是 人 類 生 產(chǎn) 活 動 的 最 基 本 的 生 產(chǎn) 資 料 而 數(shù) 控 技 術(shù) 又 是 當 今 先 進 制 造 技 術(shù) 和 裝 備 最 核 心 的 技 術(shù) 當 今 世 界 各 國 制 造 業(yè) 廣 泛 采 用 數(shù) 控 技 術(shù) 以 提 高 制 造 能 力 和 水 平 提 高 對 動 態(tài) 多 變 市 場 的 適 應(yīng) 能 力 和 競 爭 能 力 此 外 世 界 上 各 工 業(yè) 發(fā) 達 國 家 還 將 數(shù) 控 技 術(shù) 及 數(shù) 控 裝 備 列 為 國 家 的 戰(zhàn) 略 物 資 不 僅 采 取 重 大 措 施 來 發(fā) 展 自 己 的 數(shù) 控 技 術(shù) 及 其 產(chǎn) 業(yè) 而 且 在 高 精 尖 數(shù) 控 關(guān) 鍵 技 術(shù) 和 裝 備 方 面 對 我 國 實 行 封 鎖 和 限 制 政 策 總 之 大 力 發(fā) 展 以 數(shù) 控 技 術(shù) 為 核 心 的 先 進 制 造 技 術(shù) 已 成 為 世 界 各 發(fā) 達 國 家 加 速 經(jīng) 濟 發(fā) 展 提 高 綜 合 國 力 和 國 家 地 位 的 重 要 途 徑 數(shù) 控 技 術(shù) 是 用 數(shù) 字 信 息 對 機 械 運 動 和 工 作 過 程 進 行 控 制 的 技 術(shù) 數(shù) 控 裝 備 是 以 數(shù) 控 技 術(shù) 為 代 表 的 新 技 術(shù) 對 傳 統(tǒng) 制 造 產(chǎn) 業(yè) 和 新 興 制 造 業(yè) 的 滲 透 形 成 的 機 電 一 體 化 產(chǎn) 品 即 所 謂 的 數(shù) 字 化 裝 備 其 技 術(shù) 范 圍 覆 蓋 很 多 領(lǐng) 域 1 機 械 制 造 技 術(shù) 2 信 息 處 理 加 工 傳 輸 技 術(shù) 3 自 動 控 制 技 術(shù) 4 伺 服 驅(qū) 動 技 術(shù) 5 傳 感 器 技 術(shù) 6 軟 件 技 術(shù) 等 1 數(shù) 控 技 術(shù) 的 發(fā) 展 趨 勢 數(shù) 控 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 不 但 給 傳 統(tǒng) 制 造 業(yè) 帶 來 了 革 命 性 的 變 化 使 制 造 業(yè) 成 為 工 業(yè) 化 的 象 征 而 且 隨 著 數(shù) 控 技 術(shù) 的 不 斷 發(fā) 展 和 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 的 擴 大 他 對 國 計 民 生 的 一 些 重 要 行 業(yè) 3 IT 汽 車 輕 工 意 料 等 的 發(fā) 展 起 著 越 來 越 重 要 的 作 用 因 為 這 些 行 業(yè) 所 需 裝 備 的 數(shù) 字 化 已 是 現(xiàn) 代 發(fā) 展 的 大 趨 勢 從 目 前 世 界 上 數(shù) 控 技 術(shù) 及 其 裝 備 發(fā) 展 的 趨 勢 來 看 其 主 要 研 究 熱 點 有 以 下 幾 個 方 面 1 4 1 1 高 速 高 精 加 工 技 術(shù) 及 裝 備 的 新 趨 勢 效 率 質(zhì) 量 是 先 進 制 造 技 術(shù) 的 主 體 高 速 高 精 加 工 技 術(shù) 可 極 大 地 提 高 效 率 提 高 產(chǎn) 品 的 質(zhì) 量 和 檔 次 縮 短 生 產(chǎn) 周 期 和 提 高 市 場 競 爭 能 力 為 此 日 本 先 端 技 術(shù) 研 究 會 將 其 列 為 5 大 現(xiàn) 代 制 造 技 術(shù) 之 一 國 際 生 產(chǎn) 工 程 學(xué) 會 CIRP 將 其 確 定 為 21 世 紀 的 中 心 研 究 方 向 之 一 在 轎 車 工 業(yè) 領(lǐng) 域 年 產(chǎn) 30 萬 輛 的 生 產(chǎn) 節(jié) 拍 是 40 秒 輛 而 且 多 品 種 加 工 是 轎 車 裝 備 必 須 解 決 的 重 點 問 題 之 一 在 航 空 和 宇 航 工 業(yè) 領(lǐng) 域 其 加 工 的 零 部 件 多 為 薄 壁 和 薄 筋 剛 度 很 差 材 料 為 鋁 或 鋁 合 金 只 有 在 高 切 削 速 度 和 切 削 力 很 小 的 情 況 下 才 能 對 這 些 筋 壁 進 行 加 工 近 來 采 用 大 型 整 體 鋁 合 金 坯 料 掏 空 的 方 法 來 制 造 機 翼 機 身 等 大 型 零 件 來 替 代 多 個 零 件 通 過 眾 多 的 鉚 釘 螺 釘 和 其 他 聯(lián) 結(jié) 方 式 拼 裝 使 構(gòu) 件 的 強 度 剛 度 和 可 靠 性 得 到 提 高 這 些 都 對 加 工 裝 備 提 出 了 高 速 高 精 和 高 柔 性 的 要 求 從 EMO2001 展 會 情 況 來 看 高 速 加 工 中 心 進 給 速 度 可 達 80m min 甚 至 更 高 空 運 行 速 度 可 達 100m min 左 右 目 前 世 界 上 許 多 汽 車 廠 包 括 我 國 的 上 海 通 用 汽 車 公 司 已 經(jīng) 采 用 以 高 速 加 工 中 心 組 成 的 生 產(chǎn) 線 部 分 替 代 組 合 機 床 美 國 CINCINNATI 公 司 的 HyperMach 機 床 進 給 速 度 最 大 達 60m min 快 速 為 100m min 加 速 度 達 2g 主 軸 轉(zhuǎn) 速 已 達 60 000r min 加 工 一 薄 壁 飛 機 零 件 只 用 30min 而 同 樣 的 零 件 在 一 般 高 速 銑 床 加 工 需 3h 在 普 通 銑 床 加 工 需 8h 德 國 DMG 公 司 的 雙 主 軸 車 床 的 主 軸 速 度 及 加 速 度 分 別 達 12 000r mm 和 1g 在 加 工 精 度 方 面 近 10 年 來 普 通 級 數(shù) 控 機 床 的 加 工 精 度 已 由 10 m 提 高 到 5 m 精 密 級 加 工 中 心 則 從 3 5 m 提 高 到 1 1 5 m 并 且 超 精 密 加 工 精 度 已 開 始 進 入 納 米 級 0 01 m 在 可 靠 性 方 面 國 外 數(shù) 控 裝 置 的 MTBF 值 已 達 6 000h 以 上 伺 服 系 統(tǒng) 的 MTBF 值 達 到 30000h 以 上 表 現(xiàn) 出 非 常 高 的 可 靠 性 為 了 實 現(xiàn) 高 速 高 精 加 工 與 之 配 套 的 功 能 部 件 如 電 主 軸 直 線 電 機 得 到 了 快 速 的 發(fā) 展 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 進 一 步 擴 大 1 2 5 軸 聯(lián) 動 加 工 和 復(fù) 合 加 工 機 床 快 速 發(fā) 展 采 用 5 軸 聯(lián) 動 對 三 維 曲 面 零 件 的 加 工 可 用 刀 具 最 佳 幾 何 形 狀 進 行 切 削 不 僅 光 潔 度 高 而 且 效 率 也 大 幅 度 提 高 一 般 認 為 1 臺 5 軸 聯(lián) 動 機 床 的 效 率 可 以 等 于 2 臺 3 軸 聯(lián) 動 機 床 特 別 是 使 用 立 方 氮 化 硼 等 超 硬 材 料 銑 刀 進 行 高 速 銑 削 淬 硬 鋼 零 件 時 5 軸 聯(lián) 動 加 工 可 比 3 軸 聯(lián) 動 加 工 發(fā) 揮 更 高 的 效 益 但 過 去 因 5 軸 聯(lián) 動 數(shù) 控 系 統(tǒng) 主 機 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 等 原 因 其 價 格 要 比 3 軸 聯(lián) 動 數(shù) 控 機 床 高 出 數(shù) 倍 加 之 編 程 技 術(shù) 難 度 較 大 制 約 了 5 軸 聯(lián) 動 機 床 的 發(fā) 展 當 前 由 于 電 主 軸 的 出 現(xiàn) 使 得 實 現(xiàn) 5 軸 聯(lián) 動 加 工 的 復(fù) 合 主 軸 頭 結(jié) 構(gòu) 大 為 簡 化 其 制 造 難 度 和 成 本 大 幅 度 降 低 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 價 格 差 距 縮 小 因 此 促 進 了 復(fù) 合 主 軸 頭 類 型 5 軸 聯(lián) 動 機 床 和 復(fù) 合 加 工 機 床 含 5 面 加 工 機 床 的 發(fā) 展 在 EMO2001 展 會 上 新 日 本 工 機 的 5 面 加 工 機 床 采 用 復(fù) 合 主 軸 頭 可 實 現(xiàn) 4 個 垂 直 平 面 的 加 工 和 任 意 角 度 的 加 工 使 得 5 面 加 工 和 5 軸 加 工 可 在 同 一 臺 機 床 上 4 實 現(xiàn) 還 可 實 現(xiàn) 傾 斜 面 和 倒 錐 孔 的 加 工 德 國 DMG 公 司 展 出 DMUVoution 系 列 加 工 中 心 可 在 一 次 裝 夾 下 5 面 加 工 和 5 軸 聯(lián) 動 加 工 可 由 CNC 系 統(tǒng) 控 制 或 CAD CAM 直 接 或 間 接 控 制 1 3 智 能 化 開 放 式 網(wǎng) 絡(luò) 化 成 為 當 代 數(shù) 控 系 統(tǒng) 發(fā) 展 的 主 要 趨 勢 21 世 紀 的 數(shù) 控 裝 備 將 是 具 有 一 定 智 能 化 的 系 統(tǒng) 智 能 化 的 內(nèi) 容 包 括 在 數(shù) 控 系 統(tǒng) 中 的 各 個 方 面 為 追 求 加 工 效 率 和 加 工 質(zhì) 量 方 面 的 智 能 化 如 加 工 過 程 的 自 適 應(yīng) 控 制 工 藝 參 數(shù) 自 動 生 成 為 提 高 驅(qū) 動 性 能 及 使 用 連 接 方 便 的 智 能 化 如 前 饋 控 制 電 機 參 數(shù) 的 自 適 應(yīng) 運 算 自 動 識 別 負 載 自 動 選 定 模 型 自 整 定 等 簡 化 編 程 簡 化 操 作 方 面 的 智 能 化 如 智 能 化 的 自 動 編 程 智 能 化 的 人 機 界 面 等 還 有 智 能 診 斷 智 能 監(jiān) 控 方 面 的 內(nèi) 容 方 便 系 統(tǒng) 的 診 斷 及 維 修 等 為 解 決 傳 統(tǒng) 的 數(shù) 控 系 統(tǒng) 封 閉 性 和 數(shù) 控 應(yīng) 用 軟 件 的 產(chǎn) 業(yè) 化 生 產(chǎn) 存 在 的 問 題 目 前 許 多 國 家 對 開 放 式 數(shù) 控 系 統(tǒng) 進 行 研 究 如 美 國 的 NGC The Next Generation Work Station Machine Control 歐 共 體 的 OSACA Open System Architecture for Control within Automation Systems 日 本 的 OSEC Open System Environment for Controller 中 國 的 ONC Open Numerical Control System 等 數(shù) 控 系 統(tǒng) 開 放 化 已 經(jīng) 成 為 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 未 來 之 路 所 謂 開 放 式 數(shù) 控 系 統(tǒng) 就 是 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 開 發(fā) 可 以 在 統(tǒng) 一 的 運 行 平 臺 上 面 向 機 床 廠 家 和 最 終 用 戶 通 過 改 變 增 加 或 剪 裁 結(jié) 構(gòu) 對 象 數(shù) 控 功 能 形 成 系 列 化 并 可 方 便 地 將 用 戶 的 特 殊 應(yīng) 用 和 技 術(shù) 訣 竅 集 成 到 控 制 系 統(tǒng) 中 快 速 實 現(xiàn) 不 同 品 種 不 同 檔 次 的 開 放 式 數(shù) 控 系 統(tǒng) 形 成 具 有 鮮 明 個 性 的 名 牌 產(chǎn) 品 目 前 開 放 式 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 體 系 結(jié) 構(gòu) 規(guī) 范 通 信 規(guī) 范 配 置 規(guī) 范 運 行 平 臺 數(shù) 控 系 統(tǒng) 功 能 庫 以 及 數(shù) 控 系 統(tǒng) 功 能 軟 件 開 發(fā) 工 具 等 是 當 前 研 究 的 核 心 網(wǎng) 絡(luò) 化 數(shù) 控 裝 備 是 近 兩 年 國 際 著 名 機 床 博 覽 會 的 一 個 新 亮 點 數(shù) 控 裝 備 的 網(wǎng) 絡(luò) 化 將 極 大 地 滿 足 生 產(chǎn) 線 制 造 系 統(tǒng) 制 造 企 業(yè) 對 信 息 集 成 的 需 求 也 是 實 現(xiàn) 新 的 制 造 模 式 如 敏 捷 制 造 虛 擬 企 業(yè) 全 球 制 造 的 基 礎(chǔ) 單 元 國 內(nèi) 外 一 些 著 名 數(shù) 控 機 床 和 數(shù) 控 系 統(tǒng) 制 造 公 司 都 在 近 兩 年 推 出 了 相 關(guān) 的 新 概 念 和 樣 機 如 在 EMO2001 展 中 日 本 山 崎 馬 扎 克 Mazak 公 司 展 出 的 CyberProduction Center 智 能 生 產(chǎn) 控 制 中 心 簡 稱 CPC 日 本 大 隈 Okuma 機 床 公 司 展 出 IT plaza 信 息 技 術(shù) 廣 場 簡 稱 IT 廣 場 德 國 西 門 子 Siemens 公 司 展 出 的 Open Manufacturing Environment 開 放 制 造 環(huán) 境 簡 稱 OME 等 反 映 了 數(shù) 控 機 床 加 工 向 網(wǎng) 絡(luò) 化 方 向 發(fā) 展 的 趨 勢 1 4 重 視 新 技 術(shù) 標 準 規(guī) 范 的 建 立 1 4 1 關(guān) 于 數(shù) 控 系 統(tǒng) 設(shè) 計 開 發(fā) 規(guī) 范 如 前 所 述 開 放 式 數(shù) 控 系 統(tǒng) 有 更 好 的 通 用 性 柔 性 適 應(yīng) 性 擴 展 性 美 國 歐 共 體 和 日 本 等 國 紛 紛 實 施 戰(zhàn) 略 發(fā) 展 計 劃 并 進 行 開 放 式 體 系 結(jié) 構(gòu) 數(shù) 控 系 統(tǒng) 規(guī) 范 OMAC OSACA OSEC 的 研 究 和 制 定 世 界 3 個 最 大 的 經(jīng) 濟 體 在 短 期 內(nèi) 進 行 了 幾 乎 相 同 的 科 學(xué) 計 劃 和 規(guī) 范 的 制 定 預(yù) 示 了 數(shù) 控 技 術(shù) 的 一 個 新 的 變 革 時 期 的 來 臨 我 國 在 2000 年 也 開 始 進 行 中 國 的 ONC 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 規(guī) 范 框 架 的 研 究 和 制 定 1 4 2 關(guān) 于 數(shù) 控 標 準 數(shù) 控 標 準 是 制 造 業(yè) 信 息 化 發(fā) 展 的 一 種 趨 勢 數(shù) 控 技 術(shù) 誕 生 后 的 50 年 間 的 信 息 5 交 換 都 是 基 于 ISO6983 標 準 即 采 用 G M 代 碼 描 述 如 何 how 加 工 其 本 質(zhì) 特 征 是 面 向 加 工 過 程 顯 然 他 已 越 來 越 不 能 滿 足 現(xiàn) 代 數(shù) 控 技 術(shù) 高 速 發(fā) 展 的 需 要 為 此 國 際 上 正 在 研 究 和 制 定 一 種 新 的 CNC 系 統(tǒng) 標 準 ISO14649 STEP NC 其 目 的 是 提 供 一 種 不 依 賴 于 具 體 系 統(tǒng) 的 中 性 機 制 能 夠 描 述 產(chǎn) 品 整 個 生 命 周 期 內(nèi) 的 統(tǒng) 一 數(shù) 據(jù) 模 型 從 而 實 現(xiàn) 整 個 制 造 過 程 乃 至 各 個 工 業(yè) 領(lǐng) 域 產(chǎn) 品 信 息 的 標 準 化 STEP NC 的 出 現(xiàn) 可 能 是 數(shù) 控 技 術(shù) 領(lǐng) 域 的 一 次 革 命 對 于 數(shù) 控 技 術(shù) 的 發(fā) 展 乃 至 整 個 制 造 業(yè) 將 產(chǎn) 生 深 遠 的 影 響 首 先 STEP NC 提 出 一 種 嶄 新 的 制 造 理 念 傳 統(tǒng) 的 制 造 理 念 中 NC 加 工 程 序 都 集 中 在 單 個 計 算 機 上 而 在 新 標 準 下 NC 程 序 可 以 分 散 在 互 聯(lián) 網(wǎng) 上 這 正 是 數(shù) 控 技 術(shù) 開 放 式 網(wǎng) 絡(luò) 化 發(fā) 展 的 方 向 其 次 STEP NC 數(shù) 控 系 統(tǒng) 還 可 大 大 減 少 加 工 圖 紙 約 75 加 工 程 序 編 制 時 間 約 35 和 加 工 時 間 約 50 目 前 歐 美 國 家 非 常 重 視 STEP NC 的 研 究 歐 洲 發(fā) 起 了 STEP NC 的 IMS 計 劃 1999 1 1 2001 12 31 參 加 這 項 計 劃 的 有 來 自 歐 洲 和 日 本 的 20 個 CAD CAM CAPP CNC 用 戶 廠 商 和 學(xué) 術(shù) 機 構(gòu) 美 國 的 STEP Tools 公 司 是 全 球 范 圍 內(nèi) 制 造 業(yè) 數(shù) 據(jù) 交 換 軟 件 的 開 發(fā) 者 他 已 經(jīng) 開 發(fā) 了 用 作 數(shù) 控 機 床 加 工 信 息 交 換 的 超 級 模 型 Super Model 其 目 標 是 用 統(tǒng) 一 的 規(guī) 范 描 述 所 有 加 工 過 程 目 前 這 種 新 的 數(shù) 據(jù) 交 換 格 式 已 經(jīng) 在 配 備 了 SIEMENS FIDIA 以 及 歐 洲 OSACA NC 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 原 型 樣 機 上 進 行 了 驗 證 2 對 我 國 數(shù) 控 技 術(shù) 及 其 產(chǎn) 業(yè) 發(fā) 展 的 基 本 估 計 我 國 數(shù) 控 技 術(shù) 起 步 于 1958 年 近 50 年 的 發(fā) 展 歷 程 大 致 可 分 為 3 個 階 段 第 一 階 段 從 1958 年 到 1979 年 即 封 閉 式 發(fā) 展 階 段 在 此 階 段 由 于 國 外 的 技 術(shù) 封 鎖 和 我 國 的 基 礎(chǔ) 條 件 的 限 制 數(shù) 控 技 術(shù) 的 發(fā) 展 較 為 緩 慢 第 二 階 段 是 在 國 家 的 六 五 七 五 期 間 以 及 八 五 的 前 期 即 引 進 技 術(shù) 消 化 吸 收 初 步 建 立 起 國 產(chǎn) 化 體 系 階 段 在 此 階 段 由 于 改 革 開 放 和 國 家 的 重 視 以 及 研 究 開 發(fā) 環(huán) 境 和 國 際 環(huán) 境 的 改 善 我 國 數(shù) 控 技 術(shù) 的 研 究 開 發(fā) 以 及 在 產(chǎn) 品 的 國 產(chǎn) 化 方 面 都 取 得 了 長 足 的 進 步 第 三 階 段 是 在 國 家 的 八 五 的 后 期 和 九 五 期 間 即 實 施 產(chǎn) 業(yè) 化 的 研 究 進 入 市 場 競 爭 階 段 在 此 階 段 我 國 國 產(chǎn) 數(shù) 控 裝 備 的 產(chǎn) 業(yè) 化 取 得 了 實 質(zhì) 性 進 步 在 九 五 末 期 國 產(chǎn) 數(shù) 控 機 床 的 國 內(nèi) 市 場 占 有 率 達 50 配 國 產(chǎn) 數(shù) 控 系 統(tǒng) 普 及 型 也 達 到 了 10 縱 觀 我 國 數(shù) 控 技 術(shù) 近 50 年 的 發(fā) 展 歷 程 特 別 是 經(jīng) 過 4 個 5 年 計 劃 的 攻 關(guān) 總 體 來 看 取 得 了 以 下 成 績 a 奠 定 了 數(shù) 控 技 術(shù) 發(fā) 展 的 基 礎(chǔ) 基 本 掌 握 了 現(xiàn) 代 數(shù) 控 技 術(shù) 我 國 現(xiàn) 在 已 基 本 掌 握 了 從 數(shù) 控 系 統(tǒng) 伺 服 驅(qū) 動 數(shù) 控 主 機 專 機 及 其 配 套 件 的 基 礎(chǔ) 技 術(shù) 其 中 大 部 分 技 術(shù) 已 具 備 進 行 商 品 化 開 發(fā) 的 基 礎(chǔ) 部 分 技 術(shù) 已 商 品 化 產(chǎn) 業(yè) 化 b 初 步 形 成 了 數(shù) 控 產(chǎn) 業(yè) 基 地 在 攻 關(guān) 成 果 和 部 分 技 術(shù) 商 品 化 的 基 礎(chǔ) 上 建 立 了 諸 如 華 中 數(shù) 控 航 天 數(shù) 控 等 具 有 批 量 生 產(chǎn) 能 力 的 數(shù) 控 系 統(tǒng) 生 產(chǎn) 廠 蘭 州 電 機 廠 華 中 數(shù) 控 等 一 批 伺 服 系 統(tǒng) 和 伺 服 電 機 生 產(chǎn) 廠 以 及 北 京 第 一 機 床 廠 濟 南 第 一 機 床 廠 等 若 干 數(shù) 控 主 機 生 產(chǎn) 廠 這 些 生 產(chǎn) 廠 基 本 形 成 了 我 國 的 數(shù) 控 產(chǎn) 業(yè) 基 地 c 建 立 了 一 支 數(shù) 控 研 究 開 發(fā) 管 理 人 才 的 基 本 隊 伍 雖 然 在 數(shù) 控 技 術(shù) 的 研 究 開 發(fā) 以 及 產(chǎn) 業(yè) 化 方 面 取 得 了 長 足 的 進 步 但 我 們 也 要 清 醒 地 認 識 到 我 國 高 端 數(shù) 控 技 術(shù) 的 研 究 開 發(fā) 尤 其 是 在 產(chǎn) 業(yè) 化 方 面 的 技 術(shù) 水 平 現(xiàn) 狀 與 我 國 的 現(xiàn) 實 需 求 還 有 較 大 的 差 距 雖 然 從 縱 向 看 我 國 的 發(fā) 展 速 度 很 快 但 橫 向 比 與 國 外 對 比 不 僅 技 術(shù) 水 平 有 差 距 在 某 些 方 面 發(fā) 展 速 度 也 有 差 距 即 一 些 高 精 尖 的 數(shù) 控 裝 備 6 的 技 術(shù) 水 平 差 距 有 擴 大 趨 勢 從 國 際 上 來 看 對 我 國 數(shù) 控 技 術(shù) 水 平 和 產(chǎn) 業(yè) 化 水 平 估 計 大 致 如 下 a 技 術(shù) 水 平 上 與 國 外 先 進 水 平 大 約 落 后 10 15 年 在 高 精 尖 技 術(shù) 方 面 則 更 大 b 產(chǎn) 業(yè) 化 水 平 上 市 場 占 有 率 低 品 種 覆 蓋 率 小 還 沒 有 形 成 規(guī) 模 生 產(chǎn) 功 能 部 件 專 業(yè) 化 生 產(chǎn) 水 平 及 成 套 能 力 較 低 外 觀 質(zhì) 量 相 對 差 可 靠 性 不 高 商 品 化 程 度 不 足 國 產(chǎn) 數(shù) 控 系 統(tǒng) 尚 未 建 立 自 己 的 品 牌 效 應(yīng) 用 戶 信 心 不 足 c 可 持 續(xù) 發(fā) 展 的 能 力 上 對 競 爭 前 數(shù) 控 技 術(shù) 的 研 究 開 發(fā) 工 程 化 能 力 較 弱 數(shù) 控 技 術(shù) 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 拓 展 力 度 不 強 相 關(guān) 標 準 規(guī) 范 的 研 究 制 定 滯 后 分 析 存 在 上 述 差 距 的 主 要 原 因 有 以 下 幾 個 方 面 a 認 識 方 面 對 國 產(chǎn) 數(shù) 控 產(chǎn) 業(yè) 進 程 艱 巨 性 復(fù) 雜 性 和 長 期 性 的 特 點 認 識 不 足 對 市 場 的 不 規(guī) 范 國 外 的 封 鎖 加 扼 殺 體 制 等 困 難 估 計 不 足 對 我 國 數(shù) 控 技 術(shù) 應(yīng) 用 水 平 及 能 力 分 析 不 夠 b 體 系 方 面 從 技 術(shù) 的 角 度 關(guān) 注 數(shù) 控 產(chǎn) 業(yè) 化 問 題 的 時 候 多 從 系 統(tǒng) 的 產(chǎn) 業(yè) 鏈 的 角 度 綜 合 考 慮 數(shù) 控 產(chǎn) 業(yè) 化 問 題 的 時 候 少 沒 有 建 立 完 整 的 高 質(zhì) 量 的 配 套 體 系 完 善 的 培 訓(xùn) 服 務(wù) 網(wǎng) 絡(luò) 等 支 撐 體 系 c 機 制 方 面 不 良 機 制 造 成 人 才 流 失 又 制 約 了 技 術(shù) 及 技 術(shù) 路 線 創(chuàng) 新 產(chǎn) 品 創(chuàng) 新 且 制 約 了 規(guī) 劃 的 有 效 實 施 往 往 規(guī) 劃 理 想 實 施 困 難 d 技 術(shù) 方 面 企 業(yè) 在 技 術(shù) 方 面 自 主 創(chuàng) 新 能 力 不 強 核 心 技 術(shù) 的 工 程 化 能 力 不 強 機 床 標 準 落 后 水 平 較 低 數(shù) 控 系 統(tǒng) 新 標 準 研 究 不 夠 3 對 我 國 數(shù) 控 技 術(shù) 和 產(chǎn) 業(yè) 化 發(fā) 展 的 戰(zhàn) 略 思 考 3 1 戰(zhàn) 略 考 慮 我 國 是 制 造 大 國 在 世 界 產(chǎn) 業(yè) 轉(zhuǎn) 移 中 要 盡 量 接 受 前 端 而 不 是 后 端 的 轉(zhuǎn) 移 即 要 掌 握 先 進 制 造 核 心 技 術(shù) 否 則 在 新 一 輪 國 際 產(chǎn) 業(yè) 結(jié) 構(gòu) 調(diào) 整 中 我 國 制 造 業(yè) 將 進 一 步 空 芯 我 們 以 資 源 環(huán) 境 市 場 為 代 價 交 換 得 到 的 可 能 僅 僅 是 世 界 新 經(jīng) 濟 格 局 中 的 國 際 加 工 中 心 和 組 裝 中 心 而 非 掌 握 核 心 技 術(shù) 的 制 造 中 心 的 地 位 這 樣 將 會 嚴 重 影 響 我 國 現(xiàn) 代 制 造 業(yè) 的 發(fā) 展 進 程 我 們 應(yīng) 站 在 國 家 安 全 戰(zhàn) 略 的 高 度 來 重 視 數(shù) 控 技 術(shù) 和 產(chǎn) 業(yè) 問 題 首 先 從 社 會 安 全 看 因 為 制 造 業(yè) 是 我 國 就 業(yè) 人 口 最 多 的 行 業(yè) 制 造 業(yè) 發(fā) 展 不 僅 可 提 高 人 民 的 生 活 水 平 而 且 還 可 緩 解 我 國 就 業(yè) 的 壓 力 保 障 社 會 的 穩(wěn) 定 其 次 從 國 防 安 全 看 西 方 發(fā) 達 國 家 把 高 精 尖 數(shù) 控 產(chǎn) 品 都 列 為 國 家 的 戰(zhàn) 略 物 質(zhì) 對 我 國 實 現(xiàn) 禁 運 和 限 制 東 芝 事 件 和 考 克 斯 報 告 就 是 最 好 的 例 證 3 2 發(fā) 展 策 略 從 我 國 基 本 國 情 的 角 度 出 發(fā) 以 國 家 的 戰(zhàn) 略 需 求 和 國 民 經(jīng) 濟 的 市 場 需 求 為 導(dǎo) 向 以 提 高 我 國 制 造 裝 備 業(yè) 綜 合 競 爭 能 力 和 產(chǎn) 業(yè) 化 水 平 為 目 標 用 系 統(tǒng) 的 方 法 選 擇 能 夠 主 導(dǎo) 21 世 紀 初 期 我 國 制 造 裝 備 業(yè) 發(fā) 展 升 級 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) 以 及 支 持 產(chǎn) 業(yè) 化 發(fā) 展 的 支 撐 技 術(shù) 配 套 技 術(shù) 作 為 研 究 開 發(fā) 的 內(nèi) 容 實 現(xiàn) 制 造 裝 備 業(yè) 的 跨 躍 式 發(fā) 展 強 調(diào) 市 場 需 求 為 導(dǎo) 向 即 以 數(shù) 控 終 端 產(chǎn) 品 為 主 以 整 機 如 量 大 面 廣 的 數(shù) 控 車 床 銑 床 高 速 高 精 高 性 能 數(shù) 控 機 床 典 型 數(shù) 字 化 機 械 重 點 行 業(yè) 關(guān) 鍵 設(shè) 備 等 帶 動 數(shù) 控 產(chǎn) 業(yè) 的 發(fā) 展 重 點 解 決 數(shù) 控 系 統(tǒng) 和 相 關(guān) 功 能 部 件 數(shù) 字 化 伺 服 系 統(tǒng) 與 電 機 高 速 電 主 7 軸 系 統(tǒng) 和 新 型 裝 備 的 附 件 等 的 可 靠 性 和 生 產(chǎn) 規(guī) 模 問 題 沒 有 規(guī) 模 就 不 會 有 高 可 靠 性 的 產(chǎn) 品 沒 有 規(guī) 模 就 不 會 有 價 格 低 廉 而 富 有 競 爭 力 的 產(chǎn) 品 第二章 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設(shè)計 一 總體方案設(shè)計內(nèi)容 接到一個數(shù)控裝置的設(shè)計任務(wù)以后 必須首先擬定總體方案 繪制系統(tǒng)總體框圖 才能決定各種設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu) 然后再分別對機械部分和電氣部分進行設(shè)計 機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容 系統(tǒng)運動方式的確定 伺服系統(tǒng)的 選擇 執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定 計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容 一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出數(shù)個總體方案 進行綜合分析 比較和論證 最 后確定一個可行的總體方案 一 系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng) 點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng) 二 控制方式的選擇 系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng) 半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng) 經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)中 沒有檢測反饋裝置 數(shù)控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的 也正是由于信號的單向流程 它對機床移動部 件的實際位置不做檢測 所以機床加工精度要求不太高 其精度主要取決于伺服系統(tǒng) 的性能 開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動 這類機床工作比較穩(wěn)定 反應(yīng)迅速 調(diào) 試和維修都比較簡單 二 總體方案確定 1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控機床應(yīng)具備定位 直線插補 順 逆圓弧插補 暫停 循環(huán)加工 公英制螺紋加工等功能 故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng) 考慮達到屬于經(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 采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng) 2 數(shù)控系統(tǒng) 根據(jù)機床要求 采用 8 位微機 由于 MCS 51 系列單片機具有集成度高 可靠性 8 好 功能強 速度快 抗干擾性強 具有很高的性能價格比等特點 決定采用 MCS 51 系列的 8031 單片機擴展系統(tǒng) 控制系統(tǒng)由微機部分 鍵盤及顯示器 I O 接口及光電隔離電路 步進電機功率 放大電路等組成 系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn) 顯示器采用數(shù)碼管 顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息 3 機械傳動方式 為實現(xiàn)機床所要求的分辨率 采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿 為保證一定 的傳動精度和平穩(wěn)性 盡量減少摩擦力 選用滾珠絲桿螺母副 同時 為提高傳動剛 度和消除間隙 采用預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu) 齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)總體方案框圖如下 圖 1 系統(tǒng)總體方案框圖 9 第三章 進給系統(tǒng)設(shè)計計算 一 選擇脈沖當量 脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù) 經(jīng)濟型數(shù)控車床 銑床常采 用的脈沖當量是 0 01 0 005mm step 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量 縱向 0 01mm step 橫向 0 005mm step 半徑 二 計算切削力 用車床經(jīng)驗公式 F D 來計算主切削力z67 05 1max 式中 D 指車床身上最大加工直徑 mm 橫切端面時主切削力 可取縱切時max zF F 的 1 2 z 求出主切削里 F 以后再按以下比例分別求出分力 F 和 F z zy F F F 1 0 25 0 5zxy 式中 F 指走刀方向的切削力 N x F 指垂直走刀方向的切削力 N y 下圖為縱切和橫切時切削力的示意圖 10 圖 2 縱切和橫切時切削力的示意圖 1 縱車外圓 主切削力 F N 按經(jīng)驗公式估計算 z F D N z67 05 1max 751 4905 1 按切削力各分力比例 F F F 1 0 25 0 4zxy F N 1872 5 07 491 F N y 963 2 橫切端面 主切削力 N 可取縱切的 1 2 z N F3745 21 1s N x 96 3400 N y 85 三 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 一 縱向進給絲杠 1 計算進給軸向力 F N m 11 縱向進給這里為三角形導(dǎo)軌 F m GFfkzx 式中 K 指顛覆力矩影響的實驗系數(shù) 綜合導(dǎo)軌取 K 1 15 指滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取 0 15 0 18 之間的值 f G 指流板及刀架重力 G 1100N 則 F N m 3614 052 81 7490 0 18725 2 計算最大動負載 Q 考慮滾珠絲杠在運轉(zhuǎn)過程中沖擊擾動對壽命的影響 則最大動負載 Q 的計算公式為 Q mwFfL3 L 610Tn n 0vs 式中 指滾珠絲杠導(dǎo)程 初選 8 0L0L n 指絲杠轉(zhuǎn)速 r min 指最大切削力條件下的進給速度 m min 可取最高進給速度的sv 1 2 1 3 此處取 0 3 svm 指使用壽命時間 h 對于數(shù)控機床取 T 15000h T L 指壽命 以 10 轉(zhuǎn)為一單位 6 指運動系數(shù) 見表 1 選 1 3 wf wf 表 1 運轉(zhuǎn)系數(shù) 運轉(zhuǎn)狀態(tài) 運轉(zhuǎn)系數(shù) 無沖擊運轉(zhuǎn) 1 0 1 2 一般運轉(zhuǎn) 1 2 1 5 有沖擊運轉(zhuǎn) 1 5 2 5 則 n r min 37 485 0610 Lvs L 6 10 1066 T Q N 1583 7434 7 33 mwFf 12 3 滾珠絲杠螺母副的選型 從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應(yīng)的動負載 C 的滾珠絲杠副的 尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型 選用時應(yīng)滿足 Q C 的條件 查表 可采用 W L5008 外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副 2 5 圈 1 列 其額定動1 負載為 23400N 符合 Q C 的條件 精度等級按表 2 選為 1 級 V mmp3036 表 2 滾珠絲杠行程公差 精 度 等 級 項 目 符 號 有效行程 mm uL1 2 3 4 535 6 8 12 16 23 315 400 7 9 13 18 25 400 500 8 10 15 20 27目標行程公差 e p 500 630 9 11 16 22 30315 6 8 12 16 23 315 400 6 8 12 17 25 400 500 7 10 13 19 26行程變動量公差 V mp 500 630 7 11 14 21 29 任意 300 mm 內(nèi) 行程變動量 V p30 6 8 12 16 23 2 弧度內(nèi)行程 變動量 V 2 4 5 6 7 8 4 傳動效率計算 tg 式中 指螺旋升角 2 55 指摩擦角 滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù) 其摩擦角 04 3 f 約等于 arctgf 01 則 95 5 2 tt 5 剛度驗算 先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖 如圖 3 所示 最大軸向力為 N 3614 05 支承間距 L 1500mm 絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊 預(yù)緊力為最大軸向負荷的 1 3 13 圖 3 縱向進給系統(tǒng)計算簡圖 計算如下 1 絲杠的拉伸或壓縮變形量 mm 1 F N m364 05 L 8mm 0 E N mm 材料彈性模數(shù) 對鋼來說是等于這個值 416 2 2 mm R 2 477 e 0 068mm50D 則 d mm 1 Re 182 457 2068 2 A mm A 指滾珠絲杠按內(nèi)徑定13 4 1 4 2 的 截面積 絲杠導(dǎo)程 L 的變化量為 0 5410748 2 1603 25 EAFm 總長度 L 1500mm 絲杠上的變形量 由于兩端均采用推力球軸承 則值 mm 1 3 50 104 210874 4 L 2 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 mm 2 14 由 d 4 763mm F kgf bm361 4 承載滾珠數(shù)量 Z Z 列 數(shù)圈 數(shù) 列 數(shù)圈 數(shù)bdD0 15 2763 41 8 由于滾珠絲杠副施加預(yù)應(yīng)力 且預(yù)應(yīng)力 F 為軸向負載的 1 3 則變形p 0 00132 32 Zdpbm 3 247 8617 401 mm 9 2 3 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變 mm 3 這里采用有預(yù)緊時的推力球軸承則 3241076 pwmFZD 查 機械設(shè)計手冊 中表 6 2 82 采用 51109 型推力球軸承 其 d 45mm 滾動體直徑 D 3 969 mm 滾動體數(shù)量 Z 22 W32431076 pwmFZ 324 3 054 619 mm 10782 則定位誤差 pV302 333 106782 419 4 0 01785mm 0 025mm 規(guī)定定位精度 6 穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端采用推力軸承 不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象 故不需作穩(wěn)定性校核 15 二 橫向進給絲杠 1 計算進給軸向力 mF 橫向?qū)к墳檠辔残?計算如下 m 2 Gfkyzx 由于是燕尾形導(dǎo)軌式中 K 1 4 0 2f 則 N2759 016 49821 3745 0 964 1 mF 2 計算最大動負載 Q n r min 6 00 Lvs L 5 212516 T Q N 10793 33 mwFf 查表 可采用 W L2506 外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副 2 5 圈 1 列 其額定動負載1 為 13100N 符合 Q C 的條件 精度等級按表 2 滾珠絲杠行程公差表 選為 1 級 V mmp3036 4 傳動效率計算 958 0 12 4 tgt 5 剛度驗算 橫向進給滾珠絲杠支承方式如圖 4 所示 最大軸向力為 2759N 支承間距 L 550mm 因絲杠長度較短 不需要預(yù)緊 16 圖 4 橫向進給系統(tǒng)計算簡圖 計算如下 1 絲杠的拉伸或壓縮變形量 mm 1 根據(jù) N D 25mm E N mm R 2 064 e 0 056mm2759 mF04106 2 2 d mm 1 Re0 983 5 A mm 34 1 284 2 mm 2401 103 58 106 79 LEFm 2 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 mm 2 對滾珠絲杠副施加預(yù)緊力 F 為軸向負載的 1 3 由 mm kgf96 3 bd9 75 m 承載滾珠數(shù)量 Z Z 列 數(shù)圈 數(shù) 列 數(shù)圈 數(shù)bdD0 15 296 314 0 00132 32 ZFdpbm 17 3246 93 27596 01 mm 72 3 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變 mm 3 這里采用有預(yù)緊時的推力球軸承則 3241076 pwmFZD 查 機械設(shè)計手冊 中表 6 2 82 采用 51104 型推力球軸承 其 d 20mm 滾動體直徑 D 3 175 mm 滾動體數(shù)量 Z 14 W32431076 pwmFZ 3243 7591 mm 108 5 則定位誤差 pV302 33 1068 517 0 03682 mm 顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度 應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改 因橫向m02 溜板空間限制 不宜加大滾珠絲杠直徑 故采用貼塑導(dǎo)軌來減少摩擦力 從而減少軸向力 采用貼塑導(dǎo)軌 0 03 0 05 重新計算如下 f mF 2 GFkyzx 5016 49821 3745 0 5 9364 1 N8 Q N 6 23 mwFfL 由此可知 滾珠絲杠螺母副和軸承的型號可不改變 此時的變形量為 mm 2401 107 583 106 25 EALm 18 0 0013 mm 2 32 ZFdpbm3 247 93 8 15296 0 3105 32431076 pwD 324 7 1 mm 9 定位誤差 pV3021 33 1069 15 7 0 02412 mm 0 025mm 規(guī)定定位精度 6 穩(wěn)定性校核 臨界負載 與工作負載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù) 如果 則壓桿kFmF knmkF n 穩(wěn)定 為許用穩(wěn)定性安全系數(shù) 一般 2 5 4 kn k 計算臨界負載 N kF2 lEJk 式中 E 指絲杠材料彈性模量 對鋼 E N mm 4106 2 J 指截面慣性矩 mm 絲杠截面慣性矩 J 為絲杠螺紋的底徑 4 1d 絲杠兩支承端距離 mm l 絲杠支承方式系數(shù) 見表 3 這里 0 2 表 3 滾珠絲杠支承方式系數(shù) 方式 一端固定一端自由 兩端簡支 一端固定一端簡支 兩端固定 0 25 1 00 2 00 4 00 則 N1593 510 2 74 206 3714 642 ldEFk 1589 mkn kn 所以此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn) 三 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 其幾何參數(shù)見表 表 4 W L5008 及 W L2506 滾珠絲杠幾何參數(shù)11 19 名稱 符號 W L50081W L25061 公稱直徑 0D50 25 導(dǎo)程 L8 6 接觸角 52 24 鋼球直徑 bd4 763 3 969 滾道法面半徑 Rbd52 0 2 477 2 064 偏心距 e sin 0 068 0 056 螺 紋 滾 道 螺紋升角 0DLarctg 52 24 絲杠外徑 dbd 5 2 48 5 24 絲杠內(nèi)徑 1Re0 45 182 20 984 螺 桿 螺桿接觸直徑 z cos1bz 40 424 17 025 螺母螺紋直徑 D20 54 818 29 016螺 母 螺母內(nèi)徑 1 bd 5 51 190 25 992 四 齒輪進給齒輪箱傳動比計算 1 縱向進給齒輪箱傳動比計算 已確定縱向進給脈沖當量 滾珠絲杠導(dǎo)程 初選步進電機步距01 p mL80 角 可計算出傳動比 75 0 b 2i 12i 68 10 37560 pbL 在閉式軟齒面齒輪傳動中 齒輪的彎曲強度總是足夠的 因此齒數(shù)可取多些 推薦取 Z 24 40 所以可選定齒輪數(shù)為 12i4 Z 2 橫向進給齒輪箱傳動比計算 已確定縱向進給脈沖當量 滾珠絲杠導(dǎo)程 初選步進電機步距05 p mL60 角 可計算出傳動比 75 0 b 12i 20 12i 7 205 360 pbL 可選定齒輪數(shù)為 12i84Z 因進給運動齒輪受力不大 模數(shù) m 取 2 有關(guān)參數(shù)參照表 5 表 5 傳動齒輪幾何參數(shù) 所處位置 縱 向 橫 向 齒數(shù) 24 40 18 45 分度圓直徑 zd 48 80 36 90 齒頂圓直徑 ma2 52 84 40 94 齒根圓直徑 f 5 1 43 75 31 85 齒寬 6 10 m 16 16 16 16 中心距 221ZA 64 63 五 步進電機的計算和選型 一 縱向進給步進電機計算 1 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 可由下式計算 2cmkgJ 2021 LWZJsM 式中 指步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 J 2ckg 指齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量 1212 m 指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 sJ 2ck 指工件及工作臺重量 N W 指絲杠導(dǎo)程 0Lcm 參考同類型機床 初選反應(yīng)式步進電機 150BF 其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 210cmkgJM 分別表示齒輪 的分度圓直徑和齒寬 dLJ 3178 和 2Z 21 6 18407 3 02cmkg 分別表示齒輪 的分度圓直徑和齒寬 dLJ2和 1Z 43 52ck 分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距 Js 1078和 43 73 142cmkg 把這些數(shù)據(jù)代入上式 2021 LgWJZJsM 8 91 5 731 406 2 cmkg 97 3 2 電機力矩計算 機床在不同的工況下 其所需轉(zhuǎn)矩不同 下面分別按個階段計算 1 快速空載起動力矩 起M 在快速空載起動階段 加速度所占的比例較大 具體計算公式如下 0maxf 起 aaa tnJtnJ60121262mxmxx 30maxabpn iGLFMf 2 1 200 ip 以上式中 指空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩 max cmN 指折算到電機軸上的摩擦力矩 fMc 指絲杠預(yù)緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩 0 c 22 指傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 J 2cmkg 指電機最大角加速度 2 srad 指電機最大轉(zhuǎn)速 maxnmin 指運動部件最大進給速度 i 指脈沖當量 p step 指步進電機步距角 b dg 指運動部件從停止起動到最大快進速度所需時間 s 這里是 30ms at 指導(dǎo)程的摩擦力 N 0F 0WFfz 指垂直方向的切削力 N z 指工件及工作臺重量 N W 指導(dǎo)軌摩擦系數(shù) f 18 0 5 f 指運動部件的總重量 N G 指齒輪降速比 按 計算 i 12Zi 指傳動鏈總效率 一般可取 85 0 7 指滾珠絲杠預(yù)加負載 一般取 3 為進給軸向力 N pFmF 指滾珠絲杠導(dǎo)程 0L 指滾珠絲杠未加預(yù)緊時的傳動效率 一般取 9 0 將以前計算所得數(shù)據(jù)代入 min 56 41307 2 360max rnbp 42 39603 697 12axax tnJM cmN 8 17 182 4 1 0 20 ZLWFfiGLzf 23 cmN 1 2200 iLFMp 84 21 9 0 67 1802534 312 Zm cmN 則 6 2 9 60ax f快 2 快速移動時所需力矩 快M 16 84 23 190 f快 cmN 3 最大切削負載時所需力矩 切tfM 0切 036 467 18024 138 92 iLFxf cmN 從上面計算可以看出 和 三種工況下 以快速空載起動所需力矩最大 起M快 切 以此項作為初選步進電機的依據(jù) 由表 6 得 當步進電機為三相六拍時 則86 0 max jqM N 8 903 78max jM 表 6 步進電機起動轉(zhuǎn)距 與最大靜轉(zhuǎn)距 關(guān)系qmaxj 相 數(shù) 三 相 四 相 五 相 六 相步進 電機 拍 數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12max jqM 0 5 0 866 0 707 0 809 0 951 0 866 0 866 按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出 150BF002 型最大靜轉(zhuǎn)距為 13 72 大于所需最大MN 靜轉(zhuǎn)距 可作為初選型號 但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性 3 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 Hzfpk 3 01 6201max 24 Hzfpse 10 601 可 查 出 150BF002 型 步 進 電 機 允 許 的 最 高 空 載 啟 動 頻 率 為 2800 運 行 頻 率 為Hz 8000 再 從 圖 5 查 出 150BF002 步 進 電 機 起 動 矩 頻 特 性 和 運 行 矩 頻 特 性 從 圖 中Hz 看 出 當 步 進 電 機 起 動 時 遠 遠 不 能 滿 足 此 機 床 所 要 zf 起 cmNM 10 求 的 空 載 起 動 力 矩 800 77 直 接 使 用 則 會 出 現(xiàn) 失 步 所 以 必 須 采 用 升 降 速cmN 控 制 用 軟 件 實 現(xiàn) 半 起 動 頻 率 降 到 1000 起 動 力 矩 可 提 高 到 588 4 HcmN 然 后 在 電 路 上 再 采 用 高 低 壓 驅(qū) 動 電 路 還 可 以 將 步 進 電 機 輸 出 力 矩 擴 大 一 倍 左 右 當 快 速 運 動 和 切 削 進 給 時 150BF002 型 步 進 電 機 運 行 矩 頻 則 完 全 可 以 滿 足 要 求 圖 5 150BF002 型步進電機起 動 矩 頻 特 性 和 運 行 矩 頻 特 性 二 橫 向 進 給 步 進 電 機 計 算 和 選 型 與 縱 向 進 給 步 進 電 機 計 算 的 方 法 一 樣 如 果 縱 向 的 步 進 電 機 能 滿 足 條 件 那 橫 向 的 就 也 可 以 滿 足 條 件 則 這 選 用 與 縱 向 相 同 的 步 進 電 機 25 第四章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計 一 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計綱要 一 硬件電路設(shè)計 硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ) 也是軟件編程的前提 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計包括以下幾部分內(nèi) 容 1 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求 確定硬件電路的總體方案 繪制電氣控制結(jié)構(gòu)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(shè)備 如鍵盤 顯示器等 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖 6 所示 圖 6 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 開環(huán)系統(tǒng) 2 選擇中央處理單元 CPU 的類型 根據(jù)設(shè)計要求 CNC 系統(tǒng)的主 CPU 采用 8031 單片機 3 存儲器擴展電路設(shè)計 存儲器擴展包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器擴展兩部分 選擇 EPROM 作程序存儲器時 應(yīng)考慮 1 速度應(yīng)與 CPU 時鐘匹配 26 2 容量適中 4 I O 接口電路設(shè)計 設(shè)計內(nèi)容包括 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 部分以及其他輔助電路設(shè)計 如復(fù)位 掉電保護等 這部分設(shè)計要求考慮系統(tǒng)的驅(qū)動能 力 驅(qū)動能力不足時 系統(tǒng)工作不可靠 在存儲器擴展和 I O 接口電路中 均涉及到地址譯碼問題 二 軟件電路設(shè)計 軟件是硬件的補充 確定硬件電路后 根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計軟件 1 軟件設(shè)計步驟 軟件設(shè)計步驟分為以下幾步 3 據(jù)軟件要求實現(xiàn)的功能 制定出軟件技術(shù)要求 4 將整個軟件模塊化 確定個模塊的編制要求 包括個模塊功能 入口參數(shù) 出 口參數(shù) 5 據(jù)硬件資源 合理分配好存儲單元 6 分別對個模塊編程 并調(diào)試 7 連接各模塊 進行統(tǒng)一調(diào)試及優(yōu)化 8 固化到程序存儲器中 2 數(shù)控系統(tǒng)中常用的軟件模塊 1 軟件實現(xiàn)環(huán)形分配器 2 插補運算模塊 3 自動升降速控制模塊等 二 8031 單片機及其擴展 一 8031 單片機的簡介 1 8031 芯片引腳及片外總線結(jié)構(gòu) 1 8031 芯片引腳功能 8031 芯片有 40 個引腳 引腳配置見圖 7 27 圖 7 8031 芯片引腳 2 各引腳按功能可分為三部分