0131-CA6150普通車床的數(shù)控技術(shù)改造,ca6150,普通,車床,數(shù)控,技術(shù)改造 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(jī)床系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) - 8 - 一 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 - 8 - 二 總體方案確定 - 8 - 第三章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 - 10 - 一 選擇脈沖當(dāng)量 - 10 - 二 計(jì)算切削力 - 10 - 三 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 - 11 - 四 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 - 20 - 五 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 - 21 - 第四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 26 - 一 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綱要 - 26 - [一] 硬件電路設(shè)計(jì) - 26 - [二] 軟件電路設(shè)計(jì) - 27 - 二 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展 - 27 - [一] 8031單片機(jī)的簡介 - 27 - [二] 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展 - 28 - [三] 存儲器擴(kuò)展 - 30 - [四] I/O口的擴(kuò)展 - 31 - 三 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì) - 35 - [一] 軟件脈沖分配器 - 35 - [二] 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)程序 - 37 - [三] 步進(jìn)電機(jī)升降速軟件設(shè)計(jì) - 38 - 第五章 數(shù)控機(jī)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(dāng)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(jìn)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(gè)層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)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(gè)國民經(jīng)濟(jì)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(jì)時(shí)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(dòng)資料生產(chǎn)”。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)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(dòng)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(dá)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(shí)行封鎖和限制政策?？傊罅Πl(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)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(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)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(jī)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(jī)械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)；(3)自動(dòng)控制技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動(dòng)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(kuò)大，他對國計(jì)民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、意料等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@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(diǎn)有以下幾個(gè)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(jìn)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(huì)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(huì)（CIRP）將其確定為21世紀(jì)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(diǎn)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(jìn)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(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個(gè)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(qiáng)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(huì)情況來看，高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá)80m/min，甚至更高，空運(yùn)行速度可達(dá)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(jī)床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá)60m/min，快速為100m/min，加速度達(dá)2g，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)60 000r/min。加工一薄壁飛機(jī)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(dá)12*!000r/mm和1g。 ??? 在加工精度方面，近10年來，普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(0.01μm)。 ??? 在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6 000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。 為了實(shí)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(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。 ??1.2 5軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 ??? 采用5軸聯(lián)動(dòng)對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為，1臺5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí)，5軸聯(lián)動(dòng)加工可比3軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價(jià)格要比3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)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(dòng)機(jī)床的發(fā)展。 ??? 當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)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(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床（含5面加工機(jī)床）的發(fā)展。 ??? 在EMO2001展會(huì)上，新日本工機(jī)的5面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭，可實(shí)現(xiàn)4個(gè)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(jī)床上實(shí)現(xiàn)，還可實(shí)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(dòng)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(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 ??? 21世紀(jì)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(gè)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(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識別負(fù)載自動(dòng)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(dòng)編程、智能化的人機(jī)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(jìn)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(yùn)行平臺上，面向機(jī)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(shí)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(gè)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(yùn)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(dāng)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(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。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(shí)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(jī)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(jī)，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(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立 1.4.1 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(kuò)展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實(shí)施戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，并進(jìn)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(gè)最大的經(jīng)濟(jì)體在短期內(nèi)進(jìn)行了幾乎相同的科學(xué)計(jì)劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個(gè)新的變革時(shí)期的來臨。我國在2000年也開始進(jìn)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(biāo)準(zhǔn) ??? 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)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年間的信息交換都是基于ISO6983標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程，乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(gè)計(jì)算機(jī)上。而在新標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間（約35％）和加工時(shí)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(jì)劃(1999.1.1～2001.12.31)。參加這項(xiàng)計(jì)劃的有來自歐洲和日本的20個(gè)CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學(xué)術(shù)機(jī)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(jī)床加工信息交換的超級模型(Super Model)，其目標(biāo)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(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)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(jì) ???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(gè)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(jìn)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(jìn)步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究，進(jìn)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(shí)質(zhì)性進(jìn)步。在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國內(nèi)市場占有率達(dá)50％，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達(dá)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(gè)5年計(jì)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(dòng)、數(shù)控主機(jī)、專機(jī)及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù)，其中大部分技術(shù)已具備進(jìn)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(jī)廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機(jī)生產(chǎn)廠以及北京第一機(jī)床廠、濟(jì)南第一機(jī)床廠等若干數(shù)控主機(jī)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(duì)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(jìn)步，但我們也要清醒地認(rèn)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(shí)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)控裝備的技術(shù)水平差距有擴(kuò)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(jì)大致如下。 ??? a.技術(shù)水平上，與國外先進(jìn)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(qiáng)；相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)方面。 ??? a.認(rèn)識方面。對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進(jìn)程艱巨性、復(fù)雜性和長期性的特點(diǎn)認(rèn)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(jì)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(shí)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(shí)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(jī)制方面。不良機(jī)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(shí)施，往往規(guī)劃理想，實(shí)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(qiáng)，核心技術(shù)的工程化能力不強(qiáng)。機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價(jià)，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)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(huì)嚴(yán)重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)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(huì)安全看，因?yàn)橹圃鞓I(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(huì)的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達(dá)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(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制，“東芝事件”和“考克斯報(bào)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(jì)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(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)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(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 ??? 強(qiáng)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(jī)（如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、典型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)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(jī)、高速電主軸系統(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(huì)有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品。 第二章 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 一 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 接到一個(gè)數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分別對機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。 機(jī)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(yùn)動(dòng)方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。 一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出數(shù)個(gè)總體方案，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，最后確定一個(gè)可行的總體方案。 一、 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)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(jì)型數(shù)控機(jī)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(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置不做檢測，所以機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類機(jī)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(yùn)動(dòng)方式伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床應(yīng)具備定位，直線插補(bǔ)，順、逆圓弧插補(bǔ)，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)?？紤]達(dá)到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 （2）、數(shù)控系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾性強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)，決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 （3）、機(jī)械傳動(dòng)方式 為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲桿，為保證一定的傳動(dòng)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(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)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 第三章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 一 選擇脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01~0.005mm/step。 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量： 縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑) 二 計(jì)算切削力 用車床經(jīng)驗(yàn)公式F=D來計(jì)算主切削力 式中D指車床身上最大加工直徑（mm）。橫切端面時(shí)主切削力可取縱切時(shí)F的1/2。 求出主切削里F以后再按以下比例分別求出分力F和F。 F：F：F=1 ：0.25 ：0.5 式中 F：指走刀方向的切削力（N）； F：指垂直走刀方向的切削力（N）。 下圖為縱切和橫切時(shí)切削力的示意圖。 圖2—縱切和橫切時(shí)切削力的示意圖 1、 縱車外圓 主切削力F(N)按經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)算： F=D= （N） 按切削力各分力比例： F：F：F=1 ：0.25 ：0.4 F（N） F（N） 2、 橫切端面 主切削力（N）可取縱切的1/2。 （N） （N） （N） 三 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 （一） 縱向進(jìn)給絲杠 1、 計(jì)算進(jìn)給軸向力F（N） 縱向進(jìn)給這里為三角形導(dǎo)軌：F 式中K：指顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15； ：指滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取0.15~0.18之間的值； G：指流板及刀架重力，G=1100N。 則 F=（N） 2、 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Q 考慮滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中沖擊擾動(dòng)對壽命的影響，則最大動(dòng)負(fù)載Q的計(jì)算公式為： Q L n 式中 ：指滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=8； n：指絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min）； ：指最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3，此處取=0.3； ：指使用壽命時(shí)間（h）,對于數(shù)控機(jī)床取T=15000h.。 L：指壽命，以10轉(zhuǎn)為一單位； ：指運(yùn)動(dòng)系數(shù)，見表1，選=1.3。 表1—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 無沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.0~1.2 一般運(yùn)轉(zhuǎn) 1.2~1.5 有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.5`-~2.5 則 n( r/min) L Q（N） 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(dòng)負(fù)載C的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型，選用時(shí)應(yīng)滿足Q C的條件。 查表：可采用WL5008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(dòng)負(fù)載為23400N，符合Q C的條件。精度等級按表 2，選為1級。 Vmm 表 2—滾珠絲杠行程公差 項(xiàng)目 符號 有效行程（mm） 精度等級 1 2 3 4 5 目標(biāo)行程公差 e 6 8 12 16 23 315~400 7 9 13 18 25 400~500 8 10 15 20 27 500~630 9 11 16 22 30 行程變動(dòng)量公差 V 6 8 12 16 23 315~400 6 8 12 17 25 400~500 7 10 13 19 26 500~630 7 11 14 21 29 任意300 mm內(nèi)行程變動(dòng)量 V 6 8 12 16 23 2弧度內(nèi)行程變動(dòng)量 V 4 5 6 7 8 4、傳動(dòng)效率計(jì)算 式中 ：指螺旋升角，=255 ：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)其摩擦角，約等于。 則 5、剛度驗(yàn)算 先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3所示，最大軸向力為N，支承間距L=1500mm, 絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。 圖3—縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖 計(jì)算如下： （1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm） F=N， L=8mm, EN/mm(材料彈性模數(shù)，對鋼來說是等于這個(gè)值)， mm, R=2.477, e=0.068mm 則 d( mm) A(mm) （A指滾珠絲杠按內(nèi)徑定的 截面積） 絲杠導(dǎo)程L的變化量為： 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) (2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm） 由d=4.763mm, F=kgf, 承載滾珠數(shù)量 ZZ 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(fù)載的1/3，則變形 =0.0013 （mm） (3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm） 這里采用有預(yù)緊時(shí)的推力球軸承則 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中表6-2-82，采用51109型推力球軸承，其d=45mm, 滾動(dòng)體直徑D=3.969 mm, 滾動(dòng)體數(shù)量Z=22， （mm） 則定位誤差 =0.01785mm0.025mm(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(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需作穩(wěn)定性校核。 （二） 橫向進(jìn)給絲杠 1、 計(jì)算進(jìn)給軸向力 橫向?qū)к墳檠辔残危?jì)算如下： 由于是燕尾形導(dǎo)軌式中： K=1.4，=0.2 則 N 2、計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Q n( r/min) L Q（N） 查表：可采用WL2506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(dòng)負(fù)載為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。 Vmm 4、傳動(dòng)效率計(jì)算 5、剛度驗(yàn)算 橫向進(jìn)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。 圖4—橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖 計(jì)算如下： (1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm） 根據(jù) N， D=25mm, EN/mm, R=2.064, e=0.056mm d( mm) A(mm) （mm） (2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm） 對滾珠絲杠副施加預(yù)緊力F為軸向負(fù)載的1/3。 由 mm, kgf 承載滾珠數(shù)量 ZZ =0.0013 （mm） (3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm） 這里采用有預(yù)緊時(shí)的推力球軸承則 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中表6-2-82，采用51104型推力球軸承，其d=20mm, 滾動(dòng)體直徑D=3.175 mm, 滾動(dòng)體數(shù)量Z=14， （mm） 則定位誤差 =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(jì)算如下： N Q（N） 由此可知：滾珠絲杠螺母副和軸承的型號可不改變。 此時(shí)的變形量為： （mm） =0.0013 （mm） （mm） 定位誤差 0.02412 (mm) 0.025mm(規(guī)定定位精度) 6、穩(wěn)定性校核 臨界負(fù)載與工作負(fù)載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù)，如果，則壓桿穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般=2.5~4。 計(jì)算臨界負(fù)載（N）： 式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼E（N/mm）； J：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J（為絲杠螺紋的底徑）； ：絲杠兩支承端距離（mm）； ：絲杠支承方式系數(shù)，見表3，這里。 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 N 所以此絲杠不會(huì)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—WL5008及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù) 名稱 符號 WL5008 WL2506 螺 紋 滾 道 公稱直徑 50 25 導(dǎo)程 8 6 接觸角 鋼球直徑 4.763 3.969 滾道法面半徑 2.477 2.064 偏心距 0.068 0.056 螺紋升角 螺 桿 絲杠外徑 48.5 24 絲杠內(nèi)徑 45.182 20.984 螺桿接觸直徑 40.424 17.025 螺 母 螺母螺紋直徑 54.818 29.016 螺母內(nèi)徑 51.190 25.992 四 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 1、縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進(jìn)電機(jī)步距角，可計(jì)算出傳動(dòng)比： 在閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)中，齒輪的彎曲強(qiáng)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： 2、橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進(jìn)電機(jī)步距角，可計(jì)算出傳動(dòng)比： 可選定齒輪數(shù)為： 因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(dòng)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 48 80 36 90 齒頂圓直徑 52 84 40 94 齒根圓直徑 43 75 31 85 齒寬 （6~10）m 16 16 16 16 中心距 64 63 五 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 （一） 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 1、 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算： 式中 ：指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 、：指齒輪、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ：指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ：指工件及工作臺重量（N）； ：指絲杠導(dǎo)程（）； 參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 （分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距） 把這些數(shù)據(jù)代入上式： 2、 電機(jī)力矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按個(gè)階段計(jì)算： （1）快速空載起動(dòng)力矩 在快速空載起動(dòng)階段，加速度所占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： 以上式中 ：指空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩（）； ：指折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（）； ：指絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩（）； ：指傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ：指電機(jī)最大角加速度（）； ：指電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（）； ：指運(yùn)動(dòng)部件最大進(jìn)給速度（）； ：指脈沖當(dāng)量（）； ：指步進(jìn)電機(jī)步距角（）； ：指運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間（s），這里是30ms； ：指導(dǎo)程的摩擦力（N），； ：指垂直方向的切削力（N）； ：指工件及工作臺重量（N）； ：指導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，； ：指運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）； ：指齒輪降速比；按計(jì)算； ：指傳動(dòng)鏈總效率，一般可??； ：指滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載，一般取/3，為進(jìn)給軸向力（N）； ：指滾珠絲杠導(dǎo)程； ：指滾珠絲杠未加預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取。 將以前計(jì)算所得數(shù)據(jù)代入： （） （） （） 則 （） （2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 （） （3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 （） 從上面計(jì)算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 由表6得：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)，，則（N）。 表6—步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)距與最大靜轉(zhuǎn)距關(guān)系 步進(jìn) 電機(jī) 相 數(shù) 三 相 四 相 五 相 六 相 拍 數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 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，大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)動(dòng)矩頻特性。 3、 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 可查出150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為2800運(yùn)行頻率為8000，再從圖5查出150BF002步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。從圖中看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩（800.77），直接使用則會(huì)出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），半起動(dòng)頻率降到1000，起動(dòng)力矩可提高到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿足要求。 圖5—150BF002型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性 （二） 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型 與縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算的方法一樣，如果縱向的步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)。 第四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綱要 [一] 硬件電路設(shè)計(jì) 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(jì)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(jī)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(jī)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(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖6所示： 圖6—機(jī)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(jì)要求，CNC系統(tǒng)的主CPU采用8031單片機(jī)。 3、 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 存儲器擴(kuò)展包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器擴(kuò)展兩部分。 選擇EPROM作程序存儲器時(shí)，應(yīng)考慮： （1） 速度應(yīng)與CPU時(shí)鐘匹配； （2） 容量適中。 4、 I/O接口電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：據(jù)外部要求選用I/O接口芯片，步進(jìn)電機(jī)伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設(shè)計(jì)（如復(fù)位、掉電保護(hù)等）。這部分設(shè)計(jì)要求考慮系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠。 在存儲器擴(kuò)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(jì) 軟件是硬件的補(bǔ)充。確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)軟件。 1、 軟件設(shè)計(jì)步驟 軟件設(shè)計(jì)步驟分為以下幾步： （3） 據(jù)軟件要求實(shí)現(xiàn)的功能，制定出軟件技術(shù)要求； （4） 將整個(gè)軟件模塊化，確定個(gè)模塊的編制要求，包括個(gè)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(gè)模塊編程，并調(diào)試； （7） 連接各模塊，進(jìn)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(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器； （2） 插補(bǔ)運(yùn)算模塊； （3） 自動(dòng)升降速控制模塊等。 二 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展 [一] 8031單片機(jī)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(gè)引腳，引腳配置見圖7： 圖7—8031芯片引腳 （2）各引腳按功能可分為三部分： l I/O口線：P0，P1，P2，P3共4個(gè)8位口； l 控制口線：，ALE，，RST； l 電源及時(shí)鐘：V、V；XTAL1，XTAL2。 （3）應(yīng)用特性： l I/O口線不能都用作用戶I/O口線； l I/O口的驅(qū)動(dòng)能力，P0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門電路，P1，P2，P3則只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)； l P3是雙重功能口。 2、8031單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu) 8031單片機(jī)由7個(gè)部件組成，既微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及中斷系統(tǒng)，它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成的。 [二] 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展 8031單片機(jī)內(nèi)無程序存儲器，如不擴(kuò)展外部程序存儲器則不能工作，且片內(nèi)僅有128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，對于需要較多數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的程序來說，片內(nèi)RAM也不夠用，須擴(kuò)展。8031片內(nèi)四個(gè)I/O口中僅P1口可作為8位雙向的I/O接口用戶使用，也須擴(kuò)展，有些情況還須擴(kuò)展定時(shí)/計(jì)數(shù)器等。 1、8031的片外總線結(jié)構(gòu) 所有的外部芯片都通過三組總線進(jìn)行擴(kuò)展： （1） 數(shù)據(jù)總線（DB）：由P0口提供，數(shù)據(jù)總線要連接到連接的所有外圍芯片上，但在同一時(shí)間只能夠有一個(gè)是有效的數(shù)據(jù)傳輸通道。 （2） 地址總線（AB）：16位，可尋址范圍為64K字節(jié)，AB由P0口提供低8位地址，與數(shù)據(jù)分時(shí)傳送，傳送數(shù)據(jù)時(shí)將低8位地址鎖存。高8位地址由P2口提供。 （3） 控制總線（CB）：系統(tǒng)擴(kuò)展用控制總線有、、、ALE、。 2、系統(tǒng)擴(kuò)展能力 據(jù)地址總線的寬度，在片外可擴(kuò)展的存儲器最大容量為64K字節(jié)。 片外數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的操作使用不同的指令和控制信號。允許兩者的地址重復(fù)。故片外可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器分別為64K。 擴(kuò)展的I/O口與片外數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，不再另外提供地址線。 3、地址鎖存器 8031擴(kuò)展系統(tǒng)時(shí)，由P0口提供數(shù)據(jù)及低8位地址，分時(shí)傳送，故須地址鎖存。常用的地址鎖存器芯片是74LS373（帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器），其引腳及連接見圖8。 圖8—74LS373引腳及連接圖 圖中： D~D：信號輸入端； Q~Q：信號輸出端； G：下降沿時(shí)，將D~D鎖存于內(nèi)部； E：使能端，E=0時(shí)，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出端Q~Q與輸入端D~D連通，當(dāng)E=1時(shí)，輸出三態(tài)門斷開，輸入數(shù)據(jù)鎖存。 4、地址譯碼 8031擴(kuò)展電路中，都涉及到外部地址空間分配問題，即當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時(shí)與多個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，首先要進(jìn)行片選，然后再進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。 地址譯碼實(shí)現(xiàn)片選的方法可分為三種：線選法、全地址譯碼法和部分地址譯碼法。這里選用部分地址譯碼法。這種方法是線選與地址譯碼相結(jié)合。圖9為74LS138碼器的引腳圖。 當(dāng)G時(shí)，74LS138工作。C、B、A的輸出決定譯碼器的輸出引腳。 圖9—74LS138引腳圖 [三] 存儲器擴(kuò)展 1、存儲器常用芯片 （1）EPROM芯片 常用的程序存儲器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、 27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均為28腳雙列直插式扁平封裝長片，圖10為常用EPROM引腳。 圖10—常用EPROM引腳排列 EPROM選用原則： （a） 據(jù)控制對象和任務(wù)的復(fù)雜程度，以及是否需要大量計(jì)算來確定存儲系統(tǒng)容量（粗略估計(jì)，留有一定余地，以備系統(tǒng)的功能擴(kuò)展用），為使電路簡化，盡可能選擇大容量芯片，以減少芯片組合。 （b） 芯片的工作速度滿足系統(tǒng)的時(shí)序要求。8031訪問EPROM時(shí)，其所提供的讀取時(shí)間t與所選的晶體時(shí)鐘有關(guān)，約為3T，不同型號的EPROM工作速度一般為200~450ns，故選取芯片時(shí)，應(yīng)使其工作速度小于t。 （2）數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)之分，兩者相比，靜態(tài)RAM無須考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，擴(kuò)展簡單，在數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展電路中應(yīng)用較廣泛。 常用的靜態(tài)RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它們都由單一的+5V電源供電，28腳雙列直插式扁平封裝，典型存取時(shí)間為150~200ns。其引腳如圖11所示： 圖11—常用RAM的引腳 2、存儲器的擴(kuò)展 8031芯片與存儲器的連接 存儲器擴(kuò)展實(shí)質(zhì)是三總線的連接。 1） 據(jù)芯片存儲容量的大小確定數(shù)據(jù)、地址線的根數(shù)。 2） 數(shù)據(jù)線的連接：將8031芯片的P~P按位與RAM數(shù)據(jù)線D~D直連。 3） 地址總線的連接：據(jù)確定的地址線根數(shù)，將相應(yīng)的低位地址線相連，剩余高位地址線作片選。 4） 控制總線的連接：對應(yīng)控制線連接。 [四] I/O口的擴(kuò)展 MCS—51單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，可提供給用戶使用的只有P1口和部分P3口線，因此不可避免的要進(jìn)行I/O端口的擴(kuò)展。Intel公司常用的外圍接口芯片有：8155、8255及8279等。此外還有74LS系列的TTL電路和CMOS電路鎖存器、三態(tài)門電路也可以為擴(kuò)展I/O口。 1、 I/O口擴(kuò)展方法 據(jù)擴(kuò)展并行I/O口時(shí)數(shù)據(jù)線的連接方式，I/O口擴(kuò)展方式可分為三種： 1） 總線擴(kuò)展方法 2） 串行口擴(kuò)展方法 3） 通過單片機(jī)片內(nèi)I/O口的擴(kuò)展方法 2、 常用接口芯片 （1）8155芯片 8155芯片內(nèi)具有256個(gè)字節(jié)RAM、2個(gè)8位、1個(gè)6位的可編程I/O口和1個(gè)14位計(jì)數(shù)器。 8155的結(jié)構(gòu)和引腳見圖12： （a） (b) 圖12—8155的邏輯結(jié)構(gòu)與引腳 (2)8255芯片 8255具有3個(gè)8位的并行I/O口，分別為PA、PB、PC口，其中PC口又分為高4位（PC~PC）和低4位（PC~PC）。 （3）8279芯片 8279內(nèi)部有168顯示數(shù)據(jù)RAM，通過命令字可選擇顯示器的4種工作方式，內(nèi)部還有6字節(jié)。 三 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，大多采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。而單片機(jī)的I/O口或I/O擴(kuò)展口的驅(qū)動(dòng)能力有限，為使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定功率，需有功功率放大環(huán)節(jié)；為避免強(qiáng)電干擾，因此還需采用隔離電路。其控制電路框圖如圖14所示： 圖14—步進(jìn)電機(jī)控制框圖 [一] 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 有硬件和軟件分配器兩種，硬件分配器需要的I/O接口連線少，執(zhí)行速度快，需要專用的芯片，軟件則用程序?qū)崿F(xiàn)。 脈沖分配器的芯片 目前采用的TTL集成脈沖分配器有三相、四相、五相和六相，其型號分別為YB0B、YB014、YB015及YB016，都為18個(gè)引腳的直插式封裝。其主要性能參見表8： 表8—TTL脈沖分配器主要性能參數(shù) 輸入高電平（V） 輸入底電平（V） 輸出高電平（V） 輸出高電平（V） 吸收電流（mA） 工作頻率（Hz） 電源電壓（V） 環(huán)境溫度（） 2.4 0.4 0.8 2.4 1.6 0~160 5 0~+70 [二] 光電隔離電路 單片機(jī)系統(tǒng)要控制電壓高、電流大的信號，必須采用電氣上的隔離并抑制干擾，光電耦合器就是利用光傳遞信息的器件，使電路的輸入和輸出在電氣上完全隔離，大大提高了系統(tǒng)安全可靠性，并可實(shí)現(xiàn)共模噪聲的抑制和電源的變換等。 光電耦合器的類型按輸出結(jié)構(gòu)可分為直流和交流輸出兩類。直流輸出可采用：（1）晶體管輸出；（2）達(dá)林頓管輸出；（3）史密特觸發(fā)器輸出。交流可采用：（1）單向可控硅輸出；（2）雙向可控硅輸出等。 [三] 功率放大器 脈沖分配器的功率很小，不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，必須將它放大以產(chǎn)生足夠大的功率，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電極正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 從步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性可以看出，隨著運(yùn)行矩頻的增高，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載的能力下降。產(chǎn)生的主要原因是：作為功率放大器負(fù)載的步進(jìn)電機(jī)是電感負(fù)載，當(dāng)改變通電狀態(tài)時(shí)，通電繞組的電流將從零逐漸增大，該繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢使電流按指數(shù)規(guī)律上升，并將電源一部分能量存在（電感）繞組中，電流的時(shí)間常數(shù)為： 式中：指步進(jìn)電機(jī)一相繞組的平均電感量 ：通電回路的電阻，包括繞組電阻、功率放大器輸出級的內(nèi)阻及串聯(lián)電阻。 而斷電繞組電流是下降的，這時(shí)存儲于繞組中的勢能將以電流式釋放出來，使電流按指數(shù)規(guī)律下降，其時(shí)間常數(shù)為： 式中：指放電回路電阻，包括繞組電阻，續(xù)流二極管正向電阻等。 這樣就使繞組中電流緩慢增加和下降，步進(jìn)各相繞組電流幾乎同時(shí)存在，步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)失步。 為提高步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，可采用以下幾種方法：（1）電阻法；（2）雙電源法。 [四] 其他輔助電路 1、 掉電保護(hù)電路 RAM中存放的數(shù)據(jù)一掉電就會(huì)全部丟失。為了保護(hù)RAM中的信息，采用掉電保護(hù)電路。圖15所示為一簡單掉電保護(hù)電路的工作原理。圖中V為電源電壓，V為備用電池電壓，并且VV；V為RAM的電源端。 圖15—掉電保護(hù)電路 2、 越界報(bào)警電路 為防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)，一旦某一方向越界應(yīng)立即停止工作臺移動(dòng)，圖16（a）為報(bào)警指示, （b）為報(bào)警信號的產(chǎn)生，這里利用的8031的外部中斷INT0來控制報(bào)警。 （a） (b) 圖16—越界報(bào)警電路 四 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 軟件是硬件的補(bǔ)充，確定硬件電路后，根基系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)軟件。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床軟件的設(shè)計(jì)一般可分為以下幾個(gè)典型模塊： （1） 軟件脈沖分配器； （2） 插補(bǔ)模塊； （3） 步進(jìn)電機(jī)升降速模塊等。 圖17是兩坐標(biāo)連續(xù)系統(tǒng)機(jī)床的微機(jī)控制的原理圖，該系統(tǒng)用8031的P1口作為輸出信號，分別控制X、Y方向的步進(jìn)電機(jī)。 圖17—兩坐標(biāo)連續(xù)系統(tǒng)機(jī)床的微機(jī)控制的原理圖 [一] 軟件脈沖分配器 機(jī)工作原理，改變繞組通電狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向運(yùn)轉(zhuǎn)。軟件分配器采用查表法，在微處理器中專門安排一個(gè)輸出寄存器作為步進(jìn)電機(jī)的控制寄存器，步進(jìn)電機(jī)的第一相繞組都與這個(gè)寄存器中的某一指定位對應(yīng)，寄存器中這位為“1”，對應(yīng)相應(yīng)繞組的通電狀態(tài)為“0”時(shí)則斷電；循環(huán)向寄存器中寫入控制字，從而使步進(jìn)電機(jī)繞組按因定的規(guī)律循環(huán)通電和斷電。 電機(jī)以三相六拍方式工作，其通電規(guī)律為：A—AB—B—BC—C—CA。 假定脈沖分配表放在程序存儲器的0701H開始的單元中，因P1口與步進(jìn)電機(jī)之間接反向器，故其對應(yīng)的控制字及地址如表9： 表9—脈沖分配表 地 址 通電方式 ABC 代 碼 0701H 011 FBH 0702H 001 F9H 0703H 101 FDH 0704H 100 FCH