畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )Φ400mm 的數(shù)控車床總體設(shè)計及四方回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計所 在 學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名學(xué) 號指 導(dǎo) 老 師年 月 日II摘 要在數(shù)控機床系統(tǒng)中，加工精度和加工可靠性是伺服系統(tǒng)決定的，本文對數(shù)控車床進行了分析和設(shè)計，全面闡述了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)設(shè)計及校核，并進行了分析。另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù)。其中著重介紹了四方刀架的原理包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則以及廠家的選擇等。關(guān)鍵詞：車床，數(shù)控，電機，刀架IIIAbstractIn the system of the CNC machine tool, machining precision and reliability are servo system is determined, based on the CNC lathe are analyzed and designed, elaborated in the round CNC lathe structure principle, design features, discusses the use of servo motor and ball screw nut pair advantages. Introduces the NC lathe structure design and verification, and analysis. In addition to collect the related technology parameters.Which focuses on the four knife principles including type selection, parameter selection, precision, circulation mode selection, matched with the host machine and the selection principle of manufacturers.Key Words: Lathes, CNC, machine, toolIV目 錄摘 要 IIAbstract.III目 錄 IV第 1 章 數(shù)控機床發(fā)展概述.61.1 數(shù)控機床及其特點 .61.2 數(shù)控車床的主要功能及加工對象 .61.3 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析 71.3.1 中小企業(yè)數(shù)控機床選用中存在的問題 71.3.2 數(shù)控機床選購的策略 .81.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨向 9第 2 章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較.102.1 總體設(shè)計方案 102.2 主傳動的系統(tǒng)設(shè)計 122.2.1 機械部分的數(shù)控化設(shè)計 122.2.2 電氣部分的數(shù)控化設(shè)計 122.3 進給系統(tǒng)的設(shè)計 .132.3.1 進給機構(gòu)的設(shè)計 132.3.2 Φ400MM 的數(shù)控車床的設(shè)計要求 132.3.3 導(dǎo)軌副的設(shè)計 132.4 微機系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計 142.4.1 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 142.4.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計 142.2 設(shè)計方案論證 .15第 3 章 確定切削用量及選擇刀具.163.1 科學(xué)選擇數(shù)控刀具 .163.1.1 選擇數(shù)控刀具的原則 163.1.2 選擇數(shù)控銑削用刀具 163.2 設(shè)置刀點和換刀點 17V3.3.1 確定主軸轉(zhuǎn)速 173.3.2 確定進給速度 183.3.3 確定背吃刀量 .18第 4 章 四方自動回轉(zhuǎn)刀架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計.184.1 減速傳動機構(gòu)的設(shè)計 .184.1.1 上刀體鎖緊與精定位機構(gòu)的設(shè)計 184.1.2 自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 194.2 主要傳動部件的設(shè)計 214.2.1 蝸桿副的設(shè)計計算 .214.2 螺桿的設(shè)計計算 25第 5 章 數(shù)控硬件電路設(shè)計.265.1 硬件電路設(shè)計 .265.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) .265.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 .275.2 關(guān)于各線路元件之間線路連接 .275.3 關(guān)于電路原理圖的一些說明 .28結(jié) 論.31致 謝.32參考文獻.336第 1 章 數(shù)控機床發(fā)展概述1.1 數(shù)控機床及其特點數(shù)字控制機床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數(shù)控機床。數(shù)控機床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動機床高，可以精確加工復(fù)雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟效果。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、車床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進行多工序加工的加工中心、車削中心等。數(shù)控機床主要由數(shù)控裝置、伺服機構(gòu)和機床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手動輸入。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實現(xiàn)自動編程。 未來數(shù)控機床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機床品種越來越多；激光加工等技術(shù)將應(yīng)用在切削加工機床上，從而擴大多工序集中的工藝范圍；數(shù)控機床的自動化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個柔性制造單元，更加便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中。1.2 數(shù)控車床的主要功能及加工對象數(shù)控車床的功能分為一般功能和特殊功能。一般功能是指各類數(shù)控車床普遍所具有的功能。如點位控制功能、刀具半徑自動補償功能、鏡象加工功能、 固定循環(huán)功能等。特殊功能是指數(shù)控車床在增加了某些特殊裝置或附件后，分別具有或兼?zhèn)涞囊恍┨厥夤δ堋Ｈ绲毒唛L度補償功能、靠模加工功能、自動變換工作臺功能、自適應(yīng)功能、數(shù)控采集功能等。在使用數(shù)控車床加工工件時，只要充分利用數(shù)控車床的各種功能，就可以加工許多普通車床難加工的工件。數(shù)控車床的主要加工對象有：平面類零件；變斜角類零件；曲面類（立體類）零件。71、直線插補: 數(shù)控車床在完成工作時所具有的基本功能之一，一般情況下分為直線插補和空間直線插補等一些插補方式2、圓弧插補: 這也是數(shù)控車床在完成工作時所具有的基本功能之一，一般情況下可分為平面圓弧插補以及逼近圓弧插補等。3、固定循環(huán): 固定循環(huán)是指通過各種參數(shù)使用不同的加工要求，主要用于實現(xiàn)一些魚油經(jīng)典型的需要多次重復(fù)的工作，這樣使用固定循環(huán)是可以有效的簡化程序的編制。1.3 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析近幾年，隨著國民經(jīng)濟快速穩(wěn)定發(fā)展，我國機床制造行業(yè)受益于國家振興裝備制造業(yè)的大環(huán)境，有了長足進展，這其中領(lǐng)先當(dāng)今機械制造技術(shù)水平的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)更勝一籌。 由于數(shù)控設(shè)備的先進性、復(fù)雜性和發(fā)展的迅速性,以及品種型號、檔次的多樣性,決定了選用數(shù)控設(shè)備的復(fù)雜性和難度。如何從品種繁多、價格昂貴的產(chǎn)品中選擇適用的設(shè)備, 成為中小型企業(yè)十分關(guān)心的問題。1.3.1 中小企業(yè)數(shù)控機床選用中存在的問題 目前中小型企業(yè)缺乏數(shù)控設(shè)備的使用經(jīng)驗和掌握數(shù)控加工技術(shù)的人才,在數(shù)控機床選購中存在著盲目性、片面性,主要表現(xiàn)在以下幾方面: 1.決策者對數(shù)控機床的認識有誤區(qū),部分企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)認為配置高精度數(shù)控設(shè)備是企業(yè)檔次的象征。選型時不考慮投資效益,忽略性價比,盲目追求進口、高檔,片面講究功能齊全。而在后來的使用過程中才發(fā)現(xiàn)有些功能用不上或幾乎不用。2.機床選型混亂, 數(shù)控機床類型、規(guī)格不配套。選購不同廠家的產(chǎn)品, 數(shù)控系統(tǒng)不統(tǒng)一, 購置后給操作、編程、維修帶來困難。3.購置數(shù)控機床時只重視主機性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某個附件或刀具而影響整個主機的運行。4.對企業(yè)發(fā)展和產(chǎn)品變化預(yù)測不足, 所購設(shè)備的功能的發(fā)揮受到制約。 1.3.2 數(shù)控機床選購的策略 1.實用性。選購數(shù)控機床時，企業(yè)要有明確的目的和出發(fā)點，首先考慮的是數(shù)控機床的實用性。 (1)數(shù)控機床規(guī)格、精度的實用性。在選擇數(shù)控機床時,首先應(yīng)確定數(shù)控機床上加工8的典型零件。零件的尺寸決定機床的加工范圍；零件關(guān)鍵部位的精度決定了所選機床的精度等級。機床精度的評定指標較多，因數(shù)控機床類別而異,但共有的關(guān)鍵項目是定位精度、重復(fù)定位精度以及綜合加工精度。定位精度與傳動鏈各環(huán)節(jié)的彈性、間隙等因素有關(guān),反映了機械系統(tǒng)中的扭曲、撓度、爬行、共振等諸因素造成的綜合誤差。這些指標既反映了伺服機構(gòu)的剛度,也說明了位置反饋測量系統(tǒng)的質(zhì)量。重復(fù)定位精度反映了數(shù)控軸在全行程內(nèi)定位點的穩(wěn)定性，傳動鏈剛性直接影響重復(fù)定位精度。綜合加工精度指最后加工出來的工件尺寸與所要求尺寸之間的誤差。選購時應(yīng)避免盲目追求高精度，注意機床精度與工件精度相匹配。 (2)數(shù)控系統(tǒng)功能的實用性。數(shù)控系統(tǒng)功能可分為基本功能與選用功能, 各知名品牌數(shù)控系統(tǒng)的基本功能差別不大。除基本功能以外, 數(shù)控系統(tǒng)還為用戶提供多種可選功能。通常數(shù)控系統(tǒng)具備的基本功能比較便宜, 而特定選擇的功能很貴。在可供選擇的功能模塊中, 性能差別很大,價格也相差數(shù)倍，所以要根據(jù)加工要求和機床性能的需要來選擇。 從控制方式、驅(qū)動形式、反饋形式、檢測、操作方式、接口形式和故障診斷等方面來衡量, 合理地選擇適合機床的可選功能,放棄可有可無或不實用的可選功能。比如，自動換刀裝置(ATC) 是加工中心的基本特征，ATC 裝置的投資往往占整機的30%～ 50%。因此在滿足使用要求的前提下盡量選用結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高的 ATC, 以提高機床的可靠性和降低整機的價格。應(yīng)當(dāng)注意，單獨簽訂合同購買附件的單價大大高于隨同主機一起供貨的附件單價,應(yīng)盡可能在購買主機時一并購置部分易損部件及其他附件。 2.經(jīng)濟性。經(jīng)濟性是指選用的數(shù)控機床在滿足加工要求的條件下, 所支付的“錢”最少或較為合理的。經(jīng)濟性往往是和實用性緊密相連的, 機床選得實用、經(jīng)濟, 可避免不必要的浪費, 避免以高代價換來功能過多而又不實用的較復(fù)雜的數(shù)控機床，避免在操作使用、維護保養(yǎng)等諸多方面帶來困難。 數(shù)控機床的設(shè)計使用壽命一般為 7 年, 主要以數(shù)控方面的使用壽命為準。同時還得考慮市場占有率, 市場占有率高的數(shù)控設(shè)備說明是旺銷產(chǎn)品, 已受到多數(shù)用戶的青睞和肯定, 一般不會有太多的質(zhì)量問題。 選購數(shù)控機床應(yīng)考慮投資回報, 能夠在短期內(nèi)收回投資的機床才是好機床。因為數(shù)控機床的主要優(yōu)勢是實現(xiàn)工序集中，從而提高生產(chǎn)率和加工精度，所以數(shù)控機床既適于單件小批生產(chǎn)，又適于大批量生產(chǎn)。多數(shù)中小型企業(yè)購買的數(shù)控機床用于批量生產(chǎn)，因為批量生產(chǎn)不僅節(jié)省編程、對刀等輔助時間，提高機床利用率；而且對操作者的技術(shù)要求不高，人工費用也相對較低。所以用于大批量生產(chǎn)的機床投資回報較快。少數(shù)9產(chǎn)品附加值高，具有一定經(jīng)濟實力的企業(yè)，為了生產(chǎn)組織方便而購買用于單件生產(chǎn)的數(shù)控機床。機床利用率較低時，不僅要考慮設(shè)備的使用費用，比如潤滑油、冷卻液、電力消耗等，還要計算設(shè)備折舊。另外一個不可忽視的因素是設(shè)備的貶值，數(shù)控機床的升級、更新較快，同配置的一臺機床，現(xiàn)在售價 40 萬，三年后可能降至 35 萬，這樣算起來貶值和折舊一樣不可忽視。所以沒有定型產(chǎn)品或產(chǎn)品附加值較低的中小型企業(yè)，在購置貴重數(shù)控設(shè)備之前，一定要充分研究收回投資的周期。有些企業(yè)事先確定較穩(wěn)定的批量加工意向，甚至已經(jīng)接到訂單，選購機床時要求機床廠為其準備工裝、編制程序、培訓(xùn)工人，即所謂“交鑰匙”工程，這是投資數(shù)控機床最理想的情況。 3.穩(wěn)定可靠性。數(shù)控設(shè)備的可靠性是廣大數(shù)控設(shè)備用戶必須關(guān)心的焦點問題, 因此在選用數(shù)控設(shè)備時應(yīng)注意生產(chǎn)廠家的規(guī)模和市場占有率, 確認其產(chǎn)品是否達到國家規(guī)定的平均無故障時間標準(規(guī)定為 500h)。目前多數(shù)機床廠都采購成熟的數(shù)控系統(tǒng)和零部件進行組裝。國內(nèi)應(yīng)用較多的數(shù)控系統(tǒng)有日本 FANUC、德國的西門子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直線導(dǎo)軌、主軸又分別來自德國和臺灣等地。所以機床的主要零部件的質(zhì)量一般是可靠的，需要重點考察的是數(shù)控機床組裝企業(yè)的售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是否健全,服務(wù)隊伍的素質(zhì)是否能勝任工作,服務(wù)能否及時,是否能履行承諾等。1.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨向數(shù)控機床是由美國發(fā)明家 約翰·帕森斯上個世紀發(fā)明的。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機床業(yè)已進入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機電一體化時代，其中數(shù)控機床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機床是制造業(yè) 的加工母機和國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟與社會效應(yīng)。技術(shù)發(fā)展趨勢：高速、精密、復(fù)合、智能和綠色是數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實用化和產(chǎn)業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現(xiàn)在： 1.機床復(fù)合技術(shù)進一步擴展隨著數(shù)控機床技術(shù)進步，復(fù)合加工技術(shù)日趨成熟，包括銑-車復(fù)合、車銑復(fù)合、車-鏜-鉆- 齒輪加工等復(fù)合，車磨復(fù)合，成形復(fù)合加工、特種復(fù)合加工等，復(fù)合加工的精度和效率大大提高。 “一臺機床就是一個加工廠” 、 “一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復(fù)合加工機床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。 2．?dāng)?shù)控機床的智能化技術(shù)有新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如：10自動調(diào)整干涉防 碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區(qū)斷電保護功能、加工零件檢測和自動補償學(xué)習(xí)功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能 進入了實用化階段，智能化提升了機床的功能和品質(zhì)。 3．機器人使柔性化組合效率更高機器人與主機的柔性化組合得到廣泛應(yīng)用，使得柔性線更加靈活、 功能進一步擴展、柔性線進一步縮短、效率更高。機器人與加工中心、車銑復(fù)合機床、磨床、齒輪加工機床、工具磨床、電加工機床、鋸床、沖壓機床、激光加工機 床、水切割機床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產(chǎn)線已經(jīng)開始應(yīng)用。 4．精密加工技術(shù)有了新進展數(shù)控金切機床的加工精度已從原來的絲級（0.01mm）提升到目前 的微米級（0.001mm） ，有些品種已達到 0.05μm 左右。超精密數(shù)控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達到 0.05μm 左右，形狀精度可達 0.01μm 左右。采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達到納米級（0.001μm） 。通過機床結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、機床零部件的超精加工和精密裝配、采用 高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動態(tài)誤差補償技術(shù)，提高機床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進入亞微米、納米級超精加工時代。 5．功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應(yīng)用。全數(shù)字交流伺服電機和驅(qū)動裝置，高技術(shù)含量的電主軸、力矩電機、直線電機，高性能的直線滾動組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應(yīng)用，極大的提高數(shù)控機床的技術(shù)水平。第 2 章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較2.1 總體設(shè)計方案床身的上部內(nèi)裝主軸傳動系統(tǒng)為主軸變速系統(tǒng)，這部分采用原機床的主軸傳動系統(tǒng)即保留原機床的電動機等等，還有添加的變速箱。床身的底部是可作冷卻液箱的底座，數(shù)控系統(tǒng)顯示器及按鍵位于操作者的右邊，便于調(diào)試、和操作觀察。床身右側(cè)的電器箱內(nèi)裝有兩坐標的進給伺服控制系統(tǒng)，床身左側(cè)的電器箱內(nèi)裝有主控器和強電系統(tǒng)。顯示器采用 LED，用以顯示輸入的程序，機床的實際位置和已存儲的各種信息。手動操作時，顯示器可作為數(shù)字讀出裝置使用。數(shù)控系統(tǒng)采用為兩坐標 CNC 開環(huán)控制，由步進電機經(jīng)一級齒輪變速箱后減速驅(qū)動?？蓪崿F(xiàn)兩坐標直線插補和兩坐標圓弧插補。采用 MCS－51 系列單片機組成微機控制系控制部分11統(tǒng)，它的可靠性高、能在惡劣的環(huán)境下工作，適應(yīng)能力較好，且功能強，速度高。數(shù)控系統(tǒng)還具有刀具長度偏移和半徑補償功能，自診斷功能，可進行自動加、減速，并具有備用電池，停電時可做存儲已編程序的電極。采用 CNC－51 微機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由 I/O 接口輸出脈沖信號，經(jīng)光電隔離電路，功率放大再傳給步進電機，步進電動機驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn) X、Z 兩個方向的進給運動，加工零件。總體設(shè)計如圖 2-1 所示：信號分配及放大電路步進電動機（X 軸）信號分配及放大電路步進電動機（Z 軸）圖 2-1 無反饋控制電路方案 2 顯示器采用 LED，用以顯示輸入的程序，機床的實際位置和已存儲的各種信息。手動操作時，顯示器可作為數(shù)字讀出裝置使用。假如數(shù)控系統(tǒng)采用為兩坐標ＮＣ閉環(huán)或者半閉環(huán)控制，那么必須要有電路反饋信息，反饋位移或角位移的電路，這樣可以有更加精確的加工路線，更加便于操作者了解機床的行經(jīng)過程。仍由步進電機經(jīng)一級齒輪變速箱后減速驅(qū)動?？蓪崿F(xiàn)兩坐標直線插補和兩坐標圓弧插補。采用MCS-51 系列單片機組成微機控制系統(tǒng)，它的可靠性高、能在惡劣的環(huán)境下工作，適應(yīng)能力較好，且功能強，速度高。數(shù)控系統(tǒng)還具有刀具長度偏移和半徑補償功能，自診斷功能，可進行自動加、減速，并具有備用電池，停電時可做存儲已編程序的電極。采用 mcs-51 微機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由 I/O 接口輸出脈沖信號，經(jīng)光電隔離電路，功率放大再傳給步進電機，步進電動機驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn) X、Y 兩個方向的進給運動，加工零件。如圖 2-2 所示．12圖 2-2 有反饋控制電路方案的取舍：比較兩者的設(shè)計方案，方案 1 的布置比較合理，完全按照機床的正常布置而設(shè)計，沒有其他什么多余的功能，是經(jīng)過了市場調(diào)查后而進行的，雖然沒有位移的反饋信息電路，加工精度也不如方案 2 高，但是卻可以節(jié)約資金，在很多加工要求不必太高，不需要反饋信息進行控制的電路時，也是能夠達到精度要求的，所以在本設(shè)計中無須反饋電路，即采用開環(huán)系統(tǒng)。在很多的小工廠里也是可以進行這種數(shù)控設(shè)計，其范圍廣。并且對 CNC 和 NC 控制作比較，CNC 的功能比 NC 強大許多，在現(xiàn)在軟件發(fā)展如此之快的情況下，CNC 已經(jīng)完全取代了 NC，采取 CNC 不但經(jīng)濟，而且功能又符合 Φ400MM 的數(shù)控車床機床的數(shù)控設(shè)計。綜合，在本設(shè)計中，方案 1-1 是可行的方案。2.2 主傳動的系統(tǒng)設(shè)計2.2.1 機械部分的數(shù)控化設(shè)計數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的主要特點：① 結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，自動化程度高；② 廣泛采用高效、無間隙傳動裝置和新技術(shù)、新產(chǎn)品；③ 具有適應(yīng)無人化、柔性化加工的特殊部件；④ 對機械結(jié)構(gòu)、零部件的要求高。主傳動系統(tǒng)采用電動機（7.5KW） 。進給系統(tǒng)采用滾動絲杠副螺母副代替原有絲杠副，以提高機床運行精度和傳動效率?？紤]到設(shè)計的目標及成本的原因，決定主軸支承仍采用滾動軸承支承，導(dǎo)軌仍使用動壓導(dǎo)軌。2.2.2 電氣部分的數(shù)控化設(shè)計機床加工的零件多屬中小型，且加工精度要求不是很高，原有的交流電機就能夠滿足加工要求。因此其主傳動系統(tǒng)的電氣部分仍采用其原來配置的 7.5KW 的交流電動13機驅(qū)動。2.3 進給系統(tǒng)的設(shè)計2.3.1 進給機構(gòu)的設(shè)計 考慮到該數(shù)控系統(tǒng)是開環(huán)控制，沒有位置反饋電路，故進給系統(tǒng)盡可能的要減少中間傳動環(huán)節(jié)。本車床的 X，Y，Z 兩軸進給系統(tǒng)去掉了原來的進給系統(tǒng)的中間傳動環(huán)節(jié)，直接采用了步進電機＋一級減速齒輪＋滾珠絲桿的傳動方案。拆除原來的絲桿，增加少量的機械附件，就可安裝步進電機及滾珠絲桿螺母副。本設(shè)計選用步進電機的型號為 110BF004，步進電機步距角選用 ，扭距是 4.61Nm，電機脈沖當(dāng)量：?75.0?b?。stepmP01.??2.3.2 Φ400MM 的數(shù)控車床的設(shè)計要求進給伺服系統(tǒng)設(shè)計后性能的好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的性能的好壞。也因此對進給伺服系統(tǒng)提出了設(shè)計設(shè)計要求：①提高傳動部件的剛度，減小傳動部件的慣量；②減小傳動部件的間隙，并減小系統(tǒng)的摩擦阻力；③高精度 就是說伺服系統(tǒng)的輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。④穩(wěn)定性好 指系統(tǒng)在給定輸入或受外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)后，達到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。⑤快速響應(yīng)，無超調(diào) 它是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標，反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。⑥低速大轉(zhuǎn)矩 機床加工的特點是在低速時進行重切削。因此，要求伺服系統(tǒng)在低速時要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。⑦調(diào)速范圍寬 指機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。在數(shù)控機床中，由于加工用刀具、被加工材質(zhì)及零件加工要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。2.3.3 導(dǎo)軌副的設(shè)計Φ400MM 的數(shù)控車床采用的是鑄鐵-淬火鋼滑動導(dǎo)軌，動、靜摩擦系數(shù)相差較大，低速易出現(xiàn)爬行，平穩(wěn)性和定位精度較低，能量損失大。在數(shù)控設(shè)計中可采用在原導(dǎo)軌上粘貼聚四乙炔軟帶涂層的方法，以減小摩擦系數(shù)，增加耐磨性，且具有良好的自14潤滑性和抗震性，該方法實現(xiàn)易、費用低。2.4 微機系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計的總體考慮：①確定功能指標；②明確硬、軟件分工；③重視接口設(shè)計；④認真選擇微機。2.4.1 系統(tǒng)軟件的設(shè)計本系統(tǒng)采用 8031 單片機對步進電機進行控制，使機床移動部件沿 X、Y 坐標方向移動，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，完成零件加工。軟件系統(tǒng)由初始化模塊、鍵盤處理模塊、LED 顯示模塊、輸入輸出處理模塊等組成。其中步進電機控制程序由軟件實現(xiàn)脈沖分配（由８０３１單片機實現(xiàn)環(huán)形分配） ，通過改變８２５５相應(yīng)端口的狀態(tài)完成控制過程。2.4.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計本系統(tǒng)采用 MCS-51 系列單片機芯片 8031 為控制器，1 片 8kb 的 eprom2764 作為程序存儲器擴展芯片；數(shù)據(jù)存儲器擴展芯片用 1 片 8kb 的 ram6264；而選用 1 片可編程并行Ｉ／Ｏ接口芯片 8255 作為系統(tǒng)擴展的Ｉ／Ｏ口，對Ｘ、Ｙ軸步進電機及主軸進行控制,通過鍵盤的命令可使 X、Y 工作臺聯(lián)動，并可以靈活地輸入切削程序和數(shù)據(jù)。用１片８１５５做為機床開關(guān)、刀架控制信號及主軸編碼器反饋信號Ｉ／Ｏ口用；1片 8279 作為鍵盤／顯示器接口，識別鍵盤按鍵信號，對顯示器自動掃描，完成鍵盤輸入和 led 顯示控制功能；采用 74ls138 做為統(tǒng)一地址譯碼器尋址，并用 74ls343 為地址鎖存器，并由 8031 對各步進電機脈沖信號進行環(huán)形分配，如圖 1-3 所示。 15624RAM功 率放 大 光 電 隔 離變 頻 調(diào) 速 器 74LS138257EPO815光 電隔 離 主 軸 反 饋刀 架 轉(zhuǎn) 位限 位 開 關(guān)冷 卻 、 潤 滑LED 顯 示279鍵 盤 0單 片 機主 軸 電 機XYZ圖 2-3 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖為避免強電干擾可采用光電耦合電路(GO102)進行光電隔離。因為 8255 輸出的信號功率很小，故用功率放大器對輸出的脈沖信號放大，以驅(qū)動步進電機工作。2.2 設(shè)計方案論證數(shù)控車床是機電一體化的典型代表，其機械結(jié)構(gòu)同普通的機床有相似之處?，F(xiàn)代機床的部件結(jié)構(gòu)，整體布局，外部造型都已經(jīng)形成了數(shù)控機床獨特的機械部件。因此，我們在對數(shù)控機床進行數(shù)控設(shè)計的過程中，機床的設(shè)計主要應(yīng)具備兩個條件 1.機床基礎(chǔ)件必須有足夠的剛度 2.改裝的費用要合適，經(jīng)濟性好。改裝前要對機床的性能指標做出決定，改裝后其各項指標能達到數(shù)控加工的要求。機械部分數(shù)控化設(shè)計需涉及電機的選擇、工作臺進給結(jié)構(gòu)、傳動比分配與計算等方面的內(nèi)容。1 伺服驅(qū)動元件進給電機選用混合式步進電機，其不僅步距角小運行頻率高且功耗低低頻噪音小等優(yōu)點。廣泛用于開環(huán)控制系統(tǒng)，不需要反饋裝置，結(jié)構(gòu)簡單可靠，壽命長。橫垂直進給電機均選用同一型號以便于設(shè)計和日后維修。脈沖當(dāng)量 t=0.01mm/脈沖，選用步距角 θ=0.6° 。對原機床的主傳動系統(tǒng)均維持不變，以節(jié)約資金及縮短改裝時間。2 機床導(dǎo)軌的選擇采用滑動導(dǎo)軌，在低速時容易發(fā)生“爬行”現(xiàn)象，直接影響運動部件的定位精度。較經(jīng)濟的處理方法是采用貼塑滑動導(dǎo)軌。3 進給傳動系統(tǒng)數(shù)控機床要求進給部分移動元件靈敏度高、精度高、反應(yīng)快、低速時無爬行。因此本設(shè)計中采用滾珠絲杠可以滿足要求。滾珠絲杠螺母副由絲杠、螺母、滾珠、反向器組成。其工作原理為：當(dāng)絲杠和螺母相對運動時，在螺母上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置，16使得滾珠沿滾道面運動后能通過這個裝置自動的返回其入口處，繼續(xù)參加工作。滾珠絲杠螺母副安裝時需要預(yù)緊，通過預(yù)緊可消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙，提高傳動剛度。本設(shè)計中的預(yù)緊方法是采用雙螺母墊片預(yù)緊式結(jié)構(gòu)。即通過改變兩個螺母的軸向相對位置，使每個螺母中滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩側(cè)來實現(xiàn)預(yù)緊。其特點是預(yù)緊結(jié)構(gòu)簡單，軸向剛度好，預(yù)緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好如圖 2-1。為消除傳動系統(tǒng)中的反向間隙，提高重復(fù)定位精度，傳動元件連接采用無鍵錐環(huán)連接。17第 3 章 確定切削用量及選擇刀具3.1 科學(xué)選擇數(shù)控刀具3.1.1 選擇數(shù)控刀具的原則刀具壽命與切削用量有密切關(guān)系。在制定切削用量時，應(yīng)首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標而定。一般分最高生產(chǎn)率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據(jù)單件工時最少的目標確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標確定.選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。對于機夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時 間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產(chǎn)效率，刀具壽命可選得低些，一般取 15-30min。對于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機床、組合機床與自動化 加工刀具，刀具壽命應(yīng)選得高些，尤應(yīng)保證刀具可靠性。車間內(nèi)某一工序的生產(chǎn)率限制了整個車間的生產(chǎn)率的提高時，該工序的刀具壽命要選得低些當(dāng)某工序單位時 間內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開支 M 較大時，刀具壽命也應(yīng)選得低些。大件精加工時，為保證至少完成一次走刀，避免切削時中途換刀，刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度 來確定。與普通機床加工方法相比，數(shù)控加工對刀具提出了更高的要求，不僅需要岡牲好、精度高，而且要求尺寸穩(wěn)定，耐用度高，斷和排性能壇同時要求安裝調(diào)整 方便，這樣來滿足數(shù)控機床高效率的要求。數(shù)控機床上所選用的刀具常采用適應(yīng)高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細粒度硬質(zhì)合金)并使用可轉(zhuǎn)位刀片。3.1.2 選擇數(shù)控銑削用刀具在數(shù)控加工中，銑削平面零件內(nèi)外輪廓 及銑削平面常用平底立銑刀，該刀具有關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下:一是銑刀半徑 RD 應(yīng)小于零件內(nèi)輪廓面的最小曲率半徑 Rmin，一般取 RD=(0.8 一 0.9)Rmin。二是零件的加工高度 H50起動載荷 小 較大 大KA 1 1.15 1.23） 確定彈性影響系數(shù) ZE ，鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時，從有關(guān)手冊查????的彈性影響系數(shù) ZE=160Mpa 1/2；4） 確定接觸系數(shù) 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 d1 和傳動中心距 a 的比值 d1????/a=0.35。查表的 Zp =2.9??1 ????鑄錫青銅蝸輪的基本許用接觸應(yīng)力[σ]H'(MPa)25蝸桿螺旋面的硬度蝸輪材料 鑄造方法≤45HRC 45HRC砂模鑄造 150 180鑄錫磷青銅ZCuSn10P1 金屬模鑄造 220 268砂模鑄造 113 135鑄錫鋅鉛青銅ZCuSn5Pb5Zn5 金屬模鑄造 128 1405）確定許用接觸應(yīng)力[ ] 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1 金屬模制σ ??造蝸桿螺旋齒面硬度大于 45HRC 可查表的蝸輪的基本許用應(yīng)力=268MPa 已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時每個輪齒嚙合的次數(shù)[σ ??] ‘j=1；蝸輪轉(zhuǎn)數(shù) =40r/min；蝸桿副的使用壽命 =10000h。??2 ???則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N=60j n2 =2.4 ×10 7???壽命系數(shù)：KHN = 0.693??????許用接觸應(yīng)力：[σ ]=KHN× =186MPa [σ ??] ‘??????6）計算中心距 將以上各參數(shù)帶入 4-1，求得中心距：a = 47.1 mm查表取 a=63，已知蝸桿頭數(shù) =1，設(shè)模數(shù) m=1.6mm，得蝸桿分度圓直徑??1d1=28mm。這時 d1/a=0.59，查表得接觸系數(shù)=2.35。因為 較大，所??1 ??`??2.4mm，今取螺桿的螺距 P=6mm。（2） 確定其他參數(shù) 采用單頭梯形螺桿，頭數(shù) n=1，牙側(cè)角= 150，外螺紋大徑=50mm，牙頂間隙=0.5mm，基本牙型高度=0.5P=3mm，外螺紋牙高=3.5mm，外螺紋中徑=47mm，外螺紋小徑=43mm，螺桿螺紋部分長度 H=50mm。（3） 自鎖性能校核 螺桿-螺母材料均用 45 鋼，查表取摩擦系數(shù) f=0.11；再求得梯形螺旋副的當(dāng)量摩擦角：6.50φ Vtan-1 fcosβ ≈ 6.50而螺紋升角：= 2.33Ψ =tan-1nPπ d228小于當(dāng)量摩擦角。因此滿足自鎖條件。第 5 章 數(shù)控硬件電路設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)通過對輸入的加工程序進行數(shù)據(jù)處理和運算后，輸出控制信號，控制主軸、進給軸和其他輔助裝置正確、及時和可靠地執(zhí)行加工程序所規(guī)定的任務(wù)，同時接受從機床反饋來的各種信息，對機床控制進行調(diào)整。任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，在處理信息方面，軟件和硬件對要完成的任務(wù)是等價的，硬件處理速度快，線路復(fù)雜，軟件設(shè)計靈活，適應(yīng)性強，但速度較慢。隨著高性能微處理器的誕生，現(xiàn)代數(shù)控已越來越傾向于軟件控制。數(shù)控系統(tǒng)最核心的控制是位置控制，最重要的運算是插補運算，最主要的數(shù)據(jù)處理是刀具補償。位置控制的實質(zhì)就是位置負反饋，即指令位置和實際位置進行比較，用位置偏差進行控制；插補運算就是根據(jù)加工程序所確定的坐標點，通過一定的運算法則實時獲得位置指令；刀具補償就是要解決編程軌跡和刀具中心不相符的矛盾。5.1 硬件電路設(shè)計5.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)其使用單片機結(jié)構(gòu)的劃分，一般可分為單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)兩大類。單微處理器數(shù)控系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，在一些標準型數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。多微處理器數(shù)控系統(tǒng)可以滿足當(dāng)今數(shù)控機床高速度、高精度和許多復(fù)雜功能的要求，代表當(dāng)今數(shù)控發(fā)展的水平。根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，本設(shè)計將采用較經(jīng)濟的單微處理器數(shù)控結(jié)構(gòu)，對于一般切削加工而言，其速度和精度已能滿足實際要求。數(shù)控機床單微處理器硬件結(jié)構(gòu)電路概括起來有以下幾個部分組成：（1）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，包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫存儲器；（4）輸入輸出接口電路；（5）外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電編碼器等。5.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能根據(jù)設(shè)計要求，確定數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：29讀取鍵盤輸入數(shù)據(jù)；讀取操作面板開關(guān)及按鈕信號；讀取螺紋/光電編碼器信號 ；讀取電動刀架刀位信號；接受車床行程開關(guān)信號；控制 LED 顯示；控制電動刀架自動選刀；控制縱向、橫向電動機驅(qū)動；控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止；(10) 控制交流變頻器；(11) 控制冷卻泵啟停；(12) 可與 PC 進行串行通信。本次設(shè)計在采用 8031 作為主控芯片,采用兩片 2764 程序存儲器之外還擴展了一片6264 數(shù)據(jù)存儲器,用一片 74LS373 鎖存 P0 口傳遞低 8 位地址,地址譯碼采用74LS138C3~8 譯碼器;采用全地址碼,采用二個 8155 芯片,完成對執(zhí)行元件的控制。此外,還設(shè)有越界報警急停處理電路.5.2 關(guān)于各線路元件之間線路連接8031 芯片的 P 和 P 用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù), P 口送的是 8 位地址, P02 2口傳送低八位地址和數(shù)據(jù),故采用 74LS373 地址鎖存器 ,鎖存低八位地址,ALE 作為首0選通信號,當(dāng) ALE 為高電位 ,鎖存器的輸入輸出速度 ,即輸入的低八位地址在輸出端出現(xiàn),此時不需鎖存,當(dāng) ALE 從高電平變?yōu)榈碗娖?,出現(xiàn)下降沿時,低八位地址在輸出端出現(xiàn),此時不需鎖存,當(dāng) ACE 這樣 POD 共組成 16 位地址,2764 和 6264 芯片都是 8KB,需要 13 根地址線, A ~A 低 8 位安 74L373 芯片的輸出,A ~A 按 8031 芯片的 P ~P 系統(tǒng)采用07 8122.04.全地址譯碼,兩片 2764 新片選信號 CE 分別按 74LS138 譯碼器的 和 ,系統(tǒng)復(fù)位以Y1后程序從 0000H~開始執(zhí)行 ,6264 芯片的片選信號 CE 地址按 74LS138 的 ,單片機的擴2展系統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址,8031 芯片控制信號 PSEN 按 2764 的 OE引腳,讀寫控制信號 WR 和 RD 分別按 6264 芯片內(nèi)部沿有 ROM,始終要選片外程序存儲器,故按 EA 地址30由于 8031 只有 P 口和 P 口的部分能提供用戶作 I/O 接口使用,不能滿足輸入輸出13口的需要,因此比喻擴展輸入輸出擴展電路.系統(tǒng)擴展 3 片 8155 可編程 I/O 接口芯片,8155(1)的片選信號 按 74LS138 的 端 74LS138 譯碼器有 3 個輸入 A B C 分別CE4Y按 8031 的 P P P 8 個輸出,低電平有效. 對應(yīng)輸出 A B C DE 0005.26.7.2 70~至 111 8 種現(xiàn)合.其中 對應(yīng) A B C 為 111.74LS138 有 3 個使能端,其中 2 個為低0電平使能端,另一個為高電平使能端.只有當(dāng)使能端均處于有效電平是,輸出才能產(chǎn)生,否則輸出才能處在高電平無效.I/O 接口芯片與外設(shè)的聯(lián)接是這樣安排的.8155 芯片 PA 作為顯示器段選信號, 70PA~輸出 PA~P 為顯示器的位選信號,輸出 PC0~PC4 5 根線是鍵盤輸入.8155 芯片的 20 個引腳按 8031 芯片的 P2.0,因此使用 8155 的 I/O 口時 P2.0 為高電平.8155(2),按 X Z 向直流電機硬件環(huán)形分配器為輸出,系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼,各存儲器及 I/O 接口芯片.X 向 Z 向直流電機硬件環(huán)形分配器采用 YB0153-2 相 5 相 10 拍方式工作,故 均0A1按+5V, 時鐘輸入端 CP 按 8155 芯片的 TIME007 用以決定脈沖分配器是如脈沖的頻率,為實現(xiàn)插補時不同的進給的速度,可給 8155 芯片定時/ 計數(shù)器中設(shè)置不同的常數(shù).5.3 關(guān)于電路原理圖的一些說明在此電路圖中,還有其他功能電路,如報警電路,急停電路,復(fù)位電路,隔離電路,功效電路等,此外還有對自動回轉(zhuǎn)刀架,螺紋加工進行控制.1、復(fù)位電路通常 8031 的復(fù)位有自動復(fù)位,和人工按鈕復(fù)位兩種,下面將分別顯示電路結(jié)構(gòu)sC（A）(A)上電復(fù)位電路 （B）開關(guān)復(fù)位電路2、時鐘電路時鐘電路如圖所示,XTAL 和 XTAL2 為內(nèi)振蕩電路輸入線,這兩個端口用來外接石英晶體和微調(diào)電器,用來聯(lián)接 8031 片內(nèi) OSC 的定時反饋回路.