1、5目錄目錄第一章第一章 緒論緒論 .11.1、數控系統的發展簡吏及國外發展現狀.21.2我國數控系統的發展現狀及趨勢.3 1.3 伺服系統的特點.4第二章第二章 設計總體方案設計總體方案 .521 設計參數的確定.622 總方案的確定.6第三章第三章 數控機床的機械部分設計數控機床的機械部分設計 .73.1 數控機床的傳動裝置設計.83.2 機械部分的設計與計算.9第四章第四章數控系統硬件電路設計數控系統硬件電路設計 .104.1 數控系統基本硬件組成.114.2 單片機控制系統的設計.12第五章第五章 數控系統軟件設計數控系統軟件設計 .135.1 本數控系統軟件設計任務.145.2 進給伺

2、服系統 x 軸與 z 軸步進電機控制.155.3 主軸電機的控制.165.4 螺紋加工工作原理和加工程序.17第六章第六章 滾珠絲杠副的設計和計算滾珠絲杠副的設計和計算.18 6.1 選擇脈沖當量.19 6.2 計算切削力.20 6.3 滾珠絲桿螺母副的計算和選型.21第七章第七章 數控系統的選擇數控系統的選擇.22 6.1 西門子數控系統的優點.23 6.2 數控線圖.24 6.3 數控零件圖.25致謝致謝 .26參考文獻參考文獻 .27 5緒論緒論1.11.1 數控系統的發展簡史及國外發展現狀數控系統的發展簡史及國外發展現狀1949 年美國帕森公司首先提出了機床數字控制的概念。1952 年

3、第一代數控系統電子管數控系統的誕生。20 世紀 50 年代末，完全由固定布線的晶休管元器件電路所組成的第二代數控系統晶體管數控系統被研制成功，取代了昂貴的、易壞的、難以推廣的電子管控制裝置。隨著集成電路技術的發展，1965 年出現了第三代數控系統集成電路數控系統。1970 年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了第四代數控系統小型計算機數控系統，然后，隨著微型計算機以其無法比擬的性能價格比滲透各個行業，1974 年，第五代數控系統微型計算機數控系統也出現了。應用一個或多個計算機作為數控系統的核心組件的數控系統統稱為計算機數控系統(cnc)。綜上所述，由于微電子技術和計算機技術的不斷發展，數

4、控機床的數控系統也隨著不斷更新，發展非常迅速，幾乎 5 年左右時間就更新換代一次1。數控機床是先進制造業的基礎機械，是最典型的多品種、小批量、高科技含量的機電一體化產品。歐、美、日等工業化國家已先后完成了數控機床產品進程，1990 年日本機床產值數控化率達 75，美國達 701，德國達 57。目前世界數控機床年產量超過 15 萬臺，品種超過 1500 多種2。1.21.2 我國數控系統的發展現狀及趨勢我國數控系統的發展現狀及趨勢1.2.1 數控技術狀況目前，我國數控系統正處在由研究開發階段向推廣應用階段過渡的關鍵時期，也是由封閉型向開放型過渡的時期。我國數控系統在技術上已趨于成熟，在重大關鍵技

5、術(包括核心技術)，已達到國際先進水平。自“七五”以來，國家一直把數控系統的發展作為重中之重來支持，現已開發出具有中國版權的數控系統，掌握了國外一直對我國封鎖的一些關鍵技術。例如，曾長期困擾我國、并受到西方國家封鎖的多坐標聯動技術對我們已不再是難題，0.1當量的超精密數控系統、數控仿型系統、非圓齒輪加工系統、高速進給數控系統、m5實時多任務操作系統都已研制成功。尤其是基于 pc 機的開放式智能化數控系統，可實施多軸控制，具備聯網進線等功能既可作為獨立產品，又是一代開放式的開發平臺，為機床廠及軟件開發商二次開發創造了條件。特別重要的是，我國數控系統的可靠性已有很大提高，mpbf 值可以在 150

6、00h 以上。同時大部分數控機床配套產品已能國內生產，自我配套率超過 60%。這些成功為中國數控系統的自行開發和生產奠定了基礎1。我國進行改革開放后，由于政策的開放，使得金屬切削行業得以和世界上先進的機床制造國家進行技術交流，并通過引進技術，到 80 年代初，國產數控機床進入實用化階段，1991 年數控機床的產值數控化率為 143，到 1997 年數控機床產值數控化率為 245。目前，我國數控機床(包括經濟型機床)品種約有 500 個2。 但是，與國外數控車床相比，在性能、質量 設計、制造等各方面存在較大差異，并存在許多不足：機械件的材質、加工精度、加工工藝存在較大差距，裝配工藝也存在一定差距

7、；主軸及卡盤剛性差，主軸定位準停不好；安全性較差，軟硬件保護功能不夠；刀片磨損快，生產成本高，效率低；硬件設計方面不規范，不符合國標，比如使用電壓等級、電線顏色使用、圖紙資料的繪制裝訂、提交等等，有的機床廠家甚至仍然停留在十年二十年前的設計思想；程序設計方面缺乏標準，不規范，邏輯性不強，故障率高，在使用過程中需不斷對程序進行修改；外圍元件布置及走線不規范，標牌線號不清，圖紙與實物不符，維修困難；使用的元器件本身質量差，使用壽命短，故障率高，有的機床廠家為了降成本卻忘記了質量、忘記了可靠性，選用一些國產的軸承、接觸器、繼電器、接近開關等元件，在生產過程中小故障連綿不斷；柔性化不強，多品種生產困難

8、。而國外數控車床無論是設計水平，還是制造水平，都要高出國內數控車床。機械件材質、加工精度、加工工藝、裝配工藝比較好；軟硬件設計有專門的標準，設計規范合理，配套件齊全，標牌標示清楚齊全；使用的元器件質量好，故障率低；新技術的應用及時領先；概括來說，精度及可靠性高、性能穩定故障率低3 。1.2.2 數控系統的發展趨勢隨著微電子技術和計算機技術的發展，數控系統性能日臻完善，數控系統應用領域日益擴大。為了滿足社會經濟發展和科技發展的需要，數控系統正朝著高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及開放性等方向發展。1.31.3 伺服系統的特點伺服系統的特點數字控制，是一種自動控制技術，是用數字化信號對控制

9、對象加以控制的一種方法。數控機床是采用了數控技術的機床，或者說是裝備了數控系統的機床。數控機床5是典型的數控化設備，它一般由信息載體、計算機數控系統、伺服系統和機床四部分組成。1. 信息載體信息載體又稱控制介質，用于記錄數控機床上加工一個零件所必需的各種信息，以控制機床的運動，實現零件的機械加工。常用的信息載體有穿孔帶等，通過相應的輸入裝置將信息輸入到數控系統中。數控機床也可采用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息直接輸入，或通過竄行口將計算機上編寫的加工程序輸入到數控系統。高級的數控系統可能還包含一套自動編程機或者 cad/cam 系統。2. 計算機數控系統計算機數控系統是數控機床的核心，它的功

10、能是接受載體送來的加工信息，經計算和處理后去控制機床的動作。它由硬件和軟件組成。硬件除計算機外，其外圍設備主要包括光電閱讀機、crt、鍵盤、面板、機床接口等。軟件由管理軟件和控制軟件組成。數控裝置控制機床的動作可概括為：機床主運動、機床的進給運動、刀具的選擇和刀具的補償、其它輔助運動等。3. 伺服系統它是數控系統的執行部分，包括驅動機構和機床移動部件,它接受數控裝置發來的各種動作命令，驅動受控設備運動。伺服電動機可以是步進電機、電液馬達、直流伺服電機或交流伺服電機。4. 機床它是用于完成各種切削加工的機械部分，是在普通機床的基礎上發展起來的，但也做了很多改進和提高，它的主要特點是：由于大多數數

11、控機床采用了高性能的主軸及伺服傳動系統，因此數控機床的機械傳動結構得到了簡化，傳動鏈較短；為了適應數控機床連續地自動化加工，數控機床機械結構具有較高的動態剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形較小；更多地采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副、直線滾動導軌等；不少數控機床還采用了刀庫和自動換刀裝置以提高機床工作效率1。數控機床集中了傳統的自動機床、精密機床和萬能機床三者的優點，將高效率、高精度和高柔性集中于一體。而數控機床技術水平的提高首先依賴于進給和主軸驅動特性的改善以及功能的擴大，為此數控機床對進給伺服系統的位置控制、速度控制、伺服電機、機械傳動等方面都有很高的要求。伺服系統是指以機械位置或角度作為控制對

12、象的自動控制系統。在數控機床中，5伺服系統主要指各坐標軸進給驅動的位置控制系統。伺服系統接受來自 cnc 裝置的進給脈沖，經變換和放大，再驅動各加工坐標軸按指令脈沖運動。這些軸有的帶動工作臺，有的帶動刀架，通過幾個坐標軸的綜合聯動，使刀具相對于工件產生各種復雜的機械運動，加工出所要求的復雜形狀工件。進給伺服系統是數控裝置和機床機械傳動部件間的聯系環節，是數控機床的重要組成部分。它包含機械、電子、電機(早期產品還包含液壓)等各種部件，并涉及到強電與弱電控制，是一個比較復雜的控制系統。要使它成為一個既能使各部件互相配合協調工作，又能滿足相當高的技術性能指標的控制系統，的確是一個相當復雜的任務。提高

13、伺服系統的技術性能和可靠性，對于數控機床具有重大意義，研究與開發高性能的伺服系統一直是現代數控機床的關鍵技術之一。數控機床伺服系統的一般結構如下圖所示：由于各種數控機床所完成的加工任務不同，它們對進給伺服系統的要求也不盡相同，但通常可概括為以下幾方面：可逆運行；速度范圍寬；具有足夠的傳動剛度和高的速度穩定性；快速響應并無超調；高精度；低速大轉矩。伺服系統對伺服電機的要求：1） 從最低速到最高速電機都能平穩運轉，轉矩波動要小，尤其在低速如 0.1r /min 或更低速時，仍有平穩的速度而無爬行現象。2） 電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉矩的要求。一般直流伺服電機要求在數分鐘內過載

14、 4-6 倍而不損壞。3） 為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉動慣量和大的堵轉轉矩，并具有盡可能小的時間常數和啟動電壓。電機應具有耐受 4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機可在 0.2s 以內從靜止啟動到額定轉速。4） 電機應能隨頻繁啟動、制動和反轉。隨著微電子技術、計算機技術和伺服控制技術的發展，數控機床的伺服系統已開始采用高速、高精度的全數字伺服系統。使伺服控制技術從模擬方式、混合方式走向全數字方式。由位置、速度和電流構成的三環反饋全部數字化、軟件處理數字 pid，使用靈活，柔性好。數字伺服系統采用了許多新的控制技術和改進伺服性能的措施，使控制精度和品質大大提高4。

15、5 圖 1.1 伺服系統結構圖第二章 總體方案設計2.1 設計參數的確定 并不是所有的舊機床都可以進行數控改造，機床的改造主要應具備兩個條件：第一，機床基礎件必須有足夠的剛性。第二，改造的費用要合適，經濟性好。在改裝車床前，要對機床的性能指標做出決定。改裝后的車床能加工工件的最大回轉直徑以及最大長度、主電動機功率等一般都不會改變。加工工件的平面度、直線度、圓柱度以及粗糙度等基本上仍決定于機床本身原有水平。主要有下述性能和精度的選擇需要在改裝前確定。 最大加工直徑： 車床身上： 400mm 車床鞍上： 210mm 最大加工長度： 1000mm 快進速度： 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/

16、min 最大切削進給速度： 縱向 0.6m/min 橫向 0.3m/min 5 脈沖當量： 縱向 0.01mm/step 橫向 0.005mm/step 脈沖分配方式： 逐點比較法 控制坐標數： 2機床定位精度： 0.015 溜板及刀架重力： 縱向： 800n 橫向： 60 8 自動生降速性能： 有 起動加速時間： 30ms主電機功率： 7.5kw當數控車床的性能和精度等內容基本選定后，可根據此來確定改造方案。目前機床數控改造技術已經日趨成熟，專用化的機床數控改造系統所具備的性能和功能一般均能滿足車床的常規加工要求。因此，較典型的車床數控改造方案可選擇為：配置專用車床數控改造系統，更換進給運動

17、的滑動絲杠傳動為滾珠絲杠傳動、采用步進電機驅動進給運動、配置脈沖發生器實現螺紋加工功能、配置自動轉位刀架實現自動換刀功能。2 22 2 總方案的確定總方案的確定2.2.1 系統的運動方式與伺服系統的選擇由于改造后的經濟型數控車床應具有定位、直線插補、順圓和逆圓插補、暫停、循環加工公英螺紋加工等功能，故應選擇連續控制系統。考慮到屬于經濟型數控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環控制系統。2.2.2 計算機系統根據機床要求，采用 8 位微機。由于 mcs51 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、性能價格比高等特點，決定采用 mcs51 系列的

18、8031 單片機擴展系統。控制系統由微機部分、鍵盤及顯示器、i/o 接口及光隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現，顯示器采用數碼管顯示加工數據及機床狀態等信息。2.2.3 機械傳動方式為實現機床所要求的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動絲桿。為了保證一定的傳動精度跟平穩性，盡量減少摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的結構。2.2.4 運動方式的確定數按系統運動方式可分為點位控制系統、點位/直線系統和連續控制系統。由于ck6163 車床要加工復雜輪廓零件，所以本次設計采用連續

19、控制系統。2.2.5 系統的選擇伺服系統可分為開環控制系統、半閉環控制和閉環控制系統。經過比較，由于ck6163 車床加工精度要求不高，所以決定采用開環控制系統。2.2.6 機構傳動方式的確定為確保數控系統的傳動精度和工作平穩性，在設計機械傳動裝置時，通常提出低 8 摩、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。在設計中應考慮以下幾點：(1) 盡量采用低磨擦的傳動和導向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌、貼塑導軌等。(2) 盡量消除傳動間隙。例如采用隙齒輪等。(3) 提高系統剛度。縮短傳動鏈可以提高系統的傳動剛度，減小傳動鏈誤差。可采用預緊的方法提高系統剛度。例如采用預加負載導

20、軌和滾珠絲杠副等。2.2.7 微機的選擇微機數控系統由 cpu、存儲器擴展電路、i/o 接口電路、伺服電機驅動電路、檢測電路等幾部分組成。第三章 數控機床的機械部分設計3.1 數控機床的傳動裝置設計傳動裝置設計包括傳動系統改裝設計、轉動比的計算、電機的選擇等。3.1.1.傳動系統改裝設計在車床的改造中，一般采用直線控制開環系統即可滿足要求。這種系統結構簡單、傳動鏈短機床流板箱的運動速度和位移完全取決于輸入指令脈沖的數目和頻率。因此，不需要位置檢測機構。由于無檢測裝置，其位移精度主要取決于傳動元件（如齒輪、傳動絲杠等等）的累積誤差。所以，設計時應該選擇合適的脈沖當量（常用的控制系統的脈沖當量是

21、x 向 0.005mm/p。y 向 0.01mm/p）并要求傳動元件有足夠的剛度和精度。傳動系統的傳動誤差盡量小，一般開環系統的定位精度可達0.02mm0.01 mm.有以下幾個方面的因素：一是將高轉速低轉矩的伺服電動機軸的輸出，改變為低轉速高轉矩的執行元件的輸出；另一方面是使絲杠哈溜板的轉動慣量折算到電動機上數值減小，此外對開環系統而言還可以保證所要求的脈沖當量。縱向進給系統的改造全部拆除 ck6163 原機床的進給箱和溜板箱，拆除光桿及端部的固定軸承。滾珠絲杠安裝在原光桿略前一點。考慮到熱脹冷縮對精度的影響，絲杠的兩端一固定一端自由伸縮。溜板箱拆除后，設一溜板箱和平動按鈕安裝板，滾動絲杠副

22、的螺母固定到溜板箱上，轉動絲杠時，帶動溜板箱移動。縱向步進電機、齒輪箱和溜板箱均加外罩，以保持機床的外觀整齊；在溜板箱上安裝縱、橫向進給按鈕和啟動、暫停、急停按鈕，以適應機床調整時的操作需要和遇到以外情況時的緊急處理需要。為了便于安裝滾珠絲杠副及檢修，絲杠軸采用分段式。 8 安裝后，用套桶剛性連接。如絲桿采用整體式，則加工難度大，易產生變形，裝拆不方便，且如果一端因磨損或裝拆損壞，則絲杠也隨之報廢。無形之中增加使用成本步進電機及齒輪箱安裝在機床尾部，不影響操作，便于檢修和布線。為保證傳動精度及避免多級傳動帶來的誤差，采用一級齒輪減速，并采用雙片薄齒輪錯齒來消除間隙（考慮到負載變化，不采用彈簧調

23、節齒輪）運行一段時間后，拆開減速蓋板調節兩片齒輪間的相對位置達到消除間隙的目的。此外為達到這個目的，在減速箱端蓋上制造腰子孔方式。當端蓋與減速箱體聯結時。圍繞中心轉動端蓋，從而改變步進電機與絲杠軸中心距來達到消除齒輪間隙的目的。減速箱在安裝后，配打定位銷定位。在溜板箱體上安裝快速進給按鈕和急停按鈕，機床運行中如遇越界現象將不能及時發現。因此在適當的位置安裝越界報警系統。原機床主軸部位保留，但加裝主軸脈沖發生器，以實現螺紋加工功能。保留其它進給和刀具部分。原來車床上的四位刀架改為四位可編程自動轉位刀架。3.2.2.主軸編碼器數控車床靠數控系統控制步進電機進給與主軸的旋轉配合切削出符合的螺紋，須配

24、置主軸編碼器作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉動，發出主軸轉角位置變化的信號。主軸編碼器一般采用同軸安裝或異軸安裝，異軸安裝較同軸安裝復雜，須配置一對齒輪或同步恥形帶，但可加工穿出車床主軸孔的零件。主軸編碼器傳動用軸套連接，對連接件制造精度及安裝要求較高，否則同軸度誤差的影響會引起主軸編碼器發生偏扭而造成信號不準，嚴重會損壞碼盤。3.1.3.滾珠絲杠由于被改裝機床的絲杠往往已有不同程度的磨損或彎曲變形，運動阻力較大，容易造成步進電機伺服系統的丟步。如果機床用于粗加工，問題還不突出；如用于精加工，為了提高機床的定位精度、應采用滾珠絲杠。在改裝過程中，一般應注意以下幾個問題：a 改

25、裝前，應對機床的各項精度進行一次檢測，作必要的修復，以保證改裝后的機床有較高的使用價值由于滾珠絲杠的定位圓往往比原絲杠大，需拆下縱向絲杠右端的掛腳，細致地校正原安裝定位面，找正原定位孔中心，擴鏜孔，使之與滾珠絲杠配合。這是新安裝的滾珠絲杠與機床導軌平行的關鍵之一；縱向滾珠絲杠選用時，應盡量使 8 其長度與原絲杠接近。為了降低成本，允許選用稍短的規格，因為車床絲杠的端部螺紋在日常使用時一般是用不到的，可加連接桿補償，但應保證加工和安裝時的同軸度要求。這一要求以及絲杠螺母座的安裝位置，構成大拖板移動是否靈活的關鍵；橫向滾珠桿的有效長度，不僅要保證刀具刃尖過去軸中心，還應滿足機床自動對刀功能的要求。

26、最好能使中拖板行程滿足鏜孔刀尖超過主軸中心 40mm。我們將原機床絲杠的螺紋部分切去，與滾珠絲杠鑲接，簡化了改裝工作量。螺紋部分切出前，需確定起長度。3.2.4.絲杠后支撐用雙列向心球面球軸承后支撐采用自動調心雙列向心球面球軸承。雙列向心球面球軸承，不僅可 承受徑向載荷和橫向載荷，更重要的是能消除由于安裝誤差，導軌直線度誤差，加工過程中切削變形而引起的軸和軸承之間的干涉，自動調節起相對位置，保證絲杠的回轉精度和位置精度。3.3.5.采用波形彈簧墊圈消除齒輪間隙車床數控裝置中，彈簧是傳動裝置上采用一級減速齒輪來提高鈕矩和傳動精度，而齒輪間隙會在旋轉每次反向之后使運動滯后于指令信號；既形成反向間隙

27、，對加工精度產生影響。一般采用軸向壓簧錯齒結構，通過彈簧調節消除間隙，盡管齒側間隙可自動調節補償，但軸向尺寸結構不緊湊，關系非線形，而耐高溫和耐油性比鋼彈簧彈性差，易老化。因此用波形彈簧墊圈消除間隙，既可自動補償間隙又有緊湊結構3.4.6.傳動軸和滾動絲杠的連接連接軸用長聯軸套為減少聯軸器徑向尺寸和轉動慣量，采用了套式聯軸器；同時為保證連接兩軸之間同軸度和接觸面積，連軸器的長度去 120 mm 左右，約為彈性柱銷的 1.5 倍，軸徑與軸套相互垂直，圓錐銷定位瑣緊保證連接剛度3.5.7.公差與配合的選用（1）軸套與軸徑之間用 h7/k6，采用這種配合，保證在裝配時有過盈，以保證其精密定位和連接剛

28、度，消除里配合件之間的震動，當經過一段時期后，需要更換軸承或進行導軌修磨而拆卸時，又能方便的將軸徑從軸套 中取出。（2）與軸承配合的軸徑用 js6。因為軸承是標準件周的公差采用 js6 當軸承過度配合時平均間隙小，并允許有過盈，以保證剛度要求，又能方便軸承裝卸。3.2 機械部分的設計與計算1.縱向進給系統的設計計算 8 （1）工作臺質量的估算工作臺質量估算 =86+21.6+26=133.6kgmabc式中：a床鞍的質量 86kgb中拖板的質量 21.6kgc刀架質量 26kg（2） 切削力的計算p=pkp主電機功率=7.5kw主傳動系統總效率=0.75k進給系統功率系數 k=0.96p =7

29、.50.80.96=5.76kw2機床主電機功率計算 按照需要進行數控改造設計的普通車床的主電機功率來計算切削力。其具體方法如下: pp式中c切削功率(kw) p 機床主傳動功率(kw) 主傳動系統總的機械效率，可以近似地取以下數值精密機床 =0.80.85 中型機床 =0.750.8 大型機床 =0.70.85 mn=9550pc/n式中 mn 主軸傳遞的扭矩(nm)； n 主軸計算轉速(r/min)，是主軸傳遞全部功率時的最低轉速。 fz=2mn/d10式中 fz 主切削力(n)； d 工作直徑可采用在床鞍上加工的最大直徑。 主切削力求出以后再按比例求出 fxfy。 8 3.滾珠絲杠的設計

30、計算滾珠絲杠已經標準化，因此，滾珠絲杠副的設計計算歸結為滾珠絲杠副的型號選擇。縱向滾珠絲杠選用時，盡量使其長度與原絲杠接近。為了降低成本，允許選用稍短的規格，因為車床絲杠的端部螺紋在日常使用時一般是用不到的，可加連接杠補償，但應保證加工和安裝時的同軸度要求。這一要求以及絲杠螺母座的安裝位置，構成大拖板移動是否靈活的關鍵。同時橫向滾珠絲杠的有效長度，不僅要保證刀具刃尖過去周中心，還應滿足機床自動對刀功能的要求，最好能使中拖板行程滿足鏜孔刀尖超過主軸中心 40mm。我們將原機床絲杠的螺紋部分切去，與滾珠絲杠鑲接，簡化了改裝工作量。螺紋部分切除前，需確定其長度。（1）計算作用在絲杠下的最大動負載荷

31、f 首先根據切削力和運動部件的重量引起的進給抗力，計算絲杠的軸向載荷，再根據要求的壽命計算出絲杠副應能承受的最大動載荷 f f=fgfgf f 最大動載荷（n）f 工作負載（n）f 運轉系數，一般運轉取 1.2 1.5；有沖擊的運轉取 1.52.5f 硬度系數，hrc 為 60 時為 1；hrc60 時 f 大于 1；l壽命以 10 為單位 1，如 1.5 就為 150 萬轉。l=60nt/10 n滾珠絲杠的轉速t 為使用壽命，取 15000 小時工作負載的數值可用機床設計手冊中的進給牽引力實驗公式計算：則車床絲杠的縱向軸向力f=kgff切削分力；w 移動部件重力（1300n）k 考慮到顛覆力

32、矩的影響的系數 k 取 1.15f 導軌摩擦系數取 0.16則 f =2471n 8 當車床以線速度 100m/min,進給速度為 f=0.3mm/r,車削直徑為 d=80 mm 的外圓時，絲杠的轉速 n= = =19.9r/min，則 l= = =17.91 萬轉。根據工作負載 f ，壽命 l，計算出滾珠絲杠副承受的最大動負荷，取 f =1.2, f =1 f=fgfgf= 1.212471=12548.8n由 f 查滾珠絲杠的產品樣本選用絲杠的型號。查南京工藝設備制造廠的滾珠絲杠樣本選擇滾珠絲杠的直徑為 40mm,型號為 cd406z5e2，插管外循環雙螺母墊片預緊及滾珠絲杠副。其額定動載

33、荷為 25970n，強度足夠。參數如下：公稱直徑 40mm，基本導程 6mm，鋼球直徑 7.144mm，絲杠大徑 38mm額定動負荷 25.97kn，額定靜負荷 87kn4 計算最大動負載 c選用滾珠絲杠副的直徑 d。時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉 100 萬轉(1010后。在它的滾到上不產生點蝕現象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載 c，可用下式計算osmwlvnntlfflc1000106063 式中 l壽命，以 1010轉為一單位； n絲杠轉速(rmin); v 為最大切削力條件下的進給速度(m/min),可取醉倒進給速度的 1/21/3； l。絲杠導

34、程()；為使用壽命()，對于數控機床取；w運轉系數，見表-。表-運轉系數運轉狀態運轉系數無沖擊運轉.一般運轉.有沖擊運轉.5 計算最大靜負載。 8 當滾珠絲杠副在靜態或低速(情況下工作時，滾珠絲杠副的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產生塑性變形，當塑性變形超過一定限度就會破壞珠絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬分之一。產生這樣大的塑性變形量時的負載稱為允許的最大靜負載。式中滾珠絲杠的最大軸向負荷，()；靜態安全系數，當為一般運轉時，當有沖擊或振動是，fs23。 選用相應的滾珠絲杠副的額定靜載荷 c。c。a。 6 .傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率tantan式中 絲杠螺

35、旋升角； 摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數 f=0.0030.004,其摩擦角約等于10。 7 .剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統的定位精度及運動的平穩性，因此應考慮以下引起軸向變形的因素 (1)絲杠的拉伸或壓縮變形量 1；在總的變形量中占得比重較大。可以用計算方法或查圖表的方法決定。 1計算法 先用下式計算滾珠絲杠受工作負載 fm 的作用引起的導程 l。的變化量l(mm)再計算滾珠絲杠總長度上的拉伸或壓縮變形量 1。 l=fml。/ef式中 l在工作負載 fm 作用下引起每一導程的變化量(mm)； fm工作負載，即進給牽引力(n)； l。滾珠絲杠的導程(mm)； e材料彈性模數(

36、n/mm),對鋼為 20.61010nmm; 8 f滾珠絲杠截面積(鞍內徑確定) (mm)。 “”號用于拉伸， “-”號用于壓縮。再計算滾珠絲杠總長度上拉伸或壓縮的變形量 1(mm) 1=l/ll式中 l滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm) 。（2）效率計算：根據機械原理的公式，絲杠螺母副的傳動效率? 為 y0.3 螺紋的螺旋升角，該絲杠為 2.7349, 摩擦角為 10, 則 y =0.94（3）剛度計算滾珠絲杠工作時，受軸向力和扭矩的作用，它將引起導程 l 的變化，因滾珠絲杠受扭時引起導程變化很小，可忽略不計，故工作負載引起的導程的變化兩 l（cm）為公式中 s 彈簧摸量，對鋼 s=20.6

37、10 n/cm ，f 是滾珠絲杠截面積等于 11.88cm 。 “+” 用于拉伸時， “-”用于壓縮時。則6.0610 cm，絲杠 1 米長度上導程變形總誤差?l 10.10m/m，3 級精度絲杠允許的螺距誤差為 15m/m，故剛度足夠。（4）滾珠絲杠副螺母副支承形式的選擇按如何布置承受軸向載荷的軸承和結構簡單由適合中小型車床的支承形式分，一般有下列兩種。.“雙推自由”式，圖 a 所示為“雙推自由”式原理圖。這種方式是將兩個a方向的推力都布置于一端。另一端為自由端。它適合于車床的橫向進給絲杠；.“雙推支承”式，圖 b 所示為“雙推支承”式原理圖。與方式 a 不同的是b在另一端布置一盤或兩盤向心

38、球軸承。這種形式比較適合于中小型車床的縱向進給絲杠7.定齒輪傳動比計算根據系統的脈沖當量 0.01，選步進電機的步距角則 y=1.25，取齒輪齒數0.75?z =24，z=30 齒輪模數 m=3mm.取齒輪傳動時效率 =0.988.步進電機的選擇（1）負載轉動慣量的估算 折算到步進電機軸上的轉動慣量可按下式估算： 8 jjj 折算到電機軸上的轉動慣量（ kg/cm ）j 齒輪 z 的轉動慣量（kg/cm ）j 齒輪 z 的轉動慣量（kg/cm ）j 絲杠的轉動慣量（kg/cm ）對材料是鋼的圓柱形零件，其轉動慣量可按下式估算： 7.8 10jdld 圓柱零件的直徑（cm）l零件軸向長度（cm）

39、所以 j7.8104.81=0.414kg/cm j=7.81061=1.011kg/cmj=7.8104152=30.35kg/cmj=0.299kg/cm =0.414+0.299=20.784jj（2）負載轉矩計算及最大靜轉矩選擇根據能量守恒原理，電動機等效負載轉矩2.05n.m若不考慮起動時運動部件慣性的影響，則起動轉矩 ,取安全系數 0.3， 對于工作于三相六拍的步進電機 t = n/m .因數控機床對動態性能要求較高，確定電動機最大靜轉矩時，應滿足快速空載啟動時，所需轉矩 t 的需求 ttttt 空載快速啟動是所需的轉矩（n/m）t 克服摩擦所需的轉矩（n/m）t 絲杠預緊所引起折

40、算到電動機軸上的附加轉矩（n/m）當工作臺快速移動時，電動機的轉速 n 由動力學可知， tj式中 角加速度，則=3.626n/mtjt =0.173n/m式中 f 預加載荷，一般為最大軸向載荷的 1/3，即 f /3則=3.626+0.173+0.683=4.482n/mtttt 8 （3）步進電機的最高工作頻率f =3333.33hz根據計算綜合考慮，查表選用 110bf003 型電動機。第四章數控系統硬件電路設計4.14.1 數控系統基本硬件組成數控系統基本硬件組成任何一個數控系統都由硬件和軟件兩部分組成，硬件是數控機床的基礎，其性能的好壞，直接影響整個系統的工作性能，有了硬件，軟件就能發

41、揮作用。 機床數控機床的硬件電路概括起來又以下四部分組成：（1） 中央處理單元 cpu。cpu 是數控系統的核心。（2） 總線。包括數據總線（db） 地址總線（ab）和控制總線（cb） 。（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。oi由于 8031 只有 p1 口和 p3 口部分能提供用戶作為 i/o 口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因而系統必須擴展輸入輸出接口電路。從附錄 h 圖 h2 可以看出，系統擴展了一片 8155 和一片 8255 可編程 i/o 接口芯片。8155 的片選信號 ce 接 74ls138 的y0，8255 芯片片選信號 cs 接到

42、 74ls138 的 y2 端。74ls138 三八譯碼器有三個輸入a、b、c 分別接到 8031 的 p2。5，p2。6、p2。7，輸出 y0y7 8 個輸出，低電平有效。y0y7 對應輸入 a、b、c 的 000 至 111 的 8 種組合，其中 y0 對應 a、b、c 為 000，y7對應 a、b、c 為 111。74ls138 還有三個使能端，其中 2 個（ga 和 gb）為低電平使能，另一個 g1 為高電平使能。吸有當使能端均處于有效電平時，輸出才能產生，否則輸出處于高電平無效狀態。i/o 接口芯片與外設的連接是這樣安排的：8155 芯片 pa0pa7 作為顯示器段選信號輸出，pb0

43、pb7 是顯示器的位選信號輸出，pc0pc4 5 根線是鍵盤掃描輸入。8155 芯片的 io/m 引腳接 8031 芯片的 p2。0，因為使用 8155 的 i/o 口故 p2。0 高電平。8255 芯片 pa0pa6 接 x 向、y 向和 z 向步進電機硬件環形分配器，為輸出，pb0pb7 為三個方向的點動及回零輸入，pc0pc5 為面板上的選擇開頭是輸入，設有編輯、單步運行、單段運行、自動、手動 i、手動 ii 等方式。系統各芯片采用全地址譯碼，各存儲器及 i/o 接口芯片的地址編碼如表 419 所示：x 向，y 向步進電機硬件環形分配器采用 yb015，32 相通電五相十拍方式工作，故

44、a0，a1 引腳均接+5v，z 向步進電機配件環形分配采用 yb014，是以 23 相通電四相八拍方式工作。a0、a1 接高電平。三個芯片的選通輸出控制 e0 分別接 8255 的pa0、pa3、pa5，清零 r 接 8255 的 pa1，正、反轉控制端分別接 8255 的 8 pa2、pa4、pa6，時鐘輸入端 cp 接 8155 芯片的 timrout，用以決定脈沖分配器輸出脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實現插補時不同的進給速度，可給 8155 芯片的定時/計數器中設置不同的時間常數。表 5芯 片接 74ls138 引腳 地址選擇線片內地址單元（b） 地址編碼2764（1）0y000 xxx

45、xxxxxxxxxx8k0000h1fffh2764 (2 )1y001xxxxxxxxxxxxx8k2000h3fffh62642y010 xxxxxxxxxxxxx8k4000h5fffhram4y10011110 xxxxxxxx661009effh8155i/o4y1001111111111xxx69ff8h9ffdh82552y01011111111111xx45ffch5fffh 作用是進行數據運算處理和控制各部分電路協調工作，存儲器用于存放系統軟件，應用程序和運行中所需要的各種數據，輸入輸出接口是系統與外界進行交oi換的橋梁。總線則是 cpu 與存儲器，接口以及其它轉換的紐帶，是

46、 cpu 與部分電路進行交換和通訊的必由之路。 數控系統的硬件框圖為： 8 圖 4-14.24.2 單片機控制系統的設計單片機控制系統的設計1 向和 x 向進給伺服系統運動2 鍵盤顯示3 自動轉位刀架控制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、急停電路、復位電路、光隔離電路、功能電路等。4.2.1 硬件電路的組成采用 mcs-5 系列單片機組成的控制系統硬件電路原理圖。電路的組成如下：a) 采用 8031 作 cpub) 擴展了兩片 2764 芯片、一片 6264 芯片c) 兩片 8155 可編程并行 i/o 接口。d) cpu、存儲器及 i/o 接口cpu 采用 80

47、31 芯片，選用 6mhz 晶體振蕩器。它的作為數據總線和地址共用。op16 位地址線由經地址鎖存器 74ls373 提供 8 位地址，高 8 位地址由op70aa 158aa 8031 的口直接提供。ale 為地址鎖存允許。為低電平時選通外部存儲器2ppsen（eprom） ，相應的指令字節出現在 eprom 的數據線（）上，輸入到口，70dd op8031 將指令讀入。reset 為復位控制，當 reset 輸入端出現高電平時，8031 被初始化復位，在復位有效期向 ale、psen 也輸出高電平。當 reset 輸入端返回低電平后，cpu 從 o 地址開始執行程序。 （故設計中一定有一片

48、 2764 芯片連到 74ls138 的）設0y計中采用上電復位和開關復位。另外，兩片 8155 的 reset 也與 8031 的 reset 管腳 8 相連，它們可同時復位。8031 的是片內的定時器/計數器溢出中斷申請，由主軸后面的光電編碼器輸入。0t當車床車螺紋時，主軸光電編碼器向 8031發出進給脈沖，用以控制不同導程的螺紋0t加工。光電編碼器還發出一個零位螺紋信號，輸入 8155(1)的，用以防止車螺紋亂6pb扣。8155(1)主要用于功能鍵的控制，刀架轉位控制以及報警等。其中 pa 口為輸入口，作為功能鍵的控制管理，刀架控制編輯、空運行、自動、手動 i，手動和50papa ii回

49、零。pb 口也是輸入口，由面板上的按鍵分別控制起動、暫停、單段、連40pbpb 續、急停等功能。是換刀回答，當自動轉位刀架按指令轉位、夾緊，刀架電機停5pb轉之后，發出此信號，開始執行進給指令。接光電編碼器輸出的零位螺紋信號。6pbpc 口是輸出口，控制自動轉位刀架四個刀位的選刀。用于報警顯示，30pcpc 4pc系統正常工作時，輸出低電平，綠色發光二極管亮，當系統出現異常情況時，輸出高電平，經反向后，紅色發光二極管亮，實現報警功能。 8155(2)控制步進電機，行程控制，以及鍵盤，顯示電路。其中為輸出口，70papa 用于控制 z 向、x 向步進電機運轉，z 向步進電機為五相，x 向為三相。

50、此系統采用軟件分配。鍵盤顯示電路為 4 6 鍵和 6 位顯示器。作為鍵盤的 6 條列線，50pcpc 是鍵盤掃描線，是輸出口。接行線作為鍵盤輸入口。是 6 位數碼30pbpb 50pcpc 顯示器的位選信號，8031 的口是數碼顯示器的段選信號。接越程限位控制1p74pbpb 電路，當床鞍或拖板在 z 向或 x 向越程時，即向計算機輸入此信號，使進給系統停止。 表 6 ：數控車床控制系統芯片地址分配芯片接 74ls138 引腳地址選擇線片內地址單元地址編碼2764(1)0y000 xxxxxxxxxxxxx8k0000h-1fffh2764(2)1y001xxxxxxxxxxxxx8k2000

51、h-3fffh62642y010 xxxxxxxxxxxxx8k4000h-5fffh 8 8155(1)i/o4y0110000100000 xxx66100h-6105h8155(2)i/o4y1000000100000 xxx68100h-8105h第五章第五章 數控系統軟件設計數控系統軟件設計5.1 本數控系統軟件設計任務1.系統管理程序 2. 零件加工源程序的輸入處理命令 3. 插補程序 4. 伺服控制程序 5. 診斷程序 6. 機床的自動加工及手動控制程序 7. 鍵盤操作和顯示處理程序5.2 進給伺服系統 x 軸與 z 軸步進電機控制數控機床的進給速度與加工精度、表面光潔度和生產率

52、有密切關系。要求進給速度穩定、有一定的調速范圍、啟動快、停車準。在 cnc 系統中，可用軟件或軟件與接口配合實現進給速度控制。常見的有程序計時法、時鐘中斷法及 v/ 積分器法等。在這里只介紹時鐘中斷法。時鐘中斷法只要求一種時鐘頻率，用軟件控制每個時鐘周期內的插補次數，以達到控制速度的目的。進給速度可每分鐘毫米數給定。時鐘頻率選擇：根據最高插補進給速度要求，并結合計算機換算的方便，可取一特殊的 f（mm/min） ，使該速度下每個時鐘周期進行一次插補。如取 f=256mm/min，脈沖當量為 0.01mm/l 時： f=256mm/min=256100/60=426.66l/s取 f=427hz

53、。這樣對 f=256mm/min 時，恰好每次時鐘中斷作一次插補。因為 z 軸步進電機的控制方法與 x 軸步進電機的控制方法一樣，所以在此僅以 x 軸步進電機的控制為例說明。5.3 主軸電機的控制目前，數控機床的主傳動電機已經基本不再采用普通的交流異步電機或傳統的直流調速電機，它們已逐步被新型的交流調速電機和直流調速電機所代替。數控機床的主傳動要求較大的調速范圍，以保證加工時能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量。數控機床的變速是按照控制指令自動進行的。5.4 螺紋加工工作原理和加工程序主軸脈沖發生器是為加工螺紋安裝的主軸轉速檢測裝置。解決螺紋精度和粗糙度， 8 加工出

54、高質量的螺紋是當前數控機床急需解決的問題。被采集的主軸脈沖發生器的脈沖 n，經過 8031 單片機軟件處理，轉換成沿主軸方向進給的脈沖，通過步進電機推動刀架運動，完成螺紋加工機床數控的控制對象，是使刀架按給定要求，沿不同坐標方向運動，完成預定加工。對螺紋加工說，只要把裝有主軸發生器的旋轉軸 和沿主軸 z 運動的刀架，看成z、 坐標系內的兩軸聯動，則螺紋加工就是解決 和 z 的聯動問題。當主軸脈沖數固定后，螺距不同，得到不同斜率的直線；轉速不同，脈沖頻率，只影響沿 z 軸的進給速度，對斜率無影響；在螺紋加工中，脈沖的到來是沿螺距方向進給的依據。螺紋加工的進給速度由脈沖的頻率決定。因此，每來一個脈

55、沖，做一次偏差計算，當 f0 時，進給z。因此脈沖的到來，標志 方向已進給了 ，所以，f0 進給z，并需繼續進行偏差計算，直至 f0，再等待下一次脈沖的到來。對于 z 方向定義第一象限的進給是+z，可加工反螺紋。第二象限進給-z，加工正螺紋。1.采用軟件環形分配器控制步進電機運行步進電機程序設計的主要任務如下：(1)判斷旋轉方向(2)按相序確定控制字(3)按順序輸入控制字即傳送控制脈沖序列(4)控制步數本系統步進電機采用三相六拍工作方式，當電機 a、b、c 三相繞組分別接于 8031的 p1.0、p1.1、p1.2，其工作狀態及控制字如表 4-1 所示，其中 p1.0，p1.1，p1.2 經光

56、電耦合和驅動電路到 a、b、c 三相電機繞組。2.手動操作移動溜板程序設計在機床手動工作或自動加工啟動前，常需手動移動溜板，使它到達指定位置。這對于零件加工的調刀特別有用。它相當于普通機床用手移動溜板，所不同的是不用手搖手柄，而是通過按鍵完成。鍵盤分板指令識別后，控制系統在軟件功能指令下自動發出進給指令，并記憶其移動位置。但要注意，該操作程序必須在主程序執行后才能起作用。程序說明如下：（1）設電機驅動子程序中 2027h 單元內存方向代碼，2028h 單元內存速度系數。（2）使用該程序可使溜板按給定方向移動到指定位置，也可點動，分別由鍵處理 8 程序調動。（3）軟件自動規定移動速度，按“9 速

57、”移動，即縱、橫向分別以 6.24mm/s 和16mm/s 的速度移動。3.逐點比較法插補程序軟件插補方法分為兩類：基準脈沖插補法和數據采樣法。基準脈沖插補方式適用于以步進電動機為驅動裝置的開環數控系統。基準脈沖插補在計算過程中不斷向各坐標軸發出相互協調的進給脈沖，從而使各坐標軸作相應移動。基準脈沖插補的實現較簡單，通常只需進行加法和移位就能完成插補計算。因此它較易由硬件實現，插補速度快。也可由軟件實現，但插補速度和精度受限制，只適合于一些中等精度和中等速度的機床控制，通常為經濟型數控系統。基準脈沖插補算法中較為成熟并得到廣泛應用的是逐點比較法和數字積分法。以下介紹一下逐點比較法的工作原理和程

58、序：逐點比較法的基本原理：在刀具按要求的軌跡運動加工零件時，不斷比較刀具與被加工零件輪廓之間的相對位置，根據比較的結果決定下一步進給的方向，使刀具向減少誤差的方向進給，且只有一個方向的進給。逐點比較法每進給一步都要經過四個工作節拍：偏差判別、進給、偏差計算、終點判別。利用逐點比較法可以實現平面內的直線和圓弧插補，插補誤差被控制在一個脈沖當量之內，輸出脈沖均勻且速度變化不大，因此在兩坐標數控機床中得到較為普遍的應用。4.直線插補下面以第一象限直線為例說明。 實現逐點比較法直線插補可以采用硬件邏輯，也可以利用軟件來模擬。軟件插補靈活可靠，但速度較硬件慢，程序清單見附錄 8-7a。插補用到的各寄存器

59、在內部 ram 中的分配如圖 4-10a 所示，其中判別值為絕對值， 、 和 f 為二進制補碼，低位在上，高位在下，高位的 d7 位為符號位。5.圓弧插補現以第一象限逆圓插補為例說明，逐點比較法圓弧插補每進給一步也需要經過四個工作節拍。逐點比較法由軟件實現圓弧插補，動點坐標修正和偏差公式中的乘 2 及加 1 運算用軟件實現時幾條指令即可完成，程序清單如附錄 8-7b。插補用到的各寄存器在內部 ram 中的分配，其中終制值為絕對值， 、 、 、 和 f 為二進制補碼，低位在上，高位在下，高位的 d7 位為符號位。6.象限（1）.插補與象限及圓弧走向的關系 8 前面均是以特例來討論逐點比較法直線插

60、補和圓弧插補的，所推出的偏差判別公式等僅適用于第一象限中的直線和逆時針走向圓弧。但是，對于不同象限中的線型，其插補運算公式和脈沖進給方向都是不同的，圓弧還受其走向的影響。在一個坐標平面內，由于象限及圓弧走向不同，圓弧共有 8 種情況。若用 r 表示圓弧，用 s 表示順時針走向，用 n 表示逆時針走向，四個象限分別用 1、2、3、4 標注，則可將這 8 種情況分別表示為 sr1、sr2、sr3、sr4（四個象限的順圓）和nr1、nr2、nr3、nr4（四個象限的逆圓） 。直線情況較簡單，僅因象限而異。若用 l 表示直線，四個象限還由數字 1、2、3、4 分別標注，則可將 4 種直線分別表示為l1