X5230銑床數(shù)控化改造（縱向）

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請(qǐng)放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 摘 要 本文主要對(duì)X5230普通銑床進(jìn)行改造，首先分析銑床的加工特點(diǎn)和加工要求確定其主參數(shù)，運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)；根據(jù)主參數(shù)和改造要求進(jìn)行主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。主要進(jìn)行主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)改造及滾珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)的選型和校核；對(duì)于控制系統(tǒng)由于這里的改造要求是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，所以采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用高性價(jià)比的MCS-51系列單片擴(kuò)展系統(tǒng)，主要進(jìn)行中央處理單元的選擇、存儲(chǔ)器擴(kuò)展和接口電路設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控技術(shù)；普通銑床；硬件電路；開環(huán)控制 Abstract This article mainly carries on the transformation to the X5230 general milling machine, first analyzes the vertical milling machine the processing characteristic and the processing request determines its host parameter, including movement and dynamic parameter; Carry on the host kinematic scheme according to the host parameter and the design request, enters for the system and the control system hardware circuit design. Mainly carries on the host kinematic scheme and enters for the system mechanism design and the ball bearing guide screw and electric stepping motor shaping and the examination; Regarding control system because here mainly aims at the economy numerical control milling machine the transformation of requirements, here uses electric stepping motor open-loop control, the computer system uses the high performance price compared to the MCS-51 series monolithic expansion system, mainly carries on the central processing element the choice, the memory expansion and the connection circuit design . Key words: Numerical control technology；General milling machine；Hardware circuit；Open-loop control 目 錄 1緒 論 …………………………………………………………………………………1 1.1引言………………………………………………………………………………1 1.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀………………………………………………………………1 1.3本文的選題及主要研究內(nèi)容……………………………………………………2 1.3.1本文的選題………………………………………………………………2 1.3.2主要研究內(nèi)容…………………………………………………………2 2 X5230銑床總體改造方案及機(jī)械部分設(shè)計(jì)……………………………………………3 2.1 設(shè)計(jì)要求………………………………………………………………………3 2.1.1設(shè)計(jì)基本思路……………………………………………………………3 2.1.2設(shè)備改造前后性能指標(biāo)…………………………………………………4 2.2 改造方案的確定…………………………………………………………………5 2.2.1改造目的…………………………………………………………………..5 2.2.2總體方案設(shè)計(jì)……………………………………………………………5 2.3縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)與計(jì)算………………………………………………6 3 X5230數(shù)控銑床硬件電路設(shè)計(jì)……………………………………………………24 3.1概述………………………………………………………………………………24 3.2控制系統(tǒng)硬件基本組成…………………………………………………………24 3.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………………………25 3.4坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)……………………………………………………………………31 3.5電源………………………………………………………………………………33 3.6 控制臺(tái)…………………………………………………………………………35 3.6.1 CNC裝置的工作過程……………………………………………………35 3.6.2 CNC裝置的主要功能……………………………………………………36 3.7其他輔助系統(tǒng)…………………………………………………………………39 3.7.1銑床的冷卻和溫度控制…………………………………………………39 3.7.2工件切削冷卻……………………………………………………………40 4 MCS-51系列單片機(jī)簡介……………………………………………………………40 4.1單片機(jī)的選擇…………………………………………………………………40 4.2 存儲(chǔ)器芯片的選擇……………………………………………………………42 4.3 I/O接口芯片選擇……………………………………………………………42 5 控制系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)…………………………………………………………………43 5.1主控微機(jī)8031的性能特點(diǎn)……………………………………………………45 5.2 鍵盤和顯示器接口…………………………………………………………….46 5.3 操作按鈕的設(shè)置及操縱面板…………………………………………………48 5.4 固態(tài)繼電器的控制接口電路………………………………………………49 6 X5230數(shù)控銑床軟件設(shè)計(jì)………………………………………………………………50 6.1各軟件流程圖……………………………………………………………………50 6.1.1 管理軟件的設(shè)計(jì)…………………………………………………………51 6.1.2控制軟件的設(shè)計(jì)…………………………………………………………52 6.2逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法的軟件設(shè)計(jì)……………………………………………………52 6.2.1逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)……………………………………………………53 6.2.2逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)……………………………………………………54 6.2.3逐點(diǎn)比較法的速度分析…………………………………………………55 6.2.4逐點(diǎn)比較法的象限處理…………………………………………………56 6.3 銑刀半徑補(bǔ)償?shù)姆椒ā?7 6.4 棱角過渡處理及嘗試…………………………………………………………62 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………64 結(jié) 論……………………………………………………………………………………65 1緒 論 1.1引言 現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越來越廣泛，與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床采用計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度高，加工精度好，對(duì)于單件小批量及形狀復(fù)雜零件的加工尤為合適。目前，設(shè)備數(shù)控化程度的高低已經(jīng)直接影響到了企業(yè)的生存。擁有大量普通機(jī)床的工廠，正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。這些廠家效益不好的主要原因，一方面是大量普通機(jī)床閑置造成浪費(fèi)，另一方面是沒有足夠的資金購買新的數(shù)控設(shè)備。因此，投入較少的資金，把原有機(jī)床進(jìn)行升級(jí)改造，使之變成數(shù)控機(jī)床，就成了解決問題的最好辦法?，F(xiàn)在，機(jī)床的改造，特別是把普通機(jī)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，已成為企業(yè)設(shè)備投資的重要組成部分。而在數(shù)控機(jī)床改造中，由于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床具有優(yōu)良的性價(jià)比，因此很有市場前景，同時(shí)適合我國國情。據(jù)此，我們將在普通銑床的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)控化改造。這樣將普通銑床發(fā)展成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，既節(jié)省資金，縮短開發(fā)周期，又可以滿足加工要求，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。 將X5230普通銑床改造為數(shù)控銑床，在設(shè)計(jì)上，我們主要從主軸、傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣、頭架以及工作臺(tái)等方面著手進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)盡量保持X5230原有的結(jié)構(gòu)及零件。 1.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 由于歷史的原因，我國普通加工設(shè)備多，數(shù)控加工設(shè)備少；老設(shè)備多，新設(shè)備少。許多企業(yè)的機(jī)床精度差、故障率高。通過機(jī)床數(shù)控改造使普通機(jī)床不僅具有好的加工精度，而且還具有數(shù)控機(jī)床的功能。對(duì)于中小型企業(yè)，沒有足夠的資金來購買全功能的數(shù)控機(jī)床。使用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)型開環(huán)數(shù)控機(jī)床，具有花錢少、見效快的特點(diǎn)。采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控技術(shù)改裝加工批量零件的機(jī)床非常合適。 在美國、日本等發(fā)達(dá)國家，機(jī)床改造被稱為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，春意盎然，正處在黃金時(shí)代。我國的機(jī)床改造業(yè)，也從老行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新行業(yè)，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生業(yè)。同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60%～80%的費(fèi)用?，F(xiàn)在原有的普通機(jī)床已越來越不能適應(yīng)目前市場競爭激烈、高效率和多變的要求，所以，數(shù)控機(jī)床已越來越受到市場的青睞。數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)；數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)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(dòng)輸入。數(shù)控機(jī)床加工零件不僅效率高，能多變，而且，只需對(duì)程序進(jìn)行修改，就可以滿足客戶的加工能力要求。但為了節(jié)省資金，不淘汰原有的普通機(jī)床設(shè)備，對(duì)舊機(jī)床加以改造。這樣既可節(jié)約成本，又能獲得數(shù)控機(jī)床的性能，滿足生產(chǎn)的需要。 近年來，隨著對(duì)機(jī)加工產(chǎn)品要求的不斷提高和數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床以其精度高、效率高和工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等諸多普通機(jī)床無法比擬的優(yōu)勢，成為當(dāng)今制造業(yè)的主流加工設(shè)備。 1.3本文的選題及主要研究內(nèi)容 1.3.1本文的選題 目前，在機(jī)械加工企業(yè)中，有許多舊式普通銑床，為了讓機(jī)床適應(yīng)小批量、多品種、復(fù)雜零件的加工需求，充分利用普通銑床，就需要對(duì)普通銑床進(jìn)行數(shù)控化改造。因此，本文的選題是對(duì)普通銑床進(jìn)行數(shù)控化改造。 機(jī)床數(shù)控化改造是提高我國機(jī)床數(shù)控化程度的主要手段之一，到現(xiàn)在已有20多年的歷史，取得了不少經(jīng)驗(yàn)，但也走了許多彎路。其中失敗的原因主要是機(jī)床數(shù)控化改造工藝不完善，如：機(jī)床改造以前沒有進(jìn)行可行性分析或只定性分析；所設(shè)計(jì)或選擇的數(shù)控系統(tǒng)性能不穩(wěn)定；機(jī)床的關(guān)鍵部件選擇不合理及接口設(shè)計(jì)電路不合理等。目前數(shù)控化改造大都局限在中、小型銑和車床上。 1.3.2 主要研究內(nèi)容 對(duì)普通銑床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要有以下幾種方法：第一種是以微機(jī)作為控制元件，通過對(duì)機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)；第二種是以可編程控制器作為控制元件，替代機(jī)床繼電器和接觸器組成的電氣控制部分，這樣可提高機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的可靠性；第三種方法是采用數(shù)控設(shè)備來控制機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)，其伺服進(jìn)給為步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 本機(jī)床的數(shù)控化改造分兩部分進(jìn)行： 一是維修機(jī)械部分，更換、修理磨損的零件，調(diào)整基礎(chǔ)零件，恢復(fù)和提高機(jī)床精度和性能。如：主要提高機(jī)床基礎(chǔ)件的幾何精度和主軸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)精度等；選配數(shù)控系統(tǒng)，改造成CNC機(jī)床。 1．進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 從強(qiáng)度、效率、剛度和穩(wěn)定性等方面對(duì)縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)分別進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而選擇縱、橫、垂向滾珠絲杠；從轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、最大靜轉(zhuǎn)矩和頻率等方面對(duì)縱、橫、垂向步進(jìn)電機(jī)分別進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而選擇縱、橫、垂向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；通過設(shè)計(jì)計(jì)算選擇縱、橫、垂向步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠之間配套的減速齒輪。此減速齒輪自行設(shè)計(jì)制造。 2．主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 為降低改裝的費(fèi)用，保持機(jī)床的原有精度，主傳動(dòng)系統(tǒng)基本不變，保持原機(jī)床的手動(dòng)變速，改造后使主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離，數(shù)控系統(tǒng)只用于控制主軸的起、停、升、降和正、反轉(zhuǎn)及冷卻液的開、關(guān)。主傳動(dòng)系統(tǒng)仍采用原電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，只是將主軸改裝成由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)滾珠絲杠帶動(dòng)的可升降主軸。 二是電氣部分的改造，機(jī)床的主軸、冷卻、風(fēng)扇等均需系統(tǒng)自動(dòng)控制，為此需設(shè)計(jì)接口轉(zhuǎn)換電路和強(qiáng)電控制電路。電器元件可保留原機(jī)床中的變壓器、自動(dòng)斷路器、接觸器等。拆除電控箱，原位安裝改造后的電控箱。 數(shù)控機(jī)床開機(jī)后需回參考點(diǎn)操作，可在合適的位置設(shè)置接近開關(guān)。返回參考點(diǎn)過程中收到開關(guān)信號(hào)減速停止，在此位置即為參考點(diǎn)位置。在加工過程中防止工作超程，在X、Y、Z軸正負(fù)極限位置也設(shè)置相應(yīng)的接近開關(guān)進(jìn)行超程保護(hù)。 2 X5230銑床總體改造方案及機(jī)械部分設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)要求 2.1.1設(shè)計(jì)基本思路 普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造后，系統(tǒng)應(yīng)能控制主軸啟停、升降并實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)；控制工作臺(tái)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)縱向、橫向和垂直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；控制冷卻和潤滑；通過鍵盤輸入加工程序；由顯示器顯示加工狀態(tài)等。 1．?dāng)?shù)控部分 機(jī)床中的主軸、冷卻、潤滑、風(fēng)扇等均需系統(tǒng)自動(dòng)控制，為此需設(shè)計(jì)接口轉(zhuǎn)換電路和強(qiáng)電控制電路。電器元件可保留使用原機(jī)床中的變壓器、自動(dòng)斷路器、接觸器等。拆除原電控箱，原位置安裝改裝后的電控箱。 2．機(jī)械部分 X5230普通銑床，主要用于加工平面、溝槽，也可以加工各種曲面、臺(tái)階平面等，改造后的機(jī)床要求具有自動(dòng)加工方式。 2.1.2設(shè)備改造前后性能指標(biāo) 1．設(shè)備改造前技術(shù)參數(shù) X軸最大行程 mm 550 Y軸最大行程 mm 320 Z軸最大行程 mm 120 工作臺(tái)垂直行程 mm 380 主軸端工作臺(tái)距離 mm 40～420 主軸中心到機(jī)身距離 mm 170～760 主電機(jī)功率 Kw 1.5kw 主軸孔錐度 mm R8 控制方式 人工 改造前，設(shè)備的操作必須由工人控制完成，無法進(jìn)行自動(dòng)加工。由于設(shè)備老化，加工精度已降低，而且維護(hù)費(fèi)用、故障率都居高不下。 2．設(shè)備改造后技術(shù)參數(shù) X軸最大行程 mm 550 Y軸最大行程 mm 320 Z軸最大行程 mm 120 工作臺(tái)垂直行程 mm 380 主軸端工作臺(tái)距離 mm 40～420 主軸中心到機(jī)身距離 mm 170～760 主電機(jī)功率 Kw 1.5kw 主軸孔錐度 mm R8 X軸脈沖當(dāng)量 mm 0.01 Y軸脈沖當(dāng)量 mm 0.01 Z軸脈沖當(dāng)量 mm 0.005 重復(fù)定位精度 mm 0.01 控制方式 程序控制 改造后，設(shè)備的操作改由單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化加工和柔性加工，加工精度也得到了提高。同時(shí)，使設(shè)備的故障率明顯降低，維護(hù)費(fèi)用也減少了。工人的勞動(dòng)強(qiáng)度也跟著減輕，而工作效率得到了極大的提高，從前一些無法加工的工件，現(xiàn)在也可以加工了。例如，可以進(jìn)行直線和圓弧插補(bǔ)計(jì)算等。通過改造設(shè)備，使普通銑床的加工范圍得到了提高。 2.2 改造方案的確定 2.2.1改造目的 企業(yè)要在當(dāng)前競爭激烈的市場環(huán)境中生存和發(fā)展，就必須能夠迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最低的價(jià)格、最好的質(zhì)量、最短的時(shí)間去滿足市場需求。相比較而言， 普通機(jī)床已不適應(yīng)市場對(duì)多品種、小批量零件的生產(chǎn)加工要求， 而數(shù)控機(jī)床是綜合了微電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測等先進(jìn)技術(shù)的新型機(jī)床， 最適宜加工小批量、高精度、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當(dāng)變更加工對(duì)象時(shí)只需要更換零件及加工程序，就可以滿足加工要求，因此能很好地適應(yīng)產(chǎn)品頻繁變化的需要。 改造的目的主要有以下幾個(gè)方面： 1．節(jié)約資源，降低加工成本。利用原來的普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，提高機(jī)械設(shè)備的數(shù)控化程度。 2．實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)，從而有效提高零件加工精度，減小尺寸分散度，使裝配容易，不需要再修配。 3．實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化和柔性化，效率可比普通機(jī)床提高三到七倍。 4．降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)力，減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，并可以對(duì)市場作出快速反應(yīng)。 2.2.2總體方案設(shè)計(jì) 普通銑床經(jīng)過多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大， 主要傳動(dòng)零件幾經(jīng)更換和調(diào)整，故障率居高不下，采用傳統(tǒng)的修理方法很難達(dá)到大修驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，而且費(fèi)用較高。因此合理選擇改造方案是改造得以成功的主要環(huán)節(jié)。數(shù)控機(jī)床的改造目的是要求機(jī)床穩(wěn)定可靠，以盡可能低的故障率運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，用來進(jìn)行改造的機(jī)床最好是七八成新的機(jī)床。 總體方案設(shè)計(jì)如下： 1．將進(jìn)給機(jī)構(gòu)的絲杠、操作杠全部拆除，縱、橫、垂向進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)部分改由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)滾珠絲杠直接帶動(dòng)； 2．將主軸電機(jī)的啟、停、正反轉(zhuǎn)改由數(shù)控系統(tǒng)控制。 2.3 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)與計(jì)算 1．改造參數(shù)（如表2-1所示）： 表2-1 改造參數(shù) 工作臺(tái)工作面積 mm 1220×300 X軸最大行程 mm 550 Y軸最大行程 mm 320 Z軸最大行程 mm 120 工作臺(tái)垂直行程 mm 380 主軸端工作臺(tái)距離 mm 40～420 主軸中心到機(jī)身距離 mm 170～760 主電機(jī)功率 Kw 1.5kw 主軸孔錐度 mm R8 X軸脈沖當(dāng)量 mm 0.01 Y軸脈沖當(dāng)量 mm 0.01 Z軸脈沖當(dāng)量 mm 0.005 重復(fù)定位精度 mm 0.01 電源 V/Hz 380/50 2．銑削力的計(jì)算 圖2-1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算圖 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算圖如圖2-1所示。根據(jù)《簡明銑工手冊(cè)》，對(duì)高速鋼圓柱銑刀，銑削力的計(jì)算公式為： Fz=9.81CFzapxffzyfaeufzKF/[d0qf(60n)wf] 式中：CFz—系數(shù)，其值取決于切削條件和工件材料。當(dāng)工件為碳鋼時(shí)，根據(jù)《簡明銑工手冊(cè)》表3-13，取CFz=65，ae=4mm； fz—每齒進(jìn)給量，取fz=0.1mm； ap—背吃刀量， 取ap=30mm； z—銑刀齒數(shù)， 取z=4； d0—銑刀直徑， 取d0=27mm； n—銑刀轉(zhuǎn)數(shù)； xf、yf、uf及wf—公式中各個(gè)參數(shù)的指數(shù)； KF—切削條件改變時(shí)，切削力的修正系數(shù)。 其中參數(shù)按實(shí)際加工過程中平均銑削條件為標(biāo)準(zhǔn)來選擇。 由已知條件，取xf=1.0、yf=0.72、uf=0.86、wf=0、qf=0.73，加工碳鋼時(shí)，σb=637Mpa，其修正系數(shù)KF由《簡明銑工手冊(cè)》表3-14得： KF=（σvb /673）0.3=（637/673）=1，F(xiàn)z=4313N 用圓柱銑刀進(jìn)行逆銑加工時(shí)： 水平銑削分力PH=（1～1.2）Fz，取PH=1.1 Fz 垂直銑削分力PV=（0.2～0.3）Fz，取PV=0.25 Fz 軸向分力P0=（0.35～0.4）Fz，取P0=0.375 Fz 由此可算出： 軸向銑削力P0=0.375×4313=1.617（kN）； 周向銑削力P= Fz（PH2+PV2）1/2=4313×（1.12+0.252）1/2=4.865（kN） 3．滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 ① 強(qiáng)度校核計(jì)算 根據(jù)《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，燕尾形導(dǎo)軌工作時(shí)軸向力Pm為： Pm=kPx+f＇(Py+Pz+G) 式中：k—考慮顛覆力矩影響的系數(shù)，取1.4； f＇—導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，取0.2； Px、Py、Pz—切削分力， Px=2P/3=（2/3）×4.865=3.243（kN）， Py=0，Pz= P0=1.617（kN）。 G—工作臺(tái)重量，G=80×9.8=784=0.784（kN）。 由此可得： Pm=1.4×3.243+0.2×（1.617+0.784）=4.54+0.48=5.02（kN） 壽命值為： L=60NT=60×10×1500=9×105（r） 式中：L—工件壽命（r）； N—滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min）； T—使用壽命時(shí)間（h），數(shù)控機(jī)床一般為1500h； fH—滾珠絲杠工作載荷，fw=1.2、fH=1.1。 最大負(fù)荷為： C=L1/3fHfWPm=(9×105)1/3×1.2×1.1×5.02=6.37（kN） 初選滾珠絲杠的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動(dòng)載荷Ca不得小于最大動(dòng)載荷C，即Ca≥C。 假如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)（N≤10r/min）下工作并受載，那么還需要考慮另一種失效形式——滾珠絲杠接觸面上的塑性變形。即考慮滾珠絲杠的額定載荷C0a是否大大超過了滾珠絲杠的工作載荷fh，一般使C0a/Pm=2～3。 根據(jù)最大動(dòng)載荷C的值，可查表選取滾珠絲杠的型號(hào)，如選用CDM3206-5（表示外循環(huán)插管式雙螺母墊片預(yù)緊，公稱直徑Dm為32mm，基本導(dǎo)程為6mm，螺紋旋向?yàn)橛倚?，其Ca的值為22.78kN，所以強(qiáng)度足夠。 ② 傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η為： η=tanλ/tan（λ+φ） 絲杠螺旋升角λ=3°25′，滾珠絲杠螺母副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.003～0.004，φ≈10′，則： η=tan3°25′/ tan3°35′= tan3.41°/ tan3.58°=0.0596/0.0625=0.95 ③ 滾珠絲杠螺母副的選型 a.絲杠的導(dǎo)程和轉(zhuǎn)速 電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速為1440r/min，取使用時(shí)最高轉(zhuǎn)速為1000r/min，電動(dòng)機(jī)經(jīng)過聯(lián)軸器、齒輪傳動(dòng)和絲杠相連，工作臺(tái)最大速度，故絲杠的導(dǎo)程應(yīng)為。絲杠轉(zhuǎn)速：強(qiáng)力切削30r/min，一般切削50r/min，精細(xì)車削60r/min，快移80r/min。 b．當(dāng)量載荷和當(dāng)量轉(zhuǎn)速 c. 初選滾珠絲杠副 查表可采用型號(hào)為CDM3206-5，即為滾珠外循環(huán)插管埋入式反向器，雙螺母墊片預(yù)緊的滾珠絲杠副。d0=32mm，Ph=6mm。額定動(dòng)負(fù)荷為22.78kN，大于算出的C值，精度等級(jí)選3 級(jí)。，預(yù)緊力FP=0.25Ca=4.5kN。大于最大軸向載荷的三分之一，這種絲杠是可用的。 d. 絲杠螺紋部分長度Lu Lu等于工作臺(tái)最大行程（550mm）加螺母長度（150mm），再加上兩端余量（40mm）。 Lu=550+150+402=780mm。 e. 支撐跨距L1 L1應(yīng)略大于Lu，取為L1=900mm。 f. 臨界轉(zhuǎn)速 = 查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，可知一端固定，一段游動(dòng)時(shí)，f2=3.93 LC= 一端固定，一端游動(dòng)時(shí)，絲杠一般不會(huì)受壓，故不需要壓桿進(jìn)行壓桿校核。 g. 預(yù)拉伸計(jì)算 (a) 溫升引起的伸長量，設(shè)溫升為，則螺線部分伸長量為： 絲杠全長的伸長量為： 為此，絲杠的目標(biāo)行程可定為比公比行程小0.04/1.30mm。絲杠在安裝時(shí)，進(jìn)行預(yù)拉伸。拉伸量為0.05mm。 (b) 預(yù)拉伸力Ft，根據(jù)《材料力學(xué)》歐拉公式： h. 軸承的選擇 根據(jù)《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖3.7—21選用深溝球軸承，軸承型號(hào)采用6204，d=20，D=47，B=14。 （a） 預(yù)負(fù)荷 軸承的負(fù)荷不應(yīng)小于最大載荷的1/3，絲杠一端固定，故軸承的最大載荷等于預(yù)拉伸力Ft加最大外載荷的一半。 故符合要求。 （b）疲勞壽命的計(jì)算 軸承要求的動(dòng)負(fù)荷可按式（3.8—2）計(jì)算 考慮到數(shù)控機(jī)床本身的特點(diǎn)，上式中系數(shù)KpKlKNKn均取1。 進(jìn)給力的方向是可變的，軸承負(fù)荷可能是P=Fm，也可能是P=Ft-，兩者機(jī)會(huì)均等。故取其平均值P=Ft。 當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm=53.5r/min，故fn=0.932， 如軸承壽命為15000h，則fh=3.11，CC= 可以看出，6204型號(hào)的軸承額定動(dòng)負(fù)荷69500N夠用，。所以可以選軸承型號(hào)為6204。 ④ 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠副工作負(fù)載Fm引起的導(dǎo)程變化量 式中 L0=6mm，彈性模量，工作負(fù)載Fm=1594N，滾珠絲杠截面積 則： 滾珠絲杠副受扭矩引起的導(dǎo)程變化量引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略不計(jì)。查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，三級(jí)精度的絲杠允許的軸向誤差為4mm，故剛度足夠。 4．減速齒輪副的設(shè)計(jì) 初選脈沖當(dāng)量δp=0.01mm，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角θb=0.72°，絲杠螺距L0=6mm 所求減速比: i= Z2/ Z1=θb×L0/（360δp）=0.72°×6/(360×0.01)=1.2 減速齒輪副的設(shè)計(jì): 此處設(shè)計(jì)的減速齒輪副是開式齒輪傳動(dòng)，為防止輪齒太小引起的意外斷齒，傳遞動(dòng)力的齒輪模數(shù)一般不小于1.5～2mm，因此，減速齒輪模數(shù)取為m=2mm，選擇為直齒圓柱齒輪故分度圓壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)ha*=1，頂隙系數(shù)c*=0.25。為了提高開式齒輪傳動(dòng)的耐磨性，要求有較大的模數(shù)，因而齒數(shù)應(yīng)少一些，一般取Z1=17～20，此處取Z1=20，故Z2= Z1i =20×1.2=24，取Z2=24。 因此，齒輪1的主要幾何尺寸為： 分度圓直徑：d=zm=20×2=40mm 齒頂圓直徑：da1=m（Z1+2 ha*）=2×（20+2×1）=44mm 齒根圓直徑：df1=m（Z1－2 ha*－2c*）=2×（20－2×1－2×0.25）=35mm 基圓直徑：db1= d1cosα=40×cos20°=37.59mm 節(jié)圓直徑：d1＇= db1/cosα=37.59/cos20°=40.002mm 齒輪2的主要幾何尺寸為： 分度圓直徑：d=zm=24×2=48mm 齒頂圓直徑：da2=m（Z2+2 ha*）=2×（24+2×1）=52mm 齒根圓直徑：df2=m（Z2－2 ha*－2c*）=2×（24－2×1－2×0.25）=43mm 基圓直徑：db2= d2cosα=48×cos20°=45.11mm 節(jié)圓直徑：d2＇= db2/cosα=45.11/cos20°=48.01mm 步進(jìn)電機(jī)的選擇 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 1．等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣性量計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： JΣ =J1+(z1/z2)2[( J2+ Js)+(pM/2π)] 式中 JM ———步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgcm2 ; J1 ， J2 ———齒輪z1 ，z2 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgcm2 ; J s ———滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgcm2 。 參考同類機(jī)床，初選混合式步進(jìn)電機(jī)110BYG ， 其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：JM = 4.6 kgcm2 ， J1 = 0.77 ×10-8d41 L1 = 0.32 gcm2 ， J2 = 0.77×10-8d42 L2 = 0.72 kgcm2 ， JS=7.35×10-3 ×1.1 ×104= 80.85kgcm2 ， 又p=6mm，M = 700 N ， 得： JΣ = 95.33kgcm2 2．電機(jī)力矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下，所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算: 快速空載起動(dòng)所需力矩Mq 最大轉(zhuǎn)數(shù)nmax=500 r/min 起動(dòng)加速時(shí)間ta = 25 ms 加速力矩Mamax = JΣ ×nmax /（9.6×ta) =1.979 Nm 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 Mf=F0p/2πηi=0.574Nm 附加摩擦力矩M0 = Famaxp/2πηi（1-η02）= 0.908 Nm 則： Mq = Mamax + Mf + M0 = 3.461 Nm 以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。查表，110BYG5502型最大靜轉(zhuǎn)矩為16Nm。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)，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)行矩頻特性。 3．步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和銑削時(shí)的工作頻率 110BYG5502型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為2300 Hz ，運(yùn)行頻率為20000 Hz。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和銑削進(jìn)給時(shí)，110BYG5502型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率。特性完全可以滿足要求。 3 X5230數(shù)控銑床硬件電路設(shè)計(jì) 3.1概述 隨著微電子技術(shù)在數(shù)控領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用和數(shù)控系統(tǒng)的功能不斷擴(kuò)大，體積和價(jià)格已有大幅度降低，可靠性有很大提高(平均無故障時(shí)間為1萬小時(shí))。但全功能數(shù)控系統(tǒng)價(jià)格仍然較貴，而在許多應(yīng)用場合，其功能卻不能充分利用。為了降低造價(jià)，又具有適用的功能，便出現(xiàn)了適應(yīng)不同范圍、簡化功能的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、功能簡化、編程簡單和數(shù)控裝置的體積小。鑒于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的特點(diǎn)，它特別適合于形狀簡單的中小批量、多品種零件批量生產(chǎn)。 3.2控制系統(tǒng)硬件基本組成 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床應(yīng)用較廣的是開環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中沒有位置和速度反饋電路，不像閉環(huán)伺服系統(tǒng)那樣需要進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)計(jì)算與試驗(yàn)校正。因此，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用維護(hù)方便、可靠性高和制造成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，特別適用于此次對(duì)普通銑床進(jìn)行數(shù)控化改造的技術(shù)要求?？刂葡到y(tǒng)硬件基本組成框圖如圖3-1所示。 圖3-1 控制系統(tǒng)基本組成框圖 從經(jīng)濟(jì)性要求出發(fā)，此次改造我們選用步進(jìn)式控制系統(tǒng)。步進(jìn)式伺服系統(tǒng)主要由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩部分組成，如圖3-2所示。系統(tǒng)中指令信號(hào)是單向傳遞的，驅(qū)動(dòng)控制線路接收數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給脈沖信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相定子繞組依次通、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與機(jī)床絲杠連在一起（也可通過齒輪傳動(dòng)接到絲杠上），帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。也就是說，步進(jìn)式伺服系統(tǒng)受驅(qū)動(dòng)控制線路的控制，將代表進(jìn)給脈沖的電信號(hào)通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ù笮『头较虻臋C(jī)械角位移，通過機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。 圖3-2驅(qū)動(dòng)控制線路框圖 3.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)的工作原理，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制線路的功能是將具有一定頻率f、一定數(shù)量和方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相定子繞組通斷電的電平信號(hào)。電平信號(hào)的變化頻率、變化次數(shù)和通電順序與進(jìn)給指令脈沖的頻率、數(shù)量和方向?qū)?yīng)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)以上功能，一個(gè)較完善的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制線路由脈沖混合電路、加減脈沖分配電路、加減速電路、環(huán)形分配器和功率放大器組成，如圖3-2所示，其中脈沖混合電路、加減脈沖分配電路、加減速電路和環(huán)形分配器可用硬件來實(shí)現(xiàn)，也可用軟件來實(shí)現(xiàn)。 3.3.1脈沖混合電路 無論是來自于數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)信號(hào)，還是各種類型的誤差補(bǔ)償信號(hào)、手動(dòng)進(jìn)給信號(hào)及手動(dòng)回原點(diǎn)信號(hào)等，其目的無非是使工作臺(tái)正向進(jìn)給或反向進(jìn)給。首先必須將這些信號(hào)混合為使工作臺(tái)正向進(jìn)給的“正向進(jìn)給”信號(hào)或使工作臺(tái)反向進(jìn)給的“反向進(jìn)給”信號(hào)。 3.3.2加減脈沖分配電路 當(dāng)機(jī)床在進(jìn)給脈沖的控制下正在沿某一方向進(jìn)給時(shí)，由于各種補(bǔ)償脈沖的存在，可能還會(huì)出現(xiàn)極個(gè)別的反向進(jìn)給脈沖，這些與正在進(jìn)給方向相反的個(gè)別脈沖指令的出現(xiàn)，意味著執(zhí)行元件即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正在沿著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，再向相反的方向旋轉(zhuǎn)極個(gè)別幾個(gè)步距角。一般采用的方法是，從正在進(jìn)給方向的進(jìn)給脈沖指令中抵消相同數(shù)量反向補(bǔ)償脈沖，因此，我們采用軟件來實(shí)現(xiàn)這種功能。 3.3.3加減速電路 加減速電路又稱自動(dòng)升降速電路。根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加減速特性，進(jìn)入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的電平信號(hào)的頻率變化要平滑，而且應(yīng)有一定的時(shí)間常數(shù)。但由加減脈沖分配電路來的進(jìn)給脈沖頻率的變化是有躍變的。因此，為了保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠正常、可靠地工作，此躍變頻率必須首先進(jìn)行緩沖，使之變成符合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加減速特性的脈沖頻率，然后再送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組。加減速電路就是為此而設(shè)置的。如圖3-3所示是一種加減速電路的原理框圖。 圖3-3加減速電路的原理框圖 該加減速電路由同步器、可逆計(jì)數(shù)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和RC變頻振蕩器四部分組成。同步器的作用是使得進(jìn)給脈沖（其頻率為）和由RC變頻振蕩器來的脈沖（其頻率是）不會(huì)在同一時(shí)該出現(xiàn)，以防止和同時(shí)進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器，使可逆計(jì)數(shù)器在同一時(shí)刻既作加法又作減法，產(chǎn)生計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。RC變頻振蕩器的作用是將經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，脈沖的頻率與電壓值的大小成正比。數(shù)模轉(zhuǎn)換線路的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。 系統(tǒng)工作前，先將可逆計(jì)數(shù)器清“0”，振蕩器輸出脈沖的頻率=0。 進(jìn)給開始時(shí)，進(jìn)給脈沖的頻率由0躍變到，而=0，可逆計(jì)數(shù)器的存數(shù)i以頻率變化增長。但由于開始時(shí)計(jì)數(shù)器內(nèi)容為0，RC變頻振蕩器輸出脈沖的頻率也就由0以對(duì)應(yīng)于計(jì)數(shù)器存數(shù)增長的速度逐漸增大，增加以后，又反饋回去使可逆計(jì)數(shù)器作減法計(jì)數(shù)，抑制計(jì)數(shù)器存數(shù)的增長。計(jì)數(shù)器存數(shù)i增長速度減小之后，振蕩器輸出脈沖的頻率增加的速度也隨之減小，經(jīng)時(shí)間t1后，=（=），達(dá)到平衡，如圖3-4所示，這就是升速過程。 圖3-4加減速電路輸入輸出特性曲線 在=后，計(jì)數(shù)器存數(shù)i增長速度為0，即存數(shù)不變，因而振蕩器的頻率亦穩(wěn)定下來，這就是勻速過程。 若經(jīng)過一段時(shí)間t2后，進(jìn)給脈沖由f2突變?yōu)?，計(jì)數(shù)器的存數(shù)便以=的頻率下降，相應(yīng)地，振蕩器輸出的脈沖頻率隨之下降，直到計(jì)數(shù)器為0，=0，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，這就是降速過程。 在整個(gè)升速、勻速和降速過程中，進(jìn)給脈沖使可逆計(jì)數(shù)器作加法計(jì)數(shù)，RC變頻振蕩器的輸出脈沖使可逆計(jì)數(shù)器作減法計(jì)數(shù)，而最后計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為0，故進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)和RC變頻振蕩器的輸出脈沖的個(gè)數(shù)相等。由于RC變頻振蕩器輸出的脈沖是進(jìn)入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作脈沖，因此，經(jīng)過該加減速電路保證不會(huì)產(chǎn)生丟步。 3.3.4環(huán)形分配器 環(huán)形分配器的作用是把來自于加減速電路的一系列進(jìn)給脈沖指令，轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組通電、斷電的電平信號(hào)，電平信號(hào)狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進(jìn)給脈沖的數(shù)量及方向?qū)?yīng)。如對(duì)于三相三拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，若“1”表示通電，“0”表示斷電，A，B，C是其三相定子繞組，則經(jīng)環(huán)形分配器后，每來一個(gè)進(jìn)給脈沖指令，A，B，C應(yīng)按（100）→（010）→（001）→（100）→…的順序改變一次。環(huán)形分配器有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種形式。 硬件環(huán)形分配器是由觸發(fā)器和門電路構(gòu)成的硬件邏輯線路。實(shí)際上現(xiàn)在市場上已經(jīng)有集成度高、抗干擾性強(qiáng)的PMOS和CMOS環(huán)形分配器芯片供選用。下面主要介紹用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)脈沖序列分配的軟件環(huán)形分配器。 下面是基于查表法的軟環(huán)形分配器的程序設(shè)計(jì)方法，本次銑床改造我們采用五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 圖3-5三坐標(biāo)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)框圖 如圖3-5所示為三坐標(biāo)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)框圖。x向y向和z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的五相定子繞組分別為A1、B1、C1、D1、E1相，A2、B2、C2、D2、E2相和A3、B3、C3、D3、E3相，分別經(jīng)各自的放大器、光電耦合器與計(jì)算機(jī)的PIO（并行輸入/輸出接口）的PA0—PA14相連。環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表如表3-1、表3-2和表3-3所示。表中的內(nèi)容即是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)，與接口接線緊密相關(guān)。 表3-1 X向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表 X向步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 節(jié)拍 序號(hào) E1 D1 C1 B1 A1 存儲(chǔ)單元 方向 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 地址 內(nèi)容 0 0 0 0 0 1 2A00H 01H 反轉(zhuǎn) ↑ ↓ 正轉(zhuǎn) 1 0 0 0 1 1 2A01H 05H 2 0 0 0 1 0 2A02H 02H 3 0 0 1 1 0 2A03H 04H 4 0 0 1 0 0 2A04H 03H 5 0 1 1 0 0 2A05H 10H 6 0 1 0 0 0 2A06H 06H 7 1 1 0 0 0 2A07H 09H 8 1 0 0 0 0 2A08H 07H 9 1 0 0 0 1 2A09H 08H 表3-2 Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表 Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 節(jié)拍 序號(hào) E2 D2 C2 B2 A2 存儲(chǔ)單元 方向 PB4 PB3 PB2 PB1 PB0 地址 內(nèi)容 0 0 0 0 0 1 2A10H 04H 反轉(zhuǎn) ↑ ↓ 正轉(zhuǎn) 1 0 0 0 1 1 2A11H 24H 2 0 0 0 1 0 2A12H 05H 3 0 0 1 1 0 2A13H 15H 4 0 0 1 0 0 2A14H 14H 5 0 1 1 0 0 2A15H 45H 6 0 1 0 0 0 2A16H 25H 7 1 1 0 0 0 2A17H 44H 8 1 0 0 0 0 2A18H 34H 9 1 0 0 0 1 2A19H 35H 表3-3 Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表 Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 節(jié)拍 序號(hào) E3 D3 C3 B3 A3 存儲(chǔ)單元 方向 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 地址 內(nèi)容 0 0 0 0 0 1 2A20H 08H 反轉(zhuǎn) ↑ ↓ 正轉(zhuǎn) 1 0 0 0 1 1 2A21H 28H 2 0 0 0 1 0 2A22H 10H 3 0 0 1 1 0 2A23H 20H 4 0 0 1 0 0 2A24H 18H 5 0 1 1 0 0 2A25H 50H 6 0 1 0 0 0 2A26H 30H 7 1 1 0 0 0 2A27H 48H 8 1 0 0 0 0 2A28H 38H 9 1 0 0 0 1 2A29H 40H 查表法的關(guān)鍵是根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)當(dāng)前勵(lì)磁狀態(tài)和要求的正向或反向運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，如何從表中找到相應(yīng)單元地址，并取出地址的內(nèi)容輸出。當(dāng)然要用查表程序中用的基址（表格首址）加索引值（序號(hào)）的方法。正轉(zhuǎn)時(shí)，只要步進(jìn)電動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)序號(hào)不是表底序號(hào)，序號(hào)加1就是一下狀態(tài)的序號(hào)：若是表底序號(hào)，需要將表底序號(hào)修改成表首序號(hào)。反轉(zhuǎn)時(shí)，須判斷當(dāng)前序號(hào)是不是表首序號(hào)，若不是表首序號(hào)則序號(hào)減1；若是表首序號(hào)，需要將表首序號(hào)修改成表底序號(hào)。 3.3.5功率放大器 從環(huán)形分配器來的進(jìn)給控制信號(hào)的電流只有幾毫安，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組需要幾安培電流。因此，需要對(duì)環(huán)形分配器來的信號(hào)進(jìn)行功率放大，以提供幅值足夠、前后沿較好的勵(lì)磁電流。常用的有單電壓供電功放電路和雙電壓供電功放電路。這里我們選擇雙電壓供電功放電路。雙電壓供電功率放大器又稱高低電壓供電功放器，如圖3-6所示為高低壓供電定時(shí)切換電路的工作原理。 該電路包括功率放大級(jí)（由功率管Vg，Vd組成）、前置放大器和單穩(wěn)延時(shí)電路。二級(jí)管VDd是用作高低壓隔離的，VDg和Rg是高壓放電回路。高壓導(dǎo)通時(shí)間由單穩(wěn)延時(shí)電路整定，通常為100～600μs，對(duì)功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可達(dá)幾千微秒。 當(dāng)環(huán)形分配器輸出高電平時(shí)，兩只功率放大管Vg，Vd同時(shí)導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)繞組以+80V電壓供電，繞組電流按L/（Rd+r）的時(shí)間常數(shù)向電流穩(wěn)定值ug/（Rd+r）上升，當(dāng)達(dá)到單穩(wěn)延時(shí)時(shí)間時(shí)，Vg管截止，改由+12V供電，維持繞組額定電流。若高低壓之比為ug/ud，則電流上升率也提高ug/ud倍，上升時(shí)間明顯減小。當(dāng)?shù)蛪簲嚅_時(shí)，電感L中儲(chǔ)能通過Rg，VDg及ug和ud構(gòu)成的回路放電，放電電流的穩(wěn)態(tài)值為（ug-ud）/(Rg+Rd+r)，因此也加快了放電過程。這種供電電路由于加快了繞組電流的上升或下降過程，故有利于提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率和最高連續(xù)工作頻率。由于額定電流是低壓維持的，只需較小的限流電阻，所以功耗大為減小。 圖3-6 雙電壓供電功率放大器 （a）原理方框圖 （b）波形圖 3.4坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) 數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)也就是進(jìn)給系統(tǒng)必須保證由計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)換成符合要求的相應(yīng)角位移或直線位移，帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)。根據(jù)工件加工的需要，在機(jī)床上各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的數(shù)字控制可以是相互獨(dú)立的，也可以是聯(lián)動(dòng)的?？偟膩碚f，數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的要求集中在精度、穩(wěn)定和快速響應(yīng)三個(gè)方面。為滿足這種要求，首先需要高性能的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)也需要高質(zhì)量的機(jī)械結(jié)構(gòu)與之匹配。鑒于此次我們選用的是步進(jìn)電機(jī)，為提高進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能，可以采用下述的幾項(xiàng)主要措施。 3.4.1提高系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)剛度 傳動(dòng)剛度高對(duì)于開環(huán)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)的重要性在于開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)需將計(jì)算機(jī)控制指令忠實(shí)可靠地轉(zhuǎn)換成要求的機(jī)械位移。由于開環(huán)系統(tǒng)不再有檢測元件檢查運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移，這種轉(zhuǎn)換精度決定了加工的精度。提高進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)剛度的措施主要有以下幾項(xiàng)。 （1）提高傳動(dòng)元件的剛度。 （2）消除傳動(dòng)元件之間的間隙。 （3）盡可能縮短進(jìn)給傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈的長度。 （4）采用預(yù)緊措施。預(yù)加載荷可以消除滾動(dòng)摩擦傳動(dòng)副的間隙和提高其傳動(dòng)剛度，也可以提高傳動(dòng)元件的剛度。如絲杠可采用兩端軸向固定和預(yù)拉伸的方法來提高其傳動(dòng)剛度。 3.4.2采用低而穩(wěn)定摩擦的傳動(dòng)副 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)多采用剛度高、摩擦系數(shù)小而穩(wěn)定的滾動(dòng)摩擦副，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等。聚四氟乙烯導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌由于其摩擦系數(shù)小，阻尼大，也被數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)所采用。 3.4.3最佳慣量匹配 為保證伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作性能和滿足傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)控制指令的快速響應(yīng)的要求，進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量必須滿足： 0.5≤≤0.8 式中，Jm為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)運(yùn)慣量，可由伺服電機(jī)的樣本中查得；Jk為系統(tǒng)所有元件折算到電機(jī)軸上的全部轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其計(jì)算公式為： 式中：Ji——轉(zhuǎn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）； ni，nk——各轉(zhuǎn)動(dòng)件和電機(jī)軸的轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）； mj——各移動(dòng)件的質(zhì)量（kg）； vj——各移動(dòng)件的速度（m/min）。 由于在通常情況下，傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的慣量總是大于要求的數(shù)值，故而在設(shè)計(jì)時(shí)為得到最佳的慣量匹配，總是希望傳動(dòng)系統(tǒng)中元件的質(zhì)量和慣量要小一些，降速比則要大一些。 3.4.4提高傳動(dòng)件精度 高質(zhì)量的機(jī)械傳動(dòng)配合與高性能的伺服電機(jī)使現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)性能有了大幅度提高，。隨著控制系統(tǒng)分辨率從0.001mm提高到0.0001mm，普通精度級(jí)數(shù)控機(jī)床的定位精度目前已從0.012mm/300mm提高到±0.005～0.008mm/300mm，精密級(jí)的定位精度已從0.005mm/全行程提高到±0.0015～0.003mm/全行程，重復(fù)定位精度也已提高到0.001mm。 由于在提高傳動(dòng)精度和剛度、消除間隙以及在慣量匹配等方面的努力，使數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，即伺服系統(tǒng)的響應(yīng)能力和機(jī)械傳動(dòng)裝置的加速能力方面有了大幅度提高，過渡過程時(shí)間已能控制在200ms之內(nèi)，正在向提高到幾十毫秒之內(nèi)發(fā)展。隨著快速響應(yīng)能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，進(jìn)給速度已能達(dá)到24m/min（分辨率0.1μm），快速進(jìn)給速度已能達(dá)到100m/min（分辨率0.1μm） 3.5電源 眾所周知，高速加工技術(shù)發(fā)展迅速，而推動(dòng)這種發(fā)展趨勢的正是數(shù)控機(jī)床，如何合理利用好數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)性能和維護(hù)好機(jī)床的精度，就顯得至關(guān)重要。電源是維持系統(tǒng)正常工作的能源支持部分，它失效或故障的直接結(jié)果是造成系統(tǒng)的停機(jī)或毀壞整個(gè)系統(tǒng)。另外，數(shù)控系統(tǒng)部分運(yùn)行數(shù)據(jù)，設(shè)定數(shù)據(jù)以及加工程序等一般存儲(chǔ)在RAM存儲(chǔ)器內(nèi)，系統(tǒng)斷電后，靠電源的后備蓄電池或鋰電池來保持?jǐn)?shù)據(jù)。因而，停機(jī)時(shí)間比較長，插拔電源或存儲(chǔ)器都可能造成數(shù)據(jù)丟失，使系統(tǒng)不能運(yùn)行。同時(shí)，由于數(shù)控設(shè)備使用的是三相交流380V電源，所以安全性也是數(shù)控設(shè)備安裝前期工作中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，基于以上的原因，對(duì)數(shù)控設(shè)備作用的電源有以下的要求： 1．電網(wǎng)電壓波動(dòng)應(yīng)該控制在+10%～－15%之間，而我國電源波動(dòng)較大，質(zhì)量差，還隱藏有如高頻脈沖這類的干擾，加上人為的因素（如突然拉閘斷電等）。電高峰期間，例如白天上班或下班前的一個(gè)小時(shí)左右以及晚上，往往超差較多，甚至達(dá)到±20%。使機(jī)床報(bào)警而無法進(jìn)行正常工作，并對(duì)機(jī)床電源系統(tǒng)造成損壞。甚至導(dǎo)致有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)的丟失等。這種現(xiàn)象，在CNC加工中心或車削中心等機(jī)床設(shè)備上都曾發(fā)生過，而且出現(xiàn)頻率較高，應(yīng)引起重視。建議在CNC機(jī)床較集中的車間配置具有自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)功能的交流穩(wěn)壓供電系統(tǒng)；單臺(tái)CNC機(jī)床可單獨(dú)配置交流穩(wěn)壓器來解決。 2．建議把機(jī)械電氣設(shè)備連接到單一電源上。如果需要用其他電源供電給電氣設(shè)備的某些部分（如電子電路、電磁離合器），這些電源宜盡可能取自組成為機(jī)械電氣設(shè)備一部分的器件（如變壓器、換能器等）。對(duì)大型復(fù)雜機(jī)械包括許多以協(xié)同方式一起工作的且占用較大空間的機(jī)械，可能需要一個(gè)以上的引入電源，這要由場地電源的配置來定。除非機(jī)械電氣設(shè)備采用插頭/插座直接連接電源處，否則建議電源線直接連到電源切斷開關(guān)的電源端子上。如果這樣做不到，則應(yīng)為電源線設(shè)置獨(dú)立的接線座。電源切斷開關(guān)的手柄應(yīng)容易接近，應(yīng)安裝在易于操作位置以上0.6m～1.9m之間。上限值建議為1.7m。這樣可以在發(fā)生緊急情況下迅速斷電，減少損失和人員傷亡。 3．?dāng)?shù)控設(shè)備對(duì)于壓縮空氣供給系統(tǒng)的要求。數(shù)控機(jī)床一般都使用了不少氣動(dòng)元件，所以廠房內(nèi)應(yīng)接入清潔的、干燥的壓縮空氣供給系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。其流量和壓力應(yīng)符合要求。壓縮空氣機(jī)要安裝在遠(yuǎn)離數(shù)控機(jī)床的地方。根據(jù)廠房內(nèi)的布置情況、用氣量大小，應(yīng)考慮給壓縮空氣供給系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安裝冷凍空氣干煤機(jī)、空氣過濾器、儲(chǔ)氣罐、安全閥等設(shè)備。 4．?dāng)?shù)控設(shè)備對(duì)于工作環(huán)境的要求。精密數(shù)控設(shè)備一般有恒溫環(huán)境的要求，只有在恒溫條件下，才能確保機(jī)床精度和加工精度。一般普通型數(shù)控機(jī)床對(duì)室溫沒有具體要求，但大量實(shí)踐表明，當(dāng)室溫過高時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的故障率大大增加。潮濕的環(huán)境會(huì)降低數(shù)控機(jī)床的可靠性，尤其在酸氣較大的潮濕環(huán)境下，會(huì)使印制線路板和接插件銹蝕，機(jī)床電氣故障也會(huì)增加。因此中國南方的一些用戶，在夏季和雨季時(shí)應(yīng)對(duì)數(shù)控機(jī)床環(huán)境有去濕的措施。 a．工作環(huán)境溫度應(yīng)在0～35°C之間，避免陽光對(duì)數(shù)控機(jī)床直接照射，室內(nèi)應(yīng)配有良好的燈光照明設(shè)備。 b．為了提高加工零件的精度，減小機(jī)床的熱變形，如有條件，可將數(shù)控機(jī)床安裝在相對(duì)密閉的、加裝空調(diào)設(shè)備的廠房內(nèi)。 c．工作環(huán)境相對(duì)溫度應(yīng)小于75%。數(shù)控機(jī)床應(yīng)安裝在遠(yuǎn)離液體飛濺的場所，并防止廠房滴漏。 d．遠(yuǎn)離過多粉塵和有腐蝕性氣體的環(huán)境。 3.6 控制臺(tái) 控制臺(tái)也就是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置，即CNC系統(tǒng)。它是由程序、輸入/輸出設(shè)備、CNC裝置、可編程控制單元等組成。CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，它是一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，控制各種執(zhí)行部件的位移量并使之協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。在CNC裝置中，一般將顯示器和機(jī)床操作面板做在一起，以便實(shí)現(xiàn)手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入，將CPU、存儲(chǔ)器、位置控制器、輸出接口等做在一起，構(gòu)成CNC裝置。 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是一種以計(jì)算機(jī)為硬件，并在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)控制程序（根據(jù)不同機(jī)床的工作需要編制的），計(jì)算機(jī)運(yùn)行控制程序，執(zhí)行對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的數(shù)字控制功能。數(shù)控系統(tǒng)分輪廓控制和點(diǎn)位控制系統(tǒng)，輪廓控制系統(tǒng)比較復(fù)雜、功能齊全，有的甚至還包括了點(diǎn)位控制功能的內(nèi)容；點(diǎn)位控制系統(tǒng)比較簡單。 由圖3-7可以看出，CNC系統(tǒng)由程序、輸入/輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）裝置、可編程控制單元、主軸控制單元和速度控制單元等組成。而且，數(shù)控系統(tǒng)能自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字值、并將其譯碼，從而使機(jī)床動(dòng)作和加工出零件。 圖3-7 CN