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1、序言面对日趋激烈的竞争形势，企业只有不断开发适销对路的新产品，才能保持其旺盛的生命力，而与有高精密，柔性化，高效率的特点的现代自动化制造系统是企业开发和创新产品的保证。我国是一个工业化相对落后的地区，虽拥有大量的机械加工设备，但不能适应制造业多品种、小批量的生产方式。所以，加工中心数控系统等加工设备为大多数制造商所亲睐，但不菲的价格成为企业创新的瓶颈。目前最经济的方法就是对我国现有车床进行数控改造，这样不但会大大改变现状而且成本低，而且周期短有利于加工工业的发展。设计任务：1、利用计算机（8086）对纵向（或横向，其一即可）进给系统进行开环控制。2、对C616普通机床进行相应改造，传动系统采用
2、滚珠丝杠。设计要求：1、机械部分改造与计算（一）、切削力的计算（二）、滚珠丝杠的计算选型（三）、齿轮及转矩的计算（四）、步进电机的计算选型2、控制系统与零件（一）、CPU 8086（二）、8255 8259（三）、驱动（功率放大器）3、控制系统软件（一）、主程序（二）、脉冲环分（三）、直线插补机床改造结构示意图机械设计部分经济型数控机床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动，步进电机的位置可放在丝杠的任一端。对车床改造来说，外观不能像产品设计要求的那么高，从而改造方便。从实用方便来考虑，一般都把步进电机放在纵向丝杠的左端。一、机电一体化对机械部分的要求：1、低
3、摩擦导轨（滚动摩擦）精密丝杠（滚珠丝杠）。2、无传动间隙（用丝杠螺母副消除间隙）。3、高刚度4、高谐振频率5、低惯性（以提高稳定性和响应特性）。二、设计已知条件：1:、工作台重量W=800N2、起重动加速时间T=50ms3、脉冲当量=0.01mm/step（纵向）4、快速进给速度Vmax=2m/min（纵向）5、工作台行程L=640mm6、主轴电机功率N=4kw7、机床定位精度 0.02mm/300mm8、切削进给速度 （纵向）三、机械设计计算：1、切削计算由机床设计手册可知，切削功率Pc=PK式中P-电机功率，查机床说明书，P=4KW；-主传动系统总效率，一般为0.70.85取=0.75；K
4、-进给系统功率系数，取为K=0.96。则：Pc=40.750.96=2.88KW切削功率应按在各种加工条件下经常遇到的最大切削力和最大切削转速计算，即：3c1060-=VPFz按最大切削速度计算，取V=100m/min。则主切削力：NVPcFZ172810088.26000060000=由机床设计手册可知，在外圆车削时Fx=（0.10.55）FzFy=（0.150.65）Fz取纵向切削分力Fx=0.5Fz=0.51728=864N横向切削分力Fy=0.6Fz=0.61728=1036.8N2、滚珠丝杠设计计算由机械零件设计手册可知，该方案选用双圆弧型面、外循环、双螺母垫片式预紧。1）最大工作载
5、荷Fm的计算可根据机床设计手册中进给牵引力的经验公式计算，纵向为三角形导轨，则：Fm=KFx +f（Fz+G）式中Fx切削分力G移动部件的重量，G=800Nf 导轨上的摩擦系数，f=0.150.18，取f=0.16K考虑颠覆力矩影响的实验系数，K=1.15则Fm=1.15864+0.16(1728+800)=1398.08N2） 最大动载荷C的计算由机械零件设计手册可知最大动载荷C=其中 t =， n=式中t寿命，以为1单位 n丝杠转速滚珠丝杠导程，初选=6mm最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度1/31/2，本机床取1/2载荷系数 由平稳或轻度冲击 取=1.2硬度系数 由HRC58 取=
6、1T使用寿命，按15000h计算则 n=r/mm=50 r/mm t =万r=45万r则 C= =N =5967.4N3）规格型号的初选初选滚珠丝杠副的规格，应使其额定动载荷当滚珠丝杠副在静态或低速状态下长时间承受工作载荷时，还应使其额定静载荷（23）Fm查机械零件设计手册选丝杠型号：CDM2506-3具体相关参数如下：公称直径/mm导程/mm钢球直径/mm丝杠外径/mm螺纹小径/mm额定载荷/N接触刚度/（N/）2563.96924.520.91477834423898螺母安装连接尺寸：DBhLCAM507663115.81061104273M64）根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为
7、：=0.963式中摩擦角，=10螺旋升角，根据 tan=，可得=5）刚度验算滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起导程的变化，因滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化很小，可忽略不计，所以工作负载引起的导程变化量为=式中 E丝杠材料的弹性模量，对于钢，取E=20.6MPa（20.6N/）A滚珠丝杠的截面积，按丝杠螺纹底径确定d，即d=20.9mm=2.09cm A=3.43滚珠丝杠导程，=6mm=0.6cm其中“+”用于拉伸时，“”用于压缩时。= = =11.87cm 滚珠丝杠受转矩引起的导程变化量很小，可以忽略不计，每米丝杠长度上螺距变形=19.78/m选精度等级为四级，由机械零件设计手册得4级
8、，精度丝杠允许的螺距误差为27.5/m，19.78/m =1398.08N所以满足稳定性要求。3、齿轮传动比式中步进电动机步距角，初选=0.75/step滚珠丝杠导程，取=6mm-脉冲当量，取=0.01mm/step得=0.8可选定齿轮齿数为 由于进给运动齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，取模数m=2.5mm小齿轮分度圆直径 =m=282.5mm=70mm大齿轮分度圆直径 =m=352.5mm=87.5mm由于齿轮传动只要求传递扭矩，故取大、小齿轮齿宽分别为=28mm，=33mm。齿顶圆直径 =70+2=72mm =87.5+2=89.5mm中心距 a=78.75mm4、电机1）等效
9、转动惯量计算折算到电动机轴上的转动惯量按下式估算 =化算得=+【】式中，折算到电动机轴上的转动惯量（） 齿轮的转动惯量（） 齿轮的转动惯量（） 滚珠丝杠的转动惯量（） g重力加速度对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量按下式估算J=7.8式中 D圆形零件直径 L零件轴向长度齿轮的转动惯量：=7.83.3=6.18=7.82.8=12.80丝杠的转动惯量：Js=7.868.8=2.10=6.18+【12.80+2.10+】 =16.182）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩最大切削负载时所需力矩快速进给时所需力矩M=MfM0式中Mamax快速空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；Mf折算到电机
10、轴上的摩擦力矩；M0由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；Mat切削时折算到电机轴上的加速度力矩；Mt折算到电机轴上的切削负载力矩。Ma=Nm当n=时Mamax=Ma=416.7r/min （i=1.25）当n=时Ma=Mat=62.5r/min摩擦力矩：Mf=式中摩擦力（由工作台重量引起）进给系统的效率中型机为0.750.8取=0.8轨道摩擦系数取=0.16附加摩擦力矩：式中，预加载荷，一般为最大轴向载荷的1/3.当=0.9时预加载荷=Fx则：所以,快速空载启动时所需力矩：=140.4612.235.23=157.92N切削时所需力矩：=21.0712.235.2382.54=1
11、21.07N快速进给时所需力矩：M=MfM0=12.235.23=17.46N由以上分析计算可知：所需最大力矩Mmax发生在快速空载启动时Mmax=157.92N=1.5792N.m3）步进电机选择启动力矩一般启动力矩选取为：式中Mq-电动机启动力矩；Mmax-电动机最大力矩。电机采用三相六拍式，启动力矩与最大静转矩关系由以上选型及计算，最终选用110BF003型电动机相关参数：电压 80V 最大静转矩 800 最大空载启动频率 1500 外径：110mm 长度：160mm 轴颈11mm 步距角：0.75/step电气部分设计微型计算机的应用已经深入到机床数控系统，在本设计中所谓经济型计算机数
12、控是采用八位微机系统与步进电机驱动系统租场开环两坐标进给的简易数控系统。电气部分设计包括硬件电路的设计和软件设计两部分。一、数控系统的硬件电路设计硬件是数控系统的基础，其性能的好坏直接影响整个系统的工作性能，有了硬件软件才能有效地进行。数控系统的基本硬件电路由以下几部分组成：控制器、存储器、接口电路、光电隔离电路、功率放大器。1、控制器：本系统选用8086cpu系统作为数控系统的控制器件。 般计算机的性能指标有速度、字长、内存的大小、软件配置等。8086一般有cpu、I/O电路、存储器三部分组成。时钟脉冲频率是计算机工作速度的主要因素，8086cpu的时钟频率为10MHZ。2、存储器20位的地
13、址在CPU内可寻址，1M字节的内存空间，而机构内的存储器是16位的，只能寻址64k字节，8086系统把1M存储空间系统分成16个逻辑段，每个逻辑段允许在存储空间浮动，即段与段之间可以部分重叠、完全重叠、连续排列、断续排列非常灵活。在整个存储空间中可以设置若干个逻辑段，对任意一个物理地址可以唯一的被包含在一个逻辑段内，也可以包含在多个相互重叠的逻辑段内，只要有段地址和段内偏移地址就可以访问到这个物理地址所对应的存储空间。在8086存储空间中，把16k字节的存储空间成为一节，为简化操作，要求各个逻辑段从节的整数边界开始，也就是说段首地址第四位应该是“0”，因此，应该把段首地址的高16位称为段基址，
14、存放在受寄存器中，段间偏移地址存放在IP或SP中，DS、CS、SS、ES的段基址分别为2058H、250AH、8FFBH和EFFOH。3、光电耦合电路光电耦合在微机系统中具有非常重要的作用，其通过发光二极管的光辉推动光敏三极管导通，从而实现通信系统中的光电隔离。光电耦合器左右：隔离功能使微机与现场隔离，防止现场信号进入微机，从而保证微机可靠工作。实现信号电平转换可以将来自微机的输出信号电平很方便地转换为执行机构所需的信号电平或者将来自生产现场的信号电平转换为危机所需的信号电平。负载驱动达林顿管可将电流放大很多，具有较强的负载驱动能力8255输出口的放出及吸入电流均较大，故可直接用高电平来推动三
15、极管驱动发光管。犹豫8255在上电复位时，端口初置为输入状态，即高阻抗状态，为不使开机输出额外的信息，三极管基极应拉成低电平。4、功率放大器功率放大电路分为单电源和双电源，单电源线路简单，但效率不高，所以选用双电源型。双电源采用高低压供电路，如下图。工作原理：无脉冲输入时VT1VT2VT3VT4均截止，电动机绕组W无电流通过，电动机不转。有脉冲输入时，VT1VT2VT4饱和导通，在VT2由截止到饱和期间，其集电极电流，也就是脉冲变压TI的一次电流急剧增加，在变压器三次侧感生一个电压，使VT3导通，80V的高压经高压管VT3加到绕组W上，使电流迅速上升，当VT2进入稳定状态后，TI一次侧电流暂时
16、恒定，无磁通量变化，二次侧的感应电压为零，VT3截止。这时，12V低压电源经VD1加到电动机绕组W上并维持绕组中的电流，输入脉冲结束后，VT1VT2VT3VT4又都截止，存储在W中的能通过18欧姆的电阻和VD2放电，该电路由于采用高压驱动，电流增长加快，脉冲电流的前沿变陡，电动机的转矩和运行频率都得到了提高。二、数控系统的软件设计设计一个采用步进电机伺服机构的开环机床，数控系统控制对象为机床进给系统X、Z工作台，用逐点比较法，插补法加工已知直线，故主程序调出插补子程序，由8255A中断服务子程序完成越界急停报警。1主程序功能 8255A的初始化，8259A的初始化，调用插补加工子程序。2825
17、5A的设置 本设计采用AD的8根引线来控制X、Z电机，红灯，绿灯。其中红灯于警铃相连，红灯亮，警铃响，作输出作业。其控制字D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01 0 0 0 0 0 0 0 标志位 端口AI工作方式0 A作输出控制字：1000 0000B=80H8255A作为基本的输入、输出口、AD工作方式为0分别控制X电机的、相分别控制Z电机的、相控制绿灯，绿灯亮，表示运行正常控制红灯，红灯亮，表示有紧急情况 3 三项六拍环分器脉冲通电代码 X电机通电代码 相 代码 0 0 0 0 1 0 0 1 A 09H 0 0 0 0 1 0 1 1 AB 0BH 0 0 0 0 1 0 1
18、 0 BC 0AH 0 0 0 0 1 1 1 0 BC 0EH 0 0 0 0 1 1 0 0 C 0CH 0 0 0 0 1 1 0 1 CA 0DH Y电机通电代码 相 代码 0 0 0 1 1 0 0 0 A 18H 0 0 1 1 1 0 0 0 AB 38H 0 0 1 0 1 0 0 0 B 28H 0 1 1 0 1 0 0 0 BC 68H 0 1 0 0 1 0 0 0 C 48H 0 1 0 1 1 0 0 0 CA 58H 中断时 代码 1 0 0 0 0 0 0 0 80H 48259A的设置8259A可编程中断控制器，一共可接收8个中断，本次设计共用5个中断口，分别
19、用来控制+X、-X、+Z、-Z 方向的越界和急停按钮。8259A的预置命令字的设置，其端口地址为偶地址 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 命令字为 13H采用边缘触发：单级使用，需要设置的设置，其端口地址为奇地址 7 6 5 4 3 2 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0命令字为 60H的设置，其端口地址为奇地址 7 6 5 4 3 2 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1命令字为 01H采用非特殊完全嵌套方式，非自动EOI方式8259A的操作命令字的设置，其端口地址为奇地址 7 6 5 4 3 2 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0命令
20、字为0E0H都可引入中断的设置，其端口地址为偶地址 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0命令字为0A0H采用普通EOI循环方式5 用逐点比较法插补加工程序设计直线插补计算原理根据逐点比较法的原理，每走一步必须把动点的实际位置与给定轨迹的理想位置间的误差以“偏差”形式计算出来，然后根据偏差的正负决定下一步的走向，已逼近给定轨迹。逐点比较插补加工中由四个环节组成a偏差判别通过偏差计算确定刀具的位置，当偏差时，刀具在被加工斜线上方，当时，刀具在被加工斜线下方b刀具进给由上一步偏差判断结果，确定刀具进给方向，由此纠正偏差。若向X方向移动，若向Z方向移动。c偏差计算 d终点
21、判别判别刀具是否达到终点，到终点时则停止，否则继续插补。6三相六拍环分子程序步进电机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。环形脉冲分配器可用硬件实现也可用软件实现。采用软件环分是利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配，通过正向顺序读取和反向顺序读取可控制电动机进行正反转，通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机的转速。该法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相的脉冲分配具有更大的优点。7辅助电路为防止机床行程越界，在机床上装有行程控制开关，为防止意外装有急停按钮。由于这些开关离控制箱较近，故容易产生电器干扰，为避免这种情况发生，在电路和接口之间实行光电隔离：当绿灯亮时，表示
22、工作正常，当红灯亮时表示溜板箱已到极限位置。8控制系统的程序1主程序NAMEJGDATASEGMENT;定义数据段MDW4DUP(?)TDW?FDW0HSDB?CDB0HDDB0HXTDB09H.0BH.0AH.0EH.0CH.0DH;X电机通电代码ZTDB18H.38H.28H.68H.48H.58H;Z电机通电代码DATAENDSSTACKSEGMENTSTACKSTADW100DUP(?)STACKENDSCODESEGMENTASSUMECS:CODE,DS:DATASS:STACK,ES:DATA;寄存器说明STAR:CLIMOVAX,00HMOVDS,AX;中断向量的段基址送DSM
23、OVAX,SEGINTR;取中断子程序的段基址MOVBX,OFFSETINTR;取中断子程序的偏移地址MOVSI,60H;中断类型码送SIMOVSI,BX;将中断偏移量送到SISI+1中MOVSI+2,AX;将中断段基址送到SISI+1中MOVAX,DATAMOVDS,AX;恢复DSMOVDX,2003H;初始化8255AMOVAL,80HOUTDX,ALMOVDX,2800H;定义8259A MOV AL,13H OUTDX,ALMOVDX,2801H;定义8259A MOVAL,60HOUTDX,ALMOVAL,01H;定义8259A OUTDX,ALMOVAL,0E0H;定义8259A
24、OUTDX,ALMOVDX,2800HMOVAL,0A0H;定义8259A OUTDX,ALSTI;中断打开CALLCB;调用插补程序HTL2直线插补子程序CBPROCPUSHAXPUSHBXPUSHCXPUSHDXPUSHF;保护现场MOVAH,0H;标志位清零SAHFMOVAX,M;取起点终点的X坐标MOV BX,M+2SUBBX,AX;取终点相对于起点横坐标的绝对值XeJGEB1NEGBXB1:MOVAX,M+1;取起点，终点的Z坐标MOVDX,M+3SUBDX,AX;取终点相对于起点的Z坐标的绝对值YeJGEB2NEGDXB2:ADDDX,BX;计算总进给步数MOVCX,DXMOVAX
25、,F;将偏差值送AXXH:CMPAX,00H;判断向哪个方向走JCB4;跳向Z向MOV5,0H;写X电机状态字(X/Z 正/反)CMPM+2,MJCB3OR5,00HB3:ORS,00HCALLHF;调用环分子程序，X电机走一步SUBAX,DX;计算偏差值CALLTIME;调用延时程序JMEB6B4:MOV5,02H;写Z电机状态字(X/Z,正/反)CMPM+3,M+1JCB5ORS,00HB5:ORS,01HCALLHF;调用换分子程序，Z电机走一步ADDAX,BX;计算偏差值CALLTIME;调用延时子程序B6:DECCX;总步数减1LOOPXHPOPF;出栈，恢复现场POPDXPOPCX
26、POPBXPOPAXRETCBENDP3三相六拍环分子程序HFPROCPUSHAXPUSHBXPUSHDXPUSHF;压栈；保护现场MOVBL,S;送电机操作字给BLANDBL,01H;判断正反转CMPBL,0HJNZFR;调转至反转MOVBL,S;判断XZ电机ANDBL,02HCMPBL,0HJNZZPZ;调转至Z电机正转XDZ:CMPC,0H;判断是否为第一次跳动JNZLLEASI,XT;送通电代码首地址给SIL1:MOVC,01HMOVBX,XT+5MOVDX,2000H;通过8255A给电机送通电代码MOVAL,SIOUTDX,ALCMPSI,BX;判断通电代码是否用完JZL2INCS
27、I;指针自增1JMPL9L2:LEASI,XTJMPL9ZDZ:CMPD,0H;判断是否为第一次转动LEADI,ZT;送通电代码首地址给DIL3:MOVD,01HMOVBX,ZT+5MOVDX,2000H;通过8255A送通电代码给电机MOVAL,DIOUTDX,ALCMPDI,BX;判断通电代码是否用完JZL4INCDI;指针自增1JMPL9L4:LEADZ,ZTJMPL9FR:ANDBL,02H;判断用哪个电机CMPBL,0HJNEZDEXDF:CMPC,0H;判断是否为第一次转动JNEL5LEASI,XT+5;送通电代码末地址给SIL5:MOVC,01HMOVBX,XTMOVDX,200
28、0H;通过8255A给电机送通电代码MOVAL,SIOUTDX,ALCMPSI,BX;判断通电代码是否用完JZL6DECSI;指针自减1JMPL9L6:LEASI,XT+5JMPL9ZDF:CMPD,0H;判断是否为第一次转动JNZL7LEADI,ZT+5;送通电代码末地址给DIL7:MOVD,01HMOVBX,ZTMOVDX,2000H;通过8255A给电机送通电代码MOVAL,DIOUTDX,ALCMPDI,BX;判断通电代码是否用完JZL8DECDZ;指针自减1JMPL9L8:LEADI,ZT+5L9:POPF;出栈，恢复现场POPDXPOPBXPOPAXRETHFENDP4延时子程序T
29、IMEPROCPUSHBXPUSHCXMOVBX,T;送延时时间给BXLP1:MOVCX,154H;延时1msLP2:PUSHFPOPFLOOPLP2DECBX;延时时间自减1JNZLP1POPCXPOPBXRETTIMEENDP5中断子程序INTRPROCPUSHDXPUSHAXMOVDX,2000H;将8255A端口的地址送给DXMOVAL,80HOUTDX,AL;将中断使得命令字送到ALPOPAXPOPDXRETINTRENDP小结四年的大学学习，让我们对机械设计与制造方面的知识有了一个系统而又全新的的认识。课程设计是我们学习中最后一个重要的实践性环节，是一个综合性较强的设计任务，它为我
30、们以后从事技术工作打下了一个良好的基础，对我们掌握所学知识情况进行了全面而又直观的检测。为了能够较好的完成这次毕业设计，我投入了万分的精力做了充分的准备工作。首先，我先针对课题来考虑，在指导老师的指点和帮助下，对所需的资料进行搜集和整理，根据设计的要求，再对资料做一个简单的归类。其次，依据指导老师给出的设计任务要求，先制定设计的总体方案，按照指导老师要求的设计进度，一步步的完成此次的设计任务。前几周的数控拆装综合实验，为我此次的课程设计做了很好的铺垫，让我做起来没有太多陌生的感觉，更加得心应手些。课程设计虽已结束，但想想我在其中所学到的知识，所遇到的困难，仍记忆犹新。它让我明白了无论是设计新产品，还是改造原先的老产品，都是一个复杂的技术过程，容不得半点含糊。设计人员应先明白设计的目的，了解产品的价值和实用性，其次要对设计的产品进行构思，确定总体方案，查阅资料，最后编写产品的设计说明书，进行绘图。这次的课程设计培养了我独立设计思考和分析解决问题的能力，拓宽了我的知识面，是一次很好的锻炼机会！感谢指导老师对我此次毕业设计的指导!参考文献罗永顺 机床数控化改造实例 机械工业出版社郑学坚 微型计算机原理及应用（第三版） 清华大学出版社蔡春源 机械零件设计手册 冶金工业出版社机床设计手册 机械工艺出版社 张建明 机电一体化系统设计 高等教育出版社27