普通銑床的數(shù)控化改造畢業(yè)設(shè)計(jì) 機(jī)電一體化畢業(yè)論文

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1、XX大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，是實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石，是保證高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)防軍工現(xiàn)代化的戰(zhàn)略裝備。在全球倡導(dǎo)綠色制造的大環(huán)境下，機(jī)床數(shù)控化改造成為了熱點(diǎn)。它包括普通機(jī)床的數(shù)控化改造和數(shù)控機(jī)床的升級(jí) 本設(shè)計(jì)是對(duì)XA5032普通立式銑床進(jìn)行數(shù)控化改造。為了實(shí)現(xiàn)把XA5032普通立式銑床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，我針對(duì)此銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng)，X,Y,Z向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造，并增加了CNC裝置和伺服系統(tǒng)。對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)，我選用FANUC AC 電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸。對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)，我把原先的滑動(dòng)絲杠換成滾珠絲杠，以提高精度和效率，并由

2、原先的手動(dòng)控制，改造成由電動(dòng)機(jī)控制。通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)主軸傳動(dòng)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的無(wú)級(jí)變速。通過(guò)單片機(jī)的設(shè)計(jì)，構(gòu)成控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：數(shù)控改造，滾珠絲杠，伺服系統(tǒng) ABSTRACT NC machine tools is the Machine Tools and equipment manufacturing, is to achieve manufacturing technology and the cornerstone of modern equipment is to ensure that hi

3、gh-tech industry development and national defense modernization of the military strategy and equipment. Green Manufacturing in the global advocacy of the environment, transformation of CNC machine tools to become a hot spot. It includes general of the CNC machine tools to transform and upgrade the C

4、NC machine tools This design is XA5032 ordinary vertical milling machine NC transformation. In order to achieve the XA5032 vertical milling machine into the general economy CNC milling machine, I am against this milling the main drive system, X, Y, Z to the feed system NC transformation, and to i

5、ncrease the CNC servo devices and systems. The main drive system, I choose FANUC AC motor drive through the belt drive spindle. The feed system, I replaced the original sliding screw ball screws, to improve accuracy and efficiency, and the original manual control, into the motor control. Converter t

6、o achieve through the main transmission and feed the CVT. SCM through the design of a control system. Key words: NC transformation, ball screw, Servo System 目 錄 第1章 數(shù)控機(jī)床的概述 ………………………………………………………………1 1.1 數(shù)控機(jī)床……………………………………………………

7、………………1 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的概念 …………………………………………………1 1.1.2 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) …………………………………………………1 1.1.3 數(shù)控機(jī)床的組成 ……………………………………………………1 1.1.4 數(shù)控機(jī)床的分類(lèi) …………………………………………………1 1.2 機(jī)床數(shù)控化改造 …………………………………………………………2 1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的意義 …………………………………………………2 第2章 銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計(jì)……………………………………………………3 2.1 概述 ……………………

8、…………………………………………………3 2.1.1 數(shù)控銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn) …………………………………3 2.1.2 數(shù)控銑床對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本要求 ………………………………3 2.2 數(shù)控化改造銑床的總體布局 ……………………………………………3 2.2.1 XA5032型立式升降臺(tái)銑床的布局及簡(jiǎn)介………………………3 2.2.2 立式數(shù)控改造銑床的布局型式及簡(jiǎn)介…………………………4 2.3 數(shù)控化改造銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng) …………………………………………4 2.3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求和變速方式……………………………4

9、 2.3.2 XA5032型銑床數(shù)控化改造主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)……………………5 2.3.3 XA5032型銑床數(shù)控化改造主軸系統(tǒng)計(jì)算設(shè)計(jì)…………………6 2.4 數(shù)控化改造銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) ………………………………………13 2.4.1 數(shù)控銑床對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)基本要求……………………………14 2.4.2 數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本型式…………………………15 2.4.3 數(shù)控改造銑床進(jìn)給系統(tǒng)的型式及介紹 …………………………15 2.4.4 數(shù)控改造銑床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)計(jì)………………………15 第3章 普通銑床的電氣

10、改造部分 …………………………………………………20 3.1 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置…………………………………………………………20 3.1.1 CNC系統(tǒng)的組成 ………………………………………………20 3.1.2 CNC裝置的主要功能和特點(diǎn)………………………………………20 3.1.3 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu)………………………………………………20 3.1.4 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu)………………………………………………24 3.2 數(shù)控改造銑床的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) …………………………………………29

11、 3.2.1 8031應(yīng)用系統(tǒng)……………………………………………………30 3.2.2 8031的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 ……………………………………30 3.2.3 8031輸入/輸出口的擴(kuò)展 ………………………………………30 3.3 數(shù)控改造的伺服系統(tǒng)……………………………………………………30 3.3.1 對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求…………………………………………31 3.3.2 伺服系統(tǒng)的分類(lèi)…………………………………………………31 3.3.3 數(shù)控改造伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件……………………………

12、……32 3.3.4數(shù)控改造伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)元件的連接電路 ………………………34結(jié)論 ……………………………………………………………………………………35 致謝………………………………………………………………………………………36 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………37 第1章 數(shù)控機(jī)床的概述 1.1 數(shù)控機(jī)床 1.1 1數(shù)控機(jī)床的概念 數(shù)控機(jī)床是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床，既包括NC機(jī)床，也包括CNC機(jī)床。數(shù)字控制機(jī)床（Numerical Controlled Machin

13、e Tool），簡(jiǎn)稱(chēng)NC機(jī)床。數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它能控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和加工過(guò)程。計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床（Computerized Numerecal Controlled Machine Tool），簡(jiǎn)稱(chēng)CNC機(jī)床，是利用具有專(zhuān)門(mén)存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的全部或部分控制功能。工作原理是：將數(shù)控加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制主運(yùn)動(dòng)的變速、起停、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向、速度和位移大小，以及諸如刀具的選擇、交換、工件夾緊，松開(kāi)和冷卻的起、停等動(dòng)作，使刀具與工件及其他輔助裝置嚴(yán)格按數(shù)控程序的要求進(jìn)行工作。 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及發(fā)展簡(jiǎn)史 1.1.2數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中得到日益廣泛的

14、應(yīng)用，是因?yàn)樗哂腥缦绿攸c(diǎn)： 1）能適應(yīng)不同零件的自動(dòng)加工。 2）工序集中。 3）生產(chǎn)效率和加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定。 4）能完成復(fù)雜型面的加工。 5）減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 1.1.3 數(shù)控機(jī)床的組成 1)程序編制及程序載體 2)輸入裝置 3)數(shù)控裝置 4)輔助控制裝置 5)驅(qū)動(dòng)裝置和位置檢測(cè)裝置 6)機(jī)床的機(jī)械部件 1.1.4 數(shù)控機(jī)床的分類(lèi) 按照不同的分類(lèi)方式，數(shù)控機(jī)床有不同的類(lèi)型。 1、按控制運(yùn)動(dòng)軌跡分類(lèi) 　 （1）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 　 （2）直線控制機(jī)床 　 （3）輪廓控制的數(shù)控機(jī)床 　　2、按驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)分類(lèi) 　 （1） 開(kāi)

15、環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 　 （2） 閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 　 （3） 半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 1.2 機(jī)床數(shù)控化改造 機(jī)床數(shù)控化改造，顧名思義就是在機(jī)床上增加微型計(jì)算機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動(dòng)化能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。它是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要提出，并隨著機(jī)床行業(yè)以及技術(shù)的不斷進(jìn)步而發(fā)展起來(lái)，它的內(nèi)容是應(yīng)用成熟數(shù)控技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，以適應(yīng)生產(chǎn)的具體要求為目的，對(duì)現(xiàn)有機(jī)床的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，并安裝上新部件、新裝置、新附件，用計(jì)算機(jī)控制機(jī)床的工作，提高機(jī)床的技術(shù)性能指標(biāo)，使之全部或局部達(dá)到新數(shù)控機(jī)床的水平。 1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的意義 眾所周知，制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，

16、是推動(dòng)國(guó)家技術(shù)進(jìn)步的主要力量。加入WTO之后，我國(guó)制造業(yè)正面臨極大的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)。我國(guó)制造業(yè)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，總體水平偏低，這直接影響到我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的提高和制造成本的降低，影響到我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。為改變這種落后狀況，必須提高制造業(yè)的裝備水平，特別是機(jī)床的數(shù)控化率。購(gòu)置數(shù)控機(jī)床是提高機(jī)床數(shù)控化率的途徑；對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，也是提高機(jī)床數(shù)控化率的重要途徑之一。 我國(guó)機(jī)電行業(yè)（包括機(jī)械、電子、汽車(chē)、航空、航天、輕工、紡織、冶金、煤炭、郵電、船舶等）擁有的機(jī)床結(jié)構(gòu)比較陳舊，操作系統(tǒng)復(fù)雜，控制系統(tǒng)落后，生產(chǎn)效率低下，如果靠購(gòu)置新的數(shù)控機(jī)床取而代之，顯然耗資巨大，不符合國(guó)情。因

17、此，采用數(shù)控技術(shù)對(duì)現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行改造，符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策。 近年來(lái)，美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)、等發(fā)達(dá)國(guó)家，在制造大量數(shù)控機(jī)床的同時(shí)，也非常重視對(duì)普通機(jī)床的數(shù)控化改造，機(jī)床的技術(shù)改造市場(chǎng)十分活躍。在美國(guó)，機(jī)床改造業(yè)被稱(chēng)為機(jī)床再生業(yè)；在日本，機(jī)床改造業(yè)被稱(chēng)為機(jī)床改裝業(yè)。機(jī)床改造業(yè)正逐步從機(jī)床制造業(yè)中分化處理，形成了用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線的新的行業(yè)和領(lǐng)域。 第二章 銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計(jì) 2.1 概述 根據(jù)我國(guó)國(guó)情，八十年代在普通機(jī)床的改造方面，出現(xiàn)了以經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)床，尤其是普車(chē)、普銑數(shù)控化改造的熱潮，并逐步形成了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控產(chǎn)業(yè)。“八五”后期和“九五”，國(guó)家把舊設(shè)

18、備的改造列入企業(yè)技術(shù)進(jìn)步，工藝更新的一個(gè)重要途徑，很多工廠把普通機(jī)床的數(shù)控化改造列入企業(yè)的發(fā)展計(jì)劃，作為企業(yè)適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)、提高產(chǎn)品市場(chǎng)占有率的一項(xiàng)措施。普通銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造，除了選擇可靠性高、性能穩(wěn)定的數(shù)控系統(tǒng)外，對(duì)銑床自身的改造也是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。普通銑床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造包括兩個(gè)方面，即機(jī)床電氣的數(shù)控化改造和機(jī)床本體的數(shù)控化改造。 2.1.1 數(shù)控銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn) 1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、自動(dòng)化程度高 2. 廣泛采用高效、無(wú)間隙傳動(dòng)裝置和新技術(shù)、新產(chǎn)品 3. 具有適應(yīng)無(wú)人化、柔性化加工的特殊部件 4. 對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、零部件的要求高 2.1.2 數(shù)控銑床對(duì)機(jī)械結(jié)

19、構(gòu)的基本要求 1. 具有較高的靜、動(dòng)剛度和良好的抗振性 2. 具有良好的熱穩(wěn)定性 3. 具有較高的運(yùn)動(dòng)精度與良好的低速穩(wěn)定性 4. 具有良好的操作、安全防護(hù)性能 2.2 數(shù)控化改造銑床的總體布局 選擇機(jī)床的總體布局是銑床設(shè)計(jì)的重要步驟，它直接影響到機(jī)床的結(jié)構(gòu)和性能，合理選擇機(jī)床布局，不但可以滿足銑床數(shù)控化的要求，而且能使機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、合理、經(jīng)濟(jì)。 2.2.1 XA5032型立式升降臺(tái)銑床的布局及簡(jiǎn)介 XA5032立式升降臺(tái)銑床是一種使用范圍很廣的機(jī)床，它適應(yīng)與用各種棒狀、銑刀、角度銑刀及銑切平面、斜面、溝槽、齒輪等。 該銑床上裝置分度頭是，可以銑切直齒齒輪

20、和鉸刀等零件，分度由手動(dòng)來(lái)完成，如果在裝上分度頭的同時(shí)，把分度頭的傳動(dòng)軸與工作臺(tái)的縱向絲杠用掛輪架聯(lián)系起來(lái)，尚能銑切螺旋面。該銑床還可以裝上園工作臺(tái)，用以銑切凸輪及弧形槽。 該銑床適應(yīng)與各種機(jī)械加工工業(yè)，從小規(guī)模的機(jī)械修理站到大量生產(chǎn)的部門(mén)的都可以使用。 2.2.2 立式數(shù)控改造銑床的布局型式及簡(jiǎn)介 機(jī)床本體的數(shù)控化改造，是將原工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)，進(jìn)給箱及其傳動(dòng)鏈拆除，然后進(jìn)行如下改造：用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)升降，縱向，橫向坐標(biāo)軸，根據(jù)各輪的脈沖當(dāng)量配置相應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，換成滾珠絲杠傳動(dòng)。 （1）改造前對(duì)原機(jī)床的要求 機(jī)床主軸傳動(dòng)精度，工作臺(tái)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸導(dǎo)軌面的集合精度，即垂直

21、度、半行度等，均應(yīng)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由于工作臺(tái)三個(gè)軸的傳動(dòng)系統(tǒng)要更換，故可不必嚴(yán)格要求，對(duì)于精度差的機(jī)床，可通過(guò)大修恢復(fù)其精度，然后進(jìn)行改造。 （2）傳動(dòng)系統(tǒng)的方案選擇 第一種方案是采用齒輪傳動(dòng)，單螺母滾珠絲杠作為傳動(dòng)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，根據(jù)實(shí)際需要可保留原機(jī)床的手動(dòng)和機(jī)動(dòng)功能，但存在潛在缺陷；齒輪傳動(dòng)噪聲打，齒輪磨損后消隙難，單螺母滾珠絲杠螺距的一致性難以調(diào)整。 第二種方案是采用圓弧齒型同步帶傳動(dòng)，雙螺母滾珠絲杠作為傳動(dòng)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可克服上方案的缺點(diǎn)，能提高加工精度1-2級(jí)。 我采用第二種傳動(dòng)方案，主軸采用H型同步帶傳動(dòng)，進(jìn)給系統(tǒng)采用雙螺

22、母滾珠絲杠傳動(dòng)。 2.3 數(shù)控化改造銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng) 2.3.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求和變速方式 數(shù)控銑床和普通銑床一樣，主傳動(dòng)系統(tǒng)也必須通過(guò)變速，才能使主軸獲得不同的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)不同的加工要求，在變速的同時(shí)，還要求傳遞一定的功率和足夠的扭矩，滿足切削的需要。數(shù)控銑床作為高度自動(dòng)化的設(shè)備，它對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求如下： （1） 為了達(dá)到最佳切削效果，一般都應(yīng)在最佳切削條件下工作，因此，主軸一般都要求能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。 （2） 要求機(jī)床主軸系統(tǒng)必須具有足夠高的轉(zhuǎn)速和足夠大的功率，以適應(yīng)高速、高效的加工需要。 （3） 為了降低噪聲、減輕發(fā)熱、減少振動(dòng)，主傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少傳動(dòng)

23、件。 （4） 在加工中心上，還必須具有安裝刀具和刀具交換所需要的自動(dòng)夾緊裝置，以及主軸定向準(zhǔn)停裝置，以保證刀具和主軸、刀庫(kù)、機(jī)械手的正確嚙合。 （5） 為了擴(kuò)大機(jī)床功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)C軸位置（主軸回轉(zhuǎn)角度）的控制，主軸還需要安裝位置檢測(cè)裝置，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸位置的控制。 主傳動(dòng)的無(wú)級(jí)變速通常有以下三種方法： （1） 采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)，在早期的控制機(jī)床或大型數(shù)控機(jī)床（主軸功率超過(guò)100kw）上，也有采用直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的情況。 （2） 在經(jīng)濟(jì)型、普及型數(shù)控機(jī)床上，為了降低成本，可以采用變頻器帶變頻電動(dòng)機(jī)或普通交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速的方式。 （3） 在高速加工機(jī)床上，廣泛使

24、用主軸和電動(dòng)機(jī)一體化的新穎功能部件——電主軸。電主軸的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸一體，無(wú)需任何傳動(dòng)件，可以使主軸達(dá)到數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)，甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)的高速。 但是，不管采用任何型式，數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都要比普通機(jī)床簡(jiǎn)單的多。 2.3.2 XA5032型銑床數(shù)控化改造主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 主傳動(dòng) 主傳動(dòng)由FANUC а8 AC驅(qū)動(dòng)，經(jīng)一對(duì)減速為1：2的齒形帶輪和同步齒形帶傳到主軸。 機(jī)床主軸電機(jī)7.5kw，交流變頻調(diào)速，主軸具有恒轉(zhuǎn)矩，恒功率調(diào)速特性及失速防止、過(guò)流、過(guò)載保護(hù)等功能。 2 主軸箱 主軸箱結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.2，箱體材料為HT20-40鑄鐵件，主軸軸承采用

25、前軸承軸向固定，后軸承可游動(dòng)的支承方式，前軸承用兩個(gè)角接觸向心球D46118軸承，后軸承用一個(gè)深溝球E317軸承。 主軸錐孔的錐度為NO3（7：24），用于安裝銑夾頭或鉆夾頭刀柄，并用二個(gè)端面鍵，傳遞銑削或鉆削扭矩，銑夾頭或鉆夾頭刀柄，用拉桿拉緊在主軸錐孔內(nèi)。 為保證主軸箱在伺服電機(jī)斷電后，不會(huì)因自重而下滑，在立柱內(nèi)腔設(shè)有與主軸箱相連結(jié)的鋼絲繩、滑輪、平衡塊等組成的平衡裝置。 圖 2.2 2.3.3 XA5032型銑床數(shù)控化改造主軸系統(tǒng)計(jì)算設(shè)計(jì) 1 主傳動(dòng)中同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) （1）給出傳動(dòng)要求

26、 1）傳動(dòng)的功率 Pw=7.5Kw 2）主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速 n1=1500r/min；傳動(dòng)比 i=2； 3）中心距要求 300mm左右； 4）電動(dòng)機(jī) 7.5Kw FANUC α8 AC； 5）動(dòng)轉(zhuǎn)時(shí)數(shù) 每天16小時(shí)； 6）其它 帶輪直徑不受限制； （2）選擇帶的型號(hào)和節(jié)距 1）計(jì)算設(shè)計(jì)功率Pd a.查書(shū)《實(shí)用電子機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，由表6-61得載荷Ko=1.7，因未使用張緊輪，又是減速運(yùn)動(dòng)，故表的附加修正系數(shù)為零。 b.計(jì)算設(shè)計(jì)功率Pd=KoPm=1.77.5=12.75Kw 2）選擇帶

27、的型號(hào)和節(jié)距 由Pd=12.75Kw和n1=1500r/min，從《實(shí)用電子機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖6-9查得帶的節(jié)距代號(hào)為H，對(duì)應(yīng)的節(jié)距為Pb=12.700mm （3）確定帶輪直徑和帶節(jié)線長(zhǎng) 1）確定帶輪直徑d 由《實(shí)用電子機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表6-69的：H型帶，小帶輪轉(zhuǎn)速n1=1500r/min時(shí)，帶輪最小許用齒數(shù)為Z1=18。取小帶輪齒數(shù)Z1=24。傳動(dòng)比i=2，Z2=224=48 小帶輪直徑為d1=PbZ1/π=12.724/3.14=97.07mm 大帶輪直徑為d2=PbZ2/π=12.748/3.14=194.14mm 2）選擇帶長(zhǎng)Lp Lp=2acosφ+

28、π（d1+d2）/2+πφ（d2-d1）/180 式中，φ=arcsin（d2-d1/2a）=arcsin（97.07/600）=9.31。 所以Lp=592.096+457.19+15.765=1065.05mm 按表6-59取標(biāo)準(zhǔn)值Lp=1066.8mm 該帶齒數(shù)為Zb=84 3）傳動(dòng)中心距的計(jì)算 按近似公式計(jì)算： M=Pb（2Zb-Z1-Z2）/8=12.7（284-24-48）/8=152.4mm a=M+ （4）選擇標(biāo)準(zhǔn)帶寬 1）確定基準(zhǔn)額定功率 小帶輪齒數(shù)=24，轉(zhuǎn)速=1500r/min，由表6-66內(nèi)插法

29、得H型帶的基準(zhǔn)額定功率 2）確定額定功率P a．嚙合齒數(shù)系數(shù) 嚙合齒數(shù)，故 b．帶寬系數(shù) （查表6-62） c．額定功率P 3）選擇帶寬 根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 故帶寬 按表6-58選擇帶寬，（標(biāo)準(zhǔn)值） 4）工作能力驗(yàn)算 a．許用工作拉力有表6-61得 b．單位長(zhǎng)度質(zhì)量由表6-61得 c．帶的圓周速度 d．工作能力驗(yàn)算 （5）額定功率大于設(shè)計(jì)功率，故帶的傳動(dòng)能力足夠 結(jié)果整理 1）帶選用H型同步帶 2) 帶輪

30、 3）傳動(dòng)中心距 2.主軸的設(shè)計(jì) （1）初步估算軸的直徑 選取軸的材料為調(diào)質(zhì)處理，由式得， ，取 軸端銑削力（見(jiàn)《金屬切削刀具》表4-3） 由《機(jī)械制造工程學(xué)》表2-3知：橫向進(jìn)給力 縱向進(jìn)給力 垂直進(jìn)給力 同步齒形帶作用在主軸上的力為： 主軸上轉(zhuǎn)距為： 圓周力 徑向力 （2）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 確定各軸段直徑和長(zhǎng)度 ①段 ，由螺母（GB812-88）厚度定， ②段 為固定螺母，，由同步帶大帶輪 ③段

31、為固定軸承，，由套筒長(zhǎng)度得 ④段 ，由軸承長(zhǎng)度， ⑤段 參考原主軸，， （3） 繪制軸的彎矩圖和扭矩圖 L1=100mm，L2=189mm，L3=208mm H水平面 Fr=168.318N， V垂直面 Ft=462.449N， 求彎矩 H水平面 ， V垂直面 ， 合成彎矩M 明顯判斷出C點(diǎn)為危險(xiǎn)截面，所以 扭矩T 彎矩圖、扭矩圖見(jiàn)下圖 （4）按彎矩合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度 當(dāng)量彎矩 軸的材料為調(diào)質(zhì)處理，查表得 根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，該軸滿足強(qiáng)度要求。 （3）精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 1）判斷危險(xiǎn)截面 危險(xiǎn)截面

32、應(yīng)該是應(yīng)力較大，同時(shí)應(yīng)力集中較嚴(yán)重的截面。 從受載情況觀察，兩角接觸軸承中心雖最大，但應(yīng)力集中不大，而且這是軸徑較大，故不是危險(xiǎn)截面，危險(xiǎn)截面在前端軸承左側(cè)，該截面較大，應(yīng)力較集中。 2）計(jì)算危險(xiǎn)截面應(yīng)力 截面右側(cè)彎矩為 截面上的扭矩T為： 抗彎截面系數(shù)： 抗扭截面系數(shù)： 截面上的彎曲應(yīng)力： 截面上的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力：

33、 彎曲應(yīng)力幅： 彎曲平均應(yīng)力： 扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的應(yīng)力幅與平均應(yīng)力相等，即 3）確定影響系數(shù) 軸的材料為調(diào)質(zhì)處理，查表得 軸肩圓角處的有效應(yīng)力集中系數(shù)、 取 由上面結(jié)果可得 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8.13中的許用安全系數(shù)值： 由，可知該軸安全。 （4）主軸軸承的校核 由主軸的校核計(jì)算中，得知主軸軸承的受力情況，現(xiàn)對(duì)主軸后端軸承校核如下：由公式得，A/R=788.88/1356.849=0.581

34、所以當(dāng)量動(dòng)載荷： 由軸承壽命公式得 溫度系數(shù)： 載荷系數(shù)： 極限轉(zhuǎn)速： 壽命指數(shù)：對(duì)球軸承 故 由表10.4查得24小時(shí)連續(xù)工作的機(jī)械的軸承 由此可見(jiàn)： 故E317軸承壽命足夠。 2.4 數(shù)控化改造銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng) 數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)常用伺服進(jìn)給系統(tǒng)來(lái)工作，伺服進(jìn)給系統(tǒng)的作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)傳來(lái)的指令信息，進(jìn)行放大以后控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)，不僅控制進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度，同時(shí)還要精確控制刀具相對(duì)于工作的移動(dòng)位置和軌跡，因此，數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)，尤其是輪廓控制系統(tǒng)，必須對(duì)經(jīng)運(yùn)動(dòng)的位置和運(yùn)動(dòng)的速度兩方面實(shí)

35、現(xiàn)自動(dòng)控制。 與普通銑床相比，對(duì)數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求除了具有較高的定位精度之外，還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。 一個(gè)典型的數(shù)控銑床閉環(huán)控制的進(jìn)給系統(tǒng)，通常有位置比較、放大元件、驅(qū)動(dòng)單元、機(jī)械傳動(dòng)裝置和檢測(cè)反饋元件等幾部分組成，而其中的機(jī)械傳動(dòng)裝置是位置控制環(huán)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。這里所說(shuō)的機(jī)械傳動(dòng)裝置，是指將驅(qū)動(dòng)源旋動(dòng)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)直線運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈，包括減速裝置、絲杠螺母副等中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 2.4.1 數(shù)控銑床對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的精度、靈敏度、穩(wěn)定性直接影響了數(shù)控銑床的定位精度和輪廓加工精度。從系統(tǒng)控制的角度分析

36、，其中其決定作用的因素主要有： （1）傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和慣量，它直接影響進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度。 （2）傳動(dòng)部件的精度與傳動(dòng)系統(tǒng)的非線性，他直接影響系統(tǒng)的位置精度和輪廓加工精度，在閉環(huán)系統(tǒng)中還影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和慣量主要決定于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙、摩擦死區(qū)則是造成傳動(dòng)系統(tǒng)非線性的主要原因。因此，數(shù)控銑床對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的要求可以概況如下： 1 提高傳動(dòng)部件的剛度 2 減小傳動(dòng)部件的慣量 3 減小系統(tǒng)的摩擦阻力 2.4.2 數(shù)控銑床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的基本型式 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以分為直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)兩大類(lèi)。直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)包括機(jī)床的基本坐標(biāo)軸（X、Y、

37、Z軸）以及和基本坐標(biāo)軸平行的坐標(biāo)軸（U、V、W等）的運(yùn)動(dòng)；圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是指繞基本坐標(biāo)軸X、Y、Z回轉(zhuǎn)的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。在數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)主要有三種型式： （1）通過(guò)絲杠（通常為滾珠絲杠或靜壓絲杠）螺母副，將伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)。 （2）通過(guò)齒輪、齒條副、將伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)。 （3）直接采用直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)除少數(shù)情況直接使用齒輪副外，一般都采用蝸輪蝸桿副。 2.4.3 數(shù)控改造銑床進(jìn)給系統(tǒng)的型式及介紹 XA5032型銑床數(shù)控化改造進(jìn)給系統(tǒng)，X、Y、Z三軸在滿足傳遞扭矩的前提下采用FANUC 20M 直流伺服電機(jī)并配有直流功能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，

38、提高了驅(qū)動(dòng)性能。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)精密膜片抗繞性聯(lián)軸器與滾珠絲杠直接相連，提高了傳動(dòng)精度，效率較高，其中Z向通過(guò)圓錐齒輪轉(zhuǎn)換成垂直方向的傳動(dòng)。 X、Y、Z三軸采用帖塑導(dǎo)軌，靜，動(dòng)摩擦系統(tǒng)變化小，快速移動(dòng)響應(yīng)快，振動(dòng)小，低速移動(dòng)是無(wú)爬行，穩(wěn)定性好。 2.4.4 數(shù)控改造銑床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)計(jì) 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì) （1）縱向滾珠絲杠螺母副設(shè)計(jì) 用于計(jì)算的下列數(shù)據(jù)是已知的： 工作臺(tái)質(zhì)量：，最大加工受力： 快進(jìn)速度： 工進(jìn)速度： 最大加速度： 工作臺(tái)導(dǎo)軌摩擦力：

39、 工作進(jìn)程： 軸承軸向剛度：，絲杠螺母剛度： 螺母支座剛度：絲杠傳動(dòng)效率： 絲杠長(zhǎng)度： 絲杠軸承、絲杠螺母摩擦力距： 軸承平均間距：導(dǎo)程： 確定最大轉(zhuǎn)速的常熟： 軸承支承方式：雙推—雙推 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量： 鋼的密度： （2）橫向滾珠絲杠螺母副設(shè)計(jì) 橫向滾珠絲杠長(zhǎng)度要求為：354mm 同縱向滾珠絲杠螺母副設(shè)計(jì)得知，，足夠滿足要求，故選用。

40、 （3）Z向滾珠絲杠螺母副設(shè)計(jì) Z向滾珠絲杠長(zhǎng)度要求為：469mm，同縱向滾珠絲杠螺母副設(shè)計(jì)得知，海雄聯(lián)精密配件有限公司滾珠絲杠副的產(chǎn)品，可采用CDM3206-5型滾珠絲杠副，滾珠絲杠的直徑為32mm，基本導(dǎo)程為6mm，滿足要求。 2.垂直進(jìn)給系統(tǒng)中的圓錐齒輪設(shè)計(jì) 已知：圓錐齒輪需要傳遞的功率為1.5,小齒輪轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比，雙向運(yùn)轉(zhuǎn)，工作平穩(wěn)，每天工作8小時(shí)，每年工作300天，預(yù)期壽命8年。 （1）選擇齒輪材料 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6.

41、2 小齒輪選用45調(diào)質(zhì),大齒輪選用45正火 （2）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 確定齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)，按，估取圓周速度，參靠表6.8選取公差組8級(jí)。 齒寬系數(shù)，小齒輪齒數(shù)選取，大齒輪齒數(shù) 齒數(shù)比 傳動(dòng)比誤差為最佳 小輪轉(zhuǎn)矩 使用系數(shù) 查表6.3得 動(dòng)載荷系數(shù)的初值 由推薦值， 齒向載荷分布系數(shù) 由推薦值， 載荷系數(shù)K的初值 彈性系數(shù) 查表6.4 得

42、 節(jié)點(diǎn)影響系數(shù) 查圖6-3得 接觸疲勞極限 查圖6-4得 接觸壽命系數(shù) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N 有式6-7得 查圖6-5得 硬化系數(shù) 接觸安全系數(shù) 則 故的設(shè)計(jì)初值為 齒輪模數(shù)m m

43、 按表6.6圓整 小輪大端分度圓直徑的計(jì)算值為 小輪平均分度圓直徑： 圓周速度 動(dòng)載荷系數(shù) 由推薦值 載荷系數(shù) 小輪分度圓直徑 取 大輪大端分度圓直徑 錐距R: 齒寬

44、 圓整 （3）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算 由式6-10 齒形系數(shù)由當(dāng)量齒數(shù) 查表6.5得 應(yīng)力修正系數(shù) 查表6.5得 許用彎曲應(yīng)力 由式6-12得， 彎曲疲勞極限 查圖6-7得 彎曲壽命系數(shù) 查圖6-8得 尺寸系數(shù) 查圖6-9 安全系數(shù)

45、 則 第三章 普通銑床的電氣改造部分 3.1 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置 3.1.1 CNC系統(tǒng)的組成 CNC是用一個(gè)存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)，按照存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的讀寫(xiě)存儲(chǔ)器中的控制程序去執(zhí)行數(shù)控裝置的部分或全部功能，在計(jì)算機(jī)之外的唯一裝置是接口。數(shù)控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機(jī)床移動(dòng)和加工零件。 數(shù)控裝置有兩種類(lèi)型： 一是完全由硬件邏輯電路

46、構(gòu)成的專(zhuān)用硬件數(shù)控裝置，即NC裝置，NC裝置是數(shù)控技術(shù)發(fā)展早期普遍采用的數(shù)控裝置。 二是由計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成的計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置，即CNC裝置，它是由硬件和軟件共同完成或是在硬件的支持下由軟件單獨(dú)實(shí)現(xiàn)全部數(shù)控功能。 3.1.2 CNC裝置的主要功能和特點(diǎn) 1.數(shù)控裝置的主要功能 CNC裝置的功能是指滿足用戶操作和機(jī)床控制要求的方法和手段。包括： 基本功能——數(shù)控系統(tǒng)基本配置的功能，即必備功能。 選擇功能——用戶可根據(jù)實(shí)際要求選擇的功能。 3.1.3 CNC裝置的硬件結(jié)構(gòu) 1. CNC裝置的硬件構(gòu)成 CNC裝置是在硬件支持下，通過(guò)系統(tǒng)軟件控制來(lái)進(jìn)行工作的。其控制功能在相當(dāng)程度上取

47、決于硬件結(jié)構(gòu)。 硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)控制功能的復(fù)雜程度可分別采用單處理器結(jié)構(gòu)和多處理器結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)易的經(jīng)濟(jì)型采用單微處理器結(jié)構(gòu),中高檔的CNC裝置以多微處理機(jī)結(jié)構(gòu)為多。 隨著機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床提出了復(fù)雜功能、高進(jìn)給速度和高加工精度的要求，因此多處理器結(jié)構(gòu)得到了迅速發(fā)展。 2. CNC裝置的體系結(jié)構(gòu) 單微處理器硬件結(jié)構(gòu)裝置內(nèi)的所有信息處理工作都由一個(gè)CPU來(lái)完成，它集中控制和管理整個(gè)系統(tǒng)資源，通過(guò)分時(shí)處理的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控功能。它的優(yōu)點(diǎn)是投資小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。但系統(tǒng)的功能則受CPU的字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素限制。 CPU ROM RAM IN接口 OU

48、T接口 閱讀機(jī) 接口 MDI/CRT 接口 位置 控制 其它 接口 總線 單微處理器硬件結(jié)構(gòu)圖 多微處理機(jī)CNC裝置的結(jié)構(gòu) （1） 主從結(jié)構(gòu) 該裝置中只有一個(gè)CPU，對(duì)整個(gè)裝置的資源有控制權(quán)和使用權(quán)，處于主導(dǎo)地位，而其它CPU處于從屬地位。 （2） 多主結(jié)構(gòu) 該裝置中有兩個(gè)或更多CPU對(duì)裝置資源有控制權(quán)和使用權(quán)。通過(guò)總線仲裁器來(lái)解決爭(zhēng)用總線問(wèn)題，通過(guò)公共存儲(chǔ)器來(lái)交換裝置內(nèi)的信息。 （3）分布式結(jié)構(gòu) 該裝置有兩個(gè)或更多CPU模塊，每個(gè)模塊有自己獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境，它們之間采用通訊方式交換信息。 此外，還有一種多通道結(jié)構(gòu)。 3．單微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)

49、單微處理機(jī)數(shù)控裝置： 單微處理器的CNC是指系統(tǒng)只有一個(gè)微處理器作為核心，這個(gè)CPU通過(guò)總線連接存儲(chǔ)器和各種接口，采用集中控制、分時(shí)處理的方法來(lái)完成諸如輸入/輸出、插補(bǔ)計(jì)算、伺服控制等各種任務(wù)。這種系統(tǒng)硬件和軟件結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單。 單微處理機(jī)結(jié)構(gòu)： 微處理器、存儲(chǔ)器、總線、接口等。 接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、數(shù)控技術(shù)中的控制單元部件和接口電路，如位置控制單元、可編程控制器、主軸控制單元、穿孔機(jī)和紙帶閱讀機(jī)接口，以及其它選件接口等。 典型的單微處理器 CPU 外部存儲(chǔ) RS-232 人機(jī)交互 選件 ROM RAM PLC接口 位 控 位 控

50、 位 控 位 控 速度控制單元 D/A轉(zhuǎn)換電路 M M M M M、S、T 微機(jī)系統(tǒng) 機(jī)床的控制部分 典型的單微處理器裝置結(jié)構(gòu)框圖 微處理器（CPU）是CNC的核心，CPU執(zhí)行系統(tǒng)程序，首先讀取工件加工程序，對(duì)加工程序段進(jìn)行譯碼和數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)處理后得到的指令，進(jìn)行對(duì)該加工程序段的實(shí)時(shí)插補(bǔ)和機(jī)床位置伺服控制；它還將輔助動(dòng)作指令通過(guò)可編程控制器（PLC）送到機(jī)床，同時(shí)接收由PLC返回的機(jī)床各部分信息并予以處理，以決定下一步的操作。 位置控制單元接收插補(bǔ)運(yùn)算得到的每一個(gè)坐標(biāo)軸在單位時(shí)間間隔內(nèi)位移量，控制伺服電機(jī)工作，并根據(jù)接收到的實(shí)際位置反饋信號(hào)，修正位置

51、指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確控制。同時(shí)產(chǎn)生速度指令送往速度控制單元。 速度控制單元將速度指令與速度反饋信號(hào)相比較，修正速度指令，用其差值去控制伺服電機(jī)以恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)。 數(shù)據(jù)輸入/輸出接口與外圍設(shè)備是CNC與操作者之間交換信息的橋梁。如通過(guò)MDI方式或串行通信，可以將工件加工程序送入CNC裝置；通過(guò)CRT顯示器，可以顯示工件的加工程序和其他信息。 總線是CPU與各組成部件、接口等之間的信息公共傳輸線，包括控制、地址和數(shù)據(jù)三總線。傳輸信息的高速度和多任務(wù)性，使總線結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展。 CNC裝置中的存儲(chǔ)器包括只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）兩類(lèi)。系統(tǒng)程序存放在只讀存儲(chǔ)器E

52、ROM中；運(yùn)算的中間結(jié)果、需顯示的數(shù)據(jù)、運(yùn)行中的狀態(tài)、標(biāo)志信息等存放在隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM中；加工的零件程序、機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)存放在磁泡存儲(chǔ)器中。 4. 多微處理機(jī)數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu) 多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU，各個(gè)CPU之間采用緊耦合，資源共享，有集中的操作系統(tǒng)，甚至有兩個(gè)或兩個(gè)以上微處理器構(gòu)成的功能模塊，模塊之間采用松耦合，多重操作系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)并行處理。 （1）多微處理機(jī)CNC裝置的典型結(jié)構(gòu) 互聯(lián)方式：總線互聯(lián)方式。 典型的結(jié)構(gòu)：共享總線型、共享存儲(chǔ)器型及混合型結(jié)構(gòu)。 1）功能模塊 ① CNC管理模塊 ； 負(fù)責(zé)管

53、理和組織協(xié)調(diào)整個(gè)CNC系統(tǒng)的工作，完成諸如初始化、終端管理、總線仲裁、系統(tǒng)錯(cuò)誤識(shí)別和處理、系統(tǒng)軟硬件診斷等。 ② CNC插補(bǔ)模塊 ； 完成數(shù)控代碼編譯、坐標(biāo)計(jì)算和轉(zhuǎn)換、刀具半徑補(bǔ)償、速度規(guī)劃和處理等工作，按規(guī)定的插補(bǔ)類(lèi)型通過(guò)插補(bǔ)計(jì)算為各坐標(biāo)提供位置給定值。 ③ 位置控制模塊 ； 負(fù)責(zé)比較插補(bǔ)后的位置給定值與檢測(cè)到的位置實(shí)際值，并根據(jù)比較結(jié)果完成加減速、回基準(zhǔn)點(diǎn)、伺服系統(tǒng)滯后量的監(jiān)視和補(bǔ)償運(yùn)算，最后得到速度控制的模擬電壓，用以驅(qū)動(dòng)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)，完成相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)。 ④ PLC模塊 ； 零件程序中的開(kāi)關(guān)功能和由機(jī)床來(lái)的信號(hào)在這個(gè)模塊中作邏輯處理，實(shí)現(xiàn)各功能和操作方式之間的連鎖，

54、機(jī)床電氣設(shè)備的啟停、刀具交換、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的分度、工件數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)數(shù)等。 ⑤ 人機(jī)接口模塊。 負(fù)責(zé)處理零件程序、參數(shù)、操作控制、數(shù)據(jù)的輸入/輸出和顯示等。 ⑥ 存儲(chǔ)器模塊 。 指程序和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器，或功能模塊間數(shù)據(jù)傳送用的共享存儲(chǔ)器。 2）共享總線結(jié)構(gòu) 在共享總線結(jié)構(gòu)中，將各功能模塊插在配有總線插座的機(jī)框內(nèi)，由系統(tǒng)總線把各個(gè)模塊有效地連接在一起，按照要求交換各種控制指令和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的功能。 只有主模塊有權(quán)控制和使用系統(tǒng)總線。但對(duì)于同時(shí)有多個(gè)主模塊請(qǐng)求使用總線時(shí)，由總線仲裁器根據(jù)預(yù)先排好的優(yōu)先級(jí)別的順序來(lái)判別出各模塊的優(yōu)先權(quán)高低。仲裁方式有兩種：串行方式和并行方式。

55、 3）共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 插補(bǔ)（CPU2） 來(lái)自機(jī)床的 控制信號(hào) 輸?shù)綑C(jī)床的 控制信號(hào) 軸控制（CPU3） I/O CPU1 CRT（CPU4） 共享存儲(chǔ)器 共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)框圖 3.1.4 CNC裝置的軟件結(jié)構(gòu) CNC軟件是為實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項(xiàng)功能而編制的專(zhuān)用軟件，又稱(chēng)為系統(tǒng)軟件，其管理作用類(lèi)似于計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)的功能。不同的廠家的軟件并不兼容，其功能和控制方案也不同，結(jié)構(gòu)和規(guī)模上差別也較大。 CNC系統(tǒng)是一個(gè)專(zhuān)用的實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在它的控制軟件中，融會(huì)了當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)中的許多先進(jìn)技術(shù)。都具有多任務(wù)并行處理和多重實(shí)時(shí)中斷的特點(diǎn)。 軟件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1.

56、CNC裝置軟件硬件的界面 CNC軟件的結(jié)構(gòu)取決于CNC裝置中軟件和硬件的分工，也取決于軟件本身所應(yīng)完成的工作內(nèi)容。 軟件與硬件在實(shí)現(xiàn)各種功能方面的關(guān)系 CNC裝置由軟件和硬件組成，硬件為軟件的運(yùn)行提供了支持環(huán)境，是軟件的運(yùn)行基礎(chǔ)，而軟件反過(guò)來(lái)則可以優(yōu)化硬件的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和柔性。 從理論上講，硬件能完成的功能也可以用軟件來(lái)完成。 從實(shí)現(xiàn)功能的角度看，軟件與硬件在邏輯上是等價(jià)的。 軟件與硬件在實(shí)現(xiàn)各種功能方面的特點(diǎn) 硬件處理速度快，但靈活性差，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制的功能困難。 軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但處理速度相對(duì)較慢。 功能界面劃分的準(zhǔn)則——系統(tǒng)的性能價(jià)格比。 軟件、硬件實(shí)

57、現(xiàn)功能的分配就是——軟件、硬件功能界面的劃分。 下圖就是CNC的軟、硬件界面。 2. 系統(tǒng)軟件的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)類(lèi)型 系統(tǒng)軟件的組成：（管理和控制） 管理部分：輸入、I/O處理、通訊、顯示、診斷以及加工程序的編制管理等程序。 控制部分：譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)和位置控制等軟件。 系統(tǒng)軟件 管理軟件 程 序 輸 入 輸 出 顯 示 診 斷 控制軟件 刀 具 補(bǔ) 償 速 度 控 制 插 補(bǔ) 運(yùn) 算 位 置 控 制 譯 碼 通 訊 管理方式： 單微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)：前后臺(tái)型和

58、中斷型的軟件結(jié)構(gòu)。 多微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)：將微處理機(jī)作為一個(gè)功能單元。 3. 多任務(wù)并行處理 （1）CNC裝置的多任務(wù)性 在許多情況下CNC的管理工作和控制工作必須同時(shí)進(jìn)行，即所謂的并行處理。 例如，加工控制時(shí)必須同步顯示系統(tǒng)的有關(guān)狀態(tài)、位置控制與I/O控制同步處理，并始終伴隨著故障診斷功能；控制本身的插補(bǔ)、位置控制、預(yù)處理之間的并行處理。 （2）并行處理 是指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。并行處理的優(yōu)點(diǎn)是提高了運(yùn)行速度。 并行處理的分類(lèi)： “資源重復(fù)”，“時(shí)間重疊”和“資源共享”。 資源共享： 根據(jù)“分時(shí)共享”的原則，使多個(gè)用戶按

59、時(shí)間順序使用同一套設(shè)備。 時(shí)間重疊： 根據(jù)流水線處理技術(shù)，使多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，輪流使用同一套設(shè)備的幾個(gè)部分。 硬件結(jié)構(gòu)中使用“資源重復(fù)”技術(shù)；軟件結(jié)構(gòu)中采用“時(shí)間重疊”和“資源共享”方法。 1）資源分時(shí)共享并行處理（對(duì)單一資源的系統(tǒng)） VS VS 診斷 I/O 處理 輸入 插補(bǔ)準(zhǔn)備 顯示 初始化 插補(bǔ) 位控 鍵盤(pán) 中斷級(jí)別高 中斷級(jí)別低 資源（CPU）分時(shí)共享圖 在單CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，可采用“資源分時(shí)共享”并行處理技術(shù)。 資源分時(shí)共享——在規(guī)定的時(shí)間長(zhǎng)度（時(shí)間片）內(nèi)，根據(jù)各任務(wù)實(shí)時(shí)性的要求，規(guī)定它們占用CPU的時(shí)間，

60、使它們分時(shí)共享系統(tǒng)的資源。 “資源分時(shí)共享”的技術(shù)關(guān)鍵： 其一：各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配問(wèn)題。 其二：各任務(wù)占用CPU的時(shí)間長(zhǎng)度，即時(shí)間片的分配問(wèn)題。 資源分時(shí)共享技術(shù)的特征 在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)占用CPU； 在一個(gè)時(shí)間片（如8ms或16ms）內(nèi)，CPU并行地執(zhí)行了兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)。 因此，資源分時(shí)共享的并行處理只具有宏觀上的意義，即從微觀上來(lái)看，各個(gè)任務(wù)還是逐一執(zhí)行的。 2) 并發(fā)處理和流水處理（對(duì)多資源的系統(tǒng)） 在多CPU結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)中，根據(jù)各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)程度，可采用以下兩種并行處理技術(shù)： 若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程

61、度不高，則可讓其分別在不同的CPU上同時(shí)執(zhí)行—— 并發(fā)處理； 若任務(wù)間的關(guān)聯(lián)程度較高，即一個(gè)任務(wù)的輸出是另一個(gè)任務(wù)的輸入，則可采取流水處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)并行處理。 流水處理技術(shù)的涵義 流水處理技術(shù)是利用重復(fù)的資源（CPU），將一個(gè)大的任務(wù)分成若干個(gè)子任務(wù)，這些小任務(wù)是彼此關(guān)系的，然后按一定的順序安排每個(gè)資源執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，就象在一條生產(chǎn)線上分不同工序加工零件的流水作業(yè)一樣。 并發(fā)處理和流水處理的特征 在任何時(shí)刻（流水處理除開(kāi)始和結(jié)束外）均有兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)在并發(fā)執(zhí)行。 并發(fā)處理和流水處理的關(guān)鍵是時(shí)間重疊，是以資源重復(fù)的代價(jià)換得時(shí)間上的重疊，或者說(shuō)以空間復(fù)雜性的代價(jià)換得時(shí)間上的快

62、速性。 3）并行處理中的信息交換和同步 在CNC裝置中信息交換主要通過(guò)各種緩沖區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 各緩沖區(qū)數(shù)據(jù)交換和更新的同步是靠同步信號(hào)指針來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 加工程序 譯 碼 譯碼緩沖區(qū) 刀補(bǔ)處理 刀補(bǔ)緩沖區(qū) 速度預(yù)處理 插補(bǔ)緩沖區(qū) 插補(bǔ)處理 運(yùn)行緩沖區(qū) 伺服驅(qū)動(dòng) 位控處理 位置反饋 PLC控制 CNC裝置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程示意圖 4. 實(shí)時(shí)中斷處理 當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)某種非預(yù)期的事件，CPU暫時(shí)停下現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)向?yàn)樵撌录?wù)，待事件處理完畢，再恢復(fù)執(zhí)行原程序，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為中斷。 中斷賦予數(shù)控系統(tǒng)中的CPU應(yīng)變能力，把有序的運(yùn)行和無(wú)序的事件統(tǒng)一起來(lái)，大大增強(qiáng)

63、了系統(tǒng)的處理能力。 中斷的處理過(guò)程 （1）CNC系統(tǒng)的中斷類(lèi)型 1）外部中斷：紙帶光電閱讀機(jī)中斷，外部監(jiān)控中斷和鍵盤(pán)操作面板輸入中斷。 2）內(nèi)部定時(shí)中斷：插補(bǔ)周期定時(shí)中斷和位置采樣定時(shí)中斷。 3）硬件故障中斷：各種硬件故障檢測(cè)裝置發(fā)出的中斷。 4）程序性中斷：程序中出現(xiàn)異常情況的報(bào)警中斷。 （2）CNC系統(tǒng)中斷結(jié)構(gòu)模式 1）前后臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式 前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)適合于采用集中控制的單微處理器CNC裝置。 在這種軟件結(jié)構(gòu)中，前臺(tái)程序?yàn)閷?shí)時(shí)中斷程序，承擔(dān)全部實(shí)時(shí)功能，這些功能都與機(jī)床動(dòng)作直接相關(guān)，如位置控制、插補(bǔ)、輔助功能處理、面板掃描及輸出等。 后臺(tái)程序主要用來(lái)

64、完成準(zhǔn)備工作和管理工作，包括輸入、譯碼、插補(bǔ)準(zhǔn)備及管理等，通常稱(chēng)為背景程序。背景程序是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行程序，在其運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)中斷程序不斷插入。前后臺(tái)程序相互配合完成加工任務(wù)。 背景程序 初始化 實(shí)施中斷程序 2）中斷型軟件結(jié)構(gòu)中的中斷模式：除了初始化程序之外，整個(gè)系統(tǒng)軟件的各種任務(wù)模塊分別安排在不同級(jí)別的中斷服務(wù)程序中，整個(gè)軟件就是一個(gè)大的中斷系統(tǒng)。其管理功能主要通過(guò)各級(jí)中斷服務(wù)程序之間的相互通訊來(lái)解決。 3.2 數(shù)控改造銑床的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) MCS-51系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，特別是8031單片機(jī)以其構(gòu)成系統(tǒng)的成本低及不需要特殊的開(kāi)發(fā)手段等，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到廣

65、泛應(yīng)用。根據(jù)前面的數(shù)控知識(shí)和大學(xué)課程的學(xué)習(xí)，我為X5032型普通銑床設(shè)計(jì)了數(shù)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示 3.2.1 8031應(yīng)用系統(tǒng) 8.31內(nèi)部不帶ROM，需外接ERPOM作為外部程序存儲(chǔ)器。又因?yàn)?031在外接程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)地址的低8位信息及數(shù)據(jù)信息分時(shí)送出，故還需要采用一片74LS373來(lái)鎖存低8位地址信息。這樣，一片，EPROM2764及一片74LS373組成了一個(gè)最小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 3.2.2 8031的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 在8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM芯片有6116和兩種。 3.2.3 8031輸入/輸出口的擴(kuò)展

66、 在使用單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，往往需要通訊的外部設(shè)備或控制對(duì)象比較多，單片機(jī)本身的口無(wú)法滿足要求，因而需要擴(kuò)展口。 3.3 數(shù)控改造的伺服系統(tǒng) 近幾十年來(lái)，伺服技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展和越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。數(shù)控伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件（如工作臺(tái)、主軸和刀具等）的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱(chēng)為隨動(dòng)系統(tǒng)，數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)變換及電壓、功率放大，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，以保證動(dòng)作的快速性和準(zhǔn)確性。 數(shù)控伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)很大程度上取決與伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。因此，對(duì)高性能伺服系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。 3.3.1 對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)的要求 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)提出了較高的要求，可以歸納為以下幾個(gè)方面。 （1）精度高 （2） 穩(wěn)定性好 （3） 快速響應(yīng)好 （4）調(diào)速范圍寬 （5）低速大轉(zhuǎn)矩 3.3.2 伺服系統(tǒng)的分類(lèi) （1）開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 無(wú)位置