X5132型铣床横、垂直向进给系统经济型数控改造.doc

I 摘 要 随着计算机技术的飞速发展，发展现代计算机化数字控制（CNC）机床，是 当前机械制造业进行技术改造，技术革新的必由之路，是未来工厂自动化的基础。 因此,这次对普通机床进给系统的数控化改造设计更显得重要。 第一部分是数控机床的概述，第二部分是进给系统的总体设计方案，第三部 分是伺服进给机械部分设计计算，第四部分是控制部分的单片机原理及控制程序 设计。 基于步进电机的机械改装减少了人的工作量，把手动转变成为电动。本次改 造用了 2 个步进电机，分别控制机床 2 个方向（横向和垂向）的进给，通过齿轮 或带轮带动滚珠丝杠轴向运动。 基于单片机控制的电子部分设计提高了工作效率和测量的准确度、可信度。 该仪器采用了8031单片机。文中着重论述了原理的设计思想并给出了具体电路， 然后阐明了系统软件的设计思想并给出了部分程序的流程图。 关键词：关键词：铣床，丝杠，步进电机，单片机，数控 II 目 录 摘 要.I 第一章 绪论1 1.1 数控机床的组成1 1.2 数控机床的发展趋势2 1.3 数控铣床改造的意义4 1.4 本文主要内容5 第二章 设计方案和基本方案的确定6 2.1 设计任务6 2.2 总体方案设计的内容6 2.2.1 伺服驱动7 2.2.2 采用滚珠丝杠螺母副7 2.2.3 数控装置7 2.2.4 系统功能7 2.2.5 采用环形分配器8 第三章 伺服系统机械部分设计计算9 3.1 设计要求9 3.2 确定系统脉冲当量9 3.3 纵向进给系统的确定9 3.3.1 切削力的计算9 3.3.2 纵向丝杠的选择10 3.3.3 齿轮传动比计算13 3.3.4 纵向步进电机的计算和选择14 3.4 横向进给系统的确定17 3.4.1 横向丝杠的选择17 3.4.2 齿轮传动比计算18 3.4.3 横向步进电机的计算和选择19 3.5 垂向进给系统的确定22 3.5.1 垂向丝杠的选择22 3.5.2 同步带及带轮的选择23 3.5.3 垂向步进电机的计算和选择23 第四章 控制系统硬件原理及其控制程序编制27 4.1 主控制器27 4.1.1 主控制器及其选择27 III 4.1.2 MCS51 系列单片机介绍27 4.2 MCS51 单片机的扩展29 4.2.1 程序存储器 EPROM 的选择29 4.2.2 数据存储器 RAM 的选择29 4.3 地址分配及接线方法29 4.3.1 地址分配29 4.3.2 EPROM、RAM 与 8031 连接方法29 4.4 接口电路及辅助电路的设计30 4.4.1 接口电路的设计30 4.4.2 辅助电路的具体设计31 4.5 控制系统程序编译34 4.5.1 直线插补程序34 4.5.2 圆弧插补程序36 4.5.3 装代码子程序40 4.5.4 环行分配器子程序41 致谢52 参考文献53 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.11.1 数控机床的组成数控机床的组成 （1）CNC 装置 计算机数控装置，既 CNC 装置，是 CNC 系统的核心，有微处理器、存储器、 各种 I/O 接口及外围逻辑电路等构成，起主要作用是对输入的数控程序及有关数 据进行存储与处理，通过插补运算等形成运动轨迹指令，控制伺服单元和驱动装 置，实现刀具与工件的相对运动。对于离散的开关控制量，可以通过 PLC 对机床 电器的逻辑控制来实现。 （2）数控面板 数控面板是数控系统的控制面板，各种数控系统的数控是不相同的，但大多 数是共性或相似的。主要由显示器、手动数据输入键盘组成，又称 MID 面板。显 示器常具有多个软功能键，用于选择菜单。按键除各种符号键和数字键外，还常 设控制键和用户定义键等。 （3）可编程控制器 PLC 可编程控制器 PLC 也是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，又称 PLC 或 PMC，用于完成数控机床的各种逻辑运算和顺序控制。PLC 还接受机床操 作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将有关指令送往 CNC 用于 将过程控制。 （4）机床操作面板 机床操作面板主要用于手动方式下对机床的操作以及自动方式下对机床的控 制或干预。其上有各种按钮与选择开关，用于机床及辅助装置的启停，加工方式 的选择、速度倍率选择等。中小型数控机床的操作面板常带和数控面板做成一个 整体，但二者之间与明显界限。数控系统的通讯接口，常设置在机床操作面板上。 （5）进给伺服系统 进给系统主要由进给伺服单元和伺服进给电机组成，对于闭环和半闭环控制 的进给伺服系统，还应该包括位置检测防亏装置。进给伺服单元接收来自 CNC 装 置的运动指令，经变换和放大后，驱动伺服电机运转，实现刀架或工作台的运动。 CNC 装置每发出一个控制脉冲，机床刀 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 2 架或工作台的移动距离称为数控系统的脉冲当量或最小设定单位，脉冲当来量或 最小设定单位的大小直接影响数控机床的加工精度。 在闭环和半闭环和半闭环伺服进给系统中，位置检测装置安装在机床上或伺 服电机上，其作用是将机床或伺服电机的实际位置信号反馈给 CNC 系统以便为与 指令相比较，用其差值控制机床运动，达到消除运动误差，提高定位精度的目的。 一般来说，数控机床功能强弱主要取决于 CNC 装置，而数控机床性能的优劣 伺服驱动系统。 （6）主轴伺服系统 数控机床的主轴驱动与进给驱动区别很大，电机频率输出应为 2.2250kW; 进给电机一般是恒转矩调速,而主电机除了有较大范围的恒转矩调速外，还有较 大范围的恒功率调速，对于数控车床,为了能加工螺纹和恒切速功能，要求户轴 和进给驱动能同步控制，对于加工中心，还要求主轴进行高精度准停和分度功能。 因此中高档数控机床的主轴驱动都采用电机无级调速或伺服驱动。 （7）机床本体 数控机床的机械结构的设计与制造要适应数控技术发展，具有刚度大、精度 高、抗振性强、热变形小等特点；由于普通采用了伺服电机无级调速技术，机床 进给运动和主传动的变速机构被极大地简化甚至取消；广泛采用滚珠丝杠、滚动 导轨等高小、高精度传动部件；采用机电一体化设计和布局，机床布局主要考虑 有利于生产率的提高，而不象传统机床那样主要考虑方便操作；此外还采用自动 换刀装置、自动更换工件和数控夹具等。 1.21.2 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势 数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、 集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力 的强弱。 数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的 发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术 的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。 我国的数控系统经过“六五”期间的引进， “七五”期间的数控系统开发， “八五” 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 3 期间的数控应用技术研究以及“九五”期间的主数控系统软件开发应用，已逐步 形成了以航天数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控系统产业。 （1）持续稳定发展 近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我 国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生 产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具 有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有 成熟商品走向市场。 我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以供 应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床 生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。 （2）存在三点不足 和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。 信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技 术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术 来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停 留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术 创新能力的高度。 产品成熟度较低，可行性不高。国外数控系统平均无故障时间在 10000 小 时以上，国内自主开发的数控系统仅 3000-5000 小时；整机平均无故障工作时间 国外达 800 小时以上，国内最好只有 300 小时。 创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但 大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产 品市场竞争能力不强。 （3）当今发展方向 随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技 术提出了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。 高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系 到加工效率和产品质量。目前，我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频 率更高的处理器，以提高系统的基本运 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 4 算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时，新一代数 控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能 力。 智能化。现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理 量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速 作出实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工 过程处于最佳状态。 基于 CAD 和 CAM 的数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前 CAD/CAM 图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它 是利用 CAD 绘制的零件加工图样，经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处 理，从而自动生成数控机床零部件加工程序，以实现 CAD 与 CAM 的集成。随着 CIMS 技术的发展，当前又出现了 CAD/CAPP/CAM 集成的全自动编程方式，其编程 所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的 CAPP 数据库获得，推动 数控机床系统自动化的进一步发展。 发展可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。新 一代的数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及 混合式集成电路，减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、 在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备 进行故障诊断和报警。 1.31.3 数控铣床改造的意义数控铣床改造的意义 企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更 新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不 断变化。而普通铣床已不适应多品种、小批量生产要求，数控铣床则综合了数控 技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形 状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无 需对铣床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。 数控铣床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控铣床的发展，一方面是 全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控铣床，具有自动加工的基本 功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进 电机为驱动元件，无检测反馈机构，系 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 5 统的定位精度一般可达0.01 至 0.02mm，已能满足铣床改造后加工零件的精度 要求。 普通铣床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件 几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准， 而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控铣床的 改造目的是要求机床稳定可靠，以尽可能低的故障率运转。普通铣床应用微机控 制系统进行改造，可以提高工艺水平和产品质量，减轻操作者的劳动强度。 1.41.4 本文主要内容本文主要内容 本次对 X5132 型铣床进给系统微机数控化改造设计，采用步进电机开环控制， 带动滚珠丝杠副转动，从而使工作台进行进给运动。第二章确定设计内容和总体 设计方案；第三章进行伺服系统机械部分设计计算，确定出 2 个方向伺杠和电机 的型号；第四章是铣床改造设计控制部分的硬件原理、控制心片的选择和控制部 分程序设计。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 6 第二章 设计方案和基本方案的确定 2.12.1 设计任务设计任务 （1）进给伺服系统设计计算 此部分为机械部分，它包括脉冲当量的确定；滚珠丝杠螺母副的设计、计算 和选型；进给伺服系统的传动计算；步进电机的计算和选用；设计并绘制总装配 图，其中包括横向，纵向工作台和垂直向升降台。 （2）单片机控制系统设计 此部分包括设计并绘制控制系统图，编写直线差补程序和圆弧差补程序。 2.22.2 总体方案设计的内容总体方案设计的内容 图 2-1 系统总体框图 机床数控系统总体方案的拟订应包括以下内容： 伺服系统的选择，执行机构及运动方式的确定，控制芯片的选择等内容。一 般应根据设计任务和要求提出几个总体方案，进行综合分析，比较和论证，最后 选出一个合理的总体方案。 微 机 光 电 隔 离 X 向 电机 工 作 台 执 行 元 件 功率 放大 光 电 隔 离 功率 放大 功率 放大 Y 向 电机 Z 向 电机 光 电 隔 离 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 7 2.2.12.2.1 伺服驱动伺服驱动 步进电机是一种特殊结构的电机,它利用通电激磁绕组产生反应力矩，将脉 冲电信号的能量转换为机械位移的电机执行元件。当激磁绕组按一定规律获得分 配脉冲时，步进电机的转子就会转动。转子转过的角度与输入的脉冲个数具有较 严格的比例关系，而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控 制运动的速度和位移量。 步进电机的优点是结构简单，电气控制和驱动电路也简单，体积小，重量轻， 价格便宜，设计制造较简单，容易调试，使用维修方便。位移精度较好，对各种 干扰因素不敏感，结构误差不会累积。另外，电机时间常数小，反应快。但步进 电机也有缺点，主要是容易丢步，启动频率低，工作效率也不够高，低频时振动 大，可能造成失误，因此步进电机多用于负载较小，负载变化不大或要求不太高 的经济型简易型数控设备中。 综上所述，综合了成功率，技术难度，精度和投资等因素，决定选用步进电 机开环伺服驱动。 2.2.22.2.2 采用滚珠丝杠螺母副采用滚珠丝杠螺母副 采用滚珠丝杠螺母副传动结构,具有精度高,效率高,寿命长,低能耗,摩擦系数 小,较高紧凑,通用性强等特点。 2.2.32.2.3 数控装置数控装置 微机数控系统由 CPU、存储扩展电路和 I/O 接口电路、伺服电机驱动电路等 几部分组成。 数控系统的核心是微机，其它装置均在微机的控制下进行工作。系统的功能 和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标 是字长和速度，字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算 精度。本设计采用的是 MCS51 单片机，并扩展 2 片 2764 芯片，1 片 6264 芯 片，3 片 8155 可编程并行 I/O 等组成的控制系统。 2.2.42.2.4 系统功能系统功能 （1）横向，垂直方向进给伺服运动。 （2）行程控制 （3）键盘控制 （4）功能：报警电路，复位电路，隔离电路，功放电路等。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 8 2.2.52.2.5 采用环形分配器采用环形分配器 本系统采用软件环形分配器。由于铣床三个方向的三步进电机均为三相，所 以直接与 8155（2）的 PA 口再加上 8155（3）的 PA 口相接就可以了，经光电耦 合电路，功放电路驱动电机。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 9 第三章 伺服系统机械部分设计计算 3.13.1 设计要求设计要求 将 X5132 立式铣床改造成微机数控立式铣床，采用 MSC51 系列单片机控制 系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能。 主要设计参数如下： 机动范围：320mm 加工最大长度：350mm 快进速度：纵向 ： 2.4m/min 横向 ： 2.4m/min 垂向 ： 0.78m/min 切削速度：0.06m/min 定位精度：0.015mm/300mm 移动部件重量：纵向 ： 1000kg 横向 ： 450kg 垂向 ： 1000kg 加速时间：30ms 机床效率：0.8 X5132 立式铣床进给伺服运动及动力计算： 3.23.2 确定系统脉冲当量确定系统脉冲当量 经济型数控车床铣床常用的脉冲当量是 0.01-0.005mm/脉冲，取 0.01mm/脉 冲。 3.33.3 横向进给系统的确定横向进给系统的确定 3.3.13.3.1 横向丝杠的选择横向丝杠的选择 （1）计算进给牵引力 m F 导轨类型为矩形导轨 )8 . 9450 4 . 37902208(15. 013801 . 1)2(GFFfKFF yzxm 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 10 =3079.26 N 式中：导轨上的摩擦系数 0.15 f 移动部件重量G （2）计算最大负载C 丝杠转速 n =10r/min 0 L 1000 vs n 6 06 . 0 1000 寿命 L L=9 6 10 60Tn 6 10 150001060 最大动负载C =N 3 LC mw Ff 8 . 768526.30792 . 19 3 （3）滚珠丝杠的初选 初步选择滚珠丝杠直径，螺旋升角，导程=6 mm3573r 0 L （4）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 = = 0.9511 )tan( tan r r )0173tan( 73tan （5）刚度验算 滚珠丝杠横截面积F 961.625 mmF 2 2 d 2 2 35 2 在工作负载的作用下引起导程的变化量 m F 0 LL 0.0933 mL FE LFm 0 625.961 10 20.6 626.3079 4 滚珠丝杠总长度上的变形量 1 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 11 0.0062 mm 1 L L L 0 400 6 100933 . 0 3 变形量0.0187 mm 0062 . 0 33 1 切 一端固定,一端自由的总变形量为 0.0187mm/400mm，满足定位精度 0.015mm/300mm。 （6）稳定性校核 无需进行稳定性校核。 （7）滚珠丝杠副螺母的选型 考虑数控铣床的结构、精度和以上的计算，查阅THK 精密滚珠丝杠副可 采用 BNF3606-3 型弯管式单螺母滚珠丝杠副，额定动载荷为=12.5 KN。 a C 3.3.23.3.2 齿轮传动比计算齿轮传动比计算 丝杠传动比i i p b L 360 0 01 . 0 360 675 . 0 4 5 步进电机的步距角（初选）0.75 b b 根据实际结构要求，齿轮齿数取：，。因为进给伺服系统传30 2 Z24 1 Z 递的功率不大，一般取模数12，数控铣床可取2。mm 表 3-2 横向传动齿轮几何参数 齿数分度圆直径 mzd 齿顶圆直径 mdda2 齿根圆直径 mdd f 5 . 2 齿宽中心距 1 Z 2448524320 2 Z 3060645520 54 3.3.33.3.3 横向步进电机的计算和选择横向步进电机的计算和选择 (1)转动惯量的计算 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 12 齿轮的转动惯量 1 z kgcm 34 11 1078 . 0 LdJ 2 ，mmbL20mmd48 1 0.828 kgcm 34 1 1028 . 478 . 0 J 2 齿轮的转动惯量 2 z kgcm 34 22 1078 . 0 LdJ 2 20 mm ，60 mmL 2 d = 2.022 kgcm 34 2 102678 . 0 J 2 主轴的转动惯量 =4.682 kgcm 34 10405 . 378 . 0 s J 2 折算到电机轴上的转动惯量： 22 20 2 2 2 1 1 2 6 . 0 450682 . 4 022 . 2 30 24 828 . 0 ) 2 ( L g G JJ z z JJ s =7.75 kgcm 2 其中： 齿轮的转动惯量 1 J 1 z 齿轮的转动惯量 2 J 2 z 主轴的转动惯量 s J (2)电动力矩的计算 传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 J =+=7.75+4.1=11.85 kgcm JJ m J 2 其中：电机转子转动惯量,初取为 m J 4.1 kgcm 2 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 13 主电机最大转速=400 0 max 1000 L v n k min/r 起动加速时间 30 ms a t 空载起动时折算到电机轴上的加速力矩 max M Ncm37.16510 103060 4002 85.1110 60 2 2 3 2max max a t n JM 工进时折算到电机轴上摩擦力矩 f M Ncm 78.79 25 . 1 9511 . 0 2 6 . 08 . 9450220815 . 0 22 000 i LGFf i LF M Z f 由于丝杠预紧时折算到电机轴的附加力矩 0 M Ncm67.159 . 01 25 . 1 9511 . 0 2 6 . 026.3097 3 1 )1 ( 2 2 0 2 0 0 0 i LF M p 折算到电机轴上的负载力矩 t M Ncm 9 . 110 25 . 1 9412 . 0 2 6 . 0 2 0 i LF M t t 快速空载起动时所需力矩 起 M =165.37 + 79.78 + 15.67=260.82Ncm= 2.608Nm 起 M 0max MMM f 快速进给时所需力矩 切 M = 79.78 + 15.67 = 95.45 Ncm=0.9545 Nm 0 MMM f 切 最大切削负载时所需力矩 切 M =79.78 + 15.67 + 110.9 = 206.35Ncm= 2.0635 Nm 切 M tf MMM 0 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 14 从上面的计算可以看出，在、三种工况下，快速空载起动所 起 M 快 M 切 M 需力矩最大，此项为初选电机的依据，从表中查出，步进电机为三相六拍时， 866 . 0 M/ jmax 起 M 最大静转矩Nm3.012866 . 0 /2.608/ max 切 MM j 按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，110BC380D 型最大静转 矩转矩为 5.5 Nm，大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步 进电机起动矩频特性和运行矩频特性。 （3）计算电机工作频率 步进电机快速运行 Hz4000 01 . 0 60 4 . 21000 60 1000 max p q v f 最高工作频率 Hz100 01 . 0 60 06 . 0 1000 60 1000 p s g v f 从电机表中查出 110BC380D 型步进电机的空载起动频率为 1400Hz，运行频率为 15000Hz。 3.43.4 垂向进给系统的确定垂向进给系统的确定 3.4.13.4.1 垂向丝杠的选择垂向丝杠的选择 （1）计算进给牵引力 m F 导轨类型为燕尾导轨 )8 . 91000 4 . 379021380(2 . 022084 . 1)2(GFFfKFF yzxm =6843.36 N 式中：导轨上的摩擦系数 0.2 f （2）计算最大负载C 丝杠转速 n =10r/min 0 L 1000 vs n 6 06 . 0 1000 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 15 寿命 L L=9 6 10 60Tn 6 10 150001060 最大动负载C =N 3 LC mw Ff03.1708136.68432 . 19 3 （3）滚珠丝杠的初选 初步选择滚珠丝杠直径，螺旋升角，导程=12 mm60933r 0 L （4）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 =0.9554 )tan( tan r r )01933tan( 933tan （5）刚度验算 滚珠丝杠横截面积F 2826 mmF 2 2 d 2 2 60 2 在工作负载的作用下引起导程的变化量 m F 0 LL 0.141 mL FE LFm 0 2826 10 20.6 1236.6843 4 滚珠丝杠总长度上的变形量 1 0.0041 mm 1 L L L 0 350 12 10141 . 0 3 变形量0.0123 mm 0041 . 0 33 1 切 一端固定,一端自由的总变形量为 0.0123mm/350mm，满足定位精度 0.015mm/300mm。 （6）稳定性校核 无需进行稳定性校核。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 16 （7）滚珠丝杠副螺母的选型 考虑数控铣床的结构、精度和以上的计算，查阅THK 精密滚珠丝杠副可 采用 BNF6312A-5 型弯管式单螺母滚珠丝杠副，额定动载荷为=87.4 KN。 a C 3.4.23.4.2 同步带及带轮的选择同步带及带轮的选择 传动比 i=1.25，则齿数取,20 1 Z25 2 Z 查慈溪恒力同步带轮有限公司带轮得 小轮型号为 20L，节径mm，外径mm63.60 1 p D88.59 1 e D 大轮型号为 25L，外径mm，外径mm80.75 2 p D04.75 2 e D 同步带型号为 382L，节线长 971.55mm，齿数 102 3.4.33.4.3 垂向步进电机的计算和选择垂向步进电机的计算和选择 (1)转动惯量的计算 齿轮的转动惯量 1 z kgcm 34 11 1078 . 0 LdJ 2 ，mmbL20mmd48 1 0.828 kgcm 34 1 1028 . 478 . 0 J 2 齿轮的转动惯量 2 z kgcm 34 22 1078. 0 LdJ 2 20 mm ，60 mmL 2 d = 2.022 kgcm 34 2 102678 . 0 J 2 圆锥齿轮的转动惯量 3 z 34 33 1078 . 0 LdJ 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 17 L=25 mm, 80 mm 3 d =7.99 kgcm 34 3 105 . 2878 . 0 J 2 圆锥齿轮的转动惯量 4 z 34 44 1078 . 0 LdJ L=50 mm,160 mm 3 d =255.6 kgcm 34 4 1051678 . 0 J 2 主轴的转动惯量 =35.381 kgcm 34 1035678. 0 s J 2 折算到电机轴上的转动惯量： 20 4 2 4 3 32 2 2 1 1 ) 2 ( L g G JJ z z JJ z z JJ s 2 22 ) 2 2 . 1 (1000381.35 6 . 255 2 1 99 . 7 02 . 2 5 4 94 . 4 =63.75 kgcm 2 (2)电动力矩的计算 传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 J =+=63.75+4.1=67.85 kgcm JJ m J 2 其中：电机转子转动惯量,初取为 4.1 kgcm m J 2 主电机最大转速=65 0 max 1000 L v n k min/r 起动加速时间 30 ms a t 空载起动时折算到电机轴上的加速力矩 max M 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 18 Ncm91.15510 103060 652 75.7110 60 2 2 3 2max max a t n JM 工进时折算到电机轴上摩擦力矩 f M Ncm 88.178 5 . 29554 . 0 2 2 . 18 . 9100013802 . 0 22 000 i LGFf i LF M Z f 由于丝杠预紧时折算到电机轴的附加力矩 0 M Ncm67.349 . 01 5 . 29554 . 0 2 2 . 136.6843 3 1 )1 ( 2 2 0 2 0 0 0 i LF M p 折算到电机轴上的负载力矩 t M Ncm64.176 5 . 29554 . 0 2 2 . 12208 2 0 i LF M t t 快速空载起动时所需力矩 起 M =155.91 + 178.88 + 34.67=369.46Ncm= 3.695Nm 起 M 0max MMM f 快速进给时所需力矩 切 M = 178.88 + 34.67 = 213.55 Ncm=2.1355 Nm 0 MMM f 切 最大切削负载时所需力矩 切 M =178.88 + 34.67 + 176.64 = 390.19Ncm= 3.902 Nm 切 M tf MMM 0 从上面的计算可以看出，在、三种工况下，最大切削负载时所需 起 M 快 M 切 M 力矩最大，此项为初选电机的依据，从表中查出，步进电机为三相六拍时， 866 . 0 M/ jmax 起 M 最大静转矩Nm4.51866 . 0 /3.902/ max 切 MM j 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 19 按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，110BC380D 型最大静转 矩转矩为 5.5 Nm，大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步 进电机起动矩频特性和运行矩频特性。 （3）计算电机工作频率 步进电机快速运行 Hz1300 01 . 0 60 78 . 0 1000 60 1000 max p q v f 最高工作频率 Hz100 01 . 0 60 06 . 0 1000 60 1000 p s g v f 从电机表中查出 110BC380D 型步进电机的空载起动频率为 1400Hz，运行频 率为 15000Hz。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 20 第四章 控制系统硬件原理及其控制程序编制 4.14.1 主主控制器控制器 4.1.14.1.1 主控制器及其选择主控制器及其选择 目前在数控系统中常用的芯片有 8086，8088，80286，80386 以及 8098，8096 等 16 位机的 CPU，在一般的数控系统中推荐采用 MCS51 系列单片 机作为主控制器。这里选用 MCS51 系列中的 8031 芯片。 4.1.24.1.2 MCSMCS5151 系列单片机介绍系列单片机介绍 （1）MCS51 系列单片机的基本特征 MCS51 系列单片机主要有三种：8031，8051 和 8751。该系列产品是集 CPU、I/0 口及部分 RAM 等为一体的功能很强的控制器，只需增加少量外围器件 就可以构成一个完整的微机控制系统。并且开发手段齐全，指令系统功能强，编 程灵活性大，硬件资料也很丰富。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有 少许差别，可以说 8031 是没有 ROM 的 8051，而 8751 是 EPROM 代替 ROM 的 8051。工业控制中应用最多的是 8031。 8031 的基本特征如下： 具有 8 位中央处理单元（CPU） 。 片内有时钟发生电路（6MHz 或 12MHz）,每执行一条指令时间为 2s 或 者 1s。 具有 128 字节的 RAM。 具有 21 个特殊功能寄存器。 可寻址 64KB 的外部数据存储器和 64KB 的外部程序存储器。 具有四个 I/O 口，32 根 I/O 线。 具有两个 16 位定时器/计数器。 具有 5 个中断源，配备两个优先级 具有一个全双工串行接口 具有位寻址能力，适用逻辑运算 从上述特性可知:一块 8031 的功能相当于微型计算机系统。 （2）管脚功能分析及特性简介 引脚功能分类表： 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 21 I/O 口线：，共四个 8 位口。 0 P 1 P 2 P 3 P 控制线：（中断取指令控制） ，ALE（地址锁存控制） ，（中断存PSENEA 储器选择） ，RESET（复位控制） 电源及时钟：， cc V ss V 1 XATL 2 XATL 应用特性： I/O 口线不能都用作用户 I/O 线，除 8051，8751 外真正可完全为用户使 用的 I/O 口线，只有口以及部分作为第一功能使用的口。 1 P 3 P I/O 口的驱动功能为：口驱动 8 个 TTL 门电路，而、只能驱动 4 0 P 2 P 3 P 个 TTL 门电路。 口具有提升电阻的 8 位双向 I/O 口，该口的每一位均可独立的定义为 3 P 第一 I/O 口功能或者第二 I/O 口功能。 时钟频率：外接时钟频率可在 1.212MHz 间选取。 （3）总线结构 地址总线 AB 地址总线宽度为 16 位，故其外部存储器直接熏之范围达到 64KB，16 位地址 总线由口经地址锁存器提供低 8 位，由直接提供。 0 P 8 A 15 A 2 P 数据总线 DB 数据总线宽度为 8 位，由口直接提供。 0 P 控制总线 CB 由口的第二功能状态和四根独立的控制线 RESET，ALE，组成。 3 PEAPSEN （4）存储器结构 单片机的存储器包括程序存储器（EPROM 或 ROM）和数据存储器（RAM） ，它 们是可以选用并可直接寻址的存储器。 （5）扩展芯片 I/O 口扩展集成电路中有三种专用 I/O 口扩展芯片。I/O 口扩展复合芯片， 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 22 TTL 电路芯片，在本次设计中，除了采用 I/O 口外还能扩展其他外围功能电路， 主要有 8155（28+6 并行 I/O 口，256 个静态 RAM，一个 14 位定时器） ，TTL 电 路芯片，也广泛用作 MCS-51 单片机 I/O 扩展芯片，主要有 74LS373，273，374，244 等。 4.24.2 MCSMCS5151 单片机的扩展单片机的扩展 4.2.14.2.1 程序存储器程序存储器 EPROMEPROM 的选择的选择 芯片的型号不同，应用参数也不同，主要有最大读出速度，工作温度及容量。 在确定容量内选择 EPROM 的型号，主要考虑因素是读取速度，这是决定系统能否 正确工作队的前提。根据 CPU 与 EPROM 的匹配要求，应满足 8031 能提供的读取 时间大于 EPROM 所需要的读取时间。 实际设计中，应考虑在满足容量要求的同时尽可能选择大容量芯片，以减少 芯片组合数。 4.2.24.2.2 数据存储器数据存储器 RAMRAM 的选择的选择 选 RAM 是主要考虑因素是 RAM 的读写速度与 CPU 提供的读写时序的匹配要求， 还应满足这样一个关系：即 8031 所能提供的读写时间应大于 RAM 所需求的读写 时间，常用 RAM 主要有 6116 和 6264 两种。 4.34.3 地址分配及地址分配及接线方法接线方法 4.3.14.3.1 地址分配地址分配 与一般存储系统不同，8031 所支持的存储系统其程序存储器与数据存储器 独立编址。因此，EPROM 和 RAM 的地址分配较自由，不必考虑是否发生冲突。 由于 8031 复位后从 0000H 单元开始执行程序，故程序存储器地址应从 0000H 就开始。在这里只用 EPROM，地址为 0000H-1FFFH，扩展 RAM 与 I/O 口及 外围设备实行统一编址。 4.3.24.3.2 EPROMEPROM、RAMRAM 与与 80318031 连接方法连接方法 存储器与单片机的连接主要是三总线的连接，应考虑单片机的总线驱动能力 是否够，若不够应当加以驱动，如总线驱动器 74LS244，74LS245 等，根据单片 机 8031 的驱动特性，在本次设计中，不必加以驱动，下面给出 EPROM，RAM 与 8031 的具体连接。 （1）地址总线 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 23 将与 EPROM 的一一对应连接。与 RAM 的一 0 A 12 A 0 A 12 A 0 A 12 A 0 A 12 A 一对应连接，其余地址经译码产生片选信号。 （2）数据总线 分别与存储器一一对应连接。 01 P 07 P 0 D 7 D （3）地址总线 将与 EPROM 的一一对应连接。与 RAM 的一 0 A 12 A 0 A 12 A 0 A 12 A 0 A 12 A 一对应连接，其余地址经译码产生片选信号。 （4）数据总线 分别与存储器一一对应连接。 01 P 07 P 0 D 7 D 4.44.4 接口电路及辅助电路的设计接口电路及辅助电路的设计 本系统接口电路包括键盘、数码显示器及步进电机接口电路，辅助电路包括 复位电路及报警显示电路。 8031 单片机的口可以作为 I/O 接口，为管理上述接口电路，还需要扩展 1 P 接口电路，现在用 8031 的管理步进电机，用扩展接口管理键盘和显示电路。 1 P 4.4.14.4.1 接口电路的设计接口电路的设计 8155 的内部 RAM 和 I/O 的选择由引脚 IO/控制，当 IO/=0 时，CPU 访MM 问 RAM，RAM 的低 8 位编制为：00HFFH；IO/时，CPU 访问 IO 口，其低M 8 位编址见教材的真值表，8155 的工作方式选择通过对 8155 内部命令，寄存器 通过设定控制命令来实现。8155 具有两种基本操作，即用 8155 中的 256 字节 RAM 及扩展 I/O 口使用，作 RAM 时与系统 RAM 无区别；作 I/O 口使用时，可通过 工作方式以满足不同需要。 8155 有一个状态寄存器，锁存 I/O 口和定时器的当前状态，使 CPU 查询用。 状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，只能读入，不能写入。CPU 读地址时， 做状态寄存器，读出时是当前 I/O 口和定时器的状态，而写时则作为命令寄存器 写入命令。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 24 4.4.24.4.2 辅助电路的具体设计辅助电路的具体设计 (1)8031 的时钟电路 如图时钟电路图。单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外 部方式。内部方式是利用芯片内部振荡电路，在，引脚上外接定时 1 XTAL 2 XTAL 元件。采用外部时钟方式，可把直接接地，接外部时钟源。 1 XTAL 2 XTAL 图 4-1 时钟电路图 (2)复位电路 单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟电路工作后，只要在 RESET 引脚 上出现 10以上的高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从 0000H 单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。图 4-2 所示 为电自动复位与按钮复位的组合，在上电瞬间电路充电，RESET 引脚出现正RC 脉冲，只要电路充电，RESET 端保持 10以上的高电平，就能使单片机有效的 复位。 图 4-2 复位电路图 (3)光电隔离电路 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 25 步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁 绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高（几十伏） ，电流也较大（几安到几十 安） ，如果将 I/O 口输出的信号直接与功率放大器相联，将会引起强电干扰，轻 则影响计算机程序的正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般在接 口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是 光电耦合器。如图 4-3 所示。 图 4-3 光电隔离电路 光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成，当输入信号加到输入端时，发 光二极管导通激发出红外光，光敏三极管受光照射后，由于光敏效应产生光电流， 通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。输入端与输出端在电气 上完全隔离。 (4)功率放大器 脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出的 信号放大产生足够大的功率才能驱动步进电机正常运转。设计时根据选用的步进 电机的容量选择功率放大器。 (5)键盘显示接口电路 显示器工作原理 数控系统中使用的显示器主要有 LED 和 LCD，也有采用 CRT 接口显示方式。 这里主要介绍 LED 显示器，它是由八个发光二极管组成的，当发光二极管导通时， 相应的一个点或列线（行线）发亮，控制不同的二极管导通就能显示出各种字符， 通常用的是七段显示器，结构如图 4-4，与发光二极管的阳极连在一起的成为共 阳极显示器，与阴极连在一起的称为共阴极显示器。 显示器通常采用动态显示，就是一位一位地轮流点亮显示器各个位，对于显 示器来说，每个一段时间点亮一次，显示器的亮度就与导通电流有关，也与点亮 沈阳工业大