X53K数控化改造

内容摘要本文提供了一种 X53k 铣床的经济型数控化改造方案，改造的主要模块有：机械部分和数字控制电路部分。机械部分主要是对丝杠、驱动元件和减速齿轮的改造。改造后的系统是以步进电机为驱动执行元件的开环控制系统，以 MCS-51 型单片机为控制处理芯片，实现 X、Y 两坐标联动改造 ,使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件。改造后的数控机床具有高精、高效及加工产品范围广等特点。最后再对系统的误差及精度进行分析，并提出改进的方法、建议。关键词： X53k 数控化 改造 单片机ABSTRACTIn this paper ,in base of our countrys eco- momic condition and the expensive CNC, in order to extend machining scope, high accuracy , small batch, and has a good condition in excitely complicative market .So,the numerization rebuilding of X53K is so necessary and feasible. This paper provides a way of how to implement the synchronied motion of the two axes in the X and Y plane with CNC system and an open-loop control which use stepping motors as actuators on a X53K mill，and the microcomputer is MCS-51.The numerization rebuilding of X53K milling machine not only is used for machining keyway,plane and hole etc,but also, it can ma- nufacting complicated shap and the accuracy is high.The technology of CNC has became the key and basic technology in the manufacturing industry .Keywords: X53Kmill numerization rebuilding single chip computer目 录前言 . 5正文 . 81.整体改造方案 . 81.1 总体设计方案 . 81.1.1 机床改造的方案比较 . 81.1.2 实现的目标 . 111.2 主传动的系统改造 . 111.2.1 机械部分的数控化改造 . 111.2.2 电气部分的数控化改造 . 121.3：进给系统的改造 . 121.3.1 进给机构的改造 . 121.3.2X53K 的改造要求 . 121.4 微机系统的硬件与软件设计 . 131.4.1 系统软件的设计 . 131.4.2 硬件系统设计 . 131.5 改造后的布局 . 142.横纵向系统的设计，计算过程 . 142.1 纵向方向（X 轴）的设计 . 142.1.1 铣削力 的计算 . 15CF2.1.2 滚珠丝杠所受的平均轴向载荷 的计算 . 16mF2.1.3 丝杠副工作负荷计算及丝杠型号的选择 . 172.1.4 传动效率 的计算 . 182.1.5 刚度验算 . 182.1.6 稳定性的验算 . 192.1.7 齿轮传动设计的有关计算 . 202.1.8 齿轮材料的选用及许用应力 . 202.1.9 直齿圆柱齿轮副的计算 . 212.1.10 步进电机型号的计算选择 . 222.2 横向(Y 轴) 的设计 . 283 数控部分设计 . 293.1 系统硬件设计 . 303.1.1 主控制器（CPU） . 303.1.2 存储器扩展电路 . 313.1.3 扩展 I/O 接口 . 313.1.4 步进电机驱动电路 . 323.1.5 行程控制 . 333.1.6 键盘与显示 . 333.1.7 复位电路 . 333.1.8 紧急停车 . 333.2 编程时应注意的问题 . 333.3 步进电机系统软件控制 . 344 误差来源及精度分析 . 344.1 误差的来源 . 344.1.1 机械结构原因 . 344.1.2 数控部分原因 . 344.2：误差补偿措施 . 344.2.1 齿轮副误差补偿分析 . 344.2.2 数控系统误差补偿分析 . 354.2.3 滚珠丝杠副误差补偿分析 . 35结论 . 36致谢 . 37参考文献 . 38前言：该课题来源于生产实践的需要，利用大量闲置旧机床，对起进行数控化改造后，成为一钟高效的、多功能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效办法，是低成本自动化的必由之路。数控技术及数控机床是以数控系统为代表的新技术，对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品：数控机床；其技术范围涉及很多领域：机械制造技术；信息处理技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技术等。数控机床即是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。现代数控机床都采用计算机（微型机算计）作为控制系统，它由 CNC 系统，机床主机及辅助装置组成。数控机床的发展及目前的状况数控技术是当今工业产品自动化发展中处于核心地位的一种高技术。第一台数控机床问世于美国，是为了适应航空工业制造复杂零件的需要而产生的，70 年代初以前，美国处于领先的地位，70 年代中期，前苏联生产的数控机床在数量上赶超美国成为第一。1981 年，日本超过了其他国家而成为世界上最大的数控机床生产国家。在国外数控机床的数量中，最多的是普通数控机床，特别是数控车床，但是发展最快的则是可以自动换刀具的加工中心，目前国际上研制的数控设备则是由加工中心为主体的柔性加工单元及柔性制造系统。国际数控技术的发展主要经过 2 个阶段和 6 代的发展过程，如表 1 和表 2 所示。我国的机床数控行业起步 1961 年，到现在已有 45 年多的历史了，70 年代中期开始进入实用阶段，但直至 80 年代处由于引进了国外数控系统及其关键器件，数控技术生产中才获得较好的应用，我国目前状况是：数控系统已形成年产 500 套多功能数控机床和 3000 套经济型数控装置的能力。我国已建立了以中，低档数控机床为主的产业体系，20 世纪 90 年代主要发展高档数控机床。随着科学生产力的发展，机床设备数控化率的提高已是衡量一个国家机械制造业现代化水平的重要标志。据最近有关资料表明，我国机床总有量 380 余万台，其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率还不到 3%，而一些发达国家早已达到 20%以上，因此，我国机械制造水平与发达国家相比差距很大，设备陈旧，技术水平落后，严重的影响了生产力的发展。提高机床数控化率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧机床进行数控改造。这对于我国一个机床拥有量极大（其中大部分机床年龄较长），而当前经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个及其有效和实用的途径。表 1 硬件数控发展阶段第一代 1953 年的电子管第二代 1959 年的晶体管分离元件第三代 1965 年的小规模集成电路表 2 软件数控发展阶段第四代 1970 年的小型计算机第五代 1974 年的微处理器第六代 1990 年的基于 PC 机（PCBASEO）数控未来发展的趋势往高精，高速，高柔性化及高复合化加工方向。集成化、模块化、网络化、通用型开放式闭环控制模块。高效多轴化、实时智能化、用户界面图形化、科学计算可视化、插补和补偿方式多样化。内装高智能 PLC，多媒体技术的应用。应用自适应控制技术，引入专家系统指导加工，引入故障诊断专家系统。数控化改造的优缺点减少投资额，交货期短机械性能稳定可靠，结构受限熟悉了解设备，便于操作维修可充分利用现有的条件可更好的因地制宜，合理删选功能可及时采用最新技术，充分利用社会资源数控改造对机械传动系统的要求运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙。有高的静动态刚度。功率大，低振性，可靠性高。便于操作和维修机床数控改造的必要性数控机床是一种典型的机电一体化产品，它集精密，柔性，和集成与一身，它可以较好的解决形状复杂，精密，小批多变的零件加工问题，能够稳定加工质量和提高生产效率，是一种高度自动化机床。其造价较低，改造周期短，可靠性高，改造技术也日趋成熟，加之我国特有的经济实用产品“经济型数控装置”的技术指标不断的提高，产品的更新和完善的进度不断的加快，产量不断的提高，故有广阔的前景，其必要性还体现在：由于数控改造费用低，可充分利用原有的设备和闲置设备，把它们改造成数控，使它们的原有功能和改造后新增加的功能得到充分的利用，提高了机床的使用价值。易于对现有机床实现自动化，而且针对性强，即可针对新加工的零件类型及机床来进行改造，改造后机床没有多余的功能。 改造后的机床加工精度得到提高，工人的劳动强度得到降低。 减少了辅助加工时间，可提高机床的生产效率。 数控改造可在企业技术人员参加下开发，所以他们可熟悉，掌握改造后的机床性能，操作等，为以后的生产，维护，修理打下基础。数控改造的可能性从整体上说我国的数控机床不多，仅占总机床的 1.9%，这与西方工业国家一般达到 20%相差甚远，差距巨大。但是，我们也应该看到，往往国家越发达，那么数控机床所占的比例也就越大。从宏观上看，工业发达国家的机械工业，由于对其机械工业进行信息化改造，使得他们的产品竞争力大为增强。而我国在这方面比发达国家约落后近 20 年，数控化率极低。这也说明了数控化改造的必要性。进行经济型数控机床开发，是符合我国国情的有效的机床更新途径。在当前的市场需求多变，竞争激烈的环境中，企业需要迅速地开发出新产品，以低价、好质量、快速去满足市场需求的变化。而数控机床最适宜加工小批量、多品种、高精度、形状复杂、生产周期短的零件；数控机床的柔性化加工，符合产品频繁变化的要求。更何况，当今工业国家数控机床数量的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。因此，我国进行数控改造是可行的也是行的通的。 在数控改造中应注意的问题：车床改造的工艺流程 应保留的部分：主轴箱，床身，大、中溜板，尾座等等。改造前，应将机床大修处理：包括主轴箱传动，精度调整，主轴径向跳动及轴向窜动精度修复，机床导轨平面度及直线度，卡盘装夹精度调整等。改造部分包括：增加数控装置，X，Y，Z 轴驱动器驱动电机，换装 X，Y，Z 轴滚珠丝杠及电动刀架，增加必要的控制电器开关，冷却液及润滑装置改造等。滚珠丝杠的造用和安装 滚珠丝杠分为 1，2，3，4，5，7，10，七个等级，1 级最高，10 级最低，任意 300mm 轴面行程内变动量应该不能0.05mm，行程偏差0.02mm。安装时应注意调整丝杠间隙。驱动器和驱动电机，驱动方式 PWM(脉宽调制)，电机每转12000 脉冲，以确保驱动精度，V：300 伏，电相位具有记忆功能，位置脉冲方式为单/双脉冲控制，整/半步运行模式，低速平稳运行，最高转速1500r/min。主轴调速改造 自动调速，通过指令设定。冷却液及润滑系统的改造 一般采用手工打开，可经过 CNC 系统上有冷却液接口，通过 PLC 设置，实现冷却液的自动开和关。电器系统的改造 主要增加元件包括：主轴，丝杠，变压器，X，Y，Z 轴的驱动器，电动刀架控制器，以及必要的控制开/关，继电器等等，如所需增加变频电机或变频器。数控改造后机床应该达到的基本技术要求 如表 3 所示本文对 X53K 数控改造的主要过程：收集：收集资料，查与 X53K 相关的技术参数。设计：对 X53K 数控改造的总体思路。计算：对横向（X 轴）和纵向（Y 轴）的改造计算，绘图：绘制改造后 X 轴、Y 轴的装配图，和改造后外型布局图。数控部分的电路原理图。分析：分析在数控改造中可能会出现的问题，以及解决问题的参考方法。表 3 改造后的基本技术要求床身导轨平行度 0.01mm横向导轨的平行度 0.03mm纵向导轨在垂直平面内的直线度 0.02mm溜板移动在水平内直线度 0.015mm重复定位精度： X0.01 Z =13194N 故选择符合要求，丝杠可用。2.1.4 传动效率 的计算根据机械设计原理滚珠丝杠的传动效率 的计算公式为：式中： 丝杠的螺旋升角，由以上参数表知， =摩擦角，滚珠丝杠副的摩擦角 10则可得：=97%2.1.5 刚度验算滚珠丝杠受工作负荷 引起的导程的变化量：01LFX/EF其中：弹性模量对于钢为：E=21 滚珠丝杠横截面积：F （ ）而：F=223d=94则： 01LFX/EFcm滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 很小，可以忽略，故 ；故导程的变形误差为：1010.28oL=12.8 /查表得 E 级精度丝杠所允许的螺纹无厂误差（1m 长）为 15 / ，故刚度足够。2.1.6 稳定性的验算(1)临界压缩载荷的验算由于纵向（X 轴）的滚珠丝杠两端采用的是滚珠丝杠螺纹副固定，丝杠一般不会受压，又由于机床的原普通丝杠的直径大于滚珠丝杠的直径，故稳定性一定能满足要求。(2)临界转速的验算由计算得已知丝杠平均工作转速为：因此，必须进行临界转速的验算，即：其中式中符号表示：丝杠的最大转速：丝杠支承方式系数取 （因为没有受压）=9910 = - 1.2 =40-1.25 = 34mm丝杠的长度。 = 工作最大行程 + 螺母长度 + 两端余量（取 40mm）螺母长度由机床零部件设计上可查得，丝杠设计部分= 680 + （131 + 40） 2 = 680 + 342 = 1022mm支撑跨距 应略大于 取 = 1100临界转速计算长度 = 680 + 131 + 40 + = 811 + 40 + 39 = 890mm24.730.9189rcn=9533 /minr可见满足：所以满足稳定性的要求。2.1.7 齿轮传动设计的有关计算：由于初选的步进电动机（110BF004 ）的系统脉冲当量为 =0.01mm/step。 步距角为：丝杠导程为： 如果不采取齿轮传动，那么每个脉冲对应的丝杠螺母传动的距离为：0.7536oL=8.0=0.0167脉冲当量 0.01mm所以需要有减速机构，也就是要设计齿轮减速。采用减速齿轮具有如下特点：1.00 便于配置出所要求的脉冲当量2.00 减小工作台以及丝杠折算到电动机轴上的惯量3.00 放大电动机输出扭矩，即增大工作台的推力但采用减速齿轮会带来额外的传动误差，使机床的快速移动速度降低，并且其自身又引入附加的转动惯量，这些应引起注意。 2.1.8 齿轮材料的选用及许用应力：由于闭式齿轮主要失效形式是齿面点蚀和轮齿折断，因此按照齿面接触强度来设计来计算，最后校合弯曲强度。初选 7 级精度。查机械设计基础，取小齿轮材料为 45#钢；则齿轮硬度为 220HBS。大齿轮也采用 45#钢，其齿轮硬度为 180HBS。由于： 1limH560Mpa， 2limH530Mpa 取 = =509Mpa = =482Mpa又 ， 取2.1.9 直齿圆柱齿轮副的计算(1)计算减速器的传动比由 和步距角为： ，丝杠导程为：则传动比：=(2)粗选小齿轮齿数 ，则大齿轮齿数：iZ1267.32=53.44 53（可参照机械设计基础169 页）则实际传动比为：满足误差要，取齿轮压力角 ，初选模数 m=2.5mm，则：小齿轮直径： mm大齿轮直径： mm小齿轮大径： mm大齿轮大径： mm中心距： mm 圆整中心距：取 mm齿宽为：大齿轮： mm 圆整为： mm小齿轮： mm(为了补偿安装误差通常使小齿轮齿宽略宽一些)(3)齿轮弯曲强度应力校核查机械设计基础中表得齿性系数 处载荷系数为 K=1.5，最大转矩查步进电机相关参数，转矩取 F=4.9N m验算齿轮弯曲强度（按最小齿宽 50mm 来计算）：511 122.549.103.80FF FKTYMPabmZ =136 Pa 这里所以符合安全要求。(4)齿轮的圆周速度可据公式：上式中： -为小齿轮的转速即步进电机轴的转速，可据初选步进电机110BF004 的运行频率： ，和步距角： 0.75来计算。可知选用 7 级精度是满足要求的。2.1.10 步进电机型号的计算选择步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电信号转换成响应角位移的机电元件。每输入一个脉冲，步进电动机转轴就转过一定角度，它与普通的匀速旋转的电动机不同，它是步进式的，所以称步进电机。它的优点有：角位移输出与输入的脉冲数相对应,改变通电顺序可以改变步进电机的旋转方向；步矩误差不会长期积累；在负载范围内步矩角和转速不受电源电压波动的影响，而仅与脉冲频率有关；维持控制绕组的电流不变，电机便停在某一位置上不动，即步进电机有自整角能力，不需要机械制动，步矩角可在很大的范围内变化；步进电机的主要特性：步矩角、启动频率、连续运行频率和加减速特性。步进电机的缺点是效率低，拖动负载的能力不大，脉冲当量不能太小，调整范围不大，最高输入脉冲频率一般不超过 18000 Hz。数控系统对伺服电机的基本要求是调速范围宽，伺服电机需满足调速要求。负载特性硬，在调速范围内电机应有足够的驱动力矩，动态响应快，为了使步进电机正常工作运行（不失步、不超程），正常启动并满足对转速的要求，电机最大静转矩（步进电机技术数据），必须大于电机的实际最大启动力矩。电机的运行频率必须大于电机实际最高工作频率。系统脉冲当量是机床移动部件相对于每一个进给脉冲信号的位移量，其大小视机床的加工精度而定。根据 X53K 铣床工作状况选系统脉冲当量为 0.01mm/step。步矩角 。根据同类型的机床及以往的经验，结合重量轻、功耗小、外观尺寸和与步距角相配合的原则，初选步进电动机类型，然后验算是否满足使用要求，否则选取其它型号，最后直到满足要求为止。初选步进电机型号为：110BF004 反应式步进电动机。2.1.11 纵向步进电机选择计算(1)计算工作台、丝杠以及齿轮折算到电机轴上的惯量 根据机电一体化基础所提供的计算公式：式中： -折算到电机轴的惯量 ；-小,大齿轮的惯量 ；-丝杠惯量 ；-横向工作台及夹具重量 , ；-丝杠螺距 ， ；齿轮及丝杠转动惯量的计算：由于有些传动件（如齿轮、丝杠等）的转动惯量不易精确计算，可将其等效成圆柱体来近似计算。圆柱体的转动惯量可依据公式：式中： 材料密度 ,对钢取 ；圆柱体直径 .(对于齿轮、丝杠等就是其等效直径)；圆柱体长度 ,(对于齿轮、丝杠等就是其等效齿宽或长度 )则： 则可算得：2.03(2)惯量匹配验算初选的步进电机 110BF004 的转子的转动惯量： =4.61Kg转动系统与步进电机的惯量匹配条件：而：所以惯量是匹配的。(3)负载转矩计算及最大静转矩选择计算快速空载起动时所需力矩 依据公式： 式中： 起M-快速空载起动力矩 )(cmN；-空载起动时折算到电机轴上最大加速力矩 ；fM-折算到电机轴上的摩擦力矩 ；-由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩 ；又： *maxJ 式中： -惯量和 ， ；-电机最大角加速度 )(2srad；又：其中： -电机最大转速 ；at-运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间 )(s取 25ms 又：则：则：故：又因为：式中： 0F-导轨的摩擦力 )(N；-传动链总效率，一般可取 ，现取 ；又： 式中： 垂直方向的切削力 ， ；导轨摩擦系数， (贴塑导轨)；横向工作台及夹具重量 ， ；则：=103N故：又： 式中： -滚珠丝杠预加载荷，取 ；-滚珠丝杠预紧时的传动效率， ； 故：=140+9.8+3.7=153.5(4)快速进给时所需力矩 依据公式：而： 故有： (5)最大切削负载时所需力矩 根据公式： 式中： 折算到电机轴上的切削负载力矩 ；又有公式： 式中：-进给方向最大切削力 ， ；则： 故：(6)最大静转矩选择依据文献实用机床设计手册上，有：对于在最大切削力下工作时所需要电机最大静转矩为： 对于空载起动时所需要的电机最大静转矩为：由和可知，以计算得： 恒大于 所以就以 作为选取步进电机最大静转矩的依据。而初选的步进电机为 110BF003 ，它的最大静转矩为：所以初选的步进电机型号符合要求。2.1.12 步进电机动载荷矩频特性和运行矩频特性由数控技术得：动矩频特性： PVf601maxax2.501=4167Hz运行矩频特性： 其中： - 最大切削力下的进给速度 ，可取最高进给速度 的 ，现取中间值，即 。所以： =2431由步进电机 110BF004 的矩频特性和运行矩频特性参数可以看出所选步进电机在起动时力矩是满足要求的。所以最终就确定步进电机的型号为：110BF004 反应式步进电动机。2.2 横向(Y 轴)的设计Y 轴的丝杠选择与 X 轴一样为 FFZD5008，内循环浮动返向器Y 轴的齿轮副设计也与 X 轴相同，这里不再累赘。Y 轴方向步进电动机的选择：Y 轴铣削圆周力： =1500N则有 Y 向丝杠牵引力：= +1.414f =1500+1.41444100.01=1562N则有电机轴负载力矩： T = mNGFYp 58.197.052416.036其中： -导轨摩擦系数，取 0.1-步进电机步矩角为 0.75-Y 向丝杠牵引力 f-当量摩擦系数取 0.01若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩为：可取安全系数极限值 0.3，则有： =对于工作方式为无相十拍的五相步进电机最大启动力矩：电机最大工作频率：综合以上可选取步进电机型号为：110BF004 反应式步进电动机。步进电机 110BF004 的外型尺寸为： ，轴径为 。3.数控部分设计本系统以单片机为控制核心，扩展部件为外围器件，是比较经济的数控系统。既满足了机床的数控加工能力，又经济可靠。该系统是由数控单元和步进伺服单元组成。数控部分采用 MCS-51 系列的 8031单片机，它和扩展系统以及电机驱动电源一起组成连续控制的数控系统。控制核心按照所输入的加工程序数据，经计算处理，发出所需要的脉冲信号，经驱动电路放大功率后，驱动补进电机，由步进电机带动滚珠丝杠副，从而使纵、横向工作台按零件加工所需的进给速度及方向移动，实现机床的开环自动控制。系统的定位精度由软件中适当的降频处理来保证，重复定位采用固定间隙来改善。最终使系统灵活性大 ，通用性强，数控功能丰富，可靠性高，且易于实现机电一体化，使用维护方便。控制系统的主要功能 1 手动暂停，手动快速返回坐标原点。2 六个方向点动传给，手动快速进给。3 间隙补偿功能，刀具补偿功能。4 用户指令掉电保护功能。5 具有程序暂停、延时、局部循环、自动循环功能。6 用户指令编辑、修改、删除、清零功能。7 错误操作诊断、错误操作显示功能。8 可自行进行直线、斜线、圆弧的加工3.1 系统硬件设计系统的硬件组成如下所示。主要有主控制器 CPU、存储器、键盘显示器、I/O 接口和驱动电路等。部分可参照单片机原理书中所述。如图 3-1 所示 3.1.1 主控制器（CPU）CPU 选用功能强、价格便宜的 8031 单片机。有 4 个 8 位的并行接口，一个串行接口，8031 的 口作为分时服用的低 8 位地址/数据总线接口， 口作为显示器的字型输出口， 口作为高 8 位地址总线接口， 口作为中断、定时、计数、读写控制等特殊功能口。CPU 的时钟采用内部方式，晶振频率为 6MHz。此芯片具有高集成度，应用广泛，有 2 个 16 位的定时、计数器和一个处理功能很强的中央处理器。该芯片不易受干扰，容易实现屏蔽，可靠性高，能在较恶劣的环境下工作，功能强，速度高。指令执行时间短，且具备刀具长度偏移和半径补偿功能、自诊断功能，可以进行加、减速操作。 图 3.1 数控系统硬件框图3.1.2 存储器扩展电路1）存储器芯片的选择。8031 片内只有 128KB 的 RAM，所以必须对其进行外部程序存储和数据存储器进行扩展。选择存储器应考虑的主要因素是速度和容量。凡是工作时间小于 8031 的工作时间均可满足要求。这里选用 1 片容量为 8K8 的2764EPROM 芯片作为程序存储器扩展芯片，用 1 片容量为 8K8 的 6264 静态 RAM 芯片作为数据存储器扩展芯片，并带有 3.6V 的备用电池，使存放的加工数据能长时间的保存。2）存储器地址分配及接线。8031 芯片所支持的存储系统，其程序存储器与数据存储器独立编址，因此，EPROM 和 RAM 的地址分配比较自由，不必考虑是否冲突。由于复位后 8031 从 0000H 单元开始执行程序故 8K EPROM 的地址空间从 0000H-1FFFH，8K RAM 的地址空间也设为 0000H-1FFFH。8031 的地址锁存允许信号 ALE 与地址锁存器 74LS373 的输入端 G 相连，从而将 口输出的地址信息锁存如 373 中，2764 需要 13 根地址线，低 8 位与 口相连，高 5 位分别与 相连。8 为数据线直接与 口连，将 2764 的片选端接地，由于 8031 只能选通外部程序存储器，因而将 8031 的 接地。RAM6264的数据线和地址线的连接方法与 2764 相同，其读写控制端与 8031 的对应端相连。由于 6264 的地址分配为 0000H-1FFFH，故其片选端 应与 74LS138 译码器 相连。3.1.3 扩展 I/O 接口为了满足铣床数控系统的需要，选用可编程并行接口芯片 8155 作为 I/O 接口，各个端口的功能定义和地址分配如下表所示。8155 的片选端 与 74LS138 译码器的 相连，地址空间为 2000H-2FFFH，地址锁存控制端及读写控制分别与 8031 的控制线对应相接，8155 的 对应接至 8031 的 口线。如表 3-1 所示如表 3-1 138155I/O 口功能定义和地址分配端口 工作方式 功能 地址PA 输出 提供步进电机的控制信号及知识信号 2001HPB 输入 键盘和行程控制 2002HPC 输出 显示和键盘管理 2003H用片做为机床开关、刀架控制信号及主轴编码器反馈信号口用；用片作为键盘显示器接口，识别键盘按键信号，对显示器自动扫描，完成键盘输入和显示控制两种功能,为了增加数码管的亮度,可分别在字型口和字为口处增加 7407 驱动器。3.1.4 步进电机驱动电路用步进电机作为执行元件的数控系统，可采用较为简单的开环控制，因而成为经济型数控机床最为主要的一种驱动元件，步进电机的驱动电路一般由 4 部分组成：计算机接口、脉冲分配器、光电隔离电路和功率放大电路。本设计采用 8155 的 口作为控制步进电机的接口，由该口的 提供步进电机所需的控制信号。脉冲分配器的作用是为步进电机提供符合控制指令要求的脉冲序列，其实现方法有硬件和软件 2 种。为降低硬件的成本及故障源，本设计采用软件方法进行实现。步进电机驱动电路中，脉冲信号经过放大后送给步进电机励磁绕组，为防止强电干扰，在功放电路之前接上光电耦合电路进行隔离。步进电机所需电流较大，必须将光电耦合器输出的信号放大后才能驱动步进电机正常运转。步进电机的驱动电路由三部分构成：环形分配器；光电耦合器；功率放大器。1) 环形分配器 环行分配器的主要作用是把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令，转换成控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的数量及方向对应。硬件环型分配器是有触发器和门电路构成的硬件逻辑电路（如型号 YB015）。2) 光电耦合器 选用 GO102 型光电耦合器，其电路图如图 3.2 所示：图 3.2 光电耦合电路图3) 功率放大器 因为输出的脉冲功率很小，电流只有几毫安，故需要进行功率放大，使脉冲电流达到 110 A，才足以驱动步进电机正常工作。本设计决定采用： 高低压驱动电路。其电路图如图 3.3 所示：3.1.5 行程控制为防止工作台越界，设置了 4 个限位开关，8155 的 分别为工作台+X、-X、+Y、-Y 四个方向的行程控制信号，计算机随时巡回检测 的电平，当某一个为低电位时，立即停止步进电机的运行。3.1.6 键盘与显示键盘与显示设计在一起，8155 的 PC 口的 担任键盘的列线及显示器的扫描控制（字位线），PB 口的 为键盘的行线， 8031 的 P1 口为显示器自形输出口，该采用 38 共 24 个矩阵式键盘和六位八段共阴极 LED 显示器，为了增加数码管的亮度,可分别在字型口和字为口处增加驱动器进行驱动。3.1.7 复位电路 此单片机是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在 8031 的 RESET 引角上出现 10ms 以上的高电平，单片机即可复位。本系统采用上电复位和手动按纽复位组合。 图 3.3 单电压供电功放电路3.1.8 紧急停车系统中设置了一个紧急按纽，利用 8031 的外部中断 INT1 。在加工过程中如果出现紧急情况，按此按纽就可以紧急中断信号，整个系统就立即停止工作。3.2 编程时应注意的问题 应准确地测量出铣床纵向丝杠、横向丝杠、铣头垂直丝杠、圆盘工作台与分度头蜗轮副中反向转动时的间隙，以便编程时，用消除间隙指令后运行指令中予以纠正； 应在铣床上用多种进给速度值，进行空载后负载切削的调试，测定空载时允许的最高运行速度，负载时的最大吃刀量及此时的运行速度值，作为铣床改造大编程的最大许用值的依据； 在改造后应该用危机调试其运行方向，如果方向不对，可调试步进电机的电源接头的连线，使其运行方向变反。编程人员不可对此问题做硬性的统一规定。3.3 步进电机系统软件控制步进电机的系统软件部分的设计主要是指步进电机的控制程序设计，控制步进电机各进给轴的进给速度和进给方向。其控制流程图主要包括初始化程序、计算运行总步数和两轴的速度、步进电机的转向，然后调用步进电机的驱动程序，通过数据采样比较来调节步进电机的运行速度，该过程直到运行步数 N0-1=0 时结束，否则返回继续执行步进电机驱动程序。4.误差来源及精度分析4.1 误差的来源4.1.1 机械结构原因由于系统的纵、横向都是开环进给控制系统，没有反馈检测系统，无法消除机械传动部件间隙误差，如滚珠丝杠反向间隙误差、齿轮隙误差及支撑结构和轴系变形引起的误差、步距角精度和导轨副的精度等，从而产生累积误差。而滚珠丝杠的误差主要是指反向间隙误差，由于滚珠丝杠与螺母之间的轴向间隙，导致反向运动时的空程误差，引起失步，它将直接影响到工作台的进给精度。引起齿轮传动误差最主要的是侧隙误差。4.1.2 数控部分原因数字控制系统的误差等将直接影响进给位移的精度数控系统误差是指编程误差：包括编程中轮廓逼近误差和编程时的脉冲圆整误差。4.2 误差补偿措施而引起误差的主要原因是齿轮副间隙、滚珠丝杠轴向间隙和控制误差4.2.1 齿轮副误差补偿分析齿轮副选用的精度等级均为 7 级，Ea的精度等级为 C 类，由标准参数查得：中心距：a=85mm, mfa15小齿轮： ， Es6， mai391大齿轮： ， as2， Ei52由数理统计可得：统计侧隙所在的区间为17.6，62.3。从而最大侧隙引起大齿轮上的转角误差为： 10.3602maxdJt由侧隙引起的螺母的移动量为，即由齿轮传动引起的最大复位误差为：对于由齿轮间隙引起的误差可采取双片薄齿齿轮错齿调整法来消除，两个啮合的直齿圆柱齿轮中的小齿轮采用宽齿轮，另一个由两片可以相对转动的薄片齿轮组成。装配时使一片薄齿轮的齿左侧分别紧贴在宽齿轮的左、右两侧，通过两薄片齿轮错齿，消除齿侧间隙，反向时也不会出现死区。错齿齿轮如图 5.2.1 所示，两薄片齿轮上各装入有螺纹的凸耳 1、3，转动螺母 7 可改变弹簧 6 的张力大小，而调节齿轮 2、4 的相对位置，达到错齿的目的。4.2.2 数控系统误差补偿分析数字控制系统的误差，主要是编程误差,由于数控机床加工精度不仅与加工过程有关,而且与编程、插补算法的精度有关，而编程误差是