CA6136机床的数控化改造技术

目 录第一章 绪论 .41.1 数控机床和改造的必要性 .41.1.1 数控机床概述 .41.1.2 数控机床在工业中的地位 .51.2 数控改造的必要性.51.2.1 机床与生产线数控化改造的市场 .51.2.2 机床数控化改造的必要性 .6第二章 机械部分改造设计与计算 .82.1 横向进给系统的设计与计算.82.1.1 横向进给系统的设计 .82.1.2 横向进给系统的设计与计算 .82.2 纵向进给系统的设计与计算.102.2.1 纵向进给系统的设计 .102.2.2 纵向进给系统的设计计算 .10第三章 自动换位刀架的选用 .14第四章数 控机床电气控制系统 .154.1 数控机床的电气控制原理.154.2 数控系统分析.164.3 经济型数控机床改造时数控系统选用.174.4 功率放大电路.18第五章 步进电动机的选择 .195.1 步进电动机 .195.2 步进电机选择的基本原则.215.3 纵向电机的计算与选择.225.4 横向电机的计算与选择.24总 结 .28参考文献 .29摘 要随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高，对机械加工设备的加工精密程度也要求越来越高。而在中国的机械加工设备的车床中普通车床占了很大比例。这已经越来越制约着当今工业的发展。而数控机床由于价格昂贵，且需要较高技术的加工工人。所以对机床进行自动化改造很是必要。本篇论文是在对普通卧式车床 CA6136 的基础上对其进行自动化改造。本人在搜索、查阅和研究大量有关资料的基础上，对机床自动化改造技术进行了深入的研究和分析，并描述了机床控制系统的设计。整个改造过程主要对车床纵、横向进给系统进行改造，选用自动转位刀架，由脉冲发生器来加工所需要的螺纹。整个控制系统以 8031 型号的单片机为中心，通过编程对机床的驱动设备进行控制以达到所需要的加工程度。关键词：机床改造； 自动化机床； 控制系统AbstractWith the development of industry equipment, the precision required of industry equipment is more and more high. The more and more precision of equipment which machined the industry equipment is required. But in China the common lathe have a very great comparison in the machined equipment, this already restrict the development of industrial nowadays. But the CN lathe is more expensive, and needed workers with higher technically. So it is a necessity very much to modify the common lathe to lathes automatic. This paper is in the foundation of the commonness horizontal lather CA6136 and modified it to Lathes automatic.The author has performed the further research and for the lathes automatic modification on the basis of the constant consultation of abundant relative documents, which focuses on describing the design of control of the machine. The main to modify the lathe is to modify the portrait, horizontal enter to the system in the Whole modification process and choose the automatic knife rest and be processed the thread need by pulser. The whole control system with the CPU of 8031 is to control the machine for center, through a plait distance drive tool machine an equipments to carry on control to attain need of process degree.Key Words: Machinery Tool Reform； Lathes automatic； Servo system第一章 绪论1.1 数控机床和改造的必要性1.1.1 数控机床概述数控机床1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。数控（NC）阶段（19521970年）早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC） ，简称为数控（NC） 。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代-电子管。1959年的第二代-晶体管。1965年的第三代-小规模集成电路。计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的通用两个字省略了） 。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件-运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR） ，又可称为中央处理单元（简称CPU） 。到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控） ，不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代-小型计算机；1974年的第五代-微处理器和1990年的第六代-基于PC（国外称为PC-BASED） 。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC） 。所以我们日常讲的数控，实质上已是指计算机数控了。1.1.2 数控机床在工业中的地位近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。2001 年国内数控金切机床产量已达 1.8 万台，比上年增长 28.5%，机床行业产值数控化率从 2000 年的 17.4%提高到 2001 年的 22.7%。2001 年，我国机床工业产值己进入世界第 5 名，机床消费额在世界排名上升到第 3 位，达 47.39 亿美元，仅次于美国的 53.67亿美元，消费额比上一年增长 25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001 年进口机床跃升至世界第 2 位，达 24.06 亿美元，比上年增长 27。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。1.2 数控改造的必要性1.2.1 机床与生产线数控化改造的市场（1）机床数控化改造的市场我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为18 亿元。机床的年产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上，10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。（2）进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从 19791988 年 10 年间，全国引进技术改造项目就有 18446 项，大约 165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良。有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥，有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用。有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损。有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。1.2.2 机床数控化改造的必要性（1）微观看改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了柔性自动化。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床） ，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 FMC（柔性制造单元） 、FMS（柔性制造系统）以及 CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。（2）宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末 80 年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS 外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM 虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS（管理信息系统） 、CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化） ，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994年已达 20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。第二章 机械部分改造设计与计算2.1 横向进给系统的设计与计算2.1.1 横向进给系统的设计经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单,一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠,使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。2.1.2 横向进给系统的设计与计算由于横向进给系统的设计计算与纵向进给系统类似，所用到的公式不详细说明，只计算结果。已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算）： =30 =300WkgfN时间常数： =25Tms滚珠丝杠基本导程： =40L行程： =190S脉冲当量： =0.005Pstep/距角： =0.750快速进给速度： =1maxvin/(1)切削力计算横向进给量为纵向的 1/21/3，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2= 5700=285( )=2850（ ）zF21kgfcN在切断工件时：= = 285=142.5( )=1425（ ）y21z kgfcm(2)滚珠丝杠设计计算1）强度计算：对于矩型导轨： = +PykF)(Wfz取 =1.1， =0.15kf则： =1.1142.5+0.15（285+30）=204( )=2040（ ）PkgfcmN取 工件直径： =80 Dm走刀量： =0.15f= = =15（ ）in01Lvf4801.35.in/r寿命值： = = =13.5i6iT6最大动负荷： =QPfLHWi3= 1.21204=582.89( )=5829.9（ ）5.1kgfcmN根据最大动负荷 值，选择滚珠丝杠的型号为 左，其直径为 32BFZD53204，导程为 4 ，滚珠列数为 5 列，精度为 级，额定动载荷是 13000 ， 所以其mB强度符合要求。2）效率计算:摩擦角： =10螺旋升角： =38则传动效率： = = =0.956)(tg)1038(0tg3）刚度验算:滚珠丝杠截面积： = = 3.14=7.06510-2F2d2.)(2cm滚珠丝杠受工作负载 引起导程的变化量：P=1LE0= 26105.7.24滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 很小，可忽略，即 = ，所以，导程变形2LL1总误差为：= = =18.18（ ）018107.4m/查表知 级精度丝杠允许的螺距误差（1 长）为 25 ，故刚度足够。= 5.6110-8Bm/)(cm4)稳定性验算:由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变为一端固定、一端径向支承，所以稳定性增强2.2 纵向进给系统的设计与计算2.2.1 纵向进给系统的设计数控车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。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端，而从改造实用方面来考虑，一般把步进电机放在纵向丝杠的右端.，即尾架部位。2.2.2 纵向进给系统的设计计算已知条件： 工作台重量： = = (根据图纸粗略计算)Wkgf80N时间常数： =25Tms滚珠丝杠基本导程： 0=6L行程： =640S脉冲当量： p=0.01step/步距角： =0.75/快速进给速度： =2maxVin/1) 切削计算:由机床设计手册 可知，切削功率=cNK式中 N电机功率，查机床说明书， =4 ； NKW主传动系统总效率，一般为 0.60.7 取 =0.65； K进给系统功率系数，取为 =0.96。则： =40.650.96=2.496c又因为NC= 6120vFZFZ= v所以 式中 v切削线速度，取 v=100m/min。主切削力FZ =152.76(kgf) =1527.6(N)由金属切削原理 可知，主切削力FZ=CFz fYFz KFzZFXPa查表得： C Fz=188kgf/mm21880MpaXFz=1 YFz=0.75 KFz=1则可计算 FZ 如表 1 所示： 表 1 FZ计算结果ap(mm) 2 2 2 8 8 8f(mm) 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4FZ(N) 1125 1524 1891 1687 2287 2837当 FZ=1520N 时，切削深度 ap=2mm, 走刀量 f=0.3mm，以此参数做为下面计算的依据。从机床设计手册 中可知，在一般外圆车削时：FX =（0.10.6）F Z FZ=(0.150.7) F Z取： FX=0.5 FZ=0.51527.6=763.8NFY=0.6 FZ=0.61527.6=916.5N2) 滚珠丝杠设计计算:综合导轨车床丝杠的轴向力： P=KFX+f(F Z+W)式中 K=1.15，f=0.150.18，取为 0.16。则P=1.15763.8+0.16(1527.6+800)=1250.8N(1)强度计算：寿命值 L 1= 60iTnn1= =0f主 0DLvf取工件直径 D=80 mm,查表得 T I=15000h则：n1= =20r/min6804.3.L1= =1852最大动负载 Q= HwfP3查表得： 运转系数 f w=1.2 硬度系数 f H=1则Q= 1.211250.8=39933.6N318根据最大动负载 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 FC1B 系列，滚珠丝杠直径为 32mm,型号为 FC1B3265E2，其额定动载荷是 10689N，所以强度足够寿命值 L 1= 60iTnn1= =0f主 0Dvf取工件直径 D=80 mm,查表得 T I=15000h则： n 1= =20r/min684.3.L1= =18052最大动负载 Q= HwfP3查表得： 运转系数 f w=1.2 硬度系数 f H=1则Q= 1.211250.8=39933.6N318根据最大动负载 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 FC1B 系列，滚珠丝杠直径为 32mm,型号为 FC1B3265E2，其额定动载荷是 10689N，所以强度足够用.(3)效率计算：根据机械原理 的公式，丝杠螺母副的传动效率 为：= )(vtg式中 摩擦角 =10螺旋升角 =325则= )10253(tg3)刚度验算：滚珠丝杠受到工作负载 P 引起的导程的变化量 L 1= EFL0式中 L 0=6mm=0.6cm；E=20.6166N/ cm2。滚珠丝杠截面积 F=( )2=（ ） 23.14d8031.则 L 1= =5.910-64.)2.(06.615滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L 2很小,可忽略,即：L=L 1。所以：导程变形总误差为 = = 5.910-6=9.8m/mL016.查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（0.001mm 长）为 15m/m，故刚度足够。(4)稳定性验算：由于机床原丝杠直径为 30mm，现选用的滚珠丝杠直径为 32 mm，支承方式不变，所以稳定性不存在问题。第三章 自动换位刀架的选用自动转位刀架的选用是普通机床数控改造机械方面的关键，而由数控系统控制的自动转位刀架，具有重复定位精度高，工件刚性好，性能可靠，使用寿命长以及工艺性能袄等优点。经济型数控车床的自动刀架，在生产中最常用的是常州武进机床数控设备厂生产的系列刀架，具有重复定位精度高，工作刚性好，使用寿命长，工艺性能好等优点达到国内先进水平，在生产中大量使用。现选用常州武进机床数控设备厂生产的 LD4工型系列四工位自动刀架。C616 适配刀架。刀架技术参数：刀位数：4电动功率：60W电机转速：1400r/min夹紧力：1t上刀体尺寸：152152下刀体尺寸：161171技术指标：重复定位精度：0.005工作可靠性：30000 次换刀时间：90 180 2702.9s 3.4s 3.9s刀架动作流程为：电机减速机构升降机构上刀体上升转位信号符合粗定位机构上刀体下降槽定位刀体锁紧电机停转换刀答信加工顺序执行。刀架工作原理:微机发出换刀信号控制箱中继电器动作电机正转，通过减速机构和升降机构将上刀体上升至一定位置时，离合器转盘起作用带动上刀体旋转到所需刀位，发讯盘上霍尔元件发出刀位信号，刀架控制继电器使用电机反转，反靠初定位上刀体下降齿牙盘啮合，完成精定位并通过蜗轮蜗杆锁紧螺母使刀架固紧，当夹紧力达到预先调好的状态时过流继电器动作切断电源电机停转并向微机发出回答信号，开始执行下工序。第四章数 控机床电气控制系统4.1 数控机床的电气控制原理数控机床除了对主轴的调速有要求外,对于主轴的速度和位置控制都有更高的要求,本次设计的数控机床其全部的电气控制系统如图 1 所示. 图 4-1数控机床电气控制系 统组成1. 数据输入装置将指令信息和各种应用数据输入数控系统。2. 数控系统将接到的全部功能指令进行解码、运算,然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令,直至运动和功能结束。3. 可编程逻辑控制器是机床各项功能的逻辑控制中心。它将来自 CNC 的各种运动及功能指令进行逻辑排序,使它们能够准确地、协调有序地安全运行;同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给 CNC,使 CNC 能及时准确地发出进一步的控制指令,如此实现对整个机床的控制。4. 主轴驱动系统接受来自 CNC 的驱动指令,经速度与转矩(功率)调节输出驱动信号驱动主电动机转动,同时接受速度反馈实施速度闭环控制。还通过 PLC 将主轴的各种现实工作状态通告 CNC 用以完成对主轴的各项功能控制。5. 进给伺服系统接受来自 CNC 对每个运动坐标轴分别提供的速度指令,经速度与电流(转矩)调节输出驱动信号驱动伺服电机转动,实现机床坐标轴运动,同时接受速度反馈信号实施速度闭环控制.它也通过 PLC 与 CNC 通信,通报现时工作状态并接受 CNC 的控制。6. 速度测量通常由集装于主轴和进给电动机中的测速机来完成。它将电动机实际转速匹配成电压值送回伺服驱动系统作为速度反馈信号,与指令速度电压值相比较,从而实现速度的精确控制。7. 位置测量采用光栅尺和数字脉冲编码器作为位置测量元件。它们对机床坐标轴在运行中的实际位置进行直接或间接的测量,将测量值反馈到 CNC 并与指令位移相比较直至坐标轴到达指令位置,从而实现对位置的精确控制。4.2 数控系统分析一般来说,对现有普通车床进行数控改造的具体做法是,主传动系统一般不作变动,进给传动系统中采用高精度的滚珠丝杠替换进给轴原有的普通丝杠。机械部分改造完成后,配上 MCS-51 单片机作为数控系统,用步进电机作驱动元件,经过一级减速齿轮驱动 X、Z轴的运动。在我国数控机床改造中,微型计算机大多采用 MCS51 型系统单片微型计算机,它是超大规模集成电路发展的产物,在控制领域中得到广泛的应用,发展非常迅速。单片微型计算机简称单片机,又称微控制器,是将计算机的基本部件微型化,使之集成一块芯片的微机。片内含有 CPU、ROM、RAM、并行 I/O、串行 I/O、定时器/计数器、中断系统、系统时钟及系统总线等。MCS51 单片机在片内存储器容量、I/O 的功能以及指令系统功能等方面,都大大地得到加强,特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统领域,是控制领域中最理想的 8 位机。8031 片内没有程序存储器,外部扩展一片或多片含有用户程序的 EPROM 后,就相当于一片 8751。因而使用方便灵活,且价格低廉,目前是应用最广泛的机型。综上所述,考虑到 MCS- 51 的性能,选用该系列的 8031CPU 作为数控系统的中央处理机。8031 属 8 位单片机。它是集 CPU, 1/0 端口及部分 RAM 等为一体的控制器。价格低但功能全，编程灵活性大，硬件资源丰富。系统框图如图所示:图 4-2 8301 系统原理图8031 芯片内部具有 128 个字节的数据存储器 RAM，内部编址为 OOH-7FH，用作工作寄存器、软件标志和数据缓冲器。CPU 对内部 RAM 有丰富的操作指令。但片内 RAM 容量不够，故外接 6225（32 K)芯片来扩展 8031 的 RAM 的存储器。8031 的输入、输出(I/O)线不多，所以外接 8155 芯片以扩展 I/O 口。8031 是一个无 ROM 的 8051，必须外接 EPROM或 ROM 作为程序存储器，所以外接 U42764(2 个)、U66204 均为 28 脚封装。8031 为 40 引脚的双列直插式器件，有 4 个双向 8 位 1/O 口(P0.0 -P3.0) ，P0.0 口和 P2.0。口作为地址总线使用。16 位地址总线由 P0.0 口经地址锁存器 74LS373 提供低 8 位(A0-A7)，高8 位(A 8-A15)由 P2 口直接提供，8 位数据总线由 P0.0 口提供。这样数据总线与地址总线共用，ALE 为地址锁存允许，当送低 8 位地址时使 ALE 有效并锁存到 74LS373 中，当送数据时使 ALE 无效。4.3 经济型数控机床改造时数控系统选用数控系统是一台数控机床的核心。对系统的选择在机床数控改造中是至关重要的现从系统的经济性和实用性选择为开环伺服系统为 JWK15T。现将该经济性数控系统性能参数列表如下：1 生产厂家 南京微分电机厂江南机床数控工程公司2 用户容量 24K3 设定单位 X=0.005 Z=0.014 控制轴数 X、Z 两轴5 联动轴数 二轴6 编程尺寸 9999.997 快速(X/Z) 向 316/8 G 功能 G00G04 G22G29 G32、G33、G36、G37、G9 、G80 、 G929 M 功能 M00M09 M20M29 M92M9910 S 功能 S01S04 S05S1011 T 功能 T1XT8X12 步进电机 220V 10%50HZ13 控制精度 1 步14 功耗 W 36015 环境温度 040C16 相对温度 80%（25C）17 外形尺寸（） 34040022018 系统重量 17 kg4.4 功率放大电路脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的要求，必须将其放大以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转.下图是一种高低压供电的实用电路，其工作原理是:电路中各晶体管均处在开关状态.当控制脉冲到来时，T1、T3、T4 均导通，同时脉冲变压器的副边产生一定宽度的脉冲电流，使 T2 处于导通状态，使二极管处于负偏置而截止，将电动机绕组 WA 与电源 En 断开，高压电源通过 T2、T1 为电动机绕组 WA 供电，使其电流上升沿变陡，通过 tb 时间后、脉冲电流消失，使 T2 处于截止状态，切断高压电源 EH 与电动机绕组 WA 的回路，En 通过D2、Tl 为电动机供电，提供电动机所需的额定电流。图 4-3 高低压供电电路8031 的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生:内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，在 XTAL1、XTAL2 引脚上外接定时元件，如图 6 所示。晶体可在1.2 一 12MHz 之间任选，耦合电容在 530PF 之间，对时钟有微调作用.采用外部时钟方式，可把 XTAL1 接地，XTAL2 场接外部时钟源。8031 时钟电路 8031 复位电路图 4-4第五章 步进电动机的选择5.1 步进电动机步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR） 、永磁式步进电机（PM） 、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。步进电机的一些基本参数,电机固有步距角,它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如 86BYG250A 型电机给出的值为 0.9/1.8（表示半步工作时为 0.9、整步工作时为 1.8） ，这个步距角可以称之为电机固有步距角 ，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数,是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三相的为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。保持转矩（HOLDING TORQUE）,是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 2N.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2N.m 的步进电机。DETENT TORQUE,是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有 DETENT TORQUE。步进电机的一些特点：1一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。2步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速） 。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。5.2 步进电机选择的基本原则合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：（1）步距角 步距角应满足： imn式中 i传动比 min系统对步进电机所驱动部件的最小转角。（2）精度步进电机的精度可用步矩误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值。用积累误差衡量精度比较实用。所以选用步进电机应满足Qi s式中 Q步进电机的积累误差； s系统对步进电机驱动部件允许的角度误差。（3）转矩 为了使步进电机正常运行（不失步、不越步） ，正常启动并满足对转速的要求，必须考虑：1）启动力矩 一般启动力矩选取为：Mq 5.03L式中 M q电动机启动力矩； ML0电动机静负载力矩。根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表 2 所示。M jm为步进电机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的。表 2 步进电机相数、拍数、启动力矩表相数 3 3 4 4 5 5 6 6运行方式 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12Mg /Mjm 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.8662）在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。（4） 启动频率 由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：ftf cpm式中 f t极限启动频率；fcpm要求步进电机最高启动频率。5.3 纵向电机的计算与选择等效转动惯量计算。根据理论力学公式计算进给系统中各回转部件的转动惯量。滚珠丝杠设计时假设传动比 i 为 4，取脉冲当量 为 0.005mm/脉冲；纵向快速进给速度为4m/min；步进电机的步矩角 预选为 1.8（ ）/step 。0故可取 20、 80；m1.5mm（模数） ，1z2a20 ； m 30mm， m 120mm， 33， 1230dd2z1ad2ah2adah则齿轮的转动惯量分别为（齿轮为 45 号钢，并将齿轮近似看成圆柱体）=7.8 0.1851ZJ21ab404427.830.kgcm2.kgc0.185 2kg7.8 = 35.72Z2ad4442.1.2.=35.7 210m滚珠丝杠选用型号为 FFZD4005-3-P3/14101290 的丝杠其长度为 1410mm，直径为40mm，则丝杠的转动惯量近似为 2.815488 =2.8sJ4427.81.0.kgcm2.kgcm4210.kg设电动机转子的转动惯量为 7.5 （当有效到电动机轴上的负载转动J410惯量大于电动机转子转动惯量一个数量级时， 值可以忽略，但当等效到电动机轴上的mJ负载惯量较小时，就不能轻易地忽略它。现预选电动机为 110BYG450，其电动机转子地抓动惯量为 7.5 ） 。4210.kgm根据参考文献 5 上公式可知22211()()4njkiep ii jkkvJ式中： 采用最不利于机床启动时的速度，这里选用快速进给速度iv4m/min； （电动机） /（360 ）溜 knmv溜 04000r/min； 100kg； ； /i1000 r/min。则i 1znm2z1zn22210(/4).()/4ep zsJkgjji（0.006 7.5 0.185 （35.7 2.8 ）4104104104/ ）242.kgm1.0 3210.kg（1） 丝杠摩擦阻力力矩（ ）的计算。由于丝杠承受轴向载荷，又由于采取了一定的smT预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩，但由于滚珠丝杠的传动效率很高，其摩擦阻力矩相对与其它负载转矩小得多，故一般不用考虑。（2） 等效负载转矩 。由书上机电一体化公式得mepT ep1()02mvFn溜纵 摩 12(2016)03.440.18N.m（3） 启动惯性阻转矩（ ）得计算。T惯这里以最不利于启动得快进速度进行计算，启动加速度（或制动减速）时间为t0.03s（一般在 0.031s 之间选择） ，由于电动机转速 2 mw418.7 ，取加（减）速曲线为等加（减）速梯形曲线，故1/60(240/6)mns1s角加速度为22418.7/03195mwst则 mepTJ惯 N.m1.395 N.m3.（5）步进电动机输出轴上总负载转矩 的计算T Tmep惯（0.18+1.395）N.m=1.575 N.m（6）步进电动机的匹配选择上述计算均未考虑机械系统的传动效率，当选择机械传动总效率 0.7 时/1.57/0.2.5TNm在车削时，由于材料的不均匀等因素的影想，会引起负载转矩突然增大，为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电动机丢步而引起加工误差，可以适当考虑安全系数，安全系数一般可在 1.22 之间选取。如果安全系数 K1.5，则步进电动机可按以下总负载转矩选择1.5.375.TKNm若选用上述预选的电动机 110BYG450，其最大静转矩 7.1 N.m。在四相六拍驱maxjT动时，其步矩角为 0.75（ ）/step，为保证带负载能正常加速起动和定位停止，电动机0的启动转矩 必须满足qTqT由书上机电一体化表 3.7 可知， 0.87，则 0.87 7.1=6.17 N.mmaxqjTqT故选用合格。5.4 横向电机的计算与选择（1） 等效转动惯量计算：根据理论力学公式计算进给系统中各回转部件的转动惯量。滚珠丝