毕业设计（论文）-普通车床的自动化改造.doc

普通车床的自动化改造摘 要随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高，加工设备的机械加工设备的加工的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c6150的基础上对其进行自动化改造。作者在搜索、查阅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 c6150 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 1普通车床的自动化改造目 录第1章 绪论31.1数控机床与数控技术31.1.1数控机床与发展趋势31.1.2数控技术31.1.3数控技术发展趋势31.1.4数控机床目前在工业中的地位31.2数控改造的必要性31.2.1机床与生产线数控化改造的市场31.2.2机床数控化改造的必要性71.3数控化改造的内容及优缺81.4对我国数控技术和产业化发展的战略见解101.4.1形势考虑101.4.2发展策略101.5本文的选题及主要研究内容111.5.1本文的选题111.5.2主要研究内容11第2章 数控车床总体改造方案及机械部分设计132.1设计要求132.1.1设计基本思路132.1.2改造方案的确定132.1.3设计目的132.1.4总体方案设计152.2滚珠丝杠的设计计算与选用152.2.1滚珠丝杠152.2.2滚珠丝杠的安装与使用322.3电机与滚珠丝杠连接用一级减速齿轮的设计与校核342.3.1齿轮传动342.3.2纵向减速齿轮的设计与校核352.3.3横向减速齿轮的设计与校核392.4进给系统的步进电动机的计算与选择422.4.1步进电动机422.4.2纵向电机的计算与选择442.4.3横向电机的计算与选择472.5电动刀架选择与介绍50第3章 普通车床自动化改造的单片机控制563.1系统设计563.2用单片机控制系统电路582、3.2.1存储器扩张电路583.2.2面板操作键和功能选择开关613.2.3键盘、显示器接口电路633.2.4步进电动机驱动电路设计643.2.5辅助电路设计67第4章 小结69参考文献70致 谢8111普通车床的自动化改造第1章 绪论1.1数控机床与数控技术1.1.1数控机床与发展趋势（1）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。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） 1970年的第四代-小型计算机；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。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。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数控技术 随着计算机、微电子、信息、自动控制、精密检测及机械制造技术的高速发展，机床数控技术有了长足的进步。近几年一些相关技术的发展，如刀具及新材料的发展，主轴伺服和进给伺服、超高速切削等技术的发展，以及对机械产品质量的要求越来越高等，加速了数控机床的发展。目前数控机床正朝着高速度、高精度、高工序集中度、高复合化和高可靠性等方向发展。1.1.3数控技术发展趋势（1）数控技术装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备。（2）数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业(it、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。1.1.4数控机床目前在工业中的地位 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。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。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。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。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。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。（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。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。1.3数控化改造的内容及优缺（1）国外改造业的兴起在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：bertsche工程公司、ayton机床公司、devlieg-bullavd（得宝）服务集团、us设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（retrofitting）业。（2）数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是nc化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成nc机床、cnc机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的cnc系统以最新cnc进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。（3）数控改造中主要机械部件改装探讨一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。 对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。齿轮副一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一安全防护 必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。1.4对我国数控技术和产业化发展的战略见解1.4.1形势考虑 我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。1.4.2发展策略 从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。 强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机(如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等)带动数控产业的发展。 在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。1.5本文的选题及主要研究内容1.5.1本文的选题目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3。用普通机床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。1.5.2主要研究内容 1. c6150车床数控化改造总体机械部件设计。2.进给系统的设计和选用。包括了进给滚珠丝杠的设计与选用，消隙减速齿轮系的设计计算与校核，进给用步进电机的选择与校核。3主轴脉冲发生器的安装4刀架的选用5.控制系统的设计。选用8031型号的单片机控制进给系统与刀架，并把脉冲发生器的数据通过单片机来加工螺纹。 第2章 数控车床总体改造方案及机械部分设计2.1设计要求2.1.1设计基本思路 改造c6150车床的基本思路是把原来的机床进行大修，只保留机床导轨、主轴、溜板、尾座等部件，其余的全部撤除。带之以滚珠丝杠和步进电机，用单片机系统来驱动各轴的运动。经过严密的计算和论证，选择丝杠和驱动电机，根据使用要求，选择系统配置和设计控制电路。2.1.2改造方案的确定c6150车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制的对象。察看c6150车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体改造方案为:对机床的改造部位是:拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架;拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副;主轴后端加一光电编码器用波纹管连接，供加工螺纹使用由于改造设计的是简易型经济数控，对该机床进行机械修理以便恢复机械精度要求，修理的主要目的是恢复机床导轨、主轴、拖板的精度，撤除机床主轴箱和溜板箱内的传动部件以及传动丝杠，只保留导轨、主轴、溜板、尾座。修理后已恢复其主要部件的精度。2.1.3设计目的利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.005mm/脉冲，横向脉冲为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电动机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架，主轴采用变频器控制。图一 c6150改造后系统传动图2.1.4总体方案设计由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。根据c616车床有关资料，总体方案的确定:采用单片机8031控制系统对数据进行计算处理。步进电动机经同步带轮传动或直接传动后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。主轴变速采用变频器调速控制。2.2滚珠丝杠的设计计算与选用2.2.1滚珠丝杠滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。2.2.2滚珠丝杠的安装与使用(1)润滑为使滚珠丝杠副能充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑方式主要有以下两种1. 润滑脂润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3。 润滑油润滑油的给油量标准如表16所示，但是随行程、润滑油的种类、使用条件（热抑制量）等的不同而有所变化。请注意使用。表16 润滑油的给油量标准（间隔3分钟）表一润滑油的给油量标准轴 颈 (mm)给油量 (cc)480.0310140.0515180.0720250.1028320.1536400.2545500.3055630.40701000.501001600.60(2)防尘滚珠丝杠副与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨耗，成为破损的原因。因此，考虑有污物异物（切削碎削）进入时，必须采用防尘装置（折皱保护罩、丝杠护套等），将丝杠轴完全保护起来。 另外，如没有异物，但有浮尘时可在滚珠螺母两端增加防尘圈，请用户根据需要按编号规则选定合适规格型号。(3)使用滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项：1. 滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时要在行程两端配置限位，以避免螺母越程脱离丝杠轴而使滚珠脱落。2. 滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动时，如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。 (4)安装 1)滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项：1. 滚珠丝杠副仅用于承受轴向负荷。径向力、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等不良负荷，从而可能造成丝杠的永久性损坏。因此，滚珠丝杠副安装到机床时应注意： o 丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三点成一线。 o 安装螺母时，尽量靠近支撑轴承； o 同样安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位。 2. 滚珠丝杠副安装到机床时，请不要把螺母从丝杠轴上卸下来。如必须卸下来时，要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意下列几点： o 辅助套外径应小于丝杠底径0.10.2mm. o 辅助套在使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩。 o 装卸时，不可使过大力以免螺母损坏。 o 装入安装孔时要避免撞击和偏心。2.3电机与滚珠丝杠连接用一级减速齿轮的设计与校核2.3.1齿轮传动齿轮传动在伺服进给系统中的作用是改变运动方向，降速、增大扭矩，适应不同丝杠螺距和不同脉冲当量的配比等。当在伺服电机和丝杠之间安装齿轮（直齿、斜齿、锥齿等）时，必然产生齿侧间隙，造成反向运动的死区，必须设法消除。2.3.2纵向减速齿轮的设计与校核（以下公式参考自机械设计基础）已知：传递功率为1.8kw，电动机驱动，小齿轮转速1500r/min，传动比i4，载荷平稳。使用寿命10年（10000h）。（1）选择齿轮材料及精度等级 因传动功率较大，选用硬齿面齿轮组合。小齿轮用crmnti渗碳淬火，硬度为5662hrc；大齿轮用40crhrc。选择齿轮精度等级为6级（金属切削机床）。（2）按齿面接触疲劳强度设计因两齿面均为钢质齿轮，可应用式（10.22）求出值。确定有关参数与系数：1）转矩 9.551.15n.mm2)载荷系数k 查表10.11取k=1.13）齿数和齿宽小齿轮的齿数取为20，则大齿轮为80。因单级齿轮传动为对称布置，而齿轮齿面又为软齿面由表10.20选取1。4）许用接触应力由图10.24查的 560mpa，530 mpa由表10.10查得1 601500110000 查表10.27得。由式（10.13）可得 故28mmm由表10.3取标准模数m1.5mm（3）主要尺寸计算 经圆整后取30mm 2m33mm（4）按齿根弯曲疲劳强度校核由式（10.13）得出如，则校核合格。确定有关系数与参数1）齿形系数查表10.13得2.81，2.182）应力修正系数查表10.14得1.56，1.803）许用弯曲应力由图10.25查得 440mpa，410 mpa。由表10.10查得 =1.3。由图10.26查的 。由式（10.14）可得 故 54.78mpa=338 mpa =37.2 mpa=齿根弯曲强度校核合格。（5）验算齿轮得圆周速度v 由表10.22可知，选6级精度式合格的。2.3.3横向减速齿轮的设计与校核（以下公式参考自机械设计基础）已知：传递功率为1.8kw，电动机驱动，小齿轮转速1500r/min，传动比i4，载荷平稳。使用寿命10年（10000h）。（1）选择齿轮材料及精度等级 因传动功率较大，选用硬齿面齿轮组合。小齿轮用crmnti渗碳淬火，硬度为5662hrc；大齿轮用40crhrc。选择齿轮精度等级为6级（金属切削机床）。（2）按齿面接触疲劳强度设计因两齿面均为钢质齿轮，可应用式（10.22）求出值。确定有关参数与系数：1）转矩 9.551.15n.mm2)载荷系数k 查表10.11取k=1.13）齿数和齿宽小齿轮的齿数取为20，则大齿轮为80。因单级齿轮传动为对称布置，而齿轮齿面又为软齿面由表10.20选取1。4）许用接触应力由图10.24查的 560mpa，530 mpa由表10.10查得1 601500110000 查表10.27得。由式（10.13）可得 故28mmm由表10.3取标准模数m1.5mm（3）主要尺寸计算 经圆整后取30mm 2m33mm（4）按齿根弯曲疲劳强度校核由式（10.13）得出如，则校核合格。确定有关系数与参数1）齿形系数查表10.13得2.81，2.182）应力修正系数查表10.14得1.56，1.803）许用弯曲应力由图10.25查得 440mpa，410 mpa。由表10.10查得 =1.3。由图10.26查的 。由式（10.14）可得 故 54.78mpa=338 mpa =37.2 mpa=齿根弯曲强度校核合格。（5）验算齿轮得圆周速度v 由表10.22可知，选6级精度式合格的。2.4进给系统的步进电动机的计算与选择2.4.1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。 步进电机的一些基本参数： 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，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。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。2.4.2纵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。故可取20、80；m1.5mm（模数），a20；m30mm，m120mm，33，123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） =7.80.185 0.185 7.8=35.7 =35.7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 =2.8 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）。根据书上机电一体化公式可知 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4m/min；（电动机）/（360）4000r/min；100kg；/i1000 r/min。则 （0.0067.50.185（35.72.8）/）1.0（2） 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。（3） 等效负载转矩。由书上机电一体化公式得 0.18n.m（4） 启动惯性阻转矩（）得计算。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2418.7，取加（减）速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为 则 n.m1.395 n.m（5）步进电动机输出轴上总负载转矩的计算 （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 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 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，电动机的启动转矩必须满足 由书上机电一体化表3.7可知，0.87，则0.87 7.1=6.17 n.m故选用合格。2.4.3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2m/min；步进电机的步矩角预选为1.8（）/step。故可取20、80；m1.5mm（模数），a20；m30mm，m120mm，33，123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） =7.80.185 0.185 7.8=35.7 =35.7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 =2.8 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）。根据书上机电一体化公式可知 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2m/min；（电动机）/（360）2000r/min；100kg；/i500r/min。则 （0.17.50.185（35.72.8）/）1.02（2） 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。（3） 等效负载转矩。由书上机电一体化公式得 0.376n.m（4） 启动惯性阻转矩（）得计算。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2209.35，取加（减）速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为 则 n.m0.74 n.m（5）步进电动机输出轴上总负载转矩的计算 （0.376+0.74）n.m=1.116 n.m（5） 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 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 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，电动机的启动转矩必须满足 由书上机电一体化表3.7可知，0.87，则0.87 7.1=6.17 n.m故选用合格2.5电动刀架选择与介绍选用常州宏达机床数控设备厂生产的四工位电动刀架，型号ld4-ck6132ld4系列电动刀架工作原理及特点： ld4型系列立式电动刀架采用涡轮蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的优点。发信转位采用霍尔元件，使用寿命长。图一 霍尔元件表二 外形尺寸及安装尺寸型号尺寸h1h2h3aee1dd1bfcl1l2l3l4ld4-ck062012248228015852649487892481388026.560ld4-ck06251285123120201580901268110932019611016.590ld4-ck612515558341361414108108148111261131018813616.590ld4-ck61321747038161121212612617112146133602261522190ld4-ck61361817738161121212612617112146133602261522890ld4-ck61401908140192202015215219212168133752421622390ld4-ck6150230121401912020152152192121681337524216263ld4-ck6163270145512003525150130200121771350029520040120ld4-ck650280145512401515210210240152101354033524033120第3章 普通车床自动化改造的单片机控制3.1系统设计数控机床微机系统有两种基本形式，即经济型和全功能型。所谓经济型系统是用一个计算机系统作主控单元，伺服系统大都为功率步进电动机，采用开环控制系统，全功能型的系统用24个计算机系统进行控制，各个cpu之间采用标准总线接口，或者采用中断方式通讯。伺服系统一般采用交流或直流电动机伺服驱动的闭环或半闭环控制。下图所示为本篇论文所设计的单片机所控制的普通车床（c6150改造后）的硬件框图，实用于普通车床的数控系统。图二 单片机所控制的普通车床（c6150改造后）的硬件框图本图中键盘用于手工输入零件的加工程序，显示器用于显示输入的指令和加工状态，8031对加工程序进行指令识别运算处理后，向锁存器输入进给脉冲，经x、y驱动模块伺服放大后，驱动x轴、z轴步进电动机，产生进给运动：8255的pb口输出控制信号m.s.t。其中m为辅助功能，主要示主电动机，冷却电动机的启/停控制信号：s为主轴调速控制信号：t为转刀架的转位换刀的转位换刀控制信号。本控制是选用8031单片机。8031单片机包含中央处理器、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。其内部结构的的功能如下：中央处理器：中央处理器(cpu)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，cpu负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作；数据存储器(ram)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的ram只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 程序存储器(rom)： 3.2用单片机控制系统电路 3.2.1存储器扩张电路存储器扩张电路如下图所示，eprom用于存储控制程序，ram用于存储加工程序。位了保证ram在掉电时加工数据不丢失，电路中还设计了掉电保护电路。图三 存储器扩张电路 6264ram芯片6264为静态ram，下图（三）为其管脚图。其是一种cmos工艺制作的芯片，由单一5v供电，额定功耗为200uw，典型存取时间为200ns，28线双列直插式扁平封装选端ce1，ce2。图三 6264管脚图表三 芯片6264操作方式管脚操作方式ce1ce2oewed0-d7未选中（掉电）1任意任意任意高阻未选中（掉电）任意0任意任意高阻输出禁止0111高阻读出0101dot1写入0110din写入0100din74ls373锁存器74ls138为八d锁存器（3s，锁存允许输入有回环特性）。373 的输出端o0o7