基于CA6150普通车床的数控化改造毕业论文.doc

本 科 毕 业 论 文（设 计）基于CA6150普通车床的数控化改造CA6150 Ordinary Lathe Based On The Numerical Control Transformation:学 生 姓 名： 学 院： 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 审 阅 教 师： 完 成 日 期： 独创性说明作者郑重声明：本毕业论文（设计）是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得辽东学院或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名：_ 日期：_ _ 摘 要目前，我国拥有300多万台机床，是生产和使用机床最多的国家之一, 但现有机床大多数服役年龄较长，大都是多年来生产积累的通用机床，设备陈旧落后，柔性和自动化程度低，要想在短时期内大量地更新现有设备，无论从资金还是国内机床制造厂的生产能力都很难做到。对于机床进行数控化改造投资少，见效快，是机械制造厂挖掘技改的一条成功之路。 对CA6150车床进行数控化改造，使其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，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。加工零件的精度高，尺寸分散度小，拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，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。由于数控机床具有自动化程度高加工精度高，质量稳定，便于生产管理现代化等特点。数控机床的应用越来越普及，也是制造业现代化的必然趋势。如果全部淘汰旧机床而采用新的数控机床不仅所需资金太大，而且会造成原有设备的闲置和浪费。 我国的再制造技术研究起步较晚，迫切需要大力发展，即能充分利用原有的旧设备资源，减少浪费又能够以较小的代价获得性能先进的设备，满足现代化生产的要求。本文介绍普通车床的数控化改造，重点介绍机床数控化改造方案的确定，基本步骤，目的，经济合理性，机床数控化改造计算（各种设计参数和结构，机械部分和电气部分）。关键词： 伺服电机；精度修复；润滑；数控系统CA6150 Ordinary Lathe Based On The Numerical Control TransformationAbstractAt present,China has more than 300 million machine tools,she is one of the largest country to production and use machine tools, but most of the existing machine tools serving older. Mostly for the production of generic machine tools accumulation, outdated equipment, low level of Soft and automation. If want to update the existing equipment in a short time, whether from internal funds or machine tool factory capacity will be very difficult to achieve. Numerically controlled machine tools for the transformation of the investment, effective, and is a machinery factory excavation technological transformation on the road to success. CA6150 lathe for digital technology to transform so that it can not be processed by the processing of the curve of traditional machine tools, camber and other complex components. Automated processing can be achieved, but flexible automation to increase efficiency comparable traditional machine tools 37 times. Reduced labor intensity of the workers, labour savings, reducing suits, thus shortening the production cycle and new product testing cycle, rapid response to market demand, and so on. Ease of production characteristics of modern management. Numerically controlled machine tools applications growing popularity is the inevitable trend of modern manufacturing. If all out of the old machine tools and the introduction of new digital machine is not only the necessary funds, but will also cause the original equipment idle and waste. Our country remanufacturing technology research started rather late. the urgent need to develop, namely the old equipment to fully utilize existing resources, reduce waste and the costs can be advanced to the smaller equipment to meet the requirements of modern production.This text introduces the number of the common lather to control to turn a reformation, the point introduction tool machine number controls to turn the reformation project to really settle, basic step, purpose, economic rationality, the tool machine number controls to turn the reformation calculation.(various design parameter and structure, the machine part and electricities part).Keywords：Electrical Exchange；Servo；Precision Repair；Lubricant；Digital Systems目 录摘 要IAbstractII一、绪论1（一）数控技术和制造装备发展趋势11.数控技术的发展趋势12.我国数控技术和产业化发展的分析4二、CA6150机床系统的总体设计5（一）总体方案设计内容51.CA6150系统运动方式的确定52.CA6150控制方式的选择5（二）总体方案确定51.CA6150系统的运动方式的选择52.CA6150数控系统的确定53.CA6150机械传动方式的确定6三、CA6150进给系统设计计算7（一）脉冲当量的选择7（二）切削力的计算71.纵车外圆的切削力计算82.横切端面的切削力计算8（三）CA6150机床滚珠丝杠螺母副的计算和选型81.纵向进给丝杠的选择和计算92.横向进给丝杠的选择和计算14（四）CA6150进给齿轮箱传动比的计算181.纵向进给齿轮箱传动比计算182.横向进给齿轮箱传动比计算18（五）CA6150机床步进电机的选型191.纵向进给步进电机的计算192.横向进给步进电机的计算和选型23四、CA6150机床微机数控系统的设计24（一）微机数控系统的设计241.硬件电路的设计242.软件电路的设计25（二）8031单片机的扩展251.8031单片机的系统扩展252.8031单片机的存储器扩展263.8031单片机的I/O口扩展27（三）步进电机驱动电路的分析271.脉冲分配器（环行分配器）的分析272.光电隔离电路的分析283.功率放大器的分析28（四）CA6150机床数控系统的软件设计291.软件脉冲分配器的分析292.逐点比较法插补程序313.步进电机升降速软件的设计32五、CA6150机床的零件加工程序编写34结 论35参 考 文 献36致 谢37附 录38一、绪论（一）数控技术和制造装备发展趋势 当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状，在此基础上讨论了在我国加入WTO和对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法1。 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（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”2。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策3。总之，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，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。1.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、意料等）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4。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：（1）高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一5。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工6。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60 000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12X1000r/mm和1g7。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大8。（2）5轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展9。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制10。 （3） 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control System)等11。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元12。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak）公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称CPC）；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza”（信息技术广场，简称IT广场)；德国西门子（Siemens）公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势13。2.我国数控技术和产业化发展的分析（1）战略分析我国是制造大国，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”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。（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。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品14。二、CA6150机床系统的总体设计 （一）总体方案设计内容接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。1.CA6150系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。2.CA6150控制方式的选择系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。（二）总体方案确定1.CA6150系统的运动方式的选择由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。2.CA6150数控系统的确定根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。3.CA6150机械传动方式的确定为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。系统总体方案框图如下： 图2.1系统总体方案框图三、CA6150进给系统设计计算（一）脉冲当量的选择脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/step15。根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向：0.01mm/step ；横向：0.005mm/step(半径)（二）切削力的计算用车床经验公式F=0.67D来计算主切削力。式中D指车床身上最大加工直径（mm），横切端面时主切削力可取纵切时F的1/2。求出主切削力F以后再按以下比例分别求出分力F和F。F：F：F=1 ：0.25 ：0.5式中 F：指走刀方向的切削力（N）； F：指垂直走刀方向的切削力（N）。 下图为纵切和横切时切削力的示意图。图3.1纵切和横切时切削力的示意图1.纵车外圆的切削力计算主切削力F(N)按经验公式估计算： F=D= （N）按切削力各分力比例： F：F：F=1 ：0.25 ：0.4 F（N）F（N）2.横切端面的切削力计算主切削力（N）可取纵切的1/2。 （N） （N） （N）（三）CA6150机床滚珠丝杠螺母副的计算和选型图3.2总体传动简图1.纵向进给丝杠的选择和计算（1）滚珠丝杠副支撑方式的选择由于固定-支承适用于中等转速、高精度。所以Z向选择固定-支承式。如图3.3。1-电动机 2-弹性联轴器 3-轴承 4-滚珠丝杠 5-滚珠丝杠螺母图3.3滚珠丝杠副支撑方式Z向的固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。Z向支撑端选择一个深沟球轴承。（2）计算进给轴向力F（N）纵向进给这里为三角形导轨：F，式中K：指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15；：指滑动导轨摩擦系数取0.150.18之间的值；G：指流板及刀架重力，G=1100N。则 F=（N）。（3）计算最大动负载Q考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响，则最大动负载Q的计算公式为：Q L n式中 ：指滚珠丝杠导程，初选=8； n：指丝杠转速，（r/min）； ：指最大切削力条件下的进给速度（m/min），可取最高进给速度的1/21/3，此处取=0.3； ：指使用寿命时间（h），对于数控机床取T=15000h.。L：指寿命，以10转为一单位；：指运动系数，见表3.1，选=1.3。表3.1运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.52.5则 n( r/min)L Q（N）。（4）滚珠丝杠螺母副的选型从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找到相应的动负载C的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应满足Q C的条件。查表：可采用WL5008外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5圈1列，其额定动负载为23400N，符合Q C的条件。精度等级按表 2，选为1级。Vmm表 3.2滚珠丝杠行程公差项目符号有效行程（mm）精度等级12345目标行程公差e6812162331540079131825400500810152027500630911162230行程变动量公差V6812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300 mm内行程变动量V681216232弧度内行程变动量V45678（5）传动效率计算 式中 ：指螺旋升角，=255； ：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数其摩擦角，约等于。则 。（6）刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如图3.4所示，最大轴向力为N，支承间距L=1500mm，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。图3.4纵向进给系统计算简图计算如下：1） 丝杠的拉伸或压缩变形量（mm）： F=N， L=8mm, EN/mm(材料弹性模数，对钢来说是等于这个值)，mm， R=2.477， e=0.068mm，则 d( mm)；A(mm) （A指滚珠丝杠按内径定的 截面积）。丝杠导程L的变化量为： 总长度L=1500mm，丝杠上的变形量，由于两端均采用推力球轴承，则值： (mm)。2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形（mm）：由d=4.763mm， F=kgf，承载滚珠数量 ZZ 由于滚珠丝杠副施加预应力，且预应力F为轴向负载的1/3，则变形量： =0.0013 （mm）3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变（mm）：这里采用有预紧时的推力球轴承则： 查机械设计手册中表6-2-82，采用51109型推力球轴承，其d=45mm，滚动体直径D=3.969mm， 滚动体数量Z=22， （mm）则定位误差 =0.01785mm0.025mm(规定定位精度)。（7）稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，故不需作稳定性校核。2.横向进给丝杠的选择和计算X向选择固定-自由式，如图3.5。 1电动机 2弹性联轴器 3轴承 4滚珠丝杠 5滚珠丝杠螺母 图3.5 X向支撑方式单列圆锥滚子轴承这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能也好。所以X向固定端选择一对单列圆锥滚子轴承。（1） 进给轴向力的计算 横向导轨为燕尾形，计算如下： 由于是燕尾形导轨式中： K=1.4，=0.2则 N。（2）最大动负载Q的计算 n( r/min)L Q（N）查表：可采用WL2506外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5圈1列，其额定动负载为13100N，符合Q C的条件。精度等级按表 3.2滚珠丝杠行程公差表，选为1级。 Vmm（3）传动效率的计算（4）刚度验算横向进给滚珠丝杠支承方式如图3.6所示，最大轴向力为2759N，支承间距L=550mm, 因丝杠长度较短，不需要预紧。图3.6横向进给系统计算简图计算如下：1) 丝杠的拉伸或压缩变形量（mm）根据 N， D=25mm，EN/mm，R=2.064，e=0.056mmd( mm)A(mm) （mm）。2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形（mm）对滚珠丝杠副施加预紧力F为轴向负载的1/3。由 mm，kgf 得：承载滚珠数量 ZZ =0.0013 （mm）3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变（mm）这里采用有预紧时的推力球轴承则 ： 查机械设计手册中表6-2-82，采用51104型推力球轴承，其d=20mm，滚动体直径D=3.175mm，滚动体数量Z=14， （mm）则定位误差 =0.03682 (mm) 显然变形量已大于规定的定位精度（），应该采取相应的措施修改，因横向溜板空间限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨来减少摩擦力，从而减少轴向力，采用贴塑导轨=0.030.05。重新计算如下： NQ（N）由此可知：滚珠丝杠螺母副和轴承的型号可不改变。此时的变形量为：（mm）；=0.0013 （mm）； （mm）。定位误差 0.02412 (mm) 0.025mm(规定定位精度)。（5）稳定性校核临界负载与工作负载 之比称为稳定性系数，如果，则压杆稳定，为许用稳定性安全系数，一般=2.54。计算临界负载（N）： 式中 E：指丝杠材料弹性模量，对钢E（N/mm）； J：指截面惯性矩（mm）；丝杠截面惯性矩J（为丝杠螺纹的底径）； ：丝杠两支承端距离（mm）；：丝杠支承方式系数，见表3.3，这里。表3.3滚珠丝杠支承方式系数方式一端固定一端自由两端简支一端固定一端简支两端固定0.251.002.004.00则 ： N ，所以此丝杠不会产生失稳。图3.7滚珠丝杠的结构及工作原理图（四）CA6150进给齿轮箱传动比的计算1.纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角，可计算出传动比： 在闭式软齿面齿轮传动中，齿轮的弯曲强度总是足够的，因此齿数可取多些，推荐取Z=2440。所以可选定齿轮数为：2.横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角，可计算出传动比：可选定齿轮数为： 因进给运动齿轮受力不大，取模数m=2。有关参数参照表3.4。表3.4传动齿轮几何参数所处位置纵向横向齿数24401845分度圆直径d=mz48803690齿顶圆直径52844094齿根圆直径43753185齿宽（610）m16161616中心距6463（五）CA6150机床步进电机的选型1.纵向进给步进电机的计算（1） 等效转动惯量的计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算：16式中 ：指步进电机转子转动惯量；、：指齿轮、的转动惯量；：指滚珠丝杠转动惯量；：指工件及工作台重量（N）；：指丝杠导程（）；参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量。（分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽） ； （分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽） ； （分别表示纵向滚珠丝杠的公称直径和支承间距） 。把这些数据代入上式： 。（2）电机力矩的计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按个阶段计算：1）快速空载起动力矩 在快速空载起动阶段，加速度所占的比例较大，具体计算公式如下：16；。以上式中 ：指空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩（）； ：指折算到电机轴上的摩擦力矩（）；：指丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（）；：指传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量； ：指电机最大角加速度（）； ：指电机最大转速（）；：指运动部件最大进给速度（）；：指脉冲当量（）；：指步进电机步距角（）；：指运动部件从停止起动到最大快进速度所需时间（s），这里是30ms；：指导程的摩擦力（N），；：指垂直方向的切削力（N）；：指工件及工作台重量（N）；：指导轨摩擦系数，；：指运动部件的总重量（N）；：指齿轮降速比；按计算；：指传动链总效率，一般可取；：指滚珠丝杠预加负载，一般取/3，为进给轴向力（N）；：指滚珠丝杠导程；：指滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取。将以前计算所得数据代入： ； （）； （）；（）；则 （）。2）快速移动时所需力矩 （）。3）最大切削负载时所需力矩 （）。从上面计算可以看出，、和三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。由表3.5得：当步进电机为三相六拍时，则（N）。表3.5步进电机起动转距与最大静转距关系步进电机相数三相四相五相六相拍数36485106120.50.8660.7070.8090.9510.8660.866按此最大静转距从表中查出，150BF002型最大静转距为13.72，大于所需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运动矩频特性。（4）计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率；。可查出150BF002型步进电机允许的最高空载启动频率为2800运行频率为8000，再从图5查出150BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。从图中看出，当步进电机起动时，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（800.77），直接使用则会出现失步，所以必须采用升降速控制（用软件实现），半起动频率降到1000，起动力矩可提高到588.4，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频则完全可以满足要求17。2.横向进给步进电机的计算和选型与纵向进给步进电机计算的方法一样，如果纵向的步进电机能满足条件那横向的就也可以满足条件，则这选用与纵向相同的步进电机。四、CA6150机床微机数控系统的设计（一）微机数控系统的设计1.硬件电路的设计硬件是组成系统的基础，也是软件编程的前提，数控系统硬件设计包括以下几部分内容：（1） 绘制系统电气控制的结构框图据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。机床硬件电路由五部分组成：1） 主控制器，即中央处理单元CPU；2） 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；3） 存储器，包括程序存储器和数据存储器；4） 接口，即输入/输出接口电路；5） 外围设备，如键盘、显示器等。机床数控系统硬件框图如图4.1所示： 图4.1机床数控系统硬件框图（开环系统）（2）选择中央处理单元CPU的类型根据设计要求，CNC系统的主CPU采用8031单片机。（3）存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。选择EPROM作程序存储器时，应考虑：1) 速度应与CPU时钟匹配；2) 容量适中。（4）I/O接口电路设计设计内容包括：据外部要求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。这部分设计要求考虑系统的驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。在存储器扩展和I/O接口电路中，均涉及到地址译码问题。2.软件电路的设计软件是硬件的补充，确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。（1）软件设计步骤软件设计步骤分为以下几步：1） 据软件要求实现的功能，制定出软件技术要求；2） 将整个软件模块化，确定个模块的编制要求，包括模块功能，入口参数，出口参数；3） 据硬件资源，合理分配好存储单元；4） 分别对个模块编程，并调试；5） 连接各模块，进行统一调试及优化；6） 固化到程序存储器中。（2）数控系统中常用的软件模块1）软件实现环形分配器；2）插补运算模块；3）自动升降速控制模块等。（二）8031单片机的扩展1.8031单片机的系统扩展 8031单片机内无程序存储器，如不扩展外部程序存储器则不能工作，且片内仅有128字节数据存储器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片内RAM也不够用，须扩展。8031片内四个I/O口中仅P1口可作为8位双向的I/O接口用户使用，也须扩展，有些情况还须扩展定时/计数器等。（1）8031的片外总线结构所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展：1） 数据总线（DB）：由P0口提供，数据总线要连接到连接的所有外围芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。2） 地址总线（AB）：16位，可寻址范围为64K字节，AB由P0口提供低8位地址，与数据分时传送，传送数据时将低8位地址锁存，高8位地址由P2口提供。3） 控制总线（CB）：系统扩展用控制总线有、ALE、。（2）系统扩展能力据地址总线的宽度，在片外可扩展的存储器最大容量为64K字节。片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号。允许两者的地址重复。故片外可扩展的数据存储器与程序存储器分别为64K。扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。（3）地址锁存器8031扩展系统时，由P0口提供数据及低8位地址，分时传送，故须地址锁存。常用的地址锁存器芯片是74LS373（带三态缓冲输出的8D触发器）。（4）地址译码8031扩展电路中，都涉及到外部地址空间分配问题，即当8031数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选，然后再进行片内地址选择。地址译码实现片选的方法可分为三种：线选法、全地址译码法和部分地址译码法。这里选用部分地址译码法。这种方法是线选与地址译码相结合。图4.2为74LS138码器的引脚图。当G时，74LS138工作。C、 B、A的输出决定译码器的输出引脚。图4.2 74LS138引脚图2.8031单片机的存储器扩展（1）存储器常用芯片1）EPROM芯片 常用的程序存储器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均为28脚双列直插式扁平封装长片。EPROM选用原则：（a） 据控制对象和任务的复杂程度，以及是否需要大量计算来确定存储系统容量（粗略估计，留有一定余地，以备系统的功能扩展用），为使电路简化，尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合。（b） 芯片的工作速度满足系统的时序要求。8031访问EPROM时，其所提供的读取时间t与所选的晶体时钟有关，约为3T，不同型号的EPROM工作速度一般为200450ns，故选取芯片时，应使其工作速度小于t。2）数据存储器数据存储器有动态和静态之分，两者相比，静态RAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，扩展简单，在数据存储器扩展电路中应用较广泛。常用的静态RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它们都由单一的+5V电源供电，28脚双列直插式扁平封装，典型存取时间为150200ns。（2）存