C616车床数控改造设计【4张CAD图纸+毕业答辩论文】
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c616
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摘要
介绍普通C616车床的数控改造，因为我国多年积累了大部分的普通机床，自动化程度低，想要短期内大量更换新机床，是不现实的。为了节省资金，提高生产效率，所以要对普通车床进行数控改造。
采用MCS－51系列单片机控制经济型数控机床，用步进电机来驱动进给系统，实现自动加工。原理为：根据加工零件的图样与工艺方案，通过单片机控制，转化成脉冲信号，经放大电路后驱动纵向和横向步进电机，通过滚珠丝杠实现刀架纵向、横向两个方向的进给，以完成工件的加工。
数控改装后的车床在纵向和横向具有圆弧和直线插补功能，该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。改造后车床可以加工出各种形状的复杂的回转零件,并能实现多工序自动车削,从而提高了生产效率和加工精度,也能适应小批量多品种复杂零件的加工.
关键词 数控改造；进给系统；步进电机；单片机
目 录
摘要I
第1章 绪论1
1.1 课题背景1
1.2 数控改造的必要性1
1.3 设计任务2
第2章 设计任务与总体方案的确定3
2.1 设计任务3
2.2 总体设计方案确定3
第3章 机床进给伺服系统机械设计计算及结构设计说明5
3.1 主要设计参数如下5
3.2 确定脉冲当量5
3.3 纵向进给系统的设计计算5
3.3.1 已知条件5
3.3.2 切削力计算6
3.3.3 滚珠丝杠设计计算6
3.3.4 齿轮及转矩的有关计算8
3.4 横向进给系统的设计计算10
3.4.1 横向进给系统的设计10
3.4.2 横向进给系统的计算10
3.5 步进电机的选择14
3.5.1 步进电机选用的基本原则14
3.5.2 步进电机的选择16
第4章 数控系统的硬件电路设计18
4.1 绘制系统电气控制结构框图18
4.2 单片机控制系统设计19
4.2.1 8031单片机的基本特性19
4.2.2 8031芯片引脚功能19
4.3 存储器扩展电路20
4.3.1 8031与EPROM的连接20
4.3.2 数据存储器的扩展20
4.3.3 程序存储器的扩展21
4.4 I/O接口电路及辅助电路设计21
4.4.1 I/O接口电路21
4.4.2 辅助电路设计22
4.5 绘制微机控制电路原理图24
4.5.1 控制系统的功能24
4.5.2 采用软件环形分配图24
4.5.3 自动回转刀架的控制24
4.5.4 螺纹加工控制24
4.5.5 地址编码24
结论26
参考文献27
致谢28
第1章绪论
1.1课题背景
随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量的不断提高，产品的更新换代也不断加快，因此对机床不仅要求具有较高的精度和生长率，而且应能迅速的适应产品零件的变换。我国生产的需要促使了数控机床的产生，随着电子技术，特别是计算机技术的发展，数控车床迅速发展起来。
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0.6～0.8万台，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。
- 内容简介：
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哈尔滨理工大学荣成学院 专科生毕业设计（论文）任务书 学生姓名： 王政海 学号： 1030310106 学 院： 荣成学院 专业：机械设计与制造 任务起止时间： 2013年 02月 25日至 2013年 06月 21日 毕业设计（论文）题目： C616车床数控改造 毕业设计工作内容： 1、实际调研，收集相关资料； 1 3周。 2、结合生产实际，对 C616车床数控改造； 3、设计 C616车床数控改造原理图； 4 7周。 4、设计 C616车床数控改造纵向、横向进给结构图 ； 8 11 周。 5、设计零件的工作图； 12-13周。 6、撰写毕业设计论文；准备答辩。 14-16周。 注：要求全部用计算机绘图和打印文稿（交打印件和电子稿） 资料： 1、金属切削机床与数控机床； 2、非标设计手册； 3、金属切削用量手册； 4、相关的技术资料。 指导教师意见： 签名： 2013年 2 月 24 日 系主任意见： 签名： 2013年 2月 25日 nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 毕 业 设 计 题 目： C616 车床数控系统改造 院、 系： 机械设计与制造 姓 名： 王政海 指导教师： 张宝海 系 主 任： 陶福春 2013 年 5 月 8 日 nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 I 摘要 介绍普通 C616车床的数控改造，因为我国多年积累了大部分的普通机床，自动化程度低，想要短期内大量更换新机床，是不现实的。为了节省资金，提高生产效率，所以要对普通车床进行数控改造。 采用 MCS 51系列单片机控制经济型数控机床，用步进电机来驱动进给系统，实现自动加工。原理为：根据加工零件的图样与工艺方案，通过单片机控制，转化成脉冲信号，经放大电路后驱动纵向和横向步进电机，通过滚珠丝杠实现刀架纵向、横向两个方向的进给，以完成工件的加工。 数控改装后的车床在纵向和 横向具有圆弧和直线插补功能，该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。改造后车床可以加工出各种形状的复杂的回转零件 ,并能实现多工序自动车削 ,从而提高了生产效率和加工精度 ,也能适应小批量多品种复杂零件的加工 . 关键词 数控改造； 进给系统；步进电机； 单片机 nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 II 目 录 摘要 . I 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 数控改造的必要性 . 1 1.3 设计任务 . 2 第 2 章 设计任务与总体方案的确定 . 3 2.1 设计任务 . 3 2.2 总体设计方案确定 . 3 第 3 章 机床进给伺服系统 机械设计计算及结构设计说明 . 5 3.1 主要设计参数如下 . 5 3.2 确定脉冲当量 . 5 3.3 纵向进给系统的设计计算 . 5 3.3.1 已知条件 . 5 3.3.2 切削力计算 . 5 3.3.3 滚珠丝杠设计计算 . 6 3.3.4 齿轮及转矩的有关计算 . 8 3.4 横向进给系统的设计计算 . 11 3.4.1 横向进给系统的设计 . 11 3.4.2 横向进给系统的计算 . 11 3.5 步进电机的选择 . 15 3.5.1 步进电机选用的基本原则 . 15 3.5.2 步进电机的选择 . 16 第 4 章 数控系统的硬件电路设计 . 18 4.1 绘制系统电气控制结构框图 . 18 4.2 单片机控制系统设计 . 19 4.2.1 8031 单片机的基本特性 . 19 4.2.2 8031 芯片引脚功能 . 19 4.3 存储器扩展电路 . 21 4.3.1 8031 与 EPROM 的连接 . 21 4.3.2 数据存储器的扩展 . 21 4.3.3 程序存储器的扩展 . 21 4.4 I/O 接口电路及辅助电路设计 . 22 4.4.1 I/O 接口电路 . 22 4.4.2 辅助电路设计 . 23 nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 III 4.5 绘制微机控制电路原理图 . 25 4.5.1 控制系统的功能 . 25 4.5.2 采用软件环形分配图 . 26 4.5.3 自动回转刀架的控制 . 26 4.5.4 螺纹加工控制 . 26 4.5.5 地址编码 . 26 结论 . 27 参考文献 . 28 致谢 . 29 nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 1 第 1章 绪论 1.1 课题背景 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量的不断提高，产品的更新换代也不断加快，因此对机床不仅要求具有较高的精度和生长率，而且应能迅速的适应产品零件的变换。我国生产的需要促使了数控机床的产生，随着电子技术，特别是计算机技术的发展，数控车床迅速发展起来。 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0.6 0.8 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。 1.2 数控改造的必要性 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 3 7 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”。 nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 2 - 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。 1.3 设计任务 本课题是将普通 C616 车床改造 MCS 51 系列单片机控制的经济型数控车床，采用步进电机开环控制，纵向和横向具有圆弧和直线插补功能，该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。 1.4 本章小结 本章主要介绍了论文的课题背景，数控改造的必要性以及设计任务。 nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 3 - 第 2章 设计任务与总体方案的确定 2.1 设计任务 本设计任务是对 C616 普通机床进行数控改造。利用 MCS 51 系列单片机对纵向横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为 0.005/脉冲 ，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠，刀架采用自动转位刀架。 设计参数如下： 最大加工直径： 在床面上： 320mm 在床鞍上： 175mm 最大加工长度： 700mm 快进速度： 纵向： 2.0m/min 横向： 1.2m/min 最大切削进给速度： 纵向： 0.5mm/min 横向： 0.25mm/min 代码制： ISO 脉冲分配方式： 逐点比较法 输入方式： 增量，绝对值通用 控制坐标数： 2 最小指令数： 纵向： 0.01mm/脉冲 横向： 0.005mm/脉冲 刀具补偿量： 0 99.99mm 进给传动链间隙补偿量： 纵向： 0.15mm 横向： 2.5mm 自动升降速性能： 有 2.2 总体设计方案确定 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。 nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 4 - 因为改造后车床具有定位、直线插补、圆弧插补、顺逆插补、暂停、循环加工、公制螺纹车削等加工功能，故应采用连续控制系统。 考虑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。 因为 MCS 51 系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，性价比高等特点，决定采用 MCS 51 系列 8031 单片扩展系统。 为保证一定的传动精度和平衡性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺旋副。 车床数控改造的总体方案见图 2 1： 功率放大器控制计算机磁带计算机手工输入数控程序编 制 加工工件图 纸 或步进电机变速箱车床工件变速箱图 2 1 数控改造的总体方案示意图 2.3 本章小结 本章主要介绍了 C616 的数控改造设计任务以及 确定了整体设计方案。 nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 5 - 第 3章 进给伺服系统机械设计计算及结构设计 3.1 主要设计参数如下 溜板重量： 800N 刀架重量： 300N 刀架快进速度： 纵向： 2m/min 横向： 1.2m/min 最大进给速度： 纵向： 0.5mm/min 横向： 0.25mm/min 主电机功率： 7.5KW 启动加速时间： 26ms 机床定位精度： 0.015mm 3.2 确定脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量 纵向： 0.01mm/步 横向： 0.005mm/步 3.3 纵向进给系统的设计计算 3.3.1 已知条件 工作台重量： W 80kgf 800N（根据图纸粗略计算） 时间常数： T 25ms 滚珠丝杠基本导程： oL 6mm 行程： S 640mm 脉冲当量： p 0.01/step 步距角： 0.75 /step 快速进给速度： maxV 2m/min 3.3.2 切削力计算 由机床设计手册 7 可知，切削功率 KNN c （ 3 1） nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 6 - 式中 N 电机功率，查机床说明书， N 4kW 主传动系统总功率，一般为 0.6 0.7 取 0.65 K 进给系统功率系数，取 K 0.96 则： 2 . 4 9 6 k W0 . 9 60 . 6 54 cN 又因为 6120FN zc（ 3 2） 所以 Fz c6120N（ 3 3） 式中 v 切削线速度，取 v 100m/min 主切削力 1 5 2 7. 6 N1 5 2 . 76 k g f100 2 . 4 9 66120 zF由金属切削原理可知 1 ，主切削力 ZzF FFFpF KfYXC ZZZ （ 3 4） 查表得： ZFC 188kgf/ 2mm 1880MPa ZFX 1 ZFY 0.75 ZFK 1 则可计算 zF 如表 3 1 所示： 表 3 1 zF 计算结果 p ， mm 2 2 2 3 3 3 f ， mm 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 zF ， N 1125 1524 1891 1687 2287 2837 当 zF 1520N 时，切削深度 p 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 7 中可得知，在一般外圆车削时： XF （ 0.1 0.6） zF zF （ 0.15 0.7） zF （ 3 5） 取： XF 0.5 zF 0.5 1527.6 763.8N YF 0.6 zF 0.6 1527.6 916.5N 3.3.3 滚珠丝杠设计计算 三角或综合导轨机床的轴向力： W)f(FKFP ZX （ 3 6） 式中 K 1.15， f =0.150.18,取为 0.16 则 P 1.15 763.8+0.16（ 1527.6+800） nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 7 - 3.3.3.1 强度计算 寿命值 6iii 1060nL T （ 3 7） 00主i DL1 0 0 0 v fL fnn （ 3 8） 取工件直径： D 80mm，查表得 iT 15000h 则： 2 0r / m in6803 . 14 0 . 31 001 00 0n i 1810 15 0002060L 6i 最大动负载： HW3 i fPfLQ （ 3 9） 查表得： 运转系数 Wf 1.2 硬度系数 Hf 1 则 3 9 3 3 . 6 N1 2 5 0 . 811 . 218Q 3 根据最大动负荷 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 BFC1 系列，滚珠丝杠直径选为 32mm ，型号为BFC1 32 6 5 2E ，其额定动载荷式 10689N，所以强度够用。 3.3.3.2 效率计算 根据机械原理 8 的公式，丝杠螺母副的传动效率 为： )tan(tan （ 3 10） 式中 摩擦角 10 螺旋升角 253 则 0 . 9 5 3)1025t a n (3 25t a n 3 3.3.3.3 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 EFPLL 01 （ 3 11） 式中 0L 6mm 0.6cm 26 N /c m162 0. 6E 滚珠丝杠截面积 3 . 1422 . 803 12dF 22 nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 8 - 则 mc105 . 93 . 1 422 . 8 0 3 1102 0 . 60 . 61 2 5 0 . 8L 6261 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 2L 很小，可忽略，即 ： L 1L 。所以： 导程变形总误差 为 L100 0 9 . 8 .8 105 . 90 . 61 00L 6 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（ 1m 长）为 15m /m ，故刚度足够 3.3.3.4 稳定性验算 由于机床原丝杠直径为 30mm ，现选用的滚 珠丝杠的直径为mm32 ，支承方式不变，所以稳定性不存在问题 3.3.4 齿轮及转矩的有关计算 3.3.4.1 有关齿轮的计算 传动比 1 . 2 50 . 0 1360 60 . 7 5360 Li p0 故取 1Z =32 2Z =40 m=2mm b=20mm =20 6 4 m m322mZd 11 8 0 m m402mZd 22 6 8 m m2hdd a1a1 8 4 m m2hdd a2a2 7 2m m2 80642 dd 21 3.3.4.2 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 : 222p1 cm0 . 4 6 8 k g800 . 7 53 . 1 4 0 . 0 1180W180 J 丝杠的转动惯量： 3.1403 . 2107 . 8LD107 . 8J 44144s nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 9 - 22 cm1 1 4 .7 5 Ncm1 1 .4 7 5 k g 齿轮的转动惯量： 2244Z1 cm2 6 . 1 7 Ncm2 . 6 1 7 k g26 . 4107 . 8J 2244Z2 cm6 3 . 9 Ncm6 . 3 9 k g28107 . 8J 电机转动惯量很小可忽略。 因此，总的转动惯量： 2221Z1Z2s2cm1 4 5 . 1 9 Ncm1 4 . 5 1 9 k g0 . 4 6 82 . 6 1 76 . 3 9 )( 1 1 . 4 7 51 . 2 51JJ)J(Ji1J3.3.4.3 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 0m a x MMMM fa （ 3 12） 最大切削负载时所需力矩 tfat MMMMM 0（ 3 13） 快速进给时所需力矩 0MMM f （ 3 14） 式中 maxaM 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； fM 折算到电机轴上的摩擦力矩； 0M 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩； atM 切削时折算到电机轴上的加速度力矩； tM 折算到电机轴上的切削负载力矩。 mN109 . 6 TJ 4n aM 当maxnn 时 aa MM max4 1 6 . 7 r / m in61 . 2 52 0 0 0Livn0m a xm a x m2 . 5 2 N100 . 0 2 59 . 6 4 1 6 . 71 4 . 5 19 4m a x aM当tnn时 ata MM nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 10 - 2 4 . 8 8 r / m i n6803 . 1 41 . 2 50 . 31 0 01 0 0 0LfD1 0 0 0 vLfnn0i0i主t m0 . 1 5 05 N100 . 0 2 59 . 6 2 4 . 8 81 4 . 5 19M 4at i0i00 2WLf2 LF fM当 0.8 f 0.16 时 m1223N.01. 250. 83. 142 0. 6800. 16 fM )(12 LP 20i000 M当0 0.9 时预加载荷XFP 310 则： 1. 250. 83. 146)0. 90. 6( 176. 3861 22000 ix )(LFM =0.0462N.m 1 .2 50 .83 .1 42 0 .67 6 .3 82 0 ixt LFM=0.7297N.m 所以，快速空载启动所需力矩： m2 . 7 4 0 5 N0 . 4 6 21 . 2 2 32 5 . 7 20m a x MMMM fa 切削时所需力矩： m1 . 0 5 1 8 N7 . 2 9 72460223153610.MMMtMM tfa 快速进给时所需力矩： m1 6 8 5 N.00 .4 6 21 .2 2 30 MMM f 由以上分析计算可知： 所需最大力矩maxM发生在快速启动时 m2.7405Nm a x M nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 11 - 3.4 横向进给系统的设计计算 3.4.1 横向进给系统的设计 经济型数控改造的横向进给系统设计比较简单，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。 3.4.2 横向进给系统的计算 由 于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。 已知条件： 工作台重 W 300N 时间常数 T 25ms 滚珠丝杠基本导程 0L 4mm左旋 行程 S 190mm 脉冲当量 p 0.005mm/step 步距角 0.75 /step 快速进给速度 maxv 1m/min 3.4.2.1 切削力计算 横向进给量为纵向的 1/2 1/3，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2 76 3. 8 N15 2. 7 621F z 在切断工件时： 3 8 1 .9 N7 6 .3 80 .50 .5 FF zy 3.4.2.2 滚珠丝杠设计计算 1.强度计算 对于燕尾型导轨： W)f(FKFPzy （ 3 15） 取 K 1.4 f 0.2 则 nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 12 - 7 4 7 . 4 N 3 0 )0 . 2 ( 7 6 . 3 83 8 . 1 91 . 4P 寿命值 513.10 1 5 0 0 015601060 66 iii TnL 最大动负载 2 1 3 5 . 5 N7 4 . 7 411 . 21 3 . 5PffLQ 3HW3 i 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 BFc1系列，滚珠丝杠公称直径为 mm30 ，型号为21 5430 EBF c 左，其额定负荷 5393N，所以强度够用。 2.效率计算 螺旋升角 383 ，摩擦角 10 则传动效率 0 . 9 5 6)1038t a n ( 3 38t a n 3)t a n ( t a n 3.刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 cm105 . 9 61 . 7 6 1 9102 0 . 63 . 1 4 40 . 4107 4 . 7 4EFPLL 62601 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 2L 很小，可忽略，即： 1LL 所以，导程变形总误差为 1 4 . 9 4 .9105 . 9 60 . 41 0 0LL1 0 0 60 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（ 1m长）为 155m ，故刚 度足够。 4.稳定性计算 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，故不再验算。 nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 13 - 3.4.2.3 齿轮及转矩有关计算 1.有关齿轮计算 (1) . 第一对齿轮 传动比 1. 67350. 005360 40. 75360 Lip0 故取 64mma52mmd48mmd2mmm24za1112084mmd80mmd20mmb40za222(2) . 第二对齿轮 传动比 1i 4 4 m ma2 6 m mdd2 2 m mdd2m11zza2a121432020mmb2.转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 222pI cm0 . 4 3 9 N1001303 . 1 40 . 0 0 5180W180 J 丝杠转动惯量 244s cm1 9 4 . 5 9 N3 0 83107 . 8J 齿轮的转动惯量 244z4z3244z2244z1cm0 . 3 7 N22 . 2107 . 8JJcm6 3 . 9 0 N28107 . 8Jcm8 . 2 8 N24 . 8107 . 8J电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量 nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 14 - 22Iz1z2s2cm1 0 1 . 7 8 N0 . 0 4 3 90 . 8 2 86 . 3 9 0 )( 1 9 . 4 5 953JJ)J(Ji1J2Iz4z3s2cm1 9 5 . 7 7 N0 . 0 4 3 90 . 0 3 70 . 0 3 7 )( 1 9 . 4 5 91JJ)J(Ji1J3.所需转动力矩计算 4 1 6 .7 r / m in4 351 0 0 00m a xm a x L ivn m0 . 3 3 9 N100 . 0 2 59 . 6 4 1 6 . 71 9 . 5 7 71069 44m a xm a x T.JnM a 3 3 . 1 7 r / m i n34603 . 1 4 50 . 1 51 0 01 0 0 01 0 0 000 D L vf iL finn 主t m0. 047 N100. 0259. 6 33. 173. 399 4 atM m0 . 0 2 8 N50 . 83 . 1 42 30 . 4300 . 222 000 ifW L iLFM f m0 . 0 1 1 N)0 . 9(150 . 63 . 1 46 30 . 43 8 . 1 9)1(6 22000 iLFM y m0 . 1 8 2 N50 . 83 . 1 42 30 . 43 8 . 1 92 0 iLFM yt 所以，快速空载启动所需转矩 m0 . 3 7 8 7 N0 . 0 1 10 . 0 2 8 70 . 3 3 9MMMM 0fa m a x 切削时所需力矩 m0 . 1 0 4 2 N0 . 1 8 20 . 0 1 10 . 0 2 80 . 0 4 7 0 tfat MMMMM 快速进给时所需的转矩 m0 .0 4 0 3 N0 .0 1 1 60 .0 2 8 7 0 MMM f nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 15 - 从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时， m0.3787Nm a x M3.5 步进电机的选择 3.5.1 步进电机选用的基本原则 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： 3.5.1.1 步距角 步距角应满足： i mn（ 3 16） 式中 i 传动比； mn 系统对步进电机所驱动不见的最小转角。 3.5.1.2 精度 步进电机的精度可用步距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使用。所选用的步进电机应满足 Q i Q （ 3 17） 式中 Q 步进电 机的积累误差； Q 系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。 3.5.1.3 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.启动转矩 一般启动力矩选取为： 5.03.0 0Lq MM （ 3 18） 式中 qM 电动机启动力矩； 0LM 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 3 2 所示。jmM为步nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 16 - 进电机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的，如表 3 3 所示。 2. 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。 表 3 2 步进电机相数、拍数、启动力矩表 运行方式 相数 3 3 4 4 5 5 6 6 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 jmg MM /0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 表 3 3 反应式步进电机技术指标 型号 主要技术数据 步距角， 最 大 静 转矩，N cm 最高空载启动频率，step/s 运行频率， step/s 相数 电压 ，V 相电流， A 110BF003 0.75/1.5 800 1500 7000 3 80 6 3.5.1.4 启动频率 由于步进电机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： mopt ff （ 3 19） 式中 tf 极限启动频率； mopf 要求步进电机最高启动频率。 3.5.2 步进电机的选择 3.5.2.1 C616 纵向进给电机的确定 cm6 8 5 . 12 5 N0 . 4 102 7 . 4 054.0 0 Lq MM 为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：jmg MM / 0.866 所以，步进电机最大静转矩jmM为： cm791 . 1 4N0. 866685 . 1 258660 .MM qjm nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 17 - 步进电机最高工作频率 333 3. 3H z0. 0160 200060 m a xm a x pvf 综合考虑，查表选用 110BF003 型直流步进电机，能满足使用要求。 3.5.2.2 C616 横向进给步进电机的确定 cm6 5 . 8 2 5 N0 . 4 102 . 6 3 340 0 .MM Lq 电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知： 0.866jmq /MM 所以步进电机选择最大转矩jmM为： cm7 6 .0 1 N8 6 60 8 2 5658 6 60 . .MM qjm 步进电机最高工作频率 333 3. 3H z0. 00 560 100 060 m a xm a x pvf 综合考虑，选用 110BF003 型直流步进电机，能满足使用要求。 3.6 本章小结 本章主要介绍了纵向进给系统和横向进给系统的设计计算，滚珠丝杠的设计计算步进电机的选择。 nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 18 - 第 4章 数控系统的硬件电路设计 4.1 绘制系统电气控制结构框图 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床的数控系统的硬件电路概括起来由五部分组成。 1.处理单元 CPU 2.总 线：包括数据总线（ DB），地址总线（ AB）和控制总线（ CB）。 3.存储器：包括制度可编程存储器和随机读写存储器。 4. I/O 输入 /输出接口电路。 5.外围设备， 如键盘、显示器及光电输入机等 。其中 CPU 是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行所需要的各种数据。 I/O 接口是系统和外界进行信息交换的桥梁。总线则是 CPU 与存储器、接口以及其他转换电路联接的纽带，是 CPU 与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。 数控系统硬件如图 4 1： 存储器RAMROMCPUI/O接口信息交换控制对象外设图 4 1 数控系统硬件框图 由于 MCS 51 系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全可以满足我国nts哈尔滨理工大学 专科生毕业论文 - 19 - 经济型数控改造的需要。所以选用 MCS-51 系列单片机为控制装置。 4.2 单片机控制系统设计 MCS 51 系列单片机主要有三种型号的产品： 8031、 8051 和 8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。 8031 片内无ROM，适用于需扩展 ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使 用灵活，非常适合在我国使用。此次 设计 使用的是 8031芯片 。见图 4 2。 4.2.1 8031 单片机的基本特性 1. CPU 为 8 位。 2.16 根地址总线（与 I/O 线共用） ,可直接寻址 64KB（ 64KB 程序存储器， 64KB 外部数据存储器）。 3. 32 根并行 I/O 线（分为 4 个 8 位 I/O 口）。 4. I/O 端口和片外存储器统一编址， I/O 寻址灵活。 5. 2 个 16 位定时 /计数器。 6. 片内有 128B。 7. 具有一个全双工串行 I/O。 8. 具有 5 个中断源，配备两个中断优先级。 9. 内部有时钟振荡器。 10. 有一个一 位布尔处理器，具有很强的布尔处理能力。 4.2.2 8031 芯片引脚功能 8031 芯片具有 40 根引脚，功能分四类 3 ： 4.2.2.1 电源线 电源线有 2 根。 ccV：编程和正常操
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