c6132纵向系统数控改造

目 录第一章 C6132车床总体改造方案计.21.1 c6132工艺范围.21.2 设计任务.21.3 纵向进给传动系统的改造.2 1.3.1 系统的运动方式与伺服系统的选择.21.3.2 机械传动方式.3 1.3.3 纵向传动系统的改造.3 1.3.4 齿轮传动间隙的消除.51.4 导轨的改造.61.5 数控系统的类型及选择.71.5.1 数控系统的分类.71.5.2 数控系统的选择.81.6 计算机系统的选择. .8第二章 纵向进给系统的设计计算.9 2.1 纵车外圆切削力的计算.9 2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的计算和选型.92.2.1 计算滚珠丝杠上的轴向载荷.102.2.2 计算滚珠丝杠上的最大动载荷 .102.2.3 滚珠丝杠螺母副的选择.112.2.4 传动效率计算.112.2.5 刚度验算.122.2.6 稳定性校核.122.3 纵向减速齿轮的设计.13 2.3.1 传动比的确定.132.3.2 传动方案确定.142.3.3 传动装置运动、动力参数.142.3.4 齿轮传动校核.152.4 纵向步进电机计算和选型.162.3.2 等效转动惯量计算.162.3.2 惯量匹配验算.172.3.2 步进电机负载能力校验.182.3.2 系统刚度验算.212.3.2 动态特性分析.232.3.2 系统误差分析.24第三章 硬件电路设计.25 3.1 机床硬件电路组成.25 3.2 中央处理器CPU的选择.253.3 存储器的选择与扩展.263.4 其他电路.303.5 步进电机的控制.30总结.34参考文献.35第一章 车床总体改造方案设计1.1、c6132工艺范围数控车床主要用于轴类、盘类零件的加工, 能自动完成外围柱面、内孔、锥面、圆弧面、螺纹等工序的粗细加工, 并能在圆柱面或端面上进行铣槽、钻孔、铰孔等工作, 可以实现回转体零件在预先加工好定位基面后, 一次装夹下完成从毛坯到成品的全部工序。因此能够极大的提高生产率。C6132车床主要用于对小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工。1.2、设计任务本设计任务在现有C6132车床的结构基础上，对机床纵向进给系统进行数控改造，主传动系统保留。纵向进给系统的脉冲当量分别为0.01mm/step，最大快移速度2000mm/min，定位精度0.01mm。设计参数如下： 最大加工直径： 在床身上 320mm 在刀架上 175mm 最大加工长度： 750mm 溜板及刀架重力： 纵向 800N 横向 500N 代码制 ISO 纵向 0.01mm/脉冲 横向 0.005mm/脉冲定位精度 0.01mm1.3 纵向进给传动系统的改造 1.3.1 系统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、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，采用步进电机开环系统。控制框图如图2-5。 加工外圆时，控制系统不需要主轴与滚珠丝杠螺母副之间有同步关系，所以脉冲发生器不发挥作用，只有通过I/O接口输入到MCS-51的程序控制整个加工过程，控制路径为：MCS-51脉冲分配器光电隔离装置功率放大器步进电机减速器机械传动部分。 加工螺纹时，要求主轴每转一转，刀架纵向移动一个导程，所以在进行车外圆的控制指令时，通过安装在主轴上的脉冲发生器给单片机实时反馈信号，完成螺纹加工。 图 1-1 控制原理框图1.3.2 机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速将动力传递给丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，用滚珠丝杠螺母副替换掉丝杠。 滚珠丝杠螺母副具有与滚动轴承相似的特征。与滑动丝杠副或液压缸传动相比，有以下主要特点： 1)传动效率高 滚珠丝杠螺母副的传动效率可达85%-98%，为滑动丝杠副的2-4倍，由于滚珠丝杠螺母副的传动效率高，对机械小型化，减少启动后的颤动和滞后时间以及节约能源等方面，都具有重要意义。 2)运动平稳 滚珠丝杠螺母副在工作过程中摩擦阻力小，灵敏度高，而且摩擦系数几乎与运动速度无关，启动摩擦力矩与运动时的摩擦力矩的差别很小。所以滚珠丝杠螺母副运动平稳，启动时无颤动，低速时无爬行。 3)传动可逆性 与滑动丝杠副相比，滚珠丝杠螺母副突出的特点是具有运动的可逆性。正逆传动的效率几乎高达98%。滚珠丝杠螺母副具有运动的可逆性，但是没有像滑动丝杠副那样运动具有自锁性。因此，在某些机构中，特别是垂直升降机构中使用滚珠丝杠螺母副时，必须设置防止逆转的装置。 4)可以预紧 通过对螺母施加预紧力能消除滚珠丝杠螺母副的间隙，提高轴向接触刚度，但摩擦力矩却增加不大。 5)定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杠螺母副具有传动效率高，运动平稳，可以预紧等特点，所以滚珠丝杠螺母副在工作过程中温升较小，无爬行。并可消除轴向间隙和对丝杠进行预紧拉伸以补偿热膨胀，能获得较高的定位精度和重复定位精度。 6)同步性好 用几套相同的滚珠丝杠螺母副同时驱动相同的部件和装置时，由于反应灵敏，无阻滞，无滑移，其启动的同时性，运行中的速度和位移等，都具有准确的一致性，这就是所谓同步性好。7) Mmax使用寿命长 滚珠丝杠和螺母的材料均为合金钢，螺纹滚道经过热处理，并淬硬至HRC58-62，经磨削达到所需的精度和表面粗糙度。实践证明，滚珠丝杠螺母副的使用寿命比普通滑动丝杠副高5-6倍。8) 使用可靠，润滑简单，维修方便 与液压传动相比，滚珠丝杠螺母副在正常使用条件下故障率低，维修保养也极为方便；通常只需进行一般的润滑与防尘。在特殊使用场合，如核反应堆中的滚珠丝杠螺母副，可在无润滑状态下正常工作。 除了选用滚珠丝杠螺母副外，为提高传动刚度和消除间隙，滚珠丝杠螺母副要采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。1.3.3 纵向传动系统的改造 纵向传动系统的改造如图 1-2 所示。首先拆除原来的进给箱，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱，丝杠、光杠和操纵杠全部拆除，滚珠丝杠一段由减速箱支承，另一端支承座安装在车床尾座原来装轴承座的部分。 车床进行纵向进给时，由步进电机1通过减速箱2将动力传递给滚珠丝杠4，再由滚珠丝杠带动螺母座5，通过螺母托架6带动刀架做纵向运动。滚珠丝杠螺母副采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙，调整方便。 滚珠丝杠与减速齿轮的连接可以通过套筒式联轴器进行连接，这种联轴器用两个互相垂直的锥销将支撑轴与丝杠连接起来，结构简单，径向尺寸小，可防止被连接轴的位移和偏斜所带来的装配困难和附加应力，但是会降低传动效率。由于本设计中的减速器比原来的进给箱结构简单、体积小，调整方便，所以装配相对简单，可以直接将滚珠丝杠的一段做为减速器的一根轴，这样减少了传动链，提高了传动效率。滚珠丝杠的支撑形式有一端固定一端自由、一端固定一端游动和两端固定三种形式，对比显示，两端固定的形式有以下优点： 1）只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍； 2）丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高； 3）可以预拉伸，预拉伸后可减少因丝杠自重而引起的丝杠下垂和热膨胀； 4）只要实际温升不超过预计的温升，这种支承方式就不会产生轴向间隙。 所以本设计中滚珠丝杠的支撑方式选择两端固定的形式，为了实现预拉伸，在滚珠丝杠两端利用两对锁紧螺母对滚珠丝杠进行预拉伸。滚珠丝杠两端轴承使用一对角接触球轴承进行支承。 如图 1-3 所示，滚珠丝杠仍安装在原丝丝杠的位置，其螺母座通过螺母托架连接在床鞍的底部，托架的固定位置保持和床鞍原来的孔系位置一样。1床身 2螺母托架 3螺母座 4滚珠丝杠 5防护板 图 1-3 纵向滚珠丝杠结构图1.3.4 齿轮传动间隙的消除 数控车床在加工过程中，会经常变换移动方向。当进给方向改变时，如果齿侧存在间隙会造成进给运动滞后于指令信号，丢失指令脉冲并产生反向死区，影响传动精度和系统稳定。因此，必须消除齿侧间隙。通常齿侧间隙的消除主要有刚性调整法和柔性调整法。刚性调整法虽然结构简单，但侧隙调整后不能自动补偿，柔性调整法是调整后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法。因此决定采用柔性调整法中的双片齿轮错齿消隙法和周向弹簧调整法。 双片齿轮错齿消隙法 图1-4是双片齿轮错齿式消除间隙结构。两个相同齿数的薄齿轮1和2与另一个厚齿轮(图中未画出)啮合。齿轮l空套在齿轮2上并可作相对回转。每个齿轮的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳3和8。齿轮1 1、2薄齿轮 3、8凸耳 4弹簧 5、6螺母 7调节螺钉 图 1-4 双圆柱薄片齿轮错齿消隙结构的端面还有另外四个通孔，凸耳 8 可以在其中穿过。弹簧 4 的两端分别钩在凸耳 3和调节螺钉 7 上，通过转动螺母 5 就可以调节弹簧 4 的拉力，调节完毕用螺母 6 锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮 1 和 2 错位，即两个薄齿轮的左、右齿面分别紧贴在厚齿轮齿槽的左、右齿面上，消除了齿侧间隙。这种方法适合直径较大，有充分安装螺钉空间的圆柱齿轮。周向弹簧调整法 图1-5是周向弹簧消隙结构。同样是两个齿数、模数相同的两片薄齿轮2和3。齿轮2空套在齿轮3上可以做相对回转运动。在齿轮3上开有三个周向圆弧槽，齿轮2上均布着三个螺纹孔，装配时在齿轮3的槽中放置3个弹簧，1螺钉 2、3齿轮 4弹簧 图 1-5 周向弹簧消隙结构利用齿轮2上安装的螺钉顶住弹簧，装配完成后两片齿轮在弹簧力作用下错齿，从而达到消除间隙的目的。这种结构适合齿轮直径偏小，安装空间较小的情况下。综上，在本次改造设计中选用图 1-5 周向弹簧消隙结构。1.4 导轨的改造 由于导轨表面有明显的划痕，摩擦系数变大，会产生进给运动的失真。为了恢复导轨的精度，增加耐磨性，提高机床的稳定性，提高机床的防爬行和吸振性能，对机床导轨选用填充聚四氟乙烯软带来改造。填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加青铜粉、二硫化硅、玻璃纤维粉、二硫化铜、石墨、聚苯等填充剂，使聚四氟乙烯的性能改善如下：(1)耐负荷变形可提高5倍；(2)刚性提高45倍；(3)热膨胀系数减小1312；(4)导热率提高2倍；(5)硬度提高10；(6)抗压强度增加23倍。 在利用填充聚四氟乙烯软带对原车床导轨贴塑的工作中，主要是对粘接工艺的控制。具体工艺为：首先对原导轨进行刮研，保证粘贴前导轨的表面粗糙度1.66.3um，平面度达到0011000精度；选用厚度为1.5mm的软带，用钠基溶液处理聚四氟乙烯软带表面；粘接前需对金属导轨粘接面除锈去油，可先用砂布、砂纸或钢丝刷清除锈斑杂质，然后再用丙酮擦洗干净、晾干；专用胶须随配随用，按A组份B组份=1l的重量比混合，搅拌均匀后即可涂胶。可用“带齿刮板”或lmm厚的胶木片进行涂胶。专用胶可纵向涂布于金属导轨上，横向涂布于软带上，涂布应均匀，胶层不宜过薄或太厚，胶层厚度控制在0.080.12mm之间；软带刚粘贴在金属导轨上时需前后左右蠕动一下，使其全面接触，要用手或器具从软带长度中心向两边挤压，以赶走气泡。用重物加压或扣压于床身导轨上，加压均匀，压强通常为0.050.1MPa。加压前在软带面上覆盖一层油纸或在加压面上涂一薄层润滑脂或机油，防止胶粘剂粘接加压物。软带粘接后约24小时固化(环境温度15以上) ，可清除余胶，切去软带工艺余量，并倒角；对软带进行开油槽和刮研，油槽深度可为软带厚度的1223，油槽离开软带边缘至少6mm以上，刮研要求达到与导轨面接触面积为：全长不少于75，全宽上不少于50。1.5 数控系统的类型及选择 1.5.1 数控系统的分类 目前,数控系统的品种规格繁多,功能各异,分类方法不一,通常可按下面两种方法进行分类。 1.按加工路线分类 1）点位控制系统 其特点是，只要求控制机床移动部件从一点移动到另一点的准确位置，至于点与点之间的移动轨迹（路径和方向）并不严格要求。各坐标轴之间的运动是不相关的，并且在移动过程中不进行切削。 2）直线切削控制系统 其特点是，除了控制移动部件从一点到另一点之间的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和路线（即轨迹），但其路线只是与机床坐标轴平行的直线。也就是说，同时控制的坐标轴只有一个，且在移动过程中刀具能以给定的进给速度进行切削，一般只能加工矩形、台阶形零件。 3）连续切削控制系统 也称为轮廓控制系统，其特点是能够对两个或两个以上运动坐标的位移和速度同时进行连续相关控制。在这类控制方式中，要求数控装置具有插补运算的功能，即根据程序输入的基本数据，通过数控系统内的插补运算器的数学处理，把直线或曲线的形状描述出来，并一边运算，一边根据计算结果向各坐标轴控制器分配脉冲，从而控制各坐标轴的联动位移量与所要求的轮廓相符合。 2.按伺服系统的类型分类 1）开环控制系统 采用开环控制系统的机床，没有检测反馈装置。指令信号单方向传送，并且指令发出后，不再反馈回来，故称为开环控制系统。其驱动电动机采用步进电机。这种机床采用开环进给伺服系统，数控装置根据所给的进给速度和进给位移，输出一定的频率和数量的进给指令脉冲，经驱动电路放大后，每一个进给脉冲控制步进电机旋转一个步距角，再经减速齿轮、丝杠螺母副转换成工作台的一个当量直线位移。2）闭环控制系统 数控装置将位移指令与位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时进行比较，根据其差值与指令进给速度的要求，按一定的规律进行转换后，得到进给伺服系统的速度指令。闭环控制系统的特点是定位精度高，但由于这类系统采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动元件，所以电动机的控制线路比较复杂。另外检测元件昂贵，调试和维修比较困难，成本高，所以主要用于精度要求很高的大型或精密数控机床。 3）半闭环控制系统 这种机床是将位置检测装置安装在驱动电机端部，或安装在传动丝杠端部，间接测量部件的实际位置或位移，然后反馈到控制装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，直到差值消除为止。 1.5.2 数控系统的选择 本设计中由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、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，采用步进电机开环系统，虽然开环控制系统中，没有速度反馈和位移反馈电路，不带检测装置，指令信号单向发送，但开环伺服系统结构简单、成本低，容易掌握，调试和维修都比较简单。如果采用螺距误差补偿和径向间隙补偿等措施，定位精度可提高到0.01mm，可以满足设计要求。 1.6 计算机系统的选择 微型机数控系统由CPU、ROM、RAM扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。 由于MCS-51单片微型机具有各种寻址方式并有硬件乘法和除法指令，具有很强的位寻址和运算功能，特别适合于控制应用场合，使用MCS-51来构成各种控制系统，可大大简化硬件结构，降低成本。 1）单片机的选择 MCS-51系列中的8031单片机片内无ROM，适于需外接ROM、能在现场进行修改和更新程序存储器的应用场合，价格低，使用灵活，从实用性与经济性考虑，采用8031作为控制系统的单片机。 2）存储器扩展 8031的片内没有程序存储器，必须外接扩展电路，具有扩展2片2764共16K的程序扩展电路。 数据存储器的扩展 8031内部有128个字节RAM存储器。它可以作为寄存器，堆栈，软件标志和数据缓冲器，CPU对其内部RAM有丰富的操作指令。因此，这个RAM是十分珍惜的资源。我们应合理地充分地应用片内RAM存储器，但片内RAM存储器往往是不够的。外接RAM扩展电路可扩大存储器容量。本设计扩展一个6264（8K）的外部RAM。 接口电路，伺服电机驱动电路等 接口电路主要用于控制纵向和横向步进电机，刀架电机等。键盘有32个键。此外，还有伺服电机驱动电路，光电耦合器电路，报警电路，8031时钟电路，复位电路等。 由此可得车床伺服系统控制方案，如图1-6所示。图 1-6车床改造伺服系统控制方案图第二章 纵向进给系统的设计计算 C6132普通车床改造成经济型数控车床，根据总体方案设计采用MCS-51系列单片机控制系统，步进电动机开环控制。根据设计任务书要求确定脉冲当量，纵向为0.001mm。2.1 纵车外圆切削力的计算 纵车外圆时，主切削力 由切削用量简明手册表1.29得： 查切削用量简明手册表1.29得到上式中各系数，则按切削力各力比例： 得到进给抗力 和切深抗力2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠螺母副依据国标GBT1758731998，分为定位型滚珠丝杠副(P类)和传动型滚珠丝杠副(T 类)。数控机床进给系统采用的是定位型滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的精度等级共分1、2、3、4、5、7、10等七个等级，1级精度最高，依次递减。而JB31622 82标准规定滚珠丝杠副的精度分为C、 D、E、F、G、H 等6个等级，最高精度为C级，最低为H 级。在数控机床上，精密机床上用于开环和半闭环进给系统的滚珠丝杠，可根据定位精度和重复定位精度要求选用C、D、E(1、2、3)级，一般动力传动可选F 、G(4 、 5)级，全闭环系统可选D、E 、F(2 、3、4) 级，参考同类型数控车床滚珠丝杠副的实际选用情况，初步确定精度等级为3级。 微机2.2.1 计算滚珠丝杠上的轴向工作负载 ： 作用在滚珠丝杆上的进给引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，因而其数值大小和导轨的型式有关，由现代实用机床设计手册表3-1-7中进给力计算公式计算工作负载，对于三角形或综合导轨 式中 K考虑颠覆力矩影响的系数，综合型导轨 ； f在导轨上的当量摩擦系数， ，此时取0.16W移动部件的重量， 。 2.2.2 计算滚珠丝杠副承受的最大动载荷 。 选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转后，在它的滚道上不产生点蚀现象，这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负荷 。由现代实用机床设计手册式（3-7-2）可得滚珠丝杠寿命由上式可推出式中： 修正后的额定寿命，单位为 ； 负荷性质因数，查表取 ； 温度因数，查表取 ； 硬度因数，通常取 ； 精度因数，按七级精度，取 ； 可靠性因数，查表按可靠性寿命又可由以下公式计算式中： 最大切削力条件下的进给速度 ，此处；滚珠丝杆导程，初选 ； T 使用寿命，对于数控机床查表取 ； L寿命，以 转为1单位。本设计中：2.2.3 滚珠丝杠螺母副的选型。查阅现代实用机床设计手册表3-7-68，选取CDM3206-5-P3型滚珠丝杠副，2.5圈1列，即外循环插管式单螺母垫片预紧导珠管埋入式滚珠丝杠副，其最大额定动载荷为 ，所以强度够用。2.2.4 传动效率计算：根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率 为式中 螺纹的螺旋升角；这里取 。 摩擦角，其值约等于 。则： 通常要求在90%-96%之间，所以该丝杠满足要求。2.2.5 刚度验算滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，将因起基本导程 的变化，因滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量为式中 E弹性模量，对于钢， ； S滚珠丝杠截面积（按丝杠螺纹底径确定，查现代实用机床设计手册表3-7-68得，d=3.15cm），则 其中，“+”用于拉伸时，“-”用于压缩时，则丝杠在1m长度上导程的变形总量误差 为丝杠最大行程为 则总误差为，因3级精度丝杠允许的螺距误差为 ，故此丝杠的精度足够。2.2.6 稳定性校核 滚珠丝杠的的临界载荷可查机械设计手册第二卷表15.2-3，先计算出ul/I,由于（ i为丝杠危险截面的惯性半径）式中 u长度系数，与丝杠的端部结构有关，查机械设计手册第二卷表15.2.4，两端固定取 ； l丝杠的最大工作长度，取由于 ，所以丝杠的临界载荷计算公式为此时 （满足稳定性条件 ），所以此丝杠满足稳定性要求。 综上所述，所选丝杠CDM3206-5-P3满足设计要求，其参数如下表所示：表 3-1 CDM3206-5-P3型丝杠螺母副参数2.3 纵向减速齿轮的设计 2.3.1 传动比的确定 由设计任务可确定纵向进给脉冲当量 ，滚珠丝杠导程。齿轮箱为减速箱，其传动比可由以下公式计算：式中 脉冲当量（ ）；传动比； 丝杠螺距（mm）。初选步进电机步距角 ，可计算出传动比可选定齿轮齿数为即 或 齿轮模数 ，齿轮传动时效率 。2.3.2 传动方案的确定 纵向减速机构的传动方案图如图2-1所示: 2.3.3 传动装置运动、动力参数 .各轴转速：由设计任务知，车床最大切削进给速度：0.5m/min，则可得丝杠最大切削进给转速为则电动机轴的转速为.各轴转矩及功率：由之前计算已知，在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为则电动机功率为 丝杠所需功率为则丝杠所在轴的转矩为2.3.4 齿轮传动校核 .齿轮材料、热处理方式及公差等级 大小齿轮均选用45钢，为制造方便采用软齿面，小齿轮调质处理，大齿轮正火处理，选用8级精度。 查表得到小齿轮软齿面硬度为217255HBW，取硬度值为240HBW；大齿轮硬度为162217HBW，取硬度值为200HBW。.按齿根弯曲疲劳强度校核齿轮，则有计算载荷系数因为 ，查减速器设计图8-6得动载系数 ，查减速器设计图8-7得齿向载荷分配系数 ，查减速器设计（以下减速器设计部分均用此书，省略书名）表8-22得齿间载荷分配系数 ，则载荷系数为齿形系数 和应力修正系数由图8-8查得 ；由图8-9查得 。C.端面重合度 查图8-10得重合度系数许用弯曲应力由图8-4f、b查得弯曲疲劳极限应力为由图8-11查得寿命系数 ,由表8-20查得安全系数 ，故所以设计的齿轮组满足齿根弯曲疲劳强度，符合设计要求。齿轮相关参数如表3-2所示。2.4 纵向步进电机计算和选型 2.4.1 等效转动惯量计算 传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算： 式中 齿轮 的转动惯量 ； 滚珠丝杠转动惯量 ； 减速箱传动比 工作台及工件等移动部件的重量（kg），此处 ；丝杠导程（m），这里为0.006m。 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。计算圆柱体转动惯量的公式为式中 材料密度 ，这里取为钢的密度 ； 传动件的等效直径（m）； l 传动件的轴向长度（m）。按照上式可依次计算出各传动件的转动惯量，其中丝杠的等效直径取则将各传动部件及工作台质量折算到电机轴上的总的转动惯量2.4.2 惯量匹配验算 电动机轴上的总当量负载转动惯量 与电动机轴自身转动惯量 的比值应控制在一定范围内，既不应太大，也不应太小。如果太大，则伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件（如工作台位置）的变化而引起的负载质量、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难。如果该比值太小，说明电动机选择或传动系统设计不太合理，经济性较差。为使系统惯量达到较合理的匹配，一般应将该比值控制在下式所规定的范围内：如果验算发现设计不满足上式要求，应返回修改原设计。通过减速器传动比和丝杠导程 的适当搭配，往往可以使惯量匹配趋于合理。 经过全面考虑，在C6132的数控化改造中，选用反应式步进电动机作为纵向的进给驱动。理由是：该系统控制方便，由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电动机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可以控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。该系统结构简单，易维修，性价比高。初选150BF003型反应式步进电动机，查机械设计手册第5卷表34.3-11得到其最大静转矩 ，转子转动惯量 ，则所以惯量匹配比较合理。 2.4.3 步进电机负载能力校验 作用在步进电动机轴上的总负载转矩 T可按下式计算式中 电机轴自身转动惯量 ； 电机启动或制动时的角加速度 ， ； 丝杠导程，此处 ； 作用在工作台上的摩擦力 ； 作用在工作台上的其它外力 ； 伺服传动链的总效率，一般取 ,这里取 ； 滚珠丝杠螺母副未预紧的传动效率，由之前滚珠丝杠的计算选型已知。上式可以分解为四部分进行理解计算， 是空载启动时，电动机轴上的惯性转矩； 是电动机轴上的当量摩擦转矩： 是工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩； 是因预紧力而引起的、折算到电动机轴上的附加摩擦转矩。 空载启动时，电动机轴上的惯性转矩：电动机轴上的当量摩擦转矩：工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩：设滚珠丝杠螺母副的预紧力是最大轴向载荷的 ，则可得到因预紧力而引起的、折算到电动机轴上的附加摩擦转矩：则空载启动时电动机上的总负载转矩为在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为按表3-3可以查到空载启动时所需电动机最大静转矩为步进电机正常运行时所需的最大静转矩 可由以下经验公式计算选取步进电机时，电机的最大静转矩 要大于 和 中的最大值，即要求由于初选的步进电机150BF003最大静转矩所以按给定要求步进电机150BF003可以正常启动，可作为初选电机，但还必须进一步考核步进电机的启动矩频特性和运行矩频特性。 电机最大空载启动频率 和最大运行工作频率 的确定式中 最大快速进给速度，由设计任务已知 2m/min； 最大切削进给速度，由设计任务已知 。从机械设计手册（新版）第5卷表34.3-11查出150BF003型步进电机允许的最大空载启动频率为2800HZ，运行频率为8000HZ，再从图3-2、3-3可看出150BF003步进电机启动矩频特性和运行特性曲线。当步进电机启动时，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩，直接启动则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制，将起动频率降到1500HZ，起动力矩可增高到470 N.cm，即可满足要求。 当快速运动和切削进给时，150BF003型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。 图 3-2 150BF003起动矩频特性 图 3-3 150BF003 运行矩频特性2.4.4 系统刚度计算 丝杠螺母机构的刚度主要由丝杠本身的拉压刚度 、丝杠螺母间的接触刚度以及轴承和轴承座组成的支承刚度 三部分组成。由于丝杠本身的扭转刚度与拉压刚度相比要小得多，故可将其忽略不计。 丝杠本身的最大、最小拉压刚度 和查看类似机床，可知丝杠总长 ，最大拉压长度 ，最小拉压长度为 ，根据机电一体化设计基础表5-8，可得计算丝杠最大最小刚度的公式式中 丝杠的等效直径，取 ； E钢的弹性模量，查表取 。 丝杠螺母间的接触刚度 查现代实用机床设计手册（上册）表3-7-68，可得CDM3206的接触刚度 轴承和轴承座组成的支承刚度查机电一体化设计基础表5-6，得角接触球轴承轴向接触刚度的计算公式式中 接触角，7205C的接触角为 滚动体直径，查机械设计手册表5-1-48，得到角接触球轴承7205C的滚动体直径为 ； Z滚动体数量，7205C的滚珠数量为 ； 轴向载荷，即 。 所以可得由机械设计手册单行本 第11篇 螺旋传动 摩擦轮传动表11-1-34可得系统刚度 的计算公式则有丝杠的扭转刚度 可按下式计算式中 丝杠中径（m），CDM3206的丝杠中经取 ； G材料的切变模量 ，对于钢切变模量查表可知2.4.5 动态特性分析 为了保证系统具有较好的快速响应性，较小的跟踪误差，且不会在变化的输入信号激励下产生共振，应对系统的动态特性加以分析。丝杠质量为丝杠-工作台纵振系统的最低固有频率为折算到丝杠轴上系统的总当量转动惯量为如果忽略电动机轴及减速器中的扭转变形，则系统的最低扭振固有频率为影响系统动态特性的主要因素是系统的惯性、刚度和阻尼，一般来讲，在设计机械系统时，应注意增大刚度，减小惯性，以提高固有频率。但增大刚度往往导致结构尺寸加大，惯性也不是越小越好。通常希望按 来设计系统刚度。 此设计中，说明系统的动态特性较好，满足设计要求。2.4.6 系统误差分析 在开环控制的伺服系统中，由于没有位置检测及反馈装置，为了保证工作精度的要求，必须使其机械系统在任何时刻、任何情况下都能严格跟随步进电机的运动而运动。然而实际上，在机械系统的输入与输出之间总会有误差存在，其中除了零部件的制造及安装所引起的误差外，还有由于机械系统的动力参数（如刚度、惯量、摩擦、间隙等）所引起的误差。在系统设计时，必须将这些误差控制在允许的范围内。 A.死区误差 所谓死区误差，又叫失动量，是指启动或者反向时，系统的输入运动与输出运动之间的差值。产生死区误差的主要原因有传动机构中的间隙，导轨运动副间的摩擦力以及电气系统和执行元件的启动死区（又称不灵敏区）。 查机电一体化设计基础式5-59可得到工作台反向时的最大反向死区误差对于开环伺服系统为保证单脉冲的进给要求，应将死区误差控制在一个脉冲当量以内，由于 ，所以该系统可以满足单脉冲进给的要求。 B.由系统刚度变化引起的定位误差影响系统定位误差的因素很多，但是主要是由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的定位误差。查机电一体化设计基础式5-60可得到由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的最大定位误差为对于开环控制的伺服系统， 一般应控制在系统允许定位误差的 范围内。由于系统要求的定位精度为 ，即允许的定位误差为 ，因而，系统刚度满足定位精度要求。 综合上述7条分析，所选步进电动机150BF003以及CDM3206-5-P3丝杠螺母副符合设计要求。第三章 数控部分硬件电路设计3.1、机床硬件电路组成。机床硬件电路由以下五部分组成如图3-1（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。图 3-1 数控系统硬件电路3.2、中央处理器（CPU）选择、本设计选用MCS-51的8031芯片。8031芯片内部无程序存储器（故EA端必须接地），8031有256字节的数据存储器，地址从00HFFH。内部256字节的空间被分成两部分，其中低8位内部数据存储器（RAM）地址为00H-7FH,高8 位特殊功能寄存器（SFR）的地址80HFFH为4个工作寄存器区，每个区都有8个8位寄存器R0-R7，可以用来暂存运算的中间结果以提高运算速度。其中的R0和R1还可以用来存放8位地址，要确定采用哪个工作寄存器，可通过标志寄存器PSW中的RS0、RS1来指定。8031在组成控制系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器，由于地址线是16位的，故最多能扩展64K程序存储器和64K数据存储器，其地址均为0000FFFFH，即程序存储器、数据存储器为独立编址。因此，EPROM和RAM的地址分配比较自由，编程不必考虑地址冲突问题。21345627893014536789402019876541320987654321图3-2 8031 芯片引脚图、地址锁存器74L373由于MCS51单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行程序存储器扩展时，必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。图 3-3 74 LS373 引脚图3.3、存储器的选择与扩展、因为8031没有内部ROM，故需外扩一片EROM，此处选择一片8KB的2764作为外扩EROM 图3-5为8031扩展2764的连接图,以扩展一片为2764的地址线、数据线例。从图中看出,接口时主要将2764的地址线、数据线和控制线与8031的三总线对应相连。图 3-5 8031扩展2764的连接图、因为8031只有00F-7FH的128位数据存储空间，故此处选择一片6264作为外扩RAM。 数据存储器62646264芯片是一个8KX8的CMOS SRAM 芯片，它共有28条引出线，包括13根地址线、8根数据线以及4根控制信号线。076543210A12098765A4321GNDNE08031与数据存储器与6264的连接图如图3-6所示图 3-6 8031扩展6264的连接图 、因为需要接显示及键盘电路而8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口及部分P2口线。因此在大部分应用系统中都不可避免的要进行I/O口扩展。此处选8155，以便更好的实现c6132机床的数控功能，利用8155的PC及P0口外接输入键盘；利用8155的PA口及PB口外接输出显示。此处显示采用LED数码管，并选用两篇BIC8718驱动器来连接PA口和PB口以驱动LED显示。81558155是具有40条引脚的双列直插式RAM/IO/CTC扩展器。含有256个字节的RAM存储器，一个6位、两个8位可编程I/O口，一个14位可编程的定时器/计数器。 图 3-7 8031 扩展 8155 连接图扩展芯片地址芯片 地址选线 片内单元 地址编码2764 001x xxxx xxxx xxxx 8K 2000H-3FFFH6264 000x xxxx xxxx xxxx 8K 0000H-1FFFHI/O 01xx xxxx xxxx xxxx 6 4000H-7FFFH8155RAM 00xx xxxx xxxx xxxx 256 0000H-3FFFH综上： 把上述所给硬件连接起来，组成一个单片机开发系统，其中8031的P1口连接步进电动机；8031的P0口经74L373地址锁存器分别与2764、6264的低8位地址线相连接；8031的P2口分别直接与2764、6264相连接；8031的P0口与8155相连接；8155的PA口，PC口分别作为键盘的列口、行口，另外PA口加一个驱动器8718作为显示器的位控口，PB口作为显示器的段控口。3.4、其他电路、复位电路 、时钟电路、报警电路 、光电耦合电路、光电耦合电路、功率放大电路3.5 步进电机的控制3.5.1 步进电机的工作原理步进电机是将电能转化为机械能的电磁元件。定子上安装了六个磁极，相对的两个磁极上放置着同一相励磁绕组，而转子上没有，只有四个凸极，a、b、c、d组成，当s 1接通，s 2，s 3断开，A相建立磁场，转子力求以磁路最大来取向，转子齿与定子A相磁极对齐，即转子a、c齿的轴线与定子A相磁极轴线重合。当s 1，s 3断开，s2接通，转子b、d齿的轴线与定子B相磁极轴线重合。依次类推s 1s2s3s1循环接通，转子以一定的步距角旋转，改变输入电流方向，实现反转即s 1s3s2s1。3.5.2 步进电机的控制步进电机是由脉冲信号控制的，脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成，而信号的放大由放大电路来完成。由于强弱信号的原因，我们在放大电路前加上光电耦合电路，以防止电源串路。具体控制电路如图3-8所示。图 3-8 步进电机控制原理电路W是步进电机的一相绕组，VD3是续流二极管。74LS373是8路三态输出触发器，一路输出信号控制一相绕组，可控制两台三相步进电机或两台四相步进电机。Q输出高电平，将其所控制的相绕组通电。74LS373的LE是锁存允许端，高电平有效