对Z4012型钻床进行数控改造

摘 要数控机床作为一种高精度的自动化机床，综合应用了电子、计算机、信息、自动控制和机床工程等领域的先进技术，在机械制造业中发挥着巨大的作用，它很好地解决了现代制造中结构复杂、精密、批量小、样式多变零件的加工问题，产品的加工质量稳定，且能大幅度地提高生产率。但就企业目前面临的情况来看，对于一般企业来说，一次性投入巨资购买新的数控机床不太现示。我国作为拥有400多万台普通机床的机床大国，而拥有的数控机床仅23万台，所占比例不到3%。所以对现有的普通机床进行数控改造，无疑是一种投资少、见效快、且能在短期内使企业加工生产能力上规模、上档次。关键词： 数控机床 步进电机 数控改造AbstractThe number controls the automation machine that machine bed be used as a kind of high accuracy the bed, synthesizing apply the electronics, calculator, information, automatic control with machine bed engineering etc. realm of advanced technique, in machine manufacturing industry develop the enormous function, it nicely solved the modern manufacturing the returns the persimmon lesson But in regard to circumstance that business enterprise face now, for general business enterprise to say, a devotion huge sum purchases the new number controls the machine bed not that realistic.The our country conduct and actions owns 400 many ten thousand the big country in bed in machine of common machine in pedestals beds, but the number that own controls the machine bed only 230,000 set, the comparison occupied is not 3%.So proceed to the current and common machine bed the number controls to reform is a kind of investment doubtless little, take effect quick, can make the business enterprise process the production ability in short-termly last scale, top file time.Keywords: The number controls the machine bed.The step enters the electrical engineering.The number controls to reform.第 1 章 概 论1.1 总体方案的确定我毕业设计的课题是对Z4012型钻床进行数控改造。在改造过程中 ，台钻的机械本体部分；主轴的旋转运动和转速调节不需要改动。而需要改造是：1.将设计好的一套简易微机数控XY工作台，固定在Z4012型钻床的工作台上，可转动下手柄使工作台上下移动，位置调整好后将其锁定。X、Y工作台的位置控制采用步进电机；2.根据实际的改造情况，主控器选用MCS51单片机， 3个步进电机采用开环控制的驱动方式。由于工件相对刀具移动的过程中不进行钻削，故采用点位控制系统。其定位方式采用增量坐标控制较为方便。考虑到相匹配的驱动电路应尽量满足微机数控的快速。图 11 系统的设计框图性和可靠性，因此选用无触点控制元件的电路。所以整个数控系统是一开环无触点控制元件的点位控制系统。图 11 为系统的总体设框图。1.2 控制系统改造思路1.2.1 微机控制系统的改造措施在我国，普通机床的数控改造大多从减少投资、改装方便、高效率等方面考虑。因此比较PLC、MCS 单片机、计算机三种控制方案，单8031环 形分 配器 方 向 功 率驱 动电 路 工 作 台执 行 元 件Z轴 上 下移 动执 行 元 件复 位电 路 超 程 报 警电 路极 限 位 置控 制 电 路键 盘输 入电 路LED显 示输 出电 路 8279数 据 存 储器 扩 展 电路 Y工 作 台执 行 元 件Y步 进电 机Z步 进电 机数 据 存 储器 扩 展 电路X步 进电 机光 电耦 合电 路环 形分 配器 功 率驱 动电 路光 电耦 合电 路环 形分 配器 功 率驱 动电 路光 电耦 合电 路803174LS24527568279键 盘显 示 625674LS3774074LS13874LS138片机的性价比高、改装方便等，因而深受客户喜欢。而MCS单片机三种系列中8751的价格是8051的510倍，8051的EPROM程序的Intel公司制作芯片为用户制备的，因此在国内很难采用8051芯片而8031片内无ROM需扩展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、故选用该系列中的8031芯片作为数控系统的控制器。下图为微机控制系统设计框图。图12 微机控制系统设计框图1.2.2 软件的改造措施由于模块化设计便于修改和扩充，编制程序较为方便。故本单片机系统采用模块化设计，主要包括主模块、字程序模块、和中断处理模块等。主模块即系统管理程序，开机后即执行该程序。主模块的功能为：初始化和监控。其中初始化包括8279的初始化，键盘数据区、显示缓冲区初始化，各种软件标志初始化，开中断的处理。监控主要判别是否有功能键按下，若有则根据功能键调用相应的子程序模块。主模块的简化流程图如下图所示子程序模块根据功能键设计。如编辑子程序模块、空运行子程序模块、自动运行子程序模块、手动进给子程序模块、回零子程序模块等。中断处理模块包括3个模块，根据实际情况，中断处理模块的优先级排列如下：越界报警、急停处理模块最高，实时修改显示缓冲区数据模块次之，键盘、显示定时扫描管理模块最低。总之利用MCS51系列单片机对普通机床进行数控改造后，其加工精度、生产率都有较大提高，而且价格低廉，系统性能稳定。是提高企业数控化率的一条实用的的途径。1.2.3 开环控制系统的改造措施由于步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作，这就需要实现环形分配。本设计采用专用的 CH250 环行分配器实现脉冲分配。系统将单片机的脉冲信号经环行分配器送出，为了避免各电路的相图 13 开环控制系统框图互干扰，所以必须设计一个光电隔离器。它安全、可靠、方便。由于单片机的信号很弱，必须经过放大后才能驱动电机运行，也必须采用一个功率放大电路将信号放大。图 13 为开环控制系统的设计框图。1.3 机械部分改造思路主要包括以下几个方面的设计：1）： X、Y工作台的设计计算 根据钻床工作台的尺寸初步确定要设计的X、Y工作台的尺寸及重量；2）：钻削工作时切削力的计算 切削力与工件材料的硬度、进刀量和孔径等有关；3）：滚珠丝杠副的设计计算 包括最大动负载、滚珠丝杠螺母副、传动效率、刚度、稳定性的验算等；脉冲分配器方 向脉 冲 信 号 功率放大器 电 机绕 组分 配 器 电 源 放 大 器 电 源分 配 后 的 脉 冲 信 号 分 配 并 放 大 的 信 号4）：滚动导轨副的设计计算 包括导轨长度计算、滚动体尺寸与数目的确定、滚动体承载能力计算等；5）：一对减速齿轮的设计计算等。第 2 章 微机控制系统设计2.1 主控器的选用本设计选用Intel公司生产的 MCS51系列的8031芯片。8031芯片可与同系列的8051、8751芯片兼容。它采用40引脚的双列直插封装（DIP）方式。其引脚图如图21。各引脚的功能分述如下：1）主电源引脚Vss与V cc Vss：接地；Vcc ：正常操作时接 +5V电源。2）外接晶体引脚 XTAL1 与 XTAL2 这里 MCS51 的时钟采用内部方式外接晶体或外接陶瓷谐振器与电容 C1、C2 构成并联谐振器。C1、C2 通常选 30pF 左右。晶振一般选 212MHz。本设计选 6MHz。3）制引脚 RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、EA/Vpp。分别介绍如下：RST/VPD：当振荡器正常运行时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平使单片机复位。Vcc掉电期间，此引脚可接备用电源，已保持内部RAM的数据。当Vcc 下降掉到低于规定的水平，而 VPD在其规定的 VC0PSEN P1.AL/ROG2P2.7 6 P1.4P2.5 54 P1.6P2.3 7 (RXD)P3.0P2.1 T10 (IN0)P3.2P.7 RST/VD06 (O)P3.4P.5 T1504 (IN)P3.P.3 RD702 (W)P3.6P.1 XTAL10EA/VPS XTAL23983763543213456783029 401381131619181200 电压范围内，VPD就向内部RAM提供备用电源。 ALE/PROG：当ALE（允许地址锁存信号）为高电平时，P0口送出低8位地址，通过ALE 信号锁存；反之，则 P0口传送数据。对于8751型单片机，在EPROM编程期间， PROG引脚用于输入编程脉冲。PSEN：程序存储器读选通信号，低电平有效。当从外部程序存储器取指令期间每个机器周期两次PSEN有效，P2 和P0 口送出的地址为持续存储器地址；当访问外部数据存储器时这两次有效的PSEN信号将不出现。外部数据存储器是靠RD及WR信号控制。PSEN同样可以驱动8个LSTTL输入。EA/Vpp：当EA 端保持高电平时，访问内部程序存储器（4KB） ，但当PC （程序计数器）值超过 0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器（从0000H地址开始） ，不管单片机内部是否有程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，Vpp 引脚用于施加21V的编程电源。4） 输入输出引脚P0.0P0.7 P0口是一个漏极开路型准双向I/O 口。在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）和数据总线，同时激活内部上拉电阻。在EPROM编程时它接收指令字节，而在验证程序时则输出指令字节且要求外接上拉电阻。P1.0P1.7：P1口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。2.0P2.7：P2口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部存储器时，它送出高8位地址。在EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。 图21 8031引脚图（4） P3.0P3.7：P3口是带内部上拉电阻的 8位双向I/O 口。在 123 156178 19 VCA0 D01 A2 D3 A4 D45 5A6 D67 7A8 OE9 WRA10 CEA123A14GND281427202623245346789 . . . . MCS51中，这8个引脚还兼有专用功能。如表 21所示。P3.0 RXD 串行输入口 P3.1 TXD 串行输入口P3.2 INT0 外部中断 0 P3.3 INT1 外部中断 1P3.4 T0 定时器 0 的外部输入 P3.5 T1 定时器 1 的外部输入P3.6 WR 外部数据存储器写选通 P3.7 RD 外部数据存储器读选通表 21 P3 各口线与专用功能2.2 单片机系统的扩展芯片的选用2.2.1 程序存储器（EPROM）的选用由于8031片内没有程序存储器，必须外扩程序存储器。目前最多的典型系列芯片有2716（2K8） 、2732A（4K8） 、2764（8K8） 、27128（16K8） 、27256（32K8）和27512（64K8）等，在容量确定时，选择的型号，主要考虑因素是读取速度，这是决定系统能否正确这个的前提。根据CPU和EPROM时序匹配要求，应满足这样一个关系：8031所能提供的读取时间大于EPROM所要求的读取时间。同时8031访问EPROM时其所能提供的读取时间t于所选用的晶体时钟有关，约为3T（时钟周期） 。本系统中选用晶体频率为6MHz，则约为480ns。目前故选用一片27256。它的引脚图如图22，引脚功能图表如表22；与8031的连接图如图23。 图22 27256引脚图图23 8031与27256连接图注：“（- ） ”表示低电平有效表22 27256与62256的引脚功能表2.2.2 数据存储器（RAM）扩展的选用芯 片 引 脚 功 能27256/62256 Vcc 工作电压27256/62256 Vss 接地 27256/62256 OE（-） 数据输出选通信号线 27256/62256 CE（-） 片选信号线27256/62256 O0O7 数据线27256/62256 A0A14 地址线27256 Vpp 编程电压62256 WE（-） 写信号线VCPA14 3A12OE A10D7 96 A8D5 74 A6D3 52 A4D1 30 A2CE 1GNDA0191871651214 98764325213426728 . . . . 图24 8031与62256连接图 图25 62256引脚图MCS51芯片内部有128个字节 RAM存储器，它们可以作为寄存器、堆栈、数据缓冲器。但考虑到机床的加工数据存储量较大所以仅片内的RAM存储器是不够的，须外扩。在选用RAM时主要考虑因素同样是RAM的读写速度与CPU锁提供的读写时序的匹配的要求。它也应满足8031所能提供的读写时间应大于RAM所要求的读写时间。RAM可分静态与动态，静态不须考虑保持数据而设置刷新电路，扩展电路简单。综上所述本系统选用62256（32K8）一片。它的引脚图如图 25，引脚功能如表22；与8031的连接图如图24。2.3 译码器、锁存器芯片的选用译码器选用Intel公司的TTL芯片74LS138。锁存器选用Intel公司的TTL芯片 74LS273 ，与8282可兼容。由于系统的复杂性扩展的芯片较多，考虑到8031的P0 口最多可负载 8个TTL电路，P2口可负载4个TTL电路，所以8031的总线负载过重，因而在P0口扩展双向数据总线驱动器74LS245。她们的引脚功能如表23。3983763543212324526728309 4012364578101231451679198120GND D6RSTD54D32D0WRDRL76RL54IRQCLKRLVC7OUTB0RL10CNTL/SBSHIFL3S2L1S0ACSBDOUTA32OUTA10OUTB321表23 74LS373 与74LS138 引脚功能表2.4 键盘、显示器接口芯片的选用表25 键盘示意图 引 脚 功 能 引 脚 功 能Vcc 工作电压 IRQ（-） 中断请求输出信号Vss 接地 RL0RL7 回复输入端CS(-) 片选信号线 SHIFT 移位信号输入端RD /WR(-) 读写控制信号 CNTL/STB 控制选通信号输入端A0 数据/命令选择信号输入端OUTA0OUTA3 A 组显示信号输出端 D0D7 数据总线 OUTB0OUB3 B 组显示信号输出端CLK 时钟信号输入端 BD(-) 显示消隐信号输出端RESET 复位信号输入端 SL0SL3 扫描信号输出端表 24 8279 的引脚功能表芯 片 引 脚 功 能74LS373/74LS138 Vcc 工作电压74LS373/74LS138 GND 接地 OE（-） 片选信号线Q1Q8 输出端74LS373 D1D8 输入端G/STB 锁存控制信号线A、B、C 译码选择74LS138 Y0Y7 输出端E1、E2、E3 译码选择9 8 7 6 Z 上 Z 下 输入演示 复位5 4 3 2 电机正转 电机反转 电机转速输入 急停1 0 小数点 负号 结束返回 修改 暂停 回车图 26 8279 引脚图图 27 8031 与 8279 连接图8279 是 Intel 公司生产的通用可编程键盘和显示器接口电路芯片。它可以实现对键盘和显示器的自动扫描，识别闭合键的键号，完成显示器的动态显示。从而大大节省了 CPU 处理键盘和显示器的时间，提高了CPU 的工作效率。另外 8279 与单片机的接口简单，显示稳定，工作可靠，在数控机床及普通机床的数控改造上应用非常广泛。8279 采用 40引脚双列直插封装。引脚图如图 25，与 8031 的连接如图 26。本设计中根据钻床改造的实际需要设置了 24 小键盘示意图如表 25。 . . . +5V20uF2KO 八位 显 示 电阻 小 键 盘 第 3 章 开环控制系统的设计驱动步进电机的脉冲需要按所要求的顺序供给电机各相。因此必须有脉冲分配器。为使电机正常运行并输出一定功率，需要有足够的功率提供给电机，因此需要设计功率放大电路。脉冲分配器工作电压为12V，单片机工作电压为5V，而驱动电路和电机的工作电压为27V，为避免电源之间的干扰影响和安全防范，所以在它们之间采用光电隔离。开环控制回路框图见图31。图31 开环控制系统框图3.1 环型分配器的选用步进电机的脉冲发生采用硬件实现。目前已经大量采用可靠性高、外型小、使用方便的集成专用的环形分配器。按其电路结构不同分为TTL与 CMOS集成电路。本设计选用CMOS电路脉冲分配器CH250。它为脉 冲分 配 器控 制指 令 隔 离 电 路 功 率放 大 器 步 进电 机电 源 电 路+12V +5V +27V+27V16引脚直插封装式，其接线如图32原理分述如下：当接通电源瞬间R为1，对CH250复位。电容C充电完毕R 变为0，脉冲分配器进入三相六拍正常工作状态。P=1时电机正转；P=0时电机反转。CP的上升沿使脉冲分配器改变输出状态，因此 CP的频率决定了步进电机的转速。其工作真值表如表31。表31三相六拍工作真值表 图32 CH250三相六拍接线图CP EN J3r J3L J6r J6l 功能1 1 0 0 0 双三拍正转1 0 1 0 0 双三拍反转1 0 0 1 0 单六拍正转1 0 0 0 1 单六拍反转0 1 0 0 0 双三拍正转0 0 1 0 0 双三拍反转0 0 0 1 0 单六拍正转0 0 0 0 1 单六拍反转1 不变 0 不变0 不变 U D E NR * URVC PJ 6 rJ 6 L WJ 3 r J 3 L U s方向C P1 u F1 0 0 KC H 2 5 0光电耦合光电耦合光电耦合P 1 . 0P 1 . 1+ 5 V G01VT+5VRiRcRA驱 动 电 路Ic+27vUc2GIIF环 形 分配 器 Uc1 1 不变表32 CH250真值表3.2 光电耦合电路的设计光电隔离是以光作媒介在隔离的两端进行信号传输。它由发光器件红外发光二极管）和受光器件（硅光敏三极管和达林顿管）组成。并密封在一起，形成一个组合器件。它隔离了步进电机大功率，高电平的脉冲信号对微型计算机的干扰，同时还能进行两者不同电平的转换。其共摸抑制比大、无触点、寿命长、小型耐冲击且稳定可靠等优点。因此在数控机床系统中，得到广泛的应用。3.2.1 光隔离器的基本参数1：暗电流 ICEO 当光敏三极管集射极间加工作电压后，在无光照射时集电极也产生微弱电流，在光隔离器中称暗电流。2：电流传输比 CTR 光电隔离器的输出电流与输入电流的百分比称为电流 传输比。它与环境温度和工作频率的不同而不同。3：隔离特性 包括 1）：输入与输出间耐压值 Uiso;2）输入与输出间缘电阻 Riso;3）输入端之间的寄生电容 Ciso。3.2.2 设计计算根据光隔离器参数规范表，本设计初选 GO101 型光隔离器。环形分配器送出的脉冲信号经三极管放大后送到光电隔离器 GO101，然后送到功率驱动电路。电路图如图 33。 1:确定输入电阻 Ri 图 33 光电隔离器电路Ri=（ Ucc1UFUOL） /IF式中：IF驱动电流，选 IF =10mA；Ucc1驱动电路的电源电压。查表得 Ucc1=5V；UF光敏二极管的正向电压。查表取 UF=1.2V；UOL驱动电路输 出低电平电压。查表得 UOL=0.5V。则 Ri=（51.20.5）/0.01=330（）2：确定输出回路电阻 Rc 和 RA Rc=（ Ucc22UBE） /IcRA=（ Ucc22UBE） /IA式中 Ucc2=27V；UBE 晶体管 T 基极到发射极电压。查表 UBE =0.7V；UCESGO101 输出饱和压降。查表 UCES=0.4V根据功率放大电路中的计算得出Rc=10（K） RA=12.6（K）3.3 功率放大电路的设计3.3.1 概述 由于脉冲分配器的输出功率很小，远远不能满足步进电机的要求，必须将它放大以产生足够大的功率来驱动步进电机正常运转。从反应式步进电机的启动矩频特性和启动惯频特性曲线可看出，随着运行频率的增高（转速加快） ，步进电机带负载的能力下降。其主要因素是，作为功率放大器负载的步进电机是电感负载。当改变通电状态时通电绕组的电流将从零逐渐增大该绕组中产生的感应电势使电流按指数规律上升，并将电源一部分能量转换成势能存储在（电感）绕组中。电流的时间常数为i=Lm/R式中 Lm步进电机一相绕组的平均电感量；R 通电回路的电阻，它包括绕组电阻、功率放大器输出级内阻及串联电阻。而断电绕组电流是下降的，这时存储于绕组中的势能将以电流形式释放出来，使电流按指数规律下降，其时间常数为：d=Lm/Rd式中 ：Rd 放电回路电阻，包括绕组电阻、续流二极管正向电阻等。这样就会使电机负载能力下降，甚至不能启动。为了提高步进电机的动态特性和电流波形。可采用单电压驱动电路或高、低双电压驱动电路。本设计采用前者。它具有控制方便、容易调试和线路简单等优点。电路如图 51。由 8031 经脉冲分配器送出的脉冲序列，经光电隔离电路送到驱动电路。脉冲高电平时，T1、T2 开关导通，电机绕组供电；低电平时，T1、T1 开关截止。2CP23 为续流二极管，通过二极管，电机绕组产生反电势将维持电流继续沿原方向流动。另外通过二极管还能释放磁场能，以免高的反电势击穿 T1、T2。同时数控机床容易产生强电干扰对此可采取吸收的方法，抑制其产生然后采取隔离的方法，阻断其传导。本设计采用了在电机线圈上并联 RC 阻容电路以吸收干扰电压。另外还设置了一个信号灯作为工作指示。3.3.2 设计计算1： 确定电流 IA、IC、I G、I D、IB、IE 、IP步进电机每一相绕组 IP=3A， IB 与 IP 的关系为 IB= IP/hFE式中：hFE放大系数。查表得 3DD15 在绿点时 hFE 为 80120，取hFE=100。则 IB=3000/100=30 （mA）流入 3DK4 的电流 IG 与 IB、IE 的关系IG =（IB+I E）/ hFE查得 3DK4 在绿点时 hFE=50110，取 hFE=80IE=UBE/1（K）=0.7/1=0.7 （mA）则 IG=（30+0.7）/80=0.384 （mA）ID=（IB +IE） =30+0.7=30.7 （mA）IC= IG +IA 式中： IA光敏三极管的输出电流，IA= IFCTR20。CTR20 表示在环境温度 20时的电流传输比。查表得 GO101 的 CTR 为 20%。又查得在 20时电流传输比的相对值 CTR20 /CTR=100%。因此 CTR=20%。则 IA= 1020%=2 （mA）IC=0.384+2=2.384 （mA）2：确定电阻 RC、R A、RDRC=（U CC22UBE）/IC=（2720.7）/0.02384=10.74 （K）RA=（UCC22UBEUCES）/IA=（2720.70.4）/0.002=12.6（K）RD=（UCC2UBEUCES）/ID=（2720.70.4）/0.0307=844 （）3： 其他 1）信号灯选择 6.3V，同时用 200 的电阻分压以保护指示灯。1） RC 抗干扰回路中 R 为 5K，C 为 50F。图 34 单电压驱动电路3.4 步进电动机的选用步进电机又称脉冲电机。它将数控装置输出每一个电脉冲信号变成一定量的机械角位移，通过滚珠丝杠副使工作台作精确的位移。3.4.1 步进电机的工作原理步进电机由定子与转子组成，利用电磁铁的作用原理，使定子的三三 相 六 拍电 机 绕 组1K3D153DK42CP3 8.220OOO4uF2KO光 电 隔离 器 电路 RDIEIBT1T2IP RH6.3V灯+27VD CR1抗 干 扰 电 路个绕组依次通电，转子将被吸着一步步前进。每一步的角度称为步距。由于三拍控制方式易造成失步且稳定性不好。为此本设计采用工作稳定、转换频率高的三相六拍控制方式。通电顺序为AABB BC CCAA。每转换一次步进电机逆时针旋转15。3.4.2 步进电机的性能指标1：步距精度 它是以实测的步距角度与理论的步距角度之差来衡量，以分表示。2：最大静力矩（MCMAX） 它反映了步进电机承受外加转矩的特性。3：空载启动频率（f0） 当外加负载为0时，步进电机由静止突然启动，保证转子进入不丢步正常运行的最高接受信号频率。4：负载启动频率（fH） 当外加负载不为0时，步进电机由静止突然启动，保证转子进入不丢步正常运行的最高接受信号频率。5：负载及空载最大工作频率（fmax） 当步进电机在额定状态下不丢步启动运行后，将脉冲频率逐步升高使步进电机仍能保持正常运行的极限频率。3.4.3 步进电动机的选用（1）确定脉冲当量P 脉冲当量小可提高加工精度，但使系统复杂。本设计所要求的加工精度控制在0.1 0.02mm。便能满足需要。P可选为0.01mm/step。（2）确定步距角b步距角b应满足minib。其中i为传动比。初步确定b =1.5/step。（3）确定精度步进电机的精度可用步距误差或积累误差衡量。本设计选用后者。选用的步进电机应满足m Is式中 m步进电机的积累误差；s系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。（4）确定转矩1）: 步进电机转轴上启动力矩的计算:一般启动力矩的选取为TqTLO/（0.30.5）式中：Tq电机启动力矩；TLO电机静负载力矩。根据公式 Tq =36PFs+(G+FZ)/（2b） (Ncm)式中: Fs运动方向的切削抗力 （N ） ；摩擦系数；FZ垂直方向的切削力 （N ） ；G工作台重量（包括夹具在内） （N ） ；总机械效率；在本钻床的设计中，工作台的运动过程中不进行切削，故Fs=0，=0.03 （取淬火钢滚珠导轨） ，FZ =0，G=450N，=0.85，则 Tq = （360.010.03 450）/（23.141.50.85）=0.61(Ncm)由步进电机相数、拍数、启动力矩表中查得Tq/Tjm=0.866, 步进电机最大静转矩T jm= Tq/0.866=0.7（Ncm ） 。注：在要求的运行频率范围内，电机的运行力矩应大于电机的静载力矩与电机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。（5）确定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：ftfopm式中： ft 极限启动频率；fopm要求步进电机最高启动频率。参数 值 参数 值 相数 3 电感（Mh）步距角（） 1.5 电阻（） 0.54电压（V） 27 分配方式 3 相 6 拍相电流（A） 3 外型尺寸（轴径） （mm ） 5562（6）最大静转矩（N cm） 0.49 空 载 运 行 频 率（步/s ）重量（Kg） 0.65 空 载 启 动 频 率（步/s ） 2200转 子 转 动 惯 量（105Kg ）2m0.53表33 55BF004型步进电机的技术性能数据指标表运行 相数 3 3 4 4 5 5 6 6方式 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12Tq/Tjm 0.5 0.866 0.71 0.7 0.81 0.95 0.87 0.87表34 步进电机相数、拍数、启动力矩表（6）确定步进电机最高工作频率fmax= 1000快/P， 快=0.025(m/s)则 fmax=10000.025/0.01=2500(HZ)。根据以上参数查阅反应式步进电机技术指标表，确定在 X、Y 工作台上选择两个 55BF004 型步进电机。3.4.4 计算步进电机的惯性负载= + + （ + ）+MdJ012ZJ32180bp式中： 整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载（Kg ） ；dJ 2cm步进电机转子轴的转动惯量 （Kg ） ；0齿轮 的转动惯量 （Kg ） ；1J1Z2cm齿轮 的转动惯量 （Kg ） ； 22-滚动丝杠的转动惯量 （Kg ） ；3J 2cM工作台的质量 (Kg)脉冲当量 (cm/step)p对实心轴、齿轮、丝杠等圆柱零件的转动惯量可按下式估算(对于钢)J=7.8 L （Kg ） 410D2cm= 7.8 0.3=4.9 （Kg ）J4.4102c = 7.8 0.3=91.4 （Kg ）2J4105.24102cm= 7.8 30=3744 （Kg ）3如果忽略 ,则 =0.1546（Kg ）0Jd2cm3.5 辅助电路的设计3.5.1 越界报警电路的设计为了防止 X、Y 工作台及 Z 轴越出边界，可以设置限位开关。本设计可能有六个方向越界的可能。即+X、-X 、+Y、-Y 、+Z 和-Z。可在六个边界设置六个限位开关，一旦越界，应立即停止工作台移动。这里采用中断方式，利用 8031 的外部中断 INT0，只要有一个开关闭合，即工作台越界，便能产生中断信号 INT0。为了报警设置两个发光二极管灯，一个红灯用于越界时报警，另一个绿灯用于工作正常时亮两灯均由 8031的 P1.6 控制。线路图如图 34。图 35 报警指示及极限开关电路+ 5 V6 * 2 K7 4 0 77 4 0 75 0 01 . 5 K红绿报警显示P 1 . 6I N T O3.5.2 电源部分的抗干扰措施设计为了抑制来自电源的干扰，在交流电源进线处采用了滤波器和有静电屏蔽的隔离变压器，并设有变阻二极管用来吸收瞬变干扰和尖脉冲干扰。如图36。3.5.3 复位电路的设计单片机的复位都是靠外部电路实现。有HMOS型和CHMOS型两种，都是当震荡器正在运行的情况下，RST引脚保持两个机器周期以上时间的高电平，系统复位。复位时，ALE和PSEN配置为输入状态，即ALE=1，PSEN=1。内部RAM不受复位的影响。MCS 51常见的复位电路有上电复位电路、上电外部复位电路、外部复位电路、抗干扰复位电路四种。为了保证复位电路可靠性工作常将RC电路在接斯密特电路后再接入单片机复位端本设计采用一种实用的上电及外部复位电路。电路图如图37图36 电源的抗干扰措施20V 7812+ +FU滤 波 器 变 阻 隔 离 二 极 管 变 压 器 整 流 稳 压 器电 源 电 路 78057830+5V12V30V组10uF10uF 10pF 图36 复位电路图37 复位电路3.5.4 其他 为了控制的需要，在 硬件上应将8255A的定时输出端TMOUT连到8031的T0 端其作用在软件部分说明另外，还应将8255A的定时输出端TMOUT与步进电机控制用的环型分配器的CP端连接，其作用已在前文说明。至此，数控系统的硬件部分设计已完成。完整的控制系统图见附录。 第 4 章 X、Y 工作台的设计4.1 初步确定尺寸及估算重量根据钻床工作台的尺寸初步确定：Y 轴方向移动的工作台尺寸长宽高为 48012070 ，重量约3cm为 200N 最大行程为 100mm。X 轴方向移动的工作台尺寸长宽高为 20012080 ，重量约3为 150N 最大行程为 150mm。X、Y 工作台总重量（包括夹具及工件）不超过 450N。4.2 钻削工作时切削力的计算切削力与工件材料的硬度、进刀量和孔径有关。可按机械加工技术手册的公式进行计算。Z 方向的切削力为= （N）ZFCdfXfYK考虑到钻床不仅仅加工印刷电路板或铝板上的孔，所以按工件材料为铜来设计。 以最大孔径为 6mm 计算。查手册中有关表得 =304.11，d FC=1， =0.8， =1，进给量 查得 0.050.1，取 =0.08 则fXfYfKf f=304.116 1242 （N）ZF8.04.3 齿轮的设计4.3.1 确定齿轮的传动比因选择的电机步距角为 1.5， 螺距 t 为 5mm，脉冲当量为0.01mm。 所以该对齿轮的传动比为i=Z1/Z2=（3600.01）/（1.55）=0.48根据传动装置以及整个结构设计的需要选用主动轮 Z1 的齿数为 24， 从动轮 Z2 的齿数为 50。4.3.2 确定齿轮的模数及有关尺寸小齿轮 大齿轮名称 符号 公式 结 果分度圆直径 d d=mz 12 25基圆直径 db db=dcos 11.28 23.49齿顶圆直径 da da=d+2ha 13 26齿根圆直径 df df=d-2hf 11.65 23.65齿顶高 ha=ham ha=ham 0.35 0.35模数 m 0.5 0.5压力角 20 20齿根高 hf hf=（ ha*+c*）m 0.675 0.675全齿高 h h=（2ha*+c）m 1.175 1.175顶隙 c c=cm 0.175 0.175齿距 p p=m 1.57 1.57齿厚 s s=1/2p 0.785 0.785齿槽宽 e s=1/2p 0.785 0.785基圆齿距 pb pb=mcos 1.48 1.48标准中心距 a a=1/2m（z1+z2） 18.75 18.75表 41 齿轮的计算因扭矩较小，故不作强度计算，根据传动用途及精度要求选择模数m 为 0.5mm。两齿轮构成一级减速装置。则可计算出相关的尺寸见表41。由于 0.1m1，所以取 ha*=1，c*=0.35。顶隙 c=0.35mm， 。齿轮的全宽一般为 B1 （1.2 1.5）d（轴直径） 。齿轮带有轮毂凸缘，且凸缘直径 d1 （1.51.8） ，d 轮毂壁厚 a4.5mm，齿轮为锻造。4.4 滚珠丝杠螺母副的设计4.4.1 传动形式的选择 由于选择的传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。因此应选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻运动平稳、传动转矩大的传动部件。本设计 X、Y 工作台的运动方式选择丝杠螺母机构传动形式。它主要用来将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。1.滑动摩擦机构优点：结构简单；制造成本低；具有自琐功能。缺点：摩擦阻力大；传动效率低。2.滚动摩擦机构优点：摩擦阻力小；传动效率高。缺点：结构复杂；制造成本高。综上结合本设计的实际情况选用滚动摩擦机构。根据丝杠和螺母相对运动的组合情况起基本传动形式有以下四种：1.螺母固定、丝杠转动并移动 优点：结构简单；可消除丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动；可获得叫高的 传动精度；缺点：轴向尺寸不易太长；刚性较差。适用范围：工作行程较小的场合。2.丝杠转动、螺母移动 优点：结构紧凑；刚性较好、轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长；缺点：必须限制螺母的转动需加导向装置、不能自锁，在用作升降传动机构时需采取制动装置，适用范围：工作行程较大的场合。 3.螺母转动、丝杠移动 它需要限制螺母移动个丝杠转动其结构复杂切占用轴向空间较大 故很少使用。4.丝杠固定、螺母转动并移动 优点：结构简单紧凑 ;缺点：使用不方便 一般也很少使用。 4.4.2 滚珠丝杠副的参数1.螺距 t 根据本设计的实际要求 选择 t=5，2.名义直径 D0 按工作滚珠中心圆而定的直径称为名义直径 D0，它与承载能力有关，对于数控机床常用的进给丝杠，其名义直径一般为2080 毫米。3.滚珠直径 d0 滚珠丝杠副的滚珠直径 d0 是按轴承厂家制造的滚珠尺寸来选用，从承载能力而言，滚珠直径尽可能选大一点。但螺距 t 确定后，滚珠直径 d0 是受丝杠相邻两螺纹间的凸起部分所限制。一般而言，滚珠直径 d0 0.6t 毫米，本设计选取 d0=3 毫米4.滚珠的工作圈数 j 和工作滚珠总数 N 根据经验滚珠第一圈所受的轴向负载约占总负载的 50%，第二圈约 30%，第三圈约 20%。因此，滚珠丝杠螺母副中每个循环回路滚珠的工作圈数 j=2.53.5 圈，工作圈数j3.5 意义不大。关于滚珠总数 N，一般不超过 150 个，做到分布均匀且能承受足够的负载。综上结合本设计的实际情况选用第二种。4.4.3 滚珠丝杠副的组成及特点 滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，它由丝杆、螺母、滚珠、反向器四部分组成。如图 41。当丝杆转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端 图 41 滚珠丝杠副构成原理设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的逼和通路。滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，除了上述优点外，还具有周向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。4.4.4 滚珠丝杠副的典型结构类型 1.螺纹滚道型面（法向）的形状及主要尺寸我国生产的滚珠丝杠副的螺纹滚道有单圆弧型和双圆弧型，见图42。滚道型面与滚珠接触点，法线与丝杠轴向之垂线间的夹角 称为接触角，一般为 45 度。单圆弧型的螺纹滚道的接触角随轴向载荷大小的变化而变化，如图 42a，主要由轴向在乎所引起的接触变形的大小而定。 增大是，传动效率、轴向刚度以及承载能力也随之增大。由于单圆弧型滚道加工用砂轮成型较简单，故容易得到较高的加工精度。单圆弧型面的滚道圆弧半径 R 稍大于滚珠半径 rb。图 42 螺纹滚道法向截面形状双圆弧型的螺纹滚道的接触角 在工作过程中基本保持不变。如图42b，两圆弧相交处有一小空隙。可使滚道底部与滚珠不接触，并能存储一定的润滑油以减小摩擦磨损。由于对加工取型面的砂轮进行修整和加工、检验均较困难，故加工成本较高。故本设计采用单圆弧型的螺纹滚道。2. 滚珠的循环方式分内循环和外循环两种内循环方式的滚珠在循环过程中始终与四杆表面保持接触；外循环方式中的滚珠在循环反向时，离开丝杆螺纹滚道，在螺母体内或外做循环运动分三