经济型数控立式车床电气控制系统设计.doc

河 南 工 业 职 业 技 术 学 院河南工业职业技术学院毕业设计 题目：经济型数控立式车床电气控制系统设计教师：田林红 系别：机电工程系 专业：机电一体化 姓名：郭伟班级：机电0705目录绪论 31 机械部分改造的设计及计算31.1 课题的来源与意义及总体方案的确定 31.1.1 课题的来源与意义31.1.2 总体方案的确定：41.2 滚珠丝杠副的计算和选型 51.2.1 确定系统的脉冲当量 61.2.2 切削力计算 61.2.3 传动效率 81.3 步进电动机的选择101.3.1 传动比的计算 101.3.2 转动惯量的计算 111.4 齿轮设计及强度校核计算 161.4.1 选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数 161.4.2 按照齿面接触疲劳强度校核 161.4.3校核齿根弯曲疲劳强度 191.5 轴的设计（中间轴）及校核201.5.1 选择轴的材料201.5.2 初步估算轴的最小直径201.5.3 轴的结构设计201.5.4 按弯扭合成应力校核轴的强度211.5.5 精确校核轴的疲劳强度241.6 滚动轴承的选择和计算 291.7 键联接的选择和强度校核（即中间轴） 311.7.1 大齿轮2与轴的键联接311.7.2 小齿轮3和轴的键联接312 机床横向伺服进给单元电气控制部分设计312.1 电气控制系统方案的确定 312.1.1 步进电动机与丝杠的联接 322.1.2 8051单片机的选择332.2 步进电动机开环控制系统设计 332.2.1 脉冲分配器 342.2.2 光隔离电路 382.2.3 步进电动机驱动电路 392.3 8255可编程控制芯片的扩展 402.4 辅助电路的设计 42 2.4.1 8051单片机的时钟电路 42 2.4.2 复位电路 43 2.4.3 越界报警电路 442.5 操作板设计的简要介绍 44设计小结 45致谢语 46参考文献 46附图 1 CW6132横向伺服进给单元装配图及零件图附图 2 机床电气控制电路原理图绪论 随着我国生产技术进步，在机械制造业中，经济型数控机床越来越受到企业的欢迎。企业一方面投入大量资金购买数控车床，另一方面更新改造现有普通机床，通过 为普通机床添加数控装置，将普通机床改造成经济型数控机床，这是许多中小型企业面临的重要技改措施。 数控机床能够适应市场对产品多样化、高精度的要求。因此得到了越来越广泛的应用。但是，商品化的数控机床价格高，一致于推广应用受到限制，而我国又现存有大量的普通机床，利用较先进的数控 系统，对现有普通机床进行技术改造，对提高我国机械行业的数控加工技术具有 更重要意义。数控机床是衡量一个国家机械制造业水平的重要指标。根据我国机床拥有量大，生产 规模小的具体国情，将普通机床通过数控化改造为经济型数控机床是我国机械工业技术改造的这样目标。但从我国目前机械工业制造水平与发达国家相比差距较大， 而且从目前企业所面临的情况看，因数控机 床价格较贵，一次性投资较大，使企业心有余而力不足。因此，我国作为机床大国。对普通机床数控化改造作为一种良好的有效途径。这样机床改造花费少，改造设计 针对性强、时间短，改造设计 后的机床大多能够克服机床的缺点和存在的问题，生产效率高。1 机械部分改造的设计及计算1.1课题的来源与意义及总体方案的确定1.1.1 课题的来源与意义： 社会发展的今天，现代工业发展非常迅速突出，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新换代不仅资金投入大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大浪费。所以最简易经济的办法就 是进行数控化改造。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好的解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从我国目前机械工业制造水平与发达国家相比差距较大，而且从目前企业所面临的情况看，因数控机 床价格较贵，一次性投资较大，使企业心有余而力不足。因此，我国作为机床大国。对普通机床数控化改造作为一种良好的有效途径。这样机床改造花费少，改造设计 针对性强、时间短，改造设计 后的机床大多能够克服机床的缺点和存在的问题，生产效率高。1.1.2 总体方案的确定： 根据改造设计内容确定方案。有设计内容可知，该CW6132车床的改造设计是将原机床中手动进给装置改装成有步进电动机驱动，采用微机控制步进电动机来完成数据的处理运动控制。由此可见改造设计以后的车床具有一定的数控机床功能和特点，大大提高了车床的数控化程度和生产效率，是一种经济型的数控机床。翻阅查看CW6132车床是一种小型的车床，床身最大工件回转直径320mm加工工件最大长度750mm，主要用于加工中小型类零件。根据我们的设计内容要求参考数控机床的改造设计经验，我们设计确定如图1-1 1-2 所示总体改造方案。图12 CW6132普通车床的数控改造方案图1.纵向滚珠丝杠 2.横向滚珠丝杠 3.步进电动机 4.减速齿轮 5. 减速齿轮 6. 步进电动机该方案中以步进电动机作为驱动元件，采用开环伺服控制，无检测反馈机构，具有结简单，使用维护方便，可靠性高，制造成本低等一系列的优点。从设计题目中可知，我们改造设计的是基于CW6132车床的横向伺服进给单元机电一体化改造设计。所以针对横向进给机构进行如下改造：拆除原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱，拆除原丝杠安装滚珠丝杠并仍然安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，这样可以减小装配现场，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而是横向进给整体的刚性提高，优胜于以前的，横向进给机构采用二级齿轮减速，并用双片齿轮销齿法消除间隙。其余部分的改造设计尽量按照原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改装的部位，以降低生产成本，节约改造生产时间，提高生产效率。1.2 滚珠丝杠副的计算和选型进给伺服系统机械部分的计算与选型的内容包括:运动参数、动力参数的计算、传动比的分配、转动惯量、等效转矩等计算.计算简图如图1-3:图13进给伺服系统机械部分的计算1.2.1 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使车床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数.因此脉冲当量应根据机床精度来确定.对于经济车床来说横向采用的脉冲当量为0.005mm/脉冲1.2.2 切削力计算 在进给系统的传动的计算过程中,选用步进电动机时都需要用到切削力(机床的主要负载),则可用公式计算出车床切削力最大切削功率(或转矩) =P主 式中 P主.主电动机的功率,CW6132车床P主 =8 kw .主传动系统的总功率一般为0.70.85 取=0.8 则P切 =(80.8) kw=6.4 kw切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转矩)和最大切削速度(或转矩)来计算,即: P主 =/60式中 主切削力( N ) 最大切削速度(m/min).按用硬质合金刀具半精车钢件是的速度取=100m/min = 60 6.4/100 = 3840( N )在一般情况外圆车削时, =(0.10.55) =(0.150.65) 取 = 0.48 = 1843.2N = 0.58 = 2227.2N滚珠丝杠副的选择和性能验算,横向进给为综合型导轨,由公式可得丝杠轴向进行切削,其中k= 1.15, =0.16则: = k+(+W)式中 .切削分力( N ) W移动部件的重量( N ) 导轨上的摩擦系数,随导轨型式不同而不同K考虑颠覆力矩影响的实验系数即 =1.15 1843.2+0.16(3840+200)N=2766.08N 最大切削力下的进给速度可取最高进给速度的1/21/5,取为1/2.横向进给速度为2m/min,丝杠导程选取6mm,则丝杠转速为: n = 1000/ = 1000 2/6 = 333.33r/min丝杠使用的寿命时间取为T = 15000h,则丝杠的计算寿命L为: L = 60nt/ = 60333.3315000/ = 300 ()根据工作负载、寿命L,按公式计算滚珠丝杠副承受 的最大的动载荷取= 1.2 = 1 =/=1.22766.08=22220N由当量载荷,从手册或样本的滚珠丝杠系列表中初选滚珠丝杠的型号和有关参数.选用是要注意公称直径和导程应用优先组合，同时还需要满足数控系统和伺服系统对导承的要求。同时还受最大静载荷的影响和限制，因当滚珠丝杠在静态或低速(n10r/min)情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是滚珠与滚道型面在接触点上产生塑性变形，当塑性变形超过一定限度就会使滚珠丝杠副无法正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。此时的轴向负载称为额定静载荷。选用时应将相应的滚珠丝杠的额定静载荷满足以下条件： =f/式中 滚珠丝杠的最大轴向工作载荷； 静态安全系数。一般 12,有冲击时 =23由参照表查出该滚珠丝杠型号为W5006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副。1列3圈，其额定动负载为24000N，强度足够应，精度选用5级，其几何参数如下：公称直径=50mm，导承=6mm，螺纹升角v=arctg/=211繭钢球直径为3.969mm，螺杆内径为45.88mm。滚道半径R为： R=0.523.969=2.06388mm偏心距为： e=0.07（R-/2）=0.07（2.064-3.969/2）=5.6mm螺杆内径： =+2e-2R=5025.6-22.06388=45.88mm1.2.3 传动效率 滚动丝杠副的传动效率可用下式计算。 =tgr/tg（r+）式中 r丝杠的螺旋升角 摩擦角。滚珠丝杠副的滚动摩擦系数因数f=0.003-0.004，摩擦角约等于10即=tg211/tg(211+10)0.927横向进给滚珠丝扛支承方式如前图所示，支承间距L=400mm，丝杠螺母及轴承均进行了预紧，预紧力的最大轴向负载荷的1/3，丝杠的变形量计算如下：滚珠丝杠截面积按丝杠螺纹的底径确定A=/4 45.882mm2=1653.24mm工作载荷引起导程的变化量可用下式计算=/EA=2766.086/201041653.24=0.487mm式中 E丝杠材料的弹性模量，对钢E=2.061011N/则丝杠的拉伸或压缩变形量：=/L=0.487/61500=1.22mm由于两端均采用角接触球轴承，且丝杠又进行了预紧故其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高4倍。其实际变形量为=1/4=0.305mm滚珠与螺纹通道间接触变形=0.0013/=0.0072mm式中 轴向工作载荷（N）； 预紧力（N） 滚珠直径（mm）；滚珠数量，=Zjk其中j为圈数，k为列数，Z每圈螺纹滚道内的滚珠数：外循环时Z=/；内循环时Z/-3滚珠丝杠公称直径（mm）；因丝杠加有预紧力；且预紧力为轴向最大负载的1/3时, 可减少一半，因此实际变形量为： =0.0072/2=0.036mm支承滚珠丝杠的轴承为8209型推力球轴承，几何参数为=45mm，滚动体直径=7.06mm，滚动体数量=20轴承的轴向接触变形为： =0.024式中轴承所受轴向载荷（N）；轴承的滚动体数目； 轴承的滚动体直径；即=0.024=0.024=0.03346mm注意：此公式的单位为Kgf因施加预紧力故实际变形量=1/2=1/20.03346mm=0.0167mm根据以上计算总变形量为：=+=（0.00305+0.0036+0.0167）mm=0.0234mm五级精度丝杠允许逻辑误差为27m/m，故刚度足够因为滚珠丝杠的两端都采用推力球轴承并预紧，因此不会产生失稳现象，故不需要作稳定性校核1.3 步进电动机的选择。1.3.1 传动比的计算 根据给定的横向进给的脉冲当量0.005mm，滚珠丝杠导程=6mm，及初选的步进电机步距角0.75，可计算出传动比i： =360/ 式中 脉冲当量（mm/步）； 滚珠丝杠导程（mm）； 步进电机步距角（）；减速齿轮考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程故采用两级齿轮降速，根据传动比，即 i=360/选齿轮Z1=28，Z2=56，Z3=24，Z4=30一级降速传动比为0.5二级降速传动比为0.8初选步进电动机型为150BF002,因为进给伺服系统传递功率不大,一般选模数取m=12，本次设计选用m=21.3.2 转动惯量的计算选择步进电动机时,必须根据机械传动装置及负载折算到电动机轴上的等效转动惯量,分别计算各种情况下所需要的力矩,再根据步进电动机最大静转矩和启动运行频率特性选择合适的步进电动机,负载惯量是驱动系统的主要参数之一,它对选择步进电动机,设计传动比等都有十分重要的意义,如果该惯量与电动机的匹配不当,系统就得不到快速反应,甚至失效.Z1=28,z2=56,z3=24,z4=30齿轮的转动惯量。 = =2.6358 = =36.148 =1.4227 = =0.186丝杠的转动惯量可以从表中查得负载转动惯量考虑步进电动机与负载转动系统惯量匹配问题即 0.571满足惯量匹配要求。而惯量由伺附电动机的惯量 和进给系统惯量 组成 伺附电动机的惯量进给系统惯量负载转矩计算及最大静转矩选择：机床在不同的情况下，其所需要的转矩不同，下面分别进行计算快速空载启动是所需要的转矩为 式中： 快速空载启动力矩 空载启动折算到电动机上的加速力矩 折算到电动机轴上的摩擦力矩 由于丝杠加紧时折算到电动机轴上的附加力矩将已知数据代入 式中 传动系统折算到电动机轴上的等效的转动惯量 运动部件从停止启动加速到最大快进速度所需要的时间 电动机的最大转速 折算到电动机轴上的摩擦力矩 式中 导轨的摩擦力 垂直方向的切削力 运动部件的总重量 导轨的摩擦系数 齿轮降速比 传动链总效率，一般取0.70.85 附加力矩： 式中： 滚珠丝杠预加负荷前一般取 滚珠丝杠导程滚珠丝杠拧紧时的效率一般大于0.9于是： 快速移动时需要的力矩： 最大切削负载时所需要的力矩： 从以上计算可以看出三种工况下以快速空载启动所需要的力矩最大，依次作为出选电动机的依据。对于工作方式与五相十拍的步进电动机最大静转矩： 从相关资料可以查出150BF002型号的步进电动机最大静转矩为13027N.M大于所需要的最大静转矩可以作为初选型号大需要考虑电动机启动矩频特性和运行它。步进电动机的空载启动频率： 由相关资料知道150BF002步进电动机允许的作大空载启动频率为2800HZ，运行频率为8000HZ，有下图（a)可以看出步进电动机启动是频率为2500HZ，远不能满足机床所需。直接使用回产生失步现象，所以必须采取升降速度控制（可以用软件实现）将启动频率降到1000HZ时，启动扭矩可以增高到588 。然后在电路上再采用高低压驱动电路，可以将步进电机输出转矩扩大一倍左右。 当快速运动和切削进给时，由150BF002型号的步进电动机矩频特性（b)知道电动机可以满足要求。根据上述计算综合考虑，横向进给系统采用150BF002型号电动机（a)步进电动机启动频率（b) 步进电动机矩频特性 图14步进电动机的启动频率和矩频特性零件的设计计算，传动轴的初步计算及结构设计，支撑方式和部件的选择计算：1.4 齿轮设计及强度校核计算1.4.1选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数该传动方案选用直齿圆柱齿轮传动.速度不高,所以齿轮选8级精度；齿轮材料选用价格便宜并且硬度合适的材料；齿轮 Z1，Z3，Z4 材料为45#钢(调质)； 齿轮Z2材料为45钢(常化)。 根据传动比选取小齿轮Z1=28.Z2=56.Z3=24.Z4=30因齿面硬度小于350HBS的闭式传动,所以按照齿面接触疲劳强度设计,然后校核齿根弯曲疲劳强度.1.4.2 按照齿面接触疲劳强度校核 由公式确定公式中各参数的值选择载荷系数 计算小齿轮传递的转矩查表选择齿宽系数查表得出弹性影响系数由表查出 由公式确定公由表查出寿命系数 计算接触疲劳强度许用应力,取失效概率为1%,安全系数S=1.由公式 可得 计算小齿轮分度圆直径 计算圆周速度 计算载荷系数. 根据查表因为是直齿圆柱齿轮,取同时由表查 得， 所以载荷系数 按实际的载荷系数校正所计算的分度圆直径 计算模数： 1148224dm= z= =取模数 根据综合因素的 考虑及传递的力矩不大,故选用： 计算分度圆直径： 计算中心距： 计算齿轮宽度： 由于传递振动不大，1.4.3校核齿根弯曲疲劳强度式中各个参数值,计算圆周力： 查取应力校正系数： 计算载荷系数： 查取弯曲强度极限及寿命系数：查表得：查表知道；计算弯曲疲劳许用应力,取弯曲疲劳安全系数： 由公式： 所以 校核计算： 1.5 轴的设计（中间轴）及校核1.5.1选择轴的材料 选取45钢，调制硬度HBS=230，强度极限=650Mpa，屈服极限=360Mpa,弯曲疲劳极限=300Mpa,剪切疲劳极限=155Mpa,对称循环变应力时的许用应力=60Mpa1.5.2初步估算轴的最小直径取=110，得：d=11015mm 由于采用步进电动机驱动，选用150BF002型，它的轴径为18mm，为了配合二级齿轮传动，在此选择最小轴径为15mm，便于受力均匀，结构紧凑，便于安装。1.5.3轴的结构设计 由轴的结构和强度要求选取轴承孔的轴径d=15mm，初选轴承型号6202的深沟球轴承，齿轮轴处轴孔d=25mm,轴肩直径d=35mm,轴的结构如附图两轴承支点间的距离为 L=+u+式中T 轴承的宽度，查表可知6205轴承T=11mm 齿轮端面与箱体内壁的距离，查表可知取=8mm 齿轮3的齿宽，=32mm 齿轮2与齿轮3轮毂端面间的距离，取=8mmL 齿轮2的轮毂长度，L=（1.21.5）dB,u=34mm代入以上各数值得 L=11+8+27+34+8+13.5=96mm齿轮3的对称线与左轴承支点的距离为： =+=5.5+8+13.5=27mm齿轮3的对称线与齿轮2的对称线间的距离为： =+=13.5+8+17=38.5mm齿轮2的对称线与右轴承支点间的距离为： =+=17+8+5.5=30.5mm1.5.4 按弯扭合成应力校核轴的强度绘轴的计算简图 轴的计算简图如图1-5(a) 所示计算作用轴上的力大齿轮2受力分析圆周力 =401.26N 径向力 =401.26=146.05N小齿轮3受力分析 圆周力 =936.27N 径向力 =936.27=340.77N计算支反力： 水平面 =0 96-69.5-32.5=0 =805.30N =0 =+-=532.23N 垂直面 =0 96-69+30.5=0 =198.52N =0 =-=-3.8N作弯矩图 水平面弯矩图(b) =-28.5=-803.527.5=-21743.1N.mm =-32=-523.2330.5=-16233.015 N.mm 垂直面弯矩图(c)=28.5=198.5227=5360.04 N.mm =32=-3.830.5=-115.9 N.mm合成弯矩 = = =22393.92 N.mm = = =16233.42 N.mm做扭矩图(d) =22470.588 N.mm作计算弯矩图图(e) 考虑减速器的刹车和启动，转矩产生的切应力应按脉动循环变化，故取a=0.6。则： =22393.92 N.mm = = =26139.27 N.mm = = =21102.079 N.mm按弯扭合成应力校核周6的强度 由计算弯矩图可知，C剖面的计算弯矩最大，该处的计算应力为： =16.729Mpa 16.729Mpa=60Mpa故安全1.5.5 精确校核轴的疲劳强度 由玩具图和转矩图可知弯矩最大，但从应力集中对轴的疲劳度的影响看，剖面，处的过盈配合引起的应力集中最严重，由于过盈配合及键槽的应力集中两端，故C剖面处受影响不大，在剖面处的载荷比剖面处的载荷要大，而剖面，的尺寸相同，因而在此只需要校核剖面两侧的疲劳强度。剖面左侧弯矩及弯曲应力 弯矩： =24372.98 N.mm抗弯剖面模量： 弯曲应力： 应力幅： 平均应力： =0转矩及扭剪应力 转矩： 抗扭剖面模量： 扭转剪应力： 应力幅及平均应力：各项系数 过盈配合处的有效应力集中系数：查表可求得过盈配合处的=1.86由图查得尺寸系数=0.83，=0.89由图查得表面质量系数，精车加工轴径表面强化处理，故强度系数=1弯曲疲劳 的综合影响系数，由公式得=（1.86+）=1.996=（1.86+）=1.996 对材料特性系数，对碳钢，取=0.1，=0.05计算安全系数 S所以安全剖面右侧弯矩及弯曲应力 弯矩： 抗弯剖面模量： 弯曲应力：Mpa 应力幅： 平均应力：转矩及扭剪应力 转矩： 抗扭剖面模量： 扭转剪应力： 应力幅及平均应力：各项系数（如前） 即 ，计算安全系数 S=1.5 安全，强度足够 (a) (b)(c) (d)(e) 图15轴的疲劳校核1.6滚动轴承的选择和计算即中间轴滚动轴承的选择计算，按轴的结构设计，初步选用型号为6204的深沟求轴承。计算轴承载荷：图16 轴的受力图轴承的径向载荷轴承 A： 轴承 B： N按寿命计算选择轴承型号派生轴向力的计算， 查表可知 NN确定轴承的轴向载荷 故轴承1“放松”轴承2“压紧”根据当量动载荷公式计算P值 计算工作所需要的径向基本额定动载荷： 由于常温，中等冲击取，深沟球轴承寿命指数，两支承用同一型号， h若按大修期5年更换轴承，轴承的寿命足够用，故所选轴承合适1.7 键联接的选择和强度校核（即中间轴）1.7.1 大齿轮2与轴的键联接选用圆头普通平键（A）型按轴径d=25mm及轮毂L=34，选键bh=87GBGB1096-79强度校核 键材料用45钢，查表得许用应力，键的工作长度l=L-b=34-8=26mm；，按公式得挤压应力： 故强度是足够的。1.7.2小齿轮3和轴的键联接 按稠径d=25mm（轮毂L=27mm，选键bh=87，GB1096-79，选用圆头普通平键（A型）强度校核键材料用45钢，查表得许用应力，键的工作长度l=L-b=27-7=20mm，,按公式 故能满足。2 机床横向伺服进给单元电气控制部分设计CW6132车床是一种小型的车床，对于它的伺服进给单元的机电一体化改造设计，我们从设计内容中可以知道，是用微机控制步进电动机驱动滚珠丝杠带动工作台来完成数控处理和运动控制。由此可见，改造设计后的机床具有一定的数控机床的功能特点，是一种简易经济数控机床，所以，我们就按照经济数控机床进行电气控制部分的改造设计。2.1 电气控制系统方案的确定 我们知道对于一些经济数控机床，常采用开环伺服系统，其结构如图21图21开环伺服系统结构原理图它主要由步进电动机和相适应的驱动电路组成，数控装置发出的指令脉冲驱动电路变换放大传给步进电动机，步进电动机每接受一个脉冲就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母带动机床工作台移动，步进电动机的转速和转过的角度取决于指令脉冲的频率和个数，反映到工作台就是工作台的移动速度和位移的大小。但系统没有位置检测反馈环节，工作台位移到位，其精度取决于步进电机齿距角精度，齿轮传动间隙和丝杠螺母精度等。由此可见，对于我们改造设计的CW6132车床的横向伺服就进给单元采用这种由步进电机驱动的开环控制系统比较合适的。该系统方案中不使用位置检测元件，也就没有闭环控制系统的稳定性问题。因此，具有结构简单，使用维修方便，可靠性高，制造成本低等一系列优点。对于CW6132车床精度要求不太高的中小型机床改造设计来说，特别适合适用这种开环步进控制系统发案。2.1.1 步进电动机与丝杠的联接对于经济数控机床，步进电动机应与进给运动的丝杠相连着主要是从进给传动链最短发出信息来考虑的，步进电动机与丝杠的联接的方法有两种：一种是与丝杠直接联接在一起，此方法结构简单，但是运行位移的脉冲当量不是5的倍数编程计算时不方便。另一种是在步进电动机输出轴端配置减速器，使减速器输出轴通才联接套于丝杠直接联接在一起，一般改造常采用这种联接方式。所以，CW6132车床改造设计也采用这种联接方式，而且从前面步进电动机计算和选择中可知采用二级传动2.1.2 8051单片机的选择 根据CW6132车床最大加工尺寸，加工精度，控制速度以及经济性要求，改造设计后的简易经济型数控机床一般采用8位微机进行控制，在8位微机中，MCS-51系列单片机集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能比。因此，我们设计选择应用MCS-51系列单片机作为控制微机在MCS-51系列单片机中8051为典型代表，它具有高性能8位CPU，4KROM，128字节RAM，2个16位定时/计数器，4个I/O，一个全双工异步串行口，5个中断源，可访问64K程序存储器空间和64K数据存储器空间，它与其中的8031相比，片内有4KB的ROM，而8031片内没有ROM或EPROM。8031使用时必须配置外部的程序存储器EPROM，而8051就不需要了。但它的片内ROM和片外ROM 不能同时占有，为了指示机器的这种只有生产厂家或器件设计者为用户提供了一条专用的控制引脚EA，如果EA 接+5V 高电平，则机器使用片内4KBROM ，如果EA 接低电平，则机器自动使用片外ROM，而8031引脚EA接地 所以，对于CW6132车床横向进给伺服系统就采用8051单片机进行数据传递和运动控制我们改造设计的机床，主要是横向伺服进给单元机电一体化改造设计，根据下面设计起控制电路如后面附图（B）所示 2.2 步进电动机开环控制系统设计 步进电动机又称脉冲电动机 ，使一种把脉冲信号转换成为线位移或角位移的电动机，常用作数字控制系统中的执行元件。根据前面的设计步进电动机的计算和选择可知，我们设计选用的是三相六拍的反映式步进电动机- 110BF003由于步进电动机各绕阻按一定节拍依次轮流通电才能转动，控制脉冲频率可控制其转动速度，因此 步进电动机的驱动系统由脉冲发生器，光隔离电路，脉冲功率放大器等组成，其驱动原理框图如下图22所示图22步进电动机驱动原理图图中，脉冲信号源是由CNC系统根据程序控制脉冲频率和频率的个数，脉冲分配器将脉冲信号按一定顺序分配；然后送到放大电路中进行功率放大，驱动步进电动机进行工作，其中脉冲分配器及前面的微机及接口芯片工作一般为+5V 而作为电动机电源需要符合 步进电动机的额定电压值，为避免强电对弱电的干扰，在它们之间设计采用光隔离电路。具体电路如下面所设计的2.2.1 脉冲分配器对于开环伺服驱动中，我们设计采用单片机脉冲分配器，如图23所设计的8051单片机控制步进电动机的控制电路。图 23 8051单片机控制步进电动机控制电路原理图8051单片机的P1口作为输出口，用程序实现脉冲分配功能。对于三相异步电动机，用P1.0，P1.1，P1.2作为输出端，精光电隔离电路，再由驱动电路放大来驱动 步进电动机运转。对于我们改造设计的CW6132 车床的横向伺服进给单元机电一体化改造选择的是 三相六拍的反应式步进电动机 -110BF003。因此，按三相六拍的步电动机的通表电顺序，可以得出P1.0口的输出控制字表如下表1所示表1 P1.0口的输出控制字表由表可见，步进电动机第一个状态字为01H，从上而下输出控制字，步进电动机正转。从正转最后一个状态字05H 之后加上反转第一个控制字01H，此时，再接着输出控制字时，步进电动机反转，假设这些控制字在存储器地址以及读取控制字的顺序，可以画出三相六拍步进电动机的控制程序框图2-3如下图 2-3 步进电动机控制程序流程图假设，步进电动机总的运行参数放在R4转向标志存放在程序状态寄存器用户标志FI（D5H）中，当F1为“0”时，步进电动机正转。当F1为“1”时，步进电动机反转。正转时，8051的P1口的输出控制字01H，03H，02H，06H，04H，05存放在8051的片内数据存储器单元20H25H中，26H 存放结束标志00H 在27H2CH 的存储单元内存放反转时P1端口的输出控制字01H，04H，06H，.02H，03H，在2DH单元内存放结束标志00H。根据前面的控制程序表1图2-4）的控制程序控制框图，我们可以 编出步进电动机正反转及转速控制，其控制程序如下； PUSH A； MOV R4， #H CLR C； ORL C， D5H； JC R0TE； MOV R0， #20H AJMP LOOP； R0TE：MOV R0， #27H LOOP：MOV A， R0 MOV P1， A； ACALL DELAY； INC R0； MOV A， 00H ORL A， R0； JZ TPL； LOOP： DJNZ R4，LOOP； POP A； TPL MOV A， R0； CLR C； SUBB A， 06H； MOV R0， A； AJMP LOOP1； DELAY： MOV R2， M； DELAY1： MOV A， M1； LOOP： DEC A； JNZ LOOP； DJNZ R2， DELAY1； RET2.2.2 光隔离电路在这个步进电动机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电动机的励磁绕组。由于步进电动机需要的驱动电压较高（几十伏）电流也教大（几安到几十安）如果将I/O口输出信号直接与功率放大器相连，轻则影响单片机程序的正常运行，重则导致单片机接口电路的损坏。因此，在接口电路与功率放大器之间设计加光隔离电路，实现电器隔离，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器由发光二级管和光敏晶体管组成如下图2-5所示的共集电极输出型光耦合器。当输入信号VI加到输入端时，发光二极管导通激发出红外光，光敏晶体管受光照后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现以光为媒介的电信号传输，输入端与输出端在电气上完全隔离。图 2-5 共集电极耦合器 图 2-6 光电隔离输出电路上图26为光隔离输入与输出电路。控制信号74LS05集电极开路门反相后驱动光耦器的输入发光二 极管 。当控制信号为低电平，74LS05不吸收电 流，发光二极管不导通，从而输出的光敏晶体管截止，当控制信号为高电平，74LS05吸收电流，发光二极管导通 发光，光敏晶体管受到激励导通。我们的改造设计就采用这种光隔离电路。2.2.3 步进电动机驱动电路由于逻辑电路和单片机的输出脉冲电平很小，一般为3V左右电流为毫安无法驱动步进电动机，而需要经过驱动电路进行功率放大。我们知道常用的驱动电路有：单电源驱动电路高低压双电源驱动电路和恒流斩波驱动电路。而我们设计采用高低压双电源驱动电路 作为该系统的驱动电动。如下图所示设计的高低双电源驱动电路。 图 2-7 高低双电源驱动电路 图中LA为步进电动机A相绕组，接大功率VT1和VT2之间，VT1为高压管。当脉冲分配器输出低电平是，VTI和VT2之间截止，LA无电流通过。当脉冲分配器输出高电平是，是单稳态电路翻转为高电平输出，经前端放大使VT1导通，同时功率管VT2也导通，高压电源Vn经VTI和VT2加至LA上。此时，二极管VD1因承受反向电压而截止，切断低压电路VL，由于高压源电压很高，线圈的电流 上升很快，上升沿变陡，当电流值接近步进电动机的额定值是，单稳态电路延时时间到 ，翻转为输出低电压，使高电压管VT1截止。这时，由低电压电源VL供电，VT2继续导通LA继续通过电流 。当脉冲分配器输出的脉冲为低电平时，功率VT2截止，这时为二极管VD2续流，电流随之减少为零，采用这种驱动电路是因为它于单电源驱动电路相比，高低压双电源驱动电路的电流波形上升沿变陡，使步进电机的力矩和运行频率等主要性能得到明显改善，而且驱动功率也比单电源的高；在结构上也比恒流斩波驱动电 路的简单。所以我们设计应用这种高低压双电源驱动电路2.3 8255可编程控制芯片的扩展MCS51系列单片机的特点之一就是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合可以不用I/O口系统，但是对于复杂的应用场合就需要用I/O口扩展来满足单片机运行功能的像我们设计的CW6132车床的数控化的改造就有一定的复杂程度。因此。我们对8051单片机进行I/O口扩展，扩展一片8255可编程控制芯片来达到机床控制运动功能的完善性选用的8255芯片是INTEL生产的可编程0输入