数控车床的进给传动机构及数控系统设计终版

1、机电一体化课程设计(论文)题目: 数控车床的进给传动机构及数控系统设计学生姓名 专 业_机械设计制造及其自动化 学 号_ 班 级_ 指导教师 谭为民 成 绩_ 工程技术学院 2017年6月机电一体化课程设计任务书学生姓名专业年级设计题目： 数控车床的进给传动机构及数控系统设计设计要求：1、 能用键盘输入命令控制工作台的运动方向2、 能实时显示当前运动位置3、 具有越程指示报警及停止功能设计参数1、 系统分辨率纵向为0.01mm，横向为0.005mm；2、 最大加工直径：在床面上为400mm，在床鞍上为210mm；3、 最大加工长度为1000mm；4、 快进速度：纵向为2400mm/min，横向

2、为2400mm/min；5、 最大切削进给速度：纵向为500mm/min，横向为500mm/min；6、 脉冲当量：纵向为0.01mm/脉冲，横向为0.01mm/脉冲；7、 X方向定位精度0.01mm,Z方向定位精度0.02mm；8、 纵、横向安装限位开关；9、 显示界面采用5个8位LED数码管；设计工作量：编写设计说明书1份指导教师签名： 年 月 日目录1系统总体方案设计11.1数控系统运动方式的确定11.2伺服进给系统的选择11.3执行机构传动方式的确定21.4控制系统的选择21.5总体设计方案的确定32机械系统设计32.1系统脉冲当量选择42.2切削力计算42.3滚动螺旋副选型计算与验算

3、42.3.1纵向进给丝杠52.3.2 滚珠丝杠副几何参数72.4齿轮传动比计算72.5步进电机的计算与选型82.5.1等效转动惯量计算82.5.2电机力矩计算82.5.3 步进电机性能验算102.5.4步进电机型号确定及主要参数列表103 控制系统设计113.1数控系统硬件电路设计113.1.1主控制器CPU的选择113.1.2存储器扩展电路设计113.1.3步进电机驱动电路设计133.1.4 其它辅助电路设计133.1.5 机床数控系统硬件电路设计143.3绘制控制系统原理图17总结18参考文献18数控车床的进给传动机构及数控系统设计西南大学工程技术学院，重庆 摘要：数控车床进给系统是指能分

4、别沿着X向和Y向做进给运动的系统，是许多机电一体化设备的基本部件。本设计是对数控车床的进给传动机构和数控系统进行相关的设计。在设计的时候具体进行了各部件的选型和计算。比如：导轨的设计选型、滚珠丝杠螺母副的选型与计算，还进行了进给传动系统的刚度计算、进给传动系统的误差分析、驱动电机的选型计算、驱动电机与滚珠丝杠的联接、驱动电机与进给传动系统的动态特性分析等，最后选用单片机对其做数控系统的设计。关键词： 数控车床 进给传动机构 数控系统设计1系统总体方案设计对于数控车床的进给传动机构及数控系统设计，在考虑总体方案时应遵行的基本原则是：在满足设计要求的前提下，对机床的改造应尽可能的少，以降低成本。数

5、控系统总体方案设计内容包括：系统运动方式的确定；伺服系统的选择；执行机构传动方式的确定；控制系统的选择等内容。应根据设计任务和要求提出系统的总体方案，对方案进行分析、比较、论证，最后确定总体方案并绘制系统总体方案框图1。1.1数控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/直线系统和连续控制系统。由于要求车床加工复杂轮廓零件，所以本微机控制（MNC）系统采用连续控制系统。1.2伺服进给系统的选择数控机床的进给系统有开环、半闭环、闭环之分。采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差、传动间隙及干扰等对加工精度的影响。但

6、他的结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价高。本设计的精度要求不是很高，采用闭环控制系统的必要性不大。采用直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制，其性能介于开环和闭环之间。由于调速范围宽过载能力强，有具有反馈控制，因此性能远优于以步进电机驱动的开环控制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统的稳定性容易保证，所以比闭环容易实现。但是采用半闭环控制调试比开环控制要复杂，设计上有其自身的特点，技术难度较大。本设计任务的要求不高，通常情况下均采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单，设计制作容易，控制精度较好，容易调试，价格便宜，使用维修方便等优点；缺点是步进电机没

7、有过载能力，启动频率低，工作频率也不高等。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。经过上述比较，决定采用开环控制系统。1.3执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高强度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：（1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、铁塑导轨等。（2）尽量消除传动间隙,提高传动精度。如对滚珠丝杠和滚动导轨进行预紧，而传动齿轮通常采用消除间隙结构。（3）尽量提高传动刚度。传动刚度是传动元件之间的接触刚度，接触面越多刚度越低，传动误差越大，故应

8、尽量缩短传动链。通常，在简易数控系统中，只要能够保证步进电机的步距角与运动末端执行件脉冲当量的正确匹配，只采用一对齿轮传动副即可。给传动元件施加预负载，不但可以提高系统传动精度也可以提高系统的传动刚度。故滚动导轨、滚珠丝杠以及丝杠轴向固定轴成都带有预紧装置，以便随时调整预紧力1。1.4控制系统的选择计算机数控系统一般由主机CPU、存储器扩展电路、I/O接口、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。微机是数控系统的核心。数控系统的功能直接与所选微机相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要是字长和速度。字长不但影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工精度和运算精度。而字长短的计算机

9、在进行多字节数据处理时又会影响加工速度。目前，高档数控系统普遍采用32位机，主频已达20-30MHz；标准CNC系统通常采用16位机；经济型数控系统通常采用8位机，如采用Z80CPU或MCS-51单片机组成的微机应用系统。在51系列机型中，因为RAM容量都很小，所以必须扩展外RAM；又由于常用零件加工程序需要固化在EPROM中，而它们不宜和系统控制程序存放在同一存储区内，为方便同一考虑外ROM和外RAM的扩展，故通常都是采用8031单片机作主机1。本经济型数控车床采用MCS-51系列单片微机组成的微机应用系统。主机是8031，接口选8279，采用步进电机开环控制，传动部件为滚珠丝杠。1.5总体

10、设计方案的确定经以上论证后，确定的数控车床进给传动机构的总体方案图如图所示。车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动均采用步进电动机驱动。由MCS-51系列单片机组成微机作为控制装置的核心，由I/O接口、软环分配器与放大器控制功率步进电动机转动，经齿轮减速器后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。图1-1 系统总体方案图2机械系统设计 机械系统设计内容包括：系统脉冲当量确定；切削力计算；滚动螺旋副选型计算与验算；滚动导轨选型计算与验算；步进电机选型计算和验算；消除间隙齿轮结构设计、滚珠丝杠支承结构选型、电机固定结构选型设计等几个主要部分。2.1系统脉冲当量选择脉冲当量是机床移动不

11、见相对于每一个步进脉冲信号产生的位移量。脉冲当量也称为机床最小设定单位或最小指令增量或机床分辨率。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。数控车床通常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲。脉冲当量有时也由设计任务书直接给出。所以根据设计任务书确定脉冲当量：纵向为0.01mm/脉冲，横向为0.01mm/脉冲。因为脉冲当量相同，故以下只计算纵向进给相关参数，横向与纵向相同。2.2切削力计算设工件材料为碳素结构钢，b=650MPa;选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角r=60,前角o=10，刃倾角s=-5；切削用量为：背吃刀量ap=3mm,进给量f=0.6mm/r

12、,切削速度vc=105m/min。查表3-12，得： 查表3-32，得：主偏角r的修正系数为0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数均为1.0。由经验公式，得。由经验公式，得2.3滚动螺旋副选型计算与验算滚动螺旋副工作原理：滚动螺旋副是一种在丝杠和螺母之间放入滚动体 滚珠的一种丝杠螺母副。由于放入滚珠，故，当丝杠相对螺母转动时，滚珠则在螺旋滚道内即自转又循环转动，迫使丝杠螺母之间产生轴向相对运动，于是将丝杠的旋转运动变为螺母的直线运动或将螺母的旋转运动变为丝杠的直线运动。滚动螺旋副特点：优点：传动效率高，所需驱动转矩小；传动精度高，反向精度高，定位精度高；传动刚度高；传动平稳，快速响应好

13、，无爬行； 磨损小，精度保持性好，寿命长；具有运动可逆性；缺点：制造成本高；不能自锁，铅垂进给时需加制动机构2。滚动螺旋副的设计步骤是：计算进给牵引力，预选主要尺寸参数，计算最大动负荷，计算最大静负荷，初选滚珠丝杠副型号及列表主要参数，绘制进给系统计算简图，验算轴向刚度，验算传动效率，确定滚珠丝杠副型号。2.3.1纵向进给丝杠（1）工作载荷Fm计算已知移动部件总重G=800N；根据的对应关系，可得：纵向进给为综合型导轨，有式中：K考虑颠覆力矩时的影响系数，综合型导轨取K=1.15；导轨摩擦系数，=0.150.18（取=0.16）；G移动部件重量，G=800N代入公式计算得（2）滚珠丝杠副最大动

14、负荷计算最大切削进给速度最大切削力条件下的进给速度取，滚珠丝杠转速（其中：滚珠丝杠导程初选），则滚珠丝杠寿命值（其中使用寿命T=15000h） ，则运转状态系数，按一般运转取，故（3）滚珠丝杠螺母副的选型查阅机电一体化系统设计课程设计指导书，可采用W1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级选为3级。传动效率计算式中：丝杠螺母升角； 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,其摩擦角约等于10。本设计中：（4）刚度验算最大进给率引力为1631.79N，支承间距L=1500mm。丝杠螺母级轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向力

15、的1/3。丝杠的拉伸或压缩变形量1。查机械设计手册，根据Fm=1631.79N,D0=40mm，查出L/L=1.210-5,可算出由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量为：滚珠与螺纹滚道间接触变形。查机械设计手册相关图表，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量: 因进行了预紧，故 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。采用8107型推力球轴承，滚动体直径，滚动体数量Z=18,故因施加预紧力，故根据以上计算轴向总变形量为： 即轴向总变形小于定位精度。（5）稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力轴承并施加预紧，不会产生失稳现象，不需要进行稳定性校核。2.3

16、.2 滚珠丝杠副几何参数表2-1 滚珠丝杠参数表名 称符号计算公式（mm）W1L4006螺纹滚道公称直径40导程（螺距）6接触角244钢球直径3.968螺纹滚道法面半径R2.064偏心距0.056螺纹升角244丝杠丝杠外径39丝杠内径35.984螺母螺母外径(外循环）44.016螺母内经(外循环）40.79382.4齿轮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为0.75，可计算出传动比因进给运动齿轮受力不大，模数m取23。2.5步进电机的计算与选型2.5.1等效转动惯量计算电机转子的转动惯量：参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量为 ；齿轮的转动

17、惯量： 齿轮的转动惯量：=丝杠的转动惯量：=折算到电机轴上的总转动惯量： 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题，,基本满足惯量匹配要求1。2.5.2电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面按个工况计算。(1)快速空载启动力矩在快速空载启动阶段，加速力矩占得比例较大，具体计算如下：将上述数据代入，式中各符号意义同上：启动加速时间 折算到电机轴上的摩擦力矩：附加摩擦力矩M0 上述三项合计：（1） 快速移动时所需力矩：（3）最大切削负载时所需力矩Mj 从上面计算可以看出，Mq、Mk、Mj三种工况下，以快速空载启动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。查机电一体化系统设计表3-11可得

18、，当步进电机为五相十拍时，则最大静力矩为 。按此最大静转矩，查机电一体化系统设计表3.11得出，150BF002型最大静转矩为13.72Nm，大于所需最大静转矩，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行矩频特性。2.5.3 步进电机性能验算(1)电机最高空载启动频率和运行频率（2）频率验算查机电一体化系统设计表3-11 ，150BF002型步进电机允许的最高空载启动频率和运行频率分别为2800Hz和8000Hz，由于 故运行频率频率满足要求。但 不满足要求，可以通过采用步进电机快速启动升降速控制，将启动频率降到1000Hz，启动力矩可增高到588.4Ncm，然后在电路上再采

19、用高低压驱动电路1。2.5.4步进电机型号确定及主要参数列表表2-2 步进电机参数表型号相数步距角电压相电流最大静转矩最高启动频率运行频率转子转动惯量转速r/min150BF00250.7580/121213.722800800036.3551003.控制系统设计3.1数控系统硬件电路设计数控系统的硬件电路由以下几部分组成：（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，控制总线。（3）存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。（4）接口。即I/O 输入输出接口。哎哎哎哎并行接口芯片8155CPU8031单片机图3-1 控制系统原理图3.1.1主控制器CPU的

20、选择MCS-51系列单片机是集中CPU，I/O 端口及部分RAM等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用8031芯片作为主控芯片。3.1.2存储器扩展电路设计（1）程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用EPROM芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为2k,4k,8k,16k,32k。在选择芯片时要考虑CPU与EPROM时序的匹配。8031所能读取的时间必须大于EPROM所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速

21、度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择2764芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。单片机规定P0口提供为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低位的地址信息，一般采用74LS373芯片作为地址锁存器，并由CPU发出允许锁存信号ALE 的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。(2)数据存储器的扩展由于8031内部RAM只有128字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,626

22、2 静态RAM 数据存储器。本次设计选用6264芯片作为数据存储器扩展用芯片。(3)译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于RAM和I/O容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于

23、可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。本设计采用全地址译码法4。（4）存储器扩展电路设计8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路。（5）I/O 扩展电路设计通用可编程接口芯片81558031单片机共有4个8位并行I/O接口，但供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此要进行I/O口的扩展。8155与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。键盘，显示器接口电路键盘，显示器是数控系统常用的

24、人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用I/O口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有LED和LCD。下图所示为采用8155接口管理的键盘，显示器电路。它有48键和6位LED显示器组成。为了简化电路，键盘的列线及LED显示器的字位控制共用一个口，即共用8155的PA口进行控制，键盘的行线由8155的PC口担任，显示器的字形控制由8155的PB口担任1。3.1.3步进电机驱动电路设计（1）脉冲分配器步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进

25、电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB013。（2）光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。（3）功率放大器 脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用高低压功率放大器。3.1.4 其它辅助电路设计（1）8031

26、的时钟电路 单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1,XTAL2 引脚上外接定时元件。晶体可以在1.212之间任意选择，耦合电容在530pF 之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将XTAL1 直接接地，XTAL2 接外部时钟源。（2）复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在RESET引脚上出现10ms 以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后CPU便从0000H单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与8031复位要求一致时，可以直接相连。当晶振频率选用6MHZ 时，复位电路中C取22F，

27、R取200 ,RK取1000（）越程报警电路为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至8031的I/O口P1.0。当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。8031可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至8031的外部中断引脚（INT0或INT1），采用中断方式检查越界信号2。3.1.5 机床数控系统硬件电路设计 该系统选用MCS-51系列的8031作为主控制器。扩展存储电路为一片2732EPROM 和一片6264RAM。程序存

28、储器扩展为4K，数据存储器扩展为8K。 2732的片选控制端直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU从0000H 开始执行监控程序。6264的片选端由译码器（74LS138）的Y2输出提供。所以6264的空间地址为4000H5FFFH。 系统的扩展I/O 接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选端接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址号分别为8000H 及8001H，8002H，8003H。8155RAM区的地址为8000H80FFH。8155的PA口为控制工作抬X,Z向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，不步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示器设计在一起，8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫