毕业设计论文：CA6132普通车床的数控技术改造

1、目录 第一章 绪论 数控技术和装备发展趋势 数控机床系统总体设计 总体方案设计内容 总体方案确定 进给系统设计计算 选择脉冲当量 计算切削力 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 齿轮进给齿轮箱传动比计算 步进电机的计算和选型 微机数控系统的设计 微机数控系统的设计纲要 硬件电路设计 二软件电路设计 8031单片机及其扩展 8031单片机的简介 - 8031单片机的系统扩展 存储器扩展 I/O 口的扩展 -3 - 第二章 第三章 3 8 8 8 -10 -10 - 四 五 第四章 一 二 三 四 步进电机驱动电路 一 二 三 四 脉冲分配器（环行分配器） 光电隔离电路 功率放大器 其他辅助电路 第五章

2、第六章 数控系统的软件设计 一软件脉冲分配器 二逐点比较法插补程序 三步进电机升降速软件设计 数控机床零件加工程序 总结与展望 -10 - -11 - -18 - -19 - -23 - -23 - -23 - -24 - -25 - -25 - -25 - -27 - -28 - -29 - 30 30 30 31 32 -33 - -34 - -36 - -37 - -39 - - 24 - 摘要 当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现 状，在此基础上讨论了在我国加入WTO和对外开放进一步深化的新环境下，发展 我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞

3、争能力的重要性，并从 战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度, 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物 技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思 曾经说过 各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资 料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是 当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术， 以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上

4、各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施 来发展自己的数控技术及其产业，而且在高精尖”数控关键技术和装备方面对我国 实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世 界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 其技术范围覆盖很多领域：（1）机械制造技术；（2）信息 （3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感器技术；（6） 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以 数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产 品，即所谓的数字化装备， 处理、加工、传输技术；

5、软件技术等。 关键词：普通车床; 数控改造； 伺服系统； 数控系统 The transformation and design of the economic CNC lathe ABSTRACT The survey found that most enterprises of china still have large amounts general-purposemachine tools which have Iongevity of service, low precision, can not ada pt to mass p roduct ion , low automatiz

6、atio n and ada ptability ,but cannot be washed out because of its low cost and con ti nu ity of enterp rises p roduct ion Pu rchas ing new nu merically con trolled mach ines is an imp orta nt way to improve Production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it

7、cost much. Enterp rises equipment up dat ing ste p are coun teracted severly. So Gen eral lathes nu merically con trolled reform ing is a quick way that costs less, improve p roduct ion p recisi on and efficie ncy, and it can imp rove enterp rises comp etitive po wer. So it can takes its p lace in o

8、ur way to a po werful manu facturi ng coun try. The econo mical efficie ncy of the reform and the app licati on of NC tech no logy in Gen eral purpose lathe CA6132s nu merically con trolled reformi ng is researched in this paper accord ing to our p ractice of CA6132s nu merically con trolled reformi

9、 ng. And the reformi ng scheme and main poin ts are formed. The mai n contents is: The econo mical efficie ncy of the reform is evaluated in detail and the rerormi ng scheme is maked accord ing to misty op timums syn thesize adjudicate princip le.The ball screws type, assembli ng, supporting, beari

10、ng type, and ste pping motor of feed ing system is desig ned.he import and domestic NC systems were comp ared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest accordi ng to the fun cti on. Methods of in stalli ng and test ing of gen eral purp ose lathes nu mer

11、ically con trolled reformi ng were put forward. KEY WORDS: General purpose lathe; NC reform ; Servo system ; CNC system 绪论 数控技术和装备发展趋势 1数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的 象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要 行业（IT、汽车、轻工、意料等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所 需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋 势来看，其主

12、要研究热点有以下几个方面14 。 1 . 1高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率， 提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研 究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP ）将其确定为 21 世纪的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿 车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄 壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况 下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合

13、金坯料掏空”的方法来制 造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼 装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精 和高柔性的要求。 从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min ，甚至更高, 空运行速度可达100m/mi n 左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽 车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国 60m/min ,快速为 100m/min , 60 OOOr/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而 3h，在普通铳床加工需8h ;德国DMG公司的双 12*!000

14、r/mm 和 1g。 CINCINNATI 公司的 Hyp erMach 机床进给速度最大达 主轴车床的主轴速度及加速度分别达 加速度达 2g，主轴转速已达 同样的零件在一般高速铳床加工需 普通级数控机床的加工精度已由10m提高到 1.5 um,并且超精密加工精度已开 在加工精度方面，近10年来， 5 um ,精密级加工中心则从35 um,提高到1 始进入纳米级 (0.01 U m)。 在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 OOOh以上，伺服系统的 MTBF 值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的 发展，

15、应用领域进一步扩大。 1.25轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅 光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于 台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铳刀进行高速铳削淬硬钢零件 时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、 主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度 5轴联动机床的发展。 较大，制约了 当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化， 5面加工机床)的发展。 5面加工机床采用复合主轴头，可实现4

16、5面加工和 5轴加工可在同一台机床上 DMG公司展出 DMUVoution 系列加工 其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头 类型5轴联动机床和复合加工机床(含 5面加工和 5轴联动加工，可由CNC系统控制或 CAD/CAM 在EM02001展会上，新日本工机的 个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国 中心，可在一次装夹下 直接或间接控制。 1.3智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统 中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能

17、化，如加工过程的自适应控 制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、 电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化 操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、 智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 目前 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。 许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Gen eration Work-Statio n/Machi ne Co ntrol）、欧共体的OSACA（ Open System Architecture fo

18、r Con trol with in Automatio n Systems）、日本的 OSEC（ Open System Environment for Co ntroller），中国的 ONC（ Open Numerical Co ntrol System）等。数控系统开放化已 经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一 的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控 功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中， 快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。 目前开放式数控系统

19、的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统 功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络 化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制 造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和 数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中， 日本山崎马扎克 （Mazak）公司展出的 “CyberProduction Center ”（智能生产控制中心， 简称CPC）;日本大隈（Okuma ）机床公司展出“ IT plaza ”（信

20、息技术广场，简称IT 广场）;德国西门子 （Siemens）公司展出的Open Manufacturing Environment（开放 制造环境，简称OME ）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 1.4重视新技术标准、规范的建立 1.4.1关于数控系统设计开发规范 如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、 欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范 （OMAC、OSACA、OSEC）的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几 乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我 国在2000年也开

21、始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。 142 关于数控标准 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息 交换都是基于 ISO6983标准，即采用G, M代码描述如何（how ）加工，其本质特 征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为 此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649 （ STEP NC），其目 的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一 数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技

22、术的发展乃至整 个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的 NC程序可以分 STEP-NC 数控 35 %）和加工时 制造理念中， NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下， 散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次， 系统还可大大减少加工图纸（约75 %）、加工程序编制时间（约 间（约50 %）。 STEP-NC 的 IMS 计划 20个 目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了 （1999.1.12001.12.31）。参加这项计划的有来自欧洲和日本的 CAD/CAM/CA PP/CNC 用户、厂商和学术机构。美国的

23、STE P Tools公司是全球范围 内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级 模型（Super Model），其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据 交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA以及欧洲 OSACA-NC数控系统的原型样机 上进行了验证。 2对我国数控技术及其产业发展的基本估计 我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第 一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁 和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的六五”、 七五”期间以及 八五”的

24、前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶 段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善， 我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶 段是在国家的八五”的后期和 九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶 段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在九五”末期，国 产数控机床的国内市场占有率达50 %，配国产数控系统（普及型）也达到了10 %。 纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体 来看取得了以下成绩。 a. 奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌

25、握 了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技 术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。 b. 初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸 如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中 数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若 干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。 C.建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。 虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地 认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面

26、的技术水平现状与我 国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与 国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的 数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业 化水平估计大致如下。 a. 技术水平上，与国外先进水平大约落后1015年，在高精尖技术方面则更大。 b. 产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部 件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不 足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。 C.可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、

27、工程化能力较弱；数控 技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。 分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。 a. 认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对 市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水 平及能力分析不够。 b. 体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善 的培训、服务网络等支撑体系。 c. 机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、 且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。 d. 技术

28、方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。 机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。 3对我国数控技术和产业化发展的战略思考 3.1 战略考虑 我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移， 握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步 芯”我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的 国际 加工中心”和 组装中心”而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严 重影响我国现代制造业的发展进程。 我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全 看，因为制造业是我国就业人口最多的

29、行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水 平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发 达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制， 件”和 考克斯报告”就是最好的例证。 产品创新, 即要掌 空 东芝事 3.2发展策略 从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向， 以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能 够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支 撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。 强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整

30、机（如量大面广的数控车 床、铳床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带 动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、 高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会 有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品。 数控机床系统总体设计 总体方案设计内容 接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图， 才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。 机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容： 系统运动方式的确定、 伺服系统的选 择、执行机构的结构及传动方式

31、的确定，计算机系统的选择等内容。 一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案， 进行综合分析、 比较和论证， 最后 确定一个可行的总体方案。 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、点位直线控制系统和连续控制系统。 控制方式的选择 系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。 开环控制系统中， 没有检测反馈装置， 数 控装置发出的信号的流程是单向的， 也正是由于信号的单向流程， 它对机床移动部件的 实际位置不做检测， 所以机床加工精度要求不太高， 其精度主要取决于伺服系统的性能。 开环伺服系统主要由步进电机驱动。 这类机床工作比较

32、稳定， 反应迅速， 调试和维修都 比较简单。 总体方案确定 1）、系统的运动方式伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，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。 考虑达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系统。 2）、数控系统 根据机床要求， 采用 8 位微机。 由于 MCS-51 系列单片机具有集成度高， 可靠性好， 功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用 MCS-51 系列 的 8031 单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、 I/O 接

33、口及光电隔离电路、步进电机功率放 大电路等组成， 系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现， 显示器采用数码管显示 加工数据及机床状态等信息。 3）、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再传动丝杆，为保证一定 的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时， 为提高传动刚度 和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。 系统总体方案框图如下： 率 瘟 4M(E_ IO olo IO 中4fe板 图1系统总体方案框图 nd厂 .1 I fT 纠 II t uV 7/1 yr; JI I IL-J ZZ7Z -厂/? -pf o; o

34、丿 / Jx 3( 务氓潦呉刍袞.jot 0.5273 V7 赛SI OS 第三章 进给系统设计计算 选择脉冲当量 经济型数控车床、铳床常采用 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。 的脉冲当量是0.010.005mm/step。 根据机床精度要求确定脉冲当量： 纵向：0.01mm/step,横向：0.005mm/step（半径） in 云 UH -= -* 4 It 匚工了- IF lip rt H盘 gilwe UW1.12早 JUUftfcl fet I 扌 电d . iIEL 輒曲I亠土 |=r厂1 Fr 横切端而 纵车外圆 图2纵切和横切时切削力的示意图 1、纵车外圆 主

35、切削力Fz（N）按经验公式估计算: Fz = 0.67Dmax=0.67x5001.5 =7491.751(N) 按切削力各分力比例： F z : Fx : Fy=l : 0.25 : 0.4 Fx =7491.751x0.25 =1872.711 (N) Fy =7491.751 咒 0.4 =2996.335 (N) 2、横切端面 主切削力FZ（ N）可取纵切的1/2。 1 F/= Fs =374 5. 42N) 2 F； =3745.421 咒0.25 =9 36. 34 Qn) F； =3745.421 咒 0.4 =1 498. 1) 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 （一） 纵向进给丝杠

36、 1、计算进给轴向力Fm（N） 纵向进给这里为三角形导轨：Fm = kFx + f （Fz + G） 式中K :指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15 ; f：指滑动导轨摩擦系数取0.15-0.18之间的值; G:指流板及刀架重力, G=1100N。 Fm = 1.15X1872.707 +0.17(7490.816 +1101) = 3614.052 (N) Q的计算公式为: 2、计算最大动负载 Q 考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响，则最大动负载 Q=VLfwFm 60 nT 106 1000Vs n = L0 式中 Lo :指滚珠丝杠导程，初选L0=8 ; Lo L-

37、6!/37.47丁5000 =33.76 106 106 n：指丝杠转速，（r/min）； Vs :指最大切削力条件下的进给速度（ m/min ），可取最高进给速度的1/21/3， 此处取Vs=0.3 mm ； T :指使用寿命时间（h）,对于数控机床取 T=15000h.。 L:指寿命，以106转为一单位; fw :指运动系数，见表1，选fw=1.3。 运转状态 运转系数 无冲击运转 1.01.2 一般运转 1.21.5 有冲击运转 1.5-2.5 表1运转系数 n =嗨 J000。.5 =37.47( r/min) q匸fwFmY/33763614.0545183.1748 3、滚珠丝杠螺

38、母副的选型 C的滚珠丝杠副的 2.5圈1列，其额定动 从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找到相应的动负载 尺寸规格和结构类型，选用时应满足Q C的条件。 查表：可采用 Wi L5008外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副, 负载为23400N，符合Q C的条件。精度等级按表2，选为1级。 3 V 300p=6%10 mm 表2 滚珠丝杠行程公差 项目 符号 有效行程Lu （mm） 精度等级 1 2 3 4 5 e 315 6 8 12 16 23 315400 7 9 13 18 25 目标行程公差 400500 8 10 15 20 27 500630 9 11 16 22 30 行程变

39、动量公差 V mp dO345.833 L。 2 x550 = 2.13x10( mm) (2)滚珠与螺纹滚道间接触变形 62 (mm) 对滚珠丝杠副施加预紧力F为轴向负载的1/3。 由 db = 3.969mm, F； =275.9 kgf 承载滚珠数量Z工=z X圈数咒列数 db 冥圈数X列数 3.122.1 3.969 = 49.46 6 =0.0013 Vd Fm bFp Zf = 0.0013 即3.969咒275.9/3咒49.462 275.9 = 3.72X10(mm) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变( mm) 这里采用有预紧时的推力球轴承则 Fm r 2 d =1.746X1

40、0 VDwZ2Fp 查机械设计手册中表 6-2-82，采用51104型推力球轴承，其 d=20mm, 滚动体直径D W =3.175 mm,滚动体数量Z=14， c 6 =1.746 咒 10 冷 寸DwZ2Fp = 1.746X10* 2759 V3.175d42 x 1528/3 1528 疋位误差 6 = 1 + 2 + 3 + V300 P = 1.17 X10-2 +2.51X10 +3.91X10 +6咒10 =0.02412 (mm) kk ，则压杆稳 F m 定，kk 为许用稳定性安全系数, nk =2.54。 兀2EJ 计算临界负载Fk( N )： Fk = U 2 2 (N

41、/mm )； (門) 4TT4 J：指截面惯性矩（mm），丝杠截面惯性矩-64d1（ d1为丝杠螺纹的底径） l :丝杠两支承端距离（mm）； 卩：丝杠支承方式系数，见表3，这里卩=2.00。 Fk 2 兀 4243.144 療E-d13.1420.10-6r20.9744 (H)2 2 (2.00X551)2 =155993N nk Fk155992 =10.47 歸 Fm1528 表3滚珠丝杠支承方式系数 方式 一端固疋一端自由 两端简支 一端固疋一端简支 两端固定 4 0.25 1.00 2.00 4.00 所以此丝杠不会产生失稳。 （三）纵向及横向滚珠丝杠副几何参数 其几何参数见表:

42、表4Wi L5008及WiL2506滚珠丝杠几何参数 名称 符号 W1L5008 W1 L2506 螺 纹 滚 道 公称直径 D0 50 25 导程 L0 8 6 接触角 P 2”55， 4 22 钢球直径 db 4.763 3.969 滚道法面半径 R R=0.52db 2.477 2.064 偏心距 e e = (R-db/2) sinP 0.068 0.056 螺纹升角 7 Y = arctg 2”55， 4 22 螺 杆 丝杠外径 d d =D0 -(0.20.25)db 48.5 24 丝杠内径 d1 d1 =D 0 + 2e-2R 45.182 20.984 螺杆接触直径 dz d

43、z = a -dbCOsP 40.424 17.025 螺 母 螺母螺纹直径 D D =D0 -2e + 2R 54.818 29.016 螺母内径 D1 D1 = D0 +(0.20.25)db 51.190 25.992 四齿轮进给齿轮箱传动比计算 1纵向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量6p =0.01，滚珠丝杠导程Lo=8mm，初选步进电机步距角 日b =0.75:可计算出传动比4 : “厂蟲二秒鳥加1.668 在闭式软齿面齿轮传动中，齿轮的弯曲强度总是足够的，因此齿数可取多些，推荐取 Z=2440。所以可选定齿轮数为： i 12 z1 _40 24 2、横向进给齿轮箱传动比

44、计算 已确定纵向进给脉冲当量6 = 0.005，滚珠丝杠导程 Lo =6mm，初选步进电机步距 角0b =0.75 :可计算出传动比 i12 : 可选定齿轮数为: i12 3605 P =皿=2.7 乙 i12 Z1 45 18 所处位置 纵向 横向 齿数 24 40 18 45 分度圆直径 d =mz 48 80 36 90 齿顶圆直径 da = d +2m 52 84 40 94 齿根圆直径 df =d -2x1.25m 43 75 31 85 齿宽 （610） m 16 16 16 16 中心距 A JmZ +乙） 2 64 63 m取2。有关参数参照表 5。 表5传动齿轮几何参数 因进

45、给运动齿轮受力不大，模数 五步进电机的计算和选型 （一） 纵向进给步进电机计算 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JMkg cm2）可由下式计算: 丘“+山+卽卜+小晋）2 式中 Jm :指步进电机转子转动惯量 （kgcm2）； 2 Ji、J2:指齿轮 乙、Z2的转动惯量（kg ym ）； Js:指滚珠丝杠转动惯量 （kg cm2）； W :指工件及工作台重量（N）； Lo :指丝杠导程（cm）； 参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量 JM =10kg*cm2 。 3 Jj =0.78x10 xdL（ d和L分别表示齿轮Z2的分度圆直径和齿宽）

46、342 = 0.78X10 X4.8 X1.6 = 0.66(kg am ) J2 =0.78M0 xdL（ d和L分别表示齿轮 乙的分度圆直径和齿宽） = 0.78咒 10 84咒1.6 =5.11(kg*cm2) Js =0.78X10 xdL（ d和L分别表示纵向滚珠丝杠的公称直径和支承间距） =0.78咒10,咒54 心50 =73.134(kg ym2) 把这些数据代入上式: JLm +J1+今卜+打+苦)2 w十o.66唱知皿伯十曙“剽 2 = 43.97021(kg sm2) 2、电机力矩计算 机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按个阶段计算: 在快速空载起动阶段，加速度

47、所占的比例较大，具体计算公式如下: M 起=M a max 十 M f + M 0 Mamax =工2=工60 nmax 2 2兀.nmax X 10 Xta 60ta nmax = e X 6p360 FoLo 2Gni M。 曇(5) 以上式中 Mama：指空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩（ N cm)； - 51 - N cm)； M f ：指折算到电机轴上的摩擦力矩（N cm）； M 0 :指丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（ J工：指传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量（kg Ym2）； 名:指电机最大角加速度（rad /s2）； nmax :指电机最大转速（r /min）

48、； Vmax :指运动部件最大进给速度（mm/min）； 柱P :指脉冲当量（mm/step）； 日b :指步进电机步距角（deg）； ta :指运动部件从停止起动到最大快进速度所需时间（S）,这里是30ms; Fo :指导程的摩擦力（N），Fo = f （Fz +W）； Fz :指垂直方向的切削力（N）； W :指工件及工作台重量（N）； f :指导轨摩擦系数，f =0.15 0.18 ； G :指运动部件的总重量（N）； i :指齿轮降速比；按i =生计算; 乙 n :指传动链总效率，一般可取n = 0.7 0.85 ； Fp :指滚珠丝杠预加负载，一般取Fm/3, Fm为进给轴向力(N)

49、； L):指滚珠丝杠导程; % :指滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取口0 0.9。 将以前计算所得数据代入: nmax =严咒生=2000 咒吧=416.56(r/m in) 6p 360O.。2 360 _2 Mamax =Jy 2花 *nmax X10=43.971x2兀 * 叭 10 = 639.4 2 4( N cm) 160ta60 x0.03 _F0L0 2Gii f (Fz +W)x L00.17% (7490.827 + 1100)x0.8 一ccc =139.38 1Z2/Z1 2花 X 0.8x1.667 (N cm) =(1_n02)J/3%3614.055%0.8。

50、2) =21.84( N am) 2 汕 Z2/ 乙 1/3FmLo 2兀 xo.8xl.667 则 M起=Mamax + M f + M0 =639.424 +139.38 + 21.84 = 8 0 0. 64 N cm) (2)快速移动时所需力矩 M快 M快=Mf +M 0 =139.38 + 21.84 =1 6 1. 2(2N cm) (3)最大切削负载时所需力矩M切 M切=M f +M 0 +Mt =M f +M0=139.38 + 21.84 + 1872.7070.8 =340.036( N cm) 2兀W2兀天0.8咒1.667 从上面计算可以看出，M起、M快和M切三种工况下

51、，以快速空载起动所需力矩最大, 以此项作为初选步进电机的依据。 由表6得：当步进电机为三相六拍时，A = M q / M jmax = 0.866，则 M j max = 80027=903.8（N）。 0.886 _ 1000/max k 606 1000/s 厂 606p 1000竺=1000Hz 60 x0.01 表6步进电机起动转距M q与最大静转距 M jmax关系 步进 电机 相数 三相 四相 五相 六相 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 Z = M q / M j max 0.5 0.866 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 按此最大静转距从表中

52、查出，150BF002型最大静转距为 13.72 N .M，大于所需最大 静转距，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动矩频特性。 3、计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 =1000 X 2.0 = 333333Hz 60咒0.01 可查出150BF002型步进电机允许的最高空载启动频率为2800 Hz运行频率为 8000 Hz，再从图5查出150BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。从图中 看出，当步进电机起动时, f起=250OHZ, M =100N cm远远不能满足此机床所要 求的空载起动力矩(800.77 N cm)，直接使用则会出现失步，所以必须

53、采用升降速 控制(用软件实现)，半起动频率降到1000 Hz，起动力矩可提高到588.4 N cm， 然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频则完全可以满足要求。 运行矩频特性 起动矩频特性 图 5 150BF002 型步进电机起 动 矩 频 特 性 和 运 行 矩 频 特 性 （二） 横向进给步进电机计算和选型 与纵向进给步进电机计算的方法一样，如果纵向的步进电机能满足条件那横向 的就也可以满足条件，则这选用与纵向相同的步进电机。 第四章 微机数控系统的设计 微机数控系统的设计纲要 一 硬件电路设计

54、硬件是组成系统的基础，也是软件编程的前提，数控系统硬件设计包括以下几部分内 容： 1、绘制系统电气控制的结构框图 据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。 机床硬件电路由五部分组成： 主控制器，即中央处理单元 CPU； 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线； 存储器，包括程序存储器和数据存储器； 接口，即输入 /输出接口电路； 外围设备，如键盘、显示器等。 6 所示： （1） （2） （3） （4） 机床数控系统硬件框图如图 （5） I光电隔离I 功枚 步进电机 图6机床数控系统硬件框图（开环系统） 选择中央处理单元 CPU的类型 根据设计要求， 存储器扩

55、展电路设计 存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。 选择EPROM作程序存储器时，应考虑： （1）速度应与CPU时钟匹配； （2）容量适中。 I/O接口电路设计 设计内容包括：据外部要求选用 I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部 分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等） 。这部分设计要求考虑系统的驱动能力。 驱动能力不足时，系统工作不可靠。 在存储器扩展和I/O接口电路中，均涉及到地址译码问题。 2、 3、 4、 CNC系统的主CPU采用8031单片机。 二软件电路设计 软件是硬件的补充。确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。 1、软件设计步骤 软件设计步骤分为

56、以下几步： （3） （4） 据软件要求实现的功能，制定出软件技术要求； 将整个软件模块化，确定个模块的编制要求，包括个模块功能，入口参数，出 口参数； 据硬件资源，合理分配好存储单元； 分别对个模块编程，并调试； 连接各模块，进行统一调试及优化； 固化到程序存储器中。 2、数控系统中常用的软件模块 （1） （2） （3） 软件实现环形分配器； 插补运算模块； 自动升降速控制模块等。 8031单片机及其扩展 一 8031单片机的简介 1、8031芯片引脚及片外总线结构 （1）8031芯片引脚功能 8031芯片有40个引脚，引脚配置见图7： P 1.0 PL 1 P L2 P L P L4 P L

57、5 P Lb PL 1 RST/VPD_ ftxo/pi a_ TxD/P3. 1_ Tvro/P3.2 ivn/P3.3 TMPM TI/PJ.5 WPJ. 6 RD/P3. UAL2= STALl Vss 2 -I S 9 10 11 12 13 14 16 17 18 19 20 8031 J0 39 38 37 36 34 53 31 31 30 29 25 11 26 23 22 Vcc FO. 0 P0+ 1 0. 2 PQ+ 3 n 一 P仇5 TO. b PO+ 7 八卩p ALE/PTO 一乩7 T2.6 P2.5 PL 5 =2.2 P2.1 _ 2.0 图78031芯片引

58、脚 （2 ）各引脚按功能可分为三部分： I/O 口线：P0, P1，P2, P3 共 4 个 8 位口; 控制口线：PSEN , ALE , EA , RST; 电源及时钟：V CC V SS ； XTAL1，XTAL2。 （3）应用特性： I/O 口线； 口可驱动8个TTL门电路，P1, P2, P3则只能驱动4个; I/O 口线不能都用作用户 I/O 口的驱动能力，P0 P3是双重功能口。 2、8031单片机片内结构 8031单片机由7个部件组成，既微处理器（CPU）、数据存储器（RAM ）、特殊功能寄 存器、I/O 口、串行口、定时/计数器及中断系统，它们都是通过片内单一总线连接而成的。

59、 二8031单片机的系统扩展 128 8031单片机内无程序存储器，如不扩展外部程序存储器则不能工作，且片内仅有 字节数据存储器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片内RAM也不够用，须扩展。8031 片内四个I/O 口中仅P1 口可作为8位双向的I/O接口用户使用，也须扩展，有些情况还须 扩展定时/计数器等。 1、8031的片外总线结构 所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展： 数据总线（DB）：由P0 口提供，数据总线要连接到连接的所有外围芯片上，但在同 一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。 地址总线（AB）： 16位，可寻址范围为 64K字节，AB由P0 口提供低8位地址， 与数据分时

60、传送，传送数据时将低8位地址锁存。高8位地址由P2 口提供。 控制总线（CB）:系统扩展用控制总线有 WR、RD、PSEN、ALE、EA。 （1） 2、系统扩展能力 据地址总线的宽度，在片外可扩展的存储器最大容量为64K字节。 片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号。允许两者的地址重 复。故片外可扩展的数据存储器与程序存储器分别为64K。 扩展的I/O 口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。 3、地址锁存器 8D触发器），其引脚及连接见图 8031扩展系统时，由P0 口提供数据及低8位地址，分时传送，故须地址锁存。常用的 地址锁存器芯片是 74LS373 （带三态缓