CA6163普通车床的数控化改造设计与仿真【含CAD图纸、说明书】
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毕业设计（论文）任务书专业 机械设计制造及其自动化 班级 下发日期 题目普通车床CA6163的数控化改造设计与仿真专题车床的数控化改造与仿真主要内容及要求课题简介：（国内外现状简介及课题的目的、意义；重点要解决的问题等）数控机床是工厂自动化的基础。普通机床数控化改造投资少、见效快、显著提高生产率和自动化程度，已成为适合我国国情，用信息技术提升装备制造业的重要手段。因此，普通机床的数控化改造具有重要意义。重点解决以下关键问题：（1）传动系统设计计算：此部分为设计计算部分，用以确定脉冲当量，进给牵引力，选择丝杠螺母副，计算传动效率，确定传动比，选择伺服电机等，并绘制改造后机床横向进给机构、纵向进给机构的装配图以及箱体零件图。（2）控制系统设计：采用单片机控制系统，设计电路原理图，并绘制程序框图和硬件原理图。（3）三维结构设计与仿真主要技术参数最大回转直径630mm；电机功率7.5KW；640mm；快进速度：纵向2.4m/min，横向1.2m/min；定位精度0.015mm；移动部件重量：纵向1200N，横向800N；加速时间30ms；机床效率0.7。进度及完成日期3月23日 3月29日：布置、讲解设计题目，熟悉设计内容，借阅图书资料。3月29日 4月5日：毕业实习，收集、整理、消化、翻译有关资料，理解设计内容，熟悉并掌握绘图软件。4月6日 4月12日：总体方案设计的拟定及技术分析、可行性分析，确定最佳方案。4月13日 4月26日：伺服系统机械部分设计计算。4月27日 5月31日：绘制主要零件图及总装图的二维图纸。6月1日 6月14日：编写毕业设计说明书。6月15日 6月23日：设计审阅、修改、准备及答辩。教学院长签字日 期教研室主任签字日 期指导教师签字日 期摘要随着计算机技术的飞速发展，发展现代计算机化数字控制（CNC）机床，是当前机械制造业进行技术改造，技术革新的必有之路，是未来工厂自动化的基础。因此，此次对普通机床进给系统的数控化改造设计更显得重要。目前中国大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是普通机床，机床数控化率远低于美国、日本等国家。如果大量添置全新的数控机床，不仅资金投入量大、成本高，而且又会造成原有设备的闲置浪费。把普通机床改造成数控机床则不失为一条提高数控化率的有效途径。第一部分是数控机床的概述，第二部分是进给系统的总体设计方案，第三部分是伺服进给机械部分设计计算，第四部分是控制部分的单片机原理设计。基于步进电机的机械改装减少了人的工作量，把手动转变成为电动。本次改造用了两个步进电机，分别控制机床的两个方向（纵向和横向）的进给，通过带轮带动滚珠丝杠的轴向运动。基于单片机控制的电子部分设计提高了工作效率和测量的准确度、可信度。该仪器采用了8031单片机。关键词：车床；数控；丝杠；步进电机；单片机AbstractAs the development of the computer technology, producing the modern computer numerical control machine becomes the trend of the reformation in the manufacturing industry and the foundation of antomation factories in the future. Therefore, the project of automatizing the machine is important to the prospective study and work.At present the Chinese majority manufacture professions and enterprises production, the process unit overwhelming majority is the ordinary engine bed, the engine bed numerical control rate is lower than countries far and so on US, Japan. If acquires the brand-new numerically-controlled machine tool massively, not only the fund inputs are big, cost, will create the original equipments idle waste. Transforms the numerically-controlled machine tool the ordinary engine bed is enhances the numerical control rate efficient path.Introduction will be presented in Section 1. The overall designing scheme will be proposed in Section 2 .The calculating and data of mechanical part is in Section 3 and Section 4 is the part of control including the principle of SCM.The reformation to machine based the stepping motor decreases the workload by turning the hand operation to electric control. Two motors controlling two directions respectively move the ball screws by strap wheels.The design in electrical part based the SCM improves the product efficiency and the accuracy and stability in the aspect of measuring by using the 8031 SCM.Key words: lathe; computer numerical control; ball screw; stepping motor; SCM目录摘要IAbstractII目录III第1章 绪论11.1 数控机床的发展过程11.2 数控机床的发展趋势和研究方向11.2.1 高速度、高精度化11.2.2 多功能化21.2.3 智能化21.2.4 数控系统小型化21.2.5 数控编程自动化31.2.6 更高的可靠性31.3 数控机床的组成31.4 普通车床数控化改造的意义5第2章 数控化改造总体技术方案的确定62.1 设计任务62.2 总体方案设计的内容62.2.1 伺服驱动62.2.2 滚珠丝杠螺母副62.2.3 数控装置7第3章 伺服系统机械部分设计计算83.1 设计要求83.2 确定系统脉冲当量83.3 计算切削力83.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选择103.4.1 纵向滚珠丝杠螺母副的计算和选型103.4.2 横向滚珠丝杠螺母副的计算和选型143.5 进给伺服系统传动计算183.5.1 纵向进给伺服系统传动计算183.5.2 横向进给伺服系统传动计算213.6 步进电机的计算和选型243.6.1 纵向步进电机的计算和选型243.6.2 横向步进电机的计算和选型28第4章 控制系统硬件原理及其控制程序编制324.1 主控制器324.1.1 主控制器及其选择324.1.2 MCS-51系列单片机介绍324.2 MCS-51单片机的扩展344.2.1 程序存储器EPROM的选型344.2.2 数据存储器RAM的选型344.3 地址分配及接线方法344.3.1 地址的分配344.3.2 EPROM、RAM与8031的连接方式344.4 接口电路及辅助电路的设计354.4.1 接口电路的设计354.4.2 辅助电路的具体设计354.5 控制系统程序编译364.5.1 数控的插补方法364.5.2 直线插补工作原理374.5.3 圆弧插补工作原理38参考文献40致谢41附件142附件26041第1章 绪论1.1 数控机床的发展过程1946年诞生了世界上第一台电子计算机。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。第一阶段：数控（NC）阶段（19521970年）。早期采用数字逻辑电路组合成一台机床，专用计算机作为数控系统，被称作硬件连接数控（HARAWIREDNC）,简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代电子管时代；1959年的第二代晶体管时代；1965年的第三代小规模集成电路时代。第二阶段：计算机数控（CNC）阶段（1970年现在）。到1970年，通用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段。到1971年，美国INTEL公司第一次将计算机的两个最核心的部件运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR）,又可成为中央处理单元（简称CPU）。到1974年，微处理器被应用于数控系统。到了1990年，PC的性能已发展到较高的水平，从8位、16位，发展到32位，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控的发展也经历了三代。即1970年的第四代小型计算机；1974年的第五代微处理器；1990年的第六代基于PC。必须指出，数控系统发展到第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格较为昂贵、应用很不方便（主要是编程困难）等极为关键的问题。因此，数控技术经过了近三十年的发展才走向普及应用。1.2 数控机床的发展趋势和研究方向1.2.1 高速度、高精度化 速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度，并采用直线电动机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式。目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。1.2.2 多功能化配有自动换刀机构（刀库容量可达100把以上）的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。数控系统由于采用了多CPU结构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。1.2.3 智能化现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。还可以自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。1.2.4 数控系统小型化数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。这样可以方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。1.2.5 数控编程自动化随着计算机应用技术的发展，目前CADCAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成NC零件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CADCAPPCAM集成的全自动编程方式，它与CADCAM系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得。1.2.6 更高的可靠性数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，来提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。1.3 数控机床的组成 如图1-1所示， 数控机床由以下几个部分组成。图1-1数控机床的组成部分1. 程序编制及程序载体数控加工程序是数控系统自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对位置的尺寸参数；零件加工的工艺路线或加工顺序；主运动的起、停、换向、变速；进给运动的速度、位移大小等工艺参数，以及辅助装置的动作。然后应用标准的由文字、数字和符号组成的数控代码，按规定的方法和格式，将零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，编制成零件加工的数控程序单。编好的数控程序存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁盘、闪存卡等。闪存卡由于存储容量大、数据交流迅速和记录可靠，在开放式数控系统的新型数控机床上开始使用。2. 输入装置输入装置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。根据程序存储介质的不同，输入装置可以是录音机或软盘驱动器。有些数控机床，不用任何程序存储载体，而是将数控程序单的内容通过数控装置的键盘，用手工方式（MDI）输入，或者将数控程序计算机以网络通信方式传送到数控装置。3. 数控装置数控装置是数控机床的核心，它接收输入装置送来的脉冲信号，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令控制机床的各个部分，进行规定的、有序的动作。这些控制信号中最基本的信号是：经插补运算决定的各坐标轴（即做进给运动的执行部件）的进给速度、进给方向和位移量指令，送伺服驱动系统驱动执行部件做进给运动。其他还有主运动部件的变速、换向和起停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度工作台转位等辅助指令信号等。4. 辅助控制装置辅助控制装置也称为强电控制装置，是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统，其主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成指令所规定的动作。此外，还有开关经它送数控装置进行处理。5.伺服驱动系统及位置检测装置伺服驱动系统又由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控车床的进给系统。每个做进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统又开环、半闭环和闭环之分。位置检测装置检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环控制。6.机床的机械部件数控机床的机械部件包括主运动部件，进给运动执行部件(如工作台)，拖板及其传动部件和床身立柱等支撑部件，此外，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统要便于实现自动化控制。1.4 普通车床数控化改造的意义众所周知，制造业是国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量。加入WTO之后，我国制造业正面临极大考验和挑战。我国制造业水平与发达国家相比，总体水平偏低，这直接影响到我国工业产品质量的提高和制造成本的降低，影响到我国工业产品的国际市场竞争力。为改变这种落后状况，必须提高制造业的装备水平，特别是机床的的数控化率。购置数控机床是提高机床数控化率的途径；对旧机床进行数控化改造，也是提高机床数控化率的重要途径之一。我国机电行业（包括机械、电子、汽车、航空、航天、轻工、纺织、冶金、煤炭、邮电、船舶等）拥有的机床结构比较陈旧，操作系统复杂，控制系统落后，生产效率低下，如果靠购置心得数控机床取而代之，显然耗资巨大，不符合国情。因此，采用数控技术对现有机床进行改造，符合国家的产业政策。另外，从市场容量来讲，不管是汽车制造业、模具制造业，还是军工企业，机床数控化改造都蕴藏着无限商机。近年来，美国、日本、德国、英国等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃。在美国，机床改造业被称为机床再生业；在日本，机床改造业被称为机床安装业。机床改造业正逐步从机床制造业中分化出来，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。第2章 数控化改造总体技术方案的确定2.1 设计任务（1）进给伺服系统设计计算此部分是机械部分，它包括脉冲当量的确定；滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型；进给伺服系统的传动计算；步进电机的计算和选型；设计并绘制总装配图，其中包括横向、纵向工作台的进给机构。（2）单片机控制系统设计此部分包括设计并绘制控制系统图，编写直线插补程序及圆弧插补程序。2.2 总体方案设计的内容机床数控总体方案的拟定应包括以下内容：伺服系统的选定，执行机构及运动方式的确定，控制芯片的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出几个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后选出一个合理的总体方案。对于普通机床的数控化改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的基本原则是：在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。2.2.1 伺服驱动CA6163车床的改进要求周期短，而且不需要太高的精度，综合考虑经济及功用等因素，决定选用步进电机开环伺服驱动。 步进电机与丝杠轴端用同步齿形带连接，为消除同步齿形带传动对精度的影响，将脉冲编码器安装在滚珠丝杠端部，以便直接对滚珠丝杠的旋转状态进行检测。这种结构允许伺服电机的轴端朝外安装，可以避免因电机外伸而加大机床的尺寸或影响机床外形美观。2.2.2 滚珠丝杠螺母副 此部分设计内容主要是将普通丝杠改为滚珠丝杠。选用国产的CDM系列（外插管变螺距型滚珠丝杠），为了更接近改进前的工作能力，不改变螺距。这种滚珠丝杠的优点是螺母的轴向尺寸小，且已预加载荷消除间隙，传动效率高，摩擦损失小，反向时可以消除空程死区，定位精度高，刚性好，运动平稳，传动精度高，而且具有可逆性。2.2.3 数控装置 微机数控系统由CPU、存储扩展电路和I/O接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。数控系统的核心是微机，其它装置均在微机的控制下进行工作。系统的功能和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度，字长不但影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。本设计采用的是MCS-51系列的8031片，它具有集成度高、可靠性好、功能强、速度相对快、抗干扰性强和性价比高等特点。第3章 伺服系统机械部分设计计算3.1 设计要求将CA6163车床改造成微机数控车床，采用单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能。CA6163机床主要参数如下：最大回转直径 630mm电机功率 7.5KW 640mm快进速度 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min定位精度 0.015mm移动部件重量 纵向 1200N 横向 800N加速时间 30ms机床效率 0.73.2 确定系统脉冲当量经济型数控车床常用脉冲当量是0.010.005mm/脉冲，取纵向进给0.01mm/脉冲；横向进给0.005 mm/脉冲。3.3 计算切削力（1）纵切外圆主切削力FZ（N）通过主电机功率来确定。 （3-1）式中：P为机床主传动功率（KW）为主传动系统的机械效率，通过查表取=0.75 所以： （3-2）而切削力： （3-3）式中 V表示车床车削的线速度，单位为m/s； 表示主轴的运动功率，单位为Kw； 表示切削力,单位为N；在此取V=100m/min=1.67m/s。所以： （3-4）按切削力各分力比例： （3-5） （3-6） （3-7）（2）横切端面主切削力： （3-8）此时走刀抗力为仍按上比例计算： （3-9） （3-10） （3-11）3.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选择3.4.1 纵向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 轴向力及转速计算作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时走刀抗力以及移动部件重量和切削力作用在导轨上的摩擦力。车床丝杠上总的轴向力可以表示为： （3-12）式中： G表示移动部件所受的重量，本机床为1200N； f为导轨上的摩擦系数，车床为0.17； K为考虑倾覆力矩影响的实验系数，常情况下取1.15。将有关数据代入上式得： （3-13）滚珠丝杠的转速为： （3-14）其中表示为最大切削力条件下进给速度（m/min）通常取最高进给速度的1/21/3，即： （3-15）在此取。为滚珠丝杠的导程，为6mm。所以 （3-16） 动载荷的计算选用滚珠丝杠的直径d必须保证在一定轴向负载作用下丝杠在回转100万次后，它的轨道上不产生电蚀现象。这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠所能承受的最大动负载。由以下公式计算： （3-17）上式中L为滚珠丝杠的使用寿命（次），以为单位。 （3-18）其中T表示使用寿命，单位为（h），对于数控车床来说通常取T=15000h。为运转系数，取1.3 。由以上数据得： （3-19）查手册，取CDM5005-5型号的滚珠丝杠。公称直径为50mm，额定动载荷为31671N18774N，合适。 丝杠传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率可以由以下公式计算得 （3-20）式中：表示丝杠螺母螺旋升角； 表示摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数为0.0030.004，滚珠丝杠摩擦角约为。丝杠的螺旋升角可以由一下式算得： （3-21）其中： 为丝杠的公称直径； 为丝杠的导程。所以 （3-22） （3-23） 刚度校核滚珠丝杠副的变形会影响进给系统的定位精度以及运动的平稳性，因此必须考虑轴向变形。丝杠受力拉伸或者被压缩的变形量为主要轴向变形量，可以由以下公式计算得到： （3-24）式中 为滚珠丝杠的导程； 为每个导程内的变形量，由以下公式计算得： (3-25) 其中E为材料的弹性模量， A为滚珠丝杠的截面积(按底径确定)，该丝杠的底径为， 所以 。 （3-26） 为丝杠支撑轴承之间距离，查手册： =1.1行程+（1014）导程 其中：纵向最大行程为200mm，导程为6mm。 取整数300mm。所以由公式（3-24）得 此外还有滚珠与螺纹道之间的接触变形，支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形，通常用丝杠的拉压变形的3倍来取代总的变形量。 刚度变形。满足刚度要求。 稳定性校核（1）计算临街负荷： （3-27）式中：E材料的弹性模量； I为滚珠丝杠的截面的惯性矩， L为丝杠的长度，为2000mm； 为压杆长度因数，取。所以 满足稳定性校核。 预紧力的计算预紧可以提高刚性和寿命，预紧力可以由以下公式计算。 （3-28）式中： 为预紧载荷，约为 为导程 为车床纵向传动效率，取0.85 。 3.4.2 横向滚珠丝杠螺母副的计算和选型 轴向力及转速计算作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时走刀抗力以及移动部件重量和切削力作用在导轨上的摩擦力。车床丝杠上总的轴向力可以表示为： （3-29）式中： G表示移动部件所受的重量，本机床为800N； f为导轨上的摩擦系数，车床为0.17； K为考虑倾覆力矩影响的实验系数，常情况下取1.15。将有关数据代入上式得： （3-30）滚珠丝杠的转速为： （3-31）其中表示为最大切削力条件下进给速度（m/min）通常取最高进给速度的1/21/3，即： （3-32）在此取。为滚珠丝杠的导程，为6mm。所以 （3-33） 动载荷的计算选用滚珠丝杠的直径d必须保证在一定轴向负载作用下丝杠在回转100万次后，它的轨道上不产生电蚀现象。这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠所能承受的最大动负载。由以下公式计算： （3-34）上式中L为滚珠丝杠的使用寿命（次），以为单位。 （3-35）其中T表示使用寿命，单位为（h），对于数控车床来说通常取T=15000h。为运转系数，取1.3 。由以上数据得： （3-36）查手册，取CDM2505-3型号的滚珠丝杠。公称直径为25mm，额定动载荷为14718N8514.79N，合适。 丝杠传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率可以由以下公式计算得 （3-37）式中：表示丝杠螺母螺旋升角；表示摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数为0.0030.004，滚珠丝杠摩擦角约为。丝杠的螺旋升角可以由一下式算得： （3-38）其中： 为丝杠的公称直径； 为丝杠的导程。所以 （3-39） （3-40） 刚度校核滚珠丝杠副的变形会影响进给系统的定位精度以及运动的平稳性，因此必须考虑轴向变形。丝杠受力拉伸或者被压缩的变形量为主要轴向变形量，可以由以下公式计算得到： （3-41）式中 为滚珠丝杠的导程； 为每个导程内的变形量，由以下公式计算得： （3-42） 其中E为材料的弹性模量， A为滚珠丝杠的截面积(按底径确定)，该丝杠的底径为， 所以 。 （3-43） 为丝杠支撑轴承之间距离，查手册： =1.1行程+（1014）导程 其中：纵向最大行程为300mm，导程为6mm。 取整数400mm。所以由公式（3-41）得 此外还有滚珠与螺纹道之间的接触变形，支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形，通常用丝杠的拉压变形的3倍来取代总的变形量。 刚度变形，不满足刚度要求，必须改进。改进方法为对丝杠进行预紧，如果对丝杠进行预拉伸，刚度可以提高四倍，刚度变形降低到原来的1/4。 改进后满足刚度要求。 稳定性校核（1）计算临街负荷： （3-44）式中：E材料的弹性模量； I为滚珠丝杠的截面的惯性矩， L为丝杠的长度，为390mm； 为压杆长度因数，取。所以 满足稳定性校核。 预紧力的计算预紧可以提高刚性和寿命，预紧力可以由以下公式计算。 （3-45）式中： 为预紧载荷，约为 为导程 为车床横向传动效率，取0.85 。 3.5 进给伺服系统传动计算3.5.1 纵向进给伺服系统传动计算 进给系统的传动比当机床的脉冲当量和滚珠丝杠的导程确定后，可以先初选步进电动机的步距角，在此初选电动机的步距角为，用下列公式计算伺服系统的降速比： （3-46）式中： 步进电动机的步距角； 为脉冲当量，为0.01mm； 为滚珠丝杠的导程，为6mm。所以 同步带论的设计计算纵向进给系统的功率： （3-47）其中 设计功率： （3-48）查手册取1.6， 丝杠的转速： （3-49）小带轮的转速： （3-50）根据和选用L型周节制同步带，节距根据小带轮转速确定最小齿数 小带轮齿数取 小带轮节圆直径 同步带的带速 L型同步带最大速度 ，合适。大带轮齿数 大带轮节圆直径 初定轴间距 ： （3-51） 取轴间距 确定带长 及其齿数 （3-52）查手册选取 ，齿数 。实际轴间距 （3-53）小带轮啮合齿数 （3-54） 计算基本额定功率 : （3-55）式中: 宽度为的带的许用工作拉力，查手册得244.46N m宽度为的带单位长度的质量，查手册得0.095kg/m所以 计算带宽： （3-56） 式中： 选定型号的基准宽度25.4mm 小带轮啮合齿数系数，取所以 ，查手册取，代号为050。作用在轴上的力 。查手册得 初步张紧力 带轮的宽度为 齿槽深度 小带轮的外径 大带轮的外径 3.5.2 横向进给伺服系统传动计算 进给系统的传动比当机床的脉冲当量和滚珠丝杠的导程确定后，可以先初选步进电动机的步距角，在此初选电动机的步距角为，用下列公式计算伺服系统的降速比： （3-57） 式中： 步进电动机的步距角； 为脉冲当量，为0.005mm； 为滚珠丝杠的导程，为6mm。所以 同步带论的设计计算纵向进给系统的功率： （3-58）其中 设计功率： （3-59）查手册取1.6， 丝杠的转速： （3-60）小带轮的转速： （3-61）根据和选用XL型周节制同步带，节距根据小带轮转速确定最小齿数 小带轮齿数取 小带轮节圆直径 同步带的带速 XL型同步带最大速度 ，合适。大带轮齿数 大带轮节圆直径 初定轴间距 ： （3-62） 取轴间距 确定带长 及其齿数 （3-63）查手册选取 ，齿数 。实际轴间距 （3-64）小带轮啮合齿数 （3-65） 计算基本额定功率 : （3-66）式中: 宽度为的带的许用工作拉力，查手册得50.17N m宽度为的带单位长度的质量，查手册得0.022kg/m所以 计算带宽： （3-67） 式中： 选定型号的基准宽度9.5mm 小带轮啮合齿数系数，取所以 ，查手册取，代号为037。作用在轴上的力 。查手册得 初步张紧力 带轮的宽度为 齿槽深度 小带轮的外径 大带轮的外径 3.6 步进电机的计算和选型通过计算步进电动机的力矩来选取步进电动机，先计算各部分的转动惯量，再折合到电动机轴上，从而得到力矩。3.6.1 纵向步进电机的计算和选型 转动惯量的计算 （3-68）式中： M圆柱体的质量(kg) D圆柱体的直径(cm) L圆柱体的长度(cm) 对于圆柱体钢材，已知钢的密度 ，（3-66）可以改写成： （3-69）说明： 对于带轮， ，L取带轮的宽度；对于丝杠， L取丝杠的长度。1) 小同步带轮的转动惯量： 2) 大同步带轮的转动惯量： 3) 丝杠的转动惯量： 丝杠传动折算到电动机轴上的总的转动惯量 （3-70） 力矩的计算在不同的情况下电动机的力矩不同，下面我们分情况进行计算。快速启动时 （3-71）式中： 启动力矩； 加速时由于产生加速度而引起的力矩； 由摩擦力产生的力矩； 预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 （3-72） 电机最大角加速度，为换算过的电机轴上的总转动惯量。所以 （3-73） 为导轨的摩擦力， 空载启动时：进行切削时： 运动部件总重量约为1200N； 导轨的摩擦系数，约为0.17； 机床纵向传动链的总效率，取0.8 。空载启动时： 切削加工时： 附加摩擦力矩 ： 附加摩擦力矩的大小等于预紧力矩 综合以上几式，得：1) 快速启动总力矩： 2) 快速进给总力矩： 3) 最大负载切削时的力矩： 表示折算到电动机上的切削负载力矩 所以： 通过比较以上三种情况，得出车床在快速启动时所需力矩最大，选取步进电动机时需要以快速启动时所需力矩为计算依据。 步进电动机的最高频率计算 （3-74） 式中：纵向进给机构快进时最高速度，为2400mm/min ； 纵向进给机构的脉冲当量，为0.01mm 。 综上，我们选择160BF5B-1.5/0.75型步进电动机。表3-1 160BF5B-1.5/0.75型步进电动机参数最大静力矩2000N*cm运行频率8000Hz相数5电压80/1280/12电流13A3.6.2 横向步进电机的计算和选型 转动惯量的计算 （3-75）对于圆柱体钢材，已知钢的密度 ，（3-73）可以改写成： （3-76）说明： 对于带轮， ，L取带轮的宽度；对于丝杠， L取丝杠的长度。4) 小同步带轮的转动惯量： 5) 大同步带轮的转动惯量： 6) 丝杠的转动惯量： 丝杠传动折算到电动机轴上的总的转动惯量 （3-77） 力矩的计算在不同的情况下电动机的力矩不同，下面我们分情况进行计算。快速启动时 （3-78）式中： 启动力矩； 加速时由于产生加速度而引起的力矩； 由摩擦力产生的力矩； 预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 （3-79） 电机最大角加速度，为换算过的电机轴上的总转动惯量。所以 （3-80） 为导轨的摩擦力， 空载启动时：进行切削时： 运动部件总重量约为800N； 导轨的摩擦系数，约为0.17； 机床纵向传动链的总效率，取0.8 。空载启动时： 切削加工时： 附加摩擦力矩 ： 附加摩擦力矩的大小等于预紧力矩 综合以上几式，得：4) 快速启动总力矩： 5) 快速进给总力矩： 6) 最大负载切削时的力矩： 表示折算到电动机上的切削负载力矩 所以： 通过比较以上三种情况，得出车床在最大负载切削时所需力矩最大，选取步进电动机时需要以最大负载切削时所需力矩为计算依据。 步进电动机的最高频率计算 （3-81） 式中：纵向进给机构快进时最高速度，为1200mm/min ； 纵向进给机构的脉冲当量，为0.005mm 。 综上，我们选择90BF002-0.36/0.72型步进电动机。表3-2 90BF002-0.36/0.72型步进电动机参数最大静力矩2200N*cm运行频率16000Hz相数5电压80/1224电流3A第4章 控制系统硬件原理及其控制程序编制4.1 主控制器4.1.1 主控制器及其选择目前在数控系统中常用的芯片有8086，8088，80286，80386以及8098，8096等16位机的CPU，在一般的数控系统中推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。这里选用MCS-51系列中的8031芯片。4.1.2 MCS-51系列单片机介绍 （1）MCS-51系列单片机的基本特征MCS-51系列单片机是美国Intel公司于1980年推出的一种8位单片机系列。该系列的基本型产品是8051、8031和8751。这3种产品之间的区别只是在片内程序存储器方面。8051的片内程序存储器（ROM）是掩膜型的，即在制造芯片时已将应用程序固化进去；8031片内没有程序存储器；8751内部包含有用作程序存储器的4KB的EPROM。由于8051的编程需要制造商的支持，8751的价格昂贵，因此8031获得了更为广泛的使用。8031的基本特征如下：1) 具有8位中央处理器（CPU）。2) 片内有时钟发生电路（6MHz或12MHz），每执行一条指令时间为2或者1 。 3) 具有128字节的RAM。4) 具有21个特殊功能寄存器。5) 可寻址64KB的外部数据存储器和64KB的外部程序存储器。6) 具有四个I/O口，32根I/O线。7) 具有两个16位定时器/计数器。8) 具有5个中断源，配备两个优先级。9) 具有一个全双工串行接口。10) 具有位寻址能力，适用逻辑运算。从上述特性可知：一块8031的功能相当于微型计算机系统。（2）管脚功能分析及特性简介引脚功能分类表：1) I/O口线：， ， 共四个8位口。2) 控制线：（中断取指令控制），ALE（地址锁存控制），（中断存储器选择），RESET（复位控制） 。 电源及时钟：，。应用特性：1) I/O口线不能都用作用户I/O线，除8051，8751外真正可完全为用户使用的I/O口线， 只有 口以及部分作为第一功能使用 口。2) I/O口的驱动功能为：口驱动8个TTL门电路，而， 只能驱动4个TTL门电路。3) 口具有提升电阻的8位双向I/O口，该口的每一位均可独立的定义为第一I/O口功能或者第二I/O口功能。时钟频率：外接时钟频率可在1.212MHz间选取。 （3）总线结构1) 地址总线AB地址总线宽度为16位，其外部存储器直接寻址范围达到64KB，16位地址总线由口经地址锁存器提供低8位，由直接提供。2) 数据总线DB数据总线宽度为8位，由口直接提供.3) 控制总线CB由 口提供的第二功能状态和四根独立的控制线，ALE，RESET组成。（4）存储器结构单片机的存储器包括程序存储器和数据存储器，它们是可以选用并可直接寻址的存储器。4.2 MCS-51单片机的扩展4.2.1 程序存储器EPROM的选型芯片的型号不同，应用参数也不同，主要有最大读出速度，工作温度及容量。在确定容量内选择EPROM的型号，主要考虑因素是读取速度，这是决定系统能否正确工作的前提。根据CPU与EPROM的匹配要求，应满足8031能提供的读取时间大于EPROM所需要的读取时间。实际设计中，应考虑在满足容量要求的同时尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合数。4.2.2 数据存储器RAM的选型选RAM时主要考虑因素是RAM的读写速度与CPU提供的读写时序的匹配要求，还应满足这样一个关系：即8031所能提供的读写时间应大于RAM所需求的读写时间，常用RAM主要有6116和6264两种。4.3 地址分配及接线方法4.3.1 地址的分配与一般存储关系不同，8031所支持的存储系统其程序存储器与数据存储器独立编址。因此,EPROM和RAM的地址分配较自由，不必考虑是否发生冲突。由于8031复位后从0000H单元开始执行程序，故程序存储器地址应从0000H就开始。在这里只用EPROM，地址为0000H-1FFFH，扩展RAM与I/O口及外围设备实行统一编址。4.3.2 EPROM、RAM与8031的连接方式（1）地址总线将与EPROM的一一对应连接。与RAM的一一对应连接，其余地址经译码产生片选信号。（2）数据总线将与存储器的一一对应连接。4.4 接口电路及辅助电路的设计本系统接口电路包括键盘、数码显示器及步进电机接口电路，辅助电路包括复位电路及报警显示电路。8031单片机的口P1可以作为I/O接口，为管理上述接口电路，还需要扩展接口电路，现在用8031的P1管理步进电机，用扩展接口管理键盘和显示电路。4.4.1 接口电路的设计8155的内部RAM和I/O的选择由引脚IO/控制，当IO/=0时，CPU访问RAM,RAM的低8位编制为：00HFFH；、IO/+1时，CPU访问IO口，其低8位编址见教材的真值表，8155的工作方式选择通过对8155内部命令，寄存器通过设定控制命令来实现。8155具有两种基本操作，即用8155中的256字节RAM及扩展I/O口适用，当RAM与系统RAM无区别：作I/O口使用时，可通过工作方式以满足不同需要。 8155与一个状态寄存器，锁存I/O口和定时器的当前状态，使CPU查询用。状态寄存器和命令寄存器公用一个地址，只能读入，不能写入。CPU读地址时，作状态寄存器，读出时是当前I/O口和定时器的状态，而写时则作为命令急促请你写入命令。4.4.2 辅助电路的具体设计1. 时钟电路如图4-1时钟电路图所示，单片机的时钟可以分两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式时利用芯片内部振荡电路，在, 引脚上外界定时原件。采用外部时钟可把直接接地，接外部电源。图4-1 时钟电路图2. 复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要功能是PC初始化为000H，使单片机从00H单元开始执行程序。除了使系统初始化外，当由于程序运行错误或则操作作物使系统处于锁死状态时，为了摆脱困境也需要按复位键。REST引脚是复位键的输入端，复位信号是高电平有效，有效时间持续24各振荡周期（即两个机器周期）以上，对于使用频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续应超过0.004ms才能完成复位操作。复位操作方式有上电自动复位和手动自动复位。我采用手动复位的方式，它包括电平方式和脉冲方式两种，其中按键电平复位方式是通过复位端经电阻与VCC电源接通实现的，而按键脉冲方式则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现。我采用按键电平复位方式，途中电容适用与6MHZ晶振，能保证复位信号高电平持续市静安大于两个机器周期。3. 功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不满足步进电机的需要，必须将其输出的信号放大产生放大足够大的功率才能驱动步进电机正常运转。设计时根据选用的步进电机的容量钻则功率放大器。4.5 控制系统程序编译4.5.1 数控的插补方法在CNC数控机床上，各种轮廓的加工都是通过插补计算实现的，插补计算的任务就是对轮廓线的起点到终点之间再密集的计算出有限各坐标点，刀具沿着这些坐标点移动，来逼近理论轮廓。 插补方法可分两大类：脉冲增量插补和数据采样插补。 脉冲增量插补是控制单个脉冲输出规律的方法。每输出
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