C620型普通车床数控化改造设计

PAGEword文档可自由复制编辑word文档可自由复制编辑毕业设计（论文）设计（论文）题目：C620车床数控化改造系部名称：机电工程系专业：机电一体化班级：1学生姓名：学号：指导教师：二O一四年5月摘要这次毕业设计主要是将一台C620型普通车床进行经济型数控改造设计，由于定位精度高，所以纵、横向导轨均采用贴塑导轨，传动系统采用滚珠丝杠，同时，为提高传动刚度和消除间隙，对丝杠进行预拉伸，传动齿轮采用双片错齿消隙齿轮，驱动元件采用步进电机。为了保证加工螺纹时，主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程，主轴用脉冲发生器通过波纹管联接，并将纵向和横向进给系统用单片机控制，是其成为一个能独立运动的开环进给伺服系统。数控系统采用MCS—51系列的8031单片机扩展系统。因为MCS—51系列的单片机具有集成度高、可靠性高、功能强、速度快、抗干扰能力强等优点。控制系统由微机部分、键盘及显示器I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路组成。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，以显示加工数据及机床状态等信息。为了达到机床要求的分辨率，传动系统采用步进电机齿轮减速后，带动丝杠。设计改造后的经济型数控机床具有定位、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，且加工质量稳定可靠。零件加工的适应性强，自动化程度高。关键词：车床，数控，改造，滚珠丝杠PAGEword文档可自由复制编辑AbstractThisdesignmainlyistransforminganordinaryC620latheintoaneconomynumericalcontrol,becausetheaccuracyishigh,theleadrailusesplasticleadrail;thetransmissionsystemusestheballscrew.Atthesametime,wecancarryonthepre-stretchtotheguidescrewandusedoublegearsinthetransmissiongeartoenhancethetransmissionrigidityandtheeliminationgap.Thedrivingpartsuseballscrew.Whenprocessingthread,themainaxletransfersarevolution,thetoolholdermustmovesapitchorleadofthethread,themainaxleandthepulsegeneratorlinktogetherthroughacorrugatedpipe.ASingleChipMicrocomputercontrolsthelongitudinalandcrosswisefeedingsystem,soitwillbecauseanopen-loopservosystemwhichcanmoveindependently.ThenumericalcontrolsystemusestheMCS-51series8031SingleChipMicrocomputertoexpandthesystem.BecausetheMCS-51seriesSingleChipMicrocomputerhavehighintegrationrate,highreliability,strongfunction,quickspeed,andstronganti-jammingabilityandsoon.Thecontrolsystemismadeupofthemicrocomputerpart,thekeyboardandthemonitor,theI/Ointerfacesandthelightelectricityisolationelectriccircuit.Thesystemprocessingprocedureandcontrolordersarecontrolledbykeyboard,themonitorrealizedprocessdataandtheinformationofmachinetoolswithfigurestube.Inordertorealizetheresolvingpower,transmissionsystemusesteppermotortodrivetheballscrewafterbeingdecreased.Afterthetransformationdesign,theeconomynumericalcontrolmachinehasthelocalization,thestraightlineinserts,insertsalongthecountercirculararc,functionsuspension,circulationprocessing,maleinchthreadprocessingandsoon.Theprocessingqualityisstableandreliable.Componentsprocessingcompatibilityandtheautomationarestrengthened.Keyword:lathe，numericalcontrol，alteration，ballscrew目录引言 31概述 41.1毕业设计的目的 41.2设计任务 41.3设计的必要性 41.3.1数控改造目的 41.3.2数控改造的优点 52总体方案设计 52.1系统的运动方式与伺服系统的选择 52.2计算机系统 52.3机械传动方式 52.3.1纵向滚珠丝杠 62.3.2横向滚珠丝杠 62.3.3总体方案 73进给伺服系统设计 73.1纵向进给伺服系统 83.1.1计算进给牵引力Fm(N) 83.1.2计算最大动载荷C 93.1.3滚珠丝杠螺母副的传动效率计算 103.1.4刚度验算 103.1.5稳定性校核 113.2横向进给伺服系统 113.2.1计算进给牵引力 113.2.2计算最大动负载C 123.2.3选择滚动丝杠螺母副 123.2.4传动效率计算 133.2.5刚度验算 133.2.6稳定性校核 153.3齿轮传动比计算 163.3.1纵向进给齿轮箱传动比计算 163.3.2横向进给齿轮箱传动比计算 163.4步进电机的选型 173.4.1纵向进给步进电机 173.4.2横向步进电机 213.4.3计算步进电机空载启动频率和工作时的频率 244数控系统硬件电路设置 244.1数控系统基本硬件组成 244.2选择CPU的类型 254.374LS138CPU和存储器 264.4I/O接口电路 264.5软件环行分配器 274.6控制系统 274.7其它辅助电路 28参考书目 29致谢 30图纸简介 31引言随着市场经济的不断发展，特别是我国加入ＷＴＯ以后，企业要在当前市场需求多变、竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量的生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要更换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。而且我国存在大批普通机床，利用数控系统改造机床是提高产品质量、提高生产效率,提高旧设备利用率，推广机电一体化技术的重要手段。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能;另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达±001至002ｍｍ，已能满足普通零件的精度要求。普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床的改造目的是要求机床稳定可靠，以尽可能低的故障率运转。普通车床应用微机控制系统进行改造，可以提高工艺水平和产品质量，减轻操作者的劳动强度。1概述1.1毕业设计的目的通过毕业设计，学习系统地综合运用知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深对所学知识的理解，并且在设计过程中扩大和补充了知识面，使对知识的认识提高到一个新的水平。通过毕业设计，培养调查研究的习惯和能力，练习查阅资料，合理选择计算标准，建立正确的设计和科研思想，加强科学性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。1.2设计任务将一台普通C620车床改造为经济型数控机床，利用微机对纵、横进给系统进行开环控制，驱动元件采用直流步进电机，传动机构采用滚珠丝杠，设计控制电路图。1.3设计的必要性随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，产品的更新换代也不断加快，因此，对机床的要求不仅要具有较高的精度和生产率，而且还要能适应产品零件的变换。生产的需要促使了数控机床的发展。从第一台数控机床问世至今，世界上主要的工业化国家的数控机床已进入批量生产。随着我国加入WTO，我国数控技术的普及和发展显得更加迫切和需要。这种情况下，普通机床的数控改造十分必要，可以从以下几点说明：1.3.1数控改造目的数控改造一般指对不同机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工能力。其改造的目的有以下几点：(1)从提高资本效率出发，改造闲置旧设备，发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值；(2)为提高生产效率；(3)为适应多品种，小批量零件的生产；(4)有广泛的适应性和较大的灵活性；(5)为减小整个设备投资计划。1.3.2数控改造的优点(1)稳定产品质量；(2)减少辅助加工时间，提高机床生产效率；(3)降低工人技术等级的要求；(4)可充分利用原有机床设备，费用低；(5)数控改造周期短，可满足生产急需。2总体方案设计2.1系统的运动方式与伺服系统的选择选用连续控制系统。由于本机加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统。在该系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的，输入装置把信号输给数控装置，经数控装置运算后分配出指令脉冲，通过步进电机驱动工作台移动。由于该系统无位置和速度检测装置，因此，它的精度主要由步进电机的步距角和与之相连的丝杠等传动机构的传动精度决定。2.2计算机系统根据机床要求，采用8位微机。由于MCS–51系列单片机具有集成度高,成本低，可靠性好，功能强，速度快，运用灵活，抗干扰能力强，适应温度范围宽，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，RAM、ROM、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、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，采用数码管显示器显示加工数据及机床状态等信息。2.3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后，再带动丝杠，为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要消除齿侧间隙。2.3.1纵向滚珠丝杠纵向滚珠丝杠的步进电机可布置在机床的任意一端。拆除原机床纵向进给部分的进给箱，溜板箱，滑动丝杠，光杠，利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。这里选用W1L4506型外循环插管式滚珠螺母副。滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置上，在丝杠的左端采用一对深沟球轴承和一对推力球轴承，在丝杆的右端采用一个深沟球轴承和一个推力球轴承。支承短轴与滚珠丝杠的右端通过联轴套和减速器的输出轴联结起来。在丝杠托架上布置一个轴套式滑动轴承作为径向支承，减速箱固定在丝杠托架上。丝杠中间支承为滚珠螺母，其与床鞍直接联结。这种改造能减少改造工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给总体刚度增加。2.3.2横向滚珠丝杠横向进给部分也采用滚珠丝杠代替原来的滑动丝杠，横向齿轮减速箱和步进电机一般都安装在床鞍的右端，滚珠丝杠须用盖板保护，并拆除原来的方刀架，换为自动回转刀架，由计算机控制，根据程序自动转位、夹紧。电机经两对齿轮减速后传动滚珠丝杠螺母副，这里选用W1L2505型外循环插管式滚珠螺母副，滚珠丝杠左端支承采用一对深沟球轴承，右端采用一对深沟球轴承和一对推力球轴承。装配时应注意使齿轮箱体中的丝杠中心与床尾轴承座中心线安装基面尺寸一致，以保证水平面内丝杠与导轨平行。齿轮箱体在床身上安装螺钉的位置与床尾轴承座螺钉在床身上的安装位置也须根据床身的具体情况确定，以保证在垂直面内丝杠与导轨平行。为保证滚珠丝杠传动平稳、轻快，必须使滚珠丝杠螺母座与丝杠两端支承同轴，装配时可以修磨垫片来保证螺母座在水平面内与两端支承同轴。垂直面内的同轴度靠螺钉的过孔来调整，调好后，打入销钉。2.3.3总体方案如图2-1：图2-1总体方案框图3进给伺服系统设计将一台C620普通车床改造为经济型数控车床，采用MCS-51系列单片机作为控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下最大加工直径：在床面上400mm在床鞍上210mm加工最大长度：1000mm溜板及刀架重力：纵向:1000N横向:600N刀架快进速度：纵向：2.4m/min横向：1.2m/min最大进给速度：纵向：0.6m/min横向：0.3m/min主电机功率：7.5kw起动加速时间：30ms机床定位精度：±0.015mm此机床进给伺服系统运动及动力计算如下：1）脉冲当量选取纵向：0.01mm/脉冲横向：0.005mm/脉冲2）切削力的计算由于改造的是通用车床，所以切削力选择的范围如下(1)纵车外圆：主切削力Fz(N)按经验公式估算：Fz=0.67Dmax=0.67×4001.5=5360NDmax—车床床身上加工最大直径按切削力各力比例Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4Fx=5360×0.25=1340NFy=5360×0.4=2144N(2)横向端面：主切削力Fz(N)可取纵切的1/2Fz=1/2Fz=2680N此时走刀抗力Fy(N)，吃刀抗力为Fx(N)。仍按上述比例粗略计算：Fy=2680×0.25=670NFx=2680×0.4=1072N(3)滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠循环选型：由于是经济性数控机床，要考虑其性能价格比。因此，选用外循环插管式滚珠丝杠。3.1纵向进给伺服系统3.1.1计算进给牵引力Fm(N)作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力Fx以及溜板、刀架和切削分力作用在导轨上的摩擦力。C620车床的两条纵向导轨，属于综合型导轨，因此，计算公式可确定如下：纵向：F=K×Fx+f(Fz+G) =1.5×1340+0.16×(5360+1000)=2558.6NK—考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨K取1.5；f—滑动导轨摩擦系数，0.15~0.18，取0.16；G—溜板及刀架的重力，纵向G=1000N。3.1.2计算最大动载荷C选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定的轴负荷作用下，丝杠在回转10000转后，再它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即为该丝杠所承受的最大动负载CL—寿命以106转为1单位；n—滚珠丝杠转速；L0—滚珠丝杠导程，L0取6mm；T—为使用寿命，T=15000h；Fω—运转系数，Fω=1.2；Vs—最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/2～1/3,此处取Vs=0.6mm/s。所以查表得出滚珠丝杠螺母副W1L4506型外循环螺纹的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动载荷为17100N,精度等级取3级。3.1.3滚珠丝杠螺母副的传动效率计算r—丝杠螺旋升角，W1L4506型=；—摩擦角，滚珠丝杠副其摩擦角约为。3.1.4刚度验算纵向进给滚珠丝杠支承方式如图3-1所示：图3-1纵向进给滚珠丝杠支承方式最大牵引力为2558.6N，支承间距=1500mm，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向力的1/3,为852.87N。(1)丝杠的拉伸或压缩变形量δ1（mm）L=1500mmFm=2558.6N，D0=40mm由表查得：δL/L0=1.25×10-5δ=δ0/L0×L=1.25×10-5×1500=1.875×10-2mm由于采用推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可提高4倍，其实际变形量δ1（mm）δ1=1/4δ=1/4×1.875×10-2=0.45×10-2mm(2)滚球与螺纹滚道间的接触变形δ2（mm）此项在总变形中也占有较大的比重，查表知1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量δQ，δQ=6.4μm,因进行了预紧，其变形量可减少一半，δ2=1/2δQ=1/2×6.4=3.2μm(3)支承滚球丝杠的轴承的轴向接触变形δ3（mm）采用51207型推力球轴承，滚动体直径do=6.35mm，滚动体数量Z=18，d=35mm因施加了预紧力，故δ3=1/2δc=1/2×0.0076=0.0038mm根据以上计算δ=δ1+δ2+δ3=0.0045+0.0032+0.0038=0.0115mmδ<定位精度滚珠丝杠的扭转变形引起的导程变化，一般占的比重较小，可忽略不计，螺母及轴承支座的变形常为滚珠丝杠螺母副系统的薄弱环节，但变形计算较为困难，一般不计算在内。3.1.5稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力球轴承，丝杠沿轴向有852.87N的预紧力，所以不会产生失稳现象，故不需做稳定性校核。3.2横向进给伺服系统滚珠丝杠螺母副的设计、计算选型。3.2.1计算进给牵引力横向导轨为燕尾形，计算如下：=K×+(+2+)K—考虑颠覆力矩影响的实验系数，对燕尾导轨取1.4；G—移动部件的重量（N）；—导轨上的摩擦系数，对燕尾型贴塑导轨取0.2；—横向走刀抗力，计算得出为670N；—横切端面的主切削力，计算得出为2680N；—横切端面时的吃刀抗力，计算得出为1072N。=K×+(+2+)=1.4×670+0.2×(2680+2×1072+600)=2023N3.2.2计算最大动负载C丝杠导程预选5mm,选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定的轴向负荷作用下，丝杠在回转10000转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即为该丝杠能承受的最大动负载C：L—寿命以106转为1单位n—滚珠丝杠转速；L0—滚珠丝杠导程，L0取5mm；T—为使用寿命，T=15000h；fω—运转系数，fω=1.2；v—最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/2～1/3，此处取v=0.3mm/s。3.2.3选择滚动丝杠螺母副查资料可采用L2005型1列2.5圈外循环滚珠丝杠副，额定动负载为8800N，精度等级选3级。3.2.4传动效率计算—螺旋升角；—摩擦角，滚珠丝杠副的摩擦角约为。3.2.5刚度验算横向进给丝杠支承方式如图3-2最大牵引力为2023N，支承间距=450mm。丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。图3-2横向进给丝杠支承方式(1)丝杠的拉伸或压缩变形量δ1（mm）查表可得： 当2023N,D0=20mm,δL/L0=4.2×10-5(2)滚珠与螺纹滚道间的接触变形δ2（mm）查表得δQ=8.5μm因为进行了预紧δ2=1/2δQ=0.5×8.5=4.25μm(3)支承滚珠丝杠的轴承轴向接触变形δ3（mm）采用51202推力球轴承，do=4.763mm，z=12，d=15mm考虑进行了预紧，故综合以上几项变形量之和：=0.0279mm显然，此变形量已大于定位精度要求，应该采取相应的措施修改设计。因横向溜板箱空间限制，不宜再加大滚珠丝杠直径故采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小最大牵引力。重新计算如下：=K×+(+2+)=1.4×670+0.04×(2680+2×1072+600)=1155N当=1155N时，查表知δL/L0=2.4×10-5查表知：δQ=5.4μmδ2=1/2δQ=0.5×5.4=2.7μm横向进给定位精度应为纵向进给定位精度的1/2，应为±0.0075mm，选用该丝杠其变形量不能满足要求，将滚珠丝杠再经过预拉伸，刚度还可提高4倍仍不满足，可将滚珠丝杠直径加大到25mm，即选用L2505型1列2.5圈外循环滚珠丝杠副，额定动负载为9700N，精度等级选3级。3.2.6稳定性校核计算临界负载Fk(N)L—丝杠两支承端距离（cm）；E—材料的弹性模量（），钢E=20.6I—截面惯性矩(cm4)，丝杠，（d1为丝杠内径）；fz—丝杠支撑方式系数，一端固定，一端简支，fz=2.00。一般[]=2.5~4所以此滚珠丝杠不会产生失稳。纵向及横向滚珠丝杠螺母副的几何参数如表3-3所示

表3-3纵向及横向滚珠丝杠螺母副几何参数名称符号W1L4506型W1L2505型螺纹滚道公称直径d04525.0螺距L065接触角β钢珠直径dq3.9693.175滚道法面半径R2.0641.651偏心距E0.0030.004螺纹升角R螺杆螺杆外径D44.224.37螺杆内径d140.87821706螺杆接触直径dz41.03521.831螺母螺母螺纹直径D49.12228.294螺母内径D145.79425.6353.3齿轮传动比计算3.3.1纵向进给齿轮箱传动比计算脉冲当量δP=0.01，丝杠导程L0=6mm初选步进电机的步距角为θb=/脉冲，可计算传动比i：可选齿轮齿数为，或，因为进给伺服系统传递功率不大，所以模数取m=2,齿宽取20mm。3.3.2横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程。注意，初选步进电机的步距角为0.75°，可计算传动比i：考虑到结构上的原因，齿轮直径不应太大，以免影响到横向溜板的有效行程。故此，可采用两级齿轮降速。 因为进给齿轮受力不大，模数m取2，齿宽取20mm。有关参数如表3-4所示：表3-4传动齿轮几何参数齿轮齿数Z324024402025分度圆D=mZ648048804050齿顶圆D0=D+2m688452844454齿根圆Df=d-2×1.25m597543753545齿宽(6—10)m202020202020中心距A=(d1+d2)/27264453.4步进电机的选型3.4.1纵向进给步进电机1)初选步进电机(1)计算步进电机的负载转矩Tm脉冲当量为0.01mm；Fm—进给牵引力；θb—步距角，初选；η—电机至丝杠的传动效率，为齿轮轴承丝杠效率之积，分别为0.98、0.99、0.99和0.94(2)估算步进电机起动转矩(3)计算最大静转矩查表取五相10拍，则(4)计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率─运动部件最大快速移动速度；─最大切削进给速度；─脉冲当量取0.01mm/脉冲。(5)初选步进电机型号根据估算出的最大静转矩在图中查出，130BF001最大静转矩为931N·cm>，可以满足要求。考虑到此经济型数控车床有可能使用较大的切削用量，应该选稍大转矩的步进电机，以留有一定的余量。另一方面，与国内同类型机床进行类比，决定采用150BF002步进电机。但从图中看出，150BF002步进电机最高起动频率为2800Hz，不能满足(4000Hz)的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件升降程序来解决。2)校核步进电机转矩(1)等效转动惯量计算计算简图见图3-1，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量()可由下式计算：=JM+J1+(Z1/Z2)2［(J2+Js)+G/g(L0/2π)2］JM—步进电机转子的转动惯量()；J1，J2—齿轮Z1、Z2的转动惯量()；Js—滚珠丝杠转动惯量()。参考同类型机床初选反应式步进电机150BF002，其转子转动惯量JM=10J1=0.78×10-3×·l1=0.78×10-3×6.44×2=2.62J2=0.78×10-3×·l2=0.78×10-3×84×2=6.39Js=0.78×10-3×44×150=29.952G=1000N代入上式：=JM+J1+(Z1/Z2)2［(J2+Js)+G/g(L0/2π)2］=10+2.62+(32/40)2×［(6.39+29.952)+1000/9.8×()］=36.475考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题：JM/J∑=10/36.475=0.274基本满足惯量匹配要求。(2)电机力矩的计算a快速空载起动时所需力矩M起M起=Mamax+Mf+M0Mamax—空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩()；Mf—折算到电机轴上的摩擦力矩()；M0—折算到电机轴上的附加摩擦力矩。—电机最大角加速度（rad/s2）；—电机最大转速(r/min)；—运动部件最大快进速度（mm/min）；δP—脉冲当量（mm/步）；θb—步进电机的步距角（°）；t0—运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间（s）代入上式得折算到电机轴上的摩擦力矩：F0—导轨的摩擦力(N)；F—垂直方向的切削力(N)；G—运动部件的总重量(N)；—导轨摩擦系数； i—齿轮降速比，按i=计算；η—传动链总效率，一般取0.75~0.85。折算到电机轴上的附加摩擦力矩M0：—滚珠丝杠预加负荷，一般取1/3F； —传动总效率；一般可取=0.7~0.85，此处取0.8；—滚珠丝杠的传动效率，一般取0.9，此处取0.9。以上三项合计：b快速移动时所需力矩：c最大切削负载时所需力矩M切由上面的计算可以看出：M起，M快和M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以作为初选步进电机的依据。由资料查得当步进电机为五相十拍时λ=Mq/Mjmax=0.951最大静力矩Mjmax=749/0.951=787.6由资料知150BF002型步进电机的最大静力矩为13.72大于所需最大静转矩，可作为初选型号。150BF002运行矩频特性性150BF002运行矩频特性性f(Hz)M()100005000490.3980.71225.888.88f(Hz)M()20001000196.1392.3588.1150BF002起动矩频性特性图3-5150BF002型步进电机矩频特性从图3-5中看出150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800Hz运行频率为8000Hz，有图3-5知当步进电机起动时f起=2500Hz时，M=100，远不能满足此机床所需要的空载起动力矩（749）。直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率降到1000Hz时，起动力矩可增加到588.4，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可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型步进电机完全可以满足要求。3.4.2横向步进电机1)等效转动惯量的计算计算简图见图3-2传动系统折算到电机轴上的总的转动可由下式计算：JM—步进电机转子的转动惯量；Js—滚珠丝杠转动惯量；J4—齿轮Z4的转动惯量；J1、J2、J3、—齿轮Z1、Z2、Z3的及其轴的转动惯量。参考同类型机床，初选步进电机130BF001，其转子转动惯量JM=4.7=8.4156考虑步进电机与传动惯量匹配问题JM/J∑=4.7/8.4156=0.56，基本满足惯量匹配要求。2)电机力矩计算(1)快速起动空载力矩M起M起Mamax—空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩()；Mf—折算到电机轴上的摩擦力矩()；M0—丝杠折算到电机轴上的附加摩擦力矩()。ε—电机最大角加速度（rad/s2）；—电机最大转速(r/min)；—运动部件最大快进速度（mm/min）；δP—脉冲当量（mm/步）；θb—步进电机的步距角（°）；t0—起动加速到最大快进速度所需时间30μs。代入上式得折算到电机轴上的摩擦力矩F=(+G)F0—导轨的摩擦力(N)；—垂直方向的切削力(N)；G—运动部件的总重量(N)；—导轨摩擦系数；i—齿轮降速比，按。附加摩擦力矩(2)快速移动时所需力矩M快(3)最大切削负载时所需力矩M切M切从上面计算可以看出：M起、M快和M切中以空载起动所需力矩最大，以此作为初选步进电机的依据。从表查出，当步进电机为五相十拍时，最大静力矩：按此最大静力矩，从图3-6中查出，130BF001型最大转矩为9.31，大于所需最大静转矩，可作为初选型号。3.4.3计算步进电机空载启动频率和工作时的频率─运动部件最大快速进给速度；─最大切削进给速度；─脉冲当量。从图3-6查出，130BF001型步进电机允许的最高空载起动频率为3000Hz，不能满足(4000Hz)的要求。此时空载起动转矩不满足此机床所需要求的空载起动转矩，会产生失步现象，所以必须采用升降速控制（用软件实现），将起动频率降到1000Hz时，起动转矩可增加到400，然后电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出转矩扩大一倍左右。2400240020001000392.33784.5f(Hz))M()130BF001型起动矩频特性196.1588.1M()f(KHz))24490.3980.7130BF001型运行矩频特性xingxing性xing性688图3-6130BF001型步进电机矩频特性当快速运动和切削进给时，130BF001步进电机完全可以满足要求。4数控系统硬件电路设置4.1数控系统基本硬件组成数控系统是由硬件和软件两部分组成的，硬件是组成系统的基础。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。它有以下五个部分组成：(1)主控制器，即中央处理单元；(2)总线，包括数据总线，地址总线和控制总线；(3)存储器，包括数据存储器和程序存储器；(4)接口，即I/O接口电路；(5)外围设备，如键盘，显示器及光电输入器等。其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和协调控制各部分电路工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU与存储器，I/O接口及其它转换电路的联接纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。4.2选择CPU的类型在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素：(1)时钟频率和字长，该指标将控制数据处理的速度；(2)可扩展存储器的容量；(3)指令系统功能；(4)I/O扩展指令能力，即对外设控制的能力；(5)开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。此外，还要考虑到系统的应用场合，控制对象对各种参数的要求，以及经济性的要求。基于此，采用8031单片机，它具有以下特点：(1)具有功能强的8位CPU；(2)片内有时钟发生器，每执行一条指令的时间为2微秒或1微秒；(3)片内有128字节RAM；(4)具有21个特殊功能寄存器；(5)可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的程序存储器；(6)具有4个I/O接口，32根I/O线；(7)具有2个16位T/C；(8)具有5个中断源，配备2个终端优先级；(9)具有1个全功能串行接口；(10)具有位寻址功能，使用逻辑计算。从上述特性可知，8031芯片集成度高，功能强，适用与扩展ROM、现场修改和更新程序存储器的应用场合。它价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。4.374LS138CPU和存储器CPU采用8031芯片，由于8031芯片内无程序存储器，需要有外部程序存储器的支持。同时，8031内部只有128字节的数据存储器，也远不能满足控制系统的要求，故扩展了16KB程序存储器，由两片2764组成，又扩展了一片6264数据存储器。8031芯片的和用来传送外部存储器的地址和数据，口传送高8位地址，口传送低8位地址和数据，故采用74LS373地址锁存器，锁存低8位地址，ALE作为其选通信号，当ALE为高电平，锁存器的输出和输入透明，即输入的低8位存储器地址在输出端出现，此时不需锁存。当ALE从高电平变低电平，出现下降沿时，低8位地址锁存入地址锁存器中，74LS373的输出不再随输入变化，这样口就可以用来传送读写的数据了。8031芯片的口和74LS373送出的口共组成16位地址，2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址线。~低8位接74LS373芯片的输出，~接芯片的~。系统采用全地址译码，2片2764芯片片选信号分别接74LS138译码器的和,系统复位后程序从0000H开始执行。6264芯片的片选信号接74LS138的。8031芯片的引脚接2764的，以实现外部数据存储器的读写。由于8031芯片内部无ROM，故始终要选外部程序存储器，故其必须接地。4.4I/O接口电路由于8031只有口和口部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入、输出口的需要，因而系统必须扩展输入、输出接口电路。系统扩展了2片8155可编程I/O接口芯片。74LS