普通车床数控改造及横纵向进给系统设计

摘要

我国是传统的机械制造大国，但是设备及其落后，尤其是老的机械制造厂主要

还是旧的机床，不能满足处理的条件。制造技术和设备的现状，与现代先进技术对

大型故障机，尤其是大量闲置的普通机床进行改造、升级，尽快使这批设备在经济

发展中发挥能力、创造效益，的确是许多企业不能忽视一个主题，是我国制造业的

发展方向。这个话题是CA6140普通车床数控改造，其现实意义在于如何找到一个可

行的和扩展设备改造方法的价值，传统的机械制造技术和设备产业技术升级，为了

解决设备老化带来的问题。

关键词：滚珠丝杠；滚珠丝杠螺母副；单片机；步进电机

第1章绪论

随着科学技术的高速成长以及经济竞争的加剧，更新产品速率慢慢变快，复杂

模样的部件逐渐增多，精度要求越来越高，多样式、中等批量生产的比例也有明显

增高。产品制作受市场激烈竞争的影响生产时间慢慢变短。传统的加工方法和生产

方法很难适应这些不同的零件，加工要求灵活而复杂。因此近几十年来，由于开发

可以有效地解决发杂，精确，小批量的CNC加工技术的多变量部件，因此世界各国

都非常重视。

传统的机械制造和微电子，电脑，信息处理，现代控制理论，使制造业变成常

识密集型的科学作为该类别的现代制造业，它的生产规模朝着“少量一少品种多量

一多品种批次”的方面成长。

第一台数控机床是由美国在20世纪50年代制造出来，数控机床及其数控技术

己有半个多世纪的开发经验。1959,因为晶体管元件在计算机行业中制造出来。随

着1965年小型集成电路的呈现，小型化和低功耗进一步提高了数控系统的可靠性。

CNC系统已发展到第三代。特别是这20年来，数左机床的性能价格比有了极大的提

升来自于微处理器和微电子技术的成长,.这不仅是提高了产品的质量和效率，还缩

小了生产时间，从而改善了生产环境。

第2章数控机床的改造

2.1普通机床数控改造的好处

(D机械性能稳定性高。床身和柱子等基本部件均为实心铸造件，不是焊接部

件。改造后的机器质量好，性能好，可作为多年的新设备使用。CNC转换简化了原

始机器结构。一则减少传动链对精密度的影响，原有的摇杆进给机构都消除，可以

提升精密度；二则，它可以降低机械故障率，增加运动的可靠性。长期使用原机床

的基础部件后，几乎不可能发生应力变形来影响精度。

(2)数控制改造成本低，入资额少，经济性好。

(3)我们熟悉设备，易于操作和维修，降低了技术对人员的要求，改善了管理。

在购置新设备时，不知道新设备满不满足其处理讲求，并且不是转型。这样就能准

确算出机床的加工能力。此外，由于长期使用，操作人员熟悉机床的特性，维护和

操作培训短时间，快速的结果。一旦安装机床，它可以满负荷运行。操作人员只需

要夹紧工件并按下开关，即可快速完成兔杂的工件。通过计算机控制完成处理，节

省了技术耍求的麻烦。同时也提高定额管理水平。

(4)提升生产率。与传统机床相比，机器自动化可提高3至5倍。对于更复杂

的零件，越困难，它就越有效。此外，可以使用或不使用工具，这不仅节省了成本，

而且缩短了生产准备周期。

(5)增强了传统处理难以实现的功能，例如电弧处理和锥形处理。

2.2机床数控改造市场

在过去的10年中，中国的CNC年产量已达到3万至4万台，每年大约生产值

70亿元。机床的年产率不到6%。大多数制造业和制造业的大多数制造和加工设备

都是传统的机床，其中机床占了多一半。用该设备处理的产品通常具有诸如低质量，

低质量，低质量，高成本和仅交货时间的缺点。因此，国际国内市场缺少竞争力直

接影响企业的产品，市场和利益，影响企业的生存和发展。

这些无法使用的设备和生产线是大量的股票资产，而修理是财富。只要我们找

出主要的技术难点并解决关键技术问题，我们就可以最大限度地减少对最大的股票

资产的投资，争取最大的经济和社会效益。

第3章总体方案设计

3.1设计任务

普通CA6140车床转换为经济型数控机床，由单片机MCS-51微电脑控制，采用

步进电机开环控制，垂直和水平方向线性和圆弧插补它有一个功能。车床必需要有

切割螺纹的能力和自动返回的能力。

原理如图37所示：

[---\——-|—功

|微—电1—率

山油工作台

机品!

R商人

图3T经济型数控机床原理

主要数据如下：

工件最大加工直径：床面：400mm

最大工件长度：1500mm

最大速度：垂直0.6m/min

水平0.3m/min

高速齿轮交叉：垂直2.4m/min

水平1.2m/min

主电机功率：7.5kw

3.2确定整体计划

3.2.1伺服系统解决方案的确定

改建后的数控车床具有停止、循环加工、螺纹加工和直线插补等能力，这就是

为什么有必要使用连续控制系统。当使用步进电机开环控制系统时，应想到经济型

数控机床加工精密度条件不高，结构简单，减少成本。

3.2.2确定执行器的传动方式

步进电机用于减慢驱动螺杆的速度，以达到机床所需的分辨率。为了减少可能

多的摩擦，滚珠丝杠螺母对确保某些变速器的精度和稳定性。同时，采取预加载结

构来改善间隙和传动刚度。传动齿轮横向采取齿形带。除去侧面空隙的结构沿垂直

使用。

3.2.3单片机控制方案

根据机器的要求使在8位机器。由于硬件设计简单，系统结构紧凑是MCS—51

系列单片机的特点之一。MCS-51系统的最小系统可以通过使用一块8031扩展EPROM

来满足简单应用功能的耍求，可以运用MCS—51的扩充功能，构成功能强、规模较

大的系统用于复杂的应用场合。因此，应该选择使用8031微控制器。

第4章机器进给伺服系统的设计和计算

4.1运动参数计算

主运动参数

对于通用机床，由于完成的工艺范围相对较宽，并且必须适应一定范围的不同

材料零件和不同材料尺寸的加工需求，因此需求主轴具有不同的速度。

1.确定最高速度和最低速度

1OOQ-x

〃nux=㈤mm(4.1)

1OOGw

Z,m.n=------

加ax

在公式中Vmax,Vmin可以根据切削量手册和车床的应用来确定,C6140车床Vmax为

200米/分钟，Vmin为15米/分钟对于通用机床一般取

dmax-KD;dmin-R^dmca(4.2)

其中：D—机床的最大直径；

K—依据现有类似机床应用的调查，车床的计划K=0.5;

电一范围直径一般为Rd=O.2~0.25

dmax=KD=0.5x400=200(4.3)

dmin=R0dmx=O.25x2OO=5(4.4)

0

(4.5)

100。―10002200

nu*ammh507r=1273r/min

根据实际需要和发展的储备最后确定nmax=1300r/min,同理nmin=1Or/niin

4.2系统脉冲当量选择及切削力确定

4.2.1脉冲当量选择

经济型数控车床、铳床经常采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲，机床精度

横向：0.005mm/步纵向:0.01mm/步

4.2.2纵车外圆

由机床设计手册知道而且类比同规格车床，主切削力F按经验公式估算

F=0.67D15=0.67x4005=536

ON根据切削力的力百分比

F:Fx:Fy=1:0.25:0.4

Fx=1340N,Fy=2144N

4.2.3横切端面

切割端面时的主要切削力F它占纵向切削力的1/2

主切削力^=2F=2680N

仍按上述比例计算：

F:Fx:Fy=l:0.25:0.4

Fx=2680x0.25=670N,Fy=2680x0.4=1072N

4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型

4.3.1滚珠丝杠的选型

外循环和内循环是滚珠循环方式分为的两大类，螺旋槽式和插管式又是由外循

环分为的。滚珠丝杠对的预紧方式有：双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差预紧，双螺

母垫片式预紧，干涉球预紧和单螺母可变导线预紧。

4.3.2纵向进给丝杠的计算

1.丝杠导程的确定

通常根据电机螺杆的齿轮比i和设计目标快速移动的最人速度Ymax以及伺服电

机的最大转速nmax来确定导螺杆的选择。基本铅引线应满足以下公式

J>60

/Xz,nux=1300=4.6nim(4.6)

主要选择L0=6mm根据设计需要

2.计算进给牵引力Fm(N)

在驾驶工作台时，滚珠丝杠副的滚珠丝杠的轴向力称为滚珠丝杠的工作载荷Fm

(N),也称为进给牵引力。它包括作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力及滚

珠丝杠的走刀抗力和与移动体重力。由于普通CA6140车床源的纵向导向导轨是综合

导向导轨，因此使用以下计算。

托盘上的横向负载Fc=Fy=2144(N)

托盘上的进给负载Fl=Fx=1340(N)

托盘上的垂直负载Fv=Fz=5360(N)

工作负载的大小：

Fm=KFx+f(F+G)(”)

=1.15X1340+0.17(5360+980)

=2555N

式中：J滑动导轨的摩擦系数：0.15^0.18MW17

G—垂直和水平滑动箱和刀架的重量，垂直滑动箱为80kg,刀架为20kg。G=980N

K—考虑反扭矩效应的实验系数，集成导轨取K=1.15;

3.计算最大动负载C

一以60〃/1

C=皈，(4.8)

1000匕

Lo

其中：Vs一最大切削力下的进给速率，最高进给速率2,这里

£

Vs=5xo.6=0.3

L—预期工作寿命，可取I加16000h

fw—预期的工作寿命可以从表4-1中获得。fw=1.3

fa—从表4-2可知精度系数的值为fa=0.9

fc-可靠性系数其取值由表4-3知取fc=l

表4T载荷性质系数

载荷性质无冲击轻微冲击伴有冲击和振动

fw门.21.5~2

表4-2*方度系数

精度等级1,2,34,56,7

fa10.90.8

表4-3可靠性系数

可靠性/%909596979899

fc10.620.530.440.330.21

100。匕1000x0.3

n==6=50r/min(4.9)

/“一♦"J|,3X2555(6OX5OXI6OOO)J

C=="i(X)7o^l"12.2@]0)

4.滚珠丝杠螺母对选择

主要的滚珠丝杠是：外部循环，考虑到简单的经济改造。

根据《机械设计手卅》(化学工业出版社出版发行)第三版第3卷计算出来的

最大动载荷，选用汉江机床附件有限公司生产的WL4006-2.5外循环垫片，调整预紧

双螺母滚珠丝杠副。

5.传动效率计算

tanr

lan(r+0

n=(4.11)

式中：T累旋升角，广2。36

6—对于滚动摩擦，摩擦角为10°,系数为0,003至0.004。

tanr

tan(r+^)tan2036

J=tan(2136+1O)=942%

6.刚度验算

引线的变化是由滚珠丝杠副的轴向变形引起的，这会影响其平滑度和定位精度，

以及由螺杆的扭转变形引起的纵向变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的

拉压变形以及滚珠丝杠轴承的轴向接触变形和螺母库的变形指的是滚珠丝杠副的轴

向变形。

本次采用两端固定来设计丝杠安装，刚度高是这种支撑的特点，导螺杆的轴向

刚度在一端固定4倍。安装时，必须保持螺母两端同轴，通常，导螺杆没有压力和

压杆的稳定性没问题。绘制该纵向进给滚珠丝杠支撑4-1的草图：

0-160

图4-1纵向进给滚珠丝杠支撑

支撑距离L=2000mm,引力最大为2555N,螺母和轴承预紧，预紧力为最大轴向

载荷）3。

a.螺杆张力和压缩刚度RI

滚珠丝杠的拉伸和压缩刚度取决于螺母在导螺杆上的位置，最大值是终点。

.二16文

'4X（5。）（4.⑵

式中：d2一丝杠螺纹底经d2=35.2

a—从滚珠螺母中心到轴承中心的距离a=180

c165tZ；Z165X35.22X2000

1

ax（£~a）_180x（2000-180）x1248.IN/^m

由于推力球轴承在两端使用，并且导螺杆是预张紧的，因此拉伸和压缩刚度可

以增加4倍，其实际变形量为：

£j_

Rl=4XRI=4XJ248.1=312N/〃m

b.滚珠与螺纹滚道之间接触变形R

(4.13)

式中：Rm—查手册可得丝杠刚度Rm=1080

FP—丝杠螺母预紧力FP=853

=RJ2丫1080x(———Y=8723

(O.kJ=10.1X16081J*4n

c.支承滚珠丝杆轴承的轴向刚度Rb

采用8206型推力球轴承，dl=30mm,滚动体直径d0=7.927mm,滚动体数量

Z=14.p=90°

RBo=2*1sin»=2x1.95^7.927/142x255、in$90'=6175(414)

Rb=2RBo=2x617.5=1235N/"m

_1_=±+_L+J_1|1f11

Rm-Ra=1248+872+617=208(4.15)

o=54Qx*=26

驱动系统的定位错误A208i"m

0.8X定位精度-ak-=0.8x15-2.6=9.4Hm

所选丝村副精度等级为6Hm<9.4Hm

因此，所选的导螺杆是合格的。

4.4计算齿轮传动比

4.4.1纵向进给齿轮箱传动比计算

球引线LO=6mm,相当于垂直进给脉冲，初始步进电机步进角为0.75°,可计

算齿轮比。

,36.360x0.01AQ

I=-------=-----------=U.X

0.75x6(4.16)

仁五="过

可选定齿轮齿数为：j40或25々=3&Z2=40或Z1=20、Z2=25

选择Z1=32,Z2=40,模数m=2

齿宽b=20mm压力角a=20°

齿轮的直径是dl=mzl=2x32=64mm(4.17)

d2=mzl=2x40=80mm(4.18)

dal=d1+2ha*=68mm(4.19)

da2=d2+2ha*=84mm@20)

然后中心距离是A=mX(ZI+Z2)/2=72(4.21)

4.4.2横向同步齿形带传动比计算

(1)模数的选择根据经验选择，初选朽1.5

(2)Dmin为滑轮的最小直径

此直径不是直接选定，而是由其最小齿数Zimin控制，21min查手册得21min=l4.所

以1应大于14

(3)大小轮齿几何参数定

己礴向除脉冲当量6P=0.005、滚珠丝杠导粒O5mm、并懒轿几的步

进角为0.75,可以计算出传动比：

36.360x0.05

6L.=0.75x5=0.48(4.22)

/=£L=24

50

可选齿数么Bp21=24z2=50

(4)初选中心距

因中心距未给定，这可按下式确定

().5(Di+D2)<A0<2(D2-D)(4.23)

DLD2—小轮和大轮分度圆直径(mm),即0.5x(3875HAMx(3计75.选

A()=8()mm

(5)确定长度L

从主要选择中选择中心后，在主要选择后很长：

2

L=2A0+0.5兀。1+D2)+0.25(〃必)/A0(424)

=2X80+0.5X3.14(36^-75)40.25(75-36)780=339.02

然后将带的齿数%=%加〃)=7194舍入到标准化的齿值2p=7(),L=329.9

(6)最终确定中心距离A.

2

A=0.25L-0.5兀Q+功+山0.5碓2+D丹2Q-D)}(425)

=75.24mm

第5章步进电机的选择和计算

5.1步进电机的功能和类型

1.根据设计方案确定本次设计采用了步进电机实现的开环驱动，伺服进给系统

中的位移检测反馈装置。数控装置的命令首先通过驱动装置控制步进电机的操作，

然后通过机械传动系统控制工具架或工作台的位移。

2.步进电机的功能

(1)不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制。

(2)步进电动机的步距角有误差，在转子旋转一定数量的步骤之后也会发生累积

误差，但在转子旋转一圈后累积误差变为“零”。

(3)缺点是能源效率较低。

(4)更容易连接到微型计算机，因为它可以直接由数字信号控制。

(5)良好的控制性能，在启动，停止，倒车时不易“脱落。

3.步进电机种类

常用的旋转步进电机的转子结构可分为以下三种类型：

(1)永磁型(PM-永磁体)

(2)混合型(HB-混合)

(3)VR-可变磁阻，也叫反应式步进电动机

4.根据设计需要本次设计选用可变磁阻步进电机，即反应式步进电机。

结构原理：可变磁阻步进电机又叫做反应式步进电动机，这是由软磁钢制成的

齿形转子的步进驱动，其具有由定子绕组产生的反作用电磁力。结构原理如图5-1

所示。线圈嵌入定子1中，转子2沿定子和转子之间的最小磁阻方向旋转，因此也

称为可变磁阻型。

图5-1可变电阻步进电机

5.2步进电机选择原理

选步进电动机时，通常希望输出步进电动机的转矩，性能价格比高，步距误差

小，启动频率和运行频率高。然而，在实际选择中，必须全面考虑，因为增加扭矩

和快速操作之间存在矛盾，并且高性能和低成本。

第一，应该考虑系统的速度和精度的要求。为了提高准确度，脉冲相等性相对

较小。但是，当脉冲当量较小时，系统的运行速度较低。因此，系统的脉冲相等性

是根据精度和速度选择的。在确定脉冲当量之后，可以选择步进电机的传动机构和

步进角传动比作为基础。

第二，对于位移误差的要求。尽管步进电机的步进角在理论JL是固定的，但实

际上存在误差。此外，步进电机的位置误差也会受到负载转矩的影响。应考虑由步

进电机的负载，传动机构的误差和传动步误差引起的定位误差，使得CNC机床允许

的定位误差大于总误差。

第三，步进电机的选择必须满足切削进给的要求和高速进给的要求。在这两种

情况下，进给速率和扭矩都有不同的要求。如果要求进给驱动器具有以下属性：快

速移动时的扭矩，最大快速进给速率为V快；在切削进给时的转距，最大切削进给速

度为V.

5.3步进电机的纵向计算

5.3.1等效转动惯量计算

计算图如图4-1所示。转换为电机轴的驱动系统的总转动惯量可通过以下公式

得：

A=+/+（含尸1心+4）」（与尸

Z2Lg2乃」（5.1）

其中：J一步进电机力矩驱动惯性（电加）

JJ2—齿轮Z1,Z2的转动惯

量J—滚珠丝杆惯性力矩（

Kg.cm2）

1.见同一类型的机床，主反应型步进150BF电机的转子惯性力矩JM=10

（Kg.cm2）

2.齿轮转动惯量计算：

J=0.77D4LxlO-8(5.2)

式中D—圆柱形部分的直径，cm

L一零件轴向长度，cm

484s2

Ji=0.77DLxJO-=0.77x64x20x]0-=2.61Kg.cm(5.3)

48482

J2=0.77DLX10=0.77X8410-=7.67Kg.cm(5.4)

3.滚珠丝杆惯性力矩

482

Js=0.77DLxlO-=0.77x404x2000=39.424Kg.cm(5.5)

G=980N

代入上式得：

J工=J“+，+(2)亿♦.)+■—一

22

Lg2”」(5.6)

s…(32『忆100070.6^1

10+2.61+-7,67+39.424+----

.(40八(9.8人2/]

-42.831Kg.cm2

5.3.2电机力矩计算

机床在不同的工作条件下需要不同的扭矩，并根据每个阶段进行以下计算:

(1)快速空载启动扭矩M起

在高速空载启动阶段，加速转矩占很大比例。具体计算如下:

M起二Mcunax+M、+M。(5.7)

此皿"J、£=几加•x102

-^-x——

心，360'

In(5.8)

Ma—电机轴等效加速转矩；

Mamax—加速力矩在空载启动时转换为电机轴；

n一传输效率为n=0.8,,

to—起动加速时间

to=30msMf—电机轴摩擦

n。一未预先加载导螺杆时的效率，取0.9

Mo—由于预紧螺钉导致额外的摩擦力矩转换为电机轴；

将前面数据带入：

〃一6'务幽、也=500焉

/min

6P360=0.01360(5.9)

"2

42.831x型当xIO"=743.INm

x

27r'。60x0.03(5.10)

2

MJ/0=/也+G)x4O.17(5364-980)X0,6

2M2^2rz,=2x^xO.8xl.25=95Non(5.11)

(5.12)

I；x2555x0.6,、

3----------(1-0.9?)=13.15NE

=2”x0,94xl.25'

上述三项合计：

M=Mamx+M,+Mo=743.1+95+13.15=851.25N.cm

⑵快速移动所需的扭矩M快:

M快=95+13.15=10815N.cm

⑶最大切削负荷需要扭矩M切:

02/r/X

(5.13)

1340x0.6

=236.2

=108.15+2^x0.8x1.25Non

以上计算公式可以看出以下几种情况，为M起M快和M切，快速怠速启动所需

的最大扭矩用作初级步进电机的基础。

检查手册以获得五相十次步进电机hM,/M;max=0.951。

130BF001的最大静态扭矩为931N.m,可以从手册的最大静态扭矩中找到。它大

于所需的最大静态扭矩。它可以作为主要模型，但必须进一步评估步进电机的转矩

特性和起动转矩特性。图5-2与表5-1为130BF001电机实图以及技术参数。

图5-2130BF001电机实图

表5-1130BF001电机实图以及技术参数

相电

流最高空载运行频

型号步距角电压保持转矩接线图备注

数启动频率率

130BF00150.75/1.580/12109.31(95)3000106003

5.3.3计算步进电机的空载启动频率和切割期间的工作频率

100Q-x1000x2.4

fk二=400(":

60x860x0.01

：,(5.14)

磔1=磔%。。叱

(5.15)

（b）130BF001型运行矩频特性

图5-3130BF001电机的频率特性

步进电机启动时，采用升降速控制（软件实现），由于f起=24001。M=90N.cm,

无法满足本机所要求的空载（758.08）扭矩，直接使用时会导致失步现象，采用高

低压驱动电路是先将起动频率降到1000Hz时起动力矩可增大到387.6N.cm,还可将

步进电机输出力矩扩大到一倍左右，当切削进给和快速运动时，130BF001的运行矩

频率性完全满足要求。

5.4计数和选择步进电机横向进给

5.4.1等效转动惯量计算

计算图如图4-2所示转换为电机轴的驱动系统的总转动惯量耽0或可通

过下式计算:

(5.16)

其中：JL滚珠丝杆惯性力矩(K?)

Jm—步进电机力矩驱动惯性(K)2)

J,J2—齿轮Z1,Z2的转动惯量

1.参考这种类型的机床，主反作用型步进电机90BF具有其转子惯性矩则=1.8

(Kg.cm2)

2.惯性齿轮的计算:

J=0.77D4LxlO-8(5.17)

式中：L-轴向长度，cm

D-圆柱形部分的直径，cm

4义2

L=0.77DLx10-8=0.77x75420=4.78Kg.cm(5.18)

4842

J=0.77DLxlO=0.77x36x20=0.24Kg.cm(5.19)

3.滚珠丝杆惯性力矩

Zv=0.77x7^x242

x45=0.5518Kg.cm(5.20)

G=588N

代入上式得：

(5.21)

=6.79Kg.cm2

检查步进电机和驱动系统的惯性匹配

Jm/Jz=l.8/6.79=0.265(5.22)

原则上满足惯性匹配的要求

5.4.2电机力矩计算

(1)快速空载起动扭矩M起

在高速空载起动阶段，加速转矩占很大比例，具体计算公式如下

2^XZ°

(5.23)

起二

MMamax+M,+M0

⑸24)

工a

Sp360'(5.25)

将前面数据代入:

----x％,

max侬X经=500力.

8p360'0.005360/mm

起动加速时间lo=30ms

2^X/°

679x2£x5OOx1Q_2=||845Ar^

60x0.03

摩擦扭矩转换为电机轴Mw

M二―二一-—G)”。

27nx2-7772r-Z|(5.26)

O.I6(268O4-588)x0.6

2x1x0.8x2.08=24.86

额外的摩擦扭矩MO

Fji\3xx/u

A/(,=-r—V-^o2)=—~~T-2

2s2s%,

(5.27)

1

^x!138xO.5zu

--------(l-0.9-F=4.46Vz//i

=2/rx0.8x2.08'

上述三项合计：

M起二Mamax+M,+M。

(5.28)

=118.45+24.86+4.46=147.77N.cm

⑵快速移动所需的扭矩M快：

M快=24.86+4.46=29.32N.cm(5.29)

⑶最大切削负荷需要扭矩M切：

FL、

A/疔%+%+/=%+也+^^

(5.30)

1072x0.5

=74X6+446+2〃x0.8x2.08

=40.77N.cnt

从上面计算可以看出，在这M起M快利M切三种情况下，以快速空载启动所需

的扭矩是最大的，并且这被用作初级步进电机的基础。

90BF002型的最大静态扭矩为3.92N.m,可从手册中找到。它大于所需的最大静

态扭矩。它可以用作主要模型，但必须进一步评估步进电机的转矩特性和起动电机

的转矩特性。图5-4与表5-2显示了90BF002步进电机的实际图表和技术参数：

图5-490BF002步进电机的实际图

表5-290BF002步进电机的技术参数

电最高空载

相流运行频

型号步距角电压保持转矩接线图备注

数启动频率率

可供

90BF00140.9/1,88073.92(40)200080002双轴

伸

可供

90BF00250.75/1.58073.92(40)3800160003双轴

伸

5.4.3计算步进电机的启动频率和切割过程中的操作频率

100Q;1000x0.5

=1661Hz

60x5,一

60x0.005(5.31)

1ooa1000x1.2

fk=rn4K=400QF/Z

60xb「

60x0.005⑸32)

所允许的起动控制频率会大大下降，其带负载启动，电机跟踪的快速性是它反

映出来的，且随负载惯量的增加而降低。负载的转动惯量与起飞频率之间的关系是

惯性一频率特性。

除惯性负载外，还有外部负载转矩，进一步降低了起跳频率。

90BF002步进电机的起始频率特性曲线和运行力矩频率特性如图4.6所示

启动矩频特性运行矩频特性

图5-5起始频率特性曲线和运行力矩频率

第6章控制系统设计

6.1单片机控制方案

参考跟此类相同的车床，以及相关要求选取了MCS-51系列单片机（选用8031

芯片），扩展三片8155芯片，一片6264芯片，二片2764可编程并行I/O口，并且

选用软件环形分配器。

MCS-51微控制器的基本功能：

1.强大的控制功能：丰富的控制命令。

2.实用性好：功耗低，价格低，体积小，易于生产，功耗低。

3.片内存储容量较小：原因受到整合程度的限制。

4.可靠性高：因为芯片是按照工业测控的环境要求所设计的，所以抗干扰的能力

比PC机要好。

5.便于扩展：芯片内具有计算机正常运行所需要的部件。

如表6T所示

表6-1MCS-51微控制器参数

片内ROM

定时中

片内并行串行

系列器计断

RAMI/OI/O

无有ROM有EPROM数器源

805180C5K4K

IntelMCS-51875187C5K4K1284x8

803180C312x1615

子系列字节）字节）字节位

6.2控制系统的作用及要求

6.2.1控制系统功能

将来自传感器的外部输入命令与检测信息进行处理，控制整个机电一体化系统

要按照一定的程序和节奏发出的指令并有目的地运行。图6-1是机电一体化系统的

位置。

传感器

工作台

执行元件

机电一体化微机部分

图6T机电一体化系统的位置

6.2.2基础条件

(1)可靠性，系统无故障运行的能力，硬件和软件的容错能力；

(2)经济性，在满足任务要求的同时确保系统成本低；

(3)可扩展性，使系统能够快速适应新条件而不会发生重大变化；

(4)适用性，系统、功能必须满足生产条件；

(5)可维护性，易于检测和修理。

6.3控制系统硬件电路设计

硬件与软件两部分组成一个数控系统，数控系统的基础是硬件，直接影响到整

个系统工作性能是它性能的好坏，软件可以有效的运行的前提必须有硬件。数控机

床的硬件电路主耍是由总线、储存器、输出和输入之间的电路还有CPU这4部分组

成。

其中数控系统的核心是CPU,作用是控制各部分电路和进行数据运算处理的协

调工作。内存用于操作所需的不同系统软件，应用程序和数据。系统与外界之间用

于交换信息的桥梁是I/O接口。CPU与存储器，接口和其他转换电路之间的链路是

总线，这是某些电路与CPU通信和交换信息的唯一途径。

在根据任务手册的要求设计操作系统的硬件电路时，主要基于以下功能：

(1)接到控作面板上的开关和按钮信号；

(2)接到车床限位开关信号；

(3)LED显示是日接收键盘数据来控制;

(4)控制步进电机驱动器的X,Z方向；

控制系统框图6-2如下：

图6-2控制系统框图

6.4控制电路部分软件设计

6.4.1内存和I/O芯片地址分配

如表6-2

表6-2主机板中存储器与1/0芯片地址分配

器件名称地址选择线(A15-AO)片内地址单元数地址编码

6264(RAM)OOOX,XXXX,XXXX,XXXX8K0000H-1FFFH

2764(ROM)OOXX,XXXX,XXXX,XXXX8K2000H-3FFFH

8255OGii,mi,mi,nxx25FFEH-5FFFH

8279oiii,mi,mi,mi17FFFH

6.4.2控制系统监控管理器

“空刀”、“自动”、“手动”、“回零”、“编辑”是系统设友的功