机电一体化专业自考毕业设计(论文）-ca6140普通车床数控化改造

目录摘要ABSTRACT绪论1第一章CA6140车床微机数控系统总体设计方案的拟订311总体方案确定312设计XY数控工作台及其控制系统4第二章CA6140车床进给伺服系统机械部分设计计算521脉冲当量的选择522切削力的计算523滚珠丝杠螺母副的计算和选型624齿轮传动比的计算1425步进电机的计算与选型1526设计绘制进给伺服系统机械装配图19第三章CA6140车床微机数控系统硬件电路的设计2031单片机微机数控系统电路设计内容2032MCS51系列单片机简介2133存储器扩展电路的设计2834I/O接口电路及辅助电路设计3735典型零件加工程序设计46总结49参考文献50致谢51外文资料及中文翻译52摘要针对现有常规CA6140普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了CA6140机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。结合我国实际国情，经济型数控车床是我国从普通车床向数控车床发展的及其重要的台阶。利用现有的普通车床，对其进行数控化改造是一条低成本，高效益的途径。数控车床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。我国作为机床大国，数控机床的占有率还不足百分之三，但是在欧美等发达国家数控机床的占有率达到了百分之三十六以上，单从数字上来看我过和欧美等发达国家还有相当大的距离。其主要原因为数控车床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。在金属加工行业中车床在所有加工设备中占有最大比重，例如最常见的轴类零件，就是由车床加工而成本论文针对目前国内企业现状，以CA6140普通车床为例提出简易型经济数控改造思路和设计方法。关键词数控机床，单片机数控系统，改装设计，CA6140伺服电机传动系统控制系统电气控制线路经济实惠数控改造，NCOVERVIEWOFTHEAPPLICATIONABSTRACTTOREMEDYTHEDEFECTSOFORDINARYLATHERCA6140,ADESIGNOFDATAPROCESSINGSYSTEMANDITSSINGLECHIPMICROCOMPUTERSYSTEMPROGRAMISPUTFORWARDTORAISETHEPROCESSINGPRECISIONANDEXTENDTHEMACHINESUSAGE,ANDTOIMPROVEPRODUCTIONRATE。THISPAPERPRESENTSTHEPROCESSOFDESIGNINGNUMERICALCONTROLREFORM，ANDEXPLICITLYINTRODUCESTHEDESIGNOFMECHANICALANDNUMERICALCONTROLSYSTEMREFORMS。WEADOPTCONTROLSYSTEMWHICHHAS8031ASCPUTOCOPEWITHTHESIGNAL，ANDOUTPUTTHESTEPPULSETHROUGHTHEI/OINTERFACE。AFTERTRANSMITTINGANDSLOWINGDOWNBYFORCE1GEAR,THESTEPPULSESDRIVETHELEADINGSCREWTOROLL。THUSACHIEVETHEVERTICALMOVEMENTANDTHECROSSWISEMOVEMENT。KEYWORDNUMERICALCONTROLMACHINETOOL,SINGLECHIPMICROCOMPUTERSYSTEMCHINASACTUALCONDITIONSANDECONOMICCNCLATHEISFROMTHEORDINARYTOTHELATHEANDNCLATHEIMPORTANTDEVELOPMENTSTAGEUSEOFEXISTINGORDINARYLATHE,NCTRANSFORMATIONISITSLOWCOSTANDHIGHLYEFFICIENTWAYCNCLATHEASATYPICALELECTROMECHANICALINTEGRATIONPRODUCTS,MACHINERYMANUFACTURINGPLAYSANENORMOUSROLE,GOODSOLUTIONTOTHESTRUCTURALCOMPLEXITYOFMODERNMACHINERY,PRECISION,SMALLBATCHES,CHANGEABLEPARTSPROCESSING,ABLETOSTABILIZETHEQUALITYOFTHEPROCESSINGPRODUCTS,ASIGNIFICANTINCREASEINPRODUCTIONEFFICIENCYASTHEBIGMACHINE,CNCMACHINETOOLSWASLESSTHAN30SHAREHOWEVER,INEUROPEANDTHEUNITEDSTATESANDOTHERDEVELOPEDCOUNTRIESTOACHIEVETHE36SHAREOFTHECNCMACHINEMOREICANSEEFROMTHEFIGURESOVEREUROPEANDTHEUNITEDSTATESANDOTHERDEVELOPEDCOUNTRIESTHEREISSTILLACONSIDERABLEDISTANCETHEMAINREASONFORTHEHIGHERPRICESOFCNCLATHE,AONETIMEINVESTMENTTOFILLLARGERENTERPRISESCNCTRANSFORMATIONOFTHEORDINARYWOULDBEABETTERPROCESSLATHEINTHEMETALPROCESSINGINDUSTRYACCOUNTSFORTHELARGESTPROPORTIONOFALLPROCESSINGEQUIPMENT,FOREXAMPLE,THEMOSTCOMMONSHAFTPAPERSFROMTHEMACHININGCOSTISTHEPRESENTSTATUSOFDOMESTICENTERPRISESSIMPLECA6140MADETOTHEGENERALECONOMICNCLATHEIDEASANDDESIGNMETHODSESSENTIALCHARACTERNUMERICALCONTROLMACHINETOOL,SINGLECHIPMICROCOMPUTERSYSTEM，REFORMDESIGN，THECA6140SERVOELECTRICALMACHINERYTRANSMISSIONSYSTEMCONTROLSYSTEMELECTRICITYCONTROLLINEECONOMICALNUMERICALCONTROLCHANGES绪论随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。一、数控机床的产生数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。二、数控机床的发展自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控19521959年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第三代数控从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第四代数控从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。第五代数控从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。三、我国数控机床的发展概况我国从1958年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始，研制晶体管数控系统，直到60年代末和70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。19721979年是数控机床的生产和使用阶段。例如清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从80年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国GE公司的MTC1数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。四、数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS和美国的AB公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达01微米，高速进给可达100M/MIN,控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺。在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。五、数控机床改造的意义数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在60年代已经开始迅速发展，其发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。我国是拥有300多万台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。用数控技术改造机床，正是适应了这一要求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的通用性与可调性。而且所投入的改造费用低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3至1/5，用户承担的起。从若干单位成功应用的实例可以证明，投入使用后，确实成倍地提高了生产效率，减少了废品率，取得了显著的技术经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。同时，它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主要内容之一。第一章CA6140车床微机数控系统总体设计方案的拟定数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。机床数控系统总体方案的拟定应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。11总体方案确定一、系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控铣床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，由于在铣削加工中，要求工作台或刀具沿各坐标轴运动有确定的函数关系，即刀具以给定的速率相对于工件沿加工路径运动，所以不能选用点位系统，因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中不进行切削。因此，应选用连续控制系统。X52K型铣床改造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，因闭环控制系统适用于精度要求较高的机床设计，且闭环控制系统的造价昂贵。二、计算机系统根据机床要求，采用8位微机。由于MCS51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性能价格比等特点，因此采用MCS51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。三、机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副以及滚动导轨。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。12设计XY数控工作台及其控制系统计任务及参数在任务书中已经给出。系统总体方案见图11根据设计任务的要求，采用连续控制系统和步进电机开环控制系统。这样可使控制系统结构简单、成本低廉，调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，尽量采用低摩擦的传动和导向元件。此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙。计算机系统仍采用高性能价格比的MCS51系列单片机扩展系统。Y向微机机光电隔离功率放大步进电机X向图11经济型数控车床总体方案框图第二章CA6140车床进给伺服系统机械部分设计计算一台CA6140普通车床改造成微机数控车床，采用MCS51系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下加工最大直径在床面上400在床鞍上210加工最大长度1000溜板及刀架重力纵向1000N横向600N刀架快速速度纵向24M/MIN横向12M/MIN最大进给速度纵向06M/MIN横向03M/MIN主电机功率75KW起动加速时间30MS机床定位精度0015MM伺服系统机械部分设计计算内容包括确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图。现分述如下光电隔离功率放大步进电机上拖板下拖板21系统脉冲当量的选择一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0010005MM/脉冲。根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向001MM/脉冲，横向0005MM/脉冲。22切的计算削力在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，下面介绍数控车床中的切削力的计算。1纵车外圆主切削力FN按经验公式估算Z067DZF51MAX0674005360按切削力各分力比例40251YXZ53600251340F5360042144Y2横切端面主切削力可取纵切的1/2NFZ26801ZF此时走刀抗力为N,吃刀抗力为仍按上述比例粗略计算YN102504ZYX2680025670F2680041072X23滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括公称直径D0（丝杠外径D）、导程L0、滚珠的工作圈数J、列数K、精度等级等。滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。如参考书1中的图44所示。我们在此选用螺旋槽式外循环在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，同螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆钢弯成弧形杆，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的优点是工艺简单，螺母外径尺寸较小。缺点是螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠器钢性差、耐磨性差。滚珠丝杠副的预紧方法有双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。本设计采用双螺母螺纹式预紧结构，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。其特点是结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍。一、纵向进给丝杠1计算进给率引力NMF作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动部件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。纵向进给为综合型导轨由前所知1340NXF5360NZ1000NG115K016F得NGMFKXFZF1151340016536010002559N式中考虑颠复力矩影响的实验系数,综合导轨取K115K滑动导轨摩擦系数015018F溜板及刀架重力1000NGG2计算最大动负载C利用滚珠丝杠副的直径D0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106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称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可以用下式计算CMWFFL3610TN0LUS式中滚珠丝杠导程,初选60L最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的,此处SU21306M/MINS使用寿命,按15000HT运转系数，按一般运转取1215WFWF寿命，以10转为1个单位。L6将数据分别带入上式得50R/MIN0LUNS6504561T112255910799NCMWFF33453滚珠丝杠螺母副的选型查阅附录表3,可采用WL3506外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副,1列A125圈,其额定动负载为16400N,精确等级按表415选为3级大致相当于老标准级E4传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为TG式中螺旋升角,WL35063391摩擦角取10滚动摩擦系数00030004将各数据带入上式得TG9401730TGO5刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性因此应考虑以下引起轴向变形的因素丝杠的拉伸或压缩变形量；滚珠与螺纹滚道间的接触变形；支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形；滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量；和螺母座及轴承支座的变形。最后一种常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。因此滚珠丝杠副刚度的验算，主要是前三种变形量，他们的和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。先画出纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图21所示。最大牵引力为2559N轴承支撑间距1500，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的。L31图21（1）丝杠的拉伸或压缩变形量1查图46，根据2559N，35，查出1210，可算出MPODL/51500161015002410（）L152由于两断均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸,故其刚度可以提高4倍。其实际变形量为106102122滚珠与螺纹滚道接触变形2查图47,系列1列25圈滚珠和螺纹滚道接触变形量WQ71MQ因进行了预紧,71335M23支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形2采用8107型推力球轴承，35,滚珠体直径635,滚动体数量18,1DQDZ000240002400075CD32ZDFQM32856注意,此公式中单位应为KGF因施加预紧力,故0007600038321C根据以上计算000600035500038123001335KNMF157824KN一般254KN此滚珠丝杠不会产生失稳。三、纵向及横向滚珠丝杠副几何参数。其几何参数如下名称符号W1L2506W1L2005公称直径0D2520导程L65接触角|42|30钢球直径BD39693175滚道法面半径R052BD20641651偏心距E/SIN00560045螺纹滚道螺纹升角R0ARCTGL|42|30螺杆外径D025BD242194螺杆内径1ER2098416788螺杆螺杆接触直径Z1COSB1702713835螺母螺纹直径D02DE3282623212螺母螺母内径15BD2582063524齿轮传动比计算1纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量001滚珠丝杠导程6，初选步进电机步距角P0L075。可计算出传动比I08I036LBP6751可选定齿轮齿数为或I21Z42横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量0005,滚珠丝杠导程5,初选步进电机步距角P0L075可计算传动比I048036LBP57考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程,故此处可采用两级齿轮降速I21Z43502524、40、20、2513Z4因进给运动齿轮受力不大，模数取2。有关参数如下M表2125步进电机的计算和选型选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，在根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。一、纵向进给步进电机计算1等效转动惯量计算计算见图21，传动系统折算到电机轴上的总的惯量（）可由下式计算J2JM12Z20LGGS式中步进电机转子转动惯量（）MJ2、齿轮、的传动惯量（）121Z2滚珠丝杠转动惯量（）。SJ2参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，起转子转动惯量10。MJ207810078106422621J341DL34207810078108263922齿数324024402025分度圆MZD648048804050齿顶圆A2688452844454齿根圆F51597543753545齿宽（610）M202020202020中心距2/1DA72644507810415029952SJ3421000NG代入上式JM12Z20LGGJS10262240326891596364742考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题/10/364740274MJ基本满足匹配的要求。2电机力矩的计算机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面按个阶段计算（1）快速空载起动力矩起。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下起MAXF010AXMJATN26MX2JATN6012MXMAXNPVA03B将前面数据代入，式中各符号意义同前。500。MAXPVA06B36075124MINR起动加速时间30ATS3647410MAXMJATN602MX0365226366N折算到电机轴上的摩擦力矩FFMILF20120/ZLGPFZ94N586316附加摩擦力矩00M201ILFP120/3ZLFM28053019153N95863上述三项合计起MAXF06366941538815N（2）快速移动时所需力矩快M快94153247NF0（3）最大切削负载时所需力矩切切F0XF0ILFX29415394153127965182634375N从上面的计算可以看出，起、快和切三种工况下，以快速空载起动所需力M矩最大，以次作为初选步进电机的依据。从表中查出，当步进电机为五相十拍时，0951。MAXJQM最大静力矩8815/0951927N。MAXJ按此最大静转距从表查出，型最大静转距为1372N。大于所需0215BF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距频特性和运行距频特性。3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率4000HZKFPV601MAX01421000HZEFPS6从表中查出型步进电机允许的最高空载起动频率为2800HZ运行频率0215BF为8000HZ，130BF001步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图23，24所示，可以看出，当步进电机起动时，F起2500HZ时，M100，远远不能满足此CMN机床所要求的空载起动力矩（8815）直接使用将会产生失步现象，所以必须采CMN取升降速控制（用软件实现），将起动频率将到1000HZ时，起动力矩可增到5884，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CMN左右。当快速运动和切削进给时，130BF001型步进电机运行矩频特性（图24）完全可以满足要求。二、横向进给步进电机计算和选型电机选为计算步骤如上所述，经计算满足要求，此处计算略。029BF5、绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画机械装配图。见附图（一）例如，双片齿轮采用周向弹簧调整消隙法如图（5）所示，采用了可调拉力弹簧调整间隙。在两个薄片齿轮1和2上分别装上耳座3和8，弹簧4的一端钩在耳座3上，另一端钩在耳座8的螺钉7上。用螺母5调节螺钉7的伸出长度即可调整弹簧的弹力，调整好后再用螺母6锁紧。弹簧的弹力使薄齿轮1和2的左、右齿面分别与宽齿轮的齿槽左、右齿侧面贴紧，消除了齿侧间隙。（图5）双薄片齿轮周向弹簧调整法1、2薄片齿轮3、8耳座4弹簧5调节螺母6锁紧螺母7螺钉（二）、横向机构初选步进电机1计算步进电机负载转矩TM式（18）/180MMFT9561/34NM式中脉冲当量MM/STEP进给牵引力NMF步距角,初选双拍制为09B2初选步进电机型号根据0611NM在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号为56BYG250DMTSASSBL0241，其中，,保持转矩为172NM2046MJKGC3等效转动惯量计算根据简图，即图（2），计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J运动件的转动惯量可由下式计算J4223012424MSZLZWJJJG式中、齿轮、的转动惯量123J41232KCM滚珠丝杠转动惯量SJKGCM3434110078780DL2KGC2J2621M343432KC44078107819JDLGS32562KGCM6MJKGCM式中D圆柱体直径CML圆柱体长度CM代入上式4223012424351MSZLZWJJJJGKGCM4电机转矩计算机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算1快速空载起动惯性矩Q在快速空载起动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下MAX0QFM又MAXMAX260NMJT0AXA/31/59/36PBNV5INR0ATS代入得2MAXMAX22503115663MJNCMT折算到电机轴上的摩擦力矩F）|002147501962/8ZFFLFWLCI式中传动链总效率,一般可取07085此处取08I传动比贴塑导轨摩擦系数，取004|F|F附加摩擦力矩0M2001PFLI22021/395/31905948/8NCMZ式中传动链总效率,一般可取07085此处取08I传动比FPO滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3FM,FM为进给牵引力NO滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取09,此处取O09所以MAX0521964853QFMNCM2快速移动所需力矩K0F19648468NCM3最大切削载时所需力矩M切02XFFLMI切73451968602NCM从上面计算可以看出、三种工况下,以快速空载起动惯性矩最大,即以此项QKM切QM作为校核步进电机转矩的依据查得当步进电机为两相四拍时，0707/QJMAX故最大静力矩MJMAX593/0707NM0839NCM，而电机保持转矩为172NM，大于最大静力矩MJMAX，所以满足要求但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率MAX1001365KVFHZP1003165TTVFHZP图（5）、56BYG250EASSBL0241型混合式步进电机矩频特性图当快速运动和切削进给时，56BYG250EASSBL0241型混合式步进电机运行矩频完全可以满足要求。5、绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画横向机械装配图。见附图（二）第四章、微机数控系统的设计1微机数控系统设计的内容一硬件电路设计内容硬件是组成系统的基础,也是软件编制的前提,数控系统硬件的设计包括以下几部分内容1、绘制系统电气控制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（1）主控制器，即中央处理单元CPU。（2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。（3）存储器，包括程序存储器和数据存储器。（4）接口，即输入/输出接口电路。（5）外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。2、选择中央处理单元CPU的类型CPU的种类很多，在此处选择MCS51系列单片机中的80C51，因为其集成度高，稳定性、可靠性好，体积小，而且有很强的外部扩展功能，外围扩展电路芯片大多是一些常规芯片，用户很容易通过标准扩展电路来构成较大规模的应用系统。3、存储器扩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。分别选择两片2764和一片6264来扩展16K的内存。4、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）。经考虑，选择8255为I/O接口芯片，液晶显示控制器LR104VRAM来控制LCD。图中的急停开关应采用那种按下去之后不会弹起、直到再次启动后操作者用手动拔出的按钮，此处由于表达方式的限制，仅以普通按钮表示。（二）、机床数控系统软件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、软件设计步骤分为以下几步（1）据软件要实现的功能，能制定出软件技术要求；（2）将整个软件模块化，确定各模块的编制要求，包括各模块功能，入口参数，出口参数；（3）据硬件资源，合理分配好存储单元；（4）分别对各模块编程，并调试；（5）连接各模块，进行统一调试及优化；（6）固化到各程序存储器中。2、数控系统中常用软件模块（1）软件实现环行分配器；（2）插补运算模块；（3）自动升降速控制模块。280C51单片机及其扩展一80C51单片机的简介1芯片引脚及片外总线结构80C51单片机采用40脚双直插封装（DIP）形式，如图6所示。80C51单片机是高性能单片机，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。下面说明这些引脚的名称和功能。（1）电源引脚VSS和VCCVSS20脚接地。VCC40脚主电源5V。（2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反向放大电路的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。图（6）80C51引脚图（3）控制信号引脚RST、ALE/PROG、PSEN、/EA/VPPRST（9脚）单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该引脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET）。ALE/PROG访问片外存储器时，ALE作锁存扩展地址低位字节的控制信号（称允许锁存地址）。平时不访问片外存储器时，该端也以1/6的时钟振荡频率固定输出正脉冲，供定时或者其他需要使用；在访问片外数据存储器时会失去一个脉冲。ALE端的负载驱动能力为8个LSTTL（低功耗高速TTL）。/PSEN（29脚）在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两个有效的PSEN信号不出现。PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。/EA/VPP（31脚）当EA端输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。当地址超过4KB时，将执行片外程序存储器的程序。当EA输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。（）输入/输出引脚（P0、P1、P2和P3端口引脚）P0P3是4个寄存器，也称为4个端口，是80C51单片机与外界联系的4个8位双向并行I/O口。由于在数据的传输过程中，CPU需要对接口电路输入输出数据的寄存器进行读写操作，所以在单片机中对这些寄存器象对存储单元一样进行编址。通常把接口电路中这些已编址并能进行读写操作的寄存器称为端口（PORT），或简称口。P00P07（3932脚）P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位双向数据，故这些I/O线有地址线/数据线之称，简写为AD0AD7。在EPROM编程时，从P0输入指令字节，在验证程序时，则输出指令字节（验证时，要外接上拉电阻）。P10P17（18脚）P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在EPROM编程和验证P250134P0139SEN67A/VPLROG452980768VC1TXTALVSHC4GNDOE5Q76VC0391VCAB4HC39Y02PB356741820REST9AGND5VC3PA1DC04P517623687258940CSWR程序时，它输入低8位地址。P20P27（2128脚）P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在访问片外存储器时，它输出高8位地址，即A8A15。在对EPROM编程和验证程序时，它输入高8位地址。P30P37（1017脚）P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在整个系统中，这8个引脚还具有专门的第二功能，如表（3）所示。表P3口各位的第二功能P3口的各位第二功能P30P31P32P33P34P35P36P37RXD（串行口输入）TXD（串行口输出）INT0（外部中断0输入）INT1（外部中断1输入）T0（定时器/计数器0的外部输入）T1（定时器/计数器1的外部输入）WR（片外数据存储器写选通控制输出）RD（片外数据存储器读选通控制输出）（二）单片机的系统扩展概述80C51片内只有4KB程序存储器地址空间、256B的片内数据存储器的地址空间（用8位地址，其中128B的专用寄存器地址空间仅有21个字节有实际意义）。所以需扩展。1扩展概述80C51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。（1）数据总线（DB）由P0口提供，数据总线要连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送通道。（2）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。（3）控制总线（CB）系统扩展用控制总线有WR、RD、PSEN、ALE、EA。2系统扩展能力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。故据地址的宽度，片外可扩展的存储器与程序存储器分别为64KB。此处扩展了16K的程序存储器和16K的地址存储器，且没有使用片内存储器。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地址锁存器因为P0口是分时提供低8位地址和数据信息的，所以必须用锁存器把地址锁存住。本次设计使用带三态缓冲输出的8D锁存器74HC373。其引脚见图（7）。图（7）、74HC373引脚图D0D7信号输入端Q0Q7信号输出端10GNDOE84301256QVC9LSG下降沿时，将D1D8锁存于内部E使能端，E0时，三态门处于导通状态，输出端Q0Q7与输入端D0D7连通，当E1时，输出三态门断开，输入数据锁存。4地址译码器80C51扩展电路中，都牵涉到外部地址空间的分配问题，即当80C51数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首选要进行片选，然后再进行片内地址选择。地址译码实现片选的方法目前常用的有两种线选法和译码法。此处采用74HC139译码器组成的译码电路对系统的高位地址进行译码。74HC139是双“24”译码器，每个译码器仅有1个使能端G，0电平选通。有2个选择输入端，4个译码输出端，输出0电平有效。2个输入信号A、B译码后有4个输出状态，其引脚与真值表如下所示。表（4）、74HC139真值表输入输出使能选择/GBAY0Y1Y2Y3111110000111001101101011010111110（三）存储器扩展此处采用两片EPROM芯片6264（8K8）扩展程序存储器，数据存储器选用静态RAM62648（8K8）。其引脚见左图（8）。图（8）、2764引脚图80C51芯片与存储器的连接存储器扩展实质是三总线的连接。（1）据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。此处为13根。（2）数据线的连接将80C51的芯片的P00P07按位与RAM数据线D0D7直连。（3）地址总线的连接据确定的地址线根数，将相应低地址线相连，剩余高位地址线作为片选。（4）控制总线的连接对应控制线相连。（四）I/O口的扩展MCS51单片机共有四个8位并行I/O口，可提供给用户使用的只有P1口和部分P3口线，因此不可避免地要进行I/O口的扩展。这里采用8255（可编程的RAM/IO扩展接口电路）。I/O口扩展采用总线扩展方法，数据输入线取自80C51的P0口。这种扩展方法分时占用P0口，不影响P0口与其它扩展芯片的连接操作。8255具有3个8位的并行的I/O口，分别为PA、PB、PC口，其中PC口又分为高4位6643527A8D954109CSVC1A3D0221890APGMVP27OE（PC7PC4）和低4位（PC3PC0）。（五）、步进电机驱动电路采用细分驱动电路，根据所选电机说明，选取合适的驱动器，纵向驱动器和横向驱动器均为SH20806N。其接线图如下图（8）、电动机驱动器连线图（六）、液晶显示控制器使用由上海朗睿电子科技有限公司研制生产的工业彩色液晶（VRAM型）显示器，型号为LR104VRAM。1、简介彩色液晶显示器采用超大规模集成电路，以数字方式驱动，可以从根本上消除传统CRT显示器的屏幕闪烁现象。具有高亮度、高对比度、高可靠性、抗恶劣环境等优点；并且体积小、厚度小、功耗低、无辐射、抗干扰能力强。随着彩色液晶技术的日趋成熟，正在逐步取代CRT显示器，成为许多高要求行业的首选，被越来越多地应用到电力、医疗、仪表、电梯、工业控制等领域。2、基本原理LR104VRAM真彩色液晶显示器，采用VRAM显示方式。VRAM（VIDEORANDOMACCESSMEMORY）视频存储技术是近年来比较流行的专门用于图形处理的双端口存储技术，常用于中、高档显示卡。采用缓存、逻辑仲裁、存储阵列，实现两个设备同时对同一存储阵列访问而不需要等待，且互不干扰。该显示器接口采用并行总线方式（数据总线、地址总线以及选、读、写等信号），可以很方便地连接到单片机或微处理器的总线上，用户可以象使用普通存储器一样使用它。或者可以把显示器看成是自己设备外挂的一个RAM。LR104VRAM存储器地址单元同液晶屏幕上的像素点一一对应，用户可以把这个存储器理解为“显示映像”存储器。如果希望在液晶屏幕上某一位置显示文字或图形，只需要向存储器内对应区域写入相应的数据即可。VRAM存储器的一个字节由8位构成，显示器屏幕上的一个“像素”点由R、G、B三个“点”来组成。3、原理框图LR104VRAM显示器的基本原理框图如图（9）所示，DC/DC电压变换器产生液晶所用各种驱动电压DC/AC逆变器则用来点亮冷阴极背光灯（CCFL）。分时技术让显示与写入数据同时进行，实现了画面的高速更新，且互不干扰。图（9）、LR104VRAM显示器的基本原理框图4、性能指标视域对角线104英寸外型尺寸2465179338MM视域尺寸2112H1584VMM图像点阵640RGB480行像素点尺寸033H033VMM像素结构垂直条纹接口方式总线方式VRAM容量128K8位显示颜色TFT64色/256色视野角度左75度，右75度,上60度，下50度工作电压DC8V15V消耗功率小于8W工作环境温度1065保存温度3070亮度400CD/液晶屏寿命大于5万小时（连续工作）背光灯寿命大于25000小时（连续工作）净重克毛重克包装数量只/箱内包装尺寸MM外包装尺寸MM5、接口方法LR104VR