CA6132普通车床的数控技术改造

1、 . . . 目录第一章绪论- 3 -数控技术和装备发展趋势- 3 -第二章数控机床系统总体设计- 8 -一总体方案设计容- 8 -二总体方案确定- 8 -第三章进给系统设计计算- 10 -一选择脉冲当量- 10 -二计算切削力- 10 -三滚珠丝杠螺母副的计算和选型- 11 -四齿轮进给齿轮箱传动比计算- 20 -五步进电机的计算和选型- 21 -第四章微机数控系统的设计- 26 -一微机数控系统的设计纲要- 26 -一 硬件电路设计- 26 -二 软件电路设计- 27 -二 8031单片机与其扩展- 27 -一 8031单片机的简介- 27 -二 8031单片机的系统扩展- 28 -三 存

2、储器扩展- 30 -四 I/O口的扩展- 31 -三步进电机驱动电路- 32 -一 脉冲分配器（环行分配器）- 32 -二 光电隔离电路- 33 -三 功率放大器- 33 -四 其他辅助电路- 34 -四数控系统的软件设计- 35 -一 软件脉冲分配器- 35 -二 逐点比较法插补程序- 37 -三 步进电机升降速软件设计- 38 -第五章数控机床零件加工程序- 40 -第六章总结与展望- 41 -摘要当今世界数控技术与装备发展的趋势与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，发展我国数控技术与装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能

3、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与装备的几点看法。  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，数控技术与装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术与其产业、生物技术与其产业、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

4、上各工业发达国家还将数控技术与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与其产业，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。    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，其技术围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5

5、)传感器技术；(6)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 ABSTRACTThe survey found that most enterprises of china still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production , low aut

6、omatization and adaptability ,but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprise's productionPurchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost

7、 much. Enterprise's equipment updating step are counteracted severly. So General lathe's numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises' competitive power. So it can takes its place in our way t

8、o a powerful manufacturing country. The economical efficiency of the reform and the application of NC technology in General purpose lathe CA6132's numerically controlled reforming is researched in this paper according to our practice of CA6132's numerically controlled reforming. And the refo

9、rming scheme and main points are formed. The main contents is: The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the rerorming scheme is maked according to misty optimum's synthesize adjudicate principle.The ball screw's type, assembling, supporting, bearing type, and steppi

10、ng motor of feeding system is designed.he import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function. Methods of installing and testing of general purpose lathe's numerically controlled reforming

11、 were put forward. KEY WORDS:General purpose lathe; NC reform ; Servo system ; CNC system第一章 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与其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面14。   

12、11 高速、高精加工技术与装备的新趋势    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

13、用大型整体铝合金坯料“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/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的通用汽车公司，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CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60 000r/m

14、in。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度与加速度分别达12*!000r/mm和1g。    在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。    在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h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

15、、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。  1.2 5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2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，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，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。    当前由于电主轴的出

16、现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，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面加工机床）的发展。    在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM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

17、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；为提高驱动性能与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、智能监控方面的容、方便系统的诊断与维修等。    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。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(

18、The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的ONC(Open Numerical Control 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

19、，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的体系结构规、通信规、配置规、运行平台、数控系统功能库以与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

20、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、规的建立1.4.1 关于数控系统设计开发规    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(OMAC、O

21、SACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期进行了几乎一样的科学计划和规的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规框架的研究和制定。   1.4.2 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（STEPNC)，其目的是

22、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，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75）、加工程序编制时间（约35）和加工时间（约50）。    目前

23、，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.12001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEP Tools公司是全球围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以与欧洲OSACA-NC数控系统的原型样机上进行了验证。   2 对我国数控技术与其产业发展的基本估计 

24、0; 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”期间以与“八五”的前期，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，以与研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以与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

25、五”末期，国产数控机床的国市场占有率达50，配国产数控系统（普与型）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。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机与其配套件的基础技术，其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

26、统生产厂。电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以与第一机床厂、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与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

27、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与成套能力较低；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、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

28、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、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与能力分析不够。    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，又制约了技术与技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。  &#

29、160; d.技术方面。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，即要掌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“空芯”。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。

30、    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，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。 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

31、发展升级的关键技术以与支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的容，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，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、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。第二章 数控机床系统总体设计一 总体方案设计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

32、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容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构与传动方式的确定，计算机系统的选择等容。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。一、 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。二、 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

33、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。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。二 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

34、采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘与显示器、I/O接口与光电隔离电路、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与机床状态等信息。（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： 图1系统总体方案框图第三章 进给系统设计计算一 选择脉冲当量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

35、车床、铣床常采用的脉冲当量是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)二 图2纵切和横切时切削力的示意图1、 纵车外圆主切削力F(N)按经验公式估计算： F=D= （N）按切削力各分力比例： F：F：F=1 ：0.25 ：0.4 F（N）F（N）2、 横切端面主切削力（N）可取纵切的1/2。 （N） （N）（N）三 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（一） 纵向进给丝杠1、 计算进给轴向力F（N）纵向进给这里为三角形导轨：F式中K：指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15；：指滑动导轨摩擦系数取0.15

36、0.18之间的值；G：指流板与刀架重力，G=1100N。则 F=（N）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的计算公式为：Q L n式中 ：指滚珠丝杠导程，初选=8；n：指丝杠转速，（r/min）；：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=0.3；：指使用寿命时间（h）,对于数控机床取T=15000h.。L：指寿命，以10转为一单位；：指运动系数，见表1，选=1.3。表1运转系数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则 n( r/min)L Q（N）3、 滚珠丝杠

37、螺母副的选型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C的滚珠丝杠副的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WL5008外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5圈1列，其额定动负载为23400N，符合Q C的条件。精度等级按表 2，选为1级。Vmm表 2滚珠丝杠行程公差项目符号有效行程（mm）精度等级12345目标行程公差e6812162331540079131825400500810152027500630911162230行程变动量公差V6812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300 m

38、m行程变动量V681216232弧度行程变动量V45678图3纵向进给系统计算简图计算如下：（1） 丝杠的拉伸或压缩变形量（mm） F=N， L=8mm,5、刚度验算横向进给滚珠丝杠支承方式如图4所示，最大轴向力为2759N，支承间距L=550mm, 因丝杠长度较短，不需要预紧。图4横向进给系统计算简图计算如下：(1) 丝杠的拉伸或压缩变形量（mm）根据 N， D=25mm, EN/mm, R=2.064, e=0.056mmd( mm)A(mm)（mm）(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形（mm）对滚珠丝杠副施加预紧力F为轴向负载的1/3。由 mm, kgf承载滚珠数量 ZZ=0.0013（mm

39、）(3) 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 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=3.175mm, 滚动体数量Z=14，（mm）则定位误差 =0.03682 (mm) 显然变形量已大于规定的定位精度（），应该采取相应的措施修改，因横向溜板空间限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨来减少摩擦力，从而减少轴向力，采用贴塑导轨=0.030.05。重新计算如下：NQ（N）由此可知：滚珠丝杠螺母副和轴承的型号可不改变。此时的变形量为：（mm）=0.0013（mm）（mm）定位误差0.02412 (mm)0.025

40、mm(规定定位精度)6、稳定性校核临界负载与工作负载之比称为稳定性系数，如果，则压杆稳定，为许用稳定性安全系数，一般=2.54。计算临界负载（N）：式中 E：指丝杠材料弹性模量，对钢E（N/mm）； J：指截面惯性矩（mm）,丝杠截面惯性矩J（为丝杠螺纹的底径）；：丝杠两支承端距离（mm）；：丝杠支承方式系数，见表3，这里。表3滚珠丝杠支承方式系数方式一端固定一端自由两端简支一端固定一端简支两端固定0.251.002.004.00则 N所以此丝杠不会产生失稳。（三）纵向与横向滚珠丝杠副几何参数其几何参数见表：表4WL5008与WL2506滚珠丝杠几何参数名称符号WL5008WL2506螺 纹

41、滚 道公称直径5025导程86接触角钢球直径4.7633.969滚道法面半径2.4772.064偏心距0.0680.056螺纹升角螺 杆丝杠外径48.524丝杠径45.18220.984螺杆接触直径40.42417.025螺 母螺母螺纹直径54.81829.016螺母径51.19025.992四 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，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角，可计算出传动比：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：2、横向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初

42、选步进电机步距角，可计算出传动比：可选定齿轮数为： 因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。有关参数参照表5。表5传动齿轮几何参数所处位置纵 向横 向齿数24401845分度圆直径48803690齿顶圆直径52844094齿根圆直径43753185齿宽（610）m16161616中心距6463五 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可由下式计算：式中 ：指步进电机转子转动惯量；、：指齿轮、的转动惯量；：指滚珠丝杠转动惯量；：指工件与工作台重量（N）；：指丝杠导程（）；参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量。

43、（分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽）（分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽）（分别表示纵向滚珠丝杠的公称直径和支承间距）把这些数据代入上式： 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：（1）快速空载起动力矩 在快速空载起动阶段，加速度所占的比例较大，具体计算公式如下：以上式中 ：指空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩（）；：指折算到电机轴上的摩擦力矩（）；：指丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（）；：指传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量；：指电机最大角加速度（）；：指电机最大转速（）；：指运动部件最大进给速度（）；：指脉冲当量（）；：指步进电机步距角（）；：指运

44、动部件从停止起动到最大快进速度所需时间（s），这里是30ms；：指导程的摩擦力（N），；：指垂直方向的切削力（N）；：指工件与工作台重量（N）；：指导轨摩擦系数，；：指运动部件的总重量（N）；：指齿轮降速比；按计算；：指传动链总效率，一般可取；：指滚珠丝杠预加负载，一般取/3，为进给轴向力（N）；：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。将以前计算所得数据代入：（）（）（）则 （）（2）快速移动时所需力矩（）（3）最大切削负载时所需力矩（）从上面计算可以看出，、和三种工况下，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，则（N）。

45、表6步进电机起动转距与最大静转距关系步进电机相 数三 相四 相五 相六 相拍 数36485106120.50.8660.7070.8090.9510.8660.866按此最大静转距从表中查出，150BF002型最大静转距为13.72，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可查出150BF002型步进电机允许的最高空载启动频率为2800运行频率为8000，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，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（800.7

46、7），直接使用则会出现失步，所以必须采用升降速控制（用软件实现），半起动频率降到1000，起动力矩可提高到588.4，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。图5150BF002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，则这选用与纵向一样的步进电机。第四章 微机数控系统的设计一 微机数控系统的设计纲要一 硬件电路设计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

47、计包括以下几部分容：1、 绘制系统电气控制的结构框图据总体方案与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、显示器等。机床数控系统硬件框图如图6所示： 图6机床数控系统硬件框图（开环系统）2、 选择中央处理单元CPU的类型根据设计要求，CNC系统的主CPU采用8031单片机。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。选择EPRO

48、M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。4、 I/O接口电路设计设计容包括：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、显示部分以与其他辅助电路设计（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，均涉与到地址译码问题。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以下几步：（3） 据软件要现的功能，制定出软件技术要求；（4） 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；（5）

49、据硬件资源，合理分配好存储单元；（6） 分别对个模块编程，并调试；（7） 连接各模块，进行统一调试与优化；（8） 固化到程序存储器中。2、 数控系统中常用的软件模块（1） 软件实现环形分配器；（2） 插补运算模块；（3） 自动升降速控制模块等。二 8031单片机与其扩展一 8031单片机的简介1、8031芯片引脚与片外总线结构（1）8031芯片引脚功能8031芯片有40个引脚，引脚配置见图7： 图78031芯片引脚（2）各引脚按功能可分为三部分：l I/O口线：P0，P1，P2，P3共4个8位口；l 控制口线：，ALE，RST； l 电源与时钟：V、V；XTAL1，XTAL2。（3）应用特性：

50、l I/O口线不能都用作用户I/O口线；l I/O口的驱动能力，P0口可驱动8个TTL门电路，P1，P2，P3则只能驱动4个；l P3是双重功能口。2、8031单片机片结构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/计数器与中断系统，它们都是通过片单一总线连接而成的。二 8031单片机的系统扩展 8031单片机无程序存储器，如不扩展外部程序存储器则不能工作，且片仅有128字节数据存储器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片RAM也不够用，须扩展。8031片四个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

51、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：（1） 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。（2） 地址总线（AB）：16位，可寻址围为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、ALE、。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

52、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8031扩展系统时，由P0口提供数据与低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（带三态缓冲输出的8D触发器），其引脚与连接见图8。图874LS373引脚与连接图图中：DD：信号输入端；QQ：信号输出端；G：下降沿时，将DD锁存于部；E：使能端，E=0时，三态门处于导通状态，输出端QQ与输入端DD连通，当E=1时，输出三态门断开，输入数据锁存。4、地址译码8031扩展电路中，都涉与到外部地址空间分配问题，即当8031数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首

53、先要进行片选，然后再进行片地址选择。地址译码实现片选的方法可分为三种：线选法、全地址译码法和部分地址译码法。这里选用部分地址译码法。这种方法是线选与地址译码相结合。图9为74LS138码器的引脚图。当G时，74LS138工作。C、B、A的输出决定译码器的输出引脚。图974LS138引脚图三 存储器扩展1、存储器常用芯片（1）EPROM芯片 常用的程序存储器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均为28脚双列直插式扁平封装长片，图10为常用EPROM引脚。图10常用EPROM引脚排

54、列EPROM选用原则：（a） 据控制对象和任务的复杂程度，以与是否需要大量计算来确定存储系统容量（粗略估计，留有一定余地，以备系统的功能扩展用），为使电路简化，尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合。（b） 芯片的工作速度满足系统的时序要求。8031访问EPROM时，其所提供的读取时间t与所选的晶体时钟有关，约为3T，不同型号的EPROM工作速度一般为200450ns，故选取芯片时，应使其工作速度小于t。（2）数据存储器数据存储器有动态和静态之分，两者相比，静态RAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，扩展简单，在数据存储器扩展电路中应用较广泛。常用的静态RAM有6116（2K8）、6264（8K

55、8）、62256（2K8）等，它们都由单一的+5V电源供电，28脚双列直插式扁平封装，典型存取时间为150200ns。其引脚如图11所示：图11常用RAM的引脚2、存储器的扩展8031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。2） 数据线的连接：将8031芯片的PP按位与RAM数据线DD直连。3） 地址总线的连接：据确定的地址线根数，将相应的低位地址线相连，剩余高位地址线作片选。4） 控制总线的连接：对应控制线连接。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，因此不可避免的要进行I/O端口的扩展。Intel公司常用的外围接口芯片有：8155、8255与8279等。此外还有74LS系列的TTL电路和CMOS电路锁存器、三态门电路也可以为扩展I/O口。1、 I/O口扩展方法据扩展并行I/O口时数据线的连接方式，I/O口扩展方式可分为三种：1） 总线扩展方法2） 串行口扩展方法3） 通过单片机片I/O口的扩展方法2、 常用接口芯片（1）8155芯片8155芯片具有256个字节R