X502型立式铣床微机数控改装设计

第一章系统总体改造方案的确定1.1系统总体改造方案的确定目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工，不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种：一种是以微机为中心设计控制部件；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需重新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通常采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制，如图1-1所示，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照输入的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单片机每完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速度。图1-1开环控制系统框图1.1.1功能与技术参数分析设计的最初环节必须理解和分析设计任务所提出的主要功能和技术指标。比如，普通车床的数控改造要求利用数控系统代替人工或机械凸轮、靠模来控制车床的运动，提高车床的加工精度和自动化水平，满足多品种小批量零件加工的功能要求。设计任务提出了纵向走刀，横向走刀的定位精度、走刀速度、主轴变速等诸多技术参数。并且，要求能够进行人机对话，编程及操作方便，诊断功能和纠错功能强，具有显示和通信功能，缩短非生产准备时间，提高生产率。1.1.2原理构思和技术路线确定针对设计任务的主要功能和技术指标要求提出一些原理性的构思。比如，普通车床车削螺纹时为了防止乱扣，进给与主轴旋转之间用挂轮来实现严格的机械传动关系，改变螺纹的螺距就需要改变挂轮。数控改造后，省掉了挂轮，要提出合理的、先进的方法来解决进给与主轴旋转相配合的问题。要做到：主轴转一转，车刀精确移动一个螺距；螺纹加工不能一次切削完成时，每次进刀的位置必须相同。有了原理性构思，还要提出实现该功能原理的技术途径。没有合理的可行的技术途径来保障，好的原理性构思就成为空想。1.1.3拟定总体方案功能原理构思和技术路线确定后，对运动、布局、传动、结构、控制以及软件等方面作出总体方案设计。方案可以同时作几个，经过技术和经济评价后，选择其中一种较合理的作为最优方案加以采用。比如，普通车床的数控化改造方案应该在满足改造设计任务的前提下，尽可能对普通车床作较少的改动，这样可以降低改造成本。1.2机械系统设计方案的确定在熟悉原机床的操作过程及传动系统后，根据设计要求确定系统的机械传动系统改造方案。包括电机型号的选择，减速比的确定，齿轮模数及齿数的确定，原有丝杠及导轨是否要重新更换，改换成滚珠丝杠螺母副时丝杠螺母副的型号及安装形式如何确定，导轨的设计方法等。X502型铣床的外形如图1-2所示。工件装在机床的工作台上，铣刀装在转动的刀杆上，铣刀和工件相互间的位置可用纵向、横向和升降进给机构进行调整。机床的传动系统见图1-3。图1-2X502型铣床外形图图1-3X502型铣床传动系统1.2.1传动系统由四部分组成：（1）主轴旋转运动由转速为1450r/min，功率为2.2kW的电动机经过带轮1通过三根皮带传到I轴，经过齿轮6、8传到II轴，通过交换齿轮10、11将动力传到III轴，经过滑移齿轮12（或14）和15（或16）啮合动力传到IV轴，再经过齿轮15和55动力传到IX轴上，通过伞齿轮56、57动力传到主轴上使主轴回转，从而使装在主轴上的铣刀转动进行加工，可使主轴获得8种不同的转速。（2）工作台纵向运动工作台纵向运动，由轴II通过齿轮9与19啮合，动力传到V轴，再经过齿轮20（19）与21（22）啮合，使轴VI转动，再经过齿轮23和24动力传到VII轴，经过万向接头26传到VIII轴，经过换向齿轮箱内伞齿轮29、30及齿轮33、34到伞齿轮35、36，通过凸瓣离合器37与凸瓣离合器套39啮合使动力传到丝杠40上，丝杠再与工作台相固联的螺母中转动，使丝杠带动工作台纵向移动，当离合器脱开，可用手轮43使工作台手摇移动。（3）工作台横向运动工作台和工作台底座，一起再升降台导轨上作横向移动。用装在升降台内横向行程丝杠45传动，横向丝杠螺母46固定装在工作台底座上，所以当44传动45时，螺母46跟工作台及工作台底座一起在升降台上横向移动。只能由手动进给。（4）工作台的升降运动只能手动。用套在升降轴48上的手柄44转动伞齿轮49和50，使升降丝杠52转动，升降螺母53固定在底座上，从而得到升降移动。根据设计要求可对机械部分进行如下改动：保留原机床的主轴旋转运动；保留原机床纵向进给的机动部分，将离合器脱开，去掉手轮43，将手轮轴通过一对齿轮与步进电机相联，用步进电机数控系统控制纵向工作台的移动；工作台横向运动改为通过一对齿轮与步进电机相联的数控系统控制，工作台的升降移动仍用手动。为了保证精度要求，横向及纵向工作台的丝杠换为滚珠丝杠副传动。1.3微机控制系统方案的确定1.3.1微机控制系统的总体组成数控部分采用MCS-51系列的单片机控制，其典型代表有8031、8051、8075等，其中8031的价格低，功能强，使用灵活等特点，比较适用于一般机床的数控改造，但由于其无内存，必须外接存储及I/O扩展芯片才可成为一个较简单的微机控制系统。存储芯片的选择依据系统控制程序的大小及CPU的字长，I/O扩展芯片的个数根据整个系统需要的I/O通道的个数来确定。1.3.2软硬件任务合理分配涉及软、硬件任务分配的有：控制步进电机的脉冲发生与脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描管理。上述三个都可以用专用硬件芯片实现，也可用软件编程实现。用硬件实现，编程时较简单，但同时增加了硬件成本及故障源。用软件实现，可节省芯片，降低成本，但增加了编程难度。在决定用何种方法实现时，应统筹兼顾，同时还应根据设计者的软、硬件方面的实际经验及能力。

第二章机床进给伺服系统机械部分改装（横向）设计计算2.1工作载荷的分析及计算根据课程设计指导书的分析，可知对于数控铣床来说，其切削力的计算方法有两种，即一种方法是按切削用量计算切削力法，另一种是按主电机功率法计算切削力计算切削力法。一般来说，对于经济型数控铣床，可采用按主电机功率计算切削力法来计算其切削力。2.1.1铣床的铣削抗力分析铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向上缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的切削部分都可以看作车刀头部的演变，铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀，它的切削基本规律与车削相似，所不同的是铣刀回转，刀齿数多。通常都假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿的某一点上，如图2-1所示。设刀齿上受到的切削抗力的合力为F，将F沿铣刀轴线、径向和切向进行分解，则分别为轴向铣削力Fx，径向铣削力Fy和切向铣削力Fz。切向铣削力Fz是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床主电机功率（即铣削功率）最多，因此，切向铣削力Fz可按铣削功率Pm(kW)或主电机功率PE（kW）算出。图2-1铣削力及工作台上的载荷对于现有机床的改装设计，可以从已知机床的电机功率和主轴上传动的功率反推出工作台进给时的铣削力。若该机床的主传动和进给传动均用一个电机，进给传动的功率较小，可在主传动功率上乘以一个系数。由《机床设计手册》查铣床传动系数k=0.85。主传动功率N包括切削功率Nc、空载功率Nmo、附加功率Nmc三部分，即：N=Nc+Nmo+Nmc。空载功率Nmo是当机床无切削负载时主传动系统空载所消耗的功率，对于一般轻载高速的中、小型机床，可达总功率的50%，现取Nmo=0.5N，附加功率Nmc是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率，它直接与载荷大小有关。可以用下式计算，Nmc=(1–η)Nc，所以总功率为：N=Nc+0.5N+(1–η)Nc(KW)则：在进给传动中切削功率上式中k铣床的传动系数，查《机床设计手册》得k=0.85η为传动效率，可由下式计算η＝由所给设计任务书给定的已知条件可知，主轴上的传动功率N=1.45KW，主电机的功率=2.2KW。则η==0.6591所以：切削时作用在主轴上的扭矩为：上式中n主轴的最小转速，由设计任务书给定条件知n=47.5(r/min)切向切削力：上式中d铣刀的最大直径(cm)，由设计任务书给定条件知d=3.2cm2.1.2计算进给工作台工作载荷、、作用在进给工作台上的合力F’与铣刀刀齿上受到的铣削抗力的合力F大小相同，方向相反，如图2-1所示。合力F’就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给方向载荷FL,工作台横向进给方向载荷和工作台垂直进给方向载荷FV。由课程设计指导书表3-1“铣削加工的主切削力与其它切削分力的比值”可知，工作台工作载荷FL，Fc和FV与铣刀的切向铣削力Fz之间有一定的经验比值。因此，求出Fz后，即可计算出进给工作台的如下五组工作载荷FL，Fc和FV。第(1)组：端铣—对称铣削=0.35Fz=0.35×=1010.67(N))=0.9Fz=0.9×=2598.86(N)=0.52Fz=0.52×=1501.56(N)第(2)组：端铣—逆铣=0.75Fz=0.75×=2165.71(N)=0.55Fz=0.55×=1588.19(N)=0.52Fz=0.52×=1501.56(N)第(3)组：端铣—顺铣=0.22Fz=0.22×=635.28(N)=0.95Fz=0.95×=2743.24(N)=0.52Fz=0.52×=1501.56(N)第(4)组：周铣—逆铣=1.0Fz=1.0×=2887.62(N)=0.25Fz=0.25×=721.90(N)=0.37Fz=0.37×=1068.42(N)第(5)组：周铣—顺铣=0.85Fz=0.85×=2454.48(N)=0.75Fz=0.75×=2165.71(N)=0.4Fz=0.4×=1155.05(N)2.2滚珠丝杠副的选型与校核2.2.1滚珠丝杠螺母副结构类型的选择滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性：传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长、同步性能好。滚珠丝杠螺母副一般由专业厂生产并成套供货，且都附有使用说明书，其中除列有型号、规格、螺母安装面的结构等外，还附有允许负载、预加负载、刚度、典型支撑方式、驱动力矩和功率等指导性材料供设计时参考。滚珠丝杠螺母副的设要选择结构类型：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，再计算和确定其它技术参数，包括：公称直径、导程、滚计首先珠的工作圈数和列数、精度等级等。因为所要改装的铣床为普通铣床，精度要求并不是很高，在使用过程中不需要调整，并且加工过程中运动平稳。根据上述实际条件，并考虑到经济成本问题，通过查课程设计指导书第三章表3－2和表3－3以及《机电液设计手册》P669页表15-27，可以初步选用“FFZ型内循环浮动式返向器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副”这种结构类型的滚珠丝杠螺母副。它具有循环滚珠链最短，螺母外径比外循环小，结构紧凑，反向装置刚性好，寿命长，扁圆形反向器的轴向尺寸短，，承载能力较高；刚度高，预紧可靠，不易松弛等优点。它主要适用于各种高灵敏、高刚度的精密进给定位系统，是目前应用得较广泛的结构。2.2.2滚珠丝杠螺母副型号的选择及校核步骤1、计算最大工作载荷由设计任务书给定已知条件，可知铣床导轨的类型为综合导轨。再查《课程设计指导书》第三章表3-4可知计算最大工作载荷的公式为该式中：K=1.15；取摩擦系数f’=0.16（f’=0.15～0.18）；G为工作台及夹具总重量的1/2。由设计任务书给定已知条件可计算得G=800xN将以上数值以及先前计算所得五组工作载荷FL，Fc和FV可得如下五组相应的最大工作载荷Fm值。（1）Fm=1.15×1010.67+0.16×(2598.86+1501.56+400)=1882.34(N)（2）Fm=1.15×2165.71+0.16×(1588.19+1501.56+400)=3048.93(N)（3）Fm=1.15×635.28+0.16×(2743.24+1501.56+400)=1473.74(N)（4）Fm=1.15×2887.62+0.16×(721.90+1068.42+400)=3671.21(N)（5）Fm=1.15×2454.48+0.16×(2165.71+1155.05+400)=3417.97(N)由以上计算数据可知，第（4）组算得的值较大。故最大工作载荷为：Fm=3671.21（N）2、计算最大动载荷C查《机电一体化系统设计》P35页可知：最大动载荷C的计算公式为最大动载荷C可由下式计算上式中：各参数见《机电一体化系统设计》P35页硬度系数，选＝1.0(HRC≥58)运转系数，选＝1.0(无冲击运转)L寿命系数，由下式计算上式中：T使用寿命(h)，对于数控机床T=15000(h)n丝杠转速(r/min)，可由下式计算上式中：最大切削力条件下的纵向进给速度(m/min)，由设计任务书给定条件可知为380(mm/min)可取最高切削进给速度的1/2～1/3，现取1/2，即=×0.38(m/min)=0.19(m/min)所选用丝杠的基本导程，考虑到传动精度的要求，可选基本导程为4、6、8(mm)的丝杠。（1）基本导程为L0=4mm时：==C==12836.74(N)（2）基本导程为L0=6mm时：===28.50C==11213.92(N)（3）基本导程为L0=8mm时：===21.38C==10188.52(N)查《机电液设计手册》P669表15-27FFZ型内循环浮动式返向器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副可知，基本导程为L0=4mm时，最大动载荷都不满足C<Ca。而基本导程为L0=8mm时，其最小公称直径，大于原来机床丝杠公称直径，也不满足设计要求，故只能选基本导程为L0=6mm的滚珠丝杠副。表2-1滚珠丝杠副选型及相关参数滚珠丝杠副型号公称直径（mm）基本导程（mm）钢球直径（mm）最大动负载Ca（kN）圈数x列数FFZ2506256413FFZ3206326415FFZ40064064173、计算传动效率η查课程设计指导书可知传动效率可由下式计算上式中：丝杠螺旋升角（查课程设计指导书第三章得）摩擦角。滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004其摩擦角约为则：基本导程为L0=6mm，公称直径时，基本导程为L0=6mm，公称直径时，基本导程为L0=6mm，公称直径时，可见三者的传动效率η均大于0.9，满足设计要求。4、刚度验算(1)丝杠的拉伸或压缩变形量当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的1/3时，查《课程设计指导书》P22页可知其实际变形量为：(拉伸为＋，压缩为－)上式中：E材料弹性模数对于钢：L滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm)540mmF滚珠丝杠的截面积()，可由下列几式计算、滚珠直径(mm)，接触角()R滚道法面半径(mm)，e偏心距(mm)丝杠公称直径(mm)由前述表2-1可知所选滚珠丝杠副的滚珠直径均为4mm，则:基本导程为L0=6mm，公称直径时，基本导程为L0=6mm，公称直径时，基本导程为L0=6mm，公称直径时，(2）滚珠与螺纹滚道间的接触变形查《课程设计指导书》P23页可知，当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的1/3时，其实际变形量为：上式中：最大工作载荷(kgf)，1kgf=10N=367.121(kgf)预紧力(kgf)，==1223.74(kgf)滚珠直径(mm)，滚珠数量，＝Z×圈数×列数Z一圈的滚珠数，(内循环)滚珠丝杠公称直径（mm）基本导程为L0=6mm，公称直径时，当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，的值可减少一半。即基本导程为L0=6mm，公称直径时，同理基本导程为L0=6mm，公称直径时，同理(3)滚珠丝杠轴承的轴向接触变形查《课程设计指导书》P23页可知，滚珠丝杠轴承的轴向接触变形计算公式为推力球轴承：上式中：最大工作载荷(kgf)，Fm=367.121(kgf)轴承滚动体直径(mm)，Z两边轴承总的滚动体数目由公式T轴承的宽度（mm）D轴承的外径（mm）d轴承的内径（mm）基本导程为L0=6mm，公称直径时，选用型号为51204的推力球轴承，其参数如下：表2-2轴承型号内径d(mm)外径D(mm厚度T(mm)51204204014则由公式计算：取Z=11，可估算得两边总的滚动体数目为22基本导程为L0=6mm，公称直径时，选用型号为51205的推力球轴承，其参数如下：表2-3轴承型号内径d(mm)外径D(mm厚度T(mm)51205254715则由计算公式得：取Z=13，可估算得两边总的滚动体数目为26基本导程为L0=6mm，公称直径时，选用型号为51207的推力球轴承，其参数如下：表2-4轴承型号内径d(mm)外径D(mm厚度T(mm)51207356218则由计算公式得：取Z=16，可估算得两边总的滚动体数目为32综上，可得：基本导程为L0=6mm，公称直径时基本导程为L0=6mm，公称直径时基本导程为L0=6mm，公称直径时可知基本导程为L0=6mm，公称直径时，符合要求。故选择基本的滚珠丝杠副导程为L0=6mm，公称直径的滚珠丝杠副。经查表，选用型号为FFZ4006的滚珠丝杠副。其参数如下：表2-5滚珠丝杠副型号公称直径（mm）基本导程（mm）钢球直径（mm）最大动负载Ca（kN）圈数x列数FFZ40064064175、稳定性验算对已选定的滚珠丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。查《课程设计指导书》P24页，可知产生失稳的临界负载计算式：上式中：E丝杠材料弹性模量，对钢截面惯性矩丝杠两端支承距离（mm）由前述知丝杠的支承方式系数，两端固定式，由前述知，则：临界负载与最大工作负载之比称为稳定性安全系数如果：，则丝杠不致失稳。许用稳定性安全系数，一般取故可计算得，稳定性安全系数，则丝杠不致失稳，满足设计要求。2.3脉冲当量和传动比的确定2.3.1确定系统脉冲当量由题设计任务书给定条件知脉冲当量2.3.2传动比的选定设传动副的传动比为i，若为一对齿轮减速传动，则，为主动齿轮的齿数，为从动齿轮的齿数。对于步进电机，当脉冲当量确定和初选定步进电机的步距角后，可根据下式计算出该伺服传动系统总的传动比：=上式中：滚珠丝杠的基本导程6(mm)步进电机的步距角，查《机电一体化系统设计》P96页，初选步2.3.3齿轮传动的确定对于数控机车的齿轮传动，应采用设计、结构和工艺均较简单，而且易获得高精度的平行轴渐开线圆柱齿轮传动。通常，齿轮传动链的传动级数少一些比较好，因为可以减少零部件的数目，简化传动链的结构，并且可以提高传动精度，减少空程误差，有利于提高传动效率。同时传动比较小，故在此选用圆柱直齿轮单级传动。一般模数取，数控铣削取模数m=2。齿轮宽，为了消除齿侧隙，宽度可加大到由《机械原理》P203页,表10-2可得z17，取z=35，m=2，则小齿轮分度圆直径：小齿轮齿顶圆直径：小齿轮齿根圆直径：小齿轮齿宽：，取大齿轮齿数：大齿轮分度圆直径：大齿轮齿顶圆直径：大齿轮齿根圆直径大齿轮齿宽，取两齿轮的中心距综上，选小齿轮齿数，小齿轮的齿宽度，大齿轮齿数，大齿轮的齿宽度。2.4进给伺服系统传动计算2.4.1转动惯量的计算1、齿轮、丝杠等圆柱体惯量的计算。查《课程设计指导书》P26页知可由下式计算：式中：M圆柱体质量(kg)D圆柱体直径(cm)L圆柱体长度或圆度(cm)对主动轮：对从动轮：对滚珠丝杠：2、工作台折算到丝杆的转动惯量v工作台移动速度(cm/min)n丝杆转速(r/min)G工作台的重量(N)g重力加速度(9.8m/s)L丝杆导程(cm)3、传动系统折算到电机轴上的转动惯量上式中：i系统总的减速比(i>1)J各转动体的转动惯量(kg.cm)n各转动体的转速(r/min)n电机的转速(r/min)J电机的转动惯量(kg.cm)4、电机的转动惯量的确定查《课程设计指导书》P30页表3-10，选用电机的工作方式为三相六拍，步距角为，故符合电机的是：110BF003和110BF004。电机的转动惯量分别为：110BF003（新）型步进电机：110BF004型步进电机：5、系统总的转动惯量110BF003（新）型步进电机：110BF004型步进电机：2.4.2步进电机的计算和选用1、电机力矩的计算步进电机能正常工作所需的力矩受到多方面的影响，主要包括快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩、最大切削负载时所需力矩，其中快速进给时所需力矩较小，因此在、两种力矩中取其大者作为选择步进电机的依据。对于大多数数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机力矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空载起动力矩作为选择步进电机的依据。快速空载起动时所需力矩：最大切削负载时所需力矩：电机的力矩主要是用来产生加速度，而负载力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空载起动力矩作为选择步进电机的依据。(1)空载起动时折算到电机轴上的加速力矩=333.71（N.cm）式中：传动系统折算到电机轴总的等效转动惯运动部件从停止起动加速到最大进给速度所需的时间（s）约为30ms电机最大转速(r/min)运动部件最大快进速度，由设计任务书给定条件知n===333.33(r/min)110BF003（新）型步进电机：110BF004型步进电机：摩擦力矩式中：G运动部件的总重量（N）导轨摩擦系数，取齿轮总减速比传动链总效率，一般可取，取则：附加摩擦力矩式中：Fp0滚珠丝杠预加负载（N），一般取最大工作载荷1/3，L0滚珠丝杠导程（cm），由前述0滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取，取则：折算到电机轴上的切削负载力进给方向最大切削力（N），即为前述计算的工作载荷、、中的，故则：综合以上计算可得：对110BF003（新）型步进电机：快速空载起动时所需力矩：最大切削负载时所需力矩：对110BF004型步进电机：快速空载起动时所需力矩：最大切削负载时所需力矩：2、步进电机的选择与校核(1)根据最大静态转矩初选电机型号步进电机的起动转矩110BF003（新0型步进电机：110BF004型步进电机：查《课程设计指导书》P28页表3-9，表3-10可知对于三相六拍步进电机，。并且可知110BF003(新)和110BF004型步进电机相关参数如下：表2-6型号相数步距角最大静转矩空载启动频率运行频率分配方式转子转动惯量110BF003（新）30.75/1.57841400150003相6拍4.61110BF00430.75/1.549015003相6拍3.43则可计算得：满足要求。也满足要求。(2)计算电机工作频率最大空载启动频率：满足要求切削时最大工作频率：上式中运动部件快速进给速度，由前述知为1.6最大切削进给速度0.38脉冲当量0.01由上述计算可知：系统要求的空载起动转矩频率要大于电机的空载起动频率1500Hz,且空载起动频率满足要求的电机型号较少，可以采用调压起动等方式起动电机使电机的空载起动频率满足要求；而电机运行频率15000Hz可以满足系统要求。(3)校核步进电机根据步进电机转矩和惯量的匹配条件校核为了使步进电机具有良好的起动能力及较快的响应速度，通常推荐：及上式中：步进电机转子的转动惯量()传动系统折算到电机转子的等效转动惯量()步进电机的最大静态转矩()传动系统折算到电机轴上的负载转矩()对110BF003（新）型步进电机：则：对110BF004型步进电机：由公式计算可知几乎不满足要求，故不选用此步进电机，最终采用110BF003型步进电机。（4）校核起动转矩频率特性和运行转矩频率特性根据计算出的最大空载起动频率和切削时最大工作频率分别找出（根据和在矩频特性曲线上找到与其对应的失步转矩）在此频率下对应的电机不失步时所允许的最大力矩和，应满足：〈，〈=226.37M=116.51查《课程设计指导书》P55页110BF003（新）步进电机矩频特性曲线，可知：所以：=226.37>=120--(1)M=116.51<=310--(2)(2)满足要求，(1)不满足要求，必须用升降速的措施。如果步进电机起动力矩还不能满足要求，则可采用高低压驱动功放电路，将步进电机起动力矩再扩大一倍。以上的验算结果表明，所选的型号为110BF003（新）的步进电机符合要求。

第三章微机控制部分的设计3.1微机控制系统概述3.1.1微机控制系统的设计思路1、确定系统状态控制方案（1）从系统构成上考虑是否采用开环控制或闭环控制；（2）执行元件采用何种方式；（3）考虑系统是否有特殊控制要求对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统应采取的措施是什么？（4）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机承担哪些任务，为完成这些任务微机应具备哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。（6）初步估算其成本，通过整体方案考虑，最后画出系统组成的初步框图，附加说明，以此作为设计的基础和依据。2、确定控制算法（1）建立系统的数学模型，确定其控制算法，按照规定的控制算法进行控制。（2）控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。（3）在选择控制算法时，应考虑所选的算法是否能满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。3、选择微型计算机对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制角度出发，微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输入/输出通道和实时时钟等要求。在选择微型计算机时还应考虑：较完善的中断系统，足够的存储容量，完备的输入输出通道和实时时钟等。3.1.2微机控制系统基本硬件组成任何一个微机控制系统都由硬件和软件两部分组成，硬件是软件的基础，而配置了软件的硬件才有控制功能，数控系统通过与硬件软件的密切配合实现各种功能。图3-1控制系统硬件基本组成框图在以单片机为核心的控制系统中，大多采用MCS-51系列单片机的8031芯片，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善的、抗干扰性能较强的控制系统。8031内部包含一个8位CPU，128字节的RAM，两个16位的定时器，四个8位并行口，一个全双工串行口，可扩展的程序和数据存储器64KB，有5个中断源。3.2微机系统的扩展3.2.1单片机的选择在本次设计中，旨在于对传统机床的改造，各方面的要求不是很高，所以本设计采用以8031单片机为核心的控制系统。由于8031内部没有程序存储器，必须扩展程序存储器，用以存放控制程序。由于单片机内部存储器容量较小，不能满足实际需要，所以还需要扩展数据存储器。这种扩展就是配置外部存储器（包括程序存储器COM和数据存储器RAM）。另外，虽然8031本身有4个I/O接口电路，但尚不能满足改造的需要，因此，还需要扩展输入输出接口芯片，以满足使用要求。3.2.2存储器的扩展1、地址锁存器由于MCS-51单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此，在进行程序存储器扩展时，必须用地址锁存器锁存地址信号。故本次设计采用带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373。2、程序存储器当片内ROM不够或采用8031芯片时，需扩展程序存储器。用作程序存储器的器件时EPROM和E2PROM，常用EPROM。综合任务需要及成本考虑，本设计拟采用EPROM2764。3、数据存储器的扩展在用于实时数据采集和处理时，仅靠片内提供的128字节的数据存储器是远远不够的，在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能，扩展外部数据存储器。在此设计中，外部数据存储器选用一片静态RAM6264。数据存储器6264参数：容量为选用8K×8位，选用一片静态RAM6264，单一电源供电，双列直插式28管角封装，可以与MCS-51系列单片机直接接口。其地址范围6000H—7FFFH。图3-28031扩展EPROM2764及RAM6264的连接图3.2.3I/O接口的扩展8031只有P1口可作为普通I/O口用，所以需扩展。在本次设计中，键盘需要36个键，采用矩形阵式键盘；显示器采用8个7段式LED数码管，使用8155芯片专门驱动键盘和数码管。一个三相步进电机，采用硬件脉冲分配器，需要5个I/O，两个主标轴的超程式报警及故障显示及急停均采用8031的I/O口，不做内存扩展口计算，为使系统出现故障时，仍可控制自动转换刀具或用手动转动刀架，需要6个I/O口；为控制工作台X轴的速度和位移，使其具有暂停功能，起动键可继续执行及单步控制功能，需采用一个8255芯片，肯定可以满足要求。3.3步进电机的控制根据已知条件和前述相应的计算结果，选用的步进电机型号为110BF003（新），其参数如下表所示。齿轮1的齿数=35，齿轮2的齿数=44，模数m=2，丝杠基本导程=6mm。工作台的最大切削速度为0.38m/min。表3-1步进电机110BF003（新）的参数型号相数步距角(0)电压(V)电流(A)保持转矩N.cm空载起动频率(Hz)运行频率(Hz)电感(mH)内阻(R)110BF00330.7580-300678414001500035.50.373.3.1确定步进电机运行频率1、确定步进电机最大转速滚珠丝杆的转速为：步进电机的最大转速为：2、确定步进电机的运行频率所选的步进电机采用三相六拍方式的控制脉冲，其运行频率为：3.3.2驱动回路的时间常数每相工作三拍改变依次通电状态，但为了每一拍都能正常工作，每拍脉冲宽度的时间电流上升至额定电流的60%，即则负载回路的时间常数为：因此,上式中：为步进电机一相绕组的平均电感量为通电回路的电阻和见《机电一体化系统设计》。3.3.3选用线路简单的串联电阻法若选用线路简单的串联电阻法改善静电流上升沿，其时间常数为：则可计算得：需要串联如此大的电阻，在该电阻上损失的功率为：显然很不合理，所以采用双电源法。3.3.4高压电源电压的确定电机每相工作三拍改变一次通电状态，设要求在控制脉冲宽度时间内相电流达到额定电流的60%，即I=0.6In=3.6（A）这个时间也就是高压电源工作时间，即单稳翻转时间，其值为：图3-3高低压驱动电路高电压电源电压：3.3.5元器件型号的确定1、确定T1、T2为了使电路简单、紧凑，功率放大T1和T2选用复合管三极管2SC5948。表3-2复合管三极管2SC5948参数(V)(V)(V)(uA)（V）200200555(V)(A)(W)（V）1701220052、确定R5和R6从T1和T2性能数据知，基极电流为：因此，等效输入电阻为：取晶体管FJE3303的放大倍数为10，于是，选用光电耦合器TLP521-4，选择耦合器输入电流，(最大的电流为50mA),电流传输比；解上述方程组得：查《电工学下册》附录H电阻器标准阻值系列，E24系列，对理论阻值进行圆整，取3、确定R1和R2前面已选定耦合器输入电流=16mA，可得到光耦合器输入正向压降为1.3V，所以，查《电工学下册》附录H电阻器标准阻值系列，E24系列，对理论阻值进行圆整，取R1=R2=2204、确定R3和R4（1）若使电流上升沿陡，希望T2工作于饱和状态（实际还没有达到饱和电流，单稳已翻转成低电平）。首先确定基极电流。负载的平均阻抗：（2）T2的饱和电流：T2基极电流应为：光耦合器输入电流为16mA，所以：光耦合器输出电流：,且,因此：（3）求U0在期间，U0是变化的，变化范围近似为EH-2至EH-En，计算时取平均值：T2的等效输入电阻为：R3、R4分别为：查《电工学下册》附录H电阻器标准阻值系列，E24系列，对理论阻值进行圆整，取选择D1，D2选用2CZ13A硅整流二极管。3.4其他接口电路的设计3.4.1超程、急停保护电路为防止X，Y工作台越出边界，可设置限位开关，由于本次设计仅考虑横向进给，分别为+X，-X，2个限位开关，一旦越界，立即停止工作台移动。，可利用8031的外部中断引脚INT0，只要有一个开关闭合，即工作台越界，立即停止工作台移动。考虑实际加工的需要，增加急停按钮。将超程限位和急停通过软件设置为最高级别的中断。为了提醒工作人员处理故障，经P1.2、P1.3输出相应电平点亮LED等和蜂鸣器报警。图3-4超程、急停保护电路3.4.274LS138译码器接口电路查《机电一体化系统设计》可知下表：表3-374LS138功能表CBA，，，，，，，0000010100111001011101111111111011111101111110111111011111101111110111111011111101111111在74LS138中引脚C接地为0，B接P1.4，A接P2.7由BA引脚输入的值来确定选中的芯片，芯片80C31有14条地址线，基本地址范围0000H～3FFFH。可知：（1）BA为00时，选中6264芯片；（2）BA为01时，选中2764芯片；（3）BA为10时，选中8155H芯片；（4）BA为11时，选中8255A芯片；

第四章微机控制系统软件设计4.1各功能模块组成本程序主要由如下模块组成：（1）主模块，用于系统初始化和监控。（2）子程序模块。（3）越界报警、急停处理模块。（4）实时修改显示缓冲区数据模块。（5）键盘、显示定时扫描管理模块。（6）其中除主模块和子程序模块外，其余均为中断执行方式模块。4.2缓冲区设置应设置两个缓冲区：键盘缓冲区和显示缓冲区。4.2.1键盘缓冲区主要用于存放由键盘输入的命令，长度为4字节，地址为8031内部RAM区20H~23H，第一字可用于缓冲区空、满等标志，定义如下：（20H）=00H，缓冲区为空，（20H）=01H，缓冲区内未处理完的命令个数，显然（20H）=30H时即为满。其余3个字节内存放具体的命令码。为防止误操作，可以进一步规定：命令码若为00H，为无效命令。从本系统的施加情况及后面的软件框图可以看出，键盘缓冲区很少出现两个或两个以上未处理的命令码，一般情况只要一个命令码，马上会得到处理。4.2.2显示缓冲区主要用于存放欲显示的具体数据，每一字节对应一显示位，共5个字节，地址为8031内部RAM25H~29H，分别对应百位、十位、个位（包括小数点）、10E-1位和10E-2位。除以上缓冲区外，根据需要，可以设立一些标志位，视具体情况而定。4.3中断优先级所处理时间为紧急的则其中断级别为最高，根据本题实际情况，中断模块的优先级如下：表4-1各中断模块优先级模块名级别越界报警、急停处理模块0高实时修改显示缓冲区数据模块1键盘、显示定时扫描管理模块2低4.4各模块说明及流程图4.4.1主模块主模块功能为：初始化、监控。其中初始化包括8155初始化、缓冲区清零、定时/计数常数的设置、开中断等处理；监控主要判断是否有命令按下，并根据命令调用相应的子程序模块。主模块流程图如下：图3-5主模块流程图根据键盘功能键的设定，相应的子程序模块包括“←”、“→”、“↑”、“↓”各个命令及“暂停”命令处理模块。这里设定一标志，其作用是反映XY工作台的当前运动方向。标志位为内部RAM区的2BH，其定义如下：2BH单元值当前运动方向（2B）=01H→+X（2B）=02H←-X（2B）=03H↑+Z（2B）=04H↓-Z（2B）=00H初始时为00H4.4.2报警、急停处理中断模块本模块的主要功能是当XY工作台移动越出边界时进行应急处理，停止一切正常工作，由复位重新使系统处于正常工作状态。报警用红灯亮指示。4.4.3键盘、显示定时扫描管理模块根据键盘的接口电路，可以用编程扫描方式和定时扫描方式。这里选择后一种，用定时中断模块同时完成键盘和显示的扫描。4.4.4实时修改显示缓冲区数据模块本模块采用中断方式，其作用是通过对8155定时/计数的输出信号，也即对步进脉冲进行计数，来修改显示缓冲区中工作台当前工作位置。根据步进电机的实际脉冲当量，一个步进脉冲，相当于工作台位移增量为0.01mm，可以设定中断计数常数为10，每中断一次，工作台运动0.1mm，这里用内部RAM单元为中断次数计数器。

第五章成本估算5.1机械部分项目单价（元）数量总价（元）滚珠丝杠7001根700推力球轴承5120725250深沟球轴承620718236齿轮(减速箱)2501250步进电动机110BF0034501450轴套12560粗羊毛垫圈1.557.5垫圈7.5507.5双头螺柱M81.6根1524圆螺母M25/M206424普通平键13.6/包1013.6轴承端盖15230箱体1701170六角螺母M81.21214.4共计:1837元

5.2微机部分项目单价（元）数量总价（元）单片机80315.515.5RAM6264717EPROM2764313锁存器74HC573224锁存器74LS3732.512.5三八译码器74HC1382.8812