数控机床完整设计手册

数控机床系统设计阐明书

第一章数控技术的地位

数控技术是永数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是20世纪

后半叶最重要，发展最快的工业技术之一。它以制造过程为对象，以信息技术

为手段，以数控坐标方式对运动部件进行位置控制为重要特性，为单件、小批

量生产的自动化开辟了可行的技术途径，也为现代柔性制造技术奠定了重要的

技术基础。

数控机床是以数控技术为代表的新技术对老式制造业和新兴制造业的渗透

形成的机电一体化产品，其技术覆盖诸多领域，其中，精密机械制造技术、信

息处理、加工、传播技术、自动控制技术、伺服驱动技术、传感器及检测技术

和计算机技术是数控技术涵盖的重要领域。数控技术还是运用高新技术对老式

产业进行改善和提高的重要载体。

以信息化带动工业化，实现社会生产力的跨越式发展，将在一定程度上取

决于数控机床的技术进步。它代表着装备工业的技术水平和现代化程度，而装

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

控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和重要装备。数

控技术又是当今先进制造技术和装备最关键的技术。目前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，世界上各个工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的

战略物资，不仅采用重大措施来发展自己的数控技术及其产业，并且在“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

展以数控技术为关键的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提

高综合国历和国家地位的重要途径。

目前，数控技术在我国国民经济的各行各业发挥着越来越重要的作用，数

控技术已经成为企业技术改造的首先设备之一，我国已经成为数控机床的生产

大国、消费大国和进口大国。国民经济各个行业需要大量数控机床的开发人才

和应用人才。

第二章系统设计与计算

总体方案确实定

由于是经济型数控机床设计，因而在考虑详细方案时，基

本原则是在满足使用规定的前提下，减少成本。确定总体的方案为：

1、工作台工作面尺寸确定为240mmX340mm；

2、工作台的导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙

稀导轨板；

3、对滚珠丝杠螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杠进行预拉伸；

4、采用步进电机进行驱动；

5、采用联轴器将步进电机与滚珠丝杠直连。

6、采用单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一齿轮

减速后，带动滚珠丝杆转动，从而实现纵向、横向进给运动。

二、机械部分改造设计与计算

1、纵向进给系统的设计与计算：

已知条件：

工作台重量:W=800N

时间常数:T=25ms

滚珠丝杆基本导程：L0=6mm

行程：S=320mm

脉冲当量：

步进角：

迅速进给速度：

电机功率：N=l.5kw

工作台迅速移动速度：

(1)、切削力计算：

由《机床设计手册》可知，切削功率

查机床阐明书，得电机功率N=l.5kw；系统总效率5；系统功率系数K=0.96；

则：

式中一一切削线速度V=100m/min

主切削:

由《金属切削原理》可知，主切削力：

9

则可计算出FZ如下所示：

查表，可知当FZ=562.3N时，切削力深度mm,走刀量

从《机械设计手册》中可知，在一般外圆车削时；

即：

(2)、滚珠丝杆设计计算：

对于矩形槽，综合导轨丝杠的轴向力：

取：K=l.15,摩擦系数f'=0.16

1)、强度计算：

寿命值：；

取工件直径：D=80mm,查表Tl=15000h

最大动负载:

查表得：运转系数；硬度系数

根据Q选择滚珠丝杆型号：

CMD2504-2.5-E其额定动载荷Q=14462N,因此强度足够用；dl=22.5mm。

螺母长度L=71mm,余程le=16mm,螺纹长度1=320+71+2X16=423mm.

2）、效率计算：

根据《机械原理》，丝杆螺母副的传动效率：

其中摩擦角，螺旋升角

因此：

3）、刚度验算:

受工作负载P引起导程变化量:

L0=6mm=0.6cm,E=20.6X106N/cm2

滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化很小，可忽视。即

寻程变形总误差为：

查表知E级精度丝杆容许的螺距误差（1m长）为故刚度足够。

4）、稳定性验算：

由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相似，而支承方式不存在问题，故

不验算。

（3）、齿轮及转矩时有关计算

1）、有关齿轮计算：

取Zl=30,Z2=47,m=2,b=20mm,

2）、传动惯量计算：

工作台质量折算到电机轴上的传动惯量:

丝杠的转动惯量:

齿轮的转动惯量：

因电机时转动惯量很小，可以忽视；因此总的转动惯量为:

3）、所需转动力矩计算：

1、空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩：

2、切削时折算到电机轴上的加速度力矩：

3、折算电机轴上的摩擦力矩:

当时:

4、由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩:

当时，预加载荷，则：

5、折算到电机轴上的切削负载力矩：

因此，迅速空载启动所需力矩

切削时进给所需力矩：

迅速进给所需力矩：

由以上分析可知：

所需最大力矩Mmax发生在迅速启动时：

2、横向进给系统的设计与计算

经济型数控改造的横向进给系统的设比较简朴，一般是步进电机经减速后

驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，使用方法兰盘将

步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。

已知条件：

工作台重量：W=300N

时间常数：T=25ms

滚珠丝杆基本导程：L0=6mm

行程：S=200mm

脉冲当量：

步进角：

迅速进给速度：

1）、切削力计算：

横向进给为纵向的1/2~1/3,取1/2,则切削力为纵向的1/2

切断工件时:

取K=l.15,

滚动摩擦系数为

则

寿命值：

最大动负载：

根据Q选择滚珠丝杆型号：

CMD2023-2.5-E其额定动载荷Q=5862N,因此强度足够用。dl=17.5mm。

螺母长度L=72mm,余程le=16mm,螺纹长度1=200+72+2X16=304nun.

2）、效率计算：

根据《机械原理》，丝杆螺母副的传动效率：

其中摩擦角，螺旋升角

因此：

3）、刚度验算:

受工作负载P引起导程变化量:

滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化很小，可忽视。即

寻程变形总误差为：

查表知E级精度丝杆容许的螺距误差（1m长）为故刚度足够。

4）、稳定性验算：

由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相似，而支承方式不存在问题，故

不验算。

5）、齿轮及转矩的有关计算

1、有关齿轮计算：

传动比:

故取:

2、传动惯量计算：

工作台质量折算到电机轴上的传动惯量:

丝杠的转动惯量：

齿轮的转动惯量：

电机的转动惯量很小可以忽视。

3、所需转动力矩计算:

1、空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩:

2、切削时折算到电机轴上的加速度力矩：

3、折算电机轴上的摩擦力矩：

当，滚动摩擦系数时：

4、由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩:

当时，预加载荷，则：

5、折算到电机轴上的切削负载力矩：

因此，迅速空载启动所需力矩

切削时进给所需力矩：

迅速进给所需力矩：

由以上分析可知，所需最大力矩Mmax发生在迅速启动时:

3、步进电机的先择

一般状况下，对于步进电机的选型，重要考虑三方面的问题：步进电机的

步距角要满足进给传动系统脉冲当量的规定；步进电机时最大静扭矩要满足进

给运动系统的空载迅速启动力拒规定；步进电机的启动矩频率特性和工作矩频

率特性必须满足进给传动系统对启动扭矩与启动频率、工作运行扭矩与运行频

率的规定。

初步选择步进电机重要是选择电机的类型和步距角。目前，步进电机有三

种类型可供选择：一是反应式步进电机，步距角小，运行频率高，价格较低，

胆功耗较大；二是永磁式步进电机，功耗较小，断电后仍有制动力拒，但步距

角较大，启动和运行频率较低；三是混合式步进电机，它具有了上述两种电机

的长处，不过价格较高。多种步进电机的产品样本中都给出了步进电机的通电

方式及步距角等重要技术参数以供选用。

1）、纵向进给系统的电机确实定

根据启动力矩的选择

；一一电机启动力矩；一一电机静负载力矩

则:

为满足最小步角规定，电机选用三相六拍工作方式，查表知:

因此，步进电机最大静转距为：

进电机最高工作频率：

综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机，能满足使用规定。

2）、横向进给系统步进电机确实定：

则：

为满足最小步角规定，电机选用三相六拍工作方式，查表知：

因此，步进电机最大静转距为：

步进电机最高工作频率：

综合考虑，仍选用110BF003型直流步进电机，能满足使用规定。

4、滚动导轨的选择

导轨重要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副钟，

运动的一方称为动导轨，不动的一方为支承导轨。动导轨相对于支承导轨运动,

一般作直线运动和回转运动。导轨的几何精度综合反应了在静止或低俗下导轨

的导向精度。因此对导轨时精度规定比较高。影响导轨精度的重要原因有导轨

的几何精度、导轨的接触精度、导轨的构造形式、动导轨及支承导轨的刚度和

热变形，尚有装配质量。导轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性，因此耐用的

导轨就必须规定耐磨性好。同步要有足够的刚度，由于足够的刚度保证导轨在

载荷作用下不产生过大的变形，从而保证各部件的相对位置和导向精度。此外,

还规定导轨在低速运动时有好的平稳性和制造的工艺性好。

综合考虑机床的I基本额定载荷及其他方面的原因，选用HTSD一一WAA（宽幅

矩型滑块）的滚珠导轨。

初步选用4滑块，工作台大小400X300,工作台自重300N,外载荷700N。

1）、摩擦力计算：

摩擦力计算公试

式中为滚动摩擦系数取八为法向载荷纵向P=349.2,横向P=229.4,f为

密封件阻力，取f=0.5N.

纵向F=0.003X349.2+0.5=1.55N

横向F=0.003X229.4+0.5=1.19N

2）、寿命计算：

纵向行程为0.32m

目的寿命L=0.32X2X5X60X8X300X5X10-3=2304km

选择HTSD—LG20WAA型导轨，额定动载Ca为10.28W,根据计算可知，满足

强度规定。

横向行程为0.2m,

目的寿命L=0.2X2X5X60X8X300X5X10-3=1440km

选择HTSD—LG20WAA型导轨。额定动载Ca为4.51W.

第三章控制系统设计及编程

数控机床控制系统由硬件和软件两大部分构成。控制系统在使用中的控制

对象各不相似，但其硬件时基本构成是一致的。如下图所示：

图1控制系统示意图

以单片机为关键的控制系统大多数采用MCS-51系列单片机，通过

扩展存储器、接口和面板操作开关等，构成功能较完善、抗干扰性能较强的控

制系统。

一、设计步进电机工作台第一象限直线插补控制（逐点比较法）方案。

原理：逐点比较法是一种代数算法，其特点是能逐点计算和鉴别运动偏差,

并逐点纠正以强迫理论轨迹。逐点比较法的理论误差是一种脉冲当量。在整个

插补过程中走一步均需完毕四个工作节拍是：

1、偏差鉴别，鉴别刀具的实际位置对规定图形的偏离位置，以决定进给方

向；

2、进给控制，沿减少偏差的方向进给一步，以向规定图形靠拢；

3、新偏差计算，计算刀具在新位置上对给定图形的偏差，作为下一步偏差

鉴别的根据；

4、终点鉴别，判断与否抵达终点。若未到终点，回到1后继续不停地反复

上述循环过程，若抵达终点，发出运算完毕信号，就能实现平面上直线和圆弧

插补。

二、步进电机的单片机控制

步进电机的驱动电路根据控制信号工作。在步进电机的单片机控制中，控

制信号由单片机产生。其基本控制作用如下：

1）、控制换相次序。步进电机的通电换相次序严格按照步进电机的工作方

式进行。一般把他通电换相这一过程称为脉冲分派。

2）、控制步进电机的转向。假如按给定的工作方式正序通电换相，步进电

机就正转；假如按反序通电换相，则电动机反转。

3）、控制步进电机的速度。假如给步进电机发一种控制脉冲，它就转一步,

再发一种，它会再转一步。两个脉冲时间隔时间越短，步进电机转得就越快。

因此，脉冲的频率决定了步进电机的转速，调整单片机发出脉冲的频率，就可

以对步进电机进行调速。

三、硬件控制示意图

实现脉冲分派（通电换相控制）的措施有两种：软件法和硬件法。这里重

要用的是软件法。软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相次序，通

过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲。如下图所示，运用8051系列单片

机的Pl.0-P1.5这6条线，向两个三相步进电机传送控制信号。

图2单片机的I/O口分派图

三相步进电机工作在六拍方式时，其通电换相的正序为：

A-AB-B-BC—C-CA-A,共6个通电状态。假如P1口输出的控制信号中，0代

表使绕组通电，1代表使绕组断电，则可用6个控制字来对应这6个通电状态，

如下表所示:

表1X步进电机工作方式的控制字

表2Y步进电机工作方式的控制字

（一）、主程序框图:

图3主程序框图

表3内存分派表

（二）、子程序框图

表4软环分表及X、Y电机带电状态码的内存分派表

X电机电Y电机

内存地状态内机状态内存地状态内

址容址容

80H00H90H00H

81HFEHA91HF7H

82HFCHAB92HE7H

83HFDHB93HEFH

84HF9HBC94HCFH

85HFBHC95HDFH

186HFAHCA96HD7H

87HOOH97HOOH

车

图4子程序框图

（三）、程序清单

MAIN:PUSHA；保护现场

MOVR4,#N；设步长计数器

CLRC

MOVR5,#80H

MOVR6,#90H

CLRA;位清零使表头表尾

为。

MOV80H,A

MOV87H,A

MOV90H,A

MOV97H,A

MOVRO,#81H;装X电机状态码到内存

MOV@R0,#FEH

INCRO

MOV@R0,#FCH

INCRO

MOV©RO,#FDH

INCRO

MOV@R0,#F9H

INCRO

MOV@RO,#FBH

INCRO

MOV@RO,#FAH

MOVR1,#O1H;装丫电机状态码到内存

MOV@R1,#F7H

INCRI

MOV@R1,#E7H

INCRI

MOV@R1,#EFH

INCRI

MOV@R1,#CFH

INCRI

MOV@R1,#DFH

INCRI

MOV@R1,#D7H

L0R4:M0V98H,#0C8H;Xe

MOV99H,#0C8H;Ye

MOV9AH,#OOH；x

MOV9BH,#OOH；Y

MOV9EH,#OOH；F

MOVAOH,#OAH；电机初始状态

LOP3:MOVA,2EH；偏差送到A口

JNZA,LOP1;F<0跳到LOP1Y转

MOVA,AOH

CLRP1.0;P1.0=0,X转

SETBPl.3;P1.3=1,Y不转

MOVAOH,A；送控制字

LCALLMOTR；X方向走一步

MOVA,9EH;偏差送到A

SUBBA,99H;F-Ye

INC9AH；X+1

AJMPL0P2；跳转到LOP2进行偏差判

断

LOP1:MOVA,AOH

CLRPl.3;PL3=0,Y转

SETBPl.0;P1.O=1,X不转

MOVAOH,A；送控制字

LCALLMOTR；Y方向走一步

MOVA,9EH；偏差送到A

ADDA,98H;F+Xe

INC9BH;Y+1

L0P2:M0V9EH,A；将人的偏差送到9EH单元

MOVA,98H

CJNEA,9AH,LOP3；Xe=X?,不等则转移

MOVA,99H

CJNEA,9BH,LOP1；Ye=Y?＞不等则转移

AJMPST

MOTR:MOVA,70H;MOTR子程序，查看控制字

JNBPl.O.Y;P1.O=!1,X不转,则执行Y(Y

转)

X:JNBPl.1,XF;P1.1=!1,X不转,则执行XF

XZ:INCR5;X正转地址指针R5+1

MOVA,R5;从代码表中取R5指向

的代码到A

MOVRO,A

MOVA,@RO

CJNEA,#OOH,LP1;判断与否到表底，不是则执行

LP1

MOVR5,#81H；到表底则重新指向表首

MOVA,R5；从代码表中取R5指向

的I代码到A

MOVRO,A

MOVA,@RO

LP1:MOVR7,#28H;代码输出两行

MOVX@R7,A

MOVR2,#1OH

LCALLYANS；延时两行

RET

XF:DECR5;X正转地址指针R5-1

MOVA,R5；从代码表中取R5指向

的代码到A

MOVRO,A

MOVA,@RO

CJNEA,#00H,LP2；判断与否到表头，不是则执行

LP2

MOVR5,#86H;到表头则重新指向表底

MOVA,R5；从代码表中取R5指向

的代码到A

MOVRO,A

MOVA,@R0

LP2:M0VR7,#28H;代码输出两行

MOVX@R7,A

MOVR2,#10H

LCALLYANS；延时两行

RET

Y:JNBP1.3.YF;P1.3=!1,Y不转,则执行X（X转）

YZ:INCR6;Y正转地址指针R6+1

MOVA,R6；从代码表中取R5指向

的代码到A

MOVRO,A

MOVA,@RO

CJNEA,#OOH,LP3；判断与否到表底，不是则执行

LP3

MOVR6,#91H;到表底则重新指向表首

MOVA,R6；从代码表中取R5指向

的代码到A

MOVRO,A

MOVA,@RO

LP3:MOVR7,#28H;代码输出两行

MOVX@R7,A

MOVR2,#10H

LCALL,YANS；延时

RET

YF:DECR6;Y正转地址指针R6-1

MOVA,R6；从代码表中取R6指向

的代码到A

MOVRO,A

MOVA,@RO

CJNEA,#00H,LP4