数控机床 - 图文

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目录

第一章 绪论 .......................................................................................................................................... 1 1.1、数控系统的发展简吏及国外发展现状 .................................................................................... 2 1.2．我国数控系统的发展现状及趋势 ............................................................................................ 3

1.3 伺服系统的特点………………………………………………………………………………..4

第二章 设计总体方案 ............................................................................................................................ 5 2．1 设计参数的确定 ....................................................................................................................... 6 2．2 总方案的确定 ........................................................................................................................... 6 第三章 数控机床的机械部分设计 ...................................................................................................... 7 3.1 数控机床的传动装置设计 .......................................................................................................... 8 3.2 机械部分的设计与计算 .............................................................................................................. 9 第四章 数控系统硬件电路设计 ........................................................................................................ 10 4.1数控系统基本硬件组成 ............................................................................................................. 11 4.2 单片机控制系统的设计 ........................................................................................................... 12 第五章 数控系统软件设计 .................................................................................................................. 13 5.1 本数控系统软件设计任务 ........................................................................................................ 14 5.2进给伺服系统X轴与Z轴步进电机控制 ................................................................................. 15 5.3主轴电机的控制 ......................................................................................................................... 16 5.4螺纹加工工作原理和加工程序 ................................................................................................. 17 第六章 滚珠丝杠副的设计和计算…………………………………………………………………..18 6.1 选择脉冲当量.........................................................................................................................19 6.2计算切削力...................................................................................................................................20 6.3 滚珠丝杆螺母副的计算和选型.................................................................................................21 第七章 数控系统的选择.......................................................................................................................22

6.1西门子数控系统的优点..............................................................................................................23

6.2数控线图……………………………………………………………………………………...…24 6.3数控零件图…………………………………………………………………………………..…25 致谢 ........................................................................................................................................................ 26 参考文献 ................................................................................................................................................ 27

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绪论

1.1 数控系统的发展简史及国外发展现状

1949年美国帕森公司首先提出了机床数字控制的概念。1952年第一代数控系统——电子管数控系统的诞生。20世纪50年代末，完全由固定布线的晶休管元器件电路所组成的第二代数控系统——晶体管数控系统被研制成功，取代了昂贵的、易坏的、难以推广的电子管控制装置。随着集成电路技术的发展，1965年出现了第三代数控系统——集成电路数控系统。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了第四代数控系统——小型计算机数控系统，然后，随着微型计算机以其无法比拟的性能价格比渗透各个行业，1974年，第五代数控系统——微型计算机数控系统也出现了。应用一个或多个计算机作为数控系统的核心组件的数控系统统称为计算机数控系统(CNC)。综上所述，由于微电子技术和计算机技术的不断发展，数控机床的数控系统也随着不断更新，发展非常迅速，几乎5年左右时间就更新换代一次[1]。

数控机床是先进制造业的基础机械，是最典型的多品种、小批量、高科技含量的机电一体化产品。欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产品进程，1990年日本机床产值数控化率达75％，美国达70．1％，德国达57％。目前世界数控机床年产量超过15万台，品种超过1500多种[2]。 1.2 我国数控系统的发展现状及趋势 1.2.1 数控技术状况

目前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期，也是由封闭型向开放型过渡的时期。

我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术(包括核心技术)，已达到国际先进水平。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开

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发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1?m当量的超精密数控系统、数控仿型系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务操作系统都已研制成功。尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，MPBF值可以在15000h以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过60%。这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础[1]。

我国进行改革开放后，由于政策的开放，使得金属切削行业得以和世界上先进的机床制造国家进行技术交流，并通过引进技术，到80年代初，国产数控机床进入实用化阶段，1991年数控机床的产值数控化率为14．3％，到1997年数控机床产值数控化率为24．5％。目前，我国数控机床(包括经济型机床)品种约有500个[2]。

但是，与国外数控车床相比，在性能、质量 设计、制造等各方面存在较大差异，并存在许多不足：机械件的材质、加工精度、加工工艺存在较大差距，装配工艺也存在一定差距；主轴及卡盘刚性差，主轴定位准停不好；安全性较差，软硬件保护功能不够；刀片磨损快，生产成本高，效率低；硬件设计方面不规范，不符合国标，比如使用电压等级、电线颜色使用、图纸资料的绘制装订、提交等等，有的机床厂家甚至仍然停留在十年二十年前的设计思想；程序设计方面缺乏标准，不规范，逻辑性不强，故障率高，在使用过程中需不断对程序进行修改；外围元件布置及走线不规范，标牌线号不清，图纸与实物不符，维修困难；使用的元器件本身质量差，使用寿命短，故障率高，有的机床厂家为了降成本却忘记了质量、忘记了可靠性，选用一些国产的轴承、接触器、继电器、接近开关等元件，在生产过程中小故障连绵不断；柔性化不强，多品种生产困难。而国外数控车床无论是设计水平，还是制造水平，都要高出国内数控车床。机械件材质、加工精度、加工工艺、装配工艺比较好；软硬件设计有专门的标准，设计规范合理，配套件齐全，标牌标示清楚齐全；使用的元器件质量好，故障率低；新技术的应用及时领先；概括来说，精度及可靠性高、性能稳定故障率低[3] 。 1.2.2 数控系统的发展趋势

随着微电子技术和计算机技术的发展，数控系统性能日臻完善，数控系统应用领域

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日益扩大。为了满足社会经济发展和科技发展的需要，数控系统正朝着高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及开放性等方向发展。 1.3 伺服系统的特点

数字控制，是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。数控机床是典型的数控化设备，它一般由信息载体、计算机数控系统、伺服系统和机床四部分组成。 1. 信息载体

信息载体又称控制介质，用于记录数控机床上加工一个零件所必需的各种信息，以控制机床的运动，实现零件的机械加工。常用的信息载体有穿孔带等，通过相应的输入装置将信息输入到数控系统中。数控机床也可采用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接输入，或通过窜行口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。高级的数控系统可能还包含一套自动编程机或者CAD/CAM系统。 2. 计算机数控系统

计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信息，经计算和处理后去控制机床的动作。它由硬件和软件组成。硬件除计算机外，其外围设备主要包括光电阅读机、CRT、键盘、面板、机床接口等。软件由管理软件和控制软件组成。数控装置控制机床的动作可概括为：机床主运动、机床的进给运动、刀具的选择和刀具的补偿、其它辅助运动等。 3. 伺服系统

它是数控系统的执行部分，包括驱动机构和机床移动部件,它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动受控设备运动。伺服电动机可以是步进电机、电液马达、直流伺服电机或交流伺服电机。 4. 机床

它是用于完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上发展起来的，但也做了很多改进和提高，它的主要特点是：由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短；为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机床机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形较小；更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等；不少数控机床

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还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床工作效率[1]。

数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床三者的优点，将高效率、高精度和高柔性集中于一体。而数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善以及功能的扩大，为此数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电机、机械传动等方面都有很高的要求。

伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。在数控机床中，伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统。伺服系统接受来自CNC装置的进给脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有的带动刀架，通过几个坐标轴的综合联动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出所要求的复杂形状工件。

进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包含机械、电子、电机(早期产品还包含液压)等各种部件，并涉及到强电与弱电控制，是一个比较复杂的控制系统。要使它成为一个既能使各部件互相配合协调工作，又能满足相当高的技术性能指标的控制系统，的确是一个相当复杂的任务。提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。

数控机床伺服系统的一般结构如下图所示：

由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 伺服系统对伺服电机的要求：

1） 从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。

2） 电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。

3） 为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。 4） 电机应能随频繁启动、制动和反转。

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随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高[4]。

图1.1 伺服系统结构图

第二章 总体方案设计

2.1设计参数的确定

并不是所有的旧机床都可以进行数控改造，机床的改造主要应具备两个条件：第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二，改造的费用要合适，经济性好。在改装车床前，要对机床的性能指标做出决定。改装后的车床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。

最大加工直径：

车床身上： 400mm 车床鞍上： 210mm 最大加工长度： 1000mm 快进速度：

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纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 最大切削进给速度： 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min

脉冲当量：

纵向 0.01mm/step 横向 0.005mm/step 脉冲分配方式： 逐点比较法 控制坐标数： 2

机床定位精度： ±0.015 溜板及刀架重力：

纵向： 800N 横向： 60

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自动生降速性能： 有

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起动加速时间： 30ms

主电机功率： 7.5Kw

当数控车床的性能和精度等内容基本选定后，可根据此来确定改造方案。目前机床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。因此，较典型的车床数控改造方案可选择为：配置专用车床数控改造系统，更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电机驱动进给运动、配置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。 2．2 总方案的确定

2.2.1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车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑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。

2.2.2 计算机系统

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、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，决定采用MCS—51系列的8031单片机扩展系统。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光隔离电路、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。

2.2.3 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。为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。

2.2.4 运动方式的确定

数按系统运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。由于CK6163车床要加工复杂轮廓零件，所以本次设计采用连续控制系统。

2.2.5 系统的选择

伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。经过比较，由于CK6163车床加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。

2.2.6 机构传动方式的确定

为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、

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低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：

(1) 尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。

(2) 尽量消除传动间隙。例如采用隙齿轮等。

(3) 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。

2.2.7 微机的选择

微机数控系统由CPU、存储器扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。

第三章 数控机床的机械部分设计

3.1 数控机床的传动装置设计

传动装置设计包括传动系统改装设计、转动比的计算、电机的选择等。 3.1.1.传动系统改装设计

在车床的改造中，一般采用直线控制开环系统即可满足要求。这种系统结构简单、传动链短机床流板箱的运动速度和位移完全取决于输入指令脉冲的数目和频率。因此，不需要位置检测机构。由于无检测装置，其位移精度主要取决于传动元件（如齿轮、传动丝杠等等）的累积误差。所以，设计时应该选择合适的脉冲当量（常用的控制系统的脉冲当量是X向0.005mm/p。Y向0.01mm/p）并要求传动元件有足够的刚度和精度。传动系统的传动误差尽量小，一般开环系统的定位精度可达±0.02mm~0.01 mm.有以下几个方面的因素：一是将高转速低转矩的伺服电动机轴的输出，改变为低转速高转矩的执行元件的输出；另一方面是使丝杠哈溜板的转动惯量折算到电动机上数值减小，此外对开环系统而言还可以保证所要求的脉冲当量。

纵向进给系统的改造全部拆除CK6163原机床的进给箱和溜板箱，拆除光杆及端部的固定轴承。滚珠丝杠安装在原光杆略前一点。考虑到热胀冷缩对精度的影响，丝杠的两端一固定一端自由伸缩。溜板箱拆除后，设一溜板箱和平动按钮安装板，滚动丝杠副的螺母固定到溜板箱上，转动丝杠时，带动溜板箱移动。

纵向步进电机、齿轮箱和溜板箱均加外罩，以保持机床的外观整齐；在溜板箱上安装纵、横向进给按钮和启动、暂停、急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到以外情况时的紧急处理需要。为了便于安装滚珠丝杠副及检修，丝杠轴采用分段式。安装

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后，用套桶刚性连接。如丝杆采用整体式，则加工难度大，易产生变形，装拆不方便，且如果一端因磨损或装拆损坏，则丝杠也随之报废。无形之中增加使用成本步进电机及齿轮箱安装在机床尾部，不影响操作，便于检修和布线。为保证传动精度及避免多级传动带来的误差，采用一级齿轮减速，并采用双片薄齿轮错齿来消除间隙（考虑到负载变化，不采用弹簧调节齿轮）运行一段时间后，拆开减速盖板调节两片齿轮间的相对位置达到消除间隙的目的。此外为达到这个目的，在减速箱端盖上制造腰子孔方式。当端盖与减速箱体联结时。围绕中心转动端盖，从而改变步进电机与丝杠轴中心距来达到消除齿轮间隙的目的。减速箱在安装后，配打定位销定位。在溜板箱体上安装快速进给按钮和急停按钮，机床运行中如遇越界现象将不能及时发现。因此在适当的位置安装越界报警系统。

原机床主轴部位保留，但加装主轴脉冲发生器，以实现螺纹加工功能。

保留其它进给和刀具部分。原来车床上的四位刀架改为四位可编程自动转位刀架。 3.2.2.主轴编码器

数控车床靠数控系统控制步进电机进给与主轴的旋转配合切削出符合的螺纹，须配置主轴编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化的信号。主轴编码器一般采用同轴安装或异轴安装，异轴安装较同轴安装复杂，须配置一对齿轮或同步耻形带，但可加工穿出车床主轴孔的零件。主轴编码器传动用轴套连接，对连接件制造精度及安装要求较高，否则同轴度误差的影响会引起主轴编码器发生偏扭而造成信号不准，严重会损坏

码盘。

3.1.3.滚珠丝杠

由于被改装机床的丝杠往往已有不同程度的磨损或弯曲变形，运动阻力较大，容易造成步进电机伺服系统的丢步。如果机床用于粗加工，问题还不突出；如用于精加工，为了提高机床的定位精度、应采用滚珠丝杠。在改装过程中，一般应注意以下几个问题：

A改装前，应对机床的各项精度进行一次检测，作必要的修复，以保证改装后的机床有较高的使用价值由于滚珠丝杠的定位圆往往比原丝杠大，需拆下纵向丝杠右端的挂脚，细致地校正原安装定位面，找正原定位孔中心，扩镗孔，使之与滚珠丝杠配合。这是新安装的滚珠丝杠与机床导轨平行的关键之一；纵向滚珠丝杠选用时，应尽量使其长度与原丝杠接近。为了降低成本，允许选用稍短的规格，因为车床丝杠的端部螺纹在日

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常使用时一般是用不到的，可加连接杆补偿，但应保证加工和安装时的同轴度要求。这一要求以及丝杠螺母座的安装位置，构成大拖板移动是否灵活的关键；

横向滚珠杆的有效长度，不仅要保证刀具刃尖过去轴中心，还应满足机床自动对刀功能的要求。最好能使中拖板行程满足镗孔刀尖超过主轴中心40mm。我们将原机床丝杠的螺纹部分切去，与滚珠丝杠镶接，简化了改装工作量。螺纹部分切出前，需确定起长度。

3.2.4.丝杠后支撑用双列向心球面球轴承

后支撑采用自动调心双列向心球面球轴承。双列向心球面球轴承，不仅可 承受径向载荷和横向载荷，更重要的是能消除由于安装误差，导轨直线度误差，加工过程中切削变形而引起的轴和轴承之间的干涉，自动调节起相对位置，保证丝杠的回转精度和位置精度。

3.3.5.采用波形弹簧垫圈消除齿轮间隙

车床数控装置中，弹簧是传动装置上采用一级减速齿轮来提高钮矩和传动精度，而齿轮间隙会在旋转每次反向之后使运动滞后于指令信号；既形成反向间隙，对加工精度产生影响。一般采用轴向压簧错齿结构，通过弹簧调节消除间隙，尽管齿侧间隙可自动调节补偿，但轴向尺寸结构不紧凑，关系非线形，而耐高温和耐油性比钢弹簧弹性差，易老化。因此用波形弹簧垫圈消除间隙，既可自动补偿间隙又有紧凑结构

3.4.6.传动轴和滚动丝杠的连接连接轴用长联轴套

为减少联轴器径向尺寸和转动惯量，采用了套式联轴器；同时为保证连接两轴之间同轴度和接触面积，连轴器的长度去120 mm 左右，约为弹性柱销的1.5倍，轴径与轴套相互垂直，圆锥销定位琐紧保证连接刚度

3.5.7.公差与配合的选用

（1）轴套与轴径之间用H7/k6，采用这种配合，保证在装配时有过盈，以保证其精密定位和连接刚度，消除里配合件之间的震动，当经过一段时期后，需要更换轴承或进行导轨修磨而拆卸时，又能方便的将轴径从轴套 中取出。

（2）与轴承配合的轴径用js6。因为轴承是标准件周的公差采用js6 当轴承过度配合时平均间隙小，并允许有过盈，以保证刚度要求，又能方便轴承装卸。 3.2 机械部分的设计与计算

1.纵向进给系统的设计计算

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（1）工作台质量的估算

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工作台质量估算 m?a?b?c=86+21.6+26=133.6kg 式中：a——床鞍的质量86kg b——中拖板的质量21.6kg c——刀架质量26kg （2） 切削力的计算

P=pηk

P→主电机功率=7.5kw η→主传动系统总效率=0.75 k→进给系统功率系数 k=0.96 P =7.5×0.8×0.96=5.76kw

2．机床主电机功率计算

按照需要进行数控改造设计的普通车床的主电机功率来计算切削力。其具体方法如下:

Pｃ＝pη

式中 Ｐc—切削功率(KW) ﹔ P— 机床主传动功率(kw) ﹔

η— 主传动系统总的机械效率，可以近似地取以下数值﹔

精密机床 η=0.8～0.85

中型机床 η=0.75～0.8

大型机床 η=0.7～0.85

Mn=9550Pc/n 式中 Mn— 主轴传递的扭矩(N?m)；

n— 主轴计算转速(r/min)，是主轴传递全部功率时的最低转速。 Fz=2Mn/d×103 式中 Fz— 主切削力(N)；

d— 工作直径可采用在床鞍上加工的最大直径。 主切削力求出以后再按比例求出Fx﹑Fy。

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3.滚珠丝杠的设计计算

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滚珠丝杠已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计计算归结为滚珠丝杠副的型号选择。纵向滚珠丝杠选用时，尽量使其长度与原丝杠接近。为了降低成本，允许选用稍短的规格，因为车床丝杠的端部螺纹在日常使用时一般是用不到的，可加连接杠补偿，但应保证加工和安装时的同轴度要求。这一要求以及丝杠螺母座的安装位置，构成大拖板移动是否灵活的关键。同时横向滚珠丝杠的有效长度，不仅要保证刀具刃尖过去周中心，还应满足机床自动对刀功能的要求，最好能使中拖板行程满足镗孔刀尖超过主轴中心40MM。我们将原机床丝杠的螺纹部分切去，与滚珠丝杠镶接，简化了改装工作量。螺纹部分切除前，需确定其长度。

（1）计算作用在丝杠下的最大动负载荷F

首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命计算出丝杠副应能承受的最大动载荷F

F=fgfgF F →最大动载荷（N） F →工作负载（N）

F →运转系数，一般运转取 1.2~ 1.5；有冲击的运转取1.5~2.5 F →硬度系数，HRC为60时为1；HRC<60时F 大于1； L→寿命以10 为单位1，如1.5就为150万转。 L=60Nt/10 N→滚珠丝杠的转速 t为使用寿命，取15000小时

工作负载的数值可用《机床设计手册》中的进给牵引力实验公式计算： 则车床丝杠的纵向轴向力

F=KgF﹢ｆ

F→切削分力；w移动部件重力（1300N） K考虑到颠覆力矩的影响的系数k取1.15

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则F =2471N

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f → 导轨摩擦系数取0.16

当车床以线速度100m/min,进给速度为f=0.3mm/r,车削直径为D=80 mm 的外圆时，丝杠的转速n= = =19.9r/min，则L= = =17.91万转。根据工作负载F ，寿命L，计算出滚珠丝杠副承受的最大动负荷，取f =1.2, f =1

F=fgfgF= ×1.2×1×2471=12548.8N

由F 查滚珠丝杠的产品样本选用丝杠的型号。查南京工艺设备制造厂的滚珠丝杠样本选择滚珠丝杠的直径为40mm,型号为CD40×6—Z5—E2，插管外循环双螺母垫片预紧及滚珠丝杠副。其额定动载荷为25970N，强度足够。参数如下：

公称直径40mm，基本导程6mm，钢球直径7.144mm，丝杠大径38mm 额定动负荷25.97kN，额定静负荷87kN 4 计算最大动负载C

选用滚珠丝杠副的直径d。时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100 万转(103×103﹚后。在它的滚到上不产生点蚀现象。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，可用下式计算∶

C?L?n?3LfwFm10660nT1000VsLo

式中 L—寿命，以103×103转为一单位； n—丝杠转速(r∕min);

V —为最大切削力条件下的进给速度(m/min),可取醉倒进给速度的1/2～1/3； L。—丝杠导程(ｍｍ)；

Ｔ—为使用寿命(ｈ)，对于数控机床取１５００ｈ；

ｆw—运转系数，见表３-１４。

表３-１４运转系数

运转状态 运转系数 无冲击运转 １.０～１.２

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一般运转 １.２～１.５ 有冲击运转 １.５～２.５

5计算最大静负载Ｃ。

当滚珠丝杠副在静态或低速(ｎ≤１０ｒ／ｍｉｎ﹚情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生塑性变形，当塑性变形超过一定限度就会破坏珠丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生这样大的塑性变形量时的负载称为允许的最大静负载Ｃ。

Ｃ。＝ｆｓＦｍａｘ

式中 Ｆｍａｘ—滚珠丝杠的最大轴向负荷，(Ｎ)；

ｆｓ—静态安全系数，当为一般运转时ｆｓ＝１～２，当有冲击或振动是，fs﹦2～3。

选用相应的滚珠丝杠副的额定静载荷C。＜C。a。 6 .传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率

??tan?tan?????

式中 γ—丝杠螺旋升角；

?摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003～0.004,其摩擦角约等于10′。 7 .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﹕

(1)丝杠的拉伸或压缩变形量δ1；在总的变形量中占得比重较大。可以用计算方法或查图表的方法决定。

1﹚计算法

先用下式计算滚珠丝杠受工作负载Fm的作用引起的导程L。的变化量 △L(mm)再计算滚珠丝杠总长度上的拉伸或压缩变形量δ1。 △L=±FmL。/EF

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式中 △L—在工作负载Fm作用下引起每一导程的变化量(mm)； Fm—工作负载，即进给牵引力(N)； L。—滚珠丝杠的导程(mm)；

E—材料弹性模数(N/mm2),对钢为20.6×103×10N／mm2; F—滚珠丝杠截面积(鞍内径确定) (mm2)。

“﹢”号用于拉伸，“-”号用于压缩。

再计算滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩的变形量δ1(mm) ﹐ δ1=△L/L×L 式中 L—滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm) 。

（2）效率计算：

根据《机械原理》的公式，丝杠螺母副的传动效率? 为Y0.3螺纹的螺旋升角，该丝杠为2.7349, 摩擦角为10, 则Y =0.94

（3）刚度计算

滚珠丝杠工作时，受轴向力和扭矩的作用，它将引起导程L 的变化，因滚珠丝杠受扭时引起导程变化很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程的变化两L（cm）为公式中S弹簧摸量，对钢S=20.6×10 N/cm ，F是滚珠丝杠截面积等于11.88cm 。“+” 用于拉伸时，“-”用于压缩时。则?L?6.06×10 cm，丝杠1米长度上导程变形总误差10.10μm/m，3级精度丝杠允许的螺距误差为15μm/m，故刚度足够。

（4）滚珠丝杠副螺母副支承形式的选择

按如何布置承受轴向载荷的轴承和结构简单由适合中小型车床的支承形式分，一般有下列两种。

a.“双推—自由”式，图A所示为“双推—自由”式原理图。这种方式是将两个方

向的推力都布置于一端。另一端为自由端。它适合于车床的横向进给丝杠；

b.“双推—支承”式，图B所示为“双推—支承”式原理图。与方式A不同的是在

另一端布置一盘或两盘向心球轴承。这种形式比较适合于中小型车床的纵向进给丝杠 7.定齿轮传动比计算

根据系统的脉冲当量0.01，选步进电机的步距角??0.75?则Y=1.25，取齿轮齿数

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8.步进电机的选择

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z =24，z=30 齿轮模数m=3mm.取齿轮传动时效率η=0.98

（1）负载转动惯量的估算 折算到步进电机轴上的转动惯量可按下式估算：

J?J??

J ——折算到电机轴上的转动惯量（ kg/cm ）

J ——齿轮z 的转动惯量（kg/cm ） J ——齿轮z 的转动惯量（kg/cm ） J ——丝杠的转动惯量（kg/cm ）

对材料是钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算：

J?7.8?10DL

D—— 圆柱零件的直径（cm）

L——零件轴向长度（cm）

所以 J＝7.8×10×4.8×1=0.414kg/cm

J=7.8×10×6×1=1.011kg/cm j=7.8×10×4×152=30.35kg/cm j=0.299kg/cm

J?J??=0.414+0.299=20.784

（2）负载转矩计算及最大静转矩选择 根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩 Ｔ＝2.05N.m

若不考虑起动时运动部件惯性的影响，则起动转矩Ｔ ＝ ,取安全系数0.3， 对于工作于三相六拍的步进电机 T = N/m .因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时，应满足快速空载启动时，所需转矩T的需求

T?T?T?T

T ——空载快速启动是所需的转矩（N/m） T ——克服摩擦所需的转矩（N/m）

T ——丝杠预紧所引起折算到电动机轴上的附加转矩（N/m） 当工作台快速移动时，电动机的转速n由动力学可知，

T?J?

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T =0.173N/m

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式中ε——角加速度，则T?J?=3.626N/m

式中F ——预加载荷，一般为最大轴向载荷的1/3，即F /3 则T?T?T?T=3.626+0.173+0.683=4.482N/m （3）步进电机的最高工作频率 f =3333.33HZ

根据计算综合考虑，查表选用110BF003型电动机。

第四章 数控系统硬件电路设计

4.1数控系统基本硬件组成

任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成，硬件是数控机床的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能，有了硬件，软件就能发挥作用。 机床数控机床的硬件电路概括起来又以下四部分组成：

（1） 中央处理单元CPU。CPU是数控系统的核心。

（2） 总线。包括数据总线（DB） 地址总线（AB）和控制总线（CB）。 （3） 存储器。包括只读可编程存储器和随机读写存储器。 （4） IO输入输出接口电路。

由于8031只有P1口和P3口部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。从附录H图H—2可以看出，系统扩展了一片8155和一片8255可编程I/O接口芯片。8155的片选信号CE接74LS138的Y0，8255芯片片选信号CS接到74LS138的Y2端。74LS138三—八译码器有三个输入A、B、C分别接到8031的P2。5，P2。6、P2。7，输出Y0~Y7 8个输出，低电平有效。Y0~Y7对应输入A、B、C的000至111的8种组合，其中Y0对应A、B、C为000，Y7对应A、B、C为111。74LS138还有三个使能端，其中2个（GA和GB）为低电平使能，另一个G1为高电平使能。吸有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。

I/O接口芯片与外设的连接是这样安排的：8155芯片PA0~PA7作为显示器段选信号输出，PB0~PB7是显示器的位选信号输出，PC0~PC4 5根线是键盘扫描输入。8155芯片的IO/M引脚接8031芯片的P2。0，因为使用8155的I/O口故P2。0高电平。

8255芯片PA0~PA6接X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器，为输出，PB0~PB7为三个方向的点动及回零输入，PC0~PC5为面板上的选择开头是输入，设有编辑、单步运行、单段运行、自动、手动I、手动II等方式。

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系统各芯片采用全地址译码，各存储器及I/O接口芯片的地址编码如表4—19所示： X向，Y向步进电机硬件环形分配器采用YB015，3—2相通电五相十拍方式工作，

故A0，A1引脚均接+5V，Z向步进电机配件环形分配采用YB014，是以2—3相通电四相八拍方式工作。A0、A1接高电平。三个芯片的选通输出控制E0分别接8255的PA0、PA3、PA5，清零R接8255的PA1，正、反转控制端分别接8255的PA2、PA4、PA6，时钟输入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以决定脉冲分配器输出脉冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补时不同的进给速度，可给8155芯片的定时/计数器中设置不同的时间常数。

表5 芯 片 2764（1） 2764 (2 ) 6264 8155 8255 RAM I/O 接74LS138引脚 Y0 地址选择线 000xxxxxxxxxxxxx 001xxxxxxxxxxxxx 010xxxxxxxxxxxxx 片内地址 单元（B） 8K 8K 8K 6 6 4 地址编码 0000H1FFFH 2000H3FFFH 4000H5FFFH ～～～Y1 Y2Y4Y410011110xxxxxxxx 1001111111111xxx 01011111111111xx 61009EFFH 9FF8H9FFDH 5FFCH5FFFH ～～Y2

作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作，存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据，IO输入输出接口是系统与外界进行交换的

桥梁。总线则是CPU与存储器，接口以及其它转换的纽带，是CPU与部分电路进行交换和通讯的必由之路。 数控系统的硬件框图为：

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图4-1

4.2 单片机控制系统的设计 1 向和X向进给伺服系统运动 2 键盘显示

3 自动转位刀架控制 4 螺纹加工控制 5 面板控制 6 行程控制

7其他功能 报警电路、急停电路、复位电路、光隔离电路、功能电路等。 4.2.1 硬件电路的组成

采用MCS-5系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下： a) 采用8031作CPU

b) 扩展了两片2764芯片、一片6264芯片 c) 两片8155可编程并行I/O接口。 d) CPU、存储器及I/O接口

CPU采用8031芯片，选用6MHz晶体振荡器。它的Po作为数据总线和地址共用。16位地址线由Po经地址锁存器74LS373提供8位地址A0?A7，高8位地址A8?A15由8031的P2口直接提供。ALE为地址锁存允许。PSEN为低电平时选通外部存储器（EPROM），相应的指令字节出现在EPROM的数据线（D0?D7）上，输入到Po口，8031将指令读入。RESET为复位控制，当RESET输入端出现高电平时，8031被初始化复位，在复位有效期向ALE、PSEN也输出高电平。当RESET输入端返回低电平后，CPU从O地址开始执行程序。（故设计中一定有一片2764芯片连到74LS138的Y0）设

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连，它们可同时复位。

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计中采用上电复位和开关复位。另外，两片8155的RESET也与8031的RESET管脚相

8031的T0是片内的定时器/计数器溢出中断申请，由主轴后面的光电编码器输入。当车床车螺纹时，主轴光电编码器向8031T0发出进给脉冲，用以控制不同导程的螺纹加工。光电编码器还发出一个零位螺纹信号，输入8155(1)的PB6，用以防止车螺纹乱扣。

8155(1)主要用于功能键的控制，刀架转位控制以及报警等。其中PA口为输入口，

PA0?PA5作为功能键的控制管理，刀架控制编辑、空运行、自动、手动

I，手动II和回

零。PB口也是输入口，PB0?PB4由面板上的按键分别控制起动、暂停、单段、连续、急停等功能。PB5是换刀回答，当自动转位刀架按指令转位、夹紧，刀架电机停转之后，发出此信号，开始执行进给指令。PB6接光电编码器输出的零位螺纹信号。PC口是输出口，PC0?PC3控制自动转位刀架四个刀位的选刀。PC4用于报警显示，系统正常工作时，输出低电平，绿色发光二极管亮，当系统出现异常情况时，输出高电平，经反向后，红色发光二极管亮，实现报警功能。

8155(2)控制步进电机，行程控制，以及键盘，显示电路。其中PA0?PA7为输出口，用于控制Z向、X向步进电机运转，Z向步进电机为五相，X向为三相。此系统采用软件分配。键盘显示电路为4?6键和6位显示器。PC0?PC5作为键盘的6条列线，是键盘扫描线，是输出口。PB0?PB3接行线作为键盘输入口。PC0?PC5是6位数码显示器的位选信号，8031的P1口是数码显示器的段选信号。PB4?PB7接越程限位控制电路，

当床鞍或拖板在Z向或X向越程时，即向计算机输入此信号，使进给系统停止。

表6 ：数控车床控制系统芯片地址分配

芯片

接74LS1 38引脚

Y0

地址选择线

片内地 址单元 8K 8K

地址编码

0000H-1FFFH 2000H-3FFFH

2764(1) 2764(2)

000xxxxxxxxxxxxx 001xxxxxxxxxxxxx

Y1

8

6264 8155(1)I/O

8155(2)

I/O

Y2 Y4

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010xxxxxxxxxxxxx 0110000100000xxx 1000000100000xxx

8K 6 6

4000H-5FFFH 6100H-6105H 8100H-8105H

Y4

第五章 数控系统软件设计

5.1 本数控系统软件设计任务

1.系统管理程序 2. 零件加工源程序的输入处理命令 3. 插补程序 4. 伺服控制程序5. 诊断程序 6. 机床的自动加工及手动控制程序 7. 键盘操作和显示处理程序 5.2进给伺服系统X轴与Z轴步进电机控制

数控机床的进给速度与加工精度、表面光洁度和生产率有密切关系。要求进给速度稳定、有一定的调速范围、启动快、停车准。在CNC系统中，可用软件或软件与接口配合实现进给速度控制。常见的有程序计时法、时钟中断法及V/ 积分器法等。在这里只介绍时钟中断法。时钟中断法只要求一种时钟频率，用软件控制每个时钟周期内的插补次数，以达到控制速度的目的。进给速度可每分钟毫米数给定。时钟频率选择：根据最高插补进给速度要求，并结合计算机换算的方便，可取一特殊的F（mm/min），使该速度下每个时钟周期进行一次插补。如取F=256mm/min，脉冲当量为0.01mm/l时： F=256mm/min=256×100/60=426.66l/s

取F=427Hz。这样对F=256mm/min时，恰好每次时钟中断作一次插补。因为Z轴步进电机的控制方法与X轴步进电机的控制方法一样，所以在此仅以X轴步进电机的控制为例说明。 5.3主轴电机的控制

目前，数控机床的主传动电机已经基本不再采用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机，它们已逐步被新型的交流调速电机和直流调速电机所代替。数控机床的主传动要求较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、

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加工精度和表面质量。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的。 5.4螺纹加工工作原理和加工程序

主轴脉冲发生器是为加工螺纹安装的主轴转速检测装置。解决螺纹精度和粗糙度，加工出高质量的螺纹是当前数控机床急需解决的问题。被采集的主轴脉冲发生器的脉冲N，经过8031单片机软件处理，转换成沿主轴方向进给的脉冲，通过步进电机推动刀架运动，完成螺纹加工

机床数控的控制对象，是使刀架按给定要求，沿不同坐标方向运动，完成预定加工。对螺纹加工说，只要把装有主轴发生器的旋转轴 和沿主轴Z运动的刀架，看成Z、 坐标系内的两轴联动，则螺纹加工就是解决 和Z的联动问题。当主轴脉冲数固定后，螺距不同，得到不同斜率的直线；转速不同，脉冲频率，只影响沿Z轴的进给速度，对斜率无影响；

在螺纹加工中，脉冲的到来是沿螺距方向进给的依据。螺纹加工的进给速度由脉冲的频率决定。因此，每来一个脉冲，做一次偏差计算，当F≥0时，进给⊿Z。因此脉冲的到来，标志 方向已进给了⊿ ，所以，F≥0进给⊿Z，并需继续进行偏差计算，直至F＜0，再等待下一次脉冲的到来。对于Z方向定义第一象限的进给是+⊿Z，可加工反螺纹。第二象限进给-⊿Z，加工正螺纹。

1.采用软件环形分配器控制步进电机运行 步进电机程序设计的主要任务如下： (1)判断旋转方向 (2)按相序确定控制字

(3)按顺序输入控制字即传送控制脉冲序列 (4)控制步数

本系统步进电机采用三相六拍工作方式，当电机A、B、C三相绕组分别接于8031的P1.0、P1.1、P1.2，其工作状态及控制字如表4-1所示，其中P1.0，P1.1，P1.2经光电耦合和驱动电路到A、B、C三相电机绕组。

2.手动操作移动溜板程序设计

在机床手动工作或自动加工启动前，常需手动移动溜板，使它到达指定位置。这对于零件加工的调刀特别有用。它相当于普通机床用手移动溜板，所不同的是不用手摇手柄，而是通过按键完成。键盘分板指令识别后，控制系统在软件功能指令下自动发出进

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程序说明如下：

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给指令，并记忆其移动位置。但要注意，该操作程序必须在主程序执行后才能起作用。

（1）设电机驱动子程序中2027H单元内存方向代码，2028H单元内存速度系数。 （2）使用该程序可使溜板按给定方向移动到指定位置，也可点动，分别由键处理程序调动。

（3）软件自动规定移动速度，按“9速”移动，即纵、横向分别以6.24mm/s和16mm/s的速度移动。

3.逐点比较法插补程序

软件插补方法分为两类：基准脉冲插补法和数据采样法。基准脉冲插补方式适用于以步进电动机为驱动装置的开环数控系统。基准脉冲插补在计算过程中不断向各坐标轴发出相互协调的进给脉冲，从而使各坐标轴作相应移动。基准脉冲插补的实现较简单，通常只需进行加法和移位就能完成插补计算。因此它较易由硬件实现，插补速度快。也可由软件实现，但插补速度和精度受限制，只适合于一些中等精度和中等速度的机床控制，通常为经济型数控系统。基准脉冲插补算法中较为成熟并得到广泛应用的是逐点比较法和数字积分法。以下介绍一下逐点比较法的工作原理和程序：

逐点比较法的基本原理：在刀具按要求的轨迹运动加工零件时，不断比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置，根据比较的结果决定下一步进给的方向，使刀具向减少误差的方向进给，且只有一个方向的进给。逐点比较法每进给一步都要经过四个工作节拍：偏差判别、进给、偏差计算、终点判别。利用逐点比较法可以实现平面内的直线和圆弧插补，插补误差被控制在一个脉冲当量之内，输出脉冲均匀且速度变化不大，因此在两坐标数控机床中得到较为普遍的应用。

4.直线插补

下面以第一象限直线为例说明。 实现逐点比较法直线插补可以采用硬件逻辑，也可以利用软件来模拟。软件插补灵活可靠，但速度较硬件慢，程序清单见附录8-7a。插补用到的各寄存器在内部RAM中的分配如图4-10a所示，其中判别值为绝对值， 、 和F为二进制补码，低位在上，高位在下，高位的D7位为符号位。

5.圆弧插补

现以第一象限逆圆插补为例说明，逐点比较法圆弧插补每进给一步也需要经过四个工作节拍。逐点比较法由软件实现圆弧插补，动点坐标修正和偏差公式中的乘2及加1

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运算用软件实现时几条指令即可完成，程序清单如附录8-7b。插补用到的各寄存器在内部RAM中的分配，其中终制值为绝对值， 、 、 、 和F为二进制补码，低位在上，高位在下，高位的D7位为符号位。

6.象限

（1）.插补与象限及圆弧走向的关系

前面均是以特例来讨论逐点比较法直线插补和圆弧插补的，所推出的偏差判别公式等仅适用于第一象限中的直线和逆时针走向圆弧。但是，对于不同象限中的线型，其插补运算公式和脉冲进给方向都是不同的，圆弧还受其走向的影响。

在一个坐标平面内，由于象限及圆弧走向不同，圆弧共有8种情况。若用R表示圆弧，用S表示顺时针走向，用N表示逆时针走向，四个象限分别用1、2、3、4标注，则可将这8种情况分别表示为SR1、SR2、SR3、SR4（四个象限的顺圆）和NR1、NR2、NR3、NR4（四个象限的逆圆）。直线情况较简单，仅因象限而异。若用L表示直线，四个象限还由数字1、2、3、4分别标注，则可将4种直线分别表示为L1、L2、L3和L4。

圆弧插补的8种情况和直线插补的4种情况的进给方式，对于各种情况的偏差计算公式不再一一推导。圆弧插补的偏差公式有两套，且公式形式相同。若采用坐标互换的办法，可将两套公式合并为一套公式。即在用第二套公式计算时，将X和Z的坐标值互换，使第二套公式变为了第一套公式的形式，实现合二为一。直线插补只有一套计算公式，只是各象限的进给方向不同。可将8种不同的进给方向归纳为两个分支，每个分支有两个入口，每个入口包含了有相同偏差公式的不同象限。

（2）.圆弧自动过象限

所谓圆弧过象限，即圆弧的起点和终点不在同一个象限内。为实现一个程序段的完整功能，须设置圆弧自动过象限功能。

首先应判别何时过象限。过象限有一个显著的特点，即过象限时刻正好是圆弧与坐标轴相交的时刻，因此在两个坐标轴中必有一个为零。这样，判别是否过象限只要检查坐标值是否为零即可。过象限后圆弧线型也改变了。但过象限时象限的转换是有一定的规律的。当圆弧起点在第一象限时，顺时针圆弧过象限的顺序是SR1 SR4 SR3 SR2 SR1，即每转过一次，象限顺序号减1；逆时针圆弧过象限的转换顺序则为NR1 NR2 NR3 NR4 NR1，每转过一次象限顺序号加1。

7.系统的初始化

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数控系统上电后，系统的各个部分可能处于随机状态，必须用初始化程序自动地完

成对CPU及其有关接口设置工作状态。对有关寄存器、存储单元设置初始值后，系统才能开始工作。图4-14是初始化程序设计的一般过程。

8.用户程序的输入处理程序

输入处理程序的任务是接收用户的零件加工程序，并将它转换为便于在加工过程中处理的数据形式。这样，在加工过程中只做实时性强的插补运算和控制调节等工作，从而提高系统的速度和精度。

输入处理程序将数控程序由键盘输入，逐行存于内存中。这个存储区叫源程序区，一个字母存于一个字节中，每一个数（BCD码0～9）都占一个字节。在加工时，控制软件将数控语句从N到LF将程序段读入到控制软件的工作区，工作区内各单元都对应一个代码和坐标单元，并且在读入程序过程中对数据进行十翻二处理。

9.零件程序的编辑和修改

当零件程序输入结束后，数据经输入处理程序存放到固定的数据区。为了保证输入数据的正确性，必须对数据进行检查，有错的进行修改、删除或插入等编辑工作。一般系统可以存储多个用户程序，每个程序前都加入一个程序号，以便编辑运行时检索。编辑修改程序由检索命令启动后，输入需检索的程序号，这时编辑修改程序就在零件程序中检索程序，并显示该程序，发现错误则进行修改，如删除、插入、改正、复制等工作。图4-16是编辑修改子程序框图。

（1）诊断程序

在绝大多数的CNC系统中，都配有一定规模的诊断程序，这也是CNC系统的一个重要特点。有了较完善的诊断程序（如存储器诊断，定时器、中断及可编程I/O的诊断等），就可以防止故障的发生和扩大，就是在出现故障时也可以及早查明故障类型及部位，以便迅速排除，减少停机时间。

（2）RAM的诊断

数控系统的监控程序固化在EPROM中，一般不会出错，但使用时间一长，也不能保证不出问题。当EPROM的窗口没封装好或者处于各种放射线的环境中，均有可能使EPROM中的信息发生变化，从而使系统运行不正常。EPROM中的故障常用“校验和”来诊断。“校验和”有两种方法：加法和，异或和。对程序块所有单元求校验和，并将和与原校验和值比较看是否相同，若相同则ROM正常，否则有故障。附录8-8a）是用8031指令

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编写的异或校验和程序，对0100H～0BFFFH的内容进行校验。0BFFFH中是原校验和。执行诊断程序后，若累加器中的内容不为零，则EPROM中有错。

（3）RAM的诊断

RAM存储器用于存储用户程序和数据。RAM的诊断有两种方法：破坏性诊断和非破坏性诊断。破坏性诊断是将一定的数据写入，然后再读出看是否相同，这样原数据就破坏掉了。非破坏性诊断是将原数据读出并保留副本，求反，写入，再读出求反，与原副本比较是否相同。附录8-8b）是对2000H～3FFFH进行诊断的测试程序。

（4）定时器的诊断

定时器在数控系统中占有重要的位置，在插补等很多功能中要用到定时/计数器，因此对定时器进行诊断显得非常重要。对定时器诊断一般采用定时方式运行，如能按时溢出，置位溢出标志，就可以基本上诊断无故障。附录8-8c）是8031的定时器T0诊断程序。 F0=0为通过，F0=1为有问题。

（5）急停程序

由于机床运动过程中的停止是任意时间，所以采用外部中断INT1来实现，这样减轻了CPU的负荷。本系统的外部中断采用低电平触发方式，用开关来实现。

（6）移动部件超界报警程序

机床运动可能超过规定行程，而损坏机床部件，为了安全可靠，对于一些重要参数，应具有上下限检查和报警功能。其方法是把采样并经过数据处理的参数，与上下限给定值进行比较，当确信已经超限后，进行声光报警，以便提醒操作人员，并采用相应干预措。数控车床只有X、Z两轴，设两个参数的采样值X1，X2分存放以SAMP为首地址的内存单元中，X1需上下限报警，X2需上限报警，3个上下限值MAX1，MIN1和MAX2分别存于30H～32H内存RAM中。

（7）键盘及显示程序

键盘处理及显示程序设计，是根据硬件结构而定的。硬件结构要求同时显示X轴和Z轴的坐标值：由8279进行键盘处理和显示X轴的坐标值，而由8255显示Z轴的坐标值。键盘的定义与识别是在一定的键盘扫描接口电路下，通过软件来实现。键值输入可采用查询方式，也可以采用中断方式，在本系统中采用中断方式。255A可编程并行I/O口扩展芯片通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成CPU与外围设备之间的信息交换。8255A显示编程方法与8279相似，在这就不介绍。

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能键用上档键。

（8）螺纹加工程序

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键盘功能分配：键功能（分上档键和下档键）。其中数字键0～F用下档键，部分功

车制螺纹是卧式车床的基本功能之一。车床要切削出合格的螺纹，必须保证工件转一圈，车刀沿Z方向进给一个螺距P。为了解决这个问题，决定在主轴尾步安装一个脉冲发生器。车制螺纹时，主轴每转一圈，脉冲发生器产生一个脉冲控制刀架向Z方向进给运动。

在设计的过程中必须解决以下三个问题：

①纹加工一般要经过几次切削才能完成，所以为防止乱扣，每次进刀的Z向位置相同；

②切制多头螺纹时，能正确分度； ③主轴每转一圈，车刀能精确移动一个螺距

第四章 滚珠丝杠副的设计和计算

4.1选择脉冲当量

步进电机是一种把电脉冲信号转变成直线位移或角位移的执行元件。对于每一个电脉冲步进电机都会产生一个恒定的步进角位移。每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角?bp(?/脉冲)，每脉冲代表电机一定的转角。这个转角经齿轮副和滚珠丝杠使工

作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行元件的移动距离，就称为脉冲当量或分辨率。记为?，单位mm/脉冲。

脉冲当量应根据机床或工作台进给系统所要求的定位精度来确定。考虑到机械系统存在传动误差，脉冲当量必须小于定位精度值。在此改造中，机床定位精度的设计要求是?0.015mm,根据该精度要求可以确定纵向传动系统的脉冲当量为?0.01mm。又因为横向进给系统的脉冲当量一般为纵向进给系统的一半，所以横向进给系统的脉冲当量为

?0.005mm。

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4.2计算切削力 4.2.1纵车外圆

主切削力Fz（N）按经验公式估算：

Fz?0.67D1.51.5max?0.67?400 ?5360N 按切削力各分力比例Fz:Fx:Fy?1:0.25:0.4可得：Fx?5360?0.25?1340N Fy?5360?0.4?2144N 4.2.2横切端面

主切削力F'z根据经验比较为纵车的0.5，所以

4—1）4—2）4—3） 8 （

（

（

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Fz?0.5FZ?2680N' （4—4）

''此时走刀力Fy，吃刀抗力Fx，仍按上述方法Fz:Fx:Fy?1:0.25:0.4计算，则：

Fy?2680?0.25?670NFx?2680?0.4?1072N'' （4—5） （4—6）

4.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型

由于我国现在已经有了生产滚珠丝杠副的专业工厂，因此，这次在改造中需要的滚珠丝杠就完全没有必要自己从头到来研制它，只应根据它的使用条件，承载能力和寿命等合理地选用符合需要的滚珠丝杠副就可以了。

现在选用滚珠丝杠副的方法比较多，但是通过比较和参考同类选用经验，如果还采用经验法或类比法来选用滚珠丝刚副，就容易出现选用不合理的现象，造成结构尺寸过大，增加驱动装置的负荷等缺陷。目前人们认为教合理的选用方法是按照滚珠丝杠的额定静载荷Ca0(其转速n?10r/min)和额定动载荷Ca0(其转速n?10r/min)及传动速比的要求来确定所需选用的滚珠丝杠副的公称直径dc和基本导程L0。如今各滚珠丝杠生产厂家都在他们所制定的结构系列表中列出了其各型号滚珠丝刚副的的额定静载荷和额定动载荷值。

从实际应用中可知，滚珠丝杠副的螺纹滚道在一定的轴向载荷作用下，经历一定的应力循环之后，就要产生疲劳点蚀现象。因此，当滚珠丝杠副在较高转速（一般转速

n?1000r/min）下工作时，应按其使用寿命选则基本尺寸，并校核其载荷能力是否超

过额定动载荷。当滚珠死杠副在低速（一般转速n?30r/min）下工作时，应按其使用寿命和额定静载荷两种方法来确定其基本尺寸，并选择其中较大的。当滚珠丝杠副在静载荷下工作时，则只需按额定静载荷选择其结构尺寸。 4.3.1滚珠丝杠轴向进给切削力的计算

因为横向导轨为燕尾形导轨，所以可用下公式计算：

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Fm?KF?f(Fz?G)?KFy?f(Fz?G) ?1.15?670?0.17?(2680?600) ?1328.1N—7）

（4

'''' 9

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试中 K——考虑颠覆力矩影响的实验系数，燕尾形导轨取K=1.15

f——滑动导轨摩擦系数，f=0.15～0.18。在此设计中取0.17。 G——溜板及刀架重力，G=600N

4.3.2滚珠丝杠的平均转速计算

最大切削力下的进给速度Vs (r/min),可取最高进给速度的1/2～1/3(取为1/2),横向最大进给速度为0.3m/min,丝杠导程选ph?6mm,则滚珠丝杠的平均速度为：

''n?1000Vs/ph?1000?0.3?0.5/6 ?25r/min4.3.3滚珠丝杠的寿命计算

滚珠丝杠的使用寿命取T?20000h，则滚珠丝杠的寿命为：

（4—8）

L?60nT/10?60?25?20000/10 ?30(10r)666 （4—9）

4.3.4滚珠丝杠副在高速和定工作载荷的情况下的选用

如前所诉，滚珠死杠副在高速或较高速的情况下工作时，它的失效形式主要是螺纹滚道或滚珠表面的疲劳点蚀。滚珠丝杠副抵抗疲劳点蚀的能力用额定动载荷表示。实验研究表明，滚珠丝杠副的额定动载荷与使用寿命的关系为：

?Ca?L??? （4—10）

F??式中 Ca——额定动载荷，N

3F——滚珠丝杠副的轴向载荷，N

6 Lg——滚珠丝杠副的额定寿命，10转

由上式可见，对于选定的滚珠丝杠副而言，它的使用寿命与其所承受的轴向载荷的三次方成反比，即它所承受的轴向载荷越大则其使用寿命越短。

对于在转速，和工作寿命时间T一定的条件下，滚珠丝杠副的总转速N为：

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N?60nT ?60?25?20000 ?30000000式中 n——平均转速，r/min

（4—11）

T——使用寿命时间，h

对应的工作寿命Lg为：

Lg? ? 60nT106?N10630000000106?30?10r?6 （4—12）

在生产实际中常以小时数表示额定的工作寿命，则得以小时计算的滚珠丝杠副的寿命为：

Lh?10Lg60n6?10?3060?25 （4—13）

6 ?20000h式中 Lh——工作寿命，h。各类机械对滚珠丝杠副的寿命要求，可以参照下表4—1 Lg——额定寿命，10转

表4—1各类机械对滚珠丝杠副的寿命要求及寿命系数

机械类别 普通机械 普通金属切削机床 数控和精密机械 测试机械和仪器 航空机械 寿命L（h） 5000～10000 10000 15000 15000 1000 寿命系数K 2.15～2.71 2.71 3.11 3.11 1.26 6 由上表和知选中的滚珠丝杠的寿命是合乎要求的。

在高速或定载荷的情况下滚珠丝杠的工作寿命Lg所对应的计算动载荷值Caj为：

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Caj? ?3LgFfw/fa?360nT106Fmfw/fa （4—14）

330?1328.1?1.2/1 ?4952.06N式中 Fm——滚珠丝杠副轴向进给切削力，N fw——运转系数，此处取1.2

fa——精度系数，丝杠副精度等级选3级，则精度系数为1

对于选用的滚珠丝杠副，其计算动载荷应满足下列条件：

Ca?Caj （4—15）

4.3.5滚珠丝刚副在受动载荷的情况下的选用

车床在运行过程中，难免存在一定的冲击振动，温度等因数也会引起硬度的变

化，这些都会对滚珠丝杠副的寿命产生影响，所以应对其进行计算。在此情况下滚珠丝杠副的计算动载荷值Caj可按下式计算：

CKhaj?K?KF?KH?Fm?3.11n1.1?1.2?1.56?1328.1 （4—16）

?7030N式中 Kh——寿命系数，参照表4—1选取。此处选Kh=3.11 Kn——转速系数，取Kn=1.1

KF——载荷性质系数，参照表4—2选取。此处选KF=1.2

KH——动载荷硬度影响系数，参照表5—3选取。此处选KH?1.56

F——轴向工作载荷，N

表4—2载荷性质系数

载荷性质 系数K 平稳或轻微冲击 1.0～1.2 中等冲击 1.2～1.5 教大冲击或振动 1.5～2.5 表5—3硬度影响系数

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硬度（HRC） 58 55 52.5 50 47.5 45 2.4 2.65 40 3.85 4.5 动载荷硬度影响系数 1.0 1.11 1.35 1.56 1.92 静载荷硬度影响系数 1.0 1.11 1.40 1.67 2.1 同在高速和定工作载荷情况一样，按使用寿命选用选用滚珠丝杠副尺寸系列时，其额定动载荷值Ca应等于或大于计算动载荷值Caj，即应满足下列条件：

Ca?(Caj?KhKnKFKHFm) （4—17）

4.3.6按额定静载荷选用滚珠丝杠副

滚珠丝杠副在低速（n?10r/min ）下工作时，其主要失效形式螺纹滚道或滚珠表面产生较大的塑性变形。而滚珠丝杠副抵抗塑性变形的能力用额定静载荷

Cao表示。当滚珠丝杠副的工作载荷是静载荷或其转速小于10r/min时，则应按额

定静载荷选用滚珠丝杠副的尺寸系列。其计算静载荷值Caoj应按下式计算：

Caoj?KFKHFm?1.2?1.67?1328.1 ?2662N' （4—18）

对于按额定静载荷所选用的滚珠丝杠副，应使其额定静载荷值Cao大于或等于计算静载荷值Caoj。即应满足下式：

'Cao?Caoj?KFKHFm （4—19）

式中 Cao——额定静载荷值，N

Caoj——计算静载荷值，N

KF——载荷性质系数，可从表4—2中查出 KH——静载荷硬度影响系数，可从表5—3中查出

'Fm——轴向工作载荷，N

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4.3.7滚珠丝杠副的选型

应该指出的是按上述3种情况选用的滚珠丝杠副的主要尺寸和预紧力Fp对滚珠丝

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杠副的传动特性是有一定影响的。

从滚珠丝杠副的尺寸系列表中可见，滚珠丝杠副的主要尺寸参数是公称直径d0和基本导程L0。上述的d0，L0的确定和所加预紧力Fp的大小对该丝杠副的传动特性，如刚度、传动精度、驱动力矩和使用寿命等均有密切的关系。因此，在选择滚珠丝杠副的系列尺寸时，需要加以全面的考虑。现就滚珠丝杠副的主要尺寸参数d0，L0和所加预紧力Fp对其刚度、传动精度、驱动力矩和使用寿命等的影响情况列表4—4中比较说明：

表4—4滚珠丝杠副的主要尺寸对其传动精度的影响

主要尺寸参数 刚度 位移 精度 公称 直径 基本 导程 预紧力 增大 减小 增大 减小 增大 减小 增大 减小 增大 减小 增大 减小 —— —— 降低 增高 增大 降低 增大 增大 减小 增大 —— —— 增大 减小 增大 减小 增大 减小 —— —— 延长 降低 降低 增高 惯量 驱动 力矩 寿命 根据上述的计算和分析结合滚珠丝杠副的尺寸系列或产品样本就可以初选滚珠丝杠副的型号了。在此次的改造中选用江汉丝杠厂的HJG—S系列滚珠丝杠副。该系列丝杠结构先进，性能良好。与老结构相比，轴向、径向尺寸都有明显的缩小，机械效率可达90%～95%，比梯形丝杠的效率提高了3倍左右。下表4—5就是截选自江汉丝杠厂的滚珠丝杠副的产品样本。

表4—5 HJG—S系列滚珠丝杠副的尺寸系

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结合上表综合考虑，2506—3内循环单螺母滚珠丝杠副，额定动载荷为12945N（满足式4—15和式4—17），额定静载荷29026N（满足式4—19）。

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4.3.8滚珠丝杠副的刚度验算

对于精密传动的滚珠丝杠副通常要进行刚度验算。而滚珠丝杠副的刚度主要取决于该滚珠丝杠副在载荷的情况下，丝杠的轴向变形?1，滚珠与滚道间的接触变形?2和支撑丝杠的轴承的轴向接触变形?3的大小。 4.3.8.1丝杠副的轴向变形量

滚珠丝杠副的轴向变形?1，当丝杠长度L较大时，它在滚珠丝杠副总的轴向变形量中所占的比重较大。其轴向变形量的大小与滚珠丝杠副的支承方式有很大关系。在此次改造中选用一端固定，一端浮动，三点支承的形式。

所以滚珠丝杠副的轴向变形量为：

?1??phphl?0.000056?310 （4—20）

?0.0026式中 ?ph——轴向进给切削力Fm引起导程的变化量

?ph?

FmphEA?1328.1?678.5?2.1?106 （4—21）

?0.00005 Fm——轴向进给切削力，N

E——滚珠丝杠材料的弹性模量，对于钢E?2.1?10 N/mm

A——滚珠丝杠的横截面积

62由于滚珠丝杠一端采用推力球轴承支承，又因滚珠丝杠进行了预紧，故丝杠的刚度可比一端固定的丝杠提高4倍左右。所以其实际变形量为：

??'114?1?14?0.0026?0.00065

（4—22）

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4.3.8.2滚珠与螺纹滚道间接接触变形

对于滚珠丝杠副，其滚珠与螺纹滚道在工作过程中会产生接触变形?2，该变形量在 总的变形量中也占有较大的比重。应该注意的是滚珠与螺纹滚道间接接触变形在有无预紧时的变形量是有很大区别的，在本次改造中因为滚珠丝杠要进行预紧，所以应按下式计算：

?2?0.0013 ?0.0013 ?0.0003FmdbFPZ?21328.13.6?442.7?29241 （4—23）

式中 Fm——轴向进给切削力，N

FP——预紧力，N（一般取Fm的1/3） db——滚珠直径，mm

db?0.6?0Lo?

0.?60 （4—24）

?3m.m6 Z?——工作螺母的滚珠数目。

Z??Z?j?k?19?3?3

?171k——列数

（4—25）

j——圈数

Z——一圈的滚珠数目

Z?

?d0db?3?3.14?253.6?3 （4—26）

?18.81其中一圈的滚珠数目不可能为小数，所以取整为19。

d0——滚珠丝杠的公称直径

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