C616数控机床改造

重庆大学本科/专科学生毕业设计（论文）

C616数控步进改造

学 生：===xch=== 学 号：===2008=== 指导教师：==gg== 助理指导教师：==y== 专 业：机电一体化

重庆大学机械工程学院

二O一O年十月

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 摘要

摘 要

本设计任务是对C616普通车床进行数控改造。

本次设计涉及到了C616机床的纵向进给系统、横向进给系统、步进电机、机床导轨、刀架以及改造后的使用问题。

利用微机对纵向和横向进给系统进行开环控制。纵向脉冲当量为0 .01/脉冲，横向脉冲当量为0.005脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。

由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能的减少，以降低成本。根据C616车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，经过一级齿轮降速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向和横向的进给运动。

关键词：C616，进给系统，数控改造，步进电机

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 目录

目 录

摘要???????????????????????????????????Ⅰ 1绪 论??????????????????????????????????1

1.1我国数控车床的发展和产业化的现状及当今世界数控车床的发展的趋势?????1 1.2 C616数控步进改造设计的目的及意义????????????????????2 1.3本设计的内容和任务???????????????????????????3

2总体方案设计?????????????????????????????5

2.1设计任务????????????????????????????????5 2.2总体方案确定??????????????????????????????5

3机械部分设计?????????????????????????????7

3.1进给系统的设计计算???????????????????????????7 3.1.1横向进给系统????????????????????????????7 3.1.2纵向进给系统????????????????????????????7 3.2传动计算???????????????????????????????7 3.2.1确定齿轮模数及有关尺寸???????????????????????8 3.3切削力的计算??????????????????????????????8 3.4滚珠丝杠的计算与选型??????????????????????????10 3.4.1机床丝杠进给牵引力?????????????????????????10 3.4.2疲劳强度计算????????????????????????????10 3.4.3横向滚珠丝杠螺母副几何参数的计算??????????????????12 3.4.4纵向滚珠丝杠螺母副几何参数的计算??????????????????13 3.4.5传动效率计算????????????????????????????13 3.4.6刚度验算??????????????????????????????14 3.5步进电机惯性负载的计算?????????????????????????15 3.5.1横向转动惯量????????????????????????????15 3.5.2纵向转动惯量????????????????????????????15 3.6步进电机的计算和选用??????????????????????????16 3.6.1步进电机力矩的计算?????????????????????????16 3.6.2步进电机的选择???????????????????????????18 3.7自动转位刀架设计????????????????????????????21

4控制系统硬件设计??????????????????????????22

4.1确定硬件电路的总体方案?????????????????????????22 4.1.1主控制器CPU的选择?????????????????????????22 4.1.2.存储器扩展电路设?????????????????????????22 4.1.3步进电机驱动电路设计????????????????????????25 4.1.4其它辅助电路设计??????????????????????????26 4.2机床数控系统硬件电路设计????????????????????????27

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 目录

5系统控制软件的设计?????????????????????????29

5.1系统控制功能分析????????????????????????????29 5.2系统管理程序设计????????????????????????????29 5.3直线插补程序??????????????????????????????30

结束语??????????????????????????????????33 致 谢???????????????????????????????????34 参 考 文 献???????????????????????????????35

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 绪论

1 绪 论

1.1我国数控车床的发展和产业化的现状及当今世界数控车床的发展的趋势。 随着科学技术的发展，现代机械制造耍求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高;机床作为机械制造业的重一要基础装备，它的发展一直引起人们的关注。由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，一导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床——数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加一工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩日，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多，产品更新换代加速。数控机床代替普通机床是一个必然的趋势。同时，数控机床将向着更高的速度、精度、一可靠性及完善性的功能发展。

目前，我国自主开发研制的机床产品基本满足了一些国家需要，并且在重型机床和超重型机床并多次创造出极限规格的世界之最。如我国已经制造出加工直径25m的超重型数控立式铣车床，镗杆直径320mm的落地式铣镗床，加工宽度为10m以上的数控龙门镗铣床，回转直径在5000mm以上的数控重型卧式车床等一批具有自主知识产权，而且技术水平已经接近世界先进水平的重型机床系列品。

近两年，我国重型数控机床发展最快，如重型数控龙门镗铣床，重型落地镗铣床，重型立、卧式车床等的年产量和市场消费量已居世界第一。重型机床发展之快速是我国电力、船舶、石化和矿山等重型设备制造大量需求直接拉动的反映。一批新产品如数控双龙门镗铣床、龙门车铣复合加工机床、动梁可交换工作台可换铣头五面体龙门加工中心等研制成功；关键技术，如静压导轨和静压轴承技术、同步控制和运动补偿技术、五轴联动技术、大功率双摆角铣头和重型回转工作台的技术攻关相继突破，标志着我国重型机床发展达到新的高度。

尽管我国机床行业在最近几年来有了长足进步，取得可喜的发展。但是绝大部分中、高档重型数控机床还是依靠进口，其中德国和意大利的产品较多，它们代表着世界先进水平。国内产品与国外产品在结构上的差别并不大，采用的新技术也相差无几，但在先进技术应用和制造工艺水平上与世界先进国家还有一定差距。新产品开发能力和制造周期还满足不了国内用户需要，零部件制造精度和整机精度保持性、可靠性尚需很大提高，尤其是在与重型机床配套的数控系统、功能部件，如刀库、机械手和两坐标铣头等部件，还需要境外厂家配套满足。

国内厂家尽管技术略逊于国外先进水平，但在制造能力和价格上有很大的优势，尤其是超重型机床已达到当代国际先进水平。我们相信，我国机床制造随着科技进步与艰苦奋斗的努力，一定会逐步缩小与世界先进水平的差距。

作为机械装备母机，机床制造业发展来源于其下游产业推动，机床行业下游产业主要有造船、工程机械、航空航天、汽车、铁路、电力设备、风电设备、动力设备、制冷设备和石化设备等。

随着我国航空航天业发展，势必带动促进装备制造业发展。由于航空航天工业产品零件具有耐高温、高强度、难加工、合金材料与复合材料多、复杂结构件多、工艺要求高等特点，要求机床加工设备向大型（重型、超重型）、高速、精密、复合、智能化趋势发展。航空发动机及其零部件加工需要大量高精度机床作支撑，发动机结构复杂，整体机匣、叶片加工需要多功能、高精度数控机床，如数控立车、数控精密镗床五轴加工心等。为此，航空航天业对机床要求高，加之欧美、日本等国外强势机床企业进驻与当前国际金融危机影响下不明朗的环境，应进一步加速推动国内机床调头向高端发展。

在能源领域，国内重型机械企业在为能源工业重大工程项目建设中发挥了关键作用，包括国家三大动力制造基地及其他发电设备制造厂的重大关键设备都由国内厂家提供。我国造船工业发展形势依然严峻，市场竞争愈加激烈。特别是接船难、交船难、融资难局面没有改变，而产能庞大、开工率不足及产品同质性太强，我国造船工业仍面临着结构调整和严峻考验，国际上主要造船国家激烈竞争，

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 绪论

因此，作为持续为船用柴油机、螺旋推进器、船用机械仪表、海洋工程、船台起重机等提供机械装备机床行业，需要装备的体积“个”越来越大，精密、复合、智能化性能越来越高。

汽车制造水平质量取决于装备水平，同时，汽车工业国际竞争力又取决于装备先进性制造成本。随着技术发展，汽车零部件制造工艺水平提升，对机床要求还会进一步提高。因此，需要机床具有复合性能，以提高工序集中为目标，尽量减少装夹次数，提高生产率和工作精度，并具有智能化，即计算机技术及应用软件在产品中的技术含量越来越高，如采用软件补偿技术提高精度，使机床的结构简化，远程控制、远程故障排除及维护成为可能。

综上所述，国内机床产品技术已趋成熟，与国外先进技术水平的差距正在逐步缩小，也将突破我国高档数控机床产品生产瓶颈，打破西方国家的垄断和制约，满足国防安全和国民经济建设的需要。国内制造能力已进入世界前列，而国外机床厂家的制造能力正在削弱。我们要以承担国家重点工程项目为契机，努力开发高档数控机床，为国产数控机床满足市场需求做出更大贡献。

1.2 C616数控步进改造设计的目的及意义

首先，对C616数控步进改造设计后能使其实现数控控制；让数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工；提升机床的加工精度、柔性、生产率和操控，实现计算机控制，排除人为误差，使零件的加工一致性好，质量稳定可靠；提升机床自动化程度，降低操作人员劳动强度。其次通过对C616普通车床进行改造能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论个有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；初步树立正确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。

C616普通车床进行数控步进改造后，机床的数控改造同购置新机床比拟一般可节省60%左右的费用，大型及特殊装备尤为明显,一般机床改造只需花新机床购置费的1/3。所以若将原有的C616机床进行彻底改造升级也只需破费购买新机床60%的费用。并且该机床能加工原先机床不能加工的复杂零件，同时还能能减轻劳动强度,改善劳动条件,节省人力,能降低劳动成本;并且还可以熟悉和了解设备，便于以后的操作维修。使之车床生产效率高,是普通车床的3～5倍;减少工装,减少人为误差,提高加工精度,具有广泛的适用性和灵活性;缩短新产品的试制和生产周期,易于组织多品种生产,使企业能对场需求作出快速响应。

1.3本设计的内容和任务

1.3.1将一台普通车床C616改造成一台经济数控车床； 1.3.2收集相关资料及图纸：

① C616车床的外观图 ； ②机械装配图 ；

③数控系统组成框图 ； ④数控系统电气原理图 ； ⑤部分软件设计。

1.3.3确定改造目标、C616车床的参数； 1.3.4编写开题报告； 1.3.5确定改造总体方案；

1.3.6确定机械改造方案（包括丝杆、导轨、传动装置的选型确定）

①确定系统脉冲当量； ②运动部件惯性计算； ③计算伺服电机参数；

④传动及导向元件的设计、计算、校核； ⑤其它相关零件的选型及计算。 1.3.7确定驱动系统改造方案； 1.3.8确定数控系统改造方案；

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 绪论

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 总体方案设计

2 总体方案设计

2.1设计任务

设计一个数控X-Y工作台及其控制系统，该工作台可安装在普通钻、铣床上用于钻孔或铣削加工。系统分辨率X：0.01mm，Y：0.01mm。系统分辨率X：0.01mm，Y：0.01mm。

设计参数如下：快速进给速度纵向X：2m/分；快速进给速度横向Y：2m/分；切削进给速度：0.3m/分；时间常数： t≤200ms ； 最大钻孔直径d=5mm；铣刀直径φ15mm，齿数Z=3；铣削最大余量αe=2mm；铣削最大深度αp=2mm；工作台加工范围X=320mm，Y=260mm。加工材料为铸铁；最大工件重量 80Kg。

2.2总体方案确定

2.2.1系统的运动方式与伺服系统

由于机床既能钻削又能铣削加工，故应采用连续控制系统。定位方式采用增量坐标控制。考虑到机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。钻头上下运动也由步进电机通过减速装置控制。

2.2.2计算机系统

本设计采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。

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、步进功率放大电路等组成。系统的工作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和工作状态等信息。 2.2.3改造后的C616的传动方式

将一台普通车床C616改造成一台经济数控车床，在纵向进给机械结构改造中，拆除原机床床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和滚珠丝杠螺一母副。为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式。齿轮间隙采用双薄片调隙方式。

利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杆仍安装在原来的位置，两端仍采用原固定方式:这样可减少改装的工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，且外径比原先的大，从而使纵向进给整体刚度只可能增大。 纵向进给机构都采用一级齿轮减速。双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙。因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载大时，弹簧弹力显小，起不到消除间隙之日的;当负载小时，弹簧弹力又显大，则加速齿轮的磨损。因此，采用定期人工调整、螺钉紧固的办法消除间隙。

在横向进给机械结构改造中，拆除原中拖板丝杆，安装滚珠丝杆副，为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端装止推轴承。步进电机、齿轮箱安装于机床后侧，为了使减速机构不影响走刀，同时消除传动过程的冲击，减速机构采用一级传动，从动轮采用双薄片错位消除问隙。

考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01mm的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。

数控改造机械部分方案如下：

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 总体方案设计

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 机械部分设计

3 机械部分设计

机械部分的改造设计重点是进给系统的结构设计。 3.1进给系统的设计计算 3.1.1横向进给系统

工作台重量 G1?400N 滚珠丝杠的导程 T1?5mm 行程 S1?190mm 脉冲当量 ?1?0.005mm 快速进给速度 Vx?1.5m/min 切削进给速度 vx?0.3m/min 时间常数 t?200ms

3.1.2纵向进给系统

工作台重量 G2?1000N 滚珠丝杠的导程 T2?10mm 行程 S2?640mm 脉冲当量 ?2?0.01mm 快速进给速度 Vz?3m/min 切削进给速度 vz?0.6m/min 时间常数 t?200ms

3.2传动计算 ???iT

360i——齿轮传动比；?—?——步距角；T——丝杠螺距。 式中 360?—脉冲当量；i??即 360 ?0.005360?2360?0.013601?T；i1???0.6i???0.48 2Z1T1 式中1.5Z?2?T21.5? 5所以ZZ2——大齿轮。i??1——小齿轮，Z纵120.6；i??0.48 i1?横1Z?2Z纵2Z横2经翻阅《机械设计》和计算得 Z横1?27,Z横2?45；Z纵1?24,Z纵2?50。

3.2.1确定齿轮模数及有关尺寸

因为传递的扭矩较小，取模数m?1mm，齿轮有关尺寸见下表： 纵向 横向 Z 24 50 27 45 d?mZ（mm） 24 50 27 45 26 52 29 47 da?d?2m （mm） 21.5 47.5 24.5 42.5 df?d?2?1.25m （mm）b?(d3~?6d)m （mm） 5 5 5 5 12a? （mm） 37 36 2

3.3切削力的计算

由《金属切削原理》知，车削时

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 机械部分设计

纵车外圆 横车外圆 xFzyFznFzCFzapxFyfyFyvnFyKFz 主切削力Fz?9.81CFyap切深抗力Fy?9.81xFxfyFxvnFxKFy CFxapfvKFx 走刀抗力Fx?9.81式中 Fz、Fy、Fx——主切削力、切深抗力 、进给抗力；ap——切削深度；v——切削速度(m/min)；f——进给量,取f?0.3mm/r； 若加工工件材料为灰铸铁则： KFz、KFy、KFx——切削力修正系数。查表得 主切削力Fz中CFz?92;xFz?1.0;yFz?0.75;nFz?0;KFz?0.4。 切深抗力Fy中CFy?54;xFy?0.9;yFy?0.75;nFy?0;KFy?1.0。 进给抗力Fx中CFx?46;xFx?1.0;yFx?0.4;nFx?0;KFx?0.8。 取f?0.3mm/r

0xFz1yFznFz0.75所以

zFzpFz

xFyyFynFy

Fy?9.81CFyapfvKFy 0.90.750 xFxFx?9.81CFxapf1yFxvnFx0K.4Fx 0

3.4滚珠丝杠的计算与选型

因为C616普通车床使用的是三角形和矩形综合导轨，由于本设计是把C616车床改造成经济型数控车床，所以在本设计仍然采用C616普通车床自身导轨。由于传统的导轨副的摩擦系数大，动摩擦系数随速度的变化而变化，摩擦损失大，低速时易出现爬行现象而降低运动部件的定位精度，因而本设计采用在原来的导轨上进行贴塑（贴聚四氟乙烯塑料导轨软带）处理，使之具有摩擦特性好、耐磨性好、减震性好等优点，其摩擦系数f'?0.03~0.05。 3.4.1机床丝杠进给牵引力

①由于机床横向采用的是燕尾形导轨，则

Fm?KFX?f'(FZ?2Fy?G)式中K?1.4;f'?0.04;

Fm1?KFX?f'(FZ?2Fy?G1)?1.4?669?0.04?(439?2?577?400)?1058N

②由于机床纵向采用的是综合性导轨，则

Fm?KFX?f'(FZ?G) 式中 K?1.15;f'?0.04;FX、FZ——切削分力 G——移动部件的重量。

'Fm2?KFX?f(FZ?G2)?1.15?669?0.04?(439?1000)?861N

3.4.2疲劳强度计算

滚珠丝杠的当量动负荷

Q?3Lf?fHFm 式中Fm为横向或纵向的牵引力。 经查询机械设计手册得 当其一般运转时，运转系数fw?1.2~1.5，本设计取fw?1.2；精度等级为3级时，精度系数 。

?920.3K?0.5?0.4F??99..8181Ca?3f?v?439N?9.81?54?3?0.3?0.5?1.0?577N?9.81?46?3?0.3?0.5?0.8?669N1000VMax60nT式中 ，其中fH? 1.1L ?n?610tVxmax?0.6Vx?0.6?1.5?0.9m/min；Vzmax?0.48Vz?0.48?3?1.44m/min 又因为使用寿命T?15000h，丝杠螺距t1?5mm，t2?10mm X向的最大进给vx?0.3m/min，Z向的最大进给vz?0.6m/min

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 机械部分设计

vxmax?0.6vx?0.6?0.3?0.18m/min；vzmax?0.48vz?0.48?0.6?0.288m/min

1000Vxmax1000?0.9??180r/min

t51000Vzmax1000?1.44n2???144r/min

t1060n1T60?180?150006L1???162(10转)

10610660n2T60?144?15000L2???129.6(106转) 661010横向丝杠的牵引力

PX?Fz?1.414f当G1式中f当——当量摩擦系数, f当?0.01

n1?PX?Fz?1.414f当G1?439?1.414?0.01?400?445N 纵向丝杠的牵引力

PZ?Fz?1.414f当G2式中f当——当量摩擦系数, f当?0.01

PZ?Fz?1.414f当G2?439?1.414?0.01?1000?453N

横向最大动负载 3QX?LfwfHPX?3162?1.2?1.1?445?3202N纵向最大动负载

33 Q?LffP?129.6?1.2?1.1?453?3026NZwHZ根据给定的有效行程和经济成本的考虑，X向选取MISUMI公司的

BSX1205-300，Z向选取MISUMI公司的BSX1510-750。

螺旋方向 精度等级 3 4 型式 丝杠Type 轴外径 12 BSX 15 螺距 5 10 指定单位mm Y 循环数 2.5圈1列 基本额定负载 LX 300 750 LX?70LZ?68C动CO静（KN） （KN） 3.74 4.4 4.9 7.9 右 1.5圈1列 F 15 P 8 A B T d d1 4.5 8 h 滚珠直径（cm） 4.4

滚珠丝杠预紧力（N?cm） 1.5~5 44 34 10 3.175 重庆大学专科学生毕业设计（论文） 机械部分设计

15 8 52 40 12 6 9.5 8 3.0以下 3.4.3横向滚珠丝杠螺母副几何参数的计算 名 称 符 号 公称直径 d0 螺距 t 接触角 ? 钢球直径 d? 螺纹滚道 螺纹滚道法面半径 R 偏心距 e ? 螺纹升角 螺杆 螺母 螺杆外径 螺杆内径 螺杆接触直径 螺母螺纹外径 螺母内径（外循环） d dl dz D D1 计算公式和结果 12 5 30? 3.175 R?0.52d??1.651 e?(R?d?t/2)sin??0.03 ??arctg?7.6? ?d0d?d0?(0.2~0.25)d??11.4 dl?d0?2e?2R?8.8 dZ?d0?d?cos??9.3 D?d0?2e?2R?15.2 D1?d0?(0.2~0.255)d??12.6 计算公式和结果 15 10 30? 3.175 'R'?0.52d??1.651 'e'?(R'?d?t'/2)sin?'?0.03 ?'?arctg?12? '?d03.4.4纵向滚珠丝杠螺母副几何参数的计算 名 称 符 号 ' 公称直径 d0 t' 螺距 接触角 ?' ' 钢球直径 d? 螺纹滚道 螺纹滚道法面半径 R' e' 偏心距 螺纹升角 ?' 螺杆 螺母 螺杆外径 螺杆内径 螺杆接触直径 螺母螺纹外径 螺母内径（外循环） d' 'dl 'dz D' ''D1 D1d'?d0?(0.2~0.25)d??11.4 ''dl?d0?2e'?2R'?11.8 ''dZ?d0?d?cos?'?12.3 'D'?d0?2e'?2R'?18.2 ''?d0?(0.2~0.255)d??15.6 ''由于丝杠的价格较高，一般按导程选取丝杠，由于丝杠长度一定，所以采用联轴器的方式来补偿其长度。在安装联轴器时，传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。这是因为同一联轴套上分布的锥孔都由同一方向加工时，往往会引起轴线的直线度误差增大，从而使安装在丝杠上各零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副的传动性能。连接方式如下：

3.4.5传动效率计算

?： 滚珠丝杠螺母副的传动效率tan???式中?——丝杠螺旋长升角；?——摩擦角，滚珠丝杠副的

'tan(?f???)100.003~0.004滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。 tan?tan6.057??0.97 所以??tan(???)tan(6.057?0.17)3.4.6刚度验算

滚珠丝杠受进给率引力Fm引起的导程T的变化量 FmT6?L??因为 E?20.6?10N/cm2EF

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 机械部分设计

dl2) 2d8.8F1??R2?3.14?(l)2?3.14?()2?60.8cm2

2'2d11.82F2??R2?3.14?(l)2?3.14?()?109cm2

22所以

FT1058?0.5?L1??m1???0.4?10?6cm 6EF120.6?10?60.8FmT21058?1?6?L2?????0.47?10cm 6EF220.6?10?109丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。 所以导程总误差100

???L100 100T?1??L1100?0.4?10?6?100?8?m/m

?60.5T?2??L21?0.47?10??5?m/m

T12查表得 丝杠精度等级为3级时，允许误差为12?m/m，丝杠精度等级为4

级时，允许误差为16?m/m，所以两根丝杠的刚度足够。

3.5步进电机惯性负载的计算

根据等效转动惯量的计算公式， L02?Z12?J?J?()(J?J)?M()?123总 ?Z2?2??式中： ； J总——折算到电机轴上的惯性负载（J1——齿轮 Z1的kg?cm2）转动惯量（ ）； ——齿轮Z2的转动惯量（ ）； ——滚珠丝杠22J3Jkg?cmkg?cm2M——移动部件与工件的质量（kg）的转动惯量（ ）；。

对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算 2kg?cm ( ) J?7.8?10?3D4Lkg?cm2式中：D——圆柱零件直径（cm）；L——零件长度（cm）。 所以

3.5.1横向转动惯量

J1?7.8?10?3?2.74?0.5?0.21 J2?7.8?10?3?4.54?0.5?1.6

?3Z?4?30?0.5 T12?J3?7.8?10?横11.22J总?J1?()(J2?J3)?M1()?则电机轴总转动惯量： Z横2?2???

270.52?? ?0.21?()2??(1.6?0.5)?40?()??1.6kg?cm23.5.2纵向转动惯量45?3 ?42?3.14?'2J1?7.8?10?2.4?0.5?0.13(kg?cm) 'J2?7.8?10?3?54?0.5?2.4(kg?cm2) 'J3?7.8?10?3?1.54?75?3(kg?cm2)

Z T?'?'则电机轴总转动惯量：''

J总?J1?(纵1)2?(J2?J3)?M2(2)2?Z纵2?2??

241???0.13?()2??(2.4?3)?100?()2??3.94kg?cm2 502?3.14??F??R2?3.14?(3.6步进电机的计算和选用 3.6.1步进电机力矩的计算

摩擦力矩 ?cm） Mf（N

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 机械部分设计

F0TM? f2??i

式中 ； F0——导轨的摩擦力 F0?f'(Fm?G)；T——丝杠导程（cm）

Z2

——齿轮降速比，按计 算； i?iZ1

??0.7~0.85?——传动链总效率，一般可取

'； f——导轨采用贴塑，摩擦系数一般为 f'?0.03~0.05Fm——进给牵引力； G——运动部件的重量；

FT10.04?(1058?400)?0.5?0.04?(861?1000)?1?4N?cm 所以 Mf?F0T'0i2451?Mf?2??2?3.14?0.7?50?8.1N?cm

2??i2 附加摩擦力矩 （N?cm2）M? 3.14?0.7?27024

FpoT2 M0?(1??0) 2??i式中 Fp0——滚珠丝杠预加负荷，一般取13Fm， Fm为进给牵引力；

； L0——丝杠导程（cm1）

?1058?0.5——滚珠丝杠未预紧时的传动效率，? .97。 ?0F10?0poT1223?861?1?T(1??0)?(1?0.97)?1.4N?cm 所以M0Fpo2??2i'23451??0)?M0?(1(1?0.972)?1.9N?cm 2?3.14?0.7?502??i2 2?3.14?0.7?2724空载起动时折算到电机轴上的力矩（ N?cm）nmax 2?nmaxMamax?2

Mamax?J总??J总?10?J总?10?2

6060ta式中 ； taJ总——传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量（kg?cm2）

2? ； ?——电机最大角加速度（rad/s2）

nmax——电机最大转速（r/min）,

；

V? nmax?max?b? ?p360，因ta——运动部件从停止起动加速到最大进给速度所需要的时间（s）

为ta=200ms； ——运动部件的最大进给速度（mm/min）；

步）——步进电机的步距角（ ； ?）?p——脉冲当量（?1max； vx?bmm/Vb.5300nmax?v????600?1.5?250r/min

'b360?250r/min nmax??1z?360?0.005?n2?nmax??2?2max?2?J0.01360360Mamax??J?10?J?10 总总总6060ta 2?nta2?3.14?250max'2??2?3.14?250Mamax'?J总'2?n?10?2?1.6?10?2?2.1N?cmmaxMamax?J总60ta?10?2?3.94?60?0.2?10?2?5.2N?cm60ta60?0.2

折算到电机轴上的切削负载力矩 Mt(N?cm) FT式中T ——丝杠导程（cm）； Mt?z Z22??ii?i——齿轮降速比，?——传动链总效率，； 一般可取??0.7~0.85 FzT1按计算439?0.5Z1Mt?FT?439?145?30N?cm 'zi22??1?2?3.14?0.7?Mt??48N?cm

502??i2 2?3.14?0.7?2724①横向

快速起动时所需力矩 M起?Mamax?Mf?M0即 M起?Mamax?Mf?M0?2.1?4?1.4?7.5N?cm快速进给时所需力矩 M快?Mf?M0即 M快?Mf?M0?4?1.4?5.4N?cm

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 机械部分设计

最大切削负载时所需力矩 M切?Mf?M0?Mt即 M切?Mf?M0?Mt?4?1.4?30?35.4N?cm②纵向

快速起动时所需力矩 M起?Mamax?Mf?M0即 M起?Mamax?Mf?M0?5.2?8.1?1.9?15.2N?cm快速进给时所需力矩 M快?Mf?M0即 M快?Mf?M0?8.1?1.9?10N?cm最大切削负载时所需力矩 M切?Mf?M0?Mt即 M切?Mf?M0?Mt?8.1?1.9?48?58N?cm

经过上述计算后，在 M起、 M切两种力矩中取其大者作为选择步进电机的依据。对于数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，负载力矩又大于加速力矩，所以 作为选择步进电机的依据。

M切

3.6.2步进电机的选择

目前经济型数控机床中大多采用反应式步进电机，因此在本设计中采用反应式步进电机。

①首先根据最大静转矩 Mjmax初选电机型号，由于步进电机的切削 转矩 Mjmax有如下关系： M切与最大静转矩 式中?的取值又有如下关系： M切?Mjmax

? 相三相 四相 五相 六相 数 步进电机 拍3 6 4 8 5 10 6 12 数 ??M起Mjmax 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866

在本设计中横向采用四相八拍的反应式步进电机，纵向采用五相十拍步进

'电机。 MM切35.458'??50.07N?cm；Mjmax?切??61N?cm 则 Mjmax??0.707?0.951

若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩为 MjmaxMQ? 0.3~0.5 Mjmax50.07'??167N.cm 取安全系数为0.3，则MQ?M61jmax'3~0.50.3?203N.cm MQ0.??0.3~0.50.3

②步进电机最高工作频率 横向

最大空载频率：

Vmax——最快进给速度，Vx?1.5m/min。为了保证不失步，采取降速措施。

Vmax?1.5?0.3?0.45m/min

1000Vmax1000?0.45f???1500Hz 空max60?160?0.005

最大切削频率：

。 vmax——最大切削速度，v x?0.3m/min vmax?0.3?0.3?0.09m/min

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 机械部分设计

1000vmax1000?0.09 f铣max???300Hz60?160?0.005

纵向

最大空载频率：

'Vmax——最快进给速度，Vz?3m/min。为了保证不失步，采取降速措施。

'Vmax?3?0.48?1.44m/min

1000vmax1000?1.44 f空max???2400Hz 60?260?0.01最大切削频率： ‘。 v vmax——最大切削速度，z?0.6m/min

' vmax?0.48?0.6?0.288m/min ’1000vmax1000?0.288 f切max???480Hz 60?160?0.01

所以根据以上数据，横向选取一个90BF001型步进电机，纵向选取一个90BF002型步进电机，电机的的相关参数如下： 主要技术参数 外形尺寸(mm) 重量步 最大静转最高空载电电型号 相 外长轴(N) 距 矩 启动频率压流数 径 度 径 角 （N?m） （Hz） (V) (A) 90BF001 1.5? 90BF002 1.5

由于只靠最大静转矩 Mjmax来选择步进电机不一定能满足实际工作时的要求，也就是说，尽管最大静转矩M 数值能满足要求，但是并不能保证在快速jmax空载起动和运行时不失步。所以还必须用起动矩频特性和运行矩频特性两条重要的性能曲线来检查所选步进电机的型号是否能满足要求。

通过对两个电机的起动矩频特性和运行矩频特性的分析，电机的转矩大于总转矩，并且M电/M?1.5~2，所以选择的这两个电机符合本设计要求。 C616装配图见 （图 A2）

3.7自动转位刀架设计

数控机床往往在一次装夹中完成多工序加工，因此必须带有自动换刀装置。自动换刀装置应满足换刀时问短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储存量、刀库体积小及安全可靠等基本要求。根据设计需求、CA616加工工序的复杂程度，本设计中将原有刀架全部拆除，改装为四方回转刀架。刀架的全部动作由液压系统通过控制电路控制电磁换向阀和顺序阀进行控制口它的动作分为四个步骤:

刀架抬起——当数控装置发出换刀指令后，液压油进入压紧液压缸的下腔，

3.92 3.92 2000 3800 4 80 5 80 7 7 90 145 90 145 9 9 4.5 4.5 重庆大学专科学生毕业设计（论文） 机械部分设计

活塞上升刀架体抬起使定位用活动销与固定插销脱开。同时，活塞杆下端的端齿轮离合器.与空套齿轮结合。

刀架转位——当刀架抬起后，液压油进入转位液压缸左腔，活塞向右移动，通过连接板带动齿条移动，使空套齿轮作逆时针方一向转动，通过端齿轮离合器使刀架转过 。活塞的行程应等于齿轮节圆周长的1/4，并由限位开关控制。 ?90刀架压紧——刀架转位后，液压油压紧液压缸上腔，活塞带动刀架体下降。

缸体的底盘上精确地安装着四个带斜楔的圆形固定插销，利用活动插销消除定位销一与孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体下降时定位活动销一与另一个定插销卡紧，同时缸体与压盘的锥面接触，刀架在新的位置上定位并压紧。这时，端齿轮离合器与空套齿轮脱开。

转位液压缸复位——刀架压紧之后，液压油进入转位液压缸右腔，活塞带动齿条复位，由于端齿轮离合器已经脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。

中央处理单元(CPU) 输入/输出 I/O接口 信号 变换 控制 对象 重庆大学专科学生毕业设计（论文） 控制系统硬件设计 外设 4.1确定硬件电路的总体方案（键盘、 显示器、打印机、 控制系统框图如下： 磁盘机等） 4 控制系统硬件设计

4.1.1主控制器CPU的选择

随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，MCS-51系列单片机是集中CPU，I/O端口及部分RAM等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。如目前应用最广的8位单片机8031，价格低廉，而性能优良，功能强大。从本设计的系统来看，选用8031单片可以获得较高的性价比。 4.1.2.存储器扩展电路设计 ①程序存储器的扩展

单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用EPROM芯片。其型号有：

2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为2K,4K,8K,16K,32K。在选择芯片时要考虑CPU与EPROM时序的匹配。8031所能读取的时间必须大于EPROM所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择2764芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。

单片机规定P0口提供8为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低８位的地址信息，一般采用74LS373芯片作为地址锁存器，并由CPU发出允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。

由以上分析，采用2732EPROM 芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示： P1.7 译码电路 ↓ CE P1.0 A12 G P2.4 ↓ ↓ P2.0 A8 74LS372 2732 ALE A7 P0.7 ↓ ↓ P0.0 A0 扩展2732电路框图 ②数据存储器的扩展 由于8031内部RAM只有128字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外PSENOE 的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态RAM数据存储器。本次设计选用6264芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展 D7 EA 电路如下所示： ↓ D0

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 控制系统硬件设计

扩展6264电路框图

③译码电路

在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于RAM和I/O容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。

④存储器扩展电路设计

8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。

该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路，

单片机外存储器扩展电路如下：

⑤I/O扩展电路设计

(a).通用可编程接口芯片8155

8031单片机共有4个8位并行I/O接口，但供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此要进行I/O口的扩展。8155与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。8155与8031的连接方式如下图所示

(b).键盘，显示器接口电路

键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用I/O口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。

数控系统中使用的显示器主要有LED和LCD。下图所示为采用8155接口管理的键盘，显示器电路。它有4X8键和6位LED显示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线及ＬＥＤ显示器的字位控制共用一个口，即共用8155的PA口进行控制，键盘的行线由8155C口担任，显示器的字形控制由8155的PB口担任。

键盘显示器接口电路如下所示：

4.1.3步进电机驱动电路设计 ①脉冲分配器

步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB015。

采用YB015硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下：

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 控制系统硬件设计

②光电隔离电路

在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下：

③功率放大器

脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。 4.1.4其它辅助电路设计 ①8031的时钟电路

单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。

内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在1.2~12之间任意选择，耦合电容在5~30pF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。

时钟电路

②复位电路

单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后CPU便从0000H单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与8031复位要求一致时，可以直接相连。当晶振频率选用6MHz时，复位电路中C取10μF,R取10KΩ。实用复位电路图如下所示：

③越界报警电路

为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至8031的I/O口Ｐ1.0。当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。8031可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至8031的外部中断引脚（INT0或INT1），采用中断方式检查越界信号。越界报警电路如下图所示

4.2机床数控系统硬件电路设计

该系统选用MCS-51系列的8031作为主控制器。扩展存储电路为一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器扩展为4K，数据存储器扩展为8K。

2732的片选控制端 CE直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU从0000H开始执行监控程序。6264的片选端 由译码器（74LS138）

CE的Y2输出提供。所以6264的空间地址为4000 ～5FFFH。

系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选端 接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令

CE寄存器及PA，PB，PC口的地址号分别为8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM区的地址为8000H—80FFH。

8155的A口为控制工作抬X，Y向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，不步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。

键盘与显示器设计在一起，8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB口的PB0—PB3为键盘的行线。8031的P1口为显示器的字形输出口。该系统采用4X6共24个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加74LS07进行驱动。

PB口剩余的I/O线PB4—PB7分别作为工作台+X，+Y，-X，-Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口，PC口设置为输出，PB口设置为

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 控制系统硬件设计

输入。计算机随时巡回检测PB4—PB7的电平，当某I/O线为0时，应立即停止X，Y向电机的驱动，并发出报警信号。

另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用7805三端集成稳压器设计。数控系统总的电气原理图见 图纸A4。

重庆大学本科/专科学生毕业设计（论文） 毕业设计

5 系统控制软件的设计

5.1系统控制功能分析

经济型数控车床的主要控制功能包括：

系统初始化。如对I/O接口8155、8255进行必要的初始化工作，预计接口工作方式控制字等。

输入和显示加工数据。

监视按键、键盘和开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能，并作相应处理。 自动加工控制。 空运行控制。 回零控制。

5.2系统管理程序设计

管理程序是系统的主程序。开机后即进入管理程序。管理程序的主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应该确定接受命令的形式、系统的各种操作功能等。如从键盘上接收命令则需要定义键盘上各键的功能。根据上述分析，设计管理程序流程图如下：

5.3直线插补程序

内存地址分配（设X0、Z0均小于128，即只需一个单元存放其值）

10H~17H：存放X电机环分表值（00H，01H，03H，02H，06H，04H，05H，00H）。 20H~27H：存放Z电机环分表值（00H，08H，18H，10H，30H，20H，28H，00H）。 28H：存放终点坐标X0。 2AH：存放终点坐标Z0。 2CH：存放总步数N。 2EH：存放偏差函数F1。

30H：进给方向标志字。第0位和第1位分别表示X轴和Z轴的进给方向，1为正向，0为负向。

31H：存有当前X环分表地址。 32H：存有当前Z环分表地址。

程序清单：

ORG 0000H

START： MOV SP ，#60H ；程序开始

MOV DPTR,#8000H ；置8155口输出 MOV A，#0DH MOVX @DPTR，A

MOV TMOD，#01H ；置计数器为工作方式1,16位定时器 MOV DPTR，#1000H ；设时间常数在1000H中 MOVX A，@DPTR ；送时间常数到定时器中 MOV TLO，A INC DPTR

MOVX A，@DPTR MOV THO，A

SETB EA ；开中断允许

SETB ETO ；允许定时器0中断 SETB TRO ；启动定时器 MOV 2EH，#00H ；Fi?0 MOV R0，2CH ；R0?N

重庆大学本科/专科学生毕业设计（论文） 毕业设计

MOV R5，31H ；R5?当前X地址表 MOV R6，32H ；R6?当前Z地址表

WAIT： JB EA，WAIT ；中断允许则返回

RET

中断服务程序：ORG 000BH ；定时器0中断服务入口地址

LJMP OE00H

ORG OE00H ；直线插补程序开始

INT： MOV A，2EH ；A?Fi

JB ACC.7，LOP1 ；Fi?0转 SUBB A，2AH ；Fi?Fi?Ze LOP1：LOP2：LOP3：STEPX：LOP5：LOP6：STEPZ：LOP7： DEC R6 LOP8： MOV A

MOV 2EH，A

LCALL STEPX AJMP LOP2

，28H MOV 2EH，A

LCALL STEPZ ，LOP3 CLR EA ORG OF00H ，30H JNB ACC.0 LOP5 INC R5 CJNE @R5，#00H，LOP6 MOV R5，#11H AJMP LOP6

CJNE @R5，#00H，LOP6

MOV R5，#16H ，@R5

ADD A，@R6 MOV DPTR，#8001H MOVX DPTR，A RET

OFA0H ，30H

JNB ACC.1，LOP7 INC R6 CJNE @R6，#00H，LOP8 MOV R6，#21H AJMP LOP8

CJNE @R6，#00H，LOP8 MOV R6，#26H

，@R6

ADD A，@R5

MOV DPTR，#8001H MOVX DPTR，A RET

；调环分子程序，X走一步 Fi?Fi?Xe

；调环分子程序，Z走一步

；没到达终点则转

；到终点则关中断

；X环分子程序开始

；取进给方向标志位

；反向进给转 ；取本次表地址 ；未到表底转

；赋正向表首地址 ；取本次表地址

；赋反向表首地址

；形成电机的新输出字 ；A口地址 ；输出 ；Z环分子程序开始

；反向进给转 ；取本次 表地址 ；未到表底转

；赋正向表首地址 取反向表地址

ADD A； DJNE R0 RETI

MOV A DEC R5 MOV A MOV A 重庆大学本科/专科学生毕业设计（论文） 毕业设计

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 结束语

结束语

需

要

作

修

改

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 致谢

致 谢

重庆大学专科学生毕业设计（论文） 致谢

参 考 文 献

[1] 数控工作室.程序编制. http://www.busnc.com.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/izsp.html