（普通机床的数控改造）综合作业指导书 - 40902

《机电一体化专业》

《 综合课程设计》指 导 书

2012年2月20日

第一章、综合作业的 目的、要求和参考题目

第一节、综合课程设计的目的

综合课程设计是机电一体化工程专业教学中的一个实践性教学环节。是在学生学完技术基础课和专业课，特别是《数控技术及应用》课程之后进行的。是培养工程技术人员理论联系实际、解决生产实际问题能力的重要步骤，它起到毕业设计的作用。

机电一体化专业综合作业是以机电一体化的典型课题------数控机床的应用和设计为主线，通过对数控机床加工程序的编制、数控系统设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分设计、计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生综合运用所学的机械、电子和微机的知识，进行一次机电结合的全面训练。从而培养学生具有加，编程能力、初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机、电方面技术问题的能力。

第二节、综合作业的内容及要求

综合作业要求学生在全面了解一台数控设备的使用和设计过程的基础上，完成以下内容： 一、数控加工程序的编制

（1）零件工艺分析及确定工艺路线。 （2）选择数控机床设备。 （3）确定装夹方法及对刀点。 （4）选择刀具。 （5）确定切削用量。 （6）编制加工程序。

二、进给伺服系统机械部分设计计算 (1) 确定脉冲当量。

(2) 滚珠丝杠螺母副的计算和选型。 (3) 滚动导轨的计算和选型。 (4) 进给伺服系统传动计算。 (5) 步进电机的计算和选用。

(6) 设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。 三、单片微机控制系统的设计

（1）控制系统方案的确定及框图绘制。 （2）8031单片微机及扩展芯片的选用。 （3）1/O接口电路及译码电路的设计

（4）设计绘制一台数控机床单片微机应用系统电路原理图。

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第三节、综合作业的工作量

一、图纸部分

(1) 进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图 (A0图纸一张)。 (2) 单片微机应用系统电路原理图一张 (A1图纸一张)。 二、说明书部分 ·

说明书是综合作业整个设计计算过程的叙述说明，应包括以下内容: (1) 加工程序的编制及说明。

(2) 控制系统总体方案的分析及控制框图。 (3) 机械部分设计计算、结构设计说明。 (4) 硬件电路部分设计说明。 说明书应不少于8000字

第四节、考核方法、考核内容及成绩评定

一、考核内容

学生接到综合作业题目以后，首先必须仔细阅读本指导书的内容，以求对设计的内容和要求有一全面系统的了解，并熟悉书中及书后附录中的资料，然后再按照指导书的步骤逐项进行，应避免在没有消化理解资料的情况下生搬硬抄。 二、考核方法

学生在完成作业的每一项之后，必须由指导教师审核并签字盖章。 三、考核评定

学生完成全部作业后，统一由学校组织考核小组，对学生完成综合作业的情况，以 及对下述考核内容掌握情况评定成绩。 下面列出综合作业各部分的考核点：

l、进给伺服系统机械部分考核点 (1) 滚珠丝杠螺

母副如何预紧？

(2) 怎样保证滚珠丝杠螺母的螺母座与两端支承同心? (3) 滚珠丝杠所受的辆向力如何通过支承件传递到床身上? (4) 滚珠丝杠上的向心推力球釉承如何预紧? （5）齿轮传动副如何消除齿侧间隙? （6）消隙齿轮装配过程是怎样的? （7）步进电机在齿轮箱体上怎样定位? （8）滚动导轨怎样预紧?

3

(9) 贴塑导轨摩擦系数多少?应该贴在导轨的什么部位? (10) 各部件的配合表面应该采用什么性质的配合及精度等级?

(11) 设计和装配时，如何保证滚珠丝杠在垂直面和水平面内与机床导轨的平行度?

（12）在什么情况下需要对滚珠丝杠进行预拉伸?怎样进行预拉伸? 2、微机数控系统电路设计部分考核点 （1）各芯片名称及功能。 （2）8031的四个1/0口的功能。 （3）线选法地址译码方法。

（4）全地址译码方法及各芯片地址编码。 （5）扩展1/0口芯片口地址。\

（6）8155或8255可编程接口芯片各1/0口输入、输出情况及控制字。 （7）键盘及显示接口电路工作原理。

（8）扩展数据存储器及程序存储器地址范围？为什么必须允许地址重叠 (即独立编址)？ （9）步进电机环形分配器工作原理、硬件环配芯片备引脚的功能。 （10）光电隔离电路工作原理。 （11）高低压驱动电路工作原理。

（12）其他辅助电路，如越界报哲电路、复位电路、时钟电路系工作原理。 四、综合作业评分标准

综合作业成绩分优秀、良好、中等、及格和不及格五级分制。各级评分标准如下：

优秀：综合作业内容完整。按期完成任务。加工程序编制正确，进给伺服系统设计方案正确可行、论证充分，选用数据正确合理，计算准确，图面整洁，质量高，控制系统硬件线路设计合理。设计计算说明书整齐通顺、有条理。考核时对各部分考核点理解深透，能工确全面地回答问题。

良好：综合作业内容完整，按期完成任务。加工程序编制正确，进给伺服系统设计方案可行，论证较好，选用数据较合理、计算较准确，图面整洁、质量较高，硬件电路设计合理。说明书较通顺、整齐。考核时对各部分考核点理解较好，回答问题比较正确全面。

中等：综合作业内容完整，按期完成任务。加工程序编制基本正确，进给伺服系统设计方案基本正确，论证一般。选用数据基本正确图面质量较整洁、质量尚好。考核时，对各部分考核点问题有一定的理解，经提示后能正确回答问题。

及格：基本完成综合作业规定的内容。方案选择无原则性错误，说明书和图面比较粗糙，质量一般，存在一些错误，但主要部分基本符合要求，对考核点列出的问题理解不够经提示后只能回答部分主要问题。 不及格：没有按期完成综合作业规定的内容，方案选择有原则性错误，计算和图纸有重大错误。对考核

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点所列出的主要问题不能回答经提示后回答仍不正确。 若发现有别人代作综合作业者，取消参加考核的资格。

第五节、综合作业的参考题目

一、数控机床加工程序编制

以下题目所选用的数控车床或数控铣床可以按照例题中的经济型数控机床的规格参数去编程，也可以选用自己熟悉的数控机床去编程。

（1）如图l-l所示零件，毛坯为φ5mm棒料，材料为45钢，HBS=235，尺寸及表面粗糙度见图。试编出精加工程序单 （各表面留余量均为0.2mm）。

图 1-l

（2）如图1-2所示零件，毛坯为φ65mm棒料，材料为45钢，HBS=235，其全部加工(粗加工、半精加工、精加工)在数控车床上完成，试安排加工工艺路线，绘制刀具布置图，编制加工程序单。

R10 o M48×2 5×?42 90

图 1-2

（3）如图1-3所示零件，毛坯已按零件形状铸成铸件，材料为可锻铸铁，HBS=220一260。表面加工

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?60 20 40 ?48

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/直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。 二、伺服系统的选择：

伺服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。 三、执行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，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点:

1)、尽量采用低摩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。例如采用消除齿轮等。

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。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副等。 四、计算机的选择

随着技术的发展，用于机电一体化系统的计算机也发生着不断的变化，从单片机、DSP、PC机都可以使用，对于性能要求较高的系统，还可以采用多CPU结构；在总体方案设计时，就需要根据设备的要求，并考虑将来的改进，选定最合适的计算机，并不是越先进越好。

第二节 总体方案设计举例

例1、将普通车床改造成经济型数控车床。 1、设计任务

将CA6140普通车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率：纵向：0.Olmm,横向：O.0O5mm。 设计参数如下， 最大加工直径:

在床面上 40Omm 在床鞍上 2lOmm 最大加工长度: 10OOmm 快进速度：

纵向 2.4m/min 横向 1.2 m/min 最大切削进给速度:

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纵向 0.5m/min

横向 0.25了/min 代码制: ISO 脉冲分配方式: 逐点比较法 输入方式: 增量值、绝对值通用 控制坐标数: 2 最小指令值:

纵向 0.Olmm/脉冲 横向 0.0O5mm/脉冲 刀具补偿量： 0 – 99.99mm 进给传动链间隙补偿量:

纵向 0.l5mm 横向 0.075mm 自动升降速性能: 有 2、总体方案确定

(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、顺逆圆插补、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)、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，具有很高的性能价格比等特点，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、1/0接口及光电隔离电路、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，显示器采用两排数码管显示加工数据及机床状态等信息。 (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杠，为保证一定的传动 精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为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。

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系统总体方案框图见图3-1。

图1 经济型数控车床总体方案框图

第四章 机床进给伺服系统机械部分设计计算

伺服系统机械部分设计计算内容包括:确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起

动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下:

第一节、确定系统脉冲当量

一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.01—0.005mm/脉冲，经济型数控磨床经常采用脉冲当量为0.002—0.00lmm/脉冲。脉冲当量有时也由设计任务书中直接给出。

第二节、切削力计算

在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，常用的计算切削力的方法有：

1、用经验公式计算主切削力：简单而实用。 2、按切削用量计算切削力：较准确。 3、按照机床主电机功率计算：

上面介绍的按切削用量计算切削力虽然比较准确，但只能适用于加工某种工件的专用机床，对于通用机床的数控化改造或设计通用的经济型数控机床来说，切削用量选择的范围较大，这样将会导致切削力计算结

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果差别很大；这就需要按照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。

第三节、 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型

滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型: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，再计算和确定其他技术参数，包括:公称直径d。(或丝杠外径d)、导程L0、滚珠的工作圈数j、列数K、精度等级等。

滚珠丝杠副的计算步骤如下: 一、计算进给率引力Fm:

作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分 力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。

二、计算最大动负载C

选用滚珠丝杠副的直径d0 时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。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。 三、计算最大静负载C

当滚珠丝杠副在静态或低速 (n≤lOr/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滚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。 四、传动效率计算 五、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，因此应考虑引起轴向变形的各种因素。包括：

1、 的拉伸或压缩变形量δ1 在总的变形量中占的比重较大。

2、 滚珠与螺纹滚道间接触变形量δ

2 在总变形量中也占比较大的比重。

3、支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形量δ3。 4、滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量δ4。 5、螺母座及轴承支座的变形。

因此，滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算δ1、δ2和δ3之和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。 六、稳定性验算。

对已选定尺寸的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

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向弯曲 (失稳)的危险。

七、滚珠丝杠螺母副几何参数计算。

八、滚珠丝杠副的精度等级。

九、 滚珠丝杠副的标注方法。

滚珠丝杠副的种类、结构、计算方法和参数，可在网上查到，国内的生产厂家很多，常用的有：济宁丝杠厂、南京工艺设备厂等。

第四节、 滚动导轨的计算和选型

目前，滚动导轨在数控机床上的应用非常广泛，因为其摩擦系数小，f=0.0025-0.005;动、静摩擦系数

很接近，且几乎不受运动速度变化的影响，运动轻便灵活，所需驱动功率小,摩擦发热小，磨损小，精度保持性好,低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高。

滚动导轨的设计包括选择结构形式，确定预紧方式，计算和确定几何参数。 一、选择滚动导轨的结构形式

滚动导轨可分为滚动体不作循环运动的直线运动导轨和滚动体作循环运动的直线运动导轨两大类。 二、滚动导轨预紧方式的确定

常用的预紧方法有两种:采用过盈配合或采用调整元件， 三、滚动导轨几何参数的确定 包括：

1、滚动体尺寸和数目的选择

2、滚动导轨的长度 四、滚动导轨承载能力的计算

计算承载能力时，要求滚动体的最大载荷不得超过许用载荷，其计算步骤如下: (1)、计算最大载荷时所需原始数据

Fx、Fy、Fz: X、Y、Z坐标方向的切削力 (N); G： 运动部件 (包括工件)重力 (N);

Xp、Yp、Zp: 在不利的工作条件下切削力作用点的坐标 (cm); Xg、Yg: 运动部件 (包括工件)重心的坐标 (cm);

(2)、计算导轨所承受力矩：Mx、My、Mz

(3)、计算导轨反作用力A、B、C和滚动体的平均负载

(4)、计算导轨端部滚动体的最大负载 (5)、滚动体许用负载的计算

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五、滚动导轨的刚度验算。

滚动导轨应验算其接触刚度，即验算接触变形δ的大小。

第五节、 进给伺服系统传动计算

由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满

足负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足一走的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。

当机床脉冲当量滚珠丝杠导程L。确定以后，可以先初选步进电机的步距角，用下式计算进给伺服系统的传动比i：

i=(360δp)/(θbL0) 式中: δp : 脉冲当量 (mm/步); L。: 滚珠丝杠的基本导程 (mm); θ

b

: 步进电机的步距角。

第六节、 步进电机的计算和选用

选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯

量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，再根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。包括： 一、转动惯量计算

1、齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算。 2、丝杠折算到电机轴上的转动惯量。 3、工作台折算到丝杠轴上的转动惯量。

4、丝杠传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量。 二、电机力矩的计算

电机的负载力矩在各种工况下是不同的，须分别计算快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩和最大切削负载时所需力矩等几部分。

三、步进电机的选择

1、首先根据最大静转矩，初选电机型号。

必须特别注意，这样初选出来的步进电机型号并不一定能满足实际工作时的要求，也就是说，尽管最大

静转矩坞瞄数值能满足要求，但是并不能保证在快速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。 2、计算电机工作频率

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可以分别计算快速进给时步进电机的最大空载起动频率和切削时的最大工作频率。 3、校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。

步进电机由于本身性能的限制，其起动频率一般都较低，带负载时的起动频率约为数百赫芝。而数控系统要求的工作频率通常都远远大于起动频率。因此必须采用升降速措施。步进电机以较低的频率起动后，逐渐升速，以保证不失步，升速到规定的运行频率后，开始恒速运行，在到达终点前，要逐步降速，降到起动频率以下，以保证准确定位。升降速控制是由软件实现。在采用升降速控制以后，如果步进电机起动力矩还不能满足要求，还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左右。

国内生产步进电机的厂家很多，可在网上查到相关资料。

第七节、 进给伺服系统机械部分的结构设计

在对伺服系统进行了运动和动力计算，已选定滚珠丝杠螺母副规格型号，步进电机型号，降速齿轮几何参数之后，就可进行结构设计。对于经济型数控机床进给伺服系统设计和普通车床微机数控化改造设计中，应该注意以下问题:

一、尽量减少普通车床数控化改造设计时的改动量

对于普通车床数控化改造设计时在满足机床总体布局的前提下应尽可能利用原来的零、部件，尽量减少改动量。尤其是对机床上较大的部件，例如床身、床鞍、工作台等，尽量利用原来的部件，作少量的加工改造。这样可以大大的降低成本，缩短制造周期。

在进行经济型数控机床设计时，虽然结构尺寸不像改造设计那样限制严格，但也应参考同类型机床。在初步计算以后，再进行类比，使结构尺寸比较紧凑合理。 二、要求设计完整清楚的进给伺服机构装配图

在设计绘制进给伺服机构装配图时，要求视图完整，按一定的比例画出主视图，向视图和必要的剖面图。要能清楚完整地表达出装配图中每-零件的几何形状和尺寸，应能拆出零件图。图中需标出必要的尺寸和配合，例如:电机止口和箱体配合处，轴承外圈和箱体内孔之间，轴承内孔和轴之间均应标注尺寸和配合。 三、设计时注意装配的工艺性

在设计绘制进给伺服机构时，应注意装配工艺性，考虑到正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便。 四、要求标注清楚装配图的技术条件

绘制机械装配图时，应标注必要的技术条件。例如要求滚珠丝杠中心与导轨平行度在水平及垂直方向在全长上应小于0.O5mm(中型机床); 丝杠的轴向窜动量应小于0.Olmm，纵向进给丝杠两端的支承距安装基准面的尺寸应相同，以保证在水平面内丝杠与导轨平行度。而在垂直面内可利用安装螺钉的过孔调整，当丝杠与导轨平行度达到要求以后，再紧固螺钉并打上定位销。

五、消隙齿轮安装调整要方便。

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第八节、 经济型数控机床进给伺服系统设计计算实例

将-台CA6140普通车床改造成微机数控车床，采用MCS-51系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下: 加工最大直径: 在床面上 φ4OOmm 在床鞍上 φ21Omm 加工最大长度: 10OOmm 溜板及刀架重力: 纵向 800N 横向 600N 刀架快速速度: 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/Min 最大进给速度: 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min 主电机功率: 7.5kW 起动加速时间: 30ms 机床定位精度: ±0.015mm

此机床进给伺服系统运动及动力计算如下：

一、进择脉冲当量

根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向:0.01mm/步，横向:0.005mm/步(半径)。 二、计算切削力

1、纵车外圆

主切削力Fz(N)按经验公式估算:

Fz=0.67Dmax

1.5

=0.67 x 400 =5360

按切削力各分力比例: Fz:Fx:Fy=l:0.25:0.4

Fx = 5360 x 0.25 = 1340

Fy = 5360 x 0.4 = 2144

2、横切端面

主切削力Fz(N)可取纵切的1/2: F'z’

1.5

?12Fz?2680’

’

此时走刀抗力为Fy(N)，吃刀抗力为Fx(N)。仍按上述比例粗略计算:

18

Fz:Fy:Fx=1:0.25:0.4 Fy=2680 x 0.25 = 670 Fx=2680 x 0.4 = 1072

三、滚珠丝杠螺母副的计算和选型

(-)、纵向进给丝杠 1、计算进给率引力Fm(N) 纵向进给为综合型导轨：

’’

’’’

Fm?KFx?f'(Fz?G)?1.15?1340?0.16?(5360?800)?2530

式中： K－－考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K＝1.15; f' --滑动导轨摩擦系数:0.15--0.18; G ----溜板及刀架重力: G = 800N。

2、 计算最大动负载c:

c?3LfwFm

L?60?n?T

106n?1000?vs L0式中:L0 ——滚珠丝杠导程，初选L0=6mm;

vs——最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/2～1/3），此处vs＝0.6m/min； fw——运转系数，按一般运转取fw＝1.2～1.5； L——寿命、以10转为1单位。

6

n?L?1000vs1000?0.6?0.5??50r/minL0660?n?T60?50?15000 ??45661010C?3LfwFm?345?1.2?2530?10798.7N 3、滚珠丝杠螺母副的选型

可采用外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级选

3级。

4、传动效率计算

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??tg?

tg(???)0

式中：γ——螺旋升角，W1L4O0bγ=244'

φ——摩擦角取10'滚动摩擦系数0.003～0.004

tg?tg2044'????0.94

tg(???)tg(2044'?10')5、刚度验算

一般滚珠丝杠比较细长，它的刚度应该给与充分重视。

先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图。最大牵引力为2530N。支承间距L=15OOmm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。

图4-1、纵向进给系统计算简图 (1)、丝杠的拉伸或压缩变形量δ1

根据Pm=2530N,Do=4Omm, 查资料可查出δL/L=l.2﹡lO，可算出:

δ1=δL/L×1500=1.2×10×1500=1.8×10(mm)

由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量δ

‘1

-5

-2

-5

(mm)为:

?'1?1??1?0.45?10?2 4 (2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2

查资料W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量δQ

?Q?6.4?m

因进行了预紧，

?2??Q?121?6.4?3.2?m 2 (3)、支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3

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有许多书介绍高低压驱动电路，这里就不再多说了。 五、其他辅助电路 1、8031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。内部方式利用芯片内部振荡电路，在XTAL，、XTAL，引脚上外接定时元件，晶体可在1.2--12MHz之间任选，藕合电容在5--3OpF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式，可把XTA1直接接地，XTAL2接外部时钟源。时钟的稳定工作对系统可靠运行非常重要。 2、复位电路

单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现lOms以上高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从00OOH单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。图5-40所示为上电与按钮复位组合。在上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持lOms以上高电平，就能使单片机有效地复位。 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。如果是两坐标联动的数控系统，则有4个方向可能越界，即+x、-X、+Y、-Y。一旦某一方向越界，应立即停止工作台移动。图5-41a为报警信号的产生，图5-41b为报警指示。这里采用中断方式，利用8031的外部中断INTo，只要有任一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生中断信号INTo。为了报警，设置红绿灯指示，正常工作时绿灯亮，当越界报警时红灯亮。两灯均由一个1/0口输出。

4、掉电保护电路

半导体存储器RAM最怕掉电，一掉电里面存储的信息就全部丢失。在工业现场环境恶劣，掉电是难以避免的，能不能在掉电的情况下，保持住RAM中的信息呢?掉电保护电路就是为解决此目的而设计的。数控机床加工过程中，一些重要的现场参数，如几何尺寸，工

图5-3、越界报警电路

艺参数等都是存储在RAM中，一旦掉电，数据能妥善保存，恢复供电后又能马上运行。图5-4所示为一简单掉电保护电路的工作原理，图中V+为电源电压，VE为备用电池电压，并且V+＞VE，VCC存储器RAM的电源端，正常通电时，二极管D1导通，D2截止，RAM的工作电压由V+ 提供，同时，V+还通过电阻R对电池充电。断电后，

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D1 截止，D2 导通，此时RAM的工作电压由电池VE 经二极管D，和电阻R供给，VE值一般取＞3V时，存储器就能可靠地保持信号。

图5-4、掉电保护电路 图5-2、复位电路

第五节、 微机数控系统硬件电路设计举例

一、经济型数控铣床微机控制系统硬件电路原理图

采用MCS一五系列单片机组成的控制系统。铣床纵向、横向和垂直方向采用步进电机开环控制，三个坐标均采用硬件环形分配器。图5-44为该\统的控制面板。 1、控制系统的功能

(l)、X向、Y向和Z向的进给伺服运动 (2)、键盘显示

(3)、面板管理 (4)、行程控制

(5)、其他功能，例如光电隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示等。 2、CPU与存储器 （略） 3、1/0接口电路 （略）

4、其他辅助电路

此控制系统中设有越界报警和急停处理电路。士X、士Y、士Z方向的越界和急停信号经与门引入8031的P3.2中断源INT。，同时又接到8031的P1口，采用硬件申请中断和软件查询的方法，这样无论哪个方向越界都会引起中断，在中断服务程序中通过软件查询的办法，便可确定是哪个方向越界。当士X、士Y、士Z等某个方向越界时，相应的红灯亮报警，同

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图5-5、统的控制面板

时，中断服务程序应做出相应轴向的停止进给处理。

另外，还有上电和按钮相结合的复位电路、光电隔离电路和功率放大电路等。

二、C616普通车床微机数控化改装设计硬件电路原理图

用MCS-51系列单片机组成的控制系统，该系统扩展了2片2764芯片，1片6264芯片，2片8155可编程并行I/O口。

1、控制系统的功能

(l)、Z向和X向进给伺服运动。 (2)、键盘显示。 (3)、自动的转刀架控制。 (4)、螺纹加工控制。 (5)、面板管理。 (6)、行程控制。

(7)、其他功能:报警电路、急停电路、复位电路、隔离电路、功放电路等。 2、采用软件环形分配器

步进电机采用软件环形分配器，虽然运行速度没有硬件环形分配器快，但可以省掉两个硬环分配专用芯片，且电路比较简单。由于C616普通车床最大加工直径为p32Omm，规格比较小，故Z向进给系统采用13OBFOO1型步进电机，五相十拍方式工作，X向进给系统采用1lOBFO03型步进电机，三相六拍制方式工作。故由8155(2)

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的PA口输出。经光电隔离电路、功率放大电路直接驱动电机。

3、自动回转刀架的控制 当需要自动回转刀架换刀时，有8155（1）的PC0—PC3发出刀位信号，控制刀架电机回转，到达指定的刀位，刀架加紧以后，发出换刀回答信号，经8155（1）的PB5输入计算机，控制刀架开始进给。

4、螺纹加工的控制

当加工螺纹时，由与主轴相连的光电脉冲发生器发出螺纹信号，分别送入8031的T0和8155（1）的PB6。通过设置不同的时间常数来加工不同螺距的螺纹，零位螺纹信号是防止螺纹乱扣的。

第六节、数控机床控制程序

为了加深对微机数控系统硬件电路设计的理解，要求完成部分软件设计任务。内容可选择： 1、显示与键盘输入子程序。 2、直线、圆弧插补子程序等。

要求首先画出软件框图，在完成编码工作。程序应包括：变量定义、说明，硬件初始化、输入/输出等相对完整的内容。

设计参考资料：

1、 各种相关教材。

2、 各种机械设计、机电系统设计手册。 3、 机床课程设计图册。 4、 厂家产品资料。

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M?Mf?M0?Mt?Mf?M0??94?153?FxL02??i1340?0.6?94?153?127.96?375N?cm2??0.8?1.25

从上面计算可以看出，M起、M快、和M切三种工况下，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。

查资料，当步进电机为五相十拍时λ=Mq/Mjmax=0.951。 最大静力矩Mjmax= 881.5/0.951 = 927 N·cm。

按此最大静转距，150BF002型最大静转距为13.72 NM。大于所需最大静转距，可以作为初选型号，但还需要进一步考核步进电机的起动频率特性和运行矩频特性。

3、计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率

fk?1000vmax1000?2.4??4000Hz

60??p60?0.011000vs1000?0.6??1000Hz

60??p60?0.01fe?从资料中查出15OBFOO2型步进电机允许的最高空载起动频率为280OHz，运行频率800OHz。当步进电机起动时，f起=250OHz时，M = lOO N·m，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩(881.5N·cm)直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制(用软件实现)，将起动频率降到10OOHz时，起动力矩可增高到588.4N·cm，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 (二)、横向进给步进电机计算和选型

与纵向进给相同，此处略。

六、设计绘制进给伺服系统机械装配图

在完成运动及动力计算之后，己经确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机规格型号，以及齿轮齿数、模数。轴承型号之后，就可以画经济型数控机床总体布置图和机械装配图。图中应使用细实线表示原机床，粗实线表示改装设计部分。

改装包括：纵向进给部分拆去原机床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠，光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱、和滚珠丝杠螺母副。横向进给部分也用滚珠丝杠代替原来的滑动丝杠，并在大溜板的后面安装横向齿轮减速箱和步进电机。并把原来的方刀架取掉，装上自动转位刀架及微型电机。在主轴箱的后端用安装盘和挠性联轴节装光电脉冲发生器，作螺纹加工用。 装配时应保证丝杠与导轨平行，为使滚珠丝杠转动灵活、无阻滞现象，应保证滚珠螺母座与丝杠两端支承同心，利用垫片微调垂直方向的同心度，调整好以后打定位销。为消除齿轮侧隙，采用双薄片齿轮弹簧错齿调整法。

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第五章 微机数控系统硬件电路设计

第一节、 单片微机数控系统硬件电路设计内容

当前，在经济型数控机床控制系统中广泛采用美国Intel公同的MCS-51系列单片计算机，因此本章着重介绍用MCS-51系列单片微机构成的控制系统的设计内容、方法及步骤。 单片微机数控系统硬件电路设计包括以下几部分内容: 一、绘制系统电气控制的结构框图

根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。 数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。 机床硬件电路由以下五部分组成。 (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1/0输入/输出接口电路。

(5)外围设备。如键盘、显示器及光电输入机等。RAM

二、选择中央处理单元CPU的类型。'

在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素:

(1)、时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度。 (2)、可扩展存储器(包括ROM和RAM)的容量。 (3)、指令系统功能，影响编程灵活性。 (4)、1/0口扩展的能力，即对外设控制的能力。 (5)、开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。

此外还要考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。 目前在经济型数控机床中，推荐采用MCS-51系列单片微机作为主控制器。 三、存储器扩展电路设计

存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。程序存储器主要用于储存数控系统程序，而数据存储器用于存放用户加工程序，为保护用户加工程序，数据存储器必须有掉电保护功能。 在选择存储器芯片时，要考虑CPU与存储器时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。经济型数控机床的程序存储器和数据存储器的容量一般在64K左右。 在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。

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四、输入/输出接口电路设计

应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计，例如复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等。

此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括。

第二节、 专用接口设计

CPU工作原理、存储器扩展、接口芯片等内容再教材中一有介绍，下面仅就与数控有关的接口设计作一介绍：

一、显示功能设计

在数控系统中，为了与用户进行信息交流，必须具备显示功能；数控系统中使用的显示器主要有LED(发光二极管显示器)和LCD(液晶显示器)，也有采用CRT接口显示方式。经济型数控机床中，以使用LED显示为主；LED显示器通常它是由八个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的七段显示器有两种结构。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称有共阴极显示器。

在相关课程中，我们已经学习了LED显示器的原理和接口电路；对数控系统设计来说，主要是根据需要显示的内容，确定LED的类型、行数和每行位数：例如，为了显示X,Y坐标符号、正负号，就必须选者米字型LED，显示数字使用字符型LED；LED的个数确定与显示内容，特别是工作行程长度，最小单位等有关。

二、键盘输入功能设计

在数控系统中，键盘的主要功能是输入、编辑用户的加工程序，一般应包括：字母键、数字键和必要的编辑、运行键，如：X、Z、T、M、F、0--9、插入、册除、启动、停止等。键的具体个数，需要根据数控系统要求来确定。

三、步进电机接口及驱动电路

通常在经济型数据机床中，大多数采用步进电机开环控制。步进电机的角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速。驱动步进电机的脉冲需要按所要求的顺序供给电机各相。脉形分配器就是实现步进电机各相脉冲通电顺序的。为使步进电机正常运行并输出一定功率，需要有足够功率提供给电动机，因此需要有功率放大环节。脉冲分配器及前面的微机及接口芯片，工作电平一般为5V，而作为电动机电源的需符合步进电机要求的额定电压值。为避免强电对弱电的干扰，在它们之间应采用隔离电路。

1、脉冲分配器

脉冲分配器又叫环形分配器，有硬件环形分配器和软件环形分配器两种。硬件环形分配器需要的I/O接口接线数少，且执行速度较快，但需要专用的芯片。软件环形分配是用程序实现的。

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目前市场上提供的国产TTL集成脉冲分配器有硬件环形分配器三相、四相、五相和六相，其型号分别为YBOB、YBO14、YBOl5及YBO16，均为18个引脚的直插式封装。

各引脚功能说明如下:

E0---选通输出控制。控制脉冲分配器是否输出一定顺序的脉冲。

R----清零。在输出一定顺序的脉冲前，对脉冲分配器进行清零，以便使其正常工作。 A。、A1---- 励磁方式控制。确定通电方式，即选择通电相数和拍数。 E1、E2---选通输入控制端，决定控制指令起作用的时刻。 CP---时钟输入端，决定脉冲分配器输出脉冲的频率。 ∧---正转 (或反转)控制端，决定步进电机旋转方向。

S----出错报警输出。若某个端口控制信号出错或脉冲分配器运行错误时，该端口发出报警信号。

图5-1是采用YBO14硬件环形分配器的步进电机接口电路举例。从图中可以看出，每个步进电机分别由一个硬件环形分配器YBO14控制，工作方式设定在4相4拍，故A0、A1直接接地。两个输入控制端E1、E2均接地。所需旋转方向∧及输出控制信号E0分别由8031的P1。0、P1.1、P1.2和P1.4提供;时钟脉冲CP由8155的定时器提供;清零端R接8031的P1.5，以防乱相。

软件环形分配器在电路上不需要环形分配专用芯片，而是在微处理器中专门安排一个输出寄存器作为步进电机的控制寄存器，步进电机的每一相绕组都与这个寄存器中某一指定位相对应。寄存器中这一位为 \，对应绕组的通电状态;这一位为\，对应着相应绕组的断电状态。微处理器按照程序中规定的顺序，循环地向寄存器中写入各控制字节，从而使步进电机绕组按固定的规律，循环地通电或断电，步进电机便按照设定的方向转动。在电路上，步进电机的每-绕组需和一个1/0口相连(经光电隔离电路)，故占用的1/0口数量较多。

图5-1、步进电机硬件环形分配器接口

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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。由于步进电机需要W驱动电压较高 (几十伏)，电流也较大 (几安到几十安)，如果将1/0口输出信号直接与功率放大器相联，将会引起强电干扰，轻则影响计算机程序的正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电藕合器。

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要求，必须将它放大以产生足够大 的功率驱动步进电机正常运转。

从步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性可以看出，随着运行频率的增高，步进电机输出力矩 (即带动负载的能力)下降，这一现象产生的主要原因是:作为功率放大器负载的步进电机是电感负载。当改变通电状态时，通电绕组的电流将从零逐渐增大，该绕组中产生感应电势使电流按指数规律上升，并将电源一部分能量储存在 (电感)绕组中，电流的时间常数为： τi=Lm/R 式中 Lm------步进电机一相绕组的平均电感量;

R ------通电回路的电阻，它包括绕组电阻、功率放大器输出级内阻及串联电阻。

而断电绕组电流是下降的，这时存储于绕组中的势能将以电流形式释放出来，使电流按指数规律下降，其时间常数为：

τd=Lm/RD

式中 RD------放电回路电阻，它包括绕组电阻，续流二极管正向电阻等。

这样，就使得绕组中电流缓慢增加和缓慢下降，即电流波形前沿和后沿不陡，致使步进电机各相绕组电流几乎同时存在，所以步进电机负载能力下降，严重时会出现失步。

为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，使电流前、后沿更陡些。可采用以下几种方法: (1)、电阻法

从上面时间常数的计算公式可以看出，增大功率放大器负载回路的电阻R可以使电流上升的时间常数减小，从而使电流上升沿变陡。在步进电机绕组回路串联一个电阻R。。此时步进电机电流时间常数变为： τi=Lm/（R + Ro）

这种方法的缺点是，在串联电阻R。上消耗了一部分功率，降低了效率。故只适用于小功率步进电机。 (2)、双电源法

又称高低压驱动电路。其原理是:开始时先接通高压，以保证电动机绕组中有较大的冲。但步进电机额定相电压是规定的，不允许在高于额定电压下长时期工作。当电流上升到接近额定值时，再截断高压，由低压供电，以保证电动机绕组中稳态电流等于额定值。

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