X5132型铣床横、垂直向进给系统经济型数控改造

摘 要

随着计算机技术的飞速发展，发展现代计算机化数字控制（CNC）机床，是当前机械制造业进行技术改造，技术革新的必由之路，是未来工厂自动化的基础。因此,这次对普通机床进给系统的数控化改造设计更显得重要。

第一部分是数控机床的概述，第二部分是进给系统的总体设计方案，第三部分是伺服进给机械部分设计计算，第四部分是控制部分的单片机原理及控制程序设计。

基于步进电机的机械改装减少了人的工作量，把手动转变成为电动。本次改造用了2个步进电机，分别控制机床2个方向（横向和垂向）的进给，通过齿轮或带轮带动滚珠丝杠轴向运动。

基于单片机控制的电子部分设计提高了工作效率和测量的准确度、可信度。该仪器采用了8031单片机。文中着重论述了原理的设计思想并给出了具体电路，然后阐明了系统软件的设计思想并给出了部分程序的流程图。

关键词：铣床，丝杠，步进电机，单片机，数控

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目录

摘 要 ............................................................................................................................ I 第一章 绪论 .................................................................................................................... 1 1.1数控机床的组成 ................................................................................................... 1 1.2数控机床的发展趋势 ........................................................................................... 2 1.3数控铣床改造的意义 ........................................................................................... 4 1.4本文主要内容 ....................................................................................................... 5 第二章 设计方案和基本方案的确定 ............................................................................ 6 2.1设计任务 ............................................................................................................... 6 2.2总体方案设计的内容 ........................................................................................... 6 2.2.1伺服驱动 ........................................................................................................ 7 2.2.2采用滚珠丝杠螺母副 .................................................................................... 7 2.2.3数控装置 ........................................................................................................ 7 2.2.4系统功能 ........................................................................................................ 7 2.2.5采用环形分配器 ............................................................................................ 8 第三章 伺服系统机械部分设计计算 ............................................................................ 9 3.1设计要求 ............................................................................................................... 9 3.2确定系统脉冲当量 ............................................................................................... 9 3.3纵向进给系统的确定 ......................................................... 错误！未定义书签。 3.3.1切削力的计算 .............................................................. 错误！未定义书签。 3.3.2纵向丝杠的选择 .......................................................... 错误！未定义书签。 3.3.3齿轮传动比计算 .......................................................... 错误！未定义书签。 3.3.4纵向步进电机的计算和选择 ...................................... 错误！未定义书签。 3.4横向进给系统的确定 ........................................................................................... 9 3.4.1横向丝杠的选择 ............................................................................................ 9 3.4.2齿轮传动比计算 .......................................................................................... 11 3.4.3横向步进电机的计算和选择 ...................................................................... 11 3.5垂向进给系统的确定 ......................................................................................... 14 3.5.1垂向丝杠的选择 .......................................................................................... 14 3.5.2同步带及带轮的选择 .................................................................................. 16 3.5.3垂向步进电机的计算和选择 ...................................................................... 16 第四章 控制系统硬件原理及其控制程序编制 .......................................................... 20 4.1主控制器 ............................................................................................................. 20 4.1.1主控制器及其选择 ...................................................................................... 20

II

4.1.2 MCS—51系列单片机介绍 .......................................................................... 20 4.2 MCS—51单片机的扩展 ...................................................................................... 22 4.2.1程序存储器EPROM的选择 .......................................................................... 22 4.2.2数据存储器RAM的选择 .............................................................................. 22 4.3地址分配及接线方法 ......................................................................................... 22 4.3.1地址分配 ...................................................................................................... 22 4.3.2 EPROM、RAM与8031连接方法 .................................................................. 22 4.4接口电路及辅助电路的设计 ............................................................................. 23 4.4.1接口电路的设计 .......................................................................................... 23 4.4.2辅助电路的具体设计 .................................................................................. 24 4.5控制系统程序编译 ............................................................................................. 27 4.5.1直线插补程序 .............................................................................................. 27 4.5.2圆弧插补程序 .............................................................................................. 29 4.5.3装代码子程序 .............................................................................................. 33 4.5.4环行分配器子程序 ...................................................................................... 34 致谢 ................................................................................................ 错误！未定义书签。 参考文献 ........................................................................................................................ 38

III

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第一章 绪论

1.1数控机床的组成

（1）CNC装置

计算机数控装置，既CNC装置，是CNC系统的核心，有微处理器、存储器、各种I/O接口及外围逻辑电路等构成，起主要作用是对输入的数控程序及有关数据进行存储与处理，通过插补运算等形成运动轨迹指令，控制伺服单元和驱动装置，实现刀具与工件的相对运动。对于离散的开关控制量，可以通过PLC对机床电器的逻辑控制来实现。

（2）数控面板

数控面板是数控系统的控制面板，各种数控系统的数控是不相同的，但大多数是共性或相似的。主要由显示器、手动数据输入键盘组成，又称MID面板。显示器常具有多个软功能键，用于选择菜单。按键除各种符号键和数字键外，还常设控制键和用户定义键等。

（3）可编程控制器PLC

可编程控制器PLC也是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，又称PLC或PMC，用于完成数控机床的各种逻辑运算和顺序控制。PLC还接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将有关指令送往CNC用于将过程控制。

（4）机床操作面板

机床操作面板主要用于手动方式下对机床的操作以及自动方式下对机床的控制或干预。其上有各种按钮与选择开关，用于机床及辅助装置的启停，加工方式的选择、速度倍率选择等。中小型数控机床的操作面板常带和数控面板做成一个整体，但二者之间与明显界限。数控系统的通讯接口，常设置在机床操作面板上。

（5）进给伺服系统

进给系统主要由进给伺服单元和伺服进给电机组成，对于闭环和半闭环控制的进给伺服系统，还应该包括位置检测防亏装置。进给伺服单元接收来自CNC装置的运动指令，经变换和放大后，驱动伺服电机运转，实现刀架或工作台的运动。CNC装置每发出一个控制脉冲，机床刀架或工作台的移动距离称为数控系统的脉冲当量或最小设定单位，脉冲当来量或最小设定单位的大小直接影响数控机床的

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加工精度。

在闭环和半闭环和半闭环伺服进给系统中，位置检测装置安装在机床上或伺服电机上，其作用是将机床或伺服电机的实际位置信号反馈给CNC系统以便为与指令相比较，用其差值控制机床运动，达到消除运动误差，提高定位精度的目的。

一般来说，数控机床功能强弱主要取决于CNC装置，而数控机床性能的优劣伺服驱动系统。

（6）主轴伺服系统

数控机床的主轴驱动与进给驱动区别很大，电机频率输出应为2.2~250kW;进给电机一般是恒转矩调速,而主电机除了有较大范围的恒转矩调速外，还有较大范围的恒功率调速，对于数控车床,为了能加工螺纹和恒切速功能，要求户轴和进给驱动能同步控制，对于加工中心，还要求主轴进行高精度准停和分度功能。因此中高档数控机床的主轴驱动都采用电机无级调速或伺服驱动。

（7）机床本体

数控机床的机械结构的设计与制造要适应数控技术发展，具有刚度大、精度高、抗振性强、热变形小等特点；由于普通采用了伺服电机无级调速技术，机床进给运动和主传动的变速机构被极大地简化甚至取消；广泛采用滚珠丝杠、滚动导轨等高小、高精度传动部件；采用机电一体化设计和布局，机床布局主要考虑有利于生产率的提高，而不象传统机床那样主要考虑方便操作；此外还采用自动换刀装置、自动更换工件和数控夹具等。

1.2数控机床的发展趋势

数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。

数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。我国的数控系统经过“六五”期间的引进，“七五”期间的数控系统开发，“八五”期间的数控应用技术研究以及“九五”期间的主数控系统软件开发应用，已逐步形成了以航天数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控系统产业。

（1）持续稳定发展

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近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟商品走向市场。

我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。

（2）存在三点不足

和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。 ①信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。

②产品成熟度较低，可行性不高。国外数控系统平均无故障时间在10000小时以上，国内自主开发的数控系统仅3000-5000小时；整机平均无故障工作时间国外达800小时以上，国内最好只有300小时。

③创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。

（3）当今发展方向

随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。

①高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时，新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力。

②智能化。现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速

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作出实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。

③基于CAD和CAM的数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成数控机床零部件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得，推动数控机床系统自动化的进一步发展。

④发展可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。新一代的数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。

1.3数控铣床改造的意义

企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通铣床已不适应多品种、小批量生产要求，数控铣床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对铣床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。

数控铣床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控铣床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控铣床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达±0.01至0.02mm，已能满足铣床改造后加工零件的精度要求。

普通铣床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控铣床的改造目的是要求机床稳定可靠，以尽可能低的故障率运转。普通铣床应用微机控

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制系统进行改造，可以提高工艺水平和产品质量，减轻操作者的劳动强度。

1.4本文主要内容

本次对X5132型铣床进给系统微机数控化改造设计，采用步进电机开环控制，带动滚珠丝杠副转动，从而使工作台进行进给运动。第二章确定设计内容和总体设计方案；第三章进行伺服系统机械部分设计计算，确定出2个方向伺杠和电机的型号；第四章是铣床改造设计控制部分的硬件原理、控制心片的选择和控制部分程序设计。

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第二章 设计方案和基本方案的确定

2.1设计任务

（1）进给伺服系统设计计算

此部分为机械部分，它包括脉冲当量的确定；滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型；进给伺服系统的传动计算；步进电机的计算和选用；设计并绘制总装配图，其中包括横向，纵向工作台和垂直向升降台。

（2）单片机控制系统设计

此部分包括设计并绘制控制系统图，编写直线差补程序和圆弧差补程序。

2.2总体方案设计的内容

光 电 功率 X向

微 隔 离 放大 电机 工 作

台

执光 电 功率 Y向 行隔 离 放大 电机 元 件

光 电 功率 Z向机 隔 离 放大 电机

图 2-1 系统总体框图

机床数控系统总体方案的拟订应包括以下内容：

伺服系统的选择，执行机构及运动方式的确定，控制芯片的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出几个总体方案，进行综合分析，比较和论证，最后选出一个合理的总体方案。

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2.2.1伺服驱动

步进电机是一种特殊结构的电机,它利用通电激磁绕组产生反应力矩，将脉冲电信号的能量转换为机械位移的电机执行元件。当激磁绕组按一定规律获得分配脉冲时，步进电机的转子就会转动。转子转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的比例关系，而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动的速度和位移量。

步进电机的优点是结构简单，电气控制和驱动电路也简单，体积小，重量轻，价格便宜，设计制造较简单，容易调试，使用维修方便。位移精度较好，对各种干扰因素不敏感，结构误差不会累积。另外，电机时间常数小，反应快。但步进电机也有缺点，主要是容易丢步，启动频率低，工作效率也不够高，低频时振动大，可能造成失误，因此步进电机多用于负载较小，负载变化不大或要求不太高的经济型简易型数控设备中。

综上所述，综合了成功率，技术难度，精度和投资等因素，决定选用步进电机开环伺服驱动。 2.2.2采用滚珠丝杠螺母副

采用滚珠丝杠螺母副传动结构,具有精度高,效率高,寿命长,低能耗,摩擦系数小,较高紧凑,通用性强等特点。 2.2.3数控装置

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

数控系统的核心是微机，其它装置均在微机的控制下进行工作。系统的功能和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度，字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。本设计采用的是MCS—51单片机，并扩展2片2764芯片，1片6264芯片，3片8155可编程并行I/O等组成的控制系统。 2.2.4系统功能

（1）横向，垂直方向进给伺服运动。 （2）行程控制 （3）键盘控制

（4）功能：报警电路，复位电路，隔离电路，功放电路等。

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2.2.5采用环形分配器

本系统采用软件环形分配器。由于铣床三个方向的三步进电机均为三相，所以直接与8155（2）的PA口再加上8155（3）的PA口相接就可以了，经光电耦合电路，功放电路驱动电机。

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第三章 伺服系统机械部分设计计算

3.1设计要求

将X5132立式铣床改造成微机数控立式铣床，采用MSC—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。

主要设计参数如下： 机动范围：320mm 加工最大长度：350mm 快进速度：纵向 ： 2.4m/min

横向 ： 2.4m/min 垂向 ： 0.78m/min

切削速度：0.06m/min 定位精度：0.015mm/300mm 移动部件重量：纵向 ： 1000kg

横向 ： 450kg 垂向 ： 1000kg

加速时间：30ms 机床效率：0.8

X5132立式铣床进给伺服运动及动力计算：

3.2确定系统脉冲当量

经济型数控车床铣床常用的脉冲当量是0.01-0.005mm/脉冲，取0.01mm/脉冲。

3.3横向进给系统的确定

3.3.1横向丝杠的选择

（1）计算进给牵引力Fm 导轨类型为矩形导轨

Fm?KFx?f?(Fz?2Fy?G)?1.1?1380?0.15(2208?3790.4?450?9.8)

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=3079.26 N

式中：f'—导轨上的摩擦系数0.15

G—移动部件重量

（2）计算最大负载C 丝杠转速n

n?1000?vsL0?1000?0.06=10r/min 6寿命L

60?n?T60?10?15000??9 L=661010最大动负载C

C?3L?fw?Fm=39?1.2?3079.26?7685.8N （3）滚珠丝杠的初选

初步选择滚珠丝杠直径?35，螺旋升角r?3?7?，导程L0=6 mm （4）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率η

??tanrtan3?7? = = 0.9511

??tan(3?7?10)tan(r??)（5）刚度验算 滚珠丝杠横截面积F

?d??35?F??????????961.625 mm2

?2??2?在工作负载Fm的作用下引起导程L0的变化量?L

?L?22Fm?L03079.26?6?0.0933 μm ?4E?F 20.6 ?10 ?961.625滚珠丝杠总长度上的变形量?1

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0.0933?10?3?L?400?0.0062 mm ?1??L?6L0变形量?总?3?1?3?0.0062?0.0187 mm

一端固定,一端自由的总变形量为0.0187mm/400mm，满足定位精度±0.015mm/300mm。

（6）稳定性校核 无需进行稳定性校核。 （7）滚珠丝杠副螺母的选型

考虑数控铣床的结构、精度和以上的计算，查阅《THK精密滚珠丝杠副》可采用BNF3606-3型弯管式单螺母滚珠丝杠副，额定动载荷为Ca=12.5 KN。 3.3.2齿轮传动比计算 丝杠传动比i

i??b?L00.75?65? ?360??p360?0.014?b—步进电机的步距角（初选）?b?0.75

根据实际结构要求，齿轮齿数取：Z2?30，Z1?24。因为进给伺服系统传递的功率不大，一般取模数m?1～2，数控铣床可取m?2。

表3-2 横向传动齿轮几何参数

齿数 分度圆直径d?mz 齿顶圆直径齿根圆直径齿宽 中心距 da?d?2m 52 64

df?d?2.5m 43 55 20 20 54 Z1 24 30 48 60 Z2 3.3.3横向步进电机的计算和选择

(1)转动惯量的计算

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齿轮z1的转动惯量

J1?0.78d14L?10?3 kg·cm2

L?b?20mm，d1?48mm

J1?0.78?4.84?2?10?3?0.828 kg·cm2

齿轮z2的转动惯量

4J2?0.78d2L?10?3 kg·cm2

L? 20 mm ，d2?60 mm

J2?0.78?64?2?10?3 = 2.022 kg·cm2

主轴的转动惯量

Js?0.78?3.54?40?10?3=4.682 kg·cm2

折算到电机轴上的转动惯量：

?z1?J?J1???z???2?2?GL02??24?J?J?()?0.828???s?2?g2??30???22??0.6???? ?2.022?4.682?450??2??????=7.75 kg·cm2

其中： J1—齿轮z1的转动惯量

J2—齿轮z2的转动惯量

Js—主轴的转动惯量 (2)电动力矩的计算

传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量J?

J?=J+Jm=7.75+4.1=11.85 kg·cm2

其中：Jm—电机转子转动惯量,初取为4.1 kg·cm2

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主电机最大转速nmax?1000?vk=400r/min L0起动加速时间 ta?30 ms

空载起动时折算到电机轴上的加速力矩Mmax

Mmax?J?2?nmax2??400?2?10?2?11.85??10?165.37 N·cm ?360ta60?30?10工进时折算到电机轴上摩擦力矩Mf

Mf?F0L0f??FZ?G?L00.15?2208?450?9.8?0.6???79.78 N·cm 2??i2??i2??0.9511?1.25由于丝杠预紧时折算到电机轴的附加力矩M0

1?3097.26?0.6Fp0L023(1??0)?1?0.92?15.67 N·cm M0?2??i2??0.9511?1.25??折算到电机轴上的负载力矩Mt

Mt?FtL0?0.6??110.9 N·cm 2??i2??0.9412?1.25① 快速空载起动时所需力矩M起

M起=Mmax?Mf?M0=165.37 + 79.78 + 15.67=260.82N·cm= 2.608N·m ② 快速进给时所需力矩M快

M快?Mf?M0= 79.78 + 15.67 = 95.45 N·cm=0.9545 N·m ③ 最大切削负载时所需力矩M切

M切?Mf?M0?Mt=79.78 + 15.67 + 110.9 = 206.35N·cm= 2.0635 N·m

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从上面的计算可以看出，在M起、M快、M切三种工况下，快速空载起动所需力矩最大，此项为初选电机的依据，从表中查出，步进电机为三相六拍时，

??M起/Mjmax?0.866

最大静转矩Mjmax?M起/??2.608/0.866?3.012N·m

按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，110BC380D型最大静转矩转矩为5.5 N·m，大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。

（3）计算电机工作频率 步进电机快速运行 fq?1000vmax1000?2.4??4000 Hz

60?p60?0.011000vs1000?0.06??100 Hz 60?p60?0.01最高工作频率 fg?从电机表中查出110BC380D型步进电机的空载起动频率为1400Hz，运行频率为15000Hz。

3.4垂向进给系统的确定

3.4.1垂向丝杠的选择

（1）计算进给牵引力Fm 导轨类型为燕尾导轨

Fm?KFx?f?(Fz?2Fy?G)?1.4?2208?0.2(1380?2?3790.4?1000?9.8) =6843.36 N

式中：f'—导轨上的摩擦系数0.2 （2）计算最大负载C 丝杠转速n

n?

1000?vsL0?1000?0.06=10r/min 614

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寿命L

60?n?T60?10?15000??9 L=

106106最大动负载C

C?3L?fw?Fm=39?1.2?6843.36?17081.03N （3）滚珠丝杠的初选

初步选择滚珠丝杠直径?60，螺旋升角r?3?39?，导程L0=12 mm （4）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率η

??tanrtan3?39?==0.9554

tan(r??)tan(3?39??10?)（5）刚度验算 滚珠丝杠横截面积F

?d??60?F??????????2826 mm2

?2??2?在工作负载Fm的作用下引起导程L0的变化量?L

?L?22Fm?L06843.36?12?0.141 μm ?E?F 20.6 ?104 ?2826滚珠丝杠总长度上的变形量?1

0.141?10?3?L?350?0.0041 mm ?1??L?12L0变形量?总?3?1?3?0.0041?0.0123 mm

一端固定,一端自由的总变形量为0.0123mm/350mm，满足定位精度±0.015mm/300mm。

（6）稳定性校核 无需进行稳定性校核。

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（7）滚珠丝杠副螺母的选型

考虑数控铣床的结构、精度和以上的计算，查阅《THK精密滚珠丝杠副》可采用BNF6312A-5型弯管式单螺母滚珠丝杠副，额定动载荷为Ca=87.4 KN。 3.4.2同步带及带轮的选择

传动比i=1.25，则齿数取Z1?20,Z2?25 查慈溪恒力同步带轮有限公司带轮得

小轮型号为20L，节径Dp1?60.63mm，外径De1?59.88mm 大轮型号为25L，外径Dp2?75.80mm，外径De2?75.04mm 同步带型号为382L，节线长971.55mm，齿数102

3.4.3垂向步进电机的计算和选择

(1)转动惯量的计算 齿轮z1的转动惯量

J1?0.78d14L?10?3 kg·cm2

L?b?20mm，d1?48mm

J1?0.78?4.84?2?10?3?0.828 kg·cm2

齿轮z2的转动惯量

4J2?0.78d2L?10?3 kg·cm2

L? 20 mm ，d2?60 mm

J2?0.78?64?2?10?3 = 2.022 kg·cm2

圆锥齿轮z3的转动惯量

4J3?0.78d3L?10?3

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L=25 mm, d3?80 mm

J3?0.78?84?2.5?10?3=7.99 kg·cm2

圆锥齿轮z4的转动惯量

4J4?0.78d4L?10?3

L=50 mm,d3?160 mm

J4?0.78?164?5?10?3=255.6 kg·cm2

主轴的转动惯量

Js?0.78?64?35?10?3=35.381 kg·cm2

折算到电机轴上的转动惯量：

?z1?J?J1???z???2?22??z3??GL02??????J?J?J?J?()?23s?? ?z??4g2?????4????22?1.22?????1??2.02?7.99?255.6?35.381?1000()?? ????2?????2?????4??4.94????5?=63.75 kg·cm2 (2)电动力矩的计算

传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量J?

J?=J+Jm=63.75+4.1=67.85 kg·cm2

其中：Jm—电机转子转动惯量,初取为4.1 kg·cm2 主电机最大转速nmax?1000?vk=65 r/min L0起动加速时间 ta?30 ms

空载起动时折算到电机轴上的加速力矩Mmax

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Mmax?J?2?nmax2??65?2?10?2?71.75??10?155.91 N·cm ?360ta60?30?10工进时折算到电机轴上摩擦力矩Mf

F0L0f??FZ?G?L00.2?1380?1000?9.8??1.2Mf????178.88 N·cm

2??i2??i2??0.9554?2.5由于丝杠预紧时折算到电机轴的附加力矩M0

1?6843.36?1.2Fp0L023(1??0)?1?0.92?34.67 N·cm M0?2??i2??0.9554?2.5??折算到电机轴上的负载力矩Mt

Mt?FtL02208?1.2??176.64 N·cm 2??i2??0.9554?2.5① 快速空载起动时所需力矩M起

M起=Mmax?Mf?M0=155.91 + 178.88 + 34.67=369.46N·cm= 3.695N·m ② 快速进给时所需力矩M快

M快?Mf?M0= 178.88 + 34.67 = 213.55 N·cm=2.1355 N·m ③ 最大切削负载时所需力矩M切

M切?Mf?M0?Mt=178.88 + 34.67 + 176.64 = 390.19N·cm= 3.902 N·m 从上面的计算可以看出，在M起、M快、M切三种工况下，最大切削负载时所需力矩最大，此项为初选电机的依据，从表中查出，步进电机为三相六拍时，

??M起/Mjmax?0.866

最大静转矩Mjmax?M起/??3.902/0.866?4.51N·m

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按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，110BC380D型最大静转矩转矩为5.5 N·m，大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。

（3）计算电机工作频率 步进电机快速运行 fq?1000vmax1000?0.78??1300 Hz

60?p60?0.011000vs1000?0.06??100 Hz 60?p60?0.01最高工作频率 fg?从电机表中查出110BC380D型步进电机的空载起动频率为1400Hz，运行频率为15000Hz。

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第四章 控制系统硬件原理及其控制程序编制

4.1主控制器

4.1.1主控制器及其选择

目前在数控系统中常用的芯片有8086，8088，80286，80386以及8098，8096等16位机的CPU，在一般的数控系统中推荐采用MCS—51系列单片机作为主控制器。这里选用MCS—51系列中的8031芯片。 4.1.2 MCS—51系列单片机介绍

（1）MCS—51系列单片机的基本特征

MCS—51系列单片机主要有三种：8031，8051和8751。该系列产品是集CPU、I/0口及部分RAM等为一体的功能很强的控制器，只需增加少量外围器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，编程灵活性大，硬件资料也很丰富。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少许差别，可以说8031是没有ROM的8051，而8751是EPROM代替ROM的8051。工业控制中应用最多的是8031。 8031的基本特征如下：

①具有8位中央处理单元（CPU）。

②片内有时钟发生电路（6MHz 或12MHz）,每执行一条指令时间为2μs或者1μs。

③具有128字节的RAM。 ④具有21个特殊功能寄存器。

⑤可寻址64KB的外部数据存储器和64KB的外部程序存储器。 ⑥具有四个I/O口，32根I/O线。 ⑦具有两个16位定时器/计数器。 ⑧具有5个中断源，配备两个优先级 ⑨具有一个全双工串行接口 ⑩具有位寻址能力，适用逻辑运算

从上述特性可知:一块8031的功能相当于微型计算机系统。

（2）管脚功能分析及特性简介 引脚功能分类表：

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① I/O口线：P0，P1，P2，P3共四个8位口。

② 控制线：PSEN（中断取指令控制），ALE（地址锁存控制），EA（中断存储器选择），RESET（复位控制） 电源及时钟：Vcc，Vss，XATL1，XATL2

应用特性：

① I/O口线不能都用作用户I/O线，除8051，8751外真正可完全为用户使用的I/O口线，只有P1口以及部分作为第一功能使用的P3口。

② I/O口的驱动功能为：P0口驱动8个TTL门电路，而P2、P3只能驱动4个TTL门电路。

③ P3口具有提升电阻的8位双向I/O口，该口的每一位均可独立的定义为第一I/O口功能或者第二I/O口功能。

时钟频率：外接时钟频率可在1.2～12MHz间选取。 （3）总线结构 ①地址总线AB

地址总线宽度为16位，故其外部存储器直接熏之范围达到64KB，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供低8位，A8～A15由P2直接提供。

②数据总线DB

数据总线宽度为8位，由P0口直接提供。 ③控制总线CB

由P3口的第二功能状态和四根独立的控制线RESET，EA，ALE，PSEN组成。

（4）存储器结构

单片机的存储器包括程序存储器（EPROM或ROM）和数据存储器（RAM），它们是可以选用并可直接寻址的存储器。

（5）扩展芯片

I/O口扩展集成电路中有三种专用I/O口扩展芯片。I/O口扩展复合芯片，TTL

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电路芯片，在本次设计中，除了采用I/O口外还能扩展其他外围功能电路，主要有8155（2×8+6并行I/O口，256个静态RAM，一个14位定时器），TTL电路芯片，也广泛用作MCS-51单片机I/O扩展芯片，主要有74LS373，273，374，244等。

4.2 MCS—51单片机的扩展

4.2.1程序存储器EPROM的选择

芯片的型号不同，应用参数也不同，主要有最大读出速度，工作温度及容量。在确定容量内选择EPROM的型号，主要考虑因素是读取速度，这是决定系统能否正确工作队的前提。根据CPU与EPROM的匹配要求，应满足8031能提供的读取时间大于EPROM所需要的读取时间。

实际设计中，应考虑在满足容量要求的同时尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合数。

4.2.2数据存储器RAM的选择

选RAM是主要考虑因素是RAM的读写速度与CPU提供的读写时序的匹配要求，还应满足这样一个关系：即8031所能提供的读写时间应大于RAM所需求的读写时间，常用RAM主要有6116和6264两种。

4.3地址分配及接线方法

4.3.1地址分配

与一般存储系统不同，8031所支持的存储系统其程序存储器与数据存储器独立编址。因此，EPROM和RAM的地址分配较自由，不必考虑是否发生冲突。

由于8031复位后从0000H单元开始执行程序，故程序存储器地址应从0000H就开始。在这里只用EPROM，地址为0000H-1FFFH，扩展RAM与I/O口及外围设备实行统一编址。

4.3.2 EPROM、RAM与8031连接方法

存储器与单片机的连接主要是三总线的连接，应考虑单片机的总线驱动能力是否够，若不够应当加以驱动，如总线驱动器74LS244，74LS245等，根据单片机8031的驱动特性，在本次设计中，不必加以驱动，下面给出EPROM，RAM与8031的具体连接。

（1）地址总线

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将A0～A12与EPROM的A0～A12一一对应连接。A0～A12与RAM的A0～A12一一对应连接，其余地址经译码产生片选信号。

（2）数据总线

～P07分别与存储器D0～D7一一对应连接。 P01

（3）地址总线

将A0～A12与EPROM的A0～A12一一对应连接。A0～A12与RAM的A0～A12一一对应连接，其余地址经译码产生片选信号。

（4）数据总线

～P07分别与存储器D0～D7一一对应连接。 P01

4.4接口电路及辅助电路的设计

本系统接口电路包括键盘、数码显示器及步进电机接口电路，辅助电路包括复位电路及报警显示电路。

8031单片机的口P1可以作为I/O接口，为管理上述接口电路，还需要扩展接口电路，现在用8031的P1管理步进电机，用扩展接口管理键盘和显示电路。 4.4.1接口电路的设计

8155的内部RAM和I/O的选择由引脚IO/M控制，当IO/M=0时，CPU访问RAM，RAM的低8位编制为：00H～FFH；IO/M＝１时，CPU访问IO口，其低8位编址见教材的真值表，8155的工作方式选择通过对8155内部命令，寄存器通过设定控制命令来实现。8155具有两种基本操作，即用8155中的256字节RAM及扩展I/O口使用，作RAM时与系统RAM无区别；作I/O口使用时，可通过工作方式以满足不同需要。

8155有一个状态寄存器，锁存I/O口和定时器的当前状态，使CPU查询用。状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，只能读入，不能写入。CPU读地址时，做状态寄存器，读出时是当前I/O口和定时器的状态，而写时则作为命令寄存器写入命令。

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4.4.2辅助电路的具体设计

(1)8031的时钟电路

如图４－１时钟电路图。单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式是利用芯片内部振荡电路，在XTAL1，XTAL2引脚上外接定时元件。采用外部时钟方式，可把XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。

图4-1 时钟电路图

(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10ｍｓ以上的高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000H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4-2所示为电自动复位与按钮复位的组合，在上电瞬间RC电路充电，RESET引脚出现正脉冲，只要电路充电，RESET端保持10ｍｓ以上的高电平，就能使单片机有效的复位。

图4-2 复位电路图

(3)光电隔离电路

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

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绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大（几安到几十安），如果将I/O口输出的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耦合器。如图4-3所示。

图4-3 光电隔离电路

光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成，当输入信号加到输入端时，发光二极管导通激发出红外光，光敏三极管受光照射后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。输入端与输出端在电气上完全隔离。

(4)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，必须将其输出的信号放大产生足够大的功率才能驱动步进电机正常运转。设计时根据选用的步进电机的容量选择功率放大器。

(5)键盘显示接口电路 ①显示器工作原理

数控系统中使用的显示器主要有LED和LCD，也有采用CRT接口显示方式。这里主要介绍LED显示器，它是由八个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或列线（行线）发亮，控制不同的二极管导通就能显示出各种字符，通常用的是七段显示器，结构如图4-4，与发光二极管的阳极连在一起的成为共阳极显示器，与阴极连在一起的称为共阴极显示器。

显示器通常采用动态显示，就是一位一位地轮流点亮显示器各个位，对于显示器来说，每个一段时间点亮一次，显示器的亮度就与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整时间和电流参数，可以实现亮度较高较稳定的

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显示。

图4-4 七段LED数码管内部结构和驱动电路

②键盘接口原理

键盘是由若干个键盘组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，如图4-5所示：

图4-5 键盘工作原理图

图中行线通过电阻接+5V电压，当键盘断开时，所有行线和列线断开，行线

X0～X3都是高电平，当键盘上某一键闭合时，则该键所对应的行线和列线短路，Y0～Y5相当于控制信号，例如7号键闭合时，行线X1和列线Y0短路，此时X1的电平由Y0的电平控制，例如把行线接到微机输入口读行线状态，若X0～X3都是高电平，则Y0这一列没有闭合，如果读出的列线不全为高电平，则输入为低电平

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和Y0相关的键处于闭合状态；若无闭合，接着使Y1为低电平，其余列线为高电平，检查Y1这一列上是否有键闭合，这种逐行逐列的检查键盘的过程称为对键盘的一次扫描。

4.5控制系统程序编译

4.5.1直线插补程序

表4-1 地址对应的特殊内容

内存单元地址 28H 29H 2AH 2BH 2CH 70H ORG 2300H

存放内容 终点坐标值Xe 终点坐标值Ye 插补值X 插补值Y 偏差值F 控制电机正、反转的控制字 MAIN：MOV SP，#60H ； 主程序开始

MOV R0，#1FF9H ；置8155A口输出 MOV A， #80H MOVX @R0，A

LCALL DSUP ；装代码子程序 MOV R5, #11H MOV R6, #21H

LOR4：MOV 28H，#0C8H ； Xe

MOV 29H，#0C8H ； Ye MOV 2AH，#00H ； X

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MOV 2BH，#00H ； Y MOV 2EH，#00H ； F MOV 70H，#0AH

LOP3：MOV A，2EH

JB ACC.7，LOP1 MOV A，70H SETB CLR MOV LCALL MOV SUBB INC AJMP LOP1：MOV SETB CLR MOV LCALL MOV ADD INC LOP2：MOV MOV CJNE MOV CJNE ST ： MOV MOV MOVX LJMP

ACC.0 ACC.2

70H，A ；0B+X

HXFPQ ； 调环行分配器子程序， A，2EH

A，29H ； F-Ye 2AH ； X+1 LOP2

A，70H

ACC.2 ACC.0

70H，A ； OF+Y

HXFPQ ； Y方向走一步 A，2EH

A，28H ； F+Xe 2BH ； Y+1

2EH，A

A，28H

A，2AH，LOP3； Xe=X？ A，29H

A，2BH，LOP3； Ye=Y？

R0，#1FF9H ； 关8155

A，#00H @R0，A 0000H

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x方向走一步 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）

4.5.2圆弧插补程序

MAIN：

XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H XeL EQU 1AH XeH EQU 1BH YeL EQU 2AH YeH EQU 2BH FL EQU 2CH FH EQU 2DH ORG 2400H

MOV SP，#60H

MOV R0，#1FF9H MOV A，#80H MOVX @R0，A

LCALL DSUP MOV R5，#11H MOV R6，#21H MOV 70H，#08H

MOV XL，#80H MOV XH，#0CH MOV YeL，#80H MOV YeH，#0CH MOV XeH，#00H MOV XeL，#00H MOV YL，#00H MOV YH，#00H MOV FL，#00H MOV FH，#00H MOV 1CH，#00H

； 调装码子程序 ； XL ； XH ； YeL ； YeH ； XeH ； XeL ； YL ； YH ； FL ； FH 29

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MOV 1DH，#00H

LOOP3： MOV A，FH

JNB ACC.7，LOOP1 MOV A，70H SETB ACC.2 CLR ACC.0

MOV LCALL MOV MOV MOV LCALL ADD： CLR MOV ADDC MOV MOV ADDC MOV CLR MOV ADD MOV MOV ADDC MOV CLR MOV ADD MOV MOV

70H，A HXFPQ

R1，#28H R0；#1CH R7，#02H

CHFZ C

A，FL A，1CH FL，A A，FH A，1DH FH，A C A，YL A，#01H 28H，A A，YH A，#00H YH，A C A，FL A，#01H FL，A A，FH

； OC+Y ； YL ； 2*Y

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ADDC A，#00H MOV FH，A AJMP LOOP2

LOOP1：MOV A，70H

SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV LCALL MOV MOV MOV LCALL SUB： CLR MOV SUBB MOV MOV SUBB MOV CLR MOV SUBB MOV MOV SUBB MOV CLR MOV ADD MOV MOV

70H，A HXFPQ R1，#18H R0，#1CH R7，#02H CHFZ

C

A，FL A，1CH FL，A A，FH A，1DH FH，A C A，XL A，#01H XL，A A，XH A，#00H XH，A C A，FL A，#01H FL，A A，FH

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ADDC A，#00H MOV FH，A

LOOP2：MOV A，YH

CJNE A，YeH，LOOP3 MOV A，YL

CJNE A，YeL，LOOP3 MOV CJNE MOV CJNE ST： MOV MOV MOVX AJMP END ORG

CHFZ: PUSH PUSH PUSH PUSH MOV SH10: MOV MOV PUSH ADDC MOV MOV INC INC DJNZ POP

A，XH

A，XeH，LOOP3 A，XL

A，XeL，LOOP3

R0，#1FF9H

A，#00H @R0，A ST PSW

A B C R2，#00H

A，@R1

B，#02H PSW A，R2 @R0，A R2，B R0 R1 R7，SH10 B

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POP A POP PSW RET

4.5.3装代码子程序

ORG 2000H

DSUP： MOV R0，#10H ；装代码子程序

MOV CLR TOP1： MOV INC DJNZ MOV MOV INC MOV INC MOV INC MOV INC MOV INC MOV INC MOV INC MOV MOV MOV INC MOV

R1，#21H A

@R0，A

R0 R1，TOP1 R0，#10H @R0，#00H RO

@R0，#01H RO

@R0，#03H RO

@R0，#02H RO

@R0，#06H RO

@R0，#04H RO

@R0，#05H RO

@R0，#00H R1，#20 @R1，#00H R1

@R1，#08H

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INC R1

MOV @R1，#18H INC R1

MOV @R1，#10H INC R1

MOV @R1，#30H INC R1

MOV @R1，#20H INC R1

MOV @R1，#28H INC R1

MOV @R1，#00H RET

4.5.4环行分配器子程序

ORG 2100H ；环行分配器子程序

HXFPQ：PUSH PSW

PUSH ACC MOV A，70H JNB ACC.0，LP1 JNB ACC.1，LP2 MOV A，R5 MOV R0，A MOV A，@R0 CJNE A，#00H，LP3 MOV R5，#11H MOV A，R5 MOV R0，A MOV A，@R0

LP3： MOV R1，#4FF9H

MOVX @R1，A

LP4： LCALL YANS

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INC R5 POP ACC POP PSW RET

LP2： MOV A，R5

MOV R0，A MOV CJNE MOV MOV MOV MOV LP5： MOV MOVX LP6： LCALL INC POP POP RET

LP1： JNB MOV MOV MOV CJNE MOV MOV MOV MOV LP8： MOV MOVX LP9： LCALL

A，@R0 A，#00H，LP5 R5，#16H A，R5 R0，A A，@R0

R1，#1FF9H

，A

YANS

R5 ACC PSW ACC.3，LP7

A，R6 R0，A A，@R0 A，#00，LP8 R6，#21H A，R6 R0，A A，@R0

R1，#1FF9H

@R1，A

YANS

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@R1 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）

INC R6 POP ACC POP PSW RET

LP7： MOV A，R6

MOV R0，A MOV CJNE MOV MOV MOV MOV LP10： MOV MOVX LP11： LCALL INC POP POP RET

A，@R0 A，#00，LP10 R6，#26H A，R6 R0，A A，@R0

R1，#1FF9H

@R1，A

YANS

R6 ACC PSW 36

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结论

随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力

提高自己知识和综合素质。

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沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）

参考文献

[1] 李福生主编.数控机床技术手册[M].北京出版社,1996.1

[2] 曹金榜,易锡麟主编.机床主轴变速箱设计指导[M].机械工业出版社, 1987.5

[3] 王爱玲、白恩远、赵建国主编.现代数控机床[M].国防工业出版社,2003.4 [4] 机械设计手册编辑组编.机床设计手册[M].机械工业出版社,1986.12 [5] 机械设计手册联合编写组编[M].化学工业出版社,1987.12 [6] 黄鹤汀主编.金属切削机床设计[M].机械工业出版社,1991.3 [7] 濮良贵、陈庾梅主编.机械设计教程[M].西北工业大学出版社,1994.3 [8] 顾维邦主编.金属切削机床概论[M].机械工业出版社,1999.7 [9] 张建钢、胡大泽主编.数控机床技术[M].华中科技大学出版社,2000.6 [10]曹金榜，易锡麟主编.机床主轴变速箱设计指导[M].北京：机械工业出版社，1987.5

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[13]机床设计手册编写组编.机床设计手册第一，三，四册[M].北京：械工业出版社，1998

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致谢

感谢我的导师赵亮教授，他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。

感谢我的#老师，这片论文的每个实验细节和每个数据，都离不开你的细心指导。而你开开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很快的融入我们这个新的实验室。

感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。但愿远赴M国的C平平安安，留守复旦的快快乐乐，挥师北上的G顺顺利利，也愿离开我们寝室的开开心心。我们在一起的日子，我会记一辈子的。

感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。

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