卧式车床CA6140数控化改造说明书1

沈 阳 理 工 大 学

机电一体化

课程设计计算说明书

题 目： 卧式车床数控化改造设计 所属系部： 机械运载学院 专 业： 机电一体化 班 级： 101313 学 号： 10131304 学生姓名：

指导教师： 赵 晋 芳

2012年 6月 13日

目 录

摘 要 .......................................................... 2 设计题目 .......................................................... 3 1. 设计任务 ....................................................... 4 2. 总体方案的确定 .................................................. 5 3. 机械系统的改造设计方案 .......................................... 5 4. 进给传动部件的计算和选型 ........................................ 8 4.1 脉冲当量的确定 ................................................. 8 4.2 切削力的计算 ................................................... 8 4.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向） ............................. 9 4.4 同步带减速箱的设计（纵向） .................................... 10 4、5 步进电动机的计算与选型（纵向） ............................... 13 4.6 同步带传递功率的校核 .......................................... 17 5. 绘制进给传动机构的装配图 ....................................... 17 6. 控制系统硬件电路的设计 ......................................... 18 7. 步进电动机驱动电源的选择 ....................................... 19 8. 控制系统的部分软件设计 ......................................... 20 8.1 存储器与I/O芯片地址分配 ...................................... 20 8.2 控制系统的监控管理程序 ........................................ 20 8.3 8255芯片初始化子程序 ......................................... 21 8.4 8279芯片初始化子程序 ......................................... 21 8.5 8279控制LED显示子程序 ....................................... 22 8.6 8279管理键盘子程序 ........................................... 24 8.7 D/A电路输出模拟电压程序 ...................................... 25 8.8 步进电动机的运动控制程序 ...................................... 25 8.9 电动刀架的转位控制程序 ........................................ 25 8.10 主轴、卡盘与冷却泵的控制程序 ................................. 25 机电一体化课设的感受与收获 ....................................... 27 结论 ............................................................. 28

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谢辞 ............................................................ 29 参考文献 ........................................................ 30

摘 要

整个人类社会的文明史，就是制造技术不断演变和发展的历史。任何国家的制造业都是国民经济的基础产业，也是国民经济的主要来源。没有发达的制造业，就不可能有国家真正的繁荣和强大。制造技术是制造业的技术支柱，是一个国家科技水平、综合国力的重要体现，制造技术的发展是一个国家经济增长的根本动力。而制造业中机床是其基础装备。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。

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（机电一体化系统设计课程设计指导书）

设计题目：——卧式车床数控化改造设计

普通车床（如C616/C6132、C618/C6136、C620/C6140、C630等）是金属切削加工最常用的一类机床。C6140普通车床的结构布局如图所示。当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等，借助成型刀具，还能加工各种成形回转表面。

C6140普通车床的结构布局图

1-床脚 2-挂轮 3-进给箱 4-主轴箱 5-纵溜板 6-溜板箱 7-横溜板8-刀架 9-上溜板 10-尾座 11-丝杠 12-光杠 13-床身

机床实体图

普通车床刀架的纵向和横向进给运动，是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杆或丝杆带动溜板箱、纵溜板以及横溜板产生移动。进给参

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数依靠手工调整，改变参数时需要停车。刀架的纵向进给和横向进给不能联动，切削次序需要人工控制。

对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数、切削次序和刀具都可按程序自动进行调节和更换，再加上纵、横向的联动进给功能，所以，改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序集中车削，从而提高生产效率和加工精度。

1. 设计任务

题目：C6140普通车床数控化改造设计

任务：将一台C6140普通车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下 （1）床身上最大加工直径400 mm； （2）最大加工长度1000 mm；

（3）X方向(横向)的脉冲当量?x = 0.005 mm/脉冲,Z方向(纵向)?z = 0.01 mm/脉冲；

（4）X方向最快移动速度vxmax = 3000 mm/min，Z方向为vzmax = 6000 mm/min； （5）X方向最快工进速度vxmaxF= 400 mm/min，Z方向为vzmxF= 800 mm/min； （6）X方向定位精度± 0.01 mm，Z方向± 0.02 mm； （7）可以车削柱面、平面、锥面与球面等；

（8）安装螺纹编码器，可以车削公/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24 （9）安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；

（10)自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变速与无级变速信号；

（11)自动控制冷却泵的启/停；

（12)安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开； （13)纵、横向安装限位开关； （14)数控系统可与PC机串行通信；

（15)显示界面采用LED数码管，编程采用ISO数控代码。

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2. 总体方案的确定

总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。

（1）普通车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。

（2）普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电 动机的开环控制系统。

（3）根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。 （4）根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数

据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A 转换电路、串行接口电路等；还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。

（5）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。

（6）计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消间隙机构。

（7）选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。

3. 机械系统的改造设计方案

3.1 主传动系统的改造方案

对普通车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构，这样可减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。

若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用2～４速的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速（工厂使用情况表明，使用变频器

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时，若工作频率低于70Hz，原来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率应比电动机大）。

本例中，当采用有级变速时，可选用浙江超力电机有限公司生产的YD系列7.5kW变极多速三相异步电动机，实现2～４档变速；当采用无级变速时，应加装交流变频器，推荐型号为：F1000-G0075T3B，适配7.5kW电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。 3.2 安装电动卡盘

为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特机床附件总厂生产的KD11250型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系统发信控制。

3.3 换装自动回转刀架

为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成 3.4 螺纹编码器的安装方案

螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，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 本例中，改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是24 mm，Z向的进给脉冲当量是0.02 mm/脉冲，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于24 mm /（0.02 mm/脉冲）=1200脉冲。考虑到编码器的输出有相位差为90o的A、B相信号，可用A、B异或后获得1200个脉冲（一转内），这样编码器的线数可降到600线（A、B信号）。另外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉冲Z。

基于上述要求，本例选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05V0-15-CT。电源电压+5V，每转输出1200个A/B脉冲与1个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径15 mm，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。

螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在床头箱的后端，一般尽量装在与主轴同步旋

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转的输出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比为1：1的同步齿形带与主轴联接起来。需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性联接，且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。 3.5 进给系统的改造与设计方案

（1）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹编码器。 （2）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速箱总成。

（3）拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。

（4）拆除四方刀架与上溜板总成，在横溜板上方安装四工位立式电动刀架 （5）拆除横溜板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆靠刻度盘一段（长216 mm，见书后图6-2）锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。

（6）将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚珠丝杠的轴头相联。

（7）拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆），更换丝杆的右支承。 改造后的横向、纵向进给系统分别见图纸。

4. 进给传动部件的计算和选型

纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机等。以下详细介绍纵向进给机构，横向进给机构与纵向类似，在此从略。 4.1 脉冲当量的确定

根据设计任务的要求，X方向（横向）的脉冲当量为?x= 0.005 mm/脉冲，Z方向（纵向）为?z = 0.01脉冲。 4.2 切削力的计算

切削力的分析和计算详见相关教材。以下是纵向车削力的详细计算过程 设工件材料为碳素结构钢，?b＝650 Mpa；选用刀具材料为硬质合金YT15；

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刀具几何参数为：主偏角kr＝60°，前角?0＝10°，刃倾角?s＝－5°；切削用量为：背吃刀量ap＝3 mm，进给量f =0.6 mm/r，切削速度vc＝105 m/min。 查参考文献1表3-1，得：CFC＝2795， xFC＝1.0， yFC＝0.75，nFC＝－0.15。

查参考文献1查表3-3，得：主偏角kr的修正系kkrFC＝0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。

由经验公式（3-2），算得主切削力Fc＝2673.4 N。由经验公式 Fc: Ff:Fp＝1：0.35：0.4，算得纵向进给切削力Ff＝935.69 N，背向力Fp=1069.36 N。 4.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向）

（1）工作载荷Fm的计算 已知移动部件总重量G=1300 N；车削力Fc=2673.4 N，

Fp=1069.36 N，Ff=935.69 N。如图3-20所示，根据Fz=Fc，Fy=Fp，Fx=Ff的

对应关系，可得：Fz=2673.4 N，Fy=1069.36 N，Fx=935.69 N。

选用矩形－三角形组合滑动导轨，查表3-29，取K= 1.15，?= 0.16， 代入Fm＝KFx??(Fz?G), 得工作载荷Fm ≈ 1712 N。

（2）最大动载荷FQ的计算 设本车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度V=0.8 m/min，初选丝杠基本导程 Ph= 6 mm，则此时丝杠转速n = 1000V/Ph ≈ 133 （ r/min）。

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000 h，代入L0= 60 n T / 106，得丝杠寿命系数L0 = 119.7（单位为： 106r）。

查参考文献1表，取载荷系数fw=1.15，再取硬度系数fH=1，代入式（3—23），求得最大动载荷FQ?3LafwfHfm?9703N。 （3）初选型号

根据计算出的最大动载荷，查表3-31，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为40 mm，基本导程为6 mm，双螺母滚

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珠总圈数为3 3 2 = 6 圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200 N，满足要求。

（4）传动效率 的计算

将公称直径d0=40 mm，基本导程Ph?6mm，代入λ= arctan[ Ph / ( π

d0 ) ]，得丝杠螺旋升角λ= 2?44′。将摩擦角?=10′，代入?= tanλ / tan(λ

+ ?)，得传动效率 ?= 94.2%。 （5）刚度的验算

1）Z向滚珠丝杠副的支承，采取一端轴向固定，一端简支的方式，见书后图6-3。固定端采取一对推力角接触球轴承，面对面组配。丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为a=1497 mm；钢的弹性模量E＝2.1?105Mpa；查表3-33，得滚珠直径Dw=3.9688 mm，算得:丝杠底径d2=公称直径d0－滚珠直径

DW=36.0312 mm，则丝杠截S??d2/4 =1019.64 （mm2）

2）根据公式Z＝(?d0/DW)－3，求得单圈滚珠数目Z= 29；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为332 = 6，则滚珠总数量Z?＝2936 =174。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ= Fm/3≈571 N。则由（3-27）式，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量?2≈0.00117 mm。

因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取?2= 0.000585 mm。

3）将以上算出的?1和?2代入 ?总??1??2,求得丝杠总变形量（对应跨度1497 mm） ?总=0.012555 mm=12.555μm。

由表3-27知，4级精度滚珠丝杠任意300 mm轴向行程内行程的变动量允许16μm，而对于跨度为1497 mm的滚珠丝杠，总的变形量?总只有12.555μm，可见丝杠刚度足够。

（6）压杆稳定性校核 根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷Fk。查表3-31，

4/64≈取支承系数Fk= 2；由丝杠底径d2= 36.0312mm, 得截面惯性矩I??d2 9

82734.15mm4；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装)；滚动螺母至轴向固定处的距离。取最大值1497 mm。代入式（3-28）,得临界载荷Fk≈51012 N，远大于工作载荷 Fm（1712N） 故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 4.4 同步带减速箱的设计（纵向）

为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。本例中，Z向减速箱选用同步带传动，同步带与带轮的计算和选型参见第三章第三节相关内容。

设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传递的功率P；主动轮转速n和传动比i；传动系统的位置和工作条件等。

根据改造经验，C6140车床Z向步进电动机的最大静转矩通常在15-25 N2m之间选择。今初选电动机型号为130BYG5501，五相混合式，最大静转矩为20 N2m，十拍驱动时步距角为0.72o。该电动机的详细技术参数见表4-5，运行矩频性曲线见图4-1。

图4-1 130BYG5501步进电机运行矩频特性

（1）传动比i的确定 已知电动机的步距角α= 0.72o，脉冲当量?z= 0.01 mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph= 6 mm。根据公式（3-12）算得传动比i = 1.2。 （2）主动轮最高转速n1 由Z向拖板的最快移动速度vzmax=6000mm/min，可以算出主动轮最高转速n1=（vzmax /?z）3α/ 360 =1200（r/min）。 （3）确定带的设计功率Pd 预选的步进电动机在转速为1200 r/min时，对应的步进脉冲频率为：fmax= 12003360 / ( 603α) = 10000（Hz）。

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从图6-4查得，当脉冲频率为10000 Hz时，电动机的输出转矩约为3.8 N2m，对应的输出功率为POUT = n3T / 9.55 = 120033.8 / 9.55≈478（W）。同步带传递的负载功率应该小于477.5 W，今取P = 0.487 kW，从表3-18中取工作情况系数KA= 1.2，则由式（3-14），求得带的设计功率Pd =KA =1.230.32 kW= 0.57 4kW。

（4）选择带型和节距 根据带的设计功率Pb=0.574 kW和主动轮最高转速

n1=1200 r/min，从图3-14中选择同步带，型号为 XL型，节距Pb=9.525 mm。

（5）确定小带轮齿数Z1 和小带轮节圆直径d1 取Z1=15，则小带轮节圆直径

d1=

PbZ1?=40.48mm。当n1达最高转速1200r/min时，同步带的速

度为v=

?d1n160?1000=2.86（m/s），没有超过XL型带的极限速度35 m/s。

（6）确定大带轮齿数Z2和大带轮节圆直径d2 大带轮齿数Z2=iZ1 =18,节圆直径 d2=54.57mm。

（7）初选中心距a0、带的节线长度LOP、带的齿数ZZb 初选中心距a0=1.1（d1+d2）=110.06 mm，圆整后取a0=110mm.则带的节线长度为

LOP?2a0??2(d1?d2)?(d2?d1)?377.33mm。选取接近的标准节线长度4a0Lp=381mm，相应齿数Zb?40。

LP?LOP?111.835mm。 2?PZ（9）校验带与小带轮的啮合齿数Zm Zm=ent[?b21(Z2?Z1)]?7，啮合齿

22?a数

6大，满足要求。此处ent取整。

（8）计算实际中心距a 实际中心距a?a0?（10）计算基准额定功率P0

(Ta?mv2)v P0?

1000式中 Ta——带宽为ba0的许用工作拉力，由表3-21查得Ta=244.46N； m——带宽为ba0的单位长度的质量，由表3-21查得m=0.095kg/m；

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v——同步带的带速，由上述（5）可知v=2.86 m/s。 算得 P0= 0.697kW。

（11）确定实际所需同步带宽度bs bs≥bs0(Pd1/1.41) KzP0式中 bs0—选定型号的基准宽度，由表3-21查得bs0= 25.4mm； Kz—小带轮啮合齿数系数，由表3-22查得Kz=1。

由上式算得bs≥21.42 mm，再根据表3-11选定最接近的带宽bs=25.4 mm （12）带的工作能力验算 根据式（3-22），计算同步带额定功率P的精确值： P?(KzKwTa?bsmv2)v?103 bs0式中， Kw为齿宽系数:：Kw?(bs/bs0)1.41?1

经计算得P = 0.697 kW，而Pd = 0.574 kW，满足P≥Pd因此，带的工作能力合格。

4.5 步进电动机的计算与选型（纵向）

（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 已知：滚珠丝杠的公称直径d0=40 mm，总长（带接杆)l=1560 mm，导程Ph＝6 mm，材料密度

??7.85?10?3kg/cm2;纵向移动部件总重量G = 1300 N；同步带减速箱大带轮宽度28 mm，节径48.51 mm，孔径30 mm，轮毂外径42 mm，宽度14 mm；小带轮宽度28 mm，节径40.43 mm，孔径19mm，轮毂外径29 mm，宽度12 mm；传动比i =1.2。

参照表4-1，可以算得各个零部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：滚珠丝杠的转动惯量Js=30.78 ；拖板折算到丝杠上的转动惯量

Jw=1.21kg?cm2 ；小带轮的转动惯量Jz1=0.95kg?cm2;大带轮的转动惯量Jz2=1.99kg?cm2。在设计减速箱时，初选的Z向步进电动机型号为130BYG5501，

从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量Jm?33kg?cm2。

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则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： Jeq?Jm?Jz1?(Jz2?Jw?Js)/i2?57.55kg?cm2

（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。

1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq Teq包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tamax，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf，滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据（4-12）式可知，T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有： Teq1?Tamax?Tf （4-1）

根据式（4-9），考虑Z向传动链的总效率η，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： Tamax?2?Jeqnm60ta?1? （4-2）

式中 nm ——对应Z向空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；

ta——步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。 其中： nm?vmax? （4-3） ?360?式中 vmax——Z向空载最快移动速度，任务书指定为6000 mm/min； α ——Z向步进电动机步距角，为0.72o； δ ——Z向脉冲当量，本例δ=0.01 mm/脉冲。 将以上各值代入式（6-3），算得nm=1200 r/min。

设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间ta=0.4 s，Z向传动链总效率η = 0.7。则由式（6-2）求得：

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Tamax2??57.55?10?4?1200??2.58(N?m)

60?0.4?0.7由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： Tf??(Fc?G)Ph （4-4）

2??i式中 ?——导轨的摩擦系数，滑动导轨取0.16； Fc——垂直方向的工作负载，空载时取0； η——Z向传动链总效率，取0.7。 则由式（6-4），得： Tf?0.16?(0?1300)?0.006?0.24(N?m)

2??0.7?1.2最后由式（6-1），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为：

Teq1?Tamax?Tf?2.80N2m （4-5） 2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2，

Teq2包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf，滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有：

Teq2?Tt?Tf （4-6） 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷Tf= 935.69 N，则有： Tt?

再计算承受最大工作负载（Fc=2673.4N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：

Tf?

FtPh935.69?0.006??1.06N?m 2??j2??0.7?1.2?(Fc?G)Ph0.16?(2673.4?1300)?0.006??0.722??i2??0.7?1.214

（N2m）

最后由式（6-6），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩

Teq2= Tt +Tf = 1.78 N2m （4-7） 经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩 Teq=max{Teq1，Teq2}= 2.82 N2m

（3）步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K = 4，则步进电动机的最大静转矩应满足：

Tjmax?4Teq?4?2.82N?m?11.28N?m （4-8） 对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，由表4-5可知，其最大静转矩Tjmax= 20 N2m，可见完全满足（6-8）式的要求。 （4）步进电动机的性能校核

1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定Z向最快工进速度

vmaxf=800mm/min，脉冲当量δ=0.01 mm/脉冲，求出电动机对应的运行频率 fmaxf= 800/（6030.01）≈1333(Hz)。从130BYG5501的运行矩频特性图6-4可

以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf≈17 N2m，远远大于最大工作负载转矩Teq2=1.78 N2m，满足要求。

2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定Z向最快空载移动速度

vmax=6000mm/min，求出电动机对应的运行频率fmax=6000/（6030.01）

Hz=10000(Hz)。从图6-4查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax=3.8 N2m，大于快速空载起动时的负载转矩Teq1= 2.82N2m，满足要求。 3）最快空载移动时电动机运行频率校核

最快空载移动速度vmax= 6000 mm/min对应的电动机运行频率fmax= 10000 Hz。查表4-5可知130BYG5501的极限运行频率为20000 Hz，可见没有超出上限。 4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=

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57.55kg?cm2 ，电动机转子自身的转动惯量Jm?33kg?cm2，查表4-5可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率fq=1800Hz 。则由式（4-17）可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为： fL?fq1?Jeq/Jm?1087Hz

上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1087Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。

综上所述，本例中Z向进给系统选用130BYG5501步进电动机，可以满足设计要求。

4.6 同步带传递功率的校核

分两种工作情况，分别进行校核。

（1）快速空载起动 电动机从静止到加速至nm=1200 r/min，由（6-5）式可知，同步带传递的负载转矩Teq1=2.82 N2m，传递的功率为P = nm 3Teq1/ 9.55 =120032.78/9.55≈354.3W

（2）最大工作负载、最快工进速度 由（6-7）式可知，带需要传递的最大工作负载转矩Teq2 = 1.78 N2m，任务书给定最快工进速度vmaxf= 800mm/min，对应电动机转速 nmaxf =（vmaxf/?z）3α/360=160（r/min）。传递的功率为 P=nmaxfTeq2/9.55=160?1.78/9.55W?29.8W

可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率0.697kW。因此，选择的同步带功率合格。

5. 绘制进给传动机构的装配图

在完成滚珠丝杠螺母副、减速箱和步进电动机的计算、选型后，就可以着手绘制进给传动机构的装配图了。在绘制装配图时，需要考虑以下问题： （1）了解原车床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。

（2） 根据载荷特点和支承形式，确定丝杠两端轴承的型号、轴承座的结构以及

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轴承的预紧和调节方式。

（3）考虑各部件之间的定位、联接和调整方法。例如，应保证丝杠两端支承与螺母座同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座、支承座在安装面上的联接与定位，同步带减速箱的安装与定位，同步带的张紧力调节，步进电动机的联接与定位等。

（4）考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如，丝杠螺母的润滑、防尘防铁屑保护、轴承的润滑及密封、行程限位保护装置等。

（5）在进行各零部件设计时，应注意装配的工艺性，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。

（6）注意绘制装配图时的一些基本要求。比如，制图标准，视图布置及图形画法要求，重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标注，重要配合尺寸的标注，装配技术要求，标题栏等。

6.控制系统硬件电路设计

根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能： （1）接收键盘数据，控制LED显示； （2）接收操作面板的开关与按钮信号； （3）接收车床限位开关信号： （4）接收螺纹编码器信号；

（5）接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号； （6）控制X、Z向步进电动机的驱动器； （7）控制主轴的正转、反转与停止； （8）控制多速电动机，实现主轴有级变速； （9）控制交流变频器，实现主轴无级变速； （10）控制冷却泵启动/停止； （11）控制电动卡盘的夹紧与松开； （12）控制电动刀架的自动选刀； （13）与PC机的串行通信。

图6-1为控制系统的原理框图。CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52；由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用作程序存储

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器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用作数据存储器，存放用户程序；键盘与LED显示采用8279来管理；输入/输出口的扩展选用了并行接口8255芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大；模拟电压的输出借助于DAC0832；与PC机的串行通信经过MAX233芯片。

图6-1 车床数控系统操作面板布置图

图6-2 控制系统原理框图

控制系统的操作面板布置如图6-1所示。面板设置了48个微动按键，三个船形开关，一只急停按钮，显示器包括1组数码显示管和7只发光二极管。 控制系统的主机板电原理图见书后图6-2，键盘与LED显示电原理图见书后图6-8。详细的电路设计原理及电路分析请参考第五章相关内容

7.步进电动机驱动电源的选用

本例中X向步进电动机的型号为110BYG5802，Z向步进电动机的型号为

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130BYG5501，生产厂家为常州宝马集团公司。这两种电动机除了外形尺寸、步距角和输出转矩不同外，电气参数基本相同，均为5相混合式，5线输出，电机供电电压DC120～310V，电流5A。这样，两台电动机的驱动电源可用同一型号。在此，选择合肥科林数控科技有限责任公司生产的五相混合式调频调压型步进驱动器，型号为BD5A。它与控制系统的连接如图7-1所示。

图7-1 BD5A驱动器与控制系统的连接

8. 控制系统的部分软件设计

8.1 存储器与I/O芯片地址分配

根据书后图6-7中地址译码器U4（74LS138）的连接情况，可以算出主机板中存储器与I/O芯片的地址分配如表 8-1所示。

表8-1 主机板中存储器与I/O芯片的地址分配表

8.2 控制系统的监控管理程序

系统设有7档功能可以相互切换，分别是“编辑”、“空刀”、“自动”、“手动1”、“手动2”、“手动3”和“回零”。选中某一功能时，对应的指

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示灯点亮，进入相应的功能处理。控制系统的监控管理程序流程如图8-2所示。

图8-1 系统监控管理程序流程图

8.3 8255芯片初始化子程序 B255: MOV

DPTR，#3FFFH ；指向8255的控制口地址

MOV A，#10001001B ；PA口输出，PB口输出，PC口输入均为方式0

MOVX @DPTR，A ；控制字被写入 MOV DPTR，#3FFCH ；指向PA口 MOV A，#0FFH MOVX @DPTR，A

；预置PA口全“1” ；输出全“1”到PA口

MOV DPTR，#3FFDH ；指向PB口 MOV A，#0FFH MOVX @DPTR，A RET

8.4 8279芯片初始化子程序 B279: MOV

DPTR，#5FFFH ；指向8279控制口地址

；清除FIFO与显示RAM命令

；命令字被写入 ；预置PB口全“1” ；输出全“1”到PB口

MOV A，#0CFH MOVX

@DPTR，A

WAIT: MOVX A，@DPTR ；从8279的控制口读取8279的状态字

JB ACC.7，WAIT ；测试显示RAM有没有被清除完毕。只有状

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态字的D7=0时， 清除才结束 MOV

A，#08H

；编码扫描，左入口，16位字符显示，双键互锁

MOVX @DPTR，A MOV

A，#34H

；分频系数取20

MOVX @DPTR，A RET

8.5 8279控制LED显示子程序

设显示缓冲区的首地址为6BH，系统在指定的工作状态下，需要显示的字符段码的编码，事先存储在CPU内部RAM 的6BH～73H这9个字节中。已知8279的控制口地址为5FFFH，数据口地址为5FFEH，则显示程序如下： DIR： MOV DPTR，#5FFFH ；8279的控制口地址

MOV A，#90H MOVX

；写8279显示RAM的命令，

@DPTR，A ；从显示RAM的00H地址开始写，每写一次， 显示RAM的地址自动加1

MOV R0，#6BH ；显示缓冲区的首地址为6BH MOV R7，#09H ；显示缓冲区的长度为9个字节 MOV DPTR，#5FFEH；8279的数据口地址

；从CPU的RAM中读取显示段码的编码 ；PC与DTAB表格之间的偏移量

DIR0: MOV A，@R0

ADD A，#05H MOVC MOVX

A，@A+PC ；查表，取出显示段码

@DPTR，A ；送到8279显示RAM中指定的字节

INC R0 ；写8279的下一个显示RAM DJNZ RET

段码

6FH

字符

编码

R7，DIR0 ；循环9次，完成9位显示

；

DTAB: DB

DB DB DB

；F 00-01

0DAH 0BEH 0E7H

；X 02-03

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DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB

0A3H 0CBH 0D1H 0D3H 0DCH 0CEH 0DFH

；Z 04-05

；U 06-07

；W 08-09

； - 0A

； 0 0B

21H 7BH

； 1 0C

； 2 0D ； 3 0E ； 4 0F ； 5 10 ； 6 11 ； 7 12 ； 8 13 ； 9 14 ； 0. 15

91H 19H 4BH 0DH 05H 69H 01H 09H 20H 7AH

； 1. 16

； 2. 17 ； 3. 18

； 4. 19 ； 5. 1A ； 6. 1B ； 7. 1C ； 8. 1D

； 9. 1E

90H 18H 4AH 0CH 04H 68H

00H 08H

... ... ； 根据系统需要编制字库

当需要显示一组字符时，首先给显示缓冲区的6BH～73H这9个字节赋值，然后

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调用DIR子程序即可。例如，要显示“X-1234.56”，程序如下： MOV MOV

6BH，#02H 6CH，#03H

；“X”的一半 ；“X”的另一半

MOV 6DH，#0AH MOV 6EH，#0CH MOV 6FH，#0DH MOV 70H，#0EH MOV 71H，#19H MOV 72H，#10H MOV 73H，#11H CALL

DIR

；- ；1 ；2 ；3 ；4. ；5 ；6

；向8279的显示RAM写数

... ...

显示缓冲区（CPU内部RAM）： （6BH）（6CH）（6DH）（6EH）（6FH）（70H）（71H）（72H）（73H）

| | | | | | | | |

显示字符： X

- 1 2 3

4. 5 6

| | | | | | | | |

字符编码： 02H 03H 0AH 0CH 0DH 0EH 19H 10H 11H

8.6 8279管理键盘子程序

如书后图6-7所示，当矩阵键盘有键按下时，8279即向CPU的INT1申请中断，CPU随即执行中断服务程序，从8279的FIFO中读取键值，程序如下： CLR

EX1

；关CPU的INT1中断

；指向8279控制口地址 ；准备读8279 FIFO的命令 ；写入8279控制口

MOV DPTR，#5FFFH MOV A，#01000000B MOVX

@DPTR，A

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MOV DPTR，#5FFEH MOVX CJNE

A，@DPTR

；指向8279数据口地址 ；读出键值

；依次进行判别

A，#KEY0,NEXT0

JMP _KEY0 NEXT0: CJNE

JMP

；对应键进行处理

A，#KEY1，NEXT1

_KEY1

A，#KEY2，NEXT2

NEXT1: CJNE

JMP

_KEY2

NEXT2: ? ...

8.7 D/A电路输出模拟电压程序

如书后图6-7所示，当CPU执行写指令时，只要选中7FFFH这个地址，DAC0832与741组成的D/A转换电路即可输出直流电压。程序如下： MOV DPTR，#7FFFH ；指向DAC0832口地址

MOV A，#DATA ；准备输出的数字量00H～0FFH MOVX

@DPTR，A ；输出直流电压0～10V

8.8 步进电动机的运动控制程序

步进电动机的运动控制采用的是硬环分，其走步程序包括匀速与升降速两种，详细的设计思路见第四章第四节。 8.9 电动刀架的转位控制程序

电动刀架的转位包括控制刀架电动机的正转、反转与停止，以及4个刀位信号的识别。具体程序参考本章第二节。 8.10 主轴、卡盘与冷却泵的控制程序

车床主轴的控制，就是控制主电动机的正/反/停以及自动变速；电动卡盘需要控制其夹紧与松开；冷却泵需要控制它的启/停。这些程序都非常简单，对于某个动作的控制，只要从输出接口芯片的某个引脚输出一个电平信号即可。 现以主轴正转为例，从书后图6-7可以看出，主轴的正转由8255的PA0来控制，当用低电平信号来控制主轴正转时，程序如下： MOV DPTR，#3FFCH ；8255 PA口地址 MOVX

A，@DPTR

；读出PA口锁存器内容

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CLR ACC.0 MOVX

；修改

；置

PA0=0

直流继电器

@DPTR，A K+闭合，

主轴正转

控制系统的软件还包括两坐标直线和圆弧的插补程序、直螺纹和锥螺纹的插补程序，另外还有串行通信程序等。由于这些软件的设计工作量都比较大，课程设计时一般不要求编制详细的程序清单，但建议设计软件的流程图。

图8-2车床数控系统主机板电原理图

图8-3车床数控系统键盘与LED显示电原理图

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机电一体化课设的感受与收获

两星期的机电课设很快结束了，在这短暂的两周实训时间里，经过老师、同学的指导，我获益非浅，学习了不少关于自己专业方面的知识，这次实训给予我们的时间是两个星期，只有一个实训项目，所以有足够的时间多出来整理整理好好写报告。

这次的的课程设计我们组做的题目是卧式车床数控化改造，从题目上看起来很复杂，我们组进行了细致的任务分工，一下子就变得简单化了。我分到的任务是做说明书和电气部分的图形，让我收获颇多啊，比如说：在做说明书的时候，里面的很多公式都不会，不知道是怎么来的，通过查资料明白了一些，不知道怎么把公式输入到word中，在同学的帮助下解决了这个问题，也知道了课程设计说明书的具体制作格式以及如何书写内容，里面图片的序号编写等等一些需要注意的问题，里面的电气元件和电源选型都比较复杂查阅了很多资料才解决的，这些问题为我以后做毕业设计奠定了一定的基础，打好了一个提前量；还有就是做电气图的时候遇到了很多困难，不会用用相关的软件，在大家的帮助下，经过自己的努力学会了??

另外，单片机的选择也是一个难点，我们选用的CPU是AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。选用的芯片有8255（是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片40引脚。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路）和8279（8279采用单±5V电源供电，40脚封装）等，还有DAC0832（DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。）与741组成的转换电路，令我是费

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了不少的心思啊。

通过这次的实训，让我受益匪浅。第一，认识了团队合作的力量，要完成一个项目不是一个人的事情，当中我们有过分歧但最终达成共识，不管结果怎样，至少我们曾经在一起努力过，体验其中的过程才是真正的收获。

第二，经过两周的奋战我的课程设计终于完成了。在没有做课程设计以前觉得课程设计只是对这科课程来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。课程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。通过这次课程设计使我明确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。通过这次课程设计，我才明确学习是一个长期积累的过程，在以后的学习工作中我会走的更远。

结 论

论文介绍了经济型数控车床改造的内容，在此过程中我不仅运用了以前所学的各个学科方面的知识，而且学到了课本以外的知识。在此次设计过程中遇到了不少问题，也走了不少弯路，通过此次设计实践让我学会虚心求教，细心体察，大胆实践。任何能力都是在实践中积累起来的，都会有一个从不会到会，从不熟练到熟练的过程，人常说“生活是最好的老师”就是说只有在生活实践中不断磨练，才能提高独立思考和解决问题的能力；同时也培养了自己优良的学风、高尚的人生、团结和合作的精神；学会了勤奋、求实的学习态度。 勤奋就是要发奋努力、不畏艰难。唐代思想家韩愈有句名言：业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。优良的学业是辛勤汗水的结晶，成就只有通过刻苦的学习和拼搏才能获得。马克思说过：“在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。”求实就是脚踏实地，求真务实，谦虚谨慎、介骄介

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躁、对知识的掌握要弄通弄懂，对技术的掌握要严守规范、严谨细致、精益求精。一个人的力量是有限的，团结合作的力量是无穷的，通过对各个设计环节的确定让我明白：一粒沙虽小，但无数粒却能汇成无限的沙漠；水滴虽小，却你汇成辽阔的海洋；你的一个思想、一个方法，他的一个思想和方法，相互交流互换就有了两个思想和方法，当今社会竞争日益激烈，而我们现在就应该学会与他人合作。

当然，在设计实践过程中，我们也收获了快乐、与同学的快乐、与老师的快乐。因为每当自己或自己和同学完成了此次设计时，或多或少有些欣慰，会感到开心，同时和老师的交流也是一种快乐。虽然设计的时间和水平有限，但对我今后的学习有很大帮助。

谢 辞

感谢我的指导师他们严谨细致、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。老师悉心的教导使我得以一窥炼金术领域的深奥，不时的讨论并指点我正确的方向，使我在这些年中获益匪浅。老师对学问的严谨更是我辈学习的典范。因为有你的体谅及帮忙，使得本论文能够更完整而严谨。在这几个月的时间里，我们的指导老师对我毕业论文予精心的指导与细心的帮助，老师对我们很负责，这是让我感触最深的在老师的精心指导和帮助下，加上我认真的搜索资料并结合了这三年所学的知识使我能够顺利完成毕业论文。我要衷心的感谢我的指导老师——徐老师。每次都很认真的帮助我筛选资料，为我纠正论文里的错误，在此诚挚地道一声“老师，您辛苦了！”感谢老师对我的精心培育和教诲。在这里我还要谢谢我的同学们，他们也给了我很多帮助，提出了很多宝贵的建议。

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参 考 文 献

[1]. 尹志强主编，机电一体化系统设计课程设计指导书[M].合肥：机械工业出版社，2007

[2]. 林其骏主编，机床数控系统[M].北京：中国科学技术出版社，2009 [3]. 郝忠军主编，数控机床原理与编程[M].西安：陕西机械学院，2007 [4]. 李福生主编，数控机床程序编制－手工编程[M].北京：机械工业出版社，2006

[5] 范俊广主编，数控机床及其应用[M].北京：机械工业出版社，2007 [6]. 张毅刚、修林成、胡振江主编，MCS-51单片应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009

[7]. 机床设计手册[M].机械工业出版社，2005 [8]. 机械加工技术手册[M].北京出版社，2008

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