最大加工直径为320毫米的经济型数控车床进给系统设计说明书

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1、 密级： NANCHANG UNIVERSITY 本科生毕业设计（论文） THESIS OF BACHELOR（2009 2013 年）题 目：最大加工直径为320毫米的经济型数控车床进给系统设计学 院： 机 电 学 院 系 机 制 专业班级： 机械设计、制造及自动化 学生姓名： 林 寒 学号： 5901109064 指导教师： 刘旭波 职称： 副教授 起讫日期： 2013年3 - 6月 南 昌 大 学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研

2、究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期：导师签名： 日期：最大加工直径为320毫米的经济型数控车床进给系统设计专 业：机械设计制造及自动化

3、 学 号：5901109064 学生姓名：林 寒 指导教师：刘旭波 摘 要随着科学技术和社会的不断发展，社会对产品多样化的要求日益提高，产品更新换代越来越快，多品种小批量生产比重加大，零件形状越来越复杂，精度越来越高，而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,如可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。总体设计方案：在普通车床上采用适合现场实时控制的80C51单片机为控制器，以运行特性好、可靠性高的步进电机为驱动执行元件进行数控改造。在本次设计中，就包括了关于数控技术的基础知识，并且针对本次设计的课题，拟定了一系列的方案，进给系统的总

4、体方案，数控车床进给传动系统的机械部分，以及数控系统的硬件分析和设计。关键词：改造，步进电机，伺服电机，传动系统，数控机床AbstractAs science and technology and continuous development of society, societys demands for increasing product diversification, product upgrades faster and faster, and more varieties of small batch production increased in importance, mor

5、e and more complex shape parts, increasing accuracy.When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same mac

6、hine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we

7、 can reform the conventional machines. The overall master design: The way to NC improvement of general machine tool was introduced that using single-chip computer 80C51 to realize the real-time control and driving by step motor.In this design, it includes information on the basics of digital technol

8、ogy and design for this project, developed a series of solutions into the overall solution to the system, CNC lathe feed drive system of mechanical parts, and CNC system hardware analysis and design.Key word: machining，step motor，CNC，servomechanism，drive system前 言随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加

9、工质量的要求也越来越高。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被广泛应用是一个必然的趋势。同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。 数控机床经济型改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造,以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数减少,从而提高机床的精度。设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多

10、资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。 目 录摘 要Abstrac 前 言 第一章 绪 论11.1 数控机床的概念、组成、特点1 1.1.1 数控机床的概念1 1.1.2 数控机床的组成1 1.1.3 数控机床的特点2 1.2 数控机床的发展趋势与现状2 1.3 设计的内容与方法：3第二章 微型数控系统总体设计方案的拟定42.1 毕业论文的要求和内容42.2 总体方案的确定5第三章 机床进给系统机械部分设计计算63.1 系统脉冲当量及切削力的确定63.2 切削力的计算73.3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型73.4 进给伺服系统

11、传动计算133.5 步进电机的计算和选用14第四章 微机数控系统的设计224.1 微机数控系统设计的内容234.2 MCS-51单片机及其扩展24第五章 数控机床的零件加工程序37第六章 毕业设计总结40第七章 致 谢41第八章 参考文献42附表：混合式步进电机的相关资料和图纸43第一章 绪 论1.1 数控机床的概念、组成、特点1.1.1 数控机床的概念数控机床是数字控制机床的简称，是指用数字指令来控制机械执行预定的动作，通常由硬件电路发出数字化信号，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件

12、。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。1.1.2 数控机床的组成数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成，其中实线部分表示开环系统。为提高加J精度，再加入测量装置，由虚线构成反馈，称为闭环系统。主机：他是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。数控装置：是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插

13、补运算以及实现各种控制功能。驱动装置：他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。辅助装置：指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。编程及其他附属设备：可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。1.1.3 数控机床的特点数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高

14、效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。概括起来，数控机床有以下几方面的特点：(1) 加工精度高，具有稳定的加工质量；(2) 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；(3) 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产备时间；(4) 机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普 通机床的35倍）； (5) 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；(6) 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高 。1.2 数控机床的发展趋势与现状数控机床以其独特卓越的柔性自动化的性能、优异稳定的精度、灵活敏捷多样化的功

15、能引起广泛的关注，它开创了机械产品并向机电一体化发展的开始，成为先进制造技术当中的一门核心技术。数字控制系统技术的快速发展为数控机床的技术进步提供了条件。目前我国的数控机床的发展趋势主要体现在，高速、精密、复合、智能和绿色等几个方面。1、高速、高效，数控机床逐渐向高速化方向发展，它大大的提高加工效率、降低加工生产成本，并且还达到了提高零件的表面质量及其加工精度。高速化的加工技术对一些企业制造业提供了更高效，优质，成本低生产比较广泛适用性。 目前在一些发达的国家数控机床的高速运行，其高速主轴单元，电主轴转速可达15000 100000r/min，快移速度在60120m/min范围之内，切削进给速

16、度高达60m/min、一系列高性能控制伺服系统以及数控工具系统都有新的突破，数控机床发展到了更高的水平。2、现在的数控机床比以前的普通车床加工的零件更加的精密，精密加工技术有了相当大的提高，加工精度已从原来的丝级(0.01mm)提升到目前的微米级(0.001mm)，甚至有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达0.01m左右。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代3、智能化，

17、数控机床的智能化现在又有了新的突破，在数控系统的性能上得到了充分的体现。比如说：自动调整干涉防碰撞功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段等等，数控机床的智能化提升了机床的功能及其品质。4、现代的数控机床在还有较高的可靠性，而且复合化，多轴化，网络化等方面都得到了大大的提高。1.3 设计的内容与方法：用微机数控技术改造加工零件时，数控改造必须首先拟定总体方案，绘制系统总统框图，才能觉得各种设计参数和结构，然后选择数控机床，数控机床的选择，其进给传动系统的组成和原理，分析伺服系统的选择，怎样达到控制要求，合理的选择机械传动方式，数控机床坐标的进给伺服

18、系统既可以采用步进电机驱动也可以用直流或交流伺服电机驱动。数控车床进给系统机械部分的计算，例如，脉冲当量，切削力和滚珠，丝杆削等等一些物理量的计算，还有应该对车床数控系统的硬件分析和设计，比如说：数控系统的总体设计及其一些扩展，存储和通信的设计，比且还要加以计算，必要时要绘图分析，数控机床的进给分为横向进给和纵向进给，本次设计为横向进给传动系统设计。通过以上的一些内容完成本次设计课题用微机数控技术改造最大加工直径为320mm普通车床的横向进给传动系统的设计！第二章 微型数控系统总体设计方案的拟定2.1 毕业论文的要求和内容1.课题名称用微机数控技术改造最大加工直径为320毫米普通车床的进给系统

19、2.设计任务与要求：主要技术参数：最大加工直径（mm）： 在床身上：320 在床鞍上：175最大加工长度（mm）： 750 溜板及刀架重量（N）： 纵向：800 横向：400 刀架快移速度（m/min）： 纵向：1.6 横向：0.8 最大进给速度（m/min）： 纵向：1.0 横向：0.5 最小分辨率 （mm）： 纵向：0.01 横向：0.005定位精度（mm）： 0.02主电机功率（KW）： 2.2 起动加速时间（ms）： 253.设计的要求1）坐标的进给伺服系统既查采用步进电机驱动也可用直流或交流伺服电机驱动。2）CNC系统的主CPU既可采用单片机也可用系统机。3）所绘制的机械装配图要求图

20、面整洁、符合标准。4）说明书应简明扼要、计算准确、条理清楚、图文并茂并全部用计算机打印后装订成册2.2 总体方案的确定1.系统的运动方试与伺服系统的选择： 由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。考虑到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系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS-51系统的最小系统用一片80C51外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用M

21、CS-51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。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、步进电机功率放大电路组成，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LCD液晶显示器显示加工数据及机床状态等信息。为了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，为了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，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。 系统总体方案框图见图2.1图2.1系统总体方案第三章 机床进给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

22、脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下：3.1 系统脉冲当量及切削力的确定 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0.010.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向：0.01mm/step；横向：0.005mm/step3.2 切削力的计算1.纵车外圆： 主切削力Fz（N）由经验公式（1）估算： Fz= 0.67D =0.673201.5N=3835.3N按切削力各分力比例： Fz：Fx:Fy=1:0.25:0.4 Fx=3835.3 0.25N=958.8

23、N Fy=3835.3 0.4N=1534.1N 2.横切端面：主切削力可取纵切的一半，即=Fz=1917.65N 此时走刀抗力，吃刀抗力依然按上述经验公式粗略计算： ：F:F=1:0.25:0.4 F=1917.65 0.25N=479.4N F=1917.65 0.4N=767.06N3.3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型（一） 纵向进给丝杠： 1.计算进给牵引力Fm(N) 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移 动件的重量和切屑分力作用在导轨上的摩擦力，因而其数值大小和导轨的 形式有关。本次设计纵向进给为综合型导轨，则按以下公式确定： 式中：K考虑颠覆力矩影响的实

24、验系数，综合型导轨取K=1.15 滑动导轨摩擦系数：0.150.18，取=0.16 G溜板及刀架重力，由已知G=800N 代入得：Fm=1.15958.80.16(3835.3+800)N=1844.7N 2.计算最大动负载Q 选用滚珠丝杠副的直径时，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 Q，计算如下： 式中：L0为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程Lo=6mm； Vs最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/21/3,此处 为0.5m/min T使用寿命,按15000h; fw运转系数,按

25、一般运转取fw =1.21.5;此处取fw=1.2； 则： n=r/min=83.33r/mi L=74.99 =988.5N 3 .滚珠丝杠螺母副的选型： 查阅数控机床系统设计中附表A-34，可采用WL3006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14200N, 精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为3级(大致相当于老表准E级) 4.传动效率计算 =tan/tan(+) 式中：螺旋升角,WL3506螺旋升角=339 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004 则：=tan/tan(+) =tan339/tan(339+10)=0.95 5.刚度校核 先画出此纵向进

26、给滚珠丝杠支承方式草图，如下图3.1所示：图3.1 纵向进给滚珠丝杠支承方式草图 = 700+99+316+53 =900mm 支承间距L=900mm，最大轴向力为N，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧 力为最大轴向负载的1/3。 （1）、丝杠的拉伸或压缩变形量 查数控机床系统设计知，根据 Fm=1844.7N ，=30mm 查出/L= 110，可算出： = /L900= 10 900mm =0.09mm 由于两边都用向心推力球轴承，且丝杆又进行可预拉伸，故其拉压 刚度可以提高4倍。其实际变形量（mm）为： =0.25=2.2510mm （2）、滚珠与螺纹滚道间接触变形 查毕业设计指导书中图3-5

27、，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚 道接触变形： =6.2um 加了预紧，=0.5=6.20.5um=3.1um 因此图（3-1）滚珠丝杠总的弹性变形量： 根据以下经验公式：= =0.0059mm0.02mm（定位精度） 6稳定性校核 滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象不需要作稳定性校核。(二)横向进给丝杠 1. 计算进给牵引力 横向导轨为双燕尾形，有如下计算式 ： K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取K=1.4； 滑动导轨摩擦系数：取=0.2； G溜板及刀架重力，由已知G=500N N=1441.5N 2.计算最大动负载Q计算如下： 为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程Lo=5mm； V

28、s最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/21/3,此处为 0.3m/min; T使用寿命,按15000h; fw运转系数,按一般运转取fw =1.21.5;此处取fw=1.2； L寿命以转为1单位. 则： =54 6538.1N 3.查阅数控机床系统设计中附表A-3，可采用WL3005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10700N,精度等级按滚 珠丝杠行程公差表，选为3级(大致相当于老表准E级) 4.传动效率计算 =tan/tan(+3 ) 滚珠丝杠螺母副的选型螺旋升角,W1L2506的螺旋升角=32 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004 则：

29、=tan/tan(+) =tan32/tan(32+10)=0.96 5.刚度校核 (1)先画出此横向进给滚珠丝杠支承方式草图，如下图3.2所示：图3.2、横向进给滚珠丝杠支承方式草图 支撑间距 =160+88+315+7 =300mm 因为丝杠长度较短不需预紧. 最大牵引力 =1441.5N ,查出=，可算出 = (2)滚珠与螺纹滚道间接接触变形 查数控机床系统设计图3-5 =6um 因进行预紧=3um (3)滚珠丝杠总的弹性变形量：根据以下经验公式： 则mm (4)定位误差 = 显然，变形量已大于定位精度（0.02mm）要求，应该采取相应的措施修 改，因横向溜板限制，不宜加大滚珠丝杠直径，

30、故采用贴塑导轨 （），减小摩擦力，从而减小轴向力，根据式（16）重新计算如下 K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取K=1.4； G溜板及刀架重力，由已知G=500N N=825.65N 最大牵引力 =825.65N ,查出=，可算出 = 2）滚珠与螺纹滚道间接接触变形 查图数控机床系统设计3-5 图 =4um 因进行预紧 =2um 3）滚珠丝杠总的弹性变形量：根据以下经验公式： 则mm 4）定位误差 = 经过上面计算设计依据满足精度要求。6稳定性校核 计算临界负载 式中E材料的弹性模量。钢为20.6 I截面惯性矩，对于丝杠为(为丝杠内径) L丝杠两支撑端距离（cm） ,从表3.12中查出

31、，一端固定，一端简支为2.00 1.0656N 滚珠丝杠不会失稳。（三）纵向和横向滚珠给丝杠副几何参数： 其几何参数见表3.1名称符号W1L3006W1L3005公 称 直 径3030螺 距65接触角钢 球 直 径3.9693.175滚道法面半径2.0641.651偏 心 距0.0560.045螺 纹 升 角丝 杆 外 径2929.5螺 杆 内 径25.98726.78828.5628.46螺母螺纹直径34.01633.212螺 母 内 径30.830.7 表3.13.4 进给伺服系统传动计算 1.齿轮传动比计算 （1）已确定纵向进给脉冲当量,滚珠丝杠导程,初选步进 电机步距角0.9,可计算出

32、传动比i i=360/L= 可选定齿轮齿数为: Z =20 Z=30 已确定横向进给脉冲当量,滚珠丝杠导程L=5mm,初选步进 电机步距角0.9,可计算出传动比i i=360/L= 考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径过大，以免影响到横向溜板的有效行 程，故此处可采用两级齿轮降速： 因进给运动齿轮受力不大，模数m取2.有关参数如表3.2齿 数203024402030分度圆d=mz406048804060齿顶圆da=d+2m446452844464齿根圆df=d-21.25m355543753555齿 宽 (6-10)m2020 20202020中心矩A=(d1+d2)/2 50 6450表3.2

33、3.5 步进电机的计算和选用 （一）纵向机构步进电机选型： 1.计算步进电机负载转矩Tm T=N.cm 式中: 脉冲当量 (mm/step); 进给牵引力 (N); 步距角,初选双拍制为0.9;2.初选步进电机型号根据=1.1749N.m在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型 为86BYG250B-SAFRBL-0202其中，,保持转矩为5N.m.。3.等效转动惯量计算根据简图 ，即图（1），传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量运动 件的转动惯量可由下式计算: 式中 ，齿轮,的转动惯量 () 滚珠丝杠转动惯量 () = 式中 D圆柱体直径(cm); L圆柱体长度 (cm); 代入上式:

34、 =5.75Kg.cm24.电机转矩计算 机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算: 1）快速空载起动惯性矩 在快速空载起动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下： 又 =b/360 =r/min 启动加速时间（ms）: 带入得 折算到电机轴上的摩擦力矩: = 62.87N.cm 式中：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8; i传动比; 附加摩擦力矩： = =9.30N.cm 式中：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8; i传动比; Fpo滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3Fm,Fm为进给牵引力(N); o滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取0.9,此处取o=0.

35、9 所以：N.cm2) 快速移动所需力矩 =62.87+9.3=72.17N.cm 3) 最大切削载时所需力矩 =62.87+9.3+ =101.66N.cm 从上面计算可以看出、三种工况下,以快速空载启动时所需转矩 最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据. 查得：当步进电机为两相四拍时， =0.707 故最大静力矩Mjmax=180.5/0.707=255.3Ncm，而电机保持转矩为5N.m大 于最大静力力矩Mjmax，等于所以满足要求！ 但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 图3.3、86BYG250B-SAFRBL-0202

36、混合式步进电机矩频特性图 当快速运动和切削进给时，86BYG250B-SAFRBL-0202型混合式步进电机 运行矩频完全可以满足要求。 5.绘制进给伺服系统机械装配图图3.4双薄片齿轮周向弹簧调整法1、2-薄片齿轮 3、8-耳座 4-弹簧 5-调节螺母 6-锁紧螺母 7-螺钉 在完成运动及动力计算后，以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画机械装配图。见附图（一） 双片齿轮采用双薄片齿轮周向弹簧调整法消隙法：1、2-薄片齿轮 3、8-耳座 4-弹簧如图（3-4）所示，采用了可调拉力弹簧 5-调节螺母 6-锁紧螺母 7-螺钉。调整间隙。在两个薄片齿轮调

37、整间隙，分别装上耳座3和8,弹簧4的一端 钩在耳座3上，另一端钩在耳座8的螺钉7上。用螺母5调节螺钉7的伸出长度即可调整弹簧的弹力，调整好后再用螺母6锁紧。弹簧的弹力使薄齿轮1和2的左、右齿面分别与宽齿轮的齿槽左、右齿侧面贴紧，消除了齿侧间隙。 (二)横向机构初选步进电机： 1.计算步进电机负载转矩Tm T=N.cm 式中: 横向脉冲当量 (mm/step); 横向进给牵引力 (N); 步距角,初选双拍制为0.9; 2.初选步进电机型号 根据=0.5408N.m在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机 型号为86BYG250A-SAFRBC-0202 其中，,保持转矩为2.5N.m. 3.

38、等效转动惯量计算 根据简图 ，即图（32），计算传动系统折算到电机轴上的总的转动 惯量，运动件的转动惯量可由下式计算: J= 式中 齿轮、的转动惯量 () 横向滚珠丝杠转动惯量 () = = 式中 D圆柱体直径(cm)，L圆柱体长度 (cm); 代入上式: J= =3.852Kg.cm2 4.电机转矩计算 机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算: 1)快速空载起动惯性矩 在快速空载起动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下： 式 式 又 =b/360 =r/min 启动加速时间（ms）: 代入得 折算到电机轴上的摩擦力矩: =8.00N.cm 式中：传动链总效率,一般可取0.70

39、.85此处取0.8;i传动比; 贴塑导轨摩擦系数，取=0.04 附加摩擦力矩： = =3.47N.cm 式中：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8; i传动比; Fpo滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3Fm,Fm为进给牵引力(N); o滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取0.9,此处取o=0.9 所以：N.cm 2) 快速移动所需力矩 =8+3.47 =11.47N.cm 3) 最大切削载时所需力矩 =8+3.47+=42N.cm 从上面计算可以看出、三种工况下,以快速空载起动惯 性矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据.查得：当步进电机为两相四拍时 查得 =0.707 故最大静力矩

40、Mjmax=0.8299/0.707N.m=1.148N.cm，而电机保持转矩为 2.5N.m，大于最大静力矩Mjmax，所以满足要求！ 但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 图3.6 86BYG250A-SAFRBC-0202型混合式步进电机矩频特性图 当快速运动和切削进给时， 86BYG250A-SAFRBC-0202型混合式步进电 机运行，矩频完全可以满足要求。 5.绘制进给伺服系统机械装配图 在完成运动及动力计算后，以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号， 以及齿轮齿数、 模数、轴承型号之后，就可以画横向机械装配图。 第四章

41、微机数控系统的设计4.1 微机数控系统设计的内容(一)硬件电路设计内容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。 数控系统硬件的设计包括以下几部分内容： 1.绘制系统电气控制结构框图4.1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，绘制电气 控制结构图。机床硬件电路由五部分组成： （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。 RAMROM CPU光电隔离功 率

42、放大器I/O接口步进电机 外 设键盘，显示器及其他 图4.1 CA6132车数控车床数控系统硬件框图（开环系统）2.选择中央处理单元CPU的类型CPU的种类很多，在此处选择MCS51系列单片机中的80C51，因为其集成度高，稳定性、可靠性好，体积小，而且I/O口扩展的能力即有很强的外部扩展功能，外围扩展电路芯片大多是一些常规芯片，用户很容易通过标准扩展电路来构成较大规模的应用系统。3.存储器扩展电路设计MCS-51的程序存储器的寻址空间为64K字节。存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。分别选择两片2764和一片6264来扩展16K的内存。4.I/O接口电路设计设计内容包括：据外部要

43、求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。经考虑，选择8155为I/O接口芯片，液晶显示控制器LR104VRAM来控制LCD。图中的急停开关应采用那种按下去之后不会弹起、直到再次启动后操作者用手动拔出的按钮，此处由于表达方式的限制，仅以普通按钮表示。（二）机床数控系统软件设计软件是硬件的补充，确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。1. 软件设计步骤分为以下几步：（1）据软件要实现的功能，能制定出软件技术要求；（2）将整个软件模块化，确定各模块的编制要求，包括各模块功能，入口参数，出口参数；（3）据硬件资源，合理分配好存储单元；（4

44、）分别对各模块编程，并调试；（5）连接各模块，进行统一调试及优化；（6）固化到各程序存储器中。2.数控系统中常用软件模块（1）软件实现环行分配器；（2）插补运算模块；（3）自动升降速控制模块。4.2 8031单片机及其扩展(一)8031单片机的简介 1芯片引脚及片外总线结构 MCS-51单片机采用40脚双直插封装 （DIP）形式，如图4.2所示。 图4.2 8031的引脚 8031单片机是高性能单片机，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。下面说明这些引脚的名称和功能。（1）电源引脚Vss和Vcc Vss(20脚)：地电平，接地。 Vcc(40脚)：编程和正常操作时的电源 电压，

45、接+5V。 (2)时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1 （19脚）：接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时,对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反向放大电路的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对于HMOS 单片机,该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。 （3）控制信号引脚、/、RST/VPD、ALE/ RST/VPD（9脚）：单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态， 在该引脚输入24个时钟周期

46、宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET）,复位 后程序计数器清零，即程序从0000H单元开始执行，在Vcc关断之前加上VPD（掉电保护）RAM的内容不变。 /（31脚）：当EA端输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H 单元开始执行程序。当地址超过4KB时，将执行片外程序存储器的程序。 当EA输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。 ALE/：访问片外存储器时，ALE作锁存扩展地址低位字节的控制信 号（称允许锁存地址）。平时不访问片外存储器时，该端也以1/6的时钟振 荡频率固定输出正脉冲，供定时或者其他需要使用；在访问片外数据存储 器时会失去一个脉冲。ALE端的负载驱动能力为8

47、个LSTTL（低功耗高速 TTL）。 （29脚）：在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器 读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期 中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两个有效的PSEN信号不 出现。PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。我们根据PSEN、ALE和XTAL2 输出是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。 (4)输入/输出引脚（P0、P1、P2和P3端口引脚） P0P3是4个寄存器，也称为4个端口，是80C51单片机与外界联系的4 个8位双向并行I/O口。由于在数据的传输过程中，CPU需要对接口电路输 入输出数据的寄存器进

48、行读写操作，所以在单片机中对这些寄存器象对存储 单元一样进行编址。通常把接口电路中这些已编址并能进行读写操作的寄存 器称为端口（PORT），或简称口。 P0.0P0.7（3932脚）：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。在访 问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位双向数据，故这些I/O线有地 址线/数据线之称，简写为AD0AD7。在EPROM编程时，从P0输入指令字节， 在验证程序时，则输出指令字节（验证时，要外接上拉电阻）。 P1.0P1.7（18脚）：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。 在EPROM编程和验证程序时，它输入低8位地址。 P2.0P2.7（2128脚）：P

49、2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。 在访问片外存储器时，它输出高8位地址，即A8A15。在对EPROM编程和验证 程序时，它输入高8位地址。 P3.0P3.7（1017脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。 在整个系统中，这8个引脚还具有专门的第二功能，如表4.1所示。表P3口各位引脚的第二功能 P3口的各位 第二功能P3.0（串行口输入）P3.1（串行口输出）P3.2INT0（外部中断0输入）P3.3INT1（外部中断1输入）P3.4T0（定时器/计数器0的外部输入）P3.5T1（定时器/计数器1的外部输入）P3.6（片外数据存储器写选通控制输出）P3.7（片外数据存储器读选通控制输出） 表4.1 P3口各位的引脚的第二功能(二)单片机的系统扩展概述 8031片内只有4KB程序存储器地址空间、256B的片内数据存储器的地址 空间（用8位地址，其中128B的专用寄存器地址空间仅有21个字节有实际意义）。所以需扩展。1.扩展概述8031的片外总线结构：所有的外部芯片