用微机数控技术改造C6140普通车床进给系统

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1、华东交通大学理工学院毕业设计华东交通大学理工学院Institute of Technology.East China Jiaotong University 毕 业 设 计Graduation Design （20112015年）题 目 用微机数控技术改造C6140普通车床进给系统 分 院： 机电工程分院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起讫日期： 1华东交通大学理工学院毕业设计（论文）原创性申明本人郑重申明：所呈交的毕业设计（论文）是本人在导师指导下独立进行的研究工作所取得的研究成果。设计（论文）中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在设计（论

2、文）中特别加以标注引用，除此之外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研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。毕业设计（论文）作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计（论文）的复印件和电子版，允许设计（论文）被查阅和借阅。本人授权华东交通大学理工学院可以将本设计（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毕业设计（论文）。（

3、保密的毕业设计（论文）在解密后适用本授权书） 毕业设计（论文）作者签名： 指导教师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 摘 要 近一个世纪以来科学技术得到的飞速的发展，人们对生产出的产品要求也越来越高，主要体现在精度、耐用程度等。而生产厂家也需要高速度、高精度、高精度的生产设备，这样才能满足客户的需求。 原有的C6140机床生产的速度、精度、效率等都非常的低下，这就使得厂家需要更换其设备，而这次我们刚好将对该类机床进行改造，引进数控技术，使得普通的C6140机床成为数控机床。 而数控机床跟普通机床相比性能明显优良些，例如：他能在原来机床进行单次装夹而加工多次，大大提高了加工的效

4、率；且因其是受计算机控制，所以加工精度更加的高。可是他的价格却非常贵。这次设计使用我们所学的知识对它实行改造使其能为厂家生产节约成本，一劳多得。本次计划改造部分即为机床的进给系统，控制器部分使用8051单片机，以步进电机作为驱动原件。关键词：改造，步进电机，传动系统，数控机床Abstract Nearly a century, science and technology development more than rapider, in the present people have more and more higher requirements to the products, its

5、 mainly performaned in the accuracy, durability etc. According to customers demand, the manufacturers also need high speed, highly-efficiency and highly-precision production equipment.Because the original C6140 machine production speed or accuracy and efficiency is very low, so the manufacturers nee

6、d to change the equipment, and this time we just will reform this kind of machine, we will used of the computer numerical control technology,introduce numerical control technology, make the ordinary C6140 machine tool turn to CNC machine tool.If compared with the ganeral machine tool, the CNC machin

7、e tools performance was excellent, for example, it can be in the original machine once clamping and processing times, the efficiency of special improvement of the processing; and because its controlled by the computer, so the processings precision is more high. On the other hands the price is very e

8、xpensive. This design uses the knowledge of the transformation can save cost for manufacturers, a plenty of work. The main part is the design of machine tool feed system, the used of he 8051 single-chip microcomputer as controlle to step motor as the driving. Keywords: Transformation, Step motor, Tr

9、ansmission system, CNC machine tool目 录摘 要1Abstract2目 录1前 言2第一章 绪 论3一、数控机床的概念、组成、工作原理、特点31 数控机床的概念32 数控机床的组成33 数控机床的工作原理44 数控机床的特点4二、数控机床的发展趋势与我国的发展现状41、高速度，高效率，高精度和高可靠性42、模块化、智能化、柔性化和集成化53、开放性5第二章 微型数控方案的总体拟定6一、CA6140微型数控机床进给系统的总体设计方案拟定61.毕业设计的基本要求和内容62.总体方案的拟定73、数控车床机械的计算和选型8第三章 微机数控系统的设计30一、 微机数控系

10、统设计的内容301、硬件电路设计内容302、机床数控系统软件设计313、 8031单片机及其扩展31第四章 总 结35第五章 致 谢36第六章 参考文献371前 言 纵观人类发展史，近一个世纪的发展最为迅速、深入，科学技术提高及其的迅猛，所以人们对各种设备的性能要求也是越来越高，然而这已是一个高度发展的经济社会，人们在设备更换的同时也将经济情况考虑进去。人们希望用最实惠的价格买设备同时，还希望买来的设备更加耐用，所生产出的产品精度、效率及速度等各方面更好，以此生产的产品满足客户的需求。 此次C6140普通机床的改造既能为生产厂家节约成本且精度等各方面均能满足厂家要求，其生产的产品还能满足客户需

11、求，而主要的改造项目就是机床的进给系统。将普通机床升级改造成为数控机床，在原机床上加上步进电机，并且使其伺服系统能够达满足理想加工。所以此次的目的就是通过微机数控有关技术对C6140车床的进给系统加以改造。 在本次毕业过程中我查阅了大量的有关机械方面书籍使我学到更多的知识，了解了机床的基本结构及其工作原理。第一章 绪 论一、数控机床的概念、组成、工作原理、特点1 数控机床的概念数控机床实质是通过数字信号化处理机床的机械运动全程进行掌控的现代化机床，以字符形式实现了自我控制的技术。对于数控技术即数字机字符发出命令以实现自动控制的技术，它可以准确地按照事先人为在电脑上编辑好的完整程序，自主加工出人

12、们期望的零件的先进设备。2 数控机床的组成数控机床主要组成部分：程序载体、CNC装置、伺服系统、检测与反馈装置、辅助装置、机床本体组成。它的关系如下图1.1所示： 1.1 数控机床的结构图程序载体：对工件所加工地有关程序语句进行存取的功效，以规定格式将工件加工程序保留载体中，而载体主要包含如下：硬盘、磁盘、闪存卡等等。CNC装置： CNC系统的中枢是CNC装置，它的主要组成部分有：中央处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路及相应控制软件等。有将脉冲信号输入装置接收的功能；将接收到的脉冲信号，由系统软件和数控设备的操作及逻辑处理常见的逻辑电路完成，那么再将信号和控制命令的传输到下一个系统。

13、伺服系统：它是将CNC装置同机床本体的进行连接部分。它的功用是对来自CNC装置的脉冲信号进行一系列处理之后再驱动伺服电动机，经由执行部件驱动机床的机械运动部分运动，可让工作台等运动件准确定位及能让有关加工刀具跟主轴等按照电脑编辑预定轨道运动，继而加制出契合图纸零件。伺服精度跟动态响应对数控机床的加工精度等相关机械性能具有极其重要的影响。检测与反馈装置：该装置对升级改造后的机床的加工精度的提升非常有利，是此类机床的不可或缺组成部分。功能对有关导轨跟主轴移动移量、速度等各方面有关参数实施监测，经过转换为数字信号，把它按照逆向路线反馈至有关装置中去，数控有关部件按照反馈回来的信号对相应的指令进行识别

14、，对出现的错误进行修改。辅助装置：辅助控制指令从电脑传送（M，S，T）人机界面为电信号来控制启动、停止主轴电机转速跟控制冷却液开关闭合及索引转换与自动换刀一系列有关操作。机床本体：该机的主要机构：数控机床是完成相关机械零件加工部分，是机床结构的主要组成部分，是机床的主体结构部分。含有的成分运动元件、支撑元件和辅助元件等。3 数控机床的工作原理 加工所需零件时，首先进行对几何信息跟工艺信息预处理相关处理部分，由相关输入、数控装置，经由分析、运算，将每个轴组件传送到驱动电路的轴中。通过转换、放大促使伺服电动机启动，把每个运动轴件部分带动起来；并对其进行反馈控制，使刀具与工件及其他辅助装置能够严格依

15、照事先在计算机中编制好的逻辑语音程序进行相关的工作，加工出我们所需要的零件。4 数控机床的特点 1） 选用性能相对比较高的主轴跟伺服系统，传动链较短 2） 具有比较高的刚度、耐磨性及热变形小 3） 使用高效率、高精度部件 4） 采用辅助装置有：冷却、润滑、防护等。 5) 加工精度高、质量稳定 6） 生产效率高、经济效益好 7） 加工对象的适应性强 8） 自动化程度高，劳动强度低 9） 有利于现代化的管理 10） 具有很强的通信功能二、数控机床的发展趋势与我国的发展现状近来计算机技术的应用用越发的广泛，在数控机床中也开始采用计算机、控制理论等相关领域的最新技术成果，它的性能越来越完善了，为了能够

16、生产出所需要的高精度等复杂的零件，现在技术已经越发的不能满足我们的要求了，目前数控机床方面的发展具体趋势如下：1、高速度，高效率，高精度和高可靠性提高切削和进给速度是提高效率的首要条件，也要减少处理时间；机床机械部件的预控轨迹精度的提升是确保加工质量的必要前提条件，而整个运动部分的可靠性是以上所有目标实现最基本的保证。2、模块化、智能化、柔性化和集成化关键是提高的可靠性、实用的系统为前提，有利于网络一体化目标形成；对单元技术的拓展有所增强;CNC单机要向着把精度、速度和柔性都替提高地目标进行发展；CADCAM软件可以有效地与数控机床和柔性制造系统的完美结合，在信息集成的方向发展，在开放的网络系

17、统中发挥着重要的作用。3、开放性由于数控系统生产商家对技术的保密，以前的数控系统每个商家都是用自己相对比较封闭的系统，各个商家的生产的系统和计算机都无法兼容，这样难免造成维护、升级异常困难，而造成无法满足市场对数控机床的需求，因此为适应数控机床的进线，联网、普及性、个性化、柔性化及数控技术的需求，而最重要的就是能够有开放的体系结构，所以需要设计并且生产出开放式的数控系统，开放式的系统有着统一的编程语言等，每个厂家的机械软件与硬件都兼容，维修也比较方便。我国数控机床的现状：我数控机床起步于建国初期，从国外引进数控机床并组织研究，得到了长足的发展，特别最近的20多年里，我国的数控产业得到了飞速发展

18、，从2002年开，我在全球机床消费国和进口国里面已经多年位居榜首了。但是我国的国产的中高档机床在国际上缺少竞争能力，主要原因是我国的数控机床研究深度还远远不够，人才缺乏，技术落后。为此我们应该努力发张先进技术加大技术创新，努力研制出具有高竞争力的机床。第二章 微型数控方案的总体拟定一、CA6140微型数控机床进给系统的总体设计方案拟定1.毕业设计地基本要求和内容1.1、设计的要求和内容1）.课题名称：用微机数控技术改造C6140普通车床进给系统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：400 在床鞍上：210最大加工长度（mm）： 1200 溜板及刀架重量（N）：

19、纵向：1000 横向：500 刀架快移速度（m/min）： 纵向：1.8 横向：0.9 最大进给速度（m/min）： 纵向：0.6 横向：0.3 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）： 7.5 起动加速时间（ms）： 25设计的要求2.1）CNC系统的主CPU既可采用单片机也可用系统机。2.2）两个坐标的进给伺服系统结构既查采取步进电机驱动也可使用直流或 交流伺服电机驱动。2.3）所绘制的机械装配图和硬件电路原理图要求正确、合理、图面整洁、 符合标准。2.4）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

20、订成册。1.2、毕业设计图纸内容及张数1、绘制进给伺服系统机械传动机构二个坐标轴的机械装配图。 0 2张2、绘制用单片机控制的相关硬件电路原理图。 1 1张3、设计说明书 1份1.3、毕业设计实物内容及要求 1、总体方案的拟定及可行性论证。 2、两个坐标的进给伺服系统机械传动机构的设计和计算、图纸。 3、CNC系统硬件电路原理图的设计图纸。 4、编写设计说明书（毕业论文）。2.总体方案的拟定1.整个系统的运动形式和伺服系统的选择：由于改造后的数控机床拥有定位、暂定、循环性加工等等功能，故而我么选的机床系统应该具有连续控制功能即连续控制系统。机床的加工精度较低，以简化和降低改造成本为目的，也应该

21、采纳步进电机控制系统。2、计算机系统： 根据机床要求，我们采取8位微机的8051单片机。系统总体方案框图见图2.1 图2.1系统总体方案图示3、数控车床机械的计算和选型 伺服系统有关部分的计算包含有：确定系统的脉冲当量，电机的确定等。需要画出机械装配图跟零件工作图等。3.1 确定系统的脉冲当量 单个进给脉冲造成机床机械部件运动而生产的位移量被陈作脉冲当量，而我们根据任务书的主要技术参数纵向方面取0.01mm/step，横向方面取0.005mm/step。3.2 切削力的计算3.2.1 纵车外圆PC=P=7.50.8=6KW 式中，Pc-切削功率（KW）; P机床主传动功率，P=7.5KW; -

22、主传动的系统总的机械效率，范围0.7-0.8，取0.8对于车床，Fz =60000=60000=3789.47N式中，V=90100r/min，取V=95 r/min；各分力比：FZ:FX:FY=1：0.5:0.6可得：Fx=0.5 FZ=0.53789.47N=1894.74N; Fy=0.6Fz=0.63789.47N=2273.68N.3.2.2 横切端面主切削力：Fz=0.5Fz=0.53789.47N=1894.74N Fx=0.5Fy=0.52273.68N=1136.84N Fy=0.5FX=0.51894.74N=947.37N3.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型3.3.1 纵向

23、进给丝杠1） 计算进给牵引力(N)纵向进给为综合型导轨则Fm=1.151894.74+0.15(3789.47+1000)=2897.37N式中，G-溜板及刀架重力，取G=1000N K-考虑颠覆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1.15-0.18，取0.152） 计算最大动负载Q 式中, L为丝杠寿命，以转为1单位; 运转系数，按一般运转取1.21.5,取1.3；最大切削力条件下的进给速度，可取最大进给速度的1/21/3；此处=0.6mm/s； T使用寿命，按15000h 为丝杠的基本导程，初选=6mm；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表

24、3-1，可采用W1L4506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17100N,精度等级按滚珠丝杠行程公差表3-17，选为3级(大致相当于老表准E级) 4） 传动效率计算式中，螺旋升角，的螺旋升角，；摩擦角取，滚动摩擦系数0.0030.004；5） 纵向滚珠丝杠刚度验算画出纵向进给滚珠丝杠的支撑方式，根据最大轴向力2897.37N， L=2000mm支撑间距。丝杠螺母副及轴承均进行预紧，预紧为最大轴向负荷的。（1） 丝杠的拉伸或压缩变形= 查表3-4，根据=2897.37N，D=45mm，查出=1.02 由于部分取两端的螺杆径向推力球轴承，张力，张力和压缩刚度增加了

25、四倍，实际（mm）为：（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形查图3-5，W系列，1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 因为进行了预紧，.（3）支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形为采用51205推力轴承，滚动体直径，因此：因为施加了预紧力，故：根据以上计算： 4） 稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力球轴承，不可能出现失稳，因此不用作稳定校核。3.3.2 横向进给丝杠1）计算进给牵引力按横向进给为燕尾形导轨，计算如下： 式中， K考虑颠覆力矩影响的实验系数，燕尾形导轨取 滑动导轨摩擦系数：=0.15；溜板及刀架重力，;则: 2）计算最大动负载Q 式中, 为丝杠的基本导程，初选=6mm；最大切削力条件下的进给速度，

26、可取最大进给速度的1/21/3，此处=0.3m/min；使用寿命，按15000h；运转系数，按一般运转取1.21.5，此处取1.3；为丝杠转速；为丝杠寿命，以转为1单位；3）选择滚珠丝杠螺母副 从附录A表A-3查出，,1列2.5圈，外循环螺纹预紧滚珠丝杠螺母副，额定动载荷为13100N，可以满足要求，选定精度为3级4）传动效率计算 式中，螺旋升角，的螺旋升角，；摩擦角取，滚动摩擦系数0.0030.004；5）刚度验算横向进给滚珠丝杠支承方式草图， 如下图（3-2）所示，不需要预紧螺母及轴承。最大牵引力为2026N，支撑间距为：GJmL 图（3-2） 横向进给滚珠丝杠支承方式草图（1）、丝杠的拉

27、伸或压缩变形量（mm）根据，查表3-4可得：可算出：（2）、滚珠与螺纹滚道间的接触变形查图3-5，W系列，1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 因为进行了预紧，.（3）、支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形为. 本机构采用51204推力轴承，滚动体直径，因此： mm根据上述计算得：（4）、稳定性校核 计算临界负载: 式中, 丝杠材料弹性模量，对钢；截面惯性矩，对丝杠圆截面，为丝杠的内径； 丝杠两支承端距离（cm）；为丝杠的支撑方式系数由表3.5出，一端固定，一端简支 一般。此滚珠丝杠不会产生失效。3.4 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数名 称计算公式螺纹滚道公称直径4525导 程66接触角钢球直径（mm

28、）3.9693.969滚道法面半径2.0642.064偏心距0.0040.006螺旋升角螺杆螺杆外径 4424.2螺杆内径42.7920.884螺杆接触直径43.0116.04螺 母螺母螺纹直径46.7924.1163.5 齿轮传动比计算3.5.1 纵向进给齿轮箱传动比及齿轮几何参数纵向进给脉冲当量；滚珠丝杠导程；初选步进电机 可计算出传动比： ； 可选齿数为：； 所以取3.5.2 横向进给齿轮箱传动比计算横向进给脉冲当量；滚珠丝杠导程；初选步进电机步距角；可得；可选齿数为：因进给运动齿轮受力不大，模数m取2 3.5.3 传动齿轮几何参数齿轮齿数303620321827分度圆627442663

29、854齿顶圆647644684058齿根圆556735593149齿宽202020202020中心距6652543.6 步进电机的计算与选型3.6.1 纵向步进电机的计算和选型1、初选步进电机（1）计算步进电机的负载转矩 式中， 脉冲当量 (mm/step)，取0.01 mm/step; 进给牵引力 (N); 步距角,初选双拍制为0.72; 电机丝杠的传动效率,为齿轮、轴承、丝杠效率之积，分别为0.98、0.99、0.99、0.956; （2）、初选步进电机起动转矩（3）、计算最大静转矩查表3-22，若取五相十拍，步进电动机的其动转矩和最大静转矩的关系，则：（4）、 计算步进电机运行频率和最高

30、起动频率式中, 为最大切削进给速度，取1.2m/min； 为最大快速移动速度，取1.8m/min； 为脉冲当量，取0.01mm/step.（5）、 初选步进电机的型号 根据估算出的最大静转矩在下表可查出90BYG5200B-0301型的最大静转矩为1000Ncm 可以满足要求。从下图表可以看粗，此90BYG5200B-0301步进电机允许的最高空载起动频率为2000Hz，不能满足电机的最高起动频率，此项指标可暂时不考虑，可以采用软件升降速来解决。 因数控机床有较大的切削用量，应选稍大一点转矩的步进电动机，以保证有一定的余量步进电机具体参数如下：3.6.2、校核步进电机转矩（1）、 等效转动惯量

31、计算 根据纵向进给见图，根据表3-24， 传动系统折算到电动机轴上的总的转动惯量（kg）可以由下式计算：式中，步进电机转子转动惯量（）； 齿轮的转动惯量（）； 滚动丝杠转动惯量（）； 参考同类型的机床，应选的步进电动机为90BYG550B-0301型， 其转子的转动惯量； 圆柱形的转动惯量,如滚珠丝杠和齿轮,可由下述公式计算式中， D圆柱体的外径(cm) ； L圆柱体的长度(cm)； 材料的密度 （=. G=800N （为重力加速度取9.8)代入上式可得： 考虑步进电动机与传动系统的惯量应相匹配：基本可以满足惯量匹配的要求。（2）、电机转矩计算机床在不同的工况下，所需的转矩不同，分别按各阶段计

32、算如下：1）. 快速空载起动转矩M 在快速空载起动时，加速转矩占的比例较大，其计算公式为： 式中， 将前面数据代入，式中各符号意义同前。 式中，起动加速时间， 最大快速移动速度，； 脉冲当量，取0.01mm/step； 步矩角，本电机；所以： =280折算的电机轴上的摩擦转矩为 式中, f=0.15， G=800N， i=118/90附加摩擦转矩： 式中， 故而： 综合上述三项得出空载起动转矩： = 366.5Ncm2）、 快速移动时所需转矩 =71.4+15.1=86.5Ncm3）、 最大切削负载时所需转矩 = =275Ncm 4）、对该步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性给予校核 面已经计

33、算出此车床纵向最大快速移动时的所需的步进电动机的最高起动频率为3000Hz，切削进给时所需步进电动机的运行频率为2000Hz。从下图可以看出，当启动频率为2700Hz时，其转矩为3.6，可以满足要求。转矩时所需要的工作频率为2000Hz和最大切削力矩及快速移动的载荷，但也满足要求。 3.6.5 横向步进电机的计算和选型1、初选步进电机（1） 计算步进电机的负载转矩 式中， 脉冲当量 (mm/step)取0.005 mm/step； 进给牵引力 (N)； 步距角,初选双拍制为0.72; 电机丝杠的传动效率,为齿轮、轴承、丝杠效率之积，分别为0.98、0.99、0.99、0.96。（2）、初选步进

34、电机起动转矩（3）、 计算最大静转矩查表3-22，若取五相十拍，步进电动机的其动转矩和最大静转矩的关系，则：（4）、 计算步进电机运行频率和最高起动频率式中, s 为最大切削进给速度，取0.6m/min； max为最大快速移动速度，取0.9m/min； 为脉冲当量，取0.005mm/step.（5）、 初选步进电机的型号 根据估算出的最大静转矩在下表查出90BYG5200B-0301型的最大静转矩为500Ncm 可以满足要求。此90BYG550B-0301步进电机允许的最高空载起动频率为5000Hz，能满足电机的最高起动频率。切割的数控机床有一个比较大的量，应选择稍大扭矩步进电机，保证有一定的

35、余量。具体参数如下：2、校核步进电机转矩（1）、等效转动惯量计算 根据纵向进给图，根据表3-24传输系统，转换成的总转动惯量（kg）可以通过以下公式计算：式中， 滚珠丝杠转动惯量 ()步进电机转子转动惯量（）； 、齿轮、的转动惯量 () 滚动丝杠转动惯量（）； 参考同类型的机床，应选的步进电动机为110BYG550C-0301型， 其转子的转动惯量； 圆柱形转动惯量,如滚珠丝杠、齿轮,可通过以下公式计算式中， D圆柱体的外径(cm) ； L圆柱体的长度(cm)； 材料的密度 （=. G=500N （为重力加速度取9.8)代入上式可得： =3.25考虑步进电动机与传动系统的惯量应相匹配：基本满足

36、惯量匹配的要求。（2）、电机转矩计算不同的操作条件下，所需要的扭矩是不同的，分别根据每个阶段对其计算如下：1）、快速空载起动转矩M 在快速空载起动时，加速转矩占的比例较大，其计算公式为： 式中， 将前面数据代入，式中各符号意义同前。 式中，起动加速时间， 最大快速移动速度，； 脉冲当量，取0.005mm/step； 步矩角，本电机；所以： =12.06折算的电机轴上的摩擦转矩为 式中, f=0.2， =500N， i=108/45附加摩擦转矩： 式中， 所以： =5.32故上述三项合计得空载起动转矩： =35.18Ncm2）、 快速移动时所需转矩 =23.12Ncm3）、最大切削负载时所需转矩

37、 = =56.5 Ncm4）、对该步进电机起动矩频特性和运行矩频特性加以校核 经过前面的计算得出此车床纵向最大快速移动时的所需的步进电动机的最高起动频率为3000Hz，而切削进给时所需步进电动机的运行频率为2000Hz。当空载时，它的启动频率为3000Hz，此时的转矩为1.8N.m，大于设计时的启动所需要转矩。快速移动时所需转矩和最大切削负载时所需转矩相应的转矩也足够满足，所以此电机可以满足要求。第三章 微机数控系统的设计一、 微机数控系统设计的内容1、硬件电路设计内容 1. 绘制系统电气控制结构框图如下4.1所示 根据方案的总体的规划及机械机构的控制的需求来确定硬件电路的方案，绘制出电气控制

38、总体结构图。主要由以下几个部分组成： a）CPU中央处理器，控制器、运算器和寄存器三部分组成。 b) 存储器，包括了系统存储器和用户存储器。 c) 输入/输出接口 d) 外围设备 e) 接口 RAMROM CPU光电隔离功 率放大器I/O接口步进电机 外 设键盘，显示器及其他 3.1 C6140车数控车床数控系统硬件框图（开环系统）2.选择CPU中央处理单元由于CPU的种类特别多，在此我们应该选择8051单片机。3.存储器扩展电路的设计MCS-51的程序存储器的寻址空间为64K字节。存储器扩展包含数据存储器和程序存储器扩展两大部分。4.I/O接口电路设计 设计内容：根按照外部的要求选择I/O接

39、口的芯片，由步进电机控制的电路和键盘等及其他辅助电路。通过测试选8155作为I/O接口芯片，液晶显示器LR-104VAR。2、机床数控系统软件设计若要确定软件设计好硬件电路是前提条件，因而也可以说软件是硬件补充。1. 软件的设计： 1.1）根据软件所要实现的功能，制定出相关的软件； 1.2）把软件模块化，制定每个模块的编制要求； 1.3）根据硬件性能，分配好存储单元； 1.4）对各模块分别进行编程、调试； 1.5）将各个模块链接进行统一调试、优化；2.数控系统经常用到的软件模块 2.1）软件实现环行分配器； 2.2）自动升降速控制模块； 2.3）插补运算模块。3、 8031单片机及其扩展3.1

40、、8051单片机的相关简介40个引脚按引脚的按照功能不同可为：电源、时钟、控制和I/O引脚。如下图4.2所示3.2 8051单片机图示1芯片引脚及片外总线结构 由于8051单片机受到引脚数量有限，很多功能没有对应引脚，因此很多引脚具有第二功能。有关引脚的名称及功能如下：（1）主要的接口 Vss（20脚）：地线。 Vcc(40脚)：电源，正常的运行接+5V. RST/VPD（9脚）：复位端，当Vcc放电时，备用电源VPD被该接口接通，可以保留片内RAM中数据。当Vcc降低至规划中的值之下时，VPD给片内RAM中芯部分送电。 （29脚）：每个机器周两次有效指令才能实行下面步骤相应操作。 /（31脚

41、）：若/为高电平时，将访问片内的存储器；若/为低电平时，将访问片外存储器。具有第二功能I/O口。如表4.1所示。表4.1 P3口的第二功能3.2、步进电机驱动电路根据计算得知：选取两相电机合适的驱动器，纵向驱动器以及横向驱动器都选取SH20806N。其接线图4.3如下： 图3.3 电动机驱动器连线图3.3、液晶显示控制器：VRAM型彩色液晶器，型号：YD-501AVRAM。 VRAM视频存储技术是近段时间才应用于中、高档的显示卡中。该显示器接口采用并行总线方式，能够异常便捷地根单片机或者微处理器的总线相连接，使用起来也是非常的便捷。 显示器屏幕上的“像素”点都经过R、G、B三 “点”来构成，因

42、此每个点均能准确显示出。 1、原理框图：如图3.4所示为YD-501AVRAM显示器的基本原理 图3.4 YD-501AVRAM显示器的基本原理图2、接口 34针双反插接口（间距标准2.54mm），引脚定义如表3.3所示：引脚号引脚定义引脚号引脚定义引脚号引脚定义1D0 13GND25 A52D114GND26 A63D215RDCS27 A74D316A1528 A85D417+12V29 A96D518+12V30 A107D619保留31 A118D720保留32 A129WCS21A133 A1310CLOSE22A234 A1411A023A312保留24A4 表3.3 YD-501

43、AVRAM显示器的引脚定义第四章 总 结 几个月的的毕业设计专业间即将过去，大学生涯也即将结束，内心有种说不出的复杂之情，通过几个月时间的设计、计算、查阅资料等，经用微型数控相关技术改造普通车床的进给系统。改造后的机床将原普通存在的缺点都克服了，原普通机床手动进给装置也被改造成为了步进电机驱动的滚珠丝杠，由滚珠丝杠带动工作台完成运动，且采用了8051单片机对步进电机的控制和数据的处理等。 此类简易而经济的数控机床设计中采用了单片机技术、混合步进电机以及开环控制的伺服系统，巧妙的实现了机电一体化。是机电一体化产品中一个典范，在机械制造业中将发挥不可估量的作用，可以很好的解决现代机械制造业中许多难

44、以加工的问题如：精密、批量小、多变不规程的零件。而且生产出的产品具备性能稳定，高质量的特点，很大幅度上提高了日常的生产效率，最重要的是数控机床能够加工出普通机床根本不能加工出的曲面异常复杂的零件，因此数控机床也越来越多的用于机械相关的制造业中。本次改造的机床既能满足上述要求，又能为厂家节约大量成本。本次设计设计由于个人知识素养等方面的原因，当中还存有不足之处，在今后的学习中将加以完善和修正。第五章 致 谢 这次毕业设计任务书可以顺利地完成，特别地感谢我们的毕业辅导老师刘老师及我所在小组里面的每一个同学，在老师的辛勤指导和同学们的帮助下，我才能发现不足并加以修正、改进。由于这次毕业设计的时间紧张

45、的关系，不得不加快速度完成，过程中遇到许多问题，每次导师都能及时的给予指导。在此再次感谢我的毕业导师。数控技术在我国逐步的强大，特别在沿海地区，技术不断的提高。一门知识的热门取决与社会的发展，同时数控技术在不断的推动社会的发展，作为新一代的社会年轻人，要把在学校老师教授的知识和理论进行结合，慢慢与社会融合为一体。 最后大学即将结束，感谢每一个兢兢业业教导我们的老师，正是老师们的无私奉献我们才能在学校收货累累果实。 第六章 参考文献 1 蔡厚道，杨家兴，张岐生. 数控机床构造M. 第二版.北京：北京理工 大学出版社.2010.7. 1-112 王爱玲，曾志强. 数控机床结构及应用M. 第一版.北京：机械工业出版 社.2006.8. 2-73 夏广岚，冯凭，吴石，姜永梅. 金属切削机床M.第一版.北京：北京大 学出版社.2008.5. 21-514 丁洪生.机械设计M.第八版.北京：高等教育出版社.2006.5. 22-555 何献忠. 可编程控制器应用技术M.第二版.北京：清华大学出版 社.2013.4. 89-1136 王宏，唐炜，熊瑞平. 单片微机计算机原理与应用M.第一版.武汉：华 中科技大学出版社.2009.10. 17-2737附图1微机数控系统硬件电路图附图2车横向进给装配图