1、摘 要 針對現有常規 C620 普遍車床的缺點提出數控改裝方案和單片機系統設 計，提高加工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產率。本論文說明了普通 車床的數控化改造的設計過程，較詳盡地介紹了C620 機械改造部分的設 計及數控系統部分的設計。采用以8031 為 CPU 的控制系統對信號進行處 理，由 I/O 接口輸出步進脈沖，經一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉 動，從而實現縱向、橫向的進給運動。 改造過程如下： （1）機械部分的改造，包括縱向進給方向的改造和橫 向進給方向的改造。主要包括對滾珠絲杠螺母副及反應式步進電機的計算選 擇及縱向 、橫向機構裝配圖方案的制定。 （2）電氣控制部分的設計，

2、主 要包括 MCS-51 系列單片機及擴展 芯片的選用和電氣控制圖的設計。 關鍵詞：數控 ，單片機，步進電機 ，滾珠絲杠 ，改造 ABSTRACT To remedy the defects of ordinary lather C620, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machines usage, and to improve

3、production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface。Afte

4、r transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。 Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizonta

5、l enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-5

6、1 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart. Key words : numerical control ,single-chip ,stepping motor , ball screw shaft ,reform 目目 錄錄 摘 要. ABSTRACT（英文摘要）. 目 錄. 引引 言.1 第一章 總體方案的設計.3 1.1 設計任務.3 1.2 總體方案的論證.3 1.2.1 機械部分的改造設計.3 1.2.2 伺服進給系統的改造設計.4 1.2.3 數控系統的硬件電路設計.4

7、 1.3 總體方案的確定.5 第二章 機械部分的改造設計 .6 2.1 縱向進給系統的改造設計.6 2.1.1 縱向滾珠絲杠副的選用.6 2.1.1.1 確定系統脈沖當量.7 2.1.1.2 車削力的計算.7 2.1.1.3 滾珠絲杠副的設計、計算和選型.7 2.1.2 步進電機的選用 . 11 2.1.1.1 脈沖量的計算. 11 2.1.1.2 等效負載轉矩的計算. 11 2.1.1.3 等效轉動慣量的計算. 12 2.1.1.4 步進電機型號的選擇. 12 2.2 橫向進給系統得改造設計. 13 2.2.1 橫向滾珠絲杠副的選用 . 13 2.2.1.1 確定系統的脈沖當量. 13 2.

8、2.1.2 車削力的計算. 13 2.2.1.3 滾珠絲杠副的設計、計算和選型. 14 2.2.2 橫向步進電機的選用 . 17 2.2.2.1 脈沖量的計算. 17 2.2.2.2 等效負載轉矩的計算. 17 2.2.2.3 等效轉動慣量的計算. 18 2.2.2.4 步進電機型號的選擇. 18 2.3 齒輪傳動間隙的調整. 19 第三章 電氣控制部分的設計 .22 3.1 單片機的選擇. 22 3.2 步進電機的驅動. 23 3.2.1 環形脈沖分配器的選擇 . 24 3.2.2 功率放大器的選用 . 25 3.3 步進電機的微機控制. 28 結論.30 致謝. 31 參考文獻.32 引言

9、 現代工業技術的發展，特別是能源部門的需求，使高溫高壓水廣泛應用 于相關的領域中，對國民生產和人民生活起著越來越重要的作用，例如： 機床作為機械制造業的重要基礎裝備，它的發展一直引起人們的關注， 由于計算機技術的興起，促使機床的控制信息出現了質的突破，導致了應用 數字化技術進行柔性自動化控制的新一代機床數控機床的誕生和發展。計 算機的出現和應用，為人類提供了實現機械加工工藝過程自動化的理想手段。 隨著計算機的發展，數控機床也得到迅速的發展和廣泛的應用，同時使人們 對傳統的機床傳動及結構的概念發生了根本的轉變。數控機床以其優異的性 能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創機械產品向機電一

10、體 化發展的先河。 數控機床是以數字化的信息實現機床控制的機電一體化產品，它把刀具 和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾 緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數 字記錄在控制介質上，然后將數字信息送入數控裝置或計算機，經過譯碼， 運算，發出各種指令控制機床伺服系統或其它的執行元件，加工出所需的工 件。 數控機床與普通機床相比，其主要有以下的優點： 1. 適應性強，適合加工單件或小批量的復雜工件 ；在數控機床上改變 加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現新工件加工。 2. 加工精度高； 3. 生產效率高； 4. 減輕勞動強度，

11、改善勞動條件； 5. 良好的經濟效益； 6. 有利于生產管理的現代化。 數控機床已成為我國市場需求的主流產品，需求量逐年激增。我國數控 機機床近幾年在產業化和產品開發上取得了明顯的進步，特別是在機床的高 速化、多軸化、復合化、精密化方面進步很大。但是，國產數控機床與先進 國家的同類產品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設的需要。 我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質差，性能 落后，單臺機床的平均產值只有先進工業國家的1/10 左右，差距太大， 急待改造。 舊機床的數控化改造，顧名思義就是在普通機床上增加微機控制裝置， 使其具有一定的自動化能力，以實現預定的加工工藝目標。 隨著

12、數控 機床越來越多的普及應用，數控機床的技術經濟效益為大家所理解。在國內 工廠的技術改造中，機床的微機數控化改造已成為重要方面。許多工廠一面 購置數控機床一面利用數控、數顯、 PC 技術改造普通機床，并取得了良好 的經濟效益。我國經濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出 相當大的資金去購買新型的數控機床，而我國的舊機床很多，用經濟型數控 系統改造普通機床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提 高機床的自動化程度，比較符合我國的國情。 1984 年，我國開始生產經濟 型數控系統，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠家生產經濟型數 控系統。可以預料，今后，機床的經濟型數控

13、化改造將迅速發展和普及。所 以說，本畢業設計實例具有典型性和實用性 。 第一章 總體方案的設計 1.1 設計任務 本設計任務是對 C620 普通車床進行數控改造。利用 單片機對縱、橫 向進給系統進行控制，縱向（ Z 向）脈沖當量為 0.01mm/脈沖，橫向（ X 向）脈沖當量為 0.005mm/脈沖，驅動元件采用步進電機，傳動系統采用滾 珠絲杠副 。 1.2 總體方案的論證 對于普通機床的經濟型數控改造，在確定總體設計方案時，應考慮在滿 足設計要求的前提下，對機床的改動應盡可能少，以降低成本。 1.2.1 機械部分的改造設計 為了實現機床所要求的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動絲杠。 為了

14、保證一定的傳動精度和平穩性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。 同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負載荷的結構。傳動齒輪 也要采用消除齒側間隙的結構。 此設計過程主要是縱向進給和橫向進給的 改造，關鍵是步進電機和滾珠絲杠的選用。 改進后的車床簡易傳動系統如圖1-1： 圖 1-1 改進后的車床傳動系統 1.小刀架 2.橫向步進電動機 3.橫向滾珠絲桿 4.大拖板 5.縱向滾珠絲桿 6.縱向步進電動機 1.2.2伺服進給系統的改造設計 數控機床的伺服進給系統有開環、半閉環和閉環之分。 因為開環控 制具有結構簡單、設計制造容易、控制精度較好、容易調試、價格便宜、使 用維修方便等優點。所以

15、，本設計決定采用開環控制系統。 1.2.3 數控系統的硬件電路設計 任何一個數控系統都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數控系統的基礎， 性能的好壞直接影響整體數控系統的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地 運行。 在設計的數控裝置中， CPU 的選擇是關鍵，選擇 CPU 應考慮以下要素： 1.時鐘頻率和字長與被控對象的運動速度和精度密切相關； 2. 可擴展存儲器的容量與數控功能的強弱相關； 3. I/O 口擴展的能力與對外設控制的能力相關 。 在我國，普通機床數控改造方面應用較普遍的是Z80CPU 和 MCS-51 系 列單片機，主要是因為它們的配套芯片便宜，普及性、通用性強，制造和維 修方便，完

16、全能滿足經濟型數控機床的改造需要。本設計以8031 芯片為 核心，增加存儲器擴展電路、接口和面板操作開關組成的控制系統。 1.3 總體方案的確定 經總體設計方案的論證后，確定C620 車床經濟型數控改造 方案。 C620 車床的主軸轉速部分保留原機床的功能，即手動變速。車床的縱向 （Z 軸）和橫向（ X 軸）進給運動采用步進電機驅動。 將原來機床的普通 絲杠改為滾珠絲杠以減小摩擦力。并將8031 單片機組成 的微機作為數控 裝置的核心，由 I/O 接口、環形分配器與功率放大器一起控制步進電機轉 動，經齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉動，從而實現車床的縱向、橫向進給運動。 第二章 機械部分的改造設計 2

17、.1 縱向進給系統的改造設計 2.1.1縱向滾珠絲杠副的選用 滾珠螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產生 滾動摩擦。絲杠轉動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。螺母上設有返向器，與 螺紋滾道構成滾珠的循環通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過 盈配合，可設置預緊裝置。為延長工作壽命，可設置潤滑件和密封件。 滾珠螺旋傳動與滑動螺旋傳動或其它直線運動副相比，有下列特點： (1) 傳動效率高 一般滾珠絲杠副的傳動效率達9095，耗費能 量僅為滑動絲桿的 1/3。 (2) 運動平穩 滾動摩擦系數接近常數，啟動與工作摩擦力矩差別很 小。啟動時無沖擊，預緊后可消除間隙產生過盈，提高接觸剛

18、度和傳動精度。 (3) 工作壽命長 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度 (HRC5862)、 高精度，具有較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動絲桿副的 410 倍以上。 (4) 定位精度和重復定位精度高 由于滾珠絲桿副摩擦小、溫升小、 無爬行、無間隙，通過預緊進行預拉伸以補償熱膨脹。因此可達到較高的定 位精度和重復定位精度。 (5) 同步性好 用幾套相同的滾珠絲桿副同時傳動幾個相同的運動部 件，可得到較好的同步運動。 (6) 可靠性高 潤滑密封裝置結構簡單，維修方便。 (7) 不能自鎖 用于垂直傳動時，必須在系統中附加自鎖或制動裝置。 (8) 制造工藝復雜 滾珠絲桿和螺母等零件加工精度、表面

19、粗糙度要求 高，故制造成本較高。 2.1.1.1確定系統的脈沖當量 在數控機床中，一個脈沖所產生的坐標軸位移量叫做脈沖當量，通常用 表示，也稱機床的最小設定單位。脈沖當量是衡量數控機床加工精度的一 個基本技術參數 ，按機床設計的加工精度選定。本設計所要求的C620 的脈沖當量為： 縱向（Z 向）脈沖當量為 0.01mm/脈沖，橫向（ X 向）脈 沖當量為 0.005mm/脈沖。 2.1.1.2 車削力的計算 在設計機床進給伺服系統時，計算傳動和導向元件，選用伺服電機等都 要用到切削力。 現我們利用經驗公式計算主切削力。 車床的主切削力可用下式計算：)(NFZ 5 . 1 max 67 . 0

20、DFZ 式中車床床身加工的最大直徑單位為mm。 max D 因 C620 床身加工的最大直徑 410mm，則：NFZ 3 . 556241067 . 0 5 . 1 按以下比例分別求出 分力和， x F y F4 . 0:25 . 0 :1: yxZ FFF 則：，NFx1391NFy2226 2.1.1.3 滾珠絲杠螺母副的設計、計算和選型 滾珠絲杠螺母副的設計首先要選擇機構類型：確定滾軸循環方式，滾珠 絲杠副的預緊方式。結構類型確定后，再計算和確定其他參數，包括：公稱 直徑、導程、滾珠的工作圈數、列數、精度等級等。d 0 Ljk 本設計中選擇滾珠循環方式為內循環方式中的固定式。滾珠絲杠副的

21、預 緊方法選擇雙螺母螺紋預緊。 圖2-1 雙螺母螺紋調隙式結構 1、2-單螺母 3-平鍵 4-調整螺母 1 23 4 (1)計算進給率牽引力 m F 作用在滾珠絲杠上的進給率牽引力主要包括切削力時的走刀抗力以及移 動件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力。因而其數值大小和導軌的形 式有關。的計算公式如下 : m F 縱向進給導軌為三角形，則：)( GFfKFF zxm N)800 3 . 5562(15 . 0 139115. 1 ( N2554 三角形導軌選取參數：NGfK800,15 . 0 ,15 . 1 (2)計算最大動負荷C 選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠

22、 0 d 在回轉 100 萬轉后，在它的滾道上不產生點蝕現象。這個軸向負載的最大 值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負荷。計算步驟如下：C 絲杠轉速其中= 0 1000 L n s s min75 . 0 m6 0 L min125 6 75 . 0 1000 rn 壽命（） 6 10 60Tn L r 6 1025.11 10 150012560 6 最大動負荷 NFjLC Mw 13.858425545 . 125.11 33 (3)計算最大靜負荷 當滾珠絲杠副在靜態或低速（）情況下工作時，滾珠絲杠min10rn 副的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產生變形，當塑性變形超過一定限度就 會破壞滾珠

23、絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬 分之一。產生大的塑性變形量的負載稱為允許的最大靜負荷。選取靜 0 C 態安全系數=2，滾珠絲杠的最大軸向負荷 故最大靜 s f2254 maxm FF 負荷為：。510825542 max0 FfC s (4)選擇滾珠絲杠副 見表 2-1 5)傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率 943 . 0 0506 . 0 0477 . 0 542tan 442tan tan tan 0 0 表 2-1滾珠絲杠副參數 型號 公稱 直徑 mm 基本導 程 mm 螺旋升 角 絲杠外 徑 )(mm 絲杠內 徑 )(mm 額定動 載荷 )(N 絲杠長

24、度 mm 額定靜載荷 )(N 5 . 34006406 442o 2 . 3998.3524100120082400 (6)剛度校核 主要校核滾珠絲杠在工作負載和扭矩 T 共同作用下引起的每導程變 m F 形量是否符合絲杠精度要求。L 每導程變形量可按以下公式計算L 2 00 21 L EF LF LLL m GJ TL0 選取 )(10 6 . 20 4 mmNE 2 2 1 )(88.1017 4 mm d F mm EF LF L m5 4 0 1 103 . 7 88.101710 6 . 20 62554 mm L L 4 4 0 2 102 . 2 2 1028 . 2 6 2 其

25、中： 444 1 102 . 8 64 mmdJ mmmm 4 4 1028 . 2 102 . 8824 62554 則： 21 LLL 45 102 . 2103 . 7 mm 4 1093 . 2 mmmL L /000293 . 0 6 100100 1 mmm/0049 . 0 查表所得，所選用的級絲杠精度允許誤差 為，滿足要求。Dmm/10 (7) 穩定性校核 機床在進給時滾珠絲杠通常 是受軸向力的一壓桿。若軸向力過大， 將使絲杠失去穩定而產生翹曲，所以選用時必須進行穩定性校核。如果滿足 穩定性安全系數大于許用穩定性安全系數 ()，則絲杠安全，不會失穩 ： k n k n )( k

26、 m k k n F p n 式中()許用穩定性安全系數，一般取2.54。 k n 絲杠失穩時的臨界負載，由 ： k p 2 )( l EJ pk 式中 絲杠長度 l 絲杠軸端系數，由支承條件定 。 截面慣性矩，對實心圓 J 4 1 64 dJ 對于水平絲杠要考慮自重影響可取 ()4。 k n 將相關數據代入上式中可得 Npk115776 )12001 ( 102 . 810 6 . 20 2 462 )(45 2554 115776 kk nn 絲杠不會失穩。 2.1.2 步進電機的選用 2.1.2.1脈沖量的選擇 初選三相步進電動機的步距角為，當三相六拍（ 12 00 5 . 175 .

27、0 相勵磁）運行時，步距角其妹轉脈沖數 0 75 . 0 rpS480 75 . 0 360360 0 00 脈沖當量： 由此可得中間齒輪傳動比為pmm01 . 0 i 25 . 1 48001 . 0 6 S L i 2.1.2.2等效負載轉矩計算 1.空載時的摩擦轉矩 LF T m i L T s LF 046 . 0 25 . 1 8 . 02 006 . 0 80006 . 0 2 2.車削加工時的負載轉矩 L T m LFWF T Si yx L 5 . 1 25 . 1 8 . 02 006 . 0 222680006 . 0 1391 2 2.1.2.3等效轉動慣量 的計算 1.

28、滾珠絲杠的轉動慣量 S J 2 344 0 00237 . 0 32 1085 . 7 2 . 104 . 0 32 m ld JS 2.拖板運動慣量換算到電動機軸上的轉動慣量 J m i L g W Jw 5 2 2 2 2 1076 . 4 25 . 1 1 2 006 . 0 8 . 9 8001 2 3.大齒輪的轉動慣量 2g J 選取大齒輪齒數，小齒輪齒數，模數。45 2 Z36 1 Zmmm2 2 34 2 4 2 2 0005056 . 0 32 1085 . 7 01 . 0 09 . 0 32 m bd Jg 4.小齒輪的轉動慣量 1g J 2 34 1 4 1 1 0004

29、142 . 0 32 1085 . 7 02 . 0 072 . 0 32 m bd Jg 換算到電動機軸上的總慣性負載 L J 2 2 1 i JJ JJJ sg wgL 2 2 0023. 0 25 . 1 00237 . 0 0005056 . 0 0000476. 00004142. 0 m 2.1.2.4步進電動機型號 的選擇 已知 初選步進電機型號為 110BF003，mTL5 . 1 23 103 . 2mJL 步距角三相六拍。其中最大靜扭矩，轉子慣量 0 75 . 0 mT 8 max ，由此可得： 23 10 8 . 36mkgJm , 5 . 018 . 0 8 5 . 1

30、 max T TL 2 3 3 25 . 0 10 8 . 36 103 . 2 m L J J 1 4 1 max T JL 經驗算可知電動機合格。 110BF003 步進電機的外觀圖及矩頻特性圖如圖2.2： 外型圖: 圖 2-2 110BF003 步進電機的外觀圖及矩頻特性圖 2.2 橫向進給系統的改造設計 2.2.1橫向進給系統滾珠絲杠螺母副的選用 橫向進給方向的設計過程同縱向方向相同。 2.2.1.1確定系統的脈沖當量 橫向（X 向）脈沖當量為 0.005mm/脈沖。 2.2.1.2車削力的計算 車床的主切削力可用下式計算 ：)(NFZ 5 . 1 max 67 . 0 DFZ 式中車

31、床刀架加工的最大直徑單位為 mm。 max D 因 C620 床身加工的最大直徑 210mm，則：NFZ203921067 . 0 5 . 1 按以下比例分別求出分力和， x F y F4 . 0:25 . 0 :1: yxZ FFF 則:，NFx510NFy 6 . 815 2.2.1.3滾珠絲杠螺母副的設計、計算和選型 滾珠絲杠螺母副的設計首先要選擇機構類型：確定滾軸循環方式，滾珠 絲杠副的預緊方式。結構類型確定后，再計算和確定其他參數，包括：公稱 直徑、導程、滾珠的工作圈數、列數、精度等級等。d 0 Ljk 本設計中選擇滾珠循環方式為內循環方式中的固定式。滾珠絲杠副 的預緊方法選擇雙螺母

32、 螺紋預緊。 (1)計算進給率牽引力 m F 作用在滾珠絲杠上的進給率牽引力主要包括切削力時的走刀抗力以及移 動件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力。因而其數值大小和導軌的形 式有關。的計算公式如下 : m F 橫向進給導軌為 燕尾形，則：)2( GFFfKFF xzym N 6 . 1873 )60051022039(2 . 0 6 . 8154 . 1 燕尾形導軌選取參數：NGfK600, 2 . 0, 4 . 1 (2)計算最大動負荷C 選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠 0 d 在回轉 100 萬轉后，在它的滾道上不產生點蝕現象。這個軸向負載的最大 值即稱為該

33、滾珠絲杠能承受的最大動負荷。計算步驟如下：C 絲杠轉速其中= 0 1000 L n s s min6 . 0m5 0 L min120 5 6 . 01000 rn 壽命（） 6 10 60Tn L r 6 10 8 . 10 10 150012060 6 最大動負荷 MwF fLC 3 6212 6 . 18735 . 1 8 . 10 3 (3)計算最大靜負荷 當滾珠絲杠副在靜態或低速（）情況下工作時，滾珠絲杠min10rn 副的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產生變形，當塑性變形超過一定限度就 會破壞滾珠絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬 分之一。產生大的塑性變形量的負

34、載稱為允許的最大靜負荷。選取靜 0 C 態安全系數=2，滾珠絲杠的最大軸向負荷 故最大靜 s f 6 . 1873 maxm FF 負荷為 2 . 3747 6 . 18732 max0 FfC s (4)選擇滾珠絲杠副 表 2-2 滾珠絲杠 副參數 型號 公稱 直徑 mm 基本導 程 mm 螺旋升 角 絲杠外 徑 )(mm 絲杠內 徑 )(mm 額定動 載荷 )(N 絲杠長 度 mm 額定靜載荷 )(N 5 . 22005205 334 3 . 19 2 . 171265028031600 (5)傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率 965 . 0 0825 . 0 0796 . 0 43

35、4tan 334tan tan tan 0 0 (6)剛度校核 主要校核滾珠絲杠在工作負載和扭矩 T 共同作用下引起的每導程變 m F 形量是否符合絲杠精度要求。L 每導程變形量可按以下公式計算L 2 00 21 L EF LF LLL m GJ TL0 選取 )(10 6 . 20 4 mmNE 2 2 1 )(23.232 4 mm d F mm EF LF L m4 4 0 1 100 . 2 23.23210 6 . 20 5 6 . 1873 mm L L 3 3 0 2 101 . 2 2 1064 . 2 5 2 其中： 434 1 103 . 4 64 mmdJ mmmm 3

36、5 1064 . 2 43 . 0 10 4 . 82 5 6 . 1873 則 21 LLL 34 101 . 2100 . 2 mm 3 103 . 2 mmmL L /0023 . 0 5 100100 1 mmm/046 . 0 查手冊所得，所選用的級絲杠精度允許誤差為，滿足要求。Gmm/60 (7) 穩定性校核 機床在進給時滾珠絲杠通常是受軸向力的一壓桿。若軸向力過大，將使 絲杠失去穩定而產生翹曲，所以選用時必須進行穩定性校核。如果滿足穩定 性安全系數大于許用穩定性安全系數 ()，則絲杠安全，不會失穩 ： k n k n )( k m k k n F p n 式中()許用穩定性安全系

37、數，一般取2.54。 k n 絲杠失穩時的臨界負載，由 ： k p 2 )( l EJ pk 式中 絲杠長度l 絲杠軸端系數，由支承條件定。 截面慣性矩，對實心圓J 4 1 64 dJ 對于水平絲杠要考慮自重影響可取 ()4。 k n 將相關數據代入上式中可得 Npk 7 2 362 1012 . 1 )2801 ( 103 . 410 6 . 20 )(6000 6 . 1873 1012 . 1 7 kk nn 絲杠不會失穩。 2.2.2 橫向步進電機的選用 2.2.2.1脈沖量的選擇 初選三相步進電動機的步距角為，當三相六拍（ 12 相勵 00 5 . 175 . 0 磁）運行時，步距角

38、其妹轉脈沖數 ： 0 75 . 0 rpS480 75 . 0 360360 0 00 初選脈沖當量： 由此可得中間齒輪傳動比為pmm005 . 0 i 08 . 2 480005 . 0 5 S L i 2.2.2.2等效負載轉矩計算 1.空載時的摩擦轉矩 LF T m Li T s LF 017 . 0 8 . 02 48 . 0 005 . 0 60006 . 0 2 2.車削加工時的負載轉矩 L T m LiFWF T S yx L 29 . 0 8 . 02 48 . 0 005 . 0 6 . 81580006 . 0 510 2 2.2.2.3等效轉動慣量 的計算 1.滾動絲杠的

39、轉動慣量 S J 2 344 0 000034 . 0 32 28 . 0 1085 . 7 02 . 0 32 m ld JS 2.拖板運動慣量換算到電動機軸上的轉動慣量 w J mi L g W Jw 52 2 2 2 1089 . 0 48 . 0 2 005 . 0 8 . 9 600 2 3.大齒輪的轉動慣量 2g J 選取大齒輪齒數，小齒輪齒數，模數。50 2 Z24 1 Zmmm2 2 34 2 4 2 2 00077 . 0 32 1085 . 7 01 . 0 1 . 0 32 m bd Jg 4.小齒輪的轉動慣量 1g J 2 34 1 4 1 1 000082 . 0 3

40、2 1085 . 7 02 . 0 048 . 0 32 m bd Jg 換算到電動機軸上的總慣性負載 L J 2 21 )(iJJJJJ sgwgL 2 2 000276 . 0 48 . 0 )000034 . 0 00077 . 0 (0000089 . 0 000082 . 0 m 2.2.2.4步進電動機型號 的選擇 已知 初選步進電mTL29 . 0 2524 1082 . 2 1076 . 2 mkgmJL 機型號為 90BF002，步距角三相六拍。其中最大靜扭矩 0 75 . 0 ，轉子慣量，由此可得：mT92 . 3 max 25 1064.17mkgJm ,5 . 0074

41、 . 0 92 . 3 29 . 0 max T TL 2 5 5 25 . 0 1064.17 1082 . 2 m L J J 1 4 1 max T JL 經驗算可知電動機合格。 電動機外形圖 及矩頻圖 如圖 2-3： 圖 2-3 110BF003 步進電機的外觀圖及矩頻特性圖 2.3 齒輪傳動間隙的調整 在橫向進給和縱向進給的步進電機和滾珠絲杠間都是通過一對減速 直齒輪傳動的，這就要求我們對齒輪的傳動間隙進行調整。 常用的直齒輪調整齒側間隙的方法有以下幾種。 (1)偏心套(軸)調整法 如圖 2-4 所示，將相互嚙合的一對齒輪中的 一個齒輪 4 裝在電機輸出軸上，并將電機2 安裝在偏心套

42、 1(或偏心軸 )上， 通過轉動偏心套 (偏心軸)的轉角，就可調節兩嚙合齒輪的中心距，從而消 除圓柱齒輪正、反轉時的齒側間隙。特點是結構簡單，但其側隙不能自動補 償。 圖 2-4 偏心套式間隙消除機構 1偏心套 2電動機 3減速箱 4、5減速齒輪 (2) 軸向墊片調整法 如圖 2-5 所示，齒輪 1 和 2 相嚙合，其分度圓 弧齒厚沿軸線方向略有錐度，這樣就可以用軸向墊片3 使齒輪 2 沿軸向 移動，從而消除兩齒輪的齒側間隙。裝配時軸向墊片3 的厚度應使得齒輪 1 和 2 之間既齒側間隙小，運轉又靈活。特點同偏心套(軸)調整法。 圖 2-5 圓柱齒輪軸向墊片間隙消除機構 (3) 雙片薄齒輪錯齒

43、調整法 這種消除齒側間隙的方法是將其中一個 做成寬齒輪，另一個用兩片薄齒輪組成。采取措施使一個薄齒輪的左齒側和 另一個薄齒輪的右齒側分別緊貼在寬齒輪齒槽的左、右兩側，以消除齒側間 隙，反向時不會出現死區，具體調整措施如下： 周向彈簧式 (圖 2-6) 在兩個薄片齒輪 2 和 4 上各開了幾條周向圓弧 槽，并在齒輪 3 和 4 的端面上有安裝彈簧 2 的短柱 1。在彈簧 2 的作用下 使薄片齒輪 3 和 4 錯位而消除齒側間隙。這種結構形式中的彈簧2 的拉 力必須足以克服驅動轉矩才能起作用。因該方法受到周向圓弧槽及彈簧尺寸 限制，故僅適用于讀數裝置而不適用于驅動裝置。 可調拉簧式 (圖 2-7)

44、 在兩個薄片齒輪 1 和 2 上裝有凸耳 3，彈簧的 一端鉤在凸耳 3 上，另一端鉤在螺釘 7 上。彈簧 4 的拉力大小可用螺母 5 調節螺釘 7 的伸出長度，調整好后再用螺母6 鎖緊。 本設計所選用的是雙片薄齒輪錯齒調整法中的可調拉簧式。由此就 可以將縱向及橫向進給系統的裝配圖設計并畫出，具體請見圖紙。 圖 2-6 薄片齒輪周向拉簧錯齒調隙機構 圖 2-7 可調拉簧式調隙 第三章 電氣控制部分的設計 在這一部分我們采用 MCS-51 系列單片機控制主控系統， 51 系列相對 48 系列指令更豐富，相對 96 系列價格更便宜， 51 系列中，是無 ROM 的 8051，8751 是用 EPRO

45、M 代替 ROM 的 8051。目前，工控機中應用最多的是 8031 單片機。本設計以 8031 芯片為核心，增加存儲器擴展電路、接口和 面板操作開關組成的控制系統 。 3.1單片機的選擇 圖 3-1 8031 引腳圖 本設計選用 8031 芯片，片內無 ROM 或者 EPROM，使用時必須配置外 部的程序存儲器 EPROM。本設計選用了 27128 擴展其空間， 8031 的引腳 分 3 大功能： （1）I/O 口線 P0,P1,P2,P3共 4 個八位口。 （2）控制口線 PSEN(片外取指控制 )、ALE（地址鎖存控制）、 EA（片外存 儲器選擇）、 RESET（復位控制）。 （3）電源

46、和時鐘。 8031 最小應用系統。 8031 內部不帶 ROM，需要外接 EPROM 作為外部 程序存儲器。又因為 8031 在外接程序存儲器或數據存儲器時地址的低8 位信息和數據信息分時送出，故還需要采用一片6264 數據存儲器儲存數 據。這樣，一片 27128EPROM 和一片 6264 組成了一個最小的計算機應用系 統。 圖 3-2 系統存儲器 3.2步進電機的驅動 步進電機的運行特性與配套使用的驅動電源有密切關系。驅動電源由脈 沖分配器、功率放大器組成 ，驅動電源是將變頻信號源送來的脈沖信號及 方向信號按要求的配電方式自動的循環供給電機各組繞組，以驅動電機轉子 正反向旋轉。 3.2.1

47、環形脈沖分配器的選擇 步進電機的各組繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種使電機 繞組的通電順序按一定規律變化的部分稱為脈沖分配器，又稱環形脈沖分配 器。所以不同相的電機應選用不同的環形分配器。本設計中所選用的電機， 縱向部分為 110BF003 三相反應式步進電機，與其相配的環形脈沖分配器為 CH250，其管腳圖見圖 3-3： 圖 3-3 CH250 管腳圖 CH250 有 A、B、C 三個輸出端，當輸入端 CL 或 EN 加上時鐘脈沖后， 輸出波形將符合三相 反應式步進電機的要求，輸出電流能力為0.5mA，經 推動級、驅動級放大后即可驅動電動機繞組。 CH250 在供三相六拍步進電機工

48、作時，線路中的接線見圖3-4： 圖 3-4 三相六拍時 CH250 接線圖 橫向部分為 90BF002 五相反應式步進電機，與其相配的環形脈沖分配 器為 PMM8714，其管腳圖 見圖 3-5。 3.2.2功率放大器的選用 從計算機輸出口或從環形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安， 不能直接驅動步進電機，必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大，使其增 大到幾至十幾安培，從而驅動步進電機運轉。 步進電機所使用的功率放大器有電壓型和電流型。電壓型又有單電壓型、 雙電壓型（高低壓型）。電流型中有恒流驅動、斬波驅動等。 圖 3-5 PMM8714 管腳圖 (1) 單電壓功率放大電路 此電路的優點是

49、電路結構簡單，不足之處是Rc 消耗能量大，電流脈 沖前后沿不夠陡，在改善了高頻性能后，低頻工作時會使振蕩有所增加，使 低頻特性變壞。 (2) 高低電壓功率放大電路 電源 U1 為高電壓，電源大約為 80150V，U2 為低電壓電源，大約為 520V。在繞組指令脈沖到來時，脈沖的上升沿同時使VT1 和 VT2 導通。 圖 3-5 單電壓功率放大器 由于二極管 VD1 的作用，使繞組只加上高電壓U1，繞組的電流很快達 到規定值。到達規定值后， VT1 的輸入脈沖先變成下降沿，使VT1 截止， 電動機由低電壓 U2供電，維持規定電流值，直到VT2輸入脈沖下降沿到 來 VT2截止。 不足之處是在高低壓

50、銜接處的電流波形在頂部有下凹，影響電動機運行 的平穩性。 圖 3-6 高低電壓功率放大電路 （3）斬波恒流功放電路 該電路的特點是工作時 Vin 端輸入方波步進信號：當 Vin 為“0”電 平，由與門 A2輸出 Vb為“0”電平，功率管（達林頓管） VT 截止，繞組 W 上無電流通過，采樣電阻上R3上無反饋電壓， A1放大器輸出高電平； 而當 Vin為高電平時，由與門 A2輸出的 Vb也是高電平，功率管 VT 導通， 繞組 W 上有電流，采樣電阻上 R3上出現反饋電壓 Vf，由分壓電阻 R1、R2得到設定電壓與反饋電壓相減，來決定A1輸出電平的高低，來決 定 Vin信 號能否通過與門 A2。若

51、 VrefVf時 Vin信號通過與門，形成 Vb正脈沖， 打開功率管 VT；反之， VrefVf時 Vin信號被截止，無 Vb正脈沖，功率 管 VT 截止。這樣在一個 Vin脈沖內，功率管 VT 會多次通斷，使繞組電流 在設定值上下波動。 圖 3-7 斬波恒流功放電路 通過比較選擇，本設計中選用單電壓功率放大電路。為了避免功放后 強電對弱電產生干擾，應在 環形分配器和功率放大電路之間加一個光電隔 離電路。 3.3步進電機的微機控制 步進電機的工作過程一般由控制器控制，控制器按照設計者的要求完成 一定的控制過程，使功率放大電路按照要求的規律驅動步進電機運行。簡單 地控制過程可以用各種邏輯電路來實

52、現，但缺點是線路復雜，控制方案 改變困難，自從微處理器問世以來，給步進電機控制器設計開辟了新的途徑。 各種單片微型計算機的迅速發展和普及，為設計功能很強而價格低廉的步進 電機控制器提供了條件。使用微型計算機對步進電機進行控制有串行和并行 兩種方式。 串行控制。具有串行控制功能的單片機系統與步進電機驅動電源之間具 有較少的連線。將信號送入步進電機驅動電源的環形分配器，所以在這種系 統中，驅動電源中必須含有環形分配器。這種控制方式的示意圖見圖3- 8。 方式信號 方向信號 CP 脈沖 圖 3-8 串行控制示意圖 P1.0 P1.1 8031 P1.2 步 進 電 機 環 形 分 配 器 功 率 放 大 電 路 并行控制。用微型計算機系統