1、目錄 第一章 緒論 數控技術和裝備發展趨勢 數控機床系統總體設計 總體方案設計內容 總體方案確定 進給系統設計計算 選擇脈沖當量 計算切削力 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 齒輪進給齒輪箱傳動比計算 步進電機的計算和選型 微機數控系統的設計 微機數控系統的設計綱要 硬件電路設計 二軟件電路設計 8031單片機及其擴展 8031單片機的簡介 - 8031單片機的系統擴展 存儲器擴展 I/O 口的擴展 -3 - 第二章 第三章 3 8 8 8 -10 -10 - 四 五 第四章 一 二 三 四 步進電機驅動電路 一 二 三 四 脈沖分配器（環行分配器） 光電隔離電路 功率放大器 其他輔助電路 第五章

2、第六章 數控系統的軟件設計 一軟件脈沖分配器 二逐點比較法插補程序 三步進電機升降速軟件設計 數控機床零件加工程序 總結與展望 -10 - -11 - -18 - -19 - -23 - -23 - -23 - -24 - -25 - -25 - -25 - -27 - -28 - -29 - 30 30 30 31 32 -33 - -34 - -36 - -37 - -39 - - 24 - 摘要 當今世界數控技術及裝備發展的趨勢及我國數控裝備技術發展和產業化的現 狀，在此基礎上討論了在我國加入WTO和對外開放進一步深化的新環境下，發展 我國數控技術及裝備、提高我國制造業信息化水平和國際競

3、爭能力的重要性，并從 戰略和策略兩個層面提出了發展我國數控技術及裝備的幾點看法。 裝備工業的技術水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水平和現代化程度, 數控技術及裝備是發展新興高新技術產業和尖端工業（如信息技術及其產業、生物 技術及其產業、航空、航天等國防工業產業）的使能技術和最基本的裝備。馬克思 曾經說過 各種經濟時代的區別，不在于生產什么，而在于怎樣生產，用什么勞動資 料生產”。制造技術和裝備就是人類生產活動的最基本的生產資料，而數控技術又是 當今先進制造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國制造業廣泛采用數控技術， 以提高制造能力和水平，提高對動態多變市場的適應能力和競爭能力。此外世界上

4、各工業發達國家還將數控技術及數控裝備列為國家的戰略物資，不僅采取重大措施 來發展自己的數控技術及其產業，而且在高精尖”數控關鍵技術和裝備方面對我國 實行封鎖和限制政策。總之，大力發展以數控技術為核心的先進制造技術已成為世 界各發達國家加速經濟發展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 其技術范圍覆蓋很多領域：（1）機械制造技術；（2）信息 （3）自動控制技術；（4）伺服驅動技術；（5）傳感器技術；（6） 數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數控裝備是以 數控技術為代表的新技術對傳統制造產業和新興制造業的滲透形成的機電一體化產 品，即所謂的數字化裝備， 處理、加工、傳輸技術；

5、軟件技術等。 關鍵詞：普通車床; 數控改造； 伺服系統； 數控系統 The transformation and design of the economic CNC lathe ABSTRACT The survey found that most enterprises of china still have large amounts general-purposemachine tools which have Iongevity of service, low precision, can not ada pt to mass p roduct ion , low automatiz

6、atio n and ada ptability ,but cannot be washed out because of its low cost and con ti nu ity of enterp rises p roduct ion Pu rchas ing new nu merically con trolled mach ines is an imp orta nt way to improve Production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it

7、cost much. Enterp rises equipment up dat ing ste p are coun teracted severly. So Gen eral lathes nu merically con trolled reform ing is a quick way that costs less, improve p roduct ion p recisi on and efficie ncy, and it can imp rove enterp rises comp etitive po wer. So it can takes its p lace in o

8、ur way to a po werful manu facturi ng coun try. The econo mical efficie ncy of the reform and the app licati on of NC tech no logy in Gen eral purpose lathe CA6132s nu merically con trolled reformi ng is researched in this paper accord ing to our p ractice of CA6132s nu merically con trolled reformi

9、 ng. And the reformi ng scheme and main poin ts are formed. The mai n contents is: The econo mical efficie ncy of the reform is evaluated in detail and the rerormi ng scheme is maked accord ing to misty op timums syn thesize adjudicate princip le.The ball screws type, assembli ng, supporting, beari

10、ng type, and ste pping motor of feed ing system is desig ned.he import and domestic NC systems were comp ared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest accordi ng to the fun cti on. Methods of in stalli ng and test ing of gen eral purp ose lathes nu mer

11、ically con trolled reformi ng were put forward. KEY WORDS: General purpose lathe; NC reform ; Servo system ; CNC system 緒論 數控技術和裝備發展趨勢 1數控技術的發展趨勢 數控技術的應用不但給傳統制造業帶來了革命性的變化，使制造業成為工業化的 象征，而且隨著數控技術的不斷發展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要 行業（IT、汽車、輕工、意料等）的發展起著越來越重要的作用，因為這些行業所 需裝備的數字化已是現代發展的大趨勢。從目前世界上數控技術及其裝備發展的趨 勢來看，其主

12、要研究熱點有以下幾個方面14 。 1 . 1高速、高精加工技術及裝備的新趨勢 效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率， 提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研 究會將其列為5大現代制造技術之一，國際生產工程學會（CIRP ）將其確定為 21 世紀的中心研究方向之一。 在轎車工業領域，年產30萬輛的生產節拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎 車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業領域，其加工的零部件多為薄 壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況 下，才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合

13、金坯料掏空”的方法來制 造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯結方式拼 裝，使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精 和高柔性的要求。 從EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min ，甚至更高, 空運行速度可達100m/mi n 左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽 車公司，已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。美國 60m/min ,快速為 100m/min , 60 OOOr/min。加工一薄壁飛機零件，只用30min，而 3h，在普通銃床加工需8h ;德國DMG公司的雙 12*!000

14、r/mm 和 1g。 CINCINNATI 公司的 Hyp erMach 機床進給速度最大達 主軸車床的主軸速度及加速度分別達 加速度達 2g，主軸轉速已達 同樣的零件在一般高速銃床加工需 普通級數控機床的加工精度已由10m提高到 1.5 um,并且超精密加工精度已開 在加工精度方面，近10年來， 5 um ,精密級加工中心則從35 um,提高到1 始進入納米級 (0.01 U m)。 在可靠性方面，國外數控裝置的MTBF值已達6 OOOh以上，伺服系統的 MTBF 值達到30000h以上，表現出非常高的可靠性。 為了實現高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的 發展，

15、應用領域進一步擴大。 1.25軸聯動加工和復合加工機床快速發展 采用5軸聯動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅 光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺5軸聯動機床的效率可以等于 臺3軸聯動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銃刀進行高速銃削淬硬鋼零件 時，5軸聯動加工可比3軸聯動加工發揮更高的效益。但過去因5軸聯動數控系統、 主機結構復雜等原因，其價格要比3軸聯動數控機床高出數倍，加之編程技術難度 5軸聯動機床的發展。 較大，制約了 當前由于電主軸的出現，使得實現5軸聯動加工的復合主軸頭結構大為簡化， 5面加工機床)的發展。 5面加工機床采用復合主軸頭，可實現4

16、5面加工和 5軸加工可在同一臺機床上 DMG公司展出 DMUVoution 系列加工 其制造難度和成本大幅度降低，數控系統的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭 類型5軸聯動機床和復合加工機床(含 5面加工和 5軸聯動加工，可由CNC系統控制或 CAD/CAM 在EM02001展會上，新日本工機的 個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 實現，還可實現傾斜面和倒錐孔的加工。德國 中心，可在一次裝夾下 直接或間接控制。 1.3智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統發展的主要趨勢 21世紀的數控裝備將是具有一定智能化的系統，智能化的內容包括在數控系統 中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能

17、化，如加工過程的自適應控 制，工藝參數自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、 電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化 操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、 智能監控方面的內容、方便系統的診斷及維修等。 目前 為解決傳統的數控系統封閉性和數控應用軟件的產業化生產存在的問題。 許多國家對開放式數控系統進行研究，如美國的NGC(The Next Gen eration Work-Statio n/Machi ne Co ntrol）、歐共體的OSACA（ Open System Architecture fo

18、r Con trol with in Automatio n Systems）、日本的 OSEC（ Open System Environment for Co ntroller），中國的 ONC（ Open Numerical Co ntrol System）等。數控系統開放化已 經成為數控系統的未來之路。所謂開放式數控系統就是數控系統的開發可以在統一 的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象（數控 功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統中， 快速實現不同品種、不同檔次的開放式數控系統，形成具有鮮明個性的名牌產品。 目前開放式數控系統

19、的體系結構規范、通信規范、配置規范、運行平臺、數控系統 功能庫以及數控系統功能軟件開發工具等是當前研究的核心。 網絡化數控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數控裝備的網絡 化將極大地滿足生產線、制造系統、制造企業對信息集成的需求，也是實現新的制 造模式如敏捷制造、虛擬企業、全球制造的基礎單元。國內外一些著名數控機床和 數控系統制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，如在EMO2001展中， 日本山崎馬扎克 （Mazak）公司展出的 “CyberProduction Center ”（智能生產控制中心， 簡稱CPC）;日本大隈（Okuma ）機床公司展出“ IT plaza ”（信

20、息技術廣場，簡稱IT 廣場）;德國西門子 （Siemens）公司展出的Open Manufacturing Environment（開放 制造環境，簡稱OME ）等，反映了數控機床加工向網絡化方向發展的趨勢。 1.4重視新技術標準、規范的建立 1.4.1關于數控系統設計開發規范 如前所述，開放式數控系統有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，美國、 歐共體和日本等國紛紛實施戰略發展計劃，并進行開放式體系結構數控系統規范 （OMAC、OSACA、OSEC）的研究和制定，世界3個最大的經濟體在短期內進行了幾 乎相同的科學計劃和規范的制定，預示了數控技術的一個新的變革時期的來臨。我 國在2000年也開

21、始進行中國的ONC數控系統的規范框架的研究和制定。 142 關于數控標準 數控標準是制造業信息化發展的一種趨勢。數控技術誕生后的50年間的信息 交換都是基于 ISO6983標準，即采用G, M代碼描述如何（how ）加工，其本質特 征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現代數控技術高速發展的需要。為 此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統標準ISO14649 （ STEP NC），其目 的是提供一種不依賴于具體系統的中性機制，能夠描述產品整個生命周期內的統一 數據模型，從而實現整個制造過程，乃至各個工業領域產品信息的標準化。 STEP-NC的出現可能是數控技術領域的一次革命，對于數控技

22、術的發展乃至整 個制造業，將產生深遠的影響。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念，傳統的 NC程序可以分 STEP-NC 數控 35 %）和加工時 制造理念中， NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下， 散在互聯網上，這正是數控技術開放式、網絡化發展的方向。其次， 系統還可大大減少加工圖紙（約75 %）、加工程序編制時間（約 間（約50 %）。 STEP-NC 的 IMS 計劃 20個 目前，歐美國家非常重視STEP-NC的研究，歐洲發起了 （1999.1.12001.12.31）。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的 CAD/CAM/CA PP/CNC 用戶、廠商和學術機構。美國的

23、STE P Tools公司是全球范圍 內制造業數據交換軟件的開發者，他已經開發了用作數控機床加工信息交換的超級 模型（Super Model），其目標是用統一的規范描述所有加工過程。目前這種新的數據 交換格式已經在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲 OSACA-NC數控系統的原型樣機 上進行了驗證。 2對我國數控技術及其產業發展的基本估計 我國數控技術起步于1958年，近50年的發展歷程大致可分為3個階段：第 一階段從1958年到1979年，即封閉式發展階段。在此階段，由于國外的技術封鎖 和我國的基礎條件的限制，數控技術的發展較為緩慢。第二階段是在國家的六五”、 七五”期間以及 八五”的

24、前期，即引進技術，消化吸收，初步建立起國產化體系階 段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發環境和國際環境的改善， 我國數控技術的研究、開發以及在產品的國產化方面都取得了長足的進步。第三階 段是在國家的八五”的后期和 九五”期間，即實施產業化的研究，進入市場競爭階 段。在此階段，我國國產數控裝備的產業化取得了實質性進步。在九五”末期，國 產數控機床的國內市場占有率達50 %，配國產數控系統（普及型）也達到了10 %。 縱觀我國數控技術近50年的發展歷程，特別是經過4個5年計劃的攻關，總體 來看取得了以下成績。 a. 奠定了數控技術發展的基礎，基本掌握了現代數控技術。我國現在已基本掌

25、握 了從數控系統、伺服驅動、數控主機、專機及其配套件的基礎技術，其中大部分技 術已具備進行商品化開發的基礎，部分技術已商品化、產業化。 b. 初步形成了數控產業基地。在攻關成果和部分技術商品化的基礎上，建立了諸 如華中數控、航天數控等具有批量生產能力的數控系統生產廠。蘭州電機廠、華中 數控等一批伺服系統和伺服電機生產廠以及北京第一機床廠、濟南第一機床廠等若 干數控主機生產廠。這些生產廠基本形成了我國的數控產業基地。 C.建立了一支數控研究、開發、管理人才的基本隊伍。 雖然在數控技術的研究開發以及產業化方面取得了長足的進步，但我們也要清醒地 認識到，我國高端數控技術的研究開發，尤其是在產業化方面

26、的技術水平現狀與我 國的現實需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發展速度很快，但橫向比（與 國外對比）不僅技術水平有差距，在某些方面發展速度也有差距，即一些高精尖的 數控裝備的技術水平差距有擴大趨勢。從國際上來看，對我國數控技術水平和產業 化水平估計大致如下。 a. 技術水平上，與國外先進水平大約落后1015年，在高精尖技術方面則更大。 b. 產業化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規模生產；功能部 件專業化生產水平及成套能力較低；外觀質量相對差；可靠性不高，商品化程度不 足；國產數控系統尚未建立自己的品牌效應，用戶信心不足。 C.可持續發展的能力上，對競爭前數控技術的研究開發、

27、工程化能力較弱；數控 技術應用領域拓展力度不強；相關標準規范的研究、制定滯后。 分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面。 a. 認識方面。對國產數控產業進程艱巨性、復雜性和長期性的特點認識不足；對 市場的不規范、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計不足；對我國數控技術應用水 平及能力分析不夠。 b. 體系方面。從技術的角度關注數控產業化問題的時候多，從系統的、產業鏈的角度綜合考慮數控產業化問題的時候少；沒有建立完整的高質量的配套體系、完善 的培訓、服務網絡等支撐體系。 c. 機制方面。不良機制造成人才流失，又制約了技術及技術路線創新、 且制約了規劃的有效實施，往往規劃理想，實施困難。 d. 技術

28、方面。企業在技術方面自主創新能力不強，核心技術的工程化能力不強。 機床標準落后，水平較低，數控系統新標準研究不夠。 3對我國數控技術和產業化發展的戰略思考 3.1 戰略考慮 我國是制造大國，在世界產業轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移， 握先進制造核心技術，否則在新一輪國際產業結構調整中，我國制造業將進一步 芯”我們以資源、環境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經濟格局中的 國際 加工中心”和 組裝中心”而非掌握核心技術的制造中心的地位，這樣將會嚴 重影響我國現代制造業的發展進程。 我們應站在國家安全戰略的高度來重視數控技術和產業問題，首先從社會安全 看，因為制造業是我國就業人口最多的

29、行業，制造業發展不僅可提高人民的生活水 平，而且還可緩解我國就業的壓力，保障社會的穩定；其次從國防安全看，西方發 達國家把高精尖數控產品都列為國家的戰略物質，對我國實現禁運和限制， 件”和 考克斯報告”就是最好的例證。 產品創新, 即要掌 空 東芝事 3.2發展策略 從我國基本國情的角度出發，以國家的戰略需求和國民經濟的市場需求為導向， 以提高我國制造裝備業綜合競爭能力和產業化水平為目標，用系統的方法，選擇能 夠主導21世紀初期我國制造裝備業發展升級的關鍵技術以及支持產業化發展的支 撐技術、配套技術作為研究開發的內容，實現制造裝備業的跨躍式發展。 強調市場需求為導向，即以數控終端產品為主，以整

30、機（如量大面廣的數控車 床、銃床、高速高精高性能數控機床、典型數字化機械、重點行業關鍵設備等）帶 動數控產業的發展。重點解決數控系統和相關功能部件（數字化伺服系統與電機、 高速電主軸系統和新型裝備的附件等）的可靠性和生產規模問題。沒有規模就不會 有高可靠性的產品；沒有規模就不會有價格低廉而富有競爭力的產品。 數控機床系統總體設計 總體方案設計內容 接到一個數控裝置的設計任務以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統總體框圖， 才能決定各種設計參數和結構，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設計。 機床數控系統總體方案的擬定包括以下內容： 系統運動方式的確定、 伺服系統的選 擇、執行機構的結構及傳動方式

31、的確定，計算機系統的選擇等內容。 一般應根據設計任務和要求提出數個總體方案， 進行綜合分析、 比較和論證， 最后 確定一個可行的總體方案。 系統運動方式的確定 數控系統按運動方式可分為點位控制系統、點位直線控制系統和連續控制系統。 控制方式的選擇 系統可分為開環控制系統、半閉環控制系統和閉環控制系統。 經濟型數控機床普遍采用開環伺服系統。 開環控制系統中， 沒有檢測反饋裝置， 數 控裝置發出的信號的流程是單向的， 也正是由于信號的單向流程， 它對機床移動部件的 實際位置不做檢測， 所以機床加工精度要求不太高， 其精度主要取決于伺服系統的性能。 開環伺服系統主要由步進電機驅動。 這類機床工作比較

32、穩定， 反應迅速， 調試和維修都 比較簡單。 總體方案確定 1）、系統的運動方式伺服系統的選擇 由于改造后的經濟型數控機床應具備定位，直線插補，順、逆圓弧插補，暫停，循 環加工， 公英制螺紋加工等功能， 故應選擇連續控制系統。 考慮達到屬于經濟型數控機 床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環控制系統。 2）、數控系統 根據機床要求， 采用 8 位微機。 由于 MCS-51 系列單片機具有集成度高， 可靠性好， 功能強，速度快，抗干擾性強，具有很高的性能價格比等特點，決定采用 MCS-51 系列 的 8031 單片機擴展系統。 控制系統由微機部分、鍵盤及顯示器、 I/O 接

33、口及光電隔離電路、步進電機功率放 大電路等組成， 系統的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現， 顯示器采用數碼管顯示 加工數據及機床狀態等信息。 3）、機械傳動方式 為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桿，為保證一定 的傳動精度和平穩性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時， 為提高傳動剛度 和消除間隙，采用預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結構。 系統總體方案框圖如下： 率 瘟 4M(E_ IO olo IO 中4fe板 圖1系統總體方案框圖 nd廠 .1 I fT 糾 II t uV 7/1 yr; JI I IL-J ZZ7Z -廠/? -pf o; o

34、丿 / Jx 3( 務氓潦呉芻袞.jot 0.5273 V7 賽SI OS 第三章 進給系統設計計算 選擇脈沖當量 經濟型數控車床、銃床常采用 脈沖當量是衡量數控機床加工精度的一個基本技術參數。 的脈沖當量是0.010.005mm/step。 根據機床精度要求確定脈沖當量： 縱向：0.01mm/step,橫向：0.005mm/step（半徑） in 云 UH -= -* 4 It 匚工了- IF lip rt H盤 gilwe UW1.12早 JUUftfcl fet I 扌 電d . iIEL 輒曲I亠土 |=r廠1 Fr 橫切端而 縱車外圓 圖2縱切和橫切時切削力的示意圖 1、縱車外圓 主

35、切削力Fz（N）按經驗公式估計算: Fz = 0.67Dmax=0.67x5001.5 =7491.751(N) 按切削力各分力比例： F z : Fx : Fy=l : 0.25 : 0.4 Fx =7491.751x0.25 =1872.711 (N) Fy =7491.751 咒 0.4 =2996.335 (N) 2、橫切端面 主切削力FZ（ N）可取縱切的1/2。 1 F/= Fs =374 5. 42N) 2 F； =3745.421 咒0.25 =9 36. 34 Qn) F； =3745.421 咒 0.4 =1 498. 1) 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 （一） 縱向進給絲杠

36、 1、計算進給軸向力Fm（N） 縱向進給這里為三角形導軌：Fm = kFx + f （Fz + G） 式中K :指顛覆力矩影響的實驗系數，綜合導軌取K=1.15 ; f：指滑動導軌摩擦系數取0.15-0.18之間的值; G:指流板及刀架重力, G=1100N。 Fm = 1.15X1872.707 +0.17(7490.816 +1101) = 3614.052 (N) Q的計算公式為: 2、計算最大動負載 Q 考慮滾珠絲杠在運轉過程中沖擊擾動對壽命的影響，則最大動負載 Q=VLfwFm 60 nT 106 1000Vs n = L0 式中 Lo :指滾珠絲杠導程，初選L0=8 ; Lo L-

37、6!/37.47丁5000 =33.76 106 106 n：指絲杠轉速，（r/min）； Vs :指最大切削力條件下的進給速度（ m/min ），可取最高進給速度的1/21/3， 此處取Vs=0.3 mm ； T :指使用壽命時間（h）,對于數控機床取 T=15000h.。 L:指壽命，以106轉為一單位; fw :指運動系數，見表1，選fw=1.3。 運轉狀態 運轉系數 無沖擊運轉 1.01.2 一般運轉 1.21.5 有沖擊運轉 1.5-2.5 表1運轉系數 n =嗨 J000。.5 =37.47( r/min) q匸fwFmY/33763614.0545183.1748 3、滾珠絲杠螺

38、母副的選型 C的滾珠絲杠副的 2.5圈1列，其額定動 從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應的動負載 尺寸規格和結構類型，選用時應滿足Q C的條件。 查表：可采用 Wi L5008外循環調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副, 負載為23400N，符合Q C的條件。精度等級按表2，選為1級。 3 V 300p=6%10 mm 表2 滾珠絲杠行程公差 項目 符號 有效行程Lu （mm） 精度等級 1 2 3 4 5 e 315 6 8 12 16 23 315400 7 9 13 18 25 目標行程公差 400500 8 10 15 20 27 500630 9 11 16 22 30 行程變

39、動量公差 V mp dO345.833 L。 2 x550 = 2.13x10( mm) (2)滾珠與螺紋滾道間接觸變形 62 (mm) 對滾珠絲杠副施加預緊力F為軸向負載的1/3。 由 db = 3.969mm, F； =275.9 kgf 承載滾珠數量Z工=z X圈數咒列數 db 冥圈數X列數 3.122.1 3.969 = 49.46 6 =0.0013 Vd Fm bFp Zf = 0.0013 即3.969咒275.9/3咒49.462 275.9 = 3.72X10(mm) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變( mm) 這里采用有預緊時的推力球軸承則 Fm r 2 d =1.746X1

40、0 VDwZ2Fp 查機械設計手冊中表 6-2-82，采用51104型推力球軸承，其 d=20mm, 滾動體直徑D W =3.175 mm,滾動體數量Z=14， c 6 =1.746 咒 10 冷 寸DwZ2Fp = 1.746X10* 2759 V3.175d42 x 1528/3 1528 疋位誤差 6 = 1 + 2 + 3 + V300 P = 1.17 X10-2 +2.51X10 +3.91X10 +6咒10 =0.02412 (mm) kk ，則壓桿穩 F m 定，kk 為許用穩定性安全系數, nk =2.54。 兀2EJ 計算臨界負載Fk( N )： Fk = U 2 2 (N

41、/mm )； (門) 4TT4 J：指截面慣性矩（mm），絲杠截面慣性矩-64d1（ d1為絲杠螺紋的底徑） l :絲杠兩支承端距離（mm）； 卩：絲杠支承方式系數，見表3，這里卩=2.00。 Fk 2 兀 4243.144 療E-d13.1420.10-6r20.9744 (H)2 2 (2.00X551)2 =155993N nk Fk155992 =10.47 歸 Fm1528 表3滾珠絲杠支承方式系數 方式 一端固疋一端自由 兩端簡支 一端固疋一端簡支 兩端固定 4 0.25 1.00 2.00 4.00 所以此絲杠不會產生失穩。 （三）縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數 其幾何參數見表:

42、表4Wi L5008及WiL2506滾珠絲杠幾何參數 名稱 符號 W1L5008 W1 L2506 螺 紋 滾 道 公稱直徑 D0 50 25 導程 L0 8 6 接觸角 P 2”55， 4 22 鋼球直徑 db 4.763 3.969 滾道法面半徑 R R=0.52db 2.477 2.064 偏心距 e e = (R-db/2) sinP 0.068 0.056 螺紋升角 7 Y = arctg 2”55， 4 22 螺 桿 絲杠外徑 d d =D0 -(0.20.25)db 48.5 24 絲杠內徑 d1 d1 =D 0 + 2e-2R 45.182 20.984 螺桿接觸直徑 dz d

43、z = a -dbCOsP 40.424 17.025 螺 母 螺母螺紋直徑 D D =D0 -2e + 2R 54.818 29.016 螺母內徑 D1 D1 = D0 +(0.20.25)db 51.190 25.992 四齒輪進給齒輪箱傳動比計算 1縱向進給齒輪箱傳動比計算 已確定縱向進給脈沖當量6p =0.01，滾珠絲杠導程Lo=8mm，初選步進電機步距角 日b =0.75:可計算出傳動比4 : “廠蟲二秒鳥加1.668 在閉式軟齒面齒輪傳動中，齒輪的彎曲強度總是足夠的，因此齒數可取多些，推薦取 Z=2440。所以可選定齒輪數為： i 12 z1 _40 24 2、橫向進給齒輪箱傳動比

44、計算 已確定縱向進給脈沖當量6 = 0.005，滾珠絲杠導程 Lo =6mm，初選步進電機步距 角0b =0.75 :可計算出傳動比 i12 : 可選定齒輪數為: i12 3605 P =皿=2.7 乙 i12 Z1 45 18 所處位置 縱向 橫向 齒數 24 40 18 45 分度圓直徑 d =mz 48 80 36 90 齒頂圓直徑 da = d +2m 52 84 40 94 齒根圓直徑 df =d -2x1.25m 43 75 31 85 齒寬 （610） m 16 16 16 16 中心距 A JmZ +乙） 2 64 63 m取2。有關參數參照表 5。 表5傳動齒輪幾何參數 因進

45、給運動齒輪受力不大，模數 五步進電機的計算和選型 （一） 縱向進給步進電機計算 1、等效轉動慣量計算 傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量JMkg cm2）可由下式計算: 丘“+山+卽卜+小晉）2 式中 Jm :指步進電機轉子轉動慣量 （kgcm2）； 2 Ji、J2:指齒輪 乙、Z2的轉動慣量（kg ym ）； Js:指滾珠絲杠轉動慣量 （kg cm2）； W :指工件及工作臺重量（N）； Lo :指絲杠導程（cm）； 參考同類型機床，初選反應式步進電機150BF，其轉子轉動慣量 JM =10kg*cm2 。 3 Jj =0.78x10 xdL（ d和L分別表示齒輪Z2的分度圓直徑和齒寬）

46、342 = 0.78X10 X4.8 X1.6 = 0.66(kg am ) J2 =0.78M0 xdL（ d和L分別表示齒輪 乙的分度圓直徑和齒寬） = 0.78咒 10 84咒1.6 =5.11(kg*cm2) Js =0.78X10 xdL（ d和L分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距） =0.78咒10,咒54 心50 =73.134(kg ym2) 把這些數據代入上式: JLm +J1+今卜+打+苦)2 w十o.66唱知皿伯十曙“剽 2 = 43.97021(kg sm2) 2、電機力矩計算 機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按個階段計算: 在快速空載起動階段，加速度

47、所占的比例較大，具體計算公式如下: M 起=M a max 十 M f + M 0 Mamax =工2=工60 nmax 2 2兀.nmax X 10 Xta 60ta nmax = e X 6p360 FoLo 2Gni M。 曇(5) 以上式中 Mama：指空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩（ N cm)； - 51 - N cm)； M f ：指折算到電機軸上的摩擦力矩（N cm）； M 0 :指絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（ J工：指傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量（kg Ym2）； 名:指電機最大角加速度（rad /s2）； nmax :指電機最大轉速（r /min）

48、； Vmax :指運動部件最大進給速度（mm/min）； 柱P :指脈沖當量（mm/step）； 日b :指步進電機步距角（deg）； ta :指運動部件從停止起動到最大快進速度所需時間（S）,這里是30ms; Fo :指導程的摩擦力（N），Fo = f （Fz +W）； Fz :指垂直方向的切削力（N）； W :指工件及工作臺重量（N）； f :指導軌摩擦系數，f =0.15 0.18 ； G :指運動部件的總重量（N）； i :指齒輪降速比；按i =生計算; 乙 n :指傳動鏈總效率，一般可取n = 0.7 0.85 ； Fp :指滾珠絲杠預加負載，一般取Fm/3, Fm為進給軸向力(N)

49、； L):指滾珠絲杠導程; % :指滾珠絲杠未加預緊時的傳動效率，一般取口0 0.9。 將以前計算所得數據代入: nmax =嚴咒生=2000 咒吧=416.56(r/m in) 6p 360O.。2 360 _2 Mamax =Jy 2花 *nmax X10=43.971x2兀 * 叭 10 = 639.4 2 4( N cm) 160ta60 x0.03 _F0L0 2Gii f (Fz +W)x L00.17% (7490.827 + 1100)x0.8 一ccc =139.38 1Z2/Z1 2花 X 0.8x1.667 (N cm) =(1_n02)J/3%3614.055%0.8。

50、2) =21.84( N am) 2 汕 Z2/ 乙 1/3FmLo 2兀 xo.8xl.667 則 M起=Mamax + M f + M0 =639.424 +139.38 + 21.84 = 8 0 0. 64 N cm) (2)快速移動時所需力矩 M快 M快=Mf +M 0 =139.38 + 21.84 =1 6 1. 2(2N cm) (3)最大切削負載時所需力矩M切 M切=M f +M 0 +Mt =M f +M0=139.38 + 21.84 + 1872.7070.8 =340.036( N cm) 2兀W2兀天0.8咒1.667 從上面計算可以看出，M起、M快和M切三種工況下

51、，以快速空載起動所需力矩最大, 以此項作為初選步進電機的依據。 由表6得：當步進電機為三相六拍時，A = M q / M jmax = 0.866，則 M j max = 80027=903.8（N）。 0.886 _ 1000/max k 606 1000/s 廠 606p 1000竺=1000Hz 60 x0.01 表6步進電機起動轉距M q與最大靜轉距 M jmax關系 步進 電機 相數 三相 四相 五相 六相 拍數 3 6 4 8 5 10 6 12 Z = M q / M j max 0.5 0.866 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 按此最大靜轉距從表中

52、查出，150BF002型最大靜轉距為 13.72 N .M，大于所需最大 靜轉距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性。 3、計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 =1000 X 2.0 = 333333Hz 60咒0.01 可查出150BF002型步進電機允許的最高空載啟動頻率為2800 Hz運行頻率為 8000 Hz，再從圖5查出150BF002步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。從圖中 看出，當步進電機起動時, f起=250OHZ, M =100N cm遠遠不能滿足此機床所要 求的空載起動力矩(800.77 N cm)，直接使用則會出現失步，所以必須

53、采用升降速 控制(用軟件實現)，半起動頻率降到1000 Hz，起動力矩可提高到588.4 N cm， 然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。 當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。 運行矩頻特性 起動矩頻特性 圖 5 150BF002 型步進電機起 動 矩 頻 特 性 和 運 行 矩 頻 特 性 （二） 橫向進給步進電機計算和選型 與縱向進給步進電機計算的方法一樣，如果縱向的步進電機能滿足條件那橫向 的就也可以滿足條件，則這選用與縱向相同的步進電機。 第四章 微機數控系統的設計 微機數控系統的設計綱要 一 硬件電路設計

54、硬件是組成系統的基礎，也是軟件編程的前提，數控系統硬件設計包括以下幾部分內 容： 1、繪制系統電氣控制的結構框圖 據總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結構圖。 機床硬件電路由五部分組成： 主控制器，即中央處理單元 CPU； 總線，包括數據總線、地址總線和控制總線； 存儲器，包括程序存儲器和數據存儲器； 接口，即輸入 /輸出接口電路； 外圍設備，如鍵盤、顯示器等。 6 所示： （1） （2） （3） （4） 機床數控系統硬件框圖如圖 （5） I光電隔離I 功枚 步進電機 圖6機床數控系統硬件框圖（開環系統） 選擇中央處理單元 CPU的類型 根據設計要求， 存儲器擴

55、展電路設計 存儲器擴展包括數據存儲器和程序存儲器擴展兩部分。 選擇EPROM作程序存儲器時，應考慮： （1）速度應與CPU時鐘匹配； （2）容量適中。 I/O接口電路設計 設計內容包括：據外部要求選用 I/O接口芯片，步進電機伺服控制電路，鍵盤、顯示部 分以及其他輔助電路設計（如復位、掉電保護等） 。這部分設計要求考慮系統的驅動能力。 驅動能力不足時，系統工作不可靠。 在存儲器擴展和I/O接口電路中，均涉及到地址譯碼問題。 2、 3、 4、 CNC系統的主CPU采用8031單片機。 二軟件電路設計 軟件是硬件的補充。確定硬件電路后，根據系統功能要求設計軟件。 1、軟件設計步驟 軟件設計步驟分為

56、以下幾步： （3） （4） 據軟件要求實現的功能，制定出軟件技術要求； 將整個軟件模塊化，確定個模塊的編制要求，包括個模塊功能，入口參數，出 口參數； 據硬件資源，合理分配好存儲單元； 分別對個模塊編程，并調試； 連接各模塊，進行統一調試及優化； 固化到程序存儲器中。 2、數控系統中常用的軟件模塊 （1） （2） （3） 軟件實現環形分配器； 插補運算模塊； 自動升降速控制模塊等。 8031單片機及其擴展 一 8031單片機的簡介 1、8031芯片引腳及片外總線結構 （1）8031芯片引腳功能 8031芯片有40個引腳，引腳配置見圖7： P 1.0 PL 1 P L2 P L P L4 P L

57、5 P Lb PL 1 RST/VPD_ ftxo/pi a_ TxD/P3. 1_ Tvro/P3.2 ivn/P3.3 TMPM TI/PJ.5 WPJ. 6 RD/P3. UAL2= STALl Vss 2 -I S 9 10 11 12 13 14 16 17 18 19 20 8031 J0 39 38 37 36 34 53 31 31 30 29 25 11 26 23 22 Vcc FO. 0 P0+ 1 0. 2 PQ+ 3 n 一 P仇5 TO. b PO+ 7 八卩p ALE/PTO 一乩7 T2.6 P2.5 PL 5 =2.2 P2.1 _ 2.0 圖78031芯片引

58、腳 （2 ）各引腳按功能可分為三部分： I/O 口線：P0, P1，P2, P3 共 4 個 8 位口; 控制口線：PSEN , ALE , EA , RST; 電源及時鐘：V CC V SS ； XTAL1，XTAL2。 （3）應用特性： I/O 口線； 口可驅動8個TTL門電路，P1, P2, P3則只能驅動4個; I/O 口線不能都用作用戶 I/O 口的驅動能力，P0 P3是雙重功能口。 2、8031單片機片內結構 8031單片機由7個部件組成，既微處理器（CPU）、數據存儲器（RAM ）、特殊功能寄 存器、I/O 口、串行口、定時/計數器及中斷系統，它們都是通過片內單一總線連接而成的。

59、 二8031單片機的系統擴展 128 8031單片機內無程序存儲器，如不擴展外部程序存儲器則不能工作，且片內僅有 字節數據存儲器，對于需要較多數據緩沖區的程序來說，片內RAM也不夠用，須擴展。8031 片內四個I/O 口中僅P1 口可作為8位雙向的I/O接口用戶使用，也須擴展，有些情況還須 擴展定時/計數器等。 1、8031的片外總線結構 所有的外部芯片都通過三組總線進行擴展： 數據總線（DB）：由P0 口提供，數據總線要連接到連接的所有外圍芯片上，但在同 一時間只能夠有一個是有效的數據傳輸通道。 地址總線（AB）： 16位，可尋址范圍為 64K字節，AB由P0 口提供低8位地址， 與數據分時

60、傳送，傳送數據時將低8位地址鎖存。高8位地址由P2 口提供。 控制總線（CB）:系統擴展用控制總線有 WR、RD、PSEN、ALE、EA。 （1） 2、系統擴展能力 據地址總線的寬度，在片外可擴展的存儲器最大容量為64K字節。 片外數據存儲器與程序存儲器的操作使用不同的指令和控制信號。允許兩者的地址重 復。故片外可擴展的數據存儲器與程序存儲器分別為64K。 擴展的I/O 口與片外數據存儲器統一編址，不再另外提供地址線。 3、地址鎖存器 8D觸發器），其引腳及連接見圖 8031擴展系統時，由P0 口提供數據及低8位地址，分時傳送，故須地址鎖存。常用的 地址鎖存器芯片是 74LS373 （帶三態緩