C6150普通车床的数控化改造

晋中学院

本科毕业论文（设计）

题目 C6150普通车床的数控化

改造设计

院系机械学院

专业机械设计制造及其自动化

姓名祁妍婷

学号 1214312122

学习年限2012年09月至2014年07月

指导教师薛小兰职称讲师

申请学位工学学士学位

2014年5月20日

C6150普通车床的数控化改造

学生姓名：祁妍婷指导教师：薛小兰

摘要：与普通车床相比较，数控机床作为机电液气一体化的典型产品，可以解决在机械加工中结构比较复杂多变的零件加工的问题，而且加工质量好，生产效率也高。随着科学技术的快速发展，数控机床的占有率已经成为衡量一个国家机械制造业水平的重要标志。

购买新的数控机床或者从国外进口是提高产品质量和效率的主要方法，但是费用高，许多工厂在较短时间内没有办法实现，这样就严重阻碍企业设备更新的脚步。采用经济型数控系统对普通机床进行数控化改造，特别适合我国普通机床拥有量大，生产规模小的具体国情。

本次设计是对C6150普通车床的数控化改造设计计算，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。其中主要对伺服系统、数控系统等方面做了详细的计算和设计。设计时我先对数控机床系统进行了总体方案的设计，然后对进给系统、齿轮箱传动比及步进电机进行了设计、选型和计算，最后对微机数控系统硬件电路进行了设计。

关键词：数控改造步进电动机单片微机

Reforming design of NC for C6150 general l

-athe

Author’s Name: Qi Yan-ting Tutor: Xue

Xiao-lan

ABSTRACT: As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining.Along with the science technical fast fierce development, numerical controlling tool machine has already become the important marking which measures a national machine manufacture industry level. Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Adopt the economic number controls system to carry on a number to control to turn a reformation to the common tool machine, particularly in keeping with our country the common tool machine own to have great capacity, the small concrete state of the nation of the production scale.

This design is to control to turn a reformation to the number of C6150 common lather ，mainly on the creative design of original structure of lathe to make lathe relative perfect. While in the process, we do detailed calculation and design of servo system, NC and so on. Design when I first CNC machine tool system, the overall design, and then calculated the feeding system, the gearbox ratio and the stepper motor, computer numerical control system hardware circuit design.

KEYWORDS ：Numerical transformation of Mechatronics Steppin

g motor Single chip microcomputer

1 绪论 . .................................................. 5 2 机床改造总体设计方案的拟定 ........................... 6

2.1 设计任务 . ......................................... 6

2.2 总体方案设计内容 . ................................. 6

2.3 总体方案确定 . ..................................... 7 3 机床伺服系统机械部分设计和计算 ....................... 8

3.1 确定系统的脉冲当量 . ............................... 8

3.2 计算切削力 . ....................................... 8

3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 ....................... 10

3.4 齿轮箱的计算 . .................................... 17

3.5 步进电动机的选型和计算 ........................... 18

3.6 绘制进给传动机构的装配图 ......................... 24 4微机数控系统硬件电路的设计 . .......................... 25

4.1硬件电路的设计 ................................... 25

4.2 8031单片机的简介及其扩展 ........................ 27

4.3 步进电机驱动电路 . ................................ 32

4.4 数控系统的软件设计 . .............................. 35 5总结 .................................................. 42 参考文献 ............................................... 43

1 绪论

一个企业要在当前竞争激烈的环境中存活就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。目前，我国的大多数企业的生产大都采用的是普通的机床，用这种设备加工出来的产品存在很多缺点，在国内和国际市场上缺乏竞争力。普通机床已不再适应现在生产的要求，而数控机床则综合了现在先进技术，最适宜形状复杂、加工小批量、生产周期要求短的零件。当加工对象改变时，只需要重新对零件进行编程，就可以不改变机床继续加工。因此具有很好的柔性，能很好的满足现在产品不断变化的要求。

最近几年我们国家数控机床的占有率逐年增加，很多家企业己经开始较多的使用。在这些使用的数控机床中，除了少数机床以FMS 模式集成使用外，大部分处于单机运行状态，而且很大一部分使用效率不高，管理方式落后。而从国外进口数控车床成本又较高，因此普通车床数控改装已成为不可避免的。近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业己有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS 模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。2001年，我国机床工业产值己进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%，成本太高。所以数控化改造在我国很有必要。

数控机床在现在机械行业中的使用用越来越广泛。数控机床的发展，一方面，是功能齐全；另一方面是简单而实用。与普通机床相比，数控机床具有以下优点：第一，高柔性；第二，加工精度和生产效率高；第三，降低了劳动强度；第四，经济效益良好，有利于企业的发展。在国内工厂技术改造中数控机床改造已成为一个重要的内容。

2 机床改造总体设计方案的拟定

2.1 设计任务

毕业设计题目：C6150型普通车床的数控化改造设计。

毕业设计要求及原始数据（资料）：

要求：

将一台C6150普通车床改造成微机数控车床。对原车床的纵向、横向进给系统进行数控化改造设计，采用MCS-51系列单片机控制系统，步进电动机驱动，开环（或半闭环）控制，具有直线、圆弧插补功能及升降速控制功能，改装后的车床应有自动回转刀架和切削螺纹的功能。系统分辩率纵向0.01mm ，横向0.005mm.

原始数据：

床身上最大工件回转直径：φ500mm

刀架上最大工件回转直径：φ300mm

最大车削长度： 1200mm

溜板及刀架重力：纵向 1100N 横向 500N

刀架快移速度：纵向 2.0m/min 横向 1.0m/min

最大进给速度：纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min

主电机功率： 6kW

起动加速时间： 30ms

机床定位精度：纵向0.02mm 横向0.01mm

代码制： ISO

脉冲分配方式：逐点比较法

输入方式：增量值、绝对值通用

控制坐标数： 2

脉冲当量：纵向 0.01mm/脉冲横向0.005mm /脉冲

刀具补偿量： 0~99.99mm

进给传动链间隙补偿量：纵向 0.15mm；横向0.075mm

自动升降速性能：有

2.2 总体方案设计内容

接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体

框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。

机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、选择伺服系统、选择计算机系统、执行机构的结构及传动方式的确定等内容。一般应根据设计任务和要求提出一个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。

2.3 总体方案确定

2.3.1控制系统的选择

由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，固应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床，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。

2.3.2 计算机系统

根据机床要求，采用8位微机。因为MCS - 51系列单片机可靠性好、功能强、抗干扰能力强、性价高等优点，决定选用MCS - 51系列8031单片机。

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等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。

2.3.3 机械传动方式

为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。同时为提高传动精度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动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 系统总体方案框图

3 伺服系统机械部分的设计和计算

3.1 确定系统的脉冲当量

脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数, 经济型数控车床常采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲。

任务书中直接给出了脉冲当量：纵向0.01mm/脉冲，横向：0.005mm/脉冲。

3.2 计算切削力

车削外圆时的切削抗力有F x ﹑F y ﹑F z ，主切削力F z 与主切削速度方向一致垂直向上，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力F y 与纵向进给

垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给力F x 与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。图3-1为切削时总切削力的分解。图3-2横切和纵切时切削力的示意图。

图3-1 切削时总切削力的分解

图3-2横切和纵切时切削力的示意图

3.2.1. 纵车外圆

主切削力根据经验估算:

. 5 F Z =0.67D1

max (3.1)

=0.67×5001. 5=7491（N ）

其他切削力分别为：

F Z :F X :F Y =1:0. 25:0. 4 (3.2) F X =5360×0.25=1873（N ）

F Y =5360×0.4=2996（N ）

3.2.2. 横切端面

主切削力F Z ' (N ) 取纵切外圆主切削力的1/2. F Z ' =1F Z =3745（N ） (3.3) 2

此时走刀抗力为F Y ' (N),吃刀抗力为F Z ' (N ) . 仍按上述比例粗略计算:

F Z ' :F Y ' :F X ' =1:0.25:0.4 (3.4) F Y ' =3745×0.25=936（N ）

' F X =3745×0.4=1498（N ）

3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型

普通车床大多数采用的是矩形螺纹丝杠等滑动丝杠副，与滚珠丝杠副相比摩擦阻力大、传动效率低，不能适用于高速运动。另外由于磨损快，从而造成其精度差和寿命较低等缺陷。因此，在普通车床的数控化改造设计中经常将其改变为滚珠丝杠螺母副。

滚珠丝杠副有以下一些优点：摩擦损失小，传动效率高，可达0.90～0.96；丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象；磨损小、寿命长、精度保持性好。但应注意，由于滚珠丝杠副不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运动，因此丝杠立式和倾斜使用时，应增加制动装置或平衡装置。滚珠丝杠副的计算步骤如下。

3.3.1 纵向滚珠丝杠螺母副的设计计算

3.3.1.1 计算进给牵引力F m (N)

纵向进给为综合型导轨：

F m =KF x +f ' (F z +G ) (3.5)

=1.15×1873+0.16×(7491+1100)

=3465(N)

式中 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:0.15~0.18;

G —溜板及刀架重力：G=1100N。

3.3.1.2 计算最大动载荷C C=L f w F m (3.6) L=

n=60⨯n ⨯T (3.7) 1061000v s (3.8) L 0

式中 L 0：指滚珠丝杠导程，初选L 0=6；

n：指丝杠转速，（r/min）；

v s ：指最大切削力条件下的进给速度（m/min）, 可取最高进给速度的1/2~1/3，此处取v s =0.6mm ；

T ：指使用寿命时间（h ）, 对于数控机床取T=15000h.。

L：指寿命，以106转为一单位； f w ：指运动系数，见表1，选f w =1.2。表3-1 运转系数

则 n = L =

1000v s 1000⨯0.6⨯0.5

==50( r/min) L 0660⨯n ⨯T 60⨯50⨯15000

==45 106106

C =L f w F m （=45⨯1. 2⨯346N 5=14790N ）

3.3.1.3 滚珠丝杠螺母副的选型

初选滚珠丝杠副的尺寸规格时，相应的额定动载荷C a ＞最大动载荷C 。查表《W 系列外循环滚珠丝杆副系列尺寸》：W 1L 4006型滚珠丝杠副的额定动载荷

C a =16400N ＞C =14790N 因此，初选滚珠丝杠的型号为W 1L 4006型，主要参数

为：滚珠直径d 0=3. 969, L 0=6mm , D 0=40mm , λ=2 44' , 圈数⨯列数=2. 5⨯1，其额定动载荷为16400N ，精度等级选3级。 3.3.1.4 传动效率计算

tan γtan 2 44' η===94 (3.9) ' '

tan(γ+ϕ) tan(244+10)

式中 γ：指螺旋升角，γ=244

ϕ：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f =0. 003~0. 004, 其摩擦角

ϕ=arctan f ，约等于10'。

3.3.1.5 刚度验算

滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，滚珠和螺纹滚道间的接触变形，滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。

先画出此纵向进给滚珠丝杠支撑方式草图，如下图3-3所示。最大牵引力3465N 。支撑间距L=1500mm,丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负

荷的1/3。

图3-3 纵向进给滚珠丝杠支撑方式草图

(1)丝杠的拉伸或压缩变形量δ1

查图〈滚珠丝杠轴向拉伸压缩变形图〉，根据F m =3465N,Do =40mm,查出

δL/L=1.5×10-5可算出

δ=(δL/L)×1500＝0.0225mm (3.10)

由于两端采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量δ1为

δ1=δ=0. 0056mm (3.11)

(2)滚珠与螺纹滚道间接触变形量δ2

由于选用的滚珠丝杠副为W 系列2.5 圈1列，可得：σQ =0. 0064mm 因进行了预紧，所以：

δ2=δQ =⨯0. 0064mm =0. 0032mm

(3)支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形δ3

查《机械设计手册》中表6-2-82，采用51107型推力球轴承，d 1=35mm，滚动体直径d Q =6.35mm，滚动体数量Z=18

' 22

F m 346. 5=0. =0. 009m m (3.12) δc =0. 2d Q ⋅Z 6. 35⨯182

因施加预紧力，所以：

δ3=δc =⨯0. 009=0. 0045mm

丝杠的总变形量δ=δ1+δ2+δ3=0. 0056+0. 0032+0. 0045=0. 0133mm 查表知3级精度丝杠允许的螺距误差为0.015mm ，故所选丝杠合格。 3.3.1.6 稳定性验算

滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，不需作稳定性校核。 3.3.2 横向滚珠丝杠螺母副的设计计算 3.3.2.1 计算进给牵引力F m 对于燕尾型导轨：

' F m =kF y ' +f ' (F z ' +2F x ' +G )

=1. 4⨯936+0. 2⨯(3745+2⨯1498+500) (3.13)

=2759N

由于是燕尾形导轨式中：K=1.4，f '=0.2 3.3.2.2 计算最大动载荷C

C =L f w F m =27⨯1. 5⨯2759N =9932（N ） (3.14)

n = L =

1000v s 1000⨯0.3⨯0.5

==30( r/min) (3.15) L 05

60⨯n ⨯T 60⨯30⨯15000

==27 (3.16) 66

1010

3.3.2.3 滚珠丝杆螺母副的选型

W 1L 2506型滚珠丝杠副的额定动载荷C a =13100N ＞C =9932N，因此，初选

滚珠丝杠的型号为W 1L 2506型，主要参数为：滚珠直径d 0=3.969mm，L 0=6mm，

λ=4 22' , 圈数⨯列数=2. 5⨯1, 其额定动载荷为13100N, 精度等级选3级。 3.3.2.4 传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率η:

tan λtan 4 22'

η===98. 7 (3.17) ' '

tan(λ+ϕ) tan(422+10) 3.3.2.5 刚度验算

横向进给滚珠丝杠支撑方式草图如图3-4所示，最大轴向力为2759N ，支承间距L=450mm, 因丝杠长度较短，不需要预紧。

图3-4 横向进给滚珠丝杠支撑方式草图

(1)丝杠的拉伸或压缩变形量δ1

查图表可得：F m =2759N D 0=25mm

δL

=3⨯10-5

δ1=

δL

⨯L =3⨯10-5⨯450=1. 35⨯10-2mm (3.18)

(2)滚珠与螺纹滚道间接触变形量δ2

由于选用的滚珠丝杠副为W 系列2.5圈1列，故可得δQ =0. 009mm 考虑到进行了预紧，所以：

δ=δ=⨯0. 009mm =0. 0045mm (3.19) 2Q

(3)支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形δ3

查《机械设计手册》中表6-2-82，采用51102型推力球轴承，其d 1=15mm, 滚动体直径d Q =4.763mm, 滚动体数量Z=12，

' 22

F m 275. 9

=0. =0. 0094m m (3.20) δc =0. 22

d Q ⋅Z 4. 763⨯12

考虑到进行了预紧，故：

δ3=δc =⨯0. 0094mm =0. 0047mm

丝杠的总变形量δ=δ1+δ2+δ3=0. 0135+0. 0045+0. 0047=0. 0227mm ＞0.015mm 。显然变形量已大于规定的定位精度要求，应该采取相应的措施修改，因横向溜板空间限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨来减少摩擦力，从而减少轴向力，采用贴塑导轨f '=0.03~0.05。重新计算如下：

'=k F y '+f '(F z '+2F x '+G ) (3.21) F m

=1. 4⨯936+0. 04(3745+2⨯1498+500) =1600N

δδ'

δ1=l ⨯l =2. 5⨯10-5⨯450=0. 0112，查表可得：F m =1600l =2. 5⨯10-5，

l L 则δ=δ1+δ2+δ3=0. 02。此变形量仍不能满足，如果将滚珠丝杠再经过预拉伸，刚度还可提高4倍，则变形量

δ=δ1+δ2+δ3

=⨯0. 0112+0. 0045+0. 0047 (3.22)

=0. 012

'之比称为稳定性系数n k ，如果n k =临界负载F k 与工作负载 F m

F k

≥[n k ]，'F m

则压杆稳定，[n k ]为许用稳定性安全系数，一般[n k ]=2.5~4。

f z π2EI

计算临界负载F k （N ）：F k = (3.23) 2

L 式中 E：指丝杠材料弹性模量，对钢E =20. 6⨯104（N/mm2）； I：指截面惯性矩（mm 4）, 丝杠截面惯性矩J =的底径）；

l ：丝杠两支承端距离（cm ）；

d 1（d 1为丝杠螺纹

f z ：丝杠支承方式系数，见表3-2，这里μ=2. 00。

表3-2 滚珠丝杠支承方式系数

则

F k =

f z π2E

d 1

2⨯3. 142⨯20. 6⨯104⨯=

452

3. 14

⨯1. 67884=7821N 4

n k =

F k 78214==38. 7>[n k ] 'F m 2023

所以此丝杠不会产生失稳。 3.3.2.7 滚珠丝杠副的精度等级

滚珠丝杠副的精度，按机械工业部标准JB3162.2-91的规定，分为七个等级，即1、2、3、4、5、6、7和10级，1级精度最高，依次逐级降低。通常数控机床根据定位精度的要求选用1-5级精度的滚珠丝杠。表3-3给出1-5级精度的行程公差。如下表所示：

表3-3滚珠丝杠行程公差 (μm )

3.3.2.8纵向及横向滚珠丝杠副几何参数

表3-4 W1L4006及W 1L2506滚珠丝杠几何参数

3.4 齿轮箱的计算

3.4.1 纵向进给齿轮箱的计算

已知纵向进给脉冲当量 δp =0. 01，选择丝杠导程L 0=6mm ，初定步进电机步距角0.75°，计算传动比i :

αL 00. 75︒⨯6

==1. 25 (3.24) i =

360︒δ360︒⨯0. 01

可以选择的齿轮齿数为：

Z 4025

i =2=或

Z 13220

Z 1=32, Z 2=40, 或Z 1=20, Z 2=25 3.4.2 横向进给齿轮箱的计算

已知横向进给脉冲当量σp =0.005，所选丝杠导程L 0=6mm，步距角0.75°, 所以传动比i 为：

i =

从结构上考虑，不能使大齿轮直径过大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可以选用两级齿轮降速：

i =

αL 00. 75︒⨯6

==2. 5 (3.25) 360︒δ360︒⨯0. 005

Z 2Z 4554030⋅=⋅=⨯ Z 1Z 3342420

Z 1=24, Z 2=40, Z 3=20, Z 4=30 模数m 取2。齿轮有关参数参照下表：

表3-5 齿轮参数

3.5 步进电动机的选型和计算

3.5.1 纵向进给步进电机计算

3.5.1.1 步进电动机转轴上的总转动惯量的计算

传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J ∑(kg ⋅cm 2) 可由下式计算：

⎛Z 1⎫ J =J +J +M 1 ∑ Z ⎪⎪⎝2⎭

⎡G ⎛L 0⎫⎤

⎪⎥ （3.26）⎢(J 2+J s ) + g 2π⎝⎭⎢⎥⎣⎦

式中 J M ：指步进电机转子转动惯量(kg ⋅cm 2) ；参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF002，其转子转动惯量 J M =10kg ⋅cm 2

J 1、J 2：指齿轮Z 1、Z 2的转动惯量(kg ⋅cm 2) ；

J s ：指滚珠丝杠转动惯量(kg ⋅cm 2) ； G ：指工件及工作台重量（N ）； L 0：指丝杠导程（cm ）；

对于齿轮：D 可取分度圆直径，L 取齿轮宽度；

对于丝杠：D 可近似取丝杠公称直径—滚珠直径，L 取丝杠长度。具体计算如下：

J 1=0. 78⨯10-3⨯d 14⋅L 1=0. 78⨯10-3⨯6. 44⨯2=2. 62kg ⋅cm 2

J 2=0. 78⨯10-3⨯d 2⋅L 2=0. 78⨯10-3⨯84⨯2=6. 39kg ⋅cm 2

J s =0. 78⨯10-3⨯44⨯150=29. 952kg ⋅cm 2 代入上式3.26：

⎛Z 1⎫ J =J +J + ∑M 1 Z ⎪⎪⎝2⎭

⎡G ⎛L 0⎫⎤

⎪⎥ ⎢(J 2+J s ) + g 2π⎝⎭⎥⎢⎣⎦

1100⎛0. 6⎫⎤⎛32⎫⎡2

=10+2. 62+ ⎪⎢(6. 39+29. 952)+ ⎪⎥=36. 534kg ⋅cm

9. 8⎝2⨯3. 14⎭⎦⎝40⎭⎣⎢⎥

考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题（J M /J ∑=10/36. 534=0. 27）基本满足惯量匹配的要求。

3.5.1.2 步进电动机转轴上的等效负载转矩的计算

电机在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算： (1)快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩M 起

M 起=M amax +M f +M 0 （3.27） ①快速空载起动时折算到电动机轴上的最大加速转矩M a max

2π⋅n max ⨯10-2

M a max =J ∑⋅ε=J ∑⨯ （3.28）

60⨯t a n max =

v max

δp

⨯

θb

360

20000. 75

⨯=417r /min （3.29）

0. 01360

M a max =J ∑⨯

2π⋅n max 2⨯3. 14⨯417

=36. 534⨯⨯10-4=5. 3N ⋅m

60⨯t a 60⨯0. 03

②移动部件运动时折算到电机轴上的摩擦力矩M f

F 0L 0f ' (F z +G )⨯L 00. 16⨯(0+1100)⨯0. 006

M f ====0. 19N ⋅m (3.30)

2πηi 2πηZ 2/Z 12⨯3. 14⨯0. 7⨯1. 25③滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩M 0

M 0=

F P 0L 02

1-η0

2πηi

())(

)

F m ⨯L 0

2=1-η0

2πηZ 2/Z 1

(

（3.31）

⨯3465⨯0. 006=1-0. 922⨯3. 14⨯0. 7⨯1. 25=0. 02N ⋅m

由于滚珠丝杠的传动效率很高，所以由上述公式计算的值很小，通常可以忽略不

计。则有：

M 起=M amax +M f +M 0=5. 3+0. 19=5. 49N ⋅m (2)最大工作状态下电动机转轴所承担的负载转矩M 切

F 0L 0f ' (F z +G )⨯L 00. 16⨯(7491+1100)⨯0. 006

M f =（3.32） ===1. 5N ⋅m

2πηi 2πηZ 2/Z 12⨯3. 14⨯0. 7⨯1. 25 M t =

F x L 01873⨯0. 006

==1. 79N ⋅cm （3.33）

2πηi 2π⨯0. 8⨯1. 25

M 切=M f +M 0+M t =1. 5+0. 02+1. 79=3. 31N ⋅cm （3.34）经上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩： M 起=max {M 起，M 切}=5. 49N ⋅m 以此作为初步选择步进电动机的选择依据。 (3)步进电动机最大静转矩的选定

由表3-6得：当步进电动机为三相六拍时，λ=M 起/M jmax =0. 866，则

M 起/λ=5. 49/0. 866=6. 34N ⋅m

表3-6步进电动机起动转距M q 与最大静转距M j max 关系

按此最大静转距从表中查出，150BF002型最大静转距为13.72N ⋅m ，比所需最大静转距要大，所以可选作初选型号，但是也必须再一次考核步进电动机的运动矩频特性和起动矩频特性。

(4)计算步进电动机的工作频率和切削时的空载起动频率

步进电动机的起动频率： f k =

1000v max 1000⨯2

==3333Hz （3.35）

60⨯δp 60⨯0. 01

最高工作频率: f e =

1000⨯v s 1000⨯0. 6

==1000Hz （3.36）

60⨯δp 60⨯0. 01

可查出150BF003型的步进电动机所允许的最高空载启动频率为3800Hz ，

运行频率为7000Hz ，再从图3-5看出，当步进电机启动时，

，f 起=250Hz 0, M =100N ⋅cm 远远不能够满足机床的空载启动力矩（5.49N ⋅m ）

如果直接使用就会出现失步，所以必须采用升降速控制（用软件实现），半起动

频率降到1000Hz ，起动力矩可提高到5.88N ⋅m ，然后在电路上再采用高低压

驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，

150BF002型步进电机运行矩频则完全可以满足要求。

图3-5 150BF002型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性

3.5.2 横向进给步进电机计算

3.5.2.1 步进电动机转轴上的总转动惯量的计算

折算到电动机轴上的总的转动惯量J ∑(kg ⋅cm 2) 的计算： 222⎫⎧⎡⎤⎪⎛⎫Z L G ⎪⎛⎫30 ⎨(J 2+J 3)+ Z ⎪⎪⎢(J 4+J s ) +g 2π⎪⎥⎬ （3.37）⎝⎭⎥⎪⎝4⎭⎢⎣⎦⎪⎩⎭⎛Z 1⎫ J ∑=J M +J 1+ Z ⎪⎪⎝2⎭

式中 J M —步进电动机转子转动惯量(kg ⋅cm 2)

J 1、J 2、J 3、J 4—齿轮Z 1、Z 2、Z 3、Z 4的转动惯量(kg ⋅cm 2)

J s —滚珠丝杠转动惯量(kg ⋅cm 2)

参考这类型的机床，初步选择反应式步进电机110BF ，其转子转动惯量

J M =4.606kg ⋅cm 2

J 1=0. 78⨯10-3⨯d 14⨯L 1=0. 78⨯10-3⨯4. 84⨯2=0. 83kg ⋅cm 2

4 J 2=0. 78⨯10-3⨯d 2⨯L 2=0. 78⨯10-3⨯84⨯2=6. 39kg ⋅cm 2

J 3=0. 78⨯10-3⨯d 3⨯L 3=0. 78⨯10-3⨯44⨯2=0. 40kg ⋅cm 2

J 4=0. 78⨯10-3⨯d 4⨯L 4=0. 78⨯10-3⨯64⨯2=2. 02kg ⋅cm 2

J s =0. 78⨯10-3⨯2. 54⨯45=1. 37kg ⋅cm 2

代入上式3.37： J ∑=J M ⎛Z 1⎫+J 1+ Z ⎪⎪⎝2⎭222⎧⎛Z 3⎫⎡G ⎛L 0⎫⎤⎫⎪⎪ ⎪()J +J +(J +J ) + ⎪⎥⎬⎨23s Z ⎪⎢4g 2π⎝⎭⎢⎥⎪⎪⎝4⎭⎣⎦⎩⎭

222⎧500⎛0. 6⎫⎤⎫⎪⎪⎛20⎫⎡ ⎪⎥⎬⎨(6. 39+0. 40)+ ⎪⎢(2. 02+1. 37) +9. 8⎝2⨯3. 14⎭⎥⎝30⎭⎢⎪⎣⎦⎪⎩⎭⎛24⎫=4. 606+0. 83+ ⎪⎝40⎭

=8. 5kg ⋅cm 2

由此可见步进电机与传动系统惯量的匹配满足惯量（J M /J ∑=4. 606/8. 5=0. 54）

匹配的要求。

3.5.2.2 步进电动机转轴上的等效负载转矩的计算

电机在不同的工作状态下，其所需转矩不同，下面就进行分别的计算：

(1)快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩M 起

M 起=M amax +M f +M 0 （3.38）

①快速空载起动时折算到电动机轴上的最大加速转矩M a max 2π⋅n max ⨯10-2

M a max =J ∑⋅ε=J ∑⨯ （3.39） 60⨯t a

n max =v max

δp ⨯θb 360 =10000. 75（3.40） ⨯=417r /min 0. 005360

M a max =J ∑⨯2π⋅n max 2⨯3. 14⨯417=8. 5⨯⨯10-4=1. 24N ⋅m 60⨯t a 60⨯0. 03

②移动部件运动时折算到电机轴上的摩擦力矩M f F 0L 0f ' (F z +G )⨯L 00. 16⨯(0+500)⨯0. 006 M f ====0. 03N ⋅m 2πηi 2πηZ 2/Z 1⋅Z 4/Z 32⨯3. 14⨯0. 7⨯2. 5

③丝杠预紧以后折算到电机转轴上的附加摩擦转矩M 0

F P 0L 021-η02πηi

1F m ⨯L 02=1-η0 2πηZ 2/Z 1⋅Z 4/Z 3M 0=()()

) （3.41） 1⨯2759⨯0. 006=1-0. 92

2⨯3. 14⨯0. 7⨯2. 5

=0. 095N ⋅m (

由于滚珠丝杠的传动效率很高，所以由上述公式计算的值很小，通常可以忽略不计。则有：

M 起=M amax +M f +M 0=1. 24+0. 03=1. 27N ⋅m

(2)最大工作状态下电动机转轴所承受的负载转矩M 切 F 0L 0f ' (F z +G )⨯L 00. 16⨯(3745+500)⨯0. 006 M f =（3.42） ===0. 37N ⋅m 2πηi 2πηZ 2/Z 1⋅Z 4Z 32⨯3. 14⨯0. 7⨯2. 5

M t =F x L 01498⨯0. 006==0. 57N ⋅m （3.43） 2πηi 2⨯3. 14⨯0. 7⨯2. 5

M 切=M f +M 0+M t =0. 37+0. 095+0. 57=1. 04N ⋅m （3.44）经上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩：

M 起=max {M 起，M 切}=1. 27N ⋅m

以此作为初选步进电机的依据。

(3)步进电动机最大静转矩的选定

由表3-6得：当步进电动机为三相六拍时，λ=M 起/M jmax =0. 866 ，则M 起/λ=1. 27/0. 866=1. 43N ⋅m

按此最大静转距从表中查出，110BF003型最大静转距为7.84N ⋅m ，比所需的最大静转距还大，可成为初步选择的型号，但是还是需要进一步考虑步进电动机的运动矩频特性和启动矩频特性。

(4)计算切削时的工作频率和空载时的启动频率

步进电动机的启动频率： f k =

1000v max 1000⨯1 ==3333Hz （3.45）60⨯δp 60⨯0. 005

最高工作频率: f e =1000⨯v s 1000⨯0. 3 ==1000Hz （3.46）60⨯δp 60⨯0. 005

查表110BF002型步进电动机的运行频率为7000Hz ，最高空载启动频率为1500Hz ，不能满足f k （3333Hz ）的要求。再从图3-6查出110BF002步进电动机的运行矩频特性和起动矩频特性。不能满足此机床所要求的空载起动力矩（1.27N ⋅m ），直接使用则会出现失步，所以必须采用升降速控制（用软件实现），半起动频率降到1000Hz ，起动力矩可提高到400N ⋅cm ，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，110BF002型步进电机运行矩频则完全可以满足要求。

图3-6 110BF002型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性

3.6 绘制进给传动机构的装配图

完成了丝杠螺母副的选型、齿轮箱的计算和步进电动机的选型以后，就可以开始绘制进给传动机构的装配图了。在绘制装配图时需要注意一下几点：

（1）了解原机床的详细的内部结构，从有关资料中查阅床身、床鞍、中滑板、刀架等的结构尺寸。

（2）根据载荷特点和支撑形式，确定丝杠两端轴承的型号、轴承座的结构，以及轴承的预紧和调节方式。

（3）考虑各部件之间的定位、连接和调整方法。

（4）考虑密封和防护、安全机构以及润滑等等的问题。比如：丝杠的润滑、轴承的润滑及密封、防尘、防铁屑、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。

本设计具体的装配图和零件图见图纸。

4微机数控系统硬件电路的设计

4.1硬件电路的设计

4.1.1控制对象及要求

此次设计对象为经济型数控机床的控制系统硬件电路，采用MCS-51系列单片机作为数控系统的CPU 。要求需控制两轴：X 轴和Y 轴，且具有直线、圆弧插补功能及升降速控制功能。改装后的车床应有自动回转刀架和切削螺纹的功能。

4.1.2总体方案的确定

数控系统的组成部分是硬件和软件。硬件是基础，没有硬件，软件就不能有效的运行。数控系统的性能指标是由硬件电路的可靠性直接决定的。硬件电路的组成部分如下所示：

(1)中央处理单元CPU ；

(2)程序存储器和数据存储器；

(3)数据总线、控制总线和地址总线；

(4)接口，即输入/输出接口电路；

(5)外围设备，如键盘、显示器等。

4.1.3中央处理器CPU 的选用

在微机应用系统中，CPU 的选择应考虑以下几点：

1) 时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度；

2) 可扩展存储器的容量；

3) 指令系统功能，影响编程灵活性；

4) I/O口扩展的能力，即对外设控制的能力；

5) 开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。

目前在经济型数控机床中，一般选用MSC-51系列单片机作为主控制器。

MSC-51系列单片机包括8051、8751、8031、8951. 这四个机种区别，仅在于片内程序储存器。8051为4KBROM ，8751为4KBEPROM ，8031片内无程序储存器，8951为4KBEEPROM 。其他性能结构一样，有片内128B RAM ，2个16位定时器/计数器，5个中断源。其中，8031性价比较高，又易于开发，目前应用面广泛。由此可见选用8031芯片是符合经济型数控机床电路设计的。

4.1.4存储器扩展电路的设计

8031单片机内片只有128个字节的RAM ，需要外扩存储器。存储器扩展电路设计包括程序存储器和数据存储器的扩展。

在选择程序存储器时，有三种ROM 可供选择，一种是掩膜ROM, 一种是可编程ROM(PROM），还有一种是紫外线可檫除ROM(EPROM)，现在多用的是EPROM ，在选择EPROM 时考虑CPU 和EPROM 时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。

在选择数据存储器时，常采用半导体静态随机存储器RAM 电路。常用的数据存储器有静态RAM （SRAM) 和动态RAM(DRAM)两类。虽然DRAM 具有大容量、功率低、价格便宜等优点，但它极易受干扰，对外界环境、工艺结构、控制逻辑和电源质量等的要求都很高而SRAM 无需考虑保持数据而设置的刷新电路，故扩展电路较简单。因此，此次设计的控制系统选用SRAM 。在8031单片机应用系统中最常用的静态数据存储器RAM 芯片有6116(2K×8)HE 6264(8K×8) 两种。根据设计要求选择6264(8K×8) 芯片。

4.1.5扩展键盘及 I/O接口电路的设计

扩展键盘及I/O接口电路的设计包括：伺服控制电路、键盘、显示部分、I/O接口芯片以及其他电路的设计。设计时要求考虑系统的驱动能力，驱动能力不足时，系统工作不可靠。机床数控系统硬件框图（开环系统）见图4-1：

图4-1 机床数控系统硬件框图（开环系统）

4.2 8031单片机的简介及其扩展

4.2.1 8031单片机的引脚及其功能

8031芯片有40个引脚，各引脚按功能可分为三部分：I/O口线：P0，P1，P2，P3共4个8位口；控制口线：PSEN ，ALE ，EA ，RST ；电源及时钟：V cc 、V SS ；XTAL1，XTAL2。8031芯片引脚见图4-2。

图4-2 8031芯片引脚

4.2.2 8031单片机的内部结构

8031单片机由7个部件组成，既微处理器（CPU ）、数据存储器（RAM ）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定时/计数器及中断系统，它们都是通过片内单一总线连接而成的。

4.2.3 8031单片机的应用特性

（1）具有功能很强的8位中央处理单元（CPU ）；

（2）片内有时钟发生电路，每执行一条指令时间为2微秒或1微秒；

（3）片内具有128字节RAM ；

（4）具有21个特殊寄存器；

（5）可扩展64K 字节的外部数据存储器和64K 字节的外部程序存储器。

（6）具有4个I/O口，32根I/O线；

（7）具有2个16位定时/器计数器；

（8）具有5个中断源，配备2个中断优先级；

（9）具有一个全双功串行接口；

（10）具有位寻址能力，适合逻辑功能。

从上述特性可知，一块8031的功能几乎相当于一块Z80CPU 、一块RAM 、一块Z80CTC 、两块Z80PIO 和一块Z80SIO 所组成的微机系统。可以看出这种芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。

4.2.4 8031单片机的系统扩展

8031单片机内无程序存储器，如不扩展外部程序存储器则不能工作，且片内仅有128字节数据存储器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片内RAM 也不够用，须扩展。8031片内四个I/O口中仅P1口可作为8位双向的I/O接口用户使用，也须扩展，有些情况还须扩展定时/计数器等。

所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展：

数据总线（DB ）：由P0口提供，数据总线要连接到连接的所有外围芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。

地址总线（AB ）：16位，可寻址范围为64K 字节，AB 由P0口提供低8位地址，与数据分时传送，传送数据时将低8位地址锁存。高8位地址由P2口提供。控制总线（CB ）：系统扩展用控制总线有WR 、RD 、PSEN 、ALE 、EA 。

4.2.4.1存储器的扩展

（1）程序存储器的扩展

常用的程序存储器芯片（EPROM ）有2761（2K ⨯8）、2732（4K ⨯8）、2764（8K ⨯8）、 27128（16K ⨯8）、27256（32K ⨯8）和27512（64K ⨯8）等，均为28脚双列直插式扁平封装长片。本设计中选择两片2764（8K ×8）半导体芯片，晶体频率选用6MHz ，其所能提供的读取时间t 小于480ms ，故其芯片在时序上满足要求。2764芯片的引脚排列如图4-4。

图4-4 2764芯片的引脚

（2）数据存储器的扩展

常用的静态RAM 有6116（2K ⨯8）、6264（8K ⨯8）、62256（2K ⨯8）等，它们都由单一的+5V电源供电，28脚双列直插式扁平封装，典型存取时间为150~200ns 。本设计中选择的是6264(8K×8) 芯片。Intel 6264 是8K ×8 SRAM，单一的+5V电源，所有的输入端和输出端都与TTL 电路兼容。其引脚如图4-5所示。其中，CS 为片选信号，OE 为输出允许信号，WE 为写信号，A0~A12为13根地址线，D0~D7为8位数据线。

图4-5 6264引脚

4.2.4.2 I/O口的扩展

MCS —51单片机共有四个8位并行I/O口，可提供给用户使用的只有P1口和部分P3口线，因此不可避免的要进行I/O端口的扩展。Intel 公司常用的外围接口芯片有：8155：可编程的RAM/IO扩展接口电路（256个RAM 单元、2个8位口、1个6位口、一个14位的定时/计数器）；8255：可编程的通用并行接口电路（3个8位口）；8253：3个16位的可编程的定时/计数器；8279：可编程的键盘、显示电路；8243：4个4位口I/O扩展接口电路。此外，74LS 系列的LSTTS 电路或MOS 电路也可作MCS-51单片机的扩展I/O口，如74LS373、74LS377等。本设计中使用两片8155可编程接口芯片。下面简单介绍8155通用可编程接口芯片。

（1）8155的结构及其引脚

8155有3个可编程并行I/O端口：A 口、B 口、C 口，其中，A 口和B 口是八位，C 口是6位，1个14位可编程定时/计数器和256B 的静态RAM ，能方便的进行I/O扩展和RAM 扩展，其引脚图4-6。

图4-6 8155引脚图

（2）8155共有40个引脚，按其功能特点分类说明如下：

1）地址数据线 AD 0~AD 7是低八位地址和数据共用输入口，当ALE =1时，输入的是地址信息，否则是数据信息。所以AD 0~AD 7应与MCS-51的P0口相连。

2）端口线 PA 0~PA 7、PB 0~PB 7用于8155与外设之间传送数据，

PC 0~PC 5既可用于8155与外设之间传送数据，也可作为A 口、B 口的控制信号线。

3）地址锁存线在ALE 下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及CE 、IO M 的状态都所存到8155内部寄存器，因此，单片机P0口输出的。

4）选中8155的片内RAM ，AD 0~AD 7RAM 或I 口选择线当IO M =0时，

为RAM 地址；若M =1时，选中8155片内3个I/O端口及命令/状态寄存器和定时/计数器。

5）片选线 CE 为低电平时选中8155。

6）读、写线 RD 、WR 控制对8155的读/写操作。

7）定时/计数器的脉冲输入、输出线 TIMERIN 是外界向8155输入计数脉冲的输入端，TIMEROUT 是8155向外界输出脉冲或方波的输出端。

（3）8155的工作方式

8155I/O口有四种工作方式可供选择：即ALT 1, ALT 2, ALT 3, ALT 4。其中各符

号说明如下：

AINTR：A 口中断，请求输入信号，高电平有效。

BINTR：B 口中断，请求输入信号，高电平有效。

ABF(BBF)：A 口（B 口）缓冲器满状态标志输出线，缓冲器有数据时，BF 为高电平。

ASTB(BSTB)：A 口(B口) 设备选通信号输入线，低电平有效。

4.2.4.3地址锁存器

8031扩展系统时，由P0口提供数据及低8位地址，分时传送，故须地址锁存。常用的地址锁存器芯片是74LS373（带三态缓冲输出的8D 触发器），其引脚及连接见图4-7。图中：D 0~D 7：信号输入端；Q 0~Q 7：信号输出端；G ：下降沿时，将D 0~D 7锁存于内部；E ：使能端，E=0时，三态门处于导通状态，输出端Q 0~Q 7与输入端D 0~D 7连通，当E=1时，输出三态门断开，输入数据锁存。

图4-7 74LS373引脚及连接图

4.3 步进电机驱动电路

在经济型数控机床中，大多采用步进电机开环控制。而单片机的I/O口或

I/O扩展口的驱动能力有限，为使步进电机正常运行并输出一定功率，需有功功率放大环节；为避免强电干扰，因此还需采用隔离电路。其控制电路框图如图4-8所示：

图4-8 步进电机控制框图

4.3.1 脉冲分配器（环行分配器）

有硬件和软件分配器两种，硬件分配器需要的I/O接口连线少，执行速度快，需要专用的芯片，软件则用程序实现。脉冲分配器的芯片目前采用的TTL 集成脉冲分配器有三相、四相、五相和六相，其型号分别为YB0B 、YB014、YB015及YB016，都为18个引脚的直插式封装。其主要性能参见表4-1：

表4-1 TTL脉冲分配器主要性能参数

4.3.2 光电隔离电路

单片机系统要控制电压高、电流大的信号，必须采用电气上的隔离并抑制干扰，光电耦合器就是利用光传递信息的器件，使电路的输入和输出在电气上完全隔离，大大提高了系统安全可靠性，并可实现共模噪声的抑制和电源的变换等。

光电耦合器的类型按输出结构可分为直流和交流输出两类。直流输出可采用：（1）晶体管输出；（2）达林顿管输出；（3）史密特触发器输出。交流可采用：

（1）单向可控硅输出；（2）双向可控硅输出等。

4.3.3 功率放大器

脉冲分配器的功率很小，不能满足步进电机的要求，必须将它放大以产生足够大的功率，驱动步进电极正常运转。

从步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性可以看出，随着运行矩频的增高，步进电机带动负载的能力下降。产生的主要原因是：作为功率放大器负载的步进电机是电感负载，当改变通电状态时，通电绕组的电流将从零逐渐增大，该

绕组中产生感应电势使电流按指数规律上升，并将电源一部分能量存在（电感）绕组中，电流的时间常数为：

τi =L m /R

式中L m ：指步进电机一相绕组的平均电感量

R ：通电回路的电阻，包括绕组电阻、功率放大器输出级的内阻及串联电阻。

而断电绕组电流是下降的，这时存储于绕组中的势能将以电流式释放出来，使电流按指数规律下降，其时间常数为：

τd =L m /R D

式中R D ：指放电回路电阻，包括绕组电阻，续流二极管正向电阻等。

这样就使绕组中电流缓慢增加和下降，步进各相绕组电流几乎同时存在，步进电机负载能力下降，严重时会出现失步。

4.3.4其他辅助电路的设计

4.3.4.1 8031的时钟电路

8031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，在XTAL 1、XTAL 2引脚上外接定时元件，如下

图所示。晶体可在1.2-12MHZ 之间任选，耦合电容在5-30pF 之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式，可把XTAL 1直接接地，XTAL 2接外部时钟源。

图4-9 时钟电路

4.3.4.2 掉电保护电路

RAM 中存放的数据一掉电就会全部丢失。为了保护RAM 中的信息，采用掉电保护电路。图4-10所示为一简单掉电保护电路的工作原理。图中V +为电源电压，V B 为备用电池电压，并且V +>V B ；V CC 为RAM 的电源端。

图4-10 掉电保护电路

4.3.4.3 越界报警电路

为防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关，一旦某一方向越界应立即停止工作台移动，图4-11（a ）为报警指示, （b ）为报警信号的产生，这里利用的8031的外部中断INT0来控制报警。

（a ） (b)

图4-11 越界报警电路

4.3.4.4复位电路

单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要RESET 引脚上出现10ms 以上高电平, 单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000H 单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。图4-13所示为上电与按钮复位组合。在上电瞬间，RC 电路充电，RESET 引脚端出现正脉冲，只要

RESET 端保持10ms 以上高电平，就能使单片机有效的复位。

图4-13 复位电路

4.4 数控系统的软件设计

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。经济型数控机床软件的设计一般可分为以下几个典型模块：

（1）软件脉冲分配器；

（2）插补模块；

（3）步进电机升降速模块等。

图4-13是两坐标连续系统机床的微机控制的原理图，该系统用8031的P1口作为输出信号，分别控制X 、Y 方向的步进电机。

图4-13 两坐标连续系统机床的微机控制的原理图

4.4.1 软件脉冲分配器

机工作原理，改变绕组通电状态，步进电机按规定方向运转。软件分配器采用查表法，在微处理器中专门安排一个输出寄存器作为步进电机的控制寄存器，步进电机的第一相绕组都与这个寄存器中的某一指定位对应，寄存器中这位为“1”，对应相应绕组的通电状态为“0”时则断电；循环向寄存器中写入控制字，从而使步进电机绕组按因定的规律循环通电和断电。电机以三相六拍方式工作，其通电规律为：A —AB —B —BC —C —CA 。假定脉冲分配表放在程序存储器的0701H 开始的单元中，因P1口与步进电机之间接反向器，故其对应的控制字及地址如表4-2：

表84-2脉冲分配表

4.4.1.1 X方向脉冲分配的子程序

由图4-13知，X 向的步进电机对应的接口为P1.4~P1.6，R6为X 向电机的指针寄存器，Y 向步进电机对应的接口为P1.0~P1.3，R7为Y 向电机的指针寄存器、初始化时使（R6）=（R7）=01H，X 向脉冲分配器的程序框图如图4-14：

图4-14 X向脉冲分配器的程序框图

X 向源程序：PULSE ：CJNE R6， #07H，LOOP1

MOV R6， #01H

SJMP LOOP2

LOOP1：CJNE R6， #OOH，LOOP2

MOV R6， #06H

LOOP2：MOV DPTR， #0700H

MOV A， R6

MOVC A， @A+DPTR

SWAP A

MOV B， A

MOV A， R7

MOVC A，@A+DPTR

ADD A， B

MOV P1， A

RET

4.4.1.2 Y方向脉冲分配的子程序

Y 向脉冲分配子程序类似于X 向的，只是P1口输出的数据与分配表的值对应的关系不同。

4.4.2 逐点比较法插补程序

逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线和圆弧等曲线的。它与规定的加工直线

或圆弧之间最大误差为一个脉冲当量，因此只要把脉冲当量取得足够小，就可以达到加工精度的要求。插补可分为直线和圆弧插补，这里也只设计直线和圆弧插补。下面主要设计第一象限的程序，其他程序与第一象限类似。

4.4.2.1第一象限圆弧插补程序

根据硬件原理图，利用8031定时器0或1产生中断的办法来实现插补功能，插补程序框图如图4-15所示：

假定起始坐标X 放在R0中，Y 放在R1中，偏差F 放在R2中，终点判别值放在R3中，采用T1定时中断，T1工作方式为1。

图4-15 圆弧插补程序框图

第一象限圆弧插补源程序：MOV TH1，TCH

MOV TL1，TCL

MOV A，R2

JB 0E7H，LOOP3；F

DEC R6

ACALL PULSE；输出—X 方向进给脉冲

MOV A，R0

CLR C

RLC A；X 2

MOV R4，A

MOV A，R2

SUBB A，R4；F —2X

INC A；F —2X+1

DEC R0

SJMP LOOP4；

LOOP ：INC R7

ACALL PULSE；+Y方向进给脉冲

MOV A，R1

CLR C

RLC A；Y 2

ADD A，R2；F —2Y

INC A；F —2Y+1

INC R1；Y —1

LOOP4：MOV R2，A ；F —R2

DJNE R3，LOOP6

LOOP5：SJMP LOOP5

LOOP6：RET

4.4.2.2 第一象限直线插补

直线插补程序框图如图4-16所示：

图4-16 直线插补程序框图

4.4.3 步进电机升降速软件设计

据步进电机的矩频特性，当步进电机的运行频率大于允许的起停突跳频率

时，若直接起动，会失步甚至不能起动，因此电机在起动或停止时自动升降速。

步进电机每更换一个控制字，就转过一个固定的步距角，更换控制字的快慢就决定了步进电机的转速，因此控制输出字更换的速度，就可以控制步进电机的转速。控制方式通常有两种：直接控制方式和中断控制方式。

4.4.3.1 直接控制方式

步进电机控制程序的主要任务是：判别旋转方向、按顺序发出控制脉冲，判别步进电机是否走完所要求的步数。X 向电机的直接控制程序框图见图4-17所示：

图4-17 直接控制程序框图

4.4.3.2 中断控制方式

中断控制方式的程序框图见图4-18所示：

（a ）主程序 (b)中断服务程序

图4-18 中断控制方式

框图中断定时器的时间常数决定了步进电机的转速。时间常数的确定：由于步进电机的转速正比于运行频率，而步进电机一步的时间T 为运行频率的倒数。令

T=nτ(τ为时标周期，n 为定时常数) ，控制n 和τ就可方便地控制电机的转速。时标周期τ由8031定时器定时实现。自动升降速的源程序在此省略。

5总结

“ 工欲善其事，必先利其器；士欲宣其义，必先读其书。”这句话是我本次毕业设计最深刻的体会。

毕业设计是对这几年大学学习的一次检验，对我们大学生活的一次反思。它给了我又一次对本专业知识系统掌握的机会，让我对以后的工作生活有所准备。在薛老师的指导下，我先从机械部分入手，先进行计算，选择纵向横向进给系统的滚珠丝杠及步进电机，然后绘制出横向进给系统装配图及相关的零件图。当然这其中遇到了很多问题，如装配图的结构问题、电机启动频率不能满足要求等等，在薛老师的细心指导下都顺利的得到了解决。机械部分完成后就是对电气部分的改造了，我采用MCS-51系列单片机控制系统，具有直线、圆弧插补功能及升降速控制功能。

本次毕业设计从选题、任务书的制定，到开题报告的完成及后来的总体方案确定，都得到了薛老师的细心指导，三个多月的时间，在老师的不断督促和帮助下，终于基本完成，在此，向老师以及在这个过程中帮助过我的同学和老师们表示衷心的感谢。

参考文献

[1] 数控机床课程设计指导书. 太原理工大学机械工程学院

[2] 吴宗泽主编. 机械设计课程设计指导书[M]. 北京：高等教育出版社，2005

[3] 教育部高等教育司编. 高等学校毕业设计指导手册. 高等教育出版社经济日报出版社，2007年11月第二版.

[4] 常兴、田勇、刘国峰. 普通车床数控化改造及其设计计算. 现代制造工程.2005年第8期.

[5] 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2010

[6] 蔡美琴编．MCS-51系列单片机及应用[M]. 北京：高等教育出版社，2012

[7] 陈建铎编. 微机原理与接口技术[M]. 北京：高等教育出版社，2008

[8] 机械设计手册编委会. 机械设计手册. 第三版. 机械工业出版社，2004

[9] 于涛、袁国久. C6132普通车床的数控改造[N]. 北华大学学报. 2005年月

第6卷第2期

[10] 熊光华. 数控机床. 北京：机械工业出版社，2003.

[11] 姜培刚编. 机电一体化系统设计. 机械工业出版社，2013.

[12] 段菊英编. C6150机床的数控改造[N]. 期刊论文，2009.

晋中学院

本科毕业论文（设计）

题目 C6150普通车床的数控化

改造设计

院系机械学院

专业机械设计制造及其自动化

姓名祁妍婷

学号 1214312122

学习年限2012年09月至2014年07月

指导教师薛小兰职称讲师

申请学位工学学士学位

2014年5月20日

C6150普通车床的数控化改造

学生姓名：祁妍婷指导教师：薛小兰

关键词：数控改造步进电动机单片微机

Reforming design of NC for C6150 general l

-athe

Author’s Name: Qi Yan-ting Tutor: Xue

Xiao-lan

KEYWORDS ：Numerical transformation of Mechatronics Steppin

g motor Single chip microcomputer

1 绪论 . .................................................. 5 2 机床改造总体设计方案的拟定 ........................... 6

2.1 设计任务 . ......................................... 6

2.2 总体方案设计内容 . ................................. 6

2.3 总体方案确定 . ..................................... 7 3 机床伺服系统机械部分设计和计算 ....................... 8

3.1 确定系统的脉冲当量 . ............................... 8

3.2 计算切削力 . ....................................... 8

3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 ....................... 10

3.4 齿轮箱的计算 . .................................... 17

3.5 步进电动机的选型和计算 ........................... 18

3.6 绘制进给传动机构的装配图 ......................... 24 4微机数控系统硬件电路的设计 . .......................... 25

4.1硬件电路的设计 ................................... 25

4.2 8031单片机的简介及其扩展 ........................ 27

4.3 步进电机驱动电路 . ................................ 32

4.4 数控系统的软件设计 . .............................. 35 5总结 .................................................. 42 参考文献 ............................................... 43

1 绪论

2 机床改造总体设计方案的拟定

2.1 设计任务

毕业设计题目：C6150型普通车床的数控化改造设计。

毕业设计要求及原始数据（资料）：

要求：

原始数据：

床身上最大工件回转直径：φ500mm

刀架上最大工件回转直径：φ300mm

最大车削长度： 1200mm

溜板及刀架重力：纵向 1100N 横向 500N

刀架快移速度：纵向 2.0m/min 横向 1.0m/min

最大进给速度：纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min

主电机功率： 6kW

起动加速时间： 30ms

机床定位精度：纵向0.02mm 横向0.01mm

代码制： ISO

脉冲分配方式：逐点比较法

输入方式：增量值、绝对值通用

控制坐标数： 2

脉冲当量：纵向 0.01mm/脉冲横向0.005mm /脉冲

刀具补偿量： 0~99.99mm

进给传动链间隙补偿量：纵向 0.15mm；横向0.075mm

自动升降速性能：有

2.2 总体方案设计内容

接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体

框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。

2.3 总体方案确定

2.3.1控制系统的选择

2.3.2 计算机系统

根据机床要求，采用8位微机。因为MCS - 51系列单片机可靠性好、功能强、抗干扰能力强、性价高等优点，决定选用MCS - 51系列8031单片机。

2.3.3 机械传动方式

图2-1 系统总体方案框图

3 伺服系统机械部分的设计和计算

3.1 确定系统的脉冲当量

脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数, 经济型数控车床常采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲。

任务书中直接给出了脉冲当量：纵向0.01mm/脉冲，横向：0.005mm/脉冲。

3.2 计算切削力

图3-1 切削时总切削力的分解

图3-2横切和纵切时切削力的示意图

3.2.1. 纵车外圆

主切削力根据经验估算:

. 5 F Z =0.67D1

max (3.1)

=0.67×5001. 5=7491（N ）

其他切削力分别为：

F Z :F X :F Y =1:0. 25:0. 4 (3.2) F X =5360×0.25=1873（N ）

F Y =5360×0.4=2996（N ）

3.2.2. 横切端面

主切削力F Z ' (N ) 取纵切外圆主切削力的1/2. F Z ' =1F Z =3745（N ） (3.3) 2

此时走刀抗力为F Y ' (N),吃刀抗力为F Z ' (N ) . 仍按上述比例粗略计算:

F Z ' :F Y ' :F X ' =1:0.25:0.4 (3.4) F Y ' =3745×0.25=936（N ）

' F X =3745×0.4=1498（N ）

3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型

3.3.1 纵向滚珠丝杠螺母副的设计计算

3.3.1.1 计算进给牵引力F m (N)

纵向进给为综合型导轨：

F m =KF x +f ' (F z +G ) (3.5)

=1.15×1873+0.16×(7491+1100)

=3465(N)

式中 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:0.15~0.18;

G —溜板及刀架重力：G=1100N。

3.3.1.2 计算最大动载荷C C=L f w F m (3.6) L=

n=60⨯n ⨯T (3.7) 1061000v s (3.8) L 0

式中 L 0：指滚珠丝杠导程，初选L 0=6；

n：指丝杠转速，（r/min）；

v s ：指最大切削力条件下的进给速度（m/min）, 可取最高进给速度的1/2~1/3，此处取v s =0.6mm ；

T ：指使用寿命时间（h ）, 对于数控机床取T=15000h.。

L：指寿命，以106转为一单位； f w ：指运动系数，见表1，选f w =1.2。表3-1 运转系数

则 n = L =

1000v s 1000⨯0.6⨯0.5

==50( r/min) L 0660⨯n ⨯T 60⨯50⨯15000

==45 106106

C =L f w F m （=45⨯1. 2⨯346N 5=14790N ）

3.3.1.3 滚珠丝杠螺母副的选型

初选滚珠丝杠副的尺寸规格时，相应的额定动载荷C a ＞最大动载荷C 。查表《W 系列外循环滚珠丝杆副系列尺寸》：W 1L 4006型滚珠丝杠副的额定动载荷

C a =16400N ＞C =14790N 因此，初选滚珠丝杠的型号为W 1L 4006型，主要参数

为：滚珠直径d 0=3. 969, L 0=6mm , D 0=40mm , λ=2 44' , 圈数⨯列数=2. 5⨯1，其额定动载荷为16400N ，精度等级选3级。 3.3.1.4 传动效率计算

tan γtan 2 44' η===94 (3.9) ' '

tan(γ+ϕ) tan(244+10)

式中 γ：指螺旋升角，γ=244

ϕ：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f =0. 003~0. 004, 其摩擦角

ϕ=arctan f ，约等于10'。

3.3.1.5 刚度验算

先画出此纵向进给滚珠丝杠支撑方式草图，如下图3-3所示。最大牵引力3465N 。支撑间距L=1500mm,丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负

荷的1/3。

图3-3 纵向进给滚珠丝杠支撑方式草图

(1)丝杠的拉伸或压缩变形量δ1

查图〈滚珠丝杠轴向拉伸压缩变形图〉，根据F m =3465N,Do =40mm,查出

δL/L=1.5×10-5可算出

δ=(δL/L)×1500＝0.0225mm (3.10)

由于两端采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量δ1为

δ1=δ=0. 0056mm (3.11)

(2)滚珠与螺纹滚道间接触变形量δ2

由于选用的滚珠丝杠副为W 系列2.5 圈1列，可得：σQ =0. 0064mm 因进行了预紧，所以：

δ2=δQ =⨯0. 0064mm =0. 0032mm

(3)支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形δ3

查《机械设计手册》中表6-2-82，采用51107型推力球轴承，d 1=35mm，滚动体直径d Q =6.35mm，滚动体数量Z=18

' 22

F m 346. 5=0. =0. 009m m (3.12) δc =0. 2d Q ⋅Z 6. 35⨯182

因施加预紧力，所以：

δ3=δc =⨯0. 009=0. 0045mm

丝杠的总变形量δ=δ1+δ2+δ3=0. 0056+0. 0032+0. 0045=0. 0133mm 查表知3级精度丝杠允许的螺距误差为0.015mm ，故所选丝杠合格。 3.3.1.6 稳定性验算

' F m =kF y ' +f ' (F z ' +2F x ' +G )

=1. 4⨯936+0. 2⨯(3745+2⨯1498+500) (3.13)

=2759N

由于是燕尾形导轨式中：K=1.4，f '=0.2 3.3.2.2 计算最大动载荷C

C =L f w F m =27⨯1. 5⨯2759N =9932（N ） (3.14)

n = L =

1000v s 1000⨯0.3⨯0.5

==30( r/min) (3.15) L 05

60⨯n ⨯T 60⨯30⨯15000

==27 (3.16) 66

1010

3.3.2.3 滚珠丝杆螺母副的选型

W 1L 2506型滚珠丝杠副的额定动载荷C a =13100N ＞C =9932N，因此，初选

滚珠丝杠的型号为W 1L 2506型，主要参数为：滚珠直径d 0=3.969mm，L 0=6mm，

λ=4 22' , 圈数⨯列数=2. 5⨯1, 其额定动载荷为13100N, 精度等级选3级。 3.3.2.4 传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率η:

tan λtan 4 22'

η===98. 7 (3.17) ' '

tan(λ+ϕ) tan(422+10) 3.3.2.5 刚度验算

横向进给滚珠丝杠支撑方式草图如图3-4所示，最大轴向力为2759N ，支承间距L=450mm, 因丝杠长度较短，不需要预紧。

图3-4 横向进给滚珠丝杠支撑方式草图

(1)丝杠的拉伸或压缩变形量δ1

查图表可得：F m =2759N D 0=25mm

δL

=3⨯10-5

δ1=

δL

⨯L =3⨯10-5⨯450=1. 35⨯10-2mm (3.18)

(2)滚珠与螺纹滚道间接触变形量δ2

由于选用的滚珠丝杠副为W 系列2.5圈1列，故可得δQ =0. 009mm 考虑到进行了预紧，所以：

δ=δ=⨯0. 009mm =0. 0045mm (3.19) 2Q

(3)支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形δ3

查《机械设计手册》中表6-2-82，采用51102型推力球轴承，其d 1=15mm, 滚动体直径d Q =4.763mm, 滚动体数量Z=12，

' 22

F m 275. 9

=0. =0. 0094m m (3.20) δc =0. 22

d Q ⋅Z 4. 763⨯12

考虑到进行了预紧，故：

δ3=δc =⨯0. 0094mm =0. 0047mm

'=k F y '+f '(F z '+2F x '+G ) (3.21) F m

=1. 4⨯936+0. 04(3745+2⨯1498+500) =1600N

δδ'

δ1=l ⨯l =2. 5⨯10-5⨯450=0. 0112，查表可得：F m =1600l =2. 5⨯10-5，

l L 则δ=δ1+δ2+δ3=0. 02。此变形量仍不能满足，如果将滚珠丝杠再经过预拉伸，刚度还可提高4倍，则变形量

δ=δ1+δ2+δ3

=⨯0. 0112+0. 0045+0. 0047 (3.22)

=0. 012

'之比称为稳定性系数n k ，如果n k =临界负载F k 与工作负载 F m

F k

≥[n k ]，'F m

则压杆稳定，[n k ]为许用稳定性安全系数，一般[n k ]=2.5~4。

f z π2EI

计算临界负载F k （N ）：F k = (3.23) 2

L 式中 E：指丝杠材料弹性模量，对钢E =20. 6⨯104（N/mm2）； I：指截面惯性矩（mm 4）, 丝杠截面惯性矩J =的底径）；

l ：丝杠两支承端距离（cm ）；

d 1（d 1为丝杠螺纹

f z ：丝杠支承方式系数，见表3-2，这里μ=2. 00。

表3-2 滚珠丝杠支承方式系数

则

F k =

f z π2E

d 1

2⨯3. 142⨯20. 6⨯104⨯=

452

3. 14

⨯1. 67884=7821N 4

n k =

F k 78214==38. 7>[n k ] 'F m 2023

所以此丝杠不会产生失稳。 3.3.2.7 滚珠丝杠副的精度等级

表3-3滚珠丝杠行程公差 (μm )

3.3.2.8纵向及横向滚珠丝杠副几何参数

表3-4 W1L4006及W 1L2506滚珠丝杠几何参数

3.4 齿轮箱的计算

3.4.1 纵向进给齿轮箱的计算

已知纵向进给脉冲当量 δp =0. 01，选择丝杠导程L 0=6mm ，初定步进电机步距角0.75°，计算传动比i :

αL 00. 75︒⨯6

==1. 25 (3.24) i =

360︒δ360︒⨯0. 01

可以选择的齿轮齿数为：

Z 4025

i =2=或

Z 13220

Z 1=32, Z 2=40, 或Z 1=20, Z 2=25 3.4.2 横向进给齿轮箱的计算

已知横向进给脉冲当量σp =0.005，所选丝杠导程L 0=6mm，步距角0.75°, 所以传动比i 为：

i =

从结构上考虑，不能使大齿轮直径过大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可以选用两级齿轮降速：

i =

αL 00. 75︒⨯6

==2. 5 (3.25) 360︒δ360︒⨯0. 005

Z 2Z 4554030⋅=⋅=⨯ Z 1Z 3342420

Z 1=24, Z 2=40, Z 3=20, Z 4=30 模数m 取2。齿轮有关参数参照下表：

表3-5 齿轮参数

3.5 步进电动机的选型和计算

3.5.1 纵向进给步进电机计算

3.5.1.1 步进电动机转轴上的总转动惯量的计算

传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J ∑(kg ⋅cm 2) 可由下式计算：

⎛Z 1⎫ J =J +J +M 1 ∑ Z ⎪⎪⎝2⎭

⎡G ⎛L 0⎫⎤

⎪⎥ （3.26）⎢(J 2+J s ) + g 2π⎝⎭⎢⎥⎣⎦

式中 J M ：指步进电机转子转动惯量(kg ⋅cm 2) ；参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF002，其转子转动惯量 J M =10kg ⋅cm 2

J 1、J 2：指齿轮Z 1、Z 2的转动惯量(kg ⋅cm 2) ；

J s ：指滚珠丝杠转动惯量(kg ⋅cm 2) ； G ：指工件及工作台重量（N ）； L 0：指丝杠导程（cm ）；

对于齿轮：D 可取分度圆直径，L 取齿轮宽度；

对于丝杠：D 可近似取丝杠公称直径—滚珠直径，L 取丝杠长度。具体计算如下：

J 1=0. 78⨯10-3⨯d 14⋅L 1=0. 78⨯10-3⨯6. 44⨯2=2. 62kg ⋅cm 2

J 2=0. 78⨯10-3⨯d 2⋅L 2=0. 78⨯10-3⨯84⨯2=6. 39kg ⋅cm 2

J s =0. 78⨯10-3⨯44⨯150=29. 952kg ⋅cm 2 代入上式3.26：

⎛Z 1⎫ J =J +J + ∑M 1 Z ⎪⎪⎝2⎭

⎡G ⎛L 0⎫⎤

⎪⎥ ⎢(J 2+J s ) + g 2π⎝⎭⎥⎢⎣⎦

1100⎛0. 6⎫⎤⎛32⎫⎡2

=10+2. 62+ ⎪⎢(6. 39+29. 952)+ ⎪⎥=36. 534kg ⋅cm

9. 8⎝2⨯3. 14⎭⎦⎝40⎭⎣⎢⎥

考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题（J M /J ∑=10/36. 534=0. 27）基本满足惯量匹配的要求。

3.5.1.2 步进电动机转轴上的等效负载转矩的计算

电机在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算： (1)快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩M 起

M 起=M amax +M f +M 0 （3.27） ①快速空载起动时折算到电动机轴上的最大加速转矩M a max

2π⋅n max ⨯10-2

M a max =J ∑⋅ε=J ∑⨯ （3.28）

60⨯t a n max =

v max

δp

⨯

θb

360

20000. 75

⨯=417r /min （3.29）

0. 01360

M a max =J ∑⨯

2π⋅n max 2⨯3. 14⨯417

=36. 534⨯⨯10-4=5. 3N ⋅m

60⨯t a 60⨯0. 03

②移动部件运动时折算到电机轴上的摩擦力矩M f

F 0L 0f ' (F z +G )⨯L 00. 16⨯(0+1100)⨯0. 006

M f ====0. 19N ⋅m (3.30)

2πηi 2πηZ 2/Z 12⨯3. 14⨯0. 7⨯1. 25③滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩M 0

M 0=

F P 0L 02

1-η0

2πηi

())(

)

F m ⨯L 0

2=1-η0

2πηZ 2/Z 1

(

（3.31）

⨯3465⨯0. 006=1-0. 922⨯3. 14⨯0. 7⨯1. 25=0. 02N ⋅m

由于滚珠丝杠的传动效率很高，所以由上述公式计算的值很小，通常可以忽略不

计。则有：

M 起=M amax +M f +M 0=5. 3+0. 19=5. 49N ⋅m (2)最大工作状态下电动机转轴所承担的负载转矩M 切

F 0L 0f ' (F z +G )⨯L 00. 16⨯(7491+1100)⨯0. 006

M f =（3.32） ===1. 5N ⋅m

2πηi 2πηZ 2/Z 12⨯3. 14⨯0. 7⨯1. 25 M t =

F x L 01873⨯0. 006

==1. 79N ⋅cm （3.33）

2πηi 2π⨯0. 8⨯1. 25

由表3-6得：当步进电动机为三相六拍时，λ=M 起/M jmax =0. 866，则

M 起/λ=5. 49/0. 866=6. 34N ⋅m

表3-6步进电动机起动转距M q 与最大静转距M j max 关系

(4)计算步进电动机的工作频率和切削时的空载起动频率

步进电动机的起动频率： f k =

1000v max 1000⨯2

==3333Hz （3.35）

60⨯δp 60⨯0. 01

最高工作频率: f e =

1000⨯v s 1000⨯0. 6

==1000Hz （3.36）

60⨯δp 60⨯0. 01

可查出150BF003型的步进电动机所允许的最高空载启动频率为3800Hz ，

运行频率为7000Hz ，再从图3-5看出，当步进电机启动时，

，f 起=250Hz 0, M =100N ⋅cm 远远不能够满足机床的空载启动力矩（5.49N ⋅m ）

如果直接使用就会出现失步，所以必须采用升降速控制（用软件实现），半起动

频率降到1000Hz ，起动力矩可提高到5.88N ⋅m ，然后在电路上再采用高低压

驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，

150BF002型步进电机运行矩频则完全可以满足要求。

图3-5 150BF002型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性

3.5.2 横向进给步进电机计算

3.5.2.1 步进电动机转轴上的总转动惯量的计算

式中 J M —步进电动机转子转动惯量(kg ⋅cm 2)

J 1、J 2、J 3、J 4—齿轮Z 1、Z 2、Z 3、Z 4的转动惯量(kg ⋅cm 2)

J s —滚珠丝杠转动惯量(kg ⋅cm 2)

参考这类型的机床，初步选择反应式步进电机110BF ，其转子转动惯量

J M =4.606kg ⋅cm 2

J 1=0. 78⨯10-3⨯d 14⨯L 1=0. 78⨯10-3⨯4. 84⨯2=0. 83kg ⋅cm 2

4 J 2=0. 78⨯10-3⨯d 2⨯L 2=0. 78⨯10-3⨯84⨯2=6. 39kg ⋅cm 2

J 3=0. 78⨯10-3⨯d 3⨯L 3=0. 78⨯10-3⨯44⨯2=0. 40kg ⋅cm 2

J 4=0. 78⨯10-3⨯d 4⨯L 4=0. 78⨯10-3⨯64⨯2=2. 02kg ⋅cm 2

J s =0. 78⨯10-3⨯2. 54⨯45=1. 37kg ⋅cm 2

代入上式3.37： J ∑=J M ⎛Z 1⎫+J 1+ Z ⎪⎪⎝2⎭222⎧⎛Z 3⎫⎡G ⎛L 0⎫⎤⎫⎪⎪ ⎪()J +J +(J +J ) + ⎪⎥⎬⎨23s Z ⎪⎢4g 2π⎝⎭⎢⎥⎪⎪⎝4⎭⎣⎦⎩⎭

222⎧500⎛0. 6⎫⎤⎫⎪⎪⎛20⎫⎡ ⎪⎥⎬⎨(6. 39+0. 40)+ ⎪⎢(2. 02+1. 37) +9. 8⎝2⨯3. 14⎭⎥⎝30⎭⎢⎪⎣⎦⎪⎩⎭⎛24⎫=4. 606+0. 83+ ⎪⎝40⎭

=8. 5kg ⋅cm 2

由此可见步进电机与传动系统惯量的匹配满足惯量（J M /J ∑=4. 606/8. 5=0. 54）

匹配的要求。

3.5.2.2 步进电动机转轴上的等效负载转矩的计算

电机在不同的工作状态下，其所需转矩不同，下面就进行分别的计算：

(1)快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩M 起

M 起=M amax +M f +M 0 （3.38）

①快速空载起动时折算到电动机轴上的最大加速转矩M a max 2π⋅n max ⨯10-2

M a max =J ∑⋅ε=J ∑⨯ （3.39） 60⨯t a

n max =v max

δp ⨯θb 360 =10000. 75（3.40） ⨯=417r /min 0. 005360

M a max =J ∑⨯2π⋅n max 2⨯3. 14⨯417=8. 5⨯⨯10-4=1. 24N ⋅m 60⨯t a 60⨯0. 03

②移动部件运动时折算到电机轴上的摩擦力矩M f F 0L 0f ' (F z +G )⨯L 00. 16⨯(0+500)⨯0. 006 M f ====0. 03N ⋅m 2πηi 2πηZ 2/Z 1⋅Z 4/Z 32⨯3. 14⨯0. 7⨯2. 5

③丝杠预紧以后折算到电机转轴上的附加摩擦转矩M 0

F P 0L 021-η02πηi

1F m ⨯L 02=1-η0 2πηZ 2/Z 1⋅Z 4/Z 3M 0=()()

) （3.41） 1⨯2759⨯0. 006=1-0. 92

2⨯3. 14⨯0. 7⨯2. 5

=0. 095N ⋅m (

由于滚珠丝杠的传动效率很高，所以由上述公式计算的值很小，通常可以忽略不计。则有：

M 起=M amax +M f +M 0=1. 24+0. 03=1. 27N ⋅m

M t =F x L 01498⨯0. 006==0. 57N ⋅m （3.43） 2πηi 2⨯3. 14⨯0. 7⨯2. 5

M 切=M f +M 0+M t =0. 37+0. 095+0. 57=1. 04N ⋅m （3.44）经上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩：

M 起=max {M 起，M 切}=1. 27N ⋅m

以此作为初选步进电机的依据。

(3)步进电动机最大静转矩的选定

由表3-6得：当步进电动机为三相六拍时，λ=M 起/M jmax =0. 866 ，则M 起/λ=1. 27/0. 866=1. 43N ⋅m

(4)计算切削时的工作频率和空载时的启动频率

步进电动机的启动频率： f k =

1000v max 1000⨯1 ==3333Hz （3.45）60⨯δp 60⨯0. 005

最高工作频率: f e =1000⨯v s 1000⨯0. 3 ==1000Hz （3.46）60⨯δp 60⨯0. 005

图3-6 110BF002型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性

3.6 绘制进给传动机构的装配图

完成了丝杠螺母副的选型、齿轮箱的计算和步进电动机的选型以后，就可以开始绘制进给传动机构的装配图了。在绘制装配图时需要注意一下几点：

（1）了解原机床的详细的内部结构，从有关资料中查阅床身、床鞍、中滑板、刀架等的结构尺寸。

（2）根据载荷特点和支撑形式，确定丝杠两端轴承的型号、轴承座的结构，以及轴承的预紧和调节方式。

（3）考虑各部件之间的定位、连接和调整方法。

（4）考虑密封和防护、安全机构以及润滑等等的问题。比如：丝杠的润滑、轴承的润滑及密封、防尘、防铁屑、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。

本设计具体的装配图和零件图见图纸。

4微机数控系统硬件电路的设计

4.1硬件电路的设计

4.1.1控制对象及要求

4.1.2总体方案的确定

(1)中央处理单元CPU ；

(2)程序存储器和数据存储器；

(3)数据总线、控制总线和地址总线；

(4)接口，即输入/输出接口电路；

(5)外围设备，如键盘、显示器等。

4.1.3中央处理器CPU 的选用

在微机应用系统中，CPU 的选择应考虑以下几点：

1) 时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度；

2) 可扩展存储器的容量；

3) 指令系统功能，影响编程灵活性；

4) I/O口扩展的能力，即对外设控制的能力；

5) 开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。

目前在经济型数控机床中，一般选用MSC-51系列单片机作为主控制器。

4.1.4存储器扩展电路的设计

8031单片机内片只有128个字节的RAM ，需要外扩存储器。存储器扩展电路设计包括程序存储器和数据存储器的扩展。

4.1.5扩展键盘及 I/O接口电路的设计

图4-1 机床数控系统硬件框图（开环系统）

4.2 8031单片机的简介及其扩展

4.2.1 8031单片机的引脚及其功能

图4-2 8031芯片引脚

4.2.2 8031单片机的内部结构

4.2.3 8031单片机的应用特性

（1）具有功能很强的8位中央处理单元（CPU ）；

（2）片内有时钟发生电路，每执行一条指令时间为2微秒或1微秒；

（3）片内具有128字节RAM ；

（4）具有21个特殊寄存器；

（5）可扩展64K 字节的外部数据存储器和64K 字节的外部程序存储器。

（6）具有4个I/O口，32根I/O线；

（7）具有2个16位定时/器计数器；

（8）具有5个中断源，配备2个中断优先级；

（9）具有一个全双功串行接口；

（10）具有位寻址能力，适合逻辑功能。

4.2.4 8031单片机的系统扩展

所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展：

数据总线（DB ）：由P0口提供，数据总线要连接到连接的所有外围芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。

4.2.4.1存储器的扩展

（1）程序存储器的扩展

图4-4 2764芯片的引脚

（2）数据存储器的扩展

图4-5 6264引脚

4.2.4.2 I/O口的扩展

（1）8155的结构及其引脚

图4-6 8155引脚图

（2）8155共有40个引脚，按其功能特点分类说明如下：

1）地址数据线 AD 0~AD 7是低八位地址和数据共用输入口，当ALE =1时，输入的是地址信息，否则是数据信息。所以AD 0~AD 7应与MCS-51的P0口相连。

2）端口线 PA 0~PA 7、PB 0~PB 7用于8155与外设之间传送数据，

PC 0~PC 5既可用于8155与外设之间传送数据，也可作为A 口、B 口的控制信号线。

3）地址锁存线在ALE 下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及CE 、IO M 的状态都所存到8155内部寄存器，因此，单片机P0口输出的。

4）选中8155的片内RAM ，AD 0~AD 7RAM 或I 口选择线当IO M =0时，

为RAM 地址；若M =1时，选中8155片内3个I/O端口及命令/状态寄存器和定时/计数器。

5）片选线 CE 为低电平时选中8155。

6）读、写线 RD 、WR 控制对8155的读/写操作。

7）定时/计数器的脉冲输入、输出线 TIMERIN 是外界向8155输入计数脉冲的输入端，TIMEROUT 是8155向外界输出脉冲或方波的输出端。

（3）8155的工作方式

8155I/O口有四种工作方式可供选择：即ALT 1, ALT 2, ALT 3, ALT 4。其中各符

号说明如下：

AINTR：A 口中断，请求输入信号，高电平有效。

BINTR：B 口中断，请求输入信号，高电平有效。

ABF(BBF)：A 口（B 口）缓冲器满状态标志输出线，缓冲器有数据时，BF 为高电平。

ASTB(BSTB)：A 口(B口) 设备选通信号输入线，低电平有效。

4.2.4.3地址锁存器

图4-7 74LS373引脚及连接图

4.3 步进电机驱动电路

在经济型数控机床中，大多采用步进电机开环控制。而单片机的I/O口或

图4-8 步进电机控制框图

4.3.1 脉冲分配器（环行分配器）

表4-1 TTL脉冲分配器主要性能参数

4.3.2 光电隔离电路

（1）单向可控硅输出；（2）双向可控硅输出等。

4.3.3 功率放大器

脉冲分配器的功率很小，不能满足步进电机的要求，必须将它放大以产生足够大的功率，驱动步进电极正常运转。

绕组中产生感应电势使电流按指数规律上升，并将电源一部分能量存在（电感）绕组中，电流的时间常数为：

τi =L m /R

式中L m ：指步进电机一相绕组的平均电感量

R ：通电回路的电阻，包括绕组电阻、功率放大器输出级的内阻及串联电阻。

而断电绕组电流是下降的，这时存储于绕组中的势能将以电流式释放出来，使电流按指数规律下降，其时间常数为：

τd =L m /R D

式中R D ：指放电回路电阻，包括绕组电阻，续流二极管正向电阻等。

这样就使绕组中电流缓慢增加和下降，步进各相绕组电流几乎同时存在，步进电机负载能力下降，严重时会出现失步。

4.3.4其他辅助电路的设计

4.3.4.1 8031的时钟电路

8031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，在XTAL 1、XTAL 2引脚上外接定时元件，如下

图所示。晶体可在1.2-12MHZ 之间任选，耦合电容在5-30pF 之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式，可把XTAL 1直接接地，XTAL 2接外部时钟源。

图4-9 时钟电路

4.3.4.2 掉电保护电路

图4-10 掉电保护电路

4.3.4.3 越界报警电路

（a ） (b)

图4-11 越界报警电路

4.3.4.4复位电路

RESET 端保持10ms 以上高电平，就能使单片机有效的复位。

图4-13 复位电路

4.4 数控系统的软件设计

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。经济型数控机床软件的设计一般可分为以下几个典型模块：

（1）软件脉冲分配器；

（2）插补模块；

（3）步进电机升降速模块等。

图4-13是两坐标连续系统机床的微机控制的原理图，该系统用8031的P1口作为输出信号，分别控制X 、Y 方向的步进电机。

图4-13 两坐标连续系统机床的微机控制的原理图

4.4.1 软件脉冲分配器

表84-2脉冲分配表

4.4.1.1 X方向脉冲分配的子程序

图4-14 X向脉冲分配器的程序框图

X 向源程序：PULSE ：CJNE R6， #07H，LOOP1

MOV R6， #01H

SJMP LOOP2

LOOP1：CJNE R6， #OOH，LOOP2

MOV R6， #06H

LOOP2：MOV DPTR， #0700H

MOV A， R6

MOVC A， @A+DPTR

SWAP A

MOV B， A

MOV A， R7

MOVC A，@A+DPTR

ADD A， B

MOV P1， A

RET

4.4.1.2 Y方向脉冲分配的子程序

Y 向脉冲分配子程序类似于X 向的，只是P1口输出的数据与分配表的值对应的关系不同。

4.4.2 逐点比较法插补程序

逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线和圆弧等曲线的。它与规定的加工直线

4.4.2.1第一象限圆弧插补程序

根据硬件原理图，利用8031定时器0或1产生中断的办法来实现插补功能，插补程序框图如图4-15所示：

假定起始坐标X 放在R0中，Y 放在R1中，偏差F 放在R2中，终点判别值放在R3中，采用T1定时中断，T1工作方式为1。

图4-15 圆弧插补程序框图

第一象限圆弧插补源程序：MOV TH1，TCH

MOV TL1，TCL

MOV A，R2

JB 0E7H，LOOP3；F

DEC R6

ACALL PULSE；输出—X 方向进给脉冲

MOV A，R0

CLR C

RLC A；X 2

MOV R4，A

MOV A，R2

SUBB A，R4；F —2X

INC A；F —2X+1

DEC R0

SJMP LOOP4；

LOOP ：INC R7

ACALL PULSE；+Y方向进给脉冲

MOV A，R1

CLR C

RLC A；Y 2

ADD A，R2；F —2Y

INC A；F —2Y+1

INC R1；Y —1

LOOP4：MOV R2，A ；F —R2

DJNE R3，LOOP6

LOOP5：SJMP LOOP5

LOOP6：RET

4.4.2.2 第一象限直线插补

直线插补程序框图如图4-16所示：

图4-16 直线插补程序框图

4.4.3 步进电机升降速软件设计

据步进电机的矩频特性，当步进电机的运行频率大于允许的起停突跳频率

时，若直接起动，会失步甚至不能起动，因此电机在起动或停止时自动升降速。

4.4.3.1 直接控制方式

图4-17 直接控制程序框图

4.4.3.2 中断控制方式

中断控制方式的程序框图见图4-18所示：

（a ）主程序 (b)中断服务程序

图4-18 中断控制方式

T=nτ(τ为时标周期，n 为定时常数) ，控制n 和τ就可方便地控制电机的转速。时标周期τ由8031定时器定时实现。自动升降速的源程序在此省略。

5总结

“ 工欲善其事，必先利其器；士欲宣其义，必先读其书。”这句话是我本次毕业设计最深刻的体会。

参考文献

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[2] 吴宗泽主编. 机械设计课程设计指导书[M]. 北京：高等教育出版社，2005

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[6] 蔡美琴编．MCS-51系列单片机及应用[M]. 北京：高等教育出版社，2012

[7] 陈建铎编. 微机原理与接口技术[M]. 北京：高等教育出版社，2008

[8] 机械设计手册编委会. 机械设计手册. 第三版. 机械工业出版社，2004

[9] 于涛、袁国久. C6132普通车床的数控改造[N]. 北华大学学报. 2005年月

第6卷第2期

[10] 熊光华. 数控机床. 北京：机械工业出版社，2003.

[11] 姜培刚编. 机电一体化系统设计. 机械工业出版社，2013.

[12] 段菊英编. C6150机床的数控改造[N]. 期刊论文，2009.

C6150普通车床的数控化改造

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