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1、机电一体化系统设计课程设计题目一一、任务分析1设计题目：CA6140车床经济型数控改装设计2设计内容与要求：将CA6140普通车床改造成经济型数控车床。要求该车床具有切削螺纹的功能，纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm，横向：0.005mm。设计参数如下：最大加工直径：在床面上400mm在床鞍上210mm最大加工长度：1000mm快进速度纵向2.4m/min横行1.2m/min最大切削进给速度纵向0.5m/min横行0.25m/min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最小指令值纵向0.01mm/pulse横行0.005mm/pul
2、se刀具补偿量099.99mm进给传动链间隙补偿量纵向0.15mm横行0.075mm自动升降速性能有二、 总体方案设计接到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，然后再分机械部分和电气部分进行设计计算。现以机电一体化的典型产品经济型数控机床为例，分析总体方案的拟定的内容和应该考虑的问题。机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择，执行机构的结构及传动方式的确定，微型计算机数控系统的选择、设计等。应根据毕业设计任务书及要求提出系统总体方案，对方案进行分析比较和论证，最后确定总体方案。1 总体设计方案的论证对于普
3、通机床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵守的基本原则是：在满足设计要求的前提下，对机床的改造应尽可能少，以降低成本。1) 数控系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续（轮廓）控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控（MNC）系统采用连续控制系统。2) 伺服进给系统的选择数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差、传动间隙及干扰等对加工精度的影响。但它结构复杂、技术难度大、调试和维修困难、造价高。对于所改造的CA61
4、40车床的加工精度要求不很高。采用闭环控制系统的必要性不大。采用直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间。由于调速范围宽、过载能力强，又具有反馈控制，因此性能远优于以步进电机驱动的开环控制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统的稳定性较易保证，所以比闭环容易实现。但是，采用半闭环控制，调试比开环要复杂，设计上有其自身的特点，技术难度较大。本设计任务书的要求不高，是经济性数控的改造，通常的情况下均采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。缺点是步进电机没有过载能力。启动
5、频率低，工作频率也不高等。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济性数控设备中。经过上述比较，决定采用开环控制系统。纵向进给机构的改造：拆去原有机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，配上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾，并不占据丝杠空间。由于采用了滚珠丝杠可提高系统的精度和纵向进给整体刚度。横向进给机构的改造：由于原横向进给的丝杠空间有限，一种方法是拆除横向丝杠换上滚珠丝杠，但在现有的滚珠丝杠系列中选出合适的丝杠副较困难，需特制滚珠丝杠副，为了便于安装，滚珠丝杠副的丝杠轴不是整体的，而采用分移式，然后用联轴器联接；另一种方法是采用原丝杠，这样做就避免了特制
6、滚珠丝杠副的麻烦，减少了成本，但需采用电气补偿丝杠精度和反向间隙的措施。本方案采用前者，并保留横向原手动机构，横向步进电机和减速箱安装在机床后侧。3) 数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都有硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。数控系统中的关键部分是数控装置。数控装置的设计方案选择也有多种方案，通常有：. 可以全部自己设计、制作；. 可以采用单板机或STD模块或工业控制机改制；. 可以选用现成的数控装置作少量的适用化改动或配接。在普通机床的经济性数控改造中，一般多采用后两种方法。一般情况下，所需的数控功能和要求如
7、果有现成的数控装置可以满足，这时通常都采取购置现成数控装置的方案，因为自行设计制作不但费时间，且不经济，同时质量上也难于保证，另一种情况是购置现成的数控装置产品满足不了所需的数控功能，这时可将购置的数控装置经自行补充或改造其硬件电路，来满足本设计要求。但作为毕业设计即使是采用上述两种数控装置的设计方案，也需对其结构、原理、控制方式等有所了解，才能提出自己的处理办法，也可以采用自行设计数控装置的方案和数控装置，可以更全面地训练学生运用计算机、数控系统硬件电路的设计和应用的能力，其难度比较大，也为今后从事其它类似的工作打下坚实的基础。本设计实例采用第一种方法即自行设计数控装置。在自行设计的数控装置
8、中，CPU的选择是关键。选择CPU应考虑以下要素：a) 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切关系；b) 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关；c) 指令系统功能的强弱与编程的灵活性相关；d) I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关；e) 开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路，与开发周期、推广应用相关；除此之外，还应根据数控系统应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定CPU。2 总体设计方案的确定经总体设计方案的论证后，确定的CA6140车床经济性数控改造的总体方案示意图如图3.2.1所示。CA6140车床的主轴转速部分保留原机床的功能，既手动变速。车床的纵向
9、（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电机驱动。由MCS-51系列单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O接口、软件环形分配器（硬件环分器）与放大器控制功率步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电动机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转。发出两路信号；每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给微机。 图 3.2.1 总体方案示意图三、机床进给伺服系统机械部分设计计算过程伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统脉
10、冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下：1 确定系统脉冲当量一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控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市0.010.005mm/pulse。脉冲当量有时也由设计任务书中直接给出。2 切削力计算在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，此处列举三种常用的计算切削力的方法。一、 用经验公式计算主切削力。例如车床的主切削力可用下式计算纵切外圆：式中
11、 车床床身上加工最大直径单位为mm横切端面是主切削力可取纵切时 的。求出主切削力以后再按以下比例分别求出分力和。式中 走刀方向的切削分力（N）； 垂直走刀方向的切削分力（N）。图3.2.2为纵切和横切时切削力的示意图。横切时的切削力可取纵切时的1/2。图3.2.2 纵切和横切时切削力的示意图二、 按切削用量计算切削力上面介绍的按经验公式计算切削力的方法是比较简单而实用的。但是对于不同的专用机床来说，计算结果不一定非常准确。所以对某一指定了专门用途的专用数控机床，应该根据具体加工条件、不同的工况，选用合理的切削用量，用切削力计算公式来计算切削力。外圆车削时切削力计算式中 主切削力、切深抗力、进给
12、抗力单位为(N)；切削深度，(mm)； 切削速度，(m/s)； 进给量，(mm/r)；总修正系数，包括由于工件材料强度、硬度改变、刀具材料改变、刀具几何角度不同等因素对切削力的修正系数。式中各指数和系数的数值可参考金属切削机床设计。切削用量的选择可参考机械加工手册。三、 按照机床主电机功率计算对于通用机床的数控化改造或设计通用的经济型数控机床来说，切削用量选择的范围较大，这样将会导致切削力计算结果差别很大。这里介绍第三种方法，就是按照需要进行数控改造设计的普通车床的主电机功率来计算切削力。其具体方法如下：式中 切削功率，（KW） 机床主传动功率，（KW） 主传动系统总的机械效率，可近似地取以下
13、数值：精密机床 0.80.85中型机床 0.750.8大型机床 0.70.85式中 主轴传递的扭矩，（Nm）； 主轴计算转速（r/min），是主轴传递全部功率时的最低转速。式中 主切削力，（N）； 工件直径可采用在床鞍上加工的最大直径。主切削力求出以后再按比例求出。3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d0（或丝杠外径d）、导程L0、滚珠的工作圈数j、列数K、精度等级。滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。可参照机电一体化技术手
14、册选用。滚珠丝杠副的预紧方式有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等预紧方式。可参照机电一体化技术手册选用。滚珠丝杠副的计算步骤如下：1）。计算进给率引力Fm：作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。Fm（N）计算公式如下：矩形导轨：燕尾型导轨：三角形或综合导轨：式中 切削分力，（N）； 移动部件的重量，（Ncm）； 导轨上摩擦系数，随导轨型式而不同； 考虑颠复力矩影响的实验系数。在正常情况下，可取下列数值：矩形导轨 燕尾型导轨 三角形或综合导轨 0.
15、150.18上述摩擦系数均是指滑动导轨，如果采用贴塑导轨0.030.05；滚动导轨0.00250.005；静压导轨0.0005。2）。计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106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C，可用下式计算：式中 L寿命，以106转为一单位，n丝杠转速，（r/min），用下式计算为最大切削力条件下的进给速度（m/min），可取最大进给速度的1/21/3；丝杠导称，（mm）；T为使用寿命，(h)，对于数控机床取T=15000h；运转系数，见表3.2-1。表3.2
16、-1 运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.52.5从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找出相应的额定动负载的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应使。见机电一体化技术手册。3）。计算最大静负载C0当滚珠丝杠副的静态或低速（）情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面产生塑性变形，当塑性变形超出一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生这样大的塑性变形量时的负载称为允许的最大静负载C0式中 Fmax滚珠丝杠的最大轴向负荷，（N）； fS 静态安全系数，当为一般运转时12，当有冲击或振动时，
17、23。选用相应的滚珠丝杠副的额定静载荷，使。4）。传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率：式中 丝杠螺旋升角； 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数0.0030.004，其摩擦角约等于。5）。刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：（1） 丝杠的拉伸或压缩变形量：在总的变形量中占的比重较大。可以用计算方法或查图表的方法决定。a） 计算法。先用下式计算滚珠丝杠受工作负载Fm的作用引起的导程LO的变化量（mm）再计算滚珠丝杠总长度上的拉伸或压缩变形量。式中 在工作负载Fm作用下引起每一导程的变化量，（mm）； 工作负载，即进给率引力，（N）；
18、 滚珠丝杠的导程，（mm）； E材料弹性模量，对钢； F滚珠丝杠截面积（按内径确定）（mm2）。“+”号用于拉伸，“”号用于压缩。再计算滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩的变形量（mm）式中 L滚珠丝杠在支承间的受力长度，（mm）。b) 查图表法当已知滚珠丝杠所受轴向工作负载，丝杠受力长度L，公称直径D0。也可通过机电一体化设计手册查出单位长度轴向拉伸压缩变形量，可用下式求出滚珠丝杠总长度上的拉伸或压缩变形量。从图3.2.2上查出并计算，再按照支承方式及预紧情况加以修正。 图3.2.2 滚珠丝杠轴向拉伸压缩变形图（2） 滚珠与螺纹滚道间接触变形：此项在总变形量中也占比较大的比重。当对丝杠加有预紧力，且
19、预紧力为轴向最大负载的1/3时，之值可减少一半。此变形量可以直接从机电一体化设计手册相关图中查出。若选用的滚珠丝杠副不是上图表中的系列，不能从图中查得，则可按下式计算。无预紧时：有预紧时：式中 轴向工作负载，（kgf）； 预紧力，（kgf）； 滚珠直径，（mm）； 滚珠数量圈数列数 一圈的滚珠数 （外循环）（内循环） 滚珠丝杠公称直径，（mm）（3） 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形，一般占的比重也较大。不同类型的轴承的接触变形量可用不同的公式计算：a）推力球轴承b）向心推力球轴承c）圆锥滚子轴承d）推力滚子轴承式中 轴承所受轴向载荷，（kgf）； 轴承的滚动体数目； 轴承滚动体直径；（mm）
20、； 轴承的接触角，（0）； 轴承滚子有效长度，（mm），； 滚子长度；（mm） 滚子倒圆角半径。（mm）（4） 滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变形量，一般占的比重较小，常忽略不计。（5） 螺母座及轴承支座的变形，常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。因此，滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算之和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。6）。稳定性验算对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。产生失稳的临界负载可用下式计算：式中E丝杠材料
21、弹性模量，对钢（N/cm2）；I截面惯性矩（cm4），丝杠截面惯性矩（为丝杠螺纹的底径）；丝杠两支承端距离；（cm）丝杠的支承方式系数。见表3.2-2表3.2-2滚珠丝杠的支承方式系数方式一端固定一端自由两端简支一端固定一端简支两端固定0.251.002.004.00临界负载与最大工作负载之比称为稳定性安全系数，如果则丝杠不致失稳。为许用稳定性安全系数，一般取=2.54。7）。滚珠丝杠螺母副几何参数计算滚珠丝杠副在确定了公称直径和导程以后，可按表3.2-3计算各部分的几何参数。8）。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JB3162.291的规定，分为七个等级，即1、2、3、4
22、、5、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15级精度的滚珠丝杠。表3.2-4给出15级精度的行程公差。表3.2-3滚珠丝杠螺母副的几何参数名 称符 号计 算 公 式螺纹滚道公称直径螺 距接 触 角钢球直径滚道法面半径偏 心 距螺纹升角螺 杠螺杠外径螺杠内径螺杠接触直径螺 母螺母螺纹直径螺母内径（外循环）表3.2-4滚珠丝杠行程公差 (um)项 目符号有效行程精度等级12345目标行程公差3156812162331540079131825400500810152027500630911162230行程变动量公差315681216233154006812172
23、5400500710131926500630711142129任意300mm内行程变动量68121623弧度内行程变动量456789）。滚珠丝杠副的标注方法4 导轨的计算和选型1）。滚动导轨的计算和选型目前，滚动导轨在数控机床上的应用非常广泛，因为其摩擦系数小，动、静摩擦系数很接近，且不受运动速度变化的影响，运动轻便灵活，所需驱动功率小；摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高。滚动导轨的设计和选型包括选择结构形式，确定预紧方式，计算和确定几何参数。可参照机电一体化设计手册。2）。塑料导轨的应用目前，在普通机床上仍广泛地应用滑动导轨，因其具有结构简单、制造方
24、便、刚度好、抗振性强等优点。但是传统的铸铁铸铁、铸铁淬火钢的导轨副，其静摩擦系数大，动摩擦系数随速度变化而变化，摩擦损失大，低速时易出现爬行现象而降低运动部件的定位精度，因此目前在数控机床上已不采用，而代之以铸铁塑料或镶钢塑料导轨。它们主要包括以下两种类型。（1） 贴塑导轨聚四氟乙烯软胶带，是以聚四氟乙烯为基体，加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合烧结而成。它具有摩擦特性好、耐磨性好、减振性好等特点，已成功地使用在中、小型数控机床上。这种软带可在原有滑动导轨面上用粘结剂粘结，加压固化后进行精加工，故一般称之为贴塑导轨。由于其工艺较简单，对原有滑动导轨不需作大的改动，故在普通机床数控化改装上应
25、用很广泛。（2） 涂塑导轨（或称注塑导轨）涂塑导轨是以环氧树脂为基体，加入二硫化钼和胶体石墨以及铁粉等混合而成，再配以固化剂调匀涂刮或注入导轨面。这种涂塑导轨具有良好的摩擦特性和耐磨性，可使用在大型、重型数控机床上。5 进给伺服系统传动计算由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，每走一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足一定的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。当机床脉冲当量和滚珠丝杠导程确定后，可以先初选步进电机的步距角，用下式计算进给伺服系统的传动比：式中脉冲当量（mm/步）；滚珠丝杠的基本导程（mm）；步进电机的步距角。在步进电机技术数据中，以分
26、数形式给出两个数，例如150BF002步距角0.75o/1.5o，其中0.75o是五相十拍，1.5o是五相五拍。计算出传动比以后，再根据降速级数决定一对或两对齿轮的齿数、模数和各项技术参数。因为进给伺服系统传递功率不大，一般取模数，数控车床可取。由（为降速齿轮的齿数）可计算和选取齿数。齿轮各部分几何参数可参照机械设计手册计算。6 步进电机的计算和选用选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，再根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。1）。转动惯量计算（1）齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算圆柱
27、体转动惯量：（kgcm2） 对于钢材：（Ncms2）式中M圆柱体质量（kg）；D圆柱体直径（cm）；L圆柱体长度或厚度（cm）；材料比重（N/cm3），；材料密度（kg/cm3），钢材的密度kg/cm3；g重力加速度g=980cm/s。（2）丝杠折算到电机轴上的转动惯量（Ncms2）式中丝杠转动惯量（Ncms2）；转动比。（3）工作台折算到丝杠上的转动惯量（Ncms2）式中工作台移动速度（cm/min）；n丝杠转速（r/min）；G工件及工作台重量（N）；丝杠导程（cm）。（4） 经一对齿轮降速时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量（Ncms2）式中齿轮Z1及其轴的转动惯量（Ncms2）；齿轮Z
28、2的转动惯量（Ncms2）。（5） 经二对齿轮降速时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量式中分别为降速齿轮的齿数；齿轮及其轴的转动惯量（Ncms2）；齿轮的转动惯量。2）。电机力矩的计算电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩、最大切削负载时所需力矩等几部分介绍其计算方法。（1） 快速空载起动时所需力矩式中快速空载起动力矩（Ncm）；空载起动时折算到电机轴上的加速力矩（Ncm）；折算到电机轴上的摩擦力矩（Ncm）；由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（Ncm）。（2） 快速进给时所需力矩因此对运动部件已起动，故不包含，显然。（3） 最大切削负载
29、时所需力矩式中折算到电机轴上的切削负载力矩（Ncm）。在采用丝杠螺母副传动时，上述各种力矩（Ncm）可用下式计算式中传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量（kgcm2）；电机最大角加速度（rad/s2）；电机最大转速（r/min），； 运动部件最大快进速度（mm/min）；脉冲当量（mm/步）；步进电机的步距角（o）；运动部件从静止起动加速到最大快进速度所需时间（s）。摩擦力矩（Ncm）式中导轨的摩擦力（N），；垂直方向的切削力（N）；运动部件的总重量（N）；导轨摩擦系数；齿轮降速比；传动链总效率，一般可取。附加摩擦力矩（Ncm）式中滚珠丝杠预加负载，一般取1/3，为进给率引力（N）；滚珠丝杠
30、未预紧时的传动效率，一般取。折算到电机轴上的切削负载力矩（Ncm）式中进给方向最大切削力（N）；其余参数如上。经过上述计算以后，在、两种力矩中取其大者作为选择步进电机的依据。对于大多数数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机力矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空载起动力矩作为选择步进电机的依据。3）。步进电机的选择目前，经济型数控机床中多采用反应式步进电机，其技术参数可见机电一体化设计手册相关图表。（1） 首先根据最大静转矩初选电机型号在相关表格所示技术参数中，列出步进电机的最大静转矩，最高空载起动频率，运行频率等参
31、数，可作为初选步进电机的依据。步进电机的起动转矩与最大静转矩有如下关系：表3.2-5步进电机起动转矩与最大静转矩关系步 进电 机相数三 相四 相五 相六 相拍数36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866上面计算出的空载起动力矩应即：。必须特别注意，这样初选出来的步进电机型号并不一定能满足实际工作时的要求，也就是说，尽管最大静转矩数值能满足要求，但是并不能保证在快速空载起动和运行时不失步。所以还必须用起动矩频特性和运行矩频特性两条重要的性能曲线来检查所选步进电机的型号是否能满足要求。（2） 计算电机工作频率可以分别计算快速进给时步进电机的最大
32、空载起动频率和切削时的最大工作频率式中运动部件最大快速进给速度（m/min）；最大切削进给速度（m/min）；脉冲当量（mm/步）。（3） 校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。将前面初选出来的步进电机的型号的矩频特性在机电一体化设计手册查出。见图3.2.3根据前面计算出的最大空载起动频率和切削时的最大工作频率分别 在图3.2.3上查出在此频率下电机不失步时所允许的最大力矩和，应满足：步进电机由于本身性能的限制，其起动频率一般都较低，带负载时的起动频率约为数百赫兹。而数控系统要求的工作频率通常都远远大于起动频率，例如数控机床快速进给速度如选为3m/min，则相当于5kHz的工作频率，往往不能
33、满足的要求，在起动时会失步。因此必须采用升降速措施。步进电机以较低的频率起动后，逐渐升速，以保证不失步，升速到规定的运行频率后，开始恒速运行，在到达终点前，要逐步降速，降到起动频率以下，以保证准确定位。升降速控制是由软件实现。在采用升降速控制以后，如果步进电机起动力矩还不能满足要求，还可以采用高低压驱动功放电路，将步进电机起动力矩再扩大一倍左右。图3.2.3 部分反应式步进电机起动矩频特性和运行矩频特性a) 28BF001起动矩频特性 b）36BF002起动矩频特性 c）36BF003起动矩频特性d）45BF003起动矩频特性e）45BF003运行矩频特性f）45BF005起动矩频特性g）55
34、BF001起动矩频特性h）75BF001起动矩频特性i）75BF003起动矩频特性j）90BF001起动矩频特性k）90BF001运行矩频特性l）90BF006起动矩频特性m）110BF003起动矩频特性n）110BF003运行矩频特性o）110BF004起动矩频特性p）130BF001起动矩频特性q）130BF001运行矩频特性r）150BF002起动矩频特性s）150BF002运行矩频特性t）150BF003起动矩频特性u）150BF003运行矩频特性v）200BF006起动矩频特性7 进给伺服系统机械部分的结构设计在对伺服系统进行了运动和动力计算，已选定滚珠丝杠螺母副规格型号，步进电机型
35、号，降速齿轮几何参数之后，就可进行结构设计。对于经济型数控机床进给伺服系统设计和微机数控化改造设计中，应该注意以下问题：（1） 尽量减少普通车床数控化改造设计时的改动量对于普通车床数控化改造设计时在满足机床总体布局的前提下应尽可能利用原有的零、部件，尽量减少改动量。尤其是对机床上较大的部件，例如床身、床鞍、工作台等，尽量利用原有的部件，只作少量的加工改造。这样可以大大的降低成本，缩短制造周期。在进行经济型数控机床设计时，虽然结构尺寸不像改造设计那样限制严格，但也应参考同类型机床。在初步计算以后，再进行类比，使结构尺寸比较紧凑合理。（2） 要求设计完整清楚的进给伺服机构装配图在设计绘制进给伺服机
36、构装配图时，要求视图完整，按一定的比例画出主视图，向视图和必要的剖面图。要能清楚完整地表达出装配图中每一零件的几何形状和尺寸，应能拆出零件图。图中需标出必要的尺寸和配合，例如：电机止口和箱体配合处，轴承外圈和箱体内孔之间、轴承内孔和轴之间均应标注尺寸和配合。（3） 设计时注意装配的工艺性在设计绘制进给伺服机构时，应注意装配工艺性，考虑到正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便。（4） 要求标注清楚装配图的技术条件绘制机械装配图时，应标注必要的技术条件。例如要求滚珠丝杠中心轴线与导轨平行度在水平及垂直方向在全长上应小于0.05mm（中型机床）；丝杠的轴向窜动量应小于0.01mm纵向进给丝杠两端的
37、支承距安装基准面的尺寸应相同，以保证在水平面内丝杠与导轨平行度。而在垂直面内可利用安装螺钉的过孔调整，当丝杠与导轨平行度达到要求后，再紧固螺钉并打上定位销。（5） 消隙齿轮安装调整要方便。6)。设计绘制进给伺服系统机械装配图四、 自动转位刀架的设计自动转位刀架的设计是普通车床经济型数控改造机械方面的关键。由微机控制的自动转位刀架具有重复定位精度高、工作刚性好、性能可靠、使用寿命长以及工艺性好等特点。在进行普通车床的经济型数控改造时，多采用外购自动转位刀架。一些机床数控设备厂为用户生产了系列自动刀架，一些厂是参加全国联合设计组设计了LD14、LD24、LD34刀架之后，又结合该厂生产刀架的经验，
38、吸收了LD型刀架结构、原理的优点，还参考了国外专利刀架的特点，使刀架设计更合理、更完美，具有同类产品最先进的水平。如常州武进机床数控设备厂生产的系列自动刀架。本实例选用该厂生产的LD4-1型四工位自动刀架。自动转位刀架按其工作原理可分为：a 螺旋转位刀架；b 十字槽轮转位刀架；c 凸台棘爪式转位刀架；d 电磁式转位刀架；e 液压式转位刀架。本实例选用的LD4-1型自动刀架的工作原理类似于螺旋转位刀架。微机发出换刀信号，使电机正转，通过减速机构和升降机构将上刀体上升至一定位置时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转，旋转到所选刀位，发信盘发出刀位信号，使电机反转，反靠初定位，上刀体下降，齿牙盘啮合，完
39、成精定位，并通过蜗轮蜗杆，锁紧螺母，使刀架固紧。当夹紧力达到预先调好的状态时，过流继电器动作，切断电流，电机停转，并向微机发出回答信号，开始执行下道工序。刀架的动作顺序简明地表示为：电机减速机构升降机构上刀体上升转位刀位信号判别粗定位机构上刀体下降精定位刀体锁紧电机停转换刀回答信号加工顺序执行。五、 微机数控系统硬件电路设计1 设计的内容（1） 按照总体方案及机械机构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制微机控制系统的结构框图。（2） 选择微机或CPU类型。（3） 根据数控系统的具体要求设计存储器扩展电路。（4） 根据被控对象和系统工作要求，设计扩展I/O接口电路、转换电路及驱动电路。（5）
40、选择控制电路中各器件及电气元件的参数及型号。（6） 绘制电路原理图。2 本实例的微机数控系统硬件电路设计中的几个值得注意的问题（1） 单片机的选择根据总体方案的确定，微机已采用MCS-51系列单片机。51系列相对48系列单片机指令更丰富，相对96系列价格更便宜。51系列有三种型号：8031是无ROM的8051；8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本实例采用8031。（2） 扩展存储器设计a地址锁存器由于8031的P0口分别作地址总线低8位和数据总线，故需采用74LS373作为地址线8位锁存器，并注意信号的连接。b扩展ROM8031无内部ROM，
41、必须扩展外部ROM。由于车床数控系统包含操作系统和系统控制程序，采用2片的2764芯片，可与单片机所选的12MHZ时钟相匹配。ROM的地址范围为0000H3FFFH，并采用译码器，使地址范围无重叠区。c扩展RAM8031芯片内仅有RAM128字节，需扩展作为用户数据储存器，采用的6264芯片。其地址范围为6000H7FFFH，也采用译码器，使其为无重叠区的地址范围。（3） I/O扩展8031只有P1口可作为普通I/O口用，所以需扩展。需要计算一下总共需多少I/O口线。本实例：键盘需32个键，采用矩阵式键盘，需12个I/O口；显示器采用6个LED，需6个I/O口；两个坐标轴超程报警及故障显示需8
42、个；两个步进电机，采用软件环形分配器，需6个；刀架需4个；紧急停车需1个。共需37个I/O口。需采用两片8255A或8155芯片，肯定可以满足要求。（4） 伺服驱动电路两个坐标轴的步进电机驱动路线：光电隔离电路、双电压放大电路。（5） 超程保护电路一个坐标轴的一端需采用两个限位开关，为的是双保险。为了减少I/O口线，可将一端的两个限位开关进行逻辑或运算后，经隔离电路连接到一个I/O口线。3 部分系统控制软件设计数控系统的控制软件所包含内容较多，本实例又进行直线插补和圆弧插补的程序设计。首先是确定插补的方法。常用的有脉冲增量插补法和数据增量插补法。经济型数控改造车床其精度和速度的要求均不高，采用
43、脉冲增量插补法即可。脉冲增量插补方法还有好多种，本实例采用比较成熟的逐点比较法或数字积分法进行插补均可以。现采用前者。在直线插补程序中，要有处理象限的功能，四个象限采用一套插补计算公式，那么就要将各个象限的直线终点坐标取绝对值，进给方向又要按所在象限的规律进给加工。在圆弧插补程序中，要能插补顺圆和逆圆的四个象限的八种类型圆弧，采用两套插补公式，同样要象直线插补那样进行处理。还应该有自动过象限的能力。根据以上的构思，先设计好插补程序的流程框图，然后再编写汇编语言的源程序。在编写程序时特别注意单片机的I/O口有的为准双向口的问题。4 数控机床控制程序举例为了对上述微机数控系统的硬件电路设计加深理解，此处给出一个在数控车床上进行直线插补的控制程序。根据附图单片机控制原理图所示的芯片连线图，