前言

我國目前機床總量為380萬余臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有

11.34萬臺，這說明我國機床數(shù)控化率不到3機我們大多數(shù)制造業(yè)

和企業(yè)的生產(chǎn)、加工設備大多數(shù)是傳統(tǒng)機床，而且半數(shù)以上是役齡

在10年以上的舊機床。用這種機床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量

差、品種少、成本高等缺點，因此這些產(chǎn)品在國際、國內(nèi)市場上缺

乏競爭了，這直接影響了企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須提高機床的

數(shù)控化率。

對于我國的實際情況，大批量的購置數(shù)控機床是不現(xiàn)實也是不經(jīng)濟

的，只有對現(xiàn)有的機床進行數(shù)控改造。數(shù)控改造相對于購置數(shù)控機

床來說，能充分發(fā)揮設備的潛力，改造后的機床比傳統(tǒng)機床有很多

突出優(yōu)點，由于數(shù)控機床的計算機有很高的運算能力，可以準確的

計算出每個坐標軸的運動量，加工出較復雜的曲線和曲面。其計算

機有記憶和存儲鏡力，可以將輸入的程序記憶和存儲下來，然后按

程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換

一個程序，就可以實現(xiàn)另一工件的加工，從而實現(xiàn)“柔性自動化”。

改造后的機床不象購買新機那樣，要重新了解機床操作和維修，也

不了解能否滿足加工要求。改造可以精確計算出機床的加工能力，

另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，操作和維修

方面培訓時間短，見效快。另外，數(shù)控改造可以充分利用現(xiàn)有地基，

不必像購入新機那樣需要重新構(gòu)筑地基，還可以根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)

展速度，及時地提高生產(chǎn)設備的自動化水平和檔次，將機床改造成

當今水平的機床。

數(shù)控技術(shù)改造機床是以微電子技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合為基礎，不但

技術(shù)上具有先進性，同時在應用上比其他傳統(tǒng)的自動化改造方案有

較大的通用性和可用性，且投入費用低，用戶承擔得起。由于自投

入使用以來取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益，己成為我國設備技術(shù)改造

中主要方向之一，也為我國傳統(tǒng)機械制造技術(shù)朝機電一體化技術(shù)方

向過渡的主要內(nèi)容之一。

目錄

第一節(jié)設計任務.......................................3

1.1題目：.....................................................3

1.2任務.......................................................3

第二節(jié)總體方案的確定................................4

第三節(jié)機械系統(tǒng)的改造設計方案.......................5

3.1主軸系統(tǒng)的改造方案......................................5

3.2安裝電動卡盤.............................................5

3.3換裝自動回轉(zhuǎn)刀架........................................5

3.4螺紋編碼器的安裝方案...................................6

3.5進給系統(tǒng)的改造與設計方案..............................6

第四節(jié)進給傳動部件的計算和選型.....................7

4.1脈沖當量的確定...........................................7

4.2切削力的計算.............................................7

4.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型............................8

4.4同步帶減速箱的設計.....................................10

4.5步進電動機的計算與選型................................14

4.6同步帶傳遞效率的校核..................................17

第五節(jié)繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖...................18

第六節(jié)控制系統(tǒng)硬件電路設計........................17

第七節(jié)步進電動機驅(qū)動電源的選用...................22

第八節(jié)控制系統(tǒng)的部分軟件設計......................22

參考文獻..............................................29

第一節(jié)設計任務

1.1題目：C6140普通車床數(shù)控化改造設計

1.2任務

（I）將一臺C6140普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。主要技術(shù)指

標如下：

（2）床身上最大加工直徑;

（3）最大加工長度1000加，〃；

（4）X方向（橫向）的脈沖當量，Z方向（縱向）；

（5）X方向最快移動速度，Z方向為；

（6）X方向最快工進速度，Z方向為；

（7）X方向定位精度，Z方向；

（8）可以車削柱面、平面、錐面與球面等；

（9）安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與錐螺紋，最大

導程；

（10）安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀；

（11）自動控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級變

速與無級變速信號；

（12）自動控制冷卻泵的啟/停；

（13）安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；

（14）縱、橫向安裝限位開關(guān)：

（15）數(shù)控系統(tǒng)可與PC機串行通信；

顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用

ISO數(shù)控代碼

第二節(jié)總體方案的確定

i.總體方案應考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、進給伺服系統(tǒng)的

類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)

的選擇等。

2.普通車床數(shù)控化改造后應具有單坐標定位，兩坐標直線插補、

圓弧插補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應設計成連續(xù)

控制型。

3.普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定

加工精度的前提下，應結(jié)構(gòu)簡化，降低成本。因此，進給伺服

系統(tǒng)采用步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)。

4.根據(jù)技術(shù)指標中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系

統(tǒng)的經(jīng)濟性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機作為數(shù)

控系統(tǒng)的CPUoMCS-51系列8位機具有功能多、速度快、抗

干擾能力強、性/價比高等優(yōu)點。

5.根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵

盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路

等.還要詵擇步講電動機的驅(qū)動電源以及主軸電動機的交流

變頻器等。

6.為了達到技術(shù)指標中的速度和精度要求，縱、橫向的進給傳動

應選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除

傳動間隙提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應有預緊機構(gòu)等。

計算選擇步進電動機，為了圓整脈沖當

量，可能需要減速齒輪副，且應有消間

隙機構(gòu)。

選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤,

選擇螺紋編碼器等。

第三節(jié)機械系統(tǒng)的改造設計方案

3.1主軸系統(tǒng)的改造方案

對普通機慶進行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的主

傳動機構(gòu)和變速操縱機構(gòu)，這樣可以減少機械改造的工作

量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。

若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自

動變換轉(zhuǎn)速，可用2?4速的多速電動機代替原有的

單速主電動機；當多速電動機仍不能滿足要求時，可

用交流變頻器來控制主軸電動機，以實現(xiàn)無級變速

（工廠使用情況表明，使用變頻器時，若工作頻率低

于，原來的電動機可以不更換，但所選變頻器的功

率應比電動機大）。

改造C6140車床時，若采用有級變速，可選用

浙江超力有限公司生產(chǎn)的YD系列變級多速三相異

步電動機，實現(xiàn)檔變速；若采用無級變速，應加裝

交流變頻器，推薦型號為：F100-G0075T3B,適配

電動機，生產(chǎn)廠家為煙臺惠豐電子有限公司。

3.2安裝電動卡盤

為了提高加工效率，工件的夾緊與松開采用電動卡

盤，選用呼和浩特附件總廠生產(chǎn)的KD11250型電動

三爪自定心卡盤?？ūP的夾緊與松開由數(shù)控系。

3.3換裝自動回轉(zhuǎn)刀架

為了提高加工精度，實現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將

車床原有的手動刀架換成自動回轉(zhuǎn)刀架，選用常州

市宏達機床數(shù)控設備有限公司生產(chǎn)的LD4B-CK6140

型四工位立式電動刀架。實現(xiàn)自動換刀需要配置相應

的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。

3.4螺紋編碼器的安裝方案

螺紋編碼器乂稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋

時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸信號的反饋元件，它

與車床主軸同步。

改造后的車床能夠加工的最大螺紋導程是，Z向的

進給脈沖當量是，所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的

脈沖數(shù)應不少于?？紤]到編碼器的輸出有相位差

的A.B相信號，可用A.B異或后獲得個脈沖（一轉(zhuǎn)

內(nèi)），這樣編碼器的線數(shù)可降到線（A.B信號）。另

外，為了重復車削同一螺旋槽時不亂扣，編碼器還需

要輸出每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖Zo

基于上述要求，選擇螺紋編碼器的型號為：

ZLF?1200Z?05VO?15?CT。電源電壓+5V,每轉(zhuǎn)輸出

個A/B脈沖與1個Z脈沖，信號為電壓輸出，軸頭

直徑，生產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。

螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安

裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與

主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但它堵住了主軸的通

孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的的后端,

一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸，如果找不

到同步軸，可將編碼器通過一對傳動比為的同步齒

形帶與主軸連接起來。需要注意的是，編碼器的軸頭

與安裝軸之間必須采用無間隙柔性連接，且車床組、

主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。

3.5進給系統(tǒng)的改造與設計方案

（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。

（2）拆除進給箱總成，在此位置安裝縱向進給步進電動機與同步

帶減速箱總成。

（3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝

縱向滾珠絲杠的的螺母座與螺母座托架。

（4）拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四工位立式

刀架。

（5）拆除橫溜板下的滑動絲桿螺母副，將滑動絲桿靠刻度盤一段

（長，見圖一）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度

盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。

（6）將橫向進給步進電動機通過法蘭安裝到橫溜板后部的縱溜板

上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。

（7）拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支承。

（8）改造后的橫向、縱向進給傳動系統(tǒng)分別見附圖一和附圖二。

第四節(jié)進給傳動部件的計算和選型

縱、橫向進給傳動部件的計算和選型主要包括：確定脈

沖當量、計算切削力、選擇滾珠絲杠螺母副、設計減速箱、

選擇步進電動機等。

4.1脈沖當量的確定

根據(jù)設計任務要求，X方向（橫向）的脈沖當量為

方向（縱向）為。

4.2切削力的計算

（1）縱向切削力算

設工件為碳素結(jié)構(gòu)鋼，；選用刀具材料為硬質(zhì)合金YT15；刀

具幾何參數(shù)為：主偏角，前角，刃傾角；切削用量為：背吃刀量

,進給量，切削速度。

查表得：，，，；主偏角的修正系數(shù)；刃傾角、前角和刀尖

圓弧半徑的修正系數(shù)值均為。

由經(jīng)驗公式：，算得主切削力；由經(jīng)驗公式：，算得縱向進給切

削力，背向力。

（2）橫向切削力計算

橫向主切削力為縱向的一半，所以橫向主切削力

由經(jīng)驗公式，求得橫向進給切削力，背向力

4.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型

1.縱向：

(1)工作載荷的的計算

己知移動部件總重量；車削力，，。根據(jù)，，的對應關(guān)系,

可得：，，。

選用矩形■三角形組合滑動導軌，查表，取，，代入，得工作

載荷.

(2)最大動載荷分的計算

設本車床Z向在承受最大切削力條件下最快的進給速度，初

選絲杠基本導程，則此時絲杠轉(zhuǎn)速。

取滾珠絲杠的使用壽命，代入，得絲杠壽命系數(shù)。

查表，取載荷系數(shù)，再取硬度系數(shù)，代入式，求得最大動我

荷。

(3)初選型號

根據(jù)計算出的最大動載荷，查表，選擇后東潤澤機床附件有限

公司生產(chǎn)的FL4006型滾珠絲杠副。其公稱直徑為，基本導程為，

雙螺母滾珠總?cè)?shù)為，精度等級取4級，額定動載荷為，滿足要

求。

(4)傳動效率〃的計算

將公稱直徑，基本導程，代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角

,代入，得傳動效率。

(5)剛度的驗算

1)縱向滾珠絲杠的支承，采取一端軸向固定，一端簡支的

方式，見圖二。固定端采取一對推力角接觸軸承，面對面組配。絲

杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距離約為；鋼的彈性模量；

查表得滾珠直徑，算得絲杠底徑公稱直徑滾珠直徑。忽略式

中的第一項，算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的變形量。

2）根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)目，該型號絲杠為雙螺母，滾珠

總?cè)?shù)為，則滾珠總數(shù)量。滾珠絲杠預緊時，取軸向預緊力o

則由式，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量。因為絲杠加有預

緊力，且為軸向負載的，所以實際變形量可減小一半，取。

3）將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應跨度）

o由表知，4級精度滾珠絲杠任意軸向行程內(nèi)行程的變動量允許

,而對于跨度為的滾珠絲杠，總的變形量只有，可見絲杠剛

度足夠。

（6）壓桿穩(wěn)定性校核

根據(jù)式計算失穩(wěn)時的臨界載荷。查表取支承系數(shù)；由絲杠

底徑，求得截面積慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)取3（絲杠臥式

水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離取最大值。代入式，

得臨界載荷，遠大于工作載荷，故絲化不會失穩(wěn)。

綜上所述初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。

4.4同步帶減速箱的設計

為了滿足脈沖當量的設計要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時也為了使傳動

系統(tǒng)的負載慣量盡可能地減小，傳動鏈中常采用減速傳動。C6140

車床縱向減速箱選用同步帶傳動。

（1）設計同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳動的功率；

主動輪轉(zhuǎn)速和傳動比；傳動系統(tǒng)的位置和工作條件

等。

（2）根據(jù)改造經(jīng)驗，C6140車床縱向步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)

矩通常在之間選擇。初選自動機型號為130BYG5501,

五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩，十拍驅(qū)動時步距角為。

（3）傳動比的確定

（4）已知電動機的步距角，脈沖當量，滾珠絲杠導程，

代入式算得傳動比

（5）主動輪最高轉(zhuǎn)速〃?

（6）由縱向床鞍的最快移動速度，得出主動輪的最高

轉(zhuǎn)速。

（7）確定帶的設計功率Pd

（8）預選的步進電動機在轉(zhuǎn)速為時，對應的步進脈沖

頻率為。當脈沖頻率為時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩線為，

對應的輸出功率為。取，，代入式，得出.

（9）選擇帶型和節(jié)距外

（10）根據(jù)帶的設計功率和主動輪最高轉(zhuǎn)速，選取

同步帶的型號為L型節(jié)距。

（11）確定小帶輪齒數(shù)Z1和小帶輪節(jié)圓直徑d、

（12）取，則小帶輪節(jié)圓直徑。當達到最高轉(zhuǎn)速

時，同步帶速度為，沒有超過L型帶的極限速度。

（13）確定大帶輪齒數(shù)Z2和大帶輪節(jié)圓直徑4

（14）大帶輪齒數(shù)，節(jié)圓直徑。

（15）初選中心距劭、帶的節(jié)線長度帶的齒數(shù)小

（16）初選中心距，圓整后取。則帶的節(jié)線長度為。

查表選取標準節(jié)線長度，相應齒數(shù)。

（17）計算實際中心距。

實際中心距々之a(chǎn)。+L=111.835mm。

（18）校驗帶與小帶輪的的嚙合齒數(shù)z,”

（19），嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。此處表示取整。

（20）計算基準額定功率P.

（21）所選型號同步帶在基準寬度下所允許傳遞的額定

功率：，式中表示帶寬為時的許用工作壓力，查表

得；表示帶寬為時的單位長度的質(zhì)量，查表得；

表示同步帶的帶速，由上述（5）知。代入式子算得.

（22）確定實際所需同步帶寬度久

（23）,式中表示選定型號的基準寬度，查表得；

表示小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，查表得。由上式算得，再

根據(jù)表選取標準帶寬。

（24）帶的工作能力驗算

根據(jù)式，計算同步帶額定功率的精確值：式中

為齒寬系數(shù)：。經(jīng)計算得，而，滿足。因此，帶的

工作能力合格。

4.5步進電動機的計算與選型

(1)計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量/“

(2)已知：滾珠絲杠的公稱直徑，總長(帶接桿)，導程

,材料密度；縱向移動部件總重量；同步帶減速箱

大帶輪寬度，節(jié)徑，孔徑，輪轂外徑，寬度；小

帶輪寬度，節(jié)徑，孔徑，輪轂外徑，寬度；傳動

比O

(3)將上述數(shù)據(jù)代入公式，可得出：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；

床鞍折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量；小帶輪的轉(zhuǎn)動慣量，

大帶輪的轉(zhuǎn)動慣量。在設計減速箱時，初選的縱向步進

電動機型號為13OBYG55O1,查表得該型號電動機轉(zhuǎn)子

的轉(zhuǎn)動慣量。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量

為：。

(4)計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩(g

分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。

1)快速空載啟動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩

由式，可知包括三部分：快速空載起動時折算到電

動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩\移動部件運動時折算到電動

機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸

上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)

式可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有：

(4-1)

根據(jù)式，考慮縱向傳動鏈的總效率，計算快速空載

起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：(4-2)式

中表示對應縱向空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)

速，單位為；表示步進電動機由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需

的時間，單位為。其中：（4-3）式中表示縱向空

載最快移動速度，任務書指定為；表示縱向步進電動機

步距角。為；表示縱向脈沖當量，為。將以上各值帶入

式（4-3）,算得。

設表示步進電動機由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時間，

縱向傳動鏈總效率；則由式（4-2）求得：，由式可知,

移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：

（4-4）式中表示導軌的摩擦因數(shù)，滑動導軌?。槐硎?/p>

垂直方向的工作載荷，空載時??；表示縱向傳動鏈總效

率，取。則由式（4-4）得：，最后由式（4-1）,求得快

速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩為：

"，max+4=2.82N.〃？（4-5）

2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩

%

由式可知，包括三部分：折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的

最大工作負載轉(zhuǎn)矩、移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸

上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的

附加摩擦轉(zhuǎn)矩。相對于和很小，可以忽略不計。則

有：（4-6）

其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩

由式計算，本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已

知進給方向的最大工作載荷，則有：

再由式計算承受最人工作負載（）情況下，移動

部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：

（5）最后由式（4-6）,求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸

所承的負載轉(zhuǎn)矩：（4-7）

（6）經(jīng)上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效

負載轉(zhuǎn)矩：（4?7）

（7）步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定

（8）考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當電網(wǎng)電壓降低

時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟布，甚至堵轉(zhuǎn)。因此,

根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安

全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)

矩應滿足：（4-8）

（9）對于前面預選的130BYG5501型步進電動機，查表可知，

其最大靜轉(zhuǎn)矩，可見完全滿足式（4-8）要求。

（10）步進電動機的性能校核

1）最大工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核

任務書給定縱向最快工進速度，脈沖當量，由式求出

電動機對應的運行頻率。在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，

遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。

2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核

任務書給定縱向最快空載移動速度，由式，求出電動機

對應的運行頻率。查表得，此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，

大于快速空載起動時負載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。

3）最快空載移動時電動機運行頻率校核

最快空載移動速度，對應的電動機運行頻率。查表可知

130BYG550的極限運行頻率為，可見沒有超出上限。

4）起動頻率的計算

已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)子自身

的轉(zhuǎn)動慣量，查表可知電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時

最高空載起動頻率。由式，可以求出步進電動機

克服慣性負載的起動頻率為：，上式說明，要想保

證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率

都必須小于。實際上，在采用軟件升降頻率時，起

動頻率選得很低，通常只有(即)。

綜上所述，縱向進給系統(tǒng)選用130BYG550步進電動

機，可以滿足要求。

4.6同步帶傳遞效率的校核

(1)分兩種工作情況，分別進行校核。

(2)快速空載起動

(3)電動機從靜止到加速至，由式(4-5)可知，同步帶

傳遞的負載轉(zhuǎn)矩，傳遞的功率為。

(4)最大工作負載、最快工進速度

由式（4?7）可知，帶需要傳遞的最大工

作負載轉(zhuǎn)矩，任務書給定最快工進速

度，對應電動機轉(zhuǎn)速。傳遞的功率為

可見，兩種情況下同步帶傳遞的負載功

率均小于帶的額定功率。因此，選擇的

同步帶功率合格。

第五節(jié)繪制進給傳動機構(gòu)的裝配圖

（1）在完成滾珠絲杠螺母副和步進電機的計算選型后可以著手繪

制進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖。在繪制機械裝配圖時，還應認真的

考慮與具體結(jié)構(gòu)設計有關(guān)的一些問題。

（2）了解原機床的詳細結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫

溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。

（3）根據(jù)載荷特點和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號，軸

承座的結(jié)構(gòu)以及軸承預緊和調(diào)節(jié)方式，確定齒輪軸支承軸承的型

號。

（4）考慮各部件之間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。箱上的聯(lián)接與定位

等。

（5）考慮密封、防護、潤滑以及安全機構(gòu)等問題。

在進行各零部件結(jié)構(gòu)設計時，應注意裝

配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保

證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。

第六節(jié)控制系統(tǒng)硬件電路設計

1)根據(jù)任務書的要求，設計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考

慮以下功能：

2)接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示；

3)接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號；

4)接收車床限位開關(guān)信號；

5)接收螺紋編碼器信號；

6)接收電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；

7)控制X、Z向步進電動機的驅(qū)動器；

8)控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止；

9)控制多速電動機，實現(xiàn)主軸有級變速；

控制交流變頻器，實現(xiàn)主軸無級變速；

10)控制切削液泵起動/停止；

11)控制電動卡盤的夾緊與松開；

12)控制電動刀架的自動選刀；

13)與PC機的串行通信。

圖(2)為控制系統(tǒng)的原理框圖。

CPU選用ATMEL公司的8位單片機AT89S52；由于AT89S52本身

資源有限，所以擴展了一片EPROM芯片W27c512用做程序存儲器,

存放系統(tǒng)底層程序；擴展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲器,

存放用戶程序；鍵盤與LED顯示采用8279米管理；輸入輸出口

的擴展選用了并行接口8255芯片，一些進出的信號均做了隔離放

大；模擬電壓的輸出借助于DAC0832;與PC機的串行通信經(jīng)過

MAX233芯片。

數(shù)控系統(tǒng)的操作而板布置如圖（1）所示。面板設置了48個微動按

鈕，三個船形開關(guān)，一只急停按鈕，顯示器包括1組數(shù)碼管和7只發(fā)

光二極管。

第七節(jié)步進電動機驅(qū)動電源的選用

本例中X向步進電動機的型號為

110BYG5802,Z向步進電動機的型號為

30BYG5501o兩種電動機除了外形尺寸、

步距角和輸出轉(zhuǎn)矩不同外，電氣參數(shù)基

本相同，均為5相混合式，5線輸出，

電動機供電電壓，電流5安。這樣,

兩臺電動機的驅(qū)動電源可用同一型號。

在此，選擇合肥科林數(shù)控科技有限責任

公司生產(chǎn)的五相混合式調(diào)頻調(diào)壓型步進

驅(qū)動器，型號為BD5A。

第八節(jié)控制系統(tǒng)的部分軟件設計

1.存儲器與I/O芯片地址分配

根據(jù)圖三

中地址譯

碼器U4

（74LS1

38）的連

接情況，

可以算出片內(nèi)地址單

地址選擇線（A15~A0）地址編碼

主機板中元數(shù)

存儲器與

I/O芯片

的地址分

配,如下

表所示：

器件名稱

6264OOCh<,xxxx,xxxx,xxxx8K0000〃?\FFFH

3FFCH?3FFFH

82550011,1111,1111,11xx4

82790101,1111,1111,lllx25FFEH?5FFFH

DAC08320111,1111,1111,111117FFFH

2.控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序

系統(tǒng)設有7檔功能可以相互切換，分別是“編輯”、“空刀”、

“自動”、“手動J、“手動2”、“手動3”和“回零”。選

中某一功能時，對應的指示燈點亮，進入相應的功能處理?？刂葡?/p>

統(tǒng)的監(jiān)控管理程序流程見圖（3）。

?一一'

系統(tǒng)上電

CPU、8255、8279等

工作狀態(tài)

圖(3)

3.8255芯片初始化子程序

B255:MOVDPTR,#3FFFH;指向8255的控制口地址

MOVA,#10001001B；PA口輸出，PB口輸出，PC口

輸入，均為方式0

MOVX@DPTR,A;控制字被寫入

MOVDPTR,#3FFCH;指向PA口

MOVA,#0FFH；預置PA口全“1”

MOVX@DPTR,A；輸出全“1”到PA口

MOVDPTR,#3FFDH;指向PB口

MOVA,#0FFH；預置PB口全“1”

MOVX@DPTR,A;輸出全“1”到PB口

RET

4.8279芯片初始化子程序

B279:MOVDPTR,#5FFFH；指向8279的控制口地址

MOVA,#OCFH;清除FIFO與顯示RAM命令

MOVX@DPTR,A;命令字被寫入

WAIT:MOVXA,@DPTR；從8279的控制口讀取8279

的狀態(tài)字

JBACC.7,WAIT；測試顯示RAM有沒有被清

除完畢。只有狀態(tài)字的

D7=0,清除才結(jié)束

MOVA,#08H;編碼掃描，左入口，16位字

符顯示，雙鍵互鎖

MOVXA,@DPTR

MOVA,#34H；分頻系數(shù)取2()

MOVX@DPTR,A

RET

5.8279控制LED顯示子程序

設顯示緩沖區(qū)的首地址為6BH,系統(tǒng)在指定的工作狀態(tài)下，需要顯

示的字

符段碼的編碼，事先存儲在CPU內(nèi)部的RAM的6BH?73H這9個字

節(jié)中。已知

8279的控制口地址為5FFFH,數(shù)據(jù)口地址為5FFEH,則顯示程序如

下：

DIR:MOVDPTR,#5FFFH；8279的控制口地址

MOVA,#90H；寫8279顯示RAM的命令

MOVX@DPTR,A；從顯示RAM的00H地址開

始寫，每寫一次，顯示RAM的地址自動加1

MOVRO,#6BH;顯示緩沖區(qū)的首地址為

6BH

MOVR7,#09H;顯示緩沖區(qū)的長度為9個

字節(jié)

MOVDPTR,#5FFFH;8279的數(shù)據(jù)口地址

DIR0:MOVA,@R0；從CPU的RAM中讀取顯示

段碼的編碼

ADDA,#05H:PC與DTAB表格之間的偏移

量

MOVCA,@A+PC;查表，取出顯示段碼

MOVX@DPTR,A；送到8279顯示RAM中指定

的字節(jié)

INCRO；寫8279的下一個顯示

RAM

DJNZR7,DIRO;循環(huán)9次，完成9位顯示

RET

*

9段碼字符編碼

DTAB:DBe>FH;F00-01

DBODAH

DBOBEH;x02-03

DB0E7H

DB0A3H；z04-05

DBOCBH

DB0D1H；u06-07

DB0D3H

DBODCH；w08-09

DBOCEH

DBODFH?一OA

DB2IH；oOB

DB7BH;1OC

DB91H;2OD

DB19H;3OE

DB4BH;4OF

DBODH;510

DB05H;611

DB69H;712

DB01H;813

DB09H;914

D..20.*0...15

D..7A?1...16

D..90.2…17

D..18.*3...18

D..4A?4...19

D..OC..........；5..1A

D..04.6...IB

D..687...IC

D..008...ID

D..089...IE

;根據(jù)系統(tǒng)需要編制字

庫

當需要顯示一組字符時，首先給顯示緩沖區(qū)的6BH?73H這9個

字節(jié)賦值，然后調(diào)用DIR子程序即可。例如，要顯示“X-1234.56”，

程序如下：

MOV6BH,#02H