数控车床的进给传动机构及数控系统标准设计终版.docx

机电一体化
课程设计(论文)

题　目: 数控车床进给传动机构及数控系统设计

学生姓名
专 业_机械设计制造及其自动化
学 号_
班 级_
指导老师 谭为民
成 绩_

工程技术学院
6月
机电一体化课程设计任务书

学生姓名

专业年级

设计题目： 数控车床进给传动机构及数控系统设计
设计要求：
1、 能用键盘输入命令控制工作台运动方向
2、 能实时显示目前运动位置
3、 含有越程指示报警及停止功效

设计参数
1、 系统分辨率纵向为0.01mm，横向为0.005mm；
2、 最大加工直径：在床面上为400mm，在床鞍上为210mm；
3、 最大加工长度为1000mm；
4、 快进速度：纵向为2400mm/min，横向为2400mm/min；
5、 最大切削进给速度：纵向为500mm/min，横向为500mm/min；
6、 脉冲当量：纵向为0.01mm/脉冲，横向为0.01mm/脉冲；
7、 X方向定位精度±0.01mm,Z方向定位精度±0.02mm；
8、 纵、横向安装限位开关；
9、 显示界面采取5个8位LED数码管；

设计工作量：
编写设计说明书1份
指导老师署名： 年 月 日
目录
1系统总体方案设计 1
1.1数控系统运动方式的确定 1
1.2伺服进给系统的选择 1
1.3执行机构传动方式的确定 2
1.4控制系统的选择 2
1.5总体设计方案的确定 3
2机械系统设计 3
2.1系统脉冲当量选择 4
2.2切削力计算 4
2.3滚动螺旋副选型计算与验算 4
2.3.1纵向进给丝杠 5
2.3.2 滚珠丝杠副几何参数 7
2.4齿轮传动比计算 7
2.5步进电机的计算与选型 8
2.5.1等效转动惯量计算 8
2.5.2电机力矩计算 8
2.5.3 步进电机性能验算 10
2.5.4步进电机型号确定及主要参数列表 10
3 控制系统设计 11
3.1数控系统硬件电路设计 11
3.1.1主控制器CPU的选择 11
3.1.2存储器扩展电路设计 11
3.1.3步进电机驱动电路设计 13
3.1.4 其它辅助电路设计 13
3.1.5 机床数控系统硬件电路设计 14
3.3绘制控制系统原理图 17
总结 18
参考文献 18

数控车床进给传动机构及数控系统设计
西南大学工程技术学院，重庆 400716
摘要：数控车床进给系统是指能分别沿着X 向和Y向做进给运动系统，是很多机电一体化 设备基础部件。本设计是对数控车床进给传动机构和数控系统进行相关设计。在设计时候具体进行了各部件选型和计算。比如：导轨设计选型、滚珠丝杠螺母副选型和计算，还进行了进给传动系统刚度计算、进给传动系统误差分析、驱动电机选型计算、驱动电机和滚珠丝杠联接、驱动电机和进给传动系统动态特征分析等，最终选择单片机对其做数控系统设计。
关键词： 数控车床 进给传动机构 数控系统设计
1系统总体方案设计
对于数控车床进给传动机构及数控系统设计，在考虑总体方案时应遵行基础标准是：在满足设计要求前提下，对机床改造应尽可能少，以降低成本。
数控系统总体方案设计内容包含：系统运动方法确实定；伺服系统选择；实施机构传动方法确实定；控制系统选择等内容。应依据设计任务和要求提出系统总体方案，对方案进行分析、比较、论证，最终确定总体方案并绘制系统总体方案框图[1]。
1.1数控系统运动方法确实定
数控系统按运动方法可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。因为要求车床加工复杂轮廓零件，所以本微机控制（MNC）系统采取连续控制系统。
1.2伺服进给系统选择
数控机床进给系统有开环、半闭环、闭环之分。
采取直流或交流伺服电机驱动闭环控制方案优点是能够达成很好机床精度，能赔偿机械传动系统中多种误差、传动间隙及干扰等对加工精度影响。但她结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价高。本设计精度要求不是很高，采取闭环控制系统必需性不大。
采取直流或交流伺服电机驱动半闭环控制，其性能介于开环和闭环之间。因为调速范围宽过载能力强，有含有反馈控制，所以性能远优于以步进电机驱动开环控制。因为反馈步骤不包含大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统稳定性轻易确保，所以比闭环轻易实现。不过采取半闭环控制调试比开环控制要复杂，设计上有其本身特点，技术难度较大。本设计任务要求不高，通常情况下均采取以步进电机驱动开环控制。因为开环控制含有结构简单，设计制作轻易，控制精度很好，轻易调试，价格廉价，使用维修方便等优点；缺点是步进电机没有过载能力，开启频率低，工作频率也不高等。开环控制多用于负载改变不大或要求不高经济型数控设备中。
经过上述比较，决定采取开环控制系统。
1.3实施机构传动方法确实定
为确保数控系统传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高强度、无间隙、高谐振和有适宜阻尼比要求。在设计中应考虑以下几点：
（1）尽可能采取低摩擦传动和导向元件。如采取滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、铁塑导轨等。
（2）尽可能消除传动间隙,提升传动精度。如对滚珠丝杠和滚动导轨进行预紧，而传动齿轮通常采取消除间隙结构。
（3）尽可能提升传动刚度。传动刚度是传动元件之间接触刚度，接触面越多刚度越低，传动误差越大，故应尽可能缩短传动链。通常，在简易数控系统中，只要能够确保步进电机步距角和运动末端实施件脉冲当量正确匹配，只采取一对齿轮传动副即可。给传动元件施加预负载，不仅能够提升系统传动精度也能够提升系统传动刚度。故滚动导轨、滚珠丝杠和丝杠轴向固定轴成全部带有预紧装置，方便随时调整预紧力[1]。
1.4控制系统选择
计算机数控系统通常由主机CPU、存放器扩展电路、I/O接口、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。
微机是数控系统关键。数控系统功效直接和所选微机相关。数控系统对微机要求是多方面，但关键是字长和速度。字长不仅影响系统最大加工尺寸，而且影响加工精度和运算精度。而字长短计算机在进行多字节数据处理时又会影响加工速度。现在，高级数控系统普遍采取32位机，主频已达20-30MHz；标准CNC系统通常采取16位机；经济型数控系统通常采取8位机，如采取Z80CPU或MCS-51单片机组成微机应用系统。
在51系列机型中，因为RAM容量全部很小，所以必需扩展外RAM；又因为常见零件加工程序需要固化在EPROM中，而它们不宜和系统控制程序存放在同一存放区内，为方便同一考虑外ROM和外RAM扩展，故通常全部是采取8031单片机作主机[1]。
本经济型数控车床采取MCS-51系列单片微机组成微机应用系统。主机是8031，接口选8279，采取步进电机开环控制，传动部件为滚珠丝杠。
1.5总体设计方案确实定
经以上论证后，确定数控车床进给传动机构总体方案图图所表示。车床纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动均采取步进电动机驱动。由MCS-51系列单片机组成微机作为控制装置关键，由I/O接口、软环分配器和放大器控制功率步进电动机转动，经齿轮减速器后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床纵向、横向进给运动。

图1-1 系统总体方案图
2机械系统设计
机械系统设计内容包含：系统脉冲当量确定；切削力计算；滚动螺旋副选型计算和验算；滚动导轨选型计算和验算；步进电机选型计算和验算；消除间隙齿轮结构设计、滚珠丝杠支承结构选型、电机固定结构选型设计等多个关键部分。

2.1系统脉冲当量选择
脉冲当量是机床移动不见相对于每一个步进脉冲信号产生位移量。脉冲当量也称为机床最小设定单位或最小指令增量或机床分辨率。脉冲当量是衡量数控机床加工精度一个基础技术参数。
数控车床通常采取脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲。脉冲当量有时也由设计任务书直接给出。
所以依据设计任务书确定脉冲当量：纵向为0.01mm/脉冲，横向为0.01mm/脉冲。因为脉冲当量相同，故以下只计算纵向进给相关参数，横向和纵向相同。
2.2切削力计算
设工件材料为碳素结构钢，σb=650MPa;选择刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角κr=60°,前角γo=10°，刃倾角λs=-5°；切削用量为：背吃刀量ap=3mm,进给量f=0.6mm/r,切削速度vc=105m/min。
查表3-1[2]，得：

查表3-3[2]，得：主偏角κr修正系数为0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径修正系数均为1.0。
由经验公式，得。
由经验公式，得
2.3滚动螺旋副选型计算和验算
滚动螺旋副工作原理：滚动螺旋副是一个在丝杠和螺母之间放入滚动体 — 滚珠一个丝杠螺母副。因为放入滚珠，故，当丝杠相对螺母转动时，滚珠则在螺旋滚道内即自转又循环转动，迫使丝杠螺母之间产生轴向相对运动，于是将丝杠旋转运动变为螺母直线运动或将螺母旋转运动变为丝杠直线运动。
滚动螺旋副特点：优点：传动效率高，所需驱动转矩小；传动精度高，反向精度高，定位精度高；传动刚度高；传动平稳，快速响应好，无爬行； 磨损小，精度保持性好，寿命长；含有运动可逆性；缺点：制造成本高；不能自锁，铅垂进给时需加制动机构[2]。
滚动螺旋副设计步骤是：计算进给牵引力，预选关键尺寸参数，计算最大动负荷，计算最大静负荷，初选滚珠丝杠副型号及列表关键参数，绘制进给系统计算简图，验算轴向刚度，验算传动效率，确定滚珠丝杠副型号。
2.3.1纵向进给丝杠
（1）工作载荷Fm计算
已知移动部件总重G=800N；依据对应关系，可得：
纵向进给为综合型导轨，有

式中：K—考虑颠覆力矩时影响系数，综合型导轨取K=1.15；
—导轨摩擦系数，=0.15~0.18（取=0.16）；
G—移动部件重量，G=800N
代入公式计算得

（2）滚珠丝杠副最大动负荷计算

最大切削进给速度
最大切削力条件下进给速度

取，滚珠丝杠转速（其中：滚珠丝杠导程初选），则
滚珠丝杠寿命值（其中使用寿命T=15000h） ，则
运转状态系数，按通常运转取，故
（3）滚珠丝杠螺母副选型
查阅《机电一体化系统设计课程设计指导书》，可采取W1L4006外循环螺纹调整预紧双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级选为3级。
传动效率计算

式中：γ——丝杠螺母升角；
——摩擦角，滚珠丝杠副滚动摩擦系数f=0.003~0.004,其摩擦角约等于10´。
本设计中：
（4）刚度验算
最大进给率引力为1631.79N，支承间距L=1500mm。丝杠螺母级轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向力1/3。
丝杠拉伸或压缩变形量δ1。查《机械设计手册》，依据Fm=1631.79N,D0=40mm，查出δL/L=1.2×10-5,可算出

因为两端均采取向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度能够提升4倍。其实际变形量为：
‚滚珠和螺纹滚道间接触变形。查《机械设计手册》相关图表，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量:
因进行了预紧，故
ƒ支承滚珠丝杠轴承轴向接触变形。采取8107型推力球轴承，，滚动体直径，滚动体数量Z=18,故

因施加预紧力，故
依据以上计算轴向总变形量为：
即轴向总变形小于定位精度。
（5）稳定性校核
滚珠丝杠两端采取推力轴承并施加预紧，不会产生失稳现象，不需要进行稳定性校核。
2.3.2 滚珠丝杠副几何参数
表2-1 滚珠丝杠参数表

名 称
符号
计算公式（mm）
W1L4006

螺
纹
滚
道

公称直径

40
导程（螺距）

6
接触角

2º44´
钢球直径

3.968
螺纹滚道法面半径
R

2.064
偏心距

0.056
螺纹升角

2º44´
丝杠
丝杠外径

39
丝杠内径

35.984

螺母
螺母外径(外循环）

44.016
螺母内经(外循环）

40.7938

2.4齿轮传动比计算
已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角为0.75º，可计算出传动比

因进给运动齿轮受力不大，模数m取2[3]。

2.5步进电机计算和选型
2.5.1等效转动惯量计算
电机转子转动惯量：参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量为 ；
齿轮转动惯量：

齿轮转动惯量：
=
丝杠转动惯量：
=
折算到电机轴上总转动惯量：

考虑步进电机和传动系统惯量匹配问题，,基础满足惯量匹配要求[1]。
2.5.2电机力矩计算
机床在不一样工况下，其所需转矩不一样，下面按个工况计算。
(1)快速空载开启力矩
在快速空载开启阶段，加速力矩占得百分比较大，具体计算以下：

将上述数据代入，式中各符号意义同上：

开启加速时间

折算到电机轴上摩擦力矩：

附加摩擦力矩M0

上述三项累计：
（1） 快速移动时所需力矩：

（3）最大切削负载时所需力矩Mj

从上面计算能够看出，Mq、Mk、Mj三种工况下，以快速空载开启所需力矩最大，以此项作为初选步进电机依据。
查《机电一体化系统设计》表3-11可得，当步进电机为五相十拍时，则最大静力矩为 。
按此最大静转矩，查《机电一体化系统设计》表3.11得出，150BF002型最大静转矩为13.72N·m，大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必需深入考评步进电机起动矩频特征和运行矩频特征。
2.5.3 步进电机性能验算
(1)电机最高空载开启频率和运行频率

（2）频率验算
查《机电一体化系统设计》表3-11 ，150BF002型步进电机许可最高空载开启频率和运行频率分别为2800Hz和8000Hz，因为 故运行频率频率满足要求。但 不满足要求，能够经过采取步进电机快速开启升降速控制，将开启频率降到1000Hz，开启力矩可增高到588.4N·cm，然后在电路上再采取高低压驱动电路[1]。
2.5.4步进电机型号确定及关键参数列表
表2-2 步进电机参数表
型号
相数
步距角
电压
相电流
最大静转矩
最高开启频率
运行频率
转子转动惯量
转速
r/min
150BF002
5
0.75
80/12
12
13.72
2800
8000
36.355
100

3.控制系统设计
3.1数控系统硬件电路设计
数控系统硬件电路由以下几部分组成：
（1）．主控制器。即中央处理单元CPU
（2）．总线。包含数据总线，地址总线，控制总线。
（3）．存放器。包含只读可编程序存放器和随机读写数据存放器。
（4）．接口。即I/O 输入输出接口。

哎
哎
哎
哎
并行
接口
芯片

8155

CPU

8031
单片机

图3-1 控制系统原理图

3.1.1主控制器CPU选择
MCS-51系列单片机是集中CPU，I/O 端口及部分RAM等为一体功效性很强控制器。只需增加少许外围元件就能够组成一个完整微机控制系统，而且开发手段齐全，指令系统功效强大，编程灵活，硬件资料丰富。此次设计选择8031芯片作为主控芯片。
3.1.2存放器扩展电路设计
（1）程序存放器扩展
单片机应用系统中扩展用程序存放器芯片大多采取EPROM芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为2k,4k,8k,16k,32k。在选择芯片时要考虑CPU和EPROM时序匹配。8031所能读取时间必需大于EPROM所要求读取时间。另外，还需要考虑最大读出速度，工作温度和存放器容量等原因。在满足容量要求时，尽可能选择大容量芯片，以降低芯片数量以简化系统。综合以上原因，选择2764芯片作为此次设计程序存放器扩展用芯片。
单片机要求P0口提供８为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据通道口，为了把地址信息分离出来保留，方便为外接存放器提升低８位地址信息，通常采取74LS373芯片作为地址锁存器，并由CPU发出许可锁存信号ALE 下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。
(2)数据存放器扩展
因为8031内部RAM只有128字节，远不能满足系统要求。需要扩展片外数据存放器。单片机应用系统数据存放器扩展电路通常采取6116,6262 静态RAM 数据存放器。此次设计选择6264芯片作为数据存放器扩展用芯片。
(3)译码电路
在单片机应用系统中，全部外围芯片全部经过总线和单片机相连。单片机数据总线分时和各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。因为外围芯片和数据存放器采取统一编址，所以单片机硬件设计中，数据存放器和外围芯片地址译码较为复杂。可采取线选法和全地址译码法。线选法是把单独地址线接到外围芯片片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法硬件结构简单，但它所用片选线全部是高位地址线，它们权值较大，地址空间没有充足利用，芯片之间地址不连续。对于RAM和I/O容量较大应用系统，当芯片所需片选信号多于可利用地址线时候，多采取全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出地址选择线用作片选线。本设计采取全地址译码法[4]。
（4）存放器扩展电路设计
8031单片机所支持存放系统起程序存放器和数据存放器为独立编址。该设计选择程序存放器2764和数据存放器6264组成8031单片机外存放器扩展电路。
（5）I/O 扩展电路设计
通用可编程接口芯片8155
8031单片机共有4个8位并行I/O接口，但供用户使用只有P1口及部分P3口线。所以要进行I/O口扩展。8155和微机接口较简单，是微机系统广泛使用接口芯片。
‚键盘，显示器接口电路
键盘，显示器是数控系统常见人机交互外部设备，能够完成数据输入和计算机状态数据动态显示。通常，数控系统全部采取行列式键盘，即用I/O口线组成行，列结构，按键设置在行列交点上。
数控系统中使用显示器关键有LED和LCD。下图所表示为采取8155接口管理键盘，显示器电路。它有4×8键和6位LED显示器组成。为了简化电路，键盘列线及LED显示器字位控制共用一个口，即共用8155PA口进行控制，键盘行线由8155PC口担任，显示器字形控制由8155PB口担任[1]。
3.1.3步进电机驱动电路设计
（1）脉冲分配器
步进电机控制方法由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来一系列指令脉冲按一定分配方法和次序输送给步进电机各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采取集成脉冲分配器YB013。
（2）光电隔离电路
在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出信号经放大后控制步进电机励磁绕组。假如将输出信号直接和功率放大器相连，将会引发电气干扰。所以在接口电路和功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。
（3）功率放大器
脉冲分配器输出功率很小，远不能满足步进电机需要，，必需将其输出信号放大产生足够大功率，才能驱动步进电机正常运转。所以必需选择功率放大器，需依据步进电机容量选择功率放大器。本设计选择高低压功率放大器。
3.1.4 其它辅助电路设计
（1）8031时钟电路
单片机时钟能够由两种方法产生：内部方法和外部方法。
内部方法利用芯片内部振荡电路，在XTAL1,XTAL2 引脚上外接定时元件。晶体能够在1.2~12之间任意选择，耦合电容在5~30pF 之间，对时钟有微调作用。采取外部时钟方法时，可将XTAL1 直接接地，XTAL2 接外部时钟源。
（2）复位电路
单片机复位全部是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在RESET引脚上出现10ms 以上高电平，单片机就实现实状况态复位，以后CPU便从0000H单元开始实施程序。在实际利用中，若系统中有芯片需要其复位电平和8031复位要求一致时，能够直接相连。当晶振频率选择6MHZ 时，复位电路中C取22μF，R取200Ω ,RK取1000Ω
（３）越程报警电路
为了预防工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管阴极，光敏三极管输出接至8031I/O口P1.0。当任何一个行程开关被压下时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。8031可利用软件设计成查询方法随时检验有没有越界信号。也可接成从光敏三极管集电极输出接至8031外部中止引脚（INT0或INT1），采取中止方法检验越界信号[2]。
3.1.5 机床数控系统硬件电路设计
该系统选择MCS-51系列8031作为主控制器。扩展存放电路为一片2732EPROM 和一片6264RAM。程序存放器扩展为4K，数据存放器扩展为8K。
2732片选控制端直接接地，该电路一直处于选中状态。系统复位以后，CPU从0000H 开始实施监控程序。6264片选端由译码器（74LS138）Y2输出提供。所以6264空间地址为4000H~5FFFH。
系统扩展I/O 接口电路选择通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155片选端接至译码器（74LS138）Y4输出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口地址号分别为8000H 及8001H，8002H，8003H。8155RAM区地址为8000H—80FFH。
8155PA口为控制工作抬X,Z向电机接口。为预防功率放大器高电压干扰，不步进电机接口和功率放大器之间采取光电隔离。
键盘和显示器设计在一起，8155PC口担任键盘列线及显示器扫描控制；PB 口PB0—PB3为键盘行线。8031P1口为显示器字形输出口。该系统采取4X6共24个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加74LS07进行驱动。
PB口剩下I/O线PB4 —PB7分别作为工作台+X，+Z，-X，-Z 四个方向行程限位控制信号。在软件设计上8155PA口，PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4—PB7电平，当某I/O线为0时，应立即停止X，Z向电机驱动，并发出报警信号[4]。
另外，光电隔离器输出端必需采取隔离电源。隔离电源选择7805三端集成稳压器设计。
3.2程序步骤图

图3-2 主程序框图

图3-3 自动进给子程序框图
3.3绘制控制系统原理图
控制系统电路图图3-3所表示。

图3-4 控制系统电路图
总结
这学期我们学习了《机电一体化系统设计》这门课程，并进行了课程设计。为了完成“数控车床进给传动机构及数控系统设计”这一课程设计题目，我们进行了数控系统总方案确实定、进给伺服系统设计计算和控制系统硬件电路设计等过程，使我们综合应用所学机械、电子和微机知识，进行一次机电结合系统训练，从而培养了我们机电产品初步设计计算能力和分析和处理机电方面技术问题能力。
经过这次课程设计，我学会了怎样查阅现有技术资料、怎样举一反三、怎样经过改善并加入自己想法和见解，使之成为自己东西。而且结合生产知识，培养理论联络实际和分析和处理工程实际问题才能，并使大学三年所学知识得到深入巩固、深化和扩展。在此，感谢老师这学期付出，让我们学到了机电一体化方面很多知识。

参考文件
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