经济型数控车床进给伺服系统设计

目录

设计总说明 ..................................................................................................... I GENERAL DESING INTRODUCTIO (Ⅲ)

目录 (Ⅵ)

第一章引言 (1)

1.1数控机床的发展 (1)

1.2数控机床的改造的必要性 (2)

1.3本课题的研究对象及其相关参数 (3)

第二章纵向进给系统总体方案的拟订和论证 (4)

2.1设计任务 (4)

2.2总体方案的论证 (4)

2.3总体方案的确定 (5)

第三章进给伺服系统机械部分设计 (6)

3.1切削力的计算 (6)

3.2滚珠丝杆螺母副的计算和选型 (7)

3.3齿轮传动比的计算 (10)

3.4步进进电机的计算和选型 (11)

第四章数控系统硬件控制设计 (16)

4.1控制系统方案确定 (16)

4.1.1数控系统基本硬件组成 (16)

4.1.2总体组成 (16)

4.2总体组成及软硬件的分配 (16)

4.3主控部分的设计 (17)

4.3.1主控芯片选择 (17)

4.3.2MCS—51系列单片机介绍 (17)

4.3.3三总线结构 (19)

4.3.4存储器结构 (19)

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4.3.5时序 (19)

4.3.6中断功能 (20)

4.3.7MCS---51单片机常用系统扩展芯片 (21)

4.4存储器扩展设计 (22)

4.4.1芯片选择 (22)

4.4.2地址分配及译码 (23)

4.5接口电路及辅助电路具体设计 (26)

4.5.1.步进电机接口电路 (26)

4.5.2.键盘、显示接口 (27)

4.5.3其他辅助电路 (29)

第五章经济型数控系统软件设计 (30)

5.1软件的组成 (30)

5.2插补原理及其程序设计 (30)

5.2.1插补方法概述 (30)

5.2.2逐点比较法的直线插补及其程序设计 (31)

5.2.3逐点比较法的圆弧插补及其程序设计 (34)

5.3步进电机运行程序控制设计 (36)

5.4经济性数控系统的软件模型 (37)

5.4.1模块组成 (37)

5.4.2缓冲区设置 (37)

5.4.3中段处理器 (38)

5.4.4各模块说明及流程图 (38)

结论 (42)

参考文献 (43)

致谢及声明 (44)

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引言

1.1机床的发展

机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床－数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。

数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。

数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：

1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。

2. 加工精度高；

3. 生产效率高；

4. 减轻劳动强度，改善劳动条件；

5. 良好的经济效益；

6. 有利于生产管理的现代化。

数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数

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控机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。

1.2 数控机床改造的必要性

我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待需要新的制造方法及技术。

科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一，它不仅能够提高生产效率，降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。

我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，

全功能的数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国一般的中小型企业购置困难，但是中小型企业为了发展生产，急待对原有机床进行改造。

随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂

一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相

当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统

改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床

的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。

可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。

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1.3本课题的研究对象及其相关参数

根据以上分析，本设计选择对CA6140 普通车床地纵向进给系统进行数控改造。横向进给系统的改造与纵向类同。

相关参数：

加工最大直径：在床面上?400mm

在床鞍上: ?210mm

最大加工长度： 1000mm

溜板及刀架重力：纵向 800N

刀架快速速度：纵向 2.4 mm/min

最大进给速度：纵向 0.6mm/min

主电机功率 7.5kw

启动加速时间 30ms

机床定位精度 0.015mm

此机床进给伺服系统脉冲当量选择：

根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/step, 横向：0.005 mm/step （半径）。

第二章纵向进给系统总体方案的设计

2.1设计任务

本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。利用微机对纵向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副。

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2.2总体方案的论证

对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。

（1）伺服进给系统的改造设计数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。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。所以，本设计决定采用开环控制系统。

（2）数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都由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。在设计的数控装置中，CPU 的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素：

1. 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关；

2. 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关；

3. I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。

除此之外，还应根据数控系统的应用场合、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。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价格更便宜，51系列中，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。本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。

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2.3 总体方案的确定

经总体设计方案的论证后，确定的CA6140车床经济型数控改造示意图如图所示。车床的纵向（Z 轴）进给运动采用步进电机驱动。由8031单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O 接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向进给运动。 车床

或

变速箱步进电机

功率放大器

控制计算机

磁带

计算机手工输入数控程序编制加工工件图纸

第三章 机 械 部 分 设 计

纵向进给系统的设计与计算

1、纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任一端。对车床改造来说外观不必项产品设计要求的那么高，而从改造方便，使用方面来考虑。一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端。

2、纵向进给系统的设计计算，已知条件：

加工最大直径：在床面上 ?400mm

在床鞍上: ?210mm

最大加工长度： 1000mm

溜板及刀架重力：纵向 800N

刀架快速速度：纵向 2.4 mm/min 最大进给速度：纵向 0.6mm/min

主电机功率 7.5kw

启动加速时间 30ms

机床定位精度 0.015mm

此机床进给伺服系统脉冲当量选择：

根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/step, 横向：0.005 mm/step （半径）

3.1计算切削力

纵车外圆

主切削力F

X

（N）按经验公式估算：

F

X =0.67D5.1

max

=0.67×4005.1=5360

车窗创身上加工最大直径，单位为mm 按切削力各分力比例：

F z：F

X ：F

Y

=1：0.25：0.4

F

X

=5360×0.25=1340

F

Y

=5360×0.4=2144

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F X ——走刀方向的切削分力（N ）；

F Y ——垂直走刀方向的切削分力（N ）。

3.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型

滚珠丝杠副传动低效率高，摩擦损失小；启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好，磨损小，使用寿命长，精度保持型好等优点。在经济型数控机床的进给系统中，广泛采用滚珠丝杠副传动机构来实现精密进给运动。

纵向进给丝杠设计如下：

1.计算进给率引力F m (N)

纵向进给为综合性导轨F m =K+f '(Z F +G)

=1.15×1340+0.16(5360+800)=2530（N ） 式中 K-----考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨为

1.15;

f '----滑动导轨摩擦系数：0.15～0.18

G------溜板及刀架重力 ：800N

2.计算最大动负载c c=3L f w F m L=

61060T n ?? n=0

1000L v s ? 0L ---滚珠丝杠导程，初选为6mm ；

s v —最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的31~21，此处为0.6m/min;

T —使用寿命，按15000h;

w f —运转系数，按一般运转取 =1.2～1.5；

L —寿命，以610转为1单位。

- XV - n=

01000L v s ?=65.06.01000??=50r/min L=61060T n ??=6

1015005060??=45 c=3L f w F m =25302.1453??=10798.7N

3、滚珠丝杠螺母副的选型

查阅系列外循环滚珠丝杠副系列尺寸，可选用 4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠，1列2.5圈，其额定动负载为16400N 。等级精度选为3级。

4、传动效率计算

94.0)

10442(442)(''0'

0=+=+=tg tg tg tg ?γγη 式中γ—螺旋升角

?—摩擦角取10‘ 滚动摩擦系数0.003～0.004

5、刚度验算

（1）先画出此纵向进给滚珠丝杠支撑方式草图。最大牵引力为2530N 。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。

查滚珠丝杠轴向拉伸压缩变形图，根据P m =2530N,D 0=40mm ，查出L L δ=1.3×105-

1δ=L

L δ×L=1.3×105-×1500=1.95×102-(mm) 由于两端采用推力球轴承，且丝杠又进行了与拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍，其实际变形量δ

1'（mm ）为

δ1'=41 ×δ1=4

1×1.95×102-=0.4875×102-(mm)

- XVI - (2)滚珠丝杠与螺纹滚道之间接触变形

查w 系列2.5圈1列滚珠丝杠副滚珠和螺纹滚道接触变形图，得变形量

Q δ，因进行了预紧 2δ=21Q δ=21×6.4=3.2μm

(3)支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3δ

采用51106型推力球轴承，d 1=30mm,滚动体直径d Q =8mm,滚动体数量z=8

c δ=0.002432.Z

d F Q m =0.00243238

35.6253?=0.012 公式中F m 单位未kgf

因施加预紧力，故3δ=

21c δ=0.006 根据以上计算：

δ=δ1+2δ+3δ=0.0045+0.0032+0.006=0.0137mm<定位精度

6．稳定性校核

滚珠丝杠两端推力球轴承，不会产生失稳现象，不需作稳定性校核。

- XVII -

3.3齿轮传动比计算

在伺服系统中起间隙主要来自驱动机构中的传动链，它主要有组成传动链的齿轮、丝杠螺母副以及支撑用的轴承制织造与装配误差所产生。丝杠螺母副采用双螺母预进来消除部分间隙，齿轮传动采用双片齿轮传动来消除间隙。

1、纵向进给齿轮箱传动比计算

已确定纵向进给脉冲当量p δ=0.01mm/step ，滚珠丝杠导程L 0

=6mm ，初选步进电动机步距角0.75 。可计算出传动比i:

i=0360L b p

?δ=6

75.001.0360??=0.8 2、可选定齿轮齿数为：

i=25

20403221或=Z Z z 1=32 ,2Z =40或z 1=20 ,2Z =25

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经过综合考虑，选第一组数据。

3.4步进电机的计算和选型

步进电机的选择原则：首先必须保证步进电机的输出转矩大于负载转矩。所以应先计算机械系统的负载转矩，并使所选电机的输出转矩有一定余量，以保证可靠运行。

其次应使步进电机的步矩角与机械系统匹配，已得到机床所需的脉冲当量。 最后应使被选电机能与机械系统的负载惯量及机床要球的启动频率相匹配，并有一定余量，还应使其最高工作频率能满足机床移动部件快速移动的要求

1． 等效转动惯量

传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量J ∑ (kg.cm 2) 可由下列计算： J ∑=m J +1J +(21Z Z )2[（2J +S J ）+20)2(π

L g G ] 式中 m J -----步进电机转子转动惯量 (kg.cm 2)；

1J 、2J ------齿轮z 1,2Z 的转动惯量 (kg.cm 2)；

S J ------滚珠丝杠转动惯量 (kg.cm 2)。

参考同类型机床，初选反映式步进电机150BF ，其转子转动惯量m J =10 kg.cm 2

- XIX -

1J =141311078.0L d ??-=0.78×103-×24.64?=2.62 kg.cm 2

2J =281078.01078.0432423???=???--L d =6.39 kg.cm 2

S J =15041078.043???-=29.952 kg.cm 2

G=800N

代入上式

J ∑=m J +1J +(21Z Z )2[（2J +S J ）+20)2(π

L g G ] =10+2.62+2)4032(

[（6.39+29.952）+2)26.0(8.9800π] =36.355 kg.cm 2

考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题，

m J / J ∑=10/36.355=0.275

基本满足惯量匹配的要求。

2． 电机力矩计算

机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面分别按各阶段计算：

（1） 快速空载起动力矩起M

在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： M 起=max a M +f M +0M

max a M =ε?∑J =a t n J *260max π

∑×210-=a t n J ????-∑601022

max π 360max

max b p v n θδ?=

将前面的数据代入，式中各符号意义同前。

360max

max b p v n θδ?==360

75.001.02400?=500r/min

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起动加速时间a t =30ms

max a M =a

t n J ????-∑601022max π=30.66×21003.0605002-???π=534.85N.cm 折核算到电机轴上的摩擦力矩f M ：

当η=0.8，f '=0.16时

f M =25.18.026.0)8005360(16.02)(21

20'00???+=?+=ππηπηz z L G P f i L F Z =94N.cm 附加摩擦力矩0M

0M =1

20200023

1)1(2Z Z L F i L F m P πηηπη??=- =）（29.0125

.18.026.0253031-????π=805.3×0.19=153N.cm 0P F ------滚珠丝杠预加负荷，一般取m F 3

1 0η------滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取0η≥0.9

上述三项合计：

M 起=max a M +f M +0M

=634.5+94+153=881.5

（2）快速移动时所需力矩快M

快M =f M +0M =94+153=247N.cm

（3）最大切削负载时所需力矩切M

切M =f M +0M +t M =f M +0M +25

.18.026.013401539420???++=ππηi L F x

- XXI - =94+153+127.96

=374.96N.cm

+x 方向进给一步.

（2） 偏差计算 偏差判别式的缺点是驻点进行平方计算，然后再作加

减运算，既麻烦又费时。为简化偏差判别式的计算，仍用递推法

来推算下一步的加工点的偏差。

现以逆圆弧加工情况为例。担任一时刻加工点在圆弧外或圆上，

坐标为),(1i i y x M 时，即F> 0或F <0，由上分析，应向-x 方向走

一步，移到新加工点 ),(11'i i y x M +那么有11-=+i i x x 。此新点的偏

差计算为：

22

222211)1(R y x R y x F i i i i -+-=-+=++

- XXII -

当任一时刻的加工点在圆内，坐标为),(21i i y x M 时，即F< 0，应向+Z 方向进给一步，移到新点，那么有11-=+i i y y 。此时新点的偏差计

算为：

12)1(22222121++=-++=-+=++i i i i i i y F R y x R y x F

上面二式中，i F 为进给的老偏差，i i y x 、为进给前那点的坐标值。

同样的分析方法，可获得顺圆加工情况下的递推公式，如下表。

（4）终点判断 圆弧插补的判别终点的方法，与直线插补的判别终点的方法一样，一是利用X 、Y 两个方向进给的总步数之和；二是利用二方向的总步数较大者作为判终点的依据。所不同的是总步数计算要取终始两点坐标值之差的绝对值。

2.圆弧插的程序设计 根据逐点比较法的特点和圆弧插补的规律，可概括出圆弧插补程序的流程图，如图纸6所示。

5.3步进电机运行程序控制设计

只要给步进电机各项绕组按规定的控制模型输出时序脉冲，步进电机就能按一定的方向转动。在数控技术中，经常要求步进电机工作时随时改变运动方向，才能满足机械加工的需要。步进电机运行控制程序设计的主要任务是：判断运动方向，按顺序送出控制脉冲，判断所要的脉冲是否送完。下面以三相六步步进电机为例，用单片机两种汇编语言说明步进电机运行控制程序的设计方法。

'

21(,)i i M x y +

2．单片机汇编程序设计根据图纸6上的步进电机控制程序框图程序图，编制单片机汇编语言程序如下：

ORG 2000

KZCX: PUSH AF ;

PUSH BC ;

MOV R2, #NH ;

LOOP0: MOV R3, #00H ;

MPVE DPTR, #POINT ;

JNB 00H, LOOP2 ;

LOOP1: MOVE A, R3 ;

MOVC A, A+DPTR ;

JZ LOOP0 ;

MOV P1, A ;

ACALL YANS ;

INC R3 ;

DHNZ R2, LOOP1 ;

POP BC ;

POP AF ;

RET ;

LOOP2: MOV A, R3 ;

ADD A, #7H ;

MOV R3, A ;

AJMP LOOP1 ;

POINT: DB 01H ;

DB 03H ;

DB 02H ;

DB 06H ;

DB 04H ;

DB 05H ;

DB 00H ;

DB 01H ;

DB 05H ;

DB 04H ;

DB 06H ;

DB 02H ;

DB 03H ;

DB 00H ;

POINT: EQU 150H ;

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YANS: (略)

经济型数控车床控制部分的软件设计采用模块化。

5.4经济型数控软件部分设计

5.4.1模块组成

同一硬件控制系统，可以采用不同的软件结构和编程方法。本控制软件决定采用模块化设计方法，本程序主要有如下模块组成：

●主模块，用于系统初始化和监控。

●子程序模块。

●实时修改显示缓冲区数据模块。

●键盘、显示定时扫描管理模块。

其中除了主模块和子程序模块外，其余均为中断执行方式模块。

5.4.2缓冲区设置

应设置两个缓冲区：键盘缓冲区和显示缓冲区。

1.键盘缓冲区

主要用于存放由键盘输入的命令，长度为4字节，地址为8031内部RAM 区20H ~23H。第一字可用于缓冲区空、满等标志，定义如下：（20H）=00H，缓冲区为空，（20H）=01H~03H，缓冲区未处理完的命令个数，显然（20H）=03H时即为满。其余3个字节内存放具体的命令码。为防止误操作，可以进一步规定：命令码若为00H，为无效命令。

从本系统的实际情况及后面的软件框图可以看出，键盘缓冲区很少出现两个或两以上未处理命令码，一般情况只要出现一个命令码，马上会得到处理。

2.显示缓冲区

主要用于存放欲显示的具体数据，每一字节对应一显示位，共5个字节，

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地址为8031内部RAM25H~29H，分别对应百位、十位、个位（包括小数点）、10-1位和10-2。

除上述缓冲区外，根据需要，可以设立一些标志位，在具体碰到实在说明。

5.4.3中段处理器

所处理时间最为紧急的则其中段级别应为最高。根据本题实际情况，中段模块的优先级如下：

模块名级别

越界报警、急停处理模块0 高

实时修改显示缓冲期数据模块 1 ↓

键盘、显示定时扫描管理模块 2 低

5.4.4各模块说明及流程图

（1）主模块

主模块功能为：初始化、监控。其中初始化包括8155初始化、缓冲区清零、定时/技术常数的设置、开中断等处理；监控主要是否有命令按下，并根据命令调用相应的子程序模块。

主模块流程简图见图5-1。

（2）“↑”、“↓”、“←”、“→”子程序模块

根据键盘功能的设定，相应的字程序模块包括：“→”命令处理模块、“↑”、“↓”、“←”命令及暂停命令处理模块。这里设定一标志，其作用是反映工作台的当前运动方向。标志位为RAM区的2BH，其定义如下：

2BH单元当前运定方向

（2B）=01H “→” +Z

（2B）=02H “←” -Z

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