CA6140机床进给系统数控改造.docx

培黎机械工程学院课程设计报告（20222023学年第二学期）题目：CA6140机床进给系统数控改造课程：机电一体化课程设计专业班级：智能制造201班摘要随着科学技术的迅猛发展，数控机床已经成为衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志。采用经济型数控系统对普通机床进行数控化改造，尤其适合我国普通机床拥有量大，生产规模小的具体国情。机电体化技术涉及机械、电子、以及控制等多门学科，是现代工业最主要的基触技术和核心技术之是衡量个国家机械装备发展水平的重要标志。本次设计是对CA6I40普通车床的数控化改造,基于AT89C5I单片机控制三相步进电机对普通车床进行纵向进给与横向进给的数控化改造。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的：同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，并且通过数码管显示其转速的级别.另外通过单片机实现它的正反转,步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种开环控制1>关键词：C6I4()普通乍床：数控化改造：数控车床：纵向进给：横向进给：数码AbstractWiththerapiddeve1.opmentofscienceandtechno1.ogy.CNCmachinetookhavebecomeanimportantsymbo1.tomeasurethe1.eve1.ofacountry'smachinerymanufacturingindustry.Theuseofeconomica1.CNCsystemtocarryoutnumerica1.contro1.t11nsfb11nationofordinarymachinetoo1.s,especia1.1.ysuitab1.eforthespecificnationa1.conditionsofChinasordinarymachinetoo1.swih1.argeownershipandsma1.1.productionsca1.e.Mcchatronicstechno1.ogyinvo1.vesmechanica1.,e1.ectronic,andcontro1.andotherdiscip1.ines,isoneofthemostinoriambasicandcoretechno1.ogiesofncie11industry,andisanimportantsymbo1.tomeasurethedeve1.opment1.eve1.ofacountry,snechanica1.equipment.Thisdesignisanumerica1.contro1.IranstbrinaiionofCA6140ordinary1.ae,andthenumerica1.cont11)1.transformationof1.ongitudina1.teedand1.atera1.feedofordinar),1.atheiscarriedoutbasedonI89C51sing1.e-chipmicrocomputercontro1.three-phasesteppern)tor.Asteppermotorisanactuaorthatconvertse1.ect,ica1.impu1.sesintoangu1.ardisp1.acement.Whenthestepperdriverreceivesapu1.sesigna1.,itdrivesthesteppermotortorotateafixedang1.e(ca1.1.ed',stcpang1.e*)inthesetdirection,anditsrotationisrnstepbystepatafixedang1.e.Theamountofangu1.ardisp1.acementcanbecontro1.1.edbycontro1.1.ingthenumberofpu1.ses,soastoachievethepurposeofaccuratepositioning;At(hesametime.Ihcspeedandacce1.erationofmotorrota1.ioncanbecon1.ro1.1.cdbycontro1.1.ingthepu1.sefrequency,soastoachievethepurposeofspeedregu1.ation,and(he1.eve1.ofitsspeedcanbedisp1.ayedthroughthedigita1.1.ube.Inaddition,throughIhesing1.e-chipmicrocomputertoachieveitsforwardandreverserotation,steppermotorcanbeusedasaspecia1.motorforcontro1.,usingitsCharaccerisiicsofnoaccumu1.atederror,wide1.yusedinvariousopen-1.oopcontro1.Keywords:CA6140ordinary1.athe:CNCtransformation:CNC1.athes;1.ongitudina1.feed:1.atera1.feed:Nixie1.ube.目录摘要1第一以普通车床数控化改造绪论41.1 IO41.2 数控机床在我国的发展概况41.3 数控机床的发展趋势5第二章机械部分的设计62.1 CA6!40普通车床的数控化改造设计方案的拟定62.2 总体方案确定6221总体方案设计要求62.3 主要设计参数82.4 CA6140车床进给伺限系统机械部分设计计算92.4.1 系统脓冲当喳的选择92.4.2 纵向机械传动部分的数控化改造和设计计算92.4.3 横向机械传动部分的数控化改造和设计计算162.5 步进电机拖动的开环系统19第三章微机数控系统的设计203硬件电路的设计202.5.1 绘制系统电气控制的结构框图203.2 软件电路的设计213.3 AF89C51芯片213.3.1 AT89C5I芯片引脚及片外总线结构223.3.2 AT89C5I单片机片内结构223.4 单片机殷小系统电路223.4.1 数玛管品示电路223.4.2 按键电路233.4.3 电机及驱动电路233.5 程序设计243.5.1 程序设计框图243.5.2 程序设计流程图253.5.3 转速控制25354主程序截图273.5.5 程序测试及仿真28总结29致谢30参考文献31附件主程序32第一章普通车床数控化改造绪论1.1概述1 .机床数控化改造的目的用数控装置、伺服系统、滚珠丝杠副及其他辅助装置等对普通机床进行数控化改造,将其有机结合，使普通机床基本具备同类数控机床的性能的数控机床。提高零件生产效率、降低劳动强度，提高零件加工精度，实现笈杂曲而、曲线的自动化成型加工，实现“柔性自动化”加工单件、小批量生.产的精密零件加工，以适应近年来机电产品市场不断变化的需要。2 .机床数控化改造的意义目前，各企业一般都有不少普通机床，完全用数控机床加以替换根本不可能。解决这个问题，必须走普通机床数控化改造之路。通过对普通机床进行数控化改造，使普通机床成为与同类数控机床的性能相近的数控机床，以适应复杂零件加工及零件加工多变性的各项新要求，以提高企业在机械加工业中的竞争力，机床数控化改造的经济性：(1)减少投资额，交货期短.同购买新机床相比大大节省/费用的投入，改造费用低，大型、特殊机床尤其明显：而且交货期短.(2)旧机床的力学性能稳定可咏。旧机床所利用的床身、立柱等基础件都是坚固的铸造件，经过了长期的自然去庖力，机床的应力已失效，改造后机床的性能高、腹员好,可以作为新机床持续使用多年。(3)熟悉设备，便于操作维修。改造后的机床，可以精确的计算出机床的加工能力，并由于多年使用，操作者对机床的加工特性非常了解，在操作使用及维修方面培训时间短，见效快。(4)可以充分利用现有的条件。可以充分利用现有地基，及利用加工现场现有的其他条件，减少安装费用的投入.1.2 数控机床在我国的发展概况我国从1958年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并忒制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始，研制晶体管数控系统，直到60年代末和70年代初，研制的劈锥数控跣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究.1972-1979年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统：数控技术在车、铳、镇、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用：数控加工中心机床研制成功：数控升降台铳床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从80年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家弓I进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国GE公司的MTC1.数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所乂开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。1.3 数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度,还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计卯机集成制造系统的适应能力。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU.德国的S1.EMENS和美国的A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到IMB以上,机床分辨率可达0I微米,高速进给可达100nVmin1控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺。在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展,以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数个集成元件所取代，从而克服f零点漂移,湿度漂移等弱点。第二章机械部分的设计2.1 CA6140普通车床的数控化改造设计方案的拟定数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基研数控装备的整体水平标志着个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。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，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，圾后确定一个可行的总体方案。2.2 总体方案确定2.2.1 总体方案设计要求总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式、伺服系统的类型，计算机(CNC装置)以及传动方式和执行机构的选择等。1 .数控系统的选择：普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、恻弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等.因此.数控系统选连续控制系统。综合考虑性价比，根据改造的要求,本方案选用广州数控公司生产的GSK980TD乍床系统，广州数控公司同时生产与该数控系统相匹配的伺服驱动错,从而有利于维修和管理。GSK98()TD数控系统采用先进的开放体系结构，性价比高，且属于连续切割控制系统。2 .同服系统的选择：CA6I40普通车床数控化改造后一般属于经济里数控机床，在保证具有一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用以步进电动机为驱动装置的开环控制系统。3 .根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，本方案采用P1.C控制步进电动机的形式实现.，4 .电气部分设计：根据系统的功能要求，微机数控系统中除J'CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、NO接口电路：包括能输入加工程序和控制命令的钺盘.能显示加工数据和机床状态信息的显示潺,包括光电隔离电路和步进电动机驶动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。5 .功能部件的选择：主要是滚珠丝杠及其支掾方式的选择、以及设计自动回转刀架及其控制电路等等（简写）。6 .机械结构设计：纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电动机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。另外，耍时机床导轨进行维护，我们采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。7 .机械传动方式：为实现机床所要求的分辨率，采用齿轮丝杠的诚速方式：为保证定的传动精度和平科性，尽员减少摩擦力,选用滚珠丝杆螺母副取代原车床丝杠；为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构：齿轮传动也采用消除齿侧间隙的结构。经济型数控车床总体结构框图如图1-1所示步进电动机床鞋及拖板中滑板机光电隔离功率放大步进电动机图1-1经济型数控车床总体结构框图2.3 主要设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和车床拟定实施数控化改造所需要的参数。CA6I40型车床的数控化改造设计参数如卜丁D机床最大加工直径:在床身上400mm,在床鞍上210mm,2）最大加工长度：100O11m03）拖板及刀架无力：纵向I000N,横向600N,4）刀架快进速度Vmajc:纵向2.4mmin,横向1.2nVnin.5）最大进给速度：纵向OSRmin,横向O.25mmin（6）机床定位精度：±0.015mm07）主电动机功率：7.5KWo8）启动加速时间：30ms.9）用;小分辨率：纵向：0.01mm,横向:0.005mmo10）刀具补偿量：0-9999mm.11）控制坐标数：212）最小指令值：纵向：O.I5m11V脉冲，横向：0.05m11V1.昧冲。13）脉冲分配方式：逐点比较法2.4 CA6140车床进给伺服系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计.算，空载起动及切削力计算，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。现分述如F：2.4.1 系统脉冲当量的选择一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位.脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铳床常采用的脉冲当量是0.15005mm/脉冲。根据机床精度要求确定脉冲当员，纵向：O.I5mnV脉冲，横向：0.05mm脉冲。2.4.2 纵向机械传动部分的数控化改造和设计计算1 .切削力的计算。在设计机床进给伺服系统时，计奥传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，下面介绍数控车床中的切削力的计算。由d机床设计手册可知，切削功率：Pc=P11K式中P-主轴电动机功率，P=Z5KW:-主传动系统总效率，一般为O75-O.85,IU=0.8：K-进给系统功率系数，取K=0.96:则Pc=7.5X0.8X0.96(KW)=5.76(KW)切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和肢大切削转速来计算，即PC=等×10360式中FZ-主切照力(N)；V一切屑速度(m/min)。按最大切削速度计算，取V=100mmin,则主切屑力为FZ=华X103f=WFX103=3456FV100由机床设计手册可知,在外圆车削时:Fx=(0.1-0.55)Fz,Fy=(0.150.65)Fz取纵向切削分力Fx=0.5Fz,横向切削分力Fy=O6Fz.则Fv=O.5Fz=O.5X3456N=1728N>=0.6Fz=0.6×3456N=2073.6N2 .濠珠丝杠设计计算a、螺纹滚道型面的选择：单圆弧型面、双圆弧型面。应要求经济、易调试、稳定.因此选择双圆弧型面.b、滚珠循环方式：内循环、外循环要求结构简单、工艺性优良、适合成批生产、经济实用，适用于重载荷传动、高速驱动及精密定位系统，应用广泛。因此选用外循环方式。c、轴向间隙的调整和预紧力的选择：垫片式、螺纹式、齿差式要求经济可靠、易拆装、刚度高：并且结构简堆、装卸方便。因此选用双螺母垫片式预紧。3 .计算进给牵引力耳I(N),可根据机床设计手册中进给牵引力的试验公式计算，纵向为三角形导轨。则由前所知：FX=1728/V得:Fz=3456jVG=100OjVFm.KFx+f'Fz+G)=1.15×1728/V+0.15X(3456+1000)V=2655.6/V式中K颠覆力矩影响的试验系数.取K=1.I5：f-滑动导轨摩擦因数：f=0.15-0.18;%f=0.15；G溜板及刀架重力.G=10N.4.计尊最大动负载C(N)可以用下式计免：C=Vifwf1.1.Fm其中：60×n×T-IO61000XV,Z1.=A式中1.0滚珠丝杠导程,初选d=5廊；%最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(1.31.2).本机床取1/2T一使用寿命,按1.5000h计第；AV运转系数，按一般运转九=1.21.5;取自=1.2；启一烈度系数，为60HRC时,G=I,小系60HRC时,f1.i>,本机床取I：£一寿命，以1。6转为I个单位.将数据分别带入上式得:<o%_Ie1.aoXDSXe1.5=50r/min60×n×T60X5OX15000IO6刀/=45万转C=Vtfwf11Fm=V45×1.3×2655.6N=12255.6/V5 .滚珠丝杠螺母副的选型杳机械零件设计手册及根据CVc1.(C1.是丝杠的额定载荷)的原则，使选用的滚珠丝杠的额定动载荷大丁计莫的最大工作载荷，由上面初选丝杠导程及计算所得的最大动载荷，选用滚珠丝杠型号为CDM32O5-5,其表示外循环插管Tj双螺母垫片预禁、导珠管埋入式的滚珠丝杠，公称直径为32mm,导程为5mm,右旋螺纹，载荷钢球为5圈.精度3级的定位滚珠丝杠副。CDM3205-5的额定动载荷为18616N>12255.6N,故强度足够。CDM3205-5型滚珠丝杠具体参数见表2-1表2-1CDM3205-5型滚珠丝杠具体参数公称直径mm导程mm钢球直径Zmm丝杠外径mm螺纹底径mm额定载荷/N接触刚度/(NZum)或P。DW4Gc03253.1731.28.21861657092108')6 .滚珠丝杠的验算(1)传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为：tannn=tan(+)式中丫一螺旋升角,根据tany=，可得Y=2。73'3J4XATT»HTx-摩擦角,=10'°将各数据带入上式得：tan_tn2073,°=tan(y+)=Sn(2073,+10')=0966(2)稳定性校核。要使滚珠丝杠不失稳的条件是：临界负载荷外Fmax.根据公式RfEIFK=-1.2K式中&一丝杠支承方式系数，杳机械零件设计手册可知，f=2.0(双推-简支)；1.一丝杠两支承端距离，CDM32O5-5丝杠两支承端距高为160Omm=I60cm;K-滚珠丝杠的静安全系数，取K=I/4：1一截面惯性矩.=d4.其中d=-1.2Dw)64式中盛-滚珠丝杠的公称直径，d1.)=32mm=3.2cm。心滚珠丝杠的滚珠直径，DW=375mm=O.31.75则/=(3.2-1.2×0.3175)%/=3.10cm4647.确定齿轮传动比可由传动比计算公式i=/丁九其中,6P=O.0Imm/步;初选%-0.75。：P0=5mm.则360×0.01i=0.960.75X5可选定齿轮齿数为i=2=竺Z250齿轮材料采用40Cr,调质处理，精度等级取7级，前后轴承选用8024型潦动轴承，齿轮传动时效率小=0.98.由于进绐运动齿轮受力不大，且根据优先选用第系列的原则，取模数m=2,由经验公式可知，齿宽b=20mm,则分度圆直径分别为由=ZIm=48X2mn=96mmd2=Z2m=50×2mm=100mzn中心距为：m(Z1+Z2)2×(48+50)=nm=98nun乙乙8.步进电动机的计算与选择<1)负效转矩(7)及最大静转矩(7)maQ的计算。根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩可按下式估算：FmP02655.6×6×IO-3Tm=c.="CCCN-m=2.79IN-m2110i2X3.14X0.966X0.98X0.96若不考虑起动时运动部件惯性的影响，则起动转矩为_Tn1.°=0.3-0.5取安全系数为0.3,则Tm2.791Tq=-=-Nm=<).3Q3N-7n杳实用微电机手册，当步进电动机为三相六拍时，选步进电动机的起动转矩和最大静转矩的关系a=#-=0.951,则maxTa9.303弓2=广丽=9782Nm(2)初选步进电动机型号。查实用微电机手册，根据估算出来的最大静转矩Tjmax=9.782JVm,可初选UoBYG350B型步进电动机，其最大静转矩为12Nm基本可满足要求。(3)各种工况下转矩计算a.负载转动惯量计算。折算到电动机轴上的转动惯量按卜.式估算。f=i+()z(2+3+j2式中"一折算到电动机轴上的转动惯用(kg-cm2)i/1尚轮的转动惯量(kgcm2)iz一齿轮的转动惯量(.kgcm2)i分滚珠丝杠的转动惯量(kgcm?)；g一重力加速度。对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量按卜.式估算：式中D一圆形零件的直径；1.一零件轴向长度。则1=7.8X104×6.44×2kgcm2=2.617kg-cm2J2=7.8X1.oTX8'x2kg-cm2=6.39Okgcm2J3=7.8×104×44×16Okgcm2=31.949kgcm2,48,100O0.5,oJf=2.167kg-cm2+）6.390+31.949+×（7）2gcm2U7.01.XJ.14,=38.096kgcm2b快速空数起动时所需转矩T.因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时，应满足快速空载起动时所需转矩T的要求：T=foamax式中七”皿一快速空载起动时所需的转矩（Nm）;77克服摩擦所需的转矩（Nm）丁。一丝杠预案所引起的折算到电动机抽上的附加转矩（Nm）.由动力学可知：TamaX=J时其中，£=哭，（为加速时间常数，=3OmS=O.03sn=白丝。3UtPO则2000X0.96n=r/mtn=320rmin6，3.14×320Tamax=38.096XIoTXRnMnfn=4.253/VntJUU.UOGfP0100OX0.16×5×10-3Tr=：=-T-Ce/,CCCCc,Nm=0.165Nmr2110i2×3.14×0.966×0.98×0.96_FOPo_8852X50X10S0-2n01.i2×3.14×0.966×0.98×0.96"7"式中尸Ir预加载荷，一般为最大轴向敦荷的1/3,即F0=Fm=×2655.6jV=885.2N5Tq=Tamax+Tf+T0=(4.253+0.165+7.775)F-m=12.193jVmc.快速移动时所需转矩7块z.,=r+T0=(0.165+7.755)=7.92rm<1.最大切削负我时所需转矩:E6FXPo/1728×5×IOTT切=Tf+T第+K=7>+丁。+嗝=(°-,65+7775+2×3.14×0,966X0,96)=9.423/V11从以上计算可以看出，快速空载起动时所需转矩T、快速移动时所需转矩T次和最大切削负载时所需转矩丁”一种工况下，快速空载起动时所需转矩T最大。所以，以此项作为校核初选电动机的依据，初选步进电动机为三项混合式步进电机。由前面查得结果可知，步进电动机为三相六拍时，起动转矩和最大静转矩的关系：入二/一=0.951,jmaxETq12.193加广诉=12821Nm.步进电动机的最高工作频率Anax100Ovmax1000×2.4篇"=60=rHZ=4。0OHZ由以上选型及计算，最终选用IIoBYG350B型反应式步进电动机。2.4.3横向机械传动部分的数控化改造和设计计算1 .切削力的计算。因为横向进给址为纵向的1/3-1/2,取1/2,则横向主切削力约为纵向的1/2.Fz="x3456N=1728N由机床设计手册可知,其经验公式为Fx=0.5FztFy=0.6式中横切端面时进给力:g.-背向力。=0.5E=O.5×I728N=864NFy=0.65=0.6X1728=1036.82.滚珠丝杠设计计打滚珠丝杠的选用方案可参照纵向机械传动部分的数控化改造和设计计鸵中的选用型方案及选择原因横向滚珠丝杠，即(I)螺纹滚道型面选用双圆弧面。(2)滚珠循环方式选用外循环。(3)轴向间隙的调整和预紧力选用双螺母垫片预紧3 .计笄进给牵引力Fm(N).可根据机床设计手册中牵引力的试验公式计算,横向为燕尾形导轨，则Fm=1.AF+f+2Px+G')则Fm=1.4X1036.8+0.16X(1728+2X864+600)N=21.48N4 .计算最大动载荷C(N)：由式得1000v1000X0.3X0,5n=-=PO460X37.5×15000rnin=37.5rninIO6方转=33.75月转C=yfi×fw×f1.1.×Fm=V375X1.3×1X2100.48=8824.4/V5 .选择滚珠丝杠螺母副根据C<Ct1.的原则，使选取的滚珠丝杠的额定动载荷大丁计算的最大工作教荷，查。机械零件设计手册电了版,由上初选统杠导程及计算所得的最大载荷，选取滚珠丝杠型号为CDM2(XM-5,其表示外循环插管式、双螺母垫片预紧导珠管埋入式的滚珠丝杠，公称直彳仝为20mm,导程为4mm.右旋螺纹，载荷钢球为5圈,精度3级的定位滚珠丝杠副。CDM24-5的额定动载荷为IO639N>8824.4N.故强度足够，CDM2004-5型滚珠丝杠具体参数见表22表2-2CDM2OO4-5型滚珠丝杠具体参数公称直径mm导fVZmni钢球直彳mm丝杠外径mm螺纹底径mm额定载荷/N接触刚度/(NZum)d。PODWdtd2CaC-2042.38I19.717.01063928722117X6 .确定齿轮传动比其中，=0005mm/步：参考实用微电机手册，初选g=0.75。：P=4nun.则360X0.005f=0.75×4=°6可选定齿轮齿数为i=幺=竺Z230齿轮材料40Cr,调质处理，精度等级取7级，前后轴承选用8024型流动轴承，齿轮传动时效率为%=0.98.,由于进给运动齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，取m=2,由经脸公式可知，齿宽b=20mm,则分度圆直径分别为d1.=Z1.m=18×2mm=36mmd2=Z2×m=30×2mm=60mnr+1,um(Zi+Z2>2×118+3O).o中心距：a='=mm=48mm步进电动机的选择与计算(同上步进电动机的选择)根据负载转矩及最大静转矩的计和，可初选步进电动机型号为I1.oBR)03型步进电动机，计算负我转动惯量、快速空载起动时所需转矩、快速移动时所需转矩、破大切屑负载时所需转矩、步进电动机最高工作效率，可选出步进电动机的型号为I1.OBFO032.5步进电机拖动的开环系统系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等，由控制系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入湍，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定丁步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低.该系统结构简单，调试维修方便，工作可掌，成本低，易改装成功。第三章微机数控系统的设计3.1 硬件电路的设计硬件是组成系统的基础，也是软件编程的前提，数控系统硬件设计包括以卜.几部分内容：3.1.1 绘制系统电气控制的结构框图据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图“机床硬件电路由五部分组成:主控制器，即中央处理单元CPU：总线，包括数据总线、地址总线和控制总线:存储器，包括程序存储器和数据存储蹲：接口,即输入，输出接口电路：外围设备，如键盘、显示器等。机床数控系统硬件框图如图3.1所示：图3.1机床数控系统饿件框图（开环系统）选择中央处理单元CPU的类型根据设计要求，CNC系统的主CPU采用AT89C51单片机.存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。选择EPROM作程序存储器时，应考虑：速度应与CPU时钟匹配：容垃适中。I/O接口电路设计设计内容包括：据外部要求选用1/0接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如身位、掉电保护等）。这部分设计要求考虑系统的驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可罪。在存储器扩展利【，0接口电路中，均涉及到地址译码问题。3.2 软件电路的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.软件设计步骤分为以下几步：根据软件要求实现的功能，制定出软件技术要求：将整个软件模块化，确定个模块的编制要求，包括个模块功能，入口参数，出口参数：据硬件资源，合理分配好存储单元：分别对个模块编程，并谢试：连接各模块，进行统一谢试及优化：固化到程序存储器中；数控系统中常用的软件模块：软件实现环形分配器；插补运算模块：自动升降速控制模块等。3.3 AT89C51芯片三相步进电机的控制要求为：1、能对三相步进电机的转速、启动停止进行控制：2、可实现三相步进电机的正反转控制：3、能对三相步进电机的步数进行控制。33.1AT89C51芯片引脚及片外总线结构AT89C5I芯片引脚功能AT89C5I芯片有39个引脚，引脚配理如图3.3所示。I.”-÷÷H±XTM1POOAOOPo1.(AO1.POZAD2PO3/ADJP041AD4PO406PO&A06RSTPO7AD7P2OA8P2VA9P?2,AIOP5R3决P21A11P?4/A12P25/A13P2&A14P?7/A1SP1.OPJORXDP1.1P3i.xnP1.2P32*TP1.3P33*Y1P14P34/T0”13P3VT1P1P3*9戏P1.7P3，而AT8&C51CC0CK-11.Hz图3.3ATS9C51芯片引脚3.3.2AT89C51单片机片内结构AT89C5I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、UO口、串行门、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。3.4 单片机最小系统电路3.4.1 数码管显示电路数码管显示电路由1位7段1.ED数码管显示当前转速档位（共9个档位），具体如图3.4.1所示。图3.4.1RN3.4.2 按键电路按键电路需要实现按键控制步进电机正转、反转、加速、减速、停止，总共有5个按键，具体如图3.4.2所示。一产3正转S=SW2反转产口1档c¾减档X拧止按键图3.4.23.4.3电机及驱动电路电机及驱动电路由AT89C5I驱动芯片、De-5V步进电机、转数指示灯等构成，具体如图543所示。21.01.g1.s1.MK2c×4cc7c按健图3.4.33.5程序设计3.5.1 程序设计框图如图3.5.1所示。图3513.5.2 程序设计流程图如图352所示.图3.5.23.5.3 转速控制有脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲，通过脉冲控制器的选择，在通过三相六拍环形分配器使：个输出继电器YO、Y1.和Y2按照单双六拍的方式接通，其接通顺序为：Yo-!-Yo、Yi-!>Y1-!-Y1、Y2-!-Y2-!-Y2、YotT图3.5.3“该过程时应于三相步进电机的通电顺序为：u-T-U、Vv!>v、W-TiAW-7-AW.UtT图3.53-2通过正反转驱动环节（调换相序）,改变Y（VY1.和Y2接通的顺序，以实现步进电机的正反转控制，即三监：Y0N、Y1Y1Y1.Y2NaAYa、丫。tI图3.53-3三YM、Yo-Yo>Yo、Ya>Y2匕、Yt图3.534如图3.5.4所示?!o1.dBn(>T0-Xnic<>HTDUD-Of定时。行她化爱时01药的化正科结承灯凫,就认初始化是正KSi：Oe1.ay-MSOO>jW-1.