毕业设计（论文）-基于单片机的CK6163数控车床控制系统设计.docx

中文摘要本文主要是利用单片机对CK6163数控车床的控制系统进行设计，使其能够被改造成现在市场上所需要的经济型车床。本设计的CK6163数控车床，是采用两个步进电机对机床的X轴和7.轴进行进给系统的控制。本设计采用逐点比较法进行直线和圆前插补，最终能实现对外圆、惟度、螺纹、端面等的自动加工控制，能对纵向和横向进给运动的行程和速度进行自动控制。降低了劳动强度，实现并增强其自动化加工、稳定质量、提高工效和适用性。依据典型的工艺数据，首先应对系统的机械部分进行必要的设计，包括主传动系统的设计、回转刀架的选择和进给系统的确定等。再对控制部分进行设计，包括通过对电机的选型确定骑动元件，对控制硬件和软件的选择进行电路图的绘制和程序的编写，最终实现车床的自动控制。基于MCS51单片机对电机的控制系统进行设计，从而实现对整个控制系统的确定设计.关健词数控机床控制系统步进电机MCS51单片机外文摘要Tit1.eDeSignOfCK6163CNCIatheCOntrO1.SyStembasedOnSingIeChiPmicrocomputerAbstractThispapermain1.yusesasing1.echipmicrocomputertodesignthecontro1.systemofCK6163CNC1.athe,wichcanbetransformedintoIheeconomica1.1.athethatisnce<iedinthemarketnow.ThedesignedCK6163CNC1.atheiscontro1.1.edbytwosteppingmotorsfortheXandZaxisofthemachinetoo1.ThisdesignUSESthestraight1.ineandarcinterpo1.ationpointbypointcomparisonmethod,fina1.1.ycanrea1.izeexterna1.circu1.ar,taper,screw,endautomaticprocessingcontro1.,whowi1.1.takecareofthe1.ongitudina1.andtransversefeedmotionstrokeandspeedforautomaticcontro1.Itreducestheintensityof1.abor,rea1.izesandenhancesitsautomation,stabi1.ity,efficiencyandapp1.icabi1.ity.Basedontypica1.processdata,thefirstresponsetothemechanica1.partstomakethenecessarydesign,inc1.udingthedesignofthemaintransmissionsystem,se1.ectionofrotarytoo1.restandthedeterminationoffeedsystem,etc.Againtodesigncontro1.part,inc1.udingthroughthemotorse1.ectiondeterminethedrivinge1.ement,these1.ectionofcontro1.hardwareandsoftwareofcircuitdiagramdrawingandwritingoftheprogram,fina1.1.yrea1.izestheautomaticcontro1.ofmachinetoo1.Thedesignofthecontro1.systemofIhemotorbasedonMCS51sing1.echipisdesignedtorea1.izethedesignofthewho1.econtro1.system.Keywords:CNCmachinetoo1.s,contro1.systems,steppermotors,sing1.e-chip目录第1章绪论11.1 数控车床介绍I1.2 数控车床发展历史和国内发屣现状41.3 本课题的意义5第2章设计任务与方案确定71. 1设计内容72. 2设计技术参数83. 3数控系统总体方案设计8第3章纵向进给传动部件的计算和选型103.1切削力的计算103. 2滚珠丝杠螺母副的计算和选型111. 2.1精度的选择113. 2.2统杠导程的确定114. 2.3最大工作载荷的计算115. 2.4最大动载荷的计算126. 2.5滚珠丝杠螺母副的选型127. 2.6滚珠丝杠副的支承方式123. 3同步带减速机构设计133. 3.1传动比的确定134. 3.2传递功率的估算133. 3.3选择带型和节距143. 3.4确定带轮齿数和节圆直径144. 4.本章小结15第四受伺服系统的设计164.1 控制系统的选择164.2 纵向步进电机的计算175. 2.1纵向步进电机的选择1843横向步进电机的计算194. 3.1横向步进电机的选择204.4本章小结21第五章控制系统硬件设计225.1 MCS.51芯片介绍221 .1.1.单片机的主要特点245 .2.2.单片机应用245.28255A芯片的应用255.3单片机I/O扩展电路设计及功能265.4 光电隔离电路275.5 键盘功能控制电路275.6显示驱动电路295.7串口通信接口电路305.8其它相关电路31第六章控制系统软件设计及仿真326.1Kei1.软件介绍326.2Proteus软件应用326.3程序设计及调试326.4Ui翼36第七章结论38参考文献39致谢41第1章绪论1.1 数控车床介绍数控车床是数控机床的一种，数控机床主要有:个方面的加工优势，分别为加工效率高、加工精度高以及加工产品性能高0正由于这些方面的优势，数控机床应用广泛，主要用于加工那些普通机床加工不了的结构纪杂、精度高I1.加工数量较少的零件。这样在提升产品质量和性能结构的同时，还能够得到最大程度的经济效益。数控机床种类繁多，该课题设计的数控车床就是其中的种，另外还包括铳床、磨床、钻床等等，这些也都是平时在加工时经常遇到的机床。本设计主要是对数控车床的控制系统进行设计。数控机床在进行加工时，主要是将事先编写好的程序输入到数控装置中，再经过分析转变成相应的指令，输出到控制系统中，以达到自动化加工的H的。因此，加工程序起到决定性作用，程序如果产生错误，会导致整个加工过程的失败，并且在编写程序时，还需要考虑到其它各种加工因素，比如加工的整体路线、加工时相关具体参数、刀具的加工转换和其他一些辅助功能等等.将这些因素都结合之后，最终按照一定的格式编写加工程序单.程序媪写好之后，需要将这些程序输入到机床的数控装理中，从而指挥机床进行零件的加工，指挥车床进行自动加工。而输入工作方式乂可分为两种方式，第种是在输入的同时进行加工，顾名思义，就是在输入下一个程序时，前个程序已经在进行加工，第二种是将程序次性输入,将其偏存在数控装置的储存罂中，当需要加工时再将其调用出来，数控机床在进行零件加工时，不需要人为操作，只需通过改变程序既能改变加工步骤，路线，进而达到加工不同零件的目的，既方便又实用。(1)数控机床的工作原理在介绍之前，必须对数控编程的主要过程作必要的了解。基本步臊如下图11所示-Ig1.工*过1.1.r1.¾h图1-1数控编程的步骤由上图可知，数控机床在对零件进行加工时，主要是将事先编写好的程序输入到数控装置中，（程序在编写时难免会出现错误，而数控系统在进行加工之前会对其进行分析检查，出现错误的程序系统会发出警告，进行修改，而有些程序是在加工过程中被发现,这就需要停止工作，仔细检查修改,最终确保程序正确J修改检查无误后数控系统会输出相应的指令再经过分析转变成相应的指令，输出到控制系统中，控制机床的各项运动，比如主轴的运动、刀具的自动交换、加工路线的选齐等其他的一些基木操作。使机床对工件按照所给程序中的正确顺序和矶迹进行加工和停止。而在数控车床不断的加工过程中，要不断的进行检查以使刀具和工件处在所要求的相对位置。这样便能加工出符合要求的产品。其加工工件过程图如F图1-2所示:图1-2数控机床工作原理（2）数控机床的组成数控机床主要由五部分组成，其组成框架如下图1-3所示：下表IT面是对其组成的详细介绍。图13数控机床的加成框图表11数控机床各组成简要介绍名称介绍及功能控制介质数控机床在进行工件作业时，一般都是自动加工，不需要人为的操作，达到这一目的就必须在数控机床之间搭造一种必要的联系，控制介质就是建立这种联系的中间媒介物。它记录岩工件的加工步骤.本设计配有键盘和数码管进行控制显示。数控装置作为数控机床的“心脏”。数控装巴是机床的控制装置，其主要功能有很多，其中包括：多坐标控制：补偿功能：程序的修改功能：插补功能等等。伺服系统伺服系统，就是将数控装置上所接受到的指令进行接受，来浜动机床执行机构运动的驱动机构。在每个执行部件上面，都会相应的配上一套伺服系统,它的作用就相当于一个人的双手，对工作台进行精确的操作使我能够按照一定的运动轨迹进行相对运动，加工出最后的零件。测量反馈装置测量反馈装置是闭环（半闭环）数控机床的检测环节，没有这一装置的系统称为开环控制系统。它的功能是检测数控机床轴的运动速度和位移，以达到对CNC设备的信息反馈。本设计选用的控制系统为开环控制系统，因此不需要该测量反馈装置。机床本体机床本体，顾名思义，就是数控机床的主体.开始时一直沿用的普通机床。随着数控技术的不断发展，传统的机床结构已经不能够达到技术性能的要求，因为其切屑用量大，连续作业导致发热都会影响加工精度。因此，数控机床必须简化机械传动结构，使其设计相较于普通机床更加的完善，加工的精密要求比一般机床更加苛刻。为J'能使数控机床的功能得到最大程度的发挥，数控机床除主体（包括床身、主轴、进给机构等）之外，还应该需要一些配套设备，比如辅助运动设备、液用气动系统、冷却装置和其他部分。（3）数控机床加工特点：1）可以加工更杂的零件，如包含必要的瓠线，曲面等:2）能够使加工的自动化得到提高：3）加工精度高;4）能终是工序得到集中，降低r工件的频繁移动：5）极大提高了加工效率，缩短生产周期：6）节省劳动力，降低了劳动强度；7）适用于中小批员生产。1.2 数控车床发展历史和国内发展现状1952年，第一台数控铳床在美国诞生，他的问世，代表了数控机床时代的来临，也代表着整个世界的机械行业向自动化发展的开始。但由于当时科学技术的局限性，那时的数控装置普遍都是一些体积大、价格高的电子管元件，只在一小部分领域得到了应用，来加工所需要的复杂工件，并未得到广泛的应用。1959年，晶体管元件和电路板的出现，推动J'数控技术的发展，历史上称这一出现为数控装置的第二代，主耍由r具体积有所减少，价格也有很大的下降。1965年,集成电路数控装四被发明出来，这是个里程碑的发现，代表若数控装置的第三代。相比于前两代的，该数控装置集合了它们的所仃优点，并在此基础上得到了进步的加强，价格更加便宜，性能更加优越，极大的促进了数控机床品种和产量的发展。60年代末，第四代计算机数控系统(CNC)出现。1974年，又出现了第五代微型计算机控制装置，其性能相较于前几代，有着飞跃性的提升，且体积更小，相当于第三代的1/20,价格也更加的便比。随着科学技术的提高，出现了更好更强大的数控装置，数控技术得到了飞速发展。制造业的发展水平在一定程度上上决定了一个国家的发展情况。我国之前普遍使用的依然是普通机床，具有很多缺点，不仅加工速度慢，而且加工困难，不能加工一些结构包杂的零件，更不必提那些精度要求高的零件.就相关数据显示,我国机床的数控化率不足2%。因此在机械加工制造等方面都远远地落后于西方发达国家随着国外数控机床的发展，我国的机械制造业己经深深意识到传统的普通机床已经不能满足当下的社会要求，发展数控机床已经成为我国的当务之急。受到西方数控加工的剌激，从上个世纪起，我国的机床需求旺盛，成为世界最大的机床消费和进口国家，而数控机床是机床消费的主要部分。而随着我国制造业技术的提高，我国在数控机床方面取得了很大的进展。上个世纪后期，我国不断进行产业结构调整，积极发展数控机床。由于我国的普通机床仍然数量极大，因此维纯的靠引进国外产品会导致严重的浪费，为了减少投资，我国利用原来的部分普通机床，对其进行一系列的加工改造，以达到数控化的目的。我国也逐渐意识到数控机床对社会发展的应要性，因此使得数控机床成为机械工业发展的关键产品。但是，我国的机床水平相比于西方国家依旧较低，还不能加工出高质用的数控机床,因此.发展经济型数控机床成为我国发展的重要环节.并且由其结构简单，使丁维修，因此在我国被广泛的应用。在我国之后的发展中,数控技术会越来越先进，我国也会生产加工出更加先进的数控机床，从而提高我国整体实力。1.3 本课题的意义虽说我国的数控技术在这些年取得了不小的进展，但是和国外一些发达国家比较，在一些方面依旧有若很大的不足.现代社会，是一个智能化的时代，制造技术也在向着高速化,自动化和智能化方向发展.作为制造业大国，数控技术的欠缺，很大程度抑制了我国制造业的发展和整体水平的提高。发展数控机床已经成为我国的当务之急。而由于我国之前直采用的是普通机床进行加工生产，生产率低，精度低，我国也面临着产品结构的调整和再升级，因此需要对部分普通机床进行数控化改造，改造成功能强大，性价比高的经济型机床，使其能够达到自动化程度。这样不仅能使零件的加工效率和精度提升上去，还能提高经济效益和社会效益，减少了资源的浪焚。本课题主要是利用中片机对CK6163数控车床的控制系统进行设计，不仅是当前社会制造业的主要课题，也是我国生产力得到飞速发展的主要推动力，这也是本设计的主要意义之所在。并且，本课即选用的MCS51系列单片机作为数控车床的控制部分。利用单片机进行改造的数控机床具有很多优点，比如能加工普通机床加工不出的好杂、精度窗的零件：能提高系统效率：操作简单方便快捷等.该类数控机床也是现代数控化改造的主流机床，具有很强的实际意义。以下是此次设计需要完成的内容：（1）分析数控车床CK6163的基本原理，对CK6163数控乍床的控制系统进行数控化改造。以达到经济型数控车的设计目的。（2）根据对原数控机床的技术规格、技术参数、各部分尺寸的分析，改造后车床的主要机械部件不变和主轴转速及最大加工件尺寸和加工螺纹等功能不变。设计出数控车床的基本控制原理结构简图。（3）以8位的MCS51型系统单片微型计算机为核心，构建出设计数控车床控制的整个控制结构图。并绘制出电路原理图，控制系统包括数控系统的串口通讯、控制显示、键盘输入等低层驱动程序等。第2章设计任务与方案确定2.1设计内容本课题主要是利用单片机对CK6163（如图2-1）数控车床的控制系统进行设计。利用MCS-51系列单片机，时纵、横向进给系统进给进行开环控制，采用步进电机进行驱动：选择滚珠统杠进行传动，来自动控制纵向和横向进给运动的行程和速度，对零件中各种不同的端而和螺纹能进行加工，比如园柱面和圆柱螺纹等。最终实现机床的全自动控制,包括主轴的起动，停止和变速、进给运动的行程、刀具的变换等。在设计过程中，本人也意识到创新的重要性，以卜.则是一些在设计过程中体现的特色和创新：1）用插补运算的方法设计程序2）编写必要的程序流程图3）掌握单片机的硬件结构4）提高系统抗干扰能力.同时，在设计时，充分考虑到其对于社会的可持续发展的影响，尽量选用的是一些现在市场上最为先进的机械部分和控制部分，以使得所设计的成果能对社会有定的作用。其次，考虑到数控机床难免对环境有影响.所以尽量选用的是便于回收、能被反笈利用I1.价格相对较低的部件进行设计，以眼大程度的降低对环境的污染。图21CK6163数控车床外观图2. 2设计技术参数1.机械部分:工件最大回转直径工件最大长度主轴转速范围（16级）刀架快速移动速度630亳米1500%米32-1000转/分纵向横向3. 6米/分1.8米/分2.数控部分:插补运算原理脉冲当量：Z轴（纵向）X轴（横向）逐点比较原理0.O1.nIn/脉冲0.（HMn/脉冲2.3数控系统总体方案设计本课题主要是对数控机床的控制部分进行设计。因此在对数控车床的控制系统进行设计创新的时候，必须考虑到各种情况，比如降低成本、增强性能、提高加工效率等，以使得数控车床能满足自动化的要求.考虑以上因素，该设计的总体方案包含一下几个方面，并对其作简要概述.（1）系统的运动方式确定：数控系统按运动方式分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。这三种控制系统备有特点，在此不赘述，考虑到本课题的实际情况，因其加工精度要求不是很高，并且动作简单，经综合考虑，运动方式选择连续控制系统。（2）何服系统的选择：伺服系统可以分为闭环控制系统、半闭环控制系统和开环控制系统三类。前两种伺服系统均带有检测装餐，控制精度比较高，但成本i且调试豆杂.而开环系统虽不带检测装置，精度不高，但结构不豆杂，成本较低，简单易懂，易于调试，符合所设计的数控车床对精度要求不太高性能.并且为了简化结构，考虑经济效益，选择步进电机驱动的开环控制系统。（3）数控系统处理器的选择：根据数控车床的具体要求，选用MCS_51单片机作为CK6163数控车床控制系统的控制芯片，因为该系列单片机功能强大，性价比高，抗干扰能力强,能满足本设计要求。（4）键盘和显示电路在设计过程中需要被考虑在内，1.ED数码管作为其显示界面，数控系统还可以和PC机串行通信，所以还要设计串行接口电路。（5）纵向和横向开关也是在设计过程中对安全方面考虑所必需的。（6）控制电路的设计。（7）滚珠丝杠螺母副的选择。（8）控制系统的软件设计根据CK6163数控车床控制系统的设计要求，由于步进电机在低转矩、高精度、速度适中等特点。因此选用步进电机进行控制。控制过程采用逐点比较法。根据上面所要求的数控机床方案，可以大概先拟定好其数控系统和控制方法，系统的总体框图如下：第3章纵向进给传动部件的计算和选型3.1切削力的计算切削力是指在切屑过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的讲是在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力“在进行外例切削时的切削力如图3-1所示。其中所示的三个力分别为主切削力P=PqK式中：p一主轴电动机功率，P=IIAW:一主传动系统总效率，般为0.75-0.85,取=0.8：K一进给系统功率系数，取K-0.96“/1=11x0.8x0.96=8.4«(AW)切削功率又可由公式8=mX1.O-'进行计算。切削功率在进行计算时有一定的要求，必须按加工时产生的最大切削力和切削速度来计算，所以公式中V取100mZmin,则主切削力：工=华X*端$*5088(N)根据经验公式F.:Fv:F1=IiO.4:0.35,计算出：F,=5088X0.4=2035.2(N)F1=5088×0.35=1780.8(N)3.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型3.2.1精度的选择滚珠丝杠副的精度在选择时，必须具有严格的标准。因其将直接影响着机床的定位精度。对于数控车床，滚珠丝杠的精度要求一般为X轴13级，Z轴25级。本课即因对定位精度要求不是特别高，因此选用的是X轴：3级：Z轴：4级。3.2.2丝杠导程的确定丝杠导程在选择时，一般都是优先选择导程较小的丝杠，这样即经济又能提裔控制精度。本设计初选纵向丝杠导程为8”皿，横向丝杠导程为5加。3.2.3最大工作载荷的计算最大工作载荷的计算如下表所示：表3-1En实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式K矩形导轨"=KF,+(F.+F1.1.+G)1.10.15燕尾导轨F1.KFS+2F,+G)1.40.2综合或三角导轨Fa1.=KF、+(尼+(；)1.150.15-0.18K：实验系数：滑动导轨摩擦系数：G：移动部件总重笈.综合考虑选择三角导轨,取K=1.1.5,=0.18,G=1500N：求得匕=KF1+“（F：+G）=1.15X1780.8+0.18×<5088÷1500）=3233.76（N）3. 2.4最大动载荷的计算动载荷是指随着时间的变化，使构件的速度产生改变的种载荷。需要对滚珠丝杠螺母副的好大动载荷进行计算，用Fq表示，公式为FQ=N1.fJF1.n1.一滚珠丝杠副的寿命系数，1.=6O11TIO6。一我荷系数，一般取1.21.5,本设计取1.2：4一硬度系数，本设计取I匕一最大工作载荷本设计中选择丁（使用寿命）=I5OO（M.（丝杠每分钟转速）经计算得100rmin,最后计算的1.=90：再根据=1.2,将其代入/人人耳，求得：F=17390No3.2.5滚珠丝杠螺母副的选型由上面计算得出最大动我G=I7390N,选择内循环式滚珠丝杠副，型号为F1.5008-3精度等级4级，相关参数如下表3-2所示。表3-2F1.50O8-3里摘珠丝杠爆母副相关参数公际直径/mm导程/nun钢球直径/nun丝杠外役/nun丝杠底径/mm额定段荷/KN接触刚度/Nm-'daPbC4diCiUC18975084.76348.645.2466313.2.6滚珠丝杠副的支承方式本课题还需对滚珠丝杠副的支承方式进行选择，对它的选择其目的是用来用来防止丝杠的轴向发生富动，提急传动刚度.考虑本课题的具体情况，提高压杆稳定性，纵向丝杠选用双推一简支支承方式。3.3同步带减速机构设计同步带又称同步齿形带，它主要用于骈动皮带轮和被动轮之间有固定传动比的情况。同步带是通过凸齿皮带和皮带轮上的齿槽和强制啮合工作的。采用同步带进行工作可以延长轴承使用寿命，并且具有结构简单，成本低，防滑等优点，本课题即选用同步带进行工作。3.3.1传动比的确定由i=24和当"=丝可出_%O?Ph3360纥式中：4一电机编码器分辨率，单位为度/脉冲：内一丝杠分辨率，单位为度/脉冲：。一丝杠导程，其值为8m“：p一脉冲当量，本设计中Z轴为0.OOIwvm/脉冲。初选电机编码器的纹数为1000,四倍细分，即=*1.=0.09(度/脉冲)，I(X)O×4第弹丸_?_=236()×0.0013.3.2传递功率的估算由运动学可知，对该传动机构传递功率的研究只要考虑三种工作状态，他们分别是：最大负载I1.最大工进速度、快速空载启动、最快空载移动。而最快空载移动的传递功率定是小于前两者的，所以在进行比较时，只需要对前两者进行比较。(1)最大传递功率估算：一”+/)展式中：户IU一丝杠的最大工作载荷，其值为3233.76N：匕m”一最大工进速度，换算为瑞"s；人一预紧摩擦力，堆位N,%=；匕=161.7泗),(摩擦系数"取0.15)O8计算得出:Pm=(3233.8+161.7)X=45.3(W),(2)快速启动时的最大传递功率估算：Pn=(%+%+6)%式中：乙-移动部件加速时所受的合力即惯性力，七=Ig+(?)2J.V-=3607.4(N)该式中丝杠的转动惯量枝=7.81.()TD"=112.13(cw2),D：公称直径，1.：丝杠长度,VM为OJ",s,/°为O2s,Ph为0.8cm；F,一滑动摩擦力，E=O.18XG=270(N)。计算得出：PC=(3607.4+270+161.7)×0.1=403.9(W)因为PJPn,所以带的传递功率PI1.=KP“=1.5X403.9W=605.85W(K1,取1.5).3.3.3选择带型和节距在上面的计算中，得出带的传递功率以0由下表3-3可得，|可步带选择X1.型，节即=5.()Sm?一表33同步带型号型号节距/nun基准带宽传递功率范困ZkW基准带宽/"IM说明XM特轻型)5.0800.004-0.5739.5GB/T11616-1989GB/T11362-19891.(轻型)9.5250.05(7625.1H(重型)12.70C0.6-5576.23.3.4确定带轮齿数和节圆直径X1.型小带轮转速在1200"min至1800"min时的最少许用齿数为为了提高传动精度，取小齿轮数4=24,小带轮节圆直径4=旦=38.815m).传ZT动比i=2,根据Z2z=i,d"d=i,计算得大齿轮齿数数Z2=48,大带轮节圆直径4=/J1=77.62QnW)O；X(V)XV当主动轮最高转速IMx=Tr=I500"11in)时，同步带的线速度为:Ih就_3.14x38.81x15006O×1(X)060000=3.05(is).远小于X1.型带的极限速度40ws,所以满足要求。M：横向进给传动部件的计算与选型，由上述计算可同理获得；1 .滚珠丝杠螺母副选择内循环式滚珠丝杠副，型号为F1.4OO5-3型，精度等级3级。2 .2.滚珠丝杠副支承：双推-鲍推3 .同步带带型选择X1.型，其节距p=5.0&，3. 4.本章小结本章主要是对纵向和横向进给传动机构的的计算和选择“对其的选择总结如下所示：纵向：滚珠丝杠螺母副型号：F1.5008-3,精度3级，内循环：滚珠丝杠副支承：双推-简支；同步带带型：X1.型，节距=5.08”：横向：滚珠丝杠螺母副型号：F1.4OO5-3,精度3级，内循环：滚珠丝杠副支承：双推-雎推：同步带带型:X1.型，其节距p=5.08r三第四章伺服系统的设计3.1 控制系统的选择控制系统分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。本设计主要选择的是开环控制系统，由驱动控制环节（环形分配器和加减速电路）、执行元件（步进电机）和机床（滚珠丝杠、工作台等）三大部分组成.其优点是精度高、结构简单，成本较低，简单易懂，易丁调试，符合所设计的数控车床对精度要求不太高的要求,并且就实际设计为r简化结构，考虑经济效益，因此选择步进电机驱动的开环控制系统。由于开环系统的指令信号都是单方向传送，旦指令发出去之后，就不会再进行反馈,这就是开坏控制系统的主要特点。本设计选用步进电机对其进行驱动,原理图如卜图4-1所示：1 .电机2.减速齿轮3.支承装置4.丝杆5.拖板图1-1步进电机开环控制原理图步进电机的主要特点分别为：（1）电机旋转角度正比脉冲数：（2）转动惯量小，响应快；（3）输出精度高，无枳累误差；<4）寿命长，使用方便简单,且便于维修。4. 2纵向步进电机的计算(1)电机负载转动惯量力：y+吗，'i2叫Fg式中：Jf一一折算到电动机轴上的转动惯国(kg/cm：)J1齿轮Z1.的转动惯量(kgcm)J2一一齿轮乙的转动惯量(kgcm,)J3一一滚珠丝杠的转动惯量(kgcm2)一一估算参数如果是对钢质的圆柱形零件，则转动惯量进行如下计算：J,=7.8×1()7×641×2kg.cm-=2.536kg.cmJ2=7.8×IoT×84×2kg,ci11j=6.490kg.cm8Jx=7.8×KF*×3.2'×120kg.cmi=9.615kg.cm21806,O_00.0x01.2忒)FJT3.140.75'rkg.cm2=0.615kg.cm21.252×9.82Jr=1.+(-)241.=23.493k.cm:>Mr(2)工作状况卜转矩计算D电机负载转矩7；，和最大冷转矩当2'W"-Nm=1.492Nm冏211X0.953X0.98X1.25忽略后动时运动部件惯性影响，有下式：1352上匕N11=4.607Nm«0.3可由式求得，其中:0.866,则:Ti6.204Nm'2)快速空载启动时所需转矩T：工作台快速移动时，电动机转速：vmJ2000×1.25,.TUUC/-Ii=-三ii-=rmIn=456.<r/ran尼5由下式可求出qm2其中t=25ms=0.025s,则InaX得：Ti=三2.319NmT产岖,n=0.105Nm'2同理，F产工1.3=2350.53N,则：Tu.,=1.934NmIn由此可得：T=Tm“+T=4.428Nm快速移动时所需力矩兀,。可由下式得：7；,-Tvt-7.=2.219N*n最大切削负载所需力矩小：%Tt+T毕11,i=2.838Nm通过上面对T、Tt*和T切的计算，求得快速空载启动时所需转矩T最大，所以，以此作为初选步进电机的依据“4.2.1纵向步进电机的选择(1)步进电机最i工作频率：f-1000×260×0.01.HZ=3333.33Hz根据计算数据，最大群转矩7；一、=5.204Nm快速空我启动时所需转矩T=2718Nm,步进电机的最高工作频率为1.u1-3333.33Hz,选用步距角1.5“的步进电机，选用UOBFOO3-1.5/0.75型反应式步进电机。(2)110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机的主要参数见表3.1所示。表4T110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机参数型号相数额定电压/N静态电流/A步角距(0)保持转矩最大静转矩空教启动频率/Hz空载运行频率/Hz110BE00338061.5/0.757.84150070004.3横向步进电机的计算(1)电机负载转动惯量4：f,+,/80S、，G1叫Ig式中：Jf一一折兑到电动机轴上的转动惯量<kgc)J1一一齿轮ZJ的转动惯量(kg/cm：)Jz齿轮力的转动惯量(kg/cm：)Jy滚珠丝杠的转动惯地(kgcm')一一估算参数如果是对钢质的圆柱形零件，则转动惯星:进行如下计算:工力8XIOTX6*×2kg,cm3=2.536kg.cm3J2=7.8×1()7x叶2kg.cm2=6.490kg.cm"Js=7.8×K)T×3.24×120kg.Cmj9.615kg.cm：(1800.01.03.14×0.75S500x1.252×9.82kg.cn2=0-615kg.cm',f4+人J8()Z>uG_4no.工=J1.+，.；，+(1)z23.493kg.cmi'电，i'R(2)工作状况下转矩计算1)电机负载转矩计鸵及最大静转矩71、的计算。Nm=1.492Nm1652.(>)6×61.032x0.953x0.98x1.25忽略启动时运动部件惯性影响，有下式:Nm=4.607Nm*0.37；In“可由式求得，其中'=0866,WJ：/；,="=6.204Nm2）快速空载启动时所需转矩T：当工作台快速移动时，电动机的转速可由下式计算：vm42（XX）×1.25,.Ii=-j2ii-=rmn=456.7rmnR5由下式可求出7Bux，其中t=25ms=0.025s,则J得:Ig=3=2.319Nmr=皿n,E=0.105Nm,1.11同理，F产（/3=2350.53N,则：T=n.n=1.934Nm211由此可得：r=.+7）+7:=4.428Nm快速移动时所需力矩可由下式得：G=%=7；+T=2.219Nm最大切削负载时所需力矩Tsv可由下式求得：Tvi=rf+%+1.,i=2.838Nm通过上面对T、T,和TW的计算，求得快速空载启动时所需转矩T域大，所以,以此作为初选步进电机的依据。4.3.1 横向步进电机的选择<1）步进电机最高工作频率可由下式求得：fm三1000×260×0.O1.Hz=3333.33Hz由计算得，最大静转矩7；小-5.204N快速空载启动时所需转矩T-2.718Nin.步进电机的最高工作频率为tm3333.33Hz,选用步距角1.5'的步进电机，选用I1.oBFOo3-1.5/0.75型反应式步进电机。<2)U0BF003-1.5/0.75型反应式步进电机的主要参数见表4-2所示。表4-2110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机参数型号相数额定电压/N静态电流/A步向距(0)保持转矩最大静转矩空载后动频率/Hz空载运行频率/Hz110BE00338061.5/0.757.84150070004.4本章小结本章主要是对伺服系统进行设计，主要是对步进电机进行计算选型，进过计算后得出：纵向步进电机选择I1.OBFo03-1.5/0.75型反应式步进电机：横向步进电机选择UoBF0037.5/0.75型反应式步进电机。第五章控制系统硬件设计根据微机结构的划分，数控系统可分为两类：单微处理器和多微处理器结构,单微处理罂数控系统结构简单、性价比高,是些标准数控系统优先考虑的对像。但是单微处理罂也具仃其局限性,不能适用宏杂、功能要求多的数控机床。常采用功能相对较全面的多微处理器数控系统来满足数控机床对速度、精确度和功能等方面的要求。就本课题的具体情况，更适合选用结构相对简雎，成本较低的雎微处理器，因其已经能基本满足本设计的速度和精度要求，并且操作简单。硬件结构有以下几个部分：(1)中央处理单元CPU：(2)总线存储器(4)输入输出接口电路：(5)外部设备.5.1MCS_51芯片介绍*tt11KBSBTXTAI.I图5TMCS51的片机内部结构框图1980年，美国Inte1.公司推出了MCS_51单片机,该系列单片机共有40条引脚,其分别具有不同的作用，其中包括32条I/O接口引脚，4条控制引脚，2条电源引脚,2条时钟引脚。如图5-2所示01234567P1P1P1P1P1P1P1P1XTA1.1POO/ADOPO14AD1PO2AD2×TA1.2PO3AD3PO4A