6c163纵向数控改造设计.doc

摘 要
目前,在市场上购买一台数控车床的价格远大于改装一台普通车床所需花费，且在有技术条件下，对普通车床的数控化改造更可行。所以，本课题着重对普通车床的数控化改造设计。
本设计是对普通车床C6163的数控化改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。其中主要对伺服系统、数控系统等方面做了详细的计算和设计。
　　本文研究了数控伺服系统的工作原理，阐述了C6163机床的数控化改造方案，分析了数控化改造过程中数控系统的选型。根据机械、动力学及电气设计原理，对数控机床的主传动系统进行了设计和校核；根据进给系统的要求，对切削力和滚珠丝杠进行了计算，并选配了合适的齿轮和进给电机。
主要设计过程如下：
首先，明确设计任务，构思总体结构方案，确定主要构件位置和总体结构；
其次，根据工作条件进行理论计算，分析性能要求，合理选择主要零部件；
第三，对设计的产品进行经济性、环保性分析。
通过设计，可以得到以下结论：
一是，机床数控化改造后，能够达到所要求的加工精度，有很大的经济价值；
二是，设计理论不够成熟，本设计最大的缺陷是从生产技术来看，设计产品的实用与推广进一步研究。我们要加强理论与实践的结合，使我们的设计越来越科学先进。

关键词：C6163车床;数控化;改造设计

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目 录
第一章 概论
1.1数控系统发展的简史 2
1.2国内数控机床状况的分析 2
1.3数控系统的发展趋势 2
1.4机床数控化改造的必要性 3
第二章普通车床数控改造的可行性论证
2.1 车床的数控改造 4
2.2可行性论证 7
第三章设计方案
3.1总体设计方案的确定 8
3.2横向进给伺服系统机械部分的计算与校核 10
3.2.1 选择脉冲当量 11
3.2.2计算切削 11
3.2.3滚珠丝杆螺母副的计算与选型 12
3.2.4齿轮传动比的计算 16
3.2.5步进电机的计算,校核与选型 17
第四章 数控系统硬件电路设计
4.1数控系统基本硬件组成 22
4.2单片机控制系统的设计 24
4.2.1 硬件电路的组成 24
4.2.2机械控制系统原理及电路设计总结 26
4.3数控车床数控系统软件的设计 29
参考文献 34
1 概 论
1.1 数控系统发展简史
　　1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。
1.2国内数控机床状况分析
1.2.1国内数控机床现状：近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。 近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。 
1.3 数控系统的发展趋势
1.3.1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展：基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。
1.3.2向高速化和高精度化发展：这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。
1.4机床数控化改造的必要性
1.4.1微观看改造的必要性：从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。
(1) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。
由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。
(2) 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了"柔性自动化"。
(3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要"修配"。
(4) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。
(5) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。
(6) 由以上五条派生的好处。
1.4.2宏观看改造的必要性
　　从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已达20.8％，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。
2 普通车床数控改造的可行性论证
对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的原则是：在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。
2.1 车床的数控改造
2.1.1数控机床工作原理及组成
(1) 数控机床工作原理：
数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。
(2) 数控机床的组成：
数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图2-1

图2-1
数控机床的组成图
2.1.2设计内容及任务
普通车床（C6163）的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（包括纵向、横向进给系统的设计与计算）、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床调速电动机控制电路的设计。
本设计任务是对C6163卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲，横向最小运动单位0.005/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。
2.1.3 数控部分的设计改造
(1) 数控系统运动方式的确定
数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。由于C6163车床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。
(2)伺服进给系统的设计改造
数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。
闭环控制方案的优点是可以达到高的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。
半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。
开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。
经过上序比较，由于所改造的C6163车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。
(3) 数控系统的硬件电路设计
数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。
数控装置的设计方案通常有：
2.1.4机械改造部分的设计
(1) 主传动部分的改造设计
将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。
(2) 进给机构的改造
将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。
2.2 可行性论证
根据《自动化制造系统》，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。
根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。
由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性论证。
本改造设计是对普通车床C6136进行经济型数控改造。在改造设计中，采用自己设置的数控装置，加上两台伺服电机，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副，一台变频调速电动机，四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过8万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。

3 设计方案
3.1 总体方案的确定
3.1.1系统的运动方式与伺服系统的选择
由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。
3.1.2 计算机系统
根据机床要求，采用8位微机。由于MCS—51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，决定采用MCS—51系列的8031单片机扩展系统。
3.1.3 机械传动方式
为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆。为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。
3.1.4 运动方式的确定
数按系统运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。由于C6163车床要加工复杂轮廓零件，所以本次设计采用连续控制系统。
3.1.5 系统的选择
伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。经过比较，由于C6163车床加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。
3.1.6 机构传动方式的确定
为确保数控系统的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、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：
(1) 尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。
(2) 尽量消除传动间隙。例如采用隙齿轮等。
(3) 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。
3.1.7 微机的选择
微机数控系统由CPU、存储器扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。
3.2 横向进给伺服系统机械部分计算与校核实例
3.2.1 计算切削力
横切端面
式中——车床床身上加工最大直径横切端面时主切削力可取纵切时的

式中 ——走刀方向的切削力（N）
——垂直走刀方向的切削力（N）

3.2.2 杆螺母副的设计、计算与选型
(1) 计算牵引力
横向进给选为三角型或综合导轨 参考《机床设计手册.2》6.2-2；6.2-3表
式中：，，——切削分力（Ｎ）
G——移动部件的重量（N） 表1-1查得横向溜板及刀架重力500N
——滑动导轨摩擦系数，随导轨形式而不同 取=0.15-0.18
K——考虑颠复力矩影响的实验系数 取K=1.15

(2) 计算最大动负载C
选用滚珠丝杆导轨 参考《机床设计手册.3》P185-P210
式中：L——寿命，以转为一单位
n——丝杆转速（r/min）
——为最大切削条件下进给速度，可取最高进给速度的1/2-1/3
取
——丝杆导程（mm） 初选=6mm
T——为使用寿命（h）,对于数控机床取15000h
——运转系数，查表3-14一般取1.2-1.5

(3) 螺母副的选型
可采用WD3006外循环垫片调整紧的双螺母滚珠丝杆副，1列2.5圈，其额定动负载为9700N,精度等级按表3-17选为３级。
(4) 传动效率计算

式中：——螺旋升角，WD3006
——摩擦角取 滚动摩擦系数0.003-0.004

(5) 刚度验算
横向进给丝杆支承方式图２所示，最大牵引力2087.98N,支承间距Ｌ＝350mm，因丝杆长度较短，不需预紧螺母及轴承预紧。
计算如下:
丝杆的拉伸或压缩变形量(mm)
查阅,根据＝2087.98N,D=30mm查出 可算出：

c) 滚珠与螺纹滚道间接触变形量
查图得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
d) 支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形
　　采用推力球轴承5204查阅《机床设计手册.２》表5.9-137,d=20mm,滚动体直径=5.556mm,数量Z=13

综合以上几项变形量之和：
〈定位精度>
(6) 稳定性校核
计算临界负载(N)

式中:E——材料弹性模量()
I——截面惯性矩()
L——丝杆两轴承端距离(cm)
——丝杆支承方式系数，从表3.15中查出，一端固定，一端简支为2.00

一般=2.5-4.0,所以>>
此滚珠丝杆不会产生失稳。
(7) 横向滚珠丝杆副的几何参数 (见表1)
表1
参数名称
符号
关系式
WD3006
螺
纹
滚
道
公称直径

30

导程

6
接触角

钢球直径

3.175
滚道法面半径
R

1.651
偏心距
e

0.045
螺纹升角

螺
杆
外径
d

29.365
内径

26.788
接触直径

26.83
螺
母
螺纹直径
D

33.212
内径

30.635

3.2.3 齿轮传动比计算
已确定横向脉冲当量，滚珠直径导程=6mm,
初选步进电动机步距角可计算传动比:

考虑到结构上的原因不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板有行程，故此处可采用两级齿轮降速。

因进给运动齿轮受力不大，模数````取2，有关参数参照表2
表2: 传动齿轮几何参数
齿数
Z
18
45
20
32
分度圆
d=mz
36
90
40
64
齿顶圆

40
94
44
68
齿根圆

31
85
35
59
齿宽
(6-10)m
20
中心距

63
52

3.2.4 横向步进电机的计算，校核和选型
(1) 初选步进电机
a) 计算步进电机负载转矩

式中: ——脉冲当量，取0.01mm/step.
——进给牵引力(N)
——步距角，初选双拍制为
——电机—丝杆传动效率为齿轮、轴承、丝杆效率之积分别为

b) 估算步进电机起动转矩
根据负载转矩除以一定的安全系数来估算步进电机起动转矩(N.cm)

一般横向进给伺服系统取0.4-0.5

c) 计算最大静转矩
查表3-22如取五相十拍，则

d) 计算步进电机运行频率和最高启动频率

式中:——最大切削进给速度
——最大快移速度
——脉冲当量，取

根据估算出的最大静转矩在表3-23中查出150BFG2815最大静转矩为245N.cm >可以满足经济型数控机床有可能使用较大的切削用量，应该选用稍大转矩的步进电机，以留有一定余量，另一方面与国内同类型机床进行类比的要求。决定采用150BFG2915，但从《综合作业指导书》P24页查出，步进电机最高空载启动频率为4000Hz,满足空载时(3333.33Hz)的要求。
(2) 校核步进电机转矩
前面所述初选步进电机的转矩计算，均为估算，初选后，应该进行校核计算。
a) 等效转动惯量计算
计算简图见图2，根据表3-24，经二对齿轮降速时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量可由下式计算:

式中:——齿轮及其轴的转动惯量
——齿轮的转动惯量
——丝杆转动惯量
——丝杆导程(cm)
G——工件及工作台重量(N) G=500(N)
b) 齿轮、轴、丝杆等圆柱体惯量计算
表3-24所示圆柱体转动惯量计算公式如下:
对于钢材，
式中:M——圆柱体质量
D——圆柱体直径 (cm)
L——圆柱体长度或原长(cm)
钢材的密度为

因此

基本满足惯量匹配的要求。
c) 电机转矩计算
机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算:
快速空载起动转矩
在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算如下：

式中: ——快速空载起动转矩
——空载起动时折算到电机轴上的摩擦转矩
——折算到电机轴上的摩擦转矩
——由于丝杆预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩
在采用丝杆螺母副传动时，上述各种转矩可用下式计算：

式中:——传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量
——电机最大角速度
——电机最大转速
——运动部件最快速度
——脉冲当量
——步进电机的步距角
——运动部件从停止到起动加速到最大快进速度所需时间(s)

起动加速时间=30(ms)

折算到电机轴上的摩擦转矩

式中: ——导轨的摩擦力(N)
——垂直方向的切削力(N)
G——运动部件的总重量(N)
——导轨摩擦系数，取=0.15
——齿轮降速比
——传动链总效率，一般可取0.7-0.8

附加摩擦转矩:

式中: ——滚珠丝杆预加负荷，一般取，为进给牵引力(N)
——滚珠丝杆导程(cm)
——滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取

上述三项合计:

快速移动时所需转矩

最大切削负载时所需要的转矩

式中: ——折算到电机轴上的切削负载转矩

从上面计算看出、、三种工况下，以快速空载所需转矩最大，即以此项作为校核步进电机转矩的依据。
从表3-22查出，当步进电机为五相十拍时为
则最大静转矩为:

从表3-23查出150BFG2815最大转矩为为245，大于所需最大静转矩，可以满足此项要求。
d) 校核步进电动机起动矩频特性和运行矩频特性
前面已经计算出机床最大快移时，需步进电机的最高起动频率为3333.33Hz,切削进给时所需步进电机运行频率为1666.7Hz
从表3-23中查出150BFG2815型步进电机允许的最高空载起动频率为4000Hz，运行频率为16000Hz，再从图3-15，3-16查出150BFG2815步进电机起动矩频特性和运行矩频特性如图3所示:

当快速运动和切削进给时，150BFG2815型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性可以满足要求。

3.3纵向进给伺服系机械部分计算与校核
3.3.1 计算切削力
主切削力F（N）按经验公式估算：

—走刀方向的切削分力（N）
—车床身上加工最大直径（mm）=630mm
=10594.63（N）
：：=1：0.25：0.4
—走刀方向的切削力
—垂直走刀方向的切削力
=0.25=2648.66(N)
=0.4=4237.85(N)
3.3.2 丝杆螺母副的计算和造型
(1) 计算进给牵引力
纵向进给选为综合导轨。参考表6.2—2，6.2—3两表〈〈机床设计手册.3〉〉
查书《综合作业指导书》P22

在正常情况下：
—考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15
—滑动导轨磨擦系数0.15～0.18
—溜板及刀架重力查《综合作业指导书》表1—1，取=800N
=1.152648.66+0.16(4237.85+500)=2175.94(N)
(2) 计算最大动负载C
C=

参考《机床设计手册.3》P185～P210 选用滚珠丝杆导轨
式中：—滚珠丝杆导程。 初选
—为最大切削力条件下的进给速度，可取最高进给速度的1/2～1/3
取=1m/min
—使用寿命（h），对于数控机车取 =15000h
—运转系数，按一般运转取1.2～1.5（查表3—14《综合作业指导》取为1.2
—寿命以 转为1单位
—丝杆转速r/min
125
113
C==19512.57
(3) 滚珠丝杆螺母副的选型
可采用WD6008外循环螺纹调整预紧的双螺母珠丝杆副，1列2.5圈，其额定功动负载为18200（N），精度等级按表《综合作业指导书》表3-17选为3级。
(4) 传功效率计算：
=
式中：r—螺旋升角，WD6008 r=
—磨擦角取10’ 滚动磨擦系数0.003～0.004

(5) 刚度验算
先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如A图所示，最大牵引力2175.94(N)。支承L=1500mm，丝杆螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷1/3。
① 丝杠的拉伸或压缩变形量
图3-5
查《综合作业指导书》图3-4，根据
=2175.94(N),
查出10-5 可算出
==(0.65×10-5×1500)mm=0.975×10-2 mm
由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杆进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量(mm)为
=1/4=0.975×10-2/2=0.244×10-2mm
② 滚珠与螺纹滚道间接触变形
查《综合作业指导书》图3-5，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量
=6.0μm
因进行预紧
=1/2=1/2×6.0=3.0μm
③ 支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形
采用D8208型推力球轴承，=35mm,滚动体直径=6.35mm,滚动体数量Z=18,

注意此公式中单位应为N
因施加预紧力，故
=1/2×=1/2×0.009065=0.004528mm
根据以上计算
=＋＋=0.00244＋0.0030＋0.004528=0.009968<定位精度
因为查表达1-1《综合作业指导书》定位精度为±0.01
(6) 稳定性校核
滚珠丝杆两端采用推力球轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。
(7) 纵向滚珠丝杆副几何参数

表3：WD6008滚珠丝杆副几何参数
参数名称
符号
关系式
WD6008

螺

纹

滚

道
公称直径

60
导 程

8
接触角

2.183
钢球直径

3.969
滚道法面半径

2.064
偏心距

0.0030
螺纹升角

=

螺
杆
外 径

=-(0.2～0.25)
59.2
内 径

=＋2－2
55.878
接触直径

=－Cos
56.034
螺
母
螺纹直径

=－2＋2
64.122
内 径

=＋(0.2～0.25)
60.7938
3.3.3 齿轮传动比计算
已知纵向进给脉冲当量=0.01mm/step,滚珠丝杆导程=8mm，初选步进电动机步距角，可计算出传动比：
=
－脉冲当量（mm/step）
－滚珠丝杆的基本导程（mm）
－步进电机的步距角
===3/8
因为可进定齿轮齿数为
=/=24/64
=24 ，=64
根据《机械设计》，又因进给给运动齿轮受力不大，模数m取2，
则有关参数如下表所示(见表4)：
表4：传动齿轮几何参数
齿 数

24
64
分度圆
=
48
128
齿顶圆
=＋2
52
132
齿根圆
=－21.25
46.5
126.5
齿 宽
(6～10)
20
20
中心距
=(＋)/2
88
3.3.4 进电机的计算和选型
(1)初选步进电机
① 计算步进电机负载转矩
=
－脉冲当量（mm/step）取 =0.01mm/step
－进给牵引力（N）取 =2175.94N
－步距角，初选双拍制为
－电机－丝杆的传动效率，为齿轮、轴承、丝杆效率之积，分别为0.98、0.99、0.99和0.94。
=N.cm

② 算步进电机启动转矩
根据负载转矩除以一定的安全系数来估算步进电机启动转矩
=/0.3～0.5

一般纵向进给伺服系统的安全系数取0.3～0.4
= /0.4=182.36/0.4=455.9N.mm
③ 计算最大静扭矩
查《综合作业指导书》表3-22，如取五相十拍，则==0.951
=/0.951=455.9/0.951=479.39N.mm
计算步进电机运行的频率和最高起动频率
=HZ
=HZ
式中：－最大切削进给速度m/min , =1m/min
－最大快移速度m/min, =2m/min
－脉冲当量, =0.01mm/step
根据估算出的最大的静转矩=479.39N.mm在表3-23中查出130BF001最大静扭矩为931N>479.39N可以满足要求，，但从表中看出130BF001步进电机最高空载起动频率为3000HZ，不能满足=3333HZ的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件开降速程序来解决。
(2) 校核步进电机转矩
前面所初步电机的转矩计算，均为估算，初迭之后，应该进行校核计算。
错误！未找到引用源。效转动惯量计算
计算简图如前（a）所示，根据《综合作业指导书》表3-24，传动系统计算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算：
=＋＋[(＋)＋()]
—步进电机转子转动惯量（）
.—矢轮Z1Z2的转动惯量（）
—滚珠丝杆转动惯车（）
参考同类型机床，初步反应式步进电机BF1，
作台质量折算到电机轴上的转动惯量：
　　　　I4＝()2w＝()2×80＝0.468kg·cm2＝4.68N·cm2
齿轮转动惯量：
　　　　J1＝7.8×10-4×4.84×2=8.281kg·cm2=82.81 N·cm2
J2＝7.8×10-4×12.84×2=53.678kg·cm2
丝杆传动惯量：
　　　 J3=7.8×10-4×64×140=141.52kg·cm2=1415.2 N·cm2
电机转动惯量很小，可以忽略。
因此，总的转动惯量：
Ｊ＝(J3+J2)+J1+J4
=(141.52+53.68)+0.468+8.281
= 130.52 kg·cm2=1305.2 N·cm2
(1) 所需转动力矩计算。
快速空载启动所需力矩：
最大切削力负载时所需力矩：
式中：－－空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩
　　――折算到电机轴上的摩擦力矩
　　――由于丝杆预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩
　　――切削时折算到电机轴上的加速度力矩
　　――折算到电机轴上的切削负载力矩

当时，

当时，

当，时，
　　　　N·cm

当时，预加载荷则

所以，快速空载启动所需力矩：

快速进给时所需力矩：

切削时所需力矩：

由以上分析计算可知：
所需最大力矩发生快速启动时： ，所以选择型号WD6008

③ 校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。
已计算出机床最大快移时需步进电机的最高起动频率为3333Hz，切削进入时所需步进电机运行频率为1333.3Hz。
从《综合作业指导书》表3—23中查出型步进电机允许的最高空BF1-160载起动频率为3000Hz，运行频率为16000Hz，再从〈〈综合作业指导书〉〉图3—15，3—16查出BF1-160步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如（C）图所示，当步进电机起动时，时，,不能满足此机床所要求的空载起动力矩222.916N.cm。直接使用则会施行失步现象，所以必须采取开降进控制〈用软件实现〉，将起动频率到1000Hz起动转矩可增高到588.4N.cm，然后电路上再采用高低压驱动电路，可将电机输出转矩扩大一倍左右。
当快速运动和切削进给时，BF1-160型步进电机运行矩频特性（D）图完全可以满足要求：

图3-6

4 数控系统硬件电路设计
4.1数控系统基本硬件组成
任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成，硬件是数控机床的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能，有了硬件，软件就能发挥作用。
机床数控机床的硬件电路概括起来又以下四部分组成：
中央处理单元CPU。CPU是数控系统的核心。
总线。包括数据总线（DB） 地址总线（AB）和控制总线（CB）。
存储器。包括只读可编程存储器和随机读写存储器。
I/O输入输出接口电路。
由于8031只有P1口和P3口部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。从附录H图H—2可以看出，系统扩展了一片8155和一片8255可编程I/O接口芯片。8155的片选信号CE接74LS138的Y0，8255芯片片选信号CS接到74LS138的Y2端。74LS138三—八译码器有三个输入A、B、C分别接到8031的P2。5，P2。6、P2。7，输出Y0~Y7 8个输出，低电平有效。Y0~Y7对应输入A、B、C的000至111的8种组合，其中Y0对应A、B、C为000，Y7对应A、B、C为111。74LS138还有三个使能端，其中2个（GA和GB）为低电平使能，另一个G1为高电平使能。吸有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。
I/O接口芯片与外设的连接是这样安排的：8155芯片PA0—PA7作为显示器段选信号输出，PB0—PB7是显示器的位选信号输出，PC0—PC4 5根线是键盘扫描输入。8155芯片的IO/M引脚接8031芯片的P2。0，因为使用8155的I/O口故P2。0高电平。
8255芯片PA0—PA6接X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器，为输出，PB0—PB7为三个方向的点动及回零输入，PC0—PC5为面板上的选择开头是输入，设有编辑、单步运行、单段运行、自动、手动I、手动II等方式。
系统各芯片采用全地址译码，各存储器及I/O接口芯片的地址编码如表4—19所示：
X向，Y向步进电机硬件环形分配器采用YB015，3—2相通电五相十拍方式工作，故A0，A1引脚均接+5V，Z向步进电机配件环形分配采用YB014，是以2—3相通电四相八拍方式工作。A0、A1接高电平。三个芯片的选通输出控制E0分别接8255的PA0、PA3、PA5，清零R接8255的PA1，正、反转控制端分别接8255的PA2、PA4、PA6，时钟输入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以决定脉冲分配器输出脉冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补时不同