數(shù)控機床完整設(shè)計手冊

數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計闡明書

第一章數(shù)控技術(shù)的地位

數(shù)控技術(shù)是永數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù)，是20世紀

后半葉最重要，發(fā)展最快的工業(yè)技術(shù)之一。它以制造過程為對象，以信息技術(shù)

為手段，以數(shù)控坐標(biāo)方式對運動部件進行位置控制為重要特性，為單件、小批

量生產(chǎn)的自動化開辟了可行的技術(shù)途徑，也為現(xiàn)代柔性制造技術(shù)奠定了重要的

技術(shù)基礎(chǔ)。

數(shù)控機床是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對老式制造業(yè)和新興制造業(yè)的滲透

形成的機電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)覆蓋諸多領(lǐng)域，其中，精密機械制造技術(shù)、信

息處理、加工、傳播技術(shù)、自動控制技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、傳感器及檢測技術(shù)

和計算機技術(shù)是數(shù)控技術(shù)涵蓋的重要領(lǐng)域。數(shù)控技術(shù)還是運用高新技術(shù)對老式

產(chǎn)業(yè)進行改善和提高的重要載體。

以信息化帶動工業(yè)化，實現(xiàn)社會生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展，將在一定程度上取

決于數(shù)控機床的技術(shù)進步。它代表著裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度，而裝

備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)

控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和重要裝備。數(shù)

控技術(shù)又是當(dāng)今先進制造技術(shù)和裝備最關(guān)鍵的技術(shù)。目前世界各國制造業(yè)廣泛

采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競

爭能力。此外，世界上各個工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的

戰(zhàn)略物資，不僅采用重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，并且在“高、

精、尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策?？傊罅Πl(fā)

展以數(shù)控技術(shù)為關(guān)鍵的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提

高綜合國歷和國家地位的重要途徑。

目前，數(shù)控技術(shù)在我國國民經(jīng)濟的各行各業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用，數(shù)

控技術(shù)已經(jīng)成為企業(yè)技術(shù)改造的首先設(shè)備之一，我國已經(jīng)成為數(shù)控機床的生產(chǎn)

大國、消費大國和進口大國。國民經(jīng)濟各個行業(yè)需要大量數(shù)控機床的開發(fā)人才

和應(yīng)用人才。

第二章系統(tǒng)設(shè)計與計算

總體方案確實定

由于是經(jīng)濟型數(shù)控機床設(shè)計，因而在考慮詳細方案時，基

本原則是在滿足使用規(guī)定的前提下，減少成本。確定總體的方案為：

1、工作臺工作面尺寸確定為240mmX340mm；

2、工作臺的導(dǎo)軌采用矩形導(dǎo)軌，在與之相配的動導(dǎo)軌滑動面上貼聚四氟乙

稀導(dǎo)軌板；

3、對滾珠絲杠螺母副采用預(yù)緊措施，并對滾珠絲杠進行預(yù)拉伸；

4、采用步進電機進行驅(qū)動；

5、采用聯(lián)軸器將步進電機與滾珠絲杠直連。

6、采用單片機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖，經(jīng)一齒輪

減速后，帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向進給運動。

二、機械部分改造設(shè)計與計算

1、縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算：

已知條件：

工作臺重量:W=800N

時間常數(shù):T=25ms

滾珠絲桿基本導(dǎo)程：L0=6mm

行程：S=320mm

脈沖當(dāng)量：

步進角：

迅速進給速度：

電機功率：N=l.5kw

工作臺迅速移動速度：

(1)、切削力計算：

由《機床設(shè)計手冊》可知，切削功率

查機床闡明書，得電機功率N=l.5kw；系統(tǒng)總效率5；系統(tǒng)功率系數(shù)K=0.96；

則：

式中一一切削線速度V=100m/min

主切削:

由《金屬切削原理》可知，主切削力：

9

則可計算出FZ如下所示：

查表，可知當(dāng)FZ=562.3N時，切削力深度mm,走刀量

從《機械設(shè)計手冊》中可知，在一般外圓車削時；

即：

(2)、滾珠絲桿設(shè)計計算：

對于矩形槽，綜合導(dǎo)軌絲杠的軸向力：

?。篕=l.15,摩擦系數(shù)f'=0.16

1)、強度計算：

壽命值：；

取工件直徑：D=80mm,查表Tl=15000h

最大動負載:

查表得：運轉(zhuǎn)系數(shù)；硬度系數(shù)

根據(jù)Q選擇滾珠絲桿型號：

CMD2504-2.5-E其額定動載荷Q=14462N,因此強度足夠用；dl=22.5mm。

螺母長度L=71mm,余程le=16mm,螺紋長度1=320+71+2X16=423mm.

2）、效率計算：

根據(jù)《機械原理》，絲桿螺母副的傳動效率：

其中摩擦角，螺旋升角

因此：

3）、剛度驗算:

受工作負載P引起導(dǎo)程變化量:

L0=6mm=0.6cm,E=20.6X106N/cm2

滾珠絲桿受扭矩引起的導(dǎo)程變化很小，可忽視。即

尋程變形總誤差為：

查表知E級精度絲桿容許的螺距誤差（1m長）為故剛度足夠。

4）、穩(wěn)定性驗算：

由于選用滾珠絲桿的直徑與原絲桿直徑相似，而支承方式不存在問題，故

不驗算。

（3）、齒輪及轉(zhuǎn)矩時有關(guān)計算

1）、有關(guān)齒輪計算：

取Zl=30,Z2=47,m=2,b=20mm,

2）、傳動慣量計算：

工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的傳動慣量:

絲杠的轉(zhuǎn)動慣量:

齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：

因電機時轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽視；因此總的轉(zhuǎn)動慣量為:

3）、所需轉(zhuǎn)動力矩計算：

1、空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩：

2、切削時折算到電機軸上的加速度力矩：

3、折算電機軸上的摩擦力矩:

當(dāng)時:

4、由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩:

當(dāng)時，預(yù)加載荷，則：

5、折算到電機軸上的切削負載力矩：

因此，迅速空載啟動所需力矩

切削時進給所需力矩：

迅速進給所需力矩：

由以上分析可知：

所需最大力矩Mmax發(fā)生在迅速啟動時：

2、橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算

經(jīng)濟型數(shù)控改造的橫向進給系統(tǒng)的設(shè)比較簡樸，一般是步進電機經(jīng)減速后

驅(qū)動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上，使用方法蘭盤將

步進電機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。

已知條件：

工作臺重量：W=300N

時間常數(shù)：T=25ms

滾珠絲桿基本導(dǎo)程：L0=6mm

行程：S=200mm

脈沖當(dāng)量：

步進角：

迅速進給速度：

1）、切削力計算：

橫向進給為縱向的1/2~1/3,取1/2,則切削力為縱向的1/2

切斷工件時:

取K=l.15,

滾動摩擦系數(shù)為

則

壽命值：

最大動負載：

根據(jù)Q選擇滾珠絲桿型號：

CMD2023-2.5-E其額定動載荷Q=5862N,因此強度足夠用。dl=17.5mm。

螺母長度L=72mm,余程le=16mm,螺紋長度1=200+72+2X16=304nun.

2）、效率計算：

根據(jù)《機械原理》，絲桿螺母副的傳動效率：

其中摩擦角，螺旋升角

因此：

3）、剛度驗算:

受工作負載P引起導(dǎo)程變化量:

滾珠絲桿受扭矩引起的導(dǎo)程變化很小，可忽視。即

尋程變形總誤差為：

查表知E級精度絲桿容許的螺距誤差（1m長）為故剛度足夠。

4）、穩(wěn)定性驗算：

由于選用滾珠絲桿的直徑與原絲桿直徑相似，而支承方式不存在問題，故

不驗算。

5）、齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計算

1、有關(guān)齒輪計算：

傳動比:

故取:

2、傳動慣量計算：

工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的傳動慣量:

絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：

齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：

電機的轉(zhuǎn)動慣量很小可以忽視。

3、所需轉(zhuǎn)動力矩計算:

1、空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩:

2、切削時折算到電機軸上的加速度力矩：

3、折算電機軸上的摩擦力矩：

當(dāng)，滾動摩擦系數(shù)時：

4、由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩:

當(dāng)時，預(yù)加載荷，則：

5、折算到電機軸上的切削負載力矩：

因此，迅速空載啟動所需力矩

切削時進給所需力矩：

迅速進給所需力矩：

由以上分析可知，所需最大力矩Mmax發(fā)生在迅速啟動時:

3、步進電機的先擇

一般狀況下，對于步進電機的選型，重要考慮三方面的問題：步進電機的

步距角要滿足進給傳動系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的規(guī)定；步進電機時最大靜扭矩要滿足進

給運動系統(tǒng)的空載迅速啟動力拒規(guī)定；步進電機的啟動矩頻率特性和工作矩頻

率特性必須滿足進給傳動系統(tǒng)對啟動扭矩與啟動頻率、工作運行扭矩與運行頻

率的規(guī)定。

初步選擇步進電機重要是選擇電機的類型和步距角。目前，步進電機有三

種類型可供選擇：一是反應(yīng)式步進電機，步距角小，運行頻率高，價格較低，

膽功耗較大；二是永磁式步進電機，功耗較小，斷電后仍有制動力拒，但步距

角較大，啟動和運行頻率較低；三是混合式步進電機，它具有了上述兩種電機

的長處，不過價格較高。多種步進電機的產(chǎn)品樣本中都給出了步進電機的通電

方式及步距角等重要技術(shù)參數(shù)以供選用。

1）、縱向進給系統(tǒng)的電機確實定

根據(jù)啟動力矩的選擇

；一一電機啟動力矩；一一電機靜負載力矩

則:

為滿足最小步角規(guī)定，電機選用三相六拍工作方式，查表知:

因此，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距為：

進電機最高工作頻率：

綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進電機，能滿足使用規(guī)定。

2）、橫向進給系統(tǒng)步進電機確實定：

則：

為滿足最小步角規(guī)定，電機選用三相六拍工作方式，查表知：

因此，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距為：

步進電機最高工作頻率：

綜合考慮，仍選用110BF003型直流步進電機，能滿足使用規(guī)定。

4、滾動導(dǎo)軌的選擇

導(dǎo)軌重要用來支撐和引導(dǎo)運動部件沿一定的軌道運動。在導(dǎo)軌副鐘，

運動的一方稱為動導(dǎo)軌，不動的一方為支承導(dǎo)軌。動導(dǎo)軌相對于支承導(dǎo)軌運動,

一般作直線運動和回轉(zhuǎn)運動。導(dǎo)軌的幾何精度綜合反應(yīng)了在靜止或低俗下導(dǎo)軌

的導(dǎo)向精度。因此對導(dǎo)軌時精度規(guī)定比較高。影響導(dǎo)軌精度的重要原因有導(dǎo)軌

的幾何精度、導(dǎo)軌的接觸精度、導(dǎo)軌的構(gòu)造形式、動導(dǎo)軌及支承導(dǎo)軌的剛度和

熱變形，尚有裝配質(zhì)量。導(dǎo)軌的耐磨性決定了導(dǎo)軌的精度保持性，因此耐用的

導(dǎo)軌就必須規(guī)定耐磨性好。同步要有足夠的剛度，由于足夠的剛度保證導(dǎo)軌在

載荷作用下不產(chǎn)生過大的變形，從而保證各部件的相對位置和導(dǎo)向精度。此外,

還規(guī)定導(dǎo)軌在低速運動時有好的平穩(wěn)性和制造的工藝性好。

綜合考慮機床的I基本額定載荷及其他方面的原因，選用HTSD一一WAA（寬幅

矩型滑塊）的滾珠導(dǎo)軌。

初步選用4滑塊，工作臺大小400X300,工作臺自重300N,外載荷700N。

1）、摩擦力計算：

摩擦力計算公試

式中為滾動摩擦系數(shù)取八為法向載荷縱向P=349.2,橫向P=229.4,f為

密封件阻力，取f=0.5N.

縱向F=0.003X349.2+0.5=1.55N

橫向F=0.003X229.4+0.5=1.19N

2）、壽命計算：

縱向行程為0.32m

目的壽命L=0.32X2X5X60X8X300X5X10-3=2304km

選擇HTSD—LG20WAA型導(dǎo)軌，額定動載Ca為10.28W,根據(jù)計算可知，滿足

強度規(guī)定。

橫向行程為0.2m,

目的壽命L=0.2X2X5X60X8X300X5X10-3=1440km

選擇HTSD—LG20WAA型導(dǎo)軌。額定動載Ca為4.51W.

第三章控制系統(tǒng)設(shè)計及編程

數(shù)控機床控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)在使用中的控制

對象各不相似，但其硬件時基本構(gòu)成是一致的。如下圖所示：

圖1控制系統(tǒng)示意圖

以單片機為關(guān)鍵的控制系統(tǒng)大多數(shù)采用MCS-51系列單片機，通過

擴展存儲器、接口和面板操作開關(guān)等，構(gòu)成功能較完善、抗干擾性能較強的控

制系統(tǒng)。

一、設(shè)計步進電機工作臺第一象限直線插補控制（逐點比較法）方案。

原理：逐點比較法是一種代數(shù)算法，其特點是能逐點計算和鑒別運動偏差,

并逐點糾正以強迫理論軌跡。逐點比較法的理論誤差是一種脈沖當(dāng)量。在整個

插補過程中走一步均需完畢四個工作節(jié)拍是：

1、偏差鑒別，鑒別刀具的實際位置對規(guī)定圖形的偏離位置，以決定進給方

向；

2、進給控制，沿減少偏差的方向進給一步，以向規(guī)定圖形靠攏；

3、新偏差計算，計算刀具在新位置上對給定圖形的偏差，作為下一步偏差

鑒別的根據(jù)；

4、終點鑒別，判斷與否抵達終點。若未到終點，回到1后繼續(xù)不停地反復(fù)

上述循環(huán)過程，若抵達終點，發(fā)出運算完畢信號，就能實現(xiàn)平面上直線和圓弧

插補。

二、步進電機的單片機控制

步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作。在步進電機的單片機控制中，控

制信號由單片機產(chǎn)生。其基本控制作用如下：

1）、控制換相次序。步進電機的通電換相次序嚴格按照步進電機的工作方

式進行。一般把他通電換相這一過程稱為脈沖分派。

2）、控制步進電機的轉(zhuǎn)向。假如按給定的工作方式正序通電換相，步進電

機就正轉(zhuǎn)；假如按反序通電換相，則電動機反轉(zhuǎn)。

3）、控制步進電機的速度。假如給步進電機發(fā)一種控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步,

再發(fā)一種，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖時間隔時間越短，步進電機轉(zhuǎn)得就越快。

因此，脈沖的頻率決定了步進電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)整單片機發(fā)出脈沖的頻率，就可

以對步進電機進行調(diào)速。

三、硬件控制示意圖

實現(xiàn)脈沖分派（通電換相控制）的措施有兩種：軟件法和硬件法。這里重

要用的是軟件法。軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相次序，通

過單片機的I/O口向驅(qū)動電路發(fā)出控制脈沖。如下圖所示，運用8051系列單片

機的Pl.0-P1.5這6條線，向兩個三相步進電機傳送控制信號。

圖2單片機的I/O口分派圖

三相步進電機工作在六拍方式時，其通電換相的正序為：

A-AB-B-BC—C-CA-A,共6個通電狀態(tài)。假如P1口輸出的控制信號中，0代

表使繞組通電，1代表使繞組斷電，則可用6個控制字來對應(yīng)這6個通電狀態(tài)，

如下表所示:

表1X步進電機工作方式的控制字

表2Y步進電機工作方式的控制字

（一）、主程序框圖:

圖3主程序框圖

表3內(nèi)存分派表

（二）、子程序框圖

表4軟環(huán)分表及X、Y電機帶電狀態(tài)碼的內(nèi)存分派表

X電機電Y電機

內(nèi)存地狀態(tài)內(nèi)機狀態(tài)內(nèi)存地狀態(tài)內(nèi)

址容址容

80H00H90H00H

81HFEHA91HF7H

82HFCHAB92HE7H

83HFDHB93HEFH

84HF9HBC94HCFH

85HFBHC95HDFH

186HFAHCA96HD7H

87HOOH97HOOH

車

圖4子程序框圖

（三）、程序清單

MAIN:PUSHA；保護現(xiàn)場

MOVR4,#N；設(shè)步長計數(shù)器

CLRC

MOVR5,#80H

MOVR6,#90H

CLRA;位清零使表頭表尾

為。

MOV80H,A

MOV87H,A

MOV90H,A

MOV97H,A

MOVRO,#81H;裝X電機狀態(tài)碼到內(nèi)存

MOV@R0,#FEH

INCRO

MOV@R0,#FCH

INCRO

MOV?RO,#FDH

INCRO

MOV@R0,#F9H

INCRO

MOV@RO,#FBH

INCRO

MOV@RO,#FAH

MOVR1,#O1H;裝丫電機狀態(tài)碼到內(nèi)存

MOV@R1,#F7H

INCRI

MOV@R1,#E7H

INCRI

MOV@R1,#EFH

INCRI

MOV@R1,#CFH

INCRI

MOV@R1,#DFH

INCRI

MOV@R1,#D7H

L0R4:M0V98H,#0C8H;Xe

MOV99H,#0C8H;Ye

MOV9AH,#OOH；x

MOV9BH,#OOH；Y

MOV9EH,#OOH；F

MOVAOH,#OAH；電機初始狀態(tài)

LOP3:MOVA,2EH；偏差送到A口

JNZA,LOP1;F<0跳到LOP1Y轉(zhuǎn)

MOVA,AOH

CLRP1.0;P1.0=0,X轉(zhuǎn)

SETBPl.3;P1.3=1,Y不轉(zhuǎn)

MOVAOH,A；送控制字

LCALLMOTR；X方向走一步

MOVA,9EH;偏差送到A

SUBBA,99H;F-Ye

INC9AH；X+1

AJMPL0P2；跳轉(zhuǎn)到LOP2進行偏差判

斷

LOP1:MOVA,AOH

CLRPl.3;PL3=0,Y轉(zhuǎn)

SETBPl.0;P1.O=1,X不轉(zhuǎn)

MOVAOH,A；送控制字

LCALLMOTR；Y方向走一步

MOVA,9EH；偏差送到A

ADDA,98H;F+Xe

INC9BH;Y+1

L0P2:M0V9EH,A；將人的偏差送到9EH單元

MOVA,98H

CJNEA,9AH,LOP3；Xe=X?,不等則轉(zhuǎn)移

MOVA,99H

CJNEA,9BH,LOP1；Ye=Y?＞不等則轉(zhuǎn)移

AJMPST

MOTR:MOVA,70H;MOTR子程序，查看控制字

JNBPl.O.Y;P1.O=!1,X不轉(zhuǎn),則執(zhí)行Y(Y

轉(zhuǎn))

X:JNBPl.1,XF;P1.1=!1,X不轉(zhuǎn),則執(zhí)行XF

XZ:INCR5;X正轉(zhuǎn)地址指針R5+1

MOVA,R5;從代碼表中取R5指向

的代碼到A

MOVRO,A

MOVA,@RO

CJNEA,#OOH,LP1;判斷與否到表底，不是則執(zhí)行

LP1

MOVR5,#81H；到表底則重新指向表首

MOVA,R5；從代碼表中取R5指向

的I代碼到A

MOVRO,A

MOVA,@RO

LP1:MOVR7,#28H;代碼輸出兩行

MOVX@R7,A

MOVR2,#1OH

LCALLYANS；延時兩行

RET

XF:DECR5;X正轉(zhuǎn)地址指針R5-1

MOVA,R5；從代碼表中取R5指向

的代碼到A

MOVRO,A

MOVA,@RO

CJNEA,#00H,LP2；判斷與否到表頭，不是則執(zhí)行

LP2

MOVR5,#86H;到表頭則重新指向表底

MOVA,R5；從代碼表中取R5指向

的代碼到A

MOVRO,A

MOVA,@R0

LP2:M0VR7,#28H;代碼輸出兩行

MOVX@R7,A

MOVR2,#10H

LCALLYANS；延時兩行

RET

Y:JNBP1.3.YF;P1.3=!1,Y不轉(zhuǎn),則執(zhí)行X（X轉(zhuǎn)）

YZ:INCR6;Y正轉(zhuǎn)地址指針R6+1

MOVA,R6；從代碼表中取R5指向

的代碼到A

MOVRO,A

MOVA,@RO

CJNEA,#OOH,LP3；判斷與否到表底，不是則執(zhí)行

LP3

MOVR6,#91H;到表底則重新指向表首

MOVA,R6；從代碼表中取R5指向

的代碼到A

MOVRO,A

MOVA,@RO

LP3:MOVR7,#28H;代碼輸出兩行

MOVX@R7,A

MOVR2,#10H

LCALL,YANS；延時

RET

YF:DECR6;Y正轉(zhuǎn)地址指針R6-1

MOVA,R6；從代碼表中取R6指向

的代碼到A

MOVRO,A

MOVA,@RO

CJNEA,#00H,LP4