CA6140機床進給系統(tǒng)數(shù)控改造

PAGE1培黎機械工程學院課程設計報告（2022-2023學年第二學期）題目：CA6140機床進給系統(tǒng)數(shù)控改造課程：機電一體化課程設計專業(yè)班級：智能制造201班

摘要隨著科學技術的迅猛發(fā)展，數(shù)控機床已經成為衡量一個國家機械制造工業(yè)水平的重要標志。采用經濟型數(shù)控系統(tǒng)對普通機床進行數(shù)控化改造，尤其適合我國普通機床擁有量大，生產規(guī)模小的具體國情。機電一體化技術涉及機械、電子、以及控制等多門學科，是現(xiàn)代工業(yè)最主要的基礎技術和核心技術之一，是衡量一個國家機械裝備發(fā)展水平的重要標志。本次設計是對CA6140普通車床的數(shù)控化改造,基于AT89C51單片機控制三相步進電機對普通車床進行縱向進給與橫向進給的數(shù)控化改造。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的，并且通過數(shù)碼管顯示其轉速的級別。另外通過單片機實現(xiàn)它的正反轉，步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。關鍵詞：CA6140普通車床；數(shù)控化改造；數(shù)控車床；縱向進給；橫向進給；數(shù)碼管。

AbstractWiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology,CNCmachinetoolshavebecomeanimportantsymboltomeasurethelevelofacountry'smachinerymanufacturingindustry.TheuseofeconomicalCNCsystemtocarryoutnumericalcontroltransformationofordinarymachinetools,especiallysuitableforthespecificnationalconditionsofChina'sordinarymachinetoolswithlargeownershipandsmallproductionscale.Mechatronicstechnologyinvolvesmechanical,electronic,andcontrolandotherdisciplines,isoneofthemostimportantbasicandcoretechnologiesofmodernindustry,andisanimportantsymboltomeasurethedevelopmentlevelofacountry'smechanicalequipment.ThisdesignisanumericalcontroltransformationofCA6140ordinarylathe,andthenumericalcontroltransformationoflongitudinalfeedandlateralfeedofordinarylatheiscarriedoutbasedonAT89C51single-chipmicrocomputercontrolthree-phasesteppermotor.Asteppermotorisanactuatorthatconvertselectricalimpulsesintoangulardisplacement.Whenthestepperdriverreceivesapulsesignal,itdrivesthesteppermotortorotateafixedangle(called"stepangle")inthesetdirection,anditsrotationisrunstepbystepatafixedangle.Theamountofangulardisplacementcanbecontrolledbycontrollingthenumberofpulses,soastoachievethepurposeofaccuratepositioning;Atthesametime,thespeedandaccelerationofmotorrotationcanbecontrolledbycontrollingthepulsefrequency,soastoachievethepurposeofspeedregulation,andthelevelofitsspeedcanbedisplayedthroughthedigitaltube.Inaddition,throughthesingle-chipmicrocomputertoachieveitsforwardandreverserotation,steppermotorcanbeusedasaspecialmotorforcontrol,usingitscharacteristicsofnoaccumulatederror,widelyusedinvariousopen-loopcontrol.Keywords:CA6140ordinarylathe;CNCtransformation;CNClathes;longitudinalfeed;lateralfeed;Nixietube.

目錄摘要 1第一章普通車床數(shù)控化改造緒論 41.1概述 41.2數(shù)控機床在我國的發(fā)展概況 41.3數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 5第二章機械部分的設計 62.1CA6140普通車床的數(shù)控化改造設計方案的擬定 62.2總體方案確定 62.2.1總體方案設計要求 62.3主要設計參數(shù) 82.4CA6140車床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算 92.4.1系統(tǒng)脈沖當量的選擇 92.4.2縱向機械傳動部分的數(shù)控化改造和設計計算 92.4.3橫向機械傳動部分的數(shù)控化改造和設計計算 162.5步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng) 19第三章微機數(shù)控系統(tǒng)的設計 203.1硬件電路的設計 203.1.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖 203.2軟件電路的設計 213.3AT89C51芯片 213.3.1AT89C51芯片引腳及片外總線結構 223.3.2AT89C51單片機片內結構 223.4單片機最小系統(tǒng)電路 223.4.1數(shù)碼管顯示電路 223.4.2按鍵電路 233.4.3電機及驅動電路 233.5程序設計 243.5.1程序設計框圖 243.5.2程序設計流程圖 253.5.3轉速控制 253.5.4主程序截圖 273.5.5程序測試及仿真 28總結 29致謝 30參考文獻 31附件主程序 32

第一章普通車床數(shù)控化改造緒論1.1概述1．機床數(shù)控化改造的目的用數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、滾珠絲杠副及其他輔助裝置等對普通機床進行數(shù)控化改造，將其有機結合，使普通機床基本具備同類數(shù)控機床的性能的數(shù)控機床。提高零件生產效率、降低勞動強度，提高零件加工精度，實現(xiàn)復雜曲面、曲線的自動化成型加工，實現(xiàn)“柔性自動化”加工單件、小批量生產的精密零件加工，以適應近年來機電產品市場不斷變化的需要。2．機床數(shù)控化改造的意義目前，各企業(yè)一般都有不少普通機床，完全用數(shù)控機床加以替換根本不可能。解決這個問題，必須走普通機床數(shù)控化改造之路。通過對普通機床進行數(shù)控化改造，使普通機床成為與同類數(shù)控機床的性能相近的數(shù)控機床，以適應復雜零件加工及零件加工多變性的各項新要求，以提高企業(yè)在機械加工業(yè)中的競爭力。機床數(shù)控化改造的經濟性：(1)減少投資額，交貨期短。同購買新機床相比大大節(jié)省了費用的投入，改造費用低，大型、特殊機床尤其明顯；而且交貨期短。(2)舊機床的力學性能穩(wěn)定可靠。舊機床所利用的床身、立柱等基礎件都是堅固的鑄造件，經過了長期的自然去應力，機床的應力已失效，改造后機床的性能高、質量好，可以作為新機床持續(xù)使用多年。(3)熟悉設備，便于操作維修。改造后的機床，可以精確的計算出機床的加工能力，并由于多年使用，操作者對機床的加工特性非常了解，在操作使用及維修方面培訓時間短，見效快。(4)可以充分利用現(xiàn)有的條件。可以充分利用現(xiàn)有地基，及利用加工現(xiàn)場現(xiàn)有的其他條件，減少安裝費用的投入。1.2數(shù)控機床在我國的發(fā)展概況我國從1958年由北京機床研究所和清華大學等首先研制數(shù)控機床，并試制成功第一臺電子管數(shù)控機床。從1965年開始，研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到60年代末和70年代初，研制的劈錐數(shù)控銑床、非圓錐插齒機等獲得成功。與此同時，還開展了數(shù)控加工平面零件自動編程的研究。1972-1979年是數(shù)控機床的生產和使用階段。例如：清華大學研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控技術在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領域開始研究與應用；數(shù)控加工中心機床研制成功；數(shù)控升降臺銑床和數(shù)控齒輪加工機床開始小批生產供應市場。從80年代初開始，隨著我國開放政策的實施，先后從日本、美國、德國等國家引進先進的數(shù)控技術。上海機床研究所引進美國GE公司的MTC-1數(shù)控系統(tǒng)等。在引進、消化、吸收國外先進技術基礎上，北京機床研究所又開發(fā)出BSO3經濟型數(shù)控系統(tǒng)和BSO4全功能數(shù)控系統(tǒng)，航空航天部706所研制出MNC864數(shù)控系統(tǒng)等。進而推動了我國數(shù)控技術的發(fā)展，使我國數(shù)控機床在品種上、性能上以及水平上均有了新的飛躍。我國的數(shù)控機床已跨入一個新的發(fā)展階段。1.3數(shù)控機床的發(fā)展趨勢從數(shù)控機床技術水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是數(shù)控機床的重要發(fā)展趨勢。對單臺主機不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求具有進入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)的適應能力。在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產廠家，諸如日本的FANCU，德國的SIEMENS和美國的A-B公司，產品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位和32位微機處理機、標準總線及軟件模塊和硬件模塊結構，內存容量擴大到1MB以上，機床分辨率可達0.1微米，高速進給可達100m/min,控制軸數(shù)可達16個，并采用先進的電裝工藝。在驅動系統(tǒng)方面，交流驅動系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。第二章機械部分的設計2.1CA6140普通車床的數(shù)控化改造設計方案的擬定數(shù)控技術是先進制造技術的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡化、柔性化、集成化的基礎。數(shù)控裝備的整體水平標志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強弱。機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應包括以下內容：系統(tǒng)運動方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構的結構及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內容。一般應根據(jù)設計任務和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。2.2總體方案確定2.2.1總體方案設計要求總體方案設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的運動方式、伺服系統(tǒng)的類型，計算機（CNC裝置）以及傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。1.數(shù)控系統(tǒng)的選擇：普通車床數(shù)控化改造后應具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。綜合考慮性價比，根據(jù)改造的要求，本方案選用廣州數(shù)控公司生產的GSK980TD車床系統(tǒng)，廣州數(shù)控公司同時生產與該數(shù)控系統(tǒng)相匹配的伺服驅動器，從而有利于維修和管理。GSK980TD數(shù)控系統(tǒng)采用先進的開放體系結構，性價比高，且屬于連續(xù)切割控制系統(tǒng)。2.伺服系統(tǒng)的選擇：CA6140普通車床數(shù)控化改造后一般屬于經濟型數(shù)控機床，在保證具有一定加工精度的前提下應簡化結構、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用以步進電動機為驅動裝置的開環(huán)控制系統(tǒng)。3.根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經濟性要求，本方案采用PLC控制步進電動機的形式實現(xiàn)。4.電氣部分設計：根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴展程序存儲器，擴展數(shù)據(jù)存儲器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進電動機驅動電路，此外，系統(tǒng)中還應包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。5.功能部件的選擇：主要是滾珠絲杠及其支撐方式的選擇、以及設計自動回轉刀架及其控制電路等等（簡寫）。6.機械結構設計：縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電動機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應滿足機床所要求的分辨率。另外，要對機床導軌進行維護，我們采用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力。7.機械傳動方式：為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用齒輪絲杠的減速方式；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副取代原車床絲杠；為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加載荷的結構；齒輪傳動也采用消除齒側間隙的結構。經濟型數(shù)控車床總體結構框圖如圖1-1所示Z向步進電動機功率放大光電隔離步進電動機功率放大光電隔離微機機微機機床鞍及拖板床鞍及拖板X向步進電動機光電隔離功率放大步進電動機光電隔離功率放大中滑板中滑板圖1-1經濟型數(shù)控車床總體結構框圖2.3主要設計參數(shù)設計參數(shù)包括車床的部分技術參數(shù)和車床擬定實施數(shù)控化改造所需要的參數(shù)。CA6140型車床的數(shù)控化改造設計參數(shù)如下：1）機床最大加工直徑：在床身上400mm，在床鞍上210mm。2）最大加工長度：1000㎜。3）拖板及刀架重力：縱向1000N，橫向600N。4）刀架快進速度Vmax:縱向2.4m/min，橫向1.2m/min。5）最大進給速度:縱向0.5m/min，橫向0.25m/min。6）機床定位精度:±0.015mm。7)主電動機功率：7.5KW。8）啟動加速時間：30ms。9）最小分辨率：縱向：0.01mm，橫向：0.005mm。10）刀具補償量：0-99.99mm。11）控制坐標數(shù)：212）最小指令值：縱向：0.15mm/脈沖，橫向：0.05mm/脈沖。13）脈沖分配方式：逐點比較法

2.4CA6140車床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算伺服系統(tǒng)機械部分設計計算內容包括：確定系統(tǒng)的負載、確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣量計算，空載起動及切削力計算，確定伺服電機，傳動及導向元件的設計、計算及選用，繪制機械部分裝配圖及零件工作圖?，F(xiàn)分述如下：2.4.1系統(tǒng)脈沖當量的選擇一個進給脈沖，使機床運動部件產生位移量，也稱為機床的最小設定單位。脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù)。經濟型數(shù)控車床銑床常采用的脈沖當量是0.15～0.05mm/脈沖。根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量，縱向：0.15mm/脈沖，橫向：0.05mm/脈沖。2.4.2縱向機械傳動部分的數(shù)控化改造和設計計算1.切削力的計算。在設計機床進給伺服系統(tǒng)時，計算傳動和導向元件，選用伺服電機等都需要用到切削力，下面介紹數(shù)控車床中的切削力的計算。由《機床設計手冊》可知，切削功率：Pc=PηK式中P—主軸電動機功率，P=7.5KW；η—主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.75-0.85，取η=0.8；K—進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取K=0.96；則Pc=7.5×0.8×0.96(KW)=5.76(KW)切削功率應按在各種加工情況下經常遇到的最大切削力和最大切削轉速來計算，即Pc=FzV式中Fz—主切屑力（N）；V—切屑速度（m/min）。按最大切削速度計算，取V=100m/min，則主切屑力為Fz=由《機床設計手冊》可知，在外圓車削時：Fx=(0.1~0.55)Fz,Fy=(0.15~0.65)Fz取縱向切削分力Fx=0.5Fz,橫向切削分力Fy=0.6Fz,則FX=0.5Fz=0.5×FY=0.6Fz=0.6×2.滾珠絲杠設計計算a、螺紋滾道型面的選擇：單圓弧型面、雙圓弧型面。應要求經濟、易調試、穩(wěn)定。因此選擇雙圓弧型面。b、滾珠循環(huán)方式：內循環(huán)、外循環(huán)要求結構簡單、工藝性優(yōu)良、適合成批生產、經濟實用，適用于重載荷傳動、高速驅動及精密定位系統(tǒng)，應用廣泛。因此選用外循環(huán)方式。c、軸向間隙的調整和預緊力的選擇：墊片式、螺紋式、齒差式要求經濟可靠、易拆裝、剛度高；并且結構簡單、裝卸方便。因此選用雙螺母墊片式預緊。3.計算進給牽引力Fm(N)可根據(jù)《機床設計手冊》中進給牽引力的試驗公式計算，縱向為三角形導軌。則由前所知：FFG=1000N得：F式中K—顛覆力矩影響的試驗系數(shù),取K=1.15;f—滑動導軌摩擦因數(shù):f=0.15～0.18;取f=0.15；G—溜板及刀架重力,G=1000N.4.計算最大動負載C(N)可以用下式計算：C=3其中：t=n=式中L0—滾珠絲杠導程,初選L0=5vs—最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的(13～12T—使用壽命,按15000h計算;fw—運轉系數(shù)，按一般運轉fw=1.2～1.5;取fwfH—硬度系數(shù)，為60HRC時，fH=1，小于60HRC時，fH＞1t—壽命，以106轉為1將數(shù)據(jù)分別帶入上式得：n=t=C=5.滾珠絲杠螺母副的選型查《機械零件設計手冊》，根據(jù)C＜Ca（Ca是絲杠的額定載荷）的原則，使選用的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷，由上面初選絲杠導程及計算所得的最大動載荷，選用滾珠絲杠型號為CDM3205-5，其表示外循環(huán)插管式、雙螺母墊片預緊、導珠管埋入式的滾珠絲杠，公稱直徑為32mm，導程為5mm，右旋螺紋，載荷鋼球為5圈，精度3級的定位滾珠絲杠副。CDM3205-5的額定動載荷為18616N>12255.6N，故強度足夠。CDM3205-5型滾珠絲杠具體參數(shù)見表2-1表2-1CDM3205-5型滾珠絲杠具體參數(shù)公稱直徑/mm導程/mm鋼球直徑/mm絲杠外徑/mm螺紋底徑/mm額定載荷/N接觸剛度/(N/um)3253.17531.528.2186165709210896.滾珠絲杠的驗算（1）傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為：η式中γ—螺旋升角,根據(jù)tanγ=螺距3.14×公稱直徑，可得?--摩擦角，?=10′。將各數(shù)據(jù)帶入上式得：η（2）穩(wěn)定性校核。要使?jié)L珠絲杠不失穩(wěn)的條件是：臨界負載荷FK根據(jù)公式F式中fK—絲杠支承方式系數(shù)，查《機械零件設計手冊》可知，fK=2.0（雙推L—絲杠兩支承端距離，CDM3205-5絲杠兩支承端距離為1600mm=160cm;K—滾珠絲杠的靜安全系數(shù)，取K=1/4；I—截面慣性矩。I=π64d4，其中d=(d式中d0-滾珠絲杠的公稱直徑，d0=32mm=Dw-滾珠絲杠的滾珠直徑，Dw=3.175則I=7.確定齒輪傳動比可由傳動比計算公式i=360o×δpθbP0。其中，δpi=可選定齒輪齒數(shù)為i=齒輪材料采用40Cr，調質處理，精度等級取7級，前后軸承選用8024型流動軸承，齒輪傳動時效率ηi由于進給運動齒輪受力不大，且根據(jù)優(yōu)先選用第一系列的原則，取模數(shù)m=2，由經驗公式可知，齒寬b=20mm，則分度圓直徑分別為dd中心距為：a=8.步進電動機的計算與選擇（1）負載轉矩（Tm）及最大靜轉矩（T根據(jù)能量守恒原理，電動機等效負載轉矩可按下式估算：T若不考慮起動時運動部件慣性的影響，則起動轉矩為T取安全系數(shù)為0.3，則T查《實用微電機手冊》，當步進電動機為三相六拍時，選步進電動機的起動轉矩和最大靜轉矩的關系λ=TT（2）初選步進電動機型號。查《實用微電機手冊》，根據(jù)估算出來的最大靜轉矩Tjmax=9.782N?m，可初選110BYG350B型步進電動機，其最大靜轉矩為12N（3）各種工況下轉矩計算a.負載轉動慣量計算。折算到電動機軸上的轉動慣量按下式估算。J式中JF—折算到電動機軸上的轉動慣量（kg?cmJ1—齒輪的轉動慣量（kg?cmJ2—齒輪的轉動慣量（kg?cJ3—滾珠絲杠的轉動慣量（kg?cmg—重力加速度。對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉動慣量按下式估算：J=7.8式中D—圓形零件的直徑；L—零件軸向長度。則JJJJb.快速空載起動時所需轉矩T。因數(shù)控機床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機最大靜轉矩時，應滿足快速空載起動時所需轉矩T的要求：T=式中Tamax—快速空載起動時所需的轉矩（N?m）Tf—克服摩擦所需的轉矩（N?mT0—絲杠預緊所引起的折算到電動機軸上的附加轉矩（N?m由動力學可知：Tamax=其中，ε=πn30t，t為加速時間常數(shù)，t=30ms=0.03s,則n=TTT式中F0-預加載荷，一般為最大軸向載荷的1/3F則Tc.快速移動時所需轉矩T快Td.最大切削負載時所需轉矩：T從以上計算可以看出，快速空載起動時所需轉矩T、快速移動時所需轉矩T快和最大切削負載時所需轉矩T切三種工況下，快速空載起動時所需轉矩T最大。所以，以此項作為校核初選電動機的依據(jù)，初選步進電動機為三項混合式步進電機。由前面查得結果可知，步進電動機為三相六拍時，起動轉矩和最大靜轉矩的關系：Te.步進電動機的最高工作頻率ff由以上選型及計算，最終選用110BYG350B型反應式步進電動機。2.4.3橫向機械傳動部分的數(shù)控化改造和設計計算1.切削力的計算。因為橫向進給量為縱向的1/3-1/2，取1/2，則橫向主切削力約為縱向的1/2.F由《機床設計手冊》可知，其經驗公式為F式中Fx-Fy-FF2.滾珠絲杠設計計算滾珠絲杠的選用方案可參照縱向機械傳動部分的數(shù)控化改造和設計計算中的選用型方案及選擇原因橫向滾珠絲杠，即(1)螺紋滾道型面選用雙圓弧面。(2)滾珠循環(huán)方式選用外循環(huán)。(3)軸向間隙的調整和預緊力選用雙螺母墊片預緊3.計算進給牽引力Fm（N）.F則F4.計算最大動載荷C（N）：由式得n=t=C=5.選擇滾珠絲杠螺母副根據(jù)C<Ca的原則，使選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷，查《機械零件設計手冊》電子版，由上初選絲杠導程及計算所得的最大載荷，選取滾珠絲杠型號為CDM2004-5，其表示外循環(huán)插管式、雙螺母墊片預緊導珠管埋入式的滾珠絲杠，公稱直徑為20mm，導程為4mm，右旋螺紋，載荷鋼球為5圈，精度3級的定位滾珠絲杠副。CDM2004-5的額定動載荷為10639N>8824.4N,故強度足夠。CDM2004-5型滾珠絲杠具體參數(shù)見表表2-2CDM2004-5型滾珠絲杠具體參數(shù)公稱直徑/mm導程/mm鋼球直徑/mm絲杠外徑/mm螺紋底徑/mm額定載荷/N接觸剛度/(N/um)2042.38119.717.0106392872211786.確定齒輪傳動比其中，δp=0.005mm/步；θb參考《實用微電機手冊》，初選i=可選定齒輪齒數(shù)為i=齒輪材料40Cr，調質處理，精度等級取7級，前后軸承選用8024型流動軸承，齒輪傳動時效率為ηi由于進給運動齒輪受力不大，且根據(jù)優(yōu)先選用第一系列的原則，取m=2,由經驗公式可知，齒寬b=20mm,則分度圓直徑分別為d中心距：a=步進電動機的選擇與計算（同上步進電動機的選擇）根據(jù)負載轉矩及最大靜轉矩的計算，可初選步進電動機型號為110BF003型步進電動機，計算負載轉動慣量、快速空載起動時所需轉矩、快速移動時所需轉矩、最大切屑負載時所需轉矩、步進電動機最高工作效率，可選出步進電動機的型號為110BF0032.5步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由控制系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。該系統(tǒng)結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。

第三章微機數(shù)控系統(tǒng)的設計3.1硬件電路的設計硬件是組成系統(tǒng)的基礎，也是軟件編程的前提，數(shù)控系統(tǒng)硬件設計包括以下幾部分內容：3.1.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖據(jù)總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結構圖。機床硬件電路由五部分組成：主控制器，即中央處理單元CPU；總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器；接口，即輸入/輸出接口電路；外圍設備，如鍵盤、顯示器等。機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖3.1所示：圖3.1機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）選擇中央處理單元CPU的類型根據(jù)設計要求，CNC系統(tǒng)的主CPU采用AT89C51單片機。存儲器擴展電路設計存儲器擴展包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器擴展兩部分。選擇EPROM作程序存儲器時，應考慮：速度應與CPU時鐘匹配；容量適中。I/O接口電路設計設計內容包括：據(jù)外部要求選用I/O接口芯片，步進電機伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設計（如復位、掉電保護等）。這部分設計要求考慮系統(tǒng)的驅動能力。驅動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠。在存儲器擴展和I/O接口電路中，均涉及到地址譯碼問題。3.2軟件電路的設計軟件是硬件的補充。確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設計軟件。軟件設計步驟分為以下幾步：根據(jù)軟件要求實現(xiàn)的功能，制定出軟件技術要求；將整個軟件模塊化，確定個模塊的編制要求，包括個模塊功能，入口參數(shù)，出口參數(shù)；據(jù)硬件資源，合理分配好存儲單元；分別對個模塊編程，并調試；連接各模塊，進行統(tǒng)一調試及優(yōu)化；固化到程序存儲器中；數(shù)控系統(tǒng)中常用的軟件模塊；軟件實現(xiàn)環(huán)形分配器；插補運算模塊；自動升降速控制模塊等。3.3AT89C51芯片三相步進電機的控制要求為：1、能對三相步進電機的轉速、啟動停止進行控制；2、可實現(xiàn)三相步進電機的正反轉控制；3、能對三相步進電機的步數(shù)進行控制。3.3.1AT89C51芯片引腳及片外總線結構AT89C51芯片引腳功能AT89C51芯片有39個引腳，引腳配置如圖3.3所示。圖3.3AT89C51芯片引腳3.3.2AT89C51單片機片內結構AT89C51單片機由7個部件組成，既微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定時/計數(shù)器及中斷系統(tǒng)，它們都是通過片內單一總線連接而成的。3.4單片機最小系統(tǒng)電路3.4.1數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路由1位7段LED數(shù)碼管顯示當前轉速檔位（共9個檔位），具體如圖3.4.1所示。圖3.4.13.4.2按鍵電路按鍵電路需要實現(xiàn)按鍵控制步進電機正轉、反轉、加速、減速、停止，總共有5個按鍵，具體如圖3.4.2所示。圖3.4.23.4.3電機及驅動電路電機及驅動電路由AT89C51驅動芯片、DC-5V步進電機、轉數(shù)指示燈等構成，具體如圖5.4.3所示。圖3.4.33.5程序設計3.5.1程序設計框圖如圖3.5.1所示。圖3.5.13.5.2程序設計流程圖如圖3.5.2所示。圖3.5.23.5.3轉速控制有脈沖發(fā)生器產生不同周期T的控制脈沖，通過脈沖控制器的選擇，在通過三相六拍環(huán)形分配器使三個輸出繼電器Y0、Y1和Y2按照單雙六拍的方式接通，其接通順序為：圖3.5.3-1該過程對應于三相步進電機的通電順序為：圖3.5.3-2通過正反轉驅動環(huán)節(jié)（調換相序），改變Y0/Y1和Y2接通的順序，以實現(xiàn)步進電機的正反轉控制，即圖3.5.3-3圖3.5.3-4

3.5.4主程序截圖如圖3.5.4所示圖3.5.43.5.5程序測試及仿真

總結經過兩周的努力，機電一體化課程設計已經完成。在此，我衷心的感謝老師和同學們，沒有老師的細心指導和同學的熱情幫助，本次課程設計不會這么順利完成。最后，我對本次課程設計做了以下總結：剛開始設計時，我通過圖書館和互聯(lián)網(wǎng)等途徑閱覽了大量的相關資料，以全