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数控机床系统设计说明书
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数控机床系统设计说明书
第一章 数控技术的地位
数控技术是永数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，是20世纪后半叶最重要，发展最快的工业技术之一。
它以制造过程为对象，以信息技术为手段，以数控坐标方式对运动部件进行位置控制为主要特征，为单件、小批量生产的自动化开辟了可行的技术途径，也为现代柔性制造技术奠定了重要的技术基础。
数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统制造业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术覆盖很多领域，其中，精密机械制造技术、信息处理、加工、传输技术、自动控制技术、伺服驱动技术、传感器及检测技术和计算机技术是数控技术涵盖的主要领域。
数控技术还是运用高新技术对传统产业进行改进和提升的重要载体。
以信息化带动工业化，实现社会生产力的跨越式发展，将在一定程度上取决于数控机床的技术进步。
它代表着装备工业的技术水平和现代化程度，而装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和重要装备。
数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。
现在世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。
此外，世界上各个工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高、精、尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。
总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国历和国家地位的重要途径。
目前，数控技术在我国国民经济的各行各业发挥着越来越重要的作用，数控技术已经成为企业技术改造的首先设备之一，我国已经成为数控机床的生产大国、消费大国和进口大国。
国民经济各个行业需要大量数控机床的开发人才和应用人才。
第二章 系统设计与计算
一、 总体方案的确定
由于是经济型数控机床设计，因而在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，降低成本。
确定总体的方案为：
1、工作台工作面尺寸确定为240mm×340mm；
2、工作台的导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙稀导轨板；
3、对滚珠丝杠螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杠进行预拉伸；
4、采用步进电机进行驱动；
5、采用联轴器将步进电机与滚珠丝杠直连。
6、采用单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一齿轮减速后，带动滚珠丝杆转动，从而实现纵向、横向进给运动。
二、 机械部分改造设计与计算
1、纵向进给系统的设计与计算：
已知条件：
工作台重量：
W=800N
时间常数：
T=25ms
滚珠丝杆基本导程：
L0=6mm
行程：
S=320mm
脉冲当量：
步进角：
快速进给速度：
电机功率：
N=1.5kw
工作台快速移动速度：
（1）、切削力计算：
由《机床设计手册》可知，切削功率
查机床说明书，得电机功率N=1.5kw；系统总效率5；系统功率系数K=0.96；
则：
；
式中－－切削线速度V=100m/min
主切削：
由《金属切削原理》可知，主切削力：
,
则可计算出FZ如下所示：
查表，可知当FZ=562.3N时，切削力深度mm，走刀量
从《机械设计手册》中可知，在一般外圆车削时；
,
即：
（2）、滚珠丝杆设计计算：
对于矩形槽，综合导轨丝杠的轴向力：
取：
K=1.15, 摩擦系数f’=0.16
1）、强度计算：
寿命值：
；
取工件直径：
D=80mm，查表T1=15000h
最大动负载：
查表得：
运转系数； 硬度系数
根据Q选择滚珠丝杆型号：
CMD2504－2.5－E其额定动载荷Q=14462N，所以强度足够用；d1=22.5mm。
螺母长度L=71mm,余程le=16mm,螺纹长度l=320+71+2×16=423mm.
2）、效率计算：
根据《机械原理》，丝杆螺母副的传动效率：
其中摩擦角，螺旋升角
因此：
3）、刚度验算：
受工作负载P引起导程变化量：
L0=6mm=0.6cm, E=20.6×106N/cm2
滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化很小，可忽略。
即
寻程变形总误差为：
查表知E级精度丝杆允许的螺距误差（1m长）为故刚度足够。
4）、稳定性验算：
由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相同，而支承方式不存在问题，故不验算。
（3）、齿轮及转矩的有关计算
1）、有关齿轮计算：
,
取Z1=30, Z2=47, m=2, b=20mm,
2）、传动惯量计算：
工作台质量折算到电机轴上的传动惯量：
丝杠的转动惯量：
齿轮的转动惯量：
因电机的转动惯量很小，可以忽略；所以总的转动惯量为：
3）、所需转动力矩计算：
1、空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩：
2、切削时折算到电机轴上的加速度力矩：
3、折算电机轴上的摩擦力矩：
当 , 时：
4、由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩：
当时，预加载荷,则：
5、折算到电机轴上的切削负载力矩：
所以，快速空载启动所需力矩
切削时进给所需力矩：
快速进给所需力矩：
由以上分析可知：
所需最大力矩Mmax发生在快速启动时：
2、横向进给系统的设计与计算
经济型数控改造的横向进给系统的设比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。
步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。
已知条件：
工作台重量：
W=300N
时间常数：
T=25ms
滚珠丝杆基本导程：
L0=6mm
行程：
S=200mm
脉冲当量：
步进角：
快速进给速度：
1）、切削力计算：
横向进给为纵向的1/2～1/3,取1/2，则切削力为纵向的1/2
切断工件时：
取K=1.15,
滚动摩擦系数为
则
寿命值：
最大动负载：
根据Q选择滚珠丝杆型号：
CMD2004－2.5－E其额定动载荷Q=5862N，所以强度足够用。
d1=17.5mm。
螺母长度L=72mm,余程le=16mm,螺纹长度l=200+72+2×16=304mm.
2）、效率计算：
根据《机械原理》，丝杆螺母副的传动效率：
其中摩擦角，螺旋升角
因此：
3）、刚度验算：
受工作负载P引起导程变化量：
,
滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化很小，可忽略。
即
寻程变形总误差为：
查表知E级精度丝杆允许的螺距误差（1m长）为故刚度足够。
4）、稳定性验算：
由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相同，而支承方式不存在问题，故不验算。
5）、齿轮及转矩的有关计算
1、有关齿轮计算：
传动比：
故取：
， ，
，
，
2、传动惯量计算：
工作台质量折算到电机轴上的传动惯量：
丝杠的转动惯量：
齿轮的转动惯量：
电机的转动惯量很小可以忽略。
3、所需转动力矩计算：
1、空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩：
2、切削时折算到电机轴上的加速度力矩：
3、折算电机轴上的摩擦力矩：
当 , 滚动摩擦系数时：
4、由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩：
当时，预加载荷,则：
5、折算到电机轴上的切削负载力矩：
所以，快速空载启动所需力矩
切削时进给所需力矩：
快速进给所需力矩：
由以上分析可知，所需最大力矩Mmax发生在快速启动时：
3、步进电机的先择
一般情况下，对于步进电机的选型，主要考虑三方面的问题：
步进电机的步距角要满足进给传动系统脉冲当量的要求；步进电机的最大静扭矩要满足进给运动系统的空载快速启动力拒要求；步进电机的启动矩频率特性和工作矩频率特性必须满足进给传动系统对启动扭矩与启动频率、工作运行扭矩与运行频率的要求。
初步选择步进电机主要是选择电机的类型和步距角。
目前，步进电机有三种类型可供选择：
一是反应式步进电机，步距角小，运行频率高，价格较低，胆功耗较大；二是永磁式步进电机，功耗较小，断电后仍有制动力拒，但步距角较大，启动和运行频率较低；三是混合式步进电机，它具备了上述两种电机的优点，但是价格较高。
各种步进电机的产品样本中都给出了步进电机的通电方式及步距角等主要技术参数以供选用。
1）、纵向进给系统的电机的确定
根据启动力矩的选择
；－－电机启动力矩；－－电机静负载力矩
则：
为满足最小步角要求，电机选用三相六拍工作方式，查表知:
所以，步进电机最大静转距为：
进电机最高工作频率：
综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。
2）、横向进给系统步进电机的确定：
则：
为满足最小步角要求，电机选用三相六拍工作方式，查表知:
所以，步进电机最大静转距为：
步进电机最高工作频率：
综合考虑，仍选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。
4、滚动导轨的选择
导轨主要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨道运动。
在导轨副钟，运动的一方称为动导轨，不动的一方为支承导轨。
动导轨相对于支承导轨运动，通常作直线运动和回转运动。
导轨的几何精度综合反映了在静止或低俗下导轨的导向精度。
因此对导轨的精度要求比较高。
影响导轨精度的主要因素有导轨的几何精度、导轨的接触精度、导轨的结构形式、动导轨及支承导轨的刚度和热变形，还有装配质量。
导轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性，因此耐用的导轨就必须要求耐磨性好。
同时要有足够的刚度，因为足够的刚度保证导轨在载荷作用下不产生过大的变形，从而保证各部件的相对位置和导向精度。
此外，还要求导轨在低速运动时有好的平稳性和制造的工艺性好。
综合考虑机床的基本额定载荷及其它方面的因素，选取HTSD－－WAA（宽幅矩型滑块）的滚珠导轨。
初步选用4滑块，工作台大小400×300，工作台自重300N，外载荷700N。
1）、摩擦力计算：
摩擦力计算公试
式中为滚动摩擦系数取,P为法向载荷纵向P=349.2,横向P=229.4，f为密封件阻力，取f=0.5N.
纵向F=0.003×349.2+0.5=1.55N
横向F=0.003×229.4+0.5=1.19N
2）、寿命计算：
纵向行程为0.32m
目标寿命L=0.32×2×5×60×8×300×5×10-3=2304km
选择HTSD－LG20WAA型导轨，额定动载Ca为10.28W，根据计算可知，满足强度要求。
横向行程为0.2m，
目标寿命L=0.2×2×5×60×8×300×5×10-3=1440km
选择HTSD－LG20WAA型导轨。
额定动载Ca为4.51W.
第三章 控制系统设计及编程
数控机床控制系统由硬件和软件两大部分组成。
控制系统在使用中的控制对象各不相同，但其硬件的基本组成是一致的。
如下图所示：
图1 控制系统示意图
以单片机为核心的控制系统大多数采用MCS-51系列单片机，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善、抗干扰性能较强的控制系统。
一、设计步进电机工作台第一象限直线插补控制（逐点比较法）方案。
原理：
逐点比较法是一种代数算法，其特点是能逐点计算和判别运动偏差，并逐点纠正以逼迫理论轨迹。
逐点比较法的理论误差是一个脉冲当量。
在整个插补过程中走一步均需完成四个工作节拍是：
1、偏差判别，判别刀具的实际位置对规定图形的偏离位置，以决定进给方向；
2、进给控制，沿减少偏差的方向进给一步，以向规定图形靠拢；
3、新偏差计算，计算刀具在新位置上对给定图形的偏差，作为下一步偏差判别的依据；
4、终点判别，判断是否到达终点。
若未到终点，回到1后继续不断地重复上述循环过程，若到达终点，发出运算完成信号，就能实现平面上直线和圆弧插补。
二、步进电机的单片机控制
步进电机的驱动电路根据控制信号工作。
在步进电机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。
其基本控制作用如下：
1）、控制换相顺序。
步进电机的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。
通常把他通电换相这一过程称为脉冲分配。
2）、控制步进电机的转向。
如果按给定的工作方式正序通电换相，步进电机就正转；如果按反序通电换相，则电动机反转。
3）、控制步进电机的速度。
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个，它会再转一步。
两个脉冲的间隔时间越短，步进电机转得就越快。
因此，脉冲的频率决定了步进电机的转速，调整单片机发出脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。
三、硬件控制示意图
实现脉冲分配（通电换相控制）的方法有两种：
软件法和硬件法。
这里主要用的是软件法。
软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲。
如下图所示，利用8051系列单片机的P1.0～P1.5这6条线，向两个三相步进电机传送控制信号。
图2 单片机的I/O口分配图
三相步进电机工作在六拍方式时，其通电换相的正序为：
A→AB→B→BC→C→CA→A,共6个通电状态。
如果P1口输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，则可用6个控制字来对应这6个通电状态，如下表所示：
表1 X步进电机工作方式的控制字
表2 Y步进电机工作方式的控制字
（一）、主程序框图：
图3主程序框图
表3 内存分配表
（二）、子程序框图
表4 软环分表及X、Y电机带电状态码的内存分配表
正
转
X电机
电机状态
Y电机
反
转
内存地址
状态内容
内存地址
状态内容
80H
00H
90H
00H
81H
FEH
A
91H
F7H
82H
FCH
AB
92H
E7H
83H
FDH
B
93H
EFH
84H
F9H
BC
94H
CFH
85H
FBH
C
95H
DFH
86H
FAH
CA
96H
D7H
87H
00H
97H
00H
图4 子程序框图
（三）、程序清单
MAIN:
PUSH A ;保护现场
MOV R4,#N ;设步长计数器
CLR C
MOV R5,#80H
MOV R6,#90H
CLR A ;位清零使表头表尾为0
MOV 80H,A
MOV 87H,A
MOV 90H,A
MOV 97H,A
MOV R0,#81H ;装X电机状态码到内存
MOV @R0,#FEH
INC R0
MOV @R0,#FCH
INC R0
MOV @R0,#FDH
INC R0
MOV @R0,#F9H
INC R0
MOV @R0,#FBH
INC R0
MOV @R0,#FAH
MOV R1,#01H ;装Y电机状态码到内存
MOV @R1,#F7H
INC R1
MOV @R1,#E7H
INC R1
MOV @R1,#EFH
INC R1
MOV @R1,#CFH
INC R1
MOV @R1,#DFH
INC R1
MOV @R1,#D7H
LOR4:
MOV 98H,#0C8H ;Xe
MOV 99H,#0C8H ;Ye
MOV 9AH,#00H ;X
MOV 9BH,#00H ;Y
MOV 9EH,#00H ;F
MOV A0H,#0AH ;电机初始状态
LOP3:
MOV A,2EH ;偏差送到A口
JNZ A,LOP1 ;F<0跳到LOP1Y转
MOV A,A0H
CLR P1.0 ;P1.0=0,X转
SETB P1.3 ;P1.3=1,Y不转
MOV A0H,A ;送控制字
LCALLMOTR ;X方向走一步
MOV A,9EH ;偏差送到A
SUBB A,99H ;F-Ye
INC 9AH ;X+1
AJMP LOP2 ;跳转到LOP2进行偏差判断
LOP1:
MOV A,A0H
CLR P1.3 ;P1.3=0,Y转
SETB P1.0 ;P1.0=1,X不转
MOV A0H,A ;送控制字
LCALLMOTR ;Y方向走一步
MOV A,9EH ;偏差送到A
ADD A,98H ;F+Xe
INC 9BH ;Y+1
LOP2:
MOV 9EH,A ;将A的偏差送到9EH单元
MOV A,98H
CJNE A,9AH,LOP3 ;Xe=X?
不等则转移
MOV A,99H
CJNE A,9BH,LOP1 ;Ye=Y?
不等则转移
AJMP ST
MOTR:
MOV A,70H ;MOTR子程序，查看控制字
JNB P1.0,Y ;P1.0=!
1,X不转,则执行Y（Y转）
X:
JNB P1.1,XF ;P1.1=!
1,X不转,则执行XF
XZ:
INC R5 ;X正转地址指针R5+1
MOV A,R5 ;从代码表中取R5指向的代码到A
MOV R0,A
CJNE A,#00H,LP1 ;判断是否到表底,不是则执行LP1
MOV R5,#81H ;到表底则重新指向表首
MOV A,R5 ;从代码表中取R5指向的代码到A
MOV R0,A
LP1:
MOV R7,#28H ;代码输出两行
MOVX @R7,A
MOV R2,#10H
LCALLYANS ;延时两行
RET
XF:
DEC R5 ;X正转地址指针R5-1
MOV A,R5 ;从代码表中取R5指向的代码到A
MOV R0,A
CJNE A,#00H,LP2 ;判断是否到表头,不是则执行LP2
MOV R5,#86H ;到表头则重新指向表底
MOV A,R5 ;从代码表中取R5指向的代码到A
MOV R0,A
LP2:
MOV R7,#28H ;代码输出两行
MOVX @R7,A
MOV R2,#10H
LCALLYANS ;延时两行
RET
Y:
JNB P1.3,YF ;P1.3=!
1,Y不转,则执行X（X转）
YZ:
INC R6 ;Y正转地址指针R6+1
MOV A,R6 ;从代码表中取R5指向的代码到A
MOV R0,A
CJNE A,#00H,LP3 ;判断是否到表底,不是则执行LP3
MOV R6,#91H ;到表底则重新指向表首
MOV A,R6 ;从代码表中取R5指向的代码到A
MOV R0,A
LP3:
MOV R7,#28H ;代码输出两行
MOVX @R7,A
MOV R2,#10H
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