参考文献
[1]张新义主编．经济型数控机床系统设计．北京：机械工业出版社，1998 [2]余英良主编．机床数控改造设计与实例．北京：机械工业出版社，1994 [3]王贵明主编．数控实用技术．北京：机械工业出版社，2001 [5]张建明主编．机电一体华系统控制．北京：高等教育出版社，2001 [6]邓星钟主编．机电传动控制．武汉：华中科技大学出版社，2001 [7]王爱玲主编．现代数控机床结构与设计．北京：兵器工业出版社，1999 [8]卜云峰主编．机械工业及自动化简明设计手册上下册．北京：机械工业出版社，1999
[9]世纪星数控装置连接说明书．武汉：武汉华中数控股份有限公司，2001 [10]李洪主编．实用机床设计手册.沈阳:辽宁科学技术出版社，1999 [11]尹志强主编．系统设计课程设计指导书．合肥：机械工业出版社，2007 [12]陶晓杰主编．伺服电机用于车床进给系统.制造业自动化，第22期，2000
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[18]刘淑华．浅谈数控车床主传动系统设计.52668网路博览会.产业频道，2003
[19]杨波．浅谈机床数控改造.e-works,e-works论坛，2001
[20]大连理工大学工程画教研室主编.机械制图.北京:高等教育出版社，1993
[4]普通C6140车床的说明书
[17]陶乾主编．金属切削原理，高等教育出版社，1957
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前 言
我国目前机床总量为380万余台，而其中数控机床总数只有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国内市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。
对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，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，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。
数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要内容之一。
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目 录
第一节 设计任务 .................................. 3
1.1题目： ........................................... 3 1.2 任务 ............................................ 3
第二节 总体方案的确定 ............................ 4 第三节 机械系统的改造设计方案 .................... 5
3.1主轴系统的改造方案 ............................... 5 3.2安装电动卡盘 ..................................... 5 3.3换装自动回转刀架 ................................. 5 3.4螺纹编码器的安装方案 ............................. 6 3.5进给系统的改造与设计方案 ........................ 6
第四节 进给传动部件的计算和选型 .................. 7
4.1脉冲当量的确定 ................................... 7 4.2切削力的计算 ..................................... 7 4.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型 ...................... 8 4.4同步带减速箱的设计 .............................. 10 4.5步进电动机的计算与选型 .......................... 12 4.6同步带传递效率的校核 ............................ 16
第五节 绘制进给传动机构的装配图 ................. 16 第六节 控制系统硬件电路设计 ..................... 17 第七节 步进电动机驱动电源的选用 ................. 19 第八节 控制系统的部分软件设计 ................... 19 参考文献 ........................................ 26
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第一节 设计任务
1.1题目：C6140普通车床数控化改造设计
1.2 任务
将一台C6140普通车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下：
（1）床身上最大加工直径400mm; （2）最大加工长度1000mm；
（3）X方向（横向）的脉冲当量?x?0.005mm/脉冲，Z方向（纵向）
?z?0.01mm/脉冲；
（4）X
方向最快移动速度vxmax?2500mm/min，Z方向最快工进速度vxmaxf?400mm/min，Z
方向为
vxmax?6000mm/mi；n
（5）X
方向为
vxmaxf?700mm/min；
（6）X方向定位精度?0.01mm，Z方向?0.02mm； （7）可以车削柱面、平面、锥面与球面等；
（8）安装螺纹编码器，可以车削公/英制的直螺纹与锥螺纹，最大
导程24mm；
（9）安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀； （10）
自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有级变
速与无级变速信号； （11） （12） （13） （14） （15）
自动控制冷却泵的启/停;
安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开； 纵、横向安装限位开关； 数控系统可与PC机串行通信；
显示界面采用LED数码管，编程采用ISO数控代码。
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第二节 总体方案的确定
总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。 1． 普通车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、
圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。
2． 普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定
加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。
3． 根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控
系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。
4． 根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、
键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等，还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。
5． 为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传
动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。 6． 计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速齿
轮副，且应有消间隙机构。
7． 选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。
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第三节 机械系统的改造设计方案
3.1主轴系统的改造方案
对普通机床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构
和变速操纵机构，这样可以减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。
若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用2~4速的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于70Hz，原来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率应比电动机大）。 改造C6140车床时，若采用有级变速，可选用浙江超力有限公司生产的YD系列7.5kW变级多速三相异步电动机，实现2~4档变速；若采用无级变速，应加装交流变频器，推荐型号为：F100-G0075T3B,适配7.5kW电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。
3.2安装电动卡盘
为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特附件总厂生产的KD11250型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系。
3.3换装自动回转刀架
为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。实现自动换刀
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MOV DPTR，#3FFCH ；指向PA口
MOV A，#0FFH ；预置PA口全“1” MOVX @DPTR，A ；输出全“1”到PA口 MOV DPTR，#3FFDH ；指向PB口
MOV A，#0FFH ；预置PB口全“1” MOVX @DPTR，A ；输出全“1”到PB口 RET
4. 8279芯片初始化子程序
B279: MOV DPTR，#5FFFH ；指向8279的控制口地址 MOV A，#0CFH ；清除FIFO与显示RAM命
令
MOVX @DPTR，A ；命令字被写入
WAIT: MOVX A，@DPTR ；从8279的控制口读取8279的状态字
JB ACC.7，WAIT ；测试显示RAM有没有被清
除完毕。只有状态字的D7=0，清除才结束
MOV A，#08H ；编码扫描，左入口，16位
字符显示，双键互锁
MOVX A，@DPTR
MOV A，#34H ；分频系数取20 MOVX @DPTR，A RET
5. 8279控制LED显示子程序
设显示缓冲区的首地址为6BH，系统在指定的工作状态下，需要显示的字
符段码的编码，事先存储在CPU内部的RAM的6BH~73H这9个字节中。已知
8279的控制口地址为5FFFH，数据口地址为5FFEH，则显示程序如下：
DIR: MOV DPTR，#5FFFH ；8279的控制口地址
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MOV A，#90H ；写8279显示RAM的命令 MOVX @DPTR，A ；从显示RAM的00H地址
开始写，每写一次，显示RAM的地址自动加1
MOV R0，#6BH ；显示缓冲区的首地址为6BH
DIR0: ； DTAB: MOV MOV MOV ADD MOVC MOVX INC DJNZ RET
DB DB DB DB DB DB DB DB DB DB R7，#09H ；显示缓冲区的长度为9个
字节
DPTR，#5FFFH ；8279的数据口地址 A，@R0 ；从CPU的RAM中读取显示
段码的编码
A，#05H ；PC与DTAB表格之间的偏
移量
A，@A+PC ；查表，取出显示段码 @DPTR，A ；送到8279显示RAM中指定
的字节
R0 ； 写8279的下一个显示
RAM
R7，DIR0 ；循环9次，完成9位显示 段码 字符 编码 6FH ；F 00-01
0DAH
0BEH ；X 02-03 0E7H
0A3H ；Z 04-05 0CBH
0D1H ；U 06-07 0D3H
0DCH ；W 08-09 0CEH
第 22 页
DB 0DFH ；- 0A DB 21H ；0 0B DB 7BH ；1 0C DB 91H ；2 0D DB 19H ；3 0E DB 4BH ；4 0F DB 0DH ；5 10 DB 05H ；6 11 DB 69H ；7 12 DB 01H ；8 13 DB 09H ；9 14 DB 20H ；0. 15 DB 7AH ；1. 16 DB 90H ；2. 17 DB 18H ；3. 18 DB 4AH ；4. 19 DB 0CH ；5. 1A DB 04H ；6. 1B DB 68H ；7. 1C DB 00H ；8. 1D DB 08H ；9. 1E
?? ；根据系统需要编制字
库
当需要显示一组字符时，首先给显示缓冲区的6BH~73H这9 个字节赋值，然后调用DIR子程序即可。例如，要显示“X-1234.56” ，程序如下：
MOV 6BH，#02H ；“X”的一半 MOV 6CH，#03H ；“X”的另一半 MOV 6DH，#0AH ；- MOV 6E，#0CH ；1 MOV 6FH，#0DH ；2
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MOV 70H，#0EH ；3 MOV 71H，#19H ；4. MOV 72H，#10H ；5 MOV 73H，#11H ；6
CALL DIR ；向8279的显示RAM写数
??
显示缓冲区（CPU内部RAM）：
(6BH)(6CH)(6DH) (6EH) (6FH) (70H) (71H)
(72H) (73H)
| | | | | | |
| |
显示字符： X - 1 2 3 4. 5 6
| | | | | | | | |
字符编码： 02H 03H 0AH 0CH 0DH 0EH 19H 10H 11H
6. 8279管理键盘子程序
如图三所示，当矩阵键盘有键按下时，8279即向CPU的INT1申请中断，CPU随即执行中断服务程序，从8279的FIFO中读取键值，程序如下：
CLR EX1 ；关CPU的INT1中断
MOV DPTR，#5FFFH ；指向8279控制口地址
MOV A，#01000000B ；准备读8279FIFO的命令
MOVX @DPTR，A ；写入8279控制口 MOV DPTR，#5FFFH ；指向8279数据口地址
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MOVX A，@DPTR ；读出键值 CJNE A，#KEY0，NEXT0 ；依次进行判别 JMP _KEY0 ；对应键进行处理 NEXT0: CJNE A，#KEY1，NEXT1
JMP _KEY1 NEXT1: CJNE A，#KEY2，NEXT2 JMP _KEY2 NEXT2: ??
7. D/A电路输出模拟电压程序
如图三所示，当CPU执行写命令时，只要选中7FFFH这个地址，DAC0832与741组成的D/A转换电路即可输出直流电压。程序如下：
MOV DPTR，#7FFFH ；指向DAC0832口地址 MOV A，#DATA ；准备输出的数字量
00H~0FFH
MOVX @DPTR，A ；输出直流电压0~10V 8. 步进电动机的运动控制程序 9. 电动刀架的转位控制程序
10. 主轴、卡盘与切削液泵的控制程序
车床主轴的控制，就是控制主电动机的正/反/停，以及自动变速；电动卡盘需要控制其夹紧与松开；切削液泵需要控制它的起/停。这些程序都非常简单，对于某个动作的控制，只要从输出接口芯片的某个引脚输出一个电平信号即可。
现以主轴正转为例，从图三可以看出，主轴的正转由8255的PA0来控制，当用低电平信号来控制主轴正转时，程序如下： MOV DPTR，#3FFFH ；8255的PA口地址 MOVX A，@DPTR ；读出PA口锁存器内容 CLR ACC.0 ；修改
MOVX @DPTR，A ；置PA0=0,直流继电器K+
闭合，主轴正转
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参考文献
[1]张新义主编．经济型数控机床系统设计．北京：机械工业出版社，1998 [2]余英良主编．机床数控改造设计与实例．北京：机械工业出版社，1994 [3]王贵明主编．数控实用技术．北京：机械工业出版社，2001 [5]张建明主编．机电一体华系统控制．北京：高等教育出版社，2001 [6]邓星钟主编．机电传动控制．武汉：华中科技大学出版社，2001 [7]王爱玲主编．现代数控机床结构与设计．北京：兵器工业出版社，1999 [8]卜云峰主编．机械工业及自动化简明设计手册上下册．北京：机械工业出版社，1999
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频率为fmax?1200?360/(60??)?1200?360/(60?0.72)Hz?10000Hz。当脉冲频率为10000Hz时，电动机的输出转矩约为3.8N?m，对应的输
出
功
率，为
。得
取出
POUT?nT/9.55?1200?3.8/9.55W?478WKA?1.2,代
入
式
P?0.478kWPd?KAP，
Pd?1.2?0.478kW?0.574kW. （4） 选择带型和节距pb
根据带的设计功率Pd?0.574kW和主动轮最高转速
n1?1200r/min，选取同步带的型号为L型节距pb?9.525mm。 （5） 确定小带轮齿数z1和小带轮节圆直径d1 取z1?15，则小带轮节圆直径d1?pbz1??45.48mm。当n1达到
最高转速1200r/min时，同步带速度为v?有超过L型带的极限速度35m/s。
?d1n160?1000?2.86m/s，没
（6） 确定大带轮齿数z2和大带轮节圆直径d2
大带轮齿数z2?iz1?18，节圆直径d2?id1?54.57mm。 （7） 初选中心距a0、带的节线长度L0p、带的齿数zb
初选中心距a0?1.1(d1?d2)?110.06mm，圆整后取a0?110mm。则带的节线长度为L0p(d1?d2)2?2a0?(d1?d2)??377.33mm。查
24a0?表选取标准节线长度Lp?381mm，相应齿数zb?40。 （8） 计算实际中心距a 实际中心距a?a0?Lp?L0p2?111.835mm。
（9） 校验带与小带轮的的啮合齿数zm zm?ent[z1pbz1?(z2?z1)]?7，啮合齿数比6大，满足要求。222?a此处ent表示取整。
（10） 计算基准额定功率P0
所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率：
第 11 页
(Ta?mv2)vP0?，式中 Ta表示带宽为bs0时的许用工作压力，查
1000表得Ta?244.46N；m表示带宽为bs0时的单位长度的质量，查表得m?0.095kg/m；v表示同步带的带速，由上述（5）知v?2.86m/s。代入式子算得P0?0.697kW.
（11） 确定实际所需同步带宽度bs bs?bs0(Pd1/1.14，式中bs0表示选定型号的基准宽度，查表)KzP0得bs0?25.4mm；Kz表示小带轮啮合齿数系数，查表得Kz?1。由上式算得bs?21.42mm，再根据表选取标准带宽bs?25.4mm。 （12） 带的工作能力验算
根据式P?(KzKwT?bsmv2)v?10?3，计算同步带额定功率P的bs0精确值：式中 Kw为齿宽系数：Kw?(bs/bs0)1.14?1。经计算得
P?0.697kW,而Pd?0.574kW,满足P?Pd。因此，带的工作能力合
格。
4.5步进电动机的计算与选型
（1） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq
已知：滚珠丝杠的公称直径d0?40mm，总长（带接杆）
l?1560mm，导程Ph?6mm，材料密度??7.85?10?3kg/cm3；纵向
移动部件总重量G?1300N；同步带减速箱大带轮宽度28mm，节径54.57mm，孔径30mm，轮毂外径42mm，宽度14mm；小带轮宽度28mm，节径45.48mm，孔径19mm，轮毂外径29mm，宽度12mm；传动比i?1.2。
将上述数据代入公式，可得出：滚珠丝杠的转动惯量
JS?30.78kg?cm2；床鞍折算到丝杠上的转动惯量JW?1.21kg?cm2；小带轮的转动惯量Jz1?0.95kg?cm2，大带轮的转动惯量Jz2?1.9kg?cm2。在设计减速箱时，初选的纵向步进电动机型号为130BYG5501，查表得该型号电动机转子的转动
第 12 页
惯量Jm?33kg?cm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：Jeq?Jm?Jz1?(Jz2?JW?JS)/i2?57.55kg?cm2。 （2） 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq
分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。 1） 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1
由式Teq1?Tamax?Tf?T0，可知Teq1包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tamax、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式T0?FYJPh2T0相对于Tamax和Tf很(1??0)可知，
2??i小，可以忽略不计。则有：Teq1?Tamax?Tf （4-1）
根据式
Tamax?Jeq??2?Jeqnm60ta，考虑纵向传动链的总效率
?，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转
矩：Tamax?2?Jeqnm60ta?1? （4-2）式中 nm表示对应纵向空载最
快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；ta表示步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。其中：nm?vmax? （4-3） 式中 vmax表示纵向空载最快移360??动速度，任务书指定为6000mm/min；?表示纵向步进电动机步距角。为0.72?；?表示纵向脉冲当量，为??0.01mm/脉冲。将以上各值带入式（4-3），算得nm?1200r/mmin。
设表示步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间
ta?0.4s，纵向传动链总效率??0.7；则由式（4-2）求得：
TamaxF摩Ph2??57.55?10?4?1200?N?m?2.58N?m，由式Tf?可
60?0.4?0.72??i知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：
Tf??(Fc?G)Ph （4-4）式中 ?表示导轨的摩擦因数，滑动
2??i第 13 页
导轨取0.16；Fc表示垂直方向的工作载荷，空载时取0；?表示纵向传动链总效率，取0.7。则由式（4-4）得：
Tf?0.16?(0?1300)?0.006N?m?0.24N?m，最后由式（4-1），
2??0.7?1.2求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为：
Teq1?Tamax?Tf?2.82N?m (4-5)
2） 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩
Teq2
由式Teq2?Tt?Tf?T0可知，Teq2包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。T0相对于Tf和Tt很小，可以忽略不计。则有：Teq2?Tt?Tf （4-6）
其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt由式Tt?FfPh2??i计算，本例中在对滚珠丝杠进行计算的时
候，已知进给方向的最大工作载荷Ff?935.69N,则有：
Tt?FfPh2??i?935.69?0.006N?m?1.06N?m
2??0.7?1.2F摩Ph2??i计算承受最大工作负载
再由式Tf?（Fc?2673.4N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转
Tf?轴上的摩擦转矩:
?(Fc?G)Ph0.16?(2673.4?1300)?0.006?N?m?0.72N?m
2??i2??0.7?1.2最后由式（4-6），求得最大工作负载状态下电动机
转轴所承的负载转矩：Teq2?Tt?Tf?1.78N?m （4-7）
经上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩：Teq?max{Teq1,Teq2}?2.82N?m （4-7）
（3） 步进电动机最大静转矩的选定
考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时，
第 14 页
其输出转矩会下降，可能造成丢布，甚至堵转。因此，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K?4，则步进电动机的最大静转矩应满足：
Tjmax?4Teq?4?2.82N?m?11.28N?m （4-8）
对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，查表可知，其最大静转矩Tjmax?20N?m，可见完全满足式（4-8）要求。 （4） 步进电动机的性能校核
1）最大工进速度时电动机输出转矩校核
任务书给定纵向最快工进速度vmaxf?700mm/min，脉冲当量
??0.01mm/脉冲，由式fmaxf?vmaxf60?求出电动机对应的运行频率
fmaxf?700/(60?0.01)Hz?1167Hz。在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf?17N?m，远远大于最大工作负载转矩Teq2?1.78N?m，满足要求。
2）最快空载移动时电动机输出转矩校核
任务书给定纵向最快空载移动速度vmax?6000，由式mm/minfmax?vmax60?，求出电动机对应的运行频率
fmax?6000/(60?0.01)Hz?10000Hz。查表得，此频率下，电动机的输出转矩Tma?x3.8N?m，大于快速空载起动时负载转矩
Teq1?2.82N?m，满足要求。
3）最快空载移动时电动机运行频率校核
最快空载移动速度vmax?6000，对应的电动机运行频mm/min率fmax?10000Hz。查表可知130BYG550的极限运行频率为
20000Hz，可见没有超出上限。
4）起动频率的计算
已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq?57.55kg?cm2，电动机转子自身的转动惯量Jm?33kg?cm2，查表可知电动机转轴不带任何负载时最高空载起动频率fq?1800Hz。由式fL?fq1?Jeq/Jm，可
以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为：fL?1087Hz，
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上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1087Hz。实际上，在采用软件升降频率时，起动频率选得很低，通常只有100Hz(即100脉冲/s)。
综上所述，纵向进给系统选用130BYG550步进电动机，可以满足要求。
4.6同步带传递效率的校核
分两种工作情况，分别进行校核。 （1）快速空载起动
电动机从静止到加速至nm?1200r/min，由式（4-5）可知，同步带传递的负载转矩Teq1?2.82N?m，传递的功率为
P?nmTeq1/9.55?1200?2.82/9.55W?354.3W。 （2）最大工作负载、最快工进速度
由式（4-7）可知，带需要传递的最大工作负载转矩
Teq2?1.78N?m，任务书给定最快工进速度vmaxf?700mm/min，对应电动机转速nmaxf?(vmaxf/?z)?/360?140r/min。传递的功率为
P?Teq2/9.55?140?1.78/9.55W?26.1W。
可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率
0.697kW。因此，选择的同步带功率合格。
第五节 绘制进给传动机构的装配图
在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型后可以着手绘制进给伺服系统的机械装配图。在绘制机械装配图时，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。
（1）了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。
（2）根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号，轴承座的结构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。 （3）考虑各部件之间的定位、联接和调整方法。箱上的联接与定位等。
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（4）考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。
（5）在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。
第六节 控制系统硬件电路设计
根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：
1） 2） 3） 4） 5） 6） 7） 8） 9）
接收键盘数据，控制LED显示； 接收操作面板的开关与按钮信号； 接收车床限位开关信号； 接收螺纹编码器信号；
接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号； 控制X、Z向步进电动机的驱动器； 控制主轴正转、反转与停止；
控制多速电动机，实现主轴有级变速； 控制交流变频器，实现主轴无级变速；
10） 控制切削液泵起动/停止； 11） 控制电动卡盘的夹紧与松开； 12） 控制电动刀架的自动选刀； 13） 与PC机的串行通信。 图（2）为控制系统的原理框图。
CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52；由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；键盘与LED显示采用8279来管理；输入/输出口的扩展选用了并行接口8255芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大；模拟电压的输出借助于DAC0832;与PC机的串行通信经过MAX233芯片。
数控系统的操作面板布置如图（1）所示。面板设置了48个微
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动按钮，三个船形开关，一只急停按钮，显示器包括1组数码管和7只发光二极管。 晶振电 EPROM 芯片 W27C5 键盘与 显示接 口芯片 串行接 口芯片 MAX23 SRAM 芯片 6264 复位电 CPU AT89S52 单片机 操作面板开关/按钮螺纹光栅信D/A转换芯片交流变主轴电动隔离放限位开关信隔离放刀架刀位信 并行接口芯片 8255 隔离放隔离放卡盘电动机 隔离放主轴电动机 隔离放刀架电动机 隔离放X向步进电动隔离放Z向步进电动切削液泵电 图（2）
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第七节 步进电动机驱动电源的选用
本例中X向步进电动机的型号为110BYG5802,Z向步进电动机的型号为30BYG5501。两种电动机除了外形尺寸、步距角和输出转矩不同外，电气参数基本相同，均为5相混合式，5线输出，电动机供电电压DC120~310V，电流5安。这样，两台电动机的驱动电源可用同一型号。在此，选择合肥科林数控科技有限责任公司生产的五相混合式调频调压型步进驱动器，型号为BD5A。
第八节 控制系统的部分软件设计
1. 存储器与I/O芯片地址分配
根据图三中地址译码器U4（74LS138）的连接情况，可以算出主机板中存储器与I/O芯片的地址分配，如下表所示： 器件名称 地址选择线（A15~A0） 片内地址单元数 地址编码 第 19 页
6264 8255 8279 DAC0832
000?,????,????,???? 0011,1111,1111,11?? 0101,1111,1111,111? 0111,1111,1111,1111 8K 4 2 1 0000H~1FFFH 3FFCH~3FFFH 5FFEH~5FFFH 7FFFH 2. 控制系统的监控管理程序
系统设有7档功能可以相互切换，分别是“编辑” 、“空刀” 、“自动” 、“手动1” 、“手动2” 、“手动3”和“回零” 。选中某一功能时，对应的指示灯点亮，进入相应的功能处理。控制系统的监控管理程序流程见图（3）。
编 编辑 处 图（3）
3. 8255芯片初始化子程序
B255: MOV DPTR，#3FFFH ；指向8255的控制口地址 MOV A，#10001001B ；PA口输出，PB口输出，PC
口输入，均为方式0
MOVX @DPTR，A ；控制字被写入
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系统上电CPU、8255、8279等工作状态N 空N 自N 手N 回N 空刀处自动处手动处回零处
