卧式车床CA6140数控化改造说明书1(4)

最后由式（6-6），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩

Teq2= Tt +Tf = 1.78 N2m （4-7） 经过上述计算后，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}= 2.82 N2m

（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，其输出转矩会下降，可能造成丢步，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，由表4-5可知，其最大静转矩Tjmax= 20 N2m，可见完全满足（6-8）式的要求。 （4）步进电动机的性能校核

1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定Z向最快工进速度

vmaxf=800mm/min，脉冲当量δ=0.01 mm/脉冲，求出电动机对应的运行频率 fmaxf= 800/（6030.01）≈1333(Hz)。从130BYG5501的运行矩频特性图6-4可

以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf≈17 N2m，远远大于最大工作负载转矩Teq2=1.78 N2m，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Z向最快空载移动速度

vmax=6000mm/min，求出电动机对应的运行频率fmax=6000/（6030.01）

Hz=10000(Hz)。从图6-4查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax=3.8 N2m，大于快速空载起动时的负载转矩Teq1= 2.82N2m，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 mm/min对应的电动机运行频率fmax= 10000 Hz。查表4-5可知130BYG5501的极限运行频率为20000 Hz，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=

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57.55kg?cm2 ，电动机转子自身的转动惯量Jm?33kg?cm2，查表4-5可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率fq=1800Hz 。则由式（4-17）可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为： fL?fq1?Jeq/Jm?1087Hz

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，在采用软件升降频时，起动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。

综上所述，本例中Z向进给系统选用130BYG5501步进电动机，可以满足设计要求。

4.6 同步带传递功率的校核

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=1200 r/min，由（6-5）式可知，同步带传递的负载转矩Teq1=2.82 N2m，传递的功率为P = nm 3Teq1/ 9.55 =120032.78/9.55≈354.3W

（2）最大工作负载、最快工进速度 由（6-7）式可知，带需要传递的最大工作负载转矩Teq2 = 1.78 N2m，任务书给定最快工进速度vmaxf= 800mm/min，对应电动机转速 nmaxf =（vmaxf/?z）3α/360=160（r/min）。传递的功率为 P=nmaxfTeq2/9.55=160?1.78/9.55W?29.8W

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。

5. 绘制进给传动机构的装配图

在完成滚珠丝杠螺母副、减速箱和步进电动机的计算、选型后，就可以着手绘制进给传动机构的装配图了。在绘制装配图时，需要考虑以下问题： （1）了解原车床的详细结构，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，确定丝杠两端轴承的型号、轴承座的结构以及

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轴承的预紧和调节方式。

（3）考虑各部件之间的定位、联接和调整方法。例如，应保证丝杠两端支承与螺母座同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座、支承座在安装面上的联接与定位，同步带减速箱的安装与定位，同步带的张紧力调节，步进电动机的联接与定位等。

（4）考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如，丝杠螺母的润滑、防尘防铁屑保护、轴承的润滑及密封、行程限位保护装置等。

（5）在进行各零部件设计时，应注意装配的工艺性，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。

（6）注意绘制装配图时的一些基本要求。比如，制图标准，视图布置及图形画法要求，重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标注，重要配合尺寸的标注，装配技术要求，标题栏等。

6.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）接收键盘数据，控制LED显示； （2）接收操作面板的开关与按钮信号； （3）接收车床限位开关信号： （4）接收螺纹编码器信号；

（5）接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号； （6）控制X、Z向步进电动机的驱动器； （7）控制主轴的正转、反转与停止； （8）控制多速电动机，实现主轴有级变速； （9）控制交流变频器，实现主轴无级变速； （10）控制冷却泵启动/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6-1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用作程序存储

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器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用作数据存储器，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。

图6-1 车床数控系统操作面板布置图

图6-2 控制系统原理框图

控制系统的操作面板布置如图6-1所示。面板设置了48个微动按键，三个船形开关，一只急停按钮，显示器包括1组数码显示管和7只发光二极管。 控制系统的主机板电原理图见书后图6-2，键盘与LED显示电原理图见书后图6-8。详细的电路设计原理及电路分析请参考第五章相关内容

7.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

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130BYG5501，生产厂家为常州宝马集团公司。这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，电机供电电压DC120～310V，电流5A。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。它与控制系统的连接如图7-1所示。

图7-1 BD5A驱动器与控制系统的连接

8. 控制系统的部分软件设计

8.1 存储器与I/O芯片地址分配

根据书后图6-7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芯片的地址分配如表 8-1所示。

表8-1 主机板中存储器与I/O芯片的地址分配表

8.2 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

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