數控機床系統設計闡明書

第一章數控技術的地位

數控技術是永數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，是20世紀

后半葉最重要，發展最快的工業技術之一。它以制造過程為對象，以信息技術

為手段，以數控坐標方式對運動部件進行位置控制為重要特性，為單件、小批

量生產的自動化開辟了可行的技術途徑，也為現代柔性制造技術奠定了重要的

技術基礎。

數控機床是以數控技術為代表的新技術對老式制造業和新興制造業的滲透

形成的機電一體化產品，其技術覆蓋諸多領域，其中，精密機械制造技術、信

息處理、加工、傳播技術、自動控制技術、伺服驅動技術、傳感器及檢測技術

和計算機技術是數控技術涵蓋的重要領域。數控技術還是運用高新技術對老式

產業進行改善和提高的重要載體。

以信息化帶動工業化，實現社會生產力的跨越式發展，將在一定程度上取

決于數控機床的技術進步。它代表著裝備工業的技術水平和現代化程度，而裝

備工業的技術水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水平和現代化程度，數

控技術及裝備是發展新興高新技術產業和尖端工業的使能技術和重要裝備。數

控技術又是當今先進制造技術和裝備最關鍵的技術。目前世界各國制造業廣泛

采用數控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態多變市場的適應能力和競

爭能力。此外，世界上各個工業發達國家還將數控技術及數控裝備列為國家的

戰略物資，不僅采用重大措施來發展自己的數控技術及其產業，并且在“高、

精、尖”數控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。總之，大力發

展以數控技術為關鍵的先進制造技術已成為世界各發達國家加速經濟發展、提

高綜合國歷和國家地位的重要途徑。

目前，數控技術在我國國民經濟的各行各業發揮著越來越重要的作用，數

控技術已經成為企業技術改造的首先設備之一，我國已經成為數控機床的生產

大國、消費大國和進口大國。國民經濟各個行業需要大量數控機床的開發人才

和應用人才。

第二章系統設計與計算

總體方案確實定

由于是經濟型數控機床設計，因而在考慮詳細方案時，基

本原則是在滿足使用規定的前提下，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、工作臺的導軌采用矩形導軌，在與之相配的動導軌滑動面上貼聚四氟乙

稀導軌板；

3、對滾珠絲杠螺母副采用預緊措施，并對滾珠絲杠進行預拉伸；

4、采用步進電機進行驅動；

5、采用聯軸器將步進電機與滾珠絲杠直連。

6、采用單片機對數據進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖，經一齒輪

減速后，帶動滾珠絲桿轉動，從而實現縱向、橫向進給運動。

二、機械部分改造設計與計算

1、縱向進給系統的設計與計算：

已知條件：

工作臺重量:W=800N

時間常數:T=25ms

滾珠絲桿基本導程：L0=6mm

行程：S=320mm

脈沖當量：

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；系統總效率5；系統功率系數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FZ=562.3N時，切削力深度mm,走刀量

從《機械設計手冊》中可知，在一般外圓車削時；

即：

(2)、滾珠絲桿設計計算：

對于矩形槽，綜合導軌絲杠的軸向力：

取：K=l.15,摩擦系數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：運轉系數；硬度系數

根據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《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引起導程變化量:

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

滾珠絲桿受扭矩引起的導程變化很小，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）、齒輪及轉矩時有關計算

1）、有關齒輪計算：

取Zl=30,Z2=47,m=2,b=20mm,

2）、傳動慣量計算：

工作臺質量折算到電機軸上的傳動慣量:

絲杠的轉動慣量:

齒輪的轉動慣量：

因電機時轉動慣量很小，可以忽視；因此總的轉動慣量為:

3）、所需轉動力矩計算：

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:

當時:

4、由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩:

當時，預加載荷，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發生在迅速啟動時：

2、橫向進給系統的設計與計算

經濟型數控改造的橫向進給系統的設比較簡樸，一般是步進電機經減速后

驅動滾珠絲杠，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：T=25ms

滾珠絲桿基本導程：L0=6mm

行程：S=200mm

脈沖當量：

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,

滾動摩擦系數為

則

壽命值：

最大動負載：

根據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《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引起導程變化量:

滾珠絲桿受扭矩引起的導程變化很小，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）、齒輪及轉矩的有關計算

1、有關齒輪計算：

傳動比:

故取:

2、傳動慣量計算：

工作臺質量折算到電機軸上的傳動慣量:

絲杠的轉動慣量：

齒輪的轉動慣量：

電機的轉動慣量很小可以忽視。

3、所需轉動力矩計算:

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，滾動摩擦系數時：

4、由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩:

當時，預加載荷，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脈沖當量的規定；步進電機時最大靜扭矩要滿足進

給運動系統的空載迅速啟動力拒規定；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對啟動扭矩與啟動頻率、工作運行扭矩與運行頻

率的規定。

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參數以供選用。

1）、縱向進給系統的電機確實定

根據啟動力矩的選擇

；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，能滿足使用規定。

2）、橫向進給系統步進電機確實定：

則：

為滿足最小步角規定，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，能滿足使用規定。

4、滾動導軌的選擇

導軌重要用來支撐和引導運動部件沿一定的軌道運動。在導軌副鐘，

運動的一方稱為動導軌，不動的一方為支承導軌。動導軌相對于支承導軌運動,

一般作直線運動和回轉運動。導軌的幾何精度綜合反應了在靜止或低俗下導軌

的導向精度。因此對導軌時精度規定比較高。影響導軌精度的重要原因有導軌

的幾何精度、導軌的接觸精度、導軌的構造形式、動導軌及支承導軌的剛度和

熱變形，尚有裝配質量。導軌的耐磨性決定了導軌的精度保持性，因此耐用的

導軌就必須規定耐磨性好。同步要有足夠的剛度，由于足夠的剛度保證導軌在

載荷作用下不產生過大的變形，從而保證各部件的相對位置和導向精度。此外,

還規定導軌在低速運動時有好的平穩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型導軌，額定動載Ca為10.28W,根據計算可知，滿足

強度規定。

橫向行程為0.2m,

目的壽命L=0.2X2X5X60X8X300X5X10-3=1440km

選擇HTSD—LG20WAA型導軌。額定動載Ca為4.51W.

第三章控制系統設計及編程

數控機床控制系統由硬件和軟件兩大部分構成。控制系統在使用中的控制

對象各不相似，但其硬件時基本構成是一致的。如下圖所示：

圖1控制系統示意圖

以單片機為關鍵的控制系統大多數采用MCS-51系列單片機，通過

擴展存儲器、接口和面板操作開關等，構成功能較完善、抗干擾性能較強的控

制系統。

一、設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量。在整個

插補過程中走一步均需完畢四個工作節拍是：

1、偏差鑒別，鑒別刀具的實際位置對規定圖形的偏離位置，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；

4、終點鑒別，判斷與否抵達終點。若未到終點，回到1后繼續不停地反復

上述循環過程，若抵達終點，發出運算完畢信號，就能實現平面上直線和圓弧

插補。

二、步進電機的單片機控制

步進電機的驅動電路根據控制信號工作。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）、控制步進電機的轉向。假如按給定的工作方式正序通電換相，步進電

機就正轉；假如按反序通電換相，則電動機反轉。

3）、控制步進電機的速度。假如給步進電機發一種控制脈沖，它就轉一步,

再發一種，它會再轉一步。兩個脈沖時間隔時間越短，步進電機轉得就越快。

因此，脈沖的頻率決定了步進電機的轉速，調整單片機發出脈沖的頻率，就可

以對步進電機進行調速。

三、硬件控制示意圖

實現脈沖分派（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口向驅動電路發出控制脈沖。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。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個控制字來對應這6個通電狀態，

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內存分派表

（二）、子程序框圖

表4軟環分表及X、Y電機帶電狀態碼的內存分派表

X電機電Y電機

內存地狀態內機狀態內存地狀態內

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；保護現場

MOVR4,#N；設步長計數器

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電機狀態碼到內存

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;裝丫電機狀態碼到內存

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

LOP3:MOVA,2EH；偏差送到A口

JNZA,LOP1;F<0跳到LOP1Y轉

MOVA,AOH

CLRP1.0;P1.0=0,X轉

SETBPl.3;P1.3=1,Y不轉

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；跳轉到LOP2進行偏差判

斷

LOP1:MOVA,AOH

CLRPl.3;PL3=0,Y轉

SETBPl.0;P1.O=1,X不轉

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?,不等則轉移

MOVA,99H

CJNEA,9BH,LOP1；Ye=Y?＞不等則轉移

AJMPST

MOTR:MOVA,70H;MOTR子程序，查看控制字

JNBPl.O.Y;P1.O=!1,X不轉,則執行Y(Y

轉)

X:JNBPl.1,XF;P1.1=!1,X不轉,則執行XF

XZ:INCR5;X正轉地址指針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,則執行X（X轉）

YZ:INCR6;Y正轉地址指針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