CAK6132数控车床的设计

摘 要

CAK6132数控车床的设计主要是由传动系统、进给系统和控制系统三部分组成。本次设计不仅对各个部分进行了详细的分析，还对其机构进行了设计。从最初的几个方案选出一个合理的方案。根据给定的参数来进行设计计算，计算出其传动和进给系统。控制系统是数控车床的一个重要组成部分。控制系统是由键盘、显示、脉冲发生器和电机驱动部分组成。由它来实现步进电机的驱动从而带动滚珠丝杠正常运动。它也控制脉冲发生器来计算主轴的转速。此数控车床的最大转速为2000RPM，主电机功率5.5kW。由于只用于精加工的半精加工，故所用电机功率不是很大。最后进行经济分析，生产商的利润是可观的。

关键词：数控车床；主轴箱；步进电机；进给系统

I

Abstract

NC lathe-CAK6132 consists of drive system,movement system and control system.The detailed analysis of every part as well as the design of their mechanism is the concern of this project. The final programme is selected from the programmes fixed before.The drive and movement systems are decided after designing calculation according to display,pulser and motor drive ,is the main part of this NC lathe. The roller guide screw works properly drived by step motor ,which is controlled by control system.Also the control system control system controls the speed of the spindle.The max-speed of this NC lathe is 2000RPM.The horsepower of the main motor is 5.5kW.The horsepower of the motor is not so high for the reason of that the NC lathe is only used for half and finish machining.In the end,after the economic analysis,the manufacturers profits considerably. Keywords: NC lathe; headstock;step motor;movement system

II

III

目 录

摘 要 ................................................................ I Abstract .............................................................. II 目 录 ................................................................. 4 1 绪 论 ............................................................... 1

1.1 数控机床的发展趋势 ............................................. 1 1.2 课题的意义和目的 ............................................... 1 2 总体方案设计 ......................................................... 2 2.1 设计参数 ...................................................... 2 2.2 传动原理 ....................................................... 3 2.3 基本参数的确定 ................................................. 3 3 传动设计 ............................................................. 5 3.1 带轮及带的计算 ................................................. 5 3.2 主轴挠度校核 ................................................... 8 3.3 主轴刚度校核 ................................................... 8 4 进给系统设计 ........................................................ 11 4.1 纵向向进给丝杠设计 ............................................ 11 4.2 横向进给丝杠设计 .............................................. 13 4.3 步进电机选择 .................................................. 13 5 控制原理设计 ....................................................... 17 5.1 数控系统的基本硬件组成 ........................................ 17 5.2 步进电机的控制 ................................................ 17 5.2.1 步进电机的工作原理 ....................................... 17 5.2.2 步进电机的控制 ........................................... 17 5.2.3 译码法寻址 ............................................... 19 5.2.4 键盘显示器接口 ........................................... 19 5.2.5 程序存储器（EEPROM）芯片 ................................. 20 6 技术经济分析 ....................................................... 21 总 结 ............................................................... 24 参考文献 .............................................................. 25 附录1 ................................................................. 26 附录2 ................................................................. 27 附录3 ................................................................. 32 附录4 ................................................................. 34

哈尔滨商业大学毕业设计（论文）

1 绪 论

1.1 数控机床的发展趋势

我国数控机床产量持续高速增长，根据市场需求和技术发展趋势，应重点推进高效、精密为核心的数控机床“μm”级工程，加强发展高性能、高可靠性数控功能部件，积极开展复合加工机床、超精密数控机床和可重构制造系统的工程化研究等相应的关键技术。数控机床及由数控机床组成的柔性化制造系统是改造传统机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目。它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。通过持续的开发研究以及对信息技术的深化应用，促进了数控机床性能和质量的进一步提升，使数控机床成为国民经济和国防建设发展的重要制造装备。

近6年来，我国数控金切机床（简称数控机床）产量一直以年均增长超过30%速度发展。据初步统计，2008年数控机床的产量为51860台，同比增长40.8%,数控机床的消费量约74000台，同比增长32%。数控机床需求的旺盛也促进了2008年内新建的三资和民营机床厂以及数控机床品种的明显增加。

与此同时，我国进口的数控机床数量也在逐年同步增加，而且进口数控机床的消费额的增长趋势更快。2008年数控机床的进口数量同比年增长30%，而进口消费额的增长却达52%，从而导致国产数控机床在国内市场消费额中的所占比例已不足30%。之所以出现这一现象，其主要原因在于国内市场对技术和附加值高的高效、精密和高性能大型、重型数控机床需求增长，需要依靠进口解决。

振兴我国数控机床市场占有率应着重于剖析数控机床及由其组成的制造系统（生产线）的技术现况及发展趋势，探讨使其能适应变批量，多品种、高质量、低成本以及具有快速响应的柔性和符合环保的未来生产模式的解决方案。数控机床产业面临挑战。

1.2 课题的意义和目的

数控机床是典型的机电一体化课题，通过毕业设计可使所学机械学、力学、电工学知识得到综合应用。结构设计及控制系统设计能力都能受到训练，可有力的提高学生的分析问题、解决问题能力及机电一体化水平。

1

哈尔滨商业大学毕业设计（论文）

2 总体方案设计

2.1 设计参数

方案设计主要是确定机床的总体结构，传动原理以及基本的运动动力参数。 设计任务给出各项指标如下：

床身上最大加工直径：320㎜，主轴转速范围：50～2000r/min，进给系统的脉冲当量需0.005mm。

主要特点：CAK6132数控车床的导轨经超音频淬火并精磨，耐磨性好，精度高，主轴采用变频无级调速控制，可自动完成对零件的内外柱面、端面、任意锥面、圆弧面及公英制螺纹切削等工序连续加工。由于此次设计的CAK6132只用于精加工和半精加工，所以一些参数会比以上的参数小些。

初步确定主轴箱部分主轴由电机直接经过带轮传动，电机使用无极调速，而后用一对一比一的齿轮来带动脉冲发生器，采用三项异步电动机进行定比传动，主轴电动机经定比传动传递给主轴，定比传动可以采用带传动或齿轮传动，带传动具有传动噪声小，震动小等优点，一般应用于中小型数控车床上，所以优先选择了带传动。

皮带轮的降速比为：i=2860/2000=1.43，由此可知皮带的降速比也合适，故此方案可行。再就是纵向和横向进给是靠丝杠来实现的，丝杠用步进电机来带动。大带轮与带轮轴连接采用卸荷方式，可以使大带轮的重量不压在轴上，减轻了轴的负荷，使传动更平稳。主轴与脉冲发生器连接采用齿轮一比一传动，这样方便计算主轴转一圈，丝杠进给多少。

纵、横向进给系统选择的步进电机步距角都为1.5°，纵向进给的最小进给量为0.002㎜，横向进给的最小进给量为0.01㎜，所以必须通过减小步距角来实现这个最小进给量。减小布距角采取调解带轮的方法。

采用定比传动扩大了直接驱动的应用范围，即在一定程度上满足主轴功率与转速要求，但其变速范围仍与电动机的调速范围相同，总体方案原理图如图（2-1）：

2

哈尔滨商业大学毕业设计（论文）

图2-1 CAK6132总体方案图

2.2 传动原理

1 传动原理主要满足设计任务所给出的精度要求。 2 应当在保证精度的情况下尽量使结构简单。 3 主轴的转速范围为50~2000RPM。

4 脉冲当量为0.005mm，若采用较高级数的步进电机，通过带轮减速来带动丝杠就可以达到，并且结构简单，在该处还没有传动误差，可以使电控部分的结构及程序编制更为简单。

2.3 基本参数的确定

通过主轴孔最大棒料直径： d=D/10＝320/10=32mm 床身宽度： B2.14D0.82=375㎜

经济合理的工件或刀具直径按照以下几种经验公式估定

320=192㎜ dmax(0.5~0.7)D0.6D=0.6×

320=32㎜ dmin(0.08~0.12)D0.10D=0.10×

运动参数：可通过类比实验和计算等方法综合确定：

3

哈尔滨商业大学毕业设计（论文）

nmin1000vmax1000vmin nmax

dmaxdminvmin、vmax、dmax、dmax为经济加工切削速度和经济合理的工件或刀具直径。nmin、

nmax是机床的最低、最高转速，其中常用经济加工切削速度硬质合金刀具精车中碳钢v=200～220m/min取vmax=220m/minvmin取高速钢刀具精车丝杠v=1.5m/min

nmin1000vmax1000vmin=1000 × 1.5/3.14×192=2r/min nmax=1000×220/3.14×

dmaxdmin32=2189r/min

取n40～1800r/min

nnjnminmaxnmin计算转速：

0.3200050500.3151r/min

动力参数：据下列公式及数据估算电机功率P。

FZfts（公斤力）

f—单位切削面积上的切削力，取硬质合金刀加工中碳钢

f=200（公斤力/mm）

2t—切削深度 s—进给量

切削深度及进给量取半精车中碳钢，故t取1㎜；s取0.2㎜；v=297m/s

Pcftsv20010.2297=1.94kW（取5.5kW） 61206120

4

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 3 传动设计

表3-1 设计参数表3-1 CJK6032主要技术参数

项 目 单 位 参 数

床身上最大工件回转直径 mm Ф320 拖板上最大工件回转直径 mm Ф200 最大工件长度 mm 750 主轴转速范围 rpm 50～2000 主轴通孔直径 mm Ф24 主轴锥孔 主轴锥孔 主轴电机功率 kW 5.5 刀架刀位数 4 车刀刀杆最大尺寸（宽×高） mm 20×20 进给电机扭矩（功率）横向（X） N.m 7

纵向（Z） N.m 7

尾架套筒锥孔 莫氏6号 机床外形尺寸（长×宽×高） 2060×1240×1260 机床重量（毛重/净重） Kg 900

3.1 带轮及带的计算

选用窄V带传动，设已知电动机的型号为YD(IP44)-132S，额定功率P=5.5kW，转速n1=2860r/min传动比i=1.43一天的运转时间10h 1 确定计算功率Pca

[1]《机械设计》 又表(8—6)工作情况系数KA查得工作情况系数KA=1.3，故

PcaKAP[1]1.1×5.5kw=6.05kW

2 选取窄V带带型

[1]《机械设计》根据P图(8－9)窄V带选型图确定选用B型。 ca、n1由3 确定带轮基准直径

[1]《机械设计》由表(8－3)V带轮的最小基准直径和表(8－7)V带轮的基准直径系

5

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 列取主动轮基准直径dd1=140㎜。

[1]根据式（8－15），从动轮基准直径dd2。 《机械设计》dd2idd11.43×150=200.2㎜

[1]《机械设计》根据表(8－7)V带轮的基准直径系列，取dd2=200㎜

[1]按式（8－13）验算带的速度 《机械设计》dd1n11402000v14.65m/s60100060100035m/s

带的速度合适。

4 确定窄V带的基准长度和传动中心距

根据0.7(dd)a2(dd)， 230a0680 初步确定中心距

d1d20d1d2[1]《机械设计》根据式（8－20）计算带所需的基准长度

a0=500㎜

(dd2dd1)21'Ld2a0(dd1dd2)24a0[1]1592㎜

[1]《机械设计》由表(8－2)V带的基准长度系列及长度系数KL选带的基准长度

Ld1600㎜

[1]《机械设计》按式（8－21）计算实际中心距a

1aa0(LdL'd)=500+1/2（1600-1592）=504㎜

2由于车床的传动需要,其中心距可调取a=510mm. 5 验算主动轮上的包角1a

[1]《机械设计》由式（8－6）得：

1180主动轮上的包角合适。 6 计算窄V带的根数

dd2dd157.5172.3690 a[1]《机械设计》由式（8—22）知：zPca

(P0P0)KKL[1]《机械设计》由n12860r/min、dd1140mm、i1.43查表（8－5c）单根窄V带的[1]《机械设计》基本额定功率P和表（8－5d）得单根窄V带的基本额定功率的增量0P0：

P03.85kW P00.69kW [1][1]《机械设计》《机械设计》查表(8－8)包角系数K得K0.925，查表(8－2)V的基准长度系列及长度系数KL得KL0.99则

z3.91.45

(3.850.69)0.9250.99带

6

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 取z2根。 7.计算预紧力F0:

[1]《机械设计》由式（8-23）知：

F0500Pca2.5()qV2 VZKm

[1]查表(8-4)V带单位长度的质量得:q0.12Kg《机械设计》3.92.5F0500(1)0.127.542N214.26N

7.5420.963.3 主轴最佳跨距的确定

320mm车床，P=5.5KW.

1 选择轴颈直径,轴承型号和最佳跨距

前轴颈应为60-80mm,初选d1=65mm,后轴颈d2(0.70.9)d1取d250mm,前轴承为NN3020K,后轴承为NN3016K,根据结构,定悬伸长度a175mm 2 求轴承刚度

考虑机械效率

主轴最大输出转距T9550P0.85676N 90床身上最大加工直径约为最大回转直径的60%,取50%即200mm,故半径为0.1m.

切削力 FC6766760N 0.1背向力 FP0.5FC0.567603380N 故总的作用力 FFP2FC27558N

次力作用于顶在顶尖间的工件上主轴尾架各承受一半, 故主轴轴端受力为 F/23779N 先假设 l/a3,l375225mm 前后支撑RARB分别为

Fla2257537795039N2l225

Fa75RB37791260N2l225RA根据KvdFr0..83.39Fr0.1la(iz)0.9cos1.9 dr7

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） FvA5039N,FvB1260NlaA8.8mm,laB10.8,zB17,iB1,iA2,zA300.9

KA3.3950390.18.80.8230cos1.901809NKB3.39126010.80.10.8217cos01107N0.91.9

18091.631107de10070/285mmKA/KBI0.050.08540.04642.39106m4EI2.110112.391060.658KAa318090.0753106

查线图l0/a3,与原假设相符l753225mm。 3 主传动轴支承处轴承的选择

主轴 前支承：NN3020K;后支承：NN3016K

3.2 主轴挠度的校核

确定主轴计算转速：主轴的计算转速为

z131213nIVnmin501.43480r/min

7.5d91491n7.50.8548mm 80

3.3 主轴刚度的校核

主轴图:

前支承为双列圆柱滚子轴承，后支承为角接触球轴承与推力球轴承组合

8

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） l33237412.531.5687mm0.687m 当量外径

444446822725480756100351048de480.56mm

887主轴刚度：由于di/de45/80.560.55860.5 故根据式（10-8）

3104de4di4310480.5644541012ks149.3N/m 2laAaA75288775109对于机床的刚度要求，取阻尼比0.035

当v=50m/min,s=0.1mm/r时,kcb2.46N/mm,68.8, 取blim0.02Dmax0.0268750%6.87mm KB2.466.87cos68.884.36Nm

20.03510.035计算KA

L0.3Dmax206.1mm,加上悬伸量共长281.1mm22aB281.11122a281.1l68776.5N/m84.360.6KAKB0.6B0.40.4222aA75275aA11687l Ks1.66KA1.6676.5127.0N/m152.3N/m

可以看出，该机床主轴是合格的.

3.4 键的校核

床头箱内第一根轴与齿轮连接的普通圆头平键。轴径为36㎜，传动转矩为60720N·㎜,齿轮轮毂宽度是87㎜，载荷稳定。 1 选择键的类型：选A型普通平键。

2 确定键的尺寸：查表可选键的尺寸为b×h×l=10×8×125㎜.

h[1]《机械设计》3 挤压强度：按式（10-32），并取 k= L = l－b,则工作表面的挤

2压应力为：

2T2607207.33MPa 8kdL36(12510)2p7.33MPa[p]120200MPa, 故联结能满足挤压强度要求。 p[1]《机械设计》4 剪切强度：由式（10-33）得剪切应力为：

9

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 2T2607202.933MPa dbL3610(12510)[1]由表10-10提高外啮合齿轮传动强度的变位系数荐用值可知，当《机械设计》载荷平稳时，许用切应力[τ]=120MPa

∴ τ = 2.933MPa＜[τ]，

故能满足剪切强度要求。

10

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 4 进给系统设计

4.1 纵向进给丝杠设计

1 最小载荷：Fmin为机床空载时作用在滚珠丝杠上的轴向载荷。此时 Fx = Fy = Fz = 0 ,CK6132型数控机床的拖板加电动四方刀架的重量约为50+20=70㎏, 查

[2]三角形组合导轨摩擦系数为0.15，Fmin = 70×0.15×9.8≈103N . 《经济型数控机床》2 最大载荷：Fmax为机床承受最大切削力时作用于滚珠丝杠的轴向载荷，Fmax等于最大进给力加摩擦力。已知最大进为520N，则Fmax=520+103=623N

Fm =

2FmaxFmin2623103450N

33因为 CK6163×3000丝杠 nmax = 600r/min CK6180×5000 丝杠 nmax = 500r/min

拖板的最低速度为 1mm/min 故丝杠最低转速可为0 CK6163×3000丝杠的平均转速为300r/min CK6180×5000 丝杠的平均转速为250r/min 类比法 CK6132丝杠的平均转速nm = 300r/min 3 计算丝杠

1） Fc = KF·KH·K1·Fm = 1.2×1×1×450 = 540N 2) 求必需的额定动载荷 Lh′= 15000h

Ca′=

3nmLh250150003F5403282N c1.671041.671043) 选择滚珠丝杠的型号和主要尺寸

[10]《机床设计手册》根据查选取外循环双螺母对旋预紧滚珠丝杠副，Ca′选取

W1L4000型号滚珠丝杠，Ca =9800N d0 = 40㎜

Ph = 10㎜ Dw = 0.6Ph

螺母螺纹大径 Dd02erN56.18

螺杆大径 偏心距

dd0(0.2~0.25)Dw48.5

Dw)sin0.21mm2

e(rs接触角 45

螺纹滚道曲率半径rs/rn=（0.51-0.56）Pw=0.55×6=3.3mm

11

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） . 材料为CrWMn d = 39㎜ RC = 9800N/µm 循环圈数：3.5×1。 螺旋导程角：arctan4) 稳定性验算

因螺杆较长，应验算螺杆的稳定性，临界载荷为

Ph8arctan339' d03.14402EIa Fcr(l1)2[10]

E — 螺杆材料的弹性模量 E = 2.06×105N/mm2

Ia — 螺杆危险截面的轴惯性矩

d1435.94Ia0.815105mm4

6464 µ — 长度系数 按一端固定一端铰支 µ = 0.7

l1 — 丝杠螺纹全长 l1 = lu+2le = 750+2×24 =798㎜ 22.061050.8151055Fcr5.3110N 2(0.7798)Fcr5.31105253＞2.5～4 通过。 故 Fm2095.55） 刚度验算

按最不利情况考虑，即在螺距（应为导程）内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为：

16T1P24FPs24Gd1Ed12d式中： T1Fm0tan(v)

2 = 450[10]

40tan(2446840) 2 = 453N·㎜

(式中磨擦系数f按0.0025计，当量磨擦角ρv = 8′40″) 剪切弹性模量 G = 8.33×104 N/mm2

164536244506则： s2 44528.331035.92.061035.9=0.062µm

每米螺杆长度上的螺距的弹性变形

ss0.06210.2m/m()p15m/m s6103s12

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） tan

tan(v)tan2.735 =

tan2.87946） 计算效率  = 0.95

(式中varctanfarctan0.0025840)

4.2 横向进给丝杠设计

同纵向进给系统设计相同，横向进给丝杠也用以上相同类型的丝杠。

4.3 步进电机选择

纵向与横向进给步进电机根据同型号机床纵向保持静转矩为8N·m,横向保持静转矩为12N·m,采用类比法选择：

13

哈尔滨商业大学毕业设计（论文）

14

哈尔滨商业大学毕业设计（论文）

4.4 回转刀架选择

15

哈尔滨商业大学毕业设计（论文）

16

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 5 控制原理设计

5.1 数控系统的基本硬件组成

任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏直接影响到整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床数控系统的硬件电路概括起来有以下几个部分组成： 1 中央处理单元CPU

2 总线 包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。 3 存贮器 包括可擦除存贮器（EEPROM）和随机存贮器（RAM）。 4 I/O输入/输出接口电路

其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路的协调工作。存贮器用于存放系统软件，应用中所需的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU与存贮器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图如下图所示：

u，n sp 单片机是由凌阳公司推出的16位单片机，它的数据处理较强，集成度较高，而且有较大的存贮器空间，较快的处理速度，片内较多的RAM和FLASHROM存贮器，有D/A、A/D接口和支持DSP（数字信号处理）的指令，因此在这里不过多地扩展存贮器监控程序和功能子程序的可擦除存贮器和调试程序用的随机存贮器。数控系统也可以直接购买国内外较好的数控系统系列产品做为数控装置。如德国的西门子系列。

5.2 步进电机的控制

5.2.1 步进电机的工作原理

步进电机是将电能转化为机械能的电磁元件。定子上安排了六个磁极，相对的两个磁极上放置着同一相励磁绕组，而转子上没有，只有四个凸极，a、b、c、d组成，当s1接通，s2，s3断开，A相建立磁场，转子力求以磁路最大来取向，转子齿与定子A相磁极对齐，即转子a、c齿的轴线与定子A相磁极轴线重合。当s1，s3断开，s2接通，转子b、d齿的轴线与定子B相磁极轴线重合。依次类推s1—s2—s3—s1循环接通，转子以一定的步距角旋转，改变输入电流方向，实现反转即s1—s3—s2—s1。

5.2.2 步进电机的控制

步进电机是手脉冲信号控制的，脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成，而信

17

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 号的放大由放大电路来完成。由于强弱信号的原因，我们在放大电路前加上光电耦合电路，已防止电源串路。具体控制电路如图所示。

C1=100pFR=10K4R=5005VD V23R=1K2R=1k3D3D7R=1k1VLD1VDVR=1K611VVD531D2Q1Q2QU=24Vd1R=1K7VD474LS3733D4D5D6D7D8D3Q4Q5Q6Q7Q8Q213R=1K8DR=1K9R=10K104VVD2W4D?VL2R=1K11VR=1KC=30pFVDC=30pFd75R=50014VD15R=1K126ENDd6D5VLR=500R=1K3R=3f

图5-1 控制电路图

W是步进电机的一相绕组，VD3是续流二极管。74LS373是8路三态输出触发器，一路输出信号控制一相绕组，可控制两台三相步进电机或两台四相步进电机。Q输出高电平，将使其所控制的相绕组通电。74LS373的LE是锁存允许端，高电平有效。下面来分析一下该接口电路的工作过程。

设绕组初始状态无电流流过，Rf上的压降为零，即Uf=O，因此光耦合器VL3的发光二极管熄灭，其中的光电三极管截止，使与非门D5的一个输入端为高电平。这时，如果8031通过P0口输出01H时，WR有效，并通过反相器作用于74LS373的LE端，使74LS373将单片机输出的信号锁存到输出端，即1Q输出高电平信号。这个步进信号一方面通过与非门D2使VL2的发光二极管发光，使其光电三极管导通，反相器D4输出高电平，使功率晶体管V4和v5导通；另一方面信号作用于D5门，使D5输出低电平，经反相器D6输出高电平，和1Q一起作用于D1,D1输出低电平，因此光电耦合器VL1发光二极管发光，使其中的光电三极管导通。这样D3输出高电平，V1截止，使高压功率晶体管V2和V3导通，高电压Ug作用于电机绕组，使步进电机的一相

18

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 通电。

随着绕组电流的上升，Rf的压降Uf增加，当Uf增加到一定程度时，使VL3的发光二极管发光，从而使其中的光电三极管导通。导通后，D5输出高电平，反相器D6输出低电平，但不是立即关闭门D1使高压管V2,V3截止，而是要延时一段时间。这是因为Rd,Cd的存在。Rd,Cd组成了延时电路，其目的就是延时关闭V2,V3，这样可避免由于绕组电流的波动而使V2,V3通断次数太多，以致于造成太多的开关损耗。高压晶体管V2,V3关断后，便由低压电源供给绕组供电。当绕组电流下降，Uf下降，VL3发光二极管熄灭，光电三极管截止，若这时1Q仍为高电平，则又使高压晶体管V2,V3导通，高压电源再次作用在绕组上，使绕组中电流上升。上升到设定值后，Uf又使V2,V3截止。V2,V3的反复通断，实现了绕组电流的恒流斩波控制。lQ输出低电平后，V2～V5皆截止，绕组电流经VD3-Ud-地-Ud-VD4-L回路泄放。 ．

由上述过程可知，只要8031按照步进电机工作方式和工作频率向接口输出相应的信号，便可实现对步进电机的速度和转向控制。

若用凌阳单片机的话，就不需要用74LS373锁存器和8255，用于扩展接口等，故用凌阳单片机。

5.2.3 译码法寻址

由于扩展的存贮器和其它外围芯片的数量较多，常常采用译码法寻址，由译码器组成译码电路对系统的高位地址进行译码，译码电路将地址空间划分若干块，其输出作为存贮器芯片的片选信号，分别选通各芯片。这样既充分利用了存贮器空间，又避免了空间分散的缺点，还可以减少I/O口线。本数控机床采用74LS138地址译码器如

5.2.4 键盘显示器接口

键盘和显示器是数控系统常用的人机对话的外围设备，键盘可以完成程序数据的输入，显示器显示计算机运行时的状态数据。键盘接口电路，用8255作为并行接口使用。8255的地址，数据线和凌阳单片机的接口直接连接，由片选信号控制实现分时信息传递。 LCD的应用非常广泛，从电子表到计算机，从袖珍仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都应用了液晶显示器。 1 液晶显示模块的工作原理

液晶显示模块是一种被动式显示模块，由于它的功耗低，抗干扰能力强，因而在低功耗的单片机应用系统中大量使用。

LCD本身不发光，只调节光的亮度，它是根据液晶的扭曲／向列效应原理制成的。在结构上，液晶显示面板包含了两片相当精致的无钠玻璃索材作为感光基板层

19

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） (Substrates)，中间夹着一层液晶。夹在两片导电玻璃电极问的液晶经过一定处理后，它内部的分子呈90。的扭曲。当线性偏振光透过上偏振片到达液晶材料时，会发生90。旋转，正好与下偏振片的偏振方向取得一致，从而穿过下偏振片到达发射板，并按原路返回，使显示器呈透明状态。当在玻璃电极上加上电压后，在电场作用下，液晶分子的扭曲结构消失，其旋光作用也消失，偏振光便直接通过，被下偏振片吸收，不会到达反射板，使显示器呈黑色。当去掉电场后液晶分子又恢复其扭曲结构。 这样，只要将液晶置于两个偏振光之间，改变偏振光的相对位置(正交或平行)就可得到自底黑字或黑底向字的显示形式。 2 LCD的驱动方式

LCD因其两极问不允许施加恒定直流电压，而使其驱动电路变得比较复杂。为了得到LCD亮、灭所需的两倍幅值及零电压，常给I,CD的背极通以固定的交变电压，通过控制前极的电睚值的改变实现对LCD显示的控制。液晶显示器的驱动方式一般有两种，即直接驱动(或称静态驱动)和时分隔(多极)驱动方式。

5.2.5 程序存储器（EEPROM）芯片

由于数控机床在加工的时候要进行加工程序的监控，所以数控系统需要有程序存储器，放置监控程序。本数控机床选用EEPROM （容量为8K）。

20

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 6 技术经济分析

随着技术的进步，数控车床正在迅速普及和发展，并已形成了一个纵深而广阔的市场。数控车床是具有高技术附加值的高技术产品，其市场占有能力远远高于传统的普通车床。因此企业可以通过产品的规模化而扩大市场占有率，从中获得巨大的技术经济效益。

市场竞争规律要求产品不仅应具有高性能，而且要有低价格，从而给数控车床的设计提出了越来越高的要求，此外，种类繁多、性能各异的集成电路、传感器和新材料等，也给数控车床的设计提供了众多的可选方案，使设计工作具有很大的灵活性，如何充分利用这些条件，设计出满足市场需求的数控产品. 提高技术经济价值可以从以下四个方面着手：

1 进一步改善和简化设计，减少零件数目，提高标准化、通用化程度； 2 采用廉价材料；

3 改善毛坯、零件加工、装配等工艺性，合理选择精度、公差和配合以及其他技术条件；

4 改善生产、经营管理制度。

技术和经济在人类进行物质生产，交换活动中始终并存，是不可分割的两个方面。两者相互促进又相互制约。技术具有强烈的应用性和明显的经济目的性，没有应用价值和经济效益的技术是没有生命力的。而经济的发展必须依赖于一定的技术手段，世界上不存在没有技术基础的经济发展。技术与经济的这种特性使得它们之间有着密切而不可分割的联系，所以有必要对设计方案进行经济技术分析。

对工程技术进行经济性评价，其核心内容是经济效果的评价。为了确保经济决策的正确性和科学性，研究经济效果评价的指标和方法是十分必要的。经济效果评价的指标和方法是多种多样的，它们从不同程度反映工程技术方案的经济性，这些指标主要可以分为三大类：第一类是以时间作为计量单位的时间型指标，如投资回收期，贷款偿还期等；第二类是以货币单位计量的价值型指标，如净现值，费用现值等；第三类是反映资源利用效率型指标，如投资利润率，内部收益率等。

本篇设计的CK6140型数控车床机身净重800kg，本机床的3/4为铸铁，1/4为普通钢材，以下为成本核算：

21

哈尔滨商业大学毕业设计（论文）

表6-1原材料成本

序号12345名 称40Cr普通碳素结构刚铸铁HT200铁 皮不 锈 钢单 价3500(元/吨）3200(元/吨）2500(元/吨）5(元/平方米）14000(元/吨）每台所用量1(kg）200(kg）600(kg）3(平方米）80(kg）每台成本3.5(元）640(元）1500(元）15(元）1120(元） 综述上表原材料总成本大约为P1=3278.5元

外构件的成本：

在数控车床上我们要用3台电机，每台的单价为1500元，所以电机要用4500元。V带 要用2根，每根的价格大约为10元，所以费用是20元。轴承平均为15元一个，我们大约要用30个，所以费用是450元，在控制部分要的液晶显示器和单片机单价均为3000元，所以要用的费用是6000元。在进给的时间要用2根丝杠，市场单价为1500元，费用为3000元。螺栓组单价为0.8元/个，大约买100个，所以其费用是80元。键为2元一个，买11个，共用22元。变频器单价为1500元，数量为1，

所以其费用为1500元。脉冲发生器单价为1500元，所以起费用为1500员。外购件 的总成本为17072元。

表6-3工时成本

序号123434工 种车铣磨镗铸造拉花键工时费（元/时)2030508080100工 时(时)2503221001每台成本(元)5000901001608000100

22

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 由表6-3可得工时总费用大约为P3=13450元

生产一台车床所用的电费和水费大约为P4=3500元，所有设计师和管理人员的工资和运输费用大约为P5=20000元。

增值税为17%,成本=材料的费用+工时费+设计管理等费用+外构件的费用

P'=3278.5+17072+13450+3500+20000=57300.5元。因为材料和外构件已经交了增值

税,所以成本：

P=P' ×(1+17%)-(材料的费用和外构的费用)÷1.17×17%.

P=57300.5×(1+17%)-2342.25+17072) ÷1.17×17%=64085元.

CK6140数控车床每台的价格大约为9万元，利润为90000-64085=25915元企业要上交的企业所得税率为33%，则要上交的企业所得税为25915×33%=8551.95元 ,净利润为25915-8551.95=17363元,预计企业的生产能力为每年生产50台数控车床，则企业的年利润17363×50=868150元.

利润可以达到25%，而且该机床的生产属于批量生产，成本会相应降低，所以该机床的生产是有利润的。

数控车床总体设计是一项比较复杂的系统工程。它涉及到多种学科技术知识，要求设计者充分掌握有关市场、技术、经济、设计、制造和使用等多方面资料。一个理智的总体设计方案，需要经过性能指标分析、功能分析、可行方案选择、功能及性能指标分配、总体优化决策等多个设计环节才能获得，而且设计过程中始终贯穿着各种技术经济问题的提出，分析和解决。一个理想的数控车床总体设计方案，实际上就是一个综合采用各种先进技术所设计出来的，机与电紧密结合的，能够带来最大经济效益的方案。

数控车床总体设计是应用系统总体技术。从整体目标出发，统一分析产品的性能要求及各机、电组成单元组合方案，实现机电一体化产品整体设计的过程。因此，这一过程也是始终贯穿着技术经济分析与决策过程。

23

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 总 结

大学四年马上就要结束了，这最后一次的毕业设计，我把它看的很重，因为我希望通过这次设计能很大程度的提高自己的各方面的能力，得到一次很好的锻炼，而回想起这学期的各方面的努立，都觉得都很充实，四年的收获在这一刻将得到老师的认可，心里当然高兴，而通过这次设计后，我们的大学生活将圆满的画上句号。也将走上社会，所学的知识也将用于实践，也就能体现自我的价值。

半学期的毕业设计马上就要结束了，在这段时间里，收获不小，使我对设计有了更深一步的了解，这对我以后的工作有着重大的影响，在这段时间里使我发现了不少问题，通过请教老师，也掌握了不少解决问题的方法，对以后的设计工作做好了铺垫，这次设计也算是自己独立完成，同时培养了自己发现问题及解决问题的方法，在设计中也查阅了不少资料，也锻炼了查阅资料的能力。

至此，毕业设计也都圆满完成了，自我感觉良好，能力得到了很大的提高，使我对四年的大学所学的知识及平时所积累的常识是一次很好的集合，由于这次设计所涉及的面很广，所以大学四年所学的专业知识都有所涉及，也算是对四年所学知识的一次综合应用，也算是一种复习和巩固。这次设计也将使我们对以后的工作充满了信心和激情。总之，这次设计使我受益匪浅。

24

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 参考文献

1 濮良贵，纪名刚. 机械设计[M].北京：高等教育出版社.2001,100~374 2 张新义. 经济型数控机床[M]. 北京：机械工业出版社.1993,102~158 3 吴祖育. 数控机床[M]. 上海：上海科学技术出版社.1989,78~96

4 王爱玲. 现代数控机床使用操作技术[M]. 北京：国防工业出版社.2002,146~254 5 李忠文. 实用电机控制电路[M]. 北京：化学工业出版社.2003,132~176 6 李佳. 数控机床及应用[M]. 北京：清华大学出版社.2001,33~78

7 吉林工学院. 金属切削机床设计（上册）[M]. 上海：上海科学技术出版社.1979,102~134

8 机床设计手册编写组. 机床设计手册（2零件设计，上,下册）[S]. 北京：机械工业出版社.1980,204~623

9 维邦. 金属切削机床设计（上册）[S]. 北京：机械工业出版社.1984,34~103 10 承恩. 现代数控机床（上册）[M]. 北京：机械工业出版社.1991,37~88 11 蔡春源. 机械零件设计手册（上册）[S]. 北京：冶金出版社.1996,45~104 12 蔡春源. 机械零件设计手册（下册）[S]. 北京：冶金出版社.1996,506~702 13 孙恒. 机械原理（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社.1996,102~332

14 谭家玉，郑大宇. 单片机原理及接口技术[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2003,23~105

15 PASSIM 8000 Mechanical & Electrical Manual[M].Published by Moline Tobacco Machinery limonite. 1995,102~304

16 Nikravesh P E. Computer-aided analysis of mechanical systems [M]; Prentice-Hall Inc.1998,77~104

17 Edward G. Pita. Refrigeration Principles and systems[M]. Printed in the united states of America.1984,105~204

25

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 附录1 主 要 符 号 表

nj 主轴计算转速 v 转矩 Rnp 主轴要求恒功率调速范围 M 弯矩

Rp 电动机恒功率调速范围 Ft 圆周力

ap 切削深度 Fr 径向力

f 进给量 Hlim 接触疲劳极限

Pc 计算功率 Td 电动机轴输入转矩

Pd 电动机额定功率 [H] 许用接触应力 i 传动比 kA 使用系数

F0 张紧力 kv 动载系数

F1 紧边拉力 kH 齿间载荷分配系数（接触强度） F2 松边拉力 kH 齿向载荷分布系数（接触强度）

FQ 轴上载荷 k 载荷系

ZE 弹性系数 SHmin 接触最小安全系数

ZN 接触寿命系数 Y 重合度系数

kF 齿间载荷分布系数（弯曲强度） kF 齿间载荷分布系数（弯曲强度） YF 齿形系数 Ys 应力修正系数

Flim 弯曲疲劳极限 SFmin 弯曲最小安全系数

YN 弯曲寿命系数 YX 尺寸系数

[F] 许用弯曲应力 u 齿数比

v 速度

26

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 附录2

输入数据处理程序 .define P_IOA_Data 0x7000 .define P_IOA_Dir 0x7002 .define P_IOA_Attrib 0x7003 .define P_IOB_Data 0x7005 .define P_IOB_Dir 0x7007 .define P_IOB_Attrib 0x7008 .ram

.var KEY_BUF,K_IN_P,K_IN_C,K_IN_D .var KD00, KD01, KD02, KD03 .var KDA0, KDA1, KDA2, KDA3 .var KDB0, KDB1, KDB2, KDB3 .var KDC0, KDC1, KDC2, KDC3 .var KDD0, KDD1, KDD2, KDD3 disp_buf:

.dw 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 .CODE

DISP_TABLE:

.DW 0x003F,0x0006,0x005B,0x004F,0x0066,0x006D,0x007D,0x0007,0x007F,0x006F .DW 0x0077,0x007C,0x0039,0x005E,0x0079,0x0071,0x0073 .public _main _main: R1= 0XFFFF // [P_IOA_Dir] = R1; // Set port IOA output [P_IOA_Attrib] = R1; // R1 = 0xF0F0; // 设置 PORTB D15--D12为键盘扫描OUT [P_IOB_Dir] =R1; // 设置 PORTB D11--D8为键盘扫描IN [P_IOB_Attrib]=R1 R1 = 0x00FF

[P_IOB_Data]=R1 // R1=0X0000 R3=24

R4=KEY_BUF // CLRR0: [R4]=R1 R4+=1 R3-=1 CMP R3,0 JNE CLRR0 mainloop:

call F_disp_PIOA call F_ksc_PIOB call F_ksc_CLP jmp mainloop

27

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） //键值处理// F_ksc_CLP: R1=[KEY_BUF] CMP R1,0 JE KDAE CMP R1,11 JB K_DATA R2=0

[K_IN_C]=R2 CMP R1,11 JNE K_GN2 R2=KDA0 [K_IN_P]=R2 R2=1

[K_IN_D]=R2 R2=0

[KEY_BUF]=R2 RETF K_DATA: R3= [K_IN_D] CMP R3,0 JE KDAE R2=[K_IN_P] R1-=1 [R2]=R1 R2+=1

[K_IN_P]=R2 R2=[K_IN_C] R2+=1

[K_IN_C]=R2 CMP R2,4 JNE KDAE R2=0

[K_IN_C]=R2 R2=[K_IN_P] R2-=4

[K_IN_P]=R2 KDAE: R2=0

[KEY_BUF]=R2 RETF K_GN2:

CMP R1,12 JNE K_GN3 R2=KDB0 [K_IN_P]=R2 R2=2

[K_IN_D]=R2 R2=0

28

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） [KEY_BUF]=R2 RETF K_GN3:

CMP R1,13 JNE K_GN4 R2=KDC0 [K_IN_P]=R2 R2=3

[K_IN_D]=R2 R2=0

[KEY_BUF]=R2 RETF K_GN4:

CMP R1,14 JNE K_GNAK R2=KDD0 [K_IN_P]=R2 R2=4

[K_IN_D]=R2 R2=0

[KEY_BUF]=R2 RETF K_GNAK:

CMP R1,15 JNE K_GNNK R2=KDD0 [K_IN_P]=R2 R2=0

[K_IN_D]=R2 R2=0

[KEY_BUF]=R2 RETF K_GNNK: R2=0

[K_IN_P]=R2 [K_IN_C]=R2 [K_IN_D]=R2 [KEY_BUF]=R2 RETF

// 显示子程序// F_disp_PIOA: R2=[K_IN_D] R2=R2 LSL 2 R2+=4 R1=0x0800 AA0:

R5=DISP_TABLE R5+=[R2] R1+= [R5]

29

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） [P_IOA_Data]=R1 R1-= [R5] R2+=1

R1= R1 LSL 1 CALL DELAY

CMP R1,0x8000

JB AA0 R1=0x0800 RETF; DELAY:

R4=0x0000 DL1:R4+=1

CMP R4,0x01 JBE DL1 RETF

// 按键管理 // F_ksc_PIOB: call KSC_ALL cmp R2,0 JE Kend

call F_disp_PIOA call KSC_ALL cmp R2,0 JE Kend R4 = 0X7FFF; KK1:

[P_IOB_Data]=R4; R2 = [P_IOB_Data]; R2|=0xF0FF R5=R2 R2+=1 JCS Ksc1 R2=R5

R2 ^=0xFFFF R2=R2 LSL 4 R5=0

LLP1:R2=R2 LSL 1 R5+=1

CMP R2,0x0000 JNE LLP1 R5=R5 LSL 2 R2=R4

R2^=0xFFFF LLP2:R2=R2 LSL 1 R5+=1

CMP R2,0X0000 JNE LLP2 R5-=4

[KEY_BUF]=R5

30

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） Ksc1: R4=R4 LSR 1 R4|=0X8000 CMP R4,0XF7FF JNAE KK1 Ksc2:

call KSC_ALL cmp R2,0 JnE Ksc2 Kend: RETF KSC_ALL:

R2 = 0X0FFF

[P_IOB_Data]=R2; R2 = [P_IOB_Data]; R2|=0xF0FF R2+=1 RETF .END

31

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 附录3

调频脉冲输出程序，在P_IOA0输出调频脉冲信号 .define P_IOA_DATA 0x7000 .define P_IOA_DIR 0x7002 .define P_IOA_ATTRI 0x7003 .define P_IOB_DATA 0x7005 .define P_IOB_DIR 0x7007 .define P_IOB_ATTRI 0x7008 .define P_TimerA_Ctrl 0x700b .define P_TimerA_Data 0x700a .define P_INT_Ctrl 0x7010 .define P_INT_Clear 0x7011 .define T_DATA (0xffff - 0x1FE0) .CODE //主程序 .public _main _main:

INT OFF R1 = 0x00FF [P_IOA_DIR] =R1 [P_IOA_ATTRI]=R1 R1 = 0xFFFF

[P_IOA_DATA]=R1

R1 = 0x0005 [P_TimerA_Ctrl] = R1; R1 = T_DATA [P_TimerA_Data] = R1 R1 = 0x1000; [P_INT_Ctrl] = R1 INT IRQ R2=0xffb6 R3=0x0000 Main_lop: Jmp Main_lop Key: R1=[P_IOA_DATA] R1|=0x00ff R1^=0xffff R1=R1 LSR 3 R1+=1 // CMP R3,0 // JE LOW_TIME R4= 0xffff R4-=R1 R1=R4 retf

// 设置IRQ1_TM 中 断 // 开中断

//周期不变的调宽脉冲时间设置

32

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） LOW_TIME: R4=0x2000 R4-=R1 R1=R4 R4= 0xffff R4-=R1 R1=R4 retf .TEXT

.PUBLIC _IRQ1 //中断子程序 _IRQ1: Call Key [P_TimerA_Data] = R1 cmp R3 ,0 je cplp

r4=0xffb6

//输入设置时间

[P_IOA_DATA]=r4 R3 = 0 R4 = 0x1000 [P_INT_Clear] = R4 reti cplp: R3=1

R4=0xffff [P_IOA_DATA]=R4 R4 = 0x1000 [P_INT_Clear] = R4 reti .END

//清中断标识位 //中断返 回

33

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 附录4

.define ERR_TYPE 0x0000 .define ERR_DATA 0x0001 .define PWM_DATA 0x0002 .define TIME_FLAG 0x0003 .define p_iob_data 0x7005 .define p_iob_dir 0x7007 .define p_iob_attrib 0x7008 .define P_INT_Clear 0x7011 .define P_INT_Ctrl 0x7010 .define p_timerb_data 0x700c .define p_timerb_ctrl 0x700d

.define t_time (0xffff-4096) .code

.public _main _main:

INT OFF r1=0xffff

[p_iob_dir]=r1 [p_iob_attrib]=r1 [p_iob_data]=r1 r1=0x00c2

[p_timerb_ctrl]=r1 r1=t_time

[p_timerb_data]=r1 R1=0x0400

[P_INT_Ctrl]=R1 IRQ ON LOOP: CALL PWM JMP LOOP PWM: R1=[ERR_TYPE] CMP R1,3 JNE PWM0 RETF PWM0: CMP R1,1 JE PWM11 CMP R1,2 JE PWM12 RETF PWM11: R2=0x0010 R1=[ERR_DATA] CMP R1,0x8000 JNB PWM11F CALL PWMOUT RETF PWM11F: R2=0x0030 R1^=0xFFFF R1+=1

34

哈尔滨商业大学毕业设计（论文） CALL PWMOUT RETF PWMOUT: R2|=[PWM_DATA] [p_iob_data]=R2 OO1: R3=[TIME_FLAG] JZ OO1 R2^=[PWM_DATA] [p_iob_data]=R2 R3=0 [TIME_FLAG]=R3 OO2: R3=[TIME_FLAG] JZ OO2 R3=0 [TIME_FLAG]=R3 R1-=1 CMP R1,0 JG PWMOUT R1=0 [ERR_DATA]=R1 [ERR_TYPE]=R1 RETF PWM12: R2=0x0040 R1=[ERR_DATA] CMP R1,0x8000 JNB PWM12F CALL PWMOUT RETF PWM12F: R2=0x00C0 R1^=0xFFFF R1+=1 CALL PWMOUT RETF

//////////////////////////////////////////////// //定时器b中断程序

/////////////////////////////////////////////// .text

.public _IRQ2; _IRQ2:

push R1,R5 to [sp] R1=1

[TIME_FLAG]=R1 r4=0x0400

[P_INT_Clear]=r4 pop R1,R5 from [sp]

reti //返回 .end

.

35