CM6132型精密车床主传动系统数控改造设计.doc

摘 要 对CM6132精密车床主传动系统进行数控化改造， 主要对主传动系统进行改造。改造包括机械和数控两部分。 机械部分：拆掉变速箱改用变频电动机实现无级调速。数控部分：数控系统采用开环控制系统，系统中没有反馈电路，不带检测装置，指令信号单方向传递。开环系统主要由步进电机驱动，结构简单，成本低廉、易掌握，调试和维修比较方便简单，已广泛应用于数控机床.数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品。它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大变化。现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等技术都是建立在数控技术之上。数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平的核心标志，实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。关键词：数改造；数控车床；步进电机控 AbstractAs to the NC transform of CM 6132 precise lathe, vertical and horizontal motion system are concerned including mechanism part and NC part. As for as the mechanism part is concerned, in order to decrease the friction and increase the motion precision, ball guide screw is adopted. As to the NC part, open loop control system is adopted in NC system. There is no feedback circuit and test and determining facilities with one-way instruction signal transmission.The open loop system is mainly droved by stepper motor, which is of simple structure, low cost, easy learning with simple preliminary test and maintenance. It is widely used in NC lathe.【Key words】 Numerical control innovation NC lathe Stepper motor目 录第1章 绪 论41.1 数控机床的发展41.2 普通机床数控改造的必要性41.3 数控机床的发展趋势5第2章 总体方案设计62.1 计算参数和技术要求62.2 总体方案的拟定62.2.1 机械部分改造62.3 基本参数的确定82.3.1 运动参数92.3.2 动力参数9第3章 主传动系统设计113.1 带轮及带的计算113.2 齿轮校核143.2.1 校核齿面接触疲劳强度143.2.2 校核齿根弯曲疲劳强度163.3 轴的校核183.4 键的校核21第4章 控制原理设计234.1 数控系统的基本硬件组成234.1.1 单CPU系统的组成234.1.2 数控系统的选用244.2 步进电机的控制244.2.1步进电机的工作原理244.3 键盘及显示器接口284.3.1 键盘接口电路284.3.2 液晶显示模块的工作原理28第5章 经济技术分析305.1 产品结构改造的合理化305.2 提高技术经济价值的方法305.3 产品成本核算315.4 产品年利润32结论33致谢34参考文献35附录136第1章 绪 论1.1 数控机床的发展 随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。以微处理器为基础，以大规模集成电路为标志的数控设备，已在我国批量生产、大量引进和推广应用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的效益。但同时，由于它们的先进性、复杂性和智能化的特点，在维修理论、技术和手段上都发生了飞跃的变化。 数控机床自20世纪中期诞生以来，它们数控系统随着电子器件的更新换代也不断发展。特别是超大规模集成电路技术和微处理器引入数控系统，以及直流和交流伺服驱动技术的成熟，大大地推动了数控机床的发展。今天数控机床已发展为一种高度机电一体化的典型产品，成为现代生产系统得基本单元，成为支撑先进技术的基础核心设备。 20世纪后半期， 数控机床不仅品种多，而且产量迅速发展，同期世界数控车床拥有达100万台，品种有1500种，数控机床的年产量近15万台。美国在1983年的机床拥有量比1973年下降了231，而同期数控机床拥有量增加了26倍，日本1983年生产数控机床占机床品种数的65，数控机床的产量（台数）占车床总产量的283，数控机床的产值为车床总产值的709。美国1989年机床拥有量为232678台，其中数控机床为2323566台；日本1987年机床拥有量为792975台，其中数控机床为70255台。到1994年，日本机床拥有量的数控化率达209，美国、意大利均达10以上。1995年我国机床拥有量达8512万台，占222。机床拥有量的数控化率为1.9，金属切削加工数控化率达2.15，成型机床的数控化率为1.02。 据了解，2001年中国机床产值已进入世界前10名的第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3。1.2 普通机床数控改造的必要性 面对世界机床市场的强烈冲击，国产数控机床如何从容应对并占有一定的市场份额，有关人士提出，必须把发展国产数控机床放在突出位置，因为数控机床是衡量一个国家经济实力的重要标志；数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了形态复杂、精密、小批及多变零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产率。因此，国产数控机床市场需求大力培育，不能光靠一个展览会来推动，各级政府应重视数控机床开发研制及市场销售等一系列问题，为国产数控机床发展大开“绿灯” 。 提高数控化率有两个途径：（1）投入巨资购买新的数控机床；因为我国现有老机床太多，再加上资金问题，我国购买的数控机床还是有限的。（2）对现有普通机床进行数控改造，对拥有300多万台普通机床的我国来说，普通机床的数控化无疑是一条简单可行的途径“研究如何简便、实用地对普通机床进行数控改造是十分必要的。”1.3 数控机床的发展趋势 随着科学技术不断发展，数控机床的发展也越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。高性能：随着数控系统集成度的增强，数控机床也实现多台集中控制，甚至远距离遥控。高精度：数控机床本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度的保持性要好。高速度：数控机床各轴运行的速度将大大加快。高柔性：数控机床的柔性化将向自动化程度更高的方向发展，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。模块化：数控机床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商又有利于客户。 机床工业被称之为装备工业，装备工业又是技术密集、技术更新速度十分快的行业，面对入世和世界经济一体化的进程，必须在新一轮经济结构调整中找准自己的位置，加快发展、更新的频率，用“限普赠数”来加快集约化进程，促进装备工业的发展，参与世界经济竞争。我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。为了缩小与世界先进水平的差距。 现在国内的主要先进的数控机床都是靠进口的，即使自己做的车床中的精密部件例如精密丝杠都是靠进口的，没法靠自己的技术来制造，这样大大限制了我国机床的水平和与国际竞争的能力 这样经济数控机床就显得尤为重要，不但可以节省资金而且技术水平不比大型数控机床简单，也能体现一个国家的机床水平，从简单向大型化， 复杂化，集成化发展奠定一定的技术。对现有老机床进行数控化改造费用低廉符合我国的国情，可以普遍提高我国的数控人员。第2章 总体方案设计2.1 计算参数和技术要求 （1）床身上最大加工直径320 （2）主传动系统保持主轴箱内背轮机构不变，取消变速箱，用变频调速电机实现无级调速。 （3）拆掉进给箱、溜板箱改用步进电机驱动纵、横进给，脉冲当量0.01总体方案的拟定 数控机床主要用于轴类、盘类件的加工，能自动完成外圆柱面、内孔、锥面、圆弧面2.2 总体方案的拟定 数控机床主要用于轴类、盘类零件的加工，能自动完成外圆柱面、内孔、锥面、圆弧面、螺纹等工序的粗细加工，并能在外圆柱面或端面上进行铣、钻孔、铰孔等工作，可以实现回转体零件在预先加工好定位基面后，一次装夹下完成从毛坯到成品的全部工序。因此，能够极大地提高生产率。本项研究的对象CM6132车床，主要用于对小型轴类！盘类以及螺纹零件的加工。 2.2.1 机械部分改造 （1）主轴伺服系统的改造 拆去原床身的变速箱、进给箱、三相异步电动机，主轴箱继续保留使用，变频调速电动机、原进给机构输出端接脉冲发生器。由于采用了先进的数控系统、变频调速系统电动机驱动主轴进给系统，主轴的变速特性变佳，实现了无级调速。PWM变频调速D/A光电隔离MCS-518155电机主轴齿轮传动 图 主轴伺服系统的组成 （2）进给电机伺服系统的改造设计为满足尽可能减少改动量的要求，采用步进电机经常接口箱驱动丝杠，带动刀具纵向和横向移动。用滚珠丝杠螺母机构代替普通的滑动丝杠螺母机构，具有摩擦力小，运动灵敏，无爬行现象的特点，也可以进行预紧，以实现无间隙传动，以使传动刚度好，反向时无空程死区。纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，配上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及其和丝杠的链接部分在主轴箱之下并不占据丝杠空间。由于采用滚珠丝杠可提高系统的精度和纵向进给的整体刚度；横向进给机构的改造：由于原横向进给的丝杠空间有限，所以拆除横向丝杠换上滚珠丝杠。由于现在的步进电机的驱动能力很强，步距角也比原来小了很多，所以步进电机和丝杠之间用联轴器连接，1：1传动。方案如图2-2。图2-2整机方案图 （3）联轴器图2-3是现在广泛采用的直接联接电机轴和丝杠的挠性联轴节。这种联轴节的工作原理是：联轴节的左半部装在电机轴上，当拧紧螺钉2时，件3和件5相互靠近，挤压内锥环17、外锥环4，使外锥环内径缩小，内锥环外径胀大，使件5与电机轴1形成无键联接。右半部也同样形成无键联接。左半部通过刚性钢片组成15的两个对角孔与螺栓6、球面垫圈7、8相联。图中表明球面垫圈8和右半部件9没有任何联接关系。同样，弹性钢片组15的另外两个对角孔通过球面垫圈14、16、螺栓13与右半部联接，垫圈16与件5没有任何联接关系。这样依靠弹性钢片组对角联接（即挠性）传递扭矩，且与电机轴和丝杠都无键联接，便是挠性联轴节的工作原理。1电机轴；2、12螺钉；3法兰；4外锥环；5左本体；6、13螺栓；7、8、14、16垫片；9右本体；10法兰；11丝杠。图2-2 挠性联轴器2.3 基本参数的确定 通过主轴孔最大棒料直径d： 床身宽度B： B = 2.14 D0.82 = 273 mm经济合理的工件或刀具直径按照以下几种经验公式估定： d max = (0.5 0.7)D = 0.6D = 0.6 × 320 = 192 mm d min = (0.08 0.12)D = 0.10D = 0.10 × 320 = 32 mm 2.3.1 运动参数可通过类比实验和计算等方法综合确定：n max = 1000 × 220 = 2189 × 32 v min 、v max 、d min 、d max为经济加工切削速度和经济合理的工件或刀具直径。n max 、n max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刚v = 200 220 m/min 取 v max = 220 m/min v min 取高速钢刀具精车丝杠v = 15m/min。 取n = 24 2200r/min计算速度：n j 2.3.2 动力参数据下列公式及数据估算电机功率P：F z = 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 = 220 （公斤力/mm 2 ） t 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1mm；s取0.2mm；v = 190m/s 取P = 2.5kw第3章 主传动系统设计3.1 带轮及带的计算 选用宰V带传动，电动机的额定功率P = 2.5 KW,转速n1 = 1500r/min传动比i = 2一天的运转时间10h主传动系统的传动方式 机床主传动系统可分为分级变速传动和无级变速传动。分级调速传动是在一定的变速范围内均匀地、离散地分布着有限级数的转速，变速级数一般不超过2030级。这种传动方法主要用于普通机床，一些普通机床经数控化改造后也保留了原分级变速传动方式。无级调速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到满足加工要求的最佳速度，能在运转中变速，便于自动变速。数控车床的主传动系统通常采用无级变速传动。 与普通机床相比，数控车床的主传动采用交、直流主轴调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴箱结构大为简化。为了适应不同的加工需要，数控车床的主传动系统有以下三种传动方式。（1） 由电动机直接驱动（2） 采用定比传动（3） 采用分档变速传动 无级变速是指在一定的范围内，转速（或速度）能连续地变换，从而获得最有利的切削速度。机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类：变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。 （1）变速电动机 机床上常有的变速电动机有直流电动机有直流电动机和交流变频电动机，在额定转数以上为恒功率变速，通常变速范围仅为2 3；额定转速以下为恒转矩变速，调整范围很大，变速范围可达30甚至更大。上述功率和转距特性一般不能满足机床的使用要求。为了扩大恒功率调速范围，在变速电动机和主轴之间串联一个分级变速箱。变速电动机广泛用于数控机床、大型机床中。 （2）机械无级变速装置 机械无级变速装置有柯普型、行星锥轮性、分离锥轮钢环形和宽带型等多种结构，它们都是利用摩擦力来传递转距，通过连续地改变摩擦传动副工作半径来实现无级变速。由于它的变速范围小，多数是恒转距传动，通常较少单独使用，而是与分级变速机构串联使用，以扩大变速范围，机械无级变速器应用于要求功率和变速范围较小的中小型车床、铣床等机床的主传动中，更多的是用于进给变速传动中。 （3）液压无级变速装置 液压无级变速装置通过改变单位时间内输入液压缸或液动机中液体的油量来实现无级变速。它的特点是变速范围较广、变速方便、传动平稳、运动换向时冲击小、易于实现直线运动和自动化。液压无级变速装置常用在主运动的机床中，如刨床、拉床等。1.确定计算功率P ca由机械设计3表86工作情况系数查得工作情况系数K A = 1.3,故： P ca = K A P = 1.3 × 2.5 = 3.25 KW2.选取窄V带带型根据P ca、n 1由机械设计3图89窄V带选型图确定选用SPB型。3.确定带轮基准直径由机械设计3表83V带轮的最小基准直径和87V带轮的基准直径系列取主动轮基准直径d d1 = 125 mm根据机械设计3式（815），从动轮基准直径d d2。d d2 = i d d1 = 2 × 125 =250 mm根据机械设计3表87V带轮的基准直径系列，取d d2 = 250 mm按机械设计3式（813）验算带的速度所以带的速度合适。4.确定窄V带的基准长度和传动中心距min = 0.7（d d1 + d d2）= 0.7 × （125 + 250） = 262.5 mmmax = 2 (d d1 + d d2 ) = 2 × （125 +250） = 750 mm初步确定中心距0 =520 mm根据机械设计3式（820）计算带所需的基准长度由机械设计3表 82V带的基准长度系列及长度系数KL选带的基准长度 Ld = 1600mm按机械设计3式（821）计算实际中心距 25.验算主动轮上的包角1由机械设计3式（86）得 所以主动轮上的包角合适。6.计算窄V带的根数由机械设计3式（822）知 由n1 = 1480、dd1 = 125mm、i = 2 查机械设计3表85c单根窄V带的基本额定功率P0和表85d单根窄V带额定功率的增量P0得:P0 = 2.61KW P0 = 0.56 KW查机械设计表88包角系数Ka得：Ka=0.98，查表82V带的基准长度系列及长度系数KL得：KL = 1.00则取z =2根。7.计算预紧力F0 查机械设计3表84V带单位长度的质量得：q = 0.07kg/m，故8.计算作用在轴上的压轴力FP由机械设计3式（824）得：3.2 齿轮校核主轴箱内的齿轮校核，小齿轮材料为40Cr，调质处理，硬度241HB286HB，平均取为260HB，大齿轮选用双片齿轮，用45钢，调质处理，硬度为229HB286HB，平均取240HB。Z1 = 27，Z2 = 63，m = 2.5由机械零件设计手册1图1212及图齿面接触疲劳强度极限1223按MQ级 质量要求取值，查得：Hlim1= 700N/mm2 Hlim2 = 510N/mm2FE1=580N/mm2 FE2 = 460N/mm2小齿轮传递的转距T1 3.2.1 校核齿面接触疲劳强度按机械零件设计手册1表1220圆柱齿轮传动齿面接触疲劳强度与齿根弯曲疲劳强度校核计算公式式中 分度园上的圆周力Ft：使用系数KA：查机械零件设计手册1表1222使用系数得齿面圆周速度V： 根据齿轮的圆周速度V，参考机械零件设计手册1表1234选择齿轮的精度等级为：8801 GB1009588。查机械零件设计手册1图128a 直齿圆柱齿轮的动载荷系数 得KV = 1.01.。齿向载荷分布系数KH：按查机械零件设计手册1图129a齿向载荷分布系数，得KH=1。齿间载荷分布系数K Ha：按查机械零件设计手册1表1223齿间载荷分布系数，得KHa = 1.2节点区域系数ZH：按=0。查机械零件设计手册1表1224材料弹性系数 得 重合度： =+查机械零件设计手册1图124标准外口齿合圆柱齿轮的端面重合度 得 =0.82 =0.91 所以 =+=0.82 +0.91 =1.73直齿圆柱齿轮可知 Z =1以上各数值带入齿面接触应力计算方式得：计算安全系数SH：按机械零件设计手册1表1220圆柱齿轮传动齿面接触疲劳强度与齿根弯曲强度校核计算公式式中 寿命系数ZN：先计算应力循环次数 对于调质钢（可以有一定量的点蚀），从机械零件设计手册1图1223接触强度寿命系数 可查得N=109 。因为N1N，所以ZN11。按N2 = 7.3 ×108从机械零件设计手册1图1213接触强度寿命系数 查得 ZN2=1.03 。润滑油膜影响系数ZLVR:按v=1.413m/s选320号中极压型工业齿轮油，其运动粘度v40=320mm2/S，查接触强度寿命系数图1214软齿面及调质钢、渗碳淬火钢短时间气体或液体氮化齿轮的ZLVR值，得 ZLVR = 0.92。工业硬化系数ZW：因为小齿轮齿面未硬化处理，齿面未光整，故ZW=1。接触强度计算的尺寸系数ZX：查机械零件设计手册1图1217接触强度计算的尺寸系数 得 ZX=1。将以上数值代入安全系数的计算公式得按机械零件设计手册1式（127） SHmin = 1因为SH SHmin 故齿轮是安全的。 3.2.2 校核齿根弯曲疲劳强度按机械零件设计手册1表1220圆柱齿轮传动齿面接触疲劳强度与齿根弯曲疲劳强度校核计算公式式中 弯曲强度计算的载荷分布系数KF KF = KH =1.06弯曲迁都计算的载荷分配系数K Fa：K Fa =K Ha =1.2复合齿轮系数YFS，按Zv1 = 27，Zv2 = 63查机械零件设计手册外齿轮的复合齿形系数图1218得YFS1 = 3.1, YFS2 = 2.8 。弯曲强度计算的重合度与螺旋角系数Y：按=1.73，=0°查机械零件设计手册1图1222弯曲强度计算的重合度与螺旋角系数 得 Y= 0.68将以上各数值代入齿根弯曲应力计算公式得式中 寿命系数YN：对调质钢由机械零件设计手册1图12-24寿命系数，查得弯曲疲劳应力的循环基数N=3×105 。因为，N1=1.68 ×109，N2=7.3×108均大于N，所以YN1=YN2=1 。相对齿根圆角敏感系数YrelT：由机械零件设计手册1图12-18外齿轮的符合齿形系数知qS11.5、qS21.5 。查机械零件设计手册1表12-25相对齿根圆角敏感系数表12-25相对齿根圆角敏感系数 得YrelT= =1 。相对齿根表面状况系数YRrelT：由机械零件设计手册1表12-33常用精度等级齿轮的加工方法及应用范围，齿面粗糟度Ra1=Ra2=1.6m 。按机械零件设计手册1式12-22，YRrelT=1 。尺寸系数YX：查机械零件设计手册1图12-25尺寸系数 得 YX=1 。将以上各数值带入安全系数SF的公式得 由机械零件设计手册1式 12-18，SFmin = 1.4SF1和SF2均大于SFmin，故齿轮安全 。3.3 轴的校核轴的材料为45号钢，经调质后，b = 637 MPa，E = 210 MPa 。轴颈 d = 28 mm 。齿轮直径 ：大轮 d1 = mz1 = 2.5 ×63 d1 = 157.5 mm 小轮 d2 = mz2 = 3 ×17 d2 = 51 mm大齿轮受力 ：转距 圆周力 径向力 小齿轮受力：转矩 圆周力 径向力 计算机平面内支反力（图3 -1c） 由MA =0得 由FZ =0,得 RAZ = Fr1 + Fr2 RBZ = 309.66 + 956.31 734.30 = 531.67 N垂直面的支反力（图31 e）由MA =0得 由FY =0 得 RAY = Ft1 + Ft2 RDYA = 850.79 + 2627.45 2017.47 = 1460.77N轴上的转矩图（图31g） T = T1 =T2 T= 6.7 ×105 Nmm由于齿轮的作用力在水平平面的弯矩图（图31d） MBZ = RAZa = 531.67 ×35 = 18608.48 Nmm = 18.61 Nm MCZ = RDZc = 734.30 ×110 = 80773 Nmm = 80.8 Nm齿轮作用在垂直面的弯矩图（图31f） MBY = RAYa = 100.68 ×35 = 3523.8 Nmm = 3.5 Nm MCY = RDYc = 1877.34 ×110 = 206507.4 Nmm = 206.5 Nm大齿轮作用力在B截面的最大弯矩 小齿轮作用力在C截面的最大弯矩： 根据轴的结构尺寸及弯矩图、转矩图，截面C处弯矩较大，是危险截面 。下面对轴的C截面进行弯曲应力校核计算： 由机械零件设计手册2表2013得 式中许用应力值由机械零件设计手册2表2014查得： 0b = 110 Mpa 1b = 65 Mpa 应力校正系数 当量转矩 因为= 20.91MPa = 637MPa 。 所以轴是安全的 。图3-1轴的载荷分布图34 键的校核 主轴上的普通圆头平键，轴径54，传动转矩为286。47N*m，整个齿轮组的宽度B>50,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：查的可选键的尺寸为b×h×l=16×10×27;（3） 挤压强度：取k=h/2则工件表面的挤压应力为：；（4） ，故连接能满足挤压强度要求。（5） 剪强度： 由公式得切应力为 由表得知，当载荷平稳时，许用应力 所以，故能满足剪切强度要求。图32主传动系统图第4章 控制原理设计4.1 数控系统的基本硬件组成 CNC系统主要由硬件和软件两大部分组成。硬件和软件的关系是密不可分的。硬件为软件提供了活动舞台，是软件的肌体，而软件则是整个系统的灵魂。数控系统是在软件的控制下，也叫控制软件，存放在计算机EPROM内存中。各种CNC系统的功能设置和控制方案各不相同，它们的系统软件在结构上和规模上差别很大，但是一般包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。 目前，CNC系统主要分为两种形式：一种是单个CPU组成的系统；另一种是由两个以上的CPU组成的多微处理器系统。CNC系统大都采用一个CPU完成机床的控制。4.1.1 单CPU系统的组成 单CPU组成的系统，数控系统主要由微型计算机、外围I/O设备和机床I/O控制部分组成。 （1）微型计算机 微型计算机又简称微机，它是数控系统的中枢，整个系统是在微机的指挥下协调工作。微机主要由微处理器（也称CPU），内部存储器（RAM及ROM）和I/O接口电路组成，相互之间由数据总线、地址总线和控制总线连接。 微机是在系统软件控制下工作，系统软件存放在只读存储器（ROM）中，当控制系统接通电源或重新复位时，CPU就执行存放在ROM的系统程序。随机存储器RAM主要用来存放工件加工程序、加工现场参数和提供系统的工作缓冲区。由于系统掉电后，RAM中的信息会丢失，所以应具有掉电保持电路和后备电池供电电路。 （2）I/O接口 I/O接口是指外围设备与CPU之间的接口电路。一般情况下，外围与存储器之间不能直接通信，必须靠CPU对I/O接口的读/写控制，完成外围设备与CPU之间的信息传递。 （3）机床I/O控制部分 机床I/O控制部分是微机与机床连接的关键部件。CNC系统的机床I/O控制具有下面几个特点： 1）能够可靠的传送控制机床动作的信息并能输入机床当前的状态信息。 2）能够进行相应的信息转换，以满足CNC系统的输入与输出要求。输入时，必须将机床有关状态信息转换成计算机能够识别的二进制数字量； 输出时，应将数字量转换成机床各种执行元件所需的物理量。信息转换主要包括以下几种方式：数字量模拟量转换（D/A）模拟量/数字量转换(A/D)；数字量和开关量之间的转换。 （3）具有较强的阻断干扰信号进入计算机的能力，以提高系统的可靠性。为了防止强电干扰信号通过I/O控制回路进入计算机，最常见的方法是在接口处增加光电隔离电路。 4.1.2 数控系统的选用u'nsp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作为数控装置。在这里我们是在u'nsp单片机的基础之上设计的数控系统。4.2 步进电机的控制4.2.1 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。以此类推s1s2s3s1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s1s3s2s1。4.2.2 步进电机的控制 （1）、单电压驱动电路 单电压驱动电路的工作原理如图4-1所示。 在图4-1中，L为步进电机激磁绕组的电感，R1为绕组电阻并串接一电阻Rc，为了减少回路的时间常数L/(R1+Rc),电阻Rc并联一电容C（可提高负载瞬间电流的上升率），从而提高电机的快速相应能力和启动性能。续流二极管VD和阻容吸收回路RC是功率管VT的保护线路。 单电压驱动电路是早期的功率驱动电路，它的优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，高频时负载能力低。 （2）、高低压驱动电路 高低压驱动电路是恒电压驱动的改进型，它的特点是供给步进电机挠组两种电压，以改善电机启动时的电流前沿特性。一种是高电压UH，由电机参数和晶体管特性决定，一般在80V至更高范围；一种是低电压，即步进电机挠组额定电压UL，一般为几伏至20V。 图4-2为高低压驱动电路的原理。在相序输入信号到来时，IH，IL信号使VT1，VT2同时导通，给挠组加上高压UH，以提高挠组中电流上升率；当电流达到规定值时，VT1关断、VT2仍然导通（tH脉宽小于tL），则自动切换到低电压UL该电路的优点是在较宽的频率范围有较大的平均电流，能产生较大的频率且稳定的平均转矩，其缺点是电流波形由凹陷，电路较复杂。 图4-1高压驱动电路原理图图4-2斩波驱动电路原理图 （3）斩波驱动电路 高低压驱动电路的电流波形的波顶会出现凹型，造成高频输出转矩的下降，为了使激磁挠组中的电流维持在额定值附近，需采取斩波电路（见图4-2）。 斩波电路以环行分配器的输出脉冲作为输入信号，若为正脉冲，则VT1 和VT2导通，由于 UH 电压较高，挠组回路又没有串电阻，所以挠组中的电流迅速上升；当挠组中的电流上升到额定值以上某个数值时，采样电阻R