基于CA6150普通车床的数控化改造
?0.78?10?3?84?1.6?5.11(kg?cm2)；
Js?0.78?10?3?dL（d和L分别表示纵向滚珠丝杠的公称直径和支承间距）
2 ?0.78?10?3?54?150?73.13(kg4?cm)。
把这些数据代入上式： J??JM?J1?(WL02?2?)?(J2?Js)?()?Z2?g2??Z1
?10?0.66?(2411000.8?2?)?(5.11?73.125)??()40?9.82???
?43.97021(kg?cm2)。
（2）电机力矩的计算
机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按个阶段计算： 1）快速空载起动力矩M起
在快速空载起动阶段，加速度所占的比例较大，具体计算公式如下：
M起?Mamax?Mf?M[16]
0Mamax?J????J?nmax602??ta?10?2?J?2??nmax?1060ta?2；
nmax??max?p??b360?；
Mf?F0L02G?iFpL02??i；
M0?(1??0)。
2以上式中 Mamax：指空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩（N?cm）； Mf：指折算到电机轴上的摩擦力矩（N?cm）；
M0：指丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（N?cm）；
2J?：指传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量(kg?cm)；
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?：指电机最大角加速度（rad/s2）； nmax：指电机最大转速（r/min）；
； ?max：指运动部件最大进给速度（mm/min）
?p：指脉冲当量（mm/step）；
； ?b：指步进电机步距角（deg）
，这里是ta：指运动部件从停止起动到最大快进速度所需时间（s），F0?f?(Fz?W)； F0：指导程的摩擦力（N）； Fz：指垂直方向的切削力（N）
W30ms；
：指工件及工作台重量（N）；
；
f?：指导轨摩擦系数，f??0.15~0.18G：指运动部件的总重量（N）；
Z2Z1i：指齿轮降速比；按i?计算；
?：指传动链总效率，一般可取??0.7~0.85；
Fp：指滚珠丝杠预加负载，一般取Fm/3，Fm为进给轴向力（N）；
L0：指滚珠丝杠导程；
?0：指滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取?0?0.9。
将以前计算所得数据代入： nmax??max?p??b360??20000.02?2?0.75360??； ?416.56(r/min)2??416.5660?0.03 Mamax?J?F0L02G?i2??nmax?1060ta??43.971??10?2?639.424（N?cm）；
Mf?f?(Fz?W)?L02??Z2/Z1?0.17?(7490.827?1100)?0.82??0.8?1.667?139.38（N?cm）；
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M0?FpL02??i(1??0)
2?1/3FmL02??Z2/Z1(1??0)?21/3?3614.055?0.82??0.8?1.6670； (1?0.9)?21.84（N?cm）
）。
2则 M起?Mamax?Mf?M?639.424?139.38?21.84?800.64（4N?cm2）快速移动时所需力矩M快 M快?Mf?M0?139.38?21.84?161.2（2N?cm）。
3）最大切削负载时所需力矩M切
M切?Mf?M0?Mt
?139.38?21.84?1872.707?0.82??0.8?1.667?340.036 ?Mf?M0?FxL02??i（N?cm）。
从上面计算可以看出，M起、M快和M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。
由表3.5得：当步进电机为三相六拍时，??Mq/MMjmaxjmax?0.866，则
?800.770.886?903.8（N）。
表3.5步进电机起动转距Mq与最大静转距M步进 电机
相数 拍数
/Mjmax关系
六相
10 0.866
6 0.866
12
三相 3
0.5
6 0.866
4
四相
8 0.809
5
五相
??Mqjmax0.707 0.951
按此最大静转距从表中查出，150BF002型最大静转距为13.72N?M，大于所需最
大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运动矩频特性。
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（4）计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率
fk?1000?max60?1000?60?pp?1000?2.060?0.01?3333.33Hz；
fe?s?1000?0.660?0.01?1000Hz。
可查出150BF002型步进电机允许的最高空载启动频率为2800Hz运行频率为8000Hz，再从图5查出150BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。从图中看出，当步进电机起动时，f起?2500Hz,M?100N?cm远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（800.77N?cm），直接使用则会出现失步，所以必须采用升降速控制（用软件实现），半起动频率降到1000Hz，起动力矩可提高到588.4N?cm，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频则完全可以满足要求[17]。
2.横向进给步进电机的计算和选型
与纵向进给步进电机计算的方法一样，如果纵向的步进电机能满足条件那横向的就也可以满足条件，则这选用与纵向相同的步进电机。
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四、CA6150机床微机数控系统的设计
（一）微机数控系统的设计
1.硬件电路的设计
硬件是组成系统的基础，也是软件编程的前提，数控系统硬件设计包括以下几部分内容：
（1） 绘制系统电气控制的结构框图
据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结
构图。
机床硬件电路由五部分组成：
1）主控制器，即中央处理单元CPU；
2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线； 3）存储器，包括程序存储器和数据存储器； 4）接口，即输入/输出接口电路； 5）外围设备，如键盘、显示器等。 机床数控系统硬件框图如图4.1所示：
图4.1机床数控系统硬件框图（开环系统）
（2）选择中央处理单元CPU的类型
根据设计要求，CNC系统的主CPU采用8031单片机。 （3）存储器扩展电路设计
存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。 选择EPROM作程序存储器时，应考虑： 1) 速度应与CPU时钟匹配； 2) 容量适中。 （4）I/O接口电路设计
设计内容包括：据外部要求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。这部分设计要求考虑系统的驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。
在存储器扩展和I/O接口电路中，均涉及到地址译码问题。
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