CA6140車床數(shù)控化改造縱向伺服進(jìn)給單元設(shè)計(jì)說明書

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1、word 第一章微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定 第一節(jié)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式確實(shí)定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)方式確實(shí)定、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。具體包括： 一、數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定 〔1〕系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式確實(shí)定。 〔2〕伺服系統(tǒng)的選擇。 〔3〕執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式確定。 〔4〕計(jì)算機(jī)的選擇。 應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，參考現(xiàn)有同類型數(shù)控機(jī)床，進(jìn)展綜合分析、比擬和論證，確定以上內(nèi)容。 二、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械局部設(shè)計(jì)計(jì)算 〔1〕進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械局部設(shè)計(jì)方案確實(shí)定。 〔2〕確定脈沖當(dāng)量。 〔3

2、〕滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型。 〔4〕導(dǎo)軌的計(jì)算和選型。 〔5〕進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算。 〔6〕步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選用。 〔7〕設(shè)計(jì)繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)一個(gè)坐標(biāo)軸的機(jī)械裝配圖。 三、微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 〔1〕控制系統(tǒng)方案確實(shí)定與框圖繪制。 〔2〕MCS-51系列單片機(jī)與擴(kuò)展芯片的選用。 〔3〕I/O接口電路與譯碼電路的設(shè)計(jì)。 〔4〕設(shè)計(jì)繪制一臺(tái)數(shù)控機(jī)床微機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖。 四、數(shù)控加工程序的編制 〔1〕零件工藝分析與確定工藝路線。 〔2〕選擇數(shù)控機(jī)床設(shè)備。 〔3〕確定工件裝夾方法與對刀點(diǎn)。 〔4〕選擇刀具。 〔5〕確定切削用量。 〔6〕編制零件加工

3、程序。 第二節(jié)總體設(shè)計(jì)方案確實(shí)定 一、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式確實(shí)定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。 如果工件相對于刀具移動(dòng)過程中不進(jìn)展切削，可選用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。例如數(shù)控鉆床，在工作臺(tái)移動(dòng)過程中不進(jìn)展鉆孔加工，因此可選用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。對點(diǎn)位控制系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。 假如要求工作臺(tái)或刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有確定的函數(shù)關(guān)系，如此為連續(xù)控制系統(tǒng)，應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運(yùn)動(dòng)的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機(jī)床可以加工各種外形輪廓復(fù)雜的零件，所以連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)。例如數(shù)控銑床、數(shù)控車床等均屬于此種運(yùn)動(dòng)方式。 還有一些

4、采用點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床，例如數(shù)控鏜銑床等，不但要求工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)坐標(biāo)，還要求工作臺(tái)沿坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)過程中切削工件。這種系統(tǒng)叫點(diǎn)位/直線控制系統(tǒng)。 根據(jù)綜合作業(yè)任務(wù)書的要求，對CA6140車床的縱向伺服系統(tǒng)進(jìn)展數(shù)控化改造。依據(jù)車床的加工特點(diǎn)，應(yīng)該選用連續(xù)控制系統(tǒng)。 二、伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有反響電路，不帶檢測裝置，指令信號(hào)是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反響回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、本錢低廉、容易掌握、調(diào)試和維修都比擬簡單。 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機(jī)床移動(dòng)部件上

5、的檢測反響元件，用來檢測實(shí)際位移量，能補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。閉環(huán)系統(tǒng)造價(jià)高、結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場合。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺(tái)的位移量，而是用檢測元件測出驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺(tái)實(shí)際的位移量，也有反響回路，其性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。 由于開環(huán)控制有許多優(yōu)點(diǎn)，所以目前國內(nèi)大力開展的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)任務(wù)書的要求，這次對車床縱向進(jìn)給伺服單元進(jìn)展數(shù)控化改造應(yīng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式確實(shí)定 為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，在

6、設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以與有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： 〔1〕盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動(dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。 〔2〕盡量消除傳動(dòng)間隙。例如采用消隙齒輪等。 〔3〕提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。 四、計(jì)算機(jī)的選用 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、I/O接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測電路等幾局部組成。 微機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其他裝置均是在微機(jī)的指揮下進(jìn)展工作的。系統(tǒng)的功能和

7、系統(tǒng)中所用微機(jī)直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對微機(jī)的要求是多方面的，但主要指標(biāo)是字長和速度。字長不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運(yùn)算的精度。字長較長的計(jì)算機(jī)，價(jià)格顯著上升，而字長較短的計(jì)算機(jī)要進(jìn)展雙字長或三字長的運(yùn)算，就會(huì)影響速度。目前一些高檔的C系統(tǒng)，已普遍使用32位微機(jī)，主機(jī)頻率由5MHz提高到20～30MHz,有的采用多CPU系統(tǒng)，減輕主CPU的負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步提高控制速度。標(biāo)準(zhǔn)型的C系統(tǒng)多使用16位微機(jī)，經(jīng)濟(jì)型C系統(tǒng)如此采用8位微機(jī)?？刹捎肕CS-51系列單片機(jī)或Z-80單板機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)。 由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等

8、優(yōu)點(diǎn)，所以本次設(shè)計(jì)決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 五、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床縱向伺服單元框圖 車床縱向伺服單元框圖 第二章車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械局部設(shè)計(jì)計(jì)算 伺服系統(tǒng)機(jī)械局部的設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)負(fù)載，確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載起動(dòng)與切削力矩計(jì)算，確定伺服電機(jī)，傳動(dòng)與導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選用，繪制機(jī)械局部裝配圖與零件工作圖等。 第一節(jié)給定條件與脈沖當(dāng)量的選擇 1、縱向移動(dòng)部件總質(zhì)量 200Kg 3、最大移動(dòng)速度〔快進(jìn)〕 5000m

9、m/min 4、最大進(jìn)給速度〔工進(jìn)〕 500mm/min 5、橫向進(jìn)給切削力〔X向〕即為 1800N 6、垂直切削力〔Y向〕即為 4500N 7、縱向切削力〔Z向〕即為 1100N ～～0.001mm/脈沖。而本設(shè)計(jì)脈沖當(dāng)量已給出，要優(yōu)于0.02mm,所以選擇0.01mm/脈沖。 第二節(jié)滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇結(jié)構(gòu)類型：確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定以后，再計(jì)算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑、導(dǎo)程、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)K、精度等級(jí)等。

10、 滾珠的循環(huán)方式有外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。而外循環(huán)插管式的顯著優(yōu)點(diǎn)是：彎管由兩半合成，采用沖壓件，工藝性好，制造容易，本錢低。所以，本設(shè)計(jì)選用外循環(huán)插管式的滾珠絲杠螺母副。 滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以與過盈滾珠預(yù)緊等幾種。而雙螺母墊片式預(yù)緊有結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，裝卸方便，本錢低等優(yōu)點(diǎn)，所以本次設(shè)計(jì)采用雙螺母墊片式預(yù)緊結(jié)構(gòu)。 滾珠絲杠副的計(jì)算： 一、進(jìn)給牽引力的計(jì)算 按導(dǎo)軌為三角形或綜合導(dǎo)軌計(jì)算： =K+(+G) 式中、——切削分力〔N〕; G——移動(dòng)部件的

11、重量〔N〕; ——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式而不同； K——考慮顛覆力矩影響的試驗(yàn)系數(shù)。 在正常情況下，K、可取如下數(shù)值： 三角形或綜合導(dǎo)軌 K=1.15 ～ 上列摩擦系數(shù)均指滑動(dòng)導(dǎo)軌，如果采用貼塑導(dǎo)軌，=0.03~0.05；滾動(dòng)導(dǎo)軌～0.005；靜壓導(dǎo)軌=0.0005. 由條件知，=1100N,=4500N,移動(dòng)部件質(zhì)量200Kg，g取10N/Kg，K取1.15.取0.05。將這些數(shù)據(jù)代入公式得： =K+(+G) =[1.15X1100+0.05X(4500+200X10)]N =1590N 二、最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算 選用滾

12、珠絲杠螺母副的直徑時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)〔轉(zhuǎn)〕后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載C，可用下式計(jì)算： C= L= n= 式中 L——壽命，以轉(zhuǎn)為一單位； n——絲杠轉(zhuǎn)速〔r/min〕; ——為最大切削力條件下的進(jìn)給速度〔m/min〕,可取最高進(jìn)給速度的1/2～1/3，由條件知，最高進(jìn)給速度為500mm/min，本例取最高進(jìn)給速度的1/2。 ——絲杠導(dǎo)程〔mm〕，初選為6mm; T——為使用壽命〔h〕,對于數(shù)控機(jī)床取15000h; ——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，取值見下表，按一般運(yùn)

13、轉(zhuǎn)，取1.5。 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)取值 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 無沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 一般運(yùn)轉(zhuǎn) 有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 將以上數(shù)值代入公式， n== L== C==X1.5X1590N=7983N 三、滾珠絲杠副的選型 根據(jù)最打動(dòng)負(fù)載C，就可查表選擇滾珠絲杠副的型號(hào)，查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》附錄A表A-2,可選用D4006外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動(dòng)載荷為16400N，大于最大動(dòng)載荷7983N,滿足要求,額定靜負(fù)載為57800N；精度等級(jí)選為3級(jí)。 四、最大靜負(fù)載的驗(yàn)算 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速〔n≤10r/min〕情況下工作時(shí)，滾珠絲杠副

14、的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)塑性變形超過一定限度就會(huì)破壞滾珠絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬分之一。產(chǎn)生這樣大的塑性變形量時(shí)的負(fù)載稱為允許的最大靜負(fù)載。 = 式中——滾珠絲杠的最大軸向負(fù)荷〔N〕，即為進(jìn)給牽引力; ——靜態(tài)安全系數(shù)，當(dāng)為一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)=1～2，當(dāng)有沖擊或振動(dòng)時(shí)，=2~3，此處取2。 ==2X1590N=3180N 最大靜負(fù)載小于所選滾珠絲杠副的額定靜負(fù)載，滿足要求。 五、傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 η= 式中——絲杠螺旋角；D4006絲杠的螺旋升角為=2o44’； ——～0.004，其摩擦角約等于10

15、’，將數(shù)值代入公式得： η== 六、剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度與運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，因此應(yīng)考慮以下軸向變形的因素： (1)絲杠拉伸或壓縮變形量 查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖3-4，根據(jù)=1590N，=40mm,支撐間距為1500mm,查出/L=，可算出： =X1500=(X1500)mm=9m 有預(yù)緊時(shí)的實(shí)際變形量為： =Xm (2)滾珠與螺紋滾道接觸變形 查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖3-5，W系列2.5圈1列絲杠副滾珠和螺紋滾道的接觸變形，軸向載荷為1590N,4006型號(hào)的滾珠絲杠螺母副的軸向彈性變形量為=5m.對其進(jìn)展預(yù)緊，預(yù)緊后其實(shí)際變形量為：

16、 =Xm 綜合以上兩項(xiàng)變形量之和： +=7m 此變形量小于系統(tǒng)要求的定位精度，故滿足剛度要求。 第三節(jié) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)是一個(gè)脈沖走一步，每一步都有一個(gè)加速過程，因而對負(fù)載慣量很敏感。為滿足負(fù)載慣量盡可能小的要求，同時(shí)也要滿足一定的脈沖當(dāng)量，常采用降速齒輪傳動(dòng)。 一、初選步進(jìn)電機(jī)步距角 對步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就回轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，叫做步距角。電機(jī)的總回轉(zhuǎn)角和輸入脈沖數(shù)成正比，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速如此正比于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，意味著它能達(dá)到的位置精度越高。通常的步距角是3oooo。 二、傳動(dòng)比計(jì)算

17、 當(dāng)機(jī)床脈沖當(dāng)量、滾珠絲杠導(dǎo)程以與步進(jìn)電機(jī)步距角確定后，傳動(dòng)比的計(jì)算公式如下： i= 式中 ——脈沖當(dāng)量〔mm/step〕; ——滾珠絲杠的根本導(dǎo)程〔mm〕; ——步進(jìn)電機(jī)的步距角。 將=0.01mm/step,=6mm,=0.75帶入得： i=== 三、計(jì)算齒輪齒數(shù)與各項(xiàng)技術(shù)參數(shù) 因?yàn)檫M(jìn)給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大，本設(shè)計(jì)取模數(shù)m=2。采用一級(jí)降速齒輪傳動(dòng)。這對齒輪的各局部幾何參數(shù)如下表所示。 齒輪幾何參數(shù) 名稱 計(jì)算公式 單位 齒輪1 齒輪2 齒 數(shù) z 32 40 模 數(shù) m 2 2 分度圓直徑 d=mz

18、 mm 64 80 齒頂圓直徑 =d+2m mm 68 84 齒根圓直徑 mm 59 75 齒 寬b b=(6～10)m mm 20 20 中心距A A= mm 72 第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用 一、初選步進(jìn)電機(jī) 根據(jù)滾珠絲杠副所承受的進(jìn)給牽引力計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩〔N·cm〕: = 式中——脈沖當(dāng)量〔mm/step〕; ——進(jìn)給牽引力〔N〕; ——步距角； ——電機(jī)—絲杠的傳動(dòng)效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積，其中一對齒輪之效率為0.98，一對軸承之效率為0.99，絲杠傳動(dòng)效率

19、為0.94。將=0.01mm/step,=1590N, =0.75,=0.903代入得： ==N·cmN·cm 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩除以一定的安全系數(shù)來估算步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩〔N·cm〕。 = 一般縱向伺服系統(tǒng)的安全系數(shù)取0.3～0.4，將N·cm代入得： ==N·cm 最大靜轉(zhuǎn)矩表示步進(jìn)電機(jī)所能承受的最大靜態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-22，五相十拍步進(jìn)電機(jī)=0.951。由公式=得： ==N·cmN·cm 和最高起動(dòng)頻率(Hz) ==Hz ===8333Hz 式中——最大切削進(jìn)給速度〔m/min〕，本例為0.5m/min； ——運(yùn)動(dòng)部件最大快移速度〔m/min〕

20、，本例為5m/min； ——脈沖當(dāng)量〔mm/step〕 根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩N·cm，在《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》查表3-23，選取型號(hào)為150BF002的五相十拍步進(jìn)電機(jī),其最大靜轉(zhuǎn)矩為1372N·cmN·cm,滿足要求。其最高空載起動(dòng)頻率為2800Hz,不滿足〔8333Hz〕的要求，此項(xiàng)指標(biāo)可暫不考慮，可以采用軟件升速程序來解決。 二、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的校核計(jì)算 絲杠傳動(dòng)時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下公式計(jì)算： =++[(+)+] 式中 ——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量〔kg·〕; 、——齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量〔kg·〕; ——滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量〔kg·〕; G——工

21、作臺(tái)與工件等移動(dòng)部件的重量〔N〕; ——絲杠導(dǎo)程，已選定為0.6cm. 國產(chǎn)反響式步進(jìn)電機(jī)150BF002的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為10kg·。對于材料是鋼材的圓柱體，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式為： L. 式中 D——圓柱體直徑〔cm〕; L——圓柱體長度〔cm〕. 如此各局部的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算過程如下： X·XX2)kg·· X·XX2)kg·· X·XX150)kg·· G=2000N 代入上式： =++[(+)+] ={10+2.617+[(6.390+29.952)+]}kg· · 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問題： / 根本

22、滿足慣量匹配的要求。 機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算： 1〕快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩M 在快速空載起動(dòng)階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： M=++ ==X=X =X = =f′( i= =(1-) 式中 M——快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩〔N·cm〕; ——空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速轉(zhuǎn)矩〔N·cm〕; ——折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩〔N·cm〕; ——由于絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩〔N·cm〕; ——傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量〔kg·〕·； ——電機(jī)最大角加速度〔rad/〕; ——電機(jī)最大轉(zhuǎn)速； ——運(yùn)動(dòng)部

23、件最大快進(jìn)速度〔mm/min〕，本例為5000mm/min； ——導(dǎo)軌的摩擦力〔N〕; ——垂直方向上的切削力〔N〕,本例為4500N; f′——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，對于貼塑導(dǎo)軌，本例取0.05； G——運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量〔N〕，本例為2000N; i——齒輪降速比，本例為40/32,即為1.25； ——脈沖當(dāng)量〔mm/step〕，本例為0.01mm/step; ——步進(jìn)電機(jī)的步距角〔oo； ——運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間〔s〕,一般取0.2～0.5s,本例取0.2s; ——滾珠絲杠預(yù)加載和，一般取1/3,為進(jìn)給牽引力〔N〕，此例中為1590N; ——滾珠絲杠導(dǎo)程

24、〔cm〕,此例為0.6cm; ——滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取0.9,本例取0.9； ——傳動(dòng)鏈總效率，一般可取0.7～0.85,本例取0.8。 將以上數(shù)據(jù)代入公式可得： =X==1042r/min =XXN·cm ·cm 折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 ===N·cm ·cm 附加摩擦轉(zhuǎn)矩 =(1-)=(1-) =(1-)]N·cm ·cm 以上三項(xiàng)合計(jì)： M=++ N·cm 2〕快速移動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩 ==() N·cmN·cm 3)最大切削負(fù)載時(shí)所需轉(zhuǎn)矩 ==+ =(+)N·cm N·cm 從上面計(jì)算可以看出，M、、三

25、種工況下，以快速空載起動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。 從《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-22查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)==0.951,如此最大靜轉(zhuǎn)矩為 =〔〕N·cmN·cm 從表·m,大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足要求。 前面已經(jīng)計(jì)算出此機(jī)床最大快移時(shí)需步進(jìn)電機(jī)的最高起動(dòng)頻率為8333Hz,切削進(jìn)給時(shí)所需步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率為833.3Hz。 從表3-23中查出，150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高起動(dòng)頻率為2800Hz，運(yùn)行頻率為8000Hz,如果直接起動(dòng)，如此會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制〔用軟件實(shí)現(xiàn)〕，也可采用上下壓驅(qū)動(dòng)電路，還可將步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)大

26、一倍左右。而當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性完全可以滿足要求。 第五節(jié) 齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度校核驗(yàn)算 一、彎曲疲勞強(qiáng)度校核 先選擇齒輪材料，確定許用應(yīng)力。 小齒輪材料：40Cr,調(diào)質(zhì)，硬度為230～280HBS,計(jì)算中取260HBS. 大齒輪材料：45鋼，正火，硬度為170210HBS,計(jì)算中取200HBS. 小齒輪許用彎曲應(yīng)力： =155+0.3HBS=(155+0.3X260)MPa=233MPa 大齒輪許用彎曲應(yīng)力： =140+0.2HBS=(140+0.2X200)MPa=180MPa 彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算式為： = 式中

27、 K——載荷系數(shù)，一般取1.3～1.7，當(dāng)原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)、工作機(jī)載荷較平穩(wěn)、齒輪支撐為對稱布置或齒輪制造精度較高時(shí)取較小值; T——齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)矩，單位為N·mm; b——工作齒寬，單位為mm; m——模數(shù); z——齒數(shù)； ——齒輪復(fù)合齒形系數(shù)。 校核小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度： 將K=1.35,=13720N·mm,b=20mm,m=2,=32，=4.07代入公式得， ==MPa=233MPa 校核大齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度： 大齒輪齒數(shù)為40，查表取=4.01，代入公式得， =MPa=180MPa 大小齒輪均滿足

28、彎曲疲勞強(qiáng)度的要求。 二、接觸疲勞強(qiáng)度校核 小齒輪的許用接觸應(yīng)力值： =380+HBS=(380+260)MPa=640MPa 大齒輪的許用接觸應(yīng)力值： =380+0.7HBS=(380+0.7X180)MPa=506MPa 選取和中的最小值，即=506MPa. 齒輪傳動(dòng)的接觸疲勞強(qiáng)度校核式為： 式中 a——齒輪中心距，單位為mm，本例為72mm； u——減速傳動(dòng)比，本例為1.25； 將數(shù)據(jù)代入公式得： = 經(jīng)校核，大小齒輪均滿足接觸疲勞強(qiáng)度的要求。 第六節(jié) 滾動(dòng)軸承的選擇和壽命驗(yàn)算 一、滾動(dòng)軸承的選擇 根據(jù)滾珠絲

29、杠的直徑，選擇一對型號(hào)為6206的深溝球軸承承受徑向力，選擇一對型號(hào)為7206B的角接觸球軸承承受軸向力。 二、深溝球軸承的壽命驗(yàn)算 6206的深溝球軸承，其根本額定動(dòng)載荷為19500N,其額定靜載荷為11500N.深溝球軸承所承受的軸向力為0，其所承受的徑向力估算值為： == 式中——徑向力，單位為N; G——縱向移動(dòng)部件總重量，單位為N，本設(shè)計(jì)為2000N； ——滾珠絲杠的重量，本設(shè)計(jì)算出來為147N. 如此==. 滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算公式為： = 式中——軸承根本額定壽命，單位為h； n——軸承的工作轉(zhuǎn)速，單位為r/min,即為

30、n==r/min=833r/min; C——根本額定動(dòng)載荷，本例為19500N； P——當(dāng)量動(dòng)載荷，以計(jì)算出為； ——溫度系數(shù)，此處取為1； ——載荷性質(zhì)系數(shù)，此處取為1.5； ——壽命系數(shù)，球軸承=3，滾子軸承=10/3. 將以上數(shù)據(jù)代入公式得： ==h=35532h 如此深溝球軸承滿足壽命要求。 三、角接觸球軸承的壽命驗(yàn)算 型號(hào)為7206B的角接觸球軸承的根本額定動(dòng)載荷為20500N,根本靜載荷為13800N，其接觸角為40o，能承受更大的軸向力。其力學(xué)模型如如下圖所示： =+0.05() 式中 ——內(nèi)部軸向力，單位為N； ——外部軸向力，單位

31、為N; 其徑向力為： =tan20o=tan20o= 如此兩對軸承所承受的內(nèi)部軸向力為： = 兩軸承面對面安裝，1端〔左端〕為壓緊端軸承，其所承受的軸向力為： =+ 2端〔右端〕為放松軸承，其所承受的軸向力為： = 由：=e=1.14,如此查表可得：=0.57,=0.35.如此1軸承所承受的當(dāng)量動(dòng)載荷為： =+ 由：==1.14=e=1.14，查表可得：=0，=1.如此2軸承所承受的當(dāng)量動(dòng)載荷為： = 取、中的較大值，與以作為壽命校核的依據(jù)。將C=20500N,P=1092.32N代入壽命計(jì)算公式得： == =39187h15000h 所以，這一對角接觸球軸

32、承可以滿足使用壽命的要求。 第七節(jié) 齒輪間隙的消除 進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的減速齒輪，除了本身要求較高的運(yùn)動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性外，還必須盡可能消除齒側(cè)傳動(dòng)間隙，否如此，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生反向死區(qū)，影響傳動(dòng)精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。常用的消除齒輪間隙的方法有以下兩種： 一、偏心套調(diào)整法 這種方法是將電機(jī)通過偏心套裝在減速箱殼體上，通過偏心套的轉(zhuǎn)動(dòng)能夠方便地調(diào)整兩齒輪的中心距，從而達(dá)到消除齒側(cè)間隙的目的。該方法結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)剛度好，能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，但齒輪的磨損后齒側(cè)間隙不能自動(dòng)補(bǔ)償。 二、雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法 其示意圖如下所示： 雙薄片齒輪調(diào)整結(jié)構(gòu) 1、6、8 齒輪

33、 2、5 螺釘 3 螺母 4 軸套 7 拉簧 該結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)齒數(shù)一樣的薄片齒輪1、8與另個(gè)一個(gè)寬齒6嚙合。兩薄片齒輪之間可以做相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)薄齒輪上分別聯(lián)接三個(gè)沉頭螺釘2，5并在齒輪1上開有三個(gè)較大通孔。齒輪8上的三個(gè)螺釘2從齒輪1上三個(gè)大孔中穿過后，再通過拉簧7與齒輪1上的螺釘5相聯(lián)，螺母3可防止拉簧滑出。由于拉簧7的拉力作用使齒輪1、8之間產(chǎn)生回轉(zhuǎn)，分別與寬齒輪6的兩側(cè)貼緊，從而消除了齒側(cè)間隙。該機(jī)構(gòu)因?yàn)槔傻牡淖饔茫瑖Ш蠒r(shí)完全消除了齒輪側(cè)隙，并且能夠自動(dòng)補(bǔ)償。不足之處是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不宜傳遞大力矩。在負(fù)載不大的齒輪傳動(dòng)裝置中被廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用此方法消除齒輪間隙

34、。 第三章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 第一節(jié) 繪制機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 一、數(shù)控系統(tǒng)的組成 數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩局部組成。硬件是組成系統(tǒng)的根底，有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。 二、機(jī)床硬件電路的組成 機(jī)床硬件電路由以下五局部組成： 〔1〕主控制器，即中央處理單元〔CPU〕; 〔2〕總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線； 〔3〕存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； 〔4〕接口，即I/O輸入/輸出接口電路； 〔5〕外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器與光電輸入機(jī)等

35、。 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如如下圖所示。 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 第二節(jié) CPU和存儲(chǔ)器 CPU采用8031芯片，由于8031片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器，需要有外部存儲(chǔ)器的支持，同時(shí)8031只有128B的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足控制系統(tǒng)的要求。故擴(kuò)展了16KB程序存儲(chǔ)器，由兩片2764實(shí)現(xiàn)。而且其內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只有128B,所以有擴(kuò)展了16KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，由兩片6264實(shí)現(xiàn)。 80C31芯片的用來傳送外部存儲(chǔ)器的地址和數(shù)據(jù)，口傳送高8位地址，口傳送低8位地址和數(shù)據(jù)，故要采用74LS373地址鎖存器，鎖存低8位地址，ALE作為其選通信號(hào)，當(dāng)ALE為高電平，鎖存器的輸入和

36、輸出透明，即輸入的低8位存儲(chǔ)器地址在輸出端出現(xiàn)，此時(shí)不需鎖存。當(dāng)ALE從高電平變?yōu)榈碗娖?，出現(xiàn)下降沿時(shí)，低8位地址鎖存入地址鎖存器，74LS373的輸出不再隨輸入變化,這樣口就可以用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。8031芯片的口和74LS373送出的口共組成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線?！?位接74LS373芯片的輸出，～接8031芯片的～。 系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片片選信號(hào)分別接74LS138譯碼器的，系統(tǒng)復(fù)位以后程序從0000H開始執(zhí)行。兩片6264芯片的片選信號(hào)分別接74LS138譯碼器的，單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)允許程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立變址〔即允許地

37、址重疊〕，8031芯片控制信號(hào)接2764的引腳，讀寫控制信號(hào)分別接6264芯片的,以實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫。由于8031芯片內(nèi)部沒有ROM,故始終要選外部程序存儲(chǔ)器，故其必須接地。 第三節(jié) I/O接口芯片的擴(kuò)展 由于80C31只有P口和P口局部能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的要求，因此系統(tǒng)擴(kuò)展了一片8279和一片8255A可編程I/O接口芯片。8279的片選信號(hào)接74LS138的端。芯片8255的片選信號(hào)接74LS138的端。74LS138有三個(gè)輸入A、B、C分別接到8031的、、，輸出為～8個(gè)輸出，均為低電平有效。 I/O接口與外設(shè)的連接是：鍵盤的行線接8

38、279的～,8279采用外部譯碼方式，SL～SL經(jīng)74LS138〔2〕譯碼器輸出～；按鍵盤的橫線，SL～SL由74LS138〔3〕譯碼器輸出～，經(jīng)驅(qū)動(dòng)后輸出到顯示器各位的公共陽極，輸出線OUTA、OUTB作為8位段數(shù)據(jù)輸出口，控制74LS138(3)的譯碼，當(dāng)位切換時(shí)，輸出低電平，使74LS138(3)輸出全為高電平，當(dāng)鍵盤上出現(xiàn)有效的閉合健時(shí)，鍵輸入數(shù)據(jù)自動(dòng)的進(jìn)入8279的FIFO RAM存儲(chǔ)器，并向80C31申請中斷，80C31響應(yīng)中斷，讀取FIFO RAM中的輸入鍵值。更新顯示器輸出，僅需改變8279種顯示緩沖器RAM中的內(nèi)容。 還使用了用可編程輸入輸出芯片8255A擴(kuò)展的輸入輸出接口

39、電路。 第四節(jié) 所用芯片的工作方式和性能特點(diǎn)介紹 一、8031單片機(jī)芯片 MCS——51系列單片機(jī)是美國Intel公司在MCS——48系列單片機(jī)根底上推出的產(chǎn)品，于1980年問世，它的集成度很高，是集片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)輸入/輸出部件和CPU于一體的優(yōu)良的單片機(jī)系統(tǒng)，在我國已廣泛地被應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。 MCS——51系列單片機(jī)主要有三種型號(hào)：8031、8051和8071。而8031片內(nèi)無ROM，使用時(shí)需擴(kuò)展ROM，可用在現(xiàn)場修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場合，其價(jià)格低廉，使用靈活，非常適合在我國使用。所以本設(shè)計(jì)使用8031單片機(jī)。其性能和特點(diǎn)如下所示： 〔一〕8031單片

40、機(jī)的根本特性 8031單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： 〔1〕具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元〔CPU〕； 〔2〕片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路〔6MHz或12MHz〕,每執(zhí)行一條指令時(shí)間為2s或1s； 〔3〕片內(nèi)具有128字節(jié)RAM； 〔4〕具有21個(gè)特殊存放器； 〔5〕可擴(kuò)展64KB字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64KB的外部程序存儲(chǔ)器； 〔6〕具有4個(gè)I/O接口，32根I/O總線； 〔7〕具有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 〔8〕具有5個(gè)中斷源，配備2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)； 〔9〕具有一個(gè)全雙工串行接口； 〔10〕具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算。 從上述特性可知，一塊8031的功能幾乎相當(dāng)于一塊Z80CPU

41、、一塊RAM，一塊Z80CTC、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微機(jī)系統(tǒng)?？梢钥闯鲞@種芯片集成度高、功能強(qiáng)、只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)系統(tǒng)。 〔二〕8031芯片引腳與其功能 8031芯片具有40根引腳，其引腳如如下圖所示： 8031管腳圖 40根引腳按其功能可以分為四類： 1.電源線 2根 :編程和正常操作時(shí)的電源電壓，接+5V。 :地電平。 2.晶體振蕩器 2根 :振蕩器的反相放大器輸入。使用外部振蕩器時(shí)必須接地。 :振蕩器的反相放大器輸出和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào)。 、、、

42、四個(gè)8位口，32根I/O總線，其功能如下： 〔1〕(～) 是I/O端口0的引腳。端口0是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O端口。在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，該端口分時(shí)地用作低8位的地址和8位雙向的數(shù)據(jù)端口〔在此時(shí)內(nèi)部上拉電阻有效〕。 〔2〕 端口1的引腳，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。 〔3〕() 端口2的引腳。端口2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位地址。 〔4〕 端口3的引腳。端口3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，該口的每一個(gè)均可獨(dú)立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時(shí)，口的結(jié)構(gòu)與操作與口完

43、全一樣，第二功能如下： 口引腳 第二功能 D(串行輸入口) D(串行輸出口) (外部中斷) (外部中斷) (定時(shí)器0外部輸入) (定時(shí)器1外部輸入) (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通) (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通) 〔1〕:程序存儲(chǔ)器的使能引腳，是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，低電平有效。從外部程序存儲(chǔ)器取數(shù)時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)二次有效。 〔2〕/:為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。為低電平時(shí)，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令。因8031芯片沒有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，故必須接地。 〔3〕ALE/:ALE是地址鎖存使能信號(hào)。作

44、為地址鎖存允許時(shí)高電平有效。因?yàn)槎丝谑欠謺r(shí)傳送數(shù)據(jù)和低8位地址，故訪問存儲(chǔ)器時(shí)，ALE信號(hào)鎖存低8位地址。即使在不能訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，也以1/6振蕩頻率的固定頻率產(chǎn)生ALE,因此可以用它作為外部的時(shí)鐘信號(hào)。ALE主要是提供一個(gè)定時(shí)信號(hào)，在從外部程序存儲(chǔ)器取指令時(shí)，把口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的地址鎖存器中。 〔4〕RST/VPD:是復(fù)用/備用電源端。在振蕩器運(yùn)行時(shí)，使RST引腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期為高電平，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器清零，即程序從0000H單元開始執(zhí)行。在關(guān)斷前加上VPD〔掉電保護(hù)〕RAM的內(nèi)容將不變。 二、地址鎖存器74LS373和地址譯碼器74LS138

45、 (一)地址鎖存器74LS373 由于單片機(jī)8031芯片的口是分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片是74LS373。8031芯片的PO口是數(shù)據(jù)線和低8位地址的分時(shí)復(fù)用口，P2口是高8位地址的傳送口，所以需要將低8位地址進(jìn)展鎖存，故采用芯片74LS373進(jìn)展低8位地址的鎖存，芯片8031上ALE低8位地址鎖存允許進(jìn)展鎖存控制，其連接到74LS373G端。當(dāng)ALE從高電平變?yōu)榈碗娖剑霈F(xiàn)下降沿時(shí)，74LS373的輸出不再隨輸入變化，這樣P0 口就可以用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，其引腳如如下圖所示。

46、 〔二〕地址譯碼器74LS138 采用74LS138〔3—8〕譯碼器的輸出作為片選信號(hào)。輸入端占用3根最高位地址線，剩余13根低位地址線可作為片內(nèi)地址線。74LS138譯碼器的8根輸出線分別對應(yīng)8個(gè)8K字節(jié)的地址空間。其引腳如如下圖所示。 74LS373引腳圖 74LS138引腳圖 8031芯片的P2 口和74LS373送出的P0 口芯片16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線。A0 ～ A7 低8位地址的輸出接74LS373的輸入,A8 ～A12 接8031芯片的P～ P2.4 。 三、程序存儲(chǔ)器

47、2764和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264 〔一〕程序存儲(chǔ)器2764芯片 程序存儲(chǔ)器是用于存放程序與表格常數(shù)的，在程序存儲(chǔ)器中，有6個(gè)單元具有特定的含義： 0000H:單片機(jī)復(fù)位后，PC=0000H,即程序從0000H開始執(zhí)行指令。 0003H:外部中斷0入口地址。 000BH:定時(shí)器0溢出中斷入口地址。 0013H:外部中斷1入口地址。 001BH:定時(shí)器1溢出中斷入口地址。 0023H:串行口中斷入口地址。 該芯片為28腳雙列直插式扁平封裝芯片。其引腳圖如如下圖所示。圖中是編程電壓，是編程控制端，是輸出使能端，是片選端，它們均為低電平有效。 2764芯片管腳功能如下: :編

48、程電源端; :編程控制端; :輸出允許端; :片選端; ：數(shù)據(jù)端接口； ：地址端接口； NC：空引腳未用. 2764引腳圖 6264引腳圖 〔二〕數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264芯片 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是用于存放運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存與數(shù)據(jù)緩沖等，它由讀寫存儲(chǔ)器RAM組成，片內(nèi)為256字節(jié)，片外最大擴(kuò)展為64K。 6264型芯片也為28腳雙列直插式扁平封裝芯片其引腳如前圖： 管腳功能如下： 、：電源端； 、：片選端； ：寫輸入選通端； ：讀

49、輸入選通端； ：地址線； I/O～I(xiàn)/O：I/O輸入輸出接口端。 四、可編程并行I/O接口芯片8255A 可編程并行I/O接口芯片8255A有3個(gè)8位的并行I/O口，為PA口、PB口和PC口，他們都可以通過軟件編程來改變I/O口的工作方式。其引腳圖如下列圖： 8255A管腳圖 8279管腳圖 其引腳功能為： 引腳 含義 引腳 含義 ～ ～ ～ ～ 、 RD 數(shù)據(jù)線 A口 B口 C口 地址線 讀 WR CE RESET GND 寫 片選 復(fù)位 地 電源

50、 五、專用鍵盤顯示器接口芯片8279 使用8279，可實(shí)現(xiàn)對鍵盤顯示器的自動(dòng)掃描，并識(shí)別鍵盤上閉合建的鍵號(hào)，不僅可以大大節(jié)省CPU對鍵盤顯示器的操作時(shí)間，從而減輕CPU的負(fù)擔(dān)，而且現(xiàn)實(shí)穩(wěn)定，程序簡單，不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，由于這些優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用8279芯片作為鍵盤顯示器的接口芯片。 8279芯片共有四十個(gè)引腳，其引腳圖如下列圖。 I/O控制器與數(shù)據(jù)緩沖器利用、和、信號(hào)去控制各種內(nèi)部存放器讀寫。=1，表示傳送的是命令或狀態(tài)信息；=0時(shí)為數(shù)據(jù)信息。與CPU數(shù)據(jù)總線相連，為片選信號(hào)，為低電平時(shí)，CPU選中8279讀寫。 IRQ為中斷請求輸出線，高電平有效。為反響輸入線，由內(nèi)部拉高電阻拉成高電

51、平，也可由按鍵拉成低電平。SHIFT、TL/STB為控制鍵輸入線,由內(nèi)部拉高電阻拉成高電平。為掃描輸出線，用于對鍵盤顯示器掃描。 ～，～為顯示段數(shù)據(jù)輸出線可分別作為兩個(gè)半字節(jié)輸出，也可以作為8位段數(shù)據(jù)輸出口。為消隱輸出線，低電平有效，當(dāng)顯示器切換時(shí)，或使用顯示消隱命令時(shí)，將顯示消隱。RESET為復(fù)位輸入線，高電平有效。 第五節(jié) 輔助電路的設(shè)計(jì) 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)除了各種主要功能芯片外，還必須包括一些其他必要的輔助電路。這些輔助電路有：鍵盤顯示電路，步進(jìn)電機(jī)控制電路，復(fù)位電路，越界報(bào)警電路，掉電保護(hù)電路,8031的時(shí)鐘電路和振蕩電路等。各種電路介紹如下： 一、鍵盤和顯示接口電路

52、 數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器有：LED顯示器，LCD顯示器和CRT顯示器。此次設(shè)計(jì)中使用出于本錢的考慮，本次設(shè)計(jì)采用LED顯示器可滿足要求。LED顯示器有八個(gè)發(fā)光二極管組成的，他的結(jié)構(gòu)有共陰極和共陽極兩種。具體結(jié)構(gòu)如下列圖： LED顯示示意圖 鍵盤是由假如干按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡單的單片機(jī)輸入設(shè)備，其工作原理如如下圖所示。 圖中當(dāng)控制信號(hào)=“0〞如此開放，可對鍵盤識(shí)別； 當(dāng)鍵松開，測試信號(hào)=“1〞； 當(dāng)鍵閉合，測試信號(hào)=“0〞； 當(dāng)控制信號(hào)=“1〞時(shí)，禁止，不能對鍵盤識(shí)別。

53、 鍵盤工作原理 二、步進(jìn)電機(jī)控制電路 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的原理是采用電磁轉(zhuǎn)矩，將數(shù)字的電脈沖輸入轉(zhuǎn)換為模擬的輸出軸運(yùn)動(dòng)。每輸入一個(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一步。因此，當(dāng)輸入一串脈沖序列時(shí)，輸出軸就以等增量的轉(zhuǎn)角響應(yīng)該輸入序列，輸出步數(shù)等于輸入脈沖個(gè)數(shù)，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比。 步進(jìn)電機(jī)與一般伺服電動(dòng)機(jī)比擬，其特點(diǎn)是：可以實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制，在開環(huán)系統(tǒng)中可以達(dá)到高精度的定位和調(diào)速，位置誤差不會(huì)積累。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是開環(huán)數(shù)控的理想執(zhí)行元件，在數(shù)控機(jī)床，計(jì)算機(jī)外部設(shè)備〔如打印機(jī)、繪圖儀、磁盤驅(qū)動(dòng)器等〕，自動(dòng)記錄儀表，以與過程控制系統(tǒng)等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

54、 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是一種開環(huán)控制系統(tǒng)。它的組成包括運(yùn)動(dòng)控制軟件、脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以與傳動(dòng)裝置等。如如下圖所示： 步進(jìn)電機(jī)控制框圖 其各局部功能如下： 〔一〕脈沖分配器〔環(huán)形分配器〕 環(huán)形分配器有硬件和軟件兩種，硬件環(huán)形分配器需要的I/O口接線少，其執(zhí)行速度快，但需要專有的芯片。軟環(huán)分配器是用程序?qū)崿F(xiàn)的。本設(shè)計(jì)中要求使用軟環(huán)分配器。 〔二〕光隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后，控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流也較大。如果將I/O口輸出信號(hào)直接與功率

55、放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕如此影響計(jì)算機(jī)的程序正常運(yùn)行，重如此導(dǎo)致計(jì)算機(jī)接口電路的損壞。所以一般要在接口電路與功率放大器間加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。本次設(shè)計(jì)所選用的光隔離輸出電路如下列圖： 光隔離電路原理圖 上圖為同向輸出電路，控制信號(hào)經(jīng)74LS05集電極開路門反向后驅(qū)動(dòng)光耦合器的輸入發(fā)光二極管。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，74LS05不吸收電路，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，從而輸出的光敏晶體管截至，輸入電壓為零點(diǎn)電平。反之輸入電壓為高電平。 〔三〕功率放大器 脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，必須將它放

56、大，已產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，本次設(shè)計(jì)所選用的是一種上下壓驅(qū)動(dòng)電路。 三、復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從0000H單元開始執(zhí)行程序。單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種。如下圖中為上電與按鈕復(fù)位組合。在上電瞬間，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上高電平，就能使單片機(jī)有效復(fù)位。其原理圖如下所示。 復(fù)位電路原理圖 四、越界報(bào)警電路 為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。本次設(shè)計(jì)中采用中斷方式

57、，利用8031的外部中斷，只要有任一個(gè)行程開關(guān)閉合，即工作臺(tái)在某一個(gè)方向越界，均能產(chǎn)生中斷信號(hào)，為了報(bào)警，設(shè)置紅綠燈指示，正常工作時(shí)綠燈亮，當(dāng)越界報(bào)警是紅燈亮。兩燈均由一個(gè)I/O口輸出。其原理圖如下所示。 報(bào)警信號(hào)的產(chǎn)生原理圖 報(bào)警指示原理圖 五、掉電保護(hù)電路 掉電保護(hù)電路，能使在加工過程中，一些重要的現(xiàn)場參數(shù)，如幾何尺寸，工藝參數(shù)，再掉電后仍能妥善保存，恢復(fù)供電后又能馬上運(yùn)行。 掉電保護(hù)電路 圖中為電源電壓，為備用電池電壓并且＞，為存儲(chǔ)器RAM電源端，正常通電時(shí)，二極管導(dǎo)

58、通，截止，RAM的工作，電壓由提供，同時(shí)還通過電阻R對電池充電。斷電后，截止，導(dǎo)通，此時(shí)RAM的工作電壓由電池經(jīng)二極管和R供應(yīng)。 六、8031的時(shí)鐘電路和振蕩電路 單片機(jī)的振蕩電路和時(shí)鐘電路一起構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘方式，根據(jù)硬件電路的不同，連接方式分為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，內(nèi)部時(shí)鐘方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，晶體可在1.2～12MHZ之間任選，耦合電容在5～30pF之間，對時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式，可把XTAL1直接接地，XTAL2接外部時(shí)鐘源。其原理圖如下所示。

59、 時(shí)鐘電路 第四章 數(shù)控機(jī)床控制軟件簡介 機(jī)床控制系統(tǒng)是由硬件和軟件兩大局部，只有軟件和硬件相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的功能。對于微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，硬件主要是指微機(jī)，外部I/O設(shè)備和機(jī)床I/O裝置等。而軟件是由一系列功能子程序組成的一整套程序。設(shè)計(jì)這些程序的目的是為了完善和發(fā)揮計(jì)算機(jī)的功能，本章主要是對控制軟件做一下簡要介紹。 第一節(jié) 控制軟件的組成與功能 控制軟件承受輸入的數(shù)據(jù)，如零件加工程序，從鍵盤或操作面板輸入的各種操作命令，以與反映機(jī)床工作狀態(tài)的輸入信號(hào)，對這些輸入數(shù)據(jù)進(jìn)展處理、加工最終產(chǎn)生輸出，使驅(qū)動(dòng)元件動(dòng)作或使機(jī)床工作狀態(tài)發(fā)生變化?？刂栖浖墓δ芫褪且?/p>

60、完成從輸入到輸出的轉(zhuǎn)換。典型的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的組成為： 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的組成 控制軟件主要由以下幾局部組成： 〔1〕系統(tǒng)總控程序 〔2〕零件加工程序的輸入、輸出管理 〔3〕零件加工程序的編輯 〔4〕機(jī)床手動(dòng)調(diào)整的控制 〔5〕零件加工程序的解釋和執(zhí)行 〔6〕插補(bǔ)運(yùn)算 〔7〕伺服控制 〔8〕系統(tǒng)自檢 各局部的功能如下： 一、系統(tǒng)總控程序 這是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的主循環(huán)程序，系統(tǒng)上電后便進(jìn)入這局部程序運(yùn)行，它主要完成以下工作：1:系統(tǒng)的初始化；2：命令處理循環(huán)。 二、零件加工程序的輸入和輸出管理 零件加工

61、程序的輸入有兩種方法：1：通過光電閱讀機(jī)輸入。2：從鍵盤輸入。零件程序存儲(chǔ)器一般容量較大，可以存放多個(gè)零件加工程序。數(shù)控系統(tǒng)采用的零件加工方式是存儲(chǔ)器工作方式，系統(tǒng)從零件存儲(chǔ)器中逐段取出程序送入程序緩沖器。然后對程序緩沖器中程序段數(shù)據(jù)預(yù)處理，形成可供插補(bǔ)運(yùn)算的數(shù)據(jù)。 三、零件加工程序的編輯 編輯程序也可以看作鍵盤命令處理程序，既可以用來從鍵盤輸入新的零件加工程序，也可以用來對已經(jīng)存儲(chǔ)在零件程序存儲(chǔ)器中的零件加工程序進(jìn)展編輯和修改。常用的編輯功能包括插入、刪除、查找、移動(dòng)等。 四、機(jī)床手動(dòng)調(diào)整的控制 機(jī)床手動(dòng)調(diào)整動(dòng)作包括：各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)、主軸運(yùn)動(dòng)、刀架轉(zhuǎn)位、冷卻液的開停等

62、。 在手動(dòng)調(diào)整狀態(tài)下，除了控制機(jī)床的動(dòng)作外，還要對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)展修改設(shè)置。 五、零件加工程序的解釋和執(zhí)行 零件加工程序的解釋與執(zhí)行是完成零件加工任務(wù)的根本模塊，用來根據(jù)零件加工程序?qū)崿F(xiàn)零件的軌跡加工，一個(gè)加工程序段的解釋執(zhí)行，包括取得程序段，程序譯碼，完成程序段中指定的G、M、S、T功能。對軌跡加工類程序段進(jìn)展數(shù)據(jù)預(yù)處理，插補(bǔ)計(jì)算，伺服控制等步驟。 六、插補(bǔ)計(jì)算 插補(bǔ)程序是根據(jù)插補(bǔ)數(shù)學(xué)模型而編制的一種運(yùn)算處理程序，它的作用是決定在所要求的進(jìn)給長度上數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的每一次進(jìn)給都需要執(zhí)行一次插補(bǔ)程序。 七、伺服控制 伺服控制程序是根據(jù)插

63、補(bǔ)程序的結(jié)果，經(jīng)適當(dāng)計(jì)算直接輸出去控制執(zhí)行元件的動(dòng)作。對于開環(huán)的步進(jìn)電機(jī)的控制，主要完成脈沖分配和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制。和插補(bǔ)計(jì)算一樣，伺服控制也是由定時(shí)中斷引起的，也常常作為定時(shí)中斷服務(wù)程序的一局部出現(xiàn)或由定時(shí)中斷服務(wù)程序調(diào)用。 八、系統(tǒng)自檢 該程序檢測計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)各個(gè)硬件部件功能的正確性，指示可能存在的故障的位置與性質(zhì)。這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性。 第五章 數(shù)控車床的加工程序編制 綜合作業(yè)大綱對數(shù)控機(jī)床的加工程序編制的根本要求是：能按照零件圖樣進(jìn)展數(shù)控加工程序的手工編制。其根本內(nèi)容有： 〔1

64、〕對加工零件進(jìn)展工藝分析； 〔2〕對零件加工精度分析； 〔3〕毛坯選擇加工余量確實(shí)定； 〔4〕加工路線的制定； 〔5〕選擇數(shù)控機(jī)床、工夾量具； 〔6〕決定切削用量； 〔7〕編制數(shù)控加工程序單。 第一節(jié) 工藝過程和工藝路線確實(shí)定 選擇適合數(shù)控加工的零件和合理的加工工藝是提高數(shù)控加工技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的首要因素。數(shù)控加工過程往往也要?jiǎng)澐旨偃绺傻拦ば?，即按照粗、半精、精加工分開的原如此，或根據(jù)不同的安裝來劃分。因此在數(shù)控機(jī)床上加工零件編程前，應(yīng)先根據(jù)零件圖對零件進(jìn)展全面分析，弄清零件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸和技術(shù)要求，在此根底上確定零件加工的工藝過程和工藝路線。 零件加工的工藝路線是

65、指數(shù)控機(jī)床切削加工過程中，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)方向。我們所選的加工路線應(yīng)能滿足零件的加工精度與零件外表的粗糙度要求。為了提高生產(chǎn)率，在確定工藝路線時(shí)，應(yīng)盡量縮短加工路線，減少刀具空行程移動(dòng)時(shí)間；為減小編程工作量，還應(yīng)是數(shù)值計(jì)算簡單，程序段數(shù)量少，程序短。 第二節(jié) 裝夾方法和對刀點(diǎn) 數(shù)控機(jī)床所用的夾具，應(yīng)盡量采用已有的通用夾具，組合夾具，必要時(shí)設(shè)計(jì)專用夾具。數(shù)控機(jī)床對夾具提出了兩方面要求：一方面是如何如何保證夾具在機(jī)床上定好方向；另一方面要協(xié)調(diào)零件和機(jī)床坐標(biāo)系的尺寸關(guān)系。 為了確定夾具在機(jī)床工作臺(tái)上的位置，以與零件在夾具上或機(jī)床上的位置，就要有定位基準(zhǔn)。定位基準(zhǔn)應(yīng)盡量和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

66、一致，以減少定位誤差對尺寸精度的影響。 對刀點(diǎn)是指在數(shù)控機(jī)床上用刀具加工零件時(shí)，刀具相對零件運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)，程序就是從這一點(diǎn)開始的，所以對刀點(diǎn)也可以叫做“程序原點(diǎn)〞。對刀點(diǎn)應(yīng)選擇在對刀方便的地方。 在采用相對坐標(biāo)系的數(shù)控機(jī)床中，對刀點(diǎn)可以選在零件孔的中心上，夾具上的專用對刀孔上或兩垂直平面的交線上。在采用絕對坐標(biāo)系的數(shù)控機(jī)床中，對刀點(diǎn)可以選在機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)上或距原點(diǎn)為確定值的點(diǎn)上。 第三節(jié) 刀具的選擇 數(shù)控刀具所選擇的刀具應(yīng)滿足安裝調(diào)試方便，剛性好，精度高，耐用度高。 與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床加工對刀具的選擇要嚴(yán)格的多，它常常是專用的，對于一般的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，現(xiàn)大多采用四位刀自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架，如此各種車床在刀架上的布置也有嚴(yán)格要求，應(yīng)按加工程序，選擇好所用的刀具。 第四節(jié) 確定切削用量 數(shù)控加工中切削用量應(yīng)根據(jù)加工技術(shù)要求，刀具耐用度，切削條件等加以確定。 一、主軸轉(zhuǎn)速n(r/min) 主軸轉(zhuǎn)速n應(yīng)根據(jù)允許的切削速度v(m/min)來選取： n=1000v/(D)(r/min) 式中 D——工件或刀具直徑〔mm〕; 二、切削