供X62W萬能銑床使用的XY數(shù)控工作臺設(shè)計畢設(shè)

1、目 錄摘 要1abstract2目 錄3第一章 緒論11.1設(shè)計任務(wù)21.2總體方案的確認2第二章 機械傳動部件的計算和選型42.1確定系統(tǒng)的脈沖當量42.2銑削力的計算42.3直線滾動導(dǎo)軌副的計算和選型42.4滾珠絲杠螺母副的計算和選型52.5步進電動機減速箱的選用92.6步進電動機的計算和選型9第三章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計153.1控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計153.2單片機的擴展系統(tǒng)163.3步進電動機驅(qū)動電源的選用233.4控制系統(tǒng)部分軟件設(shè)計24第四章 數(shù)控機床零件加工程序284.1 零件圖28 4.2 數(shù)控加工工藝分析和確定 28結(jié)語32參考文獻3331第一章 緒 論x62w萬能銑床是一種通用

2、的多用途機床，它可以進行平面、斜面、螺旋面及成型表面的加工，能完成很多普通機床難以加工或無法加工的復(fù)雜型面的加工，采用x62w萬能銑床可以提高零件的加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。但是隨著現(xiàn)代科技技術(shù)日新月異的發(fā)展，機電產(chǎn)品日趨精密和復(fù)雜，且更新?lián)Q代加快，改型頻繁，用戶的需求也日趨多樣化和個性化。所以本課題研究將x62w萬能銑床的x-y工作臺進給系統(tǒng)改造成用微機數(shù)控技術(shù)控制。數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控（numerical control ）即采用數(shù)字控制的方法對某一工作過程實現(xiàn)自動控制的技術(shù)。它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和與機械能量流向有關(guān)的開關(guān)量。數(shù)控的產(chǎn)生依賴于數(shù)據(jù)載體和二進制形式數(shù)據(jù)運算的出

3、現(xiàn)。數(shù)控機床隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機床業(yè)已進入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機電一體化時代，其中數(shù)控機床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機床是制造業(yè)的加工母機和國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟與社會效應(yīng)。目前，歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化進程，而中國從20世紀80年代開始起步，仍處于發(fā)展階段。中國機床行業(yè)發(fā)展迅猛的主要原因是市場需求旺盛。固定資產(chǎn)投資增速快、汽車和機械制造行業(yè)發(fā)展迅猛、外商投資企業(yè)增長速度加快所致。長期以來，國產(chǎn)數(shù)控機床始終處于低檔迅速膨脹，中檔進展緩慢，高檔依靠進口的局面，特別是國家重點工程需要的關(guān)鍵設(shè)備主要依靠進口，技術(shù)

4、受制于人。究其原因，國內(nèi)本土數(shù)控機床企業(yè)大多處于“粗放型”階段，在產(chǎn)品設(shè)計水平、質(zhì)量、精度、性能等方面與國外先進水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技術(shù)方面的差距則達到了10-15年。同時中國在應(yīng)用技術(shù)及技術(shù)集成方面的能力也還比較低，相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標準的研究制定相對滯后，國產(chǎn)的數(shù)控機床還沒有形成品牌效應(yīng)。本課題研究的是用微機數(shù)控技術(shù)改造x62w萬能銑床x-y工作臺進給系統(tǒng) ，使其價格低廉、操作使用方便，適合我國國情的裝有簡易數(shù)控系統(tǒng)的高效自動化機床。中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，常希望對原有舊機床進行改造，實現(xiàn)數(shù)控化、自動化。用微機數(shù)控銑床系統(tǒng)就是結(jié)合現(xiàn)實的的生產(chǎn)實際，結(jié)合我國國情，在滿足系統(tǒng)基

5、本功能的前提下，盡可能降低價格。價格便宜、性能價格比適中是其最主要的特點，適合在生產(chǎn)第一線大面積推廣。利用微機改造現(xiàn)有的普遍銑床，主要應(yīng)該解決的問題是如何將機械傳動的進給和手工控制的刀架轉(zhuǎn)位，進給改造成由計算機控制的刀架自動轉(zhuǎn)位以及自動進給加工銑床，即經(jīng)濟型數(shù)控銑床。進行數(shù)控機床的改造是非常有必要的。數(shù)控機床可以很好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批量及多變零件的加工問題。能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，但是數(shù)控機床的運用也受到其他條件的限制。如：數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大等，因此，普通銑床的數(shù)控改造，大有可為。1.1設(shè)計任務(wù) 1.1.1 題目：設(shè)計一種供x62w萬能銑床使用的x-y數(shù)控工作臺

6、1.1.2主要參數(shù)如下： 工作臺寬度（mm）： 320工作臺長度（mm）： 1250工作臺行程（mm）： 縱向：680 橫向：250工作臺及夾具工件重量（n）： 縱向：3000 橫向：5000 工作臺快移速度（m/min）： 縱向：1.6 橫向：1.6 進給速度（m/min）： 縱向：0.6 橫向：0.6最小分辨率 （mm）： 縱向：0.01 橫向：0.01 定位精度（mm）： 0.025主電機功率（kw）： 5.5 起動加速時間（ms）： 301.2 總體方案的確認 1.2.1 導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計的x-y工作臺是用來配套萬能的數(shù)控銑床的，需要承載的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，

7、直線滾動導(dǎo)軌副，它具有磨擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。 1.2.2絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，需要滿足0.005mm的脈沖當量和 0.01mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能滿足要求。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運動平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。 1.2.3減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，減低運動部件折算戴電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)。為此，本設(shè)計決定采用無間隙齒輪傳動減速箱。 1.2.4

8、 伺服電動機的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖當量未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載的最快速度也只有1600mm/min。因此本設(shè)計不比采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以采用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。 1.2.5 檢測裝置的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選用開環(huán)控制，也可選用閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉(zhuǎn)過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進

9、電動機的步距角相匹配。 考慮到x、y兩個方向的加工范圍相差不大，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計工作量，x、y兩個坐標的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機，以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。 1.2.6 控制系統(tǒng)的設(shè)計 1.設(shè)計的x-y工作臺準備用在數(shù)控切割機上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計成連續(xù)控制型。 2.對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用mcs-51系列的8位單片機8031作為控制系統(tǒng)的cpu，應(yīng)該能滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標。 3.要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇cpu以后，還需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電

10、路、i/o接口電路、串行接口電路等。選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用第二章 機械傳動部件的計算與選型2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量 脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)，經(jīng)濟型銑床常用0.010.005mm/step. 橫向：0.005mm/step ，縱向：0.005mm/step.2.2 銑削力的計算 設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件材料為碳鋼。則由系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書(下文簡略)表3-7查得立銑時的銑削力計算公式為：fc=118ae0.85fz0.75d-0.73ap1.0n0.13z 令銑刀直徑d=15mm，齒數(shù)z=3，為計算最大銑削力在不對稱的情

11、況下取ae=15mm,背吃刀量ap =8mm,每齒進給量fz=0.1mm,銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min .代入公式得fc =118ae0.85fz0.75d-0.73ap1.0n0.13z=118150.850.10.7515-0.7381.03000.133 1463n.各銑削力之間比由表3-5考慮逆銑的情況:ff=1.1fc=14631.11609n,fe=0.38fc=0.381463556n ，ffn=0.25fc=0.251609366n.因為先考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力f z=fe=556n，受到水平方向的銑削力分別為f和f。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，

12、則縱向銑削力fx=ff=1609n，徑向銑削力fy=ffn=366n。2.3 直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型2.3.1縱向：1.滑塊承受工作載荷fmax 的計算及導(dǎo)軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。題目中工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所承受的最大垂直方向的載荷為：fmax=g/4+f=3000/4+556=1306n其中，已知橫向g=3000n，外加載荷f=fz =556n，代人公式得最大工作載荷fmax =1306n=1.036kn。查指導(dǎo)書表3-41，根據(jù)工作載荷，初選直線副導(dǎo)軌的型

13、號為kl系列的jsa-lg20型，其額定動載荷ca =17.7kn，額定靜載荷coa=22.6kn。任務(wù)書規(guī)定工作臺尺寸1250mm320mm，加工范圍為680mm250mm，考慮工作臺行程應(yīng)留有一定余量，查表3-35，按標準系列，選取導(dǎo)軌長度為1240mm。2.距離額定壽命l的計算上述選取的導(dǎo)軌副的滾道硬度為60hrc，工作溫度不超過100。，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度低，載荷不大。查表3-363-40分別取硬度系數(shù)fh=1.0，溫度系數(shù)ft=1.00，接觸系數(shù)fc=0.81，精度系數(shù)fr=0.9，載荷系數(shù)fw=1.5，代人式中得距離壽命： l=（）350=5403km遠大

14、于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。2.3.2橫向：1.滑塊承受工作載荷fmax 的計算及導(dǎo)軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。題目中工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所承受的最大垂直方向的載荷為：fmax=g/4+f=5000/4+556=1806n其中，已知橫向g=5000n，外加載荷f=fz =556n，代人公式得最大工作載荷fmax =1806n=1.806kn。查指導(dǎo)書表3-41，根據(jù)工作載荷，初選直線副導(dǎo)軌的型號為kl系列的jsa-lg20型，其額定動載荷ca =11.5

15、kn，額定靜載荷coa=14.5kn。任務(wù)書規(guī)定工作臺尺寸1250mm320mm，加工范圍為680mm250mm，考慮工作臺行程應(yīng)留有一定余量，查表3-35，按標準系列，選取導(dǎo)軌長度為520mm。2.距離額定壽命l的計算上述選取的導(dǎo)軌副的滾道硬度為60hrc，工作溫度不超過100。，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度低，載荷不大。查表3-363-40分別取硬度系數(shù)fh=1.0，溫度系數(shù)ft=1.00，接觸系數(shù)fc=0.81，精度系數(shù)fr=0.9，載荷系數(shù)fw=1.5，代人式中得距離壽命：l=（）350=1482km 遠大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。2.4 滾珠絲杠螺母副

16、的計算和選型2.4.1縱向：1.最大工作載荷fm的計算 工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）fx=1609n，受到橫向的載荷fy=366n，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）f z=556n。 已知縱向工作臺及夾具工件重量g=3000n，按矩形導(dǎo)軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)k=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：fm=kfx+(fz+fy+g)=1.11609+0.005(556+366+3000)1790n2.最大動載荷fq的計算已知進給速度v=600mm/min，初選絲杠導(dǎo)程ph=6mm，則絲杠轉(zhuǎn)速n=v/ph=100r/min取

17、滾動絲杠的使用壽命t=15000h，代入l0=60nt/106得絲杠壽命系數(shù)l0=6010015000/106=90（單位：106r）。查表3-30，取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度為60hrc時，取硬度系數(shù)fh=1.0,代入式fq=9626n。3.初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表3-31，選擇g系列2506-3型滾珠絲副為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為25mm，導(dǎo)程為6mm，循環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級取5級，額定動載荷為12097n，大于fq，滿足要求。4.傳動效率的計算 將公稱直徑d0=25mm，導(dǎo)程ph=6mm，代人=arctanph/(d0)，得絲杠螺旋

18、升角=422。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+)，得傳動效率 =96.4%。5.剛度的驗算 1）x-y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對推力球接觸球軸承，面對面配合，左、右支承的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量e=2.1105mpa；查表3-31，得滾珠直徑dw=3.969mm，絲杠低徑=20.2mm，絲杠截面積s=d22/4=320.31mm。由公式的絲杠在工作載荷fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量1=fm a/(es)=1790500/(2.1105320.31)0.0133mm。 2）根據(jù)公式z=（d0/dw）-3,求得單圈滾珠數(shù)z=2

19、0；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式：z總=60。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力fyj=fm/3=597n。由式3-27求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2=0.0013=0.0025因為絲杠有預(yù)緊力，且為軸向負載的1/3，所以變形量可減小一半，取2=0.0013mmm 3）將以上算出得1 和 2代入總=1+2，求得絲杠變形量總=0.0013+0.0133=0.0146mm=14.6um。由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在630800mm時，行程偏差允許達到36um，可見剛度足夠。6.壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式3-28計算失穩(wěn)時的臨界載荷fk。查表3-34取支承系數(shù)fk=1；由

20、絲杠低徑d2=20.2mm，求得界面慣性矩i=d24/648168.744；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)k取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入公式3-28fk=。遠大于工作載荷fm=1790n，故絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。2.4.2橫向：1.最大工作載荷fm的計算 工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）fx=1609n，受到橫向的載荷fy=366n，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）f z=556n。 已知縱向工作臺及夾具工件重量g=3000n，按矩形導(dǎo)軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)k=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)

21、=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：fm=kfx+(fz+fy+g)=1.11609+0.005(556+366+5000)1800n2.最大動載荷fq的計算已知進給速度v=600/min，初選絲杠導(dǎo)程ph=6mm，則絲杠轉(zhuǎn)速n=v/ph=100r/min取滾動絲杠的使用壽命t=15000h，代入l0=60nt/106得絲杠壽命系數(shù)l0=6010015000/106=90（單位：106r）。查表3-30，取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度為60hrc時，取硬度系數(shù)fh=1.0,代入式fq=9680n。3.初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表3-31，選擇g系列2506-

22、3型滾珠絲副為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為25mm，導(dǎo)程為6mm，循環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級取5級，額定動載荷為12097n，大于fq，滿足要求。4.傳動效率的計算 將公稱直徑d0=25mm，導(dǎo)程ph=6mm，代人=arctanph/(d0)，得絲杠螺旋升角=422。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+)，得傳動效率 =96.4%。5.剛度的驗算 1）x-y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對推力球接觸球軸承，面對面配合，左、右支承的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量e=2.1105mpa；查表3-31，得滾珠直徑dw=3.969m

23、m，絲杠低徑=20.2mm，絲杠截面積s=d22/4=320.31mm。絲杠在工作載荷fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量：1=fm a/(es)=1800500/(2.1105320.31)0.0144mm。 2）根據(jù)公式z=（d0/dw）-3,求得單圈滾珠數(shù)z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式：z總=60。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力fyj=fm/3=600n。由式3-27求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2=0.0013=0.0025因為絲杠有預(yù)緊力，且為軸向負載的1/3，所以變形量可減小一半，取2=0.0013mm 3）將以上算出得1 和 2代入總=1+2，求得絲杠變形量總=

24、0.0013+0.0144=0.0157mm=15.7um。由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在500630mm時，行程偏差允許達到32um，可見剛度足夠。6.壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式3-28計算失穩(wěn)時的臨界載荷fk。查表3-34取支承系數(shù)fk=1；由絲杠低徑d2=20.2mm，求得界面慣性矩i=d24/648168.74mm4；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)k取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入公式3-28fk=。遠大于工作載荷fm=1800 n，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。表1 名稱符號2506-32506-3 螺 母 滾 道

25、公稱直徑 d0 25 25 導(dǎo)程 ph 6 6 接觸角 422422 鋼球直徑 dw3.9693.969 滾道法面半徑 rr=0.52dw2.0642.064 偏心距 ee=(r-dw/2)sin0.0560.056 螺紋升角 =arctan(ph/d0)422422 螺 桿 螺桿外徑 dd=d0-(0.20.25)dw2424 螺桿內(nèi)徑 d1d1=d0+2e-2r20.98420.984 接觸直徑 d2d2=d1-dw cos17.02717.027 螺 母 螺母螺紋直徑 dd= d0-2e+2r29.01629.016 螺母內(nèi)徑 d1d1=d0+(0.20.25)dw25.79425.79

26、42.5步進電動機減速箱的選用 2.5.1縱向和橫向：為了滿足脈沖當量的設(shè)計要求，增大步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機轉(zhuǎn)軸上盡可能地小，今在電動機的輸出軸上安裝一齒輪減速箱，采用一級減速。已知脈沖當量=0.005mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程ph=6mm，初選步進電動機的步距角=0.75.根據(jù)式3-12，得減速比i=(ph)/(360)=5/2大小齒輪模數(shù)都為1mm，齒數(shù)比為75:30，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，中心距為(75+30)1/2=52.5mm小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度為10mm。2.6步進電動機的計算和選型 2.6.1縱向：1.計算加在步進電動機

27、轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量已知：滾珠絲杠的公稱直徑為25mm，總長1000mm，導(dǎo)程為6mm，材料密度為7.8510/，小齒輪寬度為20mm，直徑為30mm；大齒輪寬度為20mm，直徑為75mm；傳動比為5/2。查表4-1中公式算得各個零件的轉(zhuǎn)動慣量如下：js=1.926=2.794=0.25=4.877初選型號為90byg2062，為兩相混合式，從表4-5查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量=4。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：=+=5.782.計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 1）快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩由式4-8可知，包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最

28、大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩t0。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式4-12可知，t0相對于另兩項很小，可以忽略不計。則有：= + 根據(jù)式4-9有=，式中對應(yīng)空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速；步進電動機由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時間。其中=666.7r/min。=30ms。所以=1.308nm=0.0082nm所以得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所受的負載轉(zhuǎn)矩： = + =1.316nm2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩由式4-13知包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩；

29、一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩t0。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式4-12可知，t0相對于另兩項很小，可以忽略不計。則有：=+其中由式4-14計算得：=0.62nm，再由4-10得：=0.007nm。最后由4-14得=+=0.627nm.綜上所述=1.316nm。3）電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，因此需考慮安全系數(shù)k=2.54，取k=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：4=41.316nm=5.26nm該型號的電動機查表4-

30、5得最大靜轉(zhuǎn)矩=6nm，滿足要求。3.步進電動機的性能校核1）最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定的工作臺進給速度為600mm/min，所以由式4-16求得電動機對應(yīng)的運動頻率。從90byg2602電動機的運動矩頻特性曲線圖6-24可看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩5.0nm，遠大于最大工作負責轉(zhuǎn)矩=0.627nm，滿足要求。2）最大空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定的工作臺快速移動速度為1600mm/min，仿照式4-16求得電動機對應(yīng)的運行頻率為5333hz。從90byg2602電動機的運動矩頻特性曲線圖6-24可看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩4.0nm，大于最大工作負責轉(zhuǎn)

31、矩 ，滿足要求。3）最大空載移動時電動機運行效率校核與最快空載移動速度對應(yīng)的電動機運行頻率為3000hz，查表4-5可知90byg2602電動機的空載運行評論可達到20000hz，可見沒超出上限。4）起動頻率的計算電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率=1800hz(查表4-5)。則由式4-17可求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率： =1151hz要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率必須小于1151hz。實際上起動頻率通常只有100hz，所以滿足要求。2.6.2橫向1.計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量已知：滾珠絲杠的公稱直徑為25mm，總長1000mm，導(dǎo)程為6mm，材料密

32、度為7.8510/，小齒輪寬度為20mm，直徑為30mm；大齒輪寬度為20mm，直徑為75mm；傳動比為5/2。查表4-1中公式算得各個零件的轉(zhuǎn)動慣量如下：js=0.963=4.657=0.25=4.877初選型號為90byg2062，為兩相混合式，從表4-5查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量=4。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：=+=5.932.計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 1）快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩由式4-8可知，包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折

33、算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩t0。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式4-12可知，t0相對于另兩項很小，可以忽略不計。則有： = + 根據(jù)式4-9有=，式中對應(yīng)空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速；步進電動機由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時間。其中=666.7r/min。=30ms。所以=1.379nm=0.01nm所以得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所受的負載轉(zhuǎn)矩： = + =1.389nm2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩由式4-13知包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸

34、上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩t0。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式4-12可知，t0相對于另兩項很小，可以忽略不計。則有：=+其中由式4-14計算得：=0.62nm，再由4-10得：=0.007nm。最后由4-14得=+=0.631nm.綜上所述=1.387nm。3）電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，因此需考慮安全系數(shù)k=2.54，取k=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：4=41.387nm=5.548nm該型號的電動機查表4-5得最大靜轉(zhuǎn)矩=6nm，滿足要求。3.步進電動機的性能校核1）最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校

35、核任務(wù)書給定的工作臺進給速度為600mm/min，所以由式4-16求得電動機對應(yīng)的運動頻率。從90byg2602電動機的運動矩頻特性曲線圖6-24可看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩5.0nm，遠大于最大工作負責轉(zhuǎn)矩=0.631nm，滿足要求。2）最大空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定的工作臺快速移動速度為1600mm/min，仿照式4-16求得電動機對應(yīng)的運行頻率為5333hz。從90byg2602電動機的運動矩頻特性曲線圖6-24可看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩4.0nm，大于最大工作負責轉(zhuǎn)矩 ，滿足要求。3）最大空載移動時電動機運行效率校核與最快空載移動速度對應(yīng)的電動機運行頻率為

36、3000hz，查表4-5可知90byg2602電動機的空載運行評論可達到20000hz，可見沒超出上限。4）起動頻率的計算電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率=1800hz(查表4-5)。則由式4-17可求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率： =419hz要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率必須小于419hz。實際上起動頻率通常只有100hz，所以滿足要求。第三章 微機數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計3.1控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：1）主控制器，即中央處理單元cpu；2）接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號；3）總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；4

37、）存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器；5）接收工作臺移動信號與電動刀架刀位信號；6）控制x、z向步進電動機的驅(qū)動器；7）控制切削液泵起動與停止；8）控制電動刀架的自動選刀；9）接口，即i/o接口電路 ；10）外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器等。其主要結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示 圖1 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)） cpu選用8位單片機8031，擴展一片eprom芯片2732用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴展一片ram芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；輸入/輸出口的擴展選用了并行接口8155芯片，一些進/出的信號均做了隔離放大；與pc機的串行通信經(jīng)過max233芯片。 3.1.1芯片的選擇803

38、1芯片有40個引腳，引腳配置見（圖2）圖23.1.2各引腳按功能可分為三部分i/o口線：p0、p1、p2、p3共4個8位口控制線口：、ale、rst電源及時鐘：vcc、vss、xtal1、xtal23.1.3應(yīng)用特性i/o口線不能作為用戶i/o口線；i/o口的驅(qū)動能力，p0口可以驅(qū)動8個ttl門電路，p1、p2、p3則只能驅(qū)動4個ttl門電路；p3是雙重功能口。3.2單片機的系統(tǒng)擴展8031片內(nèi)無程序寄存器，需要擴展外部程序寄存器，且片內(nèi)僅有128字節(jié)數(shù)據(jù)寄存器，對于需要較多數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的程序來說，片內(nèi)ram也是不夠的，需要擴展。8031片內(nèi)四個i/o口中僅p1口可用作8位雙向的i/o接口供用戶

39、使用，也需要擴展，有些情況下還須要擴展定時/計數(shù)器等。3.2.1擴展概述8031的片外總線結(jié)構(gòu)：所有的外部芯片都通過三組總線進行擴展。a、數(shù)據(jù)總線（db）：由p0口提供，數(shù)據(jù)總線要連接到所有芯片上，但在同一時間只能夠有一個是有效的數(shù)據(jù)傳輸通道。b、地址總線（ab）：16位，可尋址范圍為64k字節(jié)，ab有p0 口提供低8位地址，與數(shù)據(jù)分時傳送，傳送數(shù)據(jù)時將低8位地址鎖存；高8位地址由p2口提供。c、控制總線（cb）：系統(tǒng)擴展控制總線有、ale、。3.2.2系統(tǒng)擴展能力據(jù)地址線的寬度，在片外可擴展的存儲器最大容量為64k字節(jié)片外數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的操作使用不同的指令信號，允許兩者的地址重復(fù)，故

40、片外可擴展的數(shù)據(jù)存儲與存儲器分別為64kb。擴展的i/o口和片外數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，不再另外提供地址線。3.2.3總線驅(qū)動能力與擴展所有系統(tǒng)擴展外圍芯片都通過總線驅(qū)動，而總線只能帶動一定數(shù)量的電路，系統(tǒng)規(guī)模大時，可能造成負載過重，首先要估計總線的負載情況，以確定是否需要對總線的驅(qū)動能力進行擴展。8031單片機系統(tǒng)中，p0口作為數(shù)據(jù)總線和低8位地址總線，聯(lián)接的外圍芯片最多，故常用到p0口的驅(qū)動擴展。地址總線和控制總線的驅(qū)動器為單向的，具有三態(tài)輸出功能，而數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動器為雙向的，三態(tài)輸出。常用的單向驅(qū)動器有：74ls240、74ls241、74ls244，常用的雙向驅(qū)動器有74ls245。 3.

41、2.4 eprom的選用為簡化電路，此處選用2732eprom (4k*8位)。本設(shè)計采用二片2764eprom，分別存放監(jiān)控程序,各功能模塊程序,常用零件加工程序。以便于更換各功能模塊程序和零件加工程序時，只需更換各自芯片即可，方便升級。2732是一種8kb的紫外線擦除、可電編程的只讀存儲器，單一+5v供電，工作電流為100ma，維持電流為50ma，讀出時間最大為250ns。2732為28腳雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)，其引腳配置如（圖3）所示，引腳功能如（表2）所示，工作方式如（表3）所示。圖3 圖4表2 引腳功能表a0a12地址線i/o0i/o7數(shù)據(jù)輸出線片選數(shù)據(jù)輸出選同線vpp編程電源編程脈沖輸

42、入線表3 2732工作方式 引腳方式輸出讀維持任意任意高阻編程編程檢驗編程禁止任意任意高阻注：2732的編程電源隨公司產(chǎn)品和型號的不同而不同，典型的有25v、21v、12.5v。2732主要工作方式:錯誤！未找到引用源。讀方式及為低電平，vpp5v時處于讀出方式錯誤！未找到引用源。寫方式為低電平, 亦為低電平，vpp21v, 為高電平時，2732芯片處于禁止狀態(tài)。將數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)固化到指定地址單元。錯誤！未找到引用源。編程禁止方式一此為向多片2732寫入不同程序而設(shè)置的，當vpp=+21v時，為高電平時，2732芯片處于編程禁止狀態(tài)。 3.2.5 ram的選用數(shù)據(jù)存儲器ram通常采用mos型，m

43、os型ram分靜態(tài)、動態(tài)兩種。動態(tài)ram集成度高，功耗小，成本低，但控制邏輯復(fù)雜，需要定期刷新,尤其是容易受到干擾，對環(huán)境、結(jié)構(gòu)、電摞等都有較高的要求。對實時控制系統(tǒng)而言,可靠是第一位的,此處選用大容量靜態(tài)ram6264(8k*8位)一片。如圖(4)所示6264主要引腳功能：錯誤！未找到引用源。a0a12 13位地址線錯誤！未找到引用源。io1io7 數(shù)據(jù)輸入輸出線錯誤！未找到引用源。 數(shù)據(jù)輸出允許信號錯誤！未找到引用源。 寫選通信號錯誤！未找到引用源。 片選信號 6264主要工作方式:錯誤！未找到引用源。讀方式及為低電平，為高電平時，6264將數(shù)據(jù)輸出到指定地址。錯誤！未找到引用源。寫方式為

44、低電平，亦為低電平時,允許數(shù)據(jù)輸入。錯誤！未找到引用源。封鎖方式為高電平時，該芯片沒被選通，不工作。 3.2.6存儲器及i/o的擴展 可編程接口芯片是指其工作方式可由與之對應(yīng)的軟件命令來加以改變的接口芯片。這類芯片一般具有多種功能，使用靈活方便，使用前必須由cpu對其編程設(shè)定工作方式，然后按設(shè)定的方式進行操作。8155可編程并行i/o接口具有功能強，價格便宜，且具有與mcs-51單片機配置簡單、方便等優(yōu)點。是單片機應(yīng)用系統(tǒng)最常用的外部功能擴展器件之一。1)存儲器與單片機聯(lián)接，主要是通過三總線聯(lián)接。應(yīng)考慮總線的驅(qū)動能力是否足夠。存儲器2732、6264存儲量均為8k，需13位地址進行存儲單元選擇

45、，將a0a7腳與地址鎖存器八位地址輸出對應(yīng)聯(lián)接，將a8a13腳與8031的p2口p2.0-p2.4相聯(lián)接，其余地址線經(jīng)p2.5p2.7經(jīng)譯碼產(chǎn)生片選信號。數(shù)據(jù)線聯(lián)接將存儲器數(shù)據(jù)輸出端d0dl與8031p0口聯(lián)接?？刂凭€8031 與2732相聯(lián)，8031從外部eprom取指令。、分別與6264、相聯(lián)，8031對外部ram進行讀/寫。 2)8155許多信號與89c51兼容，可直接聯(lián)接，因8155內(nèi)部已有鎖存器，因此8155數(shù)據(jù)地址復(fù)合線ad0一ad7與8031p0口直接相聯(lián)。地址鎖存信號ale與8031ale相聯(lián)。片選信號經(jīng)譯碼后產(chǎn)生，以高位地址p2.0直接作為io/信號，此時對8155需要使用1

46、6位地址進行編址。8155的結(jié)構(gòu)框圖及引腳排列見下圖5。圖5 3.2.7 8155工作方式查詢8155i/o工作方式選擇通過對8155內(nèi)部命令寄存器（命令口）設(shè)定命令控制字實現(xiàn)。命令寄存器格式及對應(yīng)的工作方式見下圖。 8155i/o有四種工作方式，即alt1，alt2，alt3，alt4。其中各符號說明如下：aintr：a口中斷，請求輸入信號，高電平有效。bintr：b口中斷，請求輸入信號，高電平有效。abf（bbf）：a口（b口）緩沖器滿狀態(tài)標志輸出線，（緩沖器有數(shù)據(jù)時bf為高電平）。astb（bstb）：a口（b口）設(shè)備選通信號輸入線，低電平有效。在alt1alt4的不同方式下，a口、b口及c口的各位工作方式如下：alt1：a口，b口為基本輸入/輸出，c口為輸入方式。alt2：a口，b口為基本輸入/輸出，c口為輸出方式。alt3：a口為選通輸入/輸出，b口為基本輸入/輸出。pc0為aintr，pc1為abf，pc2為，pc3pc5為輸出。alt4：a口、b口為選通輸入/輸出。pc0為aintr，pc1為abf，pc2為