ca6140車床縱向開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計-畢設(shè)論文

某某學院畢業(yè)設(shè)計（論文）某某學院畢業(yè)設(shè)計（論文）某某學院畢業(yè)設(shè)計（論文）CA6140車床縱向開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)機械設(shè)計與制造所在系機電工程系

摘要數(shù)控機床作為機、電、液、氣等一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結(jié)構(gòu)復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數(shù)控機床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國作為機床大國，擁有大量的普通機床。因此，對普通機床數(shù)控化改造不失為一種較好的選擇。而且選用連續(xù)控制系統(tǒng)改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能?？紤]到經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)，有利于機床的高效，普及。關(guān)鍵詞：機電一體化；開環(huán)控制縱向進給系統(tǒng)設(shè)計；步進電動機AbstractCNCmachinetoolsasmechanical,electrical,hydraulic,pneumaticandothertypicalproductintegration,playedahugeroleinthemachinerymanufacturingindustry,verygoodsolutiontoacomplexstructureinmodernmechanicalmanufacture,precision,smallbatch,changingpartsoftheprocessingproblems,andstableproductquality,dramaticallyincreasingproductivity.Butlookonthecurrentbusinesssituation,duetomoreexpensiveCNCmachinetool,one-timeinvestmentlargeenterprisesthefleshisweak.AsthemachinepowerinChina,hasalargenumberofcommonmachinetools.Therefore,ordinarynumericalcontroltransformationofmachinetoolisagoodchoice.AndchoosethecontinuoustransformationofcontrolsystemofCNClathewithpositioning,linearinterpolation,circularinterpolation,pause,loopprocessing,threadprocessingandotherfunctions.Takingintoaccounttheeconomicalnumericalcontrolmachinetoolaccuracyisnothigh,inordertosimplifythestructure,reducingcosts,usingopen-loopsteppermotorcontrolsystems,machine-friendlyandefficient,universal.Keywords:Mechanical-electricalintegration；Open-loopcontrollengthfeedsystemdesign；Ballscrewnutpair；steppermotor目錄第一章

緒論 11.1

設(shè)計的目的 11.2

設(shè)計的內(nèi)容 11.2.1微機數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)方案的擬定 11.2.2進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算 21.2.3微機控制系統(tǒng)的設(shè)計 21.2.4數(shù)控加工程序的編制 21.3設(shè)計任務 31.3.1題目 31.3.2.設(shè)計任務 31.3.3給定條件 31.3.4設(shè)計要求 3第二章

微型數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案的擬定 42.1總體方案的確定 42.1.1、系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 42.1.2、計算機系統(tǒng) 42.1.3、機床傳動方式 4第三章

機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算 53.1

系統(tǒng)脈沖當量及切削力的確定 53.2切削力的計算 53.3

滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算和選型 5第四章

進給伺服系統(tǒng)傳動計算 104.1齒輪傳動比計算(縱向進給齒輪箱傳動比計算) 104.2齒輪齒數(shù)及技術(shù)參數(shù) 104.3步進電機的計算和選用 114.3.1、初選步進電機 114.3.2、根據(jù)草圖校核步進電機轉(zhuǎn)矩 124.4等效轉(zhuǎn)動慣量計算 144.5電機力矩計算 154.6計算步進電動機空載起動頻率和切削時的工作頻率 17第五章

微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 195.1

單片機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容 195.1.1、繪制系統(tǒng)電器控制的結(jié)構(gòu)框圖 195.1.2在微機應用系統(tǒng)中，CPU的選擇應考慮以下因素 195.1.3存儲器擴展電路設(shè)計 195.1.4、I/O口接口電路設(shè)計 205.2MCS—51系列單片機的選用 205.3存儲器擴展電路設(shè)計 235.3.1、程序存儲器的擴展 245.3.2數(shù)據(jù)存儲器的擴展 275.3.3譯碼電路設(shè)計 275.4I/O接口電路及輔助電路設(shè)計 28第六章數(shù)控機床的加工程序編制 316.1經(jīng)濟型數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)的程序編制說明 316.2加工說明及工藝路線設(shè)計 316.3零件加工工序 32總結(jié) 34致謝 35參考文獻 36PAGE27某某學院畢業(yè)設(shè)計（論文PAGE1第一章

緒論1.1

設(shè)計的目的畢業(yè)設(shè)計是培養(yǎng)我們理論聯(lián)系實際，解決生產(chǎn)實際問題能力的重要步驟，它起到了畢業(yè)設(shè)計的作用。它通過對機床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計總體方案的擬定，進給伺服系統(tǒng)機械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計.計算控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計以及數(shù)控機床加工程序的編制，使我們綜合運用所學的機械.等知識,進行一次全面結(jié)合的訓練。從而培養(yǎng)了我們具有加工編程能力，初步設(shè)計計算的能力以及分析和處理生產(chǎn)中所遇到的各方面技術(shù)問題的能力。1.2

設(shè)計的內(nèi)容1.2.1微機數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)方案的擬定（1）系統(tǒng)運動方式的確定（2）伺服系統(tǒng)的選擇：采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)（3）執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定：為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，若直接將電機與滾珠絲杠聯(lián)必會引起絲杠溫度過高即磨損加劇使其壽命降低。故在其兩者之間加一消隙齒輪箱，一使絲杠速度降低，二則消除系統(tǒng)傳動中的間隙，提高傳動精度，并有效減少反向運動死區(qū)現(xiàn)象，消隙齒輪箱與絲杠可采用聯(lián)軸器形式連接，這樣便確定了如下圖2-1所示的傳動方案。電機電機消隙齒輪箱滾珠絲杠螺母副工作臺圖2-1執(zhí)行機構(gòu)傳動方案（4）計算機的選擇。1.2.2進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算

（1）進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計方案的確定。（2）確定脈沖當量。（3）滾珠絲杠螺母副的選型。（4）滾動導軌的選型。（5）進給伺服系統(tǒng)傳動計算。（6）步進電機的計算和選用。（7）設(shè)計繪制進給伺服系統(tǒng)一個坐標軸的機械裝配圖。（8）設(shè)計繪制進給伺服系統(tǒng)的一張或兩張零件圖。1.2.3微機控制系統(tǒng)的設(shè)計（1）控制系統(tǒng)方案的確定及框圖繪制。（2）MCS-51系列單片機及擴展芯片的選用。（3）I/O接口電路及譯碼電路的設(shè)計。（4）設(shè)計繪制一臺數(shù)控機床微機控制系統(tǒng)電路原理圖。1.2.4數(shù)控加工程序的編制（1）零件工藝分析及確定工藝路線。（2）選擇數(shù)控機床設(shè)備。（3）確定對刀點。（4）選擇刀具。（5）確定切削用量。（6）編制加工程序。1.3設(shè)計任務1.3.1題目:

《CA6140車床縱向開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計》1.3.2.設(shè)計任務:（1）根據(jù)機床總體布局,分析設(shè)計方案,并最終確定微機控制系統(tǒng)方案;（2）進行機械伺服機構(gòu)的設(shè)計計算,繪制機械裝配圖及其部分零件圖(1—2個）（3）查找微機控制系統(tǒng)電路原理圖；（4）編制零件的數(shù)控加工程序；（5）攥寫說明書一分；1.3.3給定條件:（1）縱向移動部件總重量

200kg（2）縱向定位精度

±0.015mm（3）最大移動速度（快進）

4.15m/min（4）最大進給速度（工進）

158ｍm/min（5）縱向進給切削力（Z向）1800N（6）垂直切削力（Y向）

5000N（7）控制系統(tǒng)用CPU

8031單片機1.3.4設(shè)計要求:（1）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,控制系統(tǒng)功能完備,原理正確,制圖符合國家標準,圖面整潔;（2）設(shè)計說明書論述清楚,計算無誤,數(shù)值單位明確,引用公式及資料有出處。第二章

微型數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案的擬定2.1總體方案的確定2.1.1、系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇

由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能，所以應該選用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。2.1.2、計算機系統(tǒng)根據(jù)機床要求，采用8位機。由于MCS—51系列單片機的特點之一是硬件設(shè)計簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對于簡單的應用場合，MCS—51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片8031外擴一片EPROM就能滿足功能的要求，對于復雜的應用場合，可以利用MCS—51的擴展功能，構(gòu)成功能強、規(guī)模較大的系統(tǒng)。所以應選用8031單片機是符合經(jīng)濟數(shù)控機床電路設(shè)計的。2.1.3、機床傳動方式為了實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠。為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負載荷的結(jié)構(gòu)。傳動齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。第三章

機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負載，確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣量計算，空載起動及切削力矩機計算，確定伺服電機，繪制機械部分裝配圖及零件工作圖等?，F(xiàn)分述如下：3.1

系統(tǒng)脈沖當量及切削力的確定

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)濟型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當量是0.01~0.005mm/脈沖,根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量,縱向:0.01mm/step（橫向0.005mm/步）3.2切削力的計算確定切削力(縱車外圓):主切削力按經(jīng)驗公式估算：按切削力各分力比例：取：3.3

滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算和選型滾珠循環(huán)方式可分為外循環(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。珠絲杠滾副的預緊方法有：雙螺母墊片式預緊，雙螺母螺紋式預緊，雙螺母齒差式預緊，單螺母變導程預緊以及過盈滾珠預緊等幾種。一、計算進給牽引力作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切屑時的走刀抗力以及移動件的重量和切屑分力作用在導軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導軌的形式有關(guān)。縱向進給為三角形導軌

式中:——考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取；——滑動導軌摩擦系數(shù)：——溜板及刀架重力：二、計算最大動負載C選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬（106）轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載C，計算如下：式中：——滾珠絲杠導程，初選；——最大切削力下的進給速度，可取最大進給速度的（），此處取；——使用壽命，按；——運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)?。弧獕勖?，以轉(zhuǎn)為1單位。運轉(zhuǎn)系數(shù)：運轉(zhuǎn)狀態(tài)

運轉(zhuǎn)系數(shù)

無沖擊運轉(zhuǎn)

1.0~1.2

一般運轉(zhuǎn)

1.2~1.5

有沖擊運轉(zhuǎn)

1.5~2.5

三、滾珠絲杠螺母副的選型查閱表A-1，可采用W1L4006外循環(huán)螺紋調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈,其額定動負載為16400N,精度等級按滾珠絲杠行程公差表，選為3級(大致相當于老表準E級)四、傳動效率計算

式中：——螺旋升角，，——摩擦角，取，滾動摩擦系數(shù)五、剛度計算先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3-1所示。最大牽引力為2530N，支承間距，絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的。圖3-1縱向進給系統(tǒng)計算簡圖（1）絲杠的拉伸或壓縮變形量查《課程設(shè)計指導書》P17，圖4-2，根據(jù)，查出，可算出由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量為：（2）滾珠與螺紋滾道間接觸變形查《課程設(shè)計指導書》P18圖4-3，W系列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量；因進行預緊，（3）支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形采用51107（舊代號為8107）型推力球軸承，，滾動體直徑，滾動體數(shù)量z=18，注：此公式中的單位應為kgf。因施加預緊力，故據(jù)以上計算：六、穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端采用推力球軸承,不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象,不需作穩(wěn)定性校核.縱向滾珠絲杠副的幾何參數(shù)。表3-1W1L4006滾珠絲杠的幾何參數(shù)名稱符號參數(shù)螺紋滾道公稱直徑40導程6接觸角鋼球直徑(mm)3.969滾道法面半徑2.064偏心距0.056螺紋升角螺桿螺桿外徑39螺桿內(nèi)徑35.984螺桿接觸直徑36.0355螺母螺母螺紋直徑44.016螺母內(nèi)徑40.7938第四章

進給伺服系統(tǒng)傳動計算4.1齒輪傳動比計算(縱向進給齒輪箱傳動比計算)縱向進給脈沖當量；滾珠絲杠導程；初選步進電機步距角；可計算出傳動比：

可選定齒輪齒數(shù)為:

故，取，模數(shù)取2.5。有關(guān)參數(shù)表3-2。表3-2傳動齒輪的幾何參數(shù)齒輪編號齒數(shù)323224分度圓808060齒頂圓858565齒根圓73.7573.7553.75齒寬202020中心距80704.2齒輪齒數(shù)及技術(shù)參數(shù)計算出傳動比i后,降速級數(shù)決定采用一對齒輪降速,因為進給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大,一般?。?1~2,數(shù)控車床,銑床取ｍ=2,此作業(yè)中?。?2。為了消除齒輪側(cè)隙，此作業(yè)中采用雙片齒輪。4.3步進電機的計算和選用4.3.1、初選步進電機1.計算步進電機負載轉(zhuǎn)矩Tm

Tm=(360δpFm)/(2πθbη)

=(360×0.01×1775)/(2×3.14×0.75×0.98×0.99×0.99)N·mm=141.26N·cm式中:δp—脈沖當量(mm/step);Fm—進給牽引力(N);

θb—步距角,初選雙拍制為0.75°;

η—電機-絲杠的傳動效率為齒輪,軸承,絲杠效率之積，分別為0.98,0.99,0.99;2.估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩Tq

Tq=Tm/(0.3~0.5)

=1412.5/0.3N·mm=4708.6N·mm=470.8N·cm3.計算最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax

查表

相數(shù)

三相

四相

五相

六相

拍數(shù)

3

6

4

8

5

10

6

12

0.5

0.866

0.707

0.707

0.809

0.951

0.866

0.866

如取五相10拍,則

Tjmax=Tq/0.951=4951.3N·mm=495.13N·cm4.初選步進電機型號根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax在國產(chǎn)BF反應式步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)表中查出130BF001最大靜轉(zhuǎn)矩為931N·cm>Tjmax可以滿足要求.考慮到此經(jīng)濟型數(shù)控車床有可能使用較大的切削用量,應該選稍大轉(zhuǎn)矩的步進電機以留有一定的余量.另一方面,與國內(nèi)同類型機床進行類比,決定采用150BF002步進電機.4.3.2、根據(jù)草圖校核步進電機轉(zhuǎn)矩前面所述初選步進電機的轉(zhuǎn)矩計算,均為估算;初選之后應該進行校核計算.1.等效轉(zhuǎn)動慣量計算根據(jù)簡圖運動件的轉(zhuǎn)動慣量J∑可由下式計算:

J∑=J1+(Z1/Z2)2[(J2+Js)+G(Lo/2π)2/g]式中

J1,J2—齒輪Z1,Z2的轉(zhuǎn)動慣量(kg·cm2)

Js—滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量(kg·cm2)J1=0.78×10-3×d14·L1=(0.78×10-3×6.44×2)kg·cm2=2.62kg·cm2J2=0.78×10-3×d24·L2=(0.78×10-3×84×2)kg·cm2=6.39kg·cm2Js=(0.78×10-3×44×170)kg·cm2=33.95kg·cm2

G=2000N齒輪慣量計算對于剛材:J=0.78D4L×10-3剛材的密度為7.8×10-3kg/cm3式中D—圓柱體直徑(cm);L—圓柱體長度(cm);

剛材的密度為7.8×10-3kg/cm3代入上式:J∑=J1+(Z1/Z2)2[(J2+Js)+G(Lo/2π)2/g]

={2.62+(32/40)2[(6.39+33.95)+2000×(0.6/2π)2/10]}kg·cm2

=29.6kg·cm2

J電機=(1~4)J∑

N取2電機慣量:

J電機=2×J∑=2×29.6=59.2kg·cm2總慣量:

J∑′=J電機+J∑=59.2+29.6=88.8kg·cm22.電機轉(zhuǎn)矩計算機床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計算:1)快速空載起動慣性矩

T慣=J∑′ε=J∑′×(2πnmax×10-2)/(60×ta)

nmax=(υmax/δp))×(θb/360)將前面數(shù)據(jù)代入,式中各符號意義同上

nmax=(υmax/δp))×(θb/360)

=(4000/0.01)×(0.75/360)=833.3r/min起動加速時間ta=200ms

T慣=J∑′×(2πnmax×10-2)/(60×ta)

=88.8×(2π×833.3×10-2)/(60×0.2)N·cm=387.31N·cm2)快速空載起動

T負1=Tf+To+T慣折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩TfTf=FoLo/2πηi=[f′(FY+G)×Lo]/[2πη(Z1/Z2)]

=[0.04×(5000+2000)×0.6]/[2π×0.8×1.25]N·cm

=26.75N·cm附加摩擦轉(zhuǎn)矩ToTo=[FpoLo(1-ηo2)i]/(2πη)=[(1/3)Fm×Lo(1-ηo2)i]/(2πη)

=[(1/3)×1775×0.6×(1-0.92)×0.8]/(2π×0.8)N·cm

=10.74N·cm

η—傳動鏈總效率,一般可取0.7~0.85此處取0.8;

i—傳動比;

Fpo—滾珠絲杠預加負荷,一般取1/3Fm,Fm為進給牽引力(N);

ηo—滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,一般取≥0.9;

FY—垂直方向的切削力(N);

T負1=26.75+10.74+387.31=424.8N·cm3)快速移動時所需轉(zhuǎn)矩T負2

T負2=T摩=Tf+To=26.75+10.74N·cm=37.49N·cm4)最大(直線,勻速)切削負載時所需轉(zhuǎn)矩T負3

T切=(FZLoi)/(2πη)

=(1300×0.6×0.8)/(2π×0.8)=124.2N·cm

T負3=T切+T摩=124.2+37.49N·cm=161.69N·cm5)加速切削

T負4=T切+T摩+T慣

=124.2+37.49+387.31N·cm=549N·cm從上面計算可以看出T負1,T負2,T負3和T負4四種工況下,以加速切削所需轉(zhuǎn)矩最大,即以此項作為校核步進電機轉(zhuǎn)矩的依據(jù).

T電機靜轉(zhuǎn)矩=(2~5)T負4取2倍

則:T電機靜轉(zhuǎn)矩=2×549N·cm=1098N·cm從國產(chǎn)BF反應式步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)表中查出150BF002型步進電機最大轉(zhuǎn)矩為13.72,大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩,以滿足此項要求.當快速運動和切削進給時,按150BF002型步進電機運行矩頻特性圖，完全可以滿足要求,所以初步選擇150BF002型步進電機。4.4等效轉(zhuǎn)動慣量計算1.運動件的轉(zhuǎn)動慣量J∑可由下式計算:計算簡圖見圖3-1傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算：式中——步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量、——齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量——滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量。參考同類型機床，初選反應式步進電機，其轉(zhuǎn)子慣量式中、——齒輪、的分度圓直徑；、——齒輪、的齒寬。代入上式：考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題。基本滿足慣量匹配的要求。4.5電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算：（1）快速空載起動力矩在快速空載起動階段加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下：將前面的數(shù)據(jù)帶入，式中各符號意義同前。。起動加速時間折算到電機軸上的摩擦力矩：附加摩擦力矩：上述三項合計：（2）快速移動時所需力矩（3）最大切削負載時所需力矩從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，此項作為初選步進電動機的依據(jù)。從課程設(shè)計指導書P36表4-13查出，當步進電動機為三相六拍時，。最大靜力矩：按此最大靜轉(zhuǎn)矩從下表3-3（源數(shù)據(jù)來自網(wǎng)站/bujindianji）查出，110BYG3503型最大靜轉(zhuǎn)矩為。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進一步校核步進電動機起動矩頻特性和運行矩頻特性。表3-3型

號步距角相數(shù)電壓線電流靜轉(zhuǎn)矩空載起動頻率空載運行頻率轉(zhuǎn)動慣量機身長單

位度VAN.mKHZKHZ（kg.cm2)（mm)110BYG35010.63110-2205121600>=3011144110BYG35020.63110-2205161600>=3015182110BYG35030.63110-2205201600>=30182614.6計算步進電動機空載起動頻率和切削時的工作頻率從上表3-3查出110BYG3503型步進電動機空載起動頻率為，圖3-2查出運行頻率為，且根據(jù)下圖3-2b）藍色背景區(qū)所示可知，。圖3-2110BYG3503型步進電動機矩頻特性從圖3-2看出，當步進電動機起動時，若，則，能滿足此機床所要求的空載起動力矩可直接起動。當快速運動和切削進給時，根據(jù)圖3-2，步進電動機運行矩頻特性知，時，左右，大于，完全可以滿足要求。第五章

微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計5.1

單片機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容5.1.1、繪制系統(tǒng)電器控制的結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。

數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效地運行。硬件電路可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標。

機床硬件電路由以下五部分組成：

（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）存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器；

（4）接口，即I/O輸入/輸出接口電路；

（5）外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。5.1.2在微機應用系統(tǒng)中，CPU的選擇應考慮以下因素：（1）時鐘頻率和字長，這個指標將控制數(shù)據(jù)處理的度；（2）可擴展存儲器的容量；（3）指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性；(4)I/O口擴展的能力，即對外設(shè)控制的能力；（5）開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。此外還要考慮到系統(tǒng)應用場合、控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟價格比等經(jīng)濟的要求。

目前在經(jīng)濟型數(shù)控機床中，一般選用MCS—51系列單片機作為主控制器。5.1.3存儲器擴展電路設(shè)計存儲器擴展電路設(shè)計應該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展。在選擇程序存儲器芯片時，要考慮CPU和EPROM時序的匹配，還應考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。

在存儲器擴展電路的設(shè)計中還應包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計。5.1.4、I/O口接口電路設(shè)計應包括接口芯片的選用，步進電機控制電路、鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設(shè)計。5.2MCS—51系列單片機的選用MCS—51系列單片機主要有三種型號的產(chǎn)品：8031、8051和8751。三種型號的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異。8031片內(nèi)無ROM，適用于需擴展ROM，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應用場合，其價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。此次作業(yè)使用的是8031芯片。一、8031單片機的基本特性8031單片機具有以下幾個特點：（1）具有功能很強的8位中央處理單元（CPU）；（2）片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（6MH或12MH）、每執(zhí)行一條指令時間為或；（3）片內(nèi)具有128字節(jié)的RAM；（4）具有21個特殊寄存器。（5）可擴展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的外部程序存儲器；（6）具有4個I/O口，32根I/O線；（7）具有2個16位定時器/計數(shù)器；（8）具有5個中斷源，配備2個中斷優(yōu)先級；（9）具有一個全雙功串行接口；（10）具有位尋址能力，適用邏輯運算。從上述特性可以看出這種8031芯片集成度高、功能強，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完整的微機系統(tǒng)。二、8031芯片引腳及其功能8031芯片具有40根引腳，其引腳圖如下。

①40根引腳按其功能可以分為四類：電源線2根。Vcc：編程和正常操作時的電源電壓，接+5V。Vss：地電平。2.晶體振蕩器2根。XTAL1：振蕩器的反向放大器輸入。使用外部振蕩器時必須接地。XTAL2：振蕩器的反向放大器輸出和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。當使用外部振蕩器時用于輸入外部震蕩信號。3.I/O口共有P0、P1、P2、P3四個8位口，32根I/O線，其功能如下：（1）P0.0—P0.7（AD0—AD7）是I/O端口0的引腳。端口0是一個8位漏極開路的雙向I/O端口。在存取外部存儲器時，該端口分時地用作低8位的地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口（在此時內(nèi)部上拉電阻有效）。（2）P1.0—P1.7端口1的引腳，是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。（3）P2.0—P2.7（A8—A15）端口2的引腳。端口2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址A8—A15。（4）P3.0—P3.7端口3的引腳。端口3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，該口的每一位均可獨立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時，口的結(jié)構(gòu)與P1操作與口完全相同，第二功能如下所示：口引腳

第二功能P3.0

RXD(串行輸入口)P3.1

TXD(串行輸出口)P3.2

INT0(外部中斷)P3.3

INT1(外部中斷)P3.4

T0(定時器0外部輸入)P3.5

T1(定時器1外部輸入)P3.6

WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7

RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)由上看出，8031單片機不是將地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線分開，而是地址線、數(shù)據(jù)線和部分控制均由I/O口完成。4.控制線（1）PSEN：程序存儲器的使能引腳，是外部程序存儲器的選通信號，低電平有效。從外部程序存儲器取數(shù)時，在每個機器周期內(nèi)二次有效。（2）EA/VPP：EA為高電平時，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。EA為低電平時，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲器的指令。因為8031芯片沒有內(nèi)部程序存儲器，所以EA必須接地。（3）ALE/PROG：ALE是地址鎖存器使能信號。作為地址鎖存允許時高電平有效。因為P1端口是分時傳送數(shù)據(jù)和低8位地址。所以訪問外部存儲器時，ALE信號鎖存低8位地址。即使在不訪問外部存儲器時，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鐘信號。ALE主要是提供一個定時信號，在從外部程序存儲器取指令時，把P0口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的地址鎖存器中。（4）RST/VPD：是復位/備用電源端。在振蕩器運行時，使RST引腳至少保持兩個機器周期為高電平，可實現(xiàn)復位操作，復位后程序計數(shù)器清零，即程序從0000H單元開始執(zhí)行。在VCC關(guān)斷前加上VPD（掉電保護）RAM的內(nèi)容將不變。三、8031芯片內(nèi)部的存儲器結(jié)構(gòu)及地址分配8031芯片內(nèi)部無程序存儲器，只有256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，地址從00H—7FH，其地址分配如下：

8031芯片內(nèi)部256字節(jié)的空間被分成兩部分，其中內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）地址為00H—7FH，特殊功能寄存器（SFR）的地址為80H—FFH。在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中的00H—1FH為四個工作寄存器區(qū)，其中：

0區(qū)

00H—07H

1區(qū)

08H—0FH

2區(qū)

10H—17H

3區(qū)

18H—1FH

每個區(qū)都有8個8位寄存器R0—R7?？梢杂脕頃捍孢\算的中間結(jié)果，以提高運算速度。其中的R0和R1還可以用來存放8位地址。要確定采用哪個工作寄存器區(qū)，可通過標志寄存器PSW中的RS0、RS1兩位來指定。

從20H—2FH是“位尋址”空間。在此空間中，CPU既可對其執(zhí)行按字節(jié)操作，又可對其中每個單元的8位二進制代碼執(zhí)行按位的操作。從30H—7FH是可以按字節(jié)尋址的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在此區(qū)域中可以設(shè)置堆棧。由于8031復位后堆棧指針SP指向工作寄存器區(qū)（即SP=07H），所以用戶必須在初始化程序中對SP設(shè)置30H以后的地址區(qū)間為初值。8031芯片內(nèi)部沒有程序存儲器，且僅有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，因而再組成控制系統(tǒng)時可根據(jù)需要擴展外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器。由于地址線是16位的，故最多能擴展64KB程序存儲器和64KB數(shù)據(jù)存儲器，其地址均為0000H—FFFFH，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器為獨立編址；因此EPROM和RAM的地址分配比較自由，編程時不必考慮地址沖突問題。5.3存儲器擴展電路設(shè)計址沖突問題。MCS—51的程序存儲器的尋址空間為64K字節(jié)，8031片內(nèi)不帶ROM，用作程序存儲器的器件是EPROM。由于綜合作業(yè)設(shè)計要求擴展的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器必須大于等于16KB，所以在此選取程序存儲器為一片27128數(shù)據(jù)存儲器為兩片6264。5.3.1、程序存儲器的擴展1、27128芯片的結(jié)構(gòu)及工作方式

27128芯片為28腳雙列直插式扁平封裝芯片，其引腳排列如下圖：圖中VPP是編程電壓端，PGM是編程控制端，OE是輸出使能端，CS是片選端，它們均為低電平有效。下表是EPROM工作方式選擇。表中VIH表示輸入高電平，VIL表示輸入低電平，芯片的數(shù)據(jù)引腳是三態(tài)的，當芯片未選中，即CS是高電平時，它們處于高阻狀態(tài)，不會影響其他芯片輸出狀態(tài)。而當CS和OE均為低電平時，芯片被選中，其存儲內(nèi)容從數(shù)據(jù)端輸出，即處于DOUT狀態(tài)。在編程時，從數(shù)據(jù)輸入要存儲的信息，數(shù)據(jù)引腳處于數(shù)據(jù)輸入DIN狀態(tài)。編程時PGM必須為低，使數(shù)據(jù)寫入芯片。類型

CE

OE

VPP

VCC

OE/VPP

PGM

輸出27128

引腳號

讀維

持編

程編程檢驗編程禁止

（20）VILVIHVILVILVIH

（22）

VIL任意VIHVILVIH

（1）

VCC

VCC

VPP

VPP

VPP

（28）VCCVCCVCCVCCVCC

（11—13，15—19）DOUT高阻DINDOUT高阻

2、地址鎖存器

由于單片機8031芯片的P0口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。在此選用的地址鎖存器芯片是74LS373。74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，其引腳及與8031芯片連接見下圖：E

G

D

Q

L

H

H

H

L

H

L

L

L

L

X

Q

上表是74LS373的真值表，表中：

L——低電平；

H——高電平；

X——不定態(tài)；

Q0——建立穩(wěn)態(tài)前Q的電平；

G——輸入端，與8031ALE連高電平：暢通無阻低電平：關(guān)門鎖存。圖中OE——使能端，接地。

當G=“1”時，74LS373輸出端1Q—8Q與輸入端1D—8D相同；

當G為下降沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。3、8031與EPROM芯片的連接

（1）地址線的連接

EPROM低8位地址線A0—A7經(jīng)地址鎖存器與8031的P0口相連；EPROM高8位地址線A8—A15直接與8031的P2口相連。由于8031的P0口是分時輸出低8位地址和數(shù)據(jù)，故要外接地址鎖存器，并由CPU發(fā)出的地址允許鎖存信號ALE的下降沿將地址信息鎖存入地址鎖存器中。如外接存儲器芯片內(nèi)有地址鎖存器，則單片機CPU的P0口可與存儲器低8位地址線直接相連，但仍要將CPU的ALE信號與存儲器芯片ALE端相連。單片機的P2口用作高位地址線及片選地址線，由于P2口輸出具有鎖存的功能，故不必外加地址鎖存器。

（2）數(shù)據(jù)線的連接

存儲器的8位數(shù)據(jù)線D0—D7與8031芯片的P0口P0。0—P0。7直接相連，單片機規(guī)定指令碼和數(shù)據(jù)都是由P0口讀入，數(shù)位對應相連即可。

（3）控制線的連接

8031芯片的PSEN與EPROM芯片的OE端相連。

8031芯片EA接地，CPU執(zhí)行外部程序存儲器的指令。

8031芯片ALE接地址鎖存器74LS373的G端。5.3.2數(shù)據(jù)存儲器的擴展由于8031芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的需要，需擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。1、數(shù)據(jù)存儲器的選用根據(jù)綜合設(shè)計的要求需擴展16KB的數(shù)據(jù)存儲器，所以在此選取了兩片6264芯片，它采用CMOS工藝，采用28腳雙列直插式扁平封裝。2、8031與外部數(shù)據(jù)存儲器芯片的連接

單片機CPU與外部數(shù)據(jù)存儲器的連接方法和與程序存儲器連接方法大致相同。唯控制線的連接不同：RAM讀入信號OE與8031芯片的RD引腳相連；RAM的寫輸入信號WE與8031芯片WR相連。5.3.3譯碼電路設(shè)計8031單片機允許擴展64KB程序存儲器和64KB數(shù)據(jù)存儲器，這樣就需要擴展多個外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲器各芯片之間、數(shù)據(jù)存儲器各芯片之間地址互相不重疊，以使單片機訪問外部存儲器時，避免發(fā)生沖突。所以需選用譯碼電路。對于容量較大的系統(tǒng)，擴展的外圍芯片較多，芯片所需的片選信號多于可利用的地址線時，就需要用這種全地址譯碼的方法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對高位地址進行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。因為這種地址編碼的方法，除了片內(nèi)地址線以外，剩余的高位地址線全部參加譯碼，故稱為全地址譯碼。在此選用了3—8譯碼器（74LS138），輸入占用3根最高位地址線，剩余的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8個8K字節(jié)的地址空間。5.4I/O接口電路及輔助電路設(shè)計8031單片機共有4個8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口和部分P3口，因此，在大部分應用系統(tǒng)中都需要擴展I/O芯片。在此選用了8255芯片和8279芯片。一、8255可編程接口芯片8255是可編程輸入/輸出接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，分別為PA、PB、PC口，其中PC口又分為高4位和低4位，它們都可以通過軟件編程來改變I/O口的工作方式。8255芯片可與8031直接接口。其引腳功能見下表：引腳

含義

引腳

含義

D0—D7PA0—PA7PB0—PB7PC0—PC7A0、A1RD

數(shù)據(jù)線A口B口C口地址線讀

WRCERESETGNDVCC

寫片選復位地電源

二、鍵盤顯示接口電路1.顯示器工作原理在此選用的是LED顯示器，它是由8個發(fā)光二極管組成，當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導通，就能顯示出各種字符。微機控制系統(tǒng)電路原理圖經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖，它是用MCS—51系列單片機組成的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用8031作CPU，擴展了一片27128芯片、兩片6264芯片、一片8255芯片和一片8279芯片構(gòu)成的。2.控制系統(tǒng)的功能（1）Z向和X向進給伺服運動（2）鍵盤顯示（3）自動換刀控制（4）螺紋加工控制（5）行程控制（6）其他功能報警電路、急停電路、復位電路、光隔離電路等。3.CPU、存儲器及I/O接口CPU采用8031芯片，選用6MHZ晶體振蕩器。它的P0口作為數(shù)據(jù)總線和地址線共用。16位地址線由P0經(jīng)地址鎖存器74LS373提供低8位A0—A7，高8位地址線A8—A15由8031的P2口直接提供。ALE為地址鎖存允許。PSEN為低電平時選通外部存儲器（EPROM），相應的指令字節(jié)出現(xiàn)在EPROM的數(shù)據(jù)線（D0—D7）上，輸入到P0口，8031將指令讀入。RESET為復位控制，當RESET輸入端出現(xiàn)高電平時，8031被初始化復位，在復位有效期向ALE、PSEN也輸出高電平。當RESET輸入端返回低電平后，CPU從0地址開始執(zhí)行程序。設(shè)計中采用上電復位和開關(guān)復位。另外，芯片8255和芯片8279的RESET也與8031的RESET管腳相連，它們可同時復位。①8031的T0是片內(nèi)的定時器/計數(shù)器溢出中斷申請，由主軸后面的光電譯碼器輸入。當車床車螺紋時，主軸光電編碼器向8031T0發(fā)出進給脈沖，用以控制不同導程的螺紋加工。光電編碼器還發(fā)出一個零位螺紋信號，輸入到8255的PB6口，用以防止車螺紋亂扣。②8255主要用于功能鍵的控制，刀架轉(zhuǎn)位控制等。其中PA口為輸入口，PA0—PA5作為功能鍵控制管理，分別控制編輯、空運行、自動、手動I、手動II和回零。PB口也是輸入口，PB0—PB3由面板上的按鍵分別控制啟動、暫停、單段、連續(xù)等功能。PB5是換刀回答，當自動轉(zhuǎn)位刀架按指令轉(zhuǎn)位、夾緊，刀架電機停轉(zhuǎn)后，發(fā)出此信號，開始執(zhí)行進給指令。PB6接光電編碼器輸出的零位螺紋信號。PC口是輸出口，PC0—PC3控制自動轉(zhuǎn)位刀架四個刀位的選刀。PC4用于報警顯示，系統(tǒng)正常工作時，輸出低電平，綠色發(fā)光二極管亮，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，輸出高電平，經(jīng)反向后，紅色發(fā)光二極管亮，實現(xiàn)報警功能。A0、A1分別接地址鎖存器的1Q、2Q，A0=1表示傳送的是命令或狀態(tài)信息，A1=0是數(shù)據(jù)信息。③8279控制步進電機，行程控制，以及鍵盤、顯示電路。其中OUTB0—OUTB3和OUTA0—OUTA3為輸出口，用于控制Z向、X向步進電機運轉(zhuǎn)，Z向步進電機為五相，X向為三相。此系統(tǒng)采用軟環(huán)分配。鍵盤顯示電路為48鍵和8位顯示器。SL0—SL2經(jīng)74LS138分為8根作為鍵盤的列線，是鍵盤的掃描線，是輸出口。RL0—RL3接行線作為鍵盤的輸入口。SL0—SL2經(jīng)74LS138分為8根同時作為8位數(shù)碼顯示器的位選信號，8031的P1口是數(shù)碼顯示器的段選信號。RL4—RL7接越程限位控制電路，當床鞍或拖板在Z向或X向越程時，即向計算機輸入此信號，使進給系統(tǒng)停止。第六章數(shù)控機床的加工程序編制6.1經(jīng)濟型數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)的程序編制說明一、概述

經(jīng)濟型數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)按標準數(shù)控語言編程，符合ISO標準的有關(guān)規(guī)定，其基本功能如下：

（1）能兩坐標（X、Z）聯(lián)動，具有直線與圓弧插補方式；

（2）絕對值編程和增量值編程可以任意用，在同一程序段中可以單獨使用，也可以混合使用；

（3）與主軸脈沖發(fā)生器配套，可車各種螺紋；

（4）與主軸速度變換裝置配套，能自動更換主軸轉(zhuǎn)速；

（5）與刀架自動換位裝置配套，能自動轉(zhuǎn)換刀位；

（6）有刀具補償功能；二、編碼

本系統(tǒng)用到如下數(shù)字、字母和符號：數(shù)字：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9；字母：F，G，I，M，N，S，T，U，W，X，Z；符號：/，+，-，LF；6.2加工說明及工藝路線設(shè)計一、編程中字母的說明程序段序號N，該序號用來表示程序段的序號，它可用來檢索程序段，或者顯示當前執(zhí)行的程序段。程序段序號通常置于程序段首位。準備功能字G，該指令后續(xù)兩位數(shù)字。數(shù)字表示不同的機床操作或動作。G功能可用于多種目的。輔助功能字M，該指令后續(xù)兩位數(shù)字。輔助功能用來使機床產(chǎn)生輔助動作。刀具功能字T，該功能用于更換刀具時，指定刀具或顯示待更換刀具的刀號。刀具交換功能字T字母后續(xù)的數(shù)字表示待更換的刀號。根據(jù)數(shù)控帶中T地址的數(shù)字，就能選擇刀具。二、零件加工圖及加工路線在經(jīng)濟型數(shù)控車床上加工的零件如下圖：該零件的毛坯為棒料，材料為45鋼，其硬度為235HBS，表面粗糙度為1.6。

根據(jù)主軸零件圖確定按先主后次及先初加工后精加工的原則，其工藝路線為：

切削外形輪廓：Ф倒角145→切削錐度部分→車削Ф60mm外圓→倒角145→車削圓弧部分→車削Ф60mm外圓→車削Ф70mm外圓→退刀。Ф85mm外圓不加工。6.3零件加工工序1.粗加工粗加工時，留2mm的加工余量用于精加工，加工程序如下：O123N001

G92

X5000

Z32000

S22

LF

坐標設(shè)定N002

G00

X4200

Z27200

S21

M03

T11

LF

快速移至X42mm,Z272mm

N003

G01

X4400

Z27100

F15

LF

粗車倒角

N004

X5400

W-6100

LF

粗車錐度

N005

U0

Z19000

LF

粗車外圓

N006

X6200

W0

LF