立時加工中心主軸箱及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計

前言加工中心集計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動化控制、傳感測量、機(jī)械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它的發(fā)展和運(yùn)用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時代，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大變化?，F(xiàn)在的CAD/CAM、FMS、CIMS，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上。目前數(shù)控技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于制造業(yè)，數(shù)控技術(shù)水平的高低已成為衡量一個國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志。而加工中心的發(fā)展最為重要。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，市場上對數(shù)控的要求也有很大的改變，正要求數(shù)控系統(tǒng)朝著高速、高精度、高可靠性發(fā)展，為追求加工效率及更通用化迫使數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化、智能化、柔性化、用戶界面圖形化，科學(xué)計算可視化，內(nèi)置高性能PLC，多媒體技術(shù)應(yīng)用等方面發(fā)展。加工中心的優(yōu)點(diǎn)有：1）提高加工質(zhì)量；2）縮短加工準(zhǔn)備時間；3）減少在制品；4）減少刀具費(fèi)；5）最少的直接勞務(wù)費(fèi)；6）最少的間接勞務(wù)費(fèi)；7）設(shè)備利用率高?？偟膩碚f，加工中心的發(fā)展動向是高速、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。本設(shè)計說明書以大量圖例來說明加工中心的主軸箱設(shè)計及橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計的思路。設(shè)計中得到顏竟成教授的悉心指導(dǎo)，在此向他表示誠摯的的感謝。由于編者的水平和經(jīng)驗(yàn)有限，加之設(shè)計時間較短、資料收集較困難，說明書中難免有缺點(diǎn)和錯誤，在此懇請讀者諒解，并衷心希望廣大讀者提出批評意見，使本設(shè)計說明書能有所改進(jìn)。1、機(jī)床總體方案設(shè)計1.1機(jī)床總體尺寸參數(shù)的選定根據(jù)設(shè)計要求并參考實(shí)際情況，初步選定機(jī)床主要參數(shù)如下：工作臺寬度×長度400×1600mm×mm工作臺最大縱向行程650mm工作臺最大橫向行程450mm工作臺最大垂直行程500mmX、Y軸步進(jìn)電機(jī)a12/3000iZ步進(jìn)電機(jī)a12/3000i主軸最大輸出扭矩70公斤力×米主軸轉(zhuǎn)速范圍45～2000r/min主電動機(jī)的功率4kw主軸電動機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min機(jī)床外行尺寸（長×寬×高）2488×1200×2710mm×mm×mm機(jī)床凈重500kg1.2機(jī)床主要部件及其運(yùn)動方式的選定1、主運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)因所設(shè)計的臥式加工中心要求能進(jìn)行車、銑和鏜，橫向方向的行程比較大，因而采用工作臺不動，而主軸箱各軸向擺放為臥式的機(jī)構(gòu)布局；采用交流無級調(diào)速電動機(jī)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，并且串聯(lián)有級變速箱來擴(kuò)大變速范圍。為了使主軸箱在數(shù)控的計算機(jī)控制上齒輪的傳動更準(zhǔn)確、更平穩(wěn)、工作更可靠，主軸箱主要采用離合器交換齒輪的有級變速。2、給運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)本次所設(shè)計的機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動均由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制，因此在X、Y、Z三個方向上，進(jìn)給運(yùn)動均采用滾珠絲杠螺母副，其動力由步進(jìn)電機(jī)通過調(diào)隙齒輪傳遞。3、數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)采用單片機(jī)控制，各個控制按鈕均安裝在控制臺上，而控制臺擺放在易操作的位置，這一點(diǎn)須根據(jù)實(shí)際情況而定。4、機(jī)床其他零部件的選擇考慮到生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，機(jī)床附件如油管、行程開關(guān)等，以及標(biāo)準(zhǔn)件如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購形式。1.3機(jī)床總體布局的確定（一）確定主軸箱傳動系統(tǒng)方案：主傳動系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動的傳動系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和制動等。加工中心主傳動系統(tǒng)主要包括電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機(jī)床的主傳動系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上比較簡單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動機(jī)的無級調(diào)速來承擔(dān)。機(jī)床上常用的變速電動機(jī)有直流電動機(jī)和交流變頻電動機(jī)，在額定的轉(zhuǎn)速上為恒功率變速，通常變速范圍僅為2-3；額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩變速，調(diào)整范圍很大，變速范圍可大30甚至更大。上述功率和轉(zhuǎn)矩特性一般不能滿足機(jī)床的使用要求。為了擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動機(jī)和主軸之間串聯(lián)一個有級變速箱。本機(jī)床采用交流調(diào)速電機(jī)變速，為了在變速范圍內(nèi)，滿足一定恒功率和恒轉(zhuǎn)矩的要求，為了進(jìn)一步擴(kuò)大變速范圍，在后面串聯(lián)機(jī)械有級變速裝置。（二）確定主軸箱有級變速級數(shù)：取變速箱的公比為等于電動機(jī)的恒功率變速范圍，即，功率特性圖是連續(xù)的，無缺口和無重合。如變速箱級數(shù)為Z，則主軸的恒功率變速范圍等于變速箱的變速級數(shù)可得出：主軸要求的恒功率變速范圍電動機(jī)的恒功率變速范圍取變速箱的公比故變速箱的變速級數(shù)故通過圓整取Z=12。（三）確定各齒輪的齒數(shù)：在確定齒輪齒數(shù)時應(yīng)注意：齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過大，以免加大兩軸之間的中心距，使機(jī)床的結(jié)構(gòu)龐大，而且增大齒數(shù)和還會提高齒輪的線速度而增大躁聲，所以在設(shè)計時要把齒數(shù)和控制在；為了控制每組嚙合齒輪不產(chǎn)生根切現(xiàn)象，使最小齒數(shù)，因而齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過小。受結(jié)構(gòu)限制的個齒輪（尤其是最少齒輪），應(yīng)能可靠地裝到軸上或進(jìn)行套裝；齒輪的齒槽到孔壁或鍵槽（m為模數(shù)），以保證有足夠強(qiáng)的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)變形或斷裂現(xiàn)象。應(yīng)保證：標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，其最少齒根直徑，代入上式可得：式中：——齒輪的最少齒數(shù)；——齒輪模數(shù)；——齒輪鍵槽頂面至軸心線的距離。由于此傳動在同一變數(shù)組為同模數(shù)傳動，各對齒輪的齒數(shù)的齒數(shù)之比，必須滿足傳動比；當(dāng)各對齒輪的模數(shù)相同，且不采用變位齒輪時，則各對齒輪的齒數(shù)和必然相等，可列出：式中：——分別為J齒輪副的主動與從動齒輪的齒數(shù)；——J齒輪副的傳動比；——齒輪副的齒數(shù)和。由上述公式可得：因此，選定了齒數(shù)和，便可以計算出各齒輪的齒數(shù)，或者由上式確定出齒輪副的任一齒輪后，用上式算出另一齒輪的齒數(shù)。查表選擇齒輪的齒數(shù)：其中a代表二軸，b代表三軸，c代表四軸，d代表主軸。（四）擬定主運(yùn)動轉(zhuǎn)速圖由上述計算得，12級轉(zhuǎn)速各傳動組中傳動數(shù)的確定方案有：12=4×3，12=3×4，12=3×2×2，12=2×3×2，12=2×2×3按照“前多后少”的原則，確定各傳動組的傳動副數(shù)為12=3×2×2。根據(jù)“前密后疏”的原則，確定基本組在前，后面依次擴(kuò)大，因此得結(jié)構(gòu)式為，第二擴(kuò)大組的兩個傳動比連線之間，相距格數(shù)應(yīng)為，變速范圍是，在允許的范圍內(nèi)，所選定的結(jié)構(gòu)式共有三個傳動組。因此變速機(jī)構(gòu)需要四軸，再加上電動機(jī)軸共五軸，故轉(zhuǎn)速圖有五條豎線。由于齒輪傳動比受到的限制，現(xiàn)在傳動組C的變速范圍為?？芍@個傳動組中兩個傳動副的傳動比必然是極限值，即該傳動組的升降速度傳動比都達(dá)到了極限值，就確定了軸Ⅲ的六級轉(zhuǎn)速只有一種可能，即為180～1000r/min。軸Ⅱ-Ⅲ之間，兩條傳動比連線間應(yīng)相距3格，取，因此，確定軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速為355～710r/min。對于軸Ⅰ，取于是決定了軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速為1000r/min，電動機(jī)軸與軸Ⅰ之間為齒輪傳動，傳動比為1000：1440。綜合上述，主軸的調(diào)速范圍：45，63，90，125，180，250，355，500，710，1000，1400，2000。轉(zhuǎn)速圖如下：圖1.1加工中心轉(zhuǎn)速圖2、主運(yùn)動的設(shè)計計算2.1電動機(jī)的選擇2.1.1電動機(jī)的功率的計算查《機(jī)床主軸/變速箱設(shè)計指導(dǎo)》：端銑：硬質(zhì)合金端銑刀，銑刀材料是45號鋼；1）主切削力公式中背吃刀量，每齒進(jìn)給量，刀具直徑，銑刀齒數(shù)z=4,選，銑刀轉(zhuǎn)速所以主切削力2）切削功率銑削過程中消耗的功率主要按圓周切削力和銑削速度進(jìn)行計算進(jìn)給運(yùn)動也消耗一些功率，一般情況下，所以總的切削力功率，由此可估算銑床主電動機(jī)的功率；，取，2.1.2電動機(jī)參數(shù)的選擇在選擇電動機(jī)時，必須使得，根據(jù)這個原則，查《機(jī)械設(shè)計手冊》選取Y112M-4型電動機(jī)，功率為4kw。其基本參數(shù)如下(單位為mm):滿載轉(zhuǎn)速為2.2齒輪傳動的設(shè)計計算由于直齒圓柱齒輪具有加工和安裝方便、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且直齒圓柱齒輪也能滿足傳動設(shè)計要求，所以本次設(shè)計選用漸開線直齒圓柱齒輪傳動；主軸箱中的齒輪用于傳遞動力和運(yùn)動，它的精度直接與工作的平穩(wěn)性、接觸誤差及噪聲有關(guān)。為了控制噪聲，機(jī)床上主傳動齒輪都選用較高的精度，但考慮到制造成本，本次設(shè)計都選用7-6-6的精度。具體設(shè)計步驟如下：2.2.1模數(shù)的估算按接觸疲勞和彎曲疲勞計算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都已知道后方可確定，所以只在草圖畫后校核用。在繪草圖之前，先估算，再標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)。齒輪彎曲疲勞的估算公式：齒面點(diǎn)蝕的估算公式：其中為大齒輪的計算轉(zhuǎn)速，A為齒輪中心距。由中心距A及齒數(shù)、求出模數(shù)：根據(jù)估算所得和中較大的值，選取相近的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。前面已求得各軸所傳遞的功率，各軸上齒輪模數(shù)估算如下：第一對齒輪副所以，第一對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應(yīng)為第二對齒輪所以，第二對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應(yīng)為第三對齒輪副所以，第三對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應(yīng)為第四對齒輪副所以，第三對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應(yīng)為綜合上述，為了降低成本，機(jī)床中各齒輪模數(shù)值應(yīng)盡可能取相同，但因?yàn)閂軸的轉(zhuǎn)速比較小，扭矩比較大，為了增加其強(qiáng)度和在主軸上能起到飛輪的作用，需增加V軸齒輪的幾何尺寸。所以，本次設(shè)計中在Ⅰ→Ⅱ?qū)X輪模數(shù)均為，在Ⅱ→Ⅳ對齒輪上就取。2.2.2齒輪分度圓直徑的計算根據(jù)漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪分度圓直徑計算公式可得各個傳動副中齒輪的分度圓直徑為：單位（mm）2.2.3齒輪寬度B的確定齒輪影響齒的強(qiáng)度，但如果太寬，由于齒輪制造誤差和軸的變形，可能接觸不均勻，反而容易引起振動和噪音。一般取B=（6～10）m。本次設(shè)計中，取主動輪寬度B=9m=18mm(最后一對齒輪也取B=79m=18mm)。2.2.4齒輪其他參數(shù)的計算根據(jù)《機(jī)械原理》中關(guān)于漸開線圓柱齒輪參數(shù)的計算公式及相關(guān)參數(shù)的規(guī)定，齒輪的其他參數(shù)都可以由以上計算所得的參數(shù)計算出來，本次設(shè)計中，這些參數(shù)在此不在一一計算。2.2.5齒輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計不同精度等級的齒輪，要采用不同的加工方法，對結(jié)構(gòu)的要求也不同，七級精度的齒輪，用較高精度的滾齒機(jī)或插齒機(jī)可以達(dá)到。但淬火后，由于變形，精度將下降。因此，需要淬火的7級齒輪一般滾或插后要剃齒，使精度高于7級，或者淬火后再珩齒。6級精度的齒輪，用精密滾齒機(jī)可以達(dá)到。淬火齒輪，必須達(dá)到6級。機(jī)床主軸箱中的齒輪齒部一般都需要淬火。2.2.6齒輪的校核（接觸疲勞強(qiáng)度）計算齒輪強(qiáng)度用的載荷系數(shù)，包括使用系數(shù)，動載荷系數(shù)，齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分布系數(shù)，即：齒輪接觸疲勞強(qiáng)度滿足，因此接觸的應(yīng)力小于許用的接觸應(yīng)力。其他齒輪也符合要求，故其余齒輪不需驗(yàn)算，在此略去。2.3軸的設(shè)計計算2.3.1各傳動軸軸徑的估算滾動軸承的型號是根據(jù)軸端直徑確定的，而且軸的設(shè)計是在初步計算軸徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此先要初算軸徑。軸的直徑可按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法用下列公式進(jìn)行估算。對于空心軸，則式中，P——軸傳遞的功率，KW；n——軸的計算轉(zhuǎn)速，r/min;——其經(jīng)驗(yàn)值見表取的值為1.5。(1)計算各傳動軸傳遞的功率P根據(jù)電動機(jī)的計算選擇可知，本次設(shè)計所用的電動機(jī)額定功率，各傳動軸傳遞的功率可按下式計算：由傳動系統(tǒng)圖可以看出，本次設(shè)計中采用了聯(lián)軸器和齒輪傳動，及軸承。則各軸傳遞的功率為：所以，各傳動軸傳遞的功率分別為：(2)估算各軸的最小直徑本次設(shè)計中，考慮到主軸的強(qiáng)度與剛度以及制造成本的經(jīng)濟(jì)性，初步選擇主軸的材料為40Cr，其他各軸的材料均選擇45鋼，取A0值為115，各軸的計算轉(zhuǎn)速可推算出為：所以各軸的最小直徑為：在以上各軸中，因有些軸上開有平鍵或花鍵，所以為了使鍵槽不影響軸的強(qiáng)度，應(yīng)將軸的最小直徑增大到5%，將增大后的直徑圓整后分別取各軸的最小直徑為：對于主軸應(yīng)該應(yīng)用公式；故主軸為考慮到軸上有花鍵，所以應(yīng)將軸的最少直徑增大5%，將增大的直徑在圓整后取2.3.2各軸段長度值的確定各軸段的長度值，應(yīng)根據(jù)主軸箱的具體結(jié)構(gòu)而定，且必須滿足以下的原則；應(yīng)滿足軸承及齒輪的定位要求。2.3.3軸的剛度與強(qiáng)度校核1）、軸的受力分析及受力簡圖由主軸箱的展開圖可知，該軸的動力源由電動機(jī)通過彈性聯(lián)軸器傳遞過來，而后通過齒輪將動力傳遞到下一根軸。其兩端通過一對角接觸軸承將力轉(zhuǎn)移到箱體上去。由于傳遞的齒輪采用的是直齒圓柱齒輪，因此其軸向力可以忽略不計。所以，只要校核其在XZ平面和YZ平面的受力。軸所受載荷是從軸上零件傳來的，計算時常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。通常把軸當(dāng)作鉸鏈支座上的糧，支反力的作用點(diǎn)與軸承的類型和布置方式有關(guān)。其受力簡圖如下：在XZ平面內(nèi)：圖2.1XZ平面受力分析在YZ平面內(nèi)：圖2.2YZ平面受力分析2）作出軸的彎矩圖根據(jù)上述簡圖，分別按XZ平面及YZ平面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別作出兩個平面的上的彎矩圖。則該軸在XZ平面內(nèi)的彎矩圖為：圖2.3XZ平面內(nèi)的彎矩同理可得在YZ平面內(nèi)的彎矩圖為：圖2.4YZ平面內(nèi)的彎矩3）作出軸的扭矩圖由受力分析及受力簡圖可知，則扭矩圖為：圖2.5扭矩圖4）、作出總的彎矩圖由以上求得的在XZ、YZ平面的彎矩圖，根據(jù)可得總的彎矩圖為：圖2.6合成彎矩圖5）、作出計算彎矩圖根據(jù)已作出的總彎矩圖和扭矩圖，則可由公式求出計算彎矩，其中是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生應(yīng)力的循環(huán)特性差異的系數(shù)，因通常由彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對稱循環(huán)的邊應(yīng)力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力則常常不是對稱循環(huán)的變應(yīng)力，故在求計算彎矩時，必須計及這種循環(huán)特性差異的影響。既當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時，取a=0.3;扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，取a=0.6；若扭矩切應(yīng)力也為對稱循環(huán)變應(yīng)力時，則取a=1。應(yīng)本次設(shè)計中扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力，所以取a=0.3，則計算彎矩圖為：圖2.7計算彎矩圖6）校核軸的強(qiáng)度選擇軸的材料為45鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。由機(jī)械設(shè)計手冊查得其許用彎曲應(yīng)力為60MP，由計算彎矩圖可知，該軸的危險截面在B的作用點(diǎn)上，由于該作用點(diǎn)上開有花鍵，由機(jī)械設(shè)計可查得其截面的慣性矩：其中Z為花鍵的數(shù)目，在本次設(shè)計中，，所以其截面的慣性矩為W=2984.2。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪受力計算公式可得圓周力與徑向力：其中：為小齒輪傳遞的扭轉(zhuǎn)，；為嚙合角，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪，??；而與分別對應(yīng)與XZ平面及平面YZ的力。各段軸的長度可從2號A0圖中得出，則根據(jù)前面的公式可得出該軸危險截面的計算彎矩為：則該軸危險截面所受的彎曲應(yīng)力為：所以該軸的強(qiáng)度滿足要求。其余各軸的校核步驟跟Ⅲ軸一樣，在此就不在校其余各軸。2.3.4主軸的確定主軸的構(gòu)造和形狀主要決定與主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承等零件的類型、數(shù)量、位置和安裝定位方法等。應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。1）主軸材料的選擇考慮到主軸的剛度及強(qiáng)度，選擇主軸的材料為40Cr，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。2）主軸結(jié)構(gòu)的確定①主軸直徑的選擇根據(jù)機(jī)床主電動機(jī)功率來確定∵P=2.96KW，屬于中等以上轉(zhuǎn)速，中等以下載荷的機(jī)床∴可取=50～70mm；②主軸內(nèi)孔直徑其中，---空心主軸的剛度和截面慣性矩，---實(shí)心主軸的剛度和截面慣性矩當(dāng)則主軸的剛度急劇下降，故取主軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)主軸上應(yīng)安裝的組件以及在主軸箱里的具體布置來確定，主軸的具體結(jié)構(gòu)已在三維圖上表達(dá)清楚。③提高主軸的性能措施a、提高旋轉(zhuǎn)精度提高主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，首先是要保證主軸和軸承具有一定的精度，此外還可以采取一些工藝措施。如選配法、裝配后精加工。b、改善動態(tài)特性主軸應(yīng)有較高的動剛度和較大的阻尼，使得主軸組件在一定副值的周期性激振力作用下，受迫振動的振幅較小。通常，主軸組件的固有頻率是而后內(nèi)高的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主軸的最高轉(zhuǎn)速，故不必考慮共振問題，按靜態(tài)處理。c.控制主軸組件溫升主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時滾動軸承的滾動體在滾道中磨擦、攪油，滑動軸承乘載油膜受到剪切內(nèi)磨擦，均會產(chǎn)生熱量，使軸承溫度上升。故控制主軸組件溫升和熱變形，提高其熱穩(wěn)定性是十分必要的。主要有兩項(xiàng)措施。(1)減少支承發(fā)熱量。(2)采用散熱裝置。通常用熱源隔離法、熱源冷卻法和熱平衡法。主軸的主要尺寸是根據(jù)結(jié)構(gòu)上確定的，一般的直徑取值都大于初始值的好幾倍，故主軸的剛度一般都能滿足要求。在此就免于校核。2.4離合器的選用離合器在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中可將傳動系統(tǒng)隨時分離或接合，對離合器的要求有：接合平穩(wěn)，分離迅速徹底；調(diào)節(jié)和修理方便；外廓尺寸?。毁|(zhì)量?。荒湍バ院煤陀凶銐虻纳崮芰?；操作方便省力。；離合器的類型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。由主軸箱的結(jié)構(gòu)尺寸限制，我選用了無滑環(huán)式多片摩擦式。由主軸箱的結(jié)構(gòu)尺寸限制，我選用了無滑環(huán)濕式多片摩擦電磁式離合器，此類型的離合器防爆性能好，徑向尺寸較小。選型號DLM9-25。其結(jié)構(gòu)尺寸如下：3、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算--立式加工中心工作臺（X軸）設(shè)計3.1概述（1）技術(shù)要求：工作臺、工件和夾具的總質(zhì)量m=918kg（所受的重力W=9000N），其中，工作臺的質(zhì)量(所受的重力W=5000N）;工作臺最大行程；工作臺快速移動速度;工作臺采用滾動直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動、靜摩檫系數(shù)均為0.01；工作臺的定位精度為20，重復(fù)定位精度為8；機(jī)床的工作壽命為20000h（即工作時間為10年）。機(jī)床采用主軸伺服電動機(jī)，額定功率，機(jī)床采用端面銑刀進(jìn)行強(qiáng)力切削，銑刀直徑，主軸轉(zhuǎn)速，切削狀況如下表所示：加工中心切削狀況切削方式進(jìn)給速度/（m/min）時間比例/（%）備注強(qiáng)力切削0.610主電動機(jī)滿功率條件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速進(jìn)給2010空載條件下工作臺快速進(jìn)給（2）總體方案設(shè)計為了滿足以上技術(shù)要求，采取以下技術(shù)方案。（1）工作臺工作面尺寸（寬度×長度）確定為400mm×1200mm。（2）工作臺導(dǎo)軌采用滾動直線導(dǎo)軌。（3）對滾動絲杠螺母副進(jìn)行預(yù)緊。（4）采用伺服電動機(jī)驅(qū)動。（5）采用錐環(huán)套筒聯(lián)軸器將伺服電動機(jī)與滾珠絲杠直連。3.2設(shè)計計算3.2.1主切削力及其切削分力計算（1）計算主切削。根據(jù)已知條件，采用端面銑刀在主軸計算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行強(qiáng)力切削（銑刀直徑，主軸具有最大扭矩并能傳遞主電動機(jī)的全部功率，此時銑刀的切削速度為靜摩擦力，由公式得即故滿足要求。3.8.2計算機(jī)械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差由公式得即，故滿足要求。3.8.3計算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差（1）由公式計算由扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量。負(fù)載力矩。由圖得扭矩作用點(diǎn)之間的距離，絲杠底徑，則（2）由該扭轉(zhuǎn)變形量引起的軸向移動滯后量將影響工作臺的定位精度。由公式得3.9確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號（1）確定滾珠絲杠螺母副的精度等級。本機(jī)床工作臺采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng)滿足下列要求滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級為2級，查表得查表得，當(dāng)螺紋長度為時，故滿足設(shè)計要求。（2）確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號。滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號為FFZD4010-3-P2/1105×850，其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導(dǎo)程：40mm,10mm；螺紋長度：850mm；絲杠長度：1150mm；類型與精度：P類，2級精度。3.10滾珠絲桿副的預(yù)緊方式為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預(yù)加載荷，使它在過盈的條件下工作，常用的預(yù)緊方式有：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)緊等。預(yù)緊后的剛度可提高到無預(yù)緊時的2倍。但是，預(yù)緊載荷過大，將使壽命下降和摩擦力矩加大，通常，滾珠絲桿在出廠時，就已經(jīng)由制造商調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲桿副的額定動載荷有一定的比例關(guān)系。雙螺母墊片式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)見到，裝卸方便，剛度高；但調(diào)整不便，滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和預(yù)緊，適用于高剛度重載傳動。雙螺母螺紋式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，但準(zhǔn)確性差，且易于松動，適用于剛度要求不高或隨時調(diào)節(jié)預(yù)緊的傳動。雙螺母齒差式預(yù)緊：①調(diào)整方法：兩邊的下螺母的凸緣上有外齒，分別與緊固的螺母座4的內(nèi)齒圈，兩個螺母向相同方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過一個齒，調(diào)整軸向位移。②能夠精確地調(diào)整預(yù)緊力，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，裝配調(diào)整比較復(fù)雜，適宜用于高度精度的傳動結(jié)構(gòu)。3.11齒輪傳動消隙齒輪傳動的間隙也叫側(cè)隙，它是指一個齒輪固定不動，另一個齒輪能夠作出的最大角位移。傳動間隙是不可避免的，其產(chǎn)生的這樣原因有：由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙，為使用熱膨脹而特意留出的間隙。為了提高定位精度和工作的平穩(wěn)性，要盡可能減小傳動間隙。除了提高制造和裝配精度外，消隙的主要途徑有：設(shè)計可調(diào)傳動間隙的機(jī)構(gòu)；設(shè)置彈性補(bǔ)償元件。在這設(shè)計里我采用雙片直齒輪錯齒調(diào)整法來消除間隙。4、控制系統(tǒng)的設(shè)計4.1控制系統(tǒng)總體方案的擬訂。機(jī)電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成?？刂葡到y(tǒng)的控制對象主要包括各種機(jī)床，如車床、銑床、，磨床等等?？刂葡到y(tǒng)的基本組成如下圖所示：圖4.1控制系統(tǒng)總體方案控制系統(tǒng)總體方案4.2總控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計4.2.1單片機(jī)的設(shè)計（1）MCS-51系列單片機(jī)的設(shè)計MCS-51系列單片機(jī)的所有產(chǎn)品都含有8051除程序存儲器外的基本硬件，都是在8051的基本上改變部分資源（程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、I/O、定時/計數(shù)器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設(shè)計中，我們采用的是8031，8031可尋址64KB字節(jié)程序存儲器和64KB字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器。內(nèi)部沒有程序存儲器，必須外接EPROM程序存儲器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分為三個部分。a.電源及時鐘引腳此部分引腳包括電源引腳。電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。（40腳）：接+5V電源。（20腳）：接地。時鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個振蕩器，它提供單片機(jī)的時鐘控制信號。時鐘引腳也可外接晶體振蕩器。（19）：接外部晶體的一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。（18）：接外部晶體的另一端，。在單片機(jī)內(nèi)部接至反相放大器的輸出端。若采用外部晶體振蕩器時，該引腳接受振蕩器的信號，即把信號直接接至內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。b.控制引腳它包括RST、ALE、等。此類引腳提供控制信號，有些引腳具有復(fù)用功能。RST/VPD（9腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時，在此引腳加上兩個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RST）。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為的低電平，以保證單片機(jī)正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用能源。ALE/（30腳）：當(dāng)單片機(jī)訪問外部存貯器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時，在兩個機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動8個TTL負(fù)載。（29腳）：此輸出為單片機(jī)內(nèi)訪問外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器指令（或常數(shù)）期間，每個機(jī)器周期兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號不出現(xiàn)。同樣可以驅(qū)動8個TTL負(fù)載。（31腳）：當(dāng)端保持高電平時，單片機(jī)訪問的是內(nèi)部程序存儲器，但當(dāng)PC值超過某值時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當(dāng)端保持低電平時，則不管是否有內(nèi)部程序存貯器而只訪問外部程序存儲器。對8031來說，因其無內(nèi)部程序存儲器。所以該引腳必須接地，既此時只能訪問外部程序存儲器。c.輸入/輸出引腳輸入/輸出（I/O）接口引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口（P0.0-P0.7）：為雙向8為三態(tài)I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用口，可驅(qū)動8個TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時地址/數(shù)據(jù)總線口使用。P1（P1.0-P1.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入口時，鎖存器必須置1），可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。P2（P2.0-P2.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位復(fù)用，可驅(qū)動4個TTL負(fù)載，一般作為擴(kuò)展時地址總線的高8位使用。P3（P3.0-P3.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。（2）MCS-51單片機(jī)的時鐘電路時鐘電路是計算機(jī)的心臟，它控制著計算機(jī)的工作節(jié)奏，MCS-51片內(nèi)有一個反相放大器，引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端，該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個自激振蕩器，產(chǎn)生的時鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個部件。單片機(jī)的時鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種，大多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式。最常用的內(nèi)部時鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，不論是HMOS還是CHMOS型單片機(jī)，其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同。如下圖所示：圖4.2時鐘電路MCS-51單片機(jī)允許的振蕩晶體可在1.2MHZ-24MHZ之間可以選擇，一般取11.0592MHZ。電容C1、C2的取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響。C1、C2可在20PF-100PF之間選擇，一般當(dāng)外接晶體時典型取值為30PF，外接陶瓷諧振器時典型取值為47PF，取60PF-70PF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。在設(shè)計印刷電路板時，晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)引腳安裝，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。（3）MCS-51單片機(jī)的復(fù)位電路計算機(jī)在啟動運(yùn)行時都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，MCS-51單片機(jī)有一個復(fù)位引腳RST，高電平有效。它是施密特觸發(fā)輸入，當(dāng)振蕩器起振后，該引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期（即24個時鐘周期）以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，MCS-51便保持復(fù)位狀態(tài)。此時ALE，，P0口、P1口、P2口和P3口都輸出高電平。RST變位低電平后，退出復(fù)位狀態(tài)，CPU從初始狀態(tài)開始工作。復(fù)位操作不影響片內(nèi)RAM的內(nèi)容。MCS-51單片機(jī)通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。通常因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)動等的需要，常常需要人工按鈕復(fù)位，如下圖所示：圖4.3復(fù)位電路對于CMOS型單片機(jī)因RST引腳的內(nèi)部有一個拉低電阻，故電阻R2可不接。單片機(jī)在上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持兩個機(jī)器周期上的高電平（因?yàn)檎袷幤鲝钠鹫竦椒€(wěn)定大約要10ms），就能使單片機(jī)有效復(fù)位，當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHZ時，RC的典型值為。簡單復(fù)位電路中，干擾信號易串入復(fù)位端，可能會引起內(nèi)部某些寄存錯誤復(fù)位，這時可在RST引腳上接一去耦電容。上圖那上電按鈕復(fù)位電路只需將一個常開按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路，按下開關(guān)一定時間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機(jī)復(fù)位。4.2.2系統(tǒng)的擴(kuò)展在以8031單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中必須擴(kuò)展程序存儲器，用以存放控制程序。同時，單片機(jī)內(nèi)部的存儲器容量較小，不能滿足實(shí)際需要，還要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器。這種擴(kuò)展就是配置外部存儲器（包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器）。另外，在單片機(jī)內(nèi)部雖然設(shè)置了若干并行I/O接口電路，用來與外圍設(shè)備連接。但當(dāng)外圍設(shè)備較多時，僅有幾個內(nèi)部I/O接口是不夠的，因此，單片機(jī)還需要擴(kuò)展輸入輸出接口芯片。（1）程序存貯器的擴(kuò)展MCS-51系列單片機(jī)的程序存貯器空間和數(shù)據(jù)存貯器空間是相互獨(dú)立的。程序存儲器尋址空間為64KB（0000H-0FFFH），8031片內(nèi)不帶ROM，所以要進(jìn)行程序存貯器的擴(kuò)展。用作程序存貯器的常用的器件是EPROM。由于MCS-51單片機(jī)的P0口是分別復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進(jìn)行程序存貯器擴(kuò)展時，必須用地址鎖存器鎖存地址信號。通信地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373。當(dāng)用74LS373作為地址鎖存器時，鎖存器G可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地址鎖存。根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對程序存貯器容量要求的不同，常采用的擴(kuò)展芯片擴(kuò)展EPROM2716（2KB×8）、2732A（4KB×8）、2764A （8KB×8）、27128A（16KB×8）、27256A（32KB×8）和27512（64KB×8）等。以上6種EPROM均為單一+5V電源供電，維持電流為35mA—40mA，工作電流為75mA-100mA，讀出時間最大為250ns，均有雙列直插式封裝形式，A0-A15是地址線，不同的芯片可擴(kuò)展的存貯容量的大小不同，因而提供8位地址的P2口線的數(shù)量個不相同，故2716為A0-A10，27512為A0-A15；D0-D7是數(shù)據(jù)線；CE是片選線，低電平有效；CE是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源，PCM是編程脈沖輸入端。根據(jù)程序存貯器擴(kuò)展的原理，以EPROM和鎖存器74L373為例對8031單片機(jī)進(jìn)行程序存貯器的擴(kuò)展。因?yàn)?764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址線，A0-A12。如果只擴(kuò)展一片程序存貯器EPROM，故可將片選端CE直接接地。下圖為擴(kuò)展兩片EPROM的連接方法。同時，8031運(yùn)行所需的程序指令來自2764A，要把其EA端接地，否則，8031將不會運(yùn)行。圖4.42764的擴(kuò)展電路（2）數(shù)據(jù)存貯器的擴(kuò)展8031單片機(jī)內(nèi)部有128個字節(jié)RAM存貯器。CPU對內(nèi)部的RAM具有豐富的操作指令。但在用于數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠片內(nèi)提供的128個字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在這種情況下，可利用MCS-51的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存貯器。數(shù)據(jù)存貯器只使用WR、RD控制線而不用PSEN。正因?yàn)槿绱耍瑪?shù)據(jù)存貯器與程序存貯器可完全重疊，均為0000H-FFFFH，但數(shù)據(jù)存貯器與I/O口與外圍設(shè)備是統(tǒng)一編址的，即任何擴(kuò)展的I/O口以及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存貯器地址。8031的P0口為RAM的復(fù)用地址/數(shù)據(jù)線，P2口用于對RAM進(jìn)行頁面尋址（根據(jù)其容量不同，所占的P2端口不同，在對外部RAM讀/寫期間，CPU產(chǎn)生RD/WR信號。在8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài)RAM是最常用的，由于這種存貯器的設(shè)計無須考慮刷新問題，因而它與微處理器的接口很簡單。最常用的靜態(tài)RAM芯片有6116（2KB×8）和6264（4KB×8）。單一+5V供電，額定功耗分別為160mW和200mW，典型存取時間均為200ns，均有雙列之插式封裝，管腳分別為24和20線。下圖是6264與8031的連接圖。從圖可知：6264的片選接8031的P2.7，第二片選線接高電平，保持一直有效狀態(tài)。因?yàn)?264是8KB容量的RAM，故用到了3根地址線。6264的地址范圍為0000H-7FFF。對于一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)，必須具備一定容量的程序存貯器和一定容量的數(shù)據(jù)存貯器。8031單片機(jī)外部擴(kuò)展兩片2764EPROM和兩片6264靜態(tài)RAM。程序存貯器2764的地址為：0000H-1FFFH。數(shù)據(jù)存貯器6264的地址為0000H-7FFFH。圖4.56264的擴(kuò)展電路（1）I/O的擴(kuò)展MCS-51系列單片機(jī)大多具有四個8位I/O口（即P0口、P1口、P2口和P3口），原理上這四個I/O口均可用作雙向并行I/O接口。但在實(shí)際應(yīng)用中，P0口常被用作為數(shù)據(jù)總線和低8位地址總線使用，P2口常被用作為高8位地址總線使用，P3口某些位又常用它的第二功能，特別是無ROM型的單片機(jī)因必須擴(kuò)展外部程序存貯器，則更是如此。所以，若一個MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)需連接較多的并行輸入/輸出的外圍設(shè)備（如打印機(jī)、鍵盤、顯示器等），單片機(jī)本身所提供的輸入輸出口不能滿足，就不可避免地要擴(kuò)展并行I/O接口。常用的MCS-51并行I/O接口擴(kuò)展方法主要有四種：采用可編程的并行接口電路，如8255A；采用可編程的RAM/IO擴(kuò)展器，如8155；采用TTL或CMOS電路的三態(tài)門、鎖存器，如74LS377、74LS373、74LS244；利用MCS-51的并行擴(kuò)展并行I/O接口。a.8255A可編程外圍并行I/O接口8255A可編程輸入輸出接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，具有三種工作方式，可通過程序改變其功能，因而使用方便，通用性強(qiáng)，可作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備連接時的中間接口電路。在單片機(jī)的I/O口擴(kuò)展8255芯片，其接口相當(dāng)簡單，如下圖所示:圖4.58255的擴(kuò)展電路圖圖中8255的分別與MCS-51的相連；8255的D0-D7直接MCS-51的P0口。片選信號CS口及地址選擇線A0、A1分別由8031的P0.0、P0.1、P0.2經(jīng)地址鎖存器后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分別為FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的復(fù)位端與8031的復(fù)位端相連，都接到8031的復(fù)位電路上。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，必須根據(jù)外圍設(shè)備的類型選擇8255的操作方式，并在初始化程序中把相應(yīng)的控制字寫入操作口。8522接口芯片在MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛用于連接外部設(shè)備，如打印機(jī)、鍵盤，顯示器以及作為控制信息的輸入、輸出口。b.8155可編程外圍并行I/O接口8155/8156芯片內(nèi)包含有256個字節(jié)RAM，2個8位和一個6位的可編程并行I/O口，一個14位定時器/計數(shù)器。8155/8156可直接與MCS-51單片機(jī)連接，不需要增加任何硬件邏輯。由于8031單片機(jī)外接一片8155后，就綜合地擴(kuò)展了數(shù)據(jù)RAM、I/O端口和定時器/計數(shù)器。因而是MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一。在8155的控制邏輯部件中，設(shè)置一個控制命令寄存器和一個狀態(tài)標(biāo)志寄存器。8155的工作方式由CPU寫入控制命令寄存器中的控制字來確定。控制命令寄存器只能寫入不能讀出，8位控制命令寄存器的低4位用來設(shè)置A口、B口、C口的工作方式。第4、5位用來確定A口、B口以選通輸入輸出方式工作時是否允許中斷請求。第6、7位用來設(shè)置定時器/計數(shù)器的操作。8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或選通方式，C口可作為輸入輸出口線，也可作為A口、B口選通方式工作的狀態(tài)控制信號。其工作情況與8255方式0、方式1時大致相同，控制信號的含義也基本相同。另外，在8155中還設(shè)有一個狀態(tài)標(biāo)志、寄存器，用來存放A口和B口的狀態(tài)標(biāo)志。狀態(tài)標(biāo)志寄存器的地址與命令寄存器的地址相同，CPU只能讀出，不能寫入。8155中還設(shè)有一個14位的定時器/計數(shù)器，可用來定時或?qū)ν馐录嫈?shù)，CPU可通過程序選擇計數(shù)長度和計數(shù)方式。計數(shù)長度和計數(shù)方式由輸入計數(shù)寄存器的計數(shù)控制字來確定。MCS-51單片機(jī)可以和8155直接相連而不用任何外加邏輯,MCS-51單片機(jī)擴(kuò)展一片8155可以為系統(tǒng)增加256字節(jié)外RAM,22根I/O接口及一個14位定時器.下圖為8155與8031的一種接口邏輯,圖中P2.7連片選信號CE,P2.0連IO/M,所以8155的RAM的地址為7E00H-7EFFH;I/O寄存器地址分別為:命令/狀態(tài)字寄存器地址7F00H,PA口地址為7F02H,PB口地址為7F03H,定時器/計數(shù)器低字節(jié)寄存器地址為7F04H,定時器高字節(jié)寄存器地址為7F05H.圖4.68155的擴(kuò)展電路圖4.2.3鍵盤、顯示器接口設(shè)計(1)矩陣式鍵盤接口設(shè)計矩陣式鍵盤適用于按鍵較多的場合,它由行線和列線組成,按鍵位于行、列交叉點(diǎn).如一個4×4的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個含有16個按鍵的鍵盤等等.在按鍵數(shù)量較多時,矩陣鍵盤比獨(dú)立鍵盤節(jié)省了很多I/O口.按鍵設(shè)置在行、列線分別連接到按鍵開關(guān)兩端..行線通過上拉電阻接到+5V上.平時無按鍵動作時,行線處于高電平狀態(tài),而當(dāng)有按鍵按下時,行線電平狀態(tài)將由此行線相連的列線電平?jīng)Q定.列線電平如果為低,則行線電平為低;列線電平為高,則行線電平亦為高.這一點(diǎn)是識別矩陣鍵盤是否按下的關(guān)鍵所在.由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用,各按鍵均影響該鍵所在的行和列電平.所以,必須將行、列線信號配合起來并作適當(dāng)?shù)奶幚?才能確定閉合鍵的位置.對于矩陣式鍵盤,按鍵的位置由行號和列號唯一確定,所以分別對行號和列號進(jìn)行二進(jìn)制編碼,然后將兩值合成一個字節(jié),高4位是行號,低4位是列號將是非常直觀的.(2)顯示器接口設(shè)計在單片機(jī)系統(tǒng)中,常用的顯示器有:發(fā)光二極管顯示器,簡稱LED.LED是顯示塊由發(fā)光二極管顯示字段組成.,有七段和”米”字型之分,一片顯示塊顯示一位字符.共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管的陰極連接在一起,通常此公共陰極接地,當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時,發(fā)光二極管亮,相應(yīng)的段被顯示.由于七段LED顯示塊有7段發(fā)光二極管,所以其字型碼為一個字節(jié);”米”字型LED顯示塊有15段發(fā)光二極管,所以字型碼為兩個字節(jié).由n片LED顯示塊可拼接成n位LED顯示器,共有n根位選線和8×n根段選線,根據(jù)顯示方式不同,位選線和段選線的連接也各不相同,段選線控制顯示字符的字型,而位選線則控制顯示位的亮、暗.LED顯示器有靜態(tài)顯示器和動態(tài)顯示器兩種方式.在多位LED顯示時,為了節(jié)省I/O口線,簡化電路,降低成本,一般采用動態(tài)顯示方式.動態(tài)顯示方式是一位地分別輪流點(diǎn)亮各位顯示器,對每位顯示器來說,每隔一段時間輪流點(diǎn)亮一次.顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān),也與點(diǎn)亮和熄滅時間的比例有關(guān).這種顯示方式將七段LED顯示器的所有段選位并聯(lián)在一起,由一個8位I/O口控制,實(shí)現(xiàn)各位顯示器的分時選通.下圖是LED顯示器采用共陰極方式,6個顯示器的段碼由8155的PB口提供,位選碼由8155的PA口提供(PA口同時也提供行列式未編碼鍵盤的列線),行列式未編碼鍵盤的行線由PC口提供.圖中設(shè)置了36個鍵.如果繼續(xù)增加PC口線,設(shè)全部PC口線(PC0-PC5)用作鍵盤的行線,全部PA口線(PA0-PA7)作鍵盤列線,則按鍵最多可達(dá)8×6個.下圖中8155的PB口掃描輸出總是只有一位為高電平,即PB口經(jīng)反相后僅有一位公共陰極為低電平,8155的PA口則輸出相應(yīng)位(PB口輸出為高對應(yīng)的位顯示器)的顯示數(shù)據(jù),使該位顯示與顯示緩沖器相對應(yīng)的字符,而其余各位均為熄滅,依次改變8155的PB口輸出為高的位,PB口輸出對應(yīng)的顯示緩沖器的數(shù)據(jù).圖4.7顯示器接口電路4.2.4步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(1)步進(jìn)電機(jī)開環(huán)驅(qū)動原理每輸入一個脈沖,步進(jìn)電機(jī)就前進(jìn)一步,因此,它也稱作脈沖電動機(jī).其種類很多,但主要分三大類:反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī),永磁式步進(jìn)電機(jī),以及永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).反應(yīng)式電動機(jī)結(jié)構(gòu)最簡單,是應(yīng)用最廣泛的一種.按控制繞組的相樹分有三相、四相、五相和六相等等.無論哪種步進(jìn)電動機(jī),他們的工作原理都有相同之處:數(shù)字式脈沖信號控制定子磁極上的控制繞組,按一定順序依次通電,在頂子和轉(zhuǎn)子的氣隙間形成步進(jìn)式的磁極軸旋轉(zhuǎn).步進(jìn)電動機(jī)主要用于開環(huán)系統(tǒng),當(dāng)然也可以閉環(huán)系統(tǒng).下圖是步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)的原理圖,它由以下幾部分組成:圖4.87步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖脈沖信號源—是一個脈沖發(fā)生器,通常脈沖頻率連續(xù)可調(diào),送到脈沖分配器的脈沖個數(shù)和脈沖頻率由控制信號控制.因脈沖頻率可調(diào),也稱為變頻信號源.脈沖分配器—脈沖按一定的順序送到功率放大器中進(jìn)行放大,驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)工作.用硬件進(jìn)行脈沖順序的分配,有時稱為環(huán)行分配器,也簡稱環(huán)分.功率放大器—將脈沖分配器送來的脈沖放大,是步進(jìn)電動機(jī)獲得必要的功率.步進(jìn)電動機(jī)—伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件,它帶動工作機(jī)構(gòu),如減速裝置,絲杠,工作臺.(2)脈沖分配對每一個五相步進(jìn)電動機(jī)而言,其脈沖分配方式是五相十拍的,其五相分別用A、B、C、D、E表示.五相十拍的運(yùn)行形式是A—AB—B—BC—C—CD—D—DE—E—EA順序輪流通電,則轉(zhuǎn)子便順時針方向一步一步轉(zhuǎn)動.要改變步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向.只需改變通電的順序即可.脈沖分配器是將脈沖電源按規(guī)定的通電方式分配到各相,該分配可由硬件來實(shí)現(xiàn).在微機(jī)控制中,脈沖的分配也可由軟件來完成,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4五位分別輸出時序脈沖,經(jīng)光電隔離、驅(qū)動放大使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),延時的長短決定了步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行一拍的時間,也就決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速.(3)驅(qū)動電路由微機(jī)根據(jù)控制要求發(fā)出的脈沖,并依次將脈沖分配到各相繞組,因其功率很小,電壓不足5V,電流為mA級,必須經(jīng)過驅(qū)動器將信號放大到若干安培,才能驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī).因此,步進(jìn)電動機(jī)實(shí)際上是一個功率放大器,驅(qū)動器的質(zhì)量直接影響步進(jìn)電動機(jī)的性能,驅(qū)動器的負(fù)載是電機(jī)的繞組,是強(qiáng)電感應(yīng)負(fù)載.對驅(qū)動器的主要要求是:失真要小,要有較好的前后沿和足夠的幅度;效率要高;工作可靠;安裝調(diào)試和維修方便.下圖是一個La繞組的高低壓驅(qū)動電路,脈沖變壓器Tp組成高壓控制電路.圖4.9放大電路圖無脈沖輸入時,T1,T2,均截止,電機(jī)繞組La中無電流通過,電機(jī)不轉(zhuǎn).有脈沖輸入時,T1飽和導(dǎo)通,在T2由截止到飽和期間,其集電極電流也就是脈沖變壓器的初級電流急速增加,在變壓器次級感應(yīng)一個電壓,使T3導(dǎo)通,80V高壓經(jīng)高壓管T3加到繞組La上,使電流迅速上升,約經(jīng)數(shù)百微妙,當(dāng)T2進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)后,初級電流暫時恒定,次級的感應(yīng)電壓降到0;T3截止,這時12V低壓電流經(jīng)D2加到繞組La上,維持La中的電流為恒定值.輸入脈沖結(jié)束后,T1,T2,T3,T4又截止,儲存在La中的能量通過18的電阻的作用是減小放電回路的時間常數(shù),改善波形后沿.由于采用高低壓驅(qū)動,電流增長快,電機(jī)的力矩和運(yùn)行頻率都得到改善,但由于電機(jī)轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的反電動勢,使電流波形頂部下凹,使平均電流下降,轉(zhuǎn)矩下降.4.2.5光電隔離電路設(shè)計為了避免外部設(shè)備的電源干擾,防止被控對象電路的強(qiáng)電反竄,通常采用將微機(jī)的前后向通道與被連模塊在電氣上的隔離的方法.過去通常隔離變壓器或中間繼電器來實(shí)現(xiàn),而目前已廣泛被性能高、價格低的光電耦合器來代替.光電耦合器是把發(fā)光元件與受光元件封裝在一起,以光作為媒體來傳輸信息的.其封裝形式有管形,雙列直插式、光導(dǎo)釬維連接等.發(fā)光器件一般為砷化鎵紅外發(fā)光二極管.光電耦合器具有以下特點(diǎn):信號采取光電形式耦合,發(fā)光部分與受光部分無電氣回路,絕緣電阻高達(dá),絕緣電壓為1000-5000V,因而具有極高的電氣隔離性能,避免輸出端和輸入端之間可能產(chǎn)生的反饋和干擾.由于發(fā)光二極管是電流驅(qū)動器件,動態(tài)電阻很小,對系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾信號形成低阻抗旁路,因此抗干擾能力強(qiáng),共模抑制比高,不受磁場的影響,特別是用于長線傳輸時作為終端負(fù)載,可以大大地提高信噪比.光電耦合器可以耦合零到數(shù)千赫的信號,且響應(yīng)速度快(一般為幾毫秒,甚至少于10ns),可以用于高速信號的傳輸.下圖的光電耦合器是采用硅光電二極管作受光元件.其CTR為10%-100%,脈沖上升和下降時間小于5,輸出電路飽和壓降小(0.2V-0.3V),電路構(gòu)件簡單,是目前應(yīng)用較多的一種,主要用于驅(qū)動TTL電路、傳輸線隔離、脈沖放大等.晶體管輸出型的光電耦合器用于開關(guān)信號耦合時,發(fā)光二極管和光電晶體管平常都處于關(guān)斷狀態(tài).在發(fā)光二極管通過電流脈沖時,光電晶體管在電流脈沖持續(xù)的時間內(nèi)導(dǎo)通.下圖是使用4N25光電耦合器的接口電路,這里4N25起到耦合脈沖信號和隔離單片機(jī)8031系統(tǒng)與輸出設(shè)備電氣回路的作用,使兩部分的電流相互獨(dú)立.輸出部分的地線Vss接地殼或大地,而單片機(jī)的電源地線(GDP)浮空,這樣可以避免輸出部分電源變化對單片機(jī)電源的影響.圖4.9光電隔離電路4.2.6其他接口電路設(shè)計面板操作鍵和功能選擇開關(guān):面板操作鍵與8255的PB口接口電路.圖中SB1-SB2為手動操作進(jìn)給鍵，分別完成人工操作的、、的進(jìn)給。運(yùn)行時按下此鍵，可中斷程序的運(yùn)行。回零，使工具電極沿X軸、Y軸、Z軸回到機(jī)械零點(diǎn)。功能選擇開關(guān)SA為一個單刀7擲波段開關(guān)，它與系統(tǒng)的8255PA口相連。用于連續(xù)、單步、自動、手動、暫停、啟動等功能的選擇。參考文獻(xiàn)⑴吉林工業(yè)大學(xué)主編，《金屬切削機(jī)床設(shè)計》［M］，上海科學(xué)技術(shù)出版社；⑵顧維邦主編，《金屬切削機(jī)床概論設(shè)計》［M］，機(jī)械工業(yè)出版社；⑶龔桂義主編，《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊》［M］，高等教育出版社；⑷哈爾濱工業(yè)大學(xué)主編，《機(jī)床設(shè)計圖冊》［M］，上海科學(xué)技術(shù)出版社；⑸康元國主編，《加工中心設(shè)計與應(yīng)用》［M］，機(jī)械工業(yè)出版社；⑹何立民主編，《單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計》［M］，北京航天航空大學(xué)出版社；⑺濮良貴紀(jì)名剛，《機(jī)床設(shè)計》［M］，高等教育出版；⑻吳振彪主編，《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》［M］，中國人民大學(xué)出版社；⑼成大先主編，《機(jī)床設(shè)計手冊》［M］，機(jī)械工業(yè)出版社；⑽成大先主編，《機(jī)械設(shè)計手冊》［M］，化學(xué)工業(yè)出版社；⑾謝鐵邦主編，《互換性與技術(shù)測量》［M］，華中科技大學(xué)出版社；⑿哈爾濱工業(yè)大學(xué)主編，《理論力學(xué)》［M］，高等教育出版社；⒀黃鶴汀主編，《金屬切削機(jī)床設(shè)計》［M］，機(jī)械工業(yè)大學(xué)出版社；⒁朱張校主編，《工程材料》［M］，清華大學(xué)出版社；⒂孫恒、陳作模主編，《機(jī)械原理》［M］，高等教育出版社；⒃范欽珊主編，《材料力學(xué)》［M］，高等教育出版社。謝辭畢業(yè)設(shè)計是高等院校人才培養(yǎng)計劃的重要部分，是訓(xùn)練和培養(yǎng)專業(yè)人才的教學(xué)過程中最后的也是極為重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是人才培養(yǎng)質(zhì)量的全面性、綜合性、系統(tǒng)性理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計活動，我感到自己從中獲益匪淺。通過本次畢業(yè)設(shè)計，培養(yǎng)了我科學(xué)的思維方式和正確的設(shè)計思想，綜合運(yùn)用和深化所學(xué)的理論知識和技能，增強(qiáng)分析和解決工程實(shí)際問題的能力，全面完成工程師的基本訓(xùn)練或者從事科研工作的初步訓(xùn)練，是我們畢業(yè)前全面素質(zhì)教育的重要實(shí)踐訓(xùn)練。此設(shè)計是關(guān)于工程鉆車的設(shè)計，分析了方案的具體數(shù)據(jù)，設(shè)計選擇最優(yōu)的系統(tǒng)方案。在這次畢業(yè)設(shè)計中，我曾多次到圖書館查取資料，上網(wǎng)瀏覽相關(guān)課題，積極和老師溝通，請教問題。在不斷的學(xué)習(xí)過程中積累了大量的相關(guān)知識，對過去學(xué)到的理論知識的認(rèn)識得到了極大的升華，為即將走向工作崗位做好了準(zhǔn)備。在本次設(shè)計中，本人得到了老師及多位同學(xué)的幫助，特別是顏竟成老師的精心指導(dǎo)，使我順利完成本次畢業(yè)設(shè)計。在此本人謹(jǐn)表深深的感謝！特別是顏老師的敬業(yè)精神使我深深感動，讓我發(fā)現(xiàn)自己身上存在的惰性，我相信在今后的工作中一定會不斷完善自己。由于本水平有限，時間較倉促，錯誤疏漏或不完善之處可能較多存在，敬請給與批評指正。致謝辭者：張書品2009年5月于南華大學(xué)英文原文:SteelsSteelisoneofthemostvaluablemetalsknowntoman;approximately200milliontonscanbeproducedintheUnitedStatesannually.In1900,UScapacitywasbut21milliontons.Althoughtheprocessofsteelmakingisfamiliartomostengineers,areviewofthisprocesswouldbeappropriateatthistime.Ironore,limestone,andcoalaretheprincipalrawmaterialsusedinmakingironandsteel.Cokeisproducedbyheatingbituminouscoalinspecialovens.Skipcarsgouptheskiphoistwithloadsofironore,coke,andlimestoneanddumpthemintothetopoftheblastfurnace.Hotairfromthestoveisblownintothefurnacenearthebottom.Thiscausesthecoketoburnattemperaturesupto3000°F.Theoreischangedintodropsofmoltenironthatsettletothebottomoftheblastfurnace.Thelimestonethathasbeenaddedjoinswithimpuritiestoformaslagthatfloatsontopofthepoolofliquidiron.Periodically,themoltenironisdrainedintoaladlefortransportingtoeithertheBessemerconverter,electricfurnaceoropen-hearthfurnace.Theslagisremovedseparatelysoasmottocontaminatetheiron.Themakingofsteelfromironinvolvesafurtherremovalofimpurities.Regardlessofwhichprocessisusedformakingsteel-open-hearth,Bessemer-converter,orelectric-furnace-steelscrapisaddedalongwithdesiredalloyingelementsandtheimpuritiesareburnedout.Liquidsteelremovedfromthefurnaceispouredintoingotmolds.Theingotsarethenremovedto“soakingpits”wheretheyarebroughttoauniformrollingtemperature.Attherollingmill,thewhite-hotsteelpassesthroughrollsthatformtheplasticsteelintothedesiredshape:blooms,slabs,orbillets.Thesethreesemifinishedshapesthengotothefinishingmillswheretheyarerolledintofinishedformsasstructuralsteel,platesandsheets,rods,andpipes.Steelisthebasicandmostvaluablematerialusedinapparatusmanufacturedtoday.Itsapplicationisbasedonyearsofengineeringexperience,whichservesasaguideinchoosingaparticulartypeofsteel.Eachvariable,suchasalloy,heattreatment,andprocessesoffabricationhasitsinfluenceonthestrength,ductility,machinability,andothermechanicalproperties,andaffectsthetypeofsteelselected.Thefollowingbasicconceptsalsoassistindeterminingwhichsteelshouldbeused:1.Themodulusofelasticityintensionfallswithintherangeof28×106to30×106lb/in2,regardlessofcompositionorform;therefore,sizesasdeterminedbydeflectionremainthesameregardlessofthesteelchosen.2.Carboncontentdeterminesthemaximumhardnessofsteelregardlessofalloycontent.Therefore,thestrengthdesired,whichisproportionaltohardness,candeterminethecarboncontent.3.Theabilityofthesteeltobeuniformlyhardenedthroughoutitsvolumedependsontheamountandkindofalloy.Thisismorecomplex,butdoesnotnecessarilychangethecalculationofthesizeofthepart.4.Ductilitydecreasesashardnessincreases.Thepreliminarychoiceofsteelforapartaswellasforotherfactors,suchasnotchsensitivity,shrinkage,blowholes,corrosion,andwear,issimplifiedwhenbasedontheaboveprinciples.Thefinalselectionismadebymatchingthematerialwiththeprocessofmanufactureusedinordertoobtaintheshape,surface,andphysicalrequirementsofthepart.Theselectionmaybemadefromamonglow-carbonsteels,low-alloysteels,high-carbonsteels,andhigh-alloysteels.Steelisoneofthefewcommonmetalsthathasanendurancelimit.Youwillrecallthatfatigueisthefailureofamaterialduetorepeatedloading.Mostmetalsbecometiredastheyaresubjectedtostressoverandoveragain.Thestressamaterialcanwithstandunderconstantloadingismuchlessthanunderstaticloading.Assteeliscontinuallyloaded,itwillreachalowerlimitofstrength.Thispropertyisquitepronouncedinwireshapes.Commoncopperandaluminumwirecaneasilybebrokenbyflexingthewireinalocalspot.Normallyafterafewdozenflexes,thewirebreaks.Steelwire,however,isverytoughandflexingthewiresimplycoldworksthematerialmakingtheprocessfutilefortheunknowingpersontryingtobreakasteelwire.Atsomepointsteelwillresistweakeningduetorepeatedloading.Thisisknownasan“endurancelimit”.Theendurancelimitofsteelisaround60%ofitsoriginalstrength.Thispropertyofhavinganendurancelimitmakessteelinvaluableforuseinstructuralapplicationslikebridges,springs,struts,beams,etc.Ofcourse,therearemanyfactorsthateffecttheendurancelimitofamaterial.Aprimaryfactoristhesurfacequalityofthematerialand/orthemanufacturingprocessusedtoproducethespecimen.Fatigueisattributabletotheinitialmaterialmotbeinganidealhomogeneoussolid.Ineachhalfcycle,irreversibleminutestrainsareproduced.Fatiguefailureusuallydevelopsfrom:1.Repeatedcyclicstressesthatcauseincrementalslipandcoldworkinglocallyinthematerial.2.Gradualreductionofductilityofthestrainhardenedareasthatdevelopintocracks.3.Anotchingeffectfromsubmicroscopiccracks.Theendurancelimitsofsteelscreatesomeverydesirablephysicalproperties.Thesepropertiescanbedetrimentaltothemanufacturabilityofthematerial.Forinstance,inthecoldrollingofsteeltheendurancelimitcreatesalimitationontheamountofcoldworkingthatcanbeinputtoanypart.Afterthislimithasbeenreachedthematerialmustbeheatedaboveitscriticaltemperaturetopermitfurthercoldworking.Plaincarbonsteelsrepresentthemajorproportionofsteelproduction.Carbonsteelshaveawidediversityofapplication,includingcastings,forgings,tubularproducts,plates,sheetsandwireproducts,structuralshapes,bars,andtools.Plaincarbonsteels,generally,areclassifiedinaccordancewiththeirmethodofmanufactureasbasicopenhearth,acidopenhearth,oracidBessemersteels,andbycarboncontent.Theprincipalfactorsaffectingthepropertiesoftheplaincarbonsteelsarethecarboncontentandthemicrostructure.Themicrostructureisdeterminedbythecompositionofthesteel(carbon,manganese,silicon,p