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

某某學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）某某學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）某某學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）CA6140車床縱向開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造所在系機(jī)電工程系

摘要數(shù)控機(jī)床作為機(jī)、電、液、氣等一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)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(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)床價(jià)格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國(guó)作為機(jī)床大國(guó)，擁有大量的普通機(jī)床。因此，對(duì)普通機(jī)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(jì)型數(shù)控車床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能?？紤]到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)，有利于機(jī)床的高效，普及。關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；開環(huán)控制縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jì)的目的 11.2

設(shè)計(jì)的內(nèi)容 11.2.1微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)方案的擬定 11.2.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 21.2.3微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 21.2.4數(shù)控加工程序的編制 21.3設(shè)計(jì)任務(wù) 31.3.1題目 31.3.2.設(shè)計(jì)任務(wù) 31.3.3給定條件 31.3.4設(shè)計(jì)要求 3第二章

微型數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定 42.1總體方案的確定 42.1.1、系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 42.1.2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 42.1.3、機(jī)床傳動(dòng)方式 4第三章

機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 53.1

系統(tǒng)脈沖當(dāng)量及切削力的確定 53.2切削力的計(jì)算 53.3

滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型 5第四章

進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 104.1齒輪傳動(dòng)比計(jì)算(縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算) 104.2齒輪齒數(shù)及技術(shù)參數(shù) 104.3步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用 114.3.1、初選步進(jìn)電機(jī) 114.3.2、根據(jù)草圖校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩 124.4等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 144.5電機(jī)力矩計(jì)算 154.6計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 17第五章

微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 195.1

單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素 195.1.3存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 195.1.4、I/O口接口電路設(shè)計(jì) 205.2MCS—51系列單片機(jī)的選用 205.3存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 235.3.1、程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 245.3.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 275.3.3譯碼電路設(shè)計(jì) 275.4I/O接口電路及輔助電路設(shè)計(jì) 28第六章數(shù)控機(jī)床的加工程序編制 316.1經(jīng)濟(jì)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(jì) 316.3零件加工工序 32總結(jié) 34致謝 35參考文獻(xiàn) 36PAGE27某某學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文PAGE1第一章

緒論1.1

設(shè)計(jì)的目的畢業(yè)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)我們理論聯(lián)系實(shí)際，解決生產(chǎn)實(shí)際問題能力的重要步驟，它起到了畢業(yè)設(shè)計(jì)的作用。它通過對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案的擬定，進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).計(jì)算控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)以及數(shù)控機(jī)床加工程序的編制，使我們綜合運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械.等知識(shí),進(jìn)行一次全面結(jié)合的訓(xùn)練。從而培養(yǎng)了我們具有加工編程能力，初步設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)的內(nèi)容1.2.1微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)方案的擬定（1）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定（2）伺服系統(tǒng)的選擇：采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定：為了保證一定的傳動(dòng)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(shí)，若直接將電機(jī)與滾珠絲杠聯(lián)必會(huì)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(dòng)中的間隙，提高傳動(dòng)精度，并有效減少反向運(yùn)動(dòng)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(dòng)方案。電機(jī)電機(jī)消隙齒輪箱滾珠絲杠螺母副工作臺(tái)圖2-1執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案（4）計(jì)算機(jī)的選擇。1.2.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)方案的確定。（2）確定脈沖當(dāng)量。（3）滾珠絲杠螺母副的選型。（4）滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型。（5）進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算。（6）步進(jìn)電機(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。（8）設(shè)計(jì)繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)的一張或兩張零件圖。1.2.3微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）控制系統(tǒng)方案的確定及框圖繪制。（2）MCS-51系列單片機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用。（3）I/O接口電路及譯碼電路的設(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。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(jī)床設(shè)備。（3）確定對(duì)刀點(diǎn)。（4）選擇刀具。（5）確定切削用量。（6）編制加工程序。1.3設(shè)計(jì)任務(wù)1.3.1題目:

《CA6140車床縱向開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》1.3.2.設(shè)計(jì)任務(wù):（1）根據(jù)機(jī)床總體布局,分析設(shè)計(jì)方案,并最終確定微機(jī)控制系統(tǒng)方案;（2）進(jìn)行機(jī)械伺服機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算,繪制機(jī)械裝配圖及其部分零件圖(1—2個(gè)）（3）查找微機(jī)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(dòng)部件總重量

200kg（2）縱向定位精度

±0.015mm（3）最大移動(dòng)速度（快進(jìn)）

4.15m/min（4）最大進(jìn)給速度（工進(jìn)）

158ｍm/min（5）縱向進(jìn)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(jī)1.3.4設(shè)計(jì)要求:（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,控制系統(tǒng)功能完備,原理正確,制圖符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),圖面整潔;（2）設(shè)計(jì)說明書論述清楚,計(jì)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(jì)方案的擬定2.1總體方案的確定2.1.1、系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇

由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能，所以應(yīng)該選用連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。2.1.2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)機(jī)床要求，采用8位機(jī)。由于MCS—51系列單片機(jī)的特點(diǎn)之一是硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，MCS—51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片8031外擴(kuò)一片EPROM就能滿足功能的要求，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，可以利用MCS—51的擴(kuò)展功能，構(gòu)成功能強(qiáng)、規(guī)模較大的系統(tǒng)。所以應(yīng)選用8031單片機(jī)是符合經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床電路設(shè)計(jì)的。2.1.3、機(jī)床傳動(dòng)方式為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠。為了保證一定的傳動(dòng)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(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載荷的結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。第三章

機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(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)及切削力矩機(jī)計(jì)算，確定伺服電機(jī)，繪制機(jī)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(dāng)量及切削力的確定

脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01~0.005mm/脈沖,根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量,縱向:0.01mm/step（橫向0.005mm/步）3.2切削力的計(jì)算確定切削力(縱車外圓):主切削力按經(jīng)驗(yàn)公式估算：按切削力各分力比例：?。?.3

滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)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(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)緊以及過盈滾珠預(yù)緊等幾種。一、計(jì)算進(jìn)給牽引力作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切屑時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的重量和切屑分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的形式有關(guān)?？v向進(jìn)給為三角形導(dǎo)軌

式中:——考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌?。弧瑒?dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：——溜板及刀架重力：二、計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C選用滾珠絲杠副的直徑時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬（106）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，計(jì)算如下：式中：——滾珠絲杠導(dǎo)程，初選；——最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最大進(jìn)給速度的（），此處??；——使用壽命，按；——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)?。弧獕勖?，以轉(zhuǎn)為1單位。運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)：運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)

運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)

無沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)

1.0~1.2

一般運(yùn)轉(zhuǎn)

1.2~1.5

有沖擊運(yùn)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(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈,其額定動(dòng)負(fù)載為16400N,精度等級(jí)按滾珠絲杠行程公差表，選為3級(jí)(大致相當(dāng)于老表準(zhǔn)E級(jí))四、傳動(dòng)效率計(jì)算

式中：——螺旋升角，，——摩擦角，取，滾動(dòng)摩擦系數(shù)五、剛度計(jì)算先畫出此縱向進(jìn)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(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的。圖3-1縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖（1）絲杠的拉伸或壓縮變形量查《課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)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(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實(shí)際變形量為：（2）滾珠與螺紋滾道間接觸變形查《課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)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(jìn)行預(yù)緊，（3）支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形采用51107（舊代號(hào)為8107）型推力球軸承，，滾動(dòng)體直徑，滾動(dòng)體數(shù)量z=18，注：此公式中的單位應(yīng)為kgf。因施加預(yù)緊力，故據(jù)以上計(jì)算：六、穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端采用推力球軸承,不會(huì)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(hào)參數(shù)螺紋滾道公稱直徑40導(dǎo)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(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算4.1齒輪傳動(dòng)比計(jì)算(縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算)縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量；滾珠絲杠導(dǎo)程；初選步進(jìn)電機(jī)步距角；可計(jì)算出傳動(dòng)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(dòng)齒輪的幾何參數(shù)齒輪編號(hào)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(jì)算出傳動(dòng)比i后,降速級(jí)數(shù)決定采用一對(duì)齒輪降速,因?yàn)檫M(jìn)給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大,一般?。?1~2,數(shù)控車床,銑床?。?2,此作業(yè)中取ｍ=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(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用4.3.1、初選步進(jìn)電機(jī)1.計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)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(dāng)量(mm/step);Fm—進(jìn)給牽引力(N);

θb—步距角,初選雙拍制為0.75°;

η—電機(jī)-絲杠的傳動(dòng)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(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq

Tq=Tm/(0.3~0.5)

=1412.5/0.3N·mm=4708.6N·mm=470.8N·cm3.計(jì)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(jìn)電機(jī)型號(hào)根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax在國(guó)產(chǎn)BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(jì)型數(shù)控車床有可能使用較大的切削用量,應(yīng)該選稍大轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)以留有一定的余量.另一方面,與國(guó)內(nèi)同類型機(jī)床進(jìn)行類比,決定采用150BF002步進(jìn)電機(jī).4.3.2、根據(jù)草圖校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩前面所述初選步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算,均為估算;初選之后應(yīng)該進(jìn)行校核計(jì)算.1.等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算根據(jù)簡(jiǎn)圖運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J∑可由下式計(jì)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(dòng)慣量(kg·cm2)

Js—滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)算對(duì)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(zhǎng)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(jī)=(1~4)J∑

N取2電機(jī)慣量:

J電機(jī)=2×J∑=2×29.6=59.2kg·cm2總慣量:

J∑′=J電機(jī)+J∑=59.2+29.6=88.8kg·cm22.電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算機(jī)床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計(jì)算:1)快速空載起動(dòng)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(hào)意義同上

nmax=(υmax/δp))×(θb/360)

=(4000/0.01)×(0.75/360)=833.3r/min起動(dòng)加速時(shí)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(dòng)

T負(fù)1=Tf+To+T慣折算到電機(jī)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(dòng)鏈總效率,一般可取0.7~0.85此處取0.8;

i—傳動(dòng)比;

Fpo—滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷,一般取1/3Fm,Fm為進(jìn)給牽引力(N);

ηo—滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,一般取≥0.9;

FY—垂直方向的切削力(N);

T負(fù)1=26.75+10.74+387.31=424.8N·cm3)快速移動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩T負(fù)2

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

T切=(FZLoi)/(2πη)

=(1300×0.6×0.8)/(2π×0.8)=124.2N·cm

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

T負(fù)4=T切+T摩+T慣

=124.2+37.49+387.31N·cm=549N·cm從上面計(jì)算可以看出T負(fù)1,T負(fù)2,T負(fù)3和T負(fù)4四種工況下,以加速切削所需轉(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).

T電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩=(2~5)T負(fù)4取2倍

則:T電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩=2×549N·cm=1098N·cm從國(guó)產(chǎn)BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)表中查出150BF002型步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為13.72,大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩,以滿足此項(xiàng)要求.當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí),按150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性圖，完全可以滿足要求,所以初步選擇150BF002型步進(jìn)電機(jī)。4.4等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算1.運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J∑可由下式計(jì)算:計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3-1傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算：式中——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、——齒輪、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量——滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，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(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問題?；緷M足慣量匹配的要求。4.5電機(jī)力矩計(jì)算機(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)力矩在快速空載起動(dòng)階段加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下：將前面的數(shù)據(jù)帶入，式中各符號(hào)意義同前。。起動(dòng)加速時(shí)間折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩：附加摩擦力矩：上述三項(xiàng)合計(jì)：（2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩（3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩從上面計(jì)算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。從課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書P36表4-13查出，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為三相六拍時(shí)，。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(hào)，但還必須進(jìn)一步校核步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。表3-3型

號(hào)步距角相數(shù)電壓線電流靜轉(zhuǎn)矩空載起動(dòng)頻率空載運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)動(dòng)慣量機(jī)身長(zhǎng)單

位度VAN.mKHZKHZ（kg.cm2)（mm)110BYG35010.63110-2205121600>=3011144110BYG35020.63110-2205161600>=3015182110BYG35030.63110-2205201600>=30182614.6計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率從上表3-3查出110BYG3503型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)頻率為，圖3-2查出運(yùn)行頻率為，且根據(jù)下圖3-2b）藍(lán)色背景區(qū)所示可知，。圖3-2110BYG3503型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)矩頻特性從圖3-2看出，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，若，則，能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩可直接起動(dòng)。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，根據(jù)圖3-2，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行矩頻特性知，時(shí)，左右，大于，完全可以滿足要求。第五章

微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)5.1

單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)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(jī)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(yùn)行。硬件電路可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。

機(jī)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(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、顯示器及光電輸入機(jī)等。5.1.2在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素：（1）時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)，這個(gè)指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的度；（2）可擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量；（3）指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性；(4)I/O口擴(kuò)展的能力，即對(duì)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(yīng)用場(chǎng)合、控制對(duì)象對(duì)各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟(jì)價(jià)格比等經(jīng)濟(jì)的要求。

目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，一般選用MCS—51系列單片機(jī)作為主控制器。5.1.3存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)應(yīng)該包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。在選擇程序存儲(chǔ)器芯片時(shí)，要考慮CPU和EPROM時(shí)序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲(chǔ)器的容量等問題。

在存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)中還應(yīng)包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計(jì)。5.1.4、I/O口接口電路設(shè)計(jì)應(yīng)包括接口芯片的選用，步進(jìn)電機(jī)控制電路、鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設(shè)計(jì)。5.2MCS—51系列單片機(jī)的選用MCS—51系列單片機(jī)主要有三種型號(hào)的產(chǎn)品：8031、8051和8751。三種型號(hào)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(kuò)展ROM，可在現(xiàn)場(chǎng)修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場(chǎng)合，其價(jià)格低，使用靈活，非常適合在我國(guó)使用。此次作業(yè)使用的是8031芯片。一、8031單片機(jī)的基本特性8031單片機(jī)具有以下幾個(gè)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（6MH或12MH）、每執(zhí)行一條指令時(shí)間為或；（3）片內(nèi)具有128字節(jié)的RAM；（4）具有21個(gè)特殊寄存器。（5）可擴(kuò)展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K字節(jié)的外部程序存儲(chǔ)器；（6）具有4個(gè)I/O口，32根I/O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)全雙功串行接口；（10）具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算。從上述特性可以看出這種8031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(shí)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(shí)必須接地。XTAL2：振蕩器的反向放大器輸出和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部震蕩信號(hào)。3.I/O口共有P0、P1、P2、P3四個(gè)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(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位的地址線和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）P1.0—P1.7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）P2.0—P2.7（A8—A15）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口，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(gè)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(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(shí)器0外部輸入)P3.5

T1(定時(shí)器1外部輸入)P3.6

WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7

RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)由上看出，8031單片機(jī)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(chǔ)器的使能引腳，是外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(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）EA/VPP：EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。EA為低電平時(shí)，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令。因?yàn)?031芯片沒有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以EA必須接地。（3）ALE/PROG：ALE是地址鎖存器使能信號(hào)。作為地址鎖存允許時(shí)高電平有效。因?yàn)镻1端口是分時(shí)傳送數(shù)據(jù)和低8位地址。所以訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE信號(hào)鎖存低8位地址。即使在不訪問外部存儲(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(fù)位/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VCC關(guān)斷前加上VPD（掉電保護(hù)）RAM的內(nèi)容將不變。三、8031芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及地址分配8031芯片內(nèi)部無程序存儲(chǔ)器，只有256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器中的00H—1FH為四個(gè)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(gè)區(qū)都有8個(gè)8位寄存器R0—R7?？梢杂脕頃捍孢\(yùn)算的中間結(jié)果，以提高運(yùn)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(gè)工作寄存器區(qū)，可通過標(biāo)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(duì)其執(zhí)行按字節(jié)操作，又可對(duì)其中每個(gè)單元的8位二進(jìn)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(fù)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(duì)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(chǔ)器，且僅有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因而再組成控制系統(tǒng)時(shí)可根據(jù)需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于地址線是16位的，故最多能擴(kuò)展64KB程序存儲(chǔ)器和64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其地址均為0000H—FFFFH，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址；因此EPROM和RAM的地址分配比較自由，編程時(shí)不必考慮地址沖突問題。5.3存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)址沖突問題。MCS—51的程序存儲(chǔ)器的尋址空間為64K字節(jié)，8031片內(nèi)不帶ROM，用作程序存儲(chǔ)器的器件是EPROM。由于綜合作業(yè)設(shè)計(jì)要求擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器必須大于等于16KB，所以在此選取程序存儲(chǔ)器為一片27128數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為兩片6264。5.3.1、程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)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(dāng)芯片未選中，即CS是高電平時(shí)，它們處于高阻狀態(tài)，不會(huì)影響其他芯片輸出狀態(tài)。而當(dāng)CS和OE均為低電平時(shí)，芯片被選中，其存儲(chǔ)內(nèi)容從數(shù)據(jù)端輸出，即處于DOUT狀態(tài)。在編程時(shí)，從數(shù)據(jù)輸入要存儲(chǔ)的信息，數(shù)據(jù)引腳處于數(shù)據(jù)輸入DIN狀態(tài)。編程時(shí)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(hào)

讀維

持編

程編程檢驗(yàn)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(jī)8031芯片的P0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。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(dāng)G=“1”時(shí)，74LS373輸出端1Q—8Q與輸入端1D—8D相同；

當(dāng)G為下降沿時(shí)，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(shí)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(hào)ALE的下降沿將地址信息鎖存入地址鎖存器中。如外接存儲(chǔ)器芯片內(nèi)有地址鎖存器，則單片機(jī)CPU的P0口可與存儲(chǔ)器低8位地址線直接相連，但仍要將CPU的ALE信號(hào)與存儲(chǔ)器芯片ALE端相連。單片機(jī)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(chǔ)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(jī)規(guī)定指令碼和數(shù)據(jù)都是由P0口讀入，數(shù)位對(duì)應(yīng)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(chǔ)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(chǔ)器的擴(kuò)展由于8031芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要，需擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。1、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選用根據(jù)綜合設(shè)計(jì)的要求需擴(kuò)展16KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)器芯片的連接

單片機(jī)CPU與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的連接方法和與程序存儲(chǔ)器連接方法大致相同。唯控制線的連接不同：RAM讀入信號(hào)OE與8031芯片的RD引腳相連；RAM的寫輸入信號(hào)WE與8031芯片WR相連。5.3.3譯碼電路設(shè)計(jì)8031單片機(jī)允許擴(kuò)展64KB程序存儲(chǔ)器和64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這樣就需要擴(kuò)展多個(gè)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(chǔ)器各芯片之間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各芯片之間地址互相不重疊，以使單片機(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，避免發(fā)生沖突。所以需選用譯碼電路。對(duì)于容量較大的系統(tǒng)，擴(kuò)展的外圍芯片較多，芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線時(shí)，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(duì)高位地址進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。因?yàn)檫@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(duì)應(yīng)8個(gè)8K字節(jié)的地址空間。5.4I/O接口電路及輔助電路設(shè)計(jì)8031單片機(jī)共有4個(gè)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(yīng)用系統(tǒng)中都需要擴(kuò)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(gè)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(fù)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(gè)發(fā)光二極管組成，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮。控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。微機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖，它是用MCS—51系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用8031作CPU，擴(kuò)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(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)（2）鍵盤顯示（3）自動(dòng)換刀控制（4）螺紋加工控制（5）行程控制（6）其他功能報(bào)警電路、急停電路、復(fù)位電路、光隔離電路等。3.CPU、存儲(chǔ)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(shí)選通外部存儲(chǔ)器（EPROM），相應(yīng)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(fù)位控制，當(dāng)RESET輸入端出現(xiàn)高電平時(shí)，8031被初始化復(fù)位，在復(fù)位有效期向ALE、PSEN也輸出高電平。當(dāng)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(jì)中采用上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)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(shí)復(fù)位。①8031的T0是片內(nèi)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器溢出中斷申請(qǐng)，由主軸后面的光電譯碼器輸入。當(dāng)車床車螺紋時(shí)，主軸光電編碼器向8031T0發(fā)出進(jìn)給脈沖，用以控制不同導(dǎo)程的螺紋加工。光電編碼器還發(fā)出一個(gè)零位螺紋信號(hào)，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(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)I、手動(dòng)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(dòng)、暫停、單段、連續(xù)等功能。PB5是換刀回答，當(dāng)自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架按指令轉(zhuǎn)位、夾緊，刀架電機(jī)停轉(zhuǎn)后，發(fā)出此信號(hào)，開始執(zhí)行進(jìn)給指令。PB6接光電編碼器輸出的零位螺紋信號(hào)。PC口是輸出口，PC0—PC3控制自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架四個(gè)刀位的選刀。PC4用于報(bào)警顯示，系統(tǒng)正常工作時(shí)，輸出低電平，綠色發(fā)光二極管亮，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，輸出高電平，經(jīng)反向后，紅色發(fā)光二極管亮，實(shí)現(xiàn)報(bào)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(jìn)電機(jī)，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(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，Z向步進(jìn)電機(jī)為五相，X向?yàn)槿?。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(shí)作為8位數(shù)碼顯示器的位選信號(hào)，8031的P1口是數(shù)碼顯示器的段選信號(hào)。RL4—RL7接越程限位控制電路，當(dāng)床鞍或拖板在Z向或X向越程時(shí)，即向計(jì)算機(jī)輸入此信號(hào)，使進(jìn)給系統(tǒng)停止。第六章數(shù)控機(jī)床的加工程序編制6.1經(jīng)濟(jì)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(jì)型數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)按標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控語言編程，符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，其基本功能如下：

（1）能兩坐標(biāo)（X、Z）聯(lián)動(dòng)，具有直線與圓弧插補(bǔ)方式；

（2）絕對(duì)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(dú)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(dòng)更換主軸轉(zhuǎn)速；

（5）與刀架自動(dòng)換位裝置配套，能自動(dòng)轉(zhuǎn)換刀位；

（6）有刀具補(bǔ)償功能；二、編碼

本系統(tǒng)用到如下數(shù)字、字母和符號(hào)：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(hào)：/，+，-，LF；6.2加工說明及工藝路線設(shè)計(jì)一、編程中字母的說明程序段序號(hào)N，該序號(hào)用來表示程序段的序號(hào)，它可用來檢索程序段，或者顯示當(dāng)前執(zhí)行的程序段。程序段序號(hào)通常置于程序段首位。準(zhǔn)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(jī)床操作或動(dòng)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(jī)床產(chǎn)生輔助動(dòng)作。刀具功能字T，該功能用于更換刀具時(shí)，指定刀具或顯示待更換刀具的刀號(hào)。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(hào)。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(jì)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(shí)，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(biāo)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