CA6140車床數(shù)控化改造—縱向進(jìn)給單元設(shè)計(jì)【49頁(yè)】
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寧XX大學(xué)
機(jī)電一體化綜合作業(yè)(論文)
CA6140車床數(shù)控化改造—縱向進(jìn)給單元設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
目 錄
目 錄 II
第1章 緒 論 5
1.1 課題研究的意義 5
1.2 本課題研究的參數(shù)要求 5
第2章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定 7
2.1 總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容 7
2.1.1 數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定 7
2.1.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 7
2.1.3微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7
2.1.4 數(shù)控加工程序的編制 7
2.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定 8
2.2.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 8
2.2.2伺服系統(tǒng)的選擇 8
2.2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式的確定 9
2.2.4 計(jì)算機(jī)的選用 9
2.3 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床縱向伺服單元框圖 10
第3章 縱向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1 確定脈沖當(dāng)量 10
3.2 切削力的計(jì)算 10
3.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 11
3.2.1 精度的選擇 11
2.2.2絲杠導(dǎo)程的確定 11
3.2.3 最大工作載荷的計(jì)算 12
3.2.4 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 12
3.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型 13
3.2.6 滾珠絲杠副的支承方式 13
3.3.3 傳動(dòng)效率的計(jì)算 14
3.2.8 剛度的驗(yàn)算 14
3.2.9 穩(wěn)定性校核 15
3.2.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 15
3.4 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算 16
3.5 伺服電機(jī)的選擇 16
3.6導(dǎo)軌的特點(diǎn) 20
3.7 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 21
第4章 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24
4.1 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容 24
4.2 I/O接口電路 26
4.3 所用芯片接線引腳介紹 27
4.4 輔助電路的設(shè)計(jì) 31
4.5 微機(jī)控制軟件 36
4.6 系統(tǒng)直線插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì) 38
第5章 數(shù)控機(jī)床的加工程序編制 41
5.1 零件圖數(shù)控加工工藝分析 41
4.2 零件圖分析 41
5.3 確定加工方法 41
5.4 確定加工方案 42
5.5 定位基準(zhǔn)的選擇 42
5.6 裝夾方式的選擇 42
5.7 選擇數(shù)控刀具的原則 42
5.8 選擇數(shù)控車削用刀具 43
5.9 典型軸類零件加工工藝 44
5.10 編程 46
參考文獻(xiàn) 48
致 謝 49
47
第1章 緒 論
1.1 課題研究的意義
機(jī)床是裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，是實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石。電氣機(jī)床是一種高效率、高精度，能保證加工質(zhì)量，解決工藝難題，而且又有一定柔性的生產(chǎn)設(shè)備。自五十年代末世界上第一臺(tái)電氣機(jī)床在美國(guó)研制成功的半個(gè)多世紀(jì)以來，電氣技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，他們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，正處在黃金時(shí)代，由于技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)永恒的課題。在國(guó)內(nèi)，機(jī)床的電氣化改造是發(fā)展我國(guó)電氣設(shè)備的一個(gè)重要方面。
車床是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床，它能夠加工內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋等。普通車床由于造價(jià)低廉在我國(guó)運(yùn)用十分廣泛，但是因?yàn)槠溥M(jìn)給軸不能聯(lián)動(dòng)，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且無法加工復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件。對(duì)普通車床的電氣化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改成用單片機(jī)控制的并能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將手動(dòng)刀架換成能自動(dòng)換刀的電動(dòng)刀架。這樣，利用電氣裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。
1.2 本課題研究的參數(shù)要求
一、題目:
CA6140車床數(shù)控化改造—縱向進(jìn)給單元設(shè)計(jì)。
二、設(shè)計(jì)任務(wù)：
1.根據(jù)機(jī)床總體布局,確定機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案,確定微機(jī)控制系統(tǒng)方案；
2.進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制機(jī)械裝配圖一張及其兩個(gè)零件圖（三視圖）分別一張;
3.進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)技術(shù)分析，設(shè)計(jì)微機(jī)擴(kuò)展和接口電路，繪制控制系統(tǒng)原理圖一張；
3.分析下圖所示零件的數(shù)控加工工藝，編制數(shù)控加工程序;
5.撰寫設(shè)計(jì)說明書一份（8000字以上）。
三、給定條件：
1.縱向移動(dòng)部件總重量 250kg;
2.縱向運(yùn)動(dòng)分辨率 優(yōu)于0.02mm;
3.最大移動(dòng)速度(快進(jìn)) 4000mm/min;
4.最大進(jìn)給速度(工進(jìn)) 400mm/min;
5.橫向進(jìn)給切削力(X向) 1600N;
6.垂直切削力(Y向) 4000N；
7.縱向切削力（Z向） 1000N；
四、設(shè)計(jì)要求：
1.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，原理正確，制圖符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，圖面整潔；
2.微機(jī)控制系統(tǒng)功能完備，包括微機(jī)部分，人機(jī)交互部分和電機(jī)控制部分；微機(jī)部分?jǐn)U展16K程序存儲(chǔ)器容量，16K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；人機(jī)交互部分的數(shù)據(jù)和程序輸入采用4行8列的行列式鍵盤，狀態(tài)和信息顯示采用8位8段LED數(shù)碼限管；2個(gè)行程限位信號(hào)及工作方式采用開關(guān)量信號(hào)輸入，電機(jī)控制部分采用軟環(huán)分和高低壓驅(qū)動(dòng)；
3.設(shè)計(jì)說明書論述清楚，計(jì)算無誤，數(shù)值明確，引用公式及資料有出處。
第2章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定
2.1 總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。具體包括：
2.1.1 數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定
（1）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定。
（2）伺服系統(tǒng)的選擇。
（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式確定。
（4）計(jì)算機(jī)的選擇。
應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，參考現(xiàn)有同類型數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，確定以上內(nèi)容。
2.1.2 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）滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型。
（4）導(dǎo)軌的計(jì)算和選型。
（5）進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算。
（6）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選用。
（7）設(shè)計(jì)繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)一個(gè)坐標(biāo)軸的機(jī)械裝配圖。
2.1.3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。
2.1.4 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）確定工件裝夾方法及對(duì)刀點(diǎn)。
（4）選擇刀具。
（5）確定切削用量。
（6）編制零件加工程序。
2.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定
2.2.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。
如果工件相對(duì)于刀具移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。例如數(shù)控鉆床，在工作臺(tái)移動(dòng)過程中不進(jìn)行鉆孔加工，因此可選用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。對(duì)點(diǎn)位控制系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。
若要求工作臺(tái)或刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有確定的函數(shù)關(guān)系，則為連續(xù)控制系統(tǒng)，應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運(yùn)動(dòng)的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機(jī)床可以加工各種外形輪廓復(fù)雜的零件，所以連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)。例如數(shù)控銑床、數(shù)控車床等均屬于此種運(yùn)動(dòng)方式。
還有一些采用點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床，例如數(shù)控鏜銑床等，不但要求工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)坐標(biāo)，還要求工作臺(tái)沿坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)過程中切削工件。這種系統(tǒng)叫點(diǎn)位/直線控制系統(tǒng)。
根據(jù)綜合作業(yè)任務(wù)書的要求，對(duì)CA6140車床的縱向伺服系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化改造。依據(jù)車床的加工特點(diǎn)，應(yīng)該選用連續(xù)控制系統(tǒng)。
2.2.2伺服系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測(cè)裝置，指令信號(hào)是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、容易掌握、調(diào)試和維修都比較簡(jiǎn)單。
閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測(cè)反饋元件，用來檢測(cè)實(shí)際位移量，能補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。閉環(huán)系統(tǒng)造價(jià)高、結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場(chǎng)合。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測(cè)工作臺(tái)的位移量，而是用檢測(cè)元件測(cè)出驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺(tái)實(shí)際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。
由于開環(huán)控制有許多優(yōu)點(diǎn)，所以目前國(guó)內(nèi)大力發(fā)展的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)任務(wù)書的要求，這次對(duì)車床縱向進(jìn)給伺服單元進(jìn)行數(shù)控化改造應(yīng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式的確定
為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
（1）盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。
（2）盡量消除傳動(dòng)間隙。例如采用消隙齒輪等。
（3）提高系統(tǒng)剛度。縮短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。
2.2.4 計(jì)算機(jī)的選用
微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、I/O接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路等幾部分組成。
微機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其他裝置均是在微機(jī)的指揮下進(jìn)行工作的。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用微機(jī)直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對(duì)微機(jī)的要求是多方面的，但主要指標(biāo)是字長(zhǎng)和速度。字長(zhǎng)不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運(yùn)算的精度。字長(zhǎng)較長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)，價(jià)格顯著上升，而字長(zhǎng)較短的計(jì)算機(jī)要進(jìn)行雙字長(zhǎng)或三字長(zhǎng)的運(yùn)算，就會(huì)影響速度。目前一些高檔的CNC系統(tǒng)，已普遍使用32位微機(jī)，主機(jī)頻率由5MHz提高到20～30MHz,有的采用多CPU系統(tǒng)，減輕主CPU的負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步提高控制速度。標(biāo)準(zhǔn)型的CNC系統(tǒng)多使用16位微機(jī)，經(jīng)濟(jì)型CNC系統(tǒng)則采用8位微機(jī)。可采用MCS-51系列單片機(jī)或Z-80單板機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)。
由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，所以本次設(shè)計(jì)決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
2.3 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床縱向伺服單元框圖
車床縱向伺服單元框圖
第3章 縱向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 確定脈沖當(dāng)量
一個(gè)進(jìn)給脈沖，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生位移量，也稱為機(jī)床的最小設(shè)定單位。脈沖當(dāng)量是衡量電氣機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型車床銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01～0.005mm/脈沖。而本設(shè)計(jì)脈沖當(dāng)量已給出，要優(yōu)于0.02mm,根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向：0.01mm/脈沖。
3.2 切削力的計(jì)算
切削力是指在切屑過程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的講是在切削加工時(shí)，工件材料抵抗刀具切削時(shí)產(chǎn)生的阻力。車削外圓時(shí)的切削力如圖3-1所示。主切削力與切削速度的方向一致，垂直向下，是計(jì)算車床主軸電動(dòng)機(jī)切削功率的依據(jù)；進(jìn)給力與進(jìn)給方向平行且方向相反；背向力與進(jìn)給方向相垂直，對(duì)加工精度的影響較大。
圖3-1 車削力分析
根據(jù)課題條件可知：
橫向進(jìn)給切削力(X向)=1600N;
垂直切削力(Y向) =4000N；
縱向切削力（Z向） =1000N；
3.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，其螺旋傳動(dòng)是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長(zhǎng)工作壽命，可設(shè)置潤(rùn)滑件和密封件。
3.2.1 精度的選擇
滾珠絲杠副的精度直接影響電氣機(jī)床的定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度最明顯。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。對(duì)于車床，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)X軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），Z軸為2～5級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求和改造的經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸精度等級(jí)為3級(jí)，Z軸為4級(jí)。
2.2.2絲杠導(dǎo)程的確定
選擇導(dǎo)程跟所需要的運(yùn)動(dòng)速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導(dǎo)程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿足的情況下，一般選擇較小導(dǎo)程（利于提高控制精度），本設(shè)計(jì)中初選縱向絲杠導(dǎo)程為8
3.2.3 最大工作載荷的計(jì)算
最大工作載荷是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所承受的最大軸向力，也叫進(jìn)給牽引力,其實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式如表3-1所示。
表3-1 實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)
導(dǎo)軌類型
實(shí)驗(yàn)公式
矩形導(dǎo)軌
1.1
0.15
燕尾導(dǎo)軌
1.4
0.2
綜合或三角導(dǎo)軌
1.15
0.15-0.18
表中為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)；為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；為移動(dòng)部件總重量。G=2500 N（縱向移動(dòng)部件總重量250kg）
查表3-1選擇綜合導(dǎo)軌，取1.15,取0.18,為2000；
算得=1.15×1600+0.18×（1000+2500）
=2470
3.2.4 最大動(dòng)載荷的計(jì)算
載荷隨時(shí)間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動(dòng)載荷。比如起重機(jī)以等速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為靜載，起重機(jī)以加速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為動(dòng)載。
對(duì)于滾珠絲杠螺母副的最大動(dòng)載荷計(jì)算公式如下：
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r，（T為使用壽命，普通機(jī)床T取5000-10000h，電氣機(jī)床T取15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）；
—載荷系數(shù)，一般取1.2～1.5，本設(shè)計(jì)取1.2；
—硬度系數(shù)（HRC58時(shí)取1.0；等于55時(shí)取1.11；等于52.5時(shí)取1.35；等于50時(shí)取1.56；等于45時(shí)取2.40）；
—滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。
本設(shè)計(jì)中車床縱向承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度（題設(shè)條件最大進(jìn)給速度(工進(jìn)) 400mm/min）;,初選絲杠基本導(dǎo)程，則絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠使用壽命，帶入得=45；取，代入，求得 ：=10542.63N。
3.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型
初選滾珠絲桿副時(shí)應(yīng)使其額定動(dòng)載荷, 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間承受工作載荷時(shí)，還應(yīng)使額定靜載荷。
根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷,選擇江蘇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL5008-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預(yù)緊，精度等級(jí)為4級(jí)，其參數(shù)如表3-2所示。
表3-2 FL5008-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)
公稱直徑/
導(dǎo)程/
鋼球直徑/
絲杠外徑/
絲杠底徑/
額定載荷/
接觸剛度
/
1897
50
8
3.763
48.6
43.24
66
31
3.2.6 滾珠絲杠副的支承方式
滾珠絲杠副的支承主要用來約束絲杠的軸向竄動(dòng)，為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合?？紤]到縱向絲杠長(zhǎng)度較大，本設(shè)計(jì)縱向絲杠采用雙推—簡(jiǎn)支支承方式，該方式臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。
3.3.3 傳動(dòng)效率的計(jì)算
滾珠絲杠的傳動(dòng)效率一般在0.8～0.9之間，其計(jì)算公式如下：
=
式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°91′；
—摩擦角，一般取=10′。
算得： ==96.67%
3.2.8 剛度的驗(yàn)算
滾珠絲杠副工作時(shí)受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，引起導(dǎo)程的變化，從而影響定位精度和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形。
因轉(zhuǎn)矩和絲杠-螺母滾道接觸對(duì)絲杠產(chǎn)生的導(dǎo)程變化很小，所以、可以忽略不計(jì)，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為：
=（“+”號(hào)代表拉伸，“-”代表壓縮）
式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；
—絲杠縱向最大有效行程，單位為；
—絲杠材料的彈性模量，鋼；
—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。
根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，為3233.36，取1665，為43.24，算得：
==±0.01597=±13.97
查表3-3可知，,所以剛度足夠。
表3-3 有效行程內(nèi)的目標(biāo)行程公差和行程變動(dòng)量
有效行程
精度等級(jí)
1
2
3
4
5
大于
至
—
315
6
6
8
8
12
12
16
16
23
23
400
500
8
7
10
9
15
13
20
19
27
26
1600
2000
18
13
25
18
35
25
48
36
65
51
3.2.9 穩(wěn)定性校核
由于滾珠絲杠本身比較細(xì)長(zhǎng)又受軸向力的作用，若軸向負(fù)載過大，則會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk應(yīng)該滿足：
=
式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)，取2，其他方式如表3-4所示；
—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，垂直安裝時(shí)取最小值，本設(shè)計(jì)取4；
—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為2500；
（其中工件加工長(zhǎng)度為2000，留500的兩端余量）
—按絲杠底徑確定的截面慣性矩（，單位為）,本設(shè)
中將代入算出=205512.36。
由以上數(shù)據(jù)可以算出：==
臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷（2398N），故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
表3-4 絲杠支承系數(shù)
支承方式
雙推-雙推
雙推-簡(jiǎn)支
單推-單推
雙推-自由
取值
4
2
1
0.25
3.2.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證
滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)，取值如表3-5所示；
—臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為2300；
—絲杠內(nèi)徑，單位；
—安全系數(shù)，可取=0.8
表3-5 絲杠支承系數(shù)
支承方式
雙推-雙推
雙推-簡(jiǎn)支
單推-單推
雙推-自由
取值
27.4
18.9
12.1
3.3
經(jīng)過計(jì)算，得出=1293，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.4 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算
有關(guān)齒輪計(jì)算
傳動(dòng)比
故取
； ； ； ； ；
3.5 伺服電機(jī)的選擇
（1）工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑；
——絲杠長(zhǎng)度。
則
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略。
因此，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
（2）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算
快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩
最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
式中 ——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；
——由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；
——切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。
當(dāng)時(shí)
當(dāng)時(shí)
當(dāng)時(shí)， 時(shí)
當(dāng)時(shí)預(yù)加載荷，則
所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩
切削時(shí)所需力矩
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
由上分析計(jì)算可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)：
（3）縱向進(jìn)給系統(tǒng)伺服電機(jī)的確定
為了滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知
所以，伺服電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距為
伺服電機(jī)最高工作頻率
綜合考慮，查表選用130SZ04型伺服電動(dòng)機(jī)，能滿足要求[7-12]。
3.6導(dǎo)軌的特點(diǎn)
滑動(dòng)導(dǎo)軌常用材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等。導(dǎo)軌的使用壽命取決于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法、以及使用與維護(hù)。提高導(dǎo)軌的耐磨性，使其在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)保持一定的導(dǎo)向精度，就能延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。常用的提高導(dǎo)軌耐磨性的方法有：采用鑲裝導(dǎo)軌、提高導(dǎo)軌的精度與改善表面粗糙度、采用卸荷裝置減小導(dǎo)軌單位面積上的壓力(即比壓)等。
滑動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便和抗振性良好；缺點(diǎn)是磨損快。為了提高耐磨性，國(guó)內(nèi)外主要采用鑲鋼滑動(dòng)導(dǎo)軌和塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。
1．鑄鐵 鑄鐵有良好的耐磨性、抗振性和工藝性。常用鑄鐵的種類有：
（1）灰鑄鐵 一般選擇HT200，用于手工刮研、中等精度和運(yùn)動(dòng)速度較低的導(dǎo)軌，硬度在HB180以上；
（2）孕育鑄鐵 把硅鋁孕育劑加入鐵水而得，耐磨性高于灰鑄鐵；
（3）合金鑄鐵 包括：含磷量高于0.3％的高磷鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵一倍以上；磷銅鈦鑄鐵和釩鈦鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵二倍以上；各種稀土合金鑄鐵，有很高的耐磨性和機(jī)械性能；
鑄鐵導(dǎo)軌的熱處理方法，通常有接觸電阻淬火和中高頻感應(yīng)淬火。接觸電阻淬火，淬硬層為0.15~0.2mm。硬度可達(dá)HRC55。中高頻感應(yīng)淬火， 淬硬層為2~3mm，硬度可達(dá)HRC48~55，耐磨性可提高二倍，但在導(dǎo)軌全長(zhǎng)上依次淬火易產(chǎn)生變形，全長(zhǎng)上同時(shí)淬火需要相應(yīng)的設(shè)備。
2．鋼 鑲鋼導(dǎo)軌的耐磨性較鑄鐵可提高五倍以上。常用的鋼有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整體淬硬處理，硬度為52~58HRC；20Cr、20CrMnTi、15等滲碳淬火，滲碳淬硬至56~62HRC；38C rMoAlA等采用氮化處理。
3．有色金屬 常用的有色金屬有黃銅HPb59-l，錫青銅ZCuSn6Pb3Zn6，鋁青銅ZQAl9-2和鋅合金ZZn-Al10-5，超硬鋁LC4、鑄鋁ZL106等，其中以鋁青銅較好。
4．塑料 鑲裝塑料導(dǎo)軌具有耐磨性好(但略低于鋁青銅)，抗振性能好，工作溫度適應(yīng)范圍廣(-200~+260℃)，抗撕傷能力強(qiáng)，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速運(yùn)動(dòng)的臨界速度，加工性和化學(xué)穩(wěn)定件好，工藝簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前在各類機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌及圖形發(fā)生器工作臺(tái)的導(dǎo)軌上都有應(yīng)用。塑料導(dǎo)軌多與不淬火的鑄鐵導(dǎo)軌搭配。
3.7 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)
作用力合作用點(diǎn)位置，作用力方向和作用點(diǎn)的位置唏噓合理安置。一邊導(dǎo)軌傾斜的力矩盡量小。否則會(huì)使導(dǎo)軌中的摩擦力增大，磨加劇，從而降低導(dǎo)軌的靈活性和導(dǎo)向精度。嚴(yán)重時(shí)甚至還可能卡死，不能正常工作。
作用在運(yùn)動(dòng)件上的推力有三種情況：
1.推力通過運(yùn)動(dòng)件在軸線
2.推力作用點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)件的軸線上。但推力的方向與軸線成一夾角
2.推力平行于運(yùn)動(dòng)件的軸線上
對(duì)于第一種情況，導(dǎo)軌鎮(zhèn)南關(guān)的摩擦力只受到載荷及運(yùn)動(dòng)件本身重量的影響，推力不會(huì)產(chǎn)生附加摩擦力。猶豫結(jié)構(gòu)上的限制，實(shí)際的結(jié)構(gòu)中往往出項(xiàng)第二第三中情況。為了保證導(dǎo)軌的靈活性，要對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行驗(yàn)算，在已知的條件先，確定各部分的集合尺寸。
推力F與運(yùn)動(dòng)件軸線組成夾角a,如圖所示
選與運(yùn)動(dòng)件軸線與軸線相距h，圖中為軸向阻力和為反作用力，為當(dāng)量摩擦系數(shù)，根據(jù)靜力平衡條件
解得：
推動(dòng)運(yùn)動(dòng)件則必須：
保證運(yùn)動(dòng)件不卡死條件
即：
為了保證運(yùn)動(dòng)靈活，可取值
當(dāng)取f=0.25時(shí)，則有：
對(duì)圓柱形導(dǎo)軌：
對(duì)矩形導(dǎo)軌：
對(duì)燕尾形或三角形導(dǎo)軌：
推力F的作用將使運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生傾斜，從而使運(yùn)動(dòng)件與承導(dǎo)體的倆點(diǎn)處壓緊，
設(shè)正壓力分別為 .，相應(yīng)摩擦力，，作用間的距離為L(zhǎng)，軸向阻力為
根據(jù)靜力平衡條件,運(yùn)動(dòng)件的直徑較小時(shí)，上式中含有d的各項(xiàng)可以略去。可
解得：
欲推動(dòng)運(yùn)動(dòng)件，則必須使
若要保證不卡死的條件是：
由此，可得到當(dāng)推力F與運(yùn)動(dòng)件有一夾角a時(shí)，運(yùn)動(dòng)件正常工作的條件是
為當(dāng)量摩擦系數(shù)
在燕尾形和三角形導(dǎo)軌中:
--滑動(dòng)摩擦系數(shù)
--眼尾輪廓角與三角底角
在本設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌中：h=200mm L=360 因此：
符合相關(guān)要求。
第4章 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容
繪制系統(tǒng)電氣控制的結(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。
（1）數(shù)控系統(tǒng)的組成
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。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。
（2）機(jī)床的硬件電路有以下五部分組成:
1、 主控制器 即中央處理單元（CPU）；
2、 總線 包括數(shù)據(jù)總線(DB)，地址總線(AB)和控制總線(CB)；
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。
繪制機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖
圖 4-1 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）
目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，推薦采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制器。由于其具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，經(jīng)過分析本次任務(wù)要求，決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。由于8031內(nèi)部無程序存儲(chǔ)器，且只有地址為00~7FH這128個(gè)單元作為片內(nèi)RAM供用戶使用。由于本次任務(wù)要求：微機(jī)部分?jǐn)U展16k×8位程序存儲(chǔ)器，16k×8位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；人機(jī)交互部分的輸入接口采用4行8列的行列式鍵盤，輸出接口采用8位8段LED數(shù)碼管；2個(gè)行程限位信號(hào)（Z向直線運(yùn)動(dòng)單元）、工作方式（手動(dòng)、自動(dòng)、編輯等）及報(bào)警指示等采用開關(guān)量信號(hào)輸入；電機(jī)控制部分采用軟環(huán)分和高低壓驅(qū)動(dòng)，控制機(jī)床的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，所以，RAM、ROM、I/O接口均需擴(kuò)展。
決定擴(kuò)展兩片2764、兩片6264、一片8279、一片8255。
1、不同型號(hào)的EPROM工作速度有差別，一般為200~450ns,選擇時(shí)應(yīng)注意是否系統(tǒng)的時(shí)序要求。即8031所提供的讀取時(shí)間應(yīng)大于EPROM的工作時(shí)間。8031訪問EPROM時(shí)，其所能提供的讀取時(shí)間t與所選的晶體時(shí)鐘有關(guān)，大約為3T，其中的T為時(shí)鐘周期，本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用晶體頻率為6MHz，則t≈480ns故凡工作速度小于480ns的芯片在時(shí)序上均滿足要求，所以2764滿足要求。
2、常用的靜態(tài)RAM芯片有6116、6264、62256等，6264采用CMOS工藝，有+5V供電，典型存取時(shí)間為150~200ns。所以6264滿足要求，采用28引腳雙列直插式扁平封裝。
由于單片機(jī)8031芯片的P0口分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，P2 口傳送高8位地址，所以采用74LS 373地址鎖存器，鎖存低8位地址。單片機(jī)的P2口用作高位地址線和片選地址線，由于P2口具有鎖存功能，故不必外加地址鎖存器。
2764和6264芯片均具有8KB，需要13根地址線。A0 ~ A7 低8位相應(yīng)接74LS 373的輸出1Q~8Q，A8 ~ A12 相應(yīng)接8031芯片的P2.0 ~ P2.4 。
由于擴(kuò)展了兩片2764、兩片6264、一片8279、一片8255，所以系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片片選信號(hào)對(duì)應(yīng)接74LS138譯碼器的0和1。
兩片6264芯片的片選信號(hào)對(duì)應(yīng)接74LS138的2和3，單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)允許程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址（即允許地址重疊），8031芯片控制信號(hào)接2764的引腳，讀寫控制信號(hào)和分別接6264芯片的和。由于8031芯片內(nèi)部沒有ROM，只能用外部程序存儲(chǔ)器，所以必須接地。
ROM、RAM、I/O接口芯片地址分配
器件
地址選擇線
片內(nèi)地址單元/字節(jié)
地址編輯
2764（1）
000x xxxx xxxx xxxx
8K
0000H~1FFFH
2764（2）
001x xxxx xxxx xxxx
8K
2000H~3FFFH
6264（1）
010x xxxx xxxx xxxx
8K
4000H~5FFFH
6264（2）
011x xxxx xxxx xxxx
8K
6000H~7FFFH
8279
1001 1111 1111 111x
2
9FFEH~9FFFH
8255
1011 1111 1111 11xx
4
BFFCH~BFFFH
三、軟環(huán)分
課程設(shè)計(jì)任務(wù)書要求采用軟環(huán)分，又因?yàn)閮蛇\(yùn)動(dòng)單元都選用了55BF003步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，并且Z軸采用三相六拍的控制方式，C軸采用三相雙三拍的控制方式。所以選用了8255的PA0PA2分別對(duì)應(yīng)Z軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的A、B、C三相繞組，確定A-AB-B-BC-C-CA-A為電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn); PA3PA5分別對(duì)應(yīng)C軸步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相繞組,并確定AB-BC-CA-AB為電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。
4.2 I/O接口電路
一、I/O接口電路的擴(kuò)展
由于8031只有P口和P口部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的要求，因此系統(tǒng)擴(kuò)展了一片8279和一片8255可編程I/O接口芯片。8279的片選信號(hào)接74LS138的4端。8255的片選信號(hào)接74LS138的5端。74LS138有三個(gè)輸入A、B、C分別接到8031的P、P、P,輸出～8個(gè)輸出，低電平有效。
8279與鍵盤、顯示器的連接：鍵盤的行線接8279的RL～RL，本次設(shè)計(jì)8279采用外部譯碼方式，SL～SL經(jīng)74LS138（1）譯碼器輸出～，作為按鍵盤的列線，SL～SL又由74LS138(2)譯碼器輸出～，經(jīng)驅(qū)動(dòng)后輸出到顯示器各位的共陰極，輸出線OUTB、OUTA作為8位段數(shù)據(jù)輸出口，控制74LS138(2)的譯碼，當(dāng)位切換時(shí)，輸出低電平，使74LS138(2)輸出全為高電平，當(dāng)鍵盤上出現(xiàn)有效的閉合健時(shí)，鍵輸入數(shù)據(jù)自動(dòng)的進(jìn)入8279的FIFORAM，并向8031請(qǐng)求中斷，8031響應(yīng)中斷，讀取FIFORAM中的輸入鍵值更新顯示器輸出，僅需改變8279種顯示緩沖器RAM中的內(nèi)容。
8255的PA口用于控制Z向,C向的步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)任務(wù)書要求采用軟環(huán)分，于是PB口和PC口主要用于功能鍵的控制。
4.3 所用芯片接線引腳介紹
一、8031單片機(jī)芯片的介紹
8031芯片具有40根引腳按其功能分為四類
1.電源線2根?。╒,V）
2.晶體振蕩器2根
XTAL:振蕩器的反相放大器輸入，使用外部振蕩器時(shí)必須接地。
XTAL:當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào)
3.I/O口 共用P,P,P,P四個(gè)八位口，32根地址線，其功能如下：
（1）P～P：分時(shí)用作低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線。
（2）P～P：供用戶使用。
（3）P～P：它作為高8位地址線
（4）P～P：該口的每一位均可獨(dú)立的定義為第一I/O口或第二I/O口功能
作為第一功能實(shí)用時(shí)，口結(jié)構(gòu)與操作與P口完全相同。
第二功能如下所示：
：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 ：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通
T,T:定時(shí)器0，1外部輸入 、：外部中斷
RxD:串行輸入口 TxD:串行輸出口
4.控制線
（1）：程序存儲(chǔ)器的使能引腳，是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)；
（2）：為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令；為低電平時(shí)，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令，8031的端口必須接地；
（3）ALE：ALE是地址鎖存器的使能信號(hào)，ALE信號(hào)鎖存低8位地址
（4）RST/VPD：是復(fù)位/備用電源端
二、2764 ROM芯片的介紹
2764芯片為28腳雙列直插式扁平封裝芯片，其管腳的功能介紹如下：
：片選端； ：輸出使能端 ； A～A：地址端接口；
D～D：數(shù)據(jù)端接口；：編程控制端； V：編程電源端；
V：電源端； V：接地。
三、6264 RAM芯片的介紹
6264芯片也為28腳雙列直插式扁平封裝芯片，其管腳功能介紹：
V：電源端； V：接地。
：片選端1; CS2：片選端2;
：讀輸入選通端; ：寫輸入選通端;
A～A：地址線;
I/O～I(xiàn)/O：I/O口。
四、地址鎖存器74LS373和地址譯碼器74LS138的引腳圖
五、專用鍵盤顯示器接口芯片8279
8279是通用可編程鍵盤和顯示器I/O接口部件。利用8279，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤/顯示器的自動(dòng)掃描，并識(shí)別鍵盤上閉合健的鍵號(hào)，不僅可以大大節(jié)省CPU對(duì)鍵盤顯示器的操作時(shí)間，從而減輕CPU的負(fù)擔(dān)，而且顯示穩(wěn)定。程序簡(jiǎn)單，不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，由于這些優(yōu)點(diǎn)，8279芯片被日益廣泛地應(yīng)用，
其引腳功能如下：
（1）I/O控制器與數(shù)據(jù)緩沖器
利用、A和、信號(hào)去控制各種內(nèi)部寄存器讀寫，A=1，表示傳送的是命令或狀態(tài)信息，A=0時(shí)數(shù)據(jù)信息。DB～DB與CPU數(shù)據(jù)總線相連。為片選信號(hào)，為低電平時(shí)，CPU才選中8279進(jìn)行讀寫。
（2）IRQ為中斷請(qǐng)求輸出線，高電平有效。
（3）RL～RL為反饋輸入線，作為鍵輸入線由內(nèi)部拉高電阻拉成高電平，也可由按鍵拉成低電平。
（4）SHIFT、CNTL/STB為控制鍵輸入線，由內(nèi)部拉高電阻拉成高電平。
（5）SL～SL為掃描輸出線，用于對(duì)鍵盤顯示器掃描。
（6）OUTB,OUTA為顯示段數(shù)據(jù)輸出線。
（7）為消隱輸出線，低電平有效，當(dāng)顯示器切換時(shí)，或使用顯示消隱命令時(shí)，將顯示消隱。
（8） RESET為復(fù)位輸入線，高電平有效。
六、8255可編程接口芯片：
8255具有3個(gè)8位的并行I/O口，分別為PA口、PB口和PC口，它們都可以通過軟件編程來改變I/O口的工作方式，其功能如下：
：片選端；PA～PA:A口； PB～PB:B口； PC～PC:C口A,A:地址線；：讀信號(hào)；: 寫信號(hào)D～D:數(shù)據(jù)線
RESET:復(fù)位信號(hào)； GND:地。
4.4 輔助電路的設(shè)計(jì)
一、輔助電路的介紹
微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)除了各種主要功能芯片外，還必須包括一些其他必要的輔助電路。這些輔助電路有：鍵盤顯示器電路，步進(jìn)電機(jī)控制電路，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，越界報(bào)警電路，掉電保護(hù)電路等。各種電路介紹如下：
1.鍵盤顯示器接口電路
數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有：LED顯示器，LCD和CRT顯示器。本設(shè)計(jì)采用LED顯示器，通常它是由八個(gè)發(fā)光二極管組成的，具有共陰極和共陽(yáng)極兩種結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計(jì)采用共陰極結(jié)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖所示：
鍵盤是由若干按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，其工作原理如圖所示：
2.步進(jìn)電機(jī)控制電路
步進(jìn)電機(jī)控制電路如下列框圖所示：
步進(jìn)電機(jī)控制電路框圖
現(xiàn)分別介紹如下：
（1）脈沖分配器（環(huán)形分配器）
環(huán)形分配器有硬件和軟件兩種，硬件環(huán)形分配器需要的I/O口接線少，其執(zhí)行速度快，但需要專有的芯片。軟環(huán)形分配器實(shí)用程序?qū)崿F(xiàn)的。本設(shè)計(jì)中要求使用軟環(huán)分配器。其具體程序內(nèi)容見下部分。
（2）光電隔離電路
在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后，控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流也較大。如果將I/O口輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)的程序正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)接口電路的損壞。所以一般要在接口電路與功率放大器間加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。電路圖如圖所示：
光電隔離電路圖
該圖為同向輸出電路，控制信號(hào)經(jīng)74LS05集電極開路門反相后驅(qū)動(dòng)光耦合器的輸入發(fā)光二極管。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，74LS05不吸收電路，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，從而輸出的光敏晶體管截至，輸入電壓為零電平。反之輸出電壓為高電平。
（3）功率放大電路
脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，必須將它放大，已產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，本次設(shè)計(jì)所選用的是一種高低壓供電電路。其具體電路圖如圖所示。
高低壓驅(qū)動(dòng)電路圖
其工作原理：
電路中各晶體管均處在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)控制脈沖到來時(shí)，V１、V２、V３均導(dǎo)通，同時(shí)脈沖變壓器的二次側(cè)產(chǎn)生一定寬度的脈沖電流，使V２出于導(dǎo)通狀態(tài)，使二極管處于負(fù)偏置而截止，將電動(dòng)機(jī)繞組LＡ與電源En斷開，高壓電源通過V2、 V1為步進(jìn)電機(jī)繞組LＡ供電，使其電流上升沿變陡，通過Ｉb時(shí)間后，脈沖電流消失，使V處于截至狀態(tài)，切斷高壓電源EH與電動(dòng)機(jī)繞組LA的回路，En通過VD2, V1為電動(dòng)機(jī)供電，提供電動(dòng)機(jī)所需的額定電流。
3.8031的時(shí)鐘電路
單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，本次設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式，如圖所示。晶體可在1.2～12MHz之間任選，耦合電容在5～30PF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。
時(shí)鐘電路圖
4.復(fù)位電路
單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從0000H單元開始執(zhí)行程序。單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種。下圖中為上電與按鈕復(fù)位組合。在上電瞬間，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上高電平，就能使單片機(jī)有效復(fù)位。
復(fù)位電路圖
5.越界報(bào)警電路
為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。本次設(shè)計(jì)采用中斷方式，利用8031的外部中斷，只要有任一個(gè)行程開關(guān)閉合，即工作臺(tái)在某一個(gè)方向越界，均能產(chǎn)生中斷信號(hào)，為了報(bào)警，設(shè)置紅綠燈指示，正常工作時(shí)綠燈亮，當(dāng)越界報(bào)警是紅燈亮。兩燈均由一個(gè)I/O口輸出。
（a）為報(bào)警信號(hào)的產(chǎn)生。 (b)為報(bào)警指示。
6.掉電保護(hù)電路
掉電保護(hù)電路，保護(hù)一些重要的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，如幾何尺寸，工藝參數(shù)，再掉電后仍能妥善保存，恢復(fù)供電后又能馬上運(yùn)行。
掉電保護(hù)電路圖
圖中Va為電源電壓，Vb為備用電池電壓并且Va＞Vb，V為存儲(chǔ)器RAM電源端，正常通電時(shí)，二極管VD2導(dǎo)通，VD截止，電壓由Va提供，同時(shí)Va還通過電阻R對(duì)電池充電。斷電后，VD2截止，VD導(dǎo)通，此時(shí)RAM的工作電壓由電池Vb經(jīng)二極管VD1和電阻提供。
4.5 微機(jī)控制軟件
典型的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的組成形式如下圖中所示：
數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的功能介紹如下：
（一）系統(tǒng)總控程序
這是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的主循環(huán)程序，系統(tǒng)上電后便進(jìn)入這部分程序運(yùn)行，它主要完成以下工作：1:系統(tǒng)的初始化；2：命令處理循環(huán)
（二）零件加工程序的輸入和輸出管理
零件加工程序的輸入有兩種方法：1：通過光電閱讀機(jī)輸入。2：從鍵盤輸入。零件程序存儲(chǔ)器一般容量較大，可以存放多個(gè)零件加工程序。數(shù)控系統(tǒng)采用的零件加工方式是存儲(chǔ)器工作方式，系統(tǒng)從零件存儲(chǔ)器中逐段取出程序送入程序緩沖器。然后對(duì)程序緩沖器中程序段數(shù)據(jù)預(yù)處理，形成可供插補(bǔ)運(yùn)算的數(shù)據(jù)。
（三）零件加工程序的編輯
編輯程序也可以看作鍵盤命令處理程序，既可以用來從鍵盤輸入新的零件加工程序，也可以用來對(duì)已經(jīng)存儲(chǔ)在零件程序存儲(chǔ)器中的零件加工程序進(jìn)行編輯和修改。常用的編輯功能包括插入、刪除、查找、移動(dòng)等。
（四）機(jī)床手動(dòng)調(diào)整控制
機(jī)床手動(dòng)調(diào)整動(dòng)作包括：各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)、主軸運(yùn)動(dòng)、刀架轉(zhuǎn)位、冷卻液的開停等。 在手動(dòng)調(diào)整狀態(tài)下，除了控制機(jī)床的動(dòng)作外，還要對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行修改設(shè)置。由上述內(nèi)容可看出，手動(dòng)調(diào)整的控制程序是一個(gè)對(duì)操作面板和鍵盤輸入命令進(jìn)行掃描的循環(huán)。它不斷地讀取操作面板和鍵盤的輸入信息。分析識(shí)別輸入的命令進(jìn)形相應(yīng)的處理。
（五）零件加工程序的解釋和執(zhí)行
零件加工程序的解釋與執(zhí)行是完成零件加工任務(wù)的基本模塊，用來根據(jù)零件加工 程序?qū)崿F(xiàn)零件的軌跡加工，一個(gè)加工程序段的解釋執(zhí)行，包括取得程序段，程序譯碼，完成程序段中指定的G、M、S、T功能。對(duì)軌跡加工類程序段進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，插補(bǔ)計(jì)算，伺服控制等步驟。
（六）插補(bǔ)計(jì)算
插補(bǔ)程序是根據(jù)插補(bǔ)數(shù)學(xué)模型而編制的一種運(yùn)算處理程序，它的作用是決定在所要求的進(jìn)給長(zhǎng)度上數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的每一次進(jìn)給都需要執(zhí)行一次插補(bǔ)程序。插補(bǔ)的頻率是由程序所要求的進(jìn)給速度所決定的。進(jìn)給越快，插補(bǔ)頻率越高。
（七）伺服控制
伺服控制程序是根據(jù)插補(bǔ)程序的結(jié)果，經(jīng)適當(dāng)計(jì)算直接輸出去控制執(zhí)行元件的動(dòng)作。對(duì)于開環(huán)的步進(jìn)電機(jī)的控制，主要完成脈沖分配和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制。和插補(bǔ)計(jì)算一樣，伺服控制也是由定時(shí)中斷引起的，也常常作為定時(shí)中斷服務(wù)程序的一部分出現(xiàn)或由定時(shí)中斷服務(wù)程序調(diào)用
（八）系統(tǒng)自檢
該程序檢測(cè)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)各個(gè)硬件部件功能的正確性。只是可能存在的故障的位置與性質(zhì)。這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性。
4.6 系統(tǒng)直線插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì)
一、直線插補(bǔ)
（一）第一象限插補(bǔ)軌跡如圖所示：
（二）、插補(bǔ)程序
1.直線插補(bǔ)的程序框圖如下：
2.插補(bǔ)程序
此程序根據(jù)經(jīng)濟(jì)性數(shù)控車床硬件電路圖編寫，程序首先對(duì)芯片8255進(jìn)行初始化，再用逐點(diǎn)比較法對(duì)第一象限直線進(jìn)行插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)。環(huán)行分配器是采用軟環(huán)分配。程序如下：
ORG 1000H
LP: MOV SP,#60H 設(shè)置堆棧指針
MOV DPTR, #BFFFH 8255初始化，BFFFH為8255控制口地址
MOV A #8BH 控制字為8BH，（即10001011B）設(shè)置為A口輸出，B口輸入，C口輸入
MOVX @DPTR A
MOV 4AH, #00H 偏差單元清零
MOV 49H, #00H
MOV 48H #01H 置Z向電機(jī)初態(tài)
MOV 47H,#20H 置C向電機(jī)初態(tài)
MOV A,4EH （低8位＋低8位）→50H
ADD A,4CH
MOV 50H,A
MOV A,4DH （高8位＋高8位）→50H
ADDC A,4BH
MOV 4FH,A
MOV A,#21H Z向、C向電機(jī)上電
MOX DPTR,# BFFCH 將控制字#21H送入8255芯片的A口
MOVX @DPTR,A
LP1: MOV A,49H 將偏差值高8位→A
JB ACC·7LP3 ACC·7=1偏差值為負(fù)值，F(xiàn)＜0則跳轉(zhuǎn)到子程序LP3，否則向下執(zhí)行
ACALL ZMP F≥0走一步＋Z
CLR C 清進(jìn)位
MOV A,4AH 計(jì)算偏差F=
MOV A,4CH
MOV 4AH,A
MOV A,49H
SUBB A,4BH
MOV 49H A
ACALL DLO 延時(shí)1ms
LP2:CLR C
MOV A,50H 終判值減1，送到A，判斷是否為0
SUBB A,#01H
MOV A,50H
MOV A,4FH
SUBB A,#00H
MOV 4FH,A
ORL A,50H
JNZ LP1 A不為0，轉(zhuǎn)移到LP1再判斷偏差值F的正負(fù)
LJMP 0000H
LP3:ACALL CMP F＜0，轉(zhuǎn)入此程序，走一步＋C，CMP為C向電機(jī)正轉(zhuǎn)子程序
MOV A,4AH 計(jì)算新偏差F=
ADD A,4EH
MOV 4AH,A
MOV A,49H
ADDC A,4DH
MOV 49H,A
ACALL DLO
SJMP LP2 轉(zhuǎn)移至LP2，重新進(jìn)行判終
DLO:MOV R2,#02H 延時(shí)子程序
D2:MOV R1,#7DH
D1:DJNZ R1,D1
DJNZ R2,D2
RET
ZMP,CMP子程序略。
第5章 數(shù)控機(jī)床的加工程序編制
5.1 零件圖數(shù)控加工工藝分析
圖4-4 典型軸類零件圖
4.2 零件圖分析
該零件表面由圓柱、順圓弧、逆圓弧、槽、螺紋等表面組成。所注尺寸詳細(xì)、正確。，選用毛坯為45#鋼，Φ65mm×120mm，無熱處理和硬度要求。符合數(shù)控加工工藝的特點(diǎn)。
5.3 確定加工方法
加工方法的選擇原則是保證加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求。由于獲得同一級(jí)精度及表面粗糙度的加工方法一般有許多，因而在實(shí)際選擇時(shí)，要結(jié)合零件的形狀、尺寸大小和形位公差要求等全面考慮。
圖上幾個(gè)精度要求較高的尺寸，因其公差值較小，所以編程時(shí)沒有取平均值，而取其基本尺寸。
通過以上數(shù)據(jù)分析，考慮加工的效率和加工的經(jīng)濟(jì)性，最理想的加工方式為車削，考慮該零件為大批量加工，故加工設(shè)備采用數(shù)控車床。
根據(jù)加工零件的外形和材料等條件，選用CJK6032數(shù)控機(jī)床。
5.4 確定加工方案
零件上比較精密表面的加工，常常是通過粗加工、半精加工和精加工逐步達(dá)到的。對(duì)這些表面僅僅根據(jù)質(zhì)量要求選擇相應(yīng)的最終加工方法是不夠的，還應(yīng)正確地確定從毛坯到最終成形的加工方案。
該典型軸加工順序?yàn)椋?
預(yù)備加工---車端面---粗車右端輪廓---精車右端輪廓---切槽- ---切退刀槽---粗車螺紋---精車螺紋。
5.5 定位基準(zhǔn)的選擇
在制定零件加工的工藝規(guī)程時(shí)，正確地選擇工件的定位基準(zhǔn)有著十分重要的意義。定位基準(zhǔn)選擇的好壞，不僅影響零件加工的位置精度，而且對(duì)零件各表面的加工順序也有很大的影響。合理選擇定位基準(zhǔn)是保證零件加工精度的前提，還能簡(jiǎn)化加工工序，提高加工效率。
5.6 裝夾方式的選擇
為了工件不致于在切削力的作用下發(fā)生位移，使其在加工過程始終保持正確的位置，需將工件壓緊夾牢。合理的選擇夾緊方式十分重要，工件的裝夾不僅影響加工質(zhì)量，而且對(duì)生產(chǎn)率，加工成本及操作安全都有直接影響。
1）在三爪自定心卡盤上裝夾。三爪自定心卡盤的三個(gè)卡爪是同步運(yùn)動(dòng)的，能自動(dòng)定心，一般不需要找正。該卡盤裝夾工件方便、省時(shí)，但夾緊力小，適用于裝夾外形規(guī)則的中、小型工件。
2）在兩頂尖之間裝夾。對(duì)于尺寸較大或加工工序較多的軸類工件，為了保證每次裝夾時(shí)的裝夾精度，可用兩頂尖裝夾。該裝夾方式適用于多序加工或精加工。
3）用卡盤和頂尖裝夾。當(dāng)車削質(zhì)量較大的工件時(shí)要一段用卡盤夾住，另一段用后頂尖支撐。這種方式比較安全，能承受較大的切削力，安裝剛性好，軸向定位準(zhǔn)確，應(yīng)用較廣泛。
4）用心軸裝夾。當(dāng)裝夾面為螺紋時(shí)再做個(gè)與之配合的螺紋進(jìn)行裝夾，叫心軸裝夾。這種方式比較安全，能承受較大的切削力，安裝剛性好，軸向定位準(zhǔn)確。
裝夾方法：先用三爪自定心卡盤毛坯左端，加工右端達(dá)到工件精度要求；再工件調(diào)頭，用三爪自定心卡盤毛坯右端Φ65，再加工左端達(dá)到工件精度要求。
5.7 選擇數(shù)控刀具的原則
刀
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