設計任務及總體方案的確定

1、第一章 設計任務及總體方案的確定1.設計任務將ca6150普通車床改造成msc-51系列單片機控制的經濟型數(shù)控機床。要求該機床有自動回轉刀架，具有切削螺紋的功能，在縱向和橫向有直線和圓弧插補功能，系統(tǒng)分辨率縱向0.001mm。橫向0.005mm。設計參數(shù)如下：最大加工直徑：在床面上：360mm在床面上：210mm最大加工長度： 快進速度：縱向： 2.4m/min橫向： 1.2m/min最大切削進給速度：縱向：0.5m/min橫向：0.3m/min主電機功率：7.5kw啟動加速時間：30ms機床定位精度：0.015mm最小指令值： 縱向：0.1mm/脈沖橫向：0.005mm/脈沖自動升降性能：有

2、2.總體方案的確定系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)與與運動方式的選擇由于改造后的數(shù)控經濟型車床應具有定位，直線插補順圓和逆圓插補，暫停和循環(huán)加工。公英制螺紋加工工藝功能。故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到經濟型數(shù)控機床加工精度要求不高。為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)根據(jù)機床要求，采用8位微機，由于msc-51系列單片機具有集成度高。可靠度好，功能強速度快，抗干擾能力強。性能價格比等特點，決定采用msc-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。機械傳動方式為了實現(xiàn)機床所需求的分辨率，采用步進電動機，經齒輪減速再傳動絲桿。為了保證一定的精度和平穩(wěn)性，減小摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時為了提高傳動

3、剛度和消除間隙，采用有預加緊負荷齒輪傳動，也要采用消除齒側間隙的結構。第二章 機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算 伺服系統(tǒng)機械部分設計計算，內容包括確定系統(tǒng)的負載確定系統(tǒng)的脈沖當量，運動部分慣性計算空載啟動及切削力矩的計算，確定伺服電動機傳動及單向元件的設計計算及運用，繪制機械部分裝配圖及零件工作圖等第一節(jié) 確定系統(tǒng)脈沖當量一個進給脈沖使機床運動部件產生的位移量稱為脈沖當量，也稱機床最小設定單位，脈沖當量衡量機床加工精度的一個基本技術參數(shù)。經濟型數(shù)控車床采用的脈沖當量是0.010.005每脈沖，經濟型數(shù)控車床常采用的脈沖當量是0.0020.001每脈沖，在本設計中，根據(jù)機床精度要求確定其脈沖當量

4、縱向0.01mm/step,橫向：0.005mm/step。第二節(jié) 切削力的計算在設計機床進給伺服系統(tǒng)時，計算傳動和導向元件選用伺服電動機等需要利用到切削力，下面就以切削力，用三種方法計算，并取其平均值做主切削力。1、 用經驗公式計算切削力：1.5max1.縱切外圓： fz=0.67d式中：d max-車床床身加工的最大直徑（mm） fz=(0.673601.5)n =4576n求出切削力fz后，在按照下比例分別求出fx和fyfz：fx：fy=1：0.25：0.4fx=45760.25=1144nfy=45760.4=1830n2.橫切斷面：主切削力dz可取橫切削力的1/2fz、= dz1/2

5、=2280n此時走刀抗力為fy、（n），吃刀抗力的fx、（n）仍按上述比例粗略計算：fz、： fx、： fy、=1：0.25：0.4fx、=22880.25=572nfy、=22880.4=915 n二按切削力計算切削力下面介紹的按經驗公式按求計算切削力的方法是比較簡單而使用的，但對于不同的專用機床來說，計算結果不一定準確。所以對某一指定了專門用途的數(shù)控機床，應該根據(jù)具體加工條件，不同的工況選用合理的切削用量。用切削力計算公式來計算切削力。1.外圓車削切削力的計算 fz=9.8/( fzapdz fzfz fz(60v)n fzkfz fx =9.8/( fxapx fx fx fx(60v)

6、 n f xkfx fy =9.8/( fyapy fy fy fy (60) n fykfy式中; fz、 fx、 fy主切削力進給抗力切削抗力（n）ap切削深度(mm)v切削速度（m/s）f進給量（mm/v）kfz、 kfx、kfy總修正系數(shù)包括由于工件材料強度、硬度的改變，刀具材料的改變。刀具幾何角度不同等因素，對切削力的修正系數(shù)。三按照機床主電機的功率計算：上面介紹了切削量計算切切削力雖然比較準確，但只能是用于加工某種工件的專用機床，對于普通機床的數(shù)控化改造或涉及通用的經濟型數(shù)控機床來說，切削用量的范圍較大，這樣就導致了切削力計算結果差別很大，這里介紹的三種方式，就是按照需要進行數(shù)控及

7、改造設計的普通車床的主電動機功率來計算切削力，其具體方法如下：pe：py式中： pe切削功率（kw） p機床主傳動功率 y主傳動系統(tǒng)的機械功率，可近似取以下數(shù)值精密機床：y=0.80.85大型機床：y=0.70.88中型機床：y=0.750.8mn=9550pe/n式中mn 主軸傳遞的扭矩（nm） n 主軸轉矩（r/min）是主軸傳遞全部功率是的最低轉速 ft fzmn/d103式中：fz 主切削力（n） d 工件直徑可采用床鞍上的最大直徑主切削力，求出以后再按比例求出fx 、fy 。第三節(jié) 滾珠絲桿螺母副的設計計算和選型滾珠絲桿螺母副的設計者首先要選擇結構類型，去定螺母循環(huán)方式，結構類型確定

8、之后，用于確定和計算其他參數(shù)，包括公稱直徑d或四缸外徑d導程l，滾珠絲桿工作圈數(shù)j,列數(shù)k精度等級等。滾珠絲杠循環(huán)方式可分為外循環(huán)方式或內循環(huán)兩類，本設計中選用是外循環(huán)雙螺母滾珠絲桿，其滾珠絲桿副的預緊方式。滾珠絲桿副的計算步驟如下：一、計算進給牽引力fm作用在絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動的件重量以及切削力在導軌上的摩擦力。因此其數(shù)值的大小和導軌的形式有關?？v向進給作用力綜合型導軌，其進給牽引力fm（n）的計算公式如下：fm=kfx+f、(fz+u)=1.151144+0.16（4576+1500）=2288（n）式中：k 考慮顛覆力矩實驗系數(shù)綜合導軌取k=1.15 f

9、調整導軌摩擦系數(shù)取0.150.18u 溜板極刀架重力需1500n。二、計算最大動荷載選用滾珠絲桿副的直徑do時，必須保證在一定軸向負載作用下。絲杠在回轉100萬轉（106轉）后，在它的軌道上不產生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值，即稱為該絲杠能承受的最大負載，可用下試計算：c=3l fwfml=60nt/106n=1000vs/ lo式中：lo滾珠絲杠導程選6mm n絲杠轉速（r/min） vs最大進給力下的進給速度的1/21/3此外vs為0.5m/min t使用壽命按1500h fw運轉系數(shù)按一般運轉取1.21.5 l壽命以106轉為一個單位n=1000vs/ lo=10000.50.5/0.

10、6=41.67r/minl=60nt106=6041.67/1061500=37.5c=3lfwfm=337.51.22288=9191n三、滾珠絲桿螺母的選型查表可采用wolr4006外循環(huán)螺母調整預緊力的雙螺母滾珠絲杠副，例2.5圈其預定動荷載為16400n。等級精度選3級。四、傳動效率計算=tanr/tan（r+）式中：r螺旋升高 wl4006=2q44 摩擦力取10，滾動摩擦力系數(shù)0.0030.004 =tanr/tan（r+） =tan2q44/tan（2o44+10） =0.94五、剛度驗算橫向進給絲桿支撐方式如下圖，最大牽引力為2063n,支撐間距l(xiāng)=350mm。因絲杠長度較短，

11、不需要預緊，螺母及支撐預緊。車床橫向進給絲桿計算圖1.絲桿拉伸或壓縮變形量f1（mm)查圖根據(jù)fm、=2785(n) d=20mm， 查出fl/l0=4.210-5可算出f1=fl/l0z=14.210-5350=1.4710-2mm l2.滾珠與螺紋道間接觸變性f2查圖fq=8.5m因進行了預緊 f2=1/2fq=4.25m3.支撐滾珠絲桿的軸承的軸向變形f3采用8102推力球軸承dq=4.763 、 z=12 、 d=15mmfc=0.00523fm2/dqz2=0.0052327852/4=0.0117考慮到預緊，故：f3=1/2fc=1/20.0117=0.0585綜合以上幾項變形量之

12、和：f=f1+f2+f3=0.0147+0.0043+0.0585=0.02485mm顯然，此變形量已大于定位精度的要求，應該采取相應的措施，修改設計。因橫向溜板設計限制，不易再加大滾珠絲桿直徑，故采用貼塑導軌，減小摩擦力，從而減小最大牽引力，從新計算如下：fm、=1.4fg、+f、（fz+2fx+、) =1.49.15+0.004(4576+2572+800) =1594n式中：f、軸套與軸架以及主軸的鍵上摩擦系數(shù)f、取0.004 從圖中查：fm、=1594n時，fl/l0=2.410-5f1=fl/l0l=2.410-5350=0.0084mm由于采用了貼塑導軌，減小了最大牽引力fm、所以

13、需要從新計算或查表確定f2和f3查表圖得fq=5.4m因進行了預緊,故:f2=1/2fq=2.7mfc=0.00523fm2/dq=0.005215.46=0.0080mf3=1/2fc=0.004mm則：f=f1+f2+f3=0.0084+0.0027+0.004=0.015mm橫向進給定位精度應為縱向進給定位的1/2，應力此時變形量已能滿足定位精度要求。如果變形量仍大于定位精度的要求，可將滾珠絲桿的直徑加大到25mm也可將滾珠絲桿再經過預緊拉伸，剛度還可以提高四倍。則變形量可控制在要求的范圍內。從上面的設計中可以查出設計的過程要經過反復修該系數(shù)，反復計算，才能達到滿意的結果。六、穩(wěn)定性校核

14、對于已選尺寸的絲桿在給定的條件下，承受最大軸向負載時，沒有產生縱向彎曲（失穩(wěn))的危險。fk=f22e/l2式中：e材料彈性模量（n/cm2)剛為20.6106n/cm2 i截面慣性矩對于絲桿為d14/64(d1為絲桿半徑） l絲桿兩支承端離 f2絲桿支撐方式系數(shù)，從表中查出一端固定，一端簡支f2為200i=d14/64=1.67884/64=0.3899cmfk=f22e/l2=23.14220.61060.3899/452=7821nnk=fk/fm、=78214/1155=57.7【nk】一般【nk】=2.54，所以該滾珠絲桿不會產生失穩(wěn)。（三）縱向及橫向滾珠絲桿副幾何參數(shù)其幾何參數(shù)見下表

15、，各部分幾何參數(shù)是在確定了滾珠絲桿副的公稱直徑和導程l以后，才進行計算出來的。wl4006及wl2005絲桿幾何參數(shù)參數(shù)名稱符號關系式wl 4006wl 2005滾珠滾道公稱直徑d04020導程l065螺桿螺母接觸角2o44、4o33鋼球直徑d039693.175滾道法面半徑rr=0.52dg2.0641.651偏心徑ee=(r-dg/2)sin0.0560.045螺紋升角y=arctanl0/d02o44、4o33外徑dd=d0-(0.2-0.25)dg3919.4內徑d1d1=d0+2e-2r35.98416.788接角直徑d2d2=d0-dgcos36.035516.835螺紋直徑dd=

16、d0-2e-2r34.01523.212內徑d1d1=d0-(0.2-0.25)d040.743820.635 單位（mm）第四節(jié) 齒輪的傳動比一、縱向進給齒輪箱傳動比的計算已確定縱向進給脈沖當量fp=0.001.滾珠絲桿導程l0=6mm.初選步進電動機步距角為0.75，可計算傳動比為i=360fp/q2l0=3600.01/0.756=0.8可選定齒輪數(shù)為：i=z1/z2=32/40或20/25z1=32 z2=40 或z1=20 z2=25二、橫向進給齒輪傳動比計算已確定橫向進給脈沖當量fp=0.005，滾珠絲桿導程l0=5mm初選步進電動機步距角0.75，可計算出傳動比i為i=360fp

17、/q2l0=3600.005/0.755=0.48考慮到結構上的原因，不能是齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程。故此處可采用兩級齒輪減速；i=z1/z2z3/z4=3/54/5=24/4020/25z1=24 z2=40 z3=20 z4=25因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2，有關參數(shù)參照下表齒輪傳動幾何參數(shù)齒數(shù)z324024402025分度圓d=mz648048804050齒頂數(shù)d=d+mz688452844454齒寬610202020202020中心距a=(d+d)/2726445齒根數(shù)d=d-21.25m597543753545為了消除齒輪側隙，可采用雙片齒輪，這樣齒寬可加大到

18、（610mm）第五節(jié) 步進電動機的計算和使用選用步進電動機時，應首先根據(jù)機械結構草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電動機軸上的等效傳動慣量包括步進電動機轉子的傳動慣量，分別計算各種工況下所需的等效力矩，再根據(jù)步進電動機的量最大靜載負載和起動運行頻率特征選擇合適的步進電動機，但在初選步進電動機之前，不僅未畫出機械機構草圖，而且無法確定步進電動機的轉子的轉動慣量，因而必須先根據(jù)一些估數(shù)據(jù)初選步進電動機的型號，再按上述方法進行驗算。由于步進電動機的工作的特點是脈沖走一步，每一步都有一個加速過程，因而對負載慣量很敏感，為了滿足負載慣量盡可能小的要求，同時也要滿足一定的脈沖當量，常采用齒輪降速傳動。一、初

19、選步進電動機步距角對步進電動機施加一個脈沖信號時，步進電動機就用轉一個固定的角度，叫做步距角，電動機的總回轉角和輸入脈沖數(shù)成正比，而電機的轉速則正比于輸入脈沖的頻率，步進電動機的步距角越小，意味著它能達到的位置精度越高，通常步距角是30、1.50、0.750，步距角的大小跟通電方式機轉速有關，在步進電動機技術數(shù)據(jù)中是以分數(shù)形式給出的兩個數(shù)，其中分子所表示的步距角的通電方式是雙向的，分母表示的步距角是單向的。150bf002步進電動機步距角為1.50或0.750，其0.750是五相十拍，1.50是五相五拍。二、初選步進電動機一縱向進給步進電機負載轉矩tm1. 根據(jù)滾珠絲桿副所承受的進給牽引力fm

20、，計算步進電機的負載轉矩tm（ncm）tm=3600fpfm/2y0式中：fp=脈沖當量（mm/step)fm進給牽引力（n)0步距角初選雙拍列為0.750y電機絲桿的傳動頻率，為齒輪軸承絲杠效率之積，分別為0.98、0.99和0.94tm=3600fpfm/2y0=36000.0012288/20.750.980.990.94=193.69ncm2. 估算步進電動機起動轉矩tqtq=tm/0.30.5 =193.69/0.3 =645.6ncm3.計算最大靜轉矩timax 查表如取五相十拍時，則:timax=tq/0.951 =645.6/0.951=678.9ncm4.計算步進電機運行頻率

21、fe和最高啟動頻率fkfe=100vs/60fpfk=1000vmax/60fp =10002.4/600.01hz =4000hz式中：vs最大切削進給速度（mm/min) vmax最大位移速度（m/min) fp脈沖當量取0.001mm/step5.初選步進電動機型號根據(jù)估算出的最大靜轉矩tmax，在表中查出130bf001的最大靜轉矩是1097.9ncmtimax，可以滿足條件，考慮到經濟型數(shù)控車床有可能使用較大的切削用量，應選擇大轉矩的步進電機，以留下一定的余量，另一方面，與同類型機床進行類比，決定利用150bf002步進電機，但從表中查出，150bff002步進電機最高空轉起動頻率2

22、800hz，不能滿足fk（4000hz)的要求，此項指標可暫不考慮，可以采用軟件升降速程序來解決。 (2） 校核步進電動機轉矩初選出步進電機型號，并繪制私服系統(tǒng)結構草圖之后，就可以按下面步驟計算私服系統(tǒng)折算到步進電機軸上的系統(tǒng)流動慣量及等效轉矩，進行校核。1、 轉動慣量計算 （1）齒輪軸、絲杠等圓柱體慣量計算 圓柱體轉動慣量（kgm2）計算公式如下： j=md2/f對于鋼材：j=0.78d2l10-3式中：m圓柱體質量（kg)d圓柱體直徑（cm）l圓柱體長度或圓度（cm）鋼材的密度為7.810-5 kg/cm3所以j1=0.7810-3d14l1 (0.7810-36.8442)kgcm2=2

23、.62kgcm2 j2=0.7810-3d24l2 =（0.7810-3842）kgcm2 =6.39kgcm2 j3=（0.7810-344150）kgcm2（2） 步進電機轉子轉動慣量 參考同類型機床，初選反應時步進電機150bf其轉子轉動慣量jm=10kgcm2（3） 傳動系數(shù)折算到電機軸上的總轉動慣量可由下式計算出來 j=jm+j1+（z1/z2)2（j2+j3）+g/g（l0/2）2式中：jm步進電動機轉子轉動慣量（kgcm2） j1、j2齒輪z1、z2的轉動慣量（kgcm2） j3滾珠絲桿轉動的慣量（kgcm2)代入數(shù)據(jù)計算則： j=jm+j1+（z1/z2)2（j2+j3）+g/

24、g（l0/2）24=10+2.62+（32/40）2(6.39+29.52)+15000.62/(9.842)=39.452kgcm2必須注意：在上式中根據(jù)實踐經驗，傳動系統(tǒng)慣量j和轉子慣量jm之間，有一個慣量的匹配問題，jm/j的比值不能太小，否則機床動態(tài)特型將會有很大的區(qū)別，并且很容易受切削力、摩擦力干擾的影響，但jm/j太小，也是很不經濟的?？紤]步進電動機與傳動系統(tǒng)慣量匹配的問題：jm/j=10/39.452=0.253基本滿足慣量匹配的要求2. 電機轉動的計算電機的負載轉矩在各種情況下是不同的，下面分快速空載，起動時所需轉矩，快速進給時，轉矩最大切削負載所需轉矩等分級部分組成，介紹其計

25、算方法:(1) 快速空在啟動轉矩m在快速空在啟動階段，加速轉矩占得比例比較大，具體計算公式如下:m=mmax+mf+m0式中：m快速空載起動轉矩（nm）mmax空載起動時折算到電動軸上的加速轉矩mf折算到摩擦軸上的摩擦軸轉矩m0由于絲桿預緊時折算到電機軸的復合摩擦轉矩mmax=j=（j2nmax/60ta）10-2nmax=(max/fp)（q0/3600）將前面數(shù)據(jù)代入，式中符號意義同前：nmax=(max/fp)（q0/3600）=(2400/0.01）(0.75/3600)=500r/min起動加速時間：ta=30m/smamax=（j2nmax/60ta）10-2=634.5ncm折算

26、到電機軸上的摩擦轉矩mfmf=f0l0/2yi=f(fz+g)l0/2yz2=0.16（4576+1500）0.6/(20.81.25)=92.8ncm附和摩擦轉矩m0m0=fd0l0(1-y02)/2yi=1/3fl0(1-y02)z1/2yz2=1/322880.6（1-0.92/（20.81.25）ncm=12.46ncm上述三項合計：m=mamax+mf+m0=634.592.812.46=739.76ncm（2） 快速進給時轉矩m、m、=mf+m0=（92.8+12.46）ncm =105.26ncm（3） 最大切削負載時所需轉矩m、 m、=mf+m0+mt式中：mt折算到電機軸上的

27、切削負載轉矩在應用絲杠螺母副傳動時，上述各轉矩（ncm）可采用下式計算：mamax=j=j（2nmax/60ta）10-2nmax=(vmax/fp)q0/3600式中j傳動系統(tǒng)中折算到電機軸上的點等效轉動慣量（kgcm2）電機最大角加速度（rad/s2）nmax電機轉動速度（r/min）vmax轉動部件最大快速進度（mm/min）fp脈沖當量（mm/step)ta運動部件從停止起初加速度到最大快速速度所需時間（s）摩擦轉矩公式: mf=f0l0/2yi f0=f(fz+g)式中:f0導軌的摩擦力（n） fz垂直方向上的切削力（n） g運動部件的總重量（n） f導軌摩擦系數(shù) i齒輪降速比 n傳

28、動鏈總效率，一般可取0.70.85.附加轉矩摩擦公式：m0=fd0l0(1-n2)/2i式中：fd0滾珠絲桿預加負載，一般可取1/3fm，fm為進給率引力（n)l0滾珠絲桿導程滾珠絲桿未預緊時的傳動功率，一般可取0.9折算到電機軸的切削負載轉矩 mt=ftl0/2yi式中：ft進給方向最大切削力 m、=mf+m0+mt =mf+m0+fxl0/2yi =105.26+11440.6/（23.140.80.125） =214。56ncm經過上述計算以后，在m、m、兩種力矩中其中大者作為選擇步進電動機的依據(jù)，對于大多數(shù)數(shù)控機床來說，因為要保證一定的動態(tài)性能，系統(tǒng)時間常數(shù)較小，而等效轉動慣量又較大，

29、故電機轉矩主要用來產生加速的，而負載力矩往往小于加速轉矩，故常用快速空載起動轉矩，作為選擇步進電動機的依據(jù)。從表中查出，當步進電動機為五相十拍時，=m0/mamax=0.951，則最大靜轉矩為：mjmax=(739.76+0.951)ncm從表中查出150bf002型步進電動機最大轉矩為13.72ncm大于所需最大靜轉矩，可以滿足此項要求。3. 校核步進電機效率特性前面所述根據(jù)最大靜轉矩，mjmax初選的步進電動機型號一定滿足實際工作要求，也就是說盡管最大靜轉矩mjmax，數(shù)據(jù)能滿足要求，但是并不能保證在快速空載負載時起動和空行時不失步，所以還必須用起動轉矩頻率特性和運行轉矩頻率特性，兩條重要

30、的特性曲線來驗證，所選步進電動機的型號是否滿足要求。前面已計算出此機床最大快移時需要步進電動機的最高起動頻率為fk=4000hz，切削進給時所需步進電動機運行頻率fe為833hz。前面已計算機床最大快移時所需步進電動機運行頻率為2800hz,運行頻率為8000hz，再從圖中查出150bf002步進電動機起動力矩頻率特性和運行特性曲線如下圖，看出步進電動機起動時f=2500hz，m=100ncm遠遠不能滿足此機床所需要的空載起動力矩，直接使用則會產生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制，起動轉矩可增高到必須采取將起動頻率降到100hz，起動轉矩可增高到588.4ncm，根據(jù)在電路上采用高低驅動電路還

31、可將步進電動機輸出轉矩擴大一倍左右。 起動矩頻率特性 784.5588.4 392.3 196.1588.4 392.3 196.1 392.3588.4 392.3 196.1 196.1588.4 392.3 196.1f/hz100020002500 0 運動矩頻特性 1225.8980.7480.35001000f/hz150bf002型步進電動機運行矩頻特性當快速運動和切削進給時，150bf002型步進電動機運行的矩頻特性完全可以滿足條件。3 橫向進給步進電機橫向進給步進電動機的計算和校核與縱行進給步進電動機相同，此處略。經過計算和類比設計，決定選用130bf001型步進電動機。第三

32、章 進給伺服系統(tǒng)機械部分結構設計機械部分結構設計的任務是畫出進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖，用以表達設計者的構思，設計結果及特點是伺服系統(tǒng)設計的重要任務，對于機電一體化專業(yè)的學員來說，是一項基本技能的重要訓練，必須引起足夠的重視。在對伺服系統(tǒng)進行了運動和動力計算，已選定滾珠絲桿螺母副規(guī)格編號。步進電動機的型號，降速齒輪的幾何參數(shù)選定以后，就可以進行結構設計，結構設計應該先確定部分結構特點，形式調整方式等，然后再動手繪制裝配圖，最后在繪制正式裝配圖，下面分別敘述各項注意事項。第一節(jié) 微機數(shù)控化改進結構設計中注意問題盡量減小普通數(shù)控化改造設計的改動量對于普通數(shù)控化改造設計時，在滿足機床總體布局的前提下，

33、應盡可能利用原來的零件，盡量減小改動量，尤其是機床較大的部件，例如機身、床鞍、拖板銑床的工作臺等，盡量利用原來的部件，只能少量加工改造這樣可以大大減少成本，縮短制造周期。在進行經濟型數(shù)控機床設計時，雖然結構尺寸不想改造那么嚴格設計改造，但也應該參考同類型機床，在初步估算以后，在進行類比，是結構尺寸緊湊合理。1. 滾珠絲桿螺母副和消除齒輪安裝調整要方面滾珠絲桿螺母副和消除齒輪的調整對于進行伺服系統(tǒng)是很關鍵的問題，如果調整不好會出現(xiàn)反向死區(qū)和失步現(xiàn)象，影響數(shù)控機床的加工精度，在進行結構設計時必須注意，留出控制螺釘?shù)目谆蜃銐虻陌崾挚臻g。2. 設計時注意裝配工藝在設計繪制進給私服系統(tǒng)時，應注意裝配工藝

34、性，考慮到正確的裝配順序，保證安裝調整，拆卸方便。 第二節(jié) 繪制裝配圖應注意的問題確定了各種參數(shù)和結構形式以后，就可以動手畫圖了，在標準圖副的圖紙上，用應鉛筆輕輕地畫出裝配圖的各部分輪廓及重要的結構，不許畫剖面線和標準尺寸，經過修改以后再加深，集成裝配圖，為保證畫圖質量，畫地圖是線條必須很淺很細，以便修改，下面在指出幾點注意事項：1. 注意合理布置視圖主要的機械結構圖要求用a0或a1號圖紙繪制出為了正確清楚地表達部分結構，必須選用足夠的視圖和局部視圖以達到視圖完整的要求。所謂視圖的完整是指能夠從裝配圖上拆繪出任一零件工作圖。根據(jù)各視圖及各局部視圖的大致輪廓尺寸，并考慮好零件的標題欄，零件明細表

35、，零件編標，尺寸標注，以及技術要求的文字說明位置，就是進行畫圖的合理布置，布置視圖對要注意的將主視圖布置在圖面上的主要位置，布置中還應留有余地以免設計中補充其他圖形何必時的說明。2. 嚴格按比例畫圖必須嚴格按國際制圖規(guī)定的比例畫圖，主要是圖應采用1:2或1:1繪圖局部視圖可采用與主視圖不同的比例，但必須在圖上標明，絕不允許參照圖樣任意的放大或縮小。3. 必須按標準繪圖圖會上出現(xiàn)的螺釘、螺母、墊片、定位銷、軸承等標準件必須按照最新的國際繪制。4. 注意線條比例畫圖質量的好壞與各部分線條的好壞有很大的關系，線條的粗細也必須按照比例畫，粗實線、細實線、虛線、點畫線都要區(qū)別清楚剖面線應該畫成450，絲

36、桿與螺紋底徑應畫成細實線等。5. 應標注必要的尺寸和公差配合裝配圖應標注最大形體尺寸特征尺寸，主要零件的配合尺寸影響運轉特性與傳動精度的配合尺寸與其他尺寸。待添加的隱藏文字內容2第四章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計第一節(jié) 微機數(shù)控系統(tǒng)設計的內容(一)硬件電路設計內容硬件是組成系統(tǒng)的基礎,也是軟件編制的前提,數(shù)控系統(tǒng)硬件的設計包括以下幾部分內容：1.繪制系統(tǒng)電氣控制結構框圖據(jù)總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結構圖。機床硬件電路由五部分組成：（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。（

37、4） 接口，即輸入/輸出接口電路。（5） 外圍設備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。2.選擇中央處理單元cpu的類型cpu的種類很多，在此處選擇mcs51系列單片機中的80c51，因為其集成度高，穩(wěn)定性、可靠性好，體積小，而且有很強的外部擴展功能，外圍擴展電路芯片大多是一些常規(guī)芯片，用戶很容易通過標準擴展電路來構成較大規(guī)模的應用系統(tǒng)。3.存儲器擴展電路設計存儲器擴展包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器擴展兩部分。分別選擇兩片2764和一片6264來擴展16k的內存。4.i/o接口電路設計設計內容包括：據(jù)外部要求選用i/o接口芯片，步進電機伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設計（如復位、掉電保護等

38、）。經考慮，選擇8255為i/o接口芯片，液晶顯示控制器lr104vram來控制lcd。圖中的急停開關應采用那種按下去之后不會彈起、直到再次啟動后操作者用手動拔出的按鈕，此處由于表達方式的限制，僅以普通按鈕表示。（二）、機床數(shù)控系統(tǒng)軟件設計軟件是硬件的補充，確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設計軟件。1.軟件設計步驟分為以下幾步：（1）據(jù)軟件要實現(xiàn)的功能，能制定出軟件技術要求；（2）將整個軟件模塊化，確定各模塊的編制要求，包括各模塊功 能，入口參數(shù)，出口參數(shù)；（3）據(jù)硬件資源，合理分配好存儲單元；（4）分別對各模塊編程，并調試；（5）連接各模塊，進行統(tǒng)一調試及優(yōu)化；（6）固化到各程序存儲器中。2

39、.數(shù)控系統(tǒng)中常用軟件模塊（1）軟件實現(xiàn)環(huán)行分配器；（2）插補運算模塊；（3）自動升降速控制模塊。第二節(jié)mcs-51單片機及其擴展(一)80c51單片機的簡介 1.芯片引腳及片外總線結構80c51單片機采用40腳雙直插封裝（dip）形式，如圖(6)所示。80c51單片機采用40腳雙直插封裝（dip）形式，如圖(6)所示。80c51單片機是高性能單片機，因為受到引腳數(shù)目的限制，所以有不少引腳具有第二功能。下面說明這些引腳的名稱和功能。（1） 電源引腳vss和vcc vss(20腳)：接地。 vcc(40腳)：主電源+5v。（2） 時鐘電路引腳xtal1和xtal2xtal1（19腳）：接外部晶體的

40、一端。在片內它是振蕩電路反向放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，對于hmos單片機，該端引腳必須接地；對于chmos單片機，此引腳作為驅動端。xtal2（18腳）：接外部晶體的另一端。在片內它是一個振蕩電路反向放大電路的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。若需采用外部時鐘電路，對于hmos單片機，該引腳輸入外部時鐘脈沖；對于chmos單片機，引腳懸浮。圖（6）.80c51引腳圖(3)控制信號引腳rst、ale/prog、psen、/ea/vpprst（9腳）：單片機剛接上電源時，其內部各寄存器處于隨機狀態(tài)，在該引腳輸入24個時鐘周期寬度以上的高電平將使單片機復位（reset）。ale/prog

41、：訪問片外存儲器時，ale作鎖存擴展地址低位字節(jié)的控制信號（稱允許鎖存地址）。平時不訪問片外存儲器時，該端也以1/6的時鐘振蕩頻率固定輸出正脈沖，供定時或者其他需要使用；在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時會失去一個脈沖。ale端的負載驅動能力為8個lsttl（低功耗高速ttl）。 /psen（29腳） ：在訪問片外程序存儲器時，此端輸出負脈沖作為存儲器讀選通信號。cpu在向片外存儲器取指令期間，psen信號在12個時鐘周期中兩次生效。不過，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，這兩個有效的psen信號不出現(xiàn)。psen端同樣可驅動8個lsttl負載。我們根據(jù)psen、ale和xtal2輸出是否有信號輸出，可以判別80c5

42、1是否在工作。 /ea/vpp（31腳）：當ea端輸入高電平時，cpu從片內程序存儲器地址0000h單元開始執(zhí)行程序。當?shù)刂烦^4kb時，將執(zhí)行片外程序存儲器的程序。當ea輸入低電平時，cpu僅訪問片外程序存儲器。(4)輸入/輸出引腳（p0、p1、p2和p3端口引腳）p0p3是4個寄存器，也稱為4個端口，是80c51單片機與外界聯(lián)系的4個8位雙向并行i/o口。由于在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，cpu需要對接口電路輸入輸出數(shù)據(jù)的寄存器進行讀寫操作，所以在單片機中對這些寄存器象對存儲單元一樣進行編址。通常把接口電路中這些已編址并能進行讀寫操作的寄存器稱為端口（port），或簡稱口。p0.0p0.7（3932

43、腳）：p0是一個8位漏極開路型雙向i/o端口。在訪問片外存儲器時，它分時提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)，故這些i/o線有地址線/數(shù)據(jù)線之稱，簡寫為ad0ad7。在eprom編程時，從p0輸入指令字節(jié)，在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)（驗證時，要外接上拉電阻）。p1.0p1.7（18腳）：p1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向i/o端口。在eprom編程和驗證程序時，它輸入低8位地址。p2.0p2.7（2128腳）：p2是一個帶內部上拉電阻的8位雙向i/o端口。在訪問片外存儲器時，它輸出高8位地址，即a8a15。在對eprom編程和驗證程序時，它輸入高8位地址。p3.0p3.7（1017腳）：p3是一個帶

44、內部上拉電阻的8位雙向i/o端口。在整個系統(tǒng)中，這8個引腳還具有專門的第二功能，如表（3）所示。 表p3口各位的第二功能 p3口的各位第二功能 p3.0 p3.1 p3.2 p3.3 p3.4 p3.5 p3.6 p3.7rxd（串行口輸入）txd（串行口輸出）int0（外部中斷0輸入）int1（外部中斷1輸入）t0（定時器/計數(shù)器0的外部輸入）t1（定時器/計數(shù)器1的外部輸入）wr（片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通控制輸出）rd（片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通控制輸出）（二） 單片機的系統(tǒng)擴展概述80c51片內只有4kb程序存儲器地址空間、256b的片內數(shù)據(jù)存儲器的地址空間（用8位地址，其中128b的專用寄存器地

45、址空間僅有21個字節(jié)有實際意義）。所以需擴展。1.擴展概述 80c51的片外總線結構：所有的外部芯片都通過三組總線進行擴展。（1）數(shù)據(jù)總線（db）：由p0口提供，數(shù)據(jù)總線要連到連接的所有外圍芯片上，但在同一時間只能夠有一個是有效的數(shù)據(jù)傳送通道。（2）地址總線（ab）：16位，可尋址范圍為64k字節(jié)，ab由p0口提供低8位地址，與數(shù)據(jù)分時傳送，傳送數(shù)據(jù)時將低8位地址鎖存；高8位地址由p2口提供。（3）控制總線（cb）：系統(tǒng)擴展用控制總線有wr、rd、psen、ale、ea。2.系統(tǒng)擴展能力片外數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的操作使用不同的指令和控制信號，允許兩者的地址重復。故據(jù)地址的寬度，片外可擴展的存

46、儲器與程序存儲器分別為64kb。此處擴展了16k的程序存儲器和16k的地址存儲器，且沒有使用片內存儲器。擴展的i/o口與片外數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，不再另外提供地址線。3.地址鎖存器 因為p0口是分時提供低8位地址和數(shù)據(jù)信息的，所以必須用鎖存器把地址鎖存住。本次設計使用帶三態(tài)緩沖輸出的8d鎖存器74hc373。其引腳見圖（7）。圖（7）74ls373引腳圖d0d7 信號輸入端q0q7 信號輸出端g：下降沿時，將d1d8鎖存于內部 e：使能端，e=0時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，輸出端q0q7與輸入端d0d7連通，當e=1時，輸出三態(tài)門斷開，輸入數(shù)據(jù)鎖存。4.地址譯碼器80c51擴展電路中，都牽涉到外部地

47、址空間的分配問題，即當80c51數(shù)據(jù)總線分時與多個外圍芯片進行數(shù)據(jù)傳送時，首選要進行片選，然后再進行片內地址選擇。地址譯碼實現(xiàn)片選的方法目前常用的有兩種：線選法和譯碼法。此處采用74hc139譯碼器組成的譯碼電路對系統(tǒng)的高位地址進行譯碼。74hc139是雙“2-4”譯碼器，每個譯碼器僅有1個使能端g，0電平選通。有2個選擇輸入端，4個譯碼輸出端，輸出0電平有效。2個輸入信號a、b譯碼后有4個輸出狀態(tài)，其引腳與真值表如下所示。表（4）74ls139真值表 輸入 輸出使能 選 擇y0y1y2y3/g b a 1 1111 0 0 00111 0 0 11011 0 1 01101 0 1 1111

48、0（三）存儲器擴展 此處采用兩片eprom芯片6264（8k8）擴展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器選用靜態(tài)ram62648（8k8）。其引腳見左圖（8）。 圖（8）2764引腳圖80c51芯片與存儲器的連接 存儲器擴展實質是三總線的連接。(1)據(jù)芯片存儲容量的大小確定數(shù)據(jù)、地址線的根數(shù)。此處為13根。(2)數(shù)據(jù)線的連接 將80c51的芯片的p0.0p0.7按位與ram數(shù)據(jù)線d0d7直連。(3)地址總線的連接 據(jù)確定的地址線根數(shù)，將相應低地址線相連，剩余高位地址線作為片選。（4）控制總線的連接 對應控制線相連。（四）i/o口的擴展mcs-51單片機共有四個8位并行i/o口，可提供給用戶使用的只有p1口和

49、部分p3口線，因此不可避免地要進行i/o口的擴展。這里采用8255（可編程的ram/io擴展接口電路）。 i/o口擴展采用總線擴展方法，數(shù)據(jù)輸入線取自80c51的p0口。這種擴展方法分時占用p0口，不影響p0口與其它擴展芯片的連接操作。8255具有3個8位的并行的i/o口，分別為pa、pb、pc口，其中pc口又分為高4位（pc7pc4）和低4位（pc3pc0）。（五）步進電機驅動電路采用細分驅動電路，根據(jù)所選電機說明，選取合適的驅動器，縱向驅動器和橫向驅動器均為sh20806n。其接線圖如下： 圖（8）電動機驅動器連線圖（六）液晶顯示控制器使用由上海朗睿電子科技有限公司研制生產的工業(yè)彩色液晶（vram型）顯示器，型號為lr-104vram。1.簡介： 彩色液晶顯示器采用超大規(guī)模集成電路，以數(shù)字方式驅動，可以從根本上消除傳統(tǒng)crt顯示器的屏幕閃爍現(xiàn)象。具有高亮度、高對比度、高可靠性、抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點；并且體積小、厚度小、功耗低、無輻射、抗干擾能力強。隨著彩色液晶技術的日趨成熟，正在逐步取代crt顯示器，成為許多高要求行業(yè)的首