小型數(shù)控立式銑床工作臺(tái)升降和制動(dòng)裝置設(shè)計(jì).

1、小型數(shù)控立式銑床工作臺(tái)升降和制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)第一章、設(shè)計(jì)目的與意義專(zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì)2課程設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)實(shí)踐性非常強(qiáng) 的教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是機(jī)械類(lèi)高年級(jí)學(xué)生綜合應(yīng)用基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)課等 知識(shí)體系，將機(jī)械、驅(qū)動(dòng)、傳感及計(jì)算機(jī)控制有機(jī)地集成融合在一起，獨(dú)立設(shè)計(jì) 一種具有特定功能的機(jī)電裝備。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)機(jī)電裝備設(shè)計(jì)課程的知識(shí)，對(duì)典 型機(jī)電裝備的工作原理、組成要素及核心技術(shù)問(wèn)題的分析能力；培養(yǎng)學(xué)生用機(jī)電裝備設(shè)計(jì)的知識(shí)及相關(guān)知識(shí)體系，掌握如何將機(jī)械和電 氣驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制融合在一起， 如何構(gòu)成一種性能優(yōu)良、工作可靠 及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)電裝備的一般設(shè)計(jì)方法和規(guī)律，提

2、高設(shè)計(jì)能力；通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐，熟悉設(shè)計(jì)過(guò)程，學(xué)會(huì)正確使用資料、正確使用圖書(shū)特別是電 子圖書(shū)資源、網(wǎng)絡(luò)資源，查閱技術(shù)文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)計(jì)算、分析設(shè)計(jì)結(jié)果及繪制機(jī)械、 電氣圖樣，在機(jī)電一體化技術(shù)的運(yùn)用上得到訓(xùn)練；通過(guò)課程設(shè)計(jì)的全過(guò)程，為學(xué)生提供一個(gè)較為充分的設(shè)計(jì)空間， 使其在鞏固 所學(xué)知識(shí)的同時(shí)，強(qiáng)化創(chuàng)新意識(shí)，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中深刻領(lǐng)悟機(jī)電裝備設(shè)計(jì)的內(nèi)涵。 第二章、設(shè)計(jì)要求2.1技術(shù)參數(shù)（1）工作臺(tái)升降行程：320mm；（2）工作臺(tái)尺寸：長(zhǎng) 寬=600mm 320mm；（3）工作臺(tái)總重：1000N；（4）最高運(yùn)行速度：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式：空載：0.5 m/min ;切削：0.1 m/min ； 交流伺服電機(jī)運(yùn)行方式

3、：空載：8 m/min ;切削：2 m/min ；（5）系統(tǒng)分辨率：開(kāi)環(huán)模式 0.01 mm/step ;半閉環(huán)模式0.005 mm/step ；（6）系統(tǒng)定位精度：開(kāi)環(huán)模式 二0.10 mm ;半閉環(huán)模式二0.01mm ；（7）切削負(fù)載：X 向 800N； 丫 向 1000N； Z 向 1500N；2.2設(shè)計(jì)要求（1）實(shí)現(xiàn)垂直平穩(wěn)升降，具有快速升降功能；（2）用步進(jìn)電機(jī)或交流伺服電機(jī)作驅(qū)動(dòng)元件；（3）工作時(shí)離合器脫開(kāi)，主軸不工作時(shí)，離合器鎖死，主軸箱停在任意位 置；（4）具有行程越位報(bào)警功能；（5）采用滾動(dòng)導(dǎo)軌塊作支承；(6) 具有斷電鎖緊功能。第三章、設(shè)計(jì)內(nèi)容3.1機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型

4、3.1.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算工作臺(tái)總重：G=1000N3.1.2銑削力Fx 二 800 N Fy = 1000 N F 1500 N3.1.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型(1) 最大工作載荷Fm的計(jì)算作用在滾珠絲杠上的力包括滾珠絲杠螺母副的進(jìn)給力、移動(dòng)部件的重力，以 及作用在導(dǎo)軌上的切削分力所產(chǎn)生的摩擦力。根據(jù)設(shè)計(jì)中所選用的導(dǎo)軌為加有導(dǎo) 軌塊的滾動(dòng)導(dǎo)軌采用綜合導(dǎo)軌的計(jì)算公式。查 1 中表3-29得到計(jì)算公式：Fm = JFy - K(Fz G)式中：FzZ向切削分力(N)，F(xiàn)z =1500N ；Fy 丫向切削力(N), Fy二 N ；G移動(dòng)工作臺(tái)總重(N) G =1000N ；一一導(dǎo)軌的摩

5、擦系數(shù)，查1 中表3-29，取二-0.005 ；K 顛覆力矩影響系數(shù)，查1中表3-29,取K =1.15 ；代入公式計(jì)算得：Fm = 0.005 1000 1.15 (15001000)=2755N(2) 最大動(dòng)載荷Fq的計(jì)算選用滾珠絲杠副的直徑d0時(shí)，必須保證在一定軸向載荷作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)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(chēng)為該 滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載Fq，計(jì)算公式如下：式中Lo滾珠絲杠螺母副的壽命，單位為106rL0 =60 nT/106其中：T 使用壽命，普通機(jī)床取 T = 5000 10000h，數(shù)控機(jī)床及一般機(jī)電裝備取T=15000h，則T=150

6、00hvn絲杠每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，n ；初選絲杠導(dǎo)程Ph = 5 m m ；由設(shè)計(jì)要求可知工作臺(tái)在承受最大銑削力的最高運(yùn)行速度 v = 0.1m/min （采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式；則 n= 0.1 =20 r/mi n 0.00560 20 15000106=18 10 r47fw載荷系數(shù)，查表3-30，運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)為中等沖擊時(shí)，取fw =1.2 ；硬度系數(shù)，58HRC時(shí)，取fH =1.11 ；滾珠絲杠螺母副的最大工作載荷，F(xiàn)m = 2755N代入公式計(jì)算得：Fq = 3 18 1.2 1.11 230328664.17 N（3）滾珠絲杠螺母副的選型根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查1中表3-31

7、,應(yīng)使?jié)L珠絲杠副的額定動(dòng)載荷：Ca _ Fq =8664.17N額定靜載荷：Ca 一（2 3）Fm = 5510N 8265N則選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 G系列2505-3型滾珠絲杠副， 為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱(chēng)直徑為 25mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠 為3圈1列，精度等級(jí)按1中表3-25取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309N Fq，滿(mǎn) 足要求。（4）傳動(dòng)效率的計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 ：t a n C )式中 絲杠螺旋升角，二 arctanPh /Cd。) = arctan5/(二 25) = 3.64 ；摩擦角，滾珠絲杠的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f = 0.003 0.005，其摩

8、擦角約等于10。代入公式計(jì)算得：耳=tan 3.64=95.6%tan (3.6410/60)絲杠支(5) 軸承的選擇 根據(jù)所選滾珠絲杠螺母副的直徑及設(shè)計(jì)要求選擇能夠承受軸向載荷, 承的軸承型號(hào)選為7303AC的角接觸球軸承，其外形圖如下：B其技術(shù)參數(shù)如下表:軸承型號(hào)基本尺寸極限轉(zhuǎn)數(shù)額定負(fù)荷參考重量dDB脂油動(dòng)靜7303AC174714260003500013.807.300.21(6)剛度的驗(yàn)算滾珠絲杠在工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，為了補(bǔ)償熱膨脹，須將絲杠預(yù)拉伸。則上下兩層 滾珠絲杠副的支承均采用“單推一單推”的方式，絲杠兩端各采用一對(duì)推力角接 觸球軸承，面對(duì)面組配。工作臺(tái)升降行程為lv = 320mm，

9、根據(jù)所選滾珠絲杠螺母副導(dǎo)程查2中表3-21查的導(dǎo)程余量為J二20mm，所選軸承的寬度B =14mm。支撐跨度a = lv 2le 2B 二 320 40 28mm = 388mm，可取 a 二 500mm，絲杠的全長(zhǎng)L 二 550mm。絲杠的拉伸或壓縮變形rMa22 二IEr在總變形量中占的比重較大，可按下式計(jì)算:_ Fma1 二ES由于轉(zhuǎn)矩M 般較小，式中第二項(xiàng)可忽略ES式中Fm絲杠的最大工作載荷，F(xiàn)m =2755N ；a絲杠兩端支撐間的距離，a = 500mm ；E 絲杠材料的彈性模量，鋼的彈性模量 E=2.1 105MPa ；S 絲杠按底徑d2確定的截面積，d2 = 21.2mm ，S

10、-/ 4 二 352.99mm2其中，“ +”號(hào)用于拉伸，“一”號(hào)用于壓縮。由于轉(zhuǎn)矩一般較小，式中第2項(xiàng)可以忽略。代入公式計(jì)算得卄27555000186mm2.1 105 352.99滾珠與螺紋滾道之間的接觸變形量學(xué)因進(jìn)行了預(yù)緊，故由下式計(jì)算、2 = 0.0013式中：Fm工作負(fù)荷，即進(jìn)給牽引力（N）Fyj 預(yù)緊力（N）;取 Fyj = Fm3 =918.3NDw滾珠直徑 mm ;取 Dw =3.175mmZ；滾珠數(shù)量，Z.=Z X圈數(shù)X列數(shù)；Z =22 3 1 = 66Z 圈的滾珠數(shù)，ZnA （外循環(huán)），z=-血-3 （內(nèi)循環(huán)）；選DwDw內(nèi)循環(huán)得Z二3.14 25 - 21.72，取整為2

11、23.175d0滾珠絲杠公稱(chēng)直徑 mm ； d0 = 25mm2755代入公式計(jì)算得 =0.0013匯10 管.175皿3%=0.0033mm由于預(yù)緊力為達(dá)軸向工作載荷的1/3, 2減小一半，即、：2 =0.00165mm剛度校驗(yàn)絲杠的總變形量二“ 2 = 0.02mm = 20m，查1中表3-27可估計(jì)絲杠的有效行程315mm400mm,則在標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)為 5級(jí)時(shí)，滾珠絲杠副允許的偏 差為25m。由于：二20 E： 25m，則絲杠剛度足夠。(7) 壓桿穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，如果軸向負(fù)載過(guò)大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk滿(mǎn)足：FEl 譽(yù)k2Ka式中：Fk 臨界載

12、荷(N)k絲杠支承系數(shù)，由1中表3-34取fk=1K 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取為2.54,垂直安裝時(shí)取K=2.5 a滾珠絲杠兩端支承間距離，a =500 mm44截面慣性矩，“年廠先嚴(yán)=9915.47曲E 絲杠材料的彈性模量，鋼的彈性模量E=2.1 105MPa ；2522.5 500代入公式計(jì)算得Fk二 亠亠衛(wèi)嚴(yán)凹=3 2 8 76N由于Fk -Fm = 2755N，則滿(mǎn)足校核。3.1.4直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型(1) 滑塊承受工作載荷Fmax的計(jì)算和導(dǎo)軌型號(hào)的選取采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式，滑塊受力圖如下：則滑塊受力為:R巳二L2二W L2 Lo式中： W外加載荷（N） , W= Fz

13、 G =1500 1000 = 2500NL0如圖距離，約為100mmL2如圖距離，約為 200mmL3 如圖距離，約為 300mmPP4垂直于運(yùn)動(dòng)平面的支反力RtP2t平行于運(yùn)動(dòng)平面且垂直于導(dǎo)軌的支反力代入公式計(jì)算得:2500200R P42500 N2 100Pt p2500 迴750N2 100則Fmax = RtP4T = 3750N =3.75KN，查1中表3-41，根據(jù)滑塊承受工作載荷Fmax，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為 KL系列的JSA LG15型，其額定動(dòng)載荷 Ca = 7.94KN，額定靜載荷 Coa = 9.5KN由工作臺(tái)尺寸600mm 320mm,工作臺(tái)升降行程為 320

14、mm,考慮工作臺(tái)升 降應(yīng)留有余量，查1中表3-35,按標(biāo)準(zhǔn)系列JSA LG15型導(dǎo)軌，選取導(dǎo)軌長(zhǎng)度 為 460mm。（2）距離額定壽命L的計(jì)算上述選取的KL系列的JSA LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫 度不超過(guò)100C，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為 4級(jí)，工作速度較低，載 荷不大。則距離額定壽命L的計(jì)算公式為：fH fT fC fRCa L=Cx 50f W FmaxJ式中：L距離額定壽命（Km）代入公式計(jì)算得Ca 額定動(dòng)載荷（KN）fH-硬度系數(shù)，由表3-36 取 fH =1.0fT溫度系數(shù)，由表3-37 取 fT =1.00fC-接觸系數(shù)，由表338 取 fC =0.81

15、fR精度系數(shù)，由表3-39 取 fR=0.9fW-載荷系數(shù)，由表3-40 取 fW=1.5Fmax滑塊上工作載荷（KN）匹型込PS4匚501.5X.25丿=1470.99Km由于常見(jiàn)球?qū)к壍木嚯x期望壽命為 50Km，則L遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)軌的預(yù)期壽命, 所以初選的型號(hào)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。3.1.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用與大齒輪軸承的選型（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的減速箱的作用是降速，并且使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在 傳動(dòng)系統(tǒng)中所占比重減小，以保證傳動(dòng)精度。本設(shè)計(jì)采用一級(jí)減速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 的輸出抽與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片 結(jié)構(gòu)，采用彈簧錯(cuò)齒法消除間隙。已知工

16、作臺(tái)的脈沖當(dāng)量5 =0.005mm，滾珠絲杠的導(dǎo)程為5mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角-=0.75o。則減速比i= Ph0.75525，因此米用常州市360$3600.00512新月電機(jī)有限公司生產(chǎn)的JBF 3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75: 36,材料為45調(diào)制鋼，齒表面淬硬后達(dá) 55HRC。減速箱中心距a仁 （75+36）/ 2=55.5mm,小齒輪厚度為20mm,雙片大齒輪厚度均為 10mm。（2）大齒輪軸承的選型根據(jù)所選齒輪軸兩端的直徑分別為 15mm和20mm，從設(shè)計(jì)要求選擇能夠承 受軸向載荷的型號(hào)，因此大齒輪軸承型號(hào)可分別選為北京環(huán)球光洋軸承有限責(zé)任 公司的7302

17、C和7304C型的角接觸球軸承，其技術(shù)參數(shù)如下：型號(hào)斟尺寸DynamicStaticrpmiIICrCorGreaseOil砌7300C1035119.34.613,00026, ODO0.053T301C123T1211.85.61L ooo24,0000.067302C15421313.26.TI 15,00021,0100.0847303CIT4T1415. Te.z13,00019,0000J6T304C20521518.49.812,00017,0000, is!7305C2562IT2T.815.9気50014,000C.233.1.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型（1）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

18、軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq已知滾珠絲杠的公稱(chēng)直徑為25mm，總長(zhǎng)550mm，導(dǎo)程5mm，材料密度P=7.850;移動(dòng)部件的重力為1000N;小齒輪寬度d =20mm，直徑 d36mm ;大齒輪寬度b? =20mm，直徑d75mm;傳動(dòng)比i=25/12。得到滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:JsL- 丫Jl2丿23.14 55 7.85 10”2=1.655kg.cm初選永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)90BYG2602型號(hào)，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm = 4kg.cm2小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:J z13.14 2 7.85 103.6 丫I2丿2二 0.259kg.cm大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:J z13.14 2 7.85 104仃.5)

19、II 2 I24.877kg.cm22 2則一對(duì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:彳-Teq2因此滿(mǎn)足要求。 最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核此時(shí)電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率：1Vmaxmax605式中： Vma 最快工作進(jìn)給速度，Vmax =500mm/min代入公式計(jì)算得：1爲(wèi)5001666.67 Hz60 2005由表4-7可查得對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmax =5.2N.m，由于Tmax =5.2N.mTeqi因此滿(mǎn)足要求。 最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與 Vmax =500mm/min 對(duì)應(yīng)的 fmax = 1666.67Hz，查表 4-5 可知 90BYG2602 電 動(dòng)機(jī)的

20、空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000Hz，可見(jiàn)沒(méi)有超出上限。 起動(dòng)頻率計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率：f|_ =式中：fq 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率，查表4-5得fq=1800Hz代入公式計(jì)算得:1800-1143.58Hz上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小與 1143.58Hz。在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選的更低，通常只有100Hz。綜上所述，本例中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)選用90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。317聯(lián)軸器的選用滾珠絲杠的軸頭與大齒輪用聯(lián)軸器聯(lián)接，由于傳遞的轉(zhuǎn)矩小，因此選用小型的聯(lián)軸器。根據(jù)滾珠絲杠的公稱(chēng)軸徑 d0 =25m

21、m和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq=0.4427N.m，由技術(shù)參數(shù)表（如下）R(N.m)It as(N.m)IK“pm)力JJ(Kg叭(N.m/rad)8何(mm)APIKSC)(mmjII(g)LK2妙031X10000J6.6X10 no0.11.50J512LK2-10G-1.22.4100002.6X1061700Jts：0J526LKMianriTi1.63.23000取gx/2600.11.501542L仏佃04,28.48000J1.9X103300151.50.1576LKlQO-9.01B06000B.9X10560015151015129ILK2-075-1.02X1

22、00002JX1062300.11J+0d5可選用廣州菱科自動(dòng)化設(shè)備有限公司 LK2 1501414型號(hào)小型撓性聯(lián)軸器。 其外形及技術(shù)參數(shù)如下：ft型號(hào)小 0d2tt fi0DLL1M擰緊力燮 (N m)LK2075-SLK2-V7I*3456 6.3519 T1912.55M3Q.7LKT啊SLK2400-5 6 6.358 tO25/25.43,55M41.7LKS-111-SLK241?*6610 12728.62&63.60M5t7LK2ZOft-12 127 1450.B50.85.25M6SLK22OD15 16 Ifl 194.03.1.8增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用本設(shè)計(jì)所選步進(jìn)電動(dòng)

23、機(jī)采用半閉環(huán)控制，可在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量 式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角0.75，可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360=480個(gè)步進(jìn)脈沖?？紤]到增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的A、B信號(hào)，可以送到四倍頻電路進(jìn)行電子四細(xì)分，因此，編碼器的分 辨力可選120線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖， 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，編 碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。本設(shè)計(jì)選擇編碼器的型號(hào)為 ZLK A 120 05V010 H :盤(pán)狀空心型， 孔徑10mm,與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓 +5V，每轉(zhuǎn)輸出120個(gè)A/B脈 沖

24、，信號(hào)為電壓輸出，生產(chǎn)廠家為長(zhǎng)春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。3.1.9制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)由于滾珠絲杠副無(wú)自鎖作用，特別對(duì)垂直安裝的滾珠絲杠副，必須安裝制動(dòng) 裝置。根據(jù)齒輪軸的尺寸和載荷選用 DZJ-10單片電磁制動(dòng)器，其安裝尺寸如下：血-06Ml80“3S55329s唧2119$055.54B押2aie1MSiib y105曲SB-10&2811137 M125755$32&-10gHi1其安裝示意圖如下:/jfJII11iJF圖中：1-電機(jī)端蓋 2-空心螺栓裝置 3-制動(dòng)盤(pán) 4-銜鐵 5-手動(dòng)釋放裝置6-齒輪套7-磁軛組件8-安裝螺釘3.2微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路，I/

25、O接口電路，驅(qū)動(dòng)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，其他裝置都是在微機(jī)的指揮進(jìn)行工作的。系統(tǒng)的功 能和系統(tǒng)中所用的微機(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)和三字長(zhǎng)的運(yùn)算，就會(huì)影響速度，根據(jù)機(jī)床要求，綜合考慮采用8位微機(jī)。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)，具有很高的性?xún)r(jià)比特點(diǎn)，決定采用 MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由微機(jī)部分，鍵盤(pán)、顯示器、I/

26、O接口及光電隔離電路，步進(jìn)電機(jī) 功率放大電路等幾部分組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用LED顯示器。3.2.1電氣控制系統(tǒng)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 件才能有效的運(yùn)行。機(jī)床硬件電路圖由以下幾部分組成： .主控制器，即CPU .總線，包括數(shù)據(jù)，地址，控制總線 .存儲(chǔ)器ROM RAM .接口，即I/O接口電路 外設(shè)，如 鍵盤(pán)，顯示器及光電輸入機(jī)等。電氣控制系統(tǒng)框圖如下：圖3-1機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（半閉環(huán)系統(tǒng)）322選擇CPU的類(lèi)型對(duì)于計(jì)算精度要求較高、處理速度要求較快的系統(tǒng)，可選用8位機(jī)。則Intel 公司的MCS-51系列單

27、片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，適合經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。3.2.3 MCS-51系列指令系統(tǒng)簡(jiǎn)介MC51系列指令系統(tǒng)共有111條基本指令，其中單字節(jié)指令有49條，雙 字節(jié)指令有45條，單字節(jié)指令有17條。（1）MC51系列指令系統(tǒng)的七種尋址方式簡(jiǎn)介 立即尋址 跟在操作碼后的一個(gè)字節(jié)就是實(shí)際操作數(shù)。 直接尋址 指令中直接給出參加運(yùn)算或傳送的數(shù)的地址?？梢栽L問(wèn)三種地址：特殊功能寄存器 SFR內(nèi)部RAM12字節(jié)個(gè)單元、221個(gè)地址空間。 寄存器尋址 指定某一可尋址的寄存器的內(nèi)容為操作數(shù)。尋址空間是R0R7 A B、DPTR 寄存器間接尋址 由指令指定某一寄存器的內(nèi)容作為操作數(shù)地址， 選定R0 R1、SP

28、、DPTR（ 16位）來(lái)存放地址，使用時(shí)前加 變址尋址由爭(zhēng)論指定的偏移量寄存器或稱(chēng)變址寄存器和基址寄存器DPTR或 PC相加所得結(jié)果作為操作數(shù)地址。 相對(duì)尋址在指令中給定的地址偏移量與本指令所在單元地址（即 PC內(nèi)容)相加，即得到真正有效的單元地址 位尋址 對(duì)內(nèi)部RAM的128位和SFR塊內(nèi)的93位進(jìn)行位操作。(2) MC51系列指令系統(tǒng)主要指令簡(jiǎn)介MC51系列指令系統(tǒng)111條指令可分為五類(lèi)： 數(shù)據(jù)傳送類(lèi)29條 算術(shù)操作類(lèi)24條 邏輯操作類(lèi)24條 控制程序轉(zhuǎn)移類(lèi)17條 布爾變量操作類(lèi)17條3.2.4定時(shí)器/計(jì)數(shù)器MC51系列單片機(jī)提供兩個(gè)十六位可編程的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，即TO和T1 他們具有兩

29、種工作方式和四種模式。其工作原理如下圖所示。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)框圖定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的核心是加一計(jì)數(shù)器，加一計(jì)數(shù)器脈沖有兩個(gè)來(lái)源，一個(gè)是 外部脈沖源，另一個(gè)是系統(tǒng)的時(shí)鐘振蕩器。有兩個(gè)模擬開(kāi)關(guān)，前一個(gè)開(kāi)關(guān)就是特殊寄存器TMO的相應(yīng)位，后一個(gè)模擬 開(kāi)關(guān)就是特殊寄存器TCON勺相應(yīng)位。TMO和 TCON1專(zhuān)門(mén)用于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的控制寄存器。用戶(hù)可以用指令對(duì) 其各位進(jìn)行寫(xiě)入或更改操作，從而選擇不同的工作狀態(tài)或啟動(dòng)時(shí)間，并可設(shè)置 相應(yīng)的控制條件。(1) TMO控制寄存器tTE:TMl-引1GATE門(mén)控位或叫選通位，用來(lái)確定對(duì)應(yīng)的外部中斷請(qǐng)求引腳是否參與 T。或Ti的操作控制。C/T計(jì)數(shù)器方式或定時(shí)器方式的

30、選擇位。C/T=1時(shí)，計(jì)數(shù)方式；C/T=0時(shí)，定時(shí)器方式。M1和M工作模式控制位，4種工作模式。00模式0:TLX中的低5位和THX的高8位構(gòu)成13位計(jì)數(shù)器。 01模式1: TLX與THX構(gòu)成16位計(jì)數(shù)器。10模式2:可自動(dòng)再裝入的8位計(jì)數(shù)器。11模式3:把定時(shí)器0分成兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器，關(guān)閉定時(shí)器1。（2）TCON控制寄存器TT_ TR_ TP J TE - IT_ 匚 17TF0 TF1定時(shí)器T0、T1溢出標(biāo)志位，為1時(shí)申請(qǐng)中斷。TR0 TR1定時(shí)器T0、T1運(yùn)行控制位，有軟件設(shè)定，來(lái)控制定時(shí)器/計(jì) 數(shù)器開(kāi)啟或關(guān)閉。IE0、IE1 外部中斷源的標(biāo)志，為1時(shí)表示外部中斷源向CPU申請(qǐng)中斷。IT0

31、、IT1 外部中斷源觸發(fā)控制位。3.2.5中斷系統(tǒng)MC 51系列單片機(jī)提供五個(gè)中斷源，配備兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)， INT0、INT1 輸入外部中斷請(qǐng)求，兩個(gè)片內(nèi)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1溢出中斷請(qǐng)求TF0和TF1, 一個(gè)片內(nèi)串行口中斷請(qǐng)求TI和RI。各中斷源所對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址和優(yōu)先級(jí)如下：中斷源入口地址優(yōu)先級(jí)INT00003H0T0000BH1INT10013H2T1001BH3串行口中斷 0023H43.2.6存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)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與 EPROIW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

32、問(wèn)題。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)簡(jiǎn)單的 應(yīng)用場(chǎng)合MCS-5係列的最小系統(tǒng)用一片8031外擴(kuò)一片EPRO就能滿(mǎn)足功能的要 求。對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，可利用 MCS-51的擴(kuò)展功能，構(gòu)成功能強(qiáng)，規(guī)模大的 系統(tǒng)。(1)程序存儲(chǔ)器ROM勺擴(kuò)展在機(jī)電控制系統(tǒng)中，目前用來(lái)擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器的主要是EPRO芯片，且MCS-51的程序存儲(chǔ)器的尋址空間為 64KB 8031不帶ROM常用的ROMS片及引腳常用的半導(dǎo)體 ROM芯片有：2716 (2KX 8)、2732A (4KX 8)、2764、(8KX8)、27128( 16KX 8)、27256( 32KX 8)、27512

33、( 64KX 8)。2764、27128、27256、27512芯片均有28腳雙列直插式平封裝芯片。引腳向下兼容。如下圖是2764管腳配置:地址鎖存器常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。其真值表如下:OEGDQLHHHLHLLLLXQ074LS373的引腳如下圖:D7Q71)6Q61)5741 居Q51)4373Q41)3Q31)2Q21)1Q11)0G 0E Q0(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的擴(kuò)展常用的靜態(tài) RAM芯片有 6116 (2KX 8)、6264 (8KX 8)、62256 (32KX 8)等，6264、62256均采用CMOSt藝、28腳雙

34、列直插式平封裝。6264引腳及邏輯符號(hào)見(jiàn)下圖：327譯碼電路設(shè)計(jì)(1)MC51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則 程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址。程序存儲(chǔ)器地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址 可以重疊使用。都是從 0000HH FFFFH 外圍I/O芯片與擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，外圍I/O芯片占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器地址單元，且使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)控制信號(hào)與讀/寫(xiě)指令。 CPU在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)地址編碼，CPU的P2 口提供高8位地址，P0 口經(jīng)外部地址鎖存器后提供低 8位地址。（2）地址譯碼方法 線選法利用單片機(jī)地址總線高位中的一根線作為選擇某一片存儲(chǔ)器芯片的片選信 號(hào)。此法用于規(guī)模較小的系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是不需要地

35、址譯碼器，可節(jié)省硬件，降 低成本。缺點(diǎn)是可尋址的芯片數(shù)目受到很大的限制，且地址空間不連續(xù)，不能 充分利用。 全地址譯碼法對(duì)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法。常采用的譯碼器是74LS138其引腳圖如下：1- r 1；1-31 -lTT-i.u J71(!GNE0其邏輯功能表如下:G1 G2A G2BC B AY7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y01 0 00 0 01 1 1 1 1 1 1 01 0 00 0 11 1 1 1 1 1 0 11 0 00 1 01 1 1 1 1 0 1 11 0 00 1 11 1

36、 1 1 0 1 1 11 0 01 0 01 1 1 0 1 1 1 11 0 01 0 11 1 0 1 1 1 1 11 0 01 1 01 0 1 1 1 1 1 11 0 01 1 10 1 1 1 1 1 1 1其他狀態(tài)X X X1 1 1 1 1 1 1 1其地址譯碼表如下:器件地址選擇線片內(nèi)地址 單元（字 節(jié)）地址編 碼2764O0OXXXXXXXXXXXXX8K0000H1FFFH6264001XXXXXXXXXXXXX8K2000H3FFFH8155RAM0101XXXX1110XXXX2565E00H5EFFHI/O01011XXX1111111165FF8H5FFFH8

37、255011111XX1111111146FFCH6FFFH其全地址譯碼圖如下： r1-328 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計(jì)常用外圍接口芯片有：8155:可編程的RAM/IO擴(kuò)展接口電路（256個(gè)RAM兩個(gè)8位口、一個(gè)6位口、一個(gè)14位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器）8255:可編程的通用并行接口電路（3個(gè)8位口）8279 :可編程的鍵盤(pán)、顯示接口電路（1）8155通用可編程接口芯片 8155引腳及其功能8155的結(jié)引腳排列及構(gòu)框圖如下圖:)A口.e %:)-1 陽(yáng)心p門(mén)忙T-.I36:-R FT37P：j3614 /tie ? DJT:!h14 :irri7：卩1一r-sTl_門(mén)口HF-1 F30PI.s

38、 r29卩附Al口色了叩一Jd /P幣二_3Al匕 zL 1陽(yáng)譏1 7P41品t主53M /產(chǎn)卩二1V_SrC?11二8155具有40條引腳，采用雙列直插式風(fēng)裝，各引腳功能見(jiàn)下表:引腳含義引腳含義引腳含義AD0AD7PA0PA7PB0PB7 PC0PC5 TIMER IN地址、數(shù)據(jù)線A 口B 口C 口定時(shí)輸入TIMER OUT 10/MALERD/WR定時(shí)輸出IO/RA M 口選擇地址鎖存 讀寫(xiě)CE RESET VSS VCC片選 復(fù)位 地 電源其命令寄存器格式及工作方式如下: 8155的工作方式設(shè)定8155命令寄存器格式及工作方式見(jiàn)下表:引腳含義D0-D7數(shù)據(jù)線PAO-PA7A 口PBO-P

39、B7B 口PCO-PC7C 口A0 A1地址線RD讀WR寫(xiě)CE片選RESET復(fù)位GND地VCC電源8155初始化程序格式MOVDPTR，控制口地址MOVA ，命令字MOVXDPTR AMOVDPTR，計(jì)數(shù)初值入口地址MOVA，計(jì)數(shù)初值MOVXDPTR AINCDPTRMOVA ，計(jì)數(shù)初值咼位MOVXDPTR, A(2) 8255通用可編程接口芯片 8255引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖:-4_ ；P酉7in/RFT垃町r|：?：f1 :-LE1 :T尿1V k K 1/?E TT11?J L IJB3 8255工作方式的設(shè)定8255有三種工作方式：方式 0、方式1、方式2。方式0基本的輸入輸出方式方式1

40、應(yīng)答式輸入輸出方式方式2應(yīng)答式雙向輸入輸出方式8255 I/O的工作方式選擇通過(guò)對(duì)其內(nèi)部命令寄存器設(shè)定方式選擇控制字來(lái) 實(shí)現(xiàn)。其格式及工作方式見(jiàn)下圖：其C 口置/復(fù)位控制字格式如下圖: 8255初始化程序格式如下：MOV AL ，控制字；定義工作方式OUT控制口地址，ALINAL ，初值OUT輸出口地址，AL(3) 鍵盤(pán)顯示接口電路 顯示器工作原理數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有 LED和LCD接口顯示方式。LED顯示器有7個(gè)發(fā)光二極管組成，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，顯示不同字符。七段顯示器的結(jié)構(gòu)如下圖:b)共陽(yáng)極c)共陰極 鍵盤(pán)接口原理鍵盤(pán)工作原理如下圖:1I +lAli 1-3 8255初始化

41、程序格式如下：MOV AL ，控制字；定義工作方式OUT控制口地址，ALIN AL ，初值OUT輸出口地址，AL（4）電機(jī)接口及驅(qū)動(dòng)電路 脈沖分配器脈沖分配器又叫環(huán)型分配器，有硬件環(huán)型分配器和軟件環(huán)型分配器兩種。 光電隔離電路為防止強(qiáng)電干擾，在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路。常用的光 電偶合器連線如下圖：圖3-15光電偶合器連線(5) 輔助電路8031的時(shí)鐘電路數(shù)控銑床單片機(jī)的時(shí)鐘電路采用內(nèi)部方式產(chǎn)生，電路圖如下:復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位都靠外部電路實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通常采用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩 種，下圖為二者組合電路。IIkESET 越界報(bào)警電路為防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開(kāi)關(guān)。下

42、圖為報(bào)警信號(hào)的 產(chǎn)生和指示電路。 掉電保護(hù)電路 避免在掉電的情況下，RAM中的信息丟失，下圖為其工 作原理。 數(shù)控銑床的控制面板如下圖所示第四章、軟件設(shè)計(jì)4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)需要三個(gè)要素：方向、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速。由于步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率， 所以對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖頻率的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)上就 是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié)。4.1.1步進(jìn)脈沖的調(diào)頻方法一一軟件延時(shí)設(shè)延時(shí)時(shí)間存于（0E）（ODH）,（ OEH為高8位，（ODH為低8位，單位為|S。則源程序清單如下:DELAY: MOV A,0DH JZ DEL6CLR CRRC A JZ DEL6DJNZ 0E0H,$DEL

43、6: MOV A,0EH JZ DEL5DEL4: CALL D252DJNZ 0EH,DEL4DEL5: RETD252: MOV R0,#53HD253: NOPDJNZ R0,D253 RET若需要20003的延時(shí)，則給OEH、（ODH）兩個(gè)字節(jié)賦值4E20H執(zhí)行程序 有：MOV 0EH,#4EHMOV 0DH,#20HCALL DELAY若要控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)走100步，每?jī)刹街g延時(shí)20000,，則匯編程序如 下：MOV 0FH,#100DCONTI: CALL l_STEPMOV OEH,#4EHMOV ODH,#20HCALL DELAYDJNZ OFH,CONTI4.1.2步進(jìn)電動(dòng)

44、機(jī)的升降頻實(shí)現(xiàn)升降頻的軟件流程圖如下：禪紜愉I離目甌卵課打桁換鍛8fi.魏汕n - ihT-Tk1qLiLLlfifth F-fr4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配環(huán)形分配器是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，通常分為硬件 環(huán)分和軟件環(huán)分。軟件環(huán)分由控制系統(tǒng)用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。 電動(dòng)機(jī)脈沖分配子程 序框圖如下：y目4.3 8255A接口基本的輸入輸出假設(shè)要求8255A的工作在方式0,且PA口作為輸入，PB口與PC口作為輸 出，則工作程序如下：MOVDPTR,#0FF7HMOVA,#10010000BMOVXDPTR,AMOVDPTR,#0FF7CHMOVA,DPTRMOVDPTR, #0FF7CH

45、MOVA,#*HMOVXDPTR,AMOVDPTR,#0FF7CHMOVA, A,#*HMOVX DPTR,A4.4 8155可編程并行接口4.4.1初始化程序設(shè)計(jì)若A 口定義為基本輸入方式，B 口定義為基本輸出方式，對(duì)輸入脈沖進(jìn)行 16分頻，則8155的I/O初始化程序如下：START: MOV DPTR,#7F04HMOV A,#10HMOVX DPTR,AINC DPTRMOV A,#40HMOVX DPTR,AMOV DPTR,#7F00HMOV A,#0C2HMOVX DPTR,A4.4.2 讀 8155 內(nèi)部 RAM假定現(xiàn)要讀取8155內(nèi)部RAM的F1H單元內(nèi)容，則程序如下：MOV DPTR,#7E20HMOVX A,DPTR443寫(xiě)8155內(nèi)部RAM欲將立即數(shù)41H寫(xiě)入8155內(nèi)部RAM的20H