畢業(yè)論文--普通機(jī)床的數(shù)控改造

1、普通車床數(shù)控改造用微機(jī)數(shù)控技術(shù)改造最大加工直徑為400mm普通車床的進(jìn)給系統(tǒng)摘要：了解數(shù)控機(jī)床的概念，所謂數(shù)控是按照含有機(jī)床(刀具)運(yùn)動信息程序所指定的順序自動執(zhí)行操作的過程。而計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床就是數(shù)控機(jī)床在計(jì)算機(jī)監(jiān)控下進(jìn)行工作。它的優(yōu)點(diǎn)很多,如可以在同一機(jī)床上一次裝夾可完成多個(gè)操作，生產(chǎn)率顯著提高等優(yōu)點(diǎn)，但它的價(jià)格昂貴。由于我國現(xiàn)在使用的機(jī)床大多數(shù)為普通車床，自動化程度低,要更新現(xiàn)有機(jī)床需要很多資金。為了解決這個(gè)問題,也為了適應(yīng)多品種中、小批量零件加工我們選擇機(jī)床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造?？傮w設(shè)計(jì)方案：在普通車床上采用適合現(xiàn)場實(shí)時(shí)控制的80C51單片機(jī)為控制器，以運(yùn)行特性好、可靠性高的步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動執(zhí)行

2、元件進(jìn)行數(shù)控改造。關(guān)鍵詞：數(shù)控、車床、改造、80C51單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；前   言     數(shù)控機(jī)床經(jīng)濟(jì)型改造,實(shí)質(zhì)是機(jī)械工程技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合。經(jīng)改造后的機(jī)床加工的精度、效率、速度都有了很明顯的提高，適合我國現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展要求。     本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是對機(jī)床機(jī)械部分進(jìn)行改造,以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動橫向進(jìn)給運(yùn)動、縱向進(jìn)給運(yùn)動以及刀架的快速換刀,使傳動系統(tǒng)變得十分簡單，傳動鏈大大縮短,傳動件數(shù)減少,從而提高機(jī)床的精度。     設(shè)計(jì)中，我們對有關(guān)數(shù)控機(jī)床

3、及數(shù)控改造的相關(guān)書籍、刊物進(jìn)行大量閱讀,收集了很多資料,了解了數(shù)控機(jī)床的基本概念，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況，數(shù)控機(jī)床的組成及其工作原理，擴(kuò)大了我們的知識面。     隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代機(jī)械制造要求產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對零件的加工質(zhì)量的要求也越來越高。隨著社會對產(chǎn)品多樣化要求的增強(qiáng)，產(chǎn)品品種增多,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。數(shù)控機(jī)床代替普通機(jī)床被廣泛應(yīng)用是一個(gè)必然的趨勢。同時(shí)，數(shù)控機(jī)床將向著更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能發(fā)展。第一章：緒 論§1 畢業(yè)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，它系統(tǒng)的檢驗(yàn)了我們

4、是否是合格的畢業(yè)生。它通過對機(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、電子和微機(jī)的知識,進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合的全面訓(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)中所遇到的機(jī)電方面技術(shù)問題的能力。§2 畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容：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)動方式的確定（2）伺服系統(tǒng)的選擇。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動方式的確定。（4）計(jì)算機(jī)的選擇。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

5、型。（4）滾動導(dǎo)軌的選型。（5）進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動計(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。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)繪制一臺數(shù)控機(jī)床微機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖。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）確定對刀點(diǎn)。（4）選擇刀具。（5）確定切削用量。（6）編制加工程序。5、直線的逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)軟件程序流程框圖的繪制。第二章 微型數(shù)控系統(tǒng)總體

6、設(shè)計(jì)方案的擬定：§1、畢業(yè)論文的要求和內(nèi)容（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求）1.課題名稱：用微機(jī)數(shù)控技術(shù)改造最大加工直徑為400毫米普通車床的進(jìn)給系統(tǒng)2.設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：主要技術(shù)參數(shù)：最大加工直徑（mm）： 在床身上：400 在床鞍上：210最大加工長度（mm）： 750 - 1000 溜板及刀架重量（N）： 縱向：1000 橫向：500 刀架快移速度（m/min）： 縱向：2 橫向：1 最大進(jìn)給速度（m/min）： 縱向：0.6 橫向：0.3 最小分辨率 （mm）： 縱向：0.01 橫向：0.005定位精度（mm）： 0.02主電機(jī)功率（KW）： 5.5 起動加速時(shí)間（ms）：

7、35設(shè)計(jì)的要求1）CNC系統(tǒng)的主CPU既可采用8031單片機(jī)也可用系統(tǒng)機(jī)。2）兩個(gè)坐標(biāo)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)既查采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動也可用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動。3）所編的零件加工程序應(yīng)符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。既可用手工也可用UG等軟件編程。4）所繪制的機(jī)械裝配圖和硬件電路原理圖要求正確、合理、圖面整潔、符合標(biāo)準(zhǔn)。5）所編寫的軟件應(yīng)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行匯編和通訊等。6）說明書應(yīng)簡明扼要、計(jì)算準(zhǔn)確、條理清楚、圖文并茂并全部用計(jì)算機(jī)打印后裝訂成冊§2、總體方案的確定1、系統(tǒng)的運(yùn)動方試與伺服系統(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

8、續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)： 根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)的特點(diǎn)之一是硬件設(shè)計(jì)簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對于簡單的應(yīng)用場合，MCS-51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片80C51外擴(kuò)一片EPROM就能滿足功能的要求，對于復(fù)雜的應(yīng)用場合，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)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用LCD液晶顯示器顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。3、為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求

9、的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠，為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載荷的結(jié)構(gòu)。傳動齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)總體方案框圖見圖（1）圖（1）第三章、機(jī)床進(jìn)給系統(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)動部件慣量計(jì)算，空載起動及切削力矩機(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：§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0.010.00

10、5mm/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/step§2 切削力的計(jì)算1、縱車外圓：主切削力FZ（N）由經(jīng)驗(yàn)公式（1）估算： 式（1）而式（2）取，則，取，則進(jìn)給抗力X向和Y向根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（3）（4）確定 式（3） 式（4）則得： 2、橫切端面：主切削力可取縱切的一半，即此時(shí)走刀抗力，吃刀抗力依然按上述經(jīng)驗(yàn)公式粗略計(jì)算： 則得： §3、滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算、和選型（一）縱向進(jìn)給絲杠：1 . 計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm(N) 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件的重量和切屑分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力，因

11、而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的形式有關(guān)。本次設(shè)計(jì)縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌，則按以下公式確定： 式（5） 式中：K考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合型導(dǎo)軌取K=1.15 滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.150.18，取=0.16 G溜板及刀架重力，由已知G=1000N 代入得：2 . 計(jì)算最大動負(fù)載Q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（）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負(fù)載 C，計(jì)算如下： 式（6） 式（7） 式（8）式中：為滾珠絲杠導(dǎo)程,初選絲杠導(dǎo)程Lo=6mm；Vs-最大切削力下的進(jìn)給速度,可取最高進(jìn)給速度的1/21/3,此處為

12、0.3m/min; T-使用壽命,按15000h; fw-運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw =1.21.5;此處取fw=1.2； L-壽命以轉(zhuǎn)為1單位.則： 3 . 滾珠絲杠螺母副的選型：查閱數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)中附表1，可采用W1L2506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,其額定動負(fù)載為1310N,精度等級按滾珠絲杠行程公差表，選為3級(大致相當(dāng)于老表準(zhǔn)E級)4 . 傳動效率計(jì)算 =tan/tan(+)式中：螺旋升角,W1L2506的螺旋升角=4°22 摩擦角取10滾動摩擦系數(shù)0.0030.004則：=tan/tan(+) =tan4°22/tan(4°

13、22+10)=0.965 . 剛度校核先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖，如下圖（2）所示：圖（2）縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖則： 式（9）支承間距L=1160mm，最大軸向力為2316N，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)載的1/3。（1）、絲杠的拉伸或壓縮變形量，式（10） 對剛： 式（11） 絲杠導(dǎo)程的變化量：式（12）總長度L=1160mm，絲杠上的變形量，由于兩端均采用推力球軸承，則值：（2）滾珠與螺紋滾道間接觸變形： 由承載滾珠數(shù)量式（13）由于對滾珠絲杠副施加預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向載荷的1/3，則變形： （3）滾珠絲杠總的彈性變形量：根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式：式（14）則可

14、得：（4）定位誤差所以，滿足要求。（二）橫向進(jìn)給絲杠：1 . 計(jì)算進(jìn)給軸向力橫向?qū)к墳殡p燕尾形，有如下計(jì)算式：式（15）式中：K考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合型導(dǎo)軌取K=1.4； 滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：取=0.2； G溜板及刀架重力，由已知G=500N則代入已知得：2 . 計(jì)算最大動負(fù)載Q計(jì)算如下： 式（6） 式（7） 式（8）式中：為滾珠絲杠導(dǎo)程,初選絲杠導(dǎo)程Lo=6mm；Vs最大切削力下的進(jìn)給速度,可取最高進(jìn)給速度的1/21/3,此處為0.3m/min; T使用壽命,按15000h; fw運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw =1.21.5;此處取fw=1.2； L壽命以轉(zhuǎn)為1單位.則： 3 . 滾珠

15、絲杠螺母副的選型：查閱數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)中附表1，可采用W1L2005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,其額定動負(fù)載為8800N,精度等級按滾珠絲杠行程公差表，選為3級(大致相當(dāng)于老表準(zhǔn)E級)4 . 傳動效率計(jì)算 =tan/tan(+)式中：螺旋升角,W1L2005的螺旋升角=4°30 摩擦角取10滾動摩擦系數(shù)0.0030.004則：=tan/tan(+) =tan4°30/tan(4°30+10)=0.9645 . 剛度校核先畫出此橫向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖，如下圖（3）所示：圖（3）、橫向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖則式（9）支承間距L=530m

16、m，最大軸向力為1919N。（1）、絲杠的拉伸或壓縮變形量根據(jù)：， 對剛：，總長度L=1160mm，絲杠上的變形量：（2）滾珠與螺紋滾道間接觸變形：由，由于對滾珠絲杠副施加預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向載荷的1/3，則變形：（3）滾珠絲杠總的彈性變形量：根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式：式（14）則可得：（4）定位誤差顯然，變形量已大于定位精度（0.02mm）要求，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改，因橫向溜板限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌（），減小摩擦力，從而減小軸向力，根據(jù)式（16）重新計(jì)算如下： 此時(shí)的變形量為：則定位誤差為：仍不能滿足精度要求0.02mm。如果將顧主絲杠再進(jìn)行預(yù)拉伸，則絲杠剛度可提高四倍，則定

17、位誤差為： 滿足要求。（三）縱向和橫向滾珠給絲杠副幾何參數(shù)：其幾何參數(shù)見表1名稱符號W1L2506W1L2005螺紋滾道公 稱 直 徑2520導(dǎo) 程65接 觸 角鋼 球 直 徑3.9693.175滾道法面半徑2.0641.651偏 心 距0.0560.045螺 紋 升 角螺桿螺 桿 外 徑24.219.4螺 桿 內(nèi) 徑20.98416.788螺桿接觸直徑17.02713.835螺母螺母螺紋直徑32.82623.212螺 母 內(nèi) 徑25.820.635§4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動計(jì)算1. 齒輪傳動比計(jì)算 (縱向進(jìn)給齒輪箱傳動比計(jì)算)（1）,已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量,滾珠絲杠導(dǎo)程,初選步進(jìn)電機(jī)步

18、距角0.9°,可計(jì)算出傳動比i 式（17）可選定齒輪齒數(shù)為: 由齒輪傳動比i=2/3，可以選定齒輪齒數(shù)為: =24和=36或=28和 =42，初選=28和=42的齒輪。有關(guān)參數(shù)如表2。 齒 數(shù)284224402030分度圓d=mz568448804060齒頂圓da=d+2m608852844464齒根圓df=d-21.25m517943753555齒 寬(6-10)m202020202020中心矩A=(d1+d2)/27064502 . 齒輪齒數(shù)及技術(shù)參數(shù)計(jì)算出傳動比i后,降速級數(shù)決定采用一對齒輪降速,因?yàn)檫M(jìn)給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大,一般取=12,數(shù)控車床,銑床取=2,此設(shè)計(jì)中取=2。

19、為了消除齒輪側(cè)隙，此作業(yè)中采用雙片齒輪。§5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用（一）縱向機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)選型：1 . 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm 式（18） 式中: 脈沖當(dāng)量 (mm/step); 進(jìn)給牽引力 (N); 步距角,初選雙拍制為0.9°2 . 初選步進(jìn)電機(jī)型號 根據(jù)=1.475N.m在網(wǎng)上查混合式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)表初選步進(jìn)電機(jī)型號為56BYG250E-SASSBL-0601，其中，,保持轉(zhuǎn)矩為2.5N.m.3 . 等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算 根據(jù)簡圖 ，即圖（1），傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 運(yùn)動件的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計(jì)算: 式中 ，齒輪,的轉(zhuǎn)動慣量 () 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 ()

20、= 式中 D圓柱體直徑(cm); L圓柱體長度 (cm); 代入上式: 4 . 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) 快速空載起動慣性矩在快速空載起動階段，加速力矩所占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： 式（19） 式（20） 又： 式（21） 代入得： 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩:式（22）式中：傳動鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8;i傳動比;附加摩擦力矩：式（22）式中：傳動鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8;i傳動比;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);o滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動效率,一般取0.9,此處取o=0.9所

21、以：2) 快速移動所需力矩 式（23） =50+9.7=59.7N.cm 3) 最大切削載時(shí)所需力矩式（24） 從上面計(jì)算可以看出、三種工況下,以最大切削載時(shí)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).查得：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為兩相四拍時(shí)， =0.707故最大靜力矩Mjmax=175.5/0.707=2.48 Nm，而電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩為2.5N.m最大靜力矩Mjmax，大于所以滿足要求！但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)轉(zhuǎn)矩頻特性。計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率和切削時(shí)的工作頻率 圖（4）、56BYG250ESASSBL0601混合式步進(jìn)電機(jī)矩頻特性圖當(dāng)快速運(yùn)動和切削進(jìn)給時(shí)，56BYG250E-S

22、ASSBL-0601型混合式步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻完全可以滿足要求。5、繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械裝配圖在完成運(yùn)動及動力計(jì)算后，以后確定了滾珠絲杠螺母副、步進(jìn)電機(jī)型號，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸承型號之后，就可以畫機(jī)械裝配圖。見附圖（一）例如，雙片齒輪采用周向彈簧調(diào)整消隙法：如圖（5）所示，采用了可調(diào)拉力彈簧調(diào)整間隙。在兩個(gè)薄片齒輪1和2上分別裝上耳座3和8，彈簧4的一端鉤在耳座3上，另一端鉤在耳座8的螺釘7上。用螺母5調(diào)節(jié)螺釘7的伸出長度即可調(diào)整彈簧的彈力，調(diào)整好后再用螺母6鎖緊。彈簧的彈力使薄齒輪1和2的左、右齒面分別與寬齒輪的齒槽左、右齒側(cè)面貼緊，消除了齒側(cè)間隙。 （圖5） 雙薄片齒輪周向彈簧調(diào)整法1、

23、2-薄片齒輪 3、8-耳座 4-彈簧 5-調(diào)節(jié)螺母 6-鎖緊螺母 7-螺釘（二）、橫向機(jī)構(gòu)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 式（18） 式中: 脈沖當(dāng)量 (mm/step); 進(jìn)給牽引力 (N); 步距角,初選雙拍制為0.9°2 . 初選步進(jìn)電機(jī)型號 根據(jù)=0.611N.m在網(wǎng)上查混合式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)表初選步進(jìn)電機(jī)型號為56BYG250D-SASSBL-0241，其中，,保持轉(zhuǎn)矩為1.72N.m.3 . 等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算 根據(jù)簡圖 ，即圖（2），計(jì)算傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量運(yùn)動件的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計(jì)算: 式（25）式中 、齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量 () 滾珠絲杠轉(zhuǎn)

24、動慣量 () = 式中 D圓柱體直徑(cm); L圓柱體長度 (cm); 代入上式: 4. 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) 快速空載起動慣性矩在快速空載起動階段，加速力矩所占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： 式（19） 式（20） 又： 式（21） 代入得： 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩:式（22）式中：傳動鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8;i傳動比; 貼塑導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取=0.04附加摩擦力矩：式（22）式中：傳動鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8;i傳動比;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);o滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)

25、的傳動效率,一般取0.9,此處取o=0.9所以：2) 快速移動所需力矩 式（23） =1.96+4.84=6.8N.cm 3) 最大切削載時(shí)所需力矩式（24） 從上面計(jì)算可以看出、三種工況下,以快速空載起動慣性矩最大,即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù).查得：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為兩相四拍時(shí)， =0.707故最大靜力矩Mjmax=59.3/0.707N.m=0.839N.cm，而電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩為 1.72N.m，大于最大靜力矩Mjmax，所以滿足要求！但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)轉(zhuǎn)矩頻特性。計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率和切削時(shí)的工作頻率 圖（5）、56BYG250EASSBL0241型混合式步進(jìn)

26、電機(jī)矩頻特性圖當(dāng)快速運(yùn)動和切削進(jìn)給時(shí)，56BYG250EASSBL0241型混合式步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻完全可以滿足要求。5、繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械裝配圖在完成運(yùn)動及動力計(jì)算后，以后確定了滾珠絲杠螺母副、步進(jìn)電機(jī)型號，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸承型號之后，就可以畫橫向機(jī)械裝配圖。見附圖（二）第四章、微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)§1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容(一)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ),也是軟件編制的前提,數(shù)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括以下幾部分內(nèi)容：1、繪制系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)框圖據(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，繪制電氣控制結(jié)構(gòu)圖。機(jī)床硬件電路由五部分組成：（1） 主控制器，即中央

27、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。（4） 接口，即輸入/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。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(jī)中的80C51，因?yàn)槠浼啥雀?，穩(wěn)定性、可靠性好，體積小，而且有很強(qiáng)的外部擴(kuò)展功能，外圍擴(kuò)展電路芯片大多是一些常規(guī)芯片，用戶很容易通過標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展電路來構(gòu)成較大規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。3、存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)存儲器擴(kuò)展包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器擴(kuò)展兩部分。分別選擇兩片2764和一片6264來擴(kuò)展16K的內(nèi)存。4、I/O接口電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容包

28、括：據(jù)外部要求選用I/O接口芯片，步進(jìn)電機(jī)伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設(shè)計(jì)（如復(fù)位、掉電保護(hù)等）。經(jīng)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(guān)應(yīng)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(dá)方式的限制，僅以普通按鈕表示。（二）、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件是硬件的補(bǔ)充，確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)軟件。1、軟件設(shè)計(jì)步驟分為以下幾步：（1） 據(jù)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能，能制定出軟件技術(shù)要求；（2） 將整個(gè)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

29、配好存儲單元；（4） 分別對各模塊編程，并調(diào)試；（5） 連接各模塊，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試及優(yōu)化；（6） 固化到各程序存儲器中。2、數(shù)控系統(tǒng)中常用軟件模塊（1） 軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)行分配器；（2） 插補(bǔ)運(yùn)算模塊；（3） 自動升降速控制模塊。§2 80C51單片機(jī)及其擴(kuò)展(一)80C51單片機(jī)的簡介 1芯片引腳及片外總線結(jié)構(gòu)80C51單片機(jī)采用40腳雙直插封裝（DIP）形式，如圖(6)所示。80C51單片機(jī)是高性能單片機(jī)，因?yàn)槭艿揭_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(shí)鐘

30、電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）：接外部晶體的一端。在片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸入端。在采用外部時(shí)鐘時(shí)，對于HMOS單片機(jī)，該端引腳必須接地；對于CHMOS單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動端。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。在片內(nèi)它是一個(gè)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(shí)鐘電路，對于HMOS單片機(jī)，該引腳輸入外部時(shí)鐘脈沖；對于CHMOS單片機(jī)，此引腳應(yīng)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(jī)剛接上電源時(shí)，其內(nèi)部各寄存器處于隨機(jī)狀態(tài)，在該引腳輸入24個(gè)

31、時(shí)鐘周期寬度以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RESET）。ALE/PROG：訪問片外存儲器時(shí)，ALE作鎖存擴(kuò)展地址低位字節(jié)的控制信號（稱允許鎖存地址）。平時(shí)不訪問片外存儲器時(shí)，該端也以1/6的時(shí)鐘振蕩頻率固定輸出正脈沖，供定時(shí)或者其他需要使用；在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時(shí)會失去一個(gè)脈沖。ALE端的負(fù)載驅(qū)動能力為8個(gè)LSTTL（低功耗高速TTL）。 /PSEN（29腳） ：在訪問片外程序存儲器時(shí)，此端輸出負(fù)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(gè)時(shí)鐘周期中兩次生效。不過，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩個(gè)有效的PSEN信號不出現(xiàn)。PSEN端同樣可驅(qū)動8個(gè)LSTTL負(fù)載。我

32、們根據(jù)PSEN、ALE和XTAL2輸出是否有信號輸出，可以判別80C51是否在工作。 /EA/Vpp（31腳）：當(dāng)EA端輸入高電平時(shí)，CPU從片內(nèi)程序存儲器地址0000H單元開始執(zhí)行程序。當(dāng)?shù)刂烦^4KB時(shí)，將執(zhí)行片外程序存儲器的程序。當(dāng)EA輸入低電平時(shí)，CPU僅訪問片外程序存儲器。（） 輸入/輸出引腳（P0、P1、P2和P3端口引腳）P0P3是4個(gè)寄存器，也稱為4個(gè)端口，是80C51單片機(jī)與外界聯(lián)系的4個(gè)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(jìn)行讀寫操作，所以在單片機(jī)中對這些寄存器象對存儲單元一樣進(jìn)行編址。通常把接口電路中這些已編址并能進(jìn)行讀寫

33、操作的寄存器稱為端口（PORT），或簡稱口。P0.0P0.7（3932腳）：P0是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時(shí)，它分時(shí)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(shí)，從P0輸入指令字節(jié)，在驗(yàn)證程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)（驗(yàn)證時(shí)，要外接上拉電阻）。P1.0P1.7（18腳）：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在EPROM編程和驗(yàn)證程序時(shí)，它輸入低8位地址。P2.0P2.7（2128腳）：P2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時(shí)，它輸出高8位地址，即A8A15。在對EPROM編程和驗(yàn)證

34、程序時(shí)，它輸入高8位地址。P3.0P3.7（1017腳）：P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在整個(gè)系統(tǒng)中，這8個(gè)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(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入）T1（定時(shí)器/計(jì)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(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展概述80C51片內(nèi)只有4KB程序存儲器地址空間、256

35、B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的地址空間（用8位地址，其中128B的專用寄存器地址空間僅有21個(gè)字節(jié)有實(shí)際意義）。所以需擴(kuò)展。1 擴(kuò)展概述 80C51的片外總線結(jié)構(gòu)：所有的外部芯片都通過三組總線進(jìn)行擴(kuò)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(shí)間只能夠有一個(gè)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(shí)傳送，傳送數(shù)據(jù)時(shí)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(kuò)展用控制總線有WR、RD、PSEN、ALE、EA。2 系統(tǒng)擴(kuò)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

36、的指令和控制信號，允許兩者的地址重復(fù)。故據(jù)地址的寬度，片外可擴(kuò)展的存儲器與程序存儲器分別為64KB。此處擴(kuò)展了16K的程序存儲器和16K的地址存儲器，且沒有使用片內(nèi)存儲器。擴(kuò)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?yàn)镻0口是分時(shí)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(shè)計(jì)使用帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器74HC373。其引腳見圖（7）。 圖（7）、74HC373引腳圖D0D7 信號輸入端Q0Q7 信號輸出端G：下降沿時(shí)，將D1D8鎖存于內(nèi)部E：使能端，E=0時(shí)，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出端Q0Q7與輸入端D0D7連通，當(dāng)E=1時(shí)，輸出三態(tài)門

37、斷開，輸入數(shù)據(jù)鎖存。4 地址譯碼器80C51擴(kuò)展電路中，都牽涉到外部地址空間的分配問題，即當(dāng)80C51數(shù)據(jù)總線分時(shí)與多個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，首選要進(jìn)行片選，然后再進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。地址譯碼實(shí)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(jìn)行譯碼。74HC139是雙“2-4”譯碼器，每個(gè)譯碼器僅有1個(gè)使能端G，0電平選通。有2個(gè)選擇輸入端，4個(gè)譯碼輸出端，輸出0電平有效。2個(gè)輸入信號A、B譯碼后有4個(gè)輸出狀態(tài)，其引腳與真值表如下所示。表（4）、74HC139真值表 輸入 輸出使能 選 擇Y0Y1Y2Y3/G B A 1 ×

38、×1111 0 0 00111 0 0 11011 0 1 01101 0 1 11110（三） 存儲器擴(kuò)展 此處采用兩片EPROM芯片6264（8K×8）擴(kuò)展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器選用靜態(tài)RAM62648（8K×8）。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(kuò)展實(shí)質(zhì)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(yīng)低地址線相連，剩余高位地址線作為片選。（

39、4） 控制總線的連接 對應(yīng)控制線相連。（四） I/O口的擴(kuò)展MCS-51單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，可提供給用戶使用的只有P1口和部分P3口線，因此不可避免地要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。這里采用8255（可編程的RAM/IO擴(kuò)展接口電路）。 I/O口擴(kuò)展采用總線擴(kuò)展方法，數(shù)據(jù)輸入線取自80C51的P0口。這種擴(kuò)展方法分時(shí)占用P0口，不影響P0口與其它擴(kuò)展芯片的連接操作。8255具有3個(gè)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路采用細(xì)分驅(qū)動電路，根據(jù)所選電機(jī)說明，選取合適的驅(qū)動器，縱向驅(qū)動器和橫向驅(qū)動器均

40、為SH20806N。其接線圖如下： 圖（8）、電動機(jī)驅(qū)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(chǎn)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(qū)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(diǎn)；并且體積小、厚度小、功耗低、無輻射、抗干擾能力強(qiáng)。隨著彩色液晶技術(shù)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)的首選，被越來越多地應(yīng)用到電力、醫(yī)療、儀表、電梯、工業(yè)控制等領(lǐng)域。 2、基本原理： LR-104VRAM真彩色液晶顯示器，采用

41、VRAM顯示方式。VRAM（Video Random-Access Memory）視頻存儲技術(shù)是近年來比較流行的專門用于圖形處理的雙端口存儲技術(shù)，常用于中、高檔顯示卡。采用緩存、邏輯仲裁、存儲陣列，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備同時(shí)對同一存儲陣列訪問而不需要等待，且互不干擾。 該顯示器接口采用并行總線方式（數(shù)據(jù)總線、地址總線以及選、讀、寫等信號），可以很方便地連接到單片機(jī)或微處理器的總線上，用戶可以象使用普通存儲器一樣使用它。或者可以把顯示器看成是自己設(shè)備外掛的一個(gè)RAM。 LR-104VRAM存儲器地址單元同液晶屏幕上的像素點(diǎn)一一對應(yīng)，用戶可以把這個(gè)存儲器理解為“顯示映像”存儲器。如果希望在液晶屏幕上某一位置

42、顯示文字或圖形，只需要向存儲器內(nèi)對應(yīng)區(qū)域?qū)懭胂鄳?yīng)的數(shù)據(jù)即可。 VRAM存儲器的一個(gè)字節(jié)由8位構(gòu)成，顯示器屏幕上的一個(gè)“像素”點(diǎn)由R、G、B三個(gè)“點(diǎn)”來組成。 3、原理框圖：LR-104VRAM顯示器的基本原理框圖如圖（9）所示，DC/DC電壓變換器產(chǎn)生液晶所用各種驅(qū)動電壓DC/AC逆變器則用來點(diǎn)亮冷陰極背光燈（CCFL）。分時(shí)技術(shù)讓顯示與寫入數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了畫面的高速更新，且互不干擾。 圖（9）、LR-104VRAM顯示器的基本原理框圖4、性能指標(biāo)：視域?qū)蔷€ 10.4英寸 外型尺寸 246.5×179.3×38mm 視域尺寸 211.2(H)×158.4(V

43、)mm 圖像點(diǎn)陣 640×RGB×480行 像素點(diǎn)尺寸 0.33(H)×0.33(V)mm 像素結(jié)構(gòu) 垂直條紋 接口方式 總線方式 VRAM容量 128K×8位 顯示顏色 TFT 64色 / 256色 視野角度 左75度，右75度,上60度，下50度 工作電壓 DC 8V 15V 消耗功率 小于8W 工作環(huán)境溫度 -10 +65 保存溫度 -30 +70 亮度 400cd/ 液晶屏壽命 大于5萬小時(shí)（連續(xù)工作） 背光燈壽命 大于25000小時(shí)（連續(xù)工作） 凈重 克 毛重 克 包裝數(shù)量 只/箱 內(nèi)包裝尺寸 ×× mm 外包裝尺寸 

44、15;× mm5、接口方法：LR-104VRAM的接口方式為總線方式。外部引線包括有地址總線、數(shù)據(jù)總線和片選讀寫輸入，可以直接掛接到單片機(jī)、計(jì)算機(jī)的總線上，通過譯碼分配作為主機(jī)的某部分內(nèi)存來使用。如果主機(jī)無法分配較大的空間而直接使用時(shí)，也可以采用分頁操作技術(shù)，高位地址用來頁面切換，低位地址則可直接操作。內(nèi)存的數(shù)據(jù)位與屏幕顯示的色點(diǎn)一一對應(yīng)，只要把適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)寫入內(nèi)存中去，屏幕上即可顯示出相應(yīng)的文字圖形。接口采用34針雙列防反插插座（間距為標(biāo)準(zhǔn)2.54mm）,引腳定義如下表所示： 引腳號 引腳定義 引腳號 引腳定義 引腳號 引腳定義 1D0 13GND25 A52D114GND26 A6

45、3D215RDCS27 A74D316A1528 A85D417+12V29 A96D518+12V30 A107D619保留31 A118D720保留32 A129WCS21A133 A1310CLOSE22A234 A1411A023A312保留24A46、應(yīng)用程序：，將屏幕清成040H代碼所表示的顏色 ；VRAM的片選地址（E000，F(xiàn)FFFH） ；A13，14，15 = P1.O,P1.1,P1.2 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0090H MAIN: MOV SP,#60H; LCALL INITLCD; MOV R1,#040H; LCALL CLEAR1 RET

46、ERN: SJMP RETERN INITLCD: LCALL LCD RET LCD: MOV R2,#08H MOV R3,#00H LCD1: MOV P1,R3 MOV DPTR,#0E000H MOV R4,#20H LCD2: MOV R5,#00H MOV A,#00HLCD3: MOVX DPTR,A INC DPTR DJNZ R5, LCD3 DJNZ R4, LCD2 INC R3 DJNZ R2,LCD1 RET CLEAR1: LCALL LCD4 RET LCD4: MOV R2,#08H MOV R3,#00H LCD5: MOV P1,R3 MOV DPTR,#OE000H MOV R4,#20H LCD6: MOV R5,#0A1H MOV A,R1 LCD7: MOVX DPTR,A INC DPTR DJNZ R5, LCD7 MOV R5,#5FH L