學(xué)士論文畢業(yè)設(shè)計論文普通機(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。而計算機(jī)數(shù)控機(jī)床就是數(shù)控機(jī)床在計算機(jī)監(jiān)控下進(jìn)行工作。它的優(yōu)點很多,如可以在同一機(jī)床上一次裝夾可完成多個操作，生產(chǎn)率顯著提高等優(yōu)點，但它的價格昂貴。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。總體設(shè)計方案：在普通車床上采用適合現(xiàn)場實時控制的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)；Abstract:Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision

3、, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expen

4、sive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The overall master design: The way to NC improvement of general machine too

5、l was introduced that usingsingle-chip computer 80C51to realize the real-time controland driving by step motor.Key word: Numerical Control、machining、improvement、single-chip computer80C51、step motor；前 言 數(shù)控機(jī)床經(jīng)濟(jì)型改造,實質(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)計主要是對機(jī)床機(jī)械部分進(jìn)行改造,以步進(jìn)

6、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)計中，我們對有關(guān)數(shù)控機(jī)床及數(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)用是一個必然的趨勢。同時，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

7、業(yè)設(shè)計的目的：畢業(yè)設(shè)計是培養(yǎng)我們理論聯(lián)系實際，解決生產(chǎn)實際問題能力的重要步驟，它系統(tǒng)的檢驗了我們是否是合格的畢業(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、計算控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計以及數(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)計計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）計算機(jī)的選擇。2、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計計算：（

8、1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計方案的確定。（2）確定脈沖當(dāng)量。（3）滾珠絲杠螺母副的選型。（4）滾動導(dǎo)軌的選型。（5）進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動計算。（6）步進(jìn)電機(jī)的計算和選用。（7）設(shè)計繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)一個坐標(biāo)軸的機(jī)械裝配圖。（8）設(shè)計繪制進(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：（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。（4）設(shè)計繪制一臺數(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。（4）選擇刀具。（5）確定切削用量。（6）編

9、制加工程序。5、直線的逐點比較法插補(bǔ)軟件程序流程框圖的繪制。第二章 微型數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案的擬定：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（

10、mm）： 0.02主電機(jī)功率（KW）： 5.5 起動加速時間（ms）： 35設(shè)計的要求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)在計算機(jī)上進(jìn)行匯編和通訊等。6）說明書應(yīng)簡明扼要、計算準(zhǔn)確、條理清楚、圖文并茂并全部用計算機(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

11、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)的特點之一是硬件設(shè)計簡單，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現(xiàn)，顯示器采用LCD液

12、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，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)計計算：伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計計算內(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)動部件慣量計算，空載起動及切削力矩機(jī)計算，確定伺服電機(jī)，繪制機(jī)械部分裝配圖及零件工作圖等。現(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)床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型

13、數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.010.005mm/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/step2 切削力的計算1、縱車外圓：主切削力FZ（N）由經(jīng)驗公式（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，即此時走刀抗力，吃刀抗力依然按上述經(jīng)驗公式粗略計算： 則得：3、滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算、和選型（一）縱向進(jìn)給絲杠：1 . 計算進(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

14、的摩擦力，因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的形式有關(guān)。本次設(shè)計縱向進(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驗系數(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 . 計算最大動負(fù)載Q選用滾珠絲杠副的直徑時，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)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負(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

15、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 . 滾珠絲杠螺母副的選型：查閱數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計中附表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 . 傳動效率計算 =tan/tan(+)式中：螺旋升角,W1L2506的螺旋升角=422摩擦角取10滾動摩擦系數(shù)0.0030.004則：=tan/tan(+) =tan422/tan(422+10)=0.965 . 剛度校核先畫出

16、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)驗公式：式（14）則可得：（4）定位誤差所以，滿足要求。（二）橫向進(jìn)給絲杠：

17、1 . 計算進(jìn)給軸向力橫向?qū)к墳殡p燕尾形，有如下計算式：式（15）式中：K考慮顛覆力矩影響的實驗系數(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 . 計算最大動負(fù)載Q計算如下： 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 . 滾珠絲杠螺母副的選型：查閱數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計中附表1，可采用W1L

18、2005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 . 傳動效率計算 =tan/tan(+)式中：螺旋升角,W1L2005的螺旋升角=430摩擦角取10滾動摩擦系數(shù)0.0030.004則：=tan/tan(+) =tan430/tan(430+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=530mm，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

19、，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）重新計算如下：此時的變形量為：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W1L2506W1

20、L2005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25.820.6354 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動計算1. 齒輪傳動比計算 (縱向進(jìn)給齒輪箱傳動比計算)（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)步距角0.9,可計算出傳動比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

21、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)計算出傳動比i后,降速級數(shù)決定采用一對齒輪降速,因為進(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)計中取=2。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)的計算和選用（一）縱向機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)選型：1 . 計算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm 式（18） 式

22、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)動慣量可由下式計算: 式中 ，齒輪,的轉(zhuǎn)動慣量 () 滾珠絲杠轉(zhuǎn)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)矩計算機(jī)床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計算:1) 快速空載起動慣性矩在快速空載起動

23、階段，加速力矩所占的比例較大，具體計算公式如下：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） =50+9.7=59.7N.cm3) 最大切削載時所需力矩式（24） 從上面計算可以看出、三種工況下,以最大切削載時所需轉(zhuǎn)矩最大,即以此項作為校核步進(jìn)

24、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， =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。計算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率和切削時的工作頻率圖（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，56BYG250E-SASSBL-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

25、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、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

26、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)動慣量計算 根據(jù)簡圖 ，即圖（2），計算傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量運(yùn)動件的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算: 式（25）式中 、齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量 () 滾珠絲杠轉(zhuǎn)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)矩計算機(jī)床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計算: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

27、較大，具體計算公式如下：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.cm3) 最大切削載時所需力矩式（24） 從上面計算可以看出、三種工況下,以快速空載起動慣性矩最大,即以此項作為

28、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， =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。計算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率和切削時的工作頻率圖（5）、56BYG250EASSBL0241型混合式步進(jìn)電機(jī)矩頻特性圖當(dāng)快速運(yùn)動和切削進(jìn)給時，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

29、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1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容(一)硬件電路設(shè)計內(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

30、處選擇MCS51系列單片機(jī)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(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)計設(shè)計內(nèi)容包括：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（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

31、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)計軟件。1、軟件設(shè)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(shù)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(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

32、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。在采用外部時鐘時，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

33、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(jī)，該引腳輸入外部時鐘脈沖；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，其內(nèi)部各寄存器處于隨機(jī)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(jī)復(fù)位（RESET）。ALE/PROG：訪問片外存儲器時，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

34、器時會失去一個脈沖。ALE端的負(fù)載驅(qū)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(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(qū)動8個LSTTL負(fù)載。我們根據(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，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，將執(zhí)行片外程序存儲器的程序。當(dāng)EA輸入低電平時，C

35、PU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個寄存器，也稱為4個端口，是80C51單片機(jī)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(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)行讀寫操作的寄存器稱為端口（PORT），或簡稱口。P0.0P0.7（3932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

36、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(nèi)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(nèi)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是一個帶內(nèi)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.

37、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(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、256B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個字節(jié)有實際意義）。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

38、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(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 因為P0口是

39、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(shè)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）、74HC373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(nèi)部E：使能端，E=0時，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，輸出三態(tài)門斷開，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)總線分時與多個外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，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

40、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）、74HC139真值表 輸入 輸出使能 選 擇Y0Y1Y2Y3/G B A 11111 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（8K8）擴(kuò)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

41、器的連接 存儲器擴(kuò)展實質(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。（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

42、法分時占用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

43、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(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，實現(xiàn)兩個設(shè)備同時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

44、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?；蛘呖梢园扬@示器看成是自己設(shè)備外掛的一個RAM。LR-104VRAM存儲器地址單元同液晶屏幕上的像素點一一對應(yīng)，用戶可以把這個存儲器理解為“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存儲器的一個字節(jié)由8位構(gòu)成，顯示器屏幕上的一個“像素”點由R、G、B三個“點”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逆變器則用來點亮冷陰極背光燈（CCFL）。分時技

45、術(shù)讓顯示與寫入數(shù)據(jù)同時進(jìn)行，實現(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246.5179.338mm視域尺寸211.2(H)158.4(V)mm 圖像點陣640RGB480行像素點尺寸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128K8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（連續(xù)工作）背光燈壽命

46、 大于25000小時（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，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

47、義1D0 13GND25 A52D114GND26 A63D215RDCS27 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 MAINORG 0090H MAIN: MOV SP,#60H; LCALL INITLCD; MOV R

48、1,#040H; LCALL CLEAR1 RETERN: 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