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s ve it it is It of is In “is is is to Its to An is a in to is to in A of is its a s is by B. of of R&D is of or of R&D is a of is of T to a be so be as In to a be to is of to it to of to in at is a of it of of is of is to to to in do a to to s a of of of to a of if be a is no of a be is to A to an be be or be of be is a a at It be if a be of of be to a of it is to in of by In is up to be It is is in of as be is a be to to if to be to is in to or to to is a a to or is to or to to is a be on 英文文献 翻译 学 生 姓 名： 学 院： 专业及班级 ： 学 号： 指导教师： 2011年 4月 25 日 机械工程英语 第 1课现代制造工程 也许你从来没有想过这个问题之前，但它是你周围的一切。它影响着你生活的一部分。是什么呢？在这种情况下， “它 ”是制造业。其实 “制造 ”是不是你周围的一切。而是人为制造的产品。现在看看你周围。名称有些事情你看到这些制造。椅子，笔记本电脑，蓝色牛仔裤，书籍，地板砖，黑板，灯泡，铅笔，眼镜，近周围的一切你是制造。 制造业是香港的重要的社会。这对于我们的经济。一个经济体是生产和销售的产品和服务体系。许多人工作在制造业。他们帮助生产的产品。他们用这些钱购买 他们赚的产品。人们购买的产品越多，越产品的生产。这让更多的人来工作。 制造业也是重要的另一种方式的经济。甲片的材料后，更是值得它被改变成一个有用的产品。这就是附加值。价值是增 加了生产过程。 二现代制造 一个制造业的资源需要三个基本类型：物质资源，人力资源，资本资源。 工业的七个关键要素是组织生产步骤：研究，开发，生产模具，生产计划与控制，质量控制，人事管理，制造，营销。 研发新产品，工艺或材料，旧技术的改进计划。 R D 是这么大，工业世界的重要组成部分，需要与不同的人才很多人。 生产工具是工业元素与这些工具有关。在 器和设备需要做出的产品。 生产计划与控制最重要的部分是路由，调度，调度，并规划布局。机械及设备，必须使生产安 排，可以进行顺利，没有浪费时间和精力。 质量控制可以被定义为那些活动，防止缺陷的文章。在尝试这种方式管理，以确保产品将可以接受的买家。 营销是让那些谁使他们对那些谁使用它们，有助于提供各种货物的权利给我们，在正确的方式和数额，时间及价格，产品的过程。 第 2课机械工程设计 机械工程设计是工程的主要部分，它涉 及的概念，设计，开发，改进和应用机器及各种机械设备。对于许多学生，机械工程设计是他们的第一个专业的工程课程之一。专业工程关注的是获得解决实际问题，工程师们能够设计出更好的解决实际问题。在机械工程设计中的大多数问题没有唯一正确的答案。因此，现代机械工程师能够产生显着更好的解决方案，以满足今天的需要。工程师必须使用现有的最佳科学信息的理解以及经验，良好的判断力。当考虑一个完整的机器，工程师都认为，要求和约束是相互关联的各个组成部分。现代工程师已越来越多地安全，生态，更广泛的考虑和整体有关 “生活质量 ”。 好的设 计需要尝试新的想法并愿意采取了一定的风险，因为他们知道如果新的观点并不工作中存在的方法可以恢复。因此，设计者必须要有耐心，因为没有时间和扩大的努力取得成功的保证。创建一个全新的设计，通常需要许多旧的和行之有效的方法，将重点放在一边。这并不容易，因为许多人抱着熟悉的想法，技巧和态度。设计工程师必须不断寻找方法来改进现有产品，必须决定哪些旧的，成熟的概念，应使用什么新的，未经试验的想法应该被纳入。 新的设计通常有 “错误 ”或之前，必须制定新设计出来的优良特性，可享有不可预见的问题。因此，有一个优越的产品的机会， 但只有在较高的风险。应该强调的是，如果设计不保证激进的新方法，这种方法不能申请的改变而而已。 在设计的开始阶段，创意应该允许繁荣没有大量的约束。尽管许多不切实际的想法可能发生时，通常很容易消除在设计的早期阶段，他们之前是由公司生产所需的细节。通过这种方式，创新的思想不是抑制。很多时候，一个以上的设计，开发，到那里他们可以相互比较点。这是完全可能的是，最终设计将接受使用心得在被拒绝的设计，没有太多的整体表现为一个现有的承诺。 另一项重要的一点，应该承认的是，设计工程师必须能够与其他人交流意见，如果他们要纳 入。传达给其他人设计的最后，在设计过程中的重要一步。毫无疑问，许多伟大的设计，发明和创新工程已失去了人类仅仅是因为创始人是无法或不愿解释他们的成就给其他人。演讲是一个销售的工作。这位工程师，当提出一个新的解决方案，行政，管理或监督人，正试图出售或向他们证明这个解决方案是一个更好的。除非这是可以做到成功，获得的时间和精力花在解决方案已经在很大程度上浪费了。 2013年 机电一体化工程专业 自学考试本科课程设计任务书 课测 8 数控测量机 设计 (1)根据给定条件 ,确定机械传动系统方案 ,确定微机控制系统方案； (2)进行机械传动机构的设计计算 ,绘制机械装配图及其部分零件图 (1； (3)进行微机控制系统功能实现技术分析，设计微机扩展和接口电路，绘制控制系统原理图； (4)绘制步进电机软件环形分配器程序流程框图 ,并编写其源程序； (5)撰写设计说明书一份 (8000字以上 )。 (1)行程范围 00 (2)运动分辨率 (3) 2800mm/ 100r/(4)被检工件最大尺寸（材料为钢） 604005)外形尺寸 (参考 ) 850 4503506)微机部分扩展 1616机交互部分的数据和程序输入采用 4行 8列的行列式键盘，状态和信息显示采用 8位 8段 2个行程限位信号 （来自 2个回零开关信号（分别来自 回转单元）及工作方式采用开关量信号输入；电机控制部分包括两个运动单元的控制，电机控制采用软环分和高低压驱动。 (1)机械结构设计合理 ,原理正确 ,制图符合国家标准 ,图面整洁； (2)微机控制系统功能完备 , 包括微机部分，人机交互部分和电机控制部分； (3)设计说明书论述清楚 ,计算无误 ,数值单位明确 ,引用公式及资料有出处。 1 目 录 第一章 课程设计的任务及说明 . 错误 !未定义书签。 题研究的意义 . 2 课题研究的参数要求 . 2 第二章 数控测量机总体方案分析 . 错误 !未定义书签。 械传动部分分析 . 错误 !未定义书签。 机控制部分分析 . 3 体方案框图 . 3 第三章 机械系统的设计方案说明 . 4 轨副的设计、计算和选择 . 4 作载荷的计算 . 4 离额定寿命的计算 . 4 时额定寿命的计算 . 5 品选型 . 5 统脉冲当量的确定 . 5 珠丝杠螺母副的设计、计算和选择 . 5 珠丝杠副的工作原理 . 6 珠丝杠螺母副的预紧方法的选择 . 6 珠丝杠参数的计算 . 7 进给伺服系统传动计算 . 8 选步进电机步距角 . 错误 !未定义书签。 算传动比 i . 错误 !未定义书签。 算齿轮齿数及各项技术参数 . 8 进电机的计算和选用 . 9 进电机启动转矩的计算 . 9 进电机最高启动频率 计算 . 10 步确定电机型号 . 10 核步进电机的 转矩 . 11 第四章 电气控制系统设计 . 13 片机数控系统硬件电路设计内容 . 13 ，目前市场上流行的是三坐标测量机，它有着广泛的应用场合，汽车工业、半导体工业、塑料工业、机械制造业、航空工业和其他方面，主要作用是： 对大量生产产品的周期性工序检查 。 对完成品的最终检查 。 与相对产品的 互换性与否的检查 。 多样的 公差解释 。 输出产品开发中需要的信息 (逆向工程 。 总之就是精密测量，其使用效果： 可以大幅度的提高测量效能。 (节约工件安装 /更换的时间，不需要尺工具 , 依靠计算机的自动演算，符合自动判定等 ) 可以简单的解决用以往方法（整板测量方式）不能测量的项目的测量问题。 远远提高复杂测量物的测量精度及可信度。 可以得到稳定的测量值。 可以利用程序自动测量，减少测量者的疲劳。 可以自动整理测量数据 。 数控测量机的基本原理是将被测零件放入它允许的测量空间，精确的测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据。其 工作原理：是利用光栅绕射所制成的量测系统俗称光学尺，其光源经过瞄准透镜而投射到游动刻度尺和主刻度尺，藉其光波产生 纹明暗讯号之原理，由光电管接收其信号，经放大及修正后即可显示出来，其系统及输出信号情形。 课题研究的参数要求 一、题 目 : 数控测量机 设计 二、设计任务： (1)根据给定条件 ,确定机械传动系统方案 ,确定微机控制系统方案； (2)进行机械传动机构的设计计算 ,绘制机械装配图及其部分零件图 (1； (3)进行微机控制系统功能实现技术分析，设计微机扩展和接口电路，绘制控制系统原理图； (4)绘制步进电机软件环形分配器程序流程框图 ,并编写其源程序； (5)撰写设计说明书一份 (8000字以上 )。 三、给定条件： 3 (1)行程范围 00 (2)运动分辨率 (3) 2800mm/ 100r/(4)被检工件最大尺寸（材料为钢） 604005)外形尺寸 (参考 ) 850 4503506)微机部分扩展 1616k 数据存储器；人机交互部分的数据和程序输入采用 4 行 8列的行列式键盘，状态和信息显示采用 8位 8 段 2个行程限位信号（来自 2个回零开关信号（分别来自 回转单元）及工作方式采用开关量信号输入；电机控制部分包括两个运动单元的控制，电机控制采用软环分和高低压驱动。 四、设计要求： (1)机械结构设计合理 ,原理正确 ,制图符合国家标准 ,图面整洁； (2)微机控制系统功能完备 , 包括微机部分，人机交互部分和电机控制部分； (3)设计说明书论述清楚 ,计算无误 ,数值单位明确 ,引用公式及资料有出处。 参 照 图 4 第二章 数控测量机总体方案分析 任务书上要求的测量机是两个坐标的， Z 轴和 C 轴，主要是能完成回转件的测量功能，比如外形尺寸、同轴度、圆柱度等的检测 等。 整个装置由机械传动部分和电气部分组成，机械传动部分负责带动光幕传感器沿 Z 轴移动，和带着工件 C 轴转动和定位。电气部分主要由单片机组成的微机控制系统，以协调各个部分的工作，其中包括手动、自动等控制功能等。 械传动部分分析 考虑到数控测量机是精密测量机械，机械部件的选择就是围绕选择如何达到要求的精度展开的， 导轨选择滚动导轨，电气传动选择步进电机经齿轮减速传到滚珠丝杠的方式来带动工作台运动这一典型传动方式。其中齿轮的消隙采用双齿轮消隙方式，滚珠丝杠的消隙采用双螺母垫片消隙法。 机控制部分分析 微机控制部分是整个系统的核心，这里我们采用 8 位微机。由于 51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，决定采用 51 系列的 8031 单片机扩展整个系统。 根据任务书要求，此控制系统由微机主控制器部分，存储器扩展电路即 扩展电路， 备与接口电路，包括人机交互部分的输入行列式键盘、输出接口的 8 位 8 段 码管、 2个行程限位信号（来自 2个回零开关信号（分别来自 回转单元 ）及工作方式采用开关量信号输入；电机控制部分包括两个运动单元的控制，电机控制采用软环分和高低压驱动。 体方案框图 单 片 机 扩展电路 辅助电路 步进电机接口 驱 动 电动机 机 械 传动 行程开关 指示灯 输入键盘 输出数码管 工作台导向支撑 开关量接口 5 第三章 机械系统的设计方案说明 机械系统的主要功能是承载、传递力和运动 ，如改变速度、远距离动作、力的放大和反馈、速度和力的参数调节、同步传动和传送物料等。主要涉及的参数包括导轨的选型、脉冲当量的确定、滚珠丝杠螺母副的选型、电机的选型确定等。以下为这几个方面的确定方案： 轨副的设计、计算和选择 直线滚 动导轨具有摩擦因数小，不易爬行、便于安装和预紧、结构紧凑等优点，广泛应用于精密机床、数控机床和测量仪器等。其缺点是抗震性较差、成本较高。直线滚动导轨副由导轨和滑块两部分组成，一般滑块中装有两组滚珠，当滚珠从工作轨道滚到滑块端部时，会经端面挡板和滑块中的返回轨道返回，在导轨和滑块之间的滚道内循环滚动。如下图： 作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副使用寿命的重要因素。这里 测量机属于小型设备，采用双导轨、两滑块的支撑形式。 任意滑块所受到的工作载荷可由以下公式进行计算 ： 2=G/2=50N 式中 G 为工作台重力，按 100N 计算。 离额定寿命的计算 直线滚动导轨副的寿命计算，是以在一定载荷下行走一定距离后， 90%的支撑不发生点蚀为依据。这个载荷称为额定动载荷 行走距离为距离额定寿命。滚动体为球时，可按下式进行计算： 503)( 式中 L 距离额定寿命，单位为 6 额定动载荷，单位为 处为 30F 滑块上的工作载荷，单位为 里是 硬度系数，查表得 温度系数，查表得为 接触系数，查表得为 精度系数，查表得为 载荷系数，查表得 代入数据计算得到距离寿命 L=1638400000 小时额定寿命的计算 根据距离额定寿命，可以计算出导轨副的小时额定寿命，计算公式为： 602 103h 式中 寿命时间，单位是 h; L 距离额定寿命，单位为 S 移动件行程长度，单位为 m,此处根据任务书上是 400n 移动件每分钟往返次数，此处由 Z 向最大移动速度2800mm/ 代入数据得到小时额定寿命 03174603h 品选型 我们这里选择日本 司的 直线滚珠导轨。远远能满足距离寿命 50小时寿命的要求。 系统脉冲当量的确定 一个进给脉 冲式机床运动部件产生的位移量称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。任务书上的要求： Z 向的运动分辨率优于 ,为满足这个要求 ,考虑到步进电动机的误差的存在，可选择脉冲当量为 。 珠丝杠螺母副的设计、计算和选择 数控机床进给系统的的机械传动机构是只将电动机的旋转运动变为工作台或刀架的运动直线运动的整个机械传动链，包括齿轮传动副、丝杠螺母副等以及它们的支撑部件（轴承座等）。能实现这种功能的机构有很多种，比如齿轮齿条副、普 通的梯形螺母副等，但这些机构都很难达到数控机床对机械部分高精度的性能要求，因此为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副，具体行程范围可参考国内外有关厂商的样本说明书和技术资料。滚珠丝杠副的传动效率高达 85%是普通滑动丝杠副的 2珠丝杠副的摩擦 7 角小于 1，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。我们这里的改造只是滚珠丝杆副驱动工作台作水平方向的运动，就不 用考虑自锁的问题。 珠丝杠副的工作原理 滚珠丝杠螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动常用的传动装置 ，主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等组成。 其 工作原理 是 ：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠 ， 而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉 出。其示意图如下： 珠丝杠副的预紧方法的 选择 为了尽可能消除间隙对加工精度的影响，应当对滚珠丝杠副进行预紧，通过预紧可以消除滚珠丝杠副的轴向间隙和提高轴向刚度，其原理是通过改变两个螺母的相对位置，使两个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左右两个侧面来实现的。预紧力的大小是最大轴向负载的 13 较为适当。常用的预紧方法有双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程式预紧以及过盈滚珠预紧等几种。各有各的特点和适用场合，例如齿差式的预紧方式能精 确调整预紧量，但结构尺寸大，装配调整比较复杂，因此其多用于高精度的传动。在这里我们选择双螺母垫片式调隙预紧方法，它通过 通过改变垫片的厚度使螺母产生轴向位移，从而使两个螺母分别与丝杆的两侧面贴合 ， 当工作台反向时，由于消除了侧隙，工作台会跟随 滞后 。这种调整方法具有结构简单、刚性好装卸方便等优点但它调整不便，很难在一次修磨中调整完毕，调整的精度也不如齿差调隙式好，尤其是滚道有磨损时，不能随时消除间隙和进行预紧。但对与我们这里的要求精度不是很高的地方，已经可以满足要求，相比而言是经济 的。下图是双螺母垫片调隙的结构示意图： 8 珠丝杠的参数计算 1、计算进给牵引力 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。其大小数值跟导轨的形式有关。我们这里的数控测量机在 Z 向不受外力，主要受力就是带动工作台时的摩擦阻力，由综合作业指导书上查得 = f(G) 式中 切削分力（ N），此处都为 0； G 移动部件 的重量（ N），按 100 f 导轨上的摩擦系数，随导轨形式而不同； 在正常情况下，我们的测量机是精密机械，导轨我们采用滚珠导轨，摩擦系数 f取 f(G) =0 0+100） = 2、计算最大动负载 C 最大动负载是选用滚珠丝杠的重要依据，在选用滚珠丝杠副的直径 ，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 100 万转（ 106转）后，在它的的滚道上不产生点蚀现象。所谓点蚀是指在接触变应力的反 复作用下，在节线附近的滚道面上会产生若干小裂纹，封闭在裂纹中的润滑油在压力的作用下，产生楔挤作用，使裂纹不断扩展，最后导致表层金属微粒脱落，而形成点蚀。 这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负业指导书得它的载 C，查综合作得计算公式： C =3L L =61060 式中 L 寿命以 610 为单位； n 丝杠转速 （ r/任务书上取 C 向最大旋转速度为 100r/ 为工作台的最大进给速度 （ m/，任务书上要求的 Z 向最大移动速度为 2800 / T 为使用寿命（ h),对于数控机床取 15000 h; 运转系数，其中在无冲击运转的状态下 我们取 寿命： L=61060=6101500010060 = 90h 最大动载荷 C=3L =们初步选择北京 工研精机股份有限公司的 副，这种系列的产品精度等级高，主要用于受力不大，作定位用的场合。我们选择 004种型号的滚珠丝杠，其参数如下表：公称直径 20本导程 4载荷 5878N 步符合要求，也符合生产厂商制造长度上的要求。 由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也要满足一定的脉冲当量，常采用齿轮降速传 动。 b 对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就回转一个固定的角度，叫步距角。电机的总回转角和输入脉冲数成正比，而电机的转速则正比与输入脉冲的频率。步进电机的步距角越小，意味着它能达到的位置精度越高。通常的步距角是 3、 步距角的大小与通电方式及转子齿数有关。在步进电机技术数据中， b 是以分数形式给出两个数，其中分子所示的步距角是表示通电方式是双拍，分母示出的步距角表示通电方式是单拍。这里初选步距角 算传动比 i 已确定测量机的脉冲当量 珠丝杠导程 步进电机步距角 b=可以计算进给伺服系统的传动比 i。 i =3600 = = 计算齿轮齿数及各项技术参数 可以确定齿轮齿数为： i =122032= 2， 0 因为测量机 载较轻，系统伺服系统功率不大，因此取模数 m=1。齿轮几何参数如下表： 齿数 Z 32 20 分度圆 d=2 20 齿顶圆 d +2m 34 22 齿根圆 =d 宽 B=(6 10） m 10 10 10 中心距 A=(2 26 进电机的计算和选用 进电机启动转矩的计算 设步进电机等效负载转矩为 T，负载力为 P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载做的功有如下关系： 式中 电机转角； s 移动部件的相应位移； 机械传动效率。 若取 =b ，则 s =p， P= + (G+所以 (36T 式中 走刀抗力（ N），在此处为零； G 移动部件重量（ N），此处为滚动导轨的滑块质量和光幕传感器的质量 ,此处取 100N； 与重力方向一致的切削力（ N），此处为零； 导轨摩擦系数，取 步进电机步距角； 0100(T 估算启动转矩 q=T/( 对工作方式为五相五拍的步进电机，由下表得 =求出最大静转矩 步进电机启动转矩和最大静转矩的关系 步进电 相数 三相 四相 五相 b 11 机 数拍 3 6 4 8 5 10 =q/ 步进电机最高启动频率 任务书上要求 2800 /以 80060 m a x 根据以上计算，我们选用电机型号为 60五相混合式步进电机，其技术数据如下： 60列电机 技术参数 12 型号 相数 相电流 步距角 保持转矩 空载起动频率 空载运行频率 转动惯量 重量 A 度 0 3 60 矩符合要求。但这种步进电机最高空载启动频率为 4000能满足9333要求，此项指标可以采用软 件升降速程序来解决。 传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 J （ 由下式计算： 20222112 步进电机转子转动惯量 （ 齿轮 （ 滚珠丝杠转动惯量（ 60转子转动惯量 1= 0 1 2 31413 Ld 2= 32423 Ld s= 4 3 6 43 =100N 代入上式： 2022211 2 220( 电机的负载转矩在各种工况下是不同的，在测量机上主要考虑的是快速启动时克服转动惯量的电机转矩能否达到要求。 快速空载启动时所需转矩： M=f+中 M 快速空载启动转矩 （ N 空载启动时折算到电机轴上的加速转矩（ N 由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩（ N 13 折算到电机轴上的摩擦转矩（ N 其中， =aa 60102102602m a a x m a xm a x 启 动 加 速 时 间 代 入 上 式 得 ： 6 a a x 式中 J 传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量（ 电机最大角加速度 （ 电机最大转速 （ r/； 运动部件最大快进速度 （ mm/ 折算到电机轴上的摩擦转矩： 12000)(2式中 0F 导轨的摩擦力（ N）； 垂直方向的切削力（ N）； G 运动部件的总重量 （ N）； f 导轨摩擦系数； i 齿轮降速比； 传动链总效率，一般取 000(212000上述两项合计： M=f= 前 可 知 ， 此 时 在 五 相 五 拍 时 = 则 最 大 静 转 矩 为 ： 14 上表可知，电机确定选择为： 60五相混合式步进电机。 15 第四章 电气控制系统设计 片机数控系统硬件电路设计内容 绘制系统电气控制的结构框图 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。 （ 1）数控系统的组成 数控系统是由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础 ，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。 （ 2）机 床的硬件电路有以下五部分组成 : 1、 主控制器 即中央处理单元（ 2、 总线 包括数据总线 (地址总线 (控制总线 ( 3、 存储器 包括程序存储器和数据存储器； 4、 接口 即 I/输出接口电路； 5、 外围设备 如键盘、显示器及光电输入机等。 绘制数控测量系统硬件框图 图 4控测量系统硬件框图（开环系统） 目前在数控测量系统中，推荐采用 列单片机作为主控制器。由于其具有集成度高、可靠性好、功能强、抗干扰能力 强、性能价格比高等特点，经过分析本次任务要求，决定采用 031单片机扩展系统。由于 8031内部无程序存储器，且只有地址为 00728 个单元作为片内 于本次任务要求：微机部分扩展 16k 8 位程序存储器， 16k 8位数据存储器；人机交互部分的输入接口采用 4行 8列的行列式键盘，输出接口采用 8位 8段 2个行程限位信号（ 工作方式（手动、自动、编辑等）及报警指示等采用开关量信号输入；电机控制部分采用软环分和高低压驱动，控制测量机的两个运动单元， 所以， I/ 决定扩展两片 2764、两片 6264、一片 8279、一片 8255。 1、不同型号的 作速度有差别，一般为 200450择时应注意是 16 否系统的时序要求。即 8031所提供的读取时间应大于 8031访问 所能提供的读取时间 约为 3T，其中的 次设计系统选用晶体频率为 12 t 480凡工作速度小于 480芯片在时序上均满足要求，所以 2764满足要求。 2、常用的静态 116、 6264、 62256 等， 6264采用 艺，有 +5型存取时间为 150200以 6264满足要求，采用 28 引脚双列直插式扁平封装。 由于单片机 8031 芯片的 位地址线和数据线， 传送高 8位地址，所以采用 7473地址锁存器，锁存低 8位地址。单片机的 于 不必外加地址锁存器。 2764和 6264芯片均具有 8要 13根地址线。 8位相应接7473的输出 1Q8Q， 应接 8031 芯片的 由于扩展了两片 2764、两片 6264、一片 8279、一片 8255，所以系统采用全地址译码，两片 2764 芯片片选信号 应接 74和 1。 两片 6264芯片的片选信号 应接 74 2和 3，单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即允许地址重叠）， 8031芯片控制信号 2764的 脚，读写控制信号 别接 6264芯片的 由于 8031芯片内部没有 能用外部程序存储器，所以 须 接地。 I/O 接口芯片地址分配 器件 地址选择线 片内地址单元 /字节 地址编辑 2764（ 1） 000x K 0000H1764（ 2） 001x K 2000H3264（ 1） 010x K 4000H5264（ 2） 011x K 6000H7279 1001 1111 1111 111x 2 9255 1011 1111 1111 11 、软环分 课程设计任务书要求采用软环分， 以选用了 8255 的 轴步进电动机的 A、 B、 定 别对应 、 B、 并确定 、 I/由于 8031只有 和 部分能提供用户作为 I/能满足输入输出口的要求，因此系统扩展了一片 8279和一片 8255可编程 I/ 17 8279的片选信号 74端。 8255 的片选信号 74 5端。 74、 B、 031 的 输出 0Y 7Y 8个输出，低电平有效。 8279与键盘、显示器的连接：键盘的行线接 8279的 本次设计8279采用外部译码方式， 42）译码器输出 0Y 7Y ，作为按键盘的列线， 4)译码器输出 0Y 7Y ，经驱动后输出到显示器各位的共阴极，输出线 0 、 0 作为 8位段数据输出口， 制 74)的译码，当位切换时， 出低电平，使 74)输出全为高电平，当键盘上出现有效的闭合健时，键输入数据自动的进入 8279的 向 8031请求中断， 8031响应中断，读取 的输入键值更新显示器输出，仅需改变 8279种显示缓冲器 8255的 向 ,据任务书要求采用软环分，于是 用芯片接线引脚介绍 一、 8031单片机芯片的介绍 8031芯片具有 40 根引脚按其功能分为四类 根 （ 根 18 振荡器的反相放大器输入，使用外部振荡器时必须接地。 当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号 口 共用 个八位口， 32根地址线，其功能如下： （ 1） 分时用作低 8位地址线和 8位数据线。 （ 2） 供用户使用。 （ 3） 它作为高 8位地 址线 （ 4） 该口的每一位均可独立的定义为第一 I/， 1 口完全相同。 第二功能如下所示： 外部数据存储器读选通 外部数据存储器写选通 定时器 0， 1外部输入 0 1外部中断 行输入口 行输出口 （ 1） 程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选通信号； （ 2） 高电平时， 低电平时， 8031 的 口必须接地； （ 3） 地址锁存器的使能信号， 位地址 （ 4） 复位 /备用电源端 二、 2764 2764芯片为 28 脚双列直插式扁平封装芯片，其管脚的功能介绍如下： 片选端； 输出使能端 ； 地址端接口； 数据端接口； 编程控制端； 编程电源端； 电源端； 接地。 三、 6264 6264芯片也为 28 脚双列直插式扁平封装芯片，其管脚功能介绍： 19 电源端； 接地。 1片选端 1; 选端 2; 读输入选通端 ; 写输入选通端 ; 地址线 ; I/ I/ I/O 口。 四、地址锁存器 744引脚图 五、专用键盘显示器接口芯片 8279 8279是通用可编程键盘和显示器 I/用 8279，可实现对键盘 /显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合健的键号，不仅可以大大节省 键盘显示器的操作时间，从而减轻 且显示稳定。程序简单， 不会出现 20 误动作，由于这些优点， 8279芯片被日益广泛地应用， 其引脚功能如下： （ 1） I/利用 号去控制各种内部寄存器读写， 1，表示传送的是命令或状态信息， 0时数据信息。 片选信号， 低电平时， 279 进行读写。 （ 2） 电平有效。 （ 3） 反馈输入线，作为键输入线由内部拉高电阻拉成高电平，也可由按键拉成低电平。 （ 4） 控制键输入线，由内部 拉高电阻拉成高电平。 （ 5） 扫描输出线，用于对键盘显示器扫描。 （ 6） 0 ,0 为显示段数据输出线。 （ 7） 消隐输出线，低电平有效，当显示器切换时，或使用显示消隐命令时，将显示消隐。 （ 8） 电平有效。 六、 8255可编程接口芯片： 8255具有 3个 8 位的并行 I/别为 们都可以通过软件编程来改变 I/功能如下： 片选端； 0 ,地址线； 读信号； 写信号 数据线 位信号； 。 21 助电路的设计 一、辅助电路的介绍 微机数控系统除了各种主要功能芯片外，还必须包括一些其他必要的辅助电路。这些辅助电路有：键盘显示器电路，步进电机控制电路，时钟电路，复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等。各种电路介绍如下： 数控系统中使用的显示器主要有： 设计采用 常它是由八个发光二极管组成的，具有共阴极和共阳极两种结构，本次设计 采用共阴极结构具体结构如图所示： 键盘是由若干按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，其工作原理如图所示： 步进电机控制电路如下列框图所示： 22 步进电机控制电路框图 现分别介绍如下： （ 1）脉冲分配器（环形分配器） 环形分配器有硬件和软件两种，硬件环形分配器需要的 I/执行速度快，但需要专有的芯片。软环形分配器实用程序实现的。本设计中要求使用软环分配器。其具体程序内容见下部分。 （ 2）光电隔离电路 在步进电 机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流也较大。如果将 I/O 口输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机的程序正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般要在接口电路与功率放大器间加上隔离电路，实现电气隔离。电路图如图所示： 光电隔离电路图 该图为同向输出电路，控制信号经 74电极开路门反相后驱动光耦合器的输入发光二极管。当控制信号为低电平时， 74光二极管不导通，从而输出的光敏晶体管 截至，输入电压为零电平。反之输出电压为高电平。 （ 3）功率放大电路 脉冲分配器的输出功率很小，远不满足步进电机的要求，必须将它放大，已产生足够大的功率驱动步进电机正常运转，本次设计所选用的是一种高低压供电 23 电路。其具体电路图如图所示。 高低压驱动电路图 其工作原理： 电路中各晶体管均处在开关状态，当控制脉冲到来时， 时脉冲变压器的二次侧产生一定宽度的脉冲电流，使 二极管处于负偏置而截止，将电动机绕组 压电源通过 供电 ，使其电流上升沿变陡，通过 冲电流消失，使 于截至状态，切断高压电源 供电动机所需的额定电流。 单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，本次设计采用内部方式，如图所示。晶体可在 12间任选，耦合电容在 5 30时钟有微调作用。 时钟电路图 单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在 脚上出现 10片机便实现状态复位，以后单片机便从 0000H 单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。下图中为上电与按钮复位组合。在上电瞬间， 要0能使单片机有效复位。 24 复位电路图 为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。本次设计采用中断方式，利用 8031的外部中断 0只要有任一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生中断信号 0为了报警，设置红绿灯指示，正常工作时绿灯亮 ，当越界报警是红灯亮。两灯均由一个 I/ （ a）为报警信号的产生。 (b)为报警指示。 掉电保护电路，保护一些重要的现场参数，如几何尺寸，工艺参数，再掉电后仍能妥善保存，恢复供电后又能马上运行。 25 掉电保护电路图 图中 a 存储器 常通电时，二极管 压由 时 对电池充电。断电后， 时 26 进电机接口及驱动电路 （ 1）步进电机分类 通常在经济型数控机床中，大多数采用步进电机开环控制。步进电机是一种用电脉冲进行控制，并将电脉冲信号转变为相应的角位移的电动机。其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速。步进电机按工作原理可分为 反应式 、永磁式、混合式步进电机。 （ 2）测量机的源程序 步进电机开环控制流程图 设 Z 1 目 录 第一章 课程设计的任务及说明 . 错误 !未定义书签。 题研究的意义 . 2 课题研究的参数要求 . 2 第二章 数控测量机总体方案分析 . 错误 !未定义书签。 械传动部分分析 . 错误 !未定义书签。 机控制部分分析 . 3 体方案框图 . 3 第三章 机械系统的设计方案说明 . 4 轨副的设计、计算和选择 . 4 作载荷的计算 . 4 离额定寿命的计算 . 4 时额定寿命的计算 . 5 品选型 . 5 统脉冲当量的确定 . 5 珠丝杠螺母副的设计、计算和选择 . 5 珠丝杠副的工作原理 . 6 珠丝杠螺母副的预紧方法的选择 . 6 珠丝杠参数的计算 . 7 进给伺服系统传动计算 . 8 选步进电机步距角 . 错误 !未定义书签。 算传动比 i . 错误 !未定义书签。 算齿轮齿数及各项技术参数 . 8 进电机的计算和选用 . 9 进电机启动转矩的计算 . 9 进电机最高启动频率 计算 . 10 步确定电机型号 . 10 核步进电机的 转矩 . 11 第四章 电气控制系统设计 . 13 片机数控系统硬件电路设计内容 . 13 ，目前市场上流行的是三坐标测量机，它有着广泛的应用场合，汽车工业、半导体工业、塑料工业、机械制造业、航空工业和其他方面，主要作用是： 对大量生产产品的周期性工序检查 。 对完成品的最终检查 。 与相对产品的 互换性与否的检查 。 多样的 公差解释 。 输出产品开发中需要的信息 (逆向工程 。 总之就是精密测量，其使用效果： 可以大幅度的提高测量效能。 (节约工件安装 /更换的时间，不需要尺工具 , 依靠计算机的自动演算，符合自动判定等 ) 可以简单的解决用以往方法（整板测量方式）不能测量的项目的测量问题。 远远提高复杂测量物的测量精度及可信度。 可以得到稳定的测量值。 可以利用程序自动测量，减少测量者的疲劳。 可以自动整理测量数据 。 数控测量机的基本原理是将被测零件放入它允许的测量空间，精确的测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据。其 工作原理：是利用光栅绕射所制成的量测系统俗称光学尺，其光源经过瞄准透镜而投射到游动刻度尺和主刻度尺，藉其光波产生 纹明暗讯号之原理，由光电管接收其信号，经放大及修正后即可显示出来，其系统及输出信号情形。 课题研究的参数要求 一、题 目 : 数控测量机 设计 二、设计任务： (1)根据给定条件 ,确定机械传动系统方案 ,确定微机控制系统方案； (2)进行机械传动机构的设计计算 ,绘制机械装配图及其部分零件图 (1； (3)进行微机控制系统功能实现技术分析，设计微机扩展和接口电路，绘制控制系统原理图； (4)绘制步进电机软件环形分配器程序流程框图 ,并编写其源程序； (5)撰写设计说明书一份 (8000字以上 )。 三、给定条件： 3 (1)行程范围 00 (2)运动分辨率 (3) 2800mm/ 100r/(4)被检工件最大尺寸（材料为钢） 604005)外形尺寸 (参考 ) 850 4503506)微机部分扩展 1616k 数据存储器；人机交互部分的数据和程序输入采用 4 行 8列的行列式键盘，状态和信息显示采用 8位 8 段 2个行程限位信号（来自 2个回零开关信号（分别来自 回转单元）及工作方式采用开关量信号输入；电机控制部分包括两个运动单元的控制，电机控制采用软环分和高低压驱动。 四、设计要求： (1)机械结构设计合理 ,原理正确 ,制图符合国家标准 ,图面整洁； (2)微机控制系统功能完备 , 包括微机部分，人机交互部分和电机控制部分； (3)设计说明书论述清楚 ,计算无误 ,数值单位明确 ,引用公式及资料有出处。 参 照 图 4 第二章 数控测量机总体方案分析 任务书上要求的测量机是两个坐标的， Z 轴和 C 轴，主要是能完成回转件的测量功能，比如外形尺寸、同轴度、圆柱度等的检测 等。 整个装置由机械传动部分和电气部分组成，机械传动部分负责带动光幕传感器沿 Z 轴移动，和带着工件 C 轴转动和定位。电气部分主要由单片机组成的微机控制系统，以协调各个部分的工作，其中包括手动、自动等控制功能等。 械传动部分分析 考虑到数控测量机是精密测量机械，机械部件的选择就是围绕选择如何达到要求的精度展开的， 导轨选择滚动导轨，电气传动选择步进电机经齿轮减速传到滚珠丝杠的方式来带动工作台运动这一典型传动方式。其中齿轮的消隙采用双齿轮消隙方式，滚珠丝杠的消隙采用双螺母垫片消隙法。 机控制部分分析 微机控制部分是整个系统的核心，这里我们采用 8 位微机。由于 51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，决定采用 51 系列的 8031 单片机扩展整个系统。 根据任务书要求，此控制系统由微机主控制器部分，存储器扩展电路即 扩展电路， 备与接口电路，包括人机交互部分的输入行列式键盘、输出接口的 8 位 8 段 码管、 2个行程限位信号（来自 2个回零开关信号（分别来自 回转单元 ）及工作方式采用开关量信号输入；电机控制部分包括两个运动单元的控制，电机控制采用软环分和高低压驱动。 体方案框图 单 片 机 扩展电路 辅助电路 步进电机接口 驱 动 电动机 机 械 传动 行程开关 指示灯 输入键盘 输出数码管 工作台导向支撑 开关量接口 5 第三章 机械系统的设计方案说明 机械系统的主要功能是承载、传递力和运动 ，如改变速度、远距离动作、力的放大和反馈、速度和力的参数调节、同步传动和传送物料等。主要涉及的参数包括导轨的选型、脉冲当量的确定、滚珠丝杠螺母副的选型、电机的选型确定等。以下为这几个方面的确定方案： 轨副的设计、计算和选择 直线滚 动导轨具有摩擦因数小，不易爬行、便于安装和预紧、结构紧凑等优点，广泛应用于精密机床、数控机床和测量仪器等。其缺点是抗震性较差、成本较高。直线滚动导轨副由导轨和滑块两部分组成，一般滑块中装有两组滚珠，当滚珠从工作轨道滚到滑块端部时，会经端面挡板和滑块中的返回轨道返回，在导轨和滑块之间的滚道内循环滚动。如下图： 作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副使用寿命的重要因素。这里 测量机属于小型设备，采用双导轨、两滑块的支撑形式。 任意滑块所受到的工作载荷可由以下公式进行计算 ： 2=G/2=50N 式中 G 为工作台重力，按 100N 计算。 离额定寿命的计算 直线滚动导轨副的寿命计算，是以在一定载荷下行走一定距离后， 90%的支撑不发生点蚀为依据。这个载荷称为额定动载荷 行走距离为距离额定寿命。滚动体为球时，可按下式进行计算： 503)( 式中 L 距离额定寿命，单位为 6 额定动载荷，单位为 处为 30F 滑块上的工作载荷，单位为 里是 硬度系数，查表得 温度系数，查表得为 接触系数，查表得为 精度系数，查表得为 载荷系数，查表得 代入数据计算得到距离寿命 L=1638400000 小时额定寿命的计算 根据距离额定寿命，可以计算出导轨副的小时额定寿命，计算公式为： 602 103h 式中 寿命时间，单位是 h; L 距离额定寿命，单位为 S 移动件行程长度，单位为 m,此处根据任务书上是 400n 移动件每分钟往返次数，此处由 Z 向最大移动速度2800mm/ 代入数据得到小时额定寿命 03174603h 品选型 我们这里选择日本 司的 直线滚珠导轨。远远能满足距离寿命 50小时寿命的要求。 系统脉冲当量的确定 一个进给脉 冲式机床运动部件产生的位移量称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。任务书上的要求： Z 向的运动分辨率优于 ,为满足这个要求 ,考虑到步进电动机的误差的存在，可选择脉冲当量为 。 珠丝杠螺母副的设计、计算和选择 数控机床进给系统的的机械传动机构是只将电动机的旋转运动变为工作台或刀架的运动直线运动的整个机械传动链，包括齿轮传动副、丝杠螺母副等以及它们的支撑部件（轴承座等）。能实现这种功能的机构有很多种，比如齿轮齿条副、普 通的梯形螺母副等，但这些机构都很难达到数控机床对机械部分高精度的性能要求，因此为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副，具体行程范围可参考国内外有关厂商的样本说明书和技术资料。滚珠丝杠副的传动效率高达 85%是普通滑动丝杠副的 2珠丝杠副的摩擦 7 角小于 1，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。我们这里的改造只是滚珠丝杆副驱动工作台作水平方向的运动，就不 用考虑自锁的问题。 珠丝杠副的工作原理 滚珠丝杠螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动常用的传动装置 ，主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等组成。 其 工作原理 是 ：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠 ， 而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉 出。其示意图如下： 珠丝杠副的预紧方法的 选择 为了尽可能消除间隙对加工精度的影响，应当对滚珠丝杠副进行预紧，通过预紧可以消除滚珠丝杠副的轴向间隙和提高轴向刚度，其原理是通过改变两个螺母的相对位置，使两个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左右两个侧面来实现的。预紧力的大小是最大轴向负载的 13 较为适当。常用的预紧方法有双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程式预紧以及过盈滚珠预紧等几种。各有各的特点和适用场合，例如齿差式的预紧方式能精 确调整预紧量，但结构尺寸大，装配调整比较复杂，因此其多用于高精度的传动。在这里我们选择双螺母垫片式调隙预紧方法，它通过 通过改变垫片的厚度使螺母产生轴向位移，从而使两个螺母分别与丝杆的两侧面贴合 ， 当工作台反向时，由于消除了侧隙，工作台会跟随 滞后 。这种调整方法具有结构简单、刚性好装卸方便等优点但它调整不便，很难在一次修磨中调整完毕，调整的精度也不如齿差调隙式好，尤其是滚道有磨损时，不能随时消除间隙和进行预紧。但对与我们这里的要求精度不是很高的地方，已经可以满足要求，相比而言是经济 的。下图是双螺母垫片调隙的结构示意图： 8 珠丝杠的参数计算 1、计算进给牵引力 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。其大小数值跟导轨的形式有关。我们这里的数控测量机在 Z 向不受外力，主要受力就是带动工作台时的摩擦阻力，由综合作业指导书上查得 = f(G) 式中 切削分力（ N），此处都为 0； G 移动部件 的重量（ N），按 100 f 导轨上的摩擦系数，随导轨形式而不同； 在正常情况下，我们的测量机是精密机械，导轨我们采用滚珠导轨，摩擦系数 f取 f(G) =0 0+100） = 2、计算最大动负载 C 最大动负载是选用滚珠丝杠的重要依据，在选用滚珠丝杠副的直径 ，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 100 万转（ 106转）后，在它的的滚道上不产生点蚀现象。所谓点蚀是指在接触变应力的反 复作用下，在节线附近的滚道面上会产生若干小裂纹，封闭在裂纹中的润滑油在压力的作用下，产生楔挤作用，使裂纹不断扩展，最后导致表层金属微粒脱落，而形成点蚀。 这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负业指导书得它的载 C，查综合作得计算公式： C =3L L =61060 式中 L 寿命以 610 为单位； n 丝杠转速 （ r/任务书上取 C 向最大旋转速度为 100r/ 为工作台的最大进给速度 （ m/，任务书上要求的 Z 向最大移动速度为 2800 / T 为使用寿命（ h),对于数控机床取 15000 h; 运转系数，其中在无冲击运转的状态下 我们取 寿命： L=61060=6101500010060 = 90h 最大动载荷 C=3L =们初步选择北京 工研精机股份有限公司的 副，这种系列的产品精度等级高，主要用于受力不大，作定位用的场合。我们选择 004种型号的滚珠丝杠，其参数如下表：公称直径 20本导程 4载荷 5878N 步符合要求，也符合生产厂商制造长度上的要求。 由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也要满足一定的脉冲当量，常采用齿轮降速传 动。 b 对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就回转一个固定的角度，叫步距角。电机的总回转角和输入脉冲数成正比，而电机的转速则正比与输入脉冲的频率。步进电机的步距角越小，意味着它能达到的位置精度越高。通常的步距角是 3、 步距角的大小与通电方式及转子齿数有关。在步进电机技术数据中， b 是以分数形式给出两个数，其中分子所示的步距角是表示通电方式是双拍，分母示出的步距角表示通电方式是单拍。这里初选步距角 算传动比 i 已确定测量机的脉冲当量 珠丝杠导程 步进电机步距角 b=可以计算进给伺服系统的传动比 i。 i =3600 = = 计算齿轮齿数及各项技术参数 可以确定齿轮齿数为： i =122032= 2， 0 因为测量机 载较轻，系统伺服系统功率不大，因此取模数 m=1。齿轮几何参数如下表： 齿数 Z 32 20 分度圆 d=2 20 齿顶圆 d +2m 34 22 齿根圆 =d 宽 B=(6 10） m 10 10 10 中心距 A=(2 26 进电机的计算和选用 进电机启动转矩的计算 设步进电机等效负载转矩为 T，负载力为 P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载做的功有如下关系： 式中 电机转角； s 移动部件的相应位移； 机械传动效率。 若取 =b ，则 s =p， P= + (G+所以 (36T 式中 走刀抗力（ N），在此处为零； G 移动部件重量（ N），此处为滚动导轨的滑块质量和光幕传感器的质量 ,此处取 100N； 与重力方向一致的切削力（ N），此处为零； 导轨摩擦系数，取 步进电机步距角； 0100(T 估算启动转矩 q=T/( 对工作方式为五相五拍的步进电机，由下表得 =求出最大静转矩 步进电机启动转矩和最大静转矩的关系 步进电 相数 三相 四相 五相 b 11 机 数拍 3 6 4 8 5 10 =q/ 步进电机最高启动频率 任务书上要求 2800 /以 80060 m a x 根据以上计算，我们选用电机型号为 60五相混合式步进电机，其技术数据如下： 60列电机 技术参数 12 型号 相数 相电流 步距角 保持转矩 空载起动频率 空载运行频率 转动惯量 重量 A 度 0 3 60 矩符合要求。但这种步进电机最高空载启动频率为 4000能满足9333要求，此项指标可以采用软 件升降速程序来解决。 传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 J （ 由下式计算： 20222112 步进电机转子转动惯量 （ 齿轮 （ 滚珠丝杠转动惯量（ 60转子转动惯量 1= 0 1 2 31413 Ld 2= 32423 Ld s= 4 3 6 43 =100N 代入上式： 2022211 2 220( 电机的负载转矩在各种工况下是不同的，在测量机上主要考虑的是快速启动时克服转动惯量的电机转矩能否达到要求。 快速空载启动时所需转矩： M=f+中 M 快速空载启动转矩 （ N 空载启动时折算到电机轴上的加速转矩（ N 由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩（ N 13 折算到电机轴上的摩擦转矩（ N 其中， =aa 60102102602m a a x m a xm a x 启 动 加 速 时 间 代 入 上 式 得 ： 6 a a x 式中 J 传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量（ 电机最大角加速度 （ 电机最大转速 （ r/； 运动部件最大快进速度 （ mm/ 折算到电机轴上的摩擦转矩： 12000)(2式中 0F 导轨的摩擦力（ N）； 垂直方向的切削力（ N）； G 运动部件的总重量 （ N）； f 导轨摩擦系数； i 齿轮降速比； 传动链总效率，一般取 000(212000上述两项合计： M=f= 前 可 知 ， 此 时 在 五 相 五 拍 时 = 则 最 大 静 转 矩 为 ： 14 上表可知，电机确定选择为： 60五相混合式步进电机。 15 第四章 电气控制系统设计 片机数控系统硬件电路设计内容 绘制系统电气控制的结构框图 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。 （ 1）数控系统的组成 数控系统是由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础 ，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。 （ 2）机 床的硬件电路有以下五部分组成 : 1、 主控制器 即中央处理单元（ 2、 总线 包括数据总线 (地址总线 (控制总线 ( 3、 存储器 包括程序存储器和数据存储器； 4、 接口 即 I/输出接口电路； 5、 外围设备 如键盘、显示器及光电输入机等。 绘制数控测量系统硬件框图 图 4控测量系统硬件框图（开环系统） 目前在数控测量系统中，推荐采用 列单片机作为主控制器。由于其具有集成度高、可靠性好、功能强、抗干扰能力 强、性能价格比高等特点，经过分析本次任务要求，决定采用 031单片机扩展系统。由于 8031内部无程序存储器，且只有地址为 00728 个单元作为片内 于本次任务要求：微机部分扩展 16k 8 位程序存储器， 16k 8位数据存储器；人机交互部分的输入接口采用 4行 8列的行列式键盘，输出接口采用 8位 8段 2个行程限位信号（ 工作方式（手动、自动、编辑等）及报警指示等采用开关量信号输入；电机控制部分采用软环分和高低压驱动，控制测量机的两个运动单元， 所以， I/ 决定扩展两片 2764、两片 6264、一片 8279、一片 8255。 1、不同型号的 作速度有差别，一般为 200450择时应注意是 16 否系统的时序要求。即 8031所提供的读取时间应大于 8031访问 所能提供的读取时间 约为 3T，其中的 次设计系统选用晶体频率为 12 t 480凡工作速度小于 480芯片在时序上均满足要求，所以 2764满足要求。 2、常用的静态 116、 6264、 62256 等， 6264采用 艺，有 +5型存取时间为 150200以 6264满足要求，采用 28 引脚双列直插式扁平封装。 由于单片机 8031 芯片的 位地址线和数据线， 传送高 8位地址，所以采用 7473地址锁存器，锁存低 8位地址。单片机的 于 不必外加地址锁存器。 2764和 6264芯片均具有 8要 13根地址线。 8位相应接7473的输出 1Q8Q， 应接 8031 芯片的 由于扩展了两片 2764、两片 6264、一片 8279、一片 8255，所以系统采用全地址译码，两片 2764 芯片片选信号 应接 74和 1。 两片 6264芯片的片选信号 应接 74 2和 3，单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即允许地址重叠）， 8031芯片控制信号 2764的 脚，读写控制信号 别接 6264芯片的 由于 8031芯片内部没有 能用外部程序存储器，所以 须 接地。 I/O 接口芯片地址分配 器件 地址选择线 片内地址单元 /字节 地址编辑 2764（ 1） 000x K 0000H1764（ 2） 001x K 2000H3264（ 1） 010x K 4000H5264（ 2） 011x K 6000H7279 1001 1111 1111 111x 2 9255 1011 1111 1111 11 、软环分 课程设计任务书要求采用软环分， 以选用了 8255 的 轴步进电动机的 A、 B、 定 别对应 、 B、 并确定 、 I/由于 8031只有 和 部分能提供用户作为 I/能满足输入输出口的要求，因此系统扩展了一片 8279和一片 8255可编程 I/ 17 8279的片选信号 74端。 8255 的片选信号 74 5端。 74、 B、 031 的 输出 0Y 7Y 8个输出，低电平有效。 8279与键盘、显示器的连接：键盘的行线接 8279的 本次设计8279采用外部译码方式， 42）译码器输出 0Y 7Y ，作为按键盘的列线， 4)译码器输出 0Y 7Y ，经驱动后输出到显示器各位的共阴极，输出线 0 、 0 作为 8位段数据输出口， 制 74)的译码，当位切换时， 出低电平，使 74)输出全为高电平，当键盘上出现有效的闭合健时，键输入数据自动的进入 8279的 向 8031请求中断， 8031响应中断，读取 的输入键值更新显示器输出，仅需改变 8279种显示缓冲器 8255的 向 ,据任务书要求采用软环分，于是 用芯片接线引脚介绍 一、 8031单片机芯片的介绍 8031芯片具有 40 根引脚按其功能分为四类 根 （ 根 18 振荡器的反相放大器输入，使用外部振荡器时必须接地。 当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号 口 共
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