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DK7732 数控 高速 电火花 切割机 控制系统

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DK7732数控高速走丝电火花线切割机及控制系统,DK7732,数控,高速,电火花,切割机,控制系统

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不完整测量数据的概念建构王寿宏，王海摘要： 对资料挖掘来说，未经加工的调查数据通常是不完整的。资料挖掘中缺失数据的问题在知识发现过程中常被忽略。这篇文章介绍了在不完整调查数据中资料挖掘的基础概念，以及计划知识发现中的咨询过程，和在调查资料挖掘咨询功能在概念解释上的发展趋势。这篇文章通过一个事例，论证了通过使用人工智力工具譬如自组织映射，不完整数据的概念解释可以完成。1.引言 数据挖掘就是分析数据以图从中找出有用模型的过程。而数据挖掘与传统的统计分析有所不同，因为数据挖掘的目的是找出对数据所有者或数据挖掘员有价值而又确定的关系。鉴于数据的维数和数据量本身的巨大，传统的的统计分析方法在数据挖掘时有其局限性。为满足数据挖掘的最新需要，在数据挖掘领域里面已经广泛采用基于人-机互动技术的人工智能技术。数据挖掘时有很多非统计技术。基于Kohonen神经网络的自组织映射(SOM)法是其中一种比较有前途的方法。基于集群技术的SOM法对其他方法来说有优势。通常数据挖掘技术处理一些十分高维的数据，也就是说做数据挖掘的数据库通常是由很多变量决定的。“维数灾难”使得对数据关系的统计分析变得毫无意义，这也使得统计方法变得无能为力了。然而SOM方法并不依赖任何假定的统计测试，因而被认为是处理多维数据的有效方法。更为重要的是SOM方法提供了多维可视化数据串的基础。这种特色是其他任何数据分析方法都不具备的。它允许数据挖掘者分析该问题域中的集群。 测量只是数据采集中的一种普通数据获取方法。在数据挖掘的中，我们得到的调研数据集通常很难满足每个变量都有填写完全的观测结果。一般地，被调查者只部分地完成调研和问卷调查的内容。当事实上我们无法再次面向被调查者完成调研和问卷调查的全部内容时，我们并不知道缺失数据的严重性,但这是数据掘中有待发现的最重要部分之一。事实上，在知识工程领域缺失数据是一个重要而具有争议的问题。 通过集群分析在挖掘由不完整数据构成的调查数据库过程中，缺失数据的类型及缺失数据对数据挖掘的潜在影响是一门学问。例如，数据挖掘者通常希望能知道集群分析的可信程度；一些有价值的类型通常是什么时候和怎样丢失的；以及丢失有价值数据的时候哪些变量与之有关系。这些有价值东西在缺失数据集部分被充分发掘之后才能发现。 这篇文章讨论了知识发现中在发掘调研数据库过程中数据缺失的问题，并介绍了概念解释的概念基础，以及建议设立基于SOM数据挖掘概念解释查询功能。以下部分是这样安排的：第二部分讨论数据缺失与数据挖掘的关系问题；第三部分介绍数据挖掘中SOM的概念解释；第四部分说明了挖掘不完整数据的4个概念的知识发现；并提供了应用SOM挖掘不完整数据的概念解释的图解。第五部分建立用于操控SOM的概念解释查询工具。第六部分介绍一个例子，该例子应用咨询工具对一个学生判断测量的数据集进行熟练操作SOM系统的概念建构。最后，第七部分作了结束语。 2 数据缺失问题不完整数据集普遍存在于数据挖掘中。数据缺失的解决办法有许多种,其中对付不完整数据的一种方便办法是将那些已记录没有价值的数据集排除掉。然而这忽略了这些记录中潜在的有用信息。万一缺失数据的比重较大，从筛选过的数据中得出的结论就会有偏颇或引起误导。 另一种处理丢失数据的简单方法是用一类通用的“未知”来代替所有丢失数据项。数据挖掘中，不确定的“未知”通常在丢失数据项中引起混乱和误解。 对付缺失数据的第三种办法是排除数据域中没有价值的数据。对于时序数列，可观察到的相邻数据点可以插补。一般情况下，数据域中预期值可用于统计测量。然而，数据挖掘中，调研数据类型通常是队、类，有多项选择的，二进制的。这些例子中，插补及特殊缺失数据变量的使用通常是不够的。更为重要的是，研究表明，解决缺失数据的有效办法应该总是独立于问题之外去研究。新近，发现损缺失数据集的合计概念方向有了精确的方法。这些方法与传统逼近法处理缺失数据截然不同，它着眼于缺失数据的整体，而不是个别缺失的价值。这些方法的这个高级特征使不完整数据的数据挖掘得以加强。然而这些统计方法有其局限性。首先，得假定缺失价值存在于随机方式或者新遵循一定的分配仪式。这些关于数据分配严格假定通常是无效的，特别对不完善数据的测定。第二，这些数学模型通常是数据驱动，而不是“问题领域驱动”。实际上，由于数据挖掘的目标常常与具体问题域有关联，一个单独普通概念建构算法不足以应付数据挖掘的多样目标。 数据库的知识发现是鉴别有效的、新奇的、有潜在作用并最终可以理解的数据模式的有实际意义的过程。根据这个定义，这项研究强调利用不完整数据进行数据挖掘概念构建的两个方面。首先，利用不完整数据进行数据挖掘中，有效、新奇、有用的标准随问题而定。那就是，一个数据模式不单独依赖于该模式估计的统计力，也依赖于数据挖掘者。第二，通过对建立于计算机和人类认识理论的组合空间的启发式研究，可以完成基于不完整数据的概念建构。人机协作进行概念建构就是在数据挖掘者和计算机之间发掘出新奇、似是而非、有用的、相关的和有趣味性与缺失数据相关的知识的人机交互式过程。 照我们看来，数据挖掘与传统统计在处理缺失数据方面有很多不同。 (1)数据挖掘试图从数据中去发掘出无疑的、潜在的有用模式，是由于数据挖掘者的新奇目标在于缺失数据而不在于估计个别缺失数据的价值。 (2)数据挖掘是人类知识发现环道中心环节工具,该过程是通过人机交互而认识到由集合水平上缺失数据引起的冲击，更甚于仅用基于未经证实的假设的数学方法得出的结论。3.概念建构的工具：自映射组织（SOM） 假如有一个很大多维集调研的例子，通常就会有很大一部分观察资料丢失价值，然而并非所有的缺失数据都引起数据挖掘者的兴趣。因此，对于一个有巨大数据来说，任何简单的强力搜索缺失数据的方法都是不可行，而且，当数据挖掘者通过数据挖掘仅为了找出问题或者发展概念时该方法是没有用的。为明确问题或创建概念，数据挖掘者需要一种工具来观察可利用数据与缺失数据的确定模式。 由于自映射组织（SOM）比流行的k-群集算法在计算方面更有效率，因此在群集分组中广泛应用。更为重要的是，SOM为数据挖掘者提供数据的可视化，用来观察多维数据。研究表明，SOM在数据挖掘中鉴别未可怀疑的数据模式中很有效。特别是，SOM可用在多变量测量数据的集群分析。这个研究更进一步，把SOM作为有关缺失数据的概念建构的工具。不完整数据的概念建构是为了研究缺失数据的模式，如同这些缺失数据对基于完整数据的挖掘结果的潜在冲击。下面例子说明，SOM提供一种人机协作从缺失价值的数据中建构概念的机制。 SOM能输入模式中,通过无人监督（竞争的）学习过程,学会一定有用的特征，以及把多维数据绘制到低维图片，这样数据挖掘者可观测到集群图片。图1描述了研究中应用二层SOM的神经网络。低层节点（输入节点）通过采样数据点接收输入数值。高层节点（输出节点）在无人监督学习后回馈输入的组织映象。每个低层节点都经过一个可变联接权量，联结到每个高层节点。 SOM无人监督学习过程可简要如下所述。开始时联结承载较小随机数学。输入节点接收由采样数据点引入的输入代表向量。输入向量经过联接传送到输出节点。激活的输出节点依赖于输入。在胜者通吃的竞争制度中，与输入向量有最相似的权量的输出节点被激活。在学习阶段，权量依照Kohonen的学习规则更新。 权量更新仅存在于激活的输出节点以及拓扑邻点（如图1）。在这种一维空间输出事例中，我们假定了一个线性邻域。该邻域开始很大，尺寸随时间慢慢减小。因为学习速度将趋于零，学习进程也将最终集于一点。 引入足够的输入向量后，权量将指定群集以便本地群集密度函数趋于接近输入向量的密度函数。由于共享相似拓扑的节点对相似输入敏感，所以权量得组织。因而SOM的输出节点要组织，同时，在预先并不了解聚类中心的情况下，也体现真实自映射组织聚类。读者可到12章中看更详细内容。 4、不完整数据的概念建构这篇文章中，不完整数据的概念建构通过两个阶段来完成的。首先，SOM应用于完整数据的数据集中，显示了引入聚类的数据的不同寻常的模式。基于这些聚类，数据挖掘者能鉴别出明确的数据模式，并清晰说清楚问题。其次，与正被讨论的聚类有关联的缺失价值的不完整数据，构造出新概念。这一段中，数据挖掘者估计了缺失数据对问题鉴别以及发展与缺失数据相关的知识的冲击。第一阶段的任务跟大部分SOM在聚类鉴别的应用一样。这篇文章集中目标于第二阶段，并计划了不完整数据数据挖掘的概念建构的方法。下一步，我们建造四个概念作为不完整数据数据挖掘的知识发现。如同本文后面所讲的，通过人协作和基于SOM的可视化数据，这些概念能够建造出来。 4.1可靠性 依照正被调查的问题，可靠性概念显示了缺失数据的范围。有两个指数应用于该概念。 C1：/ 是缺失价值数据采样的数量，是使用的聚类鉴定的完整价值的数据采样的数量。显然，/的值越高，聚类的观测可靠性越低。 C2:(i)/(i) (i)是变量i的缺失数值，(i)是使用的聚类鉴定的采样变量i的数值。再则，根据变量i，(i)/(i)的值越大，聚类的观测可靠性越低。4.2 隐匿隐匿的概念揭示一次观测结果的值在一定范围内变化意味着将在另一个变量中丢失价值。 C3: (i)|x(j)=(a,b) (i)是变量i的漏测值，x(j)是变量j的值，而（a,b）是x(j)的值的范围。 索引揭示了测量疑问的不确定答案的程度，例如“未知”和“中立的”，或者组织缺失数据的意图，例如“不想告诉”。 4.3反求运算 反求运算的概念揭示了变量同时更可能缺失值。 C4:(i,j)/(i) (i,j)是变量i和j的漏测值, (i)是变量i的漏测值。C4这个概念揭示两个变量的漏测值的相互关系。(i,j)/(i)的值越大，漏测值之间的相互关系越紧密。 4.4、条件效应条件效应这个概念揭示了聚类鉴别的潜在变化，若缺失价值已完成。 C5: |=k是数据挖掘者感觉到的聚类的变化量，代表变量i的所有漏测值，而k是测量中可能出现的可能值。特别地，k=max,min,p，max是刻度的最大值，min是刻度的最小值，而p是随机变量在完整数据中的同种分布函数的值。对漏测值来说，赋予k不同的值，数据挖掘者可能观测到聚类的变化，然后重新限定问题。 简言之，不完整数据的概念建构是一门学问的发展过程。不完整数据中建造一个新概念，需要数据挖掘者去明确建构中的特别问题。漏测值的四个概念是可靠性、隐匿性、求反运算及条件效应。下一步我们逐步展开不完整数据概念建构中的质疑。我们质疑的目的是使数据挖掘者能够通过使用SOM来操作实验过程，从而建造出新的与问题相关的概念。 5、概念建构的询问处理 结构化查询语言（SQL）这种查询工具具有特征，这种标准查询语言常用于相关数据库管理系统。对于数据挖掘，由于数据库信息检索的最终目标是通过应用多变技术的明确表达的知识，创造一种单纯的标准查询语言能满足数据挖掘的各个目的是不太可能的。然而，为了维持人机协作高效运转，数据挖掘中可视化询问处理很必要。这个研究通过基于SOM的聚类分析，发展一套查询函数来帮助数据挖掘者建造与缺失数据相关的概念。 基于SOM数据挖掘的计算环境是微软的Excel。这使资料库、SOM程序与询问处理有可能整合为一个单纯环境。应用微软的Excel，依靠电子表格，数据得以储存；通过宏指令（VBA）SOM程序得以执行；图形函数支持数据可视化；宏指令也使得查询处理函数能够运行。图2描述了系统结构的技术细节。解决了基于PC的软件问题，系统结构变得简单而易于执行。然而，从实际应用的观点来看，软件系统限制了数据挖掘中数据库的规模。七组查询函数已发展起来，对应于上一节所描述数据挖掘中的四个概念以及一般操作函数。通过图形用户界面，数据挖掘者使用询问处理系统。5.1 获得完整数据的聚类 数据挖掘者使用查询函数来观测聚类及鉴定不用怀疑的完整价值数据集模式。基于那些聚类，数据挖掘者明确问题所在。数据挖掘者能够选择适合SOM数据库的变量，并设置拓扑和SOM参数便于管理的聚类的号码。聚类的数量非常依赖于自然数据和SOM参数间的复杂关系。然而，通过减少SOM输出节点的数量及调整巨大的学习率和初始化领域，数据挖掘者通常能够减少聚类的数量；反之亦然。应用这个查询函数，数据挖掘者能够描绘所查询的SOM聚类。由于一个聚类的边界线在图中通常是模糊不清的，对聚类的描绘只能基于他或她对聚类的感知。在内部，对应观测采样，轮廓与聚类的SOM输出节点相关。这使电脑程序追溯聚类到数据成为可能。查询函数返回该聚类的变量的值的范围。5.2 SOM的保存和更正查询是为了保存和更正的SOM的一般操作，如同设置数据样值的参数、变量。数据挖掘者能够把一系列的SOM结果与不完整数据的概念建构相比较。5.3 查明 C1:/ 通过SOM选定变量和确认聚类后，数据挖掘者想知道的是观测到的聚类的可靠性如何。这个查询允许数据挖掘者去查明/中SOM培训所用变量。如果/的值大，数据挖掘者能够发现个别变量的可靠性，如下面所述的。5.4 查明C2： (i)/(i) 数据挖掘者可能对某一变量感兴趣。应用这个查询，他能够根据这个别的变量来核查聚类的观测是否可靠。5.5 查明C3： (i)/x(j)=(a,b) 该查询函数能够让数据挖掘者查明一个变量的缺失值与别一变量的值的范围之间的相互关系。这种关系提供如数值什么时候会丢失之类的信息。应用该查询，数据挖掘者详细查明两个变量如缺失值之间可能的相互关系、已一个变量知值的范围及在其他变量中发现有缺失值的观测的数量。5.6 查明C4： (I,j)/(i)该查询函数能够让数据挖掘者找出两个变量间缺失值的相互联系。应用该查询，数据挖掘者首先选择两个与问题相关的变量进行调查，然后查明这两个变量可能总共多久一次丢失值。5.7 查明C5：=k 该查询函数允许数据挖掘者用假定值代替缺失值，及观察聚类的变化。假定值可能是最大与最小值中间的任何数。与返回详细数据不同，查询函数返回多样的映射以便数据挖掘者用不同的k值比较聚类。基于假定分析试验，数据挖掘者能够在感知缺失值在确定问题中的冲击。6、用一个例子来学习概念建构 这一节中我们用一个例子来阐明不完整测量数据的概念建构中基于SOM的查询系统的应用。学生的教师调查法在大学中广泛应用于估评教授的教学质量。研究中沿用的数据来自加拿大大学一个学生对教师调查法（附件A）。在这个例子中二十一个问题描述了一个教师的表现特征。每个问题都有五个等级的答案让学生回答。一个问题得高分表明问题的答案是积极的。这些问题的加权平均数由联系于评价教学效果的多种数据组成。学校教学中心的一个任务是了解教学中的问题，以便采取相应方法（例如，教学研究会及研究所）去攻克这些问题。 由于二十个问题与一个班级学期教学效果评估相关，二十个变量组成SOM的多维数。最后一个问题与教师分级相关。研究中，该变量用于与低效教学相关的选择，而这些教学基于该问题全部测量数据的中间值。表1概念建构的例子聚类（采样%）问题相关变量基于完整数据的问题鉴别不完整数据的概念建构1 (24.8)V16,v18学生测试结果需要更多令人信服的解释测试和分配不能够对学生提供反馈作用对即时分级不满意的学生，通常对他们能否得到对工作有益注解漠不关心2 (26.6)V14应该更好规划测试和分配对课程学习经验忽略看法的学生通常对适当测试或者布置规划漠不关心3 (12.7)V1,v20不能很好描述困难概念；特别是，课本没有给出太多帮助时虽然v20的缺失值率最高，缺失值对问题鉴定不具严重冲击 收集3823个无效教学质量观测采样数据后可确认这个学校的教学问题。这些数据中，2788个是完整的。SOM聚类分析方法应用于预先确认完整数据中的问题。使用300个SOM输出节点、200个初始化领域节点后，初始学习率是0.01，2000个学习叠代后，SOM显示四出聚类。一个聚类表明有一组存在低值，该值在进一步分析后排除几乎所有变量后得出的。三个聚类有蕴含意义。 根据聚类分析，发现接收到低值的变量v1,v14,v16,v18和v20比较特别，与无效教学有关，如表1中前三行所述。 然后不完整数据用于建造该问题的新概念。6.1 C1:/ 虽然观测资料的不完整率达对整个测量来说高达37%，根据关系密切的变量（v1,v14,v16,v18和v20），/是5.2%，这说明最初识别的问题通常有效的。6.2 C2:(i)/ 在这五个变量中，缺失值率最高是v20，达8.6%,这说明这变量（例如，无用的课本和教学材料）指示的无效教学的可靠性可能不如其他相关变量可靠。6.3 C3:=(a,b) v16的缺失值率是2.2%。然而，52.1%的缺失值来自观测函数x(v15)=1,3。这说明不满意即时分级通常对他们能否收到对他们工作有益意见漠不关心。6.4 C4: v14的缺失值率是3.7%。然而v14与v10由式子=33.6%紧密相联在一块。这说明忽略课程学习经验的看法的学生，通常对测试或分配要适当计划漠不关心。 6.5. C5: =k 这个例子中，v20缺失值最高(达8.6%)。数据挖掘者可能想了解缺失数据的潜在冲击。在完整数据中，V20的最小值是1，最大值是5，v20的概率分布是0.11|v20=1，0.16|v20=2，0.21|v20=3，0.28|v20=4，0.24|v20=5。设置好v20的缺失值的这些值之后，新的试验数据用来为SOM绘制示意图。在完整数据中应用相同的SOM拓扑，假定分析试验是引导。 如图3所示，这个例子的全部的结论是，v20的缺失值对问题鉴定不具严重冲击。 这个例子中，缺失值新的概念建构在表1的第四栏中总结出来了。 这个例子阐述了被提议的概念建构方法的使用，并提供一个提议方案的实验试验。容易看出，这个例子研究的数据挖掘的数值范围相当小。一般来说，比起这个例子来，数据挖掘应用于在规模和维数大得多的数据集。 7. 结论 在数据挖掘领域，不完整数据通常受到不公正对待。这篇文章提议不完整数据的概念建构，并提及了四个种类的缺失值概念。对于问题鉴别、数据隐藏意图、两个变量的缺失值求反运算以及缺失数据的条件效应，这些是可靠的。由于SOM在聚类和数据可视化方面的优势，而被选作概念建构的工具。基于SOM聚类分析，这篇文章接着建议七类查询函数来建构不完整数据概念。使用这些查询函数，数据挖掘者能够建构与数据挖掘问题鉴别相关的新的概念。虽然与真实事例不同，但它已被证明，概念建构的模式能更好用在知识发现方面。 知识发现在数据库是个正在成长的领域。一般来说，知识发现开始于原始的问题鉴别。然而问题鉴别典型地证实为数据库和一般统计算法力所不及的。在知识发现过程中，必须建造新的概念使数据不那么神秘。总之，不完整数据的概念建构为知识发展提供有效的技术，因而，基于数据细节问题领域和挖掘者的对缺失数据的感知，他能够说明数据挖掘的结果。以后的工作包括在数据库系统主机上执行软件系统，并进一步评估被提议在更大范围的数据集的方法。产品简介：产品信息型号： DK7732 规格： 320400200 mm机床参数： 工作台面尺寸（长宽）：630400 mm 工作台行程（XY）：320400 mm 最大切割厚度： 200 mm 最大切割斜度/工作厚度：1.5/50mm最大切割速度： 100 m/min 最大加工电流：6 A加工表面粗糙度：Ra2.25 m电极丝直径范围：0.130.25 mm 走丝速度：变频调速 11.6 m/sec或5.8 m/sec 工作台承载重量：400 kg工作液：线切割专用工作液工作液箱容量：50 L机床供电电源：AC 3N 380V10% 50Hz 机床消耗功率：2 KVA 机床外形尺寸（长宽高）：172013221800 mm 机床重量：2200 kg 可选用控制机类型：BKDC 具体产品外观与安装简图 南 华 大 学毕业设计（论文）任务书学 院： 机 械 工 程 学 院题 目： DK 7732 数 控 高 速 走 丝 电 火 花 线 切 割 机 及 控 制 系 统 起址时间： 2005 年 2 月 28 日 至 2005 年 6 月 12 日学生姓名： 刘 建 荣专业班级： 机 械 011 班指导老师： 教研室主任： 院 长： 2005 年 6 月 12 日 设计（论文）内容及要求:(一) 设计内容：1调查研究电火花线切割机的加工特点，确定新设计电火花线切割机的主要技术参数。2进行数控电火花线切割机总体方案及控制系统总体方案设计。3完成电火花线切割机的机械结构设计。4完成控制系统硬件和软件设计。(二)任务和要求：1根据总体方案设计，绘制出数控电火花线切割机总图一张（A0手工图）。2进行运丝系统的运动计算、强度计算和动力计算，绘制出运丝系统机构结构图一张（A0计算机图）。3进行坐标工作台德望运动和强度计算，绘制出坐标工作台纵向（X方向）、横向（Y方向）或运丝拖板（U、V）进给机构部装图一张（A1计算机图）。4根据控制系统总体设计方案，绘制出控制系统电路图一张（A0计算机图）。5绘制出线切割机电器电路图一张（A0计算机图）。6绘制出贮丝筒或滚珠丝杆零件图一张（A1三维计算机图）。7科技译文（不少于3000汉字）。8编写毕业设计说明书一套（不少于一万字，有英文摘要，有程序清单、全部用计算机打出）。 指导老师： 2005年2月28日南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目DK7732数控高速走丝电火花线切割机及控制系统设计（论文）题目来源自选课题设计（论文）题目类型工程设计类起止时间2005年2月28日至2005年6月12日一、 设计（论文）依据及研究意义：数控高速走丝电火花线切割加工是一种直接利用电能进行加工的新工艺。这一技术已广泛应用于加工淬火钢，不锈钢、硬质合金等难加工材料；已成为切削加工的重要补充和发展。我们的设计的数控高速走丝电火花线切加工机床是一个改进设计，我们设计的横向纵向进给系统是用步进电机控制的，提高生产效率。我们这次毕业设计是对大学四年专业知识的综合运用。通过这次设计，更好的掌握了专业知识，对其也有更深入的理解，这对我们将来的工作、学习都是一个莫大的帮助，我们受益匪浅二、 设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线）1、 调查研究电火花线切割机的加工特点，确定新设计电火花线切割机的主要技术参数。2、 进行数控电火花线切割机总体方案及控制系统总体方案设计。3、 完成电火花线切割机的机械结构设计。4、 完成控制系统硬件和软件设计。三、设计（论文）的研究重点及难点：在这次设计中，数控高速走丝电火花线切割加工机床的控制系统部分是重点，也是难点。由于可参考的资料非常少，所学的单片机的知识有限，这也加大了我们的设计难度。步进电机驱动电路是数控高速走丝电火花线切割加工机床的一个重点，它是通过8031芯片的扩展，经过光电耦合电路，功率放大电路驱动步进电机。 脉冲电源电路又是一个重点，也是难点。我采用的是高低压复式脉冲电源，它是由晶体管和分立元件组成的电路，输出高低压复式脉冲，可以同时供给两个放电间隙加工，提高加工生产率。由于时间仓促，对这部分设计还不够完善，下步工作可深入研究。四、 设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）：研究方法：1：参考各种设计手册 2：通过网络，查阅各种相关资料 3：在设计过程中遇到问题向指导老师请教，直到解决问题研究步骤：1：查阅资料，选择相关书籍，写开题报告。 2：根据技术要求，确定原始参数。 3：根据原始参数，通过计算，确定大致尺寸。 4：校核计算结果，开始总体结构设计。 5：以铰接机构，车架的重载能力为重点进行设计。 6：确定具体尺寸，选用标准件 7：绘制图纸，准备答辩。我们所安排的进度如下：完成日期 内 容 图 号 2/28-3/15 1.数控电火花线切割加工机床的外观图 A0（手工） 3/16-3/26 2.数控电火花线切割加工机床的储丝走丝部件设计A0（计算机） 3/27-4/27 3.数控电火花线切割加工机床的工作台设计 A0（计算机） 4/28-5/8 4.数控电火花线切割加工机床的线架、导轮设计 A0（计算机） 5/8-5/12 5.数控电火花线切割加工机床的主轴设计 A1（计算机） 5/12-5/19 6.步进电机驱动电路图 A0（计算机） 5/12-5/23 7.脉冲电源电路图 A0（计算机） 5/24-6/3 8.数控电火花线切割加工机床设计的说明书 6/4-6/12 9.审图后的返工和修改五、 进行设计（论文）所需条件：这四个月的设计中，我们多次去机械工程学院的数控实验室去参观CNC电火花线切割加工机床。了解它的基本结构，工作原理。对CNC电火花线切割加工机床有了一个整体的概念以后，我们多方面收集资料，在原有的基础上进行创新，这花费了我们不少时间。 机械结构的设计暂告一个段落后，我们开始研究电火花线切割加工机床的控制系统部分。我们查阅了许多数控机床控制部分设计的资料，又结合了电火花线切割加工机床的控制系统，进行了步进电机驱动电路和脉冲电源电路的设计。 运用AUTOcad, Protel, Solidworks软件画图。 设计者：刘建荣 05年 6 月 12日六、 指导教师意见：签名： 05 年 月 日 设计（论文）内容及要求： 指导老师： 年 月 日摘要: 电火花线切割加工（wire-EDM）是一种基于电火花加工技术的适应性流程加工技术，它可以被用在具有二维到三维复杂形状的而且是导电的原材料的加工上。电火花线切割加工最常见的应用是在压模、挤压模、粉末冶金的铸模和标准摸板的装配工中。这样就可以加工出以往依靠花费很高磨床或昂贵的传统意义上的电火花的电极来进行加工的工件。由于电火花线切割加工技术是机电一体化技术，是机械、电工、电子、数控、自动控制、计算机应用等多门学科、专业知识的综合运用。我的设计课题是DK7732数控高速走丝电火花线切割机及控制系统设计。DK为数控电加工机床，77为电火花线切割机床，32为机床工作台宽度。此次设计包括机床的总体布局设计，横向进给、纵向进给设计，其中还包括齿轮的强度计算，滚珠丝杆较核，轴承寿命的验算。控制系统部分包括步进电机控制电路和脉冲电源电路，这是数控电火花加工机床的重点设计部分，也是难点。步进电机电路设计包括硬件电路设计和软件系统设计。详细说明了芯片的扩展、键盘显示器接口的设计等等。脉冲电源电路采用高低压复式脉冲电源，它是由晶体管及分立元件组成的电路，输出高低压复式脉冲，可以同时供给两个放电间隙加工，提高生产效率。关键字：数控高速电火花线切割加工、主轴运动、步进电机、脉冲电源。Abstract: Wire electrical-discharge machining(wire-EDM) is an adaptation of the basic EDM process, which can be use for cutting complex two-and-three-dimensional shapes through electrically conducting materials. Wire-EDM is most commonly used for the fabrication of press stamping dies, extrusion dies, powder composition dies, profile gages, and templates. Complicated cutouts can be made in difficult-to-machine metals without the need for high-cost grinding or expensive shaped EDM electrodes, Because the technology of wire electrical-discharge machining is the technology of mechatronics, and it is the integrate application of many subjects and professional knowledge, for example mechanism, electrician, electron, numerical control, auto control and computer application.My design subject is DK7732 numerical control electrical-discharge perforation molding machining tool. DK means numerical control machining tool. 77 means wire electrical-discharge perforation molding machining tool. 32 means the width of tools worktable. The design contains collectivity distribution design, landscape orientation feed design, portrait feed design, circumgyrate worktable design. It still includes intension calculation of gear wheel, the checking of ball bearing pole and the calculation of axis gearing life-span. The controlling system part contains the circuit of step-by-step electromotor control and the circuit of pulse electrical source. This part is the most important part of numerical control electrical-discharge machining tool, and it is very hard for me. The design of step-by-step electromotor control includes hardware circuit design and software system design. It explains the enlarging of CMOS chip and the design of keyboard display interface. The circuit is composed by transistor and unattached elements, it exports high and low voltage pulse, which can apply with two electrical-discharge interval and improve productivity.Key words: Numerical control wire electrical-discharge machining, principle axis motion, step-by-step electromotor, pulse electrical source 南华大学机械工程学院毕业设计（论文） 引言本次毕业设计从2005年2月28号开始到本年的六月中旬结束，长达四个月。毕业设计是一名在校大学生最后的一次也是最重要的一次设计，说其重要主要是因为它将检验你在大学生活中所学知识的扎实程度，期间你必须复习所学过的一些课程，学习一些要用到的新的知识，它还将练习你的动手能力，思考能力，创新能力，是你在大学学习生活的一次升华，是一个提升阶段，更是走向工作岗位的一次练兵，因此我们都对此极为重视，更是投入了极大的热情与努力来更好的完成它。本次设计在颜竞成教授的悉心指导下分四个阶段按部就班的有条不紊的进行。第一阶段是搜集整理阶段。在本阶段主要是搜集足够的资料信息并对设计题目进行分析和实地调查，做到心中清楚。本设计其实从2004年元旦就开始了，截止到2004年3月份第一张外观图绘制成功为止。第二阶段是机械部分设计阶段，本阶段主要应用大学里面所学到的饿专业知识来进行运丝机构设计和坐标工作台的横向和纵向进给机构设计。另外还要进行储丝筒的三维零件设计。本阶段主要是从三月份到五月份。五月份到六月份则是第三阶段：控制系统设计阶段。主要进行电器电路设计，包括步进电机驱动设计和脉冲功率放大电路设计。本阶段也是一个学习的阶段，对自己不太熟悉的领域的一次学习。六月份开始就是最后一个阶段：整理复习阶段，主要从事前几个阶段的整理温习，写说明书。以及毕业答辩前的各项具体细节的准备。所以说每个阶段都是十分紧张而有难度的，有些问题是由于设计的难度，有些还是因为自己知识上的欠缺和基础不扎实造成的。可以说这次毕业设计是个查缺补漏的机会。尤其是在同学的协助下，特别是在颜教授的指导下，遇到困难不逃避，主动请教，主动学习，独立思考提出新方案，困难一个个的解决，才有了本次设计的成功。这次毕业设计锻炼了我团体协作精神和独立作业的能力。专业设计基础，对自己将来都是一次具有深远影响的事情。一、 总体方案设计(一)总体方案的拟定 1电火花线切割机床具有定位、纵向和横向的直线插补功能；还能要求暂停，进行循环加工等。因此，数控系统选取连续控制系统。 2电火花线切割机床属于经济型数控机床，在保证一定的加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统应采用步进电机开环控制系统。 3根据电火花线切割机床最大的加工尺寸，加工精度，控制速度和经济性要求，一般采用8位微机。在8位微机中，MCS-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，具有很高的性能价格比。因此，可以选择MCS-51系列单片机扩展系统。 4根据系统的功能要求，微机控制系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器，I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器；包括光隔离电路和步进电机驱动电路。此外，系统中还应该包括脉冲发生电路和其它辅助电路。 5纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杆螺母副组成，起传动比应满足机床所要求的。 6为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杆螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的饿机构。7采用滚动道轨可以减少道轨见的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。在上述的基础上，有条件的还可以进一步实现钼丝的角度调节，使加工过程更加细致。（二）主要技术参数的确定技术参数主要包括运动参数，尺寸参数和动力参数。DK7732电火花线切割机床的主要技术参数如下：工作台行程/mm 500*320最小切削厚度/mm 30（可调）加工表面粗糙度Ra/m 2.5切割速度/mm/min 100加工精度/mm 0.015切割工件最大厚度/mm 300电极丝移动速度 1.1m/s电极丝直径 0.10.2mm二、 储丝走丝部件结构设计（一）储丝走丝部件运动设计运丝机构的运动是由丝筒电机正反转得到的饿。电极通过联轴节与丝筒连接，丝筒装有齿轮，通过过度齿轮与丝杆上的齿轮齿合。丝杆固定在拖板上，螺母固定在底座上，拖板与底座采用装有滚珠的V形滚动导轨连接，这样丝筒每转一周拖板直线移动相应的距离，因此机床工作前应根据零件厚薄和精度要求可在0.12mm到0.25mm之间调节。1对高速走丝机构的要求（1）高速走丝机构的储丝筒转动时，还要进行相应的轴向移动，以保证极丝在储丝筒上整齐排绕。（2）储丝筒的径向和轴向窜动量要小。（3）储丝筒要能够正反向旋转，电极丝的走丝速度在712m/s范围内无级或有级可调，或恒速转动。（4）走丝机构最好与床身相互绝缘。（5）传动齿轮副、丝杆副应具备润滑措施。 2、高速走丝机构的结构及特点高速走丝机构由储丝筒组合件、上下拖板、丝杆副、齿轮副、换向装置和绝缘件等部分组成，如下图2.1所示 图2.1DK7732机床的储丝走丝系统机构结构图储丝筒由电动机通过联轴器带动实现正反向转动。储丝筒另外一端通过二对齿轮减速后带动丝杆。储丝筒、电动机、齿轮都安装在两个支架上。支架及丝杆则安装在拖板上，调整螺母安装在底座上，拖板在底座上来回运动。螺母具有消除间隙的副螺母和弹簧，齿轮及丝杆螺距的搭配为设旋转一圈拖板移动0.25mm，所以该储丝筒适用于0.25mm以下的钼丝。储丝筒运转时应平稳，无不正常振动。滚筒外圆振摆应小于0.03mm，反向间隙应小于0.05mm，轴向窜动应完全彻底消除。高频电源的负端通过碳刷送到储丝筒的尾部，然后传到钼丝上，碳刷应保持良好接触，防止机油或其它赃物进入。储丝筒本身作为高速正反向转动，电机、滚筒及丝杆的轴承应定期拆洗并加润滑脂，换油期限可根据使用情况具体决定。其余中间轴、齿轮、三角导轨及丝杆、螺母等每班应注油一次。（1）储丝筒旋转组合件 储丝筒旋转组合件主要由储丝筒、联轴器和轴承组成。储丝筒 储丝筒是电极丝稳定移动和整齐排绕的关键部件之一，一般用45号钢制造。为了减少转动惯量，筒壁应尽量薄，按机床规格的不同，选用的范围一般为1.55mm。为进一步降低转动惯量，也可选用铝镁合金材料制造。储丝筒壁厚要均匀，工作表面要有较好的表面粗糙度，一般R为0.8m。为保证丝筒组合件动态平衡，应严格控制内孔、外圆对支撑部分的同轴度。储丝筒与主轴装配后的径向跳动量应不大于0.01mm。一般装配后，以轴的两端中心孔定位，重磨储丝筒外圆和与轴承配合的轴径。联轴器 走丝机构中运动组合件的电极轴与储丝筒中心轴，一般不采用整体的长轴，而是利用联轴器将二者联在一起。由于储丝筒运转时频繁换向，联轴器瞬间会受到正反向的剪切力，但由于这个力不大，且储丝筒中心轴与电极轴有较高的同轴度要求。所以本设计采用YLD6刚性联轴器。（2）上下拖板 走丝机构的上下拖板一般有下面二种滑动导轨。燕尾型导轨，这种结构紧凑，调整方便。旋转调整杆带动塞铁，可改变导轨副的配合间隙。但该结构制造和检验比较复杂，刚性较差，传动中摩擦损失也较大。三角、矩形组合式导轨，如下图所示。导轨的配合间隙由螺钉和垫片组成的调整环节来调整。本设计采用三角、矩形组合式导轨。如下图2.2 图2.2 三角矩形组合式导轨由于储丝筒走丝机构的上拖板一边装有运丝电动机，储丝筒轴向两边负荷差较大。为保证上拖板能平稳的往复移动，应把下拖板设计的较长以使走丝机构工作时，上拖板部分可始终不滑出下拖板，从而保证拖板的刚度、机构的稳定性及运动精度。（3）齿轮副和丝杆副走丝机构上拖板的传动链是由2级减速齿轮副和一组丝杆副组成，它使储丝筒在转动的同时，作相应的轴向位移，保证电极丝整齐的排绕在储丝筒上。在本次设计线切割机中，走丝机构是常是通过配换齿轮来改变储丝筒的排丝筒的排丝距离，以适应徘绕不同直径的电机丝的要求。丝杆副一般采用轴向调节法来消除螺纹配合间隙。为防止走丝电机换向装置的失灵，导致丝杆副和齿轮副的损坏，在齿轮副中，可选用尼龙代替部分金属齿轮。这不但可以在电机换向装置失灵时，由于尼龙齿轮先损坏，保护丝杆副与走丝电机，还可以减少噪声。但是由于要照顾专业知识的复习，所以决定选用传统的金属材料制造。（4）线架、导轮部件结构线架与走丝机构组成了电极丝的运动系统。线架的主要功能是在电极丝按给定线速度运动时，对电极丝起支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持一定的几何角度。对线架的要求是：具有足够的刚度和强度，在电极丝运动（特别是高速走丝）时，不应出现震动和变形；线架的导轮有较高的运动精度，径向偏摆和轴向窜动不超过0.005mm；导轮与线架本体、线架与床身之间有良好的绝缘性能；导轮运动组合件有密封措施，可防止带有大量放电产物和杂质的工作液进入导轮轴承；线架不但能保证电极丝垂直于工作台面，在具有锥度切割功能的机床上，还具有能使电极丝按给定要求保持与工作台平面呈一定角度的功能。线架按功能可以分为固定式、升降式和偏移式三种类型：按结构可分为悬臂式和龙门式两种类型。悬臂式固定线架主要由线架本体、导轮运动组合件及保持器等组成。（1） 线架本体结构中、小型线切割机床的线架本体常采用单拄支撑、双臂悬梁式结构。由于支撑电极丝的导轮位于悬臂的端部，同时电极丝保持一定张力，因此应加强线架本体的刚度和强度，使线架的上下悬臂在电极丝运动时不致振动和变形。为了进一步提高刚度和强度，在上下悬臂间增加加强筋结构。有的机床的线架本体有的采用龙门结构。这时，工作台拖板只沿一个坐标方向运动，另一个坐标方向的运动通过架在横梁上的线架拖板来实现。此外，针对不同厚度的工件，还有采用丝臂张开高度可调的分离式结构，如下图2.3所示。活动丝臂在导轨上滑动，上下移动的距离由丝杆副调节。松开固定螺钉时，旋转丝杆带动固定于上丝臂体的丝母，使上丝臂移动。调整完毕后拧紧固定螺钉，上丝臂位置固定下来。为了适用线架丝臂张开高度的变化，在线架上下部分应增设副导轮，如下图2.4所示： 图2.3 可调式线架本体结构 图2.4 可移动丝臂（2） 导轮部件结构1）导轮是本机床关键零件，关系到切割质量，对导轮运动组合件的要求如下。 导轮V形槽面应有较高的精度，V形槽底的圆弧半径必须小于选用的电极丝半径，保证电极丝在导轮槽内运动时不产生轴向移动。在满足一定强度要求下，应尽量减轻导轮的质量，以减少电极丝换向时的电极丝与导轮间的摩擦。导轮槽工作面应有足够的硬度，以提高其耐磨性。导轮装配后转动应轻便灵活，应尽量减少轴向窜动和径向跳动。 进行有效的密封，以保证轴承的正常工作条件。2）导轮运动组合件的结构导轮运动组合件的结构主要有三种；悬臂支撑结构、双支撑结构和双轴尖支撑结构。悬臂支撑结构简单，上丝方便。但是因为悬臂支撑，张紧的电极丝运动的稳定性较差，难于维持较高的运动精度，同时也影响导轮和轴承的使用寿命。双支撑结构为导轮居中，两端用轴承支撑，结构复杂，上丝麻烦。但是此种结构的运动稳定性较好，刚度较高，不容易发生变形及跳动。双轴尖支撑结构。导轮两端加工成30锥形轴尖，硬度在RC60以上。轴承由红宝石或锡磷青铜制成。该结构易于保证导轮运动部件的同轴度，导轮轴向窜动和径向跳动量可以控制在较小的范围内。缺点是轴尖运动副摩擦力大，易于发热和磨损。为补偿轴尖运动副的磨损，利用弹簧的作用力使运动副良好接触。通过比较以上三种结构的特点，可以看出第二种结构比较适合作为DK7732高速走丝电火花线切割机床的导轮结构。3）导轮的材料 为了保证导轮轴径与导向槽的饿同轴度，一般采用整体结构。导轮要求使用硬度高、耐磨性好的材料制成（如GCr15、W18Cr4V），也可以选用硬质合金或陶瓷材料制造导轮的镶件来增强导轮V形工作面的耐磨性和耐蚀性。4）导轮组合件的装配导轮组合件装配的关键是消除滚动轴承中的问题，避免滚动体与套杯工作表面在负荷作用下产生弹性变形，以及由此引起的轴向窜动和径向跳动。因此，常用对轴承施加预负荷来解决。通常是在两个支撑轴承的外环间放置一定厚度的定位环来获得预负荷。预加负荷必须选择得当，若轴承受预加负荷过大，在运转时会产生急剧磨损。同时，轴承必须清洗得很洁净，并在显微镜下检查滚道内是否有金属粉末、炭化物等，轴承经清洗、干燥后，填以高速润滑脂，起润滑和密封作用。（二）储丝走丝部件主要零件强度计算1齿轮传动比的确定钼丝丝距选择0.25mm，储丝筒每转一周，拖板带动储丝筒移动0.25mm，丝杆螺距选择为3mm。所以储丝筒与丝杆见齿轮的传动比为： u=1：12；采用二级齿轮传动，取u=1：4；u=1：3。（1）齿轮齿数的确定取Z=15；由于齿轮齿根与轴上键的距离不能为零。即-（d+t）2m由d=16mm查设计手册得：t=2.3mm； 而d=-2h =（Z-2ha-）m =（15-2-0.5）m =12.5m 代入上式得：12.5/2m-（16+2.3）/22m 取m=2；又有Z=4Z=60 所以 =mZ=215=30mm =mZ=260=120mm取Z=25；同理可得： 取m=3；又有Z=3Z=75 所以 =mZ=325=75 =mZ=375=225齿轮1，2中心距 a=（30+120）/2=75mm齿轮3，4中心距 a=（75+225）/2=150mm参考书籍机械设计 取 b=0.5d=0.530=15mm其他数据如下 da=（Z2ha）m =（15+21）2 =34mm da=124mm da=81mm da=231mm dr=（Z2ha2c）m =（15-2120.25）2 =25mm dr=115mm dr=67.5mm dr=217.5mm1）传动件的估算根据公式 d=91mm其中 N该传动轴的输入功率 N=N其中 N电机颌定功率 从电机到该转动轴之间传动件的传动效率的乘积 n该转动轴的计算转速r/min计算转速n是传动件能传递全部功率的最低转速 每米长度上允许的扭转角（deg/m） 取=0.995，N=0.55kw N= N =0.550.995 =0.54725kw n=1390r/min d=91 =10.2mm4.齿轮模数估算齿轮弯曲疲劳估算： m32 =32 =1.039mm齿面点蚀估算： A370 =370 =49.28mm其中n为该转动轴的计算转速r/min，A为齿轮中心距中心距A及齿数Z、Z求出模数 m= = =1.31取较大的那个模数，在这个设计中，第一对齿轮传动取 m=2mm第二对齿轮传动取 m=3mm5.齿轮模数的验算根据接触疲劳计算齿轮模数公式为 m=16300mm式中： N计算齿轮传递的颌定功率 N=Nkw n计算齿轮（小齿轮）的计算转速r/min 齿宽系数，=b/m，常取610 Z计算齿轮的齿数，一般取传动中最小的齿轮的齿数 大小齿轮的齿数比=，“+”用于外齿合，“-”用于内齿合；k寿命系数，k=；工作期限系数，=齿轮等传动件在接触和弯曲交变载荷下的疲劳曲线指数m和基准循环次数Cn齿轮的最低转速r/minT预定的齿轮工作期限，中型机床推荐T=1500020000h转速变化系数材料强化系数，幅值低的交变载荷可使用金属材料的晶粒边界强化，起着阻止疲劳细缝扩展的作用；功率利用系数工作情况系数载荷系数齿向载荷分布系数Y齿形系数、许用弯曲接触能力查表可得：=1.2，=1.2，=1.15 = = =0.780.510.60 =0.91N=0.54725kw，=10，=600MPa则 =16300mm =1.625mm根据弯曲疲劳计算齿轮计算模数公式为： =275mm =275 =0.063mm = = =0.890.700.75 =0.554 所以m=2符合要求 同理m=3也符合要求（三）储丝走丝部件主要零件强度验算1齿轮强度的验算 齿轮危险截面的弯曲强度条件公式=k载荷系数k=齿宽系数，取0.5k使用系数，取1k载荷系数，取1.05齿间载荷分配系数，=1.0，=1.0齿向载荷分布系数小齿轮传递的转距=95.510 =95.5100.55/1390 =3.7810Nmm=1.11+0.18（1+6.7）+0.1510b =1.11+0.18（1+6.70.25）0.25+0.150.0010.5 =1.23045K=11.051.01.6 =1.218查得：b/h=23/4.5 =5.11 =1.16载荷作用与齿顶时齿形系数载荷作用与齿顶时应力校正系数查表得：=2.69，=1.575则 = =18.4MPaN=60njL=601390120000=1.668s疲劳强度安全系数s=1.5K寿命系数 （）齿轮的疲劳强度=340MPa=520MPa =272MPa所以 其中：Z区域系数Z弹性影响系数 K=11.051.01.23045 =1.29 =259.89=520MPa所以 因此，所设计的齿轮1、2也满足齿面接触疲劳强度要求同理也可得到所设立的齿轮3、4也满足齿面接触疲劳强度要求齿轮设计合格 2主轴的验算按弯扭合成应力校核轴的强度：根据轴的结构图作出轴的计算简图，如图2.5（a）。并分别作出水平方向和垂直方向的弯矩图，如图（b），（c），以及扭矩图，如图（d）。 轴的结构图与弯矩图先计算轴上的载荷：Nm齿轮的分度圆直径为：252N从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以明显的看出截面B是危险截面。先将计算出的截面C处的及M的值列于下表2.1表2.1 应力计算表载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩轴的计算应力：如表2.1中数值得：前已经选定的轴的材料为45号钢，调质处理查得 因此 ，故安全（四）主轴组件结构设计1轴承的配置形式 一般来说数控机床的主轴结构的轴承有以下几种配置形式：（1）前后支承均采用双列短圆柱磙子轴承来承受径向载荷，安装在前断的两个推力球轴承来承受前后方向的轴向负载。这种结构能承受较大的负载（特别是轴向负载），可适应强力切削，但主轴转速不能太高，轴承在高转速时容易发热。由于推力球轴承轴承安装在主轴的前端，当主轴旋转时前轴承和后轴承温度差较大，热变形对主轴精度影响也较大。前轴承温度高，主轴前端升高量大，后轴承温度低，主轴末端升高量小，因此，这种机构目前应用较小。（2）前后支承用双列短圆柱磙子轴承来承受径向负荷，用安装在主轴前端的双向向心推力球轴承来承受轴向负载。这种结构刚性较好。（3）前轴承用单列向心推力球轴承，背靠背安装，由2到3个轴承组成一套，用以承受径向和轴向负载；后轴承用双列短圆柱磙子轴承。这种结构适应较高转速、较重切削负载，主轴精度较好。但所承受的轴向负载较前两种结构小。（4）前后支承采用成组单列向心推力球轴承，用以承受径向和轴向负载。这种结构适应高转速，中等负载的数控机床。在中、小规格的数控机床上采用这种机构较多。本设计主轴所采用的轴承支承方式为第四种。2主轴组件的调整和预紧滚动轴承的预紧是采用适当的方法是滚动体和内外套圈之间产生一定的预变形而带伏负游隙运行。预紧的目的是增加轴承的刚度，提高旋转精度，延长轴承寿命。按预载荷的方向可分为轴向预紧和径向预紧。而角接触球轴承主要是轴向预紧，这可明显提高轴向刚度。三、进给传动设计（一）进给传动运动设计1脉冲当量和传动比的确定（1）脉冲当量的确定目前，常用脉冲编码器兼作位置和速度反馈。步进电机每转一转传感器发出一定数量的脉冲，每个脉冲代表电机一定脉冲，每个脉冲代表电机一定的转角。步进电机是一种电脉冲控制的特种电机，对于每一个电脉冲步进电机都将产生一个恒定的步进角位移，每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角，可由选用的步进电机型号从技术数据表中查出。因此，每脉冲代表电机一定的转角，这个转角经齿轮副和滚珠丝杆使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行件（如工作台0的移距，称为脉冲当量或分辨率，记为，单位mm/脉冲。应根据机床或工作台进给系统所要求的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机床传动系统的误差存在，脉冲当量必须大于定位精度值。此次设计的电火花成型机床定位精度的设计要求是，根据该精度要求可确定脉冲当量为。（2）传动比的确定设传动副的饿传动比为，若为一级传动，则， 为主动齿轮的转速和齿数，为从动齿轮的转速和齿数。若为多级传动，则为总传动比。对于步进电机，当脉冲当量确定，并且滚珠丝杆导程（mm）和电机步距角都也以初步选定后，则可用下式计算主轴系统的传动比 = =1（二）滚珠丝杆螺母副的型号选择和滚珠丝杆的选型和校核1滚珠丝杆螺母副的型号选择（1）最大工作载荷计算滚珠丝杆上的工作载荷是指滚珠丝杆副在驱动工作台时滚珠丝杆所承受的轴向力，也叫做牵引力。它包括滚珠丝杆的走刀抗力及与移动体中立和作用于道轨上的其它切削分力相关的摩擦力，可用下列实验公式进行计算。对于矩形道轨 式中： 工作台进给方向载荷 工作台垂直载荷 工作台横向载荷 G移动部件的重力 K考虑颠覆力矩影响的实验系数 F考虑颠覆力矩影响的摩擦系数对于滚动导轨；f=0.00250.005由于电火花线切割是电极丝放电进行加工，可以认为近似为零 所以； 取 Kg（估算） =fG=10000.005=5(2)最大动载荷C的计算及主要尺寸初选滚珠丝杆应根据断定动载荷选用，最大动载荷计算原理与滚动轴承相同。滚珠丝杆的最大动载荷应用下式计算： 式中：L工作寿命，单位10 n丝杆转速，单位r/min v最大切削力条件下进给速度，单位m/min 丝杆基本导程，单位mm t颌定使用寿命，单位h，可取t=15000h 运转状态系数，无冲击取11.2，一般情况1.21.5所以 = =11.96 n=1000v/ =10001000.001/5 =20r/min L=60nt/ = =105.12（） C= = =33根据以上计算选取CBM32055（机械设计师手册上）2滚珠丝杆的选型和校核滚珠丝杆已由专门工厂制造，因此，不用我们自己设计制造，只要根据使用工况选择某种类型的结构，在根据载荷、转速等条件选定合适的尺寸型号并向有关厂家订购。此次设计中，滚珠丝杆被三次选用，故在这里只选取其中最重要的主轴传动中德望滚珠丝杆加以设计和校核。其步骤如下：首先对于一些参数说明如下：轴向变载荷（N），其中表示第个工作载荷，=1、2、3、4n；第个载荷对应的转速（r/min）第个载荷对应的工作时间（h）；丝杆副最大移动速度；丝杆预期寿命；（1）型号选择1）根据使用和结构要求选择滚道截面形状，查得螺母的循环方式和预紧方式；2）计算滚珠丝杆副的主要参数根据使用工作条件，查得载荷系数=1.0，系数=1.5；计算当量转速 = =2000计算当量载荷 =2333N初步确定导程 = =2.5mm 取计算丝杆预期工作转速 =120000计算丝杆所需的颌定载荷 =1233310 =1151N3）选择丝杆型号根据初选的和计算的，选取导程为5mm，颌定载荷大于的丝杆。所选丝杆型号为CDM2004-2.5。其为外循环双管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式系列滚珠丝杆。临界转速校核 =12 =12 =5970r/min而最大工作转速 =40000.8=4776校核合格。滚珠丝杆的预紧预紧力（）一般取当量载荷的三分之一或颌定动载荷的十分之一。即： =778N其相应的预紧转矩 = =0.16N(三)步进电机的选用步进电动机又称为脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。具有以下四个特点：转速（或线速度）与脉冲频率成正比；在负载能力允许的范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化；速度可调，能够快速启动、制动和反转；定位精度高、同步运行特性好。数控电火花成型机的动力系统要求电动机定位精度高，速度调节方便快速，受环境影响小，且颌定功率小，并且可用于开环系统。而BF系列步进电动机为反应式步进电动机，具备以上的所有条件，我们选用的型号90BF004的电动机作为主运动的动力源。选用时主要有以下几个步骤：1根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号（1）步距角初选步进电机型号，并从手册中查到步距角，由于 综合考虑，我初选了可满足上式的要求。（2）矩频特性步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系是； 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算： 式中： 空载启动力矩； 空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩； 空载时折算到电机轴上的摩擦力矩； 由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩；而且初选电机型号时，应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电动机名义启动转矩，即： 计算的各项力矩如下：加速力矩 = =1.810 = =0.519N/m空载摩擦力矩 =0.6附加摩擦力矩 = = =0.519+0.6+1.222 =2.341 =0.95125=23.7752启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动、快速进给运动、工进运行。前面提出的，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少见。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载力矩中的加速力矩不会很大。一般不会发生丢步现象。（四）进给机构的支承设计1.丝杆的支承形式滚珠丝杆的支承和支承方式将影响丝杆副的刚度，因此，对运动精度要求高时应审慎的加以选择。常见的支承形式有以下几种：丝杆一端安装两个深沟球轴承或者角接触轴承或者圆锥滚子轴承的称为固定支承；螺母相当于固定支承。安装一个深沟球轴承或者角接触球轴承或者圆锥滚子轴承的铰支承；因此丝杆的支承方式有两端固定；一端固定，一端铰支；一端固定，一端自由等几种；本设计采用的是两端固定的支承。2.螺杆的支承方式螺杆的支承方式有以下四种：（1）双推自由支承：将两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承装在一端，另一端自由。特点：适用于短螺杆。（2）双推支承将两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承装在一端，另一端装一个或两个深沟球轴承。特点：螺杆水平安装时，可减少或避免因自重产生的弯曲或高速运转时，自由端的晃动。适用于长螺杆。（3）单推单推或双推单推两端各安装一个方向相反的推力球轴承和一个深沟球轴承或一端装两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承，另一端装一个推力球轴承。特点：可预拉伸螺杆，以减少或消除螺杆水平安装时，因自重产生的弯曲，当轴承预紧力大于螺杆载荷的1/3时，螺杆拉压刚度可提高四倍，且不会承受压力，无失稳现象。（4）双推双推两端各安装两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承。特点：优点与单推单推式相同，当超过预计温度时，不会因螺杆伸长使轴承产生间隙。缺点：调整较复杂。四 电气系统控制电气系统主要由高频脉冲电源、直流电源和电气控制系统组成。高频脉冲电源是进行线电极切割的能源。直流电源主要是24v直流源驱动步进电机用。电气控制系统主要是控制工作液泵电机和储丝筒电机等用。（一）高频脉冲电源 高频脉冲电源又称脉冲电源，其作用是把工频50Hz的交流电转换成几百赫兹的高频的单向脉冲电源，为高速旋转的线切割机提供一系列不同脉宽的矩形脉冲。 线切割机床电子控制系统主要是高频脉冲电源电路，它是线切割机床的重要部分，用高频脉冲使得电极丝与工件产生火花放电，对工件进行电腐蚀加工。通过调节高频脉冲使工件满足加工精度的要求。高频脉冲电源整流电路、主振电路、脉宽调节电路、功率放大电路等组成。主振电路中有数字振荡电路和模拟振荡电路及分立元件电路。新型机床的功率放大电路主要是在功率管选取上有改进，从普通的三极管功放到大功率、低功耗管和场效应管及功率模块均有不同，但是实际加工生产用的机床大多数采用的还是早期的电路，技术改造也着重在控制器部分，均采用具有微机控制系统、输入键盘器和数控显示器LED或LCD的设备。 DK77型线切割机床脉冲电源原理。该电源主要是由整流电路、主振电路和功放电路组成。整流电路由变压器将三相380v电压转变为三相42v和三相7v电压，通过二极管进行整流。电路形式是三相全波整流电路，为脉冲电源提供100v直流电压和10v直流电压，功给功放电路和工作电路电源。（二）数字控制系统设计数控系统总体方按的拟定机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。控制系统的控制对象主要包括各种机床，如车床、铣床等等。控制系统的基本组成如下图4.1所示 机 床步进电机步进电机 微 机通信接口开关量控制电路软件主轴电动机主运动驱动电路图4.1控制系统框图具体微机控制系统是一MCS-51系列高档八位单片机为核心，采用8032cpu芯片。存储器也采用了较大的容量的存储器，用来存放控制程序及扩展程序的EPEOM采用了256k容量27256芯片，用来存放输入加工图形程序的RAM采用了256k容量的62256芯片，以增强微机的功能。接口电路使用了可编程并行接口电路芯片8255，显示部分采用了数码管来显示参数，键盘输入和输出显示由键盘/显示接口电路芯片8279来控制。具体系统组成图如下图4.2： 图4.2线切割机微机控制系统组成(三)数控系统硬件的电路设计1.单片机设计单片机通常是指芯片本身，它是由芯片制造商生产的，在它上面集成的是一些作为基本组成部分的运算电路、控制器电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等。但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，有些元件如复位电路的石音晶体、电阻、电容等只能以散件的形式出现。此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。通常所说的单片记系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。（1）MCS-51系列单片机的设计 MCS-51系列单片机的所有产品都含8051除程序存储器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源。（程序存储器、数据存储器、i/o口、定时/计数器及一些其他特殊部件）。在控制系统设计中，我们采用的是8031，8031可寻址64kb字节程序存储器和64kb字节数据存储器。内部没有程序存储器，必须外接EPROM程序存储器。8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分三部分。1）电源及时钟引脚 此部分引脚包括电源引脚Vcc、Vss及时钟引脚XTAL1、XTAL2。电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc（40脚）：接+5v电源。Vss（20脚）：接地。时钟引脚（18、19脚）：外接晶体时与片内的反相器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。XTAL1（19脚）：接外不晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输入端。若采用外部振荡器时，该引脚受振荡器的信号，即把信号直接接至内部时钟发生器的输入端。2）控制引脚它包括RST、ALE、PSEN、EA等。此内引脚提供控制信号，有些引RST/VPD（9引脚）：当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。复位后使此引脚电平为.v的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接备用电源（vpd）以保持内部RAM中的数据不丢失。当Vcc于规定值，而VPD定的电压范围内(5.)时，就向内部提供电源。3）输入/输出管脚 P0.00.7(3239脚) p0是个8位漏极开路型双向I/O口。在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在EPROM编程时，它接收指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。Po能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL输入。P1.0p1.7(18脚) p1是个带有内部上拉电阻的8位双向I/O接口。对EPROM编程2的证时，它接收低8位地址。P1能驱动4个LSTTL输入。在8032/8052中，p1.0还相当于专用功能端T2，即定时器记数触发输入端。P1.1还相当于专用功能端T2EX，即定时器T2 的外部控制端。P2.0p2.7（2128脚）p2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O接口。在访问外部存储器时，它送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接受高位地址。P2可以驱动4个LS TTL输入。P3.0p3.7 （1017脚）p3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O接口。在MCS-51中，这8个管脚还用于专门功能，p3能驱动4个LSTTL输入。(2)MCS-51单片机的时钟电路时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。MCS-51片内有一个反相放大器，XTAL1、XLAL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端，该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器，产生的时钟送去单片机内部的各个部件。单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式两种，大多单片机应用系统采用内部时钟方式。最常用的内部时钟方式采用外接晶体和电容组成的并联谐振器回路，不论是HMOS还是CHMOS型单片机，其并联谐振回路及参数相同，如下图所示：MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2MHz24MHz之间可以选择，一般取11.0592MHz。电容C1、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。C1、C2可在20pF100pF之间选择，一般当外接晶体时典型取值为30pF，外接陶瓷谐振器时典型取值为47Pf，取60F70pF时振荡器有 XTAL2MCS51 XTAL1内部时钟方式的时钟电路较高的频率稳定性。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振器和电容应尽量靠近单片机XTAL1、XTAL2引脚安装，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠工作，为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。（3）MCS-51单片机的复位电路计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位都是靠外部电路实现的，MCS-51单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚出现两个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，MCS-51便保持复位状态。此时ALE、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。RST变低电平后，退出复位状态，CPU从初始状态开始工作。复位操作不影响片内的内容。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。通常因为系统运动等的需要，常常需要人工按钮复位，如下图： +5V RSTMCS-51 GND上电按钮复位电路对于CMOS型单片机因RST引脚的内部有一个拉底电阻，故电阻可不接。单片机在上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST端保持两个机器周期以上的高电平（因为振荡器从起振到稳定大约要10ms），就能使单片机有效复位。当晶体振荡频率为12MHz时，RC的典型值为。简单复位电路中，干扰信号易串入复位端，可能会引起内部某些寄存错误复位，这时可在RST引脚上接上一去耦电容。 上图那上电按钮复位只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路，按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平，从而使单片机复位。2系统扩展系统扩展包括存储器的扩展、输入输出接口芯片的扩展。其中存储器的扩展包括数据存储器的扩展和程序存储器的扩展。（1）程序存储器的扩展MCS-51系列单片机的程序存储器空间和数据存储器空间是相互独立的。程序存储器寻址空间为64kb（000H0FFFFH）,其中8051、8751片内有4kbROM或EPROM，8031片内不带ROM .当片内ROM 不够或采用8031芯片时，需扩展程序存储器。用作程序存储器的器件是EPROM和EEPROM,常采用EPROM。MCS-51单片机扩展外部程序存储器的硬件电路。如下图4.3 图4.3 MCS-51单片机程序存储器的扩展原理图由于MCS-51单片机的p0口是分时复用的地址/数据总线，因此，在进行程序存储器扩展时，必须用地址琐存器琐存地址信号。通常地址琐存器可使用带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373或8282，也可用带清除端的八D锁存器74LS273，常用74LS373。当用74LS373作为地址锁存器时，锁存端G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。 根据应用系统存储器容量要求的不同，常用的扩展芯片包括EPROM2716 、2732A。等。以上均为单一+5v供电，维持电流为35A40mA，工作电流为75mA100mA，读出时间最大为250ns，均有双列直插式封装形式，A0A15是地址线，不同的芯片可扩展的存储器容量的大小不同，因此提供高八位地址的p2端口线的数量各不同，故2716为A0A10，D0D7是数据线；CE是片选线，低电平有效；OE是数据输出选通线；Vpp是编程电源；Vcc是工作电源；PGM是编程脉冲输入端。根据程序存储器扩展的原理，以EPROM2764A和锁存器74LS373对8031单片机进行程序存储器扩展，其连接图见下图4.4 图4.4 8031扩展EPROM2764A的连接图因为2764A 是8kb容量的EPROM，故选用到了13根地址线，A0A12。由于系统中只扩展一片程序存储器EPROM，故可将片选端CE接地。同时，8031运行所需要的程序指令来自2764A，要把其EA端接地。否则，8031将不会运行。 电擦除可编程只读存储器EEPROM是新推出来的产品。其主要的特点是能在计算机系统中进行在线修改，并且在断电的情况下保持修改结果。因此，自从EEPROM出现来，它得到了广泛的应用。（2）数据存储器的扩展8031单片机内部有128字节RAM存储器。CPU对内部具有丰富的操作指令。但在用于实时数据采集和处理时，仅靠片内提供的128字节的数据存储器是远远不够的，在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能，扩展外部数据存储器。下图是单片机扩展外部RAM的电路原理图4.5 图4.5 单片机扩展外部RAM的电路原理 数据存储器只使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存储器与程序存储器地址可完全重叠，均为0000H-FFFFH，但数据存储器与I/O 口及外围设备是统一编址的，即任何扩展的I/O口以及外围均占用数据存储器地址。上图中p0口为RAM的复用地址/数据线，p2口用于对RAM进行页面寻址，在对外部RAM读/写期间，CPU产生RD/WR信号。 在8031单片机应用系统中，静态RAM是最常用的，由于这种存储器的设计无需考虑刷新的问题，因而它与微处理器的借口很简单。最常用的静态RAM芯片有6116和6264。单一+5v供电，额定功耗分别为160mW和200mW，典型存取时间均为200ns，均有双列直插式封装，管脚分别为24和28线。下页插图为6264与8031的硬件的连接图4.6。 图4.6 8031扩展6264的连接图由图中可知6264的片选CSI接8031的P2.7，第二片选线CS2接高电平，保持一直有效状态。因6264是8kb容量的RAM，故到了13根地址线。8031在访问6264时，可以用以下指令； movx dptr, a; A中内容传至外部RAM或 movx a, dptr; 外部RAM内容读至A中 对于下页的线路，6264的地址范围为6000H-7FFFH，共8Kb。3I/O口的扩展 在MCS-51应用系统中，单片机本身提供给用户使用的输入，输出口线并不多，只有p1口和部分p3口线。因此，在大部分单片机应用系统设计中都不可避免的要在单片机外部扩展I/O端口。由于MCS-51的外部数据存储器RAM和I/O口的是统一编址的，因此用户可以把外部64kb的数据存储器空间的一部分接口作为扩展外围I/O的地址空间。这样单片机就可以像访问外部RAM存储器一样访问外部接口芯片，对其进行读/写操作。MCS-51单片机属于Intel公司产品，其公司常用的外围器件如表4.1所示。 表4.1 Intel公司常用外围器件器件型号 器件名称8255A可编程外围并行接口8155/8156可编程RAM/IO扩展接口 8243I/O扩展接口8279可编程键盘/显示接口8251可编程通信接口8253可编程定时/计数器（1） 8255A可编程外围并行I/O接口8255A是可编程外围输出接口芯片，它具有三个八位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间电路。在8031单片机的I/O口上扩展8255芯片，其接口逻辑相当简单，如下图4.7所示 图4.7 8031扩展8255的连接图图中8255的片选信号CS 及口地址选择线A0、A1分别由8031的p2.7和p0.0、p0.1经锁存器锁存后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH。FF7DH，FF7EH，FF7FH。8255的复位端与8031的复位端相连，都接到8031的复位电路上。在实际的应用系统中，必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应的控制字写入操作口。举例说明8255的编程方法。其各端口地址如下；A口地址：FF7CHB口地址：FF7DHC口地址：FF7EH控制口地址：FF7FH假设要求8255工作在方式0，A口输入，B口，C口作为输出，则工作程序如下：mov a, #90H; 方式0, A口输入，B口、C口输出mov dptr, #0FF7FH; 控制寄存地址 dptrmovx dptr, a ;方式寄存器 控制寄存器mov dptr , #0FF7CH; A 口地址 dptrmovx a, dptr ; 从A口读数据mov dptr， #0FF7DH；B口地址dptrmov a, DATA1; 要输出的数据DATA1 Amovx dptr, a ;将DATA1送B口输出mov dptr ，# 0FF7EH；C口地址 dptrmov a， DATA2 ；DATA2 Amovx dptr， a； 将DATA2送C口输出对8255的C口8位中的任一位均可用指令来置位或复位。例如，如果把c口的第六位PC5置1，相应的控制字为：00001010B=0BH，程序如下：mov dptr，#0FF7FH；控制口地址 dptrmov a， #0BH； 控制字 Amovx dptr , a;控制字 控制口；PC5=1如果把C口的第六位PC5复位，相应的控制字为：00001010B=0AH,程序如下：mov dptr， #0FF7FH；控制口地址 dptrmov a， #0AH；控制字 Amovx dptr a;控制字 控制口；PC5=08255接口芯片在MCS-51单片机应用系统中广泛用于连接外部设备，如键盘、显示器以及作为控制信息的输入、输出口。2）8155可编程外围并行I/O接口8155/8156芯片内包括有256字节RAM。2个8位和1个6位的可编程并行I/O口，1个14位定时器/计数器。8155/8156可直接与MCS-51单片机连接，不需增加任何硬件逻辑。由于8031单片机外接一片8155后，就综合的扩展了数据RAM、I/O端口和定时/计数器，因而是MCS-5单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。8155与8166的区别仅在于片选信号电平的不同，其他功能完全一样。在8155的控制逻辑部件中，设置有一个控制命令寄承器和一个状态标志寄承器。8155的工作方式由cpu写入控制命令寄承器字来确定。控制命令寄承器只能写入不能读出，8位控制命令寄承器的低4为用来设置A 口、B口和C口的工作方式。第4、5、位用来确定A口、B口以选通输入输出方式工作时是否允许中断请求。第6、7位用来设置定时器/计数器的操作。8155的A口、B口可工作与基本I/O方式或选通方式，C口可作为输入输出口线，也可作为A口、B口可工作时的状态控制信号线。其工作情况与8255方式0、方式1时大致相同，控制信号的含义也基本一样。另外，在8155中还设有一个状态标志寄存器，用来存放A口、B口的状态标志。状态标志寄承器的地址与命令寄存器的地址相同，CPU只能读出，不能写入。在8155中还设有一个14位的定时器/计数器，可用来定时或对外部事件记数，CPU可通过程序选择记数长度和记数方式。记数长度和记数方式寄存器的记数控制字来确定。MCS-51单片机可以和8155直接连接而不需要任何外加逻辑器件。8031和8155的接口方法如下图4.8所示： 图4.8 8031扩展8155的连接图在上图中，8031单片机P0口输出的低8位地址不需另加锁存器而直接与8155的AD0AD7相连，既作低8位地址总线又作数据总线，地址锁存直接用ALE在8155锁存。8155的CE端接P2。7，IO/M端与P2.0相连。当P2.7为低电平时若P2.0=1，访问8155的I/O口；若P2.0=0，访问8155的RAM单元。由此我们得到上图中8155的地址编码如下：RAM字节地址：7E00H7EFFHI/O口地址：命令/状态口： 7F00HPA口 7F01H PB口 7F02HPC口 7F03H 定时器低八位 7F04H 定时器高八位 7F05H 下面是对上图说明对8155的操作方法。初始化程序设计。 若A口定义为基本输入方式，B口定义为基本输出方式，对输入脉冲进行16分频，则8155的I/O初始化程序如下：START： mov dptr， #7F04H； 指向定时器低八位 mov a， #10H； 计数常数10H movx dptr， a； 计数常数低八位装入 inc dptr； 指向定时器高八位 mov a， #40H 设定时器连续方波输出 movx dptr， a；定时器高八位装入mov dptr， #7F00H； 指向命令/状态口mov a， #0C2H； 命令控制字设定movx dptr， a； A口为基本输入方式，B口为基本输出方式，开启定时器读8155RAM的F1H单元内容程序如下：mov dptr， #7EF1H；指8155RAM的F1H单元movx a， dptr; F1H单元内容给A将立即数41H写入8155RAM的20H单元 程序如下：mov a， #41H； 立即数给A mov dptr， #7E20H；指向8155RAM的20H单元movx dptr, a; 立即数41H送到8155RAM的20H单元。4显示器接口设计在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称LED。LED显示块由发光二极管显示字段组成，有7段和“米”字型之分，一片显示块显示一位字符。共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。由于7段LED显示块有7个段发光二极管，所以其字型码为一个字节；“米”字形LED显示块有15段发光二极管，所以字形码为两个字节。由n片LED显示块可拼接成n位LED显示器，共有n根位选线和8n根段选线，根据显示方式不同，位选线和段选线的连接也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线则控制显示位的亮、暗。LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。在多位LED显示时，为了节省I/O口线，简化电路，降低成本，一般采用动态显示方式。动态显示方式是一位一位地分别轮流点亮各位显示器，对每位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮和熄灭时间的比例有关。这种显示方式将7段LED显示器的所有段选位并联在一起，由一个8位I/O口控制，实现各位显示器的分时选通。下面图4.9是LED显示器采用共阴极方式，6个显示器的段选码由8155的PB口提供，位选码由8155的PA口提供9（PA口同时也提供行列式未编码键盘的列线），行列式未编码键盘的行线由PC口提供。图中设计了36个键。如果继续增加PC口线，设全部PC口线（PC0PC5）用作键盘的行线，全部PA口线（PA0PA7）作键盘列线，则安键最多可达86个。下图中8155的PB口扫描输出总是只有一位高电平，即PB口经反相后仅有一位公共阴极为低电平，8155的PA口则输出相应位（PB口输出为高对应的位显示器）的显示数据，使该显示与显示缓冲器相对应的字符，而其余各位均为熄灭，依次改变8155的PB口输出为高的位，PB口输出对应的显示缓冲器的数据。 图4.9 LED显示器5步进电机控制电路设计步进电机的驱动方式采用高低压驱动，即在电机移步时，加颌定或超过颌定值的电压，以便在较大的电流驱动下，使电机快速移动；而在锁步时，则加低于颌定值的电压，只让电机绕组流过锁步所需的电流值。这样，既可减少限流电阻的功率消耗，又可以提高电机的运行速度。步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号，因为步进电机的运行不产生旋转量的误差。在五相十拍的程序中，P1口输出的控制字是在程序中给定的。在五相十拍的控制中，由于控制字较多，故把这些控制字以表的形式预先存放在内部RAM单元中，运行程序时以表的方式逐个取出并输入。假定正反转控制字依次存放在以point为首地址的内部RAM中，表中内容如下：Point： DB 01H ；正转A DB 02H ；AB DB 03H ；B DB 04H ；BC DB 05H ；C DB 06H ；CD DB 07H ；D DB 08H ；DE DB 09H ；E DB 10H ；EA DB 00H ；循环标志 DB 01H ；反转A DB 10H ；AE DB 09H ；E DB 08H ；ED DB 07H ；D DB 06H ；DC DB 05H ；C DB 04H ；CB DB 03H ；B DB 02H ；BA DB 00H ；循环标志程序：ROUTN： JB F0，LOOP2 ；判正反转 MOV R1，#POINT ；建立正转数据指针LOOP1： MOV A。R1 ；读控制字 JZ LOOP3 ；结束符转 MOV P1，A ACALL DELAY ；延时 INC R1 ；数据指针加1 AJMP LOOP1 ；循环LOOP2； MOV A，#POINT ；建立反转数据指针 ADD A，#06H MOV R1，A AJMP LOOP1LOOP3： DJNZ R0，ROUNT ；判步数到否 RET （1）步进电机开环驱动原理每输入一个脉冲，步进电机就每前进一步，因此，它也称作脉冲电动机。其种类很多，但主要分三大类：反应式步进电动机，永磁式步进电动机，以及永磁感应式步进电动机，反应式电动机结构最简单，是应用最广泛的一种，按控制绕组的相数分有三相，四相，五相，六相等等。无论哪种步进电动机，他们的工作原理都有相同之处：数字式脉冲信号控制定子磁极上控制绕组，按一定顺序依次通电，在定子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转。 步进电动机主要用于开环系统，当然也可以闭环系统。 下图是步进电动机开环伺服系统的原理图，它由以下几部分组成： 图4.10 步进电机开环伺服系统原理图脉冲信号源是一个脉冲发生器，通常脉冲频率连续可调，送到脉冲分配器的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制。因脉冲频率可调，也称为变频信号源。脉冲分配器脉冲按一定的顺序送到功率放大器中进行放大，驱动步进电动机工作，用硬件进行脉冲顺序的分配，有时称为环行分配器，也简称环分。功率放大器将脉冲分配器送来的脉冲放大，使步进电动机获得必要的功率。步进电动机伺服系统的执行元件，它带动工作机构，如减速装置，丝杆，工作台。（2）脉冲分配对每一个五相步进电动机而言，其脉冲分配方式是五相十拍的，其五相分别用A、B、C、D、E表示。五相十拍的运行方式是A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步转动。要改变步进电动机的转动方向，只需改变通电的顺序即可。 脉冲分配器是将脉冲电源按规定的通电方式分配到各相，该分配可由硬件来实现。在微机控制中，脉冲的分配也可由软件来完成，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4五位分别输出时序脉冲，经光电隔离、驱动放大使步进电机运行一拍的时间，也就决定了步进电机的转速。（3）驱动电路由微机根据控制要求发出的脉冲，并依次将脉冲分配到各相绕组，因其功率很小，电压不足5V，电流为mA级，必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培，才能驱动步进电动机。因此，步进电动机驱动器实际上是一个功率放大器，驱动器的质量直接影响步进电动机的性能，驱动器的负载是电机的绕组，是强电感应负载。对驱动器的主要要求是：失真要小，要有较好的前后沿和足够的幅度；效率要高；工作可靠；安装调试和维修方便。 下图4.11是 一个La绕组的高低压驱动电路，脉冲变压器Tp组成高压控制电路。 图4.11步进电机高低压驱动电路无脉冲输入时，T1、T2、T3、T4均截止，电机绕组La中无电流通过，电机不转。 有脉冲输入时，T1、T2、T3、T4饱和导通，在T2由截止到饱和期间，其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加，在变压器次级感应一个电压，使T3导通，80V高压经高压管T3加到绕组La上，使电流迅速上升，约经数百微妙，当T2进入稳压状态后，Tp初级电流暂时恒定，次级的感应电压降到0，T3截止，这时12V低压电流经D2加到绕组La上，维持La中的电流为恒定值。 输入脉冲结束后，T1、T2、T3、T4又均截止，储存在La中的能量通过18的电阻和二极管泄放，18的电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形后沿。 由于采用高低压驱动，电流增长快，电机的力矩和运行频率都得到改善，但由于电机转动时产生的反电势，使电流波形顶部下凹，使平均电流下降，转矩下降。6.光电隔离电路设计为了避免外部设备的电源干扰，防止被控对象电路的强电反窜，通常采取将微机的前后向通道与被连模块在电气上的隔离的方法。过去通常隔离变压器或中间继电器来实现，而目前已广泛被性能高、价格低的光电耦合器来代替。 光电耦合器是把发光元件与受光元件封装在一起，以光作为媒体来传输信息的。其封装形式有管形，双列直插式，光导纤维连接等。发光器件一般为砷化镓红外发光二极管。 光电耦合器具有以下特点： （1） 信号采取光电形式耦合，发光部分与受光部分无电气回路，绝缘电阻高达1010-1012，绝缘电压为1000-5000V，因而具有极高的电气隔离性能，避免输出端和输入端之间可能产生的反馈和干扰。 （2）由于发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小，对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路，因此抗干扰能力强，共模抑制比高，不受磁场的影响，特别是用于长线传输时作为终端负载，可以大大地提高信噪比。（3）光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号，且响应速度快（一般为几毫秒，甚至少于10ns），可以用于高速信号的传输。下图4.12的光电耦合器是采用硅光电二极管作受光元件。其CTR为10%-100%，脉冲上升和下降时间下于5s，输出电路饱和压降小（02V-0.3V），电路构件简单，是目前应用较多的一种，主要用于驱动TTL电路、传输线隔离、脉冲放大等。 晶体管输出型的光电耦合器用于开关信号耦合时，发光二极管和光电晶体管平常都处于关断状态。在发光二极管通过电流脉冲时，光电晶体管在电流脉冲持续的时间内导通。下图是使用4N25光电耦合器的接口电路，这里4N25起到耦合脉冲信号和隔离单片机8031系统与输出设备电气回路的作用，使两部分的电流相互独立。输出部分的地线Vss接地壳和