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含CAD高清图纸和说明书 630 mm 数控车床 总体 设计 主轴 CAD 图纸 说明书

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毕业设计说明书设计题目：630mm的数控车床总体设计及主轴箱设计 学 生 班 级 学 号 指导教师 继 续 教 育 学 院二零一二年十月摘 要数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。在本课题的研究中，第一章主要介绍了本课题的研究背景和意义，还介绍了国内外数控机床的发展现状。第二章主要介绍了630MM数控车床总体设计及要求，其中包括630MM数控车床外观及主要功能、630MM数控车床主要技术参数、630MM数控车床总体设计及要求、尾座的简介。第三、四章是本课题的重要章节，它包括了本课题研究的主要设计，主要进行车床主轴箱的设计。关键词：车床，数控，设计 ABSTRACTCNC machine tools as electromechanical liquid gas integration of typical products, can solve the machinery manufacturing complex, precision, batch, parts and changeable, stable processing quality, high production efficiency.In this study, the first chapter mainly introduces the research background and significance, also introduced the development of numerical control machine tool status. The second chapter mainly introduces the630MM CNC lathe design and requirements, including the630MM CNC lathe appearance and main function, 630MM CNC lathe main technical parameters,630MM CNC lathe design and requirements, the introduction of tailstock. In third, the four chapter is the important chapters, it includes the principal research design, mainly for lathe headstock design.Key words: lathe, CNC, designIII目 录摘 要IIABSTRACTIII目 录IV第1章 绪 论11.1数控机床及其特点11.2数控机床的适用范围21.3 数控机床的工艺范围及加工精度21.3.1数控机床加工工艺分析21.3.2数控加工工艺的设计31.3.3分析加工工艺路线31.3.4编程原点的选择31.4 模拟仿真技术31.5 数控机床的精度影响及分析41.5.1 间隙误差的影响51.5.2度的反向误差控制51.6数控机床的经济分析71.6.1控制系统的选择71.6.2 选择设计对象要适宜81.6.3 机床的机械设计范围要适当81.6.4 辅助设计要合适91.7数控机床的发展趋向101.7.1 个性化的发展趋势101.7.2 个性化是市场适应性发展趋势111.7.3 开放性是体系结构的发展趋势11第2章 数控机床总体方案的制订及比较112.1 总体方案制定与比较分析112.2 总体方案设计的确定122.2.1伺服驱动122.1.2数控装置132.1.3系统功能132.1.4采用环形分配器132.1.5采用滚珠丝杠螺母副13第3章 确定切削用量及选择刀具143.1.背吃刀量ap或侧吃刀量ae153.2.进给量f 与进给速度Vf的选择163.3.切削速度Vc16第4章 传动系统图的设计计算194.1 参数的确定194. 2 传动设计224.3转速图的拟定24第5章 630mm的主轴箱设计计算275.1 带轮传动部分的设计275.2 齿轮传动部分的设计315.3电磁离合器的选择365.4 轴的设计计算37第6章 电路系统设计446.1 控制系统总体方案的拟定446.2总控制系统硬件电路设计446.2.1单片机的设计446.2.2系统的扩展486.2.3键盘、显示器接口设计526.2.4步进电机控制电路设计546.2.5光电隔离电路设计566.2.6其他接口电路设计57参考文献59致 谢6061第1章 绪 论1.1数控机床及其特点数控机床与机床的区别 数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与机床相比，具有以下明显特点： 1. 适合于复杂异形零件的加工 数控机床可以完成机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。 2. 加工精度高 3. 加工稳定可靠 实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。 4. 高柔性 加工对象改变时，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统FMS。 5. 高生产率 数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为机床的 35 倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。 6. 劳动条件好 机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低，工作环境较好。 7. 有利于管理现代化 采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。 8. 投资大，使用费用高 9. 生产准备工作复杂 由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺确定、程序编制等。 10. 维修困难 数控机床是典型的机电一体化产品，技术含量高，对维修人员的技术要求很高。 1.2数控机床的适用范围由于数控机床的上述特点，适用于数控加工的零件有： 批量小而又多次重复生产的零件； 几何形状复杂的零件； 贵重零件加工； 需要全部检验的零件； 试制件。 对以上零件采用数控加工，才能最大限度地发挥出数控加工的优势。1.3 数控机床的工艺范围及加工精度数控机床综合了精密机械、电子、电力拖动、自动控制、自动检测、故障诊断和计算机等多方面的技术，是典型的高精度、高效率及高柔性的机电一体化产品，近年 来我国的数控机床技术正处在突飞猛进的阶段，在数控机床的使用过程中，加工工艺和精度分析对于机床的加工效率和零件的加工精度都有重要影响，本文结合笔者 多年的操作经验，研究了数控加工工艺的主要步骤和精度研究中容易出现的问题以及解决方法。1.3.1数控机床加工工艺分析数控机床是是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，其数控加工工艺以自动化和高速精密性为 主。高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，数控机床的在机械加工中的作用更为突出。数控加工工艺是伴随着数控机床的产生、 发展而不断创新的一种应用技术，所谓数控加工工艺就是用数控机床加工零件的一种工艺方法。随着我国数控机床用户的不断增加，数控加工工艺在应用的领域的重 要性日益突出，数控加工工艺以改善加工性能和提高加工效率为主要发展方向，并将二者融合到控制程序之中，运用自动化控制系统的规范处理方式，融合多种加工 方法，以达到工序集中的复合加工方式为目的，提供更高水平的加工技术，从而进一步推动数控技术在制造业中应用与发展。数控加工技术的地位如此重要就必须首 先了解数控加工工艺的主要特点和技术原则要求：(1) 数控加工的工艺内容要按照零件加工的要求进行工步细化，所以在进行施工的过程中必须要依据加工要求进行准确编程；(2) 数控加工工艺路线设计应合理，以保证数控机床的加工所产生的误差最小化；(3) 数控加工的工序相对集中，以提高加工效率，对于复杂的加工过程，需要进行必要的数控仿真技术支持。1.3.2数控加工工艺的设计数控机床有着高度的自动化特点，其加工工艺要依靠数控模块对设计好的程序进行实施，因此要求加工的工艺线路在规划时必须精准，同时要把握好加工程序的编 制，因为编程函盖了数控机床加工的重要内容，也是其工艺质量得以保证的重要指标。对于数控机床来说，必须先有合理有效的编程工艺路线设计，然后才能保证加 工工艺进程的完整。1.3.3分析加工工艺路线数控机床的加工工艺路线设计要考虑到具体的加工环节，尤其是对数控镗车床的加工环节更要重视，要根据具体情况做出明确的分辨。在数控车、镗车床或加工中心 上加工有同轴度要求的内、外圆柱面或端面与外圆、内孔有垂直度要求时，均应在一次装夹中完成。在数控镗车床或加工中心上加工有孔与端面有垂直度要求或平面 与平面有位置精度要求时，应注意尽可能在一次装夹中完成。1.3.4编程原点的选择编程原点的设计基础和工艺基准尽量重合，避免产生尺寸链误差及不必要的尺寸换算。设定的编程原点应使工件容易找正，方便对刀，编程简便，有利于编程数值 的计算。对称零件的编程原点应选在零件的对称中心。在加工零件上的工件原点应容易准确的确定，尽可能使加工余量均匀。例如：以孔定位的零件，应以孔的中心 作为编程原点，对于一些形状不规则的零件，可在其基准面( 或线) 上选择编程原点，当加工路线呈封闭形式时，应在精度要求较高的表面选择编程原点( 或加工起始点)。1.4 模拟仿真技术智能化模拟仿真技术，可以通过对数控机床的加工工艺路线进行仿真模拟而得出适合加工的一种软件控制手段，结合运用成组技术可以提高数控加工编程效率。例 如：根据其外形结构、技术要求和加工方法的相似性，把零件分成若干组，在每一组零件中选出一个代表性零件( 它可以是实际存在的，也可以是假想的，但必须包括组内所有零件的加工要素)，根据这个代表零件模拟出一套典型的工艺规程，选定和设计一组机床及工艺设备， 并把它们组成一个专门的加工设计，如果模拟仿真技术成功就只需要略微做一下调整，便可以进行加工生产。例如，运用奥匹兹分类方法拆分代号为12031 的零件结构，如图1 所示。该零件是一个回转体零件， 所以第一位数是1；一端有台阶，并有紧固螺纹，所以第二位数是2；无内孔，所以第三位数是0；需要加工键槽，所以第四位数是3；有四个轴向孔，与其他要素 无位置要求，所以第五位数是1。按成组方式来组织零件生产时，首先按照零件的结构特征、工艺特征以及加工设备的特征，将各种零件进行分组、归类与编码，然 后建立每类零件的典型图库和成组加工工艺库。图1-1 回转体零件车削加工图1.5 数控机床的精度影响及分析数控机床的加工精度目前已经有了高速的发展，数控机床的加工精度已从原来的丝级(0.01mm) 提升到目前的微米级(0.001mm)。而超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m 左右，形状精度可达0.01m 左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级(0.001m)。可以说，数控机床的精度已经进入亚微米、纳米级超精加工时代。在这样高精密 度要求下，必须要把握数控机床的精度分析，保证不会出现由于操作问题而导致的精度误差。1.5.1 间隙误差的影响进给机构的机械传动机构由减速齿轮、连轴节、滚珠丝杠副及支承轴承组成。在这些机构的组成之中，如果出现一定的连接不稳定就会导致间隙的产生，产生的间隙 就会改变整体的加工环节误差。滚珠丝杠与螺母之间的间隙直接影响工作台的进给精度。设滚珠丝杠与螺母之间的间隙为SF，则反转时造成工作台进给误差 1=SF。不仅如此，丝杠螺母副的间隙还影响丝杠螺母副的刚度，进而影响工作台进给精度。针对这些误差问题必须要转变为自动化操作控制方式，在机械换向 时，对换向时间和换向方式做出改变。而对于滚珠丝杠与螺母之间间隙的消除方法，要重视对间隙的偏差测定，通过反复的间隙测量来确定出具体的偏差基数，要求 测出机床各轴的各项原始误差，比较成熟的测量方法是激光干涉仪，测量精度高。用双频激光干涉仪进行误差测量，需时间长，对操作人员调试水平要求高，主要是 对误差测量环境要求高，常用于三坐标测量机的检测，不适宜生产现场操作。相对误差分解、合成补偿法，测量方法相对简单，一次测量可获得整个圆周的数据信 息，同时可以满足机床精度的检测和机床评价。目前也有不少的误差分解的方法，由于机床情况各异，难以找到合适的通用数学模型进行误差分解，并且对测量结果 影响相同的原始误差项不能进行分解，也难以推广应用。测定之后要再将这种基数输入到程序控制之中，这样就可以最大限度地保证数控程序进行时的偏差数据最小 化，做到补偿适当。具体的补偿方法如下：(1) 备份CNC 控制系统中的已有补偿参数；(2) 由计算机产生进行逐点定位精度测量的机床CNC 程序，并传送给CNC 系统；(3) 自动测量各点的定位误差；(4) 根据指定的补偿点产生一组新的补偿参数，并传送给CNC 系统，螺距自动补偿完成；(5) 重复进行精度验证。除此之外，对于脉冲当量补偿就是指每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量它的大小视机床精度而定，一般为 0.010.0005mm。脉冲当量影响数控机床的加工精度，它的值取得越小，加工精度越高。当然，数控机床的误差调正有两种方法，一种是靠数控系统补 偿，一种是调整机械部分，如果对于数控系统来说进行数控补偿程序会十分复杂困难，那么就可以通过调整丝杠间隙进行消除。1.5.2度的反向误差控制机床的动态精度，即机床各轴的定位精度P、重复定位精度Ps 和反向误差U 等指标。它们是以VDI/DGQ3441 的方法进行检测。考核数控机床的定位精度P 是用以下公式进行计算“P=6+L/300”式中L 代表数控机床坐标轴的长度。针对数控机床的定位精度来说，应该是与机床的动态精度有着密切的利害关系。其中，反向偏差的测定方法：在所测量坐标轴的行程 内，预先向正向或反向移动一个距离并以此停止位置为基准，再在同一方向给予一定移动指令值，使之移动一段距离，然后再往相反方向移动相同的距离，测量停止 位置与基准位置之差。在靠近行程的中点及两端的三个位置分别进行多次测定( 一般为七次)，求出各个位置上的平均值，以所得平均值中的最大值为反向偏差测量值。在测量时一定要先移动一段距离。如：数控车轮车轴专用外圆，在磨削工件 的R 与外圆直径交界处后，发现有明显的过渡不圆滑痕迹。那么在处理这类问题的时候，就要考虑该设备在磨削工件时，采用宽砂轮一次性切入磨削，砂轮修正器的金钢 石笔安装在工作台上，利用工作台Z 轴和砂轮架X轴的复合插补运动，使砂轮的形状与精度修正成与工件完全一样，再用修正好的砂轮磨削工件。由于该工件外圆形状的特殊性，需要X 轴有正负方向的运行，在检查时发现X 轴和Z 轴均有明显的反向间隙存在，使砂轮修正作反向运行时二轴有瞬间停顿现象的出现，造成轮修圆弧连接处有痕迹，最终使该现象发生在砂轮磨削工件的表面上。由于 丝杠螺母副之间的间隙存在，当工作台反向时，必产生反向间隙误差而影响到工作台送料定位精度。丝杠螺母副之间的间隙具有两个特点：(1) 具有相对的稳定性，即在一定范围内间隙是一个常数；(2) 随着机械传动的磨损而相应增加。因此，在控制过程中可以预先测出其间隙，利用反向间隙的统计平均值，对其产生的定位误差进行软件补偿。在软件设计时，只需 设计一方向寄存器，用来判断工作台是否换向，采用不换向不补偿，每换向一次补偿一次来消除丝杠螺母的反向间隙误差。总之，对于数控机床的加工工艺和精度分析来说，都必须要把握技术尺度，将合理地操作原理运用到具体的加工环节中去，从数控机床的加工工艺来说，要重视有关 影响数控机床加工工艺的若干问题，结合具体的工艺加工情况，采用理论联系实际的操作方法，在编程过程中保证精准、细致，对出现的问题也要及时进行分析、总 结，确保整个加工工艺路线合理，以能够有加工出色的产品为最终目的。从数控机床的精度分析来看，要重视研究提高数控机床加工精度的方法，首先要对加工设备 产生误差原因和影响进行合理地剖析，研究影响数控机床精度的因素，找出间隙误差和反向误差的处理方法，开展定位精度的测量。对于数控机床的工艺和精度控制 来说要依靠数控编程和仿真技术的完善以及具体操作的合理，来进行合理有效的机床工艺控制，保证利用现今的数控技术来确保加工工艺和精度更加完美，以达到延 长数控机床使用寿命，提供加工产品优秀性的目的。1.6数控机床的经济分析由于历史的原因，我国加工设备多，数控加工设备少；老设备多，新设备少。许多企业的机床精度差、故障率高。通过机床数控设计使机床不仅具有好的加工精度，而且还具有数控机床的功能。对于中小型企业，没有足够的资金来购买全功能的数控机床，但是使用单板机控制步进电机的经济型开环数控机床，具有花钱少、见效快的特点。采用经济型数控技术改装加工批量零件的机床非常合适。微机技术实现机床简易数控的工作原理采用微机技术实现机床简易数控的装置，主要由单板机、控制程序、零件加工程序、驱动电源装置，收发信板、功率步进电机等部件组成。图1.1 经济型数控车床的系统装置框图。在图1.1所示的系统装置中，单板机在控制程序的控制下，可以使数控系统具有直线插补和圆弧插补加工工件轮廓的功能；具有进给速度控制和快速回零的功能；具有刀具补偿和反向间隙补偿的功能，以及其它多种功能。当零件加工程序给出具体的位移尺寸、位移方向和进给速度后，控制程序就会通过单板机按照所输入的零件加工程序发出一系列的脉冲信号。经隔离放大以后，分别驱动 向和 向功率步进电机，使刀架按照要求的方向、速度和位移量实现纵向和横向运动。从而构成了一个经济型开环数控系统。用微机技术实现机床简易数控优化方案的确定原则1.6.1控制系统的选择目前数控系统的类型较多，选择前应对被设计机床的功能有个充分了解，再依据价格合理、技术先进、服务方便的原则选择数控系统。其中和单片机数控系统是用得较多的两种系统。系统的核心是系列的单片微机。它用三路驱动电路，分别控制、和向步进电动机，它进行机床的位移运动，并能实现任意二坐标联动或三坐标联动。单片机是系列微机的典型产品，其硬件功能远远高于单板机，尤其适合实时控制、智能仪表、自动机床，是控制类型领域中最理想的八位微型计算机，在全世界都得到广泛应用。数控装置是三坐标（车床）数控系统，它用国际标准代码进行编程，除了能执行本身的编程指令外，还能执行二坐标机床数控系统的编程指令，而且三坐标系统的各种操作方法（如输入、修改、删除及运行加工程序）相同于二坐标系统。选择控制系统时应该注意以下几方面的问题：（1）在资金充足的情况下，尽量选用质量好的产品。因为此类数控系统零件筛选严格，制造工艺规范可靠，能很好地预防电器元件的故障或提前失效引起的设备故障。（2）应该注重数控功能的选择，不应单纯追求数控系统的高性能指标，这对实现较高的性能价格比非常重要。（3）数控系统所具有的功能要与准备设计的数控机床所能达到的功能相匹配，尽量减少过剩的数控功能。1.6.2 选择设计对象要适宜采用微机数控机床加工零件，必须首先编制出加工程序。通常适宜于加工具有一定批量的相类似零件。因此，在选择适宜于进行设计的机床时，首先必须对各类机床的零件加工情况进行调查研究，分类统计，看零件有无批量，看各类批量主要在哪种机床上进行加工，以及在哪种型号的机床上进行加工，这样才能确定出设计对象。一般中小车床上的工件总是比较饱满，成批量的零件也比较多。因此，用微机技术把中小车床设计成经济型数控车床比较适宜。对于一些中小型企业，为了充分发挥车床的作用，更需要经过设计的车床。这样既能用数控系统加工批量零件，又具有卧式车床的功能，以适于加工单件零件。对于一些形状复杂的零件，机床往往难于加工成形。如果采用机械仿形的方法进行加工，在不成批量的情况下很不合算。这时，用微机技术设计机床，就可以使问题得到解决，明显提高企业加工能力。编程要比制作靠模容易得多，灵活得多。用数控机床加工形状复杂的零件是非常适宜的。1.6.3 机床的机械设计范围要适当机床设计范围的大小，应根据机床自身精度及性能来决定。以卧式车床为例加以说明。对于旧车床的设计范围，一般都是把原来的机床进给传动系统，由主轴箱通过挂轮箱带动进给变速箱，将运动传给光杠或丝杠。然后再驱动溜板运动的传动过程，设计为由功率步进电机通过消隙减速齿轮，直接带动滚珠丝杠，使刀架分别实现纵向运动和横向运动，进行两个坐标的控制。对于精度符合要求的车床，为了实现简易数控设计，一般都是对车床的部件基本不动，只是把床鞍的纵向滑动丝杠副设计为纵向滚珠丝杠副。在纵向滚珠丝杠的右端安装一套消隙减速箱和功率步进电机。同时也把中滑板的横向滑动丝杠副设计为横向滚珠丝杠副，在横向滚珠丝杠的外端安装一套消隙减速箱和功率步进电机，从而使车床的纵向和横向运动既能用微机系统进行控制，又能由操作者进行操作。在机床设计过程中，只要把溜板箱中的开合螺母及中滑板上的滑动螺母拆除，在合适的位置上安装好滚珠螺母座即可。在电气控制方面，为了避免数控操作与操作相干涉，发生操作失误现象，必须有电气连锁开关控制操作转换。对于全新或较新车床，在进行简易数控设计时，一般都是全部保留机床的零部件。直接把消隙减速箱和功率步进电机分别按装在纵向滑动丝杠的右端和横向滑动丝杠的外端。从而也可以使车床同时具有操作功能和简易数控功能。1.6.4 辅助设计要合适如果在设计后的简易数控车床上，采用一把刀可以完成全部车工工序，就没有必要对刀架进行设计。但有时会出现一个工件需要两把刀或几把刀来分别完成两个或几个工序的情况，这时可根据每把刀的使用情况，分别进行编程，通过一个程序，使用一把刀，来完成一个工序。使原来操作使用的刀架在数控操作时也可以使用。这样，根据设计后车床的主要加工对象，确定刀架是否需要进行设计，可以使设计费用使用得更加合理，避免发生设计过剩现象。如果设计后的简易车床，主要用来加工比较复杂的零件，需要采用三、四把刀才能完成全部车工工序，就必须对刀架部件进行设计。一般可采用安装有四把刀、由鼠牙盘定位、进行绝对刀位控制的自动回转刀架比较合适。重复定位误差可小于 ，精度持久性比较好。这种刀架出厂时，就规定了刀号位置。当需要几号刀在加工位置时，只需对该刀控制信号口发出信号，刀架就会自动转到需要的位置。设计后的简易数控车床需要加工螺纹时，可以在主轴后端同轴安装或异轴安装一个主轴脉冲发生器，作为主轴位置的信号反馈元件。目的是为了检测主轴转角的位置，并且将其变化情况输送给单板机，使单板机能按照所需加工的螺距进行处理。控制纵向步进电机运动，通过纵向滚珠丝杠带动刀架完成螺纹加工。4.结束语采用微机技术设计机床，选用优化方案，实现简易数控，对机床结构改动不大，安装简单，操作简便，测量精度较高，可以使机床实现自动化，提高生产效率，减轻工人劳动强度，适于加工具有复杂形状的零件和小批量零件。产品精度一般可以提高个等级，工效提高 ，改装费用几个月即可收回。这种技术在我国中小企业中，是适合于广泛推广的技术。1.7数控机床的发展趋向高速化、高精度化、高可靠性、复合化、智能化、柔性化、集成化和开放性是当今数控机床行业的主要发展方向。数控技术的问世已有40多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。技术发展的需要对21 世纪的数控技术提出了更高的要求。1.7.1 个性化的发展趋势1.高速化、高精度化、高可靠性高速化：提高进给速度与提高主轴转速。 高精度化：其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(高可靠性：一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，因为商品受性能价格比的约束。2.复合化数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完成车、车、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提高生产的柔性。3.智能化智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以及智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。4.柔性化、集成化当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面(工段车间独立制造岛FA)、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。1.7.2 个性化是市场适应性发展趋势当今的市场，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不断升级，用户的个性化要求日趋强烈，专业化、专用化、高科技的机床越来越得到用户的青睐。1.7.3 开放性是体系结构的发展趋势新一代数控系统的开发核心是开放性。开放性有软件平台和硬件平台的开放式系统，采用模块化，层次化的结构，并通过形式向外提供统一的应用程序接口。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究， 数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年的一个新的焦点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机。第2章 数控机床总体方案的制订及比较2.1 总体方案制定与比较分析总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。数控车床后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。比较项目方案一方案二确定后的方案具体原因主轴箱分级变速采用调速电机+齿轮传动采用三相异步电机+减速器方案一变速级数比较多满足多种加工需要，也符合任务书要求进给机构滚珠丝杠+步进电机滚珠丝杠+伺服电机方案一脉冲当量步进电机控制的准确刀架四工位回转刀架六工位回转刀架都可以各有各的好处尾座液压尾座手动普通尾座液压尾座可通过数控系统调整方便数控系统8位单片机16位单片机方案一基本需求可以满足2.2 总体方案设计的确定机床数控系统总体方案的拟订应包括以下内容：伺服系统的选择，执行机构及运动方式的确定，控制芯片的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出几个总体方案，进行综合分析，比较和论证，最后选出一个合理的总体方案。2.2.1伺服驱动在我过设备数控化设计的一段时间里，较多采用步进电机作为伺服驱动元件。步进电机是一种特殊结构的电机,它利用通电激磁绕组产生反应力矩，将脉冲电信号的能量转换为机械位移的电机执行元件。当激磁绕组按一定规律获得分配脉冲时，步进电机的转子就会转动。转子转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的比例关系，而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动的速度和位移量。步进电机的优点是结构简单，电气控制和驱动电路也简单，体积小，重量轻，价格便宜，设计制造较简单，容易调试，使用维修方便。位移精度较好，对各种干扰因素不敏感，结构误差不会累积。另外，电机时间常数小，反应快。但步进电机也有缺点，主要是容易丢步，启动频率低，工作效率也不够高，低频时振动大，可能造成失误，因此步进电机多用于负载较小，负载变化不大或要求不太高的经济型简易型数控设备中。综上所述，综合了成功率，技术难度，精度和投资等因素，决定选用步进电机开环伺服驱动2.1.2数控装置微机数控系统由CPU、存储扩展电路和I/O接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。数控系统的核心是微机，其它装置均在微机的控制下进行工作。系统的功能和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度，字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。本设计采用的是MCS51机，并扩展2片2764芯片，1片6264芯片，3片8155可编程并行I/O等组成的控制系统。2.1.3系统功能（1）横向，纵向，垂直方向进给伺服运动。（2）行程控制（3）键盘控制（4）功能：报警电路，复位电路，隔离电路，功放电路等。2.1.4采用环形分配器本系统采用软件环形分配器。由于车床三个方向的三步进电机均为三相，所以直接与8155（2）的PA口再加上8155（1）的PA口相接就可以了，经光电耦合电路，功放电路驱动电机。2.1.5采用滚珠丝杠螺母副采用滚珠丝杠螺母副传动结构,具有精度高,效率高,寿命长,低能耗,摩擦系数小,较高紧凑,通用性强等特点.第3章 确定切削用量及选择刀具在数控机床上加工零件时，切削用量都预先编入程序中，在正常加工情况下，人工不予改变。只有在试加工或出现异常情况时才通过速率调节旋钮或电手轮调整切削用量。因此程序中选用的切削用量应是最佳的、合理的切削用量。只有这样才能提高数控机床的加工精度、刀具寿命和生产率，降低加工成本。影响切削用量的因素有：机床切削用量的选择必须在机床主传动功率、进给传动功率以及主轴转速范围、进给速度范围之内。机床刀具工件系统的刚性是限制切削用量的重要因素。切削用量的选择应使机床刀具工件系统不发生较大的“振颤”。如果机床的热稳定性好，热变形小，可适当加大切削用量。刀具刀具材料是影响切削用量的重要因素。表1是常用刀具材料的性能比较。数控机床所用的刀具多采用可转位刀片（机夹刀片）并具有一定的寿命。机夹刀片的材料和形状尺寸必须与程序中的切削速度和进给量相适应并存入刀具参数中去。标准刀片的参数请参阅有关手册及产品样本。表1 常用刀具材料的性能比较工件不同的工件材料要采用与之适应的刀具材料、刀片类型，要注意到可切削性。可切削性良好的标志是，在高速切削下有效地形成切屑，同时具有较小的刀具磨损和较好的表面加工质量。较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量，可以获得较好的表面粗糙度。合理的恒切削速度、较小的背吃刀量和进给量可以得到较高的加工精度。冷却液冷却液同时具有冷却和润滑作用。带走切削过程产生的切削热，降低工件、刀具、夹具和机床的温升，减少刀具与工件的摩擦和磨损，提高刀具寿命和工件表面加工质量。使用冷却液后，通常可以提高切削用量。冷却液必须定期更换，以防因其老化而腐蚀机床导轨或其他零件，特别是水溶性冷却液。以上讲述了机床、刀具、工件、冷却液对切削用量的影响。切削用量的选择原则，下面主要论述车削加工的切削用量选择原则。车削加工的切削用量包括：切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：先选择背吃刀量或侧吃刀量，其次选择进给速度，最后确定切削速度。3.1.背吃刀量ap或侧吃刀量ae背吃刀量ap 为平行于车刀轴线测量的切削层尺寸，单位为。端车时，ap 为切削层深度；而圆周车削时，为被加工表面的宽度。侧吃刀量ae 为垂直于车刀轴线测量的切削层尺寸，单位为。端车时，ae为被加工表面宽度；而圆周车削时，ae 为切削层深度，见下图。车削加工的切削用量图背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定：当工件表面粗糙度值要求为Ra=12.525m 时，如果圆周车削加工余量小于5，端面车削加工余量小于6，粗车一次进给就可以达到要求。但是在余量较大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分为两次进给完成。当工件表面粗糙度值要求为Ra=3.212.5m 时，应分为粗车和半精车两步进行。粗车时背吃刀量或侧吃刀量选取同前。粗车后留0.51.0余量，在半精车时切除。当工件表面粗糙度值要求为Ra=0.83.2m 时，应分为粗车、半精车、精车三步进行。半精车时背吃刀量或侧吃刀量取1.52；精车时，圆周车侧吃刀量取0.30.5 ，面车刀背吃刀量取0.51 。3.2.进给量f 与进给速度Vf的选择车削加工的进给量f（/r）是指刀具转一周，工件与刀具沿进给运动方向的相对位移量；进给速度Vf（/min）是单位时间内工件与车刀沿进给方向的相对位移量。进给速度与进给量的关系为Vf = nf（n 为车刀转速，单位r /min）。进给量与进给速度是数控车床加工切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取或通过选取每齿进给量fz，再根据公式f =Zfz（Z 为车刀齿数）计算。每齿进给量fz 的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料强度和硬度越高，fz 越小；反之则越大。硬质合金车刀的每齿进给量高于同类高速钢车刀。工件表面粗糙度要求越高，fz 就越小。每齿进给量的确定可参考表2选取。工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。表2 车刀每齿进给量参考值3.3.切削速度Vc车削的切削速度Vc 与刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及车刀齿数成反比，而与车刀直径成正比。其原因是当fz、ap、ae 和Z 增大时，刀刃负荷增加，而且同时工作的齿数也增多，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。为提高刀具耐用度允许使用较低的切削速度。但是加大车刀直径则可改善散热条件，可以提高切削速度。车削加工的切削速度Vc 可参考表3选取，也可参考有关切削用量手册中的经验公式通过计算选取。表3 车削加工的切削速度参考值常见钢件材料切削用量的推荐值G94 每分钟进给mm/min G95主轴每转进给mm/rG97 S1000 主轴转速1000r/min G96 S100 主轴转速100m/min经统计分析车床的最高转速出现在硬质合金刀具精车钢料的外圆工艺中，最低转速出现在高速工具钢刀具精车合金钢工件的梯形丝杠中。由工艺手册可知硬质合金刀具刀具精车钢料的丝杠=250 rmin；高速车刀粗车圆柱体=30-50 rmin（随被吃刀量与进给量的增加而减少）；高速工具钢低速精车丝杠=1.5 rmin，则=0.5D=0.5630mm=315mm=（0.2-0.25）=（63-78.75）mm，取=70mm。max =1591 r/min=41.52 r/min由于现代数控车床向高速高精度方向发展，考虑到今后的技术储备，类比行业中同类数控车床的转速范围初步选取=30 rmin，=1450 rmin。则数控车床总变速范围=48.333第4章 传动系统图的设计计算630机床主要技术参数如表3-1：最大回转直径630mm电机功率10KWLmax2000mm快进速度纵向2.4m/min横向1.2m/min切削速度纵向0.5m/min横向0.25m/min定位精度0.015mm移动部件重量纵向1200N横向800N加速时间30ms机床效率0.7表3-1 630机床主要技术参数4.1 参数的确定了解车床的基本情况和特点-车床的规格系列和类型1. 通用机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。本次设计中的车床是普通型车床，其品种，用途，性能和结构都是普通型车床所共有的，在此就不作出详细的解释和说明了。 2.车床的主参数（规格尺寸）和基本参数（GB1582-79，JB/Z143-79）最大的工件回转直径D是630mm；刀架上最大工件回转直径D1大于或等于315mm；主轴通孔直径d要大于或等于80mm；主轴头号（JB2521-79）是4.5；最大工件长度L是1800mm；主轴转速范围是：301450r/min可无级调速. 参数确定的步骤和方法a) 极限切削速度umaxumin根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类 工艺要求 刀具和工件材料等因素。允许的切速极限参考值如机床主轴变速箱设计指导书。然而，根据本次设计的需要选取的值如下：取umax=300m/min； umin=8m/min。b) 主轴的极限转速计算车床主轴的极限转速时的加工直径，按经验分别取（0.10.2）D和（0.450.5）D。由于D=630mm，则主轴极限转速应为：加工条件硬质合金刀具粗加工铸铁件3050硬质合金刀具半精或精加工碳钢工件150300螺纹（丝杠等）加工铰孔38 nmax=r/min （2.1） =7581517r/min ，取=1000r/m； nmin=r/min （2.2）在中考虑车螺纹和绞孔时，其加工最大直径应根据实际加工情况选取0.1D和50左右。 所以 nmin=32r/min由于转速范围 R= = =31.25 ；因为级数Z已知： Z=16级 。现以=1.26和=1.41代入R=得R=32和173 ，因此取=1.26更为合适。 各级转速数列可直接从标准数列表中查出。标准数列表给出了以=1.06的从110000的数值，因=1.26=，从表中找到nmax=1000r/min，就可以每隔4个数值取一个数，得： 1000，800，630，500，400，315，250，200，160，125，100，80，63，50，40，30。c) 主轴转速级数z和公比 已知 =Rn Rn=且： z=因机床的电动机转速往往比主轴的大多数转速高，变速系统以降速传动居多，因此，传动系统中若按传动顺序在前面的各轴转速较高，根据转矩公式（单位N.m） T=，当传递功率一定时，转速较高的轴所传递的扭矩就较小，在其他条件相同时，传动件（如轴、齿轮）的尺寸就较小，因此，常把传动副数较多的变速组安排在前面的高速轴上，这样可以节省材料，减少传动系统的转动惯量。因此选择结构式如下： 16=。d) 主电机功率动力参数的确定 合理地确定电机功率N，使用的功率实际情况既能充分的发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。 目前，确定机床电机功率的常用方法很多，而本次设计中采用的是：估算法，它是一种按典型加工条件（工艺种类、加工材料、刀具、切削用量）进行估算。根据此方法，中型车床典型重切削条件下的用量： 根据设计书表中推荐的数值： 取 P=7.5kw4. 2 传动设计1) 传动结构式、结构网的选择结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效，可考虑到本次设计的需要可以参考一下这个方案。确定传动组及各传动组中传动副的数目级数为Z的传动系统有若干个顺序的传动组组成，各传动组分别有Z1、Z2、Z3个传动副。即 Z=Z1Z2Z3传动副数由于结构的限制以2和3的因子积为合适，即变速级数Z应为2和3的因子:Z=可以有几种方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已经选定了的和本次设计所须的正确的方案列出，具体的内容如下：传动齿轮数目 2x（2+2+1）+2x(2+1)+1=17个轴向尺寸 19b传动轴数目 8根操纵机构 简单，两个双联滑移齿轮根据以上分析及计算，拟定主轴箱、变速箱传动结构图如下：图二中，第轴至第轴，其结构式为： 4=图一中，第轴至第轴，机床主轴箱传动系统采用分离传动，其主要特点是：（1） 在满足传动副极限传动比的条件下，可以得到较大的变速范围。（2） 高速由短支传动，有助于减少高速时机床的空运转功率损失。而且高速分支的尺寸可相对小些。（3） 变速级数不像常规变速系统那样受2，3因子的限制，如与部分转速重合的方法配合，几乎可以得到任意的变速级数，大大增加了可供选择方案的数目。2) 主传动顺序的安排16级转速传动系统的传动组，可以安排成：2x2x2x2，选择传动组安排方式时，要考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。在轴上如果安装摩擦离合器时，应减小轴向尺寸，第一传动组的传动副不能多，以2为宜，本次设计中就是采用的2，一对是传向正传运动的，另一个是传向反向运动的。 主轴对加工精度、表面粗糙度的影响大，因此主轴上齿轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用2，或者用一个定比传动副。(5) 传动系统的扩大顺序的安排对于16级的传动只有一种方案，准确的说应该不只有这一个方案，可为了使结构和其他方面不复杂，同时为了满足设计的需要，选择的设计方案是： 16=22x 21+ 22x 21+ 22x 21x28传动方案的扩大顺序与传动顺序可以一致也可以不一致，在此设计中，扩大顺序和传动顺序就是一致的。这种扩大顺序和传动顺序一致，称为顺序扩大传动。(6) 传动组的变速范围的极限植在主传动系统的降速传动中，主动齿轮的最少齿数受到限制，为了避免被动齿轮的直径过大，齿轮传动副最小传动比umin，最大传动比umax2，决定了一个传动组的最大变速范围rmax=umax/nmin8因此，要按照参考书中所给出的表，淘汰传动组变速范围超过极限值的所有传动方案。极限传动比及指数x，值为：极限传动比指数1.26x：umin=6值；umax=23（x+）值：umin=89(7) 最后扩大传动组的选择正常连续的顺序扩大的传动（串联式）的传动结构式为： Z=Z11Z2Z1Z3Z1Z2即是： Z=16=222122284.3转速图的拟定 运动参数确定以后，主轴各级转速就已知，切削耗能确定了电机功率。在此基础上，选择电机型号，确定各中间传动轴的转速，这样就拟定主运动的转图，使主运动逐步具体化。1) 主电机的选定 中型机床上，一般都采用三相交流异步电机为动力源，可以在系列中选用。在选择电机型号时，应按以下步骤进行：1) 电机功率N：根据机床切削能力的要求确定电机功率。但电机产品的功率已经标准化，因此，按要求应选取相近的标准值。 N=13kw2.电机转速nd 异步电机的转速有：3000、1500、1000、750r/min 类比同类机床CM6163，在此处选择的是： nd=1450r/min 这个选择是根据电机的转速与主轴最高转速nmax和轴的转速相近或相宜，以免采用过大的升速或过小的降速传动。3.双速和多速电机的应用 根据本次设计机床的需要，所选用的是：双速电机4.电机的安装和外形 根据电机不同的安装和使用的需要，有四种不同的外形结构，用的最多的有底座式和发兰式两种。本次设计的机床所需选用的是外行安装尺寸之一。具体的安装图可由手册查到。5.常用电机的资料 根据常用电机所提供的资料，选用： Y132M-42) 轴的转速 轴从电机得到运动，经传动系统化成主轴各级转速。电机转速和主轴最高转速应相接近。显然，从传动件在高速运转下恒功率工作时所受扭矩最小来考虑，轴转速不宜将电机转速下降得太低。 但如果轴上装有摩擦离合器一类部件时，高速下摩擦损耗、发热都将成为突出矛盾，因此，轴转速不宜太高。 轴装有离合器的一些机床的电机、主轴、轴转速数据：参考这些数据，可见，车床轴转速一般取7001000r/min。另外，也要注意到电机与轴间的传动方式，如用带传动时，降速比不宜太大，否则轴上带轮太大，和主轴尾端可能干涉。因此，本次设计选用： n1=1000r/min3) 中间传动轴的转速 对于中间传动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小与噪音、震动等性能要求之间的矛盾。 中间传动轴的转速较高时（如采用先升后降的传动），中间转动轴和齿轮承受扭矩小，可以使用轴径和齿轮模数小写：d 、 m，从而可以使用结构紧凑。但是，这将引起空载功率N空和噪音Lp（一般机床容许噪音应小于85dB）加大： N空=) KW （2.3）式中：C-系数，两支承滚动或滑动轴承C=8.5，三支承滚动轴承C=10；da-所有中间轴轴颈的平均直径（mm）；d主主轴前后轴颈的平均直径（mm）；n主轴转速（r/min）。 （2.4）（mz）a所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm；（mz）主主轴上齿轮的分度圆的平均值mm；q-传到主轴所经过的齿轮对数；-主轴齿轮螺旋角；C1、K-系数，根据机床类型及制造水平选取。我国中型车床、铣床C1=3.5。车床K=54，铣床K=50.5。从上诉经验公式可知：主轴转速n主和中间传动轴的转速和n对机床噪音和发热的关系。确定中间传动轴的转速时，应结合实际情况作相应修正：1.功率较大的重切削机床，一般主轴转速较低，中间轴的转速适当取高一些，对减小结构尺寸的效果较明显。2.高速轻载或精密车床，中间轴转速宜取低一些。3.控制齿轮圆周速度u8m/s（可用7级精度齿轮）。在此条件下，可适当选用较高的中间轴转速。4) 齿轮传动比的限制 机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：1. 升速传动中，最大传动比umax2。过大，容易引起震动和噪音。2. 降速传动中，最小传动比umin1/4。过小，则使主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大，将导致结构庞大。第5章 630mm的主轴箱设计计算5.1 带轮传动部分的设计根据拟定的转速图上的各传动比，就可以确定带轮直径。(一) 带轮直径确定的方法、步骤1. 选择三角型号一般机床上的都采用三角带。根据电机转速和功率查图即可确定型号（详情见机床主轴变速箱设计指导4-1节）。但图中的解并非只有一种，应使传动带数为35根为宜。本次设计中所选的带轮型号和带轮的根数如下： B型带轮 选取3根2. 确定带轮的最小直径Dmin（D小）各种型号胶带推荐了最小带轮直径，直接查表即可确定。根据皮带的型号，从教科书机械设计基础教程查表可取： Dmin=186mm3.计算大带轮直径D大根据要求的传动比u和滑功率确定D大。当带轮为降速时： （2.5）三角胶带的滑动率=2%。三角传动中，在保证最小包角大于120度的条件下，传动比可取1/7u3。对中型通用机床，一般取12.5为宜。因此， 137.2mmD大343mm经查表取： D大=304mm(二) 三角带传动的计算三角带传动中，轴间距A可以较大。由于是摩擦传递，带与轮槽间会有打滑，亦可因而缓和冲击及隔离震动，使传动平稳。带传动结构简单，但尺寸，机床中多用于电机输出轴的定比传动。1. 选择三角带的型号根据计算功率Nj（kw）和小带轮n1（r/min）查图选择带的型号。计算功率Nj=KWNd kW 式中 Nd电机的额定功率， KW工作情况系数。车床的起动载荷轻，工作载荷稳定，二班制工作时，取： KW=1.1带的型号是： B型号2. 确定带轮的计算直径D1、D2 1）.小带轮计算直径D1 皮带轮的直径越小，带的弯曲应力就越大。为提高带的使用寿命，小带轮直径D1不宜过小，要求大于许用最小带轮直径Dmin，即D1Dmin。各型号带对应的最小带轮直径Dmin可查表。 D1=186r/min2）.大带轮计算直径D2 （2.6） =304r/min式中: n1-小带轮转速r/min; n2-大带轮转速r/min; -带的滑动系数,一般取0.02.算后应将数字圆整为整数。3）.确定三角带速度u 具体的计算过程如下： （2.7） = =10.6m/s对于O、A、B、C型胶带，5m/su25m/s。而u=510m/s时最为经济耐用。此速度完全符合B型皮带的转速。 4）.初定中心距A0： 带轮的中心距，通常根据机床总体布局初步选定，一般可以在下列范围内选取： A0=（0.62）（D1+D2） mm =490（0.62）mm =294mm980mm 取 A0=760 mm中心距过小，将降低带的寿命；中心距过大时，会引起带振动。中型车床电机轴至变速箱带轮的中心距一般为750850mm。5）.确定三角带的计算长度L0及内周长LN。 三角带的计算长度是通过三角带截面重心的长度。 （2.8） = =2131.7mm圆整到标准的计算长度 L=2132 mm 经查表 LN=2000 mm 修正值 Y=336）.验算三角带的扰曲次数u 40 次/s （则合格） 式中：m-带轮个数。如u超限。可加大L（加大A）或降低u（减少D2、D1）来解决。 代入数据得 =10.5 次/s 40 次/s是合格的，不需作出任何修改。7）.确定实际中心距A （2.9） = 710.65 mm8）.验算小带轮包角1 1180-（D2-D1）/A*60120 （2.10） 如果1过小，应加大中心距或加张紧装置。 代入数值如下： （2.11） =176.98120经校核合格。9）.确定三角带根数z （2.12） 式中：N0-单根三角带在 1=180、特定长度、平稳工作情况下传递的功率值。 C1-包角系数。参数的选择可以根据书中的表差取： N0=2.71C1=0.99Kw=1.1 带入数值得： 所以，传动带根数选3根。次此公式中所有的参数没有作特别说明的都是从机床主轴变速箱设计指导5.2 齿轮传动部分的设计选择以机床变速箱中第轴和第轴间，两啮合直齿圆柱齿轮Z1和Z2，对其进行齿轮传动部分的设计和验算。根据总体结构方案，主电机功率13KW,转速1450r/min，要求输出轴转速1000 r/min，齿轮齿数比U=1.25。具体计算如下：（1)大、小齿轮的材料均为45钢，经调质与表面淬火处理，硬度为4050HRC（2)选小齿轮齿数=28,大齿轮齿数=U3=1.25328=35,齿数比U=1.25（3)按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即d1t 1选取载荷系数 Kt=1.2 2计算大齿轮传递的转矩 T2 =95.5310P1/n1=95.53103 13/1450 N.mm =8.562310 N.mm 3选取齿宽系数d =1 4查得材料的弹性影响系数ZE =189.8MPa 5按齿面硬度查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1 =Hlim2 =550 MPa 6计算应力循环次数N2 =60n1jLh=6031450313(2383365315)=7.6212310N1 =7.621231031.25=9.5265310 7查得接触疲劳寿命系数KHN1=0.86；KHN2=0.88 8计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数S=1，得 = =9 试算小齿轮分度圆直径d1t,带入中较小的值d1t =69.429mm10计算圆周速度n (2.13)11计算齿宽bb=d3d1t=1369.429 mm=69.429 mm12计算齿宽与齿高之比b/h模数 mt=d1t/Z1=69.429/28 mm=2.480 mm齿高 h=2.253mt=2.2532.480 mm=5.58 mm b/h=69.429/5.58=12.4413计算载荷系数根据n=3.64m/s,7级精度，查得动载荷系数Kv=1.14；直齿轮，假设KAFt/b 100 N/mm。查表得KH=KF=1.2；查表得使用系数KA=1；查得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，KH=1.14+0.18（1+0.6d）d+0.23310b将数据带入后，得KH=1.14+0.18（1+0.631）31+0.23310369.429=1.444；由b/h=10.66，KH=1.444查图机械设计10-13得KF=1.32；故载荷系数 K=KAKvKHKH=131.1431.231.444=1.97514按实际的载荷系数效正所得的分度圆直径，由式 69.4293mm 15计算模数m m=d1/Z1=79.81/28 mm=2.85 mm（4）按齿根弯曲强度设计 (2.14)1查得大、小齿轮的弯曲疲劳强度极限均为FE1=710MPa；2查得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.805,KFN2=0.82；3计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式 (2.15)4计算载荷系数KK=KAKvKFKF=131.1431.231.32=1.8065查取齿形系数查得YFa1=2.61； YFa2=2.52。6查取应力校正系数查得YSa1=1.58；YSa2=1.625。7计算大、小齿轮的并加以比较小齿轮的数值大。8设计计算 mm=1.53 mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.53并就近圆整为标准值m=3 mm，按接触强度算得的分度圆直径d1=79.81 mm,算出小齿轮的齿数，取=32 mm (2.16)大齿轮齿数 =U3=1.25332=40，取=40。（5）几何尺寸计算 1计算分度圆直径d1= Z13m=3233 mm=96 mm ；d2= Z23m=4033 mm=120 mm 2计算中心距 a=(d1+d2)/2=108 mm 3计算齿轮宽度b=d3d1=1396 mm=96 mm因为变速箱中，小齿轮1固定安装在第轴上；大齿轮2安装在第轴上，且为双联滑移齿轮，两齿轮副传动比取值为1.25，变速箱做减速传动。考虑整个变速系统的总体结构及其安装，取B2=108 mm，B1=42 mm。4验算 (2.17)100 N/mm,合适。5结构设计及绘制齿轮零件图如下：机床主轴箱中，第轴和轴间为一对斜齿轮，两齿轮的材料选用40Cr，经过调质与表面淬火处理，硬度为4855HRC，许用接触强度疲劳应力，精度等级取7级。经校核，齿轮齿面接触强度和齿根弯曲疲劳强度均满足要求。此处，计算和验算过程略。两斜齿轮参数选择具体如下：1齿轮齿数Z1=30 ； Z2=u3Z1=2330=602中心距，将中心距圆整为210mm (2.18)3按圆整后的中心距修正螺旋角：4大、小齿轮的分度圆直径 (2.19)5齿轮宽度圆整后取B2=100 mm，B1=110 mm。6斜齿轮结构如图所示5.3电磁离合器的选择 摩擦电磁离合器目前在数控机床中应用十分广泛，因为它可以在运转中自动的接通或脱开，且具有结合平稳，没有冲击、构造紧凑的特点，部分零件已经标准化，多用于机床主传动。选用时应作必要的计算。 根据初步的计算可从离合器的选择与运用一书中选取，所有的作图和计算尺寸都见书中的表。1.按扭距选择一般应使用和设计的离合器的额定静扭距Mj和额定扭距Md满足工作要求，由于普通车床是在空载下启动和反向的，故只需按离合器结合后的静负载扭距来选。即： (2.20)对于需要在负载下启动和变速，或启动时间有特殊要求时，应按动扭距设计离合器。2.步骤：1）.决定外摩擦片的内径d。根据结构需要，如为轴装式时，摩擦片的内径d应比安装轴的轴径大26mm。2）.选择摩擦片尺寸： 可以在参考书中选择，具体的型号见图纸。3）.计算摩擦面对数z (2.21)式中：f-摩擦片间的摩擦系数（有表可选）； -许用压强MPa（有表可选）； D-摩擦片内片外径mm（有表可选）； d-摩擦片外片内径mm（有表可选）； Ku-速度修正系数（有表可选）； Kz-结合面数修正系数（有表可选）； Km-结合次数修正系数（有表可选）。代入数值得：取Z=9。5.4 轴的设计计算（1） 轴的设计计算 1轴的材料选用45钢，并经调质处理。2轴的结构设计 轴的结构如图所示：3 由于轴的实质结构没有变化，而且各部分直径也大于等于原轴的最小直径，故轴的强度是可以满足工作要求的，具体的校核计算就略去了。（2） 轴的设计计算 1轴的材料选用45号钢，并经过调质处理。2估算周的最小直径 查表得常数， (2.22)3 轴的结构设计（见图如下所示）4 轴的刚度验算 轴的变形条件和允许值轴上装齿轮和轴承处的挠度和倾角（y和）应小于弯曲刚度的许用值Y和，即 yY，。表4-1 轴的弯曲变形的允许值轴的类型Y（mm）变形部位（rad）一般传动轴（0.00030.0005）L装向心轴承处0.0025刚度要求较高（0.0002）L装齿轮处0.001安装齿轮轴（0.010.03）m装单列圆锥滚子轴承0.0006安装蜗轮轴（0.020.05）m装滑动轴承处0.001装单列圆柱滚子轴承处0.001L：轴的跨度 ； m：模数 轴的变形计算公式： 计算轴本身弯曲的挠度y及倾角时，一般常将一轴简化为集中载荷下的简支架，按材料力学的有关公式计算，当轴的直径相差不大且计算精度要求不高时，可把轴看做等直径，采用平均直径d1计算，计算轴时选择用平均直径（d1）或当量直径（d2）。圆轴： 平均直径 (2.23) 惯性矩 (2.24)矩形花键轴：平均直径 (2.25) 当量直径 (2.26) 惯性矩 (2.27) 轴的力分解和变形合式 对于复杂受力的变形，先将受力分解为三个垂直面上的分力，应用弯曲变形的公式求出所求截面的两个垂直平面的y和，然后进行叠加，在同一平面内进行代数叠加，在两个垂直面内则按几何合成，求出该截面的总载度和总倾角。 危险工作截面的判断： 验算刚度时应选择最危险的工作条件进行，一般是轴的计算转速最低，传动齿轮直径最小且位于周的中央，这时轴的受力将使总的变形剧烈。如果对两三种工作工作条件难以判断哪一种最危险，就分别进行计算，找到最大弯曲变形值y和。 提高轴的刚度的一些措施加大轴的直径，适当减小轴的跨度或者增加第三支撑，重新安排齿轮在轴上的位置；改变轴的布置方位等。 轴的校核计算轴的受力简图：轴的传动路线有两条，一条是、由齿轮9传动至轴上，再又齿轮12至齿轮13带动主轴运转；另一条是由齿轮10和齿轮11传动至轴上，再又齿轮12至齿轮13带动主轴运转。a ) 先校核由齿轮10传入，齿轮12传出时轴的强度1)作轴的水平面（H）弯矩图和垂直面（V）弯矩图1计算轴上的功率： 轴上的转矩：齿轮11的圆周力齿轮11的径向力齿轮12的圆周力齿轮12的径向力齿轮12的轴向力2求在水平面内的支反力，由受力图,MA=0 ，ME=0 3求在垂直面内的支反力，由受力图,MA=0 ，ME=0 4画轴水平面（H）和垂直面（V）内的受力图、弯矩图如下2）作弯矩和转矩图1 齿轮11的作用力在水平面的弯矩图如上：齿轮11的作用力在垂直面的弯矩图如上：齿轮11在B截面作出的最大合成弯矩为2 齿轮12的作用力在水平面的弯矩图如上：齿轮12的作用力在垂直面的弯矩图如上：齿轮12在D截面作出的最大合成弯矩为3）作B、D两截面最大合成弯矩图和扭矩图4）轴的强度校核，经过分析可知，B所在的截面为危险截面，按第三强度理论计算弯矩查机械设计手册第二版第四卷，轴的抗弯截面系数 (2.28)故满足第三强度理论。刚度校核： 在水平面（H）内FtB单独作用时FtD单独作用时 在和FtBFtD共同作用下在垂直面（V）内：单独作用时 单独作用时 在与 共同作用下时故在共同作用下，处为危险截面。其最大挠度为而一般y=（0.00030.0005）l =01221750203625mm.故,符合要求。轴的转角校核就不再验算。b）再校核由齿轮9传入，齿轮12传出时轴的强度；步骤方法同上，经过校核轴的强度和刚度均满足要求。设计过程中，依b)组传动方案，此处轴的强度和刚度校核过程省略。（3） 主轴的设计计算 轴的材料选用45号钢，并经过调质处理，结构设计如图。由于主轴的结构基本上采用630MM数控车床的主轴，没有明显的改动，故具体的校核计算过程就略去不作。第6章 电路系统设计6.1 控制系统总体方案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、磨床等等.控制系统的基本组成如下图所示:通信接口软件微机 步进电机驱动电路步进电机机床开关量控制电路主运动驱动电路主轴电动机6.2总控制系统硬件电路设计6.2.1单片机的设计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有8051除程序存贮器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源（程序存贮器、数据存贮器、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字节程序存贮器和64KB字节数据存贮器。内部没有程序存贮器，必须外接EPROM程序存贮器。8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分为三部分。a.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放大器构成一个振荡器，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）：接外部晶体的一个引脚。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出端。若采用外部振荡器时，该引脚接受振荡器的信号，即把信号直接接至内部时钟发生器的输入端。b.控制引脚它包括RST、ALE、等。此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复用功能。RST/VPD（9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）。复位后应使此引脚电平为0.5V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下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（50.5）V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。ALE/（30脚）：当单片机访问外部存贮器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即使不访问外部存贮器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。但是，每当访问外部数据存贮器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载。（29脚）：此输出为单片机内访问外部程序存贮器的读选通信号。在从外部程序存贮器指令（或常数）期间，每个机器周期两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的信号不出现。同样可以驱动8个TTL负载。/Vpp（31脚）：当端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存贮器，但当PC值超过某值时，将自动转向执行外部程序存贮器内的程序。当端保持低电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外部程序存贮器。对8031来说，因其无内部程序存贮器。所以该引脚必须接地，即此时只能访问外部程序存贮器。c.输入/输出引脚输入/输出（I/O）口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口（P0.0-P0.7）：为双向8为三态I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。P1口（P1.0-P1.7）：为8位准双向I/O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入口时，锁存器必须置1），可驱动4个TTL负载。P2口（P2.0-P2.7）：为8位准双向I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载，一般作为扩展时地址总线的高8位使用。P3口（P3.0-P3.7）：为8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。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、XTAL2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,产生的时钟送至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1.2MHz-24MHz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20pF-100pF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60pF-70pF时振荡器有较高的频率稳定性.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的工作.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和系统中的其他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,该引脚上出现两个机器周期(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变位低电平后,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RAM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,如下图所示:对于CMOS型单片机因RST引脚的内部有一个拉低电阻,故电阻R2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C=10F,R=8.2K.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引脚上接一去耦电容.上图那上电按钮复位电路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.6.2.2系统的扩展在以8031单片机为核心的控制系统中必须扩展程序存贮器，用以存放控制程序。同时，单片机内部的存贮器容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存贮器。这种扩展就是配置外部存贮器（包括程序存贮器和数据存贮器）。另外，在单片机内部虽然设置了若干并行I/O接口电路，用来与外围设备连接。但当外围设备较多时，仅有几个内部I/O接口是不够的，因此，单片机还需要扩展输入输出接口芯片。1、程序存贮器的扩展 MCS-51系列单片机的程序存贮器空间和数据存贮器空间是相互独立的。程序存贮器寻址空间为64KB（0000H-0FFFFH），8031片内不带ROM，所以要进行程序存贮器的扩展。用作程序存贮器的常用的器件是EPROM。 由于MCS-51单片机的P0口是分别复用的地址/数据总线，因此，在进行程序存贮器扩展时，必须用地址锁存器锁存地址信号。通常地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八D锁存器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。根据应用系统对程序存贮器容量要求的不同，常采用的扩展芯片扩展EPROM2716（2KB8）、2732A（4KB8）、2764A（8KB8）、27128A（16KB8）、27256（32KB8）和27512（64KB8）等。以上6种EPROM均为单一+5V电源供电，维持电流为35mA-40mA，工作电流为75mA-100mA，读出时间最大为250ns，均有双列直插式封装形式，A0-A15是地址线，不同的芯片可扩展的存贮容量的大小不同，因而提供8位地址的P2端口线的数量各不相同，故2716为A0-A10，27512为A0-A15；D0-D7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。根据程序存贮器扩展的原理，以EPROM2764A和锁存器74LS373为例对8031单片机进行程序存贮器的扩展。因为2764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址线，A0-A12。如果只扩展一片程序存贮器EPROM，故可将片选端CE直接接地。下图为扩展两片EPROM的连接方法。同时，8031运行所需的程序指令来自2764A，要把其EA端接地，否则，8031将不会运行。2、数据存贮器的扩展8031单片机内部有128个字节RAM存贮器。CPU对内部的RAM具有丰富的的操作指令。但在用于数据采集和处理时，仅靠片内提供的128个字节的数据存贮器是远远不够的。在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能，扩展外部数据存贮器。数据存贮器只使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存贮器与程序存贮器可完全重叠，均为0000H-FFFFH，但数据存贮器与I/O口与外围设备是统一遍址的，即任何扩展的I/O口以及外围设备均占用数据存贮器地址。8031的P0口为RAM的复用地址/数据线，P2口用于对RAM进行页面寻址（根据其容量不同，所占的P2端口不同，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，由于这种存贮器的设计无需考虑刷新问题，因而它与微处理器的接口很简单。最常用的静态RAM芯片有6116（2KB8）和6264（8KB8）。单一+5V供电，额定功耗分别为160mW和200mW，典型存取时间均为200ns，均有双列之插式封装，管脚分别为24和28线。下图是6264与8031的连接图。从图中知：6264的片选接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，故用到了3根地址线。6264的地址范围为0000H-7FFFH对于一个完整的应用系统，必须具备一定容量的程序存贮器和一定容量的数据存贮器。8031单片机外部扩展两片2764EPROM和两片6264静态RAM。程序存贮器2764的地址为：0000H-1FFFH。数据存贮器6264的地址为0000H-7FFFH。3、 I/O口的扩展 MCS-51系列单片机大多具有四个8位I/O口（即P0、P1、P2、P3），原理上这四个I/O口均可用作双向并行I/O接口。但在实际应用中，P0口常被用作为数据总线和低8位地址总线使用，P2口常被用作为高8位地址总线使用，P3口某些位又常用它的第二功能，特别是无ROM型的单片机因必须扩展外部程序存贮器，则更是如此。所以，若一个MCS-51应用系统需连接较多的并行输入/输出的外围设备（如打印机、键盘、显示器等），单片机本身所提供的输入输出口不能满足，就不可避免地要扩展并行I/O接口。常用的MCS-51并行I/O接口扩展方法主要有四种：采用可编程的并行接口电路，如8255A；采用可编程的RAM/IO扩展器，如8155；采用TTL或CMOS电路的三态门、锁存器，如74LS377、74LS373、74LS244；利用MCS-51的并行扩展并行I/O接口。a.8255A可编程外围并行I/O接口 8255A是可编程输入输出接口芯片，它具有3个8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接口电路。 在单片机的I/O口扩展8255芯片，其接口相当简单，如下图所示： 图中8255的分别与MCS-51的相连；8255的D0-D7直接接MCS-51的P0口。片选信号CS口及地址选择线A0、A1分别由8031的P0.0、P0.1、P0.2经地址锁存器后提供。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。8255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，如打印机，键盘，显示器以及作为控制信息的输入、输出口。b.8155可编程外围并行I/O接口8155/8156芯片内包含有256个字节RAM，2个8位和一个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，不需要增加任何硬件逻辑。由于8031单片机外接一片8155后，就综合地扩展了数据RAM、I/O端口和定时器/计数器。因而是MCS-51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。在8155的控制逻辑部件中，设置一个控制命令寄存器和一个状态标志寄存器。8155的工作方式由CPU写入控制命令寄存器中的控制字来确定。控制命令寄存器只能写入不能读出，8位控制命令寄存器的低4位用来设置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口可工作于基本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口选通方式工作的状态控制信号。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相同。另外，在8155中还设有一个状态标志、寄存器，用来存放A口和B口的状态标志。状态标志寄存器的地址与命令寄存器的地址相同，CPU只能读出，不能写入。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计数，CPU可通过程序选择计数长度和计数方式。计数长度和计数方式由输入计数寄存器的计数控制字来确定。MCS-51单片机可以和8155直接相连而不用任何外加逻辑，MCS-51单片机扩展一片8155可以为系统增加256字节外RAM，22根I/O口线及一个14位定时器。下图为8155与8031的一种接口逻辑，图中P2.7连片选信号CE，P2.0连，所以8155的RAM的地址为7E00H-7EFFH；I/O寄存器地址分别为：命令字/状态字寄存器地址为7F00H，PA口地址为7F01H，PB口地址为7F02H，PC口地址为7F03H，定时器/计数器低字节寄存器地址为7F04H，定时器/计数器高字节寄存器地址为7F05H。6.2.3键盘、显示器接口设计1、矩阵式键盘接口设计矩阵式键盘适用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列交叉点上。如一个44的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘等等。在按键数量较多时，矩阵键盘比独立键盘节省了很多I/O口。按键设置在行、列线分别连接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在的行和列电平。所以，必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号将是非常直观的。2、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，通常此公共阴极接地，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，所以其字形码为一个字节；“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。这种显示方式将七段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。下图是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8