经济型数控铣床X-Y工作台设计3

附一： 1 毕业设计（论文）任务书 系 部 机械工程系 指导教师 李奕 职 称 讲师 学生姓名 章文兵 专业班级 09gz 数控 3 班 学 号 0925012315 设计题目 经济型数控铣床 X-Y 工作台改造设计 设 计 内 容 目 标 和 要 求 （设计内容目标和要求、设计进度等） 本课题改造设计经济型数控铣床，应满足实用和加工精度的要求。 1. 调研：了解各种数控 铣床 进给伺服系统中二维工作台的工作性能和加工要求情况，了解开环伺服传动系统的组成和特点，提出应满足的技术要求和条件，分析、比 较各种可能的方案并提出初步设计方案； 2. 研究和确定数控 铣床 进给伺服系统的总体设计方案，要求有必要的分析和计算过程； 3. 结构设计，要求画出总体结构图、关键零部件图并对关键零部件进行校核和验算； 4. 控制系统设计，画出控制系统原理图； 5. 基本技术要求： 结构尺寸：普通铣床 数控铣 床的设计参数： 规 格 工作台行程(mm) 工作台、夹具及工作重力(N) 工作台 快移速度 (m/min) 最大进给速度 (m/min) 走刀方向最大切削分力 /垂向最大切削分力 x,y向相同 (N) 启动加速时间ms 定位精度 mm X 纵向 Y 横向 X纵向 Y横向 X 纵向 Y 横向 X 纵向 Y 横向 800 200 616 176 2750 4400 18 18 0.6 0.6 1500/1000 30 0.01 根据数控机床要求，由调研确定工作台定位精度和重复定位精度、脉冲当量等参数； 7. 绘制主要零部件图不少于 2 张，装配图 1 张； 8. 设计进度： 1) 1 5 周，主要进行毕业设计准备工作，熟悉题目，收集资料，进行毕业实习，明确研究目的和任务，构思总体方案； 2) 6 10 周， 设计计算， 绘图； 3) 11 13 周，编写毕业设计论文，准备毕业设计答辩。 指导教师签名： 年 月 日 系 部审 核 此表由指导教师填写 由所在系部审核 2 毕业设计（论文）学生开题报告 课题名称 经济型数控铣床 X-Y 工作台改造设计 课题类型 实践应用型 指导老师 李奕 学生姓名 章文兵 学号 0925012315 专业班级 09gz 数控 3 班 本课题的研究现状，研究目的及意义 研究现状：随着计算机技术的发展，机床工业的发展也日新月异。用于自动控制的数控机床在提高效率，节省人力 ，提高加工精度，降低加工费用等方面具有很大的优越性。目前，数控机床、加工中心、分布式数控（ DNC）所配置的数控系统大多依据专用的计算机而设计，一般都采用费标准接口，而且使用不同的汇编语言及操作系统，不少机床产品已在 PC控制的基础上采用 windows、 windows NT 制作用户界面， PC 操作程序更便于用户接受及操作。近年来，国际上又出现了柔性制造单元 FMC,FMC 和 FMS 是实现计算机集成制造系统 CIMS 的基础，使数控机床向着高柔性、高集成度、智能化方向发展。相比之下，我国的机床工业水平虽然发展很快，但与国际 先进水平还有一定的差距，尤其是高级型数控机床还处于低水平阶段，主要表现在：可靠性差，质量不好，产品开发周期长，科技含量低，我国已经是世界上数控机床产量大国，但还不是制造强国，生产的数控机床大多是经济型、普及型。开发高档次的数控机床要借鉴国外经验，不断创新，是我国的数控机床水平有一个质的飞跃。随着科学技术的不断发展，数控机床的发展也越来越快，正朝着高性能、高精度、高柔性化和模块化的方向发展，数控机床的加工速度越来越快，加工精度越来越高，可靠性越来越好，随着数控系统集成度的增强，数控机床也会实现多台集中控制，甚 至远距离遥感。目前，国内外正在研究根据人的声音来控制机床的技术，由机器自己识别图样并进行自动 CNC 加工的技术，是数控机床向着更高人工智能方向发展。 数控机床作为一种高精度的自动化机床，综合应用了电子、计算机、自动控制和机床制造领域的先进技术，在我国工业生产中起着极其重要的作用。它很好的解决了现代机械生产中加工工件精度要求高、结构复杂、品种多批量小的问题，而且加工质量稳定，生产效率大幅提高。综合我国国情，价格昂贵的中、高精度的全功能数控机床难以被广大生产企业所接受，因此价格相对低廉的经济型数控系统得到了广泛的应 用。但开发具有部分高档功能的具有自主知识产权的数控系统具有很大的意义。 目前 国 内 中小企业多采用经济型数控冲床系统，其加工速度慢、编程复杂、人机界面不友好，因此生产效率低、工人劳动强度大。因此研制和开发一套基于双单片机的冲床数控系统，用于装配新冲床或对经济型数控冲床进行改造，能够有效的改善人机界面、提高加工速度、方便操作人员编写用户加工程序，对提高企业生产效率、改善工人的工作环境有很 大的实际意义 。 本设计是在数控机床工作原理之上设计一台简单的、经济型的 X-Y 数控铣床工作台。 X-Y数控工作台的机电系统 设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度。它充分的利用了，微机的软件与硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高。设计任务是完全围绕数控机床工作原理而展开的，本设计充分体现了数控机床机械设备部分与电气设备部分的紧密结合。 研究目的及意义： 随着机械制造工业的迅速发展和科技水平的不断进步，用于自动控制的数控机床代替传统的普通机床，得到迅速而广泛的运用，机床的传动系统由原来的有级变速传动到现在的由计算机控制伺服电机的无级变速传动。因此，我们对 机床工作台的设计就显得非常重要；由于数控机床技术含量高、成本昂贵，若中小企业广泛采用数控机床不仅费用高而且资源浪费。因此，对普通机床进行数控化改造也成了人们近年来研究的课题。本次毕业设计“经济型数控铣床X-Y 工作台改造设计”就是从以上几点出发，综合运用机械、电子和计算机知识而进行的一项结合的基本训练，其主要目的是强化机械结构设计，同时进一步掌握数控机床控制系统的设计思路，通过对控制系统硬件和软件的设计，掌握数控系统硬件和软件设计的基本方法；通过对数控铣床工作台结构的设计，培养我们分析问题和解决问题的能力，对 自己来说也是有很大的提高，从而达到选题的目的；通过这套数控机床控制系统的研究和普通机床的数控化改造，提供了必要的参数依据，对数控系统的研究也有一定的现实意义。 本课题的研究内容 主要的研究内容是数控机床进给传动系统的设计和控制系统设计，数控机床进给传动系统是 CNC 装置实现轨迹控制的执行部件，涵盖了在给定的设计条件下如何来确定机床进给传动系统的总体方案，在具体方案设计中，又涉及了导轨形式的选择，滚珠丝杠螺母副及其支承方式的选择，伺服系统与驱动电动置顶帖的选择和驱动电动机与滚珠丝杠连接形式的选择等等。为了保证 机床坐标轴的定位精度和各功能部件工作的可靠性，必须进行机械传动系统的轴向刚度计算、误差分析和动态特征分析。在此基础上还要对各传动部件进行必要的稳定性较核 计算和电动机的造型计算，既具有一定的结构设计要求，又具有较强的理论，主要设计如下： （ 1） 进给传动系统设计，包括：进给传动系统的轴向负载计算，导轨的设计与选型，滚珠丝杠螺母的选型与计算，进给传动系统的刚度计算，进给传动系统的误差分析，驱动电动机的选型与计算，寄给传动系统的动态特性分析，驱动电动机与滚珠丝杠的连接。 （ 2） 控制系统设计，包括：控制系统硬件的基本组成，控制 系统软件的组成与结构，计算机伺服控制系统和 PLC 控制系统 本课题研究的实施方案，进度安排 为了满足以上技术要求，采取以下技术方案 : （ 1） 工作台工作面尺寸（宽度 长度）确定为 200mm 800mm （ 2） 对滚珠丝杠螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杠进行预紧拉伸。 （ 3） 采用 步进 电动机驱动。 （ 4） 采用 齿轮减速的方法 将 步进 电动机与滚珠丝杠 相 连。 进度安排 5 周 完成开题报告 6 周 完成总体方案设计 7-9 周 完成进给伺服系统机械结构设计计算 10 周 完成控制系统设计 11-12 周 完成进给系统装配的绘制 13 周 完成硬件控制电路图的绘制 14 周 完成设计说明书 15 周 答辩 已查阅的主要参考文献 1范超毅 ， 赵天婵 ， 吴斌方 .数控技术课程设计 .中国 武汉：华中科技大学出版社， 2006. 2机床设计手册 编写组 .机床设计手册（第三册） M.北京：机械工业出版社， 1986. 3加工中心应用与维修 编委会 .加工中心应用与维修 M.北京：机械工业出版社， 1992. 4李福生 .实用数控机床技术手册 M.北京 ：北京出版社， 1993. 5黄华梁，彭文生 .机械设计基础 .北京：高等教育出版社， 2007. 指导老师意见 指导 教 师签名： 年 月 日 3 毕业设计（论文）学生申请答辩表 课 题 名 称 经济型数控铣床 X-Y 工作台改造设计 指导教师 (职称 ) 李奕 申 请 理 由 毕业设计已完成 ，申请答辩 学生所在系部 机械工程系 专业班级 09gz 数控 3 班 学号 0925012315 学生签名： 日期： 毕业设计（论文）指导教师评审表 序号 评分项目（理工类） 满分 评分 1 工作量 15 2 文献阅读与外文翻译 10 3 技术水平与实 际能力 25 4 研究成果基础理论与专业知识 25 5 文字表达 10 6 学习态度与规范要求 15 总 分 100 评 语 （ 是否同意参加答辩） 指导教师签名： 另附毕业设计（论文）指导记录册 年 月 日 4 毕业设计（论文）评阅人评审表 学生姓名 章文兵 专业班级 09gz 数控 3 班 学号 0925012315 设计 (论文 )题目 经济型数控铣床 X-Y 工作台改造设计 评阅人 评阅人职 称 序号 评分项目（理工类） 满分 评分 1 工作量 15 2 文献阅读与外文翻译 10 3 技术水平与实际能力 25 4 研究成果基础理论与专业知识 25 5 文字表达 10 6 学习态度与规范要求 15 总 分 100 评 语 评阅人签名： 年 月 日 5 毕业设计（论文）答辩表 学生姓名 章文兵 专业班级 09gz 数控 3班 学号 0925012315 设计 (论文 )题目 经济型数控铣床 X-Y 工作台改造设计 序号 评审项目 指 标 满分 评分 1 报告内容 思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验 方法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。 40 2 报告过程 准备工作充分 ,时间符合要求。 10 3 创 新 对前人工作有改进或突破，或有独特见解。 10 4 答 辩 回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准 确，深入。 40 总 分 100 答 辩 组 评 语 答辩组组长（签字）： 年 月 日 答辩 委员会 意见 答辩 委员会负责人 （签字）： 年 月 日 6-1 毕业设计（论文）答辩记录表 学生姓名 章文兵 专业班级 09gz 数控 3 班 学号 0925012315 设计 (论文 )题目 经济型数控铣床 X-Y 工作台改造设计 答辩时间 答辩地点 答辩委员会名单 问题 1 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题 2 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题 3 提问人： 问题： 回答（要点）： 记录人签名 （不足加附页） 6-2问题 4 提问人 ： 回答（要点）： 问题 5 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题 6 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题 7 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题 8 提问人： 问题： 回答（要点）： 记录人签名 7 毕业设计（论文）成绩评定总表 学生姓名： 章文兵 专业班级： 09gz 数控 3 班 毕业设计（论文）题目： 经济型数控铣床 X-Y 工作台改造设计 注：成绩评定由指导教师、 评阅人和答辩组分别给分 (以百分记 )，最后按“优 (90-100)”、“良 (80-89)”、“中 (70-79)”、“及格 (60-69)”、“不及格 (60 以下 )”评定等级。其中，指导教师评定成绩占 40%，评阅人评定成绩占 20%，答辩组评定成绩占 40%。 成绩类别 成绩评定 指导教师评定成绩 评阅人评定成绩 答辩组评定成绩 总评成绩 40%+ 20%+ 40% 评定等级 毕 业 设 计（论 文） 经济型数控铣床 X-Y 工作台改造设计 学生姓名： 章文兵 学 号 ： 0925012315 所在系部： 机械工程系 专业班级： 09 数控专 3 班 指导教师 ： 李奕 （讲师 ） 日 期 ： 二一二年五月 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学院有关保管、使用学位论文的规定，同意学院保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密 ，在 年解密后适用本授权书。 2、不保密 。 （请在以上相应方框内打“”） 作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 1 摘 要 数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档 次以及生产方式带来了革命性的变化。数控机床是现代加工车间最重要的装备。它的发展是信息技术 (1T)与制造技术 (MT)结合发展的结果。现代的 CAD/CAM、 FMS、 CIMS、敏捷制造和智能制造技术，都是建立在数控技术之上的。掌握现代数控技术知识是现代机电类专业学生必不可少的。 本次设计内容介绍了数控 铣床 的特点、 电机选型 以及 计算误差 的一般 分析 。并通过一定的实例详细的介绍了数控 车床改造 的分析方法。 关键词 ： 数控技术 数控改造 步进电动机 电气控制 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 2 Abstract numerical control technology and the numerically-controlled machine tool in now in the machine-building industry the important position and the huge benefit, had demonstrated it in the key industry modernizations strategic function, and has become the traditional machine manufacture industry promotion to transform and to realize the automation, the flexibility, the integrated production important means and the sign. The numerical control technology and numerically-controlled machine tools widespread application, for machine-building industrys industrial structure, the product type and the scale as well as the production method has brought the revolutionary change. The numerically-controlled machine tool is the modern Processing workshop most important equipment. Its development is the information technology (1T) and the technique of manufacture (MT) union development result. Modern CAD/CAM, FMS, CIMS, the agile manufacture and the intelligence technique of manufacture, is the establishment above the numerical control technology. Masters the modern numerical control technical knowledge is the modern mechanical and electrical kind of college major is essential. This design content introduced the numerical control lathes characteristic, the electrical machinery shaping as well as counting errors general analysis. And through certain example detailed introduction the analysis method which numerical control lathe transformed. Key words: the numerical control technology numerical control transformation step-by-steps the electric motor electric control. 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 3 目 录 摘要 Abstract 引言 6 1 概述 7 2 设计计算 8 2.1 计算 切削分力 8 2.2 导轨摩擦力的计算 8 2.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 9 2.4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 9 2.4.1 确定滚珠丝杠的导程 9 2.4.2 计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷 9 2.4.3 确定滚珠丝杠预期的额定功率 11 2.4.4 按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 11 2.4.5 初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 12 2.4.6 确定滚珠丝杠螺母副的预紧力 12 2.4.7 计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿 值与预紧伸力 13 2.4.8 确定滚珠丝杠螺母副支撑用的规格型号 15 3 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 15 3.1 滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验 15 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 4 3.2 滚珠丝杠螺母副临界转速的校验 15 3.3 滚珠丝杠螺母副寿命的校验 15 4 计算机械传动系统的刚度 17 4.1 机械传动系统的刚度计算 17 4.2 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算 17 4.3 计算滚珠与滚道的接触刚度 17 4.4 计算进给传动系统的综合拉压刚度 18 4.5 齿轮传动比的计算 18 5 驱动电动机的选用与计算 20 5.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量 20 5.2 计算折算到电动机轴上的负载力矩 21 5.3 计算坐标折算到电动机轴上的各种所需的力矩 22 5.4 选择驱动电动机的型号 23 6 机械传动系统的动态分析 24 6.1 计算丝杠 -工作台纵向振动系统的最低固有频率 24 6.2 计算扭转振动系统的最低固有频率 24 7 机械传动系统的误差计算与分析 25 7.1 计算机械传动系统的反向死区 25 7.2 计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差 25 7.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 25 8 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 26 8.1 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 26 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 5 8.2 确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 26 9 微机控制系统的设计 27 结论 33 参考文献 35 致谢 36 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 6 引 言 由于历史的原因，我国 普通加工设备多，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。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品加工质量，大幅度提高生产效率。对普通机床进行数控改造可以使它具有好的加工精度，同时还具有数控加工的功能，且投资少，便于操作维修，可以采用最新的控制技术，及时提高生产设备的自动化水平和效率。对现有普通机床进行经济型数控化改造已成为了发展方向，是符合我国 国情的一种有效途径。 在实际生 产中铣床的应用十分广泛。数控铣床是一种加工功能很强的数控机床。能实现点位控制功能、连续轮廓控制功能、刀具半径自动补偿功能、刀具长度补偿功能、镜像加工功能、固定循环功能、特殊功能等。 数控铣床比传统普通铣床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 (1)可以加工出传统铣床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确 的计 算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 (2)可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统 铣床提高 (3 7)倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控铣床只要更换一个程序，就 F叮实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。 (3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 (4)可实现多工序的集中，减少零件在铣床间的频繁搬运。 (5)由以上四条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力 (一个人可以看管多台铣床 )，减少了 T装，缩短了新产品试制周期和生产周 期，可对市场需求 做出 快速反应等。 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 7 1 概述 设计题目： 800 200（工作台工作面积 长宽 mm） 经济型数控铣床 x-y 工作台设计。 表 1-1 数控 x-y 工作台设计参数 规格 工作台行程（ mm) 工作台、夹具及工件重力（ N) 工作台快移速度（ m/min) 最大进给速度（ m/min) 走刀方向最大切削分力/垂向最大切削分力x,y 向相同 启动加速时间ms 定位精度 mm x 纵向 y 纵向 x 纵向 y 纵向 x 纵向 y 纵向 x 纵向 y 纵向 800200 616 176 2750 4400 18 18 0.6 0.6 1500/1000 30 +0.01 -0.01 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 8 2 设计计算 确定脉冲当量 纵向： 0.01mm/步 横向： 0.005mm/步 2.1 计算切削 分 力 （ 1）根据已知条件， F1 =1650N， Fv=1100N 根据 数控技术课程设计 表 2-1 5.0ZVFF， 75.01 ZFF 03.2129 ZF N 130065.0 CZC FFFN 1F VF 此类铣削为不对称端铣中的逆铣。 (2)计算各切削分子 根据 数控技术课程设计 表 2-1 可得工作台纵向切削力 F1 ,横向切削力 Fc和垂向切削力 Fv分别为 : F1 =1000N Fc=1300N FZ =2129.3N 2.2 导轨摩擦力 的 计算 （ 1） 按 数控技术课程设计 公式计算在切削状态下的导轨摩擦 FZ。此时导轨动摩擦系数 =0.15，查表镶条紧固力由差值法计算 设 在主电动机功率为 7.5KW 时， Fg=2000 N F =（ W+Fg+Fc+Fv） =0.15 1000130020002750 =1057.5N (2)按 数控技术课程设计 公式计算在不切削状态下的导轨摩擦力 F0和导轨静摩擦力 F0 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 9 X 纵向： F0=(W+Fg)=0.15(2750+2000)N=712.5 N F0=0（ W+Fg)=0.2(2750+2000)N=950N Y 横向： F =（ W+Fg+Fc+Fv） =1305N F0=(W+Fg)=960N F0=0（ W+Fg)=1280N 2.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负 载力 （ 1）按 数控技术课程设计 公式计算最大轴向负载为 X 纵向： Famax=F1 +F=(1650+1057.5)N=2707.5 N Y 横向： Famax=F1 +F=2805N (2)按 数控技术课程设计 公式计算最小轴向负载力 Fmina X 纵向： Fmina= F0=712.5N Y 横向： Fmina= F0=960N 2.4 滚珠丝杠的动载荷计算和直径估算。 2.4.1 确定滚珠丝杠的导程 a、初选滚珠丝杠的导程为 L0=10mm。 2.4.2 计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷 将强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷 Fmax快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向 Fmin 。一般切削（粗加工）和精细切削（精加工）时，滚珠丝杠螺母副的轴向载荷 2F ，3F分别可按下式计算： 2F = F mina +20% F maxa 3F= Fmina+5% Fmaxa 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 10 表 2-1 数控铣床滚珠丝杠的计算 切削方式 轴向载荷 /N 进给速度 时间比例 /(%) 备注 强力切削 X： 2557.5 Y： 2805 1v =0.6 10 1F = maxaF 一般切削（粗加工） X： 1224 Y： 1521 2v=0.8 30 2F = minaF +20%maxaF 精细切削（精加工） X： 840.4 Y： 1100.25 3v=1 50 3F = minaF +5% maxaF 快移和钻镗定位 X： 712.5 Y： 960 4v =18 10 4F = minaF (2)计算滚珠丝杠螺母副在各种切削条件下的转速 ni m in/60m in/10.10 6.0 3011 rrLvn m in/80m in/10.10 8.0 3022 rrLvn m in/100m in/10.10 1 3033 rrLvn m in/1800m in/1010 18 3044 rrLvn (3)按 数控技术课程设计 公式计算滚珠丝杠螺母副的平均速度mn mn=nn nqnqnqnq 100100100100332211 m i n/260m i n/)18050246(m i n/)1800100101001005080100306010010(rrr (4)按 数控技术课程设计 公式计算滚珠丝杠螺母副 的平均载荷 Fm X 纵向： Fm=3 322321131 100100100 nmnnmmqnnFqnnFqnnF =909.48N Y 横向： 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 11 Fm=3 322321131 100100100 nmnnmmqnnFqnnFqnnF =1194.13N 2.4.3 确定滚珠丝杠预期的额定动载荷amC （ 1）按预定工作时间估算。查 数控技术课 程设计 表得载荷系数wf=1.3.已知初步选择的滚珠丝杠的精度为 2 级，查 数控技术课程设计 表得精度系数af=1，查 数控技术课程设计 表得可靠性系数cf=0.44，则由 数控技术课程设计 公式得 X 纵向： amC=cawmhm fffFLn 100603 =144.0100 3.148.9092 0 0 0 0260603 =18225N （ 2）因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以按公式估算最大轴向载荷。查表2-31 得：预加载荷系数ef=4.5 则，amC=ef maxaF=4.5 2557.5=11508.75N （ 3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷amC。 取以上两种结果的最大值，即amC=18225N 同理： Y 横向： amC=cawmhm fffFLn 100603=23929.14N 2.4.4 按精 度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径md2 （ 1）根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。 已知工作台的定位精度为 10 m，重复定位精度为 20 m，根据公式以及定位精度和重复定位精度的要求得：1max=（ 1/31/2） 20 m=（ 6.6710） m 2max=（ 1/31/4） 10 m=（ 3.332.5） m 取上述计算结果的较小值，即max=2.5 m （ 2） 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径md2。 本机床工作台（ x 轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定方式 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 12 滚珠丝杠螺母副的两个固定支撑之间的距离为 L=行程 +安全行程 +2余程 +螺母长度 +支承长度 （ 1.21.4）行程 +（ 2530）0L 取 L=1.4行程 +300L=（ 1.4 616+30 12） mm=1162mm 又0F=950N，由公式得，md2 0.039max0 LF 0.0395.21162950 25.9mm 2.4.5 初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 根据计算所得的0L，amC，md2初步选择 FFZD 型内循环垫片预紧螺母丝滚珠丝杠螺母副 FFZD 4010-5，其共称直径0d，基本导程0L，额定动载荷aC和丝杠底径 2d 如下： 0L=10mm，0d=40mm，aC=36500NamC=18225N 2d =32.7mmmd2=25.90mm 故满足要求。 2.4.6 由公式确定滚珠丝杠螺母副的预紧力 PF X 纵向： PF =max31 aF=852.5N Y 横向： PF =max31 aF=935N 2.4.7.计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预拉伸力 （ 1）按 数控技术课程设计 式 2-31 计算目标行程补偿值t。 已知温度变化值 t=2，丝杠的线膨胀系数 =11 10 6 m/，滚珠丝杠螺母副的有效行程。 uL=工作台行程 +安全行程 +2余程 +螺母长度 安全行程（ mm） =eL=50L cL=20L =（ 616+5 10+2 10+108） mm=794mm 同理： Y 横向 uL=工作台行程 +安全行程 +2余程 +螺母长度 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 13 =176+5 10+2 10+108=354mm 故： X： t=11 tuL 10 6 =0.017mm Y： t=11 tuL 10 6 =0.0075mm （ 2）按公式计算滚珠丝杠的预拉伸力tF。 已知滚珠丝杠螺纹底径 2d =32.7mm，滚珠丝杠温升变化值 t=2。 则 X：tF=1.81 t 22d =1.81 2 23.34 =4258.89N 同 Y：tF=1.81 t 22d =4258.89N 2.4.8 确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号 （ 1） 按 数控技术课程设计 公式 2-33 计算轴承所受的最大轴向载荷maxBF maxBF=tF+max21 aF=5537.64N Y 横向 ： maxBF=tF+max21 aF=5661.39N （ 2） 计算轴承的预紧力 BPF BPF =31 maxBF =1845.88N Y 横向： BPF =31 maxBF=1887.13N （ 3）计算轴 承的当量轴向载荷BamF= BPF +mF=2755.36N （ 4）按数控技术课程设计 公式 2-15 计算轴承的基本额定动载荷0C 已知轴承的工作转速 n=mn=260r/min，轴承所承受的当量轴向载荷BamF=2755.36N。轴承的基本额定寿命 L=20000h。轴承的径向载荷 rF 和轴向载荷aF分别为： rF = BamF cos60 =2755.36 0.5N=1377.68N Y 横向： rF =1540.63N aF=BamF sin60 =2755.36 0.87N=2386.21N Y 横向： aF=2649.88N raFF=68.1377 21.2386=1.74 2.17 查 数控技术课程设计 表 2-25 得，径向系数 x=1.9，湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 14 轴向系数 y=0.54 故： P=X rF +YaF=3906.14N X 纵向： C=100P 3 60hnL=26493.1N Y 横向： C=100P 3 60hnL=29558.69N （ 5）确定轴承的规格型号。 因为滚珠丝杠螺母副拟采用预拉伸措施，所以选用 60角接触球轴承组背对背安装，以组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。由于滚珠丝杠的螺纹底径2d =34.3mm，所以选用轴承内径 d 为 30mm 以满足滚珠丝杠结构的需要。 在滚珠丝杠的两个固定端均选择国产 60角接触轴承两件一组背对背安装组成滚珠丝杠的两端固定支承方式，轴承的型号为： 760306TNI/P4DFB，尺寸（内径 外径宽度）为 30 mm 72 mm 19mm，选用脂润滑 ， 该轴承的预载荷能力 BPF =2900 N ,大于计算所得的轴承预紧力 BPF =1845.88N。并在脂润滑状态下的极限转速为 1900 r/min ,高于滚珠丝杠的最高转速 nmax=1800r/min，故满足要求。该轴承的额定动载荷为 C =34500 N,而该轴承在 20000h 工作寿命下的额定载荷 C=26493.1N，也满足要求。 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 15 3 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 3.1 滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验 本工作 台的滚珠丝杠支承方式采用预拉伸结构，丝杠始终受拉而不受压。因此， 不存在压杆不稳定问题。 3.2 滚珠丝杠螺母副临界转速cn的校验 根据计算 知，可得滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度 2L =919mm。一直弹性模量 E=2.1 510 MPa，材料密度 =g1 7.8 510 N/ 3mm ，重力加速度 g=9.8 310 mm/ 2s ，安全系数 1K =0.8，由表 2-44 得 =4.73 滚珠丝杠的最小惯性矩为： I=6442d =67909 4mm 滚珠丝杠的最小截面积为： A=422d =923.54 2mm 故可由 数控技术课程设计 公式 2-36 得：cn= 1K222260LAEI=8918r/min 本工作台滚珠丝杠螺母副的最高转速为 1800r/min，远远小于其临界转速，故满足要求。 3.3 滚珠丝杠 螺母副额定寿命的校验 滚珠丝杠螺母副的寿命主要指疲劳寿命。它是指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杠在相同的条件下回转时，其中 90%不发生疲劳剥落的情况下运转的总转速 。 查 数控技术课程设计 表 A-3 得滚珠丝杠的动载荷aC=46500N，运转条件系数wf=1，滚珠丝杠的轴向载荷aF=maxF=2557.5N。 滚珠丝杠螺母副运转速度 n=maxn=1800r/min。 故由 数控技术课程设计 公式得： L=（waafFC） 3 610 = 63 102.15.255746500 =3.478 910 r hL=L/60n=32206h 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 16 同理 Y： L=2.63 910 r 同理 Y： hL=24411h 一般来讲在设计数控机床时，应保证滚珠丝杠螺母副的总时间 寿命hL20000h，故满足要求 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 17 4 计算机械传动系统的刚度 4.1 计算滚珠丝杠的拉压刚度sK 本工作台的丝杠支承方式为两端固定，由图知，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杠两支承的中心位置（ a=L/2， L=1222mm）时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度minsK，可按 数控技术课程设计 公式（ 2-45）计算。 minsK=6.6 210Ld22 =631.7N/ m 当 a= YL =919mm 或 a=JL=303mm 时（即滚珠丝杠的螺母中心位于行程的两端位置时）滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度maxsK，可按公式计算。 maxsK=6.6 210)(422JJ LLLLd=846.9N/ m 4.2 计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度bK 已知轴承接触角 =60，滚珠体直径Qd=7.144mm；滚珠体 个数 Z=17，轴承的最大轴向工作载荷maxBF=5537.64N，查 数控技术课程设计 表得： bK=4 2.34 3 5m ax2 sin BQ FZd=1659.13N/ m2 Y 横向：maxBF=5661.39N，bK=4 2.34 3 5m ax2 sin BQ FZd=1671.4 N/ m2 4.3 计算滚珠与滚道的接触刚度cK 查 数控技术课程设计 A-3 得滚珠与滚道的接触刚度 K=1585N/ m，额定动载荷aC=46500N，滚珠丝杠上承受的最大轴向载荷amaxF=2557.5N，故由 数控技术课程设计 公式（ 2-46b）得 : cK=K(aamax1.0 CF)31 =1585 31465001.05.2557 =1298.62N/ m Y 横向：amaxF=2805N,，cK=K(aamax1.0 CF)31 =1339.23 N/ m 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 18 4.4 计算进给传动系统的综合拉压刚度 K。 由 数控技术课程设计 公式得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为： max1K =max1sK+bK1 +cK1 =62.1298 113.1659 19.846 1 =0.0025 maxK=400N/ m 由 数控技术课程设计 公式得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为： min1K =min1sK+bK1 +cK1 =62.1298 113.1659 17.631 1 =0.0029 minK =344.8N/ m 同理 Y 横向： max1K =max1sK+bK1 +cK1 =0.0025 maxK=400N/ m min1K =min1sK+bK1 +cK1 =0.003 minK =333N/ m （ 2）滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算 由 计算 知，扭矩作用点之间的距离 2L =1020mm，已知剪切模量 G=8.1410 MPa 滚珠丝杠的底径 2d =34.3 310 m，由公式得： K=242L32Gd =10785.5Nm/rad 4.5 齿轮传动比的计算 由于脉冲当量 =0.01， L0=10mm。初选电动机步距角 o75.0 =3600bL=2.08 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 19 可选定齿轮齿数为 20， 42 因进给运动齿数受力不大，模数 m 可取 2。 表 3-1 齿轮减速装置参数 齿数 20 42 20 40 分度圆 22 md 40 84 40 80 齿顶圆 2mdd a 44 88 44 84 齿根圆 m25.12dd f 37.5 81.5 37.5 77.5 齿宽 m106 20 20 20 20 中心距 2/dd 21 A 62 60 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 20 5 驱动电动机的选用与计算 纵向计算： W 2J 2Z Js 电动机 1Z 1J 图 5-1 一级减速 5.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量 （ 1） 计算滚珠丝杠的转动惯量 rJ 已知滚珠丝杠的密度 =7.8 310 kg/ 3m ，由公 式得 76.220.11441078.0 43r J kg c 2m （ 2） 分别计算两个齿轮传动的转动惯量 1J ， 2J 。 1J = 1413 d1078.0 L =0.399kg c 2m 2J = 2423 d1078.0 L =7.77 kg c 2m W=2750N （ 3） 由 数控技术课程设计 式（ 2-66）计算加在电动机轴上的总负载转动惯量dJ dJ= 20s22r 2g1LWJJJ =9.278 kg c 2m 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 21 横向计算： 1J 图 5-2 二级减速 3J=3433 d1078.0 L =0.399 kg c 2m 4J = 4443 d1078.0 L =6.39 kg c 2m 由 数控技术课程 设计 公式得， 2gi1i1 0r423221dLWJJJJJJ =5.75 kg c 2m 5.2 计算折算到电动机轴上的负载力矩 （ 1） 计算切削负载力矩cT 由 切削状态下坐标轴的轴向负载力aF=maxF=2557.5N，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离 L=10mm=0.01m，进给传动系统的总效率 =0.85 由公式得，cT=2LFa = 85.014.32 01.05.2557 =2.4N m Y 横向： cT=2LFa =2.62 N m （ aF = maxF =2805N） （ 2） 计算摩擦负载力矩T 已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力0F=712.5N），由 数控技术课程设计 公式得： 4J W sJ 4Z 2J 2Z 电动机 1Z 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 22 T=20LT =0.66 N m Y 横向： T=20LT =0.9 N m （ 0F =960N） （ 3） 计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩fT. 已知滚珠丝杠螺母副的预紧力pF= 5.8525.25573131 a m a x FN，滚珠丝杠螺母 副的基本导程0L=10 mm=0.01 m， 滚珠丝杠螺母副的效率 0=0.94,由 数控技术课程设计 公式得 fT=2 0LFp 201 （ ） =0.093 N m Y 横向：pF= 93528053131 a m ax FN 则，fT=2 0LFp 201 （ ） =0.1 N m （ 4）折算到电动机轴上的负载力矩 T 的计算。 空载时（快进力矩），由式（ 2-57a）得 753.093.066.0fu TTT KJ N m Y 横向： KJT=1 N m 切削时（工进力矩）， 由式（ 2-57b）得 493.2093.04.2fc TTT GJ N m Y 横向： 72.2GJT N m 5.3 计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩 初选 150BF002 型电动机，其转动惯量mJ=9.8kg cm2 ，坐标轴的负载惯量dJ=9.278kg c 2m ，加速时间at=30 ms=0.03 s ，已知机床执行部件以最快的速度maxV=1800 mm/min 运动时，电动机的最高转速为： m in/r1500561800n m a x 由 数控技术课程设计 公式得 :apT= )Jt98060n i 2dmam a x J （ =7.74N m 同理 Y 横向： apT= )Jt98060n i 2dmam a x J （ =6.26 N m 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 23 1计算横向进给系统所需的折算到电动机上的各种力矩。 （ 1）按式（ 2-61）计算空载启动力矩qT qT=apT+（fc TT ） =8.49 N m Y 横向： qT=7.26 N m （ 2）由式（ 2-57a）计算快进力矩 KJT 753.093.066.0fu TTT KJ N m Y 横向： KJT=1 N m （ 3） 由式（ 2-57b） 计算工进力矩GJT 493.2093.04.2fc TTT GJ N m Y 横向： 72.2GJT N m 5.4 选择驱动电动机的型号 根据以上计算和查 数控技术课程设计 表 A-5，选择国产 150BF002 型步进电动机为驱动电动机，其主要技术参数如下：相数为 5；步距角为 0.75/1.5；最大静转矩为 9.31 N m；转动惯量为 9.8 kg cm2 ；最高空载启动频率为2800HZ；最高运行频率为 8000HZ。 （ 1）确定最大静转矩sT。因为 951.01sq TT 951.0 q1s TT 8.93 N m 因为 31.83.04 9 3.23.0 GJ2s TT N m 取1sT和 2sT中较大者为所需的步进电动机的最大静转矩，即sT=8.93 N m，小于本电动机的额定最大静转矩 13.72 N m，故满足要求。 （ 2）惯性匹配验算 为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量 rJ 与伺服电动机的转动惯量mJ只比一般应满足公式，即 0.25dJ/mJ 1 dJ/mJ=9.278/9.8=0.94 0.25， 1，故满足惯量匹配要求 . 同理 Y 横向：dJ/mJ=5.75/9.8=0.59 0.25， 1，故满足惯量匹配要求。 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 24 6 机械传动系统的动态分析 6.1 计算丝杠 工作台纵向振动系统的最低固有频率nc 已知滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度0K= minK =344.8 610 N/m，而滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量dm=m+1/3sm（其中 m，sm分别是机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的品质），则 m=W/g=275kg sm= /4 24 128.5 7.8 -310 kg=12.59kg dm= m+1/3sm=279.2kg nc=dmK0 =1059rad/s Y 横向： m=440kg，0K= minK =333 N/m， sm= /4 24 84.5 7.8 -310 kg=8.28kg dm= m+1/3sm=444.2kg nc=dmK0 =865.8rad/s 6.2 计算扭转振动系统的最低固有频率nt 折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为sJ sJ=i J =0.0078kg c 2m 已知丝杠的扭转刚度sK=K=10785.5N m/rad 则 ， nt=ssJK = 0078.0 5.10785 =1175rad/s Y 横向 ：sJ=i J =0.0067kg c 2m ，sK=K=10785.5N m/rad 则， nt=ssJK =1268.7 rad/s 由 以 上 计 算 可 知 ， 丝 杠 工 作 台 纵 向 振 动 系 统 的 最 低 固 有 频 率nc=1059rad/s，扭转振动系统的最低固有频率nt=1175rad/s，都比较高，一般按n =300rad/s 的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足 要求。 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 25 7 机械传动系统的误差计算与分析 7.1 计算器械传动系统的反向死区 已知进给传动系统的最小综合拉压刚度 minK =344.8 610 N/m，导轨的静摩擦力0F=950N 则由 数控技术课程设计 公式得 =2=2min0KF 310 =5.5 310 mm Y 横向， =2=7.7 310 mm 即， =5.5 m 10 m，故满足要求。 7.2 计算器械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差kmax 由 数控技术课程设计 公式得： kmax=0F（min1K maxK1 ） 310 =3.8 410 mm Y 横向 ： kmax=3.8 410 mm 即kmax=0.38 m 6 m 故满足要求。 7.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 1.计算由快速进给扭矩kjT=753N mm，由图得，扭矩作用点直接的距离2L =1027mm，丝杠底径 2d =34.2mm。由公式得 =7.21 210422dTL =0.04 2.由扭转变形量引起的轴向移动滞后量 将影响工作台的定位精度 由 数控技术课程设计 公式得 = 0L /360=1.1 m 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 26 8 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 8.1 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 本机床工作台采用开控制系统，pV300、pe应满足下列要求： pe+pV300 0.8（定位精度 kmax ） =6.8 m pe+upV 0.8（定位精度 kmax ） =6.8 m 查 数控技术课程设计 表 2-20，改定位精度为 30 m， pe+pV300 0.8（定位精度 kmax ） =22.8 m pe+upV 0.8（定位精度 kmax ） =22.8 m 取滚珠丝杠螺母副的精度等级为 2 级，查表 2-20 得pV300=8 m；查表 2-21得，当有效行程为 616mm 时，即pe=11 m，upV=11 m，pe+pV300=11+8=19m 22.8 m，故满足设计要求。 8.2 确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 滚珠丝杠螺母副的规格型号为 FFZD4010-5-P2/1386 616，其 具体参数如下。公称直径与导程： 40mm， 10mm；螺纹长度： 1222mm；丝杠长度： 1386mm；类型与精度： P 类， 2 级精度。 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 27 9 微机控制系统的设计 9.1 设计内容 1.按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图； 2.选择计算机或中央处理单元的类型； 3.根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路； 4.根据控制对象以及系统工作要求设计扩展 I/O 接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等； 5.选择控制电路中各器件及电气元件的参数和 型号； 6.绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数； 7.说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证 。 9.2 设计步骤 1.确定硬件电路的总体方案。 数控系统的硬件电路由以下几部分组成： A 主控制器。即中央处理单元 CPU B 总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。 C 存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。 D 接口。即 I/O 输入输出接口。 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 28 图 9-1 数控系统的硬件框图 9.3 主控制器 CPU 的选择 MCS-51 系列单片机是集中 CPU,I/O 端口及部分 RAM 等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用8031 主控芯片。 9.4.存储器扩展电路设计 （ 1）存储器的扩展 单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用 EPROM 芯片。其型号有： 2761，其容量分别为 2K。在选择芯片时要考虑 CPU 与 EPROM 时序的匹配。8031 所能读取的时间必须大于 EPROM 所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择 2764 芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。 单片机规定 P0 口提供 8 为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低 8 位的地址信息，一般采用 74LS373 芯片作为地址锁存器，并由 CPU发出允许锁存信号 ALE 的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。 中央处理单元CPU 存储器 RAM ROM 输入 /输出 I/O 接口 信号变换 控制对象 外设： 键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 29 由以上分析，采用 2764EPROM 芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示： 图 9-2 扩展 2764 电路框图 （ 2）数据存储器的扩展 由于 8031 内部 RAM 只有 128 字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用 6116,6262静态 RAM 数据存储器。本次设计选用 6264 芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示： 图 9-3 扩展 6264 电路框图 P1.7 P1.0 P2.4 P2.0 ALE P0.7 P0.0 PSEN EA CE A12 A8 2764 A7 A0 OE D7 D0 译码电路 G 74LS372 P2.4 P2.0 ALE P0.7 P0.0 EA WR RD 1CE A12 A8 A7 6264 A0 D7 D0 WE OE OE D0 译码电路 G 74LS372 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 30 （ 3）译码电路 在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简 单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于 RAM 和 I/O 容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。 （ 4）存储器扩展电路设计 8031 单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。 该设计选用程序存储器 2764 和数据存储器 6264 组成 8031 单片机的外存储器扩展电路， （ 5） I/O 扩展电路设计 (a) 通用 可编程接口芯片 8155 8031 单片机共有 4 个 8 位并行 I/O 接口，但供用户使用的只有 1 口及部分P3 口线。因此要进行 I/O 口的扩展。 8155 与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。 (b) 键盘，显示器接口电路 键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用 I/O 口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。 数控系统中使用的显示器主要有 LED 和 LCD。采用 8155 接口管理的键盘，显示器电路。它有 4x8 键和 6 位 LED 显 示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线及 LED 显示器的字位控制共用一个口，即共用 8155 的 PA 口进行控制，键盘的行线由 8155C 口担任，显示器的字形控制由 8155 的 PB 口担任。 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 31 9.5 步进电机驱动电路设计 （ 1）脉冲分配器 步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器 YB013。采用 YB013 硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下： （ 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。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下： （ 3）功率放大器 脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。 9.6 其它辅助电路设计 （ 1） 8031 的时钟电路 单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。 内部方式利用芯片的内部振荡电路，在 XTAL1,XTAL2 引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在 1.212 之间任意选择，耦合电容在 530pF 之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将 XTAL1 直接接地， XTAL2 接外部时钟源。 (2)复位电路 单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在 RESET 引脚上出现 10ms 以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后 CPU 便从 0000H 单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平 与 8031 复位要求一致时，可以直接相连。当晶振频率选用 6MHz 时，复位电路中 C 取 22 F，R 取 200 ，KR取 1000 。 （ 3）越界报警电路 湖北工业大学工程技术学院（毕业论文） 32 为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至 8031 的 I/O 口 P1.0。当任何一 个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。 8031 可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至 8031 的外部中断引脚（ INT0 或 INT1），采用中断方式检查越界信号。 9.7 机床数控系统硬件电路设计 该系统选用 MCS-51 系列的 8031 作为主控制器。扩展存储电路为一片2761EPROM 和一片 6264RAM。程序存储器扩展为，数据存储器扩展为 8K。 2732 的片选控制端 CE 直接 接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU 从 0000H 开始执行监控程序。 6264 的片选端 CE 由译码器（ 74LS138）的Y2 输出提供。所以 6264 的空间地址为 40005FFFH。 系统的扩展 I/O 接口电路选用通用可编程并行输 入 /输出接口芯片 8155。8155 的片选端 CE 接至译码器（ 74LS138）的 Y4 的输出端，故 8155 控制命令寄存器及 PA， PB， PC 口的地址