机械机床毕业设计144牛皮切边机的数控系统及传动机构设计（含全套CAD图纸）.doc
机械机床毕业设计144牛皮切边机的数控系统及传动机构设计（含全套CAD图纸）
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机械机床毕业设计144牛皮切边机的数控系统及传动机构设计（含全套CAD图纸）,机械毕业设计论文
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1 总体方案设计 国内外发展现状 专用机床是一种专门适用于特定零件和特定工序加工的机床，而且往往是组成自动生产线式生产制造系统中，不可缺的机床品种。组合机床是专用机床的一种，它以标准化部件为基础，配以少量的专用部件组成。而目前一些机床厂对其生产的通用机床若作改动时，也习惯用专用机床来取代。比如数控车床由于盘改为专用设计的，这台数控车床则不用原机床型号，而采取编专用机床号的办法。由于专用机床是一种量体裁衣产品，具有高效自动化的优点，是大批量生产企业的理想装备。随着制造技术的进步，数控技术的普及，专用机床的数控 化发展也很快，专用机床在生产实践中占有一定的比重。据有关资料介绍，日本 2001年专用机床产值占机床产值的比达到 8.8%；我国台湾省这一数字达到 6.9%;而我国仅为 0.67%。所以，在当前产品结构调整中，发展专用机床是行业发展中的一个值得注意的问题 。 专用机床及其自动化生产线的制造，与大量生产汽车等性质不一样，也与普通机床的制造性质不一样，它具有两个极其鲜明的特征：一是集成性。用户订购专用机床都是要求交钥匙工程，它集加工工艺（含工艺方法及工艺参数），机床、夹具、工具（包含辅助）的开发设计与选择，检验测量（ 包括进入机床前的毛坯检验、加工中及成品的检验测量）物流的输送，切屑和冷却液的防护与处理等于一体。它不仅仅解决其中的某一问题，而是要解决好涉及较宽的技术领域可能遇到的每一个问题。二是单一性。专用机床几乎都是单台性生产， 要根据用户提出的要求，进行一次性开发，一次性制造，而且还要保证一次性成功。 根据长期 有关 从事专用机床及其自动生产线开发制造的 人员的 体会，将专用机床制造业的工作归纳为以下八个特点： A.技术难度大。由于它是集加工工艺、机床、夹具、辅具、刀具、检验测量、物流等于一体，实现交钥匙工程，从而涉及技术 领域宽且复杂，又是一次性制造，要保证一次成功，所以技术难度大。 B.是经营风险率高。专用机床（或自动线）根据用户订单“量体裁衣”制造的，不可能有试制探索过程，要确保一次成功，有相当大的技术风险。由于技术方案不当，造成局部或整体报废的情况屡见不鲜；由于一次性制造，在制造调试过程中难保不出现问题，解决这些总是需要时间，从而按期交货也有一定的风险；由于装备是专门为某一用户订做的，当该用户因种种原因不能如期付款、甚至无力付款时，势必造成制造企业的损失；在现行的金融制 度 还无法约束对方，产品无法转让他人的情况下，经营 显而易见 。 C.是协作困难大。由于是一次性制造，它不像汽车零部件那样大量生产，也不像通用设备那样批量生产，找协作厂家很困难。条件一般的企业，很难保证一次性制造出合格的产品；条件好的企业，又不愿当配角，对这种委托协作看不上。 D.是技术依赖性强。专用机床及其自动线从设计、工艺编制、生产制造到装nts 2 配调试的全过程，都需要一批有经验的技术人员、管理人员和技术工人。 E.是利润空间小。在国外不同的生产模式的企业（指大量生产、批量生产或单件小批生产），其生产产品的效益相差不会太大，但国内这几种生产模式的企业效益却相 差悬殊。如果做一比较，就很能说明问题，假如国外的某种产品价格为 1，相对国内轿车价格则为 1.15-1.25，对通用机床国内的价格为 0.7 左右，而国内专用机床的价格仅为 0.3-0.4。 由于国情或用户对专用机床制造业不够理解等原因，专用机床的销售价格总体偏低。近几年，国内市场专用机床的单台平均售价呈下降趋势，以组合机床为例，其单台平均售价从 1996年的 31万多元下降到 2000年的 23万多元，降幅达25%。在国外购买一台标准的加工中心的费用和为其配全成加工某种零件所需的夹具、刀具及相关辅具的费用之比，一般是 100:60 左右，之所以后者占有如此高的比例，是因为除了考虑硬件的消耗外，更多是考虑技术的投入和由此而带来的风险。而国内这一比值一般用户仅能接受 100:25左右。如果在考虑 5%的质量保证金要在一年后才能拿到，这种种原因把产品的利润压缩到极小的空间。 F.是技术成长期长。专用机床的设计制造涉及专业面广，要具备较丰富的工艺知识，要比较熟悉用户的制造工艺，要保证一次成功，培养一名熟练的主管设计师，要花几年时间，才能做出好的产品设计、好的制造工艺，生产出好的产品，技术成长期要长。 G.是人员流动困难。由于订单不均衡 ，会引起生产的不均衡，国外除了零部件外协条优越外，还有成熟的技术劳动力市场，企业可以根据订单情况输出或吸收有关劳动力，使这与企业生产相适应。国内则无法做到这一点，有时可以招些临时工，但多数只能承担一些辅助性工作，熟练技工则难以寻求。 H.是技术引进困难，与国外合作难。由于专用机床是一次性设计制造，引进技术若仅供一次使用，则成本太高，很难实现。到目前为止，我国专用机床制造业没有一家谈成合资，虽有接触，但都仅限于具体项目的合作。 八个特点，八种原因，既相互关联，又各具特性，但确实是影响我国专用机床制造业发展 的重要方面。今天，我们要调整机床工业的产业结构，发展专用机床是一项十分重要的工作。 为此，从总体战略和技术路线两个层次及数控系统、功能部件、数控整机等几个具体方面探讨了新世纪的发展途径。 国外利用数字计算机进行控制加工，是从 40 年代开始的，当时计算机用于对 机机翼加工路径进行数据处理。 1952 年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从 60 年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。 1974 年微处理机 直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。从此，数控机床在制造业中担当了十分重要的角色。 我国数控机床的研制是从 1958年开始的，经历了几十年的发展，直至 80年nts 3 代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。目前，我国铣 床的加工水平与发达国家相比设备陈旧，技术水平落后，严重影响了生产力的发展，采用先进的数控 机 床，已经成为我国制造加工技术发展的总趋势。 总体方案 由于该设计是专用机床设计，所以在考虑具体方案时， 应遵守的基本原则是在满足使用要求的前提下，尽量降低成本 。 要求切削的工作效率高，机床的控制可靠，工作运行平稳，应用范围广。 工作台的设计 由于机床采用了专门的 控制软件通过数控系统控制走刀的路径。 以直线路径替代加工轮廓的各种曲线，大大提高了工作效率。所以将工作台设计成圆形工作台，使工作台仅作平稳，快速的圆周运动。 工作台传动机构的设计 由于工作台要求是快速，平稳，所以采用 二级传动， 以减轻步进电机对工作台的冲击。由步进电机带动蜗杆传动，再由蜗杆带动蜗轮轴，在通过一对斜齿带动工作台作圆周运动，电机放在工作台与机床主 轴箱之间。 数控部分设计 根据设计要求，本微机数控系统采用连续控制系统。 采用以步进电机驱动的开环控制。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点 。 nts 4 机械部分设计 传动部分的 说明 本 次设计的牛皮切边专用机床是双工位机床，即由一独立步进电机带动滚轴丝杠，使得走刀路径走直线运动， 在由步进电机带动二个工作台作圆周运动，完成加工任务。走刀路径为 X轴，二个工作台分别为 Y轴和 Z轴 。 总体 设计如图 3-1所示： 工作台步进电机步进电机步进电机图 3-1 机床尺寸联系图俯视图 蜗轮的设计 采用圆弧圆柱蜗杆传动，其特点是： a.齿廓凸凹齿合的形式，而共轭曲面的当量曲率半径达。单位齿面压力小。因而接触强度得到提高。 b.瞬时接触线方向与相对滑动速度方向的夹角比较大， 有利于形成和保持共轭齿面间的动压油膜。能够减小磨损，提高传动效率及可高性 c.基本齿廓为圆弧齿形，只要齿形参数选择合适，就能增大齿跟厚度，提高齿的弯曲强度和抗冲击能力。 d.设计方便，工艺简单。制造加工无需 特殊专用机床。 e.采用蜗轮正变位，变位系数一般在 0.5 以上齿合性能好，能保证传动质量，当然也应该注意防止大变位引起的理论齿合区减少，蜗轮齿面边切区扩大。以至齿顶尖等现象。 总之它具有承载能力大，传动效率高。使用寿命长，重量轻，结构紧凑等优点。 如图 3-2所示： nts 5 图 3-2 圆弧圆柱蜗杆 蜗轮的参数计算 A.模数 m 和压力角 通过蜗杆轴线并垂直蜗轮轴线的平面称中间平面。在中间平面上，蜗杆与蜗轮的啮合相当于齿条和齿轮啮合。阿基米德蜗杆传动中间平面上 的齿廓为直线，夹角为 2=40 蜗轮在中间平面上齿廓为渐开线，压力角等于 20 。显然，蜗杆轴向齿距1xp（相当于螺纹螺距）应等于蜗轮端面齿距2tp，因而蜗杆轴向模数1tm必等于蜗轮端面模数2tm；蜗杆轴向压力角1x必等于蜗轮端面压力角2t，即1tm=2tm=m，1x=2t= 。标准规定压力角 =20 。 B.蜗杆标准直径 1d 为了保证蜗杆与蜗轮正确啮合，蜗轮通常用与蜗杆形状和尺寸完全相同的滚刀加工。区别在于蜗轮滚刀有刃槽，且外径比蜗杆稍大，以便切出蜗杆传动的顶隙。也就是 说，切 削蜗轮的滚刀不仅与蜗杆模数和压力角一样，而且其头数和分度圆直径还必须与蜗杆的头数和分度圆直径一样。即同一模数蜗轮将需要有许多把直径和头数不同滚刀。为了限制滚刀数目和有利于滚刀标准化，以降低成本，特制定了蜗杆分度圆直径系列国家标准，即蜗杆分度圆直径 1d 与模数 m 有一定的搭配关系，由 此 可见，同一模数只有有限几种蜗杆直径 1d 。将蜗杆的分度圆柱展开，如右图所示。蜗杆同螺旋一样如果旋转一周的周长为 1d 其螺旋升角为 ，则沿轴线移动距离为 1z 1p （ p 为蜗杆轴向齿距）则可得： qzd mzd mzdpz x 111111 11ta n (3-1) tan11 zmdq (3-2) 式中 q 为蜗杆分度圆直径与模数的比值，称为蜗杆直径系数，由上nts 6 式可知， q 值越小，即蜗杆直径 1d 越小，则升高 越大，传动效率越高，但直径 1d 变小会导致蜗杆的刚度和强度削弱，设计时应综合考虑。一般转速高的蜗杆可取较小 q 值，蜗轮齿数 2z 较多时可取较大 q 值。 C.蜗杆螺旋升 角 与蜗轮螺旋角 一对蜗杆蜗轮啮合时，蜗轮螺旋角 与蜗杆螺旋升角 大小相等，且旋向相同，才能吻合一致，即 = 。 D.蜗杆头数 1z 和蜗轮齿数 2z 蜗杆头数愈多， 角愈大，传动效率高；蜗杆头数少，升角 也小，则传动效率低，自锁性好。一般自锁蜗杆头数取 1z =1。常用蜗杆头数 1z =1、2、 4， 1z 过多，制造高精度蜗杆和蜗轮滚刀有困难。蜗轮齿数 2z =i1z 。和 2z 推荐值。为了避免根切， 2z 不应少于 26，但也不宜大于 60-80。 2z 过多时，会使结构尺寸过大，蜗杆支承跨距加大，刚度下降，影响啮合精度。 E.传动比 i 和中心距 a 对于减速蜗杆传动 ta n1 21221 d dzznni （ 3-3） 式中： 和 分别为蜗杆和蜗轮的转速 r/min。对于单级动力蜗杆传动，i=5 80，常用 15 50。普通圆柱蜗杆减速装置传动比 i 的公称值，推荐按下列数值送取： 5； 7.5； 10； 12.5； 15； 20； 25； 30； 40； 50； 60；70； 80，其中 10； 20； 40 和 80 为基本传动比，应优先采用。非变位的标准蜗杆传动的中心距为 )(2)(21 221 zqmdda （ 3-4） 式中， 2d 为蜗轮分度圆直径， 2d = 2z m 国家标准规定了中心距标准系列值： 40 50 63 80 100 125 160（ 180） 200 250. （ 280） . 315. 355. 400. 450. 500 另外，为了配凑中心距，蜗杆传动常需要变位 。 所以 取中心距 a=100mm 蜗杆头数 Z1=3 蜗轮齿数 Z2=31 变位系数 X2=0.5 蜗杆传动的受力分析 ： 蜗杆传动的受力分析与斜齿轮传动相似。通常不考虑摩擦力的影响。 蜗杆传动时，齿面间相互作用的法向力nF可分解为三个相互垂直的分力：切向力tF，径向力 F r 和轴向力xF。 蜗杆，蜗轮所受各分力大小和相互关系如下 : nts 7 ta n2221212121121trrxtxtFFFdTFFdTFF(3-5) 式中：1xF、1tF、 1rF 分别为蜗杆所受的切向力，轴向力，径向力；2xF、 2rF 、2tF分别为蜗轮的切向力，轴向力，径向力； 1d 、 2d 、分别为蜗杆，蜗轮的分度圆直径； 为压力角， T1、 T2 分别为蜗杆和蜗轮的转矩， iTT 12 ,i 为传动比， 为蜗杆传动的总效率。 蜗杆，蜗轮上各分力方向的判定方法如下：切向力方向对主动件蜗杆，与其运动方向相反；对从动件蜗轮，与其受力点运动方向相同。径向力各自指向轮心。而蜗杆轴向力的方向则与蜗杆转向和螺旋线旋向有关。用左（右）手定则来判 定比较方便：右旋蜗杆用右手，左旋蜗杆用左手，四指顺着蜗杆转动方向，四指伸直所指方向即为蜗杆轴向力1xF的方向。蜗杆轴向力1xF的反方向即蜗轮的切向力2tF的方向。 蜗杆传动的强度计算 蜗轮齿面接触疲劳强度计算蜗轮齿面接触疲劳强度的计算主要是为了防止齿面产生点蚀。钢蜗杆与青铜或灰铸铁蜗轮配对时，齿面接触疲劳强度公式如下： 校核公式 )(50022212 M padGdKTHH （ 3-6） 设计公式 )(500 3222212 mmZGKTdmH （ 3-7） 式中， K为载荷系数，用以考虑载荷集中和动载荷的影响。一般 K=1.1 1.5。当载荷平稳、蜗轮圆周速度 3m/s 和 7 级以上精度时，取较小值，否则取较大值； 为蜗轮许用接触应力（ MPa）， G 为承载能力提高系数，对于普通圆柱蜗杆传动， G=1；对于圆弧圆柱蜗杆传动， G=1.10-3.9。当中心距 a 和蜗轮齿数 较小时， G 取较大值；其他符号意义和单位同前。 2蜗轮轮齿弯曲疲劳强度计算对于闭式蜗杆传动，轮齿弯曲折断的情况较少出现，通常仅在蜗轮齿数较多 ( 80 100)时才进行轮齿弯曲疲劳强度计算。对于开式传动，则按蜗轮轮齿的弯曲疲劳强度进行设计 。 A.按接触疲劳强度计算 a.选 1z ,2z 取 1z =3,则 311212 znnz 。 b.蜗轮转矩 2T nts 8 mmNinpiTT 1609001055.9 1116112 c.载荷系数 K K=1.1 d.材料系数 ez MPaZ e 155 e. 12dm 3222212 )40178 15525.3(0016091.1)25.3( mmZZKTdm H E 35.878 mm f.初选 m, 1d m=4.8 ， 1d =46.4mm q=13 此时 12dm =1069.056 3mm g.导成角 0 .2 3 0 7133ta n 1 qz 161307a rc ta n 0 .2 3 h.许用接触应力 H M PaZ OHNH 22081.0 =178MPa 其中 MPaOH 220 B计算传动效率 a.齿合效率 1 v 611 )1611613t a n ( 1613t a n)t a n ( t a n v1 0.91 （ 3-8） b.传动效率 89.098.0191.0321 （轴承效率 2 =1，润滑效率 3 =0.98） c.检验 12dm 值 mmNiTT 89.0101 4 6 031055.9 6112 （ 3-9） =160900 mmN nts 9 22212 )25.3( ZZKTdm H E35.878 mm 1069 3mm 原选参数强度足够 C确定传动的主要尺寸 m=4.8mm, 1d =46.4mm, 1z =3, 312 z 中心距 a=100mm a.蜗杆尺寸 分度圆直径 d 1d =46.4mm 齿顶圆半径 mmhddaa 56)8.424.46(2 111 齿根圆半径 mmhddff 88.34)8.42.124.46(211 导程角 1613 右旋 轴向齿距 mmmpx 072.158.41 轮齿部分长度 mmmmzmb 08.82)311.014(8.4)08.011( 21 取 1b =85mm b.蜗轮尺寸 分度圆直径 d mmd 8.1482 齿顶圆半径2admmhddaa 4.158)8.428.148(222 齿根圆半径2fdmmhddff 28.137)8.42.128.148(222 外圆半径2edmmmddae 2.151)8.45.14.158(5.122 蜗轮轮齿宽度 2b mmdba 425675.075.0 12 螺旋角 2 16132 齿宽角 9 05.04.46422s in 12 dbnts 10 130 咽喉母圆半径2grmmmmdarag 9.20)2/2.158100(2/22 齿轮的设计 压力角的选择 增大压力角 ，齿轮的齿厚及节点处的齿廓曲率半径亦皆随之增加，有利于提高齿轮传动的弯曲强度及接触强度。我国对一般用途的齿轮传动规定的压力角为 =20 o。为增强航空有齿轮传动的弯曲强度及接触强度 ，我国航空齿轮传动标准还规定了 =25 o的标准压力角。但增大压力角并不一定都对传动有利。对重合度接近 2的高速齿轮传动，推荐采用齿顶高系数为 1 1.2，压力角为 16 o18 o 的齿轮，这样做可增加齿轮的柔性，降低噪声和动载荷。 小 齿轮齿数 Z1的选择 若保 持齿轮传动的中心距 不变，增加齿数，除能增大重合度、改善传动的平稳性外，还可减小模数，降低齿高，因而减少金属切削量，节省制造费用。另外，降低齿高还能减小滑动速度，减少磨损及减小胶合的可能性。但模数小了，齿厚随之减薄，则要降低齿轮的弯曲强度。不过在一定的齿 数范围内，尤其是当承载能力主要取决于齿面接触强度时，以齿数多一些为好。 闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，以齿数多一些为好，小一些为好，小齿轮的齿数可取为 z1 。开式（半开式）齿轮传动，由于轮齿主要为磨损失效，为使齿轮不致过小，故小齿轮不亦选用过多的齿数，一般可取 z1=17 20。 为使齿轮免于根切，对于 =20 o的标准支持圆柱齿轮，应取 z117 。 Z2=uz 1。 齿宽系数a的选择 )1(5.0/ 1 ud baba （ 3-10） 由齿轮的强度公式可知，轮齿越宽，承载能力也愈高，因而轮齿不宜过窄；但增大齿宽又会使齿面上的载荷分布更趋不均匀，故齿宽系数应取得适合。圆柱齿轮齿宽系数的荐用值列于下表。对于标准圆柱齿轮减速器，齿宽系数取为 ad udb )1(5.01 （ 3-11） 所以对于外捏合齿轮传动a的值规定为 0.2， 0.25， 0.30， 0.40， 0.50， 0.60，0.80， 1.0， 1.2。运用设计计算公式时，对于标准减速器，可先选定再用上式计算出相应的d值 nts 11 表 3-1 圆柱齿轮的齿宽系数d装置状况 两支撑相对小齿轮作对称布置 两支撑相对小齿轮作不对称布置 小齿轮作悬臂布置 d0.9 1.4（ 1.2 1.9） 0.7 1.15（ 1.1 1.65） 0.4 0.6 注： a.大、小齿轮皆为硬齿面时d应取表中偏下限的数值；若皆为软齿面或仅大齿轮为 软齿面时d可取表中偏上限的数值； b.括号内的数值用于人 字 齿轮，此时 b 为人字齿轮的总宽度； c.金属切削机床的齿轮传动，若传递的功率不大时，d可小到 0.2； d.非金属齿轮可取d0.5 1.2。 对接触疲劳强度计算，由于点蚀破坏发生后只引起噪声、振动增大，并不立即导致不能继续 工作的 后果，故可取 S=nS=1。但是，如果一旦发 生断齿，就会引起严重的事故，因此在进行齿根弯曲疲劳强度的计算时 S=nS=1.251.5. 齿轮精度选择 齿轮精度选择各类机器 所用齿轮传动的精度等级范围，列于下表中，按载荷及速度推荐的齿轮传动精度等级如 下图 所示。 表 3-2 各类机器所用齿轮传动的精度等级范围 机器名称 精度等级 机器名称 精度等级 汽轮机 拖拉机 金属切削机床 通 用减速机 航空发动机 锻压机床 轻型汽车 起重机 载重汽车 农用机器 注：主传动齿轮或重要的齿轮传动，精度等级偏上限选择；辅助传动的齿轮或一般齿轮传 动，精度等级居中或偏下限选择。 nts 12 图 3-3 齿轮传动的精度选择圆柱齿轮传动 轴的 结构 设计 轴主要有轴 颈、轴头、轴身三部份组成。 轴的结构设计的主要要求是： a.装在轴上的零件有确定的位置。且布置合理。 b.轴受力合理，能可靠的传递力和转距，有利于提高强度和刚度 c.具有良好的工艺性。 d.便于装配和调整。 e.节省材料，减轻质量 nts 13 花键 图 3-4 矩形 花键的形状 A.矩形花键 矩形花键的齿廓如图所示可用磨削方法获得较高的精度，应用广泛。 矩形花键按齿数和齿高的不同，在标准中规定了两个尺寸系列：轻系列和中系列。轻系列用于载荷较轻的静连接，中系列 用于中等载荷。 矩形花键链接的定心方式为小径定心， 故对轴和孔德小径都进行磨削加工。尽管加工复杂。但定心精度高 B.渐开线花键 渐开线花键的齿廓为渐开线，标准压力角有 30度和 45度两种。与矩形花键相比，齿根较厚，应力集中较小，强化高。花键轴可用加工齿轮的方法加工，工艺性好，但加工内花键的渐开线花键拉刀制造成本高，故常用于载荷大、定心要求高，且尺寸较大的连接。 渐开线花键链接的定心方式为渐开线齿形定心。具有自动定心作用，各齿承载均匀。 花键轴和花键孔通常用强度不低于 600MPa 的钢制造。在载荷作用下频繁移动 的花齿要 经过热处理，以获得足够的表面硬度。 工作台的 设计图 如图 3-5 所示 ： nts 14 AA1 ： 8图 3-5 工作台上半部分 如图 3-5所示 ， 工作台采用圆形，以减少转动惯量和工作台的重量，还可以减少转动时的阻力 。 工作台的加工示意 如图 3-6 所示： 步进电机刀具的旋转运动 离合器步进电机工作台作圆周运动 刀台的直线运动图 3-6工作台的工作示意图 nts 15 数控系统的设计 概述 本设计的任务是利用微机对 牛皮切边机的刀具路径进行控制设计 。运用微机对 专用机 床 刀具的横向和竖直方向 进给系统进行数字控制，并要达到 设计要求 ，刀 架要 设计 成自动控制的自动转位刀架 。 微机数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏直接影 响 整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床数控系统硬件电路概括起来由 CPU、总线、存储器以及 I/O接口四部分组成。其硬件结构框图如图所示。其中 CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。 I/O接口是系统与 外界进行信息交换的桥梁。总线则是 CPU与存储器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是 CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。 设计的内容： a.按照总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的的方案，并绘制微机控制系统的结构框图。 b.选择微机或 CPU的类型。 c.根据数控系统的具体要求设计存贮器扩展电路。 d.根据被控对象和系统工作要求，设计扩展 I/O接口电路、转换电路及驱动电路。 e.选择控制电路中各器件及电器元件的参数及型号， 绘制电气原理图。 图 4-1 数控系统硬件结构框图 存储器 RAM/ROM CPU I/O 接口 光电隔离 功率放大 控制对象 （步进电机） 外设、键盘 显示器等 nts 16 单片机的选择 根据总体方案的确定，微机已采用 MCS-51 系列单片机。 51 系列相对 48 系列单片机指 令更丰富，相对 96系列价格更便宜。 51系列有三种型号： 8031是无ROM 的 8051； 8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本设计就采用 8031单片机。 8031 单片机是美国 Intel 公司的产品 MCS 51 系列单片机的一个型号，是目前性能较高的 8 位单片微型计算机。 8031 单片机内部包含一个 8 位 CPU， 128字节的 RAM，两个 16 位定时 器，四个八位并行口，一个全功能串行口，可扩展的外部程序存储器和数据存储器的容量个 64K 字节，具有 5个中断源并配有两个优先级，还有 21个特殊功能寄存器。 从上述特性可以看出，一块 8031单片机的功能几乎相当于一块 Z80CPU，一块 RAM，一块 Z80CTC，两快 Z80PIO和一块 Z80SIO组成的微型计算机系统。所以8031单片机是一种理想的 8位微型计算机，在各种数控系统中的到广泛的应用。 8031单片机是一个有 40根引脚的双列直插式器件。其引脚功能说明如下： VCC：编程和正常操作的电源电压端，电压为 +5V； VSS：地电平； P0口： 8位双向 I/O口，既是数据线，又是低 8位地址线，分时使用； P1口： 8位双向 I/O口，可供用户使用的接口； P2口： 8位双向 I/O口，系统外部存储器扩展时，作高 8位地址线使用，系统不需要扩展时，也可以供用户使用； P3 口： 8 位双向 I/O 口，是一个双功能口。第一功能和 P1 口一样可以作为通用 I/O口，工作于第二功能时，各端口的定义如下： P3.0 RXD，串行输入； P3.1 TXD，串行输出； P3.2 INT0，外部中断输入； P3.3 INT1，外部中断输入； P3.4 T0， 定时器 0外输入端； P3.5 T1，定时器 1外输入端； P3.6 WR，写信号； P3.7 RD，读信号。 ALE/PROG：访问外部存储器时，用于锁存地址线低 8位字节的地址锁存允许输出。 ALE 提供一个定时信号，在与外部存储器存取数据时把 P0 口的低位地址字节锁存到外接的锁存器中。这个引脚也是 EPROM 编程时的编程脉冲输入端（ PROG）。 PSEN：程序存储器允许输出，是外部程序存储器的读选通信号。 EA/VDD： EA 为高电平时， CPU 执行内部程序存储器的指令。 EA 为低电平时CPU执行外部程序存储器指令。使用 8031单片机时， EA必须接地。 XTAL1：振荡器的反相放大器输入，使用外部振荡器时必须接地； nts 17 XTAL2：振荡器的反相放大器输出，使用外部振荡器时，接受外部振荡信号； RST/VPD：复位控制，在振荡器运行时，使 RST 引脚至少保持两个机器周 期为 高电平时，可实现复位操作。 VPD引脚是掉电保护电路输入口。 存储器扩展 8031单片 机内只有 128字节的 RAM，没有 ROM。机床数控系统需要的程序存储器和数据存储器的容量都较大，必须外接程序存储器（ EPROM）和数据存储器（ RAM）芯片。 A.程序存储器的扩展，扩 展 ROM 常用的 EPROM 存储器有 2716， 2732， 2764， 27128， 27256 等，容量分别为2K、 4K、 8K、 16K， 32K。 a.27128EPROM 芯片 8031无内部 ROM，必须扩展外部 ROM。由于车床数控系统包括系统控制程序和加工程序，采用 16KB 8的 27128芯片，可与单片机所选的 12MHz 时钟相匹配。 27128EPROM芯片是一个有 28根引脚的双列直插式集成元件。该芯片共有 14根地址线 A0 A13， 8根数据线 D0 D7，其余的为控制线，定义分别是： CE 片选信号端； OE 取指允许 端； PGM 编程控制端； VPP 编程电压端（ 21V或 12.5V）； VCC +5V电源； VSS 地电平。 ROM的寻址范围为 0000H 3FFFH，并且采用译码器，使地址范围无重叠区。 b.地址锁存器 74LS373 单片机规定 P0 口提供低 8位地址线，同时又要作为数据线，所以 P0是一个分时输出低 8位地址和数据的通道口。为了把地址信息分离出来保存，提供外接存储器的低 8位地址信息，通常采用 74LS373 作为地址锁存器。 74LS373 作为地址锁存器。 D1 D8 是输入端， Q1 Q8是输出端， CE是片选端，片选端 G与 8031单片机的地址锁存信号 ALE连接。当片选端 G=1时， 74LS373的输出端与输入端相通，当 G端从高电平返回低电平（下降沿）时，输入的地址信息就被锁入 Q1 Q8中。 B.数据存储器扩展，扩展 RAM 8031 片内仅有 RAM128 字节，需扩展，采用 8KB 8 的 62256 芯片。其地址范围为 6000H 7FFFH，也采用译码器，使其无重叠区的地址范围。 a.地址译码器 74LS138 在单片机应用系统中，所有外部芯片都通过总线与单片机连接。单片机数据总线分时地与各个外部芯片进行数据传送，故需进行片选控制。若芯 片内有多个地址单元时，还要进行片内地址选择。 8031 单片机应用系统的地址译码规定，外部扩展芯片与数据存储器统一编址，所以外部芯片不仅占用数据存储器一定数nts 18 量的地址单元，而且要使用读 /写信号与读 /写指令完成数据传送。 经济型数控硬件结构中采用全地址译码方式。所谓全地址译码是：低位地址作为片内地址，高位地址用译码器译码，译码器输出的地址选择信号作为片选线连至每个外部芯片的片选端。 地址译码常用 74LS138 译码器， G1、 G2A 和 G2B 是赋能端， A、 B、 C 是选择端， Y0 Y7是输出端。 74LS138地址译码电路输 入端占用了 8031单片机的 P2.5 P2.7三根高位地址线，剩余的 13 根地址线用作数据存储器的内地址线。 74LS138 译码器每一个输出端可接一个外部芯片的片选端实现分时片选控制，因此，一个 74LS138 译码器的 8根输出端可以连接 8个 8K字节地址空间。单片机的读 /写信号经过与门后控制译码器的赋能端 G2A、 G2B，这就保证只有在读 /写状态时译码器输出端才会输出片选信号。 I/O 接口的扩展 8031只有 P1口 可作为普通 I/O口用，所以需扩展，采用 8255A 芯片进行扩展， 8255A 有 A、 B、 C 三个可编程的 8 位 I/O 接口，有 40 个引脚，各引脚的功能说明如下： 8255A的内部结构可分为四个部分： 数据总线缓冲器 是一个 8位的双向三态驱动器，用于与单片机的数据总线相连。 A.读 /写控制逻辑 根据单片机的地址信息（ A1、 A0）与控制信息（ RD、 WR、 RE、 SET），控制片内数据、 CPU控制字、外设状态信息的传送。 B.控制电路 根据 CPU送来的控制字使所管 I/O接口按一定工作方式工作。对 C口甚至可按位实现“置位”或“复位”。有 A、 B两组控制电路。 A组控制电路控制 A口及C口的高四位（ PC7 PC4）， B组控制 电路控制 B口及 C口的低 4位（ PC3 PC0）。 C.并行 I/O接口 有 A、 B、 C三个端口。 A口：可编程为 8位输入，或 8位输出，或双向传送。 B口：可编程为 8位输入，或 8位输出，按不能双向传送。 C 口：可分为两个 4 位口，用于输入或输出；也可用作 A 口、 B 口的状态控制信号。 键盘接口设计 采用 8279芯 片是比较好的，因为 8279 芯片是专用的键盘 /显示器接口芯片，还可以编程。采用一片 8279芯片和一片 8255A 即可。 8279芯片具有消颤（去抖动）、双键同时按下保护功能。显示控制亦按扫描方式工作，可以显示 8或 16个数码（字符）。 LED的个数应满足显示值（如加工范 围）的要求和便于显示。 nts 19 数码管显示电路 数码显示器是单片机应用产品中的廉价输出设备。它由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。这种笔画式的七段显示器，能显示的字符数量较少，但控制简单，使用方便。 动态显示是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描）。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既 与导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示的为数不大于 8位，则控制显示器公共极电位只需一个 8位并行口（称为扫描口）。控制各个显示器所显示的字形也需一个公用的 8位口（称为数据口）。 在 8031RAM 中设置 6 个显示缓冲单元 79H 7EH，分别存放 6 位显示器的显示数据。 8255 的 A 口扫描总是一位为高电平，即 6 位显示器中仅有一位公共阴极为低电平，其它为高电平。 8255 的 B 口输出相应位（阴极为低）显示数据的数据段，使某一位显示出一个字符，其它位为暗。依次地 改变 A口输出为高的位，B口输出对应的段数据， 6位显示器就显示出缓冲器显示数据所确定的字符。 软件设计 CNC 系统软件任务的分解 ： 图 4-2 CNC 系统软件任务 数控系统 加工程序 管理与操作模块 插补功能 间隙补偿 步进电机控制 速度控制 环行分配 管理模块 程序设计 自动换刀 程序设计 键盘程序 显示程序 键盘诊断 中断功能诊断 nts 20 步进电机的环行分配 步进电机 在一个脉冲的作用下，转过一个相应的步矩角，因而只要控制一定的脉冲数，即可精确控制步进电机转过的相应角度。但步进电机的各绕组必须按一定的顺序通电才能正确工作，这种使电机绕组的通电顺序按输入脉冲的控制而循环变化的装置称为脉冲分配器，又称环行分配器。 步进电机在运行中的 通电顺序称为一个拍，若干个拍组成一个循环，但是即使是同一种步进电机也能有不同的通电规律。 图 4-3 环行分配过程流程图 圆弧插补原理及其程序设计 本设计采用逐点比较法进行圆弧插补。逐点比较法又称为代数运算法或醉步法，它的基本原理是：数控装置在控制刀具按要求的轨迹移动过程中，不断比较刀具与给定轮廓的误差，由误差决定下一步刀具的移动方向，使刀具向减少误差X 分配 取当前序号 取转向符号 正转 序号减 1 序号加 1 序号 =0 序号 =9 序号 =8 序号 =1 保存新序号 建立新状态 保存新状态 返回 N N N Y Y Y nts 21 的方向移动，且只有一个方向移动。 利用逐点比较法进行插补每进给一步都要经过四个工作节拍，如图所示。 a.偏差判别 判别刀具当前位置相对于给定轮廓的偏离情况，以此决定刀具移动方向； b.进给 根据偏差判别结果，控制刀具相对于工件轮廓进给一步，即向给定的轮廓靠拢，减少偏差； c.偏差计算 由于刀具进给已改变了位置，因此应计算出刀具当前位置的新偏差，为下次判别作准备； d.终点判断 判别刀具是否已到达被加工轮廓线段的终点。若已到达终点，则停止插补；否则继续插补。如此不断重复上述四个 节拍就可以加工出所要求的轮廓。 图 4-4 逐点比较法的工作节拍 逐点比较法是我国数控装置中经常采用的一种插值运算方法，采用这种方法不仅可以加工直线轮廓，也可以加工圆弧曲线轮廓。其算法特点是：运算直观，插补误差小于一个脉冲量，输出均匀，而且输出脉冲的速度变化小，调节方便。因此，在两坐标联动的数控机床中应用教为广泛。 根据逐点比较法的特点和圆弧插补的规律，可概括出圆弧插补程序的流程框图如图所示。 由于本 设计的专用机床切削的走刀路经与以往的 X， Y 轴，或是 X， Y， Z 有所不同，应为本机床是将工作台的直线运动变成圆周运动，而刀具作直线运动，也就是 由刀具的直线运动 V 和 工作台的旋转 速度 W合成加工零件的走刀路线。 所以只要把其中一个变量换成工作台的角速度的变化就可以了。其插补原理不变。 偏差判别 进 给 偏差计算 终点？ 结束 Y N nts 22 图 4-5 圆弧插补的流程框图 插补开始 初始化：取起点、终点坐标值，确定象限及进给方向，确定终判计数器终值，清除偏差值为零等 是 SR1 吗？ F 0？ F 0？ 走 y F=F+2yi+1 yi=yi+1 走 x 走 x 走 y F=F-2xi+1 xi=xi-1 F=F+2xi+1 xi=xi+1 F=F-2yi+1 yi=yi-1 终判计数器？ 走 y，终判计数不便 走 x，终判计数减 1 走 x，终判计数不便 走 y，终判计数减 1 终 判 计 数 器=0？ 插补停止 N Y N Y N Y N Y Y nts 23 步进电机的控制及其程序设计 步进 电机也叫脉冲电机，是将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件。当给步进电机一个电脉冲信号时，步进电机便转动一个步距角。如按一定规律给步进电机一串连续电脉冲信号，步进电机便一步一步地连续旋转。 步进电机具有如下特点： a. 位移量与输入电脉冲数有严格的对应关系，步距误差不会积累。 b. 稳定运行时的转速与控制脉冲的频率有严格的对应关系。 c.控制性能好 ，在一定的频率下，能按控制脉冲的要求快速起、停和反转。 改变控制脉冲频率，电动机的转速就随着变化，并可在很宽的范围内平滑调节。 d. 控制系统简单，工作可靠，成本低。但其控制精度受到步距脚的限制。 所以，步进电机广泛用于数模转换、速度控制和位置控制系统中，是开环数控系统的理想执行元件。 步进电机的控制主要由脉冲分配和驱动电路两部分组成。步进电机脉冲控制任务主要有三点：一是控制电机的转向，二是控制电机的转速，三是控制电机的转角（步数）。 控制输送给电机的脉冲数就控制了电机相应的转角数。控制输送的脉冲频率可以控 制电机的转速，控制电机的转向必须控制输送脉冲给电机绕组的 顺序分配，这种分配称为环行分配。 三相六拍的通电顺序为： 正转： A AB B BC C CA 反转： A AC C CB B BA 表 4-1 三相六拍的通电顺序 节 拍 通 电 相 控 制 模 型 正 转 反 转 二进制 十六进制 1 6 A 00000001 01H 2 5 AB 00000011 03H 3 4 B 00000010 02H 4 3 BC 00000110 06H 5 2 C 00000100 04H 6 1 CA 00000101 05H 步进电机的变加速度变速控制及程序设计 软件实现变加速度运行的 程序设计的基本思路 : a.累加脉冲 (频率为 f0)和指令脉冲 (频率为 f指 )的产生 累加脉冲和指令脉冲若采用软件延时的方法产生 ,需设置两个计数器 C0和 C1,每个机器指令周期减 1,当其值减至 0时发出一个累加脉冲 ,同时 C0赋初值 ,C1值减 1，重复上述过程。当 C1值减为 0时发出一个指令脉冲。由此可知，计数器 C1中的初值表示了脉冲累加脉冲频率 f0 和指令脉冲频率 f 指的比值。 nts 24 b.误差寄存器中存数 N的计算 根据 N=N指 -N 出，每当 CPU产生一个指令脉冲时，积存器中的值加 1；每当累加器产生溢出，积存器中的值减 1。 c.误 差积存器中存数 N的累加及输出进给脉冲的产生 每当 CPU产生一个累加脉冲时，将误差积存器中的数 N与上次存贮在积存器B中的累加数相加，若产生溢出，则发送一个输出进给脉冲，将在累加器的余数存入积存器 B；若无溢出，将累加结果存入寄存器 B中。 图 4-6 变加速度运行控制程序框图 a)主程序框图 b)累加脉冲产生框图 中断功能诊断 MCS-51 单片机有 5 个中断源，其两个定时器溢出中断，内部、外部、串行口各一个中断源。如果对每一个中断源一一诊断，比 较费事。实际应用中，常选用以最频繁中断的中断源作诊断。中断功能诊断程序设计的基本思路是：先让中断源允许中断，并在中断子程序中作一件事来通知自检程序，则可
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