XK716数控机床z向直流伺服进给系统系统设计说明书_doc.txt
XK716数控机床z向直流伺服进给系统系统设计【3张CAD图纸+说明书完整资料】
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XX大学课程设计(论文)XK716数控机床z向直流伺服进给系统系统设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日PAGE V摘 要数控机床即数字程序控制机床，是一种自动化机床，数控技术是数控机床研究的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。本文主要设计X716数控铣床Z向进给系统设计部分，机械结构采用直流伺服电机与滚珠丝杠直接相连的方式，其控制方式采用直流伺服驱动系统半闭环控制。在对进给系统机械结构进行设计的过程中，主要对滚珠丝杠螺母副和直线滚动导轨副进行了计算、校核，确保了机械传动部件的精度和刚度；通过计算，选择了电气驱动部分，包括直流伺服电机和与之匹配的伺服单元。关键词：直线滚动导轨；滚珠丝杠螺母副；直流伺服电机PAGE 44AbstractNC machine tool is the digital process control machine tool, is an automated machine tools, CNC technology is the core of numerical control machine tool research, is the manufacturing industry that realizes the automation, network, flexible, integrated foundation. With the development of manufacturing technology, modern CNC machine tools with the aid of the modern design technology, process intensification and the new function part make machine processing range, dynamic performance, the processing precision and reliability are greatly improved.In this paper, the main design X716 Z milling machine CNC feed system design part, the mechanical structure of DC servo motor and ball screw directly connected, the control of DC servo drive system semi closed loop control. On the feeding system of the mechanical structure of the design process, mainly on the ball screw nut pair and the linear rolling guideway were calculated, verification, to ensure that the mechanical transmission precision and rigidity; by calculating, chose electrical driving part, including DC servo motor and the matched servo unit.Key words: Linear rolling guide; ball screws; DC servo motor目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc344371778 摘 要 PAGEREF _Toc344371778 h I HYPERLINK l _Toc344371779 Abstract PAGEREF _Toc344371779 h II HYPERLINK l _Toc344371780 目录 PAGEREF _Toc344371780 h III HYPERLINK l _Toc344371781 第1章 前言 PAGEREF _Toc344371781 h 1 HYPERLINK l _Toc344371782 1.1 课题研究的背景必要性 PAGEREF _Toc344371782 h 1 HYPERLINK l _Toc344371783 1.2 数控机床的产生和发展 PAGEREF _Toc344371783 h 2 HYPERLINK l _Toc344371784 1.2.1数控机床的产生 PAGEREF _Toc344371784 h 2 HYPERLINK l _Toc344371785 1.2.2数控系统的发展 PAGEREF _Toc344371785 h 2 HYPERLINK l _Toc344371786 1.3 我国数控技术的发展概况 PAGEREF _Toc344371786 h 2 HYPERLINK l _Toc344371787 1.3.1数控技术再国民经济中的重要地位 PAGEREF _Toc344371787 h 2 HYPERLINK l _Toc344371788 1.3.2 我国数控机床的发展历程与成就 PAGEREF _Toc344371788 h 3 HYPERLINK l _Toc344371789 1.3.3我国数控机床发展存在的问题与对策 PAGEREF _Toc344371789 h 5 HYPERLINK l _Toc344371790 1.4 数控机床的发展趋势 PAGEREF _Toc344371790 h 6 HYPERLINK l _Toc344371791 1.5 数控铣床的主要功能及特点 PAGEREF _Toc344371791 h 7 HYPERLINK l _Toc344371792 1.6 数控铣床的分类和应用： PAGEREF _Toc344371792 h 7 HYPERLINK l _Toc344371793 1.6.1 数控铣床的分类 PAGEREF _Toc344371793 h 7 HYPERLINK l _Toc344371794 1.6.2 数控铣床的应用 PAGEREF _Toc344371794 h 7 HYPERLINK l _Toc344371795 1.5 XK716数控机床的参数 PAGEREF _Toc344371795 h 7 HYPERLINK l _Toc344371796 1. 6本章小结 PAGEREF _Toc344371796 h 8 HYPERLINK l _Toc344371797 第2章 Z向进给传动系统的设计和计算 PAGEREF _Toc344371797 h 9 HYPERLINK l _Toc344371798 2.1 进给伺服系统的设计 PAGEREF _Toc344371798 h 9 HYPERLINK l _Toc344371799 2.1.1 对进给伺服系统的基本要求 PAGEREF _Toc344371799 h 9 HYPERLINK l _Toc344371800 2.1.2 进给伺服系统的设计要求 PAGEREF _Toc344371800 h 9 HYPERLINK l _Toc344371801 2.1.3 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 PAGEREF _Toc344371801 h 10 HYPERLINK l _Toc344371802 2.2 切削参数计算 PAGEREF _Toc344371802 h 10 HYPERLINK l _Toc344371803 2.2.1 精度 PAGEREF _Toc344371803 h 10 HYPERLINK l _Toc344371804 2.2.2铣削工件时铣削力的计算 PAGEREF _Toc344371804 h 10 HYPERLINK l _Toc344371805 2.2.3 进给工作台工作载荷计算 PAGEREF _Toc344371805 h 11 HYPERLINK l _Toc344371806 2.2.4首先初步估算工作台的重量 PAGEREF _Toc344371806 h 13 HYPERLINK l _Toc344371807 2.2.5 铣削用量选择 PAGEREF _Toc344371807 h 13 HYPERLINK l _Toc344371808 2.2.6 铣削力的计算 PAGEREF _Toc344371808 h 14 HYPERLINK l _Toc344371809 2.3 Z向滚珠丝杠副计算与选择 PAGEREF _Toc344371809 h 15 HYPERLINK l _Toc344371810 2.3.1动载荷计算 PAGEREF _Toc344371810 h 15 HYPERLINK l _Toc344371811 2.3.2选用 FC1-4020-2.5型丝杠 PAGEREF _Toc344371811 h 16 HYPERLINK l _Toc344371812 2.3.3 稳定性验算 PAGEREF _Toc344371812 h 16 HYPERLINK l _Toc344371813 2.3.4 刚度验算 PAGEREF _Toc344371813 h 18 HYPERLINK l _Toc344371814 2.3.5 效率验算 PAGEREF _Toc344371814 h 19 HYPERLINK l _Toc344371815 2.4 Z向直流电机选择计算 PAGEREF _Toc344371815 h 19 HYPERLINK l _Toc344371816 2.5导轨的设计与选型 PAGEREF _Toc344371816 h 24 HYPERLINK l _Toc344371817 2.5.1导轨概述 PAGEREF _Toc344371817 h 24 HYPERLINK l _Toc344371818 2.5.2滚动直线导轨副的计算 PAGEREF _Toc344371818 h 26 HYPERLINK l _Toc344371819 第3章 控制系统的设计 PAGEREF _Toc344371819 h 31 HYPERLINK l _Toc344371820 3.1微机控制系统组成及特点 PAGEREF _Toc344371820 h 31 HYPERLINK l _Toc344371821 3.1.1微机控制系统的组成 PAGEREF _Toc344371821 h 31 HYPERLINK l _Toc344371822 3.1.2微机数控系统的特点 PAGEREF _Toc344371822 h 32 HYPERLINK l _Toc344371823 3.2微机控制系统设备介绍 PAGEREF _Toc344371823 h 32 HYPERLINK l _Toc344371824 3.2.1主控制器CPU的选择 PAGEREF _Toc344371824 h 32 HYPERLINK l _Toc344371825 3.2.2存储器电路的扩展 PAGEREF _Toc344371825 h 33 HYPERLINK l _Toc344371826 3.2.3 I/O口电路的扩展 PAGEREF _Toc344371826 h 34 HYPERLINK l _Toc344371827 3.2.4 直流电机驱动电路 PAGEREF _Toc344371827 h 35 HYPERLINK l _Toc344371828 3.2.5其它辅助电路设计 PAGEREF _Toc344371828 h 36 HYPERLINK l _Toc344371829 3.3程序部分 PAGEREF _Toc344371829 h 36 HYPERLINK l _Toc344371830 总结与展望 PAGEREF _Toc344371830 h 41 HYPERLINK l _Toc344371831 参考文献 PAGEREF _Toc344371831 h 43 HYPERLINK l _Toc344371832 致 谢 PAGEREF _Toc344371832 h 44 PAGE 43第1章 前言1.1 课题研究的背景必要性随着科学技术的发展，机械产品日趋精密、复杂、而且产品的生产周期短、改型频繁。这不仅对机床设备提出精度与效率的要求提出了通用性与灵活的要求。特别是航空、造船、武器、模具生产等精密加工的零件具有精度高、形状复杂、经常变动的特点。因此机械产品部件的生产设备机床也相应的提出了高性能、高精度化的要求。利用计算机控制数控机床进行加工使得零件的加工变得十分的方便、快速，很大程度上节约了人力和物力的使用，使得工业自动化程度更高。但是许多企业由于资金等方面的约束不能及时引进先进数控机床，这样制约了生产率的提高，不利于自动化程度的提高。因此各种机床的数控改造开发成为众多专业技术人员研究的一。数控，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，其对零件的加工相比普通机床有着很多的优点：（1）自动化程度高，劳动强度低。（2）加工精度、加工质量稳定可靠。（3）对零件加工的适应性强，灵活性好，能加工形状复杂的零件。（4）加工生产率高。（5）有利于生产管理的现代化。（6）对加工对像的适应性强。并且目前在机械行业中，随着市场经济的发展，产品更新周期越来越短，中小批量的生产所占有的比例越来越大，对机械产品的精度和质量要求也在不断地提高与推进。所以普通机床越来越难以满足加工的要求，同时由于技术水平的提高，数控机床的价格在不断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用将越来越普遍，而对原有普通机床的数控化改造也应是越来越广泛，依照设计任务本设计对XW5032铣床进行了数控化改造。 1.2 数控机床的产生和发展随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且要求频繁改型，特别是在宇航、造船、军事等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，批量小。加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专用化程度高的自动化机床一般 不能适应这些要求。为了解决上述问题，一种新型的机床数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。他综合应用电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果。1.2.1数控机床的产生世界上第一台成功研制的数控机床是一台三坐标的数控铣床，于1952年由美国帕森斯公司和麻省理工学院合作完成。早在1948年，美国在研制加工直升机叶片轮廓检查用样板的技工机床任务时，就提出了研制数控机床的初始设想。1949年，在美国空军部门的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于1952 年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。其控制装置由2000多个电子管组成，占用一个普通实验室那么大。这台数控铣床的诞生，标志着机械制造的数字控制时代的开始。1.2.2数控系统的发展数控机床的发展是随着数控技术的发展而发展的。数控系统的发展经历了电子管分立式晶体管小规模集成电路大规模集成电路小型计算机超大规模集成电路微机式的数控系统等几个发展阶段。20世纪90年代以来，数控系统朝着以通用微机为基础、体系结构开放和智能化方向发展。以上的三代数控系统是由计算机硬件和软件组成，利用存储器里的软件控制系统工作，因此称为CNC系统或软件控制系统。这种系统容易扩大功能，柔性好，可靠性高。1.3 我国数控技术的发展概况1.3.1数控技术再国民经济中的重要地位数控技术是用数字信息对机械运动和过程进行控制的技术，是20世纪后半叶最重要，发展最快的工业技术之一，它以制造过程为对象，以信息技术为手段，以数字坐标方式对运动部件进行位置控制为主要特征，为单件小批量生产的自动化开辟了可行的技术途径，也为现代柔性制造技术奠定了重要的技术基础。数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统制造业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术覆盖很多领域。其中，精密机械制造技术，信息处理、加工、传输技术，自动控制技术，伺服驱动技术，传感器及检测技术和计算机技术是数控技术涵盖的主要领域。数控机床还是运用高新技术对传统产业进行改进和提升的重要载体。以信息化带动工业化，实现社会生产力的跨越式发展，将在一定程度上取决于数控机床的技术进步。它代表着装备工业的技术水平和现代化程度。而装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空航天等国防工业产业）的使能技术和重要装备。数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。现在世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外，世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高、精、尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。1.3.2 我国数控机床的发展历程与成就我国从1958年开始研究数控机床，一直到20世纪60年代中期还处于研制、开发时期。当时，一些高校和科研单位研制出的试验性样机，是从电子管数控系统起步的。1965年开始研制晶体管数控系统。从20世纪70年代起，数控技术在车、铣、锉、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，加工中心在上海、北京研制成功。但是，由于元器件的质量差和产品的制造工艺水平低等原因，数控系统的可靠性、稳定性未得到解决，未能广泛推广。在这一时期，数控线切割机由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到推广。直线控制、点位控制的数控车床、数控铣床和加工中心开始在生产中应用。20世纪80年代，我国从日本FANUC公司引进了3,5,6,7等系列的数控系统和直流伺服电动机、直流主轴伺服电动机等的制造技术，还引进了美国GE公司的MCI系统和交流伺服系统、德国SIEMENS公司的VS系列晶闸管调速装置，并进行了商品化生产。这些系统功能齐全、可靠性高，得到了推广应用，推动了我国数控机床的稳定发展，使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。在这期间，我国在引进、消化国外技术的基础上进行了大量的开发工作。我国数控机床的品种有了较大发展，品种不断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床、重型数控机床都相继研制出来。为了跟踪国外现代制造技术的发展，北京机床研究所还研制出了JCS-FMS-1型和JCS-FMS-2型柔性制造单元和柔性制造系统。改革开放近30年来，我国的数控机床产业取得了举世瞩目的成就。特别是“十五”期间，数控机床发展进人了快车道。国家有关部门的统计数字表明，“十五”是我国机床工具行业发展最快的五年。2004年，我国机床工具行业产品销售收人1 032亿元，大约是2000年507亿元的2倍，平均年增长约19；2004年，全国金属切削机床产量为39万台，大约是2000年17万台的23倍，平均年增长约23写。机床工具行业的主导产品数控机床的发展速度远高于机床工具全行业的平均发展速度。国产数控金属切削机床年产量从“九五”计划末期的几千台，增加到2001年的17 521台,2002年的24 803台，2003年的36 813台，2004年的51 861台，其中2004年的产量大约是2000年产量的3. 7倍，平均年增长约39。金属加工机床产值数控化率从2001年的26. 2提高到2004年的327，形成了一批数控机床生产的主导企业，2004年数控机床年产量超千台的企业有14家，其产量合计占全行业数控机床总产量的50以上，其中数控机床产量最高的一家企业年产量达6 000多台。连续几年来数控机床产量快速上升，也带动了出口，2004年全行业数控金属加工机床出口14 404台。数控机床的年产量已经突破原国家经贸委发布的到2005年全国数控机床产量达到25 000-30 000台的奋斗目标。数控机床的品种也从“九五”期间的128种发展到目前的1 500多种。国产数控机床产品大部分达到了国际20世纪90年代初期或中期水平，为国家重点建设提供了一批高水平的数控机床。不仅如此，“十五”期间，我国在高端数控机床关键技术研究方面取得重大突破。目前，我国在普及型数控机床技术上已经成熟，还基本掌握了多（五）坐标联动的关键技术。这不仅打破了国外的技术封锁，而且使该技术进人实用性阶段。北京机电研究院为东方汽轮机厂开发的五轴联动加工中心，已在东方汽轮机厂实际应用，不仅完全满足了汽轮机叶片加工质量的要求，而且其加工效率可与进口机床的媲美，但其价格仅为进口机床的三分之一。复合加工技术的研究也取得很大成绩，我国研制成功的五轴联动车铣复合加工中心、五轴五面加工中心、双主轴车削中心等均已实现商品化。我国高速加工技术的研究与应用取得重要进展。其中在直线电动机应用技术的研究方面，基本掌握了负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等部分关键技术，填补了我国在直线电动机应用技术领域的空白，进一步缩短了与国外的差距。此外，我国还完成了10 000-18 000 r/min高速主轴单元的产品开发和加工制造工艺的研究，并在国产加工中心上应用。超精密加工（亚微米）技术和装备的研究也取得突破，北京机床研究所研制的超精密加工和纳米加工技术与装备已达到世界领先水平，打破了国外对我国的技术封锁。目前，数控机床在我国国民经济的各行各业发挥着越来越重要的作用，数控机床已经成为企业技术改造的首先设备之一。我国已经成为数控机床的生产大国、消费大国和进口大国。国民经济各个行业需要大量数控机床的开发人才和应用人才。1.3.3我国数控机床发展存在的问题与对策当前，国外数控技术发展很快，呈现出高速度、高精度、高可靠性、多轴控制、工艺复合、集成化、智能化、网络化和环保化发展的态势。与国外数控技术的发展相比，我国数控技术的发展仍然存在着较大差距，主要体现在以下四个方面。(1)在技术水平上，国外对加工中心的研究已经转向高速、精密、多轴、复合、智能和环保等技术的研究。我国加工中心的总体技术水平与国外同类产品的先进水平相比大约落后10-15年，在“高、精、尖”技术方面则更大。 (2)在产品结构上，高端市场（即高速、精密、多轴、复合加工中心市场）基本上被美国、日本和欧洲发达工业国家所垄断，国内开发的五轴联动数控机床、复合加工中心、高速加工中心等产品，虽然已经投人使用，但多数产品与商品化尚有一段距离，而且在技术水平和性能参数上与欧、美、日等地的产品还有较大差距。低端市场（即普及型数控机床市场）受到周边的日本、韩国和我国台湾地区产品的冲击较大，形成激烈竞争。多年来，国产数控机床产量小、进口产品量大的局面一直存在。 (3)产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前数控技术的深人研究与开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强，集中体现在：产品开发能力较弱，对产品标准规范的研究、制定滞后，技术创新能力不强。导致开发出的产品技术先进性不明显，市场针对性不强，缺乏市场竞争力。 (4)产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小。从总体上看，加工中心还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及配套能力较低；产品质量不高，主要体现在可靠性不高，商品化程度不足，关键功能部件没有自己配套的主渠道；数控系统的推广应用还不够等等。这些问题已经引起了国家有关部门的高度重视，并正在采取措施加以改进。2006年6月，国务院发布了关于加快振兴装备制造业的若干意见）（以下简称意见），装备制造业得到了国家前所未有的重视，意见将在三个方面重点下四点: 第一，加快开发高档数控机床品种，缩短与世界先进水平的差距，提升我国机床工具行业整体水平，对市场急需的高档数控机床品种，要集中力量，重点突破，加大科技投人，加强基础研究和开发研究，提高原始创新和集成创新能力，掌握一批高档数控关键产品开发的核心技术，推出一批高档数控机床品种，满足重点用户急需，精心培育高档数控机床市场。 第二，积极促进功能部件产业化，培育一批功能部件的龙头企业，加大政策支持力度，重点发展高档数控系统、高速主轴单元、精密滚动功能部件、动力刀架、精密转台、高速导轨防护装置等高水平的功能部件，加快产业化进程，培育国产品牌，实现功能部件与数控机床同步发展。 第三，进一步发展普及型数控机床，我国普及型数控机床技术已经成熟，产业化迫在眉捷，急需进一步提高可靠性和质量，及时供应市场，提高产业集中度，实现稳定、可靠、快速地满足市场，以提高制造能力和生产集中度为重点，支持骨干企业快速发展。 第四，努力提高国产数控机床市场占有率，是“十一五”期间行业发展的重中之重，要从质量、可靠性、服务等方面入手，创品牌、扩市场、挡进口、争出口，争取在五年内使国产数控机床国内市场占有率有较大提高。 意见切中了我国数控机床发展中的关键问题，为发展国产数控机床提供了良好的政策环境。毫无疑问，随着意见的贯彻实施，多年来困扰我国机床工具行业发展的数控机床产业化和自主开发能力偏低的问题，将得到一定程度的解决，国产数控机床在国内市场占有率长期不高的局面将被扭转。高等学校作为国家各类人才的培养基地，为装备制造业培养急需的数控机床开发与应用人才，是义不容辞的责任。1.4 数控机床的发展趋势随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求越来越强烈。中、小批量生产的比例明显增加，要求现代数控机床成为一种精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。同时，为了满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元、柔性制造系统，以及计算机集成制造系统提供基础设备，也要求数控机床向更高水平发展。当前，数控机床技术呈现如下发展趋势：（1） 高精度化；（2） 运动高速化；（3）柔性化；（4）高自动化；（5）高可靠性；（6）智能化；（7）复合化；（8）网络化；（9）开放式体系结构。1.5 数控铣床的主要功能及特点数控铣床的可分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，各种铣床适用的数控系统不同，其功能也不尽相同。除各有其特点之外，常具有下列主要功能： 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 。 具备自适应功能的数控铣床可以在加工过程中把感受到的切削状况的变化，通过适应性控制系统及时控制机床改变切削用量，使铣床及刀具始终保持最佳状态，从而可获得较高的切削效率和加工质量，延长刀具使用寿命。数控铣床的主要特点：（1） 高柔性及工序复合化；（2） 加工精度高；（3）生产效率高；（4）减轻操作者的劳动强度。1.6 数控铣床的分类和应用：1.6.1 数控铣床的分类按运动方式分：（1）点位控制数控铣床 (2）直线控制数控铣床（3）轮廓控制数控铣床；按控制方式分：(1）开环控制数控铣床(2）闭环控制数控铣床(3）半闭环控制数控铣床；按主轴的布局形式分：（1）立式数控铣床：（2）卧式数控铣床（3）立卧两用式数控铣床等等1.6.2 数控铣床的应用数控铣床主要用于加工平面和曲面轮廓的零件，还可以加工复杂型面的零件、样板、模具、螺旋槽等。同时也可以进行钻、扩、铰、锪和镗孔的加工，但因数控铣床不具自动换刀功能，所以不能完成复杂孔的加工。数控铣床主要应用于汽车制造业、模具制造业、机床制造业、航空航天业、造船业、军事工业及其他行业1.7 XK716数控机床的参数本课题设计的立式数控铣床可以铣削平面和沟槽，也可加工空间曲面；若将铣刀换成钻头或绞刀，则可加工光孔或螺纹孔。铣床主要技术参数如下：工作台工作面尺寸（长宽） 工作台X向最大行程 工作台Y向最大行程 工作台T型槽数 3工作台T型槽宽 18mm 工作台T型槽间距 90mm机床分辨率均为0.005mm最大移动速度2m/min 1. 8本章小结本章节首先介绍了数控技术的背景发展历程，进而分析了数控技术的国内外现状及未来趋势，最后介绍了研究的主要内容和意义。第2章 Z向进给传动系统的设计和计算2.1 进给伺服系统的设计2.1.1 对进给伺服系统的基本要求进给伺服系统不但是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度高；跟踪指令信号的响应快；系统的稳定好。(1) 稳定性伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行,或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及组成元件的参数（如惯性、刚度、阻尼、增益等），与外界的作用信号（包括指令信号或扰动信号）的性质或形式无关。(2) 精度伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精确程度。伺服系统工作过程中通常存在三种误差：动态误差、稳定性误差和静态误差。实际中只要保证系统的误差满足精度指标就行。(3) 快速响应性快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。2.1.2 进给伺服系统的设计要求在静态设计方面有：能够克服摩擦力和负载(2) 很小的进给位移量(3) 高的静态扭转刚度(4) 足够的调速范围(5) 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象在动态设计方面的要求有：(1) 具有足够的加速和制动转矩(2) 具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量(3) 负载引起的轨迹误差尽可能小对于数控机床机械传动部件则有以下要求(1) 被加速的运动部件具有较小的惯量高的刚度良好的阻尼传动部件在拉压刚度 扭转刚度 摩擦阻尼特性和间隙等方面尽可能小的非线性2.1.3 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析(1).时间响应特性进给伺服系统的动态特性，按其描述方法的不同，分为时间响应特性和频率响应特性。(2) 频率响应特性(3) 快速性分析2.2 切削参数计算2.2.1 精度 要求：进给精度 快速进给精度机床分辨率均为0.005mm，选择系统脉冲当量为=0.005mm/step。2.2.2铣削工件时铣削力的计算铣削运动的特征：主运动为铣刀绕自身轴线高速旋转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（铣键槽时，可使键槽铣刀沿轴线进给）。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的切削部分都可以看做车刀刀头的演变，铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀。它的切削基本规律与车削相似，所不同的是铣刀回转，刀齿数多。通常假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿某点上，如图1所示。设刀齿上受到铣削抗力的合力为F,将F沿铣刀轴线、径向和切向进行分解，则分别为轴向铣削力F、径向铣削力F，和切向铣削力F二。切向铣削力F二是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床主电动机功率（即铣削功率）最多。因此，切向铣削力F二可按铣削功率 (kW)或主电动机功率（kw）算出。 式中:v机床主轴的计算转速（主轴传递全部功率时的最低切削速度,m/s)；m机床主传动系统的传动效率，一般取，m0.8。图3.1 铣削抗力及工作台上的载荷2.2.3 进给工作台工作载荷计算 作用在进给工作台上的合力F与铣刀刀齿受到的铣削抗力F的合力大小相同、方向相反，如图所示。合力F就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给方向载荷F1，工作台横向进给方向载荷Fc，工作台垂直进给方向载荷Fv。 进给工作台的工作载荷F1、Fc和Fv与切向铣削力Fz之间有一定的经验比值（见表1）。因此，计算出Fz后，即可计算出进给工作台的工作载荷F1、Fc和Fv。 表2.1工作台工作载荷与切向铁削力的经验比值在表2-1中，表示铣削宽度（mm），它是铣削用量要素之一，是垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸从图2-3可知，圆柱铣削时，为待加工表面与已加工表面之间的垂直距离；端铣时，恰为工件宽度，不是待加工表面与已加工表面之间离。 图2.2顺铣与逆铣图2.2表示圆柱铣的顺铣和逆铣的不同方式。顺铣时，纵向进给方向载荷F1与进给方向一致，垂直进给方向载荷Fv向下,逆铣时方向相反。 图2.2表示对称端铣和不对称端铣。对称端铣分有顺铣和逆铣之分。在表1中，d。表示圆柱铣刀直径或端铣刀直径（mm）,表示每齿进给量（mm/齿），即铣刀每转一个齿间角时工件与铣刀的相对移动量。每齿进给量、每转进给量f 和工作台的进给速度 三者之间的关系为 mm/min式中：Z-铣刀齿数；n-铣刀转速（r/min）2.2.4首先初步估算工作台的重量 首先要初步估算工作台的重量及铣削工件的最大切削力才能进行设计。X轴方向移动的工作台尺寸：长宽高为900600 80 ,重量约为3302.2N，最大行程630mm ；Y轴方向移动的工作台尺寸：长宽高为300 300 80 ,重量约为550.368N，最大行程400mm ；设夹具及工件的质量约为200Kg，重量约为1960N ；则XY工作台总质量约为480.83kg,总重量约为5812.573N（包括夹具及工件）。2.2.5 铣削用量选择铣削用量选择原则：首先应尽可能取较大的切削深度及切削宽度然后尽可能取较大的每齿进给量，最后才尽可能取较大的铣削速度。粗铣时余量大，加工要求低，主要考虑铣刀的耐用度及铣削力的影响；而精铣时余量小，加工要求高，主要考虑加工质量的提高。1.铣削深度的选择（1）当工件表面要求的光洁度为时，通常铣削无硬皮的钢料时，；铣削铸钢或铸铁时。（2）当工件表面要求的光洁度为时,可分粗铣、半精铣、两步铣削。粗铣后留余量。（3）当工件表面要求的光洁度为时,可分粗铣、半精铣、精铣三步铣削。半精铣，精铣左右。2.每齿进给量的选择当铣削深度选定后，尽可能取较大的每齿进给量。粗铣时限制每齿进给量的是铣削力及铣刀容屑空间的大小，当工艺系统刚性俞好及铣刀齿数愈少时，可取得愈大；半精铣及精铣时限制每齿进给量的是工件表面光洁度。光洁度要求愈高，应俞小。2.2.6 铣削力的计算铣床通常用于铣削平面和沟槽。铣刀又分为圆柱铣刀、立铣刀、盘形铣刀、端铣刀、半圆弧铣刀、T形槽铣刀。其中用立铣刀铣削沟槽时的铣削力最大，故按用立铣刀铣削沟槽时计算铣削力。铣削力与铣刀材料、铣刀类型、工件材料的硬度、铣削宽度、铣削深度、每齿进给量、铣刀直径、铣刀齿数有关。可按金属切削原理及应用中的公式进行计算： 铣削沟槽时采用粗齿高速钢立铣刀，按工件材料为的碳钢来设计。查金属切削手册，选择铣削用量为铣刀直径，铣刀齿数，铣削宽度，每齿进给量，铣削深度，铣刀的切削速度。采用端面铣刀在主轴上的计算转速下进行强力切削，主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率。 由得： 故2.3 Z向滚珠丝杠副计算与选择2.3.1动载荷计算 丝杆的最大载荷为主轴重量加摩擦力，最小载荷为主轴重量减最大进给力的Z向分力。根据上节根据机电一体化设计基础计算载荷查表2-6取 查表2-8取 查表2-7取 查表2-4取D级精度则：2）计算额定动载荷取丝杠的工作寿命为, 2.3.2选用 FC1-4020-2.5型丝杠由表2-9得丝杠副数据：公称直径 导程 滚珠直径 按表2-1种尺寸公式计算：滚道半径偏心距丝杠内径 2.3.3 稳定性验算丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S 丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷 式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢E=206Gpa；l为丝杠工作长度（m）；为丝杠危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数，取。 安全系数 查表2-10，S=2.53.3，SS，丝杠是安全的，不会失稳。 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速临街转速。要求丝杠的最大转速。 临街转速按下式计算： 式中：为临界转速系数，见表2-10，本题取， 即：，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求2.3.4 刚度验算滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T()共同作用下引起每个导程的变形量(m)为： 式中:A丝杠截面积,；为丝杠的极惯性矩，；G为丝杠切变模量，对钢；T为转矩。 式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；卫平均工作载荷 按最不利的情况取（其中） 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2，即 该丝杠的满足上式，所以其刚度可以满足要求。2.3.5 效率验算 滚珠丝杠副的传动效率为 要求在90%95%之间，所以该丝杠副合格。 经上述计算验算，FC1-4010-2.5各项性能均符合题目要求，所以合格。机床分辨率均为0.005mm，选择系统脉冲当量为=0.005mm/step。2.4 Z向直流电机选择计算1. 计算工作台、丝杠折算到电机轴上的惯量 根据机电一体化基础所提供的计算公式：式中：折算到电机轴的惯量；小 大齿轮的惯量；丝杠惯量；横向工作台及夹具重量,；丝杠螺距，；丝杠转动惯量的计算：由于有些传动件（如齿轮、丝杠等）的转动惯量不易精确计算，可将其等效成圆柱体来近似计算。圆柱体的转动惯量可依据公式：式中： 材料密度,对钢取； 圆柱体直径.(对于齿轮、丝杠等就是其等效直径)； 圆柱体长度,(对于齿轮、丝杠等就是其等效齿宽或长度)则：则可算得： 2.032. 惯量匹配验算初选的直流电机安川/R02SAKOE的转子的转动惯量：=4.61Kg转动系统与直流电机的惯量匹配条件：而：所以惯量是匹配的。3. 负载转矩计算及最大静转矩选择计算快速空载起动时所需力矩 依据公式： 式中：快速空载起动力矩；空载起动时折算到电机轴上最大加速力矩；折算到电机轴上的摩擦力矩；由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩；又： 式中： -惯量和，；-电机最大角加速度；又：其中： -电机最大转速；-运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间取25ms 又：则： 则： 故： 又因为：式中： 导轨的摩擦力；传动链总效率，一般可取 ，现取 ；又： 式中： 垂直方向的切削力，； 导轨摩擦系数， (贴塑导轨)； 横向工作台及夹具重量，；则：=103N故： 又： 式中： 滚珠丝杠预加载荷，取；滚珠丝杠预紧时的传动效率， ； 故： =140+9.8+3.7=153.54. 快速进给时所需力矩 依据公式：而： 故有： 5. 最大切削负载时所需力矩 根据公式： 式中： 折算到电机轴上的切削负载力矩；又有公式： 式中：进给方向最大切削力，；则： 故： 6. 最大静转矩选择依据文献实用机床设计手册上，有：（1）对于在最大切削力下工作时所需要电机最大静转矩为：（2）对于空载起动时所需要的电机最大静转矩为：由（1）和（2）可知，以计算得：恒大于 所以就以作为选取直流电机最大静转矩的依据。而初选的直流电机为安川/R02SAKOE ，它的最大静转矩为：所以初选的直流电机型号符合要求。7. 直流电机动载荷矩频特性和运行矩频特性由数控技术得：动矩频特性： =4167Hz运行矩频特性： 其中： 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度2m/min的，现取中间值，即。所以：=2431由直流电机安川/R02SAKOE的矩频特性和运行矩频特性参数可以看出所选直流电机在起动时力矩是满足要求的。所以最终就确定直流电机的型号为：安川/R02SAKOE直流伺服电机。2.5导轨的设计与选型2.5.1导轨概述导轨主要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨副中，运动的一方称为动导轨，不动的一方称为支承导轨。动导轨相对于支承导轨运动，通常作直线运动和回转运动。 1.对导轨的要求1)导向精度高导向精度主要是指导轨沿支承导轨运动的直线度和圆度。影响导向精度的主要因素有导轨的几何精度、导轨的接触精度、导轨的结构形式、动导轨及支承导轨的刚度和热变形，还有装配质量。导轨的几何精度综合反映在静止或低速下导轨的导向精度。直线运动导轨的检验内容主要是：导轨在垂直平面内的直线度，导轨在水平平面内的直线度，在水平面内两条导轨的平行度。例如：导轨全长为20 m的龙门刨床，其直线度误差为0.02/1 000，在导轨全长范围内为0. 08 mm。圆周运动导轨几何精度的检验内容与主轴回转精度的检验方法相类似，用导轨回转时端面跳动和径向跳动表示。例如：最大切削直为4m的立车，其允差规定为0. 05 mm.2)耐磨性好及寿命长导轨的耐磨性决定了导轨的精度保持性。动导轨沿支承导轨长期运行会引起导轨的不均匀磨损，破坏导轨的导向精度，从而影响机床的加工精度。例如：卧式车床的铸铁导轨，若结构欠佳、润滑不良或维修不及时，贝。靠近床头箱一段的前导轨，每年磨损量达0.2-0.3mm，这样就降低了刀架移动的直线度及对主轴的平行度，加工精度也就下降了。与此同时，也增加了溜板箱中开合螺母与丝杠的同轴度误差，加剧了螺母与丝杠的磨损。3)足够的刚度导轨要有足够的刚度，保证在载荷作用下不产生过大的变形，从而保证各部件间的相对位置和导向精度。4)低速运动的平稳性在低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行。进给运动的爬行将提高被加工表面的表面粗糙度值，故要求导轨低速运动平稳，不产生爬行，这对于高精度的机床尤其重要。5)工艺性好设计导轨时，要注意到制造、调整和维护的方便，力求结构简单、工艺性和经济性好。2.对导轨的技术要求1)导轨的精度要求 滑动导轨，不管是V一平型还是平一平型,导轨面的平面度通常取0. 01-0.015 mm，长度方向的直线度通常取0.005-0.01 mm；侧导向面的直线度取0.01-0.015 mm，侧导向面之间的平行度取0.01-0.015mm，侧导向面对导轨底面的垂直度取0.005-0.01mm.镶钢导轨的平面度必须控制在0005-001 mm以下，其平行度和垂直度控制在0.01mm以下。2)导轨的热处理数控机床的开动率普遍都很高，这就要求导轨具有较高的耐磨性，以提高其精度保持性。为此，导轨大多需淬火处理。导轨淬火的方式有中频淬火、超音频淬火、火焰淬火等，其中用的较多的是前两种方式。铸铁导轨的淬火硬度，一般为50-55 HRC，个别要求57 HRC；淬火层深度规定经磨削后应保留1.0-1. 5 mm. 镶钢导轨，一般采用中频淬火或渗氮淬火方式，淬火硬度为58-62 HRC，渗氮层厚度为0. 5 mm.2导轨的类型和特点导轨的分类方法有多种：按运动轨迹可以分为直线导轨和圆导轨，按工作性质可分为主运动导轨、进给导轨和调整导轨，按受力情况可以分为开式导轨和闭式导轨，按摩擦性质可以分为滑动导轨和滚动导轨。下面首先介绍直线滑动导轨的有关内容: 1.直线滑动导执的截面形状直线滑动导轨有若干个平面，从制造、装配和检验来说，平面的数量应尽可能少。常用的直线滑动导轨的截面形状有矩形、三角形、燕尾形和圆形,各个平面所起的作用也各不相同。在矩形导轨和三角形导轨中,M面主要起支承作用，N面是保证直线移动精度的导向面,J面是防止运动附件抬起的压板面；在燕尾形导轨中,M面起导向和压板作用，J面起支承作用。根据支承导轨的凹凸状态，又可以将导轨分成凸形导轨和凹形导轨。其中，凸三角形导轨称为山形导轨，凹三角形导轨称为v形导轨。凸形导轨不易存储润滑油，但易清除导轨面的切屑等杂物。凹形导轨易存储润滑油，但易落人切屑和杂物，必须设防护装置。2.5.2滚动直线导轨副的计算1. 作用于滚动直线导轨副的载荷计算 由于滚动直线导轨副的特殊结构，使其具有垂直向上、向下、左右和水平四个方向额定载荷相等，且额定载荷大，刚性好，三个方向抗颠覆力矩能力大的特点，滚动导轨受力分析见图3.3。下层工作台的承载重约为5812.573N 341 W 图3.3 滚动导轨受力分析图 3.6 3.7 3.8 3.9 将已知数据代入上式得： 载荷成分段变化，其计算载荷： 3.10 式中：对应行程内的载荷 ； 分段行程 ； 全行程等于；2. 滚动直线导轨副的额定寿命（1）额定寿命的计算公式为： 3.1式中： L额定寿命 ； C额定动载荷 ； 计算载荷 ； 温度系数 取1.0 ； 接触系数 取0.81 ； 精度系数 取1.0 ； 载荷系数 取1.5 ；硬度系数 取1.0 ； （2）寿命时间的计算： 当行程的长度一定，以小时为单位的额定寿命： 3.12 式中： 行程长度 ； L额定寿命 ； 每分钟往复次数 ； 3.13 一般情况下，滚动直线导轨副预期寿命取20000小时，则： 3.14 由 得 3.15 取 则：查汉江机床公司生产的HJ-D系列线性滚动导轨产品样本，其HJ-D系列中DA20A型滚动导轨C=1260kgf=12.348KN，满足要求 。第3章 控制系统的设计3.1微机控制系统组成及特点3.1.1微机控制系统的组成微机控制系统主要由微型计算机和伺服系统两大部份组成，其中微机又包括硬件和软件两部分。（1）微机控制系统基本硬件组成硬件时组成系统的基础，有了硬件软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。数控系统的硬件电路概括起来由以下部分组成。1）主控制器，即中央处理单元CPU2）存储器，包括只读可编程存储器和随机读写数据存储器3）接口（2）微机数控系统软件软件是指为实现微机控制系统各项功能编制的专用程序，它一般由以下几部分组成：1）输入数据处理程序它接受输入的零件加工程序，用标准代码表示的加工指令和数据整理成便于解释执行的格式后存放。2）插补运算程序它完成普通数控系统中插补器的功能。3）速度控制程序它根据给定的速度代码或每分毫米数控制插补运算的频率，以保证预定速度进给。4）管理程序和诊断程序管理程序对数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序进行调度，还可以对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。诊断程序可以在运行中及时发现系统的故障，并指示故障类型。3.1.2微机数控系统的特点（1）可靠性高。由于采用大规模集成电路、软件连接以及资诊断功能，所以大大提高了无故障运行时间，即使又极少的故障也能及时发现和排除。（2）灵活性强。由于系统的硬件是通用、标准化的，对于不同机床的控制要求只需更换可编程只读存储器中的系统程序就可实现。（3）易于实现机电一体化。采用大规模集成电路时控制框尺寸大为缩小，采用可编程接口又可将M、S、T等顺序控制部分逻辑电路与数控装置结合一起，使结构更为紧凑。（4）价格低。采用微机数控，使数控机床电气部分成本大为下降，对功比较齐全的数控机床价格幅度下降更大。（5）由于微机的功能强，存储量大，可实现多功能控制、多路运行控制及数据和图形显示等，给操作人员和监视生产过程带来方便。3.2微机控制系统设备介绍3.2.1主控制器CPU的选择CPU的选择应考虑以下要素：控制数据处理的速度。ROM/RAM的容量。指令系统功能的强弱（即编程的灵活性）。I/O口扩展的能力（即对外设控制的能力）。（5）开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。目前在数控系统中常用的芯片由8086、8088、80286、80386、以及8098、8096等16位机的CPU，也有8080、Z80和8051、8031、8751等8位机的CPU。但从性能价格比上，我们拟采用MCS-51系列单片机中的8031作为主控制器。下面介绍MCS-51单片机的硬件结构，如图（4）。下面对各功能部件作进一步的说明：（1）数据存储器（RAM）：片内为128个字节，片外最多可扩至64K字节。（2）程序存储器（ROM/EPROM）：8031无此部件；8051为4KROM；8751为4KEPROM。片外最多可外扩至64K字节。（3）中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。（4）定时器/计数器：2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。（5）串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。（6）P1口、P2口、P3口、P0口：为四个并行8位I/O口。（7）特殊功能寄存器（SFR）：共有21个，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。（8）微处理器（CPU）：为8位的CPU，且内含一个1位CPU（位处理器），不仅可处理字节数据，还可以进行位变量处理。图3.1 MCS-51单片机内结构3.2.2存储器电路的扩展（1）程序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，其型号分别为：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分别位2k、4k、8k、16k、32k。在选择芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配。即8031所能读取的时间必须大于EPROM多要求的读取时间。此外，还要考虑最大读出速度、工作温度计存储器的容量。在满足容量要求是应尽量选择大容量芯片、以减少芯片数量，是系统简化。在本系统中，我们拟采用2764作为扩展芯片。2764与8031主要是三总线的联接。2764中的低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031P0口相联。当地址锁存允许信号ALE位搞点评，则P0口输出地址有效。8位数据线直接与8031P0口相联；高5位地址线分别与P2.0P2.4相联，OE引脚直接同8031PSEN引脚相联，片选信号CE接地，以便总能选中。由于8031只能选通外部程序存储器，因而其EA引脚接地。（2）数据存储器的扩展由于8031内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的要求，须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和6264静态RAM数据存储器，其选用的规则与EPROM程序存储器的要求相同。本系统拟采用6264芯片作为数据存储器的外扩芯片。6264低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031P0口相接，高5位地址线分别与P2.0P2.4相联，8位数据线直接接至8031P0口，读写控制引脚OE、WE与8031的读写控制引脚RD、WR直接相联，片选端CE1通过译码电路与8031相联。3.2.3 I/O口电路的扩展（1）并行口的扩展8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此在大部分应用系统中都不可避免地要进行I/O口的扩展。通用可编程接口芯片8155具有2k位的静态RAM、2个8位和一个6位的可编程并行I/O口、一个14位的计数器。由于8155与单片机的接口简单，是单片机系统广泛使用的芯片。8155与8031的联接可归结为三总线的联接。8155本身具有地址锁存信号控制线和地址锁存器，故可直接将地址、数据线AD0AD7直接与8031口线对应的相联，8155的ALE与8031的ALE直接相联，高8位地址的P2.5P2.7经译码器74LS139提供8155的片选信号CE,IO/M控制端接P2.0口，其它读写信号WR、RD也都对应相联。8155的地址与8031统一编址。（2）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的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，按键设置在行列的交点上。本系统中所设计的是由48键和8位LED显示器组成。为了简化电路，键盘的列线及LED显示器的段码共用一个口，即8155的PB口，键盘的行线由8155的PA口提供，LED的字位控制则由PC口经74154后提供。3.2.4 直流电机驱动电路直流电机是一种用脉冲信号控制的电动机。在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移仅与控制脉冲成正比。在多数情况下，用直流电机作为执行元件的数控系统不需要A/D或D/A转换，可采用较为简单的开环控制，因而成为经济性数控机床最主要的一种伺服驱动元件。（1）计算机接口在控制系统中，直流电机的接口电路至关重要，没有它将无法实现微机对直流电机的控制。如前所述，8031系列单片机含有4个并行输入/输出口，其中P1口可以提供给用户使用，作为直流电机及其它控制对象的接口。也可采用8155或8255A等可编程并行输入、输出接口芯片设计扩展接口电路，来控制直流电机即其它外部设备。本系统即采用8155的PA口作为直流电机的控制端口。（2）脉冲分配器脉冲分配器又叫做环形分配器，是驱动直流电机必不可少的环节。直流电机的控制方式由环形分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列脉冲指令按一定的分配方式和顺序输送给直流电机的各项绕组，实现电机的正传或反转。在数控系统中使用较多的是集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。而在本系统中使用的是软件脉冲分配，通过编程来达到脉冲分配的目的，从而控制直流电机的各项绕组。（3）隔离电路在直流电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制直流电机的励磁绕组。由于直流电机需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大，如果将输出信号直接与功率放大器相联，将会引起强电器干扰，轻则影响计算机程序的正常进行，重则导致计算机和接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电耦合器。图为光电耦合器与直流电机的接口电路。图3.2光电隔离与直流电机接口电路3.2.5其它辅助电路设计（1）8031的时钟电路单片机的时钟可以有两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，如图()所示。晶体可在1.212MHz之间任选，耦合电容在530Pf之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式，可把XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。（2）8031的复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上保持10ms以上的高电平，单片机便实现状态复位，之后CPU便从0000H单元开始执行程序。一般数控系统都采用上电与按钮复位组合。图3.3时钟电路和复位电路3.3程序部分ORG2000KZCH:PUSHAH；保护;现场PUSHBCMOVR2,#NH；送步数给R2LOOP0:MOVR3,#00HMOVDPTR,#POINT；送控制码指针JNB00H,LOOP2LOOP1:MOVA,R3；取控制码MOVCA,A+DPTRJZLOOP0；控制码为00H转LOOP0MOVP1,A；输出控制码CALLYANS；调延时子程序INCR3；指针指向下一个控制码JNZR2,LOOP1；步数未完，继续POPBC；恢复现场POPAFRETLOOP2:MOVA,R3；取反向控制码ADDA,#7HMOVR3,AAJMPLOOP1POINT:DB01H；正向转动控制码DB03HDB02HDB06HDB04HDB05HDB00HDB01H；反向转动控制码DB05HDB04HDB06HDB02HDB03HDB00HPOINT:EQU150HN0EQU20HNLLEQU21HN1HEQU22HN2EQU23HNLEQU24HNHEQU25HDSEQU26H;地址指针偏移量FEEDEQU0E80HORG0E00HSTART:MOVSP,#60H;程序开始MOVTMOD,#01H;设计数器为工作方式1,16定时器MOVN0,#1BH;设N0初值为27MOVNZ,#1BH;设NZ初值为27MOVA,N0RLAMOVRO,ACLRCMOVA,NLSUBBA,N0MOVNLL,AMOVA,NHSUBBA,#00HMOVNIH,AMOVDPTR,#1000H;设时间常数地址指针初值为1000HMOVDS,#00H;设地址偏移量初值为00HMOVA,A+DPTR;从EPROM中读时间常数MOVTLO,A;送时间常数至定时器0中INCDSMOVA,DSMOVCA,A+DPTRMOVTHO,AINCDSSETBEA;开中断允许SETBETO;允许定时器0中断SETBTRO;启动定时器0开始算WAIT:JBEA,WAIT;中断允许范围RETORG000EH;定时器0中断入口地址JMP0F00HORG0F00HINT:MOVA,DS;送时间常数到定时器0中MOVCA,A+DPTRMOVTLO,AINCDSMOVA,DSMOVCA,A+DPTRMOVTHO,AINCDS;修改地址偏移量指针CALLFEED;调FEED子程序,使电机进给步MOVA,N0;判断N0是否为0,为0则转恒速JNEA,#00H,LOOP1MOVA,N1;判断N1是否为0,为0则转入减速JNEA,#00H,LOOP2MOVA,NIHJNEA,#00H,LOOP2MOVA,N2;判断N2是否为0JNEA,#00H,LOOP3CLREA;N2为0,减速结束,关中断RET;中断返回LOOP1:DECN0;N0不为0,则N0N0-1RETLOOP2:MOVA,NIL;N1不为0,则N1N1-1CLRCSUBBA,#01HMOVNIL,AMOVA,NIHSUBBA,#00HMOVNIH,ARETLOOP3:DECN2RETX6130万能升降台铣床数控化改造总体及垂直进给伺服传动
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