供x62w万能铣床使用的x-y数控工作台设计 毕设

目录摘要1ABSTRACT2目录3第一章绪论111设计任务212总体方案的确认2第二章机械传动部件的计算和选型421确定系统的脉冲当量422铣削力的计算423直线滚动导轨副的计算和选型424滚珠丝杠螺母副的计算和选型525步进电动机减速箱的选用926步进电动机的计算和选型9第三章微机数控系统的设计1531控制系统硬件的设计1532单片机的扩展系统1633步进电动机驱动电源的选用2334控制系统部分软件设计24第四章数控机床零件加工程序2841零件图2842数控加工工艺分析和确定28结语32参考文献33第一章绪论X62W万能铣床是一种通用的多用途机床，它可以进行平面、斜面、螺旋面及成型表面的加工，能完成很多普通机床难以加工或无法加工的复杂型面的加工，采用X62W万能铣床可以提高零件的加工精度，稳定产品质量。但是随着现代科技技术日新月异的发展，机电产品日趋精密和复杂，且更新换代加快，改型频繁，用户的需求也日趋多样化和个性化。所以本课题研究将X62W万能铣床的XY工作台进给系统改造成用微机数控技术控制。数控技术，简称数控（NUMERICALCONTROL）即采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。数控机床随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了510年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了1015年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。本课题研究的是用微机数控技术改造X62W万能铣床XY工作台进给系统，使其价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有简易数控系统的高效自动化机床。中小型企业为了发展生产，常希望对原有旧机床进行改造，实现数控化、自动化。用微机数控铣床系统就是结合现实的的生产实际，结合我国国情，在满足系统基本功能的前提下，尽可能降低价格。价格便宜、性能价格比适中是其最主要的特点，适合在生产第一线大面积推广。利用微机改造现有的普遍铣床，主要应该解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，进给改造成由计算机控制的刀架自动转位以及自动进给加工铣床，即经济型数控铣床。进行数控机床的改造是非常有必要的。数控机床可以很好地解决形状复杂、精密、小批量及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产效率，但是数控机床的运用也受到其他条件的限制。如数控机床价格昂贵，一次性投资巨大等，因此，普通铣床的数控改造，大有可为。11设计任务111题目设计一种供X62W万能铣床使用的XY数控工作台112主要参数如下工作台宽度（MM）320工作台长度（MM）1250工作台行程（MM）纵向680横向250工作台及夹具工件重量（N）纵向3000横向5000工作台快移速度（M/MIN）纵向16横向16进给速度（M/MIN）纵向06横向06最小分辨率（MM）纵向001横向001定位精度（MM）0025主电机功率（KW）55起动加速时间（MS）3012总体方案的确认121导轨副的选用要设计的XY工作台是用来配套万能的数控铣床的，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，直线滚动导轨副，它具有磨擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。122丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0005MM的脉冲当量和001MM的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能满足要求。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运动平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。123减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，减低运动部件折算戴电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此，本设计决定采用无间隙齿轮传动减速箱。124伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量未达到0001MM，定位精度也未达到微米级，空载的最快速度也只有1600MM/MIN。因此本设计不比采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以采用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。125检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选用开环控制，也可选用闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到X、Y两个方向的加工范围相差不大，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机，以及检测装置拟采用相同的型号与规格。126控制系统的设计1设计的XY工作台准备用在数控切割机上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。2对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS51系列的8位单片机8031作为控制系统的CPU，应该能满足任务书给定的相关指标。3要设计一台完整的控制系统，在选择CPU以后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、串行接口电路等。选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用第二章机械传动部件的计算与选型21确定系统的脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数，经济型铣床常用0010005MM/STEP横向0005MM/STEP，纵向0005MM/STEP22铣削力的计算设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件材料为碳钢。则由系统设计课程设计指导书下文简略表37查得立铣时的铣削力计算公式为FC118AE085FZ075D073AP10N013Z令铣刀直径D15MM，齿数Z3，为计算最大铣削力在不对称的情况下取AE15MM,背吃刀量AP8MM,每齿进给量FZ01MM,铣刀转速N300R/MIN代入公式得FC118AE085FZ075D073AP10N013Z11815085010751507381030001331463N各铣削力之间比由表35考虑逆铣的情况FF11FC1463111609N,FE038FC0381463556N，FFN025FC0251609366N因为先考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力FZFE556N，受到水平方向的铣削力分别为F和F。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力FXFF1609N，径向铣削力FYFFN366N。23直线滚动导轨副的计算与选型231纵向1滑块承受工作载荷FMAX的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。题目中工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所承受的最大垂直方向的载荷为FMAXG/4F3000/45561306N其中，已知横向G3000N，外加载荷FFZ556N，代人公式得最大工作载荷FMAX1306N1036KN。查指导书表341，根据工作载荷，初选直线副导轨的型号为KL系列的JSALG20型，其额定动载荷CA177KN，额定静载荷COA226KN。任务书规定工作台尺寸1250MM320MM，加工范围为680MM250MM，考虑工作台行程应留有一定余量，查表335，按标准系列，选取导轨长度为1240MM。2距离额定寿命L的计算上述选取的导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100。，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度低，载荷不大。查表336340分别取硬度系数FH10，温度系数FT100，接触系数FC081，精度系数FR09，载荷系数FW15，代人式中得距离寿命L（）3505403KMMAXFFWRCTH远大于期望值50KM，故距离额定寿命满足要求。232横向1滑块承受工作载荷FMAX的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。题目中工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所承受的最大垂直方向的载荷为FMAXG/4F5000/45561806N其中，已知横向G5000N，外加载荷FFZ556N，代人公式得最大工作载荷FMAX1806N1806KN。查指导书表341，根据工作载荷，初选直线副导轨的型号为KL系列的JSALG20型，其额定动载荷CA115KN，额定静载荷COA145KN。任务书规定工作台尺寸1250MM320MM，加工范围为680MM250MM，考虑工作台行程应留有一定余量，查表335，按标准系列，选取导轨长度为520MM。2距离额定寿命L的计算上述选取的导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100。，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度低，载荷不大。查表336340分别取硬度系数FH10，温度系数FT100，接触系数FC081，精度系数FR09，载荷系数FW15，代人式中得距离寿命L（）3501482KMMAXFFWRCTH远大于期望值50KM，故距离额定寿命满足要求。24滚珠丝杠螺母副的计算和选型241纵向1最大工作载荷FM的计算工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）FX1609N，受到横向的载荷FY366N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）FZ556N。已知纵向工作台及夹具工件重量G3000N，按矩形导轨进行计算，查表329，取颠覆力矩影响系数K11，滚动导轨上的摩擦因数0005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷FMKFXFZFYG111609000555636630001790N2最大动载荷FQ的计算已知进给速度V600MM/MIN，初选丝杠导程PH6MM，则丝杠转速NV/PH100R/MIN取滚动丝杠的使用寿命T15000H，代入L060NT/106得丝杠寿命系数L06010015000/10690（单位106R）。查表330，取载荷系数FW12,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数FH10,代入式FQ9626N。MHWQFF33初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表331，选择G系列25063型滚珠丝副为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为25MM，导程为6MM，循环滚珠为3圈1列，精度等级取5级，额定动载荷为12097N，大于FQ，满足要求。4传动效率的计算将公称直径D025MM，导程PH6MM，代人ARCTANPH/D0，得丝杠螺旋升角422。将摩擦角10，代入TAN/TAN，得传动效率964。5刚度的验算1）XY工作台上下两层滚珠丝杠副的支承采用“单推单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力球接触球轴承，面对面配合，左、右支承的中心距离约为A500MM；钢的弹性模量E21105MPA；查表331，得滚珠直径DW3969MM，丝杠低径202MM，丝杠截面积SD22/432031MM。由公式的丝杠在工作载荷FM作用下产生的拉/压变形量1FMA/ES1790500/211053203100133MM。2）根据公式Z（D0/DW）3,求得单圈滚珠数Z20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式Z总60。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJFM/3597N。由式327求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量200013000253210/10DYJWM因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以变形量可减小一半，取200013MMM3）将以上算出得1和2代入总12，求得丝杠变形量总000130013300146MM146UM。由表327知，5级精度滚珠丝杠有效行程在630800MM时，行程偏差允许达到36UM，可见刚度足够。6压杆稳定性校核根据公式328计算失稳时的临界载荷FK。查表334取支承系数FK1；由丝杠低径D2202MM，求得界面惯性矩ID24/648168744；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离A取最大值500MM。代入公式328FK。2AEIFN515037816122远大于工作载荷FM1790N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。242横向1最大工作载荷FM的计算工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）FX1609N，受到横向的载荷FY366N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）FZ556N。已知纵向工作台及夹具工件重量G3000N，按矩形导轨进行计算，查表329，取颠覆力矩影响系数K11，滚动导轨上的摩擦因数0005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷FMKFXFZFYG111609000555636650001800N2最大动载荷FQ的计算已知进给速度V600/MIN，初选丝杠导程PH6MM，则丝杠转速NV/PH100R/MIN取滚动丝杠的使用寿命T15000H，代入L060NT/106得丝杠寿命系数L06010015000/10690（单位106R）。查表330，取载荷系数FW12,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数FH10,代入式FQ9680N。MHWQFF33初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表331，选择G系列25063型滚珠丝副为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为25MM，导程为6MM，循环滚珠为3圈1列，精度等级取5级，额定动载荷为12097N，大于FQ，满足要求。4传动效率的计算将公称直径D025MM，导程PH6MM，代人ARCTANPH/D0，得丝杠螺旋升角422。将摩擦角10，代入TAN/TAN，得传动效率964。5刚度的验算1）XY工作台上下两层滚珠丝杠副的支承采用“单推单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力球接触球轴承，面对面配合，左、右支承的中心距离约为A500MM；钢的弹性模量E21105MPA；查表331，得滚珠直径DW3969MM，丝杠低径202MM，丝杠截面积SD22/432031MM。丝杠在工作载荷FM作用下产生的拉/压变形量1FMA/ES1800500/211053203100144MM。2）根据公式Z（D0/DW）3,求得单圈滚珠数Z20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式Z总60。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJFM/3600N。由式327求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量200013000253210/10DYJWM因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以变形量可减小一半，取200013MM3）将以上算出得1和2代入总12，求得丝杠变形量总000130014400157MM157UM。由表327知，5级精度滚珠丝杠有效行程在500630MM时，行程偏差允许达到32UM，可见刚度足够。6压杆稳定性校核根据公式328计算失稳时的临界载荷FK。查表334取支承系数FK1；由丝杠低径D2202MM，求得界面惯性矩ID24/64816874MM4；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离A取最大值500MM。代入公式328FK。2AEIFN2515037816122远大于工作载荷FM1800N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。表1名称符号2506325063公称直径D02525导程PH66接触角422422钢球直径DW39693969滚道法面半径RR052DW20642064偏心距EERDW/2SIN00560056螺母滚道螺纹升角ARCTANPH/D0422422螺杆螺杆外径DDD002025DW2424螺杆内径D1D1D02E2R2098420984接触直径D2D2D1DWCOS1702717027螺母螺纹直径DDD02E2R2901629016螺母螺母内径D1D1D002025DW257942579425步进电动机减速箱的选用251纵向和横向为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在电动机的输出轴上安装一齿轮减速箱，采用一级减速。已知脉冲当量0005MM/脉冲，滚珠丝杠导程PH6MM，初选步进电动机的步距角075根据式312，得减速比IPH/3605/2大小齿轮模数都为1MM，齿数比为7530，材料为45调质钢，中心距为75301/2525MM小齿轮厚度为20MM，双片大齿轮厚度为10MM。26步进电动机的计算和选型261纵向1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量EQJ已知滚珠丝杠的公称直径为25MM，总长1000MM，导程为6MM，材料密度为78510/，小齿轮宽度为20MM，直径为30MM；大齿轮宽度为20MM，直径为75MM；传动比为5/2。查表41中公式算得各个零件的转动惯量如下JS192624RL2794JHWMP0252411RBJZ487742Z初选型号为90BYG2062，为两相混合式，从表45查得该型号电动机转子的转动惯量4。MJ则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为578EQJM1Z2/2IJSW2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩EQT1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩1由式48可知，包括三部分一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加1EQT速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分MAXFT是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式412可知，T0相对于另两项很小，可以忽略不计。则有1EQMAXF根据式49有，式中对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速；MAXTAMEQTNJ602步进电动机由静止到加速至转速所需的时间。AT其中6667R/MIN。30MS。MN360AXVAT所以1308NMAXTAMEQTJ200082NMIPGFTHZF2所以得快速空载起动时电动机转轴所受的负载转矩1316NM1EQMAXFT2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2EQT由式413知包括三部分一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部2EQTTT分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后F折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式412可知，T0相对于另两项很小，可以忽略不计。则有2EQTTF其中由式414计算得062NM，再由410得TTTIPFHF20007NM。最后由414得FTIPGFHZ20627NM2EQTFT综上所述1316NM。EQ3）电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，因此需考虑安全系数K254，取K4，则步进电动机的最大静转矩应满足441316NM526NMMAXJTEQ该型号的电动机查表45得最大静转矩6NM，满足要求。MAXJT3步进电动机的性能校核1）最快工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定的工作台进给速度为600MM/MIN，所以由式416求得电动机对应的运动频率。从90BYG2602电动机的运动矩频特性曲线图HZZF20506/MAX624可看出，在此频率下，电动机的输出转矩50NM，远大于最大工作负责转矩FTMAX0627NM，满足要求。2EQT2）最大空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定的工作台快速移动速度为1600MM/MIN，仿照式416求得电动机对应的运行频率为5333HZ。从90BYG2602电动机的运动矩频特性曲线056/1MAXF图624可看出，在此频率下，电动机的输出转矩40NM，大于最大工作负责转矩FTMAX，满足要求。1EQT3）最大空载移动时电动机运行效率校核与最快空载移动速度对应的电动机运行频率为3000HZ，查表45可知90BYG2602电动机的空载运行评论可达到20000HZ，可见没超出上限。4）起动频率的计算电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率1800HZ查表45。则由式417可求QF出步进电动机克服惯性负载的起动频率1151HZLFMEQJF/1要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率必须小于1151HZ。实际上起动频率通常只有100HZ，所以满足要求。262横向1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量EQJ已知滚珠丝杠的公称直径为25MM，总长1000MM，导程为6MM，材料密度为78510/，小齿轮宽度为20MM，直径为30MM；大齿轮宽度为20MM，直径为75MM；传动比为5/2。查表41中公式算得各个零件的转动惯量如下JS096324RL4657JHWMP0252411RBJZ487742Z初选型号为90BYG2062，为两相混合式，从表45查得该型号电动机转子的转动惯量4。MJ则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为593EQJM1Z2/2IJSW2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩EQT1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩1由式48可知，包括三部分一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最1EQT大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一MAXFT部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式412可知，T0相对于另两项很小，可以忽略不计。则有1EQTMAXFT根据式49有，式中对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速；MAXTAMEQTNJ602步进电动机由静止到加速至转速所需的时间。AT其中6667R/MIN。30MS。MN360AXVAT所以1379NMAXTAMEQTJ2001NMIPGFTHZF2所以得快速空载起动时电动机转轴所受的负载转矩1389NM1EQMAXFT2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2EQ由式413知包括三部分一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部2EQTTT分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后FT折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式412可知，T0相对于另两项很小，可以忽略不计。则有2EQTTF其中由式414计算得062NM，再由410得TTTIPFHF20007NM。最后由414得0631NMFTIPGFHZ22EQTTF综上所述1387NM。EQ3）电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，因此需考虑安全系数K254，取K4，则步进电动机的最大静转矩应满足441387NM5548NMMAXJTEQ该型号的电动机查表45得最大静转矩6NM，满足要求。MAXJT3步进电动机的性能校核1）最快工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定的工作台进给速度为600MM/MIN，所以由式416求得电动机对应的运动频率。从90BYG2602电动机的运动矩频特性曲线图HZZF20506/MAX624可看出，在此频率下，电动机的输出转矩50NM，远大于最大工作负责转矩FTMAX0631NM，满足要求。2EQT2）最大空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定的工作台快速移动速度为1600MM/MIN，仿照式416求得电动机对应的运行频率为5333HZ。从90BYG2602电动机的运动矩频特性曲线056/1MAXF图624可看出，在此频率下，电动机的输出转矩40NM，大于最大工作负责转矩FTMAX，满足要求。1EQT3）最大空载移动时电动机运行效率校核与最快空载移动速度对应的电动机运行频率为3000HZ，查表45可知90BYG2602电动机的空载运行评论可达到20000HZ，可见没超出上限。4）起动频率的计算电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率1800HZ查表45。则由式417可求QF出步进电动机克服惯性负载的起动频率419HZLFMEQJF/1要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率必须小于419HZ。实际上起动频率通常只有100HZ，所以满足要求。第三章微机数控系统设计31控制系统硬件的设计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能1）主控制器，即中央处理单元CPU；2）接收操作面板的开关与按钮信号；3）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；4）存储器，包括程序存储器和数据存储器；5）接收工作台移动信号与电动刀架刀位信号；6）控制X、Z向步进电动机的驱动器；7）控制切削液泵起动与停止；8）控制电动刀架的自动选刀；9）接口，即I/O接口电路；10）外围设备，如键盘、显示器等。其主要结构框图如下图1所示图1机床数控系统硬件框图（开环系统）CPU选用8位单片机8031，扩展一片EPROM芯片2732用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展一片RAM芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；输入/输出口的扩展选用了并行接口8155芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大；与PC机的串行通信经过MAX233芯片。311芯片的选择8031芯片有40个引脚，引脚配置见（图2）图2312各引脚按功能可分为三部分I/O口线P0、P1、P2、P3共4个8位口控制线口、ALE、RSTPSENA电源及时钟VCC、VSS、XTAL1、XTAL2313应用特性I/O口线不能作为用户I/O口线；I/O口的驱动能力，P0口可以驱动8个TTL门电路，P1、P2、P3则只能驱动4个TTL门电路；P3是双重功能口。32单片机的系统扩展8031片内无程序寄存器，需要扩展外部程序寄存器，且片内仅有128字节数据寄存器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片内RAM也是不够的，需要扩展。8031片内四个I/O口中仅P1口可用作8位双向的I/O接口供用户使用，也需要扩展，有些情况下还须要扩展定时/计数器等。321扩展概述8031的片外总线结构所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展。A、数据总线（DB）由P0口提供，数据总线要连接到所有芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。B、地址总线（AB）16位，可寻址范围为64K字节，AB有P0口提供低8位地址，与数据分时传送，传送数据时将低8位地址锁存；高8位地址由P2口提供。C、控制总线（CB）系统扩展控制总线有、ALE、。WRDPSENA322系统扩展能力据地址线的宽度，在片外可扩展的存储器最大容量为64K字节片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令信号，允许两者的地址重复，故片外可扩展的数据存储与存储器分别为64KB。扩展的I/O口和片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。323总线驱动能力与扩展所有系统扩展外围芯片都通过总线驱动，而总线只能带动一定数量的电路，系统规模大时，可能造成负载过重，首先要估计总线的负载情况，以确定是否需要对总线的驱动能力进行扩展。8031单片机系统中，P0口作为数据总线和低8位地址总线，联接的外围芯片最多，故常用到P0口的驱动扩展。地址总线和控制总线的驱动器为单向的，具有三态输出功能，而数据总线的驱动器为双向的，三态输出。常用的单向驱动器有74LS240、74LS241、74LS244，常用的双向驱动器有74LS245。324EPROM的选用为简化电路，此处选用2732EPROM4K8位。本设计采用二片2764EPROM，分别存放监控程序,各功能模块程序,常用零件加工程序。以便于更换各功能模块程序和零件加工程序时，只需更换各自芯片即可，方便升级。2732是一种8KB的紫外线擦除、可电编程的只读存储器，单一5V供电，工作电流为100MA，维持电流为50MA，读出时间最大为250NS。2732为28脚双列直插式封装结构，其引脚配置如（图3）所示，引脚功能如（表2）所示，工作方式如（表3）所示。图3图4表2引脚功能表A0A12地址线I/O0I/O7数据输出线CE片选OE数据输出选同线VPP编程电源PGM编程脉冲输入线表32732工作方式引脚方式CEOPPVC输出读ILVILIHOUTD维持H任意任意CC高阻编程ILPIVPVIN编程检验VILLOUTD编程禁止IH任意任意PC高阻注2732的编程电源随公司产品和型号的不同而不同，典型的有25V、21V、125V。P2732主要工作方式错误未找到引用源。读方式及为低电平，VPP5V时处于读出方式OEC错误未找到引用源。写方式为低电平,亦为低电平，VPP21V,PGM为高电平时，2732芯片处于禁止状态。将数据线上数据固化到指定地址单元。CE错误未找到引用源。编程禁止方式一此为向多片2732写入不同程序而设置的，当VPP21V时，为高电平时，2732芯片处于编程禁止状态。E325RAM的选用数据存储器RAM通常采用MOS型，MOS型RAM分静态、动态两种。动态RAM集成度高，功耗小，成本低，但控制逻辑复杂，需要定期刷新,尤其是容易受到干扰，对环境、结构、电摞等都有较高的要求。对实时控制系统而言,可靠是第一位的,此处选用大容量静态RAM62648K8位一片。如图4所示6264主要引脚功能错误未找到引用源。A0A1213位地址线错误未找到引用源。IO1IO7数据输入输出线错误未找到引用源。数据输出允许信号OE错误未找到引用源。写选通信号W错误未找到引用源。片选信号C6264主要工作方式错误未找到引用源。读方式及为低电平，为高电平时，6264将数据OECWE输出到指定地址。错误未找到引用源。写方式为低电平，亦为低电平时,允许数据输入。错误未找到引用源。封锁方式为高电平时，该芯片没被选通，不工作。E326存储器及I/O的扩展可编程接口芯片是指其工作方式可由与之对应的软件命令来加以改变的接口芯片。这类芯片一般具有多种功能，使用灵活方便，使用前必须由CPU对其编程设定工作方式，然后按设定的方式进行操作。8155可编程并行I/O接口具有功能强，价格便宜，且具有与MCS51单片机配置简单、方便等优点。是单片机应用系统最常用的外部功能扩展器件之一。1存储器与单片机联接，主要是通过三总线联接。应考虑总线的驱动能力是否足够。存储器2732、6264存储量均为8K，需13位地址进行存储单元选择，将A0A7脚与地址锁存器八位地址输出对应联接，将A8A13脚与8031的P2口P20P24相联接，其余地址线经P25P27经译码产生片选信号。数据线联接将存储器数据输出端D0DL与8031P0口联接。控制线8031与2732相联，8031从外部EPROM取指令。、SENWWR分别与6264、相联，8031对外部RAM进行读/写。RDO28155许多信号与89C51兼容，可直接联接，因8155内部已有锁存器，因此8155数据地址复合线AD0一AD7与8031P0口直接相联。地址锁存信号ALE与8031ALE相联。片选信号经译码后产生，以高位地址P20直接作为IO/信号，此时对8155需要使用CEM16位地址进行编址。8155的结构框图及引脚排列见下图5。图53278155工作方式查询8155I/O工作方式选择通过对8155内部命令寄存器（命令口）设定命令控制字实现。命令寄存器格式及对应的工作方式见下图。8155I/O有四种工作方式，即ALT1，ALT2，ALT3，ALT4。其中各符号说明如下AINTRA口中断，请求输入信号，高电平有效。BINTRB口中断，请求输入信号，高电平有效。ABF（BBF）A口（B口）缓冲器满状态标志输出线，（缓冲器有数据时BF为高电平）。ASTB（BSTB）A口（B口）设备选通信号输入线，低电平有效。在ALT1ALT4的不同方式下，A口、B口及C口的各位工作方式如下ALT1A口，B口为基本输入/输出，C口为输入方式。ALT2A口，B口为基本输入/输出，C口为输出方式。ALT3A口为选通输入/输出，B口为基本输入/输出。PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为，PC3PC5为输出。STALT4A口、B口为选通输入/输出。PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为，ASTBPC3为BINTR，PC4为BBF，PC5为。BST3288155定时功能8155芯片内有一个14位减法计数器，可对输入脉冲进行减法计数。外部有两个定时器引脚TINEIN和TIMEOUT。TINEIN为定时器时钟输入，有外部输入时钟脉冲，TIMEOUT为定时器输出，输出各种信号脉冲波形。定时器的格式、输出波形见图6所示。由上图可见，定时器的低8位和高6位计数器定时是出方式由04H、05H寄存器确定。对定时器编程时，首先将计数器及定时器方式送入定时器口，（定时器的低8位和高6位，定时器方式M）04H，05H。计数常数在002H3FFF之间。计数器的起动和停止由命令寄存器的最高两位TM2和TM1决定。但何时读都可以置定时器的长度和工作方式，然后必须将起动命令写入命令寄存器。既使计数器已经计数，在写入起动命令后，仍可改变定时器的工作方式。M2M1方式定时器输出波形00单方波01连续方波10单脉冲11连续脉冲图68155定时器方式及输出波形329芯片地址分配8031支持的存储芯片，程序存储器与数据存储器单独编址，EPROM与RAM地址分配较为自由,不必考虑会发生冲突,因8031复位后,从0000H开始，内部程序存储器空间为0000H0FFFH，外部2片2764芯片地址分别为0C000H0DFFFH，8000H9FFFH。8031内部数据存储器空间为00H0FFH，外部6264芯片地址6000H7FFFH18155芯片地址假定未用地址用“0“表示/IO0时，81551内部RAM地址范围E000HE0FFHM/IO1时，端口地址控制口E100H；PA口E101H；PB口E102H；PC口E103H；定时器低八位E104H；定时器高八位E105H28155芯片地址假定未用地址用“0“表示/IO0时，81551内部RAM地址范围0A000H0A0FFHM/IO1时，端口地址控制口0A00H；PA口0A01H；PB口0A02H；PC口M0A03H；定时器低八位0A04H；定时器高八位0A05H33步进电动机驱动电源的选用本设计中X与Y向步进电动机的型号都为90BYG2602型,生产厂家为常州宝马集团公司。查表414，选择与之配套的驱动电源为BD28NB型，输入电压100VAC，相电流4A，分配方式为二相八拍。在经济型数控机床中，大多数采用步进电机开环控制。步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号变成相应的角位移的电动机。其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变电脉冲频率就可以调节电机转速。脉冲环形分配器就是实现步进电机各相通电顺序的。但单片机的I/O驱动能力有限，为了使不进电机正常运行并输出一定功率，就需要功率放大环节；为了避免强电干扰，因此需采用光电隔离电路。其控制框图如（图7）所示。图7单片机系统要控制高电压、强电流信号，必须采用电气上的光电隔离并抑制干扰，光电耦合器接是利用光传递信息的器件，使电路的输入和输出之间在电气上完全隔离，大大提高了系统的安全可靠性，并可以实现共模噪声的抑制的电源的变换等。脉冲分配器的输出功率很小，不能满足电机运行的要求，必须将它放大已产生足够的大的功率，以驱动电机正常运行。从步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性可以看出，随着运行频率的增高，步进电机带动负载的能力就相应的下降。产生的主要原因是作为功率放大器负载的步进电机是电感负载，当改变通电状态时，通电绕组的电流将从零逐渐增大，该绕组中产生感应电势使电流按指数规律上升，并将电源一部分能量存在绕组（电感）中，电流常数为RLM/1式中LM步进电机一相绕组的平均电感量。R通电回路的电阻，包括绕组电阻、功率放大器输出级的内阻及串联电阻。而断电绕组电流是下降的，这时存储在绕组中的电势能以电流的方式释放出来，使电流按指数下降，其时间常数为DMDRL/式中RD放电电路，包括绕组电阻，续流二极管正向电阻等。这样就使绕组中电流缓慢增加和下降，步进电机各相绕组电流几乎同时存在，从而导致步进电机的负载能力下降，严重时会使电机脱步。为了提高步进电机的动态特性可以采用双电源供电。即开始时先接通高电压，以保证电机绕组中有较大的冲击电流流过，但步进电机额定相电压是规定的，不允许长期工作在高电压下。当电流上升到接近额定值时，再截断高电压，同时接通低电压，由低电压供电，以保证电机绕组中稳态电流等于额定值。双电源供电原理如（图8）所示；（图9）所示电路为一种双电源实用电路。图8图934控制系统的部分软件设计软件是硬件的补充，确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。经济型数控机床软件设计一般可分为以下几个典型的模块（1）软件脉冲分配器（2）步进电机升降速模块331软件脉冲分配器根据步进电机的工作原理，改变其绕组的通电状态，步进电机按规定的方向运转。软件分配器采用查表法，在微机处理器中专门安排一个输出寄存器作为步进电机的控制寄存器，步进电机的第一像绕组都与这个寄存器中的某一指定位对应，寄存器中这位为“1”，对应相应绕组的通电状态为“0”，表示断电，否则通电。循环向寄存器写入控制信号从而使步进电机绕组按照规定的运行方式运行。本设计中所用步进电机为三相六拍方式工作，其通电规律为AABBBCCCAA假设脉冲分配表放在程序存储器的0701H开始的单元中，因为信号输出口与步进电机之间接反向器，所以其对应控制信号字及地址如（表4）所示。表4脉冲分配表地址通电方式ABC代码0701H011FBH0702H001F9H0703H101FDH0704H100FCH0705H110FEH0706H010FAHX方向的脉冲分配的子程序源程序PULSECJNER6，07H，LOOP1MOVR6，01HSJMPLOOP2LOOP1CJNER6，00H，LOOP2MOVR6，06LOOP2MOVDPTR，0700HMOVA，R6MOVCA，ADPTRSWAPAMOVB，AMOVA，R7MOVCA，ADPTRADDA，BMOVP1，ARETZ方向脉冲分配子程序类似于X方向的。332步进电机的升降速软件设计根据步进电机的矩频特性，当步进电机运行频率大于允许的起停突跳频率时，若直接起动，会使电机失步或不能起动，因此电机在起动或停止时自动升降速。步进电机每更换一个控制字，就转过一个固定的步距角，更换控制字的快慢就决定了步进电机的转速。通过软件延时的办法就可以实现此控制。即CPU送一个输出字后，执行延时程序。延时结束，再送第二个输出字。延时长，转速慢，延时短，转速快。源程序MOVNP1，80HMOVNPH，01HMOVDPTR，0000HMOVB，00HMOVDN，00HMOVR0，0EBHMOVA，80HMOVXR0，ALPMOVR4，06HLP1MOVR2，10HLP2MOVR3，0FFHDJNZR3，DJNZR2，LP2ACALLDNADD；调DNADD子程序DJNZR4，LP1MOVA，DP1CJNEA，NP1，NXTMOVA，DPHCJNEA，NPH，NXTSJMPLPNXTCP1P11MOVA，P1MOVR0，0E9HMOVXR0，AMOVA，80HMOVR0，0EBHINCDNINCDPTRSJMPLPDNADDCLRCMOVA，DNADDA，BMOVB，AJCOUTPRETOUTPCP1P12MOVA，P1MOVR0，0E9HMOVXR0，ADECDNINCBRET第四章数控机床零件加工程序41零件图图10为加工零件图，选用经济型数控车床进行加工。此零件为心轴零件。图1042数控加工工艺分析和确定已知加工零件材料为Q235；未注倒角145，其余RA125。毛坯尺寸为45370MM的圆棒。初加工后，再进行调质处理HBS255。采用一夹一顶装夹工件，粗、精加工外圆及加工螺纹。所用工具有外圆粗加工正偏刀（T01）、刀宽为2MM的切槽刀（T02）、外圆精加工正偏刀（T03）。加工工艺路线为粗加工42MM的外圆（留余量径向05MM，轴向03MM）粗加工35MM的外圆（留余量径向05MM，轴向03MM）粗加工28MM的外圆（留余量径向05MM，轴向03MM）精加工28MM的外圆精加工螺纹的外圆（3485MM）精加工35MM的外圆精加工42MM的外圆切槽加工螺纹切断。加工程序见421。调头用铜片垫夹42MM外圆，百分表找正后，精加工20MM的内孔。所用刀具有45端面刀（T01）、内孔精车刀（T02）。加工工艺路线为加工端面精加工20MM的内孔。加工程序见422。421加工外圆及螺纹的程序0000程序名N010G92X100Z10设置工件坐标系N020M03S500主轴正转，转速500R/MINN030M06T0101换刀补号为01的01号刀（外圆粗加工偏刀）N040G00Z5快速定位到距端面5MM处N050X47Z2快速定位到47MM外圆处，距端面2MM处N060G80X425Z364F300粗车42MM外圆，径向余量05MM，轴向余量03MMN070G80X38Z1342F300粗加工35MM外圆，径向余量05MM，轴向余量03MMN080G80X355Z1342F300N090G80X30Z472F300粗加工28MM外圆，径向余量05MM，轴向余量03MMN100G80X285Z472F300N110G00X100X方向快速定位到100MM处，使刀尖回到程序原点N120Z10N125T0100清除刀偏N130M06T0303换精车刀N140S800调高主轴转速N150G