ZXK-7532数控立式钻铣床主运动、进给系统及控制系统设计【三维PROE】【3张CAD图纸+PDF图】
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（2007届）本科生毕业设计（论文）资料学 院、系： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 最终评定成绩： 二六年九月制目 录第一部分 过程管理资料一、毕业设计（论文）课题任务书( 3 )二、本科毕业设计（论文）开题报告( 5 )三、本科毕业设计（论文）进展情况记录(10 )四、本科毕业设计（论文）中期报告(12 )五、毕业设计（论文）指导教师评阅表(13 )六、毕业设计（论文）评阅教师评阅表(14 )七、毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表(15 )第二部分 设计说明书八、设计说明书(16)- 17 -2007届本科生毕业设计（论文）资料第一部分 过程管理资料 2007届毕业设计（论文）课题任务书院(系)： 机械工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师学生姓名课题名称ZXK-7532数控立式钻铣床主运动、进给系统及控制系统的设计内容及任务内容： 1. 调查分析原ZXK-7532数控立式钻铣床的加工特点,确定新钻铣床的主要技术参数。 2. 进行新数控立式钻铣床的总体方案和控制系统总体方案设计。 3. 完成进给运动的机械结构设计。 4. 完成控制系统硬件设计。任务： 1. 完成新设计数控立式钻铣床的总体设计。 2. 设计说明书一份。 3. 设计图纸齐全。4. 控制系统的设计。拟达到的要求或技术指标一、说明书1. 资料数据充分。2. 计算过程详细、完全。3. 公式的字母含义应标明，有时还应标注公式的出处。4. 内容条理清楚，按步骤书写。5. 说明书要求由计算机打印出来。二、设计图纸 1. 根据总体设计方案，绘制ZXK-7532数控立式钻铣床总图一张（A1图）。 2. 进行主运动的运动、强度和动力计算，绘制主轴箱部件展开图一张（A0图）。 3. 进行进给运动的运动强度动力计算，绘制纵向数控进给机构部装图一张（A0图）。 4. 绘制数控钻铣床零件图一张(A1图)。 5. 根据控制系统总体设计方案绘制控制系统电路图一张。（A0图） 6科技译文（不少于3000汉字，原文可自选或由指导教师提供） 7. 编写毕业设计说明书一套（不少于二万字，有英文摘要，全部用计算机打出）。 8. 总图纸量不少于3张零号图面。进度安排起止日期工作内容2006.12.202007.01.06完成毕业设计的选题和开题报告2006.01.072007.02.26对设计的相关资料进行整理。2007.02.272007.03.01进行设计的初期计算，绘制总图。2007.03.022007.04.09设计钻铣床的主轴箱展开图。2007.04.102007.05.09绘制零件图和电路图。2007.05.102007.05.20对整个设计进行合理性检查2007.05.212007.05.26设计说明书的输入以及毕业答辩的准备。2007.05.282007.06.02毕业设计答辩。主要参考资料1. 机械设计手册，机械工业出版社。2. 实用机床设计手册，辽宁科技出版社。3. 机床设计图册，上海科技出版社。4. TTL集成电路手册5. 存储器手册6. 机床主轴变速箱设计指导书，机械工业出版社。7. 机床数控系统设计指导书，中国科技出版社。8. 数控机床系统设计，化学工业出版社。9. 数控铣床设计，化学工业出版社。10. 机电综合设计指导书，中国人民大学出版社。11. 原ZJK-7532数控钻铣床说明书一套。教研室意见签名：年 月 日院(系)主管领导意见签名：年 月 日本科毕业设计开题报告 （2007届）学 院、系： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 2007年 01 月 0 6 日题目：ZXK-7532数控立式钻铣床主运动、进给系统及控制系统设计1. 结合课题任务情况，查阅文献资料，撰写15002000字左右的文献综述 一、数控技术的发展史我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。二、数控机床的应用数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比在现在是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。铣床是一种用途广泛的机床。它可以加工平面(水平面、垂直面等)、沟槽（键槽、T型槽、燕尾槽等）、多齿零件上齿槽（齿轮、链轮、棘轮、花键轴等）、螺旋形表面（螺纹和螺旋槽）及各种曲面。此外，它还可以用于加工回转体表面及内孔，以及进行切断工作等。数控机床即数字程序控制机床，是自动化机床的一种。最早出现的是数控铣床。60年代以后，点位控制的机床迅速发展，出现了数控钻床、数控冲床和数控坐标镗床。这类机床不需要复杂的控制算法就可以实现加工。数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。 三、国内数控机床的特点近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟商品走向市场。我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在800010000转/分以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD等信息技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP、MRP和电子商务。如，济南第二机床集团有限公司的CAD普及率达100%，是国家级“CAD示范企业”，企业的MRP系统应用也非常成功，现代化管理水平较高。但是和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。、信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能数控机床基本上还得依赖进口。、产品成熟度较低，可行性不高。国外数控系统平均无故障时间在10000小时以上，国内自主开发的数控系统仅3000-5000小时；整机平均无故障工作时间国外达800小时以上，国内最好只有300小时。、创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。四、数控机床的发展趋势传统的机械加工设备, 在当今日益多变的市场需求和激烈竞争中, 已不能满足企业上水平、求发展的需要。现在, 工业发达国家都是以数控机床为基础, 向柔性加工自动化的方向(FMC, FMS) 发展, 并以对生产过程实行整个系统优化的计算机集成制造系统(CIMS) 作为发展目标1、高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时，新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力。2、智能化。现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速作出实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。3、基于CAD和CAM的数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成数控机床零部件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得，推动数控机床系统自动化的进一步发展。4、发展可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。新一代的数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。因此，对数控机床研究成为现代机床设计重要课题。本次设计我选择ZXK-7532数控立式钻铣床设计及控制系统设计。对ZXK-7532数控立式铣床的主运动系统和进给系统的机械结构进行了设计和计算，并对其控制系统的硬件电路进行了设计。2.选题依据、主要研究内容、研究思路及方案本课题研究的是ZXK-7532数控立式钻铣床的主轴变速箱，进给系统及控制系统的设计。通过参考ZJK-7532立式钻铣床，及各厂家生产同类型的数控铣床进行比较，对ZXK-7532数控立式钻铣床参数进行确定。然后进行机械部分和硬件电路部分设计，这是本课题的难点，也是问题存在之处。在机械部分设计完成之后，把硬件电路设计和机械部分结合在一起，就可以实现ZXK-7532数控立式钻铣床的数字控制。本文对主运动系统的设计与普通机床的设计方法一致，以锻炼自己对常规机床设计的能力，其主轴变速箱的设计由分析比较图册上同类型铣床的结构布局，进行机械部分的设计。画出结构草图，通过修改之后确定其结构。进给系统部分采用开环伺服系统，以步进电机作为伺服执行元件。数控装置发出的指令脉冲，输送到伺服系统中的环行分配器和功率放大器，使步进电机转过相应的角度，然后通过减速齿轮和丝杠螺母机构，带动工作台移动。数控系统由硬件和软件部分组成，其中硬件电路是用MCS 51系列单片机组成的控制系统，系统采用8031作CPU。扩展了两片2764芯片，两片6264芯片，两片8255可编程并行I/O接口。再通过环型分配器驱动步进电机转动。 3.工作进度及具体安排。2006.12.202007.01.06 完成毕业设计的选题和开题报告。2006.01.072007.02.26 对设计的相关资料进行整理。2007.02.272007.03.01 进行设计的初期计算。2007.03.022007.04.09 设计钻铣床的主轴箱展开图。2007.04.102007.05.09 绘制零件图和电路图。2007.05.102007.05.20 对整个设计进行合理性检查。2007.05.212007.05.26 设计说明书的输入以及毕业答辩的准备。2007.05.282007.06.02 毕业设计答辩。4.指导教师意见。指导教师： 年 月 日说明：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，将作为毕业设计（论文）成绩考查的重要依据，经导师审查后签署意见生效。 本科毕业设计（论文）进展情况记录毕业设计（论文）题目：ZXK-7532数控立式钻铣床主运动、进给及控制系统设计 班级：_学号：_学生： 指导教师： 时 间任务完成情况指导教师意见第 周至第 周指导教师签名： 年 月 日第 周至第 周指导教师签名： 年 月 日第 周至第 周指导教师签名： 年 月 日 注：教师监督学生如实记录毕业设计（论文）过程中根据课题任务书拟定的进度与进展情况以及毕业设计（论文）撰写过程中遇到的问题和困难，并签署意见。第 周至第 周指导教师签名： 年 月 日第 周至第 周指导教师签名： 年 月 日第 周至第 周指导教师签名： 年 月 日注：教师监督学生如实记录毕业设计（论文）过程中根据课题任务书拟定的进度与进展情况以及毕业设计（论文）撰写过程中遇到的问题和困难，并签署意见。本科毕业设计（论文）中期报告 填表日期： 2007年 3 月 26日院（系）机械工程学院班级学生姓名课题名称：ZXK-7532数控立式钻铣床主运动、进给系统及控制系统设计课题主要任务：调查分析原ZXK-7532数控立式钻铣床的加工特点、存在问题,进行新的数控立式钻铣床的总体方案和控制系统总体方案设计。1、简述开题以来所做的具体工作和取得的进展或成果开题以来，认真查阅了一系列的参考文献和与设计相关的书籍，对课题有了初步的整体了解，并通过参考各种资料书中有关数控钻铣床的设计过程，对设计步骤和方法有了更深层次的了解。通过前段时间的设计计算和系统分析以及在颜竟成教授的认真指导下，数控钻铣床的控制系统的设计是此课题最为重要的，也是难点之处，所以这对下一步的工作有着深刻的意义。2、下一步的主要研究任务，具体设想与安排1对系统进行进一步的分析，做出初步的系统方案。2在做出的初步方案上进行修改，使其进一步完善。3确立方案后，接下来就是绘图和说明书的整理。3、存在的具体问题个人对数控机床的了解深度有限，存在的主要问题是整个系统设计过程中，经常遇到一些的问题，需同学和老师的指导，在整个系统设计中还不完善，需进一步的修改和完善。4、指导教师对该生前期研究工作的评价指导教师签名： 日 期： 毕业设计（论文）指导教师评阅表院（系）： 机械工程学院 学生姓名学 号班 级专 业机械设计制造及其自动化指导教师姓 名课题名称ZXK-7532数控立式钻铣床主运动、进给系统及控制系统设计评语：（包括以下方面，学习态度、工作量完成情况；检索和利用文献能力、计算机应用能力；学术水平或设计水平、综合运用知识能力和创新能力；）是否同意参加答辩：是 否指导教师评定成绩分值：指导教师签字： 年 月 日毕业设计（论文）评阅教师评阅表院、系：机械工程学院 学生姓名学 号班 级专 业机械设计制造及其自动化课题名称ZXK-7532数控立式钻铣床主运动、进给系统及控制系统设计评语：（对论文学术评语，包括选题意义；文献利用能力；所用资料可靠性；创新成果及写作规范化和逻辑性）针对课题内容给设计者（作者）提出3个问题，作为答辩时参考。1.2.3.评 分：是否同意参加答辩是 否评阅人签名： 年 月 日 毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表院、系（公章）： 学生姓名学号班级答辩日期课题名称ZXK-7532数控立式钻铣床主运动、进给系统及控制系统设计指导教师成 绩 评 定分值评 定教师1教师2教师3教师4教师5小计课题介绍思路清晰，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，结论严谨，设计（论文）有应用价值。30答辩表现思维敏捷,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确、大、深入,知识面宽。70合 计100答 辩 评 分分值：答辩小组长签名：答辩成绩a： 指导教师评分分值：指导教师评定成绩b： 评阅教师评分分值：评阅教师评定成绩c： 最终评定成绩： 分数： 等级：答辩委员会主任签名： 年 月 日说明：最终评定成绩a+b+c，三个成绩的百分比由各院、系自己确定。2007届本科生毕业设计（论文）资料第二部分 设计说明书（或毕业论文）实习报告院（系）：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 姓名： 一、实习的主要内容为了让四年所学的知识得以加强和巩固，我特地到了广东顺德进行了实习。四个星期的实习，我去了申菱空调设备有限公司和广东锻压机床厂，了解了这些工厂的生产情况，与本专业有关的各种知识，各厂工人的工作情况等等。申菱空调设备有限公司，这是我实习的第一个单位，我来到了申菱，这是一家生产中央空调的厂家。来到该厂我首先了解了申菱的一些生产情况。广东申菱空调设备有限公司于1992年正式建成投产，是集科研、生产、检测、销售、工程服务于一体的现代化企业，是中国500家最大电气机械器材制造企业之一。专业生产“申菱”牌大、中型水冷、风冷单元式空调机，洁净式空调机，恒温恒湿型机房专用空调机，屋顶式空调机，高温环境特种空调机，除湿机，冷水机组成风机盘管、柜式风机盘管和组合式空气处理机等末端设备。其中单元式空调机和洁净式空调机包括冷风型、冷风电热型、热泵型、恒温恒湿型等多个系列和品种。接下来的日子我对其生产车间进行了详细的认识。我首先来到的是钣金车间。从车间的定置管理图中，可了解到该车间的生产过程是：下料区冲压成型区焊料一库焊料二库冲压转型区散件特检点铝合金加工区钣金半成品周转区焊接喷涂成品。在钣金车间，观看了各种机器的生产情况。有M-2023剪板机、J23-25冲床、J23-40冲床、J23-60冲床、J23-80冲床、J28-500四柱油压机、CSW-250冲角床、TA-60T弯板机、RG-80弯板机等等，各种我熟悉和陌生的机器。BR接着是两器车间。在两器车间，我观看了压力容器用钻床、翅片冲床的生产过程，以及一些已经记不清名字的机器的生产。在总装车间，我向工人师傅请教了管壳式换热器和水冷冷凝器的原理。在这个车间，我已经能够看到完整的中央空调的雏形，在这个庞然大物中,用到了我所学过各种各样的知识,有机械,有电子技术,精密机器制造等等。从申菱公司生产车间，我可以看到中国空调技术已经基本成熟，但是它的中央处理芯片还是要靠进口。在出厂检验车间，师傅为我讲解了产品检验的过程，并给我示范了检验是如何进行的，所用到的仪器，有精密仪表了，有常用工具了，有一种仪表是我从来没见过的，那就是利用传感器技术的安培表。在检测中心。在与师傅的交流中，我了解到产品检测进行的过程,以及相关的工作。数十天的实习，在学习之余，也对该厂有了一个初步的印象，虽然该厂用了许多先进的机器，但生产效率还需要改进。广东锻压机床厂，这是我的第二个实习工厂，这是国内锻压行业首家通过ISO9001-2000及机械安全认证的企业，广东省高新技术企业，国家出口基地企业。目前，该厂拥有齿轮磨床、曲轴磨床、导轨磨床、数控镗铣床、数控车床及数控加工中心等先进的加工设备，拥有强大的技术对伍及一流的管理体系，主要生产YD28、Y28、Y34、Y30系列油压机、J76、STP、STPL、JH21、JH25、JH31、JH36、J84、J21、J23等系列压力机、KJS数控开卷送料校平机构及各种自动冲压生产线。该厂的主要产品是压力机，包括系列和系列，老的系列，由于存在着安全隐患，已经慢慢被新的系列所取代。来到该厂接待我的是2001届的学长，在给我讲解了锻压厂的发展情况，生产规模以及生产安全等后，带领我参观了该厂的计量室。在计量室，我看到了很多以前从所未见过的精密仪器，有水平仪调教仪、弹簧测试仪（内部装有压力传感器）、压力表气氧气表两用校验器、大型千分尺（有测外径和测内径两种）、垂直度测量仪（装有光感应器）、投影一米测长机（装有光电感应）等。学长为我讲解了这些仪器的用法、校正、维护等。参观完计量室，我们接着参观了生车间,由于这是一家重型机械厂,所以很注意安全,进入生产车间之前,我们每个人都发了一顶安全帽。在产车间中，我观看了框架上移式油压机，武汉重型机床厂、高明精机生产的大型机器的生产过程。学长还为我讲解在车间出品机器的特点、性能和应用。JH21系列开式固定台压力机、JH系列高性能压力机，机身由钢板焊接而成且经人工时效和抛完钝化防绣处理，变形小，刚性好。气动湿式磨擦片离合器一制动器组和，寿命长、噪音小、齿轮副和滑动副均经热处理淬火及精密研磨、传动平稳。采用PLC控制，令机器能实现急停、寸动、单次和连续冲裁。可灵活采用定速或变速，配合自动送料装置，形成单机或多机自动冲压生产线。Y28、YA28系列四柱双动液压机：Y28四柱双动液压机主要用于薄板拉伸、成形、调直等工序，该机主要液压及电气元件均采用国际名牌产品，可配套光电保护装置。YA28宽工作台四柱双动油压机主要用于大型薄板工件的深拉伸、成形、调直等工序。该机主要液压元件均采用威格士、力士乐或油研公司的产品。可配套光电保护装置。YD28系列高速精密油压机，本油压机为四柱式结构，其主要液压元件、密封件和电器控制元件均为国际名牌产品采用比例阀，可进行多次冲压，工艺性能好，调整设定方便，压力精度高空程速度快。为普通油压机的2.5倍，生产效率高行程定位由光栅检测系统控制，精度高达0.01MM；PLC与MT31C编程终端控制，可储存200个不同的工作程序，方便实现单机或多机自动化生产，并可配套光电保护器。适用于工艺品、饰品、表胚、表带、眼镜和餐具等行为作压制品之用。二、实习取得的经验及收获第一次亲身感受了所学知识与实际的应用，冲压板金在空调设备中的应用，电子技术在空调设备中的应用，精密机械制造在机器制造中的应用等等理论与实际的相结合，让我大开眼界。也是对以前所学知识的一个巩固吧。让我学到了很多书本上学不到的知识，看到了很多书本上看不到的机器。这次实习对于我以后学习、找工作也是受益菲浅的。在短短的两个星期中让我对自己的知识结构有所了解，理性地重新认识自己，也让我初步的认识了这个社会，对于以后做人所应把握的方向也有所启发！三、存在的不足及建议从这次实习中，我也发现了自己的不足。专业基础知识还不够熟练，对国家标准的认识还不够深入。自己已有的知识不能很好的于实践相结合，需要多参加实际生产。对机械方面的相关高新技术的了解不够，需要通过各种途径不断的了解机械行业各种不断变化和革新的技术的思想理念。（2007届）本科生毕业设计（论文）题 目学 院、系：机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 最终评定成绩 2007 年 5月 本科生毕业设计（论文）ZXK-7532数控立式钻铣床主运动、进给系统及控制系统设计院 （系）：机械工程学院专 业：机械设计制造及其自动化学 号：学生姓名：指导教师： 2007 年 5月湖南工业大学本科生毕业设计（论文）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。本次设计通过对现有数控钻铣床的分析研究，提出一种新的设计方案,其自动化程度更高，结构也相对比较简单。这一点在论文会得以体现。本方案中，主轴箱采用电磁离合器实现有级变速，在X、Y、Z三个方向上的进给运动均采用滚珠丝杆，而动力则由步进电动机通过调隙齿轮来传递，并且采用单片机进行数字控制。控制系统采用MCS-51系列单片机，通过扩展程序存储器、数据存储器和I/O接口实现硬件电路的设计。论文中也对软件系统的设计做出了相关说明。关键词：数控技术 滚珠丝杆 步进电机 单片机系统扩展湖南工业大学本科生毕业设计（论文）ABSTRACTThe numerical control engine bed is the digital process control engine bed, is one kind of automated engine bed, the numerical control technology is the core which the numerical control engine bed studies, is the manufacturing industry realization automation, the network, the flexibility, the integrated foundation. Along with the manufacture technology development, the modern numerical control engine bed with the aid of the modern design technology, the working procedure intensification and the new function part caused the engine bed the processing scope, the dynamic performance, the processing precision and the reliability had the enormous enhancement .This design tries a new method after the analyze and research of the exited numerical control bed for mill and bore with the higher automatization degrees and the simpler configuration, which will be explained in the paper. In the method, electromagnetism clutch is used for the realization of the level shift in the headstock, and in the motion of , we all adopt ball bearing thread haulm for the X、Y、Z direction ,The power of which is step by step electromotor transferred by gear that used for adjusting gaps. And more, we used singlechip for numerical control.The control system introduces MCS-51 series singlechip, and the realization of hardware circuit was accomplished by enlarging program memorizer、data memorizer and I/O meet meatus. Also, the paper explained the design for software system.Keywords: Numerical control technology、Ball bearing thread haulm、The step by step electromotor、The enlarge for SCM system 湖南工业大学本科生毕业设计（论文）目 录第1章 机床总体布局设计11.1机床总体尺寸参数的选定11.2机床主要部件及其运动方式的选定11.2.1 主运动的实现.11.2.2 进给运动的实现.11.2.3 数字控制的实现.11.2.4 机床其它零部件的选择11.3机床总体布局的确定 2第2章 主运动的设计32.1议定转速图3 2.1.1确定结构式和结构网式3 2.1.2拟定转速图4 2.1.3确定各齿轮的齿数5 2.1.4传动系统图的拟定72.2主传动主要零件的强度计算8 2.2.1电动机的选择8 2.2.2齿轮传动的设计计算92.3轴的设计计算12 2.3.1各传动轴轴径的估算12 2.3.2各轴段长度值的确定14 2.3.3轴的刚度与强度校核142.4离合器的选用 27 第3章 进给系统的设计计算 273.1垂直进给系统的设计计算 27 3.1.1脉冲当量和传动比的确定28 3.1.2滚珠丝杠设计计算29 3.1.3步进电机的选择33 3.1.4滚珠丝杆副的预紧方式34 3.1.5齿轮传动消隙353.2横向进给系统的设计计算35 3.2.1脉冲当量和传动比的确定35 3.2.2滚珠丝杠设计计算37 3.2.3步进电机的选择38第4章 控制系统的设计394.1控制系统总体方案的拟定394.2总控制系统硬件电路设计 404.2.1单片机的设计404.2.2系统的扩展434.2.3键盘、显示器接口设计484.2.4步进电机控制电路设计504.2.5光电隔离电路设计534.2.6其它接口电路的设计544.3部分控制程序 544.3.1直线圆弧插补程序设计 544.3.2直线插补程序544.3.3圆弧插补程序设计554.4控制系统的软件设计594.4.1步进电机控制程序设计 594.4.2 LED动态显示接口程序设计61结论 64致谢 65参考文献 66科技译文实习报告 湖南工业大学本科生毕业设计（论文）第1章 机床总体布局设计1.1 机床总体尺寸参数的选定根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：工作台宽度长度 4001600mm主轴锥孔 724工作台最大纵向行程 300mm工作台最大横向行程 375mm主轴箱最大垂直行程 400mm主轴转速级数 12级主轴转速范围 301500r/minX、Y轴步进电机 130BF001（反应式步进电动机）Z轴步进电动机 130BF001（反应式步进电动机）主电动机的功率 4.0KW主轴电动机转速 1440r/min机床外形尺寸（长宽高） 15012002300mm机床净重 500Kg1.2 机床主要部件及其运动方式的选定1.2.1 主运动的实现因所设计的机床要求能进行立式的钻和铣，垂直方向的行程比较大,因而采用工作台不动,而主轴箱各轴向摆放为立式的结构布局；为了使主轴箱在数控的计算机控制上齿轮的传动更准确、更平稳，工作更可靠，主轴箱主要采用液压系统控制滑移齿轮和离合器变换齿轮的有级变速。1.2.2 进给运动的实现本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制，因此在X、Y、Z三个方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过调隙齿轮传递。1.2.3 数字控制的实现采用单片机控制，各个控制按扭均安装在控制台上，而控制台摆放在易操作的位置，这一点须根据实际情况而定。1.2.4 机床其它零部件的选择考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。1.3 机床总体布局的确定根据以上参数及主要部件及其运动方式，则可拟定机床的总体布局图，详细图纸请参照1号A1图纸。第2章 主传动的设计2.1 议定转速图2.1.1 确定结构式和结构网式：1.主传动的确定，和公比的确定：根据ZJK-7532的使用说明书，初步定主轴转速范围为951600rmin， 则=1.29 (2.1)由设计手册取标准值得：=1.26。令，则 (2.2)则取。2.确定变速组和传动副数目：大多数机床广泛应用滑移齿轮的变速方式，为了满足结构设计和操纵方便的要求，通常采用双联或三联滑移齿轮，因此主轴转速为12级的变速系统，总共需要三个变速组。3.确定传动顺序方案：按着传动顺序，各变速组排列方案有： 12322 12232 12223从电机到主轴，一般为降速传动。接近电机处的零件，转速较高，从而转矩较小，尺寸也就较小。如使传动副较多的传动组放在接近电机处，则可使小尺寸的零件多些，而大尺寸的零件可以少些，这样就节省省材料，经济上就占优势，且这也符合“前多后少”的原则。从这个角度考虑，以取18=332的方案为好，本次设计即采用此方案。4.确定扩大顺序方案：传动顺序方案确定以后，还可列出若干不同扩大顺序方案。如无特殊要求，根据“前密后疏”的原则，应使扩大顺序和传动顺序一致，通常能得到最佳的结构式方案，故选用12结构式方案。检查最后扩大组的变速范围： r=10故合符要求。 5.结构网图：2.1.2 拟定转速图：根据已确定的结构式或结构网议定转速图时，应注意解决定比传动和分配传动比，合理确定传动轴的转速。 定比传动在变速传动系统中采用定比传动，主要考虑传动、结构和性能等方面的要求，以及满足不同用户的使用要求。在钻铣床的设计中，总降速比为u=125/1440=0.087。若每一个变速组的最小降速比均取1/4。则三个变速组的总降速可达。故无需要增加降速传动，但为了使中间两个变速组做到降速缓慢，以利于减小变速箱的径向尺寸和有利于制动方便，在轴间增加一对降速传动齿轮（），同时，也有利于设计变型机床，因为只要改 变这对降速齿轮传动比，在其他三个变速组不变的情况下，就可以将主轴的12种转速同时提高或降低，以便满足不同用户的要求。 分配降速比 前面已确定，12322共需三个变速组，并在轴间增加一对降速传动齿轮，要用到四个变速组，在主轴上标出12级转速：1251600r/min,在第轴上用A点代表电动机转速，最低转速用E点标出，因此A,E两点相距约11格，即代表总降速传动比为。 定出各变速组的最小传动比 根据降速前慢后快的原则，在轴间变速组取，在轴间变速组取，在轴间变速组取，则：根据结构式可知：轴间变速组的级比指数分别为：1，3，6。传动副为：3，2，2。则画出上图的转速图。2.1.3 确定各齿轮的齿数：在确定齿轮齿数时应注意：齿轮的齿数和不应过大，以免加大两轴之间的中心距，使机床的结构庞大，而且增大齿数和还会提高齿轮的线速度而增大噪声，所以在设计时要把齿数和控制在；为了控制每组啮合齿轮不产生根切现象，使最小齿数，因而齿轮的齿数和不应过小。在轴间： 则可查表1.58和2.51两行又而最小齿轮的齿数是在的齿轮副中，令 则等，在高速轴中尽量使齿轮的几何尺寸小一点以减小主轴的尺寸，所以可取 可查出：， ，同理： 且查得. 取 则查得：， ， 查得： 三联滑移齿轮中的最大齿数与次大齿数之差必须要大于或等于4，则必需有 又 前传动轴的转速高，扭矩小，一般传动件的尺寸要小一些，因而齿数和可取比前一级变速组小用计算法：取，则则 0 取 则 滑移齿轮齿数的验算：在三联滑移齿轮中，为了确保其左右移动时能顺利通过，不致相碰，则必须保证三联滑移齿轮的次大齿轮与最大齿轮的配对齿轮不相碰（最大齿轮布置在中间），即：又 则必须保证： 从上面计算可知： 则 这与要求不符。但是与都采用了离合器，使齿轮和的距离拉大了，因而在滑移齿轮在移动过程中不存在相碰的情况， 三联滑移齿轮在这个设计里是可以实现的。2.1.4 传动系统图的拟定：根据以上分析及计算，拟定如下传动系统图：2.2主传动主要零件的强度计算：2.2.1电动机的选择1. 电动机的功率计算 钻头材料选用W18Cr4V, 根据加工要求选用钻头直径D25mm， 则查表得进给量S0.390.47mm， 根据钻孔切削用量表查得：n377r/min，M=8580Nm 则 (2.3)2. 电动机参数的选择在选择电动机时，必须使得PP，根据这个原则，查机械设计手册选取Y112M-4型电动机，其基本参数如下（单位为mm）：A=190 B=140 C=70 D=28 E=60 F=8G=24 H=112 K=12 AB=245 AC=230AD=190 HD=265 BB=180 L=4002.2.2齿轮传动的设计计算由于直齿圆柱齿轮具有加工和安装方便、生产效率高、生产成本低等优点，而且直齿圆柱齿轮传动也能满足设计要求，所以本次设计选用渐开线直齿圆柱齿轮传动；主轴箱中的齿轮用于传递动力和运动，它的精度直接与工作的平稳性、接触误差及噪声有关。为了控制噪声，机床上主传动齿轮都选用较高的精度，但考虑到制造成本，本次设计都选用7-6-6的精度。具体设计步骤如下：1、模数的估算：按接触疲劳和弯曲疲劳计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知道后方可确定，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。齿轮弯曲疲劳的估算公式：mm （式中即为齿轮所传递的功率） （2.4）齿面点蚀的估算公式：mm （式中即为齿轮所传递的功率）（2.5）其中为大齿轮的计算转速，为齿轮中心距。由中心距及齿数求出模数：mm (2.6)根据估算所得和中较大的值，选取相近的标准模数。前面已求得各轴所传递的功率，各轴上齿轮模数估算如下：第一对齿轮副 mm mm mm所以，第一对齿轮副传动的齿轮模数应为mm第二对齿轮副 mm mm mm所以，第二对齿轮副传动的齿轮模数应为mm第三对齿轮副 mm mm mm所以，第三对齿轮副传动的齿轮模数应为mm 第四对齿轮副 mm mm mm所以，第四对齿轮副传动的齿轮模数应为mm综上所述，为了降低成本，机床中各齿轮模数值应尽可能取相同，但因为轴的转速比较小，扭矩比较大，为了增加其强度和在主轴上能起到飞轮的作用，需增加轴齿轮的几何尺寸。所以，本次设计中在间各个齿轮模数均为=2.5mm，在轴上就取。2、齿轮分度圆直径的计算根据渐开线标准直齿圆柱齿轮分度圆直径计算公式可得各个传动副中齿轮的分度圆直径为： 3、齿轮宽度B的确定齿宽影响齿的强度，但如果太宽，由于齿轮制造误差和轴的变形，可能接触不均匀，反儿容易引起振动和噪声。一般取B=（610）m。本次设计中，取主动齿轮宽度B=8m=82.5=20mm(在最后一对齿轮啮合取也取B=7m20)，则与其啮合的从动齿轮的宽度一致。而取多联齿轮的宽度B=8m=82.5=20mm，为了使啮合更容易和平稳，则与其啮合的从动齿轮的宽度要小一点，取B=6m62.515mm。4、齿轮其他参数的计算根据机械原理中关于渐开线圆柱齿轮参数的计算公式及相关参数的规定，齿轮的其它参数都可以由以上计算所得的参数计算出来，本次设计中，这些参数在此不在一一计算。 5、齿轮结构的设计不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构的要求也不同，7级精度的齿轮，用较高精度的滚齿机或插齿机可以达到。但淬火后，由于变形，精度将下降。因此，需要淬火的7级齿轮一般滚或插后要剃齿，使精度高于7级，或者淬火后再珩齿。6级精度的齿轮，用精密滚齿机可以达到。淬火齿轮，必须才能达到6级。机床主轴箱中的齿轮齿部一般都需要淬火。6、齿轮的校核（接触疲劳强度）： 计算齿轮强度用的载荷系数K，包括使用系数,动载荷系数,齿间载荷分配系数及齿向载荷分布系数，即： =1.251.071.11.12=1.65 (2.7)查表得：=0.88 =2.5 =189.8= (2.8)将数据代入得：1100mpa齿轮接触疲劳强度满足，因此接触的应力小于许用的接触应力。其它齿轮也符合要求，故其余齿轮不在验算，在此略去。2.3 轴的设计计算2.3.1各传动轴轴径的估算滚动轴承的型号是根据轴端直径确定的，而且轴的设计是在初步计算轴径的基础上进行的，因此先要初算轴径。轴的直径可按扭转强度法用下列公式进行估算。 (2.9)对于空心轴，则 (2.10)式中，轴传递的功率，kW； 轴的计算转速，r/min； 其经验值见表15-3； 取的值为0.5。（1）、计算各传动轴传递的功率P根据电动机的计算选择可知，本次设计所选用的电动机额定功率各传动轴传递的功率可按下式计算： (2.11) 电机到传动轴之间传动效率；由传动系统图可以看出，本次设计中采用了联轴器和齿轮传动，则各轴传递的功率为：=0.96， =0.93， =0.904 =0.877 所以，各传动轴传递的功率分别为： 3.509(2) 估算各轴的最小直径本次设计中，考虑到主轴的强度与刚度以及制造成本的经济性，初步选择主轴的材料为40Cr，其它各轴的材料均选择45钢，取A0值为115，各轴的计算转速由转速图得出：n1j=1002r/min, n2j=631r/min, n3j=315r/min, n4j=250r/min, 所以各轴的最小直径为： 在以上各轴中，每根轴都开有平键或花键，所以为了使键槽不影响轴的强度，应将轴的最小直径增大5%，将增大后的直径圆整后分别取各轴的最小直径为： =18, =23, =34, =462.3.2 各轴段长度值的确定各轴段的长度值，应根据主轴箱的具体结构而定，且必须满足以下的原则：（1）、应满足轴承及齿轮的定位要求；（2）、应满足滑移齿轮安全滑移的要求；2.3.3 轴的刚度与强度校核根据本次设计的要求，需选择除主轴外的一根轴进行强度校核，而主轴必须进行刚度校核。在此选择第根轴进行强度校核。（1）、第三根轴的强度校核 1)、轴的受力分析及受力简图由主轴箱的展开图可知，该轴的动力源由电动机通过齿轮传递过来，而后通过一个三联齿轮将动力传递到下一根轴。其两端通过一对角接触球轴承将力转移到箱体上去。由于传递的齿轮采用的直齿圆柱齿轮，因此其轴向力可以忽略不计。所以只要校核其在xz平面及yz平面的受力。轴所受载荷是从轴上零件传来的，计算是，常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当作铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关。其受力简图如下：在xz平面内： 在yz平面内： 2）、作出轴的弯矩图根据上述简图，分别按xz平面及yz平面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出两个平面的上的弯矩图。在xz平面内，根据力的平衡原理可得：R1+R2+Ft2=Ft1 (2.12)将各个力对R1取矩可得：Ft1a=Ft2（l-b）+R2l (2.13) Ft1=2/d7 (2.14) Ft2=2/d11 (2.15) 由以上两式可解出：R1=Ft1（l-a）/l-Ft2b/l (2.16)R2=Ft1a/l-F2xz+Ft2b/l (2.17)由于有多个力的存在，弯矩无法用一个方程来表示，用x来表示所选截面距R1的距离，则每段的弯矩方程为： 在AB段： M=R1x （ax0） 在BC段： M=R1（a+x）-Ft1x （l-bxa） 在CD段： M=R2（l-x） （lxl-b）则该轴在xz平面内的弯矩图为：同理可得在yz平面内的弯矩图为： 3)、作出轴的扭矩图由受力分析及受力简图可知，该轴只在yz平面内存在扭矩。其扭矩大小为： T1=Ft1r7 T2=Ft2r11 (2.18)则扭矩图为：4）、作出总的弯矩图由以上求得的在xz、yz平面的弯矩图，根据M=可得总的弯矩图为：5）、作出计算弯矩图根据已作出的总弯矩图和扭矩图，则可由公式Mca=求出计算弯矩，其中是考虑扭矩和弯矩的加载情况及产生应力的循环特性差异的系数，因通常由弯矩产生的弯曲应力是对称循环的变应力，而扭矩所产生的扭转切应力则常常不是对称循环的变应力，故在求计算弯矩时，必须计及这种循环特性差异的影响。即当扭转切应力为静应力时，取0.3；扭转切应力为脉动循环变应力时，取0.6；若扭转切应力也为对称循环变应力时，则取=1。应本次设计中扭转切应力为静应力，所以取0.3，则计算弯矩图为：6）、校核轴的强度选择轴的材料为45钢，并经过调质处理。由机械设计手册查得其许用弯曲应力为60MP，由计算弯矩图可知，该轴的危险截面在B的作用点上，由于该作用点上安装滑移齿轮，开有花键，由机械设计可查得其截面的惯性矩为：W= d4+（D-d）（D+d）2zb/32D (2.19)其中z为花键的数目，在本次设计中，z=6，D=28mm，d=23mm， b=6mm所以其截面的惯性矩为W=524.38mm3 根据标准直齿圆柱齿轮受力计算公式可得圆周力与径向力：Ft=2T1/d1 Fr=Fttg (2.20)其中T1为小齿轮传递的扭矩，Nmm；为啮合角，对标准齿轮，取=20；而Ft与Fr分别对应与xz平面及yz平面的力。各段轴的长度可从2号A0图中得出，则根据前面的公式可得出该轴危险截面的计算弯矩为：Mca=25014.22Nm，则该轴危险截面所受的弯曲应力为：ca=25014.22/524.3847.7MP60MP，所以该轴的强度满足要求。（2）、主轴的刚度校核1）、主轴材料的选择 考虑到主轴的刚度和强度，选择主轴的材料为40Cr，并经过调质处理； 2）、主轴结构的确定主轴直径的选择 根据机床主电机功率来确定(参考金属切削机床（下）的154页)： P4KW，属于中等以上转速，中等以下载荷的机床可取 主轴内孔直径 (2.21) 其中 ，-空心主轴的刚度和截面惯性矩 K, I -实心主轴的刚度和截面惯性矩当则主轴的刚度急剧下降，故取0.7主轴的结构应根据主轴上应安装的组件以及在主轴箱里的具体布置来确定，主轴的具体结构已在三维图上表达清楚，在此不在绘出。 其中： D=31.750 d18 L=733）、主轴的刚度验算 轴的变形和允许值轴上装齿轮和轴承处的绕度和倾角（y和）应该小于弯曲变形的许用值即y 轴的类型（mm）变形部位（rad）一般传动轴4.00030.0005l装向心轴承处0.0025刚度的要求较高-0.0002l装齿轮处0.001安装齿轮轴（0.010.00）m装单列圆锥滚子轴承0.006其中：L表跨距，m表模数轴的变形计算公式计算轴本身弯曲变形产生的绕度y及倾角时，一般常将轴简化为集中载荷下的简支梁。按材料力学相关公式计算，主轴的直径相差不大且计算精度要求不高的时候，可把轴看作等径轴，采用平均直d来计算，计算花键时同样选择用平均直径圆轴： d (2.22)惯性矩： I= (2.23)矩形花键轴： d1= (2.24) (2.25)惯性矩： (2.26)轴的分解和变形合成 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，应用弯曲变形公式求出所求截面的两个垂直平面的和y。然后进行叠加，在同以平面内的可进行代数叠加，在两平面内的按几何公式，求出该截面的总绕度和总倾角危险工作面的判断验算刚度时应选择最危险的工作条件进行，一般时轴的计算转速低传动齿轮的直径小，且位于轴的中央时，轴受力将使总变形剧烈，如对：二、三种工作条件难以判断那一种最危险，就分别进行计算，找到最大弯曲变形值和y。 提高轴刚度的一些措施加大轴的直径，适当减少轴的跨度或增加第三支承，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 轴的计算简图在xz平面内： 同理可得在yz平面内的受力图，在此不在画出。主轴的传动功率：P主=3.513KW (2.27)主轴转矩： T主=156900 (2.28)支点上的力： (2.29) (2.30)根据弯矩平衡： (2.31)求得：RHE=-84.9根据力得平衡：则弯矩图为：2）垂直平面得弯矩图：=951.71N (2.32)=761.4N (2.33)根据平面内得弯矩平衡有： (2.34)再根据力得平衡： 则可得B、C点得弯矩图：在B点和C 点为最危险截面，要满足要求，B、C点满足即可，在B、C截面得弯矩为：=803403.1N (2.35)=675702.3 N (2.36)扭矩图为：经分析可知B所在得位置为最危险截面，只要B满足条件即可，则刚度满足。计算弯矩 (2.37)=862517.2 N轴得抗弯截面系数为： (2.38)53.96 (2.39)故满足第三强度理论刚度验算：在水平面内，单独作用时： (2.40) = =-0.02598mm其中I=2747500 (2.41)在单独作用下： (2.42) = =-0.0182mm在两力得共同作用下： (2.43)在垂直面内有(在单独作用时) (2.44) = =-0.0072mm其中I=2747500 (2.45)在单独作用下： (2.46) = =-0.0182mm在两力得共同作用下： (2.47)故在共同作用下，x处为危险截面，其最大绕度为 (2.48)而一般的刚度 =0.210.35mm故符合刚度要求，其转角就不验算了。1）下面校核由传到主轴时的强度，刚度，校核，主轴的传动功率：P主=5.9974KW (2.49)主轴转矩：T主=143188Nmm (2.50)支点上的力： (2.51) (2.52)根据弯矩平衡： (2.53)求得：RHE=-244.9N根据力得平衡：2）垂直平面得弯矩：=868.6N (2.54)=501.1 N (2.55)根据平面内得弯矩平衡有： (2.56)再根据力得平衡： 则可得B、C点得弯矩图：在B点和C 点为最危险截面，要满足要求，B、C点满足即可，在B、C截面得弯矩为：=110489.6N (2.57)=708402.5 N (2.58)扭矩图为：经分析可知B所在得位置为最危险截面，只要B满足条件即可，则刚度满足。计算弯矩 =942100 N (2.59)轴得抗弯截面系数为： (2.60)=58.94 (2.61)故满足第三强度理论刚度验算：在水平面内，单独作用时： (2.62) = =-0.018147mm其中I=2747500 (2.63)在单独作用下： (2.64) = =-0.00551mm在两力的共同作用下： (2.65)在垂直面内有(在单独作用时) (2.66) = =-0.0066mm其中I=2747500 (2.67)在单独作用下： (2.68) = =-0.001515mm在两力得共同作用下： (2.69)故在共同作用下，x处为危险截面，其最大绕度为 (2.70)而一般的刚度=0.210.35mm故符合刚度要求，其转角就不验算了。2.4离合器的选用离合器在机器运转中可将传动系统随时分离或接合，对离合器的要求有：接合平稳，分离迅速彻底；调节和修理方便；外廓尺寸小；质量小；耐磨性好和有足够的散热能力；操作方便省力。离合器的类型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。根据设计要求，我选用了电磁式摩擦片离合器。根据经验值；。第3章 进给系统的设计计算3.1垂直进给系统的设计计算 假定主轴箱的重量： =100kgf=1009.8=980N Z轴的行程为： 400mm 垂直脉冲当量： 0.01mm 预选滚珠丝杠基本导程： =10mm 步距角： 快速进给速度： =2.0m/min 3.1.1 脉冲当量和传动比的确定、传动比的选定对于步进电机，当脉冲当量确定，并且滚珠丝杆导程和步进电机步距角都已初步选定后，则可用下式来计算该轴伺服传动系统的传动比： (3.1)、计算转动惯量初选步进电机的型号为130BF001则查表查出电机转子转动惯量40.06对于轴，轴承，齿轮，联轴节，丝杆等圆柱体的转动惯量公式为： (3.2)对于钢材，材料密度为，则有 (3.3)从资料定出齿轮副为： m1.5 mm B=20mm则： 齿轮转动惯量： (3.4) (3.5)滚珠丝杆转动惯量折算： (3.6)工作台质量折算： (3.7)传动系统等效转动惯量计算： 6.16 (3.8)、工作载荷分析及计算普通麻花钻每一切刃都产生切向切削抗力,径向切削抗力与轴向切削抗力。当左，右切削刃对称时，径向抗力相互平衡。切向抗力形成钻削扭矩M，它消耗了切削功率。所有切削刃上轴向抗力之和形成了钻头上的轴向力。 钻削时安装工件的工作台是静止的，不作纵，横向进给运动，因此钻削时工作台载荷主要是垂直进给方向载荷，其大小与钻削轴向力F相同，方向相反。当钻削工作台不作垂直进给时，是工作台的静压垂直载荷；当工作台作垂直进给时，是工作台垂直进给抗力。 钻头直径，取进给量f0.36mm/r 则查表得到高速钢钻头钻孔时的轴向力F7330N。3.1.2滚珠丝杠设计计算 滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。1）计算作用在丝杠上的最大动负荷 首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出丝杠副应能承受的最大动载荷C：= (3.9)式中运转状态系数，一般运转取1.21.5，有冲击的运转取1.52.5；滚珠丝杠工作载荷（N）；工作寿命，单位为10r，可按下式计算 = (3.10)式中 滚珠丝杠的转速（r/min）； 使用寿命时间（h），数控机床取15000h。钻铣床主轴燕尾导轨滚珠丝杆副驱动时滚珠丝杆的工作载荷： (3.11)式中 F切削时的轴向切削抗力； 轴套和轴架以及主轴键上的摩擦系数0.15； M主轴上的扭矩； 主轴直径；则 = (3.12) (3.13)其中为最大切削力条件下的进给速度（），可取最高进给速度的；为丝杠基本导程（），计算时，可初选一数值，等刚度验算后再确定；则 (3.14)为额定使用寿命（），可取15000h;则 60.03万转 (3.15)根据工作负载、寿命，计算出滚珠丝杠副承受的最大动负载，取1.2，则： =37997.8N (3.16) 由查机床设计手册，选择丝杠的型号。选择滚珠丝杠的直径为40mm，型号为CDM4010-5-P4,其额定动载荷是53411N，强度足够用。2） 效率计算 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为 (3.17)式中 螺纹的螺旋升角，该丝杠为541； 摩擦角约等于10。则 0.971 (3.18) 3） 刚度验算 .丝杆的拉压变形量 滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，它将引起导程发生变化，因滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量 (3.19)式中 弹性模数，对钢，； 滚珠丝杠截面积（）（按丝杠螺纹底径确定）834.7 (3.20)“”用于拉伸时，“”用于压缩时。则 (3.21) 则丝杆的拉伸或压缩变形量 (3.22).滚珠与螺纹滚道间的接触变形量该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杆的长度无关。当丝杆在工作时有预紧时，其计算公式为： (3.23)式中 滚珠直径； 滚珠总数量Z圈数列数； Z一圈的滚珠数，Z=(外循环)，Z=（）3（内循环）； 滚珠丝杆的公称直径； 预紧力； 滚珠丝杆工作载荷； (3.24)Z=40/5.95321.11 (3.25) 则Z圈数列数21.112.5273.88 (3.26)又滚珠丝杆的预紧力为轴向工作载荷的1/3，值可减小一半，因而 (3.27).支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形在垂直进给运动中采用角接触球轴承，其计算公式为： (3.28)式中 轴承所受轴向载荷； 轴承的滚动休数目； 轴承滚动体直径； 工作载荷 (3.29) 滚珠丝杆的滚动体数量，滚动体直径 则 (3.30) 因为有预紧力，故实际变形量 (3.31)根据以上的计算，则总变形量为： (3.32)四级精度丝杆允许的螺距误差为25m，故刚度足够。4）、压杆稳定的校核滚珠丝杆通常属于受轴向力的细长杆，若轴向力工作负荷过大，将使丝杆失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为： = 2 EI/L2(N) (3.33)式中： E为丝杆的弹性模量，对于钢，E=20.6104，I为截面惯性矩，I=d14/64，(d1为丝杆底径),L为丝杆最大工作长度，为丝杆支承方式系数. I=32.64/64=55442.2 (3.34)对于一端固定一端自由的情况 =0.25 =20.2520.610455442.2/5802 =8.38104 临界载荷与丝杆工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于许用稳定性安全系数，则该滚珠丝杆不会失稳。一般取=2.5-4。 =8.38104/808710.4 (3.35) 压杆稳定3.1.3步进电机的选择（1）、负载转矩计算及最大静转矩选择 (3.36)又 t0.03s则折算到电动机轴上的总加速力矩为： (3.37)折算到电动机轴上的摩擦力矩 G980N ，(燕尾形导轨) ， 总效率 ， =4.17 (3.38) 附加摩擦力矩 预紧力 , 为滚珠丝杆未预紧时传动效率，取 (3.39)则步进电机快速空转启动力矩： (3.40)对于工作方式未五相十拍的步进电机最大静转矩为： (3.41)从相关资料查出130BF001型步进电动机最大静转矩为9.31，大于所需最大静转矩，可作为初选型号。（2）、校核步进电机的空载启动频率 步进电机的空载启动频率是 (3.42)查相关资料知：130BF001型步进电机允许的最高空载启动频率为3000,因而必须分三个阶梯启动，每个阶梯启动频率为,在0.25s内完成升速，0.05s过渡。取，则步进电机的运行频率为： (3.43) 而步进电机允许的运行频率为16000，所以满足设计要求。滚珠丝杠没有自锁能力，垂直坐标不能锁住，而主轴箱的重量相对来说比较大所以必须采用平衡装置，避免在工作时主轴箱的失控下降。3.1.4滚珠丝杆副的预紧方式为了消除间隙和提高滚珠丝杆副的刚度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，常用的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧等。预紧后的刚度可提高到为无预紧时的2倍。但是，预紧载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大。通常，滚珠丝杆在出厂时，就已经由制造厂调好预加载荷，并且预加载荷往往与丝杆副的额定动载荷有一定的比例关系。双螺母垫片式预紧：调整方法：调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移。特点：结构见到，装卸方便，刚度高；调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和预紧，适用于高刚度重载传动。双螺母螺纹式预紧：调整方法：调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。结构紧凑，工作可靠，调整方便，丹准确性差，且易于松动，适用于刚度要求不高或随时调节预紧的传动。双螺母齿差式预紧：调整方法：两边的下螺母的凸缘上有外齿，分别与紧固的螺母座两端的内齿圈，两个螺母向相同方向旋转，每转过一个齿，调整轴向位移。能够精确地调整预紧力，但结构尺寸较大，装配调整比较复杂，宜用于高度精度的传动机构。在垂直进给运动中要求要不定时调节预紧力，因而宜用双螺母螺纹式预紧。3.1.5 齿轮传动消隙齿轮传动的间隙也叫侧隙，它是指一个齿轮固定不动，另一个齿轮能够作出的最大角位移。传动间隙是不可避免的，其产生的这样原因有：由于制造及装配误差所产生的间隙；为使用热膨胀而特意留出的间隙。为了提高定位精度和工作的平稳性，要尽可能减小传动间隙。除了提高制造和装配精度外，消隙的主要途径有：设计可调整传动间隙的机构；设置弹性补偿元件。在这设计里我采用可调整齿轮传动间隙的机构来消除间隙。3.2 横向进给系统的设计计算滚珠丝杠螺母副的选择计算假定工作台及零件的总的量： =200kgf=1009.8=980N Z轴的行程为： 300mm 纵向脉冲当量： 0.01mm 预选滚珠丝杠基本导程： =5mm 步距角： 快速进给速度： =2.0m/min 3.2.1脉冲当量和传动比的确定、传动比的选定 (3.44)、计算转动惯量初选步进电机的型号为130BF001则查表查出电机转子转动惯量40.06为了机床的布局紧凑且方便可取i=1.0。则滚珠丝杆转动惯量折算： (3.45)工作台质量折算： (3.46)传动系统等效转动惯量计算：+=（40.06+36.81+12.7） (3.47)、工作载荷分析及计算滚珠丝杠上的工作载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台是滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫作进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩檫力。据机床加工的特点，当铣削槽时，工作载荷最大，由于铣削时，工作载荷既包括铣削时沿着丝杠轴的方向的力（即轴向力），也包括工作台及工件的重量（即垂直丝杠轴方向的力），由于在钻削时不存在纵向运动，因此只要考虑铣削的情况，而铣削时的轴向力不大，所以在此不考虑铣削时产生的轴向力。取铣削刀具直径为75mm，而机床的计算转速为250r/min，则 (3.48)而，机床主传动系统的传动效率则 (3.49)选端铣，对称，其中端铣，时，则得： 则可得 则在燕尾导轨上滚珠丝杆的工作载荷Fm为： (3.50)其中， =0.2， G=1960N3.2.2 滚珠丝杠设计计算1）计算作用在丝杠上的最大动负荷 (3.51)其中L=60nt/106 (3.52) (3.53)因为一般1.5，取=1.2则 (3.54)由查机床设计手册，选择丝杠的型号。选择滚珠丝杠的直径为32mm，型号为CDM3205-5-P3,其额定动载荷是19249N，强度足够用。2） 效率计算 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为 螺纹升角 (3.55) (3.56)因为工作台Y轴行程为300mm。则令l=450mm,滚珠丝杆螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载荷的1/3。3） 刚度验算.丝杆的拉压变形量滚珠丝杆截面积按丝杆螺纹的底径确定： (3.57)工作负载引起的导程的变化量可用下式计算： (3.58)则丝杆的拉伸或压缩变形量 (3.59)由于两端均采用推力轴承，且丝杆又进行了预紧，故其拉压刚度可比一端固定的丝杆提高4倍。 (3.60).滚珠与螺纹滚道间的接触变形量该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杆的长度无关。当丝杆在工作时有预紧时，其接触变形量为：(3.61)（其中为预紧力，而 ） 丝杆加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的1/3时 可减少一半。因此实际变形量为：.支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形根据以上的计算，则总变形量为： (3.62)三级精度丝杆允许的螺距误差为15m/m，故刚度足够。因为滚珠丝杆两端都采用推力球轴承并预紧，因此不会产生失稳现象，故不需做稳定性校核。3.2.3步进电机的选择（1）、负载转矩计算及最大静转矩选择 (3.63)又 则折算到电动机轴上的总加速力矩为： (3.64)折算到电动机轴上的摩擦力矩 (3.65)附加摩擦力矩 预紧力，滚珠丝杆未预紧时的传动效率取则 (3.66)则步进电动机快速空转启动力矩： (3.67)对于工作方式为五相十拍得步进电动机最大静转矩： (3.68)从相关资料查出130BF001型步进电动机最大静转矩为9.31，大于所需快速空载启动力矩，可作为初选型号。（2）、校核步进电机的空载启动频率 步进电机的空载启动频率是 (3.69)而130BF001型步进电动机最高空载启动频率为f=3000HZ,因而必须分三个阶段启动，每个阶段启动频率为，在0.25s内玩完成升速0.05s过渡，取，则步进电动机运行频率为： (3.70)而步进电机允许的运行频率为16000HZ，因而满足要求。第4章 控制系统的设计4.1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4.2总控制系统硬件电路设计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.4.2.2 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。(1)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。4.2.3 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8155的PA口提供（PA口同时也提供行列式未编码键盘的列线），行列式未编码键盘的行线由PC口提供。图中设置了36个键。如果继续增加PC口线，设全部PC口线（PC0-PC5）用作键盘的行线，全部PA口线（PA0-PA7）作键盘列线，则按键最多可达86个。下图中8155的PB口扫描输出总是只有一位为高电平，即PB口经反相后仅有一位公共阴极为低电平，8155的PA口则输出相应位（PB口输出为高对应的位显示器）的显示数据，使该位显示与显示缓冲器相对应的字符，而其余各位均为熄灭，依次改变8155的PB口输出为高的位，PB口输出对应的显示缓冲器的数据。4.2.4 步进电机控制电路设计（1）步进电机开环驱动原理每输入一个脉冲,步进电机就前进一步,因此,它也称作脉冲电动机.其种类很多,但主要分三大类:反应式步进电动机,永磁式步进电动机,以及永磁感应式步进电动机.反应式电动机结构最简单,是应用最广泛的一种.按控制绕组的相树分有三相,四相,五相,六相等等.无论哪种步进电动机,他们的工作原理都有相同之处:数字式脉冲信号控制定子磁极上的控制绕组,按一定顺序依次通电,在顶子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转. 步进电动机主要用于开环系统,当然也可以闭环系统.下图是步进电动机开环伺服系统的原理图,它由以下几部分组成:脉冲信号源是一个脉冲发生器,通常脉冲频率连续可调,送到脉冲分配器的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制.因脉冲频率可调,也称为变频信号源.脉冲分配器脉冲按一定的顺序送到功率放大器中进行放大，驱动步进电动机工作用硬件进行脉冲顺序的分配，有时称为环行分配器，也简称环分功率放大器将脉冲分配器送来的脉冲放大，使步进电动机获得必要的功率步进电动机伺服系统的执行元件，它带动工作机构，如减速装置，丝杆，工作台（2）脉冲分配对每一个五相步进电动机而言，其脉冲分配方式是五相十拍的的其五相分别用，表示五相十拍的运行方式是顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步转动要改变步进电动机的转动方向，只需改变通电的顺序即可脉冲分配器是将脉冲电源按规定的通电方式分配到各相，该分配可由硬件来实现在微机控制中，脉冲的分配也可由软件来完成，.，.，.，.，.五位分别输出时序脉冲，经光电隔离、驱动放大使步进电机运转延时的长短决定了步进电动机运行一拍的时间，也就决定了步进电机的转速（3）驱动电路由微机根据控制要求发出的脉冲，并依次将脉冲分配到各相绕组，因其功率很小，电压不足，电流为m级，必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培，才能驱动步进电动机因此，步进电机驱动器实际上是一个功率放大器驱动器的质量直接影响步进电动机的性能，驱动器的负载是电机的绕组，是强电感应负载对驱动器的主要要求是：失真要小，要有较好的前后沿和足够的幅度；效率要高；工作可靠；安装调试和维修方便下图是一个a绕组的高低压驱动电路，脉冲变压器p组成高压控制电路。 无脉冲输入时，均截止，电机绕组a中无电流通过，电机不转有脉冲输入时，饱和导通，在由截止到饱和期间，其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加，在变压器次级感应一个电压，使导通，高压经高压管加到绕组a上，使电流迅速上升，约经数百微妙，当进入稳压状态后，p初级电流暂时恒定，次级的感应电压降到，截止，这时低压电流经加到绕组a上，维持a中的电流为恒定值输入脉冲结束后，又均截止，储存在a中的能量通过的电阻和二极管泄放，的电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形后沿由于采用高低压驱动，电流增长快，电机的力矩和运行频率都得到改善，但由于电机转动时产生的反电动势，使电流波形顶部下凹，使平均电流下降，转矩下降4.2.5 光电隔离电路设计为了避免外部设备的电源干扰，防止被控对象电路的强电反窜，通常采取将微机的前后向通道与被连模块在电气上的隔离的方法。过去通常隔离变压器或中间继电器来实现，而目前已广泛被性能高、价格低的光电耦合器来代替。光电耦合器是把发光元件与受光元件封装在一起，以光作为媒体来传输信息的。其封装形式有管形，双列直插式、光导纤维连接等。发光器件一般为砷化镓红外发光二极管。光电耦合器具有以下特点：（1）信号采取光电形式耦合，发光部分与受光部分无电气回路，绝缘电阻高达1010-1012，绝缘电压为1000-5000V，因而具有极高的电气隔离性能，避免输出端和输入端之间可能产生的反馈和干扰。（2）由于发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小，对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路，因此抗干扰能力强，共模抑制比高，不受磁场的影响，特别是用于长线传输时作为终端负载，可以大大地提高信噪比。（3）光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号，且响应速度快（一般为几毫秒，甚至少于10ns），可以用于高速信号的传输。下图的光电耦合器是采用硅光电二极管作受光元件。其CTR为10%-100%，脉冲上升和下降时间小于5s，输出电路饱和压降小（0.2V-0.3V），电路构件简单，是目前应用较多的一种，主要用于驱动TTL电路、传输线隔离、脉冲放大等。晶体管输出型的光电耦合器用于开关信号耦合时，发光二极管和光电晶体管平常都处于关断状态。在发光二极管通过电流脉冲时，光电晶体管在电流脉冲持续的时间内导通。下图是使用4N25光电耦合器的接口电路，这里4N25起到耦合脉冲信号和隔离单片机8031系统与输出设备电气回路的作用，使两部分的电流相互独立。输出部分的地线Vss接地壳或大地，而单片机的电源地线（GND）浮空，这样可以避免输出部分电源变化对单片机电源的影响。4.2.6 其它接口电路设计（1）面板操作键和功能选择开关：面板操作键与8255的PB口接口电路。图中SB1-SB6为手动操作进给键，分别完成人工操作的X、Y、Z的进给。运行时按下此键，可中断程序的运行。回零，使工具电极沿X轴、Y轴、Z轴回到机械零点。（2）功能选择开关SA为一个单刀7掷波段开关，它与系统的8255PA口相连。用于连续、单步、自动、手动、暂停、启动等功能的选择。 4.3部分控制程序：4.3.1 直线圆弧插补程序设计在机电设备中，执行部件要实现平面斜线和圆弧曲线得路径运动，必须通过两个方向得合成来完成，在数控机床中，这是由X，Y两个方向运动得工作台，按照插补控制原理实现得。插补原理在有关课程中学过。4.3.2 直线插补程序ORG 2000HMAIN： MOV SP，#60HLP4： MOV 28H， #0C8H； Xe MOV 29H， #0C8H； Ye MOV 2AH, #00H; X MOV 2BH, #00H; Y MOV 2EH, #00H; F MOV 70H, #0AHLP3: MOV A, 2EH JB ACC,7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC. 0 CLR ACC. 2 MOV 70H,A; LCALL MOTR； 调步进电机得控制子程序，+X方向进给一步 SUBB A。 29H； F-Ye INC 2AH； X+1AJMP LP2LP1： MOV A ，70HSETB ACC。2CLR ACC.0； LCALL MOTR； 调步进电机得控制子程序，+Y方向进给一步LCAL
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