数控多工位钻床设计【含PDF图纸+CAD制图+文档】
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机械设计制造及自动化专业毕业设计（论文）第一章 数控机床概述1.1 数控机床简介1.1.1 数控机床的产生及其重要性随着科学技术的飞跃发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加。同时，随着航空工业、汽车工业和轻工消费品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越高。此外，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件高效和高质量的加工要求。数字控制机床，就是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而生产的。1947年，美国Parsons公司为了精确制造直升机翼、桨叶和直升机框架，开始探讨用三坐标曲线数据来控制机床的运动，并进行实验，加工飞机零件。1949年，为了能在短时间内制造出经常变更设计的零件，美国空军（U。S。AirForce）与Parsons公司签定了制造第一台数控机床的合同。1951年，美国麻省理工学院MIT（Massachusetts Instiute of Technology）承担了这一项目。1952年，MIT伺服机构研究所用实验室制造的控制装置和辛辛那提（Cincinnati Hydrotel）公司的立式铣床成功地实现了三轴联动数控运动，可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工技术的序幕。随着不断的改进与完善，1955年，NC（数控）机床开始用于工业加工。数控机床是综合应用了微电子、计算机、自动检测以及精密机械等技术的最新成果而发展起来的完全新型的机床，它标志着机床工业进入了一个新的阶段。从第一台数控机床问世到现在40多年中，数控技术的发展非常迅速，使制造技术发生了根本性的变化，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床的应用领域也从航空工业部门逐步扩大到汽车、造船、机床、建筑等民用机械制造行业。此外，数控技术也会在绘图仪、坐标测量仪、激光加工与线切割机等机械设备中得到广泛的应用。努力发展数控加工技术，并向更高层次的自动化、柔性化、敏捷化、网络化和数字化制造方向推进，是当前机械制造业发展的方向。从20世纪50年代末期，我国就开始研究数控技术，开发数控产品。1958年，清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。经过多年的不断努力，数控产业取得了长足的发展：国产数控系统基本上掌握了关键技术，可靠性已有很大提高；新开发的国产数控机床产品大部分达到国际20世纪80年代中期水平，部分达到国际20世纪90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床；技术上也取得很大突破，如高速主轴制造技术、快速进给、快速换刀、柔性制造等技术，为国产数控机床的下一步发展奠定了基础。虽然在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在迅速缩小。数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大提高生产效率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少，节省人力、改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。数控加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺规划（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）的一体化成为现实，使机械加工的柔性化自动化水平不断提高。数控加工技术也是发展军事工业的重要战略技术。美国与西方各国在高档数控机床与技工技术方面，一直通过巴黎统筹委员会对我国进行封锁限制，应为许多先进武器装备的制造，如飞机、导弹、坦克等的关键零件，都离不开高性能数控机床的加工。如著名的“东芝事件”，即是由于前苏联利用从日本获得的大型五坐标数控铣床，用其制造出具有复杂曲面的潜艇的噪声大为降低，西方的反潜艇设备顿时失效，对西方构成了重大威胁。我国的航空、能源、交通等行业也从西方引入了一些五坐标机床等高档数控设备，但其使用受到国外的监控和限制，不准用语军事用途的零件加工。特别是1999年美国的考克斯报告，其中一项主要内容就是指责我国将从美国购买的二手数控机床用于军事工业，这一切均说明数控加工技术在国防现代化方面所起的重要作用。1.1.2 数控机床应用范围及特点目前的数控加工主要应用于以下两方面：一方面的应用是常规零件加工，如二维车削、箱体类镗铣等。其目的在于：提高加工效率，避免认为误差，保证产品质量；以柔性加工方式取代高成本的工装设备，缩短产品制造周期，适应市场需求。这类零件：一般形状较简单，实现上述目的的关键一方面在于提高机床的柔性自动化程度、高速精加工能力、加工过程的可靠性与设备的操作性能，另一方面在于合理的生产组织、计划调度和工艺过程安排。另一方面的应用是复杂形状零件加工，如模具型腔、涡轮叶片等。该类零件在众多的制造行业中具有重要的地位，其加工质量直接影响以至决定着整机床品的质量。这类零件型面复杂，常规加工方法难以实现，它不仅促使了数控加工技术的产生，而且也一直是数控加工技术的主要研究及应用对象。由于零件型面复杂，在加工技术方面，除要求数控机床具有较强的运动控制能力（如多轴联动）外，更重要的是如何有效地获得高效优质的数控加工程序，并从加工过程整体上提高生产效率。数控机床在机械制造领域中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点：高柔性、生产效率高、加工精度高、加工质量稳定可靠、自动化程度高、能完成复杂型面的加工、有利于生产管理的现代化。1.2. 数控机床的工作原理与组成1.2.1 数控机床的工作原理数控机床是数字信息进行控制的机床。即凡是用代码化和数字信息将刀具移动轨迹信息记录在程序介质上，然后送入数控系统，经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为数控机床。数控加工基本过程见图1所示： 图1、 计算机数字控制（CNC）系统框图数控机床加工零件时，首先编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入到数控装置，再由数控装置机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如刀具选择交换，工件夹紧、松开和冷却、润滑的启、停等动作，使刀具与其他辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度等符合要求的零件。1.2.2 数控机床的组成数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的数控机床来讲，它由信息输入装置、数控装置、伺服系统、机床本体以及复杂装置组成。1.3. 数控技术的发展现状与趋势近十几年来，数控机床借助于微电子、计算机技术的飞速进步着高精度、多功能、高速化、高效率、，正向复合加工功能、智能化等方向迈进，明显地反映出时代的特征，其主要表现为以下几方面。1.3.1 精度化当代工业产品对精度提出了越来越高的要求，像仪表、钟表、家用电器等都有相当高精度的零件，典型的高精度零件如陀螺框架、伺服阀体、涡轮叶片、非球面透镜、光盘、磁头、反射鼓等，这些零件的尺寸精度要求均在微米、亚微米级。因此，加工这些零件的机床也必须受到需求的牵引而向高精度发展。1.3.2 高速度化提高生产率是机床技术发展追求的基本目标之一，而实现这个目标的最主要、最直接的方法就是提高切学速度和减少辅助时间。随着刀具、电机、轴承、数控系统等相关技术的突破及机床本身基础技术的进步，使各种运动速度大为提高。1.3.3 高柔性化柔性是指机床适应加工对象变化的能力，当代产品的多样化和个性化，对机床提供了更高的柔性加工要求。数控机床在提高单机柔性化的同时，朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展。不仅中、小批量的生产方式在努力提高柔性化能力，就是在大批量生产方式中，也积极向柔性化方向转向。如出现了可编程控制器（PLC）控制的可调组合机床、数控多轴加工中心、换刀换箱式加工中心、数控三坐标动力单元等具有柔性的高效率加工设备，柔性加工单元（FMC），柔性制造系统（FMS）以及介于传统自动线与FMS之间的柔性制造线（FTL）。1.3.4 高自动化 高自动化是指在全部加工过程中尽量减少“人”的介入而自动完成规定的任务，它包括物料流和信息流的自动化。自20世纪80年代中期以来，以数控机床为主体的加工自动化已从“点”的自动化（单台数控机床）发展到“线”的自动化（柔性制造车间），结合信息管理系统的自动化，逐步形成整个工厂“体”的自动化，并出现了FA（自动化工厂）和CIM（计算机集成制造）工厂的雏形实体。尽管由于这种高自动化的技术还不够完备。投资过大，回收期较长，而提出“有人介入”的自动化观点，但数控机床的高自动化并向FMC，FMS集成方向发展的总趋势仍然是机械制造业发展的主流。数控机床的自动化除进一步提高其自动编程、上下料、加工等自动化程度外，还在自动检索、监控、诊断、自动对刀、自动传输等方向进一步发展。1.3.5 复合化复合化包含了工序复合化和功能复合化。在一台数控设备上能完成多工序切削加工（如车、铣、镗、钻等）的加工中心，打破了传统的工序界限和分开加工的规程。一台具有自动换刀装置、自动交换工作台和自动转换立卧主轴头的镗铣加工中心，不仅一次装夹便可以完成镗、铣、钻、铰、攻丝和检验等工序，而且还可以完成箱体件五个面粗、精加工的全部工序。此外，还出现了与车削或磨削复合的加工中心。1.3.6 智能化数控技术的一个重要发展趋势是加工过程的智能化。带有自适应控制功能的控制系统，可以在加工过程中根据切削力和切削温度等加工参数，自动优化加工过程，从而达到提高生产率，增加刀具寿命并改善加工表面质量等目的。刀具破损监控和刀具智能管理功能可以智能的管理刀具，使得刀具保持最佳工作状态。以工艺参数数据库为支撑的、具有人工智能的专家系统被用于指导加工。1.3.7 网络化为适应制造业的网络化和全球化发展趋势，数控系统的网络化功能也日趋重要。在企业内部，具有网络功能的数控系统可以充分实现企业内部的资源和信息共享，适应未来车间的面向任务的定单的生产发展模式，使得底蹭生产控制系统的集成更加简便有效。在生产企业之间，数控系统的网络化功能可以更好地适应敏捷制造（AM）等先进制造模式。同时，系统制造商也可以通过系统的网络功能进行远程诊断服务。1.3.8 高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标，数控机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性。衡量可靠性的重要的量化指标是平均无故障工作时间（MTBF），数控系统的MTBF已由20世纪80年代的10000h以上，提高到90年代的30000h以上，而数控整机的MTBF也从20世纪80年代的100200h，提高到现在的500800h。除上述发展趋势外，近年来还出现了全新结构的数控机床，最早在美国IMTS94机床博览会上，出现了被称为“六条腿”的机床。这种新型结构机床的六条腿能自由伸缩，没有导轨和拖板，也称为虚轴机床（Virtual Axis Machine）。其精度相当于测量机，比传统机械加工中心高210倍；刚度为传统机械加工的5倍；对零件轮廓的加工效率是传统加工中心的510倍。这种机床结构设想是德国STEWART1962年提出的，称之为数学造型机床，今天借助计算机技术的进步得以实现。1.4. 我国数控产业现状及发展20世纪80年代以来，国家对数控机床的发展十分重视，经历了“六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科技攻关开发自主版权数控机床的产业化奠定了良好基础，并取得了长足的进步。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，产业化规模有了较大幅度的提高，形成了十几个普及型数控机床的产业化基地和开发中心，数控机床的年销量从“八五”末期底000多台发展到2000年的14万多台，机床的产值数控化率从“八五”的12%增长到2000年的近30%，一些重点企业已达到70%以上，使高档数控机床的进口幅度减少，突破了西方在关键设备方面对我国的进口限制，国产数控机床“八五”期间的市场占有率只有23%，到2000年已达到50%。数控机床新开发品种300个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际20世纪80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。在技术上也取得了突破，如高速主轴制造技术（12000r/min1800r/min）、快速进给（60m/min）、快速换刀（1.5s）、柔性制造、快速成形制造技术等为下一步国产数控机床的发展奠定了基础。当前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过度的关键时期，也是由封闭型数控系统向开放型系统过渡的时期。从生产规模上看，已有像航天数控集团、华中数控系统有限公司、北京机床研究所等可实现批量生产的产业化基地。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上（包括核心技术），已达到国外先进水平，以开发出具有自主知识产权的基于PC机的开放式智能化数控系统。数控机床的可靠性指标有大幅度提高。我国数控机床的可靠性指标（MTBF）一直是其市场信誉及市场竞争力的主要问题。“九五”时期，我国加工中心的MTBF已达到400h，数控车床从平均200h提高到平均450h；数控系统从5000h提高到10000h以上，最高达到20000h。曾长期捆扰我国，并受到西方国家封锁的多坐标联动数控系统和数控技术已渐成熟，并进入生产应用阶段。“九五”期间，我国生产的五轴联动及五面加工机床已有多个品种，并在军工、航天、船舶等领域里应用，有效地打破了国外对我国进口此类设备的限制。1.5. 本文所做的工作1.5.1 完成数控多工位钻床的资料收集与国、内外现状的调查比较，提出较为可行的方案;1.5.2 完成机床的机械结构设计计算与电气控制系统设计，初步完成控制系统的软硬件设计；提交论文及机械系统的装配与关键零部件的相应图纸及数控系统的硬件图，同时提交电子文档;1.5.3 编写设计计算说明书。第二章 机械结构选择经过毕业设计给出的题目要求和数据:要设计加工工件的最大直径为10mm，且其工作行程为30030070的数孔多工位钻床。根据这一特点表明要设计的机床是一台中小型的数控钻床，而且是用于一般的机加工中。所以设计这样的机床考虑其经济性、合理性应该是最为重要的和成为设计的主导思想！查相关数控机床资料和数控机床的市场调查，选择确定合理的机床结构很重要。传统的数控机床结构包括立式、卧式两大类。立式机床的主轴定位多数是相同的，它的优点在于：机床小巧、占地空间小、经济实惠。适合于工作单一加工工件较小及加工尺寸小的场合。而卧式数控机床的主轴结构及主轴箱布局可为单面悬挂主轴箱和主轴箱位于立柱对面内。后者的优点在于：主轴箱的自重不会使立柱产生弯曲变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲和扭转变形均大为减小。这样就相当于提高了机床的刚度。故要是采用对数控机床结构设计成为卧式结构的话就应该选用主轴箱位于立柱内的布局形式。然而一般的卧式数控机床的加工尺寸都很大，对于我们要设计的机床加工零件的尺寸是很小的：仅为最大加工为10mm的孔。从经济的角度上来说：我们设计的机床采用立式的结构更为节省空间，节省材料。同时机床看上去更为小巧，然而完全可以达到要求加工范围的要求。包括此类机床的其它特点都很满足我们要设计机床的要求。所以，我们通过对数控机床结构的了解和认识我们认为：对于我们即将设计的机床，采用立式的结构是完全可行的。方案的确定结果是：数控多工位立式钻床。第三章 机械传动部件设计由于电机工作时，其负载阻力有切削力、摩察阻力、惯性力，只有克服这些阻力，才能正常启动及运行。因此要对进给系统进行必要的设计及计算。3.1. 切削力的计算3.1.1、 要求加工的最大孔为d0=10mm,刀具为高速钢麻花钻（以磨损）。工件材料为45井钢（b=0.638GPa）；灰铸铁190HBS。加工精度为：IT8IT10级以下孔初加工。3.1.2、 确定切削力和扭矩：3.1.2.1、 计算：（1）、当工件材料为 45井钢时，根据以知条件查机械加工工艺手册表2.4-38高速钢钻头钻孔时的进给量知：10mm钻头初加工的进给量为0.220.28。由表2.4-41高速钢钻头切削时切削速度、扭矩及轴向力可选取进给量的两极限值f=0.08mm/r0.30mm/r,对应的它们的切削速度为V=0.99m/s0.43m/s,则由得 钻头或工件的转速 由金属切削刀具计算钻头轴向力F和扭矩T的经验公式及表3-1麻花钻轴向力和扭矩表达式中的系数、指数及修正系数可知： （1） （2） （3）其中对于钢b=0.638GPa CF=61.2 XF=1.0 YF=0.7 CM=0.0311 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw对于已磨损钻头KMw=1 KFw=1工件材料KMm=KFm= =0.98938则最小进给量f=0.08mm/rF1=9.8161.2100.080.70.989381=1013.79NT1=9.810.03111020.080.80.989381=4.0NmPM1=23.144.031.5310-3=0.79Kw最大进给量f=0.30mm/rF2=9.8161.2100.300.70.989381=2557.22NT2=9.810.03111020.300.80.989381=11.52NmPM2=23.1411.5213.6910-3=0.99Kw（2） 当工件材料为 灰铸铁HB190时，根据以知条件查机械加工工艺手册表2.4-41高速钢钻头钻孔时的进给量知：10mm钻头初加工的进给量为0.220.28。由表2.4-41高速钢钻头切削时切削速度、扭矩及轴向力可迭取进给量的两极限值f=0.12mm/r0.70mm/r，对应的它们的切削速度为V=0.79m/s0.33m/s,则由得 钻头或工件的转速 由金属切削刀具计算钻头轴向力F和扭矩T的经验公式及表3-1麻花钻轴向力和扭矩表达式中的系数、指数及修正系数可知： （1） （2） （3）其中对于灰铸铁 CF=42.7 XF=1.0 YF=0.8 CM=0.021 XM=2.0 YM=0.8 KF=KFmKFw KM=KMmKMw对于已磨损钻头KMw=1 KFw=1工件材料KMm=KFm=（HB/190）0.6=1则最小进给量f=0.12mm/rF3=9.8142.7100.120.811=768.14NT3=9.810.0211020.120.811=3.78NmPM3=23.143.7825.1610-3=0.597Kw最大进给量f=0.70mm/rF4=9.8142.7100.700.811=3149.02NT4=9.810.0211020.700.811=15.49NmPM4=23.1410.5115.4910-3=1.02Kw由此可得钻头的最大转矩Tmax=15.49Nm 最大转矩Fmax=3149.02N 最大切削功率PMmax=1.02Kw则钻头主轴所需要的功率为：P1= PMmax/总 其中总=花键轴轴承深沟球轴承=0.99 （取3个）角接触推力轴承=0.98 （取2个）花键轴=0.970.98 由金属切削机床查得：总=花键轴轴承=0.970.9930.982=0.904则P1=1.02/0.904=1.03Kw对于主轴电机的选择，查机械产品目录，对于中小功率的电机，一般额定转矩只有2.1-4，而主轴所需要的最大扭矩为15.49Nm，故必须采用齿轮组进行减速以提供大的转矩达到符合相应电机的额定转矩。在数控机床多工位钻床的设计过程中，要求数控机床能够进行多级变速。在这种情况下，我们正好可以采用一个变速器来解决。无级变速器就是能使主轴达到相应转矩和使主轴传递的转矩符合要求。同时，根据主轴特点设计钻床主轴的特点是主轴在轴向方向上有移动，就是说上端的花键轴外面必须套有内花键的齿轮或其它才能将电动机的运动传递给主轴，使主轴转动。在本次设计中我们就选用花键的齿轮作为传动件，把电机的转动传给主轴，则从主轴来的传动方式为：主轴（花键轴）内花键齿轮啮合齿轮（一组或多组）联轴器无级变速器主轴电动机3.2. 主轴齿轮传动方案确定：3.21、 设定齿轮传动方案3.211、 如图2所示：轴为机床主轴，设计为齿轮花键轴。由前面知齿轮花键轴的功率为P1图2、 主轴传动示意图即轴 P= P1=1.13Kw轴 P= P/齿轮=1.13/0.97=1.16Kw （取齿轮=0.97，精度等级为8级）则主轴电机输出功率P2P2= P/联轴器=1.16/0.99=1.18Kw根据机械产品目录选择电机可用YCP802-2，1.1Kw额定功率和YCP90S-2，1.5Kw额定功率最为接近功率要求。而前者略小于最大输出功率，而加一个无级变速器相对于电机来说其传递功率也不会消耗太多，粗略估算则选用后者YCP90S-2，额定功率为1.5Kw，额定电压为380V，额定电流为3.4A，转速为2840r/min，最大额定转矩为2.3Nm。选择了电动机就可根据所选择电动机确定相应的无级变速器。根据电动机功率和转矩及主轴所必须达到的最小转矩，可确定变速器，查机械设计手册第四卷可选择的无级变速器为：HZXD1500L。根据无级变速器的相关数据和主轴所需要的相关数据，无级变速器提供的转矩已经可以达到主轴要求的转矩，同时转速也能达到要求。故在接下来设计的齿轮组中，主要达到的目的为将电动机的转动传递给主轴使主轴完成转动，并不影响轴向的进给运动。对于齿轮组的设计就是要完成传动。为了设计需要，可以仅设计一组齿轮即可。又因为转矩完全达到要求，转矩要求的差又不是太大，从对主轴箱结构设计入手（对主轴箱的总体布局和结构合理、比例合适），可将这对齿轮设计成一组惰轮，即不改变变速器传递出来的转矩和转速，仅将转动传给主轴，达到了设计要求和目的。3.22、 设计齿轮在齿轮设计中，取转矩最大时设计用到最大转矩15.49,切削速度nI=631r/min。首先小齿轮（主动齿轮）用40Cr，调质处理，硬度241HB286HB，平均取为260HB，大齿轮（从动齿轮）用45钢，调质处理，硬度229HB286HB，平均取为240HB。计算如下：关于主轴传动中的第一组齿轮齿面接触疲劳强度计算（1）初步计算：转矩:TII= 5.49Nm=5490Nmm齿宽系数:d 由表12.13（该节中所指的表均指机械设计一书中的表） 取d1.0接触疲劳极限：Hlim 由图12.17c可取 Hlim1=710MPa Hlim2=580MPa初步计算的许用接触硬力:H1=0.9Hlim1=0.9710=639MPaAd值由表12.16，取Ad85初步计算的小齿轮直径：d1=29.14(其中u=I=1, T=5490Nmm)取d190mm 初取齿宽：b=bd1=190=90mm（2）校核计算：圆周速度: 精度等级：由表12.6选8级精度 齿数Z和模数m:取齿数Z1=60,Z2=iZ1=160=60模数由表12.3取m=1.5 则 Z2= iZ1=60使用系数KA:由表12.9取KA1.5 动载系数KV:由表12.9取KV1.1 齿间载荷分配系数KH:由表12.10先求： 端面重合度： （式12.6） 重合度系数:Z=0.74 (式12.10) 由此得： 齿间载荷分布系数KH: 由表12.11（非对称支撑） 载荷系数：K=KAKVKHKH=1.51.11.811.28=3.82弹性系数ZE由表12.12取ZE189.8 节点区域系数ZH:由图12.16可取ZH2.5 接触最小安全系数SHmin:由表12.14取SHmin1.05 总工作时间：th=10300820%=4800h 应力循环次数NL:由表12.15估计：107NL109 则指数：m=8.78 NL1=NV1=60ithi(Ti/Tmax) =6016314800(18.780.2+0.58.780.5+0.28.78 0.3) =3.65107 原估计应力循环次数正确。 接触寿命系数ZN:由图12.18可取ZN1=1.13 ZN2=1.18许用接触应力H： 验算：H=ZEZHZ 503.4MPa计算结果表明,接触疲劳强度较为适合，齿轮齿寸无需调整。（3）确定传动主要尺寸：实际分度圆直径d,因模数取标准值时，齿数并未调整，故分度圆直径不会改变，即：d1=mZ1=90mm d2=mZ2=90mm 中心距 齿宽b=bd1=90mm（4）齿根弯曲疲劳强度验算：重合度系数Y：齿间载荷分配系数KF: 由表12.10 齿向载荷分布系数KF:由表12.14 KF=1.25载荷系数K:K=KA KVKFKF=1.51.11.491.25=3.07齿形系数YF: 由图12.21 YF1=2.8 YF2=2.29应力修正系数YSa: 由图12.22Ysa1=1.54 Ysa2=1.74弯曲疲劳极限Flim:由图12.23CFlim1=60MPa Flim2=450Mpa弯曲最小安全系数SFmin:由表12.14 SFmin1.25应力循环次数NL:由表12.15，估计3106NLTmax=15.49Nm则花键轴能够达到所需传递的转矩。对于花键轴传递转矩转动中产生的摩擦力为F花：取=0.1F花=f=53380.1=533.8N而 则轴所受轴向力：F合= F花+ Fmax =154.5+3149.02=3304N则轴向方向齿条受力F合K=1.1F合=3635N（K=1.1）3.3.2.3、 轴向进给设计： 在主轴外设计一套筒：设长为80mm的齿条由齿轮带动。先设计用一级减速接步进电机使主轴进给。如图4所示：图4、主轴进给图示由机电一体化课程设计指导书：I=t0/3600其中步距角（deg） 脉冲当量（钻床取0.02mm） t0齿距（t0=m）根据机电一体化课程设计指导书选步进电机 取=0.1 m=1.25 取=0.75时取I=3.2（=0.1时）可取：Z1=20 Z2=64 m=1.25 b=20mm =200df1=mZ1=25mm df2=mZ2=80mm de1=28 de2=83齿轮设计成直齿圆柱齿轮，齿轮材料为45钢，则大小齿轮转动惯量分别为：根据机电一体化课程设计指导书表1，预选步进电机为200BF001，查得电机转子轴的转动惯量为：折算到电动机轴上的转动惯量：等效负载转矩Tm的计算：取V=2m/min Tm=（F轴+F摩）V主轴进给/2nm 3.3.2.4、 起动惯量矩的计算：以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速度或制动减速度的时间t=0.3s，由于步进电机的角速度则： T惯=则J=Tm+T惯=1.04+5.038=6.08Nm3.3.2.5、 步进电机的匹配选择： 如考虑机械传动系统的效率为n，安全数值为K，则此时负载总转矩为： 由预选的步进电机型号200BF001，五相十步，步距角0.1%Step，其最大静转矩Tymax=14.7Nm，为保证正常的起动和停止，步进电机的起动转矩Tg必须大于或等于T，由表可知Tg/Tymax的比值，取Tg/Tymax=0.951，则Tg=14.70.951=13.98Nm13.03Nm故选择合适。3.4. 纵向进给运动的分析及计算3.4.1、 纵向进给负载分析及计算3.4.1.1、 摩擦阻力：摩擦阻力应等于正压力乘以摩擦系数。正压力应包括轴向力F=1175N及工作台加纵向轨道之重力，设工作台重量为400Kg，纵向轨道重量为400Kg.=（400+400）1011750.1=917.5N 3.4.1.2、 等效转动惯量计算:根据要求粗选：=0.75 to=5 =0.005可取 =25 , =52 m=1.5 b=25mm =20odf1=mZ1=1.525=37.5mm df2=mZ2=1.552=78mm de140.5mm de2=81mm将齿轮看作近似的圆柱体，材料为钢，则大、小齿轮的转动惯量分别为:J=7.8d4 b10-4 (kgm2)JZ1=7.83.7542.510-4=3.8610-5Kgm2 JZ2=7.88.1042.510-4=8.4010-4Kgm2滚珠丝杆直径选择为d0=25mm, L=700mm,材料钢，则丝杆的转动惯量可近似的算出为：JS=7.82.547010-4=2.1310-4Kgm2由机电一体化课程设计指示书表1，预选步进电机为110BF004，查得电机转子轴的转动惯量为 Jm=3.4310-4Kgm2折算到电机轴上的总转动惯量为： 3.4.1.3、 丝杠摩擦阻力矩的计算：由于用的是滚珠丝杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不计。3.4.1.4、 等效负载转矩的计算：Tm=(F纵+F摩) V工作/2nm由3.4.1.5、 起动惯性阻力矩的计算：以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速式制动减速的时间t=0.5s(一般在0.11s之间)，由于步进电机的角速度角加速度T惯Jm=6.2610-4174.44=0.11Nm3.4.1.6、 步进电机输出轴总的负载转矩的计算：J=Tm +T惯=0.35+0.11=0.46Nm4.2、 纵向进给步进电机加工匹配选择考虑机械传动系统的效率为,安全系数为K,则比时的负载总，转矩应考虑为 由预选的步进电机型号为110BF004，三相六拍，步距角0.75%step.其最大转矩Tymax=4.9Nm为保证正常的起动与停止，步进电机的起动转矩Tg必须大于或等于T,由表查出Tg/T=0.866Tg=4.90.866=4.24Nm0.99Nm 故选择合适。确定选用110BF004步进电机。3.4.3、 纵向进给滚珠丝杠的校核初选丝杠型号为CMD2504-3，因此必须进行以下几个项目的校核3.4.3.1、 承载能力的校核：fHfWPmaxCO 式中L滚珠丝杠寿命系数（）Pmax=F纵+F摩0+917.5917.5NfH=1 fW=1.2 T=15000选丝杆CMD25043查表得丝杆额定载荷为O=8.2KNQ满足要求。3.4.3.2、 压杆稳定性验算：取双推简支式支承，由FK=2E-钢的弹性模量2.1105（Mpa）I-丝杠小径的截面惯性矩（）查手册可知，所用丝杠的最小径为：d1 =21.9mm取压杆稳定安全系数K=4丝杠长度L=LS=700mm故满足要求。3.4.3.3、 刚度验算：丝杠的刚度是保证第一导程的变动量要在允许范围内丝杠最小截面积设T0=0.5I=2.26cm4 M= Tmaxi=4.92.08=10.20Nm=1020Ncm“”号用于拉伸，“一”号用于压缩，都取“”号，则:由于选择要求滚珠丝杠精度等级为C级，L0=4m0.681m所以满足要求。3.4.4、 纵向进给轴承的选择推力球轴承：51305向心球轴承：62053.5. 横向进给运动的分析及计算3.5.1、 横向进给负载分析及计算3.5.1.1、 摩擦阻力： 当钻床的工作台与导轨间的相对运动为滑动摩擦，取摩擦系数 摩擦阻力应等于正压力乘摩擦系数。正压力应包括轴向力及工作台之重力。工作台的重量为400kg 。故可算出起摩擦阻力为： F摩（400+1175）0.1517.5N3.5.1.2、 等效转动惯量计算：根据要求粗选：=0.36 to=5 =0.002 初取 =20 , =50 m=1.5 b=25mm =20odf1=mZ1=1.520=30mm df2=mZ2=1.550=75mm de133mm de2=78mm将齿轮看作近似的圆柱体，材料为钢，则大、小齿轮的转动惯量分别为：J=7.8d4 b10-4 (kgm2)JZ1=7.83.342.510-4=2.3110-5Kgm2 JZ2=7.87.842.510-4=7.2210-4Kgm2滚珠丝杆直径选择为do=20mm, L=700mm,材料钢，则丝杆的转动惯量可近似的算出为：JS=7.8247010-4=0.8710-3Kgm2预选步进电机为90BF006,查得电机转子轴的转动惯量为：Jm=1.76410-4Kgm2折算到电机轴上的总转动惯量为： 3.5.1.3、 丝杠摩擦阻力矩的计算：由于用的是滚珠丝杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不计。3.5.1.4、 等效负载转矩的计算：Tm=(F横+F摩) V工作/2nm钻床工作台行程速度为2 m/min根据丝杆螺距算出丝杆速度。再根据齿轮减速比算出步进电机的转速为由3.5.1.5、 起动惯性阻力矩的计算： 以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速式制动减速的时间 t=0.5s(一般在0.11s之间)，由于步进电机的角速度角加速度T惯Jm=4.9610-4209.44=0.14Nm3.5.1.6、 步进电机输出轴总的负载转矩的计算：J=Tm +T惯=0.16+0.14=0.30 Nm3.5.2、 横向进给步进电机加工匹配选择如果考虑机械传动系统的效率为=0.7,安全系数为K=1.5,则此时的负载总转矩应考虑为由预选的步进电机型号为90BF006，五相十拍，步距角0.36%step ,其最大转矩Tymax=2.156Nm。为保证正常的起动与停止，步进电机的起动转矩Tg必须大于或等于T,由表查出Tg/T=0.951Tg=2.1560.951=2.05Nm0.49Nm。所以选择合适。 确定选用90BF006步进电机。3.5.3、 横向进给滚珠丝杠的校核初选丝杠型号为CMD2005-3，因此必须进行以下几个项目的校核3.5.3.1、 承载能力的校核：fHfWPmaxCO 式中L滚珠丝杠寿命系数（）Pmax=F横+F摩0+517.5517.5NfH=1 fW=2 T=15000 选丝杆CMD20053查表得丝杆额定载荷为O=9KNQ满足要求3.5.3.2、 压杆稳定性验算：取双推简支式支承，由FK=2E-钢的弹性模量2.1105（Mpa）I-丝杠小径的截面惯性矩（）查手册可知，所用丝杠的最小径为：d1 =1.69mm取压杆稳定安全系数K=2.5丝杠长度L=LS=700mm故满足要求。3.5.3.3、 刚度验算：丝杠的刚度是保证第一导程的变动量要在允许范围内丝杠最小截面积设T0=0.5I=0.80cm4 M= Tmaxi=0.8822.5=2.21Nm=221Ncm“”号用于拉伸，“一”号用于压缩，都取“”号，则 由于选择要求滚珠丝杠精度等级为C级，L0=4m0.602m所以满足要求。3.5.4、横向进给轴承的选择推力球轴承：51304向心球轴承：62043.6. Z向进给运动的分析及计算3.6.1、 Z向进给负载分析及计算3.6.1.1、 摩擦阻力：摩擦阻力应等于正压力乘以摩擦系数。因主轴箱自重被平衡，对轨道无压力，所以摩擦阻力为零。3.6.1.2、 等效转动惯量计算: 根据要求粗选：=0.75 to=5 =0.02可取 =46 , =24 m=1.5 b=25mm =20odf1=mZ1=1.546=69mm df2=mZ2=1.524=36mm de172mm de2=39mm将齿轮看作近似的圆柱体，材料为钢，则大、小齿轮的转动惯量分别为： J=7.8d4 b10-4 (kgm2)JZ1=7.87.242.510-4=5.2410-5Kgm2 JZ2=7.83.942.510-4=0.4510-4Kgm2滚珠丝杆直径选择为d0=32mm, L=400mm,材料钢，则丝杆的转动惯量可近似的算出为：JS=7.83.244010-4=3.2710-4Kgm2由机电一体化课程设计指示书表1，预选步进电机为110BF003，查得电机转子轴的转动惯量为 Jm=4.6110-4Kgm2折算到电机轴上的总转动惯量为： 3.6.1.3、 丝杠摩擦阻力矩的计算：由于用的是滚珠丝杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不计。6.1.4、 等效负载转矩的计算：Tm=(F轴+F摩) V工作/2nmTm=(0+1175)2/2208.33=1.80Nm由3.6.1.5、 起动惯性阻力矩的计算：以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速式制动减速的时间 t=0.5s(一般在0.11s之间)，由于步进电机的角速度角加速度T惯Jm=2.5910-343.62=0.11Nm3.6.1.6、 步进电机输出轴总的负载转矩的计算：J=Tm +T惯=1.80+0.11=1.91Nm3.6.2、 Z向进给步进电机加工匹配选择考虑机械传动系统的效率为,安全系数为K,则比时的负载总，转矩应考虑为T= (K/)T=(1.5/0.7)1.91=4.09Nm 由预选的步进电机型号为110BF003，三相六拍，步距角0.75%step.其最大转矩Tymax=7.84Nm为保证正常的起动与停止，步进电机的起动转矩Tg必须大于或等于T,由表查出Tg/T=0.866Tg=7.840.866=6.79Nm4.09Nm 故选择合适。确定选用110BF003步进电机。3.6.3、 Z向进给滚珠丝杠的校核初选丝杠型号为CMD3205-5，因此必须进行以下几个项目的校核3.6.3.1、 承载能力的校核：fHfWPmaxCO 式中L滚珠丝杠寿命系数（）Pmax=F向+F摩117501175NfH=1 fW=2 T=15000 选丝杆CMD3205-5查表得丝杆额定载荷为O=19.2KNQ满足要求。取双推简支式支承，由FK=2E-钢的弹性模量2.1105（Mpa）I-丝杠小径的截面惯性矩（）查手册可知，所用丝杠的最小径为：d1 =2.89mm取压杆稳定安全系数K=4丝杠长度L=LS=700mm故满足要求。3.6.3.2、 刚度验算：丝杠的刚度是保证第一导程的变动量要在允许范围内丝杠最小截面积设T0=0.5I=6.85cm4 M= Tmaxi=7.840.5208=4.083Nm=408.3Ncm“”号用于拉伸，“一”号用于压缩，都取“”号，则 由于选择要求滚珠丝杠精度等级为C级，L0=4m0.438m所以满足要求。3.6.4、 Z向进给轴承的选择推力球轴承：51307向心球轴承：62073.7. 齿轮强度校核3.7.1、 齿面接触疲劳强度计算3.7.1.1、 初步计算：转矩:T1=0.35Nm=350Nmm齿宽系数:d 由表12.13（该节中所指的表均指机械设计 主编一书中的表） 取接触疲劳极限：Hlim 由图12.17c可取 Hlim1=710MPa Hlim2=580MPa初步计算的许用接触硬力:H1=0.9Hlim1=0.9710=639MPaAd值由表12.16，取Ad85初步计算的小齿轮直径：d185=9.94取d133mm初取齿宽：b=dd1=0.7533=25mm3.7.1.2、 校核计算： 圆周速度:V=2m/min 精度等级：由表12.6选8级精度 齿数Z和模数m:取齿数Z1=20,Z2=iZ1=50,模数 由表12.3取m=1.5 则 使用系数KA:由表12.9取KA1.5 齿间载荷分配系数KH:由表12.10先求： 端面重合度：重合度系数:Z=0.88由此得：齿间载荷分布系数KH:由表12.11（对称支撑） 载荷系数：K=KAKVKHKH=1.51.11.291.27=2.70弹性系数ZE由表12.12取ZE189.8 节点区域系数ZH:由图12.16可取ZH2.5 接触最小安全系数SHmin:由表12.14取SHmin1.05 总工作时间：th=15000应力循环次数NL:由表12.15估计：107NL109则指数：m=8.78 NL1=NV1=60ithi(Ti/Tmax) =601100015000(18.780.2+0.58.780.5+0.28.780.3) =1.81108原估计应力循环次数正确。接触寿命系数ZN:由图12.18可取ZN1=1.12 ZN2=1.24许用接触应力H：验算：H=ZEZHZ 计算结果表明,接触疲劳强度较为适合，齿轮齿寸无需调整。3.7.2、 确定传动主要尺寸：实际分度圆直径d,因模数取标准值时，齿数并未调整，故分度圆直径不会改变，即：d1=mZ1=33mm d2=mZ2=82.5mm中心距齿宽b=dd1=25mm3.8. 回转工作台运动的分析计算回转工作台是靠蜗杆蜗轮传递运动的，其传动比为i=30.蜗轮蜗杆的计算为：3.8.1、 初选d1/a值：当量摩擦系数：设VS=4m/s7m/s 查表13.6取大值 v=0.03选d1/a值： 在图13.11的i=30线上选取A点，查得:d1/a0.25 r=130(Z1=2) 1=0.883.8.2、 中心距计算：蜗轮转矩： T2=T1i1=9.55106P1in11使用系数： 按要求查表12.9 KA=1.0转速系数： 弹性系数： 根据蜗轮副材料查表13.2 ZE=147Mpa寿命系数： 接触系数： 由图13.12I线查出 Ze=3.35接触疲劳极限： 查表13.2 Him=265MPa接触疲劳最小安全系数：SHmin=1.3中心距： 取a125mm3.8.3、 传动基本尺寸：蜗杆头数： 由图13.11查得r=130 Z1=2蜗轮齿数： Z2=iZ1=302=60模数： 取m3.15mm蜗杆分度圆直径：d1= d1/aa=0.25125=31.25查表13.4 取d135.5mm蜗轮分度圆直径：d2=mZ2=3.1560=189mm蜗杆导程角： r=10.060蜗轮宽度： 取b2=26mm蜗杆圆周速度：相对滑动速度：当量摩擦系数：由表13.6查得v=0.043 v=2.403.8.4、 齿面接触疲劳强度验算： 许用接触应力：最大接触应力：合格 3.8.5、 轮齿弯曲疲劳强度验算：齿根弯曲疲劳极限：由表13.2查出Flim115Mpa 弯曲疲劳最小安全系数：SFmin=1.4许用弯曲疲劳应力： 轮齿最大弯曲应力：合格3.8.6、 蜗杆轴绕度验算：轴惯性矩： 允许蜗杆绕度：=0.004m=0.0043.15=0.0126mm蜗杆轴绕度： 此处取ld2合格3.8.7、 温度计算传动啮合效率：焦油效率： 2=0.99轴承效率： 3=0.99总效率： 1=123=0.800.990.990.787散热面积估算： 箱体工作温度： 此处取,中等通风环境合格3.8.8、 润滑油粘度和润滑方法润滑油粘度： 根据Vs=6.19m/s由表13.7选取V40度=220mm2/s润滑方法： 由表13.7，可采用侵油或喷油润滑3.8.9、 花键的选择:ZdDb=6263263.8.10、 轴承的选择:深沟球轴承： 6209 6208 62073.8.11、 电机的选择:伺服电机 JS1-023.9. 齿轮强度校核3.9.1、 齿面接触疲劳强度计算3.9.1.1、 初步计算：转矩:T1=6.5Nm=6500Nmm齿宽系数:b 由表12.13（该节中所指的表均指机械设计 主编一书中的表） 取接触疲劳极限：Hlim 由图12.17c可取 Hlim1=710MPa Hlim2=580MPa初步计算的许用接触硬力:H1=0.9Hlim1=0.9710=639MPaAd值由表12.16，取Ad85初步计算的小齿轮直径：取d133mm初取齿宽：b=dd1=0.7533=25mm3.9.2、 校核计算：圆周速度: 精度等级：由表12.6选8级精度齿数Z和模数m:取齿数Z1=20,Z2=iZ1=50,模数 由表12.3取m=1.5 则 Z2= iZ1=55使用系数KA:由表12.9取KA1.5齿间载荷分配系数KH:由表12.10先求：端面重合度：重合度系数:Z=0.88由此得：齿间载荷分布系数KH:由表12.11（非对称支撑） 载荷系数：K=KAKVKHKH=1.51.11.291.31=2.79 弹性系数ZE由表12.12取ZE189.8 节点区域系数ZH:由图12.16可取ZH2.5 接触最小安全系数SHmin:由表12.14取SHmin1.05 总工作时间：th=15000 应力循环次数NL:由表12.15估计：107NL1m/min 时，则许用压强取0.2Mpa。对于所选导轨在不加塑料板时，平均压强和最大许用压强都能满足要求，而当要镶入塑料板时许用压强则Pav有0.25Mpa，而设计滑行速度为2m/min时Pav=0.2Mpa，则不能符合要求，则必须对导轨参数进行重新选择。但是对于数控钻床来讲，工件进给过程中并不受切削力，则加上镶入塑料导轨板时的平均压力可以适当的增加，取这种情况下的许用平均压强在0.60.8Mpa，故导轨的平均许用压强Pav=0.35Mpa0.60.8Mpa，故选择导轨符合要求。由 即在此可确定：令 不变，则a=B=0.05m,则重取接触长度L，即： 得L=0.5m或 得L=0.1m要求使贴塑料板的导轨平均压力取0.2Mpa,导轨面的接触长度必须取L=0.5m=500mm,则 或 或或则各条件符合许用压力和平均压力的参数。3.10.2、 Y轴向移动导轨的预选：结构与前面的相同。参数选择：H=20 B=70 B1=12 A=400h=12 h1=H-0.5 b=6（平）3.10.2.1、 验算滑动导轨：对于数控多工位的钻床的导轨受力分析为：图8图8、Z轴导轨分析图（1）各外力对坐标轴取矩：轴其中 W取500Kg =519.585+250 =769.585Nm或 =2519.585NmMy=Mz=0（2）支反力计算：各导轨面的支反力分别为RA、RB、RC则有：或：（3）牵引力：对于钻床来说，Ff进给力很小或为0。3.10.2.2、 导轨压强：按线形分布的导轨压强：a=B值=0.07 L=0.35m（接触强度）上导轨的宽度基本上等于下导轨的接触长度。（根据工作台大小和导轨长度初步确定）或或或则各条件符合许用最大压强和许用平均压强的参数。3.11. 导轨及齿轮传动间隙调整分析3.11.1、 导轨的分析对导轨的要求主要有：要有一定的导向精度；要有良好的耐磨性，足够的刚度；要减少热变形影响；要使运动轻便平稳和一定的工艺性。因此，在考虑到要求加工精度为7级，且钻床为一般机床，所以可以选用贴塑的矩形滑动导轨。由于机床上的运动部件都是沿导轨而作运动，则导轨的磨损就非常大，所以要采用一系列措施来提高导轨耐磨性。其中除了选用合适材料、热处理、润滑外，还应该采用保护装置，即采用防护罩，使机床导轨不外露，这样直接能防止切屑及灰尘等落到导轨上。3.11.2、 齿轮传动间隙调整分析由于要求达到一定的加工精度及表面粗糙度，所以要求齿轮啮合时要无侧隙啮合，且转动灵活，因此要求对齿轮进行间隙调整。因双片可调式薄齿轮错齿调整法能够调整齿侧隙，使加工精度及表面粗糙度达一定要求，所以可采用该方法调整以消除齿轮间隙。3.12、 本章小结完成了机械传动部件设计。第四章 数控系统设计4.1. 确定机床控制系统方案根据机械系统方案的要求，可以看出：对机械部分的控制只有进给系统的步进电机的控制和工作台回转的步进电机控制。控制系统有微机的、有PLC的、也有单片机的，这里采用的是开环控制系统，可以选择经济型的单片机控制系统。另外，居然要控制，就得有输入和输出设备才能对相应的运动进行控制。其控制系统框图如图9所示：存储器扩展光电隔离驱动器I/O口扩展单片机功 率 放 大蜗杆蜗轮W轴电机Z轴电机横向丝杠Y轴电机X轴电机驱动器Z向丝杠纵向丝杠显示器键 盘继电器纵横等轴限位主轴脉冲发生器龙套刀库（铣床）主 轴急停、STOP、清零等功能按钮机械手控制电路电 机图图9、控制系统框图4.2. 单片机型号的选用按照要求，此控制系统只对进给系统的两个轴进行控制，而且是开环系统，因此控制较为简单；再加上键盘和显示器的控制，也不复杂，应采用较为经济的单片机。由单片机原理及其接口技术查得Intel公司的8031最为经济，因此选用8031单片机。8031单片机有P0-P3四个8位口，P0可驱动8个TTL门电路，16根地址线由它经地址锁存器（74LS373）提供第8位A0-A7，而高8位A8-A15由由P2口提供。数据总线由P0口提供。控制总线有P3口的第二功能状态和4根独立的控制线RESET，-EA，ALE，-PSEN组成。仅剩P1口可供控制外设，因此不能满足上述要求，又由8031总片无ROM，且只有128字节的RAM，也不够用，故需要扩展。现采用8155和2761，6261作为I/O和存储器扩展芯片，其它辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路，延时可利用8155的定时器/计数器的引脚TMRIN和TMROUT。4.2.1、 单片机引脚及其功能：4.2.1.1、 电源线 2根Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接+5VVss：地电平4.2.1.2、 晶振 2根XTAL1：震荡器的反相放大器输入。使用外部震荡器时必须接地。XTAL2：震荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部震荡器时用于输入外边震荡信号。4.2.2、 I/O口共有p0 p1 p2 p3四个8位口，32根I/O线，其功能4.2.2.1、 p0.0-p0.7 (AD0-AD7)是I/O端口O的引脚。端口O是一个8位漏极开路的双向I/O端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口。4.2.1.2、 p1.0-p1.7端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口通道，专供用户使用。4.2.2.3、 p2.0-p2.7 (A8-A15)端口2的引脚。端口2是一个百内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8-A15。4.2.2.4、 p3.0-p3.7端口3的引脚。端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与p1口完全相同。4.2.3、 控制线4.2.3.1、 PSEN：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。4.2.3.2、 EA/Vpp：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仅执行外部程序存储器的指令。因8031没有内部程序存储器，故EA必须接地。Vpp是在8751EPROM编程时为+21的编程电源输入端。4.2.3.3、 ALE/PROG，ALE是地址锁存使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效。因为p0端口是分时传送数据和低8位地址。故访问外部存储器时，ALE信号锁存低8位地址。即使在不访问外部存储器时，也可以1/6振荡频率的固定频率产生ALE，因此可以用它作为外部的时钟信号。ALE主要是提供一个定时信号，在从外部程序存储器取令时，把p0口的低8位地址字节锁存到外接的地址锁存器中。4.2.3.4、 RST/VPD 是复位/备用电源端。在振荡器运行时，使RST行脚至少保持两个机器周期为高电平，可实现复位操作，复位后程序计数器清零，即程序从0000H单元开始执行。在Vcc关断之前加上VPD（掉电保护）RAM的内容将不变。4.2.4、 单片机时钟利用内部振荡电路，在XTL1，XTAL2 引脚上外接定时元件，晶振可以在1.2-12MHz间任选，电容在5-30PF之间，对时钟有微调作用。越界报警，指示电路，采用4个点位开关。一旦越界，应立即停止工作台运动，这里采用中断方式，利用8031外部中断-INT0，只要有一个开关闭合，即工作台的X向或Y向有一越界，便能产生中断信号-INT0。为了报警，设置了两个发光二极管灯，一个红用于报警，绿的为正常工作，两灯均由8031的P1.4控制。为了整体控制需要，应将8155的输出端TMROUT与8031的T0端相连，而且应与不进电机控制用环形分配器的CP端相连接。4.3. 存储器的选用、扩展及连接由控制系统所迁用单片机内部集成ROM存储器，同时128位的RAM输出不能满足控制系统程序和数据的存储量，因此要进行存储器扩展。程序存储器选用Inter2764，它是一种5V的8K UVEPROM存储器芯片，采用HMOS工艺制成，标准存取时间250ns具有可擦除特性，管脚数28。由于车削加工的指令数量较少，因而所需程序存储器容量较少，所以选用Inter6264静态RAM足够，该存储器具有8K的容量，200ns的存取时间，所需电源为5V，采用HMOS工艺， 管脚数28。8031对片外RAM和ROM的连接如图10所示：其扩展连线如下：8031和2764、6264的连线说明：由于2764和6264的存储容量都为8KB，故8031的地址线P2.4P2.0直接和2746以及6264的A12A8相连，P0.7P0.0经74LS373地址锁存器输出后接到2764和6264的A7A0，ROM和RAM各13条。片选地址线共3条，其中P2.5、 P2.6、P2.7 通过译码器分别与2764（1）、2764（2）、6264、8155、8255相连。因此，它们的地址分配如下：8031分给ROM（1）（2764）的地址范围是：2000H3FFFH图10、8031对片外RAM和ROM的连接8031分给ROM（2）（2764）的地址范围是：0000H1FFFH 8031分给RAM（6264）的地址范围是：2000H3FFFH8031分给（8155）的地址范围是：00HFFH8031分给（8255）的地址范围是：4000H4003H4.4. 地址锁存器由于单片机8031芯片的p0口是分时传送低8位地址线和数据线，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器。常用的地址锁存器芯片是74LS373。74LS373是带三态缓冲输入的8D触发器。4.5. 键盘与显示接口电路在单片机控制系统中，键盘与显示系统是不可缺少的部件，它们由硬件电路和软件程序两部分组成。如图所示，这是键盘与显示系统常用的电路。4.5.1、 键盘接口方式:行列方式行列方式是用n条I/O线组成行输入口，m条I/O线组成列输入口，在行列线的每一个交点上，设置一个按键。读键值方法一般采用扫描方式，即输出口按位轮换输出低电平，再从输入口读入键信息，最后通过软件方法获得键码。这种方式占用I/O线较少，因此，在单片机应用系统最为常用。键盘与显示电路及其程序单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU工作的内容之一。CPU在忙于各项工作任务时，如何兼顾键盘扫描又不占用过多的时间。则采用程序扫描工作方式，它是利用CPU在完成其他工作的空闲，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求。由于非编码键盘，硬件电路极为简单，应用广泛，因而选用非编码键盘作为数据输入键盘。非编码键盘常用一些按键排列成行列矩阵按键的作用只是使相应接点接通或数据开，在相应程序配合下也可产生被按按键的键码。为了减少硬件开锁，提高系统可靠性和降低成本，单片机控制系统采用动态显示。图11、键盘与显示系统电路这里用8155来实现键盘、显示的接口控制。4.5.2、 8155的引脚及其功能8155的结构框图及引脚排列见12、13图： 图12、8155结构框图 8031引脚排列8155具有40条引脚的双列直插式芯片，其引脚的功能见下表：引脚含义引脚含义AD0AD7地址数据线ALE地址锁存PA0PA7A口RD读PB0PB7B口WR写PC0PC7C口RESET复位TIMERIN定时输入Vss接地TIMEROUT定时输出 Vcc电源IO/MIO/RAM口选择CE片选图13、8031引脚接线图其中IO/M是内部RAM和I/O口的选择线，IO/M=0（低电平时）选择片内RAM，AD0AD7上的地址信息为8155中的RAM单元地址。当IO/M=1时，选择I/O口，AD0AD7上的地址信息为I/O口地址。它利用ALE的下降沿将此信息锁存到片内锁存器中。图11是以8155为主构成的动态扫描显示与键盘接口电路。8155由单片机8031控制，片选线为P2.0，这时8255各口的地址分别是PA口：100H；PB口：101H；PC口：102H；命令状态口：100H。PA口做动态显示数据输出口，经TTL7407后驱动共阴极LED数码管；7407是开极输出形式，在数据口输出线上必须外加上电阻，本电路中上拉电阻为100。PC口的PC0PC4做显示与键盘的动态扫描口，送出数据采用BCD编码，经TTL74LS04译码驱动输出，供LED数据管扫描驱动和键盘扫描。PB0PB8作键盘数据回送线.本电路中扫描口输出BCD编码，由硬件进行译码。在显示扫描过程中，扫描口PC0PC4依次输出BCD码0到7，PA口输出各位显示数据的段码。在键盘上扫描时，PC0PC4输出07，从PB0PB8依次读取键盘回送数据。当读回的数据取反后全为0时，则无键闭合；若不等于0，则有键闭合，将PB0PB8读回的数据与扫描口输出的数据结合即可得到各键的代码。4.5.3 8155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14： 8155I/O有四种工作方式，即ALT1，ALT2，ALT3，ALT4。其中各符号说明如下：AINTR：A口中断，请求输入信号，高电平有效。BINTR：B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）。 图14、命令寄存器格式ASTB（BSTB）：A口（B口）设备选通信号输入线，低电平有效。4.5.4 状态查询8155还有一个状态寄存器，用于锁存I/O口和定时器的当前状态，供CPU 查询用。其格式如图15：状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，命令寄存器只能写入不能读出，而状态寄存器只能读出不能写入。所以可以认为，CPU读该地址时，作为状态寄存器，读出的是当前I/O口和定时器的状态，而写该地址时，则作为命令寄存器对I/O口工作方式的选择。4.5.5、 8155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16：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。但何时读都可以图15、状态寄存器格式 图16、8155定时器方式及输出波形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。4.5.6、 8155扩展I/O端口的初始化由上图的硬件连接得到8155初始化程序：8155有关地址寄存器端口地址为:100H 命令字寄存器104H 定时器低字节105H 定时器高字节相应初始化程序为:ORG 0A00HMOV DPTR,#100HMOV A,#7HMOVX R0,AEND4.5.7、 IP初始化因为P3.3接行程开关,处于高优先级，所以IP初始化为SETB PX0 SETP PX1CLR PT0CLR PT1CLR PS4.5.8、 IE初始化SETB EX0SETB EX1SETB ET0SETB ET1SETB ESCLS ET2SETB EA4.5.9、 PSW初始化MOV PSW #00H4.5.10、 TCON初始化SETB IT0SETB IT1 SETB IE0SETB IE1SETB TR0SETB TR14.5.11、 TMOD初始化TMOD工作在方式2，所以初始化为：MOV TMOD #66H4.5.12、 键盘显示电路工作原理图键盘与显示系统电路中画出了8031通过8155对六只共阴极LED的接口和30个按键的键盘。按键分为三类：一是数字键0F，二是功能键12个；三是两个键没有定义，作为扩展有键位。4.5.12.1、 判数是否有键按下：CPU把全“1”送到8155C口就可以在所有行线L5L0上得到TTL低电平，然后读取B口的列值就可以判断是否有键按下，若无键按下则所读列值必为1FH；若有键按下，则列值必因被按按键的行列线接通而不等于1FH。4.5.12.2、 被按按键行值和列值的读取若CPU发现有键按下，CPU获取被按接键行值和列值只要逐行对、键盘扫描，即轮流地使C口中每条行线变为低电平以及读取和判断B口的值。若列值为1FH，则表明有被按按键不在本行，若列值不为1FH，则对应的行值和列值就是被按按键的的列值和行值。4.5.12.3、 按键的去抖动和窜键处理在按下某个按键时，被按按键的簧片总会能轻微的抖动，这个科动常会持续10ms左右时间。因此，CPU在按键拌动期间扫描键盘必然会得到错误的行值和列值，最好的办法是使CPU在检测到有键按下时延时20ms再进行行扫描。较低当用户在操作时常常不小心同时按下个以上的键时，即发生窜键盘，CPU处理窜键是以最后放开的按键认和真正被按的键。CPU在行扫描时必须不以发现第一个被近键为满足，而是继续完成对所有行的一遍扫描，并在该行扫描结束后根据窜键标志来判断是否发生窜键。如果未发现窜键，则本遍扫描的行值和列值就是被按按键的行值和列值；如果发现了窜键，则CPU再进行一遍行扫描就可获取最后放开键的行值和列值了。4.5.12.4、 其它求键值：求键值必须选先求关键字，求关键字必须知道行值和列值求行号：行序号和行值的关可以从键盘电路中看出CPU把被按按键的行值右移到全“0”时得到的移位次数减1必为行序号。求键字：由键值表可以看到，CPU把行序号移到高四位并和列值低四位相加便可得到相应关键字。求键值：被按按键的键值是查表次数减1。被按按键的类型判别：在键值表中，数字键的键值必小于10H，功能键的键值大于10H的。因此，CPU用被按按键的键值是大于10H或是小于10H来判断按键的类型。图17、键盘按键分布图R4R3R2R1R0/PROM/MOVE/RAM/BPL5DISP/MEMREGDUMP/LASTLOAD/NEXTL47/IP8/P19/P3AMONL34/IE5/SBUF6/SCONB/TMODMONL21/PC2/T03/T1C/PCONSTEPL10/DPTRF/SPE/PSWD/TCONEXECL0键值表关键字键值行值列值按键0F H00 H01 H0F H01F H01 H02 H0F H117 H02 H02 H17 H21B H03 H02 H1B H32F H04 H04 H0F H427 H05 H04 H17 H52B H06 H04 H1B H63F H07 H08 H0F H737 H08 H08 H17 H83B H09 H08 H1B H93D H0A H08 H1D HA2D H0B H04 H1D HB1D H0C H02 H1D HC0D H0D H01 H1D HD0B H0E H01 H1B HE07 H0F H01 H17 HF0E H10 H01 H1E HEXEC1E H11 H02 H1E HSTEP2E H12 H04 H1E H MON3E H13 H08 H1E HMON4F H14 H10 H0F HDISP47 H15 H10 H17 HREG4B H16 H10 H1B HDUMP4D H17 H10 H1D HLOAD5F H18 H20 H0F HPROG57 H19 H20 H17 HMOVE5B H1A H20 H1B HRAM5D H1B H20 H1D HBP图18、键盘扫描程序流程图55显示子程序键盘扫描子程序ORG 0500HSCAN:MOV A,#00HMOV DPTR, #101HMOVX DPTR, AMOV A #3FHMOV DDPTR, #103HMOVX #DPTR, AMOV DPTR, #102HMOVX A, DPTRANL A, #1FHCJNE3 A, #1FH, NEXT1SJMP NEXT4NEXT1: ACALL DS20msCLR CMOV R2, #00HMOV R1, #01HLOOP: INC DPTRMOV A,R1MOVX #DPTR, A MOV DOTR, #8002HMOVX A, DPTRANL A, #1FHCJNE A, #1FH, NEXT2SJMP NEXT3NEXT2: INC R2CJNE R2, #01H, NEXT4MOV R4, AMOV A,R1MOV R3,ANEXT3: MOV A,R1RLC AMOV R1,ACJNE A,#40H, LOOPAJMP KCODENEXT4:CLR ARETEND求键值子程序ORG 0560HKCODE：MOV R1，#00HMOV A， R3CLR CLOOP： RRC AJZ NEXT1INC R1SJMP LOOPNEXT1：MOV A， R1SWAP AMOV R1，AMOV A， R4ANL A， #0FHORL A， R1MOV B， AMOV DPTR， #KTABMOV R0， #00HCLR AREPE：MOVC A，A+DPTRCJNE A, B,NEXT2SJMP RESV NEXT2:INC R0MOV A, R0SJMP REPERESV: MOV A, R0RETKTAB:DB 0FH,1FH,17H,1BH,2FH,27H DB 2BH,3FH,37H,3BH,3DH,2DH DEB1DH,0DH,0BH,07H,03H,1EH DB 23H,3EH,4FH,47H,4BH,4DH DB 5FH,57H,5BH,5DHEND 4.5.13、 显示器的控制单片机应用系统中，常采用八段LED（发光二极管）作为显示器件，其成本低、配置灵活、与单片机接口方便. LED显示器接口方式这里LED显示器是指发光二极管和发光二极管构成的LED数码管、LED点阵显示器等。LED显示器显示接口按驱动方式可分成静态显示和动态显示两种显示方式，动态显示的扫描可由单片机软件或专门的硬件完成；按CPU向显示器接口传送数据的方式则可分成并行传送接口和串行传送接口两种显示数据传送方式。静态显示时，除变更显示数据期间外，各显示器均处于通电显示状态，每个显示器通电占空比约为100%。静态显示的优点是显示稳定，亮度高；缺点是占用硬件电路（如I/O口、驱动器等）多。动态显示时，N个显示器共占用一个显示数据驱动器，每个显示器通电占空比时间为1/N。动态显示的优点是节省件电路（如I/O口、驱动器等）；缺点是采用软件扫描时占用CPU时间多，与软件扫描相比，采用硬件扫描时将增加硬件成本。除此之外，动态显示位数较多时，显示器亮度将受到影响。所以选择动态显示. 其程序清单如下：MOV R3,#7FHMOV A,R3LD0: MOV DPTR,#60O0HMOVX DPTR,AINC DPTRMOV A,R0ADD A,#0DH MOVC A,A+PCMOVX A,DPTR,AACALL DL1INC R0MOV A,R3JNB ACC.0,LD1RR AMOV R3,AAJMP LD0LD1: RETDSEG:DB 3FH,06H,5BH,4FH,“0”“1”“2”“3”66H,6DH, 7DH,07H, “4”“5”“6”“7”7FH,6FH,77H,7CH,“8”“9”“A”“B” 39H,5EH,79H,71H “C”“D”“E”“F”DL1: MOV R7,#02HDL: MOV R6,#0FFHDL6: DJNZ R6,DL6DJNZ R7,DLRET4.6. 8255与8031的连接 4.6.1、 8255内部结构和引脚功能4.6.1.1、 内部结构8255内部由四部分电路组成。它们是A口、B口和C口，A组控制器和B组控制器，数据缓冲器及读写控制逻辑。4.6.1.1.1、 A口、B口和C口：A口、B口和C口均为8位I/O数据口，但结构略有差别。A口由一个8位数据输出缓冲/锁存器和一个8位数据输入缓冲/锁存器组成，B口和C口各有一个8位数据输出缓冲/锁存器和一个8位数据输入缓冲器（无输入数据锁存器，故B口不可在模式2下工作）组成。在使用功能上，A口、B口和C口三个端口都可以和外设相连，分别传送外设的输入/输出数据或控制信息。但在Mode1和Mode2方式下，A口和B口常作为数据口，用于传输I/O数据；C口为控制器，高四位属于A口，传送A口上外设的控制/状态信息，低四位属于B口，传送B口所需的控制/状态信息。4.6.1.1.2 A口控制器和B组控制器：都由控制字寄存器和控制逻辑组成。控制字寄存器接收CPU送来的控制字，用来决定8255A的工作模式，控制逻辑用于对8255A工作模式的控制。A 组控制字寄存器控制A口和C口上半部（PC7-PC4），B组控制器控制B口和C口下半（PC3-PC0）。4.6.1.1.3 数据缓冲器：这是一个双向8位缓冲器，用于传送MCS-51和8255A间的控制字、状态字和数据字。4.6.1.1.3 读写控制逻辑：这部分电路可以接收MCS-51送来的读写命令和选口地址，用于控制对8255A的读写。4.6.1.2 引脚的功能8255A有401条引脚，采用双列直插式封装。4.6.1.2.1 数据总线（8条）：D7-D0为数据总线，用于传送CPU和8255A间的数据、命令和状态字。4.6.1.2.2 控制总线（6条）RESET：复位线，高电平有效。/CS：片选线，低电位有效。若/CS
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