供X62W万能铣床使用的XY数控工作台设计毕设

1、目 录摘 要1abstract2目 录3第一章 绪论11.1设计任务21.2总体方案的确认2第二章 机械传动部件的计算和选型42.1确定系统的脉冲当量42.2铣削力的计算42.3直线滚动导轨副的计算和选型42.4滚珠丝杠螺母副的计算和选型52.5步进电动机减速箱的选用92.6步进电动机的计算和选型9第三章 微机数控系统的设计153.1控制系统硬件的设计153.2单片机的扩展系统163.3步进电动机驱动电源的选用233.4控制系统部分软件设计24第四章 数控机床零件加工程序284.1 零件图28 4.2 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

2、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x-y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（numerical control ）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。

3、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

4、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5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15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x-y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

5、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。1.1设计任务 1.1.1 题目：设计一种供x62w万能铣床使用的x-y数控工作台 1.

6、1.2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：1.6 横向：1.6 进给速度（m/min）： 纵向：0.6 横向：0.6最小分辨率 （mm）： 纵向：0.01 横向：0.01 定位精度（mm）： 0.025主电机功率（kw）： 5.5 起动加速时间（ms）： 301.2 总体方案的确认 1.2.1 导轨副的选用 要设计的x-y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

7、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。 1.2.2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0.005mm的脉冲当量和 0.01mm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。 1.2.3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。 1.2.4 伺

8、服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量未达到0.001mm，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。 1.2.5 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

9、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。 1.2.6 控制系统的设计 1.设计的x-y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mcs-51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、

10、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2.1 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0.010.005mm/step. 横向：0.005mm/step ，纵向：0.005mm/step.2.2 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3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：fc=118ae0.85fz0.75d-0.73ap1.0n0.13z 令铣刀直径d=15mm，齿数z=3，为计算最大铣削力在不对称的情况下

11、取ae=15mm,背吃刀量ap =8mm,每齿进给量fz=0.1mm,铣刀转速n=300r/min .代入公式得fc =118ae0.85fz0.75d-0.73ap1.0n0.13z=118150.850.10.7515-0.7381.03000.133 1463n.各铣削力之间比由表3-5考虑逆铣的情况:ff=1.1fc=14631.11609n,fe=0.38fc=0.381463556n ，ffn=0.25fc=0.251609366n.因为先考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力f z=fe=556n，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

12、向铣削力fx=ff=1609n，径向铣削力fy=ffn=366n。2.3 直线滚动导轨副的计算与选型2.3.1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：fmax=g/4+f=3000/4+556=1306n其中，已知横向g=3000n，外加载荷f=fz =556n，代人公式得最大工作载荷fmax =1306n=1.036kn。查指导书表3-41，根据工作载荷，初选直线副导轨的型号为

13、kl系列的jsa-lg20型，其额定动载荷ca =17.7kn，额定静载荷coa=22.6kn。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3-35，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3-363-40分别取硬度系数fh=1.0，温度系数ft=1.00，接触系数fc=0.81，精度系数fr=0.9，载荷系数fw=1.5，代人式中得距离寿命： l=（）350=5403km远大于期

14、望值50km，故距离额定寿命满足要求。2.3.2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：fmax=g/4+f=5000/4+556=1806n其中，已知横向g=5000n，外加载荷f=fz =556n，代人公式得最大工作载荷fmax =1806n=1.806kn。查指导书表3-41，根据工作载荷，初选直线副导轨的型号为kl系列的jsa-lg20型，其额定动载荷ca =11.5kn

15、，额定静载荷coa=14.5kn。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3-35，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3-363-40分别取硬度系数fh=1.0，温度系数ft=1.00，接触系数fc=0.81，精度系数fr=0.9，载荷系数fw=1.5，代人式中得距离寿命：l=（）350=1482km 远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。2.4 滚珠丝杠螺母副的计

16、算和选型2.4.1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）fx=1609n，受到横向的载荷fy=366n，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）f z=556n。 已知纵向工作台及夹具工件重量g=3000n，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数k=1.1，滚动导轨上的摩擦因数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：fm=kfx+(fz+fy+g)=1.11609+0.005(556+366+3000)1790n2.最大动载荷fq的计算已知进给速度v=600mm/min，初选丝杠导程ph=6mm，则丝杠转速n=v/ph=100r/min取滚动

17、丝杠的使用寿命t=15000h，代入l0=60nt/106得丝杠寿命系数l0=6010015000/106=90（单位：106r）。查表3-30，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60hrc时，取硬度系数fh=1.0,代入式fq=9626n。3.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3-31，选择g系列2506-3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d0=25mm，导程ph=6mm，代人=arctanph/(d0)，得丝杠螺旋升角

18、=422。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+)，得传动效率 =96.4%。5.刚度的验算 1）x-y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a=500mm；钢的弹性模量e=2.1105mpa；查表3-31，得滚珠直径dw=3.969mm，丝杠低径=20.2mm，丝杠截面积s=d22/4=320.31mm。由公式的丝杠在工作载荷fm作用下产生的拉/压变形量1=fm a/(es)=1790500/(2.1105320.31)0.0133mm。 2）根据公式z=（d0/dw）-3,求得单圈滚珠数z=20；

19、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fyj=fm/3=597n。由式3-27求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.0013=0.0025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2=0.0013mmm 3）将以上算出得1 和 2代入总=1+2，求得丝杠变形量总=0.0013+0.0133=0.0146mm=14.6um。由表3-27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3-28计算失稳时的临界载荷fk。查表3-34取支承系数fk=1；由丝杠

20、低径d2=20.2mm，求得界面惯性矩i=d24/648168.744；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3-28fk=。远大于工作载荷fm=1790n，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。2.4.2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）fx=1609n，受到横向的载荷fy=366n，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）f z=556n。 已知纵向工作台及夹具工件重量g=3000n，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数k=1.1，滚动导轨上的摩擦因数=0

21、.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：fm=kfx+(fz+fy+g)=1.11609+0.005(556+366+5000)1800n2.最大动载荷fq的计算已知进给速度v=600/min，初选丝杠导程ph=6mm，则丝杠转速n=v/ph=100r/min取滚动丝杠的使用寿命t=15000h，代入l0=60nt/106得丝杠寿命系数l0=6010015000/106=90（单位：106r）。查表3-30，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60hrc时，取硬度系数fh=1.0,代入式fq=9680n。3.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3-31，选择g系列2506-3型

22、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d0=25mm，导程ph=6mm，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 =96.4%。5.刚度的验算 1）x-y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a=500mm；钢的弹性模量e=2.1105mpa；查表3-31，得滚珠直径dw=3.969mm，

23、丝杠低径=20.2mm，丝杠截面积s=d22/4=320.31mm。丝杠在工作载荷fm作用下产生的拉/压变形量：1=fm a/(es)=1800500/(2.1105320.31)0.0144mm。 2）根据公式z=（d0/dw）-3,求得单圈滚珠数z=20；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fyj=fm/3=600n。由式3-27求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.0013=0.0025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2=0.0013mm 3）将以上算出得1 和 2代入总=1+2，求得丝杠变形量总=0.

24、0013+0.0144=0.0157mm=15.7um。由表3-27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3-28计算失稳时的临界载荷fk。查表3-34取支承系数fk=1；由丝杠低径d2=20.2mm，求得界面惯性矩i=d24/648168.74mm4；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3-28fk=。远大于工作载荷fm=1800 n，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2506-32506-3 螺 母 滚 道 公称

25、直径 d0 25 25 导程 ph 6 6 接触角 422422 钢球直径 dw3.9693.969 滚道法面半径 rr=0.52dw2.0642.064 偏心距 ee=(r-dw/2)sin0.0560.056 螺纹升角 =arctan(ph/d0)422422 螺 杆 螺杆外径 dd=d0-(0.20.25)dw2424 螺杆内径 d1d1=d0+2e-2r20.98420.984 接触直径 d2d2=d1-dw cos17.02717.027 螺 母 螺母螺纹直径 dd= d0-2e+2r29.01629.016 螺母内径 d1d1=d0+(0.20.25)dw25.79425.7942

26、.5步进电动机减速箱的选用 2.5.1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=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠导程ph=6mm，初选步进电动机的步距角=0.75.根据式3-12，得减速比i=(ph)/(360)=5/2大小齿轮模数都为1mm，齿数比为75:30，材料为45调质钢，中心距为(75+30)1/2=52.5mm小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度为10mm。2.6步进电动机的计算和选型 2.6.1纵向：1.计算加在步进电动机转轴

27、上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径为25mm，总长1000mm，导程为6mm，材料密度为7.8510/，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4-1中公式算得各个零件的转动惯量如下：js=1.926=2.794=0.25=4.877初选型号为90byg2062，为两相混合式，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量=4。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=+=5.782.计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由式4-8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

28、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4-12可知，t0相对于另两项很小，可以忽略不计。则有：= + 根据式4-9有=，式中对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速；步进电动机由静止到加速至转速所需的时间。其中=666.7r/min。=30ms。所以=1.308nm=0.0082nm所以得快速空载起动时电动机转轴所受的负载转矩： = + =1.316nm2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式4-13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

29、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4-12可知，t0相对于另两项很小，可以忽略不计。则有：=+其中由式4-14计算得：=0.62nm，再由4-10得：=0.007nm。最后由4-14得=+=0.627nm.综上所述=1.316nm。3）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k=2.54，取k=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：4=41.316nm=5.26nm该型号的电动机查表4-5得

30、最大静转矩=6nm，满足要求。3.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4-16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6-24可看出，在此频率下，电动机的输出转矩5.0nm，远大于最大工作负责转矩=0.627nm，满足要求。2）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4-16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图6-24可看出，在此频率下，电动机的输出转矩4.0nm，大于最大工作负责转矩

31、，满足要求。3）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4-5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4-5)。则由式4-17可求出步进电动机克服惯性负载的起动频率： =1151hz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。2.6.2横向1.计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径为25mm，总长1000mm，导程为6mm，材料密度为

32、7.8510/，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4-1中公式算得各个零件的转动惯量如下：js=0.963=4.657=0.25=4.877初选型号为90byg2062，为两相混合式，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量=4。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=+=5.932.计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由式4-8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；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到

33、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4-12可知，t0相对于另两项很小，可以忽略不计。则有： = + 根据式4-9有=，式中对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速；步进电动机由静止到加速至转速所需的时间。其中=666.7r/min。=30ms。所以=1.379nm=0.01nm所以得快速空载起动时电动机转轴所受的负载转矩： = + =1.389nm2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式4-13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折算到电动机转轴上的

34、附加摩擦转矩t0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式4-12可知，t0相对于另两项很小，可以忽略不计。则有：=+其中由式4-14计算得：=0.62nm，再由4-10得：=0.007nm。最后由4-14得=+=0.631nm.综上所述=1.387nm。3）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k=2.54，取k=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：4=41.387nm=5.548nm该型号的电动机查表4-5得最大静转矩=6nm，满足要求。3.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

35、务书给定的工作台进给速度为600mm/min，所以由式4-16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6-24可看出，在此频率下，电动机的输出转矩5.0nm，远大于最大工作负责转矩=0.631nm，满足要求。2）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4-16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图6-24可看出，在此频率下，电动机的输出转矩4.0nm，大于最大工作负责转矩 ，满足要求。3）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30

36、00hz，查表4-5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4-5)。则由式4-17可求出步进电动机克服惯性负载的起动频率： =419hz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3.1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

37、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。 3.1.1芯片的选择8031芯

38、片有40个引脚，引脚配置见（图2）图23.1.2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、rst电源及时钟：vcc、vss、xtal1、xtal23.1.3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。3.2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

39、，也需要扩展，有些情况下还须要扩展定时/计数器等。3.2.1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、。3.2.2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

40、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。3.2.3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。 3.2.

41、4 eprom的选用为简化电路，此处选用2732eprom (4k*8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数据输出线片选数据输出选同线vpp编程电源编程脉冲输入线

42、表3 2732工作方式 引脚方式输出读维持任意任意高阻编程编程检验编程禁止任意任意高阻注：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、12.5v。2732主要工作方式:错误！未找到引用源。读方式及为低电平，vpp5v时处于读出方式错误！未找到引用源。写方式为低电平, 亦为低电平，vpp21v, 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。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vpp=+21v时，为高电平时，2732芯片处于编程禁止状态。 3.2.5 ram的选用数据存储器ram通常采用mos型，mos

43、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ram6264(8k*8位)一片。如图(4)所示6264主要引脚功能：错误！未找到引用源。a0a12 13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。 数据输出允许信号错误！未找到引用源。 写选通信号错误！未找到引用源。 片选信号 6264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将数据输出到指定地址。错误！未找到引用源。写方式为低电

44、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。 3.2.6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mcs-51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

45、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p2.0-p2.4相联接，其余地址线经p2.5p2.7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。、分别与6264、相联，8031对外部ram进行读/写。 2)8155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p2.0直接作为io/信号，此时对8155需要使用16位

46、地址进行编址。8155的结构框图及引脚排列见下图5。图5 3.2.7 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。 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）。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：alt1：a口，b口为基本输入/输出，c口为输入方式。alt2：a口，b口为基本输入/输出，c口为输出方式。alt3：a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。alt4：a口、b口为选通输入/输出。pc0为aintr，pc1为abf，pc2为，p