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凸轮 专用 数控 工作台 控制系统 设计 开题 CAD

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凸轮专用数控工作台及控制系统设计含开题及5张CAD图,凸轮,专用,数控,工作台,控制系统,设计,开题,CAD

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毕业设计（论文）题目：凸轮专用数控工作台及控制系统设计毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：1、原始数据（资料）：设计一数控工作台，工作台具有一移动轴和一转动轴,两轴具有联动功能，工作台装在普通立式铣床上，用于加工盘形凸轮的型面。其最大加工直径500mm,最大加工厚度150mm，加工精度0.01mm，粗糙度3.2 m；设计内容包括工作台的机械部分及控制系统，控制系统具有极坐标插补功能。原始数据：工作台尺寸： 600 mm最大工作负重： 100kg回转定位精度： 0.01X轴重复定位精度： 0.005mm代码制： ISO自动升降速性能： 有2、毕业设计（论文）要求：（1）、任务要求根据毕业设计任务书中工作台技术要求要求，拟定工作台机械传动方案，完成机械关键零部件设计与计算、绘制装配图、和部分零件图；完成以MCS-51单片机控制的数控系统设计，绘制控制系统原理图。 同时根据机械部分设计计算，电机及关键零部件选型计算，控制系统芯片选择等完成毕业设计设计说明书。主要任务如下：毕业设计（论文）开题报告；文献综述和外文翻译；回转工作台装配图，部分关键零件图，数控系统电气原理图；毕业设计说明书。（2）、时间进度要求序 号时间周次指导教师工作及要求12021.3.22-2021.3.28第1周选择毕业设计题目,领取任务书22021.3.29-2021.4.4第2周查阅文献资料，完成文献综述和外文翻译32021.4.5-2021.4.11第3周撰写开题报告及答辩42021.4.12-2021.5.9第4-7周方案设计、计算及图纸绘制52021.5.10-2021.5.16第8周毕业设计中期检查62021.5.17-2021.5.30第9-10周图纸进一步绘制、论文编写72021.5.31-2021.6.6第11周论文查重、修改82021.6.7-2021.6.13第12周打印装订、指导老师与评阅老师评阅、答辩毕业设计（论文）主要内容：1、设计图样要求：设计原理正确，运用相关标准、查阅相关手册，正确处理好图、数字、符号、标准等的关系，图样完整准确。总体设计完整、图纸表达清晰、标注采用国家最新标准；完成整机装配图纸设计，保证结构方案确定最优化；完成部件图设计及传动系统设计；完成零件图设计，完成控制系统电气原理图设计。2、毕业设计说明书：设计依据可靠，参数选用合理，结构设计强度及刚度校核、计算准确，内容完整，中英文摘要与科技论文必须做到准确无误。对主要传动方案进行比较和选择、并可行性论证。对主要的零部件进行动力的计算，强度、刚度的校核；对电气原理图设计的说明。毕业设计说明书参考文献15篇以上，原则上所涉及的参考文献论文资料为近5年出版发表。学生应交出的设计文件（论文）：设计成果要求：提交纸质资料（打印和部分手工绘制图纸）和电子文档资料。图纸使用AutoCAD软件绘制，文件为*.dwg格式。设计说明书资料为*.doc格式。1、毕业设计（论文）开题报告。2、毕业设计说明书1份，字数2-2.5万字。按山西能源学院本科毕业设计（论文）撰写规范执行。3、图纸：(1) 数控工作台总装配图（A0）1张；(2) 数控工作台关键零件图（图纸大小根据零件尺寸和复杂程度定）2-3张；(3) 控制系统电气原理图（A1号）1张； 4、文献综述与外文翻译：按山西能源学院本科毕业设计（论文）撰写规范执行。(1) 文献综述：字数不少于3000字；(2) 外文翻译：外文翻译必须与毕业设计课题相关，字数不少于5000字，并标明文章出处。主要参考文献（资料）：1 蔡美琴编MCS-51系列单片机及应用M. 北京：高等教育出版社，20122 黄鹤汀主编机械制造装陪备M. 北京：机械工业出版社，20173 杜国臣主编机床数控技术M. 北京：机械工业出版社，20164 刘伟主编数控技术M. 北京：机械工业出版社，20195 刘建华主编,工程材料与机械制造. 北京：机械工业出版社，2019；6 成大先主编机械设计手册（第4卷）第四版M.北京：化学工业出版社2002；7 车洪麟、张素辉非标准机械设计（第1版）M.北京：机械工业出版社，2011；8 叶玉驹、焦永和、张彤机械制图手册（第5版）M. 北京：机械工业出版社，2019；9 屈波互换性与技术测量M. 北京：机械工业出版社，2014；10 孙桓、陈作模，机械原理（第7版）M.北京：高等教育出版社，2005；11 濮良贵、纪名刚机械设计（第8版）M.北京：高等教育出版社，2005；12 于永泗、齐民机械工程材料（第7版）M.大连：大连理工大学出版社，2007；13 闻邦春主编；机械设计手册（第6版）（1）(2) (3) (4)（5）（6）（7）. 北京：机械工业出版社，2019；14 鹤汀主编.金属切削机床设计. 北京：机械工业出版社，2015；指导教师签字： 年 月 日教研室主任审查签字 年 月 日系主任批准签字 年 月 日 1研究意义: 随着机械制造工业的迅速发展和科技水平的不断进步，用于自动控制的数控机床代替传统的普通机床，得到迅速而广泛地应用,机床的传动系统由原来的齿轮有级变速传动到现在的由计算机控制伺服电机的无级变速传动。因此，我们对机床工作台的设计就显得非常重要；由于数控机床技术含量高、成本昂贵，若中小企业广泛采用数控机床不仅费用高而且资源浪费。因此，对普通机床进行数控化改造也成了人们近年来研究的课题2。本次毕业设计课题“凸轮专用数控工作台及控制系统设计”就是从以上几点出发，综合运用机械、电子和计算机知识而进行的一项机电结合的基本训练，其主要目的是强化机械结构设计，同时进一步掌握数空机床控制系统的设计思路，通过对控制系统硬件和软件的设计，掌握数控系统硬件及软件设计的基本方法；通过对数控铣床工作台结构的设计，培养我们分析问题和解决问题的能力，对自己而言这也是很大的进步和提高，从而达到选题的目的；通过开发这样一套仿真系统也为数空机床控制系统的研究和普通机床的数控化改造，提供了必要的参考依据；开发的这套仿真系统也可以作为一套实验室设备，对数控系统的研究也有一定的现实意义。2基本内容: 设计一数控工作台，工作台具有一移动轴和一转动轴,两轴具有联动功能，工作台装在普通立式铣床上，用于加工盘形凸轮的型面。其最大加工直径500mm,最大加工厚度150mm，加工精度0.01mm，粗糙度3.2 m；设计内容包括工作台的机械部分及控制系统，控制系统具有极坐标插补功能。根据毕业设计任务书中工作台技术要求要求，拟定工作台机械传动方案，完成机械关键零部件设计与计算、绘制装配图、和部分零件图；完成以MCS-51单片机控制的数控系统设计，绘制控制系统原理图。 同时根据机械部分设计计算，电机及关键零部件选型计算，控制系统芯片选择等完成毕业设计设计说明书。主要任务如下：毕业设计（论文）开题报告；文献综述和外文翻译；回转工作台装配图，部分关键零件图，数控系统电气原理图；毕业设计说明书。3重点和难点及解决方法: 为了顺利完成论文，我们应当从杂志、教材及网络上广泛搜集资料，从本课题研究的内容出发，了解本课题在国内外的发展现状及发展趋势，搜集较多的外文资料，以丰富本课题的丰富性、完整性。根据数控铣床机械部分的设计，查手册、教材以及与机械相关的资料，确定脉冲当量和伺服电机，设计、选用传动和导向元件，绘制机械结构装配图。学习MCS-51系列单片机原理及应用，了解单片机电器元件如8031、6264、2764的原理、功能及应用，学习编程知识，编写汇编程序并在实验设备上调试通过，使本课题的研究内容真实有效。与此同时，虚心请教老师和同学，互相交流、认真对待，最终顺利完成毕业设计论文。4提纲: 1绪论1.1选题背景及意义1.2国内外发展现状1.2.1我国数控的发展状况1.2.2国外数控系统研究现状1.2.3我国数控技术与国外的差距1.3数控系统的发展趋势1.3.1高速、高精度、高可靠性1.3.2复合化1.3.3智能化1.3.4柔性化、集成化、网络化1.4研究主要内容2数控回转工作台的原理与应用2.1数控回转工作台2.2设计准则2.3主要技术参数3凸轮专用数控回转工作台的部分原理及结构设计3.1步进电机的原理3.2传动方案传动设计3.3数控回转工作台功能的实现3.4步进电机的选择及机械系统设计3.4.1步进电机的选择3.4.2蜗杆传动设计校核3.4.3蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸3.4.4校核齿根弯曲疲劳强度3.4.5精度等级公差和表面粗度的确定3.4.6蜗轮蜗杆零件图3.5凸轮的选用3.6凸轮的游隙及轴上零件的调配3.7滚动凸轮的配合3.8滚动凸轮的润滑4 MCS-51单片机控制的数控系统设计4.1系统方案设计构成4.1.1控制系统应满足的条件4.1.2控制系统总设计4.2单片机设计4.2.1键盘电路及程序4.2.2显示程序4.2.3运行程序4.2.4延时子程序4.3.5环形分配器电路4.3.6功率放大电路5凸轮专用数控工作台控制系统仿真总 结 凸轮专用数控工作台及控制系统设计Design of a special CNC table and control system for cams 摘 要本次设计以凸轮专用数控工作台及控制系统设计为选题，设计一个可以安装在普通立式铣床上的数控工作台，来进行盘型凸轮型面的加工，这一工作台要有两轴联动功能，使其具有一个转动轴和一个移动轴。数控工作台由一个步进电机驱动使工作台周向旋转的蜗杆实现凸轮加工时的周向进给。另一个步进电机连接到减速器的输入轴,从而驱动滚珠丝杠转动,控制工作台的径向移动,实现凸轮加工的径向进给。在两轴联动的作用下，简化了加工过程，使满足精度要求的凸轮可以用普通设备加工，而不是在昂贵的多轴加工中心和三坐标磨床上进行曲线精加工。其最大加工直径500mm，最大加工厚度150mm，加工精度0.01mm，粗糙度3.2 m；同时，具有装配方便和磨损后可以更换的优点，大幅度降低了生产制造成本，用最简单的方法解决了非常复杂的制造难题。根据毕业设计任务书中工作台技术要求，拟定工作台机械传动方案，完成机械关键零部件设计与计算、绘制装配图和部分零件图，电机及关键零部件选型计算；完成以MCS-51单片机控制的数控工作台设计，进行控制系统芯片的选择并绘制控制系统原理图。关键词：凸轮；数控；数控工作台；控制系统ABSTRACTThis design takes the design of the cam special CNC workbench and control system as the topic, and designs a CNC workbench that can be installed on the ordinary vertical milling machine to process the disc cam surface. This workbench should have two axis linkage function, so that it has a rotating shaft and a moving shaft. The NC worktable is driven by a stepper motor, and the worm which makes the worktable circumferentially rotate realizes the circumferential feed during cam machining. The other stepper motor is connected to the input shaft of the reducer to drive the ball screw to rotate and control the radial movement of the worktable to realize the radial feed of cam processing. Under the action of two axis linkage, the machining process is simplified, so that the cam meeting the accuracy requirements can be processed with ordinary equipment, instead of finishing the curve on the expensive multi axis machining center and three-axis grinder. The maximum machining diameter is 500mm, the maximum machining thickness is 150mm, and the machining accuracy is high 01 mm, roughness 3. 2 m; At the same time, it has the advantages of easy assembly and replacement after wear, which greatly reduces the production cost and solves the very complex manufacturing problems with the simplest method.According to the technical requirements of the workbench in the graduation design task book, draw up the mechanical transmission scheme of the workbench, complete the design and calculation of key mechanical components, draw assembly drawings and part of the parts drawings, and calculate the selection of motors and key components; complete the design of the CNC workbench controlled by MCS-51 microcontroller, select the control system chip and draw the schematic diagram of the control system.Keywords: cam；numerical control；CNC workstations；control system目 录1 绪论11.1选题背景及意义11.2国内外发展现状11.3数控工作台的发展趋势31.4研究主要内容42 数控工作台设计概述52.1传动方案传动设计52.2控制系统总体设计方案53 工作台运动部分的机械传动设计73.1铣刀主要结构参数的选择73.2切削用量的选择83.3切削力的估算93.4 传动比的确定103.5 等效负载转矩的计算113.6等效转动惯量的计算123.7初选步进电机的型号123.8 减速齿轮的设计133.9 滚珠丝杠的选型173.10 轴承的校核213.11 蜗轮、蜗杆的计算234 工作台运动部分的组成274.1 滚珠螺旋传动274.2 齿轮传动314.3 轴承的选型及润滑334.4导轨的选用344.5 底座设计365 系统方案设计构成385.1 MCS-51系列单片机385.2 存储器的扩展405.2.1 程序存储器的扩展405.2.2 数据存储器的扩展435.2.3 译码电路设计435.3 键盘与显示接口电路设计445.4 其他辅助电路的设计45总 结49参考文献50致 谢51IV 1 绪论1.1选题背景及意义科学技术是第一生产力，在现如今高速发展的社会，人们不仅要求其高速度，而且对产品的性能要求也越来越高，因此现代制造业正在快速发展。新的机械加工装备都是应更高的制造工艺需求而产生的。尤其是在航天，造船，造车等行业中，普通车床已无法满足生产需求，数控机床才由此而生。近年来我国对数控机床的需求量增大，发展前景广阔。我们可以对普通机床进行数控化改造，可以提升普通机床的效率，加工精度等，更好的适应了现如今高速发展的社会环境，节省了购买数控机床的成本，解决了大部分机械工厂想买但买不起数控机床的难题。可见，从我国的实际情况出发，普通机床的数控化改造满足了各行各业的需求，产生了可观的经济和社会效益。因此，本次设计的是一个可以安装到立式铣床的数控工作台，相比直接购买数控铣床可以大大节省成本，符合我国的实际情况。1.2国内外发展现状数控系统应用于机床，很大的提高了机械加工的效率和性能，也推动了社会的高速发展，人们也因此热衷于开发数控系统，随着人们的研发，数控系统也发展起来了。在二十世纪五十年代初，计算机水平刚刚起步，无法直接应用于机床，所以，人们为了加工出在当时无法用普通机床加工出的复杂零件，只能用现有的技术水平与元件来“搭”一个数控系统，也就是硬接线数控（HARD-WIRED NC 简称NC）。在随后的二十年间，数控技术也逐渐成熟起来。第二阶段是二十世纪七十年代以后的发展阶段，在这一阶段，计算机技术与数控阶段相比有了质的提升，人民将计算机技术应用于机械加工中，使得机加工的速度，效率等方面得到了大幅度的提升，对复杂零件的加工也如鱼得水，这一阶段被称为计算机数控（CNC）阶段，在这一阶段中，也有了三代的发展，即元器件从集成电路到微处理器的发展，数控技术进入了基于PC的时代。1.我国数控的发展状况科学技术是第一生产力，我们的大国工程离不开机械加工的发展，因此，我国非常注重机加工的速度和质量，改进机加工方式变得尤为重要。自建国以来，我们的先辈们就开始了数控系统的研究，经过长期的研究，从1980年以来，数控机床开始进入各加工厂，开始进入了高速高效的发展阶段。自第九个五年计划以来，我国已经形成了数控车床和加工中心（含数控铣床）的工业生产基地，从产量上看，2010年机床产值和数控机床产量均居世界第一位，在市场竞争中，我国生产的数控机床在容量、性能、可靠性等方面具有很大的优势。随着我国关于数控机床研究的科技项目的完成，我国的数控化由原来的35.5%提升到了51.9%。我国的数控系统发展向着高端水平发展，已经生产出多轴，多通道，总线型的数控产品。2.国外数控工作台研究现状国外数控机床的发展也经历了很长一段时间。当世界上第一台计算机诞生时，有人设想计算机技术将应用于加工设备。为生产出更大更精密的产品，才引发了人们对计算机控制机床的研发，在二十世纪五十年代左右，就有机构研发出了初代的数控机床，随后几十年间，由于计算机技术的发展，数控机床也更加成熟，更加多样化。目前，先进的数控技术已被一些西方国家所主导，如西班牙的法戈、德国的西门子、美国的A-B、法国的num、日本的大隈、法纳科、三菱等。日本的大隈公司和德国Siemens公司以其卓越稳定的数控工作台能力占领了世界机床市场，fanac在日本的产量约占世界总产值的一半，1987年，日本又相继研制出fanuc-15、fanuc-16、fanuc-18和 fanuc-20，此时此刻，美国也开始研发数控机床系统。为了改进老式封闭系统的弊端，人们开发出了开放式的系统，可以与计算机辅助技术相结合，是一种模块化、可重构、可扩展的软硬件控制系统。3.我国数控技术与国外的差距现如今，我国虽然取得了令世界瞩目的成就，但还是存在着一些问题，比如在数控机床上尽管已经取得了很大的进步，但主机大而不强，产品质量参差不齐，技术发展缓慢，整个产业的经济效应的差异较大，大量的高档数控加工产品来自海外。 从国外进口大量的高档数控加工产品的问题也是必要的。国外的数控机床一直处于世界的尖端水平，尤其是在高端机床上，因此，我们需要学习他们先进的技术，和自身实际情况相结合，注重技术创新，发展出自己的高端水平的数控机床。1.3数控工作台的发展趋势（1）高速、高精度、高可靠性开发高速数控机床可以充分发挥刀具材料的性能，不仅节约成本，而且提高零件的精度，实现高效率、高质量、低成本的生产。高速加工的另一个特点是，速度正在从单一的高速切割提高到全速切割，不仅减少切割时间，而且减少辅助时间和技术关联时间。人们对数控机床的需求不仅要求其高速，而且还提高机床的精度，人们的这些需要也促使了数控设备的改进。数控机床向高精度化发展，可以使零件的加工精度达到微米甚至是纳米级，使其加工出的产品性能越来越高。高的可靠性也是数控机床的发展方向，高可靠性可以将机床的故障率降低到一定的范围，提高生产效率。机床向这几个方面发展，可以将数控机床的性能发生质的提升。（2）复合化数控机床的复合化，是集车，铣，钻，挫等为一体，通过多轴，多通道控制，可以在一次装夹中完成多道加工，不仅保证了加工精度，而且还节省了时间，降低了成本，节约了资源。（3）智能化现在电子产品都向着智能化方向发展，数控机床也不例外，智能化数控机床可以优化加工方案，自动适应加工过程，误差补偿，复杂曲面加工等功能的控制，有普通数控机床难以取代的优点，可以大大提高加工精度和效率，更好的适应各行各业的加工需求。（4）柔性化、集成化、网络化产品的多样化和需求的识别要求数控机床具有可调、可重构、可扩展的特点，具有曲线统一加工的插补技术的特点，图表交互CAD/CAM/CAPP自动调度系统，界面二次开发等，便于移植技术，利用系统设计来研究机床，增加灵活性。灵活性要求芯片具有高度集成的功能块和网络连接，以及数控技术的应用。最后构成CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)。1.4研究主要内容通过将定位块与基体和换位段作为组件结构，简化了加工过程。凸轮可以用普通设备进行精确加工，而不是使用昂贵的多轴加工中心或坐标磨床。 最大加工直径为500mm，最大加工厚度为150mm，加工精度为0.01mm，粗糙度为3.2m；同时组装方便，磨损后可以更换，极大的降低了生产制造成本，用简单的方式解决了复杂的制造问题。根据任务书，主要完成工作台传动部分和控制部分的设计，需对其进行材料零件的计算与选型，并绘制装配图与原理图。主要技术参数如下： 工作台尺寸： 600 mm最大工作负重： 100kg回转定位精度： 0.01X轴重复定位精度： 0.005mm代码制： ISO自动升降速性能： 有2 数控工作台设计概述对机床进行经济型数控改造时，一般采用原机床主传动，所以对立式铣床的主传动系统不进行改装。这种设计用于加工凸轮表面，根据已知的凸轮形状和尺寸进行小批量生产。因此，有必要设计可以安装在立式铣床工作台上的数控工作台的结构。在改造后的系统中，凸轮毛坯被夹在数控工作台上，步进电机带动工作台沿圆周方向旋转的蜗杆在加工过程中作圆周进给；另一台步进电机与减速机的输入轴相连，推动滚珠丝杠旋转，控制工作台的径向运动，实现凸轮加工的径向进给。2.1传动方案传动设计由数控工作台的构造可知，在设计中要进行传动装置所需零件的选取。在本设计中，原动机采用步进发动机，由步进发动机带动工作台蜗杆沿圆周方向旋转，实现凸轮加工时的圆周进给。另一个步进电机连接到减速器的输入轴，从而驱动滚珠丝杠转动，控制工作台的径向移动，实现凸轮加工的径向进给。工作台为T型槽工作台面，传动系统由齿轮传动和蜗杆传动组成。图2.1 总体设计简图2.2控制系统总体设计方案该数控工作台的控制系统是以单片机为核心，实现对凸轮加工过程的控制。凸轮的加工过程包括径向运动和周向运动，可以利用单片机达到对两台步进电机的联动控制。此外，为了存放加工凸轮所必需的程序和加工参数，以及便于对加工过程进行控制，进而设计了存储器的扩展电路和键盘、显示器接口电路及其他辅助电路。3 工作台运动部分的机械传动设计 3.1铣刀主要结构参数的选择1铣刀材料的基本要求1）高硬度和耐磨性2）好的耐热性3）高的强度和好的韧性2. 铣刀常用材料：（1）高速工具钢a、高温下，仍能保持较高的硬度。b、工艺性能好，可以制造形状较复杂的刀具。c、刃口强度强，坚固耐用，抗振动能力强，可用于制作具有一定切削速度的通用仪器，高速钢铣床也可用于刚度较低的机床上。d、但硬度较低，耐磨性较差。（2）硬质合金 a、常温下，硬度高，耐磨b、耐高温c、但冲击韧性差，抗弯强度低相比之下，这里选用高速钢 W18Cr4V.3.铣刀类型的选择刀具选择的一般原则是：安装调整方便、耐久性好、刚度好、精度高，根据加工要求，选择短的刀具，以提高刚度，刀具的尺寸须与被加工工件的表面尺寸相适应，在生产中，可在加工原表面或原孔时选用硬质合金刀片玉米铣床；在平面零件的外边界加工中，经常使用立铣刀；加工封头和坡口时，一般选用高速钢立铣刀；要磨削平面，必须选用硬质合金刀具；球铣床、圆铣床、圆锥铣床和盘铣床常用于加工某种实体表面和变角度轮廓。根据毕业设计的条件和以上铣刀刀具选择的原则，综合考虑，这里选直柄立铣刀，铣刀直径直柄立铣刀，齿数z=3。3.2切削用量的选择铣削加工中的切削用量包括：背吃刀量，侧吃刀量，进给量，切削速度。1. 背吃刀量和侧吃刀量背吃刀量是沿平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸。端铣时，为切削层深度，而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。侧吃刀量是垂直于铣刀轴线测量的尺寸，端铣时，为被加工表面的宽度，圆周铣削时，为切削层深度。背吃刀量和侧吃刀量的选取主要由对表面质量和加工余量的要求决定的。当工件所需的表面粗糙度为12.5-25m时，当端面铣加工余量小于6mm，圆周铣加工余量小于5mm时，只需粗铣进给。机床功率不足或工艺系统刚度不好，必须二次进给。当工件要求的表面粗糙度为3.2-12.5m铣削时，需进行粗铣和半精铣。在粗铣时，同前面一样选取背吃刀量或侧吃刀量。半精铣时，近似铣削后应留有0.5-1.0mm的尺寸。当工件表面粗糙度要求为0.8-3.2m时，分为粗铣、半精铣和精铣三个阶段，半精铣时选择1.5-2.0mm的背吃刀量或侧吃刀量；对于精铣，选择0.5-1.0 mm的面铣刀背吃刀量0.3-0.5 mm的圆周铣侧吃刀量。根据以上原则，可取 =25mm，=5mm。2. 进给量与进给速度的选择进给速度（）和进给量（）是数控铣削加工切削用量的重要参数，且进给速度与进给量之间的关系式为=n(n为铣刀转速，单位是)。由零件的表面粗糙度、刀具及工件材料、加工精度要求等因素，再根据切削深度和铣刀直径，参考金属切削用量手册来选取或通过选取每齿进给量，再根据公式=（Z为铣刀齿数）计算。每齿进给量的选取主要依据工件材料的刀具材料、工件表面粗糙度、力学性能等因素。工件材料硬度、工件表面粗糙度和强度与每齿进给量成反比。每齿进给量的确定可参考表3.1选取，工件刚性差或刀具强度高时，应取较大值。表3.1 铣刀每齿进给量参考值工件材料粗铣精铣高速钢铣刀硬质合金铣刀高速钢铣刀硬质合金铣刀钢 0.050.100.100.250.020.050.100.15铸铁0.080.20 0.150.30查切削手册取推荐值=0.1mm .2. 切削速度 切削速度与铣床直径成正比。增大铣床的直径可以提高切削速度和散热条件，它与每齿进给速度、持续时间、铣齿数、刀具的后进给和侧进给成反比，原因是当、及都减小时，降低了刃口载荷，减少了工作齿数，降低了切削热和刀具磨损，提高了铣削速度，降低切削速度可以提高刀具寿命，但查手册可取=18-21m/min。3.3切削力的估算在零件加工中，刀具会在切除零件的余量是会有一种阻力的作用，例铣刀受到的阻力叫做铣削力，这种力是铣刀上各刀齿同时工作时受到的切削力的总和。有三个方面提供了切削力，即：（1）克服工件加工中的摩擦力（2）抵抗工件材料塑性变形的力。（3）抵抗工件弹性变形的力我们把铣削力分解到所需的研究方面上，得到铣削力分力为： （1）圆周分力（切向力）Fc（2）轴向力Fa力。（3）径向分力Fp 各分力如图所示：图3.1 铣削力的分解切削力的计算公式: =z (3-1) 各种铣刀加工不同材料的值高速钢铣刀铣削力的修正系数背吃刀量 每齿进给量 铣刀直径齿数 侧吃刀量查手册得可知=294,=1,=5 mm,=20 mm,=25 mm,=0.1 mm/z,z=3所以=2941325 =1562.06 N由= 0.4,= 1.2,可得= 625.2 N ， = 1875.6 N由= 0.3，得= 468.9 N，再根据 = (3-2)可得=1137.8 N3.4 传动比的确定大致估计数控工作台沿导轨运动部件的总重量W=1000 N ，工作台和导轨的摩擦系数为=0.06 ， 假定滚珠丝杠的名义直径= 32mm ,导程= 6mm，丝杠总长L= 365mm, 给定脉冲当量= 0.01mm ,滚珠丝杠预紧时的传动效率= 0.91 .初选三相六拍步进电机的步距角为，当三相六拍步进电机运行时，步距角=，其每转脉冲数S= =480 . 根据脉冲当量的定义，可得中间齿轮的传动比i= = = 1.253.5 等效负载转矩的计算 1.等效摩擦转矩的计算由摩擦力的计算公式有= = 0.06= 97.56 N根据机械效率公式，折算到电机轴上所需的转矩=8.19在开始加工前要事先预紧滚珠丝杠传动副，是因为移动体的重量较大，滚珠丝杠的预紧力是最大轴向载荷的 倍，它的刚度可增加2倍 ，变形量就减少 ，预紧力= 32.67 N螺母内部的摩擦系数= 0.3 ，因此滚珠丝杠预紧后的摩擦转矩=0.3=0.752.切削时的等效负载计算=95.57最终折算到电机轴上的等效转矩为=+=8.19+0.75+95.57=104.53.6等效转动惯量的计算 滚珠丝杠的转动惯量=2.95 移动体换算到电机轴上的转动惯量 = 大齿轮的转动惯量=1.229 小齿轮的转动惯量=0.623 因此，折算到电机轴上的总等效转动惯量为=+=3.30 3.7初选步进电机的型号根据=104.5 ，=3.30 ，初选步进电机型号为110BF003，其最大静转矩=800 ，转子惯量=4.7 ，由此可得=0.13 0.5， =0.7 4满足惯量匹配和容量匹配的条件.但由于此台步进电机只满足径向驱动，不满足轴向驱动，所以为了同时满足径向和轴向驱动，以及方便控制系统硬件电路的设计，两台步进电机选相同型号110BC380B，此型号的电机的最大静转矩电机最大静转矩Tmax=980,转子惯量Jm=65= 0.39 0.5 , =0.35 4 故满足惯性匹配和容量匹配的条件.3.8 减速齿轮的设计1. 选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数 （1）由传动方案，选直齿圆柱齿轮传动.（2）因机床工作速度不高，故选用7级精度（GB/0095-88）.（3）选小齿轮材料为40Cr（调质），硬度280HBS，大齿轮为45钢（调质），240HBS，二者材料硬度差为40HBS.（4）小齿轮齿数初选=，大齿轮齿数则为=2. 按齿面接触强度设计由设计公式进行计算，即 （3-3） 确定公式内的各项算数值（1） 试选载荷系数（2） 计算小齿轮传递的转矩 小齿轮传递的转矩即为电机轴的输出转矩，由前面电机选型的相关计算可知=（3） 查手册选取齿宽系数=0.5（4） 查手册得材料的弹性影响系数=189.8（5） 查手册按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600，大齿轮的接触疲劳强度极限=550.（6） 计算应力循环次数= = （7） 由查手册得接触疲劳寿命系数=0.94， =0.96（8） 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，得= = 计算（1）计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值=（2）计算圆周速度= （3）计算齿宽=（4）计算齿宽与齿高之比模数 = 齿高 =（5）计算载荷系数根据=，7级精度，查得动载系数=，直齿轮，假设，查得=，由查手册得使用系数=1，7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时=1.12+0.18+0.23 (3-4)将数据代入后得=1.12+0.18+0.23=由=4.445 =1.176 查手册得=1.13，故载荷系数=（6）分度圆直径是按实际的载荷系数校正所算得的，得=（7）计算模数=3. 按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为 (3-5) 确定公式内的各计算数值 （1）查手册得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500Mpa，大齿轮的弯曲疲劳强度极限=380Mpa （2）查手册得弯曲疲劳寿命系数=0.85， =0.88 （3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得= =（4）计算载荷系数=（5）查取齿形系数查手册得 =2.80 =2.62（6）查取应力校正系数查手册得 =1.55 =1.59 （7）计算大小齿轮的并加以比较=经过计算比较，可知大齿轮的数值大.设计计算=对比计算结果，弯曲强度所决定的承载能力决定了齿轮模数的大小，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮模数与齿数有关，取由弯曲强度算得的模数=1.28mm，圆整为标准值=1.5mm，按接触强度算得的分度圆直径=41.87mm，可计算出：小齿轮齿数 =大齿轮齿数 = 这样子设计出的齿轮传动，做到结构紧凑，节约资源.在性能上满足了齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度，并 计算几何尺寸（1）分度圆直径的计算=（2） 计算中心距= （3） 计算齿轮宽度=取 =， =验算= = 设计合理. 3.9 滚珠丝杠的选型滚珠丝杠的转速=滚珠丝杠工作载荷的计算如下：对于燕尾形导轨的机床有= （3-6）其中：、切削分力移动部件的重量考虑颠覆力矩影响的实验系数导轨的摩擦系数代入公式，可得=已知滚珠丝杠的工作载荷= ，平均转速nmr/min，工作长度l500mm，使用寿命20000h左右，丝杠材料为CrWMn钢，传动精度要求，滚道硬度为5862HRC。1. 丝杠副的计算载荷 （3-7）式中: 载荷系数，按表3.2选取，取=硬度系数，按表3.3选取，取=精度系数，按表3.4选取，取=平均工作载荷（N）表3.2 载荷系数载 荷 性 质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转11.21.21.51.52.5表3.3 硬度系数滚道实际硬度HRC58555045401.01.111.562.43.85表3.4 精度系数精度系数C、DE、FGH1.01.11.251.43代入公式中，得计算结果=2. 计算额定动载荷 式中：丝杠副的平均转速（r/min）；运转寿命（h）；计算载荷（N）；代入公式，= 查设计手册，可知(额定动载荷)。考虑各种因素，选，其中：公称直径： D0 = 导程： =螺旋角： =滚珠直径： =滚道半径： =偏心距： 丝杠内径： =3.稳定性验算临界载荷 = （3-8）式中：丝杠的弹性模量，对于钢丝杠危险截面的轴惯性矩=0.33长度系数，两端用铰接时， = 滚珠丝杠的工作行程，=0.5m所以 =N故 （参考表3-5）丝杠是安全的，不会失稳。表3.5 稳定性系数支承方式有关系数双推自由FO双推简支FS双推双推FF342.53.322/31.8753.9274.730注：长度系数；临界转速系数。4. 刚度验算滚珠丝杠受到转矩T（Nm）和工作负载F（N）的共同作用下会引起的每个导程的变形量 （m）为 （3-9）式中：A丝杠的截面积，（m2）；丝杠的极惯性矩，(m4)；G钢的切变模量，对于钢G = 83.3 GPa；T转矩（Nm）， （3-10）式中为摩擦角，这里取，即，丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为 通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即 由上式可得滚珠丝杠的刚度合适。5. 效率验算滚珠丝杠副的传动效率为因为传动效率的在90%95%之间，所以该丝杠副符合使用要求。由以上计算可得，各项性能指标均符合题目要求，可选用。3.10 轴承的校核一般情况下，滚动轴承的校核是使两个轴承的当量载荷要低于基本额定动载荷，才可以使用，而基本额定动载荷不是固定的，需要由所使用的轴承实际情况而定的，如推力轴承只受轴向载荷，向心轴承只受纯径向载荷，除去这两种特殊情况，轴承一般会受到两种载荷的综合作用。因此圆锥滚子轴承在受径向载荷时，要产生派生轴向力。其计算过程如下：轴承的受力情况如图3-2所示： S1ba轴承1轴承2L 图3.2 轴承受力分析已知：=1626N，=1138N，L=570mm，a=288mm, b=607mm，根据下列公式计算派生的轴向力。 因为 所以轴承1 被“放松”，轴承2 被“压紧”。可得 由于所以，查手册可知 X=1，Y=0轴承1所承受的当量载荷，所以查手册可知 X=0.4，Y=1.9轴承2所承受的当量载荷为查手册可知此系列的圆锥滚子轴承的基本额定载荷为，由以上计算可知，轴承符合条件。 3.11 蜗轮、蜗杆的计算1. 蜗杆参数的选择模数m： 蜗轮规定端面模数为标准模数，因为蜗轮主要用类似蜗杆的刀具加工。因此把蜗杆的轴向模数归定为标准模数初选蜗杆头数根据效率和速比来选定的，单头蜗杆比多头蜗杆传动比大，但传动效率却没有多头蜗杆低，又由于多头蜗杆制造困难，所以初选螺旋升角：蜗轮齿数,蜗轮的齿数一般取为3080，否则可能产生根切现象，蜗轮齿数不能小于22（）到26（1时），初选。 2. 中心距A及蜗杆 蜗轮尺寸计算：蜗杆与蜗轮分度圆直径蜗杆与蜗轮顶圆直径3. 蜗轮传动强度计算在进行蜗杆材料的选择时，需了解蜗轮传动的破坏形式，并以此为依据进行选材。蜗轮传动和齿轮传动相似，都会产生轮齿折断，齿面胶合，齿面磨损和点蚀的破坏形式，但是蜗轮传动更易磨损胶合，因此选材要有耐磨和抗胶合能力。蜗杆一般采用45钢，而蜗轮采用使用系数 转速系数 弹性系数 (3-11) 寿命系数 1.6接触系数 接触疲劳极限 接触疲劳最小安全系数 自定 4. 齿面接触强度验算许用接触应力 最大接触应力 5.软齿弯曲疲劳强度验算齿根弯曲疲劳极限 为 弯曲疲劳最小安全系数 自定 许用弯曲疲劳应力 轮齿最大弯曲应力 合格 图3.3 蜗轮蜗杆零件图6. 蜗杆轴挠度验算轴惯性矩 允许蜗杆挠度 蜗杆轴挠度 （3-12） （此处）7. 润滑油粘度和润滑方法润滑油粘度 根据 查手册得 润滑方法 采取浸油润滑4 工作台运动部分的组成工作台的运动部分主要由步进电机、 齿轮减速器、滚珠丝杠、轴承、底座以及导轨等组成。其运动传递路线为步进电机经减速器减速后，驱动滚珠丝杠转动，通过滚珠丝杠副的螺旋传动，将旋转运动转变成直线运动。下面逐一介绍各部分的结构设计。 4.1 滚珠螺旋传动 与滑动螺旋传动相比：（1）传动效率高。（2）运动平稳。（3）工作寿命长。（4）定位或重复定位精度高。（5）同步性好。（6）不能自锁。两者相比可以突出某一个的优势，在这两个传动方式中，滚动螺旋传动明显更突出，所以在这次设计中选用滚动丝杠螺母副。 工作原理与结构如图4.1所示，丝杠或螺母会随滚道上承重滚珠的滚动而进行相应的位移，从而实现传动的效果。因为安装有回程引导装载，所以滚珠一般不会滚下来，并且会在滚道内进行循环。 图4.1 滚珠丝杆副结构在设计中，其结构图如图4.2所示：图4.2 滚珠丝杠结构图 循环方式有内循环和外循环二种。内循环在螺母的侧面装入反向器，一般是同一个螺母上要均匀的装有两到四个反向器，这样就可以使滚珠在滚动时紧贴着丝杠表面，滚珠经过反向器时会返回滚道，以此来实现内循环。以这样的方式进行循环，可以使滚珠流畅的回到滚道上，且所需的时间短，从而提高了效率，也不需要较大的螺母径向尺寸。虽然有这么多优点，但是反向器不容易制造、而且装配时非常麻烦，所以调整也很困难。外循环滚珠反向会离开滚道，沿螺母的体内或体外返回滚道。在结构上有三种，即端盖循环、插管循环及螺旋槽循环。如图4.3所示： a) 端盖循环 b) 插管循环图4.3 丝杠螺母结构 滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法(1) 双螺母预紧原理为了达到预紧并且消除轴向间隙的目的，可以使两个螺母产生轴向相对位移，与双片齿轮结构相似。常用有三种双螺母预紧方法：a 、双螺母齿差调隙式结构如图4.4所示，两螺母同方向转同齿数。方式较为复杂，但调整量准确。 图4.4 双螺母齿差调隙式结构b 、双螺母垫片调隙式结构 如图4.5所示，调节垫片厚度即可达到目的，方式简单，其中的不足时不容易调整好垫片的厚度。 图4.5 双螺母垫片调隙式结构c 、双螺母螺纹调隙式结构 如图4.6，拧动圆螺母来后锁紧。结构简单，操作方便。但是也有不足，无法准确控制预紧力，所以不能有好的调整精度。 图4.6 双螺母螺纹调隙式结构(2）单螺母预紧原理（增大滚珠直径法）如图4.7所示，在承载滚珠之间加入尺寸较小的间隔钢珠就可以提升工作性能。图4.7 单螺母预紧原理（增大滚珠直径法）(3）单螺母预紧原理（偏置导程法）如图4.8所示，在螺母中间把它的导程加一个预压量。 图4.8 单螺母预紧原理（偏置导程法）由于双螺母预紧结构简单，调整方便，且满足设计要求，故在本设计中采用双螺母预紧的方法。4.2 齿轮传动（1） 齿轮传动有以下特点： 效率高 结构紧凑 工作可靠、寿命长，在使用精度符合要求，维护好的前提下，其工作可靠性非常高，且寿命也比其他传动长的多。 传动比稳定，这是齿轮传动比其他传动应用广泛的原因。 （2） 齿轮材料的选择 满足工作条件 齿轮大小、制造工艺 齿轮表面硬化方式。 正火碳钢、调质碳钢、合金钢。 而本设计中由于机床工作在一般的条件下，功率不是很大且工作速度较低，所以选用齿轮的常用材料45钢即可满足设计要求。传动比小，一级传动即可，而且加工方便，所以选用直齿圆柱齿轮。（3）齿轮传动间隙的调整方法 常用的调整齿侧间隙的方法有以下几种。 圆柱齿轮传动a、 偏心套(轴)调整法 如图4.9所示，圆柱齿轮在转动时出现的齿侧间隙，以下图方式可以调节这对齿轮的中心距，从而达到目的。这种结构的侧隙无法自动补偿，但是机构特点非常简单。图4.9 偏心套式间隙消除机构1偏心套 2电动机 3减速箱 4、5减速齿轮 b、 轴向垫片调整法 如图4.10所示，这种即可减小齿侧间隙又可以使其转动灵活。和偏心套(轴)调整法的优缺点相同。 图4.10 圆柱齿轮轴向垫片间隙消除机构c、双片薄齿轮错齿调整法 可以用周向弹簧式(图4.11)和可调拉簧式(图4.12)和以下方式结合，达到目的。 图4.11 薄片齿轮周向拉簧错齿调隙机构 图4.12 可调拉簧式调隙机构由于偏心轴套式结构简单，且能够保证齿轮有较好的传动刚度。故在设计中，采用偏心轴套的调隙方法。4.3 轴承的选型及润滑 轴承的选型及安装轴承的选用需要考虑很多因素，在一些工作场合中则受着多种不同因素的影响，我们则需对影响因素一一分析，然后针对几个对轴承影响大的因素来挑选轴承的类型，型号。 滚动轴承适用于一般场合，但在一些比较复杂特殊的场合中，滚动轴承将不适用，这时将会选用滑动轴承。滑动轴承因有独特的优势，故可以在滚动轴承不易使用的场合工作，如需要转速特高、受振动冲击、工作环境为水或酸，径向空间不足的场合。为了顺应社会的高速发展，机床也扩大了变速的范围以及提升了精度要求，因此，滑动轴承就不得不退出了，相对应的，滚动轴承的用途范围越来越广，因为其中间是滚动体，所以摩擦系数很小，启动时所受到的阻力也很小，有利于启动。滚动轴承在选用上很方便，而且维护，润滑也很方便，是因为它早已标准化了。滚动轴承虽然已经标准化了，但因为有太多的种类，使得其可挑选的尺寸仍然有很多，因此，我们在挑选时要考虑的因素有很多，这样才可在众多的滚动轴承中挑选出合适的轴承。可以从以下方面挑选：（1）使用性能（2）安装空间；（3）维护保养；（4）使用环境；（5）性价比。因立式铣床属于一般的普通机床，机床也没有在特别大的振动和冲击、需要特别高的转速、工作环境为水和酸的场合工作，所以我们挑选滚动轴承。对于滚动轴承型号的选取，则要考虑轴承的配置问题。合理的配置是发挥滚动轴承最佳性能的重要因素。在这次毕业设计中，选圆锥滚子轴承，在安装时，选择反装方式，使其各限制一个方向的轴向运动。考虑到轴的受热变长，可通过调整外壳和端盖之间的垫片来补偿。 轴承的润滑和密封 由毕业设计中轴承速度较低，可选用脂润滑，为避免润滑脂损失，轴承上安装了密封装置。此外，它还可以防止水、灰等杂质进入轴承，接触式和接触式是两种密封装置，本此设计选用的密封圈属于接触封闭装置。毡圈密封结构虽然简单，但摩擦大，主要用于采用脂润滑的轴承，且轴承的滑动速度要小于4-5m/s。在某些情况下，这种密封可用到滑动速度高达78m/s的地方，只要选用合适的毡圈，像与毡圈油封箱接触的轴表面如经过抛光且毛毡质量高。4.4导轨的选用 机床导轨的质量决定了机床的使用寿命和加工精度，而数控机床的导轨更甚，因此，导轨的选取要更加的谨慎才可以，并要满足以下需求：（1）导轨精度（2）耐磨性 （3）疲劳和压溃 （4）刚度 （5）低速运动稳定性（6）结构工艺性 在这选用滚动导轨，而其又分为滚动导轨块和直线滚动导轨。 滚动导轨块优势为摩擦阻尼小、使用方便、无爬行。而且与其他的形式在相同的承载下相比，它的结构形式较小，可以用于空间较小的场合。滚动导轨块装配拆卸调整非常的方便，是因为其不需限制移动范围，定位基准精度高。 直线滚动导轨工作时钢球就会在滚道上运动，因为装有反向装置，所以当钢球到达滑块顶端时就会返回滚道，这就是钢球的运动方式。为了防止屑末、污垢进入滑块内部影响其性能，需要有密封端盖的帮助。其结构如图4.13所示： 图4.13 滚动直线导轨结构除了一般滚动导轨的共同优点外，直线导轨还有一些无可比拟的特点。直线滚动导轨具有优良的随动性，可以大幅度提升数控系统的性能。导轨副的成对使用不仅降低了工艺的精度要求，而且相对来说容易制造，具有经济性，定位精度高，提高了机械系统的运动刚度。因此在本设计中采用直线滚动导轨。结构图如下: 图4.14 GGB AA 四方向等载荷型滚动直线导轨副4.5 底座设计底座在机电设计中是很重要的一部分。底座起着基准定位和支撑的作用，设备上的所有零部件都安装在底座上，而且零件之间的距离和位置都有底座来决定，底座承担了设备的全部重量和待加工工件的重量。由此得出底座在设备中佷重要，因此要好好设计，设计的基本要求如下：（1）应具有足够的刚度和抗振性由于设备的全部重量和其他运动件所产生的力的作用，会使底座产生变形，变形则会影响设备的性能，并会使真个设备发生振动，为了抵抗这种变形，底座需要有一定的刚性。（2） 应具有较小的热变形和热应力工作时，设备会产生很多的热量，这些热量的来源是电机发热，齿轮等零件的摩擦热，环境热等，这些热量最终会传到底座上，从而使底座发生热变形，会影响设备的性能。因此，设计时要考虑这一方面。（3） 耐磨性由于底座在长期的磨损后会降低设备的精度和性能，因此要求其要有足够的耐磨性。其零件图如图4.15所示。图4.15 底座的零件图（4） 结构工艺性及其它要求底座的设计除了考虑以上因素外，还应该考虑结构工艺性的问题，尽量用较少的材料来制作出最好的零件，降低成本，使其具有经济性。5 系统方案设计构成 5.1 MCS-51系列单片机MCS-51系列单片机广泛应用于数控机床中，世界主要半导体公司推出的新一系列兼容MCU是以8051为核心的，包括一些功能部件。它们不仅具有相同的定位、教育系统和转向空间，而且还具有完全兼容的PIN功能，易于控制和开发，能够满足各种用途的系统设计要求，特别是具有品种齐全、培训功能强、功能齐全、体积小、价格低等特点。它们是科学和工业环境中的首选，具有其他产品无法比拟的竞争力。MCS-51系列单片机分为两大系列，即51子系列与52子系列。51子系列：基本型，根据片内ROM的配置，对应的芯片为8031、8051、8751、895152子系列：增强型，根据片内ROM的配置，对应的芯片为8032、8052、8752、8952表5.1 MCS-51系列单片机内功能配置 功能配置芯片种类ROMEPROMRAM定时器计数器I/O中断源并行串行518031/128B2位4位1580514KB/128B2位4位158751/4KB128B2位4位15528032/256B3位4位1680528KB/256B3位4位168752/8KB256B3位4位16这次课题设计选择8031芯片，不仅是因为8031芯片使用灵活，价廉，而且最重要的是8031芯片上无ROM，在需要扩展ROM的应用程序上适用。 1. 8031单片机的基本特性8031 MCU具有以下特点：可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器；有功能很强的8位中央处理单元（CPU）；具有128字节的RAM，4个I/O口，32根I/O线，21个特殊寄存器，2个16位定时器/计数器，5个中断源，配备2个中断优先级，一个全双功串行接口，位寻址能力，适用逻辑运算。片内有时钟发生电路（6MH或12MH）、每执行一条指令时间为 或 ；从以上特点可以看出8031芯片虽然体积小，但功能元件俱全，因此功能性强，在其上添加一些器件就可构成微机系统。2.8031芯片引脚及其功能8031芯片有40个引脚，按其功能可分为四类，即电源线 2根，晶体振荡器 2根，I/O口32根，控制线4根。1.电源线 接通电源，为芯片提供电力信号。2.晶体振荡器 起放大器的作用 3.I/O口 输入输出地址，可以用来处理信息。4.控制线 用来传输控制信号和时序信号。3. 8031芯片内部的存储器结构及地址分配8031芯片内部没有程序存储器，只有256字节的数据存储器，地址来自00H-7FH，其地址分配图5.1:8031芯片内部的256字节空间分为两部分，其中内部数据存储器 (RAM) 地址为00H-7FH，特殊功能寄存器 (SFR) 的地址为80H-FFH。内部数据存储器中的00H-1FH是四个工作寄存器区域，其中:0 区域 00h-07h1区域108H-0FH 2区域10h-17h3区域18H-1FH为了提高操作速度，可以临时存储操作的中间结果，这时需要每个区域有八个8位数的寄存器R0R7。R0和R1也可以用来存储8位地址。要确定要使用哪个工作寄存器地区，可以指定标志寄存器PSW的RS0和RS1。 图5.1 8031地址分配5.2 存储器的扩展由于在凸轮数控加工过程中，采用的是插补轨迹的方法。将加工凸轮一周的轨迹以为基本单位，进行插补，而每的插补需要4-5个参数，所以要完成凸轮的加工需要大量的数据，又因为凸轮加工的过程比较复杂，分为若干个子过程，如：串行通信、加工、修改、回原点以及显示等，这些都需要通过程序来控制，因此必须要有足够的存储空间来存放这些程序。但是，8051单片机内部的ROM和RAM存储空间太小，无法满足设计要求，因此需要扩展外部程序和数据存储器。MCS-51程序存储器的寻址空间是64k字节，8031芯片没有ROM，用作程序存储器的器件是EPROM。由于综合作业设计要求扩展的程序存储器和数据存储器必须大于等于16KB，所以在此选取程序存储器为一片2764和数据存储器为两片6264。5.2.1 程序存储器的扩展1、2764芯片的结构及工作方式 2764芯片为28脚双列直插式扁平封装芯片，其引脚排列如下 图5.2 2764地址芯片在图中，VPP是编程电压终端，PGM是编程控制终端，OE是输出使能终端，CS是芯片选择终端，它们都是低电平有效。下表显示了EPROM的工作模式选择。表中，VIP表示输入高电平，VIL表示输入低电平，芯片的数据引脚处于三种状态。当没有选择芯片时，即高电平时，它们处于高电阻状态，不会影响其他芯片的输出状态。当CS和OE都处于低位时，选择芯片并从数据终端输出其存储内容，即dot状态。编程时，从数据中输入要存储的信息，数据引脚处于数据输入状态。编程时间PGM必须很低，才能将数据写入芯片。2、地址锁存器由于微控制器8031芯片的P0端口以分时方式传输低8位地址线和数据线，因此在8031扩展系统中必须有一个地址锁存器。这里选择的地址锁存芯片是74LS373。74LS373是一个具有三态缓冲器输出的8D触发器。表5.2 74LS373真值表DnLEOEQnHHLHLHLLXLLQ0XXH高阻态上表是74LS373的真值表，表中：L低电平；H高电平；X不定态；Q0建立稳态前Q的电平；G输入端，与8031ALE连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。图中OE使能端，接地。 当G=“1”时，74LS373输出端1Q8Q与输入端1D8D相同； 当G为下降沿时，将输入数据锁存。3、8031与EPROM芯片的连接 （1）地址线的连接EPROM低8位地址线A0，A7连到端口p0的8031通过地址锁存器，A8，A15直接与8031的P2端口相连，由于8031的P0端口分时输出低8位地址和数据，因此需要一个外部地址，CPU发的地址允许ALE信号的下降沿将地址信息锁到地址锁存器中。如果外部储存器芯片中存在地址锁存器，CPUPO端口能直接连接内存低8位地址线，但CPUALE信号仍必须连接ALE端的内存芯片。单片机的P2口作为高阶地址线和片型选择地址线。由于P2端口的输出具有锁存功能，因此不需要添加地址锁存。（2）数据线的连接 存储器的8位数据线D0-D7和8031芯片的P0端口P0.0-P0. 7直接连接，单片机规定指令码和数据通过P0端口读入，数字可以相应连接。 （3）控制线的连接8031芯片的PSEN侧与EPROM芯片的OE侧相连。假如8031芯片与EA接地，CPU将执行来自程序储存器境外的命令。8031芯片与地址锁存器和74LS373的G端相连。5.2.2 数据存储器的扩展 根据条件可知需要在芯片外部扩展数据存储器 (RAM)，是因为8031的容量远不足所需的容量。1、数据存储器的选用由以上条件可知，这次设计选取两片采用28脚双列直插式扁平封和CMOS工艺的6264芯片，是因为需扩展16KB的数据存储器。2、8031与外部数据存储器芯片的连接单片机CPU与外部数据存储器的连接方式和程序存储器的连接方式只有控制线的连接不同: 8031芯片WR需要RAM的写入输入信号WE的连接；8031芯片的RD引脚需要RAM读取信号QE的连接。5.2.3 译码电路设计本次设计需要选择译码电路，此处选择3-8译码器(74LS138)。3-8译码器输入占用3条最高位址线，其余13条低位址线可用作片上地址线。74LS138解码器的8条输出线分别对应8个8k字节的地址空间。由于在凸轮数控加工过程中，采用了插补轨迹的方法。将加工凸轮一周的轨迹以为基本单位，进行插补，而每的插补需要45个参数，所以要完成凸轮的加工需要大量的数据，又因为凸轮加工的过程比较复杂，分为若干个子过程，如：串行通信、加工、修改、回原点以及显示等，这些都需要通过程序来控制，因此必须要有足够的存储空间来存放这些程序。而8051单片机本身内部的ROM和RAM的存储空间太小，不能满足设计要求，所以需要扩展外部程序和数据存储器。全地址译码将会被于各芯片，I/O接口及各存储器的地址编码如表5.3表5.3 I/O接口及各存储器的地址编码芯片接74LS138引脚地址选择线片内地址单元地址编码000X XXXX XXXX XXXX8K0000H1FFFH001X XXXX XXXX XXXX8K2000H3FFFH6262001X XXXX XXXX XXXX8K2000H3FFFH8155 RAM1001 111D XXXX XXXX2569E00H9EFFH8155 I/O1001 1111 1111 1XXX69FF8H9FFDH82550101 1111 1111 11XX45FFCH5FFFH5.3 键盘与显示接口电路设计（1） LED显示器有许多发光二极管组成的LED显示屏，由于二极管的灵活，它们可以通过亮灭形成不同的组合，从而可以表示各种数字，字母和小数点，所以经常被用来选为单片机的输出设备。其引脚图如下图所示：图5.4 LED引脚图LED显示屏有共阴极和共阳极两种类型，在本设计中，选择共阴极LED显示屏。公用端等于主开关。在高电平时，这部分将被激活；在低电平时，这部分不开启。在微机芯片系统中，LED显示屏的接口通常采用静态引导和动态扫描，动态扫描驱动器必须连接多个同名显示段，检查位码，利用眼睛的余光效果，只要保证一定的显示频率，效果就和以前一样，静态单位表示所有显示器都使用I/O接口，即使亮度高，但能耗高，在该电路中，一个I/O口用于驱动段码，另一个I/O口用于位控制。这种方法占用的I/O端口少，能耗低，简化了电路，降低了成本。5.4 其他辅助电路的设计1. 复位电路的设计在所有的微机系统中都需要有复位电路的参与，因为我们设计的是数控工作台，所以也要设计复位电路。顾名思义，复位电路会使整个微机系统回到初始状态，节省了在下次开机时手动恢复初始值的时间，所以显得非常重要。有复位要求是，就要接通开关复位的电源，这是芯片会自动复位，并且在系统运行中也可以直接用开关操作来达到复位的目的，下面是常用的复位电路，当接通电源后，RST会持续高电平一段时间。正在运行中的芯片在点击一次复位键K后，也会使RST持续高电平一段时间，从而完成复位的操作。 图5.