机电一体化毕业设计最大加工直径为500毫米普通车床的进给系统传动系统设计

1、NANCHANGUNIVERSITY本科生毕业设计（论文）题 目最大加工直径为500毫米普通车床的进给系统传动系统设计学 校： 南昌大学 专 业： 机电一体化工程 班 级： 09机电本科（1）班 学 号：学生姓名： 刘云 指导教师： 李老师 起讫日期： 2011年9月2011年10月 目 录摘要·························&#

2、183;··································2Abstract··············

3、;··········································3第一章：绪论4 1.1数控机床的概念、组成、特点 4数控机床的概念4数控机床的组成4数控机床

4、的特点556第二章：数控机床进给传动系统总体方案 7789系统设计要求·········································10方案设计内容··

5、;·······································11第三章：机床横向进给系统机械部分设计计算 141415······

6、·····················15····························

7、3;19 3.5纵向进给步进电机计算·································2021第四章:微机数控机床硬件系统的分析和设计 2424 MCS-51的信号引脚24 4.1.2 8051单片机基本组成 262728按键开关去抖动问题29 按键连接

8、方式 30键盘扫描控制方式31结束语 33参考文献 34摘     要：随着科学技术和社会的不断发展，社会对产品多样化的要求日益提高，产品更新换代越来越快，多品种小批量生产比重加大，零件形状越来越复杂，精度越来越高，此外，激烈的市场竞争要求产品研制周期越来越短，传统的加工设备和制造手段已经难于满足这种变化，为了解决这些问题，数控机床就这样应运而生。在本次设计中，就包括了关于数控技术的基础知识，并且针对本次设计的课题，拟定了一系列的方案，进给系统的总体方案，数控车床进给传动系统的机械部分，以及数控系统的硬件分析和设计。关键字：数控机床 单片机数控系统 伺服

9、电机 传动系统Abstract As science and technology and continuous development of society, society's demands for increasing product diversification, product upgrades faster and faster, and more varieties of small batch production increased in importance, more and more complex shape parts, increasing

10、accuracy, In addition, the fierce market competition requires product development cycles are getting shorter, conventional processing equipment and manufacturing methods have been difficult to meet such changes, in order to solve these problems, numerical control machine tools came into being this w

11、ay.In this design, it includes information on the basics of digital technology and design for this project, developed a series of solutions into the overall solution to the system, CNC lathe feed drive system of mechanical parts, and CNC system hardware analysis and design.Keywords: CNC machine CNC

12、servo motor drive system microcontroller第一章：绪论数控机床的概念，组成，特点 ：数控机床的概念：数控机床是数字控制机床的简称，是指用数字指令来控制机械执行预图1-1数控机床定的动作，通常由硬件电路发出数字化信号，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。数控机床的组成：数控机床一般由控制介质、数

13、控装置、伺服系统和机床本体组成，其中实线部分表示开环系统。为提高加J精度，再加入测量装置，由虚线构成反馈，称为闭环系统。主机：他是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。数控装置：是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。驱动装置：他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位

14、、直线、平面曲线和空间曲线的加工。辅助装置：指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。编程及其他附属设备：可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。数控机床的特点：数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。概括起来，数控机床有以下几方面的特点：u 加工精度高，具有稳定的加工质量；u 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；u

15、加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产备时间；u 机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）；u 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高 。：数控机床以其独特卓越的柔性自动化的性能、优异稳定的精度、灵活敏捷多样化的功能引起广泛的关注，它开创了机械产品并向机电一体化发展的开始，成为先进制造技术当中的一门核心技术。数字控制系统技术的快速发展为数控机床的技术进步提供了条件。目前我国的数控机床的发展趋势主要体现在，高速、精密、复合、智能和绿色等几个方面。1、高速、高效，数控机床逐渐向高速化方向发展，它大

16、大的提高加工效率、降低加工生产成本，并且还达到了提高零件的表面质量及其加工精度。高速化的加工技术对一些企业制造业提供了更高效，优质，成本低生产比较广泛适用性。目前在一些发达的国家数控机床的高速运行，其高速主轴单元，电主轴转速可达15000 100000r/min，快移速度在60120m/min范围之内，切削进给速度高达60m/min、一系列高性能控制伺服系统以及数控工具系统都有新的突破，数控机床发展到了更高的水平。2、现在的数控机床比以前的普通车床加工的零件更加的精密，精密加工技术有了相当大的提高，加工精度已从原来的丝级(0.01mm)提升到目前的微米级(0.001mm)，甚至有些品种已达到0

17、.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达0.01m左右。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代3、智能化，数控机床的智能化现在又有了新的突破，在数控系统的性能上得到了充分的体现。比如说：自动调整干涉防碰撞功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段等等，数控机床的智能化提升了机床的功能及其品质。4、现代的数控机床在还有较高的可靠性，而且复合化，多轴

18、化，网络化等方面都得到了大大的提高。：用微机数控技术改造加工零件时，数控改造必须首先拟定总体方案，绘制系统总统框图，才能觉得各种设计参数和结构，然后选择数控机床，数控机床的选择，其进给传动系统的组成和原理，分析伺服系统的选择，怎样达到控制要求，合理的选择机械传动方式，数控机床坐标的进给伺服系统既可以采用步进电机驱动也可以用直流或交流伺服电机驱动。数控车床进给系统机械部分的计算，例如，脉冲当量，切削力和滚珠，丝杆削等等一些物理量的计算，还有应该对车床数控系统的硬件分析和设计，比如说：数控系统的总体设计及其一些扩展，存储和通信的设计，比且还要加以计算，必要时要绘图分析，数控机床的进给分为横向进给和

19、纵向进给，本次设计为横向进给传动系统设计。通过以上的一些内容完成本次设计课题用微机数控技术改造最大加工直径为500mm普通车床的横向进给传动系统的设计！第二章：数控机床进给传动系统总体方案数控机床进给传动系统的作用：数控机床的进给传动系统是负责接受数控机床系统发出的脉冲指令，并经放大和转换之后驱动机床运动执行件来达到预期的运动。为保证数控机床加工精度，所以必须要求进给传动系统有比较高的传动精度、高的灵敏度，工作稳定、有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动惯量，并能清除传动间隙。进给传动系统一般有四种：1步进伺服电机伺服进给系统2直流伺服电机伺服进给系统 3交流伺服电机伺服进给系统4直线电机伺

20、服进给系统伺服进给系统的主要组成部分当中就包括进给系统机械传动结构，它主要由四大机构组成，传动机构、运动变换机构、导向机构、执行件组成，由于数控机床的进给运动是由数字信号控制的直接对象，被加工的零件的一些参数都是由进给运动控制的！工作原理是数控装置内的计算机对以数字和字符编码方式所记录的信息进行一系列处理后，向机床进给等执行机构发出命令，执行机构则按其命令对加工所需各种动作，如刀具相对于工件的运动轨迹、位移量和速度等实现自动控制，从而完成工件的加工。：对于数控机床加工零件，就必须要求其零部件有较好的性能，比如说部件的刚度，运动副之间的摩擦，传动间隙，等等。一般的数控进给系统主要部件有：1、滚珠

21、丝杠螺母副，图2-1数控加工时，需将旋转运动转变成直线运动，故采用丝杠螺母传动机构。2、回转工作台，每一台数控机床都有其工艺范围，为了扩大数控机床的工艺范围，数控机床除了沿X、Y、Z三个坐标轴作直线进给外,往往还需要有绕Y或Z轴的圆周进给运动。数控机床的圆周进给运动一般由回转工作台来实现，对于加工中心,回转工作台已成为一个不可缺少的部件。 数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。    （1）分度工作台     分度工作台只能完成分度运动,不能实现圆周进给，它是按照数控系统的指令，在需要分度时将工作台连同工件回转一定的角度。分度

22、时也可以采用手动分度。分度工作台一般只能回转规定的角度(如90、60和45度等)。    （2）数控回转工作台    数控回转工作台外观上与分度工作台相似，但内部结构和功用大不相同。数控回转工作台的主要作用是根据数控装置发出的指令脉冲信号，完成圆周进给运动，进行各种圆弧加工或曲面加工，它也可以进行分度工作。  3、导轨，导轨是进给传动系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性。目前，数控机床上的导轨形式主要有滑动导轨、滚动导轨和液体静压导轨等。安全防护，改造效果必须以安全为前提。在机床

23、改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。：一般数控机床的伺服系统可分为开环控制系统，半闭环控制系统。伺服系统的作用是将机械运动的驱动设备，电动机作为控制对象，将数控控制器为核心，利用电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变

24、换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。伺服系统可分为开环控制系统，半闭环控制系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要是由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反映迅速，调试和维修比较简单。目前经济型数控机床普通采用开环伺服系统。半闭环控制系统中，对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过与伺服电机

25、有联系的测量元件，如测速发电机或光电编码盘等间接测出伺服电机的转角，推算出工作台的实际位置量，用此值与指令植进行比较，用差值来实现控制。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比比环方便。闭环控制系统有机床移动部件上的检测反馈装置，在加工时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置想符合，以期达到很高的加工精度。闭环系统多采用直流伺服电机或交流电机驱动。这类机床的优点是精度高，速度快，但是调试个维修比较复杂，其关键是系统的稳定性，所以在设计是必须对稳定性给予足够的重视。系统设计要求：本次设计要求是设计最大加工直径为500毫米普通车床横向进给进给传动系统。采用8051单片

26、微机控制系统，步进电机驱动，开环控制。要求设计后的车床及数控系统具有以下功能：(1).纵、横向直线，圆弧插补；(2).螺纹切削(3).刀架自动回转换刀(4).使用软件自动变速驱动步进电机(5).实现现场输入、修改程序数据(6).回零、连续、暂停运行方式设置(7).编辑、空运行、自动、手动、回零工作方式选择(8).掉电保护、越位报警、急停、复位等辅助功能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：最大加工直径(mm）： 在床身上：500 在床鞍上：260最大加工长度(mm)： 750-1000溜板及刀架重量(N)： 纵向：1100 横向：550刀架快移速度(m

27、/min)： 纵向：2 横向：1最大进给速度(m/min)： 纵向： 横向：0.35主电机功率(KW)： 起动加速时间(ms)： 30设计要求1) 坐标的进给伺服系统既可采用步进电机驱动也可用直流或交流伺服电机驱动。2) 所绘制的机械装配图要求正确、合理、图面整洁、符合标准。3) 说明书应简明扼要、计算准确、条理清楚、图文并茂并全部用计算机打印后装订成册。方案设计内容：总体方案设计内容数控改造，必须首先拟定总体方案，绘制系统总统框图，才能觉得各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行计算。（一）系统运动方案的确定数控系统按运动方式可分为定位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。

28、1控制方式选择伺服系统可分为开环控制系统，半闭环控制系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要是由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反映迅速，调试和维修比较简单。目前经济型数控机床普通采用开环伺服系统。半闭环控制系统中，对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过与伺服电机有联系的测量元件，如测速发电机或光电编码盘等间接测出伺服电机的转角，推算出工作台的实际位置量，用此值与指令植进行比较，用差值来实现控制。这种控制方式介于开环

29、与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比比环方便。闭环控制系统有机床移动部件上的检测反馈装置，在加工时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置想符合，以期达到很高的加工精度。闭环系统多采用直流伺服电机或交流电机驱动。这类机床的优点是精度高，速度快，但是调试个维修比较复杂，其关键是系统的稳定性，所以在设计是必须对稳定性给予足够的重视。（二）总体方案的确定1系统运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、顺、逆圆弧插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑属于经济型数控机床加工的精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制

30、系统。半闭环控制系统中，对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过与伺服电机有联系的测量元件，如测速发电机或光电编码盘等间接测出伺服电机的转角，推算出工作台的实际位置量，用此值与指令植进行比较，用差值来实现控制。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比比环方便。闭环控制系统有机床移动部件上的检测反馈装置，在加工时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置想符合，以期达到很高的加工精度。闭环系统多采用直流伺服电机或交流电机驱动。这类机床的优点是精度高，速度快，但是调试个维修比较复杂，其关键是系统的稳定性，所以在设计是必须对稳定性给予足够的重视。（二）总体方案的确定1系统

31、运动方式与伺服系统的选择：由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、顺、逆圆弧插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑属于经济型数控机床加工的精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。2数控系统： 根据机床要求采用8为微机。由于MCS51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快。抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS51系列的8031单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘和显示器、I/O接口及发光隔离电路、步进电机功率放大电路组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态

32、等信息。3机械传动方式：为了实现 机床所要的分辨率，采用步进电机经齿轮减速传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。系统总体方案框图见图11。图11经济型数控车床总体方案框图第三章：机床横向进给系统机械部分设计计算：进给系统机械部分设计计算内容包括：确定系统负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载启动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件图等。现分别如下：主要参数：在床面上 500在床鞍上 260最大加工长度 75

33、0-1000溜板及刀架重量 纵向 1100N 横向 550N 刀架快进速度 纵向 3m/min 横向 1.5 m/min最大进给速度 纵向 0.8 m/min 横向 0.4 m/min起动加速时间 30ms最小分辨率 纵向 横向 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个技术参数。经济型数控车床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/step。已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算） W=30kgf=300N时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程 L=4mm左旋行程 S=230mm脉冲当量 步距角 =0.75 °/step快速进给速度 max=1mm/min：切削力，是指在切屑过程中产生的

34、作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力。通俗的讲：在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力，切削力有三个垂直的分力：切削力， 背向力、进给力。1 Z坐标3473N 其中 V=90100，取V=95，（0.70.8）=（0.70.8）×3=2.12.55 KW, 取5.5 KW1736N2083N3.3滚珠丝杆螺母副的计算和选型 (一)纵（Z）向进给丝杆1 计算进给轴向力（N） N其中，K=1.15（三角形导轨），f=0.16，W=1100 N2 计算最大负载QQNL= 90 n= 100 其中 寿命T=15000h，导程=8，=0.8，运转系数3 滚珠丝杆螺母副的选型

35、查表：可采用3508外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副，1列2.5圈，其额定动载荷为2000N，精度等级按表212选为1级。4 传动效率计算其中，螺旋升角=，摩擦角5 刚度验算先画出纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，最大轴向力为1524.2N。支承间距L=950，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。如图(1)丝杠的拉伸或压缩变形量10滚珠丝杠截面积Amm丝杠导程的可变化量 10丝杠上的变形量，由于两端均采用推力球轴承，则，=L10mm(2)滚珠与螺纹滚道间接触变形10mm其中，承载滚珠数量 有预紧时5刚度验算 横向进给丝杠支承方式下图 所示，最大轴向力为 829.5N，支承间

36、距L=500 mm，因丝杆长度较短，不需要欲紧，螺母与轴承欲紧。计算如下：(1)丝杆的拉伸或压缩变型量1（mm）10mm其中 ，F=829.5N，do=20mm, A(2) 滚珠与螺纹滚道间接变形2 （mm）10mm 其中，承载滚珠数量 有预紧时， 27.65kgf 所以：10满足精度要求6稳定性校核计算临界负载： 15828N 式中 EN/cmI截面惯性矩（cm）丝杆：为丝杠内径；L 丝杠两支承距320（cm）;fz -丝杠支承方式系数，从表中查出 一端固定，一端简支；f=19.29 (一般4)此丝杠不会产生失稳。（三）纵向及横向滚珠丝杠几何参数W1L3508及W1L2506滚珠丝杠几何参数

37、名 称符号W1L3508W1L2005螺纹滚道公称直径3520导程85接触角钢球直径滚道法面半径偏心距螺纹升角螺杠螺杠外径34螺杠内径螺杠接触直径螺母螺母螺纹直径螺母内径36213.4齿轮进给齿轮箱传动比计算1纵向进给齿轮箱传动比计算 传动比其中，脉冲当量=0.01，滚珠丝杠导程=8mm，初选步距角可选定齿轮齿数为，模数取m=22横向进给齿轮箱传动比计算 传动比其中，脉冲当量=0.005，滚珠丝杠导程=5mm，初选步距角=0.6采用两级齿轮降速，可选定齿轮齿数为，模数取m=2。传动齿轮几何参数齿数273620253040分度圆547240506080齿顶圆587644546484齿根圆4967

38、35455575齿宽（610）m2020中心距6345701等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 式中 初选混合式步进电机BS86HB3L103-05，其转子转动惯量2电机力矩的计算（1）快速空载起动力矩在快速空载起动阶段，加速例句所占的比例较大，=25ms 137.5N cm折算到电机轴上的摩擦力矩35.40N cm附加摩擦力矩 13.18 N cm上述三项合计 184.68N cm(2) 快速移动时所需力矩 47.18N cm(3) 最大切削载时所需力矩 119.5N cm从上面计算可以看出，在三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选电机的依据。查得，当步进电

39、机为三相六拍时，=0.866 得到 最大静力矩cm 按此最大静转矩从下表查出，BS86HB3L103-02 型最大静转矩大于2.545 N .m。大于所需最大静转矩，可作初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行起动矩频。3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率3.6步进电机的计算与选型：步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 步

40、进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了

41、使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。 选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。 选择步进电机需要进行以下计算： （1）计算齿轮的减速比 根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下: i=(.S)/(360.) (1-1) 式中 -步进电机的步距角（o/脉冲） S -丝杆螺距（mm) -(mm/脉冲） （2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。

42、Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2 （1-2） 式中Jt -折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2) J1、J2 -齿轮惯量(Kg.cm.s2) Js -丝杆惯量(Kg.cm.s2) W-工作台重量（N） S -丝杆螺距（cm） （3）计算电机输出的总力矩M M=Ma+Mf+Mt （1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×102 （1-4） 式中Ma -电机启动加速力矩（N.m) Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2) n-电机所需达到的转速（r/min） T-电机升速时间（s） Mf=(u.W.s)/(2i)×1

43、02 （1-5） Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m) u-摩擦系数 -传递效率 Mt=(Pt.s)/(2i)×102 （1-6） Mt-切削力折算至电机力矩（N.m) Pt-最大切削力（N） （4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为 fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）÷(1+Jt/Jm) 1/2 （1-7） 式中fq-带载起动频率（Hz） fq0-空载起动频率 Ml-起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m) 若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算. （5）运行的最高频率与升速时间的计算。

44、由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率 时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。 （6）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2 0.4)Mmax. 第四章 微机数控机床硬件系统的分析和设计微型计算机的选择：确定微机机型就是选择CPU。单片机价格低、可靠性较高，适用于控制，选择单片机做控制器比较合适。根据总体方案的确定，微机采用MCS-51系列单片机。51系列有三种型号：8031是无ROM的8051；8751

45、是用EPROM代替ROM的8051。目前， 8051单片机成为当前8位单片机的典型代表。本设计就采用8051单片机作为数控系统的中央处理机。8051单片机是美国Intel公司的产品MCS51系列单片机的一个型号，是目前性能较高的8位单片微型计算机。MCS-51的信号引脚MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列请见图4-1。 1) 信号引脚介绍 P0.0 ： P0口8位双向口线。 P1.0 P1.7 ：P1口8位双向口线。 P2.0 P2.7 ：P2口8位双向口线。 P3.0 P3.7 ：P3口8位双向口线。图4-1ALE：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0

46、口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲，因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。：访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和

47、微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。VSS：地线。VCC：+5 V电源。以上是MCS-51单片机芯片40条引脚的定义及简单功能说明，读者可以对照实训电路找到相应引脚，在电路中查看每个引脚的连接使用。2) 信号引脚的第二功能由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的。例如，MCS-51系列把芯片引脚数目限定为40条，但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过此数，因此就出现了需要与可能的矛盾。如何解决这个矛盾？“兼职”是惟一可行的办法，即给一些信号引脚赋以双重功能。如果把前述的信号定义为引脚第一功能的话，则根据需要再定义的信号就是它的第二功能。下面介绍一些信号引脚的第二

48、功能。(1) P3口线的第二功能。P3的8条口线都定义有第二功能，详见下表。P3口引脚特殊功能RXD（串行输入口）TXD（串行输出口）（外部中断0）（外部中断1）T0（定时器0外部输入）T1（定时器1外部输入）图4-2 P3口特殊功能 8051单片机的基本组成：8051单片机的基本组成请参见图。下面介绍各部分的基本情况。1) 中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。2) 内部数据存储器（内部RAM）8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可

49、读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。图4-38051 单片机结构框图3) 内部程序存储器（内部ROM）8051共有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或表格，因此，称之为程序存储器，简称内部ROM。4) 定时/计数器 8051共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。 5) 并行I/O口 MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。在实训中我们已经使用了P1口，通过P1口连接8个发光二极管。6) 串行口MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和

50、其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。 7) 中断控制系统 MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051共有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。 8) 时钟电路 MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为6 MHz和12 MHz。从上述内容可以看出，MCS-51虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此，实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。4.

51、2 扩展存储器的选择：8051单片机内有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。及有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或表格。机床数控系统需要的程序存储器和数据存储器的容量都较大，必须外接程序存储器（EPROM）和数据存储器（RAM）芯片。A程序存储器的扩展a选用27128芯片常用的EPROM存储器有2716，2732，2764，27128，27256等，容量分别为2K、4K、8K、16K，32K。由于车床数控系统包括系统控制程序和加工程序，采用16KB×8的27128芯片，可与单片机所选的12M

52、Hz时钟相匹配。27128EPROM芯片是一个有28根引脚的双列直插式集成元件。该芯片共有14根地址线A0A13，8根数据线D0D7，其余的为控制线。27128低八位地址线和74LS373的输出端连接,高六位地址线直接与8051的P2.0P2.5连接。它的八位数据线直接与8051的P0口连接。ROM的寻址范围为0000H3FFFH，并且采用译码器，使地址范围无重叠区。b地址锁存器74LS373单片机规定P0口提供低8位地址线，同时又要作为数据线，所以P0是一个分时输出低8位地址和数据的通道口。为了把地址信息分离出来保存，提供外接存储器的低8位地址信息，通常采用74LS373作为地址锁存器。除7

53、4LS373外，74LS273、8282、8212等芯片也可用作地址锁存器，使用时接法稍有不同，由于接线稍繁，多用硬件和价格稍贵，故不如74LS373用得普遍。74LS373作为地址锁存器。D1D8是输入端，Q1Q8是输出端，CE是片选端，片选端G与8031单片机的地址锁存信号ALE连接。当片选端G=1时，74LS373的输出端与输入端相通，当G端从高电平返回低电平（下降沿）时，输入的地址信息就被锁入Q1Q8中。B数据存储器的扩展a选用62256芯片数据存储器选用32K×8位的62256芯片，其地址范围为6000H7FFFH，它的22脚当CS为高，自己也在高电平时，具有自动提供刷新R

54、FSH的功能。也采用译码器，使其无重叠区的地址范围。b地址译码器74LS138 外部芯片都通过总线与单片机连接，单片机数据总线分时地与各个外部芯片进行数据传送，故需进行片选控制。若芯片内有多个地址单元时，还要进行片内地址选择。8051单片机应用系统的地址译码规定，外部扩展芯片与数据存储器统一编址，所以外部芯片不仅占用数据存储器一定数量的地址单元，而且要使用读/写信号与读/写指令完成数据传送。数控硬件结构中采用全地址译码方式。所谓全地址译码是：低位地址作为片内地址，高位地址用译码器译码，译码器输出的地址选择信号作为片选线连至每个外部芯片的片选端。地址译码常用74LS138译码器，G1、G2A和G

55、2B是赋能端，A、B、C是选择端，Y0Y7是输出端。74LS138地址译码电路输入端出占用了8051单片机的P2.5P2.7三根高位地址线，剩余的13根地址线用作数据存储器的内地址线。74LS138译码器每一个输出端可接一个外部芯片的片选端实现分时片选控制，因此，一个74LS138译码器的8根输出端可以连接8个8K字节地址空间。单片机的读/写信号经过与门后控制译码器的赋能端G2A、G2B，这就保证只有在读/写状态时译码器输出端才会输出片选。确定I/O及键盘接口8051只有P1口可作为普通I/O口用，所以需扩展。键盘需要40个键，采用矩阵式键盘，需12个I/O口；两个三相步进电机，采用软件环行分

56、配器，需6个；刀架需4个；紧急停需1个。采用一片8279芯片和一片8255A即可。键盘接口采用8279芯片，因为8279芯片是专用的键盘接口芯片，还可以编程。8279芯片具有消颤（去抖动）、双键同时按下保护功能。按键开关去抖动问题图4-1 键操作和健抖动键盘的抖动时间一般为510ms，抖动现象会引起CPU对一次键操作进行多次处理，从而可能产生错误。消除抖动不良后果的方法： 硬件去抖动 其中RC滤波电路去抖动电路简单实用，效果较好。 软件去抖动检测到按键按下后，执行延时10ms子程序后再确认该键是否确实按下，消除抖动影响。图4-2 硬件消抖电路按键连接方式： 独立式按键独立式按键是每个按键占用一根I/O端线。特点：各按键相互独立，电路配置灵活；按键数量较多时，I/O端线耗费较多，电路结构繁杂；软件结构简单。适用于按键数量较少的场合。 矩阵式键盘I/O端线分为行线和列线，按键跨接在行线和列线上，按键按下时，行线与列线发生短路。 特点：占用I/O端线较少；软件结构教复杂。适用于按键较多的场合。（在本设计中采用该按键连接方式） 键盘扫描控制方式 程序控制扫描方