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机电
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（专科）机电一体化技术--综合课程设计,专科,机电,一体化,技术,综合,课程设计
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机电一体化技术专业（网络专科） 综 合 课 程 设 计 指 导 书山东大学机械工程学院2010年12月修订目 录第一章、毕业设计（综合作业）的目的、要求和题目(3)第二章 总体设计方案的拟定 (8)第三章 机床进给系统机械部分设计与计算 (15)第四章 微机数控系统软、硬件电路设计 (28)设计参考资料 (35)具体注意事项 (36)附录 (37)第一章、毕业设计（综合作业）的目的、要求和题目第一节、目的 毕业设计（或称综合作业）是机电一体化工程专业 (高等专科)教学中最后一项实践性教学内容，它是在学生学习完技术基础课和专业课、特别是数控技术及应用课程之后进行的一项综合教学环节。它是培养工程技术人员理论联系实际、解决生产实际问题能力的重要步骤。毕业设计的完成即检验了学生课程学习的效果，又为将来从事实际工作起到了过度和桥梁的作用。机电一体化专业综合作业是以机电一体化的典型课题数控机床的设计和应用为主线，通过对数控机床加工程序的编制，数控机床改装总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分设计与计算以及数控系统硬件电路、系统软件的设计，使学生综合运用所学的机械、电子和微机的知识，进行一次机电结合的全面训练。从而培养学生具备数控加工编程能力、初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机、电方面技术问题的能力。第二节、内容及要求本次毕业设计的内容由教师指定，题目是经济性数控机床的改装设计，要求学生在全面了解数控机床的工作原理和使用方法的基础上，完成以下两项任务：一、指定零件的数控加工程序编制，内容包括：（1）零件工艺分析及确定工艺路线。（2）选择数控机床设备。（3）确定装夹方法及对刀点。（4）选择刀具。（5）确定切削用量。（6）编制加工程序。二、指定普通车床的数控化改装内容包括：1、进给系统机械部分设计计算(1) 确定脉冲当量。(2) 滚珠丝杠螺母副的计算和选型。(3) 滚动导轨的计算和选型。(4) 进给系统传动计算。(5) 步进电机的计算和选用。 (6) 绘制进给系统任一个坐标轴（即横向或者纵向进给轴）的机械装配图。（7）选择一个机械装配图中需要自己制造的零件，设计、绘制零件图。2、单片微机数控系统的设计 （1）数控系统方案的确定及框图绘制。 （2）8051单片微机及扩展芯片的选用。 （3）1/O接口电路及译码电路的设计。 （4）系统软件程序框图的设计。 （5）主要功能子程序的编制。（6）绘制一台数控机床单片微机应用系统电路原理图。第三节、毕业设计的工作量要求一、图纸部分：图纸应根据教师安排的课题和要求，手工绘制。内容包括：(1) 进给系统一个坐标轴的机械改装装配图 (A0图纸一张)。(2) 零件图一张(图幅根据需要确定)。(3) 单片微机数控系统电路原理图一张 (A1图纸一张)。二、说明书部分， 说明书是毕业设计整个设计、计算过程的叙述说明，应包括以下内容:(1) 目录(2) 概述 (3) 总体改装方案的分析与设计。(4) 机械部分结构设计与计算说明。（5）硬件电路部分设计说明。（6）系统软件程序框图的设计及主要功能子程序的编制。（7）参考文献（8）给定零件的数控加工程序的编制及说明。说明书应针对课题手工书写在标准信纸上，应不少于8000字（大约35页）。 设计完成后，将图纸折叠，与说明书一起装入标准的档案袋（市面有售），并在档案袋的封面填入：姓名、专业、年级、学号、题目、内容等信息。第四节、考核方法及成绩评定 一、考核方法 学生在完成了所有指定的毕业设计任务并经过仔细检查后，经指导教师审核并签字，提交辅导站。 二、考核评定 毕业设计汇总后，由山东大学组织具有丰富经验的教师进行统一的考核，根据学生完成毕业设计的实际情况，按优、良、中、及格和不及格五级评定成绩。 三、综合作业评分标准 各级评判标准如下：优秀：内容完整，按期完成任务。加工程序编制正确，进给系统设计方案正确可行、论证充分，选用数据正确合理，计算准确，图面整洁，质量高，数控系统硬件电路设计合理。设计计算说明书整齐通顺、有条理。 良好：内容完整，按期完成任务。加工程序编制正确，进给系统设计方案可行，论证较好，选用数据较合理、计算较准确，图面整洁、质量较高，硬件电路设计合理。说明书较通顺、整齐。中等：内容完整，按期完成任务。加工程序编制基本正确，进给系统设计方案基本正确，论证一般。选用数据基本正确图面质量较整洁、质量尚好。及格：基本完成规定的内容。方案选择无原则性错误，说明书和图面比较粗糙，质量一般，存在一些错误，但主要部分基本符合要求。 不及格：没有按期完成规定的内容，方案选择有原则性错误，计算和图纸有重大错误。 若发现有别人代作者，取消参加考核的资格。第五节、毕业设计的参考题目 一、数控机床加工程序编制 以下题目所选用的数控车床或数控铣床可以按照数控技术课程例题中的规格参数和方法进行编程，也可以选用自己熟悉的数控机床去编程。 （1）如图l-l所示零件，毛坯为5mm棒料，材料为45钢，HBS=235，表面粗糙度1.8，尺寸见图。试编出精加工程序单 （各表面留余量均为0.2mm）。 图 1-l （2）如图1-2所示零件，毛坯为65mm棒料，材料为45钢，HBS=235，其全部加工(粗加工、半精加工、精加工)在数控车床上完成，要求表面粗糙度1.6，试安排加工工艺路线，绘制刀具布置图，编制加工程序单。 图 1-2 （3）如图1-3所示零件，毛坯已按零件形状铸成铸件，材料为可锻铸铁，HBS=220一260。各表面加工余为4mm，表面粗糙度1.8，尺寸见图。试编出精加工程序单。 图 1-3（4）如图1-4所示凸轮，毛坯采用可锻铸铁，铸造成形，工件硬度HBS=230，凸轮两端面及4mm孔已加工完毕。凸轮周边的余量为3mm，须在数控铣床上加工，试编制其加工程序。 图1-4图1-5（5）如图1-5所示零件，毛坯采用铸钢铸造成形，材料为中碳钢，HBS=160200，工件两端面及20m孔已加工完毕，圆弧与直线组成的周边轮廓加工余量为2mm需在数控铣床上加工，试编制加工程序。 二、进给伺服系统机械部分设计题目 将以下普通车床改造成用MCS51系列单片机控制的经济型数控车床，采用步进电机开环控制，纵例和横向均具有直线和圆弧插补功能。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。设计参数如表1-1所示。要求计算和设计一个坐标系统的进给伺服机构；题目如下:(l)、CA6140普通车床微机数控化改装设计。(2)、C6150普通车床微机数控化改装设计。(3)、C630普通车床微机数控化改装设计。(4)、C616普通车床微机数控化改装设计。(5)、CA620普通车床微机数控化改装设计。 表1-1、经济型数控车床设计及改装技术参数规格（型号）最大加工直径（mm）最大加工长度（mm）留板及刀架重力（N）刀架快移速度（m/min）最大进给速度(m/min)定位精度（mm）主电机功率(KW)启动加速时间（ms）面上鞍上纵向横向纵向横向纵向横向400mmCA6140400210750 10006002.41.20.60.30.0157.530400mmC620400210100010006002.41.20.60.30.0157.530500mmC615050028075011007002.41.20.60.30.0155.530630mmC630630350140012008002.01.00.50.250.0151035320mmC6163201757008005002.41.20.80.40.014.525 三、单片微机控制系统硬件电路设计 数控机床控制系统可以采用MCS-51系列单片机、也可以采用其他CPU作为控制器，控制系统中要求包括：程序存储器、数据存储器、I/O接口、键盘、显示等外设，还应包括车螺纹用的光电脉冲发生器和自动回转刀架的I/O接口。第二章 总体设计方案的拟定 第一节 引 言现代工业技术的发展，特别是对提高设备自动化水平的需求，使数字控制技术对提高生产效率和改善劳动条件起着越来越重要的作用。机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： 1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。2. 加工精度高； 3. 生产效率高； 4. 减轻劳动强度，改善劳动条件； 5. 良好的经济效益； 6. 有利于生产管理的现代化。 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。毕业设计还是高等学校工科学院学生毕业前进行的全面综合训练，是培养学生综合运用所学知识与技能解决实际问题的教学环节，是学生在校获得的最后训练机会，也是对学生在校期间所获得知识的体验。所以说，本毕业设计普通机床的数控化改装具有典型性和实用性。第二节 机床改装简介 接到一个设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分机械部分和电气部分进行设计计算。下面以数控机床改装为例，分析总体方案拟定的内容和应该考虑的问题。 数控机床改装的原则：满足要求的前提下应尽可能利用原来的零、部件，尽量减少改动量。 在对进给传动系统进行改造时，一般都应该把原来的进给变速传动装置及操纵机构全部拆除。而每个方向的进给传动都改由各自独立的功率步进电机，经减速齿轮直接与带动滑板移动的丝杠连接，分别实现各坐标方向的运动，进行各坐标的控制。例如普通机床的简易化数控改装，通常都是把原来由主轴箱到进给箱的传动路线切断，且进给板箱拆除，在对机床进给传动系统改装的同时，也要对此传动系统中的传动装置元件进行相应的改造。具体如下：（1）丝杠。丝杠是将回转运动转换为直线运动的传动装置。改造时，为了满足数控机床上较高精度零件的加工要求，应该用滚珠丝杠螺母副替换原普通机床上的梯形丝杠螺母副和光杠；另外，进给的操作也由数控系统实现，操作杆也没有了存在的意义。滚珠丝杠螺母副把传动丝杠与螺母之间的滑动摩擦变为了滚动摩擦，使摩擦损失减小，精度保持性、传动平稳性、传动效率等都得以提高。其传动效率可达到92%98%，是普通丝杠螺母副的34倍。（2）机床导轨。为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，应充分考虑机床导轨的耐磨性。当前国内普通机床床身等大件多采用普通铸铁，其摩擦系数较大。改造中，在对达不到预定要求的原机床导轨进行修磨、刮研后，要在上面贴上耐磨、吸振的聚四氟飞烯软带。 （3）拖板。拖板是数控系统直接控制的对象。不论是点位控制、直线控制，还是轮廓控制，被加工零件的最终坐标精度都将受到拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响。除拖板及相配件精度要高外，由驱动电机到丝杠间的传动齿轮也要采用间隙消除结构。以满足传动精度和灵敏度的要求。常用的消隙方法有刚度调整法和柔性调整法两种。刚性调整法传动刚度较好，结构简单，但调整起来很费时；柔性调整法，一般用弹簧弹力自动消除齿侧间隙，传动刚度较低，传动平稳性差，结构复杂。改造中，可根据机床加工目标选用。具体选用可参考有关资料。（4）、用可控的数控刀架代替手动刀架。 （5）、主轴后端加光电编码器，用于加工螺纹。 （6）、用可控进给电机驱动纵、横向进给运动。第三节 总体方案设计的内容 数控机床系统总体方案的拟定应包括以下内容:系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。 一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，从经济性、环保、运动精度、可靠性、操作方便等多个方面进行综合分析、比较和论证，最后确定一个优化的总体方案。总体方案的确定没有唯一的结论。总体方案设计的内容包括： 一、系统运动方式的确定： 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。 二、伺服系统的选择： 伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 三、执行机构传动方式的确定：为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点:1)、采用合理的滚珠丝杆支撑形式常见的丝杠支撑形式有以下几种形式：a)、一端固定，一端自由特点：结构简单，轴向刚度较低，丝杠的压杆稳定性和临界转速都较低，设计时尽量使丝杆受拉伸。主要用于行程小、转速低的情况下。b)、两端游动特点：结构简单，轴向刚性差，仅能承受较小的轴向力，适用于中等转速的场合。c)、一端固定，一端游动 对于高精度、中等转速的较长的卧式按转的丝杠，为了防止热变形造成丝杠伸长，常采用一端轴向固定的支撑方式。这种形式在安装时需保证螺母与两端支承同轴，固结构较复杂。d)、两端固定对于高精度、高转速的丝杠应采用两端固定的安装方法。特点：刚度最高，安装时需保证螺母与两端支承同轴，固结构较复杂。无压杆稳定性问题，固有频率较高，可以预拉伸。 2)、尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等，如图2-1。 图2-1 滚珠丝杠副滚珠丝杠的支承结构如图所示。 图2-2 滚珠丝杠的支承结构 3)、尽量消除传动间隙。在数控机床进给系统中，在考虑惯量、转矩或脉冲当量的要求，常采用齿轮副或齿形带减速；齿轮副的齿侧间隙会使换向后的运动滞后于指令信号，造成开环或半开环系统的死区误差，影响定位精度。为了消除齿隙并增强刚度，应采用具有消除间隙或具有预紧措施的齿轮副，常用的方法有：a)、偏心轴套法偏心轴套通过改变齿轮副的中心距，可以在一定程度上消除因齿厚误差和中心距误差引起齿侧间隙，但不能补偿齿轮偏心误差引起的齿侧间隙，如图2-3， 401电机，2偏心套。 图2-3 偏心轴套法消除间隙b)、双片直齿轮错齿调整法弹簧力使两薄片齿轮产生相对运动，使两薄片齿轮的左、右齿面分别紧贴在宽齿轮齿槽的左右齿面上，达到消除齿侧间隙的目的。弹簧预紧力可以通过螺母来调节。1,2齿轮，3拉簧 4,7凸耳 5螺钉 6螺母图2-4双片直齿轮错齿调整法消除间隙 4)、提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副等。 图2-5为滚珠丝杠预紧举例：(a)螺母预紧：当螺母拧紧时，将两丝杠螺母分别向两边撑开，达到预紧和消除间隙的目的。（b）垫片预紧：当调节垫片厚度时，将两丝杠螺母分别向不同方向移动，达到预紧和消除间隙的目的。 （a） （b）图2-5 滚珠丝杠预紧举例 四、计算机的选择 随着技术的发展，用于机电一体化系统的计算机也发生着不断的变化，从单片机、DSP、PC机都可以使用，对于性能要求较高的系统，还可以采用多CPU结构；在总体方案设计时，就需要根据设备的要求，并考虑将来的改进，选定最合适的计算机，并不是越先进越好。第四节 总体方案设计举例 例1、将普通车床改造成经济型数控车床。 1、设计任务 将CA6140普通车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率：纵向：0.Olmm,横向：O.0O5mm。 设计参数如下，最大加工直径: 在床面上 40Omm 在床鞍上 2lOmm最大加工长度: 10OOmm快进速度： 纵向 2.4m/min 横向 1.2 m/min最大切削进给速度: 纵向 0.5m/min横向 0.25了/min代码制: ISO脉冲分配方式: 逐点比较法输入方式: 增量值、绝对值通用控制坐标数: 2最小指令值: 纵向 0.Olmm/脉冲 横向 0.0O5mm/脉冲 刀具补偿量： 0 99.99mm 进给传动链间隙补偿量: 纵向 0.l5mm 横向 0.075mm 自动升降速性能: 有 2、总体方案确定 (1)、系统的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应具有定位、直线插补、顺逆圆插补、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。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 (2)、计算机系统 根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、1/0接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用两排数码管显示加工数据及机床状态等信息。 (3)、机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为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2-6。 图2-6 经济型数控车床总体方案框图1. 横向步进电动机 2. 横向进给减速箱 3.横向滚珠丝杆 4.大拖板 5.纵向滚珠丝杆 6.纵向步进电动机7纵向进给减速箱 8支座图2-7 经济型数控车床总体布置图第三章 机床进给系统机械部分设计与计算 在对进给传动系统进行改造时，一般都应该把原来的进给变速传动装置及操纵机构全部拆除。而每个方向的进给传动都改由各自独立的功率步进电机，经减速齿轮直接与带动滑板移动的丝杠连接，分别实现各坐标方向的运动，进行各坐标的控制。例如普通机床的简易化数控改装，通常都是把原来由主轴箱到进给箱的传动路线切断，且将进给箱拆除，直接把齿轮减速箱和功率步进电机安装在纵向丝杠的左端和横向丝杠的外端。在对机床进给传动系统改装的同时，也要对此传动系统中的传动装置元件进行相应的改造。 进给系统机械部分设计计算内容包括:确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，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工作图等。现分述如下:第一节、确定系统脉冲当量 一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲，经济型数控磨床经常采用脉冲当量为0.0020.00lmm/脉冲。脉冲当量有时也由设计任务书中直接给出。第二节、切削力计算 在设计机床进给系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，常用的计算切削力的方法有： 1、用经验公式计算主切削力：简单而实用。 2、按切削用量计算切削力：较准确。 3、按照机床主电机功率计算： 按切削用量计算切削力虽然比较准确，但只能适用于加工某种工件的专用机床，对于通用机床的数控化改造或设计通用的经济型数控机床来说，切削用量选择的范围较大，这样将会导致切削力计算结果差别很大；这就需要按照进行数控改造设计的普通车床的主电机功率来计算切削力。第三节、 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型:确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括:公称直径d。(或丝杠外径d)、导程L0、滚珠的工作圈数j、列数K、精度等级等。滚珠丝杠副的计算步骤如下: 一、计算进给率引力Fm: 作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。二、计算最大动负载C选用滚珠丝杠副的直径d0 时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C。 三、计算最大静负载C 当滚珠丝杠副在静态或低速 (nlOr/min)情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生塑性变形，当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生这样大的塑性变形量时的负载称为允许的最大静负载C。 四、传动效率计算 五、刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑引起轴向变形的各种因素。包括：1、 的拉伸或压缩变形量1 在总的变形量中占的比重较大。2、 滚珠与螺纹滚道间接触变形量2 在总变形量中也占比较大的比重。3、支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形量3。4、滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量4。 5、螺母座及轴承支座的变形。 因此，滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算1、2和3之和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。 六、稳定性验算。 对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生失稳的危险。七、滚珠丝杠螺母副几何参数计算。 八、滚珠丝杠副的精度等级。九、 滚珠丝杠副的标注方法。滚珠丝杠副的种类、结构、计算方法和参数，可在网上查到，国内的生产厂家很多，常用的有：济宁丝杠厂、南京工艺设备厂等。第四节、 进给系统传动计算 由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也为满足一走的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。 当机床脉冲当量滚珠丝杠导程L。确定以后，可以先初选步进电机的步距角，用下式计算进给伺服系统的传动比i： i=(360p)/(bL0)式中: p : 脉冲当量 (mm/步); L。: 滚珠丝杠的基本导程 (mm); b : 步进电机的步距角。 第五节、 步进电机的计算和选用 选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，再根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。包括： 一、转动惯量计算 1、齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算。 2、丝杠折算到电机轴上的转动惯量。 3、工作台折算到丝杠轴上的转动惯量。 4、丝杠传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量。 二、电机力矩的计算电机的负载力矩在各种工况下是不同的，须分别计算快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩和最大切削负载时所需力矩等几部分。三、步进电机的选择1、 首先根据最大静转矩，初选电机型号。 必须特别注意，这样初选出来的步进电机型号并不一定能满足实际工作时的要求，也就是说，尽管最大静转矩的数值能满足要求，但是并不能保证在快速空载起动和运行时不失步。所以还必须用起动矩频特性和运行矩频特性两条重要的性能曲线来检查所选步进电机的型号是否能满足要求。 2、计算电机工作频率 可以分别计算快速进给时步进电机的最大空载起动频率和切削时的最大工作频率。 3、校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。步进电机由于本身性能的限制，其起动频率一般都较低，带负载时的起动频率约为数百赫兹。而数控系统要求的工作频率通常都远远大于起动频率。因此必须采用升降速措施。步进电机以较低的频率起动后，逐渐升速，以保证不失步，升速到规定的运行频率后，开始恒速运行，在到达终点前，要逐步降速，降到起动频率以下，以保证准确定位。升降速控制是由软件实现。在采用升降速控制以后，如果步进电机起动力矩还不能满足要求，还可采用高低压驱动功放电路，将步进电机起动力矩再扩大一倍左右。电动机外形图及矩频图如图：步进电机使用安装面前端的法兰盘实现电机的径向定位，通过嵌入输出轴键槽中的键来传递扭矩。国内生产步进电机的厂家很多，可在网上查到相关资料。第六节、 进给系统机械部分的结构设计 在对进给系统进行了运动和动力计算，已选定滚珠丝杠螺母副规格型号，步进电机型号，降速齿轮几何参数之后，就可进行结构设计。对于经济型数控机床进给伺服系统设计和普通车床微机数控化改造设计中，应该注意以下问题: 一、尽量减少普通车床数控化改造设计时的改动量对于普通车床数控化改造设计时在满足机床总体布局的前提下应尽可能利用原来的零、部件，尽量减少改动量。尤其是对机床上较大的部件，例如床身、床鞍、工作台等，尽量利用原来的部件，作少量的加工改造。这样可以大大的降低成本，缩短制造周期。 在进行经济型数控机床设计时，虽然结构尺寸不像改造设计那样限制严格，但也应参考同类型机床。在初步计算以后，再进行类比，使结构尺寸比较紧凑合理。 二、要求设计完整清楚的进给伺服机构装配图 在设计绘制进给伺服机构装配图时，要求视图完整，按一定的比例画出主视图，向视图和必要的剖面图。要能清楚完整地表达出装配图中每-零件的几何形状和尺寸，应能拆出零件图。图中需标出必要的尺寸和配合，例如:电机止口和箱体配合处，轴承外圈和箱体内孔之间，轴承内孔和轴之间均应标注尺寸和配合。 三、设计时注意装配的工艺性 在设计绘制进给伺服机构时，应注意装配工艺性，考虑到正确的装配顺序，保证安装、调试、拆卸方便。 四、要求标注清楚装配图的技术条件 绘制机械装配图时，应标注必要的技术条件。例如要求滚珠丝杠中心与导轨平行度在水平及垂直方向在全长上应小于0.O5mm(中型机床); 丝杠的轴向窜动量应小于0.Olmm，纵向进给丝杠两端的支承距安装基准面的尺寸应相同，以保证在水平面内丝杠与导轨平行度。而在垂直面内可利用安装螺钉的过孔调整，当丝杠与导轨平行度达到要求以后，再紧固螺钉并打上定位销。五、消隙齿轮安装调整要方便。第七节、 经济型数控机床进给系统设计、计算实例 将-台CA6140普通车床改造成微机数控车床，采用MCS-51系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下: 加工最大直径: 在床面上 4OOmm 在床鞍上 21Omm 加工最大长度: 10OOmm溜板及刀架重力: 纵向 800N 横向 600N刀架快速速度: 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/Min最大进给速度: 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min 主电机功率: 7.5kW起动加速时间: 30ms机床定位精度: 0.015mm此机床进给系统运动及动力计算如下：一、进择脉冲当量根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向:0.01mm/步，横向:0.005mm/步(半径)。二、计算切削力1、纵车外圆主切削力Fz(N)按经验公式估算:Fz=0.67Dmax1.5=0.67 x 4001.5 =5360按切削力各分力比例: Fz:Fx:Fy=l:0.25:0.4 Fx = 5360 x 0.25 = 1340Fy = 5360 x 0.4 = 21442、横切端面 主切削力Fz(N)可取纵切的1/2: 此时走刀抗力为Fy(N)，吃刀抗力为Fx(N)。仍按上述比例粗略计算: Fz:Fy:Fx=1:0.25:0.4 Fy=2680 x 0.25 = 670 Fx=2680 x 0.4 = 1072三、滚珠丝杠螺母副的计算和选型(-)、纵向进给丝杠1、计算丝杠轴向力Fm(N)对综合型导轨： 式中： K考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K1.15; -滑动导轨摩擦系数:0.15-0.18; G -溜板及刀架重力: G = 800N。2、 计算最大动负载c:式中:L0 滚珠丝杠导程，初选L0=6mm;vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/21/3），此处vs0.6m/min；fw运转系数，按一般运转取fw1.21.5；L寿命、以106转为1单位。 3、滚珠丝杠螺母副的选型可采用外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N，精度等级选3级。4、传动效率计算式中：螺旋升角，W1L4O0b=2044摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.0045、滚珠丝杠刚度验算一般滚珠丝杠比较细长，它的刚度应该给与充分重视。滚珠丝杠副传动系统的刚性包括轴向刚性及扭转刚性。 扭转刚性与丝杠联轴器、传动齿轮、电机及控制系统有关，由于扭转刚性对定位精度的影响比轴向刚性的影响小的多，一般设计时就忽略。计算中用到的一些数据，可在各种手册、教材或产品样本中查找。也可选用其他教材或产品样本中推荐的滚珠丝杠刚度计算方法。滚珠丝杠螺母副的传动刚度验算步骤如下：先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图。最大牵引力为2530N。支承间距L=15OOmm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。 图3-1、纵向进给系统计算简图 (1)、丝杠的拉伸或压缩变形量1丝杠的拉伸或压缩变形量1=L/L支承间距。根据最大牵引力Pm=2530N,Do=4Omm, 查资料可得L/L的值，通常可取L/L=l.2lO-5，算出:1=L/L1500=1.210-51500=1.810-2(mm)由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量1 (mm)为: (2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形2查资料W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量Q 因进行了预紧， (3)、支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3采用8107型推力球轴承，d1=35mm，滚动体直径dQ=6.35mm，滚动体数量z=18,注意，此公式中Fm单位应为kgf因施加预紧力，故根据以上计算：定位精度要求。6、稳定性校核滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。(二)、横向进给丝杠1、计算进给牵引力Fm:横向导轨为燕尾形，计算如下:2、计算最大动负载c3、选择滚珠丝杠螺母副查资料，W1L20051列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额定动载荷为8800N，可满足要求，选定精度为3级。4、传动效率计算5、刚度验算横向进给丝杠支承方式如图所示，最大牵引力为2425N，支承间距L=45Omm，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。计算如下:(1)、丝杠的拉伸或压缩变形量1 (mm)根据Fm2023N，D。=2Omm，查相关资料，得出L/L=5*lO-5(如果无资料可查，可近似取L/L=5*lO-5)，可算出 图3-2、横向进给系统计算简图 (2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形2查资料：因进行了预紧2=1/2Q=0.5*8.5=4.25m(3)、支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3采用8102推力球轴承，dQ=4.763,z=12，d=l5mm考虑到进行了预紧，故综合以上几项变形量之和: 显然此变形量已大于定位精度的要求，应该采取相应的措施修改设计，因横向溜板空间限制，不宜再加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨减小摩擦力，从而减小最大牵引力。重新计算如下:从资料查出，当Fm=1155N时，L/L=2.4*lO-52和3不变，则1230.01080.00430.00470.0198mm定位精度为0.lmm，故此变形量仍不能满足，如果将滚珠丝杠再经过预拉伸，刚度还可提高四倍，则变形量可控制在要求的范围之内。从上面计算过程可以看出，设计的过程要经过反复修改参数，反复计算才能达到满意的结果。6、稳定性校核计算临界负载其FK(N)式中： E材料弹性模量，钢:E20.61O6N/cm2I截面惯性矩（cm4）丝杠：，di为丝杠内径；L丝杠两支承端距离 (cm)；fZ-一丝杠支承方式系数，从表4-13中查出，一端固定，一端简支fZ =2.00（一般nk=2.54）。此滚珠丝杠不会产生失稳。(三)、纵向及横向滚珠丝杠副几何参数。查相关资料。四、齿轮传动比计算1、纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量p0.01滚珠丝杠导程L0=6mm，初选步进电机步距角0.750。可计算出传动比i可选定齿轮齿数为， 或2、横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量pO.005，滚珠丝杠导程L05mm，初选步进电机步距角0.750可计算传动比i: 考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可采用两级齿轮降速:因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。五、步进电机的计算和选型(一)、纵向进给步进电机计算1、等效转动惯量计算计算简图见图1。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J(kgcm2)可由下式计算:式中：JM步进电机转子转动惯量 (kgcm2) J1 J2 齿轮z1,z2的转动惯量 (kgcm2)Js滚珠丝杠转动惯量 (kgcm2)。参考同类型机床，初选反应式步进电机15OBF，其转子转惯量JM=lOkgcm2 G = 800N代入上式: 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 Jm/J = 10/36.355=0.275基本满足惯量匹配的要求。2、电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算:(1)、快速空载起动力矩M起。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：M起Mamax+Mf+Mo将前面数据代入，式中各符号意义同前。起动加速时间ta=3oms折算到电机轴上的摩擦力矩Mf:附加摩擦力矩M0:上述三项合计:M起Mamax+Mf+Mo634.594153881.5 Ncm (2)、快速移动时所需力矩M快M快Mf+M0=94+153=247NcmM起Mamax+Mf+Mo(3)、最大切削负载时所需力矩M切：从上面计算可以看出，M起、M快、和M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。 查资料，当步进电机为五相十拍时=Mq/Mjmax=0.951。最大静力矩Mjmax= 881.5/0.951 = 927 Ncm。按此最大静转距，150BF002型最大静转距为13.72 NM。大于所需最大静转距，可以作为初选型号，但还需要进一步考核步进电机的起动频率特性和运行矩频特性。3、计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率从资料中查出15OBFOO2型步进电机允许的最高空载起动频率为280OHz，运行频率800OHz。当步进电机起动时，f起=250OHz时，M = lOO Nm，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩(881.5Ncm)直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制(用软件实现)，将起动频率降到10OOHz时，起动力矩可增高到588.4Ncm，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 (二)、横向进给步进电机计算和选型与纵向进给相同，此处略。六、设计绘制进给系统机械装配图在完成运动及动力计算之后，己经确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机规格型号，以及齿轮齿数、模数。轴承型号之后，就可以画经济型数控机床总体布置图和机械装配图。图中应使用细实线表示原机床，粗实线表示改装设计部分。改装包括：纵向进给部分拆去原机床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠，光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱、和滚珠丝杠螺母副。横向进给部分也用滚珠丝杠代替原来的滑动丝杠，并在大溜板的后面安装横向齿轮减速箱和步进电机。并把原来的方刀架取掉，装上自动转位刀架及微型电机。在主轴箱的后端用安装盘和挠性联轴节装光电脉冲发生器，作螺纹加工用。 装配时应保证丝杠与导轨平行，为使滚珠丝杠转动灵活、无阻滞现象，应保证滚珠螺母座与丝杠两端支承同心，利用垫片微调垂直方向的同心度，调整好以后打定位销。为消除齿轮侧隙，采用双薄片齿轮弹簧错齿调整法。纵向和横向进给系统机械装配图的实例见附录一和附录二。第四章 微机数控系统软、硬件电路设计第一节、 单片微机数控系统硬件电路设计内容 当前，在经济型数控机床控制系统中广泛采用美国Intel公同的MCS-51系列单片计算机，因此本章着重介绍用MCS-51系列单片微机构成的控制系统的设计内容、方法及步骤。 单片微机数控系统硬件电路设计包括以下几部分内容: 一、绘制数控系统总体框图 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制数控系统原理总体框图。 数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。 机床硬件电路由以下五部分组成。 (1)主控制器，即中央处理单元CPU。 (2)总线。包括数据总线、地址总线和控制总线。 (3)存储器。包括程序存储器和数据存储器。 (4)接口：即1/0输入/输出接口电路。 (5)外围设备。如键盘、显示器及光电输入机等。RAM二、选择中央处理单元CPU的类型。在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素:(1)、时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度。(2)、可扩展存储器(包括ROM和RAM)的容量。(3)、指令系统功能，影响编程灵活性。(4)、1/0口扩展的能力，即对外设控制的能力。(5)、开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。此外还要考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。 目前在经济型数控机床中，推荐采用MCS-51系列单片微机作为主控制器。 三、存储器扩展电路设计 存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。程序存储器主要用于储存数控系统程序，而数据存储器用于存放用户加工程序，为保护用户加工程序，数据存储器必须具备掉电保护功能。 在选择存储器芯片时，要考虑CPU与存储器时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。经济型数控机床的程序存储器和数据存储器的容量一般在64K左右。 在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。 四、输入/输出接口电路设计 应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计，例如复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等。此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括。第二节、 专用接口设计CPU工作原理、存储器扩展、接口芯片等内容再教材中一有介绍，下面仅就与数控有关的接口设计作一介绍： 一、显示功能设计在数控系统中，为了与用户进行信息交流，必须具备显示功能；数控系统中使用的显示器主要有LED(发光二极管显示器)和LCD(液晶显示器)，也有采用CRT接口显示方式。经济型数控机床中，以使用LED显示为主；LED显示器通常它是由八个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的七段显示器有两种结构。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称有共阴极显示器。在相关课程中，我们已经学习了LED显示器的原理和接口电路；对数控系统设计来说，主要是根据需要显示的内容，确定LED的类型、行数和每行位数：例如，为了显示X,Y坐标符号、正负号，就必须选者米字型LED，显示数字使用字符型LED；LED的个数确定与显示内容，特别是工作行程长度，最小单位等有关。二、键盘输入功能设计在数控系统中，键盘的主要功能是输入、编辑用户的加工程序，一般应包括：字母键、数字键和必要的编辑、运行键，如：X、Z、T、M、F、0-9、插入、册除、启动、停止等。键的具体个数，需要根据数控系统要求来确定。 三、步进电机接口及驱动电路通常在经济型数据机床中，大多数采用步进电机开环控制。步进电机的角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速。驱动步进电机的脉冲需要按所要求的顺序供给电机各相。脉形分配器就是实现步进电机各相脉冲通电顺序的。为使步进电机正常运行并输出一定功率，需要有足够功率提供给电动机，因此需要有功率放大环节。脉冲分配器及前面的微机及接口芯片，工作电平一般为5V，而作为电动机电源的需符合步进电机要求的额定电压值。为避免强电对弱电的干扰，在它们之间应采用隔离电路。1、脉冲分配器脉冲分配器又叫环形分配器，有硬件环形分配器和软件环形分配器两种。硬件环形分配器需要的I/O接口接线数少，且执行速度较快，但需要专用的芯片。软件环形分配是用程序实现的。目前市场上提供的国产TTL集成脉冲分配器有硬件环形分配器三相、四相、五相和六相，其型号分别为YBOB、YBO14、YBOl5及YBO16，均为18个引脚的直插式封装。各引脚功能说明如下:E0-选通输出控制。控制脉冲分配器是否输出一定顺序的脉冲。R-清零。在输出一定顺序的脉冲前，对脉冲分配器进行清零，以便使其正常工作。A。、A1- 励磁方式控制。确定通电方式，即选择通电相数和拍数。 E1、E2-选通输入控制端，决定控制指令起作用的时刻。 CP-时钟输入端，决定脉冲分配器输出脉冲的频率。 -正转 (或反转)控制端，决定步进电机旋转方向。 S-出错报警输出。若某个端口控制信号出错或脉冲分配器运行错误时，该端口发出报警信号。图5-1是采用YBO14硬件环形分配器的步进电机接口电路举例。从图中可以看出，每个步进电机分别由一个硬件环形分配器YBO14控制，工作方式设定在4相4拍，故A0、A1直接接地。两个输入控制端E1、E2均接地。所需旋转方向及输出控制信号E0分别由8031的P1。0、P1.1、P1.2和P1.4提供;时钟脉冲CP由8155的定时器提供;清零端R接8031的P1.5，以防乱相。 软件环形分配器在电路上不需要环形分配专用芯片，而是在微处理器中专门安排一个输出寄存器作为步进电机的控制寄存器，步进电机的每一相绕组都与这个寄存器中某一指定位相对应。寄存器中这一位为 1，对应绕组的通电状态;这一位为0，对应着相应绕组的断电状态。微处理器按照程序中规定的顺序，循环地向寄存器中写入各控制字节，从而使步进电机绕组按固定的规律，循环地通电或断电，步进电机便按照设定的方向转动。在电路上，步进电机的每-绕组需和一个1/0口相连(经光电隔离电路)，故占用的1/0口数量较多。 图4-1、步进电机硬件环形分配器接口2、光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要W驱动电压较高 (几十伏)，电流也较大 (几安到几十安)，如果将1/0口输出信号直接与功率放大器相联，将会引起强电干扰，轻则影响计算机程序的正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电藕合器。3、功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的要求，必须将它放大以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。从步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性可以看出，随着运行频率的增高，步进电机输出力矩 (即带动负载的能力)下降，这一现象产生的主要原因是:作为功率放大器负载的步进电机是电感负载。当改变通电状态时，通电绕组的电流将从零逐渐增大，该绕组中产生感应电势使电流按指数规律上升，并将电源一部分能量储存在 (电感)绕组中，电流的时间常数为： i=Lm/R式中 Lm-步进电机一相绕组的平均电感量; R -通电回路的电阻，它包括绕组电阻、功率放大器输出级内阻及串联电阻。 而断电绕组电流是下降的，这时存储于绕组中的势能将以电流形式释放出来，使电流按指数规律下降，其时间常数为： d=Lm/RD式中 RD-放电回路电阻，它包括绕组电阻，续流二极管正向电阻等。 这样，就使得绕组中电流缓慢增加和缓慢下降，即电流波形前沿和后沿不陡，致使步进电机各相绕组电流几乎同时存在，所以步进电机负载能力下降，严重时会出现失步。 为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，使电流前、后沿更陡些。可采用以下几种方法: (1)、电阻法 从上面时间常数的计算公式可以看出，增大功率放大器负载回路的电阻R可以使电流上升的时间常数减小，从而使电流上升沿变陡。在步进电机绕组回路串联一个电阻R。此时步进电机电流时间常数变为： i=Lm/（R + Ro） 这种方法的缺点是，在串联电阻R。上消耗了一部分功率，降低了效率。故只适用于小功率步进电机。 (2)、双电源法又称高低压驱动电路。其原理是:开始时先接通高压，以保证电动机绕组中有较大的冲。但步进电机额定相电压是规定的，不允许在高于额定电压下长时期工作。当电流上升到接近额定值时，再截断高压，由低压供电，以保证电动机绕组中稳态电流等于额定值。有许多书介绍高低压驱动电路，这里就不再多说了。五、其他辅助电路1、8031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生，内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，在XTAL，、XTAL，引脚上外接定时元件，晶体可在1.2-12MHz之间任选，藕合电容在5-3OpF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式，可把XTA1直接接地，XTAL2接外部时钟源。时钟的稳定工作对系统可靠运行非常重要。 2、复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现lOms以上高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从00OOH单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。图5-2所示为上电与按钮复位组合。在上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持lOms以上高电平，就能使单片机有效地复位。 3、越界报警电路为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。如果是两坐标联动的数控系统，则有4个方向可能越界，即+x、-X、+Y、-Y。一旦某一方向越界，应立即停止工作台移动。图5-41a为报警信号的产生，图5-41b为报警指示。这里采用中断方式，利用8031的外部中断，只要有任一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生中断信号。为了报警，设置红绿灯指示，正常工作时绿灯亮，当越界报警时红灯亮。两灯均由一个1/0口输出。4、掉电保护电路半导体存储器RAM最怕掉电，一掉电里面存储的信息就全部丢失。在工业现场环境恶劣，掉电是难以避免的，能不能在掉电的情况下，保持住RAM中的信息呢?掉电保护电路就是为解决此目的而设计的。数控机床加工过程中，一些重要的现场参数，如几何尺寸，工图4-2、越界报警电路艺参数等都是存储在RAM中，一旦掉电，数据能妥善保存，恢复供电后又能马上运行。图5-4所示为一简单掉电保护电路的工作原理，图中V+为电源电压，VE
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