电火花线切割机运丝机构及数控工作台机电系统设计毕业设计说明书

1绪论图2/3///9/4/4//14/8/8/5//1.1前言电火花线切割机床是一类在模具制造等行业中广泛应用的典型数控机床。电火花割加工技术WEDM(WireElectriealDiseharseMachining)自问世以来，得到了迅速的发逐步成为机械制造领域中的一个重要组成部分。高速走丝电火花线切割机床是通过线具电极，对工件进行脉冲性放电加工的。工作时脉冲电源的正极接工件，负极接电极电极丝由储丝筒带动往复移动，通过控制工件的运动轨迹和速度，从而切割出符合技求的工件。由于其加工性能与被加工材料无关，而且在加工过程中无切削力，从而容工复杂、精密和高硬度的零件，特别是对薄壁、窄缝零件的加工更具有优势。工材精密复杂零件、微细零件的加工中占有极其重要的地位。近年来，在电机模具行业，模具工业的增长，高速冲硬质合金模具的不断推出，模具的大型化和精密化，采用电线切割来加工模具逐渐被广泛认可。目前国内外的线切割机床约占电加工机床的60％，在低速走丝线切割机床诞生后不久，我国也自行研制出具有首创性的高速走丝线机床。数十年来，这种机床对我国的制造业发展做出了很大贡献。由于其价格低廉、比高，因而受到国内许多中小型企业和工厂的青睐，广泛应用于仪器仪表、家用电器车和电机等行业，尤其在加工制造方面发挥了巨大作用。据统计，目前我国数控高速线切割机床约有10余万台，居世界第一位，2002年国内线切割机床产量1。5万台，其大部分是高速走丝的线切割机床。近年来，随着电子技术、计算机技术和控制技术的高速发展，电加工机床的数控也不断地取得了长足的进步。传统的CNC技术由于通用性差、通讯能力弱以及不便于功能等缺点，已逐渐不适应现代制造业发展的要求。因此，目前数控技术正在向通用放式实时动态全闭环控制的模式发展，开放式的数控系统已逐渐成为新一代数控系统流。尽管我国的高速走丝电火花线切割机床与慢速走丝机床相比，在结构、工艺和数术等方面仍有一定差距，但是仍非常适合于加工中等精度和表面粗糙度的零件或模具此提高线切割加工设备的性能(如：实现高速走丝电火花多次切割技术、角度旋转、尖理等功能)对加快我国制造业的发展有着重要意义。当前发达国家正在紧锣密鼓地进行着开放式数控系统的研究，正为我国数控产业展提供了良好的契机，开发我国自主版权的开放式数控系统平台是赶超发达国家的历遇。我国控制器硬件由于受制造业水平的影响可靠性差，成为制约我国数控产业发展颈。借用PC硬件和建立开放式控制系统软件平台就完全可以绕开这个问题。数控技开放式道路，将我国同世界上发达国家的数控研究摆在了同一起跑线上，我们只有抓个机遇，才能开发出具有中国自主版权的高性能数控系统，独立自主地发展我们自己控产业，打破国外对我国的技术垄断。此外，现有文献数据采样插补算法存在着许多点和不足之处。有鉴于此，本课题“电火花线切割加工机运丝机构及数控工作台机电系统设计”针对培养数控系统模块化设计指导思想、提高高速走私线切割加工设备的性能而提出的。1.2国内外动态1.2.11943年，原苏联学者拉扎连科夫妇研究电火花放电时开关触点受腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化而被蚀除掉，从而开创和发明了电火花加工方法。电火花线切割加工(WEDM)是在电火花加工的基础上于50年代末最早在原苏联发展起来的一种新的工艺形式，是用线状电极靠火花放电对工件进行切割，故称为电火花线切割。电火花线切割加工以获得广泛的应用。目前国内外的线切割机床约占电加工机床的60%以上。与电火花成型加工方法相比，线切割加工方法具有设备成本低、生产效率高以及工具电极的设计和制造大大简化等特点，同时还可节约一部分材料。因此，线切割加工方法自问世于前苏联以来，得到了迅速的发展。近20年来，电火花线切割机床的价格下降了六倍多，加工速度提高了十几倍，工件的最大尺寸增加了十四倍，可加工的工件锥度达到80º。目前慢走丝线切割机床最小驱动单位达0.lum，加工精度已接近或达到精密磨削的精度，最大切削速度超过3O0mm2/min，标志着WEDM总的加工速度有了明显的提高，微精加工脉冲电源的开发，使精加工表面粗糙度可达到Ra0.l~0.2μm(多次切割)。线切割加工水平的提高使它从“特种加工”进入到常规加工的行列。线切割加工水平的提高不仅归功于机械结构和工艺方法的改善，更得力于先进技术的应用和计算机软件的发展。欧美和日本等国研究的数控低速走丝电火花线切割机床，采用闭环数字交(直)流伺服控制系统，动态性能好、定位精度高。同时机床具有数字自适应控制电源，并具有自动走丝、自动卸除废料、短路自动回退等自动化技术，对电极丝张力和工作液压力也可进行控制。同时，集以D、以PP、CAM及仿真于一体的自动编程系统不断发展和成熟，目前基于PC的图形交互式自动编程系统成为线切割自动编程系统的主流。从2002年美国芝加哥国际机床展展出的线切割机床可以看出当前国外WEDM的技术特点与发展动向：(l)提供不同档次的系列产品，供用户选择(2)改进了走丝系统，使运丝更平稳，张力更稳定(3)自动穿丝与自动重穿丝技术该功能虽然是国外WEDM普遍配备的，但近年来的改进重点在提高可靠性和穿丝速度上。(4)减少机床的热变形，提高热稳定性(5)高精度的锥度切割(6)直线电机的应用(7)联网这是一个在适应网络时代的到来而开拓的新功能。虽然与外部计算机的通信并不是新鲜事，按任务的要求可以把外部计算机看成是机床数控系统的外围设备，也可以把机床看成是外部计算机的一个终端。这一功能尽管目前的实用性还不够明显，但无疑是今后的一个发展方向。(8)拓展在零件加工中的应用(9)高速度加工高速度化一直是国外厂商追求的目标。在这方面，日本厂商一直走在世界的前列。例如，三菱电机公司的标准型DWCH系列机床，由于采用G25电源，最高生产率达250mm2/min，其经济型DWCC2系列机床也是250mm2/min。著名的Sodick公司的A500—E型电火花线切割机的电源数控柜由于采用32位CPU，使加工速度大幅度提高，同样可以达到300mm2/min。快走丝电火花线切割技术最初是在我国发展起来的一种电火花加工方法，它与慢走丝电火花线切割技术无论从加工方法还是加工装置上都有很大区别。因此，我国的电火花线切割技术的发展主要体现在快走丝线切割技术的进步上。相对而言，我国的慢走丝电火花线切割技术起步较晚，其水平与国外同类产品相比还存在较大的差距。1.2.1、机床品种多样化，年产量稳步增长多年来，我国生产的数控电火花切割机一直是单一的高速走丝线切割机。随时间推移，为了满足市场需求，又开发生产了自旋式电火花线切割机、走丝速度可调的电火花切割机(含高低双速走丝电火花线切割机)以及低双速走丝电火花线切割机等。机床品种的多样化可以满足用户的需要，扩大数控电火花线切割机加工的应用范围。高速走丝电火花线切割机是我国当前发展的主要产品，广大的科技工作者为了进一步提高它的工艺性能及自动化程度做了大量开发工作，并开发生产了2000mm×1200mm×500mm及1000mm×630mm×1000mm等超大型高速走丝电火花线切割机床，扩大了它的应用范围，满足了用户的各种需要，使其年产量稳步增长，至今以达到了12000台/年，并有约300台/年出口到世界各国。低速走丝电火花线切割机过去曾是“进口机”的代名词，现在已有苏州沙迪克三光机电有限公司、北京阿奇工业电子有限公司、苏州电加工机床研究所，汉川机床厂等多家制造厂商自行开发生产，年产量达300多台。这些机床性能好，价格不到进口机的一半，深受国内用户的欢迎。自旋式电火花线切割机和走丝速度可调的电火花线切割机目前虽处在开发和完善阶段，产量也不大，但开发思想都是企图借鉴高速走丝和低速走丝二者的优点创造一种新型的电火花切割方法。它的成功不仅能为我国的电火花线切割增加一个新品种，并以它的性能价格比好以及加工消耗低的特点找到它自身的应用范围，而且为高速走丝的电火花线切割机的多次切割工艺奠定基础。2、高速走丝系统日趋完善高速走丝有助于工作液进入窄小的加工区，改善排屑条件，这对于切割大厚度工件以及提高切割速度都是很有作用的。同时，电极丝的往返运动可使电极丝重复使用，减少电极丝的消耗，降低切割加工的生产成本。然而，高速走丝也会造成导向器(导轮、导向块等)的磨损和系统的振动，加上电极丝的张力不容易控制，它将给加工稳定性、加工精度及表面质量带来严重影响。为了解决高速走丝所存在的问题，完善高速系统，广大科技工作者己做了大量的开发研究工作，并获得了明显的效果。上海大量电子设备有限公司已于1999年开发生产了数字程序控制短程往返走丝系统，根据加工条件设定正向移动和反向移动的时间，以消除高速走丝的换向切割条纹，改善加工表面质量。北京阿奇工业电子有限公司根据高速走丝正向和反向移动张力不一的缺点，开发了新型的恒张力高速走丝机构。这种新型的恒张力高速走丝机构。这种新型机构不仅可以紧丝，而且可以保证正向和反向移动时电极丝的张力基本一致。因此，走丝系统上、下丝架的导轮是对称设置的，可以保证正、反向移动时产生摩擦阻力相近，使电极丝的张力在整个过程中恒定。电极丝的张力直接影响电极丝的振动和频率，并影响线切割加工的效果，为了使高速走丝系统的电极丝的张力恒定，华中理工大学开发了一种高速走丝线切割机铝丝恒张力伺服系统。这种控制系统的实际使用虽然存在不少问题，但他们的开发思路是积极的。为了提高丝架的刚性，南昌江南电子仪器厂开发了龙门式丝架，非常适合于大中型电火花线切割机，且锥度切割不受偏移量限制。苏州沙迪克三光机电有限公司开发生产的锥度切割装置可以稳定切割720的锥型零件，而苏州金马机械电子公司的DK7740B机床能在200mm厚的工件做300锥度的切割，表明近几年来我国高速走丝WEDM机床的加工范围有了较大发展。1.3课题的提出意义与目的通过上文的介绍，我们已经对国内外电火花线切割机床的发展有了一个基的认识。线切割加工主要用于模具制造，随着市场竞争的日益激烈，模具开发术难度越来越大，加工要求也越来越高，时间和成本估算要求越来越严格，谁快速提供市场和客户可以接受的产品，缩短产品研制、上市的时间，谁就赢得市场竞争的主动权。深圳福斯特数控机床有限公司生产的数控电火花线切割机床的数控系统是90年代初研制的产品，采用单板机作为主机。这种基于单板机有存储器容量小，以实现掉电保护、接口电路扩展不方便、抗干扰性能较差等不足之处。近10年来电子技术有了很大的发展，各种芯片的价格越来越低，功能越来越强。为可赢得市场，该公司需要开发一套针对中小型用户的经济型电火花线切割机床的数控系统，要求用单片机系统实现32位工控机所具有的大锥度切割功能并且具有较低价位。由于单片机在集成度、面向控制、可靠性和多机通信等方面优于单板机，机电一体化系统中的理想控制部件。90年代以来，许多WEDM便采用了单片机作控制器。该类控制器运行可靠、价格低、体积小。从软件角度来看，该类控制系统一般具有监控和加工两种运行状态。在监控状态下，可输入加工程序，可进行程序编辑、检查、修改、删除和插入。在加工状态下，可执行快速较零、空走、正割、逆割、短路回退、断丝归零、对中；可进行图形变换，如比例缩放、任意角度旋转、对称及循环平移。系统软件由主程序、显示、监控状态键盘处理、加工状态键盘处理、通信、运算与交换、变频中断服务、短路检测及处理、对中心与对端面、时钟中断服务、掉电中断服务等模块组成。2电火花线切割机的原理与结构2.1电火花线切割加工的基本原理电火花线切割加工是电火花加工的一个分支，是一种直接利用电能和热能进行加工的工艺方法，线切割加工的基本原理与电火花成形加工相同，但加工方式不同，它是用细金属丝作电极。线切割加工时，线电极一方面相对于工件不断地移动，另一方面，装夹工件的十字工作台，由数控伺服电动机驱动，在x、y轴方向实现切割进给，使线电极沿加工图形的轨迹运动对工件进行切割加工。线切割机床通常分为两类:快走丝和慢走丝。前者是电极细钼丝作高速往复运动，走丝速度为8m/s~10m/s，国产的线切割机床多是此类机床。慢走丝机床的电极做低速单向运动，一般走丝速度低于0.2m/s。图2.1是快走丝切割加工的示意图。工具电极细相丝5穿过工件2上预先钻好的小孔，经导轮由储丝筒4带动作往复交替移动，工件通过绝缘板1安装在工作台上，工件台在水平面X、Y两个坐标方向各自按给定的控制程序移动而合成任意平面曲线轨迹。脉冲电源3对电极丝与工件施加脉冲电压，电极丝与工件之间绕注一定压力的工作液，当脉冲电压击穿电极丝与工件之间的间隙时，两者之间产生火花放电而切割工件。图2.1快走丝切割加工的示意图线切割的加工精度可达士0.01mm，表面粗糙度Ra为1.25μm~2.3μm。线切割机床的控制方式有靠模仿型控制、光电跟踪控制、数字程序控制等方式，但目前国内外95%以上的线切割机床都己数控化，采用不同水平的数控系统:单片机、单板机和微机。线切割加工属于电火花加工，但由于采用细金属丝做工具电极，无需制作成型工具电极，大大降低了成型工具电极的设计、制造费用，缩短了生产准备时间，而且细的电极丝可以加工细微的异形孔、窄缝和复杂的工件。由于采用移动的长电极丝进行加工，单位长度电极丝的损耗较小，从而对加工精度的影响较少。线切割加工广泛应用于加工各种硬质合金和淬火钢冲模、样板、各种外型复杂的精细小零件、窄缝等，并可多件叠加起来加工，能获得一致的尺寸，因此线切割机床是模具制造企业必不可少的设备。对于多品种少批量的零件、特殊难加工材料的零件、材料实验样件、各种孔型、特殊齿轮、凸轮、样板、成型刀具等零件的制造，线切割加工也具有极大的优势。由于不需要制造模具，在新产品试制中可以大大缩短制造周期、降低成本。四轴联动的线切割机还可以加工锥体、上下异形体等复杂形状零件。总之，线切割加工已经成为了一种非常普及的特殊加工工艺。2.2电火花线切割机的基本组成与结构快走丝线切割机床主要由机床本体、脉冲电源、数控系统三个部分组成，如图2.2所示：图2.2线切割机床的组成2.3机床主体机床主体主要由坐标工作台、高速走丝机构、丝架导轮机构、工作液系统、脉冲电源五部分组成，X、Y坐标工作台是用来装夹被加工工件，X轴、Y轴由控制器发出进给信号，分别控制两步进电动机，运行预定的轨迹。床身床身是支撑和固定坐标工作台、走丝机构等的基础。一般采用箱式结构，床身里面可以放置脉冲电源、工作液循环装置和机床电气设备等。床身上安装有机床电气的操作面板，面板上有开关、指示仪表、调节旋钮等。因此，要求床身有一定的刚度和强度。床身的台面必须有足够的面积以便安装坐标工作台和走丝机构等。如果将工作液循环装置、机床电气和脉冲电源等放置在床身的内部，那么床身的内部应有足够的容积来安装。现在的机床一般采用电气系统独立安装在控制箱柜内。坐标工作台X、Y坐标工作台用来装夹工件，X轴和Y轴由控制台发出进给信号，分别控制两个步进电机，进行预定的加工。坐标工作台由滑板、导轨、丝杠运动副、齿轮传动机构四个部分组成。如图2.3所示：图2.3坐标工作台（1）滑板滑板主要由上滑板1、中滑板2、下滑板3组成。通常下滑板与4床鞍固定连接，中滑板置于下滑板之上，运动方向为坐标X方向；上滑板置于中滑板之上，运动方向为坐标Y方向。其中上、中滑板一端呈悬臂梁形式，以放置步进电动机。为在减轻质量的条件下，增加滑板的结合面，提高工作台的刚度和强度，应使上滑板在全行程中不伸出中滑板，中滑板不伸出下滑板。这种结构使坐标工作台所占面积较大，通常电动机置于滑板下面，增加了维修的难度。（2）导轨坐标工作台的纵、横滑板是沿着导轨往复移动的。因此，对导轨的精度、刚度和耐磨性有较高的要求。此外，导轨应使滑板运动灵活、平稳。此次设计的线切割机选用滚动是导轨，因为滚动导轨可以减少导轨间的摩擦力，便于工作台实现精确和微量的移动，且润滑方法简单。缺点是接触面之间不易保持油膜，抗震能力较差。滚动导轨有滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨等几种形式。在滚珠导轨中，滚珠与导轨是点接触，承载能力不能过大。在滚柱导轨和滚针导轨中，滚动体与导轨是线接触，因此有较大承载能力，因此被选用。为了保证导轨精度，各滚动的直径误差一般不应大于0.001mm。在相切割机床中，常用的滚动导轨还有一下两种：①力封式滚动导轨力封式是借助运动件的重力将导轨副封闭而实现给定运动的结构形式。图2.4是力封式滚动导轨结构简图。承导件有两根V形导轨，运动件上两根与承导件相对的导轨中，一根是V形导轨，另一根是平导轨。这种机构具有较好的工艺性，制造、装配、调整都比较方便；同时，导轨与滚珠的接触面也比较大，受力较均匀，润滑条件较好。缺点是滑板可能在外力的作用下向上抬起，并因此破坏传动。当搬运具有这种形式的机床时，必须将移动件加紧在机床上。图2.4力封式滚动导轨结构简图图2.5自封式滚动稻谷结构简图②自封式滚动导轨图2.5是自封式滚动导轨结构简图。自封式是指有承导件保证运动件按给定要求运动的结构形式。其优势是运动不易受外力影响，防尘条件好。但结构复杂，每个V形槽两侧面受力不均，工艺性也较差，一般很少采用。工作台导轨一般采用镶件。由于滚柱与导轨是线接触，导轨单位面积上承受的压力很大，同时滚柱硬度较高，所以导轨应具有较高的硬度，为了保证运动件运动的灵活性和准确性，导轨的表面粗糙度Ra值应在0.8um以下，工作面的平面度应为0.05/400mm。导轨的材料一般采用合金工具钢。为了最大限度的消除导轨在使用中变形，导轨应进行冰冷处理和低温时效。（3）丝杠传动副丝杠传动副的作用就是将传动电动机的旋转运动变为直线运动。要使丝杠副传动精确，丝杠与螺母就必须精确，一般应保证IT11级和高于IT11级的精度。丝杠副的传动螺纹一般分为三角普通螺纹、梯形螺纹和圆弧螺纹三种。三角普通螺纹和体形螺纹结构简单，制造方便，精度易于保证。因此，在中、小型线切割机床的丝杠传动副中运用的比较广泛，但这种丝杠副传动为滑动摩擦，传动效率较低。大、中型线切割机床常用圆弧形螺纹滚珠丝杠。在此选用圆弧形滚珠丝杠，如图2.3所示，滚珠丝杠能传动副能够有效的消除丝杠与螺母间的配合间隙，可使滑板的往复运动灵活、精确。丝杠与螺母之间不应有传动间隙，以防止转动方向改变时出现空程现象，造成加工误差，所以，一方面要保证丝杠和螺母牙形与螺距等方面的加工精度；另一方面要消除丝杠间的配合间隙，通常有以下两种方法：①轴向调节法利用双螺母、弹簧消除丝杠副传动间隙的方法是简便易行的，如图2.6所示。当丝杠正转时，带动螺母1和滑板一起移动；当丝杠反转时，则推动副螺母4，通过弹簧2和螺母1，使滑板反向移动。装配和用背帽调整时，弹簧的压缩状态要适当。弹力过大，会增加丝杠对螺母和副螺母之间的摩擦力，影响传动的灵活性和使用寿命；弹力过小，在副螺母受丝杠推动时，弹簧推动不了滑板，不能起到消除间隙的作用。从图2.3中可以看出本设计选用的间隙调节方法也属于轴向调节法。图2.6双螺母弹簧消除间隙的结构②径向调节法图2.7为径向调节丝杠副间隙的结构。螺母一端的外表面呈圆锥形，沿径向铣三个槽，劲部壁厚较薄，以保证螺母在径向收缩时带弹性，圆锥底部处的外圆柱面上有螺纹，用带有锥孔的调整螺母与之配合，使螺母三爪径向或离开丝杠，消除螺纹的径向和轴向间隙。图2.7径向调节丝杠副间隙的结构（4）齿轮——传动机构从2.3图中可以看出步进电动机与丝杠间的传动采用齿轮副来实现，由于齿侧间隙、轴与轴承之间的间隙及传动链中的弹性变形的影响，当步进电动机主轴上的主动齿轮改变转动方向时，会出现传动空程，为了减少和消除齿轮传动空程，应当采取以下措施：①采用尽量少的齿轮减速级数，力求从结构上减少齿轮传动精度的误差。②采用齿轮副中心距可调整结构，也可通过改变步进电机的固定位置来实现。③将从动齿轮或介轮沿垂直于轴向剖分为双轮形式，如图2.8所示。装配时应保证两轮齿廓分别与主动轮齿廓侧面接触，当步进电动机变换旋转方向时，丝杠能迅速得到相应反映。图2.8柔性轴向弹簧消隙法从图2.3中可以看出本设计传动齿轮间隙的消除是采用了第三种方法。2.3.3.高速走丝机构运丝机构的运动是由丝筒电机正反转得到的。电机通过联轴器与丝筒连接，丝筒装有齿轮，通过过渡齿轮与丝杆上的齿轮啮合，丝杆固定在丝板上，螺母固定在底座上，托板与底座采用装有滚珠的V形滚动导轨连接，这样丝筒每转一周托板直线移动相应的距离，因此机床工作前应根据零件厚薄和精度要求在直径为Φ0.06-0.20mm的范围内选择适当的钼丝直径。对高速走丝机构的要求①高速走丝机构的储丝筒转动时，还要进行相应的轴向移动，以保证电极丝在储丝筒上整齐排绕。②储丝筒的径向跳动和轴向窜动量要小。③储丝筒要能正反转，电极丝的走丝速度在7-12m/s范围内无级或有级可调，或恒速运转。④走丝机构最好与床身相互绝缘。⑤传动齿轮副，丝杆副应该具备润滑措施。高速走丝机构的组成与结构高速走丝机构由储丝筒、联轴器、上下托板、齿轮副、换向装置和绝缘部分组成，如图2.9所示图2.9储丝机构结构图储丝筒由电动机通过联轴器带动正反方向转动。储丝筒另外一端通过两对齿轮减速后带动丝杠。储丝筒、电动机、齿轮都安装在两个支架上。支架及丝杠则安装在托板沙锅内，调整螺母装在底座上，托板在底座上来回移动。螺母具有消除间隙的副螺母和弹簧，齿轮及丝杠螺距的搭配为每旋转一圈托板移动0.21mm。所以储丝筒适用0.21mm以下的钼丝。储丝筒运转时应平稳，无不正常振动。滚筒外圆振摆应小于0.03mm，反向间隙应小于0.05mm，轴向窜动应完全彻底消除。储丝筒本身作高速正反向转动，电机、滚筒及丝杠的轴承应定期拆洗并加润滑脂，换油期限可根据使用情况具体决定。其余中间轴、齿轮、导轨及丝杠、螺母等每班应注油一次。①储丝筒储丝筒是电极丝稳定移动和整齐排绕的关键部件之一，一般用45号钢制造。为了减少转动惯量，筒壁应尽量薄，按机床规格，本次设计应选用5mm（符合1.5-15mm）。储丝筒壁厚要均匀，工作表面要有较好的表面粗糙度，一般Ra为0.8m。为保证储丝筒组合件动态平衡，应严格控制内孔、外圆对支撑部分的同轴度。储丝筒与主轴装配后的径向跳动量应不大于0.01mm。一般装配后，以轴的两端中心孔定位，冲模储丝筒外圆和与轴承配合的轴径。②联轴器走丝机构中运丝组合件的电机轴与储丝筒中心轴，一般不采用整体的长轴，而是利用联轴器将二者联在一起。由于储丝筒运行时频繁换向，联轴器瞬间受到的正反剪切力很大，因此多采用弹性联轴器和摩擦锥式联轴器。a.弹性联轴器如图2.10所示,弹性联轴器结构简单，惯性力矩小，换向较平稳，无金属撞击声，可以减少对储丝筒中心轴的冲击。弹性材料采用橡胶、塑料或者皮革。这种联轴器的优点是，允许电动机轴与储丝筒轴稍有不同心和不平行（最大不同心允许为0.2—0.5mm，最大不平行为1°），缺点是由它连接的两根轴在传递扭矩图2.10弹性联轴器结构时会有相对转动。b.摩擦锥式联轴器如图2.11所示,摩擦锥式联轴器可带动转动惯量大的大中型储丝筒旋转组合件。这种联轴器可传递较大的扭矩，同时在传动负荷超载时，可以起到过载保护作用。因为锥形摩擦面会对电机和储丝筒产生轴向力，所以在电机主轴的滚动支撑中，应选用向心止推轴承和单列圆锥滚图2.11摩擦锥式联轴器结构子轴承。此外，还要正确选用弹簧规格。弹力过小，摩擦面打滑，使传动部稳定或摩擦面过热烧伤；弹力过大，会增加轴向力，影响中心轴的正常转动。除了以上两种联轴器外，还有磁力联轴器，因为不常用，在此就不详细说明了。参照本次设计要求，选择性价比最高的，显然弹性联轴器可以满足条件，因此本次设计选用弹性联轴器。③上下托板走丝机构的上下滑板多采用燕尾形滑动导轨和三角形、矩形组合式导轨。a.燕尾型导轨这种结构紧凑，调整方便。旋转调整杆带动塞铁，可改变导轨副的配合间隙。但该结构制造和检验比较复杂，刚性较差，传动中摩擦损失也比较大。b.三角、矩形组合式导轨该组合式导轨结构如图2.12所示。导轨的配合间隙由螺钉和垫片组成的调整环节来调节。由于储丝筒走丝机构的上托板一边装有运丝电动机，储丝筒轴向两边负荷差较大。为保证上托板能平稳的往复移动，应把下托板设计的较长以使走丝机构工作时上托板部分始终不滑出图2.12三角、矩形组合式导轨下托板，从而保持托板的刚度，机构的稳定性及运动精度。经比较，显然三角、矩形组合式导轨是比较理想的，因此，决定选用此种导轨作为本次设计之用。④齿轮副与丝杠副从图2.9中可以看出本设计走丝机构的上托板的传动链是由2级减速齿轮副和一组丝杠副组成，它使储丝筒在转动的同时，作相应的轴向位移，保证电机丝整齐的排绕在储丝筒上。在本次设计线切割机中，走丝机构常是通过配换齿轮来改变储丝筒的排丝筒的排丝距离，以适应排绕不同直径电极丝的要求，但是根据此次课题要求，钼丝直径不能超过Φ0.21mm。⑤线架、导轮部件结构线架与走丝机构组成了电极丝的运动系统，如图2.13所示。图2.13线架与走丝机构线架的主要作用是在电极丝按给定的线速度运动时，对电极丝起支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持一定的几何角度，对线架的要求是：a.具有足够的刚度和强度，在电极丝运动（特别是高速走丝）时，不应出现振动和变形；b.线架的导轮有较高的运动精度，径向偏摆和轴向窜动不超过5m；c.导轮与线架本体，线架与床身之间有良好的绝缘性能；d.导轮运动组合件有密封措施，可防止带有大量放电产物和杂质的工作液进入导轮轴承；e.线架不但能保证电极丝垂直于工作台平面，而且具有锥度切割功能的机床上，还应具有能使电极丝按给定的要求保持与工作台平面呈一定的角度。线架按功能可分为固定式，升降式和偏移式三种类型；按结构可分为悬臂式和龙门式两种类型。从图2.13中可以看出悬臂式升降线架主要由线架本体，导轮运动组合件及保持器等组成。中小型线切割机床的线架本体常采用单柱支撑，双臂悬梁式结构。由于支撑电极丝的导轮位于悬臂的端部，同时电极丝保持一定张力，因此应加强线架本体的刚度和强度，使线架的上下悬臂在电极丝运动时不致振动和变形。此外，针对不同厚度的工件，还有采用丝臂张开高度可调的分离式结构，活动丝臂在导轨上滑动，上下移动的距离由丝杠副调节。松开固定螺钉时，旋转丝杠带动固定于上丝臂体的丝母，使上丝臂移动。调整完毕后拧紧固定螺钉，上丝臂位置便固定下来。为了适应线架臂张开高度的变化，在线架上下部分应增设副导轮，如图2.13所示。导轮是本机床的关键零件，关系到切割质量，对导轮运动组合件的要求如下：a.导轮V形槽面应有较高的精度，V形槽底的圆弧半径必须小于选用的电极丝半径，保证电极丝在导轮槽内运动时不产生轴向移动。b.在满足一定强度要求下，应尽量减轻导轮质量，以减少电极丝换向时的电极丝与导轮间的滑动摩擦。导轮槽工作面应有足够的硬度，以提高其耐磨性。c.导轮转配后转动应轻便灵活，应尽量减少轴向窜动和径向跳动。d.进行有效的密封，以保证轴承的正常工作条件。导轮运动组合件的结构主要有三种：悬臂支撑结构，双支撑结构和双轴尖支撑结构。由于双支撑结构为导轮居中，两端用轴承支撑，结构复杂，上丝麻烦；而双轴尖支撑结构运动副磨擦力大，易发热和磨损。所以综合考虑本次设计选用悬臂支撑结构作为导论运动组合件，如图2.14所示。图2.14悬臂支撑导轮结构导轮组合件装配的关键是消除滚动轴承中的问题，避免滚动体与套环工作表面在负荷作用下产生弹性变形，以及由此引起的轴向窜动和径向跳动。因此，常用对轴承施加预负荷的方法来解决。通常是在两个支撑轴承的外环间放置一定厚度的定位环来获得预负荷。预加负荷必须适当选择，若轴承受预加负荷过大，在运转时会产生急剧磨损。同时，轴承必须清洗的很洁净，并在显微镜下检查滚道内是否有金属粉末，碳化物等，轴承经清洗、干燥后，填以高速润滑脂，起润滑和密封作用。工作液系统工作液系统用以在电火花线切割加工过程中，供给有一定绝缘性质的工作介质一一工作液，以冷却电极丝和工件，排除电蚀产物等，这样才能保证火花放电持续进行。一般线切割机床的工作液系统包括:工作液箱、工作液泵、流量控制阀、进液管、回液管及过滤网等。2.4储丝走丝部件主要零件强度计算齿轮传动比的确定钼丝最大直径选择0.2mm储丝筒每转一周，选择托板带动储丝筒移动0.21mm，丝杠螺距选择为2mm。所以储丝筒与丝杠间的齿轮传动比为：由于圆柱齿轮单级传动比应小于5，故采用两级传动，如图2.15所示。采用二级齿轮传动，取图2.15走丝原理丝速计算电极丝线速度的计算公式为n电——异步电机的转速r/minD—储丝筒直径mm据所选电动机Y802-6，可知n电为900r/min；D为175mm，所以在高速走丝（8~10m/s）范围之内。走丝部件的储丝筒每转一圈时其轴向移动的距离走丝部件的储丝筒每转一圈时，其轴向移动距离s的计算公式为a、b、c、d—齿轮的齿数；P丝=2mm，则齿轮齿数的确定取，由于齿轮齿根与轴上键距离不能为零。即由d=16mm查设计手册得：而代入上式得：取m=1.5则;取，则齿轮a与b之间的中心距：mm齿轮c与d之间的中心距：mm相关数据如下：mmmmmm；；传动件的计算根据公式其中N—该传动轴的输入功率其中—电机额定功率—从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积—该传动轴的转速r/min计算转速是传动件能传递全部功率的最低转速——每米长度上允许的扭转角（deg/m）取mm此轮模数的计算齿轮弯曲疲劳估算：mm齿面电蚀估算：mm其中为大齿轮的计算转速，A为齿轮中心距中心距A及齿数、求出模数mm取、中较大者mj=0.981，所以取m=1.52.5储丝走丝部件主要零件强度验算2.5.1齿轮强度的验算齿根危险截面的弯曲强度条件式—载荷系数，—齿宽系数，取0.5—使用系数，取1——载荷系数，取1.05—齿间载荷分配系数，—齿向载荷分布系数—小齿轮传递的转矩，查设计手册的：—载荷作用于齿顶时齿形系数—载荷作用于齿顶时应力校正系数查表得：则根据齿根危险截面的弯曲强度条件式计算得：—疲劳强度安全系数=1，=1.25～1.5—寿命系数，—齿轮的疲劳极限—实验齿轮的应力修正系数，=2.0MPa所以：式中:—区域系数，—弹性影响系数，，则，因此，所设计齿轮也满足齿面接触疲劳强度要求，齿轮设计合格2.6主轴组件结构设计轴承的配置形式一般来说数控机床的主轴结构的轴承有以下几种配置形式：（1）前后支撑均采用双列短圆柱滚子轴承来承受径向载荷，安装在前端的两个推力球轴承用来承受前后方向的轴向载荷。这种结构能承受较大的负载，可适应强力切削，但主轴转速不能太高，轴承在高转速时容易发热。由于推力球轴承安装在主轴前端，当主轴旋转时前轴承和后轴承温度差较大，热变形对主轴精度影响也较大。前轴承温度高，主轴前端升高量大，后轴承温度低，主轴末端升高量小，因此，这种机构目前应用较小。（2）前后支撑用双列短圆柱滚子轴承来承受径向载荷，用安装在主轴前端的双向向心推力轴承来承受轴向载荷。这种结构刚性较好。（3）前端承用单列向心推力球轴承，背靠背安装，由2～3个轴承组成一套，用以承受径向和轴向负载；后轴承用双列短圆柱滚子轴承。这种结构适应较高转速、较重切削负载，主轴精度较好。但所承受的轴向负载较前两种结构小。（4）前后支撑均采用单列向心推力球轴承，用以承受径向和轴向负载。这种结构适应高转速，中等负载的数控机床。在中小规格的数控机床上采用这种机构较多。本次设计主轴所采用的轴承支承方式为第四种。2.6滚动轴承的预紧，是指在安装时使轴承内部滚动体与套间，保持一定的初始压力和弹性变形，以减小工作载荷下轴承的实际变形量，从而改善支撑刚度、提高旋转精度的一种措施。轴承的预紧分轴向预紧与径向预紧，轴向预紧又包括定位预紧和定压预紧。本设计中轴承轴向预紧一般利用轴肩或端盖达到定压预紧；径向预紧则直接利用轴承和轴劲的过盈配合，使轴承内圈膨胀，以消除径向游隙并产生一定预变形。2.7进给传动设计2.7.1脉冲当量和传动比的确定（1）脉冲当量的确定目前，常用脉冲编码器兼做位置和速度反馈。步进电机每转动一周传感器发出一定数量的脉冲每个脉冲代表电机一定数量的脉冲，每个脉冲代表电机一定的转角。步进电机是以中国电脉冲控制的特种电机，对于每一个电脉冲步进电机都将产生一个恒定的步进角位移，每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角，可由选用的步进电机型号从技术数据表中查出。因此，每脉冲代表电机一定的转角，这个转角经齿轮副和滚珠丝杠使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行件（如工作台）的移距，称为脉冲当量或分辨率，记为，单位mm/脉冲。应根据机床或工作台进给系统所要求的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。此次设计的电火花线切割机对机床定位精度的设计要求是0.01mm，根据精度要求可确定脉冲当量为mm/脉冲。（2）传动比的确定设传动副的传动比为i，若为一级传动，则，、为主动齿轮的转速和齿数，、为被动齿轮的转速和齿数。若为多级传动，则i为总传动比。对于步进，当脉冲给你当量(mm/脉冲)确定，并且滚珠丝杆导程（mm）和电机步距角都也已初步选定后，则可用下式计主轴系统的传动比：2.7.（1）最大工作载荷计算滚珠丝杠上的工作载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体中立和作用于导轨上的其他切削分力相关的摩擦力，可用下列实验公式进行计算。对于滚珠导轨：式中：—工作台进给方向载荷—工作台垂直载荷—工作台横向载荷—移动部件的重力，取120—考虑颠覆力矩影响的实验系数—考虑颠覆力矩影响的摩擦系数，取0.005由于电火花线切割是电极丝放电进行加工，可以认为近似为零。所以：（2）最大动载荷C的计算及主要尺寸初选滚珠丝杠应根据断定动载荷选用，最大动载荷计算原理与滚动轴承相同。滚珠丝杠的最大动载荷应用下列公式计算：，，式中：—工作寿命，单位—丝杠转速，单位—最大切削力条件下进给速度，单位，可取最高进给速度的1/2～1/3—丝杠基本导程，单位mm—额定使用寿命，取—运转状态系数，无冲击取1～1.2，一般情况1.2～1.5，有冲击振动取1.5～2.5所以：根据以上计算查《机械设计手册》可以初步选取CDM3204。传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率η为λ—丝杠螺旋升角；—摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003～0.004，摩擦角约为.所以得2.7.3滚珠丝杠已由专门工厂制造，因此，不用我们自己设计制造，只要根据使用工况选择某种类型的结构，再根据载荷，转速等条件选四个呢合适尺寸型号并向有关厂家订购。此次设计中滚珠丝杠被三次选用，故本人只选取其中最重要的主轴传动中的滚珠丝杠进行设计和校核。首先对下列参数进行说明：轴向变载荷，其中i表示第i个工作载荷，；第i个载荷对应的转速第i个载荷对应的工作时间丝杠副最大移动速度丝杠预期寿命（1）型号选择①根据使用和结构要求选择滚道截面形状，滚珠螺母的循环方式和预紧方式。②计算滚珠丝杠副的主要参数a.根据使用工作条件，查得载荷系数，b.计算当量转速c.计算当量载荷d.初步确定导程取4mme.计算丝杠预期工作转速Lnf.计算丝杠所需的额定载荷③选择丝杠型号根据初定的和计算得，选取导程为4mm，额定载荷大于的丝杠。所选丝杠型号为CDM3204。其为外循环双管式，双螺母垫片预紧，导珠管埋入式系列滚珠丝杠。（2）临界转速校核r/minr/min即合格。（3）由于此丝杠是竖直放置，且其受力较小，温度变化较小，所以其稳定性、温度变形等都肯定符合条件，就不在详细说明。（4）滚珠丝杠的预紧预紧力一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一。即：其相应的预紧转矩2.8步进电机的选用步进电动机又称脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。具有以下四个特点：①转速（或线速度）与脉冲频率成正比；②在负载能力允许的范围内，不因电源电压，负载，环境条件的波动而变化；③速度可调，能够快速起动，制动和反转；④定位精度高，同步运行特性好。数控电火花线切割机的动力系统要求电动机定位精度高，速度调节方便快捷，受环境影响小，且额定功率小，并且可用于开环系统。而BF系列步进电动机为反应式步进电动机，可以满足以上要求，我们选用了型号为75BF003的电动机。选用时主要有以下几个步骤：根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号步距角初选步进电机型号，并从手册中查到步距角，由于综合考虑，我初选了可满足以上公式。距频特性步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩最大静转矩的关系是：步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算：式中：为空载启动力矩；为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；为由于丝紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。且初选电机型号时应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即：计算的各项力矩如下：a．力矩kg.m2b.空载摩擦力矩附加摩擦力矩启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。前面提出的，仅仅是指初选后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢失。因此，还要对启动矩频特性进行校核。步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的，因此很少用。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩中的加速力矩不会很大。一般不会发生丢步现象。3控制系统的设计3.1控制系统总体方案的拟订机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。控制系统的控制对象主要包括各种机床，如车床、铣床、磨床等。控制系统的基本组成如下图所示：图3.1控制系统总体方案3.2总控制系统硬件电路设计3.2.1单片机的设计（1）MCS-51系列单片机的设计MCS-51系列单片机的所有产品都含有8051除程序存储器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源（程序存储器、数据存储器、I/O、定时/计数器及一些其他特殊部件）。在控制系统设计中，我们采用的是8031，8031可寻址64KB字节程序存储器和64KB字节数据存储器。内部没有程序存储器，必须外接EPROM程序存储器。8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分为三个部分。a.电源及时钟引脚此部分引脚包括电源引脚。Vcc、Vss及时钟引脚XTAL1、XTAL2电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc（40脚）：接+5V电源。Vss（20脚）：接地。时钟引脚（18、19脚）：外接晶体时与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。（19）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。（18）：接外部晶体的另一端，。在单片机内部接至反相放大器的输出端。若采用外部晶体振荡器时，该引脚接受振荡器的信号，即把信号直接接至内部时钟发生器的输入端。b.控制引脚它包括RST、ALE、等。此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复用功能。RST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。复位后应使此引脚电平为的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。当下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内时，VPD就向内部RAM提供备用能源。ALE/（30脚）：当单片机访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即使不访问外部存储器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。但是，每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载。（29脚）：此输出为单片机内访问外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器指令（或常数）期间，每个机器周期两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号不出现。同样可以驱动8个TTL负载。（31脚）：当端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存储器，但当PC值超过某值时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当端保持低电平时，则不管是否有内部程序存储器而只访问外部程序存储器。对8031来说，因其无内部程序存储器。所以该引脚必须接地，既此时只能访问外部程序存储器。c.输入/输出引脚输入/输出（I/O）接口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口（P0.0-P0.7）：为双向8为三态I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。P1（P1.0-P1.7）：为8位准双向I/O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入口时，锁存器必须置1），可驱动4个TTL负载。P2（P2.0-P2.7）：为8位准双向I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载，一般作为扩展时地址总线的高8位使用。P3（P3.0-P3.7）：为8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。（2）MCS-51单片机的时钟电路时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，MCS-51片内有一个反相放大器，引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端，该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器，产生的时钟送至单片机内部的各个部件。单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式两种，大多单片机应用系统采用内部时钟方式。图3.2内部时钟时钟电路最常用的内部时钟方式采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路，不论是HMOS还是CHMOS型单片机，其并联谐振回路及参数相同。如图3.2所示。MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2MHZ-24MHZ之间可以选择，一般取11.0592MHZ。电容C1、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。C1、C2可在20PF-100PF之间选择，一般当外接晶体时典型取值为30PF，外接陶瓷谐振器时典型取值为47PF，取60PF-70PF时振荡器有较高的频率稳定性。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振器和电容应尽量靠近单片机引脚安装，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。（3）MCS-51单片机的复位电路计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，单片机的复位都是靠外部电路实现的，MCS-51单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现两个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，MCS-51便保持复位状态。此时ALE，，P0口、P1口、P2口和P3口都输出高电平。RST变位低电平后，退出复位状态，CPU从初始状态开始工作。复位操作不影响片内RAM的内容。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。通常因为系统运动等的需要，常常需要人工按钮复位，如图3.3所示：图3.3复位电路对于CMOS型单片机因RST引脚的内部有一个拉低电阻，故电阻R2可不接。单片机在上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST端保持两个机器周期上的高电平（因为振荡器从起振到稳定大约要10ms），就能使单片机有效复位，当晶体振荡频率为12MHZ时，RC的典型值为。简单复位电路中，干扰信号易串入复位端，可能会引起内部某些寄存错误复位，这时可在RST引脚上接一去耦电容。上图那上电按钮复位电路只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路，按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平，从而使单片机复位。3.2.2系统的扩展在以8031单片机为核心的控制系统中必须扩展程序存储器，用以存放控制程序。同时，单片机内部的存储器容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存储器。这种扩展就是配置外部存储器（包括程序存储器和数据存储器）。另外，在单片机内部虽然设置了若干并行I/O接口电路，用来与外围设备连接。但当外围设备较多时，仅有几个内部I/O接口是不够的，因此，单片机还需要扩展输入输出接口芯片。（1）程序存储器的扩展MCS-51系列单片机的程序存储器空间和数据存储器空间是相互独立的。程序存储器寻址空间为64KB（0000H-0FFFH），8031片内不带ROM，所以要进行程序存储器的扩展。用作程序存储器的常用的器件是EPROM。由于MCS-51单片机的P0口是分别复用的地址/数据总线，因此，在进行程序存储器扩展时，必须用地址锁存器锁存地址信号。通信地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373。当用74LS373作为地址锁存器时，锁存器G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。根据应用系统对程序存储器容量要求的不同，常采用的扩展芯片扩展EPROM2716（2KB×8）、2732A（4KB×8）、2764A （8KB×8）、27128A（16KB×8）、27256A（32KB×8）和27512（64KB×8）等。以上6种EPROM均为单一+5V电源供电，维持电流为35mA—40mA，工作电流为75mA-100mA，读出时间最大为250ns，均有双列直插式封装形式，A0-A15是地址线，不同的芯片可扩展的存储容量的大小不同，因而提供8位地址的P2口线的数量个不相同，故2716为A0-A10，27512为A0-A15；D0-D7是数据线；CE是片选线，低电平有效；CE是数据输出选通线；Vpp是编程电源；Vcc是工作电源，PCM是编程脉冲输入端。根据程序存储器扩展的原理，以EPROM和锁存器74L373为例对8031单片机进行程序存储器的扩展。因为2764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址线，A0-A12。如果只扩展一片程序存储器EPROM，故可将片选端CE直接接地。下图为扩展两片EPROM的连接方法。同时，8031运行所需的程序指令来自2764A，要把其EA端接地，否则，8031将不会运行。图3.42764的扩展电路（2）数据存储器的扩展8031单片机内部有128个字节RAM存储器。CPU对内部的RAM具有丰富的操作指令。但在用于数据采集和处理时，仅靠片内提供的128个字节的数据存储器是远远不够的。在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能，扩展外部数据存储器。数据存储器只使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存储器与程序存储器可完全重叠，均为0000H-FFFFH，但数据存储器与I/O口与外围设备是统一编址的，即任何扩展的I/O口以及外围设备均占用数据存储器地址。8031的P0口为RAM的复用地址/数据线，P2口用于对RAM进行页面寻址（根据其容量不同，所占的P2端口不同，在对外部RAM读/写期间，CPU产生RD/WR信号。在8031单片机应用系统中，静态RAM是最常用的，由于这种存储器的设计无须考虑刷新问题，因而它与微处理器的接口很简单。最常用的静态RAM芯片有6116（2KB×8）和6264（4KB×8）。单一+5V供电，额定功耗分别为160mW和200mW，典型存取时间均为200ns，均有双列之插式封装，管脚分别为24和20线。图3.5是6264与8031的连接图。从图可知：6264的片选接8031的P2.7，第二片选线接高电平，保持一直有效状态。因为6264是8KB容量的RAM，故用到了3根地址线。6264的地址范围为0000H-7FFF。对于一个完整的应用系统，必须具备一定容量的程序存储器和一定容量的数据存储器。8031单片机外部扩展两片2764EPROM和两片6264静态RAM。程序存储器2764的地址为：0000H-1FFFH。数据存储器6264的地址为0000H-7FFFH。图3.56264的扩展电路（1）I/O的扩展MCS-51系列单片机大多具有四个8位I/O口（即P0口、P1口、P2口和P3口），原理上这四个I/O口均可用作双向并行I/O接口。但在实际应用中，P0口常被用作为数据总线和低8位地址总线使用，P2口常被用作为高8位地址总线使用，P3口某些位又常用它的第二功能，特别是无ROM型的单片机因必须扩展外部程序存储器，则更是如此。所以，若一个MCS-51应用系统需连接较多的并行输入/输出的外围设备（如打印机、键盘、显示器等），单片机本身所提供的输入输出口不能满足，就不可避免地要扩展并行I/O接口。常用的MCS-51并行I/O接口扩展方法主要有四种：采用可编程的并行接口电路，如8255A；采用可编程的RAM/IO扩展器，如8155；采用TTL或CMOS电路的三态门、锁存器，如74LS377、74LS373、74LS244；利用MCS-51的并行扩展并行I/O接口。①.8255A可编程外围并行I/O接口8255A可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。在单片机的I/O口扩展8255芯片，其接口相当简单，如图3.6所示:图3.68255的扩展电路图图中8255的分别与MCS-51的相连；8255的D0-D7直接MCS-51的P0口。片选信号CS口及地址选择线A0、A1分别由8031的P0.0、P0.1、P0.2经地址锁存器后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的复位端与8031的复位端相连，都接到8031的复位电路上。在实际的应用系统中，必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应的控制字写入操作口。8522接口芯片在MCS-51单片机应用系统中广泛用于连接外部设备，如打印机、键盘，显示器以及作为控制信息的输入、输出口。②.8155可编程外围并行I/O接口8155/8156芯片内包含有256个字节RAM，2个8位和一个6位的可编程并行I/O口，一个14位定时器/计数器。8155/8156可直接与MCS-51单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。由于8031单片机外接一片8155后，就综合地扩展了数据RAM、I/O端口和定时器/计数器。因而是MCS-51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。在8155的控制逻辑部件中，设置一个控制命令寄存器和一个状态标志寄存器。8155的工作方式由CPU写入控制命令寄存器中的控制字来确定。控制命令寄存器只能写入不能读出，8位控制命令寄存器的低4位用来设置A口、B口、C口的工作方式。第4、5位用来确定A口、B口以选通输入输出方式工作时是否允许中断请求。第6、7位用来设置定时器/计数器的操作。8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或选通方式，C口可作为输入输出口线，也可作为A口、B口选通方式工作的状态控制信号。其工作情况与8255方式0、方式1时大致相同，控制信号的含义也基本相同。另外，在8155中还设有一个状态标志、寄存器，用来存放A口和B口的状态标志。状态标志寄存器的地址与命令寄存器的地址相同，CPU只能读出，不能写入。8155中还设有一个14位的定时器/计数器，可用来定时或对外事件计数，CPU可通过程序选择计数长度和计数方式。计数长度和计数方式由输入计数寄存器的计数控制字来确定。MCS-51单片机可以和8155直接相连而不用任何外加逻辑,MCS-51单片机扩展一片8155可以为系统增加256字节外RAM,22根I/O接口及一个14位定时器.图3.7为8155与8031的一种接口逻辑,图中P2.7连片选信号CE,P2.0连IO/M,所以8155的RAM的地址为7E00H-7EFFH;I/O寄存器地址分别为:命令/状态字寄存器地址7F00H,PA口地址为7F02H,PB口地址为7F03H,定时器/计数器低字节寄存器地址为7F04H,定时器高字节寄存器地址为7F05H.图3.78155的扩展电路图3.2.3键盘、显示器接口设计(1)矩阵式键盘接口设计矩阵式键盘适用于按键较多的场合,它由行线和列线组成,按键位于行、列交叉点.如一个4×4的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘等等.在按键数量较多时,矩阵键盘比独立键盘节省了很多I/O口.按键设置在行、列线分别连接到按键开关两端..行线通过上拉电阻接到+5V上.平时无按键动作时,行线处于高电平状态,而当有按键按下时,行线电平状态将由此行线相连的列线电平决定.列线电平如果为低,则行线电平为低;列线电平为高,则行线电平亦为高.这一点是识别矩阵键盘是否按下的关键所在.由于矩阵键盘中行、列线为多键共用,各按键均影响该键所在的行和列电平.所以,必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理,才能确定闭合键的位置.对于矩阵式键盘,按键的位置由行号和列号唯一确定,所以分别对行号和列号进行二进制编码,然后将两值合成一个字节,高4位是行号,低4位是列号将是非常直观的.(2)显示器接口设计在单片机系统中,常用的显示器有:发光二极管显示器,简称LED.LED是显示块由发光二极管显示字段组成.,有七段和”米”字型之分,一片显示块显示一位字符.共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起,通常此公共阴极接地,当某个发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管亮,相应的段被显示.由于七段LED显示块有7段发光二极管,所以其字型码为一个字节;”米”字型LED显示块有15段发光二极管,所以字型码为两个字节.由n片LED显示块可拼接成n位LED显示器,共有n根位选线和8×n根段选线,根据显示方式不同,位选线和段选线的连接也各不相同,段选线控制显示字符的字型,而位选线则控制显示位的亮、暗.LED显示器有静态显示器和动态显示器两种方式.在多位LED显示时,为了节省I/O口线,简化电路,降低成本,一般采用动态显示方式.动态显示方式是一位地分别轮流点亮各位显示器,对每位显示器来说,每隔一段时间轮流点亮一次.显示器的亮度既与导通电流有关,也与点亮和熄灭时间的比例有关.这种显示方式将七段LED显示器的所有段选位并联在一起,由一个8位I/O口控制,实现各位显示器的分时选通.下图是LED显示器采用共阴极方式,6个显示器的段码由8155的PB口提供,位选码由8155的PA口提供(PA口同时也提供行列式未编码键盘的列线),行列式未编码键盘的行线由PC口提供.图中设置了36个键.如果继续增加PC口线,设全部PC口线(PC0-PC5)用作键盘的行线,全部PA口线(PA0-PA7)作键盘列线,则按键最多可达8×6个.图3.8中8155的PB口扫描输出总是只有一位为高电平,即PB口经反相后仅有一位公共阴极为低电平,8155的PA口则输出相应位(PB口输出为高对应的位显示器)的显示数据,使该位显示与显示缓冲器相对应的字符,而其余各位均为熄灭,依次改变8155的PB口输出为高的位,PB口输出对应的显示缓冲器的数据.图3.8显示器接口电路3.2.4步进电机控制电路设计(1)步进电机开环驱动原理每输入一个脉冲,步进电机就前进一步,因此,它也称作脉冲电动机.其种类很多,但主要分三大类:反应式步进电动机,永磁式步进电机,以及永磁感应式步进电机.反应式电动机结构最简单,是应用最广泛的一种.按控制绕组的相树分有三相、四相、五相和六相等等.无论哪种步进电动机,他们的工作原理都有相同之处:数字式脉冲信号控制定子磁极上的控制绕组,按一定顺序依次通电,在顶子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转.步进电动机主要用于开环系统,当然也可以闭环系统.图3.9是步进电动机开环伺服系统的原理图,它由以下几部分组成:图3.9步进电机开环伺服系统原理图脉冲信号源—是一个脉冲发生器,通常脉冲频率连续可调,送到脉冲分配器的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制.因脉冲频率可调,也称为变频信号源.脉冲分配器—脉冲按一定的顺序送到功率放大器中进行放大,驱动步进电动机工作.用硬件进行脉冲顺序的分配,有时称为环行分配器,也简称环分.功率放大器—将脉冲分配器送来的脉冲放大,是步进电动机获得必要的功率.步进电动机—伺服系统的执行元件,它带动工作机构,如减速装置,丝杠,工作台.(2)脉冲分配对每一个五相步进电动机而言,其脉冲分配方式是五相十拍的,其五相分别用A、B、C、D、E表示.五相十拍的运行形式是A—AB—B—BC—C—CD—D—DE—E—EA顺序轮流通电,则转子便顺时针方向一步一步转动.要改变步进电动机的转动方向.只需改变通电的顺序即可.脉冲分配器是将脉冲电源按规定的通电方式分配到各相,该分配可由硬件来实现.在微机控制中,脉冲的分配也可由软件来完成,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4五位分别输出时序脉冲,经光电隔离、驱动放大使步进电机运转,延时的长短决定了步进电动机运行一拍的时间,也就决定了步进电机的转速.(3)驱动电路由微机根据控制要求发出的脉冲,并依次将脉冲分配到各相绕组,因其功率很小,电压不足5V,电流为mA级,必须经过驱动器将信号放大到若干安培,才能驱动步进电动机.因此,步进电动机实际上是一个功率放大器,驱动器的质量直接影响步进电动机的性能,驱动器的负载是电机的绕组,是强电感应负载.对驱动器的主要要求是:失真要小,要有较好的前后沿和足够的幅度;效率要高;工作可靠;安装调试和维修方便.图3.10是一个La绕组的高低压驱动电路,脉冲变压器Tp组成高压控制电路。图3.10放大电路图无脉冲输入时,T1,T2,均截止,电机绕组La中无电流通过,电机不转.有脉冲输入时,T1饱和导通,在T2由截止到饱和期间,其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加,在变压器次级感应一个电压,使T3导通,80V高压经高压管T3加到绕组La上,使电流迅速上升,约经数百微妙,当T2进入稳压状态后,初级电流暂时恒定,次级的感应电压降到0;T3截止,这时12V低压电流经D2加到绕组La上,维持La中的电流为恒定值.输入脉冲结束后,T1,T2,T3,T4又截止,储存在La中的能量通过18的电阻的作用是减小放电回路的时间常数,改善波形后沿.由于采用高低压驱动,电流增长快,电机的力矩和运行频率都得到改善,但由于电机转动时产生的反电动势,使电流波形顶部下凹,使平均电流下降,转矩下降.3.2.5光电隔离电路设计为了避免外部设备的电源干扰,防止被控对象电路的强电反窜,通常采用将微机的前后向通道与被连模块在电气上的隔离的方法.过去通常隔离变压器或中间继电器来实现,而目前已广泛被性能高、价格低的光电耦合器来代替.光电耦合器是把发光元件与受光元件封装在一起,以光作为媒体来传输信息的.其封装形式有管形,双列直插式、光导钎维连接等.发光器件一般为砷化镓红外发光二极管.光电耦合器具有以下特点:（1）信号采取光电形式耦合,发光部分与受光部分无电气回路,绝缘电阻高达1010～1012Ω,绝缘电压为1000～5000V,因而具有极高的电气隔离性能,避免输出端和输入端之间可能产生的反馈和干扰.（2）由于发光二极管是电流驱动器件,动态电阻很小,对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路,因此抗干扰能力强,共模抑制比高,不受磁场的影响,特别是用于长线传输时作为终端负载,可以大大地提高信噪比.（3）光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号,且响应速度快(一般为几毫秒,甚至少于10ns),可以用于高速信号的传输.下图的光电耦合器是采用硅光电二极管作受光元件.其CTR为10%-100%,脉冲上升和下降时间小于5,输出电路饱和压降小(0.2V-0.3V),电路构件简单,是目前应用较多的一种,主要用于驱动TTL电路、传输线隔离、脉冲放大等.晶体管输出型的光电耦合器用于开关信号耦合时,发光二极管和光电晶体管平常都处于关断状态.在发光二极管通过电流脉冲时,光电晶体管在电流脉冲持续的时间内导通。图3.11是使用4N25光电耦合器的接口电路,这里4N25起到耦合脉冲信号和隔离单片机8031系统与输出设备电气回路的作用,使两部分的电流相互独立。输出部分的地线Vss接地壳或大地,而单片机的电源地线(GDP)浮空,这样可以避免输出部分电源变化对单片机电源的影响。图3.11光电隔离电路3.2.6其他接口电路设计面板操作键和功能选择开关:面板操作键与8255的PB口接口电路.图中SB1-SB2为手动操作进给键，分别完成人工操作的、、的进给。运行时按下此键，可中断程序的运行。回零，使工具电极沿X轴、Y轴、Z轴回到机械零点。功能选择开关SA为一个单刀7掷波段开关，它与系统的8255PA口相连。用于连续、单步、自动、手动、暂停、启动等功能的选择。参考文献[1]宋昌才.数控电火花加工培训教材[M].北京：化学工业出版社，2008[2]罗学科.数控电加工机床[M].北京：化学工业出版社，2003

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