毕业设计（论文）-三辊卷板机设计

毕业设计说明书摘要本次毕业设计是采用计算机控制三辊卷板机，达到提高精度和生产效率的目的。要求操作时，输入材料的厚度、材质、曲率、弧长参数设备实现自动加工，调整辊的位置及速度实现自动加工。传统形式的卷板机，由于其消耗功率大、工作条件恶劣，因此普遍采用强电控制、手动操作的方式进行生产。在板材加工成形过程中，操作人员必须通过不间断地手工调整上辊向下的位移量来达到所要求板材的曲率半径，此过程位移量不易测得，操作者须得凭借以往经验，经过反复调整也只能达到一个近似值，没有建立起上辊下降的位移量与成形板材曲率半径之间的函数关系，以及其他参数之间的相互关系，这种生产模式效率低，难以保证加工精度的一致性，已经远远不能满足市场对数量与质量的要求，直接影响了生产效率和加工精度。本文阐述了三辊数控卷板机的设计方案，该数控系统以通用工控机为基础，采用液压系统驱动和步进电机控制。采用数字控制系统完成对卷板机运动部件的位置控制，以及各种辅助操作的动作控制，实现了卷板工艺过程的自动化，使系统具有更好的适应性，缩短了加工周期，提高了生产效率。关键词：卷板机；数控系统；电动机；减速器；键；齿轮

PopulationandthemechanicalpartdesignofRollingmachineAbstractThegraduationprojectisthesubjectofthreeroll-bendingmachineusingcomputercontroltoimprovetheaccuracyandefficiencypurposes.Operationalrequirements，theimportationofmaterialthickness，materialquality，curvature，arclengthequipmentparameterscanbeautomaticallyprocessed，adjustingtherollofthelocationandspeedtoautomaticprocessing.Traditionalformsofplate-bending，duetoitslargeconsumptionofpower，poorworkingconditions，strong，commoncontrol，manualoperationoftheformofproduction.Intheprocessofformingsheetmetalprocessing，operatorsmustcontinuallyadjustthemanualroll-downdisplacementofsheetmetaltoreachtherequiredradiusofcurvature，thisprocessofdisplacementnotmeasured，theoperatormustbeobtainedbyvirtueofpastexperience，afterrepeatedAdjustmentscanonlyreachaapproximation，doesnotestablisharollerfellonthedisplacementandsheetmetalformingbetweentheradiusofcurvatureofthefunction，aswellasotherparametersoftheinterrelationshipbetween，thelowefficiencyofthismodeofproduction，processingitisdifficulttoguaranteetheaccuracyofthesame，Hasbeenfarfrommeetingthemarketonthequantityandqualityrequirements，adirectimpactontheproductivityandprecisionmachining.Thispaperdescribesthethree-bendingrollCNCmachinedesign，theNCsystembasedonuniversalIPC，ahydraulicsystemdrivenandsteppermotorcontrol.Useofdigitalcontrolsystemwascompletedonthecoilingmachinemovingpartsofthepositioncontrol，andvarioussupportingtheoperationofmotorcontrolandrealizedtheCoilprocessautomation;thesystemhasbetteradaptationtoshortentheprocessingcycle，increasedproductionefficiency.Keywords:Rollingmachine；NC；Motor；Decelerator；Key；Gear

目录1引言 12卷板机功能简介 12.1卷板机工艺过程 22.2卷板机类型及发展状况 23本课题要解决的问题 34总体设计方案的确定 44.1卷板机总体设计 44.2弯板工艺的建模 54.3弯板工艺过程的制定 55卷板机力学模型的建立 65.1弯板过程中的力学分析 65.2克服板材的挠曲变形抗力 65.3板材的弹性和塑性变形抗力 76卷板机机械部分的设计 96.1工作辊的设计 106.1.1上辊力学分析 106.1.2主参数确定 126.1.3计算分析结论 136.2几何参数的确定 136.2.1弹复前的曲率半径 136.2.2上辊压紧工件的下移量 146.2.3下辊中心距和下辊直径的选取 146.2.4钢板理论筒体半径R和上辊压下量h之间的关系 146.2.5卷板机轴辊受力分析 156.3步进电机的选型 166.3.1步进电机的控制原理 166.3.2步进电机的主要特性 176.3.3步进电机相关计算 176.4减速器的选择 196.5轴承的选择 206.6联轴器的选择 207液压驱动部分的设计 217.1上辊液压系统设计 217.1.1上辊升降液压系统设计 227.1.2上辊平衡机构液压系统设计 227.2翻倒装置的设计 237.2.1卷板机机架翻倒装置及其作用 237.2.2卷板机机架翻倒装置液压系统设计 248数控卷板机控制部分设计 258.1微机控制系统的分析 258.2硬件部分设计 268.3主控制器CPU的选择 278.4硬件控制子程序设计 298.4.1系统管理程序设计 298.4.2步进电机控制子程序和中断服务程序 308.4.3键盘扫描子程序设计 328.5总体控制框图 339数控系统的软件设计 3310结论 34致谢 35参考文献 36外文资料 37

1前言数控技术作为二十一世纪普遍推广的崭新生产制造方式，将对提高生产模式效率，保证加工精度产生重大影响。将会大大提高企业形象，增强企业的竞争优势。近年来随着数控技术的迅速发展，特别是工控机的广泛应用和开放体系结构的提出，使得大型卷板设备数控化成为可能。卷板机是一种将金属板材卷弯成筒形、弧形、锥形或其他形状制件的通用设备，根据三点成圆的原理，利用工作辊相对位置变化和旋转运动使板材产生连续的塑性变形，以获得预定形状的制件[1]。近年来，随着石油化工、原子能、造船、宇航、水电、汽车制造、铁路运输及建筑等行业的迅速发展，对于各种形状，规格以及高精度要求的板材制件的需求量也随之急速增加。卷板机在我国已形成一定的规模，其制造水平也在不断的提高。但目前国内生产的数控卷板机，由于其消耗功率大、工作条件恶劣，因此普遍采用强电控制、手动操作的方式进行生产。这种生产模式效率低，难以保证加工精度的一致性，已经远远不能满足市场对数量与质量的要求。因此，数控技术迅速发展，广泛应用于卷板设备生产当中。目前，国外已有商品化数控卷板机上市，国内也开始生产采用数字控制的卷板机，但无论是国外产品还是国内产品，从数控技术的实现上看，都还未达到令人满意的效果，还不能根据坯料的材质、尺寸等，自动计算加工全过程的各种参数，而是需要较多的人工干预[2]。针对上述一些问题，本文结合对以往三辊卷板机的功能和结构的分析和研究，提出了该卷板机数控系统设计方案以及其中一些技术问题的解决方法，并对驱动系统进行了液压伺服设计，用数控系统直接控制液压系统，具有一定的柔性，适应生产加工过程的需要。2卷板机功能简介在工业生产中，金属板材的压制成形是比较常见的加工过程，而卷板机是应用非常普遍的板料加工成形设备，是锅炉、造船、石油化工、水泥、电机及机器制造业中主要设备之一。在常温状态下，卷板机即可将金属板弯曲成圆柱形或其一部分。同时，这种设备的使用，大大减轻了车间工人的劳动强度，提高了企业的效益。卷板机按卷板厚度大体可分为二类，一类为小型薄板卷板机，另一类为中厚板大型卷板机；又可按成型辊数量分为三辊和四辊卷板机。四辊机结构复杂，且价格高，体积大，耗电多。而三辊式卷板机设备结构简单，投资较少，适合于多品种板材的加工生产。2.1卷板机工艺过程卷板是卷板机对板料进行连续三点弯曲成形的过程。本设计采用的是对称式三辊卷板机。三辊式对称卷板机的特点是上辊在两下辊中央对称位置作垂直升降运动，两下辊作旋转运动。由于轧机的三辊是对称式的，在弯曲成型过程中，板材前后受力相对均匀，因此能够较好的解决钢板的弹复问题和精度问题。在轧机卷取钢板时，由于上辊的压力，使支承在两个下辊上的板材形成三点弯曲，因此板材的成型过程可以看成是三辊卷板机对板材做连续的三点弯曲的过程，是通过上辊向下移动时所产生的压力来实现的[3]。加工时将被加工板材的一端送入三辊卷板机的上、下轧辊之间，然后对上辊施加一向下的位移，使位于下方的板材部分因受压而产生一定的塑性弯曲变形。当下辊被驱动作回转运动时，由于板材与轧辊之间存在摩擦力，所以，当轧辊转动时板材也就沿其纵向运动。当板材依次通过上辊的下方即变形区时，应力超过屈服极限，则将产生塑性变形，板材也就获得了沿其全长的塑性弯曲变形。适当调整轧辊之间的相对位置，就可以把板材弯成半径不小于上辊半径的任意值。2.2卷板机类型及发展状况目前，卷板机的设计理论基本成熟、产品已系列化，仍需研究的问题是在现有的工艺装备条件下，如何提高设计效率，缩短设计周期。卷板机的设计方向，逐步由单一的、手工操作的机械式向数字化控制式发展，逐步实现卷板机自动化控制。(1)机械式三辊卷板机。该机械式三辊卷板机结构形式为三辊对称式，上辊在两下辊中央对称位置通过锥齿轮传动作垂直升降运动，通过主减速机的末级齿轮带动两下辊齿轮啮合作旋转运动，为卷制板材提供扭矩。规格平整的塑性金属板通过卷板机的三根工作辊之间，借助上辊的下压及下辊的旋转运动，使金属板经过多道次连续弯曲，产生永久性的塑性变形，卷制成所需要的园筒、锥筒或它们的一部分。采用机械式机动翻倒装置，全密闭设计，防止灰尘进入，钢焊接结构，设备刚性强，并采用计算机有限元计算分析法进行优化设计计算；同时省电节能，耗电量只有同类产品的一半；该机械式三辊卷板机缺点是板材端部需借助其它设备进行预弯。(2)液压式三辊卷板机。

该卷板机的上辊在两下辊中央对称位置通过液压缸内的液压油作用于活塞作垂直升降运动，通过主减速机的末级齿轮带动两下辊齿轮啮合作旋转运动，为卷制板材提供扭矩。规格平整的塑性金属板通过卷板机的三根工作辊之间，借助上辊的下压及下辊的旋转运动，使金属板经过多道次连续弯曲，产生永久性的塑性变形。该液压式三辊卷板机缺点是板材端部需借助其它设备进行预弯。该机适用于卷板厚度在50mm以上的大型卷板机，两下辊下部增加了一排固定托辊，缩短两下辊跨距，从而提高卷制工件精度及机器整体性能。(3)TC上辊数控万能式三辊卷板机。其能高精度的端部预弯，自由地设定直边长度，上辊直接加压预弯，能够完成高精度的端部预弯。通过NC控制，高的生产效率卷制制品工艺参数NC化，操作简单，效率大幅度提高。制品精度超群，上辊呈鼓形状，下辊的下部有托辊配合调节，连续弯曲，从薄板到厚板这一广泛的范围内能够卷制理想的制品。其两下辊固定，上辊上下、左右移动，工件不随工作辊移动，作业者安全。TC上辊数控万能式三辊卷板机为整体式结构，基础简单，移动方便设备采用整体式底盘，毋需地脚螺栓，基础简单，移动作业场所方便。弧线下调式三辊卷板机是近年发展起来的一种新型设备，在我国的使用状况却不容乐观。(4)弧线下调式三辊卷板机。此结构形式的卷板机是90年代发展起来的新型设备。由于结构新颖、受力合理和功能多而得到推广。于1992年从瑞典引进该技术，并一举试制成功，填补了国内空白。弧线下调式三辊卷板机的两个下辊可以单独弧线升降。操作时将一个下辊升至夹紧板料，另一个下辊处于下部起托扶作用，即构成非对称式三辊卷板机，实现板料一端的预弯。将预弯板料成形的一侧下辊降，另一侧的下辊升，就构成了预弯板料另一端的非对称式三辊卷板机。因此，弧线下调式三辊卷板机是两台非对称式三辊卷板机的组合，具有一次上料无需调头完成板料两端预弯和卷圆成形的功能。该产品具有广泛的市场和发展前景，被越来越多的用户所接受。使该设备在弯曲校正等行业发挥其重要作用。随着社会各行业的迅速发展，对卷板机的设计和功能也提出了更高的要求。虽然许多卷板机实现了NC控制，提高了加工效率和精度。但是实际使用中还存在一些问题，例如：系统的稳定性不高，同步精度不高，以及加工效率和精度不能完全满足一些加工单位的要求等。因此目前卷板机的数控化改造，已经成为卷板机设计研发的重点和发展方向，从而能够满足不同生产加工单位的具体需求，以适应市场对卷板机加工效率和精度的发展要求[4]。3本课题要解决的问题该设计的题目是将三辊卷板机用计算机控制，达到提高精度、效率的目的。要求操作时，输入材料的厚度、材质、曲率、弧长参数设备既可以实现自动加工；调整辊的位置及速度用计算机控制。传统形式的卷板机，由于其消耗功率大、工作条件恶劣，因此普遍采用强电控制、手动操作的方式进行生产。在板材加工成形过程中，操作人员必须通过不间断地手工调整上辊向下的位移量来达到所要求板材的曲率半径，此过程位移量不易测得，操作者须得凭借以往经验，经过反复调整也只能达到一个近似值，没有建立起上辊下降的位移量与成形板材曲率半径之间的函数关系，以及其他参数之间的相互关系，这种生产模式效率低，难以保证加工精度的一致性，已经远远不能满足市场对数量与质量的要求，直接影响了生产效率和加工精度。4总体设计方案的确定4.1卷板机总体设计该三辊数控卷板机的设计，其数控系统以通用工控机为基础，采用数字控制系统完成对卷板机运动部件的位置控制，以及各种辅助操作的动作控制，实现了卷板工艺过程的自动化。该设计方案的机械部分主要由工作辊、机架、传动系统和机座组成。三个工作辊采用对称式分布结构，两个下辊为主动辊，采用步进电机进行控制，它们的位置固定，通过减速器输出轴带动其同时旋转，两辊相对位置间距固定。其上辊为从动辊，可以进行垂直方向上位置的调节，其运动由液压伺服系统实现驱动，通过控制流量的大小从而实现上辊升降位移的控制。该设备一侧安装有倾倒机架，称为设备的倾倒侧；另一侧安装有传动系统，称为设备的传动侧。传动侧的平衡机构和倾倒侧的倾倒啊机构设计的目的均是为了方便卸下卷制成形的筒件。通过采用液压系统驱动翻倒机构液压缸和平衡机构液压缸。该设计系统具有更好的适应性，功能强大，提高了卷板机加工精度，缩短了加工周期以及提高了生产效率。图1卷板机总体机构图底座2.矮机架3.翻倒液压缸4.翻倒机架5.升降液压缸6.上辊7.下辊8.固定机架9.减速器10.平衡机构11.电动机12.液压站4.2弯板工艺的建模对卷板机数控化改造的目的就是实现卷板过程的自动化，建立上辊下降的位移量与成形板材曲率半径之间的函数关系，由操作人员输入卷圆筒的直径、板材的材料及修正系数，然后由数控程序自动计算出各个辊在各卷板工艺阶段的位移量及转速，控制三个辊的相互协调运动，自动完成加工。要实现自动加工就必须对卷板工艺过程进行建模[5]。为了方便加工人员学习和操作该系统，形象直观地了解弯板工艺过程，卷板机数控系统的软件设计采用开放式的结构体系。通过设立人机交互界面，建立人机交互功能。将数控系统的操作界面显示在屏幕上，为数控系统的操作者提供一个直观的操作环境，这是数控系统软件的主要部分。该部分主要包括程序编辑人机界面、加工参数输入和修改人机界面、加工模拟人机界面和在线帮助人机界面，具有很好的人机交互性，在人机界面部分采用主菜单和相关子菜单的形式，菜单采用按钮式。用这种图形化设计替代传统数控机床上的错综复杂的操作按钮的设计，使得操作面板清晰简明，易于操作。4.3弯板工艺过程的制定卷板是利用卷板机对板料进行连续三点弯曲的过程。卷板工艺过程大致分为四步如图2所示：（a）预弯。卷板时平板两端各有一段长度由于接触不到上辊而不发生弯曲，称为剩余直边，工艺上将平板开始弯曲的最小力臂叫做理论剩余直边，其大小与设备结构及其弯曲形式（对称弯曲，不对称弯曲）有关。（b）对中。对中的目的是使工件母线与辊筒轴平行，防止产生扭斜。（c）卷圆。卷圆是产品成形的主过程，可以分为一次进给与多次进给。进给次数取决于工艺限制条件，如冷卷时不得超过允许的最大变形率；以及设备限制条件，如不打滑条件和功率条件。冷卷回弹量显著时，必须加一定的过卷量。（d）矫圆。矫圆包括加载、滚圆和卸载三个过程。矫圆的目的是尽可能使整圆曲率均匀一致，保证产品质量。图2卷板工艺过程5卷板机力学模型的建立5.1弯板过程中的力学分析板材在被卷制过程中首先要克服板材的挠曲变形受力，变形到一定的程度时板材要克服本身的弹性和塑性抗力，因此施加在板材上的力应有三个部分：(1)克服板材的挠曲变形力；(2)克服板材的弹性变形力；(3)克服板材的塑性变形力。因此，只有加在板材上的卷制力大于或等于三部分力之和时，板材才能够完全被卷制。5.2克服板材的挠曲变形抗力在板材成型过程中，板材平放于两定辊之上，通过上方动辊施加工作压制力。为了将板材卷制成圆筒，同时为了减少卷制阻力，采用两定辊为进给驱动动力来带动板材的进给和驱动辊的转动，由于动静辊与板材之间为滚动摩擦，其相对摩擦阻力很小，可不作考虑。基于材料力学的原理，可以将其简化成如图3所示的两端简支梁的受力模型[6]。图3挠曲变形的简化力学模型要使板材产生如图3示板的变形，根据材料力学力和位移的关系则需施加的动力：（1）式中E卷板材料的弹性模量，GPa；I卷板截面的惯性矩，m*4；L卷板的长度，m；△h卷板的挠度，m。设卷板截面为高为h，宽为b矩形截面，在其形心O建立坐标轴Y轴和z轴，如图4所示，现求其对z轴的惯性矩，，取宽为b高为dy的狭长条为微面积，即dA=Ldy，则由惯性矩的定义积分后得到：（2）式中b——卷板的宽度，m；h——卷板的高度，m。将式(2)代入式(1)得：（3）图4板材的侧面积5.3板材的弹性和塑性变形抗力板材在成形过程中，不仅要发生挠曲变形，还要产生弹性变形和塑性变形，依据图1所示的模型，可以将其等效成长为L、高为h的矩形截面梁，如图5所示。在变形过程中，弹性极限载荷Fp和相应的塑性极限载荷F可以做如下解[7]。图5板材的前截面根据材料力学和弹塑性力学的知识，卷板在挠曲变形后接着要克服卷板的弹塑性变形而受力，首先必须先克服卷板的弹性变形力，然后再克服卷板的塑性变形力。最外边缘处拉压应力首先到达屈服极限σs。，也就是先发生弹性变形，随着变形量的加大，然后σs应力区域在断面上逐渐扩展，先扩展到ε的高度，然后直到卷板的形心。同时在克服卷板的屈服极限σs之后，在原来的弹性变形区域内产生塑性变形，因此形成部分区域内为弹性变形，部分区域内为弹塑性变形都有的过程，其应力分布变化如图6所示。hh/3h/2图6最大弯矩处的应力变化过程显见在卷板的弹塑性变形阶段，任意截面的弹性核高度ε应是坐标x的函数，即有ε=ε(x)。弹塑性变形阶段任意截面上的弯矩（4）（5）(1)当ε=h/2时，也就是表示卷板的上下表面应力都达到屈服极限σs，此板材截面对应的外力矩为弹性极限弯矩：（6）(2)当ε=0，则此时为塑性极限弯矩：（7）根据外力平衡可求得板材任意截面上的弯矩：（8）由平衡条件可得式(6)和式(7)相等，并令x=0代入此等式可以得到弹性极限载荷：（9）由平衡条件可得式(6)和式(8)相等，并当x=0时，可以求解出塑性极限载荷：(10)卷板的过程中卷板既有挠曲变形，也有弹塑性变形，因此加在卷板上的卷制力应是三方面力的叠加，即为挠曲变形力、弹性载荷极限力和塑性极限力的和。根据式(3)、式(9)和式(10)可得卷板的受力之和(11)由式(11)可以看出：因为被卷制板材的材料和几何参量是确定的，因此可以很容易地求出施加在板材上的力和位移之间的关系。6卷板机机械部分的设计该设计方案的机械部分主要由工作辊、机架、传动系统和机座组成。三个工作辊采用对称式分布结构，两个下辊为主动辊，采用步进电机进行控制，它们的位置固定，通过减速器输出轴带动其同时旋转，两辊相对位置间距固定。其上辊为从动辊，可以进行垂直方向上位置的调节，其运动由液压伺服系统实现驱动，通过控制流量的大小从而实现上辊升降位移的控制。该设备一侧安装有倾倒机架，称为设备的倾倒侧；另一侧安装为固定机架，传动系统安装在设备的固定机架一侧。固定机架侧的平衡机构和倾倒侧的翻倒机构设计的目的均是为了方便卸下卷制成形的筒件。在两侧机架的上部，分别安装有升降液压缸，液压缸的活塞杆通过法兰盘联接在滑块上，滑块装配在上辊的端部，当升降液压缸驱动活塞杆运动时，将运动传送给滑块，滑块带动上辊一起沿着安装在机架中心部位的导轨进行上下移动，从而压紧已经放置好的板材上，随同下辊和板材一起旋转运动，往复进行压制，将板材弯曲成形。加工完成后，左侧翻倒机架在液压缸的驱动下进行翻倒，与此同时，机架右侧的平衡机构开始动作，利用液压缸产生拉力控制上辊的右端，可以将上辊保持原状，不至于使上辊失去平衡，对右端机架产生损坏，甚至脱架。当翻倒机架复位后，平衡机构的液压缸则随之停止运动，保证设备正常运作[8]。6.1工作辊的设计在进行产品结构的调整中，为了更好地满足设计需要，对三辊卷板机进行了改造。因而要重新对该设备进行力学方面的设计分析，重新确定其结构主参数及电机功率等，使该设备的生产能力更加优化、合理，从而达到高效、安全，并具有一定的社会效益和良好的经济效益。6.1.1上辊力学分析图7结构分析从结构特点上来看(图7)，三辊卷板机主要由一个上辊及两个下辊呈宝塔形状组成。用该设备加工圆形工件时，由上辊垂直向下移动，对工件产生向下的压力。必须克服钢板的屈服强度，使其产生弯曲变形。两个下辊则向同一方向进行转动，从而移动钢板，将其加工成一定曲率半径的圆形工件。因此为了确定，我们完全可以将被加工钢板看作为一简支梁，从而有对钢板的最大弯矩为:(12)弯矩对钢板产生的应力为:(13)钢板的抗弯截面模量W:(14)由式(12)、(13)、(14)可得:(15)其中，为被加工钢板屈服极限；l为卷板机两下辊之间距离；δ为被加工钢板最大厚度。从式(4)可以看出，当加工工件材质一定时，的大小只取决于工件的厚度δ和宽度b，从而可以确定其两下辊之间的距离l。取上辊为分析对象，将P力看作是作用于上辊的一个均布载荷，故上辊就成了一个简支梁，如图8所示。图8上辊力学模型由均布载荷q产生的弯矩函数为：(16)从而可得最大弯矩为:(17)其中，但由实际情况知，上辊的力学模型是均布载荷，q仅作用于实际距离为L的一部分，即:q=/b因而其上辊的实际力学模型如图9所示。图9上辊实际力学模型即P力对上辊产生的最大弯矩为:(18)又由于加工的钢板的宽度b是一个变量，因而变为，如图4所示。即当b改变为b1及变为时:=/b1。从而力对上辊产生的最大弯矩为:(19)可令=，由式(7)、(8)可得:所以又及则(20)6.1.2主参数确定综上所述，三辊卷板机主参数之间的关系可为:(21)图10b1<b时上辊力学模型其中，D1、D2分别为上、下辊直径，mm；δ为工件材料厚度(一般取最大值)，mm；R为加工工件曲率半径，mm；H为上下辊中心高，mm。因而，由式(10)完全可以确定该机的各参数，其值可靠，可以作为设计其系列产品的理论依据[9]。6.1.3计算分析结论(1)由上可知:当，>1，上辊受到弯矩达到设计值时，被加工钢板宽度由b减少至b1，则P1<Px，支点上的反力变小了。这就是在卷板机超负荷工作时，首先是上辊所受弯矩超过设计值而使上辊首先被折断的理论依据。(2)由上式来确定的δ1或b1能完全保证上辊所受的最大弯矩不会超过设计能力，是安全可靠的。(3)可以Mqmax作为强度计算的依据，因而可用来确定上辊的直径D1。(4)其加工能力的大小完全取决于能加工工件的最大厚度及宽度，如超出了这个限度，就被视为超出了设计能力。(5)工件经加工成型所得的曲度完全取决于上下辊的相对位置；当钢板的材料及厚度一致时，上下辊的相对位置越近，则加工的曲度就越大，反之则越小；若上下相对位置固定不变时，所加工的钢板越厚或越软，则加工得到的曲度也就越大，反之则越小，其曲率半径完全由加工工件曲率半径而定[10]。6.2几何参数的确定6.2.1弹复前的曲率半径在进行钢板卷制加工时，设定的滚卷曲率半径通常指弹复前的曲率。根据研究结果弹复前的曲率半径R′可由式（22）决定：（22）T———卷板厚度，mm；R———理论筒体半径，mm；σs———钢板屈服极限，Mpa；E———弹性模量，Mpa；其中：M0为常数，M0=K1+TK2/2R，K1、K2分别为形状系数和材料相对强化系数，对于Q235，K1取为1.5，K2取为11.6。6.2.2上辊压紧工件的下移量在图1中，上辊最高位置是由卷板机上下辊中心距最大值H来决定。当钢板送入后，支撑在两个下辊上，当上辊下移H1时，刚好压紧钢板，关系式为：D1———上辊直径，mm；D2———下辊直径，mm；在实际工艺执行时，H1应适当增大。6.2.3下辊中心距和下辊直径的选取根据经验公式可得，典型而通用的对称式三辊卷板机中下辊之间的距离一般取为L=(1.1～1.3)D1，而下辊的直径则取为D2=(0.75～0.9)D1。下辊中心矩:t=(12～40)s=144～600mm，上辊直径:Da=(1\1.3～1\1.1)=110～545mm取D1=200mm，则L=(2.1～2.3)D1，取L=420mm；D2=(0.75～0.9)D1，取D2=160mm。考虑到最大的加工工件长度2000mm，所以三个辊子的长度应大于2000mm。实际有效的辊板长度L=2000+100=2100mm。6.2.4钢板理论筒体半径R和上辊压下量h之间的关系钢板在加工过程中，曲率的控制是通过调整压下量来实现的。由研究可知，板材在对称式三辊卷板机上卷取完成时，上辊的压下量和圆筒半径的关系为：h=aR(b<0)，其中a和b为系数。因为h和R之间的关系是隐函的，所以这样的关系式在实际生产中并不实用。下面建立了一个简单的模型。暂不考虑钢板回弹并假设钢板厚度很薄，可以近似忽略不计。进行具体分析:如图11所示，以两下辊的上切线为X轴，上辊运动方向为Y轴，卷板圆筒中心A在该坐标系中的坐标为(0，R-h)，左下辊中心的坐标为(-L/2，-D2/2)，上辊和下辊中心连线的距离为R+D2/2。由两点间的距离表达式可得：(23)整理可得算式：(24)图11理论半径R和上辊压下量h的关系受力分析：板材最大变形弯矩：(25)K1截面形状系数；K0相对强化系数；r为相对半径，r=R/δ；W———板材的抗弯截面模量，W=Bt2/6；σs板材屈服极限，235Mpa当板材为最大厚度t=15mm，弯曲半径最小R’=300mm时，板材最大变形弯矩M=(K1+K0t/2*R’)Wσs=(1.5+11.6x15/2x300)x2000x15x15/6x235=21150Nm6.2.5卷板机轴辊受力分析由于侧辊之间被弯曲板材轴线的曲率很复杂，以及摩擦力的影响，要精确确定弯卷时作用在轴辊上力的大小和方向是很困难的。为了简化计算，假定轴辊之间板材的曲率半径相同而且等于弯曲半径；略去摩擦力对作用力方向的影响，见图1。板材的弯曲力矩与作用在下辊上的力F2的力矩平衡，由此可求得上、下辊的受力计算公式为[11]：(26)式中：R———弯曲最小半径；M———弯曲力矩；所以，F2=M/Rsinα=21150x300x250/(2x300+180)=2030NF1=2M/Rtgα=4100N6.3步进电机的选型步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为步距角，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种开环控制。6.3.1步进电机的控制原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：a)控制换相顺序。通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A－B－C，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A，B，C相的通断。b)控制步进电机的转向。如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。c)控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。6.3.2步进电机的主要特性a)步距角。步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为1.5度。步距角越小，数控机床的控制精度越高。b)矩角特性、最大静态转矩和启动转矩。矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。c)启动频率。空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。d)连续运行的最高工作频率。步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。e)加减速特性。步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。6.3.3步进电机相关计算由电动机加于下辊轴上的扭矩T应克服轴辊对板材的滚动擦力矩T1和轴辊轴承摩擦力矩T2，即:T≥T1+T2(27)（1）轴辊对板材的滚动摩擦力矩T1T1=(F1+2F2)f(28)式中:F1———上辊的受力N；F2———下辊的受力N；f———滚动摩擦系数，取0.8；T1=(4100+4060)x0.8=6528Nm图12轴辊受力分析（2）轴辊轴承摩擦力矩T2(29)式中:μ———滑动摩擦系数，取μ=0.05;d1———上辊轴颈直径，mm;d2———下辊轴颈直径，mm;D1———上辊直径，mm;D2———下辊直径，mm.T2=0.05(4100x160x160/2x200+2030x120)=13.4+12.18=26.2NmT≥T1+T2=6528NM+26.2NM=6554.2Nm下辊的速度v=5m/minn=10/(0.18*3.14)=9r/minP=T*9.55*n=6554.2*9.55*9=563KW（3）步进电机启动力矩的计算折算到电机轴上的转矩：Tx=T/(i*η)=6554.2/(50*0.95)=137.5Nm由公式得：=（1/50）所以，mm最高工作频率由(30)得=16667Hz用软件的方法实现脉冲细分步距角的要求，见软件部分的设计。选365BC31500B型步进电机。其主要参数是：相数：3步距角：0.4/0.8静态相电流：7.5A相电阻：2.7保持转矩：250Nm6.4减速器的选择减速器是原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。在现代机械中应用广泛。减速器的种类很多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们互相组合起来的减速器；按照传动的级数可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥一圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。减速器的种类繁多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器，按照传动级数不同可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状不同可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器；按照传动的布置又可分为展开式、分流是式和同轴式减速器[12]。结合本机械三辊卷板机的实际，选取渐开线圆柱斜齿齿轮减速器。减速器的公称输入功率应满足:PN>P2kaKsKr=Pc(31)其中:P2载荷功率减速器公称输入功率Ka工况系数，1.5Ks启动系数，1Kr可靠度系数，1Pc=P2kaKsKr=563x1.5x1x1=845kW为满足减速器的机械强度，要求Pc校核热平衡需用功率，应满足:P2t=P2f1f2f3<PG2其中:P2t计算热功率PG2减速器热功率，f1环境温度系数，1.35f2载荷率系数，1f3公称功率利用系数，1.15P2t=563x1.35x1x1.15=874kW参考机械零件设计手册，选定减速器ZSY200-50型；其参数能满足上述要求。6.5轴承的选择a)初选轴承型号因为轴承承受径向载荷，考虑设备的工况，选择圆锥滚子轴承中的深沟轴承，即可承受径向载荷，又能承受轴向载荷，允许极限转速中等，价格低廉，应用广泛。根据轴颈选用32016型轴承，选用脂润滑方式，查GB/T276得轴承的性能参数为：C=86500，=3000，，查表得，有中等冲击时，。b)寿命计算(1)当量动载荷(32)由于轴承基本不受轴向载荷，所以轴承的轴向载荷=0，查表得Y=1.8，故由于两个下辊受力相同，且轴承同型号，尺寸相同，故对一个轴承进行寿命计算即可。(2)计算轴承寿命=(33)=可见轴承寿命足够大。c)极限转速计算C/=86500/1218=710.8β=arctan（）=0查表得：载荷系数=1.0载荷分布系数=1.0故1.0*1.0*3000=3000计算结果表明，选用32016型圆锥滚子轴承能满足要求。6.6联轴器的选择常用的联轴器多已标准化了。选用时，首先按工作条件选择合适的类型；再按转距、轴径和转速选择联轴器的具体尺寸；必要时校核联轴器中薄弱件的承载能力。若无具体规范时，亦可参照推荐的主要尺寸定出全部结构尺寸，然后进行必要的校核计算。 选择或校核时，应考虑机器启动时惯性力及过载等影响，按最大转矩（或功率）进行。但是，在设计时，往往由于原始资料不足，或分析极为困难，最大转矩不易确定，故通常按计算转矩进行。a)计算转矩：TC=KT(34)式中：T—公称转矩，Nm（kgfm）；K—工作情况系数，查表当原动机为电动机时，取1.5-2.0本次设计中，T取电机的转矩131.5Nm，K取1.5代入有：TC=KT=1.5×137.5N.m=206.2N.mb)选择联轴器型号查机械设计手册，选定YLD9，参数如下（机械零件设计手册P654）型号:YLD9允许最大转矩:250N.m轴孔直径D系列:384042454850惯量0.043kgm27液压驱动部分的设计7.1上辊液压系统设计液压系统主要用于驱动上辊升降油缸，控制倾倒侧油缸以及平衡油缸。为保证整机的可靠性，在系统中增设了安全阀。1)单泵系统单泵系统：即用一只泵来驱动所有机构工作，单泵系统结构最简单，但复合动作比较困难，因而整机效率较低。对于三辊卷板机来说，不宜使用单泵系统。然而它体积小，结构简单，机动灵活。2)双泵系统整个系统使用两只泵，各自组成一个独立的回路。这种系统亦称双泵双回路系统。在这种系统中，可将若干个要求复合动作的执行元件分配在不同的回路中。这样复合动作时，就不会产生相互干扰，有利整机的功率利用和生产率的提高。3)三泵系统这种系统多使用于大型机械，单独使用一泵驱动回转机构。并构成闭式回路，以吸收回转机构起﹑动能量，减少系统发热。为更有利于合流和两泵负荷均衡，可根据各回路流量、压力的不同要求，分别进行单泵、双泵及三泵驱动。综上考虑我们选择的是双泵双回路系统。上辊的动作用一个泵来实现，平衡机构和反倒机构的动作用另外一个泵来实现[13]。7.1.1上辊升降液压系统设计本设计采用的是分流集流阀的双缸同步回路，通过输出流量等分的分流集流阀可实现双缸的双向同步运动，当三位四同电磁换向阀切换到左位时，液压源的压力油经三位四同电磁换向阀，单向节流阀中的单向阀，分流集流阀（这时做分流阀用），液控单向阀，分别进入双缸的有杆腔，实现双缸伸出的同步运动，控制上辊的上升。当三位四同电磁换向阀切换到左位时，液压源的压力油经三位四同电磁换向阀，进入双缸的无杆腔，实现双缸伸出的同步运动，控制上辊的下降。这时分流集流阀做集流阀用。上辊上下移动液压原理如图13所示。图13上辊液压升降原理图7.1.2上辊平衡机构液压系统设计当三位四通电磁换向阀切换到左位时，液压源的压力油经液控单向阀，进入液压缸的有杆腔，同时控制口导通右边的液控单向阀，是液压缸下腔的回油可经右边的液控单向阀及换向阀排回油箱。当三位四通电磁换向阀切换到右位时，液压源的压力油经右侧液控单向阀，进入液压缸的无杆腔，同时控制口导通左边的液控单向阀，是液压缸上腔的回油可经左边的液控单向阀及换向阀排回油箱。上辊的平衡系统液压原理如图14所示。图14上辊的平衡液压系统7.2翻倒装置的设计当卷板机弯板结束后，原来的板材已经被卷制成圆筒形，经常出现筒形工件加工后，难以在其他装置固定不动时从上辊上取出。因此，为了卸料方便，将卷板机的左侧机架作成可以翻倒的结构形式，采用液压缸进行驱动。7.2.1卷板机机架翻倒装置及其作用卷板机的上辊垂直升降由安装在左、右机架上的液压缸驱动。由于上辊两端受力相同，所以各布置一个液压缸，且选择相同的型号。左机架安装有自制的锥形滑动轴承，该轴承支承上辊左端轴颈。左机架可实现翻倒、复位动作。左机架翻倒前，上辊中心线必须位于设备中心；上辊也必须处于最高位置；左机架由液压缸驱动绕两销轴转动，实现翻倒。左机架翻倒后，滑动轴承与上辊脱开，便于从上辊取出制成件。复位后，依靠液压缸的支承力，保持机架内轴承与上辊左端轴颈的配合精度[17]。左机架能否正确复位，以及在卷弯过程中能否稳固保持于该位置，对保证制件的几何形状精度及尺寸精度至关重要。翻倒液压缸的支承力及其液压系统性能是关键所在。如果支承力小，左机架向外倾斜，自制轴承与上辊左端轴颈的间隙增大，卷制圆筒形工件的椭圆度加大；两端亦可成为锥形；筒端钝边与筒轴线的垂直度、筒端焊接坡口角超过标准公差，影响焊接质量，造成直接经济损失。如果液压缸丧失支承力，可能发生设备和人身事故。所以，对机架翻倒装置液压系统设计、安装、使用、维修保养的每个环节决不能疏忽大意[14]。7.2.2卷板机机架翻倒装置液压系统设计卷板机左机架翻倒装置液压系统如图15所示。机架翻倒装置液压系统与上辊升降液压系统共用一套泵站系统，这两个系统并联，各自独立动作。翻倒装置液压系统用Y型机能三位四通电磁换向阀1作主控阀。翻倒液压缸有杆腔进油，无杆腔排油，左机架翻倒；无杆腔进油，有杆腔排油，左机架复位。为控制翻倒和复位速度，翻倒液压缸各腔油路都配备单向节流阀3；为保持左机架复位后的准确位置，在无杆腔油路特意配置先导式单向顺序阀4、液控单向阀2，作平衡阀和支承阀用。在安排各元件在系统中的位置时，必须考虑各元件的工作原理、结构及控制特点，将其安装于恰当位置。该油路设计中，主要考虑先导式单向顺序阀4的特点：a)先导式单向顺序阀是滑阀结构，阀芯与阀孔为间隙配合，在高压作用下，不可避免产生泄漏。压力越高，时间越长，泄漏越多，使翻倒液压缸无杆腔油液经单向顺序阀4泄漏，就不可能保持左机架的准确位置；b)该单向顺序阀4设有单独的泄漏口，目的就是保证该阀正常工作。同时，一些问题诸如油液泄漏问题，在短期内不会显露，但随着时间的推移，就一定会暴露。比如说：(1)液压油受系统中颗粒物的污染，这些污染物随油液进入阀内，使阀芯与阀孔配合间隙不均匀，泄漏增大，影响复位后位置的稳定性；有时这些污染物被油液冲走，阀又恢复正常工作。但这种现象时现时消，我们称之为间歇失效；(2)经长时间运行，种种因素使液压系统中污染物增多。尤其是液压元件磨损的金属微粒，如同磨料加速增大阀芯与阀孔配合间隙，使起重要作用的元件性能恶化、失效，我们称之为退化失效。由退化失效引发的后患应予以重视[15]。本设计遵循以上问题考虑，针对先导式单向顺序阀3可能发生的失效形式采取应对措施：（1）将液控单向阀4移置于翻倒液压缸无杆腔与单向顺序阀3之间的油路中，且在系统中的支承阀功能不变；但它却封闭了液压缸有杆腔与单向顺序阀3的通路，顺序阀3的泄漏，不再对液压缸产生不利影响；即使液控单向阀4偶有间歇失效，也极易排除；（2）左机架翻倒过程中，由机架自重引起液压缸两腔压力的变化，尤其是液压缸有杆腔的压力下降低于液控单向阀4要求的控制压力时，液控单向阀4即刻关闭，液压缸无杆腔不再排油，翻倒运动停止；泵站系统继续向液压缸有杆腔供液，有杆腔压力升高，液控单向阀4复而打开，机架又恢复翻倒运动，继而重复上述过程。图15卷板机左机架翻倒装置液压系统由于液控单向阀4时开时闭，导致机架在翻倒过程中运动不平稳，产生激烈振动。故在液压缸有杆腔油路中串入单向顺序阀5，在阀5进油口至换向阀1的A口油路之间形成常值背压(单向顺序阀5调控)，确保液控单向阀4控制压力稳定，机架翻倒装置运动平稳，机架复位后位置稳定。8数控卷板机控制部分设计该三辊数控卷板机的设计，其数控系统以通用工控机为基础，采用模块化数字控制系统完成对卷板机运动部件的位置控制，以及各种辅助操作的动作控制，实现了卷板工艺过程的自动化。本设计中控制系统完成的功能包括：（1）根据操作人员输入的卷板尺寸和板材材质参数，计算机床各个部件在不同卷制阶段的理论位移量。（2）根据理论计算，控制下辊旋转驱动电机。（3）控制上辊升降液压缸、翻倒机构和平衡机构的液压缸的控制阀正确、协调动作，自动完成卷板过程。8.1微机控制系统的分析在计算机控制的步进电动机驱动系统中，通常采用软件的方法实现环形脉冲分配。如图所示是一个8031单片机与步进电动机驱动电路接口的框图。P1口的三个引脚经过光电隔离/功率放大后，分别与电动机的A、B、C三相连接。当采用三相六拍方式时，电动机正转的通常顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A；电动机反转的顺序为A-AC-C-CB-B-BA-A。P1的某口为高电平时，相应的电动机相通电。在以计算机为控制核心的生产设备中采用软件进行脉冲分配已形成趋势。虽然软件冲分配增加了编程的复杂程度，但它省去了环形脉冲分配器，系统减少了器件，降低了成本，也提高了系统的可靠性。脉冲分配器输出的电流很小，必需经过功率放大。常采用高低压驱动电源，恒流斩波和调频调压等形式的驱动电源。用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。在驱动电源内，不包含环形分配器，其功能必须由微机系统完成。控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出脉冲的频率或者换相的周期。系统可以用两种方法确定脉冲的周期（频率）：1.软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，它占用CPU时间。2.定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现。不同种类、不同相数、不同分配方式的步进电动机都必须有不同的环形分配器，可见所需环形分配器的品种将很多。用软件环形分配器只需编制不同的软环分程序，将其存入数控装置的EPROM中即可。用软件环形分配器可以使线路简化，成本下降，并可灵活地改变步进电动机的控制方案。软件环形脉冲分配器的工作方式是这样的：在微处理器系统中，专门安排一个输出寄存器作为步进电动机的控制寄存器（一般只用这个寄存器中的若干位），步进电动机的每一相绕组都与这个寄存器中的某一指定位相对应。寄存器中这一位为“1”，对应着相应绕组的通电状态；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，从而使步进电动机的绕组按固定的规律，循环地通电或断电，使步进电动机向某一方向转动[16]。8.2硬件部分设计设备控制系统使用微机控制。一个微机控制系统是有硬件和软件两部分组成的。硬件是软件的运行基础，而只有配置了软件的硬件才是可工作的控制系统。构成微机控制系统的基本硬件一般有以下四部分组成：（1）中央处理单元，即CPU。（2）总线，包括数据总线（DB）、地址总线（AB）、和控制总线（CB）。（3）存储器，包括只读存储器和随即读写存储器。（4）输入、输出接口电路。其中CPU是整个系统的核心，是控制其他各部分协调工作的“大脑”。存储器是监控软件（系统软件）及系统运行中各数据的驻留空间。I/O接口电路是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线是连接CPU、存储器和I/O接口电路的纽带，是各部分进行通行的线路。微机控制系统的硬件设计，主要是上述四部分的具体设计。另外，还要根据数控系统的要求配备一些外围设备和信号交换电路。如图16所示的数控系统硬件结构框图。其中CPU、存储器及I/O接口是任何一个数控系统必不可少的环节，其余部分并非所有数控系统都具备。某一类机床数控系统可能只包含其中的一部分或几部分。一般，CPU通过I/O接口可连接得人机交换外设是键盘、打印机、磁盘记录机等通信接口；信号交换电路包括A/D转换、D/A转换、光电隔离、功率放大等，它是实现微机与控制对象之间的信号匹配与转换的中间电路。这两部分可根据控制对象的特性进行取舍。图16电气原理框图8.3主控制器CPU的选择在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下要素：（1）时钟频率和字长（控制数据处理的速度）。（2）可扩展存储器（ROM/RAM）的容量。（3）指令系统的功能是否强（即编程的灵活性）。（4）I/O口的扩展能力（即对外设的控制能力）。（5）开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。除此之外，还应根据系统应用场合、控制对象以及对各种参数的要求选择CPU。目前在数控系统中常用的芯片有8086、8088、0386以及8098、8096等16位机的CPU。也有8080、80和8051、031、751、T89系列等8位机的CPU。一般的控制系统中，推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。单片机微型计算机(SingleChipMicrocomputer)简称单片机，又称微控制器(MicrocomputerUnit)或嵌埋式控制器(EmbeddedController)。它是将计算机的基本部件微型化，是指集成在一块芯片上的微机。片内含有CPU、ROM、RAM、并行接口、串行接口、定时器/计数器、中断控制器、系统时钟及系统总线等。单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能化仪器仪表、过程控制和家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。该系列产品是集中CPU、I/O端口及部分RAM等为一体完整的微机控制系统，并且开发手段完备，指令系统功能强，编程语言丰富灵活性大，硬件资料很丰富。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少许差异。可以说8031是没有ROM的8051，而8751又是用EPROM代替ROM的8051。目前，工业控制中应用最多的是8031单片机。该系统选用MCS—51系列的8031位主控制器。扩展存储器电路为1片2764EPROM和1片6264ROM。程序存储器扩展为4K，数据存储器扩展为8K。2764的片选控制端CE直接接地，系统复位后，CPU从0000H开始执行监控程序。6264的片选端CE由3—8译码器的Y2输出提供，所以6264的空间地址为4000H～5FFFFH。系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选端CE接至3—8译码器（74LS138）的Y0输出端，故8155控制命令寄存器及PA口、PB口、PC口的地址分别为8000H及8001H、8002H、8003H。8155RAM区的地址为8000H～80FFH。8155的PA口为控制电磁阀和步进电机的接口。软件环形分配器控制，高、低压驱动电路。为了防止功率放大器高电压的干扰，电磁阀和步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示设计在一起。8155的PC口（PC0～PC5）担任键盘的列线及显示器的扫描控制（字位线）；PB口的PB0～PB3为键盘的行线；8031的P1口为显示器的字形输出口（数据缓冲）。该系统采用4*6共24个行列式键盘和6个八段共阳极LED显示器。为了增加数码管的显示亮度，分别在字形口与字位口加74LS05进行驱动。在软件设计上8155的PA口、PC口设置为输出，PB口设置为输入。另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用的是7805三端集成稳压器。为了实现8031单片机与PC机之间的通讯，必须使用电平转换接口芯片，因为单片机输出的是TTL电平，必须经过电平转换才能和PC机的一致。本系统采用的是RS－232