简易立式钻铣床数控系统改造设计含6张CAD图
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简易立式钻铣床数控系统改造设计摘要数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家 基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、 柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造 业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。数控机床是现代加 工车间最重要的装备。本文的研究目标是针对机床的特点，在满足生产的前提下，对原机床做尽可 能少的改动，利用数控系统控制钻铣床运动，实现工作台 X、Y、Z 的三坐标控制及任意俩轴的联动控制，提高钻铣床的加工精度和自动化水平，完成机床的数控化改造。根据经济性原则和生产的需要，采用的总体方案为：拆除机床工作台 X、 Y、 Z 轴 原进给系统。将滑动丝杠副更换为滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱、减速齿轮、步进电 机。采用步进电机减速齿轮带动滚珠丝杠转动，并通过丝杠螺母副带动工作台转动。首 先进行切削力的计算，然后根据切削力的大小计算丝杠的强度、刚度，再结合效率计算 校核所选丝杠。选择合适的滚珠丝杠安装方式。之后进行齿轮传动机构设计，根据所选 步进电机的步距角、脉冲当量，结合公式计算出减速比，选择合适的齿轮，根据所选齿 轮的参数计算出齿轮的转动惯，再结合丝杠的转动惯量，算出总的转动惯量。最后进行 转距的计算，计算负载和空载时的最大转矩，根据最大转矩选择匹配的步进电机。 关键词： 钻铣床 ； 数控； 滚珠丝杠。59Abstract NC and NC machine tool technology in todays machinery manufacturing industry an important position and great benefits, display its national infrastructure in the industrial modernization of the strategic role, and has become a traditional mechanical manufacturing industries to transform and enhance the implementation of automation, flexible, integrated production and an important means of signs. CNC technology and the widespread application of CNC machine tools, machinery manufacturing to the industrial structure, product variety and quality and production methods brought about a revolutionary change. CNC machine tools are the most important modern processing plant and equipment. The goal of this paper is aimed at the ZXK7532 milling machine characteristic, to meet the production condition, the original milling machine to do as little as possible changes, using the numerical control system of milling machine working table movement, implementation of X, Y, Z three coordinate control and random three axis linkage control, improving the processing precision and the automation level, finish milling machine numerical control transformation. According to the principle of economy and production requirements, the overall plan for the demolition of the work table of the machine tool: X, Y, Z axis feed system. The sliding screw replacement for the ball screw deputy, and modified the reduction gear box, gear, stepping motor. The stepping motor deceleration gear drives the ball screw to rotate, and the screw nut pair drives rotation of the table. After the gear drive mechanism design, according to the selected stepper motor step angle, pulse equivalent, combined with the formula to compute the ratio, choosing the right gear, the gear parameters calculated from the rotation of the gear is used, combined with the screw rotational inertia, work out the total rotational inertia. The final torque calculation, computation load and no-load maximum torque, according to the maximum torque matching selection of step motor.Key words: drilling and milling machine， Numerically-controller machine ， ball screw目录摘要1Abstract2第1章 绪论51.1 机床数控技术概述51.1.1 课题研究的目的、意义51.1.2 国内、外机床数控化改造的现状6第2章 机床总体布局设计82.1机床总体尺寸参数的选定82.2机床改造方案92.2.1 机械部分改造92.2.2 数控系统的改造102.2.3 电气部分改造102.2.4 测试机床精度10第3章 进给系统的设计计算103.1 垂直进给系统的设计计算113.1.1 滚珠丝杠设计计算113.1.2 滚珠丝杆副的预紧方式173.1.3 齿轮传动消隙183.1.4 脉冲当量和传动比的确定183.1.5 减速齿轮副设计203.1.6 步进电机的选择213.2 纵向进给系统的设计计算223.2.1 滚珠丝杠设计计算233.2.2 脉冲当量和传动比的确定263.2.3 减速齿轮副设计273.2.4 步进电机的选择283.3 横向进给系统设计计算293.3.1 滚珠丝杠设计计算293.3.2 脉冲当量和传动比的确定323.3.3 减速齿轮副设计323.3.4 步进电机的选择33第4章 数控系统的设计344.1 数控车床及数控系统的概述344.2 控制系统总体方案的拟定374.3 进给步进电机的驱动器选型384.4 分配器384.5 系统的编程与加工功能394.6 系统报警40第5章 总控制系统硬件电路设计415.1 单片机的设计415.2 系统的扩展445.3 I/O口的扩展455.4 步进电机控制电路设计48第6章 控制系统的软件设计52第7章 机床调试验收53总结55参考文献56致谢57 第1章 绪论1.1 机床数控技术概述 机床数控技术是20世纪70年代发展起来的一种机床自动控制技术。30多年来，随着电子器件、计算机、传感与检测、机械制造技术的不断进步，以电子信息技术为基础，集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术，传感测控技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体的数控技术得到迅猛发展和广泛应用，使得普通机械逐渐被高效率、高精度的数控设备所替代，从而形成了巨大的生产力，导致了制造业发生了根本性变化。数控技术已成为现代制造技术的基础，其水平高低和数控机床拥有量多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志12J。数控技术在机械制造业中得到广泛的应用，是因为它有效地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能适应各种机械产品迅速更新换代的需要，使企业快速响应市场需求的能力大大加强，其经济效益显著，具体表现在以下几个方面： l、生产效率高，比普通机床提高35倍： 2、减少工装，减少人为误差，提高加工精度，具有广泛的适用性和灵活性； 3、缩短新产品的试制和生产周期，易于组织多品种生产，使企业能对市场需求做出快速响应； 4、能加工普通机床不能加工的大型复杂零件； 5、能减轻劳动强度，改善劳动条件，节省人力，能降低劳动成本； 6、可实现软件误差补偿和优化控制。1.1.1 课题研究的目的、意义 众所周知，设备是企业生产技术发展和实现经营目标的物质基础，设备的技术性能和技术状况的好坏，直接影响到企业的产品质量和经济效益。设备的技术改造和更新速度又直接影响企业技术进步、产品开发和市场开拓后劲。因此，加快设备更新和改造，以提高企业在国内、外市场的竞争力，是企业的一项重大战略任务。 更新改造旧机床是最近几年发展起来的一个新兴产业，在国外己形成一定规模和市场，涌现出了许多专门从事机床改造的公司。国外旧机床改造费用大约为同类型新机床价格的60，尽管费用较高，但由于机床改造后使用效果好，所以仍然受到机床用户的欢迎。国内近几年才有较多的用户使用数控机床，大多数用户当前最关心的还是怎样用好、维护好数控机床，机床改造还处于起步阶段。改造旧机床是一项高新技术，风险大，承担者必须具备比较全面的知识和经验，不仅要熟悉各种类型的机床和不同类型的数控及驱动系统，还要熟悉用户的使用要求和机床的优缺点。因此我们决定对现有设备进行机床数控化改造。1.1.2 国内、外机床数控化改造的现状 随着科学生产力的发展，机床设备数控化率的提高已是衡量一个国家机械制造业现代化水平的重要标志。根据最近有关资料表明，我国机床总量为380余万台，其中数控机床总数只有l 134万台，即我国机床数控化率还不到3，而一些发达国家早己达到20以上。因此，我国机械制造水平与发达国家相比差距很大，设备陈旧，技术水平落后，严重地影响了生产力的发展。对于一个企业要想在竞争激烈的市场中赢得生存，适应当前产品更新日新月异的发展，要求在最短时间生产出优质、高产、低价的新产品。采用先进的工艺设备，包括采用数控机床，已显得越来越重要。因此，逐步提高数控机床的占有比，己经成为我国制造技术发展的总趋势。 提高机床数控化率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧机床进行数控改造。这对于我国一个机床拥有量极大(其中大部分机床役龄较长)而当前经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率，是一个极其有效和实用的途径。即使在发达的工业幽家，在大量制造数控机床的同时，也在组建维修改造专业公司，专门从事旧机床的维修和数控化改造，尤其在美国、日本和德国等发达国家机床工业处于不景气的今天，它们的机床改造却是作为新的经济增长行业，生意盎然，处在黄金时代。用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，己形成了机床和生产线数控改造的新行业。在美国，机床改造业称为机床再生 (Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有：Borsches工程公司、Anton机床公司、DevliegBullavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司己在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofitting)XJk。从事改装业的著名公司有：大限工程集团、岗三机械公司、千代田工程公司、野琦工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。由于机床本身的特点，以及相应技术的不断发展进步，机床改造仍是一个“永恒”的课题，并且正在向着更高层次发展。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新行业。结合我国机床业的实际和当前相关新技术的发展，采用数控技术改造旧机床主要有下述适应性和特点：(1)减少投资、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的13，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、刀具自动交换装置、托盘自动交换装置的制作与安装等过于费工、费钱，往往使改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50左右。用数控技术改造旧机床主要有下述适应性和特点：(2)机械性能稳定可靠，但结构受限 由于机床本身的特点，它与汽车等类机电产品不同，机床所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而不是焊接构件。而铸铁件年代久，自然时效愈充分，内应力的消除使得精度比新铸件更稳定。从另一方面来说，这些铸铁件的重复使用，即节约了社会资源，又减少了铸铁件生产时对环保的影响。但旧机床的改造，由于受到原机床机械结构的限制，不宜做突破性的改进。(3)了解设备结构性能，便于操作维修 购买新设备时，事先不能全面了解机床结构性能，以致很难预计是否能完全适合其加工要求。改造则不然，由于旧设备已多年使用，机床操作者和维修人员已对其机械性能和结构了解透彻，对机床的加工能力能较准确地估算。机床数控改造时，可根据企业自身的技术力量和有关条件，采用自己改造或委托专业改造公司，并派原设备维修技术人员参加相结合的方法进行。这样，既可在数控改造过程中，培养提高相关人员的数控技术水平和有关专业知识，又便于合理选择更换原机床设备中的部份元器件，更主要的通过改造，大大提高了企业自身对数控机床维修的技术力量，并且也大大缩短了对数控机床在操作使用和维修方面的培训时间，机床一旦改造调试完毕，就可很快投入正常全负荷运转，见效甚快。(4)可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基，同时工夹具、样板及外围设备也能再利用。以加工中心为例子，工艺装备的费用一般要占整个机床售价的10以上。(5)可更好地因地制宜，合理筛选功能 购买现成的通用数控机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，而又可能缺少某一专用的特殊功能。如向机床制造厂提出特殊订货，增加某些专用功能，往往费用大、交货期长。而采用改造的方案，就可灵活选取所要的功能，并可根据生产加工要求，采用组合的方法，增添某些部件，设计改造成专用数控机床。(6) 可及时采用最新技术、充分利用社会资源 由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的社会资源来支持机械方面的改造。如可随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，而且交货期短：采用贴塑导轨新技术，不仅可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还使得刮研极为容易。这种塑料导轨带和粘结剂，国内己有多家厂生产，可敞开供应。此外，国产数控系统还具有导轨精度自动补偿的功能，最终可以获得高于导轨实际具有精度。又如，当采用其他方式恢复主轴回转锥度有困难时，国内现己有多家专业工厂从事将主轴轴承改造为静压或动静压轴承的业务；现己有专业的润滑系统、冷却系统、防护件生产厂；北京机床研究所已专业化生产加工中心的刀库和机械手；洛阳轴承研究所为北京第一机床厂和南通机床厂配套电主轴部件，不仅将电动机和主轴制成一体，而且主轴内还包含了自动央紧和松开刀柄的机构，某些旧机床改造时，可以用电主轴部件来替代原来的主轴等这些例子，说明有一大批社会资源，因此可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术，提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今高水平、高效率的机床. 第2章 机床总体布局设计2.1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：工作台宽度长度 4001100mm主轴锥孔 724工作台最大纵向行程 300mm工作台最大横向行程 375mm工作台最大垂直行程 400mm主轴转速级数 12级主轴转速范围 301500r/minX、Y轴步进电机 130BF001（反应式步进电动机）Z轴步进电动机 130BF001（反应式步进电动机）主电动机的功率 4KW主轴电动机转速 1440r/min机床外形尺寸（长宽高） 15012002300mm机床净重 500Kg2.2机床改造方案2.2.1 机械部分改造 通过对机床机械部分的分析和计算，在利用原机床的基础上，通过对导轨的维修和滚珠丝杠的更换，来设定机械部件的规格、性能，以便数控系统正确且准确的控制整部机床的机械部件，达到机床NC化。基于以上数控机床的工作原理和结构特点，对于ZXK7532钻铣床机械部分改造的内容如下： (1)导轨与丝杠。由于长时间的磨损，导轨面产生摩擦致使产生了凹凸不平的现象，从而影响加工精度，因此要对导轨面进行加工，如精磨、精刨、刮研等；丝杠方面，为了提高传动精度，把普通丝杠换为滚珠丝杠。滚珠丝杠的最大特点是可以减小正反向的传动间隙和减小传动阻尼，可大大提高传动精度。 (2)保留原机床主传动系统的基础上，通过改造实现主轴正反转，启动停车的NC控制；将工作台实现垂直、横向和纵向三个方向拖板的进给传动装置取消，将滑动丝杠副更换为滚动丝杠副，并改装减速齿轮、交流伺服电机。垂向工作台传动升降机构在更换滚珠丝杠副后会因失去自锁而自动下7滑，必须增加平衡装置和制动装置；电机通过减速齿轮带动滚珠丝杠，从而带动拖板移动。因此机械结构更为简单，减少了传动误差。改造后结构如图：2.2.2 数控系统的改造 从性价比高、综合成本低这两个主要的原则出发，在这两个原则的指导下对众多的数控系统进行比较，选择最合适的数控系统。不选择那些已经或将要被淘汰的产品，这样用不了多长时间又要进行更新，也不要一味追求高性能而增加投入，应该在选择性能优良产品的同时，考虑价格因素，除产品本身的价值外，还要顾及与其配套的配件的采购、维修成本，因故障停机导致的时间成本，以及寿命周期等等。2.2.3 电气部分改造对机床电气进行数控改造，需拆除原机床工作台进给电机及其相应强电线路，由交流电动机及光电编码器输出控制信号，设计由KAlKA4个继电器和接线端子排构成的附件板，通过电缆与系统控制箱相连，接受系统的控制，可实现机床紧急停机、机床原点的设置、各坐标轴限位、主轴的正反转、启动停车、冷却泵控制等功能。2.2.4 测试机床精度通过机床静态测试和对标准样件的试加工，来测试机床的各项精度，包括机床几何精度和机床工作精度两项。最后对改造后的机床和新机床的各项指标做以对比，来考核改造是否成功，并得出结论。 第3章 进给系统的设计计算3.1 垂直进给系统的设计计算 假定进给箱的重量： =400kgf=4009.8=3920N Z轴的行程为： 400mm 垂直脉冲当量： 0.005mm 预选滚珠丝杠基本导程： =10mm 步距角： 快速进给速度： =2.0m/min 3.1.1 滚珠丝杠设计计算 滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。（1）滚珠丝杠螺母副工作原理与特点图3-1 滚珠丝杠副的结构原理示意图1螺母 2滚珠 3丝杠滚珠丝杠副的结构原理示意图如图3-1所示。在丝杠3和螺母1上都有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道b，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠2。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动。因而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。可知，滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦，它具有以下特点：1）摩擦损失小，传动效率高，可达0.90.96；2）丝杠螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，提高了传动刚度；3）摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象。磨损小、寿命长、精度保持好；4）不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运动。因此，丝杠立式使用时，应增加制动装置。 （2）、滚珠丝杠螺母副的选用目前我国滚珠丝杠螺母副的精度标准为四级：普通级P、标准级B、精密级J和超精密级C。各级精度所规定的各项允差可查有关手册。一般的数控机床可选用标准级B，精密数控机床可选精密级J或超精密级C。在设计和选用滚珠丝杠螺母副时，首先要确定螺距t、名义直径D0、滚珠直径d0等主要参数。在确定后两个参数时，采用与验算滚珠轴承相似的方法，即规定在最大轴向载荷Q作用下，滚珠丝杠能以33.3r/min的转速运转500小时而不出现点蚀。选择螺距t时，一般应根据丝杠的承载能力和刚度要求，首先确定名义直径D0，然后根据名义直径D0尽量取较大的螺距。常用的螺距t=4、5、6、8、10、12mm。螺距愈小，在一定轴向力作用下摩擦力矩愈小；但t小时（滚珠也小），导致滚珠丝杠承载能力下降。另外，如丝杠名义直径D0一定时，t减小、螺距升角随之减小，传动效率也随之降低。丝杠名义直径D0是指滚珠中心圆的直径，根据承受的载荷来选取。D0愈大，丝杠承载能力和刚度愈大。为了满足传动刚度和稳定性的要求，通常应大于丝杠长度的1/301/50。滚珠直径d0对承载能力有直接影响，应尽可能取较大的数值。一般d00.6t，其最后尺寸按滚珠标准选用。滚珠的工作圈数J、列数K和工作滚珠总数N对丝杠工作特性影响很大。根据试验，每一个循环回路中，各圈所受载荷不均匀，滚珠第一圈约承受总载荷的50%，第二圈约承受30%，第三圈约承受20%。因此，圈数过多并不能加大承载能力，反而增加了轴向尺寸。一般工作圈数J=2.53.5圈。若工作圈数必须超过三圈半时，可制成双列或三列，列数多，增加了接触刚度，提高了承载能力。但并不是成比例增加，列数多，增加承载能力并不显著，反而加大了螺母的轴向尺寸。一般K=23列。工作滚珠总数N不宜过多，一般N150，否则，容易引起流通不畅而堵塞。但也不宜过少，这样会使每个滚珠所受载荷加大，弹性变形也大。（3）、工作载荷分析及计算 普通麻花钻每一切刃都产生切向切削抗力,径向切削抗力与轴向切削抗力。当左，右切削刃对称时，径向抗力相互平衡。切向抗力形成钻削扭矩M，它消耗了切削功率。所有切削刃上轴向抗力之和形成了钻头上的轴向力。 钻削时安装工件的工作台是静止的，不作纵，横向进给运动，因此钻削时工作台载荷主要是垂直进给方向载荷，其大小与钻削轴向力F相同，方向相反。当钻削工作台不作垂直进给时，是工作台的静压垂直载荷；当工作台作垂直进给时，是工作台垂直进给抗力。 由于钻削时加工材料一般为碳素结构钢，钻头为普通麻花钻，加工方式为钻孔，所以查机床夹具设计手册得：轴向切削力的计算公式如下： F=667D式中D为钻头直径，f为每转进给量，为修正系数。=已知结构钢和铸钢取,取进给量f=0.2mm，由于最大钻孔直径是32mm,所以钻头直径取D=32mm. F=667D=6918.26N（4）计算作用在丝杠上的最大动负荷 首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出丝杠副应能承受的最大动载荷C： = 式中运转状态系数，一般运转取1.21.5，有冲击的运转取1.52.5； 滚珠丝杠工作载荷（N）； 工作寿命，单位为10r，可按下式计算 = 式中 滚珠丝杠的转速（r/min）； 使用寿命时间（h），数控机床取15000h。钻镗床主轴燕尾导轨滚珠丝杆副驱动时滚珠丝杆的工作载荷： 式中 F切削时的轴向切削抗力； 轴套和轴架以及主轴键上的摩擦系数0.15； M主轴上的扭矩； 主轴直径； 则 = 其中为最大切削力条件下的进给速度（），可取最高进给速度的；为丝杠基本导程（），计算时，可初选一数值，等刚度验算后再确定； 则 为额定使用寿命（），可取15000h; 则 60.03万转根据工作负载、寿命，计算出滚珠丝杠副承受的最大动负载，取1.2，则： =35828.26N 由查机床设计手册，选择丝杠的型号。选择滚珠丝杠的直径为40mm，型号为CDM4010-5-P4,其额定动载荷是53411N，强度足够用。（5）丝杠螺纹部分长度等于工作台最大行程（400mm）加螺母长度（150mm），再加上两端余量（40mm）。即：=400+150+402=630mm。（6） 支撑跨距 应略大于，取为=700mm。（7） 效率计算 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为 式中 螺纹的螺旋升角，该丝杠为541； 摩擦角约等于10。则 0.971（8）刚度验算.丝杆的拉压变形量 滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，它将引起导程发生变化，因滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量 式中 弹性模数，对钢，； 滚珠丝杠截面积（）（按丝杠螺纹底径确定）834.7 “”用于拉伸时，“”用于压缩时。则 则丝杆的拉伸或压缩变形量 .滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杆的长度无关。当丝杆在工作时有预紧时，其计算公式为：式中 滚珠直径； 滚珠总数量Z圈数列数； Z一圈的滚珠数，Z=(外循环)，Z=（）3（内循环）； 滚珠丝杆的公称直径； 预紧力； 滚珠丝杆工作载荷； Z=40/5.95321.11 则Z圈数列数21.112.5273.88 又滚珠丝杆的预紧力为轴向工作载荷的1/3，值可减小一半，因而。.支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形在垂直进给运动中采用角接触球轴承，其计算公式为： 式中 轴承所受轴向载荷； 轴承的滚动休数目； 轴承滚动体直径； 工作载荷 滚珠丝杆的滚动体数量，滚动体直径 则 因为有预紧力，故实际变形量根据以上的计算，则总变形量为：四级精度丝杆允许的螺距误差为25m，故刚度足够。（7）、压杆稳定的校核 滚珠丝杆通常属于受轴向力的细长杆，若轴向力工作负荷过大，将使丝杆失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为： = 2 EI/L2(N)式中： E为丝杆的弹性模量，对于钢，E=20.6104，I为截面惯性矩，I=d14/64，(d1为丝杆底径),L为丝杆最大工作长度，为丝杆支承方式系数. I=32.64/64=55442.2 =4 =2420.610455442.2/5802=134.08104 临界载荷与丝杆工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于许用稳定性安全系数，则该滚珠丝杆不会失稳。一般取=2.5-4。 =134.08104/8087166.4 压杆稳定3.1.2 滚珠丝杆副的预紧方式 为了消除间隙和提高滚珠丝杆副的刚度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，常用的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧等。预紧后的刚度可提高到为无预紧时的2倍。但是，预紧载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大。通常，滚珠丝杆在出厂时，就已经由制造厂调好预加载荷，并且预加载荷往往与丝杆副的额定动载荷有一定的比例关系。 双螺母垫片式预紧：调整方法：调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移。特点：结构见到，装卸方便，刚度高；但调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和预紧，适用于高刚度重载传动。 双螺母螺纹式预紧：调整方法：调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。结构紧凑，工作可靠，调整方便，但准确性差，且易于松动，适用于刚度要求不高或随时调节预紧的传动。 双螺母齿差式预紧：调整方法：两边的下螺母的凸缘上有外齿，分别与紧固的螺母座两端的内齿圈，两个螺母向相同方向旋转，每转过一个齿，调整轴向位移。能够精确地调整预紧力，但结构尺寸较大，装配调整比较复杂，宜用于高度精度的传动机构。 在垂直进给运动中要求要不定时调节预紧力，因而宜用双螺母螺纹式预紧。3.1.3 齿轮传动消隙 齿轮传动的间隙也叫侧隙，它是指一个齿轮固定不动，另一个齿轮能够作出的最大角位移。传动间隙是不可避免的，其产生的这样原因有：由于制造及装配误差所产生的间隙；为使用热膨胀而特意留出的间隙。为了提高定位精度和工作的平稳性，要尽可能减小传动间隙。除了提高制造和装配精度外，消隙的主要途径有：设计可调整传动间隙的机构；设置弹性补偿元件。在这设计里我采用可调整齿轮传动间隙的机构来消除间隙。3.1.4 脉冲当量和传动比的确定、传动比的选定对于步进电机，当脉冲当量确定，并且滚珠丝杆导程和步进电机步距角都已初步选定后，则可用下式来计算该轴伺服传动系统的传动比：、计算转动惯量初选步进电机的型号为130BF001则查表查出电机转子转动惯量40.06对于轴，轴承，齿轮，联轴节，丝杆等圆柱体的转动惯量公式为： 对于钢材，材料密度为，则有 从资料定出齿轮副为： m2 mm 则： 齿轮转动惯量： 滚珠丝杆转动惯量折算： 工作台质量折算：传动系统等效转动惯量计算： = =12.363.1.5 减速齿轮副设计此处设计的减速齿轮副是开式齿轮传动，为防止轮齿太小引起的意外断齿，传递动力的齿轮模数一般不小于1.52mm，因此，减速齿轮模数取为m=2mm，选择为直齿圆柱齿轮故分度圆压力角=20，齿顶高系数，顶隙系数。为了提高开式齿轮传动的耐磨性，要求有较大的模数，因而齿数应少一些，一般取Z1=1720，此处取=20，故= =204.17=84，取=84。由 得：表3-2 垂直进给齿轮参数表齿轮1齿轮2齿数Z2084模数m（mm）22分度圆 d（mm）40168齿顶圆 （mm）44172齿根圆 （mm）35163中心距 a（mm）104104齿宽2016 图3-3 齿轮零件图3.1.6 步进电机的选择（1）、负载转矩计算及最大静转矩选择 又 t0.03s则折算到电动机轴上的总加速力矩为： 折算到电动机轴上的摩擦力矩 G980N ，(燕尾形导轨) ， 总效率 ， =4.17 附加摩擦力矩 预紧力 , 为滚珠丝杆未预紧时传动效率，取 则步进电机快速空转启动力矩： 对于工作方式为五相十拍的步进电机最大静转矩为： 从相关资料查出130BF001型步进电动机最大静转矩为9.31，大于所需最大静转矩，可作为初选型号。（2）、校核步进电机的空载启动频率 步进电机的空载启动频率是 查相关资料知：130BF001型步进电机允许的最高空载启动频率为3000,因而必须分三个阶梯启动，每个阶梯启动频率为,在0.25s内完成升速，0.05s过渡。取，则步进电机的运行频率为： 而步进电机允许的运行频率为16000，所以满足设计要求。滚珠丝杠没有自锁能力，垂直坐标不能锁住，而进给箱的重量相对来说比较大所以必须采用平衡装置，避免在工作时主轴箱的失控下降。3.2 纵向进给系统的设计计算滚珠丝杠螺母副的选择计算假定工作台及零件的总的量： =100kgf=1009.8=980N X轴的行程为： 300mm 纵向脉冲当量： 0.01mm 预选滚珠丝杠基本导程： =5mm 步距角： 快速进给速度： =2.0m/min 3.2.1 滚珠丝杠设计计算（1）、工作载荷分析及计算 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，也叫作进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩檫力。据机床加工的特点，当铣削槽时，工作载荷最大，由于铣削时，工作载荷既包括铣削时沿着丝杠轴的方向的力（即轴向力），也包括工作台及工件的重量（即垂直丝杠轴方向的力），由于在钻削时不存在纵向运动，因此只要考虑铣削的情况，而铣削时的轴向力不大，所以在此不考虑铣削时产生的轴向力。取铣削刀具直径为75mm，而机床的计算转速为250r/min，则 而，机床主传动系统的传动效率则选端铣，对称，其中端铣，时， 则得： 则可得 则在燕尾导轨上滚珠丝杆的工作载荷Fm为： 其中， =0.2， G=980N（2）计算作用在丝杠上的最大动负荷 其中L=60nt/106 因为一般1.5，取=1.2则由查机床设计手册，选择丝杠的型号。选择滚珠丝杠的直径为32mm，型号为CDM3205-5-P3,其额定动载荷是19249N，强度足够用。（4）丝杠螺纹部分长度 等于工作台最大行程（300mm）加螺母长度（150mm），再加上两端余量（40mm）。即：=300+150+402=530mm。（5） 支撑跨距 应略大于，取为=550mm。（6） 效率计算 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为 螺纹升角 （7） 刚度验算.丝杆的拉压变形量滚珠丝杆截面积按丝杆螺纹的底径确定：工作负载引起的导程的变化量可用下式计算：则丝杆的拉伸或压缩变形量 L滚珠丝杠两端的支撑间距，取L=900mm由于两端均采用推力轴承，且丝杆又进行了预紧，故其拉压刚度可比一端固定的丝杆提高4倍。.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杆的长度无关。当丝杆在工作时有预紧时，其接触变形量为：（其中为预紧力，而 ） 丝杆加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的1/3时 可减少一半。因此实际变形量为：.支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形根据以上的计算，则总变形量为： 三级精度丝杆允许的螺距误差为15m/m，故刚度足够。 (8)稳定性验算。 滚珠丝杠长期受轴向力，若轴向工作负载过大，会使其产生纵向变形失去稳定性，所以通过验算其所能承受的最大轴向载荷了解是否会产生纵向弯曲。 式中 一一丝杠支撑系数，由于是两端固定，所以=4； E一一滚珠丝杠材料的弹性模量，取钢； L一一丝杠两端距离。L=900mm； I丝杠截面惯性矩； 丝杠底径， =28.1m 所以最大轴向载荷为 稳定性安全系数为 由于稳定安全系数远大于许用稳定安全系数4，所以丝杠很稳定，不会发生失稳。3.2.2 脉冲当量和传动比的确定、传动比的选定、计算转动惯量初选步进电机的型号为130BF001则查表查出电机转子转动惯量40.06则滚珠丝杆转动惯量折算：齿轮转动惯量折算： 工作台质量折算：传动系统等效转动惯量计算： = =9.3413.2.3 减速齿轮副设计此处设计的减速齿轮副是开式齿轮传动，为防止轮齿太小引起的意外断齿，传递动力的齿轮模数一般不小于1.52mm，因此，减速齿轮模数取为m=2mm，选择为直齿圆柱齿轮故分度圆压力角=20，齿顶高系数，顶隙系数。为了提高开式齿轮传动的耐磨性，要求有较大的模数，因而齿数应少一些，一般取Z1=1720，此处取=20，故= =201.04=21，取=21。由 得： 表3-4 纵向进给齿轮参数表齿轮1齿轮2齿数Z2021模数m（mm）22分度圆 d（mm）4042齿顶圆 （mm）4446齿根圆 （mm）3537中心距 a（mm）4141齿宽20163.2.4 步进电机的选择（1）、负载转矩计算及最大静转矩选择 又 则折算到电动机轴上的总加速力矩为：折算到电动机轴上的摩擦力矩附加摩擦力矩 预紧力，滚珠丝杆未预紧时的传动效率取则则步进电动机快速空转启动力矩：对于工作方式为五相十拍得步进电动机最大静转矩：从相关资料查出130BF001型步进电动机最大静转矩为9.31，大于所需快速空载启动力矩，可作为初选型号。（2）、校核步进电机的空载启动频率 步进电机的空载启动频率是而130BF001型步进电动机最高空载启动频率为f=3000HZ,因而必须分三个阶段启动，每个阶段启动频率为，在0.25s内玩完成升速0.05s过渡，取，则步进电动机运行频率为：而步进电机允许的运行频率为16000HZ，因而满足要求。3.3 横向进给系统设计计算滚珠丝杠螺母副的选择计算假定工作台及零件的总的量： =200kgf=2009.8=1960N Y轴的行程为： 375mm 纵向脉冲当量： 0.01mm 预选滚珠丝杠基本导程： =6mm 步距角： 快速进给速度： =2.0m/min 3.3.1 滚珠丝杠设计计算（1）、工作载荷分析及计算横向导轨为矩形导轨，计算公式如下： 式中：,已知工作台及夹具工件重力：G=1960N。对于矩形导轨，k=1.1，f=0.15，因此： （2）计算作用在丝杠上的最大动负荷 其中L=60nt/106因为一般1.5，取=1.2则 由查机床设计手册，选择丝杠的型号。选择滚珠丝杠的直径为40mm，型号为CDM4006-5-P3,其额定动载荷是19249N，强度足够用。（4）丝杠螺纹部分长度 等于工作台最大行程（375mm）加螺母长度（150mm），再加上两端余量（40mm）。即：=375+150+402=605mm。（5） 支撑跨距 应略大于，取为=615mm。（6） 效率计算 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为 螺纹升角 （7） 刚度验算.丝杆的拉压变形量滚珠丝杆截面积按丝杆螺纹的底径确定：工作负载引起的导程的变化量可用下式计算：则丝杆的拉伸或压缩变形量其中 L滚珠丝杠两端的支撑间距，L=850mm(8)稳定性验算。 滚珠丝杠长期受轴向力，若轴向工作负载过大，会使其产生纵向变形失去稳定性，所以通过验算其所能承受的最大轴向载荷了解是否会产生纵向弯曲。 式中 一一丝杠支撑系数，由于是两端固定，所以=4； E一一滚珠丝杠材料的弹性模量，取钢； L一一丝杠两端距离。L=850mm； I丝杠截面惯性矩； 丝杠底径， =28.1m 所以最大轴向载荷为 稳定性安全系数为 由于稳定安全系数远大于许用稳定安全系数4，所以丝杠很稳定，不会发生失稳。3.3.2 脉冲当量和传动比的确定、传动比的选定、计算转动惯量初选步进电机的型号为130BF001则查表查出电机转子转动惯量40.06则滚珠丝杆转动惯量折算： 齿轮转动惯量折算： 工作台质量折算： 传动系统等效转动惯量计算：=33.93.3.3 减速齿轮副设计此处设计的减速齿轮副是开式齿轮传动，为防止轮齿太小引起的意外断齿，传递动力的齿轮模数一般不小于1.52mm，因此，减速齿轮模数取为m=2mm，选择为直齿圆柱齿轮故分度圆压力角=20，齿顶高系数，顶隙系数。为了提高开式齿轮传动的耐磨性，要求有较大的模数，因而齿数应少一些，一般取Z1=1720，此处取=20，故= =201.25=25，取=25。由 得： 表3-5 横向进给齿轮参数表齿轮1齿轮2齿数Z2025模数m（mm）22分度圆 d（mm）4050齿顶圆 （mm）4454齿根圆 （mm）3545中心距 a（mm）4545齿宽20163.3.4 步进电机的选择（1）、负载转矩计算及最大静转矩选择 又 则折算到电动机轴上的总加速力矩为：折算到电动机轴上的摩擦力矩附加摩擦力矩 预紧力，滚珠丝杆未预紧时的传动效率取则则步进电动机快速空转启动力矩：对于工作方式为五相十拍得步进电动机最大静转矩： 从相关资料查出130BF001型步进电动机最大静转矩为9.31，大于所需快速空载启动力矩，可作为初选型号。（2）、校核步进电机的空载启动频率 步进电机的空载启动频率是 而130BF001型步进电动机最高空载启动频率为f=3000HZ,因而必须分三个阶段启动，每个阶段启动频率为，在0.25s内玩完成升速0.05s过渡，取，则步进电动机运行频率为：而步进电机允许的运行频率为16000HZ，因而满足要求。 第4章 数控系统的设计4.1 数控车床及数控系统的概述 按照国际信息处理联盟(International Federation of Information Processing-IFIP)第五技术委员会，对数控机床的定义:数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能够处理用号码或其它符号编码指令规定的程序。定义中所指的程序控制系统，就是数控系统或数控装置。它是一种控制系统，能自动阅读读入载体事先给定的数字值，并将其译码，从而控制机床动作，进行零件加工。数控机床的主要结构见图4-1，由机床主机、驱动装置、辅助装置、CNC装置和编程装置等组成。 图4-1 数控机床的主要结构（1）机床主机 机床主机是数控机床的机械主体，由能实现各可控运动主轴和主运动的带传动、齿轮传动(变速箱)系统、工作部件和支承件等组成。在结构上数控机床主机与相应的非数控机床虽有类似的部分，但也有自己的特点:采用高性能的主轴及进给伺服传动系统;能长时间连续自动化加工，又能保持加工质量稳定性;通常采用预加载荷的滚珠丝杠副、直线滚动导轨副以及贴塑导轨等。（2）驱动装置 数控机床主传动一般都由直流或交流主轴伺服电动机驱动。主轴调速功能由主轴伺服电动机的伺服单元接受数控装置给出的电位信号或数码转换信号控制，使电动机达到指定的转速。电动机上带速度反馈元件，它把电动机实际转速反馈给控制单元。 图4-2进给传动表明每一个可控轴进给机构伺服系统的基本构成，按反馈控制形式分为以下三类。图4-2 数控机床进给机构伺服系统1）开环伺服系统。如图4-2中虚线方框内结构，开环伺服系统没有检查机械运动的检测元件，即没有来自位置传感器的反馈信号。典型的开环伺服系统由步进电动机或电液脉冲马达驱动，运动速度和精度较低，运动中容易产生振荡、丢步等现象，因此仅用于经济型或简易型数控机床，其精度和速度的提高受到限制。2）半闭环伺服系统。这一类系统的位置检测元件从机械传动链的中间取得信号，检测元件大多是装在伺服电动机后端或滚珠丝杠驱动端，能获得比闭环伺服系统稳定性好的控制特性，而且也较经济，是全功能数控机床广泛采用的一种控制形式。3)闭环伺服系统。如图4-2所示，这类系统接受数控装置输出的指令信号，同时又接受由位置传感器检测的实际位置反馈信号，两者进行比较处理并由其差值不断进行误差修正;因此可以消除由于传动系统中存在的误差(如滚珠丝杠的导程误差)和热变形等的影响，得到较高的定位精度和加工精度。主要用于一些精度要求较高的数控机床，特别是精密、高精密数控机床，如精密卧式加工中心。（3）辅助装置数控机床和非数控机床类似，包括液压和气动装置，冷却系统、润滑系统、自动排屑装置、防护装置等。数控机床对这些装置的工作质量、可靠性和技术性能都要求较高。（4）数控装置系统 数控装置是数控机床的控制核心，包括运算和存储等计算机硬件、CRT显示器，操作面板和键盘、各种不同形式纷输入输出装置，以及相应配套的运算控制软件等。多数数控机床一般都采用计算机数控装置(CNC装置)，即按微机结构原理的硬件平台(有的采用少量专用芯片)配置专用软件，构成软件数控系统。数控装置通常具备的功能有:各可控轴控制及多轴联动控制、各种插补运算、代码转换、人机对话、局部加工功能选择、各种补偿功能、CRT显示、故障自诊断功能、与管理系统联网通信功能。数控系统功能档次可分为经济型(简易型)、全功能普及型和全功能高级型。全功能高级型还可有MAP通信协议接口，具有计算机联网和集成信息通信功能。（5）编程装置数控机床程序编制(简称编程)方法有手工和自动编程。对于点位加工或形状不太复杂的零件，编程计算较简单，程序段不多，用手工即可实现。但对于复杂零件，特别是空间曲面零件，编程计算相当繁琐，编程工作量大，必须采用自动编程方法。自动可分为离线编程和在线编程。与数控系统相脱离单独的自动编程系统实现离线编程，可为多台数控机床，编程时不占用机床工作时间。自动编程系统与数控系统连在一起时，可进行在线编程。例如有的CNC装置具有人机对话型编程功能，就是将离线编程机的许多功能移植到了数控系统。按输入方式的不同，自动有语言输入、图形输入和语音输入三种方式。4.2 控制系统总体方案的拟定 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、磨床等等.控制系统的基本组成如下图所示:通信接口软件微机 步进电机驱动电路步进电机机床开关量控制电路主运动驱动电路主轴电动机图4-3 控制系统得基本组成4.3 进给步进电机的驱动器选型 根据设计方案，保留主轴箱、床身导轨、溜板、尾座，即主传动的主轴电动机驱动保持原有设备。纵向和横向进给传动的设计己在第3章完成，己确定了滚珠丝杠的型号、步进电机的型号等，本节主要选择纵向和横向进给传动步进电机的驱动器。 步进电机的驱动器主要由环形分配器和功率驱动电路两个部分组成，功率驱动电路将环形分配器输出的微弱电流进行放大，满足步进电机的驱动，因此选择步进电机驱动器的良好性能是保证普通车床数控化改造的精度之一。常见的步进电机驱动器的功率驱动电路有五种，其中细分驱动电路是通过控制绕组中的电流数值来调整步进电机步距角的大小，控制精度高。根据第3章己选择的纵向进给传动和横向进给传动选择的步进电机为130BF001,查阅相关资料以及产品可知，广州数控DY3B系列五相混合式步进电机驱动器，采用DC310V驱动电压，高速高转矩输出。产品特点:正弦波驱动，数字技术实现矢量细分，电机旋转定位精度高、运行平稳、噪音低。用户可设置十五种电机步距角(0.0360.75)，应用灵活、适合精密控制。选用三菱公司第四代智能模块(IPM)，耐电压冲击力强，稳定性好，具有过载、短路、过压、过热等完善的保护措施。控制线路集成度高，可靠性好，整机结构紧凑、合理。具有外部电流可调功能，用户可根据负载情况灵活调节。采用DC310V驱动电压，高速高转矩输出。采用机外风冷散热设计，防护好。4.4 分配器环形分配器的作用是把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令，转换成控制步进电动机定子绕组通电、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的数量及方向对应。如对于三相三拍步进电动机，若“1”表示通电，“0”表示断电，A，B，C是其三相定子绕组，则经环形分配器后，每来一个进给脉冲指令，A，B，C应按（100）（010）（001）（100）的顺序改变一次。环形分配器有硬件环形分配器和软件环形分配器两种形式。硬件环形分配器是由触发器和门电路构成的硬件逻辑线路。实际上现在市场上已经有集成度高、抗干扰性强的PMOS和CMOS环形分配器芯片供选用。下面主要介绍用计算机软件实现脉冲序列分配的软件环形分配器。下面是基于查表法的软件环形分配器的程序设计方法，本次铣床改造我们采用五相混合式步进电机。如图4-4所示为三坐标步进电动机伺服进给系统框图。x向y向z向步进电动机的五相定子绕组分别为A1、B1、C1、D1、E1相和A2、B2、C2、D2、E2相，A3、B3、C3、D3、E3相分别经各自的放大器、光电耦合器与计算机的PIO（并行输入输出接口）的PA0PA14相连。 图4-4三坐标步进电动机伺服进给系统框图查表法的关键是根据步进电动机当前励磁状态和要求的正向或反向运转的要求，如何从表中找到相应单元地址，并取出地址的内容输出。当然要用查表程序中用的基址（表格首址）加索引值（序号）的方法。正转时，只要步进电动机当前状态序号不是表底序号，序号加1就是一下状态的序号：若是表底序号，需要将表底序号修改成表首序号。反转时，须判断当前序号是不是表首序号，若不是表首序号则序号减1；若是表首序号，需要将表首序号修改成表底序号。4.5 系统的编程与加工功能数控编程与加工是根据加工零件的图纸和工艺要求，用数控语言描述出来，编制成零件的加工程序，然后交给数控机床自动加工的过程。（1）程序结构 主要包括程序段、程序。在各程序段之前有行号，各程序取有相应的程序名。（2）编程指令代码及功能 本系统的编程指令代码采用国际标准数控语言-ISO代码，G代码一准备功能、M代码一辅助功能、T代码一刀具功能、F功能一进给速度功能。 G代码可以实现快速定位、直线插补、圆弧插补、定时延时、恒限速控制、单一型循环、复合循环、程序局部循环、系统偏置等功能。 M代码可以实现暂停、程序转移与调用子程序、程序结束、冷却液控制、润滑控制等功能。 T代码可以移动机床拖板完成刀具补偿和修改系统坐标。F代码可以实现刀具进给速度快慢的控制。4.6 系统报警（1）急停报警 系统输入接口中有外接急停输入端，在紧急情况下按下急停开关，常闭触点断开，系统进入急停状态。停止所有进给，主轴等全部开关量控制置为输出无效，屏幕显示“急停报警”。将急停开关按箭头放向顺时针旋转，急停开关自动抬起，再按系统键盘上任意键，系统退出急停状态返回到急停之前的工作方式。（2）行程限位开关报警 在纵向右部分安装有一个行程限位开关，当拖板移动压下行程限位开关时，停止进给，但不关闭其他辅助功能，程序停止运行，并在屏幕右上角显示出相应轴的限位报警信息。采用手动工作方式，按与限位方向相反的手动进给键，即可以退出行程限位，屏幕上显示限位报警信息消失。（3）驱动器报警 当驱动器的报警输出信号接入到数控系统并产生驱动器报警时，系统自动切断所有进给，并在屏幕右上角提示“Z轴驱动器报警”或“X轴驱动器报警”。程序停止运行并关闭所有输出信号。待检查驱动器及相关部分，排除故障后重新通电。（4）其他报警当数控系统产生其他报警时会在屏幕上用汉字显示，此时可根据提示的内容作相应的处理或查阅产品使用说明书的报警一览表。 第5章 总控制系统硬件电路设计5.1 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除程序存贮器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源（程序存贮器、数据存贮器、I/O口、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字节程序存贮器和64KB字节数据存贮器。内部没有程序存贮器，必须外接EPROM程序存贮器。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。XTAL1（19脚）：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。XTAL2（18脚）：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0.5V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Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（50.5）V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。ALE/（30脚）：当单片机访问外部存贮器时，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。即使不访问外部存贮器，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贮器时，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贮器的读选通信号。在从外部程序存贮器指令（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贮器时，这两次有效的信号不出现。同样可以驱动8个TTL负载。/Vpp（31脚）：当端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存贮器，但当PC值超过某值时，将自动转向执行外部程序存贮器内的程序。当端保持低电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外部程序存贮器。对8031来说，因其无内部程序存贮器。所以该引脚必须接地，即此时只能访问外部程序存贮器。c.输入/输出引脚输入/输出（I/O）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口（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口（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口（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,XTAL1、XTAL2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. 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.如下图所示: 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XTAL1、XTAL2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,P1,P2,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,如下图所示: 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以上的高电平(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C=10F,R=8.2K.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.5.2 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贮器，用以存放控制程序。同时，单片机内部的存贮器容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存贮器。这种扩展就是配置外部存贮器（包括程序存贮器和数据存贮器）。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。分为程序存贮器的扩展和数据存贮器的扩展。对于一个完整的应用系统，必须具备一定容量的程序存贮器和一定容量的数据存贮器。8031单片机外部扩展两片2764EPROM和两片6264静态RAM。程序存贮器2764的地址为：0000H-1FFFH。数据存贮器6264的地址为0000H-7FFFH。5.3 I/O口的扩展 MCS-51系列单片机大多具有四个8位I/O口（即P0、P1、P2、P3），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贮器，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。a.8255A可编程外围并行I/O接口 8255A是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，如下图所示 图中8255的分别与MCS-51的相连；8255的D0-D7直接接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。 8255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。b.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，1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口和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，可用来定时或对外部事件计数，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口线及一个14位定时器。下图为8155与8031的一种接口逻辑，图中P2.7连片选信号CE，P2.0连，所以8155的RAM的地址为7E00H-7EFFH；I/O寄存器地址分别为：命令字/状态字寄存器地址为7F00H，PA口地址为7F01H，PB口地址为7F02H，PC口地址为7F03H，定时器/计数器低字节寄存器地址为7F04H，定时器/计数器高字节寄存器地址为7F05H。5.4 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,永磁式步进电动机,以及永磁感应式步进电动机.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,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.下图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: 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，使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，丝杆，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的其五相分别用，表示五相十拍的运行方式是顺序轮流通电，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，.，.，.，.，.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，电流为m级，必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培，才能驱动步进电动机因此，步进电机驱动器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下图是一个a绕组的高低压驱动电路，脉冲变压器p组成高压控制电路。 无脉冲输入时，均截止，电机绕组a中无电流通过，电机不转 有脉冲输入时，饱和导通，在由截止到饱和期间，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，使导通，高压经高压管加到绕组a上，使电流迅速上升，约经数百微妙，当进入稳压状态后，p初级电流暂时恒定，次级的感应电压降到，截止，这时低压电流经加到绕组a上，维持a中的电流为恒定值 输入脉冲结束后，又均截止，储存在a中的能量通过的电阻和二极管泄放，的电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流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（4）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，通常采取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、光导纤维连接等。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1010-1012，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5s，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。下图是使用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（GND）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。（5）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-SB6为手动操作进给键，分别完成人工操作的X、Y、Z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。 第6章 控制系统的软件设计 我们知道步进电动机的控制需要变频信号源、环形分配器以及功率放大器等硬件。而在微机控制步进电机的驱动的系统中，变频信号和环形分配器可用软件代替，并且还可以方便地实现步进电机的加减速控制。 我们设计所选用的步进电机是五相十拍的。8255的PA口为输出口，分别控制步进电机的A、B、C、D、E五相，由软件实现环形分配器的功能，PA口分别输出时序脉冲，经光电隔离，驱动放大使步进电机转动。五相十拍的步进电机的通电方式为：A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA。按以上顺序通电，步进电机正转，按反相通电，步进电机转动。由8255的PA口输出控制字，即可实现对步进电机的正反转控制。同时在两控制字之间加入一定的延时时间，延时时间的长短决定可步进电机运行一拍得时间，从而也就决定了步进电机的转速。 第7章 机床调试验收 新的电气系统改造完以后，怎样进行调试以及确定合理的验收标准，也是技术准备工作
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