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山東大學畢業(yè)論文（設計） 1 山東大學畢業(yè)論文（設計） 1 第１章 緒論 隨著人工智能在計算機領域的滲透和發(fā)展，數控系統(tǒng)引入自適應控制﹑模糊系統(tǒng)和神經網絡的控制機理，不但具有自動編程﹑前饋控制﹑模糊控制﹑學習控制﹑自適應控制﹑工藝參數自動生成﹑三維刀具補償﹑運動參數動態(tài)補償等功能，而且人機截面極為友好，并且有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅動和智能化進給伺服裝置，能自動識別負載并自動優(yōu)化調整參數。直線電機驅動系統(tǒng)以使用化。 用數控銑床加工零件時，首先應編制該零件的加工程序，這是數控銑床的工作指令。將加工程序輸入數控裝置，再 由數控裝置控制機床主運動的變速﹑啟動﹑停止﹑進給運動的方向﹑速度和位移量，以及工件裝夾和冷卻潤滑的開關等動作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴格按照加工工序規(guī)定的順序﹑運動軌跡加工出符合要求的零件。 三坐標數控銑床的進給運動是數字控制的直接對象，不論點位控制還是連續(xù)控制，被加工工件的最后坐標精度和輪廓精度都受到進給運動的傳動精度﹑靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，要注意以下三點進給運動要求： (1) 減少運動件的摩擦力。進給系統(tǒng)雖有許多元件，但摩擦阻力主要來自絲杠和導軌。絲杠和導軌結構的滾動化是減少摩擦的重要 措施之一。 (2) 提高傳動精度和剛度。在進給系統(tǒng)中滾珠絲杠和支承結構是決定其傳動精度和剛度的主要部件，因此，必須首先保證它們的加工精度。 (3) 減少運動慣量。進給系統(tǒng)中每個元件的慣量對伺服機構的啟動和制動特性都有直接的影響。尤其是處于高速運轉的零件，其慣性的影響更大。 設計是在原有普通銑床的基礎上 ,對其進行改造 ,成為三坐標數控銑床。該機床能通過三軸聯動，實現曲線直線等不同的加工路線。 所設計的三坐標數控銑床，三個坐標方向的移動均由步進電機帶動，主軸電機采用交流電機，所有電機均由單片機進行控制。 此設計主 要對數控銑床的機構進行設計，了解單片機的工作原理，主要有以下幾個方面： X、 Y、 要是滾珠絲杠的運用；機床整體結構的設計，了解優(yōu)缺點，充分考慮主要矛盾，擇優(yōu)選取；單片機控制系統(tǒng)的設計，進一步熟悉其應用。 山東大學畢業(yè)論文（設計） 2 第 ２ 章 立式數控銑床的設計和計算 ２ 傳動系統(tǒng)的設計 主傳動系統(tǒng)一般由動力源（如電動機）、變速裝置及執(zhí)行元件（如主軸、刀架工作臺），以及開停、換向和制動機構等部分組成。動力源給執(zhí)行元件提供動力，并使其得到一定的運動速度和方向 ,變速裝置傳遞 動力以及變換運動速度，執(zhí)行元件執(zhí)機床所需的運動，完成旋轉或直線運動。 現代切削加工正朝著高速、高效和高精度方向發(fā)展，對機床的性能提出越來越高的要求，如轉速高，調速范圍大，恒扭矩調速范圍達 1： 100～ 1： 1000，恒功率調速范圍達 1： 10以上；更大的功率范圍達 250在切削加工中自動變換速度；機床結構簡單，噪聲小，動態(tài)性能好，可靠性高等。 ２ 主傳動變速系統(tǒng) 普通機床一般采用機械有級變速調速傳動，而數控機床需要自動變速；且在切削階梯軸的不同直徑，且削曲線旋轉面和斷面時 ，需要隨切削的直徑的變化而自動變速，以保持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調速范圍內選用到理想的切削速度，這樣既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。 機床主傳動中常采用得無級變速裝置有三大類：變速電動機、機械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。 無級變速主傳動系設計原則： 一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動系要求的無級變速裝置。如銑床主傳動系要求恒功率傳動，就應選擇恒功率無級變速裝置。二為無級變速系統(tǒng)裝置單獨使用時，其調速范圍較小，尤其是恒功率調速范圍往往小于機床實際需要的恒功率 變速范圍。為此，常把無級變速裝置宇機械分級變速箱串聯在一起使用，以擴大恒功率變速范圍和整個變速范圍。 （ 1） 主軸部件設計 主軸部件的性能要求 主軸部件是機床主要部件之一，它是機床的執(zhí)行元件。他的功用是支承并帶動工件或刀具旋轉進行切削，承受切削力和驅動力等載荷，完成表面成型運動。主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。 主軸部件的工作性能對整機性能和加工質量以及機床生產效率有著直接影響，是決定機床性能和技術經濟指標的重要因素。因此，對主軸部件有如下要求： 1）軸的旋轉精度 是指裝配后，在無載荷、低速轉動的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的 7： 24 錐孔）的徑向和軸向跳動。旋轉精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調整精度。工件轉速下的旋轉精度還取決于主軸的轉速、軸承的性能，潤滑劑和主軸組件的平衡。 2 ）剛度 主軸部件的剛度是指其在外載荷作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產生單位位移的彈性便形時，在位移方向上所施加的作用力來定義的。主軸部件的剛度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、滾 動軸承的類型和數量、預緊和配置形式、傳動件的布置方式、主軸部件的制造和裝配質量等都影響主軸部件的剛度。 山東大學畢業(yè)論文（設計） 3 3）溫升 因個相對運動處的摩擦生熱，切削取得切削熱等使主軸溫度升高將引起熱變形使主軸伸長，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，各類機床對溫升都有一定的限制。 4）可靠性 數控機床是高度自動化的機床，所以必須保證工作可靠性，可喜的地方是這方面的研究正在發(fā)展。 5）精度保持性 它指長期保持其原始制造精度的能力。對數控機床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度 。 （ 2）主軸部件的組成和軸承選型 1) 主軸部件，它由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。 2) 主軸的傳動件，可以位于前后支承之間，也可位于后支承之后的主軸后懸伸端。目前傳動件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實現分離傳動和模塊化設計：主軸組件（稱為主軸單元）和變速箱可以做成獨立的功能部件，又專門的工廠集中生產，作為商品出售。變速箱和主軸間可用齒輪副或帶傳動聯接。本三坐標曲面數控銑床采用帶傳動聯接。主軸支承分徑向和推力（軸向）。角接觸球軸承兼起徑向和推力支承的作用。推力支承應位于前支承內 ，原因是數控機床的坐標原點，常設定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標原點的位移，應盡量縮短坐標原點支推力支承之間的距離。 3) 主軸軸承，選用角接觸球軸承。這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。這種球軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，長采用多聯組配的辦法。有三種基本組配方式，分別為背對背，面對面和同向組配，背靠背和面對面組配都能受雙向軸向載荷；同向組配只能承受單向軸向載荷。主軸軸承必須采用背靠背組配。 4) 角接觸球軸承的間隙調整和預緊 主軸軸承的內部間隙，必須能夠調整，多數軸承，還應 在過盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動體和導軌之間有一定的預變形，這就是軸承的預緊。 軸承預緊后，內部無間隙，滾動體從各個方向支承主軸，有利于提高運動精度。滾動體的直徑不可能絕對相等，滾道也不可能絕對正圓，因而預緊前只有部分滾導體與滾道接觸。預緊后，滾導體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動體將增多，各滾動體的受力將更加均勻。這些都有利提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產生振動，則由于各個方面都有滾動體支承，可以提高抗振性 。 角接觸球軸承在軸向力的作用下，使內外圈產生軸向錯位實現預緊，衡量預緊力大小的是軸向預緊力，簡稱 預緊力 位為 N。多聯角接觸球軸承是根據預緊力組配的。軸承廠規(guī)定了輕預緊、中預緊和重預緊三級預緊。訂貨時可指定預緊級別。軸承廠在內圈（背靠背組配）或外圈（面對面組配）的端面根據預緊力磨去δ。裝配時擠緊，便可得到預定的預緊力。如果兩個軸承間需要隔開一定的距離，可在兩軸承之間加入厚度相同的內外隔套。在軸向載荷的作用下，不受力側軸承的滾動體與滾道不能脫離接觸。而滿足這個條件的最小預緊力，雙聯組配為最大軸向載荷的 35%。 5) 承載能力和壽命 主軸軸承通常載荷相對較輕。除上些特殊重載主軸外軸承的承載能力是沒有 問題的。主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為 使用磨損后跳動精度降為 這個軸承就認為應該更換了。 （ 3） 主軸組件的動態(tài)特性 通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸，特別是帶內裝式電動機高速主軸，電動機轉子是一個集中質量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動態(tài)特性，可采取下列措施： 1) 是主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。 山東大學畢業(yè)論文（設計） 4 2） 增大比尼。 3） 采用消振裝置。 ２ 主軸系統(tǒng)計算 三角膠帶傳動的計算和選定 三角帶的 選用應保證有效地傳遞最大功率（不打滑）并有足夠的使用壽命（一定的疲勞強度）。 (1) 確定計算功率 ?? ??中： 工況系數 P— 電機額定功率 2) 選擇三角帶型號 根據 圖 7帶 (3) 確定帶輪直徑 小帶輪直徑 滿足： D?1 查表 7 ,故選擇 D (4) 計算膠帶速度 25/ 0 0 0 1250100100060 11 ??????? ??故 擇合格 D 0 01 0 0212 ???? (5) 確定中心距 d)(1 )(2210 ??得 002100 ??初選 000 ?帶長 0784)()(22 0212210' ?????? ? 查表 7 000?中心距 6 12'0 ???? 4 60 1 ??a x ???(6) 驗算小帶倫包角 1? ?? ???? 0 121 得 ?? ?? 1201621? ， 即滿足條件。 (7) 確定 z z?)( 00 ??? 由表 7 ?山東大學畢業(yè)論文（設計） 5 )11(10 ???由表 7 ?? 1199.1?1( ????? ? 由表 7 K 代入求根公式，得 ??? 取 z=6,符合表 7(8) 確定出拉力0 0 0 d ????由表 7 20 1 ???? (9) 計算作用在軸上的壓力 Q 2?216 2s 62 ???? ２ 進給伺服系統(tǒng)的設計 ２ 對 進給伺服系統(tǒng)的基本要求 進給伺服系統(tǒng)不但是數控機床的一個重要組成部分，也是數控機床區(qū)別于一般機床的一個特殊部分。數控機床對進給伺服系統(tǒng)的性能指標可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號的響應快；系統(tǒng)的穩(wěn)定好。 (1) 穩(wěn)定性 伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當作用在系統(tǒng)上的擾動信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行 ,或者在輸入的指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結構及組成元件的參數（如慣性、剛度、阻尼、增益等），，與外界的作用信號（包括指令信號 或擾動信號）的性質或形式無關。 (2) 精度 伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復現輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通山東大學畢業(yè)論文（設計） 6 常存在三種誤差：動態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標就行。 (3) 快速響應性 快速響應特性是指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應速度及瞬態(tài)過程結束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應時間，傳動裝置的加速能力。它直接影響機床的加工精度和生產率。 ２ 進給伺服系統(tǒng)的設計要求 在靜態(tài)設計方面有： (1) 能夠克服摩擦力和負載 (2) 很小的進給位移量 (3) 高的靜態(tài)扭轉剛度 (4) 足夠的調速范圍 (5) 進給速度均勻，在速度很低時無爬行現象 在動態(tài)設計方面的要求有： (1) 具有足夠的加速和制動轉矩 (2) 具有良好的動態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質量 (3) 負載引起的軌跡誤差盡可能小 對于數控機床機械傳動部件則有以下要求 (1) 被加速的運動部件具有較小的慣量 (2) 高的剛度 (3) 良好的阻尼 (4) 傳動部件在拉壓剛度 扭轉剛度 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能 小的非線性 ２ 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應特性及伺服性能分析 (1). 時間響應特性 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時間響應特性和頻率響應特性。 (2) 頻率響應特性 (3) 快速性分析 ２ 進給傳動的計算 ２ X 軸滾珠絲杠副 (1) 精度 要求：進給精度 快速進給精度 m (2) 疲勞強度 絲鋼的最大載荷為最大進給力加摩擦力，最大進給力為 1625N,工作臺質量 700： 1） 摩擦力 3 i n ?????山東大學畢業(yè)論文（設計） 7 6 4 9241 6 2 5m a x ???32 m a x m ??3 2421649 ??? 根據《機電一體化設計基礎》 計算 載荷查表 2K 查表 2 K 查表 2K 查表 2 則： 3 2 81 1 0 ????2） 計算額定動載荷 '為 0000' ?, 00 4'?? 0000100 41328 ??? 3） 選用 表 2絲杠副數據： 公稱直徑 00 ?導程 0? 滾珠直徑 按表 2 滾道半徑 ???偏心距 0 (???????絲杠內徑 01 ?????????? ?4） 穩(wěn)定性驗算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證 絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 螺母固定端 游動端① 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數 S,其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數 [S] 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 ?? 山東大學畢業(yè)論文（設計） 8 式中， 于鋼 E=206m）；a 4m ）； ? 為長度系數，取32??。 4841 a ???? ?NF ??????? ?? 安全系數 36 ????查表 2[S]=S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 ② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速 —— 臨街轉速求絲杠的最大轉速 臨街轉速按下式計算： 212)(9910 ?式中：表 2題取 927.3?2??22) 3 3 9 1 0???? r?? m 001010 6 3m a x ?? ?即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 ③ 此外滾珠絲杠副還受 常要求 m 07 40 ??m i n/107m i n/10410040 430 ???????5） 剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載 F(N)和轉矩 T( )共同作用下引起每個導程的變形量0L?(m)為： 20 ????式中 : 2141 ?；4132 ?； 鋼 ； )ta n (2 0 ?? ?? ? 為摩擦角，其正切函數值為摩擦系數；???????? ? 34t a n (102401107 3按最不利 的情況取（其中 山東大學畢業(yè)論文（設計） 9 412221201642 ??????? 49223293)010(16)???????????? ?? m??? 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為： ????????? 通常要求絲杠的導程誤差 L? 小于其傳動精度的 1/2，即 ? ?????該絲杠的 L? 滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。 6） 效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率 ? 為 9 4 34t a n ( )'334t a n ()t a n (t a n ???? ???? ?? ??? 要求在 90%～ 95%之間，所以該絲杠副合格。 經上述計算驗算， 以合格。 ２ （ 1） 精度 要求：進給精度 快速進給精度 m （ 2） 疲勞強度 絲鋼的最大載荷為最大進給力加摩擦力，最大進給力為 1625N,工作臺質量 900： 1）摩擦力 3 0m i n ?????656311625m a x ???32 m a x m ??3 3121656 ??? 根據《機電一體化設計基礎》 計算載荷查表 2K 查表 2 K 查表 2K 查表 2 則： 3 3 71 1 1 ????2）計算額定動載荷 '0000' ?, 00 4'?? 計） 10 3 0000100 41337 ??? 3）選用 表 2 公稱直徑 00 ?導程 0? 滾珠直徑 按表 2 滾道半徑 ???偏心距 0 (???????絲杠內徑 01 ?????????? ?4）穩(wěn)定性驗算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 螺母固定端 游動端① 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設 計時應驗算其安全系數 S,其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數 [S] 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 ?? 式中， 于鋼 E=206m）；a 4m ）； ? 為長度系數 ，取32??。 4841 a ???? ?NF 6 ???????? ?? 安全系數 25 ????查表 2[S]=S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 ② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速 —— 臨街轉速求絲杠的 最大轉速 臨街轉速按下式計算： 山東大學畢業(yè)論文（設計） 11 212)(9910 ?式中：表 2題取 927.3?2??22) 3 3 9 1 0???? r?? m 001010 6 3m a x ?? ?即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 ③ 此外滾珠絲杠副還受 常要求 m 07 40 ??m i n/107m i n/10410040 430 ???????5）剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載 F(N)和轉矩 T( )共同作用下引起每個導程的變形量0L?(m)為： 20 ????式中 : 2141 ?；4132 ?； 鋼 ； )ta n (2 0 ?? ?? ? 為摩擦角，其正切函數值為摩擦系數；???????? ? 34t a n(102401114 3按最不利的情況?。ㄆ渲? 412221201642 ??????? 49223293)010(16)???????????? ?? m??? 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為： ????????? 通常要求絲杠的導程誤差 L? 小于其傳動精度的 1/2，即 ? ?????該絲杠的 L? 滿足上 市，所以其剛度可以滿足要求。 6）效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率 ? 為 山東大學畢業(yè)論文（設計） 12 9 4 34t a n ( )'334t a n ()t a n (t a n ???? ???? ?? ??? 要求在 90%～ 95%之間，所以該絲杠副合格。 經上述計算驗算， 以合格。 ２ Z 軸滾珠絲杠副 （ 1）精度 要求：進給精度 快速進給精度 m （ 2）疲勞強度 絲鋼的最大載荷為主軸重量加摩擦力，最小載荷為主軸重量減最大進給力的垂直分力。主軸重量為 300： 1）摩擦力 3 0m i n ????? 9 5 010m a x ???? 3 871031 6 i n ?????32 m a x m ??3 238722950 ??? 根據《機電一體化設計基礎》 計算載荷查表 2K 查表 2 K 查表 2K 查表 2 則： 3 1 42 7 6 ????2）計算額定動載荷 '0000' ?, 00 4'?? 0000100 43314 ??? 3）選用 表 2絲杠副數據： 公稱直徑 00 ?導程 0? 滾珠直徑 按表 2 滾道半徑 ???偏心距 0 (???????絲杠內徑 山東大學畢業(yè)論文（設計） 13 01 ?????????? ?4）穩(wěn)定性驗算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 螺母固定端 游動端① 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數 S,其值應大于絲 杠副傳動結構允許安全系數 [S] 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 ?? 式中， 于鋼 E=206m）；a 4m ）； ? 為長度系數，取32??。 4841 a ???? ?NF ??????? ?? 安全系數 25 ????查表 2[S]=S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 ② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速 —— 臨街轉速求絲杠的最大轉速 臨街轉速按下式計算： 212)(9910 ?式中：表 2題取 927.3?2??22) 3 3 9 1 0???? r?? m 001010 6 3m a x ?? ?即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 ③ 此外滾珠絲杠副還受 常要求 m 07 40 ??m i n/107m i n/10410040 430 ???????山東大學畢業(yè)論文（設計） 14 5）剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載 F(N)和轉矩 T( )共同作用下引起每個導程的變形量0L?(m)為： 20 ????式中 : 2141 ?；4132 ?； 鋼 ； )ta n (2 0 ?? ?? ? 為摩擦角，其正切函數值為摩擦系數；???????? ? 34t a n (102402762 3按最不利的情況?。ㄆ渲? 412221201642 ??????? 49223293)010(16)???????????? ?? m??? 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為： ????????? 通常要求絲杠的導程誤差 L? 小于其傳動精度的 1/2，即 ? ?????該絲杠的 L? 滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。 6）效率驗算 滾珠絲杠副 的傳動效率 ? 為 9 4 34t a n ( )'334t a n ()t a n (t a n ???? ???? ?? ??? 要求在 90%～ 95%之間，所以該絲杠副合格。 經上述計算驗算， 以合格。 山東大學畢業(yè)論文（設計） 15 第 ３ 章 微機控制系統(tǒng)的設計 ３ 機控制系統(tǒng)組成及特點 ３ 微機控制系統(tǒng)的組成 微機控制系統(tǒng)主要由微型計算機和伺服系統(tǒng)兩大部份組成， 其中微機又包括硬件和軟件兩部分。 （ 1） 微機控制系統(tǒng)基本硬件組成 硬件時組成系統(tǒng)的基礎，有了硬件軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數控系統(tǒng)的性能指標。數控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下部分組成。 1）主控制器，即中央處理單元 ）存儲器，包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫數據存儲器 3）接口 （ 2） 微機數控系統(tǒng)軟件 軟件是指為實現微機控制系統(tǒng)各項功能編制的專用程序，它一般由以下幾部分組成： 1）輸入數據處理程序 它接受輸入的零件加工程序，用標 準代碼表示的加工指令和數據整理成便于解釋執(zhí)行的格式后存放。 2）插補運算程序 它完成普通數控系統(tǒng)中插補器的功能。 3）速度控制程序 它根據給定的速度代碼或每分毫米數控制插補運算的頻率，以保證預定速度進給。 4）管理程序和診斷程序 管理程序對數據輸入、處理及切削加工過程服務的各個程序進行調度，還可以對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進行處理。診斷程序可以在運行中及時發(fā)現系統(tǒng)的故障，并指示故障類型。 ３ 微機控制系統(tǒng)設備介紹 ３ 主控制器 選擇 （ 1） 控制數據處理的速度。 （ 2） （ 3） 指 令系統(tǒng)功能 的強弱 （即編程的靈活性）。 （ 4） I/對外設控制的能力）。 （ 5） 開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。 從性能價格比上，我們擬采用 031作為主控制器。 下面介紹 圖（ 4）。 山東大學畢業(yè)論文（設計） 16 下面對各功能部件作進一步的說明： （ 1） 數據存儲器（ 片內為 128個字節(jié)，片外最多可擴至 64K 字節(jié)。 （ 2） 程序存儲器（ 8031無此部件； 8051為 48751 為 4外最多可外擴至 64K 字節(jié)。 （ 3） 中斷系統(tǒng)：具有 5個中斷源， 2級中斷優(yōu)先權。 （ 4） 定時器 /計數器： 2個 16位的定時器 /計數器，具有四種工作方式。 （ 5） 串行口： 1個全雙工的串行口，具有四種工作方式。 （ 6） 四個并行 8位 I/ （ 7） 特殊功能寄存器（ 共有 21個，用于對片內各功能模塊進行管理、控制、監(jiān)視。 （ 8） 微處理器（ 為 8 位 的 內含一個 1 位 處理器），不僅可處理字節(jié)數據，還可以進行位變量處理。 ３ 存儲器電路的擴展 （ 1）程序存儲器的擴展 單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片，其型號分別為： 2716、 2732、 2764、27128、 27256 等，其容量分別位 2k、 4k、 8k、 16k、 32k。在選擇芯片時，要考慮 序的匹配。即 8031 所能讀取的時間必須大于 要求的讀取時間。此外，還要考慮最大讀出速度、工作溫度計存儲器的容量。在滿足容量要求是應盡量選擇大容量芯片、以減少芯片數量，是系統(tǒng)簡化。在本系統(tǒng)中，我們擬采用 2764 作為擴展芯片。 2764與 8031主要是三總線的聯接。 2764中的低 8位地址線通過地址鎖存器 74031地址鎖存允許信號 。 8位數據線直接與 8031 5位地址線分別與 031選信號 地，以便總能選中。由于 8031只能選通外部程序存儲器，因而其 （ 2） 數據存儲器的擴展 由于 8031內部 有 128字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴展片外的數據存微處理器 （運算部件） 控制部件 數據存儲器 0 口 程序存 儲器 特殊功能寄存器 斷 系統(tǒng) 串行口 定時 / 計數器 山東大學畢業(yè)論文（設計） 17 儲器。單片機應用系統(tǒng)數據存儲器擴展電路一般采用 6116和 6264靜態(tài) 選用的規(guī)則與 序存儲器的要求相同。本系統(tǒng)擬采用 6264 芯片作為數據存儲器的外擴芯片。 6264 低 8 位地址線通過地址鎖存器 74 8031 5 位地址線分別與 8位數據線直接接至 8031 寫控制引腳 8031的讀寫控制引腳 選端 031相聯。 ３ 步進電機驅動電路 步進電機是一種用脈沖信號控制的電動機。在負載能力及動態(tài)特性范圍內，電動機的角位移僅與控制脈沖成正比。在多數情況下，用步進電機作為執(zhí)行元件的數控系統(tǒng)不需要 A/，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經濟性數 控機床最主要的一種伺服驅動元件。 （ 1）計算機接口 在控制系統(tǒng)中，步進電機的接口電路至關重要，沒有它將無法實現微機對步進電機的控制。如前所述， 8031 系列單片機含有 4個并行輸入 /輸出口，其中 為步進電機及其它控制對象的接口。也可采用 8155或 8255A 等可編程并行輸入、輸出接口芯片設計擴展接口電路，來控制步進電機即其它外部設備。本系統(tǒng)即采用 8155的 （ 2）脈沖分配器 脈沖分配器又叫做環(huán)形分配器，是驅動步進電機必不可少的環(huán)節(jié)。步進電機的控制方式由環(huán)形分 配器實現，其作用是將數控裝置送來的一系列脈沖指令按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各項繞組，實現電機的正傳或反轉。在數控系統(tǒng)中使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。而在本系統(tǒng)中使用的是軟件脈沖分配，通過編程來達到脈沖分配的目的，從而控制步進電機的各項繞組。 （ 3）隔離電路 在步進電機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經放大后控制步進電機的勵磁繞組。由于步進電機需要的驅動電壓較高（幾十伏），電流也較大，如果將輸出信號直接與功率放大器相聯，將會引起強電器干擾，輕則影響計算機程序的正常進行，重 則導致計算機和接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實現電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。圖為光電耦合器與步進電機的接口電路。 Ω光電隔離與步進電機接口電路 圖 電隔離與步進電機接口電路 ３ 其它輔助電路設計 山東大學畢業(yè)論文（設計） 18 （ 1） 8031的時鐘電路 單片機的時鐘可以有兩種方式產生：內部方式和外部方式。 內部方式利用芯片內部振蕩電路，在 腳上外接定時元件，如圖 ()所示。晶體可在 12間任選，耦合電容在 5～ 30間，對時鐘有微調作用。采用外部時鐘方式，可把 （ 2） 8031 的復位電路 單片機的復位都是靠外部電路實現，在時鐘電路工作后，只要在 腳上保持 10片機便實現狀態(tài)復位，之后 000般數控系統(tǒng)都采用上電與按鈕復位組合。 μμΩ石英晶體（ A ） 時 鐘 電 路 （ B ） 復 位 電 路 圖 鐘電路和復位電路 ３ 程序部分 2000 ；保護 ;現場 ；送步數給 00H ；送控制碼指針 00H, A, ；取控制碼 A, A+Z ；控制碼為 00 A ；輸出控制碼 ；調延時子程序 ；指針指向下一個控制碼 ；步數未完，繼續(xù) ；恢復現場 A, ；取反向控制碼 A, #7H A 01H ；正向轉動控制碼 03H 02H 山東大學畢業(yè)論文（設計） 19 06H 04H 05H 00H 01H ；反向轉動控制碼 05H 04H 06H 02H 03H 00H 150H 20H 21H 22H 23H 24H 25H 26H ; 地址指針偏移量 0 0 #60H ; 程序開始 #01H ; 設計數器為工作方式 1,16定時器 #1 ; 設 值為 27 #1 ; 設 值為 27 A , L A A C A , A , A A , A , #00H A #1000H ; 設時間常數地址指針初值為 1000H #00H ; 設地址偏移量初值為 00H A , @A+ ; 從 A ; 送時間常數至定時器 0中 A , A , @A+ A 東大學畢業(yè)論文（設計） 20 ; 開中斷允許 ;允許定時器 0中斷 ; 啟動定時器 0開始算 ; 中斷允許范圍 000 ; 定時器 0中斷入口地址 0 0 A , ; 送時間常數到定時器 0中 A , @A+ A A , A , @A+ A ; 修改地址偏移量指針 ; 調 使電機進給步 A , ; 判斷 ,為 0 則轉恒速 A , #00H , A , ; 判斷 ,為 0則轉入減速 A , #00H , A , A , #00H , A , ; 判斷 A , #00H , ; 0,減速結束 ,關中斷 ; 中斷返回 ; 為 0,則 A , ; 為 0,則 C A , #01H A A , A , #00H A 東大學畢業(yè)論文（設計） 21 結論 由于數控機床的精密要求，所以在設計的時候不 得 不考慮它的剛度要求及抗振性要求，這使 得 在設計床身的時候就要考慮到它所承受的各種外力的情況，在這方面，我針對床身的材料、厚 度及其機構幾方面進行了設計。在傳動方面為適應其加工范圍、工藝要求、加工精度及自動 化 要求等方面，對主軸進行了設計使其具有較高的熱穩(wěn)定性，并能保證配合精度，并且還對 X、 Y、 進給伺服系統(tǒng)的設計中，因其要求定位精度高、跟蹤指令信號的響應快、系統(tǒng)的穩(wěn)定好等，首先對其進行了分析并根據其要求完成這方面的設計。 在設計微機控制系統(tǒng)時，在選取主控制器及存儲器時通過對本系統(tǒng)的考慮，在從性能價格比上選取了合適的硬件結構，在電路設計方面以達到簡潔明了實用為目的，做出了設計。在選取電機時，以絲杠的最大 負載及不影響電路的正常工作。最后根據所加工的工件形狀針對刀具及工作平臺設計了相應的工作程序。 山東大學畢業(yè)論文（設計） 22 參考文獻 [1] 《實用數控機床技術手冊》，機械工業(yè)出版社 [2] 《數控機床》上海交通大學教研，上?？茖W技術出版社 [3] 《金屬切削機床設計簡明手冊》范云漲 陳兆年主編，機械工業(yè)出版社 [4] 《機床改造的思路與使用技術》劉庶民編著，機械工業(yè)出版社 [5] 《機械設計手冊 1～ 5》徐灝主編，機械工業(yè)出版社 [6] 《機電一體化設計基礎》唐可洪主編，機械工業(yè)出 版社 [7] 《機電一體化系統(tǒng)設計》張建民等編，北京理工出版社 [8] 《機床計算機數控及應用》畢承思等編，機械工業(yè)出版社 [9] 《機床設計圖冊》，上海科學技術出版社 [10]《金屬切削機床標準手冊》 ,機械工業(yè)出版社 [11]《機械制造裝備設計》馮辛安編，機械工業(yè)出版社 [12]《機電傳動控制》鄧星鐘編，華中理工大學出版社 [13]《金屬切學原理》陶乾編著，上?？茖W技術出版社 [14]《畫法幾何及機械制圖》 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