畢業(yè)論文--普通機床的數(shù)控改造

1、<p><b>　　前   言</b></p><p>　　數(shù)控機床經濟型改造,實質是機械工程技術與微電子技術的結合。經改造后的機床加工的精度、效率、速度都有了很明顯的提高，適合我國現(xiàn)在經濟水平的發(fā)展要求。     本次畢業(yè)設計主要是對機床機械部分進行改造,以步進電機驅動橫向進給運動、縱向進給運動以及刀架的快速換刀,使傳

2、動系統(tǒng)變得十分簡單，傳動鏈大大縮短,傳動件數(shù)減少,從而提高機床的精度。     設計中，我們對有關數(shù)控機床及數(shù)控改造的相關書籍、刊物進行大量閱讀,收集了很多資料,了解了數(shù)控機床的基本概念，數(shù)控機床的發(fā)展概況，數(shù)控機床的組成及其工作原理，擴大了我們的知識面。     隨著科學技術的發(fā)展,現(xiàn)代機械制造要求產品的形狀和結構不斷改進，對零件的加工質量的要求也越來

3、越高。隨著社會對產品多樣化要求的增強，產品品種增多,產品更新?lián)Q代加速。數(shù)控機床代替普通機床被廣泛應用是一個必然的趨勢。同時，數(shù)控機床將向著更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能發(fā)展。</p><p><b>　　普通車床數(shù)控改造</b></p><p>　　——用微機數(shù)控技術改造最大加工直徑為400mm普通車床的進給系統(tǒng)</p><p>　　摘

4、要：了解數(shù)控機床的概念，所謂數(shù)控是按照含有機床(刀具)運動信息程序所指定的順序自動執(zhí)行操作的過程。而計算機數(shù)控機床就是數(shù)控機床在計算機監(jiān)控下進行工作。它的優(yōu)點很多,如可以在同一機床上一次裝夾可完成多個操作，生產率顯著提高等優(yōu)點，但它的價格昂貴。由于我國現(xiàn)在使用的機床大多數(shù)為普通車床，自動化程度低,要更新現(xiàn)有機床需要很多資金。為了解決這個問題,也為了適應多品種中、小批量零件加工我們選擇機床經濟型數(shù)控改造?？傮w設計方案：在普通車床上采用適合

5、現(xiàn)場實時控制的80C51單片機為控制器，以運行特性好、可靠性高的步進電機為驅動執(zhí)行元件進行數(shù)控改造。</p><p>　　關鍵詞：數(shù)控、車床、改造、80C51單片機；步進電機；</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1

6、.1 畢業(yè)設計目的………………………………………………… (5) </p><p>　　1.2 畢業(yè)設計內容………………………………………………… (5) </p><p>　　1.2.1 微機數(shù)控系統(tǒng)總設計方案擬定…………………………………(5) </p><p>　　1.2.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算………………………………(5)</p>

7、;<p>　　1.2.3 微機控制系統(tǒng)的設計……………………………………………(5)</p><p>　　1.2.4 數(shù)控加工程序的編制……………………………………………(5)</p><p>　　1.2.5 直線的逐點比較法插補軟件程序流程框圖的繪制……………(6)</p><p>　　第二章 微型數(shù)控系統(tǒng)總體設計方案的擬定</p>

8、;<p>　　2.1 畢業(yè)論文的要求和內容……………………………………… (6)</p><p>　　2.1.1 課題名稱…………………………………………………………(6)</p><p>　　2.1.2 設計任務與要求…………………………………………………(6)</p><p>　　2.2 總體方案的確定………………………………………………

9、(6)</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)的運動方試與伺服系統(tǒng)的選擇………………………………(6)</p><p>　　2.2.2 計算機系統(tǒng)…………………………………………………………(7)</p><p>　　第三章 機床進給系統(tǒng)機械部分設計計算</p><p>　　3.1 系統(tǒng)脈沖當量及切削力的確定…………………………………(8)&

10、lt;/p><p>　　3.2 切削力的計算……………………………………………………(8)</p><p>　　3.2.1 縱車外圓……………………………………………………………(8)</p><p>　　3.2.2 橫切端面……………………………………………………………(8)</p><p>　　3.3 滾珠絲杠螺母副的設計、計算、和選型………

11、………………(9)</p><p>　　3.3.1 縱向進給絲杠………………………………………………………(10)</p><p>　　3.3.2 橫向進給絲杠………………………………………………………(11)</p><p>　　3.3.3 縱向和橫向滾珠給絲杠副幾何參數(shù)………………………………(14)</p><p>　　3.3.4 進給

12、伺服系統(tǒng)傳動計算……………………………………………(15)</p><p>　　3.3.5 步進電機的計算和選用……………………………………………(15)</p><p>　　第四章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計</p><p>　　4.1 微機數(shù)控系統(tǒng)設計的內容 ………………………………………(22)</p><p>　　4.1.1 硬件電路設計內

13、容…………………………………………………(22)</p><p>　　4.1.2 機床數(shù)控系統(tǒng)軟件設計……………………………………………(22)</p><p>　　4.2 80C51單片機及其擴展 …………………………………………(23)</p><p>　　4.2.1 80C51單片機的簡介……………………………………………… (23)</p>&

14、lt;p>　　4.2.2 單片機的系統(tǒng)擴展概述……………………………………………(24)</p><p>　　4.2.3 存儲器擴展…………………………………………………………(25)</p><p>　　4.2.4 I/O口的擴展………………………………………………………(26)</p><p>　　4.2.5 步進電機驅動電路………………………………………

15、…………(26)</p><p>　　4.2.6 液晶顯示控制器……………………………………………………(27)</p><p>　　4.2.7 控制面板……………………………………………………………(30)</p><p>　　第五章 數(shù)控機床的零件加工程序</p><p>　　5.1數(shù)控機床加工基本要求…………………………………………(

16、31)</p><p>　　5.2加工步驟…………………………………………………………(31)</p><p>　　5.3加工程序…………………………………………………………(32)</p><p>　　第六章 心得與體會</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………………………(35)</p>

17、<p>　　附表，混合式步進電動機相關資料……………………………………(36)</p><p><b>　　第一章：緒 論</b></p><p>　　§1 畢業(yè)設計的目的：</p><p>　　畢業(yè)設計是培養(yǎng)我們理論聯(lián)系實際，解決生產實際問題能力的重要步驟，它系統(tǒng)的檢驗了我們是否是合格的畢業(yè)生。它通過對機床數(shù)控系統(tǒng)

18、設計總體方案的擬定，進給伺服系統(tǒng)機械部分結構設計、計算控制系統(tǒng)硬件電路的設計以及數(shù)控機床加工程序的編制，使我們綜合運用所學的機械、電子和微機的知識,進行一次機電結合的全面訓練，從而培養(yǎng)了我們具有加工編程能力，初步設計計算的能力以及分析和處理生產中所遇到的機電方面技術問題的能力。</p><p>　　§2 畢業(yè)設計的內容：</p><p>　　1、微機數(shù)控系統(tǒng)總體設計方案的擬定

19、：（1）系統(tǒng)運動方式的確定（2）伺服系統(tǒng)的選擇。（3）執(zhí)行機構傳動方式的確定。（4）計算機的選擇。2、進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算：（1）進給伺服系統(tǒng)機械部分設計方案的確定。（2）確定脈沖當量。（3）滾珠絲杠螺母副的選型。（4）滾動導軌的選型。（5）進給伺服系統(tǒng)傳動計算。（6）步進電機的計算和選用。（7）設計繪制進給伺服系統(tǒng)一個坐標軸的機械裝配圖。（8）設計繪制進給伺服系統(tǒng)的一張或兩張零件圖。3、微機控制系統(tǒng)

20、的設計：（1）控制系統(tǒng)方案的確定及框圖繪制。（2）MCS-51系列單片機及擴展芯片的選用。（3）I/O接口電路及譯碼電路的設計。（4）設計繪制一臺數(shù)控機床微機控制系統(tǒng)電路原理圖。4、數(shù)控加工程序的編制：（1）零件工藝分析及確定工藝路線。（2）選擇數(shù)控機床設備。（3）確定對刀點。（4）選擇刀具。（5）確定切削用量。（6）編制加工程序。5、直線的逐點比較法插補軟件程序流程框圖的繪制。</p><p

21、>　　第二章 微型數(shù)控系統(tǒng)總體設計方案的擬定：</p><p>　　§1、畢業(yè)論文的要求和內容（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求）</p><p><b>　　1.課題名稱：</b></p><p>　　用微機數(shù)控技術改造最大加工直徑為400毫米普通車床的進給系統(tǒng)</p><p>　　2.設計任務與要求：

22、</p><p><b>　　主要技術參數(shù)：</b></p><p>　　最大加工直徑（mm）： 在床身上：400 在床鞍上：210</p><p>　　最大加工長度（mm）： 750 ---- 1000 </p><p>　　溜板及刀架重量（N）： 縱向：1000

23、 橫向：500 </p><p>　　刀架快移速度（m/min）： 縱向：2 橫向：1 </p><p>　　最大進給速度（m/min）： 縱向：0.6 橫向：0.3 </p><p>　　最小分辨率 （mm）： 縱向：0.

24、01 橫向：0.005</p><p>　　定位精度（mm）： 0.02</p><p>　　主電機功率（KW）： 5.5 </p><p>　　起動加速時間（ms）： 35</p><p>

25、<b>　　設計的要求</b></p><p>　　1）CNC系統(tǒng)的主CPU既可采用8031單片機也可用系統(tǒng)機。</p><p>　　2）兩個坐標的進給伺服系統(tǒng)既查采用步進電機驅動也可用直流或交流伺服電機驅動。</p><p>　　3）所編的零件加工程序應符合ISO標準的有關規(guī)定。既可用手工也可用UG等軟件編程。</p><

26、p>　　4）所繪制的機械裝配圖和硬件電路原理圖要求正確、合理、圖面整潔、符合標準。</p><p>　　5）所編寫的軟件應在計算機上進行匯編和通訊等。</p><p>　　6）說明書應簡明扼要、計算準確、條理清楚、圖文并茂并全部用計算機打印后裝訂成冊</p><p>　　§2、總體方案的確定</p><p>　　1、系統(tǒng)的運動

27、方試與伺服系統(tǒng)的選擇： 由于改造后的經濟型數(shù)控車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能，所以應該選用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到經濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。2、計算機系統(tǒng)： 根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS-51系列單片機的特點之一是硬件設計簡單，系統(tǒng)結構緊湊。對于簡單的應用場合，MCS-51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片80C51外擴一片EPROM就能

28、滿足功能的要求，對于復雜的應用場合，可以利用MCS-51的擴展功能，構成功能強、規(guī)模較大的系統(tǒng)。</p><p>　　控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用LCD液晶顯示器顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。</p><p>　　3、為了實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動絲杠，為

29、了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負載荷的結構。傳動齒輪也要采用消除齒側間隙的結構。 </p><p>　　系統(tǒng)總體方案框圖見圖（1）</p><p><b>　　圖（1）</b></p><p>　　第三章、機床進給系統(tǒng)機械部分設計計算：</p><

30、;p>　　伺服系統(tǒng)機械部分設計計算內容包括：確定系統(tǒng)的負載，確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣量計算，空載起動及切削力矩機計算，確定伺服電機，繪制機械部分裝配圖及零件工作圖等。現(xiàn)分述如下：</p><p>　　§1 系統(tǒng)脈沖當量及切削力的確定</p><p>　　脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù)。經濟型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當量是0.01~0.005mm/脈

31、沖,根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量：縱向：0.01mm/step；橫向：0.005mm/step</p><p>　　§2 切削力的計算</p><p><b>　　1、縱車外圓：</b></p><p>　　主切削力FZ（N）由經驗公式（1）估算：</p><p>　　…………………………式（1）</

32、p><p>　　而……………………………………………式（2）</p><p><b>　　取，則，</b></p><p><b>　　取，則進給抗力</b></p><p>　　X向和Y向根據(jù)經驗公式（3）（4）確定</p><p>　　…………………………………………式（3）

33、</p><p>　　…………………………………………式（4）</p><p>　　則得： 2、橫切端面：</p><p>　　主切削力可取縱切的一半，即此時走刀抗力，吃刀抗力依然按上述經驗公式粗略計算：</p><p><b>　　則得： </b></p><p>　　

34、§3、滾珠絲杠螺母副的設計、計算、和選型</p><p>　　（一）縱向進給絲杠：1 . 計算進給牽引力Fm(N) 作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切屑時的走刀抗力以及移動件的重量和切屑分力作用在導軌上的摩擦力，因而其數(shù)值大小和導軌的形式有關。本次設計縱向進給為綜合型導軌，則按以下公式確定：</p><p>　　……………………………………式（5）</p&g

35、t;<p>　　式中：K—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合型導軌取K=1.15</p><p>　　—滑動導軌摩擦系數(shù)：0.15~0.18，取=0.16</p><p>　　G—溜板及刀架重力，由已知G=1000N</p><p><b>　　代入得：</b></p><p>　　2 . 計算最大動負載Q

36、</p><p>　　選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉100萬（）轉后，在它的滾道上不產生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載 C，計算如下： ……………………………………………式（6）</p><p>　　………………………………………式（7） …………………………………………式（8）</p>

37、<p>　　式中：—為滾珠絲杠導程,初選絲杠導程Lo=6mm；</p><p>　　Vs-最大切削力下的進給速度,可取最高進給速度的1/2~1/3,此處為0.3m/min; T-使用壽命,按15000h; fw-運轉系數(shù),按一般運轉取fw =1.2~1.5;此處取fw=1.2； L-壽命以轉為1單位.</p><p><b>　　則

38、：</b></p><p>　　3 . 滾珠絲杠螺母副的選型：</p><p>　　查閱《數(shù)控機床系統(tǒng)設計》中附表1，可采用W1L2506外循環(huán)螺紋調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈,其額定動負載為1310N,精度等級按滾珠絲杠行程公差表，選為3級(大致相當于老表準E級)</p><p>　　4 . 傳動效率計算

39、 η=tanγ/tan(γ+φ)式中：γ—螺旋升角,W1L2506的螺旋升角γ=4°22′ φ—摩擦角取10′滾動摩擦系數(shù)0.003~0.004則：η=tanγ/tan(γ+φ) =tan4°22′/tan(4°22′+10′)=0.96</p><p><b>　　5 . 剛度校核</b></p><p>　　先畫

40、出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如下圖（2）所示：</p><p>　　圖（2）縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖</p><p>　　則： …………式（9）</p><p>　　支承間距L=1160mm，最大軸向力為2316N，絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負載的1/3。</p><p>　　（1）、絲杠的拉伸或壓縮變形量</

41、p><p>　　，，，……式（10）</p><p><b>　　對剛：</b></p><p>　　………………………式（11）</p><p><b>　　絲杠導程的變化量：</b></p><p><b>　　………式（12）</b></p>

42、;<p>　　總長度L=1160mm，絲杠上的變形量，由于兩端均采用推力球軸承，則值：</p><p>　?。?）滾珠與螺紋滾道間接觸變形：</p><p><b>　　由</b></p><p>　　承載滾珠數(shù)量……………………………………式（13）</p><p>　　由于對滾珠絲杠副施加預緊力，且預緊

43、力為軸向載荷的1/3，則變形：</p><p>　　（3）滾珠絲杠總的彈性變形量：</p><p><b>　　根據(jù)以下經驗公式：</b></p><p>　　……………………………………………………………………式（14）</p><p><b>　　則可得：</b></p><

44、p><b>　?。?）定位誤差</b></p><p><b>　　所以，滿足要求。</b></p><p>　?。ǘM向進給絲杠：</p><p>　　1 . 計算進給軸向力</p><p>　　橫向導軌為雙燕尾形，有如下計算式：</p><p>　　………………

45、…………………………式（15）</p><p>　　式中：K—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合型導軌取K=1.4；</p><p>　　—滑動導軌摩擦系數(shù)：取=0.2；</p><p>　　G—溜板及刀架重力，由已知G=500N則代入已知得：</p><p>　　2 . 計算最大動負載Q</p><p>　　計算如

46、下： ……………………………………………………………………………式（6）</p><p>　　………………………………………………………………………式（7） …………………………………………………………………………式（8）</p><p>　　式中：—為滾珠絲杠導程,初選絲杠導程Lo=6mm；</p><p>　　Vs—最大切削力下的進給速度,可取最高

47、進給速度的1/2~1/3,此處為0.3m/min; T—使用壽命,按15000h; fw—運轉系數(shù),按一般運轉取fw =1.2~1.5;此處取fw=1.2； L—壽命以轉為1單位.</p><p><b>　　則：</b></p><p>　　3 . 滾珠絲杠螺母副的選型：</p><p>　　查閱《數(shù)控機

48、床系統(tǒng)設計》中附表1，可采用W1L2005外循環(huán)螺紋調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈,其額定動負載為8800N,精度等級按滾珠絲杠行程公差表，選為3級(大致相當于老表準E級)</p><p>　　4 . 傳動效率計算 η=tanγ/tan(γ+φ)式中：γ—螺旋升角,W1L2005的螺旋升角γ=4°30′ φ—摩擦角取10′滾動摩擦系數(shù)0.00

49、3~0.004則：η=tanγ/tan(γ+φ) =tan4°30′/tan(4°30′+10′)=0.964</p><p><b>　　5 . 剛度校核</b></p><p>　　先畫出此橫向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如下圖（3）所示：</p><p>　　圖（3）、橫向進給滾珠絲杠支承方式草圖</p>

50、<p><b>　　則………式（9）</b></p><p>　　支承間距L=530mm，最大軸向力為1919N。</p><p>　?。?）、絲杠的拉伸或壓縮變形量</p><p><b>　　根據(jù)：，，，</b></p><p>　　對剛：，總長度L=1160mm，絲杠上的變形量：

51、</p><p>　?。?）滾珠與螺紋滾道間接觸變形：</p><p><b>　　由，</b></p><p>　　由于對滾珠絲杠副施加預緊力，且預緊力為軸向載荷的1/3，則變形：</p><p>　?。?）滾珠絲杠總的彈性變形量：</p><p><b>　　根據(jù)以下經驗公式：<

52、;/b></p><p>　　………………………………………………………………式（14）</p><p><b>　　則可得：</b></p><p><b>　?。?）定位誤差</b></p><p>　　顯然，變形量已大于定位精度（0.02mm）要求，應該采取相應的措施修改，因橫向溜板限制

53、，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導軌（），減小摩擦力，從而減小軸向力，根據(jù)式（16）重新計算如下：</p><p><b>　　此時的變形量為：</b></p><p><b>　　則定位誤差為：</b></p><p>　　仍不能滿足精度要求0.02mm。如果將顧主絲杠再進行預拉伸，則絲杠剛度可提高四倍，則定位誤差為：

54、</p><p><b>　　滿足要求。</b></p><p>　?。ㄈ┛v向和橫向滾珠給絲杠副幾何參數(shù)：</p><p><b>　　其幾何參數(shù)見表1</b></p><p>　　§4 進給伺服系統(tǒng)傳動計算</p><p>　　1. 齒輪傳動比計算 (縱

55、向進給齒輪箱傳動比計算)（1）,已確定縱向進給脈沖當量,滾珠絲杠導程,初選步進電機步距角0.9°,可計算出傳動比i ………………………………式（17）可選定齒輪齒數(shù)為: </p><p>　　由齒輪傳動比i=2/3，可以選定齒輪齒數(shù)為: =24和=36或=28和 =42，初選=28和=42的齒輪。有關參數(shù)如表2。 </p><p>　　

56、2 . 齒輪齒數(shù)及技術參數(shù)</p><p>　　計算出傳動比i后,降速級數(shù)決定采用一對齒輪降速,因為進給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大,一般?。?1~2,數(shù)控車床,銑床取ｍ=2,此設計中?。?2。為了消除齒輪側隙，此作業(yè)中采用雙片齒輪。</p><p>　　§5 步進電機的計算和選用</p><p>　?。ㄒ唬┛v向機構步進電機選型：1 . 計算步進電機負載

57、轉矩Tm ………………………………式（18） </p><p>　　式中: —脈沖當量 (mm/step); —進給牽引力 (N); —步距角,初選雙拍制為0.9°;2 . 初選步進電機型號 根據(jù)=1.475N.m在網(wǎng)上查混合式步進電機技術數(shù)據(jù)表初選步進電機型號為56BYG250E-SASSBL-060

58、1，其中，,保持轉矩為2.5N.m..3 . 等效轉動慣量計算 根據(jù)簡圖 ，即圖（1），傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量 運動件的轉動慣量可由下式計算: </p><p>　　式中 ，—齒輪,的轉動慣量 () —滾珠絲杠轉動慣量 () = </p><p>　　式中 D—圓柱體直徑(cm);

59、 L—圓柱體長度 (cm); 代入上式: </p><p>　　4 . 電機轉矩計算 機床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計算:1) 快速空載起動慣性矩</p><p>　　在快速空載起動階段，加速力矩所占的比例較大，具體計算公式如下：</p><p>　　……………………………………………………式（19）</p><

60、p>　　………………………………………………式（20）</p><p><b>　　又：</b></p><p>　　………………………………………………………式（21）</p><p><b>　　代入得：</b></p><p>　　折算到電機軸上的摩擦力矩:</p><

61、;p><b>　　……式（22）</b></p><p>　　式中：η—傳動鏈總效率,一般可取0.7~0.85此處取0.8;</p><p><b>　　i—傳動比;</b></p><p><b>　　附加摩擦力矩：</b></p><p>　　……………………………

62、…………………………………式（22）</p><p>　　式中：η—傳動鏈總效率,一般可取0.7~0.85此處取0.8;</p><p>　　i—傳動比;Fpo—滾珠絲杠預加負荷,一般取1/3Fm,Fm為進給牽引力(N);ηo—滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,一般取≥0.9,此處取ηo=0.9</p><p>　　所以：2) 快速移動所需力矩

63、………………………………………………………式（23） </p><p>　　=50+9.7=59.7N.cm 3) 最大切削載時所需力矩</p><p>　　……………………………………………式（24）</p><p>　　從上面計算可以看出、、三種工況下,以最大切削載時所需轉矩最大,即以此項作為校核步進電機轉矩的依據(jù).</p><p>

64、　　查得：當步進電機為兩相四拍時， =0.707</p><p>　　故最大靜力矩Mjmax=175.5/0.707=2.48 N?m，而電機保持轉矩為2.5N.m最大靜力矩Mjmax，大于所以滿足要求！</p><p>　　但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運轉矩頻特性。</p><p>　　計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率</p>

65、<p>　　圖（4）、56BYG250E—SASSBL—0601混合式步進電機矩頻特性圖</p><p>　　當快速運動和切削進給時，56BYG250E-SASSBL-0601型混合式步進電機運行矩頻完全可以滿足要求。</p><p>　　5、繪制進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖</p><p>　　在完成運動及動力計算后，以后確定了滾珠絲杠螺母副、步進電機型號，

66、以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸承型號之后，就可以畫機械裝配圖。見附圖（一）</p><p>　　例如，雙片齒輪采用周向彈簧調整消隙法：</p><p>　　如圖（5）所示，采用了可調拉力彈簧調整間隙。在兩個薄片齒輪1和2上分別裝上耳座3和8，彈簧4的一端鉤在耳座3上，另一端鉤在耳座8的螺釘7上。用螺母5調節(jié)螺釘7的伸出長度即可調整彈簧的彈力，調整好后再用螺母6鎖緊。彈簧的彈力使薄齒輪1和2的左、右

67、齒面分別與寬齒輪的齒槽左、右齒側面貼緊，消除了齒側間隙。 </p><p>　?。▓D5） 雙薄片齒輪周向彈簧調整法</p><p>　　1、2-薄片齒輪 3、8-耳座 4-彈簧 5-調節(jié)螺母 6-鎖緊螺母 7-螺釘</p><p>　　（二）、橫向機構初選步進電機：1 . 計算步進電機負載轉矩Tm

68、………………………………式（18） </p><p>　　式中: —脈沖當量 (mm/step); —進給牽引力 (N); —步距角,初選雙拍制為0.9°;2 . 初選步進電機型號 根據(jù)=0.611N.m在網(wǎng)上查混合式步進電機技術數(shù)據(jù)表初選步進電機型號為56BYG250D-SASSBL-0241，其中，,保持轉矩為1.72N.m

69、..3 . 等效轉動慣量計算 根據(jù)簡圖 ，即圖（2），計算傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量</p><p>　　運動件的轉動慣量可由下式計算: </p><p>　　………………………………………………………………………………式（25）</p><p>　　式中 、、、—齒輪、、、的轉動慣量 () —滾珠絲杠轉動慣量 ()

70、 =</p><p>　　式中 D—圓柱體直徑(cm); L—圓柱體長度 (cm); 代入上式: </p><p>　　4. 電機轉矩計算 機床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計算:1) 快速空載起動慣性矩</p><p>　　在快速空載起動階段，加速力矩所占的比例較大，具體計算公式如下：</p&

71、gt;<p>　　……………………………………………………式（19）</p><p>　　………………………………………………式（20）</p><p><b>　　又：</b></p><p>　　………………………………………………………式（21）</p><p><b>　　代入得：<

72、/b></p><p>　　折算到電機軸上的摩擦力矩:</p><p><b>　　……式（22）</b></p><p>　　式中：η—傳動鏈總效率,一般可取0.7~0.85此處取0.8;</p><p><b>　　i—傳動比;</b></p><p>　　—貼塑導

73、軌摩擦系數(shù)，取=0.04</p><p><b>　　附加摩擦力矩：</b></p><p>　　………………………………………………………………式（22）</p><p>　　式中：η—傳動鏈總效率,一般可取0.7~0.85此處取0.8;</p><p>　　i—傳動比;Fpo—滾珠絲杠預加負荷,一般取1/3Fm,F

74、m為進給牽引力(N);ηo—滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,一般取≥0.9,此處取ηo=0.9</p><p>　　所以：2) 快速移動所需力矩 ………………………………………………………式（23） </p><p>　　=1.96+4.84=6.8N.cm 3) 最大切削載時所需力矩</p><p>　　……………………………………………式

75、（24）</p><p>　　從上面計算可以看出、、三種工況下,以快速空載起動慣性矩最大,即以此項作為校核步進電機轉矩的依據(jù).</p><p>　　查得：當步進電機為兩相四拍時， =0.707</p><p>　　故最大靜力矩Mjmax=59.3/0.707N.m=0.839N.cm，而電機保持轉矩為 1.72N.m，大于最大靜力矩Mjmax，所以滿足要求！<

76、;/p><p>　　但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運轉矩頻特性。</p><p>　　計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率</p><p>　　圖（5）、56BYG250E—ASSBL—0241型混合式步進電機矩頻特性圖</p><p>　　當快速運動和切削進給時，56BYG250E—ASSBL—0241型混合式步進電機運行矩頻完

77、全可以滿足要求。</p><p>　　5、繪制進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖</p><p>　　在完成運動及動力計算后，以后確定了滾珠絲杠螺母副、步進電機型號，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸承型號之后，就可以畫橫向機械裝配圖。見附圖（二）</p><p>　　第四章、微機數(shù)控系統(tǒng)的設計</p><p>　　§1 微機數(shù)控系統(tǒng)設計的內容<

78、/p><p>　　(一)硬件電路設計內容</p><p>　　硬件是組成系統(tǒng)的基礎,也是軟件編制的前提,數(shù)控系統(tǒng)硬件的設計包括以下幾部分內容：</p><p>　　1、繪制系統(tǒng)電氣控制結構框圖</p><p>　　據(jù)總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結構圖。機床硬件電路由五部分組成：</p><

79、p>　　主控制器，即中央處理單元CPU。</p><p>　　總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。</p><p>　　存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。</p><p>　　接口，即輸入/輸出接口電路。</p><p>　　外圍設備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。</p><p>　　2、選擇中央處理單元

80、CPU的類型</p><p>　　CPU的種類很多，在此處選擇MCS——51系列單片機中的80C51，因為其集成度高，穩(wěn)定性、可靠性好，體積小，而且有很強的外部擴展功能，外圍擴展電路芯片大多是一些常規(guī)芯片，用戶很容易通過標準擴展電路來構成較大規(guī)模的應用系統(tǒng)。</p><p>　　3、存儲器擴展電路設計</p><p>　　存儲器擴展包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器擴展兩部

81、分。分別選擇兩片2764和一片6264來擴展16K的內存。</p><p>　　4、I/O接口電路設計</p><p>　　設計內容包括：據(jù)外部要求選用I/O接口芯片，步進電機伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設計（如復位、掉電保護等）。經考慮，選擇8255為I/O接口芯片，液晶顯示控制器LR—104VRAM來控制LCD。圖中的急停開關應采用那種按下去之后不會彈起、直到再次啟動后

82、操作者用手動拔出的按鈕，此處由于表達方式的限制，僅以普通按鈕表示。</p><p>　?。ǘC床數(shù)控系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　軟件是硬件的補充，確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設計軟件。</p><p>　　1、軟件設計步驟分為以下幾步：</p><p>　　據(jù)軟件要實現(xiàn)的功能，能制定出軟件技術要求；</p><

83、;p>　　將整個軟件模塊化，確定各模塊的編制要求，包括各模塊功能，入口參數(shù)，出口參數(shù)；</p><p>　　據(jù)硬件資源，合理分配好存儲單元；</p><p>　　分別對各模塊編程，并調試；</p><p>　　連接各模塊，進行統(tǒng)一調試及優(yōu)化；</p><p>　　固化到各程序存儲器中。</p><p>　　2、數(shù)

84、控系統(tǒng)中常用軟件模塊</p><p>　?。?） 軟件實現(xiàn)環(huán)行分配器；</p><p>　　（2） 插補運算模塊；</p><p>　　（3） 自動升降速控制模塊。</p><p>　　§2 80C51單片機及其擴展</p><p>　　(一)80C51單片機的簡介</p>&

85、lt;p>　　1．芯片引腳及片外總線結構</p><p>　　80C51單片機采用40腳雙直插封裝（DIP）形式，如圖(6)所示。</p><p>　　80C51單片機是高性能單片機，因為受到引腳數(shù)目的限制，所以有不少引腳具有第二功能。下面說明這些引腳的名稱和功能。</p><p>　　電源引腳Vss和Vcc</p><p>　　Vss

86、(20腳)：接地。</p><p>　　Vcc(40腳)：主電源+5V。</p><p>　　時鐘電路引腳XTAL1`和XTAL2</p><p>　　XTAL1（19腳）：接外部晶體的一端。在片內它是振蕩電路反向放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該端引腳必須接地；對于CHMOS單片機，此引腳作為驅動端。</p><p>

87、　　XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。在片內它是一個振蕩電路反向放大電路的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。若需采用外部時鐘電路，對于HMOS單片機，該引腳輸入外部時鐘脈沖；對于CHMOS單片機，此引腳應懸浮。</p><p>　　圖（6）.80C51引腳圖</p><p>　　控制信號引腳RST、ALE//PROG、PSEN、/EA/Vpp</p><p&

88、gt;　　RST（9腳）：單片機剛接上電源時，其內部各寄存器處于隨機狀態(tài)，在該引腳輸入24個時鐘周期寬度以上的高電平將使單片機復位（RESET）。</p><p>　　ALE//PROG：訪問片外存儲器時，ALE作鎖存擴展地址低位字節(jié)的控制信號（稱允許鎖存地址）。平時不訪問片外存儲器時，該端也以1/6的時鐘振蕩頻率固定輸出正脈沖，供定時或者其他需要使用；在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時會失去一個脈沖。ALE端的負載驅動能力

89、為8個LSTTL（低功耗高速TTL）。</p><p>　　/PSEN（29腳） ：在訪問片外程序存儲器時，此端輸出負脈沖作為存儲器讀選通信號。CPU在向片外存儲器取指令期間，PSEN信號在12個時鐘周期中兩次生效。不過，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，這兩個有效的PSEN信號不出現(xiàn)。PSEN端同樣可驅動8個LSTTL負載。我們根據(jù)PSEN、ALE和XTAL2輸出是否有信號輸出，可以判別80C51是否在工作。</p

90、><p>　　/EA/Vpp（31腳）：當EA端輸入高電平時，CPU從片內程序存儲器地址0000H單元開始執(zhí)行程序。當?shù)刂烦^4KB時，將執(zhí)行片外程序存儲器的程序。當EA輸入低電平時，CPU僅訪問片外程序存儲器。</p><p>　　輸入/輸出引腳（P0、P1、P2和P3端口引腳）</p><p>　　P0~P3是4個寄存器，也稱為4個端口，是80C51單片機與外界聯(lián)系

91、的4個8位雙向并行I/O口。由于在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，CPU需要對接口電路輸入輸出數(shù)據(jù)的寄存器進行讀寫操作，所以在單片機中對這些寄存器象對存儲單元一樣進行編址。通常把接口電路中這些已編址并能進行讀寫操作的寄存器稱為端口（PORT），或簡稱口。</p><p>　　P0.0~P0.7（39~32腳）：P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它分時提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)，故這些I/O線有地址線

92、/數(shù)據(jù)線之稱，簡寫為AD0~AD7。在EPROM編程時，從P0輸入指令字節(jié)，在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)（驗證時，要外接上拉電阻）。</p><p>　　P1.0~P1.7（1~8腳）：P1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在EPROM編程和驗證程序時，它輸入低8位地址。</p><p>　　P2.0~P2.7（21~28腳）：P2是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在訪問片

93、外存儲器時，它輸出高8位地址，即A8~A15。在對EPROM編程和驗證程序時，它輸入高8位地址。</p><p>　　P3.0~P3.7（10~17腳）：P3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在整個系統(tǒng)中，這8個引腳還具有專門的第二功能，如表（3）所示。</p><p>　　表P3口各位的第二功能 </p><p>　?。ǘ?單片機的系統(tǒng)擴展概述<

94、/p><p>　　80C51片內只有4KB程序存儲器地址空間、256B的片內數(shù)據(jù)存儲器的地址空間（用8位地址，其中128B的專用寄存器地址空間僅有21個字節(jié)有實際意義）。所以需擴展。</p><p><b>　　擴展概述</b></p><p>　　80C51的片外總線結構：所有的外部芯片都通過三組總線進行擴展。（1）數(shù)據(jù)總線（DB）：由P0口提供

95、，數(shù)據(jù)總線要連到連接的所有外圍芯片上，但在同一時間只能夠有一個是有效的數(shù)據(jù)傳送通道。（2）地址總線（AB）：16位，可尋址范圍為64K字節(jié)，AB由P0口提供低8位地址，與數(shù)據(jù)分時傳送，傳送數(shù)據(jù)時將低8位地址鎖存；高8位地址由P2口提供。（3）控制總線（CB）：系統(tǒng)擴展用控制總線有WR、RD、PSEN、ALE、EA。</p><p><b>　　系統(tǒng)擴展能力</b></p>&l

96、t;p>　　片外數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的操作使用不同的指令和控制信號，允許兩者的地址重復。故據(jù)地址的寬度，片外可擴展的存儲器與程序存儲器分別為64KB。此處擴展了16K的程序存儲器和16K的地址存儲器，且沒有使用片內存儲器。</p><p>　　擴展的I/O口與片外數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，不再另外提供地址線。</p><p><b>　　地址鎖存器</b></

97、p><p>　　因為P0口是分時提供低8位地址和數(shù)據(jù)信息的，所以必須用鎖存器把地址鎖存住。本次設計使用帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器74HC373。其引腳見圖（7）。</p><p>　　圖（7）、74HC373引腳圖</p><p>　　D0~D7 信號輸入端</p><p>　　Q0~Q7 信號輸出端</p><p>　　

98、G：下降沿時，將D1~D8鎖存于內部</p><p>　　E：使能端，E=0時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，輸出端Q0~Q7與輸入端D0~D7連通，當E=1時，輸出三態(tài)門斷開，輸入數(shù)據(jù)鎖存。</p><p><b>　　地址譯碼器</b></p><p>　　80C51擴展電路中，都牽涉到外部地址空間的分配問題，即當80C51數(shù)據(jù)總線分時與多個外圍芯片

99、進行數(shù)據(jù)傳送時，首選要進行片選，然后再進行片內地址選擇。</p><p>　　地址譯碼實現(xiàn)片選的方法目前常用的有兩種：線選法和譯碼法。此處采用74HC139譯碼器組成的譯碼電路對系統(tǒng)的高位地址進行譯碼。74HC139是雙“2-4”譯碼器，每個譯碼器僅有1個使能端G，0電平選通。有2個選擇輸入端，4個譯碼輸出端，輸出0電平有效。2個輸入信號A、B譯碼后有4個輸出狀態(tài)，其引腳與真值表如下所示。</p>

100、<p>　　表（4）、74HC139真值表</p><p><b>　?。ㄈ?存儲器擴展</b></p><p>　　此處采用兩片EPROM芯片6264（8K×8）擴展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器選用靜態(tài)RAM62648（8K×8）。其引腳見左圖（8）。</p><p>　　圖（8）、2764引腳圖</p>

101、<p>　　80C51芯片與存儲器的連接</p><p>　　存儲器擴展實質是三總線的連接。</p><p>　　據(jù)芯片存儲容量的大小確定數(shù)據(jù)、地址線的根數(shù)。此處為13根。</p><p>　　數(shù)據(jù)線的連接 將80C51的芯片的P0.0~P0.7按位與RAM數(shù)據(jù)線D0~D7直連。</p><p>　　地址總線的連接 據(jù)確定的地址

102、線根數(shù)，將相應低地址線相連，剩余高位地址線作為片選。</p><p>　　控制總線的連接 對應控制線相連。</p><p>　?。ㄋ模?I/O口的擴展</p><p>　　MCS-51單片機共有四個8位并行I/O口，可提供給用戶使用的只有P1口和部分P3口線，因此不可避免地要進行I/O口的擴展。這里采用8255（可編程的RAM/IO擴展接口電路）。</p>

103、;<p>　　I/O口擴展采用總線擴展方法，數(shù)據(jù)輸入線取自80C51的P0口。這種擴展方法分時占用P0口，不影響P0口與其它擴展芯片的連接操作。</p><p>　　8255具有3個8位的并行的I/O口，分別為PA、PB、PC口，其中PC口又分為高4位（PC7~PC4）和低4位（PC3~PC0）。</p><p>　?。ㄎ澹⒉竭M電機驅動電路</p><p

104、>　　采用細分驅動電路，根據(jù)所選電機說明，選取合適的驅動器，縱向驅動器和橫向驅動器均為SH20806N。其接線圖如下：</p><p>　　圖（8）、電動機驅動器連線圖</p><p>　?。⒁壕э@示控制器：</p><p>　　使用由上海朗睿電子科技有限公司研制生產的工業(yè)彩色液晶（VRAM型）顯示器，型號為LR-104VRAM。</p>

105、<p><b>　　1、簡介： </b></p><p>　　彩色液晶顯示器采用超大規(guī)模集成電路，以數(shù)字方式驅動，可以從根本上消除傳統(tǒng)CRT顯示器的屏幕閃爍現(xiàn)象。具有高亮度、高對比度、高可靠性、抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點；并且體積小、厚度小、功耗低、無輻射、抗干擾能力強。隨著彩色液晶技術的日趨成熟，正在逐步取代CRT顯示器，成為許多高要求行業(yè)的首選，被越來越多地應用到電力、醫(yī)療、儀表、電梯、

106、工業(yè)控制等領域。 </p><p><b>　　2、基本原理： </b></p><p>　　LR-104VRAM真彩色液晶顯示器，采用VRAM顯示方式。VRAM（Video Random-Access Memory）視頻存儲技術是近年來比較流行的專門用于圖形處理的雙端口存儲技術，常用于中、高檔顯示卡。采用緩存、邏輯仲裁、存儲陣列，實現(xiàn)兩個設備同時對同一存儲陣列訪問而

107、不需要等待，且互不干擾。 </p><p>　　該顯示器接口采用并行總線方式（數(shù)據(jù)總線、地址總線以及選、讀、寫等信號），可以很方便地連接到單片機或微處理器的總線上，用戶可以象使用普通存儲器一樣使用它。或者可以把顯示器看成是自己設備外掛的一個RAM。 </p><p>　　LR-104VRAM存儲器地址單元同液晶屏幕上的像素點一一對應，用戶可以把這個存儲器理解為“顯示映像”存儲器。如果希望在

108、液晶屏幕上某一位置顯示文字或圖形，只需要向存儲器內對應區(qū)域寫入相應的數(shù)據(jù)即可。 </p><p>　　VRAM存儲器的一個字節(jié)由8位構成，顯示器屏幕上的一個“像素”點由R、G、B三個“點”來組成。 </p><p><b>　　3、原理框圖：</b></p><p>　　LR-104VRAM顯示器的基本原理框圖如圖（9）所示，DC/DC電壓變換

109、器產生液晶所用各種驅動電壓DC/AC逆變器則用來點亮冷陰極背光燈（CCFL）。分時技術讓顯示與寫入數(shù)據(jù)同時進行，實現(xiàn)了畫面的高速更新，且互不干擾。</p><p>　　圖（9）、LR-104VRAM顯示器的基本原理框圖</p><p><b>　　4、性能指標：</b></p><p>　　視域對角線 10.4英寸 &

110、lt;/p><p>　　外型尺寸 246.5×179.3×38mm </p><p>　　視域尺寸 211.2(H)×158.4(V)mm </p><p>　　圖像點陣 640×RGB×480行 </p><p

111、>　　像素點尺寸 0.33(H)×0.33(V)mm </p><p>　　像素結構 垂直條紋 </p><p>　　接口方式 總線方式 </p><p>　　VRAM容量 128K×8位 </p><p>

112、;　　顯示顏色 TFT 64色 / 256色 </p><p>　　視野角度 左75度，右75度,上60度，下50度 </p><p>　　工作電壓 DC 8V ～ 15V </p><p>　　消耗功率 小于8W </p><

113、p>　　工作環(huán)境溫度 -10℃ ～ +65℃ </p><p>　　保存溫度 -30℃ ～ +70℃ </p><p>　　亮度 400cd/㎡ </p><p>　　液晶屏壽命 大于5萬小時（連續(xù)工作） </p><p>

114、;　　背光燈壽命 大于25000小時（連續(xù)工作） </p><p>　　凈重 克 </p><p>　　毛重 克 </p><p>　　包裝數(shù)量 只/箱 </p><p>　　內包裝尺寸

115、 ×× mm </p><p>　　外包裝尺寸 ×× mm</p><p><b>　　5、接口方法：</b></p><p>　　LR-104VRAM的接口方式為總線方式。外部引線包括有地址總線、數(shù)據(jù)總線和片選讀寫輸入，可以直接掛接到單片機、計算機的總線上，通過譯碼

116、分配作為主機的某部分內存來使用。如果主機無法分配較大的空間而直接使用時，也可以采用分頁操作技術，高位地址用來頁面切換，低位地址則可直接操作。內存的數(shù)據(jù)位與屏幕顯示的色點一一對應，只要把適當?shù)臄?shù)據(jù)寫入內存中去，屏幕上即可顯示出相應的文字圖形。</p><p>　　接口采用34針雙列防反插插座（間距為標準2.54mm）,引腳定義如下表所示： </p><p><b>　　6、應用程序

117、：</b></p><p>　　，將屏幕清成040H代碼所表示的顏色 </p><p>　??；VRAM的片選地址（E000，F(xiàn)FFFH） </p><p>　??；A13，14，15 = P1.O,P1.1,P1.2 </p><p>　　ORG 0000H </p><p>　　LJMP MAIN <

118、/p><p>　　ORG 0090H </p><p><b>　　MAIN: </b></p><p>　　MOV SP,#60H; </p><p>　　LCALL INITLCD; </p><p>　　MOV R1,#040H; </p><p>　　LCALL CLE

119、AR1 </p><p><b>　　RETERN: </b></p><p>　　SJMP RETERN </p><p><b>　　INITLCD: </b></p><p>　　LCALL LCD </p><p><b>　　RET </b>&