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畢業(yè)設(shè)計(論文)
Φ500mm的數(shù)控車床總體設(shè)計
及縱向進(jìn)給設(shè)計
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
通過該課題的研究，努力達(dá)到以下目的：
1、加強(qiáng)數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計和模塊化訓(xùn)練；
2、加強(qiáng)數(shù)控機(jī)床功能部件的選型與設(shè)計計算的訓(xùn)練；
3、加強(qiáng)數(shù)控機(jī)床的整機(jī)設(shè)計中應(yīng)該把握的主要問題的訓(xùn)練
普通機(jī)床數(shù)控化改造的研究意義：
1）節(jié)省資金。?機(jī)床的數(shù)控改造同購置新機(jī)床相比一般可節(jié)省60%左右的費(fèi)用，
大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購置費(fèi)的1/3。即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級也只需花費(fèi)購買新機(jī)床60%的費(fèi)用，并可以利用現(xiàn)有地基。
2）性能穩(wěn)定可靠。因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。
3）?提高生產(chǎn)效率。?機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高?3 至5倍。對復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費(fèi)用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期
關(guān)鍵詞：車床，數(shù)控，伺服電機(jī)，滾珠絲杠
II
目 錄
摘 要 II
目 錄 III
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述 1
1.1 數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn) 1
1.1.1 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的區(qū)別 1
1.1.2 數(shù)控機(jī)床的適用范圍 2
1.2 數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度 2
1.3 數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢 3
1.4 機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)越性 4
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較 6
2.1總體方案設(shè)計的內(nèi)容 6
2.1.1系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定 6
2.1.2伺服系統(tǒng)的選擇 7
2.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動方式的確定 7
2.1.4計算機(jī)的選擇 8
2.2總體設(shè)計方案的確定 8
2.2.1系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 8
2.2.2計算機(jī)系統(tǒng) 8
2.2.3機(jī)械傳動方式 8
第3章 確定切削用量及選擇刀具 1
3.1刀具選擇 1
3.2切削用量確定 1
3.3切削三要素 1
3.4加工精度和表面粗糙度 2
3.5刀具材料 5
第4章 縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計計算 6
4.1 選擇脈沖當(dāng)量 6
4.2 計算切削力 6
4.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 7
4.4 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動比計算 11
4.5 步進(jìn)電機(jī)的計算和選型 12
第5章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計 16
5.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計綱要 16
5.1.1 硬件電路設(shè)計 16
5.1.2 軟件電路設(shè)計 17
5.2 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展 18
5.2.1 8031單片機(jī)的簡介 18
5.2.2 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展 19
5.2.3 存儲器擴(kuò)展 21
5.2.4 I/O口的擴(kuò)展 22
5.2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 23
5.2.6 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 24
5.2.7 光電隔離電路 24
5.2.8 功率放大器 24
5.2.9 其他輔助電路 25
結(jié) 論 27
致 謝 28
參考文獻(xiàn) 29
IV
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述
近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，尤其是機(jī)械制造業(yè)中，普通機(jī)械正逐漸被高效率、高精度、高自動化的數(shù)控機(jī)械所代替。目前國外機(jī)械設(shè)備的數(shù)控化率已達(dá)到85%以上，而我國的機(jī)械設(shè)備的數(shù)控化率不足20%，隨著我國機(jī)制行業(yè)新技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對國計民生的一些重要行業(yè)（汽銑、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個方面。1.高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢2.軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展3.智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢4.重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立其中包括：a.關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)規(guī)范b. 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)規(guī)范，加強(qiáng)數(shù)控銑床的整機(jī)設(shè)計中應(yīng)該把握的主要問題的訓(xùn)練。
研究此課題的意義在于：針對大學(xué)畢業(yè)生技能的需求，在培養(yǎng)過程中，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，把自己置身于工程背景之中，以提高我們的專業(yè)水平。通過此設(shè)計，我們可以初步掌握改造一般銑床的方法與步驟，可為我們今后工作打下良好的基礎(chǔ)。將大學(xué)三年所學(xué)到的知識進(jìn)行匯總，考核我們所學(xué)知識的牢固度，檢驗(yàn)我們運(yùn)用知識的能力。
1.1 數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn)
1.1.1 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的區(qū)別
數(shù)控機(jī)床對零件的加工過程，是嚴(yán)格按照加工程序所規(guī)定的參數(shù)及動作執(zhí)行的。它是一種高效能自動或半自動機(jī)床，與普通機(jī)床相比，具有以下明顯特點(diǎn)：
1. 適合于復(fù)雜異形零件的加工
數(shù)控機(jī)床可以完成普通機(jī)床難以完成或根本不能加工的復(fù)雜零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。
2. 加工精度高
3. 加工穩(wěn)定可靠
實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制，排除人為誤差，零件的加工一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
4. 高柔性
加工對象改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，體現(xiàn)出很好的適應(yīng)性，可大大節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時間。在數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上，可以組成具有更高柔性的自動化制造系統(tǒng)—FMS。
5. 高生產(chǎn)率
數(shù)控機(jī)床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高，一般為普通機(jī)床的 3～5 倍，對某些復(fù)雜零件的加工，生產(chǎn)效率可以提高十幾倍甚至幾十倍。
5. 勞動條件好
機(jī)床自動化程度高，操作人員勞動強(qiáng)度大大降低，工作環(huán)境較好。
7. 有利于管理現(xiàn)代化
采用數(shù)控機(jī)床有利于向計算機(jī)控制與管理生產(chǎn)方面發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化創(chuàng)造了條件。
8. 投資大，使用費(fèi)用高
9. 生產(chǎn)準(zhǔn)備工作復(fù)雜
由于整個加工過程采用程序控制，數(shù)控加工的前期準(zhǔn)備工作較為復(fù)雜，包含工藝確定、程序編制等。
10. 維修困難
數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，技術(shù)含量高，對維修人員的技術(shù)要求很高。
1.1.2 數(shù)控機(jī)床的適用范圍
由于數(shù)控機(jī)床的上述特點(diǎn)，適用于數(shù)控加工的零件有：
·批量小而又多次重復(fù)生產(chǎn)的零件；
·幾何形狀復(fù)雜的零件；
·貴重零件加工；
·需要全部檢驗(yàn)的零件；
·試制件。
對以上零件采用數(shù)控加工，才能最大限度地發(fā)揮出數(shù)控加工的優(yōu)勢。
1.2 數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度
數(shù)控銑床是一種高精度、高效率的自動化機(jī)床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機(jī)床，約占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復(fù)雜的軸類、盤類等回轉(zhuǎn)體零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進(jìn)行切槽、鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔等加工。
由于數(shù)控銑床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補(bǔ)功能，有些數(shù)控銑床還具有非圓曲線插補(bǔ)功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點(diǎn)，所以它的工藝范圍要比普通銑床要寬得多。
1.精度要求高的回轉(zhuǎn)體零件
由于數(shù)控銑床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進(jìn)行人工補(bǔ)償和自動補(bǔ)償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以銑代磨。
2.表面粗糙度要求高的回轉(zhuǎn)體零件
數(shù)控銑床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數(shù)控銑床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進(jìn)給量，要求小的部位選用小的進(jìn)給量。
3.輪廓形狀特別復(fù)雜和難于控制尺寸的回轉(zhuǎn)體零件
由于數(shù)控銑床具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，部分銑床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補(bǔ)功能，所以可以加工形狀特別復(fù)雜或難于控制尺寸的的回轉(zhuǎn)體零件。
1.3 數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢
1. 高速、高效、高精度、高可靠性
（1） 高速、高效加工
進(jìn)入21世紀(jì)，機(jī)床向高速化方向發(fā)展:大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質(zhì)量和精度.上世紀(jì)90年代以來歐、美、日各國爭相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，加快機(jī)床高速化發(fā)展步伐。
（2）高精度、超精密化加工
當(dāng)前，機(jī)械加工高精度的要求較普通的加工精度提高了一倍.達(dá)到5微米;精密加工精度提高了兩個數(shù)量級，超精密加工精度進(jìn)入納米級(0.001微米)，主軸回轉(zhuǎn)精度要求達(dá)到0.01-0.05微米，加工圓度為0.1微米加工表面粗糙度Ra0.003微米等從精密加工發(fā)展到超精密加工〔特高精度加工)，是世界各工業(yè)強(qiáng)國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級(<10nm).其應(yīng)用范圍日趨廣泛
（3）高可靠性
是指數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設(shè)備的可靠性在一個數(shù)量級以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是適度可靠對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16小時內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率P(t)=99%以上的話，則數(shù)控機(jī)床的平均無故障運(yùn)行時間MTBF 就必須大于3000小時.當(dāng)前國外數(shù)控裝置的MIBF值已達(dá)60000小時以上，驅(qū)動裝置達(dá)30000小時以上.
2. 模塊化、智能化、柔性化和集成化
(1)模塊化、專門化與個性化
為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床多品種、小批量的特點(diǎn).機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化，數(shù)控功能專門化，機(jī)床性能價格比顯著提高并加快優(yōu)化。個性化是近幾午來特別明顯的發(fā)展趨勢.
(2)智能化
在數(shù)控系統(tǒng)中智能化的內(nèi)容包括①為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化:如自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成:②為提高驅(qū)動性能及使用連接方便方面的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算等:③簡化編程、簡化操作方面的智能化:④智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容等。
(3)柔性化和集成化
數(shù)控機(jī)床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是從點(diǎn)(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床) 、線(FMC 、FMS F、TL F、ML)向面(工段車間獨(dú)立制造島、工廠自動化FA)、體(CIMS,分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展.
3. 開放性
為適應(yīng)數(shù)控進(jìn)線、聯(lián)網(wǎng)、普及型個性化、多品種、柔性化及數(shù)控迅速發(fā)展的耍求，最重耍的發(fā)展趨勢是體系結(jié)構(gòu)的開放性，設(shè)計生產(chǎn)開放式的數(shù)控系統(tǒng)，例如美國的OMAC,歐共體的OSACA及日本的OSEC發(fā)展開觸式數(shù)控的計劃等。
1.4 機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)越性
1. 費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)性好.改造周期短.可滿足生產(chǎn)急需
同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60%-80%的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。一般大型機(jī)床改造，只花新機(jī)床購置費(fèi)用的1/3，以大型的龍門加工中心為例，進(jìn)口新的需要1000-5000萬元.而升級改造只需要100-500萬元。僅占成本的1/10。交貨期短。
2. 改造后的機(jī)床機(jī)械性能穩(wěn)定可靠、功能增強(qiáng)、質(zhì)量好、效率高，可作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年.
3. 降低了對操作者的技術(shù)要求，更易提高管理水平
操作者只需編程、裝夾工件和按開關(guān)，加工全部由電腦控制自動完成，即使再復(fù)雜的工件也能快速完成，省去了對技術(shù)要求的煩惱.同時提高了定額管理水平。
4. 可以采用最新的控制技術(shù)，可根據(jù)技術(shù)革新的速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率。提高設(shè)備質(zhì)量和檔次。
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較
2.1總體方案設(shè)計的內(nèi)容
針對X5032銑床的特點(diǎn)，在滿足生產(chǎn)的前提下，對原銑床做盡可能少的改動，利用數(shù)控系統(tǒng)控制銑床運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)工作臺X、Y、z軸的三坐標(biāo)控制及任意三軸的聯(lián)動控制，提高銑床的加工精度和自動化水平，完成銑床的數(shù)控化改造
數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容:系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定、計算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。
將一臺X5032普通升降臺立式銑床，改造成三坐標(biāo)控制，三軸聯(lián)動加工的數(shù)控銑床，用以實(shí)現(xiàn)平面、凸輪、溝槽、圓弧槽等復(fù)雜零件的自動銑削加工。
根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，有三種方案可供選擇：
方案一：將工作臺升降(Z向)、縱向(X向)、橫向(Y向)的進(jìn)給改為微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)控制,三坐標(biāo)聯(lián)動的開環(huán)控制。
方案二:將主軸升降(Z向)、縱向(X向)、橫向(Y向)的進(jìn)給改為微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)控制，任意兩坐標(biāo)聯(lián)動的開環(huán)控制。
方案三:僅將工作臺X、Y軸進(jìn)給運(yùn)動改為微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)控制，兩坐標(biāo)軸聯(lián)動的開環(huán)控制
對上述三個改造方案綜合考慮，結(jié)合銑床升降臺需要修理等實(shí)際情況.在符合經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造一般原則的前提下選擇確定第一方案，其具體方案如下:
(1)拆除機(jī)床工作臺X、 Y、 Z軸原進(jìn)給系統(tǒng)。將滑動絲杠副更換為滾珠絲杠副，并改裝減速齒輪箱、減速齒輪、步進(jìn)電機(jī)。對機(jī)床傳動系統(tǒng)設(shè)計計算，選擇合適的滾珠絲杠安裝方式。完成齒輪傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計，步進(jìn)電機(jī)選擇等，垂向工作臺傳動升降機(jī)構(gòu)在更換滾珠絲杠后會因失去自鎖而自動下滑.必須增加平衡裝置和制動裝置。
(2)選擇經(jīng)濟(jì)型開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作臺X、Y、Z軸3/3數(shù)控。主軸的部分?jǐn)?shù)控功能要求X、Y、Z向步進(jìn)精度為O.OO5/0.005/0.O1mm/setp;軸向定位精度0.015 mm;重復(fù)定位精度0.008 mm。
2.1.1系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)和點(diǎn)位/直線控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控制方式。例如，數(shù)控鉆床，在工作臺移動過程中鉆頭并不進(jìn)行鉆孔加工，因此數(shù)控系統(tǒng)可采用點(diǎn)位控制方式。對于點(diǎn)位控制系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。
連續(xù)控制系統(tǒng)要求工作臺和刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動有確定的函數(shù)關(guān)系，能夠控制刀具沿任意直線或曲線運(yùn)動，控制每一個軸的位置和速度，使得各個軸同步協(xié)調(diào)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。連續(xù)控制系統(tǒng)不僅控制目標(biāo)點(diǎn)，而且控制刀具到達(dá)這些目標(biāo)點(diǎn)的整個路徑，使刀具始終接觸工件并制造出希望的形狀，所以具有連續(xù)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床可以加工各種外形輪廓復(fù)雜的零件，故而連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)或仿型系統(tǒng)。在點(diǎn)位控制系統(tǒng)中不具有連續(xù)控制系統(tǒng)中所具有的軌跡計算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻具有點(diǎn)位系統(tǒng)的功能。例如，數(shù)控銑床、數(shù)控銑床等。
點(diǎn)位-直線系統(tǒng)，不但要求工作臺運(yùn)動的終點(diǎn)坐標(biāo)，還要求工作臺沿坐標(biāo)軸運(yùn)動過程中切削工作，進(jìn)行簡單的銑削和銑削作業(yè)。其控制方法與點(diǎn)位系統(tǒng)十分相似，故有時也將這兩種系統(tǒng)統(tǒng)稱為點(diǎn)位控制系統(tǒng)。例如，數(shù)控鏜銑床等。
2.1.2伺服系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱為開環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，容易掌握，調(diào)試和維修都比較簡單。目前國內(nèi)大力發(fā)展的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。
閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機(jī)床移動部件上的檢測反饋元件，用來檢測實(shí)際位移量，能補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)驅(qū)動。但閉環(huán)系統(tǒng)造價高、結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場合。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位移半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位移量，而是檢測元件測出驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺實(shí)際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。
2.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動方式的確定
為確定數(shù)控系統(tǒng)傳動精度和工件平穩(wěn)性，在設(shè)計機(jī)械傳動裝置時，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及適當(dāng)?shù)淖枘岜纫蟆Ｔ谠O(shè)計中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。例如，采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。
盡量消除傳動間隙。例如，采用消隙齒輪等。
提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度、減小傳動鏈誤差。也可以
用預(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如，采用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾動絲杠副等。
2.1.4計算機(jī)的選擇
微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲擴(kuò)展電路、I/O接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動電路、檢測電路等組成。
2.2總體設(shè)計方案的確定
2.2.1系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順圓插補(bǔ)、逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本容易調(diào)試和維護(hù)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床應(yīng)選用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.2.2計算機(jī)系統(tǒng)
根據(jù)機(jī)床要求采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)性能價格比高等特點(diǎn)，決定采用MCS-51系列的80C31單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤、顯示器，I/O接口及光隔離電路，步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。
2.2.3機(jī)械傳動方式
為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動給絲杠。為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，應(yīng)盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。
29
第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1刀具選擇
（一）刀具選擇：
銑平面：硬質(zhì)合金端銑刀或立銑刀，盡是采用二次走刀。
凸臺、凹槽、箱口面：立銑刀。
毛坯表面或粗加工孔：鑲硬質(zhì)合金刀片的玉米銑刀（粗皮刀）。
立體型面和變斜角輪廓外形：球刀、環(huán)形刀、錐形刀、盤形刀。
（二）原則：
安裝調(diào)整方便、剛性好、耐用和精度高。盡是用較短刀柄，保證剛性。
（三）排序原則
減少刀具數(shù)量；
裝夾一次，盡是加工完；
即使刀具規(guī)格相同，粗、精加工刀具分開；
先銑后鉆；
精加工，先曲面后二維輪廓；
盡可能自動換刀。
3.2切削用量確定
粗：效率；半精、精：質(zhì)量、兼顧效率。
1、主軸轉(zhuǎn)速n：根據(jù)線速度v確定：π
V= (端銑：150m/min；周銑：30m/min)
2、切深t：最好是t等于加工余量。
3、切寬L：與刀具直徑成正比，與切深成反比。
L＝0.6－0.9d
粗加工：大切深、大進(jìn)給、低切速。
精加工：小切深、小進(jìn)給、高切速。
3.3切削三要素
主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度。少切削，快進(jìn)給。
3.4加工精度和表面粗糙度
1、加工精度：尺寸精度、形狀精度、位置精度。
（1）尺寸精度：公差與配合國家標(biāo)準(zhǔn)（GB1800－1804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2……IT18。
新公差等級與舊公差等級的對照及應(yīng)用
新公差等級
舊精度等級
加工方法
應(yīng)用
軸
孔
IT01－IT2
無
研磨
用于量塊、量儀制造
IT3－IT4
研磨
用于精密儀表、精密機(jī)件的光整加工
IT5
1
無
研磨、珩磨、精磨、精鉸、精拉
用于一般精密配合。IT7－IT6在機(jī)床和較精密的機(jī)器、儀器制造中用得最為普遍
IT6
2
1
IT7
3
2
磨削、拉削、鉸孔、精銑、精鏜、精銑、粉末冶金
IT8
3－4
IT9
4
銑、鏜、銑、刨、插
用于一般要求。主要用于長度尺寸的配合外，如鍵和鍵槽的配合
IT10
5
IT11
6
粗銑、粗鏜、粗銑、粗刨、插、鉆、沖壓、壓鑄
用于不重要的配合。IT12－IT13也用于非配合
IT12－IT13
7
IT14
8
沖壓、壓鑄
用于非配合
IT15－IT18
9－12
鑄、鍛、焊、氣割
?。?）形狀精度：零件上的線、面要素的實(shí)際形狀相對于理想形狀的準(zhǔn)確程度。
國家標(biāo)準(zhǔn)（GB1182－1184-80）規(guī)定了六項(xiàng)形狀公差：直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度、面輪廓度。
（3）位置公差：零件上點(diǎn)、線、面要素的實(shí)際位置相對于理想位置的準(zhǔn)確程度。
國家標(biāo)準(zhǔn)（GB1182－1184-80）規(guī)定了八項(xiàng)位置公差：
定向：平行度、垂直度、傾斜度。
定位：同軸度、對稱度、位置度。
跳動：圓跳動、全跳動。
2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB3503-83、GB1031－83、GB131-83）
輪廓算術(shù)平均偏差：
Ra＝ 或近似于Ra＝
微觀不平十點(diǎn)高度：
Rz＝(+)
在常用數(shù)值范圍內(nèi)（Ra＝0.25－5.3μm，Rz＝0.1－25μm），在圖樣上應(yīng)優(yōu)先選用Ra。
表面粗糙度Ra、Rz允許值及加工方法表
表面要求
表面特征
Ra(μm)
Rz(μm)
加工方法
舊國際光潔度級別代號
第1系列
第2系列
第1系列
第2系列
不
加
工
毛坯表面清除毛刺
1600
∽
1250
1000
800
630
500
100
400
粗
加
工
明顯可見的刀紋
80
320
粗銑
粗銑
粗刨
鉆
粗銼
▽1
63
250
50
200
可見刀紋
40
160
▽2
32
125
25
100
微見刀紋
20
80
▽3
15.0
63
12.5
50
半
精
加
工
可見加工痕跡
10
40
半精銑
精銑
精銑
精刨
粗磨
▽4
8
32
5.3
25
微見加工痕跡
5
20
▽5
4
16
3.2
12.5
不見加工痕跡
2.5
10
▽6
2
8
1.6
精
加
工
可辨加工痕跡的方向
1.25
5.3
精鉸
刮
精拉
精磨
▽7
1.00
5
0.8
4
微辨加工痕跡的方向
0.63
3.2
▽8
0.5
2.5
0.4
2.0
不辨加工痕跡的方向
0.32
1.6
▽9
0.25
1.25
0.2
1.00
精
密
加
工
暗光澤面
0.16
0.80
精密磨削
珩磨
研磨
超精加工
拋光
▽10
0.125
0. 63
0.1
0.50
亮光澤面
0.080
0.40
▽11
0.063
0.32
0.05
0.25
鏡狀光澤面
0.040
0.20
▽12
0.032
0.16
0.025
0.125
霧狀光澤面
0.020
0.10
▽13
0.016
0.080
0.012
0.063
鏡面
0.010
0.050
鏡面磨削
研磨
▽14
0.008
0.040
0.025
0.032
3.5刀具材料
碳素工具鋼T10A、T12A：HRC60-64,200 -250℃，V＜8m/min。
合金工具鋼CrWMn、9SiCr：350-400℃，V＜10m/min。
高速鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600℃，V＜30m/min；
110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，＞600℃
4、硬質(zhì)合金：HRA89-93（HRC74-82），850-1000℃，V＝100-300m/min。
另外，還有新型硬質(zhì)合金、陶瓷材料、人造金剛石、立方氮化硼等。
第4章 縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計計算
4.1 選擇脈沖當(dāng)量
脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、車床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01~0.005mm/step。
根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量：
縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑)
4.2 計算切削力
用車床經(jīng)驗(yàn)公式F=D來計算主切削力
式中D指車床身上最大加工直徑（mm）。橫切端面時主切削力可取縱切時F的1/2。
求出主切削里F以后再按以下比例分別求出分力F和F。
F：F：F=1 ：0.25 ：0.5
式中 F：指走刀方向的切削力（N）；
F：指垂直走刀方向的切削力（N）。
下圖為縱切和橫切時切削力的示意圖。
圖2—縱切和橫切時切削力的示意圖
1、 縱車外圓
主切削力F(N)按經(jīng)驗(yàn)公式估計算：
F=D= （N）
按切削力各分力比例：
F：F：F=1 ：0.25 ：0.4
F（N）
F（N）
4.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型
（一） 縱向進(jìn)給絲杠
1、 計算進(jìn)給軸向力F（N）
縱向進(jìn)給這里為三角形導(dǎo)軌：F
式中K：指顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15；
：指滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取0.15~0.18之間的值；
G：指流板及刀架重力，G=1100N。
則 F=（N）
2、 計算最大動負(fù)載Q
考慮滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中沖擊擾動對壽命的影響，則最大動負(fù)載Q的計算公式為：
Q
L
n
式中 ：指滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=8；
n：指絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min）；
：指最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3，此處取=0.3；
：指使用壽命時間（h）,對于數(shù)控機(jī)床取T=15000h.。
L：指壽命，以10轉(zhuǎn)為一單位；
：指運(yùn)動系數(shù)，見表1，選=1.3。
表1—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)
運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)
運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)
無沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)
1.0~1.2
一般運(yùn)轉(zhuǎn)
1.2~1.5
有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)
1.5`-~2.5
則 n( r/min)
L
Q（N）
3、 滾珠絲杠螺母副的選型
從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應(yīng)的動負(fù)載C的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型，選用時應(yīng)滿足Q C的條件。
查表：可采用WL5008外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動負(fù)載為23400N，符合Q C的條件。精度等級按表 2，選為1級。
Vmm
表 2—滾珠絲杠行程公差
項(xiàng)目
符號
有效行程（mm）
精度等級
1
2
3
4
5
目標(biāo)行程公差
e
6
8
12
16
23
315~400
7
9
13
18
25
400~500
8
10
15
20
27
500~630
9
11
16
22
30
行程變動量公差
V
6
8
12
16
23
315~400
6
8
12
17
25
400~500
7
10
13
19
26
500~630
7
11
14
21
29
任意300 mm內(nèi)行程變動量
V
6
8
12
16
23
2弧度內(nèi)行程變動量
V
4
5
6
7
8
4、傳動效率計算
式中 ：指螺旋升角，=255
：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)其摩擦角，約等于。
則
5、剛度驗(yàn)算
先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3所示，最大軸向力為N，支承間距L=1500mm, 絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。
圖3—縱向進(jìn)給系統(tǒng)計算簡圖
計算如下：
（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）
F=N，
L=8mm,
EN/mm(材料彈性模數(shù)，對鋼來說是等于這個值)，
mm, R=2.477, e=0.068mm
則 d( mm)
A(mm) （A指滾珠絲杠按內(nèi)徑定的 截面積）
絲杠導(dǎo)程L的變化量為：
總長度L=1500mm，絲杠上的變形量，由于兩端均采用推力球軸承，則值：
(mm)
(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm）
由d=4.763mm, F=kgf,
承載滾珠數(shù)量 ZZ
由于滾珠絲杠副施加預(yù)應(yīng)力，且預(yù)應(yīng)力F為軸向負(fù)載的1/3，則變形
=0.0013
（mm）
(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）
這里采用有預(yù)緊時的推力球軸承則
查《機(jī)械設(shè)計手冊》中表6-2-82，采用51109型推力球軸承，其d=45mm,
滾動體直徑D=3.969 mm, 滾動體數(shù)量Z=22，
（mm）
則定位誤差
=0.01785mm0.025mm(規(guī)定定位精度)
6、穩(wěn)定性校核
滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需作穩(wěn)定性校核。
4.4 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動比計算
1、縱向進(jìn)給齒輪箱傳動比計算
已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進(jìn)電機(jī)步距角，可計算出傳動比：
在閉式軟齒面齒輪傳動中，齒輪的彎曲強(qiáng)度總是足夠的，因此齒數(shù)可取多些，推薦取Z=24~40。所以可選定齒輪數(shù)為：
2、橫向進(jìn)給齒輪箱傳動比計算
已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進(jìn)電機(jī)步距角，可計算出傳動比：
可選定齒輪數(shù)為：
因進(jìn)給運(yùn)動齒輪受力不大，模數(shù)m取2。有關(guān)參數(shù)參照表5。
表5—傳動齒輪幾何參數(shù)
所處位置
縱 向
橫 向
齒數(shù)
24
40
18
45
分度圓直徑
48
80
36
90
齒頂圓直徑
52
84
40
94
齒根圓直徑
43
75
31
85
齒寬
（6~10）m
16
16
16
16
中心距
64
63
4.5 步進(jìn)電機(jī)的計算和選型
（一） 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計算
1、 等效轉(zhuǎn)動慣量計算
傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算：
式中 ：指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；
、：指齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量；
：指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量；
：指工件及工作臺重量（N）；
：指絲杠導(dǎo)程（）；
參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。
（分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬）
（分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬）
（分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距）
把這些數(shù)據(jù)代入上式：
2、 電機(jī)力矩計算
機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按個階段計算：
（1）快速空載起動力矩
在快速空載起動階段，加速度所占的比例較大，具體計算公式如下：
以上式中 ：指空載起動時折算到電機(jī)軸上的加速度力矩（）；
：指折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（）；
：指絲杠預(yù)緊時折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩（）；
：指傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量；
：指電機(jī)最大角加速度（）；
：指電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（）；
：指運(yùn)動部件最大進(jìn)給速度（）；
：指脈沖當(dāng)量（）；
：指步進(jìn)電機(jī)步距角（）；
：指運(yùn)動部件從停止起動到最大快進(jìn)速度所需時間（s），這里是30ms；
：指導(dǎo)程的摩擦力（N），；
：指垂直方向的切削力（N）；
：指工件及工作臺重量（N）；
：指導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，；
：指運(yùn)動部件的總重量（N）；
：指齒輪降速比；按計算；
：指傳動鏈總效率，一般可?。?
：指滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載，一般取/3，為進(jìn)給軸向力（N）；
：指滾珠絲杠導(dǎo)程；
：指滾珠絲杠未加預(yù)緊時的傳動效率，一般取。
將以前計算所得數(shù)據(jù)代入：
（）
（）
（）
則 （）
（2）快速移動時所需力矩
（）
（3）最大切削負(fù)載時所需力矩
（）
從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。
由表6得：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時，，則（N）。
表6—步進(jìn)電機(jī)起動轉(zhuǎn)距與最大靜轉(zhuǎn)距關(guān)系
步進(jìn)
電機(jī)
相 數(shù)
三 相
四 相
五 相
六 相
拍 數(shù)
3
6
4
8
5
10
6
12
0.5
0.866
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72，大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)動矩頻特性。
3、 計算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率和切削時的工作頻率
可查出150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動頻率為2800運(yùn)行頻率為8000，再從圖5查出150BF002步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。從圖中看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動力矩（800.77），直接使用則會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），半起動頻率降到1000，起動力矩可提高到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩擴(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動和切削進(jìn)給時，150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿足要求。
圖5—150BF002型步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性
（二） 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計算和選型
與縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計算的方法一樣，如果縱向的步進(jìn)電機(jī)能滿足條件那橫向的就也可以滿足條件，則這選用與縱向相同的步進(jìn)電機(jī)。
第6章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計
5.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計綱要
5.1.1 硬件電路設(shè)計
硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是軟件編程的前提，數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計包括以下幾部分內(nèi)容：
1、 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖
據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結(jié)構(gòu)圖。
機(jī)床硬件電路由五部分組成：
（1） 主控制器，即中央處理單元CPU；
（2） 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；
（3） 存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器；
（4） 接口，即輸入/輸出接口電路；
（5） 外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器等。
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖6所示：
圖6—機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）
2、 選擇中央處理單元CPU的類型
根據(jù)設(shè)計要求，CNC系統(tǒng)的主CPU采用8031單片機(jī)。
3、 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計
存儲器擴(kuò)展包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器擴(kuò)展兩部分。
選擇EPROM作程序存儲器時，應(yīng)考慮：
（1） 速度應(yīng)與CPU時鐘匹配；
（2） 容量適中。
4、 I/O接口電路設(shè)計
設(shè)計內(nèi)容包括：據(jù)外部要求選用I/O接口芯片，步進(jìn)電機(jī)伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設(shè)計（如復(fù)位、掉電保護(hù)等）。這部分設(shè)計要求考慮系統(tǒng)的驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠。
在存儲器擴(kuò)展和I/O接口電路中，均涉及到地址譯碼問題。
5.1.2 軟件電路設(shè)計
軟件是硬件的補(bǔ)充。確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計軟件。
1、 軟件設(shè)計步驟
軟件設(shè)計步驟分為以下幾步：
（3） 據(jù)軟件要求實(shí)現(xiàn)的功能，制定出軟件技術(shù)要求；
（4） 將整個軟件模塊化，確定個模塊的編制要求，包括個模塊功能，入口參數(shù)，出口參數(shù)；
（5） 據(jù)硬件資源，合理分配好存儲單元；
（6） 分別對個模塊編程，并調(diào)試；
（7） 連接各模塊，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試及優(yōu)化；
（8） 固化到程序存儲器中。
2、 數(shù)控系統(tǒng)中常用的軟件模塊
（1） 軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器；
（2） 插補(bǔ)運(yùn)算模塊；
（3） 自動升降速控制模塊等。
5.2 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展
5.2.1 8031單片機(jī)的簡介
1、8031芯片引腳及片外總線結(jié)構(gòu)
（1）8031芯片引腳功能
8031芯片有40個引腳，引腳配置見圖7：
圖7—8031芯片引腳
（2）各引腳按功能可分為三部分：
l I/O口線：P0，P1，P2，P3共4個8位口；
l 控制口線：，ALE，，RST；
l 電源及時鐘：V、V；XTAL1，XTAL2。
（3）應(yīng)用特性：
l I/O口線不能都用作用戶I/O口線；
l I/O口的驅(qū)動能力，P0口可驅(qū)動8個TTL門電路，P1，P2，P3則只能驅(qū)動4個；
l P3是雙重功能口。
2、8031單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu)
8031單片機(jī)由7個部件組成，既微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定時/計數(shù)器及中斷系統(tǒng)，它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成的。
5.2.2 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展
8031單片機(jī)內(nèi)無程序存儲器，如不擴(kuò)展外部程序存儲器則不能工作，且片內(nèi)僅有128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，對于需要較多數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的程序來說，片內(nèi)RAM也不夠用，須擴(kuò)展。8031片內(nèi)四個I/O口中僅P1口可作為8位雙向的I/O接口用戶使用，也須擴(kuò)展，有些情況還須擴(kuò)展定時/計數(shù)器等。
1、8031的片外總線結(jié)構(gòu)
所有的外部芯片都通過三組總線進(jìn)行擴(kuò)展：
（1） 數(shù)據(jù)總線（DB）：由P0口提供，數(shù)據(jù)總線要連接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)傳輸通道。
（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(kuò)展用控制總線有、、、ALE、。
2、系統(tǒng)擴(kuò)展能力
據(jù)地址總線的寬度，在片外可擴(kuò)展的存儲器最大容量為64K字節(jié)。
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(fù)。故片外可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器分別為64K。
擴(kuò)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。
3、地址鎖存器
8031擴(kuò)展系統(tǒng)時，由P0口提供數(shù)據(jù)及低8位地址，分時傳送，故須地址鎖存。常用的地址鎖存器芯片是74LS373（帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器），其引腳及連接見圖8。
圖8—74LS373引腳及連接圖
圖中：
D~D：信號輸入端；
Q~Q：信號輸出端；
G：下降沿時，將D~D鎖存于內(nèi)部；
E：使能端，E=0時，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出端Q~Q與輸入端D~D連通，當(dāng)E=1時，輸出三態(tài)門斷開，輸入數(shù)據(jù)鎖存。
4、地址譯碼
8031擴(kuò)展電路中，都涉及到外部地址空間分配問題，即當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時與多個外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，首先要進(jìn)行片選，然后再進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。
地址譯碼實(shí)現(xiàn)片選的方法可分為三種：線選法、全地址譯碼法和部分地址譯碼法。這里選用部分地址譯碼法。這種方法是線選與地址譯碼相結(jié)合。圖9為74LS138碼器的引腳圖。
當(dāng)G時，74LS138工作。C、B、A的輸出決定譯碼器的輸出引腳。
圖9—74LS138引腳圖
5.2.3 存儲器擴(kuò)展
1、存儲器常用芯片
（1）EPROM芯片
常用的程序存儲器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、
27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均為28腳雙列直插式扁平封裝長片，圖10為常用EPROM引腳。
圖10—常用EPROM引腳排列
EPROM選用原則：
（a） 據(jù)控制對象和任務(wù)的復(fù)雜程度，以及是否需要大量計算來確定存儲系統(tǒng)容量（粗略估計，留有一定余地，以備系統(tǒng)的功能擴(kuò)展用），為使電路簡化，盡可能選擇大容量芯片，以減少芯片組合。
（b） 芯片的工作速度滿足系統(tǒng)的時序要求。8031訪問EPROM時，其所提供的讀取時間t與所選的晶體時鐘有關(guān)，約為3T，不同型號的EPROM工作速度一般為200~450ns，故選取芯片時，應(yīng)使其工作速度小于t。
（2）數(shù)據(jù)存儲器
數(shù)據(jù)存儲器有動態(tài)和靜態(tài)之分，兩者相比，靜態(tài)RAM無須考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，擴(kuò)展簡單，在數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展電路中應(yīng)用較廣泛。
常用的靜態(tài)RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它們都由單一的+5V電源供電，28腳雙列直插式扁平封裝，典型存取時間為150~200ns。其引腳如圖11所示：
圖11—常用RAM的引腳
2、存儲器的擴(kuò)展
8031芯片與存儲器的連接
存儲器擴(kuò)展實(shí)質(zhì)是三總線的連接。
1） 據(jù)芯片存儲容量的大小確定數(shù)據(jù)、地址線的根數(shù)。
2） 數(shù)據(jù)線的連接：將8031芯片的P~P按位與RAM數(shù)據(jù)線D~D直連。
3） 地址總線的連接：據(jù)確定的地址線根數(shù)，將相應(yīng)的低位地址線相連，剩余高位地址線作片選。
4） 控制總線的連接：對應(yīng)控制線連接。
5.2.4 I/O口的擴(kuò)展
MCS—51單片機(jī)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，因此不可避免的要進(jìn)行I/O端口的擴(kuò)展。Intel公司常用的外圍接口芯片有：8155、8255及8279等。此外還有74LS系列的TTL電路和CMOS電路鎖存器、三態(tài)門電路也可以為擴(kuò)展I/O口。
1、 I/O口擴(kuò)展方法
據(jù)擴(kuò)展并行I/O口時數(shù)據(jù)線的連接方式，I/O口擴(kuò)展方式可分為三種：
1） 總線擴(kuò)展方法
2） 串行口擴(kuò)展方法
3） 通過單片機(jī)片內(nèi)I/O口的擴(kuò)展方法
2、 常用接口芯片
（1）8155芯片
8155芯片內(nèi)具有256個字節(jié)RAM、2個8位、1個6位的可編程I/O口和1個14位計數(shù)器。
8155的結(jié)構(gòu)和引腳見圖12：
（a） (b)
圖12—8155的邏輯結(jié)構(gòu)與引腳
(2)8255芯片
8255具有3個8位的并行I/O口，分別為PA、PB、PC口，其中PC口又分為高4位（PC~PC）和低4位（PC~PC）。
（3）8279芯片
8279內(nèi)部有168顯示數(shù)據(jù)RAM，通過命令字可選擇顯示器的4種工作方式，內(nèi)部還有6字節(jié)。
5.2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路
在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，大多采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。而單片機(jī)的I/O口或I/O擴(kuò)展口的驅(qū)動能力有限，為使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定功率，需有功功率放大環(huán)節(jié)；為避免強(qiáng)電干擾，因此還需采用隔離電路。其控制電路框圖如圖14所示：
圖14—步進(jìn)電機(jī)控制框圖
5.2.6 脈沖分配器（環(huán)行分配器）
有硬件和軟件分配器兩種，硬件分配器需要的I/O接口連線少，執(zhí)行速度快，需要專用的芯片，軟件則用程序?qū)崿F(xiàn)。
脈沖分配器的芯片
目前采用的TTL集成脈沖分配器有三相、四相、五相和六相，其型號分別為YB0B、YB014、YB015及YB016，都為18個引腳的直插式封裝。其主要性能參見表8：
表8—TTL脈沖分配器主要性能參數(shù)
輸入高電平（V）
輸入底電平（V）
輸出高電平（V）
輸出高電平（V）
吸收電流（mA）
工作頻率（Hz）
電源電壓（V）
環(huán)境溫度（）
2.4
0.4
0.8
2.4
1.6
0~160
5
0~+70
5.2.7 光電隔離電路
單片機(jī)系統(tǒng)要控制電壓高、電流大的信號，必須采用電氣上的隔離并抑制干擾，光電耦合器就是利用光傳遞信息的器件，使電路的輸入和輸出在電氣上完全隔離，大大提高了系統(tǒng)安全可靠性，并可實(shí)現(xiàn)共模噪聲的抑制和電源的變換等。
光電耦合器的類型按輸出結(jié)構(gòu)可分為直流和交流輸出兩類。直流輸出可采用：（1）晶體管輸出；（2）達(dá)林頓管輸出；（3）史密特觸發(fā)器輸出。交流可采用：（1）單向可控硅輸出；（2）雙向可控硅輸出等。
5.2.8 功率放大器
脈沖分配器的功率很小，不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，必須將它放大以產(chǎn)生足夠大的功率，驅(qū)動步進(jìn)電極正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
從步進(jìn)電機(jī)的起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性可以看出，隨著運(yùn)行矩頻的增高，步進(jìn)電機(jī)帶動負(fù)載的能力下降。產(chǎn)生的主要原因是：作為功率放大器負(fù)載的步進(jìn)電機(jī)是電感負(fù)載，當(dāng)改變通電狀態(tài)時，通電繞組的電流將從零逐漸增大，該繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢使電流按指數(shù)規(guī)律上升，并將電源一部分能量存在（電感）繞組中，電流的時間常數(shù)為：
式中：指步進(jìn)電機(jī)一相繞組的平均電感量
：通電回路的電阻，包括繞組電阻、功率放大器輸出級的內(nèi)阻及串聯(lián)電阻。
而斷電繞組電流是下降的，這時存儲于繞組中的勢能將以電流式釋放出來，使電流按指數(shù)規(guī)律下降，其時間常數(shù)為：
式中：指放電回路電阻，包括繞組電阻，續(xù)流二極管正向電阻等。
這樣就使繞組中電流緩慢增加和下降，步進(jìn)各相繞組電流幾乎同時存在，步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力下降，嚴(yán)重時會出現(xiàn)失步。
為提高步進(jìn)電機(jī)動態(tài)特性，可采用以下幾種方法：（1）電阻法；（2）雙電源法。
5.2.9 其他輔助電路
1、 掉電保護(hù)電路
RAM中存放的數(shù)據(jù)一掉電就會全部丟失。為了保護(hù)RAM中的信息，采用掉電保護(hù)電路。圖15所示為一簡單掉電保護(hù)電路的工作原理。圖中V為電源電壓，V為備用電池電壓，并且VV；V為RAM的電源端。
圖15—掉電保護(hù)電路
2、 越界報警電路
為防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)，一旦某一方向越界應(yīng)立即停止工作臺移動，圖16（a）為報警指示, （b）為報警信號的產(chǎn)生，這里利用的8031的外部中斷INT0來控制報警。
（a） (b)
圖16—越界報警電路
結(jié) 論
為期幾個月的畢業(yè)設(shè)計已結(jié)束，回顧整個過程，我覺得收益匪淺。畢業(yè)設(shè)計是檢查學(xué)生綜合設(shè)計能力的一個重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生獨(dú)立設(shè)計能力的一次考驗(yàn)，使理論與實(shí)踐更加接近，找出了我在設(shè)計中的不足處和能力欠缺之處，加深了我對理論知識的理解，強(qiáng)化了畢業(yè)設(shè)計中的感性認(rèn)識，提高了獨(dú)立設(shè)計能力。深入了解機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程及新技術(shù)、新設(shè)備在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用，了解生產(chǎn)的組織管理、企業(yè)改革的情況。深入實(shí)際，體會到理論聯(lián)系實(shí)際的必要性，認(rèn)識到學(xué)校學(xué)過的許多知識與解決實(shí)際生產(chǎn)問題還有很大的差距，而縮短差距的方法只有到實(shí)踐中去。利用一切方法和手段了解本課題所涉及的研究、生產(chǎn)、銷售、使用等方面的實(shí)際情況以及有關(guān)的數(shù)據(jù)、圖表、文獻(xiàn)資料。向生產(chǎn)實(shí)踐學(xué)習(xí)，了解與課題有關(guān)的生產(chǎn)線、設(shè)備、工藝等實(shí)際知識。
總的說來，這次畢業(yè)設(shè)計，使我在基本理論的綜合運(yùn)用及正確解決實(shí)際問題等方面得到了一次較好的鍛煉。提高了我創(chuàng)新設(shè)計的能力，鍛煉了我認(rèn)真工作的作風(fēng)，為將來走上工作崗位打下了良好的基礎(chǔ)。
在這次畢業(yè)設(shè)計期間,我們得到了指導(dǎo)老師教授及工人師傅的教導(dǎo)與幫助，在此表示深深的謝意！
致 謝
緊張的畢業(yè)設(shè)計就要結(jié)束了?；厥走@幾個月的畢業(yè)設(shè)計生活，雖然辛苦，但看到自己能順利的完成畢業(yè)設(shè)計還時感到由衷的高興。要想自己的設(shè)計從頭至尾，每一個細(xì)節(jié)，每一步計算都明明白白，