畢業(yè)論文-經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械工程系學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：機(jī)械工程系機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化系部：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)：指導(dǎo)教師：二零一五年六月誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。本人簽名：年月日

畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目：經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)系部：機(jī)械工程系專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)號(hào)：學(xué)生：指導(dǎo)教師（含職稱(chēng)）：）1．課題意義及目標(biāo)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)床系統(tǒng)中最重要的一個(gè)部件。它直接關(guān)系著整個(gè)加工的產(chǎn)品的質(zhì)量及其性能，進(jìn)給傳動(dòng)的精確與否直接影響著產(chǎn)品的成功與否，為此對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究就顯得尤為重要。2．主要內(nèi)容滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型,刀架的設(shè)計(jì)選型,步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選擇,數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì),數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)參數(shù)：（1）床身上最大回轉(zhuǎn)直徑?400mm；（2）快移速度x、z軸4m/min（3）溜板及刀架重力：縱向：800N、橫向：600N（4）最大進(jìn)給速度:Z軸：1.2m/minX軸：1.0m/min（5）啟動(dòng)加速時(shí)間:30ms（8）機(jī)床定位精度:X、Z軸：0.035mm設(shè)計(jì)成果：1）畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一份；2）零件圖；3）裝配圖一張3．主要參考資料[1]鄭堤.數(shù)控機(jī)床與編程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.5[2]張新義．經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．1994.7[3]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)，高等教育出版社，2010.5.第17次印刷4．進(jìn)度安排設(shè)計(jì)各階段名稱(chēng)起止日期1擬定并論證總體方案；3月3日~3月23日2完成數(shù)控車(chē)床進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)設(shè)計(jì)；3月24日~4月13日3進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算；4月14日~5月4日4繪制零件圖及結(jié)構(gòu)裝配圖；5月5日~6月1日5完成畢業(yè)論文及答辯工作6月2日~6月22日審核人：年月日 (式3.6)因?yàn)槭┘恿祟A(yù)緊力，所以所以剛度足夠6．穩(wěn)定性校核由于滾珠絲杠兩端采用推力球軸承，故不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，無(wú)需作穩(wěn)定性校核。3.1.3齒輪傳動(dòng)比計(jì)算（1）齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角/步?？捎?jì)算出傳動(dòng)比i:（2）可選定齒輪齒數(shù)為：或者。考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，取,齒輪傳動(dòng)參數(shù)見(jiàn)下表：

表3.2齒輪傳動(dòng)參數(shù)齒數(shù)3240分度圓6480齒頂圓6884齒根圓5975齒寬2020中心距723.1.4步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型步進(jìn)電機(jī)的選擇原則：a.步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。b.應(yīng)使步進(jìn)電機(jī)的步矩角與機(jī)械系統(tǒng)相匹配c.應(yīng)使被選電機(jī)與機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載慣量及機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率相匹配，并且有一定的余量；d.最高工作頻率可以滿(mǎn)足機(jī)床移動(dòng)部件快速移動(dòng)的要求1.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：工作臺(tái)折算到絲杠軸上的慣量：總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：2.所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算：在不同的工況下，機(jī)床所需轉(zhuǎn)距不同：(1)快速空載起動(dòng)力矩：(式3.7)當(dāng)，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩：(式3.8)—導(dǎo)軌的摩擦力，—導(dǎo)軌摩擦因數(shù)，綜合導(dǎo)軌；當(dāng)取0.16時(shí)，—傳動(dòng)鏈總效率，一般取，此處取。附加摩擦力矩：(式3.9)—滾珠絲杠的預(yù)加負(fù)荷，一般取—滾珠絲杠導(dǎo)程—未預(yù)緊時(shí)滾珠絲杠的傳動(dòng)效率，一般。上述三項(xiàng)合計(jì)：(2)快速移動(dòng)時(shí)所需力矩(3)最大切削負(fù)載時(shí)所需的力矩折算到電動(dòng)機(jī)軸上的切削力矩：從以上數(shù)據(jù)分析，所需的最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇：根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)，對(duì)于工作方式為五相十拍的電動(dòng)機(jī)：按照上面計(jì)算出的最大靜轉(zhuǎn)矩從《國(guó)產(chǎn)BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)》查出110BF003的最大靜轉(zhuǎn)矩為，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩?？勺鳛槌踹x型號(hào)，但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。3.計(jì)算電動(dòng)機(jī)工作頻率：最大空載頻率最大工作頻率查出110BF003型步進(jìn)電機(jī)的最高起動(dòng)頻率為1500HZ，運(yùn)行頻率為7000HZ，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩，直接使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制，然后在電路上采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，可將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。3.2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.2.1計(jì)算切削力橫切端面時(shí)主切削力可取縱切的：另外的兩個(gè)切削分力也按如下比例計(jì)算：3.2.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型1.計(jì)算進(jìn)給牽引力橫向進(jìn)給為燕尾型導(dǎo)軌：燕尾型導(dǎo)軌：；—溜板及刀架重力：6002.計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載初選為5mm，取3.滾珠絲杠螺母副的選型根據(jù)《機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)，初選滾珠絲杠副的型號(hào)為CDM2005—5，是外循環(huán)雙螺母墊片預(yù)緊式，其額定動(dòng)載荷為15338N，強(qiáng)度足夠。循環(huán)列數(shù)圈數(shù)=，精度等級(jí)選擇3級(jí)。其幾何參數(shù)如下表：

表3.3滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)名稱(chēng)符號(hào)計(jì)算公式數(shù)值螺紋滾道公稱(chēng)直徑20螺距5接觸角45°鋼球直徑3.175滾道法面直徑1.651偏心距螺紋升角螺桿螺桿外徑19.37螺桿內(nèi)徑16.79螺桿接觸直徑17.75螺母螺母螺紋直徑23.21螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）20.644.傳動(dòng)效率計(jì)算5.剛度驗(yàn)算（1）絲杠的拉伸或壓縮變形量：(2)有預(yù)緊時(shí)滾珠絲杠與螺紋滾道的變形：，取(3)支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形根據(jù)《機(jī)械制圖與設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》，采用51104型推力球軸承。滾動(dòng)體直徑，滾動(dòng)體數(shù)。公式中單位為，因?yàn)槭┘恿祟A(yù)緊力，所以所以剛度足夠6．穩(wěn)定性校核由于滾珠絲杠兩端采用推力球軸承，所以不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，無(wú)需作穩(wěn)定性校核。3.2.3齒輪傳動(dòng)比計(jì)算1.齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算，，/步?？捎?jì)算出傳動(dòng)比i:大齒輪直徑太大會(huì)影響到橫向溜板的有效行程，所以采用二級(jí)齒輪減速?？蛇x定的齒數(shù)為：取齒輪傳動(dòng)參數(shù)見(jiàn)下表：表3.4齒輪傳動(dòng)參數(shù)齒數(shù)24402025分度圓48804050齒頂圓52844454齒根圓43753545齒寬20202020中心距64453.2.4步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型1.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：工作臺(tái)折算到絲杠軸上的慣量：總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：2.所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算：(1)快速空載起動(dòng)力矩當(dāng)，摩擦力矩：燕尾型導(dǎo)軌：，—齒輪降速比，按計(jì)算附加摩擦力矩：(2)快速移動(dòng)時(shí)所需力矩(3)最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩折算到電動(dòng)機(jī)軸上的切削力矩：從以上數(shù)據(jù)分析，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇：根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行方式為五相十拍時(shí)：按此最大靜轉(zhuǎn)矩從表《國(guó)產(chǎn)BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)》查出110BF003的最大靜轉(zhuǎn)矩為，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩?？勺鳛槌踹x型號(hào)，但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。3．計(jì)算電動(dòng)機(jī)工作頻率：最大空載頻率最大工作頻率查出110BF003型步進(jìn)電機(jī)的最高起動(dòng)頻率為1500HZ，運(yùn)行頻率為7000HZ，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，比機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩小一些，故采用升降速控制。3.3刀架的設(shè)計(jì)和選擇1.對(duì)自動(dòng)換刀裝置的要求如下：（1）換刀時(shí)間要短；（2）刀具重復(fù)定位的精度要高；（3）有足夠的刀具存儲(chǔ)量；（4）結(jié)構(gòu)上必須具有良好的剛度和強(qiáng)度；（5）工作過(guò)程要安全可靠；（6）便于控制、維修和安裝。2.自動(dòng)換刀裝置的主要部件是蝸桿、蝸輪和電動(dòng)機(jī)的選擇。（1）蝸桿、蝸輪材料的選擇蝸桿傳動(dòng)難以確保高的接觸精度，而且滑動(dòng)速度較大，還有變形。因此制造蝸輪選擇減磨性良好的軟材料。1)蝸輪材料。蝸輪材料指的是蝸輪齒冠部分的材料。按要求選用鑄鋁青銅制造蝸輪。具體型號(hào)為。2）蝸桿材料。蝸桿材料有合金鋼和碳鋼。本設(shè)計(jì)中蝸桿用于刀架，不屬于持久性高的動(dòng)力傳動(dòng)，而且有時(shí)會(huì)受到短時(shí)的沖擊載荷，所以不宜用滲碳鋼淬火，最好選用調(diào)質(zhì)鋼，所以選45鋼。（2）圓柱蝸桿傳動(dòng)的基本參數(shù)見(jiàn)下表表3.5圓柱蝸桿傳動(dòng)的基本參數(shù)基本參數(shù)圓柱蝸桿傳動(dòng)基本參數(shù)圓柱蝸桿傳動(dòng)齒形角20齒根圓半徑0.3齒頂高1模數(shù)2工作齒高222.4頂隙0.2（3）蝸桿頭數(shù)、蝸輪齒數(shù)的選擇蝸桿頭數(shù)少容易得到大的傳動(dòng)比，而且在自動(dòng)刀架當(dāng)中要求反行程自鎖，故蝸桿頭數(shù)選為1。蝸輪齒數(shù)越多，尺寸越大，軸越長(zhǎng)且剛度越小，所以蝸輪齒數(shù)宜少于或者等于100個(gè)齒，一般取齒。蝸桿頭數(shù)與蝸輪齒數(shù)間最好避免有公因數(shù)，以利于均勻磨損。蝸輪齒數(shù)最好大于30，確保每一瞬間至少有兩對(duì)齒嚙合，有利于傳動(dòng)平穩(wěn)。綜合以上考慮蝸輪齒數(shù)選為60。(4)蝸桿尺寸計(jì)算蝸桿直徑系數(shù)：蝸桿齒頂圓直徑：蝸桿齒根圓直徑：節(jié)圓直徑：蝸桿齒寬：（5）蝸輪尺寸計(jì)算蝸輪分度圓直徑：喉圓直徑：齒根圓直徑：蝸輪外徑：節(jié)圓直徑：蝸輪齒寬：（6）電動(dòng)機(jī)的選擇綜合考慮選擇小型三相異步交流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)刀架的電動(dòng)機(jī)，如常州宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的電動(dòng)刀架電動(dòng)機(jī)YLJ83/60-1.8-4H。3.4主軸編碼器的選擇選擇ZLF-2400Z-05VO-15型號(hào)的螺紋編碼器。由于結(jié)構(gòu)的空間的限制，在安裝主軸編碼器時(shí)采用錐頂式緊頂裝置來(lái)固定齒輪套的軸向位置。編碼器安裝注意事項(xiàng)：主軸脈沖發(fā)生器屬光學(xué)元件，安裝擺放時(shí)應(yīng)小心輕放，避免較大的沖擊和振動(dòng)，以防損壞玻璃光柵盤(pán)，造成報(bào)廢。普通車(chē)床主軸的轉(zhuǎn)速必須小于主軸脈沖發(fā)生器的最高允許轉(zhuǎn)速。通常在需要加工螺紋時(shí)將其安裝上，不使用時(shí)將其斷開(kāi)，避免不必要的磨損和信號(hào)干擾，以延長(zhǎng)主軸脈沖發(fā)生器的使用壽命。

4數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.1確定控制系統(tǒng)方案4.1.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。硬件性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由五部分組成：(1)中央處理單元CPU；(2)總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB）、控制總線（CB）、地址總線(AD)；(3)存儲(chǔ)器。包括隨即讀寫(xiě)存儲(chǔ)器和只讀可編程存儲(chǔ)器；(4)I/O輸入/輸出接口電路；（5）外圍設(shè)備，例如鍵盤(pán)、顯示器、以及光電輸入機(jī)等該控制的組成如下：CPUI/OCPUI/O接口光電隔離功率放大器步進(jìn)電動(dòng)機(jī)RAMROM外設(shè)，鍵盤(pán)、顯示器及其他圖4.1數(shù)控系統(tǒng)控制的組成4.2軟、硬件任務(wù)合理分配1.控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖發(fā)生與脈沖分配；2.數(shù)碼顯示的字符發(fā)生；3.鍵盤(pán)掃描管理。在本設(shè)計(jì)中：用硬件控制步進(jìn)電機(jī)用的脈沖發(fā)生器，采用國(guó)產(chǎn)YB104環(huán)形分配器對(duì)其控制。字符發(fā)生及鍵盤(pán)掃描由軟件實(shí)現(xiàn)。4.3主控器4.3.1主控芯片選擇目前在國(guó)內(nèi)使用較廣的是MCS--51系列，本設(shè)計(jì)選用MCS—51系列中的8031。4.3.2MCS—51系列單片機(jī)介紹下面介紹MCS—51系列單片機(jī)的一些特性。1.MCS—51系列單片機(jī)的基本特性該系列包括三個(gè)產(chǎn)品8031、8051、8751。三者的引腳完全兼容，僅在結(jié)構(gòu)上有一些差異，主要是：8031是無(wú)ROM的8051，而8751則使用EPROM代替ROM的8051。用得較多的是該系列中的8031。MCS—51單片機(jī)的基本特性如下（以8051為例）(1)有8位的中央處理器；(2)芯片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路；(3)有4KROM；(4)有128字節(jié)RAM；(5)有21個(gè)特殊功能的寄存器；(6)有4個(gè)I/O端口，32根I/O線；(7)可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(8)可尋址64K字節(jié)外部程序存儲(chǔ)器；(9)有兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；（10）有5個(gè)中斷源，配備2個(gè)優(yōu)先級(jí)；（11）一個(gè)雙全功能串行接口；（12）有位尋址能力，適用于邏輯運(yùn)算。2.管腳功能及應(yīng)用特性簡(jiǎn)介(1)引腳功能可分為三類(lèi)，即：1)I/O線：P0、P1、P2、P3共4個(gè)8位口。2)控制線：ALE(地址鎖存控制)、PSEN(片外取指令控制)、RESET(復(fù)位控制)、EA(片外存儲(chǔ)器選擇)。3)電源及時(shí)鐘：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2(2)應(yīng)用特性1)除8051、8751外，真正可以完全被用戶(hù)使用的口線只有P1口，及部分作為第一功能使用的P3口；2)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力：口驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門(mén)電路，、、口驅(qū)動(dòng)4個(gè)；3)口試雙重功能；4)時(shí)鐘頻率：外接時(shí)鐘頻率可在1.2M～12MHZ間選擇。4.3.3三總線結(jié)構(gòu)單片機(jī)的三總線結(jié)構(gòu)如下:1.地址總線AB寬度為16位，外部存儲(chǔ)器直接尋址范圍可達(dá)64字節(jié)，低8位～由口經(jīng)地址鎖存器提供,高8位～由口直接提供。2.數(shù)據(jù)總線DB數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由口直接提供。3.控制總線CB由口的第二功能狀態(tài)與4根獨(dú)立的控制線、、、組成。4.3.4存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)單片機(jī)存儲(chǔ)器包括程序存儲(chǔ)器(EPROMROM)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)。4.3.5時(shí)序程序存儲(chǔ)器的操作時(shí)序中可分為兩種情況：不執(zhí)行MOVEX指令和執(zhí)行MOVE指令。4.3.6中斷功能MCS51單片機(jī)提供5個(gè)中斷請(qǐng)求源。兩個(gè)由輸入的外部中斷請(qǐng)求，兩個(gè)位片內(nèi)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器溢出請(qǐng)求，一個(gè)為片內(nèi)的串行口中斷請(qǐng)求或。這些中斷源的引腳如圖所示，為口的第二功能。對(duì)于每個(gè)中斷請(qǐng)求源，都可編程為高級(jí)優(yōu)先級(jí)或低級(jí)優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)二級(jí)中斷嵌套。當(dāng)CPU執(zhí)行關(guān)中斷指令后才有可能接受中斷申請(qǐng)，每一個(gè)中斷源可由軟件編程為允許或禁止中斷。8031個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)及入口地址如表1，入口地址不因優(yōu)先級(jí)的改變而改變。表4.1中斷源、優(yōu)先級(jí)及入口地址中斷源優(yōu)先級(jí)入口地址中斷源優(yōu)先級(jí)入口地址外部中斷00003H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器3001BH定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1000BH串行中斷40023H外部中斷20013H注：0級(jí)最高，4級(jí)最低。4.3.7MCS51單片機(jī)常用系統(tǒng)擴(kuò)展芯片1.程序存儲(chǔ)器主要是紫外線可擦可編程只讀存儲(chǔ)器。通常采用標(biāo)準(zhǔn)芯片如2716、2736、2764、27128、27256和27512。2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（1）靜態(tài)RAM。無(wú)需刷新，但成本高、功耗大。目前常用的靜態(tài)RAM是6116和6264。（2）動(dòng)態(tài)RAM。成本低、功耗小，但需要刷新。主要?jiǎng)討B(tài)RAM有2164和41464。一般多采用靜態(tài)。3.I/O口擴(kuò)展集成芯片可分為三種類(lèi)型：（1）專(zhuān)用I/O口擴(kuò)展芯片，這類(lèi)芯片專(zhuān)用于擴(kuò)展I/O口用。主要有8255。（2）I/O擴(kuò)展復(fù)合芯片：除了能擴(kuò)展I/O口外，還能擴(kuò)展其它的外圍功能電路，主要有8155。（3）電路芯片：廣泛用作MCS51單片機(jī)I/O口擴(kuò)展芯片，主要有74LS373、273、374、244等。（4）其它各種功能芯片：MCS51還可擴(kuò)展下列具有各種專(zhuān)用功能的外圍芯片：8259：可編程中斷控制器8279：可編程鍵盤(pán)/顯示控制器8253：可編程通用定時(shí)器。8251：可編程通信控制器4.4存儲(chǔ)系統(tǒng)擴(kuò)展設(shè)計(jì)4.4.1芯片選擇1.選擇在容量一定時(shí)，選擇EPROM型號(hào)主要考慮讀取速度。8031所提供的讀取時(shí)間必須大于EPROM所要求的讀取時(shí)間。8031訪問(wèn)EPROM時(shí)提供的讀取時(shí)間t與選用的晶體時(shí)鐘有關(guān)，約為3T，其中T為時(shí)鐘周期。本設(shè)計(jì)選用晶體頻率為6MHZ。選用一片2764，具體型號(hào)根據(jù)價(jià)格及市場(chǎng)貨源選購(gòu)。2.RAM選擇常用RAM主要有6116和6264，讀寫(xiě)時(shí)間為200ns左右。8031所能提供的讀寫(xiě)時(shí)間與所選時(shí)鐘頻率大致關(guān)系為，.、、分別為讀時(shí)間、寫(xiě)時(shí)間及時(shí)鐘周期。本設(shè)計(jì)選用大容量一片。4.4.2地址分配及譯碼1.地址分配RAM占0000H～FFFFH,I/O占2000H～1FFFH，其余未作分配。8K的RAM可以分配在0000H～1FFFH。2.地址譯碼及譯碼線路地址譯碼可分為線性譯碼法和譯碼器譯碼法等。由于EPROM和RAM各只有一片，所以可以用線性譯碼法。3.EPROM、RAM與8031的連接存儲(chǔ)器與單片機(jī)的聯(lián)接，主要是三總線的聯(lián)接。（1）地址總線將與的EPROM一一對(duì)應(yīng)，與RAM的一一對(duì)應(yīng)，其余的經(jīng)譯碼器產(chǎn)生片選信號(hào)。（2）數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)線的連接是將分別與存儲(chǔ)器的一一對(duì)應(yīng)。（3）控制總線單片機(jī)返訪問(wèn)EPROM和RAM的控制信號(hào)有：：外部EPROM取指令信號(hào)。：即，外部RAM寫(xiě)信號(hào)。：即，外部RAM讀信號(hào)。根據(jù)上述內(nèi)容，可將與EPROM的OE相連，、分別與RAM的、相連。至此，完成了本設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)存儲(chǔ)器部分的設(shè)計(jì)。4.5接口電路及輔助電路具體設(shè)計(jì)4.5.1步進(jìn)電機(jī)接口電路有前面總體設(shè)計(jì)知，步進(jìn)電機(jī)的脈沖發(fā)生采用硬件實(shí)現(xiàn)，所用芯片為YB104相4拍環(huán)形分配器。一般情況下，該芯片的兩個(gè)輸入控制端E1、E2可直接接地，如工作方式設(shè)定在4相4拍，只需將、接地即可。要正確控制步進(jìn)電機(jī)，必須正確控制方向控制端：-Δ、+Δ,選出輸出控制端,時(shí)鐘輸出控制端CP及清零端。在此確定所需的方向機(jī)輸出控制信號(hào)由單片機(jī)的P1口控制，所需的時(shí)鐘脈沖有定時(shí)器提供，清零端由8031的P1.5引腳提供，以防亂相。X、Z向步進(jìn)電機(jī)各自用一個(gè)環(huán)形分配器控制。用P1.0、P1.1分別用作X向所需的方向機(jī)輸出控制信號(hào)，P1.3、P1.4分別用作Z向的方向及輸出控制信號(hào)。4.5.2鍵盤(pán)、顯示接口1.鍵盤(pán)確定鍵盤(pán)的鍵數(shù)及結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)工作臺(tái)的要求。為簡(jiǎn)單，設(shè)置幾個(gè)功能鍵：“↑”、“↓”、“←”、“→”、復(fù)位鍵、暫停鍵。鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)多為矩陣結(jié)構(gòu)，這里由于鍵數(shù)少，故采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，每一個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)。2.數(shù)碼顯示根據(jù)工作臺(tái)的精度及工作范圍，采用5位數(shù)碼顯示。其中整數(shù)部分（包括小數(shù)點(diǎn)）3位，小數(shù)部分2位，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)定在工作臺(tái)的左下角。3.擴(kuò)展接口在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，同時(shí)需用使用鍵盤(pán)和顯示時(shí)，常常把鍵盤(pán)和顯示電路做在一起，以節(jié)省I/O線。這里選通用可編程接口芯片8155管理鍵盤(pán)和顯示。根據(jù)鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)和顯示器的輸入要求，8155的I/O口分配見(jiàn)表4。表4.28155I/O功能分配端口工作方式功能A輸出鍵盤(pán)及顯示管理B輸出顯示管理C輸入鍵盤(pán)管理4.8155與8031的聯(lián)接8155與8031的聯(lián)接也可歸結(jié)為其三總線的聯(lián)接。8155具有地址所存信號(hào)控制，故可直接將8031的P0口線對(duì)應(yīng)的聯(lián)至8155的AD0～AD7,同時(shí)將8031的地址所存ALE與8155的ALE聯(lián)接。其他如讀寫(xiě)控制線也相應(yīng)聯(lián)接即可。8155的地址已在前面存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)作了安排，其地址占為：2000～2FFF，故可將P2.5經(jīng)一反相器直接聯(lián)至8155的片選腳。4.5.3其他輔助電路1.復(fù)位電路2.時(shí)鐘電路3.其它

5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1軟件設(shè)計(jì)的組成1.執(zhí)行軟件：如步進(jìn)電機(jī)控制、插補(bǔ)、誤差補(bǔ)償計(jì)算、零件加工程序、顯示輸出等；2.管理軟件：如系統(tǒng)自檢、初始化、處理鍵盤(pán)命令、處理接口命令等。5.2插補(bǔ)方法及程序設(shè)計(jì)5.2.1插補(bǔ)方法概述目前常用的各種插補(bǔ)算法大致分為兩類(lèi)：1.脈沖增量插補(bǔ)（行程標(biāo)量插補(bǔ)）2.數(shù)字增量插補(bǔ)（時(shí)間標(biāo)量插補(bǔ)）其中廣泛應(yīng)用的是脈沖增量插補(bǔ)中的逐點(diǎn)比較法。5.2.2逐點(diǎn)比較法的直線插補(bǔ)及其程序設(shè)計(jì)1．逐點(diǎn)比較法的直線插補(bǔ)其基本思路是：在從起點(diǎn)到終點(diǎn)的路程中，根據(jù)刀具當(dāng)前位置與給定軌跡的偏離情況，并為消除這個(gè)偏離，在其中一個(gè)坐標(biāo)軸上走一小步，這樣一步步直到終點(diǎn)，從而按規(guī)定的圖形加工出合格工件。每一步都是按給定軌跡對(duì)實(shí)際軌跡進(jìn)行修正。每個(gè)循環(huán)都要完成四個(gè)工作節(jié)拍，即(1）偏差判別：判斷刀具當(dāng)前點(diǎn)與其要求的運(yùn)動(dòng)軌跡的偏離情況；（2）坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)上面的結(jié)果，控制刀具沿相應(yīng)坐標(biāo)軸產(chǎn)生一個(gè)脈沖當(dāng)量的位移，用這個(gè)位移的結(jié)果糾正已有的偏離；（3）偏差函數(shù)計(jì)算：用新的刀具位置坐標(biāo)重新計(jì)算偏差函數(shù)的值，作為下一步判別走向的依據(jù)；（4）終點(diǎn)判斷：判別刀具是否到達(dá)軌跡的終點(diǎn)，若到達(dá)則停止插補(bǔ)，否則再回到第一拍。不斷重復(fù)上述的循環(huán)過(guò)程，直到加工出所要求的輪廓形狀為止。1)第一象限直線插補(bǔ)方法直線OA，起點(diǎn),終點(diǎn)，坐標(biāo)單位為脈沖當(dāng)量。Ⅰ.偏差函數(shù)將直線OA的方程改為設(shè)加工時(shí)刀具位置為，取偏差函數(shù)為，則：當(dāng)P點(diǎn)在直線上時(shí)，；當(dāng)P點(diǎn)在直線上方時(shí)，；當(dāng)P點(diǎn)在直線下方時(shí)，。Ⅱ.進(jìn)給脈沖分配進(jìn)給脈沖分配應(yīng)使對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位移的結(jié)果糾正刀具位置已有的偏離。因此：當(dāng)P點(diǎn)在直線上方，即時(shí)，向方向分配一個(gè)進(jìn)給脈沖，即向X軸正方向走一個(gè)脈沖當(dāng)量的位移，簡(jiǎn)記為；當(dāng)P點(diǎn)在直線下方，即時(shí)，向方向分配一個(gè)進(jìn)給脈沖，即向Y軸正方向走一個(gè)脈沖當(dāng)量的位移，簡(jiǎn)記為；當(dāng)P點(diǎn)在直線上，即時(shí)，為使加工繼續(xù)進(jìn)行，規(guī)定按P點(diǎn)在直線上方情況處理，即向X軸正方向走一步。Ⅲ.偏差函數(shù)的遞推計(jì)算由上述可知，若，向X軸正方向走一步，則P點(diǎn)新的位置坐標(biāo)及偏差為若，向Y軸正方向走一步，則P點(diǎn)新的位置坐標(biāo)及偏差為Ⅳ.終點(diǎn)判別一般常采用插補(bǔ)循環(huán)或進(jìn)給的總步數(shù)來(lái)判斷是否到達(dá)終點(diǎn)。設(shè)插補(bǔ)循環(huán)或進(jìn)給的總步數(shù)為E，顯然有最簡(jiǎn)單的方法是每進(jìn)行一次插補(bǔ)循環(huán)，就對(duì)E進(jìn)行一次減1運(yùn)算，當(dāng)E等于0時(shí)，表明到達(dá)終點(diǎn)，插補(bǔ)結(jié)束。表5.1四個(gè)象限直線插補(bǔ)偏差計(jì)算與進(jìn)給方向表線型偏差計(jì)算坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算坐標(biāo)進(jìn)給2.直線插補(bǔ)的程序設(shè)計(jì)程序應(yīng)用說(shuō)明如下：（1）PIO設(shè)端口為輸出狀態(tài)，A口控制y方向步進(jìn)電機(jī)，B口控制x方向步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)采用五相十拍。（2）數(shù)據(jù)單元：設(shè)Xe與Ye均小于128，2900單元放Xe；2901單元放Ye；2801為X向步進(jìn)電機(jī)控制碼首址，2811為Y向步進(jìn)電機(jī)控制碼首址。（3）控制狀態(tài)標(biāo)志：2820中，D0、D1分別為向步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)、?？刂莆?，0位停，1為轉(zhuǎn)；D0、D1分別為X向、Y向的正反轉(zhuǎn)控制位，0位反轉(zhuǎn)，1為正轉(zhuǎn)。5.2.3逐點(diǎn)比較法的圓弧插補(bǔ)及其程序設(shè)計(jì)建立與機(jī)床坐標(biāo)系平行的插補(bǔ)坐標(biāo)系，并將坐標(biāo)原點(diǎn)選在圓弧的圓心。刀具運(yùn)動(dòng)軌跡在XOY平面第一象限逆時(shí)針圓弧的插補(bǔ)。圓弧AB，起點(diǎn)，終點(diǎn)，坐標(biāo)單位為脈沖當(dāng)量。1.偏差函數(shù)圓弧AB的方程為設(shè)加工時(shí)刀具位于點(diǎn)，取偏差函數(shù)為則當(dāng)P點(diǎn)在圓弧上時(shí)，；當(dāng)P點(diǎn)在圓弧外時(shí)，；當(dāng)P點(diǎn)在圓弧上時(shí)，。2.進(jìn)給脈沖分配當(dāng)P點(diǎn)在圓弧外，即時(shí)，向方向分配一個(gè)進(jìn)給脈沖，即向X軸負(fù)方向走一步；當(dāng)P點(diǎn)在圓弧內(nèi)，即時(shí)，向方向分配一個(gè)進(jìn)給脈沖，即向Y軸正方向走一步；當(dāng)P點(diǎn)在圓弧上，即時(shí)，為使加工繼續(xù)進(jìn)行，規(guī)定按P點(diǎn)在圓弧外情況處理。3.偏差函數(shù)的遞推計(jì)算由上述可知，若，向X軸負(fù)方向走一步，則P點(diǎn)新的位置坐標(biāo)及偏差為若，向Y軸正方向走一步，則P點(diǎn)新的位置坐標(biāo)及偏差為4.終點(diǎn)判別一般常采用插補(bǔ)循環(huán)或進(jìn)給的總步數(shù)來(lái)判斷是否到達(dá)終點(diǎn)。設(shè)插補(bǔ)循環(huán)或進(jìn)給的總步數(shù)用E表示，顯然有每走一步就進(jìn)行一次的運(yùn)算，當(dāng)時(shí)，插補(bǔ)結(jié)束。

表5.2四個(gè)象限直線插補(bǔ)偏差計(jì)算與進(jìn)給方向表線型偏差計(jì)算坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算坐標(biāo)進(jìn)給5.3步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行程序控制設(shè)計(jì)1.單片機(jī)匯編程序設(shè)計(jì)如下ORG2000KZCX:PUSHAF;PUSHBC;MOVR2,#NH;LOOP0:MOVR3,#00H;MPVEDPTR,#POINT;JNB00H,LOOP2;LOOP1:MOVEA,R3;MOVCA,A+DPTR;JZLOOP0;MOVP1,A;ACALLYANS;INCR3;DHNZR2,LOOP1;POPBC;POPAF;RET;LOOP2:MOVA,R3;ADDA,#7H;MOVR3,A;AJMPLOOP1;POINT:DB01H;DB03H;DB02H;DB06H;DB04H;DB05H;DB00H;DB01H;DB05H;DB04H;DB06H;DB02H;DB03H;DB00H;POINT:EQU150H;YANS:5.4經(jīng)濟(jì)型數(shù)控軟件部分設(shè)計(jì)5.4.1模塊組成同一硬件控制系統(tǒng)，可以采用不同的軟件結(jié)構(gòu)和編程方法。本控制軟件決定采用模塊化設(shè)計(jì)方法，本程序主要有如下模塊組成：1.主模塊，用于系統(tǒng)初始化和監(jiān)控。2.子程序模塊。3.實(shí)時(shí)修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊。4.鍵盤(pán)、顯示定時(shí)掃描管理模塊。其中除了主模塊和子程序模塊外，其余均為中斷執(zhí)行方式模塊。5.4.2緩沖區(qū)設(shè)置顯示緩沖區(qū)和鍵盤(pán)緩沖區(qū)5.4.3中段處理器根據(jù)實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)中段模塊的優(yōu)先級(jí)如下：模塊名級(jí)別越界報(bào)警、急停處理模塊0高實(shí)時(shí)修改顯示緩沖期數(shù)據(jù)模塊1↓鍵盤(pán)、顯示定時(shí)掃描管理模塊2低5.4.4各模塊流程圖1.主模塊流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5.1。2.“↑”、“↓”、“←”、“→”子程序模塊現(xiàn)以“→”命令為例，其余幾個(gè)只需略作修改即可。不再一一給出。“→”方向命令子模塊流程見(jiàn)圖5.2。3.暫停鍵“STOP”子模塊見(jiàn)圖5.3—暫時(shí)使XY工作臺(tái)停止工作。4.中段模塊5.實(shí)時(shí)修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊見(jiàn)圖5.4。圖5.1主模塊流程圖圖5.2“→”功能字模塊流程圖圖5.3鍵盤(pán)、顯示定時(shí)掃描子模塊圖5.4實(shí)時(shí)修改顯示緩沖取數(shù)據(jù)模塊

6結(jié)論本課題運(yùn)用機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思路和方法進(jìn)行進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。數(shù)控系統(tǒng)采用了單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)采用細(xì)