經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

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1、學(xué) 士 學(xué) 位 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 指導(dǎo)教師 學(xué) 部 機(jī)電工程學(xué)部 答辯日期 黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要數(shù)控車床又稱數(shù)字控制（Numbercal control，簡(jiǎn)稱NC）機(jī)床。它是基于數(shù)字控制的，采用了數(shù)控技術(shù)，是一個(gè)裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。它是由主機(jī)，CNC，驅(qū)動(dòng)裝置，數(shù)控機(jī)床的輔助裝置，編程機(jī)及其他一些附屬設(shè)備所組成。此次設(shè)計(jì)包括機(jī)床的總體布局設(shè)計(jì)，縱向進(jìn)給設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)部分包括步進(jìn)電機(jī)的選用及硬件電路設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，說(shuō)明了芯片的擴(kuò)展，鍵盤顯示接口的設(shè)計(jì)等等。該控

2、制系統(tǒng)采用軟件中斷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子程序結(jié)構(gòu)，因?yàn)樽映绦蚪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、條件明確在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用比較多。中斷結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)便于修改和擴(kuò)充，編制較為方便，便于向多處理機(jī)方向發(fā)展。本文以普通數(shù)控機(jī)床為研究對(duì)象，介紹經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床主-從式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。本設(shè)計(jì)采用 PC 機(jī)為上位機(jī)，8051為核心的單片機(jī)系統(tǒng)作下位機(jī)，以打印口作為兩者間的通訊接口，構(gòu)成主從式控制系統(tǒng)。該類型機(jī)床可以利用微型計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，可以編制出具有友好的人機(jī)界面的系統(tǒng)控制軟件；可以利用單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià)格便宜的特點(diǎn)，并借助C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言等編制出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置控制軟，可以使原數(shù)控

3、機(jī)床的擴(kuò)充性及開放性更強(qiáng)，使數(shù)控編程更加方便、高效，也為將來(lái)數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)控制打下基礎(chǔ)。本文著重闡述數(shù)控機(jī)床及及主-從式系統(tǒng)的概述；上位機(jī)與下位機(jī)間通訊接口及通訊模式的選擇；下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；開放式數(shù)控系統(tǒng)；電動(dòng)機(jī)Control System Design of Econmical NC LatheAbstractThe numerical control lathe called the numerical control (Numbercal Control, is called NC) the engine bed. It is based on th

4、e numerical control, has used the numerical control technology, is loaded with the procedure control system the engine bed. It is by the main engine, CNC, the drive, the numerical control engine bed auxiliary unit, the programming machine and other some appurtenances is composed.This design includin

5、g the engine bed overall layout design, longitudinal enters for the design, also includes the gear modulus computation and the examination, the main axle rigidity examination and so on. The control system partially including step-by-steps the electrical machinery to select and the hardware circuit d

6、esign and the software system design, explained the chip expansion, keyboard demonstration connection design and so on.This article takes the ordinary numerical control machine tool as the research object, and introduces the design process of a master-slave system. In order to use the abundant softw

7、are and hardware resources of IPC and to compile software of system which is friendly to users, and in order to compile the control software of execution machinery by C and Assembly language at the same time, this CNC system adopts the master-slave structure and parallel communication method. The ma

8、ster computer sends control instructions and parameters to the slave computer under Windows98, for the sake of making the slave computer work well. This system enhances the expanse and open ability of the original CNC machine tools, makes the NC programming become easy and efficient, and It also set

9、 a foundation for the numerical control machine tool in the field of the network control. There are three principal parts in the full text: the summary of CNC and the master-slave system; the communication port and mode between the master and slave computer; the control procedure of the step motor.K

10、eywords：Numerical control; Machine tool; Open-loop；Step motor 目錄摘 要IAbstractII第1章 緒 論11.1 兩坐標(biāo)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的課題研究意義11.2 兩坐標(biāo)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的課題研究主要內(nèi)容1第2章經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)12.1 進(jìn)給系統(tǒng)組成12.2 齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)32.2.1 帶和帶傳動(dòng)32.2.2 齒形帶的選擇42.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇62.3.1 步進(jìn)電機(jī)概述72.3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇92.4 絲杠螺母設(shè)計(jì)102.4.1 滾珠絲杠螺母副類型選擇112.4.2 滾珠絲杠螺母副型號(hào)及其校核12第3章 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系

11、統(tǒng)硬件電路143.1 硬件控制電路的組成143.1.1 硬件電路的組成143.1.2 電路圖信號(hào)流程分析143.2 主要芯片功能介紹153.2.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介153.2.2 管腳功能及使用特性16第4章 控制系統(tǒng)軟件流程214.1 軟件整體結(jié)構(gòu)214.1.1 子程序結(jié)構(gòu)214.1.2 中斷軟件結(jié)構(gòu)224.2 控制系統(tǒng)軟件插補(bǔ)原理224.2.1 直線插補(bǔ)原理224.2.2 圓弧插補(bǔ)原理25第五章 控制系統(tǒng)軟件部分285.1 機(jī)械加工主體運(yùn)行程序285.1.1機(jī)械加工主體運(yùn)行程序如下：285.1.2 直線圓弧插補(bǔ)主體運(yùn)行程序285.2 第一象限到四象限直線插補(bǔ)主體加工子程序295.2.1第一象限直

12、線加工子程序305.2.2第二象限直線插補(bǔ)加工子程序31參考文獻(xiàn)34致 謝35附 錄36經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第1章 緒 論1.1 兩坐標(biāo)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的課題研究意義 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格低廉的特點(diǎn)，它的特控制系統(tǒng)通常采用單片機(jī)（8位、16位、32位）作控制器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，多數(shù)采用開環(huán)控制，由于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)具有較高的性能價(jià)格比，因而廣泛地應(yīng)用于機(jī)床產(chǎn)品的升級(jí)換代和普通普通機(jī)床的技術(shù)改造上。近年來(lái)，我國(guó)在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的研究開發(fā)和生產(chǎn)上投入了大量人力和物力，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域里經(jīng)歷了幾個(gè)五年計(jì)劃之后已經(jīng)取得了可喜成果，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床在我國(guó)機(jī)床市場(chǎng)上占

13、有較大比重，成為我國(guó)制造業(yè)不可或缺的一部分。1.2 兩坐標(biāo)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的課題研究主要內(nèi)容經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機(jī)8031作為控制系統(tǒng)CPU,需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，多數(shù)采用開環(huán)控制，需要選擇和計(jì)算主要機(jī)械傳動(dòng)部件，如滾珠絲杠，螺母副和步進(jìn)電機(jī)等，繪制機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配圖，繪制單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件線路圖。第2章經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)2.1 進(jìn)給系統(tǒng)組成數(shù)控機(jī)床是一種利用數(shù)控技術(shù)，準(zhǔn)確地按照事先安排的工藝流程，實(shí)現(xiàn)規(guī)定加工動(dòng)作的金屬切削機(jī)床，它主要由控制介質(zhì)、數(shù)控

14、裝置、伺服機(jī)構(gòu)、機(jī)床、測(cè)量裝置。各部分的工作原理簡(jiǎn)述如下： 1、控制介質(zhì) 進(jìn)行數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，需在任何機(jī)床之間建立某種聯(lián)系，以便機(jī)床正確的執(zhí)行認(rèn)的意圖，這種進(jìn)行聯(lián)系的中間介質(zhì)機(jī)控制介質(zhì)又稱為信息載體。信息以代碼的形式存儲(chǔ)在介質(zhì)上，常用的控制節(jié)有：穿孔帶、穿孔卡、磁盤和磁帶；最常用的十八單位標(biāo)準(zhǔn)黑色穿孔紙帶。每行共9個(gè)孔，大孔為信息孔，其中1。33毫米；小孔為同步孔，其中1。17毫米。國(guó)際上通用的代碼為EIA代碼和IS0代碼。 2、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置是數(shù)控裝置的核心，其絕大部分采用微型計(jì)算機(jī)控制；它有輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、控制器和存儲(chǔ)器組成。 輸入設(shè)備即把控制介質(zhì)上的信息翻譯成

15、計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的信息代碼并送到指定的存儲(chǔ)器中以便進(jìn)行運(yùn)算處理。 輸出設(shè)備即將經(jīng)計(jì)算機(jī)處理過(guò)的信息代碼經(jīng)過(guò)翻譯之后轉(zhuǎn)變成機(jī)床能夠執(zhí)行的指令和人能夠識(shí)別的信息符號(hào)。 運(yùn)算器是對(duì)計(jì)算機(jī)中的信息進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算的器件。存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)所需的各種信息代碼的器件。控制器是用來(lái)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部的運(yùn)算并按照一定的順序使各個(gè)部件協(xié)調(diào)工作的部件。 3、伺服機(jī)構(gòu) 伺服構(gòu)的作用是把數(shù)控裝蠱的運(yùn)動(dòng)指令轉(zhuǎn)變成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，使工作臺(tái)按照預(yù)先規(guī)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，以便使加工出符合圖紙要求的工件。伺服機(jī)構(gòu)由伺服控制電路、功率放大電路和伺服電機(jī)組成。常用的伺服電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。 4、機(jī)床 數(shù)控機(jī)床

16、是高精度和高生產(chǎn)率的自動(dòng)化加工機(jī)床，它具有更好的抗震性和剛度，相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的摩擦系數(shù)小，進(jìn)給傳動(dòng)部份的間隙小的特點(diǎn)。 5、測(cè)量裝置 測(cè)量裝置江機(jī)床移動(dòng)的實(shí)際位置、速度檢測(cè)出來(lái)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并反饋至計(jì)算機(jī)中使計(jì)算機(jī)能隨時(shí)判斷機(jī)床的實(shí)際位置、速度與指令要求是否一致，并發(fā)出相應(yīng)指令糾正所產(chǎn)生的誤差。2.2 齒形帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)帶傳動(dòng)是利用張緊在帶論上的帶傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力；通常是靠帶和帶輪之間的摩擦力來(lái)傳遞動(dòng)力的，也有靠帶和帶輪上的齒的嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力的例如：同步齒形帶。帶的形式有：三角形帶、平帶、同步齒形帶等。帶的傳動(dòng)形式有：開口傳動(dòng)、交叉?zhèn)鲃?dòng)、半交叉?zhèn)鲃?dòng)、張錦綸傳動(dòng)。2.2.1 帶和帶傳動(dòng)一、帶的種類1)V帶

17、。v帶有普通v帶、窄v帶和寬V帶等類型。一般多使用普通的v帶。v帶的結(jié)構(gòu)為：頂膠、承載層、底膠、包布組成。 窄v帶采用合成纖維繩或者鋼絲繩作為承載層，它傳遞的功率比普通的v帶大，允許速度和曲撓次數(shù)高，傳動(dòng)的中心距較小。 普通v帶有Y、Z、A、B、C、D、E七種型號(hào)。普通的V帶的承載層由膠簾布或者膠繩芯承擔(dān)；適合高速傳動(dòng)。 2)平帶。膠帆布平帶強(qiáng)度高、價(jià)廉，在平帶中應(yīng)用最多。此外，也有用麻、絲或者棉輪等材料貶值而成的編織帶，承載層為滌綸繩，表面服役耐磨油膠布或者聚氨脂的高速膠帶，也有以棉輪片作為承載層的。 帶輪通常由三部分組成：輪緣、輪轂、輪輻。在結(jié)構(gòu)上代輪應(yīng)易于制造，能避免由于鑄造而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)

18、力，重量應(yīng)輕。高速帶還要進(jìn)行動(dòng)平衡。帶輪通常按照此公式計(jì)算：輪寬的計(jì)算公式：B=(z-1)e+2f；z-為輪槽數(shù)，e-為槽間距，f-為第一個(gè)槽的中點(diǎn)至端面的距離。Do=D+2h。：D-帶輪計(jì)算直徑，h。-輪緣的齒頂高。 二、帶傳動(dòng) 帶傳動(dòng)的主要幾何參數(shù)有：中心距a：帶長(zhǎng)L；帶輪直徑Dt，D。；包角dt。 帶傳動(dòng)的力分析：帶傳動(dòng)中呈環(huán)形，并以一定的拉力套在一對(duì)帶輪上，使帶和帶輪互相壓緊。當(dāng)帶輪不工作時(shí)兩邊的拉力相等。工作時(shí)，由于帶和帶輪之間的摩擦力使得帶輪一邊的拉力加大，而另外一邊的拉力減小，兩者之差為帶輪的有效拉力，它等于沿著帶輪上的接觸戶的摩擦力之和。，在一定條件下，若阻力大于極限值，帶就會(huì)

19、出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。 有效力的計(jì)算如下：F=F1-F2=1000pv 帶的應(yīng)力計(jì)算： 1)緊變得應(yīng)力計(jì)算：1=F1A 2)松邊的應(yīng)力的計(jì)算：2=F2A式中：F1為緊邊拉力；F2為松邊拉力；A為帶的橫截面。松邊與緊邊的應(yīng)力差：=12=FA 由于帶輪是彈性體受力不同時(shí)，帶的伸長(zhǎng)量是不等的，從而使帶發(fā)生打滑現(xiàn)象。打滑時(shí)，帶的速度落后與帶輪的速度。 有如下措施可以提高帶傳動(dòng)的工作能力：1) 增大摩擦系數(shù)；2)增大包角；3)盡量使傳動(dòng)在最佳速度下工作；4)采用新型帶傳動(dòng)；5)采用高強(qiáng)度帶材料。2.2.2 齒形帶的選擇下表2-1是齒形帶的計(jì)算校核方法公式表表 2-1計(jì)算項(xiàng)目符號(hào)設(shè)計(jì)公式計(jì)算功率PcP=KAP K

20、W(K為同步齒形帶的工作系數(shù))選擇帶型和節(jié)距p查相關(guān)的圖標(biāo)進(jìn)行選取傳動(dòng)比iI=n1/n210齒數(shù)Z1、Z2Z 1Z min;Z 2=IZ 2(Z min為小帶輪的最小齒數(shù)，I為傳動(dòng)比)齒輪節(jié)園直徑D1 D2D 1 =Z 1P/ mm, D 2=ZP/mm帶速vV=D1n1/601000vmax m/s初定中心距a0.7(D1-D2)a2(D1+D2)帶長(zhǎng)及其齒數(shù)LAa 1D mL=(D+D)/2+r(D 2-D 1)/2+2acos(r/2)D m+2a+2/aA=(L-D M)/4+(l-D M) 2-82) 1/2/4a 1 =180 0-(D 2-D 1)/a)60 0上式中：D m=(

21、D 2+D 1)/2, =(D 2-D 1 /2R(D 2-D 1)/aCos(r/2) 1-(r/2) 2/2實(shí)際中心距AA=(L-d m)/4(L-d) 32-8 2) 1/2 /4小帶輪嚙合齒數(shù)Zm Zm=Z12一PZ1 (Z2-Z1)20a (圓整成整數(shù))基本額定功率Po Po=(Fa-qv2) v1000 kWPo-同步帶基準(zhǔn)寬度b。所能傳遞的功率Fa-基準(zhǔn)寬度b。同步帶的許用拉力q-基準(zhǔn)寬度為b。的同步帶質(zhì) 量帶寬b B=b。(PC(KZP。) 1.14mm K。-嚙合齒數(shù)系數(shù)剪切應(yīng)力計(jì)算=PC /(1.44mbzMu)103比壓驗(yàn)算ppP=PC/(0.6mbSZ1Mu)103PP

22、-許用比壓軸上載荷F F =1000P N2.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其發(fā)展 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或者稱為階躍電動(dòng)機(jī)，目前，隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)以及電動(dòng)機(jī)本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)的電機(jī)分類的間界面越來(lái)越糊：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)定義為，根據(jù)輸入的脈沖信號(hào)，每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度，若不改變勵(lì)磁狀態(tài)則保持一定的狀態(tài)而靜止：廣義的定義為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無(wú)刷式直流電動(dòng)機(jī)，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的電動(dòng)機(jī)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，其源始模型起源于1830年至l860年間。在20世紀(jì)60年代后期，隨著永磁材料的發(fā)展，各種實(shí)用型

23、的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，半導(dǎo)體的發(fā)展使得步進(jìn)電機(jī)得_至rJT廣泛的應(yīng)用。我國(guó)的步進(jìn)電機(jī)開始于21世紀(jì)50年代后期，其發(fā)展過(guò)程大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：第一階段，從50年代后期到60年代后期主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)開發(fā)并使用少量的步進(jìn)電機(jī)，以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主：第二階段，70年代初期反映在步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究發(fā)展到了一個(gè)較水平：第三階段，70年代中期至80年代中后期新品種高性能電動(dòng)機(jī)層出不窮，各種混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)有三大部分組成：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。其特點(diǎn)如下： 1)用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)系

24、統(tǒng)簡(jiǎn)單廉價(jià)。 2)位移與輸入脈沖數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累，可以組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3)無(wú)刷，電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高。 4)抑郁起動(dòng)正反傳和變速停止，響應(yīng)性好。 5)平滑性好，步距角選擇范圍大，停止時(shí)可有自鎖能力三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型 從廣義上講步進(jìn)電機(jī)的類型可分為：機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(VR型)、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(PM型)、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(HB型)：直線電動(dòng)機(jī)包括VR型、PM型及HB型：下面分別介紹幾種典型性的步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)： 1HB型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) HB型步進(jìn)電機(jī)有

25、四部分組成：定子部件、轉(zhuǎn)子部件、機(jī)殼和端蓋。定子部件由鐵心、繞組和絕緣體組成，一般的鐵心由無(wú)方向性的硅鋼片疊加而成定子鐵心上開了許多大齒， 大齒上開許多小齒以增加電磁力和控制的準(zhǔn)確性轉(zhuǎn)子部件由轉(zhuǎn)子鐵心、永磁材料和軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心通常也由硅鋼片組成，采用冷沖壓后疊壓成型。轉(zhuǎn)子鐵心必須選用耐磨材料而且磁損耗較小：機(jī)蓋的作用有三個(gè)：l)加強(qiáng)電機(jī)剛度2)保護(hù)電機(jī)3)構(gòu)成定子鐵心的部分電路，機(jī)蓋一般為圓筒形，表面一般作防秀處理。端蓋起支撐轉(zhuǎn)子保證氣隙和通風(fēng)散熱的作用，對(duì)機(jī)械加工的同軸度、圓柱度要求較高。 2vR型步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) vR型步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與HB型的結(jié)構(gòu)相似，其不同之處在于轉(zhuǎn)子鐵心為一個(gè)鐵心，同

26、時(shí)轉(zhuǎn)子上不使用永磁材料。 3PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 其轉(zhuǎn)子由永磁材料和軸組成，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有齒：永磁材料圓周方向充磁，材料一般使用氧化鐵和鋁鎳鈷居多。 4PM型直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī) PM型直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由固定定子和可動(dòng)轉(zhuǎn)子兩部分組成。其定子鐵心形成主磁路，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)型的電動(dòng)機(jī)的定子鐵心在一維空間展開。2.3.1 步進(jìn)電機(jī)概述一、步進(jìn)電機(jī)的工作原理 ， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成交位移活現(xiàn)位移的機(jī)電元件。通俗的講，就是外加一個(gè)脈沖信號(hào)于這種電動(dòng)機(jī)時(shí)，它就運(yùn)行這一步。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)大致可以分為：反應(yīng)式、永磁式、混合式和直線式四大類a下面以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理a 三相反應(yīng)式步

27、進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成。它的定子上有三對(duì)磁極，每一對(duì)磁極上繞有一相繞組，繞組通電時(shí)這兩個(gè)磁極的極性相反：三相繞組接成星形。轉(zhuǎn)子鐵心和定子極靴上有小齒，定子和轉(zhuǎn)子的齒距相等。 當(dāng)某一向繞組通電時(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部建立以該繞組為軸線的磁場(chǎng)。由于定子和轉(zhuǎn)子上有齒和槽，所以當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置不同時(shí)，磁路的磁導(dǎo)也不同，定轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒處的極磁導(dǎo)為最大，定轉(zhuǎn)子齒對(duì)槽處的每個(gè)極磁導(dǎo)為最小。轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置是使通電相磁路的磁導(dǎo)為最大的位置，所以通電時(shí)，齒對(duì)齒的位置為平衡位置。 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有A，B，C三相繞組，各相繞組的軸線夾角為120。：當(dāng)A相極下定轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒時(shí)：B相磁極上定子齒的軸線，沿ABC方向超前

28、轉(zhuǎn)子齒的軸線l3齒距：C相極下定子齒的軸線，沿ABC方向超前轉(zhuǎn)子齒的軸線23齒距。 在A相斷電的同時(shí)，給B相通電，則磁場(chǎng)空間轉(zhuǎn)過(guò)了l20。，轉(zhuǎn)子齒的軸線將力求與B相上的定子齒的軸線對(duì)齊以達(dá)到穩(wěn)定平衡位置。由于B相軸線還沒(méi)有與轉(zhuǎn)子齒的軸線對(duì)齊所以將對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針?lè)较虻碾姶帕ζ仁罐D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到平衡位置：從而使電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。如果對(duì)A、B、C三相繞組按照一定的規(guī)律分時(shí)的通電則轉(zhuǎn)子可以連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號(hào)即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。改變通電的順序可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向，三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以按照三相單三拍方式運(yùn)行(ABCA)，每改變一次通電狀態(tài)電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)軸線轉(zhuǎn)過(guò)l20。，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)l3

29、齒距；也可以以三相雙三拍方式(ABBccAAB)運(yùn)行，每改變一次通電狀態(tài)電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)軸線轉(zhuǎn)過(guò)l20。，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)l6齒距：也可采用三相六拍方式(AABBBCCCAA)運(yùn)行，每改變一次通電狀態(tài)電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)軸線轉(zhuǎn)過(guò)60。，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)l6齒距。 從上面的分析可知：同一臺(tái)電機(jī)可以有不同的通電方式和不同的運(yùn)行拍數(shù)。若用m表示運(yùn)行拍數(shù)，z表示轉(zhuǎn)子齒數(shù)，則每改變一次通電狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角度的平均值稱為步距角，用表示，則：=360mzK 通電方式，相同時(shí)為1，不同時(shí)為2 從上是可以看出：轉(zhuǎn)子齒數(shù)，運(yùn)行拍數(shù)不同時(shí)其步距角也是不同的。設(shè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n(rrain)，f表示控制脈沖的頻率，0表示步距角則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)

30、算公式為 n=f6 由上式可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)子的步距角一定時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比。二、步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語(yǔ) 1步距角 指每給一個(gè)電脈沖信號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度的理論值。步距角 0b=360mzk 2齒距角s 相鄰兩齒中心線的夾角，通常轉(zhuǎn)子和定子具有相同的齒距角。齒距角 0s=360Zr 3距角特性 指不改變各相繞組通電狀態(tài)，即一相或者幾相繞組同時(shí)直流電時(shí)電磁轉(zhuǎn)距與失調(diào)角的關(guān)系：即： T=f() 5失調(diào)角 指轉(zhuǎn)子偏離零位時(shí)的角度。 6零位或初始穩(wěn)定平衡位置 指不改變繞組的通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子在理想空載下的平衡位置 7最大靜轉(zhuǎn)距 距角特性上轉(zhuǎn)距最大值2.3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇一、步進(jìn)電機(jī)

31、的主要特性參數(shù) 1)步距角每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角可按下式計(jì)算：=360mkz 式中 m-步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)： k-與通電方式有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)通電方式為單拍時(shí)，k=1：雙拍時(shí)，k=2。 z-步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)： 2)靜態(tài)步距角誤差空載時(shí)，以單脈沖輸入，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際步距角與理論步距角的差值稱為靜態(tài)步距角誤差。它與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的制造精度有關(guān)，精度越高，誤差值越小。 3)最大靜轉(zhuǎn)距Tmax 當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)，在軸上加一負(fù)載轉(zhuǎn)距定子與轉(zhuǎn)子就有一個(gè)角位移，該角位移稱為失調(diào)角。轉(zhuǎn)子剛剛離開平衡位置的極限轉(zhuǎn)距值稱為最大靜轉(zhuǎn)距。靜轉(zhuǎn)距越大，步進(jìn)電

32、機(jī)承受的外加轉(zhuǎn)距也越大，一般產(chǎn)品中給出的最大靜轉(zhuǎn)距是指在額定電流即規(guī)定的通電方式下的靜轉(zhuǎn)距。 4)空載起動(dòng)頻率fq 電動(dòng)機(jī)在空載情況下，不失步所能允許的最高頻率稱為空載起動(dòng)頻率。在有負(fù)載的情況下，不失步所允許的最高頻率將大大降低。為了縮短起動(dòng)時(shí)間，可使加到電動(dòng)機(jī)的電脈沖頻率按一定頻率逐漸增加。 5)連續(xù)運(yùn)行的最高頻率(即距頻特性)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)速度能跟隨控制脈沖頻率連續(xù)上升而不失步運(yùn)行的頻率稱為連續(xù)運(yùn)行頻率：其值也隨所形成的負(fù)載轉(zhuǎn)距的轉(zhuǎn)距的增加而逐漸下降。在不同頻率下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)距。在產(chǎn)品樣本中也標(biāo)有連續(xù)運(yùn)行頻率值，作為選擇電動(dòng)機(jī)的依據(jù)之一。 二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 1)必須保

33、證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距大于負(fù)載轉(zhuǎn)距，使電動(dòng)機(jī)的距頻特性有一定裕量，以保證可靠運(yùn)行，即在實(shí)際工作時(shí)，各種頻率下的負(fù)載轉(zhuǎn)距必須在距頻特性曲線范圍之內(nèi)： 2)要求計(jì)算的機(jī)械系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相匹配，并有一定的裕量： 3)是最高頻率能滿足產(chǎn)品快速移動(dòng)的要求： 4)使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角與機(jī)械系統(tǒng)相匹配，區(qū)得到擊穿的脈沖當(dāng)量2.4 絲杠螺母設(shè)計(jì) 滾珠絲杠螺母副由專門的工廠制造，當(dāng)類別、型號(hào)選定和校核后，可以外購(gòu)。滾珠絲杠螺母副按其工作方式可以分為：鋼球循環(huán)方式、循環(huán)列數(shù)與圈數(shù)、預(yù)緊方式；鋼球循環(huán)方式又可以分為：內(nèi)循環(huán)反向器式和外循環(huán)插管式；預(yù)緊方式也可以分為：?jiǎn)温菽负碗p螺母滾珠絲杠

34、。按絲杠的旋向也可以分為右旋和左旋絲杠；按其螺母副的類型可以分為：定位滾珠絲杠螺母副和傳動(dòng)滾珠絲杠螺母副。滾珠絲杠的精度等級(jí)有：1，2，3，4，5，7，l0七個(gè)精度等級(jí) 鋼珠在絲杠和螺母之間的滾動(dòng)是一個(gè)循環(huán)閉路。鋼珠的每一個(gè)循環(huán)閉路稱為列，每個(gè)鋼珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導(dǎo)程數(shù)稱為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個(gè)螺母有2列、3列、4列、5列等幾種，每列只有一圈。 為了消除間隙和提高滾珠絲杠副的剛度，可以加預(yù)緊力，使它在過(guò)盈的條件下工作，這種工作方式稱為預(yù)緊。常用的預(yù)緊方式有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊，預(yù)緊后的剛度可以提高兩倍。但是預(yù)緊力過(guò)大，絲杠的壽命2.4.1 滾珠絲杠螺母副類

35、型選擇主要的參數(shù)及代號(hào) 1滾珠絲杠副的主要參數(shù) (1)公稱直徑dm，公稱直徑即絲杠螺母副的名義直徑，dm越大，承載能力和剛度越大。數(shù)控機(jī)床上常用的進(jìn)給絲杠的直徑為：30 mm至80mm。 (2)基本導(dǎo)程L0。絲杠相對(duì)于螺母旋轉(zhuǎn)2rad時(shí)，螺母的軸向位移?；镜膶?dǎo)程稱為螺距。它按程載力選取，并與進(jìn)給的脈沖當(dāng)量有關(guān)。 (3)精度等級(jí)。滾珠絲杠可以分為7個(gè)精度等級(jí)，即I、2、3、4、5、7、10七個(gè)精度等級(jí)，1級(jí)最高，其次遞減。一般選用4級(jí)7級(jí)，數(shù)控機(jī)床及精密機(jī)械可選用2級(jí)3級(jí)。滾珠絲杠副的精度直接影響定位精度、承載能力、接觸剛度，因此它絲滾珠絲杠副的重要質(zhì)量指標(biāo)。 2滾珠絲杠副代號(hào)的標(biāo)注 滾珠絲杠

36、副的標(biāo)注順序?yàn)椋貉h(huán)方式、預(yù)緊方式、結(jié)構(gòu)特征、公稱直徑、公稱導(dǎo)程、螺紋旋向、負(fù)載鋼球圈數(shù)、類型、精度等級(jí)。例如：CDMSOl0一3一P3，其中c表示外循環(huán)方式，D表示雙螺母墊片預(yù)緊方式，M表示導(dǎo)珠管埋入式，50表示公稱直徑，3表示負(fù)載鋼球圈數(shù)，P表示選用定位滾珠絲鋼副，3表示精度等級(jí)為3級(jí)。2.4.2 滾珠絲杠螺母副型號(hào)及其校核一、最大工作載荷計(jì)算 絲杠上的工作載荷FM是指滾珠絲鋼負(fù)載驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲鋼所承受的軸向力，也叫進(jìn)給牽引力。它包括三個(gè)力：滾珠絲鋼的走刀抗力、工件的重力、作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。矩形導(dǎo)軌的工作載荷FM的計(jì)算公式為： FM=KFL+f (FV+FC+G)

37、 其中：FL為工作臺(tái)的進(jìn)給方向的載荷；FV為垂直方向的載荷；FC為橫向的工作載荷。對(duì)不同的導(dǎo)軌，工作載荷的計(jì)算公式是不同的，實(shí)驗(yàn)系數(shù)K和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)f 也是不同的。二、最大動(dòng)載荷的計(jì)算及主要尺寸的初選 滾珠絲杠的最大載荷c可用下列公式計(jì)算：C=L fmFm式中：L為工作壽命，單位106r，L=60ntl06：n為絲杠轉(zhuǎn)速(rmin)n=i000vL0：v為最大切削力條件下的進(jìn)給速度(mmin)，可取最高進(jìn)給速度的l213：L0為絲杠基本導(dǎo)程(m)：t為額定使用壽命(h)，可取t=15000h：fm為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，無(wú)沖擊時(shí)l12，一般情況下取1215有沖擊振動(dòng)時(shí)取l525：Fm滾珠絲杠工作載荷(

38、N)。選尺寸時(shí)，額定動(dòng)載荷需大于最大動(dòng)載荷。三、傳動(dòng)效率的計(jì)算 用查表法選型號(hào)查出；0為摩擦角；滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率較高，一般在08O9之間。四、剛度的驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。滾珠絲杠副的軸向變形包括：絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小可以忽略不計(jì)，螺母座的只要設(shè)計(jì)合理，器變形量也可以忽略不計(jì)。對(duì)于軸承的軸向接觸變形，只要滾珠絲杠支承的剛度設(shè)計(jì)的好，軸向接觸變形也可以忽略不計(jì)。 1絲杠的拉壓變形量的計(jì)算11=FmLEA(mm) 式中

39、：為在工作載荷Fm作下絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量(mm);Fm為絲杠的工作載荷(N)：l為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度(mm)；E為材料彈性模量，E=206104Mpa；A為按內(nèi)徑確定的橫截面積(mm 2)“+”號(hào)用于拉伸；“一”用于壓縮。 2滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2 無(wú)預(yù)緊時(shí) 2=00038(FmZ) 2D，) 1/3。(mm) 有預(yù)緊時(shí) 2=0O013Fm(DwFzyZ2) 1/3(mm) 式中：Dw為滾珠直徑(mm)；Z：滾珠總數(shù)量Z=z圓數(shù)列數(shù)；Z為滾珠一圈的滾珠數(shù)，z=dM /dW(外循環(huán))，z=(dmDw)一3(內(nèi)循環(huán))；dm為滾珠絲杠的公稱直徑(mm)；Fyj，為預(yù)緊力；F

40、m為滾珠絲杠工作載荷。 3滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算 絲杠的總變形量=1+2應(yīng)小于允許的變形量。 五壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向力過(guò)大時(shí)，使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向彎曲即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk為：Fk=fZ 2EIL2 (N) 式中：E為杠材料彈性模量，對(duì)于鋼E=206104Mpa；I為截面慣性距，對(duì)絲杠圓截面I= d4164(mm)(d1為絲杠底徑)；L為絲杠最大工作長(zhǎng)度(mm)fz為絲杠支承方式系數(shù)。 臨界載荷F。與絲杠工作載荷FM之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)n。：若n。大于許用安全系數(shù)n。，則滾珠絲杠穩(wěn)定即Nk=FkFMnk。否則失穩(wěn)。六、一滾珠絲杠副安裝時(shí)應(yīng)注意以下幾

41、點(diǎn)。 1絲杠不能外露； 2螺母在有效行程內(nèi)配置限位裝置以避免滾珠流失； 3滾珠絲杠必須潤(rùn)滑，常用鋰樹脂。第3章 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)硬件電路3.1 硬件控制電路的組成從1974年微處理機(jī)問(wèn)世以后，微處理機(jī)為基礎(chǔ)的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控(MNC)取代了小型計(jì)算機(jī)數(shù)控?，F(xiàn)在所說(shuō)的(MNC)即CNC裝置，其主要分為兩種形式：一種是單個(gè)CPU組成的控制系統(tǒng)，另一種是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU組成的多微處理器系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床大多數(shù)采用一個(gè)CPU完成機(jī)床的控制。3.1.1 硬件電路的組成 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床由一個(gè)8031單片機(jī)、一個(gè)74LS373地址鎖存器、一個(gè)74LSl38地址譯碼器兩個(gè)2764EPROM存儲(chǔ)器

42、、兩個(gè)8155接口芯片、光電各電路、功率放大電路、Z向電機(jī)和x向電機(jī)等組成。3.1.2 電路圖信號(hào)流程分析經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床依靠輸入的程序指令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件進(jìn)行各種形狀的加工，各種指令在計(jì)算機(jī)中是以信號(hào)的形式存在的；下面就簡(jiǎn)要分析一下經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的電路圖的信號(hào)流程： 一、信號(hào)的采集 本電路的信號(hào)采集有兩個(gè)地方：l)BCD撥碼盤。此撥碼盤與8031(1)的PA口和PB口相連，在此撥碼盤上輸入每條指令對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼后，即可完成信息的采集。2)計(jì)算機(jī)鍵盤，在鍵盤上分別輸入各條指令的助記符，計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)鍵盤上輸入的字符撲做相應(yīng)的二進(jìn)制代碼信息，然后進(jìn)行傳送、處理等操作。 二、信號(hào)的輸入 當(dāng)信息被輸入后，

43、就要進(jìn)行信號(hào)的傳輸了。信號(hào)的傳輸通過(guò)地址線和數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸，控制線控制相應(yīng)信號(hào)的各種動(dòng)作。本電路圖通過(guò)8031的Pl口和8255(2)的PC口相連的部分；信號(hào)以低電平的形式被采集，以高電平的形式被傳輸；因?yàn)楫?dāng)某一路的信息被采集后則相應(yīng)的線路就被導(dǎo)通，這時(shí)，8031的Pl口的相應(yīng)位變?yōu)楦唠娖?，信?hào)就被傳輸?shù)搅?031的Pl口。 三、信號(hào)的處理 當(dāng)指令信號(hào)被輸入到8031后，接著就要進(jìn)行信號(hào)的算術(shù)邏輯運(yùn)算處理了，計(jì)算機(jī)通過(guò)Ax進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算，在控制器的控制下進(jìn)行，將處理過(guò)的信號(hào)變成各種相應(yīng)指令控制計(jì)算機(jī)完成該指令的功能。同時(shí)對(duì)外界做出相應(yīng)的反應(yīng)，使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器與之保持相應(yīng)的協(xié)調(diào)一致。

44、四、信號(hào)的輸出。 信號(hào)被處理后便可以輸出了；信號(hào)的輸出有兩個(gè)方向：l)信號(hào)直接輸入到8255(2)接口以控制x電機(jī)和Z電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作，從而達(dá)到加工出相應(yīng)零件的目的。2)信號(hào)也可以在地址鎖存允許信號(hào)ALE的控制之下，被輸入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或者數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，以便下次調(diào)用或者程序的備份。 五、單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的電路圖的特點(diǎn) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)電路圖與普通機(jī)床相比較有如下特點(diǎn)： 1.提高了生產(chǎn)效率 用該系統(tǒng)加工零件可以降低對(duì)工件加具的要求，又免去了劃線工作，可是加工鎮(zhèn)被時(shí)間大大減少。在加工過(guò)程中，又有較高的重復(fù)精度，節(jié)省了對(duì)零件的檢驗(yàn)時(shí)間；在零件的改型時(shí)只需更換指令程序即可，節(jié)省了準(zhǔn)備和調(diào)整時(shí)

45、間。 2.采用開環(huán)控制系統(tǒng) 采用開環(huán)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的精確控制，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，簡(jiǎn)化了工人的操作從而降低了對(duì)工人的加工技術(shù)水平的要求。 3.有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代 在產(chǎn)品的更新?lián)Q代時(shí)只需更換相應(yīng)的加工程序即可，無(wú)需制造、更換夾具和模具，更不需用直接調(diào)整機(jī)床了。3.2 主要芯片功能介紹3.2.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介8031單片機(jī)8031單片機(jī)的基本特征：8031單片機(jī)是美國(guó)INTEL公司的產(chǎn)品MCS一51單片機(jī)的一個(gè)型號(hào)，是目前性能較高的8位單片微型計(jì)算機(jī)。8031單片機(jī)內(nèi)部包含一個(gè)8位PROG，128字節(jié)的RAM，兩個(gè)16位定時(shí)器，4個(gè)8位并行接口，一個(gè)全雙功能串行口，可擴(kuò)展的外圍程序

46、存儲(chǔ)器和俄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量各64K字節(jié)，具有5個(gè)中斷源并配有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，還有21個(gè)特殊功能寄存器。3.2.2 管腳功能及使用特性8031單片機(jī)是一個(gè)有40根引腳的雙列直插式器件，引腳圖如圖3-1，其引腳功能說(shuō)明如下：圖3-1 8031單片機(jī)示意圖 VCC：編程和正常操作的電源電壓端，電壓為+5V P0口：8位雙向I/O口，既是數(shù)據(jù)線，又是8位地址線，分時(shí)使用。 P1口：8位雙向I/O口，專供用戶使用，此處為技術(shù)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入端口及結(jié)果的輸出端口 P2口：8位雙向IO口，系統(tǒng)外圍存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，律高8位地址線使用， 系統(tǒng)不需要擴(kuò)展時(shí)，也可以供用戶使用。 P3口：8位雙向IO口，是一個(gè)雙功能口，第

47、一功能和Pl口一樣可以作為通用io口，工作于第二共猛士，各端口的定義如下： P30-RXD，串行輸入； P31-TXD，串行輸出； P32-INT0，外圍中斷輸入； P33-INTl，外圍中斷輸入； P34-T0，定時(shí)器0外圍輸入端； P35-Tl，定時(shí)器l外圍輸入端； P36-wR，寫信號(hào)； P37-RD，讀信號(hào)； ALEPROG：訪問(wèn)外圍存儲(chǔ)器時(shí)，用于鎖存地址低8位字節(jié)地址鎖存允許輸出。ALE提供一個(gè)定時(shí)信號(hào)，在外為存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)時(shí)把P0口的低位地址字節(jié)鎖存到外界的鎖存器中。這個(gè)引腳也是EPROM編程時(shí)的編程脈沖輸入端(PROG)。 PSEN：程序鎖存允許輸出，是外圍程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)

48、。 EAVPP：EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。EA為低電平時(shí)CPU執(zhí)行外部承襲存儲(chǔ)器的指令。使用8031單片機(jī)時(shí)，EA必須接地。 XTALl：振蕩器的反向放大器輸入，使用外部振蕩器時(shí)必須接地； XTAL2：振蕩器的反向放大器輸出，使用外圍振蕩器時(shí)，接收外圍振蕩信號(hào)； RESETVPD：復(fù)位控制信號(hào)，在振蕩器運(yùn)行時(shí)，使RESET腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期為高電平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。在電源關(guān)斷之前加上掉電保護(hù)電路，RAM的內(nèi)容將不會(huì)丟失。 2、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 8031單片機(jī)沒(méi)治師28字節(jié)的RAM，沒(méi)有ROM機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)需要的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量較大，必須外接程序存儲(chǔ)器(EPR

49、OM)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)芯片。 (1)程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 常用的EPROM存儲(chǔ)器有：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分別為：2K、“、8 K、16K、32K。該系統(tǒng)使用的芯片是2764。 (I) 2764芯片介紹2764芯片是一種位容量為8kbX8的EPROM，它有l(wèi)3條地址線(A12至AO)，8條數(shù)據(jù)引腳(D7至DO)，2個(gè)電壓輸入端Vpp和Vce，除此之外，還有l(wèi)個(gè)芯片允許端CE和編程脈沖控制端PGM (II)地址鎖存器74L8373 如圖3-2，74L8373是一個(gè)帶三態(tài)門的8D鎖存器，他作為8031外部的一個(gè)擴(kuò)展輸出口；其工作原理：當(dāng)8031把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好

50、后，便通過(guò)ALE發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)加到373的G端，即鎖存控制端，使數(shù)據(jù)鎖存在373中。 圖3-2 地址鎖存器74L8373示意圖 單片機(jī)規(guī)定P0口提供地8位地址線，同時(shí)又要作數(shù)據(jù)線，所以P0是一個(gè)分時(shí)輸出地8位地址和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信息分離出來(lái)保存，提供外界存儲(chǔ)器的低8位地址信息，通常采用74L8373作為地址鎖存器。74L8373的引腳見(jiàn)圖紙。1D至8D輸入端，lQ至8Q是輸出端，CE是片選端選通端G與8031單片機(jī)的地址瑣存信號(hào)ALE連接。當(dāng)選通端G=1時(shí)，74L8373的輸出端與輸入端相同，當(dāng)G端從高電平返回低電平時(shí)，輸入的地址信息就被鎖入lQ至8Q中。 2764EPROM程序存

51、儲(chǔ)器、74L8373鎖存器和8031連接見(jiàn)圖紙，2764的容量是8K字節(jié)，故需用l3根地址線，低8位地址線和74LS373的輸出端連接，高5位地址直接與單片機(jī)8031的P20至P24端口直接連接。8031的地址鎖存允許信號(hào)ALE和74LS373的選通端G連接，當(dāng)ALE=1時(shí)，則PO口輸出地址有效，當(dāng)ALE=0時(shí)，P0口可作數(shù)據(jù)通道；當(dāng)ALE有高電平返回低平時(shí)，低8位地址信息被鎖存到輸出端lQ至8Q。存儲(chǔ)器2764得出位數(shù)據(jù)線直接與8031的P0口連接，2764的輸出允許端直接與8031的程序存儲(chǔ)器允許輸出端PSEN，當(dāng)PSEN=0是允許取址。由于8031單片機(jī)只能選通外圍程序存儲(chǔ)器，所以隊(duì)引腳

52、必須接地。 (2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展 由于單片機(jī)8031內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，不能滿足系統(tǒng)的要求，故要擴(kuò)展外圍數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有6116和6264靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其容量分別為2K和8K字節(jié)。此經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床所用的是6264靜態(tài)RAM芯片。 a)6264靜態(tài)RAM芯片介紹6264引腳圖見(jiàn)圖紙，各引腳功能如下： A0至Al2-地址線，共13根； D1至D8-數(shù)據(jù)線，共8根； CEl、CE2-片選信號(hào)端，選通時(shí)CEl是低電平，CE2是高電平； OE-輸出允許(讀)信號(hào)； WE-寫信號(hào)； VCC- +5V電源： GND-地電平 b)74LSl38地址譯碼器及譯碼電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中

53、，所有外圍芯片都通過(guò)總線與單片機(jī)連接。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)的與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，故要進(jìn)行片選控制。若芯片內(nèi)有多個(gè)地址單元時(shí)，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的地址譯碼規(guī)定，外圍擴(kuò)展芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，所以外圍芯片不僅占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一定數(shù)量的地址單元，而且要使用讀寫信號(hào)與讀寫指令。 本數(shù)控硬件結(jié)構(gòu)中采用全地址譯碼方式。所謂全地址譯碼是：低位地址作為片內(nèi)地址，高位地址選通用譯碼器譯碼，譯碼器輸出的地址選字信號(hào)作為片選線連至每個(gè)外圍芯片的片選端。 譯碼器常用74LSl38譯碼器，其中G1、G2A和G28是賦能端，A、B、C是選擇端，Y0至Y7是輸出端，74LSl38的輸入端占

54、用了8031單片機(jī)的P25、P26、P27三根高位地址線，剩余l(xiāng)3根地址線用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)地址線。138譯碼器每一個(gè)輸出端可接8一個(gè)外圍芯片的片選端實(shí)現(xiàn)分時(shí)片選控制，因此，一個(gè)138譯碼器的8根輸出端可以連接8個(gè)8K字節(jié)地址空問(wèn)。本電路中GA、GB、GND接地，只要P25、P26、P27產(chǎn)生信號(hào)是就會(huì)有相應(yīng)的輸出片選信號(hào)。(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 6264總共13根地址線，其中地8位地址線通過(guò)地址鎖存器74LS373與8031單片機(jī)的P0口連接，高5位直接與8031的P20、P21、P22、P23、P24端連接，低8位直接與74LS373輸出端連接。讀寫控制引腳0E、WE與8031的讀寫控制

55、引腳RD、wR直接連接，74L838的輸入端C、B、A分別與8031的P25P27連接，而6264的片選端CE連在138譯碼器的Y2端，所以6264的空間地址為2000H2FFFH 3、面板操作 在面板上有啟停、數(shù)字、采集、圓直等按鈕。 啟停按鈕啟動(dòng)和停止加工程序。 數(shù)字按鈕用于輸入加工所需的加工程序。 采集按鈕用于采集模擬信息，將模擬量轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字量。 圓直按鈕用于選擇圓弧加工或者直線加工的程序。 4、與強(qiáng)電接口 對(duì)機(jī)床的強(qiáng)電控制主要包括主軸電機(jī)的啟動(dòng)、停止、調(diào)速以及了冷卻泵、液壓泵等電機(jī)的起、停和刀架轉(zhuǎn)位換刀操作。 通常在在高壓大電流條件下工作，很容易對(duì)計(jì)算機(jī)造成干擾。所以這

56、類接口電路有兩個(gè)特征： 1)計(jì)算機(jī)輸出的信號(hào)須經(jīng)功率放大后才能使用。 2)為防止強(qiáng)電干擾，要進(jìn)行嚴(yán)格的隔離；須加光電隔離電路。 本電路采用8255(2)接口電路的PA口并將其設(shè)置成輸出方式，由80331單片機(jī)的RD、WR、ALE控制8255(2)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，譯碼器138的Y4直接控制8255(2)的動(dòng)作。 5、鍵盤顯示器接口電路鍵盤和顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)對(duì)話的外圍設(shè)備，鍵盤可完成數(shù)據(jù)程序的輸入，顯示器可以顯示計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。本電路使用8155接口芯片，先介紹8155芯片，然后在介紹接口電路。1)8155接口芯片簡(jiǎn)介,圖3-3是8155芯片結(jié)構(gòu)圖。圖3-3 8155接口芯片簡(jiǎn)介81

57、55芯片內(nèi)含有256字節(jié)的靜態(tài)RAM，兩個(gè)8位的并行口PA和PB，一個(gè)6位并行口PC，工作方式可由程序控制，另外還有一個(gè)14位計(jì)數(shù)器，可以對(duì)輸入脈沖進(jìn)行減法技術(shù)。引腳TIMIN為定時(shí)器始終輸入端，由外圍輸入時(shí)鐘脈沖；TIMOUT為定時(shí)器輸出端。定時(shí)器啟動(dòng)后，能對(duì)輸入端的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器減至零時(shí)，在TIMOUT端輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。ADO-AD7是數(shù)據(jù)、地址線，因?yàn)樾酒瑑?nèi)含有地址鎖存器，故既能傳遞地址信息，又能傳遞數(shù)據(jù)信息。 2）盤接口電路 鍵盤接口電路見(jiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制線路原理圖的8155（2）與8031芯片的連接部分，電路中的8155既作為并行按口使用又使用內(nèi)部存儲(chǔ)器，敢I0M引腳直接

58、接8031芯片的P2OA8。8155的地址、數(shù)據(jù)線和8031的P0接口直接連接，由8031的地址鎖存信號(hào)ALE控制實(shí)現(xiàn)分時(shí)信息傳遞。片選信號(hào)端CE棱74LSl38譯碼器的輸出端Y4端口，當(dāng)Y4=1時(shí)，選中8155芯片。 鍵盤排成4行6列，共24個(gè)鍵。PB0PB3是5根行線，PC0PC5是6根列線，在行線和列線的交叉處安裝有按鍵。PC口的6根列線按一定的時(shí)間間隔輪流的輸出低電平。當(dāng)掃描到某一列線上時(shí)，若無(wú)鍵按下，則行線為高電平；若有鍵按下時(shí)，則交叉點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的行線變?yōu)榈攸c(diǎn)平。這個(gè)低電平信號(hào)被計(jì)算機(jī)撲獲后，據(jù)此間對(duì)應(yīng)的航線和列線的位置，計(jì)算機(jī)可以判斷出鍵值，完成一次鍵輸入掃描工作。 3)顯示接口電路

59、 第4章 控制系統(tǒng)軟件流程4.1 軟件整體結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的功能由各功能子程序?qū)崿F(xiàn)的，例如：機(jī)械加工主體運(yùn)行程序、輸入輸出數(shù)據(jù)處理程序、插補(bǔ)程序，位置控制程序、進(jìn)給速度的計(jì)算等。4.1.1 子程序結(jié)構(gòu)開機(jī)后，當(dāng)運(yùn)行程序時(shí)，先運(yùn)行主體程序，再運(yùn)行時(shí)，先判斷各種控制條件，若符合某一個(gè)條件或幾個(gè)控制條件，則轉(zhuǎn)入到相應(yīng)的功能子程序中運(yùn)行該子程序，下面圖4-1是程序結(jié)構(gòu)框圖圖4-1 程序結(jié)構(gòu)框圖經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖紙。4.1.2 中斷軟件結(jié)構(gòu)在這種結(jié)構(gòu)中，除了初始化程序外，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)中斷控制系統(tǒng)。各種功能子程序都按照一定的級(jí)別進(jìn)行安排運(yùn)行。如工件程序

60、的輸入、編譯、譯碼、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)賀詞副控制等。中斷型軟件結(jié)構(gòu)一般都采用模塊化設(shè)計(jì)。便于修改和擴(kuò)充，編制較為方便。更重要的是這種結(jié)構(gòu)便于向多處理機(jī)方向發(fā)展。4.2 控制系統(tǒng)軟件插補(bǔ)原理在輪廓控制的數(shù)控系統(tǒng)中必須控制刀具沿指定的路徑運(yùn)動(dòng)，切削工件輪廓，并且要保證切削過(guò)程中每一點(diǎn)的精度和表面質(zhì)量。這種控制系統(tǒng)由插補(bǔ)器和步進(jìn)電機(jī)組成。所謂的插補(bǔ)是指用一小段直線或圓弧來(lái)擬合零件輪廓以滿足加工精度要求的加工方法。本控制系統(tǒng)的插補(bǔ)器由軟件實(shí)現(xiàn)。下面對(duì)插補(bǔ)原理作以簡(jiǎn)單的介紹。4.2.1 直線插補(bǔ)原理1偏差計(jì)算公式 按逐漸比較法的原理，每走一步必須把懂點(diǎn)的實(shí)際位置與給定軌跡的理想為之間的誤差一以插的形式計(jì)算出來(lái)，然