經濟型數控車床控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文

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1、學 士 學 位 畢 業(yè) 論 文（設 計）經濟型數控車床控制系統(tǒng)設計學生姓名 學 號 專 業(yè) 械設計制造及其自動化 班 級 指導教師 學 部 機電工程學部 答辯日期 黑龍江東方學院學士學位畢業(yè)論文經濟型數控車床控制系統(tǒng)設計摘 要數控車床又稱數字控制（Numbercal control，簡稱NC）機床。它是基于數字控制的，采用了數控技術，是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床。它是由主機，CNC，驅動裝置，數控機床的輔助裝置，編程機及其他一些附屬設備所組成。此次設計包括機床的總體布局設計，縱向進給設計?？刂葡到y(tǒng)部分包括步進電機的選用及硬件電路設計和軟件系統(tǒng)設計，說明了芯片的擴展，鍵盤顯示接口的設計等等。該控

2、制系統(tǒng)采用軟件中斷控制系統(tǒng)結構及子程序結構，因為子程序結構簡單、條件明確在經濟型數控系統(tǒng)中應用比較多。中斷結構采用模塊化結構設計，因為這種結構便于修改和擴充，編制較為方便，便于向多處理機方向發(fā)展。本文以普通數控機床為研究對象，介紹經濟型數控機床主-從式控制系統(tǒng)的設計過程。本設計采用 PC 機為上位機，8051為核心的單片機系統(tǒng)作下位機，以打印口作為兩者間的通訊接口，構成主從式控制系統(tǒng)。該類型機床可以利用微型計算機豐富的軟硬件資源，可以編制出具有友好的人機界面的系統(tǒng)控制軟件；可以利用單片機系統(tǒng)結構相對簡單、工作可靠、價格便宜的特點，并借助C語言、匯編語言等編制出執(zhí)行機構的位置控制軟，可以使原數控

3、機床的擴充性及開放性更強，使數控編程更加方便、高效，也為將來數控機床的網絡控制打下基礎。本文著重闡述數控機床及及主-從式系統(tǒng)的概述；上位機與下位機間通訊接口及通訊模式的選擇；下位機硬件設計；步進電動機控制程序。關鍵詞：數控機床；開放式數控系統(tǒng)；電動機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 兩坐標經濟型數控機床的課題研究意義11.2 兩坐標經濟型數控機床的課題研究主要內容1第2章經濟型數控機床機械結構12.1 進給系統(tǒng)組成12.2 齒形帶傳動設計32.2.1 帶和帶傳動32.2.2 齒形帶的選擇42.3 步進電機的選擇62.3.1 步進電機概述72.3.2 步進電機的選擇92.4 絲杠螺母設計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及其校核12第3章 經濟型數控機床控制系

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 電路圖信號流程分析143.2 主要芯片功能介紹153.2.1 單片機簡介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 軟件整體結構214.1.1 子程序結構214.1.2 中斷軟件結構224.2 控制系統(tǒng)軟件插補原理224.2.1 直線插補原理224.2.2 圓弧插補原理25第五章 控制系統(tǒng)軟件部分285.1 機械加工主體運行程序285.1.1機械加工主體運行程序如下：285.1.2 直線圓弧插補主體運行程序285.2 第一象限到四象限直線插補主體加工子程序295.2.1第一象限直

12、線加工子程序305.2.2第二象限直線插補加工子程序31參考文獻34致 謝35附 錄36經濟型數控車床控制系統(tǒng)設計第1章 緒 論1.1 兩坐標經濟型數控機床的課題研究意義 經濟型數控機床具有經濟實用，結構簡單，操作方便，價格低廉的特點，它的特控制系統(tǒng)通常采用單片機（8位、16位、32位）作控制器，驅動電機采用步進電動機，多數采用開環(huán)控制，由于經濟型數控系統(tǒng)具有較高的性能價格比，因而廣泛地應用于機床產品的升級換代和普通普通機床的技術改造上。近年來，我國在經濟系統(tǒng)的研究開發(fā)和生產上投入了大量人力和物力，在經濟型數控機床領域里經歷了幾個五年計劃之后已經取得了可喜成果，經濟型數控機床在我國機床市場上占

13、有較大比重，成為我國制造業(yè)不可或缺的一部分。1.2 兩坐標經濟型數控機床的課題研究主要內容經濟型數控機床控制系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機8031作為控制系統(tǒng)CPU,需要擴展程序存儲器，數據存儲器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路，D/A轉換電路，串行接口電路等。經濟型數控機床驅動電機采用步進電機，多數采用開環(huán)控制，需要選擇和計算主要機械傳動部件，如滾珠絲杠，螺母副和步進電機等，繪制機床進給傳動機構裝配圖，繪制單片機控制系統(tǒng)的硬件線路圖。第2章經濟型數控機床機械結構2.1 進給系統(tǒng)組成數控機床是一種利用數控技術，準確地按照事先安排的工藝流程，實現規(guī)定加工動作的金屬切削機床，它主要由控制介質、數控

14、裝置、伺服機構、機床、測量裝置。各部分的工作原理簡述如下： 1、控制介質 進行數控機床加工時，需在任何機床之間建立某種聯系，以便機床正確的執(zhí)行認的意圖，這種進行聯系的中間介質機控制介質又稱為信息載體。信息以代碼的形式存儲在介質上，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準黑色穿孔紙帶。每行共9個孔，大孔為信息孔，其中1。33毫米；小孔為同步孔，其中1。17毫米。國際上通用的代碼為EIA代碼和IS0代碼。 2、計算機數控裝置 計算機數控裝置是數控裝置的核心，其絕大部分采用微型計算機控制；它有輸入設備、輸出設備、運算器、控制器和存儲器組成。 輸入設備即把控制介質上的信息翻譯成

15、計算機能夠識別的信息代碼并送到指定的存儲器中以便進行運算處理。 輸出設備即將經計算機處理過的信息代碼經過翻譯之后轉變成機床能夠執(zhí)行的指令和人能夠識別的信息符號。 運算器是對計算機中的信息進行算術或邏輯運算的器件。存儲器是用來存儲計算機所需的各種信息代碼的器件?？刂破魇怯脕砜刂朴嬎銠C內部的運算并按照一定的順序使各個部件協(xié)調工作的部件。 3、伺服機構 伺服構的作用是把數控裝蠱的運動指令轉變成機床移動部件的運動，使工作臺按照預先規(guī)定的軌跡運動，以便使加工出符合圖紙要求的工件。伺服機構由伺服控制電路、功率放大電路和伺服電機組成。常用的伺服電機有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機。 4、機床 數控機床

16、是高精度和高生產率的自動化加工機床，它具有更好的抗震性和剛度，相對運動面的摩擦系數小，進給傳動部份的間隙小的特點。 5、測量裝置 測量裝置江機床移動的實際位置、速度檢測出來轉變成電信號，并反饋至計算機中使計算機能隨時判斷機床的實際位置、速度與指令要求是否一致，并發(fā)出相應指令糾正所產生的誤差。2.2 齒形帶傳動設計帶傳動是利用張緊在帶論上的帶傳遞運動和動力；通常是靠帶和帶輪之間的摩擦力來傳遞動力的，也有靠帶和帶輪上的齒的嚙合來傳遞動力的例如：同步齒形帶。帶的形式有：三角形帶、平帶、同步齒形帶等。帶的傳動形式有：開口傳動、交叉?zhèn)鲃?、半交叉?zhèn)鲃?、張錦綸傳動。2.2.1 帶和帶傳動一、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帶的結構為：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高，傳動的中心距較小。 普通v帶有Y、Z、A、B、C、D、E七種型號。普通的V帶的承載層由膠簾布或者膠繩芯承擔；適合高速傳動。 2)平帶。膠帆布平帶強度高、價廉，在平帶中應用最多。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。在結構上代輪應易于制造，能避免由于鑄造而產生的內應

18、力，重量應輕。高速帶還要進行動平衡。帶輪通常按照此公式計算：輪寬的計算公式：B=(z-1)e+2f；z-為輪槽數，e-為槽間距，f-為第一個槽的中點至端面的距離。Do=D+2h。：D-帶輪計算直徑，h。-輪緣的齒頂高。 二、帶傳動 帶傳動的主要幾何參數有：中心距a：帶長L；帶輪直徑Dt，D。；包角dt。 帶傳動的力分析：帶傳動中呈環(huán)形，并以一定的拉力套在一對帶輪上，使帶和帶輪互相壓緊。當帶輪不工作時兩邊的拉力相等。工作時，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

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

20、W(K為同步齒形帶的工作系數)選擇帶型和節(jié)距p查相關的圖標進行選取傳動比iI=n1/n210齒數Z1、Z2Z 1Z min;Z 2=IZ 2(Z min為小帶輪的最小齒數，I為傳動比)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)帶長及其齒數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實際中心距AA=(L-d m)/4(L-d) 32-8 2) 1/2 /4小帶輪嚙合齒數Zm Zm=Z12一PZ1 (Z2-Z1)20a (圓整成整數)基本額定功率Po Po=(Fa-qv2) v1000 kWPo-同步帶基準寬度b。所能傳遞的功率Fa-基準寬度b。同步帶的許用拉力q-基準寬度為b。的同步帶質 量帶寬b B=b。(PC(KZP。) 1.14mm K。-嚙合齒數系數剪切應力計算=PC /(1.44mbzMu)103比壓驗算ppP=PC/(0.6mbSZ1Mu)103PP

22、-許用比壓軸上載荷F F =1000P N2.3 步進電機的選擇一、步進電動機及其發(fā)展 步進電動機又稱脈沖電動機或者稱為階躍電動機，目前，隨著電子技術、控制技術以及電動機本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)的電機分類的間界面越來越糊：步進電動機的傳統(tǒng)定義為，根據輸入的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進一定角度，若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定的狀態(tài)而靜止：廣義的定義為步進電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電動機，也可看作是在一定頻率范圍內轉速與控制脈沖頻率同步的電動機。 步進電動機的機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60年代后期，隨著永磁材料的發(fā)展，各種實用型

23、的步進電動機應運而生，半導體的發(fā)展使得步進電機得_至rJT廣泛的應用。我國的步進電機開始于21世紀50年代后期，其發(fā)展過程大致經歷了四個階段：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構開發(fā)并使用少量的步進電機，以多段結構三相反應式步進電動機為主：第二階段，70年代初期反映在步進電機的生產和研究發(fā)展到了一個較水平：第三階段，70年代中期至80年代中后期新品種高性能電動機層出不窮，各種混合式步進電動機及驅動器作為產品得到廣泛應用。二、步進電動機的特點 步進電機有三大部分組成：步進電動機本體、步進電動機控制器及步進電動機驅動器。其特點如下： 1)用數字信號直接進行開環(huán)控制，整個系

24、統(tǒng)簡單廉價。 2)位移與輸入脈沖數相對應，步距誤差不長期積累，可以組成結構簡單又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高時組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3)無刷，電動機本體部件少，可靠性高。 4)抑郁起動正反傳和變速停止，響應性好。 5)平滑性好，步距角選擇范圍大，停止時可有自鎖能力三、步進電動機的類型 從廣義上講步進電機的類型可分為：機械式、電磁式和組合式三大類型。從結構特點可分為：旋轉電動機包括反應式步進電動機(VR型)、永磁式步進電動機(PM型)、混合式步進電動機(HB型)：直線電動機包括VR型、PM型及HB型：下面分別介紹幾種典型性的步進電機的結構： 1HB型步進電動機的結構 HB型步進電機有

25、四部分組成：定子部件、轉子部件、機殼和端蓋。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確性轉子部件由轉子鐵心、永磁材料和軸組成。轉子鐵心通常也由硅鋼片組成，采用冷沖壓后疊壓成型。轉子鐵心必須選用耐磨材料而且磁損耗較?。簷C蓋的作用有三個：l)加強電機剛度2)保護電機3)構成定子鐵心的部分電路，機蓋一般為圓筒形，表面一般作防秀處理。端蓋起支撐轉子保證氣隙和通風散熱的作用，對機械加工的同軸度、圓柱度要求較高。 2vR型步進電機的結構 vR型步進電機的結構與HB型的結構相似，其不同之處在于轉子鐵心為一個鐵心，同

26、時轉子上不使用永磁材料。 3PM型步進電動機 其轉子由永磁材料和軸組成，轉子上沒有齒：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型直線步進電動機 PM型直線步進電動機由固定定子和可動轉子兩部分組成。其定子鐵心形成主磁路，相當于旋轉型的電動機的定子鐵心在一維空間展開。2.3.1 步進電機概述一、步進電機的工作原理 ， 步進電動機是一種將電的脈沖信號轉換成交位移活現位移的機電元件。通俗的講，就是外加一個脈沖信號于這種電動機時，它就運行這一步。步進電動機大致可以分為：反應式、永磁式、混合式和直線式四大類a下面以三相反應式步進電機為例，簡要說明步進電機的基本工作原理a 三相反應式步

27、進電機由定子和轉子組成。它的定子上有三對磁極，每一對磁極上繞有一相繞組，繞組通電時這兩個磁極的極性相反：三相繞組接成星形。轉子鐵心和定子極靴上有小齒，定子和轉子的齒距相等。 當某一向繞組通電時電動機內部建立以該繞組為軸線的磁場。由于定子和轉子上有齒和槽，所以當定子和轉子齒的相對位置不同時，磁路的磁導也不同，定轉子齒對齒處的極磁導為最大，定轉子齒對槽處的每個極磁導為最小。轉子的穩(wěn)定平衡位置是使通電相磁路的磁導為最大的位置，所以通電時，齒對齒的位置為平衡位置。 三相反應式步進電動機有A，B，C三相繞組，各相繞組的軸線夾角為120。：當A相極下定轉子齒對齒時：B相磁極上定子齒的軸線，沿ABC方向超前

28、轉子齒的軸線l3齒距：C相極下定子齒的軸線，沿ABC方向超前轉子齒的軸線23齒距。 在A相斷電的同時，給B相通電，則磁場空間轉過了l20。，轉子齒的軸線將力求與B相上的定子齒的軸線對齊以達到穩(wěn)定平衡位置。由于B相軸線還沒有與轉子齒的軸線對齊所以將對轉子產生一個逆時針方向的電磁力迫使轉子轉動以達到平衡位置：從而使電動機開始轉動起來。如果對A、B、C三相繞組按照一定的規(guī)律分時的通電則轉子可以連續(xù)的轉動起來，從而實現電信號轉化為機械信號即旋轉運動。改變通電的順序可以改變轉子的轉向，三相反應式步進電動機可以按照三相單三拍方式運行(ABCA)，每改變一次通電狀態(tài)電動機內磁場軸線轉過l20。，轉子轉過l3

29、齒距；也可以以三相雙三拍方式(ABBccAAB)運行，每改變一次通電狀態(tài)電動機內磁場軸線轉過l20。，轉子轉過l6齒距：也可采用三相六拍方式(AABBBCCCAA)運行，每改變一次通電狀態(tài)電動機內磁場軸線轉過60。，轉子轉過l6齒距。 從上面的分析可知：同一臺電機可以有不同的通電方式和不同的運行拍數。若用m表示運行拍數，z表示轉子齒數，則每改變一次通電狀態(tài)時轉子轉過角度的平均值稱為步距角，用表示，則：=360mzK 通電方式，相同時為1，不同時為2 從上是可以看出：轉子齒數，運行拍數不同時其步距角也是不同的。設步進電機的轉速為n(rrain)，f表示控制脈沖的頻率，0表示步距角則步進電機轉速計

30、算公式為 n=f6 由上式可以看出：當轉子的步距角一定時，步進電動機的轉速與輸入脈沖頻率成正比。二、步進電機的常用術語 1步距角 指每給一個電脈沖信號電動機轉子所應轉過的角度的理論值。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直流電時電磁轉距與失調角的關系：即： T=f() 5失調角 指轉子偏離零位時的角度。 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)，轉子在理想空載下的平衡位置 7最大靜轉距 距角特性上轉距最大值2.3.2 步進電機的選擇一、步進電機

31、的主要特性參數 1)步距角每輸入一個電脈沖信號，轉子所轉過的角度稱為步距角。步進電動機的步距角可按下式計算：=360mkz 式中 m-步進電機的相數： k-與通電方式有關的系數。當通電方式為單拍時，k=1：雙拍時，k=2。 z-步進電動機轉子的齒數： 2)靜態(tài)步距角誤差空載時，以單脈沖輸入，步進電動機的實際步距角與理論步距角的差值稱為靜態(tài)步距角誤差。它與步進電動機的制造精度有關，精度越高，誤差值越小。 3)最大靜轉距Tmax 當步進電動機不改變通電狀態(tài)，轉子不動時，在軸上加一負載轉距定子與轉子就有一個角位移，該角位移稱為失調角。轉子剛剛離開平衡位置的極限轉距值稱為最大靜轉距。靜轉距越大，步進電

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

33、證步進電動機的輸出轉距大于負載轉距，使電動機的距頻特性有一定裕量，以保證可靠運行，即在實際工作時，各種頻率下的負載轉距必須在距頻特性曲線范圍之內： 2)要求計算的機械系統(tǒng)負載轉動慣量與步進電動機轉子的轉動慣量相匹配，并有一定的裕量： 3)是最高頻率能滿足產品快速移動的要求： 4)使步進電動機的步距角與機械系統(tǒng)相匹配，區(qū)得到擊穿的脈沖當量2.4 絲杠螺母設計 滾珠絲杠螺母副由專門的工廠制造，當類別、型號選定和校核后，可以外購。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)列數與圈數、預緊方式；鋼球循環(huán)方式又可以分為：內循環(huán)反向器式和外循環(huán)插管式；預緊方式也可以分為：單螺母和雙螺母滾珠絲杠

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滾珠絲杠螺母副。滾珠絲杠的精度等級有：1，2，3，4，5，7，l0七個精度等級 鋼珠在絲杠和螺母之間的滾動是一個循環(huán)閉路。鋼珠的每一個循環(huán)閉路稱為列，每個鋼珠循環(huán)閉路內所含導程數稱為圈數。內循環(huán)滾珠絲杠副的每個螺母有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，可以加預緊力，使它在過盈的條件下工作，這種工作方式稱為預緊。常用的預緊方式有：雙螺母墊片式預緊、雙螺母螺紋式預緊、雙螺母齒差式預緊，預緊后的剛度可以提高兩倍。但是預緊力過大，絲杠的壽命2.4.1 滾珠絲杠螺母副類

35、型選擇主要的參數及代號 1滾珠絲杠副的主要參數 (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。數控機床上常用的進給絲杠的直徑為：30 mm至80mm。 (2)基本導程L0。絲杠相對于螺母旋轉2rad時，螺母的軸向位移。基本的導程稱為螺距。它按程載力選取，并與進給的脈沖當量有關。 (3)精度等級。滾珠絲杠可以分為7個精度等級，即I、2、3、4、5、7、10七個精度等級，1級最高，其次遞減。一般選用4級7級，數控機床及精密機械可選用2級3級。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量指標。 2滾珠絲杠副代號的標注 滾珠絲杠

36、副的標注順序為：循環(huán)方式、預緊方式、結構特征、公稱直徑、公稱導程、螺紋旋向、負載鋼球圈數、類型、精度等級。例如：CDMSOl0一3一P3，其中c表示外循環(huán)方式，D表示雙螺母墊片預緊方式，M表示導珠管埋入式，50表示公稱直徑，3表示負載鋼球圈數，P表示選用定位滾珠絲鋼副，3表示精度等級為3級。2.4.2 滾珠絲杠螺母副型號及其校核一、最大工作載荷計算 絲杠上的工作載荷FM是指滾珠絲鋼負載驅動工作臺時滾珠絲鋼所承受的軸向力，也叫進給牽引力。它包括三個力：滾珠絲鋼的走刀抗力、工件的重力、作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。矩形導軌的工作載荷FM的計算公式為： FM=KFL+f (FV+FC+G)

37、 其中：FL為工作臺的進給方向的載荷；FV為垂直方向的載荷；FC為橫向的工作載荷。對不同的導軌，工作載荷的計算公式是不同的，實驗系數K和導軌上的摩擦系數f 也是不同的。二、最大動載荷的計算及主要尺寸的初選 滾珠絲杠的最大載荷c可用下列公式計算：C=L fmFm式中：L為工作壽命，單位106r，L=60ntl06：n為絲杠轉速(rmin)n=i000vL0：v為最大切削力條件下的進給速度(mmin)，可取最高進給速度的l213：L0為絲杠基本導程(m)：t為額定使用壽命(h)，可取t=15000h：fm為運轉系數，無沖擊時l12，一般情況下取1215有沖擊振動時取l525：Fm滾珠絲杠工作載荷(

38、N)。選尺寸時，額定動載荷需大于最大動載荷。三、傳動效率的計算 用查表法選型號查出；0為摩擦角；滾珠絲杠副的傳動效率較高，一般在08O9之間。四、剛度的驗算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導程發(fā)生變化，從而影響定位精度和運動平穩(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 滾珠絲杠的扭轉變形較小可以忽略不計，螺母座的只要設計合理，器變形量也可以忽略不計。對于軸承的軸向接觸變形，只要滾珠絲杠支承的剛度設計的好，軸向接觸變形也可以忽略不計。 1絲杠的拉壓變形量的計算11=FmLEA(mm) 式中

39、：為在工作載荷Fm作下絲杠總長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度(mm)；E為材料彈性模量，E=206104Mpa；A為按內徑確定的橫截面積(mm 2)“+”號用于拉伸；“一”用于壓縮。 2滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2 無預緊時 2=00038(FmZ) 2D，) 1/3。(mm) 有預緊時 2=0O013Fm(DwFzyZ2) 1/3(mm) 式中：Dw為滾珠直徑(mm)；Z：滾珠總數量Z=z圓數列數；Z為滾珠一圈的滾珠數，z=dM /dW(外循環(huán))，z=(dmDw)一3(內循環(huán))；dm為滾珠絲杠的公稱直徑(mm)；Fyj，為預緊力；F

40、m為滾珠絲杠工作載荷。 3滾珠絲杠副剛度的驗算 絲杠的總變形量=1+2應小于允許的變形量。 五壓桿穩(wěn)定性驗算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向力過大時，使絲杠失去穩(wěn)定而產生縱向彎曲即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷Fk為：Fk=fZ 2EIL2 (N) 式中：E為杠材料彈性模量，對于鋼E=206104Mpa；I為截面慣性距，對絲杠圓截面I= d4164(mm)(d1為絲杠底徑)；L為絲杠最大工作長度(mm)fz為絲杠支承方式系數。 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n。：若n。大于許用安全系數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應注意以下幾

41、點。 1絲杠不能外露； 2螺母在有效行程內配置限位裝置以避免滾珠流失； 3滾珠絲杠必須潤滑，常用鋰樹脂。第3章 經濟型數控機床控制系統(tǒng)硬件電路3.1 硬件控制電路的組成從1974年微處理機問世以后，微處理機為基礎的微型計算機數控(MNC)取代了小型計算機數控?，F在所說的(MNC)即CNC裝置，其主要分為兩種形式：一種是單個CPU組成的控制系統(tǒng)，另一種是由兩個或兩個以上的CPU組成的多微處理器系統(tǒng)。經濟型數控機床大多數采用一個CPU完成機床的控制。3.1.1 硬件電路的組成 經濟型數控機床由一個8031單片機、一個74LS373地址鎖存器、一個74LSl38地址譯碼器兩個2764EPROM存儲器

42、、兩個8155接口芯片、光電各電路、功率放大電路、Z向電機和x向電機等組成。3.1.2 電路圖信號流程分析經濟型數控機床依靠輸入的程序指令來實現對零件進行各種形狀的加工，各種指令在計算機中是以信號的形式存在的；下面就簡要分析一下經濟型數控機床的電路圖的信號流程： 一、信號的采集 本電路的信號采集有兩個地方：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應的二進制代碼后，即可完成信息的采集。2)計算機鍵盤，在鍵盤上分別輸入各條指令的助記符，計算機會根據鍵盤上輸入的字符撲做相應的二進制代碼信息，然后進行傳送、處理等操作。 二、信號的輸入 當信息被輸入后，

43、就要進行信號的傳輸了。信號的傳輸通過地址線和數據線進行傳輸，控制線控制相應信號的各種動作。本電路圖通過8031的Pl口和8255(2)的PC口相連的部分；信號以低電平的形式被采集，以高電平的形式被傳輸；因為當某一路的信息被采集后則相應的線路就被導通，這時，8031的Pl口的相應位變?yōu)楦唠娖剑盘柧捅粋鬏數搅?031的Pl口。 三、信號的處理 當指令信號被輸入到8031后，接著就要進行信號的算術邏輯運算處理了，計算機通過Ax進行算術邏輯運算，在控制器的控制下進行，將處理過的信號變成各種相應指令控制計算機完成該指令的功能。同時對外界做出相應的反應，使數據存儲器和程序存儲器與之保持相應的協(xié)調一致。

44、四、信號的輸出。 信號被處理后便可以輸出了；信號的輸出有兩個方向：l)信號直接輸入到8255(2)接口以控制x電機和Z電機做出相應的動作，從而達到加工出相應零件的目的。2)信號也可以在地址鎖存允許信號ALE的控制之下，被輸入到相應的數據存儲器或者數據存儲器中，以便下次調用或者程序的備份。 五、單片機數控系統(tǒng)的電路圖的特點 經濟型數控機床控制系統(tǒng)電路圖與普通機床相比較有如下特點： 1.提高了生產效率 用該系統(tǒng)加工零件可以降低對工件加具的要求，又免去了劃線工作，可是加工鎮(zhèn)被時間大大減少。在加工過程中，又有較高的重復精度，節(jié)省了對零件的檢驗時間；在零件的改型時只需更換指令程序即可，節(jié)省了準備和調整時

45、間。 2.采用開環(huán)控制系統(tǒng) 采用開環(huán)控制系統(tǒng)可以實現對零件的精確控制，減輕勞動強度，改善勞動條件，簡化了工人的操作從而降低了對工人的加工技術水平的要求。 3.有利于產品的更新換代 在產品的更新換代時只需更換相應的加工程序即可，無需制造、更換夾具和模具，更不需用直接調整機床了。3.2 主要芯片功能介紹3.2.1 單片機簡介8031單片機8031單片機的基本特征：8031單片機是美國INTEL公司的產品MCS一51單片機的一個型號，是目前性能較高的8位單片微型計算機。8031單片機內部包含一個8位PROG，128字節(jié)的RAM，兩個16位定時器，4個8位并行接口，一個全雙功能串行口，可擴展的外圍程序

46、存儲器和俄數據存儲器的容量各64K字節(jié)，具有5個中斷源并配有兩個優(yōu)先級，還有21個特殊功能寄存器。3.2.2 管腳功能及使用特性8031單片機是一個有40根引腳的雙列直插式器件，引腳圖如圖3-1，其引腳功能說明如下：圖3-1 8031單片機示意圖 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，既是數據線，又是8位地址線，分時使用。 P1口：8位雙向I/O口，專供用戶使用，此處為技術人員進行數據輸入端口及結果的輸出端口 P2口：8位雙向IO口，系統(tǒng)外圍存儲器擴展時，律高8位地址線使用， 系統(tǒng)不需要擴展時，也可以供用戶使用。 P3口：8位雙向IO口，是一個雙功能口，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，定時器0外圍輸入端； P35-Tl，定時器l外圍輸入端； P36-wR，寫信號； P37-RD，讀信號； ALEPROG：訪問外圍存儲器時，用于鎖存地址低8位字節(jié)地址鎖存允許輸出。ALE提供一個定時信號，在外為存儲器存取數據時把P0口的低位地址字節(jié)鎖存到外界的鎖存器中。這個引腳也是EPROM編程時的編程脈沖輸入端(PROG)。 PSEN：程序鎖存允許輸出，是外圍程序存儲器的讀選通信號

48、。 EAVPP：EA為高電平時，CPU執(zhí)行內部程序存儲器的指令。EA為低電平時CPU執(zhí)行外部承襲存儲器的指令。使用8031單片機時，EA必須接地。 XTALl：振蕩器的反向放大器輸入，使用外部振蕩器時必須接地； XTAL2：振蕩器的反向放大器輸出，使用外圍振蕩器時，接收外圍振蕩信號； RESETVPD：復位控制信號，在振蕩器運行時，使RESET腳至少保持兩個機器周期為高電平時，可實現復位操作。在電源關斷之前加上掉電保護電路，RAM的內容將不會丟失。 2、存儲器擴展電路 8031單片機沒治師28字節(jié)的RAM，沒有ROM機床數控系統(tǒng)需要的程序存儲器和數據存儲器的容量較大，必須外接程序存儲器(EPR

49、OM)和數據存儲器(RAM)芯片。 (1)程序存儲器的擴展 常用的EPROM存儲器有：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條數據引腳(D7至DO)，2個電壓輸入端Vpp和Vce，除此之外，還有l(wèi)個芯片允許端CE和編程脈沖控制端PGM (II)地址鎖存器74L8373 如圖3-2，74L8373是一個帶三態(tài)門的8D鎖存器，他作為8031外部的一個擴展輸出口；其工作原理：當8031把數據準備好

50、后，便通過ALE發(fā)出一個控制信號加到373的G端，即鎖存控制端，使數據鎖存在373中。 圖3-2 地址鎖存器74L8373示意圖 單片機規(guī)定P0口提供地8位地址線，同時又要作數據線，所以P0是一個分時輸出地8位地址和數據的通道口。為了把地址信息分離出來保存，提供外界存儲器的低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單片機的地址瑣存信號ALE連接。當選通端G=1時，74L8373的輸出端與輸入端相同，當G端從高電平返回低電平時，輸入的地址信息就被鎖入lQ至8Q中。 2764EPROM程序存

51、儲器、74L8373鎖存器和8031連接見圖紙，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8031的P20至P24端口直接連接。8031的地址鎖存允許信號ALE和74LS373的選通端G連接，當ALE=1時，則PO口輸出地址有效，當ALE=0時，P0口可作數據通道；當ALE有高電平返回低平時，低8位地址信息被鎖存到輸出端lQ至8Q。存儲器2764得出位數據線直接與8031的P0口連接，2764的輸出允許端直接與8031的程序存儲器允許輸出端PSEN，當PSEN=0是允許取址。由于8031單片機只能選通外圍程序存儲器，所以隊引腳

52、必須接地。 (2)數據存儲器擴展 由于單片機8031內部RAM只有128字節(jié)，不能滿足系統(tǒng)的要求，故要擴展外圍數據存儲器。常用的數據存儲器有6116和6264靜態(tài)RAM數據存儲器，其容量分別為2K和8K字節(jié)。此經濟型數控機床所用的是6264靜態(tài)RAM芯片。 a)6264靜態(tài)RAM芯片介紹6264引腳圖見圖紙，各引腳功能如下： A0至Al2-地址線，共13根； D1至D8-數據線，共8根； CEl、CE2-片選信號端，選通時CEl是低電平，CE2是高電平； OE-輸出允許(讀)信號； WE-寫信號； VCC- +5V電源： GND-地電平 b)74LSl38地址譯碼器及譯碼電路在單片機應用系統(tǒng)中

53、，所有外圍芯片都通過總線與單片機連接。單片機數據總線分時的與各個外圍芯片進行數據傳送，故要進行片選控制。若芯片內有多個地址單元時，還要進行片內地址選擇。8031單片機應用系統(tǒng)的地址譯碼規(guī)定，外圍擴展芯片與數據存儲器統(tǒng)一編址，所以外圍芯片不僅占用數據存儲器一定數量的地址單元，而且要使用讀寫信號與讀寫指令。 本數控硬件結構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作為片選線連至每個外圍芯片的片選端。 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單片機的P25、P26、P27三根高位地址線，剩余l(xiāng)3根地址線用作數據存儲器的內地址線。138譯碼器每一個輸出端可接8一個外圍芯片的片選端實現分時片選控制，因此，一個138譯碼器的8根輸出端可以連接8個8K字節(jié)地址空問。本電路中GA、GB、GND接地，只要P25、P26、P27產生信號是就會有相應的輸出片選信號。(3)數據存儲器擴展電路 6264總共13根地址線，其中地8位地址線通過地址鎖存器74LS373與8031單片機的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、數字、采集、圓直等按鈕。 啟停按鈕啟動和停止加工程序。 數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，將模擬量轉化為計算機能夠識別的數字量。 圓直按鈕用于選擇圓弧加工或者直線加工的程序。 4、與強電接口 對機床的強電控制主要包括主軸電機的啟動、停止、調速以及了冷卻泵、液壓泵等電機的起、停和刀架轉位換刀操作。 通常在在高壓大電流條件下工作，很容易對計算機造成干擾。所以這

56、類接口電路有兩個特征： 1)計算機輸出的信號須經功率放大后才能使用。 2)為防止強電干擾，要進行嚴格的隔離；須加光電隔離電路。 本電路采用8255(2)接口電路的PA口并將其設置成輸出方式，由80331單片機的RD、WR、ALE控制8255(2)的電機運動，譯碼器138的Y4直接控制8255(2)的動作。 5、鍵盤顯示器接口電路鍵盤和顯示器是數控系統(tǒng)常用的人機對話的外圍設備，鍵盤可完成數據程序的輸入，顯示器可以顯示計算機運行時的狀態(tài)數據。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接口芯片簡介,圖3-3是8155芯片結構圖。圖3-3 8155接口芯片簡介81

57、55芯片內含有256字節(jié)的靜態(tài)RAM，兩個8位的并行口PA和PB，一個6位并行口PC，工作方式可由程序控制，另外還有一個14位計數器，可以對輸入脈沖進行減法技術。引腳TIMIN為定時器始終輸入端，由外圍輸入時鐘脈沖；TIMOUT為定時器輸出端。定時器啟動后，能對輸入端的脈沖進行計數，當減法計數器減至零時，在TIMOUT端輸出一個脈沖信號。ADO-AD7是數據、地址線，因為芯片內含有地址鎖存器，故既能傳遞地址信息，又能傳遞數據信息。 2）盤接口電路 鍵盤接口電路見步進電動機控制線路原理圖的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部存儲器，敢I0M引腳直接

58、接8031芯片的P2OA8。8155的地址、數據線和8031的P0接口直接連接，由8031的地址鎖存信號ALE控制實現分時信息傳遞。片選信號端CE棱74LSl38譯碼器的輸出端Y4端口，當Y4=1時，選中8155芯片。 鍵盤排成4行6列，共24個鍵。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根列線按一定的時間間隔輪流的輸出低電平。當掃描到某一列線上時，若無鍵按下，則行線為高電平；若有鍵按下時，則交叉點上對應的行線變?yōu)榈攸c平。這個低電平信號被計算機撲獲后，據此間對應的航線和列線的位置，計算機可以判斷出鍵值，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 軟件整體結構經濟型數控系統(tǒng)是一個實時計算機控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的功能由各功能子程序實現的，例如：機械加工主體運行程序、輸入輸出數據處理程序、插補程序，位置控制程序、進給速度的計算等。4.1.1 子程序結構開機后，當運行程序時，先運行主體程序，再運行時，先判斷各種控制條件，若符合某一個條件或幾個控制條件，則轉入到相應的功能子程序中運行該子程序，下面圖4-1是程序結構框圖圖4-1 程序結構框圖經濟型數控系統(tǒng)系統(tǒng)軟件結構框圖見圖紙。4.1.2 中斷軟件結構在這種結構中，除了初始化程序外，整個系統(tǒng)是一個中斷控制系統(tǒng)。各種功能子程序都按照一定的級別進行安排運行。如工件程序

60、的輸入、編譯、譯碼、數據處理、插補賀詞副控制等。中斷型軟件結構一般都采用模塊化設計。便于修改和擴充，編制較為方便。更重要的是這種結構便于向多處理機方向發(fā)展。4.2 控制系統(tǒng)軟件插補原理在輪廓控制的數控系統(tǒng)中必須控制刀具沿指定的路徑運動，切削工件輪廓，并且要保證切削過程中每一點的精度和表面質量。這種控制系統(tǒng)由插補器和步進電機組成。所謂的插補是指用一小段直線或圓弧來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)的插補器由軟件實現。下面對插補原理作以簡單的介紹。4.2.1 直線插補原理1偏差計算公式 按逐漸比較法的原理，每走一步必須把懂點的實際位置與給定軌跡的理想為之間的誤差一以插的形式計算出來，然