CA6140數(shù)控車床改造設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū).doc

設(shè)計(jì)題目：CA6140車床的數(shù)控化改造 專 業(yè)： 設(shè) 計(jì) 者： 指導(dǎo)老師： 年 月 日 摘 要 普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造主要是在合理選擇數(shù)控系統(tǒng)的前提下，然后再對(duì)普通車床進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋C(jī)械改造，改造的內(nèi)容主要包括： (1) 床身的改造，為使改造后的機(jī)床有較好的精度保持性，除盡可能地減少電器和機(jī)械故障的同時(shí)，應(yīng)充分考慮機(jī)床零部件的耐磨性，尤其是機(jī)床導(dǎo)軌。 (2) 拖板的改造，拖板是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對(duì)象，所以對(duì)其改造尤顯重要。這中間最突出一點(diǎn)就是選用滾珠絲杠代替滾動(dòng)絲杠，提高了傳動(dòng)的靈敏性和降低功率步進(jìn)電機(jī)力矩?fù)p失。 (3) 變速箱體的改造，由于采用數(shù)控系統(tǒng)控制，所以要對(duì)輸入和輸出軸以及減速齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而再對(duì)箱體進(jìn)行改造。 (4) 刀架的改造，采用數(shù)控刀架，這樣可以用數(shù)控系統(tǒng)直接控制，而且刀架體積小，重復(fù)定位精度高，安全可靠。 通過(guò)對(duì)機(jī)床的改造并根據(jù)要求選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，這樣改造后的機(jī)床就能基本滿足現(xiàn)代化的加工要求。 關(guān)鍵字：普通車床 數(shù)控改造 步進(jìn)電機(jī) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控刀架一 緒 論我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從1958年開(kāi)始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至80年代后引進(jìn)了日本、美國(guó)、西班牙等國(guó)數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國(guó)的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開(kāi)，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。 由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)需求變的越來(lái)越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，普通機(jī)床已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造。 機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)點(diǎn)：（1）改造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機(jī)床原有的功能和改造后的新增功能，提高了機(jī)床的使用價(jià)值，可以提高固定資產(chǎn)的使用效率；（2）適應(yīng)多品種、小批量零件生產(chǎn)；（3）自動(dòng)化程度提高、專業(yè)性強(qiáng)、加工精度高、生產(chǎn)效率高；（4）降低對(duì)工人的操作水平的要求；（5）數(shù)控改造費(fèi)用低、經(jīng)濟(jì)性好；（6）數(shù)控改造的周期短，可滿足生產(chǎn)急需。因此，我們必須走數(shù)控改造之路。普通車床（如C616，C618，CA6140）等是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床。普通機(jī)床刀架的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)掛輪傳遞而來(lái)，通過(guò)進(jìn)給箱變速后，由光杠或絲杠帶動(dòng)溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動(dòng)。進(jìn)給參數(shù)要靠手工預(yù)先調(diào)整好，改變參數(shù)時(shí)要停車進(jìn)行操作。刀架的縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)不能聯(lián)動(dòng)，切削次序也由人工控制。 對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改為用微機(jī)控制的、能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動(dòng)換刀的回轉(zhuǎn)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。由于加工過(guò)程中的切削參數(shù)，切削次序和刀具都會(huì)按程序自動(dòng)調(diào)節(jié)和更換，再加上縱向和橫向進(jìn)給聯(lián)動(dòng)的功能，數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實(shí)現(xiàn)多工序自動(dòng)車削，從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度，也能適應(yīng)小批量多品種復(fù)雜零件的加工。二 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 總體方案設(shè)計(jì)要求本課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐。將CA6140型普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)CA6140車床原有功能，在機(jī)床的精度、性能等方面除保持原來(lái)狀況外還有所提高。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中滿足以下幾點(diǎn)要求：X軸（橫向）、Z軸（縱向）改為微機(jī)控制，采用步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)。X軸（橫向）脈沖當(dāng)量：0.005mm/脈沖Z軸（縱向）脈沖當(dāng)量：0.010mm/脈沖實(shí)現(xiàn)功能：車削外圓、端面、圓弧、圓錐及螺紋加工操作要求：起動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、單步運(yùn)行、自動(dòng)循環(huán)、暫停、停止。 2.2 CA6140車床改造的總體方案 由于是經(jīng)濟(jì)性數(shù)控改造,所以在考慮具體方案時(shí),基本原則是在滿足使用要求前提下,對(duì)機(jī)床改動(dòng)盡可能少,以降低成本。 根據(jù)CA6140 車床有關(guān)資料以及數(shù)控機(jī)床的改造經(jīng)驗(yàn),確定總體方案為：采用以8031單片機(jī)為核心的數(shù)控裝置控制加工過(guò)程。微機(jī)通過(guò)I/O接口發(fā)出步進(jìn)脈沖，經(jīng)過(guò)光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路，驅(qū)動(dòng)控制線路接受來(lái)自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使工作臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。為加工螺紋,在主軸上加裝主軸脈沖編碼器。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流較大，如果將I/O輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響單片機(jī)程序運(yùn)行，重則導(dǎo)致單片機(jī)接口電路的損壞，所以在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。其總體改造方案結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2-1所示。進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案框圖如圖2-2所示： 圖2-1 數(shù)控車床的總體改造方案結(jié)構(gòu)示意圖圖2-2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案框圖 總體框架說(shuō)明： 微機(jī)：可采用8031單片機(jī)，可滿足該系統(tǒng)的控制要求。 光電隔離：作用是能夠隔離外部干擾信號(hào)對(duì)微機(jī)的信號(hào)沖擊，提高 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 主軸脈沖編碼器：作用是實(shí)現(xiàn)螺紋加工。 橫（縱）向工作臺(tái)：是由CA6140改造而來(lái)，拆除原來(lái)的絲桿，溜板箱，變速箱等。 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器要能夠達(dá)到0.005mm的加工精度要求。 三 車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分改造設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分改造設(shè)計(jì) 進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)需要改動(dòng)的主要部分有掛輪架、進(jìn)給箱、溜板箱、溜板刀架等。改造的方案不是唯一的，以下是其中的一種方案： (1) 主傳動(dòng)系統(tǒng)保留原機(jī)床的主軸手動(dòng)變速。改造后使其主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離，主電機(jī)的作用僅為帶動(dòng)主軸旋。增加一只電磁離合器，用以接收數(shù)控系統(tǒng)的停機(jī)制動(dòng)信號(hào)以控制原制動(dòng)裝置制動(dòng)停車。加工螺紋或絲杠時(shí)，為保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀具準(zhǔn)確移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，需拆除掛輪架系統(tǒng)，在原掛輪主動(dòng)軸處安裝光電脈沖編碼器，作為主軸位置信號(hào)的反饋元件。脈沖編碼器采用異軸安裝，意在實(shí)現(xiàn)角位移信號(hào)傳遞的同時(shí)，又能吸收車床主軸的部分振動(dòng)，從而使主軸脈沖編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，傳遞信號(hào)準(zhǔn)確。 (2) 進(jìn)給系統(tǒng)原機(jī)床的掛輪機(jī)構(gòu)、進(jìn)給箱、溜板箱、滑動(dòng)絲杠、光杠和操作杠全部拆除，縱向進(jìn)給系統(tǒng)以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，經(jīng)一級(jí)齒輪減速轉(zhuǎn)矩增大后，由滾珠絲杠傳動(dòng)。滾珠絲杠仍利用原絲杠位置，其螺母副通過(guò)托架安裝在床鞍底部，滾珠絲杠兩端加裝接套、接桿及支承。與床身尾部步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)接。步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后和滾珠絲杠用套筒聯(lián)軸器連接。橫向進(jìn)給系統(tǒng)中保留原手動(dòng)構(gòu)，將原橫溜板的絲杠的螺母拆除，改裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副、橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。 3.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì) 3.2.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動(dòng)刀架橫向運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板后端，用法蘭盤(pán)將步進(jìn)電機(jī)與車床大拖板連接起來(lái)，以保證同軸度，提高傳動(dòng)精度。其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3-1所示。 圖3-1 橫向結(jié)構(gòu)示意圖3.2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算已知條件：工作臺(tái)重（根據(jù)圖紙粗略計(jì)算） W=30kgf=300N時(shí)間常數(shù) T=25ms滾珠絲杠基本導(dǎo)程 L=4mm左旋行程 S=230mm脈沖當(dāng)量 =0.005mm/step步距角 =0.75 /step快速進(jìn)給速度 max=1mm/min （1）切削力計(jì)算 查參考文獻(xiàn)1可得知，橫向進(jìn)給量為縱向的1/21/3,取1/2,則切削力約為縱向的1/2，F(xiàn)=(1/2)152.76=76.38kgf=763.8N （3-1）在切斷工件時(shí)：F=0.5F=0.5076.38=38.19kgf=381.9N （3-2） （2）滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌：P=KFy+f(Fz+W) （3-3）取K=1.4 f=0.2,則 P=1.438.19+0.2（76.38+30） =74.74kgf=747.4N （3-4）壽命值L =13.5 （3-5） 最大動(dòng)負(fù)載 Q=1.2174.74=213.55kgf=2135.5N （3-6）根據(jù)最大動(dòng)負(fù)荷Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào)。查參考文獻(xiàn)2可知，選用型號(hào)為WL2004-2.5X1B左，其額定動(dòng)負(fù)荷為6100N，所以強(qiáng)度足夠用。 效率計(jì)算螺旋升角=339，摩擦角=10則傳動(dòng)效率 =0.956 （3-7） 剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量L=5.9610-6cm （3-8）滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量L2很小，可忽略，即：L=L。所以，導(dǎo)程變形總誤差為 =L=5.9610-6=14.9m/m （3-9） 查表知E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差1m長(zhǎng)為15m/m，故剛度足夠。 穩(wěn)定性驗(yàn)算由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來(lái)的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不用驗(yàn)算。 (3) 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算 a.有關(guān)齒輪計(jì)算 傳動(dòng)比 i= （3-10） 故取Z=18 Z=30 m=2mm b=20mm =20 d=36mm d=60mm d=40mm d=64mm a=48mm b.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JI=（）2W=（）2300.01=0.0439kgfcm2 （3-11）絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JS=7.810-42450=0.624kgfcm2 （3-12）齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=7.810-43.642=0.262kgfcm2 （3-13）J=7.810-4642=2.022kgfcm2 （3-14）電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J= =1.258kgfcm2 （3-15）c所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算n=41607r/min （3-16） M=Nm=2.23kgfcm （3-17） （3-18）m=0.1775kgfcm （3-19） = （3-20） (3-21) (3-22)所以，快速空載啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩 (3-23) 切削時(shí)所需力矩： (3-24) 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩： （3-25） 從以上計(jì)算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)，=2.633kgfcm=26.33Ncm3.2.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 （3-26）電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，可知： （3-27）所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為： （3-28）步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 （3-29）為了便于設(shè)計(jì)和計(jì)算，選用110BF003型三相六拍步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求。3.3 縱向進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)3.3.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)拆除原機(jī)床縱向進(jìn)給部分的進(jìn)給箱、溜板箱、滑動(dòng)絲杠、光杠等，在原安裝絲杠托架處布置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和減速箱。則步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)大拖板左右移動(dòng),步進(jìn)電機(jī)安裝在縱向絲杠的右端。其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3-2所示。 圖3-2 縱向結(jié)構(gòu)示意圖 3.3.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 已知條件： 工作臺(tái)重（根據(jù)圖紙粗略計(jì)算） W=30kgf=300N 時(shí)間常數(shù) T=25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程 L=4mm左旋 行程 S=650mm 脈沖當(dāng)量 =0.010mm/step 步距角 =0.36 /step 快速進(jìn)給速度 max=2mm/min (1)切削力的計(jì)算最大切削功率:W1L2005 P切=P主 則P切=（7.50.8）kW=6kW切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力（或轉(zhuǎn)矩）和最大切削速度（或轉(zhuǎn)速）來(lái)計(jì)算，即 P切=在一般外圓車削時(shí)，F(xiàn)f=(0.10.55)Fc ,Fp=(0.150.65)Fc，取 Ff=0.48Fc=0.483600N=1728N Fp=0.58Fc=0.583600N=2088N (2)滾珠絲杠副的計(jì)算和選型縱向進(jìn)給為綜合性導(dǎo)軌，則絲杠軸向進(jìn)給切削力。其中K=1.15，取f=0.16，則最大切削力下的進(jìn)給速度可取最高進(jìn)給速度的1/21/5（取為1/2），縱向最大進(jìn)給速度為0.6m/min，絲杠導(dǎo)程L0=6mm，則絲杠轉(zhuǎn)速為 (2）滾珠絲杠副的計(jì)算和選型絲杠使用壽命時(shí)間取為T=15000h。則絲杠的計(jì)算壽命L為根據(jù)工作負(fù)載Fm、壽命L，則滾珠絲杠副承受的最大動(dòng)載荷Cm，取fw=1.2，fa=1由Cm參照某廠滾珠絲杠副產(chǎn)品樣本，可采用W1L4006外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動(dòng)負(fù)載為16400N，強(qiáng)度足夠用，精度等級(jí)選為5級(jí)。其幾何參數(shù)如下：公稱直徑d0=40mm，導(dǎo)程L0=6mm，螺紋升角 ，鋼球直徑dW=3.969mm，螺桿內(nèi)徑d1=35.984mm。校驗(yàn)絲杠螺母副的傳動(dòng)效率支承間距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。絲杠的變形量計(jì)算如下：滾珠絲杠截面積,按絲杠螺紋的底徑確定:工作負(fù)載Fm引起的導(dǎo)程L0的變化量L0可用下式計(jì)算 則絲杠的拉伸后壓縮變形量1由于兩端均采用角接觸軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)緊，故其拉壓剛度可比一端固定的絲杠提高4倍。其實(shí)際變形量為滾珠與螺紋滾道間接觸變形2因絲杠加有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向最大負(fù)載的1/3時(shí)，可減少一半，因此實(shí)際變形量為：支承滾珠絲杠的軸承為8107型推力球軸承，幾何參數(shù)為：d1=35mm，滾動(dòng)體直徑，滾動(dòng)體數(shù)量。軸承的軸向接觸變形1因施加預(yù)緊力，故實(shí)際變形量根據(jù)以上計(jì)算，總變形量為三級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差為15um/m，故剛度足夠。因?yàn)闈L珠絲杠兩端都采用推力球軸承并預(yù)緊，因此不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需做穩(wěn)定性校核。 (3) 減速齒輪設(shè)計(jì) 根據(jù)給定的縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量0.02mm，滾珠絲杠導(dǎo)程L0=6mm，及初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)距角1.50，可計(jì)算出傳動(dòng)比 選取齒輪齒數(shù)為z1=40、z2=40，模數(shù)m=2. 3.3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇根據(jù)計(jì)算及綜合考慮，縱向進(jìn)給系統(tǒng)選用150BF002型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 3.4 主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主軸系統(tǒng)仍采用原電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，只是安裝一個(gè)光電編碼器，通過(guò)主軸編碼器數(shù)控系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)工件轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀具進(jìn)給一個(gè)導(dǎo)程的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以便完成車削螺紋運(yùn)動(dòng)。 3.4.1 主軸箱的改造 1.通過(guò)帶傳動(dòng)進(jìn)行主傳動(dòng)； 2.把原先的雙向摩擦片離合器換成電磁離合器； 3.采用異軸安裝主軸脈沖編碼器。 3.4.2 主傳動(dòng)形式的選擇 通過(guò)帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)（圖3-3）主要應(yīng)用在小型數(shù)控機(jī)床上,可以避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)與噪聲,但它只適用于低轉(zhuǎn)矩特性要求的主軸。其中，同步帶它利用帶上齒輪的齒依次嚙合傳遞動(dòng)力，兼有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)精度高；另外同步帶的強(qiáng)度高，厚度小，重量輕，可用于高速傳動(dòng)（速度可達(dá)50m/s）；齒形帶無(wú)需特別張緊，作用在軸和軸承上的載荷上，傳動(dòng)效率較高，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小，維修保養(yǎng)方便，不需潤(rùn)滑，在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用漸廣。 圖3-3 改造后的主軸帶傳動(dòng)系統(tǒng) 3.4.3電磁離合器的選擇 由于原先主軸上的雙向摩擦片離合器只能起到控制車床主軸起停和正反轉(zhuǎn)在數(shù)控改造后不能接收數(shù)控系統(tǒng)的停機(jī)制動(dòng)信號(hào)以控制原制動(dòng)裝置制動(dòng)停車，所以需要把原先的雙摩擦片離合器換成安裝尺寸一樣的電磁離合器，故選用DLM5有滑環(huán)濕式多片電磁離合器。 3.4.4 主軸脈沖編碼器 數(shù)控車床車螺紋時(shí),主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)車刀移動(dòng)一個(gè)螺矩(單頭)，主軸與絲杠應(yīng)同步動(dòng)作,為保證每次吃刀都不亂扣,必須在主軸后端安裝一個(gè)主軸脈沖編碼器，作為主軸位置信號(hào)的反饋元件。 同軸安裝雖然簡(jiǎn)單但是不能使加工零件穿出原車床的主軸孔，所以本次改造采用異軸安裝。異軸安裝時(shí)應(yīng)注意主軸脈沖編碼器的引出軸與車床主軸按1：1無(wú)間隙柔性聯(lián)接傳動(dòng)同步齒形帶聯(lián)接。使用中車床主軸轉(zhuǎn)速不允許超過(guò)主軸脈沖編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。脈沖編碼器采用異軸安裝，意在實(shí)現(xiàn)角位移信號(hào)傳遞的同時(shí)，又能吸收車床主軸的部分振動(dòng)，從而使主軸脈沖編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，平穩(wěn)傳遞信號(hào)準(zhǔn)確。圖3-4即為主軸脈沖編碼器的異軸安裝.圖3-4 主軸脈沖編碼器的異軸安裝 3.5 數(shù)控車床的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)裝置是指將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的直線運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈及其附屬機(jī)構(gòu)。包括絲杠螺母副、導(dǎo)軌、工作臺(tái)等。在數(shù)控機(jī)床數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域，傳動(dòng)裝置是伺服系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因此，數(shù)控車床的傳動(dòng)裝置與普通車床中傳動(dòng)裝置在概念上有重要差別，它的設(shè)計(jì)與普通車床傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)不同。數(shù)控車床傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)要求除了具有較高的定位精度之外，還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性，即系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。為確保數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出了無(wú)間隙、低摩擦、高剛度等要求。為了達(dá)到這些要求，采取主要措施如下： a盡量采用低摩擦的傳動(dòng)副，如滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲桿螺母副，以減少摩擦力。b選用最佳的降速比，為達(dá)到數(shù)控機(jī)床所要求的脈沖當(dāng)量，使運(yùn)動(dòng)位移盡可能地加速達(dá)到跟蹤指令。c盡量縮短傳動(dòng)鏈以及用預(yù)緊的辦法提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度。 d盡量消除傳動(dòng)間隙，以減小反向行程誤差。如采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)和消除傳動(dòng)齒輪間隙的機(jī)構(gòu)等。e盡量滿足低振動(dòng)和高可靠性方面的要求。為此應(yīng)選擇間隙小，傳動(dòng)精度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，效率高以及傳遞扭矩大的傳動(dòng)元件。從應(yīng)用的方面考慮,結(jié)合目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)工礦企業(yè)的現(xiàn)狀，普通臥式車床改造，可以采用更換滾珠絲桿來(lái)代替原機(jī)床上的T型絲桿。3.5.1 絲杠后支承采用雙列向心球面球軸承后支承采用可自動(dòng)調(diào)心的雙列向心球面球軸承，如圖3-5所示。雙列向心球面球軸承不僅可承受徑向載荷和軸向載荷，更重要的是能消除由于安裝誤差、導(dǎo)軌直線誤差、加工過(guò)程中的切削變形而引起的軸和軸承之間的干涉，自動(dòng)調(diào)節(jié)其相對(duì)位置，保證絲杠的回轉(zhuǎn)精度和位置精度。圖3-5 雙列向心球面球軸承3.5.2采用波形彈簧墊圈消除齒輪間隙車床的數(shù)控改造中，通常在傳動(dòng)裝置上采用一級(jí)減速齒輪來(lái)提高扭矩和傳動(dòng)精度，而齒輪間隙會(huì)在系統(tǒng)每次變向之后使運(yùn)動(dòng)滯后于指令信號(hào)，即形成反向間隙，對(duì)加工精度產(chǎn)生影響。一般采用軸向壓簧錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)，通過(guò)彈簧調(diào)節(jié)來(lái)消除間隙，盡管齒側(cè)間隙可以自動(dòng)補(bǔ)償，但軸向尺寸大，結(jié)構(gòu)不夠緊湊。在改造中曾經(jīng)采用過(guò)橡膠彈簧，但其力學(xué)性能比較復(fù)雜，大多數(shù)情況下載荷與變形的關(guān)系為非線性，而且耐高溫和耐油性比鋼彈簧差，容易老化。因此采用了波形彈簧墊圈消隙，如圖3-6所示，既可以自動(dòng)補(bǔ)償間隙，又具有緊湊的結(jié)構(gòu)。圖3-6雙片薄齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu) 3.5.3傳動(dòng)軸與滾動(dòng)絲杠的聯(lián)軸器采用長(zhǎng)聯(lián)軸套為減小聯(lián)軸器的徑向尺寸和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，采用了套筒式聯(lián)軸器；同時(shí)為保證被聯(lián)接的兩軸之間的同軸度和接觸面積，聯(lián)軸套的長(zhǎng)度取120mm，約為彈性柱銷聯(lián)軸器的1.5倍。軸頸與軸套間用2個(gè)相互垂直的圓錐銷定位鎖緊，保證連接剛度，如圖3-7所示。圖3-7 套筒式聯(lián)軸器 3.5.4公差與配合的選用3.5.4.1軸套與軸頸間采用H7/k6采用這種配合，在裝配時(shí)有少許過(guò)盈，以保證其精密定位和連接剛度，消除了配合件之間的振動(dòng)。當(dāng)使用一段時(shí)期后，需更換軸承或進(jìn)行導(dǎo)軌修磨而拆卸時(shí)，又能方便將軸頸從軸套中取出。3.5.4.2 與軸承配合的軸頸采用js6因?yàn)檩S承是標(biāo)準(zhǔn)件，軸的公差采用js6與軸承過(guò)渡配合，平均間隙較小，并允許略有過(guò)盈，以保證其剛度要求，又能方便軸承的裝卸。3.5.4.3滾珠螺母與螺母座之間采用H7/h6由于滾珠螺母與螺母座之間靠平鍵傳遞扭矩，故采用H7/h6配合，這樣裝配件之間有較小的間隙，可保證零件自由裝拆，而工作時(shí)又能相對(duì)靜止不動(dòng)。CA6140數(shù)控改造后，縱向進(jìn)給定位準(zhǔn)確，性能參數(shù)穩(wěn)定，顯著提高了零件的加工精度和生產(chǎn)效率。3.5.5 螺旋傳動(dòng)A概述 螺旋傳動(dòng)主要用來(lái)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，或把直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中，有以傳遞能量為主的傳力螺旋，有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，并要求有較高傳動(dòng)精度的傳動(dòng)螺旋，還有調(diào)整零件相互位置的調(diào)整螺旋。螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又有滑動(dòng)絲杠螺母、滾珠絲杠螺母和液壓絲杠螺母機(jī)構(gòu)。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)中，螺旋傳動(dòng)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并廣泛采用滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。滾珠絲杠副傳動(dòng)是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間放入適當(dāng)數(shù)量的滾珠。這些滾珠作為中間傳動(dòng)件，使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的一種傳動(dòng)裝置。它由絲杠、螺母、滾珠及滾珠循環(huán)返回裝置等四個(gè)部分組成。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)螺母移動(dòng)時(shí)，滾珠則沿螺桿螺旋滾道面滾動(dòng)，在螺桿上滾動(dòng)數(shù)圈后，滾珠從滾道的一端滾出并沿返回裝置返回另一端，重新進(jìn)入滾道，從而構(gòu)成閉和回路。 B滾珠絲杠副傳動(dòng)的特點(diǎn) a傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。 b給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空程死區(qū)，定位精度高，剛度好。 c啟動(dòng)力矩小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高，同步性好。 d有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件。 e磨損小，使用壽命長(zhǎng)，精度保持性好。 f制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值別別小，故制造成本高。 g不能自鎖。特別是對(duì)于垂直絲杠，由于中立的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，所以需要添加制動(dòng)裝置。 C滾珠絲杠副的支承方式為了滿足高精度、高剛度進(jìn)給系統(tǒng)的需要，必須充分重視滾珠絲杠副支承的設(shè)計(jì)。 a一端固定，一端自由 a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都很低。 b) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 c) 軸向剛度小 d) 適用于較短的滾珠絲杠安裝和垂直的滾珠絲杠安裝 b兩端鉸支 a) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 b) 軸向剛度小 c) 適用于對(duì)剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠安裝 d) 對(duì)絲杠的熱伸長(zhǎng)較敏感 e) 適用于中等回轉(zhuǎn)速度 c一端固定，一端鉸支 a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度。 b) 結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜 c) 軸向剛度大 d) 適用于對(duì)剛度和位移精度要求較高的滾珠絲杠安裝 e) 推力球軸承應(yīng)安置在離熱源（步進(jìn)電機(jī)）較遠(yuǎn)的一端 d兩端固定 a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉(zhuǎn) b) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，絲杠的溫度變形可轉(zhuǎn)化為推力軸承的預(yù)緊力 c) 軸向剛度最大 d) 適用于對(duì)剛度和位移精度要求高的滾珠絲杠安裝 e) 適用于較長(zhǎng)的絲杠安裝綜上所述，本設(shè)計(jì)中滾珠絲杠副支承方式由原來(lái)的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承?D滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙是軸向間隙。為了保證反向傳動(dòng)精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。消除間隙的方法采用雙螺母結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)螺母的相對(duì)軸向位移，使兩個(gè)滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個(gè)相反的側(cè)面上。用這種方法預(yù)緊消除軸向間隙時(shí)，應(yīng)注意預(yù)緊力不宜過(guò)大，預(yù)緊力大會(huì)使空載力矩增加，從而降低傳動(dòng)效率，縮短使用壽命。此外，還要消除絲杠安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的間隙。3.5.6 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)A軸CAJJX6140-02-04的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）選擇軸的材料及熱處理方法 因該軸無(wú)特殊要求，故選用HT150正火處理。 （2）確定軸的各段直徑 由前面滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)可知：滾珠絲杠的直徑為20mm。由于絲杠與軸CAJJX6140-02-04(如圖3-8)通過(guò)聯(lián)接套聯(lián)接，考慮到軸的加工方便性和整體的連貫性，軸CAJJX6140-02-04的軸身部分直徑與滾珠絲杠的直徑相同，均為20mm，軸頸部分直徑為17mm。 （3）確定軸的各段長(zhǎng)度軸CAJJX6140-02-04的各段長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作需要而定，通過(guò)前面的計(jì)算和機(jī)床實(shí)際情況，軸身部分取155mm，軸頸部分取26mm。由此可定出軸的總長(zhǎng)為181mm . （4）軸的強(qiáng)度校核 a)如下圖所示，確定危險(xiǎn)截面上的扭矩Tmax. 由圖可知最大扭矩為Tmax=2633Nm b)按強(qiáng)度條件校核軸的強(qiáng)度，由公式得 大于軸的設(shè)計(jì)直徑為20mm ,滿足條件。c)按剛度條件校核軸的強(qiáng)度，由公式得小于軸的設(shè)計(jì)直徑為20mm ,滿足條件。圖3-8 軸CAJJX6140-02-04 B軸CAJJX6140-02-08的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）選擇軸的材料及熱處理方法 因該軸無(wú)特殊要求，同樣選用HT150正火處理。 （2）確定軸的各段直徑 考慮與軸承內(nèi)經(jīng)的配合，所以該軸兩端支承部分直徑為17mm。其余部分直徑為15mm。 （3）確定軸的各段長(zhǎng)度 由于該軸需與法蘭盤(pán)聯(lián)接，而且該軸相對(duì)較長(zhǎng)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)為了方便安裝，降低裝配難度，將軸身部分增加一個(gè)軸肩，直徑適當(dāng)減小，使其有一過(guò)渡，軸身直徑為15mm。因?yàn)樵撦S的右端還需安裝一個(gè)透蓋，用雙螺母對(duì)其緊固。軸與透蓋用一鍵使其周向固定。查參考文獻(xiàn)3可知，根據(jù)軸的直徑選用型號(hào)為GB/T1098-1979的鍵，鍵槽寬度為3mm，深度為3.8mm。 （4）軸的強(qiáng)度校核 (a)畫(huà)扭矩圖，并確定危險(xiǎn)截面上的扭矩Tmax AB段：T1=-2633Nm BC段：T2=1316 Nm 由扭矩圖可知，最大扭矩發(fā)生在BC段，即為危險(xiǎn)截面。最大扭矩為： T=2633 Nm（取絕對(duì)值） （b）按強(qiáng)度條件校核軸的強(qiáng)度，由公式得 小于軸CAJJX6140-02-08(如圖3-9)最細(xì)部分的設(shè)計(jì)直徑15mm，滿足要求。 (c)按剛度條件校核軸的強(qiáng)度，由公式得 小于軸CAJJX6140-02-08最細(xì)部分的設(shè)計(jì)直徑15mm，滿足要求。 圖3-9 軸CAJJX6140-02-083.5.7 透蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)透蓋的內(nèi)徑和長(zhǎng)度由與之配合的軸CAJJX6140-02-08的直徑和長(zhǎng)度決定，所以透蓋的直徑為16mm,長(zhǎng)33mm。因?yàn)檫x用型號(hào)為GB/T1098-1979的鍵，查參考文獻(xiàn)3可知，轂t1=1.4mm，上偏差為+0.1，下偏差為0。外圓的直徑由法蘭盤(pán)的直徑?jīng)Q定，為96mm。圖3-10 透蓋CAJJX6140-02-01 3.5.8 螺母座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)螺母座的長(zhǎng)度根據(jù)滾珠螺母的長(zhǎng)度而定。螺母座與滾珠螺母通過(guò)鍵進(jìn)行軸向固定，查參考文獻(xiàn)4可知，該鍵型號(hào)選用GB/T1096-1979，4430。滾珠絲杠副通過(guò)螺母座帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，因此螺母座通過(guò)螺釘與工作臺(tái)聯(lián)接。查參考文獻(xiàn)4可知，螺釘型號(hào)選用GB/T70-1985。圖3-11 螺母座CAJJX6140-02-07 3.6 繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)的機(jī)械裝配圖 在繪制機(jī)械裝配圖時(shí)，除了從總體上考慮機(jī)床布局情況以及伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)與原機(jī)床的聯(lián)系外，還應(yīng)認(rèn)真的考慮與具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的一些問(wèn)題。1）了解原機(jī)床的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。2）根據(jù)載荷特點(diǎn)和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號(hào)，軸承座的結(jié)構(gòu)以及軸承預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式，確定齒輪軸支承軸承的型號(hào)。3）減速齒輪的參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算，確定齒輪側(cè)隙的調(diào)整方法，在滿足裝配工藝的前提下，合理設(shè)計(jì)齒輪箱結(jié)構(gòu)。4）考慮各部位間的定位、聯(lián)接和調(diào)整方法。例如，應(yīng)保證絲杠兩端支承與滾珠絲杠螺母同軸，保證絲杠與機(jī)床導(dǎo)軌平行，考慮螺母座。軸承座在安裝面上的聯(lián)接與定位、齒輪箱在安裝面上的定位、步進(jìn)電機(jī)在齒輪箱上的聯(lián)接與定位等。 5）考慮密封、防護(hù)、潤(rùn)滑以及安全機(jī)構(gòu)等問(wèn)題。例如，絲杠螺母的潤(rùn)滑、防塵、防鐵屑保護(hù)、軸承的潤(rùn)滑及密封、齒輪的潤(rùn)滑及密封、行程限位保護(hù)裝置等。6）在進(jìn)行各零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。 此外，注意繪制裝配圖時(shí)的一些基本要求。例如，制圖標(biāo)準(zhǔn)、視圖布置及圖形畫(huà)法要求、重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標(biāo)準(zhǔn)、重要配合的標(biāo)注、裝配技術(shù)要求、標(biāo)題欄要求等。 四 數(shù)控部分的改造 4.1總體方案設(shè)計(jì) 普通車床進(jìn)行數(shù)控改造后，系統(tǒng)應(yīng)能控制主軸轉(zhuǎn)速并實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn) ；控制工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)縱向、橫向和垂直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(車床刀架能實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)并自動(dòng)轉(zhuǎn)位換刀；加工螺紋時(shí)應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動(dòng)一個(gè)被加工螺紋的導(dǎo)程)；控制冷卻和潤(rùn)滑；通過(guò)鍵盤(pán)輸入加工程序；由顯示器顯示加工狀態(tài)等 。為此數(shù)控部分采用 MCS-51系列單片機(jī)組成控制系統(tǒng)，由功率步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后驅(qū)動(dòng) x , z軸。數(shù)控部分改造機(jī)床中的主軸、冷卻、潤(rùn)滑和刀架等均需系統(tǒng)自動(dòng)控制，為此需設(shè)計(jì)接口轉(zhuǎn)換電路和強(qiáng)電控制電路。電器元件可保留使用原機(jī)床中的變壓器、自動(dòng)斷路器、接觸器等。拆除原電控箱，原位安裝改制后的電控箱。 4.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的功能要求 （1）z向和x向進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)控制 （2）螺紋加工控制 （3）行程控制 （4）鍵盤(pán)及顯示 （5）面板管理 （6）其他功能：光電隔離、功率放大、報(bào)警、急停、復(fù)位。 4.1.2 硬件電路的組成 采用MCS-51系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖4-1所示。電路的組成如下：（1）CPU采用8031芯片；（2）擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器2764兩片，6264一片；（3）擴(kuò)展可編程接口芯片8155兩片；（4）地址鎖存器，譯碼器各一個(gè)；（5）鍵盤(pán)電路，顯示電路；（6）光電隔離電路，功率放大功率；（7）越程報(bào)警電路，急停電路，復(fù)位電路；（8）面板管理電路。圖4-1 數(shù)控系統(tǒng)改造硬件原理連接圖 4.2 設(shè)計(jì)說(shuō)明 4.2.1系統(tǒng)主機(jī)8031芯片 8031單片機(jī)的基本特征 1、具有8位處理單元。 2、共有128個(gè)字節(jié)RAM。 3、片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路，可執(zhí)行一條指令的是2us或4us。 4、有4個(gè)IO接口，32根IO線。 5、有2個(gè)16位定時(shí)器計(jì)時(shí)器。 6、可尋址64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K字節(jié)外部程序寄存器。 7、共有21個(gè)特殊功能寄存器。 8、有5個(gè)中斷源，配備兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。 9、具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算。 10、具有一個(gè)全雙工串行接口 8031的引腳功能介紹如下： 電源引腳： Vss：接地端 Vcc：電源端，接+5V P0.0P0.7：通道0。它是8位漏極開(kāi)路的雙向I/O通道，當(dāng)擴(kuò)展為外部存儲(chǔ)器時(shí)，這也是低八位地址線和數(shù)據(jù)總線。P0口是三態(tài)雙向口。通數(shù)據(jù)總線口，因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯?duì)外部存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)操作。由于是分時(shí)輸出，故應(yīng)在外部加存儲(chǔ)器將此地址數(shù)據(jù)鎖存，地址鎖存信號(hào)用ALE。在編程和校驗(yàn)期間，它輸入和輸出字節(jié)代碼，通道0吸收發(fā)出一個(gè)TTL負(fù)載。 P1.0P1.7：通道1是8位準(zhǔn)雙向I/O通道。P1口是專門供用戶使用的I/O口，是準(zhǔn)雙向口。P1是供系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)作高8位地址線用。如果沒(méi)有系統(tǒng)擴(kuò)展，P1也可以作為用戶I/O口線使用。P1也是準(zhǔn)雙向口。當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，作低8位地址總線。通道1吸收/發(fā)出一個(gè)TTL負(fù)載。 P2.0P2.7：通道2是8位準(zhǔn)雙向IO通道。當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，作高8位地址總線。通道2吸收發(fā)出一個(gè)TTL負(fù)載。 P3.0P3.7：通道3是8位準(zhǔn)雙向IO通道。P3口是雙功能口。該口的每一位均可獨(dú)立的定義為第一IO都的功能或第二IO口功能。作為第一IO口功能使用時(shí)，口的結(jié)構(gòu)與操作與P3口相同。通道3吸收發(fā)出一個(gè)TTL負(fù)載。P3通道的每一根線還有另一種功能。 P3.0（RXD）：串行輸入口。 P3.l（）：外接中斷輸0入口。 P3.2（）：外接中斷輸1入口。 P3.3（TXD）：串行輸入口。 P3.4（TO）：定時(shí)計(jì)數(shù)器0外部脈沖輸入端。 P3.5（T1）：定時(shí)計(jì)數(shù)器L部脈沖輸入端。 P3.6（）：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)脈沖。 P3.7（）：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖。 存儲(chǔ)器: 8031單片機(jī)的特點(diǎn)之一是硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合單片機(jī)的最小系統(tǒng)就能滿足要求。由8個(gè)部件組成，即微處理器(CPU)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、程序存儲(chǔ)器(ROM/EPROM/)、I/O口(P0、P1、P2、P3)、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器(STR)。它們都是通過(guò)片內(nèi)單一總線連接而成。其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式。但在功能單元的控制上卻有了重大變化，采用了特殊功能寄存器(STR)的集中控制方法。單片機(jī)的存儲(chǔ)器有程序存儲(chǔ)器(ROM)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),在使用上是嚴(yán)格區(qū)分的,不得混用。程序存儲(chǔ)器(ROM)存放程序指令及常數(shù)、表格等；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)存放緩沖數(shù)據(jù)。單片機(jī)的管腳除了電源、復(fù)位、時(shí)鐘接入、用戶I/O口外，其余管腳都是為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展而設(shè)置的。這些管腳構(gòu)成了三總線形式，即：地址總線。地址總線寬度為16位，因此，其外部存儲(chǔ)器直接尋址范圍為64K字節(jié)。16位地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器提供低8位地址(A0A7)；P2口直接提供高8位地址(A8Al5)。數(shù)據(jù)總線。數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0口提供?？刂瓶偩€。有h口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立控制線RESET、ALE、組成。 程序存儲(chǔ)器可直接尋址范圍為64K字節(jié)。對(duì)片內(nèi)有的ROM/EPRON單片機(jī)8051/8071，當(dāng)管腳時(shí)，低4K地址(0000HOFFFH)指向片內(nèi)；時(shí)，則指向片外。對(duì)于片內(nèi)無(wú)ROM/EPRON的單片機(jī)構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，必須使程序存儲(chǔ)器的操作完全由程序計(jì)數(shù)器(PC)控制。PC值指向程序指令操作碼單元，則程序執(zhí)行指令操作；PC值指向常數(shù)、表格單元，則實(shí)現(xiàn)取數(shù)、查表操作。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):片內(nèi)外地址重疊。由于片內(nèi)外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用不同的指令(MOV與MOVX)，故地址重疊不會(huì)造成操作混亂。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與工作存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。80HFFH區(qū)域?yàn)樘厥夤δ芗拇嫫?，?duì)于MCS51派生系列8052單片機(jī)，該又是擴(kuò)展的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由工作寄存器、位尋址區(qū)、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)組成，堆?？稍?7H以上不使用的連續(xù)單元任意設(shè)置。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)和操作極為簡(jiǎn)單。其最低位的128個(gè)在地址單元與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址重疊，并且與I/O口統(tǒng)一編址。 控制或與其它電源復(fù)位引腳8031單片機(jī)有40個(gè)引腳，采用雙列有插式塑料封裝，8031引腳圖見(jiàn)圖4-2:圖4-2 8031結(jié)構(gòu) RSTUPD：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電子，將使單片機(jī)復(fù)位，推薦此引腳與Vcc引腳之間連接一個(gè)約8.2KQ的下拉電阻，與Vcc引腳之間連接一個(gè)約10uF的電容，以保證可靠復(fù)位。Vcc掉電期間，此引腳可接在備用電源上，以保證內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)，當(dāng)Vcc下掉至低于規(guī)定的值，而UPD在其范圍電壓范圍(50.5v)。 ALE: 當(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器ALE時(shí)(允許地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)，即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE端仍以不變的頻率周期地出現(xiàn)Z脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩周期的16。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘或用于定時(shí)，然而，要注意的是，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖，ALE端可以驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)8個(gè)TTL輸入。對(duì)于EPROM型單片機(jī)，EPROM編程期間，此引腳用宋編程脈沖(PROG)。 XTAL1：引腳18，內(nèi)部振蕩器外接晶振的另一個(gè)輸入端。HMOS芯片使用外部振蕩源時(shí)，此端口用于輸入外部振蕩信號(hào)。 XTAL2：引腳19，內(nèi)部振蕩器外接晶振的另一個(gè)輸入端。HMOS芯片使用外部振蕩源時(shí)，此端口用于輸入外部振蕩信號(hào)。 : 此腳的輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，在由外部程序存儲(chǔ)器取指令(或常數(shù))期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，但此期間，每當(dāng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)(從程序存儲(chǔ)器取宋指令MOLX類指令)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)，可以驅(qū)動(dòng)(接收或輸出電流)8個(gè)LSTTL。 Vpp：當(dāng)保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，對(duì)8031、8071引腳應(yīng)接高電平，但若地地址值超過(guò)4K范圍，則單片機(jī)將自動(dòng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，但在PC值超過(guò)了OFFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序，當(dāng)保持低電平時(shí)，單片機(jī)只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)，對(duì)8031此引腳必須接地，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以該腳必須接地。這樣，只能選擇外部程序存儲(chǔ)器。 4.2.2 74LS373地址鎖存器 74LS373芯片是帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器，當(dāng)三態(tài)門的使能信號(hào)線OE為低電平時(shí)，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許（Q1Q8）輸出到OUT18，當(dāng)OE為高電平時(shí)，輸出三態(tài)門斷開(kāi)，輸出線OUT18處于浮空狀態(tài)。G稱為數(shù)據(jù)打入線，當(dāng)74LS373用作地址鎖存器時(shí)，首先應(yīng)使三態(tài)門的使能信號(hào)OE為低電平，這時(shí)，當(dāng)G輸入端為高電平時(shí)，鎖存器輸出（Q1Q8）狀態(tài)和輸入端（D1D8）狀態(tài)相同；當(dāng)G端從高電平返回到低電平時(shí)，輸入端（D1D8）的數(shù)據(jù)鎖入（Q1Q8）的8位鎖存器中。其引腳圖如下： 圖4-3 74LS373結(jié)構(gòu) 4.3 CA6140普通車床的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)它是用MCS51系列單片機(jī)組成的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)擴(kuò)展2片2764芯片，1片6264芯片，2片8155可編程并行I/O口。 （1）控制系統(tǒng)的功能 Z向和X向進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)；鍵盤(pán)顯示；自動(dòng)轉(zhuǎn)刀架控制；螺紋加工控制；面板管理；行程控制；報(bào)警；急停；復(fù)位；隔離；功放等。 （2）采用軟件環(huán)形分配器 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用軟件環(huán)形分配器，雖然運(yùn)行速度沒(méi)有硬件環(huán)形分配器快，但可以省掉兩個(gè)硬件分配專用芯片，且電路比較簡(jiǎn)單。由于CA6140普通車床最大加工直徑為320mm，規(guī)格比較小，故Z向進(jìn)給系統(tǒng)采用130BF001型，五相十拍方式工作，X向進(jìn)給系統(tǒng)采用110BF003型，三相六拍制方式工作。故由8155（2）的PA口輸出。經(jīng)光電隔電路、功率放大電路直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。 （3）螺紋加工的控制 當(dāng)加工螺紋時(shí)，由與主軸相連的光電脈沖編碼器發(fā)出螺紋信號(hào)和零位螺紋信號(hào)，分別送入8331（1）的PB6。通過(guò)設(shè)置不同的時(shí)間常數(shù)來(lái)加工不同螺距的螺紋，零位螺紋信號(hào)是防止螺紋亂牙。地址編碼。存儲(chǔ)器及I/O地址編碼，見(jiàn)表44。表4-4 芯片地址編碼 芯片接74LS138引腳地址選擇線片內(nèi)地址單元（字節(jié)）地址編碼2746（1）Y0000X XXXX XXXX XXXX8K0000H1FFFH2746（2）Y1001X XXXX XXXX XXXX8K2000H3FFFH6264Y2010X XXXX XXXX XXXX8K4000H5FFFH8155（1）RAMY30111 1110 XXXX XXXX2567E00H7EFFHI/OY30111 1111 1111 1XXX67FF8H7FFDH8155（2）RAMY41001 1110 XXXX XXXX2569E00H9EFFHI/OY41001 1111 1111 1XXX69FF8H9FFDH 4.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微機(jī)控制 利用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，有串行和并行兩種方式。 1.串行控制 該方式使單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間具有較少的連線。單片機(jī)通過(guò)I/0接口將信號(hào)送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器。這種控制方式的示意圖如圖418所示。CP脈沖用來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。方向信號(hào)CW為電平輸入信號(hào)端，用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，CW為高電平時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在CP端輸入脈沖時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；CW為低電平時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在CP端輸入脈沖時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖418所示線路用IO 口產(chǎn)生CP脈沖將增加CPU的負(fù)擔(dān)，可改為由8255A并行口產(chǎn)生方向信號(hào)CW，脈沖信號(hào)CP由8253計(jì)數(shù)器/定時(shí)器產(chǎn)生。8255A的工作方式選擇為方式0，基本輸人/輸出方式。8253的2口的工作方式選擇為方式0，1口的工作方式選擇為方式3。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的串行控制 a)串行控制1 b)串行控制22.并行控制用微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)條端口線直接去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱為并行控制。在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，而其功能必須由微機(jī)系統(tǒng)完成。由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器的功能又有兩種方法：一種是純軟件方法，即完全用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)，主要有寄存器移位法和查表法；第二種是軟、硬件相結(jié)合的方法，這里有專門設(shè)計(jì)的一種編程器接口，計(jì)算機(jī)向接口輸出簡(jiǎn)單形式的代碼數(shù)據(jù)，而接口輸出的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種辦法來(lái)確定時(shí)鐘脈沖的周期：一種是軟件延時(shí)：另一種是用定時(shí)器。軟件延時(shí)的方法是通過(guò)調(diào)用延時(shí)子程序的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它占用CPU時(shí)間。定時(shí)器方法是通過(guò)設(shè)置定時(shí)時(shí)間常數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制 對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)位控制系統(tǒng)，從起點(diǎn)至終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定要求。如果要求運(yùn)行的速度小于系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率。則系統(tǒng)可以按要求的速度直接起動(dòng)，運(yùn)行至終點(diǎn)后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。系統(tǒng)在這樣的運(yùn)行方式下速度可