《502型立式銑床數(shù)控改裝(縱向)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《502型立式銑床數(shù)控改裝(縱向)（49頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第一章和最后的設(shè)計(jì) 總結(jié)自己寫(xiě)吧， 還有我總結(jié)的這些內(nèi)容可能不完全正確 ，大家仔細(xì)看下，順便加上自己的部分文字。第二章機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分 ( 縱向 ) 的設(shè)計(jì)計(jì)算第一節(jié)工作載荷分析及計(jì)算根據(jù)指導(dǎo)書(shū)的分析，對(duì)于數(shù)控銑床來(lái)說(shuō)，可采取按切削用量計(jì)算切削力法和按主電機(jī)功率法計(jì)算切削力計(jì)算切削力法兩種。 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，可采用按主電機(jī)功率計(jì)算切削力法。一、銑削抗力分析通常都假定銑削時(shí)銑刀受到的銑削抗力是作用在刀齒的某一點(diǎn)上。設(shè)刀齒受到的切削抗力的合力為 F，將 F 沿銑刀軸線、徑向和切向進(jìn)行分解，則分別為軸向銑削力 Fx，徑向銑削力 Fy 和切向銑削力Fz。切向銑削力 Fz 是沿銑刀

2、主運(yùn)動(dòng)方向的分力，它消耗銑床主電機(jī)功率（即銑削功率）最多，因此，切向銑削力 Fz 可按銑削功率 Pm（kw）或主電機(jī)功率 Pe（kw）算出。對(duì)于現(xiàn)有的機(jī)床的改裝設(shè)計(jì)， 可以從已知機(jī)床的電機(jī)的功率和主軸上的功率反推出工作臺(tái)進(jìn)給時(shí)的銑削力。 若該機(jī)床的主傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)均用一個(gè)電機(jī)， 進(jìn)給傳動(dòng)的功率較小， 可在主傳動(dòng)功率上乘以一個(gè)系數(shù)。由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得銑床傳動(dòng)系數(shù) k=0.85 。主傳動(dòng)功率 N 包括切削功率 Nc、空載功率 Nmo、附加功率 Nmc 三部分，即：N=Nc + Nmo + Nmc 。空載功率 Nmo 是當(dāng)機(jī)床無(wú)切削負(fù)載時(shí)主傳動(dòng)系統(tǒng)空載所消耗的功率， 對(duì)于一般輕載高速的中、 小型機(jī)床

3、，可達(dá)總功率的 50%，現(xiàn)取 Nmo = 0.5N，附加功率 Nmc 是指有了切削載荷后所增加的傳動(dòng)件的摩擦功率， 它直接與載荷大小有關(guān)。 可以用下式計(jì)算， Nmc = (1)NC，所以總功率為： N=Nc + 0.5N + ( 1 )Nc ( KW )則： Nc=0.5N(KW)2 在進(jìn)給傳動(dòng)中切削功率Nct = kNc = k0.5N(KW)2 上式中 k-銑床的傳動(dòng)系數(shù)，查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得 k=0.85為傳動(dòng)效率，可由下式計(jì)算主軸上的傳動(dòng)功率主電機(jī)的功率由題設(shè)給定的已知條件可知，主軸上的傳動(dòng)功率N=1.45 KW ，主電機(jī)的功率 N電機(jī) = 2.2 KW。則=1.45=0.65912.2所

4、以：Nct = 0.850.52.2= 0.6973 (KW)20.6591切削時(shí)在主軸上的扭矩為：Mn = 955000 Nct =9550000.6973 14019.4(Ncm)n47.5上式中 n-主軸的最小轉(zhuǎn)速，由題設(shè)條件知n = 47.5 (r/min)切向切削力Fz= M n14019.44381.0625 (N)d3.2上式中 d- 銑刀的最大直徑 (cm)，由題設(shè)條件知 d = 3.2 cm二、計(jì)算進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷FL 、 FV 、 FC作用在進(jìn)給工作臺(tái)上的合力F與銑刀刀齒受到的銑削抗力的合力 F大小相同，方向相反。合力 F就是設(shè)計(jì)和校核工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)要考慮的工作載荷，它

5、可以沿著銑床工作臺(tái)縱向載荷FL ，橫向載荷 Fc 和工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷 FV 。計(jì)算與說(shuō)明作用在進(jìn)給工作臺(tái)上的合力F與銑刀刀齒受到的銑削抗力的合力 F 大小相同，方向相反。合力 F就是設(shè)計(jì)和校核工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)要考 慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向分解為三個(gè)力：工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷， 工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷Fc 和工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷Fv。根據(jù)專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)第三章表3 1 “銑削加工主切削力 與其它切削分力的比值”列表可計(jì)算出三組FL、FV、 FC (取范圍的值計(jì)算最大值 )。(1) 組：端銑對(duì)稱銑削FL =0.4 FZ=0.4x2890.1=1156.04NFC =0.

6、95 FZ =0.95 X 2890.1=2745.595NFV =0.55 FZ=0.55x 2890.1=1589.555N(2) 組：端銑逆銑FL =0.9F=0.9X 2890.1=2601.09NFC =0.7 F=0.7X2890.1=2023.07NFV =0.55 F=0.55x 2890.1=1589.56N(3) 組：端銑順銑FL =0.3FZ=0.3X2890.1=867.03NFC=1.0FZ=1.0x2890.1=2887.62NFV =0.55FZ=0.55x2890.1=1589.56N由于銑床是兩軸聯(lián)動(dòng)，所以只考慮端銑，無(wú)需考慮周銑，則考慮采用第三組數(shù)據(jù)。第二節(jié)

7、滾珠絲杠螺母副的選型和校核一、滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)類型的選擇因?yàn)樗难b的銑床為普通銑床，精度要求并不是很高， 在使用過(guò) 程中不需要調(diào)整，并且加工過(guò)程中有輕微沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)上述實(shí)際條件， 并考慮到經(jīng)濟(jì)成本問(wèn)題， 通過(guò)查第三章表3 2 和表 3 3，可以初步選用“外循環(huán)插管埋入式法蘭直筒組合雙螺母墊片預(yù)緊（ CMD) ”這種結(jié)構(gòu) 類型的滾珠絲杠螺母副。 它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 工藝性優(yōu)良，承載能力較高 ; 剛度高，預(yù)緊可靠，不易松弛等優(yōu)點(diǎn)。它主要適用于重載荷、高剛度、 高速驅(qū)動(dòng)及較精密的定位系統(tǒng)，是目前應(yīng)用得較廣泛的結(jié)構(gòu)。二、滾珠絲杠螺母副型號(hào)的選擇及校核步驟1、計(jì)算最大工作載荷2、由題設(shè)已知條件，銑床

8、導(dǎo)軌的類型為綜合導(dǎo)軌。再查指導(dǎo)書(shū)P38表 3-29 得最大工作載荷FmFm=KF L +f， (FV +G)該式中： K=1.15;取 f ，= 0.18 (f，=0.15? 0.18)(摩擦系數(shù) )；G 為工作臺(tái)及夾具總重量的 1/2。由題設(shè)已知條件可得 G = 400 N。將以上數(shù)值及先前計(jì)算得到的三組FL.FV 數(shù)據(jù)代入上式，可得到三組相應(yīng)的 Fm 的最大值(1) 組： Fm=1.15x1156.64+0.18x(1589.56+400)= 1687.57N(2) 組： Fm=1.15x2601.09+0.18x(1589.56+400)=3349.37N(3) 組： Fm=1.15x8

9、67.03+0.18x (1589.56+400)=1355.2N由以上計(jì)算數(shù)據(jù)可知，第 (2)組算得的 Fm 值較大。故最大工作載荷為Fm=3349.37N2、計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C最大動(dòng)載荷 C 可由下式計(jì)算C= fwf HFm(1)(1)式中：各參數(shù)見(jiàn)專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)fH 為硬度系數(shù)，選f H =1.0(HRC60)fw 為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，選f w =2.0(有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)）L 為壽命，由下式計(jì)算L=60nT/106(2)(2)式中： T 為使用壽命 (h)，對(duì)于數(shù)控機(jī)床T=15000(h)n 為絲杠轉(zhuǎn)速 (r/min) ，可由下式計(jì)算：n=1000Vs/L o(3)式中：V s 為最大切削力條件下的

10、縱向進(jìn)給速度(m/min),查指導(dǎo)書(shū)為540(mm/min)可取最高切削進(jìn)給速度的1/2? 1/3，現(xiàn)取 1/3,即Vs=0.54/3=0.18m/minL0 為所選用絲杠的基本導(dǎo)程,考慮到傳動(dòng)精度的要求 ,可選基本導(dǎo)程為 4、6、8(mm)的絲杠。基本導(dǎo)程為4mm 時(shí):L=60nT/106=60T1000Vs/(106L 0)=60x15000x1000x0.18/(1000000x4)=40.5Cl=x1.0x2.0x3349.37=23004.43基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)：L=60nT/106=60T1000Vs/(106L0)=60x15000x1000x0.18/(1000000x8)

11、=20.25C320.25 1.02.0 3349.3718258.63( N )查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)表3-11當(dāng)公稱直徑 do32mm 時(shí)Ca=15KN8258.63N合格Ca=21.85C3合格當(dāng)公稱直徑 do40mm 時(shí)當(dāng) L08 時(shí)Ca=30.9KNC2合格當(dāng) L06 時(shí)Ca=24.11KNC3合格所以絲杠 L0 為 6mm 或 8mmd0 32mm或者 40mm通過(guò)查金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)表4-143 可知當(dāng)公稱直徑 do 32mm 時(shí)、基本導(dǎo)程為6mm 的絲杠，查得他們的承載能力Ca 為 21.85KN，螺旋升角 為 3.41 ，圈數(shù) 列數(shù)分別為 3.51，滾珠直徑 d q 為

12、4mm，-接觸角（ 45）。公稱直徑 do40mm 、基本導(dǎo)程為 8mm 的絲杠，查得它們的承載能力Ca為 30.9KN，螺旋升角 為 3.65 ，圈數(shù) 列數(shù)分別為 2.51，滾珠直徑 d q 為 5mm，-接觸角（ 45）。公稱直徑 do40 mm 、基本導(dǎo)程為 6mm 的絲杠，查得它們的承載能力 Ca 為 24.11KN，螺旋升角 為 2.73 ，圈數(shù) 列數(shù)分別為3.5，1滾珠直徑 d q 為 4mm，- 接觸角（ 45 ）。3、計(jì)算傳動(dòng)效率 傳動(dòng)效率可由下式計(jì)算tgtg上式中：- 絲杠螺旋升角- 摩擦角。滾珠絲杠副的摩擦角約 10 0.167（ 1）當(dāng)公稱直徑 d0 =32mm、基本導(dǎo)程

13、為 6mm：tgtan 3.410.9tg (0.953) tan(3.41 0.167)故滿足設(shè)計(jì)要求。（ 2）選公稱直徑 d0 =40mm1）基本導(dǎo)程為8mm：tantan 2.73o0.9tan()tan(2.73o0.94230.167o )故滿足設(shè)計(jì)要求。4、剛度驗(yàn)算(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量1當(dāng)絲杠進(jìn)行了預(yù)緊，且預(yù)緊力為最大工作載荷的1/3 時(shí)，其實(shí)際變形量為（由指導(dǎo)書(shū)P39，公式 324 可知）：（拉伸為 +，壓縮為）上式中： E材料的彈性模數(shù)對(duì)于鋼：E20.610 4( N / mm2 )L 滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度（mm）L= 工作長(zhǎng)度 +螺紋長(zhǎng)度 +軸承寬度 +端蓋寬度

14、700mmF滾珠絲杠的截面積( mm2 ) ,可由下列幾式計(jì)算2F d1 、d1=D 0 2e - 2R 4dq0.52dqe (R)sin 、 R2dq 滾阻直徑（ mm），接觸角（ 45o ），R滾道法面半徑（ mm）， e偏心距（ mm），D 0 絲杠公稱直徑（mm）（1）當(dāng)公稱直徑 D 0 =32mm，基本導(dǎo)程為6mm 時(shí)，R0.5242.08(mm)4oe=（ 2.08-） sin45 =0.057d1=32+20.0572 2.08=27.954（mm）Fd2=27.954 =613.7306（ mm 2）144=3 3 4 9 . 3 77 0 0（）總2 0 . 6 1 0 0

15、 0 0 6 1 3 . 7 3 0 6（2）當(dāng)公稱直徑 d0 =40mm、基本導(dǎo)程為 8mm 時(shí)：R0.5252.6(mm)5oe=（ 2.6-） sin 45 =0.071d1 =40+20.07122.6=34.942（mm）Fd21=34.9422244=958.9267（ mm ）1=3349.37700（mm）20.610000=0.0029674958.9267（3）當(dāng)公稱直徑 d0 =40mm 、基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)：R=0.524=2.08（ mm ）（ 2.08- 4）sin45o=0.057e=2d1=40+20.05722.08=35.954（ mm ）Fd2135.

16、954224=4=1015.276（ mm ）13349.37700（mm）=20.610000=0.00280241015.276(2) 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形當(dāng)絲杠進(jìn)行了預(yù)緊， 且預(yù)緊力為最大工作載荷的1/3 時(shí)，其實(shí)際變 變形量為2Fm0.00133 do FyZ 2 /10上式中：Fm - 最大工作載荷 (kgf)Fm=341.77(kgf)Fy - 預(yù)緊力 (kgf)， Fy =1 3 Fm =113.9(kgf)d 0 - 滾珠直徑 (mm)， Z - 滾珠數(shù)量， Z Z圈數(shù)列數(shù)Z -一圈的滾珠數(shù)，ZD odo (內(nèi)循環(huán) )(1)當(dāng)公稱直徑 do32mm 基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)

17、：Z3225.134Z 25.13 3.51 87.95520.0013334.9370.00286113.987.95524當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3 時(shí)，2 的值可減少一半。即：2 =2=0.00143 （ mm）2（ 2）當(dāng)公稱直徑 do40mm 基本導(dǎo)程為 8mm 時(shí)：40Z25.135Z 25.13 2.5 1=62.8250.0013334.9372113.90.00332 mm3 562.82524、 當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3 時(shí)，2 的值可減少一半。指導(dǎo)書(shū) P42即：2 =2 =0.00166 （ mm）2（ 3）當(dāng)公稱直徑 d

18、o40mm 基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)：Z4031.41594Z 31.4159 3.5 1=109.960.0013334.9372113.90.002474109.962當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3 時(shí)，2 的值可減少一半。即：2 =2 =0.00123 （ mm）2(3)滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形3（ 1）當(dāng)公稱直徑 do 32mm 基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)：選用型號(hào)為深溝球 206 的軸承，其參數(shù)如下：額 定 動(dòng)載型 號(hào)內(nèi)徑 d (mm)外徑 D (mm)厚度 T (mm)荷 Ca (kN)5120630521628.03 可由下式計(jì)算：2Fm30.002432dQ Z

19、上式中：Fm - 最大工作載荷 (kgf)，F(xiàn)m=341.77(kgf)d Q - 軸承滾動(dòng)體直徑 (mm)，dQT 2 8Z- 兩邊軸承總的滾動(dòng)體數(shù)目由公式(dD )ZT可估算兩邊總得滾動(dòng)體的數(shù)目為32。將以上數(shù)據(jù)代入可得：30.00243341.770.005828 322基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)：123 =0.004636+0.00286+0.00582=0.01332mm0.01(mm)可見(jiàn)，當(dāng)公稱直徑 do32mm 基本導(dǎo)程為 5mm 時(shí)不符合要求；（ 2）當(dāng)公稱直徑 do 40mm 基本導(dǎo)程為 8mm 時(shí)：選用型號(hào)為 51207 的軸承，其參數(shù)如下：額 定 動(dòng)載型 號(hào)內(nèi)徑 d (mm

20、)外徑 D (mm)厚度 T (mm)荷 Ca (kN)5120735621839.240Z31.41594可估算兩邊總得滾動(dòng)體的數(shù)目為34。將以上數(shù)據(jù)代入可得：30.00243341.770.005374932 2基本導(dǎo)程為 8mm 時(shí)：123 =0.002967+0.00332+0.005374=0.011661mm0.01(mm)可見(jiàn)，當(dāng)公稱直徑 do40mm 基本導(dǎo)程為 8mm 時(shí)不符合要求（ 3）當(dāng)公稱直徑 do 40mm 基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)：選用型號(hào)為深溝球 206 的軸承，其參數(shù)如下：內(nèi)徑 d (mm)外徑 D (mm)額 定 動(dòng)載型 號(hào)厚度 T (mm)荷 Ca (kN)5

21、120735621839.2(d D )ZT可估算兩邊總得滾動(dòng)體的數(shù)目為 32。將以上數(shù)據(jù)代入可得：30.00243334.9370.005374934 2基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)：123 =0.002802+0.00123+0.005374=0.009406mm1)Ji -各轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg cm2 )ni -各轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)速 (r/min)nk -電機(jī)的轉(zhuǎn)速 (r/min)Jm -2電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg cm)4、電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的確定查表 310機(jī)電一體化指導(dǎo)書(shū)，因?yàn)檫x用電機(jī)工作方式的是三相六拍，步距角為b0.75 , 故符合的是： 110BF003和 110BF004。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣

22、量分別為：110BF003： J m146.110 5 kgm24.61(kg cm2 )110BF004： J m234.310 5 kgm23.43(kg cm2 )5、 系 統(tǒng) 總 的 轉(zhuǎn)動(dòng) 慣 量JJ1JLJm117.8464.6122.456(kg cm2 )2JLJm217.8463.4321.276(kg cm2 )二 、 步 進(jìn) 電 機(jī)的 計(jì) 算 和 選 用1、 電 機(jī) 力矩 的 計(jì) 算速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩：M 起M a maxM fM 0 ( N cm)最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩：M 切M tM fM 0 (N cm)電機(jī)的力矩主要是用來(lái)產(chǎn)生加速度，而負(fù)載力矩往往小于加速力矩，故

23、常常用快速空載起動(dòng)力矩作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。(1)空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩M a maxM a max = J12 n max 10-260ta= 22.456 2 3.1416 500 10-260 0.03391.92(Ncm)式中： J -系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量ta - 運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大進(jìn)給速度所需的時(shí)間（s）約為 30 毫秒nmax -電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 (r/min)n nmax =b v max=0.752400=500( r/min)360p3600.01vmax -運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度 1600(mm/min)(2)摩擦力矩 M fM ffGL 0 8000.165

24、 0.62i212.6( N cm)0.8 1.25上式中： G-運(yùn)動(dòng)部件的總重量 (N)f -導(dǎo)軌摩擦系數(shù)0.165i - 齒輪總減速比 -傳動(dòng)鏈總效率，一般取 0.70.85，在此取 0.8(3)附加摩擦力矩 M 0M 0F p 0 L021702.140.6(1 0.95 2 ) 15.86 ( N cm)(10)2 i2 0.81.25上式中：Fp0-滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載 (N)，一般取最大工作載荷的Fp01/3，5106.42/3=1702.14 (N)L0-滾珠絲杠基本導(dǎo)程 0.6(cm)0-滾珠絲杠未加預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取0 0.9，今取 0.95 。（4）折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)

25、載力MtFtL 02601.09 0.6（ N cm）M t = 209.1662i2 3.1416 0.95 1.25上式中： Ft -進(jìn)給方向最大切削力 (N)，即前面計(jì)算進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷 FL 、 FV 、CC，F(xiàn) 時(shí)所得到的數(shù)據(jù) F所以 Ft FC 2601.09 (N)綜合以上，可得：M 起 1（ Ncm）=391.92+6.11115+11.7964=409.8276M 起 2 =373.07+6.11115+11.7694=390.9776（Ncm）M 切1=209.166+6.11115+11.7964=227.0739cm）（ NM 切 2（ Ncm）=209.166+6.

26、11115+11.7964=227.07392、步進(jìn)電機(jī)的選擇與校核(1)根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩M jmax 初選電機(jī)型號(hào)步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)：M q1=max（ M起 1，M切 1）=M起1 =409.8276(Ncm)M q2 =max （ M起2， M切2）=M起2 =390.9776(Ncm)對(duì)于三相六拍步進(jìn)電機(jī)，1Mq1= 409.8276 =0.52270.5M j max784M q2=390.97760.8662M j max=0.7979490前面計(jì)算時(shí)已初選型號(hào)為110BF003 的步進(jìn)電機(jī)其相關(guān)參數(shù)為：(2)計(jì)算電機(jī)工作頻率1)最大空載起動(dòng)頻率：M j maxM q /1000vfk

27、=60maxp10002.4（ H）=0.01=4000 z/s60fk f max =7000(Hz/s) ，滿足要求。2)切削時(shí)最大工作頻率f = 1000v= 10000.54 =900（ Hz/s）60p600.01f e f max=1500(Hz/s) ，滿足要求。上式中：vmax -運(yùn)動(dòng)部件橫向最大快速進(jìn)給速度2.4(m/min)vs -橫向最大切削進(jìn)給速度0.54(m/min)p -脈沖當(dāng)量 0.01(mm/step)由上述計(jì)算可知：系統(tǒng)要求的空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩頻率要大于電機(jī)的空載起動(dòng)頻率 1500Hz,且空載起動(dòng)頻率滿足要求的電機(jī)型號(hào)較少，可以采用調(diào)壓起動(dòng)等方式起動(dòng)電機(jī)使電機(jī)的空載

28、起動(dòng)頻率滿足要求；而電機(jī)運(yùn)行頻率 7000Hz可以滿足系統(tǒng)要求。(3)校核步進(jìn)電機(jī)（ 2）根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和慣量的匹配條件校核為了使步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動(dòng)能力及較快的響應(yīng)速度，通常推薦： ML =321.355 (N.cm)且M L0.5 及J L4M j maxJ m則：對(duì)于電機(jī) 110BF003M L321.355M j max784JL17.8460.409890.53.8714Jm4.61滿足要求；對(duì)于電機(jī) 110BF004M L321.3550.0.65580.5M j max490J17.846L5.204J3.43m不滿足要求，故選擇110BF003的步進(jìn)電機(jī)。第三章微機(jī)控制部分

29、的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：以 MCS-51系列單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)。一、硬件系統(tǒng) （1）基本組成（最小系統(tǒng)）（2）系統(tǒng)擴(kuò)展 1 ）程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展3）輸入輸出端口擴(kuò)展4）綜合功能擴(kuò)展（3）接口技術(shù)1 ）鍵盤(pán)接口技術(shù)2）顯示器接口技術(shù)（4）步進(jìn)電機(jī)控制硬件電路二、軟件系統(tǒng)（1）軟件結(jié)構(gòu)與基本組成（2）插補(bǔ)原理及軟件程序（3）步進(jìn)電機(jī)控制軟件第一節(jié)微機(jī)控制系統(tǒng)概述一、微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路1. 確定系統(tǒng)狀態(tài)控制方案1 ）從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮是否采用開(kāi)環(huán)控制或閉環(huán)控制；2 ）執(zhí)行元件采用何種方式；3 ）考慮系統(tǒng)是否有特殊控制要求對(duì)于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系統(tǒng)應(yīng)采取的措施是什么？4 ）

30、考慮微機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中的作用，是設(shè)定計(jì)算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理，微機(jī)承擔(dān)哪些任務(wù)，為完成這些任務(wù)微機(jī)應(yīng)具備哪些輸入 / 輸出通道、配備哪些外圍設(shè)備。5 ）初步估算其成本，通過(guò)整體方案考慮，最后畫(huà)出系統(tǒng)組成的初步框圖，附加說(shuō)明，以此作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和依據(jù)。2. 確定控制算法1 ）建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型， 確定其控制算法， 按照規(guī)定的控制算法進(jìn)行控制。2）控制算法的正確與否直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)，甚至決定整個(gè)系統(tǒng)的成敗。3 ）在選擇控制算法時(shí)，應(yīng)考慮所選的算法是否能滿足控制速度、控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。3. 選擇微型計(jì)算機(jī)對(duì)于給定的任務(wù)， 選擇微機(jī)的方案不是唯一的， 從控制角度出發(fā)， 微機(jī)應(yīng)能滿足

31、具有較完善的中斷系統(tǒng)、足夠的存儲(chǔ)容量、完善的輸入 / 輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等要求。1）較完善的中斷系統(tǒng)2）足夠的存儲(chǔ)容量3）完備的出入 / 輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。二、微機(jī)控制系統(tǒng)基本硬件組成任何一個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成， 硬件是軟件的基礎(chǔ)， 而配置了軟件的硬件才有控制功能， 數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)與硬件軟件的密切配合實(shí)現(xiàn)各種功能?？刂葡到y(tǒng)硬件基本組成框圖第二節(jié)系統(tǒng)介紹該微機(jī)控制系統(tǒng)由單片機(jī)、 存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)和顯示器等接口電路、 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、 AT 標(biāo)準(zhǔn)下載接口電路、急停和限位報(bào)警等輔助控制電路組成。其電路原理圖如下圖 3-1 所示。一、單片機(jī)的選擇由于本設(shè)計(jì)只是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床的改造， 各方面

32、的要求不是很高， 所以本設(shè)計(jì)采用以 AT89S51-24PU單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng) . 目前，數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用最多的是AT89S51-24PU單片機(jī)，他價(jià)格低，功能強(qiáng)，使用靈活等特點(diǎn)。 由于 AT89S51-24PU 內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器， 必須擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器， 用以存放控制程序。 由于單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器容量較小，不能滿足實(shí)際需要，所以還需要擴(kuò)展 COM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM）。另外，雖然 AT89S51-24PU本身有 4 個(gè) I/O 接口電路，但尚不能滿足改造的需要，因此，還需要擴(kuò)展輸入輸出接口芯片，以滿足使用要求。圖 4-1系統(tǒng)電路原理圖圖 4-2存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路二、存儲(chǔ)器的擴(kuò)展如圖 3-2所示，

33、為存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路，由鎖存器、譯碼器、靜態(tài)存儲(chǔ)器和E2PROM等芯片連接而成。1. 地址鎖存由于 MCS-51 系列單片機(jī)的P0 口試分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線， 因此， 在進(jìn)行程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，必須用地址鎖存器鎖住低8 位的地址信號(hào)。采用的地址 鎖存器為 74HC573。D0 到 D7 為數(shù)據(jù)輸入， Q0 到 Q7 為輸出， 11 管腳為鎖存使能， 1 管腳 OE 為輸出使能。 10 管腳 GND 接地， 20 管腳接高電平。圖 4-3 鎖存器 74HC573芯片連接電路2. 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展MCS-51系列單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的相互獨(dú)立的。AT89S51-24PU芯片片內(nèi) R

34、OM不夠用時(shí)，需擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器。用作程序存儲(chǔ)器的器件有 EPROM和 E2PROM，在本設(shè)計(jì)中程序存儲(chǔ)器選用一片E2PROM,其型號(hào)為AT28C256-15PI。AT28C256-15PI 主要參數(shù)： 32K 8 位，為雙列直插式 28 腳封裝。采用單一正 5V 電源，可以與 MCS-51系列單片機(jī)直接接口。 ROM的地址范圍為 0000H 7FFFH。A0 A14 為地址線， CE 為芯片使能， OE 輸出使能， WE 寫(xiě)入使能， I/O0 I/O7 為數(shù)據(jù)輸入 /輸出， NC 、DC 為預(yù)留端口，不用連接。 GND 接地， Vcc 接高電平。圖 4-4 程序存儲(chǔ)器 AT89S51-24

35、PU芯片連接電路3. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展AT89S51-24PU單片機(jī)內(nèi)部有 256 字節(jié)的 RAM存儲(chǔ)器。 CPU提供對(duì)內(nèi)部的RAM具有豐富的操作指令。單在用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，僅靠片內(nèi)提供的256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在這種情況下，可利用 MCS-51的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用一片靜態(tài) RAM，其型號(hào)為 IDT7164S35P 。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 IDT7164S35P參數(shù)：容量為選用 8K 8 位，選用一片 SRAM6，單一電源供電， 雙列直插式 28 管角封裝， 可以與 MCS-51系列單片機(jī)直接接口。 其地址范圍 0000H1FFFH。A0 A12 為地址

36、線，OE 輸出使能， WE 寫(xiě)入使能， I/O0 I/O7 為數(shù)據(jù)輸入 / 輸出， CS1 、CS2為片選端口，GND 接地， Vcc 接高電平。圖 4-5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 IDT7164S35P芯片連接電路4、74HC138譯碼器接口電路查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)可知下表：表 3-1 74HC138 功能表CBAY7 ， Y6 ， Y5 ， Y4 ， Y3 ， Y2 ， Y1 ， Y00001111111000111111101010111110110111111011110011101111101110111111101011111111101111111在 74HC138中引腳 C、B、 A 分別

37、接地、 P1.4 和 P2.7，確定 Y0 Y7 中的選擇。從原理圖可知：1、 當(dāng) BA 為 00 時(shí)，即 P2. 7 =0， P1.4 =0 時(shí)，選擇 Y0 腳輸出 0，此時(shí)選通芯片IDT7164S35P，該芯片有 13 條地址線，基本地址范圍 0000H 1FFFH。2、 當(dāng) BA為 01 時(shí)，即 P2.7 =0， P1.4 =1 時(shí)， Y1腳為0，而 Y1 腳接芯片AT28C256-15PI，.此時(shí)選通該芯片，其有 15 條地址線，基本地址范圍 0000H7FFFH。3、 當(dāng) BA 為 10，即 P2.7 =1， P1.4 =0 時(shí)， Y 2 腳為 0，而 Y2 腳接 8155 的片選腳

38、，此時(shí)選中 8155 芯片。4、當(dāng) BA 為 11，即 P2 .7 =1， P2. 6 =1 時(shí)， Y3腳為 0，而 Y3 腳接 8255 的片選腳，因此此時(shí)選中8255 芯片。圖 4-6 譯碼器 74HC138 芯片連接電路三、 I/O 口的擴(kuò)展在 MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)本身提供給用戶使用的輸出口線并不多，只有 P1 口和部分 P3 口線。應(yīng)此，在大部分單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都不可避免的要在單片機(jī)外部擴(kuò)展 I/O 端口。單片機(jī)可以像訪問(wèn)外部 RAM存儲(chǔ)器一樣訪問(wèn)外部接口芯片，對(duì)其進(jìn)行讀 / 寫(xiě)操作。由于接口較多，需采用一個(gè) 8155 芯片和一個(gè) 8255 芯片，才可以滿足要求。復(fù)合接口

39、擴(kuò)展芯片 8155 共有三個(gè)端口 PA、 PB、PC，即 PA0 PA7、PB0PB7、 PC0 PC4共為 21 位輸入輸出。 AD0 -AD7 為數(shù)據(jù)總線， RD 讀入接口， WR寫(xiě)入接口，RESET為復(fù)位接口， Vss 接地，Vcc 接高電平，ALE芯片使能、IO/ M 、TMRIN、TMROUT、片選 CE。圖 4-78155 芯片連接電路專用接口擴(kuò)展芯片8255 有三個(gè)端口PA、PB、PC，均為 8 位，即 PA0 PA7、PB0 PB7、PC0PC7 共 24 位輸入輸出口。A0-A1 為地址線接口，D0-D7 為數(shù)據(jù)線接口，RD 讀入接口， WR寫(xiě)入接口， RESET 為復(fù)位接口

40、， CS 為片選端口， GND 接地， Vcc 接高電平。圖 4-88255A 芯片連接電路通過(guò) 8155 復(fù)合接口芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤(pán)和數(shù)碼管顯示接口的擴(kuò)展，通過(guò) 8255 專用接口芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)手動(dòng)操作等按鍵功能和步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖輸出接口的擴(kuò)展。1、數(shù)碼顯示管位數(shù)確定如下圖 3-9 所示所設(shè)計(jì)數(shù)碼顯示電路原理圖，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求及數(shù)據(jù)計(jì)算，數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量0.01mm/ step ，需要兩位數(shù)碼管顯示小數(shù)部分（右邊兩個(gè)），銑床行程小于 1000mm，需要三位數(shù)碼管顯示整數(shù)部分（右起 35 個(gè)），需要一位顯示 x、y 的方向（左起第 3 個(gè)），一位顯示行程的正負(fù)（左起第 2 個(gè)）。還有一位（左起第 1 個(gè)）根據(jù)具體情況由用戶設(shè)定（比如狀態(tài)信息） 。圖 4-9 數(shù)碼管顯示電路2、鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)及鍵數(shù)確定如下圖 3-10 所示，為所設(shè)計(jì)矩陣鍵盤(pán)電路原理圖。根據(jù)數(shù)控銑床加工特點(diǎn)及各方面性能要求，擬定如下按鍵：圖 4-10 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)返回鍵、垂直菜單鍵、回車(chē)/ 輸入鍵、上檔鍵、光標(biāo)向上鍵、光標(biāo)向下鍵、光標(biāo)向左鍵、光標(biāo)向右鍵、刪除鍵、