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山東大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
目 錄
第1章 前言 1
1.1 關(guān)于牛皮切邊專用機(jī)床 1
1.2 課題的來源、基本前提條件及基本要求 1
1.3 本課題要解決的主要問題和設(shè)計(jì)的總體思路 1
1.4 簡(jiǎn)述預(yù)期成果及其理論意義或?qū)嶋H價(jià)值2.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3
2.2 總體方案 5
2
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 3
2.2.1 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 5
2.2.2 工作臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 5
2.2.3 數(shù)控部分設(shè)計(jì) 6
第3章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 7
3.1 傳動(dòng)部分的說明 7
3.2 蝸輪的設(shè)計(jì) 7
3.2.1 蝸輪的參數(shù)計(jì)算 8
3.2.2 蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算 ............ 11
3.3 齒輪的設(shè)計(jì)..........................................................................................14
3.3.1 壓力角a的選擇 14
3.3.2 小齒輪齒數(shù)Z1的選擇 14
3.3.3 齒寬系數(shù)的選擇 15
3.3.4 齒輪精度選擇 16
3.4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).....................................................................................17
3.4.1 花鍵...........................................................................................18
3.5 工作臺(tái)的設(shè)計(jì)圖................................................................................19
第4章 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20
4.1 概述 20
4.2 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 20
4.2.1 單片機(jī)的選擇 21
4.2.2 存儲(chǔ)器擴(kuò)展 22
4.2.3 I/O接口的擴(kuò)展 24
4.2.4 鍵盤接口設(shè)計(jì) 24
4.2.5 數(shù)碼管顯示電路 25
4.3 軟件設(shè)計(jì) 25
4.3.1 步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配 26
4.3.2 圓弧插補(bǔ)原理及其程序設(shè)計(jì) 27
4.3.3 步進(jìn)電機(jī)的控制及其程序設(shè)計(jì) 30
4.3.4 中斷功能診斷 32
4.3.5 工作臺(tái)的加工示意框圖 34
結(jié)論 35
參考文獻(xiàn) 36
致謝 37
摘 要
牛皮切邊機(jī)是為了提高工作效率而進(jìn)行設(shè)計(jì)的專用機(jī)床，該機(jī)械主要用于槍套等牛皮切邊產(chǎn)品的毛邊的切削。要求切削的工作效率高，機(jī)床的控制可靠，工作運(yùn)行平穩(wěn)，應(yīng)用范圍廣。數(shù)控部分設(shè)計(jì)采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制。設(shè)計(jì)的總體思路是采用二級(jí)傳動(dòng)，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪，蝸桿再帶動(dòng)工作臺(tái)做穩(wěn)定，快速的圓周運(yùn)動(dòng)。刀具的運(yùn)動(dòng)由于是受專門的控制軟件通過控制系統(tǒng)來控制走刀路徑，以直線路徑替代加工輪廓的各種曲線，大大提高了工作效率。微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要是利用電路中各器件及電器元件的參數(shù)及型號(hào)繪制電氣原理圖。其機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路概括起來由CPU、總線、存儲(chǔ)器以及I/O接口四部分組成。由于考慮了成本，選用常用的8031單片機(jī)，它在各種數(shù)控系統(tǒng)中的到廣泛的應(yīng)用。
牛皮切邊專用機(jī)床的設(shè)計(jì)制造滿足了技術(shù)發(fā)展的需要，提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品的精度，增大了設(shè)備的適應(yīng)能力和型面加工范圍
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 8031單片機(jī) 電器元件 硬件電路
Abstract
Leather Cutting Machine is to improve the efficiency and design of special purpose machine, the machine is mainly used for holsters and other leather products, flash trimming cutting. Required high cutting efficiency, reliable machine control, work stable operation, wide application. NC part of the design uses to stepping motor-driven open-loop control. The general concept of design is used 2 drive, worm gear driven by a stepping motor, worm drive and then do bench stability, quick circular motion. As the tool movement is subject to special control software through the control system to control the tool path, a straight line path to alternative processing contour curves, greatly improved work efficiency. Computer numerical control system hardware design is to use the device and circuit parameters of electrical components and electrical schematic drawing models. The CNC system hardware summed up by the CPU, bus, memory and I / O interfaces in four parts. In consideration of the cost, commonly used in 8031 used it in a variety of numerical control systems to a wide range of applications.
Leather trimming machine tool design and manufacture to meet the needs of technology development, improved productivity and accuracy of the product and increase the adaptability of the equipment and the range of surface processing
Keywords: stepper motor 8031 hardware electrical components
?
山東大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目：牛皮切邊機(jī)的數(shù)控控制和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)電一體化工程
學(xué) 生：
準(zhǔn)考證號(hào)：
指導(dǎo)老師：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間： 年 月 日 ～ 年 月 日
山東大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）
第1章 前言
1.1 關(guān)于牛皮切邊專用機(jī)床
隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，普通機(jī)床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求。專用機(jī)床的出現(xiàn)，不僅可以提高生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入。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。從生產(chǎn)分析來看，在現(xiàn)代制造業(yè)中，特殊零件的加工與制造有相當(dāng)大的比重，專用數(shù)控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。從市場(chǎng)上來看，訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿足用戶的需要。
1.2課題的來源、基本前提條件及技術(shù)要求
本課題來源于生產(chǎn)實(shí)踐中。牛皮切邊機(jī)是為了提高工作效率而進(jìn)行設(shè)計(jì)的專用機(jī)床，該機(jī)械主要用于槍套等牛皮切邊產(chǎn)品的毛邊的切削。要求切削的工作效率高，機(jī)床的控制可靠，工作運(yùn)行平穩(wěn)，應(yīng)用范圍廣。機(jī)床采用了專門的控制軟件通過數(shù)控系統(tǒng)控制走刀的路徑，以直線路徑替代加工輪廓的各種曲線，大大提高了工作效率，刀具庫(kù)驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，具有切削螺紋的功能?？刂撇糠忠詥纹瑱C(jī)為核心，要運(yùn)行可靠，抗干擾能力強(qiáng)。改造要在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下盡可能方便，成本低。
1.3本課題要解決的主要問題和設(shè)計(jì)的總體思路
A.機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)，即進(jìn)行工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)圖。其中包括：
a.機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)以及總體裝配圖的繪制。
b.非標(biāo)準(zhǔn)零件的設(shè)計(jì)以及零件圖的繪制。
c.箱體的設(shè)計(jì)以及機(jī)床尺寸聯(lián)系圖的繪制。
B．?dāng)?shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括：
a.微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的框圖設(shè)計(jì)。
b.微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)電氣原理圖的設(shè)計(jì)與繪制。
設(shè)計(jì)的總體思路是采用二級(jí)傳動(dòng)，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪，蝸桿再帶動(dòng)工作臺(tái)做穩(wěn)定，快速的圓周運(yùn)動(dòng)。刀具的運(yùn)動(dòng)由于是受專門的控制軟件通過控制系統(tǒng)來控制走刀路徑，以直線路徑替代加工輪廓的各種曲線，大大提高了工作效率。
1.4簡(jiǎn)述預(yù)期成果及其理論意義或?qū)嶋H價(jià)值
實(shí)踐已經(jīng)證明專用機(jī)床的設(shè)計(jì)制造具有重大的實(shí)際價(jià)值：
牛皮切邊專用機(jī)床的設(shè)計(jì)制造滿足了技術(shù)發(fā)展的需要，提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品的精度，增大了設(shè)備的適應(yīng)能力和型面加工范圍。從市場(chǎng)上來看，據(jù)國(guó)內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)，訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿足用戶的需要，而現(xiàn)在用戶可以針對(duì)自己的實(shí)際情況做出相應(yīng)的調(diào)整。再?gòu)纳a(chǎn)分析來看，在現(xiàn)代制造業(yè)中，單一品種的大量生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，若要完成這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機(jī)床、專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床，其中專用機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
專用機(jī)床是一種專門適用于特定零件和特定工序加工的機(jī)床，而且往往是組成自動(dòng)生產(chǎn)線式生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，不可缺的機(jī)床品種。組合機(jī)床是專用機(jī)床的一種，它以標(biāo)準(zhǔn)化部件為基礎(chǔ)，配以少量的專用部件組成。而目前一些機(jī)床廠對(duì)其生產(chǎn)的通用機(jī)床若作改動(dòng)時(shí)，也習(xí)慣用專用機(jī)床來取代。比如數(shù)控車床由于盤改為專用設(shè)計(jì)的，這臺(tái)數(shù)控車床則不用原機(jī)床型號(hào)，而采取編專用機(jī)床號(hào)的辦法。由于專用機(jī)床是一種《量體裁衣》產(chǎn)品，具有高效自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，是大批量生產(chǎn)企業(yè)的理想裝備。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控技術(shù)的普及，專用機(jī)床的數(shù)控化發(fā)展也很快，專用機(jī)床在生產(chǎn)實(shí)踐中占有一定的比重。據(jù)有關(guān)資料介紹，日本2001年專用機(jī)床產(chǎn)值占機(jī)床產(chǎn)值的比達(dá)到8.8%；我國(guó)臺(tái)灣省這一數(shù)字達(dá)到6.9%;而我國(guó)僅為0.67%。所以，在當(dāng)前產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整中，發(fā)展專用機(jī)床是行業(yè)發(fā)展中的一個(gè)值得注意的問題。
專用機(jī)床及其自動(dòng)化生產(chǎn)線的制造，與大量生產(chǎn)汽車等性質(zhì)不一樣，也與普通機(jī)床的制造性質(zhì)不一樣，它具有兩個(gè)極其鮮明的特征：一是集成性。用戶訂購(gòu)專用機(jī)床都是要求交鑰匙工程，它集加工工藝（含工藝方法及工藝參數(shù)），機(jī)床、夾具、工具（包含輔助）的開發(fā)設(shè)計(jì)與選擇，檢驗(yàn)測(cè)量（包括進(jìn)入機(jī)床前的毛坯檢驗(yàn)、加工中及成品的檢驗(yàn)測(cè)量）物流的輸送，切屑和冷卻液的防護(hù)與處理等于一體。它不僅僅解決其中的某一問題，而是要解決好涉及較寬的技術(shù)領(lǐng)域可能遇到的每一個(gè)問題。二是單一性。專用機(jī)床幾乎都是單臺(tái)性生產(chǎn)，要根據(jù)用戶提出的要求，進(jìn)行一次性開發(fā)，一次性制造，而且還要保證一次性成功。
根據(jù)長(zhǎng)期有關(guān)從事專用機(jī)床及其自動(dòng)生產(chǎn)線開發(fā)制造的人員的體會(huì)，將專用機(jī)床制造業(yè)的工作歸納為以下八個(gè)特點(diǎn)：
A.技術(shù)難度大。由于它是集加工工藝、機(jī)床、夾具、輔具、刀具、檢驗(yàn)測(cè)量、物流等于一體，實(shí)現(xiàn)交鑰匙工程，從而涉及技術(shù)領(lǐng)域?qū)捛覐?fù)雜，又是一次性制造，要保證一次成功，所以技術(shù)難度大。
B.是經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)率高。專用機(jī)床（或自動(dòng)線）根據(jù)用戶訂單“量體裁衣”制造的，不可能有試制探索過程，要確保一次成功，有相當(dāng)大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。由于技術(shù)方案不當(dāng)，造成局部或整體報(bào)廢的情況屢見不鮮；由于一次性制造，在制造調(diào)試過程中難保不出現(xiàn)問題，解決這些總是需要時(shí)間，從而按期交貨也有一定的風(fēng)險(xiǎn)；由于裝備是專門為某一用戶訂做的，當(dāng)該用戶因種種原因不能如期付款、甚至無力付款時(shí)，勢(shì)必造成制造企業(yè)的損失；在現(xiàn)行的金融制度還無法約束對(duì)方，產(chǎn)品無法轉(zhuǎn)讓他人的情況下，經(jīng)營(yíng)顯而易見。
C.是協(xié)作困難大。由于是一次性制造，它不像汽車零部件那樣大量生產(chǎn)，也不像通用設(shè)備那樣批量生產(chǎn)，找協(xié)作廠家很困難。條件一般的企業(yè)，很難保證一次性制造出合格的產(chǎn)品；條件好的企業(yè)，又不愿當(dāng)配角，對(duì)這種委托協(xié)作看不上。
D.是技術(shù)依賴性強(qiáng)。專用機(jī)床及其自動(dòng)線從設(shè)計(jì)、工藝編制、生產(chǎn)制造到裝配調(diào)試的全過程，都需要一批有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員、管理人員和技術(shù)工人。
E.是利潤(rùn)空間小。在國(guó)外不同的生產(chǎn)模式的企業(yè)（指大量生產(chǎn)、批量生產(chǎn)或單件小批生產(chǎn)），其生產(chǎn)產(chǎn)品的效益相差不會(huì)太大，但國(guó)內(nèi)這幾種生產(chǎn)模式的企業(yè)效益卻相差懸殊。如果做一比較，就很能說明問題，假如國(guó)外的某種產(chǎn)品價(jià)格為1，相對(duì)國(guó)內(nèi)轎車價(jià)格則為1.15-1.25，對(duì)通用機(jī)床國(guó)內(nèi)的價(jià)格為0.7左右，而國(guó)內(nèi)專用機(jī)床的價(jià)格僅為0.3-0.4。
由于國(guó)情或用戶對(duì)專用機(jī)床制造業(yè)不夠理解等原因，專用機(jī)床的銷售價(jià)格總體偏低。近幾年，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)專用機(jī)床的單臺(tái)平均售價(jià)呈下降趨勢(shì)，以組合機(jī)床為例，其單臺(tái)平均售價(jià)從1996年的31萬多元下降到2000年的23萬多元，降幅達(dá)25%。在國(guó)外購(gòu)買一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的加工中心的費(fèi)用和為其配全成加工某種零件所需的夾具、刀具及相關(guān)輔具的費(fèi)用之比，一般是100:60左右，之所以后者占有如此高的比例，是因?yàn)槌丝紤]硬件的消耗外，更多是考慮技術(shù)的投入和由此而帶來的風(fēng)險(xiǎn)。而國(guó)內(nèi)這一比值一般用戶僅能接受100:25左右。如果在考慮5%的質(zhì)量保證金要在一年后才能拿到，這種種原因把產(chǎn)品的利潤(rùn)壓縮到極小的空間。
F.是技術(shù)成長(zhǎng)期長(zhǎng)。專用機(jī)床的設(shè)計(jì)制造涉及專業(yè)面廣，要具備較豐富的工藝知識(shí)，要比較熟悉用戶的制造工藝，要保證一次成功，培養(yǎng)一名熟練的主管設(shè)計(jì)師，要花幾年時(shí)間，才能做出好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、好的制造工藝，生產(chǎn)出好的產(chǎn)品，技術(shù)成長(zhǎng)期要長(zhǎng)。
G.是人員流動(dòng)困難。由于訂單不均衡，會(huì)引起生產(chǎn)的不均衡，國(guó)外除了零部件外協(xié)條優(yōu)越外，還有成熟的技術(shù)勞動(dòng)力市場(chǎng)，企業(yè)可以根據(jù)訂單情況輸出或吸收有關(guān)勞動(dòng)力，使這與企業(yè)生產(chǎn)相適應(yīng)。國(guó)內(nèi)則無法做到這一點(diǎn)，有時(shí)可以招些臨時(shí)工，但多數(shù)只能承擔(dān)一些輔助性工作，熟練技工則難以尋求。
H.是技術(shù)引進(jìn)困難，與國(guó)外合作難。由于專用機(jī)床是一次性設(shè)計(jì)制造，引進(jìn)技術(shù)若僅供一次使用，則成本太高，很難實(shí)現(xiàn)。到目前為止，我國(guó)專用機(jī)床制造業(yè)沒有一家談成合資，雖有接觸，但都僅限于具體項(xiàng)目的合作。
八個(gè)特點(diǎn)，八種原因，既相互關(guān)聯(lián)，又各具特性，但確實(shí)是影響我國(guó)專用機(jī)床制造業(yè)發(fā)展的重要方面。今天，我們要調(diào)整機(jī)床工業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展專用機(jī)床是一項(xiàng)十分重要的工作。
為此，從總體戰(zhàn)略和技術(shù)路線兩個(gè)層次及數(shù)控系統(tǒng)、功能部件、數(shù)控整機(jī)等幾個(gè)具體方面探討了新世紀(jì)的發(fā)展途徑。
國(guó)外利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制加工，是從40年代開始的，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)用于對(duì)機(jī)機(jī)翼加工路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院在一臺(tái)立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)，它成了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。此后，從60年代開始，其他一些工業(yè)國(guó)家如德國(guó)、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床。1974年微處理機(jī)直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。從此，數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)中擔(dān)當(dāng)了十分重要的角色。
我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從1958年開始的，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，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。目前，我國(guó)銑床的加工水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比設(shè)備陳舊，技術(shù)水平落后，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)力的發(fā)展，采用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，已經(jīng)成為我國(guó)制造加工技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。
2.2總體方案
由于該設(shè)計(jì)是專用機(jī)床設(shè)計(jì)，所以在考慮具體方案時(shí)，應(yīng)遵守的基本原則是在滿足使用要求的前提下，盡量降低成本。要求切削的工作效率高，機(jī)床的控制可靠，工作運(yùn)行平穩(wěn)，應(yīng)用范圍廣。
2.2.1工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
由于機(jī)床采用了專門的控制軟件通過數(shù)控系統(tǒng)控制走刀的路徑。以直線路徑替代加工輪廓的各種曲線，大大提高了工作效率。所以將工作臺(tái)設(shè)計(jì)成圓形工作臺(tái)，使工作臺(tái)僅作平穩(wěn)，快速的圓周運(yùn)動(dòng)。
2.2.2工作臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
由于工作臺(tái)要求是快速，平穩(wěn)，所以采用二級(jí)傳動(dòng)，以減輕步進(jìn)電機(jī)對(duì)工作臺(tái)的沖擊。由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿傳動(dòng)，再由蝸桿帶動(dòng)蝸輪軸，在通過一對(duì)斜齒帶動(dòng)工作臺(tái)作圓周運(yùn)動(dòng)，電機(jī)放在工作臺(tái)與機(jī)床主軸箱之間。
2.2.3 數(shù)控部分設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。
采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制。開環(huán)控制多用于負(fù)載變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備中。因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。
第3章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)
3.1傳動(dòng)部分的說明
本次設(shè)計(jì)的牛皮切邊專用機(jī)床是雙工位機(jī)床，即由一獨(dú)立步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾軸絲杠，使得走刀路徑走直線運(yùn)動(dòng)，在由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)二個(gè)工作臺(tái)作圓周運(yùn)動(dòng)，完成加工任務(wù)。走刀路徑為X軸，二個(gè)工作臺(tái)分別為Y軸和Z軸。
總體設(shè)計(jì)如圖3-1所示：
圖3-1 機(jī)床尺寸聯(lián)系圖俯視圖
3.2蝸輪的設(shè)計(jì)
采用圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)，其特點(diǎn)是：
a.齒廓凸凹齒合的形式，而共軛曲面的當(dāng)量曲率半徑達(dá)。單位齒面壓力小。因而接觸強(qiáng)度得到提高。
b.瞬時(shí)接觸線方向與相對(duì)滑動(dòng)速度方向的夾角比較大，有利于形成和保持共軛齒面間的動(dòng)壓油膜。能夠減小磨損，提高傳動(dòng)效率及可高性
c.基本齒廓為圓弧齒形，只要齒形參數(shù)選擇合適，就能增大齒跟厚度，提高齒的彎曲強(qiáng)度和抗沖擊能力。
d.設(shè)計(jì)方便，工藝簡(jiǎn)單。制造加工無需特殊專用機(jī)床。
e.采用蝸輪正變位，變位系數(shù)一般在0.5以上齒合性能好，能保證傳動(dòng)質(zhì)量，當(dāng)然也應(yīng)該注意防止大變位引起的理論齒合區(qū)減少，蝸輪齒面邊切區(qū)擴(kuò)大。以至齒頂尖等現(xiàn)象。
總之它具有承載能力大，傳動(dòng)效率高。使用壽命長(zhǎng)，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。如圖3-2所示：
圖3-2 圓弧圓柱蝸桿
3.2.1蝸輪的參數(shù)計(jì)算
A.模數(shù)m和壓力角α
通過蝸桿軸線并垂直蝸輪軸線的平面稱中間平面。在中間平面上，蝸桿與蝸輪的嚙合相當(dāng)于齒條和齒輪嚙合。阿基米德蝸桿傳動(dòng)中間平面上的齒廓為直線，夾角為2α=40°蝸輪在中間平面上齒廓為漸開線，壓力角等于20°。顯然，蝸桿軸向齒距（相當(dāng)于螺紋螺距）應(yīng)等于蝸輪端面齒距，因而蝸桿軸向模數(shù)必等于蝸輪端面模數(shù)；蝸桿軸向壓力角必等于蝸輪端面壓力角，即==m， ==α。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定壓力角α=20°。
B.蝸桿標(biāo)準(zhǔn)直徑
為了保證蝸桿與蝸輪正確嚙合，蝸輪通常用與蝸桿形狀和尺寸完全相同的滾刀加工。區(qū)別在于蝸輪滾刀有刃槽，且外徑比蝸桿稍大，以便切出蝸桿傳動(dòng)的頂隙。也就是說，切削蝸輪的滾刀不僅與蝸桿模數(shù)和壓力角一樣，而且其頭數(shù)和分度圓直徑還必須與蝸桿的頭數(shù)和分度圓直徑一樣。即同一模數(shù)蝸輪將需要有許多把直徑和頭數(shù)不同滾刀。為了限制滾刀數(shù)目和有利于滾刀標(biāo)準(zhǔn)化，以降低成本，特制定了蝸桿分度圓直徑系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即蝸桿分度圓直徑與模數(shù)m有一定的搭配關(guān)系，由此可見，同一模數(shù)只有有限幾種蝸桿直徑。將蝸桿的分度圓柱展開，如右圖所示。蝸桿同螺旋一樣如果旋轉(zhuǎn)一周的周長(zhǎng)為π其螺旋升角為γ，則沿軸線移動(dòng)距離為（p為蝸桿軸向齒距）則可得：
(3-1)
(3-2)
式中q為蝸桿分度圓直徑與模數(shù)的比值，稱為蝸桿直徑系數(shù)，由上式可知，q值越小，即蝸桿直徑越小，則升高越大，傳動(dòng)效率越高，但直徑變小會(huì)導(dǎo)致蝸桿的剛度和強(qiáng)度削弱，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。一般轉(zhuǎn)速高的蝸桿可取較小q值，蝸輪齒數(shù)較多時(shí)可取較大q值。
C.蝸桿螺旋升角與蝸輪螺旋角β
?一對(duì)蝸桿蝸輪嚙合時(shí)，蝸輪螺旋角β與蝸桿螺旋升角γ大小相等，且旋向相同，才能吻合一致，即=β。
D.蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)
蝸桿頭數(shù)愈多，角愈大，傳動(dòng)效率高；蝸桿頭數(shù)少，升角γ也小，則傳動(dòng)效率低，自鎖性好。一般自鎖蝸桿頭數(shù)取=1。常用蝸桿頭數(shù)=1、2、4，過多，制造高精度蝸桿和蝸輪滾刀有困難。蝸輪齒數(shù)=i。和推薦值。為了避免根切，不應(yīng)少于26，但也不宜大于60-80。過多時(shí)，會(huì)使結(jié)構(gòu)尺寸過大，蝸桿支承跨距加大，剛度下降，影響嚙合精度。
E.傳動(dòng)比i和中心距a
對(duì)于減速蝸桿傳動(dòng)
（3-3）
式中：和分別為蝸桿和蝸輪的轉(zhuǎn)速r/min。對(duì)于單級(jí)動(dòng)力蝸桿傳動(dòng)，i=5～80，常用15～50。普通圓柱蝸桿減速裝置傳動(dòng)比i的公稱值，推薦按下列數(shù)值送?。?；7.5；10；12.5；15；20；25；30；40；50；60；70；80，其中10；20；40和80為基本傳動(dòng)比，應(yīng)優(yōu)先采用。非變位的標(biāo)準(zhǔn)蝸桿傳動(dòng)的中心距為
（3-4）
式中，為蝸輪分度圓直徑， = m國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了中心距標(biāo)準(zhǔn)系列值：40．50．63．80．100．125．160．（180）．200．250. （280）. 315. 355. 400. 450. 500另外，為了配湊中心距，蝸桿傳動(dòng)常需要變位。
所以取中心距a=100mm
蝸桿頭數(shù)Z1=3
蝸輪齒數(shù) Z2=31
變位系數(shù)X2=0.5
蝸桿傳動(dòng)的受力分析：
蝸桿傳動(dòng)的受力分析與斜齒輪傳動(dòng)相似。通常不考慮摩擦力的影響。
蝸桿傳動(dòng)時(shí)，齒面間相互作用的法向力可分解為三個(gè)相互垂直的分力：切向力，徑向力r和軸向力。蝸桿，蝸輪所受各分力大小和相互關(guān)系如下:
(3-5)
式中：、、分別為蝸桿所受的切向力，軸向力，徑向力；、、分別為蝸輪的切向力，軸向力，徑向力；、、分別為蝸桿，蝸輪的分度圓直徑；α為壓力角，T1、T2分別為蝸桿和蝸輪的轉(zhuǎn)矩，,i為傳動(dòng)比，η為蝸桿傳動(dòng)的總效率。
蝸桿，蝸輪上各分力方向的判定方法如下：切向力方向?qū)χ鲃?dòng)件蝸桿，與其運(yùn)動(dòng)方向相反；對(duì)從動(dòng)件蝸輪，與其受力點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相同。徑向力各自指向輪心。而蝸桿軸向力的方向則與蝸桿轉(zhuǎn)向和螺旋線旋向有關(guān)。用左（右）手定則來判定比較方便：右旋蝸桿用右手，左旋蝸桿用左手，四指順著蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向，四指伸直所指方向即為蝸桿軸向力的方向。蝸桿軸向力的反方向即蝸輪的切向力的方向。
3.2.2蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算
蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的計(jì)算主要是為了防止齒面產(chǎn)生點(diǎn)蝕。鋼蝸桿與青銅或灰鑄鐵蝸輪配對(duì)時(shí)，齒面接觸疲勞強(qiáng)度公式如下：
校核公式 （3-6）
設(shè)計(jì)公式 （3-7）
式中，K為載荷系數(shù)，用以考慮載荷集中和動(dòng)載荷的影響。一般K=1.11.5。當(dāng)載荷平穩(wěn)、蝸輪圓周速度≤3m/s和7級(jí)以上精度時(shí)，取較小值，否則取較大值；為蝸輪許用接觸應(yīng)力（MPa），G為承載能力提高系數(shù)，對(duì)于普通圓柱蝸桿傳動(dòng)，G=1；對(duì)于圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)，G=1.10-3.9。當(dāng)中心距a和蝸輪齒數(shù)較小時(shí)，G取較大值；其他符號(hào)意義和單位同前。2．蝸輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于閉式蝸桿傳動(dòng)，輪齒彎曲折斷的情況較少出現(xiàn)，通常僅在蝸輪齒數(shù)較多(>80100)時(shí)才進(jìn)行輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)于開式傳動(dòng)，則按蝸輪輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。
A.按接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
a.選 ,
取=3,則 。
b.蝸輪轉(zhuǎn)矩
c.載荷系數(shù)K
K=1.1
d.材料系數(shù)
e.
f.初選m,
m=4.8 ，=46.4mm q=13
此時(shí)=1069.056
g.導(dǎo)成角
h.許用接觸應(yīng)力
=178MPa
其中
B．計(jì)算傳動(dòng)效率
a.齒合效率
0.91 （3-8）
b.傳動(dòng)效率
（軸承效率=1，潤(rùn)滑效率=0.98）
c.檢驗(yàn)值
（3-9）
=160900
<1069
原選參數(shù)強(qiáng)度足夠
C．確定傳動(dòng)的主要尺寸
m=4.8mm, =46.4mm, =3,
中心距
a=100mm
a.蝸桿尺寸
分度圓直徑d =46.4mm
齒頂圓半徑
齒根圓半徑
導(dǎo)程角 右旋
軸向齒距
輪齒部分長(zhǎng)度
取=85mm
b.蝸輪尺寸
分度圓直徑d
齒頂圓半徑
齒根圓半徑
外圓半徑
蝸輪輪齒寬度
螺旋角
齒寬角
咽喉母圓半徑
3.3齒輪的設(shè)計(jì)
3.3.1壓力角α的選擇
由《機(jī)械原理》可知，增大壓力角α，齒輪的齒厚及節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑亦皆隨之增加，有利于提高齒輪傳動(dòng)的彎曲強(qiáng)度及接觸強(qiáng)度。我國(guó)對(duì)一般用途的齒輪傳動(dòng)規(guī)定的壓力角為α=20o。為增強(qiáng)航空有齒輪傳動(dòng)的彎曲強(qiáng)度及接觸強(qiáng)度，我國(guó)航空齒輪傳動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了α=25o的標(biāo)準(zhǔn)壓力角。但增大壓力角并不一定都對(duì)傳動(dòng)有利。對(duì)重合度接近2的高速齒輪傳動(dòng)，推薦采用齒頂高系數(shù)為1～1.2，壓力角為16 o～18 o的齒輪，這樣做可增加齒輪的柔性，降低噪聲和動(dòng)載荷。
3.3.2小齒輪齒數(shù)Z1的選擇
若保持齒輪傳動(dòng)的中心距α不變，增加齒數(shù)，除能增大重合度、改善傳動(dòng)的平穩(wěn)性外，還可減小模數(shù)，降低齒高，因而減少金屬切削量，節(jié)省制造費(fèi)用。另外，降低齒高還能減小滑動(dòng)速度，減少磨損及減小膠合的可能性。但模數(shù)小了，齒厚隨之減薄，則要降低齒輪的彎曲強(qiáng)度。不過在一定的齒數(shù)范圍內(nèi)，尤其是當(dāng)承載能力主要取決于齒面接觸強(qiáng)度時(shí)，以齒數(shù)多一些為好。
閉式齒輪傳動(dòng)一般轉(zhuǎn)速較高，為了提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性，減小沖擊振動(dòng)，以齒數(shù)多一些為好，小一些為好，小齒輪的齒數(shù)可取為z1=20~40。開式（半開式）齒輪傳動(dòng)，由于輪齒主要為磨損失效，為使齒輪不致過小，故小齒輪不亦選用過多的齒數(shù)，一般可取z1=17～20。? 為使齒輪免于根切，對(duì)于α=20o的標(biāo)準(zhǔn)支持圓柱齒輪，應(yīng)取z1≥17。Z2=u·z1。?
3.3.3.齒寬系數(shù)的選擇
（3-10）
由齒輪的強(qiáng)度公式可知，輪齒越寬，承載能力也愈高，因而輪齒不宜過窄；但增大齒寬又會(huì)使齒面上的載荷分布更趨不均勻，故齒寬系數(shù)應(yīng)取得適合。圓柱齒輪齒寬系數(shù)的薦用值列于下表。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪減速器，齒寬系數(shù)取為
（3-11）
所以對(duì)于外捏合齒輪傳動(dòng)的值規(guī)定為0.2，0.25，0.30，0.40，0.50，0.60，0.80，1.0，1.2。運(yùn)用設(shè)計(jì)計(jì)算公式時(shí)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)減速器，可先選定再用上式計(jì)算出相應(yīng)的值
表3-1 ? 圓柱齒輪的齒寬系數(shù) f
裝置狀況
兩支撐相對(duì)小齒輪作對(duì)稱布置
兩支撐相對(duì)小齒輪作不對(duì)稱布置
小齒輪作懸臂布置
0.9～1.4（1.2～1.9）
0.7～1.15（1.1～1.65）
0.4～0.6
注：a.大、小齒輪皆為硬齒面時(shí)應(yīng)取表中偏下限的數(shù)值；若皆為軟齒面或僅大齒輪為 軟齒面時(shí)可取表中偏上限的數(shù)值；
b.括號(hào)內(nèi)的數(shù)值用于人字齒輪，此時(shí)b為人字齒輪的總寬度；
c.金屬切削機(jī)床的齒輪傳動(dòng)，若傳遞的功率不大時(shí)，可小到0.2；
d.非金屬齒輪可取≈0.5～1.2。
對(duì)接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，由于點(diǎn)蝕破壞發(fā)生后只引起噪聲、振動(dòng)增大，并不立即導(dǎo)致不能繼續(xù)工作的后果，故可取S==1。但是，如果一旦發(fā)生斷齒，就會(huì)引起嚴(yán)重的事故，因此在進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算時(shí)S==1.25～1.5.?
3.3.4齒輪精度選擇
齒輪精度選擇各類機(jī)器所用齒輪傳動(dòng)的精度等級(jí)范圍，列于下表中，按載荷及速度推薦的齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)如下圖所示。
表3-2 各類機(jī)器所用齒輪傳動(dòng)的精度等級(jí)范圍
機(jī)器名稱
精度等級(jí)
機(jī)器名稱
精度等級(jí)
汽輪機(jī)
3~6
拖拉機(jī)
6~8
金屬切削機(jī)床
3~8
通用減速機(jī)
6~8
航空發(fā)動(dòng)機(jī)
4~8
鍛壓機(jī)床
6~9
輕型汽車
5~8
起重機(jī)
7~10
載重汽車
7~9
農(nóng)用機(jī)器
8~11
注：主傳動(dòng)齒輪或重要的齒輪傳動(dòng)，精度等級(jí)偏上限選擇；輔助傳動(dòng)的齒輪或一般齒輪傳 動(dòng)，精度等級(jí)居中或偏下限選擇。
?
圖3-3 齒輪傳動(dòng)的精度選擇圓柱齒輪傳動(dòng)
3.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸主要有軸頸、軸頭、軸身三部份組成。
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要要求是：
a.裝在軸上的零件有確定的位置。且布置合理。
b.軸受力合理，能可靠的傳遞力和轉(zhuǎn)距，有利于提高強(qiáng)度和剛度
c.具有良好的工藝性。
d.便于裝配和調(diào)整。
e.節(jié)省材料，減輕質(zhì)量
3.4.1花鍵
圖 3-4 矩形花鍵的形狀
A.矩形花鍵
矩形花鍵的齒廓如圖所示可用磨削方法獲得較高的精度，應(yīng)用廣泛。
矩形花鍵按齒數(shù)和齒高的不同，在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了兩個(gè)尺寸系列：輕系列和中系列。輕系列用于載荷較輕的靜連接，中系列用于中等載荷。
矩形花鍵鏈接的定心方式為小徑定心，故對(duì)軸和孔德小徑都進(jìn)行磨削加工。盡管加工復(fù)雜。但定心精度高
B.漸開線花鍵
漸開線花鍵的齒廓為漸開線，標(biāo)準(zhǔn)壓力角有30度和45度兩種。與矩形花鍵相比，齒根較厚，應(yīng)力集中較小，強(qiáng)化高?；ㄦI軸可用加工齒輪的方法加工，工藝性好，但加工內(nèi)花鍵的漸開線花鍵拉刀制造成本高，故常用于載荷大、定心要求高，且尺寸較大的連接。
漸開線花鍵鏈接的定心方式為漸開線齒形定心。具有自動(dòng)定心作用，各齒承載均勻。
花鍵軸和花鍵孔通常用強(qiáng)度不低于600MPa 的鋼制造。在載荷作用下頻繁移動(dòng)的花齒要經(jīng)過熱處理，以獲得足夠的表面硬度。
3.5工作臺(tái)的設(shè)計(jì)圖
如圖3-5所示：
圖3-5 工作臺(tái)上半部分
如圖3-5所示，工作臺(tái)采用圓形，以減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和工作臺(tái)的重量，還可以減少轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的阻力。
工作臺(tái)的加工示意如圖3-6所示：
圖3-6工作臺(tái)的工作示意圖
第4章 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1概述
本設(shè)計(jì)的任務(wù)是利用微機(jī)對(duì)牛皮切邊機(jī)的刀具路徑進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。運(yùn)用微機(jī)對(duì)專用機(jī)床刀具的橫向和豎直方向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字控制，并要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，刀架要設(shè)計(jì)成自動(dòng)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。
4.2微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)
任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路概括起來由CPU、總線、存儲(chǔ)器以及I/O接口四部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作。存儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁?？偩€則是CPU與存儲(chǔ)器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。
設(shè)計(jì)的內(nèi)容：
a.按照總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的的方案，并繪制微機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
b.選擇微機(jī)或CPU的類型。
c.根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的具體要求設(shè)計(jì)存貯器擴(kuò)展電路。
d.根據(jù)被控對(duì)象和系統(tǒng)工作要求，設(shè)計(jì)擴(kuò)展I/O接口電路、轉(zhuǎn)換電路及驅(qū)動(dòng)電路。
e.選擇控制電路中各器件及電器元件的參數(shù)及型號(hào)，繪制電氣原理圖。
存儲(chǔ)器
RAM/ROM
CPU
I/O接口
光電隔離
功率放大
控制對(duì)象
（步進(jìn)電機(jī)）
外設(shè)、鍵盤
顯示器等
圖4-1數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
4.2.1單片機(jī)的選擇
根據(jù)總體方案的確定，微機(jī)已采用MCS-51系列單片機(jī)。51系列相對(duì)48系列單片機(jī)指令更豐富，相對(duì)96系列價(jià)格更便宜。51系列有三種型號(hào)：8031是無ROM的8051；8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控機(jī)中應(yīng)用最多的是8031單片機(jī)。本設(shè)計(jì)就采用8031單片機(jī)。
8031單片機(jī)是美國(guó)Intel公司的產(chǎn)品MCS—51系列單片機(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CPU，128字節(jié)的RAM，兩個(gè)16位定時(shí)器，四個(gè)八位并行口，一個(gè)全功能串行口，可擴(kuò)展的外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量個(gè)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。
從上述特性可以看出，一塊8031單片機(jī)的功能幾乎相當(dāng)于一塊Z80CPU，一塊RAM，一塊Z80CTC，兩快Z80PIO和一塊Z80SIO組成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。所以8031單片機(jī)是一種理想的8位微型計(jì)算機(jī)，在各種數(shù)控系統(tǒng)中的到廣泛的應(yīng)用。
8031單片機(jī)是一個(gè)有40根引腳的雙列直插式器件。其引腳功能說明如下：
VCC：編程和正常操作的電源電壓端，電壓為+5V；
VSS：地電平；
P0口：8位雙向I/O口，既是數(shù)據(jù)線，又是低8位地址線，分時(shí)使用；
P1口：8位雙向I/O口，可供用戶使用的接口；
P2口：8位雙向I/O口，系統(tǒng)外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，作高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I/O口，是一個(gè)雙功能口。第一功能和P1口一樣可以作為通用I/O口，工作于第二功能時(shí)，各端口的定義如下：
P3.0—RXD，串行輸入；
P3.1—TXD，串行輸出；
P3.2—INT0，外部中斷輸入；
P3.3—INT1，外部中斷輸入；
P3.4—T0，定時(shí)器0外輸入端；
P3.5—T1，定時(shí)器1外輸入端；
P3.6—WR，寫信號(hào)；
P3.7—RD，讀信號(hào)。
ALE/PROG：訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，用于鎖存地址線低8位字節(jié)的地址鎖存允許輸出。ALE提供一個(gè)定時(shí)信號(hào)，在與外部存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)時(shí)把P0口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中。這個(gè)引腳也是EPROM編程時(shí)的編程脈沖輸入端（PROG）。
PSEN：程序存儲(chǔ)器允許輸出，是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。
EA/VDD：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)行外部程序存儲(chǔ)器指令。使用8031單片機(jī)時(shí)，EA必須接地。
XTAL1：振蕩器的反相放大器輸入，使用外部振蕩器時(shí)必須接地；
XTAL2：振蕩器的反相放大器輸出，使用外部振蕩器時(shí)，接受外部振蕩信號(hào)；
RST/VPD：復(fù)位控制，在振蕩器運(yùn)行時(shí)，使RST引腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期為高電平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。VPD引腳是掉電保護(hù)電路輸入口。
4.2.2存儲(chǔ)器擴(kuò)展
8031單片機(jī)內(nèi)只有128字節(jié)的RAM，沒有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)器的容量都較大，必須外接程序存儲(chǔ)器（EPROM）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）芯片。
A.程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，擴(kuò)展ROM
常用的EPROM存儲(chǔ)器有2716，2732，2764，27128，27256等，容量分別為2K、4K、8K、16K，32K。
a.27128EPROM芯片
8031無內(nèi)部ROM，必須擴(kuò)展外部ROM。由于車床數(shù)控系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制程序和加工程序，采用16KB×8的27128芯片，可與單片機(jī)所選的12MHz時(shí)鐘相匹配。
27128EPROM芯片是一個(gè)有28根引腳的雙列直插式集成元件。該芯片共有14根地址線A0—A13，8根數(shù)據(jù)線D0—D7，其余的為控制線，定義分別是：
CE—片選信號(hào)端；
OE—取指允許端；
PGM—編程控制端；
VPP—編程電壓端（21V或12.5V）；
VCC—+5V電源；
VSS—地電平。
ROM的尋址范圍為0000H—3FFFH，并且采用譯碼器，使地址范圍無重疊區(qū)。
b.地址鎖存器74LS373
單片機(jī)規(guī)定P0口提供低8位地址線，同時(shí)又要作為數(shù)據(jù)線，所以P0是一個(gè)分時(shí)輸出低8位地址和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信息分離出來保存，提供外接存儲(chǔ)器的低8位地址信息，通常采用74LS373作為地址鎖存器。74LS373作為地址鎖存器。D1—D8是輸入端，Q1—Q8是輸出端，CE是片選端，片選端G與8031單片機(jī)的地址鎖存信號(hào)ALE連接。當(dāng)片選端G=1時(shí)，74LS373的輸出端與輸入端相通，當(dāng)G端從高電平返回低電平（下降沿）時(shí)，輸入的地址信息就被鎖入Q1—Q8中。
B.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展，擴(kuò)展RAM
8031片內(nèi)僅有RAM128字節(jié)，需擴(kuò)展，采用8KB×8的62256芯片。其地址范圍為6000H—7FFFH，也采用譯碼器，使其無重疊區(qū)的地址范圍。
a.地址譯碼器74LS138
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外部芯片都通過總線與單片機(jī)連接。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)地與各個(gè)外部芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，故需進(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，外部擴(kuò)展芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，所以外部芯片不僅占用數(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/寫指令完成數(shù)據(jù)傳送。
經(jīng)濟(jì)型數(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，高位地址用譯碼器譯碼，譯碼器輸出的地址選擇信號(hào)作為片選線連至每個(gè)外部芯片的片選端。
地址譯碼常用74LS138譯碼器，G1、G2A和G2B是賦能端，A、B、C是選擇端，Y0～Y7是輸出端。
74LS138地址譯碼電路輸入端占用了8031單片機(jī)的P2.5～P2.7三根高位地址線，剩余的13根地址線用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)地址線。74LS138譯碼器每一個(gè)輸出端可接一個(gè)外部芯片的片選端實(shí)現(xiàn)分時(shí)片選控制，因此，一個(gè)74LS138譯碼器的8根輸出端可以連接8個(gè)8K字節(jié)地址空間。單片機(jī)的讀/寫信號(hào)經(jīng)過與門后控制譯碼器的賦能端G2A、G2B，這就保證只有在讀/寫狀態(tài)時(shí)譯碼器輸出端才會(huì)輸出片選信號(hào)。
4.2.3 I/O接口的擴(kuò)展
8031只有P1口可作為普通I/O口用，所以需擴(kuò)展，采用8255A芯片進(jìn)行擴(kuò)展，8255A有A、B、C三個(gè)可編程的8位I/O接口，有40個(gè)引腳，各引腳的功能說明如下：
8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為四個(gè)部分：
數(shù)據(jù)總線緩沖器 是一個(gè)8位的雙向三態(tài)驅(qū)動(dòng)器，用于與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連。
A.讀/寫控制邏輯
根據(jù)單片機(jī)的地址信息（A1、A0）與控制信息（RD、WR、RE、SET），控制片內(nèi)數(shù)據(jù)、CPU控制字、外設(shè)狀態(tài)信息的傳送。
B.控制電路
根據(jù)CPU送來的控制字使所管I/O接口按一定工作方式工作。對(duì)C口甚至可按位實(shí)現(xiàn)“置位”或“復(fù)位”。有A、B兩組控制電路。A組控制電路控制A口及C口的高四位（PC7～PC4）， B組控制電路控制B口及C口的低4位（PC3～PC0）。
C.并行I/O接口 有A、B、C三個(gè)端口。
A口：可編程為8位輸入，或8位輸出，或雙向傳送。
B口：可編程為8位輸入，或8位輸出，按不能雙向傳送。
C口：可分為兩個(gè)4位口，用于輸入或輸出；也可用作A口、B口的狀態(tài)控制信號(hào)。
4.2.4鍵盤接口設(shè)計(jì)
采用8279芯片是比較好的，因?yàn)?279芯片是專用的鍵盤/顯示器接口芯片，還可以編程。采用一片8279芯片和一片8255A即可。
8279芯片具有消顫（去抖動(dòng)）、雙鍵同時(shí)按下保護(hù)功能。顯示控制亦按掃描方式工作，可以顯示8或16個(gè)數(shù)碼（字符）。LED的個(gè)數(shù)應(yīng)滿足顯示值（如加工范圍）的要求。
4.2.5數(shù)碼管顯示電路
數(shù)碼顯示器是單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品中的廉價(jià)輸出設(shè)備。它由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。這種筆畫式的七段顯示器，能顯示的字符數(shù)量較少，但控制簡(jiǎn)單，使用方便。
動(dòng)態(tài)顯示是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描）。對(duì)于每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點(diǎn)亮?xí)r間與間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示的為數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個(gè)8位并行口（稱為掃描口）?？刂聘鱾€(gè)顯示器所顯示的字形也需一個(gè)公用的8位口（稱為數(shù)據(jù)口）。
在8031RAM中設(shè)置6個(gè)顯示緩沖單元79H～7EH，分別存放6位顯示器的顯示數(shù)據(jù)。8255的A口掃描總是一位為高電平，即6位顯示器中僅有一位公共陰極為低電平，其它為高電平。8255的B口輸出相應(yīng)位（陰極為低）顯示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段，使某一位顯示出一個(gè)字符，其它位為暗。依次地改變A口輸出為高的位，B口輸出對(duì)應(yīng)的段數(shù)據(jù)，6位顯示器就顯示出緩沖器顯示數(shù)據(jù)所確定的字符。
4.3 軟件設(shè)計(jì)
CNC系統(tǒng)軟件任務(wù)的分解：
數(shù)控系統(tǒng)
加工程序
管理與操作模塊
插補(bǔ)功能
間隙補(bǔ)償
步進(jìn)電機(jī)控制
速度控制
環(huán)行分配
管理模塊
程序設(shè)計(jì)
自動(dòng)換刀
程序設(shè)計(jì)
鍵盤程序
顯示程序
鍵盤診斷
中斷功能診斷
圖4-2 CNC系統(tǒng)軟件任務(wù)
4.3.1步進(jìn)電機(jī)的環(huán)行分配
步進(jìn)電機(jī)在一個(gè)脈沖的作用下，轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步矩角，因而只要控制一定的脈沖數(shù)，即可精確控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的相應(yīng)角度。但步進(jìn)電機(jī)的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作，這種使電機(jī)繞組的通電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的裝置稱為脈沖分配器，又稱環(huán)行分配器。
步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中的通電順序稱為一個(gè)拍，若干個(gè)拍組成一個(gè)循環(huán)，但是即使是同一種步進(jìn)電機(jī)也能有不同的通電規(guī)律。
X分配
取當(dāng)前序號(hào)
取轉(zhuǎn)向符號(hào)
正轉(zhuǎn)
序號(hào)減1
序號(hào)加1
序號(hào)=0
序號(hào)=9
序號(hào)=8
序號(hào)=1
保存新序號(hào)
建立新狀態(tài)
保存新狀態(tài)
返回
N
N
N
Y
Y
Y
圖4-3 環(huán)行分配過程流程圖
4.3.2圓弧插補(bǔ)原理及其程序設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行圓弧插補(bǔ)。逐點(diǎn)比較法又稱為代數(shù)運(yùn)算法或醉步法，它的基本原理是：數(shù)控裝置在控制刀具按要求的軌跡移動(dòng)過程中，不斷比較刀具與給定輪廓的誤差，由誤差決定下一步刀具的移動(dòng)方向，使刀具向減少誤差的方向移動(dòng)，且只有一個(gè)方向移動(dòng)。
利用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行插補(bǔ)每進(jìn)給一步都要經(jīng)過四個(gè)工作節(jié)拍，如圖所示。
a.偏差判別 判別刀具當(dāng)前位置相對(duì)于給定輪廓的偏離情況，以此決定刀具移動(dòng)方向；
b.進(jìn)給 根據(jù)偏差判別結(jié)果，控制刀具相對(duì)于工件輪廓進(jìn)給一步，即向給定的輪廓靠攏，減少偏差；
c.偏差計(jì)算 由于刀具進(jìn)給已改變了位置，因此應(yīng)計(jì)算出刀具當(dāng)前位置的新偏差，為下次判別作準(zhǔn)備；
d.終點(diǎn)判斷 判別刀具是否已到達(dá)被加工輪廓線段的終點(diǎn)。若已到達(dá)終點(diǎn)，則停止插補(bǔ)；否則繼續(xù)插補(bǔ)。如此不斷重復(fù)上述四個(gè)節(jié)拍就可以加工出所要求的輪廓。
偏差判別
進(jìn) 給
偏差計(jì)算
終點(diǎn)？
結(jié)束
Y
N
圖4-4 逐點(diǎn)比較法的工作節(jié)拍
逐點(diǎn)比較法是我國(guó)數(shù)控裝置中經(jīng)常采用的一種插值運(yùn)算方法，采用這種方法不僅可以加工直線輪廓，也可以加工圓弧曲線輪廓。其算法特點(diǎn)是：運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于一個(gè)脈沖量，輸出均勻，而且輸出脈沖的速度變化小，調(diào)節(jié)方便。因此，在兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用教為廣泛。
根據(jù)逐點(diǎn)比較法的特點(diǎn)和圓弧插補(bǔ)的規(guī)律，可概括出圓弧插補(bǔ)程序的流程框圖如圖所示。
由于本設(shè)計(jì)的專用機(jī)床切削的走刀路經(jīng)與以往的X，Y軸，或是X，Y，Z有所不同，應(yīng)為本機(jī)床是將工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)變成圓周運(yùn)動(dòng)，而刀具作直線運(yùn)動(dòng)，也就是由刀具的直線運(yùn)動(dòng)V 和 工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度W合成加工零件的走刀路線。
所以只要把其中一個(gè)變量換成工作臺(tái)的角速度的變化就可以了。其插補(bǔ)原理不變。
插補(bǔ)開始
初始化：取起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)值，確定象限及進(jìn)給方向，確定終判計(jì)數(shù)器終值，清除偏差值為零等
是SR1嗎？
F≥0？
F≥0？
走△y
F=F+2yi+1
yi=yi+1
走△x
走△x
走△y
F=F-2xi+1
xi=xi-1
F=F+2xi+1
xi=xi+1
F=F-2yi+1
yi=yi-1
終判計(jì)數(shù)器？
走△y，終判計(jì)數(shù)不便
走△x，終判計(jì)數(shù)減1
走△x，終判計(jì)數(shù)不便
走△y，終判計(jì)數(shù)減1
終判計(jì)數(shù)器=0？
插補(bǔ)停止
N
Y
N
Y
N
Y
N
Y
Y
圖4-5 圓弧插補(bǔ)的流程框圖
4.3.3步進(jìn)電機(jī)的控制及其程序設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)也叫脈沖電機(jī)，是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖對(duì)應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件。當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)便轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。如按一定規(guī)律給步進(jìn)電機(jī)一串連續(xù)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)便一步一步地連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
步進(jìn)電機(jī)具有如下特點(diǎn)：
a. 位移量與輸入電脈沖數(shù)有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，步距誤差不會(huì)積累。
b. 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速與控制脈沖的頻率有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
c.控制性能好，在一定的頻率下，能按控制脈沖的要求快速起、停和反轉(zhuǎn)。
改變控制脈沖頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就隨著變化，并可在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。
d. 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，工作可靠，成本低。但其控制精度受到步距腳的限制。
所以，步進(jìn)電機(jī)廣泛用于數(shù)模轉(zhuǎn)換、速度控制和位置控制系統(tǒng)中，是開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的理想執(zhí)行元件。
步進(jìn)電機(jī)的控制主要由脈沖分配和驅(qū)動(dòng)電路兩部分組成。步進(jìn)電機(jī)脈沖控制任務(wù)主要有三點(diǎn)：一是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，二是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，三是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角（步數(shù)）。
控制輸送給電機(jī)的脈沖數(shù)就控制了電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角數(shù)?？刂戚斔偷拿}沖頻率可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向必須控制輸送脈沖給電機(jī)繞組的順序分配，這種分配稱為環(huán)行分配。
三相六拍的通電順序?yàn)椋?
正轉(zhuǎn)：A—AB—B—BC—C—CA
反轉(zhuǎn)：A—AC—C—CB—B—BA
表4-1三相六拍的通電順序
節(jié) 拍
通 電 相
控 制 模 型
正 轉(zhuǎn)
反 轉(zhuǎn)
二進(jìn)制
十六進(jìn)制
1
6
A
00000001
01H
2
5
AB
00000011
03H
3
4
B
00000010
02H
4
3
BC
00000110
06H
5
2
C
00000100
04H
6
1
CA
00000101
05H
步進(jìn)電機(jī)的變加速度變速控制及程序設(shè)計(jì)
軟件實(shí)現(xiàn)變加速度運(yùn)行的程序設(shè)計(jì)的基本思路:
a.累加脈沖(頻率為f0)和指令脈沖(頻率為f指)的產(chǎn)生
累加脈沖和指令脈沖若采用軟件延時(shí)的方法產(chǎn)生,需設(shè)置兩個(gè)計(jì)數(shù)器C0和
C1,每個(gè)機(jī)器指令周期減1,當(dāng)其值減至0時(shí)發(fā)出一個(gè)累加脈沖,同時(shí)C0賦初值,C1值減1，重復(fù)上述過程。當(dāng)C1值減為0時(shí)發(fā)出一個(gè)指令脈沖。由此可知，計(jì)數(shù)器C1中的初值表示了脈沖累加脈沖頻率f0 和指令脈沖頻率f指的比值。
b.誤差寄存器中存數(shù)N的計(jì)算
根據(jù)N=N指-N出，每當(dāng)CPU產(chǎn)生一個(gè)指令脈沖時(shí)，積存器中的值加1；每當(dāng)累加器產(chǎn)生溢出，積存器中的值減1。
c.誤差積存器中存數(shù)N的累加及輸出進(jìn)給脈沖的產(chǎn)生
每當(dāng)CPU產(chǎn)生一個(gè)累加脈沖時(shí)，將誤差積存器中的數(shù)N與上次存貯在積存器B中的累加數(shù)相加，若產(chǎn)生溢出，則發(fā)送一個(gè)輸出進(jìn)給脈沖，將在累加器的余數(shù)存入積存器B；若無溢出，將累加結(jié)果存入寄存器B中。
誤差積存器N清零
積存器B清零
延時(shí)
累加脈沖到？
B←B+N
有進(jìn)位溢出？
指令脈沖到？
發(fā)指令脈沖
N←N+1
發(fā)進(jìn)給脈沖
N←N-1 B←B+1
返回
計(jì)數(shù)器置初值
計(jì)數(shù)器減1
計(jì)數(shù)到發(fā)脈沖
入口
N
Y
Y
Y
N
N
圖4-6 變加速度運(yùn)行控制程序框圖
a)主程序框圖 b)累加脈沖產(chǎn)生框圖
4.3.4中斷功能診斷
MCS-51單片機(jī)有5個(gè)中斷源，其兩個(gè)定時(shí)器溢出中斷，內(nèi)部、外部、串行口各一個(gè)中斷源。如果對(duì)每一個(gè)中斷源一一診斷，比較費(fèi)事。實(shí)際應(yīng)用中，常選用以最頻繁中斷的中斷源作診斷。中斷功能診斷程序設(shè)計(jì)的基本思路是：先讓中斷源允許中斷，并在中斷子程序中作一件事來通知自檢程序，則可以根據(jù)這件事是否發(fā)生來判斷中斷是否發(fā)生；然后再讓中斷源屏蔽中斷，看看中斷還能否發(fā)生。這樣可初步達(dá)到診斷中斷控