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XX大學
課程設計(論文)
XK716數(shù)控機床z向直流伺服
進給系統(tǒng)系統(tǒng)設計
所在學院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學 號
指導老師
年 月 日
摘 要
數(shù)控機床即數(shù)字程序控制機床，是一種自動化機床，數(shù)控技術是數(shù)控機床研究的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網絡化、柔性化、集成化的基礎。隨著制造技術的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機床借助現(xiàn)代設計技術、工序集約化和新的功能部件使機床的加工范圍、動態(tài)性能、加工精度和可靠性有了極大的提高。
本文主要設計X716數(shù)控銑床Z向進給系統(tǒng)設計部分，機械結構采用直流伺服電機與滾珠絲杠直接相連的方式，其控制方式采用直流伺服驅動系統(tǒng)半閉環(huán)控制。在對進給系統(tǒng)機械結構進行設計的過程中，主要對滾珠絲杠螺母副和直線滾動導軌副進行了計算、校核，確保了機械傳動部件的精度和剛度；通過計算，選擇了電氣驅動部分，包括直流伺服電機和與之匹配的伺服單元。
關鍵詞：直線滾動導軌；滾珠絲杠螺母副；直流伺服電機
V
Abstract
NC machine tool is the digital process control machine tool, is an automated machine tools, CNC technology is the core of numerical control machine tool research, is the manufacturing industry that realizes the automation, network, flexible, integrated foundation. With the development of manufacturing technology, modern CNC machine tools with the aid of the modern design technology, process intensification and the new function part make machine processing range, dynamic performance, the processing precision and reliability are greatly improved.
In this paper, the main design X716 Z milling machine CNC feed system design part, the mechanical structure of DC servo motor and ball screw directly connected, the control of DC servo drive system semi closed loop control. On the feeding system of the mechanical structure of the design process, mainly on the ball screw nut pair and the linear rolling guideway were calculated, verification, to ensure that the mechanical transmission precision and rigidity; by calculating, chose electrical driving part, including DC servo motor and the matched servo unit.
Key words: Linear rolling guide; ball screws; DC servo motor
目錄
摘 要 I
Abstract II
目錄 III
第1章 前言 1
1.1 課題研究的背景必要性 1
1.2 數(shù)控機床的產生和發(fā)展 2
1.2.1數(shù)控機床的產生 2
1.2.2數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 2
1.3 我國數(shù)控技術的發(fā)展概況 2
1.3.1數(shù)控技術再國民經濟中的重要地位 2
1.3.2 我國數(shù)控機床的發(fā)展歷程與成就 3
1.3.3我國數(shù)控機床發(fā)展存在的問題與對策 5
1.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 6
1.5 數(shù)控銑床的主要功能及特點 7
1.6 數(shù)控銑床的分類和應用： 7
1.6.1 數(shù)控銑床的分類 7
1.6.2 數(shù)控銑床的應用 7
1.5 XK716數(shù)控機床的參數(shù) 7
1. 6本章小結 8
第2章 Z向進給傳動系統(tǒng)的設計和計算 9
2.1 進給伺服系統(tǒng)的設計 9
2.1.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求 9
2.1.2 進給伺服系統(tǒng)的設計要求 9
2.1.3 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應特性及伺服性能分析 10
2.2 切削參數(shù)計算 10
2.2.1 精度 10
2.2.2銑削工件時銑削力的計算 10
2.2.3 進給工作臺工作載荷計算 11
2.2.4首先初步估算工作臺的重量 13
2.2.5 銑削用量選擇 13
2.2.6 銑削力的計算 14
2.3 Z向滾珠絲杠副計算與選擇 15
2.3.1動載荷計算 15
2.3.2選用 FC1-4020-2.5型絲杠 16
2.3.3 穩(wěn)定性驗算 16
2.3.4 剛度驗算 18
2.3.5 效率驗算 19
2.4 Z向直流電機選擇計算 19
2.5導軌的設計與選型 24
2.5.1導軌概述 24
2.5.2滾動直線導軌副的計算 26
第3章 控制系統(tǒng)的設計 31
3.1微機控制系統(tǒng)組成及特點 31
3.1.1微機控制系統(tǒng)的組成 31
3.1.2微機數(shù)控系統(tǒng)的特點 32
3.2微機控制系統(tǒng)設備介紹 32
3.2.1主控制器CPU的選擇 32
3.2.2存儲器電路的擴展 33
3.2.3 I/O口電路的擴展 34
3.2.4 直流電機驅動電路 35
3.2.5其它輔助電路設計 36
3.3程序部分 36
總結與展望 41
參考文獻 43
致 謝 44
第1章 前言
1.1 課題研究的背景必要性
隨著科學技術的發(fā)展，機械產品日趨精密、復雜、而且產品的生產周期短、改型頻繁。這不僅對機床設備提出精度與效率的要求提出了通用性與靈活的要求。特別是航空、造船、武器、模具生產等精密加工的零件具有精度高、形狀復雜、經常變動的特點。因此機械產品部件的生產設備機床也相應的提出了高性能、高精度化的要求。
利用計算機控制數(shù)控機床進行加工使得零件的加工變得十分的方便、快速，很大程度上節(jié)約了人力和物力的使用，使得工業(yè)自動化程度更高。但是許多企業(yè)由于資金等方面的約束不能及時引進先進數(shù)控機床，這樣制約了生產率的提高，不利于自動化程度的提高。因此各種機床的數(shù)控改造開發(fā)成為眾多專業(yè)技術人員研究的一。
數(shù)控，用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制，其對零件的加工相比普通機床有著很多的優(yōu)點：
（1）自動化程度高，勞動強度低。
（2）加工精度、加工質量穩(wěn)定可靠。
（3）對零件加工的適應性強，靈活性好，能加工形狀復雜的零件。
（4）加工生產率高。
（5）有利于生產管理的現(xiàn)代化。
（6）對加工對像的適應性強。
并且目前在機械行業(yè)中，隨著市場經濟的發(fā)展，產品更新周期越來越短，中小批量的生產所占有的比例越來越大，對機械產品的精度和質量要求也在不斷地提高與推進。所以普通機床越來越難以滿足加工的要求，同時由于技術水平的提高，數(shù)控機床的價格在不斷下降，因此，數(shù)控機床在機械行業(yè)中的使用將越來越普遍，而對原有普通機床的數(shù)控化改造也應是越來越廣泛，依照設計任務本設計對XW5032銑床進行了數(shù)控化改造。
1.2 數(shù)控機床的產生和發(fā)展
隨著社會生產和科學技術的迅速發(fā)展，機械產品日趨精密復雜，且要求頻繁改型，特別是在宇航、造船、軍事等領域所需的機械零件，精度要求高，形狀復雜，批量小。加工這類產品需要經常改裝或調整設備，普通機床或專用化程度高的自動化機床一般 不能適應這些要求。為了解決上述問題，一種新型的機床——數(shù)控機床應運而生。這種新型機床具有適應性強、加工精度高、加工質量穩(wěn)定和生產效率高等優(yōu)點。他綜合應用電子計算機、自動控制、伺服驅動、精密測量和新型機械結構等多方面的技術成果。
1.2.1數(shù)控機床的產生
世界上第一臺成功研制的數(shù)控機床是一臺三坐標的數(shù)控銑床，于1952年由美國帕森斯公司和麻省理工學院合作完成。早在1948年，美國在研制加工直升機葉片輪廓檢查用樣板的技工機床任務時，就提出了研制數(shù)控機床的初始設想。1949年，在美國空軍部門的支持下，帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學院伺服機構實驗室合作，開始從事數(shù)控機床的研制工作。經過三年時間的研究，于1952 年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床試驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床。其控制裝置由2000多個電子管組成，占用一個普通實驗室那么大。這臺數(shù)控銑床的誕生，標志著機械制造的數(shù)字控制時代的開始。
1.2.2數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展
數(shù)控機床的發(fā)展是隨著數(shù)控技術的發(fā)展而發(fā)展的。數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經歷了電子管—分立式晶體管—小規(guī)模集成電路—大規(guī)模集成電路—小型計算機—超大規(guī)模集成電路—微機式的數(shù)控系統(tǒng)等幾個發(fā)展階段。
20世紀90年代以來，數(shù)控系統(tǒng)朝著以通用微機為基礎、體系結構開放和智能化方向發(fā)展。以上的三代數(shù)控系統(tǒng)是由計算機硬件和軟件組成，利用存儲器里的軟件控制系統(tǒng)工作，因此稱為CNC系統(tǒng)或軟件控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)容易擴大功能，柔性好，可靠性高。
1.3 我國數(shù)控技術的發(fā)展概況
1.3.1數(shù)控技術再國民經濟中的重要地位
數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和過程進行控制的技術，是20世紀后半葉最重要，發(fā)展最快的工業(yè)技術之一，它以制造過程為對象，以信息技術為手段，以數(shù)字坐標方式對運動部件進行位置控制為主要特征，為單件小批量生產的自動化開辟了可行的技術途徑，也為現(xiàn)代柔性制造技術奠定了重要的技術基礎。
數(shù)控機床是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品，其技術覆蓋很多領域。其中，精密機械制造技術，信息處理、加工、傳輸技術，自動控制技術，伺服驅動技術，傳感器及檢測技術和計算機技術是數(shù)控技術涵蓋的主要領域。數(shù)控機床還是運用高新技術對傳統(tǒng)產業(yè)進行改進和提升的重要載體。
以信息化帶動工業(yè)化，實現(xiàn)社會生產力的跨越式發(fā)展，將在一定程度上取決于數(shù)控機床的技術進步。它代表著裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度。而裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術及其產業(yè)、生物技術及其產業(yè)、航空航天等國防工業(yè)產業(yè)）的使能技術和重要裝備。數(shù)控技術又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術?，F(xiàn)在世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。此外，世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術及其產業(yè)，而且在“高、精、尖”數(shù)控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要
途徑。
1.3.2 我國數(shù)控機床的發(fā)展歷程與成就
我國從1958年開始研究數(shù)控機床，一直到20世紀60年代中期還處于研制、開發(fā)時期。當時，一些高校和科研單位研制出的試驗性樣機，是從電子管數(shù)控系統(tǒng)起步的。1965年開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。從20世紀70年代起，數(shù)控技術在車、銑、銼、磨、齒輪加工、電加工等領域全面展開，加工中心在上海、北京研制成功。但是，由于元器件的質量差和產品的制造工藝水平低等原因，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性未得到解決，未能廣泛推廣。在這一時期，數(shù)控線切割機由于結構簡單、使用方便、價格低廉，在模具加工中得到推廣。直線控制、點位控制的數(shù)控車床、數(shù)控銑床和加工中心開始在生產中應用。20世紀80年代，我國從日本FANUC公司引進了3,5,6,7等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電動機、直流主軸伺服電動機等的制造技術，還引進了美國GE公司的MCI系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)、德國SIEMENS公司的VS系列晶閘管調速裝置，并進行了商品化生產。這些系統(tǒng)功能齊全、可靠性高，得到了推廣應用，推動了我國數(shù)控機床的穩(wěn)定發(fā)展，使我國的數(shù)控機床在性能和質量上產生了一個質的飛躍。在這期間，我國在引進、消化國外技術的基礎上進行了大量的開發(fā)工作。我國數(shù)控機床的品種有了較大發(fā)展，品種不斷增多，規(guī)格齊全。許多技術復雜的大型數(shù)控機床、重型數(shù)控機床都相繼研制出來。為了跟蹤國外現(xiàn)代制造技術的發(fā)展，北京機床研究所還研制出了JCS-FMS-1型和JCS-FMS-2型柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)。
改革開放近30年來，我國的數(shù)控機床產業(yè)取得了舉世矚目的成就。特別是“十五”期間，數(shù)控機床發(fā)展進人了快車道。國家有關部門的統(tǒng)計數(shù)字表明，“十五”是我國機床工具行業(yè)發(fā)展最快的五年。2004年，我國機床工具行業(yè)產品銷售收人1 032億元，大約是2000年507億元的2倍，平均年增長約19％；2004年，全國金屬切削機床產量為39萬臺，大約是2000年17萬臺的2．3倍，平均年增長約23寫。機床工具行業(yè)的主導產品—數(shù)控機床的發(fā)展速度遠高于機床工具全行業(yè)的平均發(fā)展速度。國產數(shù)控金屬切削機床年產量從“九五”計劃末期的幾千臺，增加到2001年的17 521臺,2002'年的24 803臺，2003年的36 813臺，2004年的51 861臺，其中2004年的產量大約是2000年產量的3. 7倍，平均年增長約39％。金屬加工機床產值數(shù)控化率從2001年的26. 2％提高到2004年的32．7％，形成了一批數(shù)控機床生產的主導企業(yè)，2004年數(shù)控機床年產量超千臺的企業(yè)有14家，其產量合計占全行業(yè)數(shù)控機床總產量的50％以上，其中數(shù)控機床產量最高的一家企業(yè)年產量達6 000多臺。連續(xù)幾年來數(shù)控機床產量快速上升，也帶動了出口，2004年全行業(yè)數(shù)控金屬加工機床出口14 404臺。數(shù)控機床的年產量已經突破原國家經貿委發(fā)布的到2005年全國數(shù)控機床產量達到25 000^-30 000臺的奮斗目標。數(shù)控機床的品種也從“九五”期間的128種發(fā)展到目前的1 500多種。國產數(shù)控機床產品大部分達到了國際20世紀90年代初期或中期水平，為國家重點建設提供了一批高水平的數(shù)控機床。
不僅如此，“十五”期間，我國在高端數(shù)控機床關鍵技術研究方面取得重大突破。目前，我國在普及型數(shù)控機床技術上已經成熟，還基本掌握了多（五）坐標聯(lián)動的關鍵技術。這不僅打破了國外的技術封鎖，而且使該技術進人實用性階段。北京機電研究院為東方汽輪機廠開發(fā)的五軸聯(lián)動加工中心，已在東方汽輪機廠實際應用，不僅完全滿足了汽輪機葉片加工質量的要求，而且其加工效率可與進口機床的媲美，但其價格僅為進口機床的三分之一。復合加工技術的研究也取得很大成績，我國研制成功的五軸聯(lián)動車銑復合加工中心、五軸五面加工中心、雙主軸車削中心等均已實現(xiàn)商品化。
我國高速加工技術的研究與應用取得重要進展。其中在直線電動機應用技術的研究方面，基本掌握了負載變化擾動、熱變形補償、隔磁和防護等部分關鍵技術，填補了我國在直線電動機應用技術領域的空白，進一步縮短了與國外的差距。此外，我國還完成了10 000^-18 000 r/min高速主軸單元的產品開發(fā)和加工制造工藝的研究，并在國產加工中心上應用。超精密加工（亞微米）技術和裝備的研究也取得突破，北京機床研究所研制的超精密加工和納米加工技術與裝備已達到世界領先水平，打破了國外對我國的技術封鎖。
目前，數(shù)控機床在我國國民經濟的各行各業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用，數(shù)控機床已經成為企業(yè)技術改造的首先設備之一。我國已經成為數(shù)控機床的生產大國、消費大國和進口大國。國民經濟各個行業(yè)需要大量數(shù)控機床的開發(fā)人才和應用人才。
1.3.3我國數(shù)控機床發(fā)展存在的問題與對策
當前，國外數(shù)控技術發(fā)展很快，呈現(xiàn)出高速度、高精度、高可靠性、多軸控制、工藝復合、集成化、智能化、網絡化和環(huán)?；l(fā)展的態(tài)勢。與國外數(shù)控技術的發(fā)展相比，我國數(shù)控技術的發(fā)展仍然存在著較大差距，主要體現(xiàn)在以下四個方面。
(1)在技術水平上，國外對加工中心的研究已經轉向高速、精密、多軸、復合、智能和環(huán)保等技術的研究。我國加工中心的總體技術水平與國外同類產品的先進水平相比大約落后10^-15年，在“高、精、尖”技術方面則更大。
(2)在產品結構上，高端市場（即高速、精密、多軸、復合加工中心市場）基本上被美國、日本和歐洲發(fā)達工業(yè)國家所壟斷，國內開發(fā)的五軸聯(lián)動數(shù)控機床、復合加工中心、高速加工中心等產品，雖然已經投人使用，但多數(shù)產品與商品化尚有一段距離，而且在技術水平和性能參數(shù)上與歐、美、日等地的產品還有較大差距。低端市場（即普及型數(shù)控機床市場）受到周邊的日本、韓國和我國臺灣地區(qū)產品的沖擊較大，形成激烈競爭。多年來，國產數(shù)控機床產量小、進口產品量大的局面一直存在。
(3)產品開發(fā)能力上，國內生產企業(yè)缺乏對產品競爭前數(shù)控技術的深人研究與開發(fā)，特別是對加工中心應用領域的拓展力度不強，集中體現(xiàn)在：產品開發(fā)能力較弱，對產品標準規(guī)范的研究、制定滯后，技術創(chuàng)新能力不強。導致開發(fā)出的產品技術先進性不明顯，市場針對性不強，缺乏市場競爭力。
(4)產業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小。從總體上看，加工中心還沒有形成規(guī)模生產；功能部件專業(yè)化生產水平及配套能力較低；產品質量不高，主要體現(xiàn)在可靠性不高，商品化程度不足，關鍵功能部件沒有自己配套的主渠道；數(shù)控系統(tǒng)的推廣應用還不夠等等。
這些問題已經引起了國家有關部門的高度重視，并正在采取措施加以改進。2006年6月，國務院發(fā)布了《關于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見｝）（以下簡稱《意見》），裝備制造業(yè)得到了國家前所未有的重視，《意見》將在三個方面重點下四點:
第一，加快開發(fā)高檔數(shù)控機床品種，縮短與世界先進水平的差距，提升我國機床工具行業(yè)整體水平，對市場急需的高檔數(shù)控機床品種，要集中力量，重點突破，加大科技投人，加強基礎研究和開發(fā)研究，提高原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力，掌握一批高檔數(shù)控關鍵產品開發(fā)的核心技術，推出一批高檔數(shù)控機床品種，滿足重點用戶急需，精心培育高檔數(shù)控機床市場。
第二，積極促進功能部件產業(yè)化，培育一批功能部件的龍頭企業(yè)，加大政策支持力度，重點發(fā)展高檔數(shù)控系統(tǒng)、高速主軸單元、精密滾動功能部件、動力刀架、精密轉臺、高速導軌防護裝置等高水平的功能部件，加快產業(yè)化進程，培育國產品牌，實現(xiàn)功能部件與數(shù)控機床同步發(fā)展。
第三，進一步發(fā)展普及型數(shù)控機床，我國普及型數(shù)控機床技術已經成熟，產業(yè)化迫在眉捷，急需進一步提高可靠性和質量，及時供應市場，提高產業(yè)集中度，實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、快速地滿足市場，以提高制造能力和生產集中度為重點，支持骨干企業(yè)快速發(fā)展。
第四，努力提高國產數(shù)控機床市場占有率，是“十一五”期間行業(yè)發(fā)展的重中之重，要從質量、可靠性、服務等方面入手，創(chuàng)品牌、擴市場、擋進口、爭出口，爭取在五年內使國產數(shù)控機床國內市場占有率有較大提高。
《意見》切中了我國數(shù)控機床發(fā)展中的關鍵問題，為發(fā)展國產數(shù)控機床提供了良好的政策環(huán)境。毫無疑問，隨著《意見》的貫徹實施，多年來困擾我國機床工具行業(yè)發(fā)展的數(shù)控機床產業(yè)化和自主開發(fā)能力偏低的問題，將得到一定程度的解決，國產數(shù)控機床在國內市場占有率長期不高的局面將被扭轉。高等學校作為國家各類人才的培養(yǎng)基地，為裝備制造業(yè)培養(yǎng)急需的數(shù)控機床開發(fā)與應用人才，是義不容辭的責任。
1.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢
隨著科學技術的發(fā)展，制造技術的進步，以及社會對產品質量和品種多樣化的要求越來越強烈。中、小批量生產的比例明顯增加，要求現(xiàn)代數(shù)控機床成為一種精密、高效、復合、集成功能和低成本的自動化加工設備。同時，為了滿足制造業(yè)向更高層次發(fā)展，為柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)，以及計算機集成制造系統(tǒng)提供基礎設備，也要求數(shù)控機床向更高水平發(fā)展。當前，數(shù)控機床技術呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：（1） 高精度化；（2） 運動高速化；（3）柔性化；（4）高自動化；（5）高可靠性；（6）智能化；（7）復合化；（8）網絡化；（9）開放式體系結構。
1.5 數(shù)控銑床的主要功能及特點
數(shù)控銑床的可分為立式、臥式和立臥兩用式數(shù)控銑床，各種銑床適用的數(shù)控系統(tǒng)不同，其功能也不盡相同。除各有其特點之外，常具有下列主要功能：
① 點位控制功能；② 連續(xù)輪廓控制功能；③ 刀具半徑自動補償功能；④ 刀具長度補償功能；⑤ 鏡像加工功能；⑥ 固定循環(huán)功能； ⑦ 特殊功能 。
具備自適應功能的數(shù)控銑床可以在加工過程中把感受到的切削狀況的變化，通過適應性控制系統(tǒng)及時控制機床改變切削用量，使銑床及刀具始終保持最佳狀態(tài)，從而可獲得較高的切削效率和加工質量，延長刀具使用壽命。
數(shù)控銑床的主要特點：（1） 高柔性及工序復合化；（2） 加工精度高；（3）生產效率高；（4）減輕操作者的勞動強度。
1.6 數(shù)控銑床的分類和應用：
1.6.1 數(shù)控銑床的分類
按運動方式分：（1）點位控制數(shù)控銑床 (2）直線控制數(shù)控銑床（3）輪廓控制數(shù)控銑床；
按控制方式分：(1）開環(huán)控制數(shù)控銑床(2）閉環(huán)控制數(shù)控銑床(3）半閉環(huán)控制數(shù)控銑床；
按主軸的布局形式分：（1）立式數(shù)控銑床：（2）臥式數(shù)控銑床（3）立臥兩用式數(shù)控銑床等等
1.6.2 數(shù)控銑床的應用
數(shù)控銑床主要用于加工平面和曲面輪廓的零件，還可以加工復雜型面的零件、樣板、模具、螺旋槽等。同時也可以進行鉆、擴、鉸、锪和鏜孔的加工，但因數(shù)控銑床不具自動換刀功能，所以不能完成復雜孔的加工。數(shù)控銑床主要應用于汽車制造業(yè)、模具制造業(yè)、機床制造業(yè)、航空航天業(yè)、造船業(yè)、軍事工業(yè)及其他行業(yè)
1.7 XK716數(shù)控機床的參數(shù)
本課題設計的立式數(shù)控銑床可以銑削平面和溝槽，也可加工空間曲面；若將銑刀換成鉆頭或絞刀，則可加工光孔或螺紋孔。銑床主要技術參數(shù)如下：
工作臺工作面尺寸（長寬）
工作臺X向最大行程
工作臺Y向最大行程
工作臺T型槽數(shù) 3
工作臺T型槽寬 18mm
工作臺T型槽間距 90mm
機床分辨率均為0.005mm
最大移動速度2m/min
1. 8本章小結
本章節(jié)首先介紹了數(shù)控技術的背景發(fā)展歷程，進而分析了數(shù)控技術的國內外現(xiàn)狀及未來趨勢，最后介紹了研究的主要內容和意義。
第2章 Z向進給傳動系統(tǒng)的設計和計算
2.1 進給伺服系統(tǒng)的設計
2.1.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求
進給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機床的一個重要組成部分，也是數(shù)控機床區(qū)別于一般機床的一個特殊部分。數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的性能指標可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號的響應快；系統(tǒng)的穩(wěn)定好。
(1) 穩(wěn)定性
伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當作用在系統(tǒng)上的擾動信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行,或者在輸入的指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結構及組成元件的參數(shù)（如慣性、剛度、阻尼、增益等），，與外界的作用信號（包括指令信號或擾動信號）的性質或形式無關。
(2) 精度
伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復現(xiàn)輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通常存在三種誤差：動態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標就行。
(3) 快速響應性
快速響應特性是指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應速度及瞬態(tài)過程結束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應時間，傳動裝置的加速能力。它直接影響機床的加工精度和生產率。
2.1.2 進給伺服系統(tǒng)的設計要求
在靜態(tài)設計方面有：
能夠克服摩擦力和負載
(2) 很小的進給位移量
(3) 高的靜態(tài)扭轉剛度
(4) 足夠的調速范圍
(5) 進給速度均勻，在速度很低時無爬行現(xiàn)象
在動態(tài)設計方面的要求有：
(1) 具有足夠的加速和制動轉矩
(2) 具有良好的動態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質量
(3) 負載引起的軌跡誤差盡可能小
對于數(shù)控機床機械傳動部件則有以下要求
(1) 被加速的運動部件具有較小的慣量
高的剛度
良好的阻尼
傳動部件在拉壓剛度 扭轉剛度 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能小的非線性
2.1.3 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應特性及伺服性能分析
(1).時間響應特性
進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時間響應特性和頻率響應特性。
(2) 頻率響應特性
(3) 快速性分析
2.2 切削參數(shù)計算
2.2.1 精度
要求：進給精度
快速進給精度
機床分辨率均為0.005mm，選擇系統(tǒng)脈沖當量為=0.005mm/step。
2.2.2銑削工件時銑削力的計算
銑削運動的特征：主運動為銑刀繞自身軸線高速旋轉，進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給（銑鍵槽時，可使鍵槽銑刀沿軸線進給）。銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。圓柱銑刀和端銑刀的切削部分都可以看做車刀刀頭的演變，銑刀的每一個刀齒相當于一把車刀。它的切削基本規(guī)律與車削相似，所不同的是銑刀回轉，刀齒數(shù)多。
通常假定銑削時銑刀受到的銑削抗力是作用在刀齒某點上，如圖1所示。設刀齒上受到銑削抗力的合力為F,將F沿銑刀軸線、徑向和切向進行分解，則分別為軸向銑削力F}、徑向銑削力F，和切向銑削力F二。切向銑削力F二是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗銑床主電動機功率（即銑削功率）最多。因此，切向銑削力F二可按銑削功率 (kW)或主電動機功率（kw）算出。
式中:v—機床主軸的計算轉速（主軸傳遞全部功率時的最低切削速度,m/s)；
ηm—機床主傳動系統(tǒng)的傳動效率，一般取，ηm～0.8。
圖3.1 銑削抗力及工作臺上的載荷
2.2.3 進給工作臺工作載荷計算
作用在進給工作臺上的合力F′與銑刀刀齒受到的銑削抗力F的合力大小相同、方向相反，如圖所示。合力F′就是設計和校核工作臺進給系統(tǒng)時要考慮的工作載荷可以沿著銑床工作臺運動方向分解為三個力：工作臺縱向進給方向載荷F1，工作臺橫向進給方向載荷Fc，工作臺垂直進給方向載荷Fv。
進給工作臺的工作載荷F1、Fc和Fv與切向銑削力Fz之間有一定的經驗比值（見表1）。因此，計算出Fz后，即可計算出進給工作臺的工作載荷F1、Fc和Fv。
表2.1工作臺工作載荷與切向鐵削力的經驗比值
在表2-1中，表示銑削寬度（mm），它是銑削用量要素之一，是垂直于銑刀軸線測量的切削層尺寸
從圖2-3可知，圓柱銑削時，為待加工表面與已加工表面之間的垂直距離；端銑時，恰為工件寬度，不是待加工表面與已加工表面之間離。
圖2.2順銑與逆銑
圖2.2表示圓柱銑的順銑和逆銑的不同方式。順銑時，縱向進給方向載荷F1與進給方向一致，垂直進給方向載荷Fv向下,逆銑時方向相反。
圖2.2表示對稱端銑和不對稱端銑。對稱端銑分有順銑和逆銑之分。
在表1中，d。表示圓柱銑刀直徑或端銑刀直徑（mm）,表示每齒進給量（mm/齒），即銑刀每轉一個齒間角時工件與銑刀的相對移動量。每齒進給量、每轉進給量f 和工作臺的進給速度 三者之間的關系為
mm/min
式中：Z-銑刀齒數(shù)；
n-銑刀轉速（r/min）
2.2.4首先初步估算工作臺的重量
首先要初步估算工作臺的重量及銑削工件的最大切削力才能進行設計。
X軸方向移動的工作臺尺寸：長寬高為900600 80 ,重量約為3302.2N，最大行程630mm ；
Y軸方向移動的工作臺尺寸：長寬高為300 300 80 ,重量約為550.368N，最大行程400mm ；
設夾具及工件的質量約為200Kg，重量約為1960N ；
則XY工作臺總質量約為480.83kg,總重量約為5812.573N（包括夾具及工件）。
2.2.5 銑削用量選擇
銑削用量選擇原則：首先應盡可能取較大的切削深度及切削寬度然后盡可能取較大的每齒進給量，最后才盡可能取較大的銑削速度。粗銑時余量大，加工要求低，主要考慮銑刀的耐用度及銑削力的影響；而精銑時余量小，加工要求高，主要考慮加工質量的提高。
1.銑削深度的選擇
（1）當工件表面要求的光潔度為時，通常銑削無硬皮的鋼料時，；銑削鑄鋼或鑄鐵時。
（2）當工件表面要求的光潔度為時,可分粗銑、半精銑、兩步銑削。粗銑后留余量。
（3）當工件表面要求的光潔度為時,可分粗銑、半精銑、精銑三步銑削。半精銑，精銑左右。
2.每齒進給量的選擇
當銑削深度選定后，盡可能取較大的每齒進給量。粗銑時限制每齒進給量的是銑削力及銑刀容屑空間的大小，當工藝系統(tǒng)剛性俞好及銑刀齒數(shù)愈少時，可取得愈大；半精銑及精銑時限制每齒進給量的是工件表面光潔度。光潔度要求愈高，應俞小。
2.2.6 銑削力的計算
銑床通常用于銑削平面和溝槽。銑刀又分為圓柱銑刀、立銑刀、盤形銑刀、端銑刀、半圓弧銑刀、T形槽銑刀。其中用立銑刀銑削溝槽時的銑削力最大，故按用立銑刀銑削溝槽時計算銑削力。
銑削力與銑刀材料、銑刀類型、工件材料的硬度、銑削寬度、銑削深度、每齒進給量、銑刀直徑、銑刀齒數(shù)有關?？砂础督饘偾邢髟砑皯谩分械墓竭M行計算：
銑削溝槽時采用粗齒高速鋼立銑刀，按工件材料為的碳鋼來設計。查《金屬切削手冊》，選擇銑削用量為銑刀直徑，銑刀齒數(shù)，銑削寬度，每齒進給量，銑削深度，銑刀的切削速度。
采用端面銑刀在主軸上的計算轉速下進行強力切削，主軸具有最大扭矩，并能傳遞主電動機的全部功率。
由得：
故
2.3 Z向滾珠絲杠副計算與選擇
2.3.1動載荷計算
絲桿的最大載荷為主軸重量加摩擦力，最小載荷為主軸重量減最大進給力的Z向分力。根據(jù)上節(jié)
根據(jù)《機電一體化設計基礎》
計算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級精度
則：
2）計算額定動載荷
取絲杠的工作壽命為,
2.3.2選用 FC1-4020-2.5型絲杠
由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內徑
2.3.3 穩(wěn)定性驗算
絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S,其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3，S>[S]，絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速——臨街轉速。要求絲杠的最大轉速。
臨街轉速按下式計算：
式中：為臨界轉速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
2.3.4 剛度驗算
滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉矩T()共同作用下引起每個導程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對鋼；T為轉矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況?。ㄆ渲校?
則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為：
通常要求絲杠的導程誤差小于其傳動精度的1/2，即
該絲杠的滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。
2.3.5 效率驗算
滾珠絲杠副的傳動效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
經上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。
機床分辨率均為0.005mm，選擇系統(tǒng)脈沖當量為=0.005mm/step。
2.4 Z向直流電機選擇計算
1. 計算工作臺、絲杠折算到電機軸上的慣量
根據(jù)《機電一體化基礎》所提供的計算公式：
式中：------------折算到電機軸的慣量；
----------小 大齒輪的慣量；
--------------絲杠慣量；
--------------橫向工作臺及夾具重量,；
--------------絲杠螺距，；
絲杠轉動慣量的計算：由于有些傳動件（如齒輪、絲杠等）的轉動慣量不易精確計算，可將其等效成圓柱體來近似計算。
圓柱體的轉動慣量可依據(jù)公式：
式中： 材料密度,對鋼?。?
圓柱體直徑.(對于齒輪、絲杠等就是其等效直徑)；
圓柱體長度,(對于齒輪、絲杠等就是其等效齒寬或長度)
則：
則可算得：
≈2.03
2. 慣量匹配驗算
初選的直流電機安川/R02SAKOE的轉子的轉動慣量：=4.61Kg
轉動系統(tǒng)與直流電機的慣量匹配條件：
而：
所以慣量是匹配的。
3. 負載轉矩計算及最大靜轉矩選擇
計算快速空載起動時所需力矩
依據(jù)公式：
式中：
---快速空載起動力矩；
---空載起動時折算到電機軸上最大加速力矩；
---折算到電機軸上的摩擦力矩；
---由于絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩；
又：
式中： --慣量和，；
--電機最大角加速度；
又：
其中： --電機最大轉速；
--運動部件從停止起動加速到最大快進速度所需時間取25ms
又：
則：
則：
故：
又因為：
式中：
---導軌的摩擦力；
---傳動鏈總效率，一般可取 ，現(xiàn)取 ；
又：
式中： 垂直方向的切削力，；
導軌摩擦系數(shù)， (貼塑導軌)；
橫向工作臺及夾具重量，；
則：
=103N
故：
又：
式中： ---滾珠絲杠預加載荷，??；
---滾珠絲杠預緊時的傳動效率， ；
故：
=140+9.8+3.7=153.5
4. 快速進給時所需力矩
依據(jù)公式：
而：
故有：
5. 最大切削負載時所需力矩
根據(jù)公式：
式中： 折算到電機軸上的切削負載力矩；
又有公式：
式中：
---進給方向最大切削力，；
則：
故：
6. 最大靜轉矩選擇
依據(jù)文獻《實用機床設計手冊》上，有：
（1）對于在最大切削力下工作時所需要電機最大靜轉矩為：
（2）對于空載起動時所需要的電機最大靜轉矩為：
由（1）和（2）可知，以計算得：恒大于 所以就以作為選取直流電機最大靜轉矩的依據(jù)。而初選的直流電機為安川/R02SAKOE ，它的最大靜轉矩為：
所以初選的直流電機型號符合要求。
7. 直流電機動載荷矩頻特性和運行矩頻特性
由《數(shù)控技術》得：動矩頻特性：
=4167Hz
運行矩頻特性：
其中： ----- 最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度2m/min
的，現(xiàn)取中間值，即。
所以：=2431
由直流電機安川/R02SAKOE的矩頻特性和運行矩頻特性參數(shù)可以看出所選直流電機在起動時力矩是滿足要求的。
所以最終就確定直流電機的型號為：安川/R02SAKOE直流伺服電機。
2.5導軌的設計與選型
2.5.1導軌概述
導軌主要用來支撐和引導運動部件沿一定的軌道運動。在導軌副中，運動的一方稱為動導軌，不動的一方稱為支承導軌。動導軌相對于支承導軌運動，通常作直線運動和回轉運動。
1.對導軌的要求
1)導向精度高
導向精度主要是指導軌沿支承導軌運動的直線度和圓度。影響導向精度的主要因素有導軌的幾何精度、導軌的接觸精度、導軌的結構形式、動導軌及支承導軌的剛度和熱變形，還有裝配質量。
導軌的幾何精度綜合反映在靜止或低速下導軌的導向精度。直線運動導軌的檢驗內容主要是：導軌在垂直平面內的直線度，導軌在水平平面內的直線度，在水平面內兩條導軌的平行度。例如：導軌全長為20 m的龍門刨床，其直線度誤差為0.02/1 000，在導軌全長范圍內為0. 08 mm。圓周運動導軌幾何精度的檢驗內容與主軸回轉精度的檢驗方法相類似，用導軌回轉時端面跳動和徑向跳動表示。例如：最大切削直為4m的立車，其允差規(guī)定為0. 05 mm.
2)耐磨性好及壽命長
導軌的耐磨性決定了導軌的精度保持性。動導軌沿支承導軌長期運行會引起導軌的不均勻磨損，破壞導軌的導向精度，從而影響機床的加工精度。例如：臥式車床的鑄鐵導軌，若結構欠佳、潤滑不良或維修不及時，貝?？拷差^箱一段的前導軌，每年磨損量達0.2-0.3mm，這樣就降低了刀架移動的直線度及對主軸的平行度，加工精度也就下降了。與此同時，也增加了溜板箱中開合螺母與絲杠的同軸度誤差，加劇了螺母與絲杠的磨損。
3)足夠的剛度
導軌要有足夠的剛度，保證在載荷作用下不產生過大的變形，從而保證各部件間的相對位置和導向精度。
4)低速運動的平穩(wěn)性
在低速運動時，作為運動部件的動導軌易產生爬行?！M給運動的爬行將提高被加工表面的表面粗糙度值，故要求導軌低速運動平穩(wěn)，不產生爬行，這對于高精度的機床尤其重要。
5)工藝性好
設計導軌時，要注意到制造、調整和維護的方便，力求結構簡單、工藝性和經濟性好。
2.對導軌的技術要求
1)導軌的精度要求
滑動導軌，不管是V一平型還是平一平型,導軌面的平面度通常取0. 01-0.015 mm，長度方向的直線度通常取0.005-0.01 mm；側導向面的直線度取0.01-0.015 mm，側導向面之間的平行度取0.01-0.015mm，側導向面對導軌底面的垂直度取0.005-0.01mm.鑲鋼導軌的平面度必須控制在0．005-0．01 mm以下，其平行度和垂直度控制在0.01mm以下。
2)導軌的熱處理
數(shù)控機床的開動率普遍都很高，這就要求導軌具有較高的耐磨性，以提高其精度保持性。為此，導軌大多需淬火處理。導軌淬火的方式有中頻淬火、超音頻淬火、火焰淬火等，其中用的較多的是前兩種方式。
鑄鐵導軌的淬火硬度，一般為50-55 HRC，個別要求57 HRC；淬火層深度規(guī)定經磨削后應保留1.0-1. 5 mm.
鑲鋼導軌，一般采用中頻淬火或滲氮淬火方式，淬火硬度為58-62 HRC，滲氮層厚度為0. 5 mm.
2．導軌的類型和特點
導軌的分類方法有多種：按運動軌跡可以分為直線導軌和圓導軌，按工作性質可分為主運動導軌、進給導軌和調整導軌，按受力情況可以分為開式導軌和閉式導軌，按摩擦性質可以分為滑動導軌和滾動導軌。下面首先介紹直線滑動導軌的有關內容:
1.直線滑動導執(zhí)的截面形狀
直線滑動導軌有若干個平面，從制造、裝配和檢驗來說，平面的數(shù)量應盡可能少。常用的直線滑動導軌的截面形狀有矩形、三角形、燕尾形和圓形,各個平面所起的作用也各不相同。在矩形導軌和三角形導軌中,M面主要起支承作用，N面是保證直線移動精度的導向面,J面是防止運動附件抬起的壓板面；在燕尾形導軌中,M面起導向和壓板作用，J面起支承作用。
根據(jù)支承導軌的凹凸狀態(tài)，又可以將導軌分成凸形導軌和凹形導軌。其中，凸三角形導軌稱為山形導軌，凹三角形導軌稱為v形導軌。凸形導軌不易存儲潤滑油，但易清除導軌面的切屑等雜物。凹形導軌易存儲潤滑油，但易落人切屑和雜物，必須設防護裝置。
2.5.2滾動直線導軌副的計算
1. 作用于滾動直線導軌副的載荷計算
由于滾動直線導軌副的特殊結構，使其具有垂直向上、向下、左右和水平四個方向額定載荷相等，且額定載荷大，剛性好，三個方向抗顛覆力矩能力大的特點，滾動導軌受力分析見圖3.3。下層工作臺的承載重約為5812.573N
3
4
1
W
圖3.3 滾動導軌受力分析圖
3.6
3.7
3.8
3.9
將已知數(shù)據(jù)代入上式得：
載荷成分段變化，其計算載荷：
3.10
式中：——對應行程內的載荷 ；
——分段行程 ；
——全行程等于；
2. 滾動直線導軌副的額定壽命
（1）額定壽命的計算公式為：
3.1
式中： L——額定壽命 ；
C——額定動載荷 ；
——計算載荷 ；
——溫度系數(shù) 取1.0 ；
——接觸系數(shù) 取0.81 ；
——精度系數(shù) 取1.0 ；
——載荷系數(shù) 取1.5 ；
——硬度系數(shù) 取1.0 ；
（2）壽命時間的計算：
當行程的長度一定，以小時為單位的額定壽命：
3.12
式中： ——行程長度 ；
L——額定壽命 ；
——每分鐘往復次數(shù) ；
3.13
一般情況下，滾動直線導軌副預期壽命取20000小時，則：
3.14
由
得 3.15
取 則：
查漢江機床公司生產的HJ-D系列線性滾動導軌產品樣本，其HJ-D系列中DA20A型滾動導軌C=1260kgf=12.348KN，滿足要求 。
第3章 控制系統(tǒng)的設計
3.1微機控制系統(tǒng)組成及特點
3.1.1微機控制系統(tǒng)的組成
微機控制系統(tǒng)主要由微型計算機和伺服系統(tǒng)兩大部份組成，其中微機又包括硬件和軟件兩部分。
（1）微機控制系統(tǒng)基本硬件組成
硬件時組成系統(tǒng)的基礎，有了硬件軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下部分組成。
1）主控制器，即中央處理單元CPU
2）存儲器，包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器
3）接口
（2）微機數(shù)控系統(tǒng)軟件
軟件是指為實現(xiàn)微機控制系統(tǒng)各項功能編制的專用程序，它一般由以下幾部分組成：
1）輸入數(shù)據(jù)處理程序它接受輸入的零件加工程序，用標準代碼表示的加工指令和數(shù)據(jù)整理成便于解釋執(zhí)行的格式后存放。
2）插補運算程序它完成普通數(shù)控系統(tǒng)中插補器的功能。
3）速度控制程序它根據(jù)給定的速度代碼或每分毫米數(shù)控制插補運算的頻率，以保證預定速度進給。
4）管理程序和診斷程序管理程序對數(shù)據(jù)輸入、處理及切削加工過程服務的各個程序進行調度，還可以對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進行處理。診斷程序可以在運行中及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指示故障類型。
3.1.2微機數(shù)控系統(tǒng)的特點
（1）可靠性高。由于采用大規(guī)模集成電路、軟件連接以及資診斷功能，所以大大提高了無故障運行時間，即使又極少的故障也能及時發(fā)現(xiàn)和排除。
（2）靈活性強。由于系統(tǒng)的硬件是通用、標準化的，對于不同機床的控制要求只需更換可編程只讀存儲器中的系統(tǒng)程序就可實現(xiàn)。
（3）易于實現(xiàn)機電一體化。采用大規(guī)模集成電路時控制框尺寸大為縮小，采用可編程接口又可將M、S、T等順序控制部分邏輯電路與數(shù)控裝置結合一起，使結構更為緊湊。
（4）價格低。采用微機數(shù)控，使數(shù)控機床電氣部分成本大為下降，對功比較齊全的數(shù)控機床價格幅度下降更大。
（5）由于微機的功能強，存儲量大，可實現(xiàn)多功能控制、多路運行控制及數(shù)據(jù)和圖形顯示等，給操作人員和監(jiān)視生產過程帶來方便。
3.2微機控制系統(tǒng)設備介紹
3.2.1主控制器CPU的選擇
CPU的選擇應考慮以下要素：
（1） 控制數(shù)據(jù)處理的速度。
（2） ROM/RAM的容量。
（3） 指令系統(tǒng)功能的強弱（即編程的靈活性）。
（4） I/O口擴展的能力（即對外設控制的能力）。
（5）開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。
目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片由8086、8088、80286、80386、以及8098、8096等16位機的CPU，也有8080、Z80和8051、8031、8751等8位機的CPU。但從性能價格比上，我們擬采用MCS-51系列單片機中的8031作為主控制器。
下面介紹MCS-51單片機的硬件結構，如圖（4）。
下面對各功能部件作進一步的說明：
（1）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）：片內為128個字節(jié)，片外最多可擴至64K字節(jié)。
（2）程序存儲器（ROM/EPROM）：8031無此部件；8051為4KROM；8751為4KEPROM。片外最多可外擴至64K字節(jié)。
（3）中斷系統(tǒng)：具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權。
（4）定時器/計數(shù)器：2個16位的定時器/計數(shù)器，具有四種工作方式。
（5）串行口：1個全雙工的串行口，具有四種工作方式。
（6）P1口、P2口、P3口、P0口：為四個并行8位I/O口。
（7）特殊功能寄存器（SFR）：共有21個，用于對片內各功能模塊進行管理、控制、監(jiān)視。
（8）微處理器（CPU）：為8位的CPU，且內含一個1位CPU（位處理器），不僅可處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進行位變量處理。
圖3.1 MCS-51單片機內結構
3.2.2存儲器電路的擴展
（1）程序存儲器的擴展
單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片，其型號分別為：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分別位2k、4k、8k、16k、32k。在選擇芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配。即8031所能讀取的時間必須大于EPROM多要求的讀取時間。此外，還要考慮最大讀出速度、工作溫度計存儲器的容量。在滿足容量要求是應盡量選擇大容量芯片、以減少芯片數(shù)量，是系統(tǒng)簡化。在本系統(tǒng)中，我們擬采用2764作為擴展芯片。
2764與8031主要是三總線的