1、. . . 第一章 微機數控系統總體設計方案的擬定第一節 總體方案設計的容機床數控系統總體方案的擬定應包括以下容：系統運動方式的確定、伺服系統的選擇、執行機構的結構與傳動方式的確定、計算機系統的選擇等容。具體包括：一、數控系統總體設計方案的擬定（1）系統運動方式的確定。（2）伺服系統的選擇。（3）執行機構的傳動方式確定。（4）計算機的選擇。應根據設計任務和要求，參考現有同類型數控機床，進行綜合分析、比較和論證，確定以上容。二、進給伺服系統機械部分設計計算（1）進給伺服系統機械部分設計方案的確定。（2）確定脈沖當量。（3）滾珠絲杠螺母副的計算和選型。（4）導軌的計算和選型。（5）進給伺服系統傳動

2、計算。（6）步進電動機的計算和選用。（7）設計繪制進給伺服系統一個坐標軸的機械裝配圖。三、微機控制系統的設計（1）控制系統方案的確定與框圖繪制。（2）MCS-51系列單片機與擴展芯片的選用。（3）I/O接口電路與譯碼電路的設計。（4）設計繪制一臺數控機床微機控制系統電路原理圖。四、數控加工程序的編制（1）零件工藝分析與確定工藝路線。（2）選擇數控機床設備。（3）確定工件裝夾方法與對刀點。（4）選擇刀具。（5）確定切削用量。（6）編制零件加工程序。第二節 總體設計方案的確定一、系統運動方式的確定數控系統按運動方式可分為點位控制系統、點位/直線系統和連續控制系統。如果工件相對于刀具移動過程中不進行

3、切削，可選用點位控制系統。例如數控鉆床，在工作臺移動過程中不進行鉆孔加工，因此可選用點位控制系統。對點位控制系統的要快速定位，保證定位精度。若要求工作臺或刀具沿各坐標軸的運動有確定的函數關系，則為連續控制系統，應具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運動的功能。具備這種控制能力的數控機床可以加工各種外形輪廓復雜的零件，所以連續控制系統又稱為輪廓控制系統。例如數控銑床、數控車床等均屬于此種運動方式。還有一些采用點位控制的數控機床，例如數控鏜銑床等，不但要求工作臺運動的終點坐標，還要求工作臺沿坐標軸運動過程中切削工件。這種系統叫點位/直線控制系統。根據綜合作業任務書的要求，對CA6140車床的縱向伺服系

4、統進行數控化改造。依據車床的加工特點，應該選用連續控制系統。二、伺服系統的選擇伺服系統可分為開環控制系統、半閉環控制系統和閉環控制系統。開環控制系統中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的。指令發出后，不再反饋回來，故稱開環控制。開環控制系統主要由步進電機驅動。開環伺服系統結構簡單、成本低廉、容易掌握、調試和維修都比較簡單。閉環控制系統具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件，用來檢測實際位移量，能補償系統的誤差，因而伺服控制精度高。閉環系統多采用直流伺服電機或交流伺服電機驅動。閉環系統造價高、結構和調試較復雜，多用于精度要求高的場合。半閉環控制系統與閉環控制系統不同，不直接檢測工作

5、臺的位移量，而是用檢測元件測出驅動軸的轉角，再間接推算出工作臺實際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環系統和閉環系統之間。由于開環控制有許多優點，所以目前國大力發展的經濟型數控機床普遍采用開環控制系統。根據任務書的要求，這次對車床縱向進給伺服單元進行數控化改造應采用開環控制系統。三、執行機構運動方式的確定為確保數控系統的傳動精度和運動平穩性，在設計機械傳動裝置時，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以與有適宜阻尼比的要求。在設計中應考慮以下幾點：（1）盡量采用低摩擦的傳動和導向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌、貼塑導軌等。（2）盡量消除傳動間隙。例如采用消隙齒輪等。（3）提

6、高系統剛度。縮短傳動鏈可以提高系統的傳動剛度，減小傳動鏈誤差。可采用預緊的方法提高系統剛度。例如采用預加負載的滾動導軌和滾珠絲杠副等。四、計算機的選用微機數控系統由CPU、存儲器擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅動電路、檢測電路等幾部分組成。微機是數控系統的核心，其他裝置均是在微機的指揮下進行工作的。系統的功能和系統中所用微機直接相關。數控系統對微機的要多方面的，但主要指標是字長和速度。字長不僅影響系統的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運算的精度。字長較長的計算機，價格顯著上升，而字長較短的計算機要進行雙字長或三字長的運算，就會影響速度。目前一些高檔的CNC系統，已普遍使用32位微機，主機

7、頻率由5MHz提高到2030MHz,有的采用多CPU系統，減輕主CPU的負擔，進一步提高控制速度。標準型的CNC系統多使用16位微機，經濟型CNC系統則采用8位微機。可采用MCS-51系列單片機或Z-80單板機組成的應用系統。由于MCS-51系列單片機具有集成度高，可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、性價比高等優點，所以本次設計決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統。五、經濟型數控車床縱向伺服單元框圖車床縱向伺服單元框圖第二章 車床進給伺服系統機械部分設計計算伺服系統機械部分的設計計算容包括：確定系統負載，確定系統脈沖當量，運動部件慣量計算，空載起動與切削力矩計算，確定伺服電機，

8、傳動與導向元件的設計、計算與選用，繪制機械部分裝配圖與零件工作圖等。第一節 給定條件與脈沖當量的選擇1、縱向移動部件總質量 200Kg2、縱向運動分辨率（脈沖當量） 優于0.02mm3、最大移動速度（快進） 5000mm/min4、最大進給速度（工進） 500mm/min5、橫向進給切削力（X向）即為FY 1800N6、垂直切削力（Y向）即為FZ 4500N7、縱向切削力（Z向）即為FX 1100N一個進給脈沖使機床運動部件產生的位移量稱為脈沖當量，也稱為機床的最小設定單位。脈沖當量是衡量數控機床加工精度的一個基本參數。經濟型數控車床、銑床常采用的脈沖當量是0.010.005mm/脈沖，經濟型

9、數控磨床經常采用的脈沖當量為0.0020.001mm/脈沖。而本設計脈沖當量已給出，要優于0.02mm,所以選擇0.01mm/脈沖。第二節 滾珠絲杠螺母副的計算和選型滾珠絲杠螺母副的設計首先要選擇結構類型：確定滾珠循環方式，滾珠絲杠的預緊方式。結構類型確定以后，再計算和確定其他技術參數，包括：公稱直徑d0(或絲杠外徑d)、導程L0、滾珠的工作圈數j、列數K、精度等級等。滾珠的循環方式有外循環和循環兩大類，外循環又分為螺旋槽式和插管式。而外循環插管式的顯著優點是：彎管由兩半合成，采用沖壓件，工藝性好，制造容易，成本低。所以，本設計選用外循環插管式的滾珠絲杠螺母副。滾珠絲杠螺母副的預緊方法有：雙螺

10、母墊片式預緊、雙螺母螺紋式預緊、雙螺母齒差式預緊、單螺母變導程預緊以與過盈滾珠預緊等幾種。而雙螺母墊片式預緊有結構簡單，剛性好，裝卸方便，成本低等優點，所以本次設計采用雙螺母墊片式預緊結構。滾珠絲杠副的計算：一、進給牽引力Fm的計算按導軌為三角形或綜合導軌計算：Fm=KFx+f(FZ+G)式中Fx、FZ切削分力（N）; G移動部件的重量（N）;f導軌上的摩擦系數，隨導軌形式而不同； K考慮顛覆力矩影響的試驗系數。在正常情況下，K、f可取下列數值：三角形或綜合導軌 K=1.15 f=0.150.18上列摩擦系數f均指滑動導軌，如果采用貼塑導軌，f=0.030.05；滾動導軌f=0.00250.0

11、05；靜壓導軌f=0.0005.由已知條件知，Fx=1100N, FZ=4500N,移動部件質量200Kg，g取10N/Kg，K取1.15. f取0.05。將這些數據代入公式得： Fm=KFx+f(FZ+G) =1.15X1100+0.05X(4500+200X10)N =1590N二、最大動負載C的計算選用滾珠絲杠螺母副的直徑d0時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉100萬轉（106轉）后，在它的滾道上不產生點蝕現象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載C，可用下式計算：C=3LfwFmL=60nT106n=1000vsL0式中 L壽命，以106轉為一單位； n絲杠

12、轉速（r/min）;vs為最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的1/21/3，由已知條件知，最高進給速度為500mm/min，本例取最高進給速度的1/2。L0絲杠導程（mm），初選為6mm; T為使用壽命（h）,對于數控機床取15000h;fw運轉系數，取值見下表，按一般運轉，取1.5。運轉系數取值運轉狀態運轉系數無沖擊運轉1.01.2一般運轉1.21.5有沖擊運轉1.52.5將以上數值代入公式，n=1000vsL0=1000X0.5X0.56r/min=41.67r/minL=60nT106=60X41.67X15000106=37.5C=3LfwFm=337.5X1.

13、5X1590N=7983N三、滾珠絲杠副的選型根據最打動負載C，就可查表選擇滾珠絲杠副的型號，查閱綜合作業指導書附錄A表A-2,可選用W1D4006外循環墊片調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動載荷為16400N，大于最大動載荷7983N,滿足要求,額定靜負載為57800N；精度等級選為3級。四、最大靜負載C0的驗算當滾珠絲杠副在靜態或低速（n10r/min）情況下工作時，滾珠絲杠副的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產生塑性變形，當塑性變形超過一定限度就會破壞滾珠絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬分之一。產生這樣大的塑性變形量時的負載稱為允許的最大靜負載C0。C

14、0=fsFmax式中 Fmax滾珠絲杠的最大軸向負荷（N），即為進給牽引力Fm; fs靜態安全系數，當為一般運轉時fs=12，當有沖擊或振動時，fs=23，此處取2。C0=fsFmax=2X1590N=3180N最大靜負載小于所選滾珠絲杠副的額定靜負載，滿足要求。五、傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率=tantan（+）式中 絲杠螺旋角；W1D4006絲杠的螺旋升角為=244；摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數f=0.0030.004，其摩擦角約等于10，將數值代入公式得：=tantan（+）=tan244tan（244+10）=0.94六、剛度驗算滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統的定位精度

15、與運動的平穩性，因此應考慮以下軸向變形的因素：(1)絲杠拉伸或壓縮變形量1查綜合作業指導書圖3-4，根據Fm=1590N，D0=40mm,支撐間距為1500mm,查出L/L=6X10-5，可算出：1=LLX1500=(6X10-6X1500)mm=9m有預緊時的實際變形量為： 1=12X1=4.5m (2)滾珠與螺紋滾道接觸變形2查綜合作業指導書圖3-5，W系列2.5圈1列絲杠副滾珠和螺紋滾道的接觸變形，軸向載荷為1590N,4006型號的滾珠絲杠螺母副的軸向彈性變形量為Q=5m.對其進行預緊，預緊后其實際變形量為：2=12XQ=2.5m綜合以上兩項變形量之和：= 1+2=7m此變形量小于系統

16、要求的定位精度，故滿足剛度要求。第三節 進給伺服系統傳動計算由于步進電動機的工作特點是一個脈沖走一步，每一步都有一個加速過程，因而對負載慣量很敏感。為滿足負載慣量盡可能小的要求，同時也要滿足一定的脈沖當量，常采用降速齒輪傳動。一、初選步進電機步距角b對步進電機施加一個電脈沖信號時，步進電機就回轉一個固定的角度，叫做步距角。電機的總回轉角和輸入脈沖數成正比，而電機的轉速則正比于輸入脈沖的頻率。步進電機的步距角越小，意味著它能達到的位置精度越高。通常的步距角是3 、1.5或0.75。步距角的大小與通電方式與轉子齒數有關。本設計初選步距角0.75。二、傳動比計算當機床脈沖當量、滾珠絲杠導程L0以與步

17、進電機步距角b確定后，傳動比的計算公式如下：i=bL0360P式中 P脈沖當量（mm/step）;L0滾珠絲杠的基本導程（mm）;b步進電機的步距角。將P=0.01mm/step,L0=6mm, b=0.75帶入得：i=bL0360P=0.75X6360X0.01=54三、計算齒輪齒數與各項技術參數因為進給伺服系統傳遞功率不大，本設計取模數m=2。采用一級降速齒輪傳動。這對齒輪的各部分幾何參數如下表所示。齒輪幾何參數名稱計算公式單位齒輪1齒輪2齒 數z3240模 數m22分度圓直徑d=mzmm6480齒頂圓直徑da=d+2mmm6884齒根圓直徑df=d-2.5mmm5975齒 寬bb=(61

18、0)mmm2020中心距AA=d1+d22mm 72第四節 步進電機的計算和選用一、初選步進電機1.計算步進電機負載轉矩Tm根據滾珠絲杠副所承受的進給牽引力Fm計算步進電機的負載轉矩Tm（Ncm）:Tm=36PFm2b式中 P脈沖當量（mm/step）; Fm進給牽引力（N）;b步距角；電機絲杠的傳動效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積，其中一對齒輪之效率為0.98，一對軸承之效率為0.99，絲杠傳動效率為0.94。將P=0.01mm/step, Fm=1590N, b=0.75, =0.903代入得：Tm=36PFm2b=36X0.01X15902X3.14X0.75X0.903Ncm =134

19、.52Ncm2.估算步進電機啟動轉矩Tq根據負載轉矩Tm除以一定的安全系數來估算步進電機啟動轉矩Tq（Ncm）。Tq=Tm0.30.5一般縱向伺服系統的安全系數取0.30.4，將Tm=134.52Ncm代入得：Tq=Tm0.30.5=134.520.3Ncm=448.4Ncm3.計算最大靜轉矩Tjmax最大靜轉矩Tjmax表示步進電機所能承受的最大靜態負載轉矩。查綜合作業指導書表3-22，五相十拍步進電機=0.951。由公式Tjmax=Tq得：Tjmax=Tq=448.40.951 Ncm =471.50Ncm4.計算步進電機運行頻率fe和最高起動頻率fk(Hz)fe=1000vs60p=10

20、00X0.560X0.01Hz=833.3Hzfk=1000vmax60p=1000X560X0.01Hz=8333Hz式中 vs最大切削進給速度（m/min），本例為0.5m/min；vmax運動部件最大快移速度（m/min），本例為5m/min；p脈沖當量（mm/step），本例為0.01mm/step.5.初選步進電機型號根據估算出的最大靜轉矩Tjmax=471.50Ncm，在綜合作業指導書查表3-23，選取型號為150BF002的五相十拍步進電機,其最大靜轉矩為1372NcmTjmax=471.50 Ncm, 滿足要求。其最高空載起動頻率為2800Hz,不滿足fk（8333Hz）的要求

21、，此項指標可暫不考慮，可以采用軟件升速程序來解決。二、步進電機轉矩的校核計算1.等效轉動慣量計算絲杠傳動時傳動系統折算到電機軸上的總轉動慣量可按下公式計算：J=JM+J1+(Z1Z2)2(J2+JS)+Gg(L02)2式中 JM步進電機轉子轉動慣量（kgcm2）;J1、J2齒輪Z1、Z2的轉動慣量（kgcm2）;Js滾珠絲杠轉動慣量（kgcm2）;G工作臺與工件等移動部件的重量（N）;L0絲杠導程，已選定為0.6cm.國產反應式步進電機150BF002的轉子轉動慣量為10 kgcm2。對于材料是鋼材的圓柱體，其轉動慣量的計算公式為：J=0.78X10-3D4L.式中 D圓柱體直徑（cm）; L

22、圓柱體長度（cm）.則各部分的轉動慣量計算過程如下：J1=0.78X10-3Xd14L1=(0.78X10-3X6.44X2) kgcm2=2.617kgcm2J2=0.78X10-3Xd24L2=(0.78X10-3X84X2) kgcm2=6.390kgcm2Js=0.78X10-3XdS4LS=(0.78X10-3X44X150) kgcm2=29.952kgcm2G=2000N代入上式：J=JM+J1+(Z1Z2)2(J2+JS)+Gg(L02)2 =10+2.617+(3240)2(6.390+29.952)+ 200010(0.62)2kgcm2 =37.04kgcm2考慮步進電機

23、與傳動系統慣量匹配問題：JM/J=10/37.04=0.27基本滿足慣量匹配的要求。2.電機轉矩的計算機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按各階段計算：1）快速空載起動轉矩M在快速空載起動階段，加速轉矩占的比例較大，具體計算公式如下：M=Mamax+Mf+MoMamax=J=Jnmax602XtaX10-2=JX2nmaxX10-260Xtanmax=vmaxpXb360Mf=FOLO2iFO=f(FZ+G)i=z2z1MO=FpoLo2i(1-o2)式中 M快速空載起動轉矩（Ncm）;Mamax空載起動時折算到電機軸上的加速轉矩（Ncm）;Mf折算到電機軸上的摩擦轉矩（Ncm）; M

24、o由于絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（Ncm）;J傳動系統折算到電機軸上的總等效轉動慣量（kgcm2），本例為37.04kgcm2；電機最大角加速度（rad/s2）; nmax電機最大轉速； vmax運動部件最大快進速度（mm/min），本例為5000mm/min； FO導軌的摩擦力（N）; FZ垂直方向上的切削力（N）,本例為4500N;f導軌摩擦系數，對于貼塑導軌，本例取0.05；G運動部件的總質量（N），本例為2000N;i齒輪降速比，本例為40/32,即為1.25； p脈沖當量（mm/step），本例為0.01mm/step; b步進電機的步距角（）,本例為0.75； ta運動

25、部件從停止起動加速到最大快進速度所需時間（s）,一般取0.20.5s,本例取0.2s; Fpo滾珠絲杠預加載和，一般取1/3Fm, Fm為進給牽引力（N），此例中Fm為1590N; Lo滾珠絲杠導程（cm）,此例為0.6cm; 0滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取0.9,本例取0.9；傳動鏈總效率，一般可取0.70.85,本例取0.8。將以上數據代入公式可得：nmax=vmaxpXb360=50000.01X0.75360=1042r/minMamax=JX2nmaxX10-260Xta=37.04X2X104260X0.2X10-2Ncm =198.60Ncm折算到電機軸上的摩擦轉矩MfMf

26、=FOLO2i=f(FZ+G)XLO2Z2/Z1=0.05X4500+2000X0.62X0.8X1.25Ncm=31.04Ncm附加摩擦轉矩Mo MO=FpoLo2i(1-o2)= 1/3XFmXLo2Z2/Z1(1-o2)=1/3X1590X0.62X0.8X1.25(1-0.92)Ncm=9.62Ncm以上三項合計：M=Mamax+Mf+Mo=198.60+31.04+9.62 =239.26Ncm2）快速移動時所需轉矩MM=Mf+MO=(31.04+9.62) Ncm =40.66Ncm3)最大切削負載時所需轉矩M M=Mf+Mo+Mt=Mf+Mo+FXLO2i =(31.04+9.6

27、2+1100X0.62X0.8X1.25)Ncm =145.70Ncm從上面計算可以看出，M、M、M三種工況下，以快速空載起動時所需轉矩最大，即以此項作為校核步進電機轉矩的依據。從綜合作業指導書表3-22查出，當步進電機為五相十拍時=Mq/Mjmax=0.951,則最大靜轉矩為 Mjmax=（239.26/0.951）Ncm=251.59Ncm從表3-23查出150BF002型步進電機的最大靜轉矩為13.72Nm,大于所需最大靜轉矩，可以滿足要求。3.校核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性前面已經計算出此機床最大快移時需步進電機的最高起動頻率fk為8333Hz,切削進給時所需步進電機運行頻率f

28、e為833.3Hz。從表3-23中查出，150BF002型步進電機允許的最高起動頻率為2800Hz，運行頻率為8000Hz,如果直接起動，則會產生失步現象，所以必須采取升降速控制（用軟件實現），也可采用高低壓驅動電路，還可將步進電機輸出轉矩擴大一倍左右。而當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻特性完全可以滿足要求。第五節 齒輪傳動的強度校核驗算一、彎曲疲勞強度校核先選擇齒輪材料，確定許用應力。小齒輪材料：40Cr,調質，硬度為230280HBS,計算中取260HBS.大齒輪材料：45鋼，正火，硬度為170210HBS,計算中取200HBS.小齒輪許用彎曲應力：F1=155+

29、0.3HBS=(155+0.3X260)MPa=233MPa大齒輪許用彎曲應力： F2=140+0.2HBS=(140+0.2X200)MPa=180MPa彎曲疲勞強度的計算式為：F=2KTbm2zYFS式中 K載荷系數，一般取1.31.7，當原動機為電動機、工作機載荷較平穩、齒輪支撐為對稱布置或齒輪制造精度較高時取較小值; T齒輪傳遞的名義轉矩，單位為Nmm; b工作齒寬，單位為mm; m模數; z齒數；YFS齒輪復合齒形系數。校核小齒輪彎曲疲勞強度：將K=1.35, T1=13720Nmm,b=20mm,m=2, z1=32，YFS1=4.07代入公式得，F1=2KT1bm2z1YFS1=

30、2X1.35X1372020X22X32X4.07=58.894MPaF1=233MPa校核大齒輪彎曲疲勞強度： 大齒輪齒數為40，查表取YFS2=4.01，代入公式得，F2=F1YFS2YFS1=58.894X4.014.07=58.460MPaF2=180MPa大小齒輪均滿足彎曲疲勞強度的要求。二、接觸疲勞強度校核小齒輪的許用接觸應力值：H1=380+HBS=(380+260)MPa=640MPa大齒輪的許用接觸應力值：H2=380+0.7HBS=(380+0.7X180)MPa=506MPa選取H1和H2中的最小值，即H=506MPa.齒輪傳動的接觸疲勞強度校核式為：H=335aKT1(

31、u+1)3bu式中 a齒輪中心距，單位為mm，本例為72mm； u減速傳動比，本例為1.25；將數據代入公式得：H1=335aKT1(u+1)3bu=33572X1.35X13720X(1.25+1)320X1.25=427.43MPa15000h則深溝球軸承滿足壽命要求。三、角接觸球軸承的壽命驗算型號為7206B的角接觸球軸承的基本額定動載荷為20500N,基本靜載荷為13800N，其接觸角為40，能承受更大的軸向力。其力學模型如下圖所示：FS=1.14FrFA=Fm+0.05(G+GS)=1590+0.05X(2000+147)N=1697.35N式中 FS部軸向力，單位為N； FA外部軸

32、向力，單位為N;其徑向力為：Fr=Fttan20=2Tdtan20=2X13.7280X10-3X0.364=124.85N則兩對軸承所承受的部軸向力為：FS1=FS2=1.14Fr=1.14X124.85N=142.33N兩軸承面對面安裝，1端（左端）為壓緊端軸承，其所承受的軸向力為：Fa1=FA+FS2=(1697.35+142.33)N=1839.68N2端（右端）為放松軸承，其所承受的軸向力為：Fa2=FS2=142.33N由：Fa1Fr1=1839.68124.85=14.74e=1.14,則查表可得：Y1=0.57,X1=0.35.則1軸承所承受的當量動載荷為：P1=X1Fr1+Y

33、1Fa1=(0.35X124.85+0.57X1839.68)N=1092.32N由：Fa2Fr2=142.33124.85=1.14=e=1.14，查表可得：Y2=0，X2=1.則2軸承所承受的當量動載荷為：P2=Fr2=124.85N取P1、P2中的較大值，與以P1作為壽命校核的依據。將C=20500N,P=1092.32N代入壽命計算公式得：Lh=10660n(ftCfpP)=10660X833X(1X205001.5X1092.32)3 =39187h15000h所以，這一對角接觸球軸承可以滿足使用壽命的要求。第七節 齒輪間隙的消除進給伺服系統中的減速齒輪，除了本身要求較高的運動精度和

34、工作平穩性外，還必須盡可能消除齒側傳動間隙，否則，進給運動會產生反向死區，影響傳動精度和系統穩定性。常用的消除齒輪間隙的方法有以下兩種：一、偏心套調整法這種方法是將電機通過偏心套裝在減速箱殼體上，通過偏心套的轉動能夠方便地調整兩齒輪的中心距，從而達到消除齒側間隙的目的。該方法結構簡單，傳動剛度好，能傳遞較大的轉矩，但齒輪的磨損后齒側間隙不能自動補償。二、雙片薄齒輪錯齒調整法其示意圖如下所示：雙薄片齒輪調整結構1、6、8 齒輪 2、5 螺釘 3 螺母 4 軸套 7 拉簧該結構中，兩個齒數一樣的薄片齒輪1、8與另個一個寬齒6嚙合。兩薄片齒輪之間可以做相對回轉運動。每個薄齒輪上分別聯接三個沉頭螺釘2

35、，5并在齒輪1上開有三個較大通孔。齒輪8上的三個螺釘2從齒輪1上三個大孔中穿過后，再通過拉簧7與齒輪1上的螺釘5相聯，螺母3可防止拉簧滑出。由于拉簧7的拉力作用使齒輪1、8之間產生回轉，分別與寬齒輪6的兩側貼緊，從而消除了齒側間隙。該機構因為拉簧的的作用，嚙合時完全消除了齒輪側隙，并且能夠自動補償。不足之處是結構較復雜，不宜傳遞大力矩。在負載不大的齒輪傳動裝置中被廣泛應用。本設計采用此方法消除齒輪間隙。第三章 微機數控系統硬件電路設計第一節 繪制機床數控系統硬件框圖一、數控系統的組成數控系統是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統的基礎，有了硬件，軟件才能有效的運行。硬件電路的可靠性直接影響到

36、數控系統性能指標。二、機床硬件電路的組成機床硬件電路由以下五部分組成：（1）主控制器，即中央處理單元（CPU）;（2）總線，包括數據總線、地址總線和控制總線；（3）存儲器，包括程序存儲器和數據存儲器；（4）接口，即I/O輸入/輸出接口電路；（5）外圍設備，如鍵盤、顯示器與光電輸入機等。機床數控系統硬件框圖如下圖所示。機床數控系統硬件框圖第二節 CPU和存儲器CPU采用8031芯片，由于8031片無程序存儲器，需要有外部存儲器的支持，同時8031只有128B的部數據存儲器，也遠遠不能滿足控制系統的要求。故擴展了16KB程序存儲器，由兩片2764實現。而且其部的數據存儲器只有128B,所以有擴展了

37、16KB的數據存儲器，由兩片6264實現。80C31芯片的P0和P2用來傳送外部存儲器的地址和數據，P2口傳送高8位地址，P0口傳送低8位地址和數據，故要采用74LS373地址鎖存器，鎖存低8位地址，ALE作為其選通信號，當ALE為高電平，鎖存器的輸入和輸出透明，即輸入的低8位存儲器地址在輸出端出現，此時不需鎖存。當ALE從高電平變為低電平，出現下降沿時，低8位地址鎖存入地址鎖存器，74LS373的輸出不再隨輸入變化,這樣P0口就可以用來傳送讀寫的數據了。8031芯片的P2口和74LS373送出的P0口共組成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線。A0A7低8位接74L

38、S373芯片的輸出，A8A12接8031芯片的P2.0P2.4。系統采用全地址譯碼，兩片2764芯片片選信號CE分別接74LS138譯碼器的Y0和Y1，系統復位以后程序從0000H開始執行。兩片6264芯片的片選信號CE分別接74LS138譯碼器的Y2和Y3，單片機擴展系統允許程序存儲器和數據存儲器獨立變址（即允許地址重疊），8031芯片控制信號PSEN接2764的OE引腳，讀寫控制信號WR和RD分別接6264芯片的WE和OE,以實現外部數據存儲器的讀寫。由于8031芯片部沒有ROM,故始終要選外部程序存儲器，故其EA必須接地。第三節 I/O接口芯片的擴展由于80C31只有P口和P口部分能提供

39、用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的要求，因此系統擴展了一片8279和一片8255A可編程I/O接口芯片。8279的片選信號CS接74LS138的Y4端。芯片8255的片選信號接74LS138的Y5端。74LS138有三個輸入A、B、C分別接到8031的P2.5、P2.6、P2.7，輸出為Y0Y78個輸出，均為低電平有效。I/O接口與外設的連接是：鍵盤的行線接8279的RL0RL3,8279采用外部譯碼方式，SLSL經74LS138（2）譯碼器輸出Y0Y7；按鍵盤的橫線，SLSL由74LS138（3）譯碼器輸出Y0Y7，經驅動后輸出到顯示器各位的公共陽極，輸出線OUTA、OUTB作為8位

40、段數據輸出口，控制74LS138(3)的譯碼，當位切換時，輸出低電平，使74LS138(3)輸出全為高電平，當鍵盤上出現有效的閉合健時，鍵輸入數據自動的進入8279的FIFO RAM存儲器，并向80C31申請中斷，80C31響應中斷，讀取FIFO RAM中的輸入鍵值。更新顯示器輸出，僅需改變8279種顯示緩沖器RAM中的容。還使用了用可編程輸入輸出芯片8255A擴展的輸入輸出接口電路。第四節 所用芯片的工作方式和性能特點介紹一、8031單片機芯片MCS51系列單片機是美國Intel公司在MCS48系列單片機基礎上推出的產品，于1980年問世，它的集成度很高，是集片存儲器、片輸入/輸出部件和CP

41、U于一體的優良的單片機系統，在我國已廣泛地被應用于經濟型數控機床。MCS51系列單片機主要有三種型號：8031、8051和8071。而8031片無ROM，使用時需擴展ROM，可用在現場修改和更新程序存儲器的應用場合，其價格低廉，使用靈活，非常適合在我國使用。所以本設計使用8031單片機。其性能和特點如下所示：（一）8031單片機的基本特性8031單片機具有以下特點：（1）具有功能很強的8位中央處理單元（CPU）；（2）片有時鐘發生電路（6MHz或12MHz）,每執行一條指令時間為2s或1s；（3）片具有128字節RAM；（4）具有21個特殊寄存器；（5）可擴展64KB字節的外部數據存儲器和64

42、KB的外部程序存儲器；（6）具有4個I/O接口，32根I/O總線；（7）具有2個16位定時器/計數器；（8）具有5個中斷源，配備2個中斷優先級；（9）具有一個全雙工串行接口；（10）具有位尋址能力，適用邏輯運算。從上述特性可知，一塊8031的功能幾乎相當于一塊Z80CPU、一塊RAM，一塊Z80CTC、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微機系統。可以看出這種芯片集成度高、功能強、只需增加少量外圍器件就可以構成一個完整的微機系統。（二）8031芯片引腳與其功能8031芯片具有40根引腳，其引腳如下圖所示：8031管腳圖40根引腳按其功能可以分為四類：1.電源線 2根VCC:編程和正常操作

43、時的電源電壓，接+5V。VSS:地電平。2.晶體振蕩器 2根XTAL1:振蕩器的反相放大器輸入。使用外部振蕩器時必須接地。XTAL2:振蕩器的反相放大器輸出和部時鐘發生器的輸入。當使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號。3.I/O口 共有P0、P1、P2、P3四個8位口，32根I/O總線，其功能如下：（1）P0.0P0.7(AD0AD7)是I/O端口0的引腳。端口0是一個8位漏極開路的雙向I/O端口。在存取外部存儲器時，該端口分時地用作低8位的地址和8位雙向的數據端口（在此時部上拉電阻有效）。（2）P1.0P1.7端口1的引腳，是一個帶部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。（3）P2.0

44、P2.7(A8A15)端口2的引腳。端口2是一個帶部上拉電阻的8位雙向I/O通道，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址A8A15。（4）P3.0P3.7端口3的引腳。端口3是一個帶部上拉電阻的8位雙向I/O口，該口的每一個均可獨立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時，口的結構與操作與P1口完全一樣，第二功能如下： 口引腳 第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INT0(外部中斷)P3.3INT1(外部中斷)P3.4T0(定時器0外部輸入)P3.5T1(定時器1外部輸入)P3.6WR(外部數據存儲器寫選通)P3.7RD(外部數據存儲器讀選

45、通)4.控制線（1）PSEN:程序存儲器的使能引腳，是外部程序存儲器的讀選通信號，低電平有效。從外部程序存儲器取數時，在每個機器周期二次有效。（2）EA/VPP: EA為高電平時，CPU執行部程序存儲器的指令。EA為低電平時，CPU僅執行外部程序存儲器的指令。因8031芯片沒有部程序存儲器，故EA必須接地。（3）ALE/PROG:ALE是地址鎖存使能信號。作為地址鎖存允許時高電平有效。因為P0端口是分時傳送數據和低8位地址，故訪問存儲器時，ALE信號鎖存低8位地址。即使在不能訪問外部存儲器時，也以1/6振蕩頻率的固定頻率產生ALE,因此可以用它作為外部的時鐘信號。ALE主要是提供一個定時信號，

46、在從外部程序存儲器取指令時，把P0口的低位地址字節鎖存到外接的地址鎖存器中。（4）RST/VPD:是復用/備用電源端。在振蕩器運行時，使RST引腳至少保持兩個機器周期為高電平，可實現復位操作，復位后程序計數器清零，即程序從0000H單元開始執行。在VCC關斷前加上VPD（掉電保護）RAM的容將不變。二、地址鎖存器74LS373和地址譯碼器74LS138(一) 地址鎖存器74LS373由于單片機8031芯片的P0口是分時傳送低8位地址線和數據線，故8031擴展系統中一定要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片是74LS373。8031芯片的PO口是數據線和低8位地址的分時復用口，P2口是高8位地址的

47、傳送口，所以需要將低8位地址進行鎖存，故采用芯片74LS373進行低8位地址的鎖存，芯片8031上ALE低8位地址鎖存允許進行鎖存控制，其連接到74LS373G端。當ALE從高電平變為低電平，出現下降沿時，74LS373的輸出不再隨輸入變化，這樣P0 口就可以用來傳送讀寫的數據了。74LS373是帶三態緩沖輸出的8D觸發器，其引腳如下圖所示。（二）地址譯碼器74LS138采用74LS138（38）譯碼器的輸出作為片選信號。輸入端占用3根最高位地址線，剩余13根低位地址線可作為片地址線。74LS138譯碼器的8根輸出線分別對應8個8K字節的地址空間。其引腳如下圖所示。74LS373引腳圖 74L

48、S138引腳圖8031芯片的P2 口和74LS373送出的P0 口芯片16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線。A0 A7 低8位地址的輸出接74LS373的輸入,A8 A12 接8031芯片的P2.0 P2.4 。三、程序存儲器2764和數據存儲器6264（一）程序存儲器2764芯片程序存儲器是用于存放程序與表格常數的，在程序存儲器中，有6個單元具有特定的含義：0000H:單片機復位后，PC=0000H,即程序從0000H開始執行指令。0003H:外部中斷0入口地址。000BH:定時器0溢出中斷入口地址。 0013H:外部中斷1入口地址。001BH:定時器1溢出中斷入口

49、地址。0023H:串行口中斷入口地址。該芯片為28腳雙列直插式扁平封裝芯片。其引腳圖如下圖所示。圖中VPP是編程電壓，PGM是編程控制端，OE是輸出使能端，CS是片選端，它們均為低電平有效。2764芯片管腳功能如下:Vdd:編程電源端; PGM:編程控制端;OE:輸出允許端; CS:片選端;D00D07：數據端接口； A0A12：地址端接口；NC：空引腳未用.2764引腳圖 6264引腳圖（二）數據存儲器6264芯片數據存儲器是用于存放運算的中間結果、數據暫存與數據緩沖等，它由讀寫存儲器RAM組成，片為256字節，片外最大擴展為64K。6264型芯片也為28腳雙列直插式扁平封裝芯片其引腳如前圖

50、：管腳功能如下：Vdd、VSS：電源端； CS1、CS2：片選端； WE：寫輸入選通端； OE：讀輸入選通端；A0A12：地址線；I/OI/O：I/O輸入輸出接口端。四、可編程并行I/O接口芯片8255A可編程并行I/O接口芯片8255A有3個8位的并行I/O口，為PA口、PB口和PC口，他們都可以通過軟件編程來改變I/O口的工作方式。其引腳圖如圖所示： 8255A管腳圖 8279管腳圖其引腳功能為：引腳含義引腳含義 D0D7 PA0PA7 PB0PB7 PC0PC7 A0、A1RD數據線A口B口C口地址線讀WRCERESETGNDVCC寫片選復位地電源五、專用鍵盤顯示器接口芯片8279使用8279，可實現對鍵盤顯示器的