前言加工中心集計算機技術、電子技術、自動化控制、傳感測量、機械制造、網絡通信技術于一體，是典型的機電一體化產品，它的發展和運用，開創了制造業的新時代，改變了制造業的生產方式、產業結構、管理方式，使世界制造業的格局發生了巨大變化。現在的CAD/CAM、FMS、CIMS，都是建立在數控技術之上。目前數控技術已經廣泛運用于制造業，數控技術水平的高低已成為衡量一個國家制造業現代化程度的核心標志。而加工中心的發展最為重要。隨著科學技術的高速發展，市場上對數控的要求也有很大的改變，正要求數控系統朝著高速、高精度、高可靠性發展，為追求加工效率及更通用化迫使數控機床結構模塊化、智能化、柔性化、用戶界面圖形化，科學計算可視化，內置高性能PLC，多媒體技術應用等方面發展。加工中心的優點有：1）提高加工質量；2）縮短加工準備時間；3）減少在制品；4）減少刀具費；5）最少的直接勞務費；6）最少的間接勞務費；7）設備利用率高。總的來說，加工中心的發展動向是高速、進一步提高精度和愈發完善的機能。本設計說明書以大量圖例來說明加工中心的主軸箱設計及橫向進給機構的設計的思路。設計中得到顏竟成教授的悉心指導，在此向他表示誠摯的的感謝。由于編者的水平和經驗有限，加之設計時間較短、資料收集較困難，說明書中難免有缺點和錯誤，在此懇請讀者諒解，并衷心希望廣大讀者提出批評意見，使本設計說明書能有所改進。1、機床總體方案設計1.1機床總體尺寸參數的選定根據設計要求并參考實際情況，初步選定機床主要參數如下：工作臺寬度×長度400×1600mm×mm工作臺最大縱向行程650mm工作臺最大橫向行程450mm工作臺最大垂直行程500mmX、Y軸步進電機a12/3000iZ步進電機a12/3000i主軸最大輸出扭矩70公斤力×米主軸轉速范圍45～2000r/min主電動機的功率4kw主軸電動機轉速1500r/min機床外行尺寸（長×寬×高）2488×1200×2710mm×mm×mm機床凈重500kg1.2機床主要部件及其運動方式的選定1、主運動的實現因所設計的臥式加工中心要求能進行車、銑和鏜，橫向方向的行程比較大，因而采用工作臺不動，而主軸箱各軸向擺放為臥式的機構布局；采用交流無級調速電動機實現無級調速，并且串聯有級變速箱來擴大變速范圍。為了使主軸箱在數控的計算機控制上齒輪的傳動更準確、更平穩、工作更可靠，主軸箱主要采用離合器交換齒輪的有級變速。2、給運動的實現本次所設計的機床進給運動均由單片機進行數字控制，因此在X、Y、Z三個方向上，進給運動均采用滾珠絲杠螺母副，其動力由步進電機通過調隙齒輪傳遞。3、數字控制的實現采用單片機控制，各個控制按鈕均安裝在控制臺上，而控制臺擺放在易操作的位置，這一點須根據實際情況而定。4、機床其他零部件的選擇考慮到生產效率以及生產的經濟性，機床附件如油管、行程開關等，以及標準件如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購形式。1.3機床總體布局的確定（一）確定主軸箱傳動系統方案：主傳動系統是用來實現機床主運動的傳動系統，它應具有一定的轉速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地實現運動的開停、變速、換向和制動等。加工中心主傳動系統主要包括電動機、傳動系統和主軸部件，它與普通機床的主傳動系統相比在結構上比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調速來承擔。機床上常用的變速電動機有直流電動機和交流變頻電動機，在額定的轉速上為恒功率變速，通常變速范圍僅為2-3；額定轉速以下為恒轉矩變速，調整范圍很大，變速范圍可大30甚至更大。上述功率和轉矩特性一般不能滿足機床的使用要求。為了擴大恒功率調速范圍，在變速電動機和主軸之間串聯一個有級變速箱。本機床采用交流調速電機變速，為了在變速范圍內，滿足一定恒功率和恒轉矩的要求，為了進一步擴大變速范圍，在后面串聯機械有級變速裝置。（二）確定主軸箱有級變速級數：取變速箱的公比為等于電動機的恒功率變速范圍，即，功率特性圖是連續的，無缺口和無重合。如變速箱級數為Z，則主軸的恒功率變速范圍等于變速箱的變速級數可得出：主軸要求的恒功率變速范圍電動機的恒功率變速范圍取變速箱的公比故變速箱的變速級數故通過圓整取Z=12。（三）確定各齒輪的齒數：在確定齒輪齒數時應注意：齒輪的齒數和不應過大，以免加大兩軸之間的中心距，使機床的結構龐大，而且增大齒數和還會提高齒輪的線速度而增大躁聲，所以在設計時要把齒數和控制在；為了控制每組嚙合齒輪不產生根切現象，使最小齒數，因而齒輪的齒數和不應過小。受結構限制的個齒輪（尤其是最少齒輪），應能可靠地裝到軸上或進行套裝；齒輪的齒槽到孔壁或鍵槽（m為模數），以保證有足夠強的強度，避免出現變形或斷裂現象。應保證：標準直齒圓柱齒輪，其最少齒根直徑，代入上式可得：式中：——齒輪的最少齒數；——齒輪模數；——齒輪鍵槽頂面至軸心線的距離。由于此傳動在同一變數組為同模數傳動，各對齒輪的齒數的齒數之比，必須滿足傳動比；當各對齒輪的模數相同，且不采用變位齒輪時，則各對齒輪的齒數和必然相等，可列出：式中：——分別為J齒輪副的主動與從動齒輪的齒數；——J齒輪副的傳動比；——齒輪副的齒數和。由上述公式可得：因此，選定了齒數和，便可以計算出各齒輪的齒數，或者由上式確定出齒輪副的任一齒輪后，用上式算出另一齒輪的齒數。查表選擇齒輪的齒數：其中a代表二軸，b代表三軸，c代表四軸，d代表主軸。（四）擬定主運動轉速圖由上述計算得，12級轉速各傳動組中傳動數的確定方案有：12=4×3，12=3×4，12=3×2×2，12=2×3×2，12=2×2×3按照“前多后少”的原則，確定各傳動組的傳動副數為12=3×2×2。根據“前密后疏”的原則，確定基本組在前，后面依次擴大，因此得結構式為，第二擴大組的兩個傳動比連線之間，相距格數應為，變速范圍是，在允許的范圍內，所選定的結構式共有三個傳動組。因此變速機構需要四軸，再加上電動機軸共五軸，故轉速圖有五條豎線。由于齒輪傳動比受到的限制，現在傳動組C的變速范圍為。可知這個傳動組中兩個傳動副的傳動比必然是極限值，即該傳動組的升降速度傳動比都達到了極限值，就確定了軸Ⅲ的六級轉速只有一種可能，即為180～1000r/min。軸Ⅱ-Ⅲ之間，兩條傳動比連線間應相距3格，取，因此，確定軸Ⅱ的轉速為355～710r/min。對于軸Ⅰ，取于是決定了軸Ⅰ的轉速為1000r/min，電動機軸與軸Ⅰ之間為齒輪傳動，傳動比為1000：1440。綜合上述，主軸的調速范圍：45，63，90，125，180，250，355，500，710，1000，1400，2000。轉速圖如下：圖1.1加工中心轉速圖2、主運動的設計計算2.1電動機的選擇2.1.1電動機的功率的計算查《機床主軸/變速箱設計指導》：端銑：硬質合金端銑刀，銑刀材料是45號鋼；1）主切削力公式中背吃刀量，每齒進給量，刀具直徑，銑刀齒數z=4,選，銑刀轉速所以主切削力2）切削功率銑削過程中消耗的功率主要按圓周切削力和銑削速度進行計算進給運動也消耗一些功率，一般情況下，所以總的切削力功率，由此可估算銑床主電動機的功率；，取，2.1.2電動機參數的選擇在選擇電動機時，必須使得，根據這個原則，查《機械設計手冊》選取Y112M-4型電動機，功率為4kw。其基本參數如下(單位為mm):滿載轉速為2.2齒輪傳動的設計計算由于直齒圓柱齒輪具有加工和安裝方便、生產成本低等優點，而且直齒圓柱齒輪也能滿足傳動設計要求，所以本次設計選用漸開線直齒圓柱齒輪傳動；主軸箱中的齒輪用于傳遞動力和運動，它的精度直接與工作的平穩性、接觸誤差及噪聲有關。為了控制噪聲，機床上主傳動齒輪都選用較高的精度，但考慮到制造成本，本次設計都選用7-6-6的精度。具體設計步驟如下：2.2.1模數的估算按接觸疲勞和彎曲疲勞計算齒輪模數比較復雜，而且有些系數只有在齒輪各參數都已知道后方可確定，所以只在草圖畫后校核用。在繪草圖之前，先估算，再標準齒輪模數。齒輪彎曲疲勞的估算公式：齒面點蝕的估算公式：其中為大齒輪的計算轉速，A為齒輪中心距。由中心距A及齒數、求出模數：根據估算所得和中較大的值，選取相近的標準模數。前面已求得各軸所傳遞的功率，各軸上齒輪模數估算如下：第一對齒輪副所以，第一對齒輪副傳動的齒輪模數應為第二對齒輪所以，第二對齒輪副傳動的齒輪模數應為第三對齒輪副所以，第三對齒輪副傳動的齒輪模數應為第四對齒輪副所以，第三對齒輪副傳動的齒輪模數應為綜合上述，為了降低成本，機床中各齒輪模數值應盡可能取相同，但因為V軸的轉速比較小，扭矩比較大，為了增加其強度和在主軸上能起到飛輪的作用，需增加V軸齒輪的幾何尺寸。所以，本次設計中在Ⅰ→Ⅱ對齒輪模數均為，在Ⅱ→Ⅳ對齒輪上就取。2.2.2齒輪分度圓直徑的計算根據漸開線標準直齒圓柱齒輪分度圓直徑計算公式可得各個傳動副中齒輪的分度圓直徑為：單位（mm）2.2.3齒輪寬度B的確定齒輪影響齒的強度，但如果太寬，由于齒輪制造誤差和軸的變形，可能接觸不均勻，反而容易引起振動和噪音。一般取B=（6～10）m。本次設計中，取主動輪寬度B=9m=18mm(最后一對齒輪也取B=79m=18mm)。2.2.4齒輪其他參數的計算根據《機械原理》中關于漸開線圓柱齒輪參數的計算公式及相關參數的規定，齒輪的其他參數都可以由以上計算所得的參數計算出來，本次設計中，這些參數在此不在一一計算。2.2.5齒輪結構的設計不同精度等級的齒輪，要采用不同的加工方法，對結構的要求也不同，七級精度的齒輪，用較高精度的滾齒機或插齒機可以達到。但淬火后，由于變形，精度將下降。因此，需要淬火的7級齒輪一般滾或插后要剃齒，使精度高于7級，或者淬火后再珩齒。6級精度的齒輪，用精密滾齒機可以達到。淬火齒輪，必須達到6級。機床主軸箱中的齒輪齒部一般都需要淬火。2.2.6齒輪的校核（接觸疲勞強度）計算齒輪強度用的載荷系數，包括使用系數，動載荷系數，齒間載荷分配系數及齒向載荷分布系數，即：齒輪接觸疲勞強度滿足，因此接觸的應力小于許用的接觸應力。其他齒輪也符合要求，故其余齒輪不需驗算，在此略去。2.3軸的設計計算2.3.1各傳動軸軸徑的估算滾動軸承的型號是根據軸端直徑確定的，而且軸的設計是在初步計算軸徑的基礎上進行的，因此先要初算軸徑。軸的直徑可按扭轉強度法用下列公式進行估算。對于空心軸，則式中，P——軸傳遞的功率，KW；n——軸的計算轉速，r/min;——其經驗值見表取的值為1.5。(1)計算各傳動軸傳遞的功率P根據電動機的計算選擇可知，本次設計所用的電動機額定功率，各傳動軸傳遞的功率可按下式計算：由傳動系統圖可以看出，本次設計中采用了聯軸器和齒輪傳動，及軸承。則各軸傳遞的功率為：所以，各傳動軸傳遞的功率分別為：(2)估算各軸的最小直徑本次設計中，考慮到主軸的強度與剛度以及制造成本的經濟性，初步選擇主軸的材料為40Cr，其他各軸的材料均選擇45鋼，取A0值為115，各軸的計算轉速可推算出為：所以各軸的最小直徑為：在以上各軸中，因有些軸上開有平鍵或花鍵，所以為了使鍵槽不影響軸的強度，應將軸的最小直徑增大到5%，將增大后的直徑圓整后分別取各軸的最小直徑為：對于主軸應該應用公式；故主軸為考慮到軸上有花鍵，所以應將軸的最少直徑增大5%，將增大的直徑在圓整后取2.3.2各軸段長度值的確定各軸段的長度值，應根據主軸箱的具體結構而定，且必須滿足以下的原則；應滿足軸承及齒輪的定位要求。2.3.3軸的剛度與強度校核1）、軸的受力分析及受力簡圖由主軸箱的展開圖可知，該軸的動力源由電動機通過彈性聯軸器傳遞過來，而后通過齒輪將動力傳遞到下一根軸。其兩端通過一對角接觸軸承將力轉移到箱體上去。由于傳遞的齒輪采用的是直齒圓柱齒輪，因此其軸向力可以忽略不計。所以，只要校核其在XZ平面和YZ平面的受力。軸所受載荷是從軸上零件傳來的，計算時常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布段的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。通常把軸當作鉸鏈支座上的糧，支反力的作用點與軸承的類型和布置方式有關。其受力簡圖如下：在XZ平面內：圖2.1XZ平面受力分析在YZ平面內：圖2.2YZ平面受力分析2）作出軸的彎矩圖根據上述簡圖，分別按XZ平面及YZ平面計算各力產生的彎矩，并按計算結果分別作出兩個平面的上的彎矩圖。則該軸在XZ平面內的彎矩圖為：圖2.3XZ平面內的彎矩同理可得在YZ平面內的彎矩圖為：圖2.4YZ平面內的彎矩3）作出軸的扭矩圖由受力分析及受力簡圖可知，則扭矩圖為：圖2.5扭矩圖4）、作出總的彎矩圖由以上求得的在XZ、YZ平面的彎矩圖，根據可得總的彎矩圖為：圖2.6合成彎矩圖5）、作出計算彎矩圖根據已作出的總彎矩圖和扭矩圖，則可由公式求出計算彎矩，其中是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產生應力的循環特性差異的系數，因通常由彎矩產生的彎曲應力是對稱循環的邊應力，而扭矩所產生的扭轉切應力則常常不是對稱循環的變應力，故在求計算彎矩時，必須計及這種循環特性差異的影響。既當扭轉切應力為靜應力時，取a=0.3;扭轉切應力為脈動循環變應力時，取a=0.6；若扭矩切應力也為對稱循環變應力時，則取a=1。應本次設計中扭轉切應力為靜應力，所以取a=0.3，則計算彎矩圖為：圖2.7計算彎矩圖6）校核軸的強度選擇軸的材料為45鋼，并經過調質處理。由機械設計手冊查得其許用彎曲應力為60MP，由計算彎矩圖可知，該軸的危險截面在B的作用點上，由于該作用點上開有花鍵，由機械設計可查得其截面的慣性矩：其中Z為花鍵的數目，在本次設計中，，所以其截面的慣性矩為W=2984.2。根據標準直齒圓柱齒輪受力計算公式可得圓周力與徑向力：其中：為小齒輪傳遞的扭轉，；為嚙合角，對標準齒輪，取；而與分別對應與XZ平面及平面YZ的力。各段軸的長度可從2號A0圖中得出，則根據前面的公式可得出該軸危險截面的計算彎矩為：則該軸危險截面所受的彎曲應力為：所以該軸的強度滿足要求。其余各軸的校核步驟跟Ⅲ軸一樣，在此就不在校其余各軸。2.3.4主軸的確定主軸的構造和形狀主要決定與主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承等零件的類型、數量、位置和安裝定位方法等。應能保證定位準確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉矩。1）主軸材料的選擇考慮到主軸的剛度及強度，選擇主軸的材料為40Cr，并經過調質處理。2）主軸結構的確定①主軸直徑的選擇根據機床主電動機功率來確定∵P=2.96KW，屬于中等以上轉速，中等以下載荷的機床∴可取=50～70mm；②主軸內孔直徑其中，---空心主軸的剛度和截面慣性矩，---實心主軸的剛度和截面慣性矩當則主軸的剛度急劇下降，故取主軸的結構應根據主軸上應安裝的組件以及在主軸箱里的具體布置來確定，主軸的具體結構已在三維圖上表達清楚。③提高主軸的性能措施a、提高旋轉精度提高主軸組件的旋轉精度，首先是要保證主軸和軸承具有一定的精度，此外還可以采取一些工藝措施。如選配法、裝配后精加工。b、改善動態特性主軸應有較高的動剛度和較大的阻尼，使得主軸組件在一定副值的周期性激振力作用下，受迫振動的振幅較小。通常，主軸組件的固有頻率是而后內高的，遠遠高于主軸的最高轉速，故不必考慮共振問題，按靜態處理。c.控制主軸組件溫升主軸運轉時滾動軸承的滾動體在滾道中磨擦、攪油，滑動軸承乘載油膜受到剪切內磨擦，均會產生熱量，使軸承溫度上升。故控制主軸組件溫升和熱變形，提高其熱穩定性是十分必要的。主要有兩項措施。(1)減少支承發熱量。(2)采用散熱裝置。通常用熱源隔離法、熱源冷卻法和熱平衡法。主軸的主要尺寸是根據結構上確定的，一般的直徑取值都大于初始值的好幾倍，故主軸的剛度一般都能滿足要求。在此就免于校核。2.4離合器的選用離合器在機器運轉中可將傳動系統隨時分離或接合，對離合器的要求有：接合平穩，分離迅速徹底；調節和修理方便；外廓尺寸小；質量小；耐磨性好和有足夠的散熱能力；操作方便省力。；離合器的類型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。由主軸箱的結構尺寸限制，我選用了無滑環式多片摩擦式。由主軸箱的結構尺寸限制，我選用了無滑環濕式多片摩擦電磁式離合器，此類型的離合器防爆性能好，徑向尺寸較小。選型號DLM9-25。其結構尺寸如下：3、進給系統的設計計算--立式加工中心工作臺（X軸）設計3.1概述（1）技術要求：工作臺、工件和夾具的總質量m=918kg（所受的重力W=9000N），其中，工作臺的質量(所受的重力W=5000N）;工作臺最大行程；工作臺快速移動速度;工作臺采用滾動直線導軌，導軌的動、靜摩檫系數均為0.01；工作臺的定位精度為20，重復定位精度為8；機床的工作壽命為20000h（即工作時間為10年）。機床采用主軸伺服電動機，額定功率，機床采用端面銑刀進行強力切削，銑刀直徑，主軸轉速，切削狀況如下表所示：加工中心切削狀況切削方式進給速度/（m/min）時間比例/（%）備注強力切削0.610主電動機滿功率條件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速進給2010空載條件下工作臺快速進給（2）總體方案設計為了滿足以上技術要求，采取以下技術方案。（1）工作臺工作面尺寸（寬度×長度）確定為400mm×1200mm。（2）工作臺導軌采用滾動直線導軌。（3）對滾動絲杠螺母副進行預緊。（4）采用伺服電動機驅動。（5）采用錐環套筒聯軸器將伺服電動機與滾珠絲杠直連。3.2設計計算3.2.1主切削力及其切削分力計算（1）計算主切削。根據已知條件，采用端面銑刀在主軸計算轉速下進行強力切削（銑刀直徑，主軸具有最大扭矩并能傳遞主電動機的全部功率，此時銑刀的切削速度為靜摩擦力，由公式得即故滿足要求。3.8.2計算機械傳動系統由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差由公式得即，故滿足要求。3.8.3計算滾珠絲杠因扭轉變形產生的誤差（1）由公式計算由扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量。負載力矩。由圖得扭矩作用點之間的距離，絲杠底徑，則（2）由該扭轉變形量引起的軸向移動滯后量將影響工作臺的定位精度。由公式得3.9確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規格型號（1）確定滾珠絲杠螺母副的精度等級。本機床工作臺采用半閉環控制系統，應滿足下列要求滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級為2級，查表得查表得，當螺紋長度為時，故滿足設計要求。（2）確定滾珠絲杠螺母副的規格型號。滾珠絲杠螺母副的規格型號為FFZD4010-3-P2/1105×850，其具體參數如下。公稱直徑與導程：40mm,10mm；螺紋長度：850mm；絲杠長度：1150mm；類型與精度：P類，2級精度。3.10滾珠絲桿副的預緊方式為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預加載荷，使它在過盈的條件下工作，常用的預緊方式有：雙螺母墊片式預緊、雙螺母螺紋式預緊、雙螺母齒差式預緊等。預緊后的剛度可提高到無預緊時的2倍。但是，預緊載荷過大，將使壽命下降和摩擦力矩加大，通常，滾珠絲桿在出廠時，就已經由制造商調好預加載荷，并且預加載荷往往與絲桿副的額定動載荷有一定的比例關系。雙螺母墊片式預緊：①調整方法：調整墊片厚度，使螺母產生軸向位移。②特點：結構見到，裝卸方便，剛度高；但調整不便，滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和預緊，適用于高剛度重載傳動。雙螺母螺紋式預緊：①調整方法：調整端部的圓螺母，使螺母產生軸向位移。②結構緊湊，工作可靠，調整方便，但準確性差，且易于松動，適用于剛度要求不高或隨時調節預緊的傳動。雙螺母齒差式預緊：①調整方法：兩邊的下螺母的凸緣上有外齒，分別與緊固的螺母座4的內齒圈，兩個螺母向相同方向旋轉，每轉過一個齒，調整軸向位移。②能夠精確地調整預緊力，但結構尺寸較大，裝配調整比較復雜，適宜用于高度精度的傳動結構。3.11齒輪傳動消隙齒輪傳動的間隙也叫側隙，它是指一個齒輪固定不動，另一個齒輪能夠作出的最大角位移。傳動間隙是不可避免的，其產生的這樣原因有：由于制造及裝配誤差所產生的間隙，為使用熱膨脹而特意留出的間隙。為了提高定位精度和工作的平穩性，要盡可能減小傳動間隙。除了提高制造和裝配精度外，消隙的主要途徑有：設計可調傳動間隙的機構；設置彈性補償元件。在這設計里我采用雙片直齒輪錯齒調整法來消除間隙。4、控制系統的設計4.1控制系統總體方案的擬訂。機電一體化控制系統由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。控制系統的控制對象主要包括各種機床，如車床、銑床、，磨床等等。控制系統的基本組成如下圖所示：圖4.1控制系統總體方案控制系統總體方案4.2總控制系統硬件電路設計4.2.1單片機的設計（1）MCS-51系列單片機的設計MCS-51系列單片機的所有產品都含有8051除程序存儲器外的基本硬件，都是在8051的基本上改變部分資源（程序存儲器、數據存儲器、I/O、定時/計數器及一些其他特殊部件）。在控制系統設計中，我們采用的是8031，8031可尋址64KB字節程序存儲器和64KB字節數據存儲器。內部沒有程序存儲器，必須外接EPROM程序存儲器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分為三個部分。a.電源及時鐘引腳此部分引腳包括電源引腳。電源引腳接入單片機的工作電源。（40腳）：接+5V電源。（20腳）：接地。時鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時與片內的反相放大器構成一個振蕩器，它提供單片機的時鐘控制信號。時鐘引腳也可外接晶體振蕩器。（19）：接外部晶體的一個引腳。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端。當采用外接晶體振蕩器時，此引腳應接地。（18）：接外部晶體的另一端，。在單片機內部接至反相放大器的輸出端。若采用外部晶體振蕩器時，該引腳接受振蕩器的信號，即把信號直接接至內部時鐘發生器的輸入端。b.控制引腳它包括RST、ALE、等。此類引腳提供控制信號，有些引腳具有復用功能。RST/VPD（9腳）：當振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的高電平將使單片機復位（RST）。復位后應使此引腳電平為的低電平，以保證單片機正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保持內部RAM中的數據不丟失。當下降到低于規定值，而VPD在其規定的電壓范圍內時，VPD就向內部RAM提供備用能源。ALE/（30腳）：當單片機訪問外部存貯器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當訪問外部數據存貯器時，在兩個機器周期中ALE只出現一次，即丟失一個ALE脈沖。ALE端可以驅動8個TTL負載。（29腳）：此輸出為單片機內訪問外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器指令（或常數）期間，每個機器周期兩次有效。但在此期間，每當訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的信號不出現。同樣可以驅動8個TTL負載。（31腳）：當端保持高電平時，單片機訪問的是內部程序存儲器，但當PC值超過某值時，將自動轉向執行外部程序存儲器內的程序。當端保持低電平時，則不管是否有內部程序存貯器而只訪問外部程序存儲器。對8031來說，因其無內部程序存儲器。所以該引腳必須接地，既此時只能訪問外部程序存儲器。c.輸入/輸出引腳輸入/輸出（I/O）接口引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口（P0.0-P0.7）：為雙向8為三態I/O口，當作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設備。它是地址總線低8位及數據總線分時復用口，可驅動8個TTL負載。一般作為擴展時地址/數據總線口使用。P1（P1.0-P1.7）：為8位準雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入口時，鎖存器必須置1），可驅動4個TTL負載。P2（P2.0-P2.7）：為8位準雙向I/O口，當作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設備。它是與地址總線高8位復用，可驅動4個TTL負載，一般作為擴展時地址總線的高8位使用。P3（P3.0-P3.7）：為8位準雙向I/O口，是雙功能復用口，可驅動4個TTL負載。（2）MCS-51單片機的時鐘電路時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節奏，MCS-51片內有一個反相放大器，引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端，該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構成了一個自激振蕩器，產生的時鐘送至單片機內部的各個部件。單片機的時鐘產生方式有內部時鐘方式和外部時鐘方式兩種，大多單片機應用系統采用內部時鐘方式。最常用的內部時鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯諧振回路，不論是HMOS還是CHMOS型單片機，其并聯諧振回路及參數相同。如下圖所示：圖4.2時鐘電路MCS-51單片機允許的振蕩晶體可在1.2MHZ-24MHZ之間可以選擇，一般取11.0592MHZ。電容C1、C2的取值對振蕩頻率輸出的穩定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響。C1、C2可在20PF-100PF之間選擇，一般當外接晶體時典型取值為30PF，外接陶瓷諧振器時典型取值為47PF，取60PF-70PF時振蕩器有較高的頻率穩定性。在設計印刷電路板時，晶體或陶瓷諧振器和電容應盡量靠近單片機引腳安裝，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩定和可靠的工作。為了提高溫度穩定性，應采用NPO電容。（3）MCS-51單片機的復位電路計算機在啟動運行時都需要復位，使中央處理器CPU和系統中的其他部件都處于一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作，單片機的復位都是靠外部電路實現的，MCS-51單片機有一個復位引腳RST，高電平有效。它是施密特觸發輸入，當振蕩器起振后，該引腳上出現兩個機器周期（即24個時鐘周期）以上的高電平，使器件復位，只要RST保持高電平，MCS-51便保持復位狀態。此時ALE，，P0口、P1口、P2口和P3口都輸出高電平。RST變位低電平后，退出復位狀態，CPU從初始狀態開始工作。復位操作不影響片內RAM的內容。MCS-51單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。通常因為系統運動等的需要，常常需要人工按鈕復位，如下圖所示：圖4.3復位電路對于CMOS型單片機因RST引腳的內部有一個拉低電阻，故電阻R2可不接。單片機在上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現正脈沖，只要RST端保持兩個機器周期上的高電平（因為振蕩器從起振到穩定大約要10ms），就能使單片機有效復位，當晶體振蕩頻率為12MHZ時，RC的典型值為。簡單復位電路中，干擾信號易串入復位端，可能會引起內部某些寄存錯誤復位，這時可在RST引腳上接一去耦電容。上圖那上電按鈕復位電路只需將一個常開按鈕開關并聯于上電復位電路，按下開關一定時間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機復位。4.2.2系統的擴展在以8031單片機為核心的控制系統中必須擴展程序存儲器，用以存放控制程序。同時，單片機內部的存儲器容量較小，不能滿足實際需要，還要擴展數據存儲器。這種擴展就是配置外部存儲器（包括程序存儲器和數據存儲器）。另外，在單片機內部雖然設置了若干并行I/O接口電路，用來與外圍設備連接。但當外圍設備較多時，僅有幾個內部I/O接口是不夠的，因此，單片機還需要擴展輸入輸出接口芯片。（1）程序存貯器的擴展MCS-51系列單片機的程序存貯器空間和數據存貯器空間是相互獨立的。程序存儲器尋址空間為64KB（0000H-0FFFH），8031片內不帶ROM，所以要進行程序存貯器的擴展。用作程序存貯器的常用的器件是EPROM。由于MCS-51單片機的P0口是分別復用的地址/數據總線，因此，在進行程序存貯器擴展時，必須用地址鎖存器鎖存地址信號。通信地址鎖存器可使用帶三態緩沖輸出的八D鎖存器74LS373。當用74LS373作為地址鎖存器時，鎖存器G可直接與單片機的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進行地址鎖存。根據應用系統對程序存貯器容量要求的不同，常采用的擴展芯片擴展EPROM2716（2KB×8）、2732A（4KB×8）、2764A （8KB×8）、27128A（16KB×8）、27256A（32KB×8）和27512（64KB×8）等。以上6種EPROM均為單一+5V電源供電，維持電流為35mA—40mA，工作電流為75mA-100mA，讀出時間最大為250ns，均有雙列直插式封裝形式，A0-A15是地址線，不同的芯片可擴展的存貯容量的大小不同，因而提供8位地址的P2口線的數量個不相同，故2716為A0-A10，27512為A0-A15；D0-D7是數據線；CE是片選線，低電平有效；CE是數據輸出選通線；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源，PCM是編程脈沖輸入端。根據程序存貯器擴展的原理，以EPROM和鎖存器74L373為例對8031單片機進行程序存貯器的擴展。因為2764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址線，A0-A12。如果只擴展一片程序存貯器EPROM，故可將片選端CE直接接地。下圖為擴展兩片EPROM的連接方法。同時，8031運行所需的程序指令來自2764A，要把其EA端接地，否則，8031將不會運行。圖4.42764的擴展電路（2）數據存貯器的擴展8031單片機內部有128個字節RAM存貯器。CPU對內部的RAM具有豐富的操作指令。但在用于數據采集和處理時，僅靠片內提供的128個字節的數據存貯器是遠遠不夠的。在這種情況下，可利用MCS-51的擴展功能，擴展外部數據存貯器。數據存貯器只使用WR、RD控制線而不用PSEN。正因為如此，數據存貯器與程序存貯器可完全重疊，均為0000H-FFFFH，但數據存貯器與I/O口與外圍設備是統一編址的，即任何擴展的I/O口以及外圍設備均占用數據存貯器地址。8031的P0口為RAM的復用地址/數據線，P2口用于對RAM進行頁面尋址（根據其容量不同，所占的P2端口不同，在對外部RAM讀/寫期間，CPU產生RD/WR信號。在8031單片機應用系統中，靜態RAM是最常用的，由于這種存貯器的設計無須考慮刷新問題，因而它與微處理器的接口很簡單。最常用的靜態RAM芯片有6116（2KB×8）和6264（4KB×8）。單一+5V供電，額定功耗分別為160mW和200mW，典型存取時間均為200ns，均有雙列之插式封裝，管腳分別為24和20線。下圖是6264與8031的連接圖。從圖可知：6264的片選接8031的P2.7，第二片選線接高電平，保持一直有效狀態。因為6264是8KB容量的RAM，故用到了3根地址線。6264的地址范圍為0000H-7FFF。對于一個完整的應用系統，必須具備一定容量的程序存貯器和一定容量的數據存貯器。8031單片機外部擴展兩片2764EPROM和兩片6264靜態RAM。程序存貯器2764的地址為：0000H-1FFFH。數據存貯器6264的地址為0000H-7FFFH。圖4.56264的擴展電路（1）I/O的擴展MCS-51系列單片機大多具有四個8位I/O口（即P0口、P1口、P2口和P3口），原理上這四個I/O口均可用作雙向并行I/O接口。但在實際應用中，P0口常被用作為數據總線和低8位地址總線使用，P2口常被用作為高8位地址總線使用，P3口某些位又常用它的第二功能，特別是無ROM型的單片機因必須擴展外部程序存貯器，則更是如此。所以，若一個MCS-51應用系統需連接較多的并行輸入/輸出的外圍設備（如打印機、鍵盤、顯示器等），單片機本身所提供的輸入輸出口不能滿足，就不可避免地要擴展并行I/O接口。常用的MCS-51并行I/O接口擴展方法主要有四種：采用可編程的并行接口電路，如8255A；采用可編程的RAM/IO擴展器，如8155；采用TTL或CMOS電路的三態門、鎖存器，如74LS377、74LS373、74LS244；利用MCS-51的并行擴展并行I/O接口。a.8255A可編程外圍并行I/O接口8255A可編程輸入輸出接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，具有三種工作方式，可通過程序改變其功能，因而使用方便，通用性強，可作為單片機與多種外圍設備連接時的中間接口電路。在單片機的I/O口擴展8255芯片，其接口相當簡單，如下圖所示:圖4.58255的擴展電路圖圖中8255的分別與MCS-51的相連；8255的D0-D7直接MCS-51的P0口。片選信號CS口及地址選擇線A0、A1分別由8031的P0.0、P0.1、P0.2經地址鎖存器后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分別為FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的復位端與8031的復位端相連，都接到8031的復位電路上。在實際的應用系統中，必須根據外圍設備的類型選擇8255的操作方式，并在初始化程序中把相應的控制字寫入操作口。8522接口芯片在MCS-51單片機應用系統中廣泛用于連接外部設備，如打印機、鍵盤，顯示器以及作為控制信息的輸入、輸出口。b.8155可編程外圍并行I/O接口8155/8156芯片內包含有256個字節RAM，2個8位和一個6位的可編程并行I/O口，一個14位定時器/計數器。8155/8156可直接與MCS-51單片機連接，不需要增加任何硬件邏輯。由于8031單片機外接一片8155后，就綜合地擴展了數據RAM、I/O端口和定時器/計數器。因而是MCS-51單片機系統中最常用的外圍接口芯片之一。在8155的控制邏輯部件中，設置一個控制命令寄存器和一個狀態標志寄存器。8155的工作方式由CPU寫入控制命令寄存器中的控制字來確定。控制命令寄存器只能寫入不能讀出，8位控制命令寄存器的低4位用來設置A口、B口、C口的工作方式。第4、5位用來確定A口、B口以選通輸入輸出方式工作時是否允許中斷請求。第6、7位用來設置定時器/計數器的操作。8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或選通方式，C口可作為輸入輸出口線，也可作為A口、B口選通方式工作的狀態控制信號。其工作情況與8255方式0、方式1時大致相同，控制信號的含義也基本相同。另外，在8155中還設有一個狀態標志、寄存器，用來存放A口和B口的狀態標志。狀態標志寄存器的地址與命令寄存器的地址相同，CPU只能讀出，不能寫入。8155中還設有一個14位的定時器/計數器，可用來定時或對外事件計數，CPU可通過程序選擇計數長度和計數方式。計數長度和計數方式由輸入計數寄存器的計數控制字來確定。MCS-51單片機可以和8155直接相連而不用任何外加邏輯,MCS-51單片機擴展一片8155可以為系統增加256字節外RAM,22根I/O接口及一個14位定時器.下圖為8155與8031的一種接口邏輯,圖中P2.7連片選信號CE,P2.0連IO/M,所以8155的RAM的地址為7E00H-7EFFH;I/O寄存器地址分別為:命令/狀態字寄存器地址7F00H,PA口地址為7F02H,PB口地址為7F03H,定時器/計數器低字節寄存器地址為7F04H,定時器高字節寄存器地址為7F05H.圖4.68155的擴展電路圖4.2.3鍵盤、顯示器接口設計(1)矩陣式鍵盤接口設計矩陣式鍵盤適用于按鍵較多的場合,它由行線和列線組成,按鍵位于行、列交叉點.如一個4×4的行、列結構可以構成一個含有16個按鍵的鍵盤等等.在按鍵數量較多時,矩陣鍵盤比獨立鍵盤節省了很多I/O口.按鍵設置在行、列線分別連接到按鍵開關兩端..行線通過上拉電阻接到+5V上.平時無按鍵動作時,行線處于高電平狀態,而當有按鍵按下時,行線電平狀態將由此行線相連的列線電平決定.列線電平如果為低,則行線電平為低;列線電平為高,則行線電平亦為高.這一點是識別矩陣鍵盤是否按下的關鍵所在.由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用,各按鍵均影響該鍵所在的行和列電平.所以,必須將行、列線信號配合起來并作適當的處理,才能確定閉合鍵的位置.對于矩陣式鍵盤,按鍵的位置由行號和列號唯一確定,所以分別對行號和列號進行二進制編碼,然后將兩值合成一個字節,高4位是行號,低4位是列號將是非常直觀的.(2)顯示器接口設計在單片機系統中,常用的顯示器有:發光二極管顯示器,簡稱LED.LED是顯示塊由發光二極管顯示字段組成.,有七段和”米”字型之分,一片顯示塊顯示一位字符.共陰極LED顯示塊的發光二極管的陰極連接在一起,通常此公共陰極接地,當某個發光二極管的陽極為高電平時,發光二極管亮,相應的段被顯示.由于七段LED顯示塊有7段發光二極管,所以其字型碼為一個字節;”米”字型LED顯示塊有15段發光二極管,所以字型碼為兩個字節.由n片LED顯示塊可拼接成n位LED顯示器,共有n根位選線和8×n根段選線,根據顯示方式不同,位選線和段選線的連接也各不相同,段選線控制顯示字符的字型,而位選線則控制顯示位的亮、暗.LED顯示器有靜態顯示器和動態顯示器兩種方式.在多位LED顯示時,為了節省I/O口線,簡化電路,降低成本,一般采用動態顯示方式.動態顯示方式是一位地分別輪流點亮各位顯示器,對每位顯示器來說,每隔一段時間輪流點亮一次.顯示器的亮度既與導通電流有關,也與點亮和熄滅時間的比例有關.這種顯示方式將七段LED顯示器的所有段選位并聯在一起,由一個8位I/O口控制,實現各位顯示器的分時選通.下圖是LED顯示器采用共陰極方式,6個顯示器的段碼由8155的PB口提供,位選碼由8155的PA口提供(PA口同時也提供行列式未編碼鍵盤的列線),行列式未編碼鍵盤的行線由PC口提供.圖中設置了36個鍵.如果繼續增加PC口線,設全部PC口線(PC0-PC5)用作鍵盤的行線,全部PA口線(PA0-PA7)作鍵盤列線,則按鍵最多可達8×6個.下圖中8155的PB口掃描輸出總是只有一位為高電平,即PB口經反相后僅有一位公共陰極為低電平,8155的PA口則輸出相應位(PB口輸出為高對應的位顯示器)的顯示數據,使該位顯示與顯示緩沖器相對應的字符,而其余各位均為熄滅,依次改變8155的PB口輸出為高的位,PB口輸出對應的顯示緩沖器的數據.圖4.7顯示器接口電路4.2.4步進電機控制電路設計(1)步進電機開環驅動原理每輸入一個脈沖,步進電機就前進一步,因此,它也稱作脈沖電動機.其種類很多,但主要分三大類:反應式步進電動機,永磁式步進電機,以及永磁感應式步進電機.反應式電動機結構最簡單,是應用最廣泛的一種.按控制繞組的相樹分有三相、四相、五相和六相等等.無論哪種步進電動機,他們的工作原理都有相同之處:數字式脈沖信號控制定子磁極上的控制繞組,按一定順序依次通電,在頂子和轉子的氣隙間形成步進式的磁極軸旋轉.步進電動機主要用于開環系統,當然也可以閉環系統.下圖是步進電動機開環伺服系統的原理圖,它由以下幾部分組成:圖4.87步進電機開環伺服系統原理圖脈沖信號源—是一個脈沖發生器,通常脈沖頻率連續可調,送到脈沖分配器的脈沖個數和脈沖頻率由控制信號控制.因脈沖頻率可調,也稱為變頻信號源.脈沖分配器—脈沖按一定的順序送到功率放大器中進行放大,驅動步進電動機工作.用硬件進行脈沖順序的分配,有時稱為環行分配器,也簡稱環分.功率放大器—將脈沖分配器送來的脈沖放大,是步進電動機獲得必要的功率.步進電動機—伺服系統的執行元件,它帶動工作機構,如減速裝置,絲杠,工作臺.(2)脈沖分配對每一個五相步進電動機而言,其脈沖分配方式是五相十拍的,其五相分別用A、B、C、D、E表示.五相十拍的運行形式是A—AB—B—BC—C—CD—D—DE—E—EA順序輪流通電,則轉子便順時針方向一步一步轉動.要改變步進電動機的轉動方向.只需改變通電的順序即可.脈沖分配器是將脈沖電源按規定的通電方式分配到各相,該分配可由硬件來實現.在微機控制中,脈沖的分配也可由軟件來完成,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4五位分別輸出時序脈沖,經光電隔離、驅動放大使步進電機運轉,延時的長短決定了步進電動機運行一拍的時間,也就決定了步進電機的轉速.(3)驅動電路由微機根據控制要求發出的脈沖,并依次將脈沖分配到各相繞組,因其功率很小,電壓不足5V,電流為mA級,必須經過驅動器將信號放大到若干安培,才能驅動步進電動機.因此,步進電動機實際上是一個功率放大器,驅動器的質量直接影響步進電動機的性能,驅動器的負載是電機的繞組,是強電感應負載.對驅動器的主要要求是:失真要小,要有較好的前后沿和足夠的幅度;效率要高;工作可靠;安裝調試和維修方便.下圖是一個La繞組的高低壓驅動電路,脈沖變壓器Tp組成高壓控制電路.圖4.9放大電路圖無脈沖輸入時,T1,T2,均截止,電機繞組La中無電流通過,電機不轉.有脈沖輸入時,T1飽和導通,在T2由截止到飽和期間,其集電極電流也就是脈沖變壓器的初級電流急速增加,在變壓器次級感應一個電壓,使T3導通,80V高壓經高壓管T3加到繞組La上,使電流迅速上升,約經數百微妙,當T2進入穩壓狀態后,初級電流暫時恒定,次級的感應電壓降到0;T3截止,這時12V低壓電流經D2加到繞組La上,維持La中的電流為恒定值.輸入脈沖結束后,T1,T2,T3,T4又截止,儲存在La中的能量通過18的電阻的作用是減小放電回路的時間常數,改善波形后沿.由于采用高低壓驅動,電流增長快,電機的力矩和運行頻率都得到改善,但由于電機轉動時產生的反電動勢,使電流波形頂部下凹,使平均電流下降,轉矩下降.4.2.5光電隔離電路設計為了避免外部設備的電源干擾,防止被控對象電路的強電反竄,通常采用將微機的前后向通道與被連模塊在電氣上的隔離的方法.過去通常隔離變壓器或中間繼電器來實現,而目前已廣泛被性能高、價格低的光電耦合器來代替.光電耦合器是把發光元件與受光元件封裝在一起,以光作為媒體來傳輸信息的.其封裝形式有管形,雙列直插式、光導釬維連接等.發光器件一般為砷化鎵紅外發光二極管.光電耦合器具有以下特點:信號采取光電形式耦合,發光部分與受光部分無電氣回路,絕緣電阻高達,絕緣電壓為1000-5000V,因而具有極高的電氣隔離性能,避免輸出端和輸入端之間可能產生的反饋和干擾.由于發光二極管是電流驅動器件,動態電阻很小,對系統內外的噪聲干擾信號形成低阻抗旁路,因此抗干擾能力強,共模抑制比高,不受磁場的影響,特別是用于長線傳輸時作為終端負載,可以大大地提高信噪比.光電耦合器可以耦合零到數千赫的信號,且響應速度快(一般為幾毫秒,甚至少于10ns),可以用于高速信號的傳輸.下圖的光電耦合器是采用硅光電二極管作受光元件.其CTR為10%-100%,脈沖上升和下降時間小于5,輸出電路飽和壓降小(0.2V-0.3V),電路構件簡單,是目前應用較多的一種,主要用于驅動TTL電路、傳輸線隔離、脈沖放大等.晶體管輸出型的光電耦合器用于開關信號耦合時,發光二極管和光電晶體管平常都處于關斷狀態.在發光二極管通過電流脈沖時,光電晶體管在電流脈沖持續的時間內導通.下圖是使用4N25光電耦合器的接口電路,這里4N25起到耦合脈沖信號和隔離單片機8031系統與輸出設備電氣回路的作用,使兩部分的電流相互獨立.輸出部分的地線Vss接地殼或大地,而單片機的電源地線(GDP)浮空,這樣可以避免輸出部分電源變化對單片機電源的影響.圖4.9光電隔離電路4.2.6其他接口電路設計面板操作鍵和功能選擇開關:面板操作鍵與8255的PB口接口電路.圖中SB1-SB2為手動操作進給鍵，分別完成人工操作的、、的進給。運行時按下此鍵，可中斷程序的運行。回零，使工具電極沿X軸、Y軸、Z軸回到機械零點。功能選擇開關SA為一個單刀7擲波段開關，它與系統的8255PA口相連。用于連續、單步、自動、手動、暫停、啟動等功能的選擇。參考文獻⑴吉林工業大學主編，《金屬切削機床設計》［M］，上海科學技術出版社；⑵顧維邦主編，《金屬切削機床概論設計》［M］，機械工業出版社；⑶龔桂義主編，《機械設計課程設計手冊》［M］，高等教育出版社；⑷哈爾濱工業大學主編，《機床設計圖冊》［M］，上海科學技術出版社；⑸康元國主編，《加工中心設計與應用》［M］，機械工業出版社；⑹何立民主編，《單片機應用系統設計》［M］，北京航天航空大學出版社；⑺濮良貴紀名剛，《機床設計》［M］，高等教育出版；⑻吳振彪主編，《機電綜合設計指導》［M］，中國人民大學出版社；⑼成大先主編，《機床設計手冊》［M］，機械工業出版社；⑽成大先主編，《機械設計手冊》［M］，化學工業出版社；⑾謝鐵邦主編，《互換性與技術測量》［M］，華中科技大學出版社；⑿哈爾濱工業大學主編，《理論力學》［M］，高等教育出版社；⒀黃鶴汀主編，《金屬切削機床設計》［M］，機械工業大學出版社；⒁朱張校主編，《工程材料》［M］，清華大學出版社；⒂孫恒、陳作模主編，《機械原理》［M］，高等教育出版社；⒃范欽珊主編，《材料力學》［M］，高等教育出版社。謝辭畢業設計是高等院校人才培養計劃的重要部分，是訓練和培養專業人才的教學過程中最后的也是極為重要的實踐教學環節，是人才培養質量的全面性、綜合性、系統性理論聯系實際的設計活動，我感到自己從中獲益匪淺。通過本次畢業設計，培養了我科學的思維方式和正確的設計思想，綜合運用和深化所學的理論知識和技能，增強分析和解決工程實際問題的能力，全面完成工程師的基本訓練或者從事科研工作的初步訓練，是我們畢業前全面素質教育的重要實踐訓練。此設計是關于工程鉆車的設計，分析了方案的具體數據，設計選擇最優的系統方案。在這次畢業設計中，我曾多次到圖書館查取資料，上網瀏覽相關課題，積極和老師溝通，請教問題。在不斷的學習過程中積累了大量的相關知識，對過去學到的理論知識的認識得到了極大的升華，為即將走向工作崗位做好了準備。在本次設計中，本人得到了老師及多位同學的幫助，特別是顏竟成老師的精心指導，使我順利完成本次畢業設計。在此本人謹表深深的感謝！特別是顏老師的敬業精神使我深深感動，讓我發現自己身上存在的惰性，我相信在今后的工作中一定會不斷完善自己。由于本水平有限，時間較倉促，錯誤疏漏或不完善之處可能較多存在，敬請給與批評指正。致謝辭者：張書品2009年5月于南華大學英文原文:SteelsSteelisoneofthemostvaluablemetalsknowntoman;approximately200milliontonscanbeproducedintheUnitedStatesannually.In1900,UScapacitywasbut21milliontons.Althoughtheprocessofsteelmakingisfamiliartomostengineers,areviewofthisprocesswouldbeappropriateatthistime.Ironore,limestone,andcoalaretheprincipalrawmaterialsusedinmakingironandsteel.Cokeisproducedbyheatingbituminouscoalinspecialovens.Skipcarsgouptheskiphoistwithloadsofironore,coke,andlimestoneanddumpthemintothetopoftheblastfurnace.Hotairfromthestoveisblownintothefurnacenearthebottom.Thiscausesthecoketoburnattemperaturesupto3000°F.Theoreischangedintodropsofmoltenironthatsettletothebottomoftheblastfurnace.Thelimestonethathasbeenaddedjoinswithimpuritiestoformaslagthatfloatsontopofthepoolofliquidiron.Periodically,themoltenironisdrainedintoaladlefortransportingtoeithertheBessemerconverter,electricfurnaceoropen-hearthfurnace.Theslagisremovedseparatelysoasmottocontaminatetheiron.Themakingofsteelfromironinvolvesafurtherremovalofimpurities.Regardlessofwhichprocessisusedformakingsteel-open-hearth,Bessemer-converter,orelectric-furnace-steelscrapisaddedalongwithdesiredalloyingelementsandtheimpuritiesareburnedout.Liquidsteelremovedfromthefurnaceispouredintoingotmolds.Theingotsarethenremovedto“soakingpits”wheretheyarebroughttoauniformrollingtemperature.Attherollingmill,thewhite-hotsteelpassesthroughrollsthatformtheplasticsteelintothedesiredshape:blooms,slabs,orbillets.Thesethreesemifinishedshapesthengotothefinishingmillswheretheyarerolledintofinishedformsasstructuralsteel,platesandsheets,rods,andpipes.Steelisthebasicandmostvaluablematerialusedinapparatusmanufacturedtoday.Itsapplicationisbasedonyearsofengineeringexperience,whichservesasaguideinchoosingaparticulartypeofsteel.Eachvariable,suchasalloy,heattreatment,andprocessesoffabricationhasitsinfluenceonthestrength,ductility,machinability,andothermechanicalproperties,andaffectsthetypeofsteelselected.Thefollowingbasicconceptsalsoassistindeterminingwhichsteelshouldbeused:1.Themodulusofelasticityintensionfallswithintherangeof28×106to30×106lb/in2,regardlessofcompositionorform;therefore,sizesasdeterminedbydeflectionremainthesameregardlessofthesteelchosen.2.Carboncontentdeterminesthemaximumhardnessofsteelregardlessofalloycontent.Therefore,thestrengthdesired,whichisproportionaltohardness,candeterminethecarboncontent.3.Theabilityofthesteeltobeuniformlyhardenedthroughoutitsvolumedependsontheamountandkindofalloy.Thisismorecomplex,butdoesnotnecessarilychangethecalculationofthesizeofthepart.4.Ductilitydecreasesashardnessincreases.Thepreliminarychoiceofsteelforapartaswellasforotherfactors,suchasnotchsensitivity,shrinkage,blowholes,corrosion,andwear,issimplifiedwhenbasedontheaboveprinciples.Thefinalselectionismadebymatchingthematerialwiththeprocessofmanufactureusedinordertoobtaintheshape,surface,andphysicalrequirementsofthepart.Theselectionmaybemadefromamonglow-carbonsteels,low-alloysteels,high-carbonsteels,andhigh-alloysteels.Steelisoneofthefewcommonmetalsthathasanendurancelimit.Youwillrecallthatfatigueisthefailureofamaterialduetorepeatedloading.Mostmetalsbecometiredastheyaresubjectedtostressoverandoveragain.Thestressamaterialcanwithstandunderconstantloadingismuchlessthanunderstaticloading.Assteeliscontinuallyloaded,itwillreachalowerlimitofstrength.Thispropertyisquitepronouncedinwireshapes.Commoncopperandaluminumwirecaneasilybebrokenbyflexingthewireinalocalspot.Normallyafterafewdozenflexes,thewirebreaks.Steelwire,however,isverytoughandflexingthewiresimplycoldworksthematerialmakingtheprocessfutilefortheunknowingpersontryingtobreakasteelwire.Atsomepointsteelwillresistweakeningduetorepeatedloading.Thisisknownasan“endurancelimit”.Theendurancelimitofsteelisaround60%ofitsoriginalstrength.Thispropertyofhavinganendurancelimitmakessteelinvaluableforuseinstructuralapplicationslikebridges,springs,struts,beams,etc.Ofcourse,therearemanyfactorsthateffecttheendurancelimitofamaterial.Aprimaryfactoristhesurfacequalityofthematerialand/orthemanufacturingprocessusedtoproducethespecimen.Fatigueisattributabletotheinitialmaterialmotbeinganidealhomogeneoussolid.Ineachhalfcycle,irreversibleminutestrainsareproduced.Fatiguefailureusuallydevelopsfrom:1.Repeatedcyclicstressesthatcauseincrementalslipandcoldworkinglocallyinthematerial.2.Gradualreductionofductilityofthestrainhardenedareasthatdevelopintocracks.3.Anotchingeffectfromsubmicroscopiccracks.Theendurancelimitsofsteelscreatesomeverydesirablephysicalproperties.Thesepropertiescanbedetrimentaltothemanufacturabilityofthematerial.Forinstance,inthecoldrollingofsteeltheendurancelimitcreatesalimitationontheamountofcoldworkingthatcanbeinputtoanypart.Afterthislimithasbeenreachedthematerialmustbeheatedaboveitscriticaltemperaturetopermitfurthercoldworking.Plaincarbonsteelsrepresentthemajorproportionofsteelproduction.Carbonsteelshaveawidediversityofapplication,includingcastings,forgings,tubularproducts,plates,sheetsandwireproducts,structuralshapes,bars,andtools.Plaincarbonsteels,generally,areclassifiedinaccordancewiththeirmethodofmanufactureasbasicopenhearth,acidopenhearth,oracidBessemersteels,andbycarboncontent.Theprincipalfactorsaffectingthepropertiesoftheplaincarbonsteelsarethecarboncontentandthemicrostructure.Themicrostructureisdeterminedbythecompositionofthesteel(carbon,manganese,silicon,p