经济型数控车床控制系统设计毕业论文

学 士 学 位 毕 业 论 文（设 计）经济型数控车床控制系统设计学生姓名 学 号 专 业 械设计制造及其自动化 班 级 指导教师 学 部 机电工程学部 答辩日期 黑龙江东方学院学士学位毕业论文经济型数控车床控制系统设计摘 要数控车床又称数字控制（Numbercal control，简称NC）机床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。它是由主机，CNC，驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。此次设计包括机床的总体布局设计，纵向进给设计。控制系统部分包括步进电机的选用及硬件电路设计和软件系统设计，说明了芯片的扩展，键盘显示接口的设计等等。该控制系统采用软件中断控制系统结构及子程序结构，因为子程序结构简单、条件明确在经济型数控系统中应用比较多。中断结构采用模块化结构设计，因为这种结构便于修改和扩充，编制较为方便，便于向多处理机方向发展。本文以普通数控机床为研究对象，介绍经济型数控机床主-从式控制系统的设计过程。本设计采用 PC 机为上位机，8051为核心的单片机系统作下位机，以打印口作为两者间的通讯接口，构成主从式控制系统。该类型机床可以利用微型计算机丰富的软硬件资源，可以编制出具有友好的人机界面的系统控制软件；可以利用单片机系统结构相对简单、工作可靠、价格便宜的特点，并借助C语言、汇编语言等编制出执行机构的位置控制软，可以使原数控机床的扩充性及开放性更强，使数控编程更加方便、高效，也为将来数控机床的网络控制打下基础。本文着重阐述数控机床及及主-从式系统的概述；上位机与下位机间通讯接口及通讯模式的选择；下位机硬件设计；步进电动机控制程序。关键词：数控机床；开放式数控系统；电动机Control System Design of Econmical NC LatheAbstractThe numerical control lathe called the numerical control (Numbercal Control, is called NC) the engine bed. It is based on the numerical control, has used the numerical control technology, is loaded with the procedure control system the engine bed. It is by the main engine, CNC, the drive, the numerical control engine bed auxiliary unit, the programming machine and other some appurtenances is composed.This design including the engine bed overall layout design, longitudinal enters for the design, also includes the gear modulus computation and the examination, the main axle rigidity examination and so on. The control system partially including step-by-steps the electrical machinery to select and the hardware circuit design and the software system design, explained the chip expansion, keyboard demonstration connection design and so on.This article takes the ordinary numerical control machine tool as the research object, and introduces the design process of a master-slave system. In order to use the abundant software and hardware resources of IPC and to compile software of system which is friendly to users, and in order to compile the control software of execution machinery by C and Assembly language at the same time, this CNC system adopts the master-slave structure and parallel communication method. The master computer sends control instructions and parameters to the slave computer under Windows98, for the sake of making the slave computer work well. This system enhances the expanse and open ability of the original CNC machine tools, makes the NC programming become easy and efficient, and It also set a foundation for the numerical control machine tool in the field of the network control. There are three principal parts in the full text: the summary of CNC and the master-slave system; the communication port and mode between the master and slave computer; the control procedure of the step motor.Keywords：Numerical control; Machine tool; Open-loop；Step motor 目录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 两坐标经济型数控机床的课题研究意义11.2 两坐标经济型数控机床的课题研究主要内容1第2章经济型数控机床机械结构12.1 进给系统组成12.2 齿形带传动设计32.2.1 带和带传动32.2.2 齿形带的选择42.3 步进电机的选择62.3.1 步进电机概述72.3.2 步进电机的选择92.4 丝杠螺母设计102.4.1 滚珠丝杠螺母副类型选择112.4.2 滚珠丝杠螺母副型号及其校核12第3章 经济型数控机床控制系统硬件电路143.1 硬件控制电路的组成143.1.1 硬件电路的组成143.1.2 电路图信号流程分析143.2 主要芯片功能介绍153.2.1 单片机简介153.2.2 管脚功能及使用特性16第4章 控制系统软件流程214.1 软件整体结构214.1.1 子程序结构214.1.2 中断软件结构224.2 控制系统软件插补原理224.2.1 直线插补原理224.2.2 圆弧插补原理25第五章 控制系统软件部分285.1 机械加工主体运行程序285.1.1机械加工主体运行程序如下：285.1.2 直线圆弧插补主体运行程序285.2 第一象限到四象限直线插补主体加工子程序295.2.1第一象限直线加工子程序305.2.2第二象限直线插补加工子程序31参考文献34致 谢35附 录36经济型数控车床控制系统设计第1章 绪 论1.1 两坐标经济型数控机床的课题研究意义 经济型数控机床具有经济实用，结构简单，操作方便，价格低廉的特点，它的特控制系统通常采用单片机（8位、16位、32位）作控制器，驱动电机采用步进电动机，多数采用开环控制，由于经济型数控系统具有较高的性能价格比，因而广泛地应用于机床产品的升级换代和普通普通机床的技术改造上。近年来，我国在经济系统的研究开发和生产上投入了大量人力和物力，在经济型数控机床领域里经历了几个五年计划之后已经取得了可喜成果，经济型数控机床在我国机床市场上占有较大比重，成为我国制造业不可或缺的一部分。1.2 两坐标经济型数控机床的课题研究主要内容经济型数控机床控制系统采用MCS-51系列单片机8031作为控制系统CPU,需要扩展程序存储器，数据存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。经济型数控机床驱动电机采用步进电机，多数采用开环控制，需要选择和计算主要机械传动部件，如滚珠丝杠，螺母副和步进电机等，绘制机床进给传动机构装配图，绘制单片机控制系统的硬件线路图。第2章经济型数控机床机械结构2.1 进给系统组成数控机床是一种利用数控技术，准确地按照事先安排的工艺流程，实现规定加工动作的金属切削机床，它主要由控制介质、数控装置、伺服机构、机床、测量装置。各部分的工作原理简述如下： 1、控制介质 进行数控机床加工时，需在任何机床之间建立某种联系，以便机床正确的执行认的意图，这种进行联系的中间介质机控制介质又称为信息载体。信息以代码的形式存储在介质上，常用的控制节有：穿孔带、穿孔卡、磁盘和磁带；最常用的十八单位标准黑色穿孔纸带。每行共9个孔，大孔为信息孔，其中1。33毫米；小孔为同步孔，其中1。17毫米。国际上通用的代码为EIA代码和IS0代码。 2、计算机数控装置 计算机数控装置是数控装置的核心，其绝大部分采用微型计算机控制；它有输入设备、输出设备、运算器、控制器和存储器组成。 输入设备即把控制介质上的信息翻译成计算机能够识别的信息代码并送到指定的存储器中以便进行运算处理。 输出设备即将经计算机处理过的信息代码经过翻译之后转变成机床能够执行的指令和人能够识别的信息符号。 运算器是对计算机中的信息进行算术或逻辑运算的器件。存储器是用来存储计算机所需的各种信息代码的器件。控制器是用来控制计算机内部的运算并按照一定的顺序使各个部件协调工作的部件。 3、伺服机构 伺服构的作用是把数控装蛊的运动指令转变成机床移动部件的运动，使工作台按照预先规定的轨迹运动，以便使加工出符合图纸要求的工件。伺服机构由伺服控制电路、功率放大电路和伺服电机组成。常用的伺服电机有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。 4、机床 数控机床是高精度和高生产率的自动化加工机床，它具有更好的抗震性和刚度，相对运动面的摩擦系数小，进给传动部份的间隙小的特点。 5、测量装置 测量装置江机床移动的实际位置、速度检测出来转变成电信号，并反馈至计算机中使计算机能随时判断机床的实际位置、速度与指令要求是否一致，并发出相应指令纠正所产生的误差。2.2 齿形带传动设计带传动是利用张紧在带论上的带传递运动和动力；通常是靠带和带轮之间的摩擦力来传递动力的，也有靠带和带轮上的齿的啮合来传递动力的例如：同步齿形带。带的形式有：三角形带、平带、同步齿形带等。带的传动形式有：开口传动、交叉传动、半交叉传动、张锦纶传动。2.2.1 带和带传动一、带的种类1)V带。v带有普通v带、窄v带和宽V带等类型。一般多使用普通的v带。v带的结构为：顶胶、承载层、底胶、包布组成。 窄v带采用合成纤维绳或者钢丝绳作为承载层，它传递的功率比普通的v带大，允许速度和曲挠次数高，传动的中心距较小。 普通v带有Y、Z、A、B、C、D、E七种型号。普通的V带的承载层由胶帘布或者胶绳芯承担；适合高速传动。 2)平带。胶帆布平带强度高、价廉，在平带中应用最多。此外，也有用麻、丝或者棉轮等材料贬值而成的编织带，承载层为涤纶绳，表面服役耐磨油胶布或者聚氨脂的高速胶带，也有以棉轮片作为承载层的。 带轮通常由三部分组成：轮缘、轮毂、轮辐。在结构上代轮应易于制造，能避免由于铸造而产生的内应力，重量应轻。高速带还要进行动平衡。带轮通常按照此公式计算：轮宽的计算公式：B=(z-1)e+2f；z-为轮槽数，e-为槽间距，f-为第一个槽的中点至端面的距离。Do=D+2h。：D-带轮计算直径，h。-轮缘的齿顶高。 二、带传动 带传动的主要几何参数有：中心距a：带长L；带轮直径Dt，D。；包角dt。 带传动的力分析：带传动中呈环形，并以一定的拉力套在一对带轮上，使带和带轮互相压紧。当带轮不工作时两边的拉力相等。工作时，由于带和带轮之间的摩擦力使得带轮一边的拉力加大，而另外一边的拉力减小，两者之差为带轮的有效拉力，它等于沿着带轮上的接触户的摩擦力之和。，在一定条件下，若阻力大于极限值，带就会出现打滑现象。 有效力的计算如下：F=F1-F2=1000pv 带的应力计算： 1)紧变得应力计算：1=F1A 2)松边的应力的计算：2=F2A式中：F1为紧边拉力；F2为松边拉力；A为带的横截面。松边与紧边的应力差：=12=FA 由于带轮是弹性体受力不同时，带的伸长量是不等的，从而使带发生打滑现象。打滑时，带的速度落后与带轮的速度。 有如下措施可以提高带传动的工作能力：1) 增大摩擦系数；2)增大包角；3)尽量使传动在最佳速度下工作；4)采用新型带传动；5)采用高强度带材料。2.2.2 齿形带的选择下表2-1是齿形带的计算校核方法公式表表 2-1计算项目符号设计公式计算功率PcP=KAP KW(K为同步齿形带的工作系数)选择带型和节距p查相关的图标进行选取传动比iI=n1/n210齿数Z1、Z2Z 1Z min;Z 2=IZ 2(Z min为小带轮的最小齿数，I为传动比)齿轮节园直径D1 D2D 1 =Z 1P/ mm, D 2=ZP/mm带速vV=D1n1/601000vmax m/s初定中心距a0.7(D1-D2)a2(D1+D2)带长及其齿数LAa 1D mL=(D+D)/2+r(D 2-D 1)/2+2acos(r/2)D m+2a+2/aA=(L-D M)/4+(l-D M) 2-82) 1/2/4a 1 =180 0-(D 2-D 1)/a)60 0上式中：D m=(D 2+D 1)/2, =(D 2-D 1 /2R(D 2-D 1)/aCos(r/2) 1-(r/2) 2/2实际中心距AA=(L-d m)/4(L-d) 32-8 2) 1/2 /4小带轮啮合齿数Zm Zm=Z12一PZ1 (Z2-Z1)20a (圆整成整数)基本额定功率Po Po=(Fa-qv2) v1000 kWPo-同步带基准宽度b。所能传递的功率Fa-基准宽度b。同步带的许用拉力q-基准宽度为b。的同步带质 量带宽b B=b。(PC(KZP。) 1.14mm K。-啮合齿数系数剪切应力计算=PC /(1.44mbzMu)103比压验算ppP=PC/(0.6mbSZ1Mu)103PP-许用比压轴上载荷F F =1000P N2.3 步进电机的选择一、步进电动机及其发展 步进电动机又称脉冲电动机或者称为阶跃电动机，目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统的电机分类的间界面越来越糊：步进电动机的传统定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度，若不改变励磁状态则保持一定的状态而静止：广义的定义为步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的电动机。 步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其源始模型起源于1830年至l860年间。在20世纪60年代后期，随着永磁材料的发展，各种实用型的步进电动机应运而生，半导体的发展使得步进电机得_至rJT广泛的应用。我国的步进电机开始于21世纪50年代后期，其发展过程大致经历了四个阶段：第一阶段，从50年代后期到60年代后期主要是高等院校和科研机构开发并使用少量的步进电机，以多段结构三相反应式步进电动机为主：第二阶段，70年代初期反映在步进电机的生产和研究发展到了一个较水平：第三阶段，70年代中期至80年代中后期新品种高性能电动机层出不穷，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品得到广泛应用。二、步进电动机的特点 步进电机有三大部分组成：步进电动机本体、步进电动机控制器及步进电动机驱动器。其特点如下： 1)用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。 2)位移与输入脉冲数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高时组成闭环控制系统。 3)无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 4)抑郁起动正反传和变速停止，响应性好。 5)平滑性好，步距角选择范围大，停止时可有自锁能力三、步进电动机的类型 从广义上讲步进电机的类型可分为：机械式、电磁式和组合式三大类型。从结构特点可分为：旋转电动机包括反应式步进电动机(VR型)、永磁式步进电动机(PM型)、混合式步进电动机(HB型)：直线电动机包括VR型、PM型及HB型：下面分别介绍几种典型性的步进电机的结构： 1HB型步进电动机的结构 HB型步进电机有四部分组成：定子部件、转子部件、机壳和端盖。定子部件由铁心、绕组和绝缘体组成，一般的铁心由无方向性的硅钢片叠加而成定子铁心上开了许多大齿， 大齿上开许多小齿以增加电磁力和控制的准确性转子部件由转子铁心、永磁材料和轴组成。转子铁心通常也由硅钢片组成，采用冷冲压后叠压成型。转子铁心必须选用耐磨材料而且磁损耗较小：机盖的作用有三个：l)加强电机刚度2)保护电机3)构成定子铁心的部分电路，机盖一般为圆筒形，表面一般作防秀处理。端盖起支撑转子保证气隙和通风散热的作用，对机械加工的同轴度、圆柱度要求较高。 2vR型步进电机的结构 vR型步进电机的结构与HB型的结构相似，其不同之处在于转子铁心为一个铁心，同时转子上不使用永磁材料。 3PM型步进电动机 其转子由永磁材料和轴组成，转子上没有齿：永磁材料圆周方向充磁，材料一般使用氧化铁和铝镍钴居多。 4PM型直线步进电动机 PM型直线步进电动机由固定定子和可动转子两部分组成。其定子铁心形成主磁路，相当于旋转型的电动机的定子铁心在一维空间展开。2.3.1 步进电机概述一、步进电机的工作原理 ， 步进电动机是一种将电的脉冲信号转换成交位移活现位移的机电元件。通俗的讲，就是外加一个脉冲信号于这种电动机时，它就运行这一步。步进电动机大致可以分为：反应式、永磁式、混合式和直线式四大类a下面以三相反应式步进电机为例，简要说明步进电机的基本工作原理a 三相反应式步进电机由定子和转子组成。它的定子上有三对磁极，每一对磁极上绕有一相绕组，绕组通电时这两个磁极的极性相反：三相绕组接成星形。转子铁心和定子极靴上有小齿，定子和转子的齿距相等。 当某一向绕组通电时电动机内部建立以该绕组为轴线的磁场。由于定子和转子上有齿和槽，所以当定子和转子齿的相对位置不同时，磁路的磁导也不同，定转子齿对齿处的极磁导为最大，定转子齿对槽处的每个极磁导为最小。转子的稳定平衡位置是使通电相磁路的磁导为最大的位置，所以通电时，齿对齿的位置为平衡位置。 三相反应式步进电动机有A，B，C三相绕组，各相绕组的轴线夹角为120。：当A相极下定转子齿对齿时：B相磁极上定子齿的轴线，沿ABC方向超前转子齿的轴线l3齿距：C相极下定子齿的轴线，沿ABC方向超前转子齿的轴线23齿距。 在A相断电的同时，给B相通电，则磁场空间转过了l20。，转子齿的轴线将力求与B相上的定子齿的轴线对齐以达到稳定平衡位置。由于B相轴线还没有与转子齿的轴线对齐所以将对转子产生一个逆时针方向的电磁力迫使转子转动以达到平衡位置：从而使电动机开始转动起来。如果对A、B、C三相绕组按照一定的规律分时的通电则转子可以连续的转动起来，从而实现电信号转化为机械信号即旋转运动。改变通电的顺序可以改变转子的转向，三相反应式步进电动机可以按照三相单三拍方式运行(ABCA)，每改变一次通电状态电动机内磁场轴线转过l20。，转子转过l3齿距；也可以以三相双三拍方式(ABBccAAB)运行，每改变一次通电状态电动机内磁场轴线转过l20。，转子转过l6齿距：也可采用三相六拍方式(AABBBCCCAA)运行，每改变一次通电状态电动机内磁场轴线转过60。，转子转过l6齿距。 从上面的分析可知：同一台电机可以有不同的通电方式和不同的运行拍数。若用m表示运行拍数，z表示转子齿数，则每改变一次通电状态时转子转过角度的平均值称为步距角，用表示，则：=360mzK 通电方式，相同时为1，不同时为2 从上是可以看出：转子齿数，运行拍数不同时其步距角也是不同的。设步进电机的转速为n(rrain)，f表示控制脉冲的频率，0表示步距角则步进电机转速计算公式为 n=f6 由上式可以看出：当转子的步距角一定时，步进电动机的转速与输入脉冲频率成正比。二、步进电机的常用术语 1步距角 指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。步距角 0b=360mzk 2齿距角s 相邻两齿中心线的夹角，通常转子和定子具有相同的齿距角。齿距角 0s=360Zr 3距角特性 指不改变各相绕组通电状态，即一相或者几相绕组同时直流电时电磁转距与失调角的关系：即： T=f() 5失调角 指转子偏离零位时的角度。 6零位或初始稳定平衡位置 指不改变绕组的通电状态，转子在理想空载下的平衡位置 7最大静转距 距角特性上转距最大值2.3.2 步进电机的选择一、步进电机的主要特性参数 1)步距角每输入一个电脉冲信号，转子所转过的角度称为步距角。步进电动机的步距角可按下式计算：=360mkz 式中 m-步进电机的相数： k-与通电方式有关的系数。当通电方式为单拍时，k=1：双拍时，k=2。 z-步进电动机转子的齿数： 2)静态步距角误差空载时，以单脉冲输入，步进电动机的实际步距角与理论步距角的差值称为静态步距角误差。它与步进电动机的制造精度有关，精度越高，误差值越小。 3)最大静转距Tmax 当步进电动机不改变通电状态，转子不动时，在轴上加一负载转距定子与转子就有一个角位移，该角位移称为失调角。转子刚刚离开平衡位置的极限转距值称为最大静转距。静转距越大，步进电机承受的外加转距也越大，一般产品中给出的最大静转距是指在额定电流即规定的通电方式下的静转距。 4)空载起动频率fq 电动机在空载情况下，不失步所能允许的最高频率称为空载起动频率。在有负载的情况下，不失步所允许的最高频率将大大降低。为了缩短起动时间，可使加到电动机的电脉冲频率按一定频率逐渐增加。 5)连续运行的最高频率(即距频特性)步进电动机起动后，电动机速度能跟随控制脉冲频率连续上升而不失步运行的频率称为连续运行频率：其值也随所形成的负载转距的转距的增加而逐渐下降。在不同频率下产生的转距称为动态转距。在产品样本中也标有连续运行频率值，作为选择电动机的依据之一。 二、步进电动机的选择 1)必须保证步进电动机的输出转距大于负载转距，使电动机的距频特性有一定裕量，以保证可靠运行，即在实际工作时，各种频率下的负载转距必须在距频特性曲线范围之内： 2)要求计算的机械系统负载转动惯量与步进电动机转子的转动惯量相匹配，并有一定的裕量： 3)是最高频率能满足产品快速移动的要求： 4)使步进电动机的步距角与机械系统相匹配，区得到击穿的脉冲当量2.4 丝杠螺母设计 滚珠丝杠螺母副由专门的工厂制造，当类别、型号选定和校核后，可以外购。滚珠丝杠螺母副按其工作方式可以分为：钢球循环方式、循环列数与圈数、预紧方式；钢球循环方式又可以分为：内循环反向器式和外循环插管式；预紧方式也可以分为：单螺母和双螺母滚珠丝杠。按丝杠的旋向也可以分为右旋和左旋丝杠；按其螺母副的类型可以分为：定位滚珠丝杠螺母副和传动滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠的精度等级有：1，2，3，4，5，7，l0七个精度等级 钢珠在丝杠和螺母之间的滚动是一个循环闭路。钢珠的每一个循环闭路称为列，每个钢珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈。 为了消除间隙和提高滚珠丝杠副的刚度，可以加预紧力，使它在过盈的条件下工作，这种工作方式称为预紧。常用的预紧方式有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧，预紧后的刚度可以提高两倍。但是预紧力过大，丝杠的寿命2.4.1 滚珠丝杠螺母副类型选择主要的参数及代号 1滚珠丝杠副的主要参数 (1)公称直径dm，公称直径即丝杠螺母副的名义直径，dm越大，承载能力和刚度越大。数控机床上常用的进给丝杠的直径为：30 mm至80mm。 (2)基本导程L0。丝杠相对于螺母旋转2rad时，螺母的轴向位移。基本的导程称为螺距。它按程载力选取，并与进给的脉冲当量有关。 (3)精度等级。滚珠丝杠可以分为7个精度等级，即I、2、3、4、5、7、10七个精度等级，1级最高，其次递减。一般选用4级7级，数控机床及精密机械可选用2级3级。滚珠丝杠副的精度直接影响定位精度、承载能力、接触刚度，因此它丝滚珠丝杠副的重要质量指标。 2滚珠丝杠副代号的标注 滚珠丝杠副的标注顺序为：循环方式、预紧方式、结构特征、公称直径、公称导程、螺纹旋向、负载钢球圈数、类型、精度等级。例如：CDMSOl0一3一P3，其中c表示外循环方式，D表示双螺母垫片预紧方式，M表示导珠管埋入式，50表示公称直径，3表示负载钢球圈数，P表示选用定位滚珠丝钢副，3表示精度等级为3级。2.4.2 滚珠丝杠螺母副型号及其校核一、最大工作载荷计算 丝杠上的工作载荷FM是指滚珠丝钢负载驱动工作台时滚珠丝钢所承受的轴向力，也叫进给牵引力。它包括三个力：滚珠丝钢的走刀抗力、工件的重力、作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。矩形导轨的工作载荷FM的计算公式为： FM=KFL+f (FV+FC+G) 其中：FL为工作台的进给方向的载荷；FV为垂直方向的载荷；FC为横向的工作载荷。对不同的导轨，工作载荷的计算公式是不同的，实验系数K和导轨上的摩擦系数f 也是不同的。二、最大动载荷的计算及主要尺寸的初选 滚珠丝杠的最大载荷c可用下列公式计算：C=L fmFm式中：L为工作寿命，单位106r，L=60ntl06：n为丝杠转速(rmin)n=i000vL0：v为最大切削力条件下的进给速度(mmin)，可取最高进给速度的l213：L0为丝杠基本导程(m)：t为额定使用寿命(h)，可取t=15000h：fm为运转系数，无冲击时l12，一般情况下取1215有冲击振动时取l525：Fm滚珠丝杠工作载荷(N)。选尺寸时，额定动载荷需大于最大动载荷。三、传动效率的计算 用查表法选型号查出；0为摩擦角；滚珠丝杠副的传动效率较高，一般在08O9之间。四、刚度的验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，从而影响定位精度和运动平稳性。滚珠丝杠副的轴向变形包括：丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形、丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 滚珠丝杠的扭转变形较小可以忽略不计，螺母座的只要设计合理，器变形量也可以忽略不计。对于轴承的轴向接触变形，只要滚珠丝杠支承的刚度设计的好，轴向接触变形也可以忽略不计。 1丝杠的拉压变形量的计算11=FmLEA(mm) 式中：为在工作载荷Fm作下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量(mm);Fm为丝杠的工作载荷(N)：l为滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm)；E为材料弹性模量，E=206104Mpa；A为按内径确定的横截面积(mm 2)“+”号用于拉伸；“一”用于压缩。 2滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2 无预紧时 2=00038(FmZ) 2D，) 1/3。(mm) 有预紧时 2=0O013Fm(DwFzyZ2) 1/3(mm) 式中：Dw为滚珠直径(mm)；Z：滚珠总数量Z=z圆数列数；Z为滚珠一圈的滚珠数，z=dM /dW(外循环)，z=(dmDw)一3(内循环)；dm为滚珠丝杠的公称直径(mm)；Fyj，为预紧力；Fm为滚珠丝杠工作载荷。 3滚珠丝杠副刚度的验算 丝杠的总变形量=1+2应小于允许的变形量。 五压杆稳定性验算 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向力过大时，使丝杠失去稳定而产生纵向弯曲即失稳。失稳时的临界载荷Fk为：Fk=fZ 2EIL2 (N) 式中：E为杠材料弹性模量，对于钢E=206104Mpa；I为截面惯性距，对丝杠圆截面I= d4164(mm)(d1为丝杠底径)；L为丝杠最大工作长度(mm)fz为丝杠支承方式系数。 临界载荷F。与丝杠工作载荷FM之比称为稳定性安全系数n。：若n。大于许用安全系数n。，则滚珠丝杠稳定即Nk=FkFMnk。否则失稳。六、一滚珠丝杠副安装时应注意以下几点。 1丝杠不能外露； 2螺母在有效行程内配置限位装置以避免滚珠流失； 3滚珠丝杠必须润滑，常用锂树脂。第3章 经济型数控机床控制系统硬件电路3.1 硬件控制电路的组成从1974年微处理机问世以后，微处理机为基础的微型计算机数控(MNC)取代了小型计算机数控。现在所说的(MNC)即CNC装置，其主要分为两种形式：一种是单个CPU组成的控制系统，另一种是由两个或两个以上的CPU组成的多微处理器系统。经济型数控机床大多数采用一个CPU完成机床的控制。3.1.1 硬件电路的组成 经济型数控机床由一个8031单片机、一个74LS373地址锁存器、一个74LSl38地址译码器两个2764EPROM存储器、两个8155接口芯片、光电各电路、功率放大电路、Z向电机和x向电机等组成。3.1.2 电路图信号流程分析经济型数控机床依靠输入的程序指令来实现对零件进行各种形状的加工，各种指令在计算机中是以信号的形式存在的；下面就简要分析一下经济型数控机床的电路图的信号流程： 一、信号的采集 本电路的信号采集有两个地方：l)BCD拨码盘。此拨码盘与8031(1)的PA口和PB口相连，在此拨码盘上输入每条指令对应的二进制代码后，即可完成信息的采集。2)计算机键盘，在键盘上分别输入各条指令的助记符，计算机会根据键盘上输入的字符扑做相应的二进制代码信息，然后进行传送、处理等操作。 二、信号的输入 当信息被输入后，就要进行信号的传输了。信号的传输通过地址线和数据线进行传输，控制线控制相应信号的各种动作。本电路图通过8031的Pl口和8255(2)的PC口相连的部分；信号以低电平的形式被采集，以高电平的形式被传输；因为当某一路的信息被采集后则相应的线路就被导通，这时，8031的Pl口的相应位变为高电平，信号就被传输到了8031的Pl口。 三、信号的处理 当指令信号被输入到8031后，接着就要进行信号的算术逻辑运算处理了，计算机通过Ax进行算术逻辑运算，在控制器的控制下进行，将处理过的信号变成各种相应指令控制计算机完成该指令的功能。同时对外界做出相应的反应，使数据存储器和程序存储器与之保持相应的协调一致。 四、信号的输出。 信号被处理后便可以输出了；信号的输出有两个方向：l)信号直接输入到8255(2)接口以控制x电机和Z电机做出相应的动作，从而达到加工出相应零件的目的。2)信号也可以在地址锁存允许信号ALE的控制之下，被输入到相应的数据存储器或者数据存储器中，以便下次调用或者程序的备份。 五、单片机数控系统的电路图的特点 经济型数控机床控制系统电路图与普通机床相比较有如下特点： 1.提高了生产效率 用该系统加工零件可以降低对工件加具的要求，又免去了划线工作，可是加工镇被时间大大减少。在加工过程中，又有较高的重复精度，节省了对零件的检验时间；在零件的改型时只需更换指令程序即可，节省了准备和调整时间。 2.采用开环控制系统 采用开环控制系统可以实现对零件的精确控制，减轻劳动强度，改善劳动条件，简化了工人的操作从而降低了对工人的加工技术水平的要求。 3.有利于产品的更新换代 在产品的更新换代时只需更换相应的加工程序即可，无需制造、更换夹具和模具，更不需用直接调整机床了。3.2 主要芯片功能介绍3.2.1 单片机简介8031单片机8031单片机的基本特征：8031单片机是美国INTEL公司的产品MCS一51单片机的一个型号，是目前性能较高的8位单片微型计算机。8031单片机内部包含一个8位PROG，128字节的RAM，两个16位定时器，4个8位并行接口，一个全双功能串行口，可扩展的外围程序存储器和俄数据存储器的容量各64K字节，具有5个中断源并配有两个优先级，还有21个特殊功能寄存器。3.2.2 管脚功能及使用特性8031单片机是一个有40根引脚的双列直插式器件，引脚图如图3-1，其引脚功能说明如下：图3-1 8031单片机示意图 VCC：编程和正常操作的电源电压端，电压为+5V P0口：8位双向I/O口，既是数据线，又是8位地址线，分时使用。 P1口：8位双向I/O口，专供用户使用，此处为技术人员进行数据输入端口及结果的输出端口 P2口：8位双向IO口，系统外围存储器扩展时，律高8位地址线使用， 系统不需要扩展时，也可以供用户使用。 P3口：8位双向IO口，是一个双功能口，第一功能和Pl口一样可以作为通用io口，工作于第二共猛士，各端口的定义如下： P30-RXD，串行输入； P31-TXD，串行输出； P32-INT0，外围中断输入； P33-INTl，外围中断输入； P34-T0，定时器0外围输入端； P35-Tl，定时器l外围输入端； P36-wR，写信号； P37-RD，读信号； ALEPROG：访问外围存储器时，用于锁存地址低8位字节地址锁存允许输出。ALE提供一个定时信号，在外为存储器存取数据时把P0口的低位地址字节锁存到外界的锁存器中。这个引脚也是EPROM编程时的编程脉冲输入端(PROG)。 PSEN：程序锁存允许输出，是外围程序存储器的读选通信号。 EAVPP：EA为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。EA为低电平时CPU执行外部承袭存储器的指令。使用8031单片机时，EA必须接地。 XTALl：振荡器的反向放大器输入，使用外部振荡器时必须接地； XTAL2：振荡器的反向放大器输出，使用外围振荡器时，接收外围振荡信号； RESETVPD：复位控制信号，在振荡器运行时，使RESET脚至少保持两个机器周期为高电平时，可实现复位操作。在电源关断之前加上掉电保护电路，RAM的内容将不会丢失。 2、存储器扩展电路 8031单片机没治师28字节的RAM，没有ROM机床数控系统需要的程序存储器和数据存储器的容量较大，必须外接程序存储器(EPROM)和数据存储器(RAM)芯片。 (1)程序存储器的扩展 常用的EPROM存储器有：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分别为：2K、“、8 K、16K、32K。该系统使用的芯片是2764。 (I) 2764芯片介绍2764芯片是一种位容量为8kbX8的EPROM，它有l3条地址线(A12至AO)，8条数据引脚(D7至DO)，2个电压输入端Vpp和Vce，除此之外，还有l个芯片允许端CE和编程脉冲控制端PGM (II)地址锁存器74L8373 如图3-2，74L8373是一个带三态门的8D锁存器，他作为8031外部的一个扩展输出口；其工作原理：当8031把数据准备好后，便通过ALE发出一个控制信号加到373的G端，即锁存控制端，使数据锁存在373中。 图3-2 地址锁存器74L8373示意图 单片机规定P0口提供地8位地址线，同时又要作数据线，所以P0是一个分时输出地8位地址和数据的通道口。为了把地址信息分离出来保存，提供外界存储器的低8位地址信息，通常采用74L8373作为地址锁存器。74L8373的引脚见图纸。1D至8D输入端，lQ至8Q是输出端，CE是片选端选通端G与8031单片机的地址琐存信号ALE连接。当选通端G=1时，74L8373的输出端与输入端相同，当G端从高电平返回低电平时，输入的地址信息就被锁入lQ至8Q中。 2764EPROM程序存储器、74L8373锁存器和8031连接见图纸，2764的容量是8K字节，故需用l3根地址线，低8位地址线和74LS373的输出端连接，高5位地址直接与单片机8031的P20至P24端口直接连接。8031的地址锁存允许信号ALE和74LS373的选通端G连接，当ALE=1时，则PO口输出地址有效，当ALE=0时，P0口可作数据通道；当ALE有高电平返回低平时，低8位地址信息被锁存到输出端lQ至8Q。存储器2764得出位数据线直接与8031的P0口连接，2764的输出允许端直接与8031的程序存储器允许输出端PSEN，当PSEN=0是允许取址。由于8031单片机只能选通外围程序存储器，所以队引脚必须接地。 (2)数据存储器扩展 由于单片机8031内部RAM只有128字节，不能满足系统的要求，故要扩展外围数据存储器。常用的数据存储器有6116和6264静态RAM数据存储器，其容量分别为2K和8K字节。此经济型数控机床所用的是6264静态RAM芯片。 a)6264静态RAM芯片介绍6264引脚图见图纸，各引脚功能如下： A0至Al2-地址线，共13根； D1至D8-数据线，共8根； CEl、CE2-片选信号端，选通时CEl是低电平，CE2是高电平； OE-输出允许(读)信号； WE-写信号； VCC- +5V电源： GND-地电平 b)74LSl38地址译码器及译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机连接。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送，故要进行片选控制。若芯片内有多个地址单元时，还要进行片内地址选择。8031单片机应用系统的地址译码规定，外围扩展芯片与数据存储器统一编址，所以外围芯片不仅占用数据存储器一定数量的地址单元，而且要使用读写信号与读写指令。 本数控硬件结构中采用全地址译码方式。所谓全地址译码是：低位地址作为片内地址，高位地址选通用译码器译码，译码器输出的地址选字信号作为片选线连至每个外围芯片的片选端。 译码器常用74LSl38译码器，其中G1、G2A和G28是赋能端，A、B、C是选择端，Y0至Y7是输出端，74LSl38的输入端占用了8031单片机的P25、P26、P27三根高位地址线，剩余l3根地址线用作数据存储器的内地址线。138译码器每一个输出端可接8一个外围芯片的片选端实现分时片选控制，因此，一个138译码器的8根输出端可以连接8个8K字节地址空问。本电路中GA、GB、GND接地，只要P25、P26、P27产生信号是就会有相应的输出片选信号。(3)数据存储器扩展电路 6264总共13根地址线，其中地8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031单片机的P0口连接，高5位直接与8031的P20、P21、P22、P23、P24端连接，低8位直接与74LS373输出端连接。读写控制引脚0E、WE与8031的读写控制引脚R