设计任务及总体方案的确定

1、高等教育自学考试毕业设计说明书第一章 设计任务及总体方案的确定1.设计任务将ca6150普通车床改造成msc-51系列单片机控制的经济型数控机床。要求该机床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能，在纵向和横向有直线和圆弧插补功能，系统分辨率纵向0.001mm。横向0.005mm。设计参数如下：最大加工直径：在床面上：360mm在床面上：210mm最大加工长度： 快进速度：纵向： 2.4m/min横向： 1.2m/min最大切削进给速度：纵向：0.5m/min横向：0.3m/min主电机功率：7.5kw启动加速时间：30ms机床定位精度：±0.015mm最小指令值： 纵向：0.1mm/脉冲

2、横向：0.005mm/脉冲自动升降性能：有2.总体方案的确定系统的伺服系统与与运动方式的选择由于改造后的数控经济型车床应具有定位，直线插补顺圆和逆圆插补，暂停和循环加工。公英制螺纹加工工艺功能。故应选择连续控制系统。考虑到经济型数控机床加工精度要求不高。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统。计算机系统根据机床要求，采用8位微机，由于msc-51系列单片机具有集成度高。可靠度好，功能强速度快，抗干扰能力强。性能价格比等特点，决定采用msc-51系列的8031单片机扩展系统。机械传动方式为了实现机床所需求的分辨率，采用步进电动机，经齿轮减速再传动丝杆。为了保证一定的精度和平稳性，减小摩

3、擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加紧负荷齿轮传动，也要采用消除齿侧间隙的结构。第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算 伺服系统机械部分设计计算，内容包括确定系统的负载确定系统的脉冲当量，运动部分惯性计算空载启动及切削力矩的计算，确定伺服电动机传动及单向元件的设计计算及运用，绘制机械部分装配图及零件工作图等第一节 确定系统脉冲当量一个进给脉冲使机床运动部件产生的位移量称为脉冲当量，也称机床最小设定单位，脉冲当量衡量机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床采用的脉冲当量是0.010.005每脉冲，经济型数控车床常采用的脉冲当量是0.0020.001每脉冲，

4、在本设计中，根据机床精度要求确定其脉冲当量纵向0.01mm/step,横向：0.005mm/step。第二节 切削力的计算在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件选用伺服电动机等需要利用到切削力，下面就以切削力，用三种方法计算，并取其平均值做主切削力。1、 用经验公式计算切削力：1.5max1.纵切外圆： fz=0.67d式中：d max-车床床身加工的最大直径（mm） fz=(0.67×3601.5)n =4576n求出切削力fz后，在按照下比例分别求出fx和fyfz：fx：fy=1：0.25：0.4fx=4576×0.25=1144nfy=4576×0.4

5、=1830n2.横切断面：主切削力dz可取横切削力的1/2fz、= dz×1/2=2280n此时走刀抗力为fy、（n），吃刀抗力的fx、（n）仍按上述比例粗略计算：fz、： fx、： fy、=1：0.25：0.4fx、=2288×0.25=572nfy、=2288×0.4=915 n二按切削力计算切削力下面介绍的按经验公式按求计算切削力的方法是比较简单而使用的，但对于不同的专用机床来说，计算结果不一定准确。所以对某一指定了专门用途的数控机床，应该根据具体加工条件，不同的工况选用合理的切削用量。用切削力计算公式来计算切削力。1.外圆车削切削力的计算 fz=9.8/(

6、 fzapdz fzfz fz(60v)n fzkfz fx =9.8/( fxapx fx fx fx(60v) n f xkfx fy =9.8/( fyapy fy fy fy (60) n fykfy式中; fz、 fx、 fy主切削力进给抗力切削抗力（n）ap切削深度(mm)v切削速度（m/s）f进给量（mm/v）kfz、 kfx、kfy总修正系数包括由于工件材料强度、硬度的改变，刀具材料的改变。刀具几何角度不同等因素，对切削力的修正系数。三按照机床主电机的功率计算：上面介绍了切削量计算切切削力虽然比较准确，但只能是用于加工某种工件的专用机床，对于普通机床的数控化改造或涉及通用的经济

7、型数控机床来说，切削用量的范围较大，这样就导致了切削力计算结果差别很大，这里介绍的三种方式，就是按照需要进行数控及改造设计的普通车床的主电动机功率来计算切削力，其具体方法如下：pe：py式中： pe切削功率（kw） p机床主传动功率 y主传动系统的机械功率，可近似取以下数值精密机床：y=0.80.85大型机床：y=0.70.88中型机床：y=0.750.8mn=9550pe/n式中mn 主轴传递的扭矩（nm） n 主轴转矩（r/min）是主轴传递全部功率是的最低转速 ft fzmn/d×103式中：fz 主切削力（n） d 工件直径可采用床鞍上的最大直径主切削力，求出以后再按比例求出

8、fx 、fy 。第三节 滚珠丝杆螺母副的设计计算和选型滚珠丝杆螺母副的设计者首先要选择结构类型，去定螺母循环方式，结构类型确定之后，用于确定和计算其他参数，包括公称直径d或四缸外径d导程l，滚珠丝杆工作圈数j,列数k精度等级等。滚珠丝杠循环方式可分为外循环方式或内循环两类，本设计中选用是外循环双螺母滚珠丝杆，其滚珠丝杆副的预紧方式。滚珠丝杆副的计算步骤如下：一、计算进给牵引力fm作用在丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动的件重量以及切削力在导轨上的摩擦力。因此其数值的大小和导轨的形式有关。纵向进给作用力综合型导轨，其进给牵引力fm（n）的计算公式如下：fm=k·fx+f

9、、(fz+u)=1.15×1144+0.16×（4576+1500）=2288（n）式中：k 考虑颠覆力矩实验系数综合导轨取k=1.15 f 调整导轨摩擦系数取0.150.18u 溜板极刀架重力需1500n。二、计算最大动荷载选用滚珠丝杆副的直径do时，必须保证在一定轴向负载作用下。丝杠在回转100万转（106转）后，在它的轨道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值，即称为该丝杠能承受的最大负载，可用下试计算：c=3l fwfml=60nt/106n=1000vs/ lo式中：lo滚珠丝杠导程选6mm n丝杠转速（r/min） vs最大进给力下的进给速度的1/21/3此外v

10、s为0.5m/min t使用寿命按1500h fw运转系数按一般运转取1.21.5 l寿命以106转为一个单位n=1000vs/ lo=1000×0.5×0.5/0.6=41.67r/minl=60nt106=60×41.67/106×1500=37.5c=3lfwfm=337.5×1.2×2288=9191n三、滚珠丝杆螺母的选型查表可采用wolr4006外循环螺母调整预紧力的双螺母滚珠丝杠副，例2.5圈其预定动荷载为16400n。等级精度选3级。四、传动效率计算=tanr/tan（r+）式中：r螺旋升高 wl·4006=

11、2q44 摩擦力取10，滚动摩擦力系数0.0030.004 =tanr/tan（r+） =tan2q44/tan（2o44+10） =0.94五、刚度验算横向进给丝杆支撑方式如下图，最大牵引力为2063n,支撑间距l=350mm。因丝杠长度较短，不需要预紧，螺母及支撑预紧。车床横向进给丝杆计算图1.丝杆拉伸或压缩变形量f1（mm)查图根据fm、=2785(n) d=20mm， 查出fl/l0=4.2×10-5可算出f1=fl/l0×z=14.2×10-5×350=1.47×10-2mm l2.滚珠与螺纹道间接触变性f2查图fq=8.5m因进行了

12、预紧 f2=1/2fq=4.25m3.支撑滚珠丝杆的轴承的轴向变形f3采用8102推力球轴承dq=4.763 、 z=12 、 d=15mmfc=0.00523fm2/dqz2=0.0052327852/4=0.0117考虑到预紧，故：f3=1/2fc=1/2×0.0117=0.0585综合以上几项变形量之和：f=f1+f2+f3=0.0147+0.0043+0.0585=0.02485mm显然，此变形量已大于定位精度的要求，应该采取相应的措施，修改设计。因横向溜板设计限制，不易再加大滚珠丝杆直径，故采用贴塑导轨，减小摩擦力，从而减小最大牵引力，从新计算如下：fm、=1.4fg、+f

13、、（fz+2fx+、) =1.4×9.15+0.004(4576+2×572+800) =1594n式中：f、轴套与轴架以及主轴的键上摩擦系数f、取0.004 从图中查：fm、=1594n时，fl/l0=2.4×10-5f1=fl/l0×l=2.4×10-5×350=0.0084mm由于采用了贴塑导轨，减小了最大牵引力fm、所以需要从新计算或查表确定f2和f3查表图得fq=5.4m因进行了预紧,故:f2=1/2fq=2.7mfc=0.00523fm2/dq=0.0052×15.46=0.0080mf3=1/2fc=0.004

14、mm则：f=f1+f2+f3=0.0084+0.0027+0.004=0.015mm横向进给定位精度应为纵向进给定位的1/2，应力此时变形量已能满足定位精度要求。如果变形量仍大于定位精度的要求，可将滚珠丝杆的直径加大到25mm也可将滚珠丝杆再经过预紧拉伸，刚度还可以提高四倍。则变形量可控制在要求的范围内。从上面的设计中可以查出设计的过程要经过反复修该系数，反复计算，才能达到满意的结果。六、稳定性校核对于已选尺寸的丝杆在给定的条件下，承受最大轴向负载时，没有产生纵向弯曲（失稳)的危险。fk=f22e/l2式中：e材料弹性模量（n/cm2)刚为20.6×106n/cm2 i截面惯性矩对于

15、丝杆为d14/64(d1为丝杆半径） l丝杆两支承端离 f2丝杆支撑方式系数，从表中查出一端固定，一端简支f2为200i=d14/64=1.67884/64=0.3899cmfk=f22e/l2=2×3.142×20.6×106×0.3899/452=7821nnk=fk/fm、=78214/1155=57.7【nk】一般【nk】=2.54，所以该滚珠丝杆不会产生失稳。（三）纵向及横向滚珠丝杆副几何参数其几何参数见下表，各部分几何参数是在确定了滚珠丝杆副的公称直径和导程l以后，才进行计算出来的。wl4006及wl2005丝杆几何参数参数名称符号关系式wl

16、 4006wl 2005滚珠滚道公称直径d04020导程l065螺杆螺母接触角2o44、4o33钢球直径d039693.175滚道法面半径rr=0.52dg2.0641.651偏心径ee=(r-dg/2)sin0.0560.045螺纹升角y=arctanl0/d02o44、4o33外径dd=d0-(0.2-0.25)dg3919.4内径d1d1=d0+2e-2r35.98416.788接角直径d2d2=d0-dgcos36.035516.835螺纹直径dd=d0-2e-2r34.01523.212内径d1d1=d0-(0.2-0.25)d040.743820.635 单位（mm）第四节 齿轮的

17、传动比一、纵向进给齿轮箱传动比的计算已确定纵向进给脉冲当量fp=0.001.滚珠丝杆导程l0=6mm.初选步进电动机步距角为0.75，可计算传动比为i=360fp/q2l0=360×0.01/0.75×6=0.8可选定齿轮数为：i=z1/z2=32/40或20/25z1=32 z2=40 或z1=20 z2=25二、横向进给齿轮传动比计算已确定横向进给脉冲当量fp=0.005，滚珠丝杆导程l0=5mm初选步进电动机步距角0.75，可计算出传动比i为i=360fp/q2l0=360×0.005/0.75×5=0.48考虑到结构上的原因，不能是齿轮直径太大，

18、以免影响到横向溜板的有效行程。故此处可采用两级齿轮减速；i=z1/z2×z3/z4=3/5×4/5=24/40×20/25z1=24 z2=40 z3=20 z4=25因进给运动齿轮受力不大，模数m取2，有关参数参照下表齿轮传动几何参数齿数z324024402025分度圆d=mz648048804050齿顶数d=d+mz688452844454齿宽610202020202020中心距a=(d+d)/2726445齿根数d=d-21.25m597543753545为了消除齿轮侧隙，可采用双片齿轮，这样齿宽可加大到（610mm）第五节 步进电动机的计算和使用选用步进电

19、动机时，应首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电动机轴上的等效传动惯量包括步进电动机转子的传动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，再根据步进电动机的量最大静载负载和起动运行频率特征选择合适的步进电动机，但在初选步进电动机之前，不仅未画出机械机构草图，而且无法确定步进电动机的转子的转动惯量，因而必须先根据一些估数据初选步进电动机的型号，再按上述方法进行验算。由于步进电动机的工作的特点是脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感，为了满足负载惯量尽可能小的要求，同时也要满足一定的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。一、初选步进电动机步距角对步进电动机施加一个脉冲信号时，步进

20、电动机就用转一个固定的角度，叫做步距角，电动机的总回转角和输入脉冲数成正比，而电机的转速则正比于输入脉冲的频率，步进电动机的步距角越小，意味着它能达到的位置精度越高，通常步距角是30、1.50、0.750，步距角的大小跟通电方式机转速有关，在步进电动机技术数据中是以分数形式给出的两个数，其中分子所表示的步距角的通电方式是双向的，分母表示的步距角是单向的。150bf002步进电动机步距角为1.50或0.750，其0.750是五相十拍，1.50是五相五拍。二、初选步进电动机一纵向进给步进电机负载转矩tm1. 根据滚珠丝杆副所承受的进给牵引力fm，计算步进电机的负载转矩tm（n·cm）tm

21、=3600fpfm/2y0式中：fp=脉冲当量（mm/step)fm进给牵引力（n)0步距角初选双拍列为0.750y电机丝杆的传动频率，为齿轮轴承丝杠效率之积，分别为0.98、0.99和0.94tm=3600fpfm/2y0=3600×0.001×2288/2×0.75×0.98×0.99×0.94=193.69n·cm2. 估算步进电动机起动转矩tqtq=tm/0.30.5 =193.69/0.3 =645.6n·cm3.计算最大静转矩timax 查表如取五相十拍时，则:timax=tq/0.951 =645.6

22、/0.951=678.9n·cm4.计算步进电机运行频率fe和最高启动频率fkfe=100vs/60fpfk=1000vmax/60fp =1000×2.4/60×0.01hz =4000hz式中：vs最大切削进给速度（mm/min) vmax最大位移速度（m/min) fp脉冲当量取0.001mm/step5.初选步进电动机型号根据估算出的最大静转矩tmax，在表中查出130bf001的最大静转矩是1097.9n·cmtimax，可以满足条件，考虑到经济型数控车床有可能使用较大的切削用量，应选择大转矩的步进电机，以留下一定的余量，另一方面，与同类型机床

23、进行类比，决定利用150bf002步进电机，但从表中查出，150bff002步进电机最高空转起动频率2800hz，不能满足fk（4000hz)的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件升降速程序来解决。 (2） 校核步进电动机转矩初选出步进电机型号，并绘制私服系统结构草图之后，就可以按下面步骤计算私服系统折算到步进电机轴上的系统流动惯量及等效转矩，进行校核。1、 转动惯量计算 （1）齿轮轴、丝杠等圆柱体惯量计算 圆柱体转动惯量（kg·m2）计算公式如下： j=md2/f对于钢材：j=0.78×d2l×10-3式中：m圆柱体质量（kg)d圆柱体直径（cm）l圆柱体长度

24、或圆度（cm）钢材的密度为7.8×10-5 kg/cm3所以j1=0.78×10-3×d14l1 (0.78×10-3×6.844×2)kg·cm2=2.62kg·cm2 j2=0.78×10-3d24l2 =（0.78×10-3×84×2）kg·cm2 =6.39kg·cm2 j3=（0.78×10-3×44×150）kg·cm2（2） 步进电机转子转动惯量 参考同类型机床，初选反应时步进电机150bf其转子转动惯

25、量jm=10kg·cm2（3） 传动系数折算到电机轴上的总转动惯量可由下式计算出来 j=jm+j1+（z1/z2)2·（j2+j3）+g/g·（l0/2）2式中：jm步进电动机转子转动惯量（kg·cm2） j1、j2齿轮z1、z2的转动惯量（kg·cm2） j3滚珠丝杆转动的惯量（kg·cm2)代入数据计算则： j=jm+j1+（z1/z2)2·（j2+j3）+g/g·（l0/2）24=10+2.62+（32/40）2×(6.39+29.52)+1500×0.62/(9.8×42)=3

26、9.452kg·cm2必须注意：在上式中根据实践经验，传动系统惯量j和转子惯量jm之间，有一个惯量的匹配问题，jm/j的比值不能太小，否则机床动态特型将会有很大的区别，并且很容易受切削力、摩擦力干扰的影响，但jm/j太小，也是很不经济的。考虑步进电动机与传动系统惯量匹配的问题：jm/j=10/39.452=0.253基本满足惯量匹配的要求2. 电机转动的计算电机的负载转矩在各种情况下是不同的，下面分快速空载，起动时所需转矩，快速进给时，转矩最大切削负载所需转矩等分级部分组成，介绍其计算方法:(1) 快速空在启动转矩m在快速空在启动阶段，加速转矩占得比例比较大，具体计算公式如下:m=m

27、max+mf+m0式中：m快速空载起动转矩（n·m）mmax空载起动时折算到电动轴上的加速转矩mf折算到摩擦轴上的摩擦轴转矩m0由于丝杆预紧时折算到电机轴的复合摩擦转矩mmax=j·=（j·2nmax/60ta）·10-2nmax=(max/fp)·（q0/3600）将前面数据代入，式中符号意义同前：nmax=(max/fp)·（q0/3600）=(2400/0.01）·(0.75/3600)=500r/min起动加速时间：ta=30m/smamax=（j·2nmax/60ta）·10-2=634.5n&

28、#183;cm折算到电机轴上的摩擦转矩mfmf=f0l0/2yi=f(fz+g)l0/2yz2=0.16×（4576+1500）×0.6/(2×0.8×1.25)=92.8n·cm附和摩擦转矩m0m0=fd0l0(1-y02)/2yi=1/3fl0(1-y02)z1/2yz2=1/3·2288·0.6·（1-0.92/（2·0.8·1.25）n·cm=12.46n·cm上述三项合计：m=mamax+mf+m0=634.592.812.46=739.76n·cm（2）

29、 快速进给时转矩m、m、=mf+m0=（92.8+12.46）n·cm =105.26n·cm（3） 最大切削负载时所需转矩m、 m、=mf+m0+mt式中：mt折算到电机轴上的切削负载转矩在应用丝杠螺母副传动时，上述各转矩（n·cm）可采用下式计算：mamax=j·=j·（2nmax/60ta）·10-2nmax=(vmax/fp)·q0/3600式中j传动系统中折算到电机轴上的点等效转动惯量（kg·cm2）电机最大角加速度（rad/s2）nmax电机转动速度（r/min）vmax转动部件最大快速进度（mm/mi

30、n）fp脉冲当量（mm/step)ta运动部件从停止起初加速度到最大快速速度所需时间（s）摩擦转矩公式: mf=f0l0/2yi f0=f(fz+g)式中:f0导轨的摩擦力（n） fz垂直方向上的切削力（n） g运动部件的总重量（n） f导轨摩擦系数 i齿轮降速比 n传动链总效率，一般可取0.70.85.附加转矩摩擦公式：m0=fd0l0(1-n2)/2i式中：fd0滚珠丝杆预加负载，一般可取1/3fm，fm为进给率引力（n)l0滚珠丝杆导程滚珠丝杆未预紧时的传动功率，一般可取0.9折算到电机轴的切削负载转矩 mt=ftl0/2yi式中：ft进给方向最大切削力 m、=mf+m0+mt =mf+

31、m0+fxl0/2yi =105.26+1144·0.6/（2·3.14·0.8·0.125） =214。56n·cm经过上述计算以后，在m、m、两种力矩中其中大者作为选择步进电动机的依据，对于大多数数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机转矩主要用来产生加速的，而负载力矩往往小于加速转矩，故常用快速空载起动转矩，作为选择步进电动机的依据。从表中查出，当步进电动机为五相十拍时，=m0/mamax=0.951，则最大静转矩为：mjmax=(739.76+0.951)n·cm从表中查出150b

32、f002型步进电动机最大转矩为13.72n·cm大于所需最大静转矩，可以满足此项要求。3. 校核步进电机效率特性前面所述根据最大静转矩，mjmax初选的步进电动机型号一定满足实际工作要求，也就是说尽管最大静转矩mjmax，数据能满足要求，但是并不能保证在快速空载负载时起动和空行时不失步，所以还必须用起动转矩频率特性和运行转矩频率特性，两条重要的特性曲线来验证，所选步进电动机的型号是否满足要求。前面已计算出此机床最大快移时需要步进电动机的最高起动频率为fk=4000hz，切削进给时所需步进电动机运行频率fe为833hz。前面已计算机床最大快移时所需步进电动机运行频率为2800hz,运行

33、频率为8000hz，再从图中查出150bf002步进电动机起动力矩频率特性和运行特性曲线如下图，看出步进电动机起动时f=2500hz，m=100n·cm远远不能满足此机床所需要的空载起动力矩，直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制，起动转矩可增高到必须采取将起动频率降到100hz，起动转矩可增高到588.4n·cm，根据在电路上采用高低驱动电路还可将步进电动机输出转矩扩大一倍左右。 起动矩频率特性 784.5588.4 392.3 196.1588.4 392.3 196.1 392.3588.4 392.3 196.1 196.1588.4 392.3 196.

34、1f/hz100020002500 0 运动矩频特性 1225.8980.7480.35001000f/hz150bf002型步进电动机运行矩频特性当快速运动和切削进给时，150bf002型步进电动机运行的矩频特性完全可以满足条件。3 横向进给步进电机横向进给步进电动机的计算和校核与纵行进给步进电动机相同，此处略。经过计算和类比设计，决定选用130bf001型步进电动机。第三章 进给伺服系统机械部分结构设计机械部分结构设计的任务是画出进给伺服系统的机械装配图，用以表达设计者的构思，设计结果及特点是伺服系统设计的重要任务，对于机电一体化专业的学员来说，是一项基本技能的重要训练，必须引起足够的重视

35、。在对伺服系统进行了运动和动力计算，已选定滚珠丝杆螺母副规格编号。步进电动机的型号，降速齿轮的几何参数选定以后，就可以进行结构设计，结构设计应该先确定部分结构特点，形式调整方式等，然后再动手绘制装配图，最后在绘制正式装配图，下面分别叙述各项注意事项。第一节 微机数控化改进结构设计中注意问题尽量减小普通数控化改造设计的改动量对于普通数控化改造设计时，在满足机床总体布局的前提下，应尽可能利用原来的零件，尽量减小改动量，尤其是机床较大的部件，例如机身、床鞍、拖板铣床的工作台等，尽量利用原来的部件，只能少量加工改造这样可以大大减少成本，缩短制造周期。在进行经济型数控机床设计时，虽然结构尺寸不想改造那么

36、严格设计改造，但也应该参考同类型机床，在初步估算以后，在进行类比，是结构尺寸紧凑合理。1. 滚珠丝杆螺母副和消除齿轮安装调整要方面滚珠丝杆螺母副和消除齿轮的调整对于进行伺服系统是很关键的问题，如果调整不好会出现反向死区和失步现象，影响数控机床的加工精度，在进行结构设计时必须注意，留出控制螺钉的孔或足够的搬手空间。2. 设计时注意装配工艺在设计绘制进给私服系统时，应注意装配工艺性，考虑到正确的装配顺序，保证安装调整，拆卸方便。 第二节 绘制装配图应注意的问题确定了各种参数和结构形式以后，就可以动手画图了，在标准图副的图纸上，用应铅笔轻轻地画出装配图的各部分轮廓及重要的结构，不许画剖面线和标准尺寸

37、，经过修改以后再加深，集成装配图，为保证画图质量，画地图是线条必须很浅很细，以便修改，下面在指出几点注意事项：1. 注意合理布置视图主要的机械结构图要求用a0或a1号图纸绘制出为了正确清楚地表达部分结构，必须选用足够的视图和局部视图以达到视图完整的要求。所谓视图的完整是指能够从装配图上拆绘出任一零件工作图。根据各视图及各局部视图的大致轮廓尺寸，并考虑好零件的标题栏，零件明细表，零件编标，尺寸标注，以及技术要求的文字说明位置，就是进行画图的合理布置，布置视图对要注意的将主视图布置在图面上的主要位置，布置中还应留有余地以免设计中补充其他图形何必时的说明。2. 严格按比例画图必须严格按国际制图规定的

38、比例画图，主要是图应采用1:2或1:1绘图局部视图可采用与主视图不同的比例，但必须在图上标明，绝不允许参照图样任意的放大或缩小。3. 必须按标准绘图图会上出现的螺钉、螺母、垫片、定位销、轴承等标准件必须按照最新的国际绘制。4. 注意线条比例画图质量的好坏与各部分线条的好坏有很大的关系，线条的粗细也必须按照比例画，粗实线、细实线、虚线、点画线都要区别清楚剖面线应该画成450，丝杆与螺纹底径应画成细实线等。5. 应标注必要的尺寸和公差配合装配图应标注最大形体尺寸特征尺寸，主要零件的配合尺寸影响运转特性与传动精度的配合尺寸与其他尺寸。第四章 微机数控系统的设计第一节 微机数控系统设计的内容(一)硬件

39、电路设计内容硬件是组成系统的基础,也是软件编制的前提,数控系统硬件的设计包括以下几部分内容：1.绘制系统电气控制结构框图据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。机床硬件电路由五部分组成：（1） 主控制器，即中央处理单元cpu。（2） 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。（3） 存储器，包括程序存储器和数据存储器。（4） 接口，即输入/输出接口电路。（5） 外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。2.选择中央处理单元cpu的类型cpu的种类很多，在此处选择mcs51系列单片机中的80c51，因为其集成度高，稳定性、可靠性好，体积小，而且有很强的外部扩展功能

40、，外围扩展电路芯片大多是一些常规芯片，用户很容易通过标准扩展电路来构成较大规模的应用系统。3.存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。分别选择两片2764和一片6264来扩展16k的内存。4.i/o接口电路设计设计内容包括：据外部要求选用i/o接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。经考虑，选择8255为i/o接口芯片，液晶显示控制器lr104vram来控制lcd。图中的急停开关应采用那种按下去之后不会弹起、直到再次启动后操作者用手动拔出的按钮，此处由于表达方式的限制，仅以普通按钮表示。（二）、机床数控系统软件设计软件

41、是硬件的补充，确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。1.软件设计步骤分为以下几步：（1）据软件要实现的功能，能制定出软件技术要求；（2）将整个软件模块化，确定各模块的编制要求，包括各模块功 能，入口参数，出口参数；（3）据硬件资源，合理分配好存储单元；（4）分别对各模块编程，并调试；（5）连接各模块，进行统一调试及优化；（6）固化到各程序存储器中。2.数控系统中常用软件模块（1）软件实现环行分配器；（2）插补运算模块；（3）自动升降速控制模块。第二节mcs-51单片机及其扩展(一)80c51单片机的简介 1.芯片引脚及片外总线结构80c51单片机采用40脚双直插封装（dip）形式，如图(6

42、)所示。80c51单片机采用40脚双直插封装（dip）形式，如图(6)所示。80c51单片机是高性能单片机，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。下面说明这些引脚的名称和功能。（1） 电源引脚vss和vcc vss(20脚)：接地。 vcc(40脚)：主电源+5v。（2） 时钟电路引脚xtal1和xtal2xtal1（19脚）：接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时，对于hmos单片机，该端引脚必须接地；对于chmos单片机，此引脚作为驱动端。xtal2（18脚）：接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反向放大电路的输出端，振荡电路的频率是晶

43、体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对于hmos单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于chmos单片机，引脚悬浮。图（6）.80c51引脚图(3)控制信号引脚rst、ale/prog、psen、/ea/vpprst（9脚）：单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该引脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（reset）。ale/prog：访问片外存储器时，ale作锁存扩展地址低位字节的控制信号（称允许锁存地址）。平时不访问片外存储器时，该端也以1/6的时钟振荡频率固定输出正脉冲，供定时或者其他需要使用；在访问片外数据存储器时会失去一个脉冲。ale端的负载驱动能力为8个lstt

44、l（低功耗高速ttl）。 /psen（29脚） ：在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。cpu在向片外存储器取指令期间，psen信号在12个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两个有效的psen信号不出现。psen端同样可驱动8个lsttl负载。我们根据psen、ale和xtal2输出是否有信号输出，可以判别80c51是否在工作。 /ea/vpp（31脚）：当ea端输入高电平时，cpu从片内程序存储器地址0000h单元开始执行程序。当地址超过4kb时，将执行片外程序存储器的程序。当ea输入低电平时，cpu仅访问片外程序存储器。(4)输入/输出引脚（p0、p

45、1、p2和p3端口引脚）p0p3是4个寄存器，也称为4个端口，是80c51单片机与外界联系的4个8位双向并行i/o口。由于在数据的传输过程中，cpu需要对接口电路输入输出数据的寄存器进行读写操作，所以在单片机中对这些寄存器象对存储单元一样进行编址。通常把接口电路中这些已编址并能进行读写操作的寄存器称为端口（port），或简称口。p0.0p0.7（3932脚）：p0是一个8位漏极开路型双向i/o端口。在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位双向数据，故这些i/o线有地址线/数据线之称，简写为ad0ad7。在eprom编程时，从p0输入指令字节，在验证程序时，则输出指令字节（验证时，要外接上

46、拉电阻）。p1.0p1.7（18脚）：p1是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o端口。在eprom编程和验证程序时，它输入低8位地址。p2.0p2.7（2128脚）：p2是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o端口。在访问片外存储器时，它输出高8位地址，即a8a15。在对eprom编程和验证程序时，它输入高8位地址。p3.0p3.7（1017脚）：p3是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o端口。在整个系统中，这8个引脚还具有专门的第二功能，如表（3）所示。 表p3口各位的第二功能 p3口的各位第二功能 p3.0 p3.1 p3.2 p3.3 p3.4 p3.5 p3.6 p3.7rxd（串行口输入）t

47、xd（串行口输出）int0（外部中断0输入）int1（外部中断1输入）t0（定时器/计数器0的外部输入）t1（定时器/计数器1的外部输入）wr（片外数据存储器写选通控制输出）rd（片外数据存储器读选通控制输出）（二） 单片机的系统扩展概述80c51片内只有4kb程序存储器地址空间、256b的片内数据存储器的地址空间（用8位地址，其中128b的专用寄存器地址空间仅有21个字节有实际意义）。所以需扩展。1.扩展概述 80c51的片外总线结构：所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展。（1）数据总线（db）：由p0口提供，数据总线要连到连接的所有外围芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传送通道。

48、（2）地址总线（ab）：16位，可寻址范围为64k字节，ab由p0口提供低8位地址，与数据分时传送，传送数据时将低8位地址锁存；高8位地址由p2口提供。（3）控制总线（cb）：系统扩展用控制总线有wr、rd、psen、ale、ea。2.系统扩展能力片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号，允许两者的地址重复。故据地址的宽度，片外可扩展的存储器与程序存储器分别为64kb。此处扩展了16k的程序存储器和16k的地址存储器，且没有使用片内存储器。扩展的i/o口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。3.地址锁存器 因为p0口是分时提供低8位地址和数据信息的，所以必须用锁存器把地

49、址锁存住。本次设计使用带三态缓冲输出的8d锁存器74hc373。其引脚见图（7）。图（7）74ls373引脚图d0d7 信号输入端q0q7 信号输出端g：下降沿时，将d1d8锁存于内部 e：使能端，e=0时，三态门处于导通状态，输出端q0q7与输入端d0d7连通，当e=1时，输出三态门断开，输入数据锁存。4.地址译码器80c51扩展电路中，都牵涉到外部地址空间的分配问题，即当80c51数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首选要进行片选，然后再进行片内地址选择。地址译码实现片选的方法目前常用的有两种：线选法和译码法。此处采用74hc139译码器组成的译码电路对系统的高位地址进行译码。74h

50、c139是双“2-4”译码器，每个译码器仅有1个使能端g，0电平选通。有2个选择输入端，4个译码输出端，输出0电平有效。2个输入信号a、b译码后有4个输出状态，其引脚与真值表如下所示。表（4）74ls139真值表 输入 输出使能 选 择y0y1y2y3/g b a 1 × ×1111 0 0 00111 0 0 11011 0 1 01101 0 1 11110（三）存储器扩展 此处采用两片eprom芯片6264（8k×8）扩展程序存储器，数据存储器选用静态ram62648（8k×8）。其引脚见左图（8）。 图（8）2764引脚图80c51芯片与存储器的

51、连接 存储器扩展实质是三总线的连接。(1)据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。此处为13根。(2)数据线的连接 将80c51的芯片的p0.0p0.7按位与ram数据线d0d7直连。(3)地址总线的连接 据确定的地址线根数，将相应低地址线相连，剩余高位地址线作为片选。（4）控制总线的连接 对应控制线相连。（四）i/o口的扩展mcs-51单片机共有四个8位并行i/o口，可提供给用户使用的只有p1口和部分p3口线，因此不可避免地要进行i/o口的扩展。这里采用8255（可编程的ram/io扩展接口电路）。 i/o口扩展采用总线扩展方法，数据输入线取自80c51的p0口。这种扩展方法分时占用p0

52、口，不影响p0口与其它扩展芯片的连接操作。8255具有3个8位的并行的i/o口，分别为pa、pb、pc口，其中pc口又分为高4位（pc7pc4）和低4位（pc3pc0）。（五）步进电机驱动电路采用细分驱动电路，根据所选电机说明，选取合适的驱动器，纵向驱动器和横向驱动器均为sh20806n。其接线图如下： 图（8）电动机驱动器连线图（六）液晶显示控制器使用由上海朗睿电子科技有限公司研制生产的工业彩色液晶（vram型）显示器，型号为lr-104vram。1.简介： 彩色液晶显示器采用超大规模集成电路，以数字方式驱动，可以从根本上消除传统crt显示器的屏幕闪烁现象。具有高亮度、高对比度、高可靠性、抗恶劣环境等优点；并且体积小、厚度小、功耗低、无辐射、抗干扰能力强。随着彩色液晶技术的日趋成熟，正