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山東大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目：牛皮切邊機(jī)的數(shù)控控制和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)電一體化工程
學(xué) 生：
準(zhǔn)考證號(hào)：
指導(dǎo)老師：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間： 年 月 日 ～ 年 月 日
山東大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）
第1章 前言
1.1 關(guān)于牛皮切邊專用機(jī)床
隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，普通機(jī)床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求。專用機(jī)床的出現(xiàn)，不僅可以提高生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快。應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，又能提高加工精度。從生產(chǎn)分析來看，在現(xiàn)代制造業(yè)中，特殊零件的加工與制造有相當(dāng)大的比重，專用數(shù)控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。從市場(chǎng)上來看，訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿足用戶的需要。
1.2課題的來源、基本前提條件及技術(shù)要求
本課題來源于生產(chǎn)實(shí)踐中。牛皮切邊機(jī)是為了提高工作效率而進(jìn)行設(shè)計(jì)的專用機(jī)床，該機(jī)械主要用于槍套等牛皮切邊產(chǎn)品的毛邊的切削。要求切削的工作效率高，機(jī)床的控制可靠，工作運(yùn)行平穩(wěn)，應(yīng)用范圍廣。機(jī)床采用了專門的控制軟件通過數(shù)控系統(tǒng)控制走刀的路徑，以直線路徑替代加工輪廓的各種曲線，大大提高了工作效率，刀具庫(kù)驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，具有切削螺紋的功能。控制部分以單片機(jī)為核心，要運(yùn)行可靠，抗干擾能力強(qiáng)。改造要在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下盡可能方便，成本低。
1.3本課題要解決的主要問題和設(shè)計(jì)的總體思路
A.機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)，即進(jìn)行工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)計(jì)圖。其中包括：
a.機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)以及總體裝配圖的繪制。
b.非標(biāo)準(zhǔn)零件的設(shè)計(jì)以及零件圖的繪制。
c.箱體的設(shè)計(jì)以及機(jī)床尺寸聯(lián)系圖的繪制。
B．?dāng)?shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括：
a.微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的框圖設(shè)計(jì)。
b.微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)電氣原理圖的設(shè)計(jì)與繪制。
設(shè)計(jì)的總體思路是采用二級(jí)傳動(dòng)，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪，蝸桿再帶動(dòng)工作臺(tái)做穩(wěn)定，快速的圓周運(yùn)動(dòng)。刀具的運(yùn)動(dòng)由于是受專門的控制軟件通過控制系統(tǒng)來控制走刀路徑，以直線路徑替代加工輪廓的各種曲線，大大提高了工作效率。
1.4簡(jiǎn)述預(yù)期成果及其理論意義或?qū)嶋H價(jià)值
實(shí)踐已經(jīng)證明專用機(jī)床的設(shè)計(jì)制造具有重大的實(shí)際價(jià)值：
牛皮切邊專用機(jī)床的設(shè)計(jì)制造滿足了技術(shù)發(fā)展的需要，提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品的精度，增大了設(shè)備的適應(yīng)能力和型面加工范圍。從市場(chǎng)上來看，據(jù)國(guó)內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)，訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿足用戶的需要，而現(xiàn)在用戶可以針對(duì)自己的實(shí)際情況做出相應(yīng)的調(diào)整。再?gòu)纳a(chǎn)分析來看，在現(xiàn)代制造業(yè)中，單一品種的大量生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，若要完成這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機(jī)床、專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床，其中專用機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
專用機(jī)床是一種專門適用于特定零件和特定工序加工的機(jī)床，而且往往是組成自動(dòng)生產(chǎn)線式生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，不可缺的機(jī)床品種。組合機(jī)床是專用機(jī)床的一種，它以標(biāo)準(zhǔn)化部件為基礎(chǔ)，配以少量的專用部件組成。而目前一些機(jī)床廠對(duì)其生產(chǎn)的通用機(jī)床若作改動(dòng)時(shí)，也習(xí)慣用專用機(jī)床來取代。比如數(shù)控車床由于盤改為專用設(shè)計(jì)的，這臺(tái)數(shù)控車床則不用原機(jī)床型號(hào)，而采取編專用機(jī)床號(hào)的辦法。由于專用機(jī)床是一種《量體裁衣》產(chǎn)品，具有高效自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，是大批量生產(chǎn)企業(yè)的理想裝備。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控技術(shù)的普及，專用機(jī)床的數(shù)控化發(fā)展也很快，專用機(jī)床在生產(chǎn)實(shí)踐中占有一定的比重。據(jù)有關(guān)資料介紹，日本2001年專用機(jī)床產(chǎn)值占機(jī)床產(chǎn)值的比達(dá)到8.8%；我國(guó)臺(tái)灣省這一數(shù)字達(dá)到6.9%;而我國(guó)僅為0.67%。所以，在當(dāng)前產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整中，發(fā)展專用機(jī)床是行業(yè)發(fā)展中的一個(gè)值得注意的問題。
專用機(jī)床及其自動(dòng)化生產(chǎn)線的制造，與大量生產(chǎn)汽車等性質(zhì)不一樣，也與普通機(jī)床的制造性質(zhì)不一樣，它具有兩個(gè)極其鮮明的特征：一是集成性。用戶訂購(gòu)專用機(jī)床都是要求交鑰匙工程，它集加工工藝（含工藝方法及工藝參數(shù)），機(jī)床、夾具、工具（包含輔助）的開發(fā)設(shè)計(jì)與選擇，檢驗(yàn)測(cè)量（包括進(jìn)入機(jī)床前的毛坯檢驗(yàn)、加工中及成品的檢驗(yàn)測(cè)量）物流的輸送，切屑和冷卻液的防護(hù)與處理等于一體。它不僅僅解決其中的某一問題，而是要解決好涉及較寬的技術(shù)領(lǐng)域可能遇到的每一個(gè)問題。二是單一性。專用機(jī)床幾乎都是單臺(tái)性生產(chǎn)，要根據(jù)用戶提出的要求，進(jìn)行一次性開發(fā)，一次性制造，而且還要保證一次性成功。
根據(jù)長(zhǎng)期有關(guān)從事專用機(jī)床及其自動(dòng)生產(chǎn)線開發(fā)制造的人員的體會(huì)，將專用機(jī)床制造業(yè)的工作歸納為以下八個(gè)特點(diǎn)：
A.技術(shù)難度大。由于它是集加工工藝、機(jī)床、夾具、輔具、刀具、檢驗(yàn)測(cè)量、物流等于一體，實(shí)現(xiàn)交鑰匙工程，從而涉及技術(shù)領(lǐng)域?qū)捛覐?fù)雜，又是一次性制造，要保證一次成功，所以技術(shù)難度大。
B.是經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)率高。專用機(jī)床（或自動(dòng)線）根據(jù)用戶訂單“量體裁衣”制造的，不可能有試制探索過程，要確保一次成功，有相當(dāng)大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。由于技術(shù)方案不當(dāng)，造成局部或整體報(bào)廢的情況屢見不鮮；由于一次性制造，在制造調(diào)試過程中難保不出現(xiàn)問題，解決這些總是需要時(shí)間，從而按期交貨也有一定的風(fēng)險(xiǎn)；由于裝備是專門為某一用戶訂做的，當(dāng)該用戶因種種原因不能如期付款、甚至無力付款時(shí)，勢(shì)必造成制造企業(yè)的損失；在現(xiàn)行的金融制度還無法約束對(duì)方，產(chǎn)品無法轉(zhuǎn)讓他人的情況下，經(jīng)營(yíng)顯而易見。
C.是協(xié)作困難大。由于是一次性制造，它不像汽車零部件那樣大量生產(chǎn)，也不像通用設(shè)備那樣批量生產(chǎn)，找協(xié)作廠家很困難。條件一般的企業(yè)，很難保證一次性制造出合格的產(chǎn)品；條件好的企業(yè)，又不愿當(dāng)配角，對(duì)這種委托協(xié)作看不上。
D.是技術(shù)依賴性強(qiáng)。專用機(jī)床及其自動(dòng)線從設(shè)計(jì)、工藝編制、生產(chǎn)制造到裝配調(diào)試的全過程，都需要一批有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員、管理人員和技術(shù)工人。
E.是利潤(rùn)空間小。在國(guó)外不同的生產(chǎn)模式的企業(yè)（指大量生產(chǎn)、批量生產(chǎn)或單件小批生產(chǎn)），其生產(chǎn)產(chǎn)品的效益相差不會(huì)太大，但國(guó)內(nèi)這幾種生產(chǎn)模式的企業(yè)效益卻相差懸殊。如果做一比較，就很能說明問題，假如國(guó)外的某種產(chǎn)品價(jià)格為1，相對(duì)國(guó)內(nèi)轎車價(jià)格則為1.15-1.25，對(duì)通用機(jī)床國(guó)內(nèi)的價(jià)格為0.7左右，而國(guó)內(nèi)專用機(jī)床的價(jià)格僅為0.3-0.4。
由于國(guó)情或用戶對(duì)專用機(jī)床制造業(yè)不夠理解等原因，專用機(jī)床的銷售價(jià)格總體偏低。近幾年，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)專用機(jī)床的單臺(tái)平均售價(jià)呈下降趨勢(shì)，以組合機(jī)床為例，其單臺(tái)平均售價(jià)從1996年的31萬多元下降到2000年的23萬多元，降幅達(dá)25%。在國(guó)外購(gòu)買一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的加工中心的費(fèi)用和為其配全成加工某種零件所需的夾具、刀具及相關(guān)輔具的費(fèi)用之比，一般是100:60左右，之所以后者占有如此高的比例，是因?yàn)槌丝紤]硬件的消耗外，更多是考慮技術(shù)的投入和由此而帶來的風(fēng)險(xiǎn)。而國(guó)內(nèi)這一比值一般用戶僅能接受100:25左右。如果在考慮5%的質(zhì)量保證金要在一年后才能拿到，這種種原因把產(chǎn)品的利潤(rùn)壓縮到極小的空間。
F.是技術(shù)成長(zhǎng)期長(zhǎng)。專用機(jī)床的設(shè)計(jì)制造涉及專業(yè)面廣，要具備較豐富的工藝知識(shí)，要比較熟悉用戶的制造工藝，要保證一次成功，培養(yǎng)一名熟練的主管設(shè)計(jì)師，要花幾年時(shí)間，才能做出好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、好的制造工藝，生產(chǎn)出好的產(chǎn)品，技術(shù)成長(zhǎng)期要長(zhǎng)。
G.是人員流動(dòng)困難。由于訂單不均衡，會(huì)引起生產(chǎn)的不均衡，國(guó)外除了零部件外協(xié)條優(yōu)越外，還有成熟的技術(shù)勞動(dòng)力市場(chǎng)，企業(yè)可以根據(jù)訂單情況輸出或吸收有關(guān)勞動(dòng)力，使這與企業(yè)生產(chǎn)相適應(yīng)。國(guó)內(nèi)則無法做到這一點(diǎn)，有時(shí)可以招些臨時(shí)工，但多數(shù)只能承擔(dān)一些輔助性工作，熟練技工則難以尋求。
H.是技術(shù)引進(jìn)困難，與國(guó)外合作難。由于專用機(jī)床是一次性設(shè)計(jì)制造，引進(jìn)技術(shù)若僅供一次使用，則成本太高，很難實(shí)現(xiàn)。到目前為止，我國(guó)專用機(jī)床制造業(yè)沒有一家談成合資，雖有接觸，但都僅限于具體項(xiàng)目的合作。
八個(gè)特點(diǎn)，八種原因，既相互關(guān)聯(lián)，又各具特性，但確實(shí)是影響我國(guó)專用機(jī)床制造業(yè)發(fā)展的重要方面。今天，我們要調(diào)整機(jī)床工業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展專用機(jī)床是一項(xiàng)十分重要的工作。
為此，從總體戰(zhàn)略和技術(shù)路線兩個(gè)層次及數(shù)控系統(tǒng)、功能部件、數(shù)控整機(jī)等幾個(gè)具體方面探討了新世紀(jì)的發(fā)展途徑。
國(guó)外利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制加工，是從40年代開始的，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)用于對(duì)機(jī)機(jī)翼加工路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院在一臺(tái)立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)，它成了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。此后，從60年代開始，其他一些工業(yè)國(guó)家如德國(guó)、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床。1974年微處理機(jī)直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。從此，數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)中擔(dān)當(dāng)了十分重要的角色。
我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從1958年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至80年代后引進(jìn)了日本、美國(guó)、西班牙等國(guó)數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國(guó)的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。目前，我國(guó)銑床的加工水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比設(shè)備陳舊，技術(shù)水平落后，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)力的發(fā)展，采用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，已經(jīng)成為我國(guó)制造加工技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。
2.2總體方案
由于該設(shè)計(jì)是專用機(jī)床設(shè)計(jì)，所以在考慮具體方案時(shí)，應(yīng)遵守的基本原則是在滿足使用要求的前提下，盡量降低成本。要求切削的工作效率高，機(jī)床的控制可靠，工作運(yùn)行平穩(wěn)，應(yīng)用范圍廣。
2.2.1工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
由于機(jī)床采用了專門的控制軟件通過數(shù)控系統(tǒng)控制走刀的路徑。以直線路徑替代加工輪廓的各種曲線，大大提高了工作效率。所以將工作臺(tái)設(shè)計(jì)成圓形工作臺(tái)，使工作臺(tái)僅作平穩(wěn)，快速的圓周運(yùn)動(dòng)。
2.2.2工作臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
由于工作臺(tái)要求是快速，平穩(wěn)，所以采用二級(jí)傳動(dòng)，以減輕步進(jìn)電機(jī)對(duì)工作臺(tái)的沖擊。由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿傳動(dòng)，再由蝸桿帶動(dòng)蝸輪軸，在通過一對(duì)斜齒帶動(dòng)工作臺(tái)作圓周運(yùn)動(dòng)，電機(jī)放在工作臺(tái)與機(jī)床主軸箱之間。
2.2.3 數(shù)控部分設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。
采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制。開環(huán)控制多用于負(fù)載變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備中。因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。
第3章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)
3.1傳動(dòng)部分的說明
本次設(shè)計(jì)的牛皮切邊專用機(jī)床是雙工位機(jī)床，即由一獨(dú)立步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾軸絲杠，使得走刀路徑走直線運(yùn)動(dòng)，在由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)二個(gè)工作臺(tái)作圓周運(yùn)動(dòng)，完成加工任務(wù)。走刀路徑為X軸，二個(gè)工作臺(tái)分別為Y軸和Z軸。
總體設(shè)計(jì)如圖3-1所示：
圖3-1 機(jī)床尺寸聯(lián)系圖俯視圖
3.2蝸輪的設(shè)計(jì)
采用圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)，其特點(diǎn)是：
a.齒廓凸凹齒合的形式，而共軛曲面的當(dāng)量曲率半徑達(dá)。單位齒面壓力小。因而接觸強(qiáng)度得到提高。
b.瞬時(shí)接觸線方向與相對(duì)滑動(dòng)速度方向的夾角比較大，有利于形成和保持共軛齒面間的動(dòng)壓油膜。能夠減小磨損，提高傳動(dòng)效率及可高性
c.基本齒廓為圓弧齒形，只要齒形參數(shù)選擇合適，就能增大齒跟厚度，提高齒的彎曲強(qiáng)度和抗沖擊能力。
d.設(shè)計(jì)方便，工藝簡(jiǎn)單。制造加工無需特殊專用機(jī)床。
e.采用蝸輪正變位，變位系數(shù)一般在0.5以上齒合性能好，能保證傳動(dòng)質(zhì)量，當(dāng)然也應(yīng)該注意防止大變位引起的理論齒合區(qū)減少，蝸輪齒面邊切區(qū)擴(kuò)大。以至齒頂尖等現(xiàn)象。
總之它具有承載能力大，傳動(dòng)效率高。使用壽命長(zhǎng)，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。如圖3-2所示：
圖3-2 圓弧圓柱蝸桿
3.2.1蝸輪的參數(shù)計(jì)算
A.模數(shù)m和壓力角α
通過蝸桿軸線并垂直蝸輪軸線的平面稱中間平面。在中間平面上，蝸桿與蝸輪的嚙合相當(dāng)于齒條和齒輪嚙合。阿基米德蝸桿傳動(dòng)中間平面上的齒廓為直線，夾角為2α=40°蝸輪在中間平面上齒廓為漸開線，壓力角等于20°。顯然，蝸桿軸向齒距（相當(dāng)于螺紋螺距）應(yīng)等于蝸輪端面齒距，因而蝸桿軸向模數(shù)必等于蝸輪端面模數(shù)；蝸桿軸向壓力角必等于蝸輪端面壓力角，即==m， ==α。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定壓力角α=20°。
B.蝸桿標(biāo)準(zhǔn)直徑
為了保證蝸桿與蝸輪正確嚙合，蝸輪通常用與蝸桿形狀和尺寸完全相同的滾刀加工。區(qū)別在于蝸輪滾刀有刃槽，且外徑比蝸桿稍大，以便切出蝸桿傳動(dòng)的頂隙。也就是說，切削蝸輪的滾刀不僅與蝸桿模數(shù)和壓力角一樣，而且其頭數(shù)和分度圓直徑還必須與蝸桿的頭數(shù)和分度圓直徑一樣。即同一模數(shù)蝸輪將需要有許多把直徑和頭數(shù)不同滾刀。為了限制滾刀數(shù)目和有利于滾刀標(biāo)準(zhǔn)化，以降低成本，特制定了蝸桿分度圓直徑系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即蝸桿分度圓直徑與模數(shù)m有一定的搭配關(guān)系，由此可見，同一模數(shù)只有有限幾種蝸桿直徑。將蝸桿的分度圓柱展開，如右圖所示。蝸桿同螺旋一樣如果旋轉(zhuǎn)一周的周長(zhǎng)為π其螺旋升角為γ，則沿軸線移動(dòng)距離為（p為蝸桿軸向齒距）則可得：
(3-1)
(3-2)
式中q為蝸桿分度圓直徑與模數(shù)的比值，稱為蝸桿直徑系數(shù)，由上式可知，q值越小，即蝸桿直徑越小，則升高越大，傳動(dòng)效率越高，但直徑變小會(huì)導(dǎo)致蝸桿的剛度和強(qiáng)度削弱，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。一般轉(zhuǎn)速高的蝸桿可取較小q值，蝸輪齒數(shù)較多時(shí)可取較大q值。
C.蝸桿螺旋升角與蝸輪螺旋角β
?一對(duì)蝸桿蝸輪嚙合時(shí)，蝸輪螺旋角β與蝸桿螺旋升角γ大小相等，且旋向相同，才能吻合一致，即=β。
D.蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)
蝸桿頭數(shù)愈多，角愈大，傳動(dòng)效率高；蝸桿頭數(shù)少，升角γ也小，則傳動(dòng)效率低，自鎖性好。一般自鎖蝸桿頭數(shù)取=1。常用蝸桿頭數(shù)=1、2、4，過多，制造高精度蝸桿和蝸輪滾刀有困難。蝸輪齒數(shù)=i。和推薦值。為了避免根切，不應(yīng)少于26，但也不宜大于60-80。過多時(shí)，會(huì)使結(jié)構(gòu)尺寸過大，蝸桿支承跨距加大，剛度下降，影響嚙合精度。
E.傳動(dòng)比i和中心距a
對(duì)于減速蝸桿傳動(dòng)
（3-3）
式中：和分別為蝸桿和蝸輪的轉(zhuǎn)速r/min。對(duì)于單級(jí)動(dòng)力蝸桿傳動(dòng)，i=5～80，常用15～50。普通圓柱蝸桿減速裝置傳動(dòng)比i的公稱值，推薦按下列數(shù)值送?。?；7.5；10；12.5；15；20；25；30；40；50；60；70；80，其中10；20；40和80為基本傳動(dòng)比，應(yīng)優(yōu)先采用。非變位的標(biāo)準(zhǔn)蝸桿傳動(dòng)的中心距為
（3-4）
式中，為蝸輪分度圓直徑， = m國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了中心距標(biāo)準(zhǔn)系列值：40．50．63．80．100．125．160．（180）．200．250. （280）. 315. 355. 400. 450. 500另外，為了配湊中心距，蝸桿傳動(dòng)常需要變位。
所以取中心距a=100mm
蝸桿頭數(shù)Z1=3
蝸輪齒數(shù) Z2=31
變位系數(shù)X2=0.5
蝸桿傳動(dòng)的受力分析：
蝸桿傳動(dòng)的受力分析與斜齒輪傳動(dòng)相似。通常不考慮摩擦力的影響。
蝸桿傳動(dòng)時(shí)，齒面間相互作用的法向力可分解為三個(gè)相互垂直的分力：切向力，徑向力r和軸向力。蝸桿，蝸輪所受各分力大小和相互關(guān)系如下:
(3-5)
式中：、、分別為蝸桿所受的切向力，軸向力，徑向力；、、分別為蝸輪的切向力，軸向力，徑向力；、、分別為蝸桿，蝸輪的分度圓直徑；α為壓力角，T1、T2分別為蝸桿和蝸輪的轉(zhuǎn)矩，,i為傳動(dòng)比，η為蝸桿傳動(dòng)的總效率。
蝸桿，蝸輪上各分力方向的判定方法如下：切向力方向?qū)χ鲃?dòng)件蝸桿，與其運(yùn)動(dòng)方向相反；對(duì)從動(dòng)件蝸輪，與其受力點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相同。徑向力各自指向輪心。而蝸桿軸向力的方向則與蝸桿轉(zhuǎn)向和螺旋線旋向有關(guān)。用左（右）手定則來判定比較方便：右旋蝸桿用右手，左旋蝸桿用左手，四指順著蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向，四指伸直所指方向即為蝸桿軸向力的方向。蝸桿軸向力的反方向即蝸輪的切向力的方向。
3.2.2蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算
蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的計(jì)算主要是為了防止齒面產(chǎn)生點(diǎn)蝕。鋼蝸桿與青銅或灰鑄鐵蝸輪配對(duì)時(shí)，齒面接觸疲勞強(qiáng)度公式如下：
校核公式 （3-6）
設(shè)計(jì)公式 （3-7）
式中，K為載荷系數(shù)，用以考慮載荷集中和動(dòng)載荷的影響。一般K=1.11.5。當(dāng)載荷平穩(wěn)、蝸輪圓周速度≤3m/s和7級(jí)以上精度時(shí)，取較小值，否則取較大值；為蝸輪許用接觸應(yīng)力（MPa），G為承載能力提高系數(shù)，對(duì)于普通圓柱蝸桿傳動(dòng)，G=1；對(duì)于圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)，G=1.10-3.9。當(dāng)中心距a和蝸輪齒數(shù)較小時(shí)，G取較大值；其他符號(hào)意義和單位同前。2．蝸輪輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于閉式蝸桿傳動(dòng)，輪齒彎曲折斷的情況較少出現(xiàn)，通常僅在蝸輪齒數(shù)較多(>80100)時(shí)才進(jìn)行輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)于開式傳動(dòng)，則按蝸輪輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。
A.按接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
a.選 ,
取=3,則 。
b.蝸輪轉(zhuǎn)矩
c.載荷系數(shù)K
K=1.1
d.材料系數(shù)
e.
f.初選m,
m=4.8 ，=46.4mm q=13
此時(shí)=1069.056
g.導(dǎo)成角
h.許用接觸應(yīng)力
=178MPa
其中
B．計(jì)算傳動(dòng)效率
a.齒合效率
0.91 （3-8）
b.傳動(dòng)效率
（軸承效率=1，潤(rùn)滑效率=0.98）
c.檢驗(yàn)值
（3-9）
=160900
<1069
原選參數(shù)強(qiáng)度足夠
C．確定傳動(dòng)的主要尺寸
m=4.8mm, =46.4mm, =3,
中心距
a=100mm
a.蝸桿尺寸
分度圓直徑d =46.4mm
齒頂圓半徑
齒根圓半徑
導(dǎo)程角 右旋
軸向齒距
輪齒部分長(zhǎng)度
取=85mm
b.蝸輪尺寸
分度圓直徑d
齒頂圓半徑
齒根圓半徑
外圓半徑
蝸輪輪齒寬度
螺旋角
齒寬角
咽喉母圓半徑
3.3齒輪的設(shè)計(jì)
3.3.1壓力角α的選擇
由《機(jī)械原理》可知，增大壓力角α，齒輪的齒厚及節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑亦皆隨之增加，有利于提高齒輪傳動(dòng)的彎曲強(qiáng)度及接觸強(qiáng)度。我國(guó)對(duì)一般用途的齒輪傳動(dòng)規(guī)定的壓力角為α=20o。為增強(qiáng)航空有齒輪傳動(dòng)的彎曲強(qiáng)度及接觸強(qiáng)度，我國(guó)航空齒輪傳動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了α=25o的標(biāo)準(zhǔn)壓力角。但增大壓力角并不一定都對(duì)傳動(dòng)有利。對(duì)重合度接近2的高速齒輪傳動(dòng)，推薦采用齒頂高系數(shù)為1～1.2，壓力角為16 o～18 o的齒輪，這樣做可增加齒輪的柔性，降低噪聲和動(dòng)載荷。
3.3.2小齒輪齒數(shù)Z1的選擇
若保持齒輪傳動(dòng)的中心距α不變，增加齒數(shù)，除能增大重合度、改善傳動(dòng)的平穩(wěn)性外，還可減小模數(shù)，降低齒高，因而減少金屬切削量，節(jié)省制造費(fèi)用。另外，降低齒高還能減小滑動(dòng)速度，減少磨損及減小膠合的可能性。但模數(shù)小了，齒厚隨之減薄，則要降低齒輪的彎曲強(qiáng)度。不過在一定的齒數(shù)范圍內(nèi)，尤其是當(dāng)承載能力主要取決于齒面接觸強(qiáng)度時(shí)，以齒數(shù)多一些為好。
閉式齒輪傳動(dòng)一般轉(zhuǎn)速較高，為了提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性，減小沖擊振動(dòng)，以齒數(shù)多一些為好，小一些為好，小齒輪的齒數(shù)可取為z1=20~40。開式（半開式）齒輪傳動(dòng)，由于輪齒主要為磨損失效，為使齒輪不致過小，故小齒輪不亦選用過多的齒數(shù)，一般可取z1=17～20。? 為使齒輪免于根切，對(duì)于α=20o的標(biāo)準(zhǔn)支持圓柱齒輪，應(yīng)取z1≥17。Z2=u·z1。?
3.3.3.齒寬系數(shù)的選擇
（3-10）
由齒輪的強(qiáng)度公式可知，輪齒越寬，承載能力也愈高，因而輪齒不宜過窄；但增大齒寬又會(huì)使齒面上的載荷分布更趨不均勻，故齒寬系數(shù)應(yīng)取得適合。圓柱齒輪齒寬系數(shù)的薦用值列于下表。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪減速器，齒寬系數(shù)取為
（3-11）
所以對(duì)于外捏合齒輪傳動(dòng)的值規(guī)定為0.2，0.25，0.30，0.40，0.50，0.60，0.80，1.0，1.2。運(yùn)用設(shè)計(jì)計(jì)算公式時(shí)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)減速器，可先選定再用上式計(jì)算出相應(yīng)的值
表3-1 ? 圓柱齒輪的齒寬系數(shù) f
裝置狀況
兩支撐相對(duì)小齒輪作對(duì)稱布置
兩支撐相對(duì)小齒輪作不對(duì)稱布置
小齒輪作懸臂布置
0.9～1.4（1.2～1.9）
0.7～1.15（1.1～1.65）
0.4～0.6
注：a.大、小齒輪皆為硬齒面時(shí)應(yīng)取表中偏下限的數(shù)值；若皆為軟齒面或僅大齒輪為 軟齒面時(shí)可取表中偏上限的數(shù)值；
b.括號(hào)內(nèi)的數(shù)值用于人字齒輪，此時(shí)b為人字齒輪的總寬度；
c.金屬切削機(jī)床的齒輪傳動(dòng)，若傳遞的功率不大時(shí)，可小到0.2；
d.非金屬齒輪可取≈0.5～1.2。
對(duì)接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，由于點(diǎn)蝕破壞發(fā)生后只引起噪聲、振動(dòng)增大，并不立即導(dǎo)致不能繼續(xù)工作的后果，故可取S==1。但是，如果一旦發(fā)生斷齒，就會(huì)引起嚴(yán)重的事故，因此在進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算時(shí)S==1.25～1.5.?
3.3.4齒輪精度選擇
齒輪精度選擇各類機(jī)器所用齒輪傳動(dòng)的精度等級(jí)范圍，列于下表中，按載荷及速度推薦的齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)如下圖所示。
表3-2 各類機(jī)器所用齒輪傳動(dòng)的精度等級(jí)范圍
機(jī)器名稱
精度等級(jí)
機(jī)器名稱
精度等級(jí)
汽輪機(jī)
3~6
拖拉機(jī)
6~8
金屬切削機(jī)床
3~8
通用減速機(jī)
6~8
航空發(fā)動(dòng)機(jī)
4~8
鍛壓機(jī)床
6~9
輕型汽車
5~8
起重機(jī)
7~10
載重汽車
7~9
農(nóng)用機(jī)器
8~11
注：主傳動(dòng)齒輪或重要的齒輪傳動(dòng)，精度等級(jí)偏上限選擇；輔助傳動(dòng)的齒輪或一般齒輪傳 動(dòng)，精度等級(jí)居中或偏下限選擇。
?
圖3-3 齒輪傳動(dòng)的精度選擇圓柱齒輪傳動(dòng)
3.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸主要有軸頸、軸頭、軸身三部份組成。
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要要求是：
a.裝在軸上的零件有確定的位置。且布置合理。
b.軸受力合理，能可靠的傳遞力和轉(zhuǎn)距，有利于提高強(qiáng)度和剛度
c.具有良好的工藝性。
d.便于裝配和調(diào)整。
e.節(jié)省材料，減輕質(zhì)量
3.4.1花鍵
圖 3-4 矩形花鍵的形狀
A.矩形花鍵
矩形花鍵的齒廓如圖所示可用磨削方法獲得較高的精度，應(yīng)用廣泛。
矩形花鍵按齒數(shù)和齒高的不同，在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了兩個(gè)尺寸系列：輕系列和中系列。輕系列用于載荷較輕的靜連接，中系列用于中等載荷。
矩形花鍵鏈接的定心方式為小徑定心，故對(duì)軸和孔德小徑都進(jìn)行磨削加工。盡管加工復(fù)雜。但定心精度高
B.漸開線花鍵
漸開線花鍵的齒廓為漸開線，標(biāo)準(zhǔn)壓力角有30度和45度兩種。與矩形花鍵相比，齒根較厚，應(yīng)力集中較小，強(qiáng)化高?；ㄦI軸可用加工齒輪的方法加工，工藝性好，但加工內(nèi)花鍵的漸開線花鍵拉刀制造成本高，故常用于載荷大、定心要求高，且尺寸較大的連接。
漸開線花鍵鏈接的定心方式為漸開線齒形定心。具有自動(dòng)定心作用，各齒承載均勻。
花鍵軸和花鍵孔通常用強(qiáng)度不低于600MPa 的鋼制造。在載荷作用下頻繁移動(dòng)的花齒要經(jīng)過熱處理，以獲得足夠的表面硬度。
3.5工作臺(tái)的設(shè)計(jì)圖
如圖3-5所示：
圖3-5 工作臺(tái)上半部分
如圖3-5所示，工作臺(tái)采用圓形，以減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和工作臺(tái)的重量，還可以減少轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的阻力。
工作臺(tái)的加工示意如圖3-6所示：
圖3-6工作臺(tái)的工作示意圖
第4章 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1概述
本設(shè)計(jì)的任務(wù)是利用微機(jī)對(duì)牛皮切邊機(jī)的刀具路徑進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。運(yùn)用微機(jī)對(duì)專用機(jī)床刀具的橫向和豎直方向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字控制，并要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，刀架要設(shè)計(jì)成自動(dòng)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。
4.2微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)
任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路概括起來由CPU、總線、存儲(chǔ)器以及I/O接口四部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作。存儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁。總線則是CPU與存儲(chǔ)器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。
設(shè)計(jì)的內(nèi)容：
a.按照總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的的方案，并繪制微機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
b.選擇微機(jī)或CPU的類型。
c.根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的具體要求設(shè)計(jì)存貯器擴(kuò)展電路。
d.根據(jù)被控對(duì)象和系統(tǒng)工作要求，設(shè)計(jì)擴(kuò)展I/O接口電路、轉(zhuǎn)換電路及驅(qū)動(dòng)電路。
e.選擇控制電路中各器件及電器元件的參數(shù)及型號(hào)，繪制電氣原理圖。
存儲(chǔ)器
RAM/ROM
CPU
I/O接口
光電隔離
功率放大
控制對(duì)象
（步進(jìn)電機(jī)）
外設(shè)、鍵盤
顯示器等
圖4-1數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
4.2.1單片機(jī)的選擇
根據(jù)總體方案的確定，微機(jī)已采用MCS-51系列單片機(jī)。51系列相對(duì)48系列單片機(jī)指令更豐富，相對(duì)96系列價(jià)格更便宜。51系列有三種型號(hào)：8031是無ROM的8051；8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控機(jī)中應(yīng)用最多的是8031單片機(jī)。本設(shè)計(jì)就采用8031單片機(jī)。
8031單片機(jī)是美國(guó)Intel公司的產(chǎn)品MCS—51系列單片機(jī)的一個(gè)型號(hào)，是目前性能較高的8位單片微型計(jì)算機(jī)。8031單片機(jī)內(nèi)部包含一個(gè)8位CPU，128字節(jié)的RAM，兩個(gè)16位定時(shí)器，四個(gè)八位并行口，一個(gè)全功能串行口，可擴(kuò)展的外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量個(gè)64K字節(jié)，具有5個(gè)中斷源并配有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，還有21個(gè)特殊功能寄存器。
從上述特性可以看出，一塊8031單片機(jī)的功能幾乎相當(dāng)于一塊Z80CPU，一塊RAM，一塊Z80CTC，兩快Z80PIO和一塊Z80SIO組成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。所以8031單片機(jī)是一種理想的8位微型計(jì)算機(jī)，在各種數(shù)控系統(tǒng)中的到廣泛的應(yīng)用。
8031單片機(jī)是一個(gè)有40根引腳的雙列直插式器件。其引腳功能說明如下：
VCC：編程和正常操作的電源電壓端，電壓為+5V；
VSS：地電平；
P0口：8位雙向I/O口，既是數(shù)據(jù)線，又是低8位地址線，分時(shí)使用；
P1口：8位雙向I/O口，可供用戶使用的接口；
P2口：8位雙向I/O口，系統(tǒng)外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，作高8位地址線使用，系統(tǒng)不需要擴(kuò)展時(shí)，也可以供用戶使用；
P3口：8位雙向I/O口，是一個(gè)雙功能口。第一功能和P1口一樣可以作為通用I/O口，工作于第二功能時(shí)，各端口的定義如下：
P3.0—RXD，串行輸入；
P3.1—TXD，串行輸出；
P3.2—INT0，外部中斷輸入；
P3.3—INT1，外部中斷輸入；
P3.4—T0，定時(shí)器0外輸入端；
P3.5—T1，定時(shí)器1外輸入端；
P3.6—WR，寫信號(hào)；
P3.7—RD，讀信號(hào)。
ALE/PROG：訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，用于鎖存地址線低8位字節(jié)的地址鎖存允許輸出。ALE提供一個(gè)定時(shí)信號(hào)，在與外部存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)時(shí)把P0口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中。這個(gè)引腳也是EPROM編程時(shí)的編程脈沖輸入端（PROG）。
PSEN：程序存儲(chǔ)器允許輸出，是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。
EA/VDD：EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。EA為低電平時(shí)CPU執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器指令。使用8031單片機(jī)時(shí)，EA必須接地。
XTAL1：振蕩器的反相放大器輸入，使用外部振蕩器時(shí)必須接地；
XTAL2：振蕩器的反相放大器輸出，使用外部振蕩器時(shí)，接受外部振蕩信號(hào)；
RST/VPD：復(fù)位控制，在振蕩器運(yùn)行時(shí)，使RST引腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期為高電平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。VPD引腳是掉電保護(hù)電路輸入口。
4.2.2存儲(chǔ)器擴(kuò)展
8031單片機(jī)內(nèi)只有128字節(jié)的RAM，沒有ROM。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)需要的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量都較大，必須外接程序存儲(chǔ)器（EPROM）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）芯片。
A.程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，擴(kuò)展ROM
常用的EPROM存儲(chǔ)器有2716，2732，2764，27128，27256等，容量分別為2K、4K、8K、16K，32K。
a.27128EPROM芯片
8031無內(nèi)部ROM，必須擴(kuò)展外部ROM。由于車床數(shù)控系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制程序和加工程序，采用16KB×8的27128芯片，可與單片機(jī)所選的12MHz時(shí)鐘相匹配。
27128EPROM芯片是一個(gè)有28根引腳的雙列直插式集成元件。該芯片共有14根地址線A0—A13，8根數(shù)據(jù)線D0—D7，其余的為控制線，定義分別是：
CE—片選信號(hào)端；
OE—取指允許端；
PGM—編程控制端；
VPP—編程電壓端（21V或12.5V）；
VCC—+5V電源；
VSS—地電平。
ROM的尋址范圍為0000H—3FFFH，并且采用譯碼器，使地址范圍無重疊區(qū)。
b.地址鎖存器74LS373
單片機(jī)規(guī)定P0口提供低8位地址線，同時(shí)又要作為數(shù)據(jù)線，所以P0是一個(gè)分時(shí)輸出低8位地址和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信息分離出來保存，提供外接存儲(chǔ)器的低8位地址信息，通常采用74LS373作為地址鎖存器。74LS373作為地址鎖存器。D1—D8是輸入端，Q1—Q8是輸出端，CE是片選端，片選端G與8031單片機(jī)的地址鎖存信號(hào)ALE連接。當(dāng)片選端G=1時(shí)，74LS373的輸出端與輸入端相通，當(dāng)G端從高電平返回低電平（下降沿）時(shí)，輸入的地址信息就被鎖入Q1—Q8中。
B.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展，擴(kuò)展RAM
8031片內(nèi)僅有RAM128字節(jié)，需擴(kuò)展，采用8KB×8的62256芯片。其地址范圍為6000H—7FFFH，也采用譯碼器，使其無重疊區(qū)的地址范圍。
a.地址譯碼器74LS138
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外部芯片都通過總線與單片機(jī)連接。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)地與各個(gè)外部芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，故需進(jìn)行片選控制。若芯片內(nèi)有多個(gè)地址單元時(shí)，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的地址譯碼規(guī)定，外部擴(kuò)展芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，所以外部芯片不僅占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一定數(shù)量的地址單元，而且要使用讀/寫信號(hào)與讀/寫指令完成數(shù)據(jù)傳送。
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控硬件結(jié)構(gòu)中采用全地址譯碼方式。所謂全地址譯碼是：低位地址作為片內(nèi)地址，高位地址用譯碼器譯碼，譯碼器輸出的地址選擇信號(hào)作為片選線連至每個(gè)外部芯片的片選端。
地址譯碼常用74LS138譯碼器，G1、G2A和G2B是賦能端，A、B、C是選擇端，Y0～Y7是輸出端。
74LS138地址譯碼電路輸入端占用了8031單片機(jī)的P2.5～P2.7三根高位地址線，剩余的13根地址線用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)地址線。74LS138譯碼器每一個(gè)輸出端可接一個(gè)外部芯片的片選端實(shí)現(xiàn)分時(shí)片選控制，因此，一個(gè)74LS138譯碼器的8根輸出端可以連接8個(gè)8K字節(jié)地址空間。單片機(jī)的讀/寫信號(hào)經(jīng)過與門后控制譯碼器的賦能端G2A、G2B，這就保證只有在讀/寫狀態(tài)時(shí)譯碼器輸出端才會(huì)輸出片選信號(hào)。
4.2.3 I/O接口的擴(kuò)展
8031只有P1口可作為普通I/O口用，所以需擴(kuò)展，采用8255A芯片進(jìn)行擴(kuò)展，8255A有A、B、C三個(gè)可編程的8位I/O接口，有40個(gè)引腳，各引腳的功能說明如下：
8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為四個(gè)部分：
數(shù)據(jù)總線緩沖器 是一個(gè)8位的雙向三態(tài)驅(qū)動(dòng)器，用于與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連。
A.讀/寫控制邏輯
根據(jù)單片機(jī)的地址信息（A1、A0）與控制信息（RD、WR、RE、SET），控制片內(nèi)數(shù)據(jù)、CPU控制字、外設(shè)狀態(tài)信息的傳送。
B.控制電路
根據(jù)CPU送來的控制字使所管I/O接口按一定工作方式工作。對(duì)C口甚至可按位實(shí)現(xiàn)“置位”或“復(fù)位”。有A、B兩組控制電路。A組控制電路控制A口及C口的高四位（PC7～PC4）， B組控制電路控制B口及C口的低4位（PC3～PC0）。
C.并行I/O接口 有A、B、C三個(gè)端口。
A口：可編程為8位輸入，或8位輸出，或雙向傳送。
B口：可編程為8位輸入，或8位輸出，按不能雙向傳送。
C口：可分為兩個(gè)4位口，用于輸入或輸出；也可用作A口、B口的狀態(tài)控制信號(hào)。
4.2.4鍵盤接口設(shè)計(jì)
采用8279芯片是比較好的，因?yàn)?279芯片是專用的鍵盤/顯示器接口芯片，還可以編程。采用一片8279芯片和一片8255A即可。
8279芯片具有消顫（去抖動(dòng)）、雙鍵同時(shí)按下保護(hù)功能。顯示控制亦按掃描方式工作，可以顯示8或16個(gè)數(shù)碼（字符）。LED的個(gè)數(shù)應(yīng)滿足顯示值（如加工范圍）的要求。
4.2.5數(shù)碼管顯示電路
數(shù)碼顯示器是單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品中的廉價(jià)輸出設(shè)備。它由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮。控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起的稱為共陽(yáng)極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。這種筆畫式的七段顯示器，能顯示的字符數(shù)量較少，但控制簡(jiǎn)單，使用方便。
動(dòng)態(tài)顯示是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描）。對(duì)于每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點(diǎn)亮?xí)r間與間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示的為數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個(gè)8位并行口（稱為掃描口）?？刂聘鱾€(gè)顯示器所顯示的字形也需一個(gè)公用的8位口（稱為數(shù)據(jù)口）。
在8031RAM中設(shè)置6個(gè)顯示緩沖單元79H～7EH，分別存放6位顯示器的顯示數(shù)據(jù)。8255的A口掃描總是一位為高電平，即6位顯示器中僅有一位公共陰極為低電平，其它為高電平。8255的B口輸出相應(yīng)位（陰極為低）顯示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段，使某一位顯示出一個(gè)字符，其它位為暗。依次地改變A口輸出為高的位，B口輸出對(duì)應(yīng)的段數(shù)據(jù)，6位顯示器就顯示出緩沖器顯示數(shù)據(jù)所確定的字符。
4.3 軟件設(shè)計(jì)
CNC系統(tǒng)軟件任務(wù)的分解：
數(shù)控系統(tǒng)
加工程序
管理與操作模塊
插補(bǔ)功能
間隙補(bǔ)償
步進(jìn)電機(jī)控制
速度控制
環(huán)行分配
管理模塊
程序設(shè)計(jì)
自動(dòng)換刀
程序設(shè)計(jì)
鍵盤程序
顯示程序
鍵盤診斷
中斷功能診斷
圖4-2 CNC系統(tǒng)軟件任務(wù)
4.3.1步進(jìn)電機(jī)的環(huán)行分配
步進(jìn)電機(jī)在一個(gè)脈沖的作用下，轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步矩角，因而只要控制一定的脈沖數(shù)，即可精確控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的相應(yīng)角度。但步進(jìn)電機(jī)的各繞組必須按一定的順序通電才能正確工作，這種使電機(jī)繞組的通電順序按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化的裝置稱為脈沖分配器，又稱環(huán)行分配器。
步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中的通電順序稱為一個(gè)拍，若干個(gè)拍組成一個(gè)循環(huán)，但是即使是同一種步進(jìn)電機(jī)也能有不同的通電規(guī)律。
X分配
取當(dāng)前序號(hào)
取轉(zhuǎn)向符號(hào)
正轉(zhuǎn)
序號(hào)減1
序號(hào)加1
序號(hào)=0
序號(hào)=9
序號(hào)=8
序號(hào)=1
保存新序號(hào)
建立新狀態(tài)
保存新狀態(tài)
返回
N
N
N
Y
Y
Y
圖4-3 環(huán)行分配過程流程圖
4.3.2圓弧插補(bǔ)原理及其程序設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行圓弧插補(bǔ)。逐點(diǎn)比較法又稱為代數(shù)運(yùn)算法或醉步法，它的基本原理是：數(shù)控裝置在控制刀具按要求的軌跡移動(dòng)過程中，不斷比較刀具與給定輪廓的誤差，由誤差決定下一步刀具的移動(dòng)方向，使刀具向減少誤差的方向移動(dòng)，且只有一個(gè)方向移動(dòng)。
利用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行插補(bǔ)每進(jìn)給一步都要經(jīng)過四個(gè)工作節(jié)拍，如圖所示。
a.偏差判別 判別刀具當(dāng)前位置相對(duì)于給定輪廓的偏離情況，以此決定刀具移動(dòng)方向；
b.進(jìn)給 根據(jù)偏差判別結(jié)果，控制刀具相對(duì)于工件輪廓進(jìn)給一步，即向給定的輪廓靠攏，減少偏差；
c.偏差計(jì)算 由于刀具進(jìn)給已改變了位置，因此應(yīng)計(jì)算出刀具當(dāng)前位置的新偏差，為下次判別作準(zhǔn)備；
d.終點(diǎn)判斷 判別刀具是否已到達(dá)被加工輪廓線段的終點(diǎn)。若已到達(dá)終點(diǎn)，則停止插補(bǔ)；否則繼續(xù)插補(bǔ)。如此不斷重復(fù)上述四個(gè)節(jié)拍就可以加工出所要求的輪廓。
偏差判別
進(jìn) 給
偏差計(jì)算
終點(diǎn)？
結(jié)束
Y
N
圖4-4 逐點(diǎn)比較法的工作節(jié)拍
逐點(diǎn)比較法是我國(guó)數(shù)控裝置中經(jīng)常采用的一種插值運(yùn)算方法，采用這種方法不僅可以加工直線輪廓，也可以加工圓弧曲線輪廓。其算法特點(diǎn)是：運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于一個(gè)脈沖量，輸出均勻，而且輸出脈沖的速度變化小，調(diào)節(jié)方便。因此，在兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用教為廣泛。
根據(jù)逐點(diǎn)比較法的特點(diǎn)和圓弧插補(bǔ)的規(guī)律，可概括出圓弧插補(bǔ)程序的流程框圖如圖所示。
由于本設(shè)計(jì)的專用機(jī)床切削的走刀路經(jīng)與以往的X，Y軸，或是X，Y，Z有所不同，應(yīng)為本機(jī)床是將工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)變成圓周運(yùn)動(dòng)，而刀具作直線運(yùn)動(dòng)，也就是由刀具的直線運(yùn)動(dòng)V 和 工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度W合成加工零件的走刀路線。
所以只要把其中一個(gè)變量換成工作臺(tái)的角速度的變化就可以了。其插補(bǔ)原理不變。
插補(bǔ)開始
初始化：取起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)值，確定象限及進(jìn)給方向，確定終判計(jì)數(shù)器終值，清除偏差值為零等
是SR1嗎？
F≥0？
F≥0？
走△y
F=F+2yi+1
yi=yi+1
走△x
走△x
走△y
F=F-2xi+1
xi=xi-1
F=F+2xi+1
xi=xi+1
F=F-2yi+1
yi=yi-1
終判計(jì)數(shù)器？
走△y，終判計(jì)數(shù)不便
走△x，終判計(jì)數(shù)減1
走△x，終判計(jì)數(shù)不便
走△y，終判計(jì)數(shù)減1
終判計(jì)數(shù)器=0？
插補(bǔ)停止
N
Y
N
Y
N
Y
N
Y
Y
圖4-5 圓弧插補(bǔ)的流程框圖
4.3.3步進(jìn)電機(jī)的控制及其程序設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)也叫脈沖電機(jī)，是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖對(duì)應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件。當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)便轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。如按一定規(guī)律給步進(jìn)電機(jī)一串連續(xù)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)便一步一步地連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
步進(jìn)電機(jī)具有如下特點(diǎn)：
a. 位移量與輸入電脈沖數(shù)有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，步距誤差不會(huì)積累。
b. 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速與控制脈沖的頻率有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
c.控制性能好，在一定的頻率下，能按控制脈沖的要求快速起、停和反轉(zhuǎn)。
改變控制脈沖頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就隨著變化，并可在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。
d. 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，工作可靠，成本低。但其控制精度受到步距腳的限制。
所以，步進(jìn)電機(jī)廣泛用于數(shù)模轉(zhuǎn)換、速度控制和位置控制系統(tǒng)中，是開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的理想執(zhí)行元件。
步進(jìn)電機(jī)的控制主要由脈沖分配和驅(qū)動(dòng)電路兩部分組成。步進(jìn)電機(jī)脈沖控制任務(wù)主要有三點(diǎn)：一是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，二是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，三是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角（步數(shù)）。
控制輸送給電機(jī)的脈沖數(shù)就控制了電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角數(shù)。控制輸送的脈沖頻率可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向必須控制輸送脈沖給電機(jī)繞組的順序分配，這種分配稱為環(huán)行分配。
三相六拍的通電順序?yàn)椋?
正轉(zhuǎn)：A—AB—B—BC—C—CA
反轉(zhuǎn)：A—AC—C—CB—B—BA
表4-1三相六拍的通電順序
節(jié) 拍
通 電 相
控 制 模 型
正 轉(zhuǎn)
反 轉(zhuǎn)
二進(jìn)制
十六進(jìn)制
1
6
A
00000001
01H
2
5
AB
00000011
03H
3
4
B
00000010
02H
4
3
BC
00000110
06H
5
2
C
00000100
04H
6
1
CA
00000101
05H
步進(jìn)電機(jī)的變加速度變速控制及程序設(shè)計(jì)
軟件實(shí)現(xiàn)變加速度運(yùn)行的程序設(shè)計(jì)的基本思路:
a.累加脈沖(頻率為f0)和指令脈沖(頻率為f指)的產(chǎn)生
累加脈沖和指令脈沖若采用軟件延時(shí)的方法產(chǎn)生,需設(shè)置兩個(gè)計(jì)數(shù)器C0和
C1,每個(gè)機(jī)器指令周期減1,當(dāng)其值減至0時(shí)發(fā)出一個(gè)累加脈沖,同時(shí)C0賦初值,C1值減1，重復(fù)上述過程。當(dāng)C1值減為0時(shí)發(fā)出一個(gè)指令脈沖。由此可知，計(jì)數(shù)器C1中的初值表示了脈沖累加脈沖頻率f0 和指令脈沖頻率f指的比值。
b.誤差寄存器中存數(shù)N的計(jì)算
根據(jù)N=N指-N出，每當(dāng)CPU產(chǎn)生一個(gè)指令脈沖時(shí)，積存器中的值加1；每當(dāng)累加器產(chǎn)生溢出，積存器中的值減1。
c.誤差積存器中存數(shù)N的累加及輸出進(jìn)給脈沖的產(chǎn)生
每當(dāng)CPU產(chǎn)生一個(gè)累加脈沖時(shí)，將誤差積存器中的數(shù)N與上次存貯在積存器B中的累加數(shù)相加，若產(chǎn)生溢出，則發(fā)送一個(gè)輸出進(jìn)給脈沖，將在累加器的余數(shù)存入積存器B；若無溢出，將累加結(jié)果存入寄存器B中。
誤差積存器N清零
積存器B清零
延時(shí)
累加脈沖到？
B←B+N
有進(jìn)位溢出？
指令脈沖到？
發(fā)指令脈沖
N←N+1
發(fā)進(jìn)給脈沖
N←N-1 B←B+1
返回
計(jì)數(shù)器置初值
計(jì)數(shù)器減1
計(jì)數(shù)到發(fā)脈沖
入口
N
Y
Y
Y
N
N
圖4-6 變加速度運(yùn)行控制程序框圖
a)主程序框圖 b)累加脈沖產(chǎn)生框圖
4.3.4中斷功能診斷
MCS-51單片機(jī)有5個(gè)中斷源，其兩個(gè)定時(shí)器溢出中斷，內(nèi)部、外部、串行口各一個(gè)中斷源。如果對(duì)每一個(gè)中斷源一一診斷，比較費(fèi)事。實(shí)際應(yīng)用中，常選用以最頻繁中斷的中斷源作診斷。中斷功能診斷程序設(shè)計(jì)的基本思路是：先讓中斷源允許中斷，并在中斷子程序中作一件事來通知自檢程序，則可以根據(jù)這件事是否發(fā)生來判斷中斷是否發(fā)生；然后再讓中斷源屏蔽中斷，看看中斷還能否發(fā)生。這樣可初步達(dá)到診斷中斷控