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總體方案設計 國內外發(fā)展現(xiàn)狀 專用機床是一種專門適用于特定零件和特定工序加工的機床，而且往往是組成自動生產線式生產制造系統(tǒng)中，不可缺的機床品種。組合機床是專用機床的一種，它以標準化部件為基礎，配以少量的專用部件組成。而目前一些機床廠對其生產的通用機床若作改動時，也習慣用專用機床來取代。比如數(shù)控車床由于盤改為專用設計的，這臺數(shù)控車床則不用原機床型號，而采取編專用機床號的辦法。由于專用機床是一種《量體裁衣》產品，具有高效自動化的優(yōu)點，是大批量生產企業(yè)的理想裝備。隨著制造技術的進步，數(shù)控技術的普及，專用機床的數(shù)控化發(fā)展也很快，專用機床在生產實踐中占有一定的比重。據(jù)有關資料介紹，日本2001年專用機床產值占機床產值的比達到8.8%；我國臺灣省這一數(shù)字達到6.9%;而我國僅為0.67%。所以，在當前產品結構調整中，發(fā)展專用機床是行業(yè)發(fā)展中的一個值得注意的問題。 專用機床及其自動化生產線的制造，與大量生產汽車等性質不一樣，也與普通機床的制造性質不一樣，它具有兩個極其鮮明的特征：一是集成性。用戶訂購專用機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)），機床、夾具、工具（包含輔助）的開發(fā)設計與選擇，檢驗測量（包括進入機床前的毛坯檢驗、加工中及成品的檢驗測量）物流的輸送，切屑和冷卻液的防護與處理等于一體。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領域可能遇到的每一個問題。二是單一性。專用機床幾乎都是單臺性生產，要根據(jù)用戶提出的要求，進行一次性開發(fā)，一次性制造，而且還要保證一次性成功。 根據(jù)長期有關從事專用機床及其自動生產線開發(fā)制造的人員的體會，將專用機床制造業(yè)的工作歸納為以下八個特點： A.技術難度大。由于它是集加工工藝、機床、夾具、輔具、刀具、檢驗測量、物流等于一體，實現(xiàn)交鑰匙工程，從而涉及技術領域寬且復雜，又是一次性制造，要保證一次成功，所以技術難度大。 B.是經(jīng)營風險率高。專用機床（或自動線）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，有相當大的技術風險。由于技術方案不當，造成局部或整體報廢的情況屢見不鮮；由于一次性制造，在制造調試過程中難保不出現(xiàn)問題，解決這些總是需要時間，從而按期交貨也有一定的風險；由于裝備是專門為某一用戶訂做的，當該用戶因種種原因不能如期付款、甚至無力付款時，勢必造成制造企業(yè)的損失；在現(xiàn)行的金融制度還無法約束對方，產品無法轉讓他人的情況下，經(jīng)營顯而易見。 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，也不像通用設備那樣批量生產，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品；條件好的企業(yè)，又不愿當配角，對這種委托協(xié)作看不上。 D.是技術依賴性強。專用機床及其自動線從設計、工藝編制、生產制造到裝配調試的全過程，都需要一批有經(jīng)驗的技術人員、管理人員和技術工人。 E.是利潤空間小。在國外不同的生產模式的企業(yè)（指大量生產、批量生產或單件小批生產），其生產產品的效益相差不會太大，但國內這幾種生產模式的企業(yè)效益卻相差懸殊。如果做一比較，就很能說明問題，假如國外的某種產品價格為1，相對國內轎車價格則為1.15-1.25，對通用機床國內的價格為0.7左右，而國內專用機床的價格僅為0.3-0.4。 由于國情或用戶對專用機床制造業(yè)不夠理解等原因，專用機床的銷售價格總體偏低。近幾年，國內市場專用機床的單臺平均售價呈下降趨勢，以組合機床為例，其單臺平均售價從1996年的31萬多元下降到2000年的23萬多元，降幅達25%。在國外購買一臺標準的加工中心的費用和為其配全成加工某種零件所需的夾具、刀具及相關輔具的費用之比，一般是100:60左右，之所以后者占有如此高的比例，是因為除了考慮硬件的消耗外，更多是考慮技術的投入和由此而帶來的風險。而國內這一比值一般用戶僅能接受100:25左右。如果在考慮5%的質量保證金要在一年后才能拿到，這種種原因把產品的利潤壓縮到極小的空間。 F.是技術成長期長。專用機床的設計制造涉及專業(yè)面廣，要具備較豐富的工藝知識，要比較熟悉用戶的制造工藝，要保證一次成功，培養(yǎng)一名熟練的主管設計師，要花幾年時間，才能做出好的產品設計、好的制造工藝，生產出好的產品，技術成長期要長。 G.是人員流動困難。由于訂單不均衡，會引起生產的不均衡，國外除了零部件外協(xié)條優(yōu)越外，還有成熟的技術勞動力市場，企業(yè)可以根據(jù)訂單情況輸出或吸收有關勞動力，使這與企業(yè)生產相適應。國內則無法做到這一點，有時可以招些臨時工，但多數(shù)只能承擔一些輔助性工作，熟練技工則難以尋求。 H.是技術引進困難，與國外合作難。由于專用機床是一次性設計制造，引進技術若僅供一次使用，則成本太高，很難實現(xiàn)。到目前為止，我國專用機床制造業(yè)沒有一家談成合資，雖有接觸，但都僅限于具體項目的合作。 八個特點，八種原因，既相互關聯(lián)，又各具特性，但確實是影響我國專用機床制造業(yè)發(fā)展的重要方面。今天，我們要調整機床工業(yè)的產業(yè)結構，發(fā)展專用機床是一項十分重要的工作。 為此，從總體戰(zhàn)略和技術路線兩個層次及數(shù)控系統(tǒng)、功能部件、數(shù)控整機等幾個具體方面探討了新世紀的發(fā)展途徑。 國外利用數(shù)字計算機進行控制加工，是從40年代開始的，當時計算機用于對機機翼加工路徑進行數(shù)據(jù)處理。1952年美國麻省理工學院在一臺立式銑床上裝了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)同時控制三軸的運動，它成了世界上第一臺數(shù)控機床。此后，從60年代開始，其他一些工業(yè)國家如德國、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產及使用數(shù)控機床。1974年微處理機直接用于數(shù)控機床，進一步促進了數(shù)控機床的普及應用和大力發(fā)展。從此，數(shù)控機床在制造業(yè)中擔當了十分重要的角色。 我國數(shù)控機床的研制是從1958年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至80年代后引進了日本、美國、西班牙等國數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術后，我國的數(shù)控技術才有質的飛躍，應用面逐漸鋪開，數(shù)控技術產業(yè)才逐步形成規(guī)模。目前，我國銑床的加工水平與發(fā)達國家相比設備陳舊，技術水平落后，嚴重影響了生產力的發(fā)展，采用先進的數(shù)控機床，已經(jīng)成為我國制造加工技術發(fā)展的總趨勢。 總體方案 由于該設計是專用機床設計，所以在考慮具體方案時，應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，機床的控制可靠，工作運行平穩(wěn)，應用范圍廣。 工作臺的設計 由于機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。所以將工作臺設計成圓形工作臺，使工作臺僅作平穩(wěn)，快速的圓周運動。 工作臺傳動機構的設計 由于工作臺要求是快速，平穩(wěn)，所以采用二級傳動，以減輕步進電機對工作臺的沖擊。由步進電機帶動蝸桿傳動，再由蝸桿帶動蝸輪軸，在通過一對斜齒帶動工作臺作圓周運動，電機放在工作臺與機床主軸箱之間。 數(shù)控部分設計 根據(jù)設計要求，本微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 采用以步進電機驅動的開環(huán)控制。開環(huán)控制多用于負載變化不大或要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控設備中。因為開環(huán)控制具有結構簡單、設計制造容易、控制精度較好、容易調試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。 機械部分設計 傳動部分的說明 本次設計的牛皮切邊專用機床是雙工位機床，即由一獨立步進電機帶動滾軸絲杠，使得走刀路徑走直線運動，在由步進電機帶動二個工作臺作圓周運動，完成加工任務。走刀路徑為X軸，二個工作臺分別為Y軸和Z軸。 總體設計如圖3-1所示： 圖3-1 機床尺寸聯(lián)系圖俯視圖 蝸輪的設計 采用圓弧圓柱蝸桿傳動，其特點是： a.齒廓凸凹齒合的形式，而共軛曲面的當量曲率半徑達。單位齒面壓力小。因而接觸強度得到提高。 b.瞬時接觸線方向與相對滑動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壓油膜。能夠減小磨損，提高傳動效率及可高性 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，提高齒的彎曲強度和抗沖擊能力。 d.設計方便，工藝簡單。制造加工無需特殊專用機床。 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，能保證傳動質量，當然也應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)擴大。以至齒頂尖等現(xiàn)象。 總之它具有承載能力大，傳動效率高。使用壽命長，重量輕，結構緊湊等優(yōu)點。如圖3-2所示： 圖3-2 圓弧圓柱蝸桿 蝸輪的參數(shù)計算 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于齒條和齒輪嚙合。阿基米德蝸桿傳動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（相當于螺紋螺距）應等于蝸輪端面齒距，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。標準規(guī)定壓力角α=20°。 B.蝸桿標準直徑 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)目和有利于滾刀標準化，以降低成本，特制定了蝸桿分度圓直徑系列國家標準，即蝸桿分度圓直徑與模數(shù)m有一定的搭配關系，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一周的周長為π其螺旋升角為γ，則沿軸線移動距離為（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，傳動效率越高，但直徑變小會導致蝸桿的剛度和強度削弱，設計時應綜合考慮。一般轉速高的蝸桿可取較小q值，蝸輪齒數(shù)較多時可取較大q值。 C.蝸桿螺旋升角與蝸輪螺旋角β ?一對蝸桿蝸輪嚙合時，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，傳動效率高；蝸桿頭數(shù)少，升角γ也小，則傳動效率低，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，不應少于26，但也不宜大于60-80。過多時，會使結構尺寸過大，蝸桿支承跨距加大，剛度下降，影響嚙合精度。 E.傳動比i和中心距a 對于減速蝸桿傳動 （3-3） 式中：和分別為蝸桿和蝸輪的轉速r/min。對于單級動力蝸桿傳動，i=5～80，常用15～50。普通圓柱蝸桿減速裝置傳動比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為基本傳動比，應優(yōu)先采用。非變位的標準蝸桿傳動的中心距為 （3-4） 式中，為蝸輪分度圓直徑， = m國家標準規(guī)定了中心距標準系列值：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 蝸桿傳動的受力分析： 蝸桿傳動的受力分析與斜齒輪傳動相似。通常不考慮摩擦力的影響。 蝸桿傳動時，齒面間相互作用的法向力可分解為三個相互垂直的分力：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矩，,i為傳動比，η為蝸桿傳動的總效率。 蝸桿，蝸輪上各分力方向的判定方法如下：切向力方向對主動件蝸桿，與其運動方向相反；對從動件蝸輪，與其受力點運動方向相同。徑向力各自指向輪心。而蝸桿軸向力的方向則與蝸桿轉向和螺旋線旋向有關。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，四指順著蝸桿轉動方向，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。 蝸桿傳動的強度計算 蝸輪齒面接觸疲勞強度計算蝸輪齒面接觸疲勞強度的計算主要是為了防止齒面產生點蝕。鋼蝸桿與青銅或灰鑄鐵蝸輪配對時，齒面接觸疲勞強度公式如下： 校核公式 （3-6） 設計公式 （3-7） 式中，K為載荷系數(shù)，用以考慮載荷集中和動載荷的影響。一般K=1.11.5。當載荷平穩(wěn)、蝸輪圓周速度≤3m/s和7級以上精度時，取較小值，否則取較大值；為蝸輪許用接觸應力（MPa），G為承載能力提高系數(shù)，對于普通圓柱蝸桿傳動，G=1；對于圓弧圓柱蝸桿傳動，G=1.10-3.9。當中心距a和蝸輪齒數(shù)較小時，G取較大值；其他符號意義和單位同前。2．蝸輪輪齒彎曲疲勞強度計算對于閉式蝸桿傳動，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)時才進行輪齒彎曲疲勞強度計算。對于開式傳動，則按蝸輪輪齒的彎曲疲勞強度進行設計。 A.按接觸疲勞強度計算 a.選 , 取=3,則 。 b.蝸輪轉矩 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=1069.056 g.導成角 h.許用接觸應力 =178MPa 其中 B．計算傳動效率 a.齒合效率 0.91 （3-8） b.傳動效率 （軸承效率=1，潤滑效率=0.98） c.檢驗值 （3-9） =160900 <1069 原選參數(shù)強度足夠 C．確定傳動的主要尺寸 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 導程角 右旋 軸向齒距 輪齒部分長度 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　 齒輪的設計 壓力角α的選擇 增大壓力角α，齒輪的齒厚及節(jié)點處的齒廓曲率半徑亦皆隨之增加，有利于提高齒輪傳動的彎曲強度及接觸強度。我國對一般用途的齒輪傳動規(guī)定的壓力角為α=20o。為增強航空有齒輪傳動的彎曲強度及接觸強度，我國航空齒輪傳動標準還規(guī)定了α=25o的標準壓力角。但增大壓力角并不一定都對傳動有利。對重合度接近2的高速齒輪傳動，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，降低噪聲和動載荷。 小齒輪齒數(shù)Z1的選擇 若保持齒輪傳動的中心距α不變，增加齒數(shù)，除能增大重合度、改善傳動的平穩(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)省制造費用。另外，降低齒高還能減小滑動速度，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度。不過在一定的齒數(shù)范圍內，尤其是當承載能力主要取決于齒面接觸強度時，以齒數(shù)多一些為好。 閉式齒輪傳動一般轉速較高，為了提高傳動的平穩(wěn)性，減小沖擊振動，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，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，對于α=20o的標準支持圓柱齒輪，應取z1≥17。Z2=u·z1。? 齒寬系數(shù)的選擇 （3-10） 由齒輪的強度公式可知，輪齒越寬，承載能力也愈高，因而輪齒不宜過窄；但增大齒寬又會使齒面上的載荷分布更趨不均勻，故齒寬系數(shù)應取得適合。圓柱齒輪齒寬系數(shù)的薦用值列于下表。對于標準圓柱齒輪減速器，齒寬系數(shù)取為 （3-11） 所以對于外捏合齒輪傳動的值規(guī)定為0.2，0.25，0.30，0.40，0.50，0.60，0.80，1.0，1.2。運用設計計算公式時，對于標準減速器，可先選定再用上式計算出相應的值 表3-1 ? 圓柱齒輪的齒寬系數(shù) f 裝置狀況 兩支撐相對小齒輪作對稱布置 兩支撐相對小齒輪作不對稱布置 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應取表中偏下限的數(shù)值；若皆為軟齒面或僅大齒輪為 軟齒面時可取表中偏上限的數(shù)值； b.括號內的數(shù)值用于人字齒輪，此時b為人字齒輪的總寬度； c.金屬切削機床的齒輪傳動，若傳遞的功率不大時，可小到0.2； d.非金屬齒輪可取≈0.5～1.2。 對接觸疲勞強度計算，由于點蝕破壞發(fā)生后只引起噪聲、振動增大，并不立即導致不能繼續(xù)工作的后果，故可取S==1。但是，如果一旦發(fā)生斷齒，就會引起嚴重的事故，因此在進行齒根彎曲疲勞強度的計算時S==1.25～1.5.? 齒輪精度選擇 齒輪精度選擇各類機器所用齒輪傳動的精度等級范圍，列于下表中，按載荷及速度推薦的齒輪傳動精度等級如下圖所示。 表3-2 各類機器所用齒輪傳動的精度等級范圍 機器名稱 精度等級 機器名稱 精度等級 汽輪機 3~6 拖拉機 6~8 金屬切削機床 3~8 通用減速機 6~8 航空發(fā)動機 4~8 鍛壓機床 6~9 輕型汽車 5~8 起重機 7~10 載重汽車 7~9 農用機器 8~11 注：主傳動齒輪或重要的齒輪傳動，精度等級偏上限選擇；輔助傳動的齒輪或一般齒輪傳 動，精度等級居中或偏下限選擇。 ? 圖3-3 齒輪傳動的精度選擇圓柱齒輪傳動 軸的結構設計 軸主要有軸頸、軸頭、軸身三部份組成。 軸的結構設計的主要要求是： 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距，有利于提高強度和剛度 c.具有良好的工藝性。 d.便于裝配和調整。 e.節(jié)省材料，減輕質量 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，應用廣泛。 矩形花鍵按齒數(shù)和齒高的不同，在標準中規(guī)定了兩個尺寸系列：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，故對軸和孔德小徑都進行磨削加工。盡管加工復雜。但定心精度高 B.漸開線花鍵 漸開線花鍵的齒廓為漸開線，標準壓力角有30度和45度兩種。與矩形花鍵相比，齒根較厚，應力集中較小，強化高。花鍵軸可用加工齒輪的方法加工，工藝性好，但加工內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。具有自動定心作用，各齒承載均勻。 花鍵軸和花鍵孔通常用強度不低于600MPa 的鋼制造。在載荷作用下頻繁移動的花齒要經(jīng)過熱處理，以獲得足夠的表面硬度。 工作臺的設計圖 如圖3-5所示： 圖3-5 工作臺上半部分 如圖3-5所示，工作臺采用圓形，以減少轉動慣量和工作臺的重量，還可以減少轉動時的阻力。 工作臺的加工示意如圖3-6所示： 圖3-6工作臺的工作示意圖 數(shù)控系統(tǒng)的設計 概述 本設計的任務是利用微機對牛皮切邊機的刀具路徑進行控制設計。運用微機對專用機床刀具的橫向和豎直方向進給系統(tǒng)進行數(shù)字控制，并要達到設計要求，刀架要設計成自動控制的自動轉位刀架。 微機數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設計 任何一個數(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，其性能的好壞直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運行。機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路概括起來由CPU、總線、存儲器以及I/O接口四部分組成。其硬件結構框圖如圖所示。其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進行數(shù)據(jù)運算處理和控制各部分電路協(xié)調工作。存儲器用于存放系統(tǒng)軟件，應用程序和運行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁。總線則是CPU與存儲器、接口以及其它轉換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU與部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。 設計的內容： a.按照總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的的方案，并繪制微機控制系統(tǒng)的結構框圖。 b.選擇微機或CPU的類型。 c.根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的具體要求設計存貯器擴展電路。 d.根據(jù)被控對象和系統(tǒng)工作要求，設計擴展I/O接口電路、轉換電路及驅動電路。 e.選擇控制電路中各器件及電器元件的參數(shù)及型號，繪制電氣原理圖。 存儲器 RAM/ROM CPU I/O接口 光電隔離 功率放大 控制對象 （步進電機） 外設、鍵盤 顯示器等 圖4-1數(shù)控系統(tǒng)硬件結構框圖 單片機的選擇 根據(jù)總體方案的確定，微機已采用MCS-51系列單片機。51系列相對48系列單片機指令更豐富，相對96系列價格更便宜。51系列有三種型號：8031是無ROM的8051；8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控機中應用最多的是8031單片機。本設計就采用8031單片機。 8031單片機是美國Intel公司的產品MCS—51系列單片機的一個型號，是目前性能較高的8位單片微型計算機。8031單片機內部包含一個8位CPU，128字節(jié)的RAM，兩個16位定時器，四個八位并行口，一個全功能串行口，可擴展的外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量個64K字節(jié)，具有5個中斷源并配有兩個優(yōu)先級，還有21個特殊功能寄存器。 從上述特性可以看出，一塊8031單片機的功能幾乎相當于一塊Z80CPU，一塊RAM，一塊Z80CTC，兩快Z80PIO和一塊Z80SIO組成的微型計算機系統(tǒng)。所以8031單片機是一種理想的8位微型計算機，在各種數(shù)控系統(tǒng)中的到廣泛的應用。 8031單片機是一個有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)外部存儲器擴展時，作高8位地址線使用，系統(tǒng)不需要擴展時，也可以供用戶使用； P3口：8位雙向I/O口，是一個雙功能口。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，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，定時器0外輸入端； P3.5—T1，定時器1外輸入端； P3.6—WR，寫信號； P3.7—RD，讀信號。 ALE/PROG：訪問外部存儲器時，用于鎖存地址線低8位字節(jié)的地址鎖存允許輸出。ALE提供一個定時信號，在與外部存儲器存取數(shù)據(jù)時把P0口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中。這個引腳也是EPROM編程時的編程脈沖輸入端（PROG）。 PSEN：程序存儲器允許輸出，是外部程序存儲器的讀選通信號。 EA/VDD：EA為高電平時，CPU執(zhí)行內部程序存儲器的指令。EA為低電平時CPU執(zhí)行外部程序存儲器指令。使用8031單片機時，EA必須接地。 XTAL1：振蕩器的反相放大器輸入，使用外部振蕩器時必須接地； XTAL2：振蕩器的反相放大器輸出，使用外部振蕩器時，接受外部振蕩信號； RST/VPD：復位控制，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時，可實現(xiàn)復位操作。VPD引腳是掉電保護電路輸入口。 存儲器擴展 8031單片機內只有128字節(jié)的RAM，沒有ROM。機床數(shù)控系統(tǒng)需要的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量都較大，必須外接程序存儲器（EPROM）和數(shù)據(jù)存儲器（RAM）芯片。 A.程序存儲器的擴展，擴展ROM 常用的EPROM存儲器有2716，2732，2764，27128，27256等，容量分別為2K、4K、8K、16K，32K。 a.27128EPROM芯片 8031無內部ROM，必須擴展外部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，可與單片機所選的12MHz時鐘相匹配。 27128EPROM芯片是一個有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 單片機規(guī)定P0口提供低8位地址線，同時又要作為數(shù)據(jù)線，所以P0是一個分時輸出低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單片機的地址鎖存信號ALE連接。當片選端G=1時，74LS373的輸出端與輸入端相通，當G端從高電平返回低電平（下降沿）時，輸入的地址信息就被鎖入Q1—Q8中。 B.數(shù)據(jù)存儲器擴展，擴展RAM 8031片內僅有RAM128字節(jié)，需擴展，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 在單片機應用系統(tǒng)中，所有外部芯片都通過總線與單片機連接。單片機數(shù)據(jù)總線分時地與各個外部芯片進行數(shù)據(jù)傳送，故需進行片選控制。若芯片內有多個地址單元時，還要進行片內地址選擇。8031單片機應用系統(tǒng)的地址譯碼規(guī)定，外部擴展芯片與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，所以外部芯片不僅占用數(shù)據(jù)存儲器一定數(shù)量的地址單元，而且要使用讀/寫信號與讀/寫指令完成數(shù)據(jù)傳送。 經(jīng)濟型數(shù)控硬件結構中采用全地址譯碼方式。所謂全地址譯碼是：低位地址作為片內地址，高位地址用譯碼器譯碼，譯碼器輸出的地址選擇信號作為片選線連至每個外部芯片的片選端。 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)存儲器的內地址線。74LS138譯碼器每一個輸出端可接一個外部芯片的片選端實現(xiàn)分時片選控制，因此，一個74LS138譯碼器的8根輸出端可以連接8個8K字節(jié)地址空間。單片機的讀/寫信號經(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)時譯碼器輸出端才會輸出片選信號。 I/O接口的擴展 8031只有P1口可作為普通I/O口用，所以需擴展，采用8255A芯片進行擴展，8255A有A、B、C三個可編程的8位I/O接口，有40個引腳，各引腳的功能說明如下： 8255A的內部結構可分為四個部分： 數(shù)據(jù)總線緩沖器 是一個8位的雙向三態(tài)驅動器，用于與單片機的數(shù)據(jù)總線相連。 A.讀/寫控制邏輯 根據(jù)單片機的地址信息（A1、A0）與控制信息（RD、WR、RE、SET），控制片內數(shù)據(jù)、CPU控制字、外設狀態(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C口甚至可按位實現(xiàn)“置位”或“復位”。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。 鍵盤接口設計 采用8279芯片是比較好的，因為8279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）、雙鍵同時按下保護功能。顯示控制亦按掃描方式工作，可以顯示8或16個數(shù)碼（字符）。LED的個數(shù)應滿足顯示值（如加工范圍）的要求和便于顯示。 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼顯示器是單片機應用產品中的廉價輸出設備。它由若干個發(fā)光二極管組成的。當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)亮。控制不同組合的二極管導通，就能顯示出各種字符。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器，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，但控制簡單，使用方便。 動態(tài)顯示是一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描）。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導通電流有關，也和點亮時間與間隔時間的比例有關。調整電流和時間參數(shù)，可實現(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8位并行口（稱為掃描口）。控制各個顯示器所顯示的字形也需一個公用的8位口（稱為數(shù)據(jù)口）。 在8031RAM中設置6個顯示緩沖單元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口輸出對應的段數(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。 軟件設計 CNC系統(tǒng)軟件任務的分解： 數(shù)控系統(tǒng) 加工程序 管理與操作模塊 插補功能 間隙補償 步進電機控制 速度控制 環(huán)行分配 管理模塊 程序設計 自動換刀 程序設計 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 步進電機的環(huán)行分配 步進電機在一個脈沖的作用下，轉過一個相應的步矩角，因而只要控制一定的脈沖數(shù)，即可精確控制步進電機轉過的相應角度。但步進電機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。 步進電機在運行中的通電順序稱為一個拍，若干個拍組成一個循環(huán)，但是即使是同一種步進電機也能有不同的通電規(guī)律。 X分配 取當前序號 取轉向符號 正轉 序號減1 序號加1 序號=0 序號=9 序號=8 序號=1 保存新序號 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 圓弧插補原理及其程序設計 本設計采用逐點比較法進行圓弧插補。逐點比較法又稱為代數(shù)運算法或醉步法，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方向，使刀具向減少誤差的方向移動，且只有一個方向移動。 利用逐點比較法進行插補每進給一步都要經(jīng)過四個工作節(jié)拍，如圖所示。 a.偏差判別 判別刀具當前位置相對于給定輪廓的偏離情況，以此決定刀具移動方向； b.進給 根據(jù)偏差判別結果，控制刀具相對于工件輪廓進給一步，即向給定的輪廓靠攏，減少偏差； c.偏差計算 由于刀具進給已改變了位置，因此應計算出刀具當前位置的新偏差，為下次判別作準備； d.終點判斷 判別刀具是否已到達被加工輪廓線段的終點。若已到達終點，則停止插補；否則繼續(xù)插補。如此不斷重復上述四個節(jié)拍就可以加工出所要求的輪廓。 偏差判別 進 給 偏差計算 終點？ 結束 Y N 圖4-4 逐點比較法的工作節(jié)拍 逐點比較法是我國數(shù)控裝置中經(jīng)常采用的一種插值運算方法，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。其算法特點是：運算直觀，插補誤差小于一個脈沖量，輸出均勻，而且輸出脈沖的速度變化小，調節(jié)方便。因此，在兩坐標聯(lián)動的數(shù)控機床中應用教為廣泛。 根據(jù)逐點比較法的特點和圓弧插補的規(guī)律，可概括出圓弧插補程序的流程框圖如圖所示。 由于本設計的專用機床切削的走刀路經(jīng)與以往的X，Y軸，或是X，Y，Z有所不同，應為本機床是將工作臺的直線運動變成圓周運動，而刀具作直線運動，也就是由刀具的直線運動V 和 工作臺的旋轉速度W合成加工零件的走刀路線。 所以只要把其中一個變量換成工作臺的角速度的變化就可以了。其插補原理不變。 插補開始 初始化：取起點、終點坐標值，確定象限及進給方向，確定終判計數(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 終判計數(shù)器？ 走△y，終判計數(shù)不便 走△x，終判計數(shù)減1 走△x，終判計數(shù)不便 走△y，終判計數(shù)減1 終判計數(shù)器=0？ 插補停止 N Y N Y N Y N Y Y 圖4-5 圓弧插補的流程框圖 步進電機的控制及其程序設計 步進電機也叫脈沖電機，是將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的電磁機械裝置，是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖對應的增量驅動元件。當給步進電機一個電脈沖信號時，步進電機便轉動一個步距角。如按一定規(guī)律給步進電機一串連續(xù)電脈沖信號，步進電機便一步一步地連續(xù)旋轉。 步進電機具有如下特點： a. 位移量與輸入電脈沖數(shù)有嚴格的對應關系，步距誤差不會積累。 b. 穩(wěn)定運行時的轉速與控制脈沖的頻率有嚴格的對應關系。 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。 改變控制脈沖頻率，電動機的轉速就隨著變化，并可在很寬的范圍內平滑調節(jié)。 d. 控制系統(tǒng)簡單，工作可靠，成本低。但其控制精度受到步距腳的限制。 所以，步進電機廣泛用于數(shù)模轉換、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。 步進電機的控制主要由脈沖分配和驅動電路兩部分組成。步進電機脈沖控制任務主要有三點：一是控制電機的轉向，二是控制電機的轉速，三是控制電機的轉角（步數(shù)）。 控制輸送給電機的脈沖數(shù)就控制了電機相應的轉角數(shù)。控制輸送的脈沖頻率可以控制電機的轉速，控制電機的轉向必須控制輸送脈沖給電機繞組的順序分配，這種分配稱為環(huán)行分配。 三相六拍的通電順序為： 正轉：A—AB—B—BC—C—CA 反轉：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 反 轉 二進制 十六進制 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 步進電機的變加速度變速控制及程序設計 軟件實現(xiàn)變加速度運行的程序設計的基本思路: a.累加脈沖(頻率為f0)和指令脈沖(頻率為f指)的產生 累加脈沖和指令脈沖若采用軟件延時的方法產生,需設置兩個計數(shù)器C0和 C1,每個機器指令周期減1,當其值減至0時發(fā)出一個累加脈沖,同時C0賦初值,C1值減1，重復上述過程。當C1值減為0時發(fā)出一個指令脈沖。由此可知，計數(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的計算 根據(jù)N=N指-N出，每當CPU產生一個指令脈沖時，積存器中的值加1；每當累加器產生溢出，積存器中的值減1。 c.誤差積存器中存數(shù)N的累加及輸出進給脈沖的產生 每當CPU產生一個累加脈沖時，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，若產生溢出，則發(fā)送一個輸出進給脈沖，將在累加器的余數(shù)存入積存器B；若無溢出，將累加結果存入寄存器B中。 誤差積存器N清零 積存器B清零 延時 累加脈沖到？ B←B+N 有進位溢出？ 指令脈沖到？ 發(fā)指令脈沖 N←N+1 發(fā)進給脈沖 N←N-1 B←B+1 返回 計數(shù)器置初值 計數(shù)器減1 計數(shù)到發(fā)脈沖 入口 N Y Y Y N N 圖4-6 變加速度運行控制程序框圖 a)主程序框圖 b)累加脈沖產生框圖 中斷功能診斷 MCS-51單片機有5個中斷源，其兩個定時器溢出中斷，內部、外部、串行口各一個中斷源。如果對每一個中斷源一一診斷，比較費事。實際應用中，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計的基本思路是：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。這樣可初步達到診斷中斷控制功能的目的。 響應中斷 有檢測標志？ T0中斷的 正常任務 RET 開T0中斷 請檢測標志 Y N 啟動T0 出錯標志 延 時 屏蔽T0中斷 啟動T0 延 時 正常標志 返 回 中斷發(fā)生否？ 中斷發(fā)生否？ N N Y Y 圖4-7中斷功能診斷程序框圖 a)診斷主程序 b)T0中斷程序 T0定時中斷服務子程序如下： PGT0： JNB 2EH.0，PGT1 ；狀態(tài)判斷 CLR 2EH.0 ；清檢測標志 RETI ；返回 PGT1： . ；正常T0中斷服務程序 . . RETI 工作臺的加工示意框圖 整個機床采用雙工位工作，進給是由工作臺的圓周運動即由圓盤工作臺帶動工件作圓周運動來完成，再由刀架的往復直線運動和刀具的旋轉運動來完成整個的切削過程。 當機床在正傳時，應要求需要反轉時，由于齒輪組和蝸輪組之間有間隙，所以需要在編程的時候注意要有間隙補償 控制系統(tǒng) 步近電機 步進電機 工作臺的圓周運動 角速度W 刀架的直線運動 V 加工路線的合成 電機 主軸箱 刀具的旋轉運動 圖4-8 走刀路線的合成 結論 牛皮切邊機是為了提高工作效率而進行設計的專用機床，該機械主要用于槍套等牛皮切邊產品的毛邊的切削。除上下料為手工外其自動性比較高。但本次設計的機器的傳動的效果不是很好，因為此次設計只通過二級傳動，由蝸輪蝸桿，和一對斜齒構成，之間考慮的傳動精度，控制系統(tǒng)都沒有達到最好的效果，而且機箱的結構設計不是太好。因此以后的設計不僅要考慮整個機床的傳動精度，還要對機床的箱體進行改進，這樣可以使得機床的應用范圍加大，也提高了機床的生產效率。 但本設計也考慮了成本，選用圓弧圓柱蝸桿傳動。它設計方便，工藝簡單，制造加工無需特殊專用機床。選用常用的8031單片機，它的的功能幾乎相當于一塊Z80CPU，一塊RAM，一塊Z80CTC，兩快Z80PIO和一塊Z80SIO組成的微型計算機系統(tǒng)。所以8031單片機是一種理想的8位微型計算機，在各種數(shù)控系統(tǒng)中的到廣泛的應用。 參 考 文 獻 [1]徐錦康，蔡慧官，蔣同洋. 機械設計[M].機械工業(yè)出版社，2001 [2]陳秀寧，施高義.機械設計課程設計[M].浙江大學出版社，2002 [3]丁元杰. 單片微機原理及應用[M].機械工業(yè)出版社，1999 [4]機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].機械工業(yè)出版社，2004 [5]陳嬋, 張喜軍， 高振江. X52K 型升降臺銑床工作臺的液壓改造與設計[J]機床與液壓, ? 1997(6):12-15 [6]栗曉華, 孟杰. X62W型萬能銑床進給機構改進[J].設備管理與維修?2002,(12):18 [7]厲春元,厲善元. 單圓弧線形葉片銑削工藝.機床與