DK7732數(shù)控高速走絲電火花線切割機(jī)及控制系統(tǒng)

DK7732數(shù)控高速走絲電火花線切割機(jī)及控制系統(tǒng),dk7732,數(shù)控,高速,電火花,切割機(jī),控制系統(tǒng) 南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 引言 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)從2005年2月28號(hào)開始到本年的六月中旬結(jié)束，長達(dá)四個(gè)月。畢業(yè)設(shè)計(jì)是一名在校大學(xué)生最后的一次也是最重要的一次設(shè)計(jì)，說其重要主要是因?yàn)樗鼘z驗(yàn)?zāi)阍诖髮W(xué)生活中所學(xué)知識(shí)的扎實(shí)程度，期間你必須復(fù)習(xí)所學(xué)過的一些課程，學(xué)習(xí)一些要用到的新的知識(shí)，它還將練習(xí)你的動(dòng)手能力，思考能力，創(chuàng)新能力，是你在大學(xué)學(xué)習(xí)生活的一次升華，是一個(gè)提升階段，更是走向工作崗位的一次練兵，因此我們都對此極為重視，更是投入了極大的熱情與努力來更好的完成它。 本次設(shè)計(jì)在顏競成教授的悉心指導(dǎo)下分四個(gè)階段按部就班的有條不紊的進(jìn)行。第一階段是搜集整理階段。在本階段主要是搜集足夠的資料信息并對設(shè)計(jì)題目進(jìn)行分析和實(shí)地調(diào)查，做到心中清楚。本設(shè)計(jì)其實(shí)從2004年元旦就開始了，截止到2004年3月份第一張外觀圖繪制成功為止。第二階段是機(jī)械部分設(shè)計(jì)階段，本階段主要應(yīng)用大學(xué)里面所學(xué)到的餓專業(yè)知識(shí)來進(jìn)行運(yùn)絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和坐標(biāo)工作臺(tái)的橫向和縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外還要進(jìn)行儲(chǔ)絲筒的三維零件設(shè)計(jì)。本階段主要是從三月份到五月份。五月份到六月份則是第三階段：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段。主要進(jìn)行電器電路設(shè)計(jì)，包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和脈沖功率放大電路設(shè)計(jì)。本階段也是一個(gè)學(xué)習(xí)的階段，對自己不太熟悉的領(lǐng)域的一次學(xué)習(xí)。六月份開始就是最后一個(gè)階段：整理復(fù)習(xí)階段，主要從事前幾個(gè)階段的整理溫習(xí)，寫說明書。以及畢業(yè)答辯前的各項(xiàng)具體細(xì)節(jié)的準(zhǔn)備。 所以說每個(gè)階段都是十分緊張而有難度的，有些問題是由于設(shè)計(jì)的難度，有些還是因?yàn)樽约褐R(shí)上的欠缺和基礎(chǔ)不扎實(shí)造成的?？梢哉f這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是個(gè)查缺補(bǔ)漏的機(jī)會(huì)。尤其是在同學(xué)的協(xié)助下，特別是在顏教授的指導(dǎo)下，遇到困難不逃避，主動(dòng)請教，主動(dòng)學(xué)習(xí)，獨(dú)立思考提出新方案，困難一個(gè)個(gè)的解決，才有了本次設(shè)計(jì)的成功。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)鍛煉了我團(tuán)體協(xié)作精神和獨(dú)立作業(yè)的能力。專業(yè)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對自己將來都是一次具有深遠(yuǎn)影響的事情。 一、 總體方案設(shè)計(jì) (一)總體方案的擬定 1．電火花線切割機(jī)床具有定位、縱向和橫向的直線插補(bǔ)功能；還能要求暫停，進(jìn)行循環(huán)加工等。因此，數(shù)控系統(tǒng)選取連續(xù)控制系統(tǒng)。 2．電火花線切割機(jī)床屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定的加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)應(yīng)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 3．根據(jù)電火花線切割機(jī)床最大的加工尺寸，加工精度，控制速度和經(jīng)濟(jì)性要求，一般采用8位微機(jī)。在8位微機(jī)中，MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比。因此，可以選擇MCS-51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 4．根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)控制系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器；包括光隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。此外，系統(tǒng)中還應(yīng)該包括脈沖發(fā)生電路和其它輔助電路。 5．縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲桿螺母副組成，起傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的。 6．為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲桿螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙。齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的餓機(jī)構(gòu)。 7．采用滾動(dòng)道軌可以減少道軌見的摩擦阻力，便于工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)精確和微量移動(dòng)，且潤滑方法簡單。 在上述的基礎(chǔ)上，有條件的還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鉬絲的角度調(diào)節(jié)，使加工過程更加細(xì)致。 （二）主要技術(shù)參數(shù)的確定 技術(shù)參數(shù)主要包括運(yùn)動(dòng)參數(shù)，尺寸參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)。DK7732電火花線切割機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)如下： 工作臺(tái)行程/mm 500*320 最小切削厚度/mm 30（可調(diào)） 加工表面粗糙度Ra/μm 2.5 切割速度/mm/min 100 加工精度/mm 0.015 切割工件最大厚度/mm 300 電極絲移動(dòng)速度 1.1m/s 電極絲直徑 φ0.1~φ0.2mm 二、 儲(chǔ)絲走絲部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （一）儲(chǔ)絲走絲部件運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 運(yùn)絲機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是由絲筒電機(jī)正反轉(zhuǎn)得到的餓。電極通過聯(lián)軸節(jié)與絲筒連接，絲筒裝有齒輪，通過過度齒輪與絲桿上的齒輪齒合。絲桿固定在拖板上，螺母固定在底座上，拖板與底座采用裝有滾珠的V形滾動(dòng)導(dǎo)軌連接，這樣絲筒每轉(zhuǎn)一周拖板直線移動(dòng)相應(yīng)的距離，因此機(jī)床工作前應(yīng)根據(jù)零件厚薄和精度要求可在0.12mm到0.25mm之間調(diào)節(jié)。 1．對高速走絲機(jī)構(gòu)的要求 （1）高速走絲機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)絲筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，還要進(jìn)行相應(yīng)的軸向移動(dòng)，以保證極絲在儲(chǔ)絲筒上整齊排繞。 （2）儲(chǔ)絲筒的徑向和軸向竄動(dòng)量要小。 （3）儲(chǔ)絲筒要能夠正反向旋轉(zhuǎn)，電極絲的走絲速度在7~12m/s范圍內(nèi)無級或有級可調(diào)，或恒速轉(zhuǎn)動(dòng)。 （4）走絲機(jī)構(gòu)最好與床身相互絕緣。 （5）傳動(dòng)齒輪副、絲桿副應(yīng)具備潤滑措施。 2、高速走絲機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 高速走絲機(jī)構(gòu)由儲(chǔ)絲筒組合件、上下拖板、絲桿副、齒輪副、換向裝置和絕緣件等部分組成，如下圖2.1所示 圖2.1DK7732機(jī)床的儲(chǔ)絲走絲系統(tǒng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 儲(chǔ)絲筒由電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。儲(chǔ)絲筒另外一端通過二對齒輪減速后帶動(dòng)絲桿。儲(chǔ)絲筒、電動(dòng)機(jī)、齒輪都安裝在兩個(gè)支架上。支架及絲桿則安裝在拖板上，調(diào)整螺母安裝在底座上，拖板在底座上來回運(yùn)動(dòng)。螺母具有消除間隙的副螺母和彈簧，齒輪及絲桿螺距的搭配為設(shè)旋轉(zhuǎn)一圈拖板移動(dòng)0.25mm，所以該儲(chǔ)絲筒適用于φ0.25mm以下的鉬絲。 儲(chǔ)絲筒運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)平穩(wěn)，無不正常振動(dòng)。滾筒外圓振擺應(yīng)小于0.03mm，反向間隙應(yīng)小于0.05mm，軸向竄動(dòng)應(yīng)完全徹底消除。 高頻電源的負(fù)端通過碳刷送到儲(chǔ)絲筒的尾部，然后傳到鉬絲上，碳刷應(yīng)保持良好接觸，防止機(jī)油或其它贓物進(jìn)入。 儲(chǔ)絲筒本身作為高速正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)、滾筒及絲桿的軸承應(yīng)定期拆洗并加潤滑脂，換油期限可根據(jù)使用情況具體決定。其余中間軸、齒輪、三角導(dǎo)軌及絲桿、螺母等每班應(yīng)注油一次。 （1）儲(chǔ)絲筒旋轉(zhuǎn)組合件 儲(chǔ)絲筒旋轉(zhuǎn)組合件主要由儲(chǔ)絲筒、聯(lián)軸器和軸承組成。 ①儲(chǔ)絲筒 儲(chǔ)絲筒是電極絲穩(wěn)定移動(dòng)和整齊排繞的關(guān)鍵部件之一，一般用45號(hào)鋼制造。為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，筒壁應(yīng)盡量薄，按機(jī)床規(guī)格的不同，選用的范圍一般為1.5~5mm。為進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，也可選用鋁鎂合金材料制造。儲(chǔ)絲筒壁厚要均勻，工作表面要有較好的表面粗糙度，一般R為0.8μm。為保證絲筒組合件動(dòng)態(tài)平衡，應(yīng)嚴(yán)格控制內(nèi)孔、外圓對支撐部分的同軸度。儲(chǔ)絲筒與主軸裝配后的徑向跳動(dòng)量應(yīng)不大于0.01mm。一般裝配后，以軸的兩端中心孔定位，重磨儲(chǔ)絲筒外圓和與軸承配合的軸徑。 ②聯(lián)軸器 走絲機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)組合件的電極軸與儲(chǔ)絲筒中心軸，一般不采用整體的長軸，而是利用聯(lián)軸器將二者聯(lián)在一起。由于儲(chǔ)絲筒運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)頻繁換向，聯(lián)軸器瞬間會(huì)受到正反向的剪切力，但由于這個(gè)力不大，且儲(chǔ)絲筒中心軸與電極軸有較高的同軸度要求。所以本設(shè)計(jì)采用YLD6剛性聯(lián)軸器。 （2）上下拖板 走絲機(jī)構(gòu)的上下拖板一般有下面二種滑動(dòng)導(dǎo)軌。 ①燕尾型導(dǎo)軌，這種結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便。旋轉(zhuǎn)調(diào)整桿帶動(dòng)塞鐵，可改變導(dǎo)軌副的配合間隙。但該結(jié)構(gòu)制造和檢驗(yàn)比較復(fù)雜，剛性較差，傳動(dòng)中摩擦損失也較大。 ②三角、矩形組合式導(dǎo)軌，如下圖所示。導(dǎo)軌的配合間隙由螺釘和墊片組成的調(diào)整環(huán)節(jié)來調(diào)整。本設(shè)計(jì)采用三角、矩形組合式導(dǎo)軌。如下圖2.2 圖2.2 三角矩形組合式導(dǎo)軌 由于儲(chǔ)絲筒走絲機(jī)構(gòu)的上拖板一邊裝有運(yùn)絲電動(dòng)機(jī)，儲(chǔ)絲筒軸向兩邊負(fù)荷差較大。為保證上拖板能平穩(wěn)的往復(fù)移動(dòng)，應(yīng)把下拖板設(shè)計(jì)的較長以使走絲機(jī)構(gòu)工作時(shí)，上拖板部分可始終不滑出下拖板，從而保證拖板的剛度、機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)精度。 （3）齒輪副和絲桿副 走絲機(jī)構(gòu)上拖板的傳動(dòng)鏈?zhǔn)怯?級減速齒輪副和一組絲桿副組成，它使儲(chǔ)絲筒在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，作相應(yīng)的軸向位移，保證電極絲整齊的排繞在儲(chǔ)絲筒上。 在本次設(shè)計(jì)線切割機(jī)中，走絲機(jī)構(gòu)是常是通過配換齒輪來改變儲(chǔ)絲筒的排絲筒的排絲距離，以適應(yīng)徘繞不同直徑的電機(jī)絲的要求。 絲桿副一般采用軸向調(diào)節(jié)法來消除螺紋配合間隙。為防止走絲電機(jī)換向裝置的失靈，導(dǎo)致絲桿副和齒輪副的損壞，在齒輪副中，可選用尼龍代替部分金屬齒輪。這不但可以在電機(jī)換向裝置失靈時(shí)，由于尼龍齒輪先損壞，保護(hù)絲桿副與走絲電機(jī)，還可以減少噪聲。但是由于要照顧專業(yè)知識(shí)的復(fù)習(xí)，所以決定選用傳統(tǒng)的金屬材料制造。 （4）線架、導(dǎo)輪部件結(jié)構(gòu) 線架與走絲機(jī)構(gòu)組成了電極絲的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。線架的主要功能是在電極絲按給定線速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，對電極絲起支撐作用，并使電極絲工作部分與工作臺(tái)平面保持一定的幾何角度。對線架的要求是： ①具有足夠的剛度和強(qiáng)度，在電極絲運(yùn)動(dòng)（特別是高速走絲）時(shí)，不應(yīng)出現(xiàn)震動(dòng)和變形； ②線架的導(dǎo)輪有較高的運(yùn)動(dòng)精度，徑向偏擺和軸向竄動(dòng)不超過0.005mm； ③導(dǎo)輪與線架本體、線架與床身之間有良好的絕緣性能； ④導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件有密封措施，可防止帶有大量放電產(chǎn)物和雜質(zhì)的工作液進(jìn)入導(dǎo)輪軸承； ⑤線架不但能保證電極絲垂直于工作臺(tái)面，在具有錐度切割功能的機(jī)床上，還具有能使電極絲按給定要求保持與工作臺(tái)平面呈一定角度的功能。 線架按功能可以分為固定式、升降式和偏移式三種類型：按結(jié)構(gòu)可分為懸臂式和龍門式兩種類型。 懸臂式固定線架主要由線架本體、導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件及保持器等組成。 （1） 線架本體結(jié)構(gòu) 中、小型線切割機(jī)床的線架本體常采用單拄支撐、雙臂懸梁式結(jié)構(gòu)。由于支撐電極絲的導(dǎo)輪位于懸臂的端部，同時(shí)電極絲保持一定張力，因此應(yīng)加強(qiáng)線架本體的剛度和強(qiáng)度，使線架的上下懸臂在電極絲運(yùn)動(dòng)時(shí)不致振動(dòng)和變形。 為了進(jìn)一步提高剛度和強(qiáng)度，在上下懸臂間增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。有的機(jī)床的線架本體有的采用龍門結(jié)構(gòu)。這時(shí)，工作臺(tái)拖板只沿一個(gè)坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)通過架在橫梁上的線架拖板來實(shí)現(xiàn)。 此外，針對不同厚度的工件，還有采用絲臂張開高度可調(diào)的分離式結(jié)構(gòu)，如下圖2.3所示?；顒?dòng)絲臂在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，上下移動(dòng)的距離由絲桿副調(diào)節(jié)。松開固定螺釘時(shí)，旋轉(zhuǎn)絲桿帶動(dòng)固定于上絲臂體的絲母，使上絲臂移動(dòng)。調(diào)整完畢后擰緊固定螺釘，上絲臂位置固定下來。為了適用線架絲臂張開高度的變化，在線架上下部分應(yīng)增設(shè)副導(dǎo)輪，如下圖2.4所示： 圖2.3 可調(diào)式線架本體結(jié)構(gòu) 圖2.4 可移動(dòng)絲臂 （2） 導(dǎo)輪部件結(jié)構(gòu) 1）導(dǎo)輪是本機(jī)床關(guān)鍵零件，關(guān)系到切割質(zhì)量，對導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件的要求如下。 ?、賹?dǎo)輪V形槽面應(yīng)有較高的精度，V形槽底的圓弧半徑必須小于選用的電極絲半徑，保證電極絲在導(dǎo)輪槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生軸向移動(dòng)。 ②在滿足一定強(qiáng)度要求下，應(yīng)盡量減輕導(dǎo)輪的質(zhì)量，以減少電極絲換向時(shí)的電極絲與導(dǎo)輪間的摩擦。導(dǎo)輪槽工作面應(yīng)有足夠的硬度，以提高其耐磨性。 ③導(dǎo)輪裝配后轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)輕便靈活，應(yīng)盡量減少軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)。 ④進(jìn)行有效的密封，以保證軸承的正常工作條件。 2）導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件的結(jié)構(gòu) 導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件的結(jié)構(gòu)主要有三種；懸臂支撐結(jié)構(gòu)、雙支撐結(jié)構(gòu)和雙軸尖支撐結(jié)構(gòu)。 懸臂支撐結(jié)構(gòu)簡單，上絲方便。但是因?yàn)閼冶壑?，張緊的電極絲運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性較差，難于維持較高的運(yùn)動(dòng)精度，同時(shí)也影響導(dǎo)輪和軸承的使用壽命。 雙支撐結(jié)構(gòu)為導(dǎo)輪居中，兩端用軸承支撐，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上絲麻煩。但是此種結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較好，剛度較高，不容易發(fā)生變形及跳動(dòng)。 雙軸尖支撐結(jié)構(gòu)。導(dǎo)輪兩端加工成30錐形軸尖，硬度在RC60以上。軸承由紅寶石或錫磷青銅制成。該結(jié)構(gòu)易于保證導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)部件的同軸度，導(dǎo)輪軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)量可以控制在較小的范圍內(nèi)。缺點(diǎn)是軸尖運(yùn)動(dòng)副摩擦力大，易于發(fā)熱和磨損。為補(bǔ)償軸尖運(yùn)動(dòng)副的磨損，利用彈簧的作用力使運(yùn)動(dòng)副良好接觸。 通過比較以上三種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可以看出第二種結(jié)構(gòu)比較適合作為DK7732高速走絲電火花線切割機(jī)床的導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)。 3）導(dǎo)輪的材料 為了保證導(dǎo)輪軸徑與導(dǎo)向槽的餓同軸度，一般采用整體結(jié)構(gòu)。導(dǎo)輪要求使用硬度高、耐磨性好的材料制成（如GCr15、W18Cr4V），也可以選用硬質(zhì)合金或陶瓷材料制造導(dǎo)輪的鑲件來增強(qiáng)導(dǎo)輪V形工作面的耐磨性和耐蝕性。 4）導(dǎo)輪組合件的裝配 導(dǎo)輪組合件裝配的關(guān)鍵是消除滾動(dòng)軸承中的問題，避免滾動(dòng)體與套杯工作表面在負(fù)荷作用下產(chǎn)生彈性變形，以及由此引起的軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)。因此，常用對軸承施加預(yù)負(fù)荷來解決。通常是在兩個(gè)支撐軸承的外環(huán)間放置一定厚度的定位環(huán)來獲得預(yù)負(fù)荷。預(yù)加負(fù)荷必須選擇得當(dāng)，若軸承受預(yù)加負(fù)荷過大，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生急劇磨損。同時(shí)，軸承必須清洗得很潔凈，并在顯微鏡下檢查滾道內(nèi)是否有金屬粉末、炭化物等，軸承經(jīng)清洗、干燥后，填以高速潤滑脂，起潤滑和密封作用。 （二）儲(chǔ)絲走絲部件主要零件強(qiáng)度計(jì)算 1．齒輪傳動(dòng)比的確定 鉬絲絲距選擇0.25mm，儲(chǔ)絲筒每轉(zhuǎn)一周，拖板帶動(dòng)儲(chǔ)絲筒移動(dòng)0.25mm，絲桿螺距選擇為3mm。 所以儲(chǔ)絲筒與絲桿見齒輪的傳動(dòng)比為： u==1：12； 采用二級齒輪傳動(dòng)，取u=1：4；u=1：3。 （1）齒輪齒數(shù)的確定 取Z=15；由于齒輪齒根與軸上鍵的距離不能為零。 即-（d+t）>2m 由d=16mm查設(shè)計(jì)手冊得： t=2.3mm； 而d=-2h =（Z-2ha-）m =（15-2-0.5）m =12.5m 代入上式得：12.5/2m-（16+2.3）/2>2m 取m=2； 又有Z=4Z=60 所以 =mZ=2×15=30mm =mZ=2×60=120mm 取Z=25；同理可得： 取m=3； 又有Z=3Z=75 所以 =mZ=3×25=75 =mZ=3×75=225 齒輪1，2中心距 a=（30+120）/2=75mm 齒輪3，4中心距 a=（75+225）/2=150mm 參考書籍《機(jī)械設(shè)計(jì)》 取 b=0.5d=0.5×30=15mm 其他數(shù)據(jù)如下 da=（Z＋2ha）m =（15+2×1）×2 =34mm da=124mm da=81mm da=231mm dr=（Z－2ha－2c）m =（15-2×1－2×0.25）×2 =25mm dr=115mm dr=67.5mm dr=217.5mm 1）傳動(dòng)件的估算 根據(jù)公式 d=91mm 其中 N——該傳動(dòng)軸的輸入功率 N=N 其中 N——電機(jī)頜定功率 η——從電機(jī)到該轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間傳動(dòng)件的傳動(dòng)效率的乘積 n——該轉(zhuǎn)動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速r/min 計(jì)算轉(zhuǎn)速n是傳動(dòng)件能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速 [φ]——每米長度上允許的扭轉(zhuǎn)角（deg/m） 取　η=0.995，N=0.55kw N= Nη =0.55×0.995 =0.54725kw n=1390r/min d=91 =10.2mm 4.齒輪模數(shù)估算 齒輪彎曲疲勞估算： m32 =32× =1.039mm 齒面點(diǎn)蝕估算： A370 =370 =49.28mm 其中n為該轉(zhuǎn)動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速r/min，A為齒輪中心距 中心距A及齒數(shù)Z、Z求出模數(shù) m= = =1.31 取較大的那個(gè)模數(shù)，在這個(gè)設(shè)計(jì)中，第一對齒輪傳動(dòng)取 m=2mm 第二對齒輪傳動(dòng)取 m=3mm 5.齒輪模數(shù)的驗(yàn)算 根據(jù)接觸疲勞計(jì)算齒輪模數(shù)公式為 m=16300mm 式中： N——計(jì)算齒輪傳遞的頜定功率 N=ηNkw n——計(jì)算齒輪（小齒輪）的計(jì)算轉(zhuǎn)速r/min ψ——齒寬系數(shù)，ψ=b/m，ψ常取6～10 Z——計(jì)算齒輪的齒數(shù)，一般取傳動(dòng)中最小的齒輪的齒數(shù) ——大小齒輪的齒數(shù)比 =，“+”用于外齒合，“-”用于內(nèi)齒合； k——壽命系數(shù)，k=； ——工作期限系數(shù)，= 齒輪等傳動(dòng)件在接觸和彎曲交變載荷下的疲勞曲線指數(shù)m和基準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)C n——齒輪的最低轉(zhuǎn)速r/min T——預(yù)定的齒輪工作期限，中型機(jī)床推薦T=15000～20000h ——轉(zhuǎn)速變化系數(shù) ——材料強(qiáng)化系數(shù)，幅值低的交變載荷可使用金屬材料的晶粒邊界強(qiáng)化，起著阻止疲勞細(xì)縫擴(kuò)展的作用； ——功率利用系數(shù) ——工作情況系數(shù) ——載荷系數(shù) ——齒向載荷分布系數(shù) Y——齒形系數(shù) [σ]、[σ]——許用彎曲接觸能力 查表可得：=1.2，=1.2，=1.15 = = =×0.78×0.51×0.60 =0.91 N=0.54725kw，ψ=10，[σ]=600MPa 則 =16300mm =1.625mm 根據(jù)彎曲疲勞計(jì)算齒輪計(jì)算模數(shù)公式為： =275mm =275 =0.063mm = = =×0.89×0.70×0.75 =0.554 所以m=2符合要求 同理m=3也符合要求 （三）儲(chǔ)絲走絲部件主要零件強(qiáng)度驗(yàn)算 1．齒輪強(qiáng)度的驗(yàn)算 齒輪危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件公式 σ= k——載荷系數(shù) k= φ——齒寬系數(shù)，取0.5 k——使用系數(shù)，取1 k——載荷系數(shù)，取1.05 ——齒間載荷分配系數(shù)，=1.0，=1.0 ——齒向載荷分布系數(shù) ——小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)距 =95.5×10 =95.5×10×0.55/1390 =3.78×10N·mm =1.11+0.18（1+6.7）+0.15×10b =1.11+0.18（1+6.7×0.25）×0.25+0.15×0.001×0.5 =1.23045 K=1×1.05×1.0×1.6 =1.218 查得：b/h=23/4.5 =5.11 =1.16 ——載荷作用與齒頂時(shí)齒形系數(shù) ——載荷作用與齒頂時(shí)應(yīng)力校正系數(shù) 查表得：=2.69，=1.575 則 = =18.4MPa N=60njL =60×1390×1×20000 =1.668× s——疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) s=～1.5 K——壽命系數(shù) （） ——齒輪的疲勞強(qiáng)度 =340MPa =520MPa [=272MPa 所以 其中： Z——區(qū)域系數(shù) Z——彈性影響系數(shù) K=1×1.05×1.0×1.23045 =1.29 =259.89 []=520MPa 所以 因此，所設(shè)計(jì)的齒輪1、2也滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求 同理也可得到所設(shè)立的齒輪3、4也滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求 齒輪設(shè)計(jì)合格 2．主軸的驗(yàn)算 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度： 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡圖，如圖2.5（a）。并分別作出水平方向和垂直方向的彎矩圖，如圖（b），（c），以及扭矩圖，如圖（d）。 軸的結(jié)構(gòu)圖與彎矩圖 先計(jì)算軸上的載荷： N·m 齒輪的分度圓直徑為： 252N 從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以明顯的看出截面B是危險(xiǎn)截面。先將計(jì)算出的截面C處的及M的值列于下表2.1 表2.1 應(yīng)力計(jì)算表 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F 彎矩M 總彎矩 扭矩 軸的計(jì)算應(yīng)力： 如表2.1中數(shù)值得： 前已經(jīng)選定的軸的材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理 查得 因此 ，故安全 （四）主軸組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1．軸承的配置形式 一般來說數(shù)控機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)的軸承有以下幾種配置形式： （1）前后支承均采用雙列短圓柱磙子軸承來承受徑向載荷，安裝在前斷的兩個(gè)推力球軸承來承受前后方向的軸向負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)能承受較大的負(fù)載（特別是軸向負(fù)載），可適應(yīng)強(qiáng)力切削，但主軸轉(zhuǎn)速不能太高，軸承在高轉(zhuǎn)速時(shí)容易發(fā)熱。由于推力球軸承軸承安裝在主軸的前端，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)前軸承和后軸承溫度差較大，熱變形對主軸精度影響也較大。前軸承溫度高，主軸前端升高量大，后軸承溫度低，主軸末端升高量小，因此，這種機(jī)構(gòu)目前應(yīng)用較小。 （2）前后支承用雙列短圓柱磙子軸承來承受徑向負(fù)荷，用安裝在主軸前端的雙向向心推力球軸承來承受軸向負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)剛性較好。 （3）前軸承用單列向心推力球軸承，背靠背安裝，由2到3個(gè)軸承組成一套，用以承受徑向和軸向負(fù)載；后軸承用雙列短圓柱磙子軸承。這種結(jié)構(gòu)適應(yīng)較高轉(zhuǎn)速、較重切削負(fù)載，主軸精度較好。但所承受的軸向負(fù)載較前兩種結(jié)構(gòu)小。 （4）前后支承采用成組單列向心推力球軸承，用以承受徑向和軸向負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)適應(yīng)高轉(zhuǎn)速，中等負(fù)載的數(shù)控機(jī)床。在中、小規(guī)格的數(shù)控機(jī)床上采用這種機(jī)構(gòu)較多。 本設(shè)計(jì)主軸所采用的軸承支承方式為第四種。 2．主軸組件的調(diào)整和預(yù)緊 滾動(dòng)軸承的預(yù)緊是采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ菨L動(dòng)體和內(nèi)外套圈之間產(chǎn)生一定的預(yù)變形而帶伏負(fù)游隙運(yùn)行。預(yù)緊的目的是增加軸承的剛度，提高旋轉(zhuǎn)精度，延長軸承壽命。 按預(yù)載荷的方向可分為軸向預(yù)緊和徑向預(yù)緊。 而角接觸球軸承主要是軸向預(yù)緊，這可明顯提高軸向剛度。 三、進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì) （一）進(jìn)給傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 1．脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 （1）脈沖當(dāng)量的確定 目前，常用脈沖編碼器兼作位置和速度反饋。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，每個(gè)脈沖代表電機(jī)一定脈沖，每個(gè)脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角。步進(jìn)電機(jī)是一種電脈沖控制的特種電機(jī)，對于每一個(gè)電脈沖步進(jìn)電機(jī)都將產(chǎn)生一個(gè)恒定的步進(jìn)角位移，每一個(gè)脈沖或每步的轉(zhuǎn)角稱為步進(jìn)電機(jī)的步距角，可由選用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)從技術(shù)數(shù)據(jù)表中查出。 因此，每脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角，這個(gè)轉(zhuǎn)角經(jīng)齒輪副和滾珠絲桿使工作臺(tái)移動(dòng)一定的距離。每個(gè)脈沖所對應(yīng)的執(zhí)行件（如工作臺(tái)0的移距，稱為脈沖當(dāng)量或分辨率，記為，單位mm/脈沖。 應(yīng)根據(jù)機(jī)床或工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)所要求的定位精度來選定脈沖當(dāng)量?？紤]到機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差存在，脈沖當(dāng)量必須大于定位精度值。此次設(shè)計(jì)的電火花成型機(jī)床定位精度的設(shè)計(jì)要求是，根據(jù)該精度要求可確定脈沖當(dāng)量為。 （2）傳動(dòng)比的確定 設(shè)傳動(dòng)副的餓傳動(dòng)比為，若為一級傳動(dòng)，則， 為主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)，為從動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)。若為多級傳動(dòng)，則為總傳動(dòng)比。 對于步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)脈沖當(dāng)量確定，并且滾珠絲桿導(dǎo)程（mm）和電機(jī)步距角都也以初步選定后，則可用下式計(jì)算主軸系統(tǒng)的傳動(dòng)比 = =1 （二）滾珠絲桿螺母副的型號(hào)選擇和滾珠絲桿的選型和校核 1．滾珠絲桿螺母副的型號(hào)選擇 （1）最大工作載荷計(jì)算 滾珠絲桿上的工作載荷是指滾珠絲桿副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲桿所承受的軸向力，也叫做牽引力。它包括滾珠絲桿的走刀抗力及與移動(dòng)體中立和作用于道軌上的其它切削分力相關(guān)的摩擦力，可用下列實(shí)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。 對于矩形道軌 式中： ——工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷 ——工作臺(tái)垂直載荷 ——工作臺(tái)橫向載荷 G——移動(dòng)部件的重力 K——考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) F——考慮顛覆力矩影響的摩擦系數(shù) 對于滾動(dòng)導(dǎo)軌；f=0.0025～0.005 由于電火花線切割是電極絲放電進(jìn)行加工，可以認(rèn)為近似為零 所以； 取 Kg（估算） =fG=10000.005=5 (2)最大動(dòng)載荷C的計(jì)算及主要尺寸初選 滾珠絲桿應(yīng)根據(jù)斷定動(dòng)載荷選用，最大動(dòng)載荷計(jì)算原理與滾動(dòng)軸承相同。 滾珠絲桿的最大動(dòng)載荷應(yīng)用下式計(jì)算： 式中：L——工作壽命，單位10 n——絲桿轉(zhuǎn)速，單位r/min v——最大切削力條件下進(jìn)給速度，單位m/min ——絲桿基本導(dǎo)程，單位mm t——頜定使用壽命，單位h，可取t=15000h ——運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1～1.2，一般情況1.2～1.5 所以 = =11.96 n=1000v/ =1000×100×0.001/5 =20r/min L=60nt/ = =105.12（） C= = =33 根據(jù)以上計(jì)算選取CBM3205—5（《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊》上） 2．滾珠絲桿的選型和校核 滾珠絲桿已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設(shè)計(jì)制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結(jié)構(gòu)，在根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等條件選定合適的尺寸型號(hào)并向有關(guān)廠家訂購。此次設(shè)計(jì)中，滾珠絲桿被三次選用，故在這里只選取其中最重要的主軸傳動(dòng)中德望滾珠絲桿加以設(shè)計(jì)和校核。其步驟如下： 首先對于一些參數(shù)說明如下： 軸向變載荷（N），其中表示第個(gè)工作載荷，=1、2、3、4…n； 第個(gè)載荷對應(yīng)的轉(zhuǎn)速（r/min） 第個(gè)載荷對應(yīng)的工作時(shí)間（h）； 絲桿副最大移動(dòng)速度； 絲桿預(yù)期壽命； （1）型號(hào)選擇 1）根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求 選擇滾道截面形狀，查得螺母的循環(huán)方式和預(yù)緊方式； 2）計(jì)算滾珠絲桿副的主要參數(shù) ①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0，系數(shù)=1.5； ②計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)速 = =2000 ③計(jì)算當(dāng)量載荷 =2333N ④初步確定導(dǎo)程 = =2.5mm 取 ⑤計(jì)算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速 =120000 ⑥計(jì)算絲桿所需的頜定載荷 =1×2333×10 =1151N 3）選擇絲桿型號(hào) ①根據(jù)初選的和計(jì)算的，選取導(dǎo)程為5mm，頜定載荷大于的絲桿。所選絲桿型號(hào)為CDM2004-2.5。其為外循環(huán)雙管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式系列滾珠絲桿。 ②臨界轉(zhuǎn)速校核 =12× =12× =5970r/min 而最大工作轉(zhuǎn)速 =4000<0.8=4776 校核合格。 ③滾珠絲桿的預(yù)緊 預(yù)緊力（）一般取當(dāng)量載荷的三分之一或頜定動(dòng)載荷的十分之一。即： =778N 其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩 = =0.16N (三)步進(jìn)電機(jī)的選用 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行元件。具有以下四個(gè)特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)速（或線速度）與脈沖頻率成正比；②在負(fù)載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓、負(fù)載、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化；③速度可調(diào)，能夠快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；④定位精度高、同步運(yùn)行特性好。 數(shù)控電火花成型機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)要求電動(dòng)機(jī)定位精度高，速度調(diào)節(jié)方便快速，受環(huán)境影響小，且頜定功率小，并且可用于開環(huán)系統(tǒng)。而BF系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，具備以上的所有條件，我們選用的型號(hào)90BF004的電動(dòng)機(jī)作為主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源。 選用時(shí)主要有以下幾個(gè)步驟： 1．根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號(hào) （1）步距角 初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，并從手冊中查到步距角，由于 綜合考慮，我初選了可滿足上式的要求。 （2）矩頻特性 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系是； 步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩按下式計(jì)算： 式中： ——空載啟動(dòng)力矩； ——空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上的加速力矩； ——空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩； ——由于絲桿預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩； 而且初選電機(jī)型號(hào)時(shí)，應(yīng)滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即： 計(jì)算的各項(xiàng)力矩如下： ①加速力矩 = =1.8×10 = =0.519N/m ②空載摩擦力矩 =0.6 ③附加摩擦力矩 = = =0.519+0.6+1.222 =2.341 =0.951×25 =23.775 2．啟動(dòng)矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)有三種工況：啟動(dòng)、快速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、工進(jìn)運(yùn)行。 前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要對啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。 突跳啟動(dòng)時(shí)加速力矩很大，啟動(dòng)時(shí)丟步是不可避免的。因此很少見。而升速啟動(dòng)過程中只要升速時(shí)間足夠長，啟動(dòng)過程緩慢，空載力矩中的加速力矩不會(huì)很大。一般不會(huì)發(fā)生丟步現(xiàn)象。 （四）進(jìn)給機(jī)構(gòu)的支承設(shè)計(jì) 1.絲桿的支承形式 滾珠絲桿的支承和支承方式將影響絲桿副的剛度，因此，對運(yùn)動(dòng)精度要求高時(shí)應(yīng)審慎的加以選擇。常見的支承形式有以下幾種： ①絲桿一端安裝兩個(gè)深溝球軸承或者角接觸軸承或者圓錐滾子軸承的稱為固定支承；螺母相當(dāng)于固定支承。 ②安裝一個(gè)深溝球軸承或者角接觸球軸承或者圓錐滾子軸承的鉸支承；因此絲桿的支承方式有兩端固定；一端固定，一端鉸支；一端固定，一端自由等幾種； 本設(shè)計(jì)采用的是兩端固定的支承。 2.螺桿的支承方式 螺桿的支承方式有以下四種： （1）雙推自由支承： 將兩個(gè)方向相反的推力球軸承和兩個(gè)深溝球軸承裝在一端，另一端自由。 特點(diǎn)：適用于短螺桿。 （2）雙推支承 將兩個(gè)方向相反的推力球軸承和兩個(gè)深溝球軸承裝在一端，另一端裝一個(gè)或兩個(gè)深溝球軸承。 特點(diǎn)：螺桿水平安裝時(shí)，可減少或避免因自重產(chǎn)生的彎曲或高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，自由端的晃動(dòng)。 適用于長螺桿。 （3）單推單推或雙推單推 兩端各安裝一個(gè)方向相反的推力球軸承和一個(gè)深溝球軸承或一端裝兩個(gè)方向相反的推力球軸承和兩個(gè)深溝球軸承，另一端裝一個(gè)推力球軸承。 特點(diǎn)：可預(yù)拉伸螺桿，以減少或消除螺桿水平安裝時(shí)，因自重產(chǎn)生的彎曲，當(dāng)軸承預(yù)緊力大于螺桿載荷的1/3時(shí)，螺桿拉壓剛度可提高四倍，且不會(huì)承受壓力，無失穩(wěn)現(xiàn)象。 （4）雙推雙推 兩端各安裝兩個(gè)方向相反的推力球軸承和兩個(gè)深溝球軸承。 特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)與單推單推式相同，當(dāng)超過預(yù)計(jì)溫度時(shí)，不會(huì)因螺桿伸長使軸承產(chǎn)生間隙。 缺點(diǎn)：調(diào)整較復(fù)雜。 四 電氣系統(tǒng)控制 電氣系統(tǒng)主要由高頻脈沖電源、直流電源和電氣控制系統(tǒng)組成。高頻脈沖電源是進(jìn)行線電極切割的能源。直流電源主要是24v直流源驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)用。電氣控制系統(tǒng)主要是控制工作液泵電機(jī)和儲(chǔ)絲筒電機(jī)等用。 （一）高頻脈沖電源 高頻脈沖電源又稱脈沖電源，其作用是把工頻50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成幾百赫茲的高頻的單向脈沖電源，為高速旋轉(zhuǎn)的線切割機(jī)提供一系列不同脈寬的矩形脈沖。 線切割機(jī)床電子控制系統(tǒng)主要是高頻脈沖電源電路，它是線切割機(jī)床的重要部分，用高頻脈沖使得電極絲與工件產(chǎn)生火花放電，對工件進(jìn)行電腐蝕加工。通過調(diào)節(jié)高頻脈沖使工件滿足加工精度的要求。高頻脈沖電源整流電路、主振電路、脈寬調(diào)節(jié)電路、功率放大電路等組成。主振電路中有數(shù)字振蕩電路和模擬振蕩電路及分立元件電路。新型機(jī)床的功率放大電路主要是在功率管選取上有改進(jìn)，從普通的三極管功放到大功率、低功耗管和場效應(yīng)管及功率模塊均有不同，但是實(shí)際加工生產(chǎn)用的機(jī)床大多數(shù)采用的還是早期的電路，技術(shù)改造也著重在控制器部分，均采用具有微機(jī)控制系統(tǒng)、輸入鍵盤器和數(shù)控顯示器LED或LCD的設(shè)備。 DK77型線切割機(jī)床脈沖電源原理。 該電源主要是由整流電路、主振電路和功放電路組成。整流電路由變壓器將三相380v電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿?2v和三相7v電壓，通過二極管進(jìn)行整流。電路形式是三相全波整流電路，為脈沖電源提供100v直流電壓和10v直流電壓，功給功放電路和工作電路電源。 （二）數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)總體方按的擬定 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成?？刂葡到y(tǒng)的控制對象主要包括各種機(jī)床，如車床、銑床等等?？刂葡到y(tǒng)的基本組成如下圖4.1所示 機(jī) 床 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 微 機(jī) 通信接口 開關(guān)量控制電路 軟件 主軸電動(dòng)機(jī) 主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路 圖4.1控制系統(tǒng)框圖 具體微機(jī)控制系統(tǒng)是一MCS-51系列高檔八位單片機(jī)為核心，采用8032cpu芯片。存儲(chǔ)器也采用了較大的容量的存儲(chǔ)器，用來存放控制程序及擴(kuò)展程序的EPEOM采用了256k容量27256芯片，用來存放輸入加工圖形程序的RAM采用了256k容量的62256芯片，以增強(qiáng)微機(jī)的功能。接口電路使用了可編程并行接口電路芯片8255，顯示部分采用了數(shù)碼管來顯示參數(shù)，鍵盤輸入和輸出顯示由鍵盤/顯示接口電路芯片8279來控制。具體系統(tǒng)組成圖如下圖4.2： 圖4.2線切割機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)組成 (三)數(shù)控系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計(jì) 1.單片機(jī)設(shè)計(jì) 單片機(jī)通常是指芯片本身，它是由芯片制造商生產(chǎn)的，在它上面集成的是一些作為基本組成部分的運(yùn)算電路、控制器電路、存儲(chǔ)器、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及輸入/輸出口電路等。但一個(gè)單片機(jī)芯片并不能把計(jì)算機(jī)的全部電路都集成到其中，有些元件如復(fù)位電路的石音晶體、電阻、電容等只能以散件的形式出現(xiàn)。此外，在實(shí)際的控制應(yīng)用中，常常需要擴(kuò)展外圍電路和外圍芯片。 通常所說的單片記系統(tǒng)都是為實(shí)現(xiàn)某一控制應(yīng)用需要由用戶設(shè)計(jì)的，是一個(gè)圍繞單片機(jī)芯片而組建的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。在單片機(jī)系統(tǒng)中， 單片機(jī)處于核心地位，是構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件基礎(chǔ)。 （1）MCS-51系列單片機(jī)的設(shè)計(jì) MCS-51系列單片機(jī)的所有產(chǎn)品都含8051除程序存儲(chǔ)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(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、i/o口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們采用的是8031，8031可尋址64kb字節(jié)程序存儲(chǔ)器和64kb字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，必須外接EPROM程序存儲(chǔ)器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分三部分。 1）電源及時(shí)鐘引腳 此部分引腳包括電源引腳Vcc、Vss及時(shí)鐘引腳XTAL1、XTAL2。 電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。 Vcc（40腳）：接+5v電源。 Vss（20腳）：接地。 時(shí)鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時(shí)與片內(nèi)的反相器構(gòu)成一個(gè)振蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)。時(shí)鐘引腳也可外接晶體振蕩器。 XTAL1（19腳）：接外不晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。 XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部接至反相放大器的輸入端。若采用外部振蕩器時(shí)，該引腳受振蕩器的信號(hào)，即把信號(hào)直接接至內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 2）控制引腳 它包括RST、ALE、PSEN、EA等。此內(nèi)引腳提供控制信號(hào)，有些引 RST/VPD（9引腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RST）。復(fù)位后使此引腳電平為≤０.５v的低電平，以保證單片機(jī)正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（vpd）以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)Vcc于規(guī)定值，而VPD定的電壓范圍內(nèi)((5±０.５))時(shí)，ＶＰＤ就向內(nèi)部提供電源。 3）輸入/輸出管腳 P0.0~0.7(32~39腳) p0是個(gè)8位漏極開路型雙向I/O口。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址和數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在EPROM編程時(shí)，它接收指令字節(jié)，而在驗(yàn)證程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。Po能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL輸入。 P1.0~p1.7(1~8腳) p1是個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O接口。對EPROM編程2的證時(shí)，它接收低8位地址。P1能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL輸入。在8032/8052中，p1.0還相當(dāng)于專用功能端T2，即定時(shí)器記數(shù)觸發(fā)輸入端。P1.1還相當(dāng)于專用功能端T2EX，即定時(shí)器T2 的外部控制端。 P2.0~p2.7（21~28腳）p2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O接口。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它送出高8位地址。在對EPROM編程和程序驗(yàn)證期間，它接受高位地址。P2可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS TTL輸入。 P3.0~p3.7 （10~17腳）p3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O接口。在MCS-51中，這8個(gè)管腳還用于專門功能，p3能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL輸入。 (2)MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。MCS-51片內(nèi)有一個(gè)反相放大器，XTAL1、XLAL2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(gòu)成了一個(gè)自激振蕩器，產(chǎn)生的時(shí)鐘送去單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式兩種，大多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。 最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振器回路，不論是HMOS還是CHMOS型單片機(jī)，其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同，如下圖所示： MCS-51單片機(jī)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(wěn)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(dāng)外接晶體時(shí)典型取值為30pF，外接陶瓷諧振器時(shí)典型取值為47Pf，取60F～70pF時(shí)振蕩器有 XTAL2 MCS51 XTAL1 內(nèi)部時(shí)鐘方式的時(shí)鐘電路 較高的頻率穩(wěn)定性。 在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)XTAL1、XTAL2引腳安裝，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠工作，為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。 （3）MCS-51單片機(jī)的復(fù)位電路 計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)的其它部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。 單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，MCS-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST，高電平有效。它是施密特觸發(fā)輸入，當(dāng)振蕩器起振后，該引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)時(shí)鐘周期）以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，MCS-51便保持復(fù)位狀態(tài)。此時(shí)ALE、、P0、P1、P2、P3口都輸出高電平。RST變低電平后，退出復(fù)位狀態(tài)，CPU從初始狀態(tài)開始工作。復(fù)位操作不影響片內(nèi)的內(nèi)容。 MCS-51單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。通常因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)動(dòng)等的需要，常常需要人工按鈕復(fù)位，如下圖： +5V RST MCS-51 GND 上電按鈕復(fù)位電路 對于CMOS型單片機(jī)因RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉底電阻，故電阻可不接。單片機(jī)在上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平（因?yàn)檎袷幤鲝钠鹫竦椒€(wěn)定大約要10ms），就能使單片機(jī)有效復(fù)位。當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHz時(shí)，RC的典型值為。簡單復(fù)位電路中，干擾信號(hào)易串入復(fù)位端，可能會(huì)引起內(nèi)部某些寄存錯(cuò)誤復(fù)位，這時(shí)可在RST引腳上接上一去耦電容。 上圖那上電按鈕復(fù)位只需將一個(gè)常開按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路，按下開關(guān)一定時(shí)間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機(jī)復(fù)位。 2．系統(tǒng)擴(kuò)展 系統(tǒng)擴(kuò)展包括存儲(chǔ)器的擴(kuò)展、輸入輸出接口芯片的擴(kuò)展。其中存儲(chǔ)器的擴(kuò)展包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展和程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。 （1）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 MCS-51系列單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間是相互獨(dú)立的。程序存儲(chǔ)器尋址空間為64kb（000H~0FFFFH）,其中8051、8751片內(nèi)有4kbROM或EPROM，8031片內(nèi)不帶ROM .當(dāng)片內(nèi)ROM 不夠或采用8031芯片時(shí)，需擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。用作程序存儲(chǔ)器的器件是EPROM和EEPROM,常采用EPROM。 MCS-51單片機(jī)擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器的硬件電路。如下圖4.3 圖4.3 MCS-51單片機(jī)程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展原理圖 由于MCS-51單片機(jī)的p0口是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進(jìn)行程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，必須用地址瑣存器瑣存地址信號(hào)。通常地址瑣存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373或8282，也可用帶清除端的八D鎖存器74LS273，常用74LS373。當(dāng)用74LS373作為地址鎖存器時(shí)，鎖存端G可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號(hào)端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地址鎖存。 根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)存儲(chǔ)器容量要求的不同，常用的擴(kuò)展芯片包括EPROM2716 、2732A。等。以上均為單一+5v供電，維持電流為35A~40mA，工作電流為75mA~100mA，讀出時(shí)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(kuò)展的存儲(chǔ)器容量的大小不同，因此提供高八位地址的p2端口線的數(shù)量各不同，故2716為A0~A10，D0~D7是數(shù)據(jù)線；CE是片選線，低電平有效；OE是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源；PGM是編程脈沖輸入端。 根據(jù)程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展的原理，以EPROM2764A和鎖存器74LS373對8031單片機(jī)進(jìn)行程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展，其連接圖見下圖4.4 圖4.4 8031擴(kuò)展EPROM2764A的連接圖 因?yàn)?764A 是8kb容量的EPROM，故選用到了13根地址線，A0~A12。由于系統(tǒng)中只擴(kuò)展一片程序存儲(chǔ)器EPROM，故可將片選端CE接地。同時(shí)，8031運(yùn)行所需要的程序指令來自2764A，要把其EA端接地。否則，8031將不會(huì)運(yùn)行。 電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM是新推出來的產(chǎn)品。其主要的特點(diǎn)是能在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行在線修改，并且在斷電的情況下保持修改結(jié)果。因此，自從EEPROM出現(xiàn)來，它得到了廣泛的應(yīng)用。 （2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 8031單片機(jī)內(nèi)部有128字節(jié)RAM存儲(chǔ)器。CPU對內(nèi)部具有豐富的操作指令。但在用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)