CK6163型数控机床毕业设计说明书

第1章 总体方案

1.1 CK6163的现状和发展

数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品；其技术范围复盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术：(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术：(6)软件技术等。计算机对传统机械制造产业的渗透，完全改变了制造业。制造业不但成为工业化的象征，而且由于信息技术的渗透，使制造业犹如朝阳产业具有广阔的发展天地。数控技术的发展趋势： 1、智能化 ； 2、网络化 ；3、集成化 ； 4、微机电控制系统 ；5、数字化 。

我国数控产业发展的思考： 1、注重系统配套 ； 2、注重产品的可靠性 ；3、提倡创新，加强服务。

1.2 CK6163卧式车床及控制系统的总体方案

由于该设计给出的已知条件是16级变速，对于主轴箱的设计采用双联齿轮、拨叉、电磁离合器实现主轴的变速、正转、反转。进给部分用数控系统控制纵横两方向的步进电机，实现X、Y两方向的进给运动；刀架采用四方刀架；参考的普通机床拆除其中的丝杠、光杠进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；在主轴后端加一主轴编码器，以便加工螺纹。

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第2章 机械部分设计计算说明

2.1 主运动部分计算

2.1.1 参数的确定

1) 了解车床的基本情况和特点---车床的规格系列和类型

1. 通用机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。本次设计中的车床是普通型车床，其品种，用途，性能和结构都是普通型车床所共有的，在此就不作出详细的解释和说明了。

2.车床的主参数（规格尺寸）和基本参数（GB1582-79，JB/Z143-79） 最大的工件回转直径D是630mm；刀架上最大工件回转直径D1大于或等于315mm；主轴通孔直径d要大于或等于80mm；主轴头号（JB2521-79）是4.5；最大工件长度L是1500mm；主轴转速范围是：32～1000r/min；级数范围是：16；纵向进给量0.01～20.47mm；主电机功率是13kw。

2) 参数确定的步骤和方法

1. 极限切削速度umax﹑umin

根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类 ﹑工艺要求 刀具和工件材料等因素。允许的切速极限参考值如《机床主轴变速箱设计指导书》。然而，根据本次设计的需要选取的值如下：

取umax=300m/min； umin=8m/min。

加工条件 umax(m/min) umin(m/min) 30～50 3～8 硬质合金刀具粗加工铸 铁件 硬质合金刀具半精或精150～300 加工碳钢工件 螺纹（丝杠等）加工铰孔 2

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2. 主轴的极限转速

计算车床主轴的极限转速时的加工直径，按经验分别取（0.1～0.2）D和（0.45～0.5）D。由于D=630mm，则主轴极限转速应为：

nmax=

1000umaxr/min （2.1）

(0.1~0.2)D =758～1517r/min ，取nmax=1000r/m； nmin=

1000uminr/min （2.2）

(0.45~0.5)D在nmin中考虑车螺纹和绞孔时，其加工最大直径应根据实际加工情况选取0.1D和50左右。 所以 nmin=

1000umin=32r/min

dmax =

1000 32由于转速范围 R=

nmaxnmin

=31.25 ； 因为级数Z已知：

Z=16级 。

现以Φ=1.26和Φ=1.41代入R=Фz1 得R=32和173 ，因此取Φ=1.26更为合适。

各级转速数列可直接从标准数列表中查出。标准数列表给出了以Φ=1.06的从1～10000的数值，因Φ=1.26=1.064，

从表中找到

nmax=1000r/min，就可以每隔4个数值取一个数，得： 1000，800，630，500，400，315，250，200，160，125，100，80，63，50，40，32。 3. 主轴转速级数z和公比￠

nmax 已知 =Rn

nmin Rn=Фz-1且： z=2a3b

因机床的电动机转速往往比主轴的大多数转速高，变速系统以降速传动居多，因此，传动系统中若按传动顺序在前面的各轴转速较高，根据转矩公式

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（单位N.m）

P，当传递功率一定时，转速较高的轴所传递的扭矩n就较小，在其他条件相同时，传动件（如轴、齿轮）的尺寸就较小，因此，

T=9500常把传动副数较多的变速组安排在前面的高速轴上，这样可以节省材料，减少传动系统的转动惯量。因此选择结构式如下： 16=22212221222128。 4. 主电机功率—动力参数的确定

合理地确定电机功率N，使用的功率实际情况既能充分的发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。

目前，确定机床电机功率的常用方法很多，而本次设计中采用的是：估算法，它是一种按典型加工条件（工艺种类、加工材料、刀具、切削用量）进行估算。根据此方法，中型车床典型重切削条件下的用量： 根据设计书表中推荐的数值：

取 P=13kw

2.1.2 传动设计

1) 传动结构式、结构网的选择

结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效，可考虑到本次设计的需要可以参考一下这个方案。 确定传动组及各传动组中传动副的数目

级数为Z的传动系统有若干个顺序的传动组组成，各传动组分别有Z1、Z2、Z3„个传动副。即 Z=Z1Z2Z3„

传动副数由于结构的限制以2和3的因子积为合适，即变速级数Z应为2和3的因子: Z=2a3b

可以有几种方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已经选定了的和本次设计所须的正确的方案列出，具体的内容如下： 传动齿轮数目 2x（2+2+1）+2x(2+1)+1=17个 轴向尺寸 19b 传动轴数目 8根 操纵机构 简单，两个双联滑移齿轮

根据以上分析及计算，拟定主轴箱、变速箱传动结构图如下：

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带轮Z6ⅣⅤZ8ⅥZ10Z12Z7Z14发生器ⅦZ9ⅧZ11Z13Z15图一 主轴箱传动结构图带轮Z4(双联滑移）Z3带轮Z2Z1（双联滑移）Z4带轮主电机功率：13千瓦转速：1450转/分图二 变速箱传动结构图5

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图二中，第Ⅰ轴至第Ⅲ轴，其结构式为： 4=2221

图一中，第Ⅳ轴至第Ⅷ轴，机床主轴箱传动系统采用分离传动，其主要特点是： （1） 在满足传动副极限传动比的条件下，可以得到较大的变速范围。 （2） 高速由短支传动，有助于减少高速时机床的空运转功率损失。而且高速分支的尺寸可相对小些。

（3） 变速级数不像常规变速系统那样受2，3因子的限制，如与部分转速重合的方法配合，几乎可以得到任意的变速级数，大大增加了可供选择方案的数目。

2) 主传动顺序的安排

16级转速传动系统的传动组，可以安排成：2x2x2x2，选择传动组安排方式时，要考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。在Ⅰ轴上如果安装摩擦离合器时，应减小轴向尺寸，第一传动组的传动副不能多，以2为宜，本次设计中就是采用的2，一对是传向正传运动的，另一个是传向反向运动的。 主轴对加工精度、表面粗糙度的影响大，因此主轴上齿轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用2，或者用一个定比传动副。

3) 传动系统的扩大顺序的安排

对于16级的传动只有一种方案，准确的说应该不只有这一个方案，可为了使结构和其他方面不复杂，同时为了满足设计的需要，选择的设计方案是：

16=2［2］x 2［1］+ 2［2］x 2[1]+ 2[2］x 2[1]x2[8]

传动方案的扩大顺序与传动顺序可以一致也可以不一致，在此设计中，扩大顺序和传动顺序就是一致的。这种扩大顺序和传动顺序一致，称为顺序扩大传动。 4) 传动组的变速范围的极限植

在主传动系统的降速传动中，主动齿轮的最少齿数受到限制，为了避免被动

1齿轮的直径过大，齿轮传动副最小传动比umin≥，最大传动比umax≤2，决定

4了一个传动组的最大变速范围rmax=umax/nmin≤8

因此，要按照参考书中所给出的表，淘汰传动组变速范围超过极限值的所有传动方案。

极限传动比及指数x，x,值为：

极限传动比指数 1.26 6

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x：umin= x’值；umax=￠x=2 （x+x）值：umin=￠

5) 最后扩大传动组的选择

’11= ￠x4 6 ’ 3 9 xx’=8 正常连续的顺序扩大的传动（串联式）的传动结构式为： Z=Z1［1］Z2［Z1］Z3［Z1Z2］ 即是：

Z=16=2［2］2［1］2［2］2[8]

2.1.3 转速图的拟定

运动参数确定以后，主轴各级转速就已知，切削耗能确定了电机功率。在此基础上，选择电机型号，确定各中间传动轴的转速，这样就拟定主运动的转图，使主运动逐步具体化。 1) 主电机的选定

中型机床上，一般都采用三相交流异步电机为动力源，可以在系列中选用。在选择电机型号时，应按以下步骤进行： 1) 电机功率N：

根据机床切削能力的要求确定电机功率。但电机产品的功率已经标准化，因此，按要求应选取相近的标准值。 N=13kw 2.电机转速nd

异步电机的转速有：3000、1500、1000、750r/min

类比同类机床CM6163，在此处选择的是：

nd=1450r/min

这个选择是根据电机的转速与主轴最高转速nmax和Ⅰ轴的转速相近或相宜，以免采用过大的升速或过小的降速传动。 3.双速和多速电机的应用

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根据本次设计机床的需要，所选用的是：双速电机 4.电机的安装和外形

根据电机不同的安装和使用的需要，有四种不同的外形结构，用的最多的有底座式和发兰式两种。本次设计的机床所需选用的是外行安装尺寸之一。具体的安装图可由手册查到。 5.常用电机的资料

根据常用电机所提供的资料，选用： Y132M-4 2) Ⅰ轴的转速

Ⅰ轴从电机得到运动，经传动系统化成主轴各级转速。电机转速和主轴最高转速应相接近。显然，从传动件在高速运转下恒功率工作时所受扭矩最小来考虑，Ⅰ轴转速不宜将电机转速下降得太低。

但如果Ⅰ轴上装有摩擦离合器一类部件时，高速下摩擦损耗、发热都将成为突出矛盾，因此，Ⅰ轴转速不宜太高。

Ⅰ轴装有离合器的一些机床的电机、主轴、Ⅰ轴转速数据：

参考这些数据，可见，车床Ⅰ轴转速一般取700～1000r/min。另外，也要注意到电机与Ⅰ轴间的传动方式，如用带传动时，降速比不宜太大，否则Ⅰ轴上带轮太大，和主轴尾端可能干涉。因此，本次设计选用： n1=1000r/min 3) 中间传动轴的转速

对于中间传动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小与噪音、震动

等性能要求之间的矛盾。

中间传动轴的转速较高时（如采用先升后降的传动），中间转动轴和齿轮承受扭矩小，可以使用轴径和齿轮模数小写：d∝ 4M、 m∝3M，从而可以使用结构紧凑。但是，这将引起空载功率N85dB）加大： N空=式中：

C---系数，两支承滚动或滑动轴承C=8.5，三支承滚动轴承C=10； da---所有中间轴轴颈的平均直径（mm）； d主—主轴前后轴颈的平均直径（mm）； ∑n—主轴转速（r/min）。

1(3.5danCd主n) KW （2.3） 106空和噪音

Lp（一般机床容许噪音应小于

Lp20logC1mzan4.5q1tanBmz主n主K （2.4） （mz）a—所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm；

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XX大学本科毕业设计（论文）

（mz）主—主轴上齿轮的分度圆的平均值mm； q----传到主轴所经过的齿轮对数； β----主轴齿轮螺旋角；

C1、K---系数，根据机床类型及制造水平选取。我国中型车床、铣床C1=3.5。车床K=54，铣床K=50.5。

从上诉经验公式可知：主轴转速n主和中间传动轴的转速和∑n对机床噪音和发热的关系。确定中间传动轴的转速时，应结合实际情况作相应修正：

1.功率较大的重切削机床，一般主轴转速较低，中间轴的转速适当取高一些，对减小结构尺寸的效果较明显。

2.高速轻载或精密车床，中间轴转速宜取低一些。

3.控制齿轮圆周速度u〈8m/s（可用7级精度齿轮）。在此条件下，可适当选用较高的中间轴转速。 4) 齿轮传动比的限制

机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：

1. 升速传动中，最大传动比umax≤2。过大，容易引起震动和噪音。 2. 降速传动中，最小传动比umin≥1/4。过小，则使主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大，将导致结构庞大。

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电机 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ236:36193:0:4030432:4032:4060:2414506180:13(24:24)42:4210008006305004003152502001601251008063504032图三 CK6163转速图

2.1.4 带轮传动部分的设计

根据拟定的转速图上的各传动比，就可以确定带轮直径。 (一)

带轮直径确定的方法、步骤

一般机床上的都采用三角带。根据电机转速和功率查图即可确定型号（详情见〈〈机床主轴变速箱设计指导〉〉4-1节）。但图中的解并非只有一种，应使传动带数为3～5根为宜。

本次设计中所选的带轮型号和带轮的根数如下： B型带轮 选取3根 2. 确定带轮的最小直径Dmin（D小）

各种型号胶带推荐了最小带轮直径，直接查表即可确定。 根据皮带的型号，从教科书〈〈机械设计基础教程〉〉 1. 选择三角型号

0:62430:6010

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查表可取：

Dmin=186mm 3.计算大带轮直径D大

根据要求的传动比u和滑功率ε确定D大。当带轮为降速时：

1 D大D小1 （2.5）

u三角胶带的滑动率ε=2%。

三角传动中，在保证最小包角大于120度的条件下，传动比可取1/7 ≤u≤3。对中型通用机床，一般取1～2.5为宜。 因此，

137.2mm≤D大≤343mm 经查表取：

D大=304mm (二)

三角带传动的计算

三角带传动中，轴间距A可以较大。由于是摩擦传递，带与轮槽间会有打滑，亦可因而缓和冲击及隔离震动，使传动平稳。带传动结构简单，但尺寸，机床中多用于电机输出轴的定比传动。 1. 选择三角带的型号

根据计算功率Nj（kw）和小带轮n1（r/min）查图选择带的型号。 计算功率Nj=KWNd kW

式中 Nd—电机的额定功率， KW—工作情况系数。

车床的起动载荷轻，工作载荷稳定，二班制工作时，取： KW=1.1 带的型号是： B型号

2. 确定带轮的计算直径D1、D2 1）.小带轮计算直径D1

皮带轮的直径越小，带的弯曲应力就越大。为提高带的使用寿命，小带轮直

径D1不宜过小，要求大于许用最小带轮直径Dmin，即D1≥Dmin。各型号带对应的最小带轮直径Dmin可查表。 D1=186r/min 2）.大带轮计算直径D2 D2n11D11D11mm （2.6） n2i11

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=304r/min

式中: n1--小带轮转速r/min; n2--大带轮转速r/min;

ε--带的滑动系数,一般取0.02. 算后应将数字圆整为整数。 3）.确定三角带速度u 具体的计算过程如下：

um/s （2.7）

601000m/s

D1n1601000 =10.6m/s

=

1861440对于O、A、B、C型胶带，5m/s≤u≤25m/s。 而u=5～10m/s时最为经济耐用。

此速度完全符合B型皮带的转速。 4）.初定中心距A0：

带轮的中心距，通常根据机床总体布局初步选定，一般可以在下列范围内选取：

A0=（0.6～2）（D1+D2） mm =490（0.6～2）mm =294mm～980mm 取 A0=760 mm

中心距过小，将降低带的寿命；中心距过大时，会引起带振动。中型车床电机轴至变速箱带轮的中心距一般为750～850mm。 5）.确定三角带的计算长度L0及内周长LN。 三角带的计算长度是通过三角带截面重心的长度。

2D2D1D1D2mm （2.8）

L02A024A0 =27602 =2131.7mm

186304304186mm

4760圆整到标准的计算长度 L=2132 mm 经查表 LN=2000 mm 修正值 Y=33

6）.验算三角带的扰曲次数u

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u1000mu≤40 次/s （则合格） L 式中：m--带轮个数。如u超限。可加大L（加大A）或降低u（减少D2、D1）来解决。

代入数据得

1000210u

2033 =10.5 次/s ≤40 次/s 是合格的，不需作出任何修改。 7）.确定实际中心距A

AA0760LL0mm （2.9） 220332131.7mm

276049.35mm = 710.65 mm

8）.验算小带轮包角а1

а1≈180°-（D2-D1）/A*60°≥120° （2.10） 如果а1过小，应加大中心距或加张紧装置。 代入数值如下： 1180D2D160 （2.11） A =176.98°≥120° 经校核合格。

9）.确定三角带根数z zNi （2.12） N0C1 式中：N0--单根三角带在 а1=180°、特定长度、平稳工作情况下传递的功率值。

C1---包角系数。

参数的选择可以根据书中的表差取： N0=2.71

C1=0.99 Kw=1.1 带入数值得：

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zNi N0C1  KwNd N0C11.17.5

2.710.993.112

所以，传动带根数选3根。

次此公式中所有的参数没有作特别说明的都是从〈〈机床主轴变速箱设计指导〉〉 2.1.5 齿轮传动部分的设计

选择以机床变速箱中第Ⅰ轴和第Ⅱ轴间，两啮合直齿圆柱齿轮Z1和Z2，对其进行齿轮传动部分的设计和验算。根据总体结构方案，主电机功率13KW,转速1450r/min，要求输出轴转速1000 r/min，齿轮齿数比U=1.25。具体计算如下： （1)大、小齿轮的材料均为45钢，经调质与表面淬火处理，硬度为40～50HRC （2)选小齿轮齿数1=28,大齿轮齿数2=U1=1.2528=35,齿数比U=1.25 （3)按齿面接触强度设计

由设计计算公式进行试算，即

KtTt2u1ZE232.32()mm d1t≥

Hdu 1>选取载荷系数 Kt=1.2 2>计算大齿轮传递的转矩

T2 =95.5105P1/n1=95.5105 13/1450 N.mm =8.562104 N.mm 3>选取齿宽系数Φd =1

4>查得材料的弹性影响系数ZE =189.8MPa1/2 5>按齿面硬度查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限δ 6>计算应力循环次数

N2 =60n1jLh=6014501(2836515)=7.6212109 N1 =7.62121091.25=9.5265109

7>查得接触疲劳寿命系数KHN1=0.86；KHN2=0.88 8>计算接触疲劳许用应力

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Hlim1

=δ

Hlim2

=550 MPa

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取失效概率为1%，安全系数S=1，得

KHN1Hlim10.86550473MP H1=

SKHN2Hlim20.88550484MP H2=

S9> 试算小齿轮分度圆直径d1t,带入H中较小的值

4KtTt2u1ZE21.28.56210 0.92.25189.82()2.323() d1t≥2.323Hdu11.25473=69.429mm

10>计算圆周速度

d1tn160100069.4291000601000m/s3.64m/s (2.13)

11>计算齿宽b

b=Φdd1t=169.429 mm=69.429 mm 12>计算齿宽与齿高之比b/h

模数 mt=d1t/Z1=69.429/28 mm=2.480 mm 齿高 h=2.25mt=2.252.480 mm=5.58 mm b/h=69.429/5.58=12.44 13>计算载荷系数

根据=3.64m/s,7级精度，查得动载荷系数Kv=1.14；

直齿轮，假设KAFt/b ＜100 N/mm。查表得KHα=KFα=1.2；查表得使用系数KA=1；查得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，

KHβ=1.14+0.18（1+0.6Φd2）Φd2+0.23103b 将数据带入后，得

KHβ=1.14+0.18（1+0.612）12+0.2310369.429=1.444；

由b/h=10.66，KHβ=1.444查图《机械设计》10-13得KFβ=1.32；故载荷系数 K=KAKvKHαKHβ=11.141.21.444=1.975

14>按实际的载荷系数效正所得的分度圆直径，由式 d1d1t3K/Kt69.42931.975/1.379.81mm

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15>计算模数m

m=d1/Z1=79.81/28 mm=2.85 mm （4）按齿根弯曲强度设计

m32KT1dz12YFaYSaF (2.14) FE1

1>查得大、小齿轮的弯曲疲劳强度极限均为δ=710MPa；

2>查得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.805,KFN2=0.82； 3>计算弯曲疲劳许用应力

取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式

F1KFN1FE10.805710MP408.25MP (2.15)

S1.4F2KFN2FE2S4>计算载荷系数K

0.82710MP415.86MP

1.4K=KAKvKFαKFβ=11.141.21.32=1.806

5>查取齿形系数

查得YFa1=2.61； YFa2=2.52。 6>查取应力校正系数

查得YSa1=1.58；YSa2=1.625。 7>计算大、小齿轮的

YFaYSaF并加以比较

YFa1YSa1F12.611.580.01010

408.252.521.6250.00985

415.86YFa2YSa2F2小齿轮的数值大。 8>设计计算

m321.8068.5621040.90.01010 mm=1.53 mm 212816

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对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.53并就近圆整为标准值m=3 mm，按接触强度算得的分度圆直径d1=79.81 mm,算出小齿轮的齿数

Z1d179.8126.6，取1=32 mm (2.16) m3大齿轮齿数 2=U1=1.2532=40，取2=40。 （5）几何尺寸计算 1>计算分度圆直径

d1= Z1m=323 mm=96 mm ；d2= Z2m=403 mm=120 mm

2>计算中心距 a=(d1+d2)/2=108 mm 3>计算齿轮宽度

b=Φdd1=196 mm=96 mm

因为变速箱中，小齿轮1固定安装在第Ⅱ轴上；大齿轮2安装在第Ⅰ轴上，且为双联滑移齿轮，两齿轮副传动比取值为1.25，变速箱做减速传动。考虑整个变速系统的总体结构及其安装，取B2=108 mm，B1=42 mm。

4>验算

2T228.562104FtN1427N (2.17)

d2120KAFt11427N/mm13.2N/mm＜100 N/mm,合适。 b1085>结构设计及绘制齿轮零件图如下：

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H11H10H7650f7 45 12 d10a11H11H10H7645f7 50 12 d10a11323403图四 滑移双联齿轮结构图323图五 小齿轮结构图

机床主轴箱中，第Ⅶ轴和轴Ⅷ间为一对斜齿轮，两齿轮的材料选用40Cr，经过调质与表面淬火处理，硬度为48～55HRC，许用接触强度疲劳应力

HP340MPa，精度等级取7级。经校核，齿轮齿面接触强度和齿根弯曲疲劳

强度均满足要求。此处，计算和验算过程略。两斜齿轮参数选择具体如下： 1>齿轮齿数

Z1=30 ； Z2=uZ1=230=60 2>中心距

aZ1Z2mn2cos30604.5209.643mm2cos15，将中心距圆整为210mm (2.18)

3>按圆整后的中心距修正螺旋角：

arccosZ1Z2mn2aarccos30604.515.35888558152152210

4>大、小齿轮的分度圆直径

d1Z1mn304.5mm140mm (2.19)

coscos15215Z2mn604.5d2mm280mm coscos152155>齿轮宽度

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bdd10.8140mm112mm

圆整后取B2=100 mm，B1=110 mm。 6>斜齿轮结构如图所示

Z=30mn=4.5β15°图六 小斜齿轮结构图Z=60mn=4.5β15°图七 大斜齿轮结构图2.1.6电磁离合器的选择

摩擦电磁离合器目前在数控机床中应用十分广泛，因为它可以在运转中自动的接通或脱开，且具有结合平稳，没有冲击、构造紧凑的特点，部分零件已经标准化，多用于机床主传动。选用时应作必要的计算。

根据初步的计算可从《离合器的选择与运用》一书中选取，所有的作图和计算尺寸都见书中的表。 1.按扭距选择

一般应使用和设计的离合器的额定静扭距Mj和额定扭距Md满足工作要求，由于普通车床是在空载下启动和反向的，故只需按离合器结合后的静负载扭距来选。即：

N MjKMnK9550Nm (2.20)

nj对于需要在负载下启动和变速，或启动时间有特殊要求时，应按动扭距设计离合器。 2.步骤：

1）.决定外摩擦片的内径d。

根据结构需要，如为轴装式时，摩擦片的内径d应比安装轴的轴径大2～6mm。

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2）.选择摩擦片尺寸：

可以在参考书中选择，具体的型号见图纸。 3）.计算摩擦面对数z

Z120MnKKz (2.21) 33fpDdKvKm式中：f-摩擦片间的摩擦系数（有表可选）；

p -许用压强MPa（有表可选）； D-摩擦片内片外径mm（有表可选）；

d-摩擦片外片内径mm（有表可选）； Ku-速度修正系数（有表可选）； Kz-结合面数修正系数（有表可选）； Km-结合次数修正系数（有表可选）。 代入数值得：取Z=9。

2.1.7 轴的设计计算 （1） 轴Ⅱ的设计计算

1〉轴的材料选用45钢，并经调质处理。 2〉轴的结构设计 轴的结构如图所示：

35k6323363403图八 轴Ⅱ结构图

3〉 由于轴的实质结构没有变化，而且各部分直径也大于等于原Ⅱ轴的最小直

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80H7H7H10H11645 5012 f7a11d10 ⅡXX大学本科毕业设计（论文）

径，故Ⅱ轴的强度是可以满足工作要求的，具体的校核计算就略去了。 （2） 轴Ⅶ的设计计算

1〉轴的材料选用45号钢，并经过调质处理。 2〉估算周的最小直径 查表得常数A0112，

dminA03p225.9(mm) (2.22) n23〉 轴Ⅶ的结构设计（见图如下所示）

H7H10H11650 6014 h7a11h10 22871120H795H7H7f6H760k64865k660k648130图九 轴Ⅶ结构图

4〉 轴Ⅶ的刚度验算 ① 轴的变形条件和允许值

轴上装齿轮和轴承处的挠度和倾角（y和θ）应小于弯曲刚度的许用值[Y]和[θ]，即 y≤[Y]，θ≤[θ]。 表4-1 轴的弯曲变形的允许值 轴的类型 一般传动轴 [Y]（mm） （0.0003～0.0005）L 21

变形部位 装向心轴承处 [θ]（rad） 0.0025 XX大学本科毕业设计（论文）

刚度要求较高 安装齿轮轴 安装蜗轮轴 （0.0002）L 装齿轮处 0.001 0.0006 0.001 0.001 （0.01～0.03）m 装单列圆锥滚子轴承 （0.02～0.05）m 装单列圆柱滚子轴承处 L：轴的跨度 ； m：模数

装滑动轴承处 ② 轴的变形计算公式：

计算轴本身弯曲的挠度y及倾角θ时，一般常将一轴简化为集中载荷下的简支架，按材料力学的有关公式计算，当轴的直径相差不大且计算精度要求不高时，可把轴看做等直径，采用平均直径d1计算，计算轴时选择用平均直径（d1）或当量直径（d2）。

圆轴： 平均直径d1 惯性矩Idi (2.23) id1464 (2.24)

矩形花键轴：平均直径d1Dd (2.25) 2 当量直径d24642 (2.26)

惯性矩Id46(Dd)(Dd)264 (2.27)

③ 轴的力分解和变形合式

对于复杂受力的变形，先将受力分解为三个垂直面上的分力，应用弯曲变形的公式求出所求截面的两个垂直平面的y和θ，然后进行叠加，在同一平面内进行代数叠加，在两个垂直面内则按几何合成，求出该截面的总载度和总倾角。 ④ 危险工作截面的判断：

验算刚度时应选择最危险的工作条件进行，一般是轴的计算转速最低，传动齿轮直径最小且位于周的中央，这时轴的受力将使总的变形剧烈。如果对两三种工作工作条件难以判断哪一种最危险，就分别进行计算，找到最大弯曲变形值y和θ。

⑤ 提高轴的刚度的一些措施

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加大轴的直径，适当减小轴的跨度或者增加第三支撑，重新安排齿轮在轴上的位置；改变轴的布置方位等。 ⑥ 轴的校核计算

轴Ⅶ的受力简图：

FtBFtDFrDFaDAFNVAFNHA228ωBFrB71CωDEFNVE130FNHCFNVC48Fa ) 轴Ⅶ受力简图

轴的传动路线有两条，一条是、由齿轮9传动至Ⅶ轴上，再又齿轮12至齿轮13带动主轴运转；另一条是由齿轮10和齿轮11传动至Ⅶ轴上，再又齿轮12至齿轮13带动主轴运转。

a ) 先校核由齿轮10传入，齿轮12传出时轴的强度 1)作轴Ⅶ的水平面（H）弯矩图和垂直面（V）弯矩图 1>计算

7Ⅶ轴上的功率：p2130.9710.504KW

6 Ⅶ轴上的转矩：T29.5501010.5041590000N.mm 63齿轮11的圆周力FtB2T221590000N13250N d2240.6N 齿轮11的径向力FrBFtBtg13250tg20N4822齿轮12的圆周力FtD2T221590000N23555N d3135齿轮12的径向力FrDFtDtgn23550tg20N8888.96N coscos15215.95N 齿轮12的轴向力FaDFtDtg23555tg15215N646923

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2>求在水平面内的支反力，由受力图,∑MA=0 ，∑ME=0

列方程1：FtB228FtD(2287148)FNHE(2287148130)得FNHE23468.7N

列方程2：FNHA477FtB249FtD130得FNHA13336.3N

3>求在垂直面内的支反力，由受力图,∑MA=0 ，∑ME=0

列方程3：FrB228FNVE477FrD347FaD得FNVE5076.8Nd32

列方程4：FrB249FNVA477FrD130FaD得FNVA820.7NFtB228119d32

4>画轴Ⅶ水平面（H）和垂直面（V）内的受力图、弯矩图如下

FtD130FNHAFNHEb ) 两齿轮在水平面内的受力图MBH=3040.6N/mMDH=463N/mc ) 两齿轮的作用力在水平面的弯矩图

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FaD228119FrD130FNVAFrBFNVEd ) 两齿轮在垂直面内的受力图MBV=187.2N/mMDV=284.8N/me ) 两齿轮的作用力在垂直面的弯矩图2）作弯矩和转矩图

1> 齿轮11的作用力在水平面的弯矩图如上：

MBHFNHA2283040676.4Nmm3040.6Nm 齿轮11的作用力在垂直面的弯矩图如上：

MBVFNVA228187196Nmm187.2Nm 齿轮11在B截面作出的最大合成弯矩为

MBMBH2MBV23040.62187.22Nm3046.4Nm

2> 齿轮12的作用力在水平面的弯矩图如上：

MDHFNHA347462796.1Nmm463.0Nm 齿轮12的作用力在垂直面的弯矩图如上：

MDVFNVA347284782.9Nmm284.8Nm 齿轮12在D截面作出的最大合成弯矩为

MDMDH2MDV24632284.82Nm543.6Nm

3）作B、D两截面最大合成弯矩图和扭矩图

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MB=3046.4N/mMD=543.6N/mf ) 两齿轮在B、D截面作出的最大合成弯矩T1=1285.6N/m

4）轴的强度校核，经过分析可知，B所在的截面为危险截面，按第三强度理论 计算弯矩

i ) 扭矩图Mca2MB(TB)23046.42(0.61285.6)23142.5N/m

查《机械设计手册》第二版第四卷，轴的抗弯截面系数

.9mm3 W16138caMca6.72MPa[1]60MPa (2.28) W故满足第三强度理论。 刚度校核： 在水平面（H）内 FtB单独作用时

Pb(3l24b2)14574126.25(3407.254126.252)fc10.03936mm548EI482.110201187

FtD单独作用时

fc2Pb(3l24b2)14574126.25(3407.2524126.252)0.03418mm48EI482.1105201187 在和FtBFtD共同作用下

fcfc1fc20.00518mm 在垂直面（V）内：

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FrB单独作用时

Pb(3l24b2)530.5126.25(3407.2524126.252)fc0.01433mm48EI482.1105201187 FrD单独作用时

Pb(3l24b2)4532129(3407.25241292)fc0.01242mm

48EI482.1105201187在FrB与 FrD共同作用下时

fc0.00191mm

故在FtB,FrB,FtD,FrD共同作用下，x其最大挠度为

fc00051820.001912000552mm

2处为危险截面。

而一般[y]=（0.0003～0.0005）l =0122175～0203625mm. 故fc[y],符合要求。 轴的转角校核就不再验算。

b）再校核由齿轮9传入，齿轮12传出时轴的强度；步骤方法同上，经过校核轴的强度和刚度均满足要求。设计过程中，依b)组传动方案，此处轴Ⅶ的强度和刚度校核过程省略。 （3） 主轴的设计计算

轴的材料选用45号钢，并经过调质处理，结构设计如图。由于主轴的结构基本上采用原CK6163型数控车床的主轴，没有明显的改动，故具体的校核计算过程就略去不作。

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Z=60m=3127H6k5120k5180H6170k5H6h5140k5120H6155160k5240H6Ⅷ6#莫氏锥度667295124图十 主轴结构图2.2纵向进给系统的设计计算

2.2.1 纵向进给系统的设计

根据设计任务，系统应采用连续控制系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路组成。纵向进给系统采用步进电机—→减速齿轮—→滚珠丝杆螺母—→溜板的传动方式，数控工作台为数控回转转台。

2.2.2 纵向进给系统的设计计算 已知条件：

工作台质量： W=100kgf=1000N 时间常数： T=25ms 滚珠丝杆： Lo=8mm

脉冲当量： δp=0.01mm/脉冲

1、 切削力计算由《机床设计手册》可知， 最大切削功率：

P切P主 (2.29)

式中：P主---主电机功率，P主=7.5kW

---主传动系统的总效率，一般为0.7~0.85，取=0.8 则：P切7.50.8kW6kW

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切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力(或转矩)和最大切削速

Fc103度(转速)来计算，即：P切 (2.30)

60式中：Fc---主切削力(N);

按用硬质合金刀具半精车钢件时的速度取值 ---最大切削速度(m/min)。

=100m/min;

606103FcN3600N (2.31)

100在一般外圆车削时，

Ff(0.1~0.55)Fc；Fp(0.15~0.65)Fc

取Ff0.48Fc0.483600N1728N；Fp0.58Fc0.583600N2088N 2、滚珠丝杠副的计算和选型：

滚珠丝杠副的设计主要是型号的选择和性能验算。纵向进给为综合型导轨，按式计算丝杠轴向进给切削力。其中K=1.5，取f'=0.16，则：

FmkFff(FcW)1.1517280.16(3600800)N2691.2

最大切削力下的进给速度Vs可取最高进给速度量的1/2~1/5(取为1/2)，纵向最大进给速度为0.6m/min,丝杠导程L0=8mm,则丝杠转速为：

n1000Vs10000.6mm/min0.537.5r/min (2.32) L08mm丝杠使用寿命时间取为T=15000h。则丝杠的计算寿命L为：

L60nT1066037.5r/min15000h10633.75(106r) (2.33)

根据工作负载Fm、寿命L，计算滚珠丝杠副承受的最大动载荷Cm，取

fw1.2，fa1；

3CmLfwFmfa333.751.22691.2N104364.3N (2.34)

1由Cm参照某厂滚珠丝杠副产品样本，可采用W6008内循环螺纹调整预紧的双螺

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母滚珠丝杠副，1列3.5圈，其额定动负载为181000N，精度等级选为3级。其几何参数如下：公称直径d0=63mm,导程L0=8mm，螺纹升角arctg滚珠直径Dw=4.763mm,螺杆内径d1=60mm。

按式(5-9)校验丝杆螺母副的传动效率，其中磨擦角10

L0219, d0tgtg2190.94 (2.35)

tg()tg(21910)纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图所示

支承间距l1500mm。丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。丝杠的变形量计算如下：

滚珠丝杠截面面积，按丝杠螺纹的底径确定：

A435.9842mm21016.9mm2

工作负载Fm引起的导程L0的变化量L0可用下式计算：

L0FmL02691.26mm0.771104mm (2.36) 4EA20.6101016.9则丝杠拉伸或压缩变形量1：

L00.771104mm1l15001.92102mm (2.37)

L06mm由于两端均采用角接触，且丝杠又进行了预紧，故其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高4倍。 其实际变形量为:

1110.48102mm： 4滚珠与螺纹滚道间接变形量2按下式进行计算：

20.0013Fm3d0FyZ20.001332691.2mm2.5403.96920883.96920.0093mm

因丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的1/3时，2可减少一半，因此实际变形量为：

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XX大学本科毕业设计（论文）

20.0093/2mm0.465102mm

支承滚珠丝杆的轴承为51209型推力球轴承，几何参数为：d1 =40mm,滚动体直径dQ=10mm，滚动体数量ZQ=18。轴承的轴向接触变形量3可按式(2.37)计算：

30.00243Fm22dQZQ2269.10.00243mm0.0078mm

6.35182注意，此公式中Fm单位应为kg.f。 因施加预紧力，故实际变形量：

31/211/20.0078mm0.0039mm 根据以上计算，总变形量为：

1230.0048mm0.00465mm0.0039mm0.01335mm 三级精度丝杆允许的螺距误差为15m/m，故刚度足够。

因为滚珠丝杆两端都采用推力球轴承并预紧，因此不会产生失稳现象，故不需做稳定性校核。 1 ) 减速齿轮设计

根据给定的纵向进给脉冲当量0.01mm，滚珠丝杠导程L08mm，及初选的步 进电动机步距角0.75，可计算出传动比i

i3600.010.6 (2.38)

0.758选取齿轮齿数为z1=30、z2=50，m=2mm。 2 ) 步进电动机的选择 1 > 负载转动惯量计算：

参考同类型机床，初选反应式步进电动机130BF001，其电动机转动惯量

JM10kgcm2。传动系统折算到步进电动机轴上的等效转动惯量按表5-15中介

绍方法计算。齿轮z1、z2的转动惯量为：

J1d14L1103/30

533 7.810kg/cm6cm2cm10/30

4 257kgcm (2.39)

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2XX大学本科毕业设计（论文）

J2d2L2103/32

5310cm42cm103/50 7.810kg/cm4 6.27kgcm

丝杠的转动惯量可从表查出：

2Js1545kgcm2/m1.5m23.175kgcm2 等效惯量：

z1JJ1z22WJ2Jsg2L0 222800320.6mm22N 2.57kgcm6.27kgcm23.175kgcm9.84022kgcm 21.891考虑步进电动机与传动系统惯量匹配问题

JM10kgcm20.4571 2J21.891kgcm2不完全满足惯量匹配的要求。 1> 负载转矩计算及最大静转矩选择

机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别进行计算 快速空载起动时所需转矩可按下式进行计算

nmaxvmaxpb36024000.75500r/min 0.01360考虑了电动机转子的转动惯量以后，传动系统折算到电动机轴上的总转动惯量：

JJMJ10kgcm221.891kgcm231.891kgcm2

MmaxJ2nmax102

60ta31.891kgcm22500r/min102

600.03s556.60Ncm

折算到电动机轴上的磨擦力矩：

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XX大学本科毕业设计（论文）

MfF0L0fFcWL0 2i2z2/z10.163600N800N0.6cm

20.81.2567.26Ncm Fp0L02i102M01/3FmL01022z2/z1附加磨擦力矩：

1/32691.2N0.6cm10.942

20.81.25=9.98N²cm

则：M起MamaxMfM0

.60Ncm67.26Ncm9.98Ncm 556 =633.84N²cm 快速移动时所需力矩M快:

M快MfM67.26Ncm9.98Ncm77.24Ncm

最大切削负载时所需力矩M切:

M切MfM0MlMfM0FtL0 2i67.26Ncm9.98Ncm1728N0.8cm

20.81.2567.26Ncm9.98Ncm165.10Ncm

242.34Ncm

从上面计算看出M起、M切、M快三种工况下，以快速空载起动的需力矩最大，以此项作为初选步进电动机的依据。

对于工作方式为五相十拍的步进电动机最大静转矩：

Mjmax633.84Ncm666.5Ncm6.67Ncm

0.9510.951M起从相关资料查出，130BF001型步进电动机最大静转矩为9.31N.m，大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但需考核步进电动机起动矩频特性和运行特性。 2> 步进电动机的空载起动频率：

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XX大学本科毕业设计（论文）

fmax1000vmax10002.4mm/min4000Hz 60600.01fe1000vs10000.6mm/min1000Hz 60600.01查相关资料知：130BF001型步进电动机允许的最高空载起动频率为3000Hz，运行频率为16000 Hz，，满足设计要求。根据计算综合考虑，机床纵向进给机构选用130BF001型步进电机。

第3章 控制系统设计

3.1 控制系统总体方案的拟定

机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成.控制系统的控制对象主要包括各种机床,如车床、铣床、磨床等等.控制系统的基本组成如下图所示:

通信接口 微 机 步进电机驱动电路 步进电机 开关量控制电路 主运动驱动电路 主轴电动机 机 床 软件

3.2总控制系统硬件电路设计 3.2.1单片机的设计

1、MCS-51系列单片机的设计

MCS-51系列单片机的所有产品都含有8051除程序存贮器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源（程序存贮器、数据存贮器、I/O口、定时/计数器及一些其他特殊部件）。在控制系统设计中，我们采用的是8031，8031可寻址64KB字节程序存贮器和64KB字节数据存贮器。内部没有程序存贮器，必须外

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接EPROM程序存贮器。8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分为三部分。 a.电源及时钟引脚

此部分引脚包括电源引脚Vcc、Vss及时钟引脚XTAL1、XTAL2。 电源引脚接入单片机的工作电源。 Vcc（40脚）：接+5V电源。 Vss（20脚）：接地。

时钟引脚（18、19脚）：外接晶体时与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。

XTAL1（19脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。

XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接受振荡器的信号，即把信号直接接至内部时钟发生器的输入端。 b.控制引脚

它包括RST、ALE、PSEN、EA等。此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复用功能。

RST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。复位后应使此引脚电平为≤0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。当Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（（5±0.5）V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。

ALE/PROG（30脚）：当单片机访问外部存贮器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即使不访问外部存贮器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。但是，每当访问外部数据存贮器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载。

PSEN（29脚）：此输出为单片机内访问外部程序存贮器的读选通信号。在从外部程序存贮器指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的PSEN信号不出现。PSEN同样可以驱动8个TTL负载。

EA/Vpp（31脚）：当EA端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存贮器，但

当PC值超过某值时，将自动转向执行外部程序存贮器内的程序。当EA端保持低

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XX大学本科毕业设计（论文）

电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外部程序存贮器。对8031来说，因其无内部程序存贮器。所以该引脚必须接地，即此时只能访问外部程序存贮器。 c.输入/输出引脚

输入/输出（I/O）口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。

P0口（P0.0-P0.7）：为双向8为三态I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。

P1口（P1.0-P1.7）：为8位准双向I/O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入口时，锁存器必须置1），可驱动4个TTL负载。 P2口（P2.0-P2.7）：为8位准双向I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载，一般作为扩展时地址总线的高8位使用。

P3口（P3.0-P3.7）：为8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。 12、MCS-51单片机的时钟电路 时钟电路是计算机的心脏,它控制着计算机的工作节奏.MCS-51片内有一个反相放大器,XTAL1、XTAL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端,该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器,产生的时钟送至单片机内部的各个部件.单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式两种,大多单片机应用系统采用内部时钟方式. 最常用的内部时钟方式采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路,不论是HMOS还是CHMOS型单片机,其并联谐振回路及参数相同.如下图所示: 2XTAL2MCS-51XTAL1内部时钟方式的时钟电路 MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2MHz-24MHz之间可以选择,一般取11.0592MHz.电容C1、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响.C1、C2可在20pF-100pF之间选择,一般当外接晶体时典型取值为30pF,外接陶瓷谐振器时典型取值为47pF,取60pF-70pF时振荡器有较高的频36 XX大学本科毕业设计（论文）

率稳定性.

在设计印刷电路板时,晶体或陶瓷谐振器和电容应尽量靠近单片机XTAL1、XTAL2引脚安装,以减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定和可靠的工作.为了提高温度稳定性,应采用NPO电容. 3、MCS-51单片机的复位电路

计算机在启动运行时都需要复位,使中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作. 23单片机的复位都是靠外部电路实现的,MCS-51单片机有一个复位引脚RST,高电平有效.它是施密特触发输入,当振荡器起振后,该引脚上出现两个机器周期(即24个时钟周期)以上的高电平,使器件复位,只要RST保持高电平,MCS-51便保持复位状态.此时ALE ,PSEN,P0,P1,P2,P3口都输出高电平.RST变位低电平后,退出复位状态,CPU从初始状态开始工作.复位操作不影响片内RAM的内容. MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式.通常因为系统运动等的需要,常常需要人工按钮复位,如下图所示: +5VRSTMCS-51R1R2上电按钮复位电路 对于CMOS型单片机因RST引脚的内部有一个拉低电阻,故电阻R2可不接.单片机在上电瞬间,RC电路充电,RST引脚端出现正脉冲,只要RST端保持两个机器周期以上的高电平(因为振荡器从起振到稳定大约要10ms),就能使单片机有效复位.当晶体振荡频率为12MHz时,RC的典型值为C=10μF,R=8.2KΩ.简单复位电路中,干扰信号易串入复位端,可能会引起内部某些寄存错误复位,这时可在RST引脚上接一去耦电容. 上图那上电按钮复位电路只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路,按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平,从而使单片机复位. GND3.2.2系统的扩展 在以8031单片机为核心的控制系统中必须扩展程序存贮器，用以存放控制37 XX大学本科毕业设计（论文）

程序。同时，单片机内部的存贮器容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存贮器。这种扩展就是配置外部存贮器（包括程序存贮器和数据存贮器）。另外，在单片机内部虽然设置了若干并行I/O接口电路，用来与外围设备连接。但当外围设备较多时，仅有几个内部I/O接口是不够的，因此，单片机还需要扩展输入输出接口芯片。 1、程序存贮器的扩展

MCS-51系列单片机的程序存贮器空间和数据存贮器空间是相互独立的。程序存贮器寻址空间为64KB（0000H-0FFFFH），8031片内不带ROM，所以要进行程序存贮器的扩展。用作程序存贮器的常用的器件是EPROM。

由于MCS-51单片机的P0口是分别复用的地址/数据总线，因此，在进行程序存贮器扩展时，必须用地址锁存器锁存地址信号。通常地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373。当用74LS373作为地址锁存器时，锁存端G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。

根据应用系统对程序存贮器容量要求的不同，常采用的扩展芯片扩展EPROM2716（2KB³8）、2732A（4KB³8）、2764A（8KB³8）、27128A（16KB³8）、27256（32KB³8）和27512（64KB³8）等。以上6种EPROM均为单一+5V电源供电，维持电流为35mA-40mA，工作电流为75mA-100mA，读出时间最大为250ns，均有双列直插式封装形式，A0-A15是地址线，不同的芯片可扩展的存贮容量的大小不同，因而提供8位地址的P2端口线的数量各不相同，故2716为A0-A10，27512为A0-A15；D0-D7是数据线；CE是片选线，低电平有效；OE是数据输出选通线；Vpp是编程电源；Vcc是工作电源；PGM是编程脉冲输入端。

根据程序存贮器扩展的原理，以EPROM2764A和锁存器74LS373为例对8031单片机进行程序存贮器的扩展。因为2764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址线，A0-A12。如果只扩展一片程序存贮器EPROM，故可将片选端CE直接接地。下图为扩展两片EPROM的连接方法。同时，8031运行所需的程序指令来自2764A，要把其EA端接地，否则，8031将不会运行。

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XX大学本科毕业设计（论文） 123456781312151431191891716P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8031AHP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322122232425262728347813141718111D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q72569121516191098765432524212322022271A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12CEOEPGMVPP2764⑴D0D1D2D3D4D5D6D711121315161718191098765432524212322022271A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12CEOEPGMVPP2764⑵D0D1D2D3D4D5D6D71112131516171819RXDTXDALE/PPSEN10113029VCCVCC8031扩展2764的连接图 2、数据存贮器的扩展 8031单片机内部有128个字节RAM存贮器。CPU对内部的RAM具有丰富的的操作指令。但在用于数据采集和处理时，仅靠片内提供的128个字节的数据存贮器是远远不够的。在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能，扩展外部数据存贮器。 数据存贮器只使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存贮器与程序存贮器可完全重叠，均为0000H-FFFFH，但数据存贮器与I/O口与外围设备是统一遍址的，即任何扩展的I/O口以及外围设备均占用数据存贮器地址。8031的P0口为RAM的复用地址/数据线，P2口用于对RAM进行页面寻址（根据其容量不同，所占的P2端口不同，在对外部RAM读/写期间，CPU产生RD/WR信号。 在8031单片机应用系统中，静态RAM是最常用的，由于这种存贮器的设计无需考虑刷新问题，因而它与微处理器的接口很简单。最常用的静态RAM芯片有6116（2KB³8）和6264（8KB³8）。单一+5V供电，额定功耗分别为160mW和200mW，典型存取时间均为200ns，均有双列之插式封装，管脚分别为24和28线。

下图是6264与8031的连接图。从图中知：6264的片选CS1接8031的P2.7，第二片选线CS2接高电平，保持一直有效状态。因6264是8KB容量的RAM，故用到了3根地址线。6264的地址范围为0000H-7FFFH

对于一个完整的应用系统，必须具备一定容量的程序存贮器和一定容量的数

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2345TitleSizeBDate:File:N1-G:1234XX大学本科毕业设计（论文） 据存贮器。8031单片机外部扩展两片2764EPROM和两片6264静态RAM。程序存贮器2764的地址为：0000H-1FFFH。数据存贮器6264的地址为0000H-7FFFH。 123456781312151431191891716P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8031AHP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322122232425262728347813141718111D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7256912151619VCC10987654325242123222272620A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12OEWECS2CS16264⑴D0D1D2D3D4D5D6D71112131516171819VCC10987654325242123222272620A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12OEWECS2CS16264⑵D0D1D2D3D4D5D6D71112131516171819RXDTXDALE/PPSEN101130298031扩展6264的连接图 3、 I/O口的扩展 MCS-51系列单片机大多具有四个8位I/O口（即P0、P1、P2、P3），原理上这四个I/O口均可用作双向并行I/O接口。但在实际应用中，P0口常被用作为数据总线和低8位地址总线使用，P2口常被用作为高8位地址总线使用，P3口某些位又常用它的第二功能，特别是无ROM型的单片机因必须扩展外部程序存贮器，则更是如此。所以，若一个MCS-51应用系统需连接较多的并行输入/输出的外围设备（如打印机、键盘、显示器等），单片机本身所提供的输入输出口不能满足，就不可避免地要扩展并行I/O接口。常用的MCS-51并行I/O接口扩展方法主要有四种：采用可编程的并行接口电路，如8255A；采用可编程的RAM/IO扩展器，如8155；采用TTL或CMOS电路的三态门、锁存器，如74LS377、74LS373、74LS244；利用MCS-51的并行扩展并行I/O接口。 a.8255A可编程外围并行I/O接口 1 8255A是可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。

在单片机的I/O口扩展8255芯片，其接口相当简单，如下图所示：

23440

1234XX大学本科毕业设计（论文） D3433323130292827123456781312151431P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8031AHRXDTXDALE/PPSEN10113029P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322122232425262728347813141718111D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q725691215161953698356D0D1D2D3D4D5D6D7RDWRA0A1RESETCSPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC743214039383718192021222324251415161713121110C19188255A接复位电路917168031扩展8255的连接图 图中8255的RD、WR分别与MCS-51的RD、WR相连；8255的D0-D7直接接MCS-51的P0口。片选信号CS口及地址选择线A0、A1分别由8031的P0.0、BP0.1、P0.2经地址锁存器后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的复位端与8031的复位端相连，都接到8031的复位电路上。 在实际的应用系统中，必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应的控制字写入操作口。 8255接口芯片在MCS-51单片机应用系统中广泛用于连接外部设备，如打印机，键盘，显示器以及作为控制信息的输入、输出口。 b.8155可编程外围并行I/O接口 8155/8156芯片内包含有256个字节RAM，2个8位和一个6位的可编程并行I/O口，1个14位定时器/计数器。8155/8156可直接与MCS-51单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。由于8031单片机外接一片8155后，就综合地扩展了数据RAM、I/O端口和定时器/计数器。因而是MCS-51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。

在8155的控制逻辑部件中，设置一个控制命令寄存器和一个状态标志寄存器。8155的工作方式由CPU写入控制命令寄存器中的控制字来确定。控制命令寄存器只能写入不能读出，8位控制命令寄存器的低4位用来设置A口、B口和C口的工作方式。第4、5位用来确定A口、B口以选通输入输出方式工作时是否允许中断请求。第6、7位用来设置定时器/计数器的操作。

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1234AXX大学本科毕业设计（论文）

8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或选通方式，C口可作为输入输出口线，也可作为A口、B口选通方式工作的状态控制信号。其工作情况与8255方式0、方式1时大致相同，控制信号的含义也基本相同。另外，在8155中还设有一个状态标志、寄存器，用来存放A口和B口的状态标志。状态标志寄存器的地址与命令寄存器的地址相同，CPU只能读出，不能写入。

8155中还设有一个14位的定时器/计数器，可用来定时或对外部事件计数，CPU可通过程序选择计数长度和计数方式。计数长度和计数方式由输入计数寄存器的计数控制字来确定。

MCS-51单片机可以和8155直接相连而不用任何外加逻辑，MCS-51单片机扩展一片8155可以为系统增加256字节外RAM，22根I/O口线及一个14位定时器。下图为8155与8031的一种接口逻辑，图中P2.7连片选信号CE，P2.0连IO/M，123所以8155的RAM的地址为7E00H-7EFFH；I/O寄存器地址分别为：命令字/状态字寄存器地址为7F00H，PA口地址为7F01H，PB口地址为7F02H，PC口地址为7F03H，定时器/计数器低字节寄存器地址为7F04H，定时器/计数器高字节寄存器地址为7F05H。 D1234567813121514311918CP10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8031AHP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27393837363534333221222324252627281213141516171819AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5212223242526272829303132333435363738391258910711CERDWRIO/MALE6TMROUT接复位电路91716RXDTXDALE/PPSEN101130293TMRIN4RESET8155H8031扩展8155的连接图 3.2.3键盘、显示器接口设计 1、矩阵式键盘接口设计 矩阵式键盘适用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列B交叉点上。如一个4³4的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘等等。42 XX大学本科毕业设计（论文）

在按键数量较多时，矩阵键盘比独立键盘节省了很多I/O口。

按键设置在行、列线分别连接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在的行和列电平。所以，必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。 对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号将是非常直观的。 2、显示器接口设计

在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称LED。LED显示块由发光二极管显示字段组成，有7段和“米”字型之分，一片显示块显示一位字符。共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。 由于7段LED显示块有7个段发光二极管，所以其字形码为一个字节；“米”字形LED显示块有15段发光二极管，所以字形码为两个字节。由n片LED显示块可拼接成n位LED显示器，共有n根位选线和8³n根段选线，根据显示方式不同，位选线和段选线的连接也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线则控制显示位的亮、暗。

LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。在多位LED显示时，为了节省I/O口线，简化电路，降低成本，一般采用动态显示方式。动态显示方式是一位一位地分别轮流点亮各位显示器，对每位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮和熄灭时间的比例有关。这种显示方式将七段LED显示器的所有段选位并联在一起，由一个8位I/O口控制，实现各位显示器的分时选通。

下图是LED显示器采用共阴极方式，6个显示器的段选码由8155的PB口提供，位选码由8155的PA口提供（PA口同时也提供行列式未编码键盘的列线），行列式未编码键盘的行线由PC口提供。图中设置了36个键。如果继续增加PC口线，设全部PC口线（PC0-PC5）用作键盘的行线，全部PA口线（PA0-PA7）作键盘列线，则按键最多可达8³6个。

下图中8155的PB口扫描输出总是只有一位为高电平，即PB口经反相后仅有一位公共阴极为低电平，8155的PA口则输出相应位（PB口输出为高对应的位显示器）的显示数据，使该位显示与显示缓冲器相对应的字符，而其余各位均为熄

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XX大学本科毕业设计（论文） 2345灭，依次改变8155的PB口输出为高的位，PB口输出对应的显示缓冲器的数据。 100Ω×8+5VABCDEFGH1213141516171819AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB721222324252627285.1KΩ×637383912529303132333435368910711CERDWRIO/MALE6TMROUT+5V3TMRIN4RESET8155 3.2.4步进电机控制电路设计 1、步进电机开环驱动原理 每输入一个脉冲,步进电机就前进一步,因此,它也称作脉冲电动机.其种类很多,Title但主要分三大类:反应式步进电动机,永磁式步进电动机,以及永磁感应式步进电动机.SizeNumberB反应式电动机结构最简单,是应用最广泛的一种.按控制绕组的相树分有三相,四相,Date:29-May-20042345五相,六相等等.无论哪种步进电动机,他们的工作原理都有相同之处:数字式脉冲信File:G:\\王丹的毕业设计\\protel\\芯片扩展.ddb号控制定子磁极上的控制绕组,按一定顺序依次通电,在顶子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转.

步进电动机主要用于开环系统,当然也可以闭环系统. 下图是步进电动机开环伺服系统的原理图,它由以下几部分组成:

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XX大学本科毕业设计（论文） 脉冲信号源脉冲信号分配后的脉冲信号脉冲分配器功率放大放大后的脉冲信号ABC步进电机开环伺服系统原理 脉冲信号源――是一个脉冲发生器,通常脉冲频率连续可调,送到脉冲分配器的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制.因脉冲频率可调,也称为变频信号源. 脉冲分配器――脉冲按一定的顺序送到功率放大器中进行放大，驱动步进电动机工作．用硬件进行脉冲顺序的分配，有时称为环行分配器，也简称环分． 功率放大器――将脉冲分配器送来的脉冲放大，使步进电动机获得必要的功率． 步进电动机――伺服系统的执行元件，它带动工作机构，如减速装置，丝杆，工作台． 2、脉冲分配 对每一个五相步进电动机而言，其脉冲分配方式是五相十拍的的．其五相分别用Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ表示．五相十拍的运行方式是Ａ－ＡＢ－Ｂ－ＢＣ－Ｃ－ＣＤ－Ｄ－ＤＥ－Ｅ－ＥＡ顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步转动．要改变步进电动机的转动方向，只需改变通电的顺序即可． 脉冲分配器是将脉冲电源按规定的通电方式分配到各相，该分配可由硬件来实现．在微机控制中，脉冲的分配也可由软件来完成，Ｐ１.０，Ｐ１.１，Ｐ１.２，Ｐ１.３，Ｐ１.４五位分别输出时序脉冲，经光电隔离、驱动放大使步进电机运转．延时的长短决定了步进电动机运行一拍的时间，也就决定了步进电机的转速． 13、驱动电路 23由微机根据控制要求发出的脉冲，并依次将脉冲分配到各相绕组，因其功率很小，电压不足５Ｖ，电流为mＡ级，必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培，才能驱动步进电动机．因此，步进电机驱动器实际上是一个功率放大器．驱动器的质量直接影响步进电动机的性能，驱动器的负载是电机的绕组，是强电感应负载．对驱动器的主要要求是：失真要小，要有较好的前后沿和足够的幅度；效率要高；工作可靠；安装调试和维修方便．

下图是一个Ｌa绕组的高低压驱动电路，脉冲变压器Ｔp组成高压控制电路。

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无脉冲输入时，Ｔ１，Ｔ２，均截止，电机绕组Ｌa中无电流通过，电机不转． 有脉冲输入时，Ｔ１，饱和导通，在Ｔ２由截止到饱和期间，其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加，在变压器次级感应一个电压，使Ｔ３导通，８０Ｖ高压经高压管Ｔ３加到绕组Ｌa上，使电流迅速上升，约经数百微妙，当Ｔ２进入稳压状态后，Ｔp初级电流暂时恒定，次级的感应电压降到０，Ｔ３截止，这时１２Ｖ低压电流经Ｄ２加到绕组Ｌa上，维持Ｌa中的电流为恒定值．

输入脉冲结束后，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４又均截止，储存在Ｌa中的能量通过１８Ω的电阻和二极管泄放，１８Ω的电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形后沿．

由于采用高低压驱动，电流增长快，电机的力矩和运行频率都得到改善，但由于电机转动时产生的反电动势，使电流波形顶部下凹，使平均电流下降，转矩下降． 3.2.5光电隔离电路设计

为了避免外部设备的电源干扰，防止被控对象电路的强电反窜，通常采取将微机的前后向通道与被连模块在电气上的隔离的方法。过去通常隔离变压器或中间继电器来实现，而目前已广泛被性能高、价格低的光电耦合器来代替。

光电耦合器是把发光元件与受光元件封装在一起，以光作为媒体来传输信息的。其封

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装形式有管形，双列直插式、光导纤维连接等。发光器一般为砷化镓红外发光二极管。 光电耦合器具有以下特点：

1、信号采取光电形式耦合，发光部分与受光部分无电气回路，绝缘电阻高达

31010-1012Ω，绝缘电压为1000-5000V，因而具有极高的电气隔离性能，避免输出端和4输入端之间可能产生的反馈和干扰。 2、由于发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小，对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路，因此抗干扰能力强，共模抑制比高，不受磁场的影响，特别是用于长线传输时作为终端负载，可以大大地提高信噪比。 3、光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号，且响应速度快（一般为几毫秒，甚至少于10ns），可以用于高速信号的传输。 下图的光电耦合器是采用硅光电二极管作受光元件。其CTR为10%-100%，脉冲上升和下降时间小于5μs，输出电路饱和压降小（0.2V-0.3V），电路构件简单，是目前应用较多的一种，主要用于驱动TTL电路、传输线隔离、脉冲放大等。 晶体管输出型的光电耦合器用于开关信号耦合时，发光二极管和光电晶体管平常都处于关断状态。在发光二极管通过电流脉冲时，光电晶体管在电流脉冲持续的时间内导通。下图是使用4N25光电耦合器的接口电路，这里4N25起到耦合脉冲信号和隔离单片机8031系统与输出设备电气回路的作用，使两部分的电流相互独立。输出部分的地线Vss接地壳或大地，而单片机的电源地线（GND）浮空，这样可以避免输出部分电源变化对单片机电源的影响。 +5V53KΩVCCR2输出信号机床信号R1200ΩVCC光电隔离电路3.2.6其他接口电路设计 面板操作键和功能选择开关：面板操作键与8255的PB口接口电路。图中SB1-SB6为手动操作进给键，分别完成人工操作的±X、±Y、±Z的进给。运行时按下此键，可中断程序的运行。回零，使工具电极沿X轴、Y轴、Z轴回到机械零点。 功能选择开关SA为一个单刀7掷波段开关，它与系统的8255PA口相连。用于连续、单步、自动、手动、暂停、启动等功能的选择。 47 XX大学本科毕业设计（论文）

致 谢

本次设计的工作量较大,机械部分的设计占总体设计的三分之二,电部分的设计占了三分之一,机械方面的相关资料还是比较多，可电方面的资料就相对来说比较少了。为了让我们在实践中做好设计，我的导师教授亲自带我们去XX大学和XX学院去了解CK6163机床的外型及控制原理和主要的零部件等。由于所学有限，在设计中遇到很多的问题，在此非常感谢我们的教授给予我们耐心的指导，没有他，我的设计不会这样的顺利和合理。此次设计，让我以前所学的知识得到了强化， 也学到了很多以前不曾接触的知识，比如说Ptotel99SE软件的应用和许多芯片的应用等，大大地拓展了我的知识面，锻炼了我对机械设计特别是机床设计方面的分析问题、解决问题的能力，还有很重要的一点就是培养了我不懂就问、大胆提问的思想。这样给我从理论到实际生产打下了扎实的基础。

在此特别感谢校系领导给了我这次锻炼的机会，让我受益匪浅。同时也感谢四年来悉心教导、培育我们的老师和帮助我的同学，是你们让我的大学生活如此无憾的精彩；感谢我的那双含辛茹苦的父母亲圆了我的大学梦！临近毕业，我想对你们说声：谢谢！我始终以你们为荣，我的母校，恩师，父母，朋友。在以后的不论是工作还是学习中，我一定会把握机会好好努力，争取让你们以我为荣！

学生签名： 日 期：

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参 考 文 献

[1] 顾维邦.金属切削机床概论.北京:机械工业出版社,2005.1～17 [2] 李广第,朱月秀,王秀山.单片机基础.北京:北京航天航空大学出版

社,2001.115～219

[3] 《机械设计手册》编写组编.机床设计手册2 .北京:机械工业出版社,

1980.670～674

[4] 《机械设计手册》编写组编.机床设计手册３.北京:机械工业出版社,

1986.495～500

[5] 黄康美．数控加工编程．上海：上海交通大学出版社，2004.64～94 [6] 华东纺织工学院,哈尔滨工业大学,天津大学.机床设计图册.上海: 上海

科学技术出版社 ，1979.84～87

[7] 雷晓玲.综合作业指导书，北京:机械工业出版社 ，2000.2～30 [8] 刘朝儒,高政一,彭福荫.机械制图第三版.北京:高等教育出版社 ，

1988.577～606

[10] 张建刚，胡大泽.数控技术.武汉:华中科技大学出版社，2000.12～188 [11] 孙恒,陈作模.机械原理第六版.北京:高等教育出版社，2000.341～347 [12]邓星钟主编 机电传动控制（第三版） 武汉：华中科技大学出版社，2003 [13] 秦曾煌主编 电工学下册电子技术（第五版）北京：高等教育出版社 2003 [12] 魏俊民 周砚江主编 机电一体化系统设计 北京 中国纺织出版社1998 [13]薛栋梁编著 MCS-51/51/251单片机原理与应用（一）北京 中国水利水电出版社2001

[14]杨恢先 黄辉先等编著 单片机原理及应用 长沙 国防科技大学出版社 2003 [15]中国IT培训工程委员会编 Prote99电路设计培训班。珠海 珠海出版社2002 [16]何永然 唐增宝 刘安俊主编 机械设计课程设计（第二版）武汉 华中科技大学出版社 2002

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附 录

外文翻译

数控车床发展趋势

取数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前数控车床呈现以下发展趋势。

1. 高速、高精密化

高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。

数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上。

直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙(包括反向间隙)，运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。

直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。

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通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的10～20m/mim提高到60～80m/min，甚至高达120m/min。 2. 高可靠性

数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。 3. 数控车床设计CAD化、结构设计模块化

随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展。CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。

通过对机床部件进行模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期。 4. 功能复合化

功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y数控车铣复合中心，该机床同时具有X、Z轴以及C轴和Y轴。通过C轴和Y轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。该机床还配置有强动力刀架和副主轴。副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。 5. 智能化、网络化、柔性化和集成化

21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化

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编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。 网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP及MTS等联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。

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The numerical control lathe development tendency

Numerical control technology application not only has brought the revolutionary change for the traditional manufacturing industry, but also caused the manufacturing industry to become the industrialization the symbol, Moreover along with numerical control technology unceasing development and application domain expansion, it to national economy and the people's livelihood some important professions (IT, automobile, light industry, medical service and so on) development more and more vital role, because these professions must equip the digitization already was the modern development major tendency. Below the current numerical control lathe presents the development tendency.

1. High speed, High precise

High speed, is precise is the engine bed development eternal goal. Development progresses by leaps and bounds which along with the science and technology, the mechanical and electrical product renewal speed speeds up, increasingly is also high to the components processing precision and the surface quality request. In order to satisfy this complex changeable market the demand, the current engine bed to the high-speed cutting, is doing the cutting and does the direction of cut to develop, the processing precision also in unceasingly enhances. On the other hand, electricity main axle and straight line electrical machinery success application, ceramics ball bearing, high accuracy big hollow in cold and ball bearing nut strong cold low temperature high speed ball bearing guide screw vice- and belt ball bearing retainer straight line guide rail vice- and so on engine bed function part appearing on the market, also for the engine bed to was high speed, the precise development has created the condition. The numerical control lathe uses the electricity main axle, has cancelled the leather belt, Belt pulley and link and so on gear, greatly reduced main movement the rotation inertia, enhanced the main axle dynamic speed of response and the work precision, when thorough settlement main axle high-speed operation leather belt and Belt pulley and so on transmission vibration and noise question. Uses the electricity main axle structure to be possible to enable the main axle rotational speed to achieve above 10000r/min. Straight line motor-driven speed high, adds and subtracts the fast characteristic to be good, has the superior response characteristic and follows the precision. Made the servo with the straight line electrical machinery to actuate, to omit the ball bearing guide screw this intermediate drive link, eliminated the transmission gap (including reverse gap), movement inertia small, system rigidity good under, in was high speed can precisely locate, thus enormously increased the servo precision. The straight line rolls guide rail, because it has respectively to the gap for zero and the extremely small rolling friction, wears slightly, gives off heat may ignore, has the extremely good thermostability, increased the entire journey pointing accuracy and the repetition pointing accuracy. Roll the guide rail vice- application through the straight line electrical machinery and the straight line, may make the engine bed the rapid traverse speed to enhance from present 10 ~ 20m/mim to 60 ~ 80m/min, even reaches as high as 120m/min.

2. redundant reliable numerical control engine bed reliability is a numerical

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control engine bed product quality crucial target. Whether does the numerical control engine bed display its high performance, the high accuracy and the high efficiency, and obtains the good benefit, the key is decided by its reliable height.

3. numerical controls lathes designed CAD, the structural design modulation along with the computer application popularization and the software technology development, the CAD technology obtained the widespread development. CAD not only may substitute artificially completes the tedious cartography work, more importantly may carry on the design proposal choice and the big-ticket item entire machine is static, the dynamic analysis, the computation, the forecast and the optimized design, may carry on the dynamic simulation simulation to the entire machine each working part. May see the product in the modular foundation in the design stage the three dimensional geometry model and the lifelike color. Uses CAD, but also may greatly enhance the working efficiency, enhances the design a success ratio, thus reduces the trial manufacturing cycle, reduces the design cost, sharpens the market competition ability. Through carries on the modular design to the engine bed part, not only can reduce the duplicated work, moreover may the fast response market, reduce the product development design cycle.

4. functions compound functions compound goal is further enhances the engine bed the production efficiency, uses reduces to few to the non- processing non-cutting time. Through function compound, may expand the engine bed the use scope, enhances the efficiency, realizes multipurpose one machine, one machine are many energy, namely a numerical control lathe already may realize the turning function, also may realize milling the processing; Or in also may realize by the mill primarily engine bed on rubs truncates the processing. The Baoji machine tool factory already developed the successful CX25Y numerical control vehicle mill deathnium center, this engine bed simultaneously had X, the Z axis as well as the C axis and the Y axis. Through the C axis and the Y axis, may realize the plane milling and the leaning hole, the trough processing. This engine bed also disposes has the strong power tool rest and the vice- main axle. The vice- main axle uses the Inner Tibet type electricity main axle structure, may directly realize the host, vice- main axle rotational speed synchronization through the numerical control system. A this engine bed work piece attire clamps then completes completely processes, enormously enhanced the efficiency.

5. intellectualizations, the network, the flexibility and the integrated 21st century numerical control equipments will be has certain intellectualized the system. Intellectualized content including in numerical control system each aspect: In order to pursue the processing efficiency and the processing quality aspect intellectualization, like processing process adaptive control, craft parameter automatic production; In order to enhance the actuation performance and the use connection aspect intellectualization, like the feed-forward control, the electrical machinery parameter auto-adapted operation, the automatic diagnosis load automatic designation model, Conformity grades; Simplification programming, simplification operation aspect intellectualization, like intellectualized automatic programming, intellectualized man-machine contact surface and so on; Also has the intelligence to diagnose, aspect

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the and so on intelligent monitoring content, facilitates the system the diagnosis and the service and so on. The network numerical control equipment is a hot spot which the recent years engine bed developed. The numerical control equipment network enormously will satisfy the production line, the manufacture system, the manufacture enterprise to the information integration demand, also realizes the new manufacture pattern, like agile manufacture, hypothesized enterprise, global manufacture foundation unit. The numerical control engine bed the tendency which develops to the flexibility automated system is: From (numerical control single plane, processing center and numerical control compound processing engine bed), line (FMC, FMS, FTL, FML) to surface (construction section workshop independent manufacture island, FA), body (CIMS, distribution network integration manufacture system) the direction develops, on the other hand and the efficient direction develops to the attenion application. The flexible automation technology is the manufacturing industry adapts the dynamic market demand and the product rapid renewal main method, is the various countries' manufacturing industry development mainstream tendency, is the advanced manufacture domain foundation technology. Its key point is by enhances the system the reliability, practical changes into the premise, take the easy networking and the integration as the goal, the attenion strengthens the unit technology the development and the consummation. The CNC single plane to the high accuracy, the high velocity and the high flexible direction develops. The numerical control engine bed and its the constitution flexibility manufacture system can conveniently and joint and so on CAD, CAM, CAPP and MTS, develops to the information integration direction. The network system to the opening, the integration and the intellectualized direction develops.

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