【正文】 預(yù)緊力，但結(jié)構(gòu)工藝都較復(fù)雜，適用于長(zhǎng)絲杠。本課題中采用第三種支承配置方式。 軸承的配置形式一般說來數(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滾子軸承來承受徑向載荷，安裝在前端的兩個(gè)推力球軸承用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。由于推力球軸承安裝在主軸前端，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(duì)主軸精度影響也很較大。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滾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2～3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滾子軸承。這種結(jié)構(gòu)適應(yīng)較高轉(zhuǎn)速、較重切削負(fù)載，主軸精度教好。但承受的軸向負(fù)載較前兩種結(jié)構(gòu)小。4）前后支承均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。這中結(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。本次設(shè)計(jì)主軸所采用的軸承配置采用第四種方式。滾珠絲杠所用軸承為接觸角為60度的角接觸球軸承。 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)緊變形而帶負(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(zhǎng)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。而角接觸軸承主要是軸向預(yù)緊，這可明顯提高軸向剛度?！冃吻€，其彈性變形量δa與軸向外載荷Fa的關(guān)系為δa∝Fa。由圖可知，沒有預(yù)緊時(shí)，在Fa作用下，軸承的軸向變形量為δa1；而在具有預(yù)緊Fa0條件下；同樣作用軸向載荷Fa，軸承的軸向變形增量為δa2，顯然δa2δa1,軸承的軸向剛度有所提高?！冃吻€ 根據(jù)課題的設(shè)計(jì)要求，本章完成了機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)方案，對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件滾珠絲杠副進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和校核，對(duì)進(jìn)給軸的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化比較選擇。第四章 機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以一臺(tái)系統(tǒng)機(jī)為主機(jī)和3片MCS51單片機(jī)為從機(jī)，組成主、從式控制系統(tǒng)，三軸的驅(qū)動(dòng)采用五步十拍步進(jìn)電機(jī)，并采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在電火花機(jī)床上實(shí)現(xiàn)了小于0. lum的脈沖進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)功能。整個(gè)系統(tǒng)采用多機(jī)通訊方式，主機(jī)是一臺(tái)系統(tǒng)機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，完成數(shù)控程序的編輯、編譯、數(shù)控插補(bǔ)、數(shù)控仿真、火花間隙狀態(tài)的判別和工藝數(shù)據(jù)庫的管理等，并能用圖形顯示加工的進(jìn)程和加工時(shí)間，界面友好美觀。下位機(jī)系統(tǒng)以MCS51單片機(jī)為控制中心，主要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制，是一個(gè)完整的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，下位機(jī)只從上位機(jī)接收兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)是脈沖信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，另一個(gè)是方向信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。共有3個(gè)這樣的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以控制三軸的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)功能。[15]上位機(jī)與三個(gè)下位機(jī)之間的通訊采用串口通信，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)三軸之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，加工出所需工件。 總體方案設(shè)計(jì)機(jī)床的控制系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為三個(gè)模塊進(jìn)行分析：系統(tǒng)機(jī)模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊、伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。各模塊的功能及關(guān)聯(lián)關(guān)系分析如下：系統(tǒng)機(jī)主要進(jìn)行數(shù)控代碼或其他代碼的讀入、轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī)，對(duì)單片機(jī)有絕對(duì)的控制權(quán)。系統(tǒng)機(jī)讀取源代碼，將代碼轉(zhuǎn)換為待發(fā)送的文件。控制程序從發(fā)送文件讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)編碼后，按一定的控制方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)。單片機(jī)從系統(tǒng)機(jī)接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按協(xié)議翻譯并存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)特定的單元。單片機(jī)直接控制外部硬件的運(yùn)行。它接收來自PC機(jī)的控制指令和信號(hào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，給步進(jìn)電機(jī)發(fā)脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。單片機(jī)的控制部分主要包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、接口等。 單片機(jī)控制系統(tǒng)及外圍電路圖單片機(jī)系統(tǒng)通過穩(wěn)壓電源芯片將較寬范圍的電源都穩(wěn)壓到5V,保證單片機(jī)的正常工作。同時(shí)在電源芯片前串聯(lián)一只二極管，截止反相電壓，避免損壞穩(wěn)壓芯片。PC機(jī)與單片機(jī)之間采用RS232標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)通訊；在單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口電路上既有高電壓又有低電壓部分，為了避免高壓電路對(duì)低壓電路的干擾，所以采用一個(gè)光耦隔離元件來進(jìn)行高低壓的隔離，同時(shí)用一個(gè)功率放大電路將信號(hào)放大來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。本文中的下位機(jī)系統(tǒng)，是一個(gè)圍繞單片機(jī)芯片而組成的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。在下位機(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)。 MCS51系列單片機(jī)的簡(jiǎn)介MCS51是指由美國(guó)INTEL公司生產(chǎn)的一系列單片機(jī)的總稱，這一系列單片機(jī)包括了好些品種，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機(jī)都是在8051的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的增、減、改變而來的，所以人們習(xí)慣于用8051來稱呼MCS51系列單片機(jī)，而8031是在我國(guó)最流行的單片機(jī)，所以很多場(chǎng)合會(huì)看到8031的名稱。[16][17]在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,我們采用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基本組成，8031是有8個(gè)部件組成，即CPU、時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、并行口（P0～P3）串行口、定時(shí)計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)，它們均由單一總線連接并被集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，即組成了單片微型計(jì)算機(jī)。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分為三部分，： 8031引腳圖其引腳類型有三種，電源及時(shí)鐘引腳、控制引腳和輸入/輸出引腳，各類引腳的功能詳見8031單片機(jī)技術(shù)手冊(cè)，[18][19]這里不再一一敘述。 下位機(jī)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)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，MCS51片內(nèi)有一個(gè)反相放大器，XTALXATL2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端，[22]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)鐘送至單片機(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，[23]大多單片機(jī)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。： 內(nèi)部時(shí)鐘方式的時(shí)鐘電路。電容CC2的取值對(duì)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。CC2可在20pF100pF之間選擇，一般當(dāng)外界晶體時(shí)典型取值為30p F，外界陶瓷諧振器時(shí)典型取值為47p F ，取60p F—70p F時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(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)XTALXTAL2引腳安裝，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。 下位機(jī)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，是中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件口處于一個(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，MCS51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，該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)時(shí)鐘周期）以上的高電平，是器件復(fù)位，只要RST保持高電平，MCS51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?yōu)榈碗娖胶螅顺鰪?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)RAM的內(nèi)容。MCS51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，： 上電按鈕復(fù)位電路對(duì)于CMOS型單片機(jī)因RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻，故電阻R2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），就能是單片機(jī)有效復(fù)位。當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHz時(shí)，RC的典型值為C=10uF，R=。[24]簡(jiǎn)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引腳上接一去耦電容。上圖按鈕復(fù)位電路只需將一個(gè)常開按鈕開關(guān)并聯(lián)到電復(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。在以8031單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中必須擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，用以存放控制程序。同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器容量較小，不能滿足實(shí)際需要，還要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。[25]這種擴(kuò)展就是配置外部存儲(chǔ)器（包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）。另外，在單片機(jī)內(nèi)部雖然設(shè)置了若干并行I/O接口電路，用來與外圍設(shè)備連接。但當(dāng)外圍設(shè)備較多時(shí)，僅有幾個(gè)內(nèi)部I/O接口是不夠的，因此，單片機(jī)還需要擴(kuò)展輸入輸出接口芯片。MCS51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,其中8058751片內(nèi)有4KB的ROM或EPROM，而8031片內(nèi)不帶ROM，需擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。用做程序存儲(chǔ)器的器件是EPROM和EEPROM。程序存儲(chǔ)器尋址空間為64KB（0000H～FFFFH），P2作高位的地址輸出，P0作低位地址輸出和數(shù)據(jù)線。 MCS51 單片機(jī)擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器的硬件電路由于MCS51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)，必須用地址鎖存器鎖存地址信號(hào)。通常地址鎖存器可以使用帶三態(tài)緩沖輸出的74LS373。當(dāng)用74LS373作為地址鎖存器時(shí)，鎖存器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)對(duì)程序存儲(chǔ)器容量要求的不同，常用的擴(kuò)展芯片包括EPROM2716（2KB8）、2732A（4KB8）、2764A（8KB8）、27128A（16KB8）、27256（32KB8）和27512（65KB8）等。以上6種EPROM均為單一﹢5V電源供電，維持電流為35m A～40Ma，工作電流為75 m A～100m A ，讀出時(shí)間最大為250ms，均有雙列直插式封裝形式，Ao～A15是地址線，不同的芯片可擴(kuò)展的存儲(chǔ)容量的大小不同，因而提供高8位地址的P2端口線的數(shù)量各不相同，故2716為Ao～A10，27512為Ao～A15；Do～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。考慮系統(tǒng)的需要，我們將8031的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為4K EPROM，采用2764作為ROM芯片。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展的容量大于256字節(jié)，故EPROM片內(nèi)地址線除了由P0口經(jīng)地址存儲(chǔ)器提供低8位地址外，還需要由P2口提供若干條地址線，我們選用8K的2764 EPROM，故地址線應(yīng)該是13條，因?yàn)橄到y(tǒng)中只擴(kuò)展一片EPROM，所以不用片選信號(hào)，即EPROM 的接地。在程序擴(kuò)展中，我們選用的地址鎖存器是74LS373當(dāng)三態(tài)門的為低電平時(shí)，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許Q端輸出，否則為高電平，輸出為三態(tài)門斷開，輸出端對(duì)外電路呈高阻態(tài)，所以在這里為低電平，這時(shí)當(dāng)G端為高電平時(shí)，鎖存器輸出和輸入的狀態(tài)是相同的，當(dāng)G由高電平下落為低電平時(shí)，輸入端1D～8D的數(shù)據(jù)鎖入1Q～8Q中。當(dāng)2764處于讀方式下和均為低電平有效。當(dāng)VPP=+5V時(shí)，EPROM處于讀工作方式：這時(shí)由給定地址信號(hào)決定被選中存儲(chǔ)器單元信息。被讀出到數(shù)據(jù)輸出端D0～D7上。維持方式：當(dāng)為高電平時(shí)，VPP為+5V，EPROM處于低功耗方式，輸出端均為高阻態(tài)，這與輸入無關(guān)。編程方式：在VPP加上+，被編程的8位數(shù)據(jù)以并行方式送到數(shù)據(jù)輸出斷編程校驗(yàn)。2764與8031的連接如圖4. 8所示 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展在選用芯片擴(kuò)展的同時(shí)要考慮滿足系統(tǒng)的要求的前提下，使電路簡(jiǎn)化，盡量選擇大容量的芯片，以減少芯片組合的數(shù)量，在芯片型號(hào)的選擇上選用滿足應(yīng)用環(huán)境要求的芯片型號(hào)。在單片機(jī)中有128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但往往在系統(tǒng)的要求下片內(nèi)RAM不能滿足要求，用戶只有選擇擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以進(jìn)行存儲(chǔ)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求。我們采用8K靜態(tài)RAM6264進(jìn)行擴(kuò)展。與動(dòng)態(tài)RAM相比，靜態(tài)RAM無須考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而刷新電路，所以擴(kuò)展電路較為簡(jiǎn)單且能滿足系統(tǒng)的要求。6264是8K*8位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片。它采用CMOS工藝制作，單一的+5V電源供電，額定功耗是200mW，典型存取時(shí)間200ms，為28線雙列直插封裝。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展與程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展類似，讀寫控制信號(hào)與8031的和相連。P0口通過74LS373與A0～A7相連，～～A12相連，P0口與D0～D7相連作為數(shù)據(jù)線，同時(shí)CE2接+5V電源，GND接地。： 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 下位機(jī)I/0口的擴(kuò)展在MCS51應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)本身提供給用戶使用的輸入、輸出口線并不多，只有P1口和部分P3口線。因此，在大部分單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都不可避免的要在單片機(jī)外部擴(kuò)展I/O端口。由于MCS51的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和I/O口是統(tǒng)一編址的，因此用戶可以把外部64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的一部分接口作為擴(kuò)展外圍I/O的地址空間。這樣單片機(jī)就可以象訪問外部RAM存儲(chǔ)器一樣訪問外部接口芯片，對(duì)其進(jìn)行讀/寫操作。 8255A可編程外圍并行I/O接口8255A是可變成輸入輸出接口芯片，它具有3個(gè)8位的并行I/O口，具有三種工作方式，可通過程序改變其功能，因而使用方便，通用性強(qiáng)，可作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備連接時(shí)的接口電路。在8031單片機(jī)的I/O口上擴(kuò)展8255芯片，其接口邏輯相當(dāng)簡(jiǎn)單，8255的片選信號(hào)CS及接口地址選擇線A0、。故8255的A、B、C、D口及控制口地址分別為FF7CH，F(xiàn)F7DH，F(xiàn)F7EH，F(xiàn)F7FH。8255的復(fù)位端與8031的復(fù)位端相連，都接到8031的復(fù)位電路上。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，必須根據(jù)外圍設(shè)備的類型選擇8255的操作方式，并在初始化程序中把相應(yīng)的控制字寫入操作口。下面舉例說明8255的變成方法。其中一個(gè)端口地址如下： A口地址：FF7CH B口地址：FF7DH C口地址：FF7EH 控制口地址：FF7FH