毕业设计(论文)外圆磨床设计.doc

1、 毕业设计（论文） 第 59 页第1章 绪论1.1 磨床的类型与用途1.1.1 磨床的类型及其特点用磨料磨具（砂轮、砂带、油石和研磨料等）为工具进行切削加工的机床，统称为磨床（英文为Grinding machine），它们是因精加工和硬表面的需要而发展起来的1。磨床种类很多，主要有：外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、工具磨床和用来磨削特定表面和工件的专门化磨床，如花键轴磨床、凸轮轴磨床、曲轴磨床等2。对外圆磨床来说，又可分为普通外圆磨床、万能外圆磨床、无心外圆磨床、 宽砂轮外圆磨床、端面外圆磨床等以上均为使用砂轮作切削工具的磨床。此外，还有以柔性砂带为切削工具的砂带磨床，以油石和研磨剂为切削工具的

2、精磨磨床等。磨床与其他机床相比，具有以下几个特点：1、磨床的磨具（砂轮）相对于工件做高速旋转运动（一般砂轮圆周线速度在35米/秒左右，目前已向200米/秒以上发展）；2、它能加工表面硬度很高的金属和非金属材料的工件；3、它能使工件表面获得很高的精度和光洁度；4、易于实现自动化和自动线，进行高效率生产；5、磨床通常是电动机-油泵-发动部件，通过机械，电气，液压传动-传动部件带动工件和砂轮相对运动-工件部分组成1。1.1.2 磨床的用途磨床可以加工各种表面，如内、外圆柱面和圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形表面。磨床可进行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以进行各种高硬、超硬材料的加

3、工，还可以刃磨刀具和进行切断等，工艺范围十分广泛。随着科学技术的发展，对机械零件的精度和表面质量要求越来越高，各种高硬度材料的应用日益增多。精密铸造和精密锻造工艺的发展，使得有可能将毛坯直接磨成成品。高速磨削和强力磨削，进一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范围日益扩大。它在金属切削机床所占的比重不断上升。目前在工业发达的国家中，磨床在机床总数中的比例已达30%-40%。据1997年欧洲机床展览会(EMO)的调查数据表明，25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术，车削只占23%， 钻削占22%，其它占8%；而磨床在企业中占机床的比例高达42%，车床占23%，铣床占22%，钻床占14%3

4、。由此可见，在精密加工当中，有许多零部件是通过精密磨削来达到其要求的，而精密磨削加工会要在相应的精密磨床上进行，因此精密磨床在精密加工中占有举足轻重的作用。但是要实现精密磨削加工，则所用的磨床就应该满足以下几个基本要求： 1.高几何精度。 精密磨床应有高的几何精度，主要有砂轮主轴的回转精度和导轨的直线度以保证工件的几何形状精度。主轴轴承可采用液体静压轴承、短三块瓦或长三块瓦油膜轴承，整体度油楔式动压轴承及动静压组合轴承等。当前采用动压轴承和动静压轴承较多。主轴的径向圆跳动一般应小于1um，轴向圆跳动应限制在23um以内。2.低速进给运动的稳定性。 由于砂轮的修整导程要求1015mm/min，因

5、此工作台必须低速进给运动，要求无爬行和无冲击现象并能平稳工作。3.减少振动。 精密磨削时如果产生振动，会对加工质量产生严重不良影响。故对于精密磨床，在结构上应考虑减少振动。4.减少热变形。 精密磨削中热变形引起的加工误差会达到总误差的50，故机床和工艺系统的热变形已经成为实现精密磨削的主要障碍。1.1.3 外圆磨削和端面外圆磨床1.外圆磨削在外圆磨削过程中，工件是安装在两顶尖的中心之间，砂轮旋转是引起切削旋转的主要来源和原因。基本得外圆磨削方法有两种，即横磨法磨外圆和纵磨法磨外圆，如图11和图12所示。事实上，外圆磨削可以通过其他以下几种方法来实施：（1）传递方法：在这种方法中，磨削砂轮和工件

6、旋转以及径向进给都应满足所有的整个长度，切削的深度是由磨削砂轮到工件的纵向进给来调整的。（2）冲压切削方法：在这种方法中，磨削是通过砂轮的纵向进给和无轴向进给来完成的，正如我们所看到的，只有在表面成为圆柱的宽度比磨削轮磨损宽度短时，这种方法才能完成。图11 横磨法磨外圆图12 纵磨法磨外圆（3）整块深度切削方法：除了在磨削过程中，要进行间隙调整外，这种方法与传递方法很相似，同时这种方法具有代表性，除了磨削短而粗的轴。2.端面外圆磨床及其特点端面外圆磨床是外圆磨床的一种变形机床，它宜于大批量磨削带肩的轴类工件，有较高的生产率。它的特点如下（1）这种磨床的布局形成和运动联系与外圆磨床相似，只是砂轮

7、架与头架，尾架中心连线倾斜一角度（通常10，15，26.23，30，45），如图13所示，数控端面外圆磨床MKS1632A的砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜30。为避免砂轮架与工件或尾架相碰，砂轮安装在砂轮架的右边，从斜向切入，一次磨削工件外圆和端面。（2）由于它适用于大批量生产，所以具有自动磨削循环，完成快速进给（长切入）-粗磨-精磨无花磨削。由定程装置或自动测量控制工件尺寸。（3）装有砂轮成型修整器，按样板修整出磨削工件外圆和端面的成型砂轮，为保证端面尺寸稳定及操作安全，一般具有轴向对刀装置。图13 砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜一角度1.2 磨床的现状及其发展趋势随着机械产品精度、可靠性和

8、寿命的要求不断提高以及新型材料的应用增多，磨削加工技术正朝着超硬度磨料磨具、开发精密及超精密磨削（从微米、亚微米磨削向纳米磨削发展）和研制高精度、高刚度、多轴的自动化磨床等方向发展4，如用于超精密磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均半径可小至4m、磨削精度高达0.025m；使用电主轴单元可使砂轮线速度高达400m/s，但这样的线速度一般仅用于实验室，实际生产中常用的砂轮线速度为4060m/s；从精度上看，定位精度2m，重复定位精度1m的机床已越来越多；从主轴转速来看，8.2kw主轴达60000r/min，13kw达42000r/min，高速已不是小功率主轴的专有特征；从刚性上看，已出现可加工6

9、0HRC硬度材料的加工中心。北京第二机床厂引进日本丰田工机公司先进技术并与之合作生产的GA（P）6263数控外圆/数控端面外圆磨床，砂轮架采用原装进口，砂轮线速度可达60m/s，砂轮架主轴采用高刚性动静压轴承提高旋转精度，采用日本丰田工机公司GC32ECNC磨床专用数控系统可实现二轴（X和Z）到四轴（X、Z、U和W）控制。此外，对磨床的环保要求越来越高，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。大量的工业清洗机和切削液处理机系统反映现代制造业对环保越来越高的要求。第2章 设计任务书1.毕业设计题目MKS1632A数控高速端面外圆磨床及其砂轮架设计2.毕业设计目的本课

10、题旨在让学生综合运用大学四年所学的知识，设计数控端面外圆磨床MKS1632A及其砂轮架，树立理论联系实际的作风和严谨的科学态度。该课题要求绘制磨床总体布局装配图、砂轮架部件装配图、磨床液压系统图和磨床零件图，最后撰写设计说明书。此外，要求学生跟随指导老师和研究生参与部分科学研究，进行磨削温度的测试实验并撰写科研报告。3.任务与要求：（1）机床总体布局装配图（0#）；（2）部件装配图（砂轮架0#）；（3）零件图 (3#)；（4）液压传动图（1#）；（5）电气控制图 （1#）；（6）撰写科研报告；4.用途和规格（1）加工对象 A 带轴肩的多台阶轴（如齿轮轴） B要求端面外圆一次完成的零件 C 带较

11、大端面的盘类零件 D 作一般外圆磨床（2）主要规格 A加工直径20mm-320mmB 最大加工长度为750mm C 最大加工重量200D 砂轮线速度60m/s E 机床中心高1095mmF工件转速范围30300rpm（3）主要运动 A 砂轮转动 B 工件转动C工作台纵向移动D砂轮架斜向进给运动 E砂轮修整器斜向进给运动 F砂轮修整器旋转运动5.设计重点与难点（1）磨床总体布局中各部件尺寸的确定；（2）砂轮架主轴和轴承的设计和选用；（3）皮带的选用和带轮的设计；（4）磨床液压系统的设计；（5）磨削温度科研报告。6.拟采用的途径与手段（1）查阅国内外磨床相关资料，确定磨床总体布局中各部件（如砂轮架

12、、头架和尾架等）尺寸；（2）检验主轴前端扰度，确保主轴刚度；（3）砂轮架采用静动压轴承以提高旋转精度，增强抗振性，延长轴承的使用寿命；（4）采用皮带和花键副带动主轴旋转，减少主轴变形，使载荷分布均匀；（5）采用Auto CAD绘制装配图和零件图；（6）参看液压工程方面的资料，设计磨床液压系统的设计；（7）参考磨削温度测试研究论文，认真、虚心向指导老师和研究生学习，进行大量的磨削温度的测试实验。第3章 磨床总体布局3.1 磨床总体设计1.加工零件的工艺分析（表面形状，尺寸，材料，技术条件，批量，加工余量等）；2.调查研究 比较国内，外同类机床，经验总结，进行改革创新；3.图纸设计（总图，部件装配

13、图，零件图，工艺卡，目录，标准件，外购件目录，铸件，锻件目录，说明书，装箱单，合格证）；4.制造，装配，调试；5.小批量生产，设计改进；3.2、总体设计注意事项1.保证机床满足加工精度要求，刚性，稳定性好；2.传动系统力求简短；3.操作调整方便；4.安全保护，冷却液供给，回收，废渣的排除。3.3 磨床总体布局设计3.3.1 加工零件带轴肩的多台阶轴，精度IT7以下，Ra1.6-Ra0.4，材料45#，40cr，球墨铸铁等；3.3.2 初步估计组成部分a.床身；b.工作台面；c头架；d尾架；e砂轮架；f 修整器；g 测量装置；h 砂轮进给电机；I 修整器进给电机；j 电器框；k工作台进给电机；l

14、 工件旋转电机；m 润滑冷却装置；n数控装置；3.3.3 总体布局初步设计1.T型床身；2.工作台移动；3.工作台型面采用倾斜10的型面；4.砂轮架主轴与床身导轨倾斜30角； 5.头尾架中心线平行；6.采用成型砂轮修整器（金刚石滚轮），采用MARPPOS公司轴向，径向测量仪，配用该公司E5数控框（如图31所示）来控制轴向尺寸，径向尺寸，测量仪布置在横梁上；图31 E5数控框7.数控系统的四坐标轴X轴：砂轮架进给 Y轴：修整器进给Z轴：工作台移动 W轴：工件旋转各轴采用交流伺服电机，通过精密无间隙弹性连轴器直接与滚珠丝杆相连；8.液压油箱单独（减小热变形，简化机床结构，易实现标准化，通用化，便于

15、维修）；9.电器框与机床采用空中走线；10.机床前防护罩采用全封闭结构；3.3.4 纵向与横向尺寸的确定1.纵向尺寸工件最大长度 ；头架长度 ；尾架长度 ；上台面长度 ；下台面长度 ；床身长度 ；后床身长度 （考虑砂轮架和修整器大小按经验给定）；整个床身宽度 （视觉效果）；砂轮架中心与机床床身对称线相距图32 磨床纵向尺寸2.横向尺寸1）画出横向尺寸床身的V型导轨作为横向尺寸的基准，画出床身的平面导轨作为高度尺寸的基准线，根据确定的工作台参数，导轨参数B1，B2中心画出左视图2）确定上，下工作台厚度和宽度（1）厚度：用类比法上工作台 中心（31）下工作台 中心 （32）为工作台导轨的中心距，工

16、作台导轨选用8075250取 =0.3250=75mm=0.38250=95mm（2）宽度 （33） 3）确定头，尾架顶尖中心位置顶尖中心安排在V型导轨的中心线上，这样有利于磨削最小直径工件的，砂轮架趋近于工作台不致相碰。缺点是使导轨的承载压力较大，故常适当加宽V型导轨的宽度。4）确定头尾架顶尖中心至床身底面的高度H1左右1根据工人身高，经验。类比取5）工作台回转中心位置B96）确定机床总高H 所以H取2000mm。3.3.5 砂轮架相关尺寸设计（1）砂轮架导轨（V平导轨）100904001考虑到砂轮的大小及重量与砂轮架的稳定性，取L中心=500mm，从而可定出砂轮架的宽度约为600mm，导轨

17、为0.15MPa 的卸荷导轨。图33 砂轮架的导轨（2）砂轮架横向行程长度 （34）式中为砂轮架快速进退的行程，一般取。此处取。 （35）安全系数取0.1足够（取373）（3）砂轮架高度和长度砂轮架箱体导轨的高度h3，砂轮底板滑台高度h4，砂轮中心距砂轮底面高度h5，与后床身顶面至平导轨的高度h0，为避免上，下工作台运动时与箱体相碰，安装在后床身上的垫板顶面需低于上下工作台的顶面，同时考虑横向进给机构穿过床身的位置等，根据经验 取砂轮架中心距后床身顶面砂轮架底座安装修整器，内有传动丝杆取后床身进给导轨内装丝杆取图34 砂轮架的高度和宽度砂轮架底板长度： 取=900mm砂轮架导轨长度取 （4）砂

18、轮架主轴电机的选择用类比法，砂轮架主轴电机的功率取15kw；计算法 （36） 取3.3.6 头架相关尺寸的确定长，宽，高：440400411mm1主轴锥孔：莫氏5#锥孔中心高： （37）通过以上计算头架中心高取180mm 主轴转速 （38）取交流伺服电机选择用类比法，交流伺服电机选择IFT5076-DA(D1 18N-M)电机砂轮磨削工件需要的功率 （39）交流伺服电机通过20/38的双楔齿轮带传递给工件，即 合格主轴不旋转，主轴靠拨盘带动旋转3.3.7 尾架相关尺寸的确定5#莫氏锥孔中心高180mm，台面倾斜10直线滚动导轨液压油缸，顶紧力3.3.8 工作台要求上，下台面便于调整头尾架，便于

19、安装滚珠螺母。倾斜10以便于头尾架定位，冷却液回流；及使头尾架不等高时修刮侧面3.3.9 横向进给机构交流伺服电机-联轴器-滚珠丝杆-砂轮架压力卸荷导轨 压力油0.15Mpa 卸去压力V平导轨 砂轮架行程 3.3.10 砂轮修整器伺服电机-丝杆-修整器直线滚动导轨主轴直径D=50mm，采用液体动压轴承(16r/min 6.3Mpa)修整速度=修整器直径 故修整器行程为160mm3.3.11 液压系统修整器；尾架；量仪（两个）；润滑油；床身导轨；砂轮架卸荷导轨；丝杆；直线滚动导轨；间歇3.3.12 电气部分SIMENS 810G 控制五坐标轴 砂轮架主轴3.3.13 机床保护系统静压供油系统 压

20、力继电器 压差发讯器 液压控制器 电路延时尾架伸缩油缸静压供油系统：设置自动循环电路，可手动，也可用于脚踏。当工件旋转时，由于互锁装置，使起无效。油箱液压控制数控系统（在各坐标轴）自诊断与保护功能如：电池电压低 程序错误各坐标轴由行程开关控制最大位移量安全防护罩（砂轮罩，机床前罩）全封闭式导轨面保护 工作台导轨：不锈钢可伸缩防护罩 砂轮架导轨：前部：翻板式护罩+橡皮（防水）；后罩：钢罩。 修整器导轨：折叠式第4章 部件设计（砂轮架）4.1 砂轮架设计的基本要求砂轮架是磨床上用来带动砂轮作高速旋转的关键部件，主要由传动部件和主轴轴承部分组成，主轴与轴承是砂轮架的主要组成部分，因此对砂轮架设计提出

21、的基本要求也是针对主轴轴承部分的。砂轮架设计应满足以下几点基本要求1：1.主轴旋转精度高，旋转稳定；2.主轴轴承系统刚性好；3.振动小，发热低，不漏油；4.装配制造简单，调整维修方便。4.2 主轴旋转精度及其提高措施1.砂轮架旋转精度是指主轴前端的径向跳动和轴向蹿动大小，它直接影响工件的表面粗糙度和表面缺陷。一般端面外圆磨床砂轮架允许的径向和轴向跳动允许误差取5m10m。2.提高主轴旋转精度的措施（1）选择合适的主轴轴承：动静压轴承；（2）提高主轴的加工精度；（3）正确选择主轴轴向止推方式：液体静压推力轴承。4.3 主轴轴承系统的刚性主轴轴承系统的刚性是指在磨削力或传动力作用下，主轴轴承抵抗变

22、形的能力。通常以主轴前端的挠度来度量。过低的刚性会降低磨削生产率、加工精度和工件表面的粗糙度，引起直波形和螺旋线缺陷。4.4 砂轮架主轴初步设计1. 砂轮架主轴的强度校核进行轴的强度校核时，应根据轴的具体受载及应力情况采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。对砂轮架主轴来说，由于采用了卸荷皮带轮装置，砂轮架主轴主要承受扭矩，应该按照扭转强度计算，且在选取许用应力时应该选取较小值。砂轮架主轴材料采用42MnVB，并进行淬火，故选取许用应力为40MP。轴的扭转强度条件为 （41）扭转切应力（单位为MP） 轴所受扭矩（单位为） 轴的扭转截面系数（单位为） 轴传递的功率（单位为KW） 轴的转速（单

23、位为r/mm） 计算界面处的直径（单位为mm） 许用扭转应力（单位为r/mm）由上式可得轴的直径为 （42） mm由上述计算可以得知砂轮架最小直径为31.02mm，考虑到砂轮架的刚度等因素，取主轴的最小直径为60mm。砂轮架主轴的尺寸如图41所示。图41 砂轮架主轴尺寸示意图4.5 主轴刚度校核1.当量直径因为是阶梯轴，所以用当量直径法作近似计算当量直径为： （43）L=140+640+20+32+10=932mm= 89.36mm2.允许挠度允许挠度y=0.0002L 0.0002*660=0.132mm3、计算主轴前端挠度值1 （44）载荷（单位为公斤）（150/9.8） 轴两端的跨距（单

24、位为厘米）（66.00） 悬伸长度（单位为厘米）（13.2） 材料的弹性模数（单位为公斤/平方厘米）（21.02） 截面惯性矩（平方厘米） = 0.001cm = 0.01mm又因为y=0.135，0.010.135，即 y，由上述校核可以得知，主轴刚度符合要求。一般存在一个使主轴前端挠度最小，即刚性最好的支承跨距L。由经验得知，L为（36）D时，主轴前端挠度最小，D=120mm，L为360720mm，取L为640mm。4.6 动静压轴承静压轴承是利用外部油源产生承载能力的油膜轴承，动静压混合轴承是一种既综合了液体动压和静压轴承的优点，又克服了两着缺点的新型多油楔油膜轴承。它利用静压轴承的节流

25、原理，使压力油腔中产生足够大的静压轴承载力，从而克服了液体动压轴承启动和停止时出现的干摩擦造成主轴与轴承磨损现象，提高了主轴和轴承的使用寿命及精度保持性；轴承油腔大多采用浅腔结构，在主轴启动后，依靠浅腔阶梯效应形成的动压承载力和静压承载力叠加，大大地提高了主轴承载能力，而多腔对置结构又极大地增加了主轴刚度；高压油膜的均化作用和良好的抗振性能，保证了主轴具有很高旋转精度和运转平稳性。它的优点如下：1.速度和载荷范围广，应用范围广。动静压轴承在零件转速到很高的范围内的 各种相对速度下都能承载，而且载荷范围大，其承载能力取决于供油压力，轴承轴颈结构和相对大小；2.油膜刚度高，阻尼大，抗振性好;3.摩

26、擦阻力，磨损小.由于总有一层油膜将相对运动表面隔开，因此摩擦阻力小，磨损小，能长期保持很高的运动精度，寿命长.且对轴承轴颈材料要求也较低;4.主轴回转精度高.动静压轴承中静压油膜具有良好的纠正轴和轴向跳动;5.安全性好.在万一供油受阻或切断时，可利用轴承中动压效应来承载;6.承载能力高.由于动压效应，使轴承转速越高承载能力越大，同时轴承还能承受方向不断变化的动载及瞬时过载;7.稳定性好.8.使用较经济.由于动静压轴承高速下主要靠动压承载，故这时供油压力可相对较小，轴承可设计成较小轴颈，轴承结构简单，制造精度和材料要求不高。动静压轴承需要一套供油系统，润滑油要经过严格过滤以保持清洁。目前广泛应用

27、的是定压供油系统。一定压力的压力油，经节流器流入两相对运动体间的油腔，通过油腔压力来平衡外载荷。在定压供油系统中，节流器是关键部分，它起着限制流入油腔流量的阻尼作用，使油腔压力仅随外载荷的变化而变化。静压轴承常用的固定节流器有毛细管和小孔节流器两种。本次设计选用毛细管节流器。动静压轴承广泛用于高速精密设备中.目前，在改造旧精密磨削设备方面，用得较多的是北京中航设备改造厂的WMB型表面节流液体动静压混合轴承。砂轮架主轴的轴向定位采用轴向止推静压轴承。轴向止推轴承由两个相对的环形油腔构成。轴上具有台肩以形成承载面。轴承的间隙通过修磨调整垫圈的厚度来保证。4.7 传动装置设计为了提高主轴的旋转精度，

28、皮带轮不直接装在主轴上，而是装在单独的支架上，并用花键套带动主轴旋转，即采用卸荷皮带轮的方案，如图42所示。这个方案的优点是，减少了主轴的变形，同时还提高了承载能力。图42 卸荷皮带轮1.电动机的选择= （2.358.82）+3.8 = 12.62kw通过以上计算，取=15kw，选择Y100L4型电动机2.皮带设计因为多楔带兼有V带和平带的优点，外轮廓尺寸小，比V型带传动平稳，所以皮带采用多楔带5。多楔带以平带为基体，内表面有等距离纵向楔型的环形带传动。工作面为楔侧面，有橡胶和聚氨酯两种5。1）皮带材料的选用皮带材料选用聚氨酯。2）设计计算已知小带轮转速，即 =1500r/min，传动比i=2

29、.5；（1）计算功率由机械设计表8.7查得，工作情况系数为1.1，故 （45）（2）由和选择带型由于=16.5kw，=1500r/min，查表后可知，取带型为L型。（3）确定带轮基准直径由金属切削机床设计简明手册表443，取主动轮基准直径=80mm。，由此得。（4）验算带速 （46）= 6.28 m/s 30 m/s，所以带速合格。（5）初定轴向间距由公式（45）0.7（+） 2（+）， （47）可知196 560，取=400。（6）所需基准带长 （48）=1248.82mm由金属切削机床设计简明手册表45，取相近的基准带长= 1250 mm6。（7）实际轴向间距 （49）= 401.18mm

30、所以皮带的实际轴向间距取401mm。（8）多楔带每楔的基本额定功率由金属切削机床设计简明手册表440，可以查得0.34kw。（9）小带轮的包角 （410）162.85（10）多楔带楔数的确定 （411）其中查表得，代入的计算公式中，得0.849kw。又已知0.955，1.00，得：由此可以确定，取Z15。3.带轮设计1）带轮设计的要求：（1）质量小，结构工艺性好，无过大的铸造应力；（2）质量分布均匀，转速高时要经过动平衡校证；（3）槽轮工作面要经过精细加工，以减少带的磨损；（4）轮槽的尺寸和角度应有一定的精度，以使载荷分布均匀。2）带轮的材料选用带轮的材料选用HT200。 3）带轮的结构（1）

31、小带轮直径（d为轴的直径），所以采用实心式。（2）大带轮 300，所以采用腹板式结构。4）小带轮的结构尺寸图43 小带轮的结构尺寸 （412）其中带轮的外径， 轴的直径， 基准线上槽深。 （413），圆整后得165mm （414）， （415）其中多楔带的楔数，多楔带的槽间距，第一槽对称面到端面的距离。5）大带轮的结构尺寸图44 大带轮的结构尺寸4.花键套的选用由轴端直径60选用内花键套：862H778H1012H11GB1144-87，如图图43 内花键套的结构尺寸第5章 数控系统设计5.1 概述任何一个数控系统都是由硬件和软件两部分构成，硬件是组成系统的基础，软件是系统的灵魂。有了硬件和软

32、件和配合才能有效的完成系统的使命。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。本设计中要求砂轮架自动横向进给（X）和工作台纵向进给（Y）在两坐标进行控制。对磨床工作过程进行分析：其调整过程有装工件，手动退出，手动快进，对刀，手动快退；自动调整过程有设置磨削量，快进，工进，快退。该磨床的砂轮架横向进给机构和工作台纵向进给实行数控，主要的使用要求和功能如下：要有两个步进电机分别驱动砂轮和工作台。1对液压进行控制。2对冷却液进行控制。3砂轮主轴电机控制。4头架主轴电机启停控制。5手动及其方向控制。6手动快进和快退。7工作方式。8键盘与显示。9工作台限位。10报警。11急停。根据以上要求来确定硬件电

33、路方案。5.2 确定硬件电路总体方案机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成，如图5.1所示。（1）主控制器，即中央处理单元CPU。（2）总线，包括数据总线（DB），地址总线（AB）和控制总线（CB）。（3）储存器，包括只读可编程程序储存器（ROM）和随机读写数据储存器（RAM）。4接口，即I/O 输入/输出接口电路。5.1 数控系统硬件框图1.主控制器CPU的选择 在一般二坐标联动的数据控系统中，推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品：8031，8051和8751。该系列产品是集中CPU，I/O端口及部分RAM为一体的功能性很强的控制器。

34、目前，工业控制中应用最多的是8031单片机。本设计中也采用8031单片机。它是一个具有40根引脚的双列直差式器件，其基本特征有：（1）具有8位中央处理单元CPU（2）片内有时钟发生电路（3）具有128个字节的RAM（4）具有21个特殊功能寄存器（5）可寻址64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器（6）具有4个I/O接口，32根I/O线（7）具有两个16位定时器/计数器（8）具有5个中断源，配备两个优先级别（9）具有一个全双功能串行接口（10）具有位寻址能力，适用逻辑运算8031片内没有程序存储器，仅有片内数据存储器。2.程序存储器扩展单片机应用系统扩展的芯片大多采用EPROM芯片

35、。在选择芯片时，要考虑最大读出速度，工作温度及存储器的容量。在满足容量要求的同时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量，使系统简化。所以本设计中选用2764EPROM芯片，它是双列直插式28脚芯片。单片机规定口分时输出低8位地址和数据的通道口。为了把地址信息分离出来保存，需要地址锁存器。本设计中采用74LS373作为地址锁存器。采用2764EPROM程序存储器的扩展电路框图如图5.2所示：图5. 2764EPROM程序存储器的扩展电路框图3.数据存储器的扩展由于8031内部RAM只有128字节，不能满足系统的要求，需扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6/16和6264

36、表态RAM数据存储器，其选用规则与EPROM程序存储器的要求相同。在本设计中选用6264为数据存储器的扩展芯片。容量为8K。扩展6264框图如下4.I/O口扩展电路设计8031单片机共有四个八位并行I/O口，但可供用户使用的只有口及口。因此要进行I/O接口的扩展。 本设计中采用通用的可编程接口芯片8255A。它是有A，B。C三个可编程功能的8位I/O接口，有40个引脚的双列直插式RAM/IO/CTC扩展器。由8255A自单片机接受地址址信息，控制信息，在数据总线与端口间传送数据状态控制信号。图5.3扩展6264框图由于一块8255A可提供24个I/O口，而本设计中经过分析，使用要求须四十几个口

37、，所以本设计中采用三片8255A芯片，其中一块芯片作为键盘，显示接口电路。根据以上控制需要分配这些接口：（1）OUTPUT：控制砂轮架进给五相步进电机- 控制工作台进给五相步进电机- 工件头架旋转（C）异步电机-线圈触点占1位 砂轮旋转（F）异步电机-线圈触点占1位 液压泵异步电机（，）-线圈触点占3位 液压继电器（，）-线圈触点占3位（2）OUTPUT： 限位开关（，） 口 零位开关（，）（3）I/O（面板）： 键盘4*7=28 口 显示器 米字形 口 手动按钮（，F C ） 启动/暂停 警报 急停 （5）波段开关（编辑，自动，手动）由上述可知：共使用了三片8255A芯片，其中还剩余口（八位

38、）可以利用。 总线连接数据总线（DB） 口为数据I/O口，数据总线由它连接各芯片数据I/O口。地址总线（AB） 设计中一共使用了一片TAM（8K），一片TOM（8K），三片8255A。必须对这些扩展部分实行统一编址。 2764EPROM 8K= 需13条地址线 6264RAM 8K= 需13条地址线但由于访问片外TOM与访问片外RAM所以用控制线不同，且与，不会同时有效，所以两者地址可以完全重叠。用口八位地位地址。五位高地址。2764EPROM与三片8255A I/O接口芯片可用2-4译码器74LS32进行片选。由，两位控制片选结果。 EPRAM6264 0 0 EPRAM62640 0 82

39、55A（1） 1 0 8255A（2） 1 1 8255A（3）由此，可得地址分派如下： 000000FFH RAM6264 000000FFH ROM2764 000101FFH 8255A（1） 000202FFH 8255A（2） 000203FFH 8255A（3）图5.4接口框图5.键盘，显示接口电路图5.5键盘和显示接口电路如图5.5所示，本数控系统采用行列式键盘，即用I/O口线组成行列结构，按键设置在行列的交点上。使用的显示器为16段米字管和LED（发光二极管显示器）。采用8255A接口芯片管理键盘，显示器电路。它由4*7键和7位LED显示器组成。键盘，显示器接口电路图：8031的口作数据输出，用与端口选址，两片8255A的与，左上8255A芯片的与右下8255A的一起组成4*7键盘扫描线，右下8255A的PB口用于查询8个限位开关的状态。6.8031与控制电机与电液阀8255A的联接其它辅助电路设计图5.6辅助电路 8031的口向8255A输出八位数据以控制电机和液压阀。锁存器出来的与，以进行端口寻址。与控制82