畢業設計（論文）-數控車床自動回轉刀架設計-電氣

本科生畢業設計（論文）PAGEIV摘要本次畢業設計的題目是數控車床自動回轉刀架設計。通過編程實現對刀架精確回轉的控制，使下道工序所需的工具快速準確地到達預定位置，滿足數控自動加工系統的要求。該系統結構緊湊，動作靈敏可靠，速度快，能耗小，噪音低，壓力和行程可在規定的范圍內任意調節，操作簡單。本次設計的內容有由機械、控制、液壓三部分組成，機械部分包括能夠安裝8把車刀的刀盤及其上的卡緊裝置；刀架主軸的設計；蝸輪的設計；蝸桿的設計；齒輪的設計等；液壓部分包括液壓缸的設計等；控制部分的設計主要是用實現刀架自動回轉的單片機控制等。關鍵詞：自動控制；刀架；精確度

AbstractThegraduationdesigntopicisthedesignofautomaticrevolvingtool-postofCNClathe.Thesystemwillrealizetheprecisecontrolofcutterthroughprogramminguntilthecutterarrivesattherightpointandtheprocessisquickandaccurate.Thedesignofmachineryincludestwoparts,oneismechanical,theotheriselectronicalcontrol.Themovingofcutterisdrivingbyhydraulicsystem.Itsworkingprocessis:whenacutterisneeded,hydraulicoilwillbepulledintothehydrauliccylindertopromotecam.Thestructureiscompact,sensitive,clipping,lowenergyconsumption,lownoise,bothpressureandtravelcanbecontrolledprecisely.Thesystemincludesthedesignofacutteronwhich8cutterscanbeinstalled;andthedesignoffixtures;thedesignofspindle,thedesignofhydrauliccylinders,thecontrolbySCMofautomaticrotarycutter.Keywords:automaticcontrol;cutter;precision目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章緒論 11.1題目的意義和來源 11.2總體方案設計 21.3數控技術的發展展望 2第2章機械部分設計 62.1軸的設計計算 62.1.1軸尺寸的計算 62.1.2軸的校核 72.2蝸輪和蝸桿的設計計算 102.3聯軸器的設計計算 112.4端齒盤的設計計算 112.5軸承的選擇 122.6軸上花鍵的設計 122.7刀架的設計計算 132.8導軌的設計計算 13第3章動力部分 143.1步進電動機的選擇 143.1.1選擇電機的種類 143.1.2選擇電機的功率 14第4章液壓系統的設計計算 174.1液壓系統工作原理 174.2液壓缸的設計計算 184.2.1選擇液壓缸的種類 184.2.2液壓缸的參數計算 18第5章電路設計 295.1芯片的選擇及連接 295.1.1芯片的選擇 295.2控制電路的軟件設計 325.3復位程序設計 335.4動態顯示設計 34第七章結論 35參考文獻 36致謝 37附錄Ⅰ 38附錄Ⅱ 45PAGE8第1章緒論1.1題目的意義和來源本次設計的題目是數控車床自動回轉刀架設計，該系統的回轉精度高，動作準確迅速。2006年國務院8號文件《國務院關于加快振興裝備制造業的若干意見》首次將數控機床列入重大技術裝備，提出明確要求：發展大型、精密、高速數控裝備和數控系統及功能部件，改變大型、高精度數控機床大部分依賴進口的現狀，滿足機械、航空航天等工業發展的需要。由于我國工業基礎相對薄弱、以企業為主體的創新體系尚未建立、數控機床產業化時間短等原因，技術上和產業上與西方發達國家相比還存在一定差距，當前的發展還需要注意幾方面的問題。首先是新產品開發能力不足。從行業總體看，基礎技術和關鍵技術研究還很薄弱，基礎開發理論研究、基礎工藝研究和應用軟件開發還不能適應數控技術快速發展的要求，全行業科技人才不足，缺乏高級技術人員，科技投入和科研設施尚不適應等。同時，擴大產能與未來實際需求錯位也需引起重視。當前行業企業技術改造項目的產能目標過于龐大，技改項目產品的大型化、重型化趨勢明顯，高檔數控機床制造能力和功能部件的投入顯得不足。據了解，大多數中高檔數控機床主要配套設備還是發那科和西門子等國外數控系統，刀庫機械手、數控刀架、滾珠絲杠和導軌、電主軸等主要還是日本、德國或中國臺灣地區的產品，用戶選購國產機床時普遍提出選用境外功能部件的要求。功能部件發展的滯后性，將制約國產中高檔數控機床的發展。從這個意義上來說，研究我國現階段的數控機床設備，并加以改進和創新，就是為我國的數控車床的發展增磚添瓦，貢獻綿薄之力。1.2總體方案設計設計方案如下圖所示： 圖1.1總體方案圖 其工作過程是：當數控裝置發出換刀指令以后，液壓油進入液壓油缸的右腔，通過活塞推動主軸使刀盤左移，使定位端齒盤脫離嚙合狀態，為轉位做好準備。當齒盤處于完全脫開位置時，嚙合狀態行程開關發出轉位信號，電機開始帶著蝸桿轉動，蝸桿帶動蝸輪旋轉使刀盤旋轉任意個工位。當刀盤旋轉到預定位置時，控制系統發出信號時電機停止運動，蝸輪停止運動，刀架處于預定位置。于此同時液壓缸左腔進油，通過活塞將主軸和刀盤拉回，端齒盤嚙合，刀盤完成精定位和夾緊動作。1.3數控技術的發展展望

從目前世界上數控技術及其裝備發展的趨勢來看，數控系統正在向電氣化、電子化、高速化、精密化等方面高速發展，其主要研究熱點有以下幾個方面：(1)性能發展方面

1.高精高速高效化速度

效率、質量是先進制造技術關鍵的性能指標，是先進制造技術的主體。若采用高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統、高分辨率檢測元件、交流數字伺服系統、配套電主軸、直線電機等技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。在今后的幾年，超精密數控機床正在向精密化、高速化、智能化和納米化發展，匯合而成的新一代數控機床。

2.柔性化

數控系統采用新一代模塊化設計，功能覆蓋面更寬，可靠性更強，可滿足不同用戶的需求。同一群控系統能根據不同生產流程，自動進行信息流動態調整，發揮群控系統的功能。

3.多軸化

多軸聯動加工，零件在一臺數控機床上一次裝夾后，可進行自動換刀、旋轉主軸頭、旋轉工作臺等操作，完成多工序、多表面的復合加工，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。

4.軟硬件開放化

用戶可根據自己的需要，對數控系統軟件進行二次開發，用戶的使用范圍不再受生產商的制約。

5.實時智能化

在數控技術領域，實時智能控制的研究和應用正沿著：自適應控制、模糊控制、神經網絡控制、專家控制、學習控制、前饋控制等方面發展。如編程專家系統故障診斷專家系統，當系統出了故障時，診斷、維修等實現智能化。(2)功能發展方面

1.用戶界面圖形化

用戶界面是數控系統與使用者之間的對話接口，圖形用戶界面要適合各種用戶包括非專業用戶的使用，通過窗口和萊單進行操作，可實現圖形模擬、圖形動態跟蹤、仿真和快速編程等功能。

2.科學計算可視化

信息交流已不再局限于用文字和語言表達，可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息。可視化技術可用于CAD／CAM、參數自動設定、刀具補償、顯示及加工過程的可視化仿真等。如最近廈門創壹軟件有限公司開發的數控機床虛擬實現技術，用可視化3D技術展示了對數控機床的故障診斷與維修等功能。3.插補和補償多樣化

插補方式有直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、多項式插補等。補償功能有垂直度補償、間隙補償、圓弧插補時過象限的誤差補償、螺距和測量系統誤差補償、刀具半徑補償、溫度補償等。

4.高性能的內置PLC

數控系統內裝高性能的PLC，可直接用梯形圖或高級語言編程，可在線調試和在線編輯修改，建立自己的應用程序。

5.多媒體技術應用

計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數控系統，應用多媒體技術對各種信息可進行綜合化，智能化處理。(3)體系結構的發展方面

1．集成化

采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規模可編程集成電路，及專用集成電路芯片，提高數控系統的集成電路密度和軟硬件運行速度及系統的可靠性。

2.模塊化

實現數控系統的集成化和標準化，將CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標準的系列化產品，構成不同檔次的數控系統。(4)智能化、開放式新一代數控系統

1．智能化

自動編程、加工過程智能監控、在線檢測等。今后的數控系統將計算機智能技術，網絡技術、多媒體技術、CAD／CAM、伺服控制、自適應控制、動態數據管理及動態刀具補償、動態仿真等高新技術融于一體，形成嚴密的制造過程，即稱為智能閉環控制體系，這種技術是利用傳感器獲得適時的信息，以增強制造者取得最佳產品的能力；智能數控系統通過對影響加工精度和效率的物理量進行檢測、建模、提取特征、自動感知加工系統的內部狀態及外部環境，快速做出實現最佳目標的智能決策，對進給速度、切削深度、坐標移動、主軸轉速等工藝參數進行實時控制，使機床的加工過程處于最佳狀態。

2.開放式

開放式體系結構使數控系統有更好的柔性、適應性、通用性、擴展性，并向網絡化、智能化方向發展。虛擬場景構造是虛擬加工系統的基礎，基于OpenGL和VisualC++的虛擬加工系統框架的設計與研究為創建更加完善逼真的虛擬加工系統打下了一定的基礎。本人只是對虛擬加工系統框架上做了初步的研究。由于系統中的機床模型外觀與實際機床外觀還有一定的出入；虛擬設備還沒有和實際機床進行網絡通訊；搬運小車導軌等虛擬加工線中的一些必要設備等，同時只是對加工線的動態幾何仿真做了比較深入的研究，對設備的加工過程中的物理仿真研究較少。因此該系統還有不足之處，要建立功能完善的虛擬加工系統還需要進一步的研究。第2章機械部分設計2.1軸的設計計算2.1.1軸尺寸的計算選擇軸的材料為45鋼，熱處理方式為正火處理初步估算當。由轉速n=60/16=3.75r/min暫估軸的直徑為60mm。軸的功率P=fS=12000020.0503.75/60=2.35kw取P=2.35kw。主軸最大輸出轉矩（暫不考慮效率）M=9550（2-1）=9550=2037N取系數A=103則d=A（2-2）=103=70mm考慮鍵槽削弱，取軸端直徑增大4%~5%，則取軸直徑為75mm。2.1.2軸的校核軸的尺寸圖如下：圖2.1軸的尺寸圖按彎扭合成強度條件校核軸1）畫出空間力系圖，如圖中2.2a)所示。壓軸力F=120000N2）求軸的彎矩M，并畫出彎矩圖，見圖2.2b)。圖2.2a)空間力系圖M1H=12000×136.5=16380000M2H=8200×136.5=11193000圖2.2b)軸的彎矩圖3）畫軸的扭矩圖，如圖2.2c)所示。已知T=5556000圖2.2c)軸的扭矩圖4)求計算彎矩Mca,并畫計算彎矩圖如圖2.2d)所示。根據：Mca=,并取α=0.6，算得Mca0==33336MCa1==333360Mca2==33337圖2.2d)軸的彎矩圖在此對傳動軸進行強度的校核，具體過程如下：按扭矩強度條件計算該傳動軸只承受轉矩作用，其強度條件為式中——軸的扭剪應力，MPa；T——軸傳遞的轉矩，，P——軸傳遞的功率，kw，n——軸的轉速，r/min，[]——軸材料的許用扭剪應力，取[]=200MPa，——軸的抗扭截面模量，。該軸為實心軸，則有：（2-3）按彎扭合成強度計算，由第三強度理論計算：（2-4）式中——危險截面上彎矩產生的彎曲應力；——轉矩產生的扭剪應力。對于直徑為的實心軸有：計算轉矩：=5556000N·m式中——根據轉矩所產生應力的性質而定的應力校正系數，這里為脈動變化的轉矩，取=0.6。將以上數據帶入公式中得：d≥70mm。考慮鍵槽削弱，取軸端直徑增大4%~5%，則取軸直徑為75mm。綜上所述，取軸端最小直徑d=75mm滿足強度要求。2.2蝸輪和蝸桿的設計計算蝸桿頭數 Z=1渦輪齒數Z=45模數m=4軸向齒距p=12.5mm蝸桿直徑系數q=14導程角γ=4o05′08″軸向齒形角α=20o蝸桿和渦輪的直徑d=mq=4×14=56mmd=mZ=4×45=180mm齒頂高h=m齒根高h=1.2m=4.8mm全齒高h=2.2m=8.8mm齒頂圓直徑d=m(q+2)=64mmd=m(Z+2)=188mm齒根圓直徑d=m(q-2.4)=46.4mmd=m(Z-2.4)=170。4mm中心距a=m(q+Z)/2=118mm2.3聯軸器的設計計算選用HL型彈性柱銷聯軸器，其型號為HL1，公稱轉矩為M=160N·m，許用轉速n=7100r/min,轉動慣量I=0.0064Kg·m。2.4端齒盤的設計計算選擇齒盤直徑D=280mm，齒盤齒數n=72齒盤內徑d=200mm齒長F=8mm齒盤副厚度H=40mm螺釘數量n=8,分布直徑D=230mm,直徑d=11mm2.5軸承的選擇深溝球軸承的選擇：選擇軸承代號為6218的深溝球軸承，其外形尺寸為內徑d=90mm外徑D=160mm寬度B=30mm。圓錐滾子軸承的選擇：選擇代號為30218的圓錐滾子軸承，成對使用，其外形尺寸為內徑d=90mm外徑D=160mm寬度B=30mm。2.6軸上花鍵的設計選擇型號為選擇GB/T1144-2001矩形內花鍵，花鍵副的規格10768016內花鍵10外花鍵10其中10指花鍵的鍵數，16指鍵寬或鍵槽寬76指花鍵小徑，80指花鍵的大徑選擇花鍵長度l=L=70mm內花鍵的d的表面粗糙度0.8~1.6取為1.6D的表面粗糙度為3.2B的表面粗糙度為3.2外花鍵的d、D的粗糙度與內花鍵的相同B的表面粗糙度為1.6裝配方式采用滑動式。2.7刀架的設計計算根據車刀長度l=100mm，刀柄直徑d=35mm，取刀架直徑D=400mm，刀架寬度a=90mm。2.8導軌的設計計算選擇整體式燕尾形導軌，采用平鑲條調整導軌側面間隙的結構。平鑲條橫截面積為矩形或平行四邊形，以鑲條的橫向位移來調整間隙。平鑲條一般放在受力小的一側，用螺釘調節，螺母鎖緊。因各螺釘單獨擰緊，收緊力不一致，使鑲條在螺釘的著力點有撓度，使接觸不均勻，剛性差，易變性，調整較麻煩，故用于受力較小，或短的導軌。第3章動力部分3.1步進電動機的選擇3.1.1選擇電機的種類按工作要求及工作條件選擇。應選用用反應式步進電動機。3.1.2選擇電機的功率按照電動機的額定功率選擇，選擇時應保證P0Pr式中P0——————電動機的額定功率，KW；Pr———工作機所需電動機功率，KW；所需電動機功率由下式計算Pr=式中PW———工作機所需有效功率，由工作機的工作阻力及運動參數確定；——電動機到工作機的總效率。1）工作負載根據實際工作需要=120000N。2）等效轉動慣量的計算則齒輪的轉動慣量分別為（齒輪為45鋼，并將齒輪近似的看成圓柱體）同理，執行機構也可以看成圓柱體，，則轉動慣量為設電動機轉子的轉動慣量為（因為等效到電動機軸上的負載轉動慣量大于電動機轉動慣量一個數量級，所以值忽略不計）（3-1）3）等效負載轉矩由[5]式6-8得4）啟動慣性轉矩（）的計算這里以最不利于啟動的快進啟動速度進行計算，設啟動加速（或制動減速）時間為Δt=0.3s(一般在0.3~1之間選取)，由于電動機轉速，取加（減）速曲線為等加（減）速梯形曲線，故角加速度為則5）步進電動機輸出軸上的總負載轉矩的計算6）步進電動機的選擇上述計算均未考慮機械系統的傳動效率，當選擇機械傳動總效率η=0.7時在工作時，由于材料的不均勻等因素的影響，會引起負載轉矩突然增大，為了避免計算上的誤差以及負載轉矩突然增大，引起步進電動機丟步，產生加工誤差，可以適當考慮安全系數，安全系數一般可在1.2~2之間選取。這里取安全系數K=1.2，則步進電動機可按以下總負載轉矩選取若選用電動機28BF001，其最大靜轉矩。在三相六拍驅動時，其步距角為0.75，為保證帶負載正常加速起動和定停止，電動機的起動轉矩必須滿足由表3.7可知，，則，故選用轉速為n=1440r/min，功率P=7.5KW的電機合適。液壓系統的設計計算4.1液壓系統工作原理圖4.1是軸左右移動的液壓系統原理圖。圖4.2是軸左右移動的電磁閥順序動作表。1、三位四通電磁換向閥2、液壓缸3、溢流閥4、液壓泵圖4.1液壓系統原理圖表4.1軸左右移動的電磁閥順序動作表動作順序電磁閥1電磁閥2液壓缸狀態液壓閥1——初始中間2—+左移左3+—右移右當電磁閥1和電磁閥2都斷電時，液壓缸處于初始狀態。當電磁閥1斷電，電磁閥2通電時，液壓缸的活塞向左移動，活塞帶動聯軸器、軸、刀架一起向左移動。當電磁閥1通電，電磁閥2斷電時，液壓缸的活塞向右移動，活塞帶動聯軸器、軸、刀架一起向右移動。4.2液壓缸的設計計算4.2.1選擇液壓缸的種類液壓缸選用雙作用單活塞桿液壓缸，活塞在行程終了時緩沖。因為工作過程中需要往復運動。4.2.2液壓缸的參數計算鋼筒的連接結構在設計中缸選擇法蘭連接方式。這種結構簡單，易加工，易裝卸。缸口部分結構缸口部分采用了Y形密封圈、導向套、O形防塵圈和鎖緊裝置等組成，用來密封和引導活塞桿。由于在設計中缸孔和活塞桿直徑的差值不同，故缸口部分的結構也有所不同。油缸放氣裝置通常油缸在裝配后或系統內有空氣進入時，使油缸內部存留一部分空氣，而常常不易及時被油液帶出。這樣，在油缸工作過程中由于空氣的可壓縮性，將使活塞行程中出現振動。因此，除在系統采取密封措施、嚴防空氣侵入外，常在油缸兩腔最高處設置放氣閥，排出缸內殘留的空氣，使油缸穩定的工作。排氣閥的結構形式包括整體式和組合式。在設計中選用的是整體式。整體式排氣閥閥體與閥針合為一體，用螺紋與鋼筒或缸蓋連接，靠頭部錐面起密封作用。排氣時，擰松螺紋，缸內空氣從錐面間隙中擠出，并經斜孔排出缸外。這種排氣閥簡單、方便、但螺紋與錐面密封處同心度要求較高，否則擰緊排氣閥后不能密封，會造成泄露。緩沖裝置緩沖裝置的工作原理是使鋼筒低壓腔內油液(全部或部分)通過節流把動能轉換為熱能，熱能則由循環的油液帶到液壓缸外。缸體結構的基本參數確定缸的內徑:===0.638M（2-1）按標準取整=0.640M缸活塞桿直徑=（2-2）==0.573M（2-2）按標準取整=0.58M缸實際壓力:=（2-3）缸實際回程力:=（2-4）頂出缸的直徑:===0.226M按標準取整=0.25M頂出缸的活塞桿直徑===0.177M按標準取整=0.18M頂出缸實際頂出力:=頂出缸實際回程力：=各缸動作時的流量：缸進油流量與排油流量：(1)快速空行程時的活塞腔進油流量=（2-5）（2）快速空行程時的活塞腔的排油流量==（2-6）（3）工作行程時的活塞腔進油流量==（4）工作行程時的活塞腔的排油流量==（5）回程時的活塞桿腔進油流量==（6）回程時的活塞腔的排油流量==頂出缸的進油流量與排油流量：(1)頂出時的活塞腔進油流量=（2）頂出時的活塞桿的排油流量==（3）回程時的活塞桿腔進油流量==（4）回程時的活塞腔的排油流量==表4.2缸鋼筒所選材料型號≥／MPa≥／MPa≥／%4561036014液壓缸的設計計算筒壁厚計算公式:=++（2-7）當～0.3時，用使用公式:==0.107m（2-8）取=0.2m--為缸筒材料強度要求的最小，M--為鋼筒外徑公差余量，M--為腐蝕余量，M--試驗壓力，16M時，取=1.25PP—管內最大工作壓力為25M--鋼筒材料的許用應力，M=/n--鋼筒材料的抗拉強度，Mn—安全系數，通常取n=5當時,材料使用不夠經濟,應改用高屈服強度的材料.筒壁厚校核額定工作壓力,應該低于一個極限值,以保證其安全.MPa=0.35=47MPa（2-9）=外徑D=內徑同時額定工作壓力也應該完全塑性變形的發生:=2.3320=86.9MPa（2-10）--缸筒完全塑性的變形壓力,--材料屈服強度MPa--鋼筒耐壓試驗壓力，MPa=30.42～36.50MPa（2-11）缸筒的暴裂壓力=2.3610=165.7MPa（2-12）缸筒底部厚度缸筒底部為平面時:0.4330.433mm（2-13）取mm--筒底厚，MM核算缸底部分強度按照平板公式即米海耶夫推薦的公式計算，缸底進油孔直徑為φ20cm則Ψ===0.6875（2-14）==69.8MPa（2-15）按這種方法計算[]=100MPa<[]所以安全缸筒端部法蘭厚度:==67.0mm（2-16）取h=100mm--法蘭外圓半徑;--螺孔直徑;螺釘–M30b—螺釘中心到倒角端的長度=32cm=42cm=48.5cm==10cmh=10cm==37cm===47.25cm校核法蘭部分強度：==0.067cm（2-17）（2-18）其中P===110.2=11.02KN/cm（2-19）==0.0335（2-20）=0.367（2-21）=1（2-22）==0.42（2-23）所以=95.1MPa（2-24）=57.1+34.6=91.7MPa<[]滿足要求依據上面公式當墊片的厚度為大于10cm時就能滿足要求，為了滿足橫梁的強度和工藝性，墊片厚度選用25cm。因此可以推算橫梁的厚度取大于25cm即滿足要求。缸筒法蘭連接螺釘：表4.3螺釘所選材料型號≥／MPa≥／MPa≥／%3554032017(1)螺釘處的拉應力=MPa==8.5MPa（2-25）z-螺釘數12根;k-擰緊螺紋的系數變載荷取k=4;-螺紋底徑,m(2)螺紋處的剪應力:=0.475MPa（2-26）=MPa（2-27）-屈服極限-安全系數;5(3)合成應力:==MPa（2-28）墊片與橫梁間螺釘的校核：(1)螺釘處的拉應力=MPa==3.8MPa（2-29）z-螺釘數12根;k-擰緊螺紋的系數變載荷取k=4;-螺紋底徑,m(2)螺紋處的剪應力:=0.475MPa（2-30）=MPa（2-31）-屈服極限-安全系數;5(3)合成應力:==MPa（2-32）活塞桿直徑d的校核：表4.4活塞桿所選材料型號≥／MPa≥／MPa≥／%45MnB10308359（2-33）d=0.58M滿足要求F—活塞桿上的作用力—活塞桿材料的許用應力，=/1.4電路設計5.1芯片的選擇及連接5.1.1芯片的選擇電路的控制需要完成控制電動機的轉向和轉速以及LED的顯示。由于完成的功能不是很多，并且要降低成本，所以選擇8051單片機作為控制系統的處理芯片。8051的I/O口不能滿足工作的要求，選擇8255擴展I/O口。1）8051芯片本系統采用一片8051單片機實現對系統的控制,8051為8位單片機而且自帶ROM和RAM，無需外接地，是比較常用的單片機，而且功能強大又全面，有復位信號端RST和外接晶體引線端XTAL1、XTAL2等，所以選用了8051作為控制芯片。芯片如下圖所示：圖5.18051芯片引腳圖2）8255芯片8255的片選信號CS及口地址選擇線A0、A1分別由8051的P0.7和P0.0、P0.1經地址鎖存后提供。故8255的A、B、C口及地址分別為FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FFH。8255的復位端與8031的復位端相連，也可以直接接地，前者應保證8255復位完畢后才開始初始化。8255的引腳圖如下所示：8255引腳圖如下所示：圖5.28255引腳圖3）74LS373引腳連接8051與8279采用了74LS373譯碼器，該譯碼器引腳圖如下：圖5.374LS373引腳圖主要引腳功能如下：D0—D7：輸入端。Q0—Q7：并行輸出端。G—地。ADC0809在本次設計中的應用顯示RAM容量為16*8，即顯示器最大配置可達16位LED數碼顯示。其芯片引腳圖如下圖所示：圖5.4ADC0809芯片引腳圖4）各引腳功能如下：IN7-IN0:模擬量輸入通道。ADC0809對輸入模擬量的要求主要有：信號單極性，電壓范圍為0-5V。A、B、C：地址線，模擬通道的選擇信號。A為低位地址，C為高位地址。ALC：地址鎖存允許信號。對應上ALC上跳沿，A、B、C地址狀態送入地址鎖存器中。ST：轉換啟動信號。ST上跳沿時，所有內部存儲器清0；ST下跳沿時，開始進行A/D轉換；在A/D轉換期間，ST應保持低電平。D7-D0：數據輸出線。為三態緩沖輸出形式，可以與單片機的數據線直接相連。D0為最低位，D7為最高位。OE：輸出允許信號。用于控制三態輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE=0，輸出數據線呈高電阻；OE=1，輸出轉換得到的數據。CLK：外部時鐘信號引入端。ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此，有時鐘信號引腳。簡單應用時可由80C51的ALC信號提供。EOC：轉化結束信號。EOC=0,正在進行轉換;EOC=1,轉換結束。使用中該狀態信號既可以作為查詢的狀態標志，又可以作為中斷請求信號使用。5.2控制電路的軟件設計主程序圖框圖5.5主程序流程圖其工作過程是：當數控裝置發出換刀指令以后，液壓油進入液壓油缸的右腔，通過活塞推動主軸使刀盤左移，使定位端齒盤脫離嚙合狀態，為轉位做好準備。當齒盤處于完全脫開位置時，嚙合狀態行程開關發出轉位信號，電機開始帶著蝸桿轉動，蝸桿帶動蝸輪旋轉使刀盤旋轉任意個工位。當刀盤旋轉到預定位置時，控制系統發出信號時電機停止運動，蝸輪停止運動，刀架處于預定位置。于此同時液壓缸左腔進油，通過活塞將主軸和刀盤拉回，端齒盤嚙合，刀盤完成精定位和夾緊動作。5.3復位程序設計8051單片機屬于8位單片機，它是Intel公司繼MCS48系列的成功設計之后，于1980年推出的產品。由于MCS51系列具有很強的片內功能和指令系統，因而使單片機的應用發生了一個飛躍，這個系列的產品也很快成為世界上第二代的標準控制器。51系列單片機有5個中斷源，其中有2個是外部輸入中斷源INT0和INT1。可由中斷控制寄存器TCON的IT1（TCON.2）和IT0（TCON.1）分別控制外部輸入中斷1和中斷0的中斷觸發方式。若為0，則外部輸入中斷控制為電平觸發方式；若為1，則控制為邊沿觸發方式。這里是下降沿觸發中斷。數據的測量是在中斷時進行的，每次中斷測量一個數據。對于電平方式的外中斷請求，若采樣為高電平，表示沒有中斷請求，TCON寄存器的外中斷請求標志位IE0或IE1繼續為0，若采樣為低電平，則中斷請求有效，把IE0或IE1置1。這實際上就相當于把中斷請求信號取反后鎖定在相應的標志位中。對于脈沖方式的中斷請求，若在相鄰的機器周期采樣到的是先高電平后低電平，則中斷請求有效，把IE0或IE1置1，否則IE0或IE1繼續為0。在脈沖方式下，為保證中斷請求有效，中斷請求脈沖高低電平的持續時間在12個晶振周期以上。5.4動態顯示設計在單片機應用系統中，普遍使用成本低廉、配置靈活的LED做顯示器。常用的為4～8位八段LED數碼管顯示器，即需要4～8個LED數碼管。實現這種顯示的方法很多，但是，必須采用相應的措施才能實現多個LED的顯示。本文介紹了一種設計方法，利用該方法設計的多路LED數碼管顯示系統具有硬件設備簡單，可移植性好，成本低廉的特點，在各種儀表顯示系統中應用效果良好。動態顯示可以進行四位顯示，從低位到高位依次進行動態掃描。顯示緩存區首地址為內部RAM30和，以30H開始的四個單元用來存放要顯示的四個BCD碼；8255A的A口地址為7F01H；C口地址為7F03H；R0存放當前要顯示的BCD瑪的地址；DL是延時1ms子程序，動態顯示過程中，每顯示一位LED，都延時1ms，以保證其顯示亮度。

圖5.6電氣控制原理圖第七章結論完成畢業設計的過程是一個邊復習邊提高的過程，同時也是在對課題不斷完善和改進的過程中把理論和實踐結合的過程。設計過程中所涉及的內容有機械制造、液壓傳動和電氣控制三個方面的知識，本次畢業設計提高了我對機電液一體化產品開發和設計能力，能夠使其將所學的知識與實際應用結合起來，從而也提高了我對于知識的運用能力和解決工程實際問題的能力。這次設計通過對數控車床的自動換刀系統的研究設計，由編程實現對刀架精確回轉的控制，使下道工序所需的工具快速準確地到達預定位置，滿足數控自動加工系統的要求。設計包括的內容有：設計最多能夠安裝8把車刀的刀盤及其上的卡緊裝置；刀架主軸的設計；液壓缸的設計；刀架自動回轉的單片機控制等。參考文獻[1]王曉明.電動機的單片機控制.第一版.遼寧：北京航空航天大學出版社，2005年5月[2]孫志禮，冷興聚，魏延剛，曾海泉.機械設計.第一版.東北大學出版社，2004年7月[3]孫桓，陳作模.機械原理.第六版.西安：高等教育出版社，2000年8月[4]鞏云鵬，田萬祿,張祖立,黃秋波.機械設計課程設計.第一版.東北大學出版社，2000年12月[5]周希章,周全.如何正確選擇電動機.機械工業出版社.2004年1月[6]張建民等著.機電一體化系統設計.北京:北京理工大學出版社[7]何立民編.MCS-51系列單片機應用系統設計.北京:北京航空航天大學出版社.1991[8]王沛民等編.微型計算機與接口技術.西安:西北電訊工程學院出版社.1987[9]林有德等編.傳感器及其應用技術.上海:上海科學技術文獻出版社.1992[10]自動化控制網站.:____[11]成大先.機械設計圖冊.化學工程出版社[12]蛛輝,曹桄等.畫法幾何及工程制圖.上海科學技術出版社.2003年[13]秦曾煌.電工學.高等教育出版社.2004年[14]劉鴻文.材料力學.高等教育出版社.2004年[15]王文斌等.機械設計手冊.機械工業出版社.2005年第三版[16]范真.加工中心.化學工業出版社.2004.7[17]王積偉，章宏甲.液壓傳動.機械工業出版社.2006.12[18]ChineseJournalofMechanicalEngineering[19]popularmechanics

致謝這次畢業設計的順利完成，與老師、同學的熱心幫助是分不開的。首先，要感謝我的指導老師，遼寧工業大學機械工程與自動化學院的潘靜老師。每當我遇到問題請教她的時候，她都給予我耐心的指導。同時還要感謝身邊的同學，大家的幫助是我快速進步的又一重要原因。另外，還要感謝機房的管理人員和工作人員，是他們的默默工作才為我們提供了一個整潔、舒適的設計環境。本次畢業設計之前，曾經閱讀了大量的相關資料，從中汲取了豐富的知識，借此向這些作者們深表敬意。附錄Ⅰ主程序ORG0000HAJMPMAINORG000BH；初始化AJMPQQQ1ZF:QQQ：MOVTMOD,#06H；用T0方式2工作初始化MOVTL0,#DATA1SETBTH0,#DATA2；計算脈沖個數實現速度1SETBEA,SETBET0,SETBTROSJMP$,LOOP:MOVR7#DATA3LOOP1:SETBP1.0,CLRP1.0DJNZR7,LOOPRETQQQ1：MOVTMOD,#06H用T0方式2工作初始化MOVTL0,#DATA4計算脈沖個數實現速度2SETBTH0,#DATA5SETBEA,SETBET0,SETBTROSJMP$,LOOP:MOVR7#DATALOOP1:SETBP1.0,CLRP1.0DJNZR7,LOOPRETQQQ2：MOVTMOD,#06H；用T0方式2工作初始化MOVTL0,#DATA1；計算脈沖個數實現速度3SETBTH0,#DATA2SETBEA,SETBET0,SETBTROSJMP$,LOOP:MOVR7#DATA3LOOP1:SETBP1.0,CLRP1.0DJNZR7,LOOPRETLOOP2:MOVRO,#QISHI；存儲每個速度值INCROMOVRO,#TINGZHIINCRO,MOVRO,#SUDUYIINCRO,MOVRO,#SUDU2INCRO,MOVRO,#SUDU3INCRO,MOVRO,#SUDU4INCRO,MOVRO,#SUDU5INCRO,MOVRO,#TINGZHIMAIN：MOV.A，#03H8155初始化，MOVDPTR，#7F00HMOVX@DPTR,AMOVR0,#78HMOVR3,#7CHMOVA,R3KEY1:ACALLKS1延時6msJNZLK1ACALLDISAJMPKEY1LK1:ACALLDIS延時12msACALLDISACALLKS1JNZLK2ACALLDISAJMPKEY1LK2:MOVR2,#0FEH掃描MOVR4,#00HLK4:MOVDPTR,#7F01H送PC口輸出MOVA,R2MOVX@DPTR,AINCDPTRINCDPTRMOVXA,@DPTRJBACC.0,LONEMOVA,#00HAJMPLKPLONE:JBACC.1,LTWO；第二個鍵是否按下MOVA,#08HAJMPLKPLTWO:JBACC.2,LTHR；第二個鍵是否按下MOVA,#10HAJMPLKPLTHR:JBACC,3,NEXTMOVA,#18HLKP:ADDA,R4；行首列號加1PUSHACCLK3:ACALLDIS；掃描鍵是否抬起ACALLKS1JNZLK3POPACCRETNEXT:INCR4；第二列掃描MOVA,R2JNBACC,7,KNDRLAMOVR2,AAJMPLK4KND:AJMPKEY1KS1:MOVDPTR,#7F01H；指向A口讀鍵值MOVA,#00HMOVX@DPTR,AINCDPTRINCDPTRMOVXA,@DPTRCPLAANLA,#0FHRETDIS:MOVDPTR,#7F01HMOV@DPTR,AINCDPTRMOVA,@R0ADDA,#ODHMOVCA,@A+DPTRMOV@DPTR,AACALLDL1INCR0MOVA,R3JNBACC.0,LD1RRAMOVR3,AAJMPLD0LD1:RETDSEG:DB3FH,06H,5BHDL1:MOVR7,02HDL:MOVR6,#OFFHDL6:DJNZR6,DL6DJNZR7,DLRETHANG0：CJNEA,#QISHI,HANG1判斷轉速SETBP1.2CLRP1.2CJNEA,#SUDU1,HANGG1AJMPQQQ機械復位程序INT1：CLREA；關中斷CLRTR1；關定時器T1MOVTH0，#15H；數據重裝MOVTL0，#0A0H；MOVR2，#00HCLRCPUSHACC；現場保護PUSHDPHPUSHDPLPUSHPSWSJMPFS2；RI=0，判斷有無數據發送標志FS2：JNB10H，FANHUIFS3：MOVA，#30H；發送起始碼MOVSBUF，AWAIT1：JBCTI，FSBYTESJMPWAIT1FSBYTE：MOVR0，#30HFSSJ：MOVA，@R0MOVSBUF，A；發送數據ADDA，R2MOVR2，AWAIT2：JBCT1，FSYESSJMPWAIT2FSYES：INCR0DJNZR1，FSJSM；數據發送完WAIT3：JBCTI，FSJSMSJMPWAIT3FSJSM：MOVA，#0FFH；發送結束碼MOVSBUF，AWAIT4：JBCTI，FANHUISJMPWAIT4FANHUI：POPPSW；現場恢復POPDPLPOPDPHPOPACCSETBTR1；開啟定時器T1SETBEA；開中斷顯示子程序AA:MOV R1，#78H 顯示緩寸區首地址 MOV R3，#11111110B 從右數第一位顯示器開始顯示 MOV A，R3 位控制碼初值BB: MOV DPTR，#0FE02H 指向位控制D(C口)地址 MOVX @DPTR，A 輸出位控制字 MOV DPTR,#TAB 指向顯示碼首地址 MOV A,@R1 取顯示數據(BCD碼) MOVC A,@A+DPTR 取顯示碼 MOV DPTR,#0FE00H 指向段控制位(A口)地址 MOVX @DPTR,A 輸出顯示碼 ACALL DEL1 延時1ms JNB P1.7,GG 測鍵有無按下GG1: RL A MOV R3,A CJNE A,#11011111B,BB 掃描左一位 MOV DPTR，#7F02H 指向位控制(C口)地址 MOVX @DPTR，A 輸出位控制字 JNB P1.7,GG 測鍵有無按下 MOV R3，#11111110B 從右數第一位顯示器開始顯示初值 RETGG: ACALL DL10 延時10ms消抖 JB P1.7,GG1 測鍵有無按下，無返回原調用處 MOV A,R3 鍵碼送A ACALL PP 選鍵子程序TAB: DB3FH,06H,5BH,4FH,66H 共陰極顯示代碼 DB6DH,7DH,07H,7FH,6FH附錄ⅡProceedingsofthe7thICFDM2006InternationalConferenceonFrontiersofDesignandManufacturingJune19-22,2006,Guangzhou,ChinaPages255-260ASTUDYONVIBRATIONSIGNAL-BASEDFEATUREEXTRACTIONFORGRINDINGSPINDLE-TYPEDROTOR-BEARINGSYSTEMDURINGACCELERATIONJong-KweonPark,Bong-SukKim,Soo-HunLeeandJun-YeobSongIntelligenceandPrecisionMachineryResearchDivision,KIMM,305343,Rep.ofKoreaSchoolofMechanicalEngineering,AjouUniversity,443749,Rep.ofKoreaAbstract:Thegoalofsystemmonitoringistominimizeeconomicloss,toincreasereliability,tomaximizeproductivity,andtomaintainproductqualityinmanufacturing.Sincevibrationsignalssufficientlycontaintheabundantrunninginformationoftherealsystemandthehiddenfaultsymptoms,thefeatureextractionthroughthosesignalsiswidelyappliedforperformanceevaluationfaultdiagnosticsofrotatingmachineries.Thispapershowsfeatureextractionfromvibrationsignalsgatheredinthegrindingspindle-typedrotor-bearingsystemduringaccelerationinordertomonitoranabnormalconditionofcurrentsystemlikeshaftcrackbyusingvariouskindsofsignalprocessingmethodssuchastheFastFourierTransform,Short-TimeFourierTransform,Wigner-VilleDistribution,andDiscreteWaveletTransform.Aswell,theresultoffeatureextractioninshaftcrackconditionwascomparedwiththatinnormalcondition.Keywords:Featureextraction,Grindingspindle-typedrotor-bearingsystem,Non-stationarysignalprocessingmethod,Acceleratingprocess,Wavelettransform1.IntroductionTheconditionmonitoringorfaultdiagnosisinrotatingmachineriesandmachiningprocessisacrucialrequirementinordertomaintainreliability,safety,andproductqualityandtopreventfailuresordamages.Comparedwithothermachiningmethods,high-performancegrindingprocessisoneofthemostcomplicatedandimportantcuttingprocessesasfinalmachiningstage;consequently,themonitoringofgrindingprocessandmachineismuchmorenecessaryinordertosupervisetheprocessandmachineandalsodetectabnormalities.Amongvariouskindsofapproaches,vibrationsignalanalysismethodforfeatureextractionandnondestructivedamageidentificationhasbeenwidelyutilizedduetocapabilitytocarrytheabundantdynamicinformationandtoindicatedetailedmotionofmechanicalsystemsandtodescribesimultaneouslywhenafaultoccursorwhatisitsfrequency.However,sincemostofthevibrationsignalssampledonmechanicalsystemsarenon-stationaryortransientsignalswhichsufficientlycontainadditionalinformationorabnormalsymptom,whichcannotberevealedfromstationarysignal,itisthekeyhowtoaccuratelydrawdominantfeaturecomponentsfromvibrationsignalsbecausenon-stationarysignalismorecomplexthanstationarysignal.Uptodate,forfeatureextractionofrotatingmachinery,manykindsofresearchresultshavemainlybeenfocusedonthestationarysignalprocess;ontheotherhand,littleresearchhasbeenaccomplishedforthenon-stationarysignalprocesssuchasspeed-upprocess;especially,thereisalmostnofeatureextractionusingvibrationsignalofspeed-upconditioninthefieldofgrindingprocess..Thispaperwasaboutastudytoextractthedominantfeaturesfromvibrationsignalsacquiredinalaboratorygrindingspindle-typedrotor-bearingsystemduringaccelerationbyusingseveralsignalprocessingmethodssuchasTimeDomainAnalysis(TDA),FrequencyDomainAnalysis(FDA),andtheTime-FrequencyAnalysisMethod(TFAM).Modaltesting,whichdetectsdynamiccharacteristicsofthesystemlikenaturalfrequency,wasperformedforthepurposeofdeterminingoperatingrangeforaccelerationintestsetup.Vibrationdatafromthebearinghousingpassingthroughthedistinctiveresonancefrequenciesandfrequencybandinspeed-upprocessweregatheredthroughtheexperimentswithnormalandcrackshaftcondition.Togetprominentsignalsofabnormalityfromacquiredtimedataasafundamentalstagefordiagnosisormonitoringtechnology,theFastFourierTransform(FFT),Short-TimeFourierTransform(STFT),Wigner-Villedistribution(WVD),andWaveletTransform(WT)usingcommercialsoftwarewerecarriedoutandcomparedwitheachresult2.TheoreticalBackground2.1.ReviewofSignalAnalysisMethodsTherearetwomajortypesofsignalinthefirstnaturaldivisioncategory:thestationarysignalandnon-stationarysignal.Stationarysignalsareconstantintheirstatisticalparametersovertime.Moreover,stationarysignalsarefurtherdividedintodeterministicandrandomsignals.Randomsignalsareunpredictableintheirfrequencycontentandtheiramplitudelevel,buttheystillhaverelativelyuniformstatisticalcharacteristicsovertime.Ontheotherhand,non-stationarysignalsaredividedintocontinuousandtransienttypes.Transientsignalsaredefinedassignalswhichstartandendatzerolevelandlastafiniteamountoftime.Inthestationarysignalanalyses,therearetheRMS,PeakValue,Average/Distribution,anddynamictimemodelssuchasARmodelandARMAmodelintimedomainanalysisaswellastheFourierTransform(FT)infrequencydomainanalysis.However,mostsignalsofmechanicalsystemlikevibrations,noises,andsounds,generatenon-stationarysignalsthatdataareintricateandirregular,soitiscertainlynecessarytousenon-stationarysignalprocessingmethodstoextractvalidinformationfromthosesignals.TheFTismainlyusedinfrequencyanalysisofstationarysignals,whilefrequencyanalysistendstoaccompanyerrorswithregardtonon-stationarysignals.Sincethefrequencyanalysissimplyshowsonlyfrequencycomponentswhennon-stationarytransientsignalsoccur,itisdifficulttofindthetimeinformation.However,theTFAMssuchastheSTFT,WVD,andWT,whichperformfrequencyanalysisatthetimewhenfailureoccurs,compensatedefectsoftimeandfrequencydomainanalysis,sothat,itisconsiderablyusefulforapplicationstoanumberoffields.2.2.FastFourierTransformAninfinite-rangeFTofareal-valuedoracomplex-valuedrecordx(t)isdefinedbythecomplex-valuedquantity.（2.1）Theoretically,asnotedpreviously,thistransformX(f)willnotexistforanx(t)thatisarepresentativememberofastationaryrandomprocesswhentheinfinitelimitsareused.However,byrestrictingthelimitstoafinitetimeintervalofx(t),sayintherange(0,T),thenthefinite-rangetheFTwillexist,asdefinedby（2.2）Assumenowthatthisx(t)issampledatNequallytapart,wherethasbeenspacedpointsadistanceselectedtoproduceasufficientlyhighNyquistfrequency.Asbefore,thesamplingtimesaret=nt.However,itisconvenientheretostartwithn=0likeEq.(3).Let（2.3）Then,forarbitraryf,thediscreteversionofEq.(2)is（2.4）TheusualselectionofdiscretefrequencyvaluesforthecomputationofX(f,T)is（2.5）Atthesefrequencies,thetransformedvaluesgivetheFouriercomponentsdefinedby（2.6）WherethasbeenincludedwithX(f)tohaveascalekfactorofunitybeforethesummation.Notethatresultsareuniqueonlyouttok=N/2sincetheNyquistfrequencyoccursatthispoint.ThefunctiondefinedinEq.(6)isoftenreferredtoastheDiscreteFourierTransform(DFT).AdrawbackinutilizingtheDFTEq.(6)fordiscretesignalprocessingisthetimeittakestocomputethetransformvaluesatallfrequenciesforlargearraysofdiscretedata.Moreefficientnumericalalgorithmsweredevelopedtoimprovecomputationalspeed,andthishasresultedinnumeroustheFFTalgorithms.2.3.Short-timeFourierTransformTheSTFTisaFourierTransformperformedinsuccessivetimeframes:（2.7）Wheretistime,wisfrequency,andh(u)isatemporalwindowfunctionsuchasRectangular,Gaus