中速走丝电火花线切割机床设计与开发-本科论文.doc

济南大学毕业设计
1 前言
毕业设计是大学四年来的一次综合练兵，是对四年的学习生活的一个总结和概括。通过毕业设计，我们可以提高自身的动手能力和团队合作能力，将我们所学的理论和实际更好地结合起来。
中速走丝电火花线切割机床的设计与开发主要概括为以下方面：走丝机构的设计，X、Y轴坐标系工作台进给系统的设计，脉冲电源的设计，控制部分的设计等等。根据设计方案，首先了解机床的工作的原理和各个部件运行的方式，确定DK7740线切割机床的具体技术参数，这些知识可以在平时大学期间的各种实习来慢慢积累，以及查阅图书馆相关的技术资料并且和实验室的DK7740电火花线切割设备进行比较最后和老师一起讨论决定。接着根据已经确定好的参数来制定机床总体方案，在后续的具体设计时对这些具体参数再根据实际情况进行修改。然后是具体的各个部分的零件的计算和设计选型。最后的一个环节是机床电路控制部分的设计和开发。
毕业设计虽然说是一个人的工作，但是由于涉及到的知识面非常广，比如电子技术、微机控制、单片机、机械设计等，所以设计的过程同时也是一个再次学习的过程。通过不断的学习将知识综合整理，这样才能较好地完成整个毕业设计。正是因为在设计过程中穿插了学习，这样难免会造成机械部分设计上的有些方面的不完善，控制部分上设计的不成熟。
2 总体方案的设计
2.1 总体方案的拟定
总体方案拟定的前提和要求：
(1).电火花线切割机床属于经济型机床，所以在尽量保证一定的加工精度的前提下，应简化内部结构，降低制造的成本。因此，进给伺服系统应采用步进电机开环控制系统。
(2).电火花线切割机床具有定位、横向和纵向的直线插补功能；还能要求暂停，进行循环加工等。因此，数控系统选取连续控制系统。
(3).根据系统的功能要求，微机控制系统中除了CPU之外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器，I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器；包括光隔离电路和步进电机驱动电路。此外，系统中还应该包括脉冲发生电路和其他辅助电路。
(4).纵向和横向是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杆螺母副组成，传动比满足机床的要求。
(5).为了保证进给伺服系统的精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。
(6). 采用滚动导轨可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。
(7).根据电火花线切割机床的最大加工尺寸，加工精度，控制速度和经济性要求，一般采用8位微机。在8位微机中，MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性能价格比。因此，可以选择MCS-51系列单片机扩展系统。
在上述的基础上，有条件的还可以进一步实现钼丝的角度调节，使加工过程更加细致精确。
2.2 主要技术参数的拟定
技术参数包括运动参数，尺寸参数和动力参数。DK7740电火花线切割机床的主要技术参数如下：

表2.1 线切割机床主要参数
工作台行程/
400500
加工表面粗糙度
0.86
切割速度/
180
加工精度
0.001
切割工件最大厚度
400
电极丝移动速度/（）
7-12
电极丝直径/
0.25

3 走丝机构的设计
走丝机构的运动是由丝筒电机的正转和反转来完成的。电机通过联轴器与丝筒连接，丝筒装有齿轮，通过过渡齿轮与丝杆上的齿轮啮合。丝杆固定在拖板上，螺母固定在底座上，拖板与底座采用装有滚珠的V行滚动导轨连接，这样丝筒每转一周拖板直线移动相应的距离，因此机床工作前应根据零件厚薄和精度要求可在0.12和0.25之间调节。
3.1对高速走丝机构的要求
对高速走丝机构设计时的一些相关要求如下所示：
（1）高速走丝机构的储丝筒转动时，由于布丝的要求，需要进行相应的轴向移动，这样才能保证电极丝在储丝筒上的有序排列，不会相互缠绕。
（2）储丝筒的径向和轴向窜动量要求越小越好。
（3）储丝筒要能够正反向旋转，电极丝的走丝速度要求在7—12
（4）走丝机构要求和床身相互绝缘。
3.2机械部分的设计选型
3.2.1 电动机的计算和选型
高速走丝机构由于有丝筒的存在，所以对电机的要求比较高。为了保证排丝的迅速和排丝位置的准确，要求电机的启动制动要迅速、转速要高、定位精度要高；对于不同尺寸的钼丝，需要使用不同的转速和转矩，这就要求电机转速和转矩的调节性能要好，即要能根据不同的控制信号快速达到准确的速度和位置。
根据这些要求，在《机械设计手册》当中查找，选用A02系列小功率三相异步电机，电机的型号初步选定为A027124，相关数据为：

表3.1 电机参数
电机型号
额定功率/W
额定电压/V
堵转电流/A
堵转转矩/
最大转矩/
A02-7124
370
380
6.0
2.2
2.4

查询《机械设计手册》，电动机和联轴器的连接采用，长度为18普通平键。
3.2.2 联轴器、轴承的计算和选型
分析电机轴和丝筒轴的工作环境，由于高速走丝机构是往复运动，换向频繁，在换向的时候联轴器受到电机轴和丝筒轴上方向相反的剪切力的作用，所以查询《机械设计手册》选用弹性柱销联轴器。型号初选为LX2。这个型号的联轴器的相关数据为：

表3.2 联轴器的参数
型号
公称转矩/()
许用转速/()
轴孔直径
、、
/
轴孔长度/

/

/

/

/

LX2
560
6300
24
38
52
120
55
28
2.5
24
38
52

这个型号的联轴器如图所示：

图3.1 联轴器外形示意图

分析轴承的工作环境，丝筒和中间轴工作时只受扭转力和剪切力的作用，在轴向上不受力，又由于轴的转速非常高，所以决定采用单列深沟球轴承，丝筒轴的两对深沟球轴承初选型号为16006型，中间轴的两对初选型号为16007型。这两种轴承的相关参数如下：

表3.3 深沟球轴承参数
轴承代号
基本尺寸
基本额定动载荷
基本额定静载荷
极限转速

脂润滑
油润滑
6006
30
55
13
13.2
8.30
10000
14000
6007
35
62
14
16.2
10.5
9000
12000

3.2.3 齿轮传动部分的设计计算
①传动比计算
钼丝丝距（排丝距离—电机轴每转一圈带动丝杠轴向移动的距离）选择为0.24，丝杆的螺距我们选择是3，由此可以计算储丝筒和丝杆之间的齿轮的传动比是：
（3.1）
选用二级齿轮传动，由两对齿轮组成，取
②齿轮齿数的计算
取，由于齿轮齿根和轴上的键的距离不能为零，
即 （3.2）
选取d=15，然后由设计手册查得：
（3.3）
=
=
=
将数据代入3.2式得：
取得；
又有；所以
（3.4）
（3.5）
去第三个齿轮的齿数；同上可求得，；
又由所以
（3.6）
（3.7）
由此可以算得齿轮1、2的中心距为
（3.8）
齿轮3、4的中心距为
（3.9）
由《机械设计课程设计手册》查得键槽连接部分的具体尺寸：

表3.4 普通平键参数
轴
键
键槽
公称直径
公称尺寸b×h
深度
轴
毂

齿轮的其他相关数据如下：
齿顶圆： （3.10）

齿根圆： （3.11）

3.2.4 丝杆和导轨的设计计算
由于丝杠是正反向旋转的，所以采用正反向平衡的梯形牙，丝杠选用的长度为L=450，具体的参数如下:
螺距P=3mm 公称直径28mm 牙顶牙底间隙0.5mm 旋合长度450mm
又机构重量适中，属于中型机械，所以丝杆的直径可以选择为28 mm。

表3.5 丝杠螺母副相关参数

大径/ mm
中径/mm
小径/mm
牙型高/mm
牙高/mm
内螺纹
28.5
26.5
25
1
--
外螺纹
28
26.5
24.5
--
1.25

由于丝杠部分要同时承受径向载荷、转矩和轴向载荷，所以选用面对面安装的圆锥滚子轴承。这种结构的轴承，导轨选用三角形和矩形组合导轨，靠近工件的一边选三角形，矩形导轨负担重量，三角形导轨在运行时因为正反转，不同转向所受力方向不一样，这样正反转有一个面受主要力。三角形选择60度。

3.3电路控制部分的设计
3.3.1控制原理
线路工作过程如下:自动档按下启动按钮SB2,KM1得电,工作台前进,当到达预定行程后(可通过调整挡块位置来调整行程),挡块1按下ST2,ST2动断触点断开,切断接触器KM1,同时ST2动合触点闭合,反向接触器KM2的电,工作台反向运行.当反向到位,挡块2压下ST1,工作台又转到正向运动,进行下一个循环.行程开关ST1为正向.反向终端保护行程开关,以防ST1.ST2失灵时,工作台从床身滑出的危险.手动用于对中和装丝。电路图如下所示：

图3.2 PLC电路图

3.3.2电器元件的选择
①继电器的选择
继电器主要是控制部分的小电流电路用于用于工作部分的大电流电路的
②接触器的选择
接触器在工作电压小于1200V的低压电器中属于控制类电器。交流接触器主要用于在远距离和大电流的电路中连接和分断电路，本次设计采用的是TKC1交流接触器，这种型号的接触器适用于50Hz，电流在800A以下，电压在660V以下的电气电路中。
③熔断选择器的选择
熔断保护器是用于电源的隔离、线路的过流和短路保护，通过比较采用的是QCH30系列熔断式隔离器。额定功率为50Hz，额定工作电压为400V，额定工作电流为32A。
④行程开关的选择
本次设计采用XZ-8/107型的行程开关。
3.3.3PLC接线图
①I/O分配表
表3.6 I/O分配表
输入信号
输出信号
正向按钮
I0.0
正向限位ST3
I0.6
反向按钮
I0.1
反向限位ST4
I0.7
停止按钮
I0.2
正向移动
Q0.0
热继电器
I0.3
反向移动
Q0.1
正向行程ST1
I0.4
电机正转指示灯
Q0.2
反向行程ST2
I0.5
电机反转指示灯
Q0.3

②程序梯形图

图3.4 PLC程序梯形图

③PLC外部接线图

图3.5 PLC外部接线图

4 工作台进给系统的设计
在设计工作台的结构时，为了加工的方便，工作台必须能够很好地装夹工件，而且在加工工件的过程中，钼丝以及丝架的悬臂部分在移动时不会和工作台发生碰撞，所以工作台设计时一般采用滑枕结构，丝架的上下两根悬臂梁分别在悬臂的上方和下方，钼丝从两根滑枕的中间竖直穿过。
4.1机械部分的设计计算
4.1.1滚动导轨的计算和选型
滚动导轨是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，将滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，滑动摩擦比滚动摩擦小得多。这样做的好处是，导轨所需的驱动力变小了，从而可以用更小的驱动电机来带动；运动的速度提高了，瞬间速度可以达到普通滑动导轨的10倍；导轨内部各个部件的配合性非常好，运动稳定，大大提高了运动精度和定位精度，可以实现无隙运动；提高了导轨的运动刚度。滚动导轨的这些优点使得它在制造要求越来越高的今天是一个相当不错的选择。
在DK7740电火花线切割机床工作的导轨的结构布局是，在机床的正面和走丝机构中丝筒的往复方向平行的方向为Y方向，垂直于Y方向的为X方向。Y方向在上，X方向在下，工作台的行程是400500，所以暂定Y方向的导轨长度为1000，X方向的导轨长度为800，选定为矩形导轨。上面Y方向的型号为GGB32AA2P2×1000，下面X方向的型号为GGB25AA2P2×800。
支撑X、Y工作台的滑块和导轨配合，用螺钉安装在相应的台上。
接下来计算导轨的许用负载，看是否可以承受工作台和工件的重量：
对于滚珠导轨，许用负载
式中 K——作用在滚动体截面上的假定应力，参见机电课程设计指导书的表3-17。
d——滚珠直径
——考虑到导轨硬度的修正系数，参见机电课程设计指导书的表3-18。
查询机电课程设计指导书的表3-17，得钢质淬火导轨（硬度为55HRC）的滚动体截面假定应力为60，滚珠的直径为7，修正系数为0.7。
所以滚珠导轨的许用负载
由于最大负重为320Kg，所以两个导轨的，导轨满足要求，可以使用。
4.1.2滚珠丝杠螺母副的计算和型号的选取
滚珠丝杠是将回转运动转化为直线往复运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠由丝杠、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线往复运动，这是在滚珠螺丝的基础上的又一次发展和超越，这项发展的重要意义就是将轴承从单纯的圆周的滚动动作变成轴向的滑动动作。由于滚珠丝杠的摩擦阻力非常小而传动稳定，精确度高，所以被广泛应用于各种工业产品和对精度要求非常高的仪器当中。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成直线往复运动，或将逆转力矩变成轴向力矩，同时可以达到高精度、可回复和高效能的特点。滚之丝杠螺母副的结构如下：

图4.1 滚珠丝杆螺母副的结构示意图
1）Y方向（上方）滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型。
①计算进给率引力
由于选用的是矩形导轨，计算公式为 （4.1）
式中 K——考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨K=1.1。
——切削力，线切割的一般近似为零
——导轨上的摩擦系数，矩形滚动导轨为0.0035
G——移动部件的重量，估算为300Kg
所以可以计算进给率引力=0.00353000=10.5N
②计算最大动载荷
最大动载荷C的计算公式为：
（4.2）
式中 L——寿命，以转为一单位， （4.1）
--丝杠转速，（r/min），用下列式子计算：
（4.3）
——最大切削力条件下的进给速度，单位m/min，一般取最高进给速度的1/2~1/3。
——丝杠导程，单位为mm
——使用寿命，单位h，数控机床为15000h
——运转系数，无冲击取1.0~1.2，一般情况取1.2~1.5
所以

N
从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找到相应的额定动载荷的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应使详情查见《机电课程设计指导手册》。根据以上计算在《机械设计师手册》上查选得滚珠丝杠的型号为CDM3205—5。
从《机电设计课程设计手册》查得滚珠丝杠螺母副的型号为4506。
③传动效率计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率
（4.4）
式中 ——丝螺旋长升角；
——摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数=0.003~0.004，其摩擦角约等于10’。
计算传动效率
2）X方向（下方）滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型。
①计算进给率引力
进给率引力=0.00359000=31.5N
②计算最大动载荷

N
③传动效率计算

4.1.3步进电机的选型
步进电动机又称为脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。步进电动机具有以下几种特点：①定位精度高，同步运行特性好；②转速（或者说线速度）与脉冲频率成正比；③速度可调，启动、制动和反转的速度快；④在额定负载下，运行状况平稳，不会因为电源电压、负载、环境条件的变化而改变。
中速走丝电火花线切割机床的工作台系统要求电动机的定位精度高，电机响应快速准确，运行平稳，抗干扰能力强，并且适用于开环控制。而国产BF系列反应式步进电动机完全可以满足以上的要求。
下面根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号
1）步距角
初选步进电机型号，从手册中查到步距角，只要满足条件：
即可使用
综合考虑，初选了，,可以满足上面的公式。
2）矩频特性
步进电机的最大静转矩是指电机的定位转矩，步进电机的名义启动转矩和最大静转矩的关系是：
（4.5）
步进电机空载启动是指电机在没有任何外加负载的情况下启动。步进电机所需要的空载启动力矩计算公式为：
（4.6）
式中 ——空载启动力矩
——空载起动时运动部件由静止到最快速度折算到电机轴上的加速力矩
——空载时折算到电机轴上的摩擦力矩
——丝杠预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩
初选电机的条件是：步进电机的空载启动力矩要小于步进电机名义启动转矩：

①加速力矩
（4.7）
（4.8） （4.9）
②空载摩擦力矩
（4.10）
③附加摩擦力矩
（4.11）
所以
而
所以满足条件。
4.1.4滚动轴承的选型
结构简易，使用维护方便。主要用来承受径向负荷、也可承受一定的轴向负荷，当轴承的径向游隙加大时，具有角接触球轴承的性能，可承受较大的轴向负荷。该类轴承摩擦系数小，极限转速高，尺寸范围与形式变化多样。坚实耐用，通用性强及低噪音运行，可在高速下运转和易于安装。单列深沟球轴承另有密封型设计，可以无须再润滑和无需保养。
1） 滚动轴承的基本结构
以滑动轴承为基础发展起来的滚动轴承，其工作原理是以滚动摩擦代替滑动摩擦，一般由两个套圈，一组滚动体和一个保持架所组成的通用性很强、标准化程度很高的机械基础件，已经形成系列产品，通用性很好。由于各种机械有着不同的工作条件，对滚动轴承在负载能力、内部结构和使用效果等方面都提出了各种不同要求。为此，滚动轴承需有各式各样的结构。但是，最基本的结构是由内圈、外圈、滚动体和保持架所组成。
各种零件在轴承中的作用分别是：
对于向心轴承，内圈通常与轴紧配合，并与轴一起运转，外圈通常与轴承座或机械壳体孔成过渡配合，起支承作用。但是，在某些场合下，也有外圈运转，内圈固定起支承作用或者内圈、外圈都同时运转的。对于推力轴承，与轴紧配合并一起运动的称轴圈，与轴承座或机械壳体孔成过渡配合并起支承作用的称座圈。滚动体（钢球、滚子或滚针）在轴承内通常借助保持架均匀地排列在两个套圈之间作滚动运动，它的形状、大小和数量直接影响轴承的负荷能力和使用性能。保持架除能将滚动体均匀地分隔开以外，还能起引导滚动体旋转及改善轴承内部润滑性能等作用。
2）滚动轴承的特点
①滚动轴承与滑动轴承相比,具有下列优点:
滚动轴承的摩擦系数比滑动轴承小,传动效率高。一般滑动轴承的摩擦系数为0.08-0.12,而滚动轴承的摩擦系数仅为0.001-0.005; 滚动轴承已实现标准化、系列化、通用化,适于大批量生产和供应，使用和维修十分方便； 滚动轴承用轴承钢制造,并经过热处理,因此,滚动轴承不仅具有较高的机械性能和较长的使用寿命,而且可以节省制造滑动轴承所用的价格较为昂贵的有色金属; 滚动轴承内部间隙很小,各零件的加工精度较高,因此,运转精度较高。同时,可以通过预加负荷的方法使轴承的刚性增加。这对于精密机械是非常重要的; 某些滚动轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷,因此,可以简化轴承支座的结构; 由于滚动轴承传动效率高,发热量少,因此,可以减少润滑油的消耗,润滑维护较为省事; 滚动轴承可以方便地应用于空间任何方位的铀上。
②但是,一切事物都是一分为二的,滚动轴承也有一定的缺点,主要是：
滚动轴承承载能力比同样尺寸的滑动轴承小得多,因此,滚动轴承的径向尺寸大。所以,在承受大负荷的场合和要求径向尺寸小、结构要求紧凑的场合〈如内燃机曲轴轴承),多采用滑动轴承滚动轴承振动和噪声较大,特别是在使用后期尤为显著,因此,对精密度要求很高、又不许有振动的场合,滚动轴承难于胜任,一般选用滑动轴承的效果更佳 滚动轴承对金属屑等异物特别敏感,轴承内一旦进入异物,就会产生断续地较大振动和噪声,亦会引起早期损坏。此外,滚动轴承因金属夹杂质等也易发生早期损坏的可能性。即使不发生早期损坏,滚动轴承的寿命也有一定的限度。总之,滚动轴承的寿命较滑动轴承短些。
可是,滚动轴承与滑动轴承相比较,各有优缺点,各占有一定的适用场合,因此,两者不能完全互相取代,并且各自向一定的方向发展,扩大自己的领域。但是,由于滚动轴承的突出优点,颇有后来者居上的趋势。目前,滚动轴承已发展成为机械的主要支承型式,应用愈来愈广泛
3） 滚动轴承的选定
为了保证丝杠在往复移动过程中的稳定性和耐用性，选用圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷，外圈可分离，安装时可以调节轴承的游隙。一般成对使用。根据滚珠丝杠的直径和使用要求，选用30207，基本可以满足在尺寸配合、动力传动方面的要求。

4.1.5工作台的设计选型
工作台面，顾名思义是机床加工工件的工作区，机械加工过程中，我们把工件放在工作台上，来加工各种工件。工作台面的性质与作用确定了它的基本参数[15]，因为在工作台上进行的是电火花加工，因此不存在切削力作用，故选用一般性能的Q235钢作为工作台材料即可以满足要求。
由于该设计要求行程为400~500 ，台面尺寸为600x800，工作载荷为320㎏,确定该台面为矩形形台面，根据要求该台面尺寸为600x800x40。台面上有4个T型槽，槽宽12，槽间距离63。台面下部与导轨滑块联接，正中心有螺纹孔与滚珠丝杠螺母副上的固定块联接。
4.2电路控制部分的设计计算
4.2.1高频脉冲电路的设计
高频脉冲电源在线切割机床中又被称为脉冲电源，它的作用是将主频是50Hz的交流电源转换成高达几百赫兹的高频单向脉冲电源，为线切割机床提供一系列的不同脉宽的矩形脉冲。
线切割机床的电气控制系统主要是高频脉冲电源电路，这是线切割机床的很主要组成部分，高频脉冲电源的正极接在需要加工的工件上，负极接在电极丝（本次设计的机床为钼丝）上，通过工作液的导电来使得电极丝和工件之间产生放电侵蚀现象，工件被侵蚀从而加工出需要的形状。
高频脉冲电源主要是由整流电路、主振电路、脉宽调节电路和功率放大电路等组成。主振电路由数字振荡电路、模拟振荡电路和分立元件电路组成。新型机床的功率放大电路主要是在功率管选取上有不同，从普通的三极管，大功率、低功耗管、场效应管和功率模块等等，但是实际生长中一般还是使用早期的电路。机床的技术改造一般着重于控制部分，普遍采用配有输入键盘、数控LCD或者是LED显示器的微机控制系统。
本次设计的DK7740电火花线切割机床的电源部分：
电源主要是由整流电路、主振电路和功放电路组成的。整流电路是由变压器将三相380V电压转变为三相42V和三相7V电压，并且通过二极管进行整流。电路形式是三相全波整流电路，为脉冲电源提供100V直流电压和10V直流电压，用来供给功放电路和工作电路。
4.2.2数控系统的设计
机电一体化数字控制系统主要由硬件系统和软件系统两大部分组成。控制的对象主要是各种机床。数字控制系统的基本组成包括如下图所示：
机

床
微

机
步进电机驱动
步进电机
通信接口

开关量控制

软件
主轴电动机
主运动驱动

图4.1 数控系统基本组成

数控系统的具体硬件组成是以MCS-51系列高档八位单片机为基础，采用8031CPU芯片，存储器采用较大容量的存储器。用来存放控制程序及扩展程序的EPROM,采用了256K27256芯片。用来存放输入加工图形程序的RAM采用了256K容量的62256芯片，用来增强微机的功能。接口电路使用了可编程并行接口电路芯片8255，显示部分采用了数码管来显示参数，键盘输入和输出显示由键盘、显示接口电路芯片8279来控制。具体的系统组成如下图所示：

Y轴步进电机
X轴步进电机
5V电源

输入输出

接

口

电

路
键盘
步进电机
驱动电路

MCS-51型

8031

单片机

取样信号
驱动电源电路

LED显示

变频信号

图4.2 数控系统结构图

1）单片机的选型
单片机主要包括芯片，这是由芯片制造厂商生产的然后在上面集成了一些基本的组成部分的这些组成部分包括运算电路、控制电路、存储器、中断系统、定时器、计数器和I/O接口电路等等。但是鉴于一个单片机并不能把计算机全部电路整合在一起，有些原件比如复位电路中的石英晶体、电阻、电容等一般是以散件的形式出现的。此外，在实际设计中，时常需要使用外围芯片和外围扩展电路。
一般所说的单片机是指那些为了满足某一控制要求而由用户设计的，是一种围绕单片机芯片而组建的计算机的应用系统。单片机是整个系统的核心，是组成单片机系统硬件和软件的最基础和最不可缺少的部件。
2）MCS-51系列单片机的具体设计
机床主体部分主要是X、Y两轴联动的设计，采用MCS-51单片机完全可以实现。下面介绍单片机各个部件的选型。
①单片机
如前文所述，本次设计采用的型号为8031AH，这个型号的单片机没有内置程序存储器，需要扩展；128字节的数据存储器（RAM），不够使用也需要扩展，32位的I/O接口，2个16位的定时器。
②时钟电路
时钟电路的单片机的心脏，他控制着单片机的工作节奏。MCS-51单片机内有一个反向放大器，XTAL1、XTAL2引脚分别为该反向放大器的输入端和输出端，该反向放大器与片外晶体或者陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器，产生的时钟送去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，大多数单片机使用的是内部时钟方式。
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器回路，不论是HMOS还是CMOS单片机，其并联谐振回路及其参数如下图所示：

XTAL2

MCS-51

XTAL1
图4.3 并联谐振电路

MCS-51单片机允许的谐振晶体可在1.2MHz-24MHz之间选择，一般取用11.0592MHz。电容C1、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路的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60F-70pF是振荡器有较高的频率稳定性。
在设计印刷电路板时，晶体或者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工作，为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。
③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和系统的其他部件都处于一个确定的额初始状态，并且从这个状态上开始工作。
单片机的复位都是开外部电路实现的，MCS-51单片机有一个复位引脚RST，高电平有效，这是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚出现两个及其周期（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就一直保持复位状态。此时，ALE、、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。RST变低电平后，退出复位状态，CPU从初始状态开始工作。需要指出的是，复位操作不影响片内内容。
MCS-51单片机通常采用上电自动回复和按钮回复两种方式。通常因为系统运动等等的需要，一般需要设置人工复位按钮，人工复位按钮结构如下图：

+5V RST

R1
R2

GND
图4.4 人工复位按钮

对于CMOS型单片机因RST引脚内部有一个拉底电阻，故电阻可以不接。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需要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，。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引脚处接上一个去耦电容。
上图所示的电钮复位只需将一个常开开关按钮并联于上电复位按钮，按下开关一定时间就能使RST引脚端变为高电平，这样就可以使单片机复位。

④程序存储器的扩展
MCS-51的程序存储器的寻址空间为64K字节，8031内部不带ROM，用做程序存储器的器件是EPROM。
8031和EPROM的连接的一般方法如下：

EPROM

8031

74LS373

图4.5 内部芯片连接结构图

⑤数据存储器的扩展
由于8031芯片内部RAM只有128字节，远远不能满足需要，需要扩展片外数据存储器RAM。单片机CPU和数据存储器的连接方法和与程序存储器的连接方法大致相同，但是在控制线的连接不同，RAM读输入信号的/OE与8031芯片的/RD（P3.7）引脚相连，RAM的写输入信号/WR芯片/WR(P3.6)相连。

5结论
本文的机械部分主要设计了数控机床的高速走丝机构以及工作台部分。该部分为数控机床进行机械加工的带动工件运动的重要部分，该设计包括：放待加工工件的工作台面，它能够使工件在加工过程中实现X、Y方向的两维运动，在台面上的螺纹孔能够很好的对工件进行加紧固定，以保证加工精度；本文对台面进行传动运动的滚珠丝杠螺母副、直线导轨副进行选择，丝杠能够非常有效的进给传动，保证加工效率；滚动直线导轨副它能有效的稳定地运行、很好的保证台面的做直线运动；还对动力装置步进电机，以及连接步进电机和滚珠丝杠的联轴器进行选择。另外对支撑件也作了设计，例如联轴器的支座、电机丝杠连接架、导轨架等等，它们在整个设计中有着非常重要的位置。
电气部分主要设计了高速走丝机构的控制部分和X、Y两轴联动工作台的控制部分。走丝机构由于工作方式较为简单，控制采用的是PLC方式，工作台需要进行两轴联动，控制部分适合采用单片机方式。
通过本次设计，我对机床加工中的高速走丝机构和工作台部分的电气和控制部分增加了很多认识和了解，对机械内部的传动设计能够做出正确的分析和理解。

参考文献
[1] 魏引焕, 张晓燕, 宋继波, 曹博涛. 分析高速走丝线切割在加工中常见问题及应对措施 [J] . 模具技术, 2007,6(1):54-58
[2] 王振兴, 刘志东, 程国柱, 魏为, 徐安阳, 张艳. 高低双速走丝电火花线切割工艺试验研究. 中国机械工程, 2010,21(9):1025-1029
[3] 张宝亚. 基于Windows平台的高速走丝线切割机数控系统的设计和开发[D] . 南京航空航天大学. 2004
[4] 刘新华. 低速走丝电火花线切割机控制系统的设计与开发[D] . 南京航空航天大学. 2006
[5] 倪高红. 低速走丝线切割运动控制系统的设计与开发[D] . 南京航空航天大学. 2005
[6] 赵刚. 电火花线切割加工节能脉冲电源的研究[D] . 哈尔滨工业大学. 2006
[7] 戴瑜兴, 汤睿, 张义兵, 蒋近. 数控多线切割技术及发展趋势[J]. 电子工业专用设备, 2007,1(154):1-4
[8] 杨三强. 往复走丝线切割多次切割技术与工艺的研究[D]. 哈尔滨工业大学. 2009
[9] 白俊磊. 往复走丝线切割机床多次切割脉冲电源的研究[D]. 哈尔滨工业大学. 2008
[10] 樊海明. 线切割加工放电状态检测与控制技术的研究[D]. 哈尔滨工业大学. 2008
[11] 林朝平. 线切割加工中断丝原因分析及预防措施[J] .现代制造工程, 2003,1(12):110-112
[12] 赵后良, 周国兴, 李有平, 张俊. 线切割自动编程系统的实现[J]. 电加工, 1997,1(1):12-14
[13] 汤泉, 彭海宁. 中走丝电火花线切割机床的特点[J]. 电加工与模具, 2010,1(4):75-76
[14] Aslı Acar, Ozgur Inan, Selcuk Halkacı. Effects of Airborne-Particle Abrasion, Sodium Hydroxide Anodization, and Electrical Discharge Machining on Porcelain Adherence to Cast Commercially Pure Titanium . interScience[J]. 2006;1002:267–214.
[15] Hideo Takino a,