ca6240車床數(shù)控改造畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動(dòng)化控制的新一代機(jī)床－數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過程自動(dòng)化的理想手段。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)使人

2、們對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)床傳動(dòng)及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機(jī)床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對(duì)位置，機(jī)床電機(jī)的啟動(dòng)和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動(dòng)作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)，經(jīng)過譯碼，運(yùn)算，發(fā)出各種指令控制機(jī)床伺服系

3、統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，其主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：1.適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機(jī)床上改變加工工件時(shí)，只需重新編制新工件的加工程序，就能實(shí)現(xiàn)新工件加工。2.加工精度高；3.生產(chǎn)效率</p><p>　　發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)例具有典型性和實(shí)用性。</p><p><b>　　2 總體方案設(shè)計(jì)</b><

4、;/p><p>　　對(duì)CA6240車床數(shù)控改造，首先得擬訂總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖和機(jī)床總聯(lián)系尺寸圖，才能決定各種設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分機(jī)械部分和電器部分進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。</p><p>　　總體方案的擬訂包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)以及傳動(dòng)方式的選擇等內(nèi)容，最后繪制機(jī)床總聯(lián)系尺寸圖。</p><p>　　2.1

5、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對(duì)于刀具移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控制方式。例如數(shù)控鉆床，在工作臺(tái)移動(dòng)過程中鉆頭并不進(jìn)行鉆孔加工，因此數(shù)控系統(tǒng)可采用點(diǎn)位控制方式。對(duì)點(diǎn)位控制系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。</p><p>　　如果要求工作臺(tái)或刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng)

6、具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運(yùn)動(dòng)的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機(jī)床可以加工各種外形輪廓的零件，所以連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)。例如數(shù)控銑床、數(shù)控車床等均屬于此種運(yùn)動(dòng)方式。在點(diǎn)位控制系統(tǒng)中不具備連續(xù)控制系統(tǒng)中才具有的軌跡計(jì)算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻有點(diǎn)位系統(tǒng)的功能。</p><p>　　還有一些采用點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)車，例如數(shù)控鏜銑床等，不但要求工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)坐標(biāo)，還要求工作臺(tái)沿坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)過程中切削工件。這

7、種系統(tǒng)叫點(diǎn)位/直線系統(tǒng)。其控制方法與點(diǎn)位系統(tǒng)十分相似，故有時(shí)也將這兩種系統(tǒng)統(tǒng)稱為點(diǎn)位控制系統(tǒng)。</p><p>　　由于改造后的CA6140車床應(yīng)具有定位，直線插補(bǔ)，順、逆插補(bǔ)，暫停，循環(huán)加工和公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。</p><p>　　2.2 伺服系統(tǒng)的選擇</p><p>　　伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控

8、制系統(tǒng)中設(shè)有反饋電路，不帶檢測(cè)裝置，指令信號(hào)是單方向傳遞的。指令發(fā)出后不再反饋回來，故稱為開環(huán)控制。開環(huán)系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易掌握、調(diào)試和維修都比較簡單。目前國內(nèi)大力發(fā)展的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。</p><p>　　閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測(cè)反饋元件來檢測(cè)實(shí)際位移量，能補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)

9、，閉環(huán)系統(tǒng)造價(jià)高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試復(fù)雜，多用于精度要求高的場合。</p><p>　　半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測(cè)工作臺(tái)的位置，而是用檢測(cè)元件測(cè)出驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺(tái)的實(shí)際位移量，也有反饋電路，其性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。</p><p>　　考慮到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。</p>&

10、lt;p>　　2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定</p><p>　　為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙以及有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：1）盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件，如采用滾珠絲杠螺母傳動(dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等；2）盡量消除傳動(dòng)間隙，例如采用消隙齒輪等；3）提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的剛度，減小傳動(dòng)誤差?？刹捎妙A(yù)緊的

11、方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠等。</p><p>　　為實(shí)現(xiàn)CA6240車床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇</p><p>

12、;　　微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路I/O接口電路，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路等幾部分組成。微機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其他裝置均是在微機(jī)的指揮下進(jìn)行工作的。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用微機(jī)直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對(duì)微機(jī)的要求是多方面的，但主要指標(biāo)是字長和速度。字長不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運(yùn)算的精度。字長較長的計(jì)算機(jī)，價(jià)格顯著上升，而字長較短的計(jì)算機(jī)要進(jìn)行雙字長或三字長的運(yùn)算就會(huì)影響速度。目前一些高檔的CNC系統(tǒng)已普遍采用3

13、2位機(jī)，主機(jī)頻率由5MHz提高到20~30MHz，有的采用多CPU系統(tǒng)，減輕主CPU的負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步提高控制速度。標(biāo)準(zhǔn)型的CNC系統(tǒng)多使用16位微機(jī)，經(jīng)濟(jì)型CNC系統(tǒng)普遍采用8位機(jī)?？梢圆捎肕CS—51系列單片微機(jī)或Z—80單板機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)。</p><p>　　根據(jù)CA6240機(jī)床的要求，采用8位機(jī)。由于MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)和性價(jià)比高等特點(diǎn)，因此采用MCS

14、—51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工命令和控制程序通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)等信息。</p><p>　　系統(tǒng)總體方案如圖所示：</p><p><b>　　Z向</b></p><p><b>　　X向&l

15、t;/b></p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)總體方案圖</p><p>　　3 車床橫向、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　將一臺(tái)CA6240車床改造成微機(jī)數(shù)控車床，采用MCS—51系列單片機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，具有升降速控制功能。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)選擇如下：</p><p>　　加工最大直徑：在

16、馬鞍內(nèi) 630mm</p><p>　　在床身上 400mm </p><p>　　在刀架上 210mm</p><p>　　棒料 46mm</p><p>　　加工最大長度： 900mm</p><p>　　馬鞍內(nèi)有效長度：

17、 210mm</p><p>　　溜板和刀架重力：縱向 800N</p><p>　　橫向 600N</p><p>　　刀架快速速度： 縱向 4m/min</p><p>　　橫向 2m/min</p><p>　　最大進(jìn)給速度： 縱向 1m

18、/min</p><p>　　橫向 0.5m/min</p><p>　　主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率： 7.5Km</p><p>　　起動(dòng)加速時(shí)間： 30ms</p><p>　　機(jī)床定位精度： ±0.015mm</p><p>　　

19、此機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力計(jì)算如下：</p><p><b>　　3.1選擇脈沖當(dāng)量</b></p><p>　　根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，</p><p>　　縱向：0.01mm/步（半徑）橫向：0.005mm/步（半徑）</p><p><b>　　3.2計(jì)算切削力</b></p&g

20、t;<p>　　3.2.1 縱車外圓</p><p>　　主切削力Fz(N)按經(jīng)驗(yàn)公式估算：</p><p>　　Fz(N)=0.67Dmax(1.5)</p><p>　　=0.67×630(1.5)</p><p><b>　　=10595</b></p><p>　　

21、按切削力個(gè)分力比例：</p><p>　　Fz：Fx：Fy=1：0.25：0.4</p><p>　　Fx=10595×0.25=2648.75</p><p>　　Fy=10595×0.4=4238</p><p>　　3.2.2 橫切端面</p><p>　　主切削力F’z(N)可取縱切的1/2

22、，</p><p>　　F’z(N)=1/2Fz=5297.5</p><p>　　此時(shí)走刀抗力為F’y(N),吃刀抗力為F’x(N)。按上述比例初略計(jì)算：</p><p>　　F’z：F’y：F’x=1：0.25：0.4</p><p>　　F’y=5297.5×0.25=1324.375</p><p>

23、　　F’x=5297.5×0.4=2119</p><p>　　3.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型</p><p>　　3.3.1．縱向進(jìn)給絲杠</p><p>　?。?）計(jì)算進(jìn)給率引力Fm(N) 縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌</p><p>　　Fm=KFx+f’(Fz+G)</p><p>　　=1.1

24、5×2648.75+0.16(10595+800)=4869</p><p>　　式中 K——考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15；</p><p>　　f’——滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.15~0.18；</p><p>　　G——溜板及刀架重力：G=800N。</p><p>　　（2）計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載c</p>

25、;<p>　　n=(1000×Vs)/L。</p><p>　　式中 L?！獫L珠絲杠導(dǎo)程，初選L。=8mm；</p><p>　　Vs——最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的(1/2~1/3)，此處Vs=1m/min；</p><p>　　T——使用壽命，按15000h；</p><p>　　fw——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)

26、，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw=1.2~1.5；</p><p>　　L——壽命、以轉(zhuǎn)為1單位。</p><p>　　n=(1000×Vs)/L。=（1000×1×0.4）/8= 50r/min</p><p>　　L=(60×n×T)/=(60×50×15000)/ =45</p><p

27、>　　=×1.2×4869=20782.2N</p><p>　?。?）滾珠絲杠螺母副的選型</p><p>　　查閱附錄A表3，可采用W1L5008外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠，1列2.5圈，其額定動(dòng)負(fù)載為23400N，精度等級(jí)按表4—15選為3級(jí)（大致相當(dāng)于老標(biāo)準(zhǔn)E級(jí)）。</p><p><b>　?。?）傳動(dòng)效率計(jì)算&

28、lt;/b></p><p>　　η=tgγ/tg（γ+ψ）</p><p>　　式中 γ——螺旋升角，W1L5008γ=2°55′</p><p>　　ψ——摩擦角取10ˊ滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.003~0.004</p><p>　　η=tgγ/tg（γ+ψ）</p><p>　　=tg2°55

29、′/tg(2°55′+10′)=0.946</p><p><b>　?。?）剛度計(jì)算</b></p><p>　　先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如下圖所示。最大牽引力為4869N。支承間隔L=1500mm絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。</p><p><b>　　Z2,J2</b>

30、;</p><p><b>　　Js</b></p><p><b>　　L</b></p><p>　　JM z1,J1</p><p>　　圖3.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖</p><p>　　絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1</p><p>

31、　　查圖4—6，根據(jù)Pm=4869N，D0=50mm，查出δL/L=1.2×10，可計(jì)算出：</p><p>　　δ1=(δL/L)×1500=1.2×10×1500=1.8/10²(mm)</p><p>　　由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實(shí)際變形量δ1ˊ=1/4×δ1=0.45

32、/10²</p><p>　?、跐L珠與螺紋滾道間接觸變形δ2</p><p>　　查圖4-7，W系列1列2.5圈滾珠與螺紋滾道間接觸變形δQ=9.2μm,</p><p>　　因進(jìn)行了預(yù)緊，δ2=1/2δQ=1/2×9.2=4.6μm</p><p>　?、壑С袧L珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3</p><

33、p>　　采用8107型推力球軸承，d1=35mm，滾動(dòng)體直徑dQ=6.35mm，滾動(dòng)體數(shù)量z=18，</p><p>　　δc=0.0024 =0.0024 =0.0075(mm)</p><p>　　注意，此公式中Fm單位應(yīng)為kgf</p><p><b>　　因施加預(yù)緊力，故</b></p><p>　　δ3=

34、1/2δc=1/2×0.0075=0.00375</p><p><b>　　根據(jù)以上計(jì)算：</b></p><p>　　δ=δ´1+δ2+δ3=0.0045+0.0046+0.00375=0.01285﹤定位精度</p><p><b>　?。?）穩(wěn)定性校核</b></p><p&

35、gt;　　滾珠絲杠兩端推力軸承不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需要作穩(wěn)定性校核。</p><p>　　3.3.2橫向進(jìn)給絲杠</p><p>　?。?）計(jì)算進(jìn)給率引力Fm(N)</p><p>　　橫向?qū)к墳檠辔残螌?dǎo)軌，計(jì)算如下：</p><p>　　F´m=1.4×F´y+f´(F´z+2F´

36、;x+G´)</p><p>　　=1.4×1324.375+0.2(5297.5+2×2119+600)≈3882</p><p>　?。?）計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載c</p><p>　　n=(1000×Vs)/L。=（1000×0.5×0.48）/6= 40r/min</p><p>　

37、　L=(60×n×T)/=(60×40×15000)/=36</p><p>　　c=fwFm=×1.2×3882=15382N</p><p>　?。?）滾珠絲杠螺母副的選型</p><p>　　查閱附錄A表3，可采用W1L4006外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠，1列2.5圈，其額定動(dòng)負(fù)載為16400

38、N，精度等級(jí)按表4—15選為3級(jí)（大致相當(dāng)于老標(biāo)準(zhǔn)E級(jí)）。</p><p><b>　?。?）傳動(dòng)效率計(jì)算</b></p><p>　　η=tgγ/tg（γ+ψ）</p><p>　　式中 γ——螺旋升角，W1L4006γ=2°44´</p><p>　　ψ——摩擦角取10ˊ滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.003~

39、0.004</p><p>　　η=tgγ/tg（γ+ψ）= tg2°44´/tg(2°44´+10ˊ)=0.94</p><p><b>　?。?）剛度計(jì)算</b></p><p>　　先畫出此橫向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如下圖所示。最大牽引力為3882N。支承間隔450mm，因絲杠長度較短，不需預(yù)緊，

40、但螺母和軸承需要預(yù)緊。</p><p><b>　　z4,J4</b></p><p><b>　　Js</b></p><p><b>　　z2,J2</b></p><p><b>　　L</b></p><p><b&g

41、t;　　z3,J3</b></p><p>　　JM z1,J1 </p><p>　　圖3.3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖</p><p>　　絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1</p><p>　　查圖4—6，根據(jù)Pm=3882N，D0=40mm，查出δL/L=1.8×10，可計(jì)算出：</p>

42、;<p>　　δ1=δL/L×=1.8×10×1500=2.7/10²mm</p><p>　　由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實(shí)際變形量δ1ˊ=1/4×δ1=6.75μm</p><p>　　滾珠與螺紋滾道間接觸變形δ2</p><p>　　查圖4—7，

43、W系列1列2.5圈滾珠與螺紋滾道間接觸變形δQ=8μm，因進(jìn)行了預(yù)緊，δ2=1/2δQ=1/2×8=4μm</p><p>　　支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3</p><p>　　采用8107型推力球軸承，d1=35mm，滾動(dòng)體直徑dQ=6.35mm，滾動(dòng)體數(shù)量z=18，</p><p>　　δc=0.0024 =0.0024 =0.0075(mm)&

44、lt;/p><p>　　注意，此公式中Fm單位應(yīng)為kgf</p><p><b>　　因施加預(yù)緊力，故</b></p><p>　　δ3=1/2δc=1/2×0.0075=0.00375mm</p><p><b>　　根據(jù)以上計(jì)算：</b></p><p>　　δ=δ

45、1´+δ2+δ3=0.00675+0.004+0.00375=0.0145﹤定位精度</p><p><b>　　（6）穩(wěn)定性校核</b></p><p>　　計(jì)算臨界負(fù)載Fk(N)</p><p>　　Fk=(fzπ²EI)/L²</p><p>　　式中 E——材料彈性模量，E=20.

46、6×N/cm²;</p><p>　　I——截面慣性矩（cm ）絲杠：I=(π)/64，為絲杠內(nèi)徑；</p><p>　　L——絲杠兩支承端距離(cm)；</p><p>　　fz——絲杠支承方式系數(shù)，從表中查出，一端固定，一端簡支fz=2.00</p><p>　　I=(π)/64=(π× 3.5984 )/6

47、4</p><p><b>　　=8.23cm</b></p><p>　　Fk=(fzπ²EI)/L²=(2×π²×20.6×10×8.23)/45²</p><p><b>　　=1652615N</b></p><p&

48、gt;　　nk= Fk/F´m=1652615/3882=425.7>>〔nk〕</p><p>　　(一般〔nk〕=2.5~4)</p><p>　　此滾珠絲杠不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。</p><p>　　3.3.3．縱向和橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)</p><p>　　其幾何參數(shù)如下表所示：</p><p>

49、;　　3.4齒輪傳動(dòng)比計(jì)算</p><p>　　3.4.1．縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算</p><p>　　已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.01滾珠絲杠導(dǎo)程=8mm，初選步進(jìn)電機(jī)步距角</p><p>　　0.75°?？捎?jì)算出傳動(dòng)比i</p><p>　　i=(360)/( )=(360×0.01)/(0.75×8)=

50、0.6</p><p><b>　　可選定齒輪齒數(shù)為：</b></p><p>　　i= / =24/40或18/30</p><p>　　=24，=40 或 =18，=30</p><p>　　3.4.2．橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算</p><p>　　已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.005,滾珠絲杠

51、導(dǎo)程=6mm,初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.75°，可計(jì)算傳動(dòng)比I：</p><p>　　i=(360)/( )=(360×0.005)/(0.75×6)=0.4</p><p>　　考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可采用兩級(jí)齒輪降速：</p><p>　　i=(/)(/)=(3/5)(2/3)=(2

52、4/40)(20/30)</p><p>　　=24，=40，=20，=30因進(jìn)給齒輪受力不大，模數(shù)m取2，有關(guān)參數(shù)如下表所示：</p><p>　　3.5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型</p><p>　　3.5.1．縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算</p><p>　　（1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算</p><p>　　計(jì)算簡圖如縱向進(jìn)給系統(tǒng)

53、計(jì)算簡圖所示，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JΣ（kg.cm²）可由下式計(jì)算：</p><p>　　JΣ=JM+J1+(z1/z2)²[(J2+Js)+(G/g)(L。/2π)²]</p><p>　　式中 JΣ——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·cm²）</p><p>　　J1 、J2——齒輪z1、z2的轉(zhuǎn)動(dòng)

54、慣量（kg·cm²）</p><p>　　Js——滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgc·m²）</p><p>　　參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF003，</p><p>　　其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JΣ=10.5 kg·cm²</p><p>　　J1=0.78×(d1²

55、;)²×L1/1000=0.78×(4.8²)²×2/1000=0.828 kg·cm²</p><p>　　J2=0.78×(d2²)²×L2/1000=0.78×(8²)²×2/1000=6.39 kg·cm²</p>

56、<p>　　Js =0.78×(5²)²×150/1000=73.125 kg·cm²</p><p><b>　　G=800N</b></p><p><b>　　代入上式：</b></p><p>　　JΣ=JM+J1+(z1/z2)²[

57、(J2+Js)+(G/g)(L。/2π)²]</p><p>　　=10.5+0.828+(24/40)²[(6.39+73.125)+(800/9.8)(0.8/2π)²]</p><p>　　=40.43 kg·cm²</p><p>　　考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問題，</p><p&g

58、t;　　JM /JΣ=10.5/40.43=0.260</p><p>　　基本滿足慣量匹配的要求。</p><p><b>　?。?）電機(jī)力矩計(jì)算</b></p><p>　　機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算：</p><p>　　①快速空載起動(dòng)力矩M起</p><p>

59、　　在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下：</p><p>　　M起=Mamax+Mf+M0</p><p>　　Mamax=JΣ×ε= (JΣ×2π×nmax)/(60×100×ta)</p><p>　　nmax=(vmax/δp)(θb/360°)</p><

60、p>　　將前面的數(shù)據(jù)代入，式中各符號(hào)意義同前。</p><p>　　nmax=(vmax/δp)(θb/360°)= (4000/0.01)(0.75/360)=833.33 r/min</p><p>　　起動(dòng)加速時(shí)間ta=30ms</p><p>　　Mamax=JΣ×ε= (JΣ×2π×nmax)/(60×

61、;100×ta)</p><p>　　=(40.43×2π×833.33)/(60×100×0.03)</p><p>　　=1175.46N·cm</p><p>　　折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩Mf：</p><p>　　Mf=(F0×L0)/(2πηi)=[f´

62、(Px+G)L0]/( 2πηz2/z1)</p><p>　　=[0.16×(10595+800)×0.8]/( 2π×0.8×1.67)=173.8 N·cm</p><p><b>　　附加摩擦力矩M0</b></p><p>　　M0=(Fp0×L0)(1-η0²)/

63、(2πηi)=(1/3×Fm×L0)(1-η0²)/(2πηz2/z1)</p><p>　　=(1/3×4869×0.8)(1-0.9²)/(2π×0.8×1.67)</p><p>　　=154.75×0.19=29.4 N·cm</p><p><b>

64、;　　上述三項(xiàng)合計(jì)：</b></p><p>　　M起=Mamax+Mf+M0=1175.46+173.8+29.4=1378.66 N·cm</p><p>　?、诳焖僖苿?dòng)時(shí)所需力矩M快</p><p>　　M快=Mf+M0=173.8+29.4=203.2 N·cm</p><p>　?、圩畲笄邢髫?fù)載時(shí)所需

65、力矩M切</p><p>　　M切=Mf+M0+Mt= Mf+M0+(FxL0)/ (2πηi)</p><p>　　=173.8+29.4+(2648.75×0.8)/(2π×0.8×1.67)</p><p>　　=173.8+29.4+252.56</p><p>　　=455.76 N·cm&l

66、t;/p><p>　　從上面計(jì)算可以看出，M起、M快和M切三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。</p><p>　　從表4-24查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)，</p><p>　　λ=Mq/Mjmax=0.951</p><p>　　最大靜力矩Mjmax=1378.66/0.951=1449.7 N·c

67、m</p><p>　　按此最大靜力矩從表4-23查出，150BF003型最大靜轉(zhuǎn)矩為1568N·cm。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。</p><p>　?。?）計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率</p><p>　　fk=(1000vmax)/(60×δр)= (1000

68、15;4)/(60×0.01)=6667 Hz</p><p>　　fe=(1000vs)/(60×δр)= (1000×1)/(60×0.01)=1667 Hz</p><p>　　從表4-23中查出150BF003型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為2600Hz，運(yùn)行頻率為8000Hz，再從圖4-17、圖4-18查出150BF003步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻

69、特性和運(yùn)行矩頻特性曲線如下圖所示。從圖可以看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，f起=2500Hz時(shí)，M=160 N·cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩（1378.66N·cm）直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），將起動(dòng)頻率降到1000Hz時(shí)，起動(dòng)力矩可增高到650N·cm，然后在電路上采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。</p><p>

70、<b>　　M(N·cm)</b></p><p><b>　　392.3</b></p><p><b>　　196.1</b></p><p>　　0 1000 2000 2500 f(Hz)</p><p>　　圖3.4 150BF003型起動(dòng)矩頻

71、特性</p><p><b>　　M(N·cm)</b></p><p><b>　　1471.0</b></p><p><b>　　980.7</b></p><p><b>　　490.8</b></p><p>　

72、　0 4000 8000 f(Hz)</p><p>　　圖3.5 150BF003型運(yùn)行矩頻特性</p><p>　　當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性完全可以滿足要求。</p><p>　　3.5.2.橫向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型</p><p>　?。?）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算</p&

73、gt;<p>　　計(jì)算簡圖如橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖所示，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JΣ（kg.cm²）可由下式計(jì)算：</p><p>　　JΣ=JM+J1+(z1/z2)²｛(J2+J3)+(z3/z4)² [(J4+Js)+(G´/g)(L。/2π)²]｝</p><p>　　式中 JΣ——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（k

74、g·cm²）</p><p>　　J1 、J2、J3、J4——齒輪z1、z2、z3、z4的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·cm²）</p><p>　　Js——滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·cm²）</p><p>　　參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)110BF003，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JΣ=4.7kg·cm²

75、</p><p>　　J1=0.78×(d1²)²×L1/1000=0.78×(4.8²)²×2/1000=0.828 kg·cm²</p><p>　　J2=0.78×(d2²)²×L2/1000=0.78×(8²)²&

76、#215;2/1000=6.39kg·cm²</p><p>　　J3=0.78×(d3²)²×L2/1000=0.78×(4²)²×2/1000=0.399 kg·cm²</p><p>　　J4=0.78×(d4²)²×L2/1

77、000=0.78×(6²)²×2/1000= 2.022kg·cm²</p><p>　　Js =0.78×(5²)²×45/1000=21.9375 kg·cm²</p><p><b>　　G=600N</b></p><p&

78、gt;<b>　　代入上式：</b></p><p>　　JΣ= JM+J1+(z1/z2)²｛(J2+J3)+(z3/z4)² [(J4+Js)+(G´/g)(L。/2π)²]｝</p><p>　　=4.7+0.828+(24/40) ² ｛(6.39+0.399)+(20/30)

79、² [(2.022+21.9375)+(600/9.8)(6/2π)²]｝</p><p>　　=20.747 kg·cm²</p><p>　　考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問題，</p><p>　　JM /JΣ=4.7/20.747=0.227</p><p>　　基本滿足慣量匹配的要求。<

80、/p><p><b>　　（2）電機(jī)力矩計(jì)算</b></p><p>　　機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算：</p><p>　?、倏焖倏蛰d起動(dòng)力矩M起</p><p>　　在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下：</p><p>　　M起=Mamax+Mf

81、+M0</p><p>　　Mamax=JΣ×ε= (JΣ×2π×nmax)/(60×100×ta)</p><p>　　nmax=(vmax/δp)(θb/360°)</p><p>　　將前面的數(shù)據(jù)代入，式中各符號(hào)意義同前。</p><p>　　nmax=(vmax/δp)(θb

82、/360°)= (2000/0.005)(0.75/360)=416.67r/min</p><p>　　起動(dòng)加速時(shí)間ta=30ms</p><p>　　Mamax=JΣ×ε= (JΣ×2π×nmax)/(60×100×ta)</p><p>　　=(20.747×2π×416.67)/

83、(60×100×0.03)</p><p>　　=301.6N·cm</p><p>　　折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩Mf：</p><p>　　Mf=(F0×L0)/(2πηi)=[f´(P´x+G)L0]/[2πη(z2/z1)(z4/z3)]</p><p>　　=[0.16

84、15;(3882+600)×0.6]/( 2π×0.8×2.5)=34.26 N·cm</p><p><b>　　附加摩擦力矩M0</b></p><p>　　M0=(Fp0×L0)(1-η0²)/(2πηi)=(1/3×F´m×L0)(1-η0²)/[2πη(z2/

85、z1)(z4/z3)]</p><p>　　=(1/3×3882×0.6)(1-0.9²)/(2π×0.8×2.5)</p><p>　　=61.8×0.19= 11.74N·cm</p><p><b>　　上述三項(xiàng)合計(jì)：</b></p><p>　

86、　M起=Mamax+Mf+M0=301.6+34.26+ 11.74=347.6 N·cm</p><p>　?、诳焖僖苿?dòng)時(shí)所需力矩M快</p><p>　　M快=Mf+M0=34.26+ 11.74=46 N·cm</p><p>　　③最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩M切</p><p>　　M切=Mf+M0+Mt= Mf+M0

87、+(F´xL0)/ (2πηi)</p><p>　　=34.26+ 11.74+(2119×0.6)/(2π×0.8×2.5)</p><p>　　=34.26+ 11.74+101.2</p><p>　　=147.2 N·cm</p><p>　　從上面計(jì)算可以看出，M起、M快和M切三種

88、工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。</p><p>　　從表4-22查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)，</p><p>　　λ=Mq/Mjmax=0.886</p><p>　　最大靜力矩Mjmax=347.6/0.886=392.3 N·cm</p><p>　　按此最大靜力矩從表4-223查出，110

89、BF003型最大靜轉(zhuǎn)矩為784N·cm。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。</p><p>　?。?）計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率</p><p>　　fk=(1000vmax)/(60×δр)= (1000×2)/(60×0.01)=3333 Hz</p><

90、p>　　fe=(1000vs)/(60×δр)= (1000×0.5)/(60×0.01)=833 Hz</p><p>　　從表4-23中查出110BF003型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1500Hz，運(yùn)行頻率為7000Hz，再從圖4-17、圖4-18查出110BF003步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線如下圖所示。從下圖可以看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，f起=1500Hz

91、時(shí)，M=100 N·cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩（301.6N·cm）直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），將起動(dòng)頻率降到1000Hz時(shí)，起動(dòng)力矩可增高到350N·cm。</p><p><b>　　M(N·cm)</b></p><p><b>　　392.3</b&g

92、t;</p><p><b>　　294.2</b></p><p><b>　　196.1</b></p><p><b>　　98</b></p><p>　　0 200 600 1000 1400 1600 f(Hz)</p>&l

93、t;p>　　圖3.6 110BF003型起動(dòng)矩頻特性</p><p><b>　　M(N·cm)</b></p><p><b>　　245.2</b></p><p><b>　　196.1</b></p><p><b>　　98</b>

94、;</p><p>　　0 2000 4000 6000 f(Hz)</p><p>　　圖3.7 110BF003型運(yùn)行矩頻特性</p><p>　　當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，110BF003型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性完全可以滿足要求。</p><p>　　3.6 設(shè)計(jì)繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械裝配圖</p>

95、;<p>　　在完成運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力計(jì)算之后，已經(jīng)確定了滾珠絲杠螺母副、步進(jìn)電機(jī)規(guī)格型號(hào)，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)和軸承型號(hào)之后，就可以畫機(jī)械裝配圖。</p><p>　　4 CA6240車床數(shù)控改造的刀架系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　對(duì)于CA6240的數(shù)控改造來說，刀架系統(tǒng)應(yīng)該由原來的方刀架改為自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，并裝上微型電機(jī)。自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架有兩種可以選擇，四方刀架和六方刀架，兩種刀架均能自

96、動(dòng)轉(zhuǎn)位和定位，具有多刀自動(dòng)換位的優(yōu)點(diǎn)，是提高生產(chǎn)率的重要措施，可按照加工零件的需求決定用哪一種刀架。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，決定采用四方刀架并裝上微型電機(jī)。</p><p>　　選用微型電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=1400轉(zhuǎn)/分，功率P=120瓦。</p><p>　　繪制刀架結(jié)構(gòu)圖（附圖）</p><p>　　四方刀架的轉(zhuǎn)位由微型電機(jī)經(jīng)齒輪7、8、9、10，帶動(dòng)蝸桿11，蝸輪12，通過馬

97、氏槽輪機(jī)構(gòu)1和2實(shí)現(xiàn)。刀架的定位，先以彈簧銷3作粗定位，后用齒盤機(jī)構(gòu)作精定位。4與5是端面齒盤定位機(jī)構(gòu)，精確度高，重復(fù)定位精度可以達(dá)到0.005mm以內(nèi)。刀架的抬起和夾緊是由液壓傳動(dòng)，如壓力油從下部進(jìn)入液壓缸，推動(dòng)活塞6上升將刀架抬起，如壓力油從上部進(jìn)入液壓缸，則推動(dòng)活塞6下降將刀架壓緊。</p><p>　　5 微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　當(dāng)前，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)

98、中廣泛采用美國Intel公司的MCS—51系列單片機(jī)。單片微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)部分：繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖，選擇中央處理單元CPU的類型，存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)和I/O口即輸入/輸出接口電路設(shè)計(jì)，最后繪制CA6240車床數(shù)控改造電路原理圖.</p><p>　　5.1 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，

99、有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)。</p><p>　　機(jī)床硬件電路由以下五部分組成：</p><p>　　1．主控制器，即中央處理單元CPU。</p><p>　　2．總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。</p><p>　　3．存儲(chǔ)器，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。</p><

100、;p>　　4．接口，即I/O輸入/輸出接口電路。</p><p>　　5．外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器和光電輸入機(jī)等。</p><p>　　機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）如下圖所示：</p><p>　　圖5.1 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）</p><p>　　5.2 選擇中央處理單元CPU的類型</p><p&

101、gt;　　在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素：</p><p>　　1．時(shí)鐘頻率和字長，著個(gè)指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度。</p><p>　　2．可擴(kuò)展存儲(chǔ)器（包括ROM和RAM）的容量。</p><p>　　3．指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性。</p><p>　　4．I/O口擴(kuò)展的能力，即對(duì)外設(shè)控制的能力。</p>&

102、lt;p>　　5．開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。</p><p>　　此外還要考慮到系統(tǒng)的應(yīng)用場合、控制對(duì)象對(duì)個(gè)參數(shù)的要求和經(jīng)濟(jì)價(jià)格比等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。</p><p>　　目前在經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床中，多采用MCS—51系列單片機(jī)作為主控制器，因此CA6240的數(shù)控改造采用MCS—51系列單片機(jī)做為主控制器。</p><p>　　MCS—51系列單片機(jī)主要有

103、三種型號(hào)的產(chǎn)品：8031、8051和8751。三種型號(hào)的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異。8751具有片內(nèi)EPROM，但價(jià)格是8051的10~15倍，所以適合于開發(fā)樣機(jī)，小批量生產(chǎn)和需要在現(xiàn)場進(jìn)一步完善的場合。8051的EPROM是Intel公司制作芯片時(shí)為用戶制備的，因此在國內(nèi)很難采用8051型芯片。而8031片內(nèi)無ROM，適合用于需擴(kuò)展ROM，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場合，其價(jià)格低，使用靈活，非常適合在我國使用。在C

104、A6240的數(shù)控改造中也采用8031芯片。</p><p>　　5.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)</p><p>　　MCS—51系列單片機(jī)的特點(diǎn)之一是硬件設(shè)計(jì)簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對(duì)于簡單的應(yīng)用場合，MCS—51系列的最小系統(tǒng)用一片8031外擴(kuò)一片EPROM就能滿足功能的要求，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用場合，可利用MCS—51的擴(kuò)展功能構(gòu)成功能強(qiáng)、規(guī)模較大的系統(tǒng)。因此，CA6240車床的數(shù)控改造需要對(duì)MCS

105、—51的存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。</p><p>　　存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，其中還包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　5.3.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展</p><p>　　MCS—51的程序存儲(chǔ)器的尋址空間為64K字節(jié)，8031片內(nèi)不帶ROM，用作程序存儲(chǔ)器的器件是EPROM。其中常用的半導(dǎo)體ROM芯片有：27162(2K

106、5;8)、2732(4K×8)、2764(8K×8)、27128(16K×8)、27256(32K×8)、27512(64K×8)。2764、27128、27256、27512芯片均為28腳雙列直插式扁平封裝芯片，引腳向下兼容。</p><p>　　不同型號(hào)的EPROM工作速度也有差別，一般為200~450ns，選擇時(shí)應(yīng)注意芯片的工作速度是否滿足系統(tǒng)時(shí)序的要求。8

107、031訪問EPROM時(shí)，其所能提供的讀取時(shí)間t與所選的晶體時(shí)鐘有關(guān)，約為3T，T為時(shí)鐘周期。若晶體頻率選用6MHz，則t≈480ns，故凡是工作速度小于480ns的芯片在時(shí)序上均滿足要求。</p><p>　　根據(jù)功能要求和價(jià)格比較，選用2764芯片作為8031的ROM擴(kuò)展芯片。</p><p>　　5.3.2 地址鎖存器</p><p>　　由于單片機(jī)8031芯片

108、的P?？谑欠謺r(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片是74LS373和74LS138。74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器。其與8031芯片連接如下圖所示：</p><p>　　圖5.2 8031與74LS373連線圖</p><p>　　5.3.3 8031與EPROM芯片的連接</p><p><b&g

109、t;　?。?）地址線的連接</b></p><p>　　EPROM低8位地址A0~A7經(jīng)地址鎖存器與8031P0口（P0.0~P0.7）相連；EPROM高8位地址線A8~A15直接與8031的P2口（P2.0~P2.7）相連。由于8031的P0口是分時(shí)輸出低8位地址和數(shù)據(jù)，故要外接地址鎖存器（常用的地址鎖存器有74LS373、74LS138等），并由CPU發(fā)出的地址允許鎖存信號(hào)ALE的下降沿將地址信息

110、鎖存入地址鎖存器中。如外接存儲(chǔ)器芯片片內(nèi)有地址鎖存器，則單片機(jī)的P0口可與存儲(chǔ)器低8位地址線直連，但還要將CPU的ALE信號(hào)與存儲(chǔ)器芯片ALE端相連。單片機(jī)的P2口用作高8位地址線及片選線，由于P2口輸出具有鎖存的功能，故不必外加地址鎖存器。存儲(chǔ)器的8位數(shù)據(jù)線D0~D7與P8031芯片的P0口P0.0~P0.7直連，單片機(jī)規(guī)定指令碼和數(shù)據(jù)都是由P0口讀入，數(shù)位對(duì)應(yīng)相連即可。</p><p><b>　　

111、（2）控制線的連接</b></p><p>　　8031芯片的（外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)）與EPROM芯片的端（外部程序存儲(chǔ)器的使能端）相連；</p><p>　　8031芯片接地，CPU執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令； </p><p>　　8031芯片ALE（地址鎖存允許信號(hào)）接主地址鎖存器74LS373的G引腳。</p><p>

112、　　下圖為8031外部EPROM的一般連接方法：</p><p>　　圖5.3 8031與外部EPROM的一般連接方法</p><p>　　5.3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展</p><p>　　由于8031芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要，需擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。</p><p>　　（1）常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器</p&

113、gt;<p>　　常用的靜態(tài)RAM芯片有6116、6264、62256等，6264、62256均采用CMOS工藝，由單一5V供電，典型存取時(shí)間為150~200ns。他們均采用28腳雙列直插式扁平封裝。</p><p>　?。?）8031與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片的連接</p><p>　　單片機(jī)CPU與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的連接方法與程序存儲(chǔ)器的連接方法大致相同。唯有控制線連接不同：R

114、AM讀入信號(hào)與8031芯片的（P3.7）引腳相連；RAM的寫入信號(hào)與8031芯片（P3.6）相連。其連接示意圖如下圖所示：</p><p>　　圖5.4 8031與RAM的一般連接方法</p><p>　　5.3.5 譯碼電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　8031單片機(jī)允許擴(kuò)展64k程序存儲(chǔ)器和64k數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（包括I/O口芯片），這樣就需要擴(kuò)展多個(gè)外圍芯片，因而需要

115、把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲(chǔ)器各芯片之間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各芯片之間（包括I/O口芯片）地址互相不重疊，以使單片機(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)避免發(fā)生沖突。當(dāng)80331數(shù)據(jù)總線分時(shí)地與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，首先要進(jìn)行片選（指選中某一個(gè)芯片），而當(dāng)片內(nèi)有多字節(jié)單元時(shí)，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。</p><p>　　( 1 )MCS—51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則</p><p>　?、俪?/p>

116、序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址。程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以重疊使用，都是從0000H~FFFFH。這是因?yàn)?031地址總線寬度為16位，可直接尋址的范圍只有64K。這樣編址方法也給編程帶來方便，不必顧慮地址重復(fù)，靠片選信號(hào)和控制信號(hào)：PSEN、RD和WD區(qū)分訪問對(duì)象。</p><p>　?、谕鈬鶬/O芯片與擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。外圍I/O芯片不僅占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址單元，而且使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀/寫控制信號(hào)與讀/寫指

117、令。</p><p>　?、跜PU在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)地址編碼。CPU P2口提供高8位地址（A8~A15），P0口經(jīng)外部地址鎖存器后提供低8位地址（A0~A7）。</p><p>　?。?2 ）地址譯碼方法</p><p>　　常用的地址譯碼方法有線選法和全地址譯碼兩種方法。</p><p><b>　　①線選法</b>

118、</p><p>　　利用單片機(jī)地址總線高位中的一根線（一般是P2口中的某根線）作為選擇某一片存儲(chǔ)器（或I/O口）芯片的片選信號(hào)。只要該地址線為低電平，就選中該芯片。這種方法常用于規(guī)模較小的系統(tǒng)，即擴(kuò)展芯片不是太多的情況。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要地址譯碼器，可節(jié)省硬件，減少成本。缺點(diǎn)是可尋址的芯片數(shù)目受到很大的限制，而且地址空間也是不連續(xù)的，地址空間沒有充分利用。</p><p><b

119、>　　②全地址譯碼</b></p><p>　　對(duì)于容量較大的系統(tǒng)，擴(kuò)展的外圍芯片較多，芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線時(shí)，就需要用這種全地址譯碼的方法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對(duì)高位地址進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。因?yàn)檫@種地址編碼的方法，除了片內(nèi)地址線以外，剩余的高位地址線全部參加譯碼，故稱為全地址譯碼。</p><p>　　根據(jù)CA62

120、40數(shù)控改造的實(shí)際要求，因擴(kuò)展的芯片較多，故采用全地址譯碼。</p><p>　　5.4 I/O口輸入/輸出接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　I/O口接口電路設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括接口芯片的選用，步進(jìn)電機(jī)控制電路，鍵盤顯示電路和其他輔助電路的設(shè)計(jì)（例如復(fù)位電路、越界報(bào)警電路和掉電保護(hù)電路等）。</p><p>　　5.4.1 接口芯片的選用</p><p

121、>　　8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口和部分P3口，因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都需要擴(kuò)展I/O口芯片。</p><p>　　Intel公司常用的外圍接口芯片有：</p><p>　　8155：可編程的RAM/IO擴(kuò)展電路（256個(gè)RAM單元、2個(gè)8位口、1個(gè)6位口和1個(gè)14位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器）</p><p>　　8255：可編程的

122、通用并行接口電路（3個(gè)8位口）</p><p>　　8253：3個(gè)16位的可編程的定時(shí)/計(jì)數(shù)器</p><p>　　8279：可編程的鍵盤、顯示接口</p><p>　　8243：4個(gè)4位口I/O擴(kuò)展接口電路。</p><p>　　此外，74LS系列的LSTTS電路或MOS電路也可作為MCS—51單片機(jī)的擴(kuò)展I/O口，例如74LS373、74

123、LS277等。</p><p>　　5.4.2 鍵盤顯示接口電路</p><p><b>　?、亠@示接口電路</b></p><p>　　通常顯示器采用動(dòng)態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器個(gè)各個(gè)位，對(duì)于顯示器的每一位來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次，顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較

124、穩(wěn)定的顯示。這就是顯示器的掃描過程。計(jì)算機(jī)以人眼不能分辨的速度輪流對(duì)各字位線輸出低電平，即可在各位上顯示出不同的字符和數(shù)字，從而實(shí)現(xiàn)掃描顯示。</p><p>　　若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個(gè)I/O口，稱為掃描口，控制顯示器的各位所顯示的字型也需要一個(gè)8位口，稱為段選數(shù)據(jù)口。下圖是6位共陰極顯示器和8155的接口，8155的A口作為掃描口，經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)器75452接顯示器公共極，B口作為

125、段選數(shù)據(jù)口，經(jīng)同相驅(qū)動(dòng)器7407接顯示器的各個(gè)極。</p><p><b>　　100?×8</b></p><p><b>　　PB7</b></p><p>　　圖5.5 6位動(dòng)態(tài)顯示器接口</p><p><b>　?、阪I盤接口電路</b></p>

126、<p>　　鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡單的單片機(jī)輸入設(shè)備。其工作原理如下圖所示：</p><p>　　12# 13# 14# 15# 5.1k?×4</p><p><b>　　X3</b></p><p>　　8# 9# 10#