機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　第一章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定</p><p>　　第一節(jié) 總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容</p><p>　　機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)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、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。具體包括：</p><p>　　一、數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定</p><p

2、>　?。?）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定。</p><p>　?。?）伺服系統(tǒng)的選擇。</p><p>　?。?）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式確定。</p><p>　?。?）計(jì)算機(jī)的選擇。</p><p>　　應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，參考現(xiàn)有同類型數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，確定以上內(nèi)容。</p><p>　　二、進(jìn)給伺服系

3、統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　?。?）進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)方案的確定及意義。</p><p>　　（2）確定脈沖當(dāng)量。</p><p>　　（3）滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型。</p><p>　?。?）導(dǎo)軌的計(jì)算和選型。</p><p>　?。?）進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算。</p><p&g

4、t;　　（6）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選用。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)一個(gè)坐標(biāo)軸的機(jī)械裝配圖。</p><p>　　三、微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　?。?）控制系統(tǒng)方案的確定及框圖繪制。</p><p>　?。?）MCS-51系列單片機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用。</p><p>　?。?）I/O接口電

5、路及譯碼電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　（4）設(shè)計(jì)繪制一臺(tái)數(shù)控機(jī)床微機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖。</p><p>　　四、數(shù)控加工程序的編制</p><p>　?。?）零件工藝分析及確定工藝路線。</p><p>　?。?）選擇數(shù)控機(jī)床設(shè)備。</p><p>　?。?）確定工件裝夾方法及對刀點(diǎn)。</p>&l

6、t;p><b>　?。?）選擇刀具。</b></p><p>　　（5）確定切削用量。</p><p>　　（6）編制零件加工程序。</p><p>　　第二節(jié) 總體設(shè)計(jì)方案的確定</p><p>　　一、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

7、/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。</p><p>　　如果工件相對于刀具移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。例如數(shù)控鉆床，在工作臺(tái)移動(dòng)過程中不進(jìn)行鉆孔加工，因此可選用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。對點(diǎn)位控制系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。</p><p>　　若要求工作臺(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，則為連續(xù)控制系統(tǒng)，應(yīng)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

8、以加工各種外形輪廓復(fù)雜的零件，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。</p><p>　　還有一些采用點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床，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。這種系統(tǒng)叫點(diǎn)位/直線控制系統(tǒng)。</p><p>　　根據(jù)綜合作業(yè)任務(wù)書的要求，對CA6140車床的縱向伺服系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化改造。依據(jù)車床的加工

9、特點(diǎn)，應(yīng)該選用連續(xù)控制系統(tǒng)。</p><p>　　車床數(shù)控化改造的意義？</p><p>　　數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，增加了功能，提高了性能，簡化了結(jié)構(gòu)。較好的解決形狀復(fù)雜、精密。小批量及形狀多變零件的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，其應(yīng)用越來越廣泛，但是數(shù)控的應(yīng)用也受到其他條件限制：（1）數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心有力而力不足；（2）目前，歌企業(yè)都有大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控

10、機(jī)床替代更換基本不可能，而且替代下的機(jī)床往往閑置起來又會(huì)造成浪費(fèi)；（3）在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)急需；（4）通用數(shù)控機(jī)床對某一類具體生產(chǎn)項(xiàng)目有多余功能。</p><p>　　要較好的解決上述問題，應(yīng)走通用機(jī)床數(shù)控改造之路。普通機(jī)床的改造就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)數(shù)控裝置，使器具有一定的自動(dòng)化能力，以現(xiàn)實(shí)額定的加工工藝目標(biāo)。這一工作早就在20世紀(jì)60年代已經(jīng)在開始迅速發(fā)展，并有專門企

11、業(yè)經(jīng)營這門業(yè)務(wù)。目前國外已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)部門，從美國、日本等工業(yè)化國家的經(jīng)驗(yàn)看，機(jī)床的數(shù)控化改造也必不可少，如日本的大企業(yè)中有26%的機(jī)床經(jīng)過數(shù)控化改造，其中小企業(yè)則達(dá)74%。在美國也有許多數(shù)控專業(yè)化公司為世界各地提供數(shù)控化改造業(yè)務(wù)。中國是擁有300多萬臺(tái)機(jī)床的國家，其中大部分是多年積累生產(chǎn)的普通機(jī)床，自動(dòng)化程度低。要想在近幾年用自動(dòng)化和精密設(shè)備更新現(xiàn)有機(jī)床，無論是資金還是中國機(jī)床制造廠的能力都辦不到的，因此，普通機(jī)床數(shù)控化改造

12、大有可為，它適合中國的經(jīng)濟(jì)水平、生產(chǎn)水平和教育水平，已經(jīng)為中國設(shè)備技術(shù)改造的主要方向之一。</p><p>　　機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)點(diǎn)：（1）改造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機(jī)床原有的功能和改造后的新增功能，提高了機(jī)床的使用價(jià)值，可以提高固有資產(chǎn)的使用效率；（2）適應(yīng)多品種、小批量零件生產(chǎn)；（3）自動(dòng)化程度提高、專業(yè)性強(qiáng)、加工精度高、生產(chǎn)效率高；（4）降低對工人的操作水平的要求；（5）數(shù)控改造經(jīng)費(fèi)低、經(jīng)濟(jì)性好；（6）數(shù)控改造的

13、周期短，可以滿足生產(chǎn)急需。因此，我們必須走數(shù)控改造之路。</p><p>　　普通車床（如C616，C618，CA6140）等是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床。普通機(jī)床刀架的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)掛輪傳遞而來，通過進(jìn)給箱變速后，由光杠或絲杠帶動(dòng)溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動(dòng)。進(jìn)給參數(shù)要靠手工預(yù)先調(diào)整好，改變參數(shù)時(shí)要停車進(jìn)行操作。刀架的縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)不能聯(lián)動(dòng)，切削次序也由人工控制。</p&

14、gt;<p>　　對數(shù)控車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改為用微機(jī)控制的、能獨(dú)立運(yùn)行的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動(dòng)換刀的回轉(zhuǎn)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。由于加工過程中的切削參數(shù)，切削次序和道具都會(huì)按程序自動(dòng)調(diào)節(jié)和更換，再加上縱向和橫向進(jìn)給聯(lián)動(dòng)的功能，數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實(shí)現(xiàn)多工序自動(dòng)車削，從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度，也能適應(yīng)小

15、批量多種復(fù)雜零件的加</p><p><b>　　二、伺服系統(tǒng)的選擇</b></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)。</p><p>　　開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)控制系統(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

16、廉、容易掌握、調(diào)試和維修都比較簡單。</p><p>　　閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測反饋元件，用來檢測實(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)。閉環(huán)系統(tǒng)造價(jià)高、結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(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，不直接檢測工作臺(tái)的位移量，而是用檢測元件測出驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角，再間接推

17、算出工作臺(tái)實(shí)際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。</p><p>　　由于開環(huán)控制有許多優(yōu)點(diǎn)，所以目前國內(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)控制系統(tǒng)。根據(jù)任務(wù)書的要求，這次對車床縱向進(jìn)給伺服單元進(jìn)行數(shù)控化改造應(yīng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式的確定</p><p>　　為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)

18、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、高諧振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)：</p><p>　　（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。</p><p>　?。?）盡量消除傳動(dòng)間隙。例如采用消隙齒輪等。</p><p>　?。?）提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)

19、鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。</p><p><b>　　四、計(jì)算機(jī)的選用</b></p><p>　　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、檢測電路等幾部分組成。</p><p>　　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

20、統(tǒng)中所用微機(jī)直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對微機(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)，已普遍使用32位微機(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)則

21、采用8位微機(jī)?？刹捎肕CS-51系列單片機(jī)或Z-80單板機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)。</p><p>　　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)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，所以本次設(shè)計(jì)決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。</p><p>　　五、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床縱向伺服單元框圖</p><p>　　車床縱向伺服單元框圖</p&g

22、t;<p>　　第二章 車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)負(fù)載，確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載起動(dòng)及切削力矩計(jì)算，確定伺服電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及選用，繪制機(jī)械部分裝配圖及零件工作圖等。</p><p>　　第一節(jié) 給定條件與脈沖當(dāng)量的選擇</p><p>　　

23、1、縱向移動(dòng)部件總質(zhì)量 155Kg</p><p>　　2、縱向運(yùn)動(dòng)分辨率（脈沖當(dāng)量） 優(yōu)于0.02mm</p><p>　　3、最大移動(dòng)速度（快進(jìn)） 4100mm/min</p><p>　　4、最大進(jìn)給速度（工進(jìn)） 155mm/min</p><

24、;p>　　5、橫向進(jìn)給切削力（X向）即為 1800N</p><p>　　6、垂直切削力（Y向）即為 4500N</p><p>　　7、縱向切削力（Z向）即為 1100N</p><p>　　一個(gè)進(jìn)給脈沖使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的位移量稱為脈沖當(dāng)量，也稱為機(jī)床的最小設(shè)定單位。脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基

25、本參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01～0.005mm/脈沖，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控磨床經(jīng)常采用的脈沖當(dāng)量為0.002～0.001mm/脈沖。而本設(shè)計(jì)脈沖當(dāng)量已給出，要優(yōu)于0.02mm,所以選擇0.01mm/脈沖。</p><p>　　第二節(jié) 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇結(jié)構(gòu)類型：確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定以

26、后，再計(jì)算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑、導(dǎo)程、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)K、精度等級等。</p><p>　　滾珠的循環(huán)方式有外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。而外循環(huán)插管式的顯著優(yōu)點(diǎn)是：彎管由兩半合成，采用沖壓件，工藝性好，制造容易，成本低。所以，本設(shè)計(jì)選用外循環(huán)插管式的滾珠絲杠螺母副。</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)

27、緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過盈滾珠預(yù)緊等幾種。而雙螺母墊片式預(yù)緊有結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，裝卸方便，成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以本次設(shè)計(jì)采用雙螺母墊片式預(yù)緊結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　滾珠絲杠副的計(jì)算：</b></p><p>　　一、進(jìn)給牽引力的計(jì)算</p><p>　　按導(dǎo)軌為三角形或綜合導(dǎo)軌計(jì)算：</p><p

28、><b>　　=K+(+G)</b></p><p>　　式中、——切削分力（N）;</p><p>　　G——移動(dòng)部件的重量（N）;</p><p>　　——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式而不同；</p><p>　　K——考慮顛覆力矩影響的試驗(yàn)系數(shù)。</p><p>　　在正常情況下，K、

29、可取下列數(shù)值：</p><p>　　三角形或綜合導(dǎo)軌 K=1.15 =0.15～0.18</p><p>　　上列摩擦系數(shù)均指滑動(dòng)導(dǎo)軌，如果采用貼塑導(dǎo)軌，=0.03~0.05；滾動(dòng)導(dǎo)軌=0.0025～0.005；靜壓導(dǎo)軌=0.0005.</p><p>　　由已知條件知，=1100N,=4500N,移動(dòng)部件質(zhì)量155Kg，g取10N/Kg，K取1.15.取

30、0.05。將這些數(shù)據(jù)代入公式得：</p><p><b>　　=K+(+G)</b></p><p>　　=[1.15X1100+0.05X(4500+155X10)]N</p><p><b>　　=1567.5N</b></p><p>　　二、最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算</p><

31、p>　　選用滾珠絲杠螺母副的直徑時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)）后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載C，可用下式計(jì)算：</p><p><b>　　C=</b></p><p><b>　　L=</b></p><p><b>　

32、　n=</b></p><p>　　式中 L——壽命，以轉(zhuǎn)為一單位；</p><p>　　n——絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）;</p><p>　　——為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最高進(jìn)給速度的1/2～1/3，由已知條件知，最高進(jìn)給速度為155mm/min，本例取最高進(jìn)給速度的1/2。</p><p>　　——絲

33、杠導(dǎo)程（mm），初選為6mm;</p><p>　　T——為使用壽命（h）,對于數(shù)控機(jī)床取15000h;</p><p>　　——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，取值見下表，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)，取1.5。</p><p><b>　　運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)取值</b></p><p>　　將以上數(shù)值代入公式，</p><p>　　n==r/

34、min=4r/min</p><p><b>　　L===3.6</b></p><p>　　C==X1.5X1567.5N=3605.57N</p><p>　　三、滾珠絲杠副的選型</p><p>　　根據(jù)最打動(dòng)負(fù)載C，就可查表選擇滾珠絲杠副的型號，查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》附錄A表A-2,可選用D4006外循環(huán)墊片調(diào)整

35、預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動(dòng)載荷為16400N，大于最大動(dòng)載荷7983N,滿足要求,額定靜負(fù)載為57800N；精度等級選為3級。</p><p>　　四、最大靜負(fù)載的驗(yàn)算</p><p>　　當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速（n≤10r/min）情況下工作時(shí)，滾珠絲杠副的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)塑性變形超過一定限度就會(huì)破壞滾珠絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變

36、形量不超過滾珠直徑的萬分之一。產(chǎn)生這樣大的塑性變形量時(shí)的負(fù)載稱為允許的最大靜負(fù)載。</p><p><b>　　=</b></p><p>　　式中 ——滾珠絲杠的最大軸向負(fù)荷（N），即為進(jìn)給牽引力;</p><p>　　——靜態(tài)安全系數(shù)，當(dāng)為一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)=1～2，當(dāng)有沖擊或振動(dòng)時(shí)，=2~3，此處取2。</p><p>

37、　　==2X1590N=3180N</p><p>　　最大靜負(fù)載小于所選滾珠絲杠副的額定靜負(fù)載，滿足要求。</p><p><b>　　五、傳動(dòng)效率計(jì)算</b></p><p>　　滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率</p><p><b>　　η=</b></p><p>　　式中

38、 ——絲杠螺旋角；D4006絲杠的螺旋升角為=2º44’；</p><p>　　——摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.003～0.004，其摩擦角約等于10’，將數(shù)值代入公式得：</p><p><b>　　η===0.94</b></p><p><b>　　六、剛度驗(yàn)算</b></p>

39、<p>　　滾珠絲杠副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，因此應(yīng)考慮以下軸向變形的因素：</p><p>　　(1)絲杠拉伸或壓縮變形量</p><p>　　查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖3-4，根據(jù)=1567.5N，=40mm,支撐間距為1500mm,查出/L=，可算出：</p><p>　　=X1500=(X1500)mm=9m</p>

40、;<p>　　有預(yù)緊時(shí)的實(shí)際變形量為：</p><p><b>　　=X=4.5m </b></p><p>　　(2)滾珠與螺紋滾道接觸變形</p><p>　　查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖3-5，W系列2.5圈1列絲杠副滾珠和螺紋滾道的接觸變形，軸向載荷為1590N,4006型號的滾珠絲杠螺母副的軸向彈性變形量為=5m.對其進(jìn)行預(yù)緊

41、，預(yù)緊后其實(shí)際變形量為：</p><p><b>　　=X=2.5m</b></p><p>　　綜合以上兩項(xiàng)變形量之和：</p><p><b>　　+=7m</b></p><p>　　此變形量小于系統(tǒng)要求的定位精度，故滿足剛度要求。</p><p>　　第三節(jié) 進(jìn)給

42、伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算</p><p>　　由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)是一個(gè)脈沖走一步，每一步都有一個(gè)加速過程，因而對負(fù)載慣量很敏感。為滿足負(fù)載慣量盡可能小的要求，同時(shí)也要滿足一定的脈沖當(dāng)量，常采用降速齒輪傳動(dòng)。</p><p>　　一、初選步進(jìn)電機(jī)步距角</p><p>　　對步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就回轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，叫做步距角。電機(jī)的總回轉(zhuǎn)角和輸入脈沖

43、數(shù)成正比，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速則正比于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，意味著它能達(dá)到的位置精度越高。通常的步距角是3 º、1.5º或0.75º。步距角的大小與通電方式及轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)。本設(shè)計(jì)初選步距角0.75º。</p><p><b>　　二、傳動(dòng)比計(jì)算</b></p><p>　　當(dāng)機(jī)床脈沖當(dāng)量、滾珠絲杠導(dǎo)程以及步進(jìn)電機(jī)步距角確

44、定后，傳動(dòng)比的計(jì)算公式如下：</p><p><b>　　i=</b></p><p>　　式中 ——脈沖當(dāng)量（mm/step）;</p><p>　　——滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（mm）;</p><p>　　——步進(jìn)電機(jī)的步距角。</p><p>　　將=0.01mm/step,=6mm,=0.7

45、5帶入得：</p><p><b>　　i===</b></p><p>　　三、計(jì)算齒輪齒數(shù)及各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)</p><p>　　因?yàn)檫M(jìn)給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大，本設(shè)計(jì)取模數(shù)m=2。采用一級降速齒輪傳動(dòng)。這對齒輪的各部分幾何參數(shù)如下表所示。</p><p><b>　　齒輪幾何參數(shù)</b></p

46、><p>　　第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用</p><p><b>　　一、初選步進(jìn)電機(jī)</b></p><p>　　1.計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩</p><p>　　根據(jù)滾珠絲杠副所承受的進(jìn)給牽引力計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·cm）:</p><p><b>　　=</b&

47、gt;</p><p>　　式中 ——脈沖當(dāng)量（mm/step）;</p><p>　　——進(jìn)給牽引力（N）;</p><p><b>　　——步距角；</b></p><p>　　——電機(jī)—絲杠的傳動(dòng)效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積，其中一對齒輪之效率為0.98，一對軸承之效率為0.99，絲杠傳動(dòng)效率為0.94。將

48、=0.01mm/step,=1567.5N, =0.75,=0.903代入得：</p><p>　　==N·cm =132.68N·cm</p><p>　　2.估算步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩</p><p>　　根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩除以一定的安全系數(shù)來估算步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（N·cm）。</p><p><b>　　=&

49、lt;/b></p><p>　　一般縱向伺服系統(tǒng)的安全系數(shù)取0.3～0.4，將=132.68N·cm代入得：</p><p>　　===442.27N·cm</p><p><b>　　3.計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩</b></p><p>　　最大靜轉(zhuǎn)矩表示步進(jìn)電機(jī)所能承受的最大靜態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。查《綜合作

50、業(yè)指導(dǎo)書》表3-22，五相十拍步進(jìn)電機(jī)=0.951。由公式=得：</p><p>　　== N·cm =465.06N·cm</p><p>　　4.計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率和最高起動(dòng)頻率(Hz)</p><p>　　===258.33Hz</p><p>　　===6833.33Hz</p><p>

51、　　式中 ——最大切削進(jìn)給速度（m/min），本例為0.155m/min；</p><p>　　——運(yùn)動(dòng)部件最大快移速度（m/min），本例為4.1m/min；</p><p>　　——脈沖當(dāng)量（mm/step），本例為0.01mm/step.</p><p>　　5.初選步進(jìn)電機(jī)型號</p><p>　　根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩=465.

52、06N·cm，在《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》查表3-23，選取型號為150BF002的五相十拍步進(jìn)電機(jī),其最大靜轉(zhuǎn)矩為1372N·cm=465.06 N·cm, 滿足要求。其最高空載起動(dòng)頻率為2800Hz,不滿足（6833.33Hz）的要求，此項(xiàng)指標(biāo)可暫不考慮，可以采用軟件升速程序來解決。</p><p>　　二、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的校核計(jì)算</p><p>　　1.等效轉(zhuǎn)動(dòng)

53、慣量計(jì)算</p><p>　　絲杠傳動(dòng)時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下公式計(jì)算：</p><p><b>　　=++[(+)+]</b></p><p>　　式中 ——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·）;</p><p>　　、——齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·）;</p><p

54、>　　——滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·）;</p><p>　　G——工作臺(tái)及工件等移動(dòng)部件的重量（N）;</p><p>　　——絲杠導(dǎo)程，已選定為0.6cm.</p><p>　　國產(chǎn)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF002的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為10 kg·。對于材料是鋼材的圓柱體，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式為：</p><p><

55、b>　　J=0.78XL.</b></p><p>　　式中 D——圓柱體直徑（cm）;</p><p>　　L——圓柱體長度（cm）.</p><p>　　則各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算過程如下：</p><p>　　=0.78XX·=(0.78XXX2) kg·=2.617kg·</p&g

56、t;<p>　　=0.78XX·=(0.78XXX2) kg·=6.390kg·</p><p>　　=0.78XX·=(0.78XXX150) kg·=29.952kg·</p><p><b>　　G=2000N</b></p><p><b>　　代入上式

57、：</b></p><p><b>　　=++[(+)+]</b></p><p>　　={10+2.617+[(6.390+29.952)+]}kg·</p><p><b>　　=37.04kg·</b></p><p>　　考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問題：&

58、lt;/p><p>　　/=10/37.04=0.27</p><p>　　基本滿足慣量匹配的要求。</p><p><b>　　2.電機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(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)轉(zhuǎn)矩M</p>

59、<p>　　在快速空載起動(dòng)階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下：</p><p><b>　　M=++</b></p><p><b>　　==X=X</b></p><p><b>　　=X</b></p><p><b>　　=</b&g

60、t;</p><p><b>　　=f´(</b></p><p><b>　　i=</b></p><p>　　式中 M——快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（N·cm）;</p><p>　　——空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速轉(zhuǎn)矩（N·cm）;</p><p&

61、gt;　　——折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩（N·cm）;</p><p>　　——傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·），本例為37.04kg·；</p><p>　　——電機(jī)最大角加速度（rad/）;</p><p><b>　　——電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；</b></p><p>　　——運(yùn)

62、動(dòng)部件最大快進(jìn)速度（mm/min），本例為4100mm/min；</p><p>　　——導(dǎo)軌的摩擦力（N）;</p><p>　　——垂直方向上的切削力（N）,本例為4500N;</p><p>　　f´——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，對于貼塑導(dǎo)軌，本例取0.05；</p><p>　　G——運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量（N），本例為1550N;</

63、p><p>　　i——齒輪降速比，本例為40/32,即為1.25；</p><p>　　——脈沖當(dāng)量（mm/step），本例為0.01mm/step;</p><p>　　——步進(jìn)電機(jī)的步距角（º）,本例為0.75º；</p><p>　　——運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間（s）,一般取0.2～0.5s,本例取0

64、.2s;</p><p>　　——滾珠絲杠預(yù)加載和，一般取1/3,為進(jìn)給牽引力（N），此例中為1590N;</p><p>　　——滾珠絲杠導(dǎo)程（cm）,此例為0.6cm;</p><p>　　——滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取0.9,本例取0.9；</p><p>　　——傳動(dòng)鏈總效率，一般可取0.7～0.85,本例取0.8。</

65、p><p>　　將以上數(shù)據(jù)代入公式可得：</p><p>　　=X==854.17r/min</p><p>　　=X=37.04XXN·cm</p><p>　　=165.66N·cm</p><p>　　折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　　===N

66、·cm</b></p><p>　　=28.89N·cm</p><p><b>　　以上合計(jì)：</b></p><p>　　M=+=165.66+28.89</p><p>　　=194.55N·cm</p><p>　　2)最大切削負(fù)載時(shí)所需轉(zhuǎn)矩<

67、;/p><p><b>　　==+</b></p><p>　　=(28.89+)N·cm</p><p>　　=133.93N·cm</p><p>　　從上面計(jì)算可以看出，M、三種工況下，以快速空載起動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。</p><p>　　從

68、《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-22查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)==0.951,則最大靜轉(zhuǎn)矩為</p><p>　　=（239.26/0.951）N·cm=251.59N·cm</p><p>　　從表3-23查出150BF002型步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為13.72N·m,大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足要求。</p><p>　　3.校核步進(jìn)電機(jī)起

69、動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性</p><p>　　前面已經(jīng)計(jì)算出此機(jī)床最大快移時(shí)需步進(jìn)電機(jī)的最高起動(dòng)頻率為8333Hz,切削進(jìn)給時(shí)所需步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率為833.3Hz。</p><p>　　從表3-23中查出，150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高起動(dòng)頻率為2800Hz，運(yùn)行頻率為8000Hz,如果直接起動(dòng)，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)），也可采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可將步

70、進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)大一倍左右。而當(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>　　第五節(jié) 齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度校核驗(yàn)算</p><p>　　一、彎曲疲勞強(qiáng)度校核</p><p>　　先選擇齒輪材料，確定許用應(yīng)力。</p><p>　　小齒輪材料：40Cr,調(diào)質(zhì)，硬度為230～280HBS,計(jì)算中

71、取260HBS.</p><p>　　大齒輪材料：45鋼，正火，硬度為170210HBS,計(jì)算中取200HBS.</p><p>　　小齒輪許用彎曲應(yīng)力：</p><p>　　=155+0.3HBS=(155+0.3X260)MPa=233MPa</p><p>　　大齒輪許用彎曲應(yīng)力：</p><p>　　=140+

72、0.2HBS=(140+0.2X200)MPa=180MPa</p><p>　　彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算式為：</p><p><b>　　=</b></p><p>　　式中 K——載荷系數(shù)，一般取1.3～1.7，當(dāng)原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)、工作機(jī)載荷較平穩(wěn)、齒輪支撐為對稱布置或齒輪制造精度較高時(shí)取較小值;</p><p>　　

73、T——齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)矩，單位為N·mm;</p><p>　　b——工作齒寬，單位為mm;</p><p><b>　　m——模數(shù);</b></p><p><b>　　z——齒數(shù)；</b></p><p>　　——齒輪復(fù)合齒形系數(shù)。</p><p>　　校核小齒

74、輪彎曲疲勞強(qiáng)度：</p><p>　　將K=1.35,=13720N·mm,b=20mm,m=2,=32，=4.07代入公式得，</p><p>　　==X4.07=58.894MPa=233MPa</p><p>　　校核大齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度：</p><p>　　大齒輪齒數(shù)為40，查表取=4.01，代入公式得，</p>

75、<p>　　==58.894X=58.460MPa=180MPa</p><p>　　大小齒輪均滿足彎曲疲勞強(qiáng)度的要求。</p><p>　　二、接觸疲勞強(qiáng)度校核</p><p>　　小齒輪的許用接觸應(yīng)力值：</p><p>　　=380+HBS=(380+260)MPa=640MPa</p><p>　

76、　大齒輪的許用接觸應(yīng)力值：</p><p>　　=380+0.7HBS=(380+0.7X180)MPa=506MPa</p><p>　　選取和中的最小值，即=506MPa.</p><p>　　齒輪傳動(dòng)的接觸疲勞強(qiáng)度校核式為：</p><p>　　式中 a——齒輪中心距，單位為mm，本例為72mm；</p><p&

77、gt;　　u——減速傳動(dòng)比，本例為1.25；</p><p><b>　　將數(shù)據(jù)代入公式得：</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=427.43</b></p><p>　　經(jīng)校核，大小齒輪均滿足接觸疲勞強(qiáng)度的要求。</p>

78、<p>　　第六節(jié) 滾動(dòng)軸承的選擇和壽命驗(yàn)算</p><p><b>　　一、滾動(dòng)軸承的選擇</b></p><p>　　根據(jù)滾珠絲杠的直徑，選擇一對型號為6206的深溝球軸承承受徑向力，選擇一對型號為7206B的角接觸球軸承承受軸向力。</p><p>　　二、深溝球軸承的壽命驗(yàn)算</p><p>　　

79、6206的深溝球軸承，其基本額定動(dòng)載荷為19500N,其額定靜載荷為11500 N.深溝球軸承所承受的軸向力為0，其所承受的徑向力估算值為：</p><p>　　==N=1623.5N</p><p>　　式中 ——徑向力，單位為N;</p><p>　　G——縱向移動(dòng)部件總重量，單位為N，本設(shè)計(jì)為1550N；</p><p>　　——滾

80、珠絲杠的重量，本設(shè)計(jì)算出來為147N.</p><p>　　則==1623.5N.</p><p>　　滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算公式為：</p><p><b>　　=</b></p><p>　　式中 ——軸承基本額定壽命，單位為h；</p><p>　　n——軸承的工作轉(zhuǎn)速，單位為r/min,即

81、為n==r/min=683.33r/min;</p><p>　　C——基本額定動(dòng)載荷，本例為19500N；</p><p>　　P——當(dāng)量動(dòng)載荷，以計(jì)算出為1073.5N；</p><p>　　——溫度系數(shù)，此處取為1；</p><p>　　——載荷性質(zhì)系數(shù)，此處取為1.5；</p><p>　　——壽命系數(shù)，球軸承

82、=3，滾子軸承=10/3.</p><p>　　將以上數(shù)據(jù)代入公式得：</p><p>　　==h=35532h</p><p>　　則深溝球軸承滿足壽命要求。</p><p>　　三、角接觸球軸承的壽命驗(yàn)算</p><p>　　型號為7206B的角接觸球軸承的基本額定動(dòng)載荷為20500N,基本靜載荷為13800N，其

83、接觸角為40º，能承受更大的軸向力。其力學(xué)模型如下圖所示：</p><p><b>　　=1.14</b></p><p>　　=+0.05()=[1567.5+0.05X(1550+147)]N=3124.85N</p><p>　　式中 ——內(nèi)部軸向力，單位為N；</p><p>　　——外部軸向力，單

84、位為N;</p><p><b>　　其徑向力為：</b></p><p>　　=tan20º=tan20º=X0.364=124.85N</p><p>　　則兩對軸承所承受的內(nèi)部軸向力為：</p><p>　　==1.14=1.14X124.85N=142.33N</p><p

85、>　　兩軸承面對面安裝，1端（左端）為壓緊端軸承，其所承受的軸向力為：</p><p>　　=+=(3124.85+142.33)N=3267.18N</p><p>　　2端（右端）為放松軸承，其所承受的軸向力為：</p><p><b>　　==142.33N</b></p><p>　　由：==26.17e=

86、1.14,則查表可得：=0.57,=0.35.則1軸承所承受的當(dāng)量動(dòng)載荷為：</p><p>　　=+=(0.35X124.85+0.57X3267.18)N=1905.99N</p><p>　　由：==1.14=e=1.14，查表可得：=0，=1.則2軸承所承受的當(dāng)量動(dòng)載荷為：</p><p><b>　　==124.85N</b><

87、/p><p>　　取、中的較大值，及以作為壽命校核的依據(jù)。將C=20500N,P=1905.99N代入壽命計(jì)算公式得：</p><p><b>　　==</b></p><p>　　=22458h15000h</p><p>　　所以，這一對角接觸球軸承可以滿足使用壽命的要求。</p><p>　　第

88、七節(jié) 齒輪間隙的消除</p><p>　　進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的減速齒輪，除了本身要求較高的運(yùn)動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性外，還必須盡可能消除齒側(cè)傳動(dòng)間隙，否則，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生反向死區(qū)，影響傳動(dòng)精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。常用的消除齒輪間隙的方法有以下兩種：</p><p><b>　　一、偏心套調(diào)整法</b></p><p>　　這種方法是將電機(jī)通過偏心套裝在減速

89、箱殼體上，通過偏心套的轉(zhuǎn)動(dòng)能夠方便地調(diào)整兩齒輪的中心距，從而達(dá)到消除齒側(cè)間隙的目的。該方法結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)剛度好，能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，但齒輪的磨損后齒側(cè)間隙不能自動(dòng)補(bǔ)償。</p><p>　　二、雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法</p><p><b>　　其示意圖如下所示：</b></p><p><b>　　雙薄片齒輪調(diào)整結(jié)構(gòu)</b>

90、</p><p>　　1、6、8 齒輪 2、5 螺釘 3 螺母 4 軸套 7 拉簧</p><p>　　該結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)齒數(shù)相同的薄片齒輪1、8與另個(gè)一個(gè)寬齒6嚙合。兩薄片齒輪之間可以做相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)薄齒輪上分別聯(lián)接三個(gè)沉頭螺釘2，5并在齒輪1上開有三個(gè)較大通孔。齒輪8上的三個(gè)螺釘2從齒輪1上三個(gè)大孔中穿過后，再通過拉簧7與齒輪1上的螺釘5相聯(lián)，螺母3可防止拉簧滑出。由于

91、拉簧7的拉力作用使齒輪1、8之間產(chǎn)生回轉(zhuǎn)，分別與寬齒輪6的兩側(cè)貼緊，從而消除了齒側(cè)間隙。該機(jī)構(gòu)因?yàn)槔傻牡淖饔?，嚙合時(shí)完全消除了齒輪側(cè)隙，并且能夠自動(dòng)補(bǔ)償。不足之處是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不宜傳遞大力矩。在負(fù)載不大的齒輪傳動(dòng)裝置中被廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用此方法消除齒輪間隙。</p><p>　　第三章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　第一節(jié) 繪制機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖</p&

92、gt;<p><b>　　一、數(shù)控系統(tǒng)的組成</b></p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。</p><p>　　二、機(jī)床硬件電路的組成</p><p>　　機(jī)床硬件電路由以下五部分組成：</p><

93、p>　?。?）主控制器，即中央處理單元（CPU）;</p><p>　?。?）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，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；</p><p>　?。?）接口，即I/O輸入/輸出接口電路；</p><p>　?。?）外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機(jī)等。</p>&

94、lt;p>　　機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如下圖所示。</p><p>　　機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖</p><p>　　第二節(jié) CPU和存儲(chǔ)器</p><p>　　CPU采用8031芯片，由于8031片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器，需要有外部存儲(chǔ)器的支持，同時(shí)8031只有128B的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足控制系統(tǒng)的要求。故擴(kuò)展了16KB程序存儲(chǔ)器，由兩片2764實(shí)現(xiàn)。而且其

95、內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只有128B,所以有擴(kuò)展了16KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，由兩片6264實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　80C31芯片的用來傳送外部存儲(chǔ)器的地址和數(shù)據(jù)，口傳送高8位地址，口傳送低8位地址和數(shù)據(jù)，故要采用74LS373地址鎖存器，鎖存低8位地址，ALE作為其選通信號，當(dāng)ALE為高電平，鎖存器的輸入和輸出透明，即輸入的低8位存儲(chǔ)器地址在輸出端出現(xiàn)，此時(shí)不需鎖存。當(dāng)ALE從高電平變?yōu)榈碗娖?，出現(xiàn)下降沿時(shí)，低8位地址鎖

96、存入地址鎖存器，74LS373的輸出不再隨輸入變化,這樣口就可以用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。8031芯片的口和74LS373送出的口共組成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線?！?位接74LS373芯片的輸出，～接8031芯片的～。</p><p>　　系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片片選信號分別接74LS138譯碼器的，系統(tǒng)復(fù)位以后程序從0000H開始執(zhí)行。兩片6264芯片的片選信號分

97、別接74LS138譯碼器的，單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)允許程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立變址（即允許地址重疊），8031芯片控制信號接2764的引腳，讀寫控制信號分別接6264芯片的,以實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫。由于8031芯片內(nèi)部沒有ROM,故始終要選外部程序存儲(chǔ)器，故其必須接地。</p><p>　　第三節(jié) I/O接口芯片的擴(kuò)展</p><p>　　由于80C31只有P口和P口部分能提供用戶作為I

98、/O口使用，不能滿足輸入輸出口的要求，因此系統(tǒng)擴(kuò)展了一片8279和一片8255A可編程I/O接口芯片。8279的片選信號接74LS138的端。芯片8255的片選信號接74LS138的端。74LS138有三個(gè)輸入A、B、C分別接到8031的、、，輸出為～8個(gè)輸出，均為低電平有效。</p><p>　　I/O接口與外設(shè)的連接是：鍵盤的行線接8279的～,8279采用外部譯碼方式，SL～SL經(jīng)74LS138（2）譯碼器

99、輸出～；按鍵盤的橫線，SL～SL由74LS138（3）譯碼器輸出～，經(jīng)驅(qū)動(dòng)后輸出到顯示器各位的公共陽極，輸出線OUTA、OUTB作為8位段數(shù)據(jù)輸出口，控制74LS138(3)的譯碼，當(dāng)位切換時(shí)，輸出低電平，使74LS138(3)輸出全為高電平，當(dāng)鍵盤上出現(xiàn)有效的閉合健時(shí)，鍵輸入數(shù)據(jù)自動(dòng)的進(jìn)入8279的FIFO RAM存儲(chǔ)器，并向80C31申請中斷，80C31響應(yīng)中斷，讀取FIFO RAM中的輸入鍵值。更新顯示器輸出，僅需改變8279種顯

100、示緩沖器RAM中的內(nèi)容。</p><p>　　還使用了用可編程輸入輸出芯片8255A擴(kuò)展的輸入輸出接口電路。</p><p>　　第四節(jié) 所用芯片的工作方式和性能特點(diǎn)介紹</p><p>　　一、8031單片機(jī)芯片</p><p>　　MCS——51系列單片機(jī)是美國Intel公司在MCS——48系列單片機(jī)基礎(chǔ)上推出的產(chǎn)品，于1980年問世

101、，它的集成度很高，是集片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)輸入/輸出部件和CPU于一體的優(yōu)良的單片機(jī)系統(tǒng)，在我國已廣泛地被應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。</p><p>　　MCS——51系列單片機(jī)主要有三種型號：8031、8051和8071。而8031片內(nèi)無ROM，使用時(shí)需擴(kuò)展ROM，可用在現(xiàn)場修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場合，其價(jià)格低廉，使用靈活，非常適合在我國使用。所以本設(shè)計(jì)使用8031單片機(jī)。其性能和特點(diǎn)如下所示：</p>

102、<p>　?。ㄒ唬?031單片機(jī)的基本特性</p><p>　　8031單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　（1）具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元（CPU）；</p><p>　?。?）片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路（6MHz或12MHz）,每執(zhí)行一條指令時(shí)間為2s或1s；</p><p>　?。?）片內(nèi)具有128字節(jié)RAM；</

103、p><p>　　（4）具有21個(gè)特殊寄存器；</p><p>　?。?）可擴(kuò)展64KB字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64KB的外部程序存儲(chǔ)器；</p><p>　?。?）具有4個(gè)I/O接口，32根I/O總線；</p><p>　?。?）具有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；</p><p>　?。?）具有5個(gè)中斷源，配備2個(gè)中斷優(yōu)先級；&

104、lt;/p><p>　?。?）具有一個(gè)全雙工串行接口；</p><p>　　（10）具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算。</p><p>　　從上述特性可知，一塊8031的功能幾乎相當(dāng)于一塊Z80CPU、一塊RAM，一塊Z80CTC、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微機(jī)系統(tǒng)?？梢钥闯鲞@種芯片集成度高、功能強(qiáng)、只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)系統(tǒng)。<

105、/p><p>　　（二）8031芯片引腳及其功能</p><p>　　8031芯片具有40根引腳，其引腳如下圖所示：</p><p><b>　　8031管腳圖</b></p><p>　　40根引腳按其功能可以分為四類：</p><p><b>　　1.電源線 2根</b>&

106、lt;/p><p>　　:編程和正常操作時(shí)的電源電壓，接+5V。</p><p><b>　　:地電平。</b></p><p>　　2.晶體振蕩器 2根</p><p>　　:振蕩器的反相放大器輸入。使用外部振蕩器時(shí)必須接地。</p><p>　　:振蕩器的反相放大器輸出和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。當(dāng)

107、使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號。</p><p>　　3.I/O口 共有、、、四個(gè)8位口，32根I/O總線，其功能如下：</p><p><b>　?。?）(～)</b></p><p>　　是I/O端口0的引腳。端口0是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O端口。在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，該端口分時(shí)地用作低8位的地址和8位雙向的數(shù)據(jù)端口（在此時(shí)內(nèi)部上

108、拉電阻有效）。</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　端口1的引腳，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。</p><p><b>　　（3）()</b></p><p>　　端口2的引腳。端口2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)

109、，它輸出高8位地址。</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　端口3的引腳。端口3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，該口的每一個(gè)均可獨(dú)立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時(shí)，口的結(jié)構(gòu)與操作與口完全相同，第二功能如下：</p><p>　　口引腳

110、第二功能</p><p><b>　　D(串行輸入口)</b></p><p><b>　　D(串行輸出口)</b></p><p><b>　　(外部中斷)</b></p><p><b>　　(外部中斷)</b></p><p>

111、;　　(定時(shí)器0外部輸入)</p><p>　　(定時(shí)器1外部輸入)</p><p>　　(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)</p><p>　　(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)</p><p><b>　　4.控制線</b></p><p>　?。?）:程序存儲(chǔ)器的使能引腳，是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號，低電平有

112、效。從外部程序存儲(chǔ)器取數(shù)時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)二次有效。</p><p>　?。?）/:為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。為低電平時(shí)，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令。因8031芯片沒有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，故必須接地。</p><p>　　（3）ALE/:ALE是地址鎖存使能信號。作為地址鎖存允許時(shí)高電平有效。因?yàn)槎丝谑欠謺r(shí)傳送數(shù)據(jù)和低8位地址，故訪問存儲(chǔ)器時(shí)，ALE信號鎖存低8位地址

113、。即使在不能訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，也以1/6振蕩頻率的固定頻率產(chǎn)生ALE,因此可以用它作為外部的時(shí)鐘信號。ALE主要是提供一個(gè)定時(shí)信號，在從外部程序存儲(chǔ)器取指令時(shí)，把口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的地址鎖存器中。</p><p>　?。?）RST/VPD:是復(fù)用/備用電源端。在振蕩器運(yùn)行時(shí)，使RST引腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期為高電平，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器清零，即程序從0000H單元開始執(zhí)行。在關(guān)斷前加上VPD（

114、掉電保護(hù)）RAM的內(nèi)容將不變。</p><p>　　二、地址鎖存器74LS373和地址譯碼器74LS138</p><p>　　(一) 地址鎖存器74LS373</p><p>　　由于單片機(jī)8031芯片的口是分時(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。8031芯片的PO口是數(shù)據(jù)線和低8位地址的分時(shí)復(fù)用

115、口，P2口是高8位地址的傳送口，所以需要將低8位地址進(jìn)行鎖存，故采用芯片74LS373進(jìn)行低8位地址的鎖存，芯片8031上ALE低8位地址鎖存允許進(jìn)行鎖存控制，其連接到74LS373G端。當(dāng)ALE從高電平變?yōu)榈碗娖?，出現(xiàn)下降沿時(shí)，74LS373的輸出不再隨輸入變化，這樣P0 口就可以用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，其引腳如下圖所示。</p><p>　　（二）地址譯碼器74LS1

116、38</p><p>　　采用74LS138（3—8）譯碼器的輸出作為片選信號。輸入端占用3根最高位地址線，剩余13根低位地址線可作為片內(nèi)地址線。74LS138譯碼器的8根輸出線分別對應(yīng)8個(gè)8K字節(jié)的地址空間。其引腳如下圖所示。</p><p>　　74LS373引腳圖 74LS138引腳圖</p><p>　　803

117、1芯片的P2 口和74LS373送出的P0 口芯片16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線。A0 ～ A7 低8位地址的輸出接74LS373的輸入,A8 ～A12 接8031芯片的P2.0～ P2.4 。</p><p>　　三、程序存儲(chǔ)器2764和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264</p><p>　?。ㄒ唬┏绦虼鎯?chǔ)器2764芯片</p><p>　　程序存

118、儲(chǔ)器是用于存放程序及表格常數(shù)的，在程序存儲(chǔ)器中，有6個(gè)單元具有特定的含義：</p><p>　　0000H:單片機(jī)復(fù)位后，PC=0000H,即程序從0000H開始執(zhí)行指令。</p><p>　　0003H:外部中斷0入口地址。</p><p>　　000BH:定時(shí)器0溢出中斷入口地址。 </p><p>　　0013H:外部中斷1入口地址。&

119、lt;/p><p>　　001BH:定時(shí)器1溢出中斷入口地址。</p><p>　　0023H:串行口中斷入口地址。</p><p>　　該芯片為28腳雙列直插式扁平封裝芯片。其引腳圖如下圖所示。圖中是編程電壓，是編程控制端，是輸出使能端，是片選端，它們均為低電平有效。</p><p>　　2764芯片管腳功能如下:</p><

120、;p>　　:編程電源端; :編程控制端;</p><p>　　:輸出允許端; :片選端;</p><p>　?。簲?shù)據(jù)端接口； ：地址端接口；</p><p><b>　　NC：空引腳未用.</b></p><p>　　2764引腳圖

121、 6264引腳圖</p><p>　?。ǘ?shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264芯片</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是用于存放運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存及數(shù)據(jù)緩沖等，它由讀寫存儲(chǔ)器RAM組成，片內(nèi)為256字節(jié)，片外最大擴(kuò)展為64K。</p><p>　　6264型芯片也為28腳雙列直插式扁平封裝芯片其引腳如前圖：</p><p><b&g

122、t;　　管腳功能如下：</b></p><p>　　、：電源端； 、：片選端； </p><p>　?。簩戄斎脒x通端； ：讀輸入選通端；</p><p><b>　?。旱刂肪€；</b></p><p>　　I/O～I(xiàn)/O：I/O輸入輸出接口端。</p>&