畢業(yè)論文-銑床的數(shù)控x-y工作臺(tái)設(shè)計(jì)

1、<p>　　銑床的數(shù)控X-Y工作臺(tái)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，以提高產(chǎn)品加工的生產(chǎn)效率為主的高度自動(dòng)化和提高產(chǎn)品質(zhì)量為主的精密化成為現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)主要方向。人們對(duì)數(shù)控機(jī)床、精密儀器和儀表以及各種精密機(jī)械設(shè)備提出了越來 的精度要求，X-Y工作臺(tái)是這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)高精密加工的重要部件，對(duì)于提高產(chǎn)品的加工起著尤為重要的作用。本論文針對(duì)銑床工作臺(tái)機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要

2、包括伺服電動(dòng)機(jī)的選型，滾珠絲杠的選型、強(qiáng)度校核及生產(chǎn)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題,連接電機(jī)和滾珠絲杠副的聯(lián)軸器的選型，導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，選擇數(shù)控系統(tǒng)的CPU，同時(shí)還需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇。</p><p>　　關(guān)鍵詞：X-Y工作臺(tái)； 滾珠絲杠； 步進(jìn)電機(jī)</p><p>　　The design of CNC milling machine syst

3、em XY workbench and control system</p><p>　　Abstract：With the development of modern information techniques, the high automation with the main purpose of improving the production efficiency of product process

4、 and the accuracy with the accuracy with the main aim of improving the quality of product have been becoming the two major directions of the modern technique of mechanical process. People on the CNC machine tools, precis

5、ion instruments and meters and all kinds of sophisticated machinery and equipment raised higher and higher precision,</p><p>　　Key words: The X-Y workbench , Ball screw,stepper motor </p><p><

6、;b>　　. </b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 緒 論1</p><p>　　1.1 X-Y工作臺(tái)的研究背景1</p><p>　　1.2 X-Y工作臺(tái)的研究意義1</p><p>　　1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</

7、p><p>　　第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)及方案3</p><p>　　2.1工作臺(tái)設(shè)計(jì)任務(wù)3</p><p>　　2.2機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇3</p><p>　　2.2.1導(dǎo)軌的選用3</p><p>　　2.2.2絲杠螺母的選擇3</p><p>　　2.2.3電機(jī)的選用3</p>

8、;<p>　　2.3控制部分部件的設(shè)計(jì)4</p><p>　　第3章 機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)計(jì)算5</p><p>　　3.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量5</p><p>　　3.2 工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算5</p><p>　　3.3 銑削力和工作載荷的計(jì)算6</p><p>　　3.4滾動(dòng)直線

9、導(dǎo)軌的計(jì)算選擇7</p><p>　　3.4.1導(dǎo)軌副的載荷計(jì)算7</p><p>　　3.4.2導(dǎo)軌副的選型和安裝9</p><p>　　3.5滾珠絲杠副的計(jì)算選型11</p><p>　　3.5.1最大工作載荷的計(jì)算11</p><p>　　3.5.3滾珠絲杠副的選型12</p><

10、p>　　3.5.4傳動(dòng)效率的計(jì)算13</p><p>　　3.5.5穩(wěn)定性的計(jì)算14</p><p>　　3.5.6滾珠絲杠副剛度的計(jì)算14</p><p>　　3.5.7滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算16</p><p>　　3.6軸承和聯(lián)軸器的選用16</p><p>　　3.6.1軸承的選用16<

11、;/p><p>　　3.6.2聯(lián)軸器的選用17</p><p>　　第4章 電機(jī)的計(jì)算和選型19</p><p>　　4.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇和計(jì)算19</p><p>　　4.1.1計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量19</p><p>　　4.1.2計(jì)算空載時(shí)在步進(jìn)電機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩20</p><p>　　

12、4.1.3計(jì)算最大負(fù)載時(shí)在步進(jìn)電機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩21</p><p>　　4.1.4步進(jìn)電機(jī)的校核23</p><p>　　4.1.5步進(jìn)電機(jī)的安裝24</p><p>　　4.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇24</p><p>　　第5章 控制電路設(shè)計(jì)26</p><p>　　5.1控制部分總體方案26</

13、p><p>　　5.1.1 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖26</p><p>　　5.1.2選擇中央處理單元CPU的類型27</p><p>　　5.1.3存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)27</p><p>　　5.1.4 I/O即輸入/輸出接口電路設(shè)計(jì)27</p><p>　　5.2 MCS-51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介27</

14、p><p>　　5.2.1 8031單片機(jī)的簡(jiǎn)介27</p><p>　　5.2.2 8031單片機(jī)的基本特征28</p><p>　　5.2.3 8031芯片引腳及其功能28</p><p>　　5.3 程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)30</p><p>　　5.3.1 2764芯片介紹30</p>

15、<p>　　5.3.2 2764芯片和引腳31</p><p>　　5.3.3地址鎖存器32</p><p>　　5.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展33</p><p>　　5.4.1常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264及其引腳33</p><p>　　5.4.2 6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展圖35</p><p>　　5.5

16、 I/O口的擴(kuò)展35</p><p>　　5.6 鍵盤顯示器的電路設(shè)計(jì)37</p><p>　　5.6.1顯示接口電路設(shè)計(jì)37</p><p>　　5.6.2鍵盤接口電路設(shè)計(jì)39</p><p>　　5.7 其他輔助電路39</p><p>　　5.7.1 8031的時(shí)鐘電路39</p>&l

17、t;p>　　5.7.2 復(fù)位電路39</p><p>　　5.7.3行程限位電路40</p><p>　　第6章 控制軟件設(shè)計(jì)41</p><p>　　6.1.系統(tǒng)控制功能分析41</p><p>　　6.2.步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)進(jìn)給程序41</p><p><b>　　總 結(jié)43</b&g

18、t;</p><p><b>　　致 謝44</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)45</b></p><p><b>　　附錄146</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>

19、　　1.1 X-Y工作臺(tái)的研究背景</p><p>　　現(xiàn)在社會(huì)和科技的發(fā)展越來越快，人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量要求上日益變高，制造業(yè)也在追求在生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率上得到巨大的突破。而想要滿足人們的要求，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化顯得越來越重要。在航天、軍工、食品加工機(jī)械等行業(yè)產(chǎn)品，單件小批量生產(chǎn)的零件占到了主導(dǎo)地位，基本占到了機(jī)械加工總量的80%。</p><p>　　面對(duì)著產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)十分激烈的現(xiàn)在

20、，要讓產(chǎn)品改型和更新更快和有力，采用自動(dòng)機(jī)床、組合機(jī)床和專用機(jī)床為主體的自動(dòng)生產(chǎn)線，用多刀多工位加工的實(shí)現(xiàn)的高度自動(dòng)化生產(chǎn)，顯得尤其笨重，不僅不適合小批量生產(chǎn)，而且初期需要的投資巨大。而各類仿形加工雖然適應(yīng)這種小批量生產(chǎn)，但是還是存在模誤差和精度的問題。</p><p>　　1.2 X-Y工作臺(tái)的研究意義</p><p>　　在沒有投資巨大的專業(yè)化很高的自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)情況下，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的數(shù)控

21、變得尤為重要。發(fā)展起來的數(shù)控銑床，和在其基礎(chǔ)上的加工中心、柔性加工單元都實(shí)現(xiàn)了一定的數(shù)字控制，而且數(shù)控銑削工藝最復(fù)雜，需要解決問題也多，所以現(xiàn)在在研究和設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，都以銑削加工為工作重點(diǎn)。而X-Y數(shù)控工作臺(tái)也是數(shù)控裝置的一種，它很有效的解決了為小批量，精密復(fù)雜零件的生產(chǎn)的困難的問題，所以X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)很多行業(yè)的發(fā)展越來越重要。</p><p>　　制造工業(yè)的科技水平和自動(dòng)化程度影響著人們生活經(jīng)濟(jì)水平的

22、發(fā)展，而數(shù)控設(shè)備又是很多尖端技術(shù)的最基本的裝備，而由微機(jī)控制的數(shù)控機(jī)電一體化產(chǎn)品用于生產(chǎn)，也是必然發(fā)展的趨勢(shì)。X-Y數(shù)控工作臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便可以保證一定精度，制造成本低，是微機(jī)控制的最簡(jiǎn)單的應(yīng)用，而且X-Y數(shù)控工作臺(tái)可以用于很多場(chǎng)合，例如，鉆數(shù)控銑床的X-Y工作臺(tái)，激光加工的工作臺(tái)等。甚至對(duì)機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)行部分的改造，和研究關(guān)節(jié)臂機(jī)器人的基本原理相通。而且現(xiàn)目前，隨著經(jīng)濟(jì)和時(shí)代的發(fā)展，機(jī)械行業(yè)中的很多普通機(jī)床都被閑置和淘汰，而加上X-

23、Y數(shù)控工作臺(tái)，或者經(jīng)過數(shù)控改造后，可以重新加入提高精度和生產(chǎn)率的現(xiàn)代生產(chǎn)中來，使它們更有效的發(fā)揮經(jīng)濟(jì)和設(shè)計(jì)效益。</p><p>　　1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　現(xiàn)在國(guó)際的數(shù)控機(jī)床正朝著，高速高精度、多功能和網(wǎng)絡(luò)智能化、柔性化方面發(fā)展，而數(shù)控X-Y數(shù)控工作臺(tái)也會(huì)得到巨大的發(fā)展。21世紀(jì)也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)與國(guó)際全面接軌的時(shí)期，制造業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的大量需求以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的飛

24、速進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，并且不斷發(fā)展以更適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要，來高檔機(jī)床市場(chǎng)巨大。目前，X-Y工作臺(tái)發(fā)展很快，中國(guó)作為制造大國(guó)，還是依靠?jī)r(jià)格、資源和勞動(dòng)力方面的優(yōu)勢(shì)，而在技術(shù)創(chuàng)新和自主開發(fā)上還存在很大差距，我們應(yīng)該朝著國(guó)際化的腳步，努力縮短差距，解決X-Y數(shù)控工作臺(tái)仍然存在的諸多問題，實(shí)現(xiàn)X-Y數(shù)控工作臺(tái)產(chǎn)品從低端到高端的轉(zhuǎn)變。</p><p>　　1.4 數(shù)控銑床系統(tǒng)XY工作臺(tái)設(shè)計(jì)的目的</

25、p><p>　　使工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控：讓數(shù)控機(jī)床完成普通機(jī)床難以完成的或根本無(wú)法加工的復(fù)雜零件的加工；提升機(jī)床的加工精度、柔性、生產(chǎn)率和操控，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，排除人為誤差，使零件的加工一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定可靠；提升機(jī)床自動(dòng)化程度，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。</p><p>　　能夠正確運(yùn)用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)等課程的基本理論的有關(guān)知識(shí)，學(xué)會(huì)設(shè)備數(shù)控化改造方案的擬定、比較、分析及進(jìn)行必要的計(jì)算；通過對(duì)設(shè)備改造機(jī)械

26、部分設(shè)計(jì)，掌握數(shù)控設(shè)備典型零件的計(jì)算方法和步驟以及正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；通過設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，掌握簡(jiǎn)單的數(shù)控系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)的基本方法；通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，初步樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)自己分析問題和解決問題的能力；提高自己應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)以及編寫文件等資料的能力。</p><p>　　第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)及方案</p><p>　　2.1工作臺(tái)設(shè)計(jì)任務(wù)</p><p&

27、gt;<b>　　主要技術(shù)指標(biāo)：</b></p><p>　　（1）銑床立銑刀最大直徑d=15mm,立銑刀齒數(shù)Z=3,最大銑削寬度，最大背刀量，加工材料為碳素鋼。</p><p>　?。?）工作臺(tái)尺寸：（長(zhǎng)×寬）350×300（mm×mm）</p><p>　　（3）工作行程：橫向：320mm 縱向：220m

28、m</p><p>　　（4）工作臺(tái)空載運(yùn)動(dòng)速度2000r/min;最快加工速度1000r/min。</p><p>　?。?）工作壽命：按工作6年，每年300天，每天8個(gè)小時(shí)計(jì)算14400h，按15000h進(jìn)行計(jì)算。</p><p><b>　?。?）定位精度：。</b></p><p>　　2.2機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇&

29、lt;/p><p>　　2.2.1導(dǎo)軌的選用</p><p>　　要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高。故可以選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，它有摩擦系數(shù)小運(yùn)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)大致基本相同，同時(shí)啟動(dòng)的阻力小，不易爬行；剛度高，壽命長(zhǎng)；可以達(dá)到較高精度，潤(rùn)滑比較方便，由專業(yè)廠生產(chǎn)，可外購(gòu)。</p><p>　　2.2.2絲杠螺母的選擇</p&

30、gt;<p>　　伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足0.01mm的脈沖當(dāng)量和±0.01mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無(wú)能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。</p><p>　　2.2.3電機(jī)的選用</p><p>　　選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它具有快速的啟停能力，精度高

31、，可以直接接受數(shù)字量等優(yōu)點(diǎn)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。有較寬的調(diào)速范圍，而且可以采用開環(huán)控制，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，可以提高性價(jià)比。</p><p>　　而且步進(jìn)電機(jī)可以選擇配套的的驅(qū)動(dòng)器可以選用，控制方便。</p><p>　　2.3控制部分部件的設(shè)計(jì)</p><

32、;p>　　（1）控制芯片的選用</p><p>　　數(shù)控X-Y工作臺(tái)作為一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)，就需要有控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)進(jìn)行控制，考慮到計(jì)算機(jī)，體積龐大，對(duì)環(huán)境要求較高，且價(jià)格昂貴，這里不合適使用，單片機(jī)控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)模塊化；單片機(jī)可靠性高，處理功能強(qiáng)，速度快。低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品控制功能強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。單片機(jī)控制系統(tǒng)可以完成步進(jìn)電機(jī)的控制要求，而且初選了步進(jìn)電機(jī)的開

33、環(huán)控制系統(tǒng)中，選用對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)后，選用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的控制器，是比較合適選擇。要組成完整的系統(tǒng)，單片機(jī)還需進(jìn)行程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以及I/O口的擴(kuò)展。</p><p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選用</p><p>　　采用步進(jìn)電機(jī)控制絲杠螺母的水平移動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)可以用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，此處就不用設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。</p><p&g

34、t;　?。?）硬件電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　硬件電路應(yīng)該包括以下的幾個(gè)功能，數(shù)控X-Y工作臺(tái)需要一個(gè)輸入設(shè)備，顯示設(shè)備，和步進(jìn)電機(jī)控制電路。外部晶振電路和時(shí)鐘電路也要進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作臺(tái)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖所示：</p><p>　　圖2-1 工作臺(tái)硬件整體方案</p><p>　　第3章 機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 </p><p>　　3.1

35、 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量</p><p>　　脈沖當(dāng)量是指是當(dāng)控制器輸出一個(gè)定位控制脈沖時(shí)，所產(chǎn)生的定位控制移動(dòng)的位移。對(duì)直線運(yùn)動(dòng)來說，是指移動(dòng)的距離，對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)來說，是指其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，故初步確定系統(tǒng)的精度為0.01mm，系統(tǒng)脈沖當(dāng)量0.01mm。</p><p>　　3.2 工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算</p><p>　?。?）工作臺(tái)尺寸

36、：（長(zhǎng)×寬）350×300（mm×mm）</p><p>　?。?）工作行程： 橫向：320mm 縱向：220mm</p><p>　　圖3-1 工作臺(tái)機(jī)械部分外型</p><p>　　考慮到剛度和強(qiáng)工作臺(tái)上的T型槽，根據(jù)《機(jī)械零件切削加工工藝與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)手》馮道版，根據(jù)機(jī)床工作臺(tái)的T形槽和相應(yīng)螺栓(GB/T158-1996)，由

37、選取T型槽尺寸A=5mm B=10mm C=4mm H=10mm 。</p><p>　　圖3-2 工作臺(tái)機(jī)械部分外型</p><p><b>　　估計(jì)工作臺(tái)的重量：</b></p><p>　　由質(zhì)量=體積*材料密度，可得為:</p><p><b>　　= 163.8N</b></p>

38、;<p>　　X向拖板尺寸為: </p><p><b>　　X向上拖板重量</b></p><p><b>　　==210.6N</b></p><p>　　上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為夾具及工件重量約為= 200N</p><p>　　X-Y工作臺(tái)上半部分運(yùn)動(dòng)部分總重量為：</p

39、><p>　　=++=163.8+210.6+200≈600N</p><p>　　3.3 銑削力和工作載荷的計(jì)算</p><p>　　以加工材料為碳素鋼或其他有色金屬及加工材料的具體參數(shù)，選用立銑刀，銑刀參數(shù)如表3-1所示：</p><p>　　表3-1 加工銑刀的主要參數(shù)</p><p>　　設(shè)零件采用硬質(zhì)合金銑刀，并

40、以立式的方式加工，工件的材料是碳素鋼，由《數(shù)控加工工藝與編程》楊建明版，可得的硬質(zhì)合金立銑刀的切削參數(shù)如下：</p><p>　　每齒進(jìn)給量，銑刀轉(zhuǎn)速，由《數(shù)控加工工藝與編程》可得銑削力的計(jì)算公式：</p><p>　　將數(shù)據(jù)代入上式，可得：</p><p>　　立銑刀進(jìn)行圓柱銑削，各銑削力之間的比值查《金屬切削原理與刀具》韓榮第版可得，銑削力之間的比值范圍如表3-

41、2所示：</p><p>　　考慮到逆銑，受力最大的情況取為最大，分別取于</p><p>　　=1.2 =0.3 =0.4</p><p>　　表3-2 逆銑時(shí)銑削力之間的比值范圍</p><p>　　則這三個(gè)方向所受的銑削力分別為：</p><p>　　采用立銑加工，工作臺(tái)受到的銑削力垂直方向?yàn)?，受到水平方向銑削?/p>

42、分別為和，將較大的水平方向的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向，則縱向銑削力等于，徑向銑削力</p><p>　　3.4滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的計(jì)算選擇</p><p>　　3.4.1導(dǎo)軌副的載荷計(jì)算</p><p>　　影響壽命的重要因素是工作載荷，故對(duì)最大垂直方向所受最大載荷進(jìn)行計(jì)算，本工作臺(tái)用雙導(dǎo)軌，四滑塊支承，當(dāng)一個(gè)滑塊承擔(dān)全部垂直臺(tái)面的工作載荷時(shí)，此時(shí)對(duì)導(dǎo)軌副垂直方向有最大承

43、載能力的要求：</p><p>　　工作臺(tái)上半部分移動(dòng)部重量 ―― W=600N</p><p>　　外加載荷為垂直方向載荷 ―― F=491.6N</p><p><b>　　則最大工作載荷：</b></p><p>　　預(yù)計(jì)工作作臺(tái)滿足壽命6年，一年300天，每天8小時(shí)工作情況下，則工作臺(tái)的小時(shí)的額定壽命為<

44、/p><p>　　考慮到特殊情況，取工作臺(tái)的額定壽命為15000個(gè)小時(shí)。</p><p><b>　　計(jì)算距離的額定壽命</b></p><p><b>　　由公式</b></p><p><b>　　可得：</b></p><p>　　其中： ——導(dǎo)軌按小

45、時(shí)的額定工作壽命；</p><p>　　——工作間每分鐘移動(dòng)往返次數(shù)（4~6），取5；</p><p>　　——為移動(dòng)件行程長(zhǎng)度，工作臺(tái)X向行程為320mm，Y向行程為220mm，考慮行程較大的方向進(jìn)行計(jì)算，取為320mm；</p><p><b>　　代入上式，得：</b></p><p>　　額定動(dòng)載荷的計(jì)算，由滾珠

46、型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副計(jì)算壽命公式可得：</p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　——溫度系數(shù)； </b></p><p><b>　　——精度系數(shù)；</b></p><p><b>　　——載荷系數(shù)；</b></p>

47、;<p><b>　　——接觸系數(shù)； </b></p><p><b>　　——硬度系數(shù)；</b></p><p>　　——導(dǎo)軌副的額定動(dòng)載荷； </p><p>　　——為額定動(dòng)作壽命，之前計(jì)算得；</p><p>　　——為滑塊的工作載荷，由之前計(jì)算可得；</p>

48、<p><b>　　表3-3溫度系數(shù)</b></p><p><b>　　表3-4接觸系數(shù)</b></p><p><b>　　表3-5精度系數(shù)</b></p><p><b>　　表3-6載荷系數(shù)</b></p><p>　　上面導(dǎo)軌硬度為6

49、0HRC，工作溫度不超過，每跟導(dǎo)軌只有兩個(gè)滑塊，故精度與為4級(jí)根據(jù)上表得數(shù)據(jù)</p><p>　　取溫度系數(shù)；接觸系數(shù)；精度系數(shù)；載荷系數(shù)；硬度系數(shù)可由下式算得:</p><p>　　一般按產(chǎn)品技術(shù)規(guī)定，滾道硬度一般不能低于5HRC；</p><p>　　故一般取=1 帶入上式，可得：</p><p><b>　　經(jīng)過計(jì)算可得:。&

50、lt;/b></p><p>　　3.4.2導(dǎo)軌副的選型和安裝</p><p>　　初選陜西漢江機(jī)床廠生產(chǎn)的導(dǎo)軌HJG-DA20C</p><p>　　圖3-3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌</p><p>　　導(dǎo)軌的安裝的具體尺寸如下：</p><p>　　圖3-4 導(dǎo)軌的安裝尺寸圖及承載力矩</p><p

51、>　　表3-7 導(dǎo)軌的安裝尺寸</p><p>　　導(dǎo)軌的具體參數(shù)如表3-18：</p><p>　　可得導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷為12600N，大于6595N，故滿足設(shè)計(jì)要求，且有充裕余量。</p><p>　　裝配與安裝，由安裝尺寸進(jìn)行安裝。</p><p>　　表3-8 工作臺(tái)所需導(dǎo)軌長(zhǎng)度尺寸</p><p>　　

52、3.5滾珠絲杠副的計(jì)算選型</p><p>　　3.5.1最大工作載荷的計(jì)算</p><p>　　立銑時(shí)，工作臺(tái)的最大工作載荷由式：</p><p><b>　　進(jìn)行計(jì)算。其中：</b></p><p>　　W ——工作臺(tái)總重量，為600N； </p><p>　　K ——取顛覆力矩影響系數(shù)，

53、取為1.1，</p><p>　　——滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，由一般取為。</p><p>　　—— 進(jìn)給方向工作載荷； </p><p>　　—— 橫向方向工作載荷；</p><p>　　—— 垂直方向工作載荷，</p><p>　　求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：</p><p>　　3.5.2

54、最大動(dòng)載荷的計(jì)算</p><p>　　工作臺(tái)的在最大負(fù)載時(shí)（及承受最大切削力時(shí)）快進(jìn)速度為，絲杠導(dǎo)X成，此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　。</b></p><p>　　給定絲杠使用壽命為15000h，絲杠壽命系數(shù)由式計(jì)算得出</p><p><b>　　式中：</b></p>

55、<p>　　——導(dǎo)軌按小時(shí)的額定工作壽命； </p><p>　　n ——工進(jìn)時(shí)的轉(zhuǎn)速；</p><p><b>　　代入上式，可得</b></p><p><b>　　最大動(dòng)載荷的計(jì)算：</b></p><p><b>　　由式</b></p>

56、<p><b>　　式中：</b></p><p>　　——滾珠絲杠副的動(dòng)載荷； </p><p><b>　　——絲杠壽命系數(shù)；</b></p><p>　　——滾珠絲杠副的載荷系數(shù)； </p><p>　　——滾珠絲杠副的硬度系數(shù)；</p><p>　　—

57、—滾珠絲杠副的最大工作載荷；</p><p>　　取載荷系數(shù)為1.2，硬度系數(shù)（滾道硬度大于60HRC）。</p><p><b>　　代入上式可得：</b></p><p>　　3.5.3滾珠絲杠副的選型</p><p>　　絲杠選取陜西漢江機(jī)床廠HJG-S2005-5型號(hào)尺寸如下</p><p&g

58、t;　　圖3-5 絲杠螺母副的安裝尺寸</p><p>　　根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和絲杠導(dǎo)程，選擇漢江機(jī)床廠生產(chǎn)的HJG-S2005-5的滾珠絲杠副，為外循環(huán)單螺母突出式。其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm。</p><p>　　表3-9 絲杠的基本尺寸</p><p>　　表3-10 絲杠螺母安裝尺寸</p><p>　　表3-11 絲杠螺

59、母計(jì)算尺寸</p><p>　　3.5.4傳動(dòng)效率的計(jì)算</p><p>　　絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　——為絲杠螺旋升角，為；</p><p><b>　　——為摩擦角，為；</b></p><

60、;p>　　3.5.5穩(wěn)定性的計(jì)算</p><p>　　絲桿直徑d =16.79計(jì)算得截面慣性矩</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　——為支承系數(shù)，取為1； </p><p>　　E——為鋼的彈性模量E=Mpa；</p><p>　　K——為壓桿穩(wěn)定安全

61、系數(shù)，取為3； </p><p>　　a ——滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離，最大值為430mm；</p><p>　　臨界載荷29107.3N。</p><p>　　絲桿的穩(wěn)定性，由于17.68遠(yuǎn)大于安全系數(shù)，故絲桿的穩(wěn)定性達(dá)到要求，不會(huì)失穩(wěn)。</p><p>　　3.5.6滾珠絲杠副剛度的計(jì)算</p><p>　

62、　（1）X-Y工作臺(tái)采用單推的形式，左右支承的中心距約為430mm，剛的彈性模量E=Mpa，滾珠直徑，絲杠的最小直徑為d=16.79mm。</p><p><b>　　絲杠的橫截面積</b></p><p><b>　　S=</b></p><p>　　滾珠絲杠在工作負(fù)載F下和扭矩T的共同作用下，所引起的變形量為：<

63、/p><p>　　而絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)，使用故進(jìn)行計(jì)算即可。</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　——絲桿所受的最大載荷，為1629.58N；</p><p>　　——絲桿最小的橫截面積，為221.29；</p><p>　　——?jiǎng)偟膹椥阅Ａ?，為?l

64、t;/p><p>　　——中心距，為221.29；</p><p><b>　?。?）根據(jù)公式：</b></p><p>　　得單圈滾珠數(shù)為Z=17，改型號(hào)為絲杠為單螺母，滾珠圈數(shù)為2.52，代入公式顆 。絲桿有預(yù)緊力，則有</p><p><b>　　式中</b></p><p&g

65、t;　　——為滾珠絲杠副內(nèi)滾珠直徑，為3.175mm；</p><p>　　——為滾珠絲杠副絲桿預(yù)緊力珠，算得568.1；</p><p>　　——為滾珠總數(shù)，為85顆；</p><p>　　——為絲桿承受最大載荷；</p><p>　　求得滾珠與螺紋道間的接觸變形量為0.0090mm，實(shí)際絲桿有部分預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的三分之一，故實(shí)際形變

66、量為二分之一，取為0.045mm</p><p><b>　　(3) </b></p><p>　　設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)的X方向程為430mm，由圖知3-6知</p><p>　　圖3-6 絲杠的精度等級(jí)</p><p>　　5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在400mm到500mm時(shí)，行程公差ep和行程變動(dòng)差Vup允許達(dá)到27mm

67、和26mm，可見絲杠剛度足夠。</p><p>　　3.5.7滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算</p><p>　　絲杠可能會(huì)存在共振的現(xiàn)象，需要驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速。由公式</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　——絲桿的臨界轉(zhuǎn)速；</p><p>　　—— 絲桿支承為一端固定，一端游支

68、，故取為3.927；</p><p><b>　　——；</b></p><p>　　——是臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長(zhǎng)度，取為16.2mm；</p><p><b>　　代入上式得：</b></p><p>　　遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滾珠絲所需的轉(zhuǎn)速，故絲桿不會(huì)發(fā)生共振。</p><p>　　故選擇

69、的絲杠HGJ-S2005-5的滾珠絲杠副完全滿足設(shè)計(jì)要求，螺母安裝，可根據(jù)安裝尺寸進(jìn)行配合安裝。</p><p>　　3.6軸承和聯(lián)軸器的選用</p><p>　　3.6.1軸承的選用</p><p>　　工作臺(tái)主要承受軸向載荷較大，故輸出端選用雙向推力球軸承，但同時(shí)也有部分徑向載荷，故兩端選用和深溝球軸承。雙推力球軸承可承受雙向軸向負(fù)載，中間有緊圈，另外兩圈為松圈

70、，但是此軸承不能承受徑向載荷，故一般和向心軸承配合，組合成組合軸承一起使用。故選用主要徑向載荷的深溝球軸承與雙向推力球軸承配合。兩軸承型號(hào)分別為深溝球軸承6302和推力球軸承51204。</p><p>　?。?）推力球軸承51204</p><p>　　圖3-7 推力球軸承</p><p>　　表3-12 推力球軸承的尺寸及安裝尺寸</p><

71、p><b>　　深溝球軸承6302</b></p><p>　　圖3-8 深溝球軸承尺寸及安裝尺寸</p><p>　　深溝球軸承的尺寸及安裝尺寸如圖所示，此處不再累述</p><p>　　3.6.2聯(lián)軸器的選用</p><p>　　剛性凸緣聯(lián)軸器制造容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 很少需要維護(hù)，耐腐蝕，承受負(fù)載時(shí)，無(wú)

72、回轉(zhuǎn)間隙，對(duì)安裝底座剛性好、對(duì)中精度很高、沖擊載荷小、對(duì)減振要求不高的場(chǎng)合。根據(jù)選出的步進(jìn)電機(jī)和絲杠輸出軸頭的參數(shù)，選用YL1型凸緣聯(lián)軸器。輸入端選用J1型孔，輸出端選用Y型孔，軸孔之間采用鍵連接的形式進(jìn)行配合。凸緣聯(lián)軸器樣式如圖3-9所示：</p><p><b>　　圖3-9凸緣聯(lián)軸器</b></p><p>　　表3-13 凸緣聯(lián)軸器的尺寸</p>

73、<p>　　第4章 電機(jī)的計(jì)算和選型</p><p>　　4.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇和計(jì)算</p><p>　　4.1.1計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量</p><p>　　已知：滾珠絲杠的公稱直徑=20mm，總長(zhǎng)L=450mm，導(dǎo)程=5mm，移動(dòng)部件總重力W=600N；</p><p>　　滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：</p><p&g

74、t;<b>　　式中</b></p><p>　　D ——為絲杠的公稱直徑，為20mm；</p><p>　　L ——為絲杠的長(zhǎng)度；</p><p>　　絲杠的有效長(zhǎng)度=行程+螺母長(zhǎng)度+設(shè)計(jì)余量+兩端支承長(zhǎng)度+聯(lián)軸器的長(zhǎng)度（一半）；</p><p>　　絲杠的長(zhǎng)度：L=320+90+30+60=110=600mm。<

75、;/p><p><b>　　；</b></p><p>　　工作臺(tái)折算到絲杠的慣量：</p><p><b>　　式中</b></p><p>　　——絲杠的導(dǎo)程，為；</p><p>　　——工作臺(tái)的質(zhì)量，為；</p><p><b>　　代入

76、上式，可得：</b></p><p>　　初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為86HE127-28V14-32,為五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由美蓓亞斯生產(chǎn)，步距角為0.72°，從表查得該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=3 總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　——電機(jī)的自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為3；&

77、lt;/p><p>　　——工作臺(tái)折算到電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為0.388</p><p>　　——為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為0.7</p><p>　　——為傳動(dòng)比，因?yàn)榇颂帥]有減速器，故取為1</p><p>　　慣量匹配的驗(yàn)算，電動(dòng)機(jī)的軸向比例要控制在一定的范圍以來，為使系統(tǒng)達(dá)到合理的配合，一般控制比值在，，故，滿足慣量匹配的原則。</p&g

78、t;<p>　　4.1.2計(jì)算空載時(shí)在步進(jìn)電機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩</p><p>　　快速空載啟動(dòng)情況下加在電動(dòng)機(jī)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：</p><p>　　——快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大轉(zhuǎn)矩； </p><p>　　——分別為空載時(shí)移動(dòng)部件、滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)的摩擦轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　根據(jù)初步選定工作臺(tái)空載時(shí)的

79、最快速度為2000r/min，電動(dòng)機(jī)步距角為0.72度；脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，可計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)對(duì)應(yīng)空載時(shí)最快移動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　r/min</b></p><p><b>　　由公式可知：</b></p><p><b>　　式中  ：</b>

80、;</p><p>　　——步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至所需時(shí)間，設(shè)為0.5s；</p><p>　　—— 傳動(dòng)鏈總效率，取為0.8；??</p><p>　　將上面計(jì)算的空載時(shí)最快的移動(dòng)轉(zhuǎn)速，和工作臺(tái)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量代入上式，可得：</p><p>　　移動(dòng)部件折算到電機(jī)的摩擦轉(zhuǎn)矩：</p><p><b>　　式中：

81、</b></p><p>　　—— 導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005 m；</p><p>　　—— 垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0 N；</p><p>　　?—— 傳動(dòng)鏈效率，取0.8；</p><p>　　—— 絲杠的導(dǎo)程，為0.005m；</p><p>　　——為傳動(dòng)比，取為

82、1；</p><p>　　由于滾珠絲杠副傳動(dòng)效率高，故它折算到電機(jī)的力矩可以不用考慮，故取=0。</p><p>　　所以步進(jìn)電機(jī)空載時(shí)的力矩為：</p><p>　　4.1.3計(jì)算最大負(fù)載時(shí)在步進(jìn)電機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩</p><p>　　最大負(fù)載工作情況下在電動(dòng)機(jī)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：</p><p><b>　

83、　其中</b></p><p>　　——快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大轉(zhuǎn)矩； </p><p>　　——分別為最大負(fù)載工作狀態(tài)時(shí)移動(dòng)部件、滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)的摩擦轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　由公式可得，如下式計(jì)算：</p><p><b>　　式中：</b></p><p>

84、;　　——為銑削時(shí)最大的工作載荷，為1474.8N；</p><p>　　——為絲杠導(dǎo)成，為0.005m；</p><p>　　?——傳動(dòng)鏈效率，取0.8；</p><p>　　——為傳動(dòng)比，取為1；</p><p>　　垂直方向上承受最大負(fù)載F=491.6N時(shí)，得工作臺(tái)的摩擦轉(zhuǎn)矩：</p><p><b>

85、　　式中：</b></p><p>　　——導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005 m；</p><p>　　——垂直方向的銑削力，工進(jìn)時(shí)為491.6 N；</p><p>　　?——傳動(dòng)鏈效率，取0.8；</p><p>　　—— 絲杠的導(dǎo)程，為0.005m；</p><p>　　——為

86、傳動(dòng)比，取為1；</p><p><b>　　代入上式：</b></p><p>　　滾珠絲杠副傳動(dòng)效率高，很小，可以忽略不計(jì)。</p><p>　　所有在最大負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩大于空載時(shí)的電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩，故以最大負(fù)載時(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)矩來進(jìn)行最大靜轉(zhuǎn)矩的選定。</p><p>　　考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的使用環(huán)境，受干擾因素，當(dāng)輸入電壓低時(shí)

87、，會(huì)使轉(zhuǎn)矩下降，出現(xiàn)很多問題，因此選擇最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)考慮安全系數(shù)K取4，則</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)為86HE127-28V14-32的最大靜轉(zhuǎn)矩為6.3，大于5.324，所以所選步進(jìn)電機(jī)滿足要求，電動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)如表4-1：</p><p>　　表4-1 電機(jī)的參數(shù)</p><p>　　4.1.4步進(jìn)電機(jī)的校核</p><p>　　步進(jìn)電

88、動(dòng)矩頻特性曲線如下圖所示：</p><p>　　圖4-1 電機(jī)的矩頻特性曲線</p><p>　?。?）空載時(shí)最大移動(dòng)速度電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩</p><p>　　工作臺(tái)最快的移動(dòng)速度為3000mm/min，其對(duì)應(yīng)由上圖可知，當(dāng)頻率為3000至4000Hz時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為,大于空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，達(dá)到要求。</p><p>　?。?）工

89、進(jìn)時(shí)最大移動(dòng)速度電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩</p><p>　　工作臺(tái)最大負(fù)載時(shí)最快的移動(dòng)速度為1000mm/min，故其對(duì)應(yīng)的工作頻率為。由上圖可知，當(dāng)頻率為1666.67Hz時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為,大于空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，達(dá)到要求。</p><p>　　最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率。</p><p>　　(3) 最快的空載移動(dòng)速度為2000mm/min，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)

90、運(yùn)行頻率為3333.33Hz。由曲線可知，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩為0時(shí)，電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率為30000Hz左右，可見沒有超出上限。</p><p>　　4.1.5步進(jìn)電機(jī)的安裝</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的安裝，按照安裝尺寸進(jìn)行，需要設(shè)計(jì)一個(gè)電機(jī)底座，將電機(jī)進(jìn)行安裝在上下托板上，底座的尺寸在零件圖中給出。</p><p>　　圖4-2 步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸圖</p>

91、;<p>　　步進(jìn)電機(jī)的繞組采用五邊形接法，其接線圖如下：</p><p>　　圖4-3 步進(jìn)電機(jī)接線圖</p><p>　　4.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇</p><p>　　圖4-4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器</p><p>　　根據(jù)所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)86HE127-28V14-32五相混合式步進(jìn)電機(jī)，有MEA2230R五相數(shù)字式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)

92、動(dòng)器。信號(hào)電壓僅支持+5VDC，信號(hào)電高于+5VDC時(shí)需另接限流電阻。MEA2230R采用高速運(yùn)動(dòng)控制CPU芯片實(shí)現(xiàn)快速自適應(yīng)控制算法和高頻載波雙極性恒流斬波正弦波細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制，具備高精度、大力矩、低噪聲、寬調(diào)速等控制特性。支持全球通用的AC85~256V交流電網(wǎng)直接供電，可省去中間變壓器及電源，節(jié)省成本并提高可靠性；外置制動(dòng)電阻驅(qū)動(dòng)可應(yīng)用于頻繁制動(dòng)的場(chǎng)合；支持多種電流、細(xì)分、控制信號(hào)、控制電壓及掉電位置記憶。</p>&

93、lt;p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)電壓支持+5VDC，所以當(dāng)信號(hào)電壓是+5VDC時(shí)可直接與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，如果信號(hào)電壓高于+5VDC時(shí)，需另接限流電阻。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的控制原理如圖4-5所示：</p><p>　　圖4-5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖</p><p>　　第5章 控制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1控制部分

94、總體方案</p><p>　　5.1.1 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　根據(jù)工作臺(tái)的總體方案，工作臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)硬件的電路圖，如圖5-1所示。</p><p>　　控制系統(tǒng)是要硬件電路和軟件組成的。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，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)性能指標(biāo)。</p&

95、gt;<p>　　數(shù)控工作臺(tái)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>　?。?）總線，包括數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線。</p><p>　?。?）存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。</p><p>　　（4）接口電路，即I/O輸入/輸出接口電路。</p>

96、<p>　?。?）外圍設(shè)備，工作臺(tái)上有鍵盤，顯示器。</p><p>　　5.1.2選擇中央處理單元CPU的類型</p><p>　　在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選型應(yīng)考慮以下因素：</p><p>　?。?）時(shí)鐘頻率以及字長(zhǎng)，這個(gè)指標(biāo)將影響數(shù)據(jù)處理的速度。</p><p>　?。?）可以擴(kuò)展的存儲(chǔ)器（包括RAM和ROM）的容量。&

97、lt;/p><p>　?。?）I/O擴(kuò)展性能，即對(duì)鍵盤，顯示器的控制能力。</p><p>　　（4）開發(fā)性能，包括支持被開發(fā)的硬件和軟件。</p><p>　　此外還要考慮到系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合、控制對(duì)象對(duì)各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟(jì)價(jià)格比等經(jīng)濟(jì)性的要求。</p><p>　　目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，推薦使用MCS-51系列單片微機(jī)作為主控制器。<

98、/p><p>　　5.1.3存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)</p><p>　　存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)分別有程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。</p><p>　　在選擇程序存儲(chǔ)器芯片時(shí)，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲(chǔ)器的容量等問題。</p><p>　　5.1.4 I/O即輸入/輸出接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　應(yīng)包括接口

99、芯片的選擇，步進(jìn)電機(jī)控制電路，鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設(shè)計(jì)（例如復(fù)位電路，掉電保護(hù)電路等）。</p><p>　　此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設(shè)，這些部分的電路設(shè)計(jì)也應(yīng)包括在其中。</p><p>　　5.2 MCS-51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　5.2.1 8031單片機(jī)的簡(jiǎn)介</p><p>　　MCS-51系列

100、單片微機(jī)是美國(guó)Intel公司在MCS-48系列單片微機(jī)基礎(chǔ)上推出的產(chǎn)品，于1980年問世，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(guó)已廣泛地應(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(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，

101、所以適合于開發(fā)樣機(jī)，小批量生產(chǎn)和需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步完善的場(chǎng)合。8051的EPROM程序是Intel公司制作芯片時(shí)為用戶置備的，因此在國(guó)內(nèi)很難采用8051型芯片。而8031片內(nèi)無(wú)ROM，適用于需擴(kuò)展ROM，可在現(xiàn)場(chǎng)修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場(chǎng)合，其價(jià)格低，使用靈活，非常適合在我國(guó)使用。因此選用8031芯片。</p><p>　　5.2.2 8031單片機(jī)的基本特征</p><p>　　803

102、1單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）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)生器（6或12MHz）、每執(zhí)行一條指令時(shí)間為2或1。</p><p>　?。?）片內(nèi)具有128字節(jié)RAM。</p><p>　?。?）具有21個(gè)特殊寄存器。</p><p>　　（5）可擴(kuò)

103、展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K字節(jié)的外部程序存儲(chǔ)器。</p><p>　?。?）具有4個(gè)I/O口，32根I/O線。</p><p>　　（7）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(jí)。</p><p>　?。?）具有一個(gè)全雙工串行接口。</p><p>　?。?

104、0）具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算。</p><p>　　這種芯片集成度高，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)。</p><p>　　5.2.3 8031芯片引腳及其功能</p><p>　　8031芯片具有40根引腳，其引腳圖如圖5-2所示</p><p>　　40根引腳按其功能可分為四類：</p><

105、;p><b>　　（1）電源線2根 </b></p><p>　　Vcc：編程和正常操作時(shí)的電源電壓，接+5V。</p><p><b>　　Vss：地電平。</b></p><p><b>　?。?） 晶振：2根</b></p><p>　　XTAL1：振蕩器的反相放大

106、器輸入。使用外部震蕩器是必須接地。</p><p>　　XTAL2：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)使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào)。</p><p>　　I/O口共有p0、p1、p2、p3四個(gè)8位口，32根I/O線，其功能如表5-1：</p><p>　　8031的P3口均有第二功能，且第二功能如表5-2所示：</p><p

107、>　　圖5-2 8031引腳接口</p><p>　　表5-1 8031的I/O口功能</p><p>　　表5-2 8031的P3口第二功能</p><p><b>　?。?）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(hào)，低電平有效。從外部程序存儲(chǔ)器取數(shù)時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周

108、期內(nèi)二次有效。</p><p>　?。篍A為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。EA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EA必須接地。Vpp是在EPROM編程時(shí)需要+21V的編程電源輸入端。</p><p>　?。篈LE是地址鎖存使能信號(hào)。作為地址鎖存允許時(shí)高電平有效。因?yàn)閜0端口是分時(shí)傳送數(shù)據(jù)和8位地址。故訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE信號(hào)鎖

109、存低8位地址。即使在不訪問外部存儲(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(hào)。ALE主要是提供一個(gè)定時(shí)信號(hào)，在從外部程序存儲(chǔ)器取令時(shí)，把p0口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的地址鎖存器中。</p><p>　　是復(fù)位/備用電源端。在振蕩器運(yùn)行時(shí)，使RST行腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期位高電平，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VCC關(guān)斷前加上VPD（掉電

110、保護(hù)）RAM的內(nèi)容將不變。</p><p>　　5.3 程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　5.3.1 2764芯片介紹</p><p>　　MCS-51的程序存儲(chǔ)器空間為64K字節(jié)。對(duì)于片內(nèi)無(wú)ROM的單片機(jī)的8031，或當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器容量不夠時(shí)，進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展是必不可缺的。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作單片機(jī)

111、的外部程序存儲(chǔ)器。由于EPROM價(jià)格低廉，性能可靠，所以單片機(jī)外部擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器一般為EPROM芯片，掉電后信息不會(huì)丟失。在選擇外部程序存儲(chǔ)器電路時(shí)，應(yīng)注意電路的讀取時(shí)間能否與MCS-51的PESN信號(hào)匹配。</p><p>　　EPROM的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以擦除重寫，而且允許擦除的次數(shù)超過上萬(wàn)次。一片新的或擦除干凈EPROM芯片，其每一個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都是FFH。要對(duì)一個(gè)使用過的EPROM進(jìn)行編程，則首先應(yīng)將

112、其放到專門的擦除器上進(jìn)行擦除操作。擦除器利用紫外線光照射EPROM的窗口，一般經(jīng)過15—20min即可擦除干凈。擦除完畢后可讀一下EPROM的每個(gè)單元，若其內(nèi)容均為FFH，就認(rèn)為擦除干凈了。</p><p>　　由于本設(shè)計(jì)程序容量不大，因而選用2764作為外部程序存儲(chǔ)器。</p><p>　　圖5-3 2764引腳接口</p><p>　　5.3.2 2764芯片和

113、引腳</p><p>　　常用的半導(dǎo)體ROM芯片有2764，芯片為28腳雙列直插式扁平封裝芯片。上圖為所用的芯片：</p><p>　　A0~A12是地址線；</p><p>　　D0~D7是數(shù)據(jù)線；</p><p><b>　　是編程電壓端；</b></p><p><b>　　是編程

114、控制端；</b></p><p><b>　　是輸出使能端；</b></p><p>　　是片選端，它們均為低電平有效。</p><p>　　2764的第26引腳空，（NC）未用。</p><p>　　下表5-3是EPROM的工作方式的選擇，用1表示輸入高電平，0表示輸入低電平，芯片的數(shù)據(jù)引腳是三態(tài)的，當(dāng)芯片

115、未選中，它們處于高阻狀態(tài)，不會(huì)影響其他芯片輸出狀態(tài)。而當(dāng)和均為低電平時(shí)，芯片被選中，其存儲(chǔ)內(nèi)容從數(shù)據(jù)端輸出，即處于數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)。在編程時(shí)，從數(shù)據(jù)端輸入要存儲(chǔ)的信息，數(shù)據(jù)引腳處于數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)。為編程脈沖輸入端，當(dāng)對(duì)芯片編程時(shí)，由此端加入編程脈沖信號(hào)；讀取數(shù)據(jù)時(shí)的值為高電平。</p><p>　　5.3.3地址鎖存器</p><p>　　由于單片機(jī)8031芯片的P0口是分時(shí)傳送低8位地址線

116、和數(shù)據(jù)線，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要用到鎖存器。常用的地址鎖存器芯片74LS373。</p><p>　　圖5-4 74LS373的引腳圖</p><p>　　D0～D7 數(shù)據(jù)輸入端；Q0～Q7 輸出端</p><p>　　OE 三態(tài)允許控制端（低電平有效）</p><p>　　當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時(shí)，Q0～Q7為正常邏輯狀態(tài)，可

117、用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng) OE 為高電平時(shí)，Q0～Q7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。</p><p>　　表5-3 74LS373的工作方式</p><p><b>　　0——低電平</b></p><p><b>　　1——高電平</b></p><p>

118、;<b>　　X——不穩(wěn)定</b></p><p>　　Q——建立穩(wěn)定前Q的電平</p><p>　　LE——輸入端，與8031ALE連高電平：關(guān)門鎖存</p><p>　　——允許控制端，接地</p><p><b>　　當(dāng)LE=“1”時(shí)，</b></p><p>　　74

119、LS373輸出端1Q~8Q與輸入端1D~8D相同</p><p>　　當(dāng)LE為下降沿時(shí)，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。</p><p>　　加上74LS373與2764芯片的程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展接線圖如下：</p><p>　　8031芯片的（外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)）與EPROM芯片的端相連；</p><p>　　8031芯片接地，CPU執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的

120、指令；</p><p>　　8031芯片ALE（地址鎖存允許信號(hào)）接主地鎖存器74LS373的引腳。</p><p>　　接線圖如圖5-5所示</p><p>　　圖5-5 8031程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展圖</p><p>　　5.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展</p><p>　　5.4.1常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264及其引腳</p

121、><p>　　8031芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，不能滿足系統(tǒng)的需要，需要擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。</p><p>　　常用的靜態(tài)RAM芯片是6264（8K8），6264采用CMOS工藝，由單—5供電，典型存取時(shí)間為150~200ns。它為28腳雙列直插式扁平封裝，A0-A12為地址線;CE是片選線;OE是讀允許線;WE是寫允許線。</p><p>　　圖5-6 6

122、264的引腳圖</p><p>　　表5-4 6264的I/O口說明</p><p>　　表5-5 6264的工作方式</p><p>　　5.4.2 6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展圖</p><p>　　圖5-7為8031單片機(jī)和74LS373與6264芯片對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路圖：</p><p>　　圖5-7 8031

123、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展圖</p><p>　　單片機(jī)CPU與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的連接方法和與程序存儲(chǔ)器連接方法大致相同。唯有控制線的連接不同：RAM讀輸入信號(hào)與8031芯片的引腳相連；RAM的寫輸入信號(hào)與8031芯片相連。P2.7口與相連。</p><p>　　5.5 I/O口的擴(kuò)展</p><p>　　8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但可共用戶使用的只有P1口和部分P3口

124、，因此。在大部分系統(tǒng)中都需要擴(kuò)展I/O口芯片。</p><p>　　下面介紹本電路中所用到的芯片：</p><p>　　8255通用可編程接口芯片</p><p>　　8255是一個(gè)40個(gè)引腳的雙列直插式集成電路芯片，與MCS-51單片機(jī)具有相同的總線結(jié)構(gòu)，8255可作為單片機(jī)與多種外設(shè)連接時(shí)的中間接口電路。8255的結(jié)構(gòu)說明如下：</p><p