車床z向進(jìn)給數(shù)控改造畢業(yè)論文

1、<p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書</p><p>　　題目 車床Z向進(jìn)給數(shù)控改造 </p><p><b>　　任務(wù)與要求</b></p><p>　　1．完成一臺機(jī)床工作臺的數(shù)控改造；要求工作臺能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位(或連續(xù))控制；</p><p>　　2．改造部分進(jìn)給伺服系統(tǒng)一個(gè)坐標(biāo)軸的機(jī)械裝配圖一張（A1）；&

2、lt;/p><p>　　3．計(jì)算機(jī)I/O接口、驅(qū)動(dòng)電路等電路原理設(shè)計(jì)圖一張（A1）；</p><p>　　4．設(shè)計(jì)說明書8000字左右（前言，控制系統(tǒng)總體方案的分析及框圖，機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)說明，硬件電路設(shè)計(jì)說明，技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)束語，參考文獻(xiàn)，后記，附錄）；</p><p>　　5. 選步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，脈沖當(dāng)量取0.01mm/step；</p>

3、;<p>　　6. 旋轉(zhuǎn)——移動(dòng)的轉(zhuǎn)換用滾動(dòng)絲杠；</p><p>　　7. 能用鍵盤輸入命令，控制工作臺；能實(shí)時(shí)顯示工作臺當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置；有超越邊界報(bào)警，并停止運(yùn)動(dòng)。</p><p><b>　　原始數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　1. 工作臺（或刀架）重G=180N；</p><p>　　2．工作臺

4、行程L=0～300mm；</p><p>　　3．工作臺最大移動(dòng)速度Vmax=3m/min；</p><p>　　工作臺工作進(jìn)給速度Vmax=1m/min；</p><p>　　4．切削分力：FX=420 N，F(xiàn)Y= 1100N，F(xiàn)Z=1660 N；</p><p>　　5．工作臺尺寸：300×550mm2；</p>

5、<p>　　6．各傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)壽命15000～48000h。</p><p>　　開始日期 2012-04-09 完成日期 2012-06-03 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　概述········&

6、#183;····································

7、;··································1</p>&l

8、t;p>　　總體設(shè)計(jì)方案的擬訂·································

9、3;················5</p><p>　　總體方案確定···············&#

10、183;····································

11、············5</p><p>　　經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床總體方案框圖··················

12、83;·······························6</p><p>　　車床進(jìn)給伺服系

13、統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算······························7</p><p>　　選擇脈沖當(dāng)量&

14、#183;····································

15、;··························7</p><p>　　計(jì)算切削力·····

16、3;····································&#

17、183;······················7</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型········

18、;····································

19、83;····7</p><p>　　2.3.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm·························

20、83;································7</p><p>　　2

21、.3.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C··································&#

22、183;························7</p><p>　　2.3.3 滾珠絲杠螺母副的選型·····&

23、#183;····································

24、;·············8</p><p>　　2.3.4 傳動(dòng)效率計(jì)算·················&#

25、183;····································

26、·········8</p><p>　　2.3.5 剛度驗(yàn)算······················

27、;····································

28、83;········8</p><p>　　2.3.6 穩(wěn)定性校核······················&

29、#183;····································

30、;······9</p><p>　　2.3.7 滾珠絲杠副幾何參數(shù)························

31、;·································9</p><p>

32、;　　2.4 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算··································&

33、#183;···························10</p><p>　　2.5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型··&

34、#183;····································

35、;·················10</p><p>　　2.5.1 初選步進(jìn)電機(jī)·············&

36、#183;····································

37、;············10</p><p>　　2.5.2 校核轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)矩··················

38、;····································

39、83;···12</p><p>　　第三章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)··························&

40、#183;·············15</p><p>　　3.1 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容···············&#

41、183;······························15</p><p>　　3.2 MCS—51

42、系列單片機(jī)簡介···································

43、83;·················16</p><p>　　3.2.1 8031單片機(jī)的基本特性············

44、;····································

45、83;·····16</p><p>　　3.2.2 8031芯片引腳及構(gòu)成························

46、································16</p><p>　　3.3

47、 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)···································

48、;·······················17</p><p>　　3.3.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展·······

49、;····································

50、83;···············17</p><p>　　3.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展··············

51、83;····································&

52、#183;······21</p><p>　　3.4 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計(jì)······················

53、83;····························22</p><p>　　3.4.1 鍵盤顯示接口電路·

54、83;····································&

55、#183;····················22</p><p>　　3.4.2 步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動(dòng)電路········

56、3;····································&#

57、183;·······24</p><p>　　3.4.3 其他輔助電路······················

58、3;····································&#

59、183;···26</p><p>　　參考文獻(xiàn)····························&

60、#183;····································

61、;·····31</p><p>　　致謝···························

62、····································

63、3;··············32</p><p><b>　　概述</b></p><p>　　隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型，普通機(jī)床已不能適應(yīng)這些要求，數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生,這種新型機(jī)床具

64、有適應(yīng)性強(qiáng)，加工精度高，加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，它綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密測量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，是今后機(jī)床控制的發(fā)展方向。</p><p><b>　　一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生</b></p><p>　　數(shù)控機(jī)床最早是從美國開始研制的，1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機(jī)槳葉輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床任務(wù)時(shí)，提出了研制數(shù)控

65、機(jī)床的初始設(shè)想。1949年，帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作，開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作，并于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)，這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床。經(jīng)過三年改進(jìn)和自動(dòng)編程研究，于1955年進(jìn)入實(shí)用階段。一直到20世紀(jì)50年度末，由于結(jié)構(gòu)和技術(shù)原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)，到了60年代，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價(jià)格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機(jī)床，其中多數(shù)是

66、鉆床、沖床等點(diǎn)位控制的機(jī)床，數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實(shí)際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機(jī)、火焰切割機(jī)等，使數(shù)控技術(shù)不斷的擴(kuò)展應(yīng)用范圍。</p><p>　　二、數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展</p><p>　　數(shù)控技術(shù)是一門集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、測量技術(shù)、現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)等多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)，是近年來應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)展十分迅速的一項(xiàng)綜合性的高新技術(shù)。它是為適應(yīng)高精度、高速

67、度、復(fù)雜零件的加工而出現(xiàn)的，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化、柔性化、信息化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代機(jī)床裝備的靈魂和核心，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和廣闊的應(yīng)用前景。一般數(shù)控系統(tǒng)由輸入/輸出（I/O）裝置、數(shù)字控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制裝置、電器邏輯控制執(zhí)行裝置等4個(gè)部分組成。數(shù)控機(jī)床就是采用了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床，是高效率、高精度、高柔性和高度自動(dòng)化的現(xiàn)代機(jī)械加工設(shè)備，是高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品.但是隨著信息化程度的逐步提高，對實(shí)現(xiàn)綜合生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的

68、需求不斷增長及通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合發(fā)展，為了產(chǎn)品在市場上增強(qiáng)競爭力，提高綜合效益，現(xiàn)在人們考慮更多的是把傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)放在企業(yè)信息化大背景下，思考如何用信息化技術(shù)去促進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化快速向高端發(fā)展。在全球市場環(huán)境影響和推動(dòng)下，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和降低產(chǎn)品成本的需求不斷增長，生產(chǎn)的實(shí)時(shí)優(yōu)化受到過程工業(yè)的普遍重視并廣泛加以采用。為了適應(yīng)變化的經(jīng)</p><p>　　數(shù)控技術(shù)從發(fā)明到現(xiàn)在，已有近5

69、0年的歷史。按照電子器件的發(fā)展可分為五個(gè)發(fā)展階段：電子管數(shù)控，晶體管數(shù)控，中小規(guī)模NC數(shù)控，小型計(jì)算機(jī)數(shù)控，微處理器數(shù)控；從體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，可分為以硬件及連線組成的硬數(shù)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)硬件及軟件組成的CNC數(shù)控系統(tǒng)，后者也稱為軟數(shù)控系統(tǒng)：從伺服及控制的方式可分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)系統(tǒng)。 數(shù)控系統(tǒng)裝備的機(jī)床大大提高了加工精度、速度和效率。人類發(fā)明了機(jī)器，延長和擴(kuò)展人的手腳功能：當(dāng)出現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)以后，制造廠家逐

70、漸使數(shù)控系統(tǒng)部分代替機(jī)床設(shè)計(jì)師和操作者的大腦，具有一定的智能，能把特殊的加工工藝、管理經(jīng)驗(yàn)和操作技能放進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　　數(shù)控技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的發(fā)展</p><p>　　眾所周知，機(jī)械工業(yè)是是國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，是推動(dòng)國家技術(shù)進(jìn)步的主要力量，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越合理，其性能和效率日趨提高，因此，對加工機(jī)械產(chǎn)品零部件的生產(chǎn)設(shè)備-機(jī)床也提出了高性能、高精度

71、與高自動(dòng)化的要求。機(jī)械工業(yè)中，單件與小批量產(chǎn)品占到70～80%，這類產(chǎn)品一般都采用人工操作，難于提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，特別是一些輪廓復(fù)雜的零件。數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，就是為了解決單件、小批量、特別復(fù)雜型面零件加工的自動(dòng)化并保證質(zhì)量要求。</p><p>　　自1952年出現(xiàn)第一臺數(shù)控機(jī)床以來，隨著計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制伺服驅(qū)動(dòng)與自動(dòng)檢測等技術(shù)的迅速發(fā)展，表征數(shù)控機(jī)床的水平和決定數(shù)控機(jī)床功能與特性的數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了以下

72、幾個(gè)階段：</p><p>　　第一階段：數(shù)控（NC）階段（1952～1970年）。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段經(jīng)歷了三代，即1952年的第一代-電子管時(shí)代；1959年的第二代-晶體管時(shí)代；1965年的第三代-小規(guī)模集成電路時(shí)代。</p><p>　　第二階段：計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970～現(xiàn)在）。到1970年，通用小型計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段，

73、1971年美國INTEL公司將運(yùn)算器和控制器集成在一塊芯片上，稱為微處理器，又稱為中央處理單元（即CPU）。到1974年，CPU被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)，到了1990年，PC的性能已發(fā)展到較高的水平，進(jìn)入基于PC階段?？傊?jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）的發(fā)展也經(jīng)歷了三代，即1970年的第四代-小型計(jì)算機(jī)；1974年的第五代-微處理器；1990年的第六代-基于PC（國外稱為PC-BASED）。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第五代以后，才從根本上解決了可靠性低、價(jià)格極為昂

74、貴、應(yīng)用很不方便（主要是編程困難）等極為關(guān)鍵的問題。</p><p><b>　　數(shù)控改造的必要性</b></p><p>　　（一）從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。</p><p>　　1、可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。</p><

75、p>　　由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。</p><p>　　2、可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。</p><p>　　由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另

76、一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了"柔性自動(dòng)化"。</p><p>　　3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。</p><p>　　4、可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。</p><p>　　5、擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)

77、現(xiàn)長時(shí)間無人看管加工。</p><p>　　6、由以上五條派生的好處。</p><p>　　如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。</p><p>　　以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性

78、制造系統(tǒng)）以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。</p><p>　?。ǘ暮暧^上看，數(shù)控機(jī)床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機(jī)機(jī)床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進(jìn)步，特別是在機(jī)床的高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化方面進(jìn)步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設(shè)的需要。

79、60; 我國是一個(gè)機(jī)床大國，有三百多萬臺普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，急待改造。  舊機(jī)床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動(dòng)化能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。  隨著數(shù)控機(jī)床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機(jī)床的微機(jī)數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機(jī)床

80、一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國經(jīng)濟(jì)資源有限，國家大，機(jī)床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù)控機(jī)床，而我國的舊機(jī)床很多，用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，比較符合我國的國情。  1984年，我國開</p><p><b>　　數(shù)控改造的優(yōu)點(diǎn)</b></p>

81、;<p>　　普通車床數(shù)控化改造一般是指對現(xiàn)有普通車床的某些部位做一定的改造，配上經(jīng)濟(jì)數(shù)控裝置或標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)，從而是原機(jī)床具有數(shù)控加工能力。其改造有如下的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1、資本效率出發(fā)，改造閑置的普通機(jī)床,能發(fā)揮舊機(jī)床的原有能和改造后的新增功能,提高機(jī)床的使用價(jià)值。</p><p>　　2、適應(yīng)多品種，小批量零件生產(chǎn)。</p><p>

82、　　3、數(shù)控改造費(fèi)用低,減少了投資額,經(jīng)濟(jì)性好.數(shù)控車床改造費(fèi)用僅為新購一臺數(shù)控車床費(fèi)用的15%～20%,同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省75%～80%的費(fèi)用,如果再結(jié)合機(jī)床大修理，幾乎就是一臺新的數(shù)控車床,甚至?xí)?，因?yàn)槠胀ㄜ嚧膊粫?huì)再變形。</p><p>　　4、機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限。所利用的普通機(jī)床基礎(chǔ)件是重而堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，而不是焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以做為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。數(shù)控

83、化改造后使原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)更為簡單，原有得手扶進(jìn)給機(jī)構(gòu)全部消失。這樣一方面，可以提高精度,減少傳動(dòng)鏈對精度的影響；另一方面，可以減少機(jī)械故障率，提高運(yùn)行的可靠性.但是受到原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。</p><p>　　5、操作者熟悉了解機(jī)床、便于操作維修,降低了操作者的技術(shù)要求，更易于提高管理水平.購買新機(jī)床時(shí)，不了解新機(jī)床是否滿足起加工要求。改造則不然,可以精確計(jì)算出機(jī)床的加工能力；另外，由于多年使

84、用,操作者對機(jī)床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時(shí)間短、見效快。改造的積儲(chǔ)一旦安裝好，就可以全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。操作者只需要對工件進(jìn)行裝夾和操作開關(guān)，而零件的加工全部則由數(shù)控系統(tǒng)控制完成，即使比較復(fù)雜的工件也能迅速完成，省去了對技術(shù)要求的煩惱。</p><p>　　6、可充分利用現(xiàn)有的條件，可以充分利用現(xiàn)有基地,不許要重新構(gòu)筑地基。</p><p>　　7、可以采用最新的控制技術(shù)，可根據(jù)技

85、術(shù)革新的發(fā)展速度,及時(shí)提提高生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化水平和效率，提高機(jī)床質(zhì)量和檔次,將舊機(jī)床改造成當(dāng)今水平的機(jī)床。自動(dòng)化程度高、專業(yè)性強(qiáng)、加工精度高、生產(chǎn)效率高。</p><p>　　8、增強(qiáng)了功能，如圓弧加、錐度加工，這是傳統(tǒng)加工方法難以完成的。</p><p>　　9、交貨期短，可滿足生產(chǎn)急需。</p><p><b>　　總體設(shè)計(jì)方案的擬定</b>

86、</p><p>　　1.1 總體方案的確定</p><p>　　一、 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇</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。如果要求工作臺或刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有確定函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)，應(yīng)具備控制刀具以給點(diǎn)速率沿加工路徑運(yùn)動(dòng)的功能

87、。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復(fù)雜的零件。</p><p>　　伺服系統(tǒng)可以分為開環(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)出后不在反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要有步進(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)

88、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，再間接推算出工作臺實(shí)

89、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>　　由于改造的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順圓和逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。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><p><b>　　機(jī)械傳動(dòng)方式</b></p>&

90、lt;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、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。故在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?）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>　　（2）盡量消除傳動(dòng)間隙。例如采用消隙齒輪等。</p><p>

91、　?。?）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)鏈誤差，可采用預(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負(fù)載的滾珠絲杠副等。</p><p>　　為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速在傳動(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>

92、<b>　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)</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，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。</p><p>　　根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(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)、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，決定采用MCS

93、—51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。</p><p>　　1.2 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床總體方案框圖</p><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>　　2.1 選擇

94、脈沖當(dāng)量</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)基本技術(shù)參數(shù)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)書的脈沖當(dāng)量已有任務(wù)書給定：0.01mm</p><p>　　2.2 計(jì)算卻削力</p><p>　　本設(shè)計(jì)書的卻削力已有任務(wù)書給定：FX=420N，F(xiàn)Y=

95、 1100N，F(xiàn)Z=1660N</p><p>　　2.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型</p><p>　　2.3.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm</p><p>　　縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌</p><p>　　式中 —考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，此次取K=1.16；</p><p>　　—滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形

96、式而不同為0.15～0.18，此處=0.16；</p><p>　　—工作臺及刀架重量，此處任務(wù)書給定為(180N)。</p><p>　　2.3.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C</p><p>　　式中 —滾珠絲杠導(dǎo)程，初選6mm；</p><p>　　—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，此處由任務(wù)書給定為1m/min；

97、</p><p>　　—使用壽命，任務(wù)書給定為15000～48000h，此處取15000h；</p><p>　　—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取1.2～1.5，此處取1.2；</p><p>　　—壽命以106轉(zhuǎn)為1單位。</p><p>　　2.3.3 滾珠絲杠螺母副的選型</p><p>　　查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》附表

98、Ａ-3，可采用W1L2005外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動(dòng)負(fù)載為8800N,精度等級按表3-17選為３級。</p><p>　　2.3.4 傳動(dòng)效率計(jì)算</p><p>　　式中：—螺旋升角，W1L2005 </p><p>　　—摩擦角取 滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.003-0.004</p><p>　　2.3.5

99、 剛度驗(yàn)算</p><p>　　縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖一所示，最大牽引力為777.4N，間距L=350mm,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>　?、沤z杠的拉伸或壓縮變形量δ1</p><p>　　查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖3-4,根據(jù)Fm=777.4N，DO=20mm，查出δL/L=0.8×10-5，可算出

100、：</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，其實(shí)際變形量為：</p><p>　　⑵螺紋滾道間接觸變形δ2</p><p>　　查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖3-5，</p><p><b>　　因進(jìn)行了預(yù)緊，</b></p><p>　?、侵С譂L珠

101、絲杠軸承的軸向接觸變形</p><p>　　查閱《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊.２》表5.9-137,，采用8102推力球軸承，d=15mm,滾動(dòng)體直徑=4.763mm,數(shù)量Z=15</p><p><b>　　因施加預(yù)緊力，故</b></p><p><b>　　根據(jù)以上計(jì)算：</b></p><p>　　2.3

102、.6 穩(wěn)定性校核</p><p>　　滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。</p><p>　　2.3.7 滾珠絲杠副幾何參數(shù)</p><p><b>　　其幾何參數(shù)見表1</b></p><p><b>　?。ū?）</b></p><p>　　

103、2.4 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算</p><p>　　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，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.75°?？捎?jì)算出傳動(dòng)比</p><p><b>　　選定齒輪齒數(shù)為：</b></p><p>　　因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取2，有關(guān)參數(shù)參照表2</

104、p><p>　　表2 傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù)</p><p>　　2.5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型</p><p>　　2.5.1 初選步進(jìn)電機(jī)</p><p>　?、庞?jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩</p><p>　　式中 ——脈沖當(dāng)量(mm/step)；</p><p>　　——進(jìn)給牽引力(N)；</p

105、><p>　　——步距角，初選雙拍制為；</p><p>　　——電機(jī)—絲桿傳動(dòng)效率，為齒輪、軸承、絲桿效率之積，分別為0.98、0.99</p><p>　　0.99、0.965。</p><p>　　⑵估算步進(jìn)電機(jī)起動(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)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(N.cm)</p

106、><p>　　一般縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)的安全系數(shù)取0.3～0.4</p><p><b>　?、怯?jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩</b></p><p>　　查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-22如取五相10拍，則</p><p>　?、扔?jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率和最高啟動(dòng)頻率</p><p>　　式中 —最大切削進(jìn)給速度（m/m

107、in），任務(wù)書給定為1m/min；</p><p>　　—最大快移速度（m/min），任務(wù)書給定為3m/min；</p><p>　　—脈沖當(dāng)量，為0.01mm/step。</p><p><b>　?、沙踹x步進(jìn)電機(jī)型號</b></p><p>　　根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩在《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-23中查出130BF00

108、1，最大靜轉(zhuǎn)矩為可以滿足要求。但從表中看出，130BF001步進(jìn)電機(jī)最高空載起動(dòng)頻率為3000,不能滿足的要求，此項(xiàng)指標(biāo)可贊不考慮，可以采用軟件升降速程序來解決。</p><p>　　2.5.2 校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　?、诺刃мD(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算</b></p><p>　　計(jì)算簡圖見圖一。根據(jù)《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-24，傳動(dòng)

109、系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算:</p><p>　　式中 —步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）</p><p>　　.—齒輪Z1、Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）</p><p>　　—滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）</p><p>　　參考同類機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)130BF,其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量</p><p>　　J1＝0.7

110、8×10-3×54×2=0.97kg·cm2</p><p>　　J2＝0.78×10-3×5.24×2=1.14kg·cm2</p><p><b>　　絲桿傳動(dòng)慣量：</b></p><p>　　J3=0.78×10-3×24×35

111、=0.44kg·cm2</p><p><b>　　G=180N</b></p><p><b>　　代人上式：</b></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>　　基本滿足慣量匹配的要求。</p><p><b>　　⑵

112、電機(jī)轉(zhuǎn)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)轉(zhuǎn)矩</p><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>　　將前面數(shù)據(jù)代人，式中各符合意義同前。</p><p><

113、b>　　r/min</b></p><p><b>　　起動(dòng)加速時(shí)間</b></p><p>　　折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　　附加摩擦轉(zhuǎn)矩:M</b></p><p><b>　　上述三項(xiàng)合計(jì)：</b></p><

114、p>　　2）快速移動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩</p><p>　　3）最大切削負(fù)載時(shí)所需轉(zhuǎn)矩</p><p>　　從上面計(jì)算可以看出，三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項(xiàng)為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。</p><p>　　從《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-23中查出，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>　　從表3-23

115、查出130BF001型步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為931N.cm,大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足此要求。</p><p>　　從表3-23中查出130BF001型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的最高空載起動(dòng)頻率為3000HZ運(yùn)行頻率為16000HZ，在從圖3-15、圖3-16查出130BF001步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線如（圖二）所示?？闯?，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，時(shí)，M=100N.cm,</p><p>　　遠(yuǎn)

116、遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩（156.84N.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)轉(zhuǎn)矩可增高到588.4N.cm，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，可將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)大一倍左右。</p><p>　　當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，130BF001型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性（圖二）完全可以滿足要求。</p><p><b

117、>　?。▓D二）</b></p><p>　　第三章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容</p><p>　　當(dāng)前，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)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)

118、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)。</p><p>　　一、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)，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>　?、?主控制器

119、，即中央處理單元CPU。</p><p>　　⑵ 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。</p><p>　　⑶ 存儲(chǔ)器，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。</p><p>　?、?接口，即I/O輸入/輸出接口電路。</p><p>　　⑸ 外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機(jī)等。</p><p>　　機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖

120、（開環(huán)系統(tǒng)）見（圖三）：</p><p><b>　?。▓D三）</b></p><p>　　二、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的選擇應(yīng)考慮以下因素：</p><p>　?、?時(shí)鐘頻率和字長，這個(gè)指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度。</p><p>　?、?可擴(kuò)

121、展存儲(chǔ)器（包括ROM和RAM）的容量。</p><p>　　⑶ 指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性。</p><p>　　⑷ I/O口擴(kuò)展的能力，即對外設(shè)控制的能力。</p><p>　?、?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、控制對象對個(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>

122、;<p>　　目前在經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床中，推薦采用MCS—51系列單片機(jī)作為主控制器。</p><p>　　三、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)</p><p>　　存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)應(yīng)該包括程序存儲(chǔ)器和數(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)，要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配，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&g

123、t;<p>　　在存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)中還應(yīng)包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　四、I/O口即輸入/輸出接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　應(yīng)包括接口芯片的選用，步進(jìn)電機(jī)控制電路、鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設(shè)計(jì)（例如復(fù)位電路、越界報(bào)警電路、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)。</p

124、><p>　　3.2 MCS—51系列單片機(jī)簡介</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，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)主要有三種型號的產(chǎn)品：8031、

125、8051和8751。三種型號的引腳完全相同，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。因此本文的數(shù)控改造將采用MCS

126、—51系列8031芯片做為主控制器。</p><p>　　3.2.1 8031單片機(jī)的基本特性</p><p>　　⑴ 具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元（CPU）；</p><p>　　⑵ 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2μs或1μs；</p><p>　?、?片內(nèi)具有128字節(jié)RAM；</p>

127、<p>　?、?具有21個(gè)特殊寄存器；</p><p>　?、?可擴(kuò)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>　　⑺ 具有2個(gè)16位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器；</p><p>　　⑻ 具有5個(gè)中斷源，配備2個(gè)中斷優(yōu)先級；</p>&l

128、t;p>　　⑼ 具有一個(gè)全雙攻竄行接口；</p><p>　?、?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</p><p>　　和一塊Z80SIO所組成的微機(jī)系統(tǒng)。可以看出這種芯片集成度高、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)

129、系統(tǒng)。</p><p>　　3.2.2 8031芯片引腳及構(gòu)成</p><p>　　MCS-51系列單片機(jī)是美國Intel公司開發(fā)的8位單片機(jī)，又可以分為多個(gè)子系列。MCS-51系列8031芯片共有40條引腳，其引腳如（圖四）所示，</p><p>　　包括32條I/O接口引腳、4條控制引腳、2條電源引腳、2條時(shí)鐘引腳。</p><p>&

130、lt;b>　　引腳說明： </b></p><p>　　P0.0～P0.7：</p><p>　　P0口8位口線，第一功能作為通用I/O接口，第二功能作為存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)的地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口。</p><p>　　P1.0～P1.7：</p><p>　　P1口8位口線，通用I/O接口無第二功能。</p><p

131、>　　P2.0～P2.7：</p><p>　　P2口8位口線，第一功能作為通用I/O接口，第二功能作為存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)傳送高8位地址。</p><p>　　P3.0～P3.7：</p><p>　　P3口8位口線，第一功能作為通用I/O接口，第二功能作為為單片機(jī)的控制信號。</p><p>　　(圖四)

132、 </p><p><b>　　第二功能定義</b></p><p>　　口線 引腳 第二功能 </p><p>　　P3.0 10 RXD（串行輸入口） </p><p>　　P3.1 11 TXD（串行輸出口）

133、</p><p>　　P3.2 12 INT0（外部中斷0） </p><p>　　P3.3 13 INT1（外部中斷1） </p><p>　　P3.4 14 T0（定時(shí)器0外部輸入） </p><p>　　P3.5 15

134、 T1（定時(shí)器1外部輸入） </p><p>　　P3.6 16 WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫脈沖） </p><p>　　P3.7 17 RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖） </p><p><b>　　控制線：</b></p><p>　　ALE/ PROG：地址鎖存允

135、許/編程脈沖輸入信號線（輸出信號）</p><p>　　PSEN：片外程序存儲(chǔ)器開發(fā)信號引腳（輸出信號）</p><p>　　EA/Vpp：片外程序存儲(chǔ)器使用信號引腳/編程電源輸入引腳</p><p>　　RST/VPD：復(fù)位/備用電源引腳</p><p>　　3.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)</p><p>　　MCS—

136、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)。</p><p>　　3.3.1 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

137、件是EPROM。</p><p>　　1. 常用的ROM芯片及引腳</p><p>　　常用的半導(dǎo)體ROM芯片有：2716（2K×8）、2732A（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

138、封裝芯片，引腳向下兼容。（圖四）是其引腳排列及其兼容特性。</p><p>　?。▓D五）中VPP是編程電壓端,PGM是編程控制端，OE是輸出使能端，CS是片選擇，它們均為低電平有效。2764的第26引腳（NC）未用。表3是EPROM工作方式選擇，表中VIH表示輸入高電平，VIL表示輸入低電平，芯片是數(shù)據(jù)引腳是三態(tài)的，當(dāng)芯片未選中，即CS是高電平時(shí)，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)CS和OE均為低電

139、平時(shí)，芯片被選中，其存儲(chǔ)內(nèi)容從數(shù)據(jù)輸出，即處于DOUT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)輸入DIN狀態(tài)。編程時(shí)PGM必須為低，使數(shù)據(jù)寫入芯片。</p><p>　　不同型號的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。8031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6MH

140、Z，則t≈480ns，故凡是工作速度小于48Cns的芯片在時(shí)序上均滿足要求。</p><p>　　根據(jù)控制對象和任務(wù)的復(fù)雜程度，以及是否需要大量計(jì)算來確定存儲(chǔ)系統(tǒng)總?cè)萘浚ò‥PROM和RAM容量），在研制階段，存儲(chǔ)量一般不易精確確定，可以粗略估計(jì)，并與同類型產(chǎn)品類比，留有一定的余量，以備系統(tǒng)功能擴(kuò)充之用。另外，應(yīng)考慮盡量使系統(tǒng)電路簡化，盡可能選擇大容量芯片，以減少芯片組合數(shù)量，目前大容量芯片價(jià)格日趨便宜，這樣也

141、比較經(jīng)濟(jì)。</p><p>　　表3 EPROM工作方式選擇</p><p><b>　　2. 地址鎖存器</b></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。74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，其引腳及與8031芯

142、片連接見（圖六），其真值表見表4。</p><p>　　圖中 OE—使能端；</p><p>　　當(dāng)G=“1”時(shí)，74LS373輸出端1Q～8Q與輸入端1D～8D相同；</p><p>　　當(dāng)G為下降沿時(shí)，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。</p><p>　　表4 74LS373真值表</p><p>　　表中 L—低電平

143、；</p><p><b>　　H—高電平；</b></p><p><b>　　X—不定態(tài)；</b></p><p>　　Q0—建立穩(wěn)態(tài)前Q的電平；</p><p>　　G—輸入端，與8031ALE連高電平：暢通無阻低電平：關(guān)門鎖存。</p><p>　　3. 8031與E

144、PROM芯片連接</p><p><b>　　⑴ 地址線的連接</b></p><p>　　EPROM低8位地址線AO～A7經(jīng)地址鎖存器與8031的P0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是分時(shí)輸入低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、&l

145、t;/p><p>　　74LS273等），由CPU發(fā)出的地址允許鎖存信號ALE的下降沿將地址信息鎖存人地址鎖存器中。如外接存儲(chǔ)器芯片內(nèi)有地址存儲(chǔ)器低8位地址線直連，但仍要將CPU的ALE信號與存儲(chǔ)器芯片ALE端相連。單片機(jī)得P2口用作高位地址線及片選地址線，由于P2口輸出具有鎖存的功能，故不必外加地址鎖存器。見（圖七）。</p><p><b>　　⑵ 數(shù)據(jù)線的連接</b>

146、;</p><p>　　存儲(chǔ)器的8位數(shù)據(jù)線DO～D7與8031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)位對應(yīng)相連即可。</p><p><b>　　⑶ 控制線的連接</b></p><p>　　8031芯片的PSEN(外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號)與EPROM芯片的OE端（外部程序存儲(chǔ)器的使能端）相連；&l

147、t;/p><p>　　8031芯片EA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)接地址鎖存器74LS373的G引腳。</p><p>　　3.3.2 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)的要求，需擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。&l

148、t;/p><p>　　1. 常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及引腳</p><p>　　常用的靜態(tài)RAM芯片有</p><p>　　6116（2K×8）、6264（8K×8）、</p><p>　　62256（32K×8）等，</p><p>　　6264、62256均采用CMOS工藝，由單一</p&g

149、t;<p>　　5V供電，典型存取時(shí)間為150～200ns。</p><p>　　它們均采用28腳雙列直插式扁平封裝，</p><p>　　其引腳圖及邏輯符號見圖八。</p><p>　　操作方式見表5。 </p><p>　　2. 8031與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片的<

150、;/p><p><b>　　連接</b></p><p>　　單片機(jī)CPU與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的連接</p><p>　　方法和于程序存儲(chǔ)器連接方法大致相同。</p><p>　　唯控制線的連接不同，RAM讀輸入信號</p><p>　　OE與8031芯片的RD（P3.7）引腳相連</p>

151、<p>　?。籖AM的寫輸入信號WE與8031芯片</p><p>　　WR（P3.6）相連。</p><p>　　其連接示意圖見（圖九）</p><p><b>　　表5</b></p><p>　　3.4 I/o接口電路及輔助電路設(shè)計(jì)</p><p>　　8031單片機(jī)共有四個(gè)8

152、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>　　3.4.1 鍵盤顯示接口電路</p><p>　　1. 顯示器工作原理</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED（發(fā)光二極管）顯示器和LCD(液晶顯示器)，也有采用CRT接口顯示方式。這里主要介紹LED顯示器，通常它是由八個(gè)發(fā)光二

153、極管組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。常用的七段顯示器的結(jié)構(gòu)如（圖十）所示。</p><p>　　發(fā)光二極管的陽極連在一起稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱有共陰極顯示器。以共陰極顯示器為例，當(dāng)顯示數(shù)字0時(shí)，只要a、b、c、d、e、f段亮，g不亮，即a、b、c、d、e、f段的</p><p>　　陽極加上高電平“1”,g段

154、的陽極加上低電平“0”,公共陰極接低電平“0”,七段顯示器則顯示“0”。如果加到各段陽極上的代碼不同，則顯示器將會(huì)顯示不同的字符和數(shù)字，這個(gè)代碼稱為段碼，選擇字形稱為段選。</p><p>　　表6列出七段顯示器（共陰極）顯示的數(shù)字、字符和對應(yīng)的段碼關(guān)系。注意，共陽極顯示器的段碼與共陰極顯示器的段碼是邏輯非的關(guān)系，應(yīng)該對表6中列出的段碼求反。</p><p>　　表6 七段共陰極顯示器的

155、段碼</p><p><b>　　2. 鍵盤接口原理</b></p><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（圖十一）所示。</p><p>　　圖十一中控制信號=“0”則開放，可對鍵識別：</p><p>　　當(dāng)鍵松開，測試信號=“1”；</p><p

156、>　　當(dāng)鍵閉合，測試信號=“0”。</p><p>　　控制信號=“1”，禁止，不能對鍵進(jìn)行識別。</p><p>　　圖十一b所示4×4鍵盤結(jié)構(gòu)，圖中行線通過電阻接+5V，當(dāng)鍵盤上沒有鍵閉合時(shí)，所以的行線和列線斷開，行線X0～X3（測試信號）都呈高電平。當(dāng)鍵盤上某一個(gè)鍵閉合時(shí)，則該鍵所對應(yīng)的行線和列線短路。X0～X3相當(dāng)于控制信號。例如6號鍵閉合時(shí)，行線X1和列線Y2短路

157、，此時(shí)X1的電平由Y2的電平所決定。如果把行線接到微機(jī)的輸入口，列線接到微機(jī)的輸出口，則在微機(jī)的控制下，使列線Y0為低電平，其余三根線Y1～Y3都為高電平。然后微機(jī)通過輸入口讀行線的狀態(tài)，如果X0、X1、X2、X3都為高電平，則Y0這一列上沒有鍵閉合，如果讀出的列線狀態(tài)不全為高電平，則輸入為低電平的行線和Y0相交的鍵處于閉合狀態(tài)。如果Y0這一列鍵上設(shè)有鍵閉合，接著使列線Y1為低電平，其余列線為高電平。用同樣的方法檢查Y1這一列上設(shè)有無鍵

158、閉合，以此類推，最后時(shí)列線Y3為低電平。其余的列線為高電平，檢查Y3這一列上是否有鍵閉合。這種逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)的過程稱為對鍵盤的一次掃描。CPU對鍵盤掃描可以采取程序控制的隨機(jī)方式，CPU空閉時(shí)掃描鍵盤，也可以采用定時(shí)控制方式，每隔一定時(shí)間，CPU對鍵盤掃描一次，CPU可隨時(shí)響應(yīng)鍵輸入請求。也可以</p><p>　　3.4.2 步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　通常在經(jīng)

159、濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，大多數(shù)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的角位移的電動(dòng)機(jī)。其角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖需要按所需要的順序供給電機(jī)各相。例如三相單三拍驅(qū)動(dòng)方式，給步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)脈沖應(yīng)按A—B—C—A(正轉(zhuǎn))或A—C—B—A(反轉(zhuǎn))順序提供，而三相雙三拍驅(qū)動(dòng)方式，供給步

160、進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)脈沖應(yīng)按AB—BC—CA—AB(正轉(zhuǎn))或BA—AC—CB—BA(反轉(zhuǎn))順序提供，如果是三相六拍驅(qū)動(dòng)方式，各相脈沖應(yīng)按A—AB—B—BC—C—CA(正轉(zhuǎn))或AC—C—CB—B—BA—A—AC(反轉(zhuǎn))順序提供。脈沖分配器就是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)各相脈沖通電順序的。為使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定功率，需要有足夠功率提供給電動(dòng)機(jī)，因此需要有功率放大環(huán)節(jié)。脈沖分配器及前面的微機(jī)及接口芯片，工作電平一般為5V，而作為電動(dòng)機(jī)電源的需符合步進(jìn)電機(jī)要求