畢業(yè)論文-銑床的數(shù)控x-y工作臺設(shè)計

1、<p>　　銑床的數(shù)控X-Y工作臺設(shè)計</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)展的兩個主要方向。人們對數(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工作臺是這些設(shè)備實現(xiàn)高精密加工的重要部件，對于提高產(chǎn)品的加工起著尤為重要的作用。本論文針對銑床工作臺機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，主要

2、包括伺服電動機(jī)的選型，滾珠絲杠的選型、強(qiáng)度校核及生產(chǎn)設(shè)計中應(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。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，選擇數(shù)控系統(tǒng)的CPU，同時還需要擴(kuò)展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選擇。</p><p>　　關(guān)鍵詞：X-Y工作臺； 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工作臺的研究背景1</p><p>　　1.2 X-Y工作臺的研究意義1</p><p>　　1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</

7、p><p>　　第2章 設(shè)計任務(wù)及方案3</p><p>　　2.1工作臺設(shè)計任務(wù)3</p><p>　　2.2機(jī)械傳動部件的選擇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4</p><p>　　第3章 機(jī)械傳動部分的設(shè)計計算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算6</p><p>　　3.4滾動直線

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

10、p>　　3.5.4傳動效率的計算13</p><p>　　3.5.5穩(wěn)定性的計算14</p><p>　　3.5.6滾珠絲杠副剛度的計算14</p><p>　　3.5.7滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速的驗算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)的計算和選型19</p><p>　　4.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇和計算19</p><p>　　4.1.1計算轉(zhuǎn)動慣量19</p><p>　　4.1.2計算空載時在步進(jìn)電機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩20</p><p>　　

12、4.1.3計算最大負(fù)載時在步進(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)動器的選擇24</p><p>　　第5章 控制電路設(shè)計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存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計27</p><p>　　5.1.4 I/O即輸入/輸出接口電路設(shè)計27</p><p>　　5.2 MCS-51系列單片機(jī)簡介27</

14、p><p>　　5.2.1 8031單片機(jī)的簡介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 程序存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計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)存儲器的擴(kuò)展33</p><p>　　5.4.1常用的數(shù)據(jù)存儲器6264及其引腳33</p><p>　　5.4.2 6264數(shù)據(jù)存儲器擴(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37</p><p>　　5.6.1顯示接口電路設(shè)計37</p><p>　　5.6.2鍵盤接口電路設(shè)計39</p><p>　　5.7 其他輔助電路39</p><p>　　5.7.1 8031的時鐘電路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工作臺的研究背景</p><p>　　現(xiàn)在社會和科技的發(fā)展越來越快，人們對機(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，實現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的自動化顯得越來越重要。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>　　面對著產(chǎn)品競爭十分激烈的現(xiàn)在

20、，要讓產(chǎn)品改型和更新更快和有力，采用自動機(jī)床、組合機(jī)床和專用機(jī)床為主體的自動生產(chǎn)線，用多刀多工位加工的實現(xiàn)的高度自動化生產(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工作臺的研究意義</p><p>　　在沒有投資巨大的專業(yè)化很高的自動化設(shè)備生產(chǎn)情況下，實現(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)計數(shù)控系統(tǒng)時，都以銑削加工為工作重點。而X-Y數(shù)控工作臺也是數(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)控工作臺設(shè)計對很多行業(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。X-Y數(shù)控工作臺，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便可以保證一定精度，制造成本低，是微機(jī)控制的最簡單的應(yīng)用，而且X-Y數(shù)控工作臺可以用于很多場合，例如，鉆數(shù)控銑床的X-Y工作臺，激光加工的工作臺等。甚至對機(jī)械傳動進(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，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)計效益。</p><p>　　1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　現(xiàn)在國際的數(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)控工作臺也會得到巨大的發(fā)展。21世紀(jì)也是我國經(jīng)濟(jì)與國際全面接軌的時期，制造業(yè)對數(shù)控機(jī)床的大量需求以及計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計技術(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)床市場巨大。目前，X-Y工作臺發(fā)展很快，中國作為制造大國，還是依靠價格、資源和勞動力方面的優(yōu)勢，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)該朝著國際化的腳步，努力縮短差距，解決X-Y數(shù)控工作臺仍然存在的諸多問題，實現(xiàn)X-Y數(shù)控工作臺產(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工作臺設(shè)計的目的</

25、p><p>　　使工作臺實現(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，實現(xiàn)計算機(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)床自動化程度，降低操作人員勞動強(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，學(xué)會設(shè)備數(shù)控化改造方案的擬定、比較、分析及進(jìn)行必要的計算；通過對設(shè)備改造機(jī)械

26、部分設(shè)計，掌握數(shù)控設(shè)備典型零件的計算方法和步驟以及正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；通過設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計，掌握簡單的數(shù)控系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計的基本方法；通過畢業(yè)設(shè)計，初步樹立正確的設(shè)計思想，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、標(biāo)準(zhǔn)以及編寫文件等資料的能力。</p><p>　　第2章 設(shè)計任務(wù)及方案</p><p>　　2.1工作臺設(shè)計任務(wù)</p><p&

27、gt;<b>　　主要技術(shù)指標(biāo)：</b></p><p>　?。?）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>　?。?）工作臺尺寸：（長×寬）350×300（mm×mm）</p><p>　?。?）工作行程：橫向：320mm 縱向：220m

28、m</p><p>　?。?）工作臺空載運(yùn)動速度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個小時計算14400h，按15000h進(jìn)行計算。</p><p><b>　?。?）定位精度：。</b></p><p>　　2.2機(jī)械傳動部件的選擇&

29、lt;/p><p>　　2.2.1導(dǎo)軌的選用</p><p>　　要設(shè)計的X-Y工作臺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導(dǎo)軌，它有摩擦系數(shù)小運(yùn)動靈活的特點，動、靜摩擦系數(shù)大致基本相同，同時啟動的阻力小，不易爬行；剛度高，壽命長；可以達(dá)到較高精度，潤滑比較方便，由專業(yè)廠生產(chǎn)，可外購。</p><p>　　2.2.2絲杠螺母的選擇</p&

30、gt;<p>　　伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，要滿足0.01mm的脈沖當(dāng)量和±0.01mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、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。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，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)簡單，成本較低，可以提高性價比。</p><p>　　而且步進(jìn)電機(jī)可以選擇配套的的驅(qū)動器可以選用，控制方便。</p><p>　　2.3控制部分部件的設(shè)計</p><

32、;p>　?。?）控制芯片的選用</p><p>　　數(shù)控X-Y工作臺作為一個數(shù)控系統(tǒng)，就需要有控制系統(tǒng)，本設(shè)計采用單片機(jī)進(jìn)行控制，考慮到計算機(jī)，體積龐大，對環(huán)境要求較高，且價格昂貴，這里不合適使用，單片機(jī)控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，實現(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，選用對于步進(jìn)電動機(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)行程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，以及I/O口的擴(kuò)展。</p><p>　　（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選用</p><p>　　采用步進(jìn)電機(jī)控制絲杠螺母的水平移動，步進(jìn)電機(jī)可以用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，此處就不用設(shè)計步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路。</p><p&g

34、t;　　（3）硬件電路的設(shè)計</p><p>　　硬件電路應(yīng)該包括以下的幾個功能，數(shù)控X-Y工作臺需要一個輸入設(shè)備，顯示設(shè)備，和步進(jìn)電機(jī)控制電路。外部晶振電路和時鐘電路也要進(jìn)行設(shè)計，工作臺總體硬件結(jié)構(gòu)如圖所示：</p><p>　　圖2-1 工作臺硬件整體方案</p><p>　　第3章 機(jī)械傳動部分的設(shè)計計算 </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)控制器輸出一個定位控制脈沖時，所產(chǎn)生的定位控制移動的位移。對直線運(yùn)動來說，是指移動的距離，對圓周運(yùn)動來說，是指其轉(zhuǎn)動的角度。應(yīng)小于等于工作臺的位置精度，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 工作臺外形尺寸及重量初步估算</p><p>　?。?）工作臺尺寸

36、：（長×寬）350×300（mm×mm）</p><p>　?。?）工作行程： 橫向：320mm 縱向：220mm</p><p>　　圖3-1 工作臺機(jī)械部分外型</p><p>　　考慮到剛度和強(qiáng)工作臺上的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)實手》馮道版，根據(jù)機(jī)床工作臺的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 工作臺機(jī)械部分外型</p><p><b>　　估計工作臺的重量：</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工作臺上半部分運(yùn)動部分總重量為：</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 逆銑時銑削力之間的比值范圍</p><p>　　則這三個方向所受的銑削力分別為：</p><p>　　采用立銑加工，工作臺受到的銑削力垂直方向為，受到水平方向銑削力

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

43、載能力的要求：</p><p>　　工作臺上半部分移動部重量 ―― 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)計工作作臺滿足壽命6年，一年300天，每天8小時工作情況下，則工作臺的小時的額定壽命為<

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

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

46、型滾動直線導(dǎo)軌副計算壽命公式可得：</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)軌副的額定動載荷； </p><p>　　——為額定動作壽命，之前計算得；</p><p>　　——為滑塊的工作載荷，由之前計算可得；</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)軌只有兩個滑塊，故精度與為4級根據(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)軌的額定動載荷為12600N，大于6595N，故滿足設(shè)計要求，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 工作臺所需導(dǎo)軌長度尺寸</p><p>　　

52、3.5滾珠絲杠副的計算選型</p><p>　　3.5.1最大工作載荷的計算</p><p>　　立銑時，工作臺的最大工作載荷由式：</p><p><b>　　進(jìn)行計算。其中：</b></p><p>　　W ——工作臺總重量，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、最大動載荷的計算</p><p>　　工作臺的在最大負(fù)載時（及承受最大切削力時）快進(jìn)速度為，絲杠導(dǎo)X成，此時絲杠轉(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)由式計算得出</p><p><b>　　式中：</b></p>

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

56、<p><b>　　式中：</b></p><p>　　——滾珠絲杠副的動載荷； </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)計算出的最大動載荷和絲杠導(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、母計算尺寸</p><p>　　3.5.4傳動效率的計算</p><p>　　絲杠螺母副的傳動效率為：</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)定性的計算</p><p>　　絲桿直徑d =16.79計算得截面慣性矩</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，不會失穩(wěn)。</p><p>　　3.5.6滾珠絲杠副剛度的計算</p><p>　

62、　（1）X-Y工作臺采用單推的形式，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，使用故進(jìn)行計算即可。</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>　　——剛的彈性模量，為；&l

64、t;/p><p>　　——中心距，為221.29；</p><p><b>　　（2）根據(jù)公式：</b></p><p>　　得單圈滾珠數(shù)為Z=17，改型號為絲杠為單螺母，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，實際絲桿有部分預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的三分之一，故實際形變

66、量為二分之一，取為0.045mm</p><p><b>　　(3) </b></p><p>　　設(shè)計的X-Y工作臺的X方向程為430mm，由圖知3-6知</p><p>　　圖3-6 絲杠的精度等級</p><p>　　5級精度滾珠絲杠有效行程在400mm到500mm時，行程公差ep和行程變動差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)速的驗算</p><p>　　絲杠可能會存在共振的現(xiàn)象，需要驗算臨界轉(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)速的計算長度，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)簡單， 很少需要維護(hù)，耐腐蝕，承受負(fù)載時，無

72、回轉(zhuǎn)間隙，對安裝底座剛性好、對中精度很高、沖擊載荷小、對減振要求不高的場合。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)的計算和選型</p><p>　　4.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇和計算</p><p>　　4.1.1計算轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　已知：滾珠絲杠的公稱直徑=20mm，總長L=450mm，導(dǎo)程=5mm，移動部件總重力W=600N；</p><p>　　滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：</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 ——為絲杠的長度；</p><p>　　絲杠的有效長度=行程+螺母長度+設(shè)計余量+兩端支承長度+聯(lián)軸器的長度（一半）；</p><p>　　絲杠的長度：L=320+90+30+60=110=600mm。<

75、;/p><p><b>　??；</b></p><p>　　工作臺折算到絲杠的慣量：</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)電動機(jī)的型號為86HE127-28V14-32,為五相混合式步進(jìn)電動機(jī)，由美蓓亞斯生產(chǎn)，步距角為0.72°，從表查得該型號的電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量=3 總的轉(zhuǎn)動慣量：</p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　——電機(jī)的自身的轉(zhuǎn)動慣量，為3；&

77、lt;/p><p>　　——工作臺折算到電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，為0.388</p><p>　　——為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量，為0.7</p><p>　　——為傳動比，因為此處沒有減速器，故取為1</p><p>　　慣量匹配的驗算，電動機(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計算空載時在步進(jìn)電機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩</p><p>　　快速空載啟動情況下加在電動機(jī)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：</p><p>　　——快速空載啟動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大轉(zhuǎn)矩； </p><p>　　——分別為空載時移動部件、滾珠絲杠運(yùn)動時折算到電動機(jī)的摩擦轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　根據(jù)初步選定工作臺空載時的

79、最快速度為2000r/min，電動機(jī)步距角為0.72度；脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，可計算出步進(jìn)電機(jī)對應(yīng)空載時最快移動步進(jìn)電動機(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間，設(shè)為0.5s；</p><p>　　—— 傳動鏈總效率，取為0.8；??</p><p>　　將上面計算的空載時最快的移動轉(zhuǎn)速，和工作臺總的轉(zhuǎn)動慣量代入上式，可得：</p><p>　　移動部件折算到電機(jī)的摩擦轉(zhuǎn)矩：</p><p><b>　　式中：

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

82、1；</p><p>　　由于滾珠絲杠副傳動效率高，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)空載時的力矩為：</p><p>　　4.1.3計算最大負(fù)載時在步進(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>　　——快速空載啟動時電動機(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)時移動部件、滾珠絲杠運(yùn)動時折算到電動機(jī)的摩擦轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　由公式可得，如下式計算：</p><p><b>　　式中：</b></p><p>

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

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

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

87、，會使轉(zhuǎn)矩下降，出現(xiàn)很多問題，因此選擇最大靜轉(zhuǎn)矩時考慮安全系數(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>　?。?）空載時最大移動速度電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩</p><p>　　工作臺最快的移動速度為3000mm/min，其對應(yīng)由上圖可知，當(dāng)頻率為3000至4000Hz時，步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為,大于空載啟動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，達(dá)到要求。</p><p>　　（2）工

89、進(jìn)時最大移動速度電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩</p><p>　　工作臺最大負(fù)載時最快的移動速度為1000mm/min，故其對應(yīng)的工作頻率為。由上圖可知，當(dāng)頻率為1666.67Hz時，步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為,大于空載啟動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，達(dá)到要求。</p><p>　　最快空載移動時電動機(jī)的運(yùn)行頻率。</p><p>　　(3) 最快的空載移動速度為2000mm/min，對應(yīng)的電動機(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，電動機(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)計一個電機(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)動器的選擇</p><p>　　圖4-4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器</p><p>　　根據(jù)所選步進(jìn)電動機(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、動器。信號電壓僅支持+5VDC，信號電高于+5VDC時需另接限流電阻。MEA2230R采用高速運(yùn)動控制CPU芯片實現(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；外置制動電阻驅(qū)動可應(yīng)用于頻繁制動的場合；支持多種電流、細(xì)分、控制信號、控制電壓及掉電位置記憶。</p>&

93、lt;p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器信號電壓支持+5VDC，所以當(dāng)信號電壓是+5VDC時可直接與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器相連，如果信號電壓高于+5VDC時，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)動原理圖</p><p>　　第5章 控制電路設(shè)計</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)工作臺的總體方案，工作臺的機(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)控工作臺電路由以下五部分組成。</p><p>　?。?）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>　?。?）存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。</p><p>　?。?）接口電路，即I/O輸入/輸出接口電路。</p>

96、<p>　　（5）外圍設(shè)備，工作臺上有鍵盤，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>　?。?）時鐘頻率以及字長，這個指標(biāo)將影響數(shù)據(jù)處理的速度。</p><p>　　（2）可以擴(kuò)展的存儲器（包括RAM和ROM）的容量。&

97、lt;/p><p>　?。?）I/O擴(kuò)展性能，即對鍵盤，顯示器的控制能力。</p><p>　?。?）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)用場合、控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟(jì)價格比等經(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存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計</p><p>　　存儲器的擴(kuò)展電路設(shè)計分別有程序存儲器的擴(kuò)展和數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。</p><p>　　在選擇程序存儲器芯片時，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。</p><p>　　5.1.4 I/O即輸入/輸出接口電路設(shè)計</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（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)計也應(yīng)包括在其中。</p><p>　　5.2 MCS-51系列單片機(jī)簡介</p><p>　　5.2.1 8031單片機(jī)的簡介</p><p>　　MCS-51系列

100、單片微機(jī)是美國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、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)場進(jìn)一步完善的場合。8051的EPROM程序是Intel公司制作芯片時為用戶置備的，因此在國內(nèi)很難采用8051型芯片。而8031片內(nèi)無ROM，適用于需擴(kuò)展ROM，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合，其價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。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：</p><p>　?。?）具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元（CPU）。</p><p>　?。?）片內(nèi)有時鐘發(fā)生器（6或12MHz）、每執(zhí)行一條指令時間為2或1。</p><p>　?。?）片內(nèi)具有128字節(jié)RAM。</p><p>　?。?）具有21個特殊寄存器。</p><p>　?。?）可擴(kuò)

103、展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的外部程序存儲器。</p><p>　　（6）具有4個I/O口，32根I/O線。</p><p>　?。?）具有2個16位定時器/計數(shù)器。</p><p>　?。?）具有5個中斷源，配備2個中斷優(yōu)先級。</p><p>　?。?）具有一個全雙工串行接口。</p><p>　　（1

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)部時鐘發(fā)生器的輸入。當(dāng)使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號。</p><p>　　I/O口共有p0、p1、p2、p3四個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>　　（4）控制線</b></p><p>　?。撼绦虼鎯ζ鞯氖鼓芤_，是外部程序存儲器的讀選通信號，低電平有效。從外部程序存儲器取數(shù)時，在每個機(jī)器周

108、期內(nèi)二次有效。</p><p>　　：EA為高電平時，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。EA為低電平時，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲器的指令。因8031芯片沒有內(nèi)部程序存儲器，故EA必須接地。Vpp是在EPROM編程時需要+21V的編程電源輸入端。</p><p>　?。篈LE是地址鎖存使能信號。作為地址鎖存允許時高電平有效。因為p0端口是分時傳送數(shù)據(jù)和8位地址。故訪問外部存儲器時，ALE信號鎖

109、存低8位地址。即使在不訪問外部存儲器時，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鐘信號。ALE主要是提供一個定時信號，在從外部程序存儲器取令時，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，使RST行腳至少保持兩個機(jī)器周期位高電平，可實現(xiàn)復(fù)位操作，復(fù)位后程序計數(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 程序存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計</p><p>　　5.3.1 2764芯片介紹</p><p>　　MCS-51的程序存儲器空間為64K字節(jié)。對于片內(nèi)無ROM的單片機(jī)的8031，或當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部程序存儲器容量不夠時，進(jìn)行程序存儲器的擴(kuò)展是必不可缺的。半導(dǎo)體存儲器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作單片機(jī)

111、的外部程序存儲器。由于EPROM價格低廉，性能可靠，所以單片機(jī)外部擴(kuò)展的程序存儲器一般為EPROM芯片，掉電后信息不會丟失。在選擇外部程序存儲器電路時，應(yīng)注意電路的讀取時間能否與MCS-51的PESN信號匹配。</p><p>　　EPROM的一個重要優(yōu)點是可以擦除重寫，而且允許擦除的次數(shù)超過上萬次。一片新的或擦除干凈EPROM芯片，其每一個存儲單元的內(nèi)容都是FFH。要對一個使用過的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)計程序容量不大，因而選用2764作為外部程序存儲器。</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)，不會影響其他芯片輸出狀態(tài)。而當(dāng)和均為低電平時，芯片被選中，其存儲內(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，從數(shù)據(jù)端輸入要存儲的信息，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)對芯片編程時，由此端加入編程脈沖信號；讀取數(shù)據(jù)時的值為高電平。</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，Q0～Q7為正常邏輯狀態(tài)，可

117、用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng) OE 為高電平時，Q0～Q7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，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，</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，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。</p><p>　　加上74LS373與2764芯片的程序存儲器的擴(kuò)展接線圖如下：</p><p>　　8031芯片的（外部程序存儲器讀選通信號）與EPROM芯片的端相連；</p><p>　　8031芯片接地，CPU執(zhí)行外部程序存儲器的

120、指令；</p><p>　　8031芯片ALE（地址鎖存允許信號）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程序存儲器擴(kuò)展圖</p><p>　　5.4 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展</p><p>　　5.4.1常用的數(shù)據(jù)存儲器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)存儲器擴(kuò)展圖</p><p>　　圖5-7為8031單片機(jī)和74LS373與6264芯片對數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展電路圖：</p><p>　　圖5-7 8031

123、數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展圖</p><p>　　單片機(jī)CPU與數(shù)據(jù)存儲器的連接方法和與程序存儲器連接方法大致相同。唯有控制線的連接不同：RAM讀輸入信號與8031芯片的引腳相連；RAM的寫輸入信號與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40個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)連接時的中間接口電路。8255的結(jié)構(gòu)說明如下：</p><p