回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置課程設計

1、<p><b>　　緒論</b></p><p>　　課程設計是《機電一體化系統(tǒng)設計》課程的重要實踐環(huán)節(jié)，其目的是使學生能在傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品更新?lián)Q代和新的機電一體化產(chǎn)品研制開發(fā)領域掌握必要的實驗技能，目的在于培養(yǎng)學員對機電一體化產(chǎn)品的設計能力，另外還包括：</p><p>　　通過課程設計，理解機電一體化系統(tǒng)設計的基本知識。</p><p&

2、gt;　　掌握元部件的正確選擇方法和特性參數(shù)的實驗方法。</p><p>　　機電一體化系統(tǒng)的硬件一般由機械主體部分、傳感器、信息處理、計算機及電路部分和執(zhí)行元件等構(gòu)成，其設計內(nèi)容和設計方法基本上可歸納為以下幾個方面：</p><p>　　采用微型計算機（包括單片機）進行數(shù)據(jù)采集、處理和控制 主要考慮計算機的選擇或單片機構(gòu)成電路的選用、接口電路、軟件編制。</p><

3、p>　　選用驅(qū)動控制電路，對執(zhí)行機構(gòu)進行控制 主要考慮電動機的選擇及驅(qū)動力矩的計算及控制電動機電路的設計。</p><p>　　精密執(zhí)行機構(gòu)的設計 主要考慮數(shù)控機床工作臺傳動裝置的設計問題。要弄清機構(gòu)或機械執(zhí)行的主要功能（如傳遞運動、動力、位置控制、微調(diào)、精密定位或高速運轉(zhuǎn)等），進行力（力矩）、負載轉(zhuǎn)矩、慣性（轉(zhuǎn)動慣量）、加（減）速控制和誤差計算。提出裝配圖和零件加工圖。提出電動機和計算機控制要求。<

4、;/p><p>　　采用傳感器進行反饋控制或作為測量敏感部位。</p><p>　　學會使用手冊和圖表資料。</p><p>　　本次課程設計是設計回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置，通過此次課程設計，學員應具有機電一體化系統(tǒng)設計的初步能力，初步建立了正確的設計思想，學會運用手冊、標準、規(guī)范等資料，培養(yǎng)了分析問題和解決實際問題的能力。</p><p>　　第二章

5、 回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置總體方案分析</p><p>　　回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置是一種測量回轉(zhuǎn)體外形輪廓的機電一體化系統(tǒng)，其基本工作原理利用檢測光幕傳感器檢測位于其中的回轉(zhuǎn)體。回轉(zhuǎn)體一般是柱形工件，由卡盤夾緊并由電機驅(qū)動經(jīng)減速器使其旋轉(zhuǎn)，對于較長的工件，還要求有尾架，并在尾架上安裝頂尖，支頂較長的工件。檢測光幕傳感器在回轉(zhuǎn)軸方向（Z向）可以來回移動，能對回轉(zhuǎn)體每個截面的輪廓進行測量。</p><p&g

6、t;　　此次任務給定的參數(shù)如下：</p><p>　　行程范圍Z向350mmC向可正反轉(zhuǎn)連續(xù)回轉(zhuǎn)</p><p>　　運動分辨率Z向由于0.01mmC向優(yōu)于0.1°</p><p>　　Z向最大移動速度2200mm/min</p><p>　　C向最大選擇速度130r/

7、min</p><p>　　被檢測工件最大尺寸（材料為鋼）φ50mm×350mm</p><p>　　外形尺寸（參考）700mm×400mm×320mm</p><p>　　2.1回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置總體方案確定</p><p>　　回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置總體方案的確定包括系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)

8、的選擇、執(zhí)行機構(gòu)及傳動方式的確定、計算機系統(tǒng)的選擇等。</p><p><b>　　系統(tǒng)運動方式的確定</b></p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制方式、點位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)?；剞D(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置要求快速定位，保證定位精度，因此選擇點位控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　2、伺服系統(tǒng)的選擇</b>

9、</p><p>　　伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易掌握、調(diào)試和維修比較方便，因此在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應用。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電動機驅(qū)動。半閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)造價高、結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復雜，適用于精度要求較高的場合。</p><p>　　回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置由于速度不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用

10、步進電動機開環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　3、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定</p><p>　　任務給定Z向分辨率為0.01mm/脈沖，為實現(xiàn)所要求的分辨率，決定采用步進電動機經(jīng)齒輪減速機構(gòu)再傳動絲杠帶動檢測光幕傳感器在Z向移動。為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。C向分辨率為0.1°，為實現(xiàn)所要求的分辨率，同樣決定采用步進電動機經(jīng)齒輪減速機構(gòu)

11、帶動卡盤旋轉(zhuǎn)，從而帶動工件旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　4、計算機的選擇</b></p><p>　　根據(jù)任務要求，決定采用8位微機。由于MCS—51系列單片機具有集成度高，可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、性價比高等特點，決定

12、采用MCS—51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。</p><p>　　控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光隔離電路、步進電動機功率放大電路等組成。系統(tǒng)控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。</p><p><b>　　2.2總體方案框圖</b></p><p>　　回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置機械系統(tǒng)設計方案說

13、明</p><p>　　分析回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置的功能可知，它應該具有兩個運動單元，即</p><p>　　旋轉(zhuǎn)運動單元，即電機驅(qū)動減速器帶動工件作旋轉(zhuǎn)運動的單元；</p><p>　　旋轉(zhuǎn)—直線運動單元，即電機驅(qū)動減速器再通過旋轉(zhuǎn)—直線運動變換裝置帶動測量光幕傳感器的做直線運動的單元。</p><p>　　每個運動單元都由不同的傳動機構(gòu)組成，

14、旋轉(zhuǎn)運動單元由電機和減速機構(gòu)構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)—直線運動單元由電機、減速機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)—直線運動變換裝置構(gòu)成。圍繞這兩個運動單元，對機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案進行初步確定，然后在進行細化計算。</p><p><b>　　3.1電動機</b></p><p>　　在第一章總體方案設計中已經(jīng)選擇了步進電機作為驅(qū)動裝置。下面就選擇步進電機作為驅(qū)動做一些必要的說明。</p><

15、;p>　　電動機可分為直流電動機、交流電動機、步進電動機和無刷電動機等幾大類，每一大類又可以分許多不同的小類，其具體分類見表3-1。</p><p>　　表3-1 電動機分類</p><p>　　選用電動機作為驅(qū)動部件的突出的特點是精度高，易于在閉環(huán)系統(tǒng)中獲得很高的連續(xù)路徑驅(qū)動。不同類型的電機有不同的應用場合，一般要從控制性、功率大小、轉(zhuǎn)速、精度以及性價比等方面選擇。</p&g

16、t;<p>　　一般，對于要求不高的開環(huán)固定轉(zhuǎn)速場合應選用結(jié)構(gòu)簡單、廉價的交流異步電動機。</p><p>　　對于需要連續(xù)控制且精度要求較高的場合，目前較成熟的選用直流電動機。直流電機具有扭矩慣量比大的特點，可直接帶動負載，簡化傳動機構(gòu)，避免了傳動間隙，提高傳動精度等優(yōu)點。</p><p>　　對于調(diào)速系統(tǒng)，交流電動機的變頻調(diào)速成為了一種理想的選擇。對于要求壽命長，嚴禁火花

17、，同時控制精度要求高的特殊場合，通?？紤]無刷電動機。</p><p>　　對于數(shù)字控制、精度增量控制且振動要求不高的場合，常采用步進電機。步進電機在開環(huán)數(shù)控機床、繪圖機、軋鋼機等控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。</p><p>　　本次設計的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置由于速度、精度等要求都不是很高，因而采用步進電動機作為驅(qū)動裝置。</p><p><b>　　3.2

18、減速機構(gòu)</b></p><p>　　齒輪系及蝸桿副是一種發(fā)展歷史悠久、現(xiàn)在仍然廣泛使用的一種機械傳動機構(gòu)。它工作可靠、傳動比恒定、結(jié)構(gòu)成熟，但制造復雜。齒輪系及蝸桿副可按表3-2分類。</p><p>　　表3-2 齒輪系及蝸桿副分類</p><p>　　根據(jù)傳動軸的特點，可選用不同的齒輪系及蝸桿副做減速機構(gòu)。用于平行軸之間的傳遞運動的正齒輪易于設計制

19、造、成本低，使用最為廣泛。斜齒輪可用于高速、重載、要求噪聲低的場合，但斜齒輪存在較大的軸向推力；人字齒輪則由于左右推力平衡而不產(chǎn)生軸向推力，其中一個齒輪的安裝應有一定的軸向間隙以便安裝。相交軸傳動中直齒錐齒輪為線接觸，傳動效率較高。交錯軸斜齒輪有滑動作用，傳動效率低，同時為點接觸，只能承受較輕負載。行星齒輪尺寸小，重量輕、效率高且能傳遞較大的功率，但結(jié)構(gòu)復雜。</p><p>　　蝸桿副為線接觸，可傳遞較大的功率

20、、傳動比大、傳動平穩(wěn)、噪聲小、可自鎖，但傳動效率低。</p><p>　　諧波齒輪具有傳動比大、速比范圍寬、傳動效率高、重疊系數(shù)大、嚙合好、傳動平穩(wěn)、噪聲小、結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕、精度高、承載能力大、功率范圍寬、間隙易于消除，可通過密封壁傳動等優(yōu)點，在高技術(shù)領域獲得廣泛的應用。</p><p>　　對比上述各種齒輪系及蝸桿副的傳動特點，本次設計的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置選用圓柱直齒輪傳動作為減速機構(gòu)

21、。</p><p>　　3.3旋轉(zhuǎn)—直線運動裝置</p><p>　　能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動到直線運動的傳動機構(gòu)有螺旋傳動機構(gòu)、齒輪齒條傳動機構(gòu)等。</p><p>　　螺旋傳動結(jié)構(gòu)分為普通螺旋傳動機構(gòu)和滾珠絲杠螺母副等。普通螺旋傳動廣泛的用于將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動，但由于螺母和螺桿之間的摩擦為滑動摩擦，在磨損和精度等方面不能滿足一些高精度機電一體化系統(tǒng)的要求，滾珠絲杠

22、螺母副則是為了克服普通螺旋傳動的缺點發(fā)展起來的一種傳動機構(gòu)。它用滾動摩擦螺旋取代了滑動摩擦螺旋，具有磨損小、傳動效率高、傳動平穩(wěn)、壽命長、精度高、溫升低等優(yōu)點。它具有的運動摩擦小、便于消除傳動間隙等優(yōu)點，對于機電一體化系統(tǒng)性能的改善。</p><p>　　本次設計的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置主要以傳遞運動為主，要求有較高的傳動精度并結(jié)構(gòu)緊湊，因此選用滾珠絲杠螺母副來將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動。</p><

23、;p><b>　　3.4導軌</b></p><p>　　導軌用于引導運動部件的走向。它對機電一體化系統(tǒng)的影響通常是由摩擦特性決定的，主要影響定位精度和低速均勻性。</p><p>　　導軌主要分為滑動導軌、滾動導軌、液體靜壓導軌和氣浮導軌?；瑒訉к壗Y(jié)構(gòu)簡單，阻尼系數(shù)大，剛度大；但易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象，易磨損。滾動導軌的摩擦系數(shù)不大于滑動導軌的1/10，因此不存在

24、低速爬行現(xiàn)象，可采用較小功率的電動機，但剛度小，阻尼系數(shù)小，可能引起振蕩。液體靜壓導軌無磨損，無靜摩擦，無低速爬行現(xiàn)象，阻尼系數(shù)大，但設計、制造、使用均較復雜。氣浮導軌無磨損，無靜摩擦，無低速爬行現(xiàn)象，無需回氣導管，不產(chǎn)生污染，但剛度小，阻尼系數(shù)小，容易引起振蕩。</p><p>　　由于滾動導軌的特點，本次設計的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置決定采用滾動導軌。由于采用了齒輪減速結(jié)構(gòu)，從而可以克服滾動導軌滾動阻尼系數(shù)小，容易

25、產(chǎn)生振蕩的缺點。</p><p>　　3.5軸承及支承方式</p><p>　　本次設計的回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置決定采用滾動軸承作為軸的支承。對于旋轉(zhuǎn)運動單元，只有齒輪減速箱用到滾動軸承，由于沒有軸向載荷，因此選用深溝球軸承作為齒輪的徑向支承。對于旋轉(zhuǎn)—直線運動單元，其齒輪減速箱和滾珠絲杠都要采用滾動軸承支承，齒輪減速箱中的齒輪采用深溝球軸承來支承，滾珠絲杠則由于有軸向載荷，因此要對絲杠的徑向

26、和軸向都進行支承。支承方式選擇兩端固定的支承方式，每一端選擇一個深溝球軸承和一個推力球軸承組合進行支承。</p><p>　　回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置機械部分設計計算</p><p>　　4.1機械傳動系統(tǒng)設計計算</p><p>　　回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置共有兩個運動單元，一個是旋轉(zhuǎn)運動單元，一個是旋轉(zhuǎn)—直線運動單元，組成這個兩個單元的傳動機構(gòu)不盡相同，因此計算的思路和步驟

27、也不盡相同。下面就每一個運動單元分別進行設計計算。</p><p>　　4.1.1旋轉(zhuǎn)運動單元傳動系統(tǒng)設計計算</p><p>　　旋轉(zhuǎn)運動單元傳動系統(tǒng)由步進電動機、齒輪減速箱和夾具組成，夾具采用三角自定心卡盤。旋轉(zhuǎn)運動單元傳動系統(tǒng)計算步驟大體可分為以下幾步：</p><p>　　根據(jù)給定的旋轉(zhuǎn)精度，初步確定步進電動機的步距角；</p><p&g

28、t;　　根據(jù)旋轉(zhuǎn)精度和步距角，確定齒輪減速機構(gòu)的傳動比以及齒輪的參數(shù)；</p><p>　　計算負載轉(zhuǎn)矩，選定步進電動機型號。</p><p>　　初選步進電動機步距角b</p><p>　　對步進電動機施加一個脈沖信號，步進電動機就轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這個角度就叫步距角。電動機的轉(zhuǎn)動的角度與輸入脈沖個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動的速度與脈沖頻率成正比。</p>&

29、lt;p>　　步進電動機步距角越小，它所能達到的位置精度越高。此次要求的旋轉(zhuǎn)精度是0.1度，為不使傳動比過大，齒輪級數(shù)過多，因此決定初步選則步進電動機的步距角為0.36°。如果選擇的步距角不合適，則重新再選擇。</p><p><b>　　計算傳動比i</b></p><p>　　旋轉(zhuǎn)精度p為0.1°，步距角b為0.36°，則旋轉(zhuǎn)運

30、動傳動系統(tǒng)的傳動比i</p><p>　　確定傳動比i后，接下來確定齒輪傳動的級數(shù)及各齒輪的參數(shù)。</p><p>　　一般，隨著齒輪傳動的級數(shù)的增加，齒輪傳動的總慣量減少，但傳動效率要降低，齒隙和摩擦的來源也會有隨之增加。因此應在傳動級數(shù)和傳動比的分配上綜合權(quán)衡。一般，當傳動比1≤i＜2時，選用一級傳動；2≤i<4時選用二級傳動，此次的傳動比為3.6，因此決定選用兩級傳動。設第一級

31、傳動比為i1=Z2/Z1，第二級傳動比為i2=Z4/Z3，根據(jù)齒輪系最佳速比分配近似條件</p><p><b>　　計算得</b></p><p>　　由于齒輪直徑不能太大，故齒數(shù)不能完全根據(jù)最佳傳動比來選擇。為便于選擇齒輪齒數(shù)，將各級傳動比稍作修改為</p><p>　　選擇Z1=20，根據(jù)i1=Z2/Z1可計算出Z2=36；取整得Z3=2

32、0，則Z4=40。由于傳遞的功率不大，取齒輪的模數(shù)m=2。采用雙層齒輪法消除齒輪間隙。齒輪有關參數(shù)參照表4-1。</p><p>　　表4-1傳動齒輪幾何參數(shù)</p><p><b>　　步進電動機型號選擇</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)動慣量計算</b></p><p>　　根據(jù)被檢測工件

33、最大尺寸（材料為鋼）為φ50mm×350mm，確定三角自定心卡盤的最大外徑為100mm，其厚度為40mm，過渡件的外徑也為100mm，厚度為10mm，其材質(zhì)均為鋼。</p><p>　　對于鋼質(zhì)圓柱體，其轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　其中，D——圓柱體直徑（cm）；</p><p>　　L——圓柱體長度（cm）。</p><p>　

34、　負載各部分的轉(zhuǎn)動慣量如下:</p><p>　　其中，J1、J2、J3——齒輪Z1、Z2、Z3及其軸的轉(zhuǎn)動慣量（kg·cm2）；</p><p>　　J4——齒輪Z4的轉(zhuǎn)動慣量（kg·cm2）；</p><p>　　J工——工件的轉(zhuǎn)動慣量（kg·cm2）；</p><p>　　J夾——夾具的轉(zhuǎn)動慣量（kg

35、83;cm2）。</p><p>　　負載折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量J（kg·cm2）為</p><p>　　(2)估算步進電動機起動轉(zhuǎn)矩</p><p>　　在此次回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置的旋轉(zhuǎn)運動單元傳動系統(tǒng)中，負載的加速度轉(zhuǎn)矩占起動轉(zhuǎn)矩的比例較大，因此根據(jù)負載的加速度轉(zhuǎn)矩乘以一定的安全系數(shù)來估算步進電動機的起動轉(zhuǎn)矩，然后初步選定步進電動機型號。</

36、p><p>　　設電機起動加速到最大轉(zhuǎn)速的起動加速時間ta=0.03s，則最大負載加速度轉(zhuǎn)矩Tlmax（N·cm）</p><p>　　式中， J——負載折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量（kg·cm2）；</p><p>　　ε——電機最大角加速度（rad/s2)；</p><p>　　nmax——電機最大轉(zhuǎn)速（r/min）；&

37、lt;/p><p>　　nlmax——工件最大轉(zhuǎn)速（r/min）；</p><p><b>　　i——傳動比。</b></p><p>　　進電動機起動轉(zhuǎn)矩Tq（N·cm）由式子</p><p>　　進行估算。其中k為安全系數(shù)，由于在計算起動轉(zhuǎn)矩時沒有加入電動機轉(zhuǎn)子慣量，因此根據(jù)慣量匹配，選取k=1.3~1.5，這

38、是比較合理的。</p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得</b></p><p>　?。?）計算最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax</p><p>　　最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax表示步進電動機所能承受的最大靜態(tài)負載轉(zhuǎn)矩，與啟動轉(zhuǎn)矩的關系見表4-2。最大靜轉(zhuǎn)矩與步進電動機的通電方式有關，可根據(jù)它在步進電動機技術(shù)手冊中初選步進電動機。</p><p&

39、gt;　　表4-2步進電機啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關系</p><p>　　取步進電動機的通電方式為五相10拍，則最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax</p><p>　　（4）計算最高起動頻率fk</p><p>　　式中， nlmax——工件最大轉(zhuǎn)速（r/min）；</p><p>　　p——旋轉(zhuǎn)精度（°/步）。</p><p

40、>　?。?）初選步進電動機型號</p><p>　　根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax步進電動機技術(shù)手冊中查出90BF006的最大靜轉(zhuǎn)矩為215.6N·cm大于五相10拍時的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax=170.962N·cm，因此決定選用90BF006步進電動機。但從表中看出，90BF006步進電動機的最高空載起動頻率為2400Hz,，不能滿足fk（7800Hz）的要求，此項指標可暫不考慮，可

41、以采用軟件升降速程序來解決。</p><p><b>　　校核轉(zhuǎn)矩</b></p><p>　　90BF006的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM=1.8N·cm，因此傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量J（kg·cm2）為</p><p>　　步進電動機起動轉(zhuǎn)矩Tq（N·cm）</p><p>　　最大靜轉(zhuǎn)

42、矩Tjmax</p><p>　　它小于步進電動機90BF006的最大靜轉(zhuǎn)矩為215.6N·cm，且有較大的的余量，因此該步進電動機是合適的。</p><p>　　4.1.2旋轉(zhuǎn)—直線運動單元傳動系統(tǒng)設計計算</p><p>　　移動部件尺寸及重量估算</p><p>　　根據(jù)采用的光幕傳感器LS-7070的外形尺寸，確定承載光幕傳

43、感器的連接臺的尺寸（長×寬×高）為300×108×87，材質(zhì)為鋼，計算其重量為</p><p>　　光幕傳感器LS-7070的重量約為20N，因此移動部件的總重量G=(220+20)N=240N。</p><p><b>　　滾動導軌的確定</b></p><p><b>　?。?）滾動導軌形式

44、</b></p><p>　　滾動導軌形式選擇雙V型滾珠鋼制淬火導軌。</p><p><b>　?。?）導軌長度</b></p><p>　　根據(jù)350mm的行程范圍及連接臺的尺寸，確定：</p><p>　　動導軌長度lB=100mm</p><p>　　動導軌行程

45、l=350mm</p><p>　　支承導軌長度L=lB＋l=450mm</p><p>　　保持架長度lG=lB＋l/2=275mm</p><p>　　滾動體尺寸與參數(shù)的確定</p><p>　　滾珠直徑取d=6mm，滾珠數(shù)目</p><p>　　式中，G為導軌所支承的

46、重量；d為滾珠直徑（cm）。動導軌的長度為lB=100mm，取Z=11，兩滾珠之間的距離t=9mm。</p><p><b>　　許用負荷驗算</b></p><p>　　平均每個滾珠上的最大負載Pmax（N）</p><p>　　式中，PH為導軌的預加負荷，按最大負荷的1/2計算。代入數(shù)據(jù)得</p><p>　　對于滾

47、珠導軌，滾珠上的許用負載[P]（N），可用下式計算</p><p>　　式中，d——滾珠直徑（mm）；</p><p>　　K——作用在滾動體橫截面上的假定應力（N/cm2），參加表4-3；</p><p>　　ζ——考慮到導軌硬度的修正系數(shù)，參加表4-4。</p><p>　　表4-3 滾動體橫截面上的假定應力K</p>&l

48、t;p>　　表4-4 導軌硬度的修正系數(shù)</p><p>　　由于選用的是滾珠鋼制淬火導軌，因此選擇K=60（N/cm2），ζ=1，代入公式得</p><p>　　因為Pmax=15.427＜[P]，故導軌可用。</p><p><b>　　滾珠絲杠的設計計算</b></p><p>　?。?）計算絲杠軸向力Fm&

49、lt;/p><p>　　回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置是點位控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，要求能快速移動，因此作用在滾珠絲杠的軸向的力應該以移動部件的慣性力為主，同時包括移動部件的重量作用在滾動導軌上的摩擦力。設系統(tǒng)要求移動部件能在10ms內(nèi)從正向最大移動速度加速到反向最大移動速度，其產(chǎn)生的慣性力F慣</p><p>　　式中，m——移動部件的質(zhì)量（kg）；</p><p>

50、　　vlmax——移動部件最大移動速度（m/s）；</p><p>　　G——移動部件的重量（N）；</p><p><b>　　g——重力加速度;</b></p><p>　　ta——加速時間（s）。</p><p>　　移動部件的重量作用在滾動導軌上的摩擦力F摩</p><p>　　f為滾動導

51、軌的摩擦系數(shù)，f=0.0025~0.005，此處取0.005。</p><p><b>　　絲杠軸向力Fm</b></p><p><b>　?。?）最大動負載C</b></p><p>　　選用滾珠絲杠螺母副的直徑d0時，必須保證在一定的軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)后，在它的滾到上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最

52、大值稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載C，可用下面的公式計算：</p><p>　　式中，L——壽命，以106轉(zhuǎn)為一單位；</p><p>　　n——絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）；</p><p>　　vs ——為最大切削力條件下的進給速度（m/min），此處就取最高移動速度的1/2；</p><p>　　Lo——絲杠導程（mm），根據(jù)表4-5，初選

53、為5mm；</p><p>　　T——使用壽命（h），對數(shù)控機床取15000h；</p><p>　　fw——運轉(zhuǎn)系數(shù)，無沖擊運轉(zhuǎn)情況取1.0~1.2，取1.2。</p><p><b>　　具體計算如下：</b></p><p>　　表4-5 滾珠絲杠螺母副的公稱直徑d0和基本導程L0</p><p

54、>　　注：應優(yōu)先采用有的組合，優(yōu)先組合不夠用時，推薦選用○的組合；只有優(yōu)先組合和推薦組合都不夠用時，才選用黑框內(nèi)的普通組合。</p><p>　?。?）選擇滾珠絲杠螺母副</p><p>　　根據(jù)最大動負載，查滾珠絲杠螺母副標準，可知W1D2005 2.5圈l列外循環(huán)墊片調(diào)整預緊的雙螺母滾母絲杠副，額定動荷為8800N，可滿足要求，選定精度為3級。表4-6為W1D2005 2.5圈l

55、列外循環(huán)墊片調(diào)整預緊的雙螺母滾母的幾何參數(shù)。</p><p>　　（4）絲杠副傳動效率計算</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的傳動效率為</p><p>　　式中，γ——絲杠螺旋升角；</p><p>　　——摩擦角，滾珠絲杠螺母副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003~0.004，其摩擦角約等于10'。</p><p&g

56、t;　　W12004滾珠絲杠螺母副的螺旋升角為3°39'，代入傳動效率公式得</p><p>　　表4-6 W1D2005滾珠絲杠幾何參數(shù)</p><p>　　（5）剛度驗算和穩(wěn)定性核算</p><p>　　由于杠軸向力Fm小，且絲桿的長度較短，因此只要對絲杠螺母及支承絲杠的軸承進行預緊，剛度和穩(wěn)定性是滿足系統(tǒng)要求的。</p>&l

57、t;p><b>　　滾動軸承的選擇</b></p><p>　?。?）深溝球軸承的選擇和驗算</p><p>　　根據(jù)絲杠的公稱直徑d0=20mm可知，絲杠軸頸必定要小于20mm，因此初步選定61802型深溝球軸承，其公稱內(nèi)徑d=15mm，公稱外徑D=24mm，內(nèi)、外圈公稱寬度B=5mm，其他尺寸查看表4-7。</p><p>　　圖4-

58、1深溝球軸承的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　表4-7 常用深溝球軸承的基本尺寸與數(shù)據(jù)（部分）</p><p>　　軸承的尺寸可根據(jù)額定動載荷來選擇。如果軸承的預期壽命Lh和轉(zhuǎn)速n已知，可按下列公式求取軸承所需基本額定動載荷C'</p><p>　　式中，Lh——預期壽命，對于機床，取值為20000~30000h；</p><p>　　P

59、——當量動載荷（N）；</p><p>　　ft——溫度系數(shù)，見表4-8；</p><p>　　——壽命指數(shù)，球軸承=3；</p><p>　　Fr——徑向載荷（N）；</p><p>　　Fa——軸向載荷（N）；</p><p>　　X——徑向動載荷系數(shù)；</p><p>　　Y——軸向動載荷

60、系數(shù)。</p><p>　　深溝球軸承當量動載荷的計算系數(shù)X，Y的取值見表4-9。</p><p>　　根據(jù)基本額定動載荷C'可以很方便從表3-3選定基本額定動載荷C≥C'的軸承型號。</p><p>　　表4-8 溫度系數(shù)ft</p><p>　　表4-9深溝球軸承載荷系數(shù)X、Y</p><p>&l

61、t;b>　　下面開始具體計算：</b></p><p>　　軸向載荷Fa 軸向載荷等于絲杠的進給牽引力，為180.79N；</p><p>　　徑向載荷Fr移動部件的總重量240N，絲杠由2個深溝球軸承支承著。為簡便計算，并從安全的角度考慮，取每個深溝球軸承的徑向載荷為120N。</p><p><b>　　載荷系數(shù)X、Y</

62、b></p><p>　　61802的徑向基本額定靜載荷C0r=1300N，</p><p>　　查表4-9，得e=0.32。因為選擇的是單列深溝球軸承，計算</p><p>　　因此選擇X=0.56，Y=1.38，當量動載荷</p><p>　　溫度系數(shù)ft選擇為1</p><p>　　轉(zhuǎn)速n在前面求絲杠的最大

63、動負載時已經(jīng)求的，為n=220r/min</p><p><b>　　基本額定動載荷</b></p><p>　　故61802型軸承滿足要求。</p><p>　　推力球軸承的選擇和驗算</p><p>　　初步選定了51102推力球軸承，下面驗算它是否滿足要求。</p><p>　　對于5100

64、0型推力球軸承，當量動載荷P就等于絲杠的進給牽引力。其基本額定動載荷</p><p>　　其中，Ca為軸向基本額定動載荷，通過查表4-10得到。因此，該推力球軸承滿足要求。</p><p>　　圖4-2 51000型推力球軸承</p><p>　　表4-10 單向球軸承的基本尺寸與數(shù)據(jù)（部分）</p><p>　　51102單向推力球軸承的公

65、稱外徑D=28mm，大于所選擇的61802深溝球軸承的公稱外徑D=24mm，因此有必要把深溝球軸承的外徑選擇大一點，因此重新選擇深16002溝球軸承型號，它是滿足設計要求的，無需再次驗算。</p><p><b>　　傳動比計算</b></p><p>　　已確定脈沖當量δp=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠導程L0=5mm，初選步進電動機步距角為0.75°，計

66、算傳動比i</p><p><b>　　采用一級降速，由</b></p><p><b>　　得</b></p><p>　　齒輪的模數(shù)取m=2。由于只有一級齒輪，因此選用調(diào)整中心距的方法來消除齒輪間隙。齒輪有關參數(shù)參照表4-11。</p><p>　　表4-11傳動齒輪幾何參數(shù)</p>

67、<p>　　步進電動機的計算和選型</p><p>　　步進電動機驅(qū)動慣性體時的運動方程為：</p><p>　　式中，JM——步進電動機轉(zhuǎn)子慣量（kg·cm2）；</p><p>　　JL——負載折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量（kg·cm2）；</p><p>　　ω——步進電動機角速度（rad/s)；&l

68、t;/p><p>　　TL——等效負載轉(zhuǎn)矩（N·cm）；</p><p>　　Ta——加速轉(zhuǎn)矩（N·cm）；</p><p>　　T——步進電機所需轉(zhuǎn)矩（N·cm）。</p><p>　　加速轉(zhuǎn)矩Ta在變速區(qū)內(nèi)進行驅(qū)動時根據(jù)加減速而定。如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 直線加速、

69、減速圖形</p><p>　　直線加速時加速轉(zhuǎn)矩Ta</p><p>　　式中， f1——自啟動區(qū)的脈沖速度（pps)；</p><p>　　f2——變速區(qū)的脈沖速度（pps)；</p><p>　　t1——加速時間（s）；</p><p>　　b——步距角（°/步）。</p><p>

70、;　　根據(jù)步進電動機驅(qū)動慣性體時的運動方程來計算所需轉(zhuǎn)矩時，需要知道等效負載轉(zhuǎn)矩TL、加速轉(zhuǎn)矩Ta、等效轉(zhuǎn)動慣量JL、電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM及加速時間t1。由于尚未選取具體型號的步進電動機，轉(zhuǎn)動慣量JM是未知的，因此計算時加速轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)動慣量JM不加進去，算出來后的再乘以一個1.3的安全系數(shù)就是所需的加速轉(zhuǎn)矩。下面進行具體的計算。</p><p>　　（1）等效負載慣量JL</p><p>

71、;　　負載折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量JL（kg·cm2）</p><p>　　式中，J1——齒輪Z1其軸的轉(zhuǎn)動慣量（kg·cm2）；</p><p>　　J4——齒輪Z4的轉(zhuǎn)動慣量（kg·cm2）；</p><p>　　Js——絲杠轉(zhuǎn)動慣量（kg·cm2）；</p><p>　　L0——絲杠導程（c

72、m）；</p><p>　　G——移動部件重量（N）。</p><p>　　對于鋼質(zhì)圓柱體，其轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　其中，D——圓柱體直徑（cm）；</p><p>　　L——圓柱體長度（cm）。</p><p>　　齒輪的直徑級寬度前面已經(jīng)算出，絲杠的長度根據(jù)行程范圍及移動部件的尺寸確定為500mm，齒輪與絲

73、杠的轉(zhuǎn)動慣量如下：</p><p><b>　　G=240N</b></p><p><b>　　代入公式得</b></p><p>　　估算步進電動機起動轉(zhuǎn)矩Tq（N·cm）</p><p>　　步進電動機起動轉(zhuǎn)矩Tq（N·cm）</p><p>　　式

74、中，TL——等效負載轉(zhuǎn)矩（N·cm）；</p><p>　　Tamax——最大加速轉(zhuǎn)矩（N·cm）。</p><p>　　最大加速轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)負載的最大加速轉(zhuǎn)矩乘以一定的安全系數(shù)來估算步進電動機的起動轉(zhuǎn)矩，然后初步選定步進電動機型號。</p><p>　　設電機起動加速到最大轉(zhuǎn)速的起動加速時間ta=0.03s，則最大負載加速度轉(zhuǎn)矩TLamax（N

75、·cm）</p><p>　　式中，JL——負載折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量（kg·cm2）；</p><p>　　ε——電機最大角加速度（rad/s2)；</p><p>　　nmax——電機最大轉(zhuǎn)速（r/min）；</p><p>　　vmax——最大移動速度轉(zhuǎn)速（mm/min），2200mm/min；</p&

76、gt;<p>　　ta——加速時間（s），0.03s；</p><p>　　b——步距角（°/步），0.75°/步；</p><p>　　δp——脈沖當量（mm/步），0.01mm/步。</p><p>　　起動加速轉(zhuǎn)矩Tamax（N·cm）等于負載加速轉(zhuǎn)矩TLamax（N·cm）乘以一個1.3的安全系數(shù)估算得到

77、</p><p>　　等效負載轉(zhuǎn)矩TL（N·cm）可以由下式計算：</p><p>　　式中，Tf——等效摩擦轉(zhuǎn)矩（N·cm）；</p><p>　　To——附加摩擦轉(zhuǎn)矩（N·cm）；</p><p>　　Fo——導軌的摩擦力（N）；</p><p>　　G——橫向移動部件的重量，單位為N

78、；</p><p>　　f——導軌的摩擦系數(shù)；</p><p>　　Lo——滾珠絲杠導程（cm）；</p><p><b>　　i——齒輪傳動比；</b></p><p>　　Fpo——滾珠絲杠預加負荷（N），一般軸向力的1/3；</p><p>　　ηo——滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取≥0

79、.9</p><p>　　η——傳動鏈總效率，一般可取0.7~0.85。</p><p>　　由于軸向力和摩擦力都比較小，因此在估計起動轉(zhuǎn)矩時，等效負載轉(zhuǎn)矩可以忽略，起動轉(zhuǎn)矩近似等于最大加速轉(zhuǎn)矩，即</p><p>　?。?）計算最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax</p><p>　　最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax表示步進電動機所能承受的最大靜態(tài)負載轉(zhuǎn)矩，與起動轉(zhuǎn)矩

80、的關系見表4-12。最大靜轉(zhuǎn)矩與步進電動機的通電方式有關，可根據(jù)它在步進電動機技術(shù)手冊中初選步進電動機。</p><p>　　表4-12步進電機啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關系</p><p><b>　　若取三相6拍，則</b></p><p><b>　　若取五相10拍，則</b></p><p>　

81、?。?）最高起動頻率fk（Hz）</p><p>　　式中， vmax——最大移動速度（m/min），為2.2m/min；</p><p>　　δp——脈沖當量（mm/步），為0.01mm/步。</p><p>　　（5）初選步進電動機型號</p><p>　　根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax步進電動機技術(shù)手冊中查出90BF004的最大靜轉(zhuǎn)矩

82、為245N·cm大于五相10拍時的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax=53.48N·cm，而且有較大的余量，因此決定選用90BF004步進電動機。從表中看出，90BF004步進電動機的最高空載起動頻率為4000Hz,，能滿足fk（3666.7Hz）的要求。</p><p><b>　　校核轉(zhuǎn)矩</b></p><p>　　90BF004的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM=1.

83、8N·cm，因此傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量J（kg·cm2）為</p><p>　　步進電動機起動轉(zhuǎn)矩Tq（N·cm）</p><p>　　最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax（N·cm）</p><p>　　90BF004的最大靜轉(zhuǎn)矩為245N·cm大于五相10拍時的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax=71.42N·cm，

84、而且有較大的余量，因此90BF004滿足轉(zhuǎn)矩要求。</p><p><b>　　因為</b></p><p>　　因此滿足負載匹配要求。</p><p>　　最后，選擇90BF004步進電動機作為旋轉(zhuǎn)—運動單元傳動系統(tǒng)的驅(qū)動機構(gòu)。</p><p>　　4.2機械部分結(jié)構(gòu)設計</p><p>　　經(jīng)

85、過計算，此次回轉(zhuǎn)體數(shù)控測量裝置回轉(zhuǎn)單元采用90BF006型步進電動機，經(jīng)過兩對齒輪減速，齒輪齒數(shù)Z1=20，Z2=36，Z3=20，Z4=40，模數(shù)m=2；直線單元采用90BF004型步進電動機，經(jīng)一對齒輪減速，齒輪齒數(shù)Z1=24，Z2=25，模數(shù)m=2，滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，滾絲杠螺母副選用的是W1D2005 2.5圈l列外循環(huán)墊片調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲杠螺母副。</p><p>　　附圖A為回轉(zhuǎn)體

86、數(shù)控測量裝置裝配圖，設計時可以考慮以下問題：</p><p>　　為減小摩擦力，直線單元采用雙V型滾動導軌，用方頭長圓柱緊定螺釘66對導軌進行預緊，調(diào)好以后，再用內(nèi)六角圓柱頭螺釘69鎖緊。一共采用了14個方頭長圓柱緊定螺釘和16各內(nèi)六角圓柱頭螺釘對導軌進行預緊和鎖緊。</p><p>　　滾珠絲杠兩端通過軸承和軸承座進行支承，為保證滾珠絲杠與滾動導軌在垂直面的平行度，需要利用軸承座螺釘過孔

87、來調(diào)整。調(diào)整方法是，先調(diào)松軸承座緊固螺釘45，然后左右微微移動兩個軸承座，指導絲杠轉(zhuǎn)動靈活后，調(diào)緊緊固螺釘45，并打入圓錐銷48定位。滾珠絲杠與滾動導軌在水平面的平行度靠刮研軸承座底面，或通過在軸承座和底座之間加裝墊片，靠修磨墊片的厚度來保證水平方向的平行度。</p><p>　　3、滾珠絲杠左右各采用一個深溝球軸承和推力球軸承，以支承絲杠和進行軸向固定。當絲杠受到向左的軸向力時，，通過絲杠右端的圓螺母傳給推力球

88、軸承動圈、鋼球，經(jīng)不動圈傳給軸承座端蓋再傳到底座。當絲杠受到向右的軸向力時，通過絲杠左端的圓螺母傳給推力球軸承動圈、鋼球，經(jīng)不動圈傳給軸承座端蓋再傳到底座?；剞D(zhuǎn)單元的主軸采用兩個深溝球軸承和一個推力球軸承來進行支承和軸向固定。由于主軸只有在一個方向有軸向力的作用，因此只采用了一個推力球軸承，其軸向固定的過程是這樣的，當主軸受到頂尖通過工件作用的向左的軸向力時，主軸的軸頸就作用推力球軸承的動圈，經(jīng)過鋼球傳到不動圈、擋圈、深溝球軸承外圈、軸

89、承端蓋，最后到主軸箱。向右的軸向力非常小，深溝球也具有承受一定的軸向載荷的能力，因此不再采用推力球軸承。必須注意絲杠所受的軸向力必須傳到底座上，另外要注意推力球軸承不動圈和軸頸之間必須畫出空隙。</p><p>　　4、本設計中回轉(zhuǎn)單元齒輪的消除間隙采用了兩個薄片齒輪，中間開有三個月牙形的槽放入壓簧，并用三個內(nèi)六角圓柱頭螺釘8固定。這種消隙齒輪的裝配順序是：首先將雙片齒輪相對轉(zhuǎn)動一個齒距，使雙片齒輪的齒對齊，彈簧

90、受壓，上緊螺釘，裝入箱體后，將螺釘松開，彈簧將雙片齒輪沿周向錯開，以消除齒輪間隙，然后將螺釘上緊。因而在設計時，要留有可伸入六角扳手的孔。彈簧兩端用削編的銷子壓住。直線單元齒輪的間隙采用調(diào)整中心距法來消除。因為步進電動機90BF004是以Ф70H8/h7止口在齒輪箱56上定位，刮研齒輪箱56的底座，可使電機及小齒輪31的中心下降，這樣就減少大小齒輪的中心距，消除齒輪的間隙。當然，也可以在齒輪箱56和底座之間加墊片，用修磨墊片的厚度來改變

91、兩齒輪的中心距，從而消除齒輪間隙。</p><p>　　第五章 微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計</p><p>　　5.1單片微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計內(nèi)容</p><p>　　當前，在經(jīng)濟型數(shù)控機床控制系統(tǒng)中廣泛采用美國Intel 公司的MCS-51系列單片計算機，因此本章著重介紹用MCS-51系列單片微機構(gòu)成的控制系統(tǒng)的設計內(nèi)容，方法及步驟。</p>

92、<p>　　單片微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計包括以下幾部分內(nèi)容：</p><p>　　1、繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　根據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)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。硬件是組成系統(tǒng)的基礎，有了硬件，軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控

93、系統(tǒng)性能指標。</p><p>　　車床硬件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>　?。?）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，即I/O輸入/輸出接口電路。&

94、lt;/p><p>　　（5）外圍設備，如鍵盤，顯示器及光電輸入機等。見圖3.1</p><p>　　圖4.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）</p><p>　　2、選擇中央處理單元CPU的類型</p><p>　　在微機應用系統(tǒng)中，CPU的選型應考慮以下因素：</p><p>　?。?）時鐘頻率和字長，這個指標將控制數(shù)

95、據(jù)處理的速度。</p><p>　?。?）可擴展存儲器（包括ROM和RAM）的容量。</p><p>　?。?）指令系統(tǒng)功能，影響編程的靈活性。</p><p>　?。?）I/O擴展的能力，即對外設控制的能力。</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

96、應用場合、控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟價格比等經(jīng)濟性的要求。</p><p>　　目前在經(jīng)濟型數(shù)控機床中，推薦使用MCS-51系列單片微機作為主控制器。</p><p>　　3、存儲器擴展電路設計</p><p>　　存儲器擴展電路設計應該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展。</p><p>　　在選擇程序存儲器芯片時，要考慮CPU與EP

97、ROM時序的匹配，還應考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。</p><p>　　在存儲器擴展電路的設計中還應該包括地址鎖存器和譯碼電路的設計。</p><p>　　4、I/O即輸入/輸出接口電路設計</p><p>　　應包括接口芯片的選擇，步進電機控制電路，鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設計（例如復位電路，越界報警電路，掉電保護電路等）。</p&

98、gt;<p>　　此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設，這些部分的電路設計也應包括。</p><p>　　5.2 MCS-51系列單片機簡介</p><p>　　MCS-51系列單片微機是美國Intel公司在MCS-48系列單片微機基礎上推出的產(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)良的單片機系統(tǒng)，在我國已廣泛地應用于經(jīng)

99、濟型數(shù)控機床。</p><p>　　MCS-51系列單片機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，所以適合于開發(fā)樣機，小批量生產(chǎn)和需要在現(xiàn)場進一步完善的場合。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，適用于需擴展R

100、OM，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應用場合，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>　　1、8031單片機的基本特征</p><p>　　8031單片機具有以下特點：</p><p>　?。?）具有功能很強的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

101、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>　?。?）具有4個I/O口，32根I/O線。</p><p>　?。?）具有2個1

102、6位定時器/計數(shù)器。</p><p>　　（8）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>　?。?0）具有位尋址能力，適用邏輯運算。</p><p>　　圖4.2 8031芯片引腳及功能圖</p><p>　　從上述特性可以看出，一塊8031的功能幾乎相

103、當于一塊Z80CPU、一塊RAM，一塊Z80CTC、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微機系統(tǒng)?？梢钥闯鲞@種芯片集成度高，功能強，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完整的微機系統(tǒng)。</p><p>　　2、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4.2所示</p><p>　　40根引腳按其功能可分為四類：<

104、;/p><p>　?。?） 電源線2根 </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>　　（2） 晶振：2根</b></p><p>　　XTAL1：振蕩器的反相放大器輸入。使用

105、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，其功能如下：</p><p>　　1）P0.0～P0.7 （AD0～AD7）</p><p>　　是I/O

106、端口O的引腳，端口O是一個8位漏極開路的雙向I/O端口。在存取外部存儲器時，該端口分時地用作低8位的地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口。（在此時內(nèi)部上拉電阻有效）</p><p>　　2）P1.0～P1.7</p><p>　　端口1的引腳，是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。</p><p>　　3）P2.0～P2.7 （A8～A15）</

107、p><p>　　端口2的引腳。端口2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址A8～A15</p><p>　　4）P3.0～P3.7</p><p>　　端口3的引腳。端口3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口，該口的每一位均可獨立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時，口的結(jié)構(gòu)與操作與P1口完全相同，第二功

108、能如下示：</p><p>　　口引腳 第二功能</p><p>　　P3.0 RXD（串行輸入口）</p><p>　　P3.1 TXD（串行輸出口）</p><p>　　P3.2 （外部中斷）</p><p>　　P3.3

109、 （外部中斷）</p><p>　　P3.4 T0（定時器0外部輸入）</p><p>　　P3.5 T1（定時器1外部輸入）</p><p>　　P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）</p><p>　　P3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲

110、器讀選通）</p><p>　　由上面看出，單片機和Z—80單板機不同，不是將地址總線，數(shù)據(jù)總線和控制總線分開，而是地址線、數(shù)據(jù)線和部分控制均由I/O口完成。</p><p><b>　　（4）控制線</b></p><p>　　1）：程序存儲器的使能引腳，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，在每個機器周期內(nèi)二次有

111、效。</p><p>　　2）：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8751EPROM編程時+21V的編程電源輸入端。</p><p>　　3）：ALE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

112、鎖存低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>　　4）:是復位/備用電源端。在振蕩器運行時，使RST行腳至少保持兩個機器周期位高電平，可實現(xiàn)復位操作，復位后程序計數(shù)器清零，即程序從0000H單元開始執(zhí)行。在VCC關斷前加上VP

113、D（掉電保護）RAM的內(nèi)容將不變。</p><p>　　3、8031芯片的存儲器結(jié)構(gòu)及地址分配</p><p>　　8031芯片內(nèi)部無程序存儲器，只有256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，地址從00H~FFH。其地址分配如下圖3.3所示：</p><p>　　8031芯片內(nèi)部256字節(jié)的空間被分為兩部分，其中內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）地址為00H~7FH，特殊功能寄存器（SFR）的

114、地址為80H~FFH。在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中的00H~1FH為四個工作寄存器區(qū)，其中：</p><p>　　0區(qū) 00H~07H</p><p>　　1區(qū) 08H~0FH</p><p>　　2區(qū) 10H~17H</p><p>　　3區(qū) 18H~1FH</p><p>　　每個區(qū)都有8個8

115、位寄存器R0～R7?？梢杂脕頃捍孢\算的中間結(jié)果以提高運算速度，其中的R0和R1還可以用來存放8位地址。要確定采用哪個工作寄存器區(qū)，可通過標志寄存器PSW中的RS0、RS1輛未來指定。</p><p>　　從20H~2FH是“位尋址”空間：在此空間中CPU既可對其執(zhí)行按字節(jié)操作，又可對其中每個單元的8位二進制代碼執(zhí)行按位的操作。</p><p>　　從30H~7FH是可以按字節(jié)尋址的數(shù)據(jù)緩沖

116、區(qū)，在此區(qū)域中可以設置堆棧。由于8031復位后堆棧指針SP指向工作寄存器區(qū)（即SP=07H），所以必須在初始化程序中對SP設置30H以后的地址區(qū)間為初值。</p><p>　　圖4.3 8031芯片存儲器結(jié)構(gòu)</p><p>　　8031芯片內(nèi)部設有程序存儲器，且僅有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，因而在組成控制系統(tǒng)時可根據(jù)需要擴展外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器。由于地址線是16位的，故最多能擴

117、展64K程序存儲器和64K數(shù)據(jù)存儲器，其地址均為0000H~FFFFH，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器為獨立編址；因此EPROM和TAM的地址分配比較自由，編程時不必考慮地址沖突問題。</p><p>　　4、特殊功能寄存器 </p><p>　　8031芯片內(nèi)的特殊功能（SFR）是用于對片內(nèi)各功能模塊進行管理、監(jiān)視、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器。是一個具有特殊功能的RAM區(qū)，其地址為80H~F

118、FH。這些特殊功能寄存器的地址分配見表3.1：</p><p>　　表3.1特殊功能寄存器名稱及地址</p><p>　　表中PSW是程序狀態(tài)寄存器，其功能如表4.2.</p><p>　　內(nèi)放標志寄存器，置位或清零，表示操作結(jié)果的某些特性。加1、減1指令不影響這些標志。</p><p>　　溢出標志OV和進位標志CY是兩種性質(zhì)不同的標志。溢