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1、河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目：普通銑床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 系 部： 專業(yè)名稱： 班級(jí)名稱： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 年 月 日 目 錄 摘要 2 第一章

2、 三坐標(biāo)數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)和計(jì)算 3 1.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 1.2主軸系統(tǒng)計(jì)算 17 1.3進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 19 1.4進(jìn)給傳動(dòng)的計(jì)算 21 第二章 微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 34 2.1微機(jī)控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn) 34 2.2 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 35 2.3 程序部分 42 結(jié)論 46 參考文獻(xiàn) 47 致 謝 48 摘 要 我所設(shè)計(jì)的畢業(yè)課題為“普通銑床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)”。對(duì)于機(jī)床的設(shè)計(jì)來說 ，我首先對(duì)所要設(shè)計(jì)的機(jī)床進(jìn)行技術(shù)調(diào)查，查閱了國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)資料，在此基礎(chǔ)上，對(duì)其用途范圍、性能指標(biāo)、方案對(duì)比等進(jìn)行論證分析。對(duì)于通

3、用機(jī)床我更是查閱了大量的國內(nèi)外有關(guān)銑床的資料后，擬定了此機(jī)床的總體方案為立式銑床。然后根據(jù)總體方案的布局形式，規(guī)格參數(shù)，精度性能等要求，對(duì)此機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了專題設(shè)計(jì)。首先是對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)主要功能和主要參數(shù)以及各系統(tǒng)的基本工作原理及其數(shù)控化。數(shù)控化的銑床的定位精度和重復(fù)定位精度明顯提高，獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 關(guān)鍵詞：數(shù)控化改造；定位精度；重復(fù)定位精度；無級(jí)變速；伺服傳動(dòng)系統(tǒng)。 第一章 三坐標(biāo)數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)和計(jì)算 1.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主傳動(dòng)系統(tǒng)一般由動(dòng)力源（如電動(dòng)機(jī)）、變速裝置及執(zhí)

4、行元件（如主軸、刀架、工作臺(tái)），以及開停、換向和制動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成。動(dòng)力源為執(zhí)行元件提供動(dòng)力，并使其得到一定的運(yùn)動(dòng)速度和方向,變速裝置傳遞動(dòng)力以及變換運(yùn)動(dòng)速度，執(zhí)行元件執(zhí)行機(jī)床所需的運(yùn)動(dòng)，完成旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。 現(xiàn)代切削加工正向著高速、高效和高精度方向發(fā)展，對(duì)機(jī)床的性能提出越來越高的要求，如轉(zhuǎn)速高，調(diào)速范圍大，恒扭矩調(diào)速范圍達(dá)1：100～1：1000，恒功率調(diào)速范圍達(dá)1：10以上；更大的功率范圍達(dá)2.2～250kW，能在切削加工中自動(dòng)變換速度；機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，噪聲小，動(dòng)態(tài)性能好，可靠性高等。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的特點(diǎn)：主傳動(dòng)采用直流或交流電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速；數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和主軸功率特性的匹配

5、設(shè)計(jì)；數(shù)控機(jī)床高速主傳動(dòng)設(shè)計(jì)；數(shù)控機(jī)床采用部件標(biāo)準(zhǔn)、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；數(shù)控機(jī)床的柔性化、復(fù)合化；虛擬軸機(jī)床設(shè)計(jì)。 為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床加工范圍廣、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，要求主傳動(dòng)裝置應(yīng)具有以下特點(diǎn)： （1） 具有較大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。無級(jí)變速傳動(dòng)在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到最有利的切削速度；能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于實(shí)現(xiàn)變速自動(dòng)化；能在負(fù)載下變速，便于車削大端面時(shí)保持恒定的切削速度，以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。 （2） 具有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動(dòng)件的精度與剛度，采用高精度軸承

6、及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。 （3） 良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機(jī)床一般既要進(jìn)行粗加工，又要精加工；加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻 運(yùn)動(dòng)部件不平穩(wěn)以及切削過程中的自激振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具或零件，使加工無法進(jìn)行。因此主傳動(dòng)系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動(dòng)的能力—抗振性?？拐裥?用動(dòng)剛度或動(dòng)柔度來衡量。例如主軸組件的動(dòng)剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度 阻尼比及固有頻率等參數(shù)。 機(jī)床在切削加工中主傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形，破壞了零部件之間

7、的相對(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低傳動(dòng)效率，影響到生產(chǎn)率。為此，要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合精度，并進(jìn)行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實(shí)現(xiàn)。 1 主傳動(dòng)變速系統(tǒng) 普通機(jī)床一般采用機(jī)械有級(jí)變速調(diào)速傳動(dòng)，而數(shù)控機(jī)床需要自動(dòng)變速；且在切削階梯軸的不同直徑，切削曲線旋轉(zhuǎn)面和斷面時(shí)，需要隨切削的直徑的變化而自動(dòng)變速，以保持切削速度基本恒定。這些自動(dòng)變速又是無級(jí)變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選用到理想的切削速度，這樣既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。 機(jī)床主傳動(dòng)中常采用的無級(jí)變速裝置有三大類：變速電動(dòng)機(jī)、機(jī)械無級(jí)變速裝置和液壓無級(jí)變速

8、裝置。 無級(jí)變速主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則： 一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動(dòng)系統(tǒng)要求的無級(jí)變速裝置。如銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)要求恒功率傳動(dòng)，就應(yīng)該選擇恒功率無級(jí)變速裝置。 二為無級(jí)變速系統(tǒng)裝置單獨(dú)使用時(shí)，其調(diào)速范圍較小，尤其是恒功率調(diào)速范圍往往小于機(jī)床實(shí)際需要的恒功率變速范圍。為此，常把無級(jí)變速裝置與機(jī)械分級(jí)變速箱串聯(lián)在一起使用，以擴(kuò)大恒功率變速范圍和整個(gè)變速范圍。 （1） 主軸部件設(shè)計(jì) 主軸部件的性能要求 主軸部件是機(jī)床主要部件之一，它是機(jī)床的執(zhí)行元件。它的功用是支承并帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷，完成表面成型運(yùn)動(dòng)。主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動(dòng)件、密封件及定位元件

9、等組成。 主軸部件的工作性能對(duì)整機(jī)性能和加工質(zhì)量以及機(jī)床生產(chǎn)效率有著直接影響，是決定機(jī)床性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素。因此，對(duì)主軸部件有如下要求： ① 軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷、低速轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的7：24錐孔）的徑向和軸向跳動(dòng)。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤滑劑和主軸組件的平衡。 ② 剛度 主軸部件的剛度是指其在外載荷作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性變形時(shí)，在位移方向上所施加的作用力來定義的。主軸

10、部件的剛度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、滾動(dòng)軸承的類型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動(dòng)件的布置方式、主軸部件的制造和裝配質(zhì)量等都影響主軸部件的剛度。 ③ 溫升 因?yàn)橄鄬?duì)運(yùn)動(dòng)處的摩擦生熱，切削取得切削熱等使主軸溫度升高將引起熱變形使主軸伸長，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會(huì)降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，各類機(jī)床對(duì)溫升都有一定的限制。 ④ 可靠性 數(shù)控機(jī)床是高度自動(dòng)化的機(jī)床，所以必須保證工作可靠性，可喜的是這方面的研究正在發(fā)展。 ⑤ 精度保持性 它指長期保持其原始制造精度的能力。對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。

11、（2） 主軸部件的組成和軸承選型 ① 主軸部件，它由主軸及其支承軸承、傳動(dòng)件、密封件及定位元件等組成。 ② 主軸的傳動(dòng)件，可以位于前后支承之間，也可位于后支承之后的主軸后懸伸端。目前傳動(dòng)件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實(shí)現(xiàn)分離傳動(dòng)和模塊化設(shè)計(jì)：主軸組件（稱為主軸單元）和變速箱可以做成獨(dú)立的功能部件，又專門的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。變速箱和主軸間可用齒輪副或帶傳動(dòng)聯(lián)接。本三坐標(biāo)曲面數(shù)控銑床采用帶傳動(dòng)聯(lián)接。主軸支承分徑向和推力（軸向）。角接觸球軸承兼起徑向和推力支承的作用。推力支承應(yīng)位于前支承內(nèi)，原因是數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)原點(diǎn)，常設(shè)定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標(biāo)原點(diǎn)的位移，應(yīng)盡量縮

12、短坐標(biāo)原點(diǎn)支推力支承之間的距離。 ③ 主軸軸承，選用角接觸球軸承。這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。這種球軸承為點(diǎn)接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常采用多聯(lián)組配的辦法。有三種基本組配方式，分別為背對(duì)背，面對(duì)面和同向組配，背靠背和面對(duì)面組配都能受雙向軸向載荷；同向組配只能承受單向軸向載荷。背對(duì)背比面對(duì)面安裝的軸承具有較高的抗顛覆力矩的能力。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承的外圈的散熱條件比內(nèi)圈好，因此，內(nèi)圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結(jié)果將使軸承的過盈加大。軸向膨脹對(duì)與背靠背組配將使過盈減少，于是，可以補(bǔ)償一部分徑向膨脹；而對(duì)于面對(duì)面組配，將使過盈進(jìn)一步加大。基于上述分析，主軸受到彎距，又屬高速

13、運(yùn)轉(zhuǎn)，因此主軸軸承必須采用背靠背組配。 ④ 角接觸角軸承的間隙調(diào)整和預(yù)緊 主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整，多數(shù)軸承，還應(yīng)在過盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動(dòng)體和導(dǎo)軌之間有一定的預(yù)變形，這就是軸承的預(yù)緊。 軸承預(yù)緊后，內(nèi)部無間隙，滾動(dòng)體從各個(gè)方向支承主軸，有利于提高運(yùn)動(dòng)精度。滾動(dòng)體的直徑不可能絕對(duì)相等，滾道也不可能絕對(duì)正圓，因而在預(yù)緊前只有部分滾導(dǎo)體與滾道接觸。預(yù)緊后，滾導(dǎo)體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動(dòng)體將增多，各滾動(dòng)體的受力將更加均勻。這些都有利提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動(dòng)，則由于各個(gè)方面都有滾動(dòng)體支承，可以提高抗振性。但是，預(yù)緊后發(fā)熱較多，溫升較高；而且較大的預(yù)緊力將使壽

14、命下降，故預(yù)緊要適量。 角接觸角軸承在軸向力的作用下，使內(nèi)外圈產(chǎn)生軸向錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，衡量預(yù)緊力大小的是軸向預(yù)緊力，簡稱預(yù)緊力Fa0，單位為N。多聯(lián)角接角球軸承是根據(jù)預(yù)緊力組配的。軸承廠規(guī)定了輕預(yù)緊、中預(yù)緊和重預(yù)緊三級(jí)預(yù)緊。訂貨時(shí)可指定預(yù)緊級(jí)別。軸承廠在內(nèi)圈（背靠背組配）或外圈（面對(duì)面組配）的端面根據(jù)預(yù)緊力磨去δ。裝配時(shí)擠緊，便可得到預(yù)定的預(yù)緊力。如果兩個(gè)軸承間需要隔開一定的距離，可在兩軸承之間加入厚度相同的內(nèi)外隔套。在軸向載荷的作用下，不受力側(cè)軸承的滾動(dòng)體與滾道不能脫離接觸。而滿足這個(gè)條件的最小預(yù)緊力，雙聯(lián)組配為最大軸向載荷的35%。 ⑤ 承載能力和壽命 主軸軸承通常載荷相對(duì)較輕。一些特

15、殊重載主軸外軸承的承載能力是沒有問題的。主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點(diǎn)蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為P4級(jí)，經(jīng)使用磨損后跳動(dòng)精度降為P5級(jí),這個(gè)軸承就認(rèn)為應(yīng)該更換了。雖然還未達(dá)到其疲勞壽命，但這種“精度壽命”目前還難以估計(jì)。 (3) 主軸組件的動(dòng)態(tài)特性 通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸，特別是帶內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)高速主軸，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動(dòng)態(tài)特性，可采取下列措施： ① 是主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。通常使固有頻率高于激振頻率的30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎(chǔ)上（軸承）的剛體振動(dòng)的第一階（

16、平移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動(dòng)，則應(yīng)提高主軸的剛度，如加粗直徑。 激振力可能來自主軸組件的不平衡，這時(shí)激振頻率等于主軸轉(zhuǎn)速乘以 π/30。也可能來自斷續(xù)切削，這時(shí)激振頻率還應(yīng)乘以刀齒數(shù)Z。 ② 增大阻尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動(dòng)。這時(shí)主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對(duì)主軸組件的抗振性影響很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動(dòng)軸承適當(dāng)預(yù)緊可以增大阻尼，但過大的預(yù)緊反而使阻尼減少，故選擇預(yù)緊時(shí)還因考慮阻尼因素。 ③ 采用消振裝置。 （4） 主軸軸承的潤滑 滾動(dòng)軸承在接觸區(qū)的壓強(qiáng)很高，在這么高的壓強(qiáng)下，接觸區(qū)產(chǎn)生變形，是一塊小面積的接

17、觸而不是一條線或一個(gè)點(diǎn)的接觸；潤滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動(dòng)體與滾道的接觸區(qū)，形成一定厚度的油膜，把兩者隔開，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動(dòng)軸承所需的潤滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤滑，還有用油氣潤滑的。 ① 脂潤滑 滾動(dòng)軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點(diǎn)之一。脂潤滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油問題。如果脂的選擇合適、潔凈、密封良好，不使灰塵、油、切削液等進(jìn)入，壽命是很長的。一次充填可用到大修，不需補(bǔ)充，也不要加脂孔。 脂潤滑可選用鋰基脂，如SKFLGLT2號(hào)（常用于球軸承）。 ② 油氣潤滑 如果dn值較大時(shí)，還需對(duì)軸承進(jìn)行冷卻。如果用油兼作潤滑和冷卻，則由于油

18、的攪拌作用，溫升反而會(huì)增加。最好用油潤滑，用空氣冷卻。油霧潤滑能達(dá)到這個(gè)目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤滑：在吹向軸承的空氣中定期地注入油，油并不霧化，用后可回收，不污染環(huán)境。油 用于潤滑，空氣用于冷卻。 1.2 主軸系統(tǒng)計(jì)算 1 V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 三角帶的選用應(yīng)保證有效地傳遞最大功率（不打滑）并有足夠的使用壽命（一定的疲勞強(qiáng)度）。帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容包括確定帶的型號(hào)、基準(zhǔn)長度和根數(shù)；確定帶輪的材料、結(jié)構(gòu)尺寸；確定傳動(dòng)中心距及作用在軸上的力等。 (1) 確定計(jì)算功率P kW 式中：K—工況系數(shù)(工作情況系數(shù))；P—電機(jī)額定功率 Kw

19、 (2) 選擇三角帶型號(hào) 根據(jù)P、n由圖選SPA型 窄V帶 (3) 確定帶輪直徑D、D 小帶輪直徑D應(yīng)滿足：DD，以免帶的彎曲應(yīng)力過大而導(dǎo)致其壽命降低。 查表取D,故選擇D (4) 計(jì)算膠帶速度 故 D選擇合格 D (5) 確定中心距a和帶長L 得 初選 帶長 查表，取 中心距

20、 a的調(diào)整范圍： (6) 驗(yàn)算小帶輪包角 小帶輪包角可按公式求得： 得 ， 即滿足條件。 (7) 確定V帶根數(shù)z V帶根數(shù)Z可按下式計(jì)算： 由表，查得 由表，查得 由表，查得 由表，查得 由表，查得 代入求根公式，得

21、 取z=6,符合表7-4推薦的輪槽數(shù) (8) 確定初拉力 單根V帶合適的初拉力可按下式計(jì)算： 由表得 (9) 計(jì)算作用在軸上的壓力 1.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 對(duì)

22、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 進(jìn)給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于一般機(jī)床的一個(gè)特殊部分。數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。 (1) 穩(wěn)定性 伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)信號(hào)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行,或者在輸入的指令信號(hào)作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù)（如慣性、剛度、阻尼、增益等），，與外界的作用信號(hào)（包括指令信號(hào)或擾動(dòng)信號(hào)）的性質(zhì)或形式無關(guān)。 (2) 精度 伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)現(xiàn)輸

23、入量的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通常存在三種誤差：動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實(shí)際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標(biāo)就行。 (3) 快速響應(yīng)性 快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對(duì)指令輸入信號(hào)的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，傳動(dòng)裝置的加速能力。它直接影響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率。2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 在靜態(tài)設(shè)計(jì)方面有： （1） 能夠克服摩擦力和負(fù)載； （2） 很小的進(jìn)給位移量； （3） 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度； （4） 足夠的調(diào)速范圍； （5） 進(jìn)給速度均勻，在速度很低時(shí)無爬行現(xiàn)象； 在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求有： (1) 具有足夠的加速和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩； (2) 具有

24、良好的動(dòng)態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量； (3) 負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能小； 對(duì)于數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件則有以下要求 (1) 被加速的運(yùn)動(dòng)部件具有較小的慣量； (2) 具有較高的剛度； (3) 良好的阻尼； (4) 傳動(dòng)部件在拉壓剛度、 扭轉(zhuǎn)剛度、 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能 小的非線性。 3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 （1） 時(shí)間響應(yīng)特性 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時(shí)間響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性。 時(shí)間響應(yīng)特性是用來描述系統(tǒng)對(duì)迅速變化的指令能否迅速跟蹤的特性，它由瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)兩部分組成。由于

25、系統(tǒng)包含一些儲(chǔ)能元件，所以當(dāng)輸入量作用于系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)輸出不能立刻跟隨輸入量變化，而是在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定之前表現(xiàn)為瞬態(tài)響應(yīng)過程（或叫過渡過程）。穩(wěn)定響應(yīng)是指當(dāng)時(shí)間t趨向無窮大時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。若在穩(wěn)定時(shí)，輸出和輸入不能完全吻合，就認(rèn)為系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差。 （2） 頻率響應(yīng)特性 時(shí)間響應(yīng)特性是從微分方程出發(fā)，研究系統(tǒng)響應(yīng)隨時(shí)間的變化的規(guī)律，即在已知傳遞函數(shù)的前況下，從系統(tǒng)在階越輸入及斜坡輸入時(shí)間應(yīng)速度及振蕩過程的狀態(tài)中來獲得動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。然而在很多情況下，傳遞函數(shù)不清楚，所以只能由試驗(yàn)的方法來求取動(dòng)態(tài)特性。因此出現(xiàn)頻率響應(yīng)特性法。所謂頻率響應(yīng)特性,就是系統(tǒng)對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)，即它通過研究系統(tǒng)對(duì)正弦輸

26、入信號(hào)的響應(yīng)規(guī)律來獲得啟動(dòng)態(tài)特性。 （3） 快速性分析 所謂快速性分析是指分析系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，快速性反映了系統(tǒng)的瞬態(tài)質(zhì)量。 對(duì)于線性進(jìn)給伺服系統(tǒng)，由于它包含各種電路、機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都有時(shí)間常數(shù)，對(duì)高頻信號(hào)來不及反應(yīng)，只是一個(gè)地通漏波器。這種系統(tǒng)的通頻寬帶，對(duì)高頻信號(hào)響應(yīng)速度快，所以從開環(huán)頻率特性圖看，提高系統(tǒng)的截止頻率，則可以提高閉環(huán)回路的響應(yīng)速度。 1.4 進(jìn)給傳動(dòng)的計(jì)算 1 X軸滾珠絲杠副 (1) 精度 要求：進(jìn)給精度；快速進(jìn)給精度。 (2) 疲勞強(qiáng)度 絲杠的最大載荷為最大進(jìn)給力加摩擦力，最大進(jìn)給力為1625N,工作臺(tái)質(zhì)量700kg,則：

27、① 求計(jì)算載荷Fc 根據(jù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》 計(jì)算載荷 查表取 查表取 查表取 查表取D級(jí)精度 則： ② 計(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算值 取絲杠的工作壽命為, ③ 選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)

28、據(jù)： 公稱直徑 導(dǎo)程 滾珠直徑 按表種尺寸公式計(jì)算： 滾道半徑 偏心距 絲杠內(nèi)徑 ④ 穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動(dòng)，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自由伸縮，如下圖。 a由于一端軸向固定的長絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S] 絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷，并按下式計(jì)算 式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于

29、鋼,E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。 安全系數(shù) 查表，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。 b 高速長絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨界轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。 臨界轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算： 式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，

30、 即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。 c 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求 所以該絲杠副工作穩(wěn)定 ⑤ 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量(m)為： 式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對(duì)鋼；T為轉(zhuǎn)矩。 式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；為平均工作載荷 按最不利的情況取（其中）

31、 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動(dòng)精度的1/2，即 該絲杠的滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。 ⑥ 效率驗(yàn)算 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為 要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，所以合格。 2 Y軸滾珠絲杠副 （1） 精度 要求：進(jìn)給精度 快速進(jìn)給精度 （2） 疲勞強(qiáng)度 絲杠的最

32、大載荷為最大進(jìn)給力加摩擦力，最大進(jìn)給力為1625N,工作臺(tái)質(zhì)量900kg,則： ① 求計(jì)算載荷Fc 根據(jù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》 計(jì)算載荷 查表取 查表取 查表取 查表取D級(jí)精度 則： ② 計(jì)算額定動(dòng)載荷 取絲杠的工作壽命為,

33、 ③ 選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 導(dǎo)程 滾珠直徑 按表種尺寸公式計(jì)算： 滾道半徑 偏心距 絲杠內(nèi)徑 ④ 穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動(dòng)，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自由伸縮，如下圖。 a由于一端軸向固定的長絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值

34、應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S] 絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷,并按下式計(jì)算 式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。 安全系數(shù) 查表，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。 b高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨界轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。 臨界轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：

35、 式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取， 即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。 c此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求 ⑤ 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量(m)為： 式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，

36、；G為絲杠切變模量，對(duì)鋼；T為轉(zhuǎn)矩。 式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；為平均工作載荷 按最不利的情況取（其中） 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動(dòng)精度的1/2，即 該絲杠的滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。 ⑥ 效率驗(yàn)算 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為

37、 要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，所以合格。 3 Z軸滾珠絲杠副 （1）精度 要求：進(jìn)給精度；快速進(jìn)給精度 （2）疲勞強(qiáng)度 絲杠的最大載荷為主軸重量加摩擦力，最小載荷為主軸重量減最大進(jìn)給力的垂直分力。主軸重量為300kg,則： ① 摩擦力

38、根據(jù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》 計(jì)算載荷 查表取 查表取 查表取 查表取D級(jí)精度 則： ② 計(jì)算額定動(dòng)載荷 取絲杠的工作壽命為, ③ 選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 導(dǎo)程 滾珠直徑 按表種尺寸公式計(jì)算： 滾道半徑 偏心距 絲杠內(nèi)徑 ④ 穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向

39、的負(fù)荷。另一端游動(dòng)，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自由伸縮，如下圖。 a 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S] 絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。 安全系數(shù) 查表，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是

40、安全的，不會(huì)失穩(wěn)。 b高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨界轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。 臨界轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算： 式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取， 即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。 c 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求 ⑤ 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量(m)為：

41、 式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對(duì)鋼；T為轉(zhuǎn)矩。 式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；為平均工作載荷 按最不利的情況?。ㄆ渲校? 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動(dòng)精度的1/2，即 該絲杠的滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。 ⑥ 效率驗(yàn)算 滾珠

42、絲杠副的傳動(dòng)效率為 要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，所以合格。 4 滾珠絲杠的安裝與使用 (1) 潤滑 為使?jié)L珠絲杠副能充分發(fā)揮機(jī)能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，潤滑方式主要有以下兩種 ① 潤滑脂 潤滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的1/3，一般滾珠絲杠副在螺母內(nèi)部已加注GB7324-94 2#鋰基潤滑脂； ② 潤滑油 潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)如表所示，但是隨行程、潤滑油的種類、使用條件（熱抑制量）等的不同而有所變化。請(qǐng)注意使用。 表 潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)（間隔3分鐘）

43、 表潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn) 軸 頸 (mm) 給油量 (cc) 4～8 0.03 10～14 0.05 15～18 0.07 20～25 0.10 28～32 0.15 36～40 0.25 45～50 0.30 55～63 0.40 70～100 0.50 100～160 0.60 (2) 防塵 滾珠絲杠副與滾動(dòng)軸承一樣，如果污物及異物進(jìn)入就很快使它磨耗，成為破損的原因。因此，考慮有污物異物（切削碎削）進(jìn)入時(shí)，必須采用防塵裝置（折皺保護(hù)罩、絲杠護(hù)套等），將絲杠軸完全保護(hù)起來。 另外，如沒有異物，但有浮塵時(shí)可在滾珠螺母兩端增加防塵圈，請(qǐng)用戶根

44、據(jù)需要按編號(hào)規(guī)則選定合適規(guī)格型號(hào)。 (3) 使用 滾珠絲杠副在使用時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)： ① 滾珠螺母應(yīng)在有效行程內(nèi)運(yùn)動(dòng)，必要時(shí)要在行程兩端配置限位，以避免螺母越程脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。 ② 滾珠絲杠副由于傳動(dòng)效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動(dòng)時(shí)，如部件重量未加平衡，必須防止傳動(dòng)停止或電機(jī)失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?dòng)。防逆?zhèn)鲃?dòng)方法可用蝸輪蝸桿傳動(dòng)、液壓式電器制動(dòng)器及超越離合器等。 (4) 安裝? 滾珠絲杠副在安裝時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)： ① 滾珠絲杠副僅用于承受軸向負(fù)荷。徑向力、彎矩會(huì)使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應(yīng)力等不良負(fù)荷，從而可能造成絲杠的永久性損壞。因此，滾珠絲杠副安裝

45、到機(jī)床時(shí)應(yīng)注意： a 絲杠的軸線必須和與之配套導(dǎo)軌的軸線平行，機(jī)床的兩端軸承座與螺母座必須三點(diǎn)成一線。 b安裝螺母時(shí)，盡量靠近支撐軸承。 c 同樣安裝支撐軸承時(shí)，盡量靠近螺母安裝部位。 ? ② 滾珠絲杠副安裝到機(jī)床時(shí)，請(qǐng)不要把螺母從絲杠軸上卸下來。如必須卸下來時(shí)，要使用輔助套，否則裝卸時(shí)滾珠有可能脫落。螺母裝卸時(shí)應(yīng)注意下列幾點(diǎn)： a 輔助套外徑應(yīng)小于絲杠底徑0.1～0.2mm； b 輔助套在使用中必須靠緊絲杠螺紋軸肩； c 裝卸時(shí)，不可使過大力以免螺母損壞； d 裝入安裝孔時(shí)要避免撞擊和偏心。 第二章 微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.1微機(jī)控制系統(tǒng)組成及

46、特點(diǎn) 1 微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 微機(jī)控制系統(tǒng)主要由微型計(jì)算機(jī)和伺服系統(tǒng)兩大部份組成，其中微機(jī)又包括硬件和軟件兩部分。 (1) 微機(jī)控制系統(tǒng)基本硬件組成 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)。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下部分組成。 ① 主控制器，即中央處理單元CPU。 ② 存儲(chǔ)器，包括只讀可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 ③ 接口。 (2) 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件 軟件是指為實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能編制的專用程序，它一般由以下幾部分組成： ① 輸入數(shù)據(jù)處理程序 它接受輸入的零件加工程序，用標(biāo)準(zhǔn)代碼表示的加工指令和數(shù)據(jù)整

47、理成便于解釋執(zhí)行的格式后存放。 ② 插補(bǔ)運(yùn)算程序 它完成普通數(shù)控系統(tǒng)中插補(bǔ)器的功能。 ③ 速度控制程序 它根據(jù)給定的速度代碼或每分毫米數(shù)控制插補(bǔ)運(yùn)算的頻率，以保證預(yù)定速度進(jìn)給。 ④ 管理程序和診斷程序 管理程序?qū)?shù)據(jù)輸入、處理及切削加工過程服務(wù)的各個(gè)程序進(jìn)行調(diào)度，還可以對(duì)面板命令、時(shí)鐘信號(hào)、故障信號(hào)等引起的中斷進(jìn)行處理。診斷程序可以在運(yùn)行中及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指示故障類型。 2 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn) （1） 可靠性高。由于采用大規(guī)模集成電路、軟件連接以及自診斷功能，所以大大提高了無故障運(yùn)行時(shí)間，即使有極少的故障也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除。 （2）靈活性強(qiáng)。由于系統(tǒng)的硬件是通用、標(biāo)準(zhǔn)化

48、的，對(duì)于不同機(jī)床的控制要求只需更換可編程只讀存儲(chǔ)器中的系統(tǒng)程序就可實(shí)現(xiàn)。 （3）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。采用大規(guī)模集成電路時(shí)控制框尺寸大為縮小，采用可編程接口又可將M、S、T等順序控制部分邏輯電路與數(shù)控裝置結(jié)合一起，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。 （4）價(jià)格低。采用微機(jī)數(shù)控，使數(shù)控機(jī)床電氣部分成本大為下降，對(duì)功能較齊全的數(shù)控機(jī)床價(jià)格幅度下降更大。 （5）由于微機(jī)的功能強(qiáng)，存儲(chǔ)量大，可實(shí)現(xiàn)多功能控制、多路運(yùn)行控制及數(shù)據(jù)和圖形顯示等，給操作人員和監(jiān)視生產(chǎn)過程帶來方便。 2.2 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 1 主控制器CPU的選擇 目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片由8086、8088、80286、80386、以

49、及8098、8096等16位機(jī)的CPU，也有8080、Z80和8051、8031、8751等8位機(jī)的CPU。但從性能價(jià)格比上，我們常采用MCS-51系列單片機(jī)中的8031作為主控制器。 下面對(duì)各功能部件作進(jìn)一步的說明： （1） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）：片內(nèi)為256個(gè)字節(jié)，片外最多可擴(kuò)至64K字節(jié)。 （2） 程序存儲(chǔ)器（ROM/EPROM）：8031無此部件；8051為4KROM；8751為4KEPROM。片外最多可外擴(kuò)至64K字節(jié)。 （3） 中斷系統(tǒng)：具有5個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 （4） 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有四種工作方式。

50、 （5） 串行口：1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。 （6） P1口、P2口、P3口、P0口：為四個(gè)并行8位I/O口。 （7） 微處理器（CPU）：為8位的CPU，且內(nèi)含一個(gè)1位CPU（位處理器），不僅可處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量處理。MCS-51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)， 8031單片機(jī)包含中央處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。 下圖為8031的引腳圖： MCS-51系列單片機(jī)中的8031采用40Pin封裝的雙列直插式封裝DIP結(jié)構(gòu)，下圖是它們的引腳配置，40個(gè)引腳中，正電源和地線兩根

51、，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根。4組8位共32個(gè)I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。 8031引腳配置圖 2 存儲(chǔ)器電路的擴(kuò)展 （1） 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片，即紫外線可編程的EPROM芯片，其型號(hào)分別為：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分別位2k、4k、8k、16k、32k。在選擇芯片時(shí)，要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配，即8031所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM所要求的讀取時(shí)間。此外，還要考慮最大讀出速度、工作溫度計(jì)存儲(chǔ)器的容量。在滿足容量要求是應(yīng)盡量選擇大容量芯片、以減少芯片數(shù)量，是系統(tǒng)簡化。在本系統(tǒng)中，我

52、們擬采用2764作為擴(kuò)展芯片。 2764與8031主要是三總線的聯(lián)接。2764中的低8位地址線通過地址鎖存器74LS373與8031P0口相聯(lián)。當(dāng)?shù)刂锋i存允許信號(hào)ALE為高電平，則P0口輸出地址有效。8位數(shù)據(jù)線直接與8031 P0口相連，高5位地址線分別與P2.0～P2.4相聯(lián)，OE引腳直接同8031PSEN引腳相聯(lián)，片選信號(hào)CE接地，以便總能選中。由于8031只能選通外部程序存儲(chǔ)器，因而其EA引腳接地。 EPROM2746引腳圖 （2） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 由于8031內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采

53、用6116和6264靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其選用的規(guī)則與EPROM程序存儲(chǔ)器的要求相同。本系統(tǒng)擬采用6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的外擴(kuò)芯片。 6264低8位地址線通過地址鎖存器74LS373與8031 P0口相接，高5位地址線分別與P2.0～P2.4相聯(lián)，8位數(shù)據(jù)線直接接至8031 P0口，讀寫控制引腳OE、WE與8031的讀寫控制引腳RD、WR直接相聯(lián)，片選端CE1通過譯碼電路與8031相聯(lián)。 R AM6264引腳圖 （3） 單片機(jī)鎖存器 74LS373是一片三態(tài)輸出8D觸發(fā)器（3S，鎖存允許輸入有回環(huán)特性）。373 的輸出端D0~D7 可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE

54、為低電平時(shí)，O0~O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng)OE 為高電平時(shí)，O0~O7 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。當(dāng)鎖存允許端LE 為高電平時(shí)，O 隨數(shù)據(jù)D 而變。當(dāng)LE 為低電平時(shí)，O 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng)LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mV 。引出端符號(hào)： D0～D7：數(shù)據(jù)輸入端； OE：三態(tài)允許控制端（低電平有效）； LE：鎖存允許端； Q0-Q：輸出端； 鎖存器74LS373外部管腿 3 I/O口電路的擴(kuò)展 （1） 并行口的擴(kuò)展 8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并

55、行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口及部分P3口線。因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免地要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。通用可編程接口芯片8155具有2k位的靜態(tài)RAM、2個(gè)8位和一個(gè)6位的可編程并行I/O口、一個(gè)14位的計(jì)數(shù)器。由于8155與單片機(jī)的接口簡單，是單片機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的芯片。 8155與8031的聯(lián)接可歸結(jié)為三總線的連接。8155本身具有地址鎖存信號(hào)控制線和地址鎖存器，故可直接將地址、數(shù)據(jù)線AD0～AD7直接與8031口線對(duì)應(yīng)的相連，8155的ALE與8031的ALE直接相連，高8位地址的P2.5～P2.7經(jīng)譯碼器74LS138提供8155的片選信號(hào)CE,IO/M控制端接P2.0口，其它

56、讀寫信號(hào)WR、RD也都對(duì)應(yīng)相連。8155的地址與8031統(tǒng)一編址。 （2） 鍵盤、顯示器接口電路 鍵盤、顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。 本系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的是由4×6鍵和6位LED顯示器組成。為了簡化電路，鍵盤的列線及LED顯示器的段碼共用一個(gè)口，即8155的PB口，鍵盤的行線由8155的PA口提供，LED的字位控制則由PC口經(jīng)74154后提供。 8155各引腳功能說明如下： RST：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。復(fù)位后，3個(gè)端口均為輸入方式。 AD0～AD7：三態(tài)的地址/數(shù)據(jù)總

57、線。與單片機(jī)的低8位地址/數(shù)據(jù)總線（P0口）相連。單片機(jī)與8155之間的地址、數(shù)據(jù)、命令與狀態(tài)信息都是通過這個(gè)總線口傳送的。 ：讀選通信號(hào)，低電平有效。 ：寫選通信號(hào)，低電平有效。 ：片選信號(hào)線，低電平有效。 IO/：8155的RAM存儲(chǔ)器和I/O口選擇。當(dāng)IO/＝0時(shí)，則選擇8155的片內(nèi)RAM，AD0～AD7上地址為8155中RAM單元的地址（00H～FFH）；當(dāng)IO/＝1時(shí)，選擇 8155的I/O口，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，命令/狀態(tài)寄存器 ALE：地址鎖存信號(hào)。8155內(nèi)部設(shè)有地址鎖存器，在ALE的下降沿將單片機(jī)P0口輸出的低8位地址信息及，IO/的狀態(tài)都鎖存到8155內(nèi)部鎖存器

58、。因此，P0口輸出的低8位地址信號(hào)不需外接鎖存器。 PA0～PA7：8位通用I/O口，其輸入、輸出的流向可由程序控制。 PB0～PB7：8位通用I/O口，功能同A口。 PC0～PC5：有兩個(gè)作用，既可作為通用的I/O口，也可作為PA口和PB口的控制信號(hào)線，這些可通過程序控制。 TIMERIN：8155內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器信號(hào)輸入端。 TIMEROUT：8155內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器信號(hào)輸出端。 VCC：＋5V電源 8155集成芯片引腳圖 4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號(hào)控制的電動(dòng)機(jī)。在負(fù)載能力及動(dòng)態(tài)特性范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的角位移僅與控制脈沖成正比。在多數(shù)情況下，用步進(jìn)

59、電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)不需要A/D或D/A轉(zhuǎn)換，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床最主要的一種伺服驅(qū)動(dòng)元件。 （1） 計(jì)算機(jī)接口 在控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的接口電路至關(guān)重要，沒有它將無法實(shí)現(xiàn)微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。如前所述，8031系列單片機(jī)含有4個(gè)并行輸入/輸出口，其中P1口可以提供給用戶使用，作為步進(jìn)電機(jī)及其它控制對(duì)象的接口。也可采用8155或8255A等可編程并行輸入、輸出接口芯片設(shè)計(jì)擴(kuò)展接口電路，來控制步進(jìn)電機(jī)即其它外部設(shè)備。本系統(tǒng)即采用8155的PA口作為步進(jìn)電機(jī)的控制端口。 （2） 脈沖分配器 脈沖分配器又叫做環(huán)形分配器，是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)必不可少的環(huán)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)

60、的控制方式由環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列脈沖指令按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正或反轉(zhuǎn)。在數(shù)控系統(tǒng)中使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。而在本系統(tǒng)中使用的是軟件脈沖分配，通過編程來達(dá)到脈沖分配的目的，從而控制步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組。 （3） 隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高（幾十伏），電流也較大，如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相聯(lián)，將會(huì)引起強(qiáng)電器干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常進(jìn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)和接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電

61、路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。圖為光電耦合器與步進(jìn)電機(jī)的接口電路。 2-2-2 光電隔離與步進(jìn)電機(jī)接口電路圖 5 其它輔助電路設(shè)計(jì) （1） 8031的時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘可以有兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。 內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，如圖()所示。晶體可在1.2～12MHz之間任選，耦合電容在5～30Pf之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式，可把XTAL1直接接地，XTAL2接外部時(shí)鐘源。 （2） 8031的復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)鐘電路工作后，只要在RESET引腳上

62、保持10ms以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU便從0000H單元開始執(zhí)行程序。一般數(shù)控系統(tǒng)都采用上電與按鈕復(fù)位組合。 圖2-2-3時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 2.3 程序部分 ORG 2000 KZCH: PUSH AH ；保護(hù);現(xiàn)場 PUSH BC MOV R2,#NH ；送步數(shù)給R2 LOOP0: MOV R3,#00H MOV DPTR,#POINT ；送控制碼指針 JNB 00H,LOOP2 LOOP1: MOV A,R3

63、 ；取控制碼 MOVC A, A+DPTR JZ LOOP0 ；控制碼為00H轉(zhuǎn)LOOP0 MOV P1, A ；輸出控制碼 CALL YANS ；調(diào)延時(shí)子程序 INC R3 ；指針指向下一個(gè)控制碼 JNZ R2,LOOP1 ；步數(shù)未完，繼續(xù) POP BC ；恢復(fù)現(xiàn)場 POP AF RET LOOP2: MOV A, R3 ；取反

64、向控制碼 ADD A, #7H MOV R3, A AJMP LOOP1 POINT: DB 01H ；正向轉(zhuǎn)動(dòng)控制碼 DB 03H DB 02H DB 06H DB 04H DB 05H DB 00H DB 01H ；反向轉(zhuǎn)動(dòng)控制碼 DB 05H DB 04H DB 06H DB 02H DB 03H DB 00H POINT:

65、 EQU 150H N0 EQU 20H NLL EQU 21H N1H EQU 22H N2 EQU 23H NL EQU 24H NH EQU 25H DS EQU 26H ; 地址指針偏移量 FEED EQU 0E80H ORG 0E00H START: MOV SP , #60H ; 程序開始 MOV TMOD , #01H ; 設(shè)計(jì)數(shù)器為工作方式1,16定時(shí)器

66、 MOV N0 , #1BH ; 設(shè)N0初值為27 MOV NZ , #1BH ; 設(shè)NZ初值為27 MOV A , N0 RL A MOV RO , A CLR C MOV A , NL SUBB A , N0 MOV NLL , A MOV A , NH SUBB A , #00H MOV NIH , A MOV DPTR , #1000H ; 設(shè)時(shí)間常數(shù)地址指針初值為1000H MOV DS , #00H ; 設(shè)地址偏移量初值為00H MOV A , @A+DPTR ; 從EPROM中讀時(shí)間常數(shù) MOV TLO , A ; 送時(shí)間常數(shù)至定時(shí)器0中 INC DS MOV A , DS MOVC A , @A+DPTR MOV THO , A INC DS SETB EA