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1、1 緒論 圖 2 /3///9/4/4//14/8/8/5// 1.1激光的焊接（切割）的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀 激光焊接（切割）是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。20世紀(jì)70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨(dú)特的優(yōu)點，已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。 高功率CO2及高功率YAG激光器的出現(xiàn)，開辟了激光焊接的新領(lǐng)域。獲得了以小孔效應(yīng)為理論基礎(chǔ)的深熔焊接，在機(jī)械、汽車、鋼鐵等工業(yè)領(lǐng)域獲得了

2、日益廣泛的應(yīng)用。 與其它焊接技術(shù)相比，激光焊接的主要優(yōu)點是： 1、速度快、深度大、變形小。 2、能在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備裝置簡單。例如，激光通過電磁場，光束不會偏移；激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能施焊，并能通過玻璃或?qū)馐该鞯牟牧线M(jìn)行焊接。 3、可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對異性材料施焊，效果良好。 4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接時，深寬比可達(dá)5：1，最高可達(dá)10：1。 5、可進(jìn)行微型焊接。激光束經(jīng)聚焦后可獲得很小的光斑，且能精確定位，可應(yīng)用于大批量自動化生產(chǎn)的微、小型工件的組焊中。 6、可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠(yuǎn)距離焊接，具有很大的

3、靈活性。尤其是近幾年來， 在YAG激光加工技術(shù)中采用了光纖傳輸技術(shù)，使激光焊接技術(shù)獲得了更為廣泛的推廣和應(yīng)用。 7、激光束易實現(xiàn)光束按時間與空間分光，能進(jìn)行多光束同時加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。 但是，激光焊接也存在著一定的局限性： 1、要求焊件裝配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移。這是因為激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊縫窄，為加填充金屬材料。若工件裝配精度或光束定位精度達(dá)不到要求，很容易造成焊接缺憾。 2、激光器及其相關(guān)系統(tǒng)的成本較高，一次性投資較大。 1.2 當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀 在我國對外開放進(jìn)一步深

4、化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點看法。 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 1.2.1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化

5、 ,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征 ,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大 ,他對國計民生的一些重要行業(yè) IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點有以下幾個方面: (1)、 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率 ,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。從 EMO2001 展會情況來看 ,高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá) 80m/ min ,甚至更高 ,空運(yùn)行速度可達(dá) 100m/ min左右。目前世界上許多汽車廠 ,包括我國的上海通用汽車公司 ,已

6、經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。在加工精度方面 ,近 10 年來 ,普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10μm提高到 5μm ,精密級加工中心則從 3～5μm ,提 高到 1～1.5μm并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級 0.1μm 。為了實現(xiàn)高速、高精加工 ,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展 ,應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。 (2) 、5 軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 采用 5 軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工 ,可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削 ,不僅光潔度高 ,而且效率也大幅度提高。但過去因 5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因 ,其價格要比 3 軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床

7、高出數(shù)倍 ,加之編程技術(shù)難度較大 ,制約了 5 軸聯(lián)動機(jī)床的發(fā)展。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn) ,使得實現(xiàn) 5 軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化 ,其制造難度和成本大幅度降低 ,數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床 含 5 面加工機(jī)床 的發(fā)展。 (3) 、智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ,智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 ,如加工過程的自適應(yīng)控制 ,工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動識

8、別負(fù)載自動選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺上 ,面向機(jī)床廠家和最終用戶 ,通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象 數(shù)控功能 ,形成系列化 ,并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng) ,形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求 ,也是

9、實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元 ,反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。 1.2.2 對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計 我國數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年 ,近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個階段：第一階段從 1958 年到 1979 年 ,即封閉式發(fā)展階段。在此階段 ,由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的制 ,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期 ,即引進(jìn)技術(shù) ,消化吸收 ,初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段 ,由于改革開放和國家的重視 ,以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善 ,我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品

10、的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進(jìn)步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間 ,即實施產(chǎn)業(yè)化的研究 ,進(jìn)入市場競爭階段。縱觀我國數(shù)控技術(shù)近 50 年的發(fā)展歷程 ,特別是經(jīng)過 4 個 5 年計劃的攻關(guān) ,總體來看取得的成績還是不小。 1.2.3 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 (1) 、戰(zhàn)略考慮。我國是制造大國 ,在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移 ,所以 ,我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題。首先從社會安全看 ,因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè) ,制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平 ,而且還可緩解我國就業(yè)的壓力 ,保障社會的穩(wěn)定;其次從國防安全看 ,

11、西方發(fā)達(dá)國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì) ,對我國實現(xiàn)禁運(yùn)和限制 ,“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。 (2)、發(fā)展策略。從我國基本國情的角度出發(fā) ,以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場需求為導(dǎo)向 ,以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo) ,用系統(tǒng)的方法 ,選擇能夠主導(dǎo) 21 世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容 ,實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強(qiáng)調(diào)市場需求為導(dǎo)向 ,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主 ,以整機(jī)如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、曲型數(shù)字化機(jī)械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解

12、決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會有價值低廉而富有競爭力的產(chǎn)品;當(dāng)然 ,沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。 1.3 數(shù)控工作臺的發(fā)展及應(yīng)用前景 模塊化的X-Y數(shù)控工作臺，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動機(jī)做執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導(dǎo)軌上運(yùn)動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計時只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需

13、要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計算機(jī)，也可以設(shè)計專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。 大行程精密位移技術(shù)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工、精密制造、光學(xué)工程等領(lǐng)域的實際生產(chǎn)中,用以提高加工精度,制造出體積更小、能耗更低、功能更強(qiáng)大的產(chǎn)品。因此,具有50mm以上行程、亞微米級以下定位精度的多自由度精密位移技術(shù)已經(jīng)成為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對此要求,近年來,國內(nèi)外對大行程高精度位移技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。在多自由度微位移技術(shù)的研究中存在著一個突出的矛盾:高精度和大行程的矛盾。解決這一矛盾的關(guān)鍵在于設(shè)計合理的機(jī)械執(zhí)行裝置。實現(xiàn)原理目前,實現(xiàn)大行程高精度、具有一定運(yùn)行速度和負(fù)載能力的位移主要有兩種方法。 第一,只采用一級傳

14、動機(jī)構(gòu),同時滿足大行程和高精度的要求。這種方法的優(yōu)點在于只需采用一套機(jī)械系統(tǒng)和一套相應(yīng)的控制系統(tǒng)。但此法最大的缺點是系統(tǒng)對機(jī)械裝置和控制系統(tǒng)的要求非常高,必須采用特殊的材料、工藝以及具有精確數(shù)學(xué)模型及精確補(bǔ)償模型的伺服控制系統(tǒng)來保證位移精度的實現(xiàn)。 第二,采用宏/微結(jié)合的模式即采用兩級傳動機(jī)構(gòu),第一級機(jī)構(gòu)首先完成大行程運(yùn)動,第二級機(jī)構(gòu)以第一級機(jī)構(gòu)的行程誤差作為其目標(biāo)行程,執(zhí)行補(bǔ)償動作,通過兩級機(jī)構(gòu)的組合,共同完成大行程高精度的位移動作。這種模式可以有效地利用微位移機(jī)構(gòu)高精度的定位能力,大大降低系統(tǒng)對大行程機(jī)構(gòu)位移精度的要求。但應(yīng)用這種模式有兩個前提條件。 宏/微結(jié)合精密工作臺的實現(xiàn)模式

15、(1)第一級機(jī)構(gòu)的行程誤差必須小于第二級機(jī)構(gòu)(微定位平臺)的最大行程,即第一級機(jī)構(gòu)的誤差具有可補(bǔ)償性; (2)對軌跡精度有要求時,第二級機(jī)構(gòu)的控制周期必須小于第一級機(jī)構(gòu)的有效控制周期,即第二級機(jī)構(gòu)的補(bǔ)償動作具有有效性和實時性。我們研制的精密定位系統(tǒng)采用宏/微結(jié)合的模式。在這種模式下,第一級機(jī)構(gòu)(即宏平臺)不僅需要完成大行程、具有一定精度的位移,而且,宏平臺也是微平臺、伺服系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等裝置的安裝 1.4 本設(shè)計的意義及目的 機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力的重要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運(yùn)用所學(xué)過的機(jī)械、電子、自動控制、計算機(jī)等知識進(jìn)行的基本設(shè)計訓(xùn)練。其目的是：能夠正確運(yùn)用機(jī)電

16、一體化系統(tǒng)設(shè)計課程的基本理論和相關(guān)知識，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點和設(shè)計思想、設(shè)計方法，了解設(shè)計方案的擬定、比較、分析和計算，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的初步能力。 通過機(jī)械部分設(shè)計，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和步驟；通過測試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；通過課程設(shè)計提高學(xué)生應(yīng)用手冊、標(biāo)準(zhǔn)及編寫技術(shù)說明書的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。課程設(shè)計應(yīng)在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立完成，嚴(yán)格地要求自己，不允許相互抄襲；認(rèn)真

17、閱讀《課程設(shè)計指導(dǎo)書》，明確題目及具體要求；認(rèn)真查閱題目涉及內(nèi)容的相關(guān)文獻(xiàn)資料、手冊、標(biāo)準(zhǔn)；大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設(shè)計方案；機(jī)械部分和驅(qū)動部分設(shè)計思路清晰，計算結(jié)果正確，選型合理；微機(jī)控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確。 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 X-Y數(shù)控工作臺是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱—橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。模塊化的X-Y數(shù)控工作臺，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動機(jī)做執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導(dǎo)軌

18、上運(yùn)動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計時只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計算機(jī)，也可以設(shè)計專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。 2.1 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)及要求 根據(jù)設(shè)計要求并參考實際情況，初步選定機(jī)床主要參數(shù)如下： 工作臺寬度×長度 230mm×230mm 工作臺加工范圍 250mm×250mm X、Y方向的脈沖當(dāng)量 0.005mm X、Y方向的定位精

19、 0.01mm X、Y方向步進(jìn)電機(jī) 55BF003 Z方向步進(jìn)電機(jī) 95BC340A 工作臺X方向最快移動速度 5400mm/min 工作臺Y方向最快移動速度 5400mm/min 工作臺外形尺寸（長×寬×高） 729mm×729mm×375mm 工作臺凈重 350kg 2.2 系統(tǒng)運(yùn)動方式及零部件的選定 系統(tǒng)的總體框圖如圖2.1所示 圖2

20、.1 系統(tǒng)總體框圖 2.2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng) 由于所設(shè)計的數(shù)控工作臺要求能滿足各種形狀的工件能夠進(jìn)行激光焊接（切割）和加工，而且激光噴嘴的運(yùn)動受到限制，故采用連續(xù)控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控制。而且要求工作臺的運(yùn)動必須精確和平穩(wěn)，考慮到要求的加工精度不高，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)驅(qū)動X-Y工作臺。 2.2.2 計算機(jī)控制系統(tǒng) 本設(shè)計選用MCS-51系列中的8031單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機(jī)的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，運(yùn)算速度快，具有很高的性能價格比?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放

21、大器等組成、系統(tǒng)的加工程序和控制指令通過鍵盤操作實現(xiàn)、顯示器采用數(shù)碼管顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)信息。 2.2.3 系統(tǒng)工作臺的傳動方式 為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以采用滾珠絲杠螺旋副傳動機(jī)構(gòu)，為提高傳動機(jī)構(gòu)的剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。 由于系統(tǒng)工作臺的運(yùn)動部件重量不大，因此選用由預(yù)加載荷的雙V形直線滾珠導(dǎo)軌副。采用滾動導(dǎo)軌可減少兩個相對運(yùn)動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動平穩(wěn)性，減少振動。 考慮到本次設(shè)計所采用的步進(jìn)電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到定位精度為0.01mm的要求，所以采用齒輪降速傳動，并通過齒輪消隙的方式降低傳動誤差。 2.

22、2.4 系統(tǒng)其他零部件的選擇 考慮到生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，工作臺采用直線滾動導(dǎo)軌副且其間隙可根據(jù)實際需求，按規(guī)定的間隙進(jìn)行調(diào)整和預(yù)緊。而且整個工作臺材料采用鑄造件進(jìn)行加工以及工作臺上所用的標(biāo)準(zhǔn)件，如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購形式。 3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 3.1 工作臺外形尺寸及重量估算 3.1.1 X方向工作臺尺寸確定 取X方向?qū)к壷С袖撉虻闹行木酁?80mm，Y方向?qū)к壷С袖撉虻闹行木酁?30mm，設(shè)計工作臺簡圖如圖3.1： 圖3.1 工作臺簡圖 托板尺寸：長×寬×高 666mm×320mm×25mm 上導(dǎo)軌（X方向） 取動導(dǎo)軌長

23、度 =230mm 動導(dǎo)軌行程 =250mm 支承導(dǎo)軌長度 L= +=230+250=480mm 保持器長度 =+/2=355mm 3.1.2 Y方向工作臺尺寸 托板尺寸：長寬高 666mm×320mm×25mm 下導(dǎo)軌（Y方向） 取動導(dǎo)軌長度 =3

24、20 動導(dǎo)軌行程 =250mm 支承導(dǎo)軌長度 L=+=320+250=580 保持器長度 =+/2=445mm 3.1.3工作臺重量估算 上托板重量： (1) 下托板重量： (2) X方向?qū)к壷亓浚? (3) Y方向?qū)к壷亓浚? (4) 焊接工件重量暫?。? 160N (5)

25、 X工作臺運(yùn)動部分重量： X-Y工作臺運(yùn)動部分總重量： 3.2滾動導(dǎo)軌參數(shù)確定 3.2.1導(dǎo)軌形式及尺寸確定 首先根據(jù)上述系統(tǒng)總體方案要求，選用雙V形滾珠導(dǎo)軌。根據(jù)系統(tǒng)工作臺的使用情況，初選滾珠直徑d=6mm，數(shù)目根據(jù)決定。 上導(dǎo)軌： X方向?qū)к夐L度取=230mm，取=20,兩滾珠之間的間距t=11.5mm 下導(dǎo)軌 Y方向?qū)к夐L度取=320mm，取，兩滾珠之間的間距t=10.7mm 3.2.2導(dǎo)軌許用負(fù)荷校核 平均每個滾珠上的最大負(fù)荷: 而： 式中——導(dǎo)軌的預(yù)加負(fù)荷，按最大負(fù)荷1/2計算。 激光焊接時滾珠所受的負(fù)荷只有其工件的重力，因此較小

26、可以按最大受力情況驗算，如下： X方向?qū)к壍淖畲筘?fù)荷： Y方向?qū)к壍淖畲筘?fù)荷： 許用負(fù)荷 查表得，考慮到制造精度，且導(dǎo)軌短，k可提高50%，即k取，查表得： 故導(dǎo)軌滿足設(shè)計要求。 3.2.3導(dǎo)軌額定壽命計算 直線滾動導(dǎo)軌副的壽命計算，是以在一定載荷下行走一定距離后，90%的支承不發(fā)生點蝕為依據(jù)。滾珠的距離額定壽命計算公式如下： 其中查表得： 、、、、 =7.6 F=1.085 小時額定壽命的計算：根據(jù)距離額定壽命，可通過公式： 其中為移動件行程長度，單位為m，n為移動件每分鐘往復(fù)次數(shù)。代入數(shù)據(jù)的： 通常導(dǎo)軌的距離額定壽命在50

27、KM以上就滿足要求。通過以上導(dǎo)軌的距離額定壽命和額定小時壽命的校核，該導(dǎo)軌完全滿足設(shè)計的要求。 3.3 滾珠絲杠副的計算和選定 3.3.1最大工作載荷的計算 最大工作載荷是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，由于本次設(shè)計的工作臺主要適用于激光焊接（切割）加工，所以其工作臺主要承受工件的重力作用，且導(dǎo)軌形式為矩形導(dǎo)軌，則計算公式如下： 其中、、分別為工作臺進(jìn)給方向載荷、垂直載荷和橫向載荷（N）；為移動部件的重力；和分別為考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)。對于本次的絲杠傳動系統(tǒng)，計算如下； 由于是滑動導(dǎo)軌則有 3.3.2最大動載荷的計算 最大動載荷的

28、計算公式如下： 式中的為滾珠絲杠副的壽命，單位為，其中T=15000h，n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) 代入數(shù)據(jù)計算如下： 初選滾珠絲杠副的規(guī)格時，應(yīng)使其額定動載荷。 同時由于滾珠絲杠副在靜態(tài)低速長時間承受工作載荷，應(yīng)使額定靜載荷。根據(jù)以上條件初選滾珠絲杠的規(guī)格代號為CM2504——5系列，其額定動載荷為10140N>足夠用.滾珠循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)螺旋槽式。 表3.1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù) 名稱 計算公式 結(jié)果 公稱直徑 ―― 25mm 螺距 ―― 4mm 接觸角 ―― 鋼球直徑 ―― 2.381mm 螺紋滾道法向半徑 1.23812mm

29、偏心距 0.03367mm 螺紋升角 螺桿外徑 24.5mm 螺桿內(nèi)徑 22.1mm 螺桿接觸直徑 23.32mm 螺母螺紋外徑 27.4089mm 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 25.4762mm 3.3.3 滾珠絲桿副的預(yù)緊方式 為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預(yù)加載荷，使它在過盈的條件下工作，常用的預(yù)緊方式有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊等。預(yù)緊后的剛度可提高到無預(yù)緊時的2倍。但是，預(yù)緊載荷過大，將使壽命下降和摩擦力矩加大，通常，滾珠絲桿在出廠時，就已經(jīng)由制造商調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲桿副的額定動

30、載荷有一定的比例關(guān)系。 雙螺母墊片式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②特點：結(jié)構(gòu)見到，裝卸方便，剛度高；但調(diào)整不便，滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和預(yù)緊，適用于高剛度重載傳動。 雙螺母螺紋式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，但準(zhǔn)確性差，且易于松動，適用于剛度要求不高或隨時調(diào)節(jié)預(yù)緊的傳動。 雙螺母齒差式預(yù)緊：①調(diào)整方法：兩邊的下螺母的凸緣上有外齒，分別與緊固的螺母座4的內(nèi)齒圈，兩個螺母向相同方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過一個齒，調(diào)整軸向位移。②能夠精確地調(diào)整預(yù)緊力，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，裝配調(diào)整比較復(fù)雜，適宜用于高度精度的傳動結(jié)構(gòu)。

31、3.3.3傳動效率計算 絲杠螺母副的傳動效率為： 式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。 3.3.4絲杠變形量及剛度驗算 (1)絲杠的變形量主要指絲杠在運(yùn)動時所受的拉伸和壓縮變形量，其在變形量中占的比重較大，并按以下公式計算： 其中a為絲杠兩端支承之間的距離，單位mm；E為絲杠材料的彈性模量鋼的E=MPa，S為絲杠底徑確定的截面慣性矩（），單位為，而公式中的第二項由于轉(zhuǎn)矩較小，故可忽略不計。所以計算如下： (2)滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量，且在有預(yù)緊的情況下，計算公式如下: 式中滾珠直徑，單位mm，滾珠總數(shù)量， 預(yù)緊力 所以絲杠的總變形量為

32、： 滾珠絲杠的剛度一般要求其總變形量小于定位精度的一半既滿足要求，通過以上驗算，此絲杠剛度符合要求。 3.4齒輪計算、設(shè)計 3.4.1 絲杠傳動比的確定 因步進(jìn)電機(jī)步距角滾珠絲杠螺距t=4mm,要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量,在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動. 齒輪傳動比：，初選步進(jìn)電機(jī)步距角：α= 1.5?/step。 考慮到傳動比為3.3，比較大，影響傳動精度，故本次傳動采用兩級傳動。為便于計算取傳動比。 3.4.2 傳動齒輪參數(shù)確定 （1）一級傳動齒輪參數(shù)確定： 取小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù) 因傳遞的扭距較小,取模數(shù)m=1mm則: 分度圓直徑:

33、 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 齒寬: 取 中心距: 分度圓壓力角: 大小齒輪均采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪. （2）由于二級與一級傳動比相同，我們采用同樣的齒輪參數(shù)設(shè)計，故此處省略其計算過程。 3.4.3 齒輪傳動消隙 齒輪傳動的間隙也叫側(cè)隙，它是指一個齒輪固定不動，另一個齒輪能夠作出的最大角位移。傳動間隙是不可避免的，其產(chǎn)生的這樣原因有：由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙，為使用熱膨脹而特意留出的間隙。為了提高定位精度和工作的平穩(wěn)性，要盡可能減小傳動間隙。除了提高制造和裝配精度外，消隙的主要途徑有：設(shè)計可調(diào)傳動間隙的機(jī)構(gòu)；設(shè)

34、置彈性補(bǔ)償元件。在這設(shè)計里我采用雙片直齒輪錯齒調(diào)整法來消除間隙。如圖3.2： 1、2--薄齒輪, 3—彈簧, 4、8—凸耳, 5—調(diào)節(jié)螺釘, 6、7—螺母 圖3.2 雙片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu)圖 3.5步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計算 3.5.1步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動軸上的總轉(zhuǎn)動慣量的計算 總傳動慣量主要包括電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、減速裝置與滾珠絲杠以及移動部件等折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量。由于本設(shè)計采用的是二級傳動，則有等效轉(zhuǎn)動慣量的計算如下： 折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為： 式中：分別為為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；為移動部件的質(zhì)量。 對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估

35、算： 式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。 所以有： 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有： 3.6步進(jìn)電機(jī)的選用 3.6.1步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩在不同工況下是不同的。本設(shè)計主要計算快速空載起動（工作負(fù)載為0）和承受最大工作負(fù)載兩種情況。 （1）快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 為快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩，計算公式如下： 式中為電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的角速度，單位，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位r/min；為電動機(jī)加速所用時間，單位s，一般取0.3~1之間，此處取0.5s。代入數(shù)據(jù)計算

36、如下： 為移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：有公式如下： 式中為導(dǎo)軌的摩擦力，單位為N；計算公式。為傳動效率，一般區(qū)0.8，帶入數(shù)據(jù)計算如下： 為滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，且由于滾珠絲杠副的傳動效率很高，的值與和比起來，很小，此處忽略不計。所以有： （2）最大工作負(fù)載下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 、在第一的設(shè)計中已經(jīng)計算過，僅用算以，其公式為 代入數(shù)據(jù)計算如下： 3.6.2步進(jìn)電機(jī)的初選和參數(shù)校核 選擇步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)是最大靜轉(zhuǎn)矩要滿足使用要求，同時考慮安全系數(shù)K，對于開環(huán)控制，一般選0.5~4之間，此處取2

37、且步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩的選取應(yīng)符合所以初選步進(jìn)電機(jī)型號為：55BF003其最大靜轉(zhuǎn)矩,符合設(shè)計要求。 表3.2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表 型號 主要技術(shù)參數(shù) 相數(shù) 步距角 電壓 (V) 相電流 (A) 最大靜轉(zhuǎn)矩 (N.m) 空載起動頻率 空載運(yùn)行頻率 分配方式 55BF003 3 1.5/3 27 3 0.666 1800 18000 3相8拍 外形尺寸(mm) 重量(kg) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量() 外直徑 長度 軸直徑 55 90 6 4.5 0.060 步進(jìn)電機(jī)性能校核包括最快工作進(jìn)給速度時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核、最快空載移動時電動機(jī)輸出

38、轉(zhuǎn)矩校核和起動頻率的校核等。 最快工作進(jìn)給速度時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核如下： 符合設(shè)計要求，同時查表得： ，符合設(shè)計要求。 起動頻率的校核：符合設(shè)計要求。 4 控制系統(tǒng)的設(shè)計 4.1 控制系統(tǒng)總體方案的擬訂 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成?？刂葡到y(tǒng)的控制對象主要包括各種機(jī)床，如車床、銑床、，磨床等等?？刂葡到y(tǒng)的基本組成如圖4.1所示： 圖4.1控制系統(tǒng)總體方案 4.2 總控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 4.2.1 MCS-51系列單片機(jī)的設(shè)計 MCS-51系列單片機(jī)的所有產(chǎn)品都含有8051除程序存儲器外的基本硬件，都是在8051

39、的基本上改變部分資源（程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、I/O、定時/計數(shù)器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設(shè)計中，我們采用的是8031，8031可尋址64KB字節(jié)程序存儲器和64KB字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器。內(nèi)部沒有程序存儲器，必須外接EPROM程序存儲器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分為三個部分。 a.電源及時鐘引腳 此部分引腳包括電源引腳。 電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。 （40腳）：接+5V電源。 （20腳）：接地。 時鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個振蕩器，它提供單片機(jī)的時鐘控制信號。時鐘引腳也可外接晶體振蕩器。 （19）：接外部

40、晶體的一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。 （18）：接外部晶體的另一端，。在單片機(jī)內(nèi)部接至反相放大器的輸出端。若采用外部晶體振蕩器時，該引腳接受振蕩器的信號，即把信號直接接至內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 b.控制引腳 它包括RST、 ALE 、等。此類引腳提供控制信號，有些引腳具有復(fù)用功能。 RST/VPD（9腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時，在此引腳加上兩個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RST）。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為的低電平，以保證單片機(jī)正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)下降到低于規(guī)定值，而

41、VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用能源。 ALE/（30腳）：當(dāng)單片機(jī)訪問外部存貯器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時，在兩個機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動8個TTL負(fù)載。 （29腳）：此輸出為單片機(jī)內(nèi)訪問外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器指令（或常數(shù)）期間，每個機(jī)器周期兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號不出現(xiàn)。同樣可以驅(qū)動8個TTL負(fù)載。 （

42、31腳）：當(dāng)端保持高電平時，單片機(jī)訪問的是內(nèi)部程序存儲器，但當(dāng)PC值超過某值時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當(dāng)端保持低電平時，則不管是否有內(nèi)部程序存貯器而只訪問外部程序存儲器。對8031來說，因其無內(nèi)部程序存儲器。所以該引腳必須接地，既此時只能訪問外部程序存儲器。 c.輸入/輸出引腳 輸入/輸出（I/O）接口引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。 P0口（P0.0-P0.7）：為雙向8為三態(tài)I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用口，可驅(qū)動8個TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時地址/數(shù)據(jù)總線口使用。 P1（P1.0-P1.7）：

43、為8位準(zhǔn)雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入口時，鎖存器必須置1），可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。 P2（P2.0-P2.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位復(fù)用，可驅(qū)動4個TTL負(fù)載，一般作為擴(kuò)展時地址總線的高8位使用。 P3（P3.0-P3.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。 4.2.2 MCS-51單片機(jī)的時鐘電路 時鐘電路是計算機(jī)的心臟，它控制著計算機(jī)的工作節(jié)奏，MCS-51片內(nèi)有一個反相放大器，引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端，該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振

44、器一起構(gòu)成了一個自激振蕩器，產(chǎn)生的時鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個部件。單片機(jī)的時鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種，大多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式。 最常用的內(nèi)部時鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，不論是HMOS還是CHMOS型單片機(jī)，其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同。如圖4.2所示。 MCS-51單片機(jī)允許的振蕩晶體可在1.2MHZ-24MHZ之間可以選擇，一般取11.0592MHZ。電容C1、C2的取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響。C1、C2可在20PF-100PF之間選擇，一般當(dāng)外接晶體時典型取值為30PF，外接陶瓷諧振器時典型取值為47PF，取6

45、0PF-70PF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。 在設(shè)計印刷電路板時，晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)引腳安裝，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。 圖4.2時鐘電路 4.2.3 MCS-51單片機(jī)的復(fù)位電路 計算機(jī)在啟動運(yùn)行時都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)的，MCS-51單片機(jī)有一個復(fù)位引腳RST，高電平有效。它是施密特觸發(fā)輸入，當(dāng)振蕩器起振后，該引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期（即24個時鐘周期）以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電

46、平，MCS-51便保持復(fù)位狀態(tài)。此時ALE，，P0口、P1口、P2口和P3口都輸出高電平。RST變位低電平后，退出復(fù)位狀態(tài)，CPU從初始狀態(tài)開始工作。復(fù)位操作不影響片內(nèi)RAM的內(nèi)容。 MCS-51單片機(jī)通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。通常因為系統(tǒng)運(yùn)動等的需要，常常需要人工按鈕復(fù)位，如圖4.3所示： 圖4.3 復(fù)位電路 對于CMOS型單片機(jī)因RST引腳的內(nèi)部有一個拉低電阻，故電阻R2可不接。單片機(jī)在上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持兩個機(jī)器周期上的高電平（因為振蕩器從起振到穩(wěn)定大約要10ms），就能使單片機(jī)有效復(fù)位，當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHZ時，R

47、C的典型值為。簡單復(fù)位電路中，干擾信號易串入復(fù)位端，可能會引起內(nèi)部某些寄存錯誤復(fù)位，這時可在RST引腳上接一去耦電容。 上圖那上電按鈕復(fù)位電路只需將一個常開按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路，按下開關(guān)一定時間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機(jī)復(fù)位。 4.3 系統(tǒng)的擴(kuò)展 在以8031單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中必須擴(kuò)展 程序存儲器，用以存放控制程序。同時，單片機(jī)內(nèi)部的存儲器容量較小，不能滿足實際需要，還要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器。這種擴(kuò)展就是配置外部存儲器（包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器）。另外，在單片機(jī)內(nèi)部雖然設(shè)置了若干并行I/O接口電路，用來與外圍設(shè)備連接。但當(dāng)外圍設(shè)備較多時，僅有幾個內(nèi)部I/O接口是不夠

48、的，因此，單片機(jī)還需要擴(kuò)展輸入輸出接口芯片。 4.3.1 程序存貯器的擴(kuò)展 MCS-51系列單片機(jī)的程序存貯器空間和數(shù)據(jù)存貯器空間是相互獨(dú)立的。程序存儲器尋址空間為64KB（0000H-0FFFH），8031片內(nèi)不帶ROM，所以要進(jìn)行程序存貯器的擴(kuò)展。用作程序存貯器的常用的器件是EPROM。 由于MCS-51單片機(jī)的P0口是分別復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進(jìn)行程序存貯器擴(kuò)展時，必須用地址鎖存器鎖存地址信號。通信地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373。當(dāng)用74LS373作為地址鎖存器時，鎖存器G可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地址鎖存。 根

49、據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對程序存貯器容量要求的不同，常采用的擴(kuò)展芯片擴(kuò)展EPROM2716（2KB×8）、2732A（4KB×8）、2764A （8KB×8）、27128A（16KB×8）、27256A（32KB×8）和27512（64KB×8）等。以上6種EPROM均為單一+5V電源供電，維持電流為35mA—40mA，工作電流為75 mA-100 mA，讀出時間最大為250ns，均有雙列直插式封裝形式，A0-A15是地址線，不同的芯片可擴(kuò)展的存貯容量的大小不同，因而提供8位地址的P2口線的數(shù)量個不相同，故2716為A0-A10，27512為A0-A15；D0-D7是數(shù)據(jù)線；CE是片選線，低電平有效；CE是

50、數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源，PCM是編程脈沖輸入端。 根據(jù)程序存貯器擴(kuò)展的原理，以EPROM和鎖存器74L373為例對8031單片機(jī)進(jìn)行程序存貯器的擴(kuò)展。因為2764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址線，A0-A12。如果只擴(kuò)展一片程序存貯器EPROM，故可將片選端CE直接接地。下圖為擴(kuò)展兩片EPROM的連接方法。同時，8031運(yùn)行所需的程序指令來自2764A，要把其EA端接地，否則，8031將不會運(yùn)行。 圖 4.4 2764的擴(kuò)展電路 3.3.2 數(shù)據(jù)存貯器的擴(kuò)展 8031單片機(jī)內(nèi)部有128個字節(jié)RAM存貯器。CPU對內(nèi)部的RAM具有豐富的操

51、作指令。但在用于數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠片內(nèi)提供的128個字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在這種情況下，可利用MCS-51的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存貯器。 數(shù)據(jù)存貯器只使用WR、RD控制線而不用PSEN。正因為如此，數(shù)據(jù)存貯器與程序存貯器可完全重疊，均為0000H-FFFFH，但數(shù)據(jù)存貯器與I/O口與外圍設(shè)備是統(tǒng)一編址的，即任何擴(kuò)展的I/O口以及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存貯器地址。8031的P0口為RAM的復(fù)用地址/數(shù)據(jù)線，P2口用于對RAM進(jìn)行頁面尋址（根據(jù)其容量不同，所占的P2端口不同，在對外部RAM讀/寫期間，CPU產(chǎn)生RD/WR信號。 在8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài)RAM是最常用的，由于這

52、種存貯器的設(shè)計無須考慮刷新問題，因而它與微處理器的接口很簡單。最常用的靜態(tài)RAM芯片有6116（2KB×8）和6264（4KB×8）。單一+5V供電，額定功耗分別為160mW和200mW，典型存取時間均為200ns，均有雙列之插式封裝，管腳分別為24和20線。 下圖是6264與8031的連接圖。從圖可知：6264的片選接8031的P2.7，第二片選線接高電平，保持一直有效狀態(tài)。因為6264是8KB容量的RAM，故用到了3根地址線。6264的地址范圍為0000H-7FFF。 對于一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)，必須具備一定容量的程序存貯器和一定容量的數(shù)據(jù)存貯器。8031單片機(jī)外部擴(kuò)展兩片2764EPRO

53、M和兩片6264靜態(tài)RAM。程序存貯器2764的地址為：0000H-1FFFH。數(shù)據(jù)存貯器6264的地址為0000H-7FFFH。 圖4.5 6264的擴(kuò)展電路 4.3.3 I/O的擴(kuò)展 MCS-51系列單片機(jī)大多具有四個8位I/O口（即P0口、P1口、P2口和P3口）， 原理上這四個I/O口均可用作雙向并行I/O接口。但在實際應(yīng)用中，P0口常被用作為數(shù)據(jù)總線和低8位地址總線使用，P2口常被用作為高8位地址總線使用，P3口某些位又常用它的第二功能，特別是無ROM型的單片機(jī)因必須擴(kuò)展外部程序存貯器，則更是如此。所以，若一個MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)需連接較多的并行輸入/輸出的外圍設(shè)備（如打印

54、機(jī)、鍵盤、顯示器等），單片機(jī)本身所提供的輸入輸出口不能滿足，就不可避免地要擴(kuò)展并行I/O接口。常用的MCS-51并行I/O接口擴(kuò)展方法主要有四種：采用可編程的并行接口電路，如8255A；采用可編程的RAM/IO擴(kuò)展器，如8155；采用TTL或CMOS電路的三態(tài)門、鎖存器，如74LS377、74LS373、74LS244；利用MCS-51的并行擴(kuò)展并行I/O接口。 a.8255A可編程外圍并行I/O接口 8255A可編程輸入輸出接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，具有三種工作方式，可通過程序改變其功能，因而使用方便，通用性強(qiáng)，可作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備連接時的中間接口電路。 在單片機(jī)的

55、I/O口擴(kuò)展8255芯片，其接口相當(dāng)簡單，如圖4.6所示: 圖4.6 8255的擴(kuò)展電路圖 圖中8255的分別與MCS-51的相連；8255的D0-D7直接MCS-51的P0口。片選信號CS口及地址選擇線A0、A1分別由8031的P0.0、P0.1、P0.2經(jīng)地址鎖存器后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分別為FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的復(fù)位端與8031的復(fù)位端相連，都接到8031的復(fù)位電路上。 在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，必須根據(jù)外圍設(shè)備的類型選擇8255的操作方式，并在初始化程序中把相應(yīng)的控制字寫入操作口

56、。8522接口芯片在MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛用于連接外部設(shè)備，如打印機(jī)、鍵盤，顯示器以及作為控制信息的輸入、輸出口。 b.8155可編程外圍并行I/O接口 8155/8156芯片內(nèi)包含有256個字節(jié)RAM，2個8位和一個6位的可編程并行I/O口，一個14位定時器/計數(shù)器。8155/8156可直接與MCS-51單片機(jī)連接，不需要增加任何硬件邏輯。由于8031單片機(jī)外接一片8155后，就綜合地擴(kuò)展了數(shù)據(jù)RAM、I/O端口和定時器/計數(shù)器。因而是MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一。 在8155的控制邏輯部件中，設(shè)置一個控制命令寄存器和一個狀態(tài)標(biāo)志寄存器。8155的工作方式

57、由CPU寫入控制命令寄存器中的控制字來確定?？刂泼罴拇嫫髦荒軐懭氩荒茏x出，8位控制命令寄存器的低4位用來設(shè)置A口、B口、C口的工作方式。第4、5位用來確定A口、B口以選通輸入輸出方式工作時是否允許中斷請求。第6、7位用來設(shè)置定時器/計數(shù)器的操作。 8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或選通方式，C口可作為輸入輸出口線，也可作為A口、B口選通方式工作的狀態(tài)控制信號。其工作情況與8255方式0、方式1時大致相同，控制信號的含義也基本相同。另外，在8155中還設(shè)有一個狀態(tài)標(biāo)志、寄存器，用來存放A口和B口的狀態(tài)標(biāo)志。狀態(tài)標(biāo)志寄存器的地址與命令寄存器的地址相同，CPU只能讀出，不能寫入。 8

58、155中還設(shè)有一個14位的定時器/計數(shù)器，可用來定時或?qū)ν馐录嫈?shù)，CPU可通過程序選擇計數(shù)長度和計數(shù)方式。計數(shù)長度和計數(shù)方式由輸入計數(shù)寄存器的計數(shù)控制字來確定。 MCS-51單片機(jī)可以和8155直接相連而不用任何外加邏輯, MCS-51單片機(jī)擴(kuò)展一片8155可以為系統(tǒng)增加256字節(jié)外RAM,22根I/O接口及一個14位定時器.下圖為8155與8031的一種接口邏輯,圖中P2.7連片選信號CE,P2.0連IO/M,所以8155的RAM的地址為7E00H-7EFFH;I/O寄存器地址分別為:命令/狀態(tài)字寄存器地址7F00H,PA口地址為7F02H,PB口地址為7F03H,定時器/計數(shù)器低字節(jié)寄

59、存器地址為7F04H,定時器高字節(jié)寄存器地址為7F05H. 圖4.7 8155的擴(kuò)展電路圖 4.4 鍵盤、顯示器接口設(shè)計 4.4.1 矩陣式鍵盤接口設(shè)計 矩陣式鍵盤適用于按鍵較多的場合,它由行線和列線組成,按鍵位于行、列交叉點.如一個4×4的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個含有16個按鍵的鍵盤等等.在按鍵數(shù)量較多時,矩陣鍵盤比獨(dú)立鍵盤節(jié)省了很多I/O口. 按鍵設(shè)置在行、列線分別連接到按鍵開關(guān)兩端..行線通過上拉電阻接到+5V上.平時無按鍵動作時,行線處于高電平狀態(tài),而當(dāng)有按鍵按下時,行線電平狀態(tài)將由此行線相連的列線電平?jīng)Q定.列線電平如果為低,則行線電平為低;列線電平為高,則行線電平亦為高.

60、這一點是識別矩陣鍵盤是否按下的關(guān)鍵所在.由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用,各按鍵均影響該鍵所在的行和列電平.所以,必須將行、列線信號配合起來并作適當(dāng)?shù)奶幚?才能確定閉合鍵的位置.對于矩陣式鍵盤,按鍵的位置由行號和列號唯一確定,所以分別對行號和列號進(jìn)行二進(jìn)制編碼,然后將兩值合成一個字節(jié),高4位是行號,低4位是列號將是非常直觀的. 4.4.2顯示器接口設(shè)計 在單片機(jī)系統(tǒng)中,常用的顯示器有:發(fā)光二極管顯示器,簡稱LED.LED是顯示塊由發(fā)光二極管顯示字段組成.,有七段和”米”字型之分,一片顯示塊顯示一位字符.共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管的陰極連接在一起,通常此公共陰極接地,當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽

61、極為高電平時,發(fā)光二極管亮,相應(yīng)的段被顯示. 由于七段LED顯示塊有7段發(fā)光二極管,所以其字型碼為一個字節(jié);”米”字型LED 顯示塊有15段發(fā)光二極管,所以字型碼為兩個字節(jié).由n片LED顯示塊可拼接成n位LED顯示器,共有n根位選線和8×n根段選線,根據(jù)顯示方式不同,位選線和段選線的連接也各不相同,段選線控制顯示字符的字型,而位選線則控制顯示位的亮、暗. LED顯示器有靜態(tài)顯示器和動態(tài)顯示器兩種方式.在多位LED顯示時,為了節(jié)省I/O口線,簡化電路,降低成本,一般采用動態(tài)顯示方式.動態(tài)顯示方式是一位地分別輪流點亮各位顯示器,對每位顯示器來說,每隔一段時間輪流點亮一次.顯示器的亮度既與導(dǎo)通電

62、流有關(guān),也與點亮和熄滅時間的比例有關(guān).這種顯示方式將七段LED顯示器的所有段選位并聯(lián)在一起,由一個8位I/O口控制,實現(xiàn)各位顯示器的分時選通. 下圖是LED顯示器采用共陰極方式,6個顯示器的段碼由8155的PB口提供,位選碼由8155的PA口提供(PA口同時也提供行列式未編碼鍵盤的列線),行列式未編碼鍵盤的行線由PC口提供.圖中設(shè)置了36個鍵.如果繼續(xù)增加PC口線,設(shè)全部PC口線(PC0-PC5)用作鍵盤的行線,全部PA口線(PA0-PA7)作鍵盤列線,則按鍵最多可達(dá)8×6個. 下圖中8155的PB口掃描輸出總是只有一位為高電平,即PB口經(jīng)反相后僅有一位公共陰極為低電平,8155的PA口則

63、輸出相應(yīng)位(PB口輸出為高對應(yīng)的位顯示器)的顯示數(shù)據(jù),使該位顯示與顯示緩沖器相對應(yīng)的字符,而其余各位均為熄滅,依次改變8155的PB口輸出為高的位,PB口輸出對應(yīng)的顯示緩沖器的數(shù)據(jù). 圖4.8 顯示器接口電路 4.5 步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計 4.5.1步進(jìn)電機(jī)開環(huán)驅(qū)動原理 每輸入一個脈沖,步進(jìn)電機(jī)就前進(jìn)一步,因此,它也稱作脈沖電動機(jī).其種類很多,但主要分三大類:反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī),永磁式步進(jìn)電機(jī),以及永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).反應(yīng)式電動機(jī)結(jié)構(gòu)最簡單,是應(yīng)用最廣泛的一種.按控制繞組的相樹分有三相、四相、五相和六相等等.無論哪種步進(jìn)電動機(jī),他們的工作原理都有相同之處:數(shù)字式脈沖信號控制定子磁極上

64、的控制繞組,按一定順序依次通電,在頂子和轉(zhuǎn)子的氣隙間形成步進(jìn)式的磁極軸旋轉(zhuǎn). 步進(jìn)電動機(jī)主要用于開環(huán)系統(tǒng),當(dāng)然也可以閉環(huán)系統(tǒng). 下圖是步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)的原理圖,它由以下幾部分組成: 圖4.9 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖 脈沖信號源—是一個脈沖發(fā)生器,通常脈沖頻率連續(xù)可調(diào),送到脈沖分配器的脈沖個數(shù)和脈沖頻率由控制信號控制.因脈沖頻率可調(diào),也稱為變頻信號源. 脈沖分配器—脈沖 按一定的順序送到功率放大器中進(jìn)行放大,驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)工作.用硬件進(jìn)行脈沖順序的分配,有時稱為環(huán)行分配器,也簡稱環(huán)分. 功率放大器—將脈沖分配器送來的脈沖放大,是步進(jìn)電動機(jī)獲得必要的功率. 步進(jìn)電動機(jī)—

65、伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件,它帶動工作機(jī)構(gòu),如減速裝置,絲杠,工作臺. 4.5.2 步進(jìn)電機(jī)脈沖分配 對每一個三相步進(jìn)電動機(jī)而言,其脈沖分配方式是三相六拍的,其三相分別用A、B、C表示.三相六拍的運(yùn)行形式是A—AB—B—BC—C—CA—A—DE—E—EA順序輪流通電,則轉(zhuǎn)子便順時針方向一步一步轉(zhuǎn)動.要改變步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向.只需改變通電的順序即可. 脈沖分配器是將脈沖電源按規(guī)定的通電方式分配到各相,該分配可由硬件來實現(xiàn).在微機(jī)控制中,脈沖的分配也可由軟件來完成,P1.0,P1.1,P1.2三位分別輸出時序脈沖,經(jīng)光電隔離、驅(qū)動放大使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),延時的長短決定了步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行一拍的時間,也就決

66、定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速. 4.5.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 由微機(jī)根據(jù)控制要求發(fā)出的脈沖,并依次將脈沖分配到各相繞組,因其功率很小,電壓不足5V,電流為mA級,必須經(jīng)過驅(qū)動器將信號放大到若干安培,才能驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī).因此,步進(jìn)電動機(jī)實際上是一個功率放大器,驅(qū)動器的質(zhì)量直接影響步進(jìn)電動機(jī)的性能,驅(qū)動器的負(fù)載是電機(jī)的繞組,是強(qiáng)電感應(yīng)負(fù)載.對驅(qū)動器的主要要求是:失真要小,要有較好的前后沿和足夠的幅度;效率要高;工作可靠;安裝調(diào)試和維修方便. 下圖是一個La繞組的高低壓驅(qū)動電路,脈沖變壓器Tp組成高壓控制電路 圖4.10 放大電路圖 無脈沖輸入時,T1,T2,均截止,電機(jī)繞組La中無電流通過,電機(jī)不轉(zhuǎn).有脈沖輸入時,T1飽和導(dǎo)通,在T2由截止到飽和期間,其集電極電流也就是脈沖變壓器的初級電流急速增加,在變壓器次級感應(yīng)一個電壓,使T3導(dǎo)通,80V高壓經(jīng)高壓管T3加到繞組La上,使電流迅速上升,約經(jīng)數(shù)百微妙,當(dāng)T2進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)后,初級電流暫時恒定,次級的感應(yīng)電壓降到0;T3截止,這時12V低壓電流經(jīng)D2加到繞組La上,維持La中的電流為恒定值.輸入脈沖結(jié)束后,T1,T2,T3,T4又截止,