0525-JCS-018立式加工中心主軸箱及進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計,jcs,立式,加工,中心,主軸,進(jìn)給,系統(tǒng),設(shè)計 前 言 加工中心集計算機技術(shù)、電子技術(shù)、自動化控制、傳感測量、機械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體，是典型的機電一體化產(chǎn)品，它的發(fā)展和運用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時代，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大變化?，F(xiàn)在的CAD/CAM、FMS、CIMS，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上。目前數(shù)控技術(shù)已經(jīng)廣泛運用于制造業(yè)，數(shù)控技術(shù)水平的高低已成為衡量一個國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志。而加工中心的發(fā)展最為重要。 隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，市場上對數(shù)控的要求也有很大的改變，正要求數(shù)控系統(tǒng)朝著高速、高精度、高可靠性發(fā)展，為追求加工效率及更通用化迫使數(shù)控機床結(jié)構(gòu)模塊化、智能化、柔性化、用戶界面圖形化，科學(xué)計算可視化，內(nèi)置高性能PLC，多媒體技術(shù)應(yīng)用等方面發(fā)展。 加工中心的優(yōu)點有：1）提高加工質(zhì)量；2）縮短加工準(zhǔn)備時間；3）減少在制品；4）減少刀具費；5）最少的直接勞務(wù)費；6）最少的間接勞務(wù)費；7）設(shè)備利用率高?？偟膩碚f，加工中心的發(fā)展動向是高速、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機能。 本設(shè)計說明書以大量圖例來說明加工中心的主軸箱設(shè)計及橫向進(jìn)給機構(gòu)的設(shè)計的思路。設(shè)計中得到顏竟成教授的悉心指導(dǎo)，在此向他表示誠摯的的感謝。由于編者的水平和經(jīng)驗有限，加之設(shè)計時間較短、資料收集較困難，說明書中難免有缺點和錯誤，在此懇請讀者諒解，并衷心希望廣大讀者提出批評意見，使本設(shè)計說明書能有所改進(jìn)。 1、 機床總體方案設(shè)計 1.1機床總體尺寸參數(shù)的選定 根據(jù)設(shè)計要求并參考實際情況，初步選定機床主要參數(shù)如下： 工作臺寬度×長度 400×1600mm×mm 工作臺最大縱向行程 650mm 工作臺最大橫向行程 450mm 工作臺最大垂直行程 500mm X、Y軸步進(jìn)電機 a12/3000i Z步進(jìn)電機 a12/3000i 主軸最大輸出扭矩 70公斤力×米 主軸轉(zhuǎn)速范圍 45～2000r/min 主電動機的功率 4kw 主軸電動機轉(zhuǎn)速 1500r/min 機床外行尺寸（長×寬×高） 2488×1200×2710mm×mm×mm 機床凈重 500kg 1.2機床主要部件及其運動方式的選定 1、主運動的實現(xiàn) 因所設(shè)計的臥式加工中心要求能進(jìn)行車、銑和鏜，橫向方向的行程比較大，因而采用工作臺不動，而主軸箱各軸向擺放為臥式的機構(gòu)布局；采用交流無級調(diào)速電動機實現(xiàn)無級調(diào)速，并且串聯(lián)有級變速箱來擴大變速范圍。為了使主軸箱在數(shù)控的計算機控制上齒輪的傳動更準(zhǔn)確、更平穩(wěn)、工作更可靠，主軸箱主要采用離合器交換齒輪的有級變速。 2、給運動的實現(xiàn) 本次所設(shè)計的機床進(jìn)給運動均由單片機進(jìn)行數(shù)字控制，因此在X、Y、Z三個方向上，進(jìn)給運動均采用滾珠絲杠螺母副，其動力由步進(jìn)電機通過調(diào)隙齒輪傳遞。 3、數(shù)字控制的實現(xiàn) 采用單片機控制，各個控制按鈕均安裝在控制臺上，而控制臺擺放在易操作的位置，這一點須根據(jù)實際情況而定。 4、機床其他零部件的選擇 考慮到生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的經(jīng)濟性，機床附件如油管、行程開關(guān)等，以及標(biāo)準(zhǔn)件如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購形式。 1.3 機床總體布局的確定 （一）確定主軸箱傳動系統(tǒng)方案： 主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動等。 加工中心主傳動系統(tǒng)主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機床的主傳動系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上比較簡單，這是因為變速功能全部或大部分由主軸電動機的無級調(diào)速來承擔(dān)。 機床上常用的變速電動機有直流電動機和交流變頻電動機，在額定的轉(zhuǎn)速上為恒功率變速，通常變速范圍僅為2-3；額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩變速，調(diào)整范圍很大，變速范圍可大30甚至更大。上述功率和轉(zhuǎn)矩特性一般不能滿足機床的使用要求。為了擴大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動機和主軸之間串聯(lián)一個有級變速箱。 本機床采用交流調(diào)速電機變速，為了在變速范圍內(nèi)，滿足一定恒功率和恒轉(zhuǎn)矩的要求，為了進(jìn)一步擴大變速范圍，在后面串聯(lián)機械有級變速裝置。 （二）確定主軸箱有級變速級數(shù)： 取變速箱的公比為等于電動機的恒功率變速范圍，即，功率特性圖是連續(xù)的，無缺口和無重合。如變速箱級數(shù)為Z，則主軸的恒功率變速范圍等于 變速箱的變速級數(shù)可得出： 主軸要求的恒功率變速范圍 電動機的恒功率變速范圍 取變速箱的公比 故變速箱的變速級數(shù) 故通過圓整取 Z=12。 （三）確定各齒輪的齒數(shù)： 在確定齒輪齒數(shù)時應(yīng)注意：齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過大，以免加大兩軸之間的中心距，使機床的結(jié)構(gòu)龐大，而且增大齒數(shù)和還會提高齒輪的線速度而增大躁聲，所以在設(shè)計時要把齒數(shù)和控制在；為了控制每組嚙合齒輪不產(chǎn)生根切現(xiàn)象，使最小齒數(shù)，因而齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過小。 受結(jié)構(gòu)限制的個齒輪（尤其是最少齒輪），應(yīng)能可靠地裝到軸上或進(jìn)行套裝；齒輪的齒槽到孔壁或鍵槽（m為模數(shù)），以保證有足夠強的強度，避免出現(xiàn)變形或斷裂現(xiàn)象。應(yīng)保證： 標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，其最少齒根直徑，代入上式可得： 式中：——齒輪的最少齒數(shù)； ——齒輪模數(shù)； ——齒輪鍵槽頂面至軸心線的距離。 由于此傳動在同一變數(shù)組為同模數(shù)傳動，各對齒輪的齒數(shù)的齒數(shù)之比，必須滿足傳動比；當(dāng)各對齒輪的模數(shù)相同，且不采用變位齒輪時，則各對齒輪的齒數(shù)和必然相等，可列出： 式中：——分別為J齒輪副的主動與從動齒輪的齒數(shù)； ——J齒輪副的傳動比； ——齒輪副的齒數(shù)和。 由上述公式可得： 因此，選定了齒數(shù)和，便可以計算出各齒輪的齒數(shù)，或者由上式確定出齒輪副的任一齒輪后，用上式算出另一齒輪的齒數(shù)。 查表選擇齒輪的齒數(shù)： 其中a代表二軸，b代表三軸，c代表四軸，d代表主軸。 （四）擬定主運動轉(zhuǎn)速圖 由上述計算得，12級轉(zhuǎn)速各傳動組中傳動數(shù)的確定方案有： 12=4×3 ，12=3×4 ，12=3×2×2， 12=2×3×2， 12=2×2×3 按照“前多后少”的原則，確定各傳動組的傳動副數(shù)為12=3×2×2。根據(jù)“前密后疏”的原則，確定基本組在前，后面依次擴大，因此得結(jié)構(gòu)式為 ， 第二擴大組的兩個傳動比連線之間，相距格數(shù)應(yīng)為，變速范圍是，在允許的范圍內(nèi)，所選定的結(jié)構(gòu)式共有三個傳動組。 因此變速機構(gòu)需要四軸，再加上電動機軸共五軸，故轉(zhuǎn)速圖有五條豎線。由于齒輪傳動比受到的限制，現(xiàn)在傳動組C的變速范圍為?？芍@個傳動組中兩個傳動副的傳動比必然是極限值，即 該傳動組的升降速度傳動比都達(dá)到了極限值，就確定了軸Ⅲ的六級轉(zhuǎn)速只有一種可能，即為180～1000r/min。 軸Ⅱ-Ⅲ之間，兩條傳動比連線間應(yīng)相距3格，取 ，因此，確定軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速為355～710 r/min。對于軸Ⅰ，取 于是決定了軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速為1000 r/min，電動機軸與軸Ⅰ之間為齒輪傳動，傳動比為1000：1440。 綜合上述，主軸的調(diào)速范圍：45，63，90，125，180，250，355，500，710，1000，1400，2000。轉(zhuǎn)速圖如下： 圖1.1 加工中心轉(zhuǎn)速圖 2、 主運動的設(shè)計計算 2.1 電動機的選擇 2.1.1電動機的功率的計算 查《機床主軸/變速箱設(shè)計指導(dǎo)》： 端銑：硬質(zhì)合金端銑刀，銑刀材料是45號鋼； 1） 主切削力 公式中 背吃刀量 ， 每齒進(jìn)給量， 刀具直徑， 銑刀齒數(shù)z=4,選， 銑刀轉(zhuǎn)速 所以主切削力 2）切削功率 銑削過程中消耗的功率主要按圓周切削力和銑削速度進(jìn)行計算 進(jìn)給運動也消耗一些功率，一般情況下，所以總的切削力功率 ，由此可估算銑床主電動機的功率；，取， 2.1.2 電動機參數(shù)的選擇 在選擇電動機時，必須使得，根據(jù)這個原則，查《機械設(shè)計手冊》選取Y112M-4型電動機，功率為4kw。其基本參數(shù)如下(單位為mm): 滿載轉(zhuǎn)速為 2.2 齒輪傳動的設(shè)計計算 由于直齒圓柱齒輪具有加工和安裝方便、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，而且直齒圓柱齒輪也能滿足傳動設(shè)計要求，所以本次設(shè)計選用漸開線直齒圓柱齒輪傳動；主軸箱中的齒輪用于傳遞動力和運動，它的精度直接與工作的平穩(wěn)性、接觸誤差及噪聲有關(guān)。為了控制噪聲，機床上主傳動齒輪都選用較高的精度，但考慮到制造成本，本次設(shè)計都選用7-6-6的精度。具體設(shè)計步驟如下： 2.2.1 模數(shù)的估算 按接觸疲勞和彎曲疲勞計算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都已知道后方可確定，所以只在草圖畫后校核用。在繪草圖之前，先估算，再 標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)。 齒輪彎曲疲勞的估算公式： 齒面點蝕的估算公式： 其中為大齒輪的計算轉(zhuǎn)速，A為齒輪中心距。 由中心距A及齒數(shù)、求出模數(shù)： 根據(jù)估算所得和中較大的值，選取相近的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 前面已求得各軸所傳遞的功率，各軸上齒輪模數(shù)估算如下： 第一對齒輪副 所以，第一對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應(yīng)為 第二對齒輪 所以，第二對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應(yīng)為 第三對齒輪副 所以，第三對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應(yīng)為 第四對齒輪副 所以，第三對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應(yīng)為 綜合上述，為了降低成本，機床中各齒輪模數(shù)值應(yīng)盡可能取相同，但因為V軸的轉(zhuǎn)速比較小，扭矩比較大，為了增加其強度和在主軸上能起到飛輪的作用，需增加V軸齒輪的幾何尺寸。所以，本次設(shè)計中在Ⅰ→Ⅱ?qū)X輪模數(shù)均為，在Ⅱ→Ⅳ對齒輪上就取。 2.2.2齒輪分度圓直徑的計算 根據(jù)漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪分度圓直徑計算公式可得各個傳動副中齒輪的分度圓直徑為：單位（mm） 2.2.3 齒輪寬度B的確定 齒輪影響齒的強度，但如果太寬，由于齒輪制造誤差和軸的變形，可能接觸不均勻，反而容易引起振動和噪音。一般取B=（6～10）m。本次設(shè)計中，取主動輪寬度B=9m=18mm(最后一對齒輪也取B=79m=18mm)。 2.2.4 齒輪其他參數(shù)的計算 根據(jù)《機械原理》中關(guān)于漸開線圓柱齒輪參數(shù)的計算公式及相關(guān)參數(shù)的規(guī)定，齒輪的其他參數(shù)都可以由以上計算所得的參數(shù)計算出來，本次設(shè)計中，這些參數(shù)在此不在一一計算。 2.2.5齒輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計 不同精度等級的齒輪，要采用不同的加工方法，對結(jié)構(gòu)的要求也不同，七級精度的齒輪，用較高精度的滾齒機或插齒機可以達(dá)到。但淬火后，由于變形，精度將下降。因此，需要淬火的7級齒輪一般滾或插后要剃齒，使精度高于7級，或者淬火后再珩齒。6級精度的齒輪，用精密滾齒機可以達(dá)到。淬火齒輪，必須達(dá)到6級。機床主軸箱中的齒輪齒部一般都需要淬火。 2.2.6齒輪的校核（接觸疲勞強度） 計算齒輪強度用的載荷系數(shù)，包括使用系數(shù)，動載荷系數(shù)，齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分布系數(shù)，即： 齒輪接觸疲勞強度滿足，因此接觸的應(yīng)力小于許用的接觸應(yīng)力。其他齒輪也符合要求，故其余齒輪不需驗算，在此略去。 2.3 軸的設(shè)計計算 2.3.1 各傳動軸軸徑的估算 滾動軸承的型號是根據(jù)軸端直徑確定的，而且軸的設(shè)計是在初步計算軸徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此先要初算軸徑。軸的直徑可按扭轉(zhuǎn)強度法用下列公式進(jìn)行估算。 對于空心軸，則 式中，P——軸傳遞的功率，KW； n——軸的計算轉(zhuǎn)速，r/min; ——其經(jīng)驗值見表 取的值為1.5。 (1)計算各傳動軸傳遞的功率P 根據(jù)電動機的計算選擇可知，本次設(shè)計所用的電動機額定功率，各傳動軸傳遞的功率可按下式計算： 由傳動系統(tǒng)圖可以看出，本次設(shè)計中采用了聯(lián)軸器和齒輪傳動，及軸承。則各軸傳遞的功率為： 所以，各傳動軸傳遞的功率分別為： (2) 估算各軸的最小直徑 本次設(shè)計中，考慮到主軸的強度與剛度以及制造成本的經(jīng)濟性，初步選擇主軸的材料為40Cr，其他各軸的材料均選擇45鋼，取A0值為115，各軸的計算轉(zhuǎn)速可推算出為： 所以各軸的最小直徑為： 在以上各軸中，因有些軸上開有平鍵或花鍵，所以為了使鍵槽不影響軸的強度，應(yīng)將軸的最小直徑增大到5%，將增大后的直徑圓整后分別取各軸的最小直徑為： 對于主軸應(yīng)該應(yīng)用公式； 故主軸為 考慮到軸上有花鍵，所以應(yīng)將軸的最少直徑增大5%，將增大的直徑在圓整后取 2.3.2各軸段長度值的確定 各軸段的長度值，應(yīng)根據(jù)主軸箱的具體結(jié)構(gòu)而定，且必須滿足以下的原則；應(yīng)滿足軸承及齒輪的定位要求。 2.3.3 軸的剛度與強度校核 1）、軸的受力分析及受力簡圖 由主軸箱的展開圖可知，該軸的動力源由電動機通過彈性聯(lián)軸器傳遞過來，而后通過齒輪將動力傳遞到下一根軸。其兩端通過一對角接觸軸承將力轉(zhuǎn)移到箱體上去。由于傳遞的齒輪采用的是直齒圓柱齒輪，因此其軸向力可以忽略不計。所以，只要校核其在XZ平面和YZ平面的受力。軸所受載荷是從軸上零件傳來的，計算時常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布段的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。通常把軸當(dāng)作鉸鏈支座上的糧，支反力的作用點與軸承的類型和布置方式有關(guān)。其受力簡圖如下： 在XZ平面內(nèi)： 圖2.1 XZ平面受力分析 在YZ平面內(nèi)： 圖2.2 YZ平面受力分析 2）作出軸的彎矩圖 根據(jù)上述簡圖，分別按XZ平面及YZ平面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別作出兩個平面的上的彎矩圖。 則該軸在XZ平面內(nèi)的彎矩圖為： 圖2.3 XZ平面內(nèi)的彎矩 同理可得在YZ平面內(nèi)的彎矩圖為： 圖2.4 YZ平面內(nèi)的彎矩 3）作出軸的扭矩圖 由受力分析及受力簡圖可知， 則扭矩圖為： 圖2.5 扭矩圖 4）、作出總的彎矩圖 由以上求得的在XZ、YZ平面的彎矩圖，根據(jù)可得總的彎矩圖為： 圖2.6 合成彎矩圖 5）、作出計算彎矩圖 根據(jù)已作出的總彎矩圖和扭矩圖，則可由公式求出計算彎矩，其中是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生應(yīng)力的循環(huán)特性差異的系數(shù)，因通常由彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對稱循環(huán)的邊應(yīng)力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力則常常不是對稱循環(huán)的變應(yīng)力，故在求計算彎矩時，必須計及這種循環(huán)特性差異的影響。既當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時，取a=0.3;扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，取a=0.6；若扭矩切應(yīng)力也為對稱循環(huán)變應(yīng)力時，則取a=1。應(yīng)本次設(shè)計中扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力，所以取a=0.3，則計算彎矩圖為： 圖2.7 計算彎矩圖 6） 校核軸的強度 選擇軸的材料為45鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。由機械設(shè)計手冊查得其許用彎曲應(yīng)力為60MP，由計算彎矩圖可知，該軸的危險截面在B的作用點上，由于該作用點上開有花鍵，由機械設(shè)計可查得其截面的慣性矩： 其中Z為花鍵的數(shù)目，在本次設(shè)計中，，所以其截面的慣性矩為W=2984.2。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪受力計算公式可得圓周力與徑向力： 其中：為小齒輪傳遞的扭轉(zhuǎn)，； 為嚙合角，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪，??； 而與分別對應(yīng)與XZ平面及平面YZ的力。各段軸的長度可從2號A0圖中得出，則根據(jù)前面的公式可得出該軸危險截面的計算彎矩為： 則該軸危險截面所受的彎曲應(yīng)力為： 所以該軸的強度滿足要求。其余各軸的校核步驟跟Ⅲ軸一樣，在此就不在校其余各軸。 2.3.4 主軸的確定 主軸的構(gòu)造和形狀主要決定與主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動件、軸承等零件的類型、數(shù)量、位置和安裝定位方法等。應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。 1） 主軸材料的選擇 考慮到主軸的剛度及強度，選擇主軸的材料為40Cr，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。 2） 主軸結(jié)構(gòu)的確定 ①主軸直徑的選擇 根據(jù)機床主電動機功率來確定 ∵P=2.96KW，屬于中等以上轉(zhuǎn)速，中等以下載荷的機床 ∴可取=50～70mm； ②主軸內(nèi)孔直徑 其中 ，---空心主軸的剛度和截面慣性矩 ，---實心主軸的剛度和截面慣性矩 當(dāng)則主軸的剛度急劇下降，故取 主軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)主軸上應(yīng)安裝的組件以及在主軸箱里的具體布置來確定，主軸的具體結(jié)構(gòu)已在三維圖上表達(dá)清楚。 ③提高主軸的性能措施 a、提高旋轉(zhuǎn)精度 提高主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，首先是要保證主軸和軸承具有一定的精度，此外還可以采取一些工藝措施。如選配法、裝配后精加工。 b、改善動態(tài)特性 主軸應(yīng)有較高的動剛度和較大的阻尼，使得主軸組件在一定副值的周期性激振力作用下，受迫振動的振幅較小。通常，主軸組件的固有頻率是而后內(nèi)高的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主軸的最高轉(zhuǎn)速，故不必考慮共振問題，按靜態(tài)處理。 c.控制主軸組件溫升 主軸運轉(zhuǎn)時滾動軸承的滾動體在滾道中磨擦、攪油，滑動軸承乘載油膜受到剪切內(nèi)磨擦，均會產(chǎn)生熱量，使軸承溫度上升。故控制主軸組件溫升和熱變形，提高其熱穩(wěn)定性是十分必要的。主要有兩項措施。 (1)減少支承發(fā)熱量。 (2)采用散熱裝置。通常用熱源隔離法、熱源冷卻法和熱平衡法。 主軸的主要尺寸是根據(jù)結(jié)構(gòu)上確定的，一般的直徑取值都大于初始值的好幾倍， 故主軸的剛度一般都能滿足要求。在此就免于校核。 2.4 離合器的選用 離合器在機器運轉(zhuǎn)中可將傳動系統(tǒng)隨時分離或接合，對離合器的要求有：接合平穩(wěn)，分離迅速徹底；調(diào)節(jié)和修理方便；外廓尺寸??；質(zhì)量小；耐磨性好和有足夠的散熱能力；操作方便省力。；離合器的類型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。由主軸箱的結(jié)構(gòu)尺寸限制，我選用了無滑環(huán)式多片摩擦式。由主軸箱的結(jié)構(gòu)尺寸限制，我選用了無滑環(huán)濕式多片摩擦電磁式離合器，此類型的離合器防爆性能好，徑向尺寸較小。選型號DLM9-25。其結(jié)構(gòu)尺寸如下： 3、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算--立式加工中心工作臺（X軸）設(shè)計 3.1 概述 （1）技術(shù)要求： 工作臺、工件和夾具的總質(zhì)量m=918 kg（所受的重力W=9000N），其中，工作臺的質(zhì)量 (所受的重力W=5000N）;工作臺最大行程；工作臺快速移動速度;工作臺采用滾動直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動、靜摩檫系數(shù)均為0.01；工作臺的定位精度為20，重復(fù)定位精度為8；機床的工作壽命為20000h（即工作時間為10年）。 機床采用主軸伺服電動機，額定功率，機床采用端面銑刀進(jìn)行強力切削，銑刀直徑，主軸轉(zhuǎn)速，切削狀況如下表所示： 加工中心切削狀況 切削方式 進(jìn)給速度/（m/min） 時間比例/（%） 備注 強力切削 0.6 10 主電動機滿功率條件下切削 一般切削 0.8 30 粗加工 精加工切削 1 50 精加工 快速進(jìn)給 20 10 空載條件下工作臺快速進(jìn)給 （2） 總體方案設(shè)計 為了滿足以上技術(shù)要求，采取以下技術(shù)方案。 （1）工作臺工作面尺寸（寬度×長度）確定為400mm×1200mm。 （2）工作臺導(dǎo)軌采用滾動直線導(dǎo)軌。 （3）對滾動絲杠螺母副進(jìn)行預(yù)緊。 （4）采用伺服電動機驅(qū)動。 （5）采用錐環(huán)套筒聯(lián)軸器將伺服電動機與滾珠絲杠直連。 3.2 設(shè)計計算 3.2.1 主切削力及其切削分力計算 （1）計算主切削。 根據(jù)已知條件，采用端面銑刀在主軸計算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行強力切削（銑刀直徑，主軸具有最大扭矩并能傳遞主電動機的全部功率，此時銑刀的切削速度為 若機械效率，則由公式可以計算主切削力： （2）計算各切削分力 根據(jù)經(jīng)驗可得工作臺縱向切削力、橫向切削力 和垂直切削力分別為 3.2.2導(dǎo)軌摩檫力的計算 由公式計算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩檫力，此時導(dǎo)軌摩檫系數(shù)，查表得導(dǎo)軌緊固力，則 又由公式計算在不在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩檫力和導(dǎo)軌靜摩檫力。 3.2.3計算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力 （1）由公式計算最大軸向負(fù)載力。 （2）由公式計算最小軸向負(fù)載力 3.2.4 滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 （1）確定滾珠絲杠的導(dǎo)程 根據(jù)已知條件，取電動機的最高轉(zhuǎn)速，可得 （2）計算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷 ①估算在各種切削方式下滾珠絲杠的軸向載荷，將估算結(jié)果填入下表 臥式加工中心滾珠絲杠的計算 切削方式 軸向載荷/N 進(jìn)給速度/（m/min） 時間比例/（%） 備注 強力切削 935.1 10 一般切削（粗加工） 277.44 30 精細(xì)切削（精加工） 137.16 50 快移和鉆鏜定位 90.4 10 ②計算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速。 ③由公式計算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速。 其中代表時間比例系數(shù) ④由公式計算滾珠絲杠螺母副的平均載荷 （3）確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動載荷 由預(yù)期工作時間按公式計算。查表 載荷性質(zhì)系數(shù) 載荷性質(zhì) 無沖擊（很平穩(wěn)） 輕微沖擊 伴有沖擊或振動 1—1.2 1.2—1.5 1.5—2 根據(jù)載荷性質(zhì)，有輕微沖擊，取載荷性質(zhì)=1.3； 查表 精度系數(shù) 精度等級 1、2、3 4、5 7 10 1 0.9 0.8 0.7 根據(jù)初步選擇滾珠絲杠的精度等級為2級精度，取精度系數(shù)； 查表 可靠性系數(shù) 可靠性（%） 90 95 96 97 98 99 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 一般情況下可靠性應(yīng)達(dá)到97%，故取可靠性系數(shù)。 因?qū)L珠絲杠螺母副將實施預(yù)緊，所以還可以按公式估算最大軸向載荷。查表 預(yù)加載荷系數(shù) 預(yù)加載荷類型 輕預(yù)載 中預(yù)載 重預(yù)載 6.7 4.5 3.4 按中預(yù)載選取預(yù)加載荷系數(shù)則 確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動載荷，取上兩種結(jié)果的最大值，即 按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底經(jīng) ①估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形 已知工作臺的定位精度為20，重復(fù)定位精度為8，根據(jù)公式計算以及定位精度和重復(fù)定位精度的要求得 取上述計算結(jié)果的最小值，即。 ②估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑。 本工作臺（X軸）滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用一端固定，一端游動的支承方式，滾珠絲杠螺母副的兩個固定支承之間的距離為 又可得 3.2.5 初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 根據(jù)計算所得的、、和結(jié)果的需要，初步選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副，型號為：FFZD4010-3，其公稱直徑、基本導(dǎo)程、額定動載荷和絲杠底徑如下： 故滿足要求。 3.2.6 確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 由式得 3.2.7 確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號 （1）由公式計算軸承所承受的最大軸向載荷 （2）計算軸承的預(yù)緊力 （3）計算軸承的當(dāng)量軸向載荷 （4）由式計算軸承的基本額定動載荷。 已知軸承的工作轉(zhuǎn)速與滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速相同，??；軸承的基本額定載荷壽命，軸承所承受的軸向載荷。軸承的徑向載荷和軸向載荷分別為 因為所以查表得，徑向系數(shù)X，軸向系數(shù)Y分別為，故 （5）確定軸承的規(guī)格型號。 因為滾珠絲杠螺母副擬采用一端固定、一端游動的支承方式，所以將在固定端選用角接觸球承組背對背安裝，以承受兩個方向的軸向力。由于滾珠絲杠螺母副的底徑為，所以選擇軸承的內(nèi)徑為，以滿足滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的需要。 選擇國產(chǎn)角接觸球承兩件一組背對背安裝，型號為760206TNI/P4DFA，尺寸（內(nèi)徑×外徑×寬度）為，選用油脂潤滑。該軸承的預(yù)載荷能力為1450N，大于計算所得的軸承預(yù)緊力。在油脂潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為，高于本機床滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速，故滿足要求。該軸承的額定動載荷為 ，而該軸承在工作壽命下的基本額定動載荷，故也滿足要求。 3.3 工作臺部件的裝配圖設(shè)計 3.4 滾珠絲杠螺母副的承載能力的校驗 3.4.1 滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗 根據(jù)圖得滾珠絲杠螺母副的最長受壓長度，絲杠水平安裝時， 本工作臺滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為遠(yuǎn)小于其臨界壓縮載荷的值，故滿足要求。 3.4.2 滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗 由圖可得滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計算長度，其彈性模量， 已知材料密度安全系數(shù)由表得與支承有關(guān)的系數(shù)。 滾珠絲杠的最小慣性矩為 滾珠絲杠的最小截面積為 由式得 本工作臺滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故 滿足要求。 3.4.3滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗 查表得滾珠絲杠螺母的額定動載荷，軸向載荷，運轉(zhuǎn)條件系數(shù)，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，由公式得 一般來講，在設(shè)計數(shù)控機床時，應(yīng)保證滾珠絲杠螺母副的總工作壽命故滿足要求。 3.5 計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 3.5.1 機械傳動系統(tǒng)的剛度計算 （1）計算滾珠絲杠的拉壓剛度。 本機床工作臺的絲杠支承方式為一端固定、一端游動。由圖可知，滾珠絲杠螺母中心至固定端的距離時，滾珠絲杠具有最小拉壓剛度，由式得 當(dāng)時，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度，由公式得 （2）計算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度。 已知軸承接觸角，滾動體直徑，滾動體個數(shù)軸承的最大軸向工作載荷，可得 （3）計算滾珠與滾道的接觸剛度。 查表得滾珠絲杠的剛度，額定動載荷，滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷，又公式得 （4）計算進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度。 由公式得進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 故。 由公式得進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為 故。 3.5.2 滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計算 由圖可知，扭轉(zhuǎn)作用點之間的距離，剪切模量， 滾珠絲杠的底徑故由公式得 3.6 驅(qū)動電動機的選型與計算 3.6.1 計算折算到電動機軸上的負(fù)載慣量 （1）計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量。 已知滾珠絲杠的密度，可得 （2）計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量。 （3）由公式計算折算到電動機軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量。 已知機床執(zhí)行部件（即工作臺、工件和夾具）的總質(zhì)量，電動機每轉(zhuǎn)一圈，機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離則 （4）由式計算加在電動機軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量 3.6.2 計算折算到電動機軸上的負(fù)載力矩 （1）由式計算切削負(fù)載力矩。 切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力，電動機每轉(zhuǎn)一圈，機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離進(jìn)給傳動系統(tǒng)的總效率，則 （2）由式計算摩擦負(fù)載力矩。 在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力故 （3）由式計算滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩。 滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力，滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程滾珠絲杠螺母副的效率，則 3.6.3 計算坐標(biāo)軸折算到電動機軸上各種所需的力矩 （1）由公式計算線性加速力矩。 已知機床執(zhí)行部件以最快速度運動時電動機的最高轉(zhuǎn)速 電動機的轉(zhuǎn)動慣量，坐標(biāo)軸的負(fù)載慣量。取進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益則加速時間，故 (2)計算階躍加速力矩。 加速時間故 計算坐標(biāo)軸所需的折算到電動機軸上的各種力矩。 ①由公式計算線性加速時的空載啟動力矩。 ②由公式計算階躍加速時的空載啟動力矩。 ③由公式計算空載時的快進(jìn)力矩力矩。 ④由公式計算切削時的工進(jìn)力矩 3.6.4 選擇驅(qū)動電動機的型號 （1）選擇驅(qū)動電動機的型號。 根據(jù)以上計算和表格，選擇日本FANUC公司生產(chǎn)的a12/3000i型交流伺服電動機為驅(qū)動電動機。其主要技術(shù)參數(shù)如下：額定功率，3KW；最高轉(zhuǎn)速，3000r/min;額定力矩，；轉(zhuǎn)動慣量，；質(zhì)量，18kg。 交流伺服電動機的加速力矩一般為額定力矩的5～10倍，若按5倍計算，該電動機的加速力矩為，均大于本機床工作臺線性加速時的空載啟動力矩或階躍加速時的空載啟動力矩，所以，不管采用何種加速方式，本電動機均滿足加速力矩要求。 該電動機的額定力矩為，均大于本機床工作臺的快進(jìn)力矩或工進(jìn)力矩。因此，不管是快進(jìn)還是工進(jìn)，本電動機均滿足驅(qū)動力矩的要求。 （2）慣性匹配驗算 為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達(dá)到較合理的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣量與伺服電動機的轉(zhuǎn)動慣量之比一般應(yīng)滿足下式，即 在本設(shè)計中，，故滿足要求。 3.7 機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 3.7.1 計算絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率 已知滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度滾珠絲杠螺母副和機床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為，其中分別為機床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量，已知則 3.7.2 計算扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率 折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)的總當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量為 又絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度則 由以上計算可知，絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率、扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高。一般按的要求來設(shè)計機械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。 3.8 機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析 3.8.1 計算機械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū) 已知進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值，導(dǎo)軌的靜摩擦力，由公式得 即故滿足要求。 3.8.2計算機械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 由公式得 即，故滿足要求。 3.8.3 計算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差 （1）由公式計算由扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量。 負(fù)載力矩。由圖得扭矩作用點之間的距離，絲杠底徑，則 （2）由該扭轉(zhuǎn)變形量引起的軸向移動滯后量將影響工作臺的定位精度。由公式得 3.9 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號 （1）確定滾珠絲杠螺母副的精度等級。 本機床工作臺采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng)滿足下列要求 滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級為2級，查表得查表得，當(dāng)螺紋長度為時，故滿足設(shè)計要求。 （2）確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號。 滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號為FFZD4010-3-P2/1105×850，其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導(dǎo)程：40mm,10mm；螺紋長度：850mm；絲杠長度：1150mm；類型與精度：P類，2級精度。 3.10 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)。 3.11 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)傳動間隙的機構(gòu)；設(shè)置彈性補償元件。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。 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。控制系統(tǒng)的控制對象主要包括各種機床，如車床、銑床、，磨床等等?？刂葡到y(tǒng)的基本組成如下圖所示： 圖4.1 控制系統(tǒng)總體方案 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 單片機的設(shè)計 （1）MCS-51系列單片機的設(shè)計 MCS-51系列單片機的所有產(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，它提供單片機的時鐘控制信號。時鐘引腳也可外接晶體振蕩器。 （19）：接外部晶體的一個引腳。在單片機內(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)振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的高電平將使單片機復(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。 （31腳）：當(dāng)端保持高電平時，單片機訪問的是內(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。一般作為擴展時地址/數(shù)據(jù)總線口使用。 P1（P1.0-P1.7）：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。 （2）MCS-51單片機的時鐘電路 時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(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內(nèi)部的各個部件。單片機的時鐘產(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，其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同。如下圖所示： 圖4.2 時鐘電路 MCS-51單片機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60PF-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。 （3）MCS-51單片機的復(fù)位電路 計算機在啟動運行時都需要復(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，單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)的，MCS-51單片機有一個復(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)運動等的需要，常常需要人工按鈕復(fù)位，如下圖所示： 圖4.3 復(fù)位電路 對于CMOS型單片機因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），就能使單片機有效復(fù)位，當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHZ時，RC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，從而使單片機復(fù)位。 4.2.2 系統(tǒng)的擴展 在以8031單片機為核心的控制系統(tǒng)中必須擴展 程序存儲器，用以存放控制程序。同時，單片機內(nèi)部的存儲器容量較小，不能滿足實際需要，還要擴展數(shù)據(jù)存儲器。這種擴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接口是不夠的，因此，單片機還需要擴展輸入輸出接口芯片。 （1）程序存貯器的擴展 MCS-51系列單片機的程序存貯器空間和數(shù)據(jù)存貯器空間是相互獨立的。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)行程序存貯器的擴展。用作程序存貯器的常用的器件是EPROM。 由于MCS-51單片機的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可直接與單片機的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地址鎖存。 根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對程序存貯器容量要求的不同，常采用的擴展芯片擴展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)程序存貯器擴展的原理，以EPROM和鎖存器74L373為例對8031單片機進(jìn)行程序存貯器的擴展。因為2764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址線，A0-A12。如果只擴展一片程序存貯器EPROM，故可將片選端CE直接接地。下圖為擴展兩片EPROM的連接方法。同時，8031運行所需的程序指令來自2764A，要把其EA端接地，否則，8031將不會運行。 圖 4.4 2764的擴展電路 （2）數(shù)據(jù)存貯器的擴展 8031單片機內(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的擴展功能，擴展外部數(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單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài)RAM是最常用的，由于這種存貯器的設(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單片機外部擴展兩片2764EPROM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的擴展電路 （1）I/O的擴展 MCS-51系列單片機大多具有四個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型的單片機因必須擴展外部程序存貯器，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（如打印機、鍵盤、顯示器等），單片機本身所提供的輸入輸出口不能滿足，就不可避免地要擴展并行I/O接口。常用的MCS-51并行I/O接口擴展方法主要有四種：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