數(shù)控車床的進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)終版

1、機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)(論文)題目: 數(shù)控車床的進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 專 業(yè)_機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)_ 班 級(jí)_ 指導(dǎo)教師 譚為民 成 績_ 工程技術(shù)學(xué)院 2017年6月機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)年級(jí)設(shè)計(jì)題目： 數(shù)控車床的進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：1、 能用鍵盤輸入命令控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向2、 能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置3、 具有越程指示報(bào)警及停止功能設(shè)計(jì)參數(shù)1、 系統(tǒng)分辨率縱向?yàn)?.01mm，橫向?yàn)?.005mm；2、 最大加工直徑：在床面上為400mm，在床鞍上為210mm；3、 最大加工長度為1000mm；4、 快進(jìn)速度：縱向?yàn)?400mm/min，橫向

2、為2400mm/min；5、 最大切削進(jìn)給速度：縱向?yàn)?00mm/min，橫向?yàn)?00mm/min；6、 脈沖當(dāng)量：縱向?yàn)?.01mm/脈沖，橫向?yàn)?.01mm/脈沖；7、 X方向定位精度±0.01mm,Z方向定位精度±0.02mm；8、 縱、橫向安裝限位開關(guān)；9、 顯示界面采用5個(gè)8位LED數(shù)碼管；設(shè)計(jì)工作量：編寫設(shè)計(jì)說明書1份指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日目錄1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)11.1數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定11.2伺服進(jìn)給系統(tǒng)的選擇11.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定21.4控制系統(tǒng)的選擇21.5總體設(shè)計(jì)方案的確定32機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.1系統(tǒng)脈沖當(dāng)量選擇42.2切削力計(jì)算42.3

3、滾動(dòng)螺旋副選型計(jì)算與驗(yàn)算42.3.1縱向進(jìn)給絲杠52.3.2 滾珠絲杠副幾何參數(shù)72.4齒輪傳動(dòng)比計(jì)算72.5步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型82.5.1等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算82.5.2電機(jī)力矩計(jì)算82.5.3 步進(jìn)電機(jī)性能驗(yàn)算102.5.4步進(jìn)電機(jī)型號(hào)確定及主要參數(shù)列表103 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)113.1數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)113.1.1主控制器CPU的選擇113.1.2存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)113.1.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)133.1.4 其它輔助電路設(shè)計(jì)133.1.5 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)143.3繪制控制系統(tǒng)原理圖17總結(jié)18參考文獻(xiàn)18數(shù)控車床的進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400

4、716摘要：數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)是指能分別沿著X 向和Y向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，是許多機(jī)電一體化 設(shè)備的基本部件。本設(shè)計(jì)是對(duì)數(shù)控車床的進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的時(shí)候具體進(jìn)行了各部件的選型和計(jì)算。比如：導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)選型、滾珠絲杠螺母副的選型與計(jì)算，還進(jìn)行了進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差分析、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與滾珠絲杠的聯(lián)接、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析等，最后選用單片機(jī)對(duì)其做數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞： 數(shù)控車床 進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)對(duì)于數(shù)控車床的進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在考慮總體方案時(shí)應(yīng)遵行的基本原則是：在滿

5、足設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)機(jī)床的改造應(yīng)盡可能的少，以降低成本。數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定；伺服系統(tǒng)的選擇；執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定；控制系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出系統(tǒng)的總體方案，對(duì)方案進(jìn)行分析、比較、論證，最后確定總體方案并繪制系統(tǒng)總體方案框圖1。1.1數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。由于要求車床加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機(jī)控制（MNC）系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。1.2伺服進(jìn)給系統(tǒng)的選擇數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)之分。采用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制方案的優(yōu)點(diǎn)是可以達(dá)到很好的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)

6、械傳動(dòng)系統(tǒng)中的各種誤差、傳動(dòng)間隙及干擾等對(duì)加工精度的影響。但他的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，調(diào)試和維修困難，造價(jià)高。本設(shè)計(jì)的精度要求不是很高，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的必要性不大。采用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的半閉環(huán)控制，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)之間。由于調(diào)速范圍寬過載能力強(qiáng)，有具有反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制。由于反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機(jī)械傳動(dòng)元件，調(diào)試比閉環(huán)簡單，系統(tǒng)的穩(wěn)定性容易保證，所以比閉環(huán)容易實(shí)現(xiàn)。但是采用半閉環(huán)控制調(diào)試比開環(huán)控制要復(fù)雜，設(shè)計(jì)上有其自身的特點(diǎn)，技術(shù)難度較大。本設(shè)計(jì)任務(wù)的要求不高，通常情況下均采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制。因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)制作容易，控制精度較

7、好，容易調(diào)試，價(jià)格便宜，使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是步進(jìn)電機(jī)沒有過載能力，啟動(dòng)頻率低，工作頻率也不高等。開環(huán)控制多用于負(fù)載變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備中。經(jīng)過上述比較，決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出低摩擦、低慣量、高強(qiáng)度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：（1）盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、鐵塑導(dǎo)軌等。（2）盡量消除傳動(dòng)間隙,提高傳動(dòng)精度。如對(duì)滾珠絲杠和滾動(dòng)導(dǎo)軌進(jìn)行預(yù)緊，而傳動(dòng)齒輪通常采用消除間隙結(jié)構(gòu)。（3）盡量提高傳動(dòng)剛度。傳動(dòng)剛度是傳

8、動(dòng)元件之間的接觸剛度，接觸面越多剛度越低，傳動(dòng)誤差越大，故應(yīng)盡量縮短傳動(dòng)鏈。通常，在簡易數(shù)控系統(tǒng)中，只要能夠保證步進(jìn)電機(jī)的步距角與運(yùn)動(dòng)末端執(zhí)行件脈沖當(dāng)量的正確匹配，只采用一對(duì)齒輪傳動(dòng)副即可。給傳動(dòng)元件施加預(yù)負(fù)載，不但可以提高系統(tǒng)傳動(dòng)精度也可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度。故滾動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠以及絲杠軸向固定軸成都帶有預(yù)緊裝置，以便隨時(shí)調(diào)整預(yù)緊力1。1.4控制系統(tǒng)的選擇計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)一般由主機(jī)CPU、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、I/O接口、光電隔離電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路等幾部分所組成。微機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)的核心。數(shù)控系統(tǒng)的功能直接與所選微機(jī)相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對(duì)微機(jī)的要求是多方面的，但主要是字長和速度。字長不但影響系統(tǒng)

9、的最大加工尺寸，而且影響加工精度和運(yùn)算精度。而字長短的計(jì)算機(jī)在進(jìn)行多字節(jié)數(shù)據(jù)處理時(shí)又會(huì)影響加工速度。目前，高檔數(shù)控系統(tǒng)普遍采用32位機(jī)，主頻已達(dá)20-30MHz；標(biāo)準(zhǔn)CNC系統(tǒng)通常采用16位機(jī)；經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)通常采用8位機(jī)，如采用Z80CPU或MCS-51單片機(jī)組成的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。在51系列機(jī)型中，因?yàn)镽AM容量都很小，所以必須擴(kuò)展外RAM；又由于常用零件加工程序需要固化在EPROM中，而它們不宜和系統(tǒng)控制程序存放在同一存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，為方便同一考慮外ROM和外RAM的擴(kuò)展，故通常都是采用8031單片機(jī)作主機(jī)1。本經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床采用MCS-51系列單片微機(jī)組成的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。主機(jī)是8031，接口選8

10、279，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，傳動(dòng)部件為滾珠絲杠。1.5總體設(shè)計(jì)方案的確定經(jīng)以上論證后，確定的數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總體方案圖如圖所示。車床的縱向（Z軸）和橫向（X軸）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。由MCS-51系列單片機(jī)組成微機(jī)作為控制裝置的核心，由I/O接口、軟環(huán)分配器與放大器控制功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)齒輪減速器后帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車床的縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。圖1-1 系統(tǒng)總體方案圖2機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：系統(tǒng)脈沖當(dāng)量確定；切削力計(jì)算；滾動(dòng)螺旋副選型計(jì)算與驗(yàn)算；滾動(dòng)導(dǎo)軌選型計(jì)算與驗(yàn)算；步進(jìn)電機(jī)選型計(jì)算和驗(yàn)算；消除間隙齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、滾珠絲杠支承結(jié)構(gòu)選型、電機(jī)固定結(jié)構(gòu)選型設(shè)

11、計(jì)等幾個(gè)主要部分。2.1系統(tǒng)脈沖當(dāng)量選擇脈沖當(dāng)量是機(jī)床移動(dòng)不見相對(duì)于每一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)產(chǎn)生的位移量。脈沖當(dāng)量也稱為機(jī)床最小設(shè)定單位或最小指令增量或機(jī)床分辨率。脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。數(shù)控車床通常采用的脈沖當(dāng)量是0.010.005mm/脈沖。脈沖當(dāng)量有時(shí)也由設(shè)計(jì)任務(wù)書直接給出。所以根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書確定脈沖當(dāng)量：縱向?yàn)?.01mm/脈沖，橫向?yàn)?.01mm/脈沖。因?yàn)槊}沖當(dāng)量相同，故以下只計(jì)算縱向進(jìn)給相關(guān)參數(shù)，橫向與縱向相同。2.2切削力計(jì)算設(shè)工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，b=650MPa;選用刀具材料為硬質(zhì)合金YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角r=60°,前角o=10&#

12、176;，刃傾角s=-5°；切削用量為：背吃刀量ap=3mm,進(jìn)給量f=0.6mm/r,切削速度vc=105m/min。查表3-12，得： 查表3-32，得：主偏角r的修正系數(shù)為0.94；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)均為1.0。由經(jīng)驗(yàn)公式，得。由經(jīng)驗(yàn)公式，得2.3滾動(dòng)螺旋副選型計(jì)算與驗(yàn)算滾動(dòng)螺旋副工作原理：滾動(dòng)螺旋副是一種在絲杠和螺母之間放入滾動(dòng)體 滾珠的一種絲杠螺母副。由于放入滾珠，故，當(dāng)絲杠相對(duì)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠則在螺旋滾道內(nèi)即自轉(zhuǎn)又循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使絲杠螺母之間產(chǎn)生軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，于是將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)槁菽傅闹本€運(yùn)動(dòng)或?qū)⒙菽傅男D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榻z杠的直線運(yùn)動(dòng)。滾動(dòng)螺旋副特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：

13、傳動(dòng)效率高，所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩?。粋鲃?dòng)精度高，反向精度高，定位精度高；傳動(dòng)剛度高；傳動(dòng)平穩(wěn)，快速響應(yīng)好，無爬行； 磨損小，精度保持性好，壽命長；具有運(yùn)動(dòng)可逆性；缺點(diǎn)：制造成本高；不能自鎖，鉛垂進(jìn)給時(shí)需加制動(dòng)機(jī)構(gòu)2。滾動(dòng)螺旋副的設(shè)計(jì)步驟是：計(jì)算進(jìn)給牽引力，預(yù)選主要尺寸參數(shù)，計(jì)算最大動(dòng)負(fù)荷，計(jì)算最大靜負(fù)荷，初選滾珠絲杠副型號(hào)及列表主要參數(shù)，繪制進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖，驗(yàn)算軸向剛度，驗(yàn)算傳動(dòng)效率，確定滾珠絲杠副型號(hào)?？v向進(jìn)給絲杠（1）工作載荷Fm計(jì)算已知移動(dòng)部件總重G=800N；根據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可得：縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌，有式中：K考慮顛覆力矩時(shí)的影響系數(shù)，綜合型導(dǎo)軌取K=1.15；導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，=0.150.

14、18（取=0.16）；G移動(dòng)部件重量，G=800N代入公式計(jì)算得（2）滾珠絲杠副最大動(dòng)負(fù)荷計(jì)算最大切削進(jìn)給速度最大切削力條件下的進(jìn)給速度取，滾珠絲杠轉(zhuǎn)速（其中：滾珠絲杠導(dǎo)程初選），則滾珠絲杠壽命值（其中使用壽命T=15000h） ，則運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取，故（3）滾珠絲杠螺母副的選型查閱機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，可采用W1L4006外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動(dòng)負(fù)載為16400N，精度等級(jí)選為3級(jí)。傳動(dòng)效率計(jì)算式中：絲杠螺母升角； 摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.0030.004,其摩擦角約等于10´。本設(shè)計(jì)中：（4）剛度驗(yàn)算最大進(jìn)

15、給率引力為1631.79N，支承間距L=1500mm。絲杠螺母級(jí)軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向力的1/3。絲杠的拉伸或壓縮變形量1。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，根據(jù)Fm=1631.79N,D0=40mm，查出L/L=1.2×10-5,可算出由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實(shí)際變形量為：滾珠與螺紋滾道間接觸變形。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)相關(guān)圖表，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量: 因進(jìn)行了預(yù)緊，故 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。采用8107型推力球軸承，滾動(dòng)體直徑，滾動(dòng)體數(shù)量Z=18,故因施加預(yù)緊力，故根據(jù)以上計(jì)算軸向總變形量為： 即軸向總變形小

16、于定位精度。（5）穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端采用推力軸承并施加預(yù)緊，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需要進(jìn)行穩(wěn)定性校核。 滾珠絲杠副幾何參數(shù)表2-1 滾珠絲杠參數(shù)表名 稱符號(hào)計(jì)算公式（mm）W1L4006螺紋滾道公稱直徑40導(dǎo)程（螺距）6接觸角2º44´鋼球直徑3.968螺紋滾道法面半徑R2.064偏心距0.056螺紋升角2º44´絲杠絲杠外徑39絲杠內(nèi)徑35.984螺母螺母外徑(外循環(huán)）44.016螺母內(nèi)經(jīng)(外循環(huán)）40.79382.4齒輪傳動(dòng)比計(jì)算已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進(jìn)電機(jī)步距角為0.75º，可計(jì)算出傳動(dòng)比因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模

17、數(shù)m取23。2.5步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 ；齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：=絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：=折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問題，,基本滿足慣量匹配要求1。電機(jī)力矩計(jì)算機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面按個(gè)工況計(jì)算。(1)快速空載啟動(dòng)力矩在快速空載啟動(dòng)階段，加速力矩占得比例較大，具體計(jì)算如下：將上述數(shù)據(jù)代入，式中各符號(hào)意義同上：啟動(dòng)加速時(shí)間 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩：附加摩擦力矩M0 上述三項(xiàng)合計(jì)：（1） 快速移動(dòng)時(shí)所需力矩：（3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩Mj

18、從上面計(jì)算可以看出，Mq、Mk、Mj三種工況下，以快速空載啟動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)表3-11可得，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)，則最大靜力矩為 。按此最大靜轉(zhuǎn)矩，查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)表3.11得出，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)矩為13.72N·m，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 步進(jìn)電機(jī)性能驗(yàn)算(1)電機(jī)最高空載啟動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率（2）頻率驗(yàn)算查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)表3-11 ，150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率分別為2800Hz和8000Hz，由于 故運(yùn)行頻率頻率滿

19、足要求。但 不滿足要求，可以通過采用步進(jìn)電機(jī)快速啟動(dòng)升降速控制，將啟動(dòng)頻率降到1000Hz，啟動(dòng)力矩可增高到588.4N·cm，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路1。步進(jìn)電機(jī)型號(hào)確定及主要參數(shù)列表表2-2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表型號(hào)相數(shù)步距角電壓相電流最大靜轉(zhuǎn)矩最高啟動(dòng)頻率運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)速r/min150BF00250.7580/121213.722800800036.3551003.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：（1）主控制器。即中央處理單元CPU（2）總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。（3）存儲(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)

20、據(jù)存儲(chǔ)器。（4）接口。即I/O 輸入輸出接口。哎哎哎哎并行接口芯片8155CPU8031單片機(jī)圖3-1 控制系統(tǒng)原理圖主控制器CPU的選擇MCS-51系列單片機(jī)是集中CPU，I/O 端口及部分RAM等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用8031芯片作為主控芯片。存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)（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)器芯片大多采用EPROM芯片。其型號(hào)有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為2k,4k,8k,16k,32k。在選擇芯

21、片時(shí)要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配。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，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇2764芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。單片機(jī)規(guī)定P0口提供為位地址線，同時(shí)又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時(shí)用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲(chǔ)器提高低位的地址信息，一般采用74LS373芯片作為地址鎖存器，并由CPU發(fā)出允許鎖存信號(hào)ALE 的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展由于8031內(nèi)部R

22、AM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴(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)展電路一般采用6116,6262 靜態(tài)RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)選用6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。(3)譯碼電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機(jī)相連。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)的與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一編址，因此單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜?？刹捎镁€選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨(dú)的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結(jié)構(gòu)簡單，但它所用片選線都是高位地址線

23、，它們的權(quán)值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對(duì)于RAM和I/O容量較大的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線的時(shí)候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對(duì)高位地址線進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。本設(shè)計(jì)采用全地址譯碼法4。（4）存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)8031單片機(jī)所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)起程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址。該設(shè)計(jì)選用程序存儲(chǔ)器2764和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264組成8031單片機(jī)的外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路。（5）I/O 擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)通用可編程接口芯片81558031單片機(jī)共有4個(gè)8位并行I/O接口，但供用戶使用的只有P1口及部分P3口線。因此要

24、進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。8155與微機(jī)接口較簡單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。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)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，即用I/O口線組成行，列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED和LCD。下圖所示為采用8155接口管理的鍵盤，顯示器電路。它有4×8鍵和6位LED顯示器組成。為了簡化電路，鍵盤的列線及LED顯示器的字位控制共用一個(gè)口，即共用8155的PA口進(jìn)行控制，鍵盤的行線由8155的PC口擔(dān)任，顯示器的字形控制由8155的PB口擔(dān)任1。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

25、設(shè)計(jì)（1）脈沖分配器步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器YB013。（2）光電隔離電路在步進(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。如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電耦合器。（3）功率放大器 脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要，必須將其輸出信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因

26、此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。本設(shè)計(jì)選用高低壓功率放大器。 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)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1,XTAL2 引腳上外接定時(shí)元件。晶體可以在1.212之間任意選擇，耦合電容在530pF 之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，可將XTAL1 直接接地，XTAL2 接外部時(shí)鐘源。（2）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)鐘工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms 以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU便從0000H單元開始執(zhí)行程序。在實(shí)際運(yùn)用中，若

27、系統(tǒng)中有芯片需要其復(fù)位電平與8031復(fù)位要求一致時(shí)，可以直接相連。當(dāng)晶振頻率選用6MHZ 時(shí)，復(fù)位電路中C取22F，R取200 ,RK取1000（）越程報(bào)警電路為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。利用光電耦合電路，將行程開關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至8031的I/O口P1.0。當(dāng)任何一個(gè)行程開關(guān)被壓下的時(shí)候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變成高電平。8031可利用軟件設(shè)計(jì)成查詢的方法隨時(shí)檢查有無越界信號(hào)。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至8031的外部中斷引腳（INT0或INT1），采用中斷方式檢查越界信號(hào)2。 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)選用

28、MCS-51系列的8031作為主控制器。擴(kuò)展存儲(chǔ)電路為一片2732EPROM 和一片6264RAM。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為4K，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展為8K。 2732的片選控制端直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位以后，CPU從0000H 開始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端由譯碼器（74LS138）的Y2輸出提供。所以6264的空間地址為4000H5FFFH。 系統(tǒng)的擴(kuò)展I/O 接口電路選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片8155。8155的片選端接至譯碼器（74LS138）的Y4的輸出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址號(hào)分別為8000H 及8001H，8002H，8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H80FFH。8155的PA口為控制工作抬X,Z向電機(jī)的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不步進(jìn)電機(jī)接口與功率放大器之間采用光電隔離。鍵盤與顯示器設(shè)計(jì)在一起，8155的PC口擔(dān)任鍵盤的列線及