Ф500mm(工件最大回轉(zhuǎn)直徑)數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 副本

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。500mm(工件最大回轉(zhuǎn)直徑)數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 副本普通車床數(shù)控改造課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 設(shè)計(jì)題目:500mm（工件最大回轉(zhuǎn)直徑) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 別：機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)班：12機(jī)自職1 姓 名：劉歡 學(xué) 號(hào)：1210113132指導(dǎo)老師：胡新宇、陳水勝 湖 北 工 業(yè) 大 學(xué) 2016年1月8日目 錄課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書0第一章 緒 論11.1 數(shù)控機(jī)床的概念、組成、特點(diǎn)11.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)與現(xiàn)狀21.3 設(shè)計(jì)的內(nèi)容與方法：3第二章 微型數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2、的擬定42.1 畢業(yè)論文的要求和內(nèi)容42.2 總體方案的確定5第三章 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算63.1 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量及切削力的確定63.2 切削力的計(jì)算63.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算、和選型73.4 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用10第四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)144.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容144.2 80C51單片機(jī)及其擴(kuò)展16第五章 總結(jié)25參考文獻(xiàn)27第一章 緒 論1.1 數(shù)控機(jī)床的概念、組成、特點(diǎn)1.1.1 數(shù)控機(jī)床的概念數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床的簡(jiǎn)稱，是指用數(shù)字指令來控制機(jī)械執(zhí)行預(yù)定的動(dòng)作，通常由硬件電路發(fā)出數(shù)字化信號(hào)，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有

3、控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機(jī)床動(dòng)作數(shù)控折彎?rùn)C(jī)并加工零件。數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動(dòng)化機(jī)床，代表了現(xiàn)代機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。1.1.2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體組成，其中實(shí)線部分表示開環(huán)系統(tǒng)。為提高加J精度，再加入測(cè)量裝置，由虛線構(gòu)成反饋，稱為閉環(huán)系統(tǒng)。主機(jī)：他是數(shù)控機(jī)床的主體，包括機(jī)床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。他是用于完成各種切削加工的機(jī)械部件。數(shù)控裝置：是數(shù)控機(jī)床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機(jī)等

4、）以及相應(yīng)的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。驅(qū)動(dòng)裝置：他是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件，包括主軸驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給單元、主軸電機(jī)及進(jìn)給電機(jī)等。他在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。當(dāng)幾個(gè)進(jìn)給聯(lián)動(dòng)時(shí)，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。輔助裝置：指數(shù)控機(jī)床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行，如冷卻、排屑、潤(rùn)滑、照明、監(jiān)測(cè)等。它包括液壓和氣動(dòng)裝置、排屑裝置、交換工作臺(tái)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測(cè)裝置等。編程及其他附屬設(shè)備：可用來在機(jī)外進(jìn)行零件的程序編制、存儲(chǔ)等。1.1.3 數(shù)控機(jī)床

5、的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批、多變的零件加工問題，是一種靈活的、高效能的自動(dòng)化機(jī)床，尤其對(duì)于約占機(jī)械加工總量80%的單件、小批量零件的加工，更顯示出其特有的靈活性。概括起來，數(shù)控機(jī)床有以下幾方面的特點(diǎn)： 加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量； 可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動(dòng)，能加工形狀復(fù)雜的零件； 加工零件改變時(shí)，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)備時(shí)間； 機(jī)床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高（一般為普通機(jī)床的35倍）； 機(jī)床自動(dòng)化程度高，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度； 對(duì)操作人員的素質(zhì)要求較高，對(duì)維修人員的技術(shù)要求更高 。1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)與現(xiàn)狀數(shù)控機(jī)床以其獨(dú)特卓越的柔性自動(dòng)化的

6、性能、優(yōu)異穩(wěn)定的精度、靈活敏捷多樣化的功能引起廣泛的關(guān)注，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品并向機(jī)電一體化發(fā)展的開始，成為先進(jìn)制造技術(shù)當(dāng)中的一門核心技術(shù)。數(shù)字控制系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展為數(shù)控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步提供了條件。目前我國(guó)的數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在，高速、精密、復(fù)合、智能和綠色等幾個(gè)方面。1、高速、高效，數(shù)控機(jī)床逐漸向高速化方向發(fā)展，它大大的提高加工效率、降低加工生產(chǎn)成本，并且還達(dá)到了提高零件的表面質(zhì)量及其加工精度。高速化的加工技術(shù)對(duì)一些企業(yè)制造業(yè)提供了更高效，優(yōu)質(zhì)，成本低生產(chǎn)比較廣泛適用性。 目前在一些發(fā)達(dá)的國(guó)家數(shù)控機(jī)床的高速運(yùn)行，其高速主軸單元，電主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)15000 100000r/min，快移速度在

7、60120m/min范圍之內(nèi)，切削進(jìn)給速度高達(dá)60m/min、一系列高性能控制伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都有新的突破，數(shù)控機(jī)床發(fā)展到了更高的水平。2、現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床比以前的普通車床加工的零件更加的精密，精密加工技術(shù)有了相當(dāng)大的提高，加工精度已從原來的絲級(jí)(0.01mm)提升到目前的微米級(jí)(0.001mm)，甚至有些品種已達(dá)到0.05m左右。超精密數(shù)控機(jī)床的微細(xì)切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達(dá)到0.05m左右，形狀精度可達(dá)0.01m左右。通過機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動(dòng)等動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高機(jī)床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進(jìn)

8、入亞微米、納米級(jí)超精加工時(shí)代3、智能化，數(shù)控機(jī)床的智能化現(xiàn)在又有了新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了充分的體現(xiàn)。比如說：自動(dòng)調(diào)整干涉防碰撞功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動(dòng)消除機(jī)床震動(dòng)等功能進(jìn)入了實(shí)用化階段等等，數(shù)控機(jī)床的智能化提升了機(jī)床的功能及其品質(zhì)。4、現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床在還有較高的可靠性，而且復(fù)合化，多軸化，網(wǎng)絡(luò)化等方面都得到了大大的提高。1.3 設(shè)計(jì)的內(nèi)容與方法：用微機(jī)數(shù)控技術(shù)改造加工零件時(shí)，數(shù)控改造必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總統(tǒng)框圖，才能覺得各種設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后選擇數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的選擇，其進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的組成和原理，分析伺服系統(tǒng)的選擇，怎樣達(dá)到控制要求，合理的

9、選擇機(jī)械傳動(dòng)方式，數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)既可以采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)也可以用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算，例如，脈沖當(dāng)量，切削力和滾珠，絲桿削等等一些物理量的計(jì)算，還有應(yīng)該對(duì)車床數(shù)控系統(tǒng)的硬件分析和設(shè)計(jì)，比如說：數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及其一些擴(kuò)展，存儲(chǔ)和通信的設(shè)計(jì)，比且還要加以計(jì)算，必要時(shí)要繪圖分析，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給分為橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給，本次設(shè)計(jì)為橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過以上的一些內(nèi)容完成本次設(shè)計(jì)課題用微機(jī)數(shù)控技術(shù)改造最大加工直徑為500mm普通車床的橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)！第二章 微型數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定2.1 畢業(yè)論文的要求和內(nèi)容1.課題名稱最大加工直徑為500

10、mm輕型車床的主傳動(dòng)設(shè)計(jì)2.設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：主要技術(shù)參數(shù)：最大加工直徑（mm）： 在床身上：525 在床鞍上：273最大加工長(zhǎng)度（mm）： 750 - 1000 溜板及刀架重量（N）： 縱向：1100 橫向：550 刀架快移速度（m/min）： 縱向：2 橫向：1 最大進(jìn)給速度（m/min）： 縱向：0.6 橫向：0.3 最小分辨率 （mm）： 縱向：0.01 橫向：0.005定位精度（mm）： 0.025主電機(jī)功率（KW）： 5.5 起動(dòng)加速時(shí)間（ms）： 303.設(shè)計(jì)的要求1、主軸轉(zhuǎn)速最低轉(zhuǎn)速為33.5r/min，轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)為18級(jí)2、主電機(jī)可以選擇Y系列電機(jī)、也可以使用直流電機(jī)和交流變頻電

11、機(jī)3、最好采用特殊形式的變速系統(tǒng)4、所有的圖紙都必須符合國(guó)家制定的六項(xiàng)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。圖面應(yīng)正確、完整美觀5、說明書一律用規(guī)定的紙張按一定的格式單面書寫、要求簡(jiǎn)明扼要、文字精煉語句通順、字跡工整、圖文并茂裝訂成冊(cè)。2.2 總體方案的確定1.系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方試與伺服系統(tǒng)的選擇： 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能，所以應(yīng)該選用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)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)。2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)： 根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)的特點(diǎn)之一是硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合

12、，MCS-51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片80C51外擴(kuò)一片EPROM就能滿足功能的要求，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，可以利用MCS-51的擴(kuò)展功能，構(gòu)成功能強(qiáng)、規(guī)模較大的系統(tǒng)。控制系統(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)功率放大電路組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用LCD液晶顯示器顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠，為了保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載荷的結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)總體方案框圖見圖2-1圖

13、2-1 系統(tǒng)總體方案框圖第三章 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載，確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載起動(dòng)及切削力矩機(jī)計(jì)算，確定伺服電機(jī)，繪制機(jī)械部分裝配圖及零件工作圖等?，F(xiàn)分述如下：3.1 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量及切削力的確定 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)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.010.005mm/脈沖,根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量：縱向：0.01mm/step；橫向：0.005mm/step3.2 切削力的計(jì)算1.縱車外圓：主切削力（N）由經(jīng)驗(yàn)公式（1）估算： 式（1）而式（2）取，則，取，則進(jìn)給抗力X向和Y向根

14、據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（3）（4）確定 式（3） 式（4）則得： 2.橫切端面：主切削力可取縱切的一半，即此時(shí)走刀抗力，吃刀抗力依然按上述經(jīng)驗(yàn)公式粗略計(jì)算： 則得： 3.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算、和選型（一）橫向進(jìn)給絲杠：1.計(jì)算進(jìn)給軸向力橫向?qū)к墳殡p燕尾形，有如下計(jì)算式：式（5）式中：K考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合型導(dǎo)軌取K=1.4； 滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：取=0.2； G溜板及刀架重力，由已知G=550N則代入已知得：2.計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Q計(jì)算如下： 式（6） 式（7） 式（8）式中：為滾珠絲杠導(dǎo)程,初選絲杠導(dǎo)程=6mm；Vs最大切削力下的進(jìn)給速度,可取最高進(jìn)給速度的1/21/3,此處為0.3m/

15、min; T使用壽命,按15000h; fw運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw =1.21.5;此處取fw=1.2； L壽命以轉(zhuǎn)為1單位.則： 3.滾珠絲杠螺母副的選型：查閱數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)中附表1，可采用W1L2005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8800N,精度等級(jí)按滾珠絲杠行程公差表，選為3級(jí)(大致相當(dāng)于老表準(zhǔn)E級(jí))4.傳動(dòng)效率計(jì)算 =tan/tan(+)式中：螺旋升角,W1L2005的螺旋升角=4°30 摩擦角取10滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.0030.004則：=tan/tan(+) =tan4°30/tan(4°30+10)=0.964

16、5.剛度校核先畫出此橫向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖，如下圖3-1所示：圖3-1 橫向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖則式（9）支承間距L=530mm，最大軸向力為1919N。（1）、絲杠的拉伸或壓縮變形量根據(jù)：， 對(duì)剛：，總長(zhǎng)度L=1160mm，絲杠上的變形量：（2）滾珠與螺紋滾道間接觸變形：由，由于對(duì)滾珠絲杠副施加預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向載荷的1/3，則變形：（3）滾珠絲杠總的彈性變形量：根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式：式（10）則可得：（4）定位誤差顯然，變形量已大于定位精度（0.02mm）要求，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改，因橫向溜板限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌（），減小摩擦力，從而減小軸向力： 此時(shí)的變

17、形量為：則定位誤差為：仍不能滿足精度要求0.02mm。如果將顧主絲杠再進(jìn)行預(yù)拉伸，則絲杠剛度可提高四倍，則定位誤差為： 滿足要求。（二）橫向滾珠給絲杠副幾何參數(shù)：其幾何參數(shù)見表3-1表3-1 橫向滾珠給絲杠副幾何參數(shù)名稱符號(hào)W1L2506W1L2005公 稱 直 徑2520導(dǎo) 程65接 觸 角鋼 球 直 徑3.9693.175滾道法面半徑2.0641.651偏 心 距0.0560.045螺 紋 升 角螺 桿 外 徑24.219.4螺 桿 內(nèi) 徑20.98416.788螺桿接觸直徑17.02713.835螺母螺紋直徑32.82623.212螺 母 內(nèi) 徑25.820.6353.4 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算

18、和選用橫向機(jī)構(gòu)初選步進(jìn)電機(jī)：1.計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm 式（11） 式中: 脈沖當(dāng)量 (mm/step); 進(jìn)給牽引力 (N); 步距角,初選雙拍制為0.9°2.初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)根據(jù)=0.614N.m在網(wǎng)上查混合式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)表初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為56BYG250D-SASSBL-0241，其中，,保持轉(zhuǎn)矩為1.72N.m.3.等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 根據(jù)簡(jiǎn)圖，即圖3-1，計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算: 式（12）式中 、齒輪、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 () 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 () = 式中 D圓柱體直徑(cm); L圓柱體長(zhǎng)度 (cm); 代入上式: 4.電

19、機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算機(jī)床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計(jì)算:1) 快速空載起動(dòng)慣性矩在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩所占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： 式（12） 式（13） 又： 式（14） 代入得： 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩:式（15）式中：傳動(dòng)鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8;i傳動(dòng)比; 貼塑導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取=0.04附加摩擦力矩：式（16）式中：傳動(dòng)鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8;i傳動(dòng)比;Fpo滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷,一般取1/3Fm,Fm為進(jìn)給牽引力(N);o滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,一般取0.9,此處取o=0.9所以：2) 快速移動(dòng)所需力矩 式（17） =1.96+

20、4.84=6.8N.cm 3) 最大切削載時(shí)所需力矩式（18） 從上面計(jì)算可以看出、三種工況下,以快速空載起動(dòng)慣性矩最大,即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù).查得：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為兩相四拍時(shí)， =0.707故最大靜力矩=59.3/0.707N.m=0.839N.cm，而電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩為 1.72N.m，大于最大靜力矩，所以滿足要求！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)轉(zhuǎn)矩頻特性。計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 圖3-5 56BYG250EASSBL0241型混合式步進(jìn)電機(jī)矩頻特性圖當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，56BYG250EASSBL0241型混合式步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻完全可以滿足要求。

21、5.繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械裝配圖在完成運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力計(jì)算后，以后確定了滾珠絲杠螺母副、步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸承型號(hào)之后，就可以畫橫向機(jī)械裝配圖。見附圖（一）第四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容(一)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ),也是軟件編制的前提,數(shù)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括以下幾部分內(nèi)容：1.繪制系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)框圖據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結(jié)構(gòu)圖。機(jī)床硬件電路由五部分組成：（1） 主控制器，即中央處理單元CPU。（2） 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。（3） 存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。（4） 接口，即

22、輸入/輸出接口電路。（5） 外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機(jī)等。2.選擇中央處理單元CPU的類型CPU的種類很多，在此處選擇MCS51系列單片機(jī)中的80C51，因?yàn)槠浼啥雀?，穩(wěn)定性、可靠性好，體積小，而且有很強(qiáng)的外部擴(kuò)展功能，外圍擴(kuò)展電路芯片大多是一些常規(guī)芯片，用戶很容易通過標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展電路來構(gòu)成較大規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。3.存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展兩部分。分別選擇兩片2764和一片6264來擴(kuò)展16K的內(nèi)存。4.I/O接口電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：據(jù)外部要求選用I/O接口芯片，步進(jìn)電機(jī)伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設(shè)計(jì)（如復(fù)位、掉電保護(hù)等）。經(jīng)考慮，選

23、擇8255為I/O接口芯片，液晶顯示控制器LR104VRAM來控制LCD。圖中的急停開關(guān)應(yīng)采用那種按下去之后不會(huì)彈起、直到再次啟動(dòng)后操作者用手動(dòng)拔出的按鈕，此處由于表達(dá)方式的限制，僅以普通按鈕表示。（二）機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件是硬件的補(bǔ)充，確定硬件電路后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)軟件。1.軟件設(shè)計(jì)步驟分為以下幾步：（1） 據(jù)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能，能制定出軟件技術(shù)要求；（2） 將整個(gè)軟件模塊化，確定各模塊的編制要求，包括各模塊功能，入口參數(shù)，出口參數(shù)；（3） 據(jù)硬件資源，合理分配好存儲(chǔ)單元；（4） 分別對(duì)各模塊編程，并調(diào)試；（5） 連接各模塊，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試及優(yōu)化；（6） 固化到各程序存儲(chǔ)器中。2.數(shù)控

24、系統(tǒng)中常用軟件模塊（1） 軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)行分配器；（2） 插補(bǔ)運(yùn)算模塊；（3） 自動(dòng)升降速控制模塊。4.2 80C51單片機(jī)及其擴(kuò)展(一)80C51單片機(jī)的簡(jiǎn)介1芯片引腳及片外總線結(jié)構(gòu)80C51單片機(jī)采用40腳雙直插封裝（DIP）形式，如圖4-1所示。圖4-1 80C51引腳圖80C51單片機(jī)是高性能單片機(jī)，因?yàn)槭艿揭_數(shù)目的限制，所以有不少引腳具有第二功能。下面說明這些引腳的名稱和功能。（1） 電源引腳Vss和Vcc Vss(20腳)：接地。 Vcc(40腳)：主電源+5V。（2） 時(shí)鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）：接外部晶體的一端。在片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸入端。在

25、采用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于HMOS單片機(jī)，該端引腳必須接地；對(duì)于CHMOS單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動(dòng)端。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。在片內(nèi)它是一個(gè)振蕩電路反向放大電路的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。若需采用外部時(shí)鐘電路，對(duì)于HMOS單片機(jī)，該引腳輸入外部時(shí)鐘脈沖；對(duì)于CHMOS單片機(jī)，此引腳應(yīng)懸浮。（3） 控制信號(hào)引腳RST、ALE/PROG、PSEN、/EA/VppRST（9腳）：?jiǎn)纹瑱C(jī)剛接上電源時(shí)，其內(nèi)部各寄存器處于隨機(jī)狀態(tài)，在該引腳輸入24個(gè)時(shí)鐘周期寬度以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RESET）。ALE/PROG：訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，ALE作鎖存擴(kuò)展地址低位字節(jié)的控制信號(hào)（稱允許

26、鎖存地址）。平時(shí)不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，該端也以1/6的時(shí)鐘振蕩頻率固定輸出正脈沖，供定時(shí)或者其他需要使用；在訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)會(huì)失去一個(gè)脈沖。ALE端的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為8個(gè)LSTTL（低功耗高速TTL）。 /PSEN（29腳） ：在訪問片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，此端輸出負(fù)脈沖作為存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。CPU在向片外存儲(chǔ)器取指令期間，PSEN信號(hào)在12個(gè)時(shí)鐘周期中兩次生效。不過，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩個(gè)有效的PSEN信號(hào)不出現(xiàn)。PSEN端同樣可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。我們根據(jù)PSEN、ALE和XTAL2輸出是否有信號(hào)輸出，可以判別80C51是否在工作。 /EA/Vpp（31腳）：當(dāng)EA端輸入高電平時(shí)，C

27、PU從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器地址0000H單元開始執(zhí)行程序。當(dāng)?shù)刂烦^4KB時(shí)，將執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器的程序。當(dāng)EA輸入低電平時(shí)，CPU僅訪問片外程序存儲(chǔ)器。（） 輸入/輸出引腳（P0、P1、P2和P3端口引腳）P0P3是4個(gè)寄存器，也稱為4個(gè)端口，是80C51單片機(jī)與外界聯(lián)系的4個(gè)8位雙向并行I/O口。由于在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，CPU需要對(duì)接口電路輸入輸出數(shù)據(jù)的寄存器進(jìn)行讀寫操作，所以在單片機(jī)中對(duì)這些寄存器象對(duì)存儲(chǔ)單元一樣進(jìn)行編址。通常把接口電路中這些已編址并能進(jìn)行讀寫操作的寄存器稱為端口（PORT），或簡(jiǎn)稱口。P0.0P0.7（3932腳）：P0是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/O端口。在訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，

28、它分時(shí)提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)，故這些I/O線有地址線/數(shù)據(jù)線之稱，簡(jiǎn)寫為AD0AD7。在EPROM編程時(shí)，從P0輸入指令字節(jié)，在驗(yàn)證程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)（驗(yàn)證時(shí)，要外接上拉電阻）。P1.0P1.7（18腳）：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在EPROM編程和驗(yàn)證程序時(shí)，它輸入低8位地址。P2.0P2.7（2128腳）：P2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位地址，即A8A15。在對(duì)EPROM編程和驗(yàn)證程序時(shí)，它輸入高8位地址。P3.0P3.7（1017腳）：P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在整個(gè)系統(tǒng)中，這8個(gè)引腳還具有專

29、門的第二功能，如表4-1所示。表P3口各位的第二功能 表4-1 P3口各位的第二功能P3口的各位第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行口輸入）TXD（串行口輸出）INT0（外部中斷0輸入）INT1（外部中斷1輸入）T0（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入）T1（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入）WR（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通控制輸出）RD（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通控制輸出）（二） 單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展概述80C51片內(nèi)只有4KB程序存儲(chǔ)器地址空間、256B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址空間（用8位地址，其中128B的專用寄存器地址空間僅有21個(gè)字節(jié)有實(shí)際意義）。所以需擴(kuò)展。1.擴(kuò)展

30、概述 80C51的片外總線結(jié)構(gòu)：所有的外部芯片都通過三組總線進(jìn)行擴(kuò)展。（1）數(shù)據(jù)總線（DB）：由P0口提供，數(shù)據(jù)總線要連到連接的所有外圍芯片上，但在同一時(shí)間只能夠有一個(gè)是有效的數(shù)據(jù)傳送通道。（2）地址總線（AB）：16位，可尋址范圍為64K字節(jié)，AB由P0口提供低8位地址，與數(shù)據(jù)分時(shí)傳送，傳送數(shù)據(jù)時(shí)將低8位地址鎖存；高8位地址由P2口提供。（3）控制總線（CB）：系統(tǒng)擴(kuò)展用控制總線有WR、RD、PSEN、ALE、EA。2.系統(tǒng)擴(kuò)展能力片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器的操作使用不同的指令和控制信號(hào)，允許兩者的地址重復(fù)。故據(jù)地址的寬度，片外可擴(kuò)展的存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器分別為64KB。此處擴(kuò)展了16K的程序

31、存儲(chǔ)器和16K的地址存儲(chǔ)器，且沒有使用片內(nèi)存儲(chǔ)器。圖4-2 74HC373引腳圖擴(kuò)展的I/O口與片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，不再另外提供地址線。3.地址鎖存器 因?yàn)镻0口是分時(shí)提供低8位地址和數(shù)據(jù)信息的，所以必須用鎖存器把地址鎖存住。本次設(shè)計(jì)使用帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器74HC373。其引腳見圖4-2。D0D7 信號(hào)輸入端Q0Q7 信號(hào)輸出端G：下降沿時(shí)，將D1D8鎖存于內(nèi)部E：使能端，E=0時(shí)，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出端Q0Q7與輸入端D0D7連通，當(dāng)E=1時(shí)，輸出三態(tài)門斷開，輸入數(shù)據(jù)鎖存。4.地址譯碼器80C51擴(kuò)展電路中，都牽涉到外部地址空間的分配問題，即當(dāng)80C51數(shù)據(jù)總線分時(shí)與多個(gè)外圍

32、芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，首選要進(jìn)行片選，然后再進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。地址譯碼實(shí)現(xiàn)片選的方法目前常用的有兩種：線選法和譯碼法。此處采用74HC139譯碼器組成的譯碼電路對(duì)系統(tǒng)的高位地址進(jìn)行譯碼。74HC139是雙“2-4”譯碼器，每個(gè)譯碼器僅有1個(gè)使能端G，0電平選通。有2個(gè)選擇輸入端，4個(gè)譯碼輸出端，輸出0電平有效。2個(gè)輸入信號(hào)A、B譯碼后有4個(gè)輸出狀態(tài)，其引腳與真值表如下所示。表4-2 74HC139真值表表4-2 74HC139真值表 輸入 輸出使能 選 擇Y0Y1Y2Y3/G B A 1 × ×1111 0 0 00111 0 0 11011 0 1 01101 0 1 11

33、110（三） 存儲(chǔ)器擴(kuò)展 圖4-3 2764引腳圖此處采用兩片EPROM芯片6264（8K×8）擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用靜態(tài)RAM62648（8K×8）。其引腳見圖4-3。80C51芯片與存儲(chǔ)器的連接 存儲(chǔ)器擴(kuò)展實(shí)質(zhì)是三總線的連接。（1） 據(jù)芯片存儲(chǔ)容量的大小確定數(shù)據(jù)、地址線的根數(shù)。此處為13根。（2） 數(shù)據(jù)線的連接 將80C51的芯片的P0.0P0.7按位與RAM數(shù)據(jù)線D0D7直連。（3） 地址總線的連接 據(jù)確定的地址線根數(shù)，將相應(yīng)低地址線相連，剩余高位地址線作為片選。（4） 控制總線的連接 對(duì)應(yīng)控制線相連。（四）I/O口的擴(kuò)展MCS-51單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/

34、O口，可提供給用戶使用的只有P1口和部分P3口線，因此不可避免地要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。這里采用8255（可編程的RAM/IO擴(kuò)展接口電路）。 I/O口擴(kuò)展采用總線擴(kuò)展方法，數(shù)據(jù)輸入線取自80C51的P0口。這種擴(kuò)展方法分時(shí)占用P0口，不影響P0口與其它擴(kuò)展芯片的連接操作。8255具有3個(gè)8位的并行的I/O口，分別為PA、PB、PC口，其中PC口又分為高4位（PC7PC4）和低4位（PC3PC0）。（五）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)所選電機(jī)說明，選取合適的驅(qū)動(dòng)器，縱向驅(qū)動(dòng)器和橫向驅(qū)動(dòng)器均為SH20806N。其接線圖如下： 圖4-4 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器連線圖（六）液晶顯示控制器：使用由上海朗睿

35、電子科技有限公司研制生產(chǎn)的工業(yè)彩色液晶（VRAM型）顯示器，型號(hào)為L(zhǎng)R-104VRAM。1、簡(jiǎn)介： 彩色液晶顯示器采用超大規(guī)模集成電路，以數(shù)字方式驅(qū)動(dòng)，可以從根本上消除傳統(tǒng)CRT顯示器的屏幕閃爍現(xiàn)象。具有高亮度、高對(duì)比度、高可靠性、抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)；并且體積小、厚度小、功耗低、無輻射、抗干擾能力強(qiáng)。隨著彩色液晶技術(shù)的日趨成熟，正在逐步取代CRT顯示器，成為許多高要求行業(yè)的首選，被越來越多地應(yīng)用到電力、醫(yī)療、儀表、電梯、工業(yè)控制等領(lǐng)域。 2、基本原理： LR-104VRAM真彩色液晶顯示器，采用VRAM顯示方式。VRAM（Video Random-Access Memory）視頻存儲(chǔ)技術(shù)是近年來

36、比較流行的專門用于圖形處理的雙端口存儲(chǔ)技術(shù)，常用于中、高檔顯示卡。采用緩存、邏輯仲裁、存儲(chǔ)陣列，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備同時(shí)對(duì)同一存儲(chǔ)陣列訪問而不需要等待，且互不干擾。 該顯示器接口采用并行總線方式（數(shù)據(jù)總線、地址總線以及選、讀、寫等信號(hào)），可以很方便地連接到單片機(jī)或微處理器的總線上，用戶可以象使用普通存儲(chǔ)器一樣使用它?；蛘呖梢园扬@示器看成是自己設(shè)備外掛的一個(gè)RAM。 LR-104VRAM存儲(chǔ)器地址單元同液晶屏幕上的像素點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，用戶可以把這個(gè)存儲(chǔ)器理解為“顯示映像”存儲(chǔ)器。如果希望在液晶屏幕上某一位置顯示文字或圖形，只需要向存儲(chǔ)器內(nèi)對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)懭胂鄳?yīng)的數(shù)據(jù)即可。 VRAM存儲(chǔ)器的一個(gè)字節(jié)由8位構(gòu)成，顯示

37、器屏幕上的一個(gè)“像素”點(diǎn)由R、G、B三個(gè)“點(diǎn)”來組成。 3、原理框圖：LR-104VRAM顯示器的基本原理框圖如圖4-5所示，DC/DC電壓變換器產(chǎn)生液晶所用各種驅(qū)動(dòng)電壓DC/AC逆變器則用來點(diǎn)亮冷陰極背光燈（CCFL）。分時(shí)技術(shù)讓顯示與寫入數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了畫面的高速更新，且互不干擾。 圖4-5 LR-104VRAM顯示器的基本原理框圖4、性能指標(biāo)：視域?qū)蔷€ 10.4英寸 外型尺寸 246.5×179.3×38mm 視域尺寸 211.2(H)×158.4(V)mm 圖像點(diǎn)陣 640×RGB×480行 像素點(diǎn)尺寸 0.33(H)×

38、0.33(V)mm 像素結(jié)構(gòu) 垂直條紋 接口方式 總線方式 VRAM容量 128K×8位 顯示顏色 TFT 64色 / 256色 視野角度 左75度，右75度,上60度，下50度 工作電壓 DC 8V 15V 消耗功率 小于8W 工作環(huán)境溫度 -10 +65 保存溫度 -30 +70 亮度 400cd/ 液晶屏壽命 大于5萬小時(shí)（連續(xù)工作） 背光燈壽命 大于25000小時(shí)（連續(xù)工作） 凈重 克 毛重 克 包裝數(shù)量 只/箱 內(nèi)包裝尺寸 ×× mm 外包裝尺寸 ×× mm5、接口方法：LR-104VRAM的接口方式為總線方式。外部引線包括有地址總線

39、、數(shù)據(jù)總線和片選讀寫輸入，可以直接掛接到單片機(jī)、計(jì)算機(jī)的總線上，通過譯碼分配作為主機(jī)的某部分內(nèi)存來使用。如果主機(jī)無法分配較大的空間而直接使用時(shí)，也可以采用分頁操作技術(shù)，高位地址用來頁面切換，低位地址則可直接操作。內(nèi)存的數(shù)據(jù)位與屏幕顯示的色點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，只要把適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)寫入內(nèi)存中去，屏幕上即可顯示出相應(yīng)的文字圖形。接口采用34針雙列防反插插座（間距為標(biāo)準(zhǔn)2.54mm）,引腳定義如下表4-3所示：表4-3 引腳定義引腳號(hào)引腳定義引腳號(hào)引腳定義引腳號(hào)引腳定義1D0 13GND25 A52D114GND26 A63D215RDCS27 A74D316A1528 A85D417+12V29 A96D518

40、+12V30 A107D619保留31 A118D720保留32 A129WCS21A133 A1310CLOSE22A234 A1411A023A312保留24A46、應(yīng)用程序：將屏幕清成040H代碼所表示的顏色 VRAM的片選地址（E000，F(xiàn)FFFH） A13，14，15 = P1.O,P1.1,P1.2 33 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0090H MAIN: MOV SP,#60H; LCALL INITLCD; MOV R1,#040H; LCALL CLEAR1 RETERN: SJMP RETERN INITLCD: LCALL LCD RET LCD: MOV R2,#08H MOV R3,#00H LCD1: MOV P1,R3 MOV DPTR,#0E000H MOV R4,#2