CK6163縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含3張CAD圖紙】

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IPMC隔膜 通過(guò)參數(shù)研究來(lái)找到一個(gè)圓圈形IPMC隔膜（半徑：10mm）的最佳的電極形狀。為了估計(jì)IPMC隔膜的變形量和存儲(chǔ)容量，利用有限元分析的方法分析等效雙晶片梁模型。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，等效雙晶片梁模型為我們提供了IPMC致動(dòng)器的等效性能[17]。因此，通過(guò)等效雙晶片梁模型得出的等效機(jī)電耦合系數(shù)d31和等效彈性模量E使用于各種形狀的IPMC致動(dòng)器，如圓形的IPMC隔膜。對(duì)于目前的工作，得到了IPMC以Li+形式負(fù)載過(guò)重白金（~6%Pt）的等效性能。 圖2顯示了使用圓形電極的隔膜1/4大小的有限元模型?？傇?shù)（4次方[21]）為400。對(duì)稱(chēng)性邊界情況適用于縱向和橫向線，固定邊界情況使用于隔膜的外部邊緣。如圖2所示，IPMC隔膜由一部分IPMC和一部分Nafion組成。由于這種組合，當(dāng)電壓施加在IPMC部分上時(shí)，IPMC和Nafion的 圖2 IPMC隔膜（1/4 FEA模型） 縱向接觸更加容易，因?yàn)镹afion具有較低的彈性模量，隔膜產(chǎn)生大彎曲變形。根據(jù)使用2V的輸入，可以計(jì)算隔膜的中心位移和電極半徑的變化。 用于計(jì)算的材料特性和厚度列于表1。IPMC以Li+形式的等效機(jī)電耦合系數(shù)d31和等效彈性模量E通過(guò)等效雙晶片梁模型得出[17]。Nafion以Li+形式的彈性模量和泊松比分別來(lái)自文獻(xiàn)[23,24]。 表1 IPMC隔膜材料性能和厚度 IPMC負(fù)載過(guò)重白金（~6%Pt）。鉑的載入是獨(dú)特的設(shè)計(jì)技術(shù)，以提高濕度 控制IPMC[25]。 計(jì)算結(jié)果列于圖3。對(duì)IPMC隔膜，最大的中心位移是0.966mm，其電極半徑為8.5mm。該參數(shù)研究表明，最大撓度對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳的電極半徑。同時(shí)，由圖4所示的變形形狀，在最佳電極情況下（半徑：8.5mm），可計(jì)算出一半的存儲(chǔ)容量（也是后文圖8一半存儲(chǔ)容量的 定義）ΔVh = 130.6 μl。 圖3 IPMC隔膜的中心位移 圖4 IPMC隔膜變形形狀（電極半徑=8.5mm） 2.3. 普通模式分析 采用普通模式分析最優(yōu)的IPMC隔膜（電極半徑：8.5mm）以探討其動(dòng)態(tài)特性。用于計(jì)算，以Li+形式的Nafion密度為2.078 × 103 kg m?3，來(lái)源于參考文獻(xiàn)[15]。以Li+形式的IPMC密度加定位2.5 × 103 kg m?3。圖5顯示的第一第二模態(tài)形狀的隔膜。計(jì)算的一階（即基本）和二階固有頻率分別為430Hz和1659Hz。如果我們考慮驅(qū)動(dòng)IPMC隔膜的頻率范圍不到40Hz[16]，計(jì)算的固有頻率遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)頻率范圍。因此，在這個(gè)驅(qū)動(dòng)頻率范圍，共振將不會(huì)影響存儲(chǔ)容量。此外，該結(jié)果意味著，我們可以在低驅(qū)動(dòng)頻率下（~40Hz），線性的控制IPMC驅(qū)動(dòng)的微型泵流速，因?yàn)樵诘皖l率驅(qū)動(dòng)范圍，微型泵流速線性的隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增大而增加[26]。 圖5 在最佳IPMC隔膜下的普通模式分析結(jié)果（電極半徑=8.5mm） 2.4. 存儲(chǔ)容量的壓力影響 研究壓力對(duì)最佳IPMC隔膜的影響。主要由流體的拖拽和背壓產(chǎn)生的壓力可以看做為微型泵的腔室壓力。為了數(shù)值計(jì)算在壓力下的存儲(chǔ)空間，統(tǒng)一的壓力作用于電極半徑為8.5mm的最優(yōu)化的IPMC隔膜有限元模型上（如圖6）。圖7顯示在有壓力和2V輸入的情況下，估計(jì)的最佳圓形隔膜的存儲(chǔ)容量。在圖7中，“相反的方向”說(shuō)明了隔膜的彎曲和壓力在相反的方向時(shí)，一半的存儲(chǔ)容量，“相同的反響”說(shuō)明了隔膜的彎曲和壓力在相同的方向時(shí)，一半的存儲(chǔ)容量。根據(jù)結(jié)果顯示，在“相反的方向”條件下，IPMC隔膜可以產(chǎn)生一般的存儲(chǔ)容量直到2300Pa左右的壓力 圖6 統(tǒng)一壓力下的隔膜（1/4FEA模型） 圖7 IPMC隔膜的一半存儲(chǔ)容量 3. 噴嘴/擴(kuò)散器設(shè)計(jì)和流量估計(jì) 在這一章節(jié)中，介紹IPMC致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的微型泵的合適的噴嘴/擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)。在非常低的雷諾系數(shù)（~50）和考慮錐形噴嘴/擴(kuò)散器的的情況下，對(duì)微型泵的流量進(jìn)行估計(jì)。我們用最優(yōu)的IPMC隔膜（即隔膜半徑10mm，電極半徑8.5mm）作為抽水的微型泵的驅(qū)動(dòng)隔膜，并且它的驅(qū)動(dòng)頻率為0.1Hz。圖8為使用錐形噴嘴/擴(kuò)散器IPMC隔膜驅(qū)動(dòng)的微型泵的示意圖。如圖8所示，隔膜在出水時(shí)向上彎曲，在進(jìn)水時(shí)向下彎曲。在出水時(shí)實(shí)體的大小箭頭分別表示液體流經(jīng)出口和進(jìn)口部件，同時(shí)在進(jìn)水時(shí)虛線的大小箭頭分別表示液體流經(jīng)進(jìn)口和出口部件。 Pi：進(jìn)口壓力 Po：出口壓力 Pc：腔室壓力 ΔVh_us：上半部存儲(chǔ)空間 ΔVh_ds：下半部存儲(chǔ)空間 ΔV = ΔVh_us + ΔVh_ds：存儲(chǔ)空間 t0 , t1 , t2：時(shí)間 實(shí)體箭頭：出水流向 虛線箭頭：進(jìn)水流向 圖8 使用噴嘴/擴(kuò)散元件的IPMC驅(qū)動(dòng)的微型泵的一種示意圖 3.1. 錐形噴嘴/擴(kuò)散器的流體阻力系數(shù) 圖9所示錐形噴嘴/擴(kuò)散元件。其中D為直徑，v為流速，α為圓錐角，L為長(zhǎng)度，Re為雷諾系數(shù)，μ為運(yùn)動(dòng)粘度。下標(biāo)0和1分別表明小直徑部分和大直徑部分。下標(biāo)n和d分別代表噴嘴和擴(kuò)散器。如圖9所示，同樣的元件按照流動(dòng)方向的不同可以被看做是一個(gè)噴嘴或一個(gè)擴(kuò)散器。 圖9 錐形噴嘴和擴(kuò)散器結(jié)構(gòu) 在低雷諾系數(shù)（1 < Re < 50）和小圓錐角（α< 40°）情況下，擴(kuò)散器的流動(dòng)阻力系數(shù)可以寫(xiě)成如下[18,20]： 對(duì)于噴嘴在低雷諾系數(shù)（1 < Re < 50）和小圓錐角（α< 40°）情況下，流動(dòng)阻力系數(shù)可以描述為[18,20]： 利用方程（4）和（5），錐形噴嘴/擴(kuò)散元件流動(dòng)系數(shù)阻力η可以寫(xiě)成如下： 同時(shí)，流動(dòng)阻力系數(shù)與穿過(guò)擴(kuò)散器和噴嘴的壓力差有關(guān)[19]： 式中：ΔPd和ΔPn分別為穿過(guò)擴(kuò)散器和噴嘴的壓力差；ρ為液體密度。 將方程（4）和（5）代入方程（7）和（8）。在低雷諾系數(shù)下的壓力差可以寫(xiě)成： 如果相對(duì)于腔室壓力Pc進(jìn)口和出口壓力Pi Po都被忽略（見(jiàn)圖8中的壓力），壓力差ΔPd=ΔPn=Pc[19]，并且由公式（9）和（10），可推導(dǎo)出下面的公式： 因?yàn)閲娮旌蛿U(kuò)散器的雷諾系數(shù)比為Ren/Red = (v0)n/(v0)d（見(jiàn)圖9中方程），方程（11）可以寫(xiě)成如下： 或者 由方程（6）和（12）得，流動(dòng)阻力系數(shù)比值可以寫(xiě)成如下： 或 根據(jù)方程（4）（5）和（13a），在低雷諾系數(shù)和確定幾何形狀的噴嘴/擴(kuò)散器元件條件下，比值η為定值。此外，方程（13b）可以直接由方程（7）和（8）得到。 圖10（a）和（b）表明了由錐形噴嘴/擴(kuò)散元件的直徑D0，圓錐角α，長(zhǎng)度L計(jì)算得出的流動(dòng)阻力系數(shù)比值η。系數(shù)比η隨著直徑D0的變大而減小；另一方面，隨著噴嘴/擴(kuò)散元件的圓錐角α和長(zhǎng)度L的變大而增加。如果我們僅考慮噴嘴/擴(kuò)散元件的效率，在低雷諾系數(shù)下，越小的直徑D0，越大的圓錐角α，越長(zhǎng)的長(zhǎng)度L更有利于液體流動(dòng)。注意在圖（10b）中，在D0 = 2 mm, α = 40?,和 L = 9 mm條件下，直徑D1為8.55mm。 圖10 噴嘴對(duì)擴(kuò)散器的流動(dòng)阻力系數(shù)比 3.2. 微型泵的平均輸出流量 如果我們考慮通過(guò)噴嘴/擴(kuò)散元件的平均流動(dòng)速度，在進(jìn)水或出水過(guò)程中的存儲(chǔ)容量（見(jiàn)圖8中存儲(chǔ)空間定義）與液體流動(dòng)速度相關(guān)，如下： 或 式中：(ΔVout)outlet and (ΔVout)inlet分別表示出水過(guò)程中流經(jīng)出口和進(jìn)口的流出液體量，(ΔVin)outlet and (ΔVin)inlet分別表示在進(jìn)水過(guò)程中流經(jīng)出口和進(jìn)口的流入液體量。F0是噴嘴/擴(kuò)散器在小直徑D0處的面積，T為周期。 無(wú)論在進(jìn)水還是出水時(shí)，我們可以將方程（14a）和（14b）重寫(xiě)成如下： 應(yīng)當(dāng)注意到，在出水時(shí)出口流速(v0)d應(yīng)該等于進(jìn)水時(shí)進(jìn)口流速(v0)d，并且出水時(shí)進(jìn)口流速(v0)n應(yīng)該等于進(jìn)水時(shí)出口流速(v0)n。 在一個(gè)周期T時(shí)間內(nèi)，流經(jīng)出口的液體凈輸出量ΔVnet如下定義： 定義平均輸出流量Q為ΔVnet/T，我們可以重新得到方程（16）如下： 將方程（13）和（15）代入方程（17），在一個(gè)周期T時(shí)間內(nèi)，平均輸出流量Q可以預(yù)計(jì)如下[19,20]： 式中ΔVh為一半的存儲(chǔ)容量（ΔV/2）。 由于方程（4）和（5）只有在低雷諾系數(shù)(1 < Re < 50)下有效，我們?cè)趯?duì)平均輸出流量進(jìn)行有效預(yù)測(cè)時(shí)需要知道在噴嘴/擴(kuò)散元件處的雷諾系數(shù)。在低雷諾系數(shù)下，通過(guò)噴嘴的液體流速也低于通過(guò)擴(kuò)散器的液體流速。因此，在本研究中預(yù)測(cè)雷諾系數(shù)時(shí)只對(duì)通過(guò)擴(kuò)散器的液體流速進(jìn)行計(jì)算。 由方程（12）和（15）知，流經(jīng)擴(kuò)散器的液體平均流速用如下公式進(jìn)行計(jì)算： 使用方程（18）中的液體流速，流經(jīng)擴(kuò)散器的雷諾系數(shù)可由如下公式計(jì)算： 圖11 （a）和（b）顯示由IPMC致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的微型泵的平均輸出流量估計(jì)。為了對(duì)流量進(jìn)行計(jì)算，我們使用在章節(jié)2.2中提到的最優(yōu)化的IPMC隔膜，選擇IPMC隔膜的驅(qū)動(dòng)頻率f = 0.1 Hz，使用一半存儲(chǔ)容量，ΔVh = 130.6 μl。使用在20?C時(shí)水的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)μ=1.0×10-6 m2s-1。因?yàn)榱髁抗烙?jì)僅僅在低雷諾系數(shù)范圍(1 < Re < 50)內(nèi)有效，我們?cè)诿糠鶊D中標(biāo)記有效估計(jì)極限為Re=50。如圖11(a)和(b)所示，平均輸出流量Q隨著直徑D0的變大而減小，并且隨著噴嘴/擴(kuò)散元件的圓錐角α和長(zhǎng)度L的變大而增加。在圖11（b）中，我們給定噴嘴/擴(kuò)散元件的圓錐角α=40°，長(zhǎng)度L=9mm，直徑和雷諾系數(shù)分別為0.95mm和50，估計(jì)平均輸出流量為8.2 μl s?1。 圖11 在低雷諾系數(shù)下IPMC致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的微型泵平均輸出流量估計(jì) 事實(shí)上，IPMC致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的微型泵有許多設(shè)計(jì)參數(shù)，包括幾何形狀，輸入電壓，IPMC隔膜驅(qū)動(dòng)頻率，和噴嘴/擴(kuò)散元件的一些方程等。應(yīng)該調(diào)整和優(yōu)化所有的設(shè)計(jì)參數(shù)使IPMC致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的微型泵使用于不同的特定場(chǎng)合。 4. 結(jié)束語(yǔ) 在本文中，介紹了IPMC驅(qū)動(dòng)的無(wú)閥式微型泵的詳盡的設(shè)計(jì)方法。為了準(zhǔn)確的估計(jì)IPMC隔膜的變形形狀，在有限元方法中使用了非常方便的IPMC致動(dòng)器的等效雙晶片梁模型。通過(guò)使用數(shù)值方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，為了產(chǎn)生最大的中心位移，應(yīng)該使用圓形的IPMC隔膜，其中電極半徑為8.5mm，IPMC隔膜半徑為10mm為最優(yōu)值。對(duì)最優(yōu)的圓形IPMC隔膜進(jìn)行普通模式分析表明，由于計(jì)算出的系統(tǒng)固有頻率（430Hz）遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)頻率范圍（<40Hz），共振不會(huì)對(duì)存儲(chǔ)容量產(chǎn)生影響。基于選定幾何形狀的錐形噴嘴/擴(kuò)散元件，在較低的雷諾系數(shù)下（Re=50），使用流體阻力系數(shù)方程對(duì)IPMC致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的無(wú)閥式微型泵進(jìn)行平均輸出流量進(jìn)行估計(jì)。目前，我們正在制造定型的IPMC微型泵來(lái)證明本文中提出的設(shè)計(jì)概念，并將在不久的將來(lái)把這項(xiàng)研究的結(jié)果報(bào)告出來(lái)。 致謝 非常感謝美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)獎(jiǎng)次項(xiàng)目通過(guò)RCV計(jì)劃，并給予一定得財(cái)政支持。本文第一作者得到了韓國(guó)研究基金會(huì)部分支持（KRF-2005-214-D00025）。此外，KJK非常感謝Medipacs公司和美國(guó)陸軍對(duì)IPMC隔膜的支持。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： CK6163縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)(論文)的基本內(nèi)容： （1）滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（A1×1） （2）減速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（A1×1） （3）控制系統(tǒng)硬件電路原理設(shè)計(jì)（A0×1） （4）縱向進(jìn)給系統(tǒng)總裝配圖設(shè)計(jì)（A0×1） （5）編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份 （6）外文科技文獻(xiàn)翻譯 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)題部分： 題目：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 設(shè)計(jì)或論文專(zhuān)題的基本內(nèi)容： 學(xué)生接受畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目日期 　　　　　　　　　　　　　第　1　周 指導(dǎo)教師簽字： 年 4月*日 -- 1 -- CK6163縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作 者 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 單 位 名 稱(chēng)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 年4月 Design of CK6163 vertical feed system by Author: Advisor: April 2015 CK6163縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代的CAD/CAM、柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等，都是建立在數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)上的。同時(shí)，數(shù)控技術(shù)也關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略地位，是體現(xiàn)國(guó)家綜合國(guó)力水平的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)核心因素之一，其水平高低是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志。實(shí)現(xiàn)加工機(jī)床及生產(chǎn)過(guò)程數(shù)控化，已成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。推廣和應(yīng)用數(shù)控技術(shù)是我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)的一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略任務(wù)。數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間短，所制成的零件重復(fù)精度高，對(duì)改變零件設(shè)計(jì)的適用性強(qiáng)，夾具成本低，加工形狀復(fù)雜的零件時(shí)準(zhǔn)確可靠。因此，數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)階段以及以后的一段時(shí)間將占據(jù)重要地位。 本題目是數(shù)控車(chē)床CK6163的縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先根據(jù)典型工藝數(shù)據(jù)，結(jié)合擬定參數(shù)，確定傳動(dòng)方案。對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括選擇滾珠絲杠螺母副和減速箱體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而完成整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然后，通過(guò)計(jì)算選擇步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)?；贏T89C51對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，快速正反轉(zhuǎn)功能，保證對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制要求，從而完成整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床，滾珠絲杠，步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī) Design of CK6163 vertical feed system Abstract Numerical control technique is the basic of automation, flexible, integrated, production in manufacturing, modern CAD/CAM, flexible manufacturing systems, computer integrated manufacturing systems are all built on the basic of numerical control technology. At the same time, numerical control technique is related to the strategic importance of a country and it is one of the important foundation industries to reflect the overall national strength of a country, the level of which is the core signs of measuring the modernization of a country’s manufacturing. The realization of the processing of CNC machine tools and production processes has become the development direction of the manufacturing. Popularizing and using numerical control technology is a strategic task in our mechanical manufacturing industry. NC machine tools, which can produce parts with high repeated precision and manufacture complex shape parts with reliability, need no more time to prepare, have more flexibility to alteration of parts, and clamping apparatuses of NC machine tools are very simple. Consequently, NC machine tools will play an important position in mechanical manufacturing at now and a period of time in the future. The topic is the design of CK6163 vertical feed system. First of all, the solution of transmission will be determined according to the typical technological data and combined with the formulation parameters. Design the main structure of the transmission system, including choice the ball screw and design the structure of the slowdown box, so as to complete the design of mechanical structure of the whole system. Then, choice the stepping motor by calculating, drive the ball screw, which led campaign table. In order to complete the design of feeding system, design the control system of stepping motor based on AT89C51, so that the motor to achieve positive or negative rotating, rapid positive or negative rotating, ensure the control of the transmission system. Key words: CNC machine tools, ball screw, stepping motor, single-chip 目 錄 任務(wù)書(shū) i 中文摘要 ii Abstract iii 第1章 緒論 1 1.1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 1 1.2 發(fā)展數(shù)控機(jī)床的必要性 2 1.3 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 3 1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 5 第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)與方案確定 7 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 7 2.2 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) 7 2.3 總體方案的確定 7 第3章 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 9 3.1 計(jì)算內(nèi)容及步驟 9 3.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 9 3.2.1 切削力的計(jì)算 9 3.2.2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 10 3.2.3 滾珠絲杠螺母副的驗(yàn)算 11 3.3 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 13 3.3.1 步進(jìn)電機(jī)選型 14 3.3.2 傳動(dòng)比的確定 14 3.3.3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 15 3.3.4 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 16 3.3.5 步進(jìn)電機(jī)性能校核 17 3.4 滾珠絲杠的預(yù)緊和消隙 18 第4章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 20 4.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件基本組成 20 4.2 硬件設(shè)計(jì)方案確定 21 4.3 AT89C51單片機(jī)介紹 22 4.3.1 簡(jiǎn)介 22 4.3.2 AT89C51單片機(jī)的引腳介紹 23 4.4 可編程I/O接口芯片擴(kuò)展 25 4.5 8279介紹 26 4.5.1 8279的結(jié)構(gòu) 26 4.5.2 8279的命令字 27 4.6 環(huán)形分配器CH250介紹 31 4.7 程序設(shè)計(jì) 34 4.7.1 程序流程圖 34 4.7.2 程序 36 第5章 環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性分析 41 5.1 經(jīng)濟(jì)性分析 41 5.2 環(huán)保性分析 41 第6章 結(jié)論 43 參考文獻(xiàn) 44 結(jié)束語(yǔ) 46 附錄 外文文獻(xiàn)翻譯 47 外文原文 47 中文翻譯 54 - 65 - 第1章 緒論 1.1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 數(shù)字控制機(jī)床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床，簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)控機(jī)床[1]。 數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對(duì)象改變時(shí)只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動(dòng)機(jī)床高，可以精確加工復(fù)雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效果。 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多，有車(chē)床、銑床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等。此外還有能自動(dòng)換刀、一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車(chē)削中心等。 1948年，美國(guó)帕森斯公司接受美國(guó)空軍委托，研制飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓樣板的加工設(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣，精度要求高，一般加工設(shè)備難以適應(yīng)，于是提出計(jì)算機(jī)控制機(jī)床的設(shè)想。1949年，該公司在美國(guó)麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)研究室的協(xié)助下，開(kāi)始數(shù)控機(jī)床研究，并于1952年試制成功第一臺(tái)由大型立式仿形銑床改裝而成的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，不久即開(kāi)始正式生產(chǎn)。 當(dāng)時(shí)的數(shù)控裝置采用電子管元件，體積龐大，價(jià)格昂貴，只在航空工業(yè)等少數(shù)有特殊需要的部門(mén)用來(lái)加工復(fù)雜型面零件；1959年，制成了晶體管元件和印刷電路板，使數(shù)控裝置進(jìn)入了第二代，體積縮小，成本有所下降；1960年以后，較為簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的點(diǎn)位控制數(shù)控鉆床，和直線控制數(shù)控銑床得到較快發(fā)展，使數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)各部門(mén)逐步獲得推廣。 1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價(jià)格進(jìn)一步下降，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。60年代末，先后出現(xiàn)了由一臺(tái)計(jì)算機(jī)直接控制多臺(tái)機(jī)床的直接數(shù)控系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)DNC)，又稱(chēng)群控系統(tǒng)；采用小型計(jì)算機(jī)控制的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)CNC),使數(shù)控裝置進(jìn)入了以小型計(jì)算機(jī)化為特征的第四代。 1974年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)MNC)，這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。第五代與第三代相比，數(shù)控裝置的功能擴(kuò)大了一倍，而體積則縮小為原來(lái)的1/20，價(jià)格降低了3/4，可靠性也得到極大的提高。 80年代初，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話式自動(dòng)編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機(jī)床上；數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，具有自動(dòng)監(jiān)控刀具破損和自動(dòng)檢測(cè)工件等功能。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程[1]。 1.2 發(fā)展數(shù)控機(jī)床的必要性 在機(jī)械加工過(guò)程中，經(jīng)常要用到加工批量不大、改型頻繁、精度要求高、形狀復(fù)雜的一類(lèi)零件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，單件和中、小批量零件的加工約占機(jī)械加工總量的80%以上。如何解決這類(lèi)產(chǎn)品的自動(dòng)化加工呢？顯然，一般自動(dòng)化機(jī)床已不適應(yīng)這類(lèi)加工，因?yàn)橐话阕詣?dòng)化機(jī)床往往用凸輪或其他專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)來(lái)控制機(jī)床進(jìn)行加工。當(dāng)零件尺寸改變時(shí)，必須重新更換凸輪或靠模，調(diào)整尺寸，才能重新加工。重新調(diào)整的工作量非常大，同時(shí)也不經(jīng)濟(jì)。另外，對(duì)于那些形狀十分復(fù)雜的零件，通常的自動(dòng)化加床也無(wú)能為力。針對(duì)這些問(wèn)題，數(shù)控機(jī)床的迅速發(fā)展，為解決這類(lèi)零件加工提供了良好的途徑，為機(jī)械工業(yè)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。相比較于普通機(jī)床，數(shù)控機(jī)床有著如下優(yōu)點(diǎn)： 1）可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來(lái)的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 　　由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 2） 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。 　　由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來(lái)，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱(chēng)為實(shí)現(xiàn)了"柔性自動(dòng)化"。 3） 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。 4） 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 5） 由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求做出快速反應(yīng)等等。 1.3 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 數(shù)字程序控制機(jī)床（數(shù)控機(jī)床）是近20年來(lái)綜合應(yīng)用了計(jì)算技術(shù)、自動(dòng)控制、精密測(cè)量和機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域里的最新技術(shù)成就而發(fā)展起來(lái)的一種既具有廣泛的通用性，又具有很高的自動(dòng)化程度的完全新型的機(jī)床。 數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤(pán)直接手動(dòng)輸入。 數(shù)控裝置包括程序讀入裝置和由電子線路組成的輸入部分、運(yùn)算部分、控制部分和輸出部分等。數(shù)控裝置按所能實(shí)現(xiàn)的控制功能分為點(diǎn)位控制、直線控制、連續(xù)軌跡控制三類(lèi)。 點(diǎn)位控制是只控制刀具或工作臺(tái)從一點(diǎn)移至另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，然后進(jìn)行定點(diǎn)加工，而點(diǎn)與點(diǎn)之間的路徑不需控制。采用這類(lèi)控制的有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控坐標(biāo)鏜床等。 直線控制是除控制直線軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)的準(zhǔn)確定位外，還要控制在這兩點(diǎn)之間以指定的進(jìn)給速度進(jìn)行直線切削。采用這類(lèi)控制的有平面銑削用的數(shù)控銑床，以及階梯軸車(chē)削和磨削用的數(shù)控車(chē)床和數(shù)控磨床等。 連續(xù)軌跡控制(或稱(chēng)輪廓控制)能夠連續(xù)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)方向的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。為了使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數(shù)控裝置具有插補(bǔ)運(yùn)算的功能，使刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡以最小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線，并協(xié)調(diào)各坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)速度，以便在切削過(guò)程中始終保持規(guī)定的進(jìn)給速度。采用這類(lèi)控制的有能加工曲面用的數(shù)控銑床、數(shù)控車(chē)床、數(shù)控磨床和加工中心等。 伺服機(jī)構(gòu)分為開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種類(lèi)型。開(kāi)環(huán)伺服機(jī)構(gòu)是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路，和步進(jìn)電機(jī)組成。每一脈沖信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，通過(guò)滾珠絲杠推動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)一定的距離。這種伺服機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。 半閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)是由比較線路、伺服放大線路、伺服馬達(dá)、速度檢測(cè)器和位置檢測(cè)器組成。位置檢測(cè)器裝在絲杠或伺服馬達(dá)的端部，利用絲杠的回轉(zhuǎn)角度間接測(cè)出工作臺(tái)的位置。常用的伺服馬達(dá)有寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)、寬調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)和電液伺服馬達(dá)。位置檢測(cè)器有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電式脈沖發(fā)生器和圓光柵等。這種伺服機(jī)構(gòu)所能達(dá)到的精度、速度和動(dòng)態(tài)特性?xún)?yōu)于開(kāi)環(huán)伺服機(jī)構(gòu)，為大多數(shù)中小型數(shù)控機(jī)床所采用。 閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)的工作原理和組成與半閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)相同，只是位置檢測(cè)器安裝在工作臺(tái)上，可直接測(cè)出工作臺(tái)的實(shí)際位置，故反饋精度高于半閉環(huán)控制，但掌握調(diào)試的難度較大，常用于高精度和大型數(shù)控機(jī)床。閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)所用伺服馬達(dá)與半閉環(huán)相同，位置檢測(cè)器則用長(zhǎng)光柵、長(zhǎng)感應(yīng)同步器或長(zhǎng)磁柵。 為了保證機(jī)床具有很大的工藝適應(yīng)性能和連續(xù)穩(wěn)定工作的能力，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是具有足夠的剛度、精度、抗振性、熱穩(wěn)定性和精度保持性。進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無(wú)間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。機(jī)床采用塑料減摩導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌，以提高運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性并使低速運(yùn)動(dòng)時(shí)不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。 由于采用了寬調(diào)速的進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)和寬調(diào)速的主軸電動(dòng)機(jī)，可以不用或少用齒輪傳動(dòng)和齒輪變速，這就簡(jiǎn)化了機(jī)床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)床布局便于排屑和工件裝卸，部分?jǐn)?shù)控機(jī)床帶有自動(dòng)排屑器和自動(dòng)工件交換裝置。大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床采用具有微處理器的可編程序控制器，以代替強(qiáng)電柜中大量的繼電器，提高了機(jī)床強(qiáng)電控制的可靠性和靈活性[4]。 數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，既能控制機(jī)床的動(dòng)作次序，又能控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的移動(dòng)量，其工作過(guò)程如下圖1.1所示： 圖1.1 數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程 目前，在市場(chǎng)上已見(jiàn)不到普通的數(shù)控機(jī)床（NC），取而代之的是計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床（CNC），CNC是NC的發(fā)展。計(jì)算機(jī)數(shù)控是將通用的小型或微型計(jì)算機(jī)裝入數(shù)控機(jī)床的控制柜，再適當(dāng)增加借口電路及輸入、輸出裝置（如熒光屏等），用以替代數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)控制柜中的專(zhuān)用電子計(jì)算裝置。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)不僅比原來(lái)的數(shù)控系統(tǒng)使用范圍廣、功能全，而且還有相當(dāng)大的通用性，改善了對(duì)機(jī)床操作的控制。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)大致有以下一些特點(diǎn)： 1）用存儲(chǔ)的軟件實(shí)行控制，代替普通數(shù)控的硬件控制； 2）有存儲(chǔ)零件程序和修改零件程序的功能?？梢栽贑NC系統(tǒng)存儲(chǔ)器中劃出一部分可讀可寫(xiě)的存儲(chǔ)器存放零件程序，而且還可以通過(guò)利用CNC系統(tǒng)軟件的編輯功能來(lái)修改零件程序； 3）有診斷故障功能。CNC系統(tǒng)具備了用軟件查找故障的功能； 4）可以用軟件取代機(jī)床的繼電器控制。可使機(jī)床的全部動(dòng)作全由軟件加以控制和監(jiān)視，提高了速度，可靠性和可變適應(yīng)性； 5）可以提高編程效率； 6）有保護(hù)零件的能力，可以實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的正確性，監(jiān)視數(shù)據(jù)在機(jī)床上的執(zhí)行情況。 1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 目前，數(shù)控機(jī)床正在以下幾個(gè)方面得到發(fā)展： （1） 使數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，以進(jìn)一步提高數(shù)控裝置的可靠性，降低其生產(chǎn)時(shí)間和生產(chǎn)成本； （2） 發(fā)展簡(jiǎn)易數(shù)控裝置。雖然簡(jiǎn)易數(shù)控裝置機(jī)能較少，但一般由于其使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、價(jià)格低廉，在普通零件的中、大批量生產(chǎn)中也可以采用； （3） 自適應(yīng)控制數(shù)控機(jī)床。它能在加工過(guò)程中，隨切削加工的參數(shù)變動(dòng)，自動(dòng)的調(diào)整進(jìn)給量、切削量等，使機(jī)床和刀具都在較佳狀態(tài)下工作，工作效率大大提高，并能保證零件得到更好的精度和光潔度； （4） 分布式控制（DNC）：用一臺(tái)計(jì)算機(jī)直接控制多臺(tái)數(shù)控機(jī)床，或控制整個(gè)零件的加工生產(chǎn)過(guò)程； （5） 自動(dòng)編制程序。為了減輕人工編程的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高程序編制的效率與減少錯(cuò)誤，出現(xiàn)了用電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)編制程序。 計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床（CNC）已有20多年歷史，最初階段，主要是采用通用機(jī)床進(jìn)行改裝的方法，例如把普通車(chē)床、銑床、鉆床及鏜床改造成數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床及數(shù)控鏜床等。但隨著技術(shù)的發(fā)展，由通用機(jī)床改為數(shù)控機(jī)床存在著一些嚴(yán)重的弱點(diǎn)，例如機(jī)床剛度不足，滑動(dòng)面的摩擦阻力太大，傳動(dòng)元件中存在間隙等問(wèn)題越來(lái)越突出地暴露出來(lái)。由于在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工不能象在普通機(jī)床上加工那樣，可以用人工的手工操作來(lái)彌補(bǔ)上述因素對(duì)加工零件的精度影響，故對(duì)于數(shù)控機(jī)床幾乎在任何方面都要求比通用機(jī)床設(shè)計(jì)得更完善，制造得更精密。因此數(shù)控機(jī)床已由改裝通用機(jī)床逐步發(fā)展到專(zhuān)門(mén)為滿(mǎn)足數(shù)控要求而設(shè)計(jì)的新的數(shù)控機(jī)床。在這過(guò)程中，對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起了很大的推動(dòng)作用，從通用機(jī)床的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)和原件，這些變動(dòng)，大致體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面： 1）采用了剛度和抗震性較好的機(jī)床新結(jié)構(gòu)； 2）采用了無(wú)間隙的齒輪傳動(dòng)副，以消除傳動(dòng)裝置反向時(shí)的空程死區(qū)； 3）采用了傳動(dòng)效率很高的精密滾珠絲杠——螺母副等傳動(dòng)元件； 4）采用了摩擦系數(shù)很低的滾動(dòng)導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌，提高機(jī)床運(yùn)動(dòng)靈敏性； 5）采用了增大功率的電機(jī)和先進(jìn)刀具，以提高切削用量； 6）采用了多主軸、多刀架結(jié)構(gòu)，以提高單位時(shí)間內(nèi)的切削效率； 7）采用了自動(dòng)換刀和自動(dòng)更換工件的裝置，以減少停機(jī)時(shí)間； 8）采用了自動(dòng)排屑，自動(dòng)潤(rùn)滑裝置。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)與方案確定 第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)與方案確定 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 本設(shè)計(jì)任務(wù)是進(jìn)行CK6163縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）對(duì)縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，對(duì)縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用BYG系列步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠。 2.2 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) 最大加工直徑 在床面上 630mm 在床鞍上 350mm 最大加工長(zhǎng)度 2900mm 快進(jìn)速度 縱向 2.0m/min 最大切削進(jìn)給速度 縱向 0.5m/min 滑板及刀架重力 縱向 1200N 最小指令值（脈沖當(dāng)量） 縱向 0.01mm/脈沖 機(jī)床定位精度 2.3 總體方案的確定 參照數(shù)控車(chē)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)資料確定總體方案是：由微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、程序運(yùn)行，然后經(jīng)I/O借口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)過(guò)硬件環(huán)分器、驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，通過(guò)聯(lián)軸器直聯(lián)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，從而帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)縱向進(jìn)給。如圖2.1所示。 圖2.1 總體設(shè)計(jì)方案 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第3章 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 第3章 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 計(jì)算內(nèi)容及步驟 本節(jié)只對(duì)縱向進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行計(jì)算與選擇。采用由系統(tǒng)左端相系統(tǒng)右端步驟進(jìn)行計(jì)算與選擇。見(jiàn)圖3.1。 圖3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容 3.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.1 切削力的計(jì)算 車(chē)床主切削力FZ（見(jiàn)文獻(xiàn)[6]） （3-1） 式中：Dmax為在車(chē)床床面上加工的最大直徑（mm），已知Dmax=630mm。 代入公式（3-1）中，得 走刀方向切削分力Fx和垂直走刀方向的切削分力Fy可按以下比例求出： Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 則Fx=2649N, Fy=4238N 3.2.2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 （1）計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm（見(jiàn)文獻(xiàn)[6]） （3-2） 式中：Fx為走刀方向切削分力（N）； FZ為主切削力（N）； G為移動(dòng)部件重力（N）； K和f’為分別為考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，取 K=1.15，f’=0.15。 代入公式（3-2）中，得 （2）計(jì)算最大動(dòng)載荷C（見(jiàn)文獻(xiàn)[6]） （3-3） 式中：L為工作壽命，； n為絲杠轉(zhuǎn)速（r/min），； v為最大切削力條件下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3， ，取v=0.25m/min； L0為絲杠基本導(dǎo)程，初取L0=6mm； t為額定使用壽命，取t=15000h； fm為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，取fm=1.2； Fm為滾珠絲杠工作載荷 h 將上面結(jié)果代入公式（3-3）中，得 （3）計(jì)算最大靜載荷C0（見(jiàn)文獻(xiàn)[6]） （3-4） 式中：fd為靜態(tài)安全系數(shù)，取fd =1.5； Fm為絲杠工作載荷（N）。 代入公式（3-4）中，得 初選CDM5006滾珠絲杠螺母副 L0=6mm 公稱(chēng)直徑d=50mm，絲杠取5級(jí)精度 該型號(hào)的絲杠為外循環(huán)插管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式的滾珠絲杠副。 該型號(hào)滾珠絲杠額定動(dòng)載荷： 額定靜載荷： （4）滾珠絲杠傳動(dòng)效率（見(jiàn)文獻(xiàn)[6]） （3-5） 式中：為絲杠螺旋升角，由絲杠型號(hào)查出，； 為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.003~0.004，其摩擦角約等于 。 代入公式（3-5）計(jì)算，得 3.2.3 滾珠絲杠螺母副的驗(yàn)算 （1）剛度驗(yàn)算 1）絲杠的拉壓變形量（見(jiàn)文獻(xiàn)[6]） （3-6） 式中：為在工作載荷Fm作用下絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量（mm）； Fm為絲杠工作載荷（N）； L為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度（mm），滾珠絲杠工作長(zhǎng)度為2900mm， 考慮兩端安裝軸承，左右支撐的中心距離約為3150mm； E為材料彈性模量，對(duì)剛E=20.6×104MPa； A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的橫截面積(mm2)。 代入式（3-6）中計(jì)算 2）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量（見(jiàn)文獻(xiàn)[6]） （3-7） 式中：Dw為滾珠直徑，Dw=3.969mm； 為滾珠總數(shù)量=Z×圓數(shù)×列數(shù)； Z為一圈滾珠數(shù)，； dm為滾珠絲杠的公稱(chēng)直徑(mm)； FYJ為預(yù)緊力(N)； Fm為滾珠絲杠工作載荷(N)。 = Z×圓數(shù)×列數(shù)=39.5×2×2.5×1=198 將上面各結(jié)果代入式（3-7）中進(jìn)行計(jì)算 滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3，值可減少一半左右 3）絲杠副剛度的驗(yàn)算 絲杠的總變形量 絲杠有效行程為2900mm，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在2500~3150mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到69，絲杠剛度足夠。 （2）壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠是一種受軸向力的長(zhǎng)柱壓桿（見(jiàn)文獻(xiàn)[6]） （3-8） 式中：E為絲杠材料彈性模量，對(duì)剛E=20.6×104MPa； I為截面慣性矩(mm4)，對(duì)絲杠圓截面（d1為絲杠底徑）； L為絲杠最大工作長(zhǎng)度(mm)；fz為絲杠支承方式系數(shù)，取fz=2.0。 代入式（3-8）中，可得 故滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 3.3 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 3.3.1 步進(jìn)電機(jī)選型 初選130BYG3502 步進(jìn)電機(jī)，該型號(hào)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)如下（見(jiàn)文獻(xiàn)[2]）： 表3.1 130BYG3502步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù) 相數(shù) 步距角 /() 電壓 /V 電流 /A 最大 靜轉(zhuǎn)矩 /() 空載起 動(dòng)頻率 /Hz 空載運(yùn) 行頻率 /Hz 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量 / 3 0.6 80~325 6 37 1500 15000 48 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性如下： 表3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性（對(duì)應(yīng)表3.1） 電動(dòng)機(jī)型號(hào) 運(yùn)行頻率/(Hz) 100 500 1000 2000 4000 6000 8000 10000 運(yùn)行步距角/() 不同頻率下的輸出轉(zhuǎn)矩/() 130BYG3502 0.6° 35.20 35.00 31.50 26.80 22.20 18.50 15.00 11.00 所選用BYG系列步進(jìn)電機(jī)工作特點(diǎn)如下： （1）輸出轉(zhuǎn)矩大，矩頻特性硬； （2）驅(qū)動(dòng)電源電流小，功耗低； （3）動(dòng)態(tài)性能好，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，而且在時(shí)間上同步，因此 調(diào)節(jié)輸入脈沖的數(shù)量、頻率、相序即可控制電機(jī)相應(yīng)的角位移、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向獲 得所需要的運(yùn)動(dòng)特性，而不需中間轉(zhuǎn)換裝置； （4）起動(dòng)制動(dòng)時(shí)間短，在制動(dòng)狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子可以鎖住定位； （5）輸出角位移的定位精度高而且積累誤差不隨轉(zhuǎn)數(shù)而疊加； （6）電機(jī)軸伸采用鍵聯(lián)接。 3.3.2 傳動(dòng)比的確定 傳動(dòng)比i計(jì)算如下（見(jiàn)文獻(xiàn)[2]）： （3-9） 式中：θ為電動(dòng)機(jī)步距角，θ=0.6°； L0為絲杠基本導(dǎo)程，L0=6mm； δ為脈沖當(dāng)量，δ=0.01mm/脈沖 代入式（3-9）中，計(jì)算得 3.3.3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（見(jiàn)文獻(xiàn)[6]） （3-10） 對(duì)于鋼材，材料密度為7.8×10-3（kg/cm3），代入式（3-10），有 式中： D為絲杠直徑（cm）； L為絲杠長(zhǎng)度（cm）； Mc為圓柱體質(zhì)量（kg）。 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （3-11） 式中：L0為絲杠導(dǎo)程（mm）； M為工作臺(tái)質(zhì)量（kg）。 代入式（3-11）計(jì)算得 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 3.3.4 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。 1） 快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1（見(jiàn)文獻(xiàn)[2]） 考慮縱向傳動(dòng)鏈的總效率η，計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩（見(jiàn)文獻(xiàn)[2]）： （3-12） 式中：nm——對(duì)應(yīng)縱向空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min； ta ——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間，單位為s。 其中 （3-13） 式中：vmax——縱向空載最快移動(dòng)速度，vmax=2000mm/min θ ——縱向步進(jìn)電機(jī)步距角，為0.6° δ ——縱向脈沖當(dāng)量，δ=0.01mm/脈沖 代入式（3-13）計(jì)算，得 設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速到nm所需要時(shí)間ta=0.4s，縱向傳動(dòng)鏈總效率η=0.7，代入式（3-12）計(jì)算，得 移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為（見(jiàn)文獻(xiàn)[2]）： （3-14） 式中： μ——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.15 Fz——垂直方向工作負(fù)載，空載取0 η——縱向傳動(dòng)鏈總效率，η=0.7 代入式（3-14）計(jì)算，得 2） 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2（見(jiàn)文獻(xiàn)[2]） 前面對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知進(jìn)給方向的最大工作載荷Fx=2649N 最大工作負(fù)載Fz=10595N，摩擦轉(zhuǎn)矩 取安全系數(shù)K=4 選用的130BYG3502步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 符合要求。 3.3.5 步進(jìn)電機(jī)性能校核 1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 最快工進(jìn)速度 脈沖當(dāng)量 求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率 由130BYG3502的運(yùn)行矩頻特性（表3.2）可知，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于，滿(mǎn)足要求。 2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 最快空載移動(dòng)速度 電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率 由130BYG3502的運(yùn)行矩頻特性（表3.2）可知，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于，滿(mǎn)足要求 3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 最快空載移動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率 查表3.1，130BYG3502步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行極限頻率為15000Hz，沒(méi)有超出上限，符合要求。 3.4 滾珠絲杠的預(yù)緊和消隙 對(duì)于滾絲杠副來(lái)說(shuō)，除單一方向的進(jìn)給傳動(dòng)精度有一定要求外，其軸向間隙也應(yīng)該有嚴(yán)格的要求，以保證反向精度的要求。 軸向間隙一般是指絲杠固定不動(dòng)，螺母在限制其回轉(zhuǎn)狀態(tài)下所出現(xiàn)的軸向位移。滾珠絲杠副的軸向間隙是受負(fù)載時(shí)，在滾珠與滾道面接觸點(diǎn)的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和，要將軸向間隙完全清除是相當(dāng)困難的。 通常采用雙螺母預(yù)緊的方式，將彈性變形控制在最小的限度內(nèi)，如果滾珠絲桿與配合公差選擇得適當(dāng)，就可以獲得相當(dāng)高的定位精度。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的滾珠絲杠，外循環(huán)單螺母徑向間隙達(dá)0.05mm，而雙螺母經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后能基本消除間隙。 本人所設(shè)計(jì)選取的滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷方式為墊片預(yù)加負(fù)荷式。用螺釘聯(lián)接兩螺母套，在兩螺釘間加墊片，通過(guò)調(diào)整墊片的厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的，預(yù)緊力增大了絲杠的剛度。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好，剛度高，裝拆方便，但調(diào)整費(fèi)時(shí)，滾道有磨損時(shí)，不能隨時(shí)消除間隙和進(jìn)行預(yù)緊，運(yùn)用于一般精度的機(jī)構(gòu)中。同時(shí)，在采用預(yù)緊力消隙時(shí)應(yīng)注意： （1）通過(guò)預(yù)緊力產(chǎn)生預(yù)拉變形，減少了彈性變形引起的位移，但不能使預(yù)緊力過(guò)大，否則加大驅(qū)動(dòng)力矩，會(huì)降低效率，縮短使用壽命； （2）特別注意絲杠安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的間隙，盡可能使之減小。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第4章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 第4章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 4.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件基本組成 硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成了整個(gè)控制系統(tǒng)。其中硬件系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件部分才能有效的發(fā)揮作用，其性能的好壞直接影響到整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的功能發(fā)揮。 概述起來(lái)，硬件系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分[23]： 1) 基本功能類(lèi) 基本功能類(lèi)硬件包括：CPU(用于運(yùn)算、控制)、RAM(用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ))、ROM(用于程序存儲(chǔ))、I/O設(shè)備(實(shí)現(xiàn)串行、并行輸入/輸出接口)及時(shí)鐘電路(建立工作時(shí)序)。在微型計(jì)算機(jī)中，上述部件被分成若干塊芯片，安裝在一塊稱(chēng)之為主板的印刷線路板上，在程序的指揮下完成計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算操作功能。但是在單片機(jī)中，除了時(shí)鐘電路之外，其余部分一般均被集成到一塊半導(dǎo)體芯片上，所以被稱(chēng)為單片機(jī)，即單芯片微型計(jì)算機(jī)。 2) 控制功能類(lèi) 　　控制功能類(lèi)硬件包括：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(用于時(shí)間設(shè)定/事件記錄)和中斷裝置(實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理)。使用這類(lèi)硬件是為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的控制功能，即定時(shí)控制、順序控制和實(shí)時(shí)控制等基本控制功能。作為面向嵌入式控制的特色，這類(lèi)部件通常也集成在單片機(jī)芯片內(nèi)部。 　3) 輔助功能類(lèi) 輔助功能類(lèi)硬件包括：A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換)和D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換，通常采用PWM形式)等部件。這類(lèi)部件根據(jù)芯片的配置不同不一定集成在單片機(jī)芯片上，需要用戶(hù)根據(jù)使用要求選擇。 其中CPU是控制系統(tǒng)的核心，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作；存儲(chǔ)器用于存入系統(tǒng)文件、數(shù)據(jù)和各種應(yīng)用程序；I/O接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁；CPU與存儲(chǔ)器、I/O接口以及其他轉(zhuǎn)換電路通過(guò)總線進(jìn)行連接。如圖4.1所示： CPU I/O 外設(shè) RAM ROM 信號(hào) 變換 控制 對(duì)象 圖4.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件基本組成 4.2 硬件設(shè)計(jì)方案確定 控制系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)按鈕控制來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及加減速控制。 CPU采用AT89C51單片機(jī)，該型號(hào)單片機(jī)在數(shù)控車(chē)床上普遍應(yīng)用，與其配套的芯片價(jià)格低，比較普及，本次設(shè)計(jì)也是對(duì)簡(jiǎn)易數(shù)控車(chē)床CK6163，AT89C51性能完全滿(mǎn)足要求。 由于本次設(shè)計(jì)僅控制一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展。 I/O接口擴(kuò)展使用8279對(duì)鍵盤(pán)（按鈕）及顯示器進(jìn)行控制。 步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器采用CH250。 4.3 AT89C51單片機(jī)介紹 4.3.1 簡(jiǎn)介 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案[23]。引腳排列如圖4.2所示。 圖4.2 AT89C51單片機(jī)的引腳 4.3.2 AT89C51單片機(jī)的引腳介紹 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口,每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí),被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí),P0 口作為原碼輸入口,當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí),P0輸出原碼,此時(shí)P0外部必須被拉高。 ??? P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后,被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入,P1口被外部下拉為低電平時(shí),將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí),P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個(gè)TTL門(mén)電流,當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí),其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時(shí),P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí),P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí),它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì),當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí),P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口,如下表4.1所示： 表4.1 P3口引腳功能 端口管腳 備選功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 INT0（外部中斷0） P3.3 INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入） P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入） P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RESET：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí),要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí),地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí),ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào),此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí), ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止,置位無(wú)效。 EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí),則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH）,不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí),/EA將內(nèi)部鎖定為RESET;當(dāng)/EA端保持高電平時(shí),此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間,此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出[23]。 4.4 可編程I/O接口芯片擴(kuò)展 在實(shí)際工作過(guò)程中，鍵盤(pán)掃描和顯示器掃描程序往往要占用CPU時(shí)間，在實(shí)際應(yīng)用中，往往不允許花許多時(shí)間來(lái)執(zhí)行這些人機(jī)接口電路的掃描程序，在這種情況下，可以使用8279來(lái)處理解決這一問(wèn)題。 8279是一種通用的可編程的鍵盤(pán)/顯示器接口芯片，它實(shí)際上是將鍵盤(pán)掃描和數(shù)碼管掃描電路集成在一起，自動(dòng)完成鍵盤(pán)矩陣掃描輸入和數(shù)碼管顯示器掃描輸出的工作，CPU在需要讀入鍵盤(pán)狀態(tài)或輸出顯示內(nèi)容時(shí)，只需訪問(wèn)8279的內(nèi)部寄存器即可，從而減輕了CPU的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。 8279與CPU的典型連接如圖4.3所示[20]： 圖4.3 8279與CPU的典型連接 4.5 8279介紹 4.5.1 8279的結(jié)構(gòu) 圖4.4 8279的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào) （a）8279的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；（b）8279的邏輯符號(hào) 圖中，D0~D7為三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線相連，用于單片機(jī)與8279之間的命令或數(shù)據(jù)的傳遞。為低電平有效的片選信號(hào)線。A0為片內(nèi)選址信號(hào)，當(dāng)A0=1時(shí)，向8279寫(xiě)入得是命令字，從8279讀出的是狀態(tài)字；當(dāng)A0=0時(shí)，寫(xiě)入和讀出的是命令字所指定的數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。和為低電平有效的讀寫(xiě)信號(hào)線。CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線，用于產(chǎn)生工作時(shí)序。RESET為高電平有效的復(fù)位信號(hào)。IRQ為高電平有效的中斷請(qǐng)求信號(hào)，當(dāng)FIFO中存有數(shù)據(jù)時(shí)，該線就變?yōu)楦唠娖?，CPU每從FIFO讀出一次，IRQ就變低，如果其中還有未讀出的數(shù)據(jù)，該線將再次變高。SL0~SL3為掃描信號(hào)輸出線，具有編碼輸出和譯碼輸出兩種方式。RL0~RL7為外部回送信號(hào)輸入線，具有內(nèi)部上拉電阻。SHIFT為換擋輸入線，其狀態(tài)信息在鍵盤(pán)輸入時(shí)，與鍵盤(pán)編碼一起存入FIFO。在傳感器方式時(shí)，該引腳失效。CNTL/STB為控制/選通輸入線，在鍵盤(pán)方式時(shí)，其狀態(tài)隨按鍵的編碼一起存入FIFO。在傳感器方式下，該信號(hào)無(wú)效；在選通輸入方式下，該信號(hào)的上升沿將來(lái)自RL0~RL7的數(shù)據(jù)存入FIFO中。 OUTA0~OUTA3和OUTB0~OUTB3這兩組信號(hào)線均是顯示段碼輸出線，他們與顯示掃描線SL0~SL3同步。BD為顯示器的消隱信號(hào)線，該引腳為低電平時(shí)，表示正處于掃描周期中兩個(gè)數(shù)碼管的切換階段，這時(shí)，8279送出的是空格段碼[19]。 4.5.2 8279的命令字 8279的操作方式是通過(guò)CPU對(duì)8279送入命令時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)編程的。當(dāng)數(shù)據(jù)選擇端A0置1時(shí)，CPU對(duì)8279寫(xiě)入數(shù)據(jù)為命令字，讀出的數(shù)據(jù)為狀態(tài)字。 ???? 8279共有八條命令。其功能及命令字定義分述如下。 1)鍵盤(pán)/顯示方式設(shè)置命令字 命令格式： ?????D7 ? D6 ? D5 ? D4 ? D3 ? D2 ? D1 ? D0 0 0 0 D K 其中： ??? D7、D6、D5=000方式設(shè)置命令特征位。 ??? D? D（D4、D3）：來(lái)設(shè)定顯示方式，其定義如下： ????????????????? 00：8個(gè)字符顯示，左入口 ????????????????? 00：16個(gè)字符顯示，左入口 ????????????????? 00：8個(gè)字符顯示，右入口 ????????????????? 00：16個(gè)字符顯示，右入口 所謂左入口，即顯示位置從最左一位（最高位）開(kāi)始，以后逐次輸入的顯示字符逐個(gè)向右順序排列； 所謂右入口，即顯示位置從最右一位（最低位）開(kāi)始，以后逐次輸入的顯示字符時(shí)，已有的顯示字符逐個(gè)向左順序移動(dòng)。 ??? K（D2、 D1、 D0）：用來(lái)設(shè)定七種鍵盤(pán)、顯示工作方式： ?????????????????? 000? 編碼掃描鍵盤(pán)，雙鍵鎖定? ?????????????????? 001? 譯碼掃描鍵盤(pán)，雙鍵鎖定? ?????????????????? 010? 編碼掃描鍵盤(pán)，N鍵輪回 ?????????????????? 011? 譯碼掃描鍵盤(pán)，N鍵輪回 ?????????????????? 100? 編碼掃描傳感器矩陣 ?????????????????? 101? 譯碼掃描傳感器矩陣 ?????????????????? 110? 選通輸入，編碼顯示掃描 ?????????????????? 111? 選通輸入，譯碼顯示掃描 雙鍵鎖定與N鍵輪回是多鍵按下時(shí)的兩種不同的保護(hù)方式。雙鍵鎖定為兩鍵同時(shí)按下提供的保護(hù)方法。再消顫周期里，如果有兩鍵同時(shí)按下，則只有其中一個(gè)鍵彈起，而另一個(gè)鍵保持在按下位置時(shí)，才被認(rèn)可。N鍵輪回為N鍵同時(shí)按下的保護(hù)方法。當(dāng)有若干鍵按下時(shí)，鍵盤(pán)掃描能夠根據(jù)發(fā)現(xiàn)他們的順序，依次將它們的狀態(tài)送入FIFO RAM中。 2)程序時(shí)鐘命令 ??? 命令格式： D7 ? D6 ? D5 ? D4 ? D3 ? D2 ? D1 ? D0 0 0 1 N 其中： ??? D7、D6、D5=001為時(shí)鐘命令特征位。 ??? N（? D4、D3、D2、D1、D0）用來(lái)設(shè)定外部輸入CLK端的時(shí)鐘進(jìn)行分頻的分頻數(shù)N。N取值為2~31。例如外部時(shí)鐘頻率為2MHZ，N被置為10100（N=20），則對(duì)輸入的外部時(shí)鐘20分頻，以獲得8279內(nèi)部要求的100KMZ的基本頻率。 3)讀FIFO/傳感器RAM命令 ??? 命令格式： D7 ? D6 ? D5 ? D4 ? D3 ? D2 ? D1 ? D0 0 1 0 AI X A 其中： D7D6D5 =010為讀FIFO/傳感器RAM命令特征位。該命令字只在傳感器方式時(shí)使用。在CPU讀傳感器RAM之前，必須使用這條命令來(lái)設(shè)定傳感器RAM中的8個(gè)地址（每個(gè)地址一個(gè)字節(jié)）。 ??? A（D2、D1、D0）為傳感器RAM中的八個(gè)字節(jié)地址。 AI（D4）為自動(dòng)增量特征位。當(dāng)AI=1時(shí)，每次讀出傳感器RAM后地址自動(dòng)加1使地址指針指向下一個(gè)存儲(chǔ)單元。這樣，下一個(gè)數(shù)據(jù)便從下一個(gè)地址讀出，而不必重新設(shè)置讀FIFO/傳感器RAM命令。 ??? 在鍵盤(pán)工作方式中，由于讀出操做嚴(yán)格按照先入先出順序，因此，不需使用此命令。 4)讀顯示RAM命令 ??? 命令格式： D7 ? D6 ? D5 ? D4 ? D3 ? D2 ? D1 ? D0 0 1 1 AI X 其中： D7D6D5 =011為讀顯示RAM命令字的特征位。該命令用來(lái)設(shè)定將要讀出的顯示RAM地址。 X（D3、D2、D1、D0）用來(lái)尋址顯示RAM命令字的特征位。由位顯示RAM中有16個(gè)字節(jié)單元故需要4位尋址。 ??? AI（D4）為自動(dòng)增量特征位。當(dāng)AI=1時(shí)，每次讀出后地址自動(dòng)加1指向下一地址。 5)寫(xiě)顯示RAM命令 ??? 命令格式： D7 ? D6 ? D5 ? D4 ? D3 ? D2 ? D1 ? D0