C6163車床改造課程設(shè)計(jì)C6163車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造

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1、 C6163車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 40 頁(yè) 共 40 頁(yè) 目目錄 1一、緒論 3 11.1選題目的及意義 3 11.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及總體方案的確定 3 1二、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 6 12.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 6 22．2主軸脈沖發(fā)生器的安裝 6 22.3 進(jìn)給系統(tǒng)的改造 6 22.4 安裝防護(hù) 6 2三、進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 7 23.1 切削力的計(jì)算 7 23.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 8 23.3 同步帶減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 2四、電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 17 24.1 縱向直流電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 18 24.2 同步帶傳動(dòng)功率的校核 22

2、 2五、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 22 35．1光電隔離電路 22 35.2 單極性可逆PWM電路設(shè)計(jì) 23 3六、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 36.1硬件電路設(shè)計(jì) 24 3七、數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 37 3總結(jié) 38 3致謝 39 3參考文獻(xiàn) 40 一 緒論 1．1 選題目的及意義 車床是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床，當(dāng)工件隨主軸回轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)到家的縱向和橫向移動(dòng)，能夠加工內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋等，借助成型刀具，還能加工各種成形回轉(zhuǎn)表面。 臥式車床刀架的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，是由主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)掛輪傳遞而來(lái)，通過(guò)進(jìn)給箱變速后，由光杠或

3、絲杠帶動(dòng)溜板箱、床鞍以及中滑板產(chǎn)生移動(dòng)。進(jìn)給參數(shù)依靠手工調(diào)整，改變參數(shù)時(shí)需要停車。刀架的縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給不能聯(lián)動(dòng)，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且無(wú)法加工復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件。 對(duì)普通車床的數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改成用微機(jī)控制的并能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將手動(dòng)刀架換成能自動(dòng)換刀的電動(dòng)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。由于加工過(guò)程中的切削參數(shù)、切削順序和刀具都可按程序自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和更換，再加上縱、橫向的聯(lián)動(dòng)進(jìn)給功能，所以，可以加工出普通車床加工不了的曲線、曲面等復(fù)雜零件。加工精度高，尺寸分散度小，易于裝配?？梢詫?shí)現(xiàn)多工序集中加工，提高了相

4、關(guān)加工精度，同時(shí)減少被加工零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。擁有自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ?，?jiǎn)化了傳統(tǒng)機(jī)床加工工藝中的工序，機(jī)床利用率大幅度提高。由于采用自動(dòng)化加工技術(shù)，可大大降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少?gòu)U品的產(chǎn)生，提高工作效率。 1．2 設(shè)計(jì)任務(wù)與總體方案的確定 將C6163普通車床（如圖1-1所示）改造成采用16位單片機(jī)半閉環(huán)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，要求該車床進(jìn)給兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)并且能夠?qū)崿F(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)并增配自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架和主軸脈沖發(fā)生器，能車削螺紋。 圖1-1 普通車床C6163 1.2.1 已知參數(shù)及設(shè)計(jì)參數(shù) 最大加工直徑：630； 床鞍

5、上最大加工直徑：350； 最大加工長(zhǎng)度：1500； 縱向?qū)к夐L(zhǎng)度：2000； 主電動(dòng)機(jī)功率：11； 冷卻泵電機(jī)功率：0.12； 主軸通孔直徑：105； 主軸轉(zhuǎn)速：14級(jí) 12.5～1120； 托板和刀架的總重力G：1500； 最大進(jìn)給速度：縱向：， 橫向：0.4； 最大刀架快移速度：縱向：6， 橫向：4； 脈沖當(dāng)量：縱向：0.01/脈沖， 橫向：0.005/脈沖； 定位精度：縱向：0.01， 橫向：0.005； 啟動(dòng)加速時(shí)間：縱向：200； 橫向：100； 電動(dòng)刀架

6、轉(zhuǎn)位數(shù)：4 1．2．2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進(jìn)給傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。 （1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式：該車床改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線/圓弧插補(bǔ)的功能。所以數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。 （2）進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型：按任務(wù)要求采用步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。這樣改造后的車床屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，在保證一定加工精度的前提下，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本。 （3）數(shù)控系統(tǒng)處理器的選擇：依據(jù)技術(shù)指標(biāo)中最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機(jī)作為數(shù)控

7、系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。 （4）根據(jù)系統(tǒng)的要求，需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源以及主軸電動(dòng)機(jī)的交流變頻器等。 （5）為了加工安全還需安裝縱向和橫向限位開(kāi)關(guān)。 （6）主軸電動(dòng)機(jī)的交流變頻器的選擇及主軸脈沖發(fā)生器的選擇。 （7）為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求中的速度和精度，縱向與橫向進(jìn)給傳動(dòng)應(yīng)選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動(dòng)間隙、提高傳動(dòng)剛度，滾珠絲杠 的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)。 （8）為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也

8、為了是傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量勁可能地減小，傳動(dòng)鏈中應(yīng)設(shè)有減速機(jī)構(gòu)。減速機(jī)構(gòu)選則同步帶，其綜合了帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域已經(jīng)替代了齒輪傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)。 二 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 2．1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造時(shí)，為了減少工作量，一般保留原有的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)。改造后使其主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離，主電機(jī)的作用僅為帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止由數(shù)控系統(tǒng)來(lái)控制。 若要提高車床的自動(dòng)化程度，需要在加工中自動(dòng)變換轉(zhuǎn)速，可用2-4速的多速電動(dòng)機(jī)代替原有的單速主電動(dòng)機(jī)；當(dāng)多速電動(dòng)機(jī)仍不滿足要求時(shí)，可用交流變頻器來(lái)控制主軸電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速。

9、采用交流變頻器實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)的無(wú)極變速，本設(shè)計(jì)選用F1000-G0110T3C型變頻器，該型號(hào)適配電機(jī)11KW，額定輸出電流為23A。 2．2主軸脈沖發(fā)生器的安裝 主軸脈沖發(fā)生器是為了加工螺紋而安裝的主軸檢測(cè)裝置，微機(jī)從主軸脈沖發(fā)生器中取出與螺距相應(yīng)的脈沖數(shù)，使主軸旋轉(zhuǎn)角度與進(jìn)給量保持一定關(guān)系，確保螺距的準(zhǔn)確性。主軸脈沖發(fā)生器的安裝通常有兩種：一種是同軸安裝，另一種是異軸安裝。一般經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造多采用同軸安裝。本設(shè)計(jì)選用1200線主軸脈沖發(fā)生器，采用同軸安裝方式并采用波紋管與主軸柔性連接，該連接方式在實(shí)現(xiàn)角位移傳遞的同時(shí)，能夠吸收車床的部分振動(dòng)，從而使脈沖發(fā)生器平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。 2．3 進(jìn)給系

10、統(tǒng)的改造 拆除掛輪架所有齒輪并尋找主軸，安裝主軸脈沖發(fā)生器；拆除原機(jī)床進(jìn)給箱、溜板箱、滑動(dòng)絲杠、光桿、操縱桿、齒條等；在縱溜板、橫溜板的下面絲杠螺母座托架；在原進(jìn)給箱位置安裝縱向伺服電機(jī)與減速箱總成，在橫溜板后部安裝橫向伺服電機(jī)與減速箱總成；拆除四方刀架及上溜板總成，在橫溜板上方安裝電動(dòng)刀架。 2．4 安裝防護(hù) 普通車床的數(shù)控化改造中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的防護(hù)措施，比如滾珠絲杠副由于精度要求較高，工作時(shí)需防塵防灰，尤其不能讓金屬削進(jìn)入滾道，所以縱向絲杠應(yīng)安裝防護(hù)罩。大托板與導(dǎo)軌接觸的兩端面要貼上橡膠片，防止雜質(zhì)進(jìn)入滑動(dòng)導(dǎo)軌面損傷導(dǎo)軌。 三 縱向進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型 3．1

11、 切削力的計(jì)算 切削力是指在切屑過(guò)程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的講是在切削加工時(shí)，工件材料抵抗刀具切削時(shí)產(chǎn)生的阻力。車削外圓時(shí)的切削力如圖3-1所示。主切削力與切削速度的方向一致，垂直向下，是計(jì)算車床主軸電動(dòng)機(jī)切削功率的依據(jù)；進(jìn)給力與進(jìn)給方向平行且方向相反；背向力與進(jìn)給方向相垂直，對(duì)加工精度的影響較大。 Fz Fx Fy 圖3-1 車削力分析 設(shè)工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，σb=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60，前角10，刃傾角-5,；切削用量為：背吃刀量

12、ap=3mm，進(jìn)給量f=0.6mm/r，切削速度為105m/min。 查表3-1，得： =2795 =1.0 =0.75 =-0.15 查表3-3，得主偏角的修正系數(shù)=0.94；刀傾角、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： =2673.4N 由：：=1:0.35:0.4，算得縱向進(jìn)給切削力==935.69N， ==1069.36N 3.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，其螺旋傳動(dòng)是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)。螺

13、母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無(wú)間隙甚至有過(guò)盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長(zhǎng)工作壽命，可設(shè)置潤(rùn)滑件和密封件。 3．2．1 精度的選擇 滾珠絲杠副的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度最明顯。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。對(duì)于車床，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)X軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），Z軸為2～5級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求和改造的經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸精度等級(jí)為3級(jí)，Z軸為4級(jí)。 3．2．2 絲杠導(dǎo)程的確定 選擇導(dǎo)程跟所需要

14、的運(yùn)動(dòng)速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導(dǎo)程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿足的情況下，一般選擇較小導(dǎo)程（利于提高控制精度），本設(shè)計(jì)中初選縱向絲杠導(dǎo)程為8，橫向絲杠導(dǎo)程為5。 3． 2．3 最大工作載荷的計(jì)算 最大工作載荷是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所承受的最大軸向力，也叫進(jìn)給牽引力,其實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式如表3-1所示。 表3-1 實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù) 導(dǎo)軌類型 實(shí)驗(yàn)公式 矩形導(dǎo)軌 1.1 0.15 燕尾導(dǎo)軌 1.4 0.2 綜合或三角導(dǎo)軌 1.15 0.15-0.18 表中為考慮顛覆

15、力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)；為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；為移動(dòng)部件總重量。 查表3-1選擇綜合導(dǎo)軌，取1.15,取0.16,為1500； 算得=1.15935.69+0.16（2673.4+1500） =1743.8 3．2．4 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 載荷隨時(shí)間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動(dòng)載荷。比如起重機(jī)以等速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為靜載，起重機(jī)以加速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為動(dòng)載。 對(duì)于滾珠絲杠螺母副的最大動(dòng)載荷計(jì)算公式如下： 式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r，（T為使用壽命，普通

16、機(jī)床T取5000-10000h，數(shù)控機(jī)床T取15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）； —載荷系數(shù)，一般取1.2～1.5，本設(shè)計(jì)取1.2； —硬度系數(shù)（HRC58時(shí)取1.0；等于55時(shí)取1.11；等于52.5時(shí)取1.35；等于50時(shí)取1.56；等于45時(shí)取2.40）； —滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。 本設(shè)計(jì)中車床Z向承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度,初選絲杠基本導(dǎo)程，則絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠使用壽命，帶入得=90（單位r）；加工過(guò)程平穩(wěn)或輕度沖擊，取載荷系數(shù)，硬度系數(shù)，代入，求得 ：=9377.6N。 3．2．5 滾珠絲杠螺母副的選型 初選滾珠絲桿

17、副時(shí)應(yīng)使其額定動(dòng)載荷, 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間承受工作載荷時(shí)，還應(yīng)使額定靜載荷。 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷=9377.6N,選擇江蘇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL5008-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預(yù)緊，精度等級(jí)為4級(jí)，其參數(shù)如表3-2所示。 表3-2 FL5008-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù) 公稱直徑/ 導(dǎo)程/ 鋼球直徑/ 絲杠外徑/ 絲杠底徑/ 額定載荷/ 接觸剛度 / 1897 50 8 4.763 48.6 45.24 66 31 3．2．6 滾珠絲杠副的支承方式 滾珠絲杠副的支

18、承主要用來(lái)約束絲杠的軸向竄動(dòng)，為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合?？紤]到縱向絲杠長(zhǎng)度較大，本設(shè)計(jì)縱向絲杠采用雙推—雙推支承方式，該方式臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。 3．2．7 傳動(dòng)效率的計(jì)算 滾珠絲杠的傳動(dòng)效率一般在0.8～0.9之間，其計(jì)算公式如下： = 式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2.91； —摩擦角，一般取=10′。 算得： =94.57% 3． 2．8 剛度的驗(yàn)算 滾珠絲杠副工作時(shí)受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，引起導(dǎo)程的變化，從而影響定位精度和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括

19、絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形。 因轉(zhuǎn)矩和絲杠-螺母滾道接觸對(duì)絲杠產(chǎn)生的導(dǎo)程變化很小，所以、可以忽略不計(jì)，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為： =（“+”號(hào)代表拉伸，“-”代表壓縮） 式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為； —滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為； —絲杠材料的彈性模量，鋼； —絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。 根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，為1743.8，取1990，為45.24，算得： 查表3-3可知，,所以剛度足夠。 表3-3 有效行程內(nèi)的目標(biāo)行程

20、公差和行程變動(dòng)量 有效行程 精度等級(jí) 1 2 3 4 5 大于 至 — 315 6 6 8 8 12 12 16 16 23 23 400 500 8 7 10 9 15 13 20 19 27 26 1600 2000 18 13 25 18 35 25 48 36 65 51 3． 2．9 壓桿穩(wěn)定性校核 由于滾珠絲杠本身比較細(xì)長(zhǎng)又受軸向力的作用，若軸向負(fù)載過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk應(yīng)該滿足： = 式

21、中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-雙推方式時(shí)，取4，其他方式如表3-4所示； —滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，垂直安裝時(shí)取最小值，本設(shè)計(jì)取4； —滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為1990； —按絲杠底徑確定的截面慣性矩（，單位為）,本設(shè) 中將代入算出=205513.36。 由以上數(shù)據(jù)可以算出： 臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷（3233.76N），故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 表3-4 絲杠支承系數(shù) 支承方式 雙推-雙推 雙推-簡(jiǎn)支 單推-單推 雙推-自由 取值 4 2 1 0.25

22、 3．3 同步帶減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 同步帶也叫同步齒形帶，它綜合了帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，主要用在驅(qū)動(dòng)帶輪與被動(dòng)帶輪之間要求有固定傳動(dòng)比的情況。同步帶是通過(guò)帶上的凸齒與帶輪上的齒槽強(qiáng)制嚙合而工作，即當(dāng)主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能通過(guò)帶齒與帶輪的依次嚙合將動(dòng)力傳給從動(dòng)輪，因此主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的線速度相同。同步帶的張緊力小，輪軸上的壓力輕，因此可以延長(zhǎng)軸承的使用壽命。同步帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，工作時(shí)不會(huì)打滑，線速度可達(dá)，可用于高速場(chǎng)合，傳動(dòng)比可達(dá)到10，效率可達(dá)98%，維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，因此應(yīng)用日益廣泛。 3．3．1 傳動(dòng)比的確定 　　初選電機(jī)型號(hào)為110BYG2602，四相混合式

23、，最大靜轉(zhuǎn)矩為，步距角為 由和可得： 式中：—電機(jī)編碼器分辨率，單位為度/脈沖； —絲杠分辨率，單位為度/脈沖； —絲杠導(dǎo)程，其值為8； —脈沖當(dāng)量，本設(shè)計(jì)中Z軸為0.01/脈沖。 初選電機(jī)型號(hào)為130BYG2502，查表4-5知：步距角為0.9。 所以傳動(dòng)比 由縱向床鞍的最快移動(dòng)速度，可以算出主動(dòng)輪的 最高轉(zhuǎn)速： 3．3．2 傳遞功率的估算 由運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，對(duì)該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞功率的研究只要考慮三種工作狀態(tài)，他們 分別是：最大負(fù)載且最大工進(jìn)速度、快速空載啟動(dòng)、最快空載移動(dòng)。由運(yùn)動(dòng)學(xué)可 知，最后一種狀態(tài)的傳遞功率一定小于快

24、速空載啟動(dòng)（最后時(shí)刻）的瞬時(shí)傳遞功 率，所以只需要比較前二者。 預(yù)選步進(jìn)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為 750時(shí)，對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率為。 從表6-4查得，當(dāng)脈沖頻率為6000Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為 對(duì)應(yīng)的輸出功率為 據(jù)表3-18取工作情況系數(shù)KA=1.2，則由公式（3-14），求得帶的設(shè)計(jì)功率。 3．3．3 選擇帶型和節(jié)距 根據(jù)帶的設(shè)計(jì)功率Pd，查表3-6選擇同步帶，型號(hào)為H型，節(jié)距。 表3-6 同步帶型號(hào) 型號(hào) 節(jié)距/ 基準(zhǔn)帶寬傳遞功率范圍/ 基準(zhǔn)帶寬/ 說(shuō)明 XL(特輕型) 5.080 0.004～0.573 9.5 GB/

25、T 11616-1989 GB/T 11362-1989 L（輕型） 9.525 0.05～4.76 25.4 H（重型） 12.700 0.6～55 76.2 3．3．4 確定帶輪齒數(shù)和節(jié)圓直徑 Ｈ型小帶輪轉(zhuǎn)速在時(shí)的最少許用齒數(shù)為14，為了提高傳動(dòng)精度， 取小齒輪數(shù)，則小帶輪節(jié)圓直徑，根據(jù)傳動(dòng)比 算出大齒輪數(shù)，則大帶輪節(jié)圓直徑。 當(dāng)主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速時(shí)，同步帶的線速度為： 遠(yuǎn)小于Ｈ型帶的極限速度，所以滿足要求。 3．3．5 中心距、節(jié)線長(zhǎng)度和帶齒數(shù)的確定 初選中心距，圓整后取。則帶的節(jié) 線長(zhǎng)度。根據(jù)，《數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-

26、13，選取接近的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)度，相應(yīng)的齒數(shù)z=４８。 實(shí)際中心距。 3．3．6 校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) 嚙合齒數(shù) ，式中為取整函數(shù)。一般情況下，應(yīng)該保證。當(dāng)不滿足要求時(shí)，可以增大或不變時(shí)減小節(jié)距。 通過(guò)計(jì)算，得出， 滿足要求。 3．3．7 計(jì)算基準(zhǔn)額定功率 基準(zhǔn)額定功率就是所選型號(hào)同步帶在基準(zhǔn)寬度下所允許傳遞的額定功率，其計(jì)算公式如下： 式中： —單位為； —帶寬為基準(zhǔn)帶寬b時(shí)的許用工作拉力，單位N，如表3-8所示； —帶寬為基準(zhǔn)帶寬b時(shí)的單位長(zhǎng)度質(zhì)量（線密度），單位； —同步帶線速度

27、，上述3.3.4中已算出其值為2.38。 表3-8 同步帶基準(zhǔn)寬度下的許用拉力和線密度 帶型號(hào) 基準(zhǔn)帶寬b/ 許用拉力/ 線密度/ XL 9.5 50.17 0.022 L 25.4 244.46 0.095 H 76.2 2100.85 0.448 經(jīng)計(jì)算， 3．3．8 確定實(shí)際同步帶寬度 實(shí)際所需同步帶寬度的計(jì)算公式如下： 式中：—選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度，Ｈ型其值為19.1； —小帶輪嚙合系數(shù)，根據(jù)《數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-22，當(dāng)時(shí)，其值為1。 經(jīng)計(jì)算得出：17.６2。根據(jù)《數(shù)控技

28、術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表3-11，選定最接近的帶寬19.1，若選擇雙邊擋圈，則最小寬度20.3mm，擋圈厚度為2mm。 3．3．9 同步帶工作能力的驗(yàn)算 用下式來(lái)計(jì)算同步帶的額定功率: 式中：—齒寬系數(shù)，其值為。 —小帶輪嚙合系數(shù)，取1； 經(jīng)計(jì)算得出：,所以滿足要求。 四　電動(dòng)機(jī)的選擇及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來(lái)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。它具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，較高的效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性。隨著永磁材料和工藝的發(fā)展，已將直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁部分用永磁

29、材料代替，產(chǎn)生永磁直流電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用電量少，所以目前在中小功率范圍內(nèi)運(yùn)用廣泛。 近年來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以及新型電力電子功率元件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制方式已成為主流，并作為其數(shù)字控制的基礎(chǔ)。如果直流電機(jī)要求工作在正反轉(zhuǎn)場(chǎng)合，這時(shí)還需要使用可逆PWM控制方式，其又分為單極性驅(qū)動(dòng)與雙極性驅(qū)動(dòng)兩種，一般大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用單極性驅(qū)動(dòng)方式。 電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)離不開(kāi)半導(dǎo)體功率器件，在對(duì)直流電機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對(duì)半導(dǎo)體功率器件的使用上又可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)，由于前者在工

30、作時(shí)有大量功率消耗在元器件上，致使效率很低，因此絕大多數(shù)直流電機(jī)采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，該方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 4．1 縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 4．1．1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下： 式中： —電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為，本設(shè)計(jì)初選電機(jī)值為15； 、—同步帶帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為； 、分別為帶輪的外徑和寬度，單位為； —滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取值為112.1

31、3； 、—分別為重力加速度，取9.8和導(dǎo)程，其值換算為 0.8。 計(jì)算得出： = 4．1．2 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分為快速空載啟動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。 1) 快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由《數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》式4-8式可知包括三部分：快速空 載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩、移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)《數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》式4-12式可知，相對(duì)于和很小，可以忽略不

32、計(jì)。則有 根據(jù)式4-9，考慮縱向傳動(dòng)鏈的總效率=0.9，計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： 其中——對(duì)應(yīng)縱向空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，為750r/min ——步進(jìn)電機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間，為0.2s 其中： 式中——縱向空載最快移動(dòng)速度，為3600mm/min ——縱向步進(jìn)電機(jī)步距角，為0.75 ——縱向脈沖當(dāng)量，本設(shè)計(jì)中為0.01mm/脈沖 帶入=750r/min。 將上面數(shù)值帶入=2.301Nm 由式4-10可知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為: 式中——導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌取1.6 ——垂直方向

33、的負(fù)載，空載取0 ——縱向傳動(dòng)鏈總效率，取0.9 將上面數(shù)據(jù)帶入=0.17Nm 最后帶入=２.３０１+0.17Nm=２.４７Nm 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 由式4-13可知: 包括三部分：折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩、移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。相對(duì)于和很小，可忽略不計(jì)。則有： 其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式 計(jì)算可得 =0.662Nm 再由式4-10計(jì)算承受最大工作負(fù)載狀態(tài)下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)

34、轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： 將數(shù)值帶入上式得=0.473Nm 最后由式，求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：=0.662+0.473=1.135Nm 經(jīng)過(guò)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩： =max{，}=2.47Nm 3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的是開(kāi)環(huán)控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： Nm 對(duì)于前面預(yù)選的110BYG2602型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由表4-5可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩=20Nm，可見(jiàn)完全滿足上式的要求。 4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 ①最快工

35、進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定縱向最快工進(jìn)速度=800mm/min，脈沖當(dāng)量=0.01mm/脈沖，由式4-16求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 從表4-7可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=14.6Nm，遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=2.47Nm ，滿足要求。 ②最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定縱向最快空載移動(dòng)速度，仿照式4-16求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 從表4-7可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=10 Nm，大于快速空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=2.47Nm，滿足要求。 ③最快空載移動(dòng)時(shí)電機(jī)運(yùn)行頻率校核 最快空載移動(dòng)速度，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率=6000Hz。查表4

36、-5可知110BYG2602的極限運(yùn)行頻率為20000Hz，可見(jiàn)沒(méi)有超出極限。 ④啟動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，查表4-5可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)最高空載啟動(dòng)頻率=1800Hz，則由式4-17可以求出步進(jìn)電機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率為： 783Hz 上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電機(jī)起步時(shí)不失步，任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率都必須小于783Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，啟動(dòng)頻率選的很低，通常只有100Hz。綜上所述，本例中縱向進(jìn)給系統(tǒng)選用110BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。 4．2同步帶傳遞功率的校核 分兩種工作

37、情況，分別進(jìn)行校核。 （1）快速空載啟動(dòng) 電動(dòng)機(jī)從靜止到加速至=750r/min，，同步帶傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=2.47Nm,傳遞的功率為 （2）最大工作負(fù)載、最快工進(jìn)速度 帶需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=1.135Nm，任務(wù)書(shū)給定的最快工進(jìn)速度，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 160r/min， 傳遞的功率為 可見(jiàn)，兩種情況下同步帶傳遞的負(fù)載功率均小于帶的額定功率668.73W。因此選擇的同步帶功率合格。 5電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 5．1 光電隔離電路 光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下,以光為煤介傳送信號(hào),對(duì)輸入和輸出電路可以進(jìn)行隔離.因而具有良好的電絕緣能力并能夠有效地抑制系統(tǒng)

38、噪聲，消除接地回路的干擾，具有響應(yīng)速度較快、壽命長(zhǎng)、體積小耐沖擊等特點(diǎn)。光電隔離在強(qiáng)-弱電接口、特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。 光電耦合器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開(kāi)關(guān)信號(hào)（數(shù)字信號(hào)）的傳輸，不適合于傳輸模擬量；線性光耦的電流傳輸手特性曲線接進(jìn)直線，并且小信號(hào)時(shí)性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制。 5．2 單極性可逆PWM電路設(shè)計(jì) 可逆PWM電路分雙極性和單極性兩種，前者有低速運(yùn)行平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在著電流波動(dòng)大，功率損耗大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來(lái)避免開(kāi)關(guān)直通的危險(xiǎn)，限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高，因此只

39、用于中小功率直流電機(jī)的控制。由于本設(shè)計(jì)選用的直流電機(jī)功率較大，尤其是在啟動(dòng)加速時(shí)刻，故選擇后者。單極性驅(qū)動(dòng)又分T型和H型，以H型應(yīng)用最多。一般對(duì)中大功率的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以用相應(yīng)的MOS管和續(xù)流二級(jí)管（肖特基管）搭建H橋驅(qū)動(dòng)電路。使用MOS管，其開(kāi)關(guān)速度快，同時(shí)又是電壓驅(qū)動(dòng)型，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單而且導(dǎo)通后內(nèi)阻小，通過(guò)電流大，這樣加在電機(jī)的電壓就接近電源電壓，使電機(jī)能正常工作。使用續(xù)流二級(jí)管，用來(lái)保護(hù)元器件不被感應(yīng)電壓擊穿或燒壞，以及提供電機(jī)制動(dòng)回路。 6 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，其設(shè)計(jì)也是普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的核心工程，對(duì)機(jī)床而言，數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)輸入的加工程序進(jìn)行

40、數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)，控制主軸、進(jìn)給軸和其他輔助裝置正確、及時(shí)和可靠地執(zhí)行加工程序所規(guī)定的任務(wù)，同時(shí)接受從機(jī)床反饋來(lái)的各種信息，對(duì)機(jī)床控制進(jìn)行調(diào)整。任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，在處理信息方面，軟件和硬件對(duì)要完成的任務(wù)是等價(jià)的，硬件處理速度快，線路復(fù)雜，軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但速度較慢。隨著高性能微處理器的誕生，現(xiàn)代數(shù)控已越來(lái)越傾向于軟件控制。 數(shù)控系統(tǒng)最核心的控制是位置控制，最重要的運(yùn)算是插補(bǔ)運(yùn)算，最主要的數(shù)據(jù)處理是刀具補(bǔ)償。位置控制的實(shí)質(zhì)就是位置負(fù)反饋，即指令位置和實(shí)際位置進(jìn)行比較，用位置偏差進(jìn)行控制；插補(bǔ)運(yùn)算就是根據(jù)加工程序所確定的坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)一定的運(yùn)算法則實(shí)時(shí)

41、獲得位置指令；刀具補(bǔ)償就是要解決編程軌跡和刀具中心不相符的矛盾。 6．1 硬件電路設(shè)計(jì) 6．1．1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)其使用微機(jī)結(jié)構(gòu)的劃分，一般可分為單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)兩大類。單微處理器數(shù)控系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，在一些標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。多微處理器數(shù)控系統(tǒng)可以滿足當(dāng)今數(shù)控機(jī)床高速度、高精度和許多復(fù)雜功能的要求，代表當(dāng)今數(shù)控發(fā)展的水平。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，本設(shè)計(jì)將采用較經(jīng)濟(jì)的單微處理器數(shù)控結(jié)構(gòu)，對(duì)于一般切削加工而言，其速度和精度已能滿足實(shí)際要求。 數(shù)控機(jī)床單微處理器硬件結(jié)構(gòu)電路概括起來(lái)有以下幾個(gè)部分組成： （1）中央處理單元CPU； （

42、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，包括只讀可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器； （4）輸入輸出接口電路； （5）外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電編碼器等。 6．1．2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能： (1) 讀取鍵盤輸入數(shù)據(jù)； (2) 讀取操作面板開(kāi)關(guān)及按鈕信號(hào)； (3) 讀取螺紋/光電編碼器信號(hào) ； (4) 讀取電動(dòng)刀架刀位信號(hào)； (5) 接受車床行程開(kāi)關(guān)信號(hào)； (6) 控制LED顯示； (7) 控制電動(dòng)刀架自動(dòng)選刀； (8) 控制縱向、橫向電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)； (9) 控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止； (10)

43、 控制交流變頻器； (11) 控制冷卻泵啟停； (12) 可與PC進(jìn)行串行通信。 綜合上述所要實(shí)現(xiàn)的功能，選用intel8031作為主控芯片，接晶振電路、復(fù)位電路，由于8031無(wú)內(nèi)部存儲(chǔ)器，選用2764作為程序存儲(chǔ)器，選6264作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8031P0口8位地址數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用，因此得選74LS373鎖存器，另外考慮到8031IO口較少，用8155擴(kuò)展IO口，之后分別接刀架電機(jī)、縱橫向電機(jī)、6位數(shù)碼管、報(bào)警顯示等外圍電路。由于由8031控制的芯片較多，選74LS138譯碼器做片選，保證8031能夠準(zhǔn)確尋址并發(fā)送、接受控制指令。74ls06 六高壓輸出反相緩沖器-驅(qū)動(dòng)器用來(lái)提高電路的驅(qū)動(dòng)能

44、力。 6．1．3 主控芯片及相關(guān)芯片的簡(jiǎn)介 1、8031單片機(jī) 8031是最常見(jiàn)的mcs51系列單片機(jī)，是inter公司早期的成熟的單片機(jī)產(chǎn)品，應(yīng)用范圍涉及到各行各業(yè),下面介紹一下它的引腳圖等資料。 <8031管腳圖> 8031引腳功能 （1）主電源引腳Vss和Vcc ① Vss接地 ② Vcc正常操作時(shí)為+5伏電源 （2）外接晶振引腳XTAL1和XTAL2 ① XTAL1內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個(gè)引腳。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接地。 ② XTAL2內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸出端。是外

45、接晶體的另一端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接外部振蕩源。 （3）控制或與其它電源復(fù)用引腳RST/VPD，ALE/ ， 和 /Vpp ① RST/VPD 當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平（由低到高跳變），將使單片機(jī)復(fù)位 在Vcc掉電期間，此引腳可接上備用電源，由VPD向內(nèi)部提供備用電源，以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)。 ② ALE/ 正常操作時(shí)為ALE功能（允許地址鎖存）提供把地址的低字節(jié)鎖存到外部鎖存器，ALE 引腳以不變的頻率（振蕩器頻率的 ）周期性地發(fā)出正脈沖信號(hào)。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。但要注意，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖，A

46、LE 端可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）八個(gè)LSTTL電路。 對(duì)于EPROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳接收編程脈沖（ 功能） ③ 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，在從外部程序存儲(chǔ)取指令（或數(shù)據(jù)）期間， 在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)兩次有效。 同樣可以驅(qū)動(dòng)八LSTTL輸入。 ④ /Vpp 、 /Vpp為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和外部程序存儲(chǔ)器選擇端。當(dāng) /Vpp為高電平時(shí)，訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，當(dāng) /Vpp 為低電平時(shí)，則訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。 對(duì)于EPROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳上加21伏EPROM編程電源（Vpp）。 ☆8031引腳功能： Vcc:+5V電源電壓。 Vs

47、s:電路接地端。 P0.0～P0.7:通道0，它是8位漏極開(kāi)路的雙向I/O通道，當(dāng)擴(kuò)展外部存貯器時(shí)，這也是低八位地址和數(shù)據(jù)總線，在編程校驗(yàn)期間，它輸入和輸出字節(jié)代碼，通道0吸收/發(fā)出二個(gè)TTL負(fù)載。 P1.0～P1.7:通道1是8位擬雙向I/O通道，在編程和校驗(yàn)時(shí)，它發(fā)出低8位地址。 通道1吸收/發(fā)出一個(gè)TTL負(fù)載。 P2.0～P2.7:通道2是8位擬雙向I/O通道，當(dāng)訪問(wèn)外部存貯器時(shí)，用作高8位地址總線。通道2能吸收/發(fā)出一個(gè)TTL負(fù)載。 P3.0～P3.7:通道3準(zhǔn)雙向I/O通道。通道3能吸收/發(fā)出一個(gè)TTL負(fù)載，P3通道的每一根線還有 ☆另一種功能： P3.0

48、:RXD，串行輸入口。 P3.1:TXD，串行輸出口。 P3.2:INT0，外部中斷0輸入口。 P3.3:INT1，外部中斷1輸入口。 P3.4:T0，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0外部事件脈沖輸入端。 P3.5:T1，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1外部事件脈沖輸入端 P1.0-- 1 40 --VCC P1.1-- 2 39 --P0.0/AD0 P1.2-- 3 38 --P0.1/AD1 P1.3-- 4 37 --P0.2/AD2 P1.4-- 5 36

49、--P0.3/AD3 P1.5-- 6 35 --P0.4/AD4 RTS P1.6-- 7 34 --P0.5/AD5 CTS P1.7-- 8 33 --P0.6/AD6 RST/Vpp-- 9 32 --P0.7/AD7 I/O RXD/P3.0-- 10 31 --EA/VPP DATA TXD/P3.1-- 11 30 --ALE/PLOG INT0/P3.2-- 12 29 --PSEN INT1/P3.3-- 13 28 --P2.7/A15

50、 T0/P3.4-- 14 27 --P2.6/A14 SCLK T1/P3.5-- 15 26 --P2.5/A13 WR/P3.6-- 16 25 --P2.4/A12 RD/P3.7-- 17 24 --P2.3/A11 XTAL1-- 18 23 --P2.2/A10 XTAL2-- 19 22 --P2.1/A9 VSS 20 21 --P2.0/A8 P3.6:WR，外部數(shù)據(jù)存貯器寫(xiě)脈沖。 P3.7:RD，外部數(shù)據(jù)存貯器讀脈沖。 R

51、ST/VpD:引腳9，復(fù)位輸入信號(hào)，振蕩器工作時(shí)，該引腳上2個(gè)機(jī)器周期的高電平可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，在掉電情況下（Vcc降到操作允許限度以下）， 后備電源加到此引腳，將只給片內(nèi) RAM供電。 ALE/PROG:引腳30,地址鎖存有效信號(hào)，其主要作用是提供一個(gè)適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)信號(hào)，在它的下降沿用于外部程序存儲(chǔ)器或外部數(shù)據(jù)存貯器的低8位地址鎖存，使總線P0輸出/輸入口分時(shí)用作地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總線,此信號(hào)每個(gè)機(jī)器出現(xiàn)2次,只是在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間才不輸出ALE。所以，在任何不使用外部數(shù)據(jù)存貯器的系統(tǒng)中，ALE以1/6振蕩頻率的固定速率 輸出，因而它能用作外部時(shí)鐘或定時(shí)，8751內(nèi)的EPROM編

52、程時(shí)，此端輸編程脈沖信號(hào)。 PSEN:引腳29,程序選通有效信號(hào),當(dāng)從外部程序存貯器讀取指令時(shí)產(chǎn)生，低電平時(shí)，指令寄存器的內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)總線上。 EA/VPP:引腳31，當(dāng)保持TTL高電平時(shí)，如果指令計(jì)數(shù)器小于4096，8051執(zhí)行內(nèi)部ROM的指令，8751執(zhí)行內(nèi)部EPROM的指令，當(dāng)使TTL為低電平時(shí)， 從外部程序存貯器取出所有指令，在8751內(nèi)的EPROM編程時(shí)，此端為21V編程電源輸入端。 XTAL1:引腳18，內(nèi)部振蕩器外接晶振的一個(gè)輸入端，HMOS芯片使用外部振蕩源時(shí)，此端必須 接地。 XTAL2:引腳19，內(nèi)部振蕩器外接晶振的另一個(gè)輸入端，HMOS芯片使用外部振蕩器時(shí)

53、，此端用于輸入外部振蕩信號(hào)。 2、74LS373 八 D 鎖存器(3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性) 373 的輸出端 Q0～Q7 可直接與總線相連。 當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時(shí)，Q0～Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng) OE 為高電平時(shí)，Q0～Q7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。 當(dāng)鎖存允許端 LE 為高電平時(shí)，Q 隨數(shù)據(jù) D 而變。當(dāng) LE 為低電平時(shí)，D 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng) LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mV。 引出端符號(hào)： D0～D7 數(shù)據(jù)輸入端 OE 三態(tài)

54、允許控制端（低電平有效） LE 鎖存允許端 Q0～Q7 輸出端 真值表： Dn LE OE Qn H H L H L H L L X L L Q0 X X H 高阻態(tài) 3、74LS138 74LS138 為3 線－8 線譯碼器 共有 54/74S138和 54/74LS138 兩種線路結(jié)構(gòu)型式。 工作原理 ①當(dāng)一個(gè)選通端（E1）為高電平，另兩個(gè)選通端（(/E2))和/(E3)）為低電平時(shí)，可將地址端（A0、A1、A2）的二進(jìn)制編碼在Y0至Y7對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。比如：A2A1A0=110時(shí)，則Y6輸出端輸出低電平信號(hào)。 ②利用

55、 E1、E2和E3可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 24 線譯碼器；若外接一個(gè)反相器還可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 32 線譯碼器。 ③若將選通端中的一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端時(shí)，74LS138還可作數(shù)據(jù)分配器。 ④可用在8086的譯碼電路中，擴(kuò)展內(nèi)存。 4、2764 2764是8K*8字節(jié)的紫外線镲除、電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一+5V供電，工作電流為75mA，維持電流為35mA，讀出時(shí)間最大為250nS，28腳雙列直插式封裝。各引腳的含義為： A0-A12為13根地址線，可尋址8K字節(jié)；O0-O7為數(shù)據(jù)輸出線；CE為片選線；OE為數(shù)據(jù)輸出選通線；PGM為編程脈沖輸入端；Vpp是編程電源；Vcc是主電源。 正常工作（只讀）時(shí)

56、，Vpp=Vcc=+5V,～PGM=+5V。 編程時(shí)，Vpp＝+25V（高壓），～PGM端加入寬度為50ms的負(fù)脈沖。 EPROM電路 EPROM 2764的外部引線如圖所示。這是一塊8K8bit的EPROM芯片，它的引線與SRAM芯片6264是兼容的。這給使用者帶來(lái)很大方便。因?yàn)樵谲浖{(diào)試過(guò)程中，程序經(jīng)常需要修改，此時(shí)可將程序先放在6264中，讀寫(xiě)修改都很方便。調(diào)試成功后，將程序固化在2764中，由于它與6264的引腳兼容，所以可以把2764直接插在原6264的插座上。這樣，程序就不會(huì)由于斷電而丟失。 l下面介紹2764各引腳的含義: ①A0一A12：13根地址輸入線。用于尋址

57、片內(nèi)的8K個(gè)存儲(chǔ)單元。 ②D0～D7：8根雙向數(shù)據(jù)線，正常工作時(shí)為數(shù)據(jù)輸出線。編程時(shí)為數(shù)據(jù)輸入線。 ③OE：輸出允許信號(hào)。低電平有效。當(dāng)該信號(hào)為0時(shí)，芯片中的數(shù)據(jù)可由D0～D7端輸出。 ④CE：選片信號(hào)。低電平有效。當(dāng)該信號(hào)為0時(shí)表示選中此芯片。． ⑤PGM:編程脈沖輸入端。對(duì)EPROM編程時(shí)，在該端加上編程脈沖。讀操作時(shí)該信號(hào)為1。 ⑥VPP：編程電壓輸入端。編程時(shí)應(yīng)在該端加上編程高電壓，不同的芯片對(duì)VPP的值要求的不一樣，可以是+12.5V，+15V，+21V，+25V等。 說(shuō)明： EPROM的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以擦除重寫(xiě)，而且允許擦除的次數(shù)超過(guò)上萬(wàn)次。一片新的或擦除干凈EPR

58、OM芯片，其每一個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都是FFH。要對(duì)一個(gè)使用過(guò)的EPROM進(jìn)行編程，則首先應(yīng)將其放到專門的擦除器上進(jìn)行擦除操作。擦除器利用紫外線光照射EPROM的窗口，一般經(jīng)過(guò)15—20min即可擦除干凈。擦除完畢后可讀一下EPROM的每個(gè)單元，若其內(nèi)容均為FFH，就認(rèn)為擦除干凈了。 5、Intel6264芯片 Intel 6264的特性及引腳信號(hào) Intel 6264的容量為8KB，是28引腳雙列直插式芯片，采用CMOS工藝制造 A12～A0（address inputs）：地址線，可尋址8KB的存儲(chǔ)空間。 D7～D0（data bus）：數(shù)據(jù)線，雙向，三態(tài)。 OE（output e

59、nable）：讀出允許信號(hào)，輸入，低電平有效。 WE（write enable）：寫(xiě)允許信號(hào)，輸入，低電平有效。 CE1（chip enable）：片選信號(hào)1，輸入，在讀/寫(xiě)方式時(shí)為低電平。 CE2（chip enable）：片選信號(hào)2，輸入，在讀/寫(xiě)方式時(shí)為高電平。 VCC：+5V工作電壓。 GND：信號(hào)地。 Intel 6264的操作方式 Intel 6264的操作方式由OE,WE, CE1 , CE2的共同作用決定 ① 寫(xiě)入：當(dāng)WE和CE1為低電平，且OE和CE2為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸入緩沖器打開(kāi)，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線D7～D0寫(xiě)入被選中的存儲(chǔ)單元。 ② 讀出：當(dāng)OE和CE1為低電

60、平，且WE和CE2為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸出緩沖器選通，被選中單元的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線D7～D0上。 ③ 保持：當(dāng)CE1為高電平，CE2為任意時(shí)，芯片未被選中，處于保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)線呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。 6、8155I/O口擴(kuò)展芯片 （1）、8155的結(jié)構(gòu)和引腳 8155有40個(gè)引腳，采用雙列直插封裝，其引腳圖和組成框圖如圖所示。 （a）、 地址/數(shù)據(jù)線AD0～AD7（8條） （b）、 I/O口總線（22條）：PA0～PA7、PB0～PB7、 PC0～PC5。 （c）、控制總線（8條） ALE —— 地址鎖存（輸入） IO / /M—— IO口/RAM選擇，

61、0：選內(nèi)RAM； 1：選內(nèi)IO口 /CE —— 片選線 /RD、/WR —— 讀、寫(xiě)控制 TIMERIN —— 定時(shí)器輸入（輸入定時(shí)器所需時(shí)鐘） TIMEROUT —— 定時(shí)器輸出（輸出所產(chǎn)生的方波脈沖） （2） 8155的RAM和I / O口地址編碼 （3） 8155的工作方式與基本操作 　　有三種基本操作： a、作單片機(jī)片外256B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 　　IO / /M = 0，與其它數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。用MOVX訪問(wèn)。 b、作擴(kuò)展I / O口使用 　　IO / /M = 1，PA口、PB口、PC口，可通過(guò)編程決定如何使用。 1）命令寄存器（命令控制字） —— I /

62、O口工作方式 I / O口工作方式有四種： A口、B口 基本I / O口， C口輸入； A口、B口 基本I / O口， C口輸出； A口選通I / O、B口基本I / O、C口作聯(lián)絡(luò)線； A口、B口選通I / O、C口作聯(lián)絡(luò)線。 2）狀態(tài)標(biāo)志寄存器 —— PA口、PB口狀態(tài)標(biāo)志。 狀態(tài)標(biāo)志寄存器： BF —— 緩沖器滿標(biāo)志； INTR —— 端口中斷請(qǐng)求標(biāo)志； INTE —— 端口中斷允許標(biāo)志； TIMER —— 定時(shí)器中斷請(qǐng)求。 命令寄存器，只寫(xiě)不讀； 狀態(tài)標(biāo)志寄存器，只讀不寫(xiě)； 這二者使用同一地址 c、作定時(shí)器擴(kuò)展使用 可以通過(guò)編程決定輸出4種信號(hào)，即

63、有四種工作臺(tái)方式。 單方波； 連續(xù)方波； 單脈沖； 連續(xù)脈沖。 由兩個(gè)8位寄存器，決定14位定時(shí)器計(jì)數(shù)常數(shù)及四種工作方式。 由命令寄存器的最高兩位對(duì)定時(shí)器進(jìn)行四種控制。 簡(jiǎn)單的I/O接口擴(kuò)展 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，經(jīng)常采用TTL電路或CMOS電路鎖存器、三態(tài)門電路作為I/O口擴(kuò)展芯片。這種I/O口一般都是通過(guò)P0口擴(kuò)展，不占用單片機(jī)的I/O口資源，只需一根地址線作片選線用。這種方法具有電路簡(jiǎn)單、成本低、配置靈活方便等特點(diǎn)。 7、 六位數(shù)碼管 數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。 led數(shù)碼管（LED Segment Di

64、splays）是由多個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個(gè)筆劃，公共電極。led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，還有一種是類似于3位“+1”型。位數(shù)有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽(yáng)兩類，了解LED的這些特性，對(duì)編程是很重要的，因?yàn)椴煌愋偷臄?shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。圖2是共陰和共陽(yáng)極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。顏色有紅，綠，藍(lán)，黃等幾種。led數(shù)碼管廣泛用于儀表，時(shí)鐘，車站，家電等場(chǎng)合。選用時(shí)要注

65、意產(chǎn)品尺寸顏色，功耗，亮度，波長(zhǎng)等。下面將介紹常用LED數(shù)碼管內(nèi)部引腳圖片 圖1 這是一個(gè)7段兩位帶小數(shù)點(diǎn) 10引腳的LED數(shù)碼管 圖2 引腳定義 每一筆劃都是對(duì)應(yīng)一個(gè)字母表示 DP是小數(shù)點(diǎn). LED數(shù)碼管引腳定義 10引腳的LED數(shù)碼管 驅(qū)動(dòng)方式 概述 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。 靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng) 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O端口多，如驅(qū)動(dòng)5個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要58=40根I/O端口來(lái)驅(qū)動(dòng)，要知道一個(gè)89S51單片機(jī)可用的I/O端口才32個(gè)呢：），實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng) 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將