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南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
引 言
本次畢業(yè)設(shè)計從2004年2月份開始到本年的六月中下旬結(jié)束，長達(dá)半年。畢業(yè)設(shè)計是一名在校大學(xué)生最后的一次也是最重要的一次設(shè)計，說其重要主要是因為它將檢驗?zāi)阍诖髮W(xué)生活中所學(xué)知識的扎實程度，其間你必須復(fù)習(xí)所學(xué)過的一些課程，學(xué)習(xí)一些要用到的新的知識，它還將練習(xí)你的動手能力，思考能力，創(chuàng)新能力，是你在大學(xué)學(xué)習(xí)生活的一次升華，是一個提升階段，更是走向工作崗位的一次練兵，因此我們都對此極為重視，更是投入了極大的熱情與努力來更好的完成它。
本次設(shè)計在顏竟成教授的悉心指導(dǎo)下分四個階段按部就班的有條不紊的進(jìn)行。第一階段是搜集整理階段。在本階段主要是搜集足夠的資料信息并對設(shè)計題目進(jìn)行分析和實地調(diào)查，做到心中有輪廓，。本階段其實從2004年元旦就開始了截止到2004年3月份第一張外觀圖繪制成功為止。第二階段是機(jī)械部分設(shè)計階段。本階段主要應(yīng)用大學(xué)里面所學(xué)的專業(yè)知識來進(jìn)行運(yùn)絲系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計和坐標(biāo)工作臺的縱向和橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計。另外還要進(jìn)行儲絲筒的三維零件設(shè)計。本階段主要是從三月份到五月份。五月份到六月份則是第三階段：控制系統(tǒng)設(shè)計階段。主要進(jìn)行電器電路設(shè)計，包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動設(shè)計和脈沖功率放大電路設(shè)計。本階段也是一個學(xué)習(xí)的階段，對自己不太熟悉的的的領(lǐng)域的一次學(xué)習(xí)。六月份開始就是最后一個階段：整理復(fù)習(xí)階段，主要從事前幾個階段的整理溫習(xí)，寫說明書。以及畢業(yè)答辯前的各項具體細(xì)節(jié)的準(zhǔn)備。
可以說每個階段都是十分緊張而有難度的，有些問題是由于設(shè)計的難度，有些還是因為自己知識上的欠缺和不扎實造成的?？梢哉f這次畢業(yè)設(shè)計是個查缺補(bǔ)漏的機(jī)會。尤其是在同學(xué)的幫助下，特別是在顏教授的指導(dǎo)下，遇到困難不逃避，主動請教，主動學(xué)習(xí)，獨(dú)立思考提出新方案，困難被一個個解決了，有了本次設(shè)計的成功。更鍛煉了團(tuán)體協(xié)作精神，獨(dú)立作業(yè)能力，專業(yè)設(shè)計基礎(chǔ)，對自己將來都是一次具有深遠(yuǎn)影響的事件。
一、 總體方案設(shè)計
（一） 總體方案的擬定
（1）電火花線切割機(jī)床具有定位，縱向和橫向的直線插補(bǔ)功能；還能要求暫停，進(jìn)行循環(huán)加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選取連續(xù)控制系統(tǒng)。
（2）電火花線切割機(jī)床屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)應(yīng)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
（3）根據(jù)電火花線切割機(jī)床最大的加工尺寸，加工精度，控制速度和經(jīng)濟(jì)性要求，一般采用8位微機(jī)。在8位微機(jī)中，MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價格比。因此，可選擇MCS-51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)控制系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴(kuò)展程序存儲器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器，I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器；包括光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。此外，系統(tǒng)中還應(yīng)該包括脈沖發(fā)生電路和其他輔助電路。
（5）縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成，起傳動比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的。
（6）為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，以提高傳動剛度和消除間隙。齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。
（7）采用滾動導(dǎo)軌可以減少導(dǎo)軌間的摩擦阻力，便于工作臺實現(xiàn)精確和微量移動，且潤滑方法簡單。
在上述方案的基礎(chǔ)上，有條件的還可以進(jìn)一步實現(xiàn)鉬絲的角度調(diào)節(jié)，使加工過程更加細(xì)致。（伺服系統(tǒng)總體方案框圖如圖1.1）
（二）主要技術(shù)參數(shù)的確定
技術(shù)參數(shù)主要包括運(yùn)動參數(shù)，尺寸參數(shù)和動力參數(shù)。DK7732電火花線切割機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)如下：
工作臺行程/mm 500x320
最大切割厚度/mm 30（可調(diào)）
加工表面粗糙度Ra/μm 2.5
加工精度/mm 0.015
切割速度/mm2/min 100
切割工件最大厚度 120mm
加工錐度 3°～60°
電極絲移動速度 11m/s
電極絲最大直徑 φ0.1～φ0.2mm
圖1.1 伺服系統(tǒng)總體方案框圖
二、 儲絲走絲部件結(jié)構(gòu)設(shè)計
（一）儲絲走絲部件運(yùn)動設(shè)計
運(yùn)絲機(jī)構(gòu)的運(yùn)動是由絲筒電機(jī)正反轉(zhuǎn)得到的。電極通過聯(lián)軸節(jié)與絲筒連接，絲筒裝有齒輪，通過過渡齒輪與絲桿上的齒輪嚙合。絲桿固定在絲板上，螺母固定上底座上，拖板與底座采用裝有滾珠的V形滾動導(dǎo)軌連接，這樣絲筒每轉(zhuǎn)一周拖板直線移動相應(yīng)的距離，因此機(jī)床工作前應(yīng)根據(jù)零件厚薄和精度要求在0.12—0.25mm的范圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)你f絲直徑。
1、 對高速走絲機(jī)構(gòu)的要求
①高速走絲機(jī)構(gòu)的儲絲筒轉(zhuǎn)動時，還要進(jìn)行相應(yīng)的軸向移動，以保證電極絲在儲絲筒上整齊排繞。
②儲絲筒的徑向跳動和軸向竄動量要小。
③儲絲筒要能正反轉(zhuǎn)，電極絲的走絲速度在7—12m/s范圍內(nèi)無級或有級可調(diào)，或恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。
④走絲機(jī)構(gòu)最好與床身相互絕緣。
⑤傳動齒輪副，絲杠副應(yīng)該具備潤滑措施
2、 高速走絲機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
高速走絲機(jī)構(gòu)由儲絲筒組合件、上下拖板、齒輪副、換向裝置和絕緣部分組成，如圖2.2所示
儲絲筒由電動機(jī)通過聯(lián)軸器帶動正反向轉(zhuǎn)動。儲絲筒另外一端通過三對齒輪減速后帶動絲杠。儲絲筒、電動機(jī)、齒輪都安裝在兩個支架上。支架及絲杠則安裝在拖板沙鍋內(nèi)，調(diào)整螺母裝在底座上，拖板在底座上來回移動。螺母具有消除間隙的副螺母和彈簧，齒輪及絲杠螺距的搭配為沒旋轉(zhuǎn)一圈拖板移動0.25mm。所以該儲絲筒適用于Φ0.25mm以下的鉬絲。
儲絲筒運(yùn)轉(zhuǎn)時應(yīng)平穩(wěn)，無不正常振動。滾筒外圓振擺應(yīng)小于0.03mm，反向間隙應(yīng)小于0.05mm，軸向竄動應(yīng)完全徹底消除。
高頻電源的負(fù)端通過碳刷送到儲絲筒軸的尾部，然后傳到鉬絲上，碳刷應(yīng)保持良好接觸，防止機(jī)油或者其他臟物進(jìn)入。
儲絲筒本身作高速正反向轉(zhuǎn)動，電機(jī)、滾筒及絲杠的軸承應(yīng)定期拆洗并加潤滑脂，換油期限可根據(jù)使用情況具體決定。其余中間軸、齒輪、導(dǎo)軌及絲杠、螺母等每班應(yīng)注油一次。
（1） 儲絲筒旋轉(zhuǎn)組合件
儲絲筒旋轉(zhuǎn)組合件主要由儲絲筒、聯(lián)軸器和軸承座組成。
① 儲絲筒 儲絲筒是電極絲穩(wěn)定移動和整齊排繞的關(guān)鍵部件之一，一般用45號鋼制造。為了減少轉(zhuǎn)動慣量，筒壁應(yīng)盡量薄，按機(jī)床規(guī)格，本次設(shè)計DK7732應(yīng)選用4mm（符合1.5—5mm）。為了進(jìn)一步減少轉(zhuǎn)動慣量，也可以選用鋁鎂合金材料制造
儲絲筒壁厚要均勻，工作表面要有較好的表面粗糙度，一般Ra為0.8μm。為保證儲絲筒組合件動態(tài)平衡，應(yīng)嚴(yán)格控制內(nèi)孔、外圓對支撐部分的同軸度。
儲絲筒與主軸裝配后的徑向跳動量應(yīng)不大于0.01mm。一般裝配后，以軸的 兩端中心孔定位，沖摸儲絲筒外圓和與軸承配合的軸徑。
② 聯(lián)軸器 走絲機(jī)構(gòu)中運(yùn)動組合件的電機(jī)軸與儲絲筒中心軸，一般不采用整體的長軸，而是利用聯(lián)軸器將二者聯(lián)在一起。由于儲絲筒運(yùn)行時頻繁換向，聯(lián)軸器瞬間受到正反剪切力很大，因此多采用彈性聯(lián)軸器和摩擦錐式聯(lián)軸器。
圖1.2 運(yùn)絲系統(tǒng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
a. 彈性聯(lián)軸器，如圖2.1所示
圖2.1 彈性聯(lián)軸器
彈性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，慣性力矩小，換向較平穩(wěn)，無金屬撞擊聲，可以減少對儲絲筒中心軸的沖擊。彈性材料采用橡膠、塑料或者皮革。這種聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)是，允許電動機(jī)軸與儲絲筒軸稍有不同心和不平行（最大不同心允許為0.2—0.5mm，最大不平行為1°），缺點(diǎn)是由它聯(lián)接的兩根軸在傳遞扭矩時會有相對轉(zhuǎn)動。
b. 摩擦錐式聯(lián)軸器，如圖2.2所示。摩擦錐式聯(lián)軸器可帶動轉(zhuǎn)動慣量大的大、中型儲絲筒旋轉(zhuǎn)組合件。此種聯(lián)軸器可傳遞較大的扭矩，同時在傳動符合超載時，摩擦面之間的華東還可以起到過載保護(hù)作用。因為錐形摩擦面會對電機(jī)和儲絲筒產(chǎn)生軸向力，所以在電機(jī)主軸的滾動支撐中，應(yīng)選用向心止推軸承和單列圓錐滾子軸承。此外，還要正確選用彈簧規(guī)格。彈力過小，摩擦面打滑，使傳動不穩(wěn)定或摩擦面過熱燒傷；彈力過大，會增大軸向力，影響中心軸的正常轉(zhuǎn)動。
圖2.2 摩擦錐式聯(lián)軸器
c.磁力聯(lián)軸器是依靠磁力無接觸式聯(lián)接的，保留了傳統(tǒng)聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)。具體有如下幾種。
套筒式磁力聯(lián)軸器（如圖3.1所示）
圖3.1 套筒式磁力聯(lián)軸器
此種聯(lián)軸器主動磁極3和從動磁極2均可為圓筒狀或以若干磁鐵排列成圓筒狀，并用黏結(jié)劑分別將其固定于主動軸套4外表面上和從動軸套1沒表面上， 主動軸6與被動軸7間用鍵5、8聯(lián)接。主動磁極3和從動磁極2之間有一定間隙，其目的為：兩磁極之間無摩擦，靠磁場聯(lián)接；被聯(lián)接兩軸因受制造及安裝誤差，承載后變形及溫度變化等因素影響，往往不能嚴(yán)格對中心。留有一定間隙，可補(bǔ)償這一不足，還可適當(dāng)降低加工及裝配要求。該套筒式聯(lián)軸器因磁場面積大，可以傳遞較大扭矩。其磁場聯(lián)接力可以通過改變主動軸套4和從動軸套1的配合長度來進(jìn)行調(diào)整。
圓盤式磁力聯(lián)軸器（如圖3.2所示）
圖3.2 圓盤式磁力聯(lián)軸器
此種聯(lián)軸器主動磁極3和從動磁極2均可為圓盤狀或以若干磁鐵排列成圓形射線狀，并用黏結(jié)劑分別將其固定于主動軸套4和從動軸套1的大表面上。由于圓盤式聯(lián)軸器磁場面積小，所以傳遞扭矩小，并且體積相應(yīng)的也小。其磁場聯(lián)接力可以通過改變主動磁極3和從動磁極2之間的距離來進(jìn)行調(diào)整。
由于磁力聯(lián)軸器軸與軸之間沒有零件直接聯(lián)接，而是靠磁場聯(lián)接來傳遞扭矩，因此電機(jī)換向時，轉(zhuǎn)動慣量被磁力線的瞬時扭曲抵消；在超負(fù)荷時，鍵8、5聯(lián)接的主動軸7與從動軸6可以自動打滑脫開，起到安全離合器的作用，不會損壞任何零部件。
主動磁極3和從動磁極2均用強(qiáng)的永磁材料制成，例如，鐵氧體、稀土合金等。
綜合上述幾種類型，參照本次設(shè)計要求，選擇性價比最高的，顯然a類型既是彈性聯(lián)軸器已經(jīng)滿足條件，因此本次設(shè)計選用彈性聯(lián)軸器。
（2） 上下拖板
走絲機(jī)構(gòu)的上下拖板我們決定采用下面兩種滑動導(dǎo)軌之一。
燕尾型導(dǎo)軌，這種結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便。旋轉(zhuǎn)調(diào)整桿帶動塞鐵，可改變導(dǎo)軌副的配合間隙。但該結(jié)構(gòu)制造和檢驗比較復(fù)雜，剛性較差，傳動中摩擦損失也較大。
三角、矩形組合式導(dǎo)軌，如圖4.1所示。導(dǎo)軌的配合間隙由螺釘和墊片組成的調(diào)整環(huán)節(jié)來調(diào)節(jié)。
圖4.1 三角、矩形組合式導(dǎo)軌
由于儲絲筒走絲機(jī)構(gòu)的上拖板一邊裝有運(yùn)絲電動機(jī)，儲絲筒軸向兩邊負(fù)荷差較大。為保證上拖板能平穩(wěn)的往復(fù)移動，應(yīng)把下拖板設(shè)計的較長以使走絲機(jī)構(gòu)工作時，上拖板部分可始終不滑出下拖板，從而保持拖板的剛度、機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性及運(yùn)動精度。
經(jīng)比較，顯然三角、矩形組合式導(dǎo)軌是比較理想的，因此，決定選用此種導(dǎo)軌作為本次設(shè)計之用。
（3） 齒輪副與絲杠副
走絲機(jī)構(gòu)上拖板的傳動鏈?zhǔn)怯?-3級減速齒輪副和一組絲杠副組成，它使儲絲筒在轉(zhuǎn)動的同時，作相應(yīng)的軸向位移，保證電機(jī)絲整齊的排繞在儲絲筒上。
在本次設(shè)計線切割機(jī)中，走絲機(jī)構(gòu)常是通過配換齒輪來改變儲絲筒的排絲筒的排絲距離，以適應(yīng)排繞不同直徑電機(jī)絲的要求。
絲杠副一般采用軸向調(diào)節(jié)法來消除螺紋配合間隙。為防止走絲電機(jī)換向裝置失靈，導(dǎo)致絲杠副和齒輪副損壞，在齒輪副中，可選用尼龍輪代替部分金屬齒輪。這不但可以在電機(jī)換向裝置失靈時，由于尼龍齒輪先損壞，保護(hù)絲杠副與走絲電機(jī)，還可以減少振動和噪聲。但是由于要照顧專業(yè)知識的復(fù)習(xí)，所以決定選用傳統(tǒng)的金屬材料制造。
（4） 線架、導(dǎo)輪部件結(jié)構(gòu)
線架與走絲機(jī)構(gòu)組成了電極絲的運(yùn)動系統(tǒng)。線架的主要功用是在電極絲按給定線速度運(yùn)動時，對電極絲去支撐作用，并使電極絲工作部分與工作臺平面保持一定的幾何角度。對線架的要求是：
①具有足夠的剛度和強(qiáng)度，在電極絲運(yùn)動（特別是高速1走絲）時，不應(yīng)出現(xiàn)振動和變形；
②線架的導(dǎo)輪有較高的運(yùn)動精度，徑向偏擺和軸向竄動不超過5μm；
③導(dǎo)輪與線架本體、線架與床身之間有良好的絕緣性能；
④導(dǎo)輪運(yùn)動組合件有密封措施，可防止帶有大量放電產(chǎn)物和雜質(zhì)的工作液進(jìn)入導(dǎo)輪軸承；
⑤線架不但能保證電極絲垂直于工作臺平面，在具有 錐度切割功能的機(jī)床上，
還具備能使電極絲按給定要求保持與工作臺平面呈一定角度的功能。
線架按功能可分為固定式、升降式和偏移式三種類型；按結(jié)構(gòu)可分為懸臂式和龍門式兩種類型。
懸臂式固定線架主要由線架本體、導(dǎo)輪運(yùn)動組合件及保持器等組成。
（1） 線架本體結(jié)構(gòu)
中、小型線切割機(jī)床的線架本體常采用單柱支撐、雙臂懸梁式結(jié)構(gòu)。由于支撐電極絲的導(dǎo)輪位于懸臂的端部，同時電極絲保持一定張力，因此應(yīng)加強(qiáng)線架本體的剛度和強(qiáng)度，使線架的上下懸臂在電極絲運(yùn)動時不致振動和變形。
為了進(jìn)一步提高剛度和強(qiáng)度，在上下懸臂間增加加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)。有的機(jī)床的線架本體有的采用龍門結(jié)構(gòu)。這時，工作臺拖板只沿一個坐標(biāo)方向運(yùn)動，另一個坐標(biāo)方向的運(yùn)動通過架在橫梁上的線架拖板來實現(xiàn)。
此外，針對不同厚度的工件，還有采用絲臂張開高度可調(diào)的分離式結(jié)構(gòu)，活動絲臂在導(dǎo)軌上滑動，上下移動的距離由絲杠副調(diào)節(jié)。松開固定螺釘時，旋轉(zhuǎn)絲杠帶動固定于上絲臂體的絲母，使上絲臂移動。調(diào)整完畢后擰緊固定螺釘，上絲臂位置便固定下來。為了適應(yīng)線架絲臂張開高度的變化，在線架上下部分應(yīng)增設(shè)副導(dǎo)輪，如圖4.2所示：
圖4.2 可移動絲臂
(2)導(dǎo)輪部件結(jié)構(gòu)
①導(dǎo)輪是本機(jī)床關(guān)鍵零件，關(guān)系到切割質(zhì)量，對導(dǎo)輪運(yùn)動組合件的要求如下。
a. 導(dǎo)輪V形槽面應(yīng)有較高的精度，V形槽底的圓弧半徑必須小于選用的電極絲半徑，保證電極絲在導(dǎo)輪槽內(nèi)運(yùn)動時不產(chǎn)生軸向移動。
b. 在滿足一定強(qiáng)度要求下，應(yīng)盡量減輕導(dǎo)輪質(zhì)量，以減少電極絲換象時的電極絲與導(dǎo)輪間的滑動摩擦。導(dǎo)輪槽工作面應(yīng)有足夠的硬度，以提高其耐磨性。
c. 導(dǎo)輪裝配后轉(zhuǎn)動應(yīng)輕便靈活，應(yīng)盡量減少軸向竄動和徑向跳動。
d. 進(jìn)行有效的密封，以保證軸承的正常工作條件。
②導(dǎo)輪運(yùn)動組合件的結(jié)構(gòu)
導(dǎo)輪運(yùn)動組合件的結(jié)構(gòu)主要有三種：懸臂支撐結(jié)構(gòu)、雙支撐結(jié)構(gòu)和雙軸尖支撐結(jié)構(gòu)。
懸臂支撐結(jié)構(gòu)如圖 5.1所示，結(jié)構(gòu)簡單，上絲方便。但是因為懸臂支撐，張緊的電極絲運(yùn)動的穩(wěn)定性較差，難于維持較高的運(yùn)動精度，同時也影響導(dǎo)輪和軸承的使用壽命。
圖5.1懸臂支撐導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)
雙支撐結(jié)構(gòu)為導(dǎo)輪居中，兩端用軸承支撐，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上絲麻紡。但是此種結(jié)構(gòu)的運(yùn)動穩(wěn)定性較好，剛度較高，不容易發(fā)生變形及跳動。
雙軸尖支撐結(jié)構(gòu)。導(dǎo)輪兩端加工成30?錐形軸尖，硬度在RC60以上。軸承由紅寶石或者錫磷青銅制成。該結(jié)構(gòu)易與保證導(dǎo)輪運(yùn)動組合件的同軸度，導(dǎo)輪軸向竄動和徑向跳動量可以控制在較小的范圍內(nèi)。缺點(diǎn)是軸尖運(yùn)動副摩擦力大，易于發(fā)熱和磨損。為補(bǔ)償軸尖運(yùn)動副的磨損，利用彈簧的作用力使運(yùn)動副良好接觸。
比較以上三種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以看出DK7732高速走絲電火花線切割機(jī)床的導(dǎo)輪選擇第二種比較適宜。
③導(dǎo)輪的材料 為了保證導(dǎo)輪軸徑與導(dǎo)向槽的同軸度，一般采用整體結(jié)構(gòu)。導(dǎo)輪要求用硬度高、耐磨性好的材料制成（如GCr15、W18Cr4V），也可以選用硬質(zhì)合金或陶瓷材料制造導(dǎo)輪的鑲件來增強(qiáng)導(dǎo)輪V形工作面的耐磨性和耐蝕性。
④導(dǎo)輪組合件的裝配
導(dǎo)輪組合件裝配的關(guān)鍵是消除滾動軸承中的問題，避免滾動體與套環(huán)工作表面在負(fù)荷作用下產(chǎn)生彈性變形，以及由此引起的軸向竄動和徑向跳動。因此，常用對軸承施加預(yù)負(fù)荷的方法來解決。通常是在兩個支撐軸承的外環(huán)間放置一定厚度的定位環(huán)來獲得預(yù)負(fù)荷。預(yù)加負(fù)荷必須適當(dāng)選擇，若軸承承受預(yù)加負(fù)荷過大，在運(yùn)轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生急劇磨損。同時，軸承必須清洗的很潔凈，并在顯微鏡下檢查滾道內(nèi)是否有金屬粉末、碳化物等，軸承經(jīng)清洗、干燥后，填以高速潤滑脂，起潤滑和密封作用
（二） 儲絲走絲部件主要零件強(qiáng)度計算
1. 齒輪傳動比的確定
鉬絲絲距選擇為0.25mm。儲絲筒每轉(zhuǎn)一周，拖板帶動儲絲筒移動0.25mm，絲杠螺距選擇為1.5mm。
所以儲絲筒與絲杠見齒輪傳動比為：
u=0.25/1.5=1：6；
采用二級齒輪傳動，取u1=1/2，u2=1/3。
2. 齒輪齒數(shù)的確定
取Z=23；由于齒輪齒根與軸上鍵距離不能為零。
即df/2–（d+t1）>2m
由d=16mm查設(shè)計手冊得：
t1=2.3；
而df1=d1－2hf
=（z1–2ha*–2c*）m
=(23–2–0.5)m
=20.5m
代入上式得：20.5/2m–（16+2.3）/2?>2m
m>1.3
取m=2則Z2=2Z1=46
d1=mZ1=2×23=46mm
d2=mZ2=2×46=92mm
取Z3=23
Z4=3Z3=3×23=69
d3=mZ3=2×23=46mm
d4=mZ4=2×69=138mm
齒輪1，2中心距 a1=(d1+d2)/2=(46+92)/2=69mm
齒輪3，4中心距 a2=(d3+d4)/2=(46+132)/2=92mm
參考書《機(jī)械設(shè)計》
取b=0.5d1=0.5×46=23mm
其他數(shù)據(jù)如下
da1=(Z1+2ha*)m
=(23+2×1) ×2
=50mm
da2=(Z2+2ha*)m
=(46+2×1) ×2
=96mm
df1=(Z1－2ha*－2c*)m
=(23－2×1－2×0.25) ×2
=41mm
df2=(Z2－2ha*－2c*)m
=(46－2×1－2×0.25)×2
=87mm
同樣可以計算得: da3=50mm
da4=142mm
df3=41mm
df4=133mm
3. 傳動件的估算
根據(jù)公式 d=91mm
其中 N—該傳動軸的輸入功率
N=N
其中N－電機(jī)額定功率
η－從電機(jī)到該傳動軸之間傳動件的傳動效率的乘積
n－該傳動軸的計算轉(zhuǎn)速r/min
計算轉(zhuǎn)速n是傳動件能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速
［φ］－每米長度上允許的扭轉(zhuǎn)角（deg/m）
取η=0.995，N=0.55kw
N= Nη
=0.55×0.995
=0.54725kw
n=1390r/min
d=91
=10.2mm
4. 齒輪模數(shù)估算
齒輪彎曲疲勞估算：
m
=32
=1.039mm
齒面點(diǎn)蝕估算：
A
=370
=49.28mm
其中n為大齒輪的計算轉(zhuǎn)速，A為齒輪中心距
中心距A及齒數(shù)Z、Z求出模數(shù)
=
=
=1.428mm
取mm中較大者 m=1.428，現(xiàn)取m=2
（2） 齒輪模數(shù)的驗算：
根據(jù)接觸疲勞計算齒輪模數(shù)公式為
m=16300mm
式中： N—計算齒輪傳遞的額定功率 N=
n—計算齒輪（小齒輪）的計算轉(zhuǎn)速 r/min
—齒寬系數(shù)=b/m，常取6～10。
Z—計算齒輪的齒數(shù)，一般取傳動中最小的齒輪的齒數(shù)；
i大齒輪與小齒輪的齒數(shù)比，i=
—壽命系數(shù)，=；
n—齒輪的最低轉(zhuǎn)速r/min
T—預(yù)定的齒輪工作期限，中型機(jī)床推薦，T=15000～20000h；
k—轉(zhuǎn)速變化系數(shù)；
k—材料強(qiáng)化系數(shù)。幅值低的交變載荷可使金屬材料的晶粒邊界強(qiáng)化，起著阻止疲勞細(xì)縫擴(kuò)展的作用；
k—功率利用系數(shù) k—工作情況系數(shù) k—載荷系數(shù)
k3—齒向載荷分布系數(shù) Y—齒形系數(shù)
［］、—許用彎曲接觸能力
查表得：k1=1.2，k2=1.2，k3=1.15
Ks=knkNkq
=knkNkq
=×0.78×0.51×0.60
=0.91
N=0.54725kw =10 =600MPa
則 mj=16300mm
=1.824mm
根據(jù)彎曲疲勞計算齒輪計算模數(shù)公式為：
Mw=275mm
=275
=0.063mm
Ks=knkNkq
=knkNkq
=0.890.700.75
=0.554
所以m=2符合要求
（三） 儲絲走絲部件主要零件強(qiáng)度驗算
1. 齒輪強(qiáng)度的驗算
齒根危險截面的彎曲強(qiáng)度條件式
k—載荷系數(shù)
k=kAkv
—齒寬系數(shù)，取0.5
kA—使用系數(shù)，取1
kv—載荷系數(shù)，取1.05
—齒間載荷分配系數(shù)，
—齒向載荷分布系數(shù)
—小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)距
=95.5×105P1/n1
=95.5×105×0.55/1390
=3.78×103N·mm
=1.11+0.18(1+6.7×0.52) ×0.52+0.15×10-3×0.5
=1.23045
K=1×1.05×1.0×1.6
=1.218
查得：b/h=23/4.5
=5.11
=1.16
—載荷作用與齒頂時齒形系數(shù)
—載荷作用與齒頂時應(yīng)力校正系數(shù)
查表得：=2.69，=1.575
則=
=18.4MPa
N=60njLh
=60×1390×1×20000
=1.668×106
s—疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，
s=sH=1, s=sF=1.25～1.5
kN—壽命系數(shù) （kFN=1.0，kHN=1.0）
—齒輪的疲勞極限
=340MPa
所以＜
≤
其中：
ZH —區(qū)域系數(shù)
ZE—彈性影響系數(shù)
ZH= ZH=2.5 ZE=189.8MP
kH=kAkV=1×1.05×1.0×1.23045
=1.29
, ＜
因此，所設(shè)計齒輪也滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求，
齒輪設(shè)計合格。
2.主軸的驗算
按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度：
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖，如圖6.1 (a)。并分別作出水平方向和垂直方向的彎矩圖，如圖 (b),(c)，以及扭矩圖如圖 (d)。
先計算軸上的載荷：
齒輪的分度圓直徑為：.
圖6.1 軸的結(jié)構(gòu)圖與彎矩扭矩圖
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以明顯的看出截面B是危險截面。先將計算出的截面C 處的MH、Mr及M的值列于下表1.1
表1.1 應(yīng)力計算表
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
FNH1=195.7N, FNH2=31.4N
FNH1=71.2N, FNH2=11.4N
彎矩M
MH==8543.6N·mm
MV=3109.6 N·mm
總彎矩
N·mm
扭矩T
T1=3.78×103N·mm
軸的計算應(yīng)力：
入如表1.1中數(shù)值得：=5.7MPa
前已經(jīng)選頂?shù)妮S的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理
查得=60MPa
因此<，故安全
(四） 主軸組件結(jié)構(gòu)設(shè)計
1. 軸承的配置形式
一般來說數(shù)控機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)的軸承有以下幾種配置形式：
（1） 前后支承均采用雙列短圓柱滾子軸承來承受徑向載荷，安裝在前端的兩個推力球軸承用來承受前后方向的軸向負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)能承受較大的負(fù)載(特別是軸向負(fù)載），可適應(yīng)強(qiáng)力切削，但主軸轉(zhuǎn)速不能太高，軸承在高轉(zhuǎn)速時容易發(fā)熱。由于推力球軸承安裝在主軸前端，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時前軸承和后軸承溫度差較大，熱變形對主軸精度影響也較大。前軸承溫度高，主軸前端升高量大，后軸承溫度低，主軸末端升高量小，因此，這種機(jī)構(gòu)目前應(yīng)用較小。
（2） 前后支承用雙列短圓柱滾子軸承來承受徑向負(fù)荷，用安裝在主軸前端的雙向向心推力球軸承來承受軸向負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)剛性較好。
（3） 前軸承用單列向心推力球軸承，背靠背安裝，由2～3個軸承組成一套，用以承受徑向和軸向負(fù)載；后軸承用雙列短圓柱滾子軸承。這種結(jié)構(gòu)適應(yīng)較高轉(zhuǎn)速、較重切削負(fù)載，主軸精度較好。但所承受的軸向負(fù)載較前兩種結(jié)構(gòu)小。
（4） 前后支承均采用成組單列向心推力球軸承，用以承受徑向和軸向負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)適應(yīng)高轉(zhuǎn)速，中等負(fù)載的數(shù)控機(jī)床。在中、小規(guī)格的數(shù)控機(jī)床上采用這種機(jī)構(gòu)較多。
本次設(shè)計主軸所采用的軸承支承方式為第四種。
`2. 主軸組件的調(diào)整和預(yù)緊
滾動軸承的預(yù)緊是采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ菨L動體和內(nèi)外套圈之間產(chǎn)生一定的預(yù)變形而帶伏負(fù)游隙運(yùn)行。預(yù)緊的目的是增加軸承的剛度，提高旋轉(zhuǎn)精度，延長軸承壽命。
按預(yù)載荷的方向可分為軸向預(yù)緊和徑向預(yù)緊。
而角接觸球軸承主要是軸向預(yù)緊，這可明顯提高軸向剛度。如下圖為單個角接觸球軸承的載荷—變形曲線，其彈性變形量δa與軸向外載荷Fa的關(guān)系為δa∝Fa23。沒有預(yù)緊時，在Fa作用下，軸承的軸向變形量為δa1；而在具有預(yù)緊Fa0條件下，同樣作用軸向載荷Fa，軸承的軸向變形增量為δa2，顯然δa2<δa1，軸承的軸向剛度有所提高。
圖5.2 角接觸球軸承載荷—變形曲線
三、 進(jìn)給傳動設(shè)計
（一）進(jìn)給傳動運(yùn)動設(shè)計
1.脈沖當(dāng)量和傳動比的確定
1）脈沖當(dāng)量的確定
目前，常用脈沖編碼器兼作位置和速度反饋。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出一定數(shù)量的脈沖每個脈沖代表電機(jī)一定數(shù)量的脈沖，每個脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角。步進(jìn)電機(jī)是一種電脈沖控制的特種電機(jī)，對于每一個電脈沖步進(jìn)電機(jī)都將產(chǎn)生一個恒定的步進(jìn)角位移，每一個脈沖或每步的轉(zhuǎn)角稱為步進(jìn)電機(jī)的步距角，可由選用的步進(jìn)電機(jī)型號從技術(shù)數(shù)據(jù)表中查出。
因此，每脈沖代表鍛機(jī)一定的轉(zhuǎn)角，這個轉(zhuǎn)角經(jīng)齒輪副和滾珠絲桿使工作臺移動一定的距離。每個脈沖所對應(yīng)的執(zhí)行件（如工作臺）的移距，稱為脈沖當(dāng)量或分辨率，記為，單位為mm/脈沖。
應(yīng)根據(jù)機(jī)床或工作臺進(jìn)給系統(tǒng)所要求的定位精度來選定脈沖當(dāng)量。考慮到機(jī)械傳動系統(tǒng)的誤差存在，脈沖當(dāng)量值必須大于定位精度值。此次設(shè)計的電火花成型機(jī)對機(jī)床定位精度的設(shè)計要求是±0.01mm，根據(jù)該精度要求可確定脈沖當(dāng)量為=0.005mm/脈沖。
2）傳動比的確定
設(shè)傳動副的傳動比為i，若為一級傳動，則,為主動齒輪的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)，為主動齒輪的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)。若為多級傳動，則i為總傳動比。
對于步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)埋藏當(dāng)量（mm/脈沖）確定，并且滾珠絲桿導(dǎo)程（mm）和電機(jī)步距角都也已初步選定后，則可用下式計算主軸系統(tǒng)的傳動比
i=1。
（二）滾珠絲杠螺母副的型號選擇和滾珠絲杠的選型和校核
1.滾珠絲杠螺母副的型號選擇
（1）最大工作載荷計算
滾珠絲杠上的工作載荷Fm（N）是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體中立和作用于導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力，可用下列實驗公式進(jìn)行計算。
對于矩形導(dǎo)軌 Fm=KFL+f(FV+FC+G)
式中： FL—工作臺進(jìn)給方向載荷
FV—工作臺垂直載荷
FC—工作臺橫向載荷
G—移動部件的重力
K—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)
f—考慮顛覆力矩影響的摩擦系數(shù)
對于滾動導(dǎo)軌：f=0.0025～0.005
由于電火花線切割是電極絲放電進(jìn)行加工，可以認(rèn)為FL，F(xiàn)V，F(xiàn)C近似為零
所以：Fm=fG
取f=0.005，G=1000kg（估算）
Fm=fG=1000×0.005=5
（2） 最大動載荷C的計算及主要尺寸初選
滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)斷定動載荷Ca選用，最大動載荷計算原理與滾動軸承相同。
滾珠絲杠的最大動載荷應(yīng)用下式計算
L=60nt/106
式中：L—工作壽命，單位106r
n—絲杠轉(zhuǎn)速，單位r/min
v—最大切削力條件下進(jìn)給速度，單位m/min
L0—絲杠基本導(dǎo)程，單位mm
t—額定使用壽命，單位h，可取t=15000h
fm—運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1～1.2，一般情況1.2～1.5
所以
=
=11.96
=（1000×100×10-3）/5
=20r/min
L=60nt/106
=
=105.12（106r/min）
=
=33
根據(jù)以上計算選取CBM3205—5（《機(jī)械設(shè)計師手冊》上）
2.滾珠絲杠的選型和校核
滾珠絲桿已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設(shè)計制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等條件選定合適的尺寸型號并向有關(guān)廠家訂購。此次設(shè)計中滾珠絲桿被三次選用，故本人只選取其中最重要的主軸傳動中的滾珠絲桿加于設(shè)計和校核。其步驟如下：
首先對于一些參數(shù)說明如下：
軸向變載荷，其中i表示第i個工作載荷，i=1、2、3…n ；
第i個載荷對應(yīng)的轉(zhuǎn)速(r/min);
第i個載荷對應(yīng)的工作時間 (h) ;
絲桿副最大移動速度(mm/min);
絲桿預(yù)期壽命。
1．型號選擇
（1）根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求
選擇滾道截面形狀，滾珠螺母的循環(huán)方式和預(yù)緊方式；
（2）計算滾珠絲桿副的主要參數(shù)
①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0系數(shù)=1.5；
②計算當(dāng)量轉(zhuǎn)速
③計算當(dāng)量載荷
④初步確定導(dǎo)程
取5mm
⑤計算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速
⑥計算絲桿所需的額定載荷
（3）選擇絲桿型號
根據(jù)初定的和計算的，選取導(dǎo)程為5mm，額定載荷大于的絲桿。所選絲桿型號為CDM2004-2.5。其為外循環(huán)雙管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式系列滾珠絲桿。
2．臨界轉(zhuǎn)速校核
校核合格。
3．由于此絲桿是豎直放置，且其受力較小，溫度變化較小。所以其穩(wěn)定性、溫度變形等在此也沒必要校核。
4．滾珠絲桿的預(yù)緊
預(yù)緊力一般取當(dāng)量載荷的三分之一或額定動載荷的十分之一。即：
其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩
（三）步進(jìn)電機(jī)的選用
步進(jìn)電動機(jī)又稱為脈沖電動機(jī)，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行元件。具有以下四個特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)速（或線速度）與脈沖頻率成正比；②在負(fù)載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓、負(fù)載、環(huán)境條件的波動而變化；③速度可調(diào)，能夠快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；④定位精度高、同步運(yùn)行特性好。
數(shù)控電火花成型機(jī)的動力系統(tǒng)要求電動機(jī)電位精度高，速度調(diào)節(jié)方便快速，受環(huán)境影響小，且額定功率小，并且可用于開環(huán)系統(tǒng)。而BF系列步進(jìn)電動機(jī)為反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，具備以上的所有條件，我們選用了型號90BF004的電動機(jī)作為主運(yùn)動的動力源。
選用時主要有以下幾個步驟：
（一）根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號
1．步距角
初選步進(jìn)電機(jī)型號，并從手冊中查到步距角,由于
綜合考慮，我初選了，可滿足以上公式。
2．距頻特性
步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系是：
Mmq=
步進(jìn)電機(jī)空載啟動是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩按下式計算：
式中：Mkq為空載啟動力矩；Mka為空載啟動時運(yùn)動部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上的加速力矩；Mkf為空載時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。
而且初選電機(jī)型號時應(yīng)滿足步進(jìn)電動機(jī)所需空載啟動力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動轉(zhuǎn)矩，即：
MkqMmq=λMjmax
計算Mkq的各項力矩如下：
（1）加速力矩
（2）空載摩擦力矩
（3）附加摩擦力矩
（二）啟動矩頻特性校核
步進(jìn)電機(jī)有三種工況：啟動，快速進(jìn)給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。
前面提出的，僅僅是指初選惦記后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進(jìn)行校核。
步進(jìn)電機(jī)啟動有突跳啟動和升速啟動。
突跳啟動時加速力矩很大，啟動時丟步是不可避免的。因此很少用。而升速啟動過程中只要升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩中的加速力矩不會很大。一般不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。
（四）進(jìn)給機(jī)構(gòu)支承設(shè)計
1.螺桿的支承形式
滾珠絲杠的支承和支承方式將影響絲杠副的剛度，因此，對運(yùn)動精度要求高時應(yīng)審慎的加以選擇。常見的支承形式有以下幾種：
①絲杠一端安裝兩個深溝球軸承或者角接觸球軸承或者圓錐滾子軸承的稱為固定支承；螺母相當(dāng)于固定支承。
②安裝一個深溝球軸承或者角接觸球軸承或者圓錐滾子軸承的稱為鉸支承；因此絲杠的支承方式有兩端固定，一端固定，一端鉸支，一端固定、一端自由，兩端鉸支，一端固定、一端鉸支幾種。
本次采用的是兩端固定形式支承
2.螺桿的支承方式
螺桿的支承方式有以下四種：
（1）雙推自由支承：
將兩個方向相反的推力球軸承和兩個深溝球軸承裝在一端，另一端自由
特點(diǎn)：適用于短螺桿。
（2）雙推支承
將兩個方向相反的推力球軸承和兩個深溝球軸承裝在一端，另一端裝一個或兩個深溝球軸承。
特點(diǎn)：螺桿水平安裝時，可減少或避免因自重產(chǎn)生的彎曲或高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，自由端的晃動。
適用于長螺桿。
（3）單推單推或雙推單推
兩端各裝一個方向相反的推力球軸承和一個深溝球軸承或一端裝兩個方向相反的推力球軸承和兩個深溝球軸承，另一端裝一個推力球軸承。
特點(diǎn)可預(yù)拉伸螺桿，以減少或消除螺桿水平安裝時，因自重產(chǎn)生的彎曲，當(dāng)軸承預(yù)緊力大于螺桿載荷的1/3時，螺桿拉壓剛度可提高4倍，且不會承受壓力，無失穩(wěn)現(xiàn)象。
（4）雙推雙推
兩端各裝兩個方向相反的推力球軸承和兩個深溝球軸承
特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)與單推單推式相同，當(dāng)超過預(yù)計溫度時，不會因螺桿伸長使軸承產(chǎn)生間隙，缺點(diǎn)是調(diào)整較復(fù)雜。
四、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計
（一） 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定
機(jī)電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成.控制系統(tǒng)的控制對象主要包括各種機(jī)床,如車床、銑床、磨床等等.控制系統(tǒng)的基本組成如下圖所示:
通信接口
軟件
微
機(jī)
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路
步進(jìn)電機(jī)
機(jī)
床
開關(guān)量控制電路
主運(yùn)動驅(qū)動電路
主軸電動機(jī)
圖6.2 控制系統(tǒng)框圖
(二)數(shù)控系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計
1、 單片機(jī)設(shè)計
單片機(jī)通常是指芯片本身，它是由芯片制造商生產(chǎn)的，在它上面集成的是一些作為基本組成部分的運(yùn)算器電路、控制器電路、存儲器、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器以及輸入/輸出口電路等。但一個單片機(jī)芯片并不并能把計算機(jī)的全部電路都集成到其中，有些元件如復(fù)位電路的石英晶體、電阻、電容等只能以散件的形式出現(xiàn)。此外，在實際的控制應(yīng)用中，常常需要擴(kuò)展外圍電路和外圍芯片。
通常所說的單片機(jī)系統(tǒng)都是為實現(xiàn)某一控制應(yīng)用需要由用戶設(shè)計的，是一個圍繞單片機(jī)芯片而組建的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。在單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)處于核心地位，是構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件基礎(chǔ)。
(1)MCS-51系列單片機(jī)的設(shè)計
MCS-51系列單片機(jī)的所有產(chǎn)品都含有8051除程序存貯器外的基本硬件，都是在8051的基本上改變部分資源（程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器、I/O口、定時/計數(shù)器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設(shè)計中，我們采用的是8031，8031可尋址64KB字節(jié)程序存貯器和64KB字節(jié)數(shù)據(jù)存貯器。內(nèi)部沒有程序存貯器，必須外接EPROM程序存貯器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分為三部分。
a.電源及時鐘引腳
此部分引腳包括電源引腳Vcc、Vss及時鐘引腳XTAL1、XTAL2。
電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。
Vcc（40腳）：接+5V電源。
Vss（20腳）：接地。
時鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個振蕩器，它提供單片機(jī)的時鐘控制信號。時鐘引腳也可外接晶體振蕩器。
XTAL1（19腳）：接外部晶體的一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。
XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部接至反相放大器的輸出端。若采用外部振蕩器時，該引腳接受振蕩器的信號，即把信號直接接至內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。
b.控制引腳
它包括RST、ALE、、等。此類引腳提供控制信號，有些引腳具有復(fù)用功能。
RST/VPD（9腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時，在此引腳加上兩個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RST）。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為≤0.5V的低電平，以保證單片機(jī)正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)Vcc下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)（（5±0.5）V）時，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。
ALE/（30腳）：當(dāng)單片機(jī)訪問外部存貯器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時，在兩個機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動8個TTL負(fù)載。
（29腳）：此輸出為單片機(jī)內(nèi)訪問外部程序存貯器的讀選通信號。在從外部程序存貯器指令（或常數(shù)）期間，每個機(jī)器周期兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時，這兩次有效的信號不出現(xiàn)。同樣可以驅(qū)動8個TTL負(fù)載。
/Vpp（31腳）：當(dāng)端保持高電平時，單片機(jī)訪問的是內(nèi)部程序存貯器，但當(dāng)PC值超過某值時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存貯器內(nèi)的程序。當(dāng)端保持低電平時，則不管是否有內(nèi)部程序存貯器而只訪問外部程序存貯器。對8031來說，因其無內(nèi)部程序存貯器。所以該引腳必須接地，即此時只能訪問外部程序存貯器。
c.輸入/輸出引腳
輸入/輸出（I/O）口引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。
P0口（P0.0-P0.7）：為雙向8為三態(tài)I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用口，可驅(qū)動8個TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時地址/數(shù)據(jù)總線口使用。
P1口（P1.0-P1.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入口時，鎖存器必須置1），可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。
P2口（P2.0-P2.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位復(fù)用，可驅(qū)動4個TTL負(fù)載，一般作為擴(kuò)展時地址總線的高8位使用。
P3口（P3.0-P3.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。
(2)MCS-51單片機(jī)的時鐘電路
時鐘電路是計算機(jī)的心臟,它控制著計算機(jī)的工作節(jié)奏.MCS-51片內(nèi)有一個反相放大器,XTAL1、XTAL2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端,該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個自激振蕩器,產(chǎn)生的時鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個部件.單片機(jī)的時鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種,大多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式.
最常用的內(nèi)部時鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路,不論是HMOS還是CHMOS型單片機(jī),其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同.如圖所示:
圖7.1 內(nèi)部時鐘方式的時鐘電路
MCS-51單片機(jī)允許的振蕩晶體可在1.2MHz-24MHz之間可以選擇,一般取11.0592MHz.電容C1、C2的取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響.C1、C2可在20pF-100pF之間選擇,一般當(dāng)外接晶體時典型取值為30pF,外接陶瓷諧振器時典型取值為47pF,取60pF-70pF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性.
在設(shè)計印刷電路板時,晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)XTAL1、XTAL2引腳安裝,以減少寄生電容,更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作.為了提高溫度穩(wěn)定性,應(yīng)采用NPO電容.
(3)MCS-51單片機(jī)的復(fù)位電路
計算機(jī)在啟動運(yùn)行時都需要復(fù)位,使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài),并從這個狀態(tài)開始工作.
單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)的,MCS-51單片機(jī)有一個復(fù)位引腳RST,高電平有效.它是施密特觸發(fā)輸入,當(dāng)振蕩器起振后,該引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期(即24個時鐘周期)以上的高電平,使器件復(fù)位,只要RST保持高電平,MCS-51便保持復(fù)位狀態(tài).此時ALE ,,P0,P1,P2,P3口都輸出高電平.RST變位低電平后,退出復(fù)位狀態(tài),CPU從初始狀態(tài)開始工作.復(fù)位操作不影響片內(nèi)RAM的內(nèi)容.
MCS-51單片機(jī)通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式.通常因為系統(tǒng)運(yùn)動等的需要,常常需要人工按鈕復(fù)位,如圖 所示:
圖7.2 上電按鈕復(fù)位電路
對于CMOS型單片機(jī)因RST引腳的內(nèi)部有一個拉低電阻,故電阻R2可不接.單片機(jī)在上電瞬間,RC電路充電,RST引腳端出現(xiàn)正脈沖,只要RST端保持兩個機(jī)器周期以上的高電平(因為振蕩器從起振到穩(wěn)定大約要10ms),就能使單片機(jī)有效復(fù)位.當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHz時,RC的典型值為C=10μF,R=8.2KΩ.簡單復(fù)位電路中,干擾信號易串入復(fù)位端,可能會引起內(nèi)部某些寄存錯誤復(fù)位,這時可在RST引腳上接一去耦電容.
上圖那上電按鈕復(fù)位電路只需將一個常開按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路,按下開關(guān)一定時間就能使RST引腳端為高電平,從而使單片機(jī)復(fù)位
2.系統(tǒng)擴(kuò)展
在以8031單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中必須擴(kuò)展程序存貯器，用以存放控制程序。同時，單片機(jī)內(nèi)部的存貯器容量較小，不能滿足實際需要，還要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存貯器。這種擴(kuò)展就是配置外部存貯器（包括程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器）。另外，在單片機(jī)內(nèi)部雖然設(shè)置了若干并行I/O接口電路，用來與外圍設(shè)備連接。但當(dāng)外圍設(shè)備較多時，僅有幾個內(nèi)部I/O接口是不夠的，因此，單片機(jī)還需要擴(kuò)展輸入輸出接口芯片。
（1） 程序存儲器擴(kuò)展
MCS—51系列單片機(jī)的程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間是相互獨(dú)立的。程序存儲器尋址空間為64kB（0000H～0FFFFH），其中8051、8751片內(nèi)有4kB的ROM或EPROM，8031片內(nèi)不帶ROM。當(dāng)片沒ROM不夠采用8031芯片時，需擴(kuò)展程序存儲器。用作程序存儲器的器件是EPROM和EEPROM，
MCS—51單片機(jī)擴(kuò)展外部程序存儲器的硬件電路如圖
圖8.1 MCS—51單片機(jī)擴(kuò)展外部程序存儲器的硬件電路
由于MCS—51單片機(jī)的P0口是分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進(jìn)行程序存儲器擴(kuò)展時，必須用地址鎖存器鎖存地址信號。通常地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的74LS373。當(dāng)用74LS373作為地址鎖存器時，鎖存端G可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地址鎖存。
根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對程序存儲器容量要求的不同，常用的擴(kuò)展 芯片包括EPROM2716（2kB×8）、2732A（4kB×8）、2764A（8kB×8）、27128A（16kB×8）、27256（32kB×8）和27512（64kB×8）等。以上6種EPROM均為單一＋5V電源供電，維持電流為35mA～40Ma，工作電流為75 mA～100 mA，讀出時間最大為250ns，均有雙列直插式封裝形式，A0～A15是地址線，不同的芯片可擴(kuò)展的存儲容量的大小不同，因而提供高8位地址的P2端口線的數(shù)量各不相同，故2716為A0～A10，27152為A0～A15；D0～D7是數(shù)據(jù)線；CE是片選線，低電平有效；OE是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源；PGM是編程脈沖輸入端。
根據(jù)圖 程序存儲器擴(kuò)展的原理，以EPROM2764A和鎖存器74LS373為例對8031單片機(jī)進(jìn)行程序存儲器擴(kuò)展，其連接圖如圖所示。
圖8.2 8031擴(kuò)展2764的連接圖
因為2764A是8kB容量的EPROM，故用到了13根地址線，A0～A12。由于系統(tǒng)中只擴(kuò)展一片程序存儲器，所以可將片選端CE直接接地。同時，8031運(yùn)行所需程序指令來自2764A，要把其EA端接地，否則，8031將不會運(yùn)行。
電擦除可編程只讀存儲器EEPROM是近年來推出的新產(chǎn)品。其主要特點(diǎn)是能在計算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行在線修改，并在斷電的情況下保持結(jié)果。因此，自從EEPROM問世以來，在智能化儀器儀表、控制裝置、開發(fā)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
（2） 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展
8031單片機(jī)內(nèi)部有128字節(jié)RAM存儲器。CPU對內(nèi)部的RAM具有豐富的操作指令。但是在用于實時數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠片內(nèi)提供的128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在這種情況下，可MCS—51的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器。
圖 是單片機(jī)擴(kuò)展外部RAM的電路原理圖。
圖9.1 單片機(jī)擴(kuò)展外部RAM的電路原理圖
數(shù)據(jù)存儲器只使用WR、RD控制線而不用PSEN。正因為如此，數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器地址可完全重疊，均為0000H—FFFFH，但數(shù)據(jù)存儲器與I/O口及外圍設(shè)備是統(tǒng)一編址的，即任何擴(kuò)展的I/O口以及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲器地址。圖 中，P0口為RAM的復(fù)用地址/數(shù)據(jù)線，P2口用于對RAM進(jìn)行頁面尋址（根據(jù)其容量不同，所占用的P2端口不同），在對外部RAM讀/寫期間，CPU產(chǎn)生RD/WR信號。
在80314單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài)RAM是最常用的，由于這種存儲器的設(shè)計無須考慮刷新問題，因而它與微處理器的接口很簡單。最常用的靜態(tài)RAM芯片有6116（2kB×8）和6264（8kB×8）。單一＋5V供電，額定功耗分別為160mW和200mV，典型存取時間均為200ns，均有雙列直插式封裝，管腳分別為24和28線。
圖9.2 8031擴(kuò)展6264的連接圖
圖為6264與8031的硬件連接圖。從 圖中可以知道：6264的片選I接8031的P2.7，第二片選線CS2接高電平，保持一直有效狀態(tài)，因6264是8kB容量的RAM，鼓用到了13根地址線。8031在訪問6264期間