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工作臺(tái)重量G=75N（本設(shè)計(jì)負(fù)載為0） 導(dǎo)軌預(yù)緊力為F1=198N 工作行程l=100mm
受載最大滾動(dòng)體上的負(fù)載FMAX=G/Z=274/9=30N
南 京 理 工 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名：
王守剛
學(xué) 號(hào)：
020190500708
專 業(yè)：
機(jī)電一體化
設(shè)計(jì)(論文)題目：
鉆孔用x-y工作臺(tái)
及其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
指 導(dǎo) 教 師:
張?chǎng)?
2008 年 08 月 27 日
開(kāi)題報(bào)告填寫要求
1．開(kāi)題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)及所在專業(yè)審查后生效；
2．開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)；
3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_(kāi)題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)）；
4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫
2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，極大的推動(dòng)了不同學(xué)科的相互交叉與滲透導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)與改造。
機(jī)電一體化是以電子技術(shù)特別是微電子技術(shù)為主導(dǎo)、多種新興技術(shù)與機(jī)械技術(shù)交叉融合而形成的綜合性高技術(shù)，是機(jī)械與電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，其目的是不斷提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕人們的體力勞動(dòng)，逐步代替部分腦力勞動(dòng)，通過(guò)這種技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的是種類繁多的機(jī)電一體化產(chǎn)品，這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科技活動(dòng)、國(guó)防建設(shè)和人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。
數(shù)控技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電機(jī)、電氣傳動(dòng)、測(cè)量、監(jiān)控、機(jī)械制造學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域最新成果而形成的一門交叉科學(xué)技術(shù)。數(shù)控技術(shù)已成為現(xiàn)代制造業(yè)的核心技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)柔性制造、計(jì)算機(jī)集成制造、工廠自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)技術(shù)之一。
數(shù)控技術(shù)，簡(jiǎn)稱數(shù)控（Numerical Control,NC）它是利用數(shù)字化的信息對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法，數(shù)控技術(shù)在機(jī)床控制中的廣泛應(yīng)用，形成了數(shù)控技術(shù)發(fā)展主流——機(jī)床數(shù)控技術(shù)和機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)能夠邏輯的處理使用號(hào)碼，或者其它符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序，能夠自動(dòng)完成機(jī)床加工信息的輸入、譯碼、運(yùn)算，從而控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和加工過(guò)程。
應(yīng)用數(shù)控技術(shù)或裝有數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)字控制機(jī)床（Numericaling Control Machine,NCM）簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床采用了計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，因此也稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床或CNC機(jī)床。
數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代，是集機(jī)、電、液、氣、光于一體的新型自動(dòng)化機(jī)床，它綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、精密檢測(cè)和精密制造等方面的科技成果，是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，要實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的控制需要擁擠和信息描述刀具和工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及用工藝信息來(lái)描述機(jī)床加工必須具備的一些工藝參數(shù)。例如進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、主軸正反轉(zhuǎn)、換刀、冷卻液的開(kāi)/關(guān)等。這些信息按一定的格式形成加工文件（數(shù)控加工程序），存放在信息載體（如磁盤、磁帶、穿孔紙帶等）上，然后由機(jī)床上的數(shù)控系統(tǒng)讀入或直接通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的鍵盤輸入，或通過(guò)通信方式輸入，通過(guò)對(duì)其譯碼，從而使機(jī)床動(dòng)作和加工零件。
數(shù)控機(jī)床是一種高效、自動(dòng)化機(jī)床，其之所以能在機(jī)械加工中得到廣泛的應(yīng)用，主要由于其它加工設(shè)備相比，數(shù)控機(jī)床具有以下特點(diǎn)：
1)適用范圍廣，易于加工形狀復(fù)雜的零件，適應(yīng)性強(qiáng)，由于數(shù)控機(jī)床具有多坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)功能，并可按照零件加工的要求變換加工程序，數(shù)控機(jī)床能完成很多普通機(jī)床難以勝任，或者不可能加工出來(lái)的復(fù)雜型面的零件。因此，數(shù)控機(jī)床首先在航空航天等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
2)加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床按照預(yù)定的程序自動(dòng)加工，不受人為因素的影響，其加工精度由機(jī)床來(lái)保證，并且具有較強(qiáng)的插補(bǔ)功能和自動(dòng)編程功能，可方便的對(duì)復(fù)雜輪廓進(jìn)行自動(dòng)編程及加工處理，因此能夠獲得比機(jī)床本身精度還要高的加工精度及重復(fù)精度。
3)工件加工周期短，生產(chǎn)效率高。使用數(shù)控機(jī)床加工零件，對(duì)于模具、專業(yè)工裝夾具、劃線加工準(zhǔn)備等要求大幅度降低；由于加工中有較高的重復(fù)精度，檢驗(yàn)工作也得以簡(jiǎn)化；零件變更調(diào)整時(shí)間、刀具變更調(diào)整時(shí)間減少，加工中心合理選用切削用量，機(jī)加工時(shí)間短，這些方面的變化使工件加工周期大為縮短，生產(chǎn)效率顯著提高，數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)率比普通機(jī)床的生產(chǎn)率高2~3倍。尤其是某些復(fù)雜零件的加工，生產(chǎn)率可提高十幾倍甚至幾十倍。
4)減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，數(shù)控機(jī)床主要是自動(dòng)加工，能自動(dòng)換刀、起停切削液、自動(dòng)變速等，其大部分操作不需人工完成，大幅度減輕了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)減少了人為因素的影響，使產(chǎn)品加工質(zhì)量比較穩(wěn)定，一致性好，也降低了廢品、次品率。
5)可實(shí)現(xiàn)精確的成本計(jì)算和科學(xué)管理，數(shù)控加工可正確計(jì)算出加工工時(shí)和生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃等成本和管理信息，簡(jiǎn)化和減少了檢驗(yàn)、工具準(zhǔn)備、半成品調(diào)度等管理工作，并可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，多機(jī)看管具有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性，數(shù)控機(jī)床具有的通信接口，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的連接，組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)（LAN），采用制造自動(dòng)化協(xié)議（MAP）規(guī)范，實(shí)行生產(chǎn)過(guò)程的計(jì)算機(jī)管理與控制，這些均為降低成本、提高管理水平創(chuàng)造了條件。
6)有利于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制和生產(chǎn)系統(tǒng)的集成、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制標(biāo)準(zhǔn)代碼編程等數(shù)控機(jī)床的基本控制形式，非常有利于多機(jī)之間或與計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的信息集成。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：
本課題要設(shè)計(jì)完成一個(gè)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的雙坐標(biāo)開(kāi)環(huán)數(shù)控控制的工作臺(tái)。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用做開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)
電動(dòng)機(jī)，是一種能將電脈沖輸入轉(zhuǎn)化為模擬的輸出軸運(yùn)動(dòng)。每輸入一個(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)式步
進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一步，因此，當(dāng)輸入一串脈沖序列時(shí)，輸出軸就以等增量的轉(zhuǎn)角響應(yīng)該輸入序列，輸出步數(shù)等于輸入脈沖個(gè)數(shù)，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量一般取為0.01或 0.001，脈沖當(dāng)量小，進(jìn)給位移的分辨率和精度就高，但是由于進(jìn)給速度ν=60fδmm/min 或ω=60fδ/min，在同樣的最高工作頻率f時(shí)，δ越小，則最大進(jìn)給速度之值也越小。
提高開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)位置精度的方法有：開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的步距角精度，機(jī)械傳動(dòng)部件的精度，絲杠、支承的傳動(dòng)間隙及傳動(dòng)支承件的變形等，將直接影響進(jìn)給精度，為提高系統(tǒng)的精度，應(yīng)該適當(dāng)提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度，此外，還可采取傳動(dòng)間隙補(bǔ)償和螺距誤差補(bǔ)償?shù)雀鞣N精度補(bǔ)償措施。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)：
2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見(jiàn)：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
南 京 理 工 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(論文)
作 者:
王守剛
學(xué) 號(hào)：
020190500708
學(xué)院(系):
專 業(yè):
機(jī)電一體化
題 目:
鉆孔用x-y工作臺(tái)
及其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
張?chǎng)?
指導(dǎo)者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
評(píng)閱者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
2008 年 09 月
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）中文摘要
隨著機(jī)電一體化技術(shù)的迅速發(fā)展，新的機(jī)電一體化產(chǎn)品競(jìng)相出現(xiàn)。面對(duì)國(guó)際市場(chǎng)日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)，以及對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高度重視，單純靠引進(jìn)和仿制國(guó)外產(chǎn)品將使企業(yè)失去競(jìng)爭(zhēng)力。
只有通過(guò)產(chǎn)品創(chuàng)新，才能從根本上解決的生存和發(fā)展問(wèn)題。機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論、方法和應(yīng)用，是適應(yīng)技術(shù)新潮流的需要，是自主創(chuàng)新的需要，關(guān)系到我國(guó)能否開(kāi)發(fā)更多的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，由機(jī)械制造大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)槭澜鐧C(jī)械制造大國(guó)。
本論文主要論述了由單片機(jī)控制的鉆孔用x-y工作臺(tái)，首先在緒論中介紹了機(jī)電一體化的一些概念及特點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床組特點(diǎn)成及其發(fā)展趨勢(shì)；第二章介紹了機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)件和支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算；第三章伺服系統(tǒng)的組成及步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算和驅(qū)動(dòng)控制；第四章主要是控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)；最后是對(duì)論文的總結(jié)。
關(guān)鍵詞 X-Y工作臺(tái) 單片機(jī) 步進(jìn)電機(jī)
本科設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 頁(yè) 共 Ⅱ 頁(yè)
Ⅰ
目 次
1 緒論 ………………………………………………………………………………… 1
1.1 機(jī)電一體化概述 …………………………………………………………… 1
1.1.1 機(jī)電一體化基本概念 ……………………………………………… 1
1.1.2 機(jī)電一體化的基本組成要素 ……………………………………… 1
1.1.3 機(jī)電一體化產(chǎn)品的特點(diǎn) …………………………………………… 3
1.1.4機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) ………………………………………… 4
1.2 機(jī)床數(shù)控化的意義及特點(diǎn) ………………………………………………… 5
1.2.1 數(shù)控機(jī)床的基本概念 ……………………………………………… 5
1.2.2 數(shù)控機(jī)床的組成 …………………………………………………… 5
1.2.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) …………………………………………………… 6
1.2.4 機(jī)床數(shù)控化的意義 ………………………………………………… 7
2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 7
2.1概述 …………………………………………………………………………… 7
2.2 滾珠絲杠螺母副 ……………………………………………………………… 8
2.2.1 滾珠絲杠副的特點(diǎn) ………………………………………………… 8
2.2.2 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型 ……………………………………………… 9
2.2.3 滾珠絲杠的計(jì)算與選用 …………………………………………… 10
2.3 導(dǎo)向支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ………………………………………………………… 10
2.3.1導(dǎo)軌 …………………………………………………………………… 10
2.3.2滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的承載能力計(jì)算 ……………………………………… 12
3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) ……………………………………………………………… 14
3.1 伺服系統(tǒng)概述 ……………………………………………………………… 14
3.1.1伺服系統(tǒng)基本概念 …………………………………………………… 14
3.1.2伺服系統(tǒng)基本類型 …………………………………………………… 14
3.1.3伺服系統(tǒng)的基本組成 ………………………………………………… 14
3.1.4伺服系統(tǒng)的基本要求 ………………………………………………… 15
3.2 伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件 …………………………………………………… 15
3.2.1執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn) ……………………………………………… 15
3.3 步進(jìn)電機(jī) …………………………………………………………………… 16
3.3.1步進(jìn)電機(jī)原理 ………………………………………………………… 16
3.3.2步進(jìn)電機(jī)特性 ………………………………………………………… 17
3.3.3步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算 ………………………………………………… 18
3.4步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制 ………………………………………………………… 20
3.4.1脈沖分配器 …………………………………………………………… 21
3.4.2光電隔離電路 ………………………………………………………… 21
3.4.3功率放大電路 ………………………………………………………… 22
Ⅱ
4 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ………………………………………………………… 22
4.1 概述 ………………………………………………………………………… 22
4.2 MCS-51單片機(jī)簡(jiǎn)介 ………………………………………………………… 23
4.2.1 8031管腳功能 ………………………………………………………… 24
4.2.2 8031芯片的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及地址分配 ………………………………… 26
4.3 8031應(yīng)用系統(tǒng)中存儲(chǔ)器擴(kuò)展 ………………………………………………… 27
4.3.1程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 …………………………………………………… 27
4.3.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 …………………………………………………… 27
4.3.3地址鎖存器 …………………………………………………………… 28
4.3.4譯碼電路 ……………………………………………………………… 29
4.4 8031應(yīng)用系統(tǒng)中I/O口擴(kuò)展 ……………………………………………… 29
4.4.1 I/O口擴(kuò)展性能 ……………………………………………………… 29
4.4.2 I/O口擴(kuò)展方法 ……………………………………………………… 29
4.4.3 I/O口擴(kuò)展用芯片 …………………………………………………… 29
4.4.4 8155 可編程并行接口 ……………………………………………… 30
4.5 鍵盤輸入與LED顯示 ……………………………………………………… 31
4.5.1行列式鍵盤 …………………………………………………………… 31
4.5.2 LED顯示電路 ………………………………………………………… 31
4.6 輔助電路 …………………………………………………………………… 31
4.6.1 8031時(shí)鐘電路 ………………………………………………………… 31
4.6.2 8031復(fù)位電路 ………………………………………………………… 32
4.6.3 8031越界報(bào)警電路 …………………………………………………… 32
4.6.4 8031掉電保護(hù)電路 …………………………………………………… 33
5 零件圖數(shù)控加工的編程 ………………………………………………………… 33
結(jié)論 ………………………………………………………………………………… 36
致謝 ………………………………………………………………………………… 37
參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………… 38
圖1 X-Y數(shù)控工作臺(tái)總體方案 …………………………………………………… 39
圖2 電氣控制原理圖 ……………………………………………………………… 40
圖3 X-Y工作臺(tái)裝配圖 …………………………………………………………… 41
本科設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 ３９ 頁(yè) 共 39 頁(yè)
1 緒論
1.1 機(jī)電一體化概述
1.1.1 機(jī)電一體化基本概念
機(jī)電一體化是微電子技術(shù)在向傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)滲透過(guò)程中逐漸形成的一個(gè)新概念，是機(jī)械和微電子兩種技術(shù)相互融合的產(chǎn)物，如圖1-1所示。機(jī)電一體化打破了傳統(tǒng)的機(jī)械工程、電子工程、信息工程、化學(xué)工程、建筑工程等舊模塊的劃分，形成了融機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)為一體的一門新興的交叉學(xué)科。
圖1-1 機(jī)電一體化技術(shù)的形成
“機(jī)電一體化”的英文是“mechatronics”,它是機(jī)械（mechanics）和電子(electronics)兩個(gè)字的合成詞，本詞在20世紀(jì)70年代中期由日本首先開(kāi)始使用，現(xiàn)在已得到很多國(guó)家的普遍認(rèn)同，并得到廣泛使用。從廣義上可以概括為“機(jī)械工程與電子工程相結(jié)合的技術(shù)，以及應(yīng)用這些技術(shù)的機(jī)械電子裝置”。
“機(jī)電一體化”具有“技術(shù)”與“產(chǎn)品”兩方面的內(nèi)容。機(jī)電一體化技術(shù)主要是指其技術(shù)原理和機(jī)電一體化系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。機(jī)電一體化產(chǎn)品主要
是指機(jī)械系統(tǒng)和微電子系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，從而賦予了新功能和性能的新一代產(chǎn)品。
1.1.2 機(jī)電一體化的基本組成要素
一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)（機(jī)構(gòu)）、電子信息處理系統(tǒng)（計(jì)算
機(jī)）、動(dòng)力系統(tǒng)（動(dòng)力源）、傳感檢測(cè)系統(tǒng)（傳感器）、執(zhí)行元件系統(tǒng)（如電動(dòng)機(jī)）五個(gè)系統(tǒng)組成，如圖1-2所示，各組成要素和環(huán)節(jié)之間通過(guò)接口相聯(lián)系。
動(dòng)力
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
計(jì)算機(jī)
傳感器
機(jī)械結(jié)構(gòu)
圖1-2機(jī)電一體化系統(tǒng)的五大要素
（1） 機(jī)械系統(tǒng)
用于支撐和連接其他要素，并把這些要素合理地結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)有機(jī)整體。機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)必要的組成部分，沒(méi)有它，系統(tǒng)的各個(gè)部分就會(huì)支離破碎，無(wú)法構(gòu)成具有特定功能的機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)。例如，工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的本體就是機(jī)身和床身；指針式電子表的本體是表殼。
（2） 計(jì)算機(jī)信息處理和控制系統(tǒng)
機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本特征是給“機(jī)械“添加了頭腦，根據(jù)機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能和性能要求，信息處理與控制系統(tǒng)接收傳感和檢測(cè)系統(tǒng)反饋的信息，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理、運(yùn)算和決策，以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行施以控制，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制功能。機(jī)電一體
化產(chǎn)品中，信息處理與控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)硬件和軟件以及相應(yīng)的接口電路組成。硬件一般包括輸入輸出設(shè)備、顯示器、可編程控制器和數(shù)字控制。軟件一般包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。機(jī)電一體化產(chǎn)品要求信息處理速度快，A/D和D/A轉(zhuǎn)換及分時(shí)處理
時(shí)的輸入輸出可靠，系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)。
（3） 動(dòng)力系統(tǒng)
按照機(jī)電一體花系統(tǒng)的控制要求，為機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力，去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，以完成預(yù)定的功能。動(dòng)力系統(tǒng)包括電、液、氣等多種動(dòng)力源。
（4） 傳感檢測(cè)系統(tǒng)
機(jī)電一體化產(chǎn)品在運(yùn)行過(guò)程中自身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)按一定精度要求轉(zhuǎn)化成測(cè)定的物理量，為機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(yùn)行控制提供所需要的各種信息。傳感與檢測(cè)系統(tǒng)的功能一般由傳感器或儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)其要求是體積小、便于安裝與連接、檢測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)等。
（5）執(zhí)行元件
在控制信息的作用下完成要求的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的主功能。執(zhí)行元件一般是運(yùn)動(dòng)部件，常采用電液、機(jī)械、氣動(dòng)等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)因機(jī)電一體化產(chǎn)品的類型和作業(yè)對(duì)象不同而有較大差異。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品木的功能的直接執(zhí)行者，其性能好壞決定著整個(gè)產(chǎn)品的性能，因而是機(jī)電一體化產(chǎn)品中重要的組成部分。
1.1.3 機(jī)電一體化產(chǎn)品的特點(diǎn)
與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品比較，具有以下特點(diǎn)：
（1） 綜合性與系統(tǒng)性
機(jī)電一體化是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等群體技術(shù)與機(jī)械技術(shù)結(jié)合而成綜合技術(shù)。各種技術(shù)的綜合及多個(gè)部分的組合，使得機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品更具有系統(tǒng)性、完整性和科學(xué)性。
（2） 多層次，覆蓋面廣
機(jī)電一體化技術(shù)不僅體現(xiàn)在一些單機(jī)產(chǎn)品中，而且貫穿于工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。從單臺(tái)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，到現(xiàn)代工業(yè)中的柔性制造系統(tǒng)；從簡(jiǎn)單的單參數(shù)顯示，到復(fù)雜的多參數(shù)、多級(jí)控制；從簡(jiǎn)單的零件自動(dòng)加工生產(chǎn)線，到各種現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備、交通工具的自動(dòng)化生產(chǎn)線等，機(jī)電一體化技術(shù)都有其不同層次、覆蓋面很廣的應(yīng)用領(lǐng)域。
（3） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便
機(jī)電一體化系統(tǒng)采用了新型器件和裝置代替了笨重而復(fù)雜的機(jī)械或電子裝置。微
處理器控制裝置可以方便地完成過(guò)去靠機(jī)械傳動(dòng)鏈和機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械結(jié)
構(gòu)簡(jiǎn)化，體積減少，重量減輕，不僅提高了自動(dòng)化程度，而且大大提高產(chǎn)品質(zhì)量。機(jī)
電一體化技術(shù)使得操作人員擺脫了以往必須按操作規(guī)程或節(jié)拍頻率緊張地進(jìn)行單調(diào)重復(fù)操作的工作方式，能方便地控制和改變生產(chǎn)操作程序，如數(shù)控機(jī)床、柔性制造系統(tǒng)。
（4） 精度高，功能強(qiáng)
機(jī)電一體化技術(shù)使機(jī)械傳動(dòng)部件減少，因而使機(jī)械磨損、配合間隙和受力變形等所引起的動(dòng)作誤差大大減少。由于采用了電子技術(shù)，反饋控制技術(shù)水平的提高，能進(jìn)行高速處理，通過(guò)電子自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)診斷、校正、補(bǔ)償、從而達(dá)到工作要求。
（5） 高可靠性、高穩(wěn)定性和高使用壽命
傳統(tǒng)機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)一般都伴隨著磨損及運(yùn)動(dòng)部件配合間隙所引起的動(dòng)作誤差、同時(shí)發(fā)出噪聲、振動(dòng)等，影響裝置的壽命、穩(wěn)定性和可靠性。而機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用，使裝置的運(yùn)動(dòng)部件減少，磨損也大為減少，例如集成化接近開(kāi)關(guān)甚至無(wú)機(jī)械磨損。因此裝置壽命提高，故障率降低，從而提高了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。
1.1.4 機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，機(jī)電一體化技術(shù)正在不斷地深入到各個(gè)領(lǐng)域并迅猛地向前推進(jìn)，它已引起機(jī)械工業(yè)部門許多深刻變革。因此，了解其發(fā)展前景與發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于掌握新技術(shù)產(chǎn)生與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系與規(guī)律，對(duì)于跟蹤世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展的步伐是十分重要的。
雖然世界各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家發(fā)展機(jī)電一體化各有特點(diǎn)，發(fā)展的重點(diǎn)和具體做法也不盡相同。但總的趨勢(shì)則是趨于一致的，歸納起來(lái)有以下幾個(gè)發(fā)展方向：
（1） 復(fù)合化
（2） 微型化
（3） 高性能化
（4） 移動(dòng)化
（5） 智能化
（6） 層次化
（7） 模塊化
（8） 網(wǎng)絡(luò)化
1.2 機(jī)床數(shù)控化的意義及特點(diǎn)
1.2.1 數(shù)控機(jī)床的基本概念
數(shù)字控制機(jī)床(Numerical Control Machine Tools)簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床，這是一種將數(shù)字計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床的控制技術(shù)。它把機(jī)械加工過(guò)程中的各種控制信息用代碼化的數(shù)字表示，通過(guò)信息載體輸入數(shù)控裝置。經(jīng)運(yùn)算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號(hào)，控制機(jī)床的動(dòng)作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動(dòng)地將零件加工出來(lái)。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(wèn)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。
1.2.2 數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床的組成: 數(shù)控機(jī)床的基本組成包括加工程序載體、數(shù)控裝置（CNC）、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)床主體。
（1） 控制介質(zhì)
人和數(shù)控機(jī)床聯(lián)系的媒介物。控制介質(zhì)可以是穿孔帶，也可以是穿孔卡、磁帶、磁盤或其他可以儲(chǔ)存代碼的載體 ，有些直接集成在CAD/CAM中
（2）數(shù)控裝置
數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的中樞，在普通數(shù)控機(jī)床中一般由輸入裝置、存儲(chǔ)器、控制器、運(yùn)算器和輸出裝置組成。數(shù)控裝置接收輸入介質(zhì)的信息，并將其代碼加以識(shí)別、儲(chǔ)存、運(yùn)算，輸出相應(yīng)的指令脈沖以驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，進(jìn)而控制機(jī)床動(dòng)作。在計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床中，由于計(jì)算機(jī)本身即含有運(yùn)算器、控制器等上述單元，因此其數(shù)控裝置的作用由一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)完成 。
（2） 伺服系統(tǒng)
其作用是把來(lái)自數(shù)控裝置的脈沖 信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，包括信號(hào)放大和驅(qū)動(dòng)元件。其性能好壞直接決定加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率。
（3） 機(jī)床
早期采用通用車床，現(xiàn)在采用了新的加強(qiáng)剛性、減小熱變形、提高精度等方面的技術(shù)使其發(fā)生了很大的變化。
1.2.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)
數(shù)控加工就是數(shù)控機(jī)床在加工程序的驅(qū)動(dòng)下將毛坯加工成合格零件的加工過(guò)程。數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)具有普通機(jī)床所沒(méi)有的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理功能、智能識(shí)別功能以及自動(dòng)控制能力。數(shù)控加工與常規(guī)加工相比有著明顯的區(qū)別，其特點(diǎn)如下：
（1）自動(dòng)化程度高，易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制
除了裝夾工件還需要手工外，全部加工過(guò)程都在數(shù)控程序的控制下，由數(shù)控機(jī)床自動(dòng)完成，不需要人工干預(yù)。因此加工質(zhì)量主要由數(shù)控程序的編制質(zhì)量來(lái)控制。
（2）數(shù)控加工的連續(xù)性高
工件在數(shù)控機(jī)床上只需裝夾一次，就可以完成多個(gè)部位的加工，甚至完成工件的全部加工內(nèi)容。配有刀具庫(kù)的加工中心能裝有幾把甚至幾十把備用刀具，具有自動(dòng)換刀功能，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序控制的全自動(dòng)換刀，不需要中斷加工過(guò)程，生產(chǎn)效率高。
（3）數(shù)控加工的一致性好
數(shù)控加工基本消除了操作者的主觀誤差，精度高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、互換性好
（4）適合于復(fù)雜零件的加工
數(shù)控加工不受工件形狀復(fù)雜程度的影響，應(yīng)用范圍廣。它很容易實(shí)現(xiàn)渦輪葉片、成型模具等帶有復(fù)雜曲面、高精度零件的加工，并解決一些如裝配要求較高，常規(guī)加工中難以解決的難題。
（5）便于建立網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)
例如建立直接數(shù)控系統(tǒng)（DNC），把編程、加工、生產(chǎn)管理連成一體，建立自動(dòng)化車間，走向集成化制造。甚至于CAD系統(tǒng)集成，形成企業(yè)的數(shù)字化制造體系。數(shù)控程序由CAM軟件編制，采用數(shù)字化和可視化技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上用人機(jī)交互方式，能夠迅速完成復(fù)雜零件的編程，從而縮短產(chǎn)品的研制周期。
近年來(lái)，隨著數(shù)控機(jī)床的模塊化發(fā)展，使數(shù)控加工設(shè)備增加了柔性化的特點(diǎn)。先進(jìn)的柔性加工不僅適合于多品種、小批量生產(chǎn)的需要，而且增加了自動(dòng)變換工件的功能，能交替完成兩種或更多種不同零件的加工，可實(shí)現(xiàn)夜間無(wú)人看管的生產(chǎn)操作。有數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床（加工中心）組成的柔性制造系統(tǒng)（FMS）是一種具有更高柔性的自動(dòng)化制造系統(tǒng)，具有將加工、裝配和檢驗(yàn)等制造過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)高度集成的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。
1.2.4 機(jī)床數(shù)控化的意義
一般說(shuō)來(lái)，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性。
（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。
（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。
（3） 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要工人"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） 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看管加工。
（6） 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)需求作出快速反應(yīng)等等。
2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 概述
機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)械系統(tǒng)包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向支撐機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要功能是完成一系列機(jī)械運(yùn)動(dòng)，起到傳遞機(jī)械力、運(yùn)動(dòng)、能量和支撐整個(gè)系統(tǒng)的作用，是機(jī)電一體化產(chǎn)品中不可缺少的組成部分。由于在機(jī)電一體化產(chǎn)品中廣泛采用伺服技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，每一個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)可單獨(dú)由控制電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成子系統(tǒng)來(lái)完成，各個(gè)子系統(tǒng)之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)由計(jì)算機(jī)來(lái)完成，因此機(jī)械系統(tǒng)已經(jīng)成為整個(gè)伺服系統(tǒng)的一部分，其性能對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品有著重要影響。
（1） 機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的基本要求
① 高精度 精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，機(jī)電一體化產(chǎn)品的技術(shù)性能、工藝水平和功能比普通機(jī)械產(chǎn)品都有很大的提高，因此機(jī)電一體化產(chǎn)品的機(jī)械系統(tǒng)的高精度要求是首要的。
② 低慣量 快速響應(yīng)是控制系統(tǒng)的一相重要指標(biāo)，這就要求作為伺服系統(tǒng)一部分的機(jī)械系統(tǒng)慣性要低，包括重量輕和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、低阻尼等。
③ 穩(wěn)定性 即要求機(jī)械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境影響，抗干擾能力強(qiáng)。
（2）機(jī)械系統(tǒng)的組成及其設(shè)計(jì)要求
①傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅僅是運(yùn)動(dòng)和力矩的變換，而且已經(jīng)成為伺幅系統(tǒng)的一部分，它要根據(jù)伺服控制的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)以滿足整個(gè)系統(tǒng)的良好伺服性能。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能主要取決于傳動(dòng)類型及其傳動(dòng)方式、傳動(dòng)精度、動(dòng)態(tài)特性即可靠性，在伺服系統(tǒng)中，還要考慮它們對(duì)伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速性的影響。對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，其傳動(dòng)精度不僅取決于單個(gè)傳動(dòng)件的精度，還取決于整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。此外，機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳動(dòng)裝置還要滿足小型、輕量化、高速化、低振動(dòng)、低噪聲和高可靠性等方面的要求。
② 導(dǎo)向支撐機(jī)構(gòu) 機(jī)電一體化產(chǎn)品要求其機(jī)械系統(tǒng)的各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須得到安全的支撐，并能準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)任務(wù)由導(dǎo)向支撐機(jī)構(gòu)來(lái)完成。導(dǎo)向支撐機(jī)構(gòu)的精度、剛度、抗震性、熱穩(wěn)定性等因素都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精度、動(dòng)態(tài)特性和可靠性。
③ 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)操作指令的要求在動(dòng)力源的帶動(dòng)下完成預(yù)定的操作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能。因此，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)能準(zhǔn)確定位，具有較高的靈敏度、良好的可重復(fù)性和可靠性。
2.2 滾珠絲杠螺母副
2.2.1 滾珠絲杠副的特點(diǎn)
（1）傳動(dòng)效率高，磨擦損失小
η= 式中 β-螺旋線生角 -摩擦角
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率η=0.9~0.96，比常規(guī)絲杠副提高了3~4倍，因此功率消耗小。
（2） 予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母之間的間隙
滾珠絲杠副預(yù)緊后，可消除螺紋間隙，這樣反向時(shí)就沒(méi)有空程死區(qū)，反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向剛度。
（3） 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高
滾珠絲杠副是滾動(dòng)摩擦，阻力小，這樣就可以保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠副是滾動(dòng)摩擦，沒(méi)有爬行現(xiàn)象，故傳動(dòng)精度高。
（4） 可逆性
滾珠絲杠副摩擦損失小，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件或從動(dòng)件。
（5） 摩損小，使用壽命常
因?yàn)闈L動(dòng)摩擦的摩擦系數(shù)小，磨損也小，故使用壽命常。
（6） 制造工藝復(fù)雜，成本高
滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，光潔度也高，故制造成本也高。
（7） 不能自鎖
特別是垂直絲杠（立向），由于自重慣性力的關(guān)系，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需要要添加制動(dòng)裝置。
2.2.2 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型
（1）外循環(huán)插管式
外循環(huán)插管式滾珠絲杠副的滾珠，在循環(huán)過(guò)程中有一段離開(kāi)絲杠表面，通過(guò)彎管形成回路。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，但徑向尺寸大，且彎管兩端管舌耐磨性和抗沖擊性差。如圖2-1(b)所示
（2）內(nèi)循環(huán)反向器式
內(nèi)循環(huán)反向器式滾珠絲杠副的滾珠，在循環(huán)過(guò)程中始終與絲杠表面接觸，通
過(guò)反向器越過(guò)螺紋的外徑進(jìn)入相鄰滾道，形成一個(gè)循環(huán)回路。內(nèi)循環(huán)反向器式結(jié)構(gòu)回路短，摩擦小，效率高，徑向尺寸小，制造成本高。如圖2-1(a)所示
圖2-1 滾珠絲杠螺母副
2.2.3 滾珠絲杠的計(jì)算與選用
計(jì)算進(jìn)給率引力FM
FM=Gf’=150×0.05=7.5N
計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C
L=60×n×T×10-6
式中 L0—滾珠絲杠導(dǎo)程，初選 L0=6
VS —最大負(fù)載下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2—1/3，此處VS 為0.375m/min
fw —運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) fw=1.2—1.5
L—壽命、以106為一單位
L=60×n×T×10-6=60×62. 5×15000×10-6=56.25
滾珠絲杠副的選型：DFU25-4
2.3 導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)
2.3.1導(dǎo)軌
導(dǎo)軌副用于引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件的走向，保證執(zhí)行件的正確運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過(guò)摩擦和阻尼影響執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)特性，如定位精度和低速均勻性。導(dǎo)軌副包括運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌。支撐導(dǎo)軌用以支撐和約束運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，使之按要求作正確的運(yùn)動(dòng)。
導(dǎo)軌應(yīng)滿足的要求
（1）導(dǎo)向精度 導(dǎo)向精度指導(dǎo)軌副中運(yùn)動(dòng)件實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向與給定運(yùn)動(dòng)方向之間的準(zhǔn)確程度。
（2）接觸精度 以導(dǎo)軌表面的實(shí)際接觸面積占理論接觸面積的百分比或25×25面積上接觸點(diǎn)的數(shù)目和分布狀況來(lái)表示
（3）精度保持性 精度的保持性是指導(dǎo)軌在長(zhǎng)期使用后，對(duì)導(dǎo)向精度的保持能力，主要由導(dǎo)軌的耐磨性決定的。提高導(dǎo)軌的精度保持性，必須對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行正確的潤(rùn)滑和防護(hù)。
（4）運(yùn)動(dòng)的靈活性和低速運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性 機(jī)電一體化產(chǎn)品要求較高的定位精度和速度精度，因此要求導(dǎo)軌具有較好的靈活性和穩(wěn)定性，工作時(shí)應(yīng)速度均勻，，低速運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是在劃塊之間放入適當(dāng)?shù)匿撉颍瑵L動(dòng)導(dǎo)軌的配對(duì)導(dǎo)軌面間由鋼珠隔開(kāi)，導(dǎo)軌面不直接接觸，運(yùn)動(dòng)時(shí)與鋼珠產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，大大降低二者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，摩擦阻力可降到原來(lái)的1/40，使驅(qū)動(dòng)功率大幅度下降，適應(yīng)高速直線運(yùn)動(dòng)，其瞬時(shí)速度比比滑動(dòng)導(dǎo)軌提高約10倍，能實(shí)現(xiàn)高定位精度和從復(fù)定位精度。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、反響器、保持架、密封端蓋及擋板組成如圖2-2所示。
圖2-2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的特點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：
（1）高剛性，四方向等負(fù)荷設(shè)計(jì) 滑塊的高剛性斷面設(shè)計(jì)與4列鋼珠45°圓弧接觸角的設(shè)計(jì)，除了提供徑向、反徑向及橫方向四方向的相同額定負(fù)荷能力，并且能夠施加足夠的預(yù)壓增強(qiáng)其剛性，適合各種安裝方式的應(yīng)用。
（2）具自動(dòng)調(diào)心能力 正面組合（DF組合）的圓弧滿槽設(shè)計(jì)，使其具有自動(dòng)調(diào)整的能力，即使給于預(yù)壓也能夠吸收安裝誤差，并維持平滑穩(wěn)定、高精度的直線運(yùn)動(dòng)。
（3）行走順暢度佳，低噪音 簡(jiǎn)單圓滑的鋼珠回流路徑設(shè)計(jì)，并采用耐衡擊的強(qiáng)化合成樹(shù)脂之鋼珠循環(huán)配件，運(yùn)轉(zhuǎn)順暢度佳，噪音度低 。
（4）具互換之特性 在嚴(yán)密的制造精度管理下，尺寸能夠維持在穩(wěn)定的公差內(nèi)，所以對(duì)于互換型線性滑軌，組裝時(shí)可將滑塊任意配裝在同型號(hào)的滑軌上，并且保持其相同的順暢度、預(yù)壓及精度，組裝與維修最容易。
（5）卓越的高速性，壽命長(zhǎng) 因通過(guò)保持器使球與球之間的相互摩擦消失，相對(duì)摩擦速度成為1/2，面壓降低，發(fā)熱減少，既能延長(zhǎng)壽命又具有卓越的高速性。
（6）長(zhǎng)期無(wú)須維修保養(yǎng) 因通過(guò)保持器使球與球之間的相互摩擦消失，球的磨損消失，增強(qiáng)了潤(rùn)滑脂的保持性，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期無(wú)須維修保養(yǎng)。
2.3.2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的承載能力計(jì)算
計(jì)算承載能力時(shí)，要求滾動(dòng)體的最大載荷不得超過(guò)許用載荷：
（1）初選滾珠直徑為d=9mm,工作臺(tái)重量G=75N（本設(shè)計(jì)負(fù)載為0） 導(dǎo)軌預(yù)緊力為F1=198N 工作行程l=100mm 滾動(dòng)體數(shù)目最大值：
Z ≤ = =9
受載最大滾動(dòng)體上的負(fù)載FMAX=G/Z=274/9=30N
（2）滾動(dòng)體許用負(fù)載計(jì)算
滾動(dòng)體上的許用負(fù)載 F=Kd2ξ=60×0.92×1=48.6N
式中 d —— 為滾珠直徑（cm）
K —— 作用在滾動(dòng)體橫斷面上的假定應(yīng)力（N/ cm2）見(jiàn)表2-1
ξ—— 考慮到導(dǎo)軌硬度的修正系數(shù)，見(jiàn)表2-2
表2-1 滾動(dòng)體橫斷面上的假定應(yīng)力K
導(dǎo)軌類型
K（N/ cm2）
氮化導(dǎo)軌
鋼制高頻淬火導(dǎo)軌
鋼制淬火導(dǎo)軌
60~62HRC
鑄鐵導(dǎo)軌
200HBS
滾珠導(dǎo)軌
40
50
60
2
短滾柱導(dǎo)軌b/d=1
1500
1800
2000
200
長(zhǎng)滾柱導(dǎo)軌b/d≥3
1000
1300
1500
150
表2-2 導(dǎo)軌硬度的修正系數(shù)
鑄鐵導(dǎo)軌
HBS
160
180
200
220
ξ
0.6
0.8
1
1.7
鋼質(zhì)淬火導(dǎo)軌
HRC
50
55
57
60
ξ
0.52
0.7
0.8
1
計(jì)算結(jié)果滿足FMAX＜F 即28.6＜48.6
（3）滾動(dòng)導(dǎo)軌的剛度驗(yàn)算
滾動(dòng)導(dǎo)軌應(yīng)驗(yàn)算接觸剛度，即接觸變形δ的大小 δ=λ2P
式中 λ2 —— 滾珠的柔度系數(shù) 如圖2-3所示
P —— 每個(gè)滾珠所受的負(fù)載（N）
圖2-3 滾動(dòng)導(dǎo)軌柔度系數(shù)與負(fù)載的關(guān)系
3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 伺服系統(tǒng)概述
3.1.1 伺服系統(tǒng)基本概念
伺服系統(tǒng)（servo system）也叫隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
伺服系統(tǒng)是根據(jù)輸入指令與輸出的物理量之間的偏差進(jìn)行動(dòng)作控制的.因此伺服系統(tǒng)的工作過(guò)程是一個(gè)偏差不斷產(chǎn)生,又不斷消除的動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程.
許多機(jī)電一體化產(chǎn)品(如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等)，需要對(duì)輸出量進(jìn)行跟蹤控制，因而伺服系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分是實(shí)現(xiàn)某些產(chǎn)品目的功能的主體。伺服系統(tǒng)中離不開(kāi)機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)，其功能是通過(guò)機(jī)電結(jié)合才得以實(shí)現(xiàn)的，因此，伺服系統(tǒng)本身就是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。
3.1.2 伺服系統(tǒng)基本類型
伺服系統(tǒng)種類很多，采用不同的分類方法，可以得到不同的伺服系統(tǒng)。
按被控量不同可將伺服系統(tǒng)分為：位置伺服系統(tǒng)、速度伺服系統(tǒng)、力伺服系統(tǒng)等。其中最常見(jiàn)的是位置伺服系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)等。
按控制方式不同可將伺服系統(tǒng)分為：開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中無(wú)檢測(cè)反饋元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度低；閉環(huán)伺服系統(tǒng)直接對(duì)工作臺(tái)等移動(dòng)部件進(jìn)行檢測(cè)和反饋，因而精度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的檢測(cè)元件位于機(jī)械執(zhí)行裝置中間（如伺服電機(jī)軸、滾珠絲杠上），將大部分機(jī)械構(gòu)件封閉在反饋環(huán)節(jié)之外，性能介于開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)之間。
3.1.3 伺服系統(tǒng)的基本組成
本設(shè)計(jì)中采用由步進(jìn)電機(jī)控制的開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，其功能組成如圖3-1所示。
輸入
輸出
步進(jìn)電機(jī)
功率放大
光電隔離
脈沖分配
圖3-1 伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖
3.1.4 伺服系統(tǒng)的基本要求
（1） 輸出位置精度要高
靜態(tài)上要求定位精度和重復(fù)定位精度要高，即定位誤差和重復(fù)定位誤差要小 (以保證尺寸精度) 。動(dòng)態(tài)上要求跟隨精度高，即跟隨誤差要小，這是動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) (以保證輪廓精度) 。另外，要求靈敏度高，有足夠高的分辯率。
（2） 響應(yīng)速度快
執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度的建立時(shí)間tp 應(yīng)盡可能短。通常要求從0→Fmax（Fmax→0 ） , 其時(shí)間應(yīng)小200ms，否則對(duì)機(jī)械部件不利，有害于加工質(zhì)量。????
（3） 調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性(在調(diào)速范圍內(nèi))
穩(wěn)定性是指輸出速度的波動(dòng)要少，尤其是在低速時(shí)的平穩(wěn)性顯得特別重要
（4） 負(fù)載特性要硬
在系統(tǒng)負(fù)載范圍內(nèi)，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出速度應(yīng)基本不變。即△F盡可能??；當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，要求速度的恢復(fù)時(shí)間短且無(wú)振蕩。即△t盡可能短；另外應(yīng)有足夠的過(guò)載能力。這是要求伺服系統(tǒng)有良好的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)剛度。
（5） 能可逆運(yùn)行和頻繁靈活啟停。
（6） 系統(tǒng)的可靠性高，維護(hù)使用方便，成本低。
3.2 伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件
執(zhí)行元件亦稱為驅(qū)動(dòng)元件，是各類工業(yè)機(jī)器人、CNC機(jī)床、各種自動(dòng)化機(jī)械、計(jì)算機(jī)外設(shè)、車輛電子設(shè)備等一系列機(jī)電一體化產(chǎn)品必不可少的驅(qū)動(dòng)部件。該元件是處于機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)行機(jī)構(gòu)和微電子控制裝置的接點(diǎn)部位的能量轉(zhuǎn)換元件，能在微電子裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。
3.2.1 執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn)
（1） 電氣執(zhí)行元件
電氣執(zhí)行冤元件包括控制電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)），靜電電動(dòng)機(jī)，磁致伸縮器件、電磁鐵、超聲波電機(jī)等。對(duì)控制電機(jī)的性能要求除穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)之外，還要求有良好的加速、減速性能以及頻繁使用的適用性和便于維修性能。
（2） 液壓執(zhí)行器件
在同樣輸出功率下，液壓驅(qū)動(dòng)裝置具有重量輕、慣量小、快速性好等優(yōu)點(diǎn)。它通常不用減速器便可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)得到平滑運(yùn)動(dòng)，且無(wú)死區(qū)。適用于驅(qū)動(dòng)大規(guī)模機(jī)器。
（3） 氣壓執(zhí)行元件
氣壓執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓執(zhí)行元件無(wú)區(qū)別。氣壓執(zhí)行元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置控制特性不好，只用在點(diǎn)到點(diǎn)的簡(jiǎn)單固定動(dòng)作。氣壓驅(qū)動(dòng)雖可獲得較大驅(qū)動(dòng)力、行程和速度，由于空氣的可壓縮性，只能用在定位精度不高的場(chǎng)合。
3.3 步進(jìn)電機(jī)
3.3.1步進(jìn)電機(jī)原理
步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,?廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。如圖3-2所示
圖3-2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理圖
3.3.2 步進(jìn)電機(jī)特性
(1)步進(jìn)電機(jī)是用脈沖控制的，步距角和轉(zhuǎn)速大小不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，而僅僅與輸入脈沖頻率成正比，電機(jī)的速度與每秒輸入脈沖數(shù)目(脈沖速率:Pulse rate)成比例。通常不需要反饋就能夠?qū)λ俣群臀恢眠M(jìn)行控制；
(2)精度高，運(yùn)行可靠。
(3) 旋轉(zhuǎn)角只有周期性誤差，誤差不會(huì)逐步累積。
(4)與數(shù)組設(shè)備兼容，能夠直接接收數(shù)字信號(hào)。
(5)可以快速起動(dòng)，制動(dòng)，反轉(zhuǎn)，而且具有自鎖的能力。
(6)工作環(huán)境不受各種環(huán)境條件諸如溫度，壓力，振動(dòng)，沖擊等影響。
3.3.3 步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算
（1） 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3-3。傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J∑（Kg.cm2）由下式計(jì)算：
式中 JM —— 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.cm2）；
JS —— 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.cm2）；
G —— 工作臺(tái)重量（N）；
L0 —— 滾珠絲杠導(dǎo)程（cm）
初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)90BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JM=2 Kg.cm2
JS=0.78×10-3×2.54×36.5=1.1 Kg.cm2
代入上式
對(duì)于步進(jìn)電機(jī)而言為了獲得良好的啟動(dòng)能力和較快的響應(yīng)速度，需滿足轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配條件： 滿足要求。
圖3-3 傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
（2） 電機(jī)力矩計(jì)算
快速啟動(dòng)所需力矩M起
代入數(shù)據(jù)：
折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩：
代入數(shù)據(jù)：
附加摩擦轉(zhuǎn)矩：
綜合上述三項(xiàng)：
快速移動(dòng)時(shí)所需力矩M快： M快 =Mf+ M0=3.8+0.4=4.2N.cm
從上面計(jì)算可以看出，M起、 M快兩種情況下，M起最大，所以以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)λ= =0.951
因?yàn)殡姍C(jī)要滿足，所以
按此最大靜轉(zhuǎn)矩選型，90BF002最大靜轉(zhuǎn)矩為3.92N.M。
計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和工作頻率：
90BF002允許的最高空載起動(dòng)頻率為3800Hz，運(yùn)行頻率為16000Hz，起動(dòng)矩頻特性曲線如圖3-4，完全可以滿足要求。
圖3-4 90BF002型起動(dòng)矩頻特性
3.4 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制
本設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖按控制要求發(fā)給電機(jī)各相。90BF002步進(jìn)電機(jī)為五相十拍，其通電順序?yàn)锳BC—BC—BCD—CD—CDE—DE-DEA— EA—EAB—AB（正轉(zhuǎn)）；BA—BAE—AE—AED—ED—EDC—DC—DCB—CB—CBA（反轉(zhuǎn)）脈沖分配器就是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)各相通電順序的。為使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定功率，需要有足夠的功率提供給電機(jī)，因此需要功率放大環(huán)節(jié)。脈沖分配器及微機(jī)和接
口，工作電平為+5V，而電動(dòng)機(jī)電源需符合步進(jìn)電機(jī)的額定電壓。為避免強(qiáng)電干擾，在他們之間加隔離電路。
3.4.1 脈沖分配器
又叫環(huán)行分配器，有硬件環(huán)行分配器和軟件環(huán)行分配器，硬件環(huán)行分配器需要的I/O口接線少，且執(zhí)行速度快，需要專用芯片。
硬件環(huán)行分配器： 是由門電路極其邏輯電路組成，目前已經(jīng)大量采用可靠性高、外形尺寸小、使用方便的集成脈沖分配器。選用國(guó)產(chǎn)TTL集成脈沖分配器YB015。其性能參數(shù)數(shù)見(jiàn)表3-1
表3-1 TTL脈沖分配器主要性能參數(shù)
輸出高電平（V）≥
輸出低電平（V）≤
輸入低電平（V）≤
輸入電高平（V）≥
吸收電流（mA）
工作頻率(Hz)
電源電壓（V）
環(huán)境溫度(℃)
2.4
0.4
0.8
2.4
1.6
0—160
5±0.5
0—+70
各引腳功能如下：
E0— 選通輸出控制。
R—清零
A1、A0—?jiǎng)?lì)磁方式控制。對(duì)于五相脈沖分配器：A0為高電平使步進(jìn)電機(jī)以五相十拍通電方式工作。
E1、E2——選通輸入控制
CP—時(shí)鐘輸入端
Δ—正反轉(zhuǎn)控制端
S—出錯(cuò)報(bào)警輸出。
3.4.2光電隔離電路
在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組，在接口處將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，損壞系統(tǒng)正常運(yùn)行，在接口電路與功率放大器之間加隔離電路，通常使用光電耦合。光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。
光電藕荷器的基本類型：共集電極輸出型、共射集輸出型、達(dá)林頓管、晶閘管輸出型。
3.4.3 功率放大電路
脈沖分配器的輸出功率很小，不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，必須將它放大產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
從步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性可以看出，隨著運(yùn)行頻率的增高，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降，主要原因是步進(jìn)電機(jī)是感性負(fù)載，改變通電狀態(tài)時(shí)，通電繞組中的電流逐漸增大，繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使電流指數(shù)規(guī)律上升，并將電源一部分能量存儲(chǔ)在繞組中，致使電機(jī)各相繞組中電流幾乎同時(shí)存在，電機(jī)負(fù)載能力下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)失步。電流的時(shí)間常數(shù)為τ=LM/R LM—相繞組平均電感 R— 通電回路電阻
為了改善電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，必須改善電流波形，使前后沿更陡些，可采取以下方法：
（1）電阻法 在電機(jī)繞組回路串聯(lián)一電阻R0，減小電流時(shí)間常數(shù)。缺點(diǎn)是功耗大，效率低，使用于小功率電機(jī)。
（2）雙電源法
4 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
4.1概述
控制系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中最重要的組成部分，它主要實(shí)現(xiàn)控制及信息處理功能，此外機(jī)電一體化的其他內(nèi)部功能也要在控制系統(tǒng)的控制和協(xié)調(diào)下才能得以實(shí)現(xiàn)。
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的組成：
（1） 主控制器，即中央處理器CPU；
（2） 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線；
（3） 存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；
圖4-1 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開(kāi)環(huán)系統(tǒng)）
4.2 MCS-51單片機(jī)簡(jiǎn)介
MCS-51單片機(jī)是美國(guó)INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，與MCS-48單片機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)更先進(jìn)，功能更強(qiáng)，在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達(dá)111條，MCS-51單片機(jī)可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品。MCS-51系列單片機(jī)8031基本特性：
（1） 4kbytes 程序存儲(chǔ)器(ROM)
（2） 128bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)
（3） 32條I/O口線
（4） 111條指令，大部分為單字節(jié)指令
（5） 21個(gè)專用寄存器
（6） 2個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器
（7） 5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)
（8） 一個(gè)全雙工串行通信口
（9） 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為64kB
（10） 外部程序存儲(chǔ)器尋址空間為64kB
（11） 邏輯操作位尋址功能
（12） 雙列直插40PinDIP封裝
（13） 單一+5V電源供電
圖4-2 8031單片機(jī)管腳圖
4.2.1 8031管腳功能
40根引腳按其功能分為四類:
(1)電源線 2根
VCC: 編程和正常操作時(shí)的電源電壓,接+5V;
VSS: 地電平.
(2)晶振: 2根
XTAL1:振蕩器的反向放大器輸入.使用外部振蕩器時(shí)必須接地;
XTAL2:振蕩器的反向放大器輸出和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入. 使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào).
(3) I/O口共有P0、P1、P2、P3四個(gè)8位口，32根I/O線功能如下：
①P0.0~P0.7 （AD0~AD7） 在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，該端口分時(shí)地用作低8位地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口。
②P1.0~P1.7 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，專供用戶使用。
③P2.0~P2.7 （A8~A15） 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位的地址A8~A15。
④ P3.0~P3.7 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，該口的每一位均可獨(dú)立定義第一I/O口功能或I/O口第二功能。作為第一功能時(shí)口的結(jié)構(gòu)與操作和P1完全相同，第二功能如下示：
引腳 第二功能
P3.0 RXD（串行輸入口）
P3.1 TXD（串行輸入口）
P3.2 INT0 （外部中斷）低電平有效
P3.3 INT1 （外部中斷）低電平有效
P3.4 T0 （定時(shí)器0外部輸入）
P3.5 T1 （定時(shí)器0外部輸入）
P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）低電平有效
P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）低電平有效
（4） 控制線
①PSEN ；程序存儲(chǔ)器的使能腳，是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，低電平有效；從外部程序存儲(chǔ)器取數(shù)時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)二次有效。
② EA/VPP：EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器指令；EA為低電平時(shí)，CPU執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器指令。8031無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，EA必須接地。
③ALE/PROG ALE是地址鎖存使能信號(hào)。作為地址鎖存允許時(shí)高電平有效，而訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端將有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。更有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，ALE會(huì)跳過(guò)一個(gè)脈沖。如果單片機(jī)是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。
④ RESET/Vpd 復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳， 當(dāng)8031通電，時(shí)鐘電路開(kāi)始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開(kāi)始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)。
4.2.2 8031芯片的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及地址分配
8031內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器, 只有256個(gè)單元RAM，這256個(gè)單元共分為兩部分。其一是地址從00H—7FH單元（共128個(gè)字節(jié)）為用戶數(shù)據(jù)RAM。從80H—FFH地址單元（也是128個(gè)字節(jié)）為特殊寄存器（SFR）單元。從圖4-3中可清楚地看出它們的結(jié)構(gòu)分布。
圖4-3 8031芯片存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)
在00H—1FH共32個(gè)單元中被均勻地分為四塊，每塊包含八個(gè)8位寄存器，均以R0—R7來(lái)命名，我們常稱這些寄存器為通用寄存器
內(nèi)部RAM的20H—2FH單元為位尋址區(qū)，既可作為一般單元用字節(jié)尋址，也可對(duì)它們的位進(jìn)行尋址。
從30H—3FH是可以按字節(jié)尋址的數(shù)據(jù)緩沖區(qū),在此區(qū)域中可以設(shè)置堆棧.由于8031復(fù)位后堆棧指針SP指向工作寄存器區(qū)(SP=07H),用戶必須在初始化程序中對(duì)SP設(shè)置30H以后的地址區(qū)間為初值.
8031芯片內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器,僅有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,在組成控制系統(tǒng)時(shí)可根據(jù)需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器.由于地址線是16位的,最多能擴(kuò)展64K程序存儲(chǔ)器和64K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,其地址為0000H—FFFFH，均可獨(dú)立編址。
4.3 8031應(yīng)用系統(tǒng)中存儲(chǔ)器擴(kuò)展
4.3.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
8031的程序存儲(chǔ)器的尋址空間為64K,內(nèi)部不帶ROM,用作程序存儲(chǔ)器的器件是EPROM.
外部程序存儲(chǔ)器的讀時(shí)序,如圖4-4所示.
圖4-4 外部程序存儲(chǔ)器讀時(shí)序
作為MCS-51單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ)器，其典型產(chǎn)品有2716（2K*8）、2732（4K*8）、2764（8K*8）…27512（64K*8）等。
在選擇程序存儲(chǔ)器芯片時(shí)，首先滿足程序容量，其次在價(jià)格合理情況下盡量選用容量大的芯片。芯片少，接線簡(jiǎn)單，芯片儲(chǔ)存容量大程序調(diào)整余量大。本設(shè)計(jì)中程序大小一般不會(huì)超過(guò)8K，故選擇一片存儲(chǔ)器2764（8K×8）。
8031與2764的連接
（1） 地址線的連接
2764低8位地址線A0—A7經(jīng)地址鎖存器與8031P0口相連，2764高8位地址線A8—A13直接與8031的P2口（P2.0—P2.4）相連，由于8031的P0口是分時(shí)輸出低8位地址和數(shù)據(jù)，故需地址鎖存器，并由地址鎖存允許信號(hào)ALE的下降沿將地址信息鎖存入地址鎖存器。
（2） 數(shù)據(jù)線的連接
存儲(chǔ)器的8位數(shù)據(jù)線D0—D7與8031的P0口直連。
（3） 控制線的連接
8031的PSEN與2764的OE端相連接
8031的EA端直接接地，執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器指令。
4.3.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
， 8031芯片內(nèi)部有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，需要作為工作寄存器、堆棧和數(shù)據(jù)緩沖器使用，當(dāng)控制系統(tǒng)需要暫存的數(shù)據(jù)量較大時(shí)，片內(nèi)RAM往往不夠用，因此需要進(jìn)行片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。MCS-51系列單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展能力最大可達(dá)64KB。
外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀時(shí)序,如圖4-5所示.
圖4-5 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀時(shí)序
在一般的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展中，常選用靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片（SRAM）作為外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用，SRAM具有存取速度快、使用方便、不需要刷新電路，接口簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但系統(tǒng)一旦掉電，內(nèi)部所存數(shù)據(jù)便會(huì)丟失。
常用的靜態(tài)RAM芯片有6116，6264，62256等。本設(shè)計(jì)中選擇芯片6264。
8031與6264的連接
（4） 地址線的連接
6264低8位地址線A0—A7經(jīng)地址鎖存器與8031P0口相連，6264高8位地址線A8—A13直接與8031的P2口（P2.0—P2.4）相連，由于8031的P0口是分時(shí)輸出低8位地址和數(shù)據(jù)，故需地址鎖存器，并由地址鎖存允許信號(hào)ALE的下降沿將地址信息鎖存入地址鎖存器。
（5） 數(shù)據(jù)線的連接
存儲(chǔ)器的8位數(shù)據(jù)線D0—D7與8031的P0口直連。
（6） 控制線的連接
8031的P2.5與6264的CE端相連接作為片選。
8031的WR與6264的WE相連
8031的RD端與6264的OE腳相連。
4.3.3 地址鎖存器
由于8031的P0口是分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片有74L373。74L373是帶三態(tài)緩沖的8D觸發(fā)器。
表4-1 74L373的真值表
E
G
D
Q
L
H
H
H
L
H
L
L
L
L
X
Q0
L— 低電平
H— 高電平
X— 不定態(tài)
Q0— 建立穩(wěn)態(tài)前Q的電平
OE— 使能端，接地
G— 輸入端，與8031ALE連高電平；暢通無(wú)阻低電平，關(guān)門鎖存
當(dāng)G=1時(shí)74L373輸出端與輸入端相同；當(dāng)G=0時(shí)，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。
4.3.4 譯碼電路
MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的譯碼規(guī)則：
（1） 程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址。
（2） 外圍I/O與數(shù)據(jù)擴(kuò)展存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址
（3） CPU在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)地址編碼
地址譯碼法：
（1）全地址譯碼：全譯碼法就是剩余的全部地址線都參與譯碼，譯碼器的輸出作為片選信號(hào)。因?yàn)樽g碼器在某一時(shí)刻只有1條輸出線有效，保證了在某一時(shí)刻只有1個(gè)芯片被選中的要求。全譯碼法則沒(méi)有地址重疊現(xiàn)象，即各存儲(chǔ)單元的地址碼唯一。對(duì)于容量較大的系統(tǒng)，芯片所需要的片選信號(hào)多余可利用的地址線時(shí)，就需要用這種方法。
（2）線選法；線選法就是用剩余的高位地址線（P2口）作片選信號(hào)，只要該地址線為低電平，就選種該芯片。這種方法常用于規(guī)模較小的系統(tǒng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要譯碼器，可節(jié)省硬件，減少成本。缺點(diǎn)是擴(kuò)展芯片數(shù)目受到限制，地址空間不連續(xù)，地址空間沒(méi)充分利用。
4.4 4.4 8031應(yīng)用系統(tǒng)中I/O口擴(kuò)展
MCS-51單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但這些口并不能完全提供給用戶使用。只有對(duì)于片內(nèi)有ROM/RAM的單片機(jī)，才可以使用這個(gè)I/O口。大多數(shù)使用8031需要擴(kuò)展時(shí)，MCS-51單片機(jī)可提供給用戶的I/O口只有P1和P3口線。因此，在使用MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都必須要進(jìn)行I/O擴(kuò)展。
4.4.1 I/O口擴(kuò)展性能
（1） 在MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)中，擴(kuò)展的/度克度微 采取與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相同的尋址方法。
（2） 利用MCS-51串行口的移位工作計(jì)存器工作方式，也可以擴(kuò)展I/O口，這時(shí)擴(kuò)展的I/O口不占用外部RAM地址。
（3） MCS-51單片機(jī)的I/O口主要是通過(guò)總線（P0）擴(kuò)展。
（4） 擴(kuò)展I/O口的硬件相依性。
（5） 擴(kuò)展I/O口的軟件相依性。
4.4.2 I/O口擴(kuò)展方法
（1） 總線擴(kuò)展法。
（2） 串行口擴(kuò)展法。
（3） 通過(guò)單片機(jī)內(nèi)I/O口的擴(kuò)展法。
4.4.3 I/O口擴(kuò)展用芯片
I/O口用芯片主要有通用I/O芯片和TTL、CMOS鎖存器、緩沖器電路芯片兩大類。通用I/O芯片主要有8155、8255、8243、PIO。
4.4.4 8155 可編程并行接口
8155芯片內(nèi)具有：
（1） 256個(gè)字節(jié)RAM，存取時(shí)間為400ns，
（2） 2個(gè)8為，一個(gè)16位的可編程I/O口和1個(gè)14位計(jì)數(shù)器；
（3） 有三個(gè)通用的輸入/輸出口。其中A口和B口是8位口，C口是6位口。C口可做狀態(tài)口，這時(shí)，A口和B口能在應(yīng)答式的輸入/輸出方式下工作
（4） 內(nèi)部有地址鎖存器及多路轉(zhuǎn)換的地址和數(shù)據(jù)總線；
（5） 單一+5V電源，40腳雙列直插式封裝。
8155的結(jié)構(gòu)及引腳如圖4-6所示。
圖4-6 8155的結(jié)構(gòu)及引腳
8155的RAM和I/O地址編碼
表4-2 8155口地址分布
AD7~AD0 選中寄存器
A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
X X X X X 0 0 0 命令/狀態(tài)寄存器
X X X X X 0 0 1 PA口
X X X X X 0 1 0 PB口
X X X X X 0 1 1 PC口
X X X X X 1 0 0 定時(shí)/計(jì)數(shù)器低8位
X X X X X 1 0 1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器高8位
8155的工作方式與基本操作：
（1） 作片外256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
（2） 作擴(kuò)展I/O口使用
（3） 作定時(shí)器擴(kuò)展用
4.5鍵盤輸入與LED顯示
4.5.1 行列式鍵盤
行列式鍵盤由稱矩陣式鍵盤。用I/O線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。其工作原理如圖4-7所示。
圖4-7 鍵盤工作原理
鍵盤工作方式
編程掃描工作方式 編程掃描工作方式是利用CPU在完成其余工作的時(shí)候，調(diào)用鍵盤掃描子程序，來(lái)響應(yīng)鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時(shí)，CPU不再響應(yīng)鍵輸入要求。
定時(shí)掃描工作