X502型立式銑床數(shù)控改裝縱向

第一章和最后的設(shè)計總結(jié)自己寫吧，還有我總結(jié)的這些內(nèi)容可能不完全正確，大家仔細看下，順便加上自己的部分文字。 第二章 機床進給伺服系統(tǒng) 機械部分(縱向)的設(shè)計計算 第一節(jié) 工作載荷分析及計算 根據(jù)指導(dǎo)書的分析，對于數(shù)控銑床來說，可采取按切削用量計算切削力法和按主電機功率法計算切削力計算切削力法兩種。一般來說，對于經(jīng)濟型數(shù)控銑床，可采用按主電機功率計算切削力法。 一、銑削抗力分析 通常都假定銑削時銑刀受到的銑削抗力是作用在刀齒的某一點上。設(shè)刀齒受到的切削抗力的合力為F，將F沿銑刀軸線、徑向和切向進行分解，則分別為軸向銑削力Fx，徑向銑削力Fy和切向銑削力Fz。切向銑削力Fz是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗銑床主電機功率（即銑削功率）最多，因此，切向銑削力Fz可按銑削功率Pm（kw）或主電機功率Pe（kw）算出。 對于現(xiàn)有的機床的改裝設(shè)計，可以從已知機床的電機的功率和主軸上的功率反推出工作臺進給時的銑削力。若該機床的主傳動和進給傳動均用一個電機，進給傳動的功率較小，可在主傳動功率上乘以一個系數(shù)。由機床設(shè)計手冊查得銑床傳動系數(shù)k=0.85。 主傳動功率N包括切削功率Nc、空載功率Nmo、附加功率Nmc三部分，即：N=Nc + Nmo + Nmc?？蛰d功率Nmo是當機床無切削負載時主傳動系統(tǒng)空載所消耗的功率，對于一般輕載高速的中、小型機床，可達總功率的50%，現(xiàn)取Nmo = 0.5N，附加功率Nmc是指有了切削載荷后所增加的傳動件的摩擦功率，它直接與載荷大小有關(guān)?？梢杂孟率接嬎悖琋mc = (1–η)NC，所以總功率為：N=Nc + 0.5N + (1–η)Nc (KW) 則：Nc= (KW) 在進給傳動中切削功率 Nct = kNc = (KW) 上式中k----銑床的傳動系數(shù)，查《機床設(shè)計手冊》得k=0.85 η為傳動效率，可由下式計算 η＝ 由題設(shè)給定的已知條件可知，主軸上的傳動功率N=1.45 KW，主電機的功率= 2.2 KW。則 η==0.6591 所以： Nct = = 0.6973 (KW) 切削時在主軸上的扭矩為： Mn = 955000= 14019.4(N·cm) 上式中n----主軸的最小轉(zhuǎn)速，由題設(shè)條件知n = 47.5 (r/min) 切向切削力 Fz= 4381.0625 (N) 上式中d----銑刀的最大直徑(cm)，由題設(shè)條件知d = 3.2 cm 二、計算進給工作臺工作載荷、、 作用在進給工作臺上的合力F’與銑刀刀齒受到的銑削抗力的合力F大小相同，方向相反。合力F’就是設(shè)計和校核工作臺進給系統(tǒng)時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺縱向載荷，橫向載荷Fc和工作臺垂直進給方向載荷。 計算與說明 作用在進給工作臺上的合力F’與銑刀刀齒受到的銑削抗力的合力F大小相同，方向相反。合力F’就是設(shè)計和校核工作臺進給系統(tǒng)時要考 慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺運動方向分解為三個力：工作臺 縱向進給方向載荷，工作臺橫向進給方向載荷Fc和工作臺垂直進給方向載荷Fv。 根據(jù)《專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書》第三章表3 — 1 “銑削加工主切削力 與其它切削分力的比值”列表可計算出三組FL、FV、FC (取范圍的值計算最大值)。 (1) 組：端銑——對稱銑削 FL=0.4 FZ=0.4x2890.1=1156.04N FC =0.95 FZ=0.95 X 2890.1=2745.595N FV=0.55 FZ=0.55x 2890.1=1589.555N (2) 組：端銑——逆銑 FL=0.9F=0.9X 2890.1=2601.09N FC =0.7 F=0.7X2890.1=2023.07N FV =0.55 F=0.55x 2890.1=1589.56N (3) 組：端銑——順銑 FL =0.3FZ=0.3X2890.1=867.03N FC=1.0FZ=1.0x2890.1=2887.62N FV=0.55FZ=0.55x2890.1=1589.56N 由于銑床是兩軸聯(lián)動，所以只考慮端銑，無需考慮周銑，則考慮采用第三組數(shù)據(jù)。 第二節(jié)滾珠絲杠螺母副的選型和校核 一、滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)類型的選擇 因為所要改裝的銑床為普通銑床，精度要求并不是很高，在使用過 程中不需要調(diào)整，并且加工過程中有輕微沖擊運轉(zhuǎn)。根據(jù)上述實際條件， 并考慮到經(jīng)濟成本問題，通過查第三章表3 — 2和表3 — 3，可以初步選用“外循環(huán)插管埋入式法蘭直筒組合雙螺母墊片預(yù)緊（CMD)”這種結(jié)構(gòu) 類型的滾珠絲杠螺母副。它具有結(jié)構(gòu)簡單，工藝性優(yōu)良，承載能力較高; 剛度高，預(yù)緊可靠，不易松弛等優(yōu)點。它主要適用于重載荷、高剛度、 高速驅(qū)動及較精密的定位系統(tǒng)，是目前應(yīng)用得較廣泛的結(jié)構(gòu)。 二、滾珠絲杠螺母副型號的選擇及校核步驟 1、計算最大工作載荷 2、由題設(shè)已知條件，銑床導(dǎo)軌的類型為綜合導(dǎo)軌。再查指導(dǎo)書P38表3-29得最大工作載荷Fm Fm=KFL+f，(FV+G) 該式中：K=1.15; 取f，= 0.18 (f，=0.15?0.18)(摩擦系數(shù))；G為工作臺及夾具總重量的1/2。由題設(shè)已知條件可得G = 400 N。 將以上數(shù)值及先前計算得到的三組FL.FV數(shù)據(jù)代入上式，可得到三組相應(yīng)的Fm的最大值 (1) 組：Fm=1.15x1156.64+0.18x (1589.56+400)= 1687.57N (2) 組： Fm=1.15x2601.09+0.18x(1589.56+400)=3349.37N (3) 組：Fm=1.15x867.03+0.18x (1589.56+400)=1355.2N 由以上計算數(shù)據(jù)可知，第(2)組算得的Fm值較大。故最大工作載荷為 Fm=3349.37N 2、計算最大動負載C 最大動載荷C可由下式計算 C=fwfHFm (1) (1)式中：各參數(shù)見《專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書》 fH為硬度系數(shù)，選fH=1.0(HRC60) fw為運轉(zhuǎn)系數(shù)，選fw=2.0(有沖擊運轉(zhuǎn)） L為壽命，由下式計算 L=60nT/106 (2) (2)式中：T為使用壽命(h)，對于數(shù)控機床T=15000(h) n為絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)， 可由下式計算： n=1000Vs/Lo (3)式中：Vs為最大切削力條件下的縱向進給速度(m/min),查指導(dǎo)書為 540(mm/min) 可取最高切削進給速度的1/2?1/3，現(xiàn)取1/3,即 Vs=0.54/3=0.18m/min L0為所選用絲杠的基本導(dǎo)程,考慮到傳動精度的要求,可選基本導(dǎo)程為4、6、8(mm)的絲杠?；緦?dǎo)程為4mm時: L=60nT/106=60T1000Vs/(106L0) =60x15000x1000x0.18/(1000000x4)=40.5 Cl=x1.0x2.0x3349.37=23004.43 基本導(dǎo)程為6mm時： L=60nT/106=60T1000Vs/(106L0) =60x15000x1000x0.18/(1000000x8)=20.25 查《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》表3-11 當公稱直徑時 Ca=15KN<C1 不合格 Ca=27.85KN>8258.63N 合格 Ca=21.85>C3 合格 當公稱直徑時 當時 Ca=30.9KN>C2 合格 當時 Ca=24.11KN>C3 合格 所以絲杠為6mm或8mm 通過查《金屬切削機床設(shè)計簡明手冊》表4-143可知 當公稱直徑時、基本導(dǎo)程為6mm的絲杠，查得他們的承載能力Ca為21.85KN，螺旋升角，圈數(shù)列數(shù)分別為3.51，滾珠直徑為4mm，-----接觸角（45）。 公稱直徑、基本導(dǎo)程為8mm的絲杠，查得它們的承載能力Ca為30.9KN，螺旋升角，圈數(shù)列數(shù)分別為2.51，滾珠直徑為5mm，-----接觸角（45）。 公稱直徑、基本導(dǎo)程為6mm的絲杠，查得它們 的承載能力Ca為24.11KN，螺旋升角，圈數(shù)列數(shù)分別為3.51，滾珠直徑為4mm，-----接觸角（45）。 3、計算傳動效率η 傳動效率可由下式計算 上式中：----絲杠螺旋升角 ----摩擦角。滾珠絲杠副的摩擦角約 （1）當公稱直徑=32mm、基本導(dǎo)程為6mm： 故滿足設(shè)計要求。 （2）選公稱直徑=40mm 1）基本導(dǎo)程為8mm： 故滿足設(shè)計要求。 4、剛度驗算 (1)絲杠的拉伸或壓縮變形量 當絲杠進行了預(yù)緊，且預(yù)緊力為最大工作載荷的1/3時，其實際變形量為（由指導(dǎo)書P39，公式3—24可知）： （拉伸為+，壓縮為—） 上式中：E——材料的彈性模數(shù) 對于鋼： L——滾珠絲杠在支承間的受力長度（mm） L=工作長度+螺紋長度+軸承寬度+端蓋寬度 700mm F——滾珠絲杠的截面積,可由下列幾式計算 ——滾阻直徑（mm）， ——接觸角（）， R——滾道法面半徑（mm）， e——偏心距（mm）， ——絲杠公稱直徑（mm） （1） 當公稱直徑=32mm，基本導(dǎo)程為6mm時， （2）當公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為8mm時： （3）當公稱直徑、基本導(dǎo)程為6mm時： (2)滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 當絲杠進行了預(yù)緊，且預(yù)緊力為最大工作載荷的1/3時，其實際變變形量為 上式中： ------最大工作載荷(kgf) Fm=341.77(kgf) ----預(yù)緊力(kgf)，==113.9(kgf) ----滾珠直徑(mm)，----滾珠數(shù)量，＝Z×圈數(shù)×列數(shù) Z ----一圈的滾珠數(shù)， (內(nèi)循環(huán)) (1)當公稱直徑基本導(dǎo)程為6mm時： 當滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時，的值可減少一半。即：==0.00143（mm） （2）當公稱直徑 基本導(dǎo)程為8mm時： ＝25.13×2.5×1=62.825 4、 當滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時，的值可減少一半。指導(dǎo)書P42 即： ==0.00166（mm） （3）當公稱直徑 基本導(dǎo)程為6mm時： ＝31.4159×3.5×1=109.96 當滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時，的值可減少一半。即： ==0.00123（mm） (3)滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 （1）當公稱直徑 基本導(dǎo)程為6mm時： 選用型號為深溝球206的軸承，其參數(shù)如下： 型 號 內(nèi)徑d (mm) 外徑D (mm) 厚度T (mm) 額定動載荷(kN) 51206 30 52 16 28.0 可由下式計算： 上式中： ----最大工作載荷(kgf)，F(xiàn)m=341.77(kgf) ----軸承滾動體直徑(mm)， Z----兩邊軸承總的滾動體數(shù)目由公式 可估算兩邊總得滾動體的數(shù)目為32。 將以上數(shù)據(jù)代入可得： 基本導(dǎo)程為6mm時： =0.004636+0.00286+0.00582 =0.01332mm>0.01(mm) 可見，當公稱直徑 基本導(dǎo)程為5mm時不符合要求； （2）當公稱直徑 基本導(dǎo)程為8mm時： 選用型號為51207的軸承，其參數(shù)如下： 型 號 內(nèi)徑d (mm) 外徑D (mm) 厚度T (mm) 額定動載荷(kN) 51207 35 62 18 39.2 可估算兩邊總得滾動體的數(shù)目為34。 將以上數(shù)據(jù)代入可得： 基本導(dǎo)程為8mm時： =0.002967+0.00332+0.005374 =0.011661mm>0.01(mm) 可見，當公稱直徑 基本導(dǎo)程為8mm時不符合要求 （3）當公稱直徑 基本導(dǎo)程為6mm時： 選用型號為深溝球206的軸承，其參數(shù)如下： 型 號 內(nèi)徑d (mm) 外徑D (mm) 厚度T (mm) 額定動載荷(kN) 51207 35 62 18 39.2 可估算兩邊總得滾動體的數(shù)目為32。 將以上數(shù)據(jù)代入可得： 基本導(dǎo)程為6mm時： =0.002802+0.00123+0.005374 =0.009406mm<0.01(mm) 可見，當公稱直徑 基本導(dǎo)程為8mm時符合要求 可見，公稱直徑為40，基本導(dǎo)程為6mm時，以基本導(dǎo)程最大的滾珠絲杠作為最終選擇，即以=6mm的作為計算依據(jù)。經(jīng)查表，選用型號為CMD4006---2的滾珠絲杠副。其參數(shù)如下 型 號 公稱直徑 (mm) 導(dǎo)程 (mm) 鋼球直徑 (mm) 滾珠的循環(huán) 圈數(shù)×列數(shù) 額定動載荷 (N) CMD4006---2 40 6 4 3.5×1 24100N 第三節(jié) 脈沖當量和傳動比的確定 一、確定系統(tǒng)脈沖當量 由題設(shè)條件知脈沖當量 二、傳動比的選定 設(shè)傳動副的傳動比為i，若為一對齒輪減速傳動，則 ， 為主動齒輪的齒數(shù)，Z2為從動齒輪的齒數(shù)。 對于步進電機，當脈沖當量確定和初選定步進電機的步距角后，可根據(jù)下式計算出該伺服傳動系統(tǒng)總的傳動比：公式可查《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)書》P19公式3-12 上式中： ----滾珠絲杠的基本導(dǎo)程6(mm) ----步進電機的步距角，今初選步 三、齒輪傳動的確定 對于數(shù)控機車的齒輪傳動，應(yīng)采用設(shè)計、結(jié)構(gòu)和工藝均較簡單，而且易獲得高精度的平行軸漸開線圓柱齒輪傳動。 通常，齒輪傳動鏈的傳動級數(shù)少一些比較好，因為可以減少零部件 的數(shù)目，簡化傳動鏈的結(jié)構(gòu)，并且可以提高傳動精度，減少空程誤差，有利于提高傳動效率。同時i=1.67較小，故在此選用圓柱直齒輪單級傳動。 一般模數(shù)取,數(shù)控統(tǒng)削取。齒輪寬b=(3?6)m，為了消除齒側(cè)隙，寬度可加大到（6?10) m。齒頂/根圓半徑公式，《機械原理》P130,表4-3。 ，取，,則 ，取 ，取 中心距 選小齒輪齒數(shù)，小齒輪的齒寬度，大齒輪齒數(shù)，大齒輪的齒寬度。 進給伺服系統(tǒng)傳動計算 一、轉(zhuǎn)動慣量的計算 1、齒輪、絲杠等圓柱體慣量的計算。 可由下式計算： 式中：M----圓柱體質(zhì)量(kg) D----圓柱體直徑(cm) L----圓柱體長度或圓度(cm) 對主動齒輪： 對從動齒輪： 對滾珠絲杠： 2、 工作臺折算到絲桿的轉(zhuǎn)動慣量 v----工作臺移動速度(cm/min) n----絲桿轉(zhuǎn)速(r/min) G----工作臺的重量(N) g----重力加速度(9.8m/s2) ----絲桿導(dǎo)程(cm) 3、 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 =17.846(kg.cm2) 式中：i----系統(tǒng)總的減速比(i>1) ----各轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)動慣量(kgcm2 ) ----各轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)速(r/min) ----電機的轉(zhuǎn)速(r/min) ----電機的轉(zhuǎn)動慣量(kgcm2) 4、 電機的轉(zhuǎn)動慣量的確定 查表3—10《機電一體化指導(dǎo)書》，因為選用電機工作方式的是三相六拍，步距角為,故符合的是：110BF003和110BF004。電機的轉(zhuǎn)動慣量分別為： 110BF003： 110BF004： 5、 系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量 二、步進電機的計算和選用 1、電機力矩的計算 速空載起動時所需力矩： 最大切削負載時所需力矩： 電機的力矩主要是用來產(chǎn)生加速度，而負載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動力矩作為選擇步進電機的依據(jù)。 (1)空載起動時折算到電機軸上的加速力矩 式中：----系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量 ----運動部件從停止起動加速到最大進給速度所需的時間（s）約為30毫秒 ----電機最大轉(zhuǎn)速(r/min) n===500( r/min) ----運動部件最大快進速度1600(mm/min) (2)摩擦力矩 上式中：G----運動部件的總重量(N) ----導(dǎo)軌摩擦系數(shù)0.165 i ----齒輪總減速比 η----傳動鏈總效率，一般取η＝0.7～0.85，在此取0.8 (3)附加摩擦力矩 上式中：----滾珠絲杠預(yù)加負載(N)，一般取最大工作載荷的1/3，＝5106.42/3=1702.14 (N) ----滾珠絲杠基本導(dǎo)程0.6(cm) ---- 滾珠絲杠未加預(yù)緊時的傳動效率，一般取，今取0.95 。 （4）折算到電機軸上的切削負載力 上式中：----進給方向最大切削力(N)，即前面計算進給工作臺工作載荷、、時所得到的數(shù)據(jù)， 所以＝＝2601.09 (N) 綜合以上，可得： =391.92+6.11115+11.7964=409.8276 =373.07+6.11115+11.7694=390.9776 =209.166+6.11115+11.7964=227.0739 =209.166+6.11115+11.7964=227.0739 2、步進電機的選擇與校核 (1)根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩初選電機型號 步進電機的起動： 對于三相六拍步進電機， 前面計算時已初選型號為110BF003的步進電機其相關(guān)參數(shù)為： (2)計算電機工作頻率 1)最大空載起動頻率： f < f =7000(Hz/s) ，滿足要求。 2)切削時最大工作頻率 f < f =1500(Hz/s) ，滿足要求。 上式中： ----運動部件橫向最大快速進給速度2.4(m/min) ----橫向最大切削進給速度0.54(m/min) ----脈沖當量0.01(mm/step) 由上述計算可知：系統(tǒng)要求的空載起動轉(zhuǎn)矩頻率要大于電機的空載起動頻率1500Hz,且空載起動頻率滿足要求的電機型號較少，可以采用調(diào)壓起動等方式起動電機使電機的空載起動頻率滿足要求；而電機運行頻率7000Hz可以滿足系統(tǒng)要求。 (3)校核步進電機 （2） 根據(jù)步進電機轉(zhuǎn)矩和慣量的匹配條件校核 為了使步進電機具有良好的起動能力及較快的響應(yīng)速度，通 常推薦：=321.355 (N.cm) 且 及 則：對于電機110BF003 滿足要求； 對于電機110BF004 不滿足要求，故選擇110BF003的步進電機。 第三章 微機控制部分的設(shè)計 主要內(nèi)容： 以MCS-51系列單片機為核心的控制系統(tǒng)。 一、硬件系統(tǒng) （1）基本組成（最小系統(tǒng)） （2）系統(tǒng)擴展 1）程序存儲器擴展 2）數(shù)據(jù)存儲器擴展 3）輸入輸出端口擴展 4）綜合功能擴展 （3）接口技術(shù) 1）鍵盤接口技術(shù) 2）顯示器接口技術(shù) （4）步進電機控制硬件電路 二、軟件系統(tǒng) （1）軟件結(jié)構(gòu)與基本組成 （2）插補原理及軟件程序 （3）步進電機控制軟件 第一節(jié) 微機控制系統(tǒng)概述 一、微機控制系統(tǒng)的設(shè)計思路 1.確定系統(tǒng)狀態(tài)控制方案 1）從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮是否采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制； 2）執(zhí)行元件采用何種方式； 3）考慮系統(tǒng)是否有特殊控制要求對于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系統(tǒng)應(yīng)采取的措施是什么？ 4）考慮微機在整個控制系統(tǒng)中的作用，是設(shè)定計算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理，微機承擔哪些任務(wù)，為完成這些任務(wù)微機應(yīng)具備哪些輸入/輸出通道、配備哪些外圍設(shè)備。 5）初步估算其成本，通過整體方案考慮，最后畫出系統(tǒng)組成的初步框圖，附加說明，以此作為設(shè)計的基礎(chǔ)和依據(jù)。 2.確定控制算法 1）建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，確定其控制算法，按照規(guī)定的控制算法進行控制。2）控制算法的正確與否直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)，甚至決定整個系統(tǒng)的成敗。 3）在選擇控制算法時，應(yīng)考慮所選的算法是否能滿足控制速度、控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。 3.選擇微型計算機 對于給定的任務(wù)，選擇微機的方案不是唯一的，從控制角度出發(fā)，微機應(yīng)能滿足具有較完善的中斷系統(tǒng)、足夠的存儲容量、完善的輸入/輸出通道和實時時鐘等要求。 1）較完善的中斷系統(tǒng) 2）足夠的存儲容量 3）完備的出入/輸出通道和實時時鐘。 二、微機控制系統(tǒng)基本硬件組成 任何一個微機控制系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，硬件是軟件的基礎(chǔ)，而配置了軟件的硬件才有控制功能，數(shù)控系統(tǒng)通過與硬件軟件的密切配合實現(xiàn)各種功能。 控制系統(tǒng)硬件基本組成框圖 第二節(jié) 系統(tǒng)介紹 該微機控制系統(tǒng)由單片機、存儲器、鍵盤和顯示器等接口電路、步進電機驅(qū)動電路、AT標準下載接口電路、急停和限位報警等輔助控制電路組成。其電路原理圖如下圖3-1所示。 一、單片機的選擇 由于本設(shè)計只是對傳統(tǒng)機床的改造，各方面的要求不是很高，所以本設(shè)計采用以AT89S51-24PU單片機為核心的控制系統(tǒng).目前，數(shù)控機床中應(yīng)用最多的是AT89S51-24PU單片機，他價格低，功能強，使用靈活等特點。由于AT89S51-24PU 內(nèi)部沒有程序存儲器，必須擴展程序存儲器，用以存放控制程序。由于單片機內(nèi)部存儲器容量較小，不能滿足實際需要，所以還需要擴展COM和數(shù)據(jù)存儲器RAM）。另外，雖然AT89S51-24PU本身有4個I/O接口電路，但尚不能滿足改造的需要，因此，還需要擴展輸入輸出接口芯片，以滿足使用要求。 圖4-1 系統(tǒng)電路原理圖 圖4-2 存儲器擴展電路 二、 存儲器的擴展 如圖3-2所示，為存儲器擴展電路，由鎖存器、譯碼器、靜態(tài)存儲器和E2PROM等芯片連接而成。 1.地址鎖存 由于MCS-51系列單片機的P0口試分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進行程序存儲器擴展時，必須用地址鎖存器鎖住低8位的地址信號。 采用的地址鎖存器為74HC573。 D0到D7為數(shù)據(jù)輸入，Q0到Q7為輸出，11管腳為鎖存使能，1管腳為輸出使能。10管腳GND接地，20管腳接高電平。 圖4-3 鎖存器74HC573芯片連接電路 2.程序存儲器的擴展 MCS-51系列單片機的程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間的相互獨立的。AT89S51-24PU芯片片內(nèi)ROM不夠用時，需擴展外部程序存儲器。用作程序存儲器的器件有EPROM和E2PROM，在本設(shè)計中程序存儲器選用一片E2PROM,其型號為AT28C256-15PI。 AT28C256-15PI主要參數(shù)：32K×8位，為雙列直插式28腳封裝。采用單一正5V電源，可以與MCS-51系列單片機直接接口。ROM的地址范圍為0000H—7FFFH。 A0—A14為地址線，為芯片使能，輸出使能，寫入使能，I/O0—I/O7為數(shù)據(jù)輸入/輸出，NC、DC為預(yù)留端口，不用連接。GND接地，Vcc接高電平。 圖4-4 程序存儲器AT89S51-24PU芯片連接電路 3.數(shù)據(jù)存儲器的擴展 AT89S51-24PU單片機內(nèi)部有256字節(jié)的RAM存儲器。CPU提供對內(nèi)部的RAM具有豐富的操作指令。單在用于實時數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠片內(nèi)提供的256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器是遠遠不夠的，在這種情況下，可利用MCS-51的擴展功能，擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。外部數(shù)據(jù)存儲器選用一片靜態(tài)RAM，其型號為IDT7164S35P 。 數(shù)據(jù)存儲器IDT7164S35P參數(shù)：容量為選用8K×8位，選用一片SRAM6，單一電源供電，雙列直插式28管角封裝，可以與MCS-51系列單片機直接接口。其地址范圍 0000H—1FFFH。 A0—A12為地址線，輸出使能，寫入使能，I/O0—I/O7為數(shù)據(jù)輸入/輸出，、為片選端口，GND接地，Vcc接高電平。 圖4-5 數(shù)據(jù)存儲器IDT7164S35P芯片連接電路 4、74HC138譯碼器接口電路 查《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》可知下表： 表3-1 74HC138功能表 C B A ，，，，，，， 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 在74HC138中引腳C、B、A分別接地、P1.4和P2.7， 確定~中的選擇。從原理圖可知： 1、 當BA為00時，即=0，=0時，選擇腳輸出0，此時選通芯片IDT7164S35P，該芯片有13條地址線，基本地址范圍0000H～1FFFH。 2、 當BA為01時，即=0，=1時，腳為0，而腳接芯片AT28C256-15PI，.此時選通該芯片，其有15條地址線，基本地址范圍0000H～7FFFH。 3、 當BA為10，即=1，=0時，腳為0，而腳接8155的片選腳，此時選中8155芯片。 4、 當BA為11，即=1，=1時，腳為0，而腳接8255的片選腳，因此此時選中8255芯片。 圖4-6 譯碼器74HC138芯片連接電路 三、I/O口的擴展 在MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機本身提供給用戶使用的輸出口線并不多，只有P1口和部分P3口線。應(yīng)此，在大部分單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中都不可避免的要在單片機外部擴展I/O端口。單片機可以像訪問外部RAM存儲器一樣訪問外部接口芯片，對其進行讀/寫操作。 由于接口較多，需采用一個8155芯片和一個8255芯片，才可以滿足要求。 復(fù)合接口擴展芯片8155共有三個端口PA、PB、PC，即PA0—PA7、PB0—PB7、PC0—PC4共為21位輸入輸出。AD0 -AD7為數(shù)據(jù)總線，讀入接口，寫入接口，RESET為復(fù)位接口，Vss接地，Vcc接高電平，ALE芯片使能、IO/、TMRIN、TMROUT、片選CE。 圖4-7 8155芯片連接電路 專用接口擴展芯片8255有三個端口PA、PB、PC，均為8位，即PA0—PA7、PB0—PB7、PC0—PC7共24位輸入輸出口。A0-A1為地址線接口，D0-D7為數(shù)據(jù)線接口，讀入接口，寫入接口，RESET為復(fù)位接口，為片選端口，GND接地，Vcc接高電平。 圖4-8 8255A芯片連接電路 通過8155復(fù)合接口芯片實現(xiàn)對鍵盤和數(shù)碼管顯示接口的擴展，通過8255專用接口芯片實現(xiàn)對手動操作等按鍵功能和步進電機的控制脈沖輸出接口的擴展。 1、 數(shù)碼顯示管位數(shù)確定 如下圖3-9所示所設(shè)計數(shù)碼顯示電路原理圖，根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求及數(shù)據(jù)計算，數(shù)控機床的脈沖當量，需要兩位數(shù)碼管顯示小數(shù)部分（右邊兩個），銑床行程小于1000mm，需要三位數(shù)碼管顯示整數(shù)部分（右起3~5個），需要一位顯示x、y的方向（左起第3個），一位顯示行程的正負（左起第2個）。還有一位（左起第1個）根據(jù)具體情況由用戶設(shè)定（比如狀態(tài)信息）。 圖4-9 數(shù)碼管顯示電路 2、鍵盤電路設(shè)計及鍵數(shù)確定 如下圖3-10所示，為所設(shè)計矩陣鍵盤電路原理圖。根據(jù)數(shù)控銑床加工特點及各方面性能要求，擬定如下按鍵： 圖4-10 鍵盤電路設(shè)計 返回鍵、垂直菜單鍵、回車/輸入鍵、上檔鍵、光標向上鍵、光標向下鍵、光標向左鍵、光標向右鍵、刪除鍵、10個數(shù)字鍵、17字母鍵等共36個按鍵，其連接電路如圖所示。 3、8255芯片接口擴展電路設(shè)計 如圖3-11所示，為8255芯片接口擴展電路原理圖，Manual Operation（手動操作）的各個功能信號由8255芯片的PC端口引腳輸入，包括X軸點動、Y軸點動、快進、自動、單段、手動、單步、暫停。 圖4-11 8255芯片接口擴展電路原理圖 Status Setting（狀態(tài)設(shè)置）由8255芯片的PB端口及PA端口PA4~PA7引腳輸入，包括增量選擇、主軸正轉(zhuǎn)、主軸反轉(zhuǎn)、主軸停、超程解除、手動換刀、循環(huán)、機床鎖住、Z軸鎖住，剩余三個接口預(yù)留給用戶進行其它功能的定義。 8255芯片的PA0~PA3引腳用于輸出步進電機對X、Y向運動的控制脈沖。 第三節(jié) 步進電機驅(qū)動控制電路 根據(jù)已知條件和上述計算結(jié)果，步進電機型號為110BF003，其參數(shù)如下表所示。齒輪1的齒數(shù)=35，齒輪2的齒數(shù)=44，模數(shù)m=2，絲杠基本導(dǎo)程=6mm。工作臺的最大切削速度為0.54m/min。 型號 相數(shù) 步 距 角 (0C) 電 壓 (V) 電 流 (A) 保持 轉(zhuǎn)矩 N.cm 空載起動頻率(Hz) 運行頻率 (Hz) 電 感 (mH) 內(nèi)阻 (R) 110BF003 3 0.75 80 6 7.84 1500 7000 35.5 0.37 一、確定步進電機運行頻率 1、確定步進電機最大轉(zhuǎn)速 絲桿的轉(zhuǎn)速為：n===90(r/min) 步進電機的最大轉(zhuǎn)速為： 2、確定其運行頻率 步進電機采用三相六拍式的控制脈沖。 二、驅(qū)動回路的時間常數(shù) 每相工作三拍改變依次通電狀態(tài)，但為了每一拍都能正常工作，每拍脈沖寬度的時間電流上升至額定電流的，即，則負載回路的時間常數(shù)為： 因此， 式中：----步進電機一相繞阻的平均電感量 ----通電回路的電阻 三、選用線路簡單的串聯(lián)電阻法 若選用線路簡單的串聯(lián)電阻法改善靜電流上升沿，其時間常數(shù)為： 則：， 其中： 所以 需要串聯(lián)如此大的電阻，在該電阻上損失的功率為： 顯然很不合理，所以采用雙電源法。 四、高電源電壓的確定 電機每相工作三拍改變一次通電狀態(tài)，設(shè)要求在控制脈沖%寬度時間內(nèi)相電流達到額定電流的，即,這個時間也就是高 壓電源工作時間，即單穩(wěn)翻轉(zhuǎn)時間，其值為： 圖4-12 高低電壓驅(qū)動電路 高電壓電源電壓： =3.6×0 .37/（1-）=173.99（V） 五、元器件型號的確定 1、確定T1、T2 為了使電路簡單、緊湊，功率放大T1和T2選用復(fù)合管三極管2SC5948。 (V) (V) (V) (uA ) （V） 200 200 5 5 5 (V) (A) (W) （V） 1 70 12 200 5 2、確定和 從和性能數(shù)據(jù)知，基極電流為： 式中：-----電路放大倍數(shù)，載電流A 因此，等效輸入電阻為： 取晶體管FJE3303的放大倍數(shù)為10，于是： =+，=10 ==1（V） 選用光電耦合器TLP521-4，選擇耦合器輸入電流， =16 mA (最大的電流為50mA),電流傳輸比=100%； ==16100%=16mA 解上述方程組得：13.48 448.86 查電阻標準值表對理論阻值進行圓整，取=15，=470 3、確定 前面已選定耦合器輸入電流=16mA，可得到光耦合器輸入正向壓降為1.3V，所以==（51.3）/=231，查電阻標準值表對理論阻值進行圓整，取==220 4、確定 （1）若使電流上升沿陡，希望T2工作于飽和狀態(tài)（實際還沒有達到飽和電流，單穩(wěn)已翻轉(zhuǎn)成低電平）。首先確定基極電流。 負載的平均阻抗： /=80/6=13.3 （2）T2的飽和電流： =（-2-）/ =（173.99-25-80）/13.3 6.32A T2基極電流應(yīng)為： =/=6.32/70=90.3mA 光耦合器輸入電流為16mA，所以： 光耦合器輸出電流： =16mA，且=+，=10 因此： =-=160-90.3 =69.7mA （3）求（0點電位） 在期間0，是變化的，變化范圍近似為—2至—，計算時取平均值： =[（—2）+（—）]/2 =[（173.99-2）+（173.99-80）]/2 =133V T2的等效輸入電阻為： =/ =5/（90.3）K=55.4 分別為： =K=71.7 =（--）/=（173.99-5-133）/176 =204.5 查電阻標準值表對理論阻值進行圓整，取 =74，=200 選擇D1，D2選用2CZ13A硅整流二極管。 5、單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74HC123翻轉(zhuǎn)時間的確定 當單穩(wěn)74HC123的“清除端”加高電平A端加低電平時，B端正躍變可使單穩(wěn)的Q端從低電平變成高電平，經(jīng)過一段時間自動翻轉(zhuǎn)成低電平，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，Q端輸入一個脈沖，脈沖寬度由外電阻和決定，如圖所示，即： =Ln2，取=1K。 則：=/（Ln2） =0.166/（Ln2 1）= 0.239F 圖4-13 單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74HC123芯片連接電路 第四節(jié) 其他輔助電路的設(shè)計 一、急停、超程報警電路 為防止X，Y工作臺越出邊界，可設(shè)置限位開關(guān)，分別為+X，-X，+Y和-Y向4個限位開關(guān)，一旦越界，立即停止工作臺移動?？衫肁T89S51-24PU的外部中斷引腳INT0，只要有一個開關(guān)閉合，即工作臺越界，立即停止工作臺移動?？紤]實際加工的需要，增加急停按鈕。將超程限位和急停通過軟件設(shè)置為最高級別的中斷。 當工作臺行駛超出行程時，行程開關(guān)被觸發(fā)，由74HC08產(chǎn)生中斷信號，并通過INT0申請中斷。此時中央處理器通過掃描P3.0、P3.1、P3.3、P3.4引腳的電平查出中斷源（+X、-X、+Y、-Y或急停），進而執(zhí)行中斷服務(wù)。同時經(jīng)P1.1、P1.2、P1.3輸出相應(yīng)電平點亮LED等和蜂鳴器報警，提醒工作人員處理故障。急停和超程保護電路如圖4-14所示。 圖4-14 急停和超程保護電路原理圖 二、ISP在線編程接口 中央處理器AT89S51-24PU外接一塊在線編程接口芯片ISP，主要用于在線編程輸入。標準SPI接口是以主從方式工作的,這種模式通常有一個主器件和一個或多個從器件,其接口包括以下四種信號：MOSI – 主器件數(shù)據(jù)輸出,從器件數(shù)據(jù)輸入、MISO – 主器件數(shù)據(jù)輸入,從器件數(shù)據(jù)輸出、SCLK – 時鐘信號,由主器件產(chǎn)生、 – 從器件使能信號,由主器件控制。ISP在線編程接口的其他引腳有：VCC、GND和RST。如圖3-15所示，為 ISP下載接口電路電路原理圖。 圖4-15 AT標準下載接口電路 三、復(fù)位電路 如圖3-16所示，單片機AT89S51-24PU的復(fù)位的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)。在時鐘電路工作后，主要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平時，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位。復(fù)位后PC值為0000H，程序的入口地址為0000H。單片機通常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種。 圖3-16單片機AT89S51-24PU的復(fù)位電路 復(fù)位電路中的R、C的參數(shù)與CPU所采用的時鐘頻率有關(guān)，要保證RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，最好由實驗調(diào)整。 四、 時鐘電路 單片機雖有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路產(chǎn)生時鐘的方法有兩種：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。一般情況當外接晶體電容C1、C2值通常選擇為30pF左右；外接陶瓷諧振器時C1和C2的典型值約為47pF。為了一個溫度的穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。 外部時鐘方式：利用外部振蕩信號源直接接入XTAL1或XTAL2。如信號接XTAL2，內(nèi)部的反相放大器的輸入端XTAL1應(yīng)接地。 圖3-17 單片機AT89S51-24PU的時鐘電路 第四章 微機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 一、模塊組成 本程序主要由如下模塊組成： 主模塊，用于系統(tǒng)初始化和監(jiān)控。 子程序模塊。 越界報警、急停處理模塊。 實時修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊。 鍵盤、顯示定時掃描管理模塊。 其中除主模塊和子程序模塊外，其余均為中斷執(zhí)行方式模塊。 二、緩沖區(qū)設(shè)置 應(yīng)設(shè)置兩個緩沖區(qū)：鍵盤緩沖區(qū)和顯示緩沖區(qū)。 1、鍵盤緩沖區(qū) 主要用于存放由鍵盤輸入的命令，長度為4字節(jié)，地址為AT89S51-24PU內(nèi)部RAM區(qū)20H~23H，第一字可用于緩沖區(qū)空、滿等標志，定義如下：（20H）=00H，緩沖區(qū)為空，（20H）=01H，緩沖區(qū)內(nèi)未處理完的命令個數(shù)，顯然（20H）=30H時即為滿。其余3個字節(jié)內(nèi)存放具體的命令碼。為防止誤操作，可以進一步規(guī)定：命令碼若為00H，為無效命令。從本系統(tǒng)的施加情況及后面的軟件框圖可以看出，鍵盤緩沖區(qū)很少出現(xiàn)兩個或兩個以上未處理的命令碼，一般情況只要一個命令碼，馬上會得到處理。 2、顯示緩沖區(qū) 主要用于存放欲顯示的具體數(shù)據(jù)，每一字節(jié)對應(yīng)一顯示位，共5個字節(jié)，地址為AT89S51-24PU內(nèi)部RAM 25H~29H，分別對應(yīng)百位、十位、個位（包括小數(shù)點）、10E-1位和10E-2位。 除以上緩沖區(qū)外，根據(jù)需要，可以設(shè)立一些標志位，視具體情況而定。 三、中斷優(yōu)先級 所處理時間為緊急的則其中斷級別為最高，根據(jù)本題實際情況，中斷模塊的優(yōu)先級如下： 模塊名 級別 越界報警、急停處理模塊 0 高 實時修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊 1 鍵盤、顯示定時掃描管理模塊 2 低 四、各模塊說明及流程圖 1、主模塊 主模塊功能為：初始化、監(jiān)控。其中初始化包括8155初始化、緩沖區(qū)清零、定時/計數(shù)常數(shù)的設(shè)置、開中斷等處理；監(jiān)控主要判斷是否有命令按下，并根據(jù)命令調(diào)用相應(yīng)的子程序模塊。主模塊流程圖如下；根據(jù)鍵盤功能鍵的設(shè)定，相應(yīng)的子程序模塊包括“←”、“→”、“↑”、“↓”各個命令及“暫停”命令處理模塊。這里 設(shè)定一標志，其作用是反映XY工作臺的當前運動方向。標志位為內(nèi)部RAM區(qū)的2BH ，其定義如下： 2BH單元值 當前運動方向 （2B）=01H → +X （2B）=02H ← -X （2B）=03H ↑ +Z （2B）=04H ↓ -Z （2B）=00H 初始時為00H 2、暫停鍵“STOP”子模塊 暫停鍵功能是暫時使XY工作臺停止移動，因此只需停止步進脈沖信號即可。 3、中斷模塊 （1）報警、急停處理中斷模塊 本模塊的主要功能是當XY工作臺移動越出邊界時進行應(yīng)急處理，停止一切正常工作，由復(fù)位重新使系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。報警用紅燈亮指示。 （2）鍵盤、顯示定時掃描管理模塊 根據(jù)鍵盤的接口電路，可以用編程掃描方式和定時掃描方式。這里選擇后一種，用定時中斷模塊同時完成鍵盤和顯示的掃描。對于鍵盤掃描，應(yīng)該解決去抖動問題，一般調(diào)用延時10ms左右來實現(xiàn)，而對于顯示掃描，為保證多位同時顯示而無閃爍，應(yīng)使掃描頻率高于50Hz。設(shè)定定時時間為3ms，即哪隔3ms中斷 次，修改一次顯示位，每位顯示的點亮時間是3ms，掃描一遍共需5×3=15ms，掃描頻率約64Hz，高于50Hz。 鍵盤采用每隔3×3=9ms掃描一次，其目的是消除鍵盤抖 動。設(shè)置一標志位，其地址為內(nèi)存RAM30H單元，用于計數(shù)中斷次數(shù)，當其等于3時，正好隔9ms，馬上查詢鍵盤。另外還應(yīng)設(shè)一標志位，用以標志連續(xù)兩次查詢到按鍵值是否一樣，其地址為31H，定義如下：（31H）=1，表明上次查詢有鍵按下（31H）=0，則為無鍵按下。只要當上次有鍵按下，且隔9ms后再次查詢有同一鍵按下時，才能確認有鍵按下，否則均視為誤動作，不予理睬。 4、實時修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊 本模塊采用中斷方式，其作用是通過對8155定時/計數(shù)的輸出信號，也即對步進脈沖進行計數(shù)，來修改顯示緩沖區(qū)中工作臺當前工作位置。根據(jù)步進電機的實際脈沖當量，一個步進脈沖，相當于工作臺位移增量為0.01mm，可以設(shè)定中斷計數(shù)常數(shù)為10，每中斷一次，工作臺運動0.1mm，這里用內(nèi)部RAM單元為中斷次數(shù)計數(shù)器。 設(shè)計總結(jié) 這個部分自己寫