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CJK6132 数控车床 及其 控制系统 设计

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CJK6132数控车床及其控制系统设计,CJK6132,数控车床,及其,控制系统,设计

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南华大学机械工程学院毕业设计SummaryKey phrase: Numerical control CJK6132 Apart driver Walking electromotorIn this design, I adopt the normal regulations to separate the type the lord to spread to move the design, Lathes the lord spread to move to adopt the liquid to press to manipulate the organization, and can realize 18 classes turn soon. Lathes principal axis box the spreading of inside move the wheel gear to all was wheted by quench the gear to handle, spread to move the ratio stability, and revolve the noise low. Lathes principal axis is two prop up the construction, and before prop up to adopt the high accuracy bearings of C class, grease, and increase the turn-over accuracy, and make the Lathes the principal axis have the good accuracy with rigid. Lathes adoption brake for type electromagnetism brake clutch, solution principal axis of single slice and leave to match the problem, clutch to install to take the round in the principal axis box, and make first inside construction is big for the simplification, convenient for maintain. Lathes two stalks enter the system to adopt the step the glide for typical model for entering the electrical engineering drive recirculating-ball screw spreading moving the way, among the skateboard and bed saddle and bed saddle and bed body to stick to have the TSF driver track the plank, glide coefficient of friction very small, is beneficial toed to increase the Lathes of quickly respond to the function and produce the efficiency. Four knifes, the knifes of types of adoption on edge of Lathes cloth knife convenience, rigid good.Enter to give the aspect, and adopt to open wreath Numerical control the system, namely step enter electrical engineering Numerical control enter to the way. Adoption step request for entering the electrical engineering opening wreath Numerical control the system already basic satisfy into to the accuracy. The lord spreads to move because of adopting the separation to spread to move the hair case, can good insulation electrical engineering and become soon the boxs vibration, solve hot transform to influence principal axis, increase the processing of Lathes of accuracy.Furthermore, Numerical control system adoption the machine technique of single slice, dependable is high, and the cost is low, and the economic is good.Can attain the row of the bed of economic and precise Numerical control machine on the total function, and attain the ratio of good sex price. Can cut many kinds of screw thread, round, taper and rotor.The Lathes can process the every kind of stalk, dish spare parts, Be used as the bed of in general use type machine, special in keeping with car the industry, motorcycle the profession, electronics the industry, spaceflight, soldier the work the etc. the profession, right revolve the spare parts proceeds efficiently, large quantity measure, the high accuracy process the hour the adoption. Lathes adoption machine, electricity, liquid incorporate. integrative construction, the whole layout tightly packed reasonable, convenient for maintain with maintain, and the shape match the person machine the engineering the principle, pleasant that learn good, convenient for operation. VIII南华大学机械工程学院毕业设计南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目CJK6132数控机床及其控制系统设计设计（论文）题目来源自选课题设计（论文）题目类型工程设计类起止时间始 2004-2-8止 2004-6-23 止2004-6-24一、 设计（论文）依据及研究意义：机床工业是机器制造业的重要部门，肩负着为农业、工业、科学技术和国防现代化提供技术装备的任务，是使现代化工业生产具有高生产率和先进的技术经济指标的保证。设计机床的目标就是选用技术先进。经济效果显著的最佳可行方案，以获得高的经济效益和社会效益。本次设计是为了对我国现间断所生产的车床进行一些先进技术和数字控制技术的应用。进给运动采用步进电机开环控制系统，此外对主轴转速亦进行数字控制，从而实现机床的完全数字化，实现在加工过程中实现变速，满足在加工过程中不同加工精度范围对转速的要求。数控系统采用廉价的单片机控制技术，以满足普通加工机床对价格的要求。我们这次毕业设计是对大学四年专业知识的综合运用。通过这次设计，更好的掌握了专业知识，对其也有更深入的理解，这对我们将来的工作、学习都是一个莫大的帮助，我们受益匪浅。二、 设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线）最大加工工件直径：320mm最大加工工件长度：750mm1、主传动部分： 转速级数Z=18（采用分离传动）2、进给运动：纵向脉冲当量0.01mm 横向脉冲当量0.005mm三、设计（论文）的研究重点及难点：本次设计的重点及难点：机械方面在于数控机床的主传动，由于车床为满足不同的加工要求，其对机床的极数要求较为严格，对于较高精度的加工要求，部件的受力变形和热变形对主轴加工精度产生较大的影响，对传动的方式进行一些调整。数字控制技术方面，由于本人的单片机技术知识有限，而且要完成较多的端口部件的控制，设计任务较为繁重，因此花费了较多的时间和精力。设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）：我们所安排的进度如下：完成日期 内 容 图 号 2/9-2/23 1.经济型数控车床的外观图 A0（手工） 2/24-3/10 2.经济型数控车床的变速箱传动设计 A0（计算机） 3/11-3/26 3.经济型数控车床的主轴箱设计 A0（计算机） 3/27-4/10 4.经济型数控车床纵向进给系统设计 A1（计算机） 4/11-4/18 5.自动转位刀架的设计 A1（计算机） 4/19-5/8 6.经济型数控车床主轴零件图 A0（计算机） 5/9-5/23 7.数控电路图 A1（计算机） 5/24-6/3 8.经济型数控车床设计的说明书 6/4-6/14 9.审图后的返工和修改进行设计（论文）所需条件：这四个月的设计中，我们多次去南华大学金工实习工厂去参观6132通用型普通车床。了解它的基本结构，工作原理。对经济型数控车床有了一个整体的概念以后，我们多方面收集资料，在原有的基础上进行创新，这花费了我们不少时间。 机械结构的设计暂告一个段落后，我们开始研究经济型数控车床的控制系统部分。我们查阅了许多数控机床控制部分设计的资料，学习了单片机控制原理和对各种芯片的扩展，对各种芯片的控制程序编制，包括对键盘显示器、步进电机驱动电路等专门的芯片扩展。由于时间仓促，对单片机的学习还不够深入，但还是学会了一些芯片的用途和接法。四、 指导教师意见：签名： 年 月 日V南华大学机械工程学院毕业设计摘要摘要关键词： 数控车床 CJ6132 分离传动 步进电机在本次设计中，我采用常规分离式主传动设计，机床主传动采用液压操纵机构，可实现十八级转速。机床主轴箱内的传动齿轮均经淬硬磨齿处理，传动比稳定，运转噪音低。机床主轴为二支撑结构，前支撑采用 C 级高精度轴承，润滑油润滑，提高了回转精度，使机床主轴具有良好的精度和刚性。机床采用单片式电磁刹车离合器，解决主轴的刹车及离合问题，离合器安装于主轴箱带轮处，使床头箱内结构大为简化，便于维修。机床两轴进给系统采用步进电机驱动滚珠丝杠的典型传动方式，在滑板与床鞍及床鞍与床身之间的滑动面处贴有 TSF导轨板，滑动磨擦系数非常小，有助于提高了机床的快速响应性能及生产效率。机床采用立式四工位刀架，该刀架布刀方便，刚性好。 进给方面，采用开环数控系统，即步进电机数控进给方式。采用步进电机开环数控系统已基本能满足进给精度的要求。主传动由于采用了分离传动发案，可较好的隔离电机及变速箱的震动，解决了热变形对主轴的影响，提高机床的加工精度。再者，数控系统采用单片机技术，可靠性高，成本低，经济性好。在总体性能上可以达到经济精密数控机床之列，达到较好的性价比。该机床可以加工各种轴类、盘类零件，可以车削各种螺纹、圆弧、圆锥及回转体的内外曲面。作为通用型机床，特别适合汽车工业、摩托车行业、电子工业、航天、军工等行业，对旋转体类零件进行高效、大批量、高精度加工时采用。机床采用机、电、液一体化结构，整体布局紧凑合理，便于维修和保养，外形符合人机工程学的原理，宜人性好，便于操作。5南华大学机械工程学院毕业设计南 华 大 学毕业设计(论文)任务书学 院： 机械工程学院 题 目： CJK6132数控车床及其控制系统设计 起止时间： 2004 年 2 月 10 日至 2004 年 6月 14 日学 生 姓 名： 胡志毅 专 业 班 级： 机械003班 指 导 老 师： 颜竟成（教授） 教研室主任： 李必文 院 长： 张春良 2004 年 2月 6 日设计（论文）内容及要求：1. 题目：CJK6132数控车床及控制系统设计。给出条件：1、主传动部分： 转速级数Z=18（采用分离传动） 2、进给运动：纵向脉冲当量0.01mm 横向脉冲当量0.005mm2. 设计内容：、 调查分析6132车床的加工特点，确定新设计数控车床的主要技术参数。、 进行数控车床总体方案和控制系统总体方案设计。、 完成主运动和进给运动的机械结构设计。、 完成控制系统硬件和软件设计。.任务和要求：、 根据总体设计方案，绘制数控车床总图手工图一张。、 进行主运动的运动计算、强度计算和动力计算，绘制主轴箱和变速箱展开图各一张（或计算机图）。、 进行进给运动计算和强度计算，绘制纵向数控进给机构部装图（或）计算机图一张。、 绘制车床第一根轴立体图计算机土一张。、 根据控制系统总体设计方案，绘制控制系统电路图计算机图一张（包括模块、键盘显示模块、开关量模块、伺服电机模块四部分）、流程图及程序清单。、 科技论文（不少于汉字，原文可以自选或由指导老师提供）。、 编写毕业设计说明书一套（不少于一万字，有英文摘要，全部用计算机打出）。.主要参考资料：、 机械设计手册机械工业出版社、 实用机床设计手册辽宁科技出版社、 机床设计图册上海科技出版社、 集成电路手册、 存储器手册、 机床主轴边速箱设计指导书机械工业出版社、 机床数控系统设计指导书中国科技出版社、 原济南机床一厂生产的经济型数控车床说明书一套 指导教师： 2004 年 2 月 6 日II南华大学机械工程学院毕业设计目录一、总体方案设计1（一）、主传动的组成部分1（二）、机床主要部件及其运动方式的选定2（三）、机床的主要技术参数3（四）、各组成部件的特性与所应达到的要求3二、机床主传动设计6（一）、主要技术参数的确定61尺寸参数62运动参数83、主轴转速的确定104、转速范围及公比的确定105、结构式与结构网的确定116、转速图的拟定127、传动比参数的确定13（二）、传动系统图的拟定14（三）、电动机的选择16（四）、齿轮传动的设计计算16（五）、轴的设计计算20三、进给系统的设计计算35（一）、纵向进给系统的设计计算351、切削力计算362、滚珠丝杠设计计算36（二）、横向进给系统的设计计算421、滚珠丝杠螺母副的选择计算423、步进电机的选择46四、 数控系统设计48（一）、单片机系统控制设计的基本要求48（二）、数字控制系统框图49（三）、数控系统的硬件特点：49（四）、控制系统图及芯片的选择49（五）、存储器及系统扩展设计。541、基本知识542.程序器的扩展563、数据存储器的扩展574、存储器地址空间的分配575、I/O接口的扩展57（六）、键盘及键盘接口设计59（七）、显示器接口设计60（八）、步进电机控制电路62(九)、部分控制程序：681. 直线圆弧插补程序设计682直线插补程序683.圆弧插补程序得设计694、LED动态显示程序设计：735、串行扩展口的键盘、显示器接口电路软件设计：756、步进电机控制787、自动转位刀架控制82五、外文资料翻译86Stress and Strain86Shear Force and Bending Moment in Beams90六、参考文献95七、 结束语96X南华大学机械工程学院毕业设计一、总体方案设计机床工业是机器制造业的重要部门，肩负着为农业、工业、科学技术和国防现代化提供技术装备的任务，是使现代化工业生产具有高生产率和先进的技术经济指标的保证。设计机床的目标就是选用技术先进。经济效果显著的最佳可行方案，以获得高的经济效益和社会效益。因此，从事机床设计的人员，应不断地把经过实践检验的新理论、新技术、新方法应用到设计中，做到既要技术先进、经济效益好、效率高。要不断的吸收国外的成功经验，做到既要符合我国国情，又要赶超国际水平。要不断的开拓创新，设计和制造出更多的生产率高、静态动态性能好、结构简单、使用方便、维修容易、造型美观、耗能少、成本低的现代化机床。设计本着以上原则进行，尽量向低成本、高效率、简化操作、符合人机工程的方向考虑。（一）、主传动的组成部分主传动由动力源、变速装置及执行元件（如主轴、刀架、工作台等）部分组成。主传动系统属于外联系传动链。主传动包括动力源（电动机）、变速装置、定比传动机构、主轴组件、操纵机构等十部分组成。1、动力源 电动机或液压马达，它给执行件提供动力，并使其获得一定的运动速度和方向。2、 定比传动机构 具有固定传动比的传动机构，用来实现降速、升速或运动联接，本设计中采用齿轮和带传动。3、 变速装置 传递动力、运动以及变换运动速度的装置，本设计中采用两个滑移齿轮变速组和一个背轮机构使主轴获得18级转速。4、 主轴组件 机床的执行件之一，它由主轴支承和安装在主轴上的传动件等组成，5、 开停装置 用来实现机床的启动和停止的机构，本设计中采用直接开停电动机来实现主轴的启动和停止。6、 制动装置 用来控制主轴迅速停止转动的装置，以减少辅助时间。本设计中采用电磁式制动器。7、 换向装置 用来变换机床主轴的旋转方向的装置。本设计中采用电动机直接换向。8、 操纵机构 控制机床主轴的开停、换向、变速及制动的机构。本设计中，开停、换向和制动采用电控制；变速采用液压控制。9、 润滑与密封 为了保证主传动的正常工作和良好的使用寿命，必须有良好的润滑装置和可靠的密封装置。本设计中采用箱外循环强制润滑，主轴组件采用迷宫式密封。10、 箱体 上述个机构和装置都装在箱体中，并应保证其相互位置的准确性。本设计中采用灰铁铸造箱体。11、 刀架 数控机床中为了实现对刀架的自动控制，采用制动转位刀架。（二）、机床主要部件及其运动方式的选定主运动的实现根据设计要求，本设计采用分离式主传动系统，包括变速箱、主轴箱两部分。其中，变速箱与电动机至于机座内，主轴箱与变速箱采用带传动连接。所有的变速都采用液压操作。进给运动的实现本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制，因此在X、Y方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过齿轮传递。齿轮的消隙采用偏心环调整。数字控制的实现采用单片机控制，各个控制按扭均安装在控制台上，而控制台摆放在易操作的位置，这一点须根据实际情况而定。机床其它零部件的选择考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。（三）、机床的主要技术参数由设计任务书的要求，现将CJK6132经济型数控车床的主要技术参数及加工范围技术参数列于下：项目 单位 规格床身上最大回转直径 mm 320最大工件长度 mm 750最大切削直径 mm 320最大切削长度 mm 750床鞍（滑板）上最大切削直径 mm 250主轴前端锥孔 莫氏6号锥度主轴孔径 mm 350主轴转速范围 r/min 401800主轴转速级数 18级主轴电机输出功率 （普通） kW 5中心高 距床身 mm 250距地面 mm 1130尾座套筒直径 mm 65尾座套筒行程 mm 150尾座套筒锥孔锥度 莫氏5号（四）、各组成部件的特性与所应达到的要求1床身机床床身采用优质铸铁，内部筋采用U形布局，床身整体刚性高。滑动导轨面采用中频淬火，淬硬层深。硬度达 HRC52以上，拖板滑动面贴塑，使得进给系统的刚度，摩擦阻尼系数等动、静特性都处于最佳状态。2. 床头箱结构机床主传动采用液压操纵机构，可实现十八级转速。机床主轴箱内的传动齿轮均经淬硬磨齿处理，传动比稳定，运转噪音低。机床主轴为二支撑结构，前支撑采用C级高精度轴承，润滑油润滑，提高了回转精度，使机床主轴具有良好的精度和刚性。机床采用单片式电磁刹车离合器，解决主轴的刹车及离合问题，离合器安装于床头箱带轮侧，使床头箱内结构大为简化，便于维修。3.进给系统机床两轴进给系统采用步进电机驱动滚珠丝杠的典型传动方式，在滑板与床鞍及床鞍与床身之间的滑动面处贴有TSF导轨板，滑动磨擦系数非常小，有助于提高了机床的快速响应性能及生产效率。在进给系统各滑动处及两轴丝杠丝母处都设置了润滑点。4. 刀架机床采用立式四工位刀架，该刀架布刀方便，刚性好。 5. 尾座采用手动尾座6. 冷却系统冷却箱放在后床腿中。7.卡盘机床标准配置为_250手动卡盘， 8.电气系统电路的动力回路，均有过流、短路保护，机床相关动作都有相应的互锁，以保障设备和人身安全。电气系统具有自诊断功能，操作及维修人员可根据指示灯及显示器等随时观察到机床各部分的运行状态。9.安全保护当机床遇到外部突然断电或自身故障时，由控制电路的设计，机床可动进给轴，冷却电机等如已在“启动”状态者，将进入“停止”状态；如已在“停止”状态的则不可自行进入启动状态，确保了机床的安全。另外由于机床计算机内的控制程序是“固化”在芯片中的，而零件加工程序是由电池供电保护的，所以，意外断电或故障时，不会丢失计算机内存储的程序菜单。机床具有报警装置及紧急停止按钮，可防止各种突发故障给机床造成损坏。由于软件的合理设计，报警可通过显示器显示文字及报警号，通过操作面板的指示灯指示；机床根据情况将报警的处理方式分为三类：对紧急报警实行“急停”；对一般报警实行“进给保持”；对操作错误只进行“提示”。二、机床主传动设计（一）、主要技术参数的确定机床的主要技术参数包括主参数和基本参数。主参数是机床参数中最主要的，它必须满足以下要求：a、 直接反映出机床的加工能力和特性；b、 决定其他基本参数值的大小；c、 作为机床设计的出发点；d、 作为用户选用机床的主要依据。对于通用机床（包括专门化机床），主参数通常都以机床的最大加工尺寸表示，只有在不适用于用工件最大尺寸表示时，才采用其他尺寸或物理量。如卧式镗床的主参数用主轴直径，拉床用额定拉力等。为了更完整地表示出机床的工作能力和加工范围，有时在主参数后面标出另一参数值，称为第二主参数。如最大工件长度、最大跨度、主轴数和最大加工模数等。除主参数外，机床的主要技术参数还包括下列基本参数：a、 与工件尺寸有关的参数；b、 与工、夹、量具标准化有关的参数；c、 与机床结构有关的参数；d、 与机床运动特性和动力特性有关的参数。这些基本参数可以归纳为尺寸参数、运动参数和动力参数三种。1尺寸参数尺寸参数是表示机床工作范围的主要尺寸和工、夹、量具的标准化及机床结构有关的主要参数。如普通车床横刀架上最大工件的回转直径，在相同中心高的情况下，这一尺寸参数既决定加工长工件的最大直径，又决定刀架的厚度及其刚性。机床主要尺寸参数内容见下表（ ）。与工件主要尺寸有关的参数最大加工尺寸最大加工直径或最大工件直径，最大加工模数、螺旋角主轴通孔直径最大加工长度或最大工件长度最大工件安装尺寸。如工作台尺寸、主轴端面至工作台面最大距离、主轴中心线至工作台面最大距离或立柱间距等最小工件加工尺寸。如主轴中心线至工作台面距离、最小车削直径、最小磨削外径或孔径等部件运动尺寸范围 刀架、工作台、主轴箱、横梁的最大行程 刀架、工作台、砂轮（导轮）箱或摇臂的最大回转角度与工、夹、量具标准化有关的参数 主轴或尾架套筒的锥孔大小 工件头架或尾架的顶尖安装锥度 刀杆断面尺寸、刀夹最大尺寸、安装的刀具直径 工作台T型槽的尺寸和数目与机床结构有关的参数 床身或摇臂的导轨宽度 花盘或圆工作台的直径 主轴中心线或工作台面至地面的高度机床主要尺寸参数内容机床的主参数主要决定于工件的尺寸。对于各类通用机床，已在调查研究各种工件的基础上制定出了机床的参数标准，设计时应该遵照执行。专用机床的主参数则基本上可以根据工件尺寸决定。主参数系列采用优先数系，这样做有如下好处：（1）优先数按等比级数分级，能在较宽的范围内以较少的品种，经济合理地满足用户的需要，即可把产品的品种规格限制在必需的最少范围内。 （2）优先数系具有各种不同公比的系列，因而可以满足较密和较疏的分级要求。随着形势的发展，可以通过插入中间值使较疏的系列变成较密的系列，而原来的项值保留不变。在参数范围很宽时，根据经济性和需要量等不同的条件，还可以分段选用最合适的基本系列（即选用不同的公比），以复合系列的形式组成最佳系列。 （3）优先数系是国际上统一的数值制度，有利于国际的标准化。 其他尺寸参数一般根据主参数来确定。但由于机床的使用情况比较复杂，这些尺寸参数的确定还有相似分析法和图解分析法及回归分析法。 由此可以得到CK6140数控车床的尺寸参数如下表所示 ：参数项目单位数值床身上最大工件回转直径mm320刀架上最大工件回转直径mm160主轴通孔直径mm35主轴锥孔莫氏Nq6尾架顶尖套锥孔莫氏Nq5最大工件长度Lmm750刀杆截面尺寸mm20202运动参数运动参数包括机床主运动（切削运动）的速度范围和级数，进给量范围和级数以及辅助运动的速度等，它是由加工表面成形运动的工艺要求所决定的。主轴极限转速和变速范围 对于主运动为回转运动的机床，主轴极限转速为：式中的或不是该机床可能加工的的最小或最大直径，而是认为是在机床全部工艺范围内可以用最大切削速度来加工时的最小工件直径和用最小切削速度来加工时的最大工件直径，这样才能得出合理的极限转速值。（1）极限切削速度Vmax、Vmin根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类、工艺要求、刀具和工件材料等因素。允许的切削速度极限参考值如下表所示：加工条件硬质合金刀具粗加工80120硬质合金刀具半精加工或精加工150250高速钢刀具低速光刀存储器芯片所要求的读取时间4).常用的存储器芯片a、常用的程序存储器ROM芯片及其引脚的功能 EPROM芯片，典型的有2716、2732、2764、27128、这里我们选用的是EPROM2764芯片它的容量8KB8读取时间为250ms引脚功能（28脚）下面介绍它的引脚功能：电源线Vcc+5v、Vpp编程的电源线、GEND接地数据线8条D0D7地址线13条A0A12控制线 片选端线（或片选信号线，低电平有效）数据输出选通信号线，低电平有效编程冒充输入端。只对8751有效b、常用的RAM芯片及其引脚功能 常用的有SRAM6116、6264这里我们选用的是6264下面介绍它的引脚功能，读取时间为250ms，28脚双列直接封装的芯片电源线 Vcc、GND地址线13脚A0A12数据线8脚D0D74.控制线 片写信号线（片选端） 片写信号线（片选端） 读控信号线低电平有效 写控信号线低电平有效5）.存储器扩展的常用芯片地址存储器为什么要用地址存储器 P0地址/数据复用常用地址锁存器74LS-373、74LS-273等芯片我们这里选用的是74LS373下面介绍74LS-373锁存器引脚功能20脚电源线Vcc GND输入输出线 输入线 D0D7输出线Q0Q7控制线 片选端线 当=0时锁存输出，当=1时输出成高阻态 G-锁存线 当G=0时D0D7的信息输入Q0Q7的低，8为地址锁存到锁存器中，当G=1时锁存器输出端（Q0Q7）状态和输入， 端D0D7状态相同2.程序器的扩展（1）类型 容量 速度。MCS-51芯片（8301）用晶体频率为12Hz=240ms（2）扩展的方法 扩展一片，EPROM（扩展8个KB） 包括地址线，控制线，数据线其中控制线包括： 地址锁存ALE、片选端、输出允许端 两片16KBEPROM3、数据存储器的扩展数据存储器的扩展跟地址存储器差不多，我们需要注意下面几点引脚的功能就可以了就可以了。在这里不详细介绍了。4、存储器地址空间的分配线选法线选法寻址译码器选址部分译码法全部译码法5、I/O接口的扩展1）概述简单I/O接口的扩展通过可编程通用I/O扩展芯片来扩展通过串行口来扩展简单I/O口扩展我们采用总线扩展法、或不可编程芯片扩展采用普通TTL芯片扩展构成输出口时，接口芯片应该具有锁存的功能构成输入口时，接口芯片应该具有三态缓冲和锁存功能扩展入口的典型芯片有：74LS373、244、245扩展出口的典型芯片有：74LS372、27374LS245三态逻辑缓冲器，总线双向扩展芯片电源线Vcc、GND输入输出线A0A7、BOB7控制线 片选端，低电平有效。方向控制端当=0时、=0，数据从AB当=0时、=1时，数据从BA74LS244三态逻辑缓冲器总线单向扩展芯片 它的引脚有： 1A11A4 2A12A4 1Y11Y4 2Y12Y4 用控制74LS2738D锁存器输入线D0D7输出线Q0Q7控制线CLK选通端CLR清零端P2.6和同时有效时，通过244输入按键的数据P2.7和同时有效时，273输出数据显示2）利用专用芯片来扩展（8155可编程多功能芯片I/O的扩展）.8155引脚功能 8155片内含有256个字节RAM1个14位定时/数据器和两个8位，一个16位可编程并行I/O口多功能通用接口芯片8155/8156都是40脚双列直接封装.引脚功能电源线Vcc 、Vss地址/数据线AD0AD7。ALE=1时输出的是地址， ALE=0时或其它是数据端口线PA0PA7 、 PB0PB7 、 PC0PC5、控制线ALE地址锁存线 IO/MIO与存储器选择线。当IO/M为高电平时作I/O口用当IO/M为低电平时，作存储器用（数据）片选端/CE 低电平有效（8155） CE（8156）高电平有效读写线RST信号传入复位端定时TiMIN输入 TiMOUT 输出3.8155工作方式 作片外RAMIO/M=0时用 做扩展I/O使用IO/M=1时作 定时数据器用4）.8155与单片机的连接详细情况见所画电路图5）8255可编程扩展并行I/O接口.8255结构特点（可编程通用并行的输入输出标准的借口芯片）40脚双列直接封装由单一的+5v电源供电有三个8位并行I/O口PA、PB、PC口具有三种工作方式使用灵活方便通用性强.8255引脚功能电源线Vcc、Vss、GND数据线：数据输入线D0D7 数据输出线PA0PA7 PB0PB7 数据信号线PC0PC7寻址线、A0和A1 片选线低电平有效 A0和A1地址线与对应的地址总线相连（AO/A1）.8031与8255相连，这里不在重复，详细见电路图（六）、键盘及键盘接口设计 键盘可分为：独立式键盘、矩阵式键盘、拨码式键盘。工作方式可分为： 扫描式，中断式：编程扫描式、定时扫描式1）、独立式键盘及键盘设计.按钮相互独立，每个按键个接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。它有其优点与缺点优点：配置灵活，软件结构简单缺点：每个按键需要一口线.用扩展I/O接口来搭独立式键盘采用8155或8255扩展I/O来搭接独立式键盘采用TTL芯片2）、矩阵式键盘及键盘接口设计.矩阵式键盘工作原理。由行线和列线组成.矩阵式键盘工作方式。扫描方式（循环扫描和定时扫描）、中断方式.用扩展I/O接口来搭接本设计采用矩阵式键盘矩阵式键盘适用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列交叉点上。如一个44的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘等等。在按键数量较多时，矩阵键盘比独立键盘节省了很多I/O口。按键设置在行、列线分别连接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在的行和列电平。所以，必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号将是非常直观的。（七）、显示器接口设计 在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称LED。LED显示块由发光二极管显示字段组成，有7段和“米”字型之分，一片显示块显示一位字符。共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。 由于7段LED显示块有7个段发光二极管，所以其字形码为一个字节；“米”字形LED显示块有15段发光二极管，所以字形码为两个字节。由n片LED显示块可拼接成n位LED显示器，共有n根位选线和8n根段选线，根据显示方式不同，位选线和段选线的连接也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线则控制显示位的亮、暗。LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。在多位LED显示时，为了节省I/O口线，简化电路，降低成本，一般采用动态显示方式。动态显示方式是一位一位地分别轮流点亮各位显示器，对每位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮和熄灭时间的比例有关。这种显示方式将七段LED显示器的所有段选位并联在一起，由一个8位I/O口控制，实现各位显示器的分时选通。下图是LED显示器采用共阴极方式，6个显示器的段选码由8155的PB口提供，位选码由8155的PA口提供（PA口同时也提供行列式未编码键盘的列线），行列式未编码键盘的行线由PC口提供。图中设置了36个键。如果继续增加PC口线，设全部PC口线（PC0-PC5）用作键盘的行线，全部PA口线（PA0-PA7）作键盘列线，则按键最多可达86个。下图中8155的PB口扫描输出总是只有一位为高电平，即PB口经反相后仅有一位公共阴极为低电平，8155的PA口则输出相应位（PB口输出为高对应的位显示器）的显示数据，使该位显示与显示缓冲器相对应的字符，而其余各位均为熄灭，依次改变8155的PB口输出为高的位，PB口输出对应的显示缓冲器的数据。（八）、步进电机控制电路 环行分配器 1）.常用的环行分配器：三相、四相、五相、六相。 在本次设计中，X向及Y向均选用的是YB015环行分配器18脚双列直插。 ：先通输控制，低电平有效，用来控制分配器是否输出孙许脉冲。：清零端低电平有效，输出脉冲前对环行分配器必须清零，使分配器正常工作。A0、A1通电方式控制端当A0、A1=0分配器以五相五拍工作当A0=0、A1=1五相双五拍工作当A0=1、A1=0五相双五拍工作选通输入控制，低电平有效Ep时钟电路脉冲输入端2）.环行分配器与8031，步进电机连接、两个输入控制端，低电平有效。A0、A1通电方式控制端。A0、A1=0时四相四拍，应接地E0是选通输出控制端，由8031、P11、P14来控制+、-方向控制端，由8031PA0、P13来控制CP时钟脉冲输入端，由8155上TimOUT提供R清零端，由8031P15提供3) 步进电机开环驱动原理每输入一个脉冲,步进电机就前进一步,因此,它也称作脉冲电动机.其种类很多,但主要分三大类:反应式步进电动机,永磁式步进电动机,以及永磁感应式步进电动机.反应式电动机结构最简单,是应用最广泛的一种.按控制绕组的相树分有三相,四相,五相,六相等等.无论哪种步进电动机,他们的工作原理都有相同之处:数字式脉冲信号控制定子磁极上的控制绕组,按一定顺序依次通电,在顶子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转. 步进电动机主要用于开环系统,当然也可以闭环系统.下图是步进电动机开环伺服系统的原理图,它由以下几部分组成: 脉冲信号源是一个脉冲发生器,通常脉冲频率连续可调,送到脉冲分配器的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制.因脉冲频率可调,也称为变频信号源. 脉冲分配器脉冲按一定的顺序送到功率放大器中进行放大，驱动步进电动机工作用硬件进行脉冲顺序的分配，有时称为环行分配器，也简称环分功率放大器将脉冲分配器送来的脉冲放大，使步进电动机获得必要的功率步进电动机伺服系统的执行元件，它带动工作机构，如减速装置，丝杆，工作台脉冲分配对每一个五相步进电动机而言，其脉冲分配方式是五相十拍的的其五相分别用，表示五相十拍的运行方式是顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步转动要改变步进电动机的转动方向，只需改变通电的顺序即可脉冲分配器是将脉冲电源按规定的通电方式分配到各相，该分配可由硬件来实现在微机控制中，脉冲的分配也可由软件来完成，.，.，.，.，.五位分别输出时序脉冲，经光电隔离、驱动放大使步进电机运转延时的长短决定了步进电动机运行一拍的时间，也就决定了步进电机的转速4) 驱动电路由微机根据控制要求发出的脉冲，并依次将脉冲分配到各相绕组，因其功率很小，电压不足，电流为m级，必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培，才能驱动步进电动机因此，步进电机驱动器实际上是一个功率放大器驱动器的质量直接影响步进电动机的性能，驱动器的负载是电机的绕组，是强电感应负载对驱动器的主要要求是：失真要小，要有较好的前后沿和足够的幅度；效率要高；工作可靠；安装调试和维修方便下图是一个a绕组的高低压驱动电路，脉冲变压器p组成高压控制电路。 无脉冲输入时，均截止，电机绕组a中无电流通过，电机不转有脉冲输入时，饱和导通，在由截止到饱和期间，其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加，在变压器次级感应一个电压，使导通，高压经高压管加到绕组a上，使电流迅速上升，约经数百微妙，当进入稳压状态后，p初级电流暂时恒定，次级的感应电压降到，截止，这时低压电流经加到绕组a上，维持a中的电流为恒定值输入脉冲结束后，又均截止，储存在a中的能量通过的电阻和二极管泄放，的电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形后沿由于采用高低压驱动，电流增长快，电机的力矩和运行频率都得到改善，但由于电机转动时产生的反电动势，使电流波形顶部下凹，使平均电流下降，转矩下降5) .光电隔离电路设计为了避免外部设备的电源干扰，防止被控对象电路的强电反窜，通常采取将微机的前后向通道与被连模块在电气上的隔离的方法。过去通常隔离变压器或中间继电器来实现，而目前已广泛被性能高、价格低的光电耦合器来代替。光电耦合器是把发光元件与受光元件封装在一起，以光作为媒体来传输信息的。其封装形式有管形，双列直插式、光导纤维连接等。发光器件一般为砷化镓红外发光二极管。光电耦合器具有以下特点：信号采取光电形式耦合，发光部分与受光部分无电气回路，绝缘电阻高达1010-1012，绝缘电压为1000-5000V，因而具有极高的电气隔离性能，避免输出端和输入端之间可能产生的反馈和干扰。由于发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小，对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路，因此抗干扰能力强，共模抑制比高，不受磁场的影响，特别是用于长线传输时作为终端负载，可以大大地提高信噪比。光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号，且响应速度快（一般为几毫秒，甚至少于10ns），可以用于高速信号的传输。下图的光电耦合器是采用硅光电二极管作受光元件。其CTR为10%-100%，脉冲上升和下降时间小于5s，输出电路饱和压降小（0.2V-0.3V），电路构件简单，是目前应用较多的一种，主要用于驱动TTL电路、传输线隔离、脉冲放大等。晶体管输出型的光电耦合器用于开关信号耦合时，发光二极管和光电晶体管平常都处于关断状态。在发光二极管通过电流脉冲时，光电晶体管在电流脉冲持续的时间内导通。下图是使用4N25光电耦合器的接口电路，这里4N25起到耦合脉冲信号和隔离单片机8031系统与输出设备电气回路的作用，使两部分的电流相互独立。输出部分的地线Vss接地壳或大地，而单片机的电源地线（GND）浮空，这样可以避免输出部分电源变化对单片机电源的影响。(九)、部分控制程序： 1. 直线圆弧插补程序设计在机电设备中，执行部件要实现平面斜线和圆弧曲线得路径运动，必须通过两个方向得合成来完成，在数控机床中，这是由X，Y两个方向运动得工作台，按照插补控制原理实现得。插补原理在有关课程中学过。2直线插补程序ORG 2000HMAIN： MOV SP，#60HLP4： MOV 28H， #0C8H； Xe MOV 29H， #0C8H； Ye MOV 2AH, #00H; X MOV 2BH, #00H; Y MOV 2EH, #00H; F MOV 70H, #0AHLP3: MOV A, 2EH JB ACC,7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC. 0 CLR ACC. 2 MOV 70H,A; LCALL MOTR； 调步进电机得控制子程序，+X方向进给一步 SUBB A。 29H； F-Ye INC 2AH；X+1AJMP LP2LP1： MOV A ，70HSETB ACC。2CLR ACC.0； LCALL MOTR； 调步进电机得控制子程序，+Y方向进给一步LCALL DELAYMOV A，2EHADD A，28H；F+YLP2： MOV 2EH，A MOV A，28H CJNE A，2AH，LP3；Xe=X？ RET程序中MOTR为步进电机得控制子程序。如用硬件实现环分。如采用环形分配器，则需要由软件程序完成硬件环分得功能，见步进电机控制程序设计。3.圆弧插补程序得设计 XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H XeL EQU 1AH XeH EQU 1BH YeL EQU 2BH FL EQU 2CH FH EQU 2DH ORG 2400H MAIN： MOV SP，#60H； MOV 70H， #08H； MOV XL， #80H；XL MOV XH，#0CH；XH MOV YeL， #80H；YeL MOV XeL，#00H；XeL MOV XeH，#00H；XeH MOV YL， #00H；YL MOV YH，#00H；YH MOV FL， #00H；FLMOV FH， #00H；FH LP3 MOV A，FH JNB ACC.7，LP1 MOV A，70H SETB ACC.2 CLR ACC.0； LCAAL MOTR；MOV R1， #28H；MOV R0，#1CH；MOV R7，#02H；LCALL MULT2； 2*YADD CLR C MOV A,FL ADDC A,1CH MOV FL,A MOV A,FH ADDC A,1DH;F+2Y MOV FH,A CLR C MOV A,YL ADD A,#00H MOV 28H,A MOV A,YH ADDC A,#00H MOV YH,A CLR C MOV A,FL ADD A,#01H MOV FL,A MOV A,FH ADDC A,#00H MOV FH,A;F+2Y+1 AJMP LP2 MOV A,70H SETB ACC.0 MOV 70H,A; LCALL MOTR MOV R1，#18H；XL MOV R0，#1CH MOV R7#02H LCALL MULT2，2* SUB CLR CMOV A，1CHSUBB A，FLMOV FL，AMOV A，FHSUBB A，1DHMOV XL，AMOV A，XLSUBB A，#00HMOV XH，A；X-1CLR CMOV A，FLADD A，#01HMOV FL，AMOV A，FHADDC A，#00HMOV FH，A；F-2X+1 LP2： MOV A，YHCJNE A，YeH，LP3A；YH=Ye？MOV A，YLCJNE A，Ye，LP3A；YL=YeL？ LP3A： AJMP LP3ORG 2500H MULT2： PUSH PSW；双字节乘2子程序 PUSH APUSH BCLR CMOV R2，#00H SH1： MOV A，R1MOV B,#02HMUL ABPOP PSWADDC A,R2MOV R0,AINC R0INC R1DJNZ R7,SH1POP BPOP PSWRET4、LED动态显示程序设计：本设计中采用LED动态显示方式：其电路接口电路形式为：数码管是八位共阴极，所以发光时字形驱动输出“1”有效，位选驱动输出“0”有效。对8155来讲，字形码输出“0”有效，位选扫描电平为“1”有效。各数码管虽然是分时轮流通电，但由于发光管具有余辉特性及人眼具有视觉暂留作用，所以适当选取循环扫描频率时，看上去所以的数码管是同时亮的，察觉不出有闪烁现象。不过这种方式数码管不宜太多，一般在8个以内，否则每个数码管所分配到实际导通的时间会太少，使得亮度不足。通常采用动态显示字形码输出及位选信号输出因经过驱动后再与数码管相连。以下是对LED动态显示电路的程序设计：LED动态显示接口MOD： PUSH ACC ；保护现场PUSH DPHPUSH DPLSETB RS0MOV R0，#CWR ；指向8155控制口MOV A，#4DH ；设置8155工作方式字MOVX R0,A ；设A口、C口都为输入DIR： MOV R0，#DIS5 ；指向显示缓冲区首单元MOV R6，#20H ；选中最左数码管MOVX R7，#00H ；设定显示时间MOV DPTR，#TAB ；指向字形表首址DIRI： MOV A，#00HMOV R1，#POC ；指向8155A口（字形口）MOVX R1,AMOVX A,R0 ；取要显示的数MOVC A，A+DPTR ；查表得字形码MOV R1，#POA ；指向8155A口（字形MOV R1，A ；送字形码MOV A，R6 ；取位选字MOV R1，#POC ；指向位选口MOV R1，A ；送位选字HERE： DJNZ R7，HERE ；延时INC R0 ；更新显示缓冲单元CLR CMOV A，RRRC A ；位选字移位MOV R，AJNZ DIR1 ；未扫描完继续循环CLR RS0 ；恢复现场POP DPLPOP DPHPOP ACCRETTAB： DB 3FH,06,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07 ；07 DB 7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H ；80FH5、串行扩展口的键盘、显示器接口电路软件设计：此接口电路能实现的软件功能是：上电后要求第一位显示器显示提示符“H”，然后等待键输入。在按“0”或“1”键后将分别转入#0键功能和#1键功能程序。程序框图如下：串行口扩展的键盘、显示接口电路MAIN: CLR P 1.4 ;清显示SETB P1.3 ;开显示输入SETB P1.4 ;开显示MOV SCON,#00H ;设串口方式为0MOV A，#76H ；“76H”为H的段代码MOV SBUF，A ；段选码串行输入STP： JNB T1，STP ；输出等待CLR T1 ；清发送完标准，准备下次发送CLR KET ；调键盘子程序MOV DPRT，#PL0 ；置散转入地址表MOV R2，A ；键值送R2 ADD A，R2 ；由于LJMP为三字节指令，需对键值；进行修正，以形成正确的散转入口偏；移量ADD A，R2JMP A+DPTRKEY： MOV A，#00H ；送全扫描字，判断是否有键按下MOV SBUF，A ；全扫描字从串行口输入STP2： JNB T1，STP2 ；等待发送CLR T1STP3 JB P1.5，STP ；若无键按下，等待LCALL TIME ；若有键按下，调延时子程序消抖动JB P1.5，STP ；是键抖动，返回键等待MOV R7，#08H ；查键号初始化，列数R7MOV R6，#0FEH ；首列扫描子R6MOV R3，#00H ；首列偏移量R3MOV A，R ；送列扫描字KEYS： MOV SBUFASTP4： JNB T1，STP4CLER T1JB P1.5，NEXT ；若此键按下，准备查询下一列MOV A，#00H ；若此列键按下，送全扫描字MOV SBUF，ASTP5： JMB T1，STP5CLR T1STP6： JNB T1，STP ；等待键释放，若键未释放，等待MOV A，R3 ；键号送ARETNEXT： MOV A，R6RL AMOV R6，AINC RDJNZ R7，KEYS ；8列未查完，返回再查LJMZ KEY ；8列查完返回键扫描子程序入口散转入口地址表：PLO+00H： LJMP PLGM0 ；PLGM0为#00键子程序入口地址PLO+03H： LJMP PLGM1 ；PLGM0为#01键子程序入口地址6、步进电机控制步进电机的驱动方式采用高低压驱动，即在电机移步时，加额定或超过额定值的电压，以便在较大的电流驱动下，使电机快速移动；而在锁步时，则加低于额定值的电压，只让电机绕组流过锁步所需的电流值。这样，既可减少限流电阻的功率消耗，又可以提高电机的运行速度。步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号，因为步进电机的运动不产生旋转量的误差。在五相十拍得程序中，P1口输出的控制字是在程序中给定的。在五相十拍的控制中，由于控制字较多，故把这些控制字以表的形式预先存放在内部RAM单元中，运行程序时以表的方式逐个取出并输入。假定正反转控制字依次存放在以point为首地址的内部RAM中，表中内容如下：Point: DB 01H ;正转ADB 02H ；ABDB 03H ；BDB 04H ；BCDB 05H ；CDB 06H ；CDDB 07H ；DDB 08H ；DEDB 09H ；EDB 10H ；EADB 00H ；循环标志DB 01H ；反转ADB 10H ；AEDB 09H ；EDB 08H ；EDDB 07H ；DDB 06H ；DCDB 05H ；CDB 04H ；CBDB 03H ；BDB 02H ；BADB 00H ；循环标志程序：ROUTN： JB F0，LOOP2 ；判正反转 MOV R1，#POINT ；建立正转数据指针LOOP1： MOV A。R1 ；读控制字JZ LOOP ；结束符转MOV P1，AACALL DELAY ；延时INC R1 ；数据指针加1AJMP LOOP1 ；循环LOOP2： MOV A，#POINT ；建立反转数据指针ADD A，#06HMOV R1，AAJMP LOOP1LOOP3： DJNZ R0，ROUTN ；判步数到否 RET（控制字表略）7、自动转位刀架控制T01T04：刀位信号 有效电平为高。当其中的一个信号为高电平时，表示此时的刀架处于该刀号位置。连接图如下所示：刀架定位采用NPN型霍尔接近开关元件发信号，当磁头通过霍尔元件感应头时，霍尔元件导通，发出到位信号给系统。其内部为集电极开路形式，需在信号发送端接2K/1W上拉电阻。如下图：换刀过程中，刀架到位后关闭刀架正转输出信号（TL+），延迟参数037号设定的时间后系统输出刀架反转信号（TL-），其宽度为参数038号设定的时间，之后系统关闭刀架反转锁紧信号（TL-），T代码指令结束。程序继续执行下一程序段。开机置初值时，034，037，038，039的初值设定如下：参数号 含义 时间 初值 034 刀架正转最长时间TCTMX (换刀极限时间) 80秒 80000（单位为毫秒） 037 刀架正转停止到反转开始的延时时间T1 0.5秒 496（单位为毫秒） 038 刀架反转锁紧时间TLOCK 0.5秒 496（单位为毫秒） 039 总刀位数选择 4（单位：刀位数） 在显示屏幕的左下角的T显示当前指令的T代码及刀补号。开机时，T代码为上次刀号值。当换刀正常结束时，系统自动修改此值。当指令T代码后，由于某种原因刀架没有到位时，T显示换刀前的刀号值不变。当指令的刀号与显示刀号一致时，系统不进行换刀。手动换刀时，在换刀结束后，T代码才修改为新的值。换刀时序图如下：图中TCTMX等是参数设置的时间参数。刀架到位信号（T08T01），由003号参数的TSGN位设定为高或低电平有效。TSGN 0：刀架到位信号高电平有效。（常开）1：刀架到位信号低电平有效。（常闭）（3）ESP1 紧急停止信号该信号为常闭触点信号。当触点断开时，控制系统复位，并使机床紧急停止。通常这个信号由按钮开关的B 触点指令。产生急停后，系统准备好信号MRDY将断开。同时封锁运动指令输出。本系统具有软件限位功能以进行超程检查，可以不安装超程检查限位开关。但是，当驱动器产生故障，使机床的运动超出软件限位的范围时，为使机床能停止运动，必须安装行程限位开关。连接图如下所示：五、外文资料翻译 Stress and Strain1. Introduction to Mechanics of MaterialsMechanics of materials is a branch of applied mechanics that deals with the behavior of solid bodies subjected to various types of loading. It is a field of study that is known by a variety of names, including “strength of materials” and “mechanics of deformable bodies”. The solid bodies considered in this book include axially-loaded bars, shafts, beams, and columns, as well as structures that are assemblies of these components. Usually the objective of our analysis will be the determination of the stresses, strains, and deformations produced by the loads; if these quantities can be found for all values of load up to the failure load, then we will have obtained a complete picture of the mechanics behavior of the body.Theoretical analyses and experimental results have equally important roles in the study of mechanics of materials . On many occasion we will make logical derivations to obtain formulas and equations for predicting mechanics behavior, but at the same time we must recognize that these formulas cannot be used in a realistic way unless certain properties of the been made in the laboratory. Also , many problems of importance in engineering cannot be handled efficiently by theoretical means, and experimental measurements become a practical necessity. The historical development of mechanics of materials is a fascinating blend of both theory and experiment, with experiments pointing the way to useful results in some instances and with theory doing so in others. Such famous men as Leonardo da Vinci(1452-1519) and Galileo Galilei (1564-1642) made experiments to adequate to determine the strength of wires , bars , and beams , although they did not develop any adequate theories (by todays standards ) to explain their test results . By contrast , the famous mathematician Leonhard Euler(1707-1783) developed the mathematical theory any of columns and calculated the critical load of a column in 1744 , long before any experimental evidence existed to show the significance of his results . Thus , Eulers theoretical results remained unused for many years, although today they form the basis of column theory. The importance of combining theoretical derivations with experimentally determined properties of materials will be evident theoretical derivations with experimentally determined properties of materials will be evident as we proceed with our study of the subject. In this section we will begin by discussing some fundamental concepts , such as stress and strain , and then we will investigate bathe behaving of simple structural elements subjected to tension , compression , and shear.2. StressThe concepts of stress and strain can be illustrated in elementary way by considering the extension of a prismatic bar see Fig.1.4(a). A prismatic bar is one that has cross section throughout its length and a straight axis. In this illustration the bar is assumed to be loaded at its ends by axis forces P that produce a uniform stretching , or tension , of the bar . By making an artificial cut (section mm) through the bar at right angles to its axis , we can isolate part of the bar as a free bodyFig.1.4(b). At the right-hand end the force P is applied , and at the other end there are forces representing the action of the removed portion of the bar upon the part that remain . These forces will be continuously distributed over the cross section , analogous to the continuous distribution of hydrostatic pressure over a submerged surface . The intensity of force , that is , the per unit area, is called the stress and is commonly denoted by the Greek letter . Assuming that the stress has a uniform distribution over the cross sectionsee Fig.1.4(b), we can readily see that its resultant is equal to the intensity times the cross-sectional area A of the bar. Furthermore , from the equilibrium of the body show in Fig.1.4(b), Fig.1.4 Prismatic bar in tension we can also see that this resultant must be equal in magnitude and opposite in direction to the force P. Hence, we obtain =P/A ( 1.3 ) as the equation for the uniform stress in a prismatic bar . This equation shows that stress has units of force divided by area for example , Newtons per square millimeter(N/mm) or pounds of per square inch (psi). When the bar is being stretched by the forces P ,as shown in the figure , the resulting stress is a tensile stress; if the force are reversed in direction, causing the bat to be compressed , they are called compressive stress. A necessary condition for Eq.(1.3) to be valid is that the stress must be uniform over the cross section of the bat . This condition will be realized if the axial force p acts through the centroid of the cross section , as can be demonstrated by statics. When the load P doses not act at thus centroid , bending of the bar will result, and a more complicated analysis is necessary . Throughout this book , however , it is assumed that all axial forces are applied at the centroid of the cross section unless specifically stated to the contrary . Also, unless stated otherwise, it is generally assumed that the weight of the object itself is neglected, as was done when discussing this bar in Fig.1.4.3. Strain The total elongation of a bar carrying force will be denoted by the Greek lettersee Fig .1.4(a), and the elongation per unit length , or strain , is then determined by the equation =/L (1.4)Where L is the total length of the bar . Now that the strain is a nondimensional quantity . It can be obtained accurately form Eq.(1.4) as long as the strain is uniform throughout the length of the bar . If the bar is in tension , the strain is a tensile strain , representing an elongation or a stretching of the material; if the bar is in compression , the strain is a compressive strain , which means that adjacent cross section of the bar move closer to one another. ( Selected from Stephen P.Timoshenko and James M. Gere, Mechanics of Materials,Van NostrandReinhold Company Ltd.,1978.)应力应变1、 材料力学的介绍 材料力学是应用力学的分支，它是研究受到各种类型载荷作用的固体物。材料力学所用的方面就我们所知道的类型名称包括：材料强度和可变形物体的力学。在本书中考虑的固体物有受轴向载荷的杆、轴、梁和柱以及用这些构件所组成的结构。通常我们分析物体由于载荷所引起的应力集中、应变和变形作为目的。如果这些是能够获得增长直到超载的重要性。我们就能够获得这种物体的完整的机械行为图。 理论分析和实验结论是研究材料力学的相当重要的角色。在许多场合，我们要做出逻辑推理获得机械行为的公式和方程。但是同时我们必须认识到这些公式除非已知这些材料的性质，否则不能用于实际方法中，这些性质只有通过一些合适的实验之后才能用。同样的，许多重要的问题也不能用理论的方法有效的处理，只有通过实验测量才能实际应用。材料力学的发展历史是理论与实验极有趣的结合。在一些情况下是指明了得以有用结果的道路，在另一些情况下则是理论来做这些事。例如著名人物莱昂纳多达芬奇（1452-1519）和 伽利略加能（1564-1642）做实验以确定铁丝、杆、梁的强度。尽管他们没有得出足够的理论（以今天的标准）来解释他们的那些实验结果。相反的，著名的数学家利昴哈德尤勒（1707-1783）在1744年就提出了柱体的数学理论计算出其极限载荷，而过了很久才有实验证明其结果的重要性。虽然其理论结果并没有留存多少年，但是在今天他仍是柱体理论的基本形式。 随着研究的不断深入，把理论推导和在实验上已确定的材料性质结合起来形容的重要性是很显然的。然后，调查研究简单结构元件承受拉力、压力和剪切的性质。2、 应力 应力和应变的概念可以用图解这种方法。考虑等截面杆发生的延伸。如图1.4(a).等截面杆沿长度方向和轴线方向延伸。在这个图中的杆假设在它的两端承受轴向载荷P致使产生一致的延伸，即杆的拉力。通过杆的假想（mm）截面是垂直于轴的直角面。 我们可以分离出杆的一个自由体作为研究对象图1.4(b). 在右边的端点上是拉力P的作用，而在另一端是被移走的杆上的一部分作用在这部分上的力。这些力分布在水的表面上。强度就是单位面积上的载荷叫应力，用希腊字母表示。假设应力均匀连续分布在横截面上看图1.4(b)。而且在图1.4(b)中看到物体的平衡，我们能够得出这样的合力在大小上必须等于相反方向的载荷P。我们得到等截面杆的应力均匀分布的方程式： =P/A这个方程式表明应力是在面积上分成微分载荷。例如 N/mm或psi。当杆被载荷P拉伸，可以用数值来表示。因此产生的应力为拉应力。如果载荷是相反的方向，造成杆的压缩，这就叫压应力。 方程（1.3）所必须具备的条件就是应力均匀分布在杆的面上。轴向载荷P通过截面的形心，这个条件必须实现。可以用静力学来说明：当加载P不能经过形心，将会导致杆的弯曲，而且有一个更复杂的分析。在本书过程中，如果没有特别说明，我们假定的所有轴向力都作用在横截面的形心上。同样的，除另外的状态，当我们对图1.4讨论时同，对于一般地物体本身是重可忽略。3、 应变由于轴向载荷使杆伸长的总量是用希腊字母表示看图1.4(a)。单位长度的伸长即应变。得到方程式 =/L L为杆的长度。 注意到应变是非空间的量，从方程(1.4)可以获得准确的应变。应变在整个杆的长度上是一致的。如果拉伸，应变庄稼汉叫拉应变，它使材料伸长或延长；如果杆是缩短的，应变就叫压应变，将会使杆的两端距离缩小。 （从选出：史蒂芬.Timoshenko 和詹姆士M.盖尔，材料力学，NostrandReinhold厢式客货两用车有限公司，1978） Shear Force and Bending Moment in Beams Let us now consider, as an example , a cantilever beam acted upon by an inclined load P at its free end Fig.1.5(a). If we cut through the beam at a cross section mn and isolate the left-hand part of the beam as free body Fig.1.5(b), we see that the action of the removed part of the beam (that is , the right-hand part)upon the left-hand part must as to hold the left-hand in equilibrium. The distribution of stresses over the cross section mn is not known at this stage in our study , but wee do know that the resultant of these stresses must be such as to equilibrate the load P. It is convenient to resolve to the resultant into an axial force N acting normal to the cross section and passing through the centriod of the cross section , a shear force V acting parallel to the cross section , and a bending moment M acting in the plane of the beam. The axial force , shear force , and bending moment acting at a cross section of a beam are known as stress resultants. For a statically determinate beam, the stress resultants can be determined from equations of equilibrium. Thus , for the cantilever beam pictured in Fig.1.5, we may writer three equations of stactics for the free-body diagram shown in the second part of the figure. From summations of forces in the horizontal and vertical directions we find, respectively, N=Pcos V=Psinand ,from a summation of moments about an axis through the centroid of cross section mn, we obtain M=Pxsin where x is the distance from the free end to section mn. Thus ,through the use of a free-body diagram and equations of static equilibrium, we are able to calculate the stress resultants without difficulty. The stress in the beam due to the axial force N acting alone have been discussed in the text of Unit.2; Now we will see how to obtain the stresses associated with bending moment M and the shear force V. The stress resultants N, V and M will be assumed to be positive when the they act in the directions shown in Fig.1.5(b). This sign convention is only useful, however , when we are discussing the equilibrium of the left-hand part of the beam is considered, we will find that the stress resultants have the same magnitudes but opposite directionssee Fig.1.5(c). Therefore , we must recognize that the algebraic sign of a stress resultant does not depend upon its direction in space , such as to the left or to the right, but rather it depends upon its direction with respect to the material against , which it acts. To illustrate this fact, the sign conventions for N, V and M are repeated in Fig.1.6, where the stress resultants are shown acting on an element of the beam. We see that a positive axial force is directed away from the surface upon which is acts(tension), a positive shear force acts clockwise about the surface upon which it acts , and a positive bending moment is one that compresses the upper part of the beam.Example A simple beam AB carries two loads , a concentrated force P and a couple Mo, acting as shown in Fig.1.7(a). Find the shear force and bending moment in the beam at cross sections located as follows: (a) a small distance to the left of the middle of the beam and (b) a small distance to the right of the middle of the beam .Solution The first step in the analysis of this beam is to find the reactions RA and RB. Taking moments about ends A and B gives two equations of equilibrium, from which we find RA=3P/4 Mo/L RB=P/4+mo/LNext, the beam is cut at a cross section just to the left of the middle, and a free-body diagram is drawn of either half of the beam. In this example we choose the left-hand half of the bean, and the corresponding diagram is shown in Fig.1.7(b). The force p and the reaction RA appear in this diagram, as also do the unknown shear force V and bending moment M, both of which are shown in their positive directions. The couple Mo does not appear in the figure because the beam is cut to the left of the point where Mo is applied. A summation of forces in the vertical direction gives V=R P= -P/4-M0/LWhich shown that the shear force is negative; hence, it acts in the opposite direction to that assumed in Fig.1.7(b). Taking moments about an axis through the cross section where the beam is cut Fig.1.7(b) gives M = RAL/2-PL/4=PL/8-Mo/2Depending upon the relative magnitudes of the terms in this equation, we see that the bending moment M may be either positive or negative . To obtain the stress resultants at a cross section just to the right of the middle, we cut the beam at that section and again draw an appropriate free-body diagram Fig.1.7(c). The only difference between this diagram and the former one is that the couple Mo now acts on the part of the