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Φ550mm的数控车床总体设计及纵向进给设计【CAD图纸3张+全套论文】【答辩优秀】

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关键词：: 任务 mm 妹妹数控车床总体整体设计纵向进给 10 17

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Φ550mm的数控车床总体设计

及纵向进给设计

摘要

　　　现代数控机床是未来工厂自动化的基础。数控化设计范围大、潜力大、投资少、见效快，促进制造业技术进步的重要手段。因此，数控系统设计车床的研究具有重要意义。

　　　本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过机床设计的总体思想，提出了数控化设计的技术方案和新数控系统的选型配置方案;提高了传动的精度，重新设计机床的控制逻辑，通过对伺服系统的分析，完成了机床各主要参数的优化和匹配。

关键词：Φ550mm，数控车床，机床，设计，数控系统。

Abstract

　　　Modern CNC machine tools is the basis for the future of factory automation. CNC design range, potential is great, less investment, quick effect, promote manufacturing industry technological progress is an important means of. Therefore, the design of NC system for lathe has important significance to the research of.

　　　This paper describes the CNC technology history, current situation and development on the basis of machine tool design, through the overall idea, put forward the technical scheme design of NC and CNC system selection scheme; the drive to improve the accuracy, to design machine tool control logic, through the servo system of a machine tool, completed the main parameters optimization and matching.

　　　Key words: Φ 550mm, CNC lathes, machine tools, design, numerical control system.

摘要II

AbstractIII

第1章绪论1

1.1数控机床及其特点1

1.2数控机床的工艺范围及加工精度2

1.3 数控机床的经济分析3

1.4 数控机床的发展趋向4

第2章数控机床总体方案的制订及比较7

2.1 总体方案设计内容7

2.1.1系统运动方式的确定7

2.1.2控制方式的选择7

2.2 总体方案确定8

2.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择8

2.2.2 数控系统8

2.2.3 机械传动方式8

第3章确定切削用量及选择刀具9

3.1科学选择数控刀具9

3.1.1选择数控刀具的原则9

3.1.2选择数控车削用刀具10

3.2 设置刀点和换刀点10

3.3 确定切削用量10

3.3.1确定主轴转速11

3.3.2确定进给速度11

3.3.3 确定背吃刀量11

第4章 Φ550mm的主传动设计计算12

4.1 主运动部分计算12

4.1.1 参数的确定12

4.1.2 传动设计14

4.1.3转速图的拟定16

4.1.4 带轮传动部分的设计19

4.1.5 齿轮传动部分的设计23

4.1.6电磁离合器的选择28

4.1.7 轴的设计计算29

第5章纵向进给系统设计计算36

5.1 选择脉冲当量36

5.2 计算切削力36

5.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型37

5.4 齿轮进给齿轮箱传动比计算41

5.5 步进电机的计算和选型42

第6章微机数控系统的设计46

6.1 微机数控系统的设计纲要46

6.1.1 硬件电路设计46

6.1.2 软件电路设计47

6.2 8031单片机及其扩展47

6.2.1 8031单片机的简介47

6.2.2 8031单片机的系统扩展48

6.2.3 存储器扩展50

6.2.4 I/O口的扩展52

6.2.5 步进电机驱动电路53

6.2.6 脉冲分配器（环行分配器）54

6.2.7 光电隔离电路54

6.2.8 功率放大器54

6.2.9 其他辅助电路55

结论57

参考文献:58

致谢59

第1章绪论

1.1数控机床及其特点

　　　随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、机床、建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业。

　　　综上所述，数控机床在促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造新的就业机会等方面，起着非常重要的作用。

　　　数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点：

　　　易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量等。

　　　数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动系统的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件，而且要保证传递过程中有良好的动态特性。传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用，使传动系统的轴组件产生弯曲和扭转振动，从而影响机床的工作性能。随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展，传动系统的结构组成越来越简单，但对其机械结构性能的要求却越来越高，从而使传统的设计方法远远达不到要求，这样，各种设计理论的研究和使用就得到了迅猛的发展。

　　　数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。

1.2数控机床的工艺范围及加工精度

随着机械制造生产模式的演变,对机械制造装备提出了不同的要求.在50年代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度,进行单一或少品种的大批量生产，以“规

内容简介：: 毕业设计(论文)550mm的数控车床总体设计及纵向进给设计所在学院专业班级姓名学号指导老师年月日摘要现代数控机床是未来工厂自动化的基础。数控化设计范围大、潜力大、投资少、见效快，促进制造业技术进步的重要手段。因此，数控系统设计车床的研究具有重要意义。本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过机床设计的总体思想，提出了数控化设计的技术方案和新数控系统的选型配置方案;提高了传动的精度，重新设计机床的控制逻辑，通过对伺服系统的分析，完成了机床各主要参数的优化和匹配。关键词：550mm，数控车床，机床，设计，数控系统。 AbstractModern CNC machine tools is the basis for the future of factory automation. CNC design range, potential is great, less investment, quick effect, promote manufacturing industry technological progress is an important means of. Therefore, the design of NC system for lathe has important significance to the research of.This paper describes the CNC technology history, current situation and development on the basis of machine tool design, through the overall idea, put forward the technical scheme design of NC and CNC system selection scheme; the drive to improve the accuracy, to design machine tool control logic, through the servo system of a machine tool, completed the main parameters optimization and matching.Key words: 550mm, CNC lathes, machine tools, design, numerical control system.目录摘要IIAbstractIII第1章绪论11.1数控机床及其特点11.2数控机床的工艺范围及加工精度21.3 数控机床的经济分析31.4 数控机床的发展趋向4第2章数控机床总体方案的制订及比较72.1 总体方案设计内容72.1.1系统运动方式的确定72.1.2控制方式的选择72.2 总体方案确定82.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择82.2.2 数控系统82.2.3 机械传动方式8第3章确定切削用量及选择刀具93.1科学选择数控刀具93.1.1选择数控刀具的原则93.1.2选择数控车削用刀具103.2 设置刀点和换刀点103.3 确定切削用量103.3.1确定主轴转速113.3.2确定进给速度113.3.3 确定背吃刀量11第4章 550mm的主传动设计计算124.1 主运动部分计算124.1.1 参数的确定124.1.2 传动设计144.1.3转速图的拟定164.1.4 带轮传动部分的设计194.1.5 齿轮传动部分的设计234.1.6电磁离合器的选择284.1.7 轴的设计计算29第5章纵向进给系统设计计算365.1 选择脉冲当量365.2 计算切削力365.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型375.4 齿轮进给齿轮箱传动比计算415.5 步进电机的计算和选型42第6章微机数控系统的设计466.1 微机数控系统的设计纲要466.1.1 硬件电路设计466.1.2 软件电路设计476.2 8031单片机及其扩展476.2.1 8031单片机的简介476.2.2 8031单片机的系统扩展486.2.3 存储器扩展506.2.4 I/O口的扩展526.2.5 步进电机驱动电路536.2.6 脉冲分配器（环行分配器）546.2.7 光电隔离电路546.2.8 功率放大器546.2.9 其他辅助电路55结论57参考文献:58致谢59- 60 -第1章绪论1.1数控机床及其特点随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、机床、建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业。综上所述，数控机床在促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造新的就业机会等方面，起着非常重要的作用。数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点：易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量等。数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动系统的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件，而且要保证传递过程中有良好的动态特性。传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用，使传动系统的轴组件产生弯曲和扭转振动，从而影响机床的工作性能。随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展，传动系统的结构组成越来越简单，但对其机械结构性能的要求却越来越高，从而使传统的设计方法远远达不到要求，这样，各种设计理论的研究和使用就得到了迅猛的发展。数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。1.2数控机床的工艺范围及加工精度随着机械制造生产模式的演变,对机械制造装备提出了不同的要求.在50年代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度,进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。从90年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高,采用拟实制造和快速成形制造技术。工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。数控设备的发展方向六个方面：智能化、网络化、高速、高精度、符合、环保。目前德国和瑞士的机床精度最高，综合起来，德国的水平最高，日本的产值最大。美国的机床业一般。中国大陆、韩国。台湾属于同一水平。但就门类、种类多少而言，我们应该能进世界前4名。数控系统由显示器、控制器伺服、伺服电机、和各种开关、传感器构成。目前世界最大的三家厂商是：日本发那客、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内由华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。华中数控这几年发展迅速，软件水平相当不错，但差就差在电器硬件上，故障率比较高。华中数控也有意向数控机床业进军，但机床的硬件方面不行，质量精度一般。目前国内一些大厂还没有采用华中数控的。广州机床厂的简易数控系统也不错。我们国家机床业最薄弱的环节在数控系统。机床精度 1.机械加工机床精度分静精度、加工精度（包括尺寸精度和几何精度）、定位精度、重复定位精度等5种。 2.机床精度体系：目前我们国家内承认的大致是四种体系：德国VDI标准、日本JIS标准、国际标准ISO标准、国标GB，国标和国际标准差不多。3.看一台机床水平的高低，要看它的重复定位精度，一台机床的重复定位精度如果能达到0.005mm(ISO标准.、统计法),就是一台高精度机床，在0.005mm(ISO标准.、统计法)以下，就是超高精度机床，高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。4.加工出高精度零件，不只要求机床精度高，还要有好的工艺方法、好的夹具、好的刀具。1.3 数控机床的经济分析目前世界著名机床厂商在我国的投资情况 1. 2000年，世界最大的专业机床制造商马扎克（MAZAK）在宁夏银川投资建了名为“宁夏小巨人机床公司”的机床公司，生产数控车床、立式加工中心和车铣复合中心。机床质量不错，目前效益良好，年产600台，目前正在建2期工程，建成后可以年产1200台。 2. 2003年，德国著名的机床制造商德马吉在上海投资建厂，目前年组装生产数控车床和立式加工中心120台左右。 3. 2002年，日本著名的机床生产商大隈公司和北京第一机床厂合资建厂，年生产能力为1000台，生产数控车床、立式加工中心、卧式加工中心。 4.韩国大宇在山东青岛投资建厂，目前生产能力不知。 5.台湾省的著名机床制造商友嘉在浙江萧山投资建厂，年生产能力800台。民营企业进入机床行业情况 1.浙江日发公司，2000年投产，生产数控车床、加工中心。年生产能力300台。 22004年，浙江宁波著名的铸塑机厂商海天公司投资生产机床，主要是从日本引进技术，目前刚开始，起点比较高。 32002年，西安北村投产，名字象日本的，其实老板是中国人，采用日本技术。生产小型仪表数控车床，水平相当不错。军工企业技情况军工企业得到国家拨款开始于当年“大使馆被炸”，后来台湾阿扁上台后，大规模技开始了，军工企业进入新一轮的技高峰，我们很多军工企业开始停止购买普通设备。尤其是近3年来，我们的军工企业从欧洲和日本买了大批量的先进数控机床。也从国内机床厂哪里采购了大批普通数控机床，国内机床厂商为了迎接这次大技，也引进了不少先进技术，争取军工企业的高端订单。听在军工企业的朋友讲，阿扁如果再能“顶”三年，我们的整体水平会上一个台阶。其实，胡锦涛总书记掌权以来，已经把国防事业提到了和经济发展一样的高度上，他说，我们要建立和经济发展相适应的国防能力，相信再过10年，随着我国国防工业和汽车行业的发展，我们国家会诞生世界水平的机床制造商，也将会超越日本，成为世界第一机床生产大国。1.4 数控机床的发展趋向数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。我国的数控系统经过“六五”期间的引进，“七五”期间的数控系统开发，“八五”期间的数控应用技术研究以及“九五”期间的主数控系统软件开发应用，已逐步形成了以航天数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控系统产业。近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟商品走向市场。我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在800010000转/分以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD等信息技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP、MRP和电子商务。如，济南第二机床集团有限公司的CAD普及率达100%，是国家级“CAD示范企业”，企业的MRP系统应用也非常成功，现代化管理水平较高。但是和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。一、信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能数控机床基本上还得依赖进口。二、产品成熟度较低，可行性不高。国外数控系统平均无故障时间在10000小时以上，国内自主开发的数控系统仅3000-5000小时；整机平均无故障工作时间国外达800小时以上，国内最好只有300小时。三、创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时，新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力。智能化。现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速作出实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。基于CAD和CAM的数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成数控机床零部件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得，推动数控机床系统自动化的进一步发展。发展可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。新一代的数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。一、是高速加工技术发展迅速高速加工技术发展迅速，在高档数控机床中得到广泛应用。应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用当前数控机床技术发展趋势高性能功能部件，移动部件轻量化，减少运动惯性。在刀具材料和结构的支持下，从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转；快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超过百米；换刀时间从十几秒下降到10秒、3秒、1秒以下，换刀速度加快了几倍到十几倍。应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高效率。二、是精密加工技术有所突破通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形位误差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，从1950年至2000年50年内提升100倍。目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到1m，进入亚微米超精加工时代。三、是技术集成和技术复合趋势明显技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。四、是数字化控制技术进入了智能化的新阶段数字化控制技术发展经历了三个阶段:数字化控制技术对机床单机控制；集合生产管理信息形成生产过程自动控制；生产过程远程控制，实现网络化和无人化工厂的智能化新阶段。智能化指工作过程智能化，利用计算机、信息、网络等智能化技术有机结合，对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等。加工过程智能监控可以实现工件装卡定位自动找正，刀具直径和长度误差测量，加工过程刀具磨损和破损诊断、零件装卸物流监控，自动进行补偿、调整、自动更换刀具等，智能监控系统对机床的机械、电气、液压系统出现故障自动诊断、报警、故障显示等，直至停机处理。随着网络技术的发展，远程故障诊断专家智能系统开始应用。数控系统具有在线技术后援和在线服务后援。人工智能自动编程系统能按机床加工要求对零件进行自动加工。在线服务可以根据用户要求随时接通INTERNET接受远程服务。采用智能技术来实现与管理信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、故障自诊断和智能维护等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技术在制造系统上的应用，发展成柔性制造单元和智能网络工厂，并进一步向制造系统可重组的方向发展。五、是极端制造扩张新的技术领域极端制造技术是指极大型、极微型、极精密型等极端条件下的制造技术。极端制造技术是数控机床技术发展的重要方向。重点研究微纳机电系统的制造技术，超精密制造、巨型系统制造等相关的数控制造技术、检测技术及相关的数控机床研制，如微型、高精度、远程控制手术机器人的制造技术和应用；应用于制造大型电站设备、大型舰船和航空航天设备的重型、超重型数控机床的研制；IT产业等高新技术的发展需要超精细加工和微纳米级加工技术，研制适应微小尺寸的微纳米级加工新一代微型数控机床和特种加工机床；极端制造领域的复合机床的研制等。第2章数控机床总体方案的制订及比较 2.1 总体方案设计内容接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。2.1.1系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。2.1.2控制方式的选择系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。2.2 总体方案确定2.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。2.2.2 数控系统根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。2.2.3 机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。系统总体方案框图如下：图2-1 系统总体方案框图第3章确定切削用量及选择刀具3.1科学选择数控刀具3.1.1选择数控刀具的原则刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定. 选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15-30min。对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时间内所分担到的全厂开支M较大时，刀具寿命也应选得低些。大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来确定。与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料(如高速钢、超细粒度硬质合金)并使用可转位刀片。3.1.2选择数控车削用刀具在数控加工中，车削平面零件内外轮廓及车削平面常用平底立车刀，该刀具有关参数的经验数据如下:一是车刀半径RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，一般取RD=(0.8一 0.9)Rmin。二是零件的加工高度H选取载荷系数 Kt=1.2 2计算大齿轮传递的转矩 T2 =95.5310P1/n1=95.53103 13/1450 N.mm =8.562310 N.mm 3选取齿宽系数d =1 4查得材料的弹性影响系数ZE =189.8MPa 5按齿面硬度查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1 =Hlim2 =550 MPa 6计算应力循环次数N2 =60n1jLh=6031450313(2383365315)=7.6212310N1 =7.621231031.25=9.5265310 7查得接触疲劳寿命系数KHN1=0.86；KHN2=0.88 8计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，得 = =9 试算小齿轮分度圆直径d1t,带入中较小的值d1t =69.429mm10计算圆周速度n (2.13)11计算齿宽bb=d3d1t=1369.429 mm=69.429 mm12计算齿宽与齿高之比b/h模数 mt=d1t/Z1=69.429/28 mm=2.480 mm齿高 h=2.253mt=2.2532.480 mm=5.58 mm b/h=69.429/5.58=12.4413计算载荷系数根据n=3.64m/s,7级精度，查得动载荷系数Kv=1.14；直齿轮，假设KAFt/b 100 N/mm。查表得KH=KF=1.2；查表得使用系数KA=1；查得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，KH=1.14+0.18（1+0.6d）d+0.23310b将数据带入后，得KH=1.14+0.18（1+0.631）31+0.23310369.429=1.444；由b/h=10.66，KH=1.444查图机械设计10-13得KF=1.32；故载荷系数 K=KAKvKHKH=131.1431.231.444=1.97514按实际的载荷系数效正所得的分度圆直径，由式 69.4293mm 15计算模数m m=d1/Z1=79.81/28 mm=2.85 mm（4）按齿根弯曲强度设计 (2.14)1查得大、小齿轮的弯曲疲劳强度极限均为FE1=710MPa；2查得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.805,KFN2=0.82；3计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式 (2.15)4计算载荷系数KK=KAKvKFKF=131.1431.231.32=1.8065查取齿形系数查得YFa1=2.61； YFa2=2.52。6查取应力校正系数查得YSa1=1.58；YSa2=1.625。7计算大、小齿轮的并加以比较小齿轮的数值大。8设计计算 mm=1.53 mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.53并就近圆整为标准值m=3 mm，按接触强度算得的分度圆直径d1=79.81 mm,算出小齿轮的齿数，取=32 mm (2.16)大齿轮齿数 =U3=1.25332=40，取=40。（5）几何尺寸计算 1计算分度圆直径d1= Z13m=3233 mm=96 mm ；d2= Z23m=4033 mm=120 mm 2计算中心距 a=(d1+d2)/2=108 mm 3计算齿轮宽度b=d3d1=1396 mm=96 mm因为变速箱中，小齿轮1固定安装在第轴上；大齿轮2安装在第轴上，且为双联滑移齿轮，两齿轮副传动比取值为1.25，变速箱做减速传动。考虑整个变速系统的总体结构及其安装，取B2=108 mm，B1=42 mm。4验算 (2.17)100 N/mm,合适。5结构设计及绘制齿轮零件图如下：机床主轴箱中，第轴和轴间为一对斜齿轮，两齿轮的材料选用40Cr，经过调质与表面淬火处理，硬度为4855HRC，许用接触强度疲劳应力，精度等级取7级。经校核，齿轮齿面接触强度和齿根弯曲疲劳强度均满足要求。此处，计算和验算过程略。两斜齿轮参数选择具体如下：1齿轮齿数Z1=30 ； Z2=u3Z1=2330=602中心距，将中心距圆整为210mm (2.18)3按圆整后的中心距修正螺旋角：4大、小齿轮的分度圆直径 (2.19)5齿轮宽度圆整后取B2=100 mm，B1=110 mm。6斜齿轮结构如图所示4.1.6电磁离合器的选择摩擦电磁离合器目前在数控机床中应用十分广泛，因为它可以在运转中自动的接通或脱开，且具有结合平稳，没有冲击、构造紧凑的特点，部分零件已经标准化，多用于机床主传动。选用时应作必要的计算。根据初步的计算可从离合器的选择与运用一书中选取，所有的作图和计算尺寸都见书中的表。1.按扭距选择一般应使用和设计的离合器的额定静扭距Mj和额定扭距Md满足工作要求，由于普通车床是在空载下启动和反向的，故只需按离合器结合后的静负载扭距来选。即： (2.20)对于需要在负载下启动和变速，或启动时间有特殊要求时，应按动扭距设计离合器。2.步骤：1）.决定外摩擦片的内径d。根据结构需要，如为轴装式时，摩擦片的内径d应比安装轴的轴径大26mm。2）.选择摩擦片尺寸：可以在参考书中选择，具体的型号见图纸。3）.计算摩擦面对数z (2.21)式中：f-摩擦片间的摩擦系数（有表可选）； -许用压强MPa（有表可选）； D-摩擦片内片外径mm（有表可选）； d-摩擦片外片内径mm（有表可选）； Ku-速度修正系数（有表可选）； Kz-结合面数修正系数（有表可选）； Km-结合次数修正系数（有表可选）。代入数值得：取Z=9。4.1.7 轴的设计计算（1）轴的设计计算 1轴的材料选用45钢，并经调质处理。2轴的结构设计轴的结构如图所示：3 由于轴的实质结构没有变化，而且各部分直径也大于等于原轴的最小直径，故轴的强度是可以满足工作要求的，具体的校核计算就略去了。（2）轴的设计计算 1轴的材料选用45号钢，并经过调质处理。2估算周的最小直径查表得常数， (2.22)3 轴的结构设计（见图如下所示）4 轴的刚度验算轴的变形条件和允许值轴上装齿轮和轴承处的挠度和倾角（y和）应小于弯曲刚度的许用值Y和，即 yY，。表4-1 轴的弯曲变形的允许值轴的类型Y（mm）变形部位（rad）一般传动轴（0.00030.0005）L装向心轴承处0.0025刚度要求较高（0.0002）L装齿轮处0.001安装齿轮轴（0.010.03）m装单列圆锥滚子轴承0.0006安装蜗轮轴（0.020.05）m装滑动轴承处0.001装单列圆柱滚子轴承处0.001L：轴的跨度； m：模数轴的变形计算公式：计算轴本身弯曲的挠度y及倾角时，一般常将一轴简化为集中载荷下的简支架，按材料力学的有关公式计算，当轴的直径相差不大且计算精度要求不高时，可把轴看做等直径，采用平均直径d1计算，计算轴时选择用平均直径（d1）或当量直径（d2）。圆轴：平均直径 (2.23) 惯性矩 (2.24)矩形花键轴：平均直径 (2.25) 当量直径 (2.26) 惯性矩 (2.27) 轴的力分解和变形合式对于复杂受力的变形，先将受力分解为三个垂直面上的分力，应用弯曲变形的公式求出所求截面的两个垂直平面的y和，然后进行叠加，在同一平面内进行代数叠加，在两个垂直面内则按几何合成，求出该截面的总载度和总倾角。危险工作截面的判断：验算刚度时应选择最危险的工作条件进行，一般是轴的计算转速最低，传动齿轮直径最小且位于周的中央，这时轴的受力将使总的变形剧烈。如果对两三种工作工作条件难以判断哪一种最危险，就分别进行计算，找到最大弯曲变形值y和。提高轴的刚度的一些措施加大轴的直径，适当减小轴的跨度或者增加第三支撑，重新安排齿轮在轴上的位置；改变轴的布置方位等。轴的校核计算轴的受力简图：轴的传动路线有两条，一条是、由齿轮9传动至轴上，再又齿轮12至齿轮13带动主轴运转；另一条是由齿轮10和齿轮11传动至轴上，再又齿轮12至齿轮13带动主轴运转。a ) 先校核由齿轮10传入，齿轮12传出时轴的强度1)作轴的水平面（H）弯矩图和垂直面（V）弯矩图1计算轴上的功率：轴上的转矩：齿轮11的圆周力齿轮11的径向力齿轮12的圆周力齿轮12的径向力齿轮12的轴向力2求在水平面内的支反力，由受力图,MA=0 ，ME=0 3求在垂直面内的支反力，由受力图,MA=0 ，ME=0 4画轴水平面（H）和垂直面（V）内的受力图、弯矩图如下2）作弯矩和转矩图1 齿轮11的作用力在水平面的弯矩图如上：齿轮11的作用力在垂直面的弯矩图如上：齿轮11在B截面作出的最大合成弯矩为2 齿轮12的作用力在水平面的弯矩图如上：齿轮12的作用力在垂直面的弯矩图如上：齿轮12在D截面作出的最大合成弯矩为3）作B、D两截面最大合成弯矩图和扭矩图4）轴的强度校核，经过分析可知，B所在的截面为危险截面，按第三强度理论计算弯矩查机械设计手册第二版第四卷，轴的抗弯截面系数 (2.28)故满足第三强度理论。刚度校核：在水平面（H）内FtB单独作用时FtD单独作用时在和FtBFtD共同作用下在垂直面（V）内：单独作用时单独作用时在与共同作用下时故在共同作用下，处为危险截面。其最大挠度为而一般y=（0.00030.0005）l =01221750203625mm.故,符合要求。轴的转角校核就不再验算。b）再校核由齿轮9传入，齿轮12传出时轴的强度；步骤方法同上，经过校核轴的强度和刚度均满足要求。设计过程中，依b)组传动方案，此处轴的强度和刚度校核过程省略。（3）主轴的设计计算轴的材料选用45号钢，并经过调质处理，结构设计如图。由于主轴的结构基本上采用550MM数控车床的主轴，没有明显的改动，故具体的校核计算过程就略去不作。第5章纵向进给系统设计计算5.1 选择脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、车床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/step。根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向：0.01mm/step, 横向：0.005mm/step(半径)5.2 计算切削力用车床经验公式F=D来计算主切削力式中D指车床身上最大加工直径（mm）。横切端面时主切削力可取纵切时F的1/2。求出主切削里F以后再按以下比例分别求出分力F和F。F：F：F=1 ：0.25 ：0.5式中 F：指走刀方向的切削力（N）； F：指垂直走刀方向的切削力（N）。下图为纵切和横切时切削力的示意图。图2纵切和横切时切削力的示意图1、纵车外圆主切削力F(N)按经验公式估计算： F=D= （N）按切削力各分力比例： F：F：F=1 ：0.25 ：0.4 F（N）F（N）5.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（一）纵向进给丝杠1、计算进给轴向力F（N）纵向进给这里为三角形导轨：F式中K：指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15；：指滑动导轨摩擦系数取0.150.18之间的值；G：指流板及刀架重力，G=1100N。则 F=（N）2、计算最大动负载Q考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响，则最大动负载Q的计算公式为：Q L n式中：指滚珠丝杠导程，初选=8； n：指丝杠转速，（r/min）；：指最大切削力条件下的进给速度（m/min）,可取最高进给速度的1/21/3，此处取=0.3；：指使用寿命时间（h）,对于数控机床取T=15000h.。L：指寿命，以10转为一单位；：指运动系数，见表1，选=1.3。表1运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.5-2.5则 n( r/min)L Q（N）3、滚珠丝杠螺母副的选型从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找到相应的动负载C的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应满足Q C的条件。查表：可采用WL5008外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5圈1列，其额定动负载为23400N，符合Q C的条件。精度等级按表 2，选为1级。Vmm表 2滚珠丝杠行程公差项目符号有效行程（mm）精度等级12345目标行程公差e6812162331540079131825400500810152027500630911162230行程变动量公差V6812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300 mm内行程变动量V681216232弧度内行程变动量V456784、传动效率计算式中：指螺旋升角，=255 ：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数其摩擦角，约等于。则 5、刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如图3所示，最大轴向力为N，支承间距L=1500mm, 丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。图3纵向进给系统计算简图计算如下：（1）丝杠的拉伸或压缩变形量（mm） F=N， L=8mm, EN/mm(材料弹性模数，对钢来说是等于这个值)，mm, R=2.477, e=0.068mm则 d( mm)A(mm) （A指滚珠丝杠按内径定的截面积）丝杠导程L的变化量为：总长度L=1500mm，丝杠上的变形量，由于两端均采用推力球轴承，则值： (mm)(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形（mm）由d=5.763mm, F=kgf,承载滚珠数量 ZZ 由于滚珠丝杠副施加预应力，且预应力F为轴向负载的1/3，则变形 =0.0013 （mm）(3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变（mm）这里采用有预紧时的推力球轴承则查机械设计手册中表6-2-82，采用51109型推力球轴承，其d=45mm,滚动体直径D=3.969mm, 滚动体数量Z=22，（mm）则定位误差 =0.01785mm0.025mm(规定定位精度)6、稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，故不需作稳定性校核。5.4 齿轮进给齿轮箱传动比计算1、纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角，可计算出传动比：在闭式软齿面齿轮传动中，齿轮的弯曲强度总是足够的，因此齿数可取多些，推荐取Z=2440。所以可选定齿轮数为：2、横向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角，可计算出传动比：可选定齿轮数为：因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。有关参数参照表5。表5传动齿轮几何参数所处位置纵向横向齿数24401845分度圆直径48803690齿顶圆直径52844094齿根圆直径43753185齿宽（610）m16161616中心距64635.5 步进电机的计算和选型（一）纵向进给步进电机计算1、等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算：式中：指步进电机转子转动惯量；、：指齿轮、的转动惯量；：指滚珠丝杠转动惯量；：指工件及工作台重量（N）；：指丝杠导程（）；参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量。（分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽）（分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽）（分别表示纵向滚珠丝杠的公称直径和支承间距）把这些数据代入上式： 2、电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按个阶段计算：（1）快速空载起动力矩在快速空载起动阶段，加速度所占的比例较大，具体计算公式如下：以上式中：指空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩（）；：指折算到电机轴上的摩擦力矩（）；：指丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（）；：指传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量；：指电机最大角加速度（）；：指电机最大转速（）；：指运动部件最大进给速度（）；：指脉冲当量（）；：指步进电机步距角（）；：指运动部件从停止起动到最大快进速度所需时间（s），这里是30ms；：指导程的摩擦力（N），；：指垂直方向的切削力（N）；：指工件及工作台重量（N）；：指导轨摩擦系数，；：指运动部件的总重量（N）；：指齿轮降速比；按计算；：指传动链总效率，一般可取；：指滚珠丝杠预加负载，一般取/3，为进给轴向力（N）；：指滚珠丝杠导程；：指滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取。将以前计算所得数据代入：（）（）（）则（）（2）快速移动时所需力矩（）（3）最大切削负载时所需力矩（）从上面计算可以看出，、和三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。由表6得：当步进电机为三相六拍时，则（N）。表6步进电机起动转距与最大静转距关系步进电机相数三相四相五相六相拍数36485106120.50.8660.7070.8090.9510.8660.866按此最大静转距从表中查出，150BF002型最大静转距为13.72，大于所需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运动矩频特性。3、计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率可查出150BF002型步进电机允许的最高空载启动频率为2800运行频率为8000，再从图5查出150BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。从图中看出，当步进电机起动时，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（800.77），直接使用则会出现失步，所以必须采用升降速控制（用软件实现），半起动频率降到1000，起动力矩可提高到588.4，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频则完全可以满足要求。图5150BF002型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性第6章微机数控系统的设计6.1 微机数控系统的设计纲要6.1.1 硬件电路设计硬件是组成系统的基础，也是软件编程的前提，数控系统硬件设计包括以下几部分内容：1、绘制系统电气控制的结构框图据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。机床硬件电路由五部分组成：（1）主控制器，即中央处理单元CPU；（2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；（3）存储器，包括程序存储器和数据存储器；（4）接口，即输入/输出接口电路；（5）外围设备，如键盘、显示器等。机床数控系统硬件框图如图6所示：图6机床数控系统硬件框图（开环系统）2、选择中央处理单元CPU的类型根据设计要求，CNC系统的主CPU采用8031单片机。3、存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。选择EPROM作程序存储器时，应考虑：（1）速度应与CPU时钟匹配；（2）容量适中。4、 I/O接口电路设计设计内容包括：据外部要求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。这部分设计要求考虑系统的驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。在存储器扩展和I/O接口电路中，均涉及到地址译码问题。6.1.2 软件电路设计软件是硬件的补充。确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。1、软件设计步骤软件设计步骤分为以下几步：（3）据软件要求实现的功能，制定出软件技术要求；（4）将整个软件模块化，确定个模块的编制要求，包括个模块功能，入口参数，出口参数；（5）据硬件资源，合理分配好存储单元；（6）分别对个模块编程，并调试；（7）连接各模块，进行统一调试及优化；（8）固化到程序存储器中。2、数控系统中常用的软件模块（1）软件实现环形分配器；（2）插补运算模块；（3）自动升降速控制模块等。6.2 8031单片机及其扩展6.2.1 8031单片机的简介1、8031芯片引脚及片外总线结构（1）8031芯片引脚功能8031芯片有40个引脚，引脚配置见图7：图78031芯片引脚（2）各引脚按功能可分为三部分：l I/O口线：P0，P1，P2，P3共4个8位口；l 控制口线：，ALE，RST； l 电源及时钟：V、V；XTAL1，XTAL2。（3）应用特性：l I/O口线不能都用作用户I/O口线；l I/O口的驱动能力，P0口可驱动8个TTL门电路，P1，P2，P3则只能驱动4个；l P3是双重功能口。2、8031单片机片内结构8031单片机由7个部件组成，既微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定时/计数器及中断系统，它们都是通过片内单一总线连接而成的。6.2.2 8031单片机的系统扩展 8031单片机内无程序存储器，如不扩展外部程序存储器则不能工作，且片内仅有128字节数据存储器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片内RAM也不够用，须扩展。8031片内四个I/O口中仅P1口可作为8位双向的I/O接口用户使用，也须扩展，有些情况还须扩展定时/计数器等。1、8031的片外总线结构所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展：（1）数据总线（DB）：由P0口提供，数据总线要连接到连接的所有外围芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。（2）地址总线（AB）：16位，可寻址范围为64K字节，AB由P0口提供低8位地址，与数据分时传送，传送数据时将低8位地址锁存。高8位地址由P2口提供。（3）控制总线（CB）：系统扩展用控制总线有、ALE、。2、系统扩展能力据地址总线的宽度，在片外可扩展的存储器最大容量为64K字节。片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号。允许两者的地址重复。故片外可扩展的数据存储器与程序存储器分别为64K。扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。3、地址锁存器8031扩展系统时，由P0口提供数据及低8位地址，分时传送，故须地址锁存。常用的地址锁存器芯片是74LS373（带三态缓冲输出的8D触发器），其引脚及连接见图8。图874LS373引脚及连接图图中：DD：信号输入端；QQ：信号输出端；G：下降沿时，将DD锁存于内部；E：使能端，E=0时，三态门处于导通状态，输出端QQ与输入端DD连通，当E=1时，输出三态门断开，输入数据锁存。4、地址译码8031扩展电路中，都涉及到外部地址空间分配问题，即当8031数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选，然后再进行片内地址选择。地址译码实现片选的方法可分为三种：线选法、全地址译码法和部分地址译码法。这里选用部分地址译码法。这种方法是线选与地址译码相结合。图9为74LS138码器的引脚图。当G时，74LS138工作。C、B、A的输出决定译码器的输出引脚。图974LS138引脚图6.2.3 存储器扩展1、存储器常用芯片（1）EPROM芯片常用的程序存储器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均为28脚双列直插式扁平封装长片，图10为常用EPROM引脚。图10常用EPROM引脚排列EPROM选用原则：（a）据控制对象和任务的复杂程度，以及是否需要大量计算来确定存储系统容量（粗略估计，留有一定余地，以备系统的功能扩展用），为使电路简化，尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合。（b）芯片的工作速度满足系统的时序要求。8031访问EPROM时，其所提供的读取时间t与所选的晶体时钟有关，约为3T，不同型号的EPROM工作速度一般为200450ns，故选取芯片时，应使其工作速度小于t。（2）数据存储器数据存储器有动态和静态之分，两者相比，静态RAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，扩展简单，在数据存储器扩展电路中应用较广泛。常用的静态RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它们都由单一的+5V电源供电，28脚双列直插式扁平封装，典型存取时间为150200ns。其引脚如图11所示：图11常用RAM的引脚2、存储器的扩展8031芯片与存储器的连接存储器扩展实质是三总线的连接。1）据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。2）数据线的连接：将8031芯片的PP按位与RAM数据线DD直连。3）地址总线的连接：据确定的地址线根数，将相应的低位地址线相连，剩余高位地址线作片选。4）控制总线的连接：对应控制线连接。6.2.4 I/O口的扩展MCS51单片机共有四个8位并行I/O口，可提供给用户使用的只有P1口和部分P3口线，因此不可避免的要进行I/O端口的扩展。Intel公司常用的外围接口芯片有：8155、8255及8279等。此外还有74LS系列的TTL电路和CMOS电路锁存器、三态门电路也可以为扩展I/O口。1、 I/O口扩展方法据扩展并行I/O口时数据线的连接方式，I/O口扩展方式可分为三种：1）总线扩展方法2）串行口扩展方法3）通过单片机片内I/O口的扩展方法2、常用接口芯片（1）8155芯片8155芯片内具有256个字节RAM、2个8位、1个6位的可编程I/O口和1个14位计数器。8155的结构和引脚见图12：（a） (b)图128155的逻辑结构与引脚 (2)8255芯片8255具有3个8位的并行I/O口，分别为PA、PB、PC口，其中PC口又分为高4位（PCPC）和低4位（PCPC）。（3）8279芯片8279内部有168显示数据RAM，通过命令字可选择显示器的4种工作方式，内部还有6字节。6.2.5 步进电机驱动电路在经济型数控机床中，大多采用步进电机开环控制。而单片机的I/O口或I/O扩展口的驱动能力有限，为使步进电机正常运行并输出一定功率，需有功功率放大环节；为避免强电干扰，因此还需采用隔离电路。其控制电路框图如图14所示：图14步进电机控制框图6.2.6 脉冲分配

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