Φ550mm的数控车床总体设计及四方回转刀架设计【独家原创4张CAD图纸】【兰州理工大学毕业论文】

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摘　要
本文介绍Φ550MM数控车床的设计，重点介绍设计方案的确定，基本步骤，目的，经济合理性，机床数控化设计计算。数控车床采用数控四方回转刀架可以在一次装夹中完成多道工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所带来的误差。本课题通过对数控回转刀架的机械结构以及电气控制进行了研究，探索数控四方回转刀架的组成和工作原理。通过所学专业知识，完成了数控四方回转刀架机械部分的设计，绘制了装配图。本课题设计的数控回转刀架很好的实现了快速准确自动换刀，提高了数控车床的加工效率。
关键词：数控设计，四方回转刀架，蜗杆副，微机控制，换刀装置

Abstract
This paper introduces the design of 550MM NC lathe, introduces the design scheme is determined, the basic steps, objective, economic rationality, calculation of NC machine tools design. CNC lathe using the NC rotary tool holder can be installed in the 1 clip in multiple processes, shorten assistant time, errors which caused by multiple installation. This paper studied the mechanical structure of the NC rotary tool holder and electric control, to explore the composition and working principle of the NC rotary tool holder. Through the professional knowledge, completed the design of the NC rotary tool holder of mechanical part, drawing a three-dimensional map. The innovation of this paper lies in the solution lies in the use of electromagnetic over current relay to monitor the current size of the motor. improve the machining efficiency of NC lathe.
Keywords: CNC design, rotary cutter, worm, microcomputer control, change the knife device

目录
摘　要 II
Abstract III
第1章数控机床发展概述 1
1.1数控机床及其特点 1
1.2数控车床的主要功能及加工对象 1
1.3 数控机床的经济分析 2
1.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题 2
1.3.2 数控机床选购的策略 2
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 5
2.1 总体方案设计内容 5
2.1.1系统运动方式的确定 6
2.1.2控制方式的选择 6
2.2 总体方案确定 6
2.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择 6
2.2.2 数控系统 6
2.2.3 机械传动方式 6
第3章确定切削用量及选择刀具 7
3.1科学选择数控刀具 7
3.1.1选择数控刀具的原则 7
3.1.2选择数控车削用刀具 8
3.2 设置刀点和换刀点 8
3.3 确定切削用量 8
3.3.1确定主轴转速 9
3.3.2确定进给速度 9
3.3.3 确定背吃刀量 9
第4章传动系统图的设计 9
4.1主传动系统主要技术指标的确定 9
4.1.1动力参数的确定 10
4.1.2主运动调速范围的确定 10
4.1.3主轴计算转速的确定 11
4.2变速主传动系统的设计 12
4.2.1确定传动方案 12
4.2.2转速图的拟定 13
4.2.3拟定传动变速系统图 14
第5章数控四方回转刀架总体结构设计 16
5.1 引言 16
5.2 减速传动机构的设计 16
5.3 刀架抬起机构设计 17
5.4 上刀体锁紧与精定位机构的设计 17
第6章数控四方回转刀架设计计算 - 19 -
6.1蜗杆副的设计计算 - 19 -
6.1.1 蜗杆的选型 - 19 -
6.1.2 蜗杆副的材料 - 19 -
6.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 - 19 -
6.1.4 蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸 - 22 -
6.1.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 - 23 -
6.5. 螺杆的设计计算 - 24 -
6.5.1 螺距的确定 - 24 -
6.5.2 其它参数的确定 - 26 -
6.5.3 自锁性能校核 - 26 -
第7章机床硬件电路图设计 - 28 -
7.1 控制系统总体方案的拟定 - 28 -
7.2总控制系统硬件电路设计 - 28 -
7.2.1单片机的设计 - 28 -
7.2.2系统的扩展 - 32 -
7.2.3键盘、显示器接口设计 - 37 -
7.2.4步进电机控制电路设计 - 39 -
7.2.5光电隔离电路设计 - 41 -
7.2.6其他接口电路设计 - 42 -
总结与展望 - 43 -
参考文献 - 44 -
致谢 - 45 -

第1章数控机床发展概述
1.1数控机床及其特点
数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。
数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。
随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、车床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。
数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。
随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。
未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。
1.2数控车床的主要功能及加工对象
数控车床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控车床普遍所具有的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、固定循环功能等。特殊功能是指数控车床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。
在使用数控车床加工工件时，只要充分利用数控车床的各种功能，就可以加工许多普通车床难加工的工件。数控车床的主要加工对象有：平面类零件；变斜角类零件；曲面类（立体类）零件。
1、直线插补:数控车床在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下分为直线插补和空间直线插补等一些插补方式
2、圆弧插补: 这也是数控车床在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下可分为平面圆弧插补以及逼近圆弧插补等。
3、固定循环:固定循环是指通过各种参数使用不同的加工要求，主要用于实现一些鱼油经典型的需要多次重复的工作，这样使用固定循环是可以有效的简化程序的编制。
1.3 数控机床的经济分析
近几年，随着国民经济快速稳定发展，我国机床制造行业受益于国家振兴装备制造业的大环境，有了长足进展，这其中领先当今机械制造技术水平的数控机床产业更胜一筹。由于数控设备的先进性、复杂性和发展的迅速性,以及品种型号、档次的多样性,决定了选用数控设备的复杂性和难度。如何从品种繁多、价格昂贵的产品中选择适用的设备, 成为中小型企业十分关心的问题。
1.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题
目前中小型企业缺乏数控设备的使用经验和掌握数控加工技术的人才,在数控机床选购中存在着盲目性、片面性,主要表现在以下几方面:
1.决策者对数控机床的认识有误区,部分企业领导认为配置高精度数控设备是企业档次的象征。选型时不考虑投资效益,忽略性价比,盲目追求进口、高档,片面讲究功能齐全。而在后来的使用过程中才发现有些功能用不上或几乎不用。
2.机床选型混乱, 数控机床类型、规格不配套。选购不同厂家的产品, 数控系统不统一, 购置后给操作、编程、维修带来困难。
3.购置数控机床时只重视主机性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某个附件或刀具而影响整个主机的运行。4.

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内容简介：: 毕业设计(论文)550mm的数控车床总体设计及四方回转刀架设计所在学院专业班级姓名学号指导老师年月日摘要本文介绍550MM数控车床的设计，重点介绍设计方案的确定，基本步骤，目的，经济合理性，机床数控化设计计算。数控车床采用数控四方回转刀架可以在一次装夹中完成多道工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所带来的误差。本课题通过对数控回转刀架的机械结构以及电气控制进行了研究，探索数控四方回转刀架的组成和工作原理。通过所学专业知识，完成了数控四方回转刀架机械部分的设计，绘制了装配图。本课题设计的数控回转刀架很好的实现了快速准确自动换刀，提高了数控车床的加工效率。关键词：数控设计，四方回转刀架，蜗杆副，微机控制，换刀装置AbstractThis paper introduces the design of 550MM NC lathe, introduces the design scheme is determined, the basic steps, objective, economic rationality, calculation of NC machine tools design. CNC lathe using the NC rotary tool holder can be installed in the 1 clip in multiple processes, shorten assistant time, errors which caused by multiple installation. This paper studied the mechanical structure of the NC rotary tool holder and electric control, to explore the composition and working principle of the NC rotary tool holder. Through the professional knowledge, completed the design of the NC rotary tool holder of mechanical part, drawing a three-dimensional map. The innovation of this paper lies in the solution lies in the use of electromagnetic over current relay to monitor the current size of the motor. improve the machining efficiency of NC lathe.Keywords: CNC design, rotary cutter, worm, microcomputer control, change the knife device目录摘要IIAbstractIII第1章数控机床发展概述11.1数控机床及其特点11.2数控车床的主要功能及加工对象11.3 数控机床的经济分析21.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题21.3.2 数控机床选购的策略21.4 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52.1 总体方案设计内容52.1.1系统运动方式的确定62.1.2控制方式的选择62.2 总体方案确定62.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择62.2.2 数控系统62.2.3 机械传动方式6第3章确定切削用量及选择刀具73.1科学选择数控刀具73.1.1选择数控刀具的原则73.1.2选择数控车削用刀具83.2 设置刀点和换刀点83.3 确定切削用量83.3.1确定主轴转速93.3.2确定进给速度93.3.3 确定背吃刀量9第4章传动系统图的设计94.1主传动系统主要技术指标的确定94.1.1动力参数的确定104.1.2主运动调速范围的确定104.1.3主轴计算转速的确定114.2变速主传动系统的设计124.2.1确定传动方案124.2.2转速图的拟定134.2.3拟定传动变速系统图14第5章数控四方回转刀架总体结构设计165.1 引言165.2 减速传动机构的设计165.3 刀架抬起机构设计175.4 上刀体锁紧与精定位机构的设计17第6章数控四方回转刀架设计计算- 19 -6.1蜗杆副的设计计算- 19 -6.1.1 蜗杆的选型- 19 -6.1.2 蜗杆副的材料- 19 -6.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计- 19 -6.1.4 蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸- 22 -6.1.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度- 23 -6.5. 螺杆的设计计算- 24 -6.5.1 螺距的确定- 24 -6.5.2 其它参数的确定- 26 -6.5.3 自锁性能校核- 26 -第7章机床硬件电路图设计- 28 -7.1 控制系统总体方案的拟定- 28 -7.2总控制系统硬件电路设计- 28 -7.2.1单片机的设计- 28 -7.2.2系统的扩展- 32 -7.2.3键盘、显示器接口设计- 37 -7.2.4步进电机控制电路设计- 39 -7.2.5光电隔离电路设计- 41 -7.2.6其他接口电路设计- 42 -总结与展望- 43 -参考文献- 44 -致谢- 45 -18第1章数控机床发展概述1.1数控机床及其特点数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、车床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入。随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。1.2数控车床的主要功能及加工对象数控车床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控车床普遍所具有的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、固定循环功能等。特殊功能是指数控车床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。在使用数控车床加工工件时，只要充分利用数控车床的各种功能，就可以加工许多普通车床难加工的工件。数控车床的主要加工对象有：平面类零件；变斜角类零件；曲面类（立体类）零件。1、直线插补:数控车床在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下分为直线插补和空间直线插补等一些插补方式2、圆弧插补:这也是数控车床在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下可分为平面圆弧插补以及逼近圆弧插补等。3、固定循环:固定循环是指通过各种参数使用不同的加工要求，主要用于实现一些鱼油经典型的需要多次重复的工作，这样使用固定循环是可以有效的简化程序的编制。1.3 数控机床的经济分析近几年，随着国民经济快速稳定发展，我国机床制造行业受益于国家振兴装备制造业的大环境，有了长足进展，这其中领先当今机械制造技术水平的数控机床产业更胜一筹。由于数控设备的先进性、复杂性和发展的迅速性,以及品种型号、档次的多样性,决定了选用数控设备的复杂性和难度。如何从品种繁多、价格昂贵的产品中选择适用的设备, 成为中小型企业十分关心的问题。1.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题目前中小型企业缺乏数控设备的使用经验和掌握数控加工技术的人才,在数控机床选购中存在着盲目性、片面性,主要表现在以下几方面: 1.决策者对数控机床的认识有误区,部分企业领导认为配置高精度数控设备是企业档次的象征。选型时不考虑投资效益,忽略性价比,盲目追求进口、高档,片面讲究功能齐全。而在后来的使用过程中才发现有些功能用不上或几乎不用。2.机床选型混乱, 数控机床类型、规格不配套。选购不同厂家的产品, 数控系统不统一, 购置后给操作、编程、维修带来困难。3.购置数控机床时只重视主机性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某个附件或刀具而影响整个主机的运行。4.对企业发展和产品变化预测不足, 所购设备的功能的发挥受到制约。 1.3.2 数控机床选购的策略 1.实用性。选购数控机床时，企业要有明确的目的和出发点，首先考虑的是数控机床的实用性。 (1)数控机床规格、精度的实用性。在选择数控机床时,首先应确定数控机床上加工的典型零件。零件的尺寸决定机床的加工范围；零件关键部位的精度决定了所选机床的精度等级。机床精度的评定指标较多，因数控机床类别而异,但共有的关键项目是定位精度、重复定位精度以及综合加工精度。定位精度与传动链各环节的弹性、间隙等因素有关,反映了机械系统中的扭曲、挠度、爬行、共振等诸因素造成的综合误差。这些指标既反映了伺服机构的刚度,也说明了位置反馈测量系统的质量。重复定位精度反映了数控轴在全行程内定位点的稳定性，传动链刚性直接影响重复定位精度。综合加工精度指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸之间的误差。选购时应避免盲目追求高精度，注意机床精度与工件精度相匹配。 (2)数控系统功能的实用性。数控系统功能可分为基本功能与选用功能, 各知名品牌数控系统的基本功能差别不大。除基本功能以外, 数控系统还为用户提供多种可选功能。通常数控系统具备的基本功能比较便宜, 而特定选择的功能很贵。在可供选择的功能模块中, 性能差别很大,价格也相差数倍，所以要根据加工要求和机床性能的需要来选择。从控制方式、驱动形式、反馈形式、检测、操作方式、接口形式和故障诊断等方面来衡量, 合理地选择适合机床的可选功能,放弃可有可无或不实用的可选功能。比如，自动换刀装置(ATC) 是加工中心的基本特征，ATC装置的投资往往占整机的30%50%。因此在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的ATC, 以提高机床的可靠性和降低整机的价格。应当注意，单独签订合同购买附件的单价大大高于随同主机一起供货的附件单价,应尽可能在购买主机时一并购置部分易损部件及其他附件。 2.经济性。经济性是指选用的数控机床在满足加工要求的条件下, 所支付的“钱”最少或较为合理的。经济性往往是和实用性紧密相连的, 机床选得实用、经济, 可避免不必要的浪费, 避免以高代价换来功能过多而又不实用的较复杂的数控机床，避免在操作使用、维护保养等诸多方面带来困难。数控机床的设计使用寿命一般为7年, 主要以数控方面的使用寿命为准。同时还得考虑市场占有率, 市场占有率高的数控设备说明是旺销产品, 已受到多数用户的青睐和肯定, 一般不会有太多的质量问题。选购数控机床应考虑投资回报, 能够在短期内收回投资的机床才是好机床。因为数控机床的主要优势是实现工序集中，从而提高生产率和加工精度，所以数控机床既适于单件小批生产，又适于大批量生产。多数中小型企业购买的数控机床用于批量生产，因为批量生产不仅节省编程、对刀等辅助时间，提高机床利用率；而且对操作者的技术要求不高，人工费用也相对较低。所以用于大批量生产的机床投资回报较快。少数产品附加值高，具有一定经济实力的企业，为了生产组织方便而购买用于单件生产的数控机床。机床利用率较低时，不仅要考虑设备的使用费用，比如润滑油、冷却液、电力消耗等，还要计算设备折旧。另外一个不可忽视的因素是设备的贬值，数控机床的升级、更新较快，同配置的一台机床，现在售价40万，三年后可能降至35万，这样算起来贬值和折旧一样不可忽视。所以没有定型产品或产品附加值较低的中小型企业，在购置贵重数控设备之前，一定要充分研究收回投资的周期。有些企业事先确定较稳定的批量加工意向，甚至已经接到订单，选购机床时要求机床厂为其准备工装、编制程序、培训工人，即所谓“交钥匙”工程，这是投资数控机床最理想的情况。 3.稳定可靠性。数控设备的可靠性是广大数控设备用户必须关心的焦点问题, 因此在选用数控设备时应注意生产厂家的规模和市场占有率, 确认其产品是否达到国家规定的平均无故障时间标准(规定为500h)。目前多数机床厂都采购成熟的数控系统和零部件进行组装。国内应用较多的数控系统有日本FANUC、德国的西门子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直线导轨、主轴又分别来自德国和台湾等地。所以机床的主要零部件的质量一般是可靠的，需要重点考察的是数控机床组装企业的售后服务网络是否健全,服务队伍的素质是否能胜任工作,服务能否及时,是否能履行承诺等。1.4 数控机床的发展趋向数控机床是由美国发明家约翰帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。技术发展趋势：高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 1.机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合、车铣复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达 0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。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1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。1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1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1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。1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，1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1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1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:1是车刀半径RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，1般取RD=(0.81 0.9)Rmin。二是零件的加工高度HRdp，电动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。（5）确定转速级数取，则对于数控车床，为了加工端面时满足恒线速度切削的要求，应使转速有一些重复，故取Z=2（6）拟定转速图和功率特性图如图4.2.3拟定传动变速系统图拟定传动系统的原则是：在保证机床的运动和使用要求的前提下，运动传动链要尽可能的短而简单；传动效率高以及操作简单方便。首先要考虑某些结构方面的问题，考虑结构能否实现：如小齿轮的齿根圆是否大于轴的直径，大齿轮的顶圆是否会碰及相邻轴等；其次因考虑结构是否合理，如布置是否紧凑，操纵是否方便等。该机床采用双联滑移齿轮变速组，采用窄式排列结构，使机床结构紧凑。主轴变速拟采用通过滑移齿轮的移位来实现，需保证当齿轮2与齿轮4完全脱开啮合之后，齿轮3和齿轮6才能开始进入啮合，所以齿轮5与齿轮6相邻间的距离b要大于于滑移齿轮的宽度（齿轮2与齿轮宽度之和），一般b+, =14 mm。综合考虑个因素，拟订传动系统图。第5章数控四方回转刀架总体结构设计5.1 引言简易经济型数控刀架目前主要为立式四工位,通常采用双插销机构实现转位和预定位,电机采用右置式或转塔式。1般只能单向转位,采用齿轮,蜗杆传动,螺旋副加紧,多齿盘精定位。此种刀架价格便宜,适用于要求不高的数控机床,在我国应用最为广泛。但是,该刀架工位少,回转空间大,易发生干涉,所以正向工序长,回转空间小的卧式刀架过渡。高精度型数控刀架目前1般多为卧式八工位到十二工位。分为抬起式和不抬起式。抬起式仿意大利巴罗法蒂公司的 TA 刀架,其缺点是转阻塞度不能过高,只能单向回转；不抬起式仿意大利 IOE 型刀架,采用行星齿轮机构。或仿美国的三联分齿盘精定位,转位采用平行分度凸轮(又叫共辄凸轮)或槽轮机构此种刀架目前正逐渐推广。带动力刀具的数控刀架此种刀架只有烟台机床附件厂生产,全套引进意大利的生产线和专利,1般用于车削加工中心。5.2 减速传动机构的设计普通的三相异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点，采用蜗杆副减速是最佳选择。蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能，还可以实现整个装置的小型化。（1）传动方案的拟定采用蜗轮蜗杆传动和螺旋副加紧、双插销预定位、端面多齿盘精定位、霍尔元件发讯。（2）传动方案简图图2-1 传动方案简图（3）传动方案分析a. 传动机构采用蜗轮蜗杆传动的主要优点：降速比大,结构紧凑,工作平稳无噪声。能阻滞扭转振动。当蜗杆螺旋升角小于摩擦角时,有反向自锁作用。其主要缺点是 : 发热大,加工复杂,需要有与蜗杆参数相同的涡轮滚刀,对装配误差较为敏感。螺旋副加紧采用丝杠螺母机构传动,其特点是：用较小的扭矩转动丝杠(或螺母),可使螺母(或丝杠)获得较大的轴向牵引力。可达到很大的降速传动比,使降速机构大为简化,传动链得以缩短。能达到较高的传动精度。传动平稳,无噪声。在1定条件下能自锁,即丝杠螺母不能进钉逆向传动。此特点特别适用于作部件升降传动。由于蜗杆传动和丝杠螺母传动均能自锁,即夹紧机构双重自锁，不必再配置制动器。5.3 刀架抬起机构设计要想使上，下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计合适的机构使上刀体抬起。本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-蜗轮带动蜗杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互咬合，因为这时上刀体不能与螺杆1起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离咬合时，上刀体就与螺杆1同转动。5.4 上刀体锁紧与精定位机构的设计由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形端面齿。当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互咬合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正传，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位动作。双差销预定位双差销定位,1般称为反靠定位。具有较高的定位精度和可靠性,并能在有冲击和振动的情况下稳定工作。磨损少,定位附加冲击小。定位精度保持性强。端面齿盘精定位优点 :由于采用了多齿结构,所以定位精度高,1般可达，最高可达；能自动定心,定位精度不受轴承间隙和正反转的影响(也称自由定心)；齿面磨损对定位精度影响不大,随着不断使用磨合,定位精度有可能改善,精度保持性好；承载能力强,定位刚性好。其齿面啮合长度1般不小于60%,齿数啮合率1般不低于90%；适应性强,齿数的所有因数都可作为分度工位数,容易得到不等的分度；重复定位精度稳定。缺点 :齿形加工较为复杂,转位、定位时动齿盘需要升降,并要有夹紧装置,成本高。c. 数控转塔式四工位自动回转刀架传动方案的确定 :采用蜗轮-蜗杆传动 : 螺旋副加紧；电磁离合器制动 : 双插销机构预定位；端面齿盘精定位 : 霍尔元件发讯。第6章数控四方回转刀架设计计算6.1蜗杆副的设计计算6.1.1 蜗杆的选型根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线（ZI）蜗杆，这种蜗杆的端面齿廓是渐开线，所以相当于少1个齿数。6.1.2 蜗杆副的材料由于蜗杆传动效率不高，速度也只是中等 ,故蜗杆用45钢;因希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋要求淬火硬度为45-55HRC且心部调制蜗轮用铸锡青铜ZcusnlOP1,金属模铸造。为了节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮芯用灰铸铁HT100制造。6.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计根据工作要求和条件 : 功率小,起动转矩低,运转平稳等,无需调速、长期反复工作，异步电动机取转速为1400r/min。由要求 :自锁力Q=1000 kgf500 kgf,此处取 Q=1000kgf 。螺旋副传动的牙型为梯形螺纹,可通过较小的扭矩获得较大的轴向力,并要求自锁。梯形螺纹的牙型角=,则牙型半角 P=,且有f=0.080.10。由于本刀架锁紧系统中的摩擦是由封闭系统弹性变形力所引起的,压力通常超过 3,其摩擦系数比1般23倍,取螺杆中径d=85mm.a.求当量摩擦角 : ，为保证电机驱动力矩消失后刀盘仍处于锁紧状态,丝杠螺母传动必须满足自锁条件:,所以 max=11.7-1=10.7，由实验表明=46 有满意效果,故取 =5 。b.螺杆的转速 n1=28r/min（设计任务书给出）可得出传动比：（3-1）计算电机容量：（3-2）其中 ,Pd 为电机所需功率 :Pw 为工作机所需工作功率；是由电动机至工作机主动端的总效率：（3-3）（3-4）其中分别为轴承、蜗轮蜗杆、联轴器、滑动丝杠的传动效率。取=0.98, =0.45( 自锁时传动效率 ), , （设计任务书给出）W （3-5） c. 计算螺杆上的扭矩 : （3-6）d. ，选取150BF002电机，其技术参数如下：电压输出功率转速输入功率质量380V120w1400r/min150w6.0kg额定电流起动转矩/:额定转矩最大转矩/额定转矩起动电流0.47(A)5.25.46e. 各轴的运动动力参数各轴转速I 轴 ( 蜗杆轴 )=1400(r/min)II 轴 ( 丝杠螺母、刀盘 )=1400/28=50(r/min) 各轴输入功率I 轴（3-7）II 轴 w （3-8）输出功率I 轴（3-9）II 轴（3-10）根据闭式蜗杆传动的设计准则,先根据齿面接触疲劳强度进行设计 , 再校核齿根弯曲强度应有 : (4 1） a.用在蜗轮上的转矩：按，取效率则 (4 2) b.确定载荷系数K：因工作载荷较稳定,所以取齿向载荷分布系数由表 11-5( 机械设计第七版 ) 中选取使用系数 =1.15 由于转速不高,冲击不大,取动载荷系数则（4-3）c.确定弹性影响系数：由选用铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆相配合, 故 (4-4）d.确定接触系数:先假设蜗杆分度圆直径为和中心距 a 的比值从图 11-18( 机械设计第七版 ) 中可查得 =5.75e.确定许用接触应力：根据蜗杆材料为铸锡磷青铜ZCuSn10Pi金属模铸造,蜗杆硬度大于45HRC可以从 11-7( 机械设计第6版 ) 中查得涡轮的基本许用应力=268应力循环次数设计要求寿命为 12000h 则(涡轮每转1转,每个轮齿啮合的次数) (4-5)寿命系数：则 (4-6)f.计算中心距 :19 (4-7)所以取中心距为20mm ；因i=50，故从表11-12中取模数m=1mm 6.1.4 蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸6.1.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 (4-8)当量齿数： (4-9)根据从图11-19中( 机械设计第七版 ) 可查得齿形系数螺旋角系数许用弯曲应力从表 11-8( 机械设计第七版 ) 查得ZcuSn10Pi制造的蜗轮的基本许用弯曲应力。寿命系数： (4-10) (4-11) (4-12)故弯曲强度不满足要求。改用铸铝铁青铜(ZcuAl10Fe3)砂模铸造，其许用应力：（4-13）则（4-14）所以强度满足。6.5. 螺杆的设计计算6.5.1 螺距的确定a. 选用T55梯形螺纹丝杆，螺距t=12mm;b. 丝杆螺母尺寸：大径：d=46mm 小径：=40mm 中径：螺母外径：螺母小径：螺母中径：线速n=1。由于连接螺纹要求自锁性。故多用单线螺纹，若要求传动效率高则采用双线或三线螺纹。导程：S=P=12mm 螺纹升角：当量摩擦角：，由于选用的是的梯形螺纹，因而。当f=0.1时，此丝杆能自锁。c. 丝杆螺母的传动效率和驱动扭矩的计算：效率：驱动扭矩M：设所受的轴向力P,则螺纹中径的圆周力为，驱动扭矩，（kgfcm） (4 16)d. 校核滑动螺旋传动：滑动螺旋工作时，主要承受转矩及轴向拉力（或压力）的作用，同时在螺旋和螺母的旋合纹间较大的相对滑动。主要的失效形式是螺纹磨损。因此滑动螺旋的基本尺寸(即螺杆直径和螺母高度)，通常是根据耐磨性条件确定的。对于受力较大的传动螺旋，还应校核螺杆的危险截面以及螺母纹牙的强度，以防止发生塑性变形和断裂。对于精密传动螺纹还应该校核螺杆的刚度。耐磨性校核：图4-1 刀盘齿形图作用于螺杆的轴向力主要是刀盘重力。螺纹的承压面积（指螺纹工作投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为A(),螺纹中径（mm）螺纹工作高度h，螺纹螺距为P(mm),螺母高度H(mm),螺纹的工作圈数n=H/p. =43mm h=25mm P=12mm H=64mm n=H/P=5 则螺纹工作面的耐磨性条件为：（4-17）e. 强度计算：空心轴工作时，承受轴向力Q和扭矩T的作用，螺杆切应力的作用。螺杆危险截面上既有压缩应力，又有切应力。在校核时根据第四强度理论，求出危险截面的应力。 (4-18） (4-19) (4-20) (4-21) ， (4-22) ， Q=216.86N T=216.86(5.08+8.82)43/2=1156.85Nmm (4-23) (4-24) ,故强度满足要求。6.5.2 其它参数的确定由于机床丝杆螺母的主要失效形式是磨损，以及切削细长螺纹时时刀具磨损使丝杠产生表面缺陷和较大的内应力，所以选择丝杆材料及热处理，应从高的耐磨性，良好的加工性能及长期的尺寸稳定性来进行考虑。选择合金钢40Cr,8级精度，淬硬，热处理使之具有相当的耐磨性。螺母材料选用铸锌铅青铜ZQSn6-6-3,虽然ZQSn10-1非常耐磨，但成本太高ZQSn6-6-3已经能满足要求。6.5.3 自锁性能校核根据要求，要求具有自锁能力，所以必须对蜗轮蜗杆的自锁情况进行验算。所需用到的公式式中表示螺旋升角，表示导程，表示牙型角，代入数据计算得到螺纹升角约为6.312，通常使用值小于这个度数。 2）式中表示当量摩擦角，表示螺旋副的摩擦系数，查表，取第7章机床硬件电路图设计7.1 控制系统总体方案的拟定机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成.控制系统的控制对象主要包括各种机床,如车床、铣床、磨床等等.控制系统的基本组成如下图所示:通信接口软件微机步进电机驱动电路步进电机机床开关量控制电路主运动驱动电路主轴电动机7.2总控制系统硬件电路设计7.2.1单片机的设计1、MCS-51系列单片机的设计MCS-51系列单片机的所有产品都含有8051除程序存贮器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源（程序存贮器、数据存贮器、I/O口、定时/计数器及一些其他特殊部件）。在控制系统设计中，我们采用的是8031，8031可寻址64KB字节程序存贮器和64KB字节数据存贮器。内部没有程序存贮器，必须外接EPROM程序存贮器。8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分为三部分。a.电源及时钟引脚此部分引脚包括电源引脚Vcc、Vss及时钟引脚XTAL1、XTAL2。电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc（40脚）：接+5V电源。Vss（20脚）：接地。时钟引脚（18、19脚）：外接晶体时与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。XTAL1（19脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接受振荡器的信号，即把信号直接接至内部时钟发生器的输入端。b.控制引脚它包括RST、ALE、等。此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复用功能。RST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。复位后应使此引脚电平为0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。当Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（50.5）V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。ALE/（30脚）：当单片机访问外部存贮器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即使不访问外部存贮器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。但是，每当访问外部数据存贮器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载。（29脚）：此输出为单片机内访问外部程序存贮器的读选通信号。在从外部程序存贮器指令（或常数）期间，每个机器周期两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的信号不出现。同样可以驱动8个TTL负载。/Vpp（31脚）：当端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存贮器，但当PC值超过某值时，将自动转向执行外部程序存贮器内的程序。当端保持低电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外部程序存贮器。对8031来说，因其无内部程序存贮器。所以该引脚必须接地，即此时只能访问外部程序存贮器。c.输入/输出引脚输入/输出（I/O）口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口（P0.0-P0.7）：为双向8为三态I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。P1口（P1.0-P1.7）：为8位准双向I/O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入口时，锁存器必须置1），可驱动4个TTL负载。P2口（P2.0-P2.7）：为8位准双向I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载，一般作为扩展时地址总线的高8位使用。P3口（P3.0-P3.7）：为8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。2、MCS-51单片机的时钟电路时钟电路是计算机的心脏,它控制着计算机的工作节奏.MCS-51片内有一个反相放大器,XTAL1、XTAL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端,该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器,产生的时钟送至单片机内部的各个部件.单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式两种,大多单片机应用系统采用内部时钟方式.最常用的内部时钟方式采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路,不论是HMOS还是CHMOS型单片机,其并联谐振回路及参数相同.如下图所示:MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2MHz-24MHz之间可以选择,一般取11.0592MHz.电容C1、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响.C1、C2可在20pF-100pF之间选择,一般当外接晶体时典型取值为30pF,外接陶瓷谐振器时典型取值为47pF,取60pF-70pF时振荡器有较高的频率稳定性.在设计印刷电路板时,晶体或陶瓷谐振器和电容应尽量靠近单片机XTAL1、XTAL2引脚安装,以减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定和可靠的工作.为了提高温度稳定性,应采用NPO电容.3、MCS-51单片机的复位电路计算机在启动运行时都需要复位,使中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作.单片机的复位都是靠外部电路实现的,MCS-51单片机有一个复位引脚RST,高电平有效.它是施密特触发输入,当振荡器起振后,该引脚上出现两个机器周期(即24个时钟周期)以上的高电平,使器件复位,只要RST保持高电平,MCS-51便保持复位状态.此时ALE ,P0,P1,P2,P3口都输出高电平.RST变位低电平后,退出复位状态,CPU从初始状态开始工作.复位操作不影响片内RAM的内容.MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式.通常因为系统运动等的需要,常常需要人工按钮复位,如下图所示:对于CMOS型单片机因RST引脚的内部有一个拉低电阻,故电阻R2可不接.单片机在上电瞬间,RC电路充电,RST引脚端出现正脉冲,只要RST端保持两个机器周期以上的高电平(因为振荡器从起振到稳定大约要10ms),就能使单片机有效复位.当晶体振荡频率为12MHz时,RC的典型值为C=10F,R=8.2K.简单复位电路中,干扰信号易串入复位端,可能会引起内部某些寄存错误复位,这时可在RST引脚上接一去耦电容.上图那上电按钮复位电路只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路,按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平,从而使单片机复位.7.2.2系统的扩展在以8031单片机为核心的控制系统中必须扩展程序存贮器，用以存放控制程序。同时，单片机内部的存贮器容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存贮器。这种扩展就是配置外部存贮器（包括程序存贮器和数据存贮器）。另外，在单片机内部虽然设置了若干并行I/O接口电路，用来与外围设备连接。但当外围设备较多时，仅有几个内部I/O接口是不够的，因此，单片机还需要扩展输入输出接口芯片。1、程序存贮器的扩展 MCS-51系列单片机的程序存贮器空间和数据存贮器空间是相互独立的。程序存贮器寻址空间为64KB（0000H-0FFFFH），8031片内不带ROM，所以要进行程序存贮器的扩展。用作程序存贮器的常用的器件是EPROM。由于MCS-51单片机的P0口是分别复用的地址/数据总线，因此，在进行程序存贮器扩展时，必须用地址锁存器锁存地址信号。通常地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373。当用74LS373作为地址锁存器时，锁存端G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。根据应用系统对程序存贮器容量要求的不同，常采用的扩展芯片扩展EPROM2716（2KB8）、2732A（4KB8）、2764A（8KB8）、27128A（16KB8）、27256（32KB8）和27512（64KB8）等。以上6种EPROM均为单一+5V电源供电，维持电流为35mA-40mA，工作电流为75mA-100mA，读出时间最大为250ns，均有双列直插式封装形式，A0-A15是地址线，不同的芯片可扩展的存贮容量的大小不同，因而提供8位地址的P2端口线的数量各不相同，故2716为A0-A10，27512为A0-A15；D0-D7是数据线；CE是片选线，低电平有效；OE是数据输出选通线；Vpp是编程电源；Vcc是工作电源；PGM是编程脉冲输入端。根据程序存贮器扩展的原理，以EPROM2764A和锁存器74LS373为例对8031单片机进行程序存贮器的扩展。因为2764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址线，A0-A12。如果只扩展一片程序存贮器EPROM，故可将片选端CE直接接地。下图为扩展两片EPROM的连接方法。同时，8031运行所需的程序指令来自2764A，要把其EA端接地，否则，8031将不会运行。2、数据存贮器的扩展8031单片机内部有128个字节RAM存贮器。CPU对内部的RAM具有丰富的的操作指令。但在用于数据采集和处理时，仅靠片内提供的128个字节的数据存贮器是远远不够的。在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能，扩展外部数据存贮器。数据存贮器只使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存贮器与程序存贮器可完全重叠，均为0000H-FFFFH，但数据存贮器与I/O口与外围设备是统一遍址的，即任何扩展的I/O口以及外围设备均占用数据存贮器地址。8031的P0口为RAM的复用地址/数据线，P2口用于对RAM进行页面寻址（根据其容量不同，所占的P2端口不同，在对外部RAM读/写期间，CPU产生RD/WR信号。在8031单片机应用系统中，静态RAM是最常用的，由于这种存贮器的设计无需考虑刷新问题，因而它与微处理器的接口很简单。最常用的静态RAM芯片有6116（2KB8）和6264（8KB8）。单一+5V供电，额定功耗分别为160mW和200mW，典型存取时间均为200ns，均有双列之插式封装，管脚分别为24和28线。下图是6264与8031的连接图。从图中知：6264的片选接8031的P2.7，第二片选线CS2接高电平，保持一直有效状态。因6264是8KB容量的RAM，故用到了3根地址线。6264的地址范围为0000H-7FFFH对于一个完整的应用系统，必须具备一定容量的程序存贮器和一定容量的数据存贮器。8031单片机外部扩展两片2764EPROM和两片6264静态RAM。程序存贮器2764的地址为：0000H-1FFFH。数据存贮器6264的地址为0000H-7FFFH。3、 I/O口的扩展 MCS-51系列单片机大多具有四个8位I/O口（即P0、P1、P2、P3），原理上这四个I/O口均可用作双向并行I/O接口。但在实际应用中，P0口常被用作为数据总线和低8位地址总线使用，P2口常被用作为高8位地址总线使用，P3口某些位又常用它的第二功能，特别是无ROM型的单片机因必须扩展外部程序存贮器，则更是如此。所以，若一个MCS-51应用系统需连接较多的并行输入/输出的外围设备（如打印机、键盘、显示器等），单片机本身所提供的输入输出口不能满足，就不可避免地要扩展并行I/O接口。常用的MCS-51并行I/O接口扩展方法主要有四种：采用可编程的并行接口电路，如8255A；采用可编程的RAM/IO扩展器，如8155；采用TTL或CMOS电路的三态门、锁存器，如74LS377、74LS373、74LS244；利用MCS-51的并行扩展并行I/O接口。a.8255A可编程外围并行I/O接口 8255A是可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。在单片机的I/O口扩展8255芯片，其接口相当简单，如下图所示：图中8255的分别与MCS-51的相连；8255的D0-D7直接接MCS-51的P0口。片选信号CS口及地址选择线A0、A1分别由8031的P0.0、P0.1、P0.2经地址锁存器后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的复位端与8031的复位端相连，都接到8031的复位电路上。在实际的应用系统中，必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应的控制字写入操作口。8255接口芯片在MCS-51单片机应用系统中广泛用于连接外部设备，如打印机，键盘，显示器以及作为控制信息的输入、输出口。b.8155可编程外围并行I/O接口8155/8156芯片内包含有256个字节RAM，2个8位和一个6位的可编程并行I/O口，1个14位定时器/计数器。8155/8156可直接与MCS-51单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。由于8031单片机外接一片8155后，就综合地扩展了数据RAM、I/O端口和定时器/计数器。因而是MCS-51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。在8155的控制逻辑部件中，设置一个控制命令寄存器和一个状态标志寄存器。8155的工作方式由CPU写入控制命令寄存器中的控制字来确定。控制命令寄存器只能写入不能读出，8位控制命令寄存器的低4位用来设置A口、B口和C口的工作方式。第4、5位用来确定A口、B口以选通输入输出方式工作时是否允许中断请求。第6、7位用来设置定时器/计数器的操作。8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或选通方式，C口可作为输入输出口线，也可作为A口、B口选通方式工作的状态控制信号。其工作情况与8255方式0、方式1时大致相同，控制信号的含义也基本相同。另外，在8155中还设有一个状态标志、寄存器，用来存放A口和B口的状态标志。状态标志寄存器的地址与命令寄存器的地址相同，CPU只能读出，不能写入。8155中还设有一个14位的定时器/计数器，可用来定时或对外部事件计数，CPU可通过程序选择计数长度和计数方式。计数长度和计数方式由输入计数寄存器的计数控制字来确定。MCS-51单片机可以和8155直接相连而不用任何外加逻辑，MCS-51单片机扩展一片8155可以为系统增加256字节外RAM，22根I/O口线及一个14位定时器。下图为8155与8031的一种接口逻辑，图中P2.7连片选信号CE，P2.0连，所以8155的RAM的地址为7E00H-7EFFH；I/O寄存器地址分别为：命令字/状态字寄存器地址为7F00H，PA口地址为7F01H，PB口地址为7F02H，PC口地址为7F03H，定时器/计数器低字节寄存器地址为7F04H，定时器/计数器高字节寄存器地址为7F05H。7.2.3键盘、显示器接口设计1、矩阵式键盘接口设计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。2、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。7.2.4步进电机控制电路设计1、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2、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3、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

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