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设计说明书-21000字-67页.doc

XTK7140数控立式铣镗床及控制系统设计【3张CAD图纸+三维+毕业论文】【答辩通过】

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关键词：: xtk7140 数控立式镗床控制系统设计

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摘要：本次设计通过对现有数控铣镗床的分析研究，提出一种新的设计方案,其自动化程度更高，结构也相对比较简单。这一点在论文会得以体现。本方案中，主轴箱采用电磁离合器实现有级变速，在X、Y、Z三个方向上的进给运动均采用滚珠丝杆，而动力则由步进电动机通过调隙齿轮来传递，并且采用单片机进行数字控制。

控制系统采用MCS-51系列单片机，通过扩展程序存储器、数据存储器和I/O接口实现硬件电路的设计。论文中也对软件系统的设计做出了相关说明。

关键词：电磁离合器滚珠丝杆步进电机单片机系统扩展

Abstract: This design tries a new method after the analyze and research of the exited numerical control bed for mill and bore with the higher automatization degrees and the simpler configuration, which will be explained in the paper. In the method, electromagnetism clutch is used for the realization of the level shift in the headstock, and in the motion of , we all adopt ball bearing thread haulm for the X、Y、Z direction ,

The power of which is step by step electromotor transferred by gear that used for adjusting gaps. And more, we used singlechip for numerical control.

The control system introduces MCS-51 series singlechip, and the realization of hardware circuit was accomplished by enlarging program memorizer、data memorizer and I/O meet meatus. Also, the paper explained the design for software system.

Keywords: Electromagnetism clutch、Ball bearing thread haulm、

The step by step electromotor、The enlarge for SCM system

第一部分机床总体布局设计 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1

1-1 机床总体尺寸参数的选定 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1

1-2 机床主要部件及其运动方式的选定 ┄┄┄┄┄┄┄1

1-3 机床总体布局的确定 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄2

第二部分主传动的设计 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄3

2-1拟定转速图 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄3

2-2主传动主要零件的强度计算 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄7

第三部分进给系统的设计计算 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄27

3-1垂直进给系统的设计计算 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄27

3-2横向进给系统的设计计算 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄36

第四部分控制系统的设计 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄40

4-1控制系统总体方案的拟定 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄40

4-2总控制系统硬件电路设计 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄41

4-3部分控制程序 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄56

4-4控制系统的软件设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄61

参考文献 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄66

谢辞 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄67

第一部分机床总体布局设计

一、机床总体尺寸参数的选定

根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：

工作台宽度×长度 400×1600 mm×mm

主轴锥孔 7∶24

工作台最大纵向行程 900 mm

工作台最大横向行程 375 mm

主轴箱最大垂直行程 400 mm

主轴转速级数 16级

主轴转速范围 50～2000r/min

X、Y轴步进电机 130BF001（反应式步进电动机）

Z轴步进电动机 130BF001（反应式步进电动机）

主电动机的功率 4.0 KW

主轴电动机转速 1440 r/min

机床外形尺寸（长×宽×高） 2450×1200×2300 mm×mm×mm

机床净重 500 Kg

二、机床主要部件及其运动方式的选定

1、主运动的实现

因所设计的机床要求能进行立式的铣和镗，垂直方向的行程比较大,因而采用工作台不动,而主轴箱各轴向摆放为立式的结构布局；为了使主轴箱在数控的计算机控制上齿轮的传动更准确、更平稳，工作更可靠，主轴箱主要采用离合器变换齿轮的有级变速。

2、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、Z三个方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过调隙齿轮传递。

3 、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。

4、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、机床总体布局的确定

根据以上参数及主要部件及其运动方式，则可拟定机床的总体布局图，详细图纸请参照1号A0图纸。

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轴截图.gif

A0-垂直进给运动.gif

A0-主轴箱展开图.gif

A1-横向进给运动.gif

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内容简介：: NANHUA University 毕业设计(论文) 题目 XTK7140数控立式铣镗床及控制系统设计学院名称机械工程学院指导教师颜竟成职称教授班级机械设计与制造及其自动化011班学号 20014410142 学生姓名匡小凤 2005年 6 月 15日南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目XTK7140数控立式铣镗床及控制系统设计设计（论文）题目来源自选课题设计（论文）题目类型工程设计起止时间2005.2.28-2005.6.15一、设计（论文）依据及研究意义：依据：对现有数控铣镗床进行分析研究，进而提出新的设计思路方案。研究意义：自动控制的数控立式铣镗床，与传统的半卧半立式床不同的是：该机床采用立柱，它的垂直进给方向运动通过步进电机带动主轴箱上下移动来实现。二、设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线）设计内容及目标：1. 调查分析XTK7140数控立式铣镗床的加工特点，确定新设计数控立式铣镗床的主要技术参数。2. 进行数控立式铣镗床的总体方案和控制系统总体方案设计。3. 完成主运动和进给运动的机械结构设计。4. 完成控制系统硬件和软件设计。三、设计（论文）的研究重点及难点：1主运动的运动、强度和动力计算及主轴箱部件的设计与计算。2控制系统控制电路的设计及创新。四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）：方法：根据设计任务书的要求，在老师的指导下查相关资料，逐步弄清设计中的难点，全面考虑设计中应该考虑到的各个相关环节。步骤：2.28-3.31 调查分析，选择设计方案，进行总体方案设计及理论计算。 4.1-4.30 机械结构设计计算、校核，绘制机械图，完善结构。 5.1-5.31 控制系统硬件和软件设计计算，绘制电路图。 6.1-6.16 整理图纸，写说明书，完善相关资料，准备答辩。五、进行设计（论文）所需条件：1 机电一体化系统设计相关资料2 AUTOCAD、CAXA、PRO/E、PROTEL等相关软件。3 机械设计制造相关资料。4 相关机械设计手册。5 计算机一台。6 参预生产现场，收集相关参数。六、指导教师意见：签名：年月日南华大学毕业设计(论文)任务书学院：南华大学机械工程学院题目： XTK7140数控立式铣镗床及控制系统设计起止时间： 2005 年 2 月 28 日至 2005 年 6月 15 日学生姓名：匡小凤专业班级：机械设计制造及其自动化011班指导老师：教研室主任：院长： 2005 年 2月 28 日设计（论文）内容及要求(一) 题目：XTK7140数控立式铣镗床及控制系统设计给出条件：主运动部分Z=16级；进给运动部分横纵向脉冲当量0.01mm。(二) 设计内容1. 调查分析XTK7140数控立式铣镗床的加工特点，确定新设计数控立式铣镗床的主要技术参数。2. 进行数控立式铣镗床的总体方案和控制系统总体方案设计。3. 完成主运动和进给运动的机械结构设计。4. 完成控制系统硬件和软件设计。(三) 任务和要求1. 根据总体设计方案，绘制XTK7140数控立式铣镗床总图一张（A0手工图）。2. 进行主运动的运动、强度和动力计算，绘制主轴箱部件展开图一张（A0计算机图）。3. 进行进给运动的运动强度动力计算，绘制纵向数控进给机构部装图一张（A0或A1计算机图）。4. 绘制数控铣镗床主轴零件图一张（三维A2计算机图）。5. 根据控制系统总体设计方案绘制控制系统电路图一张（A0计算机）。6. 科技译文（不少于3000汉字，原文可自选或由指导教师提供）。7. 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）。(四) 主要参考资料1. 机械设计手册，机械工业出版社。2. 实用机床设计手册，辽宁科技出版社。3. 机床设计图册，上海科技出版社。4. TTL集成电路手册5. 存储器手册6. 机床主轴变速箱设计指导书，机械工业出版社。7. 机床数控系统设计指导书，中国科技出版社。8. 数控机床与编程实用教程，化学工业出版社。摘要：本次设计通过对现有数控铣镗床的分析研究，提出一种新的设计方案,其自动化程度更高，结构也相对比较简单。这一点在论文会得以体现。本方案中，主轴箱采用电磁离合器实现有级变速，在X、Y、Z三个方向上的进给运动均采用滚珠丝杆，而动力则由步进电动机通过调隙齿轮来传递，并且采用单片机进行数字控制。控制系统采用MCS-51系列单片机，通过扩展程序存储器、数据存储器和I/O接口实现硬件电路的设计。论文中也对软件系统的设计做出了相关说明。关键词：电磁离合器滚珠丝杆步进电机单片机系统扩展Abstract: This design tries a new method after the analyze and research of the exited numerical control bed for mill and bore with the higher automatization degrees and the simpler configuration, which will be explained in the paper. In the method, electromagnetism clutch is used for the realization of the level shift in the headstock, and in the motion of , we all adopt ball bearing thread haulm for the X、Y、Z direction ,The power of which is step by step electromotor transferred by gear that used for adjusting gaps. And more, we used singlechip for numerical control.The control system introduces MCS-51 series singlechip, and the realization of hardware circuit was accomplished by enlarging program memorizer、data memorizer and I/O meet meatus. Also, the paper explained the design for software system.Keywords: Electromagnetism clutch、Ball bearing thread haulm、The step by step electromotor、The enlarge for SCM system 目录第一部分机床总体布局设计 1l 1-1 机床总体尺寸参数的选定 1l 1-2 机床主要部件及其运动方式的选定 1l 1-3 机床总体布局的确定 2第二部分主传动的设计 3l 2-1拟定转速图 3l 2-2主传动主要零件的强度计算 7第三部分进给系统的设计计算 27l 3-1垂直进给系统的设计计算 27l 3-2横向进给系统的设计计算 36第四部分控制系统的设计 40l 4-1控制系统总体方案的拟定 40l 4-2总控制系统硬件电路设计 41l 4-3部分控制程序 56l 4-4控制系统的软件设计61参考文献 66谢辞 67南华大学机械工程学院毕业设计第一部分机床总体布局设计一、机床总体尺寸参数的选定根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：工作台宽度长度 4001600 mmmm主轴锥孔 724工作台最大纵向行程 900 mm工作台最大横向行程 375 mm主轴箱最大垂直行程 400 mm主轴转速级数 16级主轴转速范围 502000r/minX、Y轴步进电机 130BF001（反应式步进电动机） Z轴步进电动机 130BF001（反应式步进电动机）主电动机的功率 4.0 KW主轴电动机转速 1440 r/min机床外形尺寸（长宽高） 245012002300 mmmmmm机床净重 500 Kg二、机床主要部件及其运动方式的选定1、主运动的实现因所设计的机床要求能进行立式的铣和镗，垂直方向的行程比较大,因而采用工作台不动,而主轴箱各轴向摆放为立式的结构布局；为了使主轴箱在数控的计算机控制上齿轮的传动更准确、更平稳，工作更可靠，主轴箱主要采用离合器变换齿轮的有级变速。 2、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、Z三个方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过调隙齿轮传递。3 、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。4、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、机床总体布局的确定根据以上参数及主要部件及其运动方式，则可拟定机床的总体布局图，详细图纸请参照1号A0图纸。第二部分主传动的设计一拟定转速图.确定结构式和结构网式：1.主传动的确定，和公比的确定：根据XK5040的使用说明书，初步确定本次设计的XTK7140数控立式铣镗床的主轴转速范围为401600rmin，则=1.28。由设计手册取标准值得：=1.26。令，则则取。2.确定变速组和传动副数目：为了满足结构设计和操纵方便的要求，主轴转速为16级的变速系统，总共需要四个变速组。3. 确定传动顺序方案：按着传动顺序，各变速组排列方案只有一个：162222也不存在符不符合“前多后少、前疏后密”的原则，本次设计即采用此方案。4. 确定扩大顺序方案：传动顺序方案确定以后，还可列出若干不同扩大顺序方案。如无特殊要求，根据“前密后疏”的原则，应使扩大顺序和传动顺序一致，通常能得到最佳的结构式方案，故选用16结构式方案。检查最后扩大组的变速范围： r=10 故合符要求。 . 拟定转速图：根据已确定的结构式或结构网议定转速图时，应注意解决定比传动和分配传动比，合理确定传动轴的转速。定比传动在变速传动系统中采用定比传动，主要考虑传动、结构和性能等方面的要求，以及满足不同用户的使用要求。在铣镗床的设计中，总降速比为u=50/1440=1/30=0.035。若每一个变速组的最小降速比均取1/4。则三个变速组的总降速可达。故无需要增加降速传动，但为了使中间两个变速组做到降速缓慢，以利于减小变速箱的径向尺寸和有利于制动方便，在轴间增加一对降速传动齿轮（），同时，也有利于设计变型机床，因为只要改变这对降速齿轮传动比，在其他三个变速组不变的情况下，就可以将主轴的16种转速同时提高或降低，以便满足不同用户的要求。分配降速比前面已确定，162222共需三个变速组，并在轴间增加一对降速传动齿轮，要用到四个变速组，在主轴上标出16级转速：501600r/min,在第轴上用A点代表电动机转速，最低转速用E点标出，因此A,E两点相距约15格，即代表总降速传动比为。定出各变速组的最小传动比根据降速前慢后快的原则，在轴间变速组取，在轴间变速组取，在轴间变速组取，在I轴间变速组取则：根据结构式可知：轴间变速组的级比指数分别为：2，4，8。传动副为：2，2，2。则画出上图的转速图。. 确定各齿轮的齿数：在确定齿轮齿数时应注意：齿轮的齿数和不应过大，以免加大两轴之间的中心距，使机床的结构庞大，而且增大齿数和还会提高齿轮的线速度而增大噪声，所以在设计时要把齿数和控制在；为了控制每组啮合齿轮不产生根切现象，使最小齿数，因而齿轮的齿数和不应过小。在轴间：则可查表1.58和3.98两行又而最小齿轮的齿数是在的齿轮副中，令则等，在高速轴中尽量使齿轮的几何尺寸小一点以减小主轴的尺寸，所以可取可查出：，，同理：且查得. 取则查得：，，查得：取则查得：，，查得：取则查得：，，. 传动系统图的拟定：根据以上分析及计算，拟定如下传动系统图：二主传动主要零件的强度计算：电动机的选择1电动机的功率计算查机床主轴/变速箱设计指导:端铣：硬质合金端铣刀D=120mm；铣刀材料是45号钢；半精铣=150m/min, 齿数Z=34，取Z=4；,取=0.1mm/z；，取=0.6D；，取=3mm。1) 主（切向）切削力硬质合金端面铣刀铣削碳钢工件：N2) 切削功率根据上面两个公式求得：1148.72 N 2、电动机参数的选择在选择电动机时，必须使得PP，根据这个原则，查机械设计手册选取Y112M-4型电动机，其基本参数如下（单位为mm）：A=190 B=140 C=70 D=28 E=60 F=8G=24 H=112 K=12 AB=245 AC=230AD=190 HD=265 BB=180 L=400齿轮传动的设计计算由于直齿圆柱齿轮具有加工和安装方便、生产效率高、生产成本低等优点，而且直齿圆柱齿轮传动也能满足设计要求，所以本次设计选用渐开线直齿圆柱齿轮传动；主轴箱中的齿轮用于传递动力和运动，它的精度直接与工作的平稳性、接触误差及噪声有关。为了控制噪声，机床上主传动齿轮都选用较高的精度，但考虑到制造成本，本次设计都选用7-6-6的精度。具体设计步骤如下： 1、模数的估算：按接触疲劳和弯曲疲劳计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知道后方可确定，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。齿轮弯曲疲劳的估算公式：mm （式中即为齿轮所传递的功率）齿面点蚀的估算公式：mm （式中即为齿轮所传递的功率）其中为大齿轮的计算转速，为齿轮中心距。由中心距及齿数求出模数：mm根据估算所得和中较大的值，选取相近的标准模数。前面已求得各轴所传递的功率，各轴上齿轮模数估算如下：第一对齿轮副 mm mm mm所以，第一对齿轮副传动的齿轮模数应为mm第二对齿轮副 mm mm mm所以，第二对齿轮副传动的齿轮模数应为mm第三对齿轮副 mm mm mm所以，第三对齿轮副传动的齿轮模数应为mm 第四对齿轮副 mm mm mm所以，第四对齿轮副传动的齿轮模数应为mm综上所述，为了降低成本，机床中各齿轮模数值应尽可能取相同，但因为轴得转速比较小，扭矩比较大，为了增加其强度和在主轴上能起到飞轮的作用，需增加轴齿轮的几何尺寸。所以，本次设计中在间各个齿轮模数均为=3mm，在轴上就取。 2、齿轮分度圆直径的计算根据渐开线标准直齿圆柱齿轮分度圆直径计算公式可得各个传动副中齿轮的分度圆直径为：单位(mm) 3、齿轮宽度B的确定齿宽影响齿的强度，但如果太宽，由于齿轮制造误差和轴的变形，可能接触不均匀，反儿容易引起振动和噪声。一般取B=（610）m。本次设计中，取主动齿轮宽度B=8m=83=24mm(在最后一对齿轮啮合取也取B=7m24)。 4、齿轮其他参数的计算根据机械原理中关于渐开线圆柱齿轮参数的计算公式及相关参数的规定，齿轮的其它参数都可以由以上计算所得的参数计算出来，本次设计中，这些参数在此不在一一计算。 5、齿轮结构的设计不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构的要求也不同，7级精度的齿轮，用较高精度的滚齿机或插齿机可以达到。但淬火后，由于变形，精度将下降。因此，需要淬火的7级齿轮一般滚或插后要剃齿，使精度高于7级，或者淬火后再珩齿。6级精度的齿轮，用精密滚齿机可以达到。淬火齿轮，必须达到6级。机床主轴箱中的齿轮齿部一般都需要淬火。6、齿轮的校核（接触疲劳强度）：计算齿轮强度用的载荷系数K，包括使用系数,动载荷系数,齿间载荷分配系数及齿向载荷分布系数，即： =1.251.071.11.12=1.65查表得：=0.88 =2.5 =189.8=将数据代入得：1100mpa 齿轮接触疲劳强度满足，因此接触的应力小于许用的接触应力。其它齿轮也符合要求，故其余齿轮不在验算，在此略去。、轴的设计计算 1、各传动轴轴径的估算滚动轴承的型号是根据轴端直径确定的，而且轴的设计是在初步计算轴径的基础上进行的，因此先要初算轴径。轴的直径可按扭转强度法用下列公式进行估算。对于空心轴，则式中，轴传递的功率，kW；轴的计算转速，r/min；其经验值见表15-3；取的值为0.5。（1）、计算各传动轴传递的功率P根据电动机的计算选择可知，本次设计所选用的电动机额定功率各传动轴传递的功率可按下式计算：电机到传动轴之间传动效率；由传动系统图可以看出，本次设计中采用了联轴器和齿轮传动，则各轴传递的功率为：=0.96， =0.93， =0.904 =0.877 所以，各传动轴传递的功率分别为： 3.509 (2) 估算各轴的最小直径本次设计中，考虑到主轴的强度与刚度以及制造成本的经济性，初步选择主轴的材料为40Cr，其它各轴的材料均选择45钢，取A0值为115，各轴的计算转速由转速图得出：n1j=1002r/min, n2j=631r/min, n3j=315r/min, n4j=250r/min, 所以各轴的最小直径为：在以上各轴中，每根轴都开有平键或花键，所以为了使键槽不影响轴的强度，应将轴的最小直径增大5%，将增大后的直径圆整后分别取各轴的最小直径为： =18, =22, =28, =302、各轴段长度值的确定各轴段的长度值，应根据主轴箱的具体结构而定，且必须满足以下的原则：应满足轴承及齿轮的定位要求；3、轴的刚度与强度校核根据本次设计的要求，需选择除主轴外的一根轴进行强度校核，而主轴必须进行刚度校核。在此选择第根轴进行强度校核。（1）、第根轴的强度校核 1)、轴的受力分析及受力简图由主轴箱的展开图可知，该轴的动力源由电动机通过弹性联轴器传递过来，而后通过齿轮将动力传递到下一根轴。其两端通过一对角接触球轴承将力转移到箱体上去。由于传递的齿轮采用的是直齿圆柱齿轮，因此其轴向力可以忽略不计。所以只要校核其在xz平面及yz平面的受力。轴所受载荷是从轴上零件传来的，计算时常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当作铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关。其受力简图如下：在xz平面内：在yz平面内： 2）、作出轴的弯矩图根据上述简图，分别按xz平面及yz平面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出两个平面的上的弯矩图。在xz平面内，根据力的平衡原理可得：R1+R2+Ft2=Ft1将各个力对R1取矩可得：Ft1a=Ft2（l-b）+R2l Ft1=2/d7 Ft2=2/d11 由以上两式可解出：R1=Ft1（l-a）/l-Ft2b/lR2=Ft1a/l-F2xz+Ft2b/l由于有多个力的存在，弯矩无法用一个方程来表示，用x来表示所选截面距R1的距离，则每段的弯矩方程为：在AB段： M=R1x （ax0）在BC段： M=R1（a+x）-Ft1x （l-bxa）在CD段： M=R2（l-x）（lxl-b）则该轴在xz平面内的弯矩图为：同理可得在yz平面内的弯矩图为： 3)、作出轴的扭矩图由受力分析及受力简图可知，该轴只在yz平面内存在扭矩。其扭矩大小为： T1=Ft1r7 T2=Ft2r11则扭矩图为：4）、作出总的弯矩图由以上求得的在xz、yz平面的弯矩图，根据M=可得总的弯矩图为：5）、作出计算弯矩图根据已作出的总弯矩图和扭矩图，则可由公式Mca=求出计算弯矩，其中是考虑扭矩和弯矩的加载情况及产生应力的循环特性差异的系数，因通常由弯矩产生的弯曲应力是对称循环的变应力，而扭矩所产生的扭转切应力则常常不是对称循环的变应力，故在求计算弯矩时，必须计及这种循环特性差异的影响。即当扭转切应力为静应力时，取0.3；扭转切应力为脉动循环变应力时，取0.6；若扭转切应力也为对称循环变应力时，则取=1。应本次设计中扭转切应力为静应力，所以取0.3，则计算弯矩图为：6）、校核轴的强度选择轴的材料为45钢，并经过调质处理。由机械设计手册查得其许用弯曲应力为60MP，由计算弯矩图可知，该轴的危险截面在B的作用点上，由于该作用点上开有花键，由机械设计可查得其截面的惯性矩为：W= d4+（D-d）（D+d）2zb/32D其中z为花键的数目，在本次设计中，z=6，D=32mm，d=28mm， b=6mm所以其截面的惯性矩为W=524.38mm3 根据标准直齿圆柱齿轮受力计算公式可得圆周力与径向力：Ft=2T1/d1 Fr=Fttg其中T1为小齿轮传递的扭矩，Nmm；为啮合角，对标准齿轮，取=20；而Ft与Fr分别对应与xz平面及yz平面的力。各段轴的长度可从2号A0图中得出，则根据前面的公式可得出该轴危险截面的计算弯矩为：Mca=25014.22Nm，则该轴危险截面所受的弯曲应力为：ca=25014.22/524.3847.7MP60MP，所以该轴的强度满足要求。（2）、主轴的刚度校核 1）、主轴材料的选择考虑到主轴的刚度几强度，选择主轴的材料为40Cr，并经过调质处理； 2）、主轴结构的确定主轴直径的选择根据机床主电机功率来确定(参考金属切削机床（下）的154页)： P4KW，属于中等以上转速，中等以下载荷的机床可取主轴内孔直径其中，-空心主轴的刚度和截面惯性矩 K, I -实心主轴的刚度和截面惯性矩当则主轴的刚度急剧下降，故取0.7主轴的结构应根据主轴上应安装的组件以及在主轴箱里的具体布置来确定，主轴的具体结构已在三维图上表达清楚，其图号为6，在此不在绘出。其中： D=31.750 d18 L=733）、主轴的刚度验算轴的变形和允许值轴上装齿轮和轴承处的绕度和倾角（y和）应该小于弯曲变形的许用值即y 轴的类型（mm）变形部位（rad）一般传动轴4.00030.0005l装向心轴承处0.0025刚度的要求较高-0.0002l装齿轮处0.001安装齿轮轴（0.010.00）m装单列圆锥滚子轴承0.006其中：L表跨距，m表模数轴的变形计算公式计算轴本身弯曲变形产生的绕度y及倾角时，一般常将轴简化为集中载荷下的简支梁。按材料力学相关公式计算，主轴的直径相差不大且计算精度要求不高的时候，可把轴看作等径轴，采用平均直d来计算，计算花键时同样选择用平均直径圆轴： d惯性矩： I=矩形花键轴： d1= 惯性矩：轴的分解和变形合成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，应用弯曲变形公式求出所求截面的两个垂直平面的和y。然后进行叠加，在同一平面内的可进行代数叠加，在两平面内的按几何公式，求出该截面的总绕度和总倾角危险工作面的判断验算刚度应选择在最危险的工作条件情况下进行，一般情况下，轴的计算转速低，传动齿轮的直径小。且位于轴的中央时，轴受力将使总变形剧烈，如对：二、三种工作条件难以判断那一种最危险，就分别进行计算，找到最大弯曲变形值和y。提高轴刚度的一些措施加大轴的直径，适当减少轴的跨度或增加第三支承，重新安排齿轮在轴上的位置改变轴的布置方位等。轴的校核计算轴的计算简图在xz平面内：同理可得在yz平面内的受力图，在此不再画出。主轴的传动功率：P主=3.513KW主轴转矩： T主=156900支点上的力：根据弯矩平衡：求得：RHE=-84.9根据力得平衡：则弯矩图为：2）垂直平面得弯矩图：=951.71N=761.4N根据平面内得弯矩平衡有：再根据力得平衡： R 则可得B、C点得弯矩图：在B点和C 点为最危险截面，要满足要求，B、C点满足即可，在B、C截面得弯矩为：=803403.1N=675702.3 N扭矩图为：经分析可知B所在得位置为最危险截面，只要B满足条件即可，则刚度满足。计算弯矩 =862517.2 N轴得抗弯截面系数为：53.96故满足第三强度理论刚度验算：在水平面内，单独作用时： = =-0.02598mm其中I=2747500在单独作用下： = =-0.0182mm在两力得共同作用下：在垂直面内有(在单独作用时) = =-0.0072mm其中I=2747500在单独作用下： = =-0.0182mm在两力得共同作用下：故在共同作用下，x处为危险截面，其最大绕度为而一般的刚度 =0.210.35mm故符合刚度要求，其转角就不验算了。B）下面校核由传到主轴时的强度，刚度，校核，主轴的传动功率：P主=5.9974KW主轴转矩：T主=143188Nmm支点上的力：根据弯矩平衡：求得：RHE=-244.9N根据力得平衡：2）垂直平面得弯矩：=868.6N=501.1 N根据平面内得弯矩平衡有：再根据力得平衡： R则可得B、C点得弯矩图：在B点和C 点为最危险截面，要满足要求，B、C点满足即可，在B、C截面得弯矩为：=110489.6N=708402.5 N扭矩图为：经分析可知B所在得位置为最危险截面，只要B满足条件即可，则刚度满足。计算弯矩 =942100 N轴得抗弯截面系数为：=58.94故满足第三强度理论刚度验算：在水平面内，单独作用时： = =-0.018147mm其中I=2747500在单独作用下： = =-0.00551mm在两力得共同作用下：在垂直面内有(在单独作用时) = =-0.0066mm其中I=2747500在单独作用下： = =-0.001515mm在两力得共同作用下：故在共同作用下，x处为危险截面，其最大绕度为而一般的刚度=0.210.35mm故符合刚度要求，其转角就不验算了。、离合器的选用离合器在机器运转中可将传动系统随时分离或接合，对离合器的要求有：接合平稳，分离迅速彻底；调节和修理方便；外廓尺寸小；质量小；耐磨性好和有足够的散热能力；操作方便省力。离合器的类型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。根据设计要求，我选用了无滑环多片摩擦电磁式离合器。根据经验值；。第三部分进给系统的设计计算一、垂直进给系统的设计计算假定主轴箱的重量： =100kgf=1009.8=980N Z轴的行程为： 400mm 垂直脉冲当量： 0.005mm 预选滚珠丝杠基本导程： =10mm 步距角：快速进给速度： =2.0m/min 、脉冲当量和传动比的确定、传动比的选定对于步进电机，当脉冲当量确定，并且滚珠丝杆导程和步进电机步距角都已初步选定后，则可用下式来计算该轴伺服传动系统的传动比：、计算转动惯量初选步进电机的型号为130BF001则查表查出电机转子转动惯量40.06对于轴，轴承，齿轮，联轴节，丝杆等圆柱体的转动惯量公式为：对于钢材，材料密度为，则有从资料定出齿轮副为： m1.5 mm B=20mm则：齿轮转动惯量：滚珠丝杆转动惯量折算：工作台质量折算：传动系统等效转动惯量计算： 6.16、滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。1）计算作用在丝杠上的最大动负荷首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出丝杠副应能承受的最大动载荷C：=式中运转状态系数，一般运转取1.21.5，有冲击的运转取1.52.5；滚珠丝杠工作载荷（N）；工作寿命，单位为10r，可按下式计算 =式中滚珠丝杠的转速（r/min）；使用寿命时间（h），数控机床取15000h。钻镗床主轴燕尾导轨滚珠丝杆副驱动时滚珠丝杆的工作载荷：式中 F切削时的轴向切削抗力；轴套和轴架以及主轴键上的摩擦系数0.15； M主轴上的扭矩；主轴直径；则 =其中为最大切削力条件下的进给速度（），可取最高进给速度的；为丝杠基本导程（），计算时，可初选一数值，等刚度验算后再确定；则为额定使用寿命（），可取15000h;则 60.03万转根据工作负载、寿命，计算出滚珠丝杠副承受的最大动负载，取1.2，则： =37997.8N 由查机床设计手册，选择丝杠的型号。选择滚珠丝杠的直径为40mm，型号为CDM4010-5-P4,其额定动载荷是53411N，强度足够用。2）效率计算根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为式中螺纹的螺旋升角，该丝杠为541；摩擦角约等于10。则 0.971 3）刚度验算 .丝杆的拉压变形量滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，它将引起导程发生变化，因滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，故工作负载引起的导程变化量式中弹性模数，对钢，；滚珠丝杠截面积（）（按丝杠螺纹底径确定）834.7 “”用于拉伸时，“”用于压缩时。则则丝杆的拉伸或压缩变形量 .滚珠与螺纹滚道间的接触变形量该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杆的长度无关。当丝杆在工作时有预紧时，其计算公式为：式中滚珠直径；滚珠总数量Z圈数列数； Z一圈的滚珠数，Z=(外循环)，Z=（）3（内循环）；滚珠丝杆的公称直径；预紧力；滚珠丝杆工作载荷； Z=40/5.95321.11 则Z圈数列数21.112.5273.88又滚珠丝杆的预紧力为轴向工作载荷的1/3，值可减小一半，因而。.支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形在垂直进给运动中采用角接触球轴承，其计算公式为：式中轴承所受轴向载荷；轴承的滚动休数目；轴承滚动体直径；工作载荷滚珠丝杆的滚动体数量，滚动体直径则因为有预紧力，故实际变形量根据以上的计算，则总变形量为：四级精度丝杆允许的螺距误差为25m，故刚度足够。4）、压杆稳定的校核滚珠丝杆通常属于受轴向力的细长杆，若轴向力工作负荷过大，将使丝杆失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为： = 2 EI/L2(N)式中： E为丝杆的弹性模量，对于钢，E=20.6104，I为截面惯性矩，I=d14/64，(d1为丝杆底径),L为丝杆最大工作长度，为丝杆支承方式系数. I=32.64/64=55442.2对于一端固定一端自由的情况 =0.25 =20.2520.610455442.2/5802=8.38104临界载荷与丝杆工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于许用稳定性安全系数，则该滚珠丝杆不会失稳。一般取=2.5-4。 =8.38104/808710.4 压杆稳定、步进电机的选择（1）、负载转矩计算及最大静转矩选择又 t0.03s则折算到电动机轴上的总加速力矩为：折算到电动机轴上的摩擦力矩 G980N ，(燕尾形导轨) ，总效率， =4.17 附加摩擦力矩预紧力 , 为滚珠丝杆未预紧时传动效率，取则步进电机快速空转启动力矩：对于工作方式未五相十拍的步进电机最大静转矩为：从相关资料查出130BF001型步进电动机最大静转矩为9.31，大于所需最大静转矩，可作为初选型号。（2）、校核步进电机的空载启动频率步进电机的空载启动频率是查相关资料知：130BF001型步进电机允许的最高空载启动频率为3000,因而必须分三个阶梯启动，每个阶梯启动频率为,在0.25s内完成升速，0.05s过渡。取，则步进电机的运行频率为：而步进电机允许的运行频率为16000，所以满足设计要求。滚珠丝杠没有自锁能力，垂直坐标不能锁住，而主轴箱的重量相对来说比较大所以必须采用平衡装置，避免在工作时主轴箱的失控下降。(四)、滚珠丝杆副的预紧方式为了消除间隙和提高滚珠丝杆副的刚度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，常用的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧等。预紧后的刚度可提高到为无预紧时的2倍。但是，预紧载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大。通常，滚珠丝杆在出厂时，就已经由制造厂调好预加载荷，并且预加载荷往往与丝杆副的额定动载荷有一定的比例关系。双螺母垫片式预紧：调整方法：调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移。特点：结构见到，装卸方便，刚度高；丹调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和预紧，适用于高刚度重载传动。双螺母螺纹式预紧：调整方法：调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。结构紧凑，工作可靠，调整方便，丹准确性差，且易于松动，适用于刚度要求不高或随时调节预紧的传动。双螺母齿差式预紧：调整方法：两边的下螺母的凸缘上有外齿，分别与紧固的螺母座两端的内齿圈，两个螺母向相同方向旋转，每转过一个齿，调整轴向位移。能够精确地调整预紧力，但结构尺寸较大，装配调整比较复杂，宜用于高度精度的传动机构。在垂直进给运动中要求要不定时调节预紧力，因而宜用双螺母螺纹式预紧。（五）、齿轮传动消隙齿轮传动的间隙也叫侧隙，它是指一个齿轮固定不动，另一个齿轮能够作出的最大角位移。传动间隙是不可避免的，其产生的这样原因有：由于制造及装配误差所产生的间隙；为使用热膨胀而特意留出的间隙。为了提高定位精度和工作的平稳性，要尽可能减小传动间隙。除了提高制造和装配精度外，消隙的主要途径有：设计可调整传动间隙的机构；设置弹性补偿元件。在这设计里我采用可调整齿轮传动间隙的机构来消除间隙。二、横向进给系统的设计计算滚珠丝杠螺母副的选择计算假定工作台及零件的总的量： =200kgf=1009.8=980N Z轴的行程为： 300mm 纵向脉冲当量： 0.01mm 预选滚珠丝杠基本导程： =5mm 步距角：快速进给速度： =2.0m/min 、脉冲当量和传动比的确定、传动比的选定、计算转动惯量初选步进电机的型号为130BF001则查表查出电机转子转动惯量40.06为了机床的布局紧凑且方便可取i=1.0。则滚珠丝杆转动惯量折算：工作台质量折算：传动系统等效转动惯量计算：+=（40.06+36.81+12.7）、工作载荷分析及计算滚珠丝杠上的工作载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台是滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫作进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩檫力。据机床加工的特点，当铣削槽时，工作载荷最大，由于铣削时，工作载荷既包括铣削时沿着丝杠轴的方向的力（即轴向力），也包括工作台及工件的重量（即垂直丝杠轴方向的力），只要考虑铣削的情况，而铣削时的轴向力不大，所以在此不考虑铣削时产生的轴向力。取铣削刀具直径为75mm，而机床的计算转速为250r/min，则而，机床主传动系统的传动效率则选端铣，对称，其中端铣，时，则得：则可得则在燕尾导轨上滚珠丝杆的工作载荷Fm为：其中， =0.2， G=1960N、滚珠丝杠设计计算1）计算作用在丝杠上的最大动负荷其中L=60nt/106因为一般1.5，取=1.2则由查机床设计手册，选择丝杠的型号。选择滚珠丝杠的直径为32mm，型号为CDM3205-5-P3,其额定动载荷是19249N，强度足够用。2）效率计算根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为螺纹升角因为工作台Y轴行程为300mm。则令l=450mm,滚珠丝杆螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载荷的1/3。3）刚度验算.丝杆的拉压变形量滚珠丝杆截面积按丝杆螺纹的底径确定：工作负载引起的导程的变化量可用下式计算：则丝杆的拉伸或压缩变形量由于两端均采用推力轴承，且丝杆又进行了预紧，故其拉压刚度可比一端固定的丝杆提高4倍。.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杆的长度无关。当丝杆在工作时有预紧时，其接触变形量为：（其中为预紧力，而）丝杆加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的1/3时可减少一半。因此实际变形量为：.支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形根据以上的计算，则总变形量为：三级精度丝杆允许的螺距误差为15m/m，故刚度足够。因为滚珠丝杆两端都采用推力球轴承并预紧，因此不会产生失稳现象，故不需做稳定性校核。、步进电机的选择（1）、负载转矩计算及最大静转矩选择又则折算到电动机轴上的总加速力矩为：折算到电动机轴上的摩擦力矩附加摩擦力矩预紧力，滚珠丝杆未预紧时的传动效率取则则步进电动机快速空转启动力矩：对于工作方式为五相十拍得步进电动机最大静转矩：从相关资料查出130BF001型步进电动机最大静转矩为9.31，大于所需快速空载启动力矩，可作为初选型号。（2）、校核步进电机的空载启动频率步进电机的空载启动频率是而130BF001型步进电动机最高空载启动频率为f=3000HZ,因而必须分三个阶段启动，每个阶段启动频率为，在0.25s内玩完成升速0.05s过渡，取，则步进电动机运行频率为：而步进电机允许的运行频率为16000HZ，因而满足要求。第四部分控制系统的设计一、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二、总控制系统硬件电路设计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.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。（1） 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。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。 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：（1）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。（2）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。（3）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。6.其他接口电路设计（1）面板操作键和功能选择开关：面板操作键与8255的PB口接口电路。图中SB1-SB6为手动操作进给键，分别完成人工操作的X、Y、Z的进给。运行时按下此键，可中断程序的运行。回零，使工具电极沿X轴、Y轴、Z轴回到机械零点。功能选择开关SA为一个单刀7掷波段开关，它与系统的8255PA口相连。用于连续、单步、自动、手动、暂停、启动等功能的选择。 (三)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； LCALL 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, AMOV A, YH ADDC A, #00H MOV YH, A CLR C MOV A, FL ADD A, #01H MOV FL, A MOV A, FH ADDC A, #00HMOV FH, A;F+2Y+1AJMP LP2 MOV A, 70H SETB ACC.0MOV 70H, A;LCALL MOTR MOV R1， #18H；XL MOV R0， #1CHMOV 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，#00HM

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