课程设计说明书-通用二维运动平台设计

专业综合设计II题 目： 通用二维运动平台设计 姓 名： 学 号：班 级： 指导教师：目 录序 号 名 称 份 数 备 注1 设计任务书 1 份2 机械装配图 A1 1 张3 硬件电路图 A2 1 张4 设计说明书 1 份 26 页2013 年 1 月 10 日课程设计说明书题 目 ： 通 用 二 维 运 动 平 台 设 计 学 生 姓 名 ： 学 院 ：班 级 ：指 导 教 师 ：2013 年 1 月 10 日学校代码： 10128学 号： 第 1 页内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书课程名称： 学院： 班级：学生姓名： 学号： 指导教师：一、题目通用两维运动平台设计二、目的与意义专业综合设计 2课程设计是机械设计制造及其自动化专业实践性非常强的教学环节之一，是机械类高年级学生综合应用基础课、技术基础课、专业课等知识体系，将机械、驱动、传感及计算机控制有机地集成融合在一起，独立设计一种具有特定功能的机电装备。通过本次课程设计，培养学生运用所学机电装备设计课程的知识，对典型机电装备的工作原理、组成要素及核心技术问题的分析能力；培养学生用机电装备设计的知识及相关知识体系，掌握如何将机械和电气驱动、检测技术和计算机控制融合在一起，如何构成一种性能优良、工作可靠及结构简单的机电装备的一般设计方法和规律，提高设计能力；通过设计实践，熟悉设计过程，学会正确使用资料、正确使用图书特别是电子图书资源、网络资源，查阅技术文献、设计计算、分析设计结果及绘制机械、电气图样，在机电一体化技术的运用上得到训练；通过课程设计的全过程，为学生提供一个较为充分的设计空间，使其在巩同所学知识的同时，强化创新意识，在设计实践中深刻领会机电装备设计的内涵。三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等） 技术参数1、运动平台面尺寸：400320； 2、平台移动行程：XY250200； 3、夹具和工件总重： 800N； 4、最高运行速度：步进电机运行方式： 空载：1.2m/min; 切削：0.6m/min；交流伺服电机运行方式：空载：15m/min;切削：6m/min；5、系统分辨率：开环模式 0.01mm/step；半闭环模式 0.005mm/step；6、系统定位精度：开环模式0.10mm；半闭环模式 0.01mm；7、切削负载：X 向 500N；Y 向 600N；Z 向 700N设计要求1、实现 X-Y 两坐标联动；2、用步进电机或交流伺服电机作驱动元件；3、设置工作台的越位报警和紧急事故的急停开关，并响应中断；4、任意平面曲线的加工，具有自动换象限的功能；5、平台具有快速驱动功能；6、平台具有断电手动调整功能。图纸量和工作量要求第 2 页1、机械总装配图在CAXA环境下绘制二维运动平台的结构图，并进行详细设计，最后用A1 号图纸打印输出。2、硬件电路图控制芯片可采用 8031、80C31 或基于 PLC 的运动控制技术，在 Protel 99 环境下，进行控制电路图的设计，电路图幅为 A2 A1 为宜。3、设计说明书要严格按照内蒙古工业大学课程设计（论文）说明书书写规范认真撰写，说明书不少于6000字。四、工作内容、进度安排 1、总体设计分析、确定方案、设计计算- -0.5 周2、机械部分结构设计、装配图绘制-1.0 周3、硬件电路设计-0.5 周4、撰写说明书-5 天5、答辩-2天五、主要参考文献1 林述温等. 机电装备设计M.北京：机械工业出版社， 2002.2 机床设计手册组.机床设计手册（三分册）M. 北京： 机械工业出版社，1986.3 王爱玲.现代数控机床结构与设计M. 北京：兵器工业出版社， 1999.4 尹志强等.机电一体化系统设计课程设计指导书M. 北京： 机械工业出版社，200975 滚珠丝杠、线性滑轨OL. 汉意精工.6 滚珠丝杠、线性滑轨OL.天津海特传动机械有限公司.7 步进电机及驱动器OL. 北京斯达微步控制技术有限公司.8 步进电机及驱动器、交流伺服电机及系统OL.步进机电有限公司.9 伺服电机相关技术、直线运动产品、光电传感器OL. 深圳市湘聚事业有限公司，10 RORZE 高精度步进电机及驱动器OL. 北京伟恒升级团.11 步进联轴器，编码器联轴器，微型电机联轴器OL. 广州菱科自动化设备有限公司：12 日本富士、美国 Copley 等交流伺服电机OL. 重庆钧智自动化仪器控制有限公司13 山东博特精工股份有限公司：/index.asp14 台达交流伺服电机等. OL. 台湾电子工业股份有限公司:.tw/审核意见系（教研室）主任（签字） 第 3 页指导教师下达时间 2012 年 12 月 24 日指导教师签字：_摘 要X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控机床的加工系统、纵横向进给、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对 X-Y 工作台即能沿着 X向、Y 向移动的工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计对专业教学的意义及技术关键。 本次课程设计，主要设计和研究工作台及其电气原理图。确定工作台的传动系统，并且选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性及寿命等参数；并设计了导轨，据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。控制系统包括了系统电源配置、CPU 电路、RAM、ROM 扩展，键盘与显示、I/O 通道接口、通信接口等。我们利用了 8031 主控器、6264 片外数据存储器、2764 片外程序存储器、74LS373 地址锁存器、74LS138 片选地址译码器及8155、8255 可编程 I/O 扩展等 MCS-51 单片机设计其硬件电路图。 关键词：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；工作台；MCS51 单片机目 录第一章 二维运动平台总体设计方案 .11.1 系统运动方式的确定与驱动系统的选择 .11.2 机械传动方式 .11.3 计算机系统选择 .11.4 总体方案的确定 .2第二章 二维运动平台进给驱动系统机械部分设计计算 .32.1 要求 .12.1.1 技术参数 .32.1.2 设计要求 .32.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .42.2.1 X 向进给丝杠 .42.2.2 Y 向进给丝杠 .82.3 滚动导轨的计算与选择 .102.3.1 滚动导轨副的额定寿命 .102. 4 步进电机的计算与选择.122. 4. 1 步进电动机减速箱的选用.122.4.2 转动惯量与转矩的计算 .122.5 联轴器的选择.172.5.1 联轴器的选择.172.5.2 联轴器的转矩.172.5.3 确定联轴器的型号.17第三章 微机系统硬件电路设计.183.1 计算机系统 .183.2 单片微机系统硬件电路设计内容 .183.2.1 绘制电气控制系统框图 .183.2.2 选择 CPU 的类型 .193.2.3 存储器扩展电路的设计 .193.2.4 I/O 接口电路设计 .203.3 各类芯片简介 .203.3.1 8031 芯片简介 .203.3.2 74LS373 芯片简介 .203.3.3 74LS138 芯片简介 .213.3.4 8279 芯片简介 .213.3.5 8255 芯片简介 .223.4 存储器扩展电路设计.223.4.1 程序存储器 ROM 的扩展 .223.4.2 数据存储器 RAM 的扩展 .233.4.3 译码电路的设计 .233.5 I/O 接口电路的设计 .233.5.1 8255 可编程接口芯片 .243.6 8031 的时钟电路 .243.7 复位电路 .243.8 越界报警电路 .243.9 控制系统的功能 .253.10 控制系统的工作原理 .25参考文献.26第一章 二维运动平台总体设计方案1.1 系统运动方式的确定与驱动系统的选择为了满足二维运动平台实现 X.Y 两坐标联动，任意平面曲面的加工，自动换象限，越位报警和急停等功能，故选择连续控制系统。考虑到工作台的加工范围，只对毛坯料进行初加工，不考虑误差补偿，故采用开环控制系统，由于任务书规定的脉冲当量 0.01mm,定位精度也为 0.01mm，空载最快移动速度也只有 1200mm/min，因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机电机进行驱动，以降低成本，提高性价比。1.2 机械传动方式为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机转动丝杠。为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。1.3 计算机系统选择根据设计要求，采用 8 位微机。由于 MCS51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用 MCS51 系列的 8031、80C31、8155、8255 等 I/O 扩展，基于 DSP 的运动控制芯片及微处理器技术。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。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。1.4 总体方案的确定微机驱动器驱动器步进电机步进电机工作平台中拖板图 11 XY 数控工作台总体方案设计第二章 二维运动平台进给驱动系统机械部分设计计算2.1 要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等） 2.1.1 技术参数1、运动平台面尺寸：400320； 2、平台移动行程：XY250200； 3、夹具和工件总重： 800N； 4、最高运行速度：步进电机运行方式： 空载：1.2m/min; 切削：0.6m/min；交流伺服电机运行方式：空载：15m/min;切削：6m/min；5、系统分辨率：开环模式 0.01mm/step；半闭环模式 0.005mm/step；6、系统定位精度：开环模式0.10mm；半闭环模式 0.01mm；7、切削负载：X 向 500N；Y 向 600N；Z 向 700N2.1.2 设计要求1、实现 X-Y 两坐标联动；2、用步进电机或交流伺服电机作驱动元件；3、设置工作台的越位报警和紧急事故的急停开关，并响应中断；4、任意平面曲线的加工，具有自动换象限的功能；5、平台具有快速驱动功能；6、平台具有断电手动调整功能。2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型2.2.1 X 向进给丝杠1、计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为选矩形导轨的计算公式。计算公式为：式中 、 、 、-切削分力（N） ；500N,600N,700N.XFyZ-移动部件上的重量（N） ；G=800NG-导轨上的摩擦因数，随导轨型式而不同； =0.15 -考虑颠覆力矩影响系数；K=1.1KNGFFzyxm 865)067(15.0.)( 2、计算最大动载荷 Q选用滚珠丝杠副的直径 时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回0d转 100 万转（10 6转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载 ，用下式计算选择：QF3/10LfHwmQ60Tn01Lvs式中 -寿命，以 10 转为一单位0L6-硬度系数，取 =1Hf Hf-为运转系数；有一般运转时 =1.2-1.5 取 1.3w wf)(GFKZyxm -丝杠转速， ，用下式计算nmin/r-为最大切削力条件下的进给速度 ，sv min/-丝杠导程， ；hP-为使用寿命， ，对于数控机床取 ；ThhT150初选导程 =5 ，由任务书可知最大切削力下的速度 ，则hm.6/minv,代入公式可计算得0.6/insvin/12056.01rPvhs81066TnLNFfmHWQ 531.833 3、滚珠丝杠螺母副的选型应使其额定动载荷 ，选取济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 GaQC系列 2504-4 滚珠丝杠副。表 3-31 G 系列滚珠丝杠副尺寸参数规格代号公称直径导程滚珠直径丝杠底径丝杠外径循环列数螺母安装尺寸 油杯额定载荷/N刚度 CKG1D4LBh12MaoG2504-425 4 2.381 22.1 24.2 4 40 66 53 44 11 6 5.8 10 67674 20423 2874、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 ：tg式中 -丝杠螺旋升角；-摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数 ，其摩擦角约 04.3.f等于 。10将公称直径 =25 mm，导程为 =4 mm ，代入 ，0dhP0/tandPrch得丝杠螺旋升角 = 。将摩擦角 = ，代入 ，得传动效92.10tg率 。%5.945、刚度计算X 向进给丝杠先画出此进给滚珠丝杠支承方式草图,如图所示.最大牵引力为 865N,由螺母装配总长度为 44mm,丝杠螺纹长度取 328mm,预计长度为 480mm,丝杠螺母及轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向负载的 1/3.GJ ML1J图 2-1 X 向进给系统计算简图滚珠丝杠副的轴向变行会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：（1）丝杠的拉伸或压缩变形量 1SEaFm1式中 -丝杠的最大工作载荷，单位为 N；mF-丝杠两端支撑间的距离，单位为 mm；a-丝杠材料的弹性模量，钢的 ；E MPaE510.2-丝杠按底径 确定的截面积，单位为 ；S2d2m-转矩，单位为 ；MmN.-丝杠按底径 确定的截面惯性矩（ ） ，单位为 。I2 642dI4m将数据 ， 带入式中，计222381.4.3dSa38算得 。m05.1（2）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2有预紧时 321010.ZFDYJWm式中 -滚珠直径，单位为 ；WD-滚珠总数量， ； Z列 数圈 数 Z-单圈滚珠数， 30WDd-预紧力，单位为 N。YJF当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达轴向工作载荷的 时， 值可减少一312半左右。将公称直径 ，滚珠直径 ，代入 ，md250mDW38.230WDdZ得单圈滚珠数 30，代入 ，得滚珠数总量 120，预紧力列 数圈 数 Z=288.3N，丝杠的最大工作载荷 =865N，代入 ，YJFmF322 1010.ZFYJWm计算得 。m014.2（3） ，计算得21总 m9.5总4 级精度滚珠丝杠有效行程 250mm 在 315mm 时，行程偏差允许达到 16，所以 X 向丝杠刚度足够。m2.2.2 Y 向进给丝杠1、计算进给牵引计算公式为： )(GFKFZxym式中 、 、 、-切削分力（N） ；500N,600N,700N.XyZ-移动部件上的重量（N） ；G=800NG-导轨上的摩擦因数，随导轨型式而不同； =0.15 -考虑颠覆力矩影响系数；K=1.1KNGFFzxym 960)8705(1.06.)( 2、计算最大动载荷 Q选用滚珠丝杠副的直径 时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回0d转 100 万转（10 6转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载 ，用下式计算选择：QF3/10LfHwmQ60Tn01Lvs式中 -寿命，以 10 转为一单位0L6-硬度系数，取 =1Hf Hf-为运转系数；有一般运转时 =1.2-1.5 取 1.3w wf -丝杠转速， ，用下式计算nmin/r-为最大切削力条件下的进给速度 ，sv min/-丝杠导程， ；hP-为使用寿命， ，对于数控机床取 ；ThhT150初选导程 =5 ，由任务书可知最大切削力下的速度 ，则hm.6/minv,代入公式可计算得0.6/insvmin/12056.01rPvhs81066TnLNFfmHWQ 23.594013.0833 3、滚珠丝杠螺母副的选型应使其额定动载荷 ，选取济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 GaQC系列 2504-4 滚珠丝杠副。 （同 X 方向选型）4、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 ：tg式中 -丝杠螺旋升角；-摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数 ，其摩擦角约 04.3.f等于 。10计算结果同 X 方向一致， 。%5.945、刚度的验算计算过程同 X 方向一致， ， ，m01.1m015.2m8.521总4 级精度滚珠丝杠有效行程 250mm 在 315mm 时，行程偏差允许达到 16，所以 Y 向丝杠刚度足够。m6、压杆稳定性校核2KaEIfFkM单推-单推方式，故 ,1f 44258.17036mdI.4430.21.5KF MF故丝杠不会失稳2.3 滚动导轨的计算与选择目前，滚动导轨在数控机床上应用非常广泛，因为其摩擦系数 =f025.；动、静摩擦系数很接近，几乎不受运动速度的变化的影响，运动轻便、05.灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低度运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，所以选用滚动导轨。2.3.1 滚动导轨副的额定寿命1、滑块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取maxF工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的 X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑在最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： ZFG4max其中，移动部件重量 ，外加载荷 ,代入式中，得最大N80N70工作载荷 。KF9.0max根据工作载荷 ，初选直线滚动导轨副的型号为海特 SBG 15 .axFL。直线导轨副参数任务书规定工作台面尺寸为 400320，加工范围为 250200，考虑工作行程应留有一定余量，故选取导轨长度为 700mm。2、距离额定寿命 L 的计算滚动体为球时，其计算公式如下：50)*(3maxFCfWRTH式中 -距离额定寿命，单位为 ； Lk-额定动载荷， ；aCNa3.8-滑块上的工作载荷,单位为 ；Fk-温度系数, ；Tf 0.1Tf-接触系数 ,导轨上的滑块数为 2 查相关资料 ；C 0.81cf-载荷系数，Wf 5.Wf-硬度系数，滚道硬度不得低于 HRC58 故通常取H Hf-精度系数，精度等级 4 级， =0.9Rf Rf代入公式计算得： 50)*(3maxFCfLWRTH= 9.085.13=4550.8km远大于期望值 50km，故距离额定寿命满足要求。2.4 步进电机的计算与选择选用步进电机时，必须首先根据机械设计结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效惯量，分别计算各种共况条件下所需的等效力矩，再根据步进电机最大转矩选择合适的步进电机。2.4.1 步进电动机减速箱的选用已知工作台的脉冲当量 ，滚珠丝杠的导程 ，初选stepm/01. mPh4步进电动机的步距角 9.算得减速比： 10.364.036hPi故本设计并不需要减速箱。2.4.2 转动惯量与转矩的计算（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 eqJ各个零部件转动惯量如下：已知：滚珠丝杠的公称直径 ，导程 ，材料密度md250mPh4，移动部件总重量33/1085.7cmkg NG8滚珠丝杠的转动惯量 222 .30184cmkggPJhW kgDvmj 45.2631085.723工作台折算到丝杠上的转动惯量222.9185.4cmkgJjS初选步进电动机型号为 90BYG2502，为两相混合式，二相八拍驱动时步距角 ，查得该型号电动机转子的转动惯量9.02.4ckJm2.3691.320gJJswmeq (2) 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 eqT分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 1eq包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速1eqT转矩 ；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 ；还有max fT一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 。因为滚珠丝0杠副传动效率很高， 相对于 和 很小，可以忽略不计。则有0TmaxfTfeqax11考虑传动链的总效率 ，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速度转矩： 1602maxameqtnJT式中 -对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为mni/r-步进电动机由静止到加速至 转速所需要的时间，单位为at mns。 360axvm式中 -空载最快移动速度，任务书指定为 1200maxv min/-步进电动机步距角，预选电动机为9.0-脉冲当量，任务书指定为 0.01mm/step将以上各值代入式中，算得 min/30axrn步进电动机由静止到加速至 转速所需要的时间 ，传动链总效率msta5.0，则7.0 NTa .67.056312.4mx2移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 iPGFThZf2)(式中 -导轨的摩擦因数，滚动导轨取 0.005-垂直方向的切削力，空载时取 0zF-传动链总效率，取 0.7则 mNTf .0417.0432)8(5.03因此，求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 faeq .064.6mx12) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 2eqT包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 ；一2eqT tT部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 ；还有一部分是滚f珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 ， 相对于 和 很小，0Ttf可以忽略不计。则有fteqT21折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 t本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷 ,则有NFx50mNiPFThft .45017.252计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 fNiPGFThZf 07.17.024.)8(5.2)( 因此，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 mTfteq .4570.4502 经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为： Neqeq .4570,max21（3）步进电动机最大静转矩的选定根据 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中，eqT安全系数取 ,则步进电动机的最大静转矩应满足：4KmNTeqj .821457.0max上述初选的步进电动机型号为 90BYG2502，该型号最大静转矩 ，mNTj.6ax满足要求。（4）步进电动机的性能校核1) 最快工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定的最快工进移动速度 min/60maxVf 电动机对应的运行频率为 HzVff 10.60maxax查表 4-7 知，在此频率下，电动机的输出转矩 远远大于最大mNTf.65ax工作负载转矩 0.457N.m ,满足要求。2) 最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定的工作台最快空载移动速度 in/120maxV电动机对应的运行频率 Hzf.60axm查表 4-7 知，在此频率下，电动机的输出转矩 远远大于NT.5max,满足要求。NTeq.06413) 最快空载移动时电动机输出转矩校核与最快空载移动速度 对应的电动机运行频率为 2000Hzin/120maxV查表 4-5 知 90BYG2502 的电动机的空载运行频率可达 20000Hz，可见没有超出上限。4) 起动频率的计算电动机转子惯量2.36cmkgJeq 2.4cmkgJ电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 Hzfq180zJffmeqL 12643.801要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率到必须小于1126Hz。综上，步进电动机 90BYG2502 满足设计要求。表 4-5 永磁感应式步进电动机的技术参数2.5 联轴器的选择2.5.1 联轴器的选择2.5.2 联轴器的转矩传动轴上的公称转矩 T 可用下式计算： nP950实际计算时，应将公称转矩 T 乘以工作情况系数 ,得到计算转矩AK。TKAca2.5.3 确定联轴器的型号型 号相 数步 距 角 /电 压 V/电 流 A/最 大 静转 矩mN./空 载 起动 频 率 Hz/空 载 运行 频 率 z/转 动 惯量2./cmkg90BYG2502 2/4 0.9/1.8 100 4 6 1800 20000 4根据计算转矩 及所选的联轴器类型，若 ,则联轴器可以确定。caTTca第 3 章 微机系统硬件电路设计3.1 计算机系统微机系统由 CPU，存储器扩展电路，I/O 接口电路，驱动电机驱动电路等几部分组成。微机是系统的核心，其他装置都是在微机的指挥进行工作的。系统要求主要对微机的字长和速度。字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机，要进行双字长和三字长的运算，就会影响速度，根据机床要求，综合考虑采用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，抗干扰能力强，具有很高的性价比特点，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、I/O 接口，步进电机功率放大电路等几部分组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。3.2 单片微机系统硬件电路设计内容3.2.1 绘制电气控制系统框图数控系统是由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础，有了硬件软件才能有效的运行。RAMROMCPU I/O接口外 设键盘及其它驱动器步进电动机机床数控系统硬件框图机床硬件电路图由以下几部分组成：1.主控制器，即 CPU2.总线，包括数据，地址，控制总线3.存储器 ROM，RAM4.接口，即 I/O 接口电路5.外设，如键盘等3.2.2 选择 CPU 的类型考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，及经济价格比等经济性的要求。因此，在经济数控机床中，推荐使用 MCS51 系列单片机作主控制器。3.2.3 存储器扩展电路的设计存储器扩展电路应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑 CPU 与 EPROM 时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量问题。在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。3.2.4 I/O 接口电路设计此次设计内容包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘电路以及其他辅助电路的设计（例如复位电路，越界报警电路等）3.3 各类芯片简介3.3.1 8031 芯片简介Vss：接地VCC：+5 伏电压XTAL1：内部振荡电路反向放大器输入端XTAL2：内部振荡电路反向放大器输出端RST/VPD：复位/备用电源ALE/PROG：锁存/接收编程脉冲PSEN：外部程序存储器读选通信号输出端EA/VPP：EA 为内部程序存储器和外部程序存储起选择端，对于 8031 始终保持低电平；VPP 为在 EPROM 编程期间加 21 伏编程电压P0.0P0.7：在访问外存时，分时传送低 8 位地址和数据总线P1.0P1.7：8 位准双向 I/O 口，每一位都可作为可编程的输入或输出线P2.0P2.7：8 位准双向 I/O 口，访问外存时输出高 8 位地址P3.0P3.7：8 位准双向 I/O 口及第二功能口3.3.2 74LS373 芯片简介D0D7： 数据输入端Q0Q7： 数据输出端LE ： 锁存信号输入端OE ： 锁存信号输出端3.3.3 74LS138 芯片简介3.3.4 8279 芯片简介 DB0DB7：双向数据总线。在 CPU 与 8279 间做数据与命令传送。CLK：8279 的系统时钟，100KHz 为最佳选择。RESET：复位输入线。输入 HI 时可复位 8279。CS：芯片选择信号线。当这个输入引脚为低电平时，可将命令写入8279 或读取 8279 的数据。A0：缓冲器地址选择线。A0=0 时，读写一般数据；A0=1 时，读取状态标志位或写入命令。RD：读取控制线。RD=0 时，8279 输送数据到外部总线。WR：写入控制线。WR=0 时，8279 从外部总线接收数据。IRQ：中断请求。平常 IRQ 为 LO，在键盘模式下，每次读取FIFO/SENSOR RAM 的数据时，IRQ 变为 HI，读取后转为 LO；在传感器模式下，只要传感器一有变化，就会使 IRQ 变为 HI，读取后转为 LO。SL0SL3：扫描按键开关或传感器矩阵及显示器，可以是编码模式(16对 1)或解码模式(4 对 1)。RL0RL7：键盘/传感器的返回线。无按键被按时，返回线为 HI；有按键被按时，该按键的返回线为 LO。在激发输入模式时，为 8 位的数据输入。SHIFT：在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与其它按键的状态一同储存(在 BIT6)，内部有上拉电阻，未按时为 HI，按时为 LO。CNTL/STB：在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与 SHIFT 以及其它按键的状态同一储存，内部有上拉电阻，未按时为 HI，按时为 LO。在激发输入模式时，作为返回线 8 位数据的使能引脚。OUTA0OUTA3：动态扫描显示的输出口(高 4 位)。OUTB0OUTB3：动态扫描显示的输出口(低 4 位)。 BD：消隐输出线。3.3.5 8255 芯片简介RESET：由 CPU 提供复位信号CS：片选信号RD：为主机发来的读数脉冲输入端WR：为主机发来的读数脉冲输入端A1、A0 ：端口选择信号 3.4 存储器扩展电路设计MCS-51 系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，对简单的应用场合 MCS-51 系列的最小系统用一片 8031 外扩一片 EPROM 就能满足功能的要求。对于复杂的应用场合，可利用 MCS-51 的扩展功能，构成功能强，规模大的系统。3.4.1 程序存储器 ROM 的扩展MCS-51 的程序存储器的寻址空间为 64K B。8031 不带 ROM，用作程序存储器的器件是 EPROM。（1） 、16