小型數(shù)控臥式鏜銑床

1、課程設計說明書課程設計說明書題題 目目： 小小型型數(shù)數(shù)控控臥臥式式鏜鏜銑銑床床主主軸軸箱箱升升降降和和制制動動裝裝置置設設計計 學學生生姓姓名名 ： 史史延延江江學學 院院 ： 機機械械學學院院班班 級級： 機機電電 12-3指指導導教教師師 ： 秦秦建建國國 講講師師 2016 年 1 月 22 日學校代碼：學校代碼： 1012810128學學 號：號：201230102058201230102058課程設計（論文）任務書課程設計（論文）任務書課程名稱：課程名稱： 專業(yè)綜合設計專業(yè)綜合設計2 _ 學院：學院： 機械學院機械學院 班級：班級： 機電機電12-312-3 一、題目一、題目小型數(shù)控

2、臥式鏜銑床主軸箱升降和制動裝置設計小型數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱升降和制動裝置設計二、目的與意義二、目的與意義專業(yè)綜合設計 2課程設計是機械設計制造及其自動化專業(yè)實踐性非常強的教學環(huán)節(jié)之一，是機械類高年級學生綜合應用基礎課、技術基礎課、專業(yè)課等知識體系，將機械、驅動、傳感及計算機控制有機地集成融合在一起，獨立設計一種具有特定功能的機電裝備。通過本次課程設計，培養(yǎng)學生運用所學機電裝備設計課程的知識，對典型機電裝備的工作原理、組成要素及核心技術問題的分析能力；培養(yǎng)學生用機電裝備設計的知識及相關知識體系，掌握如何將機械和電氣驅動、檢測技術和計算機控制融合在一起，如何構成一種性能優(yōu)良、工作可靠及結構簡單的機

3、電裝備的一般設計方法和規(guī)律，提高設計能力；通過設計實踐，熟悉設計過程，學會正確使用資料、正確使用圖書特別是電子圖書資源、網絡資源，查閱技術文獻、設計計算、分析設計結果及繪制機械、電氣圖樣，在機電一體化技術的運用上得到訓練；通過課程設計的全過程，為學生提供一個較為充分的設計空間，使其在鞏同所學知識的同時，強化創(chuàng)新意識，在設計實踐中深刻領會機電裝備設計的內涵。 三、要求三、要求（包括原始數(shù)據、技術參數(shù)、設計要求、圖紙量、工作量要求等） 技術參數(shù)技術參數(shù)1、主軸箱垂直提升行程：500； 2、主軸箱尺寸：長長寬寬高高500400250； 3、主軸箱總重： 1000N； 4、最高運行速度：步進電機運行方

4、式： 空載：0.6m/min; 切削：0.2m/min；交流伺服電機運行方式：空載：8m/min;切削：2m/min；5、系統(tǒng)分辨率：開環(huán)模式 0.01mm/step；半閉環(huán)模式 0.005mm/step；6、系統(tǒng)定位精度：開環(huán)模式0.10mm；半閉環(huán)模式 0.01mm；7、切削負載：X 向 500N；Y 向 800N；Z 向 1200N設計要求設計要求1、實現(xiàn)垂直平穩(wěn)升降，具有快速升降功能；2、用步進電機或交流伺服電機作驅動元件；3、工作時離合器脫開，主軸不工作時，離合器鎖死，主軸箱停在任意位置；4、具有行程越位報警功能；5、采用滾動導軌塊作支承；6、具有斷電鎖緊功能。圖紙量和工作量要求圖紙

5、量和工作量要求1、機械總裝配圖、機械總裝配圖在CAXA環(huán)境下繪制主軸箱升降制動裝置設計主軸箱升降制動裝置設計的結構圖，并進行詳細修改和設計，最后用A1號圖紙打印輸出。2、硬件電路圖硬件電路圖控制芯片可采用 8031、80C31 或基于 PLC 的運動控制技術，在 Protel 99 環(huán)境下，進行控制電路圖的設計，電路圖幅為 A2A1 為宜。3、設計說明書、設計說明書要嚴格按照內蒙古工業(yè)大學課程設計（論文）說明書書寫規(guī)范內蒙古工業(yè)大學課程設計（論文）說明書書寫規(guī)范認真撰寫，說明書不少于6000字。四、工作內容、進度安排四、工作內容、進度安排 1、總體設計分析、確定方案、設計計算- -0.5 周2

6、、機械部分結構設計、裝配圖繪制-1.0 周3、硬件電路設計-0.5 周4、撰寫說明書-5 天5、答辯-2天五、主要參考文獻五、主要參考文獻1 林述溫等. 機電裝備設計M.北京：機械工業(yè)出版社，2002.2 機床設計手冊組.機床設計手冊（三分冊）M.北京：機械工業(yè)出版社，1986.3 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機床結構與設計M.北京：兵器工業(yè)出版社，1999.4 尹志強等.機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書M.北京：機械工業(yè)出版社，200975 滾珠絲杠、線性滑軌OL. 漢意精工.http:/www.taiwan-6 滾珠絲杠、線性滑軌OL.天津海特傳動機械有限公司.http:/www.hit-7 步進電機

7、及驅動器OL.北京斯達微步控制技術有限公司.http:/8 步進電機及驅動器、交流伺服電機及系統(tǒng)OL.步進機電有限公司.http:/www.step-9 伺服電機相關技術、直線運動產品、光電傳感器OL.深圳市湘聚事業(yè)有限公司，http:/10 RORZE 高精度步進電機及驅動器OL.北京偉恒升級團.http:/11 步進聯(lián)軸器，編碼器聯(lián)軸器，微型電機聯(lián)軸器OL.廣州菱科自動化設備有限公司：http:/12 日本富士、美國 Copley 等交流伺服電機OL.重慶鈞智自動化儀器控制有限公司http:/13 山東博特精工股份有限公司：http:/ 臺達交流伺服電機等. OL. 臺灣電子工業(yè)股份有限公

8、司:http:/.tw/審核意見審核意見系（教研室）主任（簽字）系（教研室）主任（簽字） 指導教師下達時間指導教師下達時間 20162016 年年 1 1 月月 4 4 日日指導教師簽字：指導教師簽字：_摘摘 要要小型數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱沿著 X 軸升降。數(shù)控機床的加工系統(tǒng)、立體倉庫中堆垛機的升降系統(tǒng)、平面繪圖儀的繪圖系統(tǒng)等,盡管結構和功能各不相同,但基本原理相同。機電一體化系統(tǒng)是將機械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)結合而形成的一個有機整體。本文通過對小型數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱的機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及接口電路的設計,闡述了機電一體化系統(tǒng)設計中共性和關鍵的技術。 本說明書簡要明確的說明了小型數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱升

9、降和制動裝置設計的過程及內容，包括機械傳動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)的設計，其中機械傳動系統(tǒng)部分包含了確定系統(tǒng)脈沖當量和切削力，滾珠絲杠螺母副的計算和選型，電機的計算和選型。本次課程設計，主要設計和研究小型數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱升降和制動裝置及其電氣原理圖。確定小型數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱升降的傳動系統(tǒng)，并且選擇了螺旋傳動，驗算了螺旋傳動的剛度、穩(wěn)定性，壽命等參數(shù)；還設計了導軌，根據其用途和使用要求，選擇了直線滾動導軌副，確定了其類型、轉動力矩、轉動慣量。利用8031、6264、2764、373、8155、8255 等 MCS51 單片機設計其硬件電路圖。關鍵詞關鍵詞：滾珠絲杠螺母副；直線滾動導軌副；步進電

10、機；MCS51 單片機目 錄第一章 總體方案設計.11.1 系統(tǒng)的運動方式與驅動系統(tǒng)的選擇 .11.2 機械傳動方式 .11.3 電氣控制系統(tǒng)方案設計 .1第二章 主軸箱升降進給伺服系統(tǒng)設計計算.32.1 確定系統(tǒng)脈沖當量 .32.2 確定系統(tǒng)切削 .32.3 滾動導軌副的計算和選型 .32.3.1 滾動導軌副的額定壽命.32.4 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 .52.4.1 滾珠絲杠螺母副的計算 .52.5 聯(lián)軸器的選型 .92.6 步進電機變速箱的選用 .92.7 步進電機的計算與選型 .92.7.1 計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量 Jep.92.7.2 初選步進電動機.92.7.3

11、步進電動機最大靜轉矩的選定 .122.7.4 步進電動機的性能校核 .12第三章 微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計.143.1 計算機系統(tǒng) .143.2 單片微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計內容 .143.2.1 繪制電氣控制系統(tǒng)框圖 .143.2.2 選擇 CPU 的類型 .153.2.3 存儲器擴展電路的設計 .153.2.4 I/O 接口電路設計.163.3 各類芯片簡介 .163.3.1 8031 芯片簡介.163.3.2 373 芯片簡介.163.3.3 6264 芯片簡介.173.3.4 2764 芯片簡介.173.3.5 8155 芯片簡介.173.3.6 8255 芯片簡介.173.4 存儲器

12、擴展電路設計 .183.4.1 程序存儲器 ROM 的擴展 .183.4.2 數(shù)據存儲器 RAM 的擴展 .183.4.3 譯碼電路的設計 .193.5 I/O 接口電路的設計.193.5.1 8155 通用可編程接口芯片.193.5.2 8255 可編程接口芯片.203.5.3 鍵盤顯示接口電路 .203.6 8031 的時鐘電路.213.7 復位電路 .213.8 越界報警電路 .223.9 掉電保護電路 .223.10 控制系統(tǒng)的功能 .223.11 控制系統(tǒng)的工作原理 .22參考文獻.24內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書1第一章第一章 總體方案設計總體方案設計1.1 系統(tǒng)的運動方式與驅

13、動系統(tǒng)的選擇為了實現(xiàn)鏜銑床主軸箱升降和制動，運動定位、暫停、急停等功能，故選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到對工作臺實際位移的檢測，補償系統(tǒng)的誤差，故采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用交流伺服電機進行驅動。半閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 1-1 所示。 驅動單元步進電機執(zhí)行部件圖 1-1 開環(huán)控制系統(tǒng) 1.2 機械傳動方式為了實現(xiàn)設計要求的分辨率，采用步進電機傳動絲杠。為了保證一定的傳動精度和傳動平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除傳動間隙，采用有預加負荷的結構。1.3 電氣控制系統(tǒng)方案設計單片機方案根據設計要求，采用 8 位微機。由于 MCS51 系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、

14、速度快、抗干擾能力強，高性價比等特點，故采用 MCS51 系列的8031、80C31、8086、DSP、基于 DSP 的運動控制芯片，ARM 嵌入式微處理器技術?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O 接口及光電隔離電路。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據及機床狀態(tài)等信內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書2息。小型數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱升降和制動裝置電氣控制系統(tǒng)單片機方案設計如圖1-2 所示。圖 1-2 小型數(shù)控臥式鏜銑床主軸箱升降和制動裝置電氣控制系統(tǒng)單片機方案內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書3第二章第二章 主軸箱升降進給伺服系統(tǒng)主軸箱升降進給伺服系統(tǒng)設計計算

15、設計計算伺服系統(tǒng)機械部分設計計算內容包括：確定系統(tǒng)的脈沖當量、區(qū)定系統(tǒng)的負載、運動部件慣量計算，空載起動及切削力矩計算，確定伺服（步進）電機，傳動及導向元件的設計、計算及選用，繪制機械部分裝配圖等?，F(xiàn)分述如下：2.1 確定系統(tǒng)脈沖當量一個進給脈沖，使運動部件產生的位移量，稱為脈沖當量。脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù)。根據設計要求，二維運動平臺采用的脈沖當量是 0.01mm/step。2.2 確定系統(tǒng)切削根據設計要求，機床的切削負載為：X 向 500N；Y 向 800N；Z 向 1200N。2.3 滾動導軌副的計算和選型目前，滾動導軌在數(shù)控機床上的應用非常廣泛，因為其摩擦系數(shù)小

16、（0.00250.005） ；動、靜摩擦系數(shù)很接近，幾乎不受運動速度變化的影響，運動輕便、靈活，所需驅動功率小，摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持性好，低速運動時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，因而定位精度高，故選滾動導軌。滾動導軌的設計包括選擇結構形式，確定預緊方式，計算和確定幾何參數(shù)。2.3.1 滾動導軌副的額定壽命1）作用于滾動直線導軌副工作載荷的計算工作載荷是影響導軌副使用壽命的重要因素。對于升降工作臺，多采用雙導軌、四滑塊的支承結構。常見的工作臺滑塊間距分布圖及受力情況如圖 2-1 所示。采用雙導軌，四滑塊的支撐形式?？紤]最不利的情況，即垂直于工作臺的最大垂直方向載荷為： (2-FyGFmax內蒙古工業(yè)

17、大學本科課程設計說明書41)查表 3-41，根據工作載荷,初選直線滾動導軌副的型號為NF1400max KL 系類的 JSA-LG15 型，其額定載荷 Ca=7.94KN,額定靜載荷 Coa=9.5KN,選取導軌長度 640mm。2）滾動直線導軌副額定壽命 L 的計算 上述選取的 KL 系列 TSA-LG15 型導軌副的滾動導軌硬度 60HRC,工作溫度不超過600，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為 4 級，工作速度較低載荷不大。 (2-2)()(503maxkmLFCfffffawacth式中：硬度系數(shù)，=1.0；hfhf溫度系數(shù)，=1.00；tftf接觸系數(shù)，=0.81;cfcf精度系數(shù)，=

18、0.9；afaf運轉系數(shù)，按一般運轉取=1.21.5，計算取 1.5；wfwf帶入數(shù)據 得 L=1047 Km 遠遠大于期望值 50 Km，故距離額定壽命滿足。2.4 滾珠絲杠螺母副的計算和選型滾珠絲杠副已經標準化，因此滾珠絲杠螺母副的設計歸結為滾珠絲杠副型號的選擇。2.4.1 滾珠絲杠螺母副的計算1）計算進給牽引力 NFm內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書5 圖 2-1 主軸箱升降示意圖作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力，其數(shù)值大小和導軌的型式有關。選用綜合導軌，則進給牽引力： (2-3)(FzGKFxFm式中：K考慮顛覆力矩影響

19、的實驗系數(shù)，綜合導軌取 K=1.15；u導軌上的摩擦系數(shù)，隨導軌型式而不同。滾動導軌數(shù)值在f0.00250.005 之間，取 0.15；主軸箱總重。G主軸箱配重，。代入數(shù)據 得 Fm=905N。GGG 2）最大動負載 FQ 計算 選用滾珠絲桿副的直徑時，必須保證在一定軸向負荷作用下，絲杠在回轉15000h 后，在它的滾道上不產生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負荷的最大值即為該滾珠絲杠能承受的最大動負荷 FQ。絲桿轉速 (2-4)min)/ r (P/vnh n = 60(r/min)絲桿壽命系數(shù)（以轉為 1 單位） (2-5)61061060TnL L = 54(r/min)內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明

20、書6最大動負荷 (2-6)3LFffFmhwQ FQ = 3421N式中：絲杠軸向當量負載；Fm最大切削力下的進給速度（m/min），可取最高進給速度的 300m/s；v滾珠絲杠導程，=4mm；hPhP硬度系數(shù)，取 1.0；hf載荷系數(shù)，按一般運轉取=1.21.5，計算取 1.2；wfwf滾珠絲桿的使用壽命，取 15000h；T所計算出來的最大動負荷應小于滾珠絲桿的額定動載荷。QFaC 驗證所初步選擇的滾珠絲杠螺母副是否符合要求。3）初選型號根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的 G 系列 20043 型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑

21、為 20mm，導程為 4mm，循環(huán)滾珠為 3 圈 X 1 列，精度等級取 5 級，額定動載荷為 5243N，大于，滿足要求。4）傳動效率 滾珠絲杠螺母副的傳動效率一般在 0.80.9 之間，由下式計算。 (2-7)(tgtg= 95.5% =arctan/（） (2-8)0= 364式中：公稱直徑=20mm，導程為4mm0=絲杠螺旋升角；內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書7摩擦角，滾珠絲杠螺母副的滾動摩擦系數(shù)=0.0030.004，其摩擦角約f等于 10。5）系統(tǒng)剛度驗算滾珠絲桿副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動平穩(wěn)性。因此，應考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量、滾珠與螺

22、紋滾道間接觸1變形。2主軸箱升降進給滾珠絲杠副的支承方式草圖如圖 2-2 所示。臥式鏜銑床的主軸箱升降的滾珠絲杠副的支承采用“一端雙推-端游動。絲杠一端為雙向推力球軸承一端深溝球軸承。上下兩支承德中心距離 L=600mm絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負載的 1/3，選擇波形管防護裝置。圖 2-2 主軸箱升降進給系統(tǒng)計算簡圖 (2-9)非常小，此項忽略）由于M(221LMESFmL1 =0.01124mm式中：E剛的彈性慣量，?。籑Pa101 . 25絲杠低徑，查表 3-31 得 17.1mm；2d滾珠直徑，查表 3-31 得 2.381mm;wD內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書8S

23、絲杠截面積，取;mmdS230422 (2-10)32210/100013. 0ZFDFmyjw2 =0.0036 mm式中：絲杠預緊力，yjFNFFmyj3 .3013/ Z單圈滾珠數(shù)，由與該型號為單螺母，滾珠圈數(shù)2430wDdZ列數(shù) 為 31 所以滾珠總數(shù)為 64。根據以上計算得到滾珠絲杠的總體變形量：m128. 021在此次設計中,絲杠有效行程為 500mm,由表 3-27 知，五級精度滾珠絲杠有效行程在 315-500mm 之間時，行成誤差可達 25m，可見，絲杠剛度足夠。6）穩(wěn)定性校核滾珠絲杠屬于受軸向力的細長桿，對已選定尺寸的絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負荷時，應驗算其是否

24、產生彎曲失穩(wěn)現(xiàn)象。產生失穩(wěn)的計算臨界負載)(NFK (2-11)22kKKLEIfFFmFk = 2497N式中 絲杠材料彈性模量，鋼：；E24/106 .20mmNE截面慣性矩，絲杠：，為絲杠螺紋的底徑；I2mm42d64I2d絲杠兩支承端距離；Lmm絲杠支承方式系數(shù)，由機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書P42kf內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書9表 3-34 查取。故絲杠不失衡，是穩(wěn)定的。2.5 聯(lián)軸器的選型選小型撓性聯(lián)軸器型號為：SRL.65C L=50, A=452.6 步進電機變速箱的選用根據式 i=（）/（360 ）=1 脈沖當量，取 0.01mm/脈沖；滾珠絲杠的導程，取 4mm；

25、初選步進電機的補距角，??；0.9由于傳動比為 1，絲杠可與聯(lián)軸器直接相連，不需減速箱。2.7 步進電機的計算與選型2.7.1 計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量 Jep已知：滾珠絲杠的公稱直徑=20mm，總長 l=840mm，導程=4mm，材料密度0=7.85 X Kg/；移動部件總重力 G=800N，傳動比 i=1.10 32滾珠絲杠的傳動慣量 = (2-12)28 Js=1.035 Kg2主軸箱折算到絲杠的傳動慣量= (2-13)（2）2 Jw=0.537 Kg2內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書102.7.2 初選步進電動機初選步進電動機型號為 90BYG2502，為兩相混合式，由常州寶

26、馬集團公司生產，二相八拍驅動時步距角為 0.9。，查的該型號電動機轉子的轉動慣量=4Kg。 2則加在不僅電動機轉軸上的總轉動慣量為：Jep=Jm+Jw+Js (2-14)Jeq=5.572 Kgcm3計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩 分快速空載啟動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。1.快速空載啟動時電動機轉軸所承受的負載轉矩包括三部分：一部分是快速空1載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上；的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，相對于和很小，可以00忽略不計。則有 （2-14）1=

27、+ 考慮傳動鏈的總效率 ，計算快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩： （2-15）=2601式中 對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉速，單位為 r/min； 步進電動機由靜止到加速至轉速所需的時間，單位為 s。 其中： （2-16）=360式中 空載最快移動速度，任務書指定為 600mm/min； 步進電動機步距角，預選電動機為； 0.9 脈沖當量，本例 =0.01mm/脈沖。 將以上各值代入，算得167r/min=設步進電動機由靜止到加速至轉速所需要時間0.4s，傳動鏈總效率。=95. 0則：內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書11 1/ （2-=26017） Tamax=0.02

28、4Nm移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： （2-i2P)FF(Thxzf18）式中 導軌的摩擦因數(shù)，滾動導軌取 0.005； 垂直方向的銑削力，空載時取 0； 傳動鏈總效率，取 0.7。得： Tf0.006Nm最后，求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： (2-19)1= + Teq1 =0.030 Nm 2.最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩包括三部分：一部分是折2算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還要有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，相對于很小，可以忽略不計。則有：00和 (2-2

29、0)2= + 其中，折算到電動機轉軸上的最大工作負載 Tt=Ff Ph /2 i (2-21) Tt=0.512 Nm 承受最大工作負載情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩： Tf=(Fx+Fz)Ph/2 i (2-22) Tf=0.006 Nm最后，求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩應為：內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書12 Teq2 = Tt + Tf (2-23) Teq2 = 0.518 Nm經過上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為： (2-24)= 1，2 Tep = 0.518 Nm2.7.3 步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進

30、電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據來喧雜步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù) K = 4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： 4 (2-25) Teq = 2.072 Nm上述初選的步進電動機型號為 90BYG2502，查的該型號電動機的最大靜轉矩?？梢?滿足要求。2.7.4 步進電動機的性能校核 最快工進速度時電動機輸出轉矩校核 任務書給定的最快工進速度800 mm/min，脈沖當量，= = 0.01/脈沖求出電動機對應的運行頻率從 90BYG2502 電動機的HzVff3 .33301. 0602

31、0060maxmax運行矩頻特性曲線圖可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉矩，遠遠NmT5max大于最大工作負載轉矩0.518 Nm，滿足要求2= 最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 任務書給定最快空載移動速度，求出電動機對應的運行頻率smV/600max。用差補法求得在此頻率下，電動機的輸出轉矩HzVff100001. 06060060maxmax內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書13，大于快速空載起動時的負載轉矩0.030Nm，滿足要求。NmT. 5max 1=最快空載移動時電動機運行頻率校核 最快空載移動速度 應的電動機運行頻率 1000Hz，查表可知 90GBY2502 電動機的空smV/

32、600max載運行頻率可達 20000Hz，可見沒有超出上限。2.7.5 起動頻率的計算已知電動機轉軸上的總轉動 Jep=095Kg，電動機轉子的轉動慣量2電動機步帶任何負載時的空載起動頻率。則可以求出步= 42= 1800進電動機克服慣性負載的起動頻率： (2-26)4/095. 511800/1meqqLJJff fL = 1179Hz上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于 1179Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選更低，通常只有 100Hz。綜上所述，本例中選用的 90BYG2502 步進電動機，完全滿足設計要求。內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書

33、14第三章第三章 微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計3.1 計算機系統(tǒng)微機數(shù)控系統(tǒng)由 CPU，存儲器擴展電路，I/O 接口電路，驅動電機驅動電路，檢測電路等幾部分組成。微機是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其他裝置都是在微機的指揮進行工作的。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用的微機直接相關。數(shù)控系統(tǒng)對微機的要求是多方面的，但主要指標是字長和速度。字長不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運算精度。字長較長的計算機，價格顯著上升，而字長較短的計算機，要進行雙字長和三字長的運算，就會影響速度，根據機床要求，綜合考慮采用 8 位微機。由于 MCS-51 系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快，

34、抗干擾能力強，具有很高的性價比特點，決定采用 MCS-51 系列的 8031 單片機擴展系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由微機部分，鍵盤、顯示器、I/O 接口及光電隔離電路，步進電機功率放大電路等幾部分組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用 LED 顯示器。32 單片微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計內容3.2.1 繪制電氣控制系統(tǒng)框圖數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是組成系統(tǒng)的基礎，有了硬件軟件才能有效的運行。內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書15RAMROMCPUI/O接口外 設鍵盤、顯示器及其它驅動器步進電機圖 3-1 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（半閉環(huán)系統(tǒng)）機床硬件電路圖由以下幾部分組成：1.主

35、控制器，即 CPU2.總線，包括數(shù)據，地址，控制總線3.存儲器 ROM，RAM4.接口，即 I/O 接口電路5.外設，如 鍵盤，顯示器及光電輸入機等。3.2.2 選擇 CPU 的類型目前在經濟型數(shù)控機床中，推薦采用 MCS-51 系列單片機作為主控制器3.2.3 存儲器擴展電路的設計存儲器擴展電路應該包括程序存儲器和數(shù)據存儲器的擴展。在選擇程序存儲器芯片時，要考慮 CPU 與 EPROM 時序的匹配，還應考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量問題存儲器擴展電路設計包括程序存儲器和數(shù)據存儲器的擴展。 驅動器內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書163.2.4 I/O 接口電路設計此次設計內容包括接口

36、芯片的選用，步進電機控制電路，鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設計（例如復位電路，越界報警電路，掉電保護電路等）3.3 各類芯片簡介3.3.1 8031 芯片簡介Vss：接地VCC：+5 伏電壓XTAL1：內部振蕩電路反向放大器輸入端XTAL2：內部振蕩電路反向放大器輸出端RST/VPD：復位/備用電源ALE/PROG：鎖存/接收編程脈沖PSEN：外部程序存儲器讀選通信號輸出端EA/VPP：EA 為內部程序存儲器和外部程序存儲起選擇端，對于 8031 始終保持低電平；VPP 為在 EPROM 編程期間加 21 伏編程電壓P0.0P0.7：在訪問外存時，分時傳送低 8 位地址和數(shù)據總線P1.0P1

37、.7：8 位準雙向 I/O 口，每一位都可作為可編程的輸入或輸出線P2.0P2.7：8 位準雙向 I/O 口，訪問外存時輸出高 8 位地址P3.0P3.7：8 位準雙向 I/O 口及第二功能口 3.3.2 373 芯片簡介 D0D7： 數(shù)據輸入端Q0Q7： 數(shù)據輸出端LE ： 鎖存信號輸入端OE ： 鎖存信號輸出端 內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書173.3.3 6264 芯片簡介A0A12： 地址線I/O0I/O7：雙向數(shù)據線CE1：片選線 1CE2：片選線 2WE： 寫允許線OE： 讀允許線 3.3.4 2764 芯片簡介A0A12：地址線I/O0I/O7：數(shù)據輸出線CE： 片選線OE：

38、數(shù)據輸出選通線PGM：編程脈沖VPP：編程電壓 3.3.5 8155 芯片簡介AD0AD7：地址數(shù)據總線RESET：由 8031 提供復位信號CE：CE=0 時，器件才允許被啟用IO/M：當 IO/M=1 時，選擇 I/O 口電路；當 I/O=0 時，選擇存儲器ALE：接 8031ALERD：為主機發(fā)來的讀信號輸入端WR：為主機發(fā)來的寫信號輸入端 3.3.6 8255 芯片簡介RESET：由 CPU 提供復位信號CS：片選信號內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書18RD：為主機發(fā)來的讀數(shù)脈沖輸入端WR：為主機發(fā)來的讀數(shù)脈沖輸入端A1、A0 ：端口選擇信號 3.4 存儲器擴展電路設計 MCS-51

39、系列單片機的特點之一是硬件設計簡單，系統(tǒng)結構緊湊，對簡單的應用場合 MCS-51 系列的最小系統(tǒng)用一片 8031 外擴一片 EPROM 就能滿足功能的要求。對于復雜的應用場合，可利用 MCS-51 的擴展功能，構成功能強，規(guī)模大的系統(tǒng)。3.4.1 程序存儲器 ROM 的擴展MCS-51 的程序存儲器的尋址空間為 64K B。8031 不帶 ROM，用作程序存儲器的器件是 EPROM。(1)16 位地址總線的擴展由于 P0 口分時傳送低字節(jié)地址和數(shù)據，所以接入 74LS373 鎖存器，8031 的 ALE接 373 的 LE，373 的 OE 接地，使 373 常輸出。74LS373 的輸出口

40、Q 與 P2 口一起擴展出 16 位地址總線 AB，其高三位 A13、A14、A15分別與 138 的 A、B、C 引腳相連。(2）地址線的連接根據設計要求，需要擴展兩片 2764。兩片 2764 的地址線分別與地址總線 AB 相連。(3）數(shù)據線的連接兩片存儲器的 8 位數(shù)據線分別與數(shù)據總線 DB 按位依次相連。(4）控制線的連接8031PSEN 與 EPROM 的 OE 相連；8031 的 EA 接地；2764（1）的 OE 與 138 Y0相連，2764（2）的 OE 與 138 Y1相連。3.4.2 數(shù)據存儲器 RAM 的擴展由于 8031 芯片內部 RAM 只有 128 字節(jié)，遠不能滿

41、足系統(tǒng)的需要，需擴展片外的數(shù)據存儲器 RAM，選擇 6264 芯片即可滿足設計要求。6264 的連接和 2764 大致相同，唯控制信號線的連接不同；6264 的 OE，WE 與內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書198031 的 RD，WR 相連，CE 與 138 的 Y1相連，CE2 高電平有效。3.4.3 譯碼電路的設計8031 單片機允許擴展 64K ROM 和 64K RAM（包括 I/O 借口芯片）(1） 、MCS-51 單片機應用系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則第一：ROM 與 RAM 獨立編址ROM 地址和 RAM 地址可以重疊使用，都從 0000HFFFFH。地址的重復靠片選信號和控制信號區(qū)分

42、。第二：外圍 I/O 與 RAM、ROM 的統(tǒng)一編址外圍 I/O 不僅占用 RAM 的單元，而且使用 RAM 的讀/寫指令，本次課程設計采用統(tǒng)一編址。 (2） 、地址譯碼法常用地址的譯碼方法有線選法和全地址譯碼，在這里選擇全地址譯碼。對于容量較大的的系統(tǒng)，擴展的外圍芯片較多，芯片所需的片選信號多于可利用的地址線時，就需要用全地址譯碼的方法。通常采用 3-8 譯碼器（74LS138） 。輸入端占用 3 根最高地址線，剩余的 13 根低位地址線可作為片內的地址線。74LS138 譯碼器的 8 根輸出線分別對應 8 個 8K 字節(jié)的地址空間。3.5 I/O 接口電路的設計8031 單片機共有 4 個

43、 8 位并行 I/O 口，但可供用戶使用的只有 P1 口和部分 P3口，因此在大部分應用系統(tǒng)中都需要擴展 I/O 口芯片，本擴展系統(tǒng)采用 8155 和8255 芯片。3.5.1 8155 通用可編程接口芯片8155 是可編程的 RAM/IO 擴展接口電路。 （256 個 RAM 單元，2 個 8 位口，1 個 6位口，1 個 14 位的定時/計數(shù)器）(1）8155 的工作方式8155 I/O 口工作方式選擇通過對 8155 內部命令寄存器設定命令控制字實現(xiàn)。內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書20(2）狀態(tài)查詢8155 有一個狀態(tài)寄存器，用于鎖存 I/O 口和定時器的當前狀態(tài)，供 CPU 查詢用。

44、C/S 寄存器共用一個地址。命令寄存器只能寫入不能讀出；而狀態(tài)寄存器只能讀出不能寫入，所以可以認為。CPU 讀該地址時，作為 S 寄存器，相反則作為 C 寄存器。(3）8155 的定時功能8155 芯片內有一個 14 位減法計數(shù)器，可對輸入脈沖進行減法計數(shù)。外部有定時引腳 TIMERIN 和 TIMEROUT。(4) 8031 和 8155 的接口8155 芯片可以直接和 MCS-512 系列單片機連接，不需要任何外加邏輯電路。通常用 P2 口的高位地址線作為 8155 芯片的片選信號及 IO/M 的選擇信號。8031 的P2.0 于 IO/M 連接。由于 8155 內部有地址鎖存器，所以 8

45、031 的 ALE 端可以和 8155的 ALE 端直連，利用 8031 的 ALE 的信號的下降沿鎖存 8031P0 送出的低 8 位地址信息。相應的讀寫信號也直接相連。 3.5.2 8255 可編程接口芯片8255 是 INTER 公司開發(fā)的可編程輸入輸出接口芯片，它具有 3 個 8 位的并行I/O 口，分別為 PA、PB、PC 口，其中 PC 口又分為高 4 位和低 4 位，他們都可以通過軟件編程來改變 I/O 口的工作方式，8255 可與 8031 直接連接。（1）8255 的三種工作方式方式 0：基本輸入輸出方式方式 1：應答式輸入輸出工作方式方式 2：應答式雙向輸入輸出工作方式（僅

46、 A0 口可選此種方式，此時 C 口的PC7PC3 五位作為其應答信號使用。（2）8031 和 8255 的接口連接無需任何外加邏輯電路，直接連接即可。138 的 Y2 接 CS，373 的 Q1，Q2分別接 A0，A1。內蒙古工業(yè)大學本科課程設計說明書213.5.3 鍵盤顯示接口電路（1）顯示器工作原理數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有 LED 和 LCD 也有采用 CRT 的。這里采用 LED 顯示器，一般分為共陽極顯示和共陰極顯示，共陽極顯示的段碼與共陰極顯示的段碼是邏輯非的關系。通常顯示器采用動態(tài)顯示，調整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)高亮度較高較穩(wěn)的顯示。這里采用的是 7 位共陰極的顯示器和 81

47、55 的接口。8155 的 B 口作為掃描口。經反向驅動器 74LS04 接顯示器的公共極，A 口作為段選數(shù)據口，經同相驅動器 7407接顯示器的各個極。 （2）鍵盤接口原理當鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行線和列線都斷開，行線都呈高電平，當鍵盤上某一鍵閉和時，則該鍵所對應的行線列線短路。如果把行線接到微機的輸入口，列線接到微機的輸出口，則在微機的控制下，先使第一列線為低電平，其余列先都為高電平，然后微機通過輸入口讀行線的狀態(tài)，如果行線都為高點平，則第一列上沒有鍵閉合，如果讀出的行線不全為高電平，則輸入為低電平的行線合第一列相交的鍵處于閉合狀態(tài)；如果第一列上沒有鍵閉合，接著使列線的第二列為低電平，其余列線為高電平，用同樣的方法檢查第二列上有無鍵閉合，依次類推，這種逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)的過稱為對鍵盤的一次掃描。 （3）利用 8155 芯片實現(xiàn)鍵盤顯示器接口在單片機應用系統(tǒng)中，同時需要使用鍵盤和顯示器，常常把鍵盤和顯示器做在一起，以節(jié)省 I/O 線鍵盤的列線及 LED 顯示器的字位控制共用 8155 的