電火花線(xiàn)切割機(jī)運(yùn)絲機(jī)構(gòu)及數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1緒論圖2/3///9/4/4//14/8/8/5//1.1前言電火花線(xiàn)切割機(jī)床是一類(lèi)在模具制造等行業(yè)中廣泛應(yīng)用的典型數(shù)控機(jī)床。電火花割加工技術(shù)WEDM(WireElectriealDiseharseMachining)自問(wèn)世以來(lái)，得到了迅速的發(fā)逐步成為機(jī)械制造領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成部分。高速走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)床是通過(guò)線(xiàn)具電極，對(duì)工件進(jìn)行脈沖性放電加工的。工作時(shí)脈沖電源的正極接工件，負(fù)極接電極電極絲由儲(chǔ)絲筒帶動(dòng)往復(fù)移動(dòng)，通過(guò)控制工件的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度，從而切割出符合技求的工件。由于其加工性能與被加工材料無(wú)關(guān)，而且在加工過(guò)程中無(wú)切削力，從而容工復(fù)雜、精密和高硬度的零件，特別是對(duì)薄壁、窄縫零件的加工更具有優(yōu)勢(shì)。工材精密復(fù)雜零件、微細(xì)零件的加工中占有極其重要的地位。近年來(lái)，在電機(jī)模具行業(yè)，模具工業(yè)的增長(zhǎng)，高速?zèng)_硬質(zhì)合金模具的不斷推出，模具的大型化和精密化，采用電線(xiàn)切割來(lái)加工模具逐漸被廣泛認(rèn)可。目前國(guó)內(nèi)外的線(xiàn)切割機(jī)床約占電加工機(jī)床的60％，在低速走絲線(xiàn)切割機(jī)床誕生后不久，我國(guó)也自行研制出具有首創(chuàng)性的高速走絲線(xiàn)機(jī)床。數(shù)十年來(lái)，這種機(jī)床對(duì)我國(guó)的制造業(yè)發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)。由于其價(jià)格低廉、比高，因而受到國(guó)內(nèi)許多中小型企業(yè)和工廠(chǎng)的青睞，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器車(chē)和電機(jī)等行業(yè)，尤其在加工制造方面發(fā)揮了巨大作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)數(shù)控高速線(xiàn)切割機(jī)床約有10余萬(wàn)臺(tái)，居世界第一位，2002年國(guó)內(nèi)線(xiàn)切割機(jī)床產(chǎn)量1。5萬(wàn)臺(tái)，其大部分是高速走絲的線(xiàn)切割機(jī)床。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的高速發(fā)展，電加工機(jī)床的數(shù)控也不斷地取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。傳統(tǒng)的CNC技術(shù)由于通用性差、通訊能力弱以及不便于功能等缺點(diǎn)，已逐漸不適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的要求。因此，目前數(shù)控技術(shù)正在向通用放式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制的模式發(fā)展，開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)已逐漸成為新一代數(shù)控系統(tǒng)流。盡管我國(guó)的高速走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)床與慢速走絲機(jī)床相比，在結(jié)構(gòu)、工藝和數(shù)術(shù)等方面仍有一定差距，但是仍非常適合于加工中等精度和表面粗糙度的零件或模具此提高線(xiàn)切割加工設(shè)備的性能(如：實(shí)現(xiàn)高速走絲電火花多次切割技術(shù)、角度旋轉(zhuǎn)、尖理等功能)對(duì)加快我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展有著重要意義。當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家正在緊鑼密鼓地進(jìn)行著開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究，正為我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)展提供了良好的契機(jī)，開(kāi)發(fā)我國(guó)自主版權(quán)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)是趕超發(fā)達(dá)國(guó)家的歷遇。我國(guó)控制器硬件由于受制造業(yè)水平的影響可靠性差，成為制約我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展頸。借用PC硬件和建立開(kāi)放式控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)就完全可以繞開(kāi)這個(gè)問(wèn)題。數(shù)控技開(kāi)放式道路，將我國(guó)同世界上發(fā)達(dá)國(guó)家的數(shù)控研究擺在了同一起跑線(xiàn)上，我們只有抓個(gè)機(jī)遇，才能開(kāi)發(fā)出具有中國(guó)自主版權(quán)的高性能數(shù)控系統(tǒng)，獨(dú)立自主地發(fā)展我們自己控產(chǎn)業(yè)，打破國(guó)外對(duì)我國(guó)的技術(shù)壟斷。此外，現(xiàn)有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法存在著許多點(diǎn)和不足之處。有鑒于此，本課題“電火花線(xiàn)切割加工機(jī)運(yùn)絲機(jī)構(gòu)及數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)”針對(duì)培養(yǎng)數(shù)控系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想、提高高速走私線(xiàn)切割加工設(shè)備的性能而提出的。1.2國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)1.2.11943年，原蘇聯(lián)學(xué)者拉扎連科夫婦研究電火花放電時(shí)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)受腐蝕損壞的現(xiàn)象和原因，發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時(shí)高溫可使局部的金屬熔化、氣化而被蝕除掉，從而開(kāi)創(chuàng)和發(fā)明了電火花加工方法。電火花線(xiàn)切割加工(WEDM)是在電火花加工的基礎(chǔ)上于50年代末最早在原蘇聯(lián)發(fā)展起來(lái)的一種新的工藝形式，是用線(xiàn)狀電極靠火花放電對(duì)工件進(jìn)行切割，故稱(chēng)為電火花線(xiàn)切割。電火花線(xiàn)切割加工以獲得廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外的線(xiàn)切割機(jī)床約占電加工機(jī)床的60%以上。與電火花成型加工方法相比，線(xiàn)切割加工方法具有設(shè)備成本低、生產(chǎn)效率高以及工具電極的設(shè)計(jì)和制造大大簡(jiǎn)化等特點(diǎn)，同時(shí)還可節(jié)約一部分材料。因此，線(xiàn)切割加工方法自問(wèn)世于前蘇聯(lián)以來(lái)，得到了迅速的發(fā)展。近20年來(lái)，電火花線(xiàn)切割機(jī)床的價(jià)格下降了六倍多，加工速度提高了十幾倍，工件的最大尺寸增加了十四倍，可加工的工件錐度達(dá)到80o。目前慢走絲線(xiàn)切割機(jī)床最小驅(qū)動(dòng)單位達(dá)0.lum，加工精度已接近或達(dá)到精密磨削的精度，最大切削速度超過(guò)3O0mm2/min，標(biāo)志著WEDM總的加工速度有了明顯的提高，微精加工脈沖電源的開(kāi)發(fā)，使精加工表面粗糙度可達(dá)到Ra0.l~0.2μm(多次切割)。線(xiàn)切割加工水平的提高使它從“特種加工”進(jìn)入到常規(guī)加工的行列。線(xiàn)切割加工水平的提高不僅歸功于機(jī)械結(jié)構(gòu)和工藝方法的改善，更得力于先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展。歐美和日本等國(guó)研究的數(shù)控低速走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)床，采用閉環(huán)數(shù)字交(直)流伺服控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)性能好、定位精度高。同時(shí)機(jī)床具有數(shù)字自適應(yīng)控制電源，并具有自動(dòng)走絲、自動(dòng)卸除廢料、短路自動(dòng)回退等自動(dòng)化技術(shù)，對(duì)電極絲張力和工作液壓力也可進(jìn)行控制。同時(shí)，集以D、以PP、CAM及仿真于一體的自動(dòng)編程系統(tǒng)不斷發(fā)展和成熟，目前基于PC的圖形交互式自動(dòng)編程系統(tǒng)成為線(xiàn)切割自動(dòng)編程系統(tǒng)的主流。從2002年美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床展展出的線(xiàn)切割機(jī)床可以看出當(dāng)前國(guó)外WEDM的技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展動(dòng)向：(l)提供不同檔次的系列產(chǎn)品，供用戶(hù)選擇(2)改進(jìn)了走絲系統(tǒng)，使運(yùn)絲更平穩(wěn)，張力更穩(wěn)定(3)自動(dòng)穿絲與自動(dòng)重穿絲技術(shù)該功能雖然是國(guó)外WEDM普遍配備的，但近年來(lái)的改進(jìn)重點(diǎn)在提高可靠性和穿絲速度上。(4)減少機(jī)床的熱變形，提高熱穩(wěn)定性(5)高精度的錐度切割(6)直線(xiàn)電機(jī)的應(yīng)用(7)聯(lián)網(wǎng)這是一個(gè)在適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)而開(kāi)拓的新功能。雖然與外部計(jì)算機(jī)的通信并不是新鮮事，按任務(wù)的要求可以把外部計(jì)算機(jī)看成是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的外圍設(shè)備，也可以把機(jī)床看成是外部計(jì)算機(jī)的一個(gè)終端。這一功能盡管目前的實(shí)用性還不夠明顯，但無(wú)疑是今后的一個(gè)發(fā)展方向。(8)拓展在零件加工中的應(yīng)用(9)高速度加工高速度化一直是國(guó)外廠(chǎng)商追求的目標(biāo)。在這方面，日本廠(chǎng)商一直走在世界的前列。例如，三菱電機(jī)公司的標(biāo)準(zhǔn)型DWCH系列機(jī)床，由于采用G25電源，最高生產(chǎn)率達(dá)250mm2/min，其經(jīng)濟(jì)型DWCC2系列機(jī)床也是250mm2/min。著名的Sodick公司的A500—E型電火花線(xiàn)切割機(jī)的電源數(shù)控柜由于采用32位CPU，使加工速度大幅度提高，同樣可以達(dá)到300mm2/min。快走絲電火花線(xiàn)切割技術(shù)最初是在我國(guó)發(fā)展起來(lái)的一種電火花加工方法，它與慢走絲電火花線(xiàn)切割技術(shù)無(wú)論從加工方法還是加工裝置上都有很大區(qū)別。因此，我國(guó)的電火花線(xiàn)切割技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在快走絲線(xiàn)切割技術(shù)的進(jìn)步上。相對(duì)而言，我國(guó)的慢走絲電火花線(xiàn)切割技術(shù)起步較晚，其水平與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比還存在較大的差距。1.2.1、機(jī)床品種多樣化，年產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)多年來(lái)，我國(guó)生產(chǎn)的數(shù)控電火花切割機(jī)一直是單一的高速走絲線(xiàn)切割機(jī)。隨時(shí)間推移，為了滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，又開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了自旋式電火花線(xiàn)切割機(jī)、走絲速度可調(diào)的電火花切割機(jī)(含高低雙速走絲電火花線(xiàn)切割機(jī))以及低雙速走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)等。機(jī)床品種的多樣化可以滿(mǎn)足用戶(hù)的需要，擴(kuò)大數(shù)控電火花線(xiàn)切割機(jī)加工的應(yīng)用范圍。高速走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)是我國(guó)當(dāng)前發(fā)展的主要產(chǎn)品，廣大的科技工作者為了進(jìn)一步提高它的工藝性能及自動(dòng)化程度做了大量開(kāi)發(fā)工作，并開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了2000mm×1200mm×500mm及1000mm×630mm×1000mm等超大型高速走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)床，擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，滿(mǎn)足了用戶(hù)的各種需要，使其年產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，至今以達(dá)到了12000臺(tái)/年，并有約300臺(tái)/年出口到世界各國(guó)。低速走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)過(guò)去曾是“進(jìn)口機(jī)”的代名詞，現(xiàn)在已有蘇州沙迪克三光機(jī)電有限公司、北京阿奇工業(yè)電子有限公司、蘇州電加工機(jī)床研究所，漢川機(jī)床廠(chǎng)等多家制造廠(chǎng)商自行開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，年產(chǎn)量達(dá)300多臺(tái)。這些機(jī)床性能好，價(jià)格不到進(jìn)口機(jī)的一半，深受?chē)?guó)內(nèi)用戶(hù)的歡迎。自旋式電火花線(xiàn)切割機(jī)和走絲速度可調(diào)的電火花線(xiàn)切割機(jī)目前雖處在開(kāi)發(fā)和完善階段，產(chǎn)量也不大，但開(kāi)發(fā)思想都是企圖借鑒高速走絲和低速走絲二者的優(yōu)點(diǎn)創(chuàng)造一種新型的電火花切割方法。它的成功不僅能為我國(guó)的電火花線(xiàn)切割增加一個(gè)新品種，并以它的性能價(jià)格比好以及加工消耗低的特點(diǎn)找到它自身的應(yīng)用范圍，而且為高速走絲的電火花線(xiàn)切割機(jī)的多次切割工藝奠定基礎(chǔ)。2、高速走絲系統(tǒng)日趨完善高速走絲有助于工作液進(jìn)入窄小的加工區(qū)，改善排屑條件，這對(duì)于切割大厚度工件以及提高切割速度都是很有作用的。同時(shí)，電極絲的往返運(yùn)動(dòng)可使電極絲重復(fù)使用，減少電極絲的消耗，降低切割加工的生產(chǎn)成本。然而，高速走絲也會(huì)造成導(dǎo)向器(導(dǎo)輪、導(dǎo)向塊等)的磨損和系統(tǒng)的振動(dòng)，加上電極絲的張力不容易控制，它將給加工穩(wěn)定性、加工精度及表面質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重影響。為了解決高速走絲所存在的問(wèn)題，完善高速系統(tǒng)，廣大科技工作者己做了大量的開(kāi)發(fā)研究工作，并獲得了明顯的效果。上海大量電子設(shè)備有限公司已于1999年開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了數(shù)字程序控制短程往返走絲系統(tǒng)，根據(jù)加工條件設(shè)定正向移動(dòng)和反向移動(dòng)的時(shí)間，以消除高速走絲的換向切割條紋，改善加工表面質(zhì)量。北京阿奇工業(yè)電子有限公司根據(jù)高速走絲正向和反向移動(dòng)張力不一的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了新型的恒張力高速走絲機(jī)構(gòu)。這種新型的恒張力高速走絲機(jī)構(gòu)。這種新型機(jī)構(gòu)不僅可以緊絲，而且可以保證正向和反向移動(dòng)時(shí)電極絲的張力基本一致。因此，走絲系統(tǒng)上、下絲架的導(dǎo)輪是對(duì)稱(chēng)設(shè)置的，可以保證正、反向移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦阻力相近，使電極絲的張力在整個(gè)過(guò)程中恒定。電極絲的張力直接影響電極絲的振動(dòng)和頻率，并影響線(xiàn)切割加工的效果，為了使高速走絲系統(tǒng)的電極絲的張力恒定，華中理工大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種高速走絲線(xiàn)切割機(jī)鋁絲恒張力伺服系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)的實(shí)際使用雖然存在不少問(wèn)題，但他們的開(kāi)發(fā)思路是積極的。為了提高絲架的剛性，南昌江南電子儀器廠(chǎng)開(kāi)發(fā)了龍門(mén)式絲架，非常適合于大中型電火花線(xiàn)切割機(jī)，且錐度切割不受偏移量限制。蘇州沙迪克三光機(jī)電有限公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的錐度切割裝置可以穩(wěn)定切割720的錐型零件，而蘇州金馬機(jī)械電子公司的DK7740B機(jī)床能在200mm厚的工件做300錐度的切割，表明近幾年來(lái)我國(guó)高速走絲WEDM機(jī)床的加工范圍有了較大發(fā)展。1.3課題的提出意義與目的通過(guò)上文的介紹，我們已經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外電火花線(xiàn)切割機(jī)床的發(fā)展有了一個(gè)基的認(rèn)識(shí)。線(xiàn)切割加工主要用于模具制造，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，模具開(kāi)發(fā)術(shù)難度越來(lái)越大，加工要求也越來(lái)越高，時(shí)間和成本估算要求越來(lái)越嚴(yán)格，誰(shuí)快速提供市場(chǎng)和客戶(hù)可以接受的產(chǎn)品，縮短產(chǎn)品研制、上市的時(shí)間，誰(shuí)就贏(yíng)得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。深圳福斯特?cái)?shù)控機(jī)床有限公司生產(chǎn)的數(shù)控電火花線(xiàn)切割機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)是90年代初研制的產(chǎn)品，采用單板機(jī)作為主機(jī)。這種基于單板機(jī)有存儲(chǔ)器容量小，以實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)、接口電路擴(kuò)展不方便、抗干擾性能較差等不足之處。近10年來(lái)電子技術(shù)有了很大的發(fā)展，各種芯片的價(jià)格越來(lái)越低，功能越來(lái)越強(qiáng)。為可贏(yíng)得市場(chǎng)，該公司需要開(kāi)發(fā)一套針對(duì)中小型用戶(hù)的經(jīng)濟(jì)型電火花線(xiàn)切割機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，要求用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)32位工控機(jī)所具有的大錐度切割功能并且具有較低價(jià)位。由于單片機(jī)在集成度、面向控制、可靠性和多機(jī)通信等方面優(yōu)于單板機(jī)，機(jī)電一體化系統(tǒng)中的理想控制部件。90年代以來(lái)，許多WEDM便采用了單片機(jī)作控制器。該類(lèi)控制器運(yùn)行可靠、價(jià)格低、體積小。從軟件角度來(lái)看，該類(lèi)控制系統(tǒng)一般具有監(jiān)控和加工兩種運(yùn)行狀態(tài)。在監(jiān)控狀態(tài)下，可輸入加工程序，可進(jìn)行程序編輯、檢查、修改、刪除和插入。在加工狀態(tài)下，可執(zhí)行快速較零、空走、正割、逆割、短路回退、斷絲歸零、對(duì)中；可進(jìn)行圖形變換，如比例縮放、任意角度旋轉(zhuǎn)、對(duì)稱(chēng)及循環(huán)平移。系統(tǒng)軟件由主程序、顯示、監(jiān)控狀態(tài)鍵盤(pán)處理、加工狀態(tài)鍵盤(pán)處理、通信、運(yùn)算與交換、變頻中斷服務(wù)、短路檢測(cè)及處理、對(duì)中心與對(duì)端面、時(shí)鐘中斷服務(wù)、掉電中斷服務(wù)等模塊組成。2電火花線(xiàn)切割機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)2.1電火花線(xiàn)切割加工的基本原理電火花線(xiàn)切割加工是電火花加工的一個(gè)分支，是一種直接利用電能和熱能進(jìn)行加工的工藝方法，線(xiàn)切割加工的基本原理與電火花成形加工相同，但加工方式不同，它是用細(xì)金屬絲作電極。線(xiàn)切割加工時(shí)，線(xiàn)電極一方面相對(duì)于工件不斷地移動(dòng)，另一方面，裝夾工件的十字工作臺(tái)，由數(shù)控伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在x、y軸方向?qū)崿F(xiàn)切割進(jìn)給，使線(xiàn)電極沿加工圖形的軌跡運(yùn)動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行切割加工。線(xiàn)切割機(jī)床通常分為兩類(lèi):快走絲和慢走絲。前者是電極細(xì)鉬絲作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，走絲速度為8m/s~10m/s，國(guó)產(chǎn)的線(xiàn)切割機(jī)床多是此類(lèi)機(jī)床。慢走絲機(jī)床的電極做低速單向運(yùn)動(dòng)，一般走絲速度低于0.2m/s。圖2.1是快走絲切割加工的示意圖。工具電極細(xì)相絲5穿過(guò)工件2上預(yù)先鉆好的小孔，經(jīng)導(dǎo)輪由儲(chǔ)絲筒4帶動(dòng)作往復(fù)交替移動(dòng)，工件通過(guò)絕緣板1安裝在工作臺(tái)上，工件臺(tái)在水平面X、Y兩個(gè)坐標(biāo)方向各自按給定的控制程序移動(dòng)而合成任意平面曲線(xiàn)軌跡。脈沖電源3對(duì)電極絲與工件施加脈沖電壓，電極絲與工件之間繞注一定壓力的工作液，當(dāng)脈沖電壓擊穿電極絲與工件之間的間隙時(shí)，兩者之間產(chǎn)生火花放電而切割工件。圖2.1快走絲切割加工的示意圖線(xiàn)切割的加工精度可達(dá)士0.01mm，表面粗糙度Ra為1.25μm~2.3μm。線(xiàn)切割機(jī)床的控制方式有靠模仿型控制、光電跟蹤控制、數(shù)字程序控制等方式，但目前國(guó)內(nèi)外95%以上的線(xiàn)切割機(jī)床都己數(shù)控化，采用不同水平的數(shù)控系統(tǒng):單片機(jī)、單板機(jī)和微機(jī)。線(xiàn)切割加工屬于電火花加工，但由于采用細(xì)金屬絲做工具電極，無(wú)需制作成型工具電極，大大降低了成型工具電極的設(shè)計(jì)、制造費(fèi)用，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，而且細(xì)的電極絲可以加工細(xì)微的異形孔、窄縫和復(fù)雜的工件。由于采用移動(dòng)的長(zhǎng)電極絲進(jìn)行加工，單位長(zhǎng)度電極絲的損耗較小，從而對(duì)加工精度的影響較少。線(xiàn)切割加工廣泛應(yīng)用于加工各種硬質(zhì)合金和淬火鋼沖模、樣板、各種外型復(fù)雜的精細(xì)小零件、窄縫等，并可多件疊加起來(lái)加工，能獲得一致的尺寸，因此線(xiàn)切割機(jī)床是模具制造企業(yè)必不可少的設(shè)備。對(duì)于多品種少批量的零件、特殊難加工材料的零件、材料實(shí)驗(yàn)樣件、各種孔型、特殊齒輪、凸輪、樣板、成型刀具等零件的制造，線(xiàn)切割加工也具有極大的優(yōu)勢(shì)。由于不需要制造模具，在新產(chǎn)品試制中可以大大縮短制造周期、降低成本。四軸聯(lián)動(dòng)的線(xiàn)切割機(jī)還可以加工錐體、上下異形體等復(fù)雜形狀零件?？傊€(xiàn)切割加工已經(jīng)成為了一種非常普及的特殊加工工藝。2.2電火花線(xiàn)切割機(jī)的基本組成與結(jié)構(gòu)快走絲線(xiàn)切割機(jī)床主要由機(jī)床本體、脈沖電源、數(shù)控系統(tǒng)三個(gè)部分組成，如圖2.2所示：圖2.2線(xiàn)切割機(jī)床的組成2.3機(jī)床主體機(jī)床主體主要由坐標(biāo)工作臺(tái)、高速走絲機(jī)構(gòu)、絲架導(dǎo)輪機(jī)構(gòu)、工作液系統(tǒng)、脈沖電源五部分組成，X、Y坐標(biāo)工作臺(tái)是用來(lái)裝夾被加工工件，X軸、Y軸由控制器發(fā)出進(jìn)給信號(hào)，分別控制兩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行預(yù)定的軌跡。床身床身是支撐和固定坐標(biāo)工作臺(tái)、走絲機(jī)構(gòu)等的基礎(chǔ)。一般采用箱式結(jié)構(gòu)，床身里面可以放置脈沖電源、工作液循環(huán)裝置和機(jī)床電氣設(shè)備等。床身上安裝有機(jī)床電氣的操作面板，面板上有開(kāi)關(guān)、指示儀表、調(diào)節(jié)旋鈕等。因此，要求床身有一定的剛度和強(qiáng)度。床身的臺(tái)面必須有足夠的面積以便安裝坐標(biāo)工作臺(tái)和走絲機(jī)構(gòu)等。如果將工作液循環(huán)裝置、機(jī)床電氣和脈沖電源等放置在床身的內(nèi)部，那么床身的內(nèi)部應(yīng)有足夠的容積來(lái)安裝?，F(xiàn)在的機(jī)床一般采用電氣系統(tǒng)獨(dú)立安裝在控制箱柜內(nèi)。坐標(biāo)工作臺(tái)X、Y坐標(biāo)工作臺(tái)用來(lái)裝夾工件，X軸和Y軸由控制臺(tái)發(fā)出進(jìn)給信號(hào)，分別控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行預(yù)定的加工。坐標(biāo)工作臺(tái)由滑板、導(dǎo)軌、絲杠運(yùn)動(dòng)副、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)四個(gè)部分組成。如圖2.3所示：圖2.3坐標(biāo)工作臺(tái)（1）滑板滑板主要由上滑板1、中滑板2、下滑板3組成。通常下滑板與4床鞍固定連接，中滑板置于下滑板之上，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樽鴺?biāo)X方向；上滑板置于中滑板之上，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樽鴺?biāo)Y方向。其中上、中滑板一端呈懸臂梁形式，以放置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。為在減輕質(zhì)量的條件下，增加滑板的結(jié)合面，提高工作臺(tái)的剛度和強(qiáng)度，應(yīng)使上滑板在全行程中不伸出中滑板，中滑板不伸出下滑板。這種結(jié)構(gòu)使坐標(biāo)工作臺(tái)所占面積較大，通常電動(dòng)機(jī)置于滑板下面，增加了維修的難度。（2）導(dǎo)軌坐標(biāo)工作臺(tái)的縱、橫滑板是沿著導(dǎo)軌往復(fù)移動(dòng)的。因此，對(duì)導(dǎo)軌的精度、剛度和耐磨性有較高的要求。此外，導(dǎo)軌應(yīng)使滑板運(yùn)動(dòng)靈活、平穩(wěn)。此次設(shè)計(jì)的線(xiàn)切割機(jī)選用滾動(dòng)是導(dǎo)軌，因?yàn)闈L動(dòng)導(dǎo)軌可以減少導(dǎo)軌間的摩擦力，便于工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)精確和微量的移動(dòng)，且潤(rùn)滑方法簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是接觸面之間不易保持油膜，抗震能力較差。滾動(dòng)導(dǎo)軌有滾珠導(dǎo)軌、滾柱導(dǎo)軌、滾針導(dǎo)軌等幾種形式。在滾珠導(dǎo)軌中，滾珠與導(dǎo)軌是點(diǎn)接觸，承載能力不能過(guò)大。在滾柱導(dǎo)軌和滾針導(dǎo)軌中，滾動(dòng)體與導(dǎo)軌是線(xiàn)接觸，因此有較大承載能力，因此被選用。為了保證導(dǎo)軌精度，各滾動(dòng)的直徑誤差一般不應(yīng)大于0.001mm。在相切割機(jī)床中，常用的滾動(dòng)導(dǎo)軌還有一下兩種：①力封式滾動(dòng)導(dǎo)軌力封式是借助運(yùn)動(dòng)件的重力將導(dǎo)軌副封閉而實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式。圖2.4是力封式滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。承導(dǎo)件有兩根V形導(dǎo)軌，運(yùn)動(dòng)件上兩根與承導(dǎo)件相對(duì)的導(dǎo)軌中，一根是V形導(dǎo)軌，另一根是平導(dǎo)軌。這種機(jī)構(gòu)具有較好的工藝性，制造、裝配、調(diào)整都比較方便；同時(shí)，導(dǎo)軌與滾珠的接觸面也比較大，受力較均勻，潤(rùn)滑條件較好。缺點(diǎn)是滑板可能在外力的作用下向上抬起，并因此破壞傳動(dòng)。當(dāng)搬運(yùn)具有這種形式的機(jī)床時(shí)，必須將移動(dòng)件加緊在機(jī)床上。圖2.4力封式滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖2.5自封式滾動(dòng)稻谷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖②自封式滾動(dòng)導(dǎo)軌圖2.5是自封式滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。自封式是指有承導(dǎo)件保證運(yùn)動(dòng)件按給定要求運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式。其優(yōu)勢(shì)是運(yùn)動(dòng)不易受外力影響，防塵條件好。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個(gè)V形槽兩側(cè)面受力不均，工藝性也較差，一般很少采用。工作臺(tái)導(dǎo)軌一般采用鑲件。由于滾柱與導(dǎo)軌是線(xiàn)接觸，導(dǎo)軌單位面積上承受的壓力很大，同時(shí)滾柱硬度較高，所以導(dǎo)軌應(yīng)具有較高的硬度，為了保證運(yùn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的靈活性和準(zhǔn)確性，導(dǎo)軌的表面粗糙度Ra值應(yīng)在0.8um以下，工作面的平面度應(yīng)為0.05/400mm。導(dǎo)軌的材料一般采用合金工具鋼。為了最大限度的消除導(dǎo)軌在使用中變形，導(dǎo)軌應(yīng)進(jìn)行冰冷處理和低溫時(shí)效。（3）絲杠傳動(dòng)副絲杠傳動(dòng)副的作用就是將傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)。要使絲杠副傳動(dòng)精確，絲杠與螺母就必須精確，一般應(yīng)保證IT11級(jí)和高于IT11級(jí)的精度。絲杠副的傳動(dòng)螺紋一般分為三角普通螺紋、梯形螺紋和圓弧螺紋三種。三角普通螺紋和體形螺紋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，精度易于保證。因此，在中、小型線(xiàn)切割機(jī)床的絲杠傳動(dòng)副中運(yùn)用的比較廣泛，但這種絲杠副傳動(dòng)為滑動(dòng)摩擦，傳動(dòng)效率較低。大、中型線(xiàn)切割機(jī)床常用圓弧形螺紋滾珠絲杠。在此選用圓弧形滾珠絲杠，如圖2.3所示，滾珠絲杠能傳動(dòng)副能夠有效的消除絲杠與螺母間的配合間隙，可使滑板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)靈活、精確。絲杠與螺母之間不應(yīng)有傳動(dòng)間隙，以防止轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)出現(xiàn)空程現(xiàn)象，造成加工誤差，所以，一方面要保證絲杠和螺母牙形與螺距等方面的加工精度；另一方面要消除絲杠間的配合間隙，通常有以下兩種方法：①軸向調(diào)節(jié)法利用雙螺母、彈簧消除絲杠副傳動(dòng)間隙的方法是簡(jiǎn)便易行的，如圖2.6所示。當(dāng)絲杠正轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)螺母1和滑板一起移動(dòng)；當(dāng)絲杠反轉(zhuǎn)時(shí)，則推動(dòng)副螺母4，通過(guò)彈簧2和螺母1，使滑板反向移動(dòng)。裝配和用背帽調(diào)整時(shí)，彈簧的壓縮狀態(tài)要適當(dāng)。彈力過(guò)大，會(huì)增加絲杠對(duì)螺母和副螺母之間的摩擦力，影響傳動(dòng)的靈活性和使用壽命；彈力過(guò)小，在副螺母受絲杠推動(dòng)時(shí)，彈簧推動(dòng)不了滑板，不能起到消除間隙的作用。從圖2.3中可以看出本設(shè)計(jì)選用的間隙調(diào)節(jié)方法也屬于軸向調(diào)節(jié)法。圖2.6雙螺母彈簧消除間隙的結(jié)構(gòu)②徑向調(diào)節(jié)法圖2.7為徑向調(diào)節(jié)絲杠副間隙的結(jié)構(gòu)。螺母一端的外表面呈圓錐形，沿徑向銑三個(gè)槽，勁部壁厚較薄，以保證螺母在徑向收縮時(shí)帶彈性，圓錐底部處的外圓柱面上有螺紋，用帶有錐孔的調(diào)整螺母與之配合，使螺母三爪徑向或離開(kāi)絲杠，消除螺紋的徑向和軸向間隙。圖2.7徑向調(diào)節(jié)絲杠副間隙的結(jié)構(gòu)（4）齒輪——傳動(dòng)機(jī)構(gòu)從2.3圖中可以看出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠間的傳動(dòng)采用齒輪副來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于齒側(cè)間隙、軸與軸承之間的間隙及傳動(dòng)鏈中的彈性變形的影響，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主軸上的主動(dòng)齒輪改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，會(huì)出現(xiàn)傳動(dòng)空程，為了減少和消除齒輪傳動(dòng)空程，應(yīng)當(dāng)采取以下措施：①采用盡量少的齒輪減速級(jí)數(shù)，力求從結(jié)構(gòu)上減少齒輪傳動(dòng)精度的誤差。②采用齒輪副中心距可調(diào)整結(jié)構(gòu)，也可通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)的固定位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。③將從動(dòng)齒輪或介輪沿垂直于軸向剖分為雙輪形式，如圖2.8所示。裝配時(shí)應(yīng)保證兩輪齒廓分別與主動(dòng)輪齒廓側(cè)面接觸，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)變換旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，絲杠能迅速得到相應(yīng)反映。圖2.8柔性軸向彈簧消隙法從圖2.3中可以看出本設(shè)計(jì)傳動(dòng)齒輪間隙的消除是采用了第三種方法。2.3.3.高速走絲機(jī)構(gòu)運(yùn)絲機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是由絲筒電機(jī)正反轉(zhuǎn)得到的。電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與絲筒連接，絲筒裝有齒輪，通過(guò)過(guò)渡齒輪與絲桿上的齒輪嚙合，絲桿固定在絲板上，螺母固定在底座上，托板與底座采用裝有滾珠的V形滾動(dòng)導(dǎo)軌連接，這樣絲筒每轉(zhuǎn)一周托板直線(xiàn)移動(dòng)相應(yīng)的距離，因此機(jī)床工作前應(yīng)根據(jù)零件厚薄和精度要求在直徑為Φ0.06-0.20mm的范圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)你f絲直徑。對(duì)高速走絲機(jī)構(gòu)的要求①高速走絲機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)絲筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，還要進(jìn)行相應(yīng)的軸向移動(dòng)，以保證電極絲在儲(chǔ)絲筒上整齊排繞。②儲(chǔ)絲筒的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)量要小。③儲(chǔ)絲筒要能正反轉(zhuǎn)，電極絲的走絲速度在7-12m/s范圍內(nèi)無(wú)級(jí)或有級(jí)可調(diào)，或恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。④走絲機(jī)構(gòu)最好與床身相互絕緣。⑤傳動(dòng)齒輪副，絲桿副應(yīng)該具備潤(rùn)滑措施。高速走絲機(jī)構(gòu)的組成與結(jié)構(gòu)高速走絲機(jī)構(gòu)由儲(chǔ)絲筒、聯(lián)軸器、上下托板、齒輪副、換向裝置和絕緣部分組成，如圖2.9所示圖2.9儲(chǔ)絲機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖儲(chǔ)絲筒由電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)正反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。儲(chǔ)絲筒另外一端通過(guò)兩對(duì)齒輪減速后帶動(dòng)絲杠。儲(chǔ)絲筒、電動(dòng)機(jī)、齒輪都安裝在兩個(gè)支架上。支架及絲杠則安裝在托板沙鍋內(nèi)，調(diào)整螺母裝在底座上，托板在底座上來(lái)回移動(dòng)。螺母具有消除間隙的副螺母和彈簧，齒輪及絲杠螺距的搭配為每旋轉(zhuǎn)一圈托板移動(dòng)0.21mm。所以?xún)?chǔ)絲筒適用0.21mm以下的鉬絲。儲(chǔ)絲筒運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)平穩(wěn)，無(wú)不正常振動(dòng)。滾筒外圓振擺應(yīng)小于0.03mm，反向間隙應(yīng)小于0.05mm，軸向竄動(dòng)應(yīng)完全徹底消除。儲(chǔ)絲筒本身作高速正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)、滾筒及絲杠的軸承應(yīng)定期拆洗并加潤(rùn)滑脂，換油期限可根據(jù)使用情況具體決定。其余中間軸、齒輪、導(dǎo)軌及絲杠、螺母等每班應(yīng)注油一次。①儲(chǔ)絲筒儲(chǔ)絲筒是電極絲穩(wěn)定移動(dòng)和整齊排繞的關(guān)鍵部件之一，一般用45號(hào)鋼制造。為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，筒壁應(yīng)盡量薄，按機(jī)床規(guī)格，本次設(shè)計(jì)應(yīng)選用5mm（符合1.5-15mm）。儲(chǔ)絲筒壁厚要均勻，工作表面要有較好的表面粗糙度，一般Ra為0.8m。為保證儲(chǔ)絲筒組合件動(dòng)態(tài)平衡，應(yīng)嚴(yán)格控制內(nèi)孔、外圓對(duì)支撐部分的同軸度。儲(chǔ)絲筒與主軸裝配后的徑向跳動(dòng)量應(yīng)不大于0.01mm。一般裝配后，以軸的兩端中心孔定位，沖模儲(chǔ)絲筒外圓和與軸承配合的軸徑。②聯(lián)軸器走絲機(jī)構(gòu)中運(yùn)絲組合件的電機(jī)軸與儲(chǔ)絲筒中心軸，一般不采用整體的長(zhǎng)軸，而是利用聯(lián)軸器將二者聯(lián)在一起。由于儲(chǔ)絲筒運(yùn)行時(shí)頻繁換向，聯(lián)軸器瞬間受到的正反剪切力很大，因此多采用彈性聯(lián)軸器和摩擦錐式聯(lián)軸器。a.彈性聯(lián)軸器如圖2.10所示,彈性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，慣性力矩小，換向較平穩(wěn)，無(wú)金屬撞擊聲，可以減少對(duì)儲(chǔ)絲筒中心軸的沖擊。彈性材料采用橡膠、塑料或者皮革。這種聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)是，允許電動(dòng)機(jī)軸與儲(chǔ)絲筒軸稍有不同心和不平行（最大不同心允許為0.2—0.5mm，最大不平行為1°），缺點(diǎn)是由它連接的兩根軸在傳遞扭矩圖2.10彈性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。b.摩擦錐式聯(lián)軸器如圖2.11所示,摩擦錐式聯(lián)軸器可帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的大中型儲(chǔ)絲筒旋轉(zhuǎn)組合件。這種聯(lián)軸器可傳遞較大的扭矩，同時(shí)在傳動(dòng)負(fù)荷超載時(shí)，可以起到過(guò)載保護(hù)作用。因?yàn)殄F形摩擦面會(huì)對(duì)電機(jī)和儲(chǔ)絲筒產(chǎn)生軸向力，所以在電機(jī)主軸的滾動(dòng)支撐中，應(yīng)選用向心止推軸承和單列圓錐滾圖2.11摩擦錐式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)子軸承。此外，還要正確選用彈簧規(guī)格。彈力過(guò)小，摩擦面打滑，使傳動(dòng)部穩(wěn)定或摩擦面過(guò)熱燒傷；彈力過(guò)大，會(huì)增加軸向力，影響中心軸的正常轉(zhuǎn)動(dòng)。除了以上兩種聯(lián)軸器外，還有磁力聯(lián)軸器，因?yàn)椴怀Ｓ茫诖司筒辉敿?xì)說(shuō)明了。參照本次設(shè)計(jì)要求，選擇性?xún)r(jià)比最高的，顯然彈性聯(lián)軸器可以滿(mǎn)足條件，因此本次設(shè)計(jì)選用彈性聯(lián)軸器。③上下托板走絲機(jī)構(gòu)的上下滑板多采用燕尾形滑動(dòng)導(dǎo)軌和三角形、矩形組合式導(dǎo)軌。a.燕尾型導(dǎo)軌這種結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便。旋轉(zhuǎn)調(diào)整桿帶動(dòng)塞鐵，可改變導(dǎo)軌副的配合間隙。但該結(jié)構(gòu)制造和檢驗(yàn)比較復(fù)雜，剛性較差，傳動(dòng)中摩擦損失也比較大。b.三角、矩形組合式導(dǎo)軌該組合式導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)如圖2.12所示。導(dǎo)軌的配合間隙由螺釘和墊片組成的調(diào)整環(huán)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)。由于儲(chǔ)絲筒走絲機(jī)構(gòu)的上托板一邊裝有運(yùn)絲電動(dòng)機(jī)，儲(chǔ)絲筒軸向兩邊負(fù)荷差較大。為保證上托板能平穩(wěn)的往復(fù)移動(dòng)，應(yīng)把下托板設(shè)計(jì)的較長(zhǎng)以使走絲機(jī)構(gòu)工作時(shí)上托板部分始終不滑出圖2.12三角、矩形組合式導(dǎo)軌下托板，從而保持托板的剛度，機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)精度。經(jīng)比較，顯然三角、矩形組合式導(dǎo)軌是比較理想的，因此，決定選用此種導(dǎo)軌作為本次設(shè)計(jì)之用。④齒輪副與絲杠副從圖2.9中可以看出本設(shè)計(jì)走絲機(jī)構(gòu)的上托板的傳動(dòng)鏈?zhǔn)怯?級(jí)減速齒輪副和一組絲杠副組成，它使儲(chǔ)絲筒在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，作相應(yīng)的軸向位移，保證電機(jī)絲整齊的排繞在儲(chǔ)絲筒上。在本次設(shè)計(jì)線(xiàn)切割機(jī)中，走絲機(jī)構(gòu)常是通過(guò)配換齒輪來(lái)改變儲(chǔ)絲筒的排絲筒的排絲距離，以適應(yīng)排繞不同直徑電極絲的要求，但是根據(jù)此次課題要求，鉬絲直徑不能超過(guò)Φ0.21mm。⑤線(xiàn)架、導(dǎo)輪部件結(jié)構(gòu)線(xiàn)架與走絲機(jī)構(gòu)組成了電極絲的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，如圖2.13所示。圖2.13線(xiàn)架與走絲機(jī)構(gòu)線(xiàn)架的主要作用是在電極絲按給定的線(xiàn)速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)電極絲起支撐作用，并使電極絲工作部分與工作臺(tái)平面保持一定的幾何角度，對(duì)線(xiàn)架的要求是：a.具有足夠的剛度和強(qiáng)度，在電極絲運(yùn)動(dòng)（特別是高速走絲）時(shí)，不應(yīng)出現(xiàn)振動(dòng)和變形；b.線(xiàn)架的導(dǎo)輪有較高的運(yùn)動(dòng)精度，徑向偏擺和軸向竄動(dòng)不超過(guò)5m；c.導(dǎo)輪與線(xiàn)架本體，線(xiàn)架與床身之間有良好的絕緣性能；d.導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件有密封措施，可防止帶有大量放電產(chǎn)物和雜質(zhì)的工作液進(jìn)入導(dǎo)輪軸承；e.線(xiàn)架不但能保證電極絲垂直于工作臺(tái)平面，而且具有錐度切割功能的機(jī)床上，還應(yīng)具有能使電極絲按給定的要求保持與工作臺(tái)平面呈一定的角度。線(xiàn)架按功能可分為固定式，升降式和偏移式三種類(lèi)型；按結(jié)構(gòu)可分為懸臂式和龍門(mén)式兩種類(lèi)型。從圖2.13中可以看出懸臂式升降線(xiàn)架主要由線(xiàn)架本體，導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件及保持器等組成。中小型線(xiàn)切割機(jī)床的線(xiàn)架本體常采用單柱支撐，雙臂懸梁式結(jié)構(gòu)。由于支撐電極絲的導(dǎo)輪位于懸臂的端部，同時(shí)電極絲保持一定張力，因此應(yīng)加強(qiáng)線(xiàn)架本體的剛度和強(qiáng)度，使線(xiàn)架的上下懸臂在電極絲運(yùn)動(dòng)時(shí)不致振動(dòng)和變形。此外，針對(duì)不同厚度的工件，還有采用絲臂張開(kāi)高度可調(diào)的分離式結(jié)構(gòu)，活動(dòng)絲臂在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，上下移動(dòng)的距離由絲杠副調(diào)節(jié)。松開(kāi)固定螺釘時(shí)，旋轉(zhuǎn)絲杠帶動(dòng)固定于上絲臂體的絲母，使上絲臂移動(dòng)。調(diào)整完畢后擰緊固定螺釘，上絲臂位置便固定下來(lái)。為了適應(yīng)線(xiàn)架臂張開(kāi)高度的變化，在線(xiàn)架上下部分應(yīng)增設(shè)副導(dǎo)輪，如圖2.13所示。導(dǎo)輪是本機(jī)床的關(guān)鍵零件，關(guān)系到切割質(zhì)量，對(duì)導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件的要求如下：a.導(dǎo)輪V形槽面應(yīng)有較高的精度，V形槽底的圓弧半徑必須小于選用的電極絲半徑，保證電極絲在導(dǎo)輪槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生軸向移動(dòng)。b.在滿(mǎn)足一定強(qiáng)度要求下，應(yīng)盡量減輕導(dǎo)輪質(zhì)量，以減少電極絲換向時(shí)的電極絲與導(dǎo)輪間的滑動(dòng)摩擦。導(dǎo)輪槽工作面應(yīng)有足夠的硬度，以提高其耐磨性。c.導(dǎo)輪轉(zhuǎn)配后轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)輕便靈活，應(yīng)盡量減少軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)。d.進(jìn)行有效的密封，以保證軸承的正常工作條件。導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件的結(jié)構(gòu)主要有三種：懸臂支撐結(jié)構(gòu)，雙支撐結(jié)構(gòu)和雙軸尖支撐結(jié)構(gòu)。由于雙支撐結(jié)構(gòu)為導(dǎo)輪居中，兩端用軸承支撐，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上絲麻煩；而雙軸尖支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副磨擦力大，易發(fā)熱和磨損。所以綜合考慮本次設(shè)計(jì)選用懸臂支撐結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)論運(yùn)動(dòng)組合件，如圖2.14所示。圖2.14懸臂支撐導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)導(dǎo)輪組合件裝配的關(guān)鍵是消除滾動(dòng)軸承中的問(wèn)題，避免滾動(dòng)體與套環(huán)工作表面在負(fù)荷作用下產(chǎn)生彈性變形，以及由此引起的軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)。因此，常用對(duì)軸承施加預(yù)負(fù)荷的方法來(lái)解決。通常是在兩個(gè)支撐軸承的外環(huán)間放置一定厚度的定位環(huán)來(lái)獲得預(yù)負(fù)荷。預(yù)加負(fù)荷必須適當(dāng)選擇，若軸承受預(yù)加負(fù)荷過(guò)大，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生急劇磨損。同時(shí)，軸承必須清洗的很潔凈，并在顯微鏡下檢查滾道內(nèi)是否有金屬粉末，碳化物等，軸承經(jīng)清洗、干燥后，填以高速潤(rùn)滑脂，起潤(rùn)滑和密封作用。工作液系統(tǒng)工作液系統(tǒng)用以在電火花線(xiàn)切割加工過(guò)程中，供給有一定絕緣性質(zhì)的工作介質(zhì)一一工作液，以冷卻電極絲和工件，排除電蝕產(chǎn)物等，這樣才能保證火花放電持續(xù)進(jìn)行。一般線(xiàn)切割機(jī)床的工作液系統(tǒng)包括:工作液箱、工作液泵、流量控制閥、進(jìn)液管、回液管及過(guò)濾網(wǎng)等。2.4儲(chǔ)絲走絲部件主要零件強(qiáng)度計(jì)算齒輪傳動(dòng)比的確定鉬絲最大直徑選擇0.2mm儲(chǔ)絲筒每轉(zhuǎn)一周，選擇托板帶動(dòng)儲(chǔ)絲筒移動(dòng)0.21mm，絲杠螺距選擇為2mm。所以?xún)?chǔ)絲筒與絲杠間的齒輪傳動(dòng)比為：由于圓柱齒輪單級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)小于5，故采用兩級(jí)傳動(dòng)，如圖2.15所示。采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)，取圖2.15走絲原理絲速計(jì)算電極絲線(xiàn)速度的計(jì)算公式為n電——異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速r/minD—儲(chǔ)絲筒直徑mm據(jù)所選電動(dòng)機(jī)Y802-6，可知n電為900r/min；D為175mm，所以在高速走絲（8~10m/s）范圍之內(nèi)。走絲部件的儲(chǔ)絲筒每轉(zhuǎn)一圈時(shí)其軸向移動(dòng)的距離走絲部件的儲(chǔ)絲筒每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，其軸向移動(dòng)距離s的計(jì)算公式為a、b、c、d—齒輪的齒數(shù)；P絲=2mm，則齒輪齒數(shù)的確定取，由于齒輪齒根與軸上鍵距離不能為零。即由d=16mm查設(shè)計(jì)手冊(cè)得：而代入上式得：取m=1.5則;取，則齒輪a與b之間的中心距：mm齒輪c與d之間的中心距：mm相關(guān)數(shù)據(jù)如下：mmmmmm；；傳動(dòng)件的計(jì)算根據(jù)公式其中N—該傳動(dòng)軸的輸入功率其中—電機(jī)額定功率—從電機(jī)到該傳動(dòng)軸之間傳動(dòng)件的傳動(dòng)效率的乘積—該傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速r/min計(jì)算轉(zhuǎn)速是傳動(dòng)件能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速——每米長(zhǎng)度上允許的扭轉(zhuǎn)角（deg/m）取mm此輪模數(shù)的計(jì)算齒輪彎曲疲勞估算：mm齒面電蝕估算：mm其中為大齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速，A為齒輪中心距中心距A及齒數(shù)、求出模數(shù)mm取、中較大者mj=0.981，所以取m=1.52.5儲(chǔ)絲走絲部件主要零件強(qiáng)度驗(yàn)算2.5.1齒輪強(qiáng)度的驗(yàn)算齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件式—載荷系數(shù)，—齒寬系數(shù)，取0.5—使用系數(shù)，取1——載荷系數(shù)，取1.05—齒間載荷分配系數(shù)，—齒向載荷分布系數(shù)—小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，查設(shè)計(jì)手冊(cè)的：—載荷作用于齒頂時(shí)齒形系數(shù)—載荷作用于齒頂時(shí)應(yīng)力校正系數(shù)查表得：則根據(jù)齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件式計(jì)算得：—疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)=1，=1.25～1.5—壽命系數(shù)，—齒輪的疲勞極限—實(shí)驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，=2.0MPa所以：式中:—區(qū)域系數(shù)，—彈性影響系數(shù)，，則，因此，所設(shè)計(jì)齒輪也滿(mǎn)足齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求，齒輪設(shè)計(jì)合格2.6主軸組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸承的配置形式一般來(lái)說(shuō)數(shù)控機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)的軸承有以下幾種配置形式：（1）前后支撐均采用雙列短圓柱滾子軸承來(lái)承受徑向載荷，安裝在前端的兩個(gè)推力球軸承用來(lái)承受前后方向的軸向載荷。這種結(jié)構(gòu)能承受較大的負(fù)載，可適應(yīng)強(qiáng)力切削，但主軸轉(zhuǎn)速不能太高，軸承在高轉(zhuǎn)速時(shí)容易發(fā)熱。由于推力球軸承安裝在主軸前端，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)前軸承和后軸承溫度差較大，熱變形對(duì)主軸精度影響也較大。前軸承溫度高，主軸前端升高量大，后軸承溫度低，主軸末端升高量小，因此，這種機(jī)構(gòu)目前應(yīng)用較小。（2）前后支撐用雙列短圓柱滾子軸承來(lái)承受徑向載荷，用安裝在主軸前端的雙向向心推力軸承來(lái)承受軸向載荷。這種結(jié)構(gòu)剛性較好。（3）前端承用單列向心推力球軸承，背靠背安裝，由2～3個(gè)軸承組成一套，用以承受徑向和軸向負(fù)載；后軸承用雙列短圓柱滾子軸承。這種結(jié)構(gòu)適應(yīng)較高轉(zhuǎn)速、較重切削負(fù)載，主軸精度較好。但所承受的軸向負(fù)載較前兩種結(jié)構(gòu)小。（4）前后支撐均采用單列向心推力球軸承，用以承受徑向和軸向負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)適應(yīng)高轉(zhuǎn)速，中等負(fù)載的數(shù)控機(jī)床。在中小規(guī)格的數(shù)控機(jī)床上采用這種機(jī)構(gòu)較多。本次設(shè)計(jì)主軸所采用的軸承支承方式為第四種。2.6滾動(dòng)軸承的預(yù)緊，是指在安裝時(shí)使軸承內(nèi)部滾動(dòng)體與套間，保持一定的初始?jí)毫蛷椥宰冃危詼p小工作載荷下軸承的實(shí)際變形量，從而改善支撐剛度、提高旋轉(zhuǎn)精度的一種措施。軸承的預(yù)緊分軸向預(yù)緊與徑向預(yù)緊，軸向預(yù)緊又包括定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊。本設(shè)計(jì)中軸承軸向預(yù)緊一般利用軸肩或端蓋達(dá)到定壓預(yù)緊；徑向預(yù)緊則直接利用軸承和軸勁的過(guò)盈配合，使軸承內(nèi)圈膨脹，以消除徑向游隙并產(chǎn)生一定預(yù)變形。2.7進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì)2.7.1脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定（1）脈沖當(dāng)量的確定目前，常用脈沖編碼器兼做位置和速度反饋。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周傳感器發(fā)出一定數(shù)量的脈沖每個(gè)脈沖代表電機(jī)一定數(shù)量的脈沖，每個(gè)脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角。步進(jìn)電機(jī)是以中國(guó)電脈沖控制的特種電機(jī)，對(duì)于每一個(gè)電脈沖步進(jìn)電機(jī)都將產(chǎn)生一個(gè)恒定的步進(jìn)角位移，每一個(gè)脈沖或每步的轉(zhuǎn)角稱(chēng)為步進(jìn)電機(jī)的步距角，可由選用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)從技術(shù)數(shù)據(jù)表中查出。因此，每脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角，這個(gè)轉(zhuǎn)角經(jīng)齒輪副和滾珠絲杠使工作臺(tái)移動(dòng)一定的距離。每個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的執(zhí)行件（如工作臺(tái)）的移距，稱(chēng)為脈沖當(dāng)量或分辨率，記為，單位mm/脈沖。應(yīng)根據(jù)機(jī)床或工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)所要求的定位精度來(lái)選定脈沖當(dāng)量?？紤]到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差存在，脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。此次設(shè)計(jì)的電火花線(xiàn)切割機(jī)對(duì)機(jī)床定位精度的設(shè)計(jì)要求是0.01mm，根據(jù)精度要求可確定脈沖當(dāng)量為mm/脈沖。（2）傳動(dòng)比的確定設(shè)傳動(dòng)副的傳動(dòng)比為i，若為一級(jí)傳動(dòng)，則，、為主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)，、為被動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)。若為多級(jí)傳動(dòng)，則i為總傳動(dòng)比。對(duì)于步進(jìn)，當(dāng)脈沖給你當(dāng)量(mm/脈沖)確定，并且滾珠絲桿導(dǎo)程（mm）和電機(jī)步距角都也已初步選定后，則可用下式計(jì)主軸系統(tǒng)的傳動(dòng)比：2.7.（1）最大工作載荷計(jì)算滾珠絲杠上的工作載荷是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動(dòng)體中立和作用于導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力，可用下列實(shí)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于滾珠導(dǎo)軌：式中：—工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷—工作臺(tái)垂直載荷—工作臺(tái)橫向載荷—移動(dòng)部件的重力，取120—考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)—考慮顛覆力矩影響的摩擦系數(shù)，取0.005由于電火花線(xiàn)切割是電極絲放電進(jìn)行加工，可以認(rèn)為近似為零。所以：（2）最大動(dòng)載荷C的計(jì)算及主要尺寸初選滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)斷定動(dòng)載荷選用，最大動(dòng)載荷計(jì)算原理與滾動(dòng)軸承相同。滾珠絲杠的最大動(dòng)載荷應(yīng)用下列公式計(jì)算：，，式中：—工作壽命，單位—絲杠轉(zhuǎn)速，單位—最大切削力條件下進(jìn)給速度，單位，可取最高進(jìn)給速度的1/2～1/3—絲杠基本導(dǎo)程，單位mm—額定使用壽命，取—運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無(wú)沖擊取1～1.2，一般情況1.2～1.5，有沖擊振動(dòng)取1.5～2.5所以：根據(jù)以上計(jì)算查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可以初步選取CDM3204。傳動(dòng)效率的計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η為λ—絲杠螺旋升角；—摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.003～0.004，摩擦角約為.所以得2.7.3滾珠絲杠已由專(zhuān)門(mén)工廠(chǎng)制造，因此，不用我們自己設(shè)計(jì)制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)載荷，轉(zhuǎn)速等條件選四個(gè)呢合適尺寸型號(hào)并向有關(guān)廠(chǎng)家訂購(gòu)。此次設(shè)計(jì)中滾珠絲杠被三次選用，故本人只選取其中最重要的主軸傳動(dòng)中的滾珠絲杠進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。首先對(duì)下列參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明：軸向變載荷，其中i表示第i個(gè)工作載荷，；第i個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速第i個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間絲杠副最大移動(dòng)速度絲杠預(yù)期壽命（1）型號(hào)選擇①根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求選擇滾道截面形狀，滾珠螺母的循環(huán)方式和預(yù)緊方式。②計(jì)算滾珠絲杠副的主要參數(shù)a.根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)，b.計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)速c.計(jì)算當(dāng)量載荷d.初步確定導(dǎo)程取4mme.計(jì)算絲杠預(yù)期工作轉(zhuǎn)速Lnf.計(jì)算絲杠所需的額定載荷③選擇絲杠型號(hào)根據(jù)初定的和計(jì)算得，選取導(dǎo)程為4mm，額定載荷大于的絲杠。所選絲杠型號(hào)為CDM3204。其為外循環(huán)雙管式，雙螺母墊片預(yù)緊，導(dǎo)珠管埋入式系列滾珠絲杠。（2）臨界轉(zhuǎn)速校核r/minr/min即合格。（3）由于此絲杠是豎直放置，且其受力較小，溫度變化較小，所以其穩(wěn)定性、溫度變形等都肯定符合條件，就不在詳細(xì)說(shuō)明。（4）滾珠絲杠的預(yù)緊預(yù)緊力一般取當(dāng)量載荷的三分之一或額定動(dòng)載荷的十分之一。即：其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩2.8步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線(xiàn)位移的執(zhí)行元件。具有以下四個(gè)特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)速（或線(xiàn)速度）與脈沖頻率成正比；②在負(fù)載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓，負(fù)載，環(huán)境條件的波動(dòng)而變化；③速度可調(diào)，能夠快速起動(dòng)，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；④定位精度高，同步運(yùn)行特性好。數(shù)控電火花線(xiàn)切割機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)要求電動(dòng)機(jī)定位精度高，速度調(diào)節(jié)方便快捷，受環(huán)境影響小，且額定功率小，并且可用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。而B(niǎo)F系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿(mǎn)足以上要求，我們選用了型號(hào)為75BF003的電動(dòng)機(jī)。選用時(shí)主要有以下幾個(gè)步驟：根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號(hào)步距角初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，并從手冊(cè)中查到步距角，由于綜合考慮，我初選了可滿(mǎn)足以上公式。距頻特性步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系是：步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩按下式計(jì)算：式中：為空載啟動(dòng)力矩；為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上的加速力矩；為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；為由于絲緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。且初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即：計(jì)算的各項(xiàng)力矩如下：a．力矩kg.m2b.空載摩擦力矩附加摩擦力矩啟動(dòng)矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)有三種工況：?jiǎn)?dòng)，快速進(jìn)給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。前面提出的，僅僅是指初選后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿(mǎn)足要求，但是不能保證電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不丟失。因此，還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。突跳啟動(dòng)時(shí)加速力矩很大，啟動(dòng)時(shí)丟步是不可避免的，因此很少用。而升速啟動(dòng)過(guò)程中只要升速時(shí)間足夠長(zhǎng)，啟動(dòng)過(guò)程緩慢，空載啟動(dòng)力矩中的加速力矩不會(huì)很大。一般不會(huì)發(fā)生丟步現(xiàn)象。3控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1控制系統(tǒng)總體方案的擬訂機(jī)電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成?？刂葡到y(tǒng)的控制對(duì)象主要包括各種機(jī)床，如車(chē)床、銑床、磨床等。控制系統(tǒng)的基本組成如下圖所示：圖3.1控制系統(tǒng)總體方案3.2總控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.2.1單片機(jī)的設(shè)計(jì)（1）MCS-51系列單片機(jī)的設(shè)計(jì)MCS-51系列單片機(jī)的所有產(chǎn)品都含有8051除程序存儲(chǔ)器外的基本硬件，都是在8051的基本上改變部分資源（程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們采用的是8031，8031可尋址64KB字節(jié)程序存儲(chǔ)器和64KB字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，必須外接EPROM程序存儲(chǔ)器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分為三個(gè)部分。a.電源及時(shí)鐘引腳此部分引腳包括電源引腳。Vcc、Vss及時(shí)鐘引腳XTAL1、XTAL2電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。Vcc（40腳）：接+5V電源。Vss（20腳）：接地。時(shí)鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時(shí)與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個(gè)振蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)。時(shí)鐘引腳也可外接晶體振蕩器。（19）：接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。（18）：接外部晶體的另一端，。在單片機(jī)內(nèi)部接至反相放大器的輸出端。若采用外部晶體振蕩器時(shí)，該引腳接受振蕩器的信號(hào)，即把信號(hào)直接接至內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。b.控制引腳它包括RST、ALE、等。此類(lèi)引腳提供控制信號(hào)，有些引腳具有復(fù)用功能。RST/VPD（9腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RST）。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為的低電平，以保證單片機(jī)正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時(shí)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用能源。ALE/（30腳）：當(dāng)單片機(jī)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，在兩個(gè)機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個(gè)ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。（29腳）：此輸出為單片機(jī)內(nèi)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在從外部程序存儲(chǔ)器指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)不出現(xiàn)。同樣可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。（31腳）：當(dāng)端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪(fǎng)問(wèn)的是內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但當(dāng)PC值超過(guò)某值時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng)端保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器而只訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)8031來(lái)說(shuō)，因其無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。所以該引腳必須接地，既此時(shí)只能訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。c.輸入/輸出引腳輸入/輸出（I/O）接口引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口（P0.0-P0.7）：為雙向8為三態(tài)I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線(xiàn)低8位及數(shù)據(jù)總線(xiàn)分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)口使用。P1（P1.0-P1.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線(xiàn)或輸出線(xiàn)（作為輸入口時(shí)，鎖存器必須置1），可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。P2（P2.0-P2.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線(xiàn)高8位復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載，一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線(xiàn)的高8位使用。P3（P3.0-P3.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。（2）MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏，MCS-51片內(nèi)有一個(gè)反相放大器，引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端，該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個(gè)自激振蕩器，產(chǎn)生的時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式兩種，大多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。圖3.2內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)鐘電路最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，不論是HMOS還是CHMOS型單片機(jī)，其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同。如圖3.2所示。MCS-51單片機(jī)允許的振蕩晶體可在1.2MHZ-24MHZ之間可以選擇，一般取11.0592MHZ。電容C1、C2的取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響。C1、C2可在20PF-100PF之間選擇，一般當(dāng)外接晶體時(shí)典型取值為30PF，外接陶瓷諧振器時(shí)典型取值為47PF，取60PF-70PF時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)引腳安裝，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。（3）MCS-51單片機(jī)的復(fù)位電路計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作，單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，MCS-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST，高電平有效。它是施密特觸發(fā)輸入，當(dāng)振蕩器起振后，該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)時(shí)鐘周期）以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，MCS-51便保持復(fù)位狀態(tài)。此時(shí)ALE，，P0口、P1口、P2口和P3口都輸出高電平。RST變位低電平后，退出復(fù)位狀態(tài)，CPU從初始狀態(tài)開(kāi)始工作。復(fù)位操作不影響片內(nèi)RAM的內(nèi)容。MCS-51單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。通常因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)動(dòng)等的需要，常常需要人工按鈕復(fù)位，如圖3.3所示：圖3.3復(fù)位電路對(duì)于CMOS型單片機(jī)因RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻，故電阻R2可不接。單片機(jī)在上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持兩個(gè)機(jī)器周期上的高電平（因?yàn)檎袷幤鲝钠鹫竦椒€(wěn)定大約要10ms），就能使單片機(jī)有效復(fù)位，當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHZ時(shí)，RC的典型值為。簡(jiǎn)單復(fù)位電路中，干擾信號(hào)易串入復(fù)位端，可能會(huì)引起內(nèi)部某些寄存錯(cuò)誤復(fù)位，這時(shí)可在RST引腳上接一去耦電容。上圖那上電按鈕復(fù)位電路只需將一個(gè)常開(kāi)按鈕開(kāi)關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路，按下開(kāi)關(guān)一定時(shí)間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機(jī)復(fù)位。3.2.2系統(tǒng)的擴(kuò)展在以8031單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中必須擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，用以存放控制程序。同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器容量較小，不能滿(mǎn)足實(shí)際需要，還要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這種擴(kuò)展就是配置外部存儲(chǔ)器（包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）。另外，在單片機(jī)內(nèi)部雖然設(shè)置了若干并行I/O接口電路，用來(lái)與外圍設(shè)備連接。但當(dāng)外圍設(shè)備較多時(shí)，僅有幾個(gè)內(nèi)部I/O接口是不夠的，因此，單片機(jī)還需要擴(kuò)展輸入輸出接口芯片。（1）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展MCS-51系列單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間是相互獨(dú)立的。程序存儲(chǔ)器尋址空間為64KB（0000H-0FFFH），8031片內(nèi)不帶ROM，所以要進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。用作程序存儲(chǔ)器的常用的器件是EPROM。由于MCS-51單片機(jī)的P0口是分別復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)，因此，在進(jìn)行程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，必須用地址鎖存器鎖存地址信號(hào)。通信地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373。當(dāng)用74LS373作為地址鎖存器時(shí)，鎖存器G可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號(hào)端ALE相連，在A(yíng)LE下降沿進(jìn)行地址鎖存。根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)程序存儲(chǔ)器容量要求的不同，常采用的擴(kuò)展芯片擴(kuò)展EPROM2716（2KB×8）、2732A（4KB×8）、2764A （8KB×8）、27128A（16KB×8）、27256A（32KB×8）和27512（64KB×8）等。以上6種EPROM均為單一+5V電源供電，維持電流為35mA—40mA，工作電流為75mA-100mA，讀出時(shí)間最大為250ns，均有雙列直插式封裝形式，A0-A15是地址線(xiàn)，不同的芯片可擴(kuò)展的存儲(chǔ)容量的大小不同，因而提供8位地址的P2口線(xiàn)的數(shù)量個(gè)不相同，故2716為A0-A10，27512為A0-A15；D0-D7是數(shù)據(jù)線(xiàn)；CE是片選線(xiàn)，低電平有效；CE是數(shù)據(jù)輸出選通線(xiàn)；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源，PCM是編程脈沖輸入端。根據(jù)程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展的原理，以EPROM和鎖存器74L373為例對(duì)8031單片機(jī)進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。因?yàn)?764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址線(xiàn)，A0-A12。如果只擴(kuò)展一片程序存儲(chǔ)器EPROM，故可將片選端CE直接接地。下圖為擴(kuò)展兩片EPROM的連接方法。同時(shí)，8031運(yùn)行所需的程序指令來(lái)自2764A，要把其EA端接地，否則，8031將不會(huì)運(yùn)行。圖3.42764的擴(kuò)展電路（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展8031單片機(jī)內(nèi)部有128個(gè)字節(jié)RAM存儲(chǔ)器。CPU對(duì)內(nèi)部的RAM具有豐富的操作指令。但在用于數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，僅靠片內(nèi)提供的128個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在這種情況下，可利用MCS-51的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只使用WR、RD控制線(xiàn)而不用PSEN。正因?yàn)槿绱?，?shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器可完全重疊，均為0000H-FFFFH，但數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與I/O口與外圍設(shè)備是統(tǒng)一編址的，即任何擴(kuò)展的I/O口以及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址。8031的P0口為RAM的復(fù)用地址/數(shù)據(jù)線(xiàn)，P2口用于對(duì)RAM進(jìn)行頁(yè)面尋址（根據(jù)其容量不同，所占的P2端口不同，在對(duì)外部RAM讀/寫(xiě)期間，CPU產(chǎn)生RD/WR信號(hào)。在8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài)RAM是最常用的，由于這種存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)無(wú)須考慮刷新問(wèn)題，因而它與微處理器的接口很簡(jiǎn)單。最常用的靜態(tài)RAM芯片有6116（2KB×8）和6264（4KB×8）。單一+5V供電，額定功耗分別為160mW和200mW，典型存取時(shí)間均為200ns，均有雙列之插式封裝，管腳分別為24和20線(xiàn)。圖3.5是6264與8031的連接圖。從圖可知：6264的片選接8031的P2.7，第二片選線(xiàn)接高電平，保持一直有效狀態(tài)。因?yàn)?264是8KB容量的RAM，故用到了3根地址線(xiàn)。6264的地址范圍為0000H-7FFF。對(duì)于一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)，必須具備一定容量的程序存儲(chǔ)器和一定容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。8031單片機(jī)外部擴(kuò)展兩片2764EPROM和兩片6264靜態(tài)RAM。程序存儲(chǔ)器2764的地址為：0000H-1FFFH。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264的地址為0000H-7FFFH。圖3.56264的擴(kuò)展電路（1）I/O的擴(kuò)展MCS-51系列單片機(jī)大多具有四個(gè)8位I/O口（即P0口、P1口、P2口和P3口），原理上這四個(gè)I/O口均可用作雙向并行I/O接口。但在實(shí)際應(yīng)用中，P0口常被用作為數(shù)據(jù)總線(xiàn)和低8位地址總線(xiàn)使用，P2口常被用作為高8位地址總線(xiàn)使用，P3口某些位又常用它的第二功能，特別是無(wú)ROM型的單片機(jī)因必須擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器，則更是如此。所以，若一個(gè)MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)需連接較多的并行輸入/輸出的外圍設(shè)備（如打印機(jī)、鍵盤(pán)、顯示器等），單片機(jī)本身所提供的輸入輸出口不能滿(mǎn)足，就不可避免地要擴(kuò)展并行I/O接口。常用的MCS-51并行I/O接口擴(kuò)展方法主要有四種：采用可編程的并行接口電路，如8255A；采用可編程的RAM/IO擴(kuò)展器，如8155；采用TTL或CMOS電路的三態(tài)門(mén)、鎖存器，如74LS377、74LS373、74LS244；利用MCS-51的并行擴(kuò)展并行I/O接口。①.8255A可編程外圍并行I/O接口8255A可編程輸入輸出接口芯片，它具有3個(gè)8位的并行I/O口，具有三種工作方式，可通過(guò)程序改變其功能，因而使用方便，通用性強(qiáng)，可作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備連接時(shí)的中間接口電路。在單片機(jī)的I/O口擴(kuò)展8255芯片，其接口相當(dāng)簡(jiǎn)單，如圖3.6所示:圖3.68255的擴(kuò)展電路圖圖中8255的分別與MCS-51的相連；8255的D0-D7直接MCS-51的P0口。片選信號(hào)CS口及地址選擇線(xiàn)A0、A1分別由8031的P0.0、P0.1、P0.2經(jīng)地址鎖存器后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分別為FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的復(fù)位端與8031的復(fù)位端相連，都接到8031的復(fù)位電路上。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，必須根據(jù)外圍設(shè)備的類(lèi)型選擇8255的操作方式，并在初始化程序中把相應(yīng)的控制字寫(xiě)入操作口。8522接口芯片在MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛用于連接外部設(shè)備，如打印機(jī)、鍵盤(pán)，顯示器以及作為控制信息的輸入、輸出口。②.8155可編程外圍并行I/O接口8155/8156芯片內(nèi)包含有256個(gè)字節(jié)RAM，2個(gè)8位和一個(gè)6位的可編程并行I/O口，一個(gè)14位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。8155/8156可直接與MCS-51單片機(jī)連接，不需要增加任何硬件邏輯。由于8031單片機(jī)外接一片8155后，就綜合地?cái)U(kuò)展了數(shù)據(jù)RAM、I/O端口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。因而是MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一。在8155的控制邏輯部件中，設(shè)置一個(gè)控制命令寄存器和一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志寄存器。8155的工作方式由CPU寫(xiě)入控制命令寄存器中的控制字來(lái)確定?？刂泼罴拇嫫髦荒軐?xiě)入不能讀出，8位控制命令寄存器的低4位用來(lái)設(shè)置A口、B口、C口的工作方式。第4、5位用來(lái)確定A口、B口以選通輸入輸出方式工作時(shí)是否允許中斷請(qǐng)求。第6、7位用來(lái)設(shè)置定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的操作。8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或選通方式，C口可作為輸入輸出口線(xiàn)，也可作為A口、B口選通方式工作的狀態(tài)控制信號(hào)。其工作情況與8255方式0、方式1時(shí)大致相同，控制信號(hào)的含義也基本相同。另外，在8155中還設(shè)有一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志、寄存器，用來(lái)存放A口和B口的狀態(tài)標(biāo)志。狀態(tài)標(biāo)志寄存器的地址與命令寄存器的地址相同，CPU只能讀出，不能寫(xiě)入。8155中還設(shè)有一個(gè)14位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可用來(lái)定時(shí)或?qū)ν馐录?jì)數(shù)，CPU可通過(guò)程序選擇計(jì)數(shù)長(zhǎng)度和計(jì)數(shù)方式。計(jì)數(shù)長(zhǎng)度和計(jì)數(shù)方式由輸入計(jì)數(shù)寄存器的計(jì)數(shù)控制字來(lái)確定。MCS-51單片機(jī)可以和8155直接相連而不用任何外加邏輯,MCS-51單片機(jī)擴(kuò)展一片8155可以為系統(tǒng)增加256字節(jié)外RAM,22根I/O接口及一個(gè)14位定時(shí)器.圖3.7為8155與8031的一種接口邏輯,圖中P2.7連片選信號(hào)CE,P2.0連IO/M,所以8155的RAM的地址為7E00H-7EFFH;I/O寄存器地址分別為:命令/狀態(tài)字寄存器地址7F00H,PA口地址為7F02H,PB口地址為7F03H,定時(shí)器/計(jì)數(shù)器低字節(jié)寄存器地址為7F04H,定時(shí)器高字節(jié)寄存器地址為7F05H.圖3.78155的擴(kuò)展電路圖3.2.3鍵盤(pán)、顯示器接口設(shè)計(jì)(1)矩陣式鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì)矩陣式鍵盤(pán)適用于按鍵較多的場(chǎng)合,它由行線(xiàn)和列線(xiàn)組成,按鍵位于行、列交叉點(diǎn).如一個(gè)4×4的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)含有16個(gè)按鍵的鍵盤(pán)等等.在按鍵數(shù)量較多時(shí),矩陣鍵盤(pán)比獨(dú)立鍵盤(pán)節(jié)省了很多I/O口.按鍵設(shè)置在行、列線(xiàn)分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)兩端..行線(xiàn)通過(guò)上拉電阻接到+5V上.平時(shí)無(wú)按鍵動(dòng)作時(shí),行線(xiàn)處于高電平狀態(tài),而當(dāng)有按鍵按下時(shí),行線(xiàn)電平狀態(tài)將由此行線(xiàn)相連的列線(xiàn)電平?jīng)Q定.列線(xiàn)電平如果為低,則行線(xiàn)電平為低;列線(xiàn)電平為高,則行線(xiàn)電平亦為高.這一點(diǎn)是識(shí)別矩陣鍵盤(pán)是否按下的關(guān)鍵所在.由于矩陣鍵盤(pán)中行、列線(xiàn)為多鍵共用,各按鍵均影響該鍵所在的行和列電平.所以,必須將行、列線(xiàn)信號(hào)配合起來(lái)并作適當(dāng)?shù)奶幚?才能確定閉合鍵的位置.對(duì)于矩陣式鍵盤(pán),按鍵的位置由行號(hào)和列號(hào)唯一確定,所以分別對(duì)行號(hào)和列號(hào)進(jìn)行二進(jìn)制編碼,然后將兩值合成一個(gè)字節(jié),高4位是行號(hào),低4位是列號(hào)將是非常直觀(guān)的.(2)顯示器接口設(shè)計(jì)在單片機(jī)系統(tǒng)中,常用的顯示器有:發(fā)光二極管顯示器,簡(jiǎn)稱(chēng)LED.LED是顯示塊由發(fā)光二極管顯示字段組成.,有七段和”米”字型之分,一片顯示塊顯示一位字符.共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管的陰極連接在一起,通常此公共陰極接地,當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí),發(fā)光二極管亮,相應(yīng)的段被顯示.由于七段LED顯示塊有7段發(fā)光二極管,所以其字型碼為一個(gè)字節(jié);”米”字型LED顯示塊有15段發(fā)光二極管,所以字型碼為兩個(gè)字節(jié).由n片LED顯示塊可拼接成n位LED顯示器,共有n根位選線(xiàn)和8×n根段選線(xiàn),根據(jù)顯示方式不同,位選線(xiàn)和段選線(xiàn)的連接也各不相同,段選線(xiàn)控制顯示字符的字型,而位選線(xiàn)則控制顯示位的亮、暗.LED顯示器有靜態(tài)顯示器和動(dòng)態(tài)顯示器兩種方式.在多位LED顯示時(shí),為了節(jié)省I/O口線(xiàn),簡(jiǎn)化電路,降低成本,一般采用動(dòng)態(tài)顯示方式.動(dòng)態(tài)顯示方式是一位地分別輪流點(diǎn)亮各位顯示器,對(duì)每位顯示器來(lái)說(shuō),每隔一段時(shí)間輪流點(diǎn)亮一次.顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān),也與點(diǎn)亮和熄滅時(shí)間的比例有關(guān).這種顯示方式將七段LED顯示器的所有段選位并聯(lián)在一起,由一個(gè)8位I/O口控制,實(shí)現(xiàn)各位顯示器的分時(shí)選通.下圖是LED顯示器采用共陰極方式,6個(gè)顯示器的段碼由8155的PB口提供,位選碼由8155的PA口提供(PA口同時(shí)也提供行列式未編碼鍵盤(pán)的列線(xiàn)),行列式未編碼鍵盤(pán)的行線(xiàn)由PC口提供.圖中設(shè)置了36個(gè)鍵.如果繼續(xù)增加PC口線(xiàn),設(shè)全部PC口線(xiàn)(PC0-PC5)用作鍵盤(pán)的行線(xiàn),全部PA口線(xiàn)(PA0-PA7)作鍵盤(pán)列線(xiàn),則按鍵最多可達(dá)8×6個(gè).圖3.8中8155的PB口掃描輸出總是只有一位為高電平,即PB口經(jīng)反相后僅有一位公共陰極為低電平,8155的PA口則輸出相應(yīng)位(PB口輸出為高對(duì)應(yīng)的位顯示器)的顯示數(shù)據(jù),使該位顯示與顯示緩沖器相對(duì)應(yīng)的字符,而其余各位均為熄滅,依次改變8155的PB口輸出為高的位,PB口輸出對(duì)應(yīng)的顯示緩沖器的數(shù)據(jù).圖3.8顯示器接口電路3.2.4步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)(1)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)原理每輸入一個(gè)脈沖,步進(jìn)電機(jī)就前進(jìn)一步,因此,它也稱(chēng)作脈沖電動(dòng)機(jī).其種類(lèi)很多,但主要分三大類(lèi):反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),永磁式步進(jìn)電機(jī),以及永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).反應(yīng)式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單,是應(yīng)用最廣泛的一種.按控制繞組的相樹(shù)分有三相、四相、五相和六相等等.無(wú)論哪種步進(jìn)電動(dòng)機(jī),他們的工作原理都有相同之處:數(shù)字式脈沖信號(hào)控制定子磁極上的控制繞組,按一定順序依次通電,在頂子和轉(zhuǎn)子的氣隙間形成步進(jìn)式的磁極軸旋轉(zhuǎn).步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng),當(dāng)然也可以閉環(huán)系統(tǒng).圖3.9是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的原理圖,它由以下幾部分組成:圖3.9步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖脈沖信號(hào)源—是一個(gè)脈沖發(fā)生器,通常脈沖頻率連續(xù)可調(diào),送到脈沖分配器的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率由控制信號(hào)控制.因脈沖頻率可調(diào),也稱(chēng)為變頻信號(hào)源.脈沖分配器—脈沖按一定的順序送到功率放大器中進(jìn)行放大,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作.用硬件進(jìn)行脈沖順序的分配,有時(shí)稱(chēng)為環(huán)行分配器,也簡(jiǎn)稱(chēng)環(huán)分.功率放大器—將脈沖分配器送來(lái)的脈沖放大,是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)獲得必要的功率.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)—伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件,它帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu),如減速裝置,絲杠,工作臺(tái).(2)脈沖分配對(duì)每一個(gè)五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)而言,其脈沖分配方式是五相十拍的,其五相分別用A、B、C、D、E表示.五相十拍的運(yùn)行形式是A—AB—B—BC—C—CD—D—DE—E—EA順序輪流通電,則轉(zhuǎn)子便順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊睫D(zhuǎn)動(dòng).要改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向.只需改變通電的順序即可.脈沖分配器是將脈沖電源按規(guī)定的通電方式分配到各相,該分配可由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn).在微機(jī)控制中,脈沖的分配也可由軟件來(lái)完成,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4五位分別輸出時(shí)序脈沖,經(jīng)光電隔離、驅(qū)動(dòng)放大使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),延時(shí)的長(zhǎng)短決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行一拍的時(shí)間,也就決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速.(3)驅(qū)動(dòng)電路由微機(jī)根據(jù)控制要求發(fā)出的脈沖,并依次將脈沖分配到各相繞組,因其功率很小,電壓不足5V,電流為mA級(jí),必須經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)放大到若干安培,才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī).因此,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)際上是一個(gè)功率放大器,驅(qū)動(dòng)器的質(zhì)量直接影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能,驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載是電機(jī)的繞組,是強(qiáng)電感應(yīng)負(fù)載.對(duì)驅(qū)動(dòng)器的主要要求是:失真要小,要有較好的前后沿和足夠的幅度;效率要高;工作可靠;安裝調(diào)試和維修方便.圖3.10是一個(gè)La繞組的高低壓驅(qū)動(dòng)電路,脈沖變壓器Tp組成高壓控制電路。圖3.10放大電路圖無(wú)脈沖輸入時(shí),T1,T2,均截止,電機(jī)繞組La中無(wú)電流通過(guò),電機(jī)不轉(zhuǎn).有脈沖輸入時(shí),T1飽和導(dǎo)通,在T2由截止到飽和期間,其集電極電流也就是脈沖變壓器的初級(jí)電流急速增加,在變壓器次級(jí)感應(yīng)一個(gè)電壓,使T3導(dǎo)通,80V高壓經(jīng)高壓管T3加到繞組La上,使電流迅速上升,約經(jīng)數(shù)百微妙,當(dāng)T2進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)后,初級(jí)電流暫時(shí)恒定,次級(jí)的感應(yīng)電壓降到0;T3截止,這時(shí)12V低壓電流經(jīng)D2加到繞組La上,維持La中的電流為恒定值.輸入脈沖結(jié)束后,T1,T2,T3,T4又截止,儲(chǔ)存在La中的能量通過(guò)18的電阻的作用是減小放電回路的時(shí)間常數(shù),改善波形后沿.由于采用高低壓驅(qū)動(dòng),電流增長(zhǎng)快,電機(jī)的力矩和運(yùn)行頻率都得到改善,但由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì),使電流波形頂部下凹,使平均電流下降,轉(zhuǎn)矩下降.3.2.5光電隔離電路設(shè)計(jì)為了避免外部設(shè)備的電源干擾,防止被控對(duì)象電路的強(qiáng)電反竄,通常采用將微機(jī)的前后向通道與被連模塊在電氣上的隔離的方法.過(guò)去通常隔離變壓器或中間繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn),而目前已廣泛被性能高、價(jià)格低的光電耦合器來(lái)代替.光電耦合器是把發(fā)光元件與受光元件封裝在一起,以光作為媒體來(lái)傳輸信息的.其封裝形式有管形,雙列直插式、光導(dǎo)釬維連接等.發(fā)光器件一般為砷化鎵紅外發(fā)光二極管.光電耦合器具有以下特點(diǎn):（1）信號(hào)采取光電形式耦合,發(fā)光部分與受光部分無(wú)電氣回路,絕緣電阻高達(dá)1010～1012Ω,絕緣電壓為1000～5000V,因而具有極高的電氣隔離性能,避免輸出端和輸入端之間可能產(chǎn)生的反饋和干擾.（2）由于發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)器件,動(dòng)態(tài)電阻很小,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾信號(hào)形成低阻抗旁路,因此抗干擾能力強(qiáng),共模抑制比高,不受磁場(chǎng)的影響,特別是用于長(zhǎng)線(xiàn)傳輸時(shí)作為終端負(fù)載,可以大大地提高信噪比.（3）光電耦合器可以耦合零到數(shù)千赫的信號(hào),且響應(yīng)速度快(一般為幾毫秒,甚至少于10ns),可以用于高速信號(hào)的傳輸.下圖的光電耦合器是采用硅光電二極管作受光元件.其CTR為10%-100%,脈沖上升和下降時(shí)間小于5,輸出電路飽和壓降小(0.2V-0.3V),電路構(gòu)件簡(jiǎn)單,是目前應(yīng)用較多的一種,主要用于驅(qū)動(dòng)TTL電路、傳輸線(xiàn)隔離、脈沖放大等.晶體管輸出型的光電耦合器用于開(kāi)關(guān)信號(hào)耦合時(shí),發(fā)光二極管和光電晶體管平常都處于關(guān)斷狀態(tài).在發(fā)光二極管通過(guò)電流脈沖時(shí),光電晶體管在電流脈沖持續(xù)的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。圖3.11是使用4N25光電耦合器的接口電路,這里4N25起到耦合脈沖信號(hào)和隔離單片機(jī)8031系統(tǒng)與輸出設(shè)備電氣回路的作用,使兩部分的電流相互獨(dú)立。輸出部分的地線(xiàn)Vss接地殼或大地,而單片機(jī)的電源地線(xiàn)(GDP)浮空,這樣可以避免輸出部分電源變化對(duì)單片機(jī)電源的影響。圖3.11光電隔離電路3.2.6其他接口電路設(shè)計(jì)面板操作鍵和功能選擇開(kāi)關(guān):面板操作鍵與8255的PB口接口電路.圖中SB1-SB2為手動(dòng)操作進(jìn)給鍵，分別完成人工操作的、、的進(jìn)給。運(yùn)行時(shí)按下此鍵，可中斷程序的運(yùn)行?；亓悖构ぞ唠姌O沿X軸、Y軸、Z軸回到機(jī)械零點(diǎn)。功能選擇開(kāi)關(guān)SA為一個(gè)單刀7擲波段開(kāi)關(guān)，它與系統(tǒng)的8255PA口相連。用于連續(xù)、單步、自動(dòng)、手動(dòng)、暫停、啟動(dòng)等功能的選擇。參考文獻(xiàn)[1]宋昌才.數(shù)控電火花加工培訓(xùn)教材[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008[2]羅學(xué)科.數(shù)控電加工機(jī)床[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003

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