CKJ6163經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文說明書

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書姓名：帆專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造與其自動化設(shè)計(jì)（論文）題目：CKJ6163經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案與參數(shù)：橫向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算設(shè)計(jì)容1、橫向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算包括：滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算與選擇，中間齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算軸承選擇、校核，步進(jìn)電機(jī)的選擇、繪制改動部分機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖2、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（包括微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)和繪制）3、數(shù)控插補(bǔ)軟件的設(shè)計(jì)，以數(shù)字積分法直線插補(bǔ)為例，在VisualBasic平臺下對數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)算編程，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控插補(bǔ)過程的可視化。工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評語學(xué)生：帆專業(yè)班級：機(jī)械設(shè)計(jì)制造與其自動化畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：CKJ6163經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床設(shè)計(jì)1、指導(dǎo)教師評語：指導(dǎo)教師（簽字）年月日2、評閱人評語：評閱人（簽字）年月日3、答辯組評語：答辯組長（簽字）年月日摘要本設(shè)計(jì)對普通車床CW6163進(jìn)行數(shù)控化改造。容有橫向進(jìn)給傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，容包括：滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算與選擇，齒輪選型設(shè)計(jì)計(jì)算，軸承選擇、校核，步進(jìn)電機(jī)的選擇、繪制改動部分機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖；控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括擴(kuò)展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路等；以與數(shù)控插補(bǔ)軟件的設(shè)計(jì)，以數(shù)字積分法直線插補(bǔ)為例，理論分析了插補(bǔ)的宏觀運(yùn)動軌跡，推導(dǎo)出插補(bǔ)運(yùn)算公式，并在VisualBasic平臺下對數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)算編程，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控插補(bǔ)的可視化。關(guān)鍵詞：數(shù)控化改造插補(bǔ)數(shù)字積分法VisualBasicAbstractThepaperpresentstheprocessofnumericalcontrolreformingofCW6163.Itcontainsthedesignoftransversefeedsystem,includingdesign,calculationandselectionoftheballscrewpair,geartypeselection,bearingandsteppermotorselection,drawingthepartofthemechanicalstructure;designhardwareofcontrolsystem,includingextendROM,RAM,keyboardanddisplaycircuit,I/Ointerfacecircuit.Inadditionto,designCNCinterpolationsoftwarebasedonVisualBasic,realizingthevisualizationofnumericalcontrolinterpolation.Keywords:NCtransformation,linearinterpolation,digitalintegration,VisualBasic目錄TOC\o"1-3"\h\u14591摘要的校驗(yàn) 1740173.7.3額定壽命的檢驗(yàn) 17187123.8支承用軸承的選擇與校核 17208413.8.1軸承的選擇 18277333.8.2軸承的校核 18193653.9計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度 19313423.9.1計(jì)算滾珠絲杠的拉壓剛度 19125693.9.2計(jì)算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度Kb 1921643.9.3計(jì)算滾珠與滾道的接觸剛度Kc207663.9.4計(jì)算傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K 20311093.9.5計(jì)算滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度 20275713.10驅(qū)動電動機(jī)的選型與計(jì)算 20151833.10.1計(jì)算負(fù)載慣量 2091423.10.2計(jì)算負(fù)載力矩 21183653.10.3計(jì)算加速力矩 22233333.10.4計(jì)算橫向進(jìn)給系統(tǒng)所需的各種力矩 2274013.10.5選擇驅(qū)動電動機(jī)的型號 23133993.11機(jī)械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 2496763.12機(jī)械傳動系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析 24953.12.1計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū) 2585153.12.2計(jì)算由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 25134203.12.3計(jì)算滾珠絲杠應(yīng)扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差 25169933.13確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號 2518933.13.1確定滾珠絲杠螺母副的精度等級 25235873.13.2確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 2624886第4章微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)27153674.1硬件電路設(shè)計(jì)容 27208994.1.1繪制系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)框圖 27128204.1.2選擇中央處理單元CPU的類型 27129614.1.3存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 28313084.1.4I/O接口電路設(shè)計(jì) 28313624.28031單片機(jī)簡介 2868304.2.18031單片機(jī)的特征 2893344.2.28031芯片引腳與其功能 2987394.2.38031芯片的存儲器結(jié)構(gòu)與地址分配 3126164.2.4特殊功能寄存器 32225514.3存儲器擴(kuò)展電路 3281464.3.1程序存儲器的擴(kuò)展 32106324.3.2數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 35183784.3.3譯碼電路的設(shè)計(jì) 3663594.4I/O口的擴(kuò)展 37200664.4.18155通用可編程接口芯片 37296584.4.2鍵盤接口電路設(shè)計(jì) 39124394.4.3LED顯示器接口 41134734.5步進(jìn)電機(jī)接口與其輔助電路 4279954.5.1脈沖分配器 43127794.5.2光電隔離電路 4429404.5.38031的時(shí)鐘電路 45122484.5.4復(fù)位電路 45158184.5.5越界報(bào)警電路 46144184.5.6掉電保護(hù)電路 4623380第5章基于VisualBasic的插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì)48315965.1數(shù)字積分法插補(bǔ) 48319945.2數(shù)字積分法直線插補(bǔ)的基本原理 4969705.3VisualBasic程序設(shè)計(jì)語言簡述 52159815.4軟件設(shè)計(jì) 53263515.4.1對象屬性 53213245.4.2軟件截圖 5518426第6章結(jié)論5814932參考文獻(xiàn)5914600附錄609943致65緒論1.1數(shù)控發(fā)展簡史1948年，美國帕森斯公司提出計(jì)算機(jī)控制機(jī)床的設(shè)想，1952年，該公司在美國麻省理工學(xué)院的協(xié)助下，成功試制第一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床，這是制造技術(shù)發(fā)展過程中的一個(gè)重大突破，標(biāo)志著制造領(lǐng)域中數(shù)控加工時(shí)代的開始，具有劃時(shí)代的意義和深遠(yuǎn)的影響。數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，世界上主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家都十分重視數(shù)控加工技術(shù)的研究和發(fā)展。數(shù)控機(jī)床發(fā)展到今天，已經(jīng)經(jīng)歷了幾代的變化：第一代：1952年到1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控（NC）裝置；第二代：1959年到1964年采用晶體管電路的NC裝置；第三代：1965年到1970年采用小、中規(guī)模集成電路的NC裝置；第四代：1971年到1974年采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)（CNC）；第五代：1974年開始采用微型電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)（MNC）。1.2數(shù)控機(jī)床的組成與特點(diǎn)1.2.1程序載體在加工過程中，機(jī)床的全部動作過程和刀具相對于工件的運(yùn)動軌跡，都是通過編制加工程序以一定的格式和代碼，存儲在一種程序載體上，如穿孔紙帶、磁盤、磁帶等。1.2.2輸入/輸出裝置輸入/輸出裝置可將不同加工信息傳遞于計(jì)算機(jī)。目前，可以利用機(jī)床上的顯示屏與鍵盤手動輸入加工程序指令，也可利用CAD/CAM軟件在計(jì)算機(jī)上編程，然后通過計(jì)算機(jī)通信將程序上傳到數(shù)控裝置，大大方便了信息輸入工作。1.2.3數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心與主導(dǎo)，它接受來自輸入設(shè)備的程序和數(shù)據(jù)，并按輸入信息的要求完成數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷和輸入輸出控制等功能。數(shù)控裝置通常是指一臺專用計(jì)算機(jī)或通用計(jì)算機(jī)與輸入輸出接口版以與機(jī)床控制器等所組成的控制裝置。1.2.4伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其作用是把來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉(zhuǎn)化為機(jī)床移動部件的運(yùn)動。一般來說，機(jī)床的伺服驅(qū)動要求有好的快速響應(yīng)性能，能靈敏而準(zhǔn)確的跟蹤由數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號。1.2.5機(jī)床本體機(jī)床本體包括床身、主軸、進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。與傳統(tǒng)機(jī)床相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、機(jī)構(gòu)剛性好、可靠性高、傳動效率高等特點(diǎn)。1.2.6數(shù)控車床的特點(diǎn)(1)加工零件的適應(yīng)性強(qiáng)，靈活性好，可加工帶有曲線、曲面以與錐度的復(fù)雜型零件。(2)加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸的分散度小，便于裝配。(3)可實(shí)現(xiàn)加工的自動化，生產(chǎn)效率高。(4)工序集中，大大減少了工人的勞動強(qiáng)度，由于操作失誤減少，也降低了廢品率和次品率。(5)數(shù)控機(jī)床擁有自動報(bào)警、監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度，從而提高生產(chǎn)管理水平。1.3數(shù)控插補(bǔ)技術(shù)1.3.1數(shù)控插補(bǔ)原理概述機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的核心技術(shù)是插補(bǔ)。在數(shù)控加工中，數(shù)控系統(tǒng)要解決控制刀具與工件運(yùn)動軌跡的問題。在所需的路徑或輪廓上的兩個(gè)已知點(diǎn)間，根據(jù)某一數(shù)學(xué)函數(shù)確定其中多個(gè)中間點(diǎn)位置的運(yùn)動過程稱為插補(bǔ)。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)這些坐標(biāo)值控制刀具或工件的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工。插補(bǔ)的實(shí)質(zhì)是根據(jù)有限的信息完成“數(shù)據(jù)密化”的工作。數(shù)控加工程序提供了刀具運(yùn)動的起點(diǎn)、終點(diǎn)和運(yùn)動軌跡，而刀具怎么從起點(diǎn)沿運(yùn)動軌跡走向終點(diǎn)則有主控系統(tǒng)的插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件來控制。實(shí)際加工中，被加工零件的輪廓種類很多，嚴(yán)格來說，為了滿足加工要求，刀具軌跡應(yīng)該準(zhǔn)確的按零件的輪廓形狀生成。然而，對于復(fù)雜的曲線輪廓，直接計(jì)算刀具運(yùn)功軌跡非常復(fù)雜，計(jì)算工作量很大，不能滿足數(shù)控加工的實(shí)時(shí)控制要求。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，使用一小段直線或圓弧去逼近（或稱為擬合）零件的輪廓曲線，即通常所說的直線和圓弧插補(bǔ)。某些高性能的數(shù)控系統(tǒng)中，還具有拋物線、螺旋線插補(bǔ)功能[1]。1.3.2插補(bǔ)方法的分類在早期的數(shù)控系統(tǒng)中，插補(bǔ)是由專門設(shè)計(jì)的硬件數(shù)字電路完成的。而在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)控(ComputerizedNumericalControl,CNC)系統(tǒng)中，常用的插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)方法有兩種：一種有硬件和軟件的組合來實(shí)現(xiàn)；另一種全部采用軟件實(shí)現(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)中完成插補(bǔ)運(yùn)算的裝置或程序稱為插補(bǔ)器，根據(jù)插補(bǔ)器的結(jié)構(gòu)可分為硬件插補(bǔ)器、軟件插補(bǔ)器和軟、硬件結(jié)合插補(bǔ)器二種類型。早期NC系統(tǒng)的插補(bǔ)運(yùn)算由硬接線的數(shù)字電路裝置來完成，稱為硬件插補(bǔ)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。在CNC系統(tǒng)中插補(bǔ)功能一般由計(jì)算機(jī)程序來完成，稱為軟件插補(bǔ)。由于硬件插補(bǔ)具有速度高的特點(diǎn)，為了滿足插補(bǔ)速度和精度的要求，現(xiàn)代CNC系統(tǒng)也采用軟件與硬件相結(jié)合的方法，由軟件完成粗插補(bǔ)，由硬件完成精插補(bǔ)。由于直線和圓弧是構(gòu)成零件輪廓的基本線型，因此CNC系統(tǒng)一般都具有直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)兩種基本類型，在二坐標(biāo)以上聯(lián)動的CNC系統(tǒng)中，一般還具有螺旋線插補(bǔ)和其它線型插補(bǔ)。為了方便對各種曲線、曲面的直接加工，人們一直研究各種曲線的插補(bǔ)功能，在一些高擋CNC系統(tǒng)中，己經(jīng)出現(xiàn)了拋物線插補(bǔ)、漸開線插補(bǔ)、弦線插補(bǔ)、樣條曲線插補(bǔ)、球面螺旋線插補(bǔ)以與曲面直接插補(bǔ)等功能。插補(bǔ)的任務(wù)就是根據(jù)進(jìn)給速度的要求，完成輪廓起點(diǎn)和終點(diǎn)之間中間點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算。對于輪廓控制系統(tǒng)來說，插補(bǔ)運(yùn)算是最重要的運(yùn)算任務(wù)。插補(bǔ)對機(jī)床控制必須是實(shí)時(shí)的。插補(bǔ)運(yùn)算速度直接影響系統(tǒng)的控制速度，而插補(bǔ)計(jì)算精度又影響到整個(gè)CNC系統(tǒng)的精度。人們一直在努力探求計(jì)算速度快且計(jì)算精度高的插補(bǔ)算法。目前普遍應(yīng)用的插補(bǔ)算法分為兩大類，一類是基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)，另一類是數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)，如下做簡要介紹。（1）基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)又稱為脈沖增量插補(bǔ)或行程標(biāo)量插補(bǔ)，其特點(diǎn)是每次插補(bǔ)結(jié)束僅向各運(yùn)動坐標(biāo)軸輸出一個(gè)控制脈沖，因此各坐標(biāo)僅產(chǎn)生一個(gè)脈沖當(dāng)量或行程的增量。脈沖序列的頻率代表坐標(biāo)運(yùn)動的速度，而脈沖的數(shù)量代表運(yùn)動位移的大小。這類插補(bǔ)運(yùn)算簡單，容易用硬件電路來實(shí)現(xiàn)，早期的硬件插補(bǔ)都是采用這類方法，在日前的CNC系統(tǒng)中原來的硬件插補(bǔ)功能可以用軟件來實(shí)現(xiàn)，但僅適用于一些中等速度和中等精度的系統(tǒng)，便要用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)。也有的數(shù)控系統(tǒng)將其用做數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)中的精插補(bǔ)[2]?；鶞?zhǔn)脈沖插補(bǔ)的方法很多，主要有逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法、脈沖乘法器等等。應(yīng)用較多的是逐點(diǎn)比較法和數(shù)字積分法。（2）數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)又稱數(shù)字增量插補(bǔ)、時(shí)間分割插補(bǔ)或時(shí)間標(biāo)量插補(bǔ)，其運(yùn)算采用時(shí)間分割思想，根據(jù)編程的進(jìn)給速度將輪廓曲線分割為每個(gè)插補(bǔ)周期的進(jìn)給直線段(又稱輪廓步長)，以此來逼近輪廓曲線。數(shù)控裝置將輪廓步長分解為各坐標(biāo)軸的插補(bǔ)周期進(jìn)給量，作為命令發(fā)送給伺服驅(qū)動裝置。伺服系統(tǒng)按位移檢測采樣周期采集實(shí)際位移量，并反饋給插補(bǔ)器進(jìn)行比較完成閉環(huán)控制。伺服系統(tǒng)中指令執(zhí)行過程實(shí)質(zhì)也是數(shù)據(jù)密化工作。閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)都采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)方法，它能滿足控制速度和精度的要求。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)方法很多，主要有時(shí)間分割法、擴(kuò)展DDA等，但都基于一樣的思想。1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢目前，世界先進(jìn)制造技術(shù)不斷興起，超高速超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求。為適應(yīng)這種情況，數(shù)控機(jī)床正朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展。（1)高速度、高精度化速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，數(shù)控系統(tǒng)采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運(yùn)算速度。同時(shí)，采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補(bǔ)運(yùn)算的速度和精度。（2)引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)智能化現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床將引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)，根據(jù)切削條件的變化，自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使加工過程中能保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較好的表面粗糙度，同時(shí)也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。為實(shí)現(xiàn)更高的故障診斷要求，其發(fā)展趨勢是采用人工智能專家診斷系統(tǒng)。（3)柔性化數(shù)控系統(tǒng)采用新一代模塊化設(shè)計(jì)，功能覆蓋面寬，可靠性更好，可滿足不同用戶的要求。根據(jù)不同生產(chǎn)流程，自動進(jìn)行信息流動態(tài)調(diào)整，發(fā)揮群控系統(tǒng)的功能，滿足了多種不同加工需要。1.5車床數(shù)控化改造的必要性傳統(tǒng)的機(jī)械加工都是用手工操作普通機(jī)床作業(yè)的，加工時(shí)用手搖動機(jī)械刀具切削金屬，靠眼睛用卡尺等工具測量產(chǎn)品的精度的?，F(xiàn)代工業(yè)早已使用電腦數(shù)字化控制的機(jī)床進(jìn)行作業(yè)了，數(shù)控機(jī)床可以按照技術(shù)人員事先編好的程序自動對任何產(chǎn)品和零部件直接進(jìn)行加工了。這就是我們說的“數(shù)控加工”。數(shù)控加工廣泛應(yīng)用在所有機(jī)械加工的任何領(lǐng)域，更是模具加工的發(fā)展趨勢和重要和必要的技術(shù)手段。數(shù)控機(jī)床是按照事先編制好的加工程序，自動地對被加工零件進(jìn)行加工。我們把零件的加工工藝路線、工藝參數(shù)、刀具的運(yùn)動軌跡、位移量、切削參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)數(shù)、進(jìn)給量、背吃刀量等)以與輔助功能(換刀、主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、切削液開、關(guān)等)，按照數(shù)控機(jī)床規(guī)定的指令代碼與程序格式編寫成加工程序單，再把這程序單中的容記錄在控制介質(zhì)上(如穿孔紙帶、磁帶、磁盤、磁泡存儲器)，然后輸入到數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置中，從而指揮機(jī)床加工零件。這種從零件圖的分析到制成控制介質(zhì)的全部過程叫數(shù)控程序的編制。數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床加工零件的區(qū)別在于控機(jī)床是按照程序自動加工零件，而普通機(jī)床要由人來操作，我們只要改變控制機(jī)床動作的程序就可以達(dá)到加工不同零件的目的。因此，數(shù)控機(jī)床特別適用于加工小批量且形狀復(fù)雜要求精度高的零件。但是數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用也受到了其它條件的限制：（1）數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，不適用于中小型企業(yè)。（2）目前各企業(yè)都用大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床代替不現(xiàn)實(shí)，投資巨大而且被代替下的機(jī)床會造成資源的浪費(fèi)。（3）在國購置一臺數(shù)控機(jī)床的周期比較長，不能滿足生產(chǎn)的急需。為解決上述問題，我們提出機(jī)床數(shù)控化改造的方案，這種方法具有投資少、見效快的特點(diǎn)，且具有一定的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、穩(wěn)定性。生產(chǎn)實(shí)踐表明，用較少的資金，將普通車床數(shù)控化改造，可為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。1.6本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)（1)將橫向進(jìn)給系統(tǒng)該成用微機(jī)控制的，能獨(dú)立運(yùn)動的進(jìn)給伺服系統(tǒng)，進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算包括：滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算與選擇，中間齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算，軸承選擇、校核、步進(jìn)電機(jī)的選擇、繪制改動部分機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖（2)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（包括微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)和繪制）（3)數(shù)控插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì)：分析數(shù)字積分法數(shù)控插補(bǔ)原理，以直線數(shù)字積分法插補(bǔ)為例，在VisualBasic開發(fā)平臺下編制數(shù)控插補(bǔ)算法程序，實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)的可視化化動態(tài)控制仿真總體方案的確定2.1橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案橫向機(jī)構(gòu)保留原手動機(jī)構(gòu)，拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠，為了便于安裝滾珠絲杠副絲杠軸不是整體的而采用分段式，然后用聯(lián)軸器聯(lián)接（或用套筒剛性聯(lián)接）。（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。（2）拆除中滑板下的滑動絲杠螺母副，將滑動絲杠靠刻度盤一端鋸斷保留，拆除刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個(gè)推力軸承，換上滾珠絲杠副。（3)將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)通過法蘭座安裝到中滑板后部的床鞍上，并與滾珠絲杠的軸頭相連。（4)拆除三杠（絲杠，光杠，與操縱杠）更換絲杠的右支承。2.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)（1）臥式車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)以與螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。（2）臥式車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。（3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中最大加工尺寸，最高控制速度以與數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列的8位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路等。2.3數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)2.3.1設(shè)計(jì)方法的選擇數(shù)字積分器直線插補(bǔ)裝置需要五條寄存器，其寄存器的容是：JVX寄存x坐標(biāo)終點(diǎn)值；JVY寄存y坐標(biāo)終點(diǎn)值；JRX寄存x坐標(biāo)余數(shù)；JRY寄存y坐標(biāo)余數(shù)；JZ寄存總步數(shù)。圖2-1為數(shù)字積分法直線插補(bǔ)邏輯圖[2]。初始狀態(tài)時(shí)將，存放于JVX和JVY中，其余寄存器清0。當(dāng)接到運(yùn)算指令后，使運(yùn)圖2-1數(shù)字積分法直線插補(bǔ)邏輯圖MF—進(jìn)給脈沖發(fā)生器；SB—時(shí)序脈沖發(fā)生器；JZ—總步數(shù)寄存器；CYK—運(yùn)算開關(guān)；Q1～Q2—全加器；Tc1～Tc2—進(jìn)位觸發(fā)器；JVX—被積函數(shù)；JVY—被積函數(shù)；JRX—x累加寄存器；JRY—y累加寄存器；Y1～Y3—與門。算開關(guān)CYK置1，與門Y1開放,進(jìn)給脈沖發(fā)生器MF沒發(fā)出一個(gè)脈沖,累積運(yùn)算一次.每一個(gè)進(jìn)給脈沖通過Y1使時(shí)序脈沖發(fā)生器SB啟動一次，將位移脈沖Pt4(脈沖數(shù)目由寄存器位數(shù)決定)送到有關(guān)位移寄存器中，一方面使JRX與JRY完成累加xz與yz的加法運(yùn)算；另一方面又將JVX與JVY中溢出的數(shù)通過自循環(huán)線重新寄存于JVX與JVY中。各坐標(biāo)每次累加后其和大于2n或等于2n時(shí)便有溢出，溢出的標(biāo)志是將累加器送入進(jìn)位觸發(fā)器Tc1中存1。在時(shí)序脈沖Pt3出現(xiàn)時(shí)，通過與門Y2或Y3分別發(fā)出進(jìn)給脈沖△x或△y，使機(jī)床相應(yīng)的坐標(biāo)位移一步累加結(jié)果超過2n部分自動丟失，余下的小于2n部分保留在累加寄存器中，留待下一次累加運(yùn)算。數(shù)字積分器直線插補(bǔ)的終點(diǎn)判斷比較簡單，因?yàn)槊慷纬绦蛐柽M(jìn)行m=2n次累加運(yùn)算，進(jìn)行2n次累加運(yùn)算后就一定達(dá)到終點(diǎn)，故可設(shè)置一字長為n位的計(jì)數(shù)器JZ，累加運(yùn)算前首先清0，此后每累加運(yùn)算一次，計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)記滿2n時(shí)JZ的最高位即有溢出，使運(yùn)算開關(guān)CYK置0，關(guān)閉與門Y1停止運(yùn)算，插補(bǔ)完畢。而數(shù)字積分法（DDA）具有運(yùn)算速度快、脈沖分布均勻、易于實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動與描繪平面各種函數(shù)曲線的特點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。其缺點(diǎn)是速度調(diào)節(jié)不便，插補(bǔ)精度需要采用一定措施才能滿足要求。由于計(jì)算機(jī)有較強(qiáng)的功能和靈活性，采用軟件插補(bǔ)時(shí)，可克服以上缺點(diǎn)[4]。所以，本設(shè)計(jì)選擇用軟件對數(shù)字積分法的直線插補(bǔ)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。2.3.2設(shè)計(jì)語言的選擇VisualBasic是由美國微軟公司于1991年開發(fā)的一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動方式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計(jì)語言，可用于開發(fā)Windows環(huán)境下的各類應(yīng)用程序。它簡單易學(xué)、效率高，且功能強(qiáng)大可以與Windows專業(yè)開發(fā)工具SDK相媲美。在VisualBasic環(huán)境下，利用事件驅(qū)動的編程機(jī)制、新穎易用的可視化設(shè)計(jì)工具，使用Windows部的廣泛應(yīng)用程序接口（API）函數(shù)，動態(tài)庫（DLL）、對象的與嵌入（OLE）、開放式數(shù)據(jù)連接（ODBC）等技術(shù)，可以高效、快速地開發(fā)Windows環(huán)境下功能強(qiáng)大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。因此，本次設(shè)計(jì)選用VisualBasic開發(fā)環(huán)境[3]。第3章橫向進(jìn)給傳動部件的計(jì)算與選型主要參數(shù)原始數(shù)據(jù)：CW6163普通車床采用微機(jī)組成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。主電動機(jī)功率P=11kw工件最大回轉(zhuǎn)直徑D=630mm主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速n=100r/min最小設(shè)定運(yùn)動單位δ橫＝0.005mm/step最大進(jìn)給速度橫向=1.5m/min滾珠絲杠導(dǎo)程S橫＝4mm；行程L橫＝490mm工作臺重量G橫＝197kg電機(jī)鈕矩P橫＝12N.m步距角0.6/1.2(0.75/1.5)工作速度V橫＝0.8m/min定位精度0.05mm/全行程重復(fù)定位精度0.02mm/全行3.1主切削力與其切削分力的計(jì)算3.1.1計(jì)算主切削力FZ已知機(jī)床主電動機(jī)的額定功率為，最大工件直徑，主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速。在此轉(zhuǎn)速下，主軸具有最大扭矩和功率，刀具的切削速度為取機(jī)床的機(jī)械效率=0.75，則由參考文獻(xiàn)[5]中公式（2-6）得3.1.2計(jì)算各切削分力走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力Fy可由參考文獻(xiàn)[5]中式（2-4）求出：3.2導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算（1）由參考文獻(xiàn)[5]中式（2-8a）計(jì)算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力。此時(shí)，導(dǎo)軌受到的垂向切割分力，橫向切割分力，移動部件的全部質(zhì)量（包括機(jī)床夾具和工件的質(zhì)量）（所受重力），查參考文獻(xiàn)[5]表2-3得鑲條緊固力，取導(dǎo)軌動摩擦系數(shù)，則（2）按參考文獻(xiàn)[5]中式（2-9a）計(jì)算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力Fμ0和F0。3.3計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力按式（2-10a）計(jì)算最大軸向負(fù)載力。按式（2-10b）計(jì)算最小軸向負(fù)載力。3.4確定進(jìn)給傳動鏈的傳動比i和傳動級數(shù)取步進(jìn)電動機(jī)的步距角，滾珠絲杠的基本導(dǎo)程，進(jìn)給傳動鏈的脈沖當(dāng)量，則由參考文獻(xiàn)[5]中式（2-69）得按最小慣量條件，從參考書[5]圖2-42和圖2-43中查得該減速器應(yīng)采用1級傳動，傳動比取i=1.3.3.5齒輪傳動比計(jì)算與選型3.5.1齒輪的設(shè)計(jì)選型根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，初選各傳動齒輪的齒數(shù)分別為z1=20、z2=26,模數(shù)m=2，齒寬b=40mm。選用直齒圓柱齒輪傳動，七級精度（GB10095-88）；由參考資料[6]中表10-1選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。3.5.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由參考資料[6]設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）進(jìn)行試算，即選載荷系數(shù)。小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。由參考資料[6]表10-7選取齒寬系數(shù)。由參考資料[6]表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)。由參考資料[6]圖10-21d查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度。計(jì)算力循環(huán)次數(shù)?！↓X輪的轉(zhuǎn)速-齒輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，同一齒面嚙合的次數(shù)，此處-齒輪的工作壽命（單位為h）工作壽命設(shè)為12000h由參考資料[6]圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù),。計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。3.5.3計(jì)算試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值。計(jì)算圓周速度V計(jì)算齒寬b計(jì)算齒寬與齒高之比模數(shù)齒高計(jì)算載荷系數(shù)由，七級精度，，,,根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]圖10-4用插值法查得7級精度，由，由圖參考文獻(xiàn)[6]圖10-13得.故載荷系數(shù)按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑：計(jì)算模數(shù)m3.5.4按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)由參考文獻(xiàn)[6](公式10-5)得彎曲強(qiáng)度的計(jì)算公式為(1)確定公式的各計(jì)算數(shù)值1)由參考文獻(xiàn)[2]圖10-20查的小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限2)由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)3)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)，得：經(jīng)過計(jì)算可知4)計(jì)算載荷系數(shù)K5)查取齒形系數(shù)由參考資料[6]表10-5查得6)查取應(yīng)力校壓系數(shù)由參考資料[6]表10-5查得7)計(jì)算齒輪的并加以比較(2)設(shè)計(jì)計(jì)算對比設(shè)計(jì)結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)；由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定承載能力僅于齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)1.15并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑,算出齒數(shù)大齒輪齒數(shù)：取。這樣設(shè)計(jì)的齒輪傳動即滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。3.5.5幾何尺寸計(jì)算計(jì)算分度圓直徑則計(jì)算中心距計(jì)算齒輪寬取3.6滾珠絲杠的動載荷計(jì)算與直徑估算按預(yù)期工作時(shí)間估算滾珠絲杠預(yù)期的額定動載荷Cam已知數(shù)控機(jī)床的預(yù)期工作時(shí)間，滾珠絲杠的當(dāng)量載荷，查參考書[5]表2-28得，載荷系數(shù)；查參考書[5]表2-29，初步選擇滾珠絲杠的精度等級為3級精度，取精度系數(shù)；查表2-30得，可靠性系數(shù)。取滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速（該轉(zhuǎn)速為最大切削進(jìn)給速度時(shí)的轉(zhuǎn)速），已知，滾珠絲杠的基本導(dǎo)程，則由參考書[1]式（2-19）得根據(jù)定位精度和重復(fù)定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。已知本車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度為50μm，重復(fù)定位精度為20μm，則由參考文獻(xiàn)[5]式（2-23）、式（2-24）得取上述計(jì)算結(jié)果的較小值，即。估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2m。滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用一端固定、一端游動支承方式，滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為L=行程+安全行程+2×余程+螺母長度+支承長度≈（1.2~1.4）行程+（25~30）L0取由參考書[5]中式（2-25）得初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號根據(jù)以上計(jì)算所得的,，d2m和結(jié)構(gòu)的需要，初步選擇FFZD型循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副，型號為FFZD3204-5（見參考書[5]附錄A表A-3），其公稱直徑d0、基本導(dǎo)程、額定動載荷和螺紋底徑如下：故滿足要求。將以上結(jié)果用于該部件的裝配圖設(shè)計(jì)（見附圖1），其計(jì)算簡圖如圖3-1所示。圖3-1普通車床數(shù)控化改造計(jì)算簡圖3.7滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗(yàn)3.7.1臨界壓縮載荷的校驗(yàn)已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑d2=28.9mm，由圖4-5可知滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度L1=313mm，絲杠水平安裝時(shí)，取K1=1/3，查表2-44得K2=2，則由式參考書[5]中式（2-35)得本車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為，遠(yuǎn)小于其臨界壓縮載荷的值，故滿足要求。3.7.2臨界轉(zhuǎn)速的校驗(yàn)由圖3-1得滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長度，其彈性模量，密度，重力加速度。滾珠絲杠的最小慣性矩為滾珠絲杠的最小截面積為取，由表2-44得，則由參考書[5]中式（2-36）得本橫向進(jìn)給傳動鏈的滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為，遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。3.7.3額定壽命的檢驗(yàn)查附錄A表A-3得滾珠絲杠的額定動載荷Ca=15000N，已知其軸向載荷，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，則由式（2-37）、式（2-38）得本車床數(shù)控化改造后，滾珠絲杠螺母副的總工作壽命，故滿足要求。3.8支承用軸承的選擇與校核3.8.1軸承的選擇已知，則故根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]表2-25得，徑向系數(shù),軸向系數(shù)。初步計(jì)算當(dāng)量動載荷。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]中公式（13-8a）得，軸承轉(zhuǎn)速，預(yù)期計(jì)算壽命。根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]式（13-6），軸承應(yīng)有的基本額定載荷值。因?yàn)闈L珠絲杠螺母副擬采用一端固定、一端游動的方式，所以選用60度角接觸軸承組背對背安裝，以承受兩個(gè)方向的軸向力。由于滾珠絲杠的螺紋底徑，所以選用軸承的徑，以滿足結(jié)構(gòu)的需要。查參考資料[6]附錄表A-2選擇的760206TNI軸承。3.8.2軸承的校核軸承的基本額定靜載荷，而該軸承在12000h工作壽命下的基本額定動載荷，故滿足要求。在油脂潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為，高于機(jī)床滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速，滿足要求。驗(yàn)算軸承的壽命。故滿足要求。760206TNI角接觸球軸承，尺寸為。軸承的潤滑：選擇脂潤滑。潤滑脂形成的潤滑膜強(qiáng)度高，能承受較大的載荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以維持相當(dāng)長的一段時(shí)間。軸承的密封：氈圈油封。在軸承蓋上開出梯形槽，將毛氈制成環(huán)形或帶形，放置在梯形槽中與軸承密合接觸，或者在軸承蓋上開缺口放置氈圈油封，然后用另為一個(gè)零件壓在氈圈油封上，以調(diào)整毛氈與軸的密合程度，從而提高密封效果。3.9計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度3.9.1計(jì)算滾珠絲杠的拉壓剛度本機(jī)床橫向進(jìn)給傳動鏈的絲杠支承方式為一端固定、一端游動。絲杠的拉壓剛度Ks可由參考書[5]式（2-42）計(jì)算。已知滾珠絲杠的彈性模量，滾珠絲杠的底徑。當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心至固定端支承中心的距離時(shí)，滾珠絲杠螺母副具有最小拉壓剛度，根據(jù)式（2-43a）得當(dāng)時(shí)，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度，根據(jù)式（2-43b）得3.9.2計(jì)算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度Kb已知滾動體直徑，滾動體個(gè)數(shù)Z=150，軸承的最大軸向工作載荷，則由表2-45、表2-46得3.9.3計(jì)算滾珠與滾道的接觸剛度Kc查附錄A表A-3得滾珠與滾道的接觸剛度，滾珠絲杠的額定動載荷，已知滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷，則由式（2-46b）得3.9.4計(jì)算傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K由式（2-47a）得進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為故。由式（2-47b）得進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為故。3.9.5計(jì)算滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度由圖4-5得扭矩作用點(diǎn)之間的距離，已知滾珠絲杠的剪切模量，滾珠絲杠的底徑，則由式（2-48）得3.10驅(qū)動電動機(jī)的選型與計(jì)算3.10.1計(jì)算負(fù)載慣量計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Jr已知滾珠絲杠的密度ρ=7.8×10-3kg/cm3,則由式（2-63）得計(jì)算折算到絲杠軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量JL已知機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行部件（即橫向溜板與刀架）的總質(zhì)量m=197kg；絲杠軸每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向距離移動的距離L=0.4cm，則由式（2-65）得計(jì)算各齒輪的轉(zhuǎn)動慣量由式（2-66）計(jì)算加在電動機(jī)軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。3.10.2計(jì)算負(fù)載力矩計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩已知在切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力，絲杠每轉(zhuǎn)一周，機(jī)床執(zhí)行部件軸向移動的距離，進(jìn)給傳動系統(tǒng)的傳動比，進(jìn)給傳動系統(tǒng)的總效率,則由式（2-54）得計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的摩擦負(fù)載力矩Tμ已知在不切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力（即空載時(shí)的導(dǎo)軌摩擦力），則由式（2-55）得計(jì)算由滾珠絲杠預(yù)緊力Fp產(chǎn)生的并折算到電動機(jī)軸上的附加負(fù)載力矩。已知滾珠絲杠螺母副的效率0，滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力Fp為則由式（2-56）得折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載力矩T的計(jì)算。①空載時(shí)（快進(jìn)力矩），由式（2-57a）得②切削時(shí)（工進(jìn)力矩），由式（2-57b）得3.10.3計(jì)算加速力矩根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，初選130BC3100型反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，其轉(zhuǎn)動慣量；而進(jìn)給傳動系統(tǒng)的負(fù)載慣量；對開環(huán)系統(tǒng)，一般取加速世界。當(dāng)機(jī)床執(zhí)行部件以最快速度運(yùn)動時(shí)電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為由式（2-59）得3.10.4計(jì)算橫向進(jìn)給系統(tǒng)所需的各種力矩按式（2-61）計(jì)算空載啟動力矩按式（2-57a）計(jì)算快進(jìn)力矩TKJ按式（2-57b）計(jì)算工進(jìn)力矩TGJ3.10.5選擇驅(qū)動電動機(jī)的型號選擇驅(qū)動電動機(jī)的型號根據(jù)以上計(jì)算選擇國產(chǎn)130BC3100型反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為驅(qū)動電動機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：相數(shù)，3；步距角，0.6°/1.2°；最大靜轉(zhuǎn)矩，；轉(zhuǎn)動慣量，；分配方式，三相六拍；質(zhì)量，10kg。確定最大靜轉(zhuǎn)矩Ts由參考資料[5]中表2-48給出的機(jī)械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩與所需的步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系可得機(jī)械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩與所需的步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為取和中的較大者為所需的步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，即。本電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為，大于，可以在規(guī)定的時(shí)間里正常啟動，故滿足要求。驗(yàn)算慣量匹配為了使機(jī)械傳動系統(tǒng)的慣量達(dá)到較合理的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣量JL與伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量之比一般應(yīng)滿足式（2-67），即因?yàn)?，故滿足慣量匹配要求。3.11機(jī)械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析計(jì)算在絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度，機(jī)床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量分別為，滾珠絲杠螺母副和機(jī)床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為，已，則計(jì)算扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量為已知滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度，則由以上計(jì)算可知，絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率、扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率，都比較高。一般按的要求來設(shè)計(jì)機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。3.12機(jī)械傳動系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析3.12.1計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)已知進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值，導(dǎo)軌的靜摩擦力，由式（2-52）得即，故滿足要求。3.12.2計(jì)算由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差由式（2-53）得即，故滿足要求。3.12.3計(jì)算滾珠絲杠應(yīng)扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差計(jì)算由扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量θ已知負(fù)載力矩，由圖4-5得扭矩作用點(diǎn)之間的距離，絲杠底徑，則由式（2-49）得由該扭轉(zhuǎn)變形量引起的軸向移動滯后量將影響工作臺的定位精度，由式（2-50）得3.13確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號3.13.1確定滾珠絲杠螺母副的精度等級本進(jìn)給傳動系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng)滿足下列要求：取滾珠絲杠螺母副的精度等級為3級，查參考書[5]中表2-20得；當(dāng)螺紋長度為700mm時(shí)，查表2-21得，；，滿足設(shè)計(jì)要求。3.13.2確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號為FFZD3204-5-P3/920×700，其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導(dǎo)程：32mm，4mm；螺紋長度：700mm；絲杠長度：920mm；類型與精度：P類，3級精度。第4章微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)4.1硬件電路設(shè)計(jì)容硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ),也是軟件編制的前提,數(shù)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括以下幾部分容：4.1.1繪制系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)框圖據(jù)總體方案與機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結(jié)構(gòu)圖。機(jī)床硬件電路由五部分組成：主控制器，即中央處理單元CPU?？偩€，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。接口，即輸入/輸出接口電路。外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器與光電輸入機(jī)等。RAMRAMROMCPU光電隔離功率放大器CPU光電隔離功率放大器I/O接口步進(jìn)電機(jī)外設(shè)外設(shè)鍵盤，顯示器與其他圖4-1系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)框圖4.1.2選擇中央處理單元CPU的類型在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮的因素：時(shí)鐘頻率和字長，這個(gè)指標(biāo)將控制處理的進(jìn)度?？蓴U(kuò)展存儲器（包括RAM和ROM）的容量。指定系統(tǒng)功能，影響編程靈活性。I/O擴(kuò)展的能力，即對外設(shè)控制的能力。開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。CPU的種類很多，在此處選擇MCS——51系列單片機(jī)中8031芯片單片機(jī)，因?yàn)槠浼啥雀?穩(wěn)定性、可靠性好，體積小，而且有很強(qiáng)的外部擴(kuò)展功能，外圍擴(kuò)展電路芯片大多是一些常規(guī)芯片，用戶很容易通過標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展電路來構(gòu)成較大規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。4.1.3存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)應(yīng)該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。在選擇程序存儲器芯片時(shí)，要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度與存儲器的容量等問題。在存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)中還應(yīng)該包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計(jì)。4.1.4I/O接口電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)容包括：根據(jù)外部要求選用I/O接口芯片，步進(jìn)電機(jī)伺服控制電路，鍵盤、顯示器部分以與其他輔助電路設(shè)計(jì)（如復(fù)位、掉電保護(hù)等）。此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設(shè)，這些部分的電路設(shè)計(jì)也應(yīng)包括。經(jīng)考慮，選擇8255為I/O接口芯片。4.28031單片機(jī)簡介4.2.18031單片機(jī)的特征具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元（CPU）。片有時(shí)鐘發(fā)生器（6或12MHz）、每執(zhí)行一條指令時(shí)間為2或1。片具有128字節(jié)RAM。具有21個(gè)特殊寄存器?？蓴U(kuò)展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的外部程序存儲器。具有4個(gè)I/O口，32根I/O線。具有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。具有5個(gè)中斷源，配備2個(gè)中斷優(yōu)先級。具有一個(gè)全雙工串行接口。具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算。從上述特性可以看出，一塊8031的功能幾乎相當(dāng)于一塊Z80CPU、一塊RAM，一塊Z80CTC、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微機(jī)系統(tǒng)?？梢钥闯鲞@種芯片集成度高，功能強(qiáng)，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)系統(tǒng)。4.2.28031芯片引腳與其功能8031芯片具有40根引腳，其引腳圖如圖4-2所示，40根引腳按其功能可分為四類：圖4-28031芯片引腳與其功能電源線2根：編程和正常操作時(shí)的電源電壓，接+5V。：地電平。晶振線2根XTAL1：振蕩器的反相放大器輸入，使用外部震蕩器時(shí)必須接地。XTAL2：振蕩器的反相放大器輸出和部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入，當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號。I/O口共有p0、p1、p2、p3四個(gè)8位口，32根I/O線，其功能如下：P0.0～P0.7（AD0～AD7）是I/O端口O的引腳，端口O是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O端口。在存取外部存儲器時(shí)，該端口分時(shí)地用作低8位的地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口。（在此時(shí)部上拉電阻有效）P1.0～P1.7端口1的引腳，是一個(gè)帶部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。P2.0～P2.7（A8～A15）端口2的引腳。端口2是一個(gè)帶部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問外部存儲器時(shí)，它輸出高8位地址A8～A15P3.0～P3.7端口3的引腳。端口3是一個(gè)帶部上拉電阻的8位雙向I/O端口，該口的每一位均可獨(dú)立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時(shí)，口的結(jié)構(gòu)與操作與P1口完全一樣，第二功能如下示：口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷）P3.3（外部中斷）P3.4T0（定時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（定時(shí)器1外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）控制線：程序存儲器的使能引腳，是外部程序存儲器的讀選通信號，低電平有效。從外部程序存儲器取數(shù)時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期二次有效。：EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行部程序存儲器的指令。EA為低電平時(shí)，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲器的指令。因8031芯片沒有部程序存儲器，故EA必須接地。是在8751EPROM編程時(shí)+21V的編程電源輸入端。：ALE是地址鎖存使能信號。作為地址鎖存允許時(shí)高電平有效。因?yàn)閜0端口是分時(shí)傳送數(shù)據(jù)和8位地址。故訪問外部存儲器時(shí)，ALE信號鎖存低8位地址。即使在不訪問外部存儲器時(shí)，也以1/6振蕩頻率的固定頻率產(chǎn)生ALE，因此可以用它作為外部的時(shí)鐘信號。ALE主要是提供一個(gè)定時(shí)信號，在從外部程序存儲器取令時(shí)，把p0口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的地址鎖存器中。:是復(fù)位/備用電源端。在振蕩器運(yùn)行時(shí)，使RST行腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期位高電平，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器清零，即程序從0000H單元開始執(zhí)行。在VCC關(guān)斷前加上VPD（掉電保護(hù)）RAM的容將不變。4.2.38031芯片的存儲器結(jié)構(gòu)與地址分配8031芯片部無程序存儲器，只有256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，地址從00H～FFH。其地址分配如下圖4-3所示：圖4-38031芯片存儲器結(jié)構(gòu)8031芯片部256字節(jié)的空間被分為兩部分，其中部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）地址為00H～7FH，特殊功能寄存器（SFR）的地址為80H~FFH。在部數(shù)據(jù)存儲器中的00H～1FH為四個(gè)工作寄存器區(qū)，其中：0區(qū)00H～07H1區(qū)08H～0FH2區(qū)10H～17H3區(qū)18H～1FH每個(gè)區(qū)都有8個(gè)8位寄存器R0～R7?？梢杂脕頃捍孢\(yùn)算的中間結(jié)果以提高運(yùn)算速度，其中的R0和R1還可以用來存放8位地址。要確定采用哪個(gè)工作寄存器區(qū)，可通過標(biāo)志寄存器PSW中的RS0、RS1輛未來指定。從20H~2FH是“位尋址”空間：在此空間中CPU既可對其執(zhí)行按字節(jié)操作，又可對其中每個(gè)單元的8位二進(jìn)制代碼執(zhí)行按位的操作。從30H～7FH是可以按字節(jié)尋址的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在此區(qū)域中可以設(shè)置堆棧。由于8031復(fù)位后堆棧指針SP指向工作寄存器區(qū)（即SP=07H），所以必須在初始化程序中對SP設(shè)置30H以后的地址區(qū)間為初值。8031芯片部設(shè)有程序存儲器，且僅有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，因而在組成控制系統(tǒng)時(shí)可根據(jù)需要擴(kuò)展外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器。由于地址線是16位的，故最多能擴(kuò)展64K程序存儲器和64K數(shù)據(jù)存儲器，其地址均為0000H～FFFFH，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器為獨(dú)立編址；因此EPROM和TAM的地址分配比較自由，編程時(shí)不必考慮地址沖突問題[7]。4.2.4特殊功能寄存器8031芯片的特殊功能（SFR）是用于對片各功能模塊進(jìn)行管理、監(jiān)視、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器。是一個(gè)具有特殊功能的RAM區(qū)，其地址為80H～FFH。這些特殊功能寄存器的地址分配見表4-1：放標(biāo)志寄存器，置位或清零，表示操作結(jié)果的某些特性。加1、減1指令不影響這些標(biāo)志。溢出標(biāo)志OV和進(jìn)位標(biāo)志CY是兩種性質(zhì)不同的標(biāo)志。溢出是指在有正負(fù)號兩個(gè)數(shù)運(yùn)算時(shí)，結(jié)果數(shù)超過+127～-128。當(dāng)用于補(bǔ)碼運(yùn)算時(shí)，因?yàn)樵谟蟹柕慕Y(jié)果不能用8位數(shù)表示時(shí)，OV將被置位，而進(jìn)位位是指兩個(gè)數(shù)最前一位（第七位）相加（或相減）有否進(jìn)位（或借位）。P標(biāo)志表示累加器中運(yùn)算結(jié)果1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)還是奇數(shù)來決定。有關(guān)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)的特殊功能寄存器在后面敘述。4.3存儲器擴(kuò)展電路以8031單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)必須擴(kuò)展程序存儲器，用以存放程序。同時(shí)，單片機(jī)部的數(shù)據(jù)存儲器容量較小，不能滿足實(shí)際需要，還要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器。這種擴(kuò)展就是配置外部存儲器（包括程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲器）。4.3.1程序存儲器的擴(kuò)展8031單片機(jī)擴(kuò)展外部程序存儲器的硬件電路圖如圖4-4所示。MCS—51的程序存儲器的尋址空間為64K字節(jié)，8031片不帶ROM，用作程序存儲器的器件是EPROM和EEPROM(電擦除可編程只讀存儲器)，常使用EPROM。（1）常用的EPROM芯片表4-1特殊功能寄存器名稱與地址標(biāo)識符名稱地址ACCBPSWSPDPTRP0P1P2P3IPIETOMDTCONT2CONTH0TL0TH1TL1TH2TL2RLDHRLDLSCONSBUFPCON累加器B寄存器程序狀態(tài)字堆棧指針數(shù)據(jù)指針（包括DPH和DPL）口0口1口2口3中斷優(yōu)先級控制允許中斷控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0（高位字節(jié)）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0（低位字節(jié)）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1（高位字節(jié)）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1（低位字節(jié)）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2（高位字節(jié)）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2（低位字節(jié)）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2自動再裝載（高位字節(jié)）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2自動再裝載（低位字節(jié)）串行控制串行數(shù)據(jù)線控制電源控制0E0H0F0H0D0H81H83H和82H80H90H0A0H0B0H0B8H0A8H89H88H0C8H8CH8AH8DH8BH0CDH0CCH0CBH0CAH98H99H87H圖4-48031單片機(jī)程序存儲器的擴(kuò)展常用的EPROM有2716（2KB×8）、2732A（4KB×8）、2764A（8KB×8）、27128A（16KB×8）、27265（32KB×8）等。以上幾種均為單一+5V電源供電，維持電流為35~40mA，讀出時(shí)間最大為250ns，均有雙列直插式封裝形式。不同的芯片可擴(kuò)的存儲容量大小不同，因而提供高八位地址的P端口線的數(shù)量各不一樣。不同型號的EPROM工作速度也有差別，一般為200～450ns，選擇時(shí)應(yīng)注意芯片的工作速度是否滿系統(tǒng)時(shí)序的要求。8031訪問EPROM時(shí)，其所能提供的讀取時(shí)間t與所選的晶體時(shí)鐘有關(guān)，約為3T,T為時(shí)鐘周期。若晶體頻率選用為6MHz，則t≈480ns,故凡是工作速度小于480ns的芯片在時(shí)序上均滿足要求。（2）地址鎖存器由于8031單片機(jī)的P0口是分時(shí)復(fù)用的地址、數(shù)據(jù)總線，因此在進(jìn)行程序存儲器擴(kuò)展時(shí)，必須用地址鎖存器鎖存地址信號。本設(shè)計(jì)選用74LS373作為地址鎖存器，鎖存端G可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地質(zhì)鎖存。其引腳見圖4-5。（3）8031與EPROM芯片的連接本次設(shè)計(jì)選用EPROM2764A，因?yàn)?664A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址線（A0~A12）。由于系統(tǒng)中只擴(kuò)展一片程序存儲器，故可將片選端CE直接接地。同時(shí)，8031運(yùn)行所需的程序指令來自2764A，要把其EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),EA)端接地；否則，8031將不會進(jìn)行。a.地址線的連接：EPROM低8位地址線A～A經(jīng)地址鎖存器與8031P口相連，高8位地址線A～A直接與8031的P口相連。由于8031的P口是分時(shí)輸出低8位地址和數(shù)據(jù)，故要外接地址鎖存器，并由CPU發(fā)出的地址允許鎖存信號ALE的下降沿將地址信息鎖存入地址鎖存器中。單片機(jī)的P口用作高位地址線與片選地址線，由于P口輸出具有鎖存的功能，故不必外加地址鎖存器。圖4-5鎖存器74HC373引腳見圖b.數(shù)據(jù)線的連接:存儲器的8位數(shù)據(jù)線與8031芯片的直連，單片機(jī)規(guī)定指令碼和數(shù)據(jù)都由口讀入，數(shù)位對應(yīng)相連即可。c.控制線的相連:8031芯片的（外部程序存儲器讀選通信號）與EPROM芯片的端相連；8031芯片接地，CPU執(zhí)行外部程序存儲器的指令；8031芯片ALE（地址鎖存允許信號）接主地鎖存器74LS373的G引腳。4.3.2數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展8031單片機(jī)不僅有128B的RAM存儲器。CPU對部的RAM具有豐富的操作指令。但在用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，僅靠片提供的128B的數(shù)據(jù)存儲器是遠(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)展數(shù)據(jù)存儲器。圖4-6所示為單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲器的外圍擴(kuò)展。數(shù)據(jù)存儲器只使用EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(____),WR)、EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(____),RD)作為控制線而不用EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(________),PSEN)。正因?yàn)槿绱耍瑪?shù)據(jù)存儲器與程序存儲器地址可完全重疊，均為0000H-FFFFH，但數(shù)據(jù)存儲器與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口以與外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲器地址。在8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài)RAM是最常用的，由于這種存儲器的設(shè)計(jì)無需考慮刷新問題，因而它與微處理器的借口很簡單。最常用的靜態(tài)芯片有6116和6264，本設(shè)計(jì)選用6264，6264的片選EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(_____),CS1)接8031的P2.7，第二片選CS2接高電平，保持一直有效狀態(tài)。因6264是8KB容量的RAM，故用到了13根地址線。圖4-6單片機(jī)擴(kuò)展外部RAM的電路圖4.3.3譯碼電路的設(shè)計(jì)8031單片機(jī)允許擴(kuò)展64K程序存儲器和64K數(shù)據(jù)存儲器（包括I/O芯片），這樣就需要擴(kuò)展多個(gè)外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲器各芯片之間（包括I/O芯片）地址互相不重疊，以使單片機(jī)訪問外部存儲器時(shí)，避免方式?jīng)_突。MCS—51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則:（1）程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器獨(dú)立編址（2）外圍I/O芯片與擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址外圍I/O芯片不僅占用數(shù)據(jù)存儲器地址單元，而且使用數(shù)據(jù)存儲器的讀/寫控制信號與讀/寫指令。（3）CPU在訪問外部存儲器時(shí)地址編碼CPU口提供高8位地址（），口經(jīng)外部地址鎖存后提供8位地址（）。常用的地址譯碼方法有線選法和全地址譯碼兩種方法。（1）線選法利用單片機(jī)地址總線高位中的一根線（一般是口中的某根線）作為選擇某一片存儲器（或I/O口）芯片的片選信號。只要該地址線為低電平，就選中該芯片。這種方法常用于規(guī)模較小的系統(tǒng)，即擴(kuò)展的芯片不是太多的情況。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要地址譯碼器，可節(jié)省硬件，減少成本。缺點(diǎn)是可尋址的芯片數(shù)目受到很大的限制，而且地址空間也是不連續(xù)的，地址空間沒有充分利用。（2）全地址譯碼對于容量較大的系統(tǒng)，擴(kuò)展的外圍芯片較多，芯片所需的片選信號多于利用的地址線時(shí)，就需要用這種全地址譯碼的方法。它將低位地址作為片選地址，而用譯碼器對高位地址進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。因?yàn)檫@種地址編碼的方法，除了片地址線外，剩余的高位地址線全部參與譯碼，故稱為全地址譯碼。本電路所用到的譯碼器為74HC138譯碼器，圖4-9為74HC138的引腳圖。該芯片為“3-8”譯碼器，具有三個(gè)選擇輸入端，可組合成8種輸入狀態(tài)，輸出端有8個(gè)，分別對應(yīng)8種輸入狀態(tài)。74HC138還有3個(gè)使能端E3、E2非、E1非。必須同時(shí)輸入有效電平時(shí)，譯碼器才能工作，即輸入電平為100時(shí)，才選通譯碼器，否則譯碼器的輸出全無效。4.4I/O口的擴(kuò)展8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但可共用戶使用的只有P1口和部分P3口，因此，在大部分系統(tǒng)中都需要擴(kuò)展I/O口芯片。下面介紹本電路中所用到的芯片： 圖4-774HC138引腳圖4.4.18155通用可編程接口芯片8155芯片有256個(gè)字節(jié)RAM、2個(gè)8位、1個(gè)6位可編程I/O口和1個(gè)14位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，能方便地進(jìn)行I/O口擴(kuò)展和RAM擴(kuò)展，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的一種芯片。其組成框圖與引腳如圖4-8所示。（1）8155的結(jié)構(gòu)與引腳功能8155為40腳雙列直插式封裝，其引腳功能與特點(diǎn)如下：RESET：復(fù)位端，高電平有效。當(dāng)RESET加上5μs左右的正脈沖時(shí)，8155初始化復(fù)位，把A口、B口、C口均初始化成輸入方式。AD0～AD7：三態(tài)地址數(shù)據(jù)總線。EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(____),CE):片選信號線，低電平有效。EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(____),WR):寫信號，低電平有效。EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(_____),RD):讀信號，低電平有效。ALE:地址鎖存信號。PA7～PA0：A口通用輸入/輸出線。PB7～PB0：B口通用輸入/輸出線。PC5～PCO:可用編程的方法來決定C口作為通用輸入/輸出線或作A口、B口數(shù)據(jù)傳送的控制應(yīng)答聯(lián)絡(luò)線。EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(________________),TIMERIN):定時(shí)/計(jì)數(shù)器脈沖輸入端。EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(___________________),TIMEROUT):定時(shí)/計(jì)數(shù)器矩形脈沖或方波輸入端（取決于工作方式）。：+5V電源。:接地端。圖4-88155引腳和結(jié)構(gòu)圖（2）8155的RAM和I/O口的編址表4-28155端口地址表（3）8155工作方式的設(shè)定8155I/O口工作方式選擇通過對8155部命令寄存器（命令口）設(shè)定命令控制字來實(shí)現(xiàn)。8155I/O口有四種工作方式可共選擇：即ALT、ALT、ALT、ALT。其中各符號說明如下：AINTR：A口中斷，請求輸入信號，高電平有效。BINTR：B口中斷，請求輸入信號，高電平有效。ANF（BBF）：A口（B口）緩沖器滿狀態(tài)標(biāo)志輸出線，（緩沖器有數(shù)據(jù)時(shí)BF為高電平）ASTR（BSTR）：A口（B口）設(shè)備選通信號輸入線，低電平有效。（4）8155的命令/狀態(tài)字8155有一個(gè)命令/狀態(tài)字寄存器,實(shí)際上這是兩個(gè)不同的寄存器,分別存放命令字和狀態(tài)字。由于對命令寄存器只能進(jìn)行寫操作,對狀態(tài)寄存器只能進(jìn)行讀操作,因此把它們統(tǒng)一編址,合稱命令/狀態(tài)寄存器。1)命令字命令字共8位,用于定義I/O口與定時(shí)器的工作方式。2)狀態(tài)字圖4-98155的狀態(tài)字格式狀態(tài)寄存器和命令寄存器公用一個(gè)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(rèn)為，CPU讀該地址時(shí)，作為狀態(tài)寄存器，讀出的是當(dāng)前I/O口和定時(shí)器的狀態(tài)，而寫地址時(shí)，則作為命令寄存器對I/O口工作方式的選擇。4.4.2鍵盤接口電路設(shè)計(jì)（1）鍵盤種類與工作原理單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的鍵盤，一般有獨(dú)立式和行列式兩種，如圖4-10所示。1）獨(dú)立式鍵盤獨(dú)立式鍵盤中，每個(gè)鍵占用一根I/O口線，每個(gè)按鍵電路相對獨(dú)立如圖左所示。I/O口通過按鍵與地相連，I/O口有上拉電阻，無鍵按下時(shí)，引腳端為高電平，鍵按下時(shí)，引腳端電平被拉低。2）行列式鍵盤行列式鍵盤采用行列電路結(jié)構(gòu)。行列交點(diǎn)處通過按鍵相連，列線為輸出口，行線為輸入口，如圖右所示。列線口輸出全零電平時(shí)，如果沒有鍵按下，行線引腳上全部為高電平“1”狀態(tài)。若有任何一個(gè)鍵按下，行線引腳上為非全“1”狀態(tài)。在有鍵按下后，通過列線逐個(gè)送“0”，然后逐行檢查哪根行線為“0”狀態(tài)，即可查出是哪個(gè)按鍵。本次設(shè)計(jì)選用行列式鍵盤。圖4-10單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)鍵盤種類（2）鍵盤的工作方式鍵盤實(shí)際上是由排列成矩陣形式的一系列按鍵開關(guān)組成,用戶通過鍵盤可以向CPU輸入數(shù)據(jù)、地址和命令。鍵盤按其結(jié)構(gòu)形式可分為:編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤兩類。單片機(jī)系統(tǒng)中普遍使用非編碼式鍵盤,這類鍵盤主要解決以下幾個(gè)問題:鍵的識別;如何消除鍵的抖動;鍵的保護(hù)。非編碼式鍵盤識別按鍵的方法有三種:一是行掃描法,二是線反轉(zhuǎn)法，三是中斷掃描法。1)行掃描法通過行線發(fā)出低電平信號,如果該行線所連接的鍵沒有按下的話,則列線所接的端口得到的是全“1”信號,如果有鍵按下的話,則得到非全“1”信號。為了防止雙鍵或多鍵同時(shí)按下,往往從第0行一直掃描到最后1行,若只發(fā)現(xiàn)1個(gè)閉合鍵,則為有效鍵,否則全部作廢。找到閉合鍵后,讀入相應(yīng)的鍵值,再轉(zhuǎn)至相應(yīng)的鍵處理程序2)線反轉(zhuǎn)法線反轉(zhuǎn)法也是識別閉合鍵的一種常用方法,該法比行掃描速度快,但在硬件上要求行線與列線外接上拉電阻。先將行線作為輸出線,列線作為輸入線,行線輸出全“0”信號,讀入列線的值,然后將行線和列線的輸入輸出關(guān)系互換,并且將剛才讀到的列線值從列線所接的端口輸出,再讀取行線的輸入值。那么在閉合鍵所在的行線上值必為0。這樣,當(dāng)一個(gè)鍵被按下時(shí),必定可讀到一對唯一的行列值。3)中斷掃描方式中斷掃描方式下單片機(jī)不必查詢鍵盤情況，只需開放鍵盤中斷請求。當(dāng)有鍵按下時(shí)，會請求中斷，在中斷服務(wù)程序中再檢查是哪個(gè)鍵按下。圖4-11所示為中斷方式鍵盤按口電路。與查詢方式相比，中斷方式中增加了中斷源生成電路，并要求單片機(jī)提供一個(gè)外部中斷輸入端口。圖4-11中中斷源生成電路為多輸入端與門，當(dāng)有鍵按下時(shí)，與門輸入端有“0”狀態(tài)出現(xiàn)，輸出低電平的中斷請求信號。圖4-11中斷方式鍵盤接口電路（3）鍵盤接口電路圖4-12采用8155的鍵盤接口電路4.4.3LED顯示器接口（1）LED顯示器結(jié)構(gòu)與原理圖4-137段LED數(shù)碼顯示器各段碼位的對應(yīng)關(guān)系如下:（2）LED顯示器接口電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，同時(shí)需要使用鍵盤和顯示器，常常把鍵盤和顯示器做在一起，如圖4-14所示。圖4-146位動態(tài)顯示器接口4.5步進(jìn)電機(jī)接口與其輔助電路在此經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的角位移的電動機(jī)。其角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成反比，通過改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的脈沖需要按所要求的順序提供給電機(jī)各項(xiàng)。脈沖分配器就是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)脈沖通電順序的。為使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定功率，需要有足夠功率提供給電動機(jī)，因此需要有功率放大環(huán)節(jié)。脈沖分配器與前面的的微機(jī)接口芯片，工作電平一般為5V，而作為電動機(jī)電源的需符合步進(jìn)電機(jī)要求的額定值。為避免強(qiáng)電對弱電的干擾，在它們之間應(yīng)采用隔離電路。4.5.1脈沖分配器脈沖分配器又叫環(huán)形分配器，有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種。硬件環(huán)形分