35-二坐標數控工作臺設計【CAD圖紙+word說明書】,CAD圖紙+word說明書,35,坐標,數控,工作臺,設計,cad,圖紙,word,說明書,仿單 寧波大學科學技術學院 寧波大學科技學院理工分院 機械設計制造及其自動化專業(yè) 機電模塊課程設計 設計題目 二坐標數控工作臺設計 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 姓 名 童瑞甫 學 號 084173945 班 級 08機械（1）班 指導教師 胡利永 學 期 2011～2012學年第二學期 設計時間 2012、02、17～2012、03、09 內 附 資 料 1、課程設計說明書一份（含設計任務書）； 2、二坐標數控工作臺裝配圖一張（A0）； 3、二坐標數控工作臺電氣控制原理圖一張（A1）； 4、計算說明書草稿一份。 成 績 2012、03 目錄 一.總體方案擬定 ………………………………… （3） 二．X軸參數確定及選擇 ……………………… （3） 1.脈沖當量選擇 ……………………………………… （3） 2.圓柱齒輪傳動設計 ………………………………（3） 2.1齒輪強度計算 ………………………………（5） 2.2齒輪尺寸計算 ………………………………（5） 2.3等效轉動慣量計算 ………………………………（6） 2.4等效負載轉矩計算 ………………………………（6） 3.X軸聯軸器選擇 ………………………………（7） 4.x軸滾珠絲杠設計計算 ………………………………（9） 5.X軸滾動導軌設計計算 ………………………………（9） 三.Y軸參數確定及選擇 ………………………………（9） 1.脈沖當量選擇 ………………………………（9） 2.等效轉動慣量計算 ………………………………（9） 3.等效負載轉矩計算 ………………………………（10） 4.Y軸聯軸器選擇 ………………………………（10） 5.Y軸滾珠絲杠設計計算 ………………………………（11） 6.Y軸滾動導軌設計計算 ………………………………（11） 四、控制系統(tǒng)設計 ………………………………（12） 1.設計內容 ………………………………（12） 2.設計步驟 ………………………………（12） 3.總體方案擬定 ………………………………（12） 3.1主控CPU選擇 ………………………………（12） 3.2存儲擴展電路設計 ………………………………（12） 3.3步進電機驅動電路設計 ………………………………（15） 3.4其他輔助設計 ………………………………（16） 4.數控系統(tǒng)硬件電路設計 ………………………………（16） 五、參考文獻 … …………………………………………………（17） 一、 總體方案擬定 方案擬定即確定工作臺傳動的形式和控制方式及主要部件或器件的類型。 （1）驅動控制方式 由給定的工作臺精度要求較低，為簡化結構，故采用單片機控制的步進電機驅動系統(tǒng)。主要由步進電機、單片機驅動控制電路、滾珠絲杠副組成。 （2）傳動形式確定 工作臺X方向和Y方向兩個坐標分別采用步進電機單獨驅動。 工作臺X方向采用一級齒輪傳動方式，可以通過降速擴大轉矩輸出，匹配進給系統(tǒng)慣量，獲得要求的輸出機械特性，同時減小脈沖當量。 工作臺Y方向采用直接傳動方式，電機通過剛性聯軸器與滾珠絲杠聯結。結構緊湊，傳動效率高。絲杠轉速與轉矩輸出完全與電機的輸出特性一致。 二、X軸步進電機參數確定及選擇 由已知設計參數：vx=2.0 m/min=0.033m/s, Fx=180N,則 Px=Fxvx=5.94W 1 脈沖當量選擇 初選三相電機，按三相六拍工作時，步矩角α=0.75°,初定脈沖當量 δ=0.005mm/p, 絲杠導程tsP=5 mm,中間齒輪傳動比i為: i=(αtsP)／(360δ)=0.75×5／(360×0.005)=2.1 由i確定齒輪齒數為Z1=20,Z2=42,模數m=2mm,大齒輪齒寬b2=10mm ，則b1=12mm 2 圓柱斜齒輪傳動設計 (1）.選精度為7級 (2）.選小齒輪為40Cr（調質），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質）,硬度為240HBS，兩者硬度差為40HBS (3）.選擇齒數Z1=20,Z2=Z1×i=20×2.1＝42 (4）.選取螺旋角， 初選β＝14o 2.1 齒輪強度計算 （1）按齒面接觸疲勞強度設計d1t>={2Kt×T1×（u＋1）×(ZHZE)2/[Φd×εa×u×[σH]2]}(1/3) 1).試選Kt=1.6, 查表可得材料彈性影響系數ZE＝189.8MPa 2).查機械設計教材，選取區(qū)域系數ZH=2.433, 選取齒寬系數Φd＝0.3， 3). 查表得εa1＝0.78，εa2 ＝0.85，則εa＝εa1+εa2 ＝1.63 4).應力循環(huán)系數取j=1， 所以： N1=60n2jLh=60×1500×1×(2×8×300×15)＝6.480×109 N2=N1/u=6.480×109/2.1＝3.08×109 5）.查表得接觸疲勞壽命系數KHN1=0.85,KHN2=0.89, 6).查表得小齒輪接觸疲勞強度極限σHlim1=600MPa,大齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim2=550MPa, 7).計算接觸疲勞強度許用應力：取失效概率為1%，取安全系數S=1, [σH]1＝KHN1×σHlim1/S=0.85×600/1＝510MPa [σH]2＝KHN2×σHlim2/S=0.87×550/1＝489.5MPa [σH]=[σH]1+[σH]2)/2=499.75 MPa 8) 計算小齒輪傳遞的轉矩： T1=95.5×105Px/nx=95.5×105×0.00594/1500=37.82N.mm （2） 計算 1）.試算小齒輪分度圓直徑 d1t≥{2×1.6×44.121×3.083/（0.3×1.630×1.25）×（2.433×189.8/494.25）2）}（1/3）＝6.94mm ，取d1t=7.0mm 2).計算圓周速度 v=лd1tn1/(60×1000)＝0.55m/s 3).計算齒數b及模數mnt： b=Φdd1t=0.3×7＝2.1mm mnt=d1tcosβ/Z1=7×cos14o/20=0.34 h=2.25mnt=2.25×0.34mm =0.76 mm b/h=2.1/0.76=2.8 4).縱向重合度εβ＝0.318×Φd×Z1×tanβ=0.318×0.3×20×tan14o=0.48 5).計算載荷系數K,查課本得使用系數KA=1.25,根據v=0.033 m/s ,7級精度，查得動載系數Kv=1.01,由b/h=2.8,查得KHα=KFα=1.2,故載荷系數K=KAKvKHαKFα=1.25×1.01×1.2×1.2＝1.69 6）.分度圓直徑d1=d1t(K/Kt)(1/3)=7×（1.69/1.6）（1/3）=7.13 mm 7).計算模數mn=d1×cosβ/Z1=7.13×cos14o/20=0.35 mm (3）按齒輪彎曲強度設計 mn>={(2KT2YβCOS2β/ΦdZ12εα)×(YFαYSα/[σF])}(1/3) 1）計算載荷系數，K=KA×Kv×KFα×KFβ=1.25×1.01×1.2×1.2＝1.69 2）根據縱向重合度εβ＝0.48，查表得螺旋角影響系數Yβ=0.91 3）計算當量齒數Zv1=Z1/cos3β=20/cos314o=21.2 4）查得,YFa1=2.763,YSa1=1.592,YFa2=2.375,YSa2=1.672 因為小齒輪彎曲極限強度σFE1=500MPa,大齒輪σFE2＝380MPa,查得彎曲疲勞壽命系數KFN1=0.85,KFN2=0.87,取安全系數S=1.1，則 [σF]1＝KHN1×σFE1/S=386MPa [σF]2＝KHN2×σFE1/S＝304MPa 5）計算大、小齒輪YFa1 YSa1/[σF]1并加以比較 YFa1 YSa1/[σF]1＝2.763×1.562/386=0.0112 YFa2YSa2/[σF]2=2.375×1.672/304＝0.013 比較后取大齒輪數據 6）設計計算mn>={2×1.69×37.82×0.91×0.013×(cos14°)2/（0.3×202×1.63）}（1/3）＝0.187m 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算得法面模數mn大于齒根彎曲疲勞強度計算得法面模數，取mn＝2 mm，已可滿足彎曲強度，但為了同時滿足接觸疲勞強度，需按接觸疲勞強度計算得的分度圓直徑d1=20mm ,來計算應有的齒數，于是有 Z1=d1cosβ/mn=20×cos14o/2＝9.7，取Z1＝20，則Z2＝i×Z1=2.1×24＝42 2.2 齒輪幾何尺寸計算 ①中心距 a=( Z1+Z2)mn/(2×cosβ)=(20+42)×2/（2×cos14o）＝63.9 mm 所以圓整為64 mm ②按圓整后的中心距修正螺旋角β＝arccos[(Z1+Z2)mn/2a]=arcos[(20+42)×2/(2×64) =14.36 o ③計算大、小齒輪分度圓直徑 d1=Z1mn/cosβ=20×2/cos14.36o =41.29mm d2=Z2mn/cosβ=30×2/cos14.36o =86.7mm ④計算齒輪寬度b=Φdd1=0.3×41.29＝12.36 mm，所以取B2=13mm,小齒輪取B1=16mm 2.3等效轉動慣量計算(不計傳動效率) 小齒輪轉動慣量Jg1=(πd14b1ρ)／32=[π44×1.4×7.85×10-3]／32 =0.276×10-4 kg.m2 式中 鋼密度ρ=7.85×10-3 kg/cm3 同理,大齒輪轉動慣量 Jg2=0.498×10-4 kg.m2 查設計手冊初選滾珠絲杠 CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=430 mm 滾珠絲杠轉動慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(2)4×43×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =0.53×10-4 kg.m2 工作重物為12kg Jw=(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2 =12×(0.5／2π) 2 ÷2.12×10-4 kg.m2 =1.71×10-6 kg.m2 因此,折算到電機軸上的等效轉動慣量Je Je= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) ÷i2 =0.807×10-4 kg.m2 2.4 等效負載轉矩計算(以下為折算到電機軸的轉矩) 查設計指導書(4-7)~(4-9)可知: Mt=[(Fx+μFy) tsP]/(2πηi)= [(180+0.06×140)×0.005]/(2π×0.8×2.1)=0.089N.m Mf= (Ff tsP)/(2πηi)= (μW tsP)/(2πηi)=(0.06×12×10×0.005)/ (2π×0.8×2.1)=0.00341N.m 上述式中 η—絲杠預緊時的傳動效率取 η=0.8 μ——為摩擦系數取0.06 nmax=(vmax/δ)×(α/360°)=(2000/0.005) ×(0.75/360)=833 r/min 取起動加速時間tα=0.03 s 初選電動機型號70BF003,其最大靜轉矩 Mjmax=0.784N.m,轉動慣量Jm=0.3×10-4 kg．m2, fm=1600Hz. M0=(Fp0tsp)÷(2πηi) ×(1-η02)= (1/3Fxtsp)÷(2πηi) ×(1-η02) =[(1/3) ×180×0.006]÷(2π×0.8×2.1) ×[1-0.92]=0.054 N.m 式中 Fp0—滾珠絲杠預加負荷,一般取Fy/3 Fy—進給牽引力(N) η0—滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,取0.9 J=( Je +Jm)= 0.807×10-4 kg．m2+0.3×10-4 kg.m2 =1.107×10-4 kg.m2 Ma=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)= 0.2926N.m Mq= Ma+ Mf+ M0=0.2926+0.00341+0.054=0.35N.m Mc= Mt+ Mf+ M0=0.089+0.00341+0.054=0.1464N.m Mk= Mf+ M0=0.00341+0.054=0.05741N.m 從計算可知, Mq最大,作為初選電動機的依據. Mq/ Mjmax=0.446<0.9 滿足所需轉矩要求. 4)步進電機動態(tài)特性校驗 Je /Jm<4 說明慣量可以匹配 綜上所述,可選該型號步進電機 3.X軸聯軸器選擇 聯軸器除聯接兩軸并傳遞轉矩外，有些還有補償兩軸因制造和安裝誤差而造成的軸線偏移的功能，以及具有緩沖、吸振、安全保護等功能。因此要根據傳動裝置工作要求來選定聯軸器類型。本方案選擇套筒聯軸器。 4. X軸滾珠絲杠設計 （1）滾珠絲杠副的結構類型 ①滾珠循環(huán)方式 由設計指導書表5-1查得,選擇外循環(huán)插管式 ②軸向間隙預緊方式 預緊目的在于消除滾珠螺旋傳動的間隙,避免間隙引起的空程,從而提高傳動精度.由表5-2查得,采用雙螺母墊片預緊方式. (2)滾珠絲杠副直徑和基本導程系列 采用絲杠公稱直徑 20mm,導程為5mm, 絲杠外徑19.5mm，絲杠底徑17.76mm，循環(huán)圈數2.5，基本動載荷7417N，基本靜載荷15311N，剛度376N/um. (3)滾珠絲杠精度等級確定 ①絲杠有效行程 由導程查得余程le=20 mm， 得絲杠有效行程lv=lu-le，lu =150-20=130 mm ②精度等級 根據有效行程內的平均行程允許偏差ep=0.02/300*130*103=8.6 由表5-5得,精度等級為T2 (4)滾珠絲杠副支承形式選擇 滾珠絲杠主要承受軸向載荷,應選用運轉精度高,軸向剛度高、摩擦力距小的滾動軸承.滾珠絲杠副的支承主要約束絲杠的軸向串動,其次才是徑向約束.由表5-6查得,采用一端固定一段游動(F-S)支承形式. (5)滾珠絲杠副的選擇 高速或較高轉速情況，按額定動負荷Ca≥Caj選擇滾珠絲杠副 由式（3-2）可知：Caj=[(Fefw)/(fhftfafk)]×[(60Lhne)/(106)]1/3 式中 Caj -–滾珠絲杠副的計算軸向動負荷(N) Fe--絲杠軸向當量負荷(N). 取進給抗力和摩擦力之和的一半Fe=162N ne--絲杠當量轉速(r/min).取最大工作進給轉速 ne=200r/min. Lh--絲杠工作壽命(h). 查考[2]表5-7得Lh=15000 h. ft--溫度系數. 查[2]表5-8,得ft=0.70 fa--精度系數. 查[2]表5-9得fa=1.0 fw--負載性質系數. 查[2]表5-10得fw=0.95 fh--硬度系數.查[2]表5-11得fh=1.0 fk--可靠性系數.查[2]表5-12得fk=0.21（可靠度99%） 計算得Caj=5.11KNFmax ②臨界轉速 對于在高速下工作的長絲杠，須驗算其臨界轉速，以防止絲杠共振. ncr=9910(f22d2)/Lc2 式中 f2--絲杠支承方式系數,F -S取3.927 Lc --臨界轉速計算長度. Lc =0.25m. d2--絲杠螺紋底徑,取0.016m ncr= 9962r/min > nmax, 同時驗算絲杠另一個臨界值 d0n=20*833=16660<70000 ③軸承選角接觸球軸承7001AC. (7)滾動導軌副的防護 ①滾珠絲杠副的防護裝置 ,采用專業(yè)生產的伸縮式螺旋彈簧鋼套管. ②滾珠絲杠副的密封 滾珠絲杠副兩端的密封圈如裝配圖所示.材料為四氟乙烯,這種接觸式密封須防止松動而產生附加阻力. ③滾珠絲杠副的潤滑 潤滑劑用鋰基潤滑劑. 5.X軸滾動導軌設計計算 (1) 本方案選擇HJG-D35型滾動導軌 ，E級精度，fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1 (2) 壽命按十年，每年工作300天,每天工作8h,開機率0.8計,額定壽命為: Lh=10×300×8×0.8=19200 h 3)滾動導軌間隙調整 預緊可以明顯提高滾動導軌的剛度,預緊采用過盈配合,裝配時,滾動體、滾道及導軌之間有一定的過盈量. (4)潤滑與防護 潤滑:采用脂潤滑,使用方便,但應注意防塵. 防護裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進入導軌,以提高導軌壽命.防護方式用蓋板式. 三、Y軸方案及參數計算 Y軸步進電機參數確定及選擇 Y參數選定與計算 vy=1.45m/min=0.024m/s , Fy=140N , Px=Fyvy=3.38W 1 脈沖當量選擇 初選五相電機，按五相五拍工作時，步矩角α=0.72°,初定脈沖當量δ=0.005mm/p, 絲杠導程tsP=5 mm,中間齒輪傳動比i為: i=(αtsP)／(360i)=0.72×5／(360×0.005)=2 由i確定齒輪齒數為Z1=20,Z2=40,模數m=2mm,齒寬b1=12mm,b2=10mm 2 等效轉動慣量計算(不計傳動效率) Jg1=(πd14b1ρ)／32=[π(4)4×1.2×7.85×10-3]／32 =0.2×10-4kg.m2 式中 鋼密度ρ=7.85×10-3 kg/cm3 同理,大齒輪轉動慣量 Jg2=0.481×10-4 kg.m2 初選滾珠絲杠CDM2005-3, 得到 d0=20 mm ,l=380 mm 滾珠絲杠轉動慣量 Js=(πd04lρ)／32={[π(2)4×38×7.85×10-3]／32}×10-4 kg.m2 =0.468×10-4 kg.m2 Jw=(w/g)×(tsP／2π) 2 ÷i2 =25×(0.5／2π) 2 ÷22×10-4 kg.m2 =3.962×10-6 kg.m2 因此,折算到電機軸上的等效轉動慣量Je Je= Jg1+ Jw+( Jg2+Js) ÷i2 =0.477×10-4 kg.m2 3 等效負載轉矩計算(以下為折算到電機軸的轉矩) 由指導書(4-7)~(4-9)可知: Mt=[(Fy+μFx) tsP]/(2πηi)= [(140+0.06×180) × 0.005]/(2π×0.8×2)=0.075 N.m Mf= (Ff tsP)/(2πηi)= (μW tsP)/(2πηi)=(0.06×120×0.005)/ (2π×0.8×2)=3.58×10-3N.m 上述式中 η—絲杠預緊時的傳動效率取 η=0.8 μ——為摩擦系數取0.06 nmax=(vmax/δ)×(α/360°)=(1450/0.005) ×(0.72/360)=580r/min 取起動加速時間tα=0.03 s 初選電動機型號75BF006A,其最大靜轉矩 Mjmax=1.95N.m,轉動慣量Jm=0.7×10-4 kg．m2, fm=1450Hz. 故 M0=(Fp0tsp)÷(2πηi) ×(1-η02)= (1/3Fytsp)÷(2πηi) ×(1-η02) =[(1/3) ×140×0.005]÷(2π×0.8×2) ×[1-0.92]=0.0044 N.m 式中 Fp0—滾珠絲杠預加負荷,一般取Fy/3 Fy—進給牽引力(N) η0—滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,取0.9 J=( Je +Jm)= 0.477×10-4 kg．m2+0.7×10-4 kg.m2 =1.177×10-4 kg.m2 Ma=( Je +Jm)( 2πnmax)/(60tα)=1.177×10-4 ×(2π×580)÷(60×0.03)= 0.238N.m Mq= Ma+ Mf+ M0=0.238+0.00358+0.0044=0.2459N.m Mc= Mt+ Mf+ M0=0.0075+0.00358+0.0044=0.01548N.m Mk= Mf+ M0=0.00358+0.0044=0.00798N.m 從計算可知, Mq最大,作為初選電動機的依據. Mq/ Mjmax=0.14<0.9 滿足所需轉矩要求. 4)步進電機動態(tài)特性校驗 Je /Jm=0.477/0.7=0.68<4 說明慣量可以匹配 綜上所述,可選該型號步進電機,具有一定的裕量. 4 Y軸聯軸器選擇 聯軸器除聯接兩軸并傳遞轉矩外，有些還有補償兩軸因制造和安裝誤差而造成的軸線偏移的功能，以及具有緩沖、吸振、安全保護等功能。因此要根據傳動裝置工作要求來選定聯軸器類型。本方案選擇套筒聯軸器。 5 Y軸滾珠絲杠設計計 （1）滾珠絲杠副的結構類型 ①滾珠循環(huán)方式 由表5-1查得,選擇外循環(huán)插管式 ②軸向間隙預緊方式 預緊目的在于消除滾珠螺旋傳動的間隙,避免間隙引起的空程,從而提高傳動精度.由表5-2查得,采用雙螺母墊片預緊方式. (2)滾珠絲杠副直徑和基本導程系列 采用絲杠公稱直徑 20mm,導程為5mm, 絲杠外徑19.5mm，絲杠底徑17.76mm，循環(huán)圈數5，基本動載荷14205N，基本靜載荷38244N，剛度730N/um. (3)滾珠絲杠精度等級確定 ①絲杠有效行程 由導程查得余程le=20 mm， 得絲杠有效行程lv=lu-le，lu =100-20=80 mm ②精度等級 根據有效行程內的平均行程允許偏差ep=0.015/300*80*103=4 由表5-5得,精度等級為T1 (4)滾珠絲杠副支承形式選擇 由表5-6查得,采用一端固定一端游動(F-S)支承形式. (5)滾珠絲杠副的選擇 本方案屬于高速或較高轉速情況，按額定動負荷Ca≥Caj選擇滾珠絲杠副 Caj=[(Fefw)/(fhftfafk)]×[(60Lhne)/(106)]1/3 式中 Caj -–滾珠絲杠副的計算軸向動負荷(N) Fe--絲杠軸向當量負荷(N). 取進給抗力和摩擦力之和的一半Fe=126N ne--絲杠當量轉速(r/min).取最大工作進給轉速 ne=145 r/min. Lh--絲杠工作壽命(h). 查考[2]表5-7得Lh=15000 h. ft--溫度系數. 查[2]表5-8,得ft=0.70 fa--精度系數. 查[2]表5-9得fa=1.0 fw--負載性質系數. 查[2]表5-10得fw=0.95 fh--硬度系數.查[2]表5-11得fh=1.0 fk--可靠性系數.查[2]表5-12得fk=0.21（可靠度99%） 計算得Caj=3854.9NFmax ②臨界轉速 對于在高速下工作的長絲杠，須驗算其臨界轉速，以防止絲杠共振. ncr=9910(f22d2)/Lc2 式中 f2--絲杠支承方式系數,F -S取3.927 Lc --臨界轉速計算長度. Lc =0.32m. d2--絲杠螺紋底徑,取0.0175m ncr= 26117r/min > nmax, ③軸承選角接觸球軸承7001AC. (7)滾動導軌副的防護 ①滾珠絲杠副的防護裝置 ,采用專業(yè)生產的伸縮式螺旋彈簧鋼套管. ②滾珠絲杠副的密封 滾珠絲杠副兩端的密封圈如裝配圖所示.材料為四氟乙烯,這種接觸式密封須防止松動而產生附加阻力. ③滾珠絲杠副的潤滑 潤滑劑用鋰基潤滑劑. 6 Y軸滾動導軌設計計算 （1）選HJG-D35 型滾動導軌 ，E級精度，fh=1,ft=1,fc=0.81 ,fa=1,fww=1 （2）壽命按10年，每年工作300天,每天8h,開機率0.8計,額定壽命為: Lh=10×300×8×0.8=19200 h （3）滾動導軌間隙調整 預緊可以明顯提高滾動導軌的剛度,預緊采用過盈配合,裝配時,滾動體、滾道及導軌之間有一定的過盈量. (4)潤滑與防護 潤滑:采用脂潤滑,使用方便,但應注意防塵. 防護裝置的功能主要是防止灰塵、切屑、冷卻液進入導軌,以提高導軌壽命. 防護方式用蓋板式. 四、控制系統(tǒng)設計 (一) 設計內容 １.按照總統(tǒng)方案以及機械結構的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖； ２.選擇計算機或中央處理單元的類型； ３.根據控制系統(tǒng)的具體要求設計存儲器擴展電路； ４.根據控制對象以及系統(tǒng)工作要求設計擴展Ｉ／Ｏ接口電路，檢測電路，轉換電路以及驅動電路等； ５.選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數和型號； ６.繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標明各器件的型號，管腳號及參數； ７.說明書中對電氣原理圖以及各有關電路進行詳細的原理說明和方案論證。 （二） 設計步驟 １.確定硬件電路的總體方案。 數控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成： 1、 主控制器。即中央處理單元CPU 2、 總線。包括數據總線，地址總線，控制總線。 3、 存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數據存儲器。 4、 接口。即I/O輸入輸出接口。 數控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示： 存儲器RAM ROM 外設： 鍵盤，顯示器，打印機，磁盤機，通訊接口等 輸入/輸出 I/O接口 信號變換 控制對象 ２.主控制器ＣＰＵ的選擇 ＭＣＳ－５１系列單片機是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等為一體的功能性很強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設計選用８０３１芯片作為主控芯片。 ３.存儲器擴展電路設計 (１）程序存儲器的擴展 單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型號有： 2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為２k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時要考慮ＣＰＵ與ＥＰＲＯＭ時序的匹配。８０３１所能讀取的時間必須大于ＥＰＲＯＭ所要求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇２７６４芯片作為本次設計的程序存儲器擴展用芯片。 單片機規(guī)定Ｐ0口提供８為位地址線，同時又作為數據線使用，所以為分時用作低位地址和數據的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲器提高低８位的地址信息，一般采用７４ＬＳ３７３芯片作為地址鎖存器，并由ＣＰＵ發(fā)出允許鎖存信號ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。 由以上分析，采用２７６４EPROM 芯片的程序存儲器擴展電路框圖如下所示： A12 ↓ A8 2764 A7 ↓ A0 D7 ↓ D0 P1.7 ↓ P1.0 P2.4 ↓ P2.0 ALE P0.7 ↓ P0.0 譯碼電路 G 74LS372 擴展2764電路框圖 (２）數據存儲器的擴展 由于８０３１內部ＲＡＭ只有１２８字節(jié)，遠不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴展片外的數據存儲器。單片機應用系統(tǒng)數據存儲器擴展電路一般采用6116,6262靜態(tài)RAM數據存儲器。本次設計選用６２６４芯片作為數據存儲器擴展用芯片。其擴展電路如下所示： P2.4 ↓ P2.0 ALE P0.7 ↓ P0.0 A12 ↓ A8 A7 ↓ 6264 A0 D7 ↓ D0 ↓ D0 譯碼電路 G 74LS372 擴展6264電路框圖 (３）譯碼電路 在單片機應用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機相連。單片機數據總線分時的與各個外圍芯片進行數據傳送。故要進行片選控制。由于外圍芯片與數據存儲器采用統(tǒng)一編址，因此單片機的硬件設計中，數據存儲器與外圍芯片的地址譯碼較為復雜?？刹捎镁€選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結構簡單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對于ＲＡＭ和Ｉ／Ｏ容量較大的應用系統(tǒng)，當芯片所需的片選信號多于可利用的地址線的時候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內地址，而用譯碼器對高位地址線進行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。 （4）存儲器擴展電路設計 8031單片機所支持的存儲系統(tǒng)起程序存儲器和數據存儲器為獨立編址。 該設計選用程序存儲器2764和數據存儲器6264組成8031單片機的外存儲器擴展電路， （5）Ｉ／Ｏ擴展電路設計 (a).通用可編程接口芯片８１５５ ８０３１單片機共有４個８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用戶使用的只有Ｐ1口及部分Ｐ3 口線。因此要進行Ｉ／Ｏ口的擴展。８１５５與微機接口較簡單，是微機系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。 (b).鍵盤，顯示器接口電路 鍵盤，顯示器是數控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設備，可以完成數據的輸入和計算機狀態(tài)數據的動態(tài)顯示。通常，數控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，即用Ｉ／Ｏ口線組成行，列結構，按鍵設置在行列的交點上。 數控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有ＬＥＤ和ＬＣＤ。下圖所示為采用８１５５接口管理的鍵盤，顯示器電路。它有４Ｘ８鍵和６位ＬＥＤ顯示器組成。為了簡化秒電路，鍵盤的列線及ＬＥＤ顯示器的字位控制共用一個口，即共用８１５５的PＡ口進行控制，鍵盤的行線由８１５５Ｃ口擔任，顯示器的字形控制由8155的PB口擔任。 鍵盤顯示器接口電路如下所示： 4．步進電機驅動電路設計 (1）脈沖分配器 步進電機的控制方式由脈沖分配器實現，其作用是將數控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各相繞組，實現電機正反轉。數控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設計采用集成脈沖分配器YB013。 （2）光電隔離電路 在步進電機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經放大后控制步進電機的勵磁繞組。如果將輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實現電氣隔離，通常使用光電耦合器。光電耦合器接線圖如下： （3）功率放大器 脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要，，必須將其輸出信號放大產生足夠大的功率，才能驅動步進電機正常運轉。因此必須選用功率放大器，需根據步進電機容量選擇功率放大器。本設計選用功率放大器。 5．其它輔助電路設計 （１）８０３１的時鐘電路 　　　單片機的時鐘可以由兩種方式產生：內部方式和外部方式。 　　　內部方式利用芯片的內部振蕩電路，在XTAL1,XTAL2引腳上外接定時元件，如下圖所示。晶體可以在１.２～１２之間任意選擇，耦合電容在５～３０pF之間，對時鐘有微調作用。采用外部時鐘方式時，可將XTAL1直接接地，XTAL2接外部時鐘源。 8031 XTAL1 XTAL2 時鐘電路 （２）復位電路 　　　單片機的復位都是靠外部電路實現。在時鐘工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引腳上出現 １０ms以上的高電平，單片機就實現狀態(tài)復位，之后ＣＰＵ便從００００Ｈ單元開始執(zhí)行程序。在實際運用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復位電平與８０３１復位要求一致時，可以直接相連。當晶振頻率選用６ＭＨz時，復位電路中Ｃ?。玻玻?，Ｒ?。玻埃埃。保埃埃?。 （３）越界報警電路 　　　為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關。利用光電耦合電路，將行程開關接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至８０３１的Ｉ／Ｏ口Ｐ1.0。當任何一個行程開關被壓下的時候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導通，由低電平變成高電平。８０３１可利用軟件設計成查詢的方法隨時檢查有無越界信號。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至８０３１的外部中斷引腳（ＩＮＴ０或ＩＮＴ１），采用中斷方式檢查越界信號。 （三）數控系統(tǒng)硬件電路設計 該系統(tǒng)選用ＭＣＳ－５１系列的８０３１作為主控制器。擴展存儲電路為一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存儲器擴展為４Ｋ，數據存儲器擴展為８Ｋ。 ２７３２的片選控制端直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復位以后，CPU從0000H開始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端由譯碼器（74LS138）的Y2輸出提供。所以6264的空間地址為4000 ～５ＦＦＦＨ。 系統(tǒng)的擴展I/O接口電路選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片8155。8155的片選 端接至譯碼器（74LS138）的Y4的輸出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址號分別為8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H—80FFH。 8155的A口為控制工作抬X，Y向電機的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不步進電機接口與功率放大器之間采用光電隔離。 鍵盤與顯示器設計在一起，8155的PC口擔任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制；PB口的PB0—PB3為鍵盤的行線。8031的P1口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用4X6共24個行列式鍵盤和6位8段共陰極LED顯示器。為了增加數碼管顯示亮度，分別在字形口和字位口加74LS07進行驅動。 PB口剩余的I/O線PB4—PB7分別作為工作臺+X，+Y，-X，-Y四個方向的行程限位控制信號。在軟件設計上8155的PA口，PC口設置為輸出，PB口設置為輸入。計算機隨時巡回檢測PB4—PB7的電平，當某I/O線為0時，應立即停止X，Y向電機的驅動，并發(fā)出報警信號。 九、參考文獻： [1] 濮良貴主編 .機械設計 .第八版 .北京：高等教育出版社 ， 2001 [2] 吳宗澤主編 .機械設計課程設計手冊 .第二版 .北京 .高等教育出版社 . 1999 [3] 機械電子工程專業(yè)課程設計指導書 [4] 機電一體化技術手冊編委會編. 機電一體化技術手冊(上、下). 機械工業(yè)出版社, 1999. 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