機(jī)電一體化畢業(yè)設(shè)計(jì)最大加工直徑為500毫米普通車床的進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、NANCHANGUNIVERSITY本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目最大加工直徑為500毫米普通車床的進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 校： 南昌大學(xué) 專 業(yè)： 機(jī)電一體化工程 班 級(jí)： 09機(jī)電本科（1）班 學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名： 劉云 指導(dǎo)教師： 李老師 起訖日期： 2011年9月2011年10月 目 錄摘要·························&#

2、183;··································2Abstract··············

3、;··········································3第一章：緒論4 1.1數(shù)控機(jī)床的概念、組成、特點(diǎn) 4數(shù)控機(jī)床的概念4數(shù)控機(jī)床的組成4數(shù)控機(jī)床

4、的特點(diǎn)5 1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)張趨勢(shì)與現(xiàn)狀5 1.3設(shè)計(jì)的內(nèi)容與方法6第二章：數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)總體方案 7 2.1進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的組成和原理7 2.2進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)部件8 2.3進(jìn)給傳動(dòng)伺服系統(tǒng)的選擇9 2.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求·······························

5、3;·········10 2.5方案設(shè)計(jì)內(nèi)容······································

6、3;··11第三章：機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 14 3.1確定系統(tǒng)脈沖量14 3.2切削力計(jì)算15 3.3滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型···························15 3.4齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算······

7、3;······················19 3.5縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算·························

8、········20 3.4步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型21第四章:微機(jī)數(shù)控機(jī)床硬件系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì) 244.1微型計(jì)算機(jī)的選擇24 MCS-51的信號(hào)引腳24 4.1.2 8051單片機(jī)基本組成 264.2擴(kuò)展存儲(chǔ)器的選擇27 4.3確定I/O及鍵盤接口28按鍵開關(guān)去抖動(dòng)問(wèn)題29 按鍵連接方式 30鍵盤掃描控制方式31結(jié)束語(yǔ) 33參考文獻(xiàn) 34摘     要：隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化的要求日益提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來(lái)越快，多品種小批量生產(chǎn)比重加大，零件形狀越來(lái)越

9、復(fù)雜，精度越來(lái)越高，此外，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求產(chǎn)品研制周期越來(lái)越短，傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造手段已經(jīng)難于滿足這種變化，為了解決這些問(wèn)題，數(shù)控機(jī)床就這樣應(yīng)運(yùn)而生。在本次設(shè)計(jì)中，就包括了關(guān)于數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，并且針對(duì)本次設(shè)計(jì)的課題，擬定了一系列的方案，進(jìn)給系統(tǒng)的總體方案，數(shù)控車床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械部分，以及數(shù)控系統(tǒng)的硬件分析和設(shè)計(jì)。關(guān)鍵字：數(shù)控機(jī)床 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 伺服電機(jī) 傳動(dòng)系統(tǒng)Abstract As science and technology and continuous development of society, society's demands for increa

10、sing product diversification, product upgrades faster and faster, and more varieties of small batch production increased in importance, more and more complex shape parts, increasing accuracy, In addition, the fierce market competition requires product development cycles are getting shorter, conventi

11、onal processing equipment and manufacturing methods have been difficult to meet such changes, in order to solve these problems, numerical control machine tools came into being this way.In this design, it includes information on the basics of digital technology and design for this project, developed

12、a series of solutions into the overall solution to the system, CNC lathe feed drive system of mechanical parts, and CNC system hardware analysis and design.Keywords: CNC machine CNC servo motor drive system microcontroller第一章：緒論1.1數(shù)控機(jī)床的概念，組成，特點(diǎn) ：數(shù)控機(jī)床的概念：數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床的簡(jiǎn)稱，是指用數(shù)字指令來(lái)控制機(jī)械執(zhí)行預(yù)圖1-1數(shù)控機(jī)床定的動(dòng)作，通常由

13、硬件電路發(fā)出數(shù)字化信號(hào)，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機(jī)床動(dòng)作數(shù)控折彎?rùn)C(jī)并加工零件。數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問(wèn)題，是一種柔性的、高效能的自動(dòng)化機(jī)床，代表了現(xiàn)代機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。數(shù)控機(jī)床的組成：數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體組成，其中實(shí)線部分表示開環(huán)系統(tǒng)。為提高加J精度，再加入測(cè)量裝置，由虛線構(gòu)成反饋，稱為閉環(huán)系統(tǒng)。主機(jī)：他是數(shù)控機(jī)床的主體，包括機(jī)床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。他是用于完成各種切削加工的機(jī)械部件。數(shù)控

14、裝置：是數(shù)控機(jī)床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機(jī)等）以及相應(yīng)的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。驅(qū)動(dòng)裝置：他是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件，包括主軸驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給單元、主軸電機(jī)及進(jìn)給電機(jī)等。他在數(shù)控裝置的控制下通過(guò)電氣或電液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。當(dāng)幾個(gè)進(jìn)給聯(lián)動(dòng)時(shí)，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。輔助裝置：指數(shù)控機(jī)床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行，如冷卻、排屑、潤(rùn)滑、照明、監(jiān)測(cè)等。它包括液壓和氣動(dòng)裝置、排屑裝置、交換工作臺(tái)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測(cè)裝置等。編

15、程及其他附屬設(shè)備：可用來(lái)在機(jī)外進(jìn)行零件的程序編制、存儲(chǔ)等。數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)：數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批、多變的零件加工問(wèn)題，是一種靈活的、高效能的自動(dòng)化機(jī)床，尤其對(duì)于約占機(jī)械加工總量80%的單件、小批量零件的加工，更顯示出其特有的靈活性。概括起來(lái)，數(shù)控機(jī)床有以下幾方面的特點(diǎn)：u 加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量；u 可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動(dòng)，能加工形狀復(fù)雜的零件；u 加工零件改變時(shí)，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)備時(shí)間；u 機(jī)床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高（一般為普通機(jī)床的35倍）；u 機(jī)床自動(dòng)化程度高，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；對(duì)操作人員的素質(zhì)要求較高，對(duì)維修人員的技術(shù)要

16、求更高 。1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)與現(xiàn)狀：數(shù)控機(jī)床以其獨(dú)特卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異穩(wěn)定的精度、靈活敏捷多樣化的功能引起廣泛的關(guān)注，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品并向機(jī)電一體化發(fā)展的開始，成為先進(jìn)制造技術(shù)當(dāng)中的一門核心技術(shù)。數(shù)字控制系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展為數(shù)控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步提供了條件。目前我國(guó)的數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在，高速、精密、復(fù)合、智能和綠色等幾個(gè)方面。1、高速、高效，數(shù)控機(jī)床逐漸向高速化方向發(fā)展，它大大的提高加工效率、降低加工生產(chǎn)成本，并且還達(dá)到了提高零件的表面質(zhì)量及其加工精度。高速化的加工技術(shù)對(duì)一些企業(yè)制造業(yè)提供了更高效，優(yōu)質(zhì)，成本低生產(chǎn)比較廣泛適用性。目前在一些發(fā)達(dá)的國(guó)家數(shù)控機(jī)床的高速運(yùn)行，其

17、高速主軸單元，電主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)15000 100000r/min，快移速度在60120m/min范圍之內(nèi)，切削進(jìn)給速度高達(dá)60m/min、一系列高性能控制伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都有新的突破，數(shù)控機(jī)床發(fā)展到了更高的水平。2、現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床比以前的普通車床加工的零件更加的精密，精密加工技術(shù)有了相當(dāng)大的提高，加工精度已從原來(lái)的絲級(jí)(0.01mm)提升到目前的微米級(jí)(0.001mm)，甚至有些品種已達(dá)到0.05m左右。超精密數(shù)控機(jī)床的微細(xì)切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達(dá)到0.05m左右，形狀精度可達(dá)0.01m左右。通過(guò)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動(dòng)等動(dòng)

18、態(tài)誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高機(jī)床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進(jìn)入亞微米、納米級(jí)超精加工時(shí)代3、智能化，數(shù)控機(jī)床的智能化現(xiàn)在又有了新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了充分的體現(xiàn)。比如說(shuō)：自動(dòng)調(diào)整干涉防碰撞功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過(guò)程自動(dòng)消除機(jī)床震動(dòng)等功能進(jìn)入了實(shí)用化階段等等，數(shù)控機(jī)床的智能化提升了機(jī)床的功能及其品質(zhì)。4、現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床在還有較高的可靠性，而且復(fù)合化，多軸化，網(wǎng)絡(luò)化等方面都得到了大大的提高。1.3設(shè)計(jì)的內(nèi)容與方法：用微機(jī)數(shù)控技術(shù)改造加工零件時(shí)，數(shù)控改造必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總統(tǒng)框圖，才能覺(jué)得各種設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后選擇數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的選擇，

19、其進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的組成和原理，分析伺服系統(tǒng)的選擇，怎樣達(dá)到控制要求，合理的選擇機(jī)械傳動(dòng)方式，數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)既可以采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)也可以用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算，例如，脈沖當(dāng)量，切削力和滾珠，絲桿削等等一些物理量的計(jì)算，還有應(yīng)該對(duì)車床數(shù)控系統(tǒng)的硬件分析和設(shè)計(jì)，比如說(shuō)：數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及其一些擴(kuò)展，存儲(chǔ)和通信的設(shè)計(jì)，比且還要加以計(jì)算，必要時(shí)要繪圖分析，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給分為橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給，本次設(shè)計(jì)為橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)以上的一些內(nèi)容完成本次設(shè)計(jì)課題用微機(jī)數(shù)控技術(shù)改造最大加工直徑為500mm普通車床的橫向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)！第二章：數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系

20、統(tǒng)總體方案2.1進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的組成和原理數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的作用：數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)是負(fù)責(zé)接受數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)發(fā)出的脈沖指令，并經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換之后驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件來(lái)達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。為保證數(shù)控機(jī)床加工精度，所以必須要求進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)有比較高的傳動(dòng)精度、高的靈敏度，工作穩(wěn)定、有高的構(gòu)件剛度及使用壽命、小的摩擦及運(yùn)動(dòng)慣量，并能清除傳動(dòng)間隙。進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)一般有四種：1步進(jìn)伺服電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)2直流伺服電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng) 3交流伺服電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)4直線電機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的主要組成部分當(dāng)中就包括進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，它主要由四大機(jī)構(gòu)組成，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)變換機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、執(zhí)行件組成，由于數(shù)控機(jī)床

21、的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由數(shù)字信號(hào)控制的直接對(duì)象，被加工的零件的一些參數(shù)都是由進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制的！工作原理是數(shù)控裝置內(nèi)的計(jì)算機(jī)對(duì)以數(shù)字和字符編碼方式所記錄的信息進(jìn)行一系列處理后，向機(jī)床進(jìn)給等執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出命令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)則按其命令對(duì)加工所需各種動(dòng)作，如刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移量和速度等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，從而完成工件的加工。2.2進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)部件：對(duì)于數(shù)控機(jī)床加工零件，就必須要求其零部件有較好的性能，比如說(shuō)部件的剛度，運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦，傳動(dòng)間隙，等等。一般的數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)主要部件有：1、滾珠絲杠螺母副，圖2-1數(shù)控加工時(shí)，需將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，故采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)。2、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，每一臺(tái)數(shù)控機(jī)床都有其工藝范

22、圍，為了擴(kuò)大數(shù)控機(jī)床的工藝范圍，數(shù)控機(jī)床除了沿X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸作直線進(jìn)給外,往往還需要有繞Y或Z軸的圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床的圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)一般由回轉(zhuǎn)工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于加工中心,回轉(zhuǎn)工作臺(tái)已成為一個(gè)不可缺少的部件。 數(shù)控機(jī)床中常用的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)有分度工作臺(tái)和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。    （1）分度工作臺(tái)     分度工作臺(tái)只能完成分度運(yùn)動(dòng),不能實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給，它是按照數(shù)控系統(tǒng)的指令，在需要分度時(shí)將工作臺(tái)連同工件回轉(zhuǎn)一定的角度。分度時(shí)也可以采用手動(dòng)分度。分度工作臺(tái)一般只能回轉(zhuǎn)規(guī)定的角度(如90、60和45度等)。    （2）數(shù)控回轉(zhuǎn)工

23、作臺(tái)    數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)外觀上與分度工作臺(tái)相似，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功用大不相同。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的主要作用是根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖信號(hào)，完成圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行各種圓弧加工或曲面加工，它也可以進(jìn)行分度工作。  3、導(dǎo)軌，導(dǎo)軌是進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是機(jī)床基本結(jié)構(gòu)的要素之一，它在很大程度上決定數(shù)控機(jī)床的剛度、精度與精度保持性。目前，數(shù)控機(jī)床上的導(dǎo)軌形式主要有滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和液體靜壓導(dǎo)軌等。安全防護(hù)，改造效果必須以安全為前提。在機(jī)床改造中要根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時(shí)要嚴(yán)防灰塵特別是切屑及硬砂粒進(jìn)入滾道。在縱向絲杠上

24、也可加整體鐵板防護(hù)罩。大拖板與滑動(dòng)導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對(duì)防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進(jìn)入滑動(dòng)面損傷導(dǎo)軌。2.3進(jìn)給傳動(dòng)伺服系統(tǒng)的選擇：一般數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的作用是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，電動(dòng)機(jī)作為控制對(duì)象，將數(shù)控控制器為核心，利用電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。具體在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經(jīng)變換、放調(diào)與整大后，由電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)軸、主軸等，帶動(dòng)工作臺(tái)及刀架，通過(guò)軸的聯(lián)動(dòng)使刀

25、具相對(duì)工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而加工出用戶所要求的復(fù)雜形狀的工件。伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號(hào)的流程是單向的，也正是由于信號(hào)的單向流程，它對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置不做檢測(cè)，所以機(jī)床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類機(jī)床工作比較穩(wěn)定，反映迅速，調(diào)試和維修比較簡(jiǎn)單。目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普通采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)工作臺(tái)的實(shí)際位置不進(jìn)行檢查測(cè)量，而是通過(guò)與伺服電機(jī)有聯(lián)系的測(cè)量元件，如測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電編碼盤等間接測(cè)出伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角，推算出工作臺(tái)的實(shí)際位置量，用此

26、值與指令植進(jìn)行比較，用差值來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。這種控制方式介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒(méi)有閉環(huán)高，調(diào)試卻比比環(huán)方便。閉環(huán)控制系統(tǒng)有機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測(cè)反饋裝置，在加工時(shí)刻檢測(cè)機(jī)床移動(dòng)部件的位置，使之和數(shù)控裝置所要求的位置想符合，以期達(dá)到很高的加工精度。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機(jī)或交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是精度高，速度快，但是調(diào)試個(gè)維修比較復(fù)雜，其關(guān)鍵是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以在設(shè)計(jì)是必須對(duì)穩(wěn)定性給予足夠的重視。2.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：本次設(shè)計(jì)要求是設(shè)計(jì)最大加工直徑為500毫米普通車床橫向進(jìn)給進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)。采用8051單片微機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，開環(huán)控制。要求設(shè)計(jì)后的車床及數(shù)控系統(tǒng)具有以下功能：(1).縱、橫

27、向直線，圓弧插補(bǔ)；(2).螺紋切削(3).刀架自動(dòng)回轉(zhuǎn)換刀(4).使用軟件自動(dòng)變速驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(5).實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)輸入、修改程序數(shù)據(jù)(6).回零、連續(xù)、暫停運(yùn)行方式設(shè)置(7).編輯、空運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)、回零工作方式選擇(8).掉電保護(hù)、越位報(bào)警、急停、復(fù)位等輔助功能1.機(jī)床總體尺寸參數(shù)的選定根據(jù)設(shè)計(jì)要求并參考實(shí)際情況，初步選定機(jī)床主要參數(shù)如下：最大加工直徑(mm）： 在床身上：500 在床鞍上：260最大加工長(zhǎng)度(mm)： 750-1000溜板及刀架重量(N)： 縱向：1100 橫向：550刀架快移速度(m/min)： 縱向：2 橫向：1最大進(jìn)給速度(m/min)： 縱向：0.6 橫向：0.3最小

28、分辨率(mm): 縱向：0.01 橫向：0.005定位精度(mm)： 0.025主電機(jī)功率(KW)： 5.5起動(dòng)加速時(shí)間(ms)： 30設(shè)計(jì)要求1) 坐標(biāo)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)既可采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)也可用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。2) 所繪制的機(jī)械裝配圖要求正確、合理、圖面整潔、符合標(biāo)準(zhǔn)。3) 說(shuō)明書應(yīng)簡(jiǎn)明扼要、計(jì)算準(zhǔn)確、條理清楚、圖文并茂并全部用計(jì)算機(jī)打印后裝訂成冊(cè)。2.5方案設(shè)計(jì)內(nèi)容：總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容數(shù)控改造，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總統(tǒng)框圖，才能覺(jué)得各種設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分別對(duì)機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行計(jì)算。（一）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案的確定數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為定位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控

29、制系統(tǒng)。1控制方式選擇伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號(hào)的流程是單向的，也正是由于信號(hào)的單向流程，它對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置不做檢測(cè)，所以機(jī)床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類機(jī)床工作比較穩(wěn)定，反映迅速，調(diào)試和維修比較簡(jiǎn)單。目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普通采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)工作臺(tái)的實(shí)際位置不進(jìn)行檢查測(cè)量，而是通過(guò)與伺服電機(jī)有聯(lián)系的測(cè)量元件，如測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電編碼盤等間接測(cè)出伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角，推算出工作臺(tái)的實(shí)際位置量，用此值與指令植進(jìn)行比較，用差值來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。這種控制方式

30、介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒(méi)有閉環(huán)高，調(diào)試卻比比環(huán)方便。閉環(huán)控制系統(tǒng)有機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測(cè)反饋裝置，在加工時(shí)刻檢測(cè)機(jī)床移動(dòng)部件的位置，使之和數(shù)控裝置所要求的位置想符合，以期達(dá)到很高的加工精度。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機(jī)或交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是精度高，速度快，但是調(diào)試個(gè)維修比較復(fù)雜，其關(guān)鍵是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以在設(shè)計(jì)是必須對(duì)穩(wěn)定性給予足夠的重視。（二）總體方案的確定1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓弧插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工的精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)

31、開環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)工作臺(tái)的實(shí)際位置不進(jìn)行檢查測(cè)量，而是通過(guò)與伺服電機(jī)有聯(lián)系的測(cè)量元件，如測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電編碼盤等間接測(cè)出伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角，推算出工作臺(tái)的實(shí)際位置量，用此值與指令植進(jìn)行比較，用差值來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。這種控制方式介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒(méi)有閉環(huán)高，調(diào)試卻比比環(huán)方便。閉環(huán)控制系統(tǒng)有機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測(cè)反饋裝置，在加工時(shí)刻檢測(cè)機(jī)床移動(dòng)部件的位置，使之和數(shù)控裝置所要求的位置想符合，以期達(dá)到很高的加工精度。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機(jī)或交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是精度高，速度快，但是調(diào)試個(gè)維修比較復(fù)雜，其關(guān)鍵是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以在設(shè)計(jì)是必須對(duì)穩(wěn)定性給予足夠的重視。（二）總體方案的確

32、定1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇：由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓弧插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工的精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。2數(shù)控系統(tǒng)： 根據(jù)機(jī)床要求采用8為微機(jī)。由于MCS51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快?？垢蓴_性強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)，決定采用MCS51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤和顯示器、I/O接口及發(fā)光隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路組成，系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及

33、機(jī)床狀態(tài)等信息。3機(jī)械傳動(dòng)方式：為了實(shí)現(xiàn) 機(jī)床所要的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速傳動(dòng)絲桿，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體方案框圖見圖11。圖11經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床總體方案框圖第三章：機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算3.1確定系統(tǒng)脈沖量：進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)負(fù)載、確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載啟動(dòng)及切削力矩計(jì)算，確定伺服電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及選用，繪制機(jī)械部分裝配圖及零件圖等?，F(xiàn)分別如下：主要參數(shù)：在床面上 500在床鞍

34、上 260最大加工長(zhǎng)度 750-1000溜板及刀架重量 縱向 1100N 橫向 550N 刀架快進(jìn)速度 縱向 3m/min 橫向 1.5 m/min最大進(jìn)給速度 縱向 0.8 m/min 橫向 0.4 m/min主電機(jī)功率 7.5KW起動(dòng)加速時(shí)間 30ms機(jī)床定位精度 0.025最小分辨率 縱向 0.01mm 橫向 0.005mm脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床常采用的脈沖當(dāng)量是0.010.005mm/step。已知條件：工作臺(tái)重（根據(jù)圖紙粗略計(jì)算） W=30kgf=300N時(shí)間常數(shù) T=25ms滾珠絲杠基本導(dǎo)程 L=4mm左旋行程 S=230mm脈沖當(dāng)量 =0.0

35、05mm/step步距角 =0.75 °/step快速進(jìn)給速度 max=1mm/min3.2切削力計(jì)算：切削力，是指在切屑過(guò)程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力。通俗的講：在切削加工時(shí)，工件材料抵抗刀具切削時(shí)產(chǎn)生的阻力，切削力有三個(gè)垂直的分力：切削力， 背向力、進(jìn)給力。1 Z坐標(biāo)3473N 其中 V=90100，取V=95，（0.70.8）=（0.70.8）×3=2.12.55 KW, 取5.5 KW0.51736N0.62083N3.3滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型 (一)縱（Z）向進(jìn)給絲桿1 計(jì)算進(jìn)給軸向力（N）2728.08 N其中，K=1.15（三角

36、形導(dǎo)軌），f=0.16，W=1100 N2 計(jì)算最大負(fù)載QQ17115.88NL= 90 n= 100 其中 壽命T=15000h，導(dǎo)程=8，=0.8，運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)=1.43 滾珠絲桿螺母副的選型 查表：可采用3508外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動(dòng)載荷為2000N，精度等級(jí)按表212選為1級(jí)。4 傳動(dòng)效率計(jì)算 0.963其中，螺旋升角=，摩擦角5 剛度驗(yàn)算先畫出縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖，最大軸向力為1524.2N。支承間距L=950，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。如圖(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量材料彈性模數(shù)E=20.610滾珠絲杠截面積A

37、758.283mm絲杠導(dǎo)程的可變化量 0.780610絲杠上的變形量，由于兩端均采用推力球軸承，則，=L2.31710mm(2)滾珠與螺紋滾道間接觸變形=0.001321.2410mm其中，承載滾珠數(shù)量 57.68有預(yù)緊時(shí) 50.8kgf5剛度驗(yàn)算 橫向進(jìn)給絲杠支承方式下圖 所示，最大軸向力為 829.5N，支承間距L=500 mm，因絲桿長(zhǎng)度較短，不需要欲緊，螺母與軸承欲緊。計(jì)算如下：(1)絲桿的拉伸或壓縮變型量1（mm）5.75510mm其中 ，F(xiàn)=829.5N，do=20mm, A=223.88(2) 滾珠與螺紋滾道間接變形2 （mm）=0.0013 1.79110mm 其中，承載滾珠數(shù)

38、量 49.44有預(yù)緊時(shí)， 27.65kgf 所以：8.38410滿足精度要求6穩(wěn)定性校核計(jì)算臨界負(fù)載： 15828N 式中 E 材料彈性摸量， 鋼：E=20.6X10N/cmI截面慣性矩（cm）絲桿：為絲杠內(nèi)徑16.888cm；L 絲杠兩支承距320（cm）;fz -絲杠支承方式系數(shù)，從表中查出 一端固定，一端簡(jiǎn)支；fz =2.00=19.29 (一般=2.54)此絲杠不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。（三）縱向及橫向滾珠絲杠幾何參數(shù)W1L3508及W1L2506滾珠絲杠幾何參數(shù)名 稱符號(hào)W1L3508W1L2005螺紋滾道公稱直徑3520導(dǎo)程85接觸角鋼球直徑4.7633.175滾道法面半徑 R=0.522.4

39、771.601偏心距0.0680.045螺紋升角螺杠螺杠外徑3419.1螺杠內(nèi)徑30.18216.788螺杠接觸直徑25.434617.0255螺母螺母螺紋直徑39.81818.221螺母內(nèi)徑36213.4齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算1縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 傳動(dòng)比 0.75其中，脈沖當(dāng)量=0.01，滾珠絲杠導(dǎo)程=8mm，初選步距角=0.6可選定齒輪齒數(shù)為，模數(shù)取m=22橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 傳動(dòng)比 0.75其中，脈沖當(dāng)量=0.005，滾珠絲杠導(dǎo)程=5mm，初選步距角=0.6采用兩級(jí)齒輪降速，可選定齒輪齒數(shù)為，模數(shù)取m=2。傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù)齒數(shù)273620253040分度圓547240506

40、080齒頂圓587644546484齒根圓496735455575齒寬（610）m2020中心距6345703.5縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算1等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 9.856 式中 2.021 6.39 9.481 初選混合式步進(jìn)電機(jī)BS86HB3L103-05，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2電機(jī)力矩的計(jì)算（1）快速空載起動(dòng)力矩在快速空載起動(dòng)階段，加速例句所占的比例較大 333.33r/min，=25ms 137.5N cm折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩35.40N cm附加摩擦力矩 13.18 N cm上述三項(xiàng)合計(jì) 184.68N cm(2) 快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 47.18N cm(3

41、) 最大切削載時(shí)所需力矩 119.5N cm從上面計(jì)算可以看出，在三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選電機(jī)的依據(jù)。查得，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)，=0.866 得到 最大靜力矩=184.68/0.866=213.26 N cm 按此最大靜轉(zhuǎn)矩從下表查出，BS86HB3L103-02 型最大靜轉(zhuǎn)矩大于2.545 N .m。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行起動(dòng)矩頻。3計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率3.6步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型：步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步

42、距角增量 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過(guò)程中，各

43、種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說(shuō)最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來(lái)完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。 選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動(dòng)的需要。 選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計(jì)算： （1）計(jì)算齒輪的減速比 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，齒輪減速比

44、i計(jì)算如下: i=(.S)/(360.) (1-1) 式中 -步進(jìn)電機(jī)的步距角（o/脈沖） S -絲桿螺距（mm) -(mm/脈沖） （2）計(jì)算工作臺(tái)，絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量Jt。 Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2 （1-2） 式中Jt -折算至電機(jī)軸上的慣量(Kg.cm.s2) J1、J2 -齒輪慣量(Kg.cm.s2) Js -絲桿慣量(Kg.cm.s2) W-工作臺(tái)重量（N） S -絲桿螺距（cm） （3）計(jì)算電機(jī)輸出的總力矩M M=Ma+Mf+Mt （1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×102 （1-4） 式中Ma

45、-電機(jī)啟動(dòng)加速力矩（N.m) Jm、Jt-電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s2) n-電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min） T-電機(jī)升速時(shí)間（s） Mf=(u.W.s)/(2i)×102 （1-5） Mf-導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（N.m) u-摩擦系數(shù) -傳遞效率 Mt=(Pt.s)/(2i)×102 （1-6） Mt-切削力折算至電機(jī)力矩（N.m) Pt-最大切削力（N） （4）負(fù)載起動(dòng)頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為 fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）÷(1+Jt/Jm) 1/2 （1-7） 式中fq-帶載起

46、動(dòng)頻率（Hz） fq0-空載起動(dòng)頻率 Ml-起動(dòng)頻率下由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩（N.m) 若負(fù)載參數(shù)無(wú)法精確確定,則可按fq=1/2fq0進(jìn)行估算. （5）運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算。由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時(shí)，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并留有足夠的余量。 （6）負(fù)載力矩和最大靜力矩Mmax。負(fù)載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計(jì)算，電機(jī)在最大進(jìn)給速度時(shí)，由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來(lái)說(shuō)，Mf與Mt之和應(yīng)小于（0.2 0.4)Mmax. 第四章 微機(jī)數(shù)控機(jī)床硬件系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)4.1微型計(jì)算機(jī)的選擇：確定微

47、機(jī)機(jī)型就是選擇CPU。單片機(jī)價(jià)格低、可靠性較高，適用于控制，選擇單片機(jī)做控制器比較合適。根據(jù)總體方案的確定，微機(jī)采用MCS-51系列單片機(jī)。51系列有三種型號(hào)：8031是無(wú)ROM的8051；8751是用EPROM代替ROM的8051。目前， 8051單片機(jī)成為當(dāng)前8位單片機(jī)的典型代表。本設(shè)計(jì)就采用8051單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的中央處理機(jī)。8051單片機(jī)是美國(guó)Intel公司的產(chǎn)品MCS51系列單片機(jī)的一個(gè)型號(hào)，是目前性能較高的8位單片微型計(jì)算機(jī)。MCS-51的信號(hào)引腳MCS-51是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列請(qǐng)見圖4-1。 1) 信號(hào)引腳介紹 P0.0 P0.7： P0口8位雙向

48、口線。 P1.0 P1.7 ：P1口8位雙向口線。 P2.0 P2.7 ：P2口8位雙向口線。 P3.0 P3.7 ：P3口8位雙向口線。圖4-1ALE：地址鎖存控制信號(hào)。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定頻率輸出的正脈沖，因此,可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。在讀外部ROM時(shí)，有效（低電平），以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。：訪問(wèn)程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延至外部程

49、序存儲(chǔ)器。RST：復(fù)位信號(hào)。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶體引線端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。VSS：地線。VCC：+5 V電源。以上是MCS-51單片機(jī)芯片40條引腳的定義及簡(jiǎn)單功能說(shuō)明，讀者可以對(duì)照實(shí)訓(xùn)電路找到相應(yīng)引腳，在電路中查看每個(gè)引腳的連接使用。2) 信號(hào)引腳的第二功能由于工藝及標(biāo)準(zhǔn)化等原因，芯片的引腳數(shù)目是有限制的。例如，MCS-51系列把芯片引腳數(shù)目限定為40條，但單片機(jī)為實(shí)現(xiàn)其功能所需要的信號(hào)數(shù)目卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)此數(shù)，因此

50、就出現(xiàn)了需要與可能的矛盾。如何解決這個(gè)矛盾？“兼職”是惟一可行的辦法，即給一些信號(hào)引腳賦以雙重功能。如果把前述的信號(hào)定義為引腳第一功能的話，則根據(jù)需要再定義的信號(hào)就是它的第二功能。下面介紹一些信號(hào)引腳的第二功能。(1) P3口線的第二功能。P3的8條口線都定義有第二功能，詳見下表。P3口引腳特殊功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（定時(shí)器1外部輸入）圖4-2 P3口特殊功能 8051單片機(jī)的基本組成：8051單片機(jī)的基本組成請(qǐng)參見圖4-1.1。下面介紹各部分的基本情況。1) 中央處理

51、器（CPU）中央處理器是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。MCS-51的CPU能處理8位二進(jìn)制數(shù)或代碼。2) 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（內(nèi)部RAM）8051芯片中共有256個(gè)RAM單元，但其中后128單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。因此通常所說(shuō)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是指前128單元，簡(jiǎn)稱內(nèi)部RAM。圖4-38051 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖3) 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（內(nèi)部ROM）8051共有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格，因此，稱之為程序存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱內(nèi)部ROM。4) 定時(shí)/計(jì)數(shù)器 8051共有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，并以其定時(shí)或

52、計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 5) 并行I/O口 MCS-51共有4個(gè)8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入/輸出。在實(shí)訓(xùn)中我們已經(jīng)使用了P1口，通過(guò)P1口連接8個(gè)發(fā)光二極管。6) 串行口MCS-51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其它設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強(qiáng)，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。 7) 中斷控制系統(tǒng) MCS-51單片機(jī)的中斷功能較強(qiáng)，以滿足控制應(yīng)用的需要。8051共有5個(gè)中斷源，即外中斷兩個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷兩個(gè)，串行中斷一個(gè)。全部中斷分為高級(jí)和低級(jí)共兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別。 8) 時(shí)鐘電路 MCS-51芯片的內(nèi)部有時(shí)

53、鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列。系統(tǒng)允許的晶振頻率一般為6 MHz和12 MHz。從上述內(nèi)容可以看出，MCS-51雖然是一個(gè)單片機(jī)芯片，但作為計(jì)算機(jī)應(yīng)該具有的基本部件它都包括，因此，實(shí)際上它已是一個(gè)簡(jiǎn)單的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)了。4.2 擴(kuò)展存儲(chǔ)器的選擇：8051單片機(jī)內(nèi)有256個(gè)RAM單元，但其中后128單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。及有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)需要的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量都較大，必須外接程序存儲(chǔ)器（EPROM）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）芯片。A程序存

54、儲(chǔ)器的擴(kuò)展a選用27128芯片常用的EPROM存儲(chǔ)器有2716，2732，2764，27128，27256等，容量分別為2K、4K、8K、16K，32K。由于車床數(shù)控系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制程序和加工程序，采用16KB×8的27128芯片，可與單片機(jī)所選的12MHz時(shí)鐘相匹配。27128EPROM芯片是一個(gè)有28根引腳的雙列直插式集成元件。該芯片共有14根地址線A0A13，8根數(shù)據(jù)線D0D7，其余的為控制線。27128低八位地址線和74LS373的輸出端連接,高六位地址線直接與8051的P2.0P2.5連接。它的八位數(shù)據(jù)線直接與8051的P0口連接。ROM的尋址范圍為0000H3FFFH，并且采用譯碼器，使地址范圍無(wú)重疊區(qū)。b地址鎖存器74LS373單片機(jī)規(guī)定P0口提供低8位地址線，同時(shí)又要作為數(shù)據(jù)線，所以P0是一個(gè)分時(shí)輸出低8位地址和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信息分離出來(lái)保存，提供外接存儲(chǔ)器的低8位地址信息，通常采用74LS373作為地址鎖存器。除74LS373外，74LS273、8282、8212等芯片也可用作地址鎖存器，使用