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畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
緒 論
機(jī)械工程為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展提供各類機(jī)械裝備和生產(chǎn)制造技術(shù)以創(chuàng)造物質(zhì)財(cái)富和提高社會(huì)文明水準(zhǔn)的重要工程領(lǐng)域，是與人類社會(huì)活動(dòng)關(guān)系十分密切、應(yīng)用非常廣泛的工程領(lǐng)域。他是一個(gè)傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域，自人類有史以來(lái)，就為生產(chǎn)活動(dòng)所關(guān)注，第一次工業(yè)革命、第二次工業(yè)革命乃至當(dāng)前的信息革命，無(wú)不直接或間接的同機(jī)械工程的發(fā)展有密切關(guān)系；它也是一個(gè)發(fā)展迅速的工程領(lǐng)域，隨著電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)及軟件技術(shù)、材料科學(xué)的發(fā)展和滲透，充實(shí)和豐富了本領(lǐng)域的基礎(chǔ)，拓寬和發(fā)展了本領(lǐng)域的研究范疇，促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品和生產(chǎn)過(guò)程向精密化、自動(dòng)化、智能化、連續(xù)化、高效化、集成化方向發(fā)展。
本領(lǐng)域涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、使用、維修等基礎(chǔ)理論、技術(shù)和方法。并與材料工程、動(dòng)力工程、電氣工程、電子與信息工程、控制工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)設(shè)計(jì)工程等工程領(lǐng)域及力學(xué)學(xué)科密切相關(guān)。
隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械、電子產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期在縮短，因此對(duì)車床的要求也在提高，不僅要有較高的精度和生產(chǎn)率，而且能迅速的適應(yīng)機(jī)械產(chǎn)品的變換。社會(huì)的發(fā)展促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。隨著電子技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)迅速的發(fā)展起來(lái)了。
近十幾年來(lái)，尤其是改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)特別注重?cái)?shù)控技術(shù)的發(fā)展，加快了數(shù)控機(jī)床的引進(jìn)與開(kāi)發(fā)，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及。各大企業(yè)都不斷的購(gòu)進(jìn)數(shù)控機(jī)床，來(lái)擴(kuò)大再生產(chǎn)和替換舊設(shè)備，數(shù)控機(jī)床在企業(yè)中不再是鳳毛麟角，而是不斷的普及。但數(shù)控機(jī)床的成本比較高，在這種情況下，普通機(jī)床的改造就成了一種必要。
第1章方案的擬定
1.1數(shù)控改造的必要性
數(shù)控機(jī)床可以較好的解決形狀復(fù)雜、精密、多變零件的加工問(wèn)題，可以穩(wěn)定加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，但是數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用還是受到其他條件的限制：
（1） 目前很多企業(yè)都有很多普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床代替很不現(xiàn)實(shí)，而且替代后閑置下來(lái)的機(jī)床會(huì)造成很大的浪費(fèi)。
（2） 國(guó)內(nèi)定購(gòu)數(shù)控機(jī)床的交貨期長(zhǎng)，往往不能滿足急需。
（3） 數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，對(duì)很多企業(yè)是一很大障礙。
（4） 通用數(shù)控機(jī)床對(duì)很多企業(yè)來(lái)說(shuō)，功能剩余。
要解決上述問(wèn)題，普通機(jī)床的數(shù)控化改造是必由之路。從歐美等工業(yè)化國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，機(jī)床的數(shù)控改造必不可少。因此，普通機(jī)床的數(shù)控改造不但有必要，而且大有可為尤其對(duì)一些中小企業(yè)更是如此。
1.2數(shù)控改造目的
（1） 為了提高生產(chǎn)進(jìn)行數(shù)控改造。
（2） 從提高資本效率出發(fā)，改造閑置舊設(shè)備，發(fā)揮機(jī)床的原有功能和改造后的新增功能，提高機(jī)床的使用價(jià)值。
（3） 為了適應(yīng)多品種、小批量零件生產(chǎn)而進(jìn)行數(shù)控改造。
（4） 為了使技術(shù)等級(jí)較低的工人也能加工出高質(zhì)量的產(chǎn)品和提高生產(chǎn)率而進(jìn)行的數(shù)控改造。
（5） 為了減少整個(gè)設(shè)備投資計(jì)劃而進(jìn)行數(shù)控改造。
通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)系統(tǒng)的運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和技能解決實(shí)際工程問(wèn)題的本領(lǐng)，鞏固和加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，并且通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐擴(kuò)大和補(bǔ)充知識(shí)，使認(rèn)識(shí)提高到一個(gè)新的水平。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐，培養(yǎng)調(diào)查研究的習(xí)慣和工作能力，練習(xí)查閱資料和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，查閱工具書(shū)或參考書(shū)，合理選擇設(shè)計(jì)計(jì)算公式，正確計(jì)算，并能以圖紙和說(shuō)明書(shū)表達(dá)設(shè)計(jì)的思想和結(jié)果。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，不但要提高解決具體問(wèn)題的獨(dú)立工作能力，具體動(dòng)腦動(dòng)手能力，而且應(yīng)樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)和科研思想，加強(qiáng)科學(xué)性，牢固樹(shù)立實(shí)事求是和嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度。
1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容
將一臺(tái)CA6132普通車床改造成數(shù)控車床。結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)的工作量和時(shí)間限制，機(jī)械部分主要2個(gè)坐標(biāo)軸，完成機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，零件及參數(shù)的選擇，部分計(jì)算過(guò)程；電器和微機(jī)部分主要有系統(tǒng)框圖，部分設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明。要求圖紙不少于相當(dāng)于2.5張A0圖。
1.4數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
1.原機(jī)床數(shù)據(jù)
原機(jī)床有關(guān)數(shù)據(jù)為：最大工件直徑最大工件長(zhǎng)度：340750（mm）,最大加工直徑：床身上340（mm）刀架上180（mm），最大加工長(zhǎng)度：650（mm），主軸轉(zhuǎn)速：20—2000r/min,電動(dòng)機(jī)功率3kw.
2.縱向進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)
時(shí)間常數(shù)T=25ms;
滾珠絲杠導(dǎo)程S=6mm;
脈沖當(dāng)量；
布距角；
快速進(jìn)給速度
3.橫向進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)
時(shí)間常數(shù)T=25ms;
滾珠絲杠導(dǎo)程S=5mm，左旋；
脈沖當(dāng)量；
布距角；
快速進(jìn)給速度
1.5基本方案的比較和選擇
1、伺服驅(qū)動(dòng)
在我國(guó)設(shè)備數(shù)控化改造的一段時(shí)間里，較多采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。步進(jìn)電機(jī)是一種特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)，它利用通電勵(lì)磁繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩，將脈沖電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件。當(dāng)勵(lì)磁繞組按一定規(guī)律獲得分配脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度與輸入的脈沖個(gè)數(shù)有較嚴(yán)格的比例關(guān)系，而且轉(zhuǎn)動(dòng)與輸入脈沖在時(shí)間上同步，因此可以利用這些特點(diǎn)控制運(yùn)動(dòng)的速度和位移量。
步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電器控制和驅(qū)動(dòng)電路也簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，價(jià)格便宜，設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單，容易調(diào)試，使用維修方便。位移精度較好，對(duì)各種干擾因素不敏感，結(jié)構(gòu)誤差不會(huì)累積。另外，機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)快。但步進(jìn)電機(jī)也有缺點(diǎn)，主要是容易丟步，啟動(dòng)頻率低，工作頻率也不夠高，低頻時(shí)振動(dòng)大，沖擊大，有時(shí)還有自激震蕩。步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有過(guò)載能力，當(dāng)工作條件變動(dòng)時(shí)，可能造成失誤，因此步進(jìn)電機(jī)多用于負(fù)載較小，負(fù)載變化不大或者要求不太高的經(jīng)濟(jì)型簡(jiǎn)易型數(shù)控設(shè)備中。
由于步進(jìn)電機(jī)的沒(méi)有過(guò)載能力，高速時(shí)扭矩下降很多，容易丟步。開(kāi)環(huán)由于沒(méi)有反饋校正作用，一旦丟不容易造成工件報(bào)廢，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生事故，而且如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)還會(huì)造成工件的成批報(bào)廢，因此實(shí)際應(yīng)用是不可靠。
采用直流或交流伺服電機(jī)閉環(huán)控制方案，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，調(diào)試和維修困難得多，造價(jià)也高。閉環(huán)控制可以達(dá)到很好的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中各種誤差，消除減息、干擾等對(duì)加工精度的影響，一般應(yīng)用于要求高的數(shù)控設(shè)備中。另外，由于閉環(huán)控制使機(jī)械傳動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都綜合作用于反饋信號(hào)，因此對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。任何一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)制作不當(dāng)都可能造成系統(tǒng)失穩(wěn)，所以相應(yīng)的要求系統(tǒng)中每一個(gè)影響因素都嚴(yán)格控制把關(guān)。由于改造數(shù)控銑床的目標(biāo)共建加工精度不十分高，采用閉環(huán)系統(tǒng)的必要性不大。
采用直流或者交流伺服電機(jī)的半閉環(huán)系統(tǒng)，其性能介于開(kāi)緩和閉環(huán)控制之間。由于調(diào)速范圍寬，過(guò)載能力強(qiáng)，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制；反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機(jī)械傳動(dòng)元件，調(diào)試比閉環(huán)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證，所以比閉環(huán)容易實(shí)現(xiàn)。但是采用半閉環(huán)控制，調(diào)試比開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)要復(fù)雜，設(shè)計(jì)上也有自身的特點(diǎn)，技術(shù)難度大。本設(shè)計(jì)任務(wù)的要求不高，是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的改造，通常的情況下均采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制。因?yàn)殚_(kāi)環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有過(guò)載能力，啟動(dòng)頻率低，工作頻率也不高等。開(kāi)環(huán)控制多用于負(fù)載變化不大或者要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備中。
經(jīng)過(guò)上述比較，決定采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。
2.數(shù)控裝置
數(shù)控裝置的選擇也有多種方案，例如，可以全部自己設(shè)計(jì)、制作；可以采用單板機(jī)或STD模塊改制；可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置做少量的適用化改動(dòng)或配接。在工廠的實(shí)際應(yīng)用中，一半多采用以下兩種解決辦法。一種情況是所需的功能和要求有現(xiàn)成的數(shù)控裝置可以滿足，這是絕大多數(shù)采用買現(xiàn)成產(chǎn)品的方案，因?yàn)樽孕性O(shè)計(jì)制作不但浪費(fèi)時(shí)間，投資也不一定能省，往往是投資更多，而且質(zhì)量也不容易保證。另一種情況是買不到現(xiàn)成產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)有些特殊功能，這時(shí)大多數(shù)采取買性價(jià)比盡量高的性能接近的裝置，然后自行補(bǔ)充或改造，來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。但是作為畢業(yè)設(shè)計(jì)，即使采用上述兩種數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)方案，也需要對(duì)其結(jié)構(gòu)、原理、控制方式等有所了解，才能提出自己的處理辦法，也可以采用自行設(shè)計(jì)數(shù)控裝置的方案和數(shù)控裝置，可以更全面的鍛煉學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的能力，其難度比較大，也為今后從事其他類似的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為今后在普通機(jī)床進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造時(shí)采用后兩種方法奠定了基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)采用自行設(shè)計(jì)數(shù)控裝置的方法。
3.其他電氣裝置
在數(shù)控化改造中，還需要結(jié)合數(shù)控裝置和伺服驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)配置其他電氣部分，包括強(qiáng)、弱點(diǎn)信號(hào)的變換、傳輸或必要的處理，其中對(duì)輸入/出接口要考慮是否有隔離、屏蔽的要求；此外，還要配置所需的電源，各種保護(hù)電路，檢測(cè)顯示等輔助電路。
4.機(jī)械部分
在設(shè)備的數(shù)控化改造中，雖然核心工作是數(shù)控，涉及較多的是微機(jī)、電子和電氣，但絕不是全部。如果忽視了機(jī)械方面按照數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)進(jìn)行必要的改動(dòng)，或者在改造中設(shè)計(jì)制造不盡合理，結(jié)果會(huì)給數(shù)控化改造帶來(lái)意想不到的困難，甚至?xí)驗(yàn)闄C(jī)械問(wèn)題而導(dǎo)致失敗。
1.6總體方案的確定
查看了CA6132車床及有關(guān)資料，并且參考數(shù)控車床的改造經(jīng)驗(yàn)，確定總體方案：采用微機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出布進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
由于設(shè)計(jì)的是簡(jiǎn)單性經(jīng)濟(jì)數(shù)控，所以在考慮具體方案時(shí)，基本原則是在滿足需要的前提下， 對(duì)于機(jī)床盡可能的減小運(yùn)動(dòng)量，以降低成本。
微機(jī)參考TP801單板機(jī)的線路。主要是因?yàn)閆80CPU在我國(guó)的數(shù)控改造應(yīng)用較普遍，各種應(yīng)用軟件較多，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)較容易，而且其價(jià)格較低廉。Z80有獨(dú)立的I/O指令，指令個(gè)市與執(zhí)行時(shí)間較短，有利于縮短掃描現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床工作的周期。
直流步進(jìn)電機(jī)參照西安微電機(jī)研究所的產(chǎn)品樣品選取，便于就近得到部件。
滾珠絲杠參照漢江機(jī)床廠的產(chǎn)品樣本選取FC1B系列，即外插管變螺距型滾珠絲杠副。其優(yōu)點(diǎn)是螺母的軸向尺寸小，而已經(jīng)預(yù)加載荷消除間隙。
縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱和溜板箱，利用原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲杠安裝在原絲杠的位置，兩端仍采用原固定方式。這樣可減少改裝工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)比原絲杠的小，從而使縱向進(jìn)給整體剛度只可能增大。
橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：保留原手動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)，用于微進(jìn)給和機(jī)床刀具對(duì)零件操作，原有的支承結(jié)構(gòu)也保留。步進(jìn)電機(jī)—齒輪箱體安裝在機(jī)床后側(cè)。為了便于安裝滾珠絲杠副，絲杠軸不是整體的，而采用分移式的，然后用套筒剛性連接。
縱橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用了一級(jí)齒輪減速，并用雙齒輪錯(cuò)齒法消除間隙。雙片齒輪間則沒(méi)有見(jiàn)彈簧自動(dòng)消除間隙。因?yàn)閺椈傻膹椓茈y適應(yīng)負(fù)載的變化情況。當(dāng)負(fù)載大時(shí)，彈簧彈力顯小，起不到消除間隙之目的；當(dāng)負(fù)載小時(shí)，彈簧力又顯大，則加速齒輪的磨損。因此，采用人工調(diào)整，螺釘緊固的辦法消除間隙。
縱向齒輪箱和溜板均加外罩，以保持機(jī)床原外觀，起到美化機(jī)床的作用，在溜板箱上安裝了縱橫向快速進(jìn)給按鈕和急停按鈕，以適應(yīng)機(jī)床調(diào)整時(shí)的操作需要和遇到意外情況時(shí)的緊急處理需要。
第2章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算
伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算的內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載，確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件的慣量的計(jì)算，空載啟動(dòng)切削力距的計(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)械部分裝配圖及工作圖等，分述如下：
2.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量
任務(wù)書(shū)給定脈沖當(dāng)量：縱向?yàn)?.01mm/步，橫向?yàn)?.005mm/步。
2.2切削力的計(jì)算
切削力的計(jì)算可通過(guò)具體加工條件、不同工況，選擇合理的切削用量，用切削量來(lái)計(jì)算切削力。但是用切削量來(lái)計(jì)算切削力雖然比較準(zhǔn)確，但只能適用于某種工作的專用機(jī)床。對(duì)于通用機(jī)床的數(shù)控化改造，由于切削用量選擇的范圍較大，這樣會(huì)導(dǎo)致切削力計(jì)算結(jié)果差別很大。這里的方法是，按照需要數(shù)控化改造設(shè)計(jì)的CA6132主要電機(jī)功率來(lái)計(jì)算切削力。具體方法為：
由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》〉可知，切削功率
式中：N——電機(jī)功率，查機(jī)床說(shuō)明書(shū)，為3kw;
——主動(dòng)系統(tǒng)總功率，一般為0.6-0.7，取0.65；
K——進(jìn)給系統(tǒng)系數(shù)，取0.96。
則
=3x0.65x0.96=1.872KW
又因?yàn)? =6120/v
式中：v——切削線速度，取100m/min。
主切削力
由《金屬切削力原理》〉可知，主切削力
=
查表得
=188kgf/
XFZ=1,YFZ=0.75,TFZ=1
當(dāng)=時(shí)，切削深度為=2mm，走刀量為f=0.3mm.次參數(shù)作為下邊計(jì)算的依據(jù)。
從《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》中可得，在一般外圓車銷時(shí)
=（0.1—0.6） =（0.15—0.7）
取 =0.5=0.5114.56=57.28kgf
=0.6114.56=68.74kgf
2.3縱向滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選定
2.3.1滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算
首先要選擇結(jié)構(gòu)類型，確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定后，再計(jì)算其他技術(shù)參數(shù)，包括: 公稱直徑d，絲杠外徑d，導(dǎo)程Lo，滾珠的圈數(shù)j，列數(shù)k等。
（1） 滾珠循環(huán)方式
滾珠循環(huán)方式分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。插管式為外循環(huán)式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，彎管由兩部分組成，采用沖壓件，工藝性好。
（2） 滾珠絲杠的預(yù)緊方式
滾珠絲杠的預(yù)緊方式有： 雙螺母墊片式、雙螺母螺紋式、雙螺母齒差式、單螺母導(dǎo)程式。雙螺母墊片式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性好，裝卸方便。
（3） 計(jì)算軸向力
由《機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)》〉一書(shū)可得，綜合導(dǎo)軌車床絲杠的軸向力
P=k+(+W)
式中，k=1.15, =0.15—0.18，取0.16。
則 P=1.1557.28+0.16(114.56+80)=97kgf
2.3.2 計(jì)算最大負(fù)載C
——滾珠絲杠導(dǎo)程，初選為6mm
——最大切削力下得進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的（1/2~1/3），
T——使用壽命
——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，一般取=0.5~1.2
——硬度系數(shù)
——縱向軸向力
L——壽命，以為單位。
由知
表1
機(jī)器類型
使用壽命（h）
通用機(jī)械
5000~10000
普通機(jī)械
10000
自動(dòng)控制機(jī)械及機(jī)床
15000
儀器裝置
15000
航空機(jī)械
1000
表2
運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)
運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)
無(wú)沖擊的圓滑狀態(tài)
1.0~1.2
一般運(yùn)轉(zhuǎn)
1.2~1.5
有沖擊的運(yùn)轉(zhuǎn)
1.5~2.5
表3
HRC
60
57.5
55
52.5
50
47.5
45
42.5
40
30
25
硬度系數(shù)
1.0
1.1
1.2
1.4
2.0
2.5
3.3
4.5
5.0
10
15
所以：
取工件直徑D=80mm,查表的T=1500h，則
所以
=
根據(jù)漢江機(jī)床廠滾珠絲杠產(chǎn)品樣本，選取滾珠絲杠公稱直徑為。其額定動(dòng)荷載是10689N，所以強(qiáng)度足夠用 。
2.3.3 傳動(dòng)效率計(jì)算
其中：
——螺旋升角，則有
——摩擦角，所以：
2.3.4 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠螺母副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，因此應(yīng)該考慮以下引起軸向變形的因素：
（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量;在總的變形量中占的比重較大，計(jì)算：
——在工作負(fù)載作用下引起每一導(dǎo)程的變化量，（mm）
——工作負(fù)載即進(jìn)給引力，（N）
——滾珠絲杠的導(dǎo)程，（mm）
E——材料的彈性模數(shù)，對(duì)鋼E=
F——滾珠絲杠的界面設(shè)計(jì)（按內(nèi)徑確定），
L——滾珠絲杠在支承件的受力長(zhǎng)度
“+”用于拉伸，“-”用于壓縮
滾珠絲杠副扭矩引起得到成變化量很小，可忽略，所以
查表知E級(jí)精度絲杠允差15，故剛度足夠。
2.3.5 穩(wěn)定性的驗(yàn)算
由于原絲杠直徑30mm,現(xiàn)選用的絲杠直徑為32mm,支承方式不變，所以穩(wěn)定性不存在問(wèn)題，故不在驗(yàn)算。
2.3.6 滾珠絲杠副的精度等級(jí)
滾珠絲杠副的精度，按機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)JB3162.2-91,分為七個(gè)等級(jí)，即1、2、3、4、5、6、7、10級(jí),1級(jí)精度最高，依次降低。
2.4 橫向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算
2.4.1計(jì)算軸向力
由《機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)》〉一書(shū)可得，綜合導(dǎo)軌車床絲杠的軸向力
P=k+(+W)
式中，k=1.4, =0.2。
則 P=1.1528.64+0.2(57.28+30)=50.39kgf
2.4.2計(jì)算最大負(fù)載C
——滾珠絲杠導(dǎo)程，初選為6mm
——最大切削力下得進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的（1/2~1/3），
T——使用壽命
——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，一般取=0.5~1.2
——硬度系數(shù)
——縱向軸向力
L——壽命，以為單位。
=
根據(jù)漢江機(jī)床廠滾珠絲杠產(chǎn)品樣本，選取滾珠絲杠公稱直徑為。其額定動(dòng)荷載是5393N，所以強(qiáng)度足夠用 。
2.4.3 傳動(dòng)效率計(jì)算
其中：
——螺旋升角，則有
——摩擦角，所以：
2.4.4 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠螺母副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，因此應(yīng)該考慮以下引起軸向變形的因素：
（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量;在總的變形量中占的比重較大，計(jì)算：
——在工作負(fù)載作用下引起每一導(dǎo)程的變化量，（mm）
——工作負(fù)載即進(jìn)給引力，（N）
——滾珠絲杠的導(dǎo)程，（mm）
E——材料的彈性模數(shù)，對(duì)鋼E=
F——滾珠絲杠的界面設(shè)計(jì)（按內(nèi)徑確定），
L——滾珠絲杠在支承件的受力長(zhǎng)度
表知E級(jí)精度絲杠允差15，故剛度足夠。
2.4.5 穩(wěn)定性計(jì)算
由于選用的滾珠絲杠的直徑于原絲杠直徑相同，而支承方式由原來(lái)的一端固定，一端懸空。變?yōu)橐欢斯潭?，一端向支撐，所以穩(wěn)定性增大，故不再驗(yàn)算。
2.5 塑料導(dǎo)軌的應(yīng)用
目前，塑料導(dǎo)軌在普通機(jī)床上仍有廣泛的應(yīng)用，但其靜摩擦系數(shù)大，動(dòng)摩擦系數(shù)隨速度變化而變化，摩擦損失大，低速時(shí)易出現(xiàn)爬坡現(xiàn)象而降低運(yùn)動(dòng)部件的定位精度。因此，目前在數(shù)控機(jī)床上不再使用，而代之以鑄鐵——塑料或鑲鋼——塑料導(dǎo)軌。這次設(shè)計(jì)選用的貼塑導(dǎo)軌。聚四氯乙烯軟膠帶是以聚四乙烯為基體，加入青銅粉，二硫化物和石墨等添加劑混合而成。它具有摩擦性好、減震性好等特點(diǎn)。這種膠帶由于工藝簡(jiǎn)單，對(duì)原有導(dǎo)軌在普通機(jī)床上的改造有廣泛應(yīng)用。
2.6 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)的計(jì)算
由于步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)是一個(gè)脈沖走一步，每一步都有一個(gè)加速過(guò)程，因而對(duì)負(fù)載慣量很敏感。為滿足負(fù)載慣量盡可能小的要求，同時(shí)也滿足一定的脈沖當(dāng)量，常用齒輪降速傳動(dòng)。
2.6.1 縱向傳動(dòng)系數(shù)計(jì)算
2.6.1.1 選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料
（1）、縱向齒輪傳動(dòng)組初步選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)
（2）、選精度等級(jí)，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得：
表5
機(jī)器名稱
精度等級(jí)
機(jī)器名稱
精度等級(jí)
汽輪機(jī)
3~6
拖拉機(jī)
6~8
金屬切割機(jī)床
3~8
通用減速器
6~8
航空發(fā)動(dòng)機(jī)
4~8
鍛壓機(jī)床
6~9
輕型汽車
5~8
起重機(jī)
7~10
重載汽車
7~9
農(nóng)用機(jī)器
8~11
故選用8級(jí)精度。
（3）、 材料選擇：
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇小齒輪材料為45（調(diào)質(zhì)），硬度280HBS。大齒輪材料為45#鋼（調(diào)質(zhì)），硬度240HBS，二者材料硬度差40HBS。
（4）、 選齒輪齒數(shù)及計(jì)算各圓直徑：
傳動(dòng)比i=
故取=32 =40
m=2mm b=20mm
=m=64mm =m=80mm
=68mm =84mm
=59mm =75mm
=72mm
2.6.1.2 按齒面接觸硬度校核
（1） 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)公式：
將、代入上式得：
式中：——齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為N.mm.
——齒輪的分度圓直徑，單位為N.mm
為齒寬系數(shù)，計(jì)算公式為，式中b為齒輪寬度，單位為mm,
k——載荷系數(shù)，
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，使用系數(shù)
表6
原動(dòng)機(jī)工作特性
均勻平穩(wěn)（如機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)、通風(fēng)機(jī)）
中等顫動(dòng)（如重型升降機(jī)、起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）
嚴(yán)重沖擊（如沖床、挖掘機(jī)、重型離心機(jī)）
均勻平穩(wěn)
1.00
1.25
1.75或更大
中等顫動(dòng)
1.25
1.50
2.00或更大
嚴(yán)重沖擊
1.50
1.75
2.25或更大
由表選使用系數(shù)1.00
同理可得：，所以：
=1.8
（2）分別為區(qū)域系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)直齒輪取2.5），彈性影響系數(shù)。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表10——6知齒輪材料為段鋼時(shí)，彈性影響系數(shù)取189.8。
（3） 由機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)10-21d按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為600Mpa；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為550Mpa。
（4） 由圖10-19接觸疲勞壽命系數(shù)：
（5）計(jì)算接觸疲勞許用壓力，取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式10-21得：
（6） 校核
對(duì)于齒數(shù)32與齒數(shù)為40的齒輪配合：
小齒輪傳的扭矩：,為電機(jī)功率單位為Kw，n1為扭矩。
由已知條件原機(jī)床的進(jìn)給電機(jī)功率為3KW，計(jì)算得：
則大齒輪傳遞的扭矩為：
為配合齒輪的齒數(shù)比：，齒寬系數(shù)將以上數(shù)據(jù)代入公式得：
所以，從而齒數(shù)為32的齒輪滿足接觸疲勞強(qiáng)度。同理對(duì)齒數(shù)為50的齒輪代入數(shù)據(jù)得：
所以，從而齒數(shù)為40的齒輪滿足要求。
2.6.1.3 按齒根彎曲強(qiáng)度校核
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》公式： ，式中，Ysa為載荷作用于齒頂時(shí)的應(yīng)力校正系數(shù)Yfa為齒行系數(shù)，齒寬系數(shù)將和代入上式得：
其中：T1為齒輪傳遞的扭矩，單位N.mm,m為齒輪的模數(shù)，Z1為齒數(shù)。對(duì)齒數(shù)為32和40的配合齒輪：
（1） 由圖10-20c查得大齒輪和小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度分別為：
（2） 由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：
（3） 計(jì)算彎曲疲勞需用應(yīng)力，取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式10-12查得：
（4） 計(jì)算載荷系數(shù)K
,其中，為齒間載荷分配系數(shù)，為齒向載荷分配系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)和機(jī)械設(shè)計(jì)得：=1，=1.12，=1.2，=1.35，所以：
（5） 查齒形系由機(jī)械設(shè)計(jì)表10-5得：
Z
24
25
26
27
28
2.65
2.62
2.60
2.57
2.55
1.58
1.59
1.595
1.60
1.61
Z
30
35
36
45
50
2.52
2.45
2.44
2.35
2.32
1.625
1.65
1.66
1.68
1.70
查得齒數(shù)為32和40的齒輪對(duì)應(yīng)的齒形系數(shù)分別為：2.52，2.40
（6） 查應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5得，齒數(shù)為32和40的齒輪對(duì)應(yīng)的應(yīng)力校正系數(shù)分別為1.625，1.67由5.5.1.2知齒數(shù)分別為18和38的齒輪傳遞的扭矩分別為26344N.m,32930N.m,將以上數(shù)據(jù)代入公式：，得：
=21.814263441.6252.52/（0.38）=181.2MPa
<=303.57Mpa
=21.814329302.401.67/(0.258)=149.6Mpa
<=238.6Mpa
所以，齒數(shù)為30和40的齒輪滿足彎曲疲勞強(qiáng)度。
2.6.2 橫向傳動(dòng)系數(shù)計(jì)算
2.6.2.1 齒輪的計(jì)算
傳動(dòng)比
m=3mm b=20mm =
=54mm =114mm
2.6.2.2 按齒面接觸硬度校核
（1） 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)公式：
將、代入上式得：
式中：——齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為N.mm.
——齒輪的分度圓直徑，單位為N.mm
為齒寬系數(shù)，計(jì)算公式為，式中b為齒輪寬度，單位為mm,
k——載荷系數(shù)，
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，使用系數(shù)
由表選使用系數(shù)1.00
同理可得：，所以：
=1.8
（2）分別為區(qū)域系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)直齒輪取2.5），彈性影響系數(shù)。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表10——6知齒輪材料為段鋼時(shí)，彈性影響系數(shù)取189.8。
（3） 由機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)10-21d按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為600Mpa；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為550Mpa。
（4） 由圖10-19接觸疲勞壽命系數(shù)：
（5）計(jì)算接觸疲勞許用壓力，取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式10-21得：
（6） 校核
對(duì)于齒數(shù)18與齒數(shù)為38的齒輪配合：
小齒輪傳的扭矩：,為電機(jī)功率單位為Kw，n1為扭矩。
由已知條件原機(jī)床的進(jìn)給電機(jī)功率為3KW，計(jì)算得：
則大齒輪傳遞的扭矩為：
為配合齒輪的齒數(shù)比：，齒寬系數(shù)將以上數(shù)據(jù)代入公式得：
所以，從而齒數(shù)為18的齒輪滿足接觸疲勞強(qiáng)度。同理對(duì)齒數(shù)為50的齒輪代入數(shù)據(jù)得：
所以，從而齒數(shù)為38的齒輪滿足要求。
2.6.2.3 按齒根彎曲強(qiáng)度校核
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》公式： ，式中，Ysa為載荷作用于齒頂時(shí)的應(yīng)力校正系數(shù)Yfa為齒行系數(shù)，齒寬系數(shù)將和代入上式得：
其中：T1為齒輪傳遞的扭矩，單位N.mm,m為齒輪的模數(shù)，Z1為齒數(shù)。對(duì)齒數(shù)為18和38的配合齒輪：
（1） 由圖10-20c查得大齒輪和小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度分別為：
（2） 由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：
（3） 計(jì)算彎曲疲勞需用應(yīng)力，取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式10-12查得：
（4） 計(jì)算載荷系數(shù)K
,其中，為齒間載荷分配系數(shù)，為齒向載荷分配系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)和機(jī)械設(shè)計(jì)得：=1，=1.12，=1.2，=1.35，所以：
（5） 查齒形系由機(jī)械設(shè)計(jì)表10-5得：
查得齒數(shù)為18和38的齒輪對(duì)應(yīng)的齒形系數(shù)分別為2.91，2.40
（6） 查應(yīng)力校正系數(shù)
由表10-5得，齒數(shù)為18和38的齒輪對(duì)應(yīng)的應(yīng)力校正系數(shù)分別為1.53，1.67由5.5.1.2知齒數(shù)分別為18和38的齒輪傳遞的扭矩分別為10232N.m,21600N.m,將以上數(shù)據(jù)代入公式：，得：
=21.814102321.532.91/（0.427）=47.2MPa
<=303.57Mpa
=21.814216002.401.67/(0.227)=40.3Mpa
<=238.6Mpa
所以，齒數(shù)為18和38的齒輪滿足彎曲疲勞強(qiáng)度。
2.7 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算
2.7.1縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算
2.7.1.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
工作臺(tái)質(zhì)量轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J=
=
2.7.1.2 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算
快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩
最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
快進(jìn)給時(shí)所需力矩
式中： ——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；
——切削時(shí)折算到電機(jī)上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。
當(dāng)n=時(shí)，
當(dāng)n=,
=
當(dāng)=0.8，=0.1時(shí)，
當(dāng)=0.9時(shí)，預(yù)加載荷=，則
所以，快速空載所需力矩
M=++
=25.72+1.223+0.173
=27.116
切削所需力矩
M=+++
=1.536+1.223+0.173+2.736
=5.668
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
M=+=1.223+0.173=1.396
從以上數(shù)據(jù)分析，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)。
2.7.1.3步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
2.7.1.4步進(jìn)電機(jī)的選擇
對(duì)于工作方式的三相六拍得步進(jìn)電機(jī)
查表選用110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)距是800=81.6，其啟動(dòng)距頻率特性如圖4所示。
從圖中可以看到該電機(jī)在3333.3Hz下啟動(dòng)遠(yuǎn)達(dá)不到所需要的轉(zhuǎn)距27.1，所以采用高低壓放電路，并在程序設(shè)計(jì)中有速度控制子程序，以免發(fā)生失步現(xiàn)象。
其運(yùn)行特性如圖5所示。
2.7.2橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算
2.7.2.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
工作臺(tái)質(zhì)量轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J=
=
2.7.2.2 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算
快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩
最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
快進(jìn)給時(shí)所需力矩
式中： ——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；
——切削時(shí)折算到電機(jī)上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。
當(dāng)n=時(shí)，
當(dāng)n=,
=
當(dāng)=0.9時(shí)，預(yù)加載荷=，則
所以，快速空載所需力矩
M=++
=22.34+0.287+0.043
=22.67
切削所需力矩
M=+++
=1.333+0.287+0.043+0.684
=2.347
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
M=+=0.287+0.043=0.33
從以上數(shù)據(jù)分析，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)。
2.7.2.3步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
2.7.2.4步進(jìn)電機(jī)的選擇
對(duì)于工作方式的三相六拍得步進(jìn)電機(jī)
仍然選用110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)，采用高低壓放電路，并在程序設(shè)計(jì)中有速度
控制子程序，以免發(fā)生失步現(xiàn)象。
第3章 控制部分設(shè)計(jì)計(jì)算
設(shè)計(jì)圖紙中的第四張給出了8031單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)。車床的縱向、橫向都采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制。
3.1 控制系統(tǒng)的功能
（1）X向、Y向的進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)
（2）鍵盤顯示
（3）棉板管理
（4）行程管理
（5）其他功能，例如光電隔離電路、功率放大電路、紅綠燈顯示。
3.2 CPU和存儲(chǔ)器
CPU采用8031芯片內(nèi)部具有128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，內(nèi)部編址為000H~7FH，用作工作寄存器、堆棧、軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器。CPU對(duì)內(nèi)部RAM有豐富的操作指令。但僅用片內(nèi)RAM往往不夠，現(xiàn)外接6264芯片來(lái)擴(kuò)展8031的RAM存儲(chǔ)器，8031的輸入、輸出線不多，不能滿足設(shè)計(jì)要求，所以外接8255A芯片以擴(kuò)展I/O口。由于8031無(wú)ROM，它不能構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，必須外接EPROM或ROM作為程序存儲(chǔ)器，因此，外接兩片2764芯便。
8031是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成電路芯便，共四個(gè)8位的I/O接口，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。設(shè)計(jì)圖中的對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)，
——串行斷口接收接入，
——串行斷口發(fā)出輸送，
——外部中斷0申請(qǐng)，
——外部中斷1申請(qǐng)，
——外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，
——訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器的控制信號(hào)：高表示ROM的讀寫(xiě)操作從內(nèi)部存儲(chǔ)器開(kāi)始并延續(xù)到外部存儲(chǔ)器，低表示對(duì)ROM的讀寫(xiě)操作只限于外部存儲(chǔ)器。口和口作為地址線，口傳送高八位地址，口傳送第八位地址和數(shù)據(jù)，故采用74LS373地址鎖存器，鎖存低八位的地址，ALE作為其選通信號(hào)，當(dāng)ALE為高電平，鎖存器的輸入輸出透明，即輸入的低八位存儲(chǔ)器地址在輸出端出現(xiàn)，此時(shí)不鎖存。當(dāng)ALE從高電平變?yōu)榈仉娖?，出現(xiàn)下降延時(shí)，低八位地址鎖入地址鎖存器中，74LS373芯片的輸出不再隨輸入變化，這樣就可以傳送讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)了。8031芯片的口和74LS373送出的共組成16為地址，6264和2764都是8KB，需要13跟地址線。底8位接74LS373芯片的輸出，接8031系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片的片選信號(hào)分別接74LS138的和，系統(tǒng)復(fù)位以后工0000H開(kāi)始執(zhí)行。6264芯片的片選信號(hào)也接74LS3138的，單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)允許程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址（即允許地址重疊），8031芯片控制信號(hào)接2764的引腳，讀寫(xiě)控制信號(hào)和分別接6264芯片的，以實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。由于8031芯片內(nèi)部沒(méi)有ROM故要選外部存儲(chǔ)器，故其必須接地。
3.3 時(shí)鐘電路
時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的信號(hào)，而需研究的是指令執(zhí)行中各信號(hào)之間的相互關(guān)系。單片機(jī)本身就相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制作用下嚴(yán)格按照時(shí)序工作。設(shè)計(jì)圖中8031芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器，起輸入端為引腳，其輸出端為引腳。而在芯片的外部，和之間跨接晶體震蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機(jī)的時(shí)鐘電路。一般電容，30Vpf左右。晶體振蕩頻率范圍是1.2MHZ~12MHZ。如果晶體的振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高。單片機(jī)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)的運(yùn)行速度就快。但反過(guò)來(lái)運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的要求也高，對(duì)應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩脈沖周期（即兩個(gè)機(jī)器周期）以上，對(duì)于使用頻率為6MHZ的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)應(yīng)超過(guò)4us才能完成復(fù)位操作。復(fù)位操作方式有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式。我采用的是按鍵手動(dòng)復(fù)位的方式，它又包括電平方式和脈沖方式兩種，其中按鍵電平復(fù)位方式是通過(guò)是復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的，其電路如下圖（a）所示。而按鍵脈沖方式則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其電路如下圖（b）。我選用的按鍵電平復(fù)位方式，圖中電容參數(shù)適用于6MHZ晶振，能保證復(fù)位信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期。
3.4復(fù)位方式
復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為000H，使單片機(jī)從00H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了使系統(tǒng)初始化外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或者操作錯(cuò)誤是系統(tǒng)處于鎖死狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境也需要按復(fù)位鍵。REST引腳是復(fù)位鍵的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效，有效時(shí)間持續(xù)2~4個(gè)振蕩脈沖周期（即兩個(gè)機(jī)器周期）以上，對(duì)于使用頻率為6MHZ的晶振，則復(fù)位則復(fù)位信號(hào)持續(xù)應(yīng)超過(guò)4us才能完成復(fù)位操作。復(fù)位操作方式有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式。我采用的是按鍵手動(dòng)復(fù)位的方式，它又包括電平方式和脈沖方式兩種，其中按鍵電平復(fù)位方式是通過(guò)是復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的。而按鍵脈沖方式則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的。我選用的按鍵電平復(fù)位方式，圖中電容參數(shù)適用于6MHZ晶振，能保證復(fù)位信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期。
3.5 I/O接口電路
由于8031只有P1口和P3口部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入和輸出口的需求，因而系統(tǒng)必須擴(kuò)展輸入輸出口接口電路。設(shè)計(jì)圖中，系統(tǒng)擴(kuò)展了一片8255（帶RAM和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的可編程并行接口芯片）和一片8255（可編程通用并行接口芯片）。8155的片選信號(hào)接74LS138的端，8255A的片選信號(hào)接到74LS138的端。74LS138翼碼器有三個(gè)輸入A、B、C分別接到8031的 ， ，，輸出為，低電平有效。對(duì)應(yīng)輸入000~111等8種組合，其中對(duì)應(yīng)A、B、C的000，對(duì)應(yīng)111。74LS138有個(gè)使能端，其中為低電平使能，另一個(gè)為高電平使能。只有當(dāng)使能端均處于有效電平時(shí)，輸出在能產(chǎn)生，否則輸出處于高電平無(wú)效狀態(tài)。
I/O接口芯片與外設(shè)的連接是這樣安排的：8155的PA0~PA7作為顯示器的段選信號(hào)，PB0~PB7作為顯示器的位選信號(hào)，PC0~PC4作為鍵盤掃描輸入。行掃描法的基本原理是：使一條列線為低電平，如果這條列線上沒(méi)有閉和鍵，則各行線的狀態(tài)都為高電平；如果這條列線上有閉和鍵，則相應(yīng)的那條行線的狀態(tài)變?yōu)榈碗娖?。這樣就可以根據(jù)行線和列線號(hào)求得閉和鍵的鍵碼。行掃描的過(guò)程:是先是輸出口輸出FEH，然后輸入行線狀態(tài)，判斷行線狀態(tài)是否有低電平。如果沒(méi)有低電平，則再使輸出口輸出FDH，再判斷行線狀態(tài)，依次輸入、判斷，行線中有狀態(tài)為低時(shí)，則閉和鍵找到。至此，行掃描似乎可以結(jié)束，但是，掃描往往繼續(xù)進(jìn)行下去，以排除可能出現(xiàn)的多鍵同時(shí)被按下的現(xiàn)象。
AD0~AD7是數(shù)據(jù)地址符合線，之所以能與P0口直接相連，而不需要地址鎖存，是由于8155內(nèi)部已有鎖存器，可以進(jìn)行地址鎖存，因此連接是不須再加鎖存器。8155與8031中沒(méi)有相應(yīng)的信號(hào)。在采用以高位地址直接作為信號(hào)上，因?yàn)槭?155特有的信號(hào)，8031中沒(méi)有相應(yīng)的信號(hào)。在此采用以高位地址直接作為，所以P2.0接。
8255A芯片PA0~PA6接X(jué)向、Y向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)行分配器，作為輸出，PB0~PB5位兩個(gè)方向的點(diǎn)動(dòng)及回零輸入。PC0~PC5為面板上的選擇開(kāi)關(guān)，設(shè)有編輯、單步運(yùn)行、單段運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)1、手動(dòng)2等方式。A0、A1為端口選擇信號(hào)，四個(gè)可尋址的端口（A、B、C和控制寄存器），用兩位地址編碼即可實(shí)現(xiàn)選擇。在I/O擴(kuò)展連接時(shí)應(yīng)把A0和A1直接與單片機(jī)的P0.0和P0.1相連。
系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲(chǔ)器及I/O接口芯片的地址編碼如下所示：
芯片
接引腳
74LS138
片內(nèi)地址
單元（B）
地址編碼
2764（1）
8K
0000H~1FFFH
2764（2）
8K
2000~3FFFH
6264
8K
2000H~3FFFH
8155
256
9E00H~9EFFH
8155
6
9FF8H~9FFDH
8255
4
5FFCH~5FFFH
3.6電隔離器的功放回路設(shè)計(jì)
3.6.1 驅(qū)動(dòng)回路的時(shí)間常數(shù)
縱向和橫向進(jìn)給都選用110BF003步進(jìn)電機(jī)，差得相電流=6A，電壓=80v L=0.0355H,Rm=0.37u
步進(jìn)電機(jī)以三項(xiàng)六拍工作方式
Ti=L/Rm=0.0355/0.37=95.9ms
因此
3.6.2 時(shí)間常數(shù)為；
若選用串聯(lián)電阻法改善電流上升沿，
Ti2=L/(Rm+Ro) =1.1ms 則
Ro= =31.9
在串聯(lián)電阻 Ro=3.19O后會(huì)消耗一部分功率將其轉(zhuǎn)換成熱能會(huì)給設(shè)備散熱帶來(lái)困難，也降低了功率放大器的功率，因此Ro一般不超過(guò)10u為宜，所以采用雙電源電路。
3.6.3高壓電源的確定
電機(jī)每向五拍改變一次通電狀態(tài)，則控制脈沖2/3寬度的時(shí)間為高壓電源工作時(shí)間，即單穩(wěn)反轉(zhuǎn)時(shí)間，其值為:
0.73ms
而，得；
=122v
3.6.4元器件的確定
3.6.4.1為了使電路簡(jiǎn)單、緊湊、功率放大級(jí)的T1和T2選用復(fù)合管，其性能如下：
（V）
（V）
（V）
（mA）
（V）
2
（V）
（倍）
（A）
（w）
（）
3000~5000
10
50
150
注：在管綠色標(biāo)時(shí)。
硅整流管，選用，主要參數(shù)如下：
額定工作電壓
額定工作電流
正向電壓降
反向電流
20
125
100
5000
0.8
1
20
3.6.4.2確定，
從T1和T2性能數(shù)據(jù)知取=20.5v，而步進(jìn)電機(jī)相電流In=6A
，基極電流：取=4000
則=6/4000=1.5（ma）
等效輸入電阻為：=
選光點(diǎn)隔離器的輸入電流為：=10mA，插得電流傳輸比=30%，所以
=3mA
，=
=-，=80V
=1.5mA
=25.8
=1.7
3.6.4.3確定R1 R2
因?yàn)?10mA，查得光電隔離器的輸入端的正向壓降為1.3V，則：
==370
3.6.4.4.確定
負(fù)載的平均阻抗為：
==13.3
T2的飽和電流：
==6.92mA
而，=6.92/4000=1.73mA，又：
=
0點(diǎn)的電壓為：
==1445
==1969
==13k
3.6.4.5確定
為提供給單穩(wěn)定態(tài)和驅(qū)動(dòng)門足夠的輸入電流（各10mA），所以
=5/==500
3.6.4.6單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74221翻轉(zhuǎn)時(shí)間的確定
振蕩器的“消除”端加高電平，A端加低電平時(shí)，B端躍變可是單穩(wěn)的Q端從低電平變?yōu)楦唠娖?，?jīng)一段時(shí)間自動(dòng)翻轉(zhuǎn)為低電平，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。Q端輸出一個(gè)脈沖，脈沖寬度由外接電阻和確定。
脈沖寬度t=cln2，所以，c=t/ln2，取=10k，則：
C==0.048uF
74221為雙單穩(wěn)態(tài)多諧震蕩器，一塊74221可供步進(jìn)惦記兩向工作，所以相電機(jī)需兩片74221
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