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1 數(shù)控車(chē)床機(jī)床工業(yè)設(shè)計(jì)書(shū) 一、總體方案設(shè)計(jì) 機(jī)床工業(yè)是機(jī)器制造業(yè)的重要部門(mén),肩負(fù)著為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、科學(xué)技術(shù)和國(guó)防現(xiàn)代化提供技術(shù)裝備的任務(wù),是使現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)具有高生產(chǎn)率和先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的保證。設(shè)計(jì)機(jī)床的目標(biāo)就是選用技術(shù)先進(jìn)。經(jīng)濟(jì)效果顯著的最佳可行方案,以獲得高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 我國(guó)是一個(gè)機(jī)床擁有量大、 大部分機(jī)床役齡長(zhǎng)、數(shù)控化程度不高的發(fā)展中國(guó)家。 因此,從事機(jī)床設(shè)計(jì)的人員,應(yīng)不斷地把經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的新理論、新技術(shù)、新方法應(yīng)用到設(shè)計(jì)中,做到既要技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)效益好、效率高。要不斷的吸收國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn),做到 既要符合我國(guó)國(guó)情,又要趕超國(guó)際水平。要不斷的開(kāi)拓創(chuàng)新,設(shè)計(jì)和制造出更多的生產(chǎn)率高、靜態(tài)動(dòng)態(tài)性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、維修容易、造型美觀、耗能少、成本低的現(xiàn)代化機(jī)床。設(shè)計(jì)本著以上原則進(jìn)行,盡量向低成本、高效率、簡(jiǎn)化操作、符合人機(jī)工程的方向考慮。 (一)、 主傳動(dòng)的組成部分 主傳動(dòng)由動(dòng)力源、變速裝置及執(zhí)行元件(如主軸、刀架、工作臺(tái)等)部分組成。主傳動(dòng)系統(tǒng)屬于外聯(lián)系傳動(dòng)鏈。 主傳動(dòng)包括動(dòng)力源(電動(dòng)機(jī))、變速裝置、定比傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主軸組件、操縱機(jī)構(gòu)等十部分組成。 1、 動(dòng)力源 電動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá),它給執(zhí)行件提供動(dòng)力 ,并使其獲得一定的運(yùn)動(dòng)速度和方向。 2、 定比傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 具有固定傳動(dòng)比的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),用來(lái)實(shí)現(xiàn)降速、升速或運(yùn)動(dòng)聯(lián)接,本設(shè)計(jì)中采用齒輪和帶傳動(dòng)。 3、 變速裝置 傳遞動(dòng)力、運(yùn)動(dòng)以及變換運(yùn)動(dòng)速度的裝置,本設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)滑移齒輪變速組和一個(gè)背輪機(jī)構(gòu)使主軸獲得 18 級(jí)轉(zhuǎn)速。 2 4、 主軸組件 機(jī)床的執(zhí)行件之一,它由主軸支承和安裝在主軸上的傳動(dòng)件等組成, 5、 開(kāi)停裝置 用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的啟動(dòng)和停止的機(jī)構(gòu),本設(shè)計(jì)中采用直接開(kāi)停電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸的啟動(dòng)和停止。 6、 制動(dòng)裝置 用來(lái)控制主軸迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置,以減 少輔助時(shí)間。本設(shè)計(jì)中采用電磁式制動(dòng)器。 7、 換向裝置 用來(lái)變換機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)方向的裝置。本設(shè)計(jì)中采用電動(dòng)機(jī)直接換向。 8、 操縱機(jī)構(gòu) 控制機(jī)床主軸的開(kāi)停、換向、變速及制動(dòng)的機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中,開(kāi)停、換向和制動(dòng)采用電控制;變速采用液壓控制。 9、 潤(rùn)滑與密封 為了保證主傳動(dòng)的正常工作和良好的使用壽命,必須有良好的潤(rùn)滑裝置和可靠的密封裝置。本設(shè)計(jì)中采用箱外循環(huán)強(qiáng)制潤(rùn)滑,主軸組件采用迷宮式密封。 10、 箱體 上述個(gè)機(jī)構(gòu)和裝置都裝在箱體中,并應(yīng)保證其相互位置的準(zhǔn)確性。本設(shè)計(jì)中采用灰鐵鑄造箱體。 11、 刀架 數(shù)控機(jī)床中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)刀架的自動(dòng)控制,采用制動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。 (二)、 機(jī)床主要部件及其運(yùn)動(dòng)方式的選定 主運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求,本設(shè)計(jì)采用分離式主傳動(dòng)系統(tǒng),包括變速箱、主軸箱兩部分。其中,變速箱與電動(dòng)機(jī)至于機(jī)座內(nèi),主軸箱與變速箱采用帶傳動(dòng)連接。所有的變速都采用液壓操作。 3 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 本次所設(shè)計(jì)的機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制,因此在 X、 Y 方向上,進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均采用滾珠絲杠螺母副,其動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)齒輪傳遞。齒輪的消隙采用偏心環(huán)調(diào)整。 數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn) 采用單片機(jī)控制,各個(gè)控制按扭均安裝在控制 臺(tái)上,而控制臺(tái)擺放在易操作的位置,這一點(diǎn)須根據(jù)實(shí)際情況而定。 機(jī)床其它零部件的選擇 考慮到生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性,機(jī)床附件如油管、行程開(kāi)關(guān)等,以及標(biāo)準(zhǔn)件如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購(gòu)形式。 (三)、 機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù) 由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求,現(xiàn)將 濟(jì)型數(shù)控車(chē)床的主要技術(shù)參數(shù) 及加工范圍技術(shù)參數(shù) 列于下: 項(xiàng)目 單位 規(guī)格 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑 20 最大工件長(zhǎng)度 50 最大切削直徑 20 最大切削長(zhǎng)度 50 床鞍(滑板)上最大切削直徑 50 主 軸前端錐孔 莫氏 6號(hào)錐度 主軸孔徑 50 主軸轉(zhuǎn)速范圍 r/01800 主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 18 級(jí) 主軸電機(jī)輸出功率 (普通) 中心高 距床身 50 距地面 130 尾座套筒直徑 5 尾座套筒行程 50 尾座套筒錐孔錐度 莫氏 5號(hào) 4 (四)、 各組成部件的特性與所應(yīng)達(dá)到的要求 1床身 機(jī)床床身采用優(yōu)質(zhì)鑄鐵,內(nèi)部筋采用 U 形布局,床身整體剛性高?;瑒?dòng)導(dǎo)軌面采用中頻淬火,淬硬層深。硬度達(dá) 上,拖板滑動(dòng)面貼塑,使得進(jìn)給系統(tǒng)的剛度,摩擦阻尼系數(shù)等動(dòng) 、靜特性都處于最佳狀態(tài)。 2. 床頭箱結(jié)構(gòu) 機(jī)床主傳動(dòng)采用液壓操縱機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)十八級(jí)轉(zhuǎn)速。機(jī)床主軸箱內(nèi)的傳動(dòng)齒輪均經(jīng)淬硬磨齒處理,傳動(dòng)比穩(wěn)定,運(yùn)轉(zhuǎn)噪音低。機(jī)床主軸為二支撐結(jié)構(gòu),前支撐采用 滑油潤(rùn)滑,提高了回轉(zhuǎn)精度,使機(jī)床主軸具有良好的精度和剛性。機(jī)床采用單片式電磁剎車(chē)離合器,解決主軸的剎車(chē)及離合問(wèn)題,離合器安裝于床頭箱帶輪側(cè),使床頭箱內(nèi)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化,便于維修。 機(jī)床兩軸進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的典型傳動(dòng)方式,在滑板與床鞍及床鞍與床身之間的滑動(dòng)面處貼有 動(dòng)磨 擦系數(shù)非常小,有助于提高了機(jī)床的快速響應(yīng)性能及生產(chǎn)效率。在進(jìn)給系統(tǒng)各滑動(dòng)處及兩軸絲杠絲母處都設(shè)置了潤(rùn)滑點(diǎn)。 4. 刀架 機(jī)床采用立式四工位刀架,該刀架布刀方便,剛性好。 5. 尾座采用手動(dòng)尾座 6. 冷卻系統(tǒng) 冷卻箱放在后床腿中。 機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)配置為 _250 手動(dòng)卡盤(pán), 電路的動(dòng)力回路,均有過(guò)流、短路保護(hù),機(jī)床相關(guān)動(dòng)作都有相應(yīng)的互鎖,以保障設(shè)備和人身安全。 電氣系統(tǒng)具有自診斷功能,操作及維修人員可根據(jù)指示燈及顯示器等隨時(shí)觀察到機(jī)床各部分的運(yùn)行狀態(tài)。 5 當(dāng)機(jī)床遇到外 部突然斷電 或自身故障時(shí),由控制電路的 設(shè)計(jì),機(jī)床可動(dòng)進(jìn)給軸,冷卻電機(jī)等如已在 “啟動(dòng) ”狀態(tài)者,將進(jìn)入 “停止 ”狀態(tài);如已在 “停止 ”狀態(tài)的則不可自行進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài),確保了機(jī)床的安全。另外由于機(jī)床計(jì)算機(jī)內(nèi)的控制程序是 “固化 ”在芯片中的,而零件加工程序是由電池供電保護(hù)的,所以,意外斷電或故障時(shí),不會(huì)丟失計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的程序菜單。 機(jī)床具有報(bào)警裝置及緊急停止按鈕,可防止各種突發(fā)故障給機(jī)床造成損壞。由于軟件的合理設(shè)計(jì),報(bào)警可通過(guò)顯示器顯示文字及報(bào)警號(hào),通過(guò)操作面板的指示燈指示;機(jī)床根據(jù)情況將報(bào)警的處理方式分為三類(lèi):對(duì)緊急報(bào)警實(shí)行 “急停 ”;對(duì)一般報(bào)警實(shí)行 “進(jìn)給保持 ”;對(duì)操作錯(cuò)誤只進(jìn)行 “提示 ”。 6 二、機(jī)床主傳動(dòng)設(shè)計(jì) (一)、 主要技術(shù)參數(shù)的確定 機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)包括主參數(shù)和基本參數(shù)。主參數(shù)是機(jī)床參數(shù)中最主要的,它必須滿(mǎn)足以下要求: a、 直接反映出機(jī)床的加工能力和特性; b、 決定其他基本參數(shù)值的大??; c、 作為機(jī)床設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn); d、 作為用戶(hù)選用機(jī)床的主要依據(jù)。 對(duì)于通用機(jī)床(包括專(zhuān)門(mén)化機(jī)床),主參數(shù)通常都以機(jī)床的最大加工尺寸表示,只有在不適用于用工件最大尺寸表示時(shí),才采用其他尺寸或物理量。如臥 式鏜床的主參數(shù)用主軸直徑,拉床用額定拉力等。為了更完整地表示出機(jī)床的工作能力和加工范圍,有時(shí)在主參數(shù)后面標(biāo)出另一參數(shù)值,稱(chēng)為第二主參數(shù)。如最大工件長(zhǎng)度、最大跨度、主軸數(shù)和最大加工模數(shù)等。 除主參數(shù)外,機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)還包括下列基本參數(shù): a、 與工件尺寸有關(guān)的參數(shù); b、 與工、夾、量具標(biāo)準(zhǔn)化有關(guān)的參數(shù); c、 與機(jī)床結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù); d、 與機(jī)床運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力特性有關(guān)的參數(shù)。 這些基本參數(shù)可以歸納為尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)三種。 1尺寸參數(shù) 尺寸參數(shù)是表示機(jī)床工作范圍的主要尺寸和工、夾、量具的標(biāo)準(zhǔn)化及機(jī)床結(jié)構(gòu)有關(guān)的主要參 數(shù)。如普通車(chē)床橫刀架上最大工件的回轉(zhuǎn)直徑,在相同中心高的情況下,這一尺寸參數(shù)既決定加工長(zhǎng)工件的最大直徑,又決定刀架的厚度及其剛性。機(jī)床主要尺寸參數(shù)內(nèi)容見(jiàn)下表( )。 7 與工件主要尺寸有關(guān)的參數(shù) 最大加工尺寸 最大加工直徑或最大工件直徑,最大加工模數(shù)、螺旋角 主軸通孔直徑 最大加工長(zhǎng)度或最大工件長(zhǎng)度 最大工件安裝尺寸。如工作臺(tái)尺寸、主軸端面至工作臺(tái)面最大距離、主軸中心線至工作臺(tái)面最大距離或立柱間距等 最小工件加工尺寸。如主軸中心線至工作臺(tái)面距離、最小車(chē)削直徑、最小磨削外徑或孔徑等 部件運(yùn)動(dòng)尺 寸范圍 刀架、工作臺(tái)、主軸箱、橫梁的最大行程 刀架、工作臺(tái)、砂輪(導(dǎo)輪)箱或搖臂的最大回轉(zhuǎn)角度 與工、夾、量具標(biāo)準(zhǔn)化有關(guān)的參數(shù) 主軸或尾架套筒的錐孔大小 工件頭架或尾架的頂尖安裝錐度 刀桿斷面尺寸、刀夾最大尺寸、安裝的刀具直徑 工作臺(tái) T 型槽的尺寸和數(shù)目 與機(jī)床結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù) 床身或搖臂的導(dǎo)軌寬度 花盤(pán)或圓工作臺(tái)的直徑 主軸中心線或工作臺(tái)面至地面的高度 機(jī)床主要尺寸參數(shù)內(nèi)容 機(jī)床的主參數(shù)主要決定于工件的尺寸。對(duì)于各類(lèi)通用機(jī)床,已在調(diào)查研究各種工件的基礎(chǔ)上 制定出了機(jī)床的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵照?qǐng)?zhí)行。專(zhuān)用機(jī)床的主參數(shù)則基本上可以根據(jù)工件尺寸決定。 主參數(shù)系列采用優(yōu)先數(shù)系,這樣做有如下好處: ( 1)優(yōu)先數(shù)按等比級(jí)數(shù)分級(jí),能在較寬的范圍內(nèi)以較少的品種,經(jīng)濟(jì)合理地滿(mǎn)足用戶(hù)的需要,即可把產(chǎn)品的品種規(guī)格限制在必需的最少范圍內(nèi)。 ( 2)優(yōu)先數(shù)系具有各種不同公比的系列,因而可以滿(mǎn)足較密和較疏的分級(jí)要求。隨著形勢(shì)的發(fā)展,可以通過(guò)插入中間值使較疏的系列變成較密的系列,而原來(lái)的項(xiàng)值保留不變。在參數(shù)范圍很寬時(shí),根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和需要量等不同的條件,還可以分段選用最合適的基本系列( 即選用不同的公比),以復(fù)合系列的形式組成最佳系列。 ( 3)優(yōu)先數(shù)系是國(guó)際上統(tǒng)一的數(shù)值制度,有利于國(guó)際的標(biāo)準(zhǔn)化。 其他尺寸參數(shù)一般根據(jù)主參數(shù)來(lái)確定。但由于機(jī)床的使用情況比較復(fù)雜, 8 這些尺寸參數(shù)的確定還有相似分析法和圖解分析法及回歸分析法。 由此可以得到 控車(chē)床的尺寸參數(shù)如下表 所示 : 參數(shù)項(xiàng)目 單位 數(shù)值 床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑 20 刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑 60 主軸通孔直徑 5 主軸錐孔莫氏 尾架頂尖套錐孔莫氏 最 大工件長(zhǎng)度 L 50 刀桿截面尺寸 0 20 2運(yùn)動(dòng)參數(shù) 運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括機(jī)床主運(yùn)動(dòng)(切削運(yùn)動(dòng))的速度范圍和級(jí)數(shù),進(jìn)給量范圍和級(jí)數(shù)以及輔助運(yùn)動(dòng)的速度等,它是由加工表面成形運(yùn)動(dòng)的工藝要求所決定的。 主軸極限轉(zhuǎn)速和變速范圍 對(duì)于主運(yùn)動(dòng)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床,主軸極限轉(zhuǎn)速為: m i n )(1 0 0 0m i nm a xm a x rd m i n )(1 0 0 0m a xm i nm i n rd 式中的 小或最大直徑,而是認(rèn)為是在機(jī)床全部工藝范圍內(nèi)可以用最大切削速度加工時(shí)的最大工件直徑,這樣才能得出合理的極限轉(zhuǎn)速值。 ( 1)極限切削速度 據(jù)典型的和可能的工藝選取極限切削速度要考慮:工序種類(lèi)、工藝要求、刀具和工件材料等因素。允許的切削速度極限參考值如下 表 所示 : 9 加工條件 硬質(zhì)合金刀具粗加工 80120 硬質(zhì)合金刀具半精加工或精加工 150250 高速鋼刀具低速光刀 存儲(chǔ)器芯片所要求的讀取時(shí)間 4)a、 常用的程序存儲(chǔ)器 片及其引腳的功能 片,典型的有 2716、 2732、 2764、 27128、這里我們選用的是 片它的容量 88 讀取時(shí)間為 250腳功能( 28 腳) 下面介紹它的引腳功能: 電源線 v、 程的電源線、 接地 數(shù)據(jù)線 8 條 7 地址線 13 條 12 控制線 片選端線(或片選信號(hào)線,低電平有效) 數(shù)據(jù)輸出選通信號(hào)線,低電平有效 編程冒充輸入端。只對(duì) 8751 有效 b、 常用的 片及其引腳功能 常用的有 6264 這里我們選用的是 6264 下面介紹它的引腳功能,讀取時(shí)間為 25028 腳雙列直接封裝的芯片 電源線 址線 13 腳 12 數(shù)據(jù)線 8 腳 7 )( 11寫(xiě)信號(hào)線(片選端) 2寫(xiě)信號(hào)線(片選端) 控信號(hào)線低電平有效 56 控信號(hào)線低電平有效 5) 地址存儲(chǔ)器 為什么要用地址存儲(chǔ)器 址 /數(shù)據(jù)復(fù)用 常用地址鎖存器 7474芯片 我們這里選用的是 74面介紹 74存器引腳功能 20 腳 電源線 入輸出線 輸入線 7 輸出線 7 控制線 a 選端線 當(dāng) 0 時(shí)鎖存輸出,當(dāng) 1 時(shí)輸出成高阻態(tài) b 當(dāng) G=0 時(shí) 7 的信息輸入 7 的低, 8 為地址鎖存到鎖存器中,當(dāng) G=1 時(shí)鎖存器輸出端( 7)狀態(tài)和輸入, 端 7 狀態(tài)相同 ( 1)類(lèi)型 容量 速度。 片( 8301)用晶體頻率為 1240 2)擴(kuò)展的方法 擴(kuò)展一片, 展 8 個(gè) 包括地址線,控制線,數(shù)據(jù)線其中控制線包括: 地址鎖存 選端 輸出允許端 兩片 16、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展跟地址存儲(chǔ)器差不多,我們需要注意下面幾點(diǎn) 引腳的功能就可以了 、1、 222 就可以了。在這里不詳細(xì) 57 介紹了。 4、 存儲(chǔ)器地址空間的分配 線選法 線選法尋址 譯碼器選址 a 部分譯碼法 b 全部 譯碼法 5、 I/O 接口的擴(kuò)展 1) 概述 簡(jiǎn)單 I/O 接口的擴(kuò)展 通過(guò)可編程通用 I/O 擴(kuò)展芯片來(lái)擴(kuò)展 通過(guò)串行口來(lái)擴(kuò)展 簡(jiǎn)單 I/O 口擴(kuò)展我們采用總線擴(kuò)展法、或不可編程 芯片擴(kuò)展采用普通 片擴(kuò)展 構(gòu)成輸出口時(shí),接口芯片應(yīng)該具有鎖存的功能 構(gòu)成輸入口時(shí),接口芯片應(yīng)該具有三態(tài)緩沖和鎖存功能 擴(kuò)展入口的典型芯片有: 74244、 245 擴(kuò)展出口的典型芯片有: 74273 1 74 三態(tài)邏輯緩沖器,總線雙向擴(kuò)展芯片 電源線 入輸出線 7、 7 控制線 片選端,低電平有效。 方向控制端 當(dāng) 0 時(shí)、 0,數(shù)據(jù)從 A B 當(dāng) 0 時(shí)、 1 時(shí),數(shù)據(jù)從 B A 2 74三態(tài)邏輯緩沖器總線單向擴(kuò)展芯片 它的引腳有: 58 1 2 2 、1G 2G 控制 1 3 748D 鎖存器 輸入線 7 輸出線 7 控制線 選通端 清零端 時(shí)有效時(shí),通過(guò) 244 輸入按鍵的數(shù)據(jù) 時(shí)有效時(shí), 273 輸出數(shù)據(jù)顯示 2) 利用專(zhuān)用芯片來(lái)擴(kuò)展( 8155 可編程多功能芯片 I/O 的擴(kuò)展) 1 腳功能 8155 片內(nèi)含有 256 個(gè)字節(jié) 14 位定時(shí) /數(shù)據(jù)器和兩個(gè) 8 位,一個(gè) 16 位可編程并行 I/O 口多功能通用接口芯片 8155/8156 都是 40 腳雙列直接封裝 2 電源線 址 /數(shù)據(jù)線 時(shí)輸出的是地址, 時(shí)或其它是數(shù)據(jù) 端口線 、 控制線 址鎖存線 存儲(chǔ)器選擇線。當(dāng) 為高電平時(shí)作 I/O 口用 當(dāng) 為低電平時(shí),作存儲(chǔ)器用(數(shù)據(jù)) 片選端 E 低電平有效( 8155) 8156)高電平有效 讀寫(xiě)線 R 信號(hào)傳入復(fù)位端 定時(shí) 入 出 作方式 59 作片外 =0 時(shí)用 做擴(kuò)展 I/O 使用 =1 時(shí)作 定時(shí)數(shù)據(jù)器用 4) 單片機(jī)的連接詳細(xì)情況見(jiàn)所畫(huà)電路圖 5) 8255 可編程擴(kuò)展并行 I/O 接口 1 構(gòu)特點(diǎn)(可編程通用并行的輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)的借口芯片) 40 腳雙列直接封裝由單一的 +5v 電源供電 有三個(gè) 8 位并行 I/O 口 具有三種工作方式 使用靈活方便通用性強(qiáng) 2 腳功能 電源線 據(jù)線:數(shù)據(jù)輸入線 7 數(shù)據(jù)輸出線 據(jù)信號(hào)線 址線 S 片選線低電平有效 址線與對(duì)應(yīng)的地址總線相連( 1) 3 8255 相連,這里不在重復(fù),詳細(xì)見(jiàn)電路圖 (六) 、鍵盤(pán)及鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì) 鍵盤(pán)可分為:獨(dú)立式鍵盤(pán)、矩陣式鍵盤(pán)、撥碼式鍵盤(pán)。 工作方式可分為: 掃描式,中斷式:編程掃描式、定時(shí)掃描式 1) 、獨(dú)立式鍵盤(pán)及鍵盤(pán)設(shè)計(jì) 1 個(gè)按鍵個(gè)接一根輸入線,一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其它輸入線上的工作狀態(tài)。它有其優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn):配置靈活,軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 缺點(diǎn):每個(gè)按鍵需要一口線 2 ) 、矩陣式鍵盤(pán)及鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì) 1 行線和列線組成 2 描方式(循環(huán)掃描和定時(shí)掃描)、中斷方式 3 ,它由行線和列線組成,按鍵位于行、列交叉點(diǎn)上。如一個(gè) 4 4 的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)含有 16 個(gè)按鍵的鍵盤(pán)等等。在按鍵數(shù)量較多時(shí),矩陣鍵盤(pán)比獨(dú)立鍵盤(pán)節(jié)省了很多 I/O 口。 按鍵設(shè)置在行、列線分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)兩端。行線通過(guò)上拉電阻接到+5V 上。平時(shí)無(wú)按鍵動(dòng)作時(shí),行線處于高電平狀態(tài),而當(dāng)有按鍵按下時(shí),行線電平狀態(tài)將由此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平如果為低,則行線電平為低;列線電平為高,則行線電平亦為高。這一點(diǎn)是識(shí)別矩陣鍵盤(pán)按鍵是否按下的關(guān)鍵所在。由于矩陣鍵盤(pán)中行、列線為多鍵共用,各按鍵均影響該鍵所在的行和列電平。所以,必須將行、列線信號(hào)配合起來(lái)并作適當(dāng)?shù)奶幚?,才能確定閉合鍵的位置。 對(duì)于矩陣式鍵盤(pán),按鍵的位置由行號(hào)和列號(hào)唯一確定,所以分別對(duì)行號(hào)和列號(hào)進(jìn)行二進(jìn)制編碼,然后將兩 值合成一個(gè)字節(jié),高 4 位是行號(hào),低 4 位是列號(hào)將是非常直觀的。 (七) 、顯示器接口設(shè)計(jì) 在單片機(jī)系統(tǒng)中,常用的顯示器有:發(fā)光二極管顯示器,簡(jiǎn)稱(chēng) 示塊由發(fā)光二極管顯示字段組成,有 7 段和“米”字型之分,一片顯示塊顯示一位字符。共陰極 示塊的發(fā)光二極管的陰極連接在一起,通常此公共陰極接地,當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí),發(fā)光二極管點(diǎn)亮,相應(yīng)的段被顯示。 由于 7 段 示塊有 7 個(gè)段發(fā)光二極管,所以其字形碼為一個(gè)字節(jié);“米”字形 示塊有 15 段發(fā)光二極管,所以字形碼為兩個(gè)字節(jié)。由 n 片示塊可拼接成 n 位 示器,共有 n 根位選線和 8 n 根段選線,根據(jù)顯示方式不同,位選線和段選線的連接也各不相同,段選線控制顯示字符的字型,而位選線則控制顯示位的亮、暗。 61 示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。在多位 示時(shí),為了節(jié)省 I/O 口線,簡(jiǎn)化電路,降低成本,一般采用動(dòng)態(tài)顯示方式。動(dòng)態(tài)顯示方式是一位一位地分別輪流點(diǎn)亮各位顯示器,對(duì)每位顯示器來(lái)說(shuō),每隔一段時(shí)間輪流點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān),也與點(diǎn)亮和熄滅時(shí)間的比例有關(guān)。這種顯示方式將七段 示器的所有段選位并聯(lián)在一起,由一個(gè) 8 位I/O 口控制,實(shí)現(xiàn)各位顯示器的分時(shí)選通。 下圖是 示器采用共陰極方式, 6 個(gè)顯示器的段選碼由 8155 的 選碼由 8155 的 提供( 同時(shí)也提供行列式未編碼鍵盤(pán)的列線),行列式未編碼鍵盤(pán)的行線由 提供。圖中設(shè)置了 36 個(gè)鍵。如果繼續(xù)增加 線,設(shè)全部 線( 作鍵盤(pán)的行線,全部 線( 鍵盤(pán)列線,則按鍵最多可達(dá) 8 6 個(gè)。 下圖中 8155 的 掃描輸出總是只有一位為高電平,即 經(jīng)反相后僅有一位公共陰極為低電平, 8155 的 則輸出相應(yīng)位( 輸出為高對(duì)應(yīng)的位顯示器)的顯示數(shù)據(jù),使該位顯示與顯示緩沖器相對(duì)應(yīng)的字符,而其余各位均為熄滅,依次改變 8155 的 輸出為高的位, 輸出對(duì)應(yīng)的顯示緩沖器的數(shù)據(jù)。 62 1 2 3 4 5 6i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 2 9- M a y - 20 0 4 S he e t o f F i l e : G : 王丹的畢業(yè)設(shè)計(jì) pr ot e l 芯片擴(kuò)展 . dd b D r a w n B y:A B C D E F G H+ 5V+ 50 85 6 021 122 223 324 425 526 627 728P B 029 130 231 332I O / 433A L 534P B 635P B 736T M R O U 037P C 138T M R I 239P C 31P C 42R E S E 558 15 5(八) 、 步進(jìn)電機(jī)控制電路 環(huán)行分配器 1) 相、四相、五相、六相。 1 在本次設(shè)計(jì)中, X 向及 Y 向均選用的是 行分配器 18 腳雙列直插。 0E :先通輸控制,低電平有效,用來(lái)控制分配器是否輸出孫許脈沖。 R :清零端低電平有效,輸出脈沖前對(duì)環(huán)行分配器必須清零,使分配器正常工作。 電方式控制端當(dāng) 分配器以五相五拍工作 當(dāng) 、 五相雙五拍工作 63 當(dāng) 、 五相雙五拍工作 21通輸入控制,低電平有效 時(shí)鐘電路脈沖輸入端 2) 031,步進(jìn)電機(jī)連接 1E 、 2E 兩個(gè)輸入控制端,低電平有效。 電方式控制端。 時(shí)四相四拍,應(yīng)接地 選通輸出控制端,由 8031、 控制 + 、 - 方向控制端,由 8031控制 鐘脈沖輸入端,由 8155 上 供 R 清零端,由 8031供 3) 步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)原理 每輸入一個(gè)脈沖 ,步進(jìn)電機(jī)就前進(jìn)一步 ,因此 ,它也稱(chēng)作脈沖電動(dòng)機(jī) 4 很多 ,但主要分三大類(lèi) :反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) ,永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) ,以及 永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 是應(yīng)用最廣泛的一種 四相 ,五相 ,六相等等 他們的工作原理都有相同之處 :數(shù)字式脈沖信號(hào)控制定子磁極上的控制繞組 ,按一定順序依次通電 ,在頂子和轉(zhuǎn)子的氣隙間形成步進(jìn)式的磁極軸旋轉(zhuǎn) . 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng) ,當(dāng)然也可以閉環(huán)系統(tǒng) . 下圖是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的原理圖 ,它由以下幾部分組成 : 1 2 3 4 5 6i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 2 9- M a y - 20 0 4 S he e t o f F i l e : G : 王丹的畢業(yè)設(shè)計(jì) pr ot e l 芯片擴(kuò)展 . dd b D r a w n B y:脈沖脈沖信號(hào)脈沖分配后的 放大后的信號(hào)源 分配器脈沖信號(hào) 脈沖信號(hào)是一個(gè)脈沖發(fā)生器 ,通常脈沖頻率連續(xù)可調(diào) ,送到脈沖分配器的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率由控制信號(hào)控制 調(diào) ,也稱(chēng)為變頻信號(hào)源 . 脈沖分配器脈沖按一定的順序送到功率放大器中進(jìn)行放大,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作用硬件進(jìn)行脈沖順序的分配,有時(shí)稱(chēng)為環(huán)行分配器,也簡(jiǎn)稱(chēng)環(huán)分 功率放大器將脈沖分配器送來(lái)的脈沖放大,使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)獲得必要的功率 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件,它帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu),如減速裝置,絲桿,工作臺(tái) 脈沖分配 對(duì)每一個(gè)五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)而言,其脈沖分配方式是五相十拍的的其五相分別用,表示五相十拍的運(yùn)行方式是順序輪流通電,則轉(zhuǎn)子 便順時(shí)針?lè)较蛞徊揭?65 步轉(zhuǎn)動(dòng)要改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,只需改變通電的順序即可 脈沖分配器是將脈沖電源按規(guī)定的通電方式分配到各相,該分配可由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)在微機(jī)控制中,脈沖的分配也可由軟件來(lái)完成, 光電隔離、驅(qū)動(dòng)放大使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)延時(shí)的長(zhǎng)短決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行一拍的時(shí)間,也就決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 4) 驅(qū)動(dòng)電路 由微機(jī)根據(jù)控制要求發(fā)出的脈沖,并依次將脈沖分配到各相繞組,因其功率很小,電壓不足,電流為 須經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器將信號(hào)電流放 大到若干安培,才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因此,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)際上是一個(gè)功率放大器驅(qū)動(dòng)器的質(zhì)量直接影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能,驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載是電機(jī)的繞組,是強(qiáng)電感應(yīng)負(fù)載對(duì)驅(qū)動(dòng)器的主要要求是:失真要小,要有較好的前后沿和足夠的幅度;效率要高;工作可靠;安裝調(diào)試和維修方便 下圖是一個(gè) a 繞組的高低壓驅(qū)動(dòng)電路,脈沖變壓器 p 組成高壓控制電路。 66 1 2 3 4 5 6i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 2 9- M a y - 20 0 4 S he e t o f F i l e : G : 王丹的畢業(yè)設(shè)計(jì) pr ot e l 芯片擴(kuò)展 . dd b D r a w n B y: + 8 0 + 12 7 K 0 1 K 2 00 3 T e x e x , ,均截止,電機(jī)繞組 a 中無(wú)電流通過(guò),電機(jī)不轉(zhuǎn) 有脈沖輸入時(shí),飽和導(dǎo)通,在由截止到飽和期間,其集電極電流也就是脈沖變壓器的初級(jí)電流急速增加,在變壓器次級(jí)感應(yīng)一個(gè)電壓,使導(dǎo)通,高壓經(jīng)高壓管加到繞組 a 上,使電流迅速上升,約經(jīng)數(shù)百微妙,當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)后, p 初級(jí)電流暫時(shí)恒定,次級(jí)的感應(yīng)電壓降到,截止,這時(shí)低壓電流經(jīng)加到繞組 a 上,維持 a 中的電流為恒定值 輸入脈沖結(jié)束后,又均截止,儲(chǔ)存在 a 中的能量通過(guò)的電阻和二極管 泄放,的電阻的作用是減小放電回路的時(shí)間常數(shù),改善電流波形后沿 由于采用高低壓驅(qū)動(dòng),電流增長(zhǎng)快,電機(jī)的力矩和運(yùn)行頻率都得到改善, 67 但由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì),使電流波形頂部下凹,使平均電流下降,轉(zhuǎn)矩下降 5) 為了避免外部設(shè)備的電源干擾,防止被控對(duì)象電路的強(qiáng)電反竄,通常采取將微機(jī)的前后向通道與被連模塊在電氣上的隔離的方法。過(guò)去通常隔離變壓器或中間繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn),而目前已廣泛被性能高、價(jià)格低的光電耦合器來(lái)代替。 光電耦合器是把發(fā)光元件與受光元件封裝在一起,以光作為媒體來(lái)傳輸信息的。 其封裝形式有管形,雙列直插式、光導(dǎo)纖維連接等。發(fā)光器件一般為砷化鎵紅外發(fā)光二極管。 光電耦合器具有以下特點(diǎn): 信號(hào)采取光電形式耦合,發(fā)光部分與受光部分無(wú)電氣回路,絕緣電阻高達(dá)1010緣電壓為 1000而具有極高的電氣隔離性能,避免輸出端和輸入端之間可能產(chǎn)生的反饋和干擾。 由于發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)器件,動(dòng)態(tài)電阻很小,對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾信號(hào)形成低阻抗旁路,因此抗干擾能力強(qiáng),共模抑制比高,不受磁場(chǎng)的影響,特別是用于長(zhǎng)線傳輸時(shí)作為終端負(fù)載,可以大大地提高信噪比。 光電耦合器可以耦合零 到數(shù)千赫的信號(hào),且響應(yīng)速度快(一般為幾毫秒,甚至少于 10可以用于高速信號(hào)的傳輸。 下圖的光電耦合器是采用硅光電二極管作受光元件。其 10%脈沖上升和下降時(shí)間小于 5 s,輸出電路飽和壓降?。?電路構(gòu)件簡(jiǎn)單,是目前應(yīng)用較多的一種,主要用于驅(qū)動(dòng) 路、傳輸線隔離、脈沖放大等。 晶體管輸出型的光電耦合器用于開(kāi)關(guān)信號(hào)耦合時(shí),發(fā)光二極管和光電晶體管平常都處于關(guān)斷狀態(tài)。在發(fā)光二極管通過(guò)電流脈沖時(shí),光電晶體管在電流脈沖持續(xù)的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。下圖是使用 4電耦合器的接口電路 ,這里 4031 系統(tǒng)與輸出設(shè)備電氣回路的作用,使兩部分的電流相互獨(dú)立。輸出部分的地線 地殼或大地,而單片機(jī)的電源地線( 空,這樣可以避免輸出部分電源變化對(duì)單片機(jī)電源的影響。 68 1 2 3 4 5 6i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 4 - J 2 0 0 4 S he e t o f F i l e : G : 王丹的畢業(yè)設(shè)計(jì) pr ot e l 芯片擴(kuò)展 . dd b D r a w n B y:V C C+ 50 3 K 機(jī)床信號(hào)輸出信號(hào) )、 部分控制程序: 1. 直線圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì) 在機(jī)電設(shè)備中,執(zhí)行部件要實(shí)現(xiàn)平面斜線和圓弧曲線得路徑運(yùn)動(dòng),必須通過(guò)兩個(gè)方向得合成來(lái)完成,在數(shù)控機(jī)床中,這是由 X, Y 兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)得工作臺(tái),按照插補(bǔ)控制原理實(shí)現(xiàn)得。插補(bǔ)原理在有關(guān)課程中學(xué)過(guò)。 2 直線插補(bǔ)程序 2000H #60H 28H, #0 29H, #0 2 #00H; X 2 #00H; Y 2 #00H; F 70H, #0 A, 2B , A, 70H 0 2 70H,A; 69 調(diào)步進(jìn)電機(jī)得控制子程序, +X 方向進(jìn)給一步 A。 29H; 2X+1 A , 70H 2 調(diào)步進(jìn)電機(jī)得控制子程序, +Y 方向進(jìn)給一步 A, 2 A, 28H; F+Y 2A A, 28H A, 2? 序中 步進(jìn)電機(jī)得控制子程序。如用硬 件實(shí)現(xiàn)環(huán)分。如采用環(huán)形分配器,則需要由軟件程序完成硬件環(huán)分得功能,見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)。 18H 19H 28H 29H 1 1 2L 2H 2 2400H 70 #60H; 70H, #08H; #80H; #0 #80H; #00H; #00H; #00H; #00H; #00H; #00H; A, A, 70H #28H; #1 #02H; 2*Y C A, A,1 A, A,1+2Y C A,71 A,#00H 28H,A A, A,#00H C A, A,#01H A, A,#00H ;F+2Y+1 A,70H 70H,A; #18H; #1 2H 2* C A, 1 A, A A, A, 1 A A, 72 A, #00H A; C A, A, #01H A A, A, #00H A; A, A, e? A, A, 2500H 字節(jié)乘 2 子程序 A B C #00H A, B,#02H A, B 73 、 態(tài)顯示程序設(shè)計(jì): 本設(shè)計(jì)中采用 態(tài)顯示方式:其電路接口電路形式為: 數(shù)碼管是八位共陰極,所以發(fā)光時(shí)字形驅(qū)動(dòng)輸出“ 1”有效,位選驅(qū)動(dòng)輸出“ 0”有效。對(duì) 8155 來(lái)講,字形碼輸出“ 0”有效,位選掃描電平為“ 1”有效。 各數(shù)碼管雖然是分時(shí)輪流通電,但由于發(fā)光管具有余輝特性及人眼具有視覺(jué)暫留作用,所以適當(dāng)選取循環(huán)掃描頻率時(shí),看上去所以的數(shù)碼管是同時(shí)亮的,察覺(jué)不出有閃爍現(xiàn)象。不過(guò)這種方式數(shù)碼管不宜太多,一般在 8 個(gè)以?xún)?nèi),否則每個(gè)數(shù)碼管所分
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