數(shù)控車(chē)床機(jī)床工業(yè)設(shè)計(jì)書(shū)

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