機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)-數(shù)控測(cè)量機(jī)

1、- 2 -北京理工大學(xué)自考本科機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)題 目 數(shù)控測(cè)量機(jī) 指導(dǎo)老師 專 業(yè) 機(jī)電一體化 姓 名 學(xué) 號(hào) 2014年9月23日 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2014年機(jī)電一體化工程專業(yè)自學(xué)考試本科課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 課測(cè)4題目：數(shù)控測(cè)量機(jī)設(shè)計(jì)2.設(shè)計(jì)任務(wù)：根據(jù)給定條件,確定機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案,確定微機(jī)控制系統(tǒng)方案；進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算,繪制機(jī)械裝配圖及其部分零件圖（1-2個(gè)）；進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)技術(shù)分析，設(shè)計(jì)微機(jī)擴(kuò)展和接口電路，繪制控制系統(tǒng)原理圖；繪制步進(jìn)電機(jī)軟件環(huán)形分配器程序流框圖，并編寫(xiě)其源程序；撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份(8000字以上)。3.給定條件:行程范圍 Z向350mm C向可正反向連續(xù)回轉(zhuǎn)

2、運(yùn)動(dòng)分辨 Z向優(yōu)于0.01mm C向優(yōu)于0.1Z向最大移動(dòng)速度 2200mm/min C向最大旋轉(zhuǎn)速度 130r/min(4) 被檢工件最大尺寸（材料為鋼）50mm X350mm(5) 外形尺寸(參考) 700mm X 400mm X320mm(6) 微機(jī)部分?jǐn)U展16k程序存儲(chǔ)器容量，16k數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；人機(jī)交互部分的數(shù)據(jù)和程序輸入采用4行8列的行列式鍵盤(pán)，狀態(tài)和信息顯示采用8位8段LED數(shù)碼管；2個(gè)行程限位信號(hào)（來(lái)自Z向直線運(yùn)動(dòng)單元）、2個(gè)回零開(kāi)關(guān)信號(hào)（分別來(lái)自Z直線運(yùn)動(dòng)單元和C回轉(zhuǎn)單元）及工作方式采用開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入；電機(jī)控制部分包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元的控制，電機(jī)控制采用軟環(huán)分和高低壓驅(qū)動(dòng)。4.設(shè)計(jì)

3、要求:(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,原理正確,制圖符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),圖面整潔；(2)微機(jī)控制系統(tǒng)功能完備, 包括微機(jī)部分，人機(jī)交互部分和電機(jī)控制部分；(3)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)論述清楚,計(jì)算無(wú)誤,數(shù)值單位明確,引用公式及資料有出處。- 40 -摘 要 數(shù)控測(cè)量機(jī)在制造行業(yè)中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，它是一種設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析的現(xiàn)代化的智能工具，更是檢測(cè)產(chǎn)品無(wú)與倫比的質(zhì)量技術(shù)保障的有效工具。數(shù)控測(cè)量機(jī)屬于精密儀器，目前市場(chǎng)上流行的是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，它有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合，汽車(chē)工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)、塑料工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、航空工業(yè)和其他方面。數(shù)控測(cè)量機(jī)以其高精度高柔性以及優(yōu)異的數(shù)字化能力， 成為現(xiàn)代制造業(yè)尤其是模具工業(yè)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、

4、加工制造和質(zhì)量保證的重要手段。測(cè)量機(jī)在處理不同工作方面的靈活性以及自身的高精度，使其成為一個(gè)仲裁者。在為過(guò)程控制提供尺寸數(shù)據(jù)的同時(shí)，數(shù)控測(cè)量機(jī)可提供入廠產(chǎn)品檢驗(yàn)、機(jī)床的校驗(yàn)、客戶質(zhì)量認(rèn)證、量規(guī)檢驗(yàn)、加工試驗(yàn)。 關(guān)鍵詞：數(shù)控測(cè)量機(jī)，精密，測(cè)量目錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc399184379 摘 要 PAGEREF _Toc399184379 h - 1 - HYPERLINK l _Toc399184380 第一章 緒論 PAGEREF _Toc399184380 h - 2 - HYPERLINK l _Toc399184381 第二章 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5、PAGEREF _Toc399184381 h - 3 - HYPERLINK l _Toc399184382 2.1 驅(qū)動(dòng)方案 PAGEREF _Toc399184382 h - 3 - HYPERLINK l _Toc399184383 2.2 減速器方案 PAGEREF _Toc399184383 h - 3 - HYPERLINK l _Toc399184384 2.3 導(dǎo)軌 PAGEREF _Toc399184384 h - 4 - HYPERLINK l _Toc399184385 2.4 軸承的選型及其支撐方式 PAGEREF _Toc399184385 h - 5 - HYPE

6、RLINK l _Toc399184386 第三章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc399184386 h - 5 - HYPERLINK l _Toc399184387 3.1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc399184387 h - 5 - HYPERLINK l _Toc399184388 3.2 旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)單元設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc399184388 h - 10 - HYPERLINK l _Toc399184389 3.3機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc399184389 h - 19 - HYPERLINK l _Toc399184390 第

7、四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc399184390 h - 20 - HYPERLINK l _Toc399184391 4.1微機(jī)各部分控制電路的原理和特點(diǎn) PAGEREF _Toc399184391 h - 22 - HYPERLINK l _Toc399184392 4.2人機(jī)交互部分接口電路 PAGEREF _Toc399184392 h - 26 - HYPERLINK l _Toc399184393 4.3步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF _Toc399184393 h - 29 - HYPERLINK l _Toc399184394 總 結(jié) PAGEREF

8、_Toc399184394 h - 38 -第一章 緒論機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)是機(jī)電專業(yè)的一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，要求設(shè)計(jì)者綜合所學(xué)的知識(shí)按任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)出所要求的產(chǎn)品，對(duì)其中的原理和要求都有比較清晰的認(rèn)識(shí)，包括以下幾個(gè)方面的：(1) 對(duì)以前所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行鞏固，對(duì)不清楚模糊的知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的再學(xué)習(xí)。(2) 實(shí)踐的基礎(chǔ)之上，查詢相關(guān)資料。 數(shù)控標(biāo)測(cè)量機(jī)是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，它由機(jī)械系統(tǒng)和電子系統(tǒng)兩大部分組成。機(jī)械傳動(dòng)部分負(fù)責(zé)帶動(dòng)光幕傳感器沿Z軸移動(dòng)，和帶著工件C軸轉(zhuǎn)動(dòng)和定位。電氣部分主要由單片機(jī)組成的微機(jī)控制系統(tǒng)，以協(xié)調(diào)各個(gè)部分的工作，其中包括手動(dòng)、自動(dòng)等控制功能等。任務(wù)書(shū)要求C向轉(zhuǎn)動(dòng)和Z向移動(dòng)。(1) 機(jī)

9、械部分的設(shè)計(jì) 考慮到數(shù)控測(cè)量機(jī)是精密測(cè)量機(jī)械，機(jī)械部件的選擇就是圍繞選擇如何達(dá)到要求的精度展開(kāi)的，導(dǎo)軌選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌，電氣傳動(dòng)選擇步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速傳到滾珠絲杠的方式來(lái)帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)這一典型傳動(dòng)方式。其中齒輪的消隙采用雙齒輪消隙方式，滾珠絲杠的消隙采用雙螺母墊片消隙法。(2)微型計(jì)算機(jī)控制部分的設(shè)計(jì) 電子系統(tǒng)（控制系統(tǒng)）一般由光柵計(jì)數(shù)系統(tǒng)、測(cè)頭信號(hào)接口和計(jì)算機(jī)等組成，用于獲得被測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。微機(jī)控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，這里我們采用8位微機(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、抗干擾能力強(qiáng)、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，決定采用MCS51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)

10、展整個(gè)系統(tǒng)。電機(jī)控制部分包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元的控制，電機(jī)控制采用軟環(huán)分和高低壓驅(qū)動(dòng)。(3) 總體方案框圖第二章 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 該數(shù)控測(cè)量機(jī)有一下兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元 （1）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元：C向的運(yùn)動(dòng)，即由電動(dòng)機(jī)、減速器帶動(dòng)工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （2) 直線運(yùn)動(dòng)單元：Z向運(yùn)動(dòng)，即電動(dòng)機(jī)、減速器、絲杠帶動(dòng)帶動(dòng)測(cè)量光幕傳感器做直線運(yùn)動(dòng)。 每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元都是由電機(jī)帶動(dòng)減速器做運(yùn)動(dòng)，由此可知機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容總體包括三大結(jié)構(gòu)： （1）工作臺(tái)滑動(dòng)結(jié)構(gòu)：工作臺(tái)板、導(dǎo)軌/滑塊、底板 （2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)：電機(jī)、減速器（齒輪傳動(dòng)）、絲杠螺母?jìng)鲃?dòng) （3）連接和支撐結(jié)構(gòu)：螺紋連接、軸承、軸的支撐圍繞這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)數(shù)控測(cè)量機(jī)進(jìn)行初步的分析，包括對(duì)硬

11、件的選型等，然后進(jìn)行具體的計(jì)算。2.1 驅(qū)動(dòng)方案 伺服系統(tǒng)可以按照有無(wú)反饋分為開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種類型。 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中沒(méi)有反饋回路，不需要速度及位置檢測(cè)裝置，指令信號(hào)為單方向傳送。開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)荷不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由于沒(méi)有檢測(cè)反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床大多采用開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)都帶有位置檢測(cè)元件和反饋回路，檢測(cè)反饋元件用于檢測(cè)實(shí)際位移量，并通過(guò)反饋回路將實(shí)測(cè)位移量回饋給數(shù)控裝置的比較元件，比較元件將實(shí)測(cè)位移量與指令位移量進(jìn)行比較后按照差值

12、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行元件，使其不大于系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差，因而伺服系統(tǒng)控制精度高。閉環(huán)與半閉環(huán)的區(qū)別在于檢測(cè)元件的安裝位置不同，前者將檢測(cè)元件直接裝在機(jī)械運(yùn)動(dòng)末端執(zhí)行件上，檢測(cè)量是線位移；后者將檢測(cè)元件裝于電機(jī)軸或絲杠軸上，檢測(cè)量是角位移。驅(qū)動(dòng)方案可以有二種：一是采用交流或直流伺服電機(jī)的閉環(huán)或半閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)，一般用于精度高、速度快的裝置。二是采用步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)，一般用于精度、速度要求不高、成本較低的裝置。測(cè)量機(jī)由于速度不高，可采用第二方案。2.2 減速器方案 常見(jiàn)減速機(jī)的種類（1）蝸輪減速機(jī)的主要特點(diǎn)是具有反向自鎖功能，可以有較大的減速比，輸入軸和輸出軸不在同一軸線上，也不在同一平面上。但是一般體積

13、較大，傳動(dòng)效率不高，精度不高。（2）諧波減速機(jī)的諧波傳動(dòng)是利用柔性元件可控的彈性變形來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的，體積不大、精度很高，但缺點(diǎn)是柔輪壽命有限、不耐沖擊，剛性與金屬件相比較差。輸入轉(zhuǎn)速不能太高。（3）行星減速機(jī)其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長(zhǎng)，額定輸出扭矩可以做的很大。但價(jià)格略貴。對(duì)比以上各種齒輪的特點(diǎn)及其渦輪桿副的傳動(dòng)特點(diǎn)，本次的數(shù)控測(cè)量機(jī)采用圓柱直齒輪作為減速方案。2.3 導(dǎo)軌直線滾動(dòng)導(dǎo)軌具有摩擦因數(shù)小，不易爬行、便于安裝和預(yù)緊、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床和測(cè)量?jī)x器等。其缺點(diǎn)是抗震性較差、成本較高。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副由導(dǎo)軌和滑塊兩部分組成，一般滑塊中

14、裝有兩組滾珠，當(dāng)滾珠從工作軌道滾到滑塊端部時(shí)，會(huì)經(jīng)端面擋板和滑塊中的返回軌道返回，在導(dǎo)軌和滑塊之間的滾道內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)。如下圖： 滑動(dòng)導(dǎo)軌，是一種做滑動(dòng)摩擦的普通導(dǎo)軌?；瑒?dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便，缺點(diǎn)是未形成完全液體摩擦?xí)r低速易爬行，磨損大，壽命短，運(yùn)動(dòng)精度不穩(wěn)定。滑動(dòng)導(dǎo)軌一般用于普通機(jī)床和冶金設(shè)備上。如下圖：由于滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)，本次數(shù)控測(cè)量機(jī)采用滾動(dòng)導(dǎo)軌，同時(shí)由于采用減速器，還可以克服其導(dǎo)軌的阻尼系數(shù)小，容易產(chǎn)生震蕩的特點(diǎn)。2.4 軸承的選型及其支撐方式在滾動(dòng)摩擦下工作的軸承。滾動(dòng)軸承使用維護(hù)方便，工作可靠，起動(dòng)性能好，在中等速度下承載能力較高。與滑動(dòng)軸承比較，滾動(dòng)軸承的徑向尺寸較大

15、，減振能力較差，高速時(shí)壽命低，聲響較大。滾動(dòng)軸承中的向心軸承（主要承受徑向力）通常由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和滾動(dòng)體保持架4部分組成。內(nèi)圈緊套在軸頸上并與軸一起旋轉(zhuǎn)，外圈裝在軸承座孔中。在內(nèi)圈的外周和外圈的內(nèi)周上均制有滾道。當(dāng)內(nèi)外圈相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)體即在內(nèi)外圈的滾道上滾動(dòng)，它們由保持架隔開(kāi)，避免相互摩擦。推力軸承分緊圈和活圈兩部分。緊圈與軸套緊，活圈支承在軸承座上。本次的設(shè)計(jì)采用滾動(dòng)軸承，對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元，只有齒輪減速箱用到滾動(dòng)軸承，由于沒(méi)有軸向載荷，因此選用深溝球軸承作為徑向支撐，對(duì)于旋轉(zhuǎn)到直線運(yùn)動(dòng)的單元，其齒輪減速箱和滾珠絲杠都要用滾動(dòng)軸承，滾珠絲杠由于有軸向載荷，因此要對(duì)絲杠的徑向和軸向都進(jìn)行

16、支撐，支撐方式采用兩端固定的支撐方式，每一段選擇一個(gè)深溝球軸承和一個(gè)推力軸承組合來(lái)支撐。第三章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)體有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，直線和直線-旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元的計(jì)算單元都不一樣。過(guò)程如下： 3.1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元由步進(jìn)電機(jī)、齒輪減速箱和夾具組成，夾具采用三角自定心卡盤(pán)，步驟大致如下：（1）根據(jù)給定旋轉(zhuǎn)精度，確定電機(jī)步距角；（2）根據(jù)旋轉(zhuǎn)精度和步距角，確定減速器的相關(guān)參數(shù)； （3）計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩，確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)； 詳細(xì)計(jì)算過(guò)程如下； 3.1.1 電機(jī)步距角的計(jì)算 對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就回轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，叫步距角。電機(jī)的總回轉(zhuǎn)角和輸入脈沖數(shù)成正比，而電機(jī)

17、的轉(zhuǎn)速則正比與輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，意味著它能達(dá)到的位置精度越高。步距角的大小與通電方式及轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)。在步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中，是以分?jǐn)?shù)形式給出兩個(gè)數(shù)，其中分子所示的步距角是表示通電方式是雙拍，分母示出的步距角表示通電方式是單拍。任務(wù)書(shū)要求的精度是0.1度，這里初選步距角0.36。 3.1.2 計(jì)算傳動(dòng)比i 旋轉(zhuǎn)精度為0.1度，步距角為0.36度，則旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比i 確定總的傳動(dòng)比后，下面求各級(jí)齒輪的參數(shù)。 一般的傳動(dòng)比1i2，選擇一級(jí)傳動(dòng)；當(dāng)2i4，選擇二級(jí)傳動(dòng)，本次傳動(dòng)比為3.6，所以選擇二級(jí)傳動(dòng)，根據(jù)輪系最佳速比近似分配條件計(jì)算得到為了便于選擇齒輪齒數(shù)，將各級(jí)傳動(dòng)比稍

18、作修改為 因?yàn)闇y(cè)量機(jī)Z向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)只是帶著傳感器運(yùn)動(dòng)，負(fù)載較輕，系統(tǒng)伺服系統(tǒng)功率不大，因此取模數(shù)m=2。選擇，算出，由，則，由上得知齒輪幾何參數(shù)如下表：齒數(shù)Z20362040分度圓d=mz40724080齒頂圓44764484齒根圓35673575齒寬(610）m20202020中心距5660 3.1.3步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的選擇 (1) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 根據(jù)被檢測(cè)工件的最大尺寸為50mm X350mm，由此可以自定心卡盤(pán)的最大外徑為100mm，其厚度大約為40mm，其材質(zhì)均為鋼。其中 D圓柱體直徑（cm）；L圓柱體長(zhǎng)度（cm）。負(fù)載各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：其中齒輪及其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（); 工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（

19、);夾具的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（)。負(fù)載折合到電機(jī)上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（)為 (2) 估算啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 在數(shù)控測(cè)量機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元中，負(fù)載的加速度轉(zhuǎn)矩占啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的比例較大，因此根據(jù)負(fù)載的加速度來(lái)估算電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，然后選擇電動(dòng)機(jī)的型號(hào)。設(shè)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)加速到最大轉(zhuǎn)速的啟動(dòng)時(shí)間=0.03s，則最大加速度轉(zhuǎn)矩（N.cm）其中，負(fù)載這算到電機(jī)軸上的總等效的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（); 電機(jī)最大角加速度（); 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（); 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（); 傳動(dòng)比。 步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（N.cm） k為安全系數(shù)，選擇k=1.31.5，代入數(shù)據(jù)得 (3) 計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩表示步進(jìn)電機(jī)所能承受的最大靜態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩有關(guān)系，最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩

20、與步進(jìn)電機(jī)的通電方式有關(guān)，看下表步進(jìn)電機(jī)相數(shù)三相四相五相數(shù)拍3648510=Tq/Tjmax0.50.8660.7070.7070.8090.951取步進(jìn)電機(jī)的通電方式為三相6拍，則最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩=（4） 計(jì)算最高啟動(dòng)頻率=7800Hz其中，工件最大轉(zhuǎn)速（); 旋轉(zhuǎn)精度（)。(5) 初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)根據(jù)計(jì)算出的最大轉(zhuǎn)矩，由下表查出選用SM3910/LWA，其額定轉(zhuǎn)矩4N.M遠(yuǎn)大于2.45N.m。 (6)校核轉(zhuǎn)矩表中JM=2.2kg.cm2傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J（kg.cm2)可由下式計(jì)算：kg.cm2則步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（N.cm)則最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩它小于步進(jìn)電機(jī)SM3910/LW

21、A額定轉(zhuǎn)矩4N.M，且有較大的余地，因此選這個(gè)是合適的。 3.2 旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)單元設(shè)計(jì) 3.2.1滾動(dòng)導(dǎo)軌的確定（1）滾動(dòng)導(dǎo)軌形式工作載荷是影響導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。這里測(cè)量機(jī)屬于小型設(shè)備，采用雙導(dǎo)軌、兩滑塊的支撐形式。（2）導(dǎo)軌長(zhǎng)度根據(jù)350mm行程范圍及連接臺(tái)的尺寸，確定：動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度lB=65mm動(dòng)導(dǎo)軌行程l=350mm支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度L=lBl=415mm(3)最大工作載荷的計(jì)算根據(jù)采用的光幕傳感器LS-7070的外形尺寸，確定承載光幕傳感器的連接臺(tái)的尺寸（長(zhǎng)寬高）為30010887，材質(zhì)為鋼，計(jì)算其重量為 光幕傳感器LS-7070的重量約為20N，因此移動(dòng)部件的總重量G=(220+20

22、)N=240N。 滑塊承受的負(fù)荷就是光幕傳感器及其連接臺(tái)重量為0.24kN，也即是最大做工載荷其中，最大工作載荷； 滑塊上的工作載荷； 預(yù)壓力載荷；基本動(dòng)額定負(fù)載。（4）距離額定壽命的計(jì)算直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的壽命計(jì)算，是以在一定載荷下行走一定距離后，90%的支撐不發(fā)生點(diǎn)蝕為依據(jù)。這個(gè)載荷稱為額定動(dòng)載荷Ca,該行走距離為距離額定壽命。滾動(dòng)體為球時(shí)，可按下式進(jìn)行計(jì)算：式中，L距離額定壽命，單位為Km; C基本動(dòng)額定負(fù)載，此處經(jīng)查表是11.38KN； Pc滑塊上的工作載荷，單位為KN，這里是0.809KN ; fh硬度系數(shù)，查表得1； ft溫度系數(shù)，查表得為1.0； fw負(fù)載系數(shù)，查表為1.0。 代入數(shù)

23、據(jù)計(jì)算得到距離壽命L=137200km（5）產(chǎn)品型號(hào)選擇我這里采用采用臺(tái)灣上銀滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的HG系列的四方型上鎖式，型號(hào)為HG15。 3.2.2 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）計(jì)算絲杠軸向力Fm回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置是點(diǎn)位控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，要求能快速移動(dòng)，因此作用在滾珠絲杠的軸向的力應(yīng)該以移動(dòng)部件的慣性力為主，同時(shí)包括移動(dòng)部件的重量作用在滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦力。設(shè)系統(tǒng)要求移動(dòng)部件能在1s內(nèi)從正向最大移動(dòng)速度加速到反向最大移動(dòng)速度，其產(chǎn)生的慣性力式中，m移動(dòng)部件的質(zhì)量（kg）； Vmax移動(dòng)部件最大移動(dòng)速度（m/s）； G移動(dòng)部件的重量（N）； g重力加速度; ta加速時(shí)間（s）。移動(dòng)部件

24、的重量作用在滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦力F摩F摩=fG=0.005240N=1.2Nf為滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，f=0.00250.005，此處取0.005。 絲杠軸向力FmFm=F慣+F摩=179.6+1.2=180.8N(2)計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C最大動(dòng)負(fù)載是選用滾珠絲杠的重要依據(jù)，在選用滾珠絲杠副的直徑d0 時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）后，在它的的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。所謂點(diǎn)蝕是指在接觸變應(yīng)力的反復(fù)作用下，在節(jié)線附近的滾道面上會(huì)產(chǎn)生若干小裂紋，封閉在裂紋中的潤(rùn)滑油在壓力的作用下，產(chǎn)生楔擠作用，使裂紋不斷擴(kuò)展，最后導(dǎo)致表層金屬微粒脫落，而形成點(diǎn)蝕。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱

25、為滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)載荷C，查綜合作得計(jì)算公式： 式中，L壽命以為單位； n絲杠轉(zhuǎn)速 （r/min)； Vs為工作臺(tái)的最大進(jìn)給速度 （m/min),，任務(wù)書(shū)上要求的Z向最大移動(dòng)速度為2200/min； L0 絲杠導(dǎo)程 （mm),我們初選導(dǎo)程為4mm;導(dǎo)程L0應(yīng)根據(jù)機(jī)床的脈沖指令要求和負(fù)載情況來(lái)選擇。當(dāng)名義直徑D0確定后，L0值大，可使螺紋的升角變大，效率低，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速會(huì)降低。 T 為使用壽命（h),對(duì)于數(shù)控機(jī)床取15000 h; Fw運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，其中在無(wú)沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下fw 取1.01.2 ，我們?nèi)?.2； 因此帶入數(shù)據(jù)依次求得轉(zhuǎn)速： =550r/min壽命：L= =最大動(dòng)載荷 C=fwFm

26、 =我們初步選擇臺(tái)灣上銀滾珠絲杠系列精密滾珠絲杠副，這種系列的產(chǎn)品精度等級(jí)高，主要用于受力不大，作定位用的場(chǎng)合。我們選擇FSW系列的16-4B1這種型號(hào)的滾珠絲杠，其參數(shù)如下表：動(dòng)負(fù)荷439kgf遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于171.625kgf，綜合考慮合適。（3）剛度驗(yàn)算和穩(wěn)定性核算由于杠軸向力Fm小，且絲桿的長(zhǎng)度較短，因此只要對(duì)絲杠螺母及支承絲杠的軸承進(jìn)行預(yù)緊，剛度和穩(wěn)定性是滿足系統(tǒng)要求的。 3.2.3 傳動(dòng)比計(jì)算已確定脈沖當(dāng)量p=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程L0=4mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角為0.75，計(jì)算傳動(dòng)比ii =可以確定齒輪齒數(shù)為：i = Z2=30，Z1=25或者Z2=42，Z1=35齒輪的模

27、數(shù)取m=2。由于只有一級(jí)齒輪，因此選用調(diào)整中心距的方法來(lái)消除齒輪間隙。齒輪有關(guān)參數(shù)參照齒 數(shù)Z25303542分度圓50607084齒頂圓54647488齒根圓45556579齒 寬(35)m10101010中心距55773.2.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)慣性體時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程為：式中，JM步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量（kgcm2）； JL負(fù)載折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)角速度（rad/s)； TL等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Ncm）； Ta加速轉(zhuǎn)矩（Ncm）； T步進(jìn)電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩（Ncm）。加速轉(zhuǎn)矩Ta在變速區(qū)內(nèi)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)根據(jù)加減速而定。如圖4-3所示。圖4-3 直線加速、減速

28、圖形直線加速時(shí)加速轉(zhuǎn)矩Ta式中， f1自啟動(dòng)區(qū)的脈沖速度（pps)； f2變速區(qū)的脈沖速度（pps)； t1加速時(shí)間（s）； qb步距角（/步）。根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)慣性體時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)計(jì)算所需轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要知道等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL、加速轉(zhuǎn)矩Ta、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM及加速時(shí)間t1。由于尚未選取具體型號(hào)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM是未知的，因此計(jì)算時(shí)加速轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM不加進(jìn)去，算出來(lái)后的再乘以一個(gè)1.3的安全系數(shù)就是所需的加速轉(zhuǎn)矩。下面進(jìn)行具體的計(jì)算。（1）等效負(fù)載慣量JL負(fù)載折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL（kgcm2）式中，J1齒輪Z1其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）； J2

29、齒輪Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）； Js絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）； L0絲杠導(dǎo)程（cm）； G移動(dòng)部件重量（N）。 對(duì)于鋼質(zhì)圓柱體，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量其中，D圓柱體直徑（cm）； L圓柱體長(zhǎng)度（cm）。齒輪的直徑級(jí)寬度前面已經(jīng)算出，絲杠的長(zhǎng)度根據(jù)行程范圍及移動(dòng)部件的尺寸確定為450mm，齒輪與絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：G=240N代入公式得估算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq（Ncm） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq（Ncm）式中，TL等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Ncm）； Tamax最大加速轉(zhuǎn)矩（Ncm）。最大加速轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)負(fù)載的最大加速轉(zhuǎn)矩乘以一定的安全系數(shù)來(lái)估算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，然后初步選定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)。設(shè)電機(jī)起動(dòng)加速到最

30、大轉(zhuǎn)速的起動(dòng)加速時(shí)間ta=0.03s，則最大負(fù)載加速度轉(zhuǎn)矩TLamax（Ncm）式中，JL負(fù)載折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）； 電機(jī)最大角加速度（rad/s2)； nmax電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（r/min）； vmax最大移動(dòng)速度轉(zhuǎn)速（mm/min），2200mm/min； ta加速時(shí)間（s），0.03s； qb步距角（/步），0.75/步； p脈沖當(dāng)量（mm/步），0.01mm/步。起動(dòng)加速轉(zhuǎn)矩Tamax（Ncm）等于負(fù)載加速轉(zhuǎn)矩TLamax（Ncm）乘以一個(gè)1.3的安全系數(shù)估算得到等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL（Ncm）可以由下式計(jì)算：式中，Tf等效摩擦轉(zhuǎn)矩（Ncm）； To附加摩擦轉(zhuǎn)矩（Ncm）

31、； Fo導(dǎo)軌的摩擦力（N）； G橫向移動(dòng)部件的重量，單位為N； f導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)； Lo滾珠絲杠導(dǎo)程（cm）； i齒輪傳動(dòng)比； Fpo滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷（N），一般軸向力的1/3； o滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取0.9 傳動(dòng)鏈總效率，一般可取0.70.85。由于軸向力和摩擦力都比較小，因此在估計(jì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩可以忽略，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩近似等于最大加速轉(zhuǎn)矩，即（3）計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所能承受的最大靜態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，與起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系見(jiàn)下表。最大靜轉(zhuǎn)矩與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電方式有關(guān)，可根據(jù)它在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)手冊(cè)中初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

32、相數(shù)三相四相五相六項(xiàng)拍數(shù)36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866若取三相6拍，則最高起動(dòng)頻率fk（Hz） 式中， vmax最大移動(dòng)速度（m/min），為2200mm/min； p脈沖當(dāng)量（mm/步），為0.01mm/步。 (5) 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)手冊(cè)中查出SM368/LHA的最大靜轉(zhuǎn)矩為150Ncm大于三相6拍時(shí)的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax=66.86Ncm，而且有較大的余量，因此決定選用SM368/LHA步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。(6) 校核轉(zhuǎn)矩SM368/LHA的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM=0.38kgcm，因此傳

33、動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J（kgcm2）為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq（Ncm）最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax（Ncm）SM368/LHA的最大靜轉(zhuǎn)矩為150Ncm大于三相6拍時(shí)的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax=53.98Ncm，而且有較大的余量，因此SM368/LHA滿足轉(zhuǎn)矩要求。3.3機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為回轉(zhuǎn)體數(shù)控測(cè)量裝置裝配圖，設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮以下問(wèn)題： (1) 滾珠絲杠兩端通過(guò)軸承和軸承座進(jìn)行支承，為保證滾珠絲杠與滾動(dòng)導(dǎo)軌在垂直面的平行度，需要利用軸承座螺釘過(guò)孔來(lái)調(diào)整。調(diào)整方法是，先調(diào)松軸承座緊固螺釘，然后左右微微移動(dòng)兩個(gè)軸承座，指導(dǎo)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)靈活后，調(diào)緊緊固螺釘，并打入圓錐銷定位。滾珠絲杠與滾動(dòng)導(dǎo)軌在水

34、平面的平行度靠刮研軸承座底面，或通過(guò)在軸承座和底座之間加裝墊片，靠修磨墊片的厚度來(lái)保證水平方向的平行度。(2) 滾珠絲杠左右各采用一個(gè)深溝球軸承和推力球軸承，以支承絲杠和進(jìn)行軸向固定。當(dāng)絲杠受到向左的軸向力時(shí)，通過(guò)絲杠右端的圓螺母?jìng)鹘o推力球軸承動(dòng)圈、鋼球，經(jīng)不動(dòng)圈傳給軸承座端蓋再傳到底座。當(dāng)絲杠受到向右的軸向力時(shí)，通過(guò)絲杠左端的圓螺母?jìng)鹘o推力球軸承動(dòng)圈、鋼球，經(jīng)不動(dòng)圈傳給軸承座端蓋再傳到底座?；剞D(zhuǎn)單元的主軸采用兩個(gè)深溝球軸承和一個(gè)推力球軸承來(lái)進(jìn)行支承和軸向固定。由于主軸只有在一個(gè)方向有軸向力的作用，因此只采用了一個(gè)推力球軸承，其軸向固定的過(guò)程是這樣的，當(dāng)主軸受到頂尖通過(guò)工件作用的向左的軸向力時(shí)

35、，主軸的軸頸就作用推力球軸承的動(dòng)圈，經(jīng)過(guò)鋼球傳到不動(dòng)圈、擋圈、深溝球軸承外圈、軸承端蓋，最后到主軸箱。向右的軸向力非常小，深溝球也具有承受一定的軸向載荷的能力，因此不再采用推力球軸承。必須注意絲杠所受的軸向力必須傳到底座上，另外要注意推力球軸承不動(dòng)圈和軸頸之間必須畫(huà)出空隙。(3)本設(shè)計(jì)中回轉(zhuǎn)單元齒輪的消除間隙采用了兩個(gè)薄片齒輪，中間開(kāi)有三個(gè)月牙形的槽放入壓簧，并用三個(gè)內(nèi)六角圓柱頭螺釘固定。這種消隙齒輪的裝配順序是：首先將雙片齒輪相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距，使雙片齒輪的齒對(duì)齊，彈簧受壓，上緊螺釘，裝入箱體后，將螺釘松開(kāi)，彈簧將雙片齒輪沿周向錯(cuò)開(kāi)，以消除齒輪間隙，然后將螺釘上緊。因而在設(shè)計(jì)時(shí)，要留有可伸入六

36、角扳手的孔。彈簧兩端用削編的銷子壓住。直線單元齒輪的間隙采用調(diào)整中心距法來(lái)消除。當(dāng)然，也可以在齒輪箱和底座之間加墊片，用修磨墊片的厚度來(lái)改變兩齒輪的中心距，從而消除齒輪間隙。(4)本設(shè)計(jì)的絲杠采用的是單螺帽的絲杠，有兩種預(yù)緊方式，其一為“過(guò)大鋼珠預(yù)緊方式”，此種方式的比珠槽空間大使鋼珠產(chǎn)生4點(diǎn)接觸。另一種稱為“導(dǎo)程偏移預(yù)緊方式”，在螺帽節(jié)距上有值的偏移，這種方式來(lái)取代雙螺帽預(yù)緊方式，并在較短螺帽長(zhǎng)度及其小預(yù)壓力擁有較高剛性，然而此方式不適用太高預(yù)緊力。最好將預(yù)緊力控制在5%負(fù)荷以下。第四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。數(shù)

37、控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。車(chē)床硬件電路由以下五部分組成。（1）主控制器，即中央處理單元CPU（2）總線，包括數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線。（3）存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。（4）接口，即I/O輸入/輸出接口電路。（5）外圍設(shè)備，如鍵盤(pán)，顯示器及光電輸入機(jī)等。任務(wù)書(shū)要求微機(jī)部分?jǐn)U展16K程序存儲(chǔ)器，這里我們選2片2764程序存儲(chǔ)器，用于數(shù)控軟件程序，其中包括系統(tǒng)總控程序、初始化、故障處理顯示程序、z軸和c軸的運(yùn)動(dòng)伺服控制、系統(tǒng)自檢、不同工作方式運(yùn)動(dòng)規(guī)律控制等子程序，用這些的目的是為了完善

38、和發(fā)揮計(jì)算機(jī)的硬件功能，從而使該系統(tǒng)能完成各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的控制過(guò)程，以配合測(cè)量機(jī)檢測(cè)處理數(shù)據(jù)部分的需要。任務(wù)書(shū)還要求16K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，我們選2片6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用于數(shù)據(jù)的暫存、緩沖以及運(yùn)算結(jié)果的存放，也可用于設(shè)定標(biāo)志位。外圍設(shè)備中的輸入接口行列式鍵盤(pán)和顯示電路合在了一起，以節(jié)省IO口線。LED顯示器采用共陰極顯示器，其中在進(jìn)行鍵盤(pán)巡回掃描時(shí)，必須先關(guān)顯示，有關(guān)鍵盤(pán)和顯示器的工作必須經(jīng)過(guò)軟件的協(xié)調(diào)處理后才能達(dá)到預(yù)期的效果。2個(gè)行程限位信號(hào)（來(lái)自Z向直線運(yùn)動(dòng)單元）、2個(gè)回零開(kāi)關(guān)信號(hào)（分別來(lái)自Z向直線運(yùn)動(dòng)單元和C回轉(zhuǎn)單元）及工作方式報(bào)警指示等開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入分別分配到片機(jī)和IO擴(kuò)展芯片8155和82

39、55的IO口。電機(jī)控制部分Z向采用三相的步進(jìn)電機(jī)，C向同樣采用三相的步進(jìn)電機(jī)，功率放大電路部分采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，采用軟環(huán)分把驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖按所需的順序供給電機(jī)各相，優(yōu)點(diǎn)控制靈活方便，缺點(diǎn)是所需要的IO接口接線數(shù)多。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，利用軟環(huán)分程序單片機(jī)輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組，由于步進(jìn)電機(jī)所需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高（幾十伏），電流也較大（幾安到幾十安），如果將IO口輸出信號(hào)直接于功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器

40、由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，當(dāng)輸入信號(hào)加到輸入端時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)出紅外光，光敏晶體管受光照射后，由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流，通過(guò)輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了以光為媒介的電信號(hào)傳輸。4.1微機(jī)各部分控制電路的原理和特點(diǎn)4.1.1 MCS-51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介MCS-51系列單片機(jī)主要有三種型號(hào)的產(chǎn)品：8031、8051和8751。三種型號(hào)的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異。8751具有片內(nèi)EPROM,但價(jià)格是8051的1015倍，所以適合于開(kāi)發(fā)樣機(jī)，小批量生產(chǎn)和需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步完善的場(chǎng)合。8051的EPROM程序是Intel公司制作芯片時(shí)為用戶置備的，因此在國(guó)內(nèi)很難采用8051型芯片。而8031

41、片內(nèi)無(wú)ROM，適用于需擴(kuò)展ROM，可在現(xiàn)場(chǎng)修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場(chǎng)合，其價(jià)格低，使用靈活，非常適合在我國(guó)使用。因此選用8031芯片。8031單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1）具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元（CPU）（2）片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生器（6或12MHz）、每執(zhí)行一條指令時(shí)間為2或1。（3）片內(nèi)具有128字節(jié)RAM。（4）具有21個(gè)特殊寄存器。（5）可擴(kuò)展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K字節(jié)的外部程序存儲(chǔ)器。（6）具有4個(gè)I/O口，32根I/O線。（7）具有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。（8）具有5個(gè)中斷源，配備2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。（9）具有一個(gè)全雙工串行接口。（10）具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算。4.1

42、.2 8031與存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的連接MCS-51系列單片機(jī)的特點(diǎn)之一是硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，MCS-51系列的最小系統(tǒng)用一片8031外擴(kuò)一片EPROM就能滿足功能的要求，對(duì)于復(fù)雜 的應(yīng)用場(chǎng)合，可利用MCS-51的擴(kuò)展功能，構(gòu)成功能強(qiáng)、規(guī)模較大的系統(tǒng)。8031單片機(jī)共有P0、P1、P2、P3四個(gè)8位口，32根I/O口線，其中P0.0P0.7（AD0AD7）是IO端口0的引腳，端口0是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向IO端口，在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，該端口分時(shí)地用低8位地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口（在此時(shí)內(nèi)部上拉電阻有效）。P2.0P2.7是端口2的引腳，端口2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位

43、雙向IO口，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位地址A8A15。因此，8031的程序存儲(chǔ)器的尋址空間為64K（）字節(jié)，8031片內(nèi)不帶ROM，用作程序存儲(chǔ)器的器件是擴(kuò)展的EPROM，ROM空間是單片機(jī)用于存放代碼和表格數(shù)據(jù)。（1）地址線的連接EPROM低8位地址線A0A7經(jīng)地址鎖存器與8031P0口相連。由于；EPROM高8位地址線A8A15直接與8031的P2口相連。由于8031的P0口是分時(shí)輸出低8位地址和數(shù)據(jù)，故要外接地址鎖存器，并由CPU發(fā)出的地址允許鎖存信號(hào)ALE的下降沿將地址信息鎖存入地址鎖存器中。如外接存儲(chǔ)器芯片片內(nèi)有地址鎖存器，則單片機(jī)CPU的P0口可與存儲(chǔ)器低8位地址線直連，但仍

44、要將CPU的ALE信號(hào)與存儲(chǔ)芯片ALE相連。單片機(jī)的P2口用作高位地址線及片選地址線，由于P2口輸出具有鎖存的功能，故不必外加地址鎖存器。（2）數(shù)據(jù)線的連接存儲(chǔ)器的8位數(shù)據(jù)線D0D7與8031芯片的P0.0P0.7直連，單片機(jī)規(guī)定指令碼和數(shù)據(jù)都由P0口讀入，數(shù)位對(duì)應(yīng)相連即可。（3）控制線的相連8031芯片的（外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)）與EPROM芯片的端相連；8031芯片接地，CPU執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令；8031芯片ALE（地址鎖存允許信號(hào)）接主地鎖存器74LS373的G引腳。4.1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展于8031芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要，需要擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

45、RAM。（）常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及引腳常用的靜態(tài)RAM芯片是6264（8K8）、62128、62256等，6264采用CMOS工藝，由單5V供電，典型存取時(shí)間為150200ns。（）8031與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片的連接單片機(jī)CPU與R數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的連接方法和存儲(chǔ)器連接方法大致相同。唯有控制線的連接不同：RAM讀輸入信號(hào)與8031芯片的（）引腳相連；RAM的寫(xiě)輸入信號(hào)與8031芯（）相連。其連接示意圖見(jiàn)圖4.1.4譯碼電路原理8031單片機(jī)允許擴(kuò)展64KB程序存儲(chǔ)器和64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（包括IO芯片），這樣就需要擴(kuò)展多個(gè)外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且程序存儲(chǔ)器個(gè)芯片之間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

46、各芯片之間（包括IO芯片）地址互相不重疊，以使單片機(jī)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器是，避免發(fā)生沖突。當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時(shí)地與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，首先要進(jìn)行片選（指選中某一個(gè)芯片），而當(dāng)片內(nèi)有多字節(jié)單元時(shí)，還要進(jìn)行片內(nèi)地址的選擇。MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則(1)程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址程序存儲(chǔ)器地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址可以重疊使用，都是從0000HFFFFH。這是因?yàn)?031地址總線寬度為16位，可直接尋址的范圍只有64KB。這樣編址方法也給編程帶來(lái)方便，不必考慮地址重復(fù)，靠片選信號(hào)和控制信號(hào)：區(qū)分訪問(wèn)的對(duì)象。（2）外圍IO芯片與擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址外圍IO芯片不僅占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地

47、址單元，而且使用隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)控制信號(hào)與讀寫(xiě)指令。（3）CPU訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)地址編碼 CPU P2口提供高八位地址，P0口經(jīng)外部地址鎖存器后提供低8位地址。地址譯碼的方法有線選法和全地址譯碼兩種方法。（1）線選法利用單片機(jī)地址總線高位中的一根線（一般是P2口中的某根線）作為選擇某一片存儲(chǔ)器（或IO口）芯片的片選信號(hào)。只要該地址線位低電平，就選中該片。這種方法常用于規(guī)模較小的系統(tǒng)，即擴(kuò)展的芯片不是太多的情況。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要地址譯碼器，可節(jié)省硬件，減少成本。缺點(diǎn)是可尋址的芯片數(shù)目受到很大的限制，而且地址空間 也是不連續(xù)的，地址空間沒(méi)有充分利用。（2）全地址譯碼對(duì)于容量較大的系統(tǒng)，擴(kuò)展的

48、外圍芯片較多，芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線時(shí)，就需要用這種全地址譯碼的方法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對(duì)高位地址進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。因?yàn)檫@種地址編碼的方法，除了片內(nèi)地址線以外，剩余的高位地址線全部參加譯碼，故稱為全地址譯碼。由于單片機(jī)8031芯片的P0口是分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要用到鎖存器。常用的地址鎖存器新片74LS373。74LS373好似帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，其引腳如圖:4.2人機(jī)交互部分接口電路 8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但可共用戶使用的只有P1口和部分P3口，因此。在大部分系統(tǒng)中都需要擴(kuò)展I

49、/O口芯片。根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，人機(jī)交互部分的輸入接口采用4行8列的行列式鍵盤(pán)，輸出接口采用8位8段LED數(shù)碼管。8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行IO口，但可供給用戶使用的只有P1口和部分P3口，因此在大部分的應(yīng)用系統(tǒng)中都需要擴(kuò)展IO口芯片。這里我 們采用常用的外圍接口芯片8155來(lái)控制鍵盤(pán)和顯示接口。8155是可編程的RAM/IO擴(kuò)展接口電路，有256個(gè)RAM單元、2個(gè)8位口、一個(gè)6位口、一個(gè)14位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。其中IO/是8155內(nèi)部RAM和I/O口的選擇線，IO/0，低電平時(shí)選擇片內(nèi)RAM，7上的地址信息為8155中的RAM單元地址，當(dāng)，高電平時(shí)7上的地址信息位IO口地址，它利用的下降沿將此

50、信息 鎖存到片內(nèi)鎖存器中。4.2.1 8155通用可編程接口芯片8155具有40條引腳的雙列直插式芯片，其各腳的功能如下表引腳含義引腳含義TIMERINTIMEROUTIO/M地址、數(shù)據(jù)線A口B口C口定時(shí)輸入定時(shí)輸出IO/RAM口選擇ALERDWRCERESE地址鎖存讀寫(xiě)片選復(fù)位地電源4.2.2 8155與鍵盤(pán)和數(shù)碼管的連接 這樣安排的：8155芯片PA0PA7作為顯示器段選信號(hào)輸出，即字型數(shù)據(jù)控制端，PB0PB7是顯示器的位顯信號(hào)輸出，PC0PC3是鍵盤(pán)掃描輸入。8155芯片的IO/引腳接8031芯片的P2.0，因?yàn)槭褂?155的I/O口故為高電平。8155的地址分配是這樣的，片選信號(hào)接譯碼

51、器輸出端，對(duì)應(yīng)的輸入端A、B、C位100，還用到P2.0用于選擇RAM單元地址和IO口地址，片內(nèi)256個(gè)單元用做低8位地址線，未用到地址線設(shè)為1狀態(tài)，因此8155片內(nèi)RAM的地址為10011110，即9E00H9EFFH。IO口地址需要分配6個(gè)，它們分別是A、B、C三個(gè)IO口，命令狀態(tài)寄存器、定時(shí)器低8位、定時(shí)器高8位，其中8155IO口工作方式選擇通過(guò)對(duì)8155內(nèi)部命令寄存器（命令口）設(shè)定命令控制字實(shí)現(xiàn)，這是它的作用。8155的定時(shí)功能是芯片內(nèi)有一個(gè)14位減法計(jì)數(shù)器，可對(duì)輸入脈沖進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，外部有兩個(gè)定時(shí)器引腳TIMERIN和，TIMERIN為定時(shí)器時(shí)鐘輸入，由外部輸入時(shí)鐘脈沖，為定時(shí)輸出

52、，輸出各種信號(hào)脈沖波形。對(duì)定時(shí)器編程時(shí)，首先將計(jì)數(shù)常數(shù)級(jí)定時(shí)器方式送入定時(shí)器口（定時(shí)器低位及高6位，定時(shí)器方式M）04H，05H。計(jì)數(shù)常數(shù) 在0023FFFH之間。計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)和停止有命令寄存器的最高兩位TM2和TM1決定。4.2.3鍵盤(pán)顯示接口電路工作原理（1）顯示器工作原理數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED顯示器和LCD。對(duì)于LED顯示器，通常它是由八個(gè)發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)比畫(huà)發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。有兩種類型，共陰極和共陽(yáng)極，我們這里采用共陰極的。如果加到各段陽(yáng)極上的代碼不同，則顯示器就會(huì)顯示不同的字符和數(shù)字，這個(gè)代碼稱為段

53、碼，選擇字型稱為段選。通常顯示器采用動(dòng)態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器各個(gè)位，對(duì)于顯示器的每一位來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(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?xí)r間和間隔時(shí)間的比列關(guān)系有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。這就是顯示器的掃描過(guò)程。計(jì)算機(jī)以人眼不能分辨的速度輪流對(duì)各字位線輸出低電平，即可在各位上顯示出不同的字符和數(shù)字，從而實(shí)現(xiàn)掃描顯示，這就稱作位選。它的優(yōu)點(diǎn)是占得IO口少。另一種是靜態(tài)顯示，就是同時(shí)把要顯示的顯示出來(lái)，他占得IO多，但亮度大。 （2）鍵盤(pán)接口原理鍵盤(pán)是由若干個(gè)按鍵組成的開(kāi)關(guān)矩陣，它是最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備。其工作原理是:制信號(hào)=“0”則開(kāi)放，

54、可對(duì)鍵識(shí)別：當(dāng)鍵松開(kāi)，測(cè)試信號(hào)=“1”；當(dāng)鍵閉合，測(cè)試信號(hào)=“0”?？刂菩盘?hào)=“1”，禁止，不能對(duì)鍵進(jìn)行識(shí)別。在實(shí)際使用時(shí)，常常把鍵盤(pán)和顯示電路做在一起，以節(jié)省IO線。在進(jìn)行鍵盤(pán)巡回掃描時(shí)，必須先關(guān)顯示，有關(guān)鍵盤(pán)和顯示器的工作必須經(jīng)過(guò)軟件的協(xié)調(diào)處理后才能達(dá)到預(yù)期的效果。在我們的電路中，8155的PC0PC3作為輸入口來(lái)接受測(cè)試信號(hào)，PB0PB7作為輸出口來(lái)掃描8位列線，顯示器的段選（字型數(shù)據(jù)控制）由8155的PA口擔(dān)任，是輸出口?？梢圆捎弥袛嗟姆绞絹?lái)對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，PB口開(kāi)始前全部置0，處于待掃描狀態(tài)，當(dāng)有任意的一個(gè)鍵按下時(shí)，PC口檢測(cè)到變化，便開(kāi)始逐行逐列的檢測(cè)，檢查到那個(gè)就有相應(yīng)的動(dòng)作，如

55、果需要顯示，則進(jìn)入顯示子程序進(jìn)行，鍵盤(pán)和顯示獨(dú)立工作，在程序的協(xié)調(diào)下互不干涉。4.3步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動(dòng)電路在此經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的角位移的電動(dòng)機(jī)。其角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成反比，通過(guò)改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖需要按所要求的順序提供給電機(jī)各項(xiàng)。脈沖分配器就是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)脈沖通電順序的。為使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定功率，需要有足夠功率提供給電動(dòng)機(jī)，因此需要有功率放大環(huán)節(jié)。脈沖分配器及前面的的微機(jī)接口芯片，工作電平一般為5V，而作為電動(dòng)機(jī)電源的需符合步進(jìn)電機(jī)要求的額

56、定值。為避免強(qiáng)電對(duì)弱電的干擾，在她它們之間應(yīng)采用隔離電路。其控制電路框圖如下圖所示：4.3.1脈沖分配器又叫環(huán)形分配器，有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種。硬件環(huán)形分配器需要的 I/O接口接線數(shù)少，且執(zhí)行速度較快，但需要專用的芯片。軟件環(huán)形分配器是用程序?qū)崿F(xiàn)的， 下面是軟環(huán)分原理及源程序。任務(wù)書(shū)的要求用軟環(huán)分，加上前面的選型，三相六拍軟件環(huán)形分配器在電路上不需要環(huán)形分配專用芯片，采用查表法進(jìn)行脈沖分配，也就是在微處理器中專門(mén)安排一個(gè)輸出指針寄存器作為步進(jìn)電機(jī)的控制寄存器，初始化是使指針指向分配表的表首。步進(jìn)電機(jī)的每一相繞組都與這個(gè)寄存器中某一指定位相相對(duì)應(yīng)。寄存器中這一位為“0,對(duì)應(yīng)著相應(yīng)繞

57、組的通電狀態(tài)；這一位為1,對(duì)應(yīng)著相應(yīng)繞組的斷電狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)需要正向運(yùn)行一步時(shí)，指針下移一行，同時(shí)輸出該行的狀態(tài)，當(dāng)指針超出分配表表尾時(shí)自動(dòng)回到表首；步進(jìn)電機(jī)反向運(yùn)行時(shí)，指針上移一行，并輸出該行的脈沖值，當(dāng)指針超出表首時(shí)又自動(dòng)回到表尾。脈沖分配子程序框圖如下。這種情況下，在電路上步進(jìn)電機(jī)的每一繞組需和一個(gè)IO接口相連（經(jīng)光隔離電路），故占用的IO接口數(shù)量較多。由于我們這里是采用三相六拍的控制方式，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。(1)邏輯框圖(2)通電順序表及程序軟件步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組通電順序表電動(dòng)機(jī)繞組通電順序地址指針代碼ABCMOTB+1103H011MOTB+2201H001MOTB+3305H101MOTB

58、+4404H100MOTB+5506H110MOTB+6602H010正反轉(zhuǎn)時(shí)的繞組通電順序（三相六拍） A ABBBC C CACACBCB AB A設(shè)R6為Z向電動(dòng)機(jī)的指針寄存器，正常情況下R6的取值應(yīng)在05之間。則Z向電動(dòng)機(jī)脈沖分配的具體程序如下：ZHENG: INC R6; Z向電機(jī)正走一步（若DEC R6，則反轉(zhuǎn)一步）OTZ: CJNE R6 ,#07H , AA0 MOV R6,#01H; 指針超出分配表的表尾（R6=#06H）時(shí)，自動(dòng)回到表首 （R6=#01H) JMP AA1AA0: CJNE R6,#00H,AA1 MOV R6,#06H; 指針超出分配表的表首（R6=#00

59、H)時(shí)，自動(dòng)回到表尾 (R6=#05H)AA1: MOV DPTR,#MOTB; 十六位數(shù)據(jù)指針指向脈沖分配表的首地址 MOV A,R6; Z向指針?biāo)徒oA MOVC A,A+DPTR;查表取出Z向電動(dòng)機(jī)繞組通電狀態(tài)，存于A MOV DPTR,#5FFDH; 8255A的PA口地址 MOVX DPTR,A; 輸出電動(dòng)機(jī)繞組通電狀態(tài)至8255A的PA口 RET ；循環(huán)執(zhí)行 MOTB: DB FFH ;不用 DB 03H ；A相通電 DB 01H ；AB相通電 DB 05H ；B相通電DB 04H ；BC相通電 DB 06H ；C相通電DB 02H ；CA相通電 （3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 為使步進(jìn)電

60、動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定功率，需要有足夠功率提供給電動(dòng)機(jī)，因此需要功率放大環(huán)節(jié)，以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了提高步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，必須改善電流波形，使電流前后沿更抖些，避免在高頻時(shí)，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)各相繞組電流幾乎同時(shí)存在，使步進(jìn)帶負(fù)載能力下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)失步。電機(jī)常采用電阻法、雙電源法，而任務(wù)書(shū)上要求的高低壓驅(qū)動(dòng)，就是雙電源法中實(shí)用電路，也是為改善電流波形。4.3.2步進(jìn)電機(jī)控制電路的接線(1)地址的分配任務(wù)書(shū)上要求，電機(jī)控制部分采用軟環(huán)分和高低壓驅(qū)動(dòng)電路，我們這里用8255接口芯片來(lái)達(dá)到此目的。8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程輸入輸出接口芯片，它具有3個(gè)8位的并行I/O口，