CK6163數(shù)控車床設(shè)計(jì)

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1、 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 設(shè)計(jì)（論文）題目： CK6163數(shù)控車床設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 指導(dǎo)老師 系主任(院長(zhǎng)) 評(píng)閱人 2011 年 04 月 23

2、 日 目 錄 摘要................................................4 第一章 前言.........................................5 第二章 數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)概述.........................7 2.1 伺服進(jìn)給系統(tǒng)概述...........................7 2.2 伺服進(jìn)給系統(tǒng)分類.......................

3、....7 2.3 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求.....................7 第三章 數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與電機(jī)的選擇 3.1 數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的方案的設(shè)計(jì)..............8 3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)計(jì)算與的選型....................9 3.2.1 已知技術(shù)參數(shù).........................9 3.2.2 滾珠絲桿的計(jì)算與選擇.................9 3.3 校核……………………………………………….10 3.3.1 臨界壓縮負(fù)荷……………………………..10 3.3.2 臨界

4、轉(zhuǎn)速…………………………………..10 3.3.3 絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率…..11 3.3.4 絲桿扭轉(zhuǎn)剛度………………………….12 3.3.5 傳動(dòng)精度計(jì)算………………………….13 3.3.6 伺服電機(jī)計(jì)算………………………...14 3.3.7電機(jī)的選擇………………………………14 第四章 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)與動(dòng)力計(jì)算.........15 4.1 降速比計(jì)算...........................15 4.2 傳動(dòng)比轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算.................16 4.2.1 齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算............

5、..16 4.2.2 工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量................16 4.2.3 絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量………………………16 4.2.4 負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量..16 4.3 電動(dòng)機(jī)力矩的計(jì)算.....................17 4.3.1 計(jì)算加速力矩……………………………17 4.3.2 計(jì)算摩擦力矩……………………………17 4.3.3 計(jì)算附加摩擦力矩………………………18 4.3.4 根據(jù)公式計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)所需的力矩……………………………………………………………18 第五章 滾珠絲桿副的選擇...................

6、...18 5.1 滾珠絲桿的支承......................18 5.2 滾珠絲桿螺母副間隙消除與預(yù)緊........18 5.3絲桿螺母機(jī)構(gòu)的計(jì)算...................18 5.3.1 確定滾珠絲桿副的導(dǎo)程………………19 5.3.2 強(qiáng)度計(jì)算……………………………..19 5.3.3 絲桿螺母機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)剛度計(jì)算……..19 5.4 滾珠絲桿螺母機(jī)構(gòu)工作原理及特點(diǎn)......20 5.4.1 滾珠絲桿安裝方式特點(diǎn)……………..20 第六章 繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖...............21 6.1 數(shù)控車床總體

7、布局圖（附錄1）.........22 6.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)部件結(jié)構(gòu)裝配圖（附錄2）.22 第七章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)...................23 7.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路總體方案設(shè)計(jì).....23 7.2 8255A可編程并行I/O扣擴(kuò)展芯片.......25 7.3 8255端口的尋址......................25 7.4 可編程鍵盤，顯示器接口——Intel1827..26 7.5 地址鎖存器74LS373………………………..27 7.6 部分硬件接口電路及輔助電路設(shè)計(jì).......29 第八章 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).........

8、...............35 總結(jié)...........................................37 致謝……………………………………………………….37 參考文獻(xiàn).......................................37 附錄...........................................37 摘 要 本課題為設(shè)計(jì)一經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床就是指價(jià)格低廉、操作使用方便、比較適合我國(guó)國(guó)情的，動(dòng)化的機(jī)床。采用數(shù)控機(jī)床，可以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少工裝，

9、縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)。在設(shè)計(jì)的時(shí)候具體進(jìn)行了詳細(xì)的各部件的選型和計(jì)算。比如：導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)選型、滾珠絲杠螺母副的選型與計(jì)算。還進(jìn)行了進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差分析、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型計(jì)算、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與滾珠絲杠的聯(lián)接、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析等。機(jī)械制造業(yè)是國(guó)家工業(yè)體系的重要基礎(chǔ)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，是衡量一個(gè)國(guó)家科技水平的重要標(biāo)志之一；針對(duì)現(xiàn)有常規(guī)ck6163普遍車床的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高加工精度和擴(kuò)大機(jī)床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)過程，較詳盡地介紹了ck6163機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)

10、及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。采用以8031為CPU的控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后，帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 第一章 前言 整個(gè)人類社會(huì)的文明史，就是制造技術(shù)不斷演變和發(fā)展的歷史。任何國(guó)家的制造業(yè)都是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主要來源。沒有發(fā)達(dá)的制造業(yè)，就不可能有國(guó)家真正的繁榮和強(qiáng)大。制造技術(shù)是制造業(yè)的技術(shù)支柱，是一個(gè)國(guó)家科技水平、綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)，制造技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的根本動(dòng)力。而制造業(yè)中機(jī)床是其基礎(chǔ)裝備。我國(guó)是一個(gè)機(jī)床大國(guó)，有三百多萬臺(tái)普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺(tái)機(jī)床的平均產(chǎn)值只

11、有先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的1/10左右，差距太大，急待改造。舊機(jī)床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動(dòng)化能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。隨著數(shù)控機(jī)床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為大家所理解。在國(guó)內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機(jī)床的微機(jī)數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機(jī)床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)經(jīng)濟(jì)資源有限，國(guó)家大，機(jī)床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù)控機(jī)床，而我國(guó)的舊機(jī)床很多，用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，比較符合我國(guó)

12、的國(guó)情。1984年，我國(guó)開始生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機(jī)床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)?？梢灶A(yù)料，今后機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。 我國(guó)目前機(jī)床總量380余萬臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺(tái)，即我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺(tái)，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的數(shù)控化率僅為6％。這些機(jī)床中,役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，

13、而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品國(guó)內(nèi)、外市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。

14、 現(xiàn)代制造業(yè)正在迎來一場(chǎng)新的技術(shù)革命。數(shù)控系統(tǒng)未來分以下幾個(gè)發(fā)展方向： ●數(shù)控系統(tǒng)向開放式體系結(jié)構(gòu)發(fā)展 ●數(shù)控系統(tǒng)向軟數(shù)控方向發(fā)展 ●數(shù)控系統(tǒng)控制性能向智能化方向發(fā)展 ●數(shù)控系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 ●數(shù)控系統(tǒng)向高可靠性方向發(fā)展 ●數(shù)控系統(tǒng)向復(fù)合化方向發(fā)展 ●數(shù)控系統(tǒng)向多軸聯(lián)動(dòng)化方向發(fā)展 因此，采用數(shù)控機(jī)床，可以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)。 此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）

15、以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容是機(jī)床縱向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，并撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 設(shè)計(jì)的目的是培養(yǎng)綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，解決工程實(shí)際問題的能力，提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，受到本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練，使工程繪圖、數(shù)據(jù)處理、外文文獻(xiàn)閱讀、程序編制、使用手冊(cè)等基本技能得到訓(xùn)練和提高，培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作精神。 在設(shè)計(jì)分析中，先通過參觀及查閱等了解有關(guān)系統(tǒng)的工作原理，作用及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。選擇合適的算法，根據(jù)計(jì)算結(jié)果查閱手冊(cè)，得出相關(guān)的結(jié)構(gòu)

16、或零件。 第二章 數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)概述 2.1 伺服進(jìn)給系統(tǒng)概述 數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行部件組成。它的作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置（直流、交流伺服電動(dòng)機(jī)，功率步進(jìn)電機(jī)，電業(yè)脈沖馬達(dá)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、主軸刀架等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速移動(dòng)。數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)的差別，他能根據(jù)指令信號(hào)精確地控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度與位置，以及幾個(gè)執(zhí)行部件按一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。 2.2 伺服進(jìn)給系統(tǒng)分類 數(shù)控伺服進(jìn)

17、給系統(tǒng)按有無位置檢測(cè)和反饋進(jìn)行分類，有以下三種： (1)開環(huán)伺服系統(tǒng) (2)半閉環(huán)伺服系統(tǒng) (3)閉環(huán)伺服系統(tǒng) 2.3 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求 (1)精度要求 (2)響應(yīng)速度 (3)調(diào)速范圍 (4)低速、大轉(zhuǎn)矩 第三章 數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與電機(jī)的選擇 3.1 數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床按控制方式分為開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)，由于采用直流式交流伺服電機(jī)的閉環(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，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，消除間隙、干擾等對(duì)加工精度的影響，一般應(yīng)用于要

18、求高的數(shù)控設(shè)備中，由于數(shù)控車床加工精度不十分高，采用閉環(huán)系統(tǒng)的必要性不大。若采用直流或交流伺服電機(jī)的半閉環(huán)控制，精度較閉環(huán)控制的查，但是穩(wěn)定性好，成本較低，調(diào)試維修較容易；但是對(duì)于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床來說必要性不大。故在本次設(shè)計(jì)中，采用開環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 確定設(shè)計(jì)任務(wù)后，初步擬定三種傳動(dòng)方案 即 1 電機(jī)直接與絲杠相連；2 電機(jī)通過同步帶的傳動(dòng)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)；3電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn) : (1)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與輸入的脈沖個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，故控制輸入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)就能控制位移量； (2)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比，與要控制脈沖頻

19、率就能調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； (3)停止送入脈沖時(shí)，只要維持繞組內(nèi)電流不變，電動(dòng)機(jī)軸可以保持在某個(gè)固定位置上，不需要機(jī)械制動(dòng)裝置； (4)變通電相序即可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向； (5) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在齒間相鄰誤差，但是不會(huì)產(chǎn)生累積誤差； (6) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，啟動(dòng)、停止迅速。滾珠絲杠副具有摩擦數(shù)小傳動(dòng)效率高，所需的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩??；靈敏度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生爬行；隨著精度和定位精度高，磨損小，壽命長(zhǎng)，精度保持性好，可通過預(yù)緊間隙消除措施提高軸承剛度和反向精度，運(yùn)動(dòng)具有可性。 故在本次設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)X向工作臺(tái)移動(dòng)。傳動(dòng)方案1的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是消除由步進(jìn)

20、電動(dòng)機(jī)引起的振動(dòng)等現(xiàn)象能力較差，故在本次設(shè)計(jì)中不采用方案1；傳動(dòng)方案2采用同步帶傳動(dòng)保持恒定傳動(dòng)比，傳動(dòng)精度高工作平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，無噪聲，有良好減振性能，但制造工藝比較復(fù)雜，傳遞功率較小，壽命較低，故在本次設(shè)計(jì)中不易采用。所以本次設(shè)計(jì)中采用方案3的齒輪傳動(dòng)，其主要特點(diǎn)是效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)比穩(wěn)定，傳動(dòng)過程中采用消隙齒輪，消除正反轉(zhuǎn)齒輪間隙提高傳動(dòng)精度，性價(jià)比高。 3.2 .步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 3.2.1 已知技術(shù)參數(shù) 縱向最大行程（Z軸）650 mm； 工作進(jìn)給速度為6mm/min； 縱向快速進(jìn)給速度：2 m/min； 床鞍及其他的估計(jì)尺寸（長(zhǎng)寬

21、高）：600mm300mm100mm； 材料選為HT200。 3.2.2 滾珠絲杠的計(jì)算及選擇 滾珠絲杠導(dǎo)程的確定 在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)和絲杠直接相連，傳動(dòng)比為，設(shè)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為，則由公式(3.1)可得絲杠導(dǎo)程為： ：確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速： 由公式(3.2) ，最大進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速： 最小進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速： 由公式(3.3) ，絲杠等效轉(zhuǎn)速為： 估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及工作臺(tái)承重： 橫向工作臺(tái)質(zhì)量： 床鞍及其他： 總質(zhì)量： 確定絲杠的等效負(fù)載： 取滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為0.025，則絲杠所受的力為（如圖4.1所示）：

22、 (4.1) 其等效負(fù)載可按公式(3.5)估算： 確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷： 由公式(3.6)得： 圖4.1 受力分析 查表選定絲杠為外循環(huán)插管式墊片預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型，型號(hào)： CDM2510-2.5。絲杠公稱直徑為φ25mm，基本導(dǎo)程，其額定動(dòng)載荷，額定靜載荷，圈數(shù)列數(shù)=2.51，絲杠螺母副的接觸剛度為，絲杠底徑24.5mm，螺母長(zhǎng)度為125mm，取絲杠的精度為3級(jí)。在本設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片預(yù)緊。兩邊的軸承選為φ

23、17mm與φ20mm。 3.3 校核 3.3.1 臨界壓縮負(fù)荷 軸向固定的長(zhǎng)絲杠在承受壓縮負(fù)荷時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其壓桿穩(wěn)定性。臨界壓縮負(fù)荷按公式(3.7)(3.8)計(jì)算： 絲杠螺紋部分長(zhǎng)度，取 支承跨距 ， 絲杠全長(zhǎng) 可見遠(yuǎn)大于，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。 3.3.2臨界轉(zhuǎn)速 由公式(3.9) 取 ， 滿足要求。 3.3.3 絲杠拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 由公式 (3.10)(3.1

24、1)(3.12) ： 已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度，絲杠的最小拉壓剛度（見后面計(jì)算）。螺母座剛度。 絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動(dòng)的固有頻率： 顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。 3.3.4 絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度由公式(3.13)計(jì)算： 由文獻(xiàn)[7,8]得： 平移物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率按公式(3.14)計(jì)算: 顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，可以滿足要求。 3.3.5 傳動(dòng)精度計(jì)算 導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，L值

25、分別為650mm和100mm。 由公式(3.15) ，最大與最小機(jī)械傳動(dòng)剛度： 最大和最小機(jī)械傳動(dòng)剛度： 由于機(jī)械傳動(dòng)裝置引起的定位誤差據(jù)公式(3.16) 對(duì)于3級(jí)滾珠絲杠，其任意300mm導(dǎo)程公差為 ，機(jī)床定位精度，所以，，可以滿足由于傳動(dòng)剛度變化所引起的定位誤差小于（1/31/5）機(jī)床定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補(bǔ)償，定位精度能進(jìn)一步提高。 3.3.6 伺服電機(jī)計(jì)算 扭矩的計(jì)算 1) 理論動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩 查表知3級(jí)滾珠絲杠 ， 而 由公式(3.17) 2) 最大動(dòng)態(tài)摩擦力矩 對(duì)于3級(jí)滾珠絲杠，，由式(3.18)

26、 3) 驅(qū)動(dòng)最大負(fù)載所耗轉(zhuǎn)矩 由公式(3.19) 4) 支承軸承所需啟動(dòng)扭矩 查軸承表： 對(duì)于的軸承，其， 則 。 5) 驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副所需扭矩 6) 電機(jī)的額定扭矩 3.3.7 電機(jī)的選擇 根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及文獻(xiàn)[12]，選擇電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。 第四章 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)與動(dòng)力計(jì)算 4.1降速比計(jì)算 由于選用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的

27、IFT5066，步距角為0.72。數(shù)控車床的脈沖當(dāng)量為0.001mm。 降速比i按下式計(jì)算： i=Qs/360@ 式中 —步進(jìn)電機(jī)的步距角，（）； —脈沖當(dāng)量，mm； s—絲杠螺距，㎜； 取s=6㎜。 4.2 傳動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 4.2.1 齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 1、傳動(dòng)比的計(jì)算 2、 初步分配傳動(dòng)比 按獲得最小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的原則分配傳動(dòng)比 i=ii i= (3-1)

28、 得 i=1.52 i=1.64 3、 初步估計(jì)齒輪 模數(shù)m=1.25 小齒輪Z=27 大齒輪 ㎜ ㎜ 小齒輪 大齒輪 4、 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 有下式計(jì)算齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： (3-2) 式中 d—齒輪分度圓直徑，mm； b—齒輪寬度，mm。 將數(shù)值代入上式可得： ㎏㎡ ㎏㎡ ㎏㎡ ㎏㎡ 4.2.2 工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按下式計(jì)算： (3-3) 式中 W—工

29、作臺(tái)（包括工件）的質(zhì)量，㎏； S—絲杠螺距，㎜。 將數(shù)值代入上式可得： ㎏㎡ 4.2.3 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按下式計(jì)算： (3-4) 式中 —滾珠絲杠直徑，㎜； L—支承距，㎜。 由珠絲杠的參數(shù)可得：㎜，㎜。 所以 ㎏㎡ 4.2.4 負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： ㎏㎡ 4.3 電動(dòng)機(jī)力矩計(jì)算 4.3.1 計(jì)算加速力矩

30、 =0.092Nm 4.3.2 計(jì)算摩擦力矩 Nm 式中 —傳動(dòng)鏈總效率，取。 4.3.3 計(jì)算附加摩擦力矩 Nm 式中 —傳動(dòng)鏈總效率，??； —滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率，取。 4.3.4 根據(jù)公式計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力矩 =0.53

31、2Nm ： 第五章 滾珠絲桿副的選擇與計(jì)算 5.1滾珠絲杠的支承 由文獻(xiàn)[7,8]可知，查表選定絲杠為外循環(huán)插管式墊片預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型，型號(hào)： CDM3206-3。絲杠公稱直徑為φ32mm，基本導(dǎo)程，其額定動(dòng)載荷，額定靜載荷，圈數(shù)列數(shù)=1.52，絲杠螺母副的接觸剛度為，絲杠底徑27. 9mm，螺母長(zhǎng)度為112mm，取絲杠的精度為3級(jí)。在本設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片預(yù)緊。兩邊軸承分別為φ20mm和φ25mm。 本設(shè)計(jì)中絲杠采用兩端固定的支承方式。選用成對(duì)絲杠專用軸承組合。 滾珠絲杠支承用專用軸承： 軸承特點(diǎn)： 1. 剛性大。由于采用特殊設(shè)計(jì)的尼龍成形保持架，

32、增加了鋼球數(shù)，且接觸角為60軸向剛性大。 2. 不需要預(yù)調(diào)整。對(duì)每種組合形式，生產(chǎn)廠家已作好了能得到最佳預(yù)緊力的間隙，故用戶在裝配時(shí)不需要再調(diào)整，只要按廠家作出的裝置序列符號(hào)（＞）排列后，裝緊即可。 3. 起動(dòng)力矩小。與圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承相比，起動(dòng)力矩小。 為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度，推薦采用正面組合形式。（DF,DFD,DFF等） 絲杠中常用的滾動(dòng)軸承有以下兩種：滾針—推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60角接觸軸承，在這兩種軸承中，60角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，但剛度較后者低，目前在一般中小型數(shù)控機(jī)床中被廣泛應(yīng)用。滾針—圓柱滾子軸承多

33、用于重載和要求高剛度的地方。 60角接觸軸承的組合配置形式有面對(duì)面的組合、背靠背組合、同向組合、一對(duì)同向與左邊一個(gè)面對(duì)面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，又由于面對(duì)面組合方式，兩接觸線與軸線交點(diǎn)間的距離比背對(duì)背時(shí)小，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整較易。因此在進(jìn)給傳動(dòng)中面對(duì)面組合用得較多。 5.2滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊 滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置，是數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動(dòng)裝置。 滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預(yù)緊力成正比。如果滾珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較小；當(dāng)滾

34、珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺母不會(huì)立即反向，存在死區(qū)，影響絲杠的傳動(dòng)精度。因此，滾珠絲杠螺母副必須消除間隙，并施加預(yù)緊力，以保證絲杠、滾珠和螺母之間沒有間隙，提高滾珠絲杠螺母副的接觸剛度。 滾珠絲杠螺母副采用偏心軸套式調(diào)整法達(dá)到消除齒輪間隙的目的. 5.3 絲杠螺母機(jī)構(gòu)的計(jì)算 5.3.1 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 滾珠絲杠副的導(dǎo)程按下式計(jì)算： (2-1) 式中 —滾珠絲杠副的導(dǎo)程，（㎜）； Vmax—工作臺(tái)最高移動(dòng)速度，（）； —電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，（）； 由設(shè)計(jì)任務(wù)查得： Vmax=3m/min

35、查閱《數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》得： 步進(jìn)電機(jī)110BF003的最高轉(zhuǎn)速。 將數(shù)值代入上式可得：㎜。 故取㎜。 5.3.2 強(qiáng)度計(jì)算 1.動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算 1）對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌的牽引力計(jì)算 F=KF+f(F+2F+G) (2-2) 取 K=1.4 f=0.2 考慮工作臺(tái)在移動(dòng)過程中只受G影響 故 F=fG =0.2309.8 =58.8(N) 考慮工作臺(tái)在加工時(shí)靜止只受FX影響 故 F= KF =1.49.8130 =1783.6(N) 取F= F 2.

36、計(jì)算最大動(dòng)載荷 C 當(dāng)轉(zhuǎn)速時(shí)，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式是工作表面的疲勞點(diǎn)蝕，因此要進(jìn)行動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算，其計(jì)算動(dòng)載荷應(yīng)小于或等于滾珠絲杠螺母副的額定動(dòng)載荷，即 (2-3) 式中 —?jiǎng)虞d荷系數(shù)； —硬度影響系數(shù)； —當(dāng)量動(dòng)載荷，N； —滾珠絲杠螺母副的額定動(dòng)載荷，N； —壽命，以為一個(gè)單位。 (2-4) 式中 T—使用壽命，h； N—循環(huán)次數(shù)； —滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速，。 查表取 T=150

37、00 h 代入數(shù)據(jù)可的： 查表取 查表取f=1.0 當(dāng)工作載荷單調(diào)連續(xù)或周期性單調(diào)連續(xù)變化時(shí)，則 式中 、—最大和最小工作載荷，N。 所以 計(jì)算可的： 查手冊(cè)選取CBM4006-5型滾珠絲杠副（），所以剛度滿足要求。 3.靜載強(qiáng)度計(jì)算 當(dāng)轉(zhuǎn)速時(shí)，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式為滾珠接觸面上產(chǎn)生較大塑性變形，影響正常工作。為此進(jìn)行靜載強(qiáng)度計(jì)算，最大計(jì)算靜載荷為： 式中 —硬度影響系數(shù)； 查手冊(cè)可得：CBM4006-5型滾珠絲杠副額定靜載荷，所以滿足要求。滾珠絲杠螺母的主

38、要參數(shù)如表2-1所示： 表2-1 滾珠絲杠螺母副的主要參數(shù) 滾珠絲杠副 型號(hào) CBM4006-5 公稱直徑 ㎜ 導(dǎo)程 ㎜ 鋼球直徑 Dw=3.969㎜ 絲杠外徑 ㎜ 螺紋底徑 ㎜ 額定動(dòng)載荷 額定靜載荷 接觸剛度 5.3.3 絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)剛度計(jì)算 滾珠絲杠一端軸向支撐，絲杠的最小拉壓剛度和最大拉壓剛度分別為： 式中 E—彈性模量。 按取近似估算，將絲杠本身的拉壓剛度乘以，作為傳動(dòng)的綜合

39、拉壓剛度，即： 反向死區(qū)誤差計(jì)算： 所以能夠滿足單脈沖進(jìn)給的要求。 計(jì)算由于傳動(dòng)剛度的變化引起的定位 5.4 滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)工作原理及特點(diǎn) 如圖5-4所示，在絲杠和螺母上分別加工出圓弧形螺旋槽，這兩個(gè)圓弧形槽合起來便形成了螺旋滾道，在滾道內(nèi)裝入滾珠。當(dāng)絲杠相對(duì)螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在螺旋滾道內(nèi)滾動(dòng)，迫使二者發(fā)生軸向相對(duì)位移。為防止?jié)L珠從螺母中滾出來，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，使?jié)L珠能返回絲杠螺母之間構(gòu)成一個(gè)閉合回路。由于滾珠的存在，絲杠與

40、螺母之間是滾動(dòng)摩擦，僅在滾珠之間存在滑動(dòng)摩擦。 圖5-4 滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu) 滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)具有下列特點(diǎn)： （1）摩擦損失小、傳動(dòng)效率高； （2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速時(shí)無爬行； （3）軸向剛度高、反向定位精度高； （4）摩損小、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單； （5）傳動(dòng)具有可逆性、不能自鎖； （6）同步性好，用幾套相同的滾珠絲杠副同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的部件或裝置時(shí)，可獲得較好的同步性； （7）有專業(yè)廠生產(chǎn)，選用配套方便。 5.4.1 滾珠絲杠安裝方式特點(diǎn) 采用兩端固定的安裝方

41、式，這種支承剛度最高，只要軸承無軸向間隙，絲杠的拉壓剛度可提高四倍?？梢赃M(jìn)行預(yù)拉伸安裝，克服熱膨脹。當(dāng)溫升超過預(yù)計(jì)的溫升時(shí)，不會(huì)像雙向游動(dòng)那樣產(chǎn)生軸向間隙，但實(shí)現(xiàn)預(yù)拉伸及其調(diào)整方法較為復(fù)雜。 第六章 繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖 在完成滾珠絲杠螺母副、減速箱和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算、選型后，就可以著手繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖了。在繪制裝配圖時(shí)，需要考慮以下問題： 1) 了解原車床的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、床鞍、中滑板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。 2)根據(jù)載荷特點(diǎn)和支承形式，確定絲杠兩端軸承的型號(hào)、軸承座的結(jié)構(gòu)，以及軸承的預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式。 3)考慮各部件之間的定位、連

42、接和調(diào)整方式。例如：應(yīng)保證絲杠兩端支承與螺母座同軸，保證絲杠與機(jī)床導(dǎo)軌平行，考慮螺母座、支承座在安裝面上的連接與定位，同步帶減速箱的安裝與定位，同步帶的張緊力調(diào)節(jié)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的聯(lián)接與定位等。 4)考慮密封、防護(hù)、潤(rùn)滑以及安全機(jī)構(gòu)等問題。例如：絲杠螺母的潤(rùn)滑、防塵防鐵屑保護(hù)、軸承的潤(rùn)滑及密封、行程限位保護(hù)裝置等。 5)在進(jìn)行各零部件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意裝配的工藝學(xué)，考慮裝配的順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。 6)注意繪制裝配圖時(shí)的一些基本要求。例如：制圖標(biāo)準(zhǔn)，視圖布置及圖形畫法要求，重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標(biāo)注，重要配合尺寸的標(biāo)注，裝配技術(shù)要求、標(biāo)題欄等。 6.1 數(shù)控車床

43、總體布局圖（附件1） 6.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)部件結(jié)構(gòu)裝配圖（附件2） 第七章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 7.1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)選用8031CPU作為數(shù)控系統(tǒng)的中央處理機(jī)。外接一片2764EPROM，作為監(jiān)控程序的程序存儲(chǔ)器和存放常用零件的加工程序。再選用一片6264RAM用于存放需要隨機(jī)修改的零件程序、工作參數(shù)。采用譯碼法對(duì)擴(kuò)展芯片進(jìn)行尋址，采用74LS138譯碼器完成此功能。8279作為系統(tǒng)的輸入輸出口擴(kuò)展，分別接鍵盤的輸入、輸出顯示，8255接步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配器，分別并行控制X軸和Z軸的步進(jìn)電機(jī)。另外，還要考慮機(jī)床與單片機(jī)之間的光電隔離，功率放大電路等。各

44、引腳功能簡(jiǎn)要介紹如下： ⒈ 源引腳 VSS：電源接地端。 VCC：＋5V電源端。 ⒉ 輸入/輸出（I/O）口線 8031單片機(jī)有P0、P1、P2、P3 4個(gè)端口，每個(gè)端口8根I/O線。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，P0口用來輸出低8位并行數(shù)據(jù)，P2口用來輸出高8位地址，P3口除可作為一個(gè)8位準(zhǔn)雙向并行口外，還具有第二功能，各引腳第二功能定義如下： P3.0 RXD：串行數(shù)據(jù)輸入端。 P3.1 TXD：串行數(shù)據(jù)輸出端 P3.2 INT0：外部中斷0請(qǐng)求信號(hào)輸入端。 P3.3 INT1：外部中斷1請(qǐng)求信號(hào)輸入端。 P3.4 T0：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0外部輸入端 P3.5

45、 T1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1外部輸入端 P3.6 WR：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通。 P3.7 RD：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通。 在進(jìn)行第二功能操作前，對(duì)第二功能的輸出鎖存器必須由程序置1。 3.信號(hào)控制線 RST/VPD：RST為復(fù)位信號(hào)線輸入引腳，在時(shí)鐘電路工作以后，該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，完成一次復(fù)位操作。 （1）8031單片機(jī)采用兩種復(fù)位方式：一種是加電自動(dòng)復(fù)位，另一種為開關(guān)復(fù)位。 ALE/PROG：ALE是地址鎖存允許信號(hào)。它的作用是把CPU從P0口分時(shí)送出的低8位地址鎖存在一個(gè)外加的鎖存器中。 VPP：當(dāng)EA為高電平且PC值小于0FFFH時(shí)CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中

46、的程序。當(dāng)EA為低電平時(shí)，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器中的程序。 XTAL1：震蕩器的反相放大器輸入，使用外部震蕩器時(shí)必須接地； XTAL2：震蕩器的反相放大器輸出，使用外部震蕩器時(shí)，接收外圍震蕩信號(hào)； （2）片外三總線結(jié)構(gòu) 單片機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，常常要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器、I/O口等。單片機(jī)的引腳，除了電源、復(fù)位、時(shí)鐘輸入以及用戶I/O口外，其余的引腳都是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展而設(shè)置的，這些引腳構(gòu)成了三總線形式： ⒈地址總線AB 。地址總線寬度為16位。因此，外部存儲(chǔ)器直接尋址范圍為64KB。由P0口經(jīng)地址鎖存器提供16位地址總線的低8位地址（A7～A0），P2口直接提供高8位地址（A15～A8）

47、。 ⒉數(shù)據(jù)總線DB。數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0口提供。 ⒊控制總線CB?？刂瓶偩€由第二功能狀態(tài)下的P3口和4根獨(dú)立的控制線RST、EA、ALE和PSEN組成。 7.2 8255A可編程并行I/O口擴(kuò)展芯片 8255A可編程并行I/O口擴(kuò)展芯片可以直接與MCS系列單片機(jī)系統(tǒng)總線連接，它具有三個(gè)8位的并行I/O口，具有三種工作方式，通過編程能夠方便地采用無條件傳送、查詢傳送或中斷傳送方式完成CPU與外圍設(shè)備之間的信息交換。8255A的結(jié)構(gòu)及引腳功能： 1、8255A的結(jié)構(gòu) 8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括三個(gè)8位并行數(shù)據(jù)I/O端口，二個(gè)工作方式控制電路，一個(gè)讀/寫控制邏輯電路和一個(gè)8位數(shù)據(jù)總線

48、緩沖器。各部分功能介紹如下： （1）三個(gè)8位并行I/O端口A、B、C A口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器?？删幊虨?位輸入、或8位輸出、或8位雙向寄存器。B口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位輸入或輸出寄存器，但不能雙向輸入/輸出。C口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，C口可分作兩個(gè)4位口，用于輸入或輸出，也可作為A口和B口選通方式工作時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)。 （2）工作方式控制電路 A、B兩組控制電路把三個(gè)端口分成A、B兩組，A組控制A口各位和C口高四位，B組控制B口各位和C口低四位。兩組控制電路各有一個(gè)控制命令寄存器，用

49、來接收由CPU寫入的控制字，以決定兩組端口的工作方式。也可根據(jù)控制字的要求對(duì)C口按位清“0”或置“1”。 （3） 讀/寫控制邏輯電路 它接收來自CPU的地址信號(hào)及一些控制信號(hào)，控制各個(gè)口的工作狀態(tài)。 （4） 數(shù)據(jù)總線緩沖器 它是一個(gè)三態(tài)雙向緩沖器，用于和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線直接相連，以實(shí)現(xiàn)CPU和8255A之間信息的傳送。 2、引腳功能 8255A為雙列直插式40引腳封裝芯片，如3－5所示。 （1）D7～D0 三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線連接，用來傳送數(shù)據(jù)信息。 （2）PA7～PA0、PB7～PB0及PC7～PC0 A口、B口及C口的輸入/輸出線。 （3）CS 片選信號(hào)線，低

50、電平有效。 （4）RD 讀出信號(hào)線，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的讀出。 （5）WR 寫入信號(hào)線，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的寫入。 （6）A1、A0 端口選擇信號(hào)，用來尋址控制端口和I/O端口。 （7）RESET 復(fù)位信號(hào)線，高電平有效。有效時(shí)，控制寄存器的內(nèi)容都被清零，三個(gè)I/O端口都被置成輸入方式。 （8）Vcc ＋5V電源。 （9）GND 地線。 7.3 8255A端口的尋址 一塊8255A芯片內(nèi)，A、B兩組控制電路各有一個(gè)控制寄存器，由CPU入的控制字來決定三個(gè)I/O端口的工作方式。兩個(gè)控制寄存器一起構(gòu)成控制端口，占用一個(gè)端口地址。同時(shí)8255A芯片內(nèi)有A、B、C三個(gè)I/O端口，各

51、須占用一個(gè)端口地址。這四個(gè)端口地址用 A1、A0兩個(gè)端口選擇信號(hào)選擇。 （1）工作方式。8255A有三種工作方式：即方式0、方式1、方式2。 ① 基本輸入/輸出方式—方式0 在這種工作方式下，不需要任何選號(hào)，A口、B口及C口的兩個(gè)4位口（C口的高4位和低4位）都可以由程序設(shè)定為基本輸入或輸出。作為輸出口時(shí)，輸出數(shù)據(jù)被鎖存；作為輸入口時(shí)，輸出數(shù)據(jù)不被鎖存。按照方式0工作時(shí)，CPU可以通過簡(jiǎn)單的傳送指令對(duì)任意一個(gè)端口進(jìn)行讀/寫。 ② 選通輸入/輸出方式—方式1 只有A口和B口可以選擇這種工作方式。在這種工作方式下，A、B、C三個(gè)口分為兩組：A組包括A口和C口的高4位。A口可由編程設(shè)定

52、為輸入或輸出口，C口的高4位用作輸入/輸出操作的控制和聯(lián)絡(luò)信號(hào)；B組包括B口和C口的低4位，B口可由編程設(shè)定為輸入或輸出口，C口的低4位，用作輸入/輸出操作的控制和聯(lián)絡(luò)信號(hào)。A口和B口的輸入數(shù)據(jù)或輸出數(shù)據(jù)都被鎖存。 選通輸入/輸出方式主要用于中斷應(yīng)答式數(shù)據(jù)傳送，也可用于連續(xù)查詢式數(shù)據(jù)傳送。輸入和輸出時(shí)8255A與外圍設(shè)備的連接方式不同，數(shù)據(jù)傳送過程也不同。 ③ 雙向輸入/輸出工作方式—方式2 只有A口可以選擇這種工作 在這種工作方式下，A口成為8位雙向數(shù)據(jù)總線端口，既可以發(fā)送數(shù)據(jù)，又可以接收數(shù)據(jù)。C口的PC2～PC3用來作為A口的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。此時(shí)，B口和C口剩下的三位PC2～PC0仍可選擇

53、方式0或方式1。按方式2工作時(shí)，A口既可工作于查詢方式，又可工作于中斷方式。 （2） 8255A的控制字 8255A在投入工作前必須設(shè)定工作方式，工作方式由初始化程序?qū)?255A的控制寄存器寫入控制字來決定?？刂谱止灿袃煞N。 ① 工作方式控制字 即控制A口、B口、C口的工作方式的控制字。其中D7是特征位，D7=1表示本字是方式控制字；D6～D3用來定義A口和C口的高4位（即A組）的工作方式；D2～D0用來定義B口和C口的低4位（即B組）的工作方式；在方式1或2 時(shí)，D3或D0只能定義C口中未用作聯(lián)絡(luò)線的各位是作輸入還是輸出，而不會(huì)改變作為聯(lián)絡(luò)線的各位的固定作用。 ② C口的按位置/

54、復(fù)位控制字 可以對(duì)C口各位進(jìn)行按位操作，以實(shí)現(xiàn)某些控制功能。對(duì)控制寄存器寫入一個(gè)置/復(fù)位控制字，即可把C口的某一位置“1”或“0”，而不影響其他位的狀態(tài)。該控制字的格式和定義入土所示。其中D7是特征位，D7=0表示本字是置/復(fù)位控制字；D6～D4未用，一般置成000；D3～D1用來確定對(duì)C口的哪一位進(jìn)行置/復(fù)位操作；D0用于對(duì)于由D3～D0確定的位進(jìn)行置“1”或清“0”。 兩種控制字寫入的控制端口相同。由于兩種控制字都有特征位，因此寫入的順序可以任意。在工作中，隨時(shí)可以根據(jù)需要對(duì)C口的某位置“1”或清“0”。 7.4可編程鍵盤，顯示器接口——Intel8279 1．8279內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

55、 （1） 數(shù)據(jù)緩沖器及I/O控制邏輯 數(shù)據(jù)緩沖器是一個(gè)雙向緩沖器，它連接內(nèi)部總線和外部總線，用于傳送CPU和顏悅色8279之間的命令，數(shù)據(jù)和狀態(tài)。 （2） 控制與定時(shí)寄存器以及定時(shí)與控制電路 8279為一個(gè)可編程芯片，其工作方式等通過寫入一些命令來設(shè)置?？刂婆c定時(shí)寄存器用來寄存操作命令字，通過對(duì)命令字譯碼產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，控制8279的各個(gè)部件的協(xié)調(diào)工作，完成相應(yīng)的功能。 （3） 掃描計(jì)數(shù)器 掃描計(jì)數(shù)器有兩種工作方式。一種為外部譯碼方式。計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制方式計(jì)數(shù)，4位計(jì)數(shù)狀態(tài)從掃掃描結(jié)SL0~SL3輸出，經(jīng)外部譯碼后形成的16位掃描信號(hào)；另一種為內(nèi)部譯碼方式。 ① 回復(fù)緩沖

56、器，鍵盤去抖動(dòng)與控制電路回復(fù)緩沖器緩沖并鎖存來自RL0~RL7 8根回復(fù)線的回復(fù)信號(hào)。 ② FIFO/傳感RAM及其狀態(tài)寄存器FIFO/傳感器RAM是一個(gè)雙重功能的88RAM ③ 顯示RAM各顯示地址寄存器 顯示RAM用來存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù)，容量為168位。 2．8279的工作方式 （1）鍵盤工作方式 雙鍵互鎖方式 N鍵輪回方式 （2）顯示器工作方式 （3）左端輸入方式 右端輸入方式 （4）傳感器矩陣方式 （5）選通輸入方式 3．8279的引腳功能： （1）D0~D7數(shù)據(jù)總線雙向，三態(tài)總線，和CPU數(shù)據(jù)總線相連，用于CPU和8279間的數(shù)據(jù)傳輸。 （2）CLK（系統(tǒng)時(shí)鐘）

57、：輸入線，為8279提供內(nèi)部時(shí)鐘輸入端。 （3）RESET（復(fù)位）：當(dāng)RESET＝1時(shí)，8279復(fù)位其復(fù)位狀態(tài)為：16個(gè)字符顯示；編碼掃描鍵盤的----雙重功能鍵鎖定；程序時(shí)鐘編程為31。 （4）CS（片選）：輸入線，當(dāng)CS＝0時(shí)，8279被選中，允許CPU對(duì)其讀、寫。 （5）RD、WR（讀寫信號(hào)）：輸入線，低電平有效，來自CPU的控制信號(hào)，控制8279的讀寫操作。 （6）IRQ（中斷請(qǐng)求）：輸出線，高電平有效。 （7）SL0~SL7(掃描線)：輸出線。是鍵盤矩陣或傳感器矩陣的行(或列)信號(hào)輸出線。 （8）SHIFT(移位信號(hào))：輸入。高電平有效。 （9）OUTA0~ OUTA3

58、 (A組顯示信號(hào))、OUTB0~ OUTB3 (B組顯示信號(hào)) 段碼輸出線。 7.5 地址鎖存器74LS373 單片機(jī)規(guī)定P0口提供低8位地址線，同時(shí)又要作數(shù)據(jù)線，所以P0是一個(gè)分時(shí)輸出低8位和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信息分離出來保存，提供外接存儲(chǔ)器的低8位地址信息，通常采用74LS373作為地址鎖存器。74LS373的引腳功能：1D～8D是輸入端，1Q～8Q是輸出端，CE是片選端，選通端G與8031單片機(jī)的地址鎖存信號(hào)ALE連接。當(dāng)選通端G=1時(shí)，74LS373的輸出端與輸入端相同，當(dāng)G端從高電平返回低電平（下降沿）時(shí)，輸入的地址信息就被鎖入1Q～8Q中。 1.74LS138譯碼器

59、程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展的常用方法有兩種：線選法和譯碼法。本設(shè)計(jì)使用的方法為譯碼法尋址。常用的譯碼器有74LS138（3－8譯碼器），74LS154（4－16譯碼器），74LS138有3個(gè)選擇輸入端，組成8種輸入狀態(tài)。輸出端有8個(gè)，每個(gè)輸出端分別對(duì)應(yīng)8種輸入狀態(tài)的一種，低電平有效。即對(duì)應(yīng)每種輸入狀態(tài)，僅允許一端輸出低電平，其余全為高電平。它還具有3個(gè)使能端E3、E2和E1，3個(gè)使能端必須同時(shí)輸入有效電平，譯碼器才能正常工作。即僅當(dāng)E3、E2和E1輸入電平為1、0、0時(shí)，才能選通譯碼，否則譯碼器輸出全無效。 7.6 部分硬件接口電路及輔助電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)接口電路包括程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展

60、電路、鍵盤顯示接口電路和步進(jìn)電機(jī)接口電路，輔助電路包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、計(jì)數(shù)電路和報(bào)警指示電路。 1.外擴(kuò)EPROM電路 EPROM2764芯片為28引腳，其主要有16根地址線（A0~A15），8根數(shù)據(jù)線（D0~D7），片選端（CE），輸出允許端（OE）等。 1、地址線連接。由于EPROM一般不含有地址鎖器，因此8031的P0口要經(jīng)地址鎖存器74LS373與EPROM2764低8位地址端相連接，P2口與2764的高8位地址端相連接。 2、數(shù)據(jù)經(jīng)的連接。8031的P0口（P0.0~0.7）直接與2764的8位數(shù)據(jù)端（D0.0~0.7）相連接。 3、控制線的連接。⑴2764的OE端（允

61、許輸出信號(hào)） 與8031的PSEN(片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器取指信號(hào))相連接。 ⑵ALE(地址鎖存允許信號(hào))與74LS373的OC端連接。由于擴(kuò)展了一片8K 的EPROM，因此2764片選端（CE）應(yīng)接地，同時(shí)8031的EA端（片內(nèi)/外存儲(chǔ)選擇信號(hào)）也應(yīng)接地。該芯片的地址范圍0000H~FFFFH。 2.外擴(kuò)RAM電路 SRAM6264芯片為28引腳，主要有15個(gè)地址端（A0~A14）、8個(gè)雙向三態(tài)數(shù)據(jù)端（D0~D7）、片選端（CE）、讀選通端（OE）、寫允許端（CE）等。 1、地址線連接。8031的低8位地址經(jīng)P0口通過74LS373與62256的低8位地址端（A0~A7）相連接，由于63356

62、的容量為32K，因此，高位地址線只用7根（即P2.0~P2.6）與6264的高7位地址端（A8~A14）相連接。 2、數(shù)據(jù)線連接。同2764芯片一樣，P0口（P0.0~P0.7）直接與6264的數(shù)據(jù)端（D0~D7）相連。 3、控制端連接。片選（CE）端應(yīng)接8031的P2.7端，OE、WE端分別與8031的RD、WR端相連接來控制6264的讀寫。該芯片的地址范圍為0000H~7FFFH。 3.鍵盤顯示器的接口電路 利用8279擴(kuò)展鍵盤和顯示器，在這里采用外部譯碼的方式，因此要選用譯碼器，采用74LS154（“4－16”譯碼器）。為了讓數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定、可靠，必須增加數(shù)據(jù)線和掃描線的驅(qū)動(dòng)能力，

63、這里選用74LS244（8同相緩沖器/驅(qū)動(dòng)器）。 1、數(shù)據(jù)線連接。8279的數(shù)據(jù)端（D0~D7）直接8031的數(shù)據(jù)線（P0.0~P0.7）相連。 2、控制線連接 （1）片選信號(hào) 8031的P0.0端經(jīng)74LS373后與8279的片選（CS）端相連接。 （2）屬性控制信號(hào) 8031的P1.1端經(jīng)74LS373后與8279的數(shù)據(jù)選擇端（A0）相連接，控制輸入線上信號(hào)的屬性（命令/狀態(tài)、數(shù)據(jù)）。 （3）時(shí)鐘信號(hào)線 8279的內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)（CLK）端直接與8031的地址鎖存允許信號(hào)（ALE）端相連。 （4）讀（RD）、寫（WR）控制信號(hào) 分別與8031的讀（RD）、寫（WR）端相連接。

64、3、鍵盤數(shù)據(jù)線連接 8279的掃描線（SL0~SL2）經(jīng)74LS154譯碼后的Y1、Y2、Y3、Y4四條線分別與8位回復(fù)線（RL0~RL7）相交，其形成了48的鍵盤。 4、顯示數(shù)據(jù)線連接 在本系統(tǒng)中，LED顯示器（共陰極）動(dòng)態(tài)顯示。顯示器的位選碼是8279的掃描線經(jīng)74LS154譯碼經(jīng)74LS244驅(qū)動(dòng)后分別與各LED的共陰極端相連，段選碼是8279的顯示數(shù)據(jù)端（OUTA0~OUT3,OUTB0~OUTB3）經(jīng)過 74LS244驅(qū)動(dòng)后與各顯示器端的數(shù)據(jù)相連接。該芯片的數(shù)據(jù)口地址為0FF80H、狀態(tài)口地址為0FF82H。 5.面板操作鍵設(shè)置硬件接口電路 在面板上有起動(dòng)、暫停、單段/連續(xù)

65、運(yùn)行、坐標(biāo)軸進(jìn)給手動(dòng)操作鍵和急停按鈕等。 起動(dòng)按鈕，用于起動(dòng)加工程序。 暫停按鈕，可中斷程序的運(yùn)行，需要繼續(xù)運(yùn)行程序時(shí)應(yīng)按下起動(dòng)鍵。 單段/連續(xù)控制開關(guān)，控制實(shí)現(xiàn)單段或連續(xù)加工。置于單段位置時(shí)，每運(yùn)行一條程序就暫停，只有重新按下起動(dòng)鍵，才運(yùn)行下一段程序。將此開關(guān)置于連續(xù)位置時(shí)，程序?qū)⑦B續(xù)運(yùn)行。 坐標(biāo)軸進(jìn)給操作按鍵X、—X、Z、—Z，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作工作臺(tái)的進(jìn)給。按下其中一個(gè)按鍵，例如X鍵，數(shù)控系統(tǒng)向X電機(jī)發(fā)出連續(xù)進(jìn)給信號(hào)，使工作臺(tái)沿X軸正向連續(xù)移動(dòng)，直到松開X 按鍵為止。面板操作鍵與8031單片機(jī)連接如圖所示，除急停按鍵使用單片機(jī)8031的最高優(yōu)先級(jí)中斷外，其余按鍵均聯(lián)至P1口。各操作鍵

66、開關(guān)的連接方法和工作原理都相似。由圖3－13可見，當(dāng)鍵未按下時(shí)，光電耦合管截止、P1口為高電平，程序檢測(cè)到P1口為高電平時(shí)不于理睬；當(dāng)鍵按下時(shí)，光電耦合管飽和導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的P1口變?yōu)榈碗娖剑?031接到此低電平時(shí)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行該鍵功能。 6.方式選擇開關(guān)設(shè)置 方式選擇開關(guān)是一單刀8擲的波段開關(guān)，提供選擇的方式有編輯、空運(yùn)行、自動(dòng)、回零、手動(dòng)Ⅰ、手動(dòng)Ⅱ、手動(dòng)Ⅲ和通信，總共8種功能。 （1） 編輯方式 可以對(duì)加工程序進(jìn)行輸入、檢索、修改、插入和刪除等操作。 （2） 空運(yùn)行方式 開關(guān)置于空運(yùn)行時(shí)，起動(dòng)加工程序，只執(zhí)行加工指令對(duì)M、S、T指令跳過不執(zhí)行，而且刀具快速運(yùn)動(dòng)。因此，用這種方法可以檢查程序編制是否正確。 （3） 自動(dòng)方式 只有開關(guān)置于這個(gè)位置時(shí)，按起動(dòng)鍵才可以起動(dòng)加工程序。 （4） 手動(dòng)方式 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、手動(dòng)方式用于加工前對(duì)刀調(diào)整，或進(jìn)行簡(jiǎn)單加工。 操作時(shí)，將方式選擇開關(guān)置于手動(dòng)方式，配合方向操作鍵進(jìn)行手動(dòng)操作。手動(dòng)方式的三個(gè)位置對(duì)應(yīng)選擇X軸和Z軸三組不同的進(jìn)給速度。 手動(dòng)方式Ⅰ的速度：X軸15mm/min