X502型立式铣床数控改装(纵向)

1、第一章和最后的设计总结自己写吧，还有我总结的这些内容 可能不完全正确，大家仔细看下，顺便加上自己的部分文字。 第二章机床进给伺服系统 机械部分(纵向)的设计计算 第一节工作载荷分析及计算 根据指导书的分析，对于数控铣床来说，可采取按切削用量计算 切削力法和按主电机功率法计算切削力计算切削力法两种。一般来说， 对于经济型数控铣床，可采用按主电机功率计算切削力法。 一、铣削抗力分析 通常都假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿的某一点 上。设刀齿受到的切削抗力的合力为 F,将F沿铣刀轴线、径向和切 向进行分解，则分别为轴向铣削力 Fx，径向铣削力Fy和切向铣削力 Fz。切向铣削力Fz是沿铣刀主运

2、动方向的分力，它消耗铣床主电机 功率(即铣削功率)最多，因此，切向铣削力Fz可按铣削功率P(kw) 或主电机功率Pe( kw)算出。 对于现有的机床的改装设计，可以从已知机床的电机的功率和主 轴上的功率反推出工作台进给时的铣削力。若该机床的主传动和进给 传动均用一个电机，进给传动的功率较小，可在主传动功率上乘以一 个系数。由机床设计手册查得铣床传动系数 k=0.85。 主传动功率N包括切削功率Nc、空载功率Nmo、附加功率Nmc 三部分，即：N=Nc + Nmo + Nmc。空载功率Nmo是当机床无切削负 载时主传动系统空载所消耗的功率， 对于一般轻载高速的中、小型机 床，可达总功率的50%,

3、现取Nmo = 0.5N，附加功率Nmc是指有了 切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率， 它直接与载荷大小有关。可 以用下式计算，Nmc = (1 -n )NC，所以总功率为：N=Nc + 0.5N + (1 - n )Nc ( KW) 则：Nc二(KW) 2 n 在进给传动中切削功率 Nct = kNc 二(KW) 2 n 上式中k-铣床的传动系数，查机床设计手册得 k=0.85 n为传动效率，可由下式计算 主轴上的传动功率 n= 主电机的功率 由题设给定的已知条件可知，主轴上的传动功率N=1.45 KW, 主电机的功率 N电机= 2.2 KW。贝卩 1 45 b五=。6591 Net = 0

4、.8505 2 0.6591 切削时在主轴上的扭矩为： Mn 二 955000-Net = 955000 n =0.6973 (KW) 所以: 0.6973 =14019.4(N cm) 47.5 上式中n-主轴的最小转速，由题设条件知n二47.5 (r/min) 切向切削力 M n 14019 4 Fz二凹4381.0625 (N) d 3.2 上式中d-铣刀的最大直径(cm),由题设条件知d = 3.2 cm 二、计算进给工作台工作载荷Fl、F、FC 作用在进给工作台上的合力F与铣刀刀齿受到的铣削抗力的合力F 大小相同，方向相反。合力F就是设计和校核工作台进给系统时要考 虑的工作载荷，它可

5、以沿着铣床工作台纵向载荷Fl，横向载荷Fc和 工作台垂直进给方向载荷Fv。 计算与说明 作用在进给工作台上的合力F与铣刀刀齿受到的铣削抗力的合 力F大小相同，方向相反。合力 F就是设计和校核工作台进给系统 时要考 虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三 个力：工作台 纵向进给方向载荷， 工作台横向进给方向载荷 Fc 和 工作台垂直进给方向载荷 Fv。 根据专业课程设计指导书第三章表 3 1 “铣削加工主切 削力 与其它切削分力的比值”列表可计算出三组 FL、FV、 FC (取范 围的值计算最大值 )。 (1) 组：端铣对称铣削 FL=0.4 FZ=0.4x2890.1=1156.0

6、4N FC =0.95 FZ=0.95 X 2890.1=2745.595N FV=0.55 FZ=0.55x 2890.1=1589.555N (2) 组：端铣逆铣 FL=0.9F=0.9X 2890.1=2601.09N FC =0.7 F=0.7X2890.1=2023.07N FV =0.55 F=0.55x 2890.1=1589.56N (3) 组：端铣顺铣 FL =0.3FZ=0.3X2890.1=867.03N FC=1.0FZ=1.0 x2890.1=2887.62N FV=0.55FZ=0.55x2890.1=1589.56N 由于铣床是两轴联动，所以只考虑端铣，无需考虑周

7、铣，则考虑 采用第三组数据。 第二节滚珠丝杠螺母副的选型和校核 一、滚珠丝杠螺母副结构类型的选择 因为所要改装的铣床为普通铣床， 精度要求并不是很高， 在使用 过 程中不需要调整，并且加工过程中有轻微冲击运转。根据上述实 际条件， 并考虑到经济成本问题， 通过查第三章表 3 2 和表 3 3，可以初步选用“外循环插管埋入式法兰直筒组合双螺母垫片预紧 (CMD) ”这种结构 类型的滚珠丝杠螺母副。 它具有结构简单， 工艺 性优良，承载能力较高 ; 刚度高，预紧可靠，不易松弛等优点。它主 要适用于重载荷、高刚度、 高速驱动及较精密的定位系统，是目前 应用得较广泛的结构。 二、滚珠丝杠螺母副型号的选

8、择及校核步骤 1、计算最大工作载荷 2、由题设已知条件，铣床导轨的类型为综合导轨。再查指导书P38 表 3-29 得最大工作载荷 Fm Fm=KFL+f，(FV+G) 该式中： K=1.15; 取f，= 0.18 (f，=0.15? 0.18)(摩擦系数)；G为工作台及夹具总重量 的 1/2。由题设已知条件可得 G = 400 N。 将以上数值及先前计算得到的三组FL.FV 数据代入上式，可得到 三组相应的 Fm 的最大值 (1) 组：Fm=1.15x1156.64+0.18x(1589.56+400)= 1687.57N (2) 组：Fm=1.15x2601.09+0.18x(1589.56

9、+400)=3349.37N (3) 组： Fm=1.15x867.03+0.18x (1589.56+400)=1355.2N 由以上计算数据可知，第(2)组算得的Fm值较大。故最大工作载 荷为 Fm=3349.37N 2、计算最大动负载C 最大动载荷C可由下式计算 C=fwfHFm(1) (1) 式中：各参数见专业课程设计指导书 fH为硬度系数，选fH = 1.0(HRC二60) fw为运转系数，选fw=2.0(有冲击运转) L为寿命，由下式计算 L=60 nT/106(2) (2) 式中：T为使用寿命(h),对于数控机床T=15000(h) n为丝杠转速(r/min)， 可由下式计算：n

10、=1000Vs/L o (3) 式中：Vs为最大切削力条件下的纵向进给速度(m/min),查指导书为 540(mm/mi n) 可取最高切削进给速度的1/2? 1/3，现取1/3，即 Vs=0.54/3=0.18m/mi n Lo为所选用丝杠的基本导程，考虑到传动精度的要求，可选基本 导程为4、6、8(mm)的丝杠。基本导程为4mm时： L=60 nT/106=60T1000Vs/(106Lo) =60 x15000 x1000 x0.18心000000 x4)=40.5 滚珠直径dq为4mm，接触角（45）0 C1=#柿泾 x1.0 x2.0 x3349.37=23004.43 基本导程为6

11、mm时： L=60 nT/106=60T1000Vs心06L0) =60 x15000 x1000 x0.18心000000 x8)=20.25 C 3 20.25 1.0 2.0 3349.3718258.63(N) 查机电一体化系统设计表 3-11 当公称直径do 32mm时 Ca=15KN8258.63N合格 Ca=21.85C3合格 当公称直径do 40mm时 当 L。8 时Ca=30.9KNC2合格 当 L。6 时Ca=24.11KNC3合格 所以丝杠L0为6mm或8mm d032mm或者40mm 通过查金属切削机床设计简明手册表 4-143可知 当公称直径do 32mm时、基本导程

12、为6mm的丝杠，查得他们的承载能力 Ca为21.85KN，螺旋升角 为3.41，圈数 列数分别为3.5 1,滚珠直径dq为4mm, -接触角（45 ）。 公称直径d 40mm、基本导程为8mm的丝杠，查得它们的承载能力 Ca 为30.9KN，螺旋升角 为3.65，圈数 列数分别为2.5 1,滚珠直径dq为5mm， -接触角（45 ）。 公称直径do 40mm、基本导程为6mm的丝杠，查得它们 的承载能力Ca为24.11KN，螺旋升角 为2.73，圈数 列数分别为3.5 1, 3、计算传动效率n 传动效率可由下式计算 tg tg 上式中：-丝杠螺旋升角 -摩擦角。滚珠丝杠副的摩擦角约10 0.1

13、67 o （1）当公称直径d0=32mm、基本导程为6mm： tgta n3.41 0.9530.9 tg( )tan( 3.41 0.167) 故满足设计要求。 (2)选公称直径d0 =40mm tan 2.73 1）基本导程为8mm： tan()tan( 2.73 0.167) 0.9423 0.9 故满足设计要求。 4、刚度验算 （1）丝杠的拉伸或压缩变形量1 当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的1/3时，其实际 变形量为（由指导书P39,公式324可知）： （拉伸为+，压缩为一） 上式中：E材料的弹性模数 2 对于钢： E 20.6 10 4 (N/mm) L滚珠丝杠在支承间的受

14、力长度（mm） L=工作长度+螺纹长度+轴承宽度+端盖宽度700mm F滚珠丝杠的截面积（mm2）,可由下列几式计算 di F 、 di二Do 2e - 2R 4 dq e (R )sin 、R 0.52dq dq滚阻直径(mm),接触角(45 ), R滚道法面半径(mm), e偏心距(mm), Do丝杠公称直径(mm) (1) 当公称直径Do =32mm，基本导程为6mm时， R 0.52 42.08(mm) e= ( 2.08- ) sin45o=0.057 2 d21 4 d1=32+20.057 2 2.08=27.954( mm) 27 9542 =613.7306( mm2) 4

15、1 = 总=3349.37700 20.6 10000 613.7306 =0.018545( mm) (2) 当公称直径d0=40mm、基本导程为8mm时: R 0.52 52.6(mm) 5 e=(2.6- -) sin45o=0.071 2 d1=40+2 0.0712 2.6=34.942(mm) d21 4 34.9422 4 =958.9267(mm2) =0.002967( mm) 3349.37 700 4 20.6 10000 958.9267 (3) 当公称直径do=40mm、基本导程为6mm时: R=0.524=2.08 ( mm) e= ( 2.08- 4) sin 4

16、5 =0.057 2 di=40+20.057 2 2.08=35.954 ( mm) d2i 4- 2 35.954 4 = 1015.276( mm2) 3349.37 700 4 20.6 10000 1015.276 =0.002802( mm) (2) 滚珠与螺纹滚道间的接触变形 当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的1/3 时，其实际变变 2 2 形量为 Fm 0.0013 gdoFyZ2/10 上式中: Fm最大工作载荷(kgf) Fm=341.77(kgf) Fy-预紧力(kgf)，Fy = 1 3Fm=113.9(kgf) d 0滚珠直径(mm), Z 滚珠数量，Z =

17、Zx圈数X列数 Z -一圈的滚珠数， Do do (内循环) (1)当公称直径* 32mm基本导程为6mm时： 32 Z25.13 4 Z 25.13 3.5 187.955 20.0013 334.937 | 2 、4 113.9 87.955 0.00286 2的值可减少一半 即: =0.00143 ( mm) 当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时, (2)当公称直径 d。 40mm 基本导程为8mm时: 40 25.13 Z = 25.13 忽.5 1=62.825 0.0013 334.937 32 5 113.9 62.825 0.00332mm 4、当滚珠丝杠有预紧

18、力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时, 2的值可减少 半。指导书P42 即: 2 =0.00166( mm) 2 (3)当公称直径d。 40mm基本导程为6mm时: 40 Z31.4159 4 Z = 31.4159 .5 =109.96 20.0013=0.00247 丁4 113.9 109.962 2的值可减少 当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时, 半。即: 2 =000123 (mm) 2 滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3 (1)当公称直径d。32mm基本导程为6mm时: 选用型号为深沟球206的轴承，其参数如下： 型号 内径d (mm) 外径D (mm) 厚度T (mm

19、) 额定动载 荷 Ca(kN) 51206 30 52 16 28.0 3可由下式计算: 2 30.0024 3 m 2 上式中： Fm-最大工作载荷(kgf)，Fm=341.77(kgf) dQ -轴承滚动体直径(mm), do t28 Z-两边轴承总的滚动体数目由公式 Z (d D) T 可估算两边总得滚动体的数目为 32 将以上数据代入可得： 0.00582 基本导程为6mm时: 123 =0.004636+0.00286+0.00582 =0.01332mm0.01(mm) 可见，当公称直径do 32mm基本导程为5mm时不符合要求; (2)当公称直径do 40mm基本导程为8mm时:

20、 选用型号为51207的轴承，其参数如下： 型号 内径d (mm) 外径D (mm) 厚度T (mm) 额定动载 荷 Ca(kN) 51207 35 62 18 39.2 40 Z31.4159 4 可估算两边总得滚动体的数目为 34 将以上数据代入可得： 30.0024 基本导程为 0.005374 8mm 时： =0.002967+0.00332+0.005374 =0.011661mm0.01(mm) 可见，当公称直径do 40mm基本导程为8mm时不符合要求 (3)当公称直径do 40mm基本导程为6mm时: 选用型号为深沟球206的轴承，其参数如下: 型号 内径d (mm) 外径D

21、(mm) 厚度T (mm) 额定动载 荷 Ca(kN) 51207 35 62 18 39.2 (d D) T 可估算两边总得滚动体的数目为 32。 将以上数据代入可得： 30.0024 J334.9370.005374 9 342 基本导程为6mm时: 2 3 =0.002802+0.00123+0.005374 =0.009406mm1) Ji-各转动体的转动惯量(kg cvm ) m -各转动体的转速(r/min) nk -电机的转速(r/min) Jm-电机的转动惯量(kg cm2) 4、电机的转动惯量的确定 查表310机电一体化指导书，因为选用电机工作方式的是 三相六拍，步距角为 b

22、 0.75 ,故符合的是：110BF003和110BF004 电机的转动惯量分别为： 110BF003:Jm146.1 10 5 kgm24.61(kgcm2) 110BF004:Jm234.3 10 5kgm23.43(kgcm2) 5、系统总的转动惯量 2 J 1JlJm117.846 4.6122.456(kgcm ) J 2JLJm217.846 3.4321.276(kgcm2) 二、步进电机的计算和选用 1、电机力矩的计算 速空载起动时所需力矩： M 起 Mamax M f M。( N cm) 最大切削负载时所需力矩： M 切 Mt M f M 0 (N cm) 电机的力矩主要是用

23、来产生加速度，而负载力矩往往小于加速力 矩，故常常用快速空载起动力矩作为选择步进电机的依据。 (1)空载起动时折算到电机轴上的加速力矩M M a max = J 2 n max 60ta 10-2 =22.456 2 31416 500 60 0.03 391.92(N?cm) 式中：J -系统总的转动惯量 ta -运动部件从停止起动加速到最大进给速度所需的时间 (s)约为30毫秒 nmax电机最大转速(r/min) n n max o.75 2400 =500(/min) 360 片 360 0.01 bv max vmax-运动部件最大快进速度1600(mm/mi n) 摩擦力矩Mf f

24、GL0 M f2 i 800 165 O612.6(N?cm) 20.8 1.25 上式中：G-运动部件的总重量(N) f-导轨摩擦系数0.165 i -齿轮总减速比 n -传动链总效率，一般取叶=0.70.85,在此取0.8 (3) 附加摩擦力矩Mo F p0 L0 2 i 1702.14 0.6 20.8 1.25 2 0.95 )15.86(N ?cm) 上式中：Fp0-滚珠丝杠预加负载(N)，般取最大工作载荷的1/3, Fp。 =5106.42/3=1702.14 (N) L0-滚珠丝杠基本导程0.6(cm) 0-滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取 0 0.9 , 今取0.95。 (

25、4) 折算到电机轴上的切削负载力 Mt Mt = FtLo 2 i 2601.09 0.6 2 3.1416 0.95 1.25 =209.166 (Ngcm) 上式中：Ft -进给方向最大切削力(N),即前面计算进给工作台 工作载荷Fl、F、E时所得到的数据FC , 所以 Ft = FF = 2601.09 (N) 综合以上，可得： M 起 1=391.92+6.11115+11.7964=409.8276N ?cm) M 起2 =373.07+6.11115+11.7694=390.9776N ?cm) M 切1 =209.166+6.11115+11.7964=227.0739N ?cm

26、) M 切2 =209.166+6.11115+11.7964=227.0739N ?cm) 2、步进电机的选择与校核 (1)根据最大静态转矩M jmax初选电机型号 步进电机的起动： Mq1=max (M 1, M切 1)= M=409.8276(N gcm) Mq2二max (M2，M切2) = M2=390.9776(N gcm) 对于三相六拍步进电机, Mq1 Mj max 409.8276 784 =0.5227 0.5 Mq2 Mj max 390.9776 490 =0.7979 0.866 型号 相 步跖 角 () 最大静 转矩 (N cm ) 空载起 动频率 (步 空载运 行

27、频率 (步 分配 方式 转f转 动惯口“ kg em 110BF003 3 0J5 7S4 1500 7000 相柏 3 6 4.61 110BF004 3 0+75 490 1500 3相 6#1 3+43 前面计算时已初选型号为 110BF003的步进电机其相关参数为: (2)计算电机工作频率 1)最大空载起动频率：Mjmax Mq/ z 1000v max fk=4000( Hz/s) 60 p 60 0.01 f k f max =7000(Hz/s)，满足要求。 2)切削时最大工作频率 f = 100匹=1000 0.54 =900( Hz/s) 60 p 600.01 f e f

28、max =1500(Hz/S)，满足要求。 上式中：vmax -运动部件横向最大快速进给速度 2.4(m/min) Vs -横向最大切削进给速度 0.54(m/mi n) p-脉冲当量 0.01(mm/step) 由上述计算可知：系统要求的空载起动转矩频率要大于电机的 空载起动频率1500Hz,且空载起动频率满足要求的电机型号较少， 以采用调压起动等方式起动电机使电机的空载起动频率满足要求； 电机运行频率7000Hz可以满足系统要求。 校核步进电机 (2)根据步进电机转矩和惯量的匹配条件校核 为了使步进电机具有良好的起动能力及较快的响应速度，通 常推荐：Ml =321.355 (N.cm) 且

29、卫0.5 及 4 M jmaxJ m 则：对于电机110BF003 Ml 321.355 M j max784 0.409890.5 JL Jm 17.846 4.61 3.8714 满足要求; 对于电机110BF004 Ml 321.355 Mj max490 0.0.65580.5 Jl17.846 Jm3.43 5.204 不满足要求，故选择110BF003的步进电机 第三章 微机控制部分的设计 主要内容： 以MCS-5系列单片机为核心的控制系统。 一、硬件系统 （1）基本组成（最小系统） （2）系统扩展1 ）程序存储器扩展 2 ）数据存储器扩展 3 ）输入输出端口扩展 4 ）综合功能扩

30、展 （ 3 ）接口技术 1 ）键盘接口技术 2）显示器接口技术 （ 4）步进电机控制硬件电路 二、软件系统 （1）软件结构与基本组成 （ 2）插补原理及软件程序 （ 3）步进电机控制软件 第一节 微机控制系统概述 一、微机控制系统的设计思路 1. 确定系统状态控制方案 1 ）从系统构成上考虑是否采用开环控制或闭环控制； 2 ）执行元件采用何种方式； 3 ）考虑系统是否有特殊控制要求对于具有高可靠性、高精度和快速性要求 的系统应采取的措施是什么？ 4 ）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处 理，微机承担哪些任务，为完成这些任务微机应具备哪些输入 / 输出通道、配备 哪些

31、外围设备。 5 ）初步估算其成本，通过整体方案考虑，最后画出系统组成的初步框图， 附加说明，以此作为设计的基础和依据。 2. 确定控制算法 1 ）建立系统的数学模型， 确定其控制算法， 按照规定的控制算法进行控制。 2）控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。 3 ）在选择控制算法时，应考虑所选的算法是否能满足控制速度、控制精度 和系统稳定性的要求。 3. 选择微型计算机 对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制角度出发，微机应能 满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输入 /输出通道和实时时 钟等要求。 1）较完善的中断系统 2 ）足够的存储容量

32、3）完备的出入/输出通道和实时时钟。 、微机控制系统基本硬件组成 任何一个微机控制系统都由硬件和软件两部分组成， 硬件是软件的基础，而 配置了软件的硬件才有控制功能，数控系统通过与硬件软件的密切配合实现各种 功能。 控制系统硬件基本组成框图 第二节系统介绍 该微机控制系统由单片机、存储器、键盘和显示器等接口电路、步进电机驱 动电路、AT标准下载接口电路、急停和限位报警等辅助控制电路组成。其电路 原理图如下图3-1所示。 一、单片机的选择 由于本设计只是对传统机床的改造， 各方面的要求不是很高，所以本设计采 用以AT89S51-24PU单片机为核心的控制系统目前，数控机床中应用最多的是 AT89

33、S51-24PU单片机，他价格低，功能强，使用灵活等特点。由于AT89S51-24PU 内部没有程序存储器，必须扩展程序存储器，用以存放控制程序。由于单片机内 部存储器容量较小，不能满足实际需要，所以还需要扩展COM口数据存储器RAM。 另外，虽然AT89S51-24PU本身有4个I/O接口电路，但尚不能满足改造的需要， 因此，还需要扩展输入输出接口芯片，以满足使用要求。 图4-1系统电路原理图 图4-2存储器扩展电路 二、存储器的扩展 如图3-2所示，为存储器扩展电路，由锁存器、译码器、静态存储器和E2PR0M等芯 片连接而成。 1. 地址锁存 由于MCS-51系列单片机的P0 口试分时复用

34、的地址/数据总线，因此，在进行程序存储 器扩展时，必须用地址锁存器锁住低8位的地址信号。 采用的地址锁存器为74HC573 D0到D7为数据输入，Q0到Q7为输出，11管脚为锁存使能，1管脚0E为 输出使能。10管脚GND接地，20管脚接高电平。 图4-3锁存器74HC573芯片连接电路 2. 程序存储器的扩展 MCS-51系列单片机的程序存储器空间和数据存储器空间的相互独立的。 AT89S51-24PU芯片片内ROM不够用时，需扩展外部程序存储器。用作程序存储 器的器件有EPRO和E2PROM在本设计中程序存储器选用一片 E2PROMI型号为 AT28C256-15PI。 AT28C256-

35、15PI主要参数：32KX 8位，为双列直插式28脚封装。采用单一 正5V电源，可以与MCS-51系列单片机直接接口。 ROM勺地址范围为0000H- 7FFFH A0 -A14为地址线，CE为芯片使能，OE输出使能，WE写入使能，I/OO - I/O7为数据 输入/输出，NC、DC为预留端口，不用连接。GND接地，Vcc接高电平。 图4-4程序存储器 AT89S51-24PU芯片连接电路 3. 数据存储器的扩展 AT89S51-24PU 单片机内部有256字节的RAM存储器。CPUS供对内部的RAM 具有丰富的操作指令。单在用于实时数据采集和处理时，仅靠片内提供的256 字节的数据存储器是远

36、远不够的，在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能， 扩展外部数据存储器。外部数据存储器选用一片静态RAM其型号为 IDT7164S35P。 数据存储器IDT7164S35P参数：容量为选用8KX 8位，选用一片SRAM,单 一电源供电，双列直插式28管角封装，可以与MCS-51系列单片机直接接口。其 地址范围OOOOH1FFFH A0 A12为地址线，OE输出使能，WE写入使能，I/O0 I/O7为数据输入/输出，CS1、 CS2 为片选端口， GND接地，Vcc接高电平。 图4-5数据存储器IDT7164S35P芯片连接电路 4、74HC138译码器接口电路 查机电一体化系统设计可知下表

37、： 表3-174HC38功能表 C B A 丫7 ,丫6 ,Y ,Y :,丫3, 丫2, 丫1, 丫0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 在74HC138中引脚C、B、A分别接地、P1.4和P2.7, 确定丫。丫7中的选择。从原理图可知： 1、 当BA为00时，即P2.7=0，P.

38、4=0时，选择丫。脚输出0,此时选通芯片 IDT7164S35P该芯片有13条地址线，基本地址范围 0000H仆FFH。 2、当BA为01时，即P2.7 =0，R.4=1时，丫1脚为0，而丫1脚接芯片 AT28C256-15PI，.此时选通该芯片，其有 15条地址线，基本地址范围 0000H 7FFFH。 3、当BA为10,即P2.7 =1，R.4=0时，丫2脚为0,而丫2脚接8155的片选 脚，此时选中8155芯片。 4、 当BA为11, 即卩F2.7=1，P2.6=1时，丫3脚为0,而丫3脚接8255的片选 脚，因此此时选中8255芯片。 图4-6译码器74HC138芯片连接电路 三、I/

39、O 口的扩展 在MCS-51应用系统中，单片机本身提供给用户使用的输出口线并不多，只有P1 口和部分P3 口线。应此，在大部分单片机应用系统设计中都不可避免的要在单 片机外部扩展I/O端口。单片机可以像访问外部 RAM存储器一样访问外部接口芯 片，对其进行读/写操作。 由于接口较多，需采用一个8155芯片和一个8255芯片，才可以满足要求。 复合接口扩展芯片 8155共有三个端口 PA PB PC 即PA0-PA7 PB0-PB7 PC0-PC4共为21位输入输出。ADO -AD7为数据总线，RD读入接口，WR写入 接口，RESETS复位接口，Vss接地，Vcc接高电平，ALE芯片使能、10/

40、 M、TMRIN TMROUT片选C吕 图4-78155芯片连接电路 专用接口扩展芯片 8255有三个端口 PA、PB、PC，均为8位，即PA0 PA7、PB0-PB7、 PC0-PC7共24位输入输出口。 A0-A1为地址线接口， D0-D7为数据线接口， RD读入接 口，WR写入接口， RESET为复位接口， CS为片选端口， GND接地，Vcc接高电平。 图4-88255A芯片连接电路 通过8155复合接口芯片实现对键盘和数码管显示接口的扩展，通过8255 专用接口芯片实现对手动操作等按键功能和步进电机的控制脉冲输出接口的扩 展。 1、数码显示管位数确定 如下图3-9所示所设计数码显示电

41、路原理图，根据设计任务书要求及数据计 算，数控机床的脉冲当量0.01mm/step，需要两位数码管显示小数部分（右 边两个），铣床行程小于1000mm需要三位数码管显示整数部分（右起 35个）， 需要一位显示x、y的方向（左起第3个），一位显示行程的正负（左起第2个）。 还有一位（左起第1个）根据具体情况由用户设定（比如状态信息）。 图4-9数码管显示电路 2、键盘电路设计及键数确定 如下图3-10所示，为所设计矩阵键盘电路原理图。根据数控铣床加工特点及各 方面性能要求，拟定如下按键： 图4-10键盘电路设计 返回键、垂直菜单键、回车/输入键、上档键、光标向上键、光标向下键、 光标向左键、光标

42、向右键、删除键、10个数字键、17字母键等共36个按键，其 连接电路如图所示。 3、8255芯片接口扩展电路设计 如图3-11所示，为8255芯片接口扩展电路原理图，Manual Operation (手 动操作)的各个功能信号由8255芯片的PC端口引脚输入，包括X轴点动、丫轴 点动、快进、自动、单段、手动、单步、暂停。 图4-118255芯片接口扩展电路原理图 Status Setting(状态设置)由8255芯片的PB端口及PA端口 PA4PA7引 脚输入，包括增量选择、主轴正转、主轴反转、主轴停、超程解除、手动换刀、 循环、机床锁住、Z轴锁住，剩余三个接口预留给用户进行其它功能的定义。

43、 8255芯片的PA0PA引脚用于输出步进电机对X、丫向运动的控制脉冲。 第三节步进电机驱动控制电路 根据已知条件和上述计算结果，步进电机型号为110BF003其参数如下表 所示。齿轮1的齿数乙=35,齿轮2的齿数Z2 =44,模数m=2丝杠基本导程Lo=6mm 工作台的最大切削速度为0.54m/min。 型号 相 数 步 距 角 (C) 电 压 (V) 电 流 (A) 保持 转矩 N.cm 空载 起动 频率 (Hz) 运行 频率 (Hz) 电 感 (mH) 内阻 (R) 110BF003 3 0.75 80 6 7.84 1500 7000 35.5 0.37 一、确定步进电机运行频率 1、

44、确定步进电机最大转速 n max Z2 90 49 113.07 r min 丝杆的转速为： n =_ = 540=Q0(r/mi 门) L。6 步进电机的最大转速为: 39 2、确定其运行频率y 步进电机米用三相六拍式的控制脉冲 6n max y b 0.75 904.56 Hz 二、驱动回路的时间常数 每相工作三拍 改变依次 通电状态，但为了每一拍都能正常工作，每拍脉 冲宽度的23时间电流上升至额定电流的60%，即I 0.6J 0.6 6 3.6 A， 则负载回路的时间常数为： 1 L Rm 0.0355 0.3795.9 ms 因此，i 1 fy 1.106ms 式中：L-步进电机一相绕

45、阻的平均电感量 Rm-通电回路的电阻 三、选用线路简单的串联电阻法 若选用线路简单的串联电阻法改善静电流上升沿，其时间常数为： / LKmf贝U：R0L/ Rm.i， 其中：,1.106ms 所以 R00.0355 1.106 10 3 0.37 1.106 10 3 31.73 需要串联如此大的电阻，在该电阻上损失的功率为： 2 2 I R0631.73 1142.17W 显然很不合理，所以采用双电源法。 四、高电源电压的确定 电机每相工作三拍改变一次通电状态，设要求在控制脉冲%2, 3宽度时间 内相电流达到额定电流的60%，即I 0.6ln 3.6 A ,这个时间也就是高 压电 源工作时间

46、，即单稳翻转时间，其值为： tb 2 3fy2. 3 904.560.737 ms 图4-12高低电压驱动电路 高电压电源电压： 0.737 爲二四/1 严和=3.6X 0 .37/( 1-e59 ) =173.99 (V) 五、元器件型号的确定 1、确定 T1、T2 2SC594 11 = l i Ctr=16 100%=16mA 解上述方程组得：R6 13.48 R5 448.86 查电阻标准值表对理论阻值进行圆整，取 R6=15，甩=470 3、确定R和R2 前面已选定耦合器输入电流h=16mA，可得到光耦合器输入正向压降为 1.3V，所以R=R2=（5 1.3）/Ii =231 ，查电

47、阻标准值表对理论阻值进行圆整, 取 Ri=R2 =220 4、确定 R3,R4 （1）若使电流上升沿陡，希望 T2工作于饱和状态（实际还没有达到饱和电流， 单稳已翻转成低电平）。首先确定基极电流lc2。 负载的平均阻抗： ZEn/In =80/6=13.3 （2）T2的饱和电流： 1 cs（ 2） = （ E H -2U CES-U n）/ Z =（173.99-2 5-80）/13.3 6.32A T2基极电流应为： l B2 = l cs（2）/h Fg =6.32/70=90.3mA 光耦合器输入电流为16mA，所以：J hCTR,取CTr 100% 光耦合器输出电流： 1 2 =16m

48、A，且 鸟二+咕，1 C2 =10 1 2 因此：13 = l c2- l B2=160-90.3 =69.7mA （3）求U。（0点电位） 在期间0 t tb， U 0是变化的，变化范围近似为Eh 2至Eh En，计算 时取平均值： Uc= （ Eh 2）+（ Eh En）/2 =（173.99-2）+（ 173.99-80）/2 =133V T2的等效输入电阻为： RT2=Ubes/Ib2 =5/（ 90.3）K =55.4 U5 R3、R4 分别为：R3 亠电=K =71.7 1369.7 I4 I C2 I 2 176 mA R4 =( U H -U CES -U 0 )/ I4 =(

49、173.99-5-133)/176 10 =204.5 查电阻标准值表对理论阻值进行圆整，取 R4=74 ， R3=200 选择 D1，D2 选用 2CZ13A 硅整流二极管。 5、单稳态多谐振荡器74HC123翻转时间的确定 当单稳74HC123的“清除端”加高电平A端加低电平时，B端正跃变可使 单稳的 Q 端从低电平变成高电平，经过一段时间自动翻转成低电平，恢复到稳 定状态，Q端输入一个脉冲，脉冲宽度由外电阻 Rt和CX决定，如图所示，即： tb= Rt Cx Ln2,取 Rt=1K。 则： CX=tb/(Ln2RT) 33 =0.166 10 3 /(Ln21 10 3 )= 0.239

50、 F 图 4-13 单稳态多谐振荡器 74HC123 芯片连接电路 第四节 其他辅助电路的设计 一、急停、超程报警电路 为防止X, 丫工作台越出边界，可设置限位开关，分别为 +X, -X , +Y和-Y 向4个限位开关，一旦越界，立即停止工作台移动。可利用AT89S51-24PU勺外 部中断引脚INTO,只要有一个开关闭合，即工作台越界，立即停止工作台移动。 考虑实际加工的需要，增加急停按钮。将超程限位和急停通过软件设置为最高级 别的中断。 当工作台行驶超出行程时，行程开关被触发，由74HC08产生中断信号，并通过 INTO申请中断。此时中央处理器通过扫描 P3.0、P3.1、P3.3、P3.

51、4引脚的电平 查出中断源（+X、-X、+Y、-丫或急停），进而执行中断服务。同时经P1.1、P1.2、 P1.3输出相应电平点亮LED等和蜂鸣器报警，提醒工作人员处理故障。急停和 超程保护电路如图4-14所示。 图4-14急停和超程保护电路原理图 二、ISP在线编程接口 中央处理器AT89S51-24PU外接一块在线编程接口芯片ISP，主要用于在线 编程输入。标准SPI接口是以主从方式工作的，这种模式通常有一个主器件和一 个或多个从器件，其接口包括以下四种信号：MOSI -主器件数据输出，从器件数 据输入、MISO -主器件数据输入，从器件数据输出、SCLK -时钟信号，由主器 件产生、ss

52、-从器件使能信号，由主器件控制。ISP在线编程接口的其他引脚 有：VCC GN併口 RST如图3-15所示，为ISP下载接口电路电路原理图。 图4-15 AT标准下载接口电路 三、复位电路 如图3-16所示，单片机AT89S51-24PU勺复位的复位都是靠外部电路实现。 在时钟电路工作后，主要在 RESET引脚上出现10ms以上的高电平时，单片机便 实现状态复位。复位后PC值为0000H,程序的入口地址为0000H,单片机通常采 用上电复位和按钮复位两种。 图3-16单片机AT89S51-24PU的复 位电路 复位电路中的R、C的参数与CPC所采用的时钟频率有关，要保证 RESET引脚上 出现10ms以上的高电平，最好由实验调整。 四、时钟电路 单片机虽有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路产生时钟的方 法有两种：内部时钟方式和外部时钟方式。一般情况当外接晶体电容C1、C2值 通常选择为30pF左右；外接陶瓷谐振器时Ci和C2的典型值约为47pF。 为了 一个温度的稳定性，应采用NPO电容。 外部时钟方式：利用外部振荡信号源直接接入XTAL1或XTAL2如信号接 XTAL2内部的反相放大器的输入端XTAL1应接地。 图 3