机电一体化系统进给伺服驱动系统设计

1、 目 录1. 引言 1 1.1 进给伺服系统的组成1 1.2 进给伺服系统的分类1 1.2.1 根据进给伺服系统实现自动调节方式的不同分类 1 1.2.2 按使用的驱动元件分类 2 1.2.3 按进给驱动和主轴驱动分类 2 1.3 对进给伺服系统的基本要求2 1.3.1 工作精度 3 1.3.2 调速性能 3 1.3.3 负载能力 3 1.3.4 响应速度 3 1.3.5.稳定性 3 1.4 常用的伺服电动机42. 机床进给伺服系统机械部分设计计算 4 2.1 系统脉冲当量及切削力的确定4 2.2 滚珠丝杠螺母副设计、计算和造型5 2.2.1计算进给牵引力fm (n)5 2.2.2计算最大动负

2、载 c 5 2.2.3滚珠丝杠螺母副的选型 6 2.2.4传动效率计算 6 2.2.5刚度验算 6 2.2.6 稳定性校核 72.3 进给伺服系统传动计算 8 2.3.1 齿轮传动比计算8 2.3.2 齿轮齿数及技术参数 83. 步进电动机及其选择 9 3.1 步进电动机的特点9 3.2 步进电动机的分类9 3.2.1 反应式步进电动机 9 3.2.2 永磁式步进电动机 9 3.2.3 混合式步进电动机 9 3.3 初选步进电动机10 3.3.1 计算步进电机负载转矩tm 10 3.3.2 估算步进电机起动转矩tq 10 3.3.3 计算最大静转矩tjmax 10 3.3.4 计算步进电机运行

3、频率和最高启动频率10 3.3.5 初选步进电机型号 11 3.4 校核步进电动机转矩11 3.4.1 等效转动惯量计算 11 3.4.2 电机转矩计算 124. 步进电动机的控制与驱动 11 4.1 步进电动机的速度控制 11 4.1.1 绘制系统电器控制的结构框图 14 4.1.2 选择中央处理器的类型 14 4.1.3 存储器扩展电路设计 15 4.1.4 i/o口接口电路设计 15 4.2 步进电动机的脉冲分配 15 4.2.1 8031单片机的基本特性 15 4.2.2 8031芯片引脚及其功能 15 4.2.3 8031芯片内部的存储器结构及地址分配 17 4.3步进电动机的驱动电

4、源的选择 19 4.3.1 程序存储器的扩展 19 4.3.2 数据存储器的扩展 21 4.3.3译码电路设计 21 4.4 i/o接口电路及辅助电路设计22 4.4.1 8255可编程接口芯片22 4.4.2键盘显示接口电路22 4.5微机控制系统电路原理图22 4.5.1 控制系统的功能 23 4.5.2 cpu、存储器及i/o接口235 . 结论 24 致谢 24 参考文献 24 2009级机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文）机电一体化系统进给伺服驱动系统设计 摘要：本文对经济型数控车床进给伺服系统进行了研究，提出了一种新的改造设计，主要内容有：在机械部分设计中，确定系统脉冲当量及

5、切削力，滚珠丝杠螺母副的设计、计算及选型和进给伺服系统传动部件的计算；对步进电动机进行初选并校核其转矩；进行了数控系统硬件电路的设计。通过对系统进行调试运行表明：改造设计的进给伺服系统不仅有足够高的精度，调速性能并具有较好的负载能力，响应速度及稳定性，能够加工出较高精度的零件，满足现代制造业发展的需要，具有广泛的应用前景。关键词：伺服驱动 脉冲当量 数控系统 响应速度 1 引言机电一体化设备的进给伺服系统，大多是以运动部件的位置和速度作为控制量。对于数控机床来说，进给伺服系统的主要任务是，接受插补装置生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及功率放大，驱动执行元件（伺服电动机，包括交、直流伺服电

6、动机和步进电动机等），从而，控制机床工作台或者切削刀具的运动。1.1 进给伺服系统的组成 进给伺服系统一般包括控制模块、速度控制模块、伺服电动机、被控对象、速度检测装置，以及位置检测装置等。1.2 进给伺服系统的分类1.2.1 根据进给伺服系统实现自动调节方式的不同分类 （1）开环伺服系统 如图1所示，这类系统的驱动元件主要是步进电动机或电液脉冲马达。系统工作时，驱动元件将数字脉冲转换成角度位移，转过的角度正比于指令脉冲的个数，转动的速度取决于指令脉冲的频率。系统中无位置反馈，也没有位置检测元件。开环伺服系统的结构简单，控制容易，稳定性好，但精度较低，低速有振动，高速转矩小。一般用于轻载或负载

7、变化不大的场合，比如经济型数控机床上。 图1 开环伺服系统结构图 （2）闭环伺服系统 如图2所示，这类系统是误差控制伺服系统，驱动元件为交流或直流伺服电动机，电动机带有速度反馈装置，被控对象装有位移测量元件。由于闭环伺服系统是反馈控制，测量元件精度很高，所以系统传动链的误差、环内各元件的误差，以及运动中造成的随机误差都可以得到补偿，大大提高了跟随精度和定位精度。 图2 闭环伺服系统结构图 （3）半闭环伺服系统 如图3所示，这类系统的位置检测元件不是直接安装在进给系统的最终运动部件上，而是经过中间机械传动部件的的位置转换，称为间接测量。半闭环系统的驱动元件既可以采用交流或直流伺服电动机，也可以采

8、用步进电动机。该类系统的传动链有一部分处在位置环以外，环外的位置误差不能得到系统的补偿，因而半闭环系统的精度低于闭环系统，但调试比闭环系统方便，所以仍有广泛应用。 图3 半闭环伺服系统结构图 1.2.2 按使用的驱动元件分类 （1）步进伺服系统 驱动元件为步进电动机。常用于开环/闭环位置伺服系统，控制简单，性能/价格比高，维修方便。缺点是低速时有振动，高速时输出转矩小，控制精度偏低。 （2）直流伺服系统 驱动元件为小惯量直流伺服电动机或永磁直流伺服电动机。小惯量直流伺服电动机最大限度地减低了电枢的转动惯量，所以能获得较好的快速性；永磁直流伺服电动机能在较大的负载转矩下长时间工作，电动机的转子惯

9、量大，可与丝杠直接相联。伺服电动机能在较大的负载转矩下长时间工作，电动机的转子惯量大，可与丝杠直接相联。 （3）交流伺服系统 驱动元件为交流异步伺服电动机或交流永磁同步伺服电动机。可以实现位置、速度、转矩和加速度等的控制。1.2.3 按进给驱动和主轴驱动分类 （1）进给伺服系统 进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪的功能，是机电一体化设备中要求较高的伺服控制系统。 （2）主轴伺服系统 严格来说，一般的主轴控制只是一个速度控制系统，主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程所需要的转矩和功率，并且保证任意转速的调节，完

10、成在转速范围内的无级变速。在数控机床中，具有c轴控制的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。1.3 对进给伺服系统的基本要求机电一体化设备对其进给伺服系统主要有以下基本要求：1.3.1 工作精度为了保证加工出高精度的零件，伺服系统必须具有足够高的精度，包括定位精度和零件综合加工精度。定位精度是指工作台由某点移至另一点时，指令值与实际移动距离的最大误码率差值。综合加工精度是指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸之间的误差值。在数控机床上，数控装置的精度可以做得很高（比如选取很小的脉冲当量），完全可以满足机床的精度要求。此时，机床本身的精度，尤其是伺服传动链和伺服执行机构的精度就成了

11、影响机床工作精度的主要因素。现代数控车床的位移精度一般为0.010.001mm，在速度控制中，则要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力。1.3.2 调速性能调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。伺服系统在承担全部工作负载的条件下，应具有宽的调速范围，以适应各种工况的需要。目前数控机床的进给 速度范围是：脉冲当量为1um时，进给速度在0240m/min时连续可调。以一般数控机床为例，要求进给控制系统在024m/min的进给速度下都能正常工作。在124000mm/min时，即1：24000的调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行、速度降低。在1mm/min以下时具有一定的瞬时速度。在零速时

12、，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩，以维持定位精度，使定位误差不超过系统定位误差允许范围，也就是说伺服处于锁住状态。1.3.3 负载能力在足够宽的调速范围内，承担全部工作负载，这是对伺服系统的又一个要求。对于数控机床来说，工作负载主要有三个方面：加工条件下工作进给必须克服的切削负载；执行件运动时需要克服的摩擦负载；加速过程中需要克服的惯性负载。需要注意的是，这些负载在整个调速范围内和工作过程中并不是恒定不变的，伺服系统必须适应外加负载的变化。 1.3.4 响应速度一方面，在伺服系统牌频繁的起动、制动、加速、减速等过程中，为了提高生产效率、保证产品加工质量，要求加、减速时间尽量短（一般电

13、动机由零件升到最高速，或从最高速降到零速，时间应控制在几百毫秒以内，甚至少于几十毫秒）；另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间也要短而且无振荡，这样才能获得光滑的加工表面。1.3.5.稳定性稳定性是伺服系统能否正常工作的前提，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。稳定性与系统的惯性、刚性、阴尼，以及增益等都有关系。适当选择各项参数达到最佳的工作性能，是伺服系统设计的目标。1.4 常用的伺服电动机 伺服电动机是指能够精确地控制转速与转角的一类电动机，它在机电一体化进给伺服系统中是执行元件。常用的伺服电动机分为四大类：直流伺服电动机；交流伺服电动机；步进电动机；直

14、接驱动电动机。直流伺服电动机、交流伺服电动机和直接驱动电动机均采用位置闭环控制，一般用于要求精度高、速度快的伺服系统；步进电动机主要用于开环控制，一般用于精度、速度要求不高，成本较低的伺服系统中。2. 机床进给伺服系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电动机等。现分述如下：2.1系统脉冲当量及切削力的确定脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量,横向:0.005mm/step 图4 各切削

15、力图示确定切削力主切削力按经验公式估算: (1) 由=500,由求得fz =7491n；当横切端面时主切削力 = 可取纵切的1/2，得： 此时走刀抗力为吃刀抗力按比例粗略计算： ； ； ； 2.2 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。珠丝杠滚副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。2.2.1计算进给牵引力fm(n)作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切屑分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的形式有关。横向进给为燕尾形

16、导轨 (2) 式中:k 考虑颠覆力矩影响的实验系数.燕尾形导轨取k=1.4 f 摩擦系数:0.2 g 溜板及刀架重力,取80kg×9.8n/kg 求得：fm=1.4×936.4+0.2×(3745.5+2×1498.2+80×9.8)=2816n2.2.2计算最大动负载 c选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万（106）转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载 c，计算如下： （3） （4） （5） 式中： lo 为滚珠丝杠导程,选丝杠名义直径为25,查表,初选出

17、lo=5； vs 最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/21/3,此处为0.22m/min； t 使用寿命,按15000h； fw 运转系数,按一般运转取1.21.5； l 寿命以转106为1单位。 求得： n=(1000vs)/lo=(1000×0.22×0.5)/5=22.0r/min l=(60×n×t)/106=(60×22.0×15000)/106=19.8 表1 各运转状态下的运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.52.52.2.3滚珠丝杠螺母副的选型采用w1l2506 外

18、循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈,其额定动负载为13100n,精度等级选为3级(大致相当于老表准e级)2.2.4传动效率计算 =tan/tan(+) (6)式中: 螺旋升角, w1l2506, =4°22 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004求得：=tan/tan(+) =tan4°22/tan(4°22+10)=0.9622.2.5刚度验算 最大牵引力为2816n, 支承间距为350mm ,因丝杠长度较短不需欲紧.螺母及轴承欲紧.(1)丝杠的拉伸或压缩变形量1 由fm=2816 d0=25mm 1=l /l×l （7） l/l=

19、5.4×105，可算出： 1=l /l×l=3.4×10-5×350=1.89×10-2 mm(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形2 由q=14.5um因进行了预紧，所以 2 =q/2 （8）求得2=1/2×14.5um=7.25 um采用8102推力球轴承，所以dq=4.763，z=12，d=15mm （9）求得：=0.012考虑到进行了预紧, 故: 3=c /2 （10）求得3= 0.006mm 综合以上几项变形量之和: =1+2+3=0.0322 mm显然此变量已大于定位精度要求,应采取相应的措施修改设计.因横向溜板空间限制,不宜再

20、加大滚珠丝杠直径,故采用贴塑导轨减少牵引力.取f=0.04，代入式（2），重新计算如下： =1.4×936.4+0.04×(3745.5+2×1498.2+80×9.8)=1611.99n fm =1611.99n 时 l/ l=1.5×105=（l/l）×1.5×105×350mm=0.0053mm由于采用贴塑导轨减少了最大牵引力fm ，帮需重新计算或查图表确定2 ，3 ，所以： q=5.5 2 =q /2=1/2×5.5um=2.75 um 3=c /2=0.0041mm由式（9）：推力球轴承 则：

21、=1+2+3 （11） 求得=0.0122 mm要求定位精度为，±0.0075 ，则变形量满足定位精度的要求。2.2.6 稳定性校核 计算临界负载fk(n)丝杠内径： d1=d0+2e-2r （12）求得d1=20.98 （13）式中：e 材料弹性模量，钢为,20.6×106n/ i 截面惯性距（2）对于丝杠为（d1为丝杠内径）； l 丝杠两支承端距离（cm）； 丝杠支承方式参数，为2.00。 因为 所以求得 （14） 求得： ， 所以此滚珠丝杠不会产生失稳。2.3 进给伺服系统传动计算2.3.1 齿轮传动比计算 (横向进给齿轮箱传动比计算) 横向进给脉冲当量p=0.005

22、,滚珠丝杠导程lo=5,初选步进电机步距角0.75°,可计算出传动比i， i= (360p) / (blo) （15） 求得i=(360×0.01)/(0.75×5)=0.48考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程。故此处可采用两级齿轮降速： （16） 求得： 因横向进给运动齿轮受力不大,模数m取2 。2.3.2 齿轮齿数及技术参数 计算出传动比i后,降速级数决定采用两对齿轮降速,因为横向进给伺服系统传递功率不大,一般取=12,数控车床、铣床取=2,此作业中取=2。 为了消除齿轮侧隙，此作业中采用双片齿轮。 3. 步进电动机及其选择3

23、.1 步进电动机的特点步进电动机也叫脉冲电动机，它是一种将电脉冲信号转换成机械角位移（或线位移）的执行元件。步进电动机输出的角位移（或线位移）与输入的脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。因此，只要控制输入脉冲，的数量、频率和电动机绕组的通电顺序，便可获得所需的转角、转速以及转动方向。当无脉冲输入时，在绕组电流的激励下，步进电动机可以锁相。步进电动机结构简单、制造容易、价格低廉。它的转子转动惯量小、动态响应快、易于、起停、正反转和无级变速也容易实现。其缺点主要表现在：低频时有振荡、不够均匀，在高速时输出转矩小。步进电动机作为中、小功率的伺服电动机，目前在机电一体化传动系统中的应用非常广泛。3

24、.2 步进电动机的分类步进电动机的种类很多，按其运动的方式可分为旋转式步进电动机和直线式步进电动机；按其输出转矩的大小可分为快速步进电动机（小转矩）和功率步进电动机（低转矩）；按其励磁绕组的相数可分为两相、三相、四相、五相和六相步进电动机；按其工作原理可分为反应式（磁阻式）、永磁式和混合式（永磁感应式）步进电动机。3.2.1 反应式步进电动机反应式（磁阻式）步进电动机的定子和转子不含永久磁铁，定子上绕有一定数量的绕组线圈，线圈轮流通电时，但产生一个旋转的磁场，吸引转子一步一步地转动。绕组线圈一旦断电，磁场即消失，所以反应式步进电动机掉电后不自锁。此类电动机结构简单、材料成本低、驱动容易，定子和

25、转子加工方便，步距角可以做得较小，但动态性能差一些，容易出现低频振荡现象，电动机温升较高。3.2.2 永磁式步进电动机永磁式步进电动机的转子由永久磁钢制成，定子上的绕组线圈在换相通电时，不需要太大的电流，绕组断电时具有自锁能力。这种电动机的特点是动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电动机不易发热，但制造成本较高。由于转子受磁钢加工的限制，因而步距角较大，与之配套的驱动电源一般要求具有细分功能。3.2.3 混合式步进电动机 混合式（永磁感应式）步进电动机的转子上嵌有永久磁钢，可以说是永磁型，但是从定子和转子的导磁体来看，又和反应式相似，所以是永磁式和反应式相结合的一种形式，故称为混合式。 该类电

26、动机的特点是输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低，但结构复杂，成本相对较高。因为混合式步进电动机的性能/价格比较高，所以目前得到了广泛的应用。3.3初选步进电动机3.3.1计算步进电机负载转矩tm tm=(360pfm)/(2b) (17)式中: p 脉冲当量 (mm/step) ； fm 进给牵引力 (n) ； b 步距角,初选双拍制为0.75°； 电机-丝杠的传动效率为齿轮,轴承,丝杠效率之积，分别为0.98, 0.98,0.99,0.99;0.94。求得tm=(360×0.005×2816)/(2×3.14×0.75&

27、#215;0.98×0.98×0.99×0.99×0.94)n·mm =121.63n·cm。3.3.2 估算步进电机起动转矩tq tq=tm/(0.40.5) =121.63/0.4ncm=304.1n·cm3.3.3 计算最大静转矩tjmax =tq/tjmax （18） 表2 步进电动机部分参数 步 进电 机相数三相四相五相六相拍数3648510612=tq/tjmax0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866查表（2），如取五相10拍,由式（18）则 tjmax= tq / 0.95

28、1= 304.1 / 0.951n·cm = 319.8n·cm3.3.4 计算步进电机运行频率和最高启动频率 （19） 式中： 最大切削进给速度（m/min）； 最大快移速度（m/min）； 脉冲当量。 求得： 3.3.5初选步进电机型号根据估算出的最大静转矩tjmax可得出110bf003最大静转矩为784n·cm>tjmax可以满足要求。考虑到此经济型数控车床有可能使用较大的切削用量，应该选稍大转矩的步进电机以留有一定的余量。另一方面,与国内同类型机床进行类比,决定采用130bf001步进电机。3.4校核步进电动机转矩 前面所述初选步进电机的转矩计算,

29、均为估算;初选之后应该进行校核计算.3.4.1 等效转动惯量计算 图5 传动系统等效转动惯量计算 （1）根据图5，经二对齿轮降速时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量j可由下式计算: j=j1+(z1/z2)2 (j2+j3)+ g(lo/2)2/g （20）式中 j1,j2, j3, j4齿轮z1,z2, z3, z4的转动惯量 (kg·cm2) js 滚珠丝杠转动惯量 (kg·cm2) l0 丝杠导程 g 工件及工作台重量 求得： j1=0.78×10-3×d14·l1=(0.78×10-3×4.84×2)kg&

30、#183;cm2=0.83kg·cm2 j2=0.78×10-3×d24·l2=(0.78×10-3×8.04×2)kg·cm2=6.39kg·cm2 j3=0.78×10-3×d34·l2=(0.78×10-3×4.04×2)kg·cm2=0.40kg·cm2 j4=0.78×10-3×d44·l2=(0.78×10-3×5.04×2)kg·cm2=0.9

31、8kg·cm2 js=(0.78×10-3×2.54×35)kg·cm2=1.066kg·cm2g=784n（2）齿轮惯量计算：对于钢材： j=0.78d4l×10-3 （21）钢材的密度为7.8×10-3kg/ cm3式中 d圆柱体直径(cm); l 圆柱体长度 (cm); 刚材的密度为7.8×10-3kg/ cm3代入（20）式:，求得 j=j1+(z1/z2)2 (j2+j3)+ g(lo/2)2/g =3.93kg·cm2 j电机=n×j （22） n为(14)，本作业此处n取

32、1.5；电机惯量: j电机=1.5×j=1.5×3.93=5.895kg·cm2总惯量: j=j电机+j=5.895+3.93=9.825kg·cm23.4.2 电机转矩计算 机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:（1） 快速空载起动惯性矩 t惯=j=j×(2nmax×10-2) / (60×t a) （23） nmax=(max/p)×(b/360) （24） 式（24）代入数据，求得nmax =(1200/0.005)×(0.75/360)=500r/min起动加速时间ta=150ms 式（2

33、3）代入娄数据求得， t惯=j×(2nmax×10-2)/(60×ta) =88.8×(2×500×10-2)/(60×0.15)n·cm=30.12n·cm（2） 快速空载起动 t负1=tf+to+t惯 （25）折算到电机轴上的摩擦转矩tf， tf = folo/2i （26） 由式（26）得 ， tf =f(fy+g)×lo/2(z2/z1) ×(z4/z3) （27） 求得：tf=0.04×(3745.5+784)×0.5/2×0.8×2.

34、08n·cm =8.66n·cm附加摩擦转矩to to= fpolo(1 -o2) i / (2) = (1/3) fm×lo(1-o2) i /(2) （28） 求得： to =(1/3)×2816×0.5×(1-0.92)×0.48/(2×0.8)n·cm =8.52n·cm式中， 传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8； i 传动比； fpo 滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3fm,fm为进给牵引力(n)； o 滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取0.9；由式（25）求得：t负1 =8

35、.66+8.52+30.12=47.29n·cm。（3） 快速移动时所需转矩 t负2 ， t负2=t摩=tf+to （29）求得：t负2=8.66+8.52n·cm=17.18n·cm（4）最大(直线,匀速)切削负载时所需转矩t负3 t切=(fzloi)/(2) （30） 求得： t切=(936.4×0.5×0.48)/(2×0.8)=44.732n·cm t负3=t切+t摩=44.732+17.18n·cm=61.912n·cm（5）加速切削 t负4=t切+t摩+t惯 （31） 求得t负4 =44.73

36、+17.18+30.12n·cm=92.03n·cm从上面计算可以看出t负1 ,t负2,t负3和t负4四种工况下,以加速切削所需转矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据。 t电机静转矩=(25)t负4 （32） 取2倍 则:t电机静转矩=2×92.03n·cm=184.06n·cm。 110bf003型步进电机最大转矩为784ncm,大于所需最大静转矩,以满足此项要求。（6）校核步进电机启动矩频特性和运行矩频特性由式（19）的计算得步进电机允许的最高空载启动频率为 ；运行频率为 。当电机启动时，能够满足启动转矩47.29n.cm当快速运动和

37、切削时完全可以满足要求。4. 微机数控系统硬件电路设计4.1单片机数控系统硬件电路设计内容4.1.1 绘制系统电器控制的结构框图 数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路可靠性直接影响到数控系统性能指标。cpui/o接口ramrom 光隔离功率放大器步进电 动机外设 键盘、显示器及其他 图6 系统电器控制的结构框图 机床硬件电路由以下五部分组成： (1)主控制器，即中央处理单元（cpu）； (2)总线，包括数据总线、地址总线和控制总线； (3)存储器，包括程序存储器和数据存储器； (4)接口，即i/o输入/输出接口电路； (5)外围设备，如

38、键盘、显示器及光电输入机等，见图6。4.1.2 选择中央处理器的类型在微机应用系统中，cpu的选择应考虑以下因素： （1）时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的度； （2）可扩展存储器的容量； （3）指令系统功能，影响编程灵活性； （4）i/o口扩展的能力，即对外设控制的能力； （5）开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。此外还要考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济的要求。 目前在经济型数控机床中，一般选用mcs51系列单片机作为主控制器。4.1.3 存储器扩展电路设计 存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。 在选择程序存储器芯片时，要考虑c

39、pu和eprom时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。 在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。4.1.4 i/o口接口电路设计应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路、键盘显示电路以及其他辅助电路的设计。4.2 mcs51系列单片机的选用mcs51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8031片内无rom，适用于需扩展rom，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。此次作业使用的是8031芯片。4.2.1 8031单片机的基本特性803

40、1单片机具有以下几个特点：（1） 具有功能很强的8位中央处理单元（cpu）；（2） 片内有时钟发生电路（6mh或12mh）、每执行一条指令时间为或；（3）片内具有128字节的ram；（4）具有21个特殊寄存器。（5）可扩展64k字节的外部数据存储器和64k字节的外部程序存储器；（6）具有4个i/o口，32根i/o线；（7）具有2个16位定时器/计数器；（8）具有5个中断源，配备2个中断优先级；（9）具有一个全双功串行接口；（10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。 从上述特性可以看出这种8031芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。4.2.2 8031芯片引脚及其

41、功能8031芯片具有40根引脚，其引脚图如7(b)。 图7 管脚和引脚功能图 40根引脚按其功能可以分为四类： （1）电源线 2根。vcc：编程和正常操作时的电源电压，接+5v。vss：地电平。 （2）晶体振荡器 2根。xtal1：振荡器的反向放大器输入。使用外部振荡器时必须接地。xtal2：振荡器的反向放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时用于输入外部震荡信号。 （3）i/o口 共有p0、p1、p2、p3四个8位口，32根i/o线，其功能如下： (a) p0.0p0.7（ad0ad7） 是i/o端口0的引脚。端口0是一个8位漏极开路的双向i/o端口。在存取外部存储器时，该端口分

42、时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口（在此时内部上拉电阻有效）。 (b) p1.0p1.7 端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o通道，专供用户使用。 (c) p2.0p2.7（a8a15）端口2的引脚。端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址a8a15。 (d) p3.0p3.7 端口3的引脚。端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，该口的每一位均可独立地第一i/o口功能或第二i/o口功能。作为第一功能使用时，口的结构与p1操作与口完全相同，第二功能如下所示：口引脚 第二功能p3.0 rxd (串行输入口)p3.1 txd (

43、串行输出口)p3.2 (外部中断)p3.3 (外部中断)p3.4 t0 (定时器0外部输入)p3.5 t1 (定时器1外部输入)p3.6 (外部数据存储器写选通)p3.7 (外部数据存储器读选通)由上看出，8031单片机不是将地址总线、数据总线和控制总线分开，而是地址线、数据线和部分控制均由i/o口完成。（4）控制线 （a）：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的选通信号，低电平有效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。 （b）/vpp：ea为高电平时，cpu执行内部程序存储器的指令。ea为低电平时，cpu仅执行外部程序存储器的指令。因为8031芯片没有内部程序存储器，所以ea必须接地。 （c）/prog：ale是地址锁存器使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效。因为p1端口是分时传送数据和低8位地址。所以访问外部存储器时，ale信号锁存低8位地址。即使在不访问外部存储器时，也以1/6振荡频