數(shù)控臥式加工中心主軸箱及進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、第 頁共54頁第 頁共54頁第1頁共54頁數(shù)控臥式加工中心主軸箱及進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)加工中心集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化控制、傳感測量、機(jī)械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它的發(fā)展和運(yùn)用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時(shí)代，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大變化?，F(xiàn)在的CAD/CAM、FMS、CIMS,都是建立在數(shù)控技術(shù)之上。目前數(shù)控技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于制造業(yè)，數(shù)控技術(shù)水平的高低已成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志。而加工中心的發(fā)展最為重要。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,市場上對(duì)數(shù)控的要求也有很大的改變,正要求數(shù)控系統(tǒng)朝著高速、高精度、高可靠性發(fā)展,為追求

2、加工效率及更通用化迫使數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化、智能化、柔性化、用戶界面圖形化,科學(xué)計(jì)算可視化,內(nèi)置高性能PLC,多媒體技術(shù)應(yīng)用等方面發(fā)展。加工中心的優(yōu)點(diǎn)有：1）提高加工質(zhì)量；2）縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間；3）減少在制品；4）減少刀具費(fèi)；5）最少的直接勞務(wù)費(fèi)；6）最少的間接勞務(wù)費(fèi)；7）設(shè)備利用率高。總的來說,加工中心的發(fā)展動(dòng)向是高速、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。本設(shè)計(jì)說明書以大量圖例來說明加工中心的主軸箱設(shè)計(jì)及橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)的思路。設(shè)計(jì)中得到顏竟成教授的悉心指導(dǎo),在此向他表示誠摯的的感謝。由于編者的水平和經(jīng)驗(yàn)有限,加之設(shè)計(jì)時(shí)間較短、資料收集較困難,說明書中難免有缺點(diǎn)和錯(cuò)誤,在此懇請(qǐng)讀者諒解,并衷心希

3、望廣大讀者提出批評(píng)意見,使本設(shè)計(jì)說明書能有所改進(jìn)。機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)1.1機(jī)床總體尺寸參數(shù)的選定根據(jù)設(shè)計(jì)要求并參考實(shí)際情況,初步選定機(jī)床主要參數(shù)如下：工作臺(tái)寬度X長度400X1600mmXmm工作臺(tái)最大縱向行程650mm工作臺(tái)最大橫向行程450mm工作臺(tái)最大垂直行程500mmX、Y軸步進(jìn)電機(jī)a12/3000iZ步進(jìn)電機(jī)a12/3000i主軸最大輸出扭矩70公斤力X米主軸轉(zhuǎn)速范圍452000r/min主電動(dòng)機(jī)的功率4kw主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min機(jī)床外行尺寸（長X寬X高）2488X1200X2710mmXmmXmm500kg機(jī)床凈重機(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)因所設(shè)計(jì)的臥式加工

4、中心要求能進(jìn)行車、銑和鏜，橫向方向的行程比較大，因而采用工作臺(tái)不動(dòng)，而主軸箱各軸向擺放為臥式的機(jī)構(gòu)布局；采用交流無級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，并且串聯(lián)有級(jí)變速箱來擴(kuò)大變速范圍。為了使主軸箱在數(shù)控的計(jì)算機(jī)控制上齒輪的傳動(dòng)更準(zhǔn)確、更平穩(wěn)、工作更可靠，主軸箱主要采用離合器交換齒輪的有級(jí)變速。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、Z三個(gè)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)通過調(diào)隙齒輪傳遞。數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)采用單片機(jī)控制，各個(gè)控制按鈕均安裝在控制臺(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。1.2.4機(jī)床其他零部件的選擇考慮到生產(chǎn)效率以及生

5、產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，機(jī)床附件如油管、行程開關(guān)等，以及標(biāo)準(zhǔn)件如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購形式。機(jī)床總體布局的確定確定主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)方案：主傳動(dòng)系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開停、變速、換向和制動(dòng)等。加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上比較簡單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速來承擔(dān)。機(jī)床上常用的變速電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流變頻電動(dòng)機(jī)，在額定的轉(zhuǎn)速上為恒功率變速，通常變速范圍僅為2-3；額定轉(zhuǎn)速以下為恒

6、轉(zhuǎn)矩變速，調(diào)整范圍很大，變速范圍可大30甚至更大。上述功率和轉(zhuǎn)矩特性一般不能滿足機(jī)床的使用要求。為了擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動(dòng)機(jī)和主軸之間串聯(lián)一個(gè)有級(jí)變速箱。本機(jī)床采用交流調(diào)速電機(jī)變速，為了在變速范圍內(nèi)，滿足一定恒功率和恒轉(zhuǎn)矩的要求，為了進(jìn)一步擴(kuò)大變速范圍，在后面串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速裝置。確定主軸箱有級(jí)變速級(jí)數(shù)：TOC o 1-5 h z取變速箱的公比為9f等于電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍R，即9=R,fdpfdp功率特性圖是連續(xù)的，無缺口和無重合。如變速箱級(jí)數(shù)為Z,則主軸的恒功率變速范圍rnp等于R=9z-1R=9zNPfdpf變速箱的變速級(jí)數(shù)可得出：Z=蟲lg9主軸要求的恒功率變速范圍R=200

7、0/45=44.4NP電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍R二2000/1500=1.34dP取變速箱的公比申=R=1.41fdp故變速箱的變速級(jí)數(shù)Z=竺=也=11.15lg9lg1.41故通過圓整取Z=12。確定各齒輪的齒數(shù)：在確定齒輪齒數(shù)時(shí)應(yīng)注意：齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過大，以免加大兩軸之間的中心距，使機(jī)床的結(jié)構(gòu)龐大，而且增大齒數(shù)和還會(huì)提高齒輪的線速度而增大躁聲，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要把齒數(shù)和控制在S1820,因而齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過小。min受結(jié)構(gòu)限制的個(gè)齒輪（尤其是最少齒輪），應(yīng)能可靠地裝到軸上或進(jìn)行套裝；齒輪的齒槽到孔壁或鍵槽a2m（m為模數(shù)），以保證有足夠強(qiáng)的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)變形或斷裂現(xiàn)象。應(yīng)保證：D一T2m2m

8、in標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，其最少齒根直徑D=m（z-2.5），代入上式可得:minminZmin6.5+式中:Z齒輪的最少齒數(shù)；minm齒輪模數(shù)；齒輪鍵槽頂面至軸心線的距離。由于此傳動(dòng)在同一變數(shù)組為同模數(shù)傳動(dòng)，各對(duì)齒輪的齒數(shù)的齒數(shù)之比，必須滿足傳動(dòng)比；當(dāng)各對(duì)齒輪的模數(shù)相同，且不采用變位齒輪時(shí)，則各對(duì)齒輪的齒數(shù)和必然相等，可列出:z=uz1jj2z+z=sj1j2z式中:z.z分別為J齒輪副的主動(dòng)與從動(dòng)齒輪的齒數(shù)j1j2uJ齒輪副的傳動(dòng)比；js齒輪副的齒數(shù)和。z由上述公式可得:第 頁共54頁第 頁共54頁第 頁共54頁z=j1z=j2uT+uszsz因此，選定了齒數(shù)和S，便可以計(jì)算出各齒輪的齒數(shù)，或

9、者由上式確定出齒輪Z副的任一齒輪后，用上式算出另一齒輪的齒數(shù)。查表選擇齒輪的齒數(shù)：其中a代表二軸，b代表三軸，c代表四軸，d代表主軸。擬定主運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速圖：由上述計(jì)算得，12級(jí)轉(zhuǎn)速各傳動(dòng)組中傳動(dòng)數(shù)的確定方案有：12=4X3,12=3X4,12=3X2X2,12=2X3X2,12=2X2X3按照“前多后少”的原則，確定各傳動(dòng)組的傳動(dòng)副數(shù)為12=3X2X2。根據(jù)“前密后疏”的原則，確定基本組在前，后面依次擴(kuò)大，因此得結(jié)構(gòu)式為12=3x2x2，136第二擴(kuò)大組的兩個(gè)傳動(dòng)比連線之間，相距格數(shù)應(yīng)為ZnZb=3x2=6，變速范圍是申6=1.416沁8，在允許的范圍內(nèi)，所選定的結(jié)構(gòu)式共有三個(gè)傳動(dòng)組。因此變速機(jī)構(gòu)

10、需要四軸，再加上電動(dòng)機(jī)軸共五軸，故轉(zhuǎn)速圖有五條豎線。由于齒輪傳動(dòng)比受到1U2的限制，現(xiàn)在傳動(dòng)組C的變速范圍為申6=8?？芍?這個(gè)傳動(dòng)組中兩個(gè)傳動(dòng)副的傳動(dòng)比必然是極限值，即=2=(P2該傳動(dòng)組的升降速度傳動(dòng)比都達(dá)到了極限值，就確定了軸III的六級(jí)轉(zhuǎn)速只有一種可能，即為1801000r/min。軸II-I之間，兩條傳動(dòng)比連線間應(yīng)相距3格，取P2=1.41=p，因此,確定軸II的轉(zhuǎn)速為355710r/min。對(duì)于軸I,取ua1112.8p3=2,u2a3圖2.1加工中心轉(zhuǎn)速圖于是決定了軸I的轉(zhuǎn)速為1000r/min，電動(dòng)機(jī)軸與軸I之間為齒輪傳動(dòng),傳動(dòng)比為1000：1440，綜合上述，主軸的調(diào)速范圍：

11、45.63.90.125.180.250.355.5000.710.1000.1400.2000。轉(zhuǎn)速圖如下：n(2000)nn(1400)ni0(1000)n?(710)巾(500)巾(355)皿(250)巾(1B0)(125)n3(90)川(63)ni(45)主運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的選擇電動(dòng)機(jī)的功率的計(jì)算查機(jī)床主軸/變速箱設(shè)計(jì)指導(dǎo)：端銑：硬質(zhì)合金端銑刀，銑刀材料是45號(hào)鋼；1)主切削力F=118a0.85f0.75-0.73a1.0n0.13zcezp公式中背吃刀量aq3:4,取a=4mm,側(cè)吃刀量a=(0.4:0.8)d取0.8d=160mme每齒進(jìn)給量fq0.1:0.2(mm/z),取

12、/=0.2(mm/z)zz刀具直徑d=200mm銃刀齒數(shù)z=4,選V=100m/sc銃刀轉(zhuǎn)速Fc=HE:mm0.13Z=118x1600.85x0.20.75x200-0.75x4x16Oo.i3x4=1706.3NF=118a085j0.75d-0-73ano3z所以主切削力cezp=118x1600.85x0.20.75x200-0.75x4x1600.13x4=1706.3N2）切削功率銃削過程中消耗的功率P主要按圓周切削力F和銃削速度V進(jìn)行計(jì)算p=亠c1000 x60cCc=17063x100kw=2.84kw兀x60進(jìn)給運(yùn)動(dòng)也消耗一些功率Pf，般情況下PfJ015P（式中H-銑床傳動(dòng)

13、效率），取6=0.85）,1.15P0n1.15x2.84085kw=3.84kw電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須使得pP，根據(jù)這個(gè)原則，查機(jī)械設(shè)計(jì)手額定總冊(cè)選取Y112M-4型電動(dòng)機(jī)，功率為4kw。其基本參數(shù)如下（單位為mm）:滿載轉(zhuǎn)速為1440r/min齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算由于直齒圓柱齒輪具有加工和安裝方便、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且直齒圓柱齒輪也能滿足傳動(dòng)設(shè)計(jì)要求，所以本次設(shè)計(jì)選用漸開線直齒圓柱齒輪傳動(dòng)；主軸箱中的齒輪用于傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)，它的精度直接與工作的平穩(wěn)性、接觸誤差及噪聲有關(guān)。為了控制噪聲，機(jī)床上主傳動(dòng)齒輪都選用較高的精度，但考慮到制造成本，本次設(shè)計(jì)都選用7-6-6的精度。具體設(shè)計(jì)

14、步驟如下：2.2.1模數(shù)的估算按接觸疲勞和彎曲疲勞計(jì)算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都已知道后方可確定，所以只在草圖畫后校核用。在繪草圖之前，先估算再標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)。齒輪彎曲疲勞的估算公式：m32mm（式中N即為齒輪所傳遞的功率）w3Zn齒面點(diǎn)蝕的估算公式：A323mm（式中N即為齒輪所傳遞的功率）其中n為大齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速，A為齒輪中心距。j由中心距A及齒數(shù)z、Z求出模數(shù)：122Am二mmjZ+Z12根據(jù)估算所得m和m中較大的值，選取相近的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。wj前面已求得各軸所傳遞的功率，各軸上齒輪模數(shù)估算如下第一對(duì)齒輪副Qn=1440r/minjjm32mm=32wZn4mm沁1.39

15、mm34x1440A32mm=32Vnj41440mm沁4.49mm2A2x4.49O11mm=mm沁0.11mmz+z34+4712所以，第一對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為mm1.39mmwQn=1000r/minj第二對(duì)齒輪mm=32Znj.m32w4mm沁1.69mm27x1000A32mm=32nj4mm沁5.02mm10002A2x5.02013mm=mm沁0.13mmz+z27+5312所以，第二對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為mm1.69mmw第 頁共54頁第 頁共54頁Qn=355r/minj第三對(duì)齒輪副Znjm32wN32=32,2.4mm沁1.82mm37x3552.4355Nmm=

16、32n2A2x6.05clm=mm=mm沁0.134mmjz+z37+5312A32mm沁6.05mm所以，第三對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為mm1.82mm第四對(duì)齒輪副Qn=125r/minj=32j.m32wNmmZn2.4mm沁2.45mm40 x125N2.4c“mm=323mm8.56mmn31252A2x8.56m=mm=mm0.14mmjz+z40+8012A32d=47x2=94mma1d=55x2=110mma2d=60 x2=120mma3d=37x2=74mmb1所以，第三對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為mm2.45mmw綜合上述，為了降低成本，機(jī)床中各齒輪模數(shù)值應(yīng)盡可能取相同，但

17、因?yàn)閂軸的轉(zhuǎn)速比較小，扭矩比較大，為了增加其強(qiáng)度和在主軸上能起到飛輪的作用，需增加V軸齒輪的幾何尺寸。所以，本次設(shè)計(jì)中在I-III對(duì)齒輪模數(shù)均為m=2mm1，在WV對(duì)齒輪上就取m=2.5mm2齒輪分度圓直徑的計(jì)算根據(jù)漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪分度圓直徑計(jì)算公式可得各個(gè)傳動(dòng)副中齒輪的分度圓直徑為：單位（mm）d=34x2=68mma1d=27x2=54mma2d=21x2=42mma3d=53x2=106mmb1d=30 x2=60mmb2d=40 x2.5=100mmc1d=24x2.5=60mmc22.2.3齒輪寬度B的確定d=60 x2=120mmb2d=80 x2.5=200mmc1d=96

18、x2.5=240mmc2齒輪影響齒的強(qiáng)度，但如果太寬，由于齒輪制造誤差和軸的變形，可能接觸不均勻，反而容易引起振動(dòng)和噪音。一般取B=（610）m。本次設(shè)計(jì)中，取主動(dòng)輪寬度B=9m=18mm（最后一對(duì)齒輪也取B=79m=18mm）。齒輪其他參數(shù)的計(jì)算根據(jù)機(jī)械原理中關(guān)于漸開線圓柱齒輪參數(shù)的計(jì)算公式及相關(guān)參數(shù)的規(guī)定，齒輪的其他參數(shù)都可以由以上計(jì)算所得的參數(shù)計(jì)算出來，本次設(shè)計(jì)中，這些參數(shù)在此不在一一計(jì)算。齒輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不同精度等級(jí)的齒輪，要采用不同的加工方法，對(duì)結(jié)構(gòu)的要求也不同，七級(jí)精度的齒輪，用較高精度的滾齒機(jī)或插齒機(jī)可以達(dá)到。但淬火后，由于變形，精度將下降。因此，需要淬火的7級(jí)齒輪一般滾或插后要剃

19、齒，使精度高于7級(jí)，或者淬火后再珩齒。6級(jí)精度的齒輪，用精密滾齒機(jī)可以達(dá)到。淬火齒輪，必須達(dá)到6級(jí)。機(jī)床主軸箱中的齒輪齒部一般都需要淬火。齒輪的校核（接觸疲勞強(qiáng)度）計(jì)算齒輪強(qiáng)度用的載荷系數(shù)K,包括使用系數(shù)K，動(dòng)載荷系數(shù)K，齒間AV載荷分配系數(shù)K及齒向載荷分布系數(shù)K，即：apK=KKKKAVap=1.25x1.07x1.1x1.12=1.65查表得：Z=0.88,Z=2.5,Z=189.8且E（2K兀（u+1丿c=ZZZ1HHEbd2U11將數(shù)據(jù)代入得；Cp1100mpaH齒輪接觸疲勞強(qiáng)度滿足，因此接觸的應(yīng)力小于許用的接觸應(yīng)力。其他齒輪也符合要求，故其余齒輪不需驗(yàn)算，在此略去。軸的設(shè)計(jì)計(jì)算2.3

20、.1各傳動(dòng)軸軸徑的估算滾動(dòng)軸承的型號(hào)是根據(jù)軸端直徑確定的，而且軸的設(shè)計(jì)是在初步計(jì)算軸徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此先要初算軸徑。軸的直徑可按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法用下列公式進(jìn)行估算。dA0Pmmn1-p4丿對(duì)于空心軸，則dA0式中，P軸傳遞的功率，KW；n軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，r/min;A其經(jīng)驗(yàn)值見表0取p的值為1.5。(1)、計(jì)算各傳動(dòng)軸傳遞的功率P根據(jù)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算選擇可知，本次設(shè)計(jì)所用的電動(dòng)機(jī)額定功率N二4kw，各傳d動(dòng)軸傳遞的功率可按下式計(jì)算：p=Nxqdq-電機(jī)到傳動(dòng)軸之間傳動(dòng)效率；由傳動(dòng)系統(tǒng)圖可以看出，本次設(shè)計(jì)中采用了聯(lián)軸器和齒輪傳動(dòng)，及軸承。則各軸傳遞的功率為：耳二0.94,耳二0.94,耳二0.93,耳二

21、0.911234所以，各傳動(dòng)軸傳遞的功率分別為：p=pxq=4x0.94=3.76kw11p=pxq=3.76x0.94=3.53kw212p=pxq=3.53x0.94=3.29kw323p=pxq=3.29x0.91=2.96kw4342)估算各軸的最小直徑d115x岸1n本次設(shè)計(jì)中，考慮到主軸的強(qiáng)度與剛度以及制造成本的經(jīng)濟(jì)性，初步選擇主軸的材料為40Cr,其他各軸的材料均選擇45鋼，取A0值為115,各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速可推算出為：n=1440r/min,n=1000r/min,n=355r/min,n=125r/min1234所以各軸的最小直徑為：d115x1d115x2d115x3d115

22、x4在以上各軸中，因有些軸上開有平鍵或花鍵，所以為了使鍵槽不影響軸的強(qiáng)度，應(yīng)將軸的最小直徑增大到5%，將增大后的直徑圓整后分別取各軸的最小直徑為：d=20mm,d=25mm,d=30mm2min3min4min對(duì)于主軸應(yīng)該應(yīng)用公式；dAx0故主軸為d115x=37.4mm考慮到軸上有花鍵，所以應(yīng)將軸的最少直徑增大5%，將增大的直徑在圓整后取d=60mm4各軸段長度值的確定各軸段的長度值，應(yīng)根據(jù)主軸箱的具體結(jié)構(gòu)而定，且必須滿足以下的原則應(yīng)滿足軸承及齒輪的定位要求。軸的剛度與強(qiáng)度校核1）軸的受力分析及受力簡圖由主軸箱的展開圖可知，該軸的動(dòng)力源由電動(dòng)機(jī)通過彈性聯(lián)軸器傳遞過來，而后通過齒輪將動(dòng)力傳遞到

23、下一根軸。其兩端通過一對(duì)角接觸軸承將力轉(zhuǎn)移到箱體上去。由于傳遞的齒輪采用的是直齒圓柱齒輪，因此其軸向力可以忽略不計(jì)。所以，只要校核其在XZ平面和YZ平面的受力。軸所受載荷是從軸上零件傳來的,計(jì)算時(shí)常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。通常把軸當(dāng)作鉸鏈支座上的糧，支反力的作用點(diǎn)與軸承的類型和布置方式有關(guān)。其受力簡圖如下：在XZ平面內(nèi)：h-ti圖2.2XZ平面受力分析在YZ平面內(nèi)：圖2.3YZ平面受力分析2）作出軸的彎矩圖根據(jù)上述簡圖，分別按XZ平面及YZ平面計(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計(jì)算結(jié)果分別作出兩個(gè)平面的上的彎矩圖。則該

24、軸在XZ平面內(nèi)的彎矩圖為:同理可得在YZ平面內(nèi)的彎矩圖為:3）作出軸的扭矩圖由受力分析及受力簡圖可知?jiǎng)t扭矩圖為：圖2.6扭矩圖4）作出總的彎矩圖由以上求得的在XZ、YZ平面的彎矩圖，根據(jù)m=pM2+M2可得總XZYZ的彎矩圖為：5）作出計(jì)算彎矩圖根據(jù)已作出的總彎矩圖和扭矩圖，則可由公式M=JM2+T）2求ca出計(jì)算彎矩，其中a是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生應(yīng)力的循環(huán)特性差異的系數(shù)，因通常由彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)的邊應(yīng)力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力則常常不是對(duì)稱循環(huán)的變應(yīng)力，故在求計(jì)算彎矩時(shí)，必須計(jì)及這種循環(huán)特性差異的影響。既當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，取a=0.3;扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力

25、時(shí)，取a=0.6；若扭矩切應(yīng)力也為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，則取a=l。應(yīng)本次設(shè)計(jì)中扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力，所以取a=0.3，則計(jì)算彎矩圖為：圖2.8計(jì)算彎矩圖（6）校核軸的強(qiáng)度選擇軸的材料為45鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得其許用彎曲應(yīng)力為60MP，由計(jì)算彎矩圖可知，該軸的危險(xiǎn)截面在B的作用點(diǎn)上，由于該作用點(diǎn)上開有花鍵，由機(jī)械設(shè)計(jì)可查得其截面的慣性矩：W二兀d4+（D-d）（D+d）2zd/32D其中Z為花鍵的數(shù)目，在本次設(shè)計(jì)中，z=&D=36mm,d=32mm,b=6mm所以其截面的慣性矩為W=273.5mm3根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪受力計(jì)算公式可得圓周力與徑向力：Ft=2耳F=Fxtgad1rt

26、其中T1為小齒輪傳遞的扭轉(zhuǎn)，Nmm；a為嚙合角，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，取a=200；而尸與F分別對(duì)應(yīng)與XZ平面及平面YZ的力。各段軸的長度可從2號(hào)A0圖中得tr出，則根據(jù)前面的公式可得出該軸危險(xiǎn)截面的計(jì)算彎矩為：M=25014.22Nm，ca則該軸危險(xiǎn)截面所受的彎曲應(yīng)力為：5=25014.22/524.38沁47.7MP20000h,故滿足要求。h計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度3.5.1機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算（1）計(jì)算滾珠絲杠的拉壓剛度K。S本機(jī)床工作臺(tái)的絲杠支承方式為一端固定、一端游動(dòng)。由圖可知，滾珠絲杠螺母中心至固定端的距離a=L時(shí)，滾珠絲杠具有最小拉壓剛度K，由TOC o 1-5 h zYsmin式得兀d

27、2E3432K=_x10-3=1.65x102xN/pm=253.42N/pm HYPERLINK l bookmark125 smin4L766Y當(dāng)a=L=166mm時(shí)，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度K，由公式得jsmin兀d2E3432K=_2_X10-3=1.65X102XN/pm=1162.59N/pmsmin4L166Y2)計(jì)算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度K。b已知軸承接觸角0二600,滾動(dòng)體直徑d二7.144mm,滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z=17,軸承的最大軸向工作載荷F=935.1N，可得BmaxK=2x2.34x3dZ2Fsin20=2x2.34x37.144x172x935.1xsin26

28、0N/pmbQBmax=458.52N/pm3)計(jì)算滾珠與滾道的接觸剛度K。S查表得滾珠絲杠的剛度K=973N/pm，額定動(dòng)載荷C=30000N，滾a珠絲杠上所承受的最大軸向載荷F=935.1N，又公式得13=973xBmax(935.1、0.1x30000丿丄3N/pm=659.72N/pm(4)計(jì)算進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K。由公式得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為1Kmax1Ksmax11111+=+=0.0046KK1162.59458.52659.72bc故K=217.4N/pmmax由公式得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為1min1Ksmin11111+=+=0.0074

29、KK253.42458.52659.72bc故K=131.6N/pmmin滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算由圖可知，扭轉(zhuǎn)作用點(diǎn)之間的距離L2=1048mm，剪切模量G=8.1x104MPa,滾珠絲杠的底徑d2-34.3叫故由公式得兀d4G3.14x34.3x10-3Jx8.1x104x106K=2_=Nm/rad=10497.35Nm/rad032L32x1048x10-32驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型與計(jì)算3.6.1計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。r已知滾珠絲杠的密度p=7.8x10-3Kg/cm3，可得J=0.78x10-3蘭D4L=0.78x10-3x2.54x4.8+34x8.

30、7+44x88+34x9)kgcmrJJj=1=18.84kgcm2計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J0。J=0.78x10-3x(D4-34)x7.8kgcm2=7.39kgcm20由公式計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一。L已知機(jī)床執(zhí)行部件(即工作臺(tái)、工件和夾具)的總質(zhì)量m=918kg，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離L=10mm=0.01m,則1)=918x2kgcm2=23.28kgcm2(2x3.14丿由式計(jì)算加在電動(dòng)機(jī)軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JdJ=J+J+J=(18.84+7.39+23.28)kgcm2=49.5kgcm2dr0L計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩(1)由式計(jì)算

31、切削負(fù)載力矩T。C切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力F=F=935.1N，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一aamax圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離L=10mm=0.01m,進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率耳=0.90，貝VFLa2兀耳935.1x0.012x3.14x0.9Nm=1.66NmFLT=_=二90.4x0.01Nm=0.16Nm在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力F=90.4N,故卩0由式計(jì)算摩擦負(fù)載力矩T。卩2兀耳2x3.14x0.9由式計(jì)算滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩Tf。滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力F=311.7N，滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程L=10mm=0.01m,滾珠絲杠螺母副的效率耳=094，貝廿FpL0(1_

32、n2)2兀耳0311.7x0.01G0.942)Nm=0.065Nm2x3.14x0.9計(jì)算坐標(biāo)軸折算到電動(dòng)機(jī)軸上各種所需的力矩(1)由公式計(jì)算線性加速力矩T1。a1已知機(jī)床執(zhí)行部件以最快速度運(yùn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速n=2000r/min,max電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=62kg/cm2，坐標(biāo)軸的負(fù)載慣量mJ=49.51kg/cm2。取進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益k=20Hz,則加速時(shí)間ms33t二二s二0.15s,ak20s2兀n=max.al60 x9801md蔦9囂00X(62+4951)X(一-cms20=0.05s,故ap2兀nmax.60 x980t(J+J)=2X3.14X2000 x(62

33、+49.51kfcmmd60 x980 x0.15a=150.85kdfcm=14.78Nm(2)計(jì)算階躍加速力矩。1加速時(shí)間t=aka=476.38kdfcm=46.69Nm計(jì)算坐標(biāo)軸所需的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種力矩。由公式計(jì)算線性加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩T。qT=T+(T+T)=(14.78+0.16+0.065)Nm=15.005Nmqa1卩f由公式計(jì)算階躍加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩T。qT=T+(T+T)=(46.69+0.16+0.065)Nm=46.92Nmqap卩f由公式計(jì)算空載時(shí)的快進(jìn)力矩力矩T。KJT=(T+T)=(0.16+0.065)Nm=0.225NmKJ卩F由公式計(jì)算切削時(shí)的工

34、進(jìn)力矩TGJT=(T+T)=(1.66+0.065)Nm=1.725NmGJcf選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)(1)選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)。根據(jù)以上計(jì)算和表格，選擇日本FANUC公司生產(chǎn)的al2/3000i型交流伺服電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：額定功率，3KW；最高轉(zhuǎn)速，3000r/min;額定力矩，12Nm；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，62kgcm2；質(zhì)量，18kg。交流伺服電動(dòng)機(jī)的加速力矩一般為額定力矩的510倍，若按5倍計(jì)算,該電動(dòng)機(jī)的加速力矩為60Nm，均大于本機(jī)床工作臺(tái)線性加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩T=14.78Nm或階躍加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩T=46.92Nm，所以，qq不管采用何種加速方式，本電動(dòng)機(jī)均滿足

35、加速力矩要求。該電動(dòng)機(jī)的額定力矩為12Nm，均大于本機(jī)床工作臺(tái)的快進(jìn)力矩T=0.225Nm或工進(jìn)力矩T=1.725Nm。因此，不管是快進(jìn)還是工KJGJ進(jìn)，本電動(dòng)機(jī)均滿足驅(qū)動(dòng)力矩的要求。（2）慣性匹配驗(yàn)算為了使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量達(dá)到較合理的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣量J與伺服d電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J之比一般應(yīng)滿足下式，即mJ0.25Wjd1m在本設(shè)計(jì)中，J49.51=0.8wb.25,1，故滿足要求。J62m機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析3.7.1計(jì)算絲杠-工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率wnc已知滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度K=K=135x106N/m,滾珠0min1絲杠螺母副和機(jī)床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為m=m+石

36、m，其中m、m分別d3ss為機(jī)床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量，已知m=918kg,則兀m=_x42x110.5x7.8x10-3kg=10.83kgs4m=m+1m=918+1x10.83kg=921kgd3s3巴胖rad/s=378rad/s3.7.2計(jì)算扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率nt折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)的總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=J+J=(18.84+7.39)kgcm2=26.23kgcm2=0.0026kgm2sr0又絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度K=K=10497.35Nm/rad,則S0nt匹=卩0497.35廠=0.0026srad/s=2009rad/s由以上計(jì)算可知，絲杠-工作臺(tái)縱向振

37、動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率o=383rad/s、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率o=2009rad/s都比較ncnt高。一般按o=300rad/s的要求來設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。n3.8機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析3.8.1計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的反向死區(qū)A已知進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值K=135x106N/m,，導(dǎo)min軌的靜摩擦力F)=90.4N，由公式得A=25p仁x103=Xx103mm=1.37x10-3mmK135x106min即A=1.37pm兀2.67pm,故滿足要求。計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差5kmax由公式得5=F|丄-丄kmax01kkminmax

38、1X103=90.4x131.6x106217x106?X103mm=0.27x103mm即5=0.27pmp4pm，故滿足要求。kmax計(jì)算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差（1）由公式計(jì)算由扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量0。負(fù)載力矩T=T=225NMM。由圖得扭矩作用點(diǎn)之間的距離kjL=1048mm，絲杠底徑d=34-3mm，則22TL225x10480=7.21x10-22=7.21x10-2x孑、=0.012。d4（34.3）42（2）由該扭轉(zhuǎn)變形量0引起的軸向移動(dòng)滯后量&將影響工作臺(tái)的定位精度。由公式得00.012&=L=10 xmm=0.0003mm=0.3pm0360360確定滾珠絲

39、杠螺母副的精度等級(jí)和規(guī)格型號(hào)確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)本機(jī)床工作臺(tái)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，V、e應(yīng)滿足下列要求300PpV0.8x（定位精度-5-5）=0.8x（20-0.28-0.3）pm=15.5pm300Pkmaxe0.8x（定位精度-5-5）=15.5pmpkmax滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級(jí)為2級(jí)，查表得匕00p=8pmp15.5pm；查表得，當(dāng)螺紋長度為850mm時(shí)，e=15pm兀15.5pm,故滿足設(shè)計(jì)要求。p確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)為FFZD4010-3-P2/1105X850,其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導(dǎo)程：40mm,10mm；螺紋長度：850mm

40、；絲杠長度：1150mm；類型與精度：P類，2級(jí)精度。滾珠絲桿副的預(yù)緊方式為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預(yù)加載荷，使它在過盈的條件下工作，常用的預(yù)緊方式有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊等。預(yù)緊后的剛度可提高到無預(yù)緊時(shí)的2倍。但是，預(yù)緊載荷過大，將使壽命下降和摩擦力矩加大，通常，滾珠絲桿在出廠時(shí)，就已經(jīng)由制造商調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲桿副的額定動(dòng)載荷有一定的比例關(guān)系。雙螺母墊片式預(yù)緊：調(diào)整方法：調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)見到，裝卸方便，剛度高；但調(diào)整不便，滾道有磨損時(shí)，不能隨時(shí)消除間隙和預(yù)緊，適用于高剛度重載傳動(dòng)。雙螺母螺紋式預(yù)緊：調(diào)

41、整方法：調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，但準(zhǔn)確性差，且易于松動(dòng)，適用于剛度要求不高或隨時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊的傳動(dòng)。雙螺母齒差式預(yù)緊：調(diào)整方法：兩邊的下螺母的凸緣上有外齒，分別與緊固的螺母座4的內(nèi)齒圈，兩個(gè)螺母向相同方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，調(diào)整軸向位移。能夠精確地調(diào)整預(yù)緊力，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，裝配調(diào)整比較復(fù)雜，適宜用于高度精度的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)消隙齒輪傳動(dòng)的間隙也叫側(cè)隙，它是指一個(gè)齒輪固定不動(dòng)，另一個(gè)齒輪能夠作出的最大角位移。傳動(dòng)間隙是不可避免的，其產(chǎn)生的這樣原因有：由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙，為使用熱膨脹而特意留出的間隙。為了提高定位精度和工作的平穩(wěn)性，要盡可能減

42、小傳動(dòng)間隙。除了提高制造和裝配精度外，消隙的主要途徑有：設(shè)計(jì)可調(diào)傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)；設(shè)置彈性補(bǔ)償元件。在這設(shè)計(jì)里我采用雙片直齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法來消除間隙?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1控制系統(tǒng)總體方案的擬訂機(jī)電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。控制系統(tǒng)的控制對(duì)象主要包括各種機(jī)床，如車床、銑床、，磨床等等。控制系統(tǒng)的基本組成如下圖所示：圖4.1控制系統(tǒng)總體方案控制系統(tǒng)總體方案總控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.2.1單片機(jī)的設(shè)計(jì)（1）MCS-51系列單片機(jī)的設(shè)計(jì)MCS-51系列單片機(jī)的所有產(chǎn)品都含有8051除程序存儲(chǔ)器外的基本硬件，都是在8051的基本上改變部分資源（程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O、定時(shí)/計(jì)數(shù)

43、器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們采用的是8031，8031可尋址64KB字節(jié)程序存儲(chǔ)器和64KB字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，必須外接EPROM程序存儲(chǔ)器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP）,引腳和功能分為三個(gè)部分。電源及時(shí)鐘引腳此部分引腳包括電源引腳V、V及時(shí)鐘引腳XTAL1、XTAL2。ccSS電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。V（40腳）：接+5V電源。CCV（20腳）：接地。SS時(shí)鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時(shí)與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個(gè)振蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)。時(shí)鐘引腳也可外接晶體振蕩器。XTAL1（19）：接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部

44、，它是一個(gè)反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。XTAL2（18）：接外部晶體的另一端，。在單片機(jī)內(nèi)部接至反相放大器的輸出端。若采用外部晶體振蕩器時(shí)，該引腳接受振蕩器的信號(hào)，即把信號(hào)直接接至內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端?？刂埔_它包括RST、ALE、PSEN.EA等。此類引腳提供控制信號(hào)，有些引腳具有復(fù)用功能。RST/VPD（9腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RST）。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為0.5V的低電平，以保證單片機(jī)正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)V下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電

45、壓范圍內(nèi)（5土0.5）V時(shí)，CCVPD就向內(nèi)部RAM提供備用能源。ALE/PROG（30腳）：當(dāng)單片機(jī)訪問外部存貯器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時(shí)，在兩個(gè)機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個(gè)ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。PSEN（29腳）：此輸出為單片機(jī)內(nèi)訪問外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在從外部程序存儲(chǔ)器指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期PSEN兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)不出現(xiàn)。PSEN

46、同樣可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。EA/V（31腳）：當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問的是內(nèi)部程序存儲(chǔ)pp器，但當(dāng)PC值超過某值時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng)EA端保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序存貯器而只訪問外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)8031來說，因其無內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。所以該引腳必須接地，既此時(shí)只能訪問外部程序/士旦且存儲(chǔ)器。輸入/輸出引腳輸入/輸出(I/O)接口引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口(P0.0-P0.7)：為雙向8為三態(tài)I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址/數(shù)據(jù)總

47、線口使用。P1(P1.0-P1.7)：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線(作為輸入口時(shí)，鎖存器必須置1),可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。P2(P2.0-P2.7)：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載，一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線的高8位使用。P3(P3.0-P3.7)：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。(2)MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏，MCS-51片內(nèi)有一個(gè)反相放大器，XTAL1，XTAL2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸

48、出端，該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個(gè)自激振蕩器，產(chǎn)生的時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式兩種，大多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，不論是HMOS還是CHMOS型單片機(jī)，其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同。如下圖所示：XTAL2十MCS-51XTAL1內(nèi)部時(shí)鐘方式的時(shí)鐘電路圖4.2時(shí)鐘電路MCS-51單片機(jī)允許的振蕩晶體可在1.2MHZ-24MHZ之間可以選擇，一般取11.0592MHZ。電容Cl、C2的取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響。C1、C2可在20PF

49、-100PF之間選擇，一般當(dāng)外接晶體時(shí)典型取值為30PF，外接陶瓷諧振器時(shí)典型取值為47PF，取60PF-70PF時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)XTAL1，XTAL2引腳安裝，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。（3）MCS-51單片機(jī)的復(fù)位電路計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作，單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，MCS-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST，高電平有效。它是施密特觸發(fā)輸入，當(dāng)振蕩器起振后，該引腳上出

50、現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)時(shí)鐘周期）以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，MCS-51便保持復(fù)位狀態(tài)。此時(shí)ALE,pseN，P0口、P1口、P2口和P3口都輸出高電平。RST變位低電平后，退出復(fù)位狀態(tài)，CPU從初始狀態(tài)開始工作。復(fù)位操作不影響片內(nèi)RAM的內(nèi)容。MCS-51單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。通常因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)動(dòng)等的需要，常常需要人工按鈕復(fù)位，如下圖所示：圖4.3復(fù)位電路對(duì)于CMOS型單片機(jī)因RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻，故電阻R2可不接。單片機(jī)在上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持兩個(gè)機(jī)器周期上的高電平（因?yàn)檎袷幤鲝钠鹫竦椒€(wěn)定大約要1

51、0ms）,就能使單片機(jī)有效復(fù)位，當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHZ時(shí)，RC的典型值為C=10卩F，R=8.2KQ。簡單復(fù)位電路中，干擾信號(hào)易串入復(fù)位端，可能會(huì)引起內(nèi)部某些寄存錯(cuò)誤復(fù)位，這時(shí)可在RST引腳上接一去耦電容。上圖那上電按鈕復(fù)位電路只需將一個(gè)常開按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路，按下開關(guān)一定時(shí)間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機(jī)復(fù)位。系統(tǒng)的擴(kuò)展在以8031單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中必須擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，用以存放控制程序。同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器容量較小，不能滿足實(shí)際需要，還要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這種擴(kuò)展就是配置外部存儲(chǔ)器（包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）。另外，在單片機(jī)內(nèi)部雖然設(shè)置了若干并行I/O接口電路

52、，用來與外圍設(shè)備連接。但當(dāng)外圍設(shè)備較多時(shí)，僅有幾個(gè)內(nèi)部I/O接口是不夠的，因此，單片機(jī)還需要擴(kuò)展輸入輸出接口芯片。（1）程序存貯器的擴(kuò)展MCS-51系列單片機(jī)的程序存貯器空間和數(shù)據(jù)存貯器空間是相互獨(dú)立的。程序存儲(chǔ)器尋址空間為64KB(OOOOH-OFFFH),8031片內(nèi)不帶ROM，所以要進(jìn)行程序存貯器的擴(kuò)展。用作程序存貯器的常用的器件是EPROM。由于MCS-51單片機(jī)的P0口是分別復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進(jìn)行程序存貯器擴(kuò)展時(shí)，必須用地址鎖存器鎖存地址信號(hào)。通信地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373。當(dāng)用74LS373作為地址鎖存器時(shí)，鎖存器G可直接與單片機(jī)的鎖存控制

53、信號(hào)端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地址鎖存。根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)程序存貯器容量要求的不同，常采用的擴(kuò)展芯片擴(kuò)展EPROM2716(2KBX8)、2732A(4KBX8)、2764A(8KBX8)、27128A(16KBX8)、27256A(32KBX8)和27512(64KBX8)等。以上6種EPROM均為單一+5V電源供電，維持電流為35mA40mA,工作電流為75mA-100mA，讀出時(shí)間最大為250ns,均有雙列直插式封裝形式，A0-A15是地址線，不同的芯片可擴(kuò)展的存貯容量的大小不同，因而提供8位地址的P2口線的數(shù)量個(gè)不相同，故2716為A0-A10，27512為A0-A15；D0-D7是

54、數(shù)據(jù)線；CE是片選線，低電平有效；CE是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源，PCM是編程脈沖輸入端。根據(jù)程序存貯器擴(kuò)展的原理，以EPROM和鎖存器74L373為例對(duì)8031單片機(jī)進(jìn)行程序存貯器的擴(kuò)展。因?yàn)?764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址線，A0-A12。如果只擴(kuò)展一片程序存貯器EPROM，故可將片選端CE直接接地。下圖為擴(kuò)展兩片EPROM的連接方法。同時(shí)，8031運(yùn)行所需的程序指令來自2764A，要把其EA端接地，否則，8031將不會(huì)運(yùn)行。第 頁共54頁第 頁共54頁LBm=EFli:m啃晞而G3Da34)3Ja皿i=r-圖4.42764的擴(kuò)展電路（2）數(shù)

55、據(jù)存貯器的擴(kuò)展8031單片機(jī)內(nèi)部有128個(gè)字節(jié)RAM存貯器。CPU對(duì)內(nèi)部的RAM具有豐富的操作指令。但在用于數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，僅靠片內(nèi)提供的128個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在這種情況下，可利用MCS-51的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存貯器。數(shù)據(jù)存貯器只使用WR、RD控制線而不用PSEN。正因?yàn)槿绱?，?shù)據(jù)存貯器與程序存貯器可完全重疊，均為OOOOH-FFFFH，但數(shù)據(jù)存貯器與I/O口與外圍設(shè)備是統(tǒng)一編址的，即任何擴(kuò)展的I/O口以及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存貯器地址。8031的P0口為RAM的復(fù)用地址/數(shù)據(jù)線，P2口用于對(duì)RAM進(jìn)行頁面尋址（根據(jù)其容量不同，所占的P2端口不同，在對(duì)外部RAM讀/寫期間

56、，CPU產(chǎn)生RD/WR信號(hào)。在8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài)RAM是最常用的，由于這種存貯器的設(shè)計(jì)無須考慮刷新問題，因而它與微處理器的接口很簡單。最常用的靜態(tài)RAM芯片有6116C2KBX8）和6264（4KBX8）。單一+5V供電，額定功耗分別為160mW和200mW，典型存取時(shí)間均為200ns,均有雙列之插式封裝，管腳分別為24和20線。下圖是6264與8031的連接圖。從圖可知：6264的片選CS1接8031的P2.7，第二片選線CS2接高電平，保持一直有效狀態(tài)。因?yàn)?264是8KB容量的RAM，故用到了3根地址線。6264的地址范圍為0000H-7FFF。對(duì)于一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)，必須具

57、備一定容量的程序存貯器和一定容量的數(shù)據(jù)存貯器。8031單片機(jī)外部擴(kuò)展兩片2764EPROM和兩片6264靜態(tài)RAM。程序存貯器2764的地址為：0000H-1FFFH。數(shù)據(jù)存貯器6264的地址為0000H-7FFFH。1.4:-TT丄丄工亠丄丄丁-亠？一丁二:圖4.56264的擴(kuò)展電路（1）I/O的擴(kuò)展MCS-51系列單片機(jī)大多具有四個(gè)8位I/O口（即P0口、P1口、P2口和P3口），原理上這四個(gè)I/O口均可用作雙向并行I/O接口。但在實(shí)際應(yīng)用中，P0第 頁共54頁第 頁共54頁口常被用作為數(shù)據(jù)總線和低8位地址總線使用，P2口常被用作為高8位地址總線使用，P3口某些位又常用它的第二功能，特別是

58、無ROM型的單片機(jī)因必須擴(kuò)展外部程序存貯器，則更是如此。所以，若一個(gè)MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)需連接較多的并行輸入/輸出的外圍設(shè)備（如打印機(jī)、鍵盤、顯示器等），單片機(jī)本身所提供的輸入輸出口不能滿足，就不可避免地要擴(kuò)展并行I/O接口。常用的MCS-51并行I/O接口擴(kuò)展方法主要有四種：采用可編程的并行接口電路，如8255A；采用可編程的RAM/IO擴(kuò)展器，如8155；采用TTL或CMOS電路的三態(tài)門、鎖存器，如74LS377、74LS373、74LS244；利用MCS-51的并行擴(kuò)展并行I/O接口。a.8255A可編程外圍并行I/O接口8255A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，具

59、有三種工作方式，可通過程序改變其功能，因而使用方便，通用性強(qiáng)，可作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備連接時(shí)的中間接口電路。在單片機(jī)的I/O口擴(kuò)展8255芯片，其接口相當(dāng)簡單，如下圖所示：圖4.58255的擴(kuò)展電路圖圖中8255的RD、R分別與MCS-51的RD、R相連；8255的D0-D7直接MCS-51的P0口。片選信號(hào)CS口及地址選擇線A0、A1分別由8031的PO.O、PO.1、P0.2經(jīng)地址鎖存器后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分別為FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的復(fù)位端與8031的復(fù)位端相連，都接到8031的復(fù)位電路上。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，必須根據(jù)外圍設(shè)備的

60、類型選擇8255的操作方式，并在初始化程序中把相應(yīng)的控制字寫入操作口。8522接口芯片在MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛用于連接外部設(shè)備，如打印機(jī)、鍵盤，顯示器以及作為控制信息的輸入、輸出口。b.8155可編程外圍并行I/O接口8155/8156芯片內(nèi)包含有256個(gè)字節(jié)RAM，2個(gè)8位和一個(gè)6位的可編程并行I/O口，一個(gè)14位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。8155/8156可直接與MCS-51單片機(jī)連接,不需要增加任何硬件邏輯。由于8031單片機(jī)外接一片8155后，就綜合地?cái)U(kuò)展了數(shù)據(jù)RAM、I/O端口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。因而是MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一。在8155的控制邏輯部件中，設(shè)置一