ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床主運動及控制系統(tǒng)設(shè)計說明書27

PAGE第55頁共55頁第1章機床總體說明1.1機床總體的尺寸參數(shù)根據(jù)設(shè)計要求并參考實際情況，初步選定機床主要參數(shù)如下：工作臺寬度×長度400×1600mm主軸錐孔7∶24工作臺最大縱向行程300mm工作臺最大橫向行程375mm主軸箱最大垂直行程400mm主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)12級主軸轉(zhuǎn)速范圍30~1500r/minX、Y軸步進電機130BF001（反應(yīng)式步進電動機）Z軸步進電動機130BF001（反應(yīng)式步進電動機）主電動機的功率4.0KW主軸電動機轉(zhuǎn)速1440r/min機床外形尺寸（長×寬×高）150×1200×23機床凈重500Kg1.2機床主要部件及其運動方式的說明1.2.1因所設(shè)計的機床要求能進行立式的鉆和銑，垂直方向的行程比較大,因而采用工作臺不動,而主軸箱各軸向擺放為立式的結(jié)構(gòu)布局；為了使主軸箱在數(shù)控的計算機控制上齒輪的傳動更準確、更平穩(wěn)，工作更可靠，主軸箱主要采用液壓系統(tǒng)控制滑移齒輪和離合器變換齒輪的有級變速。1.2.2進給運動的實現(xiàn)本次所設(shè)計的機床進給運動均由單片機進行數(shù)字控制，因此在X、Y、Z三個方向上，進給運動均采用滾珠絲杠螺母副，其動力由步進電機通過調(diào)隙齒輪傳遞。1.2.3數(shù)字控制的實現(xiàn)采用單片機控制，各個控制按扭均安裝在控制臺上，而控制臺擺放在易操作的位置，這一點須根據(jù)實際情況而定。1.2.4機床其它零部件的選擇考慮到生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的經(jīng)濟性，機床附件如油管、行程開關(guān)等，以及標準件如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購形式。1.3本次設(shè)計的重點本次設(shè)計著重與主運動及控制系統(tǒng)設(shè)計研究。詳細的闡述主軸箱的利用磁離合器實現(xiàn)有級變速工作原理，及其采用單片機進行數(shù)字控制。第2章主傳動的設(shè)計2.1議定轉(zhuǎn)速圖2.1.1確定結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng)式：1.主傳動的確定，和公比Ф的確定：根據(jù)ZJK-7532的使用說明書，初步定主軸轉(zhuǎn)速范圍為95～1600r／min，則Ф＝=＝＝1.29………………(2.1)由設(shè)計手冊取標準值得：Ф=1.26。令，則……………(2.2)則取。2.確定變速組和傳動副數(shù)目：大多數(shù)機床廣泛應(yīng)用滑移齒輪的變速方式，為了滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計和操縱方便的要求，通常采用雙聯(lián)或三聯(lián)滑移齒輪，因此主軸轉(zhuǎn)速為12級的變速系統(tǒng)，總共需要三個變速組。3.確定傳動順序方案：按著傳動順序，各變速組排列方案有：12＝3×2×212＝2×3×212＝2×2×3從電機到主軸，一般為降速傳動。接近電機處的零件，轉(zhuǎn)速較高，從而轉(zhuǎn)矩較小，尺寸也就較小。如使傳動副較多的傳動組放在接近電機處，則可使小尺寸的零件多些，而大尺寸的零件可以少些，這樣就節(jié)省省材料，經(jīng)濟上就占優(yōu)勢，且這也符合“前多后少”的原則。從這個角度考慮，以取12=3×2×2的方案為好，本次設(shè)計即采用此方案。4.確定擴大順序方案：傳動順序方案確定以后，還可列出若干不同擴大順序方案。如無特殊要求，根據(jù)“前密后疏”的原則，應(yīng)使擴大順序和傳動順序一致，通常能得到最佳的結(jié)構(gòu)式方案，故選用12＝××結(jié)構(gòu)式方案。檢查最后擴大組的變速范圍：r=～10故合符要求。5.結(jié)構(gòu)網(wǎng)圖：2.1.2擬定轉(zhuǎn)速圖：根據(jù)已確定的結(jié)構(gòu)式或結(jié)構(gòu)網(wǎng)議定轉(zhuǎn)速圖時，應(yīng)注意解決定比傳動和分配傳動比，合理確定傳動軸的轉(zhuǎn)速。①定比傳動在變速傳動系統(tǒng)中采用定比傳動，主要考慮傳動、結(jié)構(gòu)和性能等方面的要求，以及滿足不同用戶的使用要求。在鉆銑床的設(shè)計中，總降速比為u=125/1440=0.087。若每一個變速組的最小降速比均取1/4。則三個變速組的總降速可達。故無需要增加降速傳動，但為了使中間兩個變速組做到降速緩慢，以利于減小變速箱的徑向尺寸和有利于制動方便，在Ⅰ－Ⅱ軸間增加一對降速傳動齒輪（），同時，也有利于設(shè)計變型機床，因為只要改變這對降速齒輪傳動比，在其他三個變速組不變的情況下，就可以將主軸的12種轉(zhuǎn)速同時提高或降低，以便滿足不同用戶的要求。②分配降速比前面已確定，12＝3×2×2共需三個變速組，并在Ⅰ－Ⅱ軸間增加一對降速傳動齒輪，要用到四個變速組，在主軸Ⅴ上標出12級轉(zhuǎn)速：125～1600r/min,在第Ⅰ軸上用A點代表電動機轉(zhuǎn)速，最低轉(zhuǎn)速用E點標出，因此A,E兩點相距約11格，即代表總降速傳動比為。③定出各變速組的最小傳動比根據(jù)降速前慢后快的原則，在Ⅳ－Ⅴ軸間變速組取，在Ⅲ－Ⅳ軸間變速組取，在Ⅱ－Ⅲ軸間變速組取，則：根據(jù)結(jié)構(gòu)式可知：Ⅱ～Ⅴ軸間變速組的級比指數(shù)分別為：1，3，6。傳動副為：3，2，2。則畫出上圖的轉(zhuǎn)速圖。2.1.3確定各齒輪的齒數(shù)：在確定齒輪齒數(shù)時應(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，使機床的結(jié)構(gòu)龐大，而且增大齒數(shù)和還會提高齒輪的線速度而增大噪聲，所以在設(shè)計時要把齒數(shù)和控制在；為了控制每組嚙合齒輪不產(chǎn)生根切現(xiàn)象，使最小齒數(shù)，因而齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過小。在Ⅳ－Ⅴ軸間：∵則可查表1.58和2.51兩行又∵而最小齒輪的齒數(shù)是在的齒輪副中，令則等，∵在高速軸中盡量使齒輪的幾何尺寸小一點以減小主軸的尺寸，所以可取∴可查出：，，同理：①且查得….取則查得：，，②查得：∵三聯(lián)滑移齒輪中的最大齒數(shù)與次大齒數(shù)之差必須要大于或等于4，則必需有又∵前傳動軸的轉(zhuǎn)速高，扭矩小，一般傳動件的尺寸要小一些，因而齒數(shù)和可取比前一級變速組小用計算法：取，則則∴0③∵取則滑移齒輪齒數(shù)的驗算：在三聯(lián)滑移齒輪中，為了確保其左右移動時能順利通過，不致相碰，則必須保證三聯(lián)滑移齒輪的次大齒輪與最大齒輪的配對齒輪不相碰（最大齒輪布置在中間），即：又∵則必須保證：∵從上面計算可知：則這與要求不符。但是∵Ⅲ與Ⅳ都采用了離合器，使齒輪和的距離拉大了，因而在滑移齒輪在移動過程中不存在相碰的情況，∴三聯(lián)滑移齒輪在這個設(shè)計里是可以實現(xiàn)的。2.1.4傳動系統(tǒng)圖的擬定：根據(jù)以上分析及計算，擬定如下傳動系統(tǒng)圖：2.2主傳動主要零件的強度計算：2.2.1電動機的選擇1.電動機的功率計算鉆頭材料選用W18Cr4V,根據(jù)加工要求選用鉆頭直徑D＝25mm，則查表得進給量S＝0.39～0.47mm，根據(jù)鉆孔切削用量表查得：n＝377r/min，M=8580N·m則……………(2.3)2.電動機參數(shù)的選擇在選擇電動機時，必須使得P≥P，根據(jù)這個原則，查《機械設(shè)計手冊》選取Y112M-4型電動機，其基本參數(shù)如下（單位為mm）：A=190B=140C=70D=28E=60F=8G=24H=112K=12AB=245AC=230AD=190HD=265BB=180L=4002.2.2齒輪傳動的設(shè)計計算由于直齒圓柱齒輪具有加工和安裝方便、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，而且直齒圓柱齒輪傳動也能滿足設(shè)計要求，所以本次設(shè)計選用漸開線直齒圓柱齒輪傳動；主軸箱中的齒輪用于傳遞動力和運動，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，機床上主傳動齒輪都選用較高的精度，但考慮到制造成本，本次設(shè)計都選用7-6-6的精度。具體設(shè)計步驟如下：1、模數(shù)的估算：按接觸疲勞和彎曲疲勞計算齒輪模數(shù)比較復雜，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，所以只在草圖畫完之后校核用。在畫草圖之前，先估算，再選用標準齒輪模數(shù)。齒輪彎曲疲勞的估算公式：mm（式中即為齒輪所傳遞的功率）…………（2.4）齒面點蝕的估算公式：mm（式中即為齒輪所傳遞的功率）……………（2.5）其中為大齒輪的計算轉(zhuǎn)速，為齒輪中心距。由中心距及齒數(shù)求出模數(shù)：mm……………………(2.6)根據(jù)估算所得和中較大的值，選取相近的標準模數(shù)。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：第一對齒輪副∵∴mmmmmm所以，第一對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應(yīng)為mm第二對齒輪副∵∴mmmmmm所以，第二對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應(yīng)為mm第三對齒輪副∵∴mmmmmm所以，第三對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應(yīng)為mm第四對齒輪副∵∴mmmmmm所以，第四對齒輪副傳動的齒輪模數(shù)應(yīng)為mm綜上所述，為了降低成本，機床中各齒輪模數(shù)值應(yīng)盡可能取相同，但因為Ⅴ軸的轉(zhuǎn)速比較小，扭矩比較大，為了增加其強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)計中在Ⅰ～Ⅳ間各個齒輪模數(shù)均為=2.5mm，在Ⅴ軸上就取。2、齒輪分度圓直徑的計算根據(jù)漸開線標準直齒圓柱齒輪分度圓直徑計算公式可得各個傳動副中齒輪的分度圓直徑為：3、齒輪寬度B的確定齒寬影響齒的強度，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，反兒容易引起振動和噪聲。一般取B=（6~10）m。本次設(shè)計中，取主動齒輪寬度B=8m=8×2.5=20mm(在最后一對齒輪嚙合取也取B=7m≈20)，則與其嚙合的從動齒輪的寬度一致。而取多聯(lián)齒輪的寬度B=8m=8×2.5=20mm，為了使嚙合更容易和平穩(wěn)，則與其嚙合的從動齒輪的寬度要小一點，取B’=6m＝6×2.5＝15mm。4、齒輪其他參數(shù)的計算根據(jù)《機械原理》中關(guān)于漸開線圓柱齒輪參數(shù)的計算公式及相關(guān)參數(shù)的規(guī)定，齒輪的其它參數(shù)都可以由以上計算所得的參數(shù)計算出來，本次設(shè)計中，這些參數(shù)在此不在一一計算。5、齒輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計不同精度等級的齒輪，要采用不同的加工方法，對結(jié)構(gòu)的要求也不同，7級精度的齒輪，用較高精度的滾齒機或插齒機可以達到。但淬火后，由于變形，精度將下降。因此，需要淬火的7級齒輪一般滾或插后要剃齒，使精度高于7級，或者淬火后再珩齒。6級精度的齒輪，用精密滾齒機可以達到。淬火齒輪，必須才能達到6級。機床主軸箱中的齒輪齒部一般都需要淬火。6、齒輪的校核（接觸疲勞強度）：∵計算齒輪強度用的載荷系數(shù)K，包括使用系數(shù),動載荷系數(shù),齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分布系數(shù)，即：=1.25×1.07×1.1×1.12=1.65……………(2.7)查表得：=0.88=2.5=189.8=…………………(2.8)將數(shù)據(jù)代入得：1100mpa齒輪接觸疲勞強度滿足，因此接觸的應(yīng)力小于許用的接觸應(yīng)力。其它齒輪也符合要求，故其余齒輪不在驗算，在此略去。2.3軸的設(shè)計計算2.3.1各傳動軸軸徑的估算滾動軸承的型號是根據(jù)軸端直徑確定的，而且軸的設(shè)計是在初步計算軸徑的基礎(chǔ)上進行的，因此先要初算軸徑。軸的直徑可按扭轉(zhuǎn)強度法用下列公式進行估算?！?2.9)對于空心軸，則……………(2.10)式中，——軸傳遞的功率，kW；——軸的計算轉(zhuǎn)速，r/min；——其經(jīng)驗值見表15-3；取β的值為0.5。（1）、計算各傳動軸傳遞的功率P根據(jù)電動機的計算選擇可知，本次設(shè)計所選用的電動機額定功率各傳動軸傳遞的功率可按下式計算：…………(2.11)——電機到傳動軸之間傳動效率；由傳動系統(tǒng)圖可以看出，本次設(shè)計中采用了聯(lián)軸器和齒輪傳動，則各軸傳遞的功率為：=0.96，=0.93，=0.904=0.877所以，各傳動軸傳遞的功率分別為：3.509(2)估算各軸的最小直徑本次設(shè)計中，考慮到主軸的強度與剛度以及制造成本的經(jīng)濟性，初步選擇主軸的材料為40Cr，其它各軸的材料均選擇45鋼，取A0值為115，各軸的計算轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速圖得出：n1j=1002r/min,n2j=631r/min,n3j=315r/min,n4j=250r/min,所以各軸的最小直徑為：在以上各軸中，每根軸都開有平鍵或花鍵，所以為了使鍵槽不影響軸的強度，應(yīng)將軸的最小直徑增大5%，將增大后的直徑圓整后分別取各軸的最小直徑為：=18,=23,=34,=462.3.2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：（1）、應(yīng)滿足軸承及齒輪的定位要求；（2）、應(yīng)滿足滑移齒輪安全滑移的要求；2.3.3軸的剛度與強度校核根據(jù)本次設(shè)計的要求，需選擇除主軸外的一根軸進行強度校核，而主軸必須進行剛度校核。在此選擇第Ⅲ根軸進行強度校核。（1）、第三根軸的強度校核1)、軸的受力分析及受力簡圖由主軸箱的展開圖可知，該軸的動力源由電動機通過齒輪傳遞過來，而后通過一個三聯(lián)齒輪將動力傳遞到下一根軸。其兩端通過一對角接觸球軸承將力轉(zhuǎn)移到箱體上去。由于傳遞的齒輪采用的直齒圓柱齒輪，因此其軸向力可以忽略不計。所以只要校核其在xz平面及yz平面的受力。軸所受載荷是從軸上零件傳來的，計算是，常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布段的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。通常把軸當作鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點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)：在yz平面內(nèi)：2）、作出軸的彎矩圖根據(jù)上述簡圖，分別按xz平面及yz平面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別作出兩個平面的上的彎矩圖。在xz平面內(nèi)，根據(jù)力的平衡原理可得：R1+R2+Ft2=Ft1…………………(2.12)將各個力對R1取矩可得：Ft1×a=Ft2×（l-b）+R2×l……(2.13)∵Ft1=2/d7………………(2.14)Ft2=2/d11………………(2.15)由以上兩式可解出：R1=Ft1（l-a）/l-Ft2×b/l……(2.16)R2=Ft1×a/l-F2xz+Ft2×b/l……(2.17)由于有多個力的存在，彎矩無法用一個方程來表示，用x來表示所選截面距R1的距離，則每段的彎矩方程為：在AB段：M=R1×x（a≥x≥0）在BC段：M=R1×（a+x）-Ft1×x（l-b≥x≥a）在CD段：M=R2（l-x）（l≥x≥l-b）則該軸在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，該軸只在yz平面內(nèi)存在扭矩。其扭矩大小為：T1=Ft1·r7T2=Ft2·r11…(2.18)則扭矩圖為：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=可得總的彎矩圖為：5）、作出計算彎矩圖根據(jù)已作出的總彎矩圖和扭矩圖，則可由公式Mca=求出計算彎矩，其中α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)力是對稱循環(huán)的變應(yīng)力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力則常常不是對稱循環(huán)的變應(yīng)力，故在求計算彎矩時，必須計及這種循環(huán)特性差異的影響。即當扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時，取α≈0.3；扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，取α≈0.6；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力也為對稱循環(huán)變應(yīng)力時，則取α=1。應(yīng)本次設(shè)計中扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力，所以取α≈0.3，則計算彎矩圖為：6）、校核軸的強度選擇軸的材料為45鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。由機械設(shè)計手冊查得其許用彎曲應(yīng)力為60MP，由計算彎矩圖可知，該軸的危險截面在B的作用點上，由于該作用點上安裝滑移齒輪，開有花鍵，由機械設(shè)計可查得其截面的慣性矩為：W=[πd4+（D-d）（D+d）2zb]/32D…………(2.19)其中z為花鍵的數(shù)目，在本次設(shè)計中，z=6，D=28mm，d=23mm，b=6mm所以其截面的慣性矩為W=524.38mm3根據(jù)標準直齒圓柱齒輪受力計算公式可得圓周力與徑向力：Ft=2T1/d1Fr=Ft×tgα……………(2.20)其中T1為小齒輪傳遞的扭矩，N·mm；α為嚙合角，對標準齒輪，取α=20；而Ft與Fr分別對應(yīng)與xz平面及yz平面的力。各段軸的長度可從2號A0圖中得出，則根據(jù)前面的公式可得出該軸危險截面的計算彎矩為：Mca=25014.22N·m，則該軸危險截面所受的彎曲應(yīng)力為：δca=25014.22/524.38≈47.7MP≤60MP，所以該軸的強度滿足要求。（2）、主軸的剛度校核1）、主軸材料的選擇考慮到主軸的剛度和強度，選擇主軸的材料為40Cr，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理；2）、主軸結(jié)構(gòu)的確定①主軸直徑的選擇根據(jù)機床主電機功率來確定(參考《金屬切削機床》（下）的154頁)：∵P＝4KW，屬于中等以上轉(zhuǎn)速，中等以下載荷的機床∴可?、谥鬏S內(nèi)孔直徑………(2.21)其中，空心主軸的剛度和截面慣性矩K,I實心主軸的剛度和截面慣性矩當則主軸的剛度急劇下降，故取<0.7主軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)主軸上應(yīng)安裝的組件以及在主軸箱里的具體布置來確定，主軸的具體結(jié)構(gòu)已在三維圖上表達清楚，在此不在繪出。其中：D=31.750d＝18L=733）、主軸的剛度驗算①軸的變形和允許值軸上裝齒輪和軸承處的繞度和傾角（y和）應(yīng)該小于彎曲變形的許用值即y軸的類型（mm）變形部位（rad）一般傳動軸4.0003~0.0005l裝向心軸承處0.0025剛度的要求較高-0.0002l裝齒輪處0.001安裝齒輪軸（0.01~0.00）m裝單列圓錐滾子軸承0.006其中：L表跨距，m表模數(shù)②軸的變形計算公式計算軸本身彎曲變形產(chǎn)生的繞度y及傾角時，一般常將軸簡化為集中載荷下的簡支梁。按材料力學相關(guān)公式計算，主軸的直徑相差不大且計算精度要求不高的時候，可把軸看作等徑軸，采用平均直d來計算，計算花鍵時同樣選擇用平均直徑圓軸：d……………………(2.22)慣性矩：I=……………………(2.23)矩形花鍵軸：d1=………………(2.24)………………(2.25)慣性矩：……………(2.26)③軸的分解和變形合成對于復雜受力的變形，先將受力分解為三個垂直面上的分力，應(yīng)用彎曲變形公式求出所求截面的兩個垂直平面的和y。然后進行疊加，在同以平面內(nèi)的可進行代數(shù)疊加，在兩平面內(nèi)的按幾何公式，求出該截面的總繞度和總傾角④危險工作面的判斷驗算剛度時應(yīng)選擇最危險的工作條件進行，一般時軸的計算轉(zhuǎn)速低傳動齒輪的直徑小，且位于軸的中央時，軸受力將使總變形劇烈，如對：二、三種工作條件難以判斷那一種最危險，就分別進行計算，找到最大彎曲變形值和y。提高軸剛度的一些措施加大軸的直徑，適當減少軸的跨度或增加第三支承，重新安排齒輪在軸上的位置改變軸的布置方位等。⑥軸的校核計算軸的計算簡圖在xz平面內(nèi)：同理可得在yz平面內(nèi)的受力圖，在此不在畫出。主軸的傳動功率：P主==3.513KW……………(2.27)主軸轉(zhuǎn)矩：T主==156900……(2.28)支點上的力：……(2.29)………(2.30)根據(jù)彎矩平衡：…………(2.31)求得：RHE=-84.9根據(jù)力得平衡：則彎矩圖為：2）垂直平面得彎矩圖：=951.71N……………(2.32)=761.4N……………(2.33)根據(jù)平面內(nèi)得彎矩平衡有：……(2.34)再根據(jù)力得平衡：則可得B、C點得彎矩圖：在B點和C點為最危險截面，要滿足要求，B、C點滿足即可，在B、C截面得彎矩為：=803403.1N·㎜……………(2.35)=675702.3N·㎜……………(2.36)扭矩圖為：經(jīng)分析可知B所在得位置為最危險截面，只要B滿足條件即可，則剛度滿足。計算彎矩………(2.37)=862517.2N·㎜軸得抗彎截面系數(shù)為：……(2.38)53.96…………………(2.39)故滿足第三強度理論剛度驗算：在水平面內(nèi)，單獨作用時：………(2.40)==-0.02598mm其中I==2747500…………………(2.41)在單獨作用下：…………(2.42)==-0.0182mm在兩力得共同作用下：…………(2.43)在垂直面內(nèi)有(在單獨作用時)………………(2.44)==-0.0072mm其中I==2747500…………(2.45)在單獨作用下：………………(2.46)==-0.0182mm在兩力得共同作用下：………(2.47)故在共同作用下，x處為危險截面，其最大繞度為…………………(2.48)而一般的剛度=0.21~0.35mm故符合剛度要求，其轉(zhuǎn)角就不驗算了。1）下面校核由Ⅴ傳到主軸時的強度，剛度，校核，主軸的傳動功率：P主==5.9974KW………(2.49)主軸轉(zhuǎn)矩：T主==143188Nmm…………(2.50)支點上的力：…………(2.51)………(2.52)根據(jù)彎矩平衡：………………(2.53)求得：RHE=-244.9N根據(jù)力得平衡：2）垂直平面得彎矩：=868.6N………………(2.54)=501.1N……………(2.55)根據(jù)平面內(nèi)得彎矩平衡有：…………………(2.56)再根據(jù)力得平衡：則可得B、C點得彎矩圖：在B點和C點為最危險截面，要滿足要求，B、C點滿足即可，在B、C截面得彎矩為：=110489.6N·㎜……………(2.57)=708402.5N·㎜……………(2.58)扭矩圖為：經(jīng)分析可知B所在得位置為最危險截面，只要B滿足條件即可，則剛度滿足。計算彎矩=942100N·㎜…………(2.59)軸得抗彎截面系數(shù)為：……(2.60)=58.94………(2.61)故滿足第三強度理論剛度驗算：在水平面內(nèi)，單獨作用時：………………(2.62)==-0.018147mm其中I==2747500………(2.63)在單獨作用下：………………(2.64)==-0.00551mm在兩力的共同作用下：………(2.65)在垂直面內(nèi)有(在單獨作用時)………………(2.66)==-0.0066mm其中I==2747500…………(2.67)在單獨作用下：………………(2.68)==-0.001515mm在兩力得共同作用下：…………(2.69)故在共同作用下，x處為危險截面，其最大繞度為……(2.70)而一般的剛度=0.21~0.35mm故符合剛度要求，其轉(zhuǎn)角就不驗算了。2.4離合器的選用離合器在機器運轉(zhuǎn)中可將傳動系統(tǒng)隨時分離或接合，對離合器的要求有：接合平穩(wěn)，分離迅速徹底；調(diào)節(jié)和修理方便；外廓尺寸小；質(zhì)量??；耐磨性好和有足夠的散熱能力；操作方便省力。離合器的類型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。根據(jù)設(shè)計要求，我選用了電磁式摩擦片離合器。根據(jù)經(jīng)驗值；。第3章控制系統(tǒng)的設(shè)計4.1控制系統(tǒng)總體方案的擬定.機電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成.控制系統(tǒng)的控制對象主要包括各種機床,如車床、銑床、磨床等等.控制系統(tǒng)的基本組成如下圖所示:通信接口通信接口軟件微機步進電機驅(qū)動電路步進電機機床開關(guān)量控制電路主運動驅(qū)動電路主軸電動機4.2總控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計1.單片機的設(shè)計(1)MCS-51系列單片機的設(shè)計MCS-51系列單片機的所有產(chǎn)品都含有8051除程序存貯器外的基本硬件，都是在8051的基本上改變部分資源（程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器、I/O口、定時/計數(shù)器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設(shè)計中，我們采用的是8031，8031可尋址64KB字節(jié)程序存貯器和64KB字節(jié)數(shù)據(jù)存貯器。內(nèi)部沒有程序存貯器，必須外接EPROM程序存貯器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分為三部分。a.電源及時鐘引腳此部分引腳包括電源引腳Vcc、Vss及時鐘引腳XTAL1、XTAL2。電源引腳接入單片機的工作電源。Vcc（40腳）：接+5V電源。Vss（20腳）：接地。時鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個振蕩器，它提供單片機的時鐘控制信號。時鐘引腳也可外接晶體振蕩器。XTAL1（19腳）：接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端。當采用外接晶體振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端，在單片機內(nèi)部接至反相放大器的輸出端。若采用外部振蕩器時，該引腳接受振蕩器的信號，即把信號直接接至內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。b.控制引腳它包括RST、ALE、、等。此類引腳提供控制信號，有些引腳具有復用功能。RST/VPD（9腳）：當振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的高電平將使單片機復位（RST）。復位后應(yīng)使此引腳電平為≤0.5V的低電平，以保證單片機正常工作。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Vcc下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)（（5±0.5）V）時，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。ALE/（30腳）：當單片機訪問外部存貯器時，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，每當訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時，在兩個機器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動8個TTL負載。（29腳）：此輸出為單片機內(nèi)訪問外部程序存貯器的讀選通信號。在從外部程序存貯器指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時，這兩次有效的信號不出現(xiàn)。同樣可以驅(qū)動8個TTL負載。/Vpp（31腳）：當端保持高電平時，單片機訪問的是內(nèi)部程序存貯器，但當PC值超過某值時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存貯器內(nèi)的程序。當端保持低電平時，則不管是否有內(nèi)部程序存貯器而只訪問外部程序存貯器。對8031來說，因其無內(nèi)部程序存貯器。所以該引腳必須接地，即此時只能訪問外部程序存貯器。c.輸入/輸出引腳輸入/輸出（I/O）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，當作為I/O口使用時，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)總線分時復用口，可驅(qū)動8個TTL負載。一般作為擴展時地址/數(shù)據(jù)總線口使用。P1口（P1.0-P1.7）：為8位準雙向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，鎖存器必須置1），可驅(qū)動4個TTL負載。P2口（P2.0-P2.7）：為8位準雙向I/O口，當作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位復用，可驅(qū)動4個TTL負載，一般作為擴展時地址總線的高8位使用。P3口（P3.0-P3.7）：為8位準雙向I/O口，是雙功能復用口，可驅(qū)動4個TTL負載。(2)MCS-51單片機的時鐘電路時鐘電路是計算機的心臟,它控制著計算機的工作節(jié)奏.MCS-51片內(nèi)有一個反相放大器,XTAL1、XTAL2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端,該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個自激振蕩器,產(chǎn)生的時鐘送至單片機內(nèi)部的各個部件.單片機的時鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種,大多單片機應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式.最常用的內(nèi)部時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,其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同.如下圖所示:MCS-51單片機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C1、C2的取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響.C1、C2可在20pF-100pF之間選擇,一般當外接晶體時典型取值為30pF,外接陶瓷諧振器時典型取值為47pF,取60pF-70pF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性.在設(shè)計印刷電路板時,晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)盡量靠近單片機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單片機的復位電路計算機在啟動運行時都需要復位,使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài),并從這個狀態(tài)開始工作.單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)的,MCS-51單片機有一個復位引腳RST,高電平有效.它是施密特觸發(fā)輸入,當振蕩器起振后,該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期(即24個時鐘周期)以上的高電平,使器件復位,只要RST保持高電平,MCS-51便保持復位狀態(tài).此時ALE,,P0,P1,P2,P3口都輸出高電平.RST變位低電平后,退出復位狀態(tài),CPU從初始狀態(tài)開始工作.復位操作不影響片內(nèi)RAM的內(nèi)容.MCS-51單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式.通常因為系統(tǒng)運動等的需要,常常需要人工按鈕復位,如下圖所示:對于CMOS型單片機因RST引腳的內(nèi)部有一個拉低電阻,故電阻R2可不接.單片機在上電瞬間,RC電路充電,RST引腳端出現(xiàn)正脈沖,只要RST端保持兩個機器周期以上的高電平(因為振蕩器從起振到穩(wěn)定大約要10ms),就能使單片機有效復位.當晶體振蕩頻率為12MHz時,RC的典型值為C=10μF,R=8.2KΩ.簡單復位電路中,干擾信號易串入復位端,可能會引起內(nèi)部某些寄存錯誤復位,這時可在RST引腳上接一去耦電容.上圖那上電按鈕復位電路只需將一個常開按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電復位電路,按下開關(guān)一定時間就能使RST引腳端為高電平,從而使單片機復位.4.2.2系統(tǒng)的擴展在以8031單片機為核心的控制系統(tǒng)中必須擴展程序存貯器，用以存放控制程序。同時，單片機內(nèi)部的存貯器容量較小，不能滿足實際需要，還要擴展數(shù)據(jù)存貯器。這種擴展就是配置外部存貯器（包括程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器）。另外，在單片機內(nèi)部雖然設(shè)置了若干并行I/O接口電路，用來與外圍設(shè)備連接。但當外圍設(shè)備較多時，僅有幾個內(nèi)部I/O接口是不夠的，因此，單片機還需要擴展輸入輸出接口芯片。程序存貯器的擴展MCS-51系列單片機的程序存貯器空間和數(shù)據(jù)存貯器空間是相互獨立的。程序存貯器尋址空間為64KB（0000H-0FFFFH），8031片內(nèi)不帶ROM，所以要進行程序存貯器的擴展。用作程序存貯器的常用的器件是EPROM。由于MCS-51單片機的P0口是分別復用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進行程序存貯器擴展時，必須用地址鎖存器鎖存地址信號。通常地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373。當用74LS373作為地址鎖存器時，鎖存端G可直接與單片機的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進行地址鎖存。根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對程序存貯器容量要求的不同，常采用的擴展芯片擴展EPROM2716（2KB×8）、2732A（4KB×8）、2764A（8KB×8）、27128A（16KB×8）、27256（32KB×8）和27512（64KB×8）等。以上6種EPROM均為單一+5V電源供電，維持電流為35mA-40mA，工作電流為75mA-100mA，讀出時間最大為250ns，均有雙列直插式封裝形式，A0-A15是地址線，不同的芯片可擴展的存貯容量的大小不同，因而提供8位地址的P2端口線的數(shù)量各不相同，故2716為A0-A10，27512為A0-A15；D0-D7是數(shù)據(jù)線；CE是片選線，低電平有效；OE是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源；PGM是編程脈沖輸入端。根據(jù)程序存貯器擴展的原理，以EPROM2764A和鎖存器74LS373為例對8031單片機進行程序存貯器的擴展。因為2764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址線，A0-A12。如果只擴展一片程序存貯器EPROM，故可將片選端CE直接接地。下圖為擴展兩片EPROM的連接方法。同時，8031運行所需的程序指令來自2764A，要把其EA端接地，否則，8031將不會運行。(2)數(shù)據(jù)存貯器的擴展8031單片機內(nèi)部有128個字節(jié)RAM存貯器。CPU對內(nèi)部的RAM具有豐富的的操作指令。但在用于數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠片內(nèi)提供的128個字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯器是遠遠不夠的。在這種情況下，可利用MCS-51的擴展功能，擴展外部數(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。正因為如此，數(shù)據(jù)存貯器與程序存貯器可完全重疊，均為0000H-FFFFH，但數(shù)據(jù)存貯器與I/O口與外圍設(shè)備是統(tǒng)一遍址的，即任何擴展的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的復用地址/數(shù)據(jù)線，P2口用于對RAM進行頁面尋址（根據(jù)其容量不同，所占的P2端口不同，在對外部RAM讀/寫期間，CPU產(chǎn)生RD/WR信號。在8031單片機應(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)計無需考慮刷新問題，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6116（2KB×8）和6264（8KB×8）。單一+5V供電，額定功耗分別為160mW和200mW，典型存取時間均為200ns，均有雙列之插式封裝，管腳分別為24和28線。下圖是6264與8031的連接圖。從圖中知：6264的片選接8031的P2.7，第二片選線CS2接高電平，保持一直有效狀態(tài)。因6264是8KB容量的RAM，故用到了3根地址線。6264的地址范圍為0000H-7FFFH對于一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)，必須具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單片機外部擴展兩片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)I/O口的擴展MCS-51系列單片機大多具有四個8位I/O口（即P0、P1、P2、P3），原理上這四個I/O口均可用作雙向并行I/O接口。但在實際應(yīng)用中，P0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，特別是無ROM型的單片機因必須擴展外部程序存貯器，則更是如此。所以，若一個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、鍵盤、顯示器等），單片機本身所提供的輸入輸出口不能滿足，就不可避免地要擴展并行I/O接口。常用的MCS-51并行I/O接口擴展方法主要有四種：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的并行擴展并行I/O接口。a.8255A可編程外圍并行I/O接口8255A是可編程輸入輸出接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，具有三種工作方式，可通過程序改變其功能，因而使用方便，通用性強，可作為單片機與多種外圍設(shè)備連接時的中間接口電路。在單片機的I/O口擴展8255芯片，其接口相當簡單，如下圖所示：圖中8255的分別與MCS-51的相連；8255的D0-D7直接接MCS-51的P0口。片選信號CS口及地址選擇線A0、A1分別由8031的P0.0、P0.1、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的復位端與8031的復位端相連，都接到8031的復位電路上。在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，必須根據(jù)外圍設(shè)備的類型選擇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。8255接口芯片在MCS-51單片機應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛用于連接外部設(shè)備，如打印機，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個字節(jié)RAM，2個8位和一個6位的可編程并行I/O口，1個14位定時器/計數(shù)器。8155/8156可直接與MCS-51單片機連接，不需要增加任何硬件邏輯。由于8031單片機外接一片8155后，就綜合地擴展了數(shù)據(jù)RAM、I/O端口和定時器/計數(shù)器。因而是MCS-51單片機系統(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)置一個控制命令寄存器和一個狀態(tài)標志寄存器。8155的工作方式由CPU寫入控制命令寄存器中的控制字來確定?？刂泼罴拇嫫髦荒軐懭氩荒茏x出，8位控制命令寄存器的低4位用來設(shè)置A口、B口和C口的工作方式。第4、5位用來確定A口、B口以選通輸入輸出方式工作時是否允許中斷請求。第6、7位用來設(shè)置定時器/計數(shù)器的操作。8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或選通方式，C口可作為輸入輸出口線，也可作為A口、B口選通方式工作的狀態(tài)控制信號。其工作情況與8255方式0、方式1時大致相同，控制信號的含義也基本相同。另外，在8155中還設(shè)有一個狀態(tài)標志、寄存器，用來存放A口和B口的狀態(tài)標志。狀態(tài)標志寄存器的地址與命令寄存器的地址相同，CPU只能讀出，不能寫入。8155中還設(shè)有一個14位的定時器/計數(shù)器，可用來定時或?qū)ν獠渴录嫈?shù)，CPU可通過程序選擇計數(shù)長度和計數(shù)方式。計數(shù)長度和計數(shù)方式由輸入計數(shù)寄存器的計數(shù)控制字來確定。MCS-51單片機可以和8155直接相連而不用任何外加邏輯，MCS-51單片機擴展一片8155可以為系統(tǒng)增加256字節(jié)外RAM，22根I/O口線及一個14位定時器。下圖為8155與8031的一種接口邏輯，圖中P2.7連片選信號CE，P2.0連，所以8155的RAM的地址為7E00H-7EFFH；I/O寄存器地址分別為：命令字/狀態(tài)字寄存器地址為7F00H，PA口地址為7F01H，PB口地址為7F02H，PC口地址為7F03H，定時器/計數(shù)器低字節(jié)寄存器地址為7F04H，定時器/計數(shù)器高字節(jié)寄存器地址為7F05H。4.2.3鍵盤、顯示器接口設(shè)計（1）矩陣式鍵盤接口設(shè)計矩陣式鍵盤適用于按鍵較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列交叉點上。如一個4×4的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個含有16個按鍵的鍵盤等等。在按鍵數(shù)量較多時，矩陣鍵盤比獨立鍵盤節(jié)省了很多I/O口。按鍵設(shè)置在行、列線分別連接到按鍵開關(guān)兩端。行線通過上拉電阻接到+5V上。平時無按鍵動作時，行線處于高電平狀態(tài)，而當有按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電平為高，則行線電平亦為高。這一點是識別矩陣鍵盤按鍵是否按下的關(guān)鍵所在。由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在的行和列電平。所以，必須將行、列線信號配合起來并作適當?shù)奶幚恚拍艽_定閉合鍵的位置。對于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一確定，所以分別對行號和列號進行二進制編碼，然后將兩值合成一個字節(jié)，高4位是行號，低4位是列號將是非常直觀的。（2）顯示器接口設(shè)計在單片機系統(tǒng)中，常用的顯示器有：發(fā)光二極管顯示器，簡稱LED。LED顯示塊由發(fā)光二極管顯示字段組成，有7段和“米”字型之分，一片顯示塊顯示一位字符。共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應(yīng)的段被顯示。由于7段LED顯示塊有7個段發(fā)光二極管，所以其字形碼為一個字節(jié)；“米”字形LED顯示塊有15段發(fā)光二極管，所以字形碼為兩個字節(jié)。由n片LED顯示塊可拼接成n位LED顯示器，共有n根位選線和8×n根段選線，根據(jù)顯示方式不同，位選線和段選線的連接也各不相同，段選線控制顯示字符的字型，而位選線則控制顯示位的亮、暗。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式。在多位LED顯示時，為了節(jié)省I/O口線，簡化電路，降低成本，一般采用動態(tài)顯示方式。動態(tài)顯示方式是一位一位地分別輪流點亮各位顯示器，對每位顯示器來說，每隔一段時間輪流點亮一次。顯示器的亮度既與導通電流有關(guān)，也與點亮和熄滅時間的比例有關(guān)。這種顯示方式將七段LED顯示器的所有段選位并聯(lián)在一起，由一個8位I/O口控制，實現(xiàn)各位顯示器的分時選通。下圖是LED顯示器采用共陰極方式，6個顯示器的段選碼由8155的PB口提供，位選碼由8155的PA口提供（PA口同時也提供行列式未編碼鍵盤的列線），行列式未編碼鍵盤的行線由PC口提供。圖中設(shè)置了36個鍵。如果繼續(xù)增加PC口線，設(shè)全部PC口線（PC0-PC5）用作鍵盤的行線，全部PA口線（PA0-PA7）作鍵盤列線，則按鍵最多可達8×6個。下圖中8155的PB口掃描輸出總是只有一位為高電平，即PB口經(jīng)反相后僅有一位公共陰極為低電平，8155的PA口則輸出相應(yīng)位（PB口輸出為高對應(yīng)的位顯示器）的顯示數(shù)據(jù)，使該位顯示與顯示緩沖器相對應(yīng)的字符，而其余各位均為熄滅，依次改變8155的PB口輸出為高的位，PB口輸出對應(yīng)的顯示緩沖器的數(shù)據(jù)。4.2.4步進電機控制電路設(shè)計（1）步進電機開環(huán)驅(qū)動原理每輸入一個脈沖,步進電機就前進一步,因此,它也稱作脈沖電動機.其種類很多,但主要分三大類:反應(yīng)式步進電動機,永磁式步進電動機,以及永磁感應(yīng)式步進電動機.反應(yīng)式電動機結(jié)構(gòu)最簡單,是應(yīng)用最廣泛的一種.按控制繞組的相樹分有三相,四相,五相,六相等等.無論哪種步進電動機,他們的工作原理都有相同之處:數(shù)字式脈沖信號控制定子磁極上的控制繞組,按一定順序依次通電,在頂子和轉(zhuǎn)子的氣隙間形成步進式的磁極軸旋轉(zhuǎn).步進電動機主要用于開環(huán)系統(tǒng),當然也可以閉環(huán)系統(tǒng).下圖是步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)的原理圖,它由以下幾部分組成:脈沖信號源――是一個脈沖發(fā)生器,通常脈沖頻率連續(xù)可調(diào),送到脈沖分配器的脈沖個數(shù)和脈沖頻率由控制信號控制.因脈沖頻率可調(diào),也稱為變頻信號源.脈沖分配器――脈沖按一定的順序送到功率放大器中進行放大，驅(qū)動步進電動機工作．用硬件進行脈沖順序的分配，有時稱為環(huán)行分配器，也簡稱環(huán)分．功率放大器――將脈沖分配器送來的脈沖放大，使步進電動機獲得必要的功率．步進電動機――伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，它帶動工作機構(gòu)，如減速裝置，絲桿，工作臺．（2）脈沖分配對每一個五相步進電動機而言，其脈沖分配方式是五相十拍的的．其五相分別用Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ表示．五相十拍的運行方式是Ａ－ＡＢ－Ｂ－ＢＣ－Ｃ－ＣＤ－Ｄ－ＤＥ－Ｅ－ＥＡ順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時針方向一步一步轉(zhuǎn)動．要改變步進電動機的轉(zhuǎn)動方向，只需改變通電的順序即可．脈沖分配器是將脈沖電源按規(guī)定的通電方式分配到各相，該分配可由硬件來實現(xiàn)．在微機控制中，脈沖的分配也可由軟件來完成，Ｐ１.０，Ｐ１.１，Ｐ１.２，Ｐ１.３，Ｐ１.４五位分別輸出時序脈沖，經(jīng)光電隔離、驅(qū)動放大使步進電機運轉(zhuǎn)．延時的長短決定了步進電動機運行一拍的時間，也就決定了步進電機的轉(zhuǎn)速．（3）驅(qū)動電路由微機根據(jù)控制要求發(fā)出的脈沖，并依次將脈沖分配到各相繞組，因其功率很小，電壓不足５Ｖ，電流為mＡ級，必須經(jīng)過驅(qū)動器將信號電流放大到若干安培，才能驅(qū)動步進電動機．因此，步進電機驅(qū)動器實際上是一個功率放大器．驅(qū)動器的質(zhì)量直接影響步進電動機的性能，驅(qū)動器的負載是電機的繞組，是強電感應(yīng)負載．對驅(qū)動器的主要要求是：失真要小，要有較好的前后沿和足夠的幅度；效率要高；工作可靠；安裝調(diào)試和維修方便．下圖是一個Ｌa繞組的高低壓驅(qū)動電路，脈沖變壓器Ｔp組成高壓控制電路。無脈沖輸入時，Ｔ１，Ｔ２，均截止，電機繞組Ｌa中無電流通過，電機不轉(zhuǎn)．有脈沖輸入時，Ｔ１，飽和導通，在Ｔ２由截止到飽和期間，其集電極電流也就是脈沖變壓器的初級電流急速增加，在變壓器次級感應(yīng)一個電壓，使Ｔ３導通，８０Ｖ高壓經(jīng)高壓管Ｔ３加到繞組Ｌa上，使電流迅速上升，約經(jīng)數(shù)百微妙，當Ｔ２進入穩(wěn)壓狀態(tài)后，Ｔp初級電流暫時恒定，次級的感應(yīng)電壓降到０，Ｔ３截止，這時１２Ｖ低壓電流經(jīng)Ｄ２加到繞組Ｌa上，維持Ｌa中的電流為恒定值．輸入脈沖結(jié)束后，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４又均截止，儲存在Ｌa中的能量通過１８Ω的電阻和二極管泄放，１８Ω的電阻的作用是減小放電回路的時間常數(shù)，改善電流波形后沿．由于采用高低壓驅(qū)動，電流增長快，電機的力矩和運行頻率都得到改善，但由于電機轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的反電動勢，使電流波形頂部下凹，使平均電流下降，轉(zhuǎn)矩下降．4.2.5光電隔離電路設(shè)計為了避免外部設(shè)備的電源干擾，防止被控對象電路的強電反竄，通常采取將微機的前后向通道與被連模塊在電氣上的隔離的方法。過去通常隔離變壓器或中間繼電器來實現(xiàn)，而目前已廣泛被性能高、價格低的光電耦合器來代替。光電耦合器是把發(fā)光元件與受光元件封裝在一起，以光作為媒體來傳輸信息的。其封裝形式有管形，雙列直插式、光導纖維連接等。發(fā)光器件一般為砷化鎵紅外發(fā)光二極管。光電耦合器具有以下特點：（1）信號采取光電形式耦合，發(fā)光部分與受光部分無電氣回路，絕緣電阻高達1010-1012Ω，絕緣電壓為1000-5000V，因而具有極高的電氣隔離性能，避免輸出端和輸入端之間可能產(chǎn)生的反饋和干擾。（2）由于發(fā)光二極管是電流驅(qū)動器件，動態(tài)電阻很小，對系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾信號形成低阻抗旁路，因此抗干擾能力強，共模抑制比高，不受磁場的影響，特別是用于長線傳輸時作為終端負載，可以大大地提高信噪比。（3）光電耦合器可以耦合零到數(shù)千赫的信號，且響應(yīng)速度快（一般為幾毫秒，甚至少于10ns），可以用于高速信號的傳輸。下圖的光電耦合器是采用硅光電二極管作受光元件。其CTR為10%-100%，脈沖上升和下降時間小于5μs，輸出電路飽和壓降?。?.2V-0.3V），電路構(gòu)件簡單，是目前應(yīng)用較多的一種，主要用于驅(qū)動TTL電路、傳輸線隔離、脈沖放大等。晶體管輸出型的光電耦合器用于開關(guān)信號耦合時，發(fā)光二極管和光電晶體管平常都處于關(guān)斷狀態(tài)。在發(fā)光二極管通過電流脈沖時，光電晶體管在電流脈沖持續(xù)的時間內(nèi)導通。下圖是使用4N25光電耦合器的接口電路，這里4N25起到耦合脈沖信號和隔離單片機8031系統(tǒng)與輸出設(shè)備電氣回路的作用，使兩部分的電流相互獨立。輸出部分的地線Vss接地殼或大地，而單片機的電源地線（GND）浮空，這樣可以避免輸出部分電源變化對單片機電源的影響。4.2.6其它接口電路設(shè)計（1）面板操作鍵和功能選擇開關(guān)：面板操作鍵與8255的PB口接口電路。圖中SB1-SB6為手動操作進給鍵，分別完成人工操作的±X、±Y、±Z的進給。運行時按下此鍵，可中斷程序的運行?；亓?，使工具電極沿X軸、Y軸、Z軸回到機械零點。（2）功能選擇開關(guān)SA為一個單刀7擲波段開關(guān)，它與系統(tǒng)的8255PA口相連。用于連續(xù)、單步、自動、手動、暫停、啟動等功能的選擇。4.3部分控制程序：4.3.1直線圓弧插補程序設(shè)計在機電設(shè)備中，執(zhí)行部件要實現(xiàn)平面斜線和圓弧曲線得路徑運動，必須通過兩個方向得合成來完成，在數(shù)控機床中，這是由X，Y兩個方向運動得工作臺，按照插補控制原理實現(xiàn)得。插補原理在有關(guān)課程中學過。4.3.2直線插補程序ORG2000HMAIN：MOVSP，#60HLP4：MOV28H，#0C8H；XeMOV29H，#0C8H；YeMOV2AH,#00H;XMOV2BH,#00H;YMOV2EH,#00H;FMOV70H,#0AHLP3:MOVA,2EHJBACC,7,LP1MOVA,70HSETBACC.0CLRACC.2MOV70H,A;LCALLMOTR；調(diào)步進電機得控制子程序，+X方向進給一步SUBBA。29H；F-YeINC2AH；X+1AJMPLP2LP1：MOVA，70HSETBACC。2CLRACC.0；LCALLMOTR；調(diào)步進電機得控制子程序，+Y方向進給一步LCALLDELAYMOVA，2EHADDA，28H；F+YLP2：MOV2EH，AMOVA，28HCJNEA，2AH，LP3；Xe=X？RET程序中MOTR為步進電機得控制子程序。如用硬件實現(xiàn)環(huán)分。如采用環(huán)形分配器，則需要由軟件程序完成硬件環(huán)分得功能，見步進電機控制程序設(shè)計。4.3.3圓弧插補程序設(shè)計XLEQU18HXHEQU19HYLEQU28HYHEQU29HXeLEQU1AHXeHEQU1BHYeLEQU2BHFLEQU2CHFHEQU2DHORG2400HMAIN：MOVSP，#60H；MOV70H，#08H；MOVXL，#80H；XLMOVXH，#0CH；XHMOVYeL，#80H；YeLMOVXeL，#00H；XeLMOVXeH，#00H；XeHMOVYL，#00H；YLMOVYH，#00H；YHMOVFL，#00H；FLMOVFH，#00H；FHLP3MOVA，F(xiàn)HJNBACC.7，LP1MOVA，70HSETBACC.2CLRACC.0；LCAALMOTR；MOVR1，#28H；MOVR0，#1CH；MOVR7，#02H；LCALLMULT2；2*YADDCLRCMOVA,FLADDCA,1CHMOVFL,AMOVA,FHADDCA,1DH;F+2YMOVFH,ACLRCMOVA,YLADDA,#00HMOV28H,AMOVA,YHADDCA,#00HMOVYH,ACLRCMOVA,FLADDA,#01HMOVFL,AMOVA,FHADDCA,#00HMOVFH,A;F+2Y+1AJMPLP2MOVA,70HSETBACC.0MOV70H,A;LCALLMOTRMOVR1，#18H；XLMOVR0，#1CHMOVR7#02HLCALLMULT2，2*SUBCLRCMOVA，1CHSUBBA，F(xiàn)LMOVFL，AMOVA，F(xiàn)HSUBBA，1DHMOVXL，AMOVA，XLSUBBA，#00HMOVXH，A；X-1CLRCMOVA，F(xiàn)LADDA，##01HMOVFL，AMOVA，F(xiàn)HADDCA，#00HMOVFH，A；F-2X+1LP2：MOVA，YHCJNEA，YeH，LP3A；YH=Ye？]MOVA，YLCJNEA，Ye，LP3A；YL=YeL？LP3A：AJMPLP3ORG2500HMULT2：PUSHPSW；雙字節(jié)乘2子程序 PUSHAPUSHBCLRCMOVR2，#00HSH1：MOVA，@R1MOVB,#02HMULABPOPPSWADDCA,R2MOVR0,AINCR0INCR1DJNZR7,SH1POPBPOPPSWRET4.4控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.4.1步進電機控制程序設(shè)計我們知道步進電動機的控制需要變頻信號源、環(huán)形分配器以及功率放大器等硬件。而在微機控制步進電機的驅(qū)動的系統(tǒng)中，變頻信號和環(huán)形分配器可用軟件代替，并且還可以方便地實現(xiàn)步進電機的加減速控制。我們設(shè)計所選用的步進電機是五相十拍的。8255的PA口為輸出口，分別控制步進電機的A、B、C、D、E五相，由軟件實現(xiàn)環(huán)形分配器的功能，PA口分別輸出時序脈沖，經(jīng)光電隔離，驅(qū)動放大使步進電機轉(zhuǎn)動。五相十拍的步進電機的通電方式為：A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA。按以上順序通電，步進電機正轉(zhuǎn)，按反相通電，步進電機轉(zhuǎn)動。由8255的PA口輸出控制字，即可實現(xiàn)對步進電機的正反轉(zhuǎn)控制。同時在兩控制字之間加入一定的延時時間，延時時間的長短決定可步進電機運行一拍得時間，從而也就決定了步進電機的轉(zhuǎn)速。步進電機控制程序的框圖如下圖保護現(xiàn)場保護現(xiàn)場設(shè)步長計數(shù)器轉(zhuǎn)向標志為1？置正轉(zhuǎn)控制字指針置反轉(zhuǎn)控制字指針輸出控制字延時、控制字地址指針+1是結(jié)束標志總步數(shù)為0？恢復控制字首指針恢復現(xiàn)場返回YYN圖步進電機控制的程序框圖步進電動機正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序如下：PUSHA;保護現(xiàn)場MOVR4,#N;設(shè)步長計數(shù)器CLRC;ORLC,D5H;轉(zhuǎn)向標志為1轉(zhuǎn)移JCROTE;MOVR0,#20H;正轉(zhuǎn)控制字首指針AJMPLOOP;ROTE:MOVR0,#27H;反轉(zhuǎn)控制字首指針LOOP:MOVA,@R0;MOVP1,A;輸出控制字ACALLDELAY;延時INCR0;指針加1MOVA,#00H;ORLA,@R0;JZTPL;是結(jié)束標志轉(zhuǎn)移LOOP1:DJNZR4,LOOP;步數(shù)不為零轉(zhuǎn)移POPA;恢復現(xiàn)場RET;返回TPL:MOVA,R0;CLRC;SUBBA,#06H;MOVR0,A;恢復控制字首指針AJMPLOOP1DELAY:MOVR2,#M;DELAY1:MOVA,#M1;LOOP:DECA;JNZLOOP;DNJZR2,DELAY1RET上述程序的延時是由循環(huán)程序完成的，在CPU繁忙的情形下，可通過定時器延時，中斷方式輸出控制字。4.4.2LED動態(tài)顯示接口程序設(shè)計LED動態(tài)顯示接口MOD：PUSHACC；保護現(xiàn)場PUSHDPHPUSHDPLSETBRS0MOVR0，#CWR；指向8155控制口MOVA，#4DH；設(shè)置8155工作方式字MOVX@R0,A；設(shè)A口、C口都為輸入DIR：MOVR0，#DIS5；指向顯示緩沖區(qū)首單元MOVR6，#20H；選中最左數(shù)碼管MOVXR7，#00H；設(shè)定顯示時間MOVDPTR，#TAB；指向字形表首址DIRI：MOVA，#00HMOVR1，#POC；指向8155A口（字形口）MOVX@R1,AMOVXA,@R0；取要顯示的數(shù)MOVCA，@A+DPTR；查表得字形碼]MOVR1，#POA；指向8155A口（字形MOV@R1，A；送字形碼MOVA，R6；取位選字MOVR1，#POC；指向位選口MOV@R1，A；送位選字HERE：DJNZR7，HERE；延時INCR0；更新顯示緩沖單元CLRCMOVA，RaRRCA；位選字移位MOVRa,AJNZDIR1；未掃描完繼續(xù)循環(huán)CLRRS0；恢復現(xiàn)場POPDPLPOPDPHPOPACCRETTAB：DB3FH,06,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07；0—7DB7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H；8—0FH結(jié)論本次設(shè)計成功地設(shè)計出ZXK-7532數(shù)控立式鉆銑床主運動