小型數(shù)控工作臺設(shè)計（含CAD圖紙）

資源目錄里展示的全都有預覽可以查看的噢，，下載就有,,請放心下載，原稿可自行編輯修改=【QQ：11970985 可咨詢交流】====================喜歡就充值下載吧。。。資源目錄里展示的全都有，，下載后全都有,,請放心下載，原稿可自行編輯修改=【QQ：197216396 可咨詢交流】==================== 第 1 頁 共 37 頁 畢業(yè)設(shè)計說明書小型數(shù)控 X-Y 工作臺設(shè)計學生姓名：三號楷體 學號： 三號楷體 學 院： 三號楷體 專 業(yè)： 三號楷體 指導教師： 只寫名字，三號楷體 年 月第 2 頁 共 37 頁小型數(shù)控 X-Y 工作臺設(shè)計摘 要X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單。實現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度。降低成本,是微機控制技術(shù)的最簡單的應用。它充分的利用了危機的軟件硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制；使機床的加工范圍擴大,精度和可靠性進一步得到提高。X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計采用步進電機作為驅(qū)動裝置。步進電機是一個將脈沖信號轉(zhuǎn)移成角位移的機電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是：每給一個脈沖便在定子電路中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場；由于步進電機通的是三相交流電所以輸入的脈沖數(shù)目及時間間隔不同，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時間的長短也是不同的。由于旋轉(zhuǎn)磁場對放入其中的通電導體既轉(zhuǎn)子切割磁力線時具有力的作用，從實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動迫使轉(zhuǎn)子作相應的轉(zhuǎn)動，所以轉(zhuǎn)子才可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動齒輪齒條作相應的運動。本題目設(shè)計得到了老師的幫助和支持，最后由*老師審定，在此表示感謝。本題目由*完成，因本人水平有限，錯誤和不足之處在所難免，處理問題也有不妥之處，敬請相關(guān)老師批評指正。 關(guān)鍵詞：X-Y 數(shù)控工作臺 齒輪齒條 步進電機第 3 頁 共 37 頁AbstractXY CNC table electromechanical systems design is an open-loop control system, its simple structure. Achieve convenient and can guarantee a certain accuracy. Reduce costs, is the simplest application of computer control technology. It takes full advantage of the software and hardware features of the crisis in order to achieve the machines control; make the machining expand the scope, accuracy, and reliability is further improved. XY CNC table electromechanical systems design uses a stepper motor drives. The stepper motor is a transfer pulse signal into angular displacement DAC electromechanical devices. Its working principle is: each pulse will be generated for a certain amount of space rotating magnetic field in the stator circuit; due to the stepper motor through a different number of pulses and the time interval of three-phase AC input so, the length of the rotor rotation speed and rotation time is different. Because of the role of force when placed with them both energized conductor cutting magnetic rotor rotating magnetic field lines from the realization of the rotating magnetic field forces the rotor rotation corresponding rotation of the rotor, the rotor can be achieved only rack and pinion driven by a corresponding movement.This subject has been designed to help teachers and support teachers final approval by the Dong Yuhong, to express gratitude. The completion of this subject by the * because I am limited, errors and deficiencies in the inevitable, deal with the problem also something wrong, please correct me related to teacher criticism. Keywords: XY table；CNC stepper motor；Rack and pinion 第 4 頁 共 37 頁目錄摘 要 .2第一章.緒論 .61.1 引言.61.2 國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)發(fā)展與概述.61.3 單片機技術(shù)發(fā)展與概述.71.4 設(shè)計任務(wù).8第二章.總體方案確定 .92.1 總體方案設(shè)計內(nèi)容.92.2 控制系統(tǒng)的選擇.92.3 伺服系統(tǒng)的選擇.92.4 機械傳動形式的選擇.102.4.1導軌副的選用.112.4.2齒輪齒條副的選用.112.4.3電動機的選用.11第三章.機械傳動部件的計算與選型 .123.1 導軌上移動部件的重量估算.123.2 銑削力的計算.123.3 直線滑動導軌副的計算與選型.123.3.1 滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取.12maxF3.3.2 距離額定壽命L的計算.133.4 齒輪齒條副的計算與選型.133.4.1 最大工作載荷的計算.13mF3.4.2 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計計算.143.5 步進電機減速箱的選用.163.6 伺服電機的計算與選型.163.6.1 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩.17eqT3.6.2 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定.193.6.3 步進電動機的性能校核.19第四章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 .214.1 控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容.214.2 硬件電路整體方案.214.3 MCS-51 系列單片機.224.4 8031 單片機的引腳及功能 .234.5 存儲器擴展電路設(shè)計.254.6 I/O 口擴展電路設(shè)計.284.7 步進電機驅(qū)動電路.30第 5 頁 共 37 頁4.8 其他輔助電路設(shè)計.32結(jié)束語 .34致謝 .35參考文獻 .36第 6 頁 共 37 頁第一章第一章.緒論緒論1.1 引言引言現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。當今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應用，對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計算機與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機械技術(shù)等多學科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的 CNC 系統(tǒng)這類典型機電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。X-Y 數(shù)控工作臺是許多機電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱橫向進刀機構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的 X-Y 工作臺、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。模塊化的 X-Y 數(shù)控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副（或齒輪齒條副），以及伺服電動機等部件構(gòu)成。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠或齒輪，傳動件帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在 X、Y 方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副（或齒輪齒條副）和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計時只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。1.2 國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)發(fā)展與概述國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)發(fā)展與概述數(shù)控技術(shù)，簡稱 NC( Numerical Control)，是指用數(shù)字信號對一臺或一臺以上機械設(shè)備及加工過程進行控制的一門自動化技術(shù)。它集傳統(tǒng)機械制造技術(shù)、計算機技術(shù)、成組技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、液壓氣動技術(shù)、光電技術(shù)于一體，是現(xiàn)代先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)和核心數(shù)控技術(shù)的問世已 40 多年的歷史，第 7 頁 共 37 頁它經(jīng)歷了數(shù)控(NC)階段和計算機數(shù)控(CNC)階段向著集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。那些利用傳統(tǒng)方式不可能加工出來的復雜、精密零件在現(xiàn)代化的數(shù)控機床上可以很便捷地制造出來，這極大的帶動了世界范圍內(nèi)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備的發(fā)展趨勢來看，其主要發(fā)展方向有以下幾個方面：（1）高速、高精加工技術(shù)效率和質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭力。(2) 多軸聯(lián)動和復合加工機床快速發(fā)展采用 5 軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，不僅光潔度高，而且效率也大度提高。當前電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn) 5 軸聯(lián)動加工的復合主軸結(jié)構(gòu)大為簡化，制造難度和成本降低，促進了其快速發(fā)展。（3）智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展主要趨勢數(shù)控機床智能化主要體現(xiàn)在提高加工效率和加工質(zhì)量；開放式主要指面向機床廠家和最終用戶，通過改變數(shù)控功能，形成系列化，并可方便的將用戶的特殊應用集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種，不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年數(shù)控系統(tǒng)的一大亮點，它極大的滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造模式的技術(shù)基礎(chǔ)。世界各國經(jīng)濟的競爭、主要體現(xiàn)為制造技術(shù)的競爭。而數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代化加工設(shè)備的基礎(chǔ)，又是精密、高效、高可靠性加工技術(shù)的支撐，發(fā)展先進制造技術(shù)，必須發(fā)展數(shù)控技術(shù)。50 年代， 數(shù)控機床研制成功是制造技術(shù)發(fā)展過程中的一個重大突破，標志著制造領(lǐng)域中的一次革命。而現(xiàn)在一個國家數(shù)控機床的擁有量是衡量其工業(yè)水平的重要標志。就企業(yè)來說，面對日益激烈的國際競爭，在市場中占有一席之地，就必須采用先進的數(shù)控化設(shè)備，以提高技術(shù)水平。對于一個企業(yè)而言，提高數(shù)控化率有兩個途徑： 投入巨資購買新的數(shù)控機床； 對現(xiàn)有的普通化機床進行數(shù)控化改造。對擁有 300 多萬臺普通機床的我國來說，普通機床的數(shù)控化改造無疑是一條簡單可行的途徑。因此，對普通機床的數(shù)控化改造也成了人們近年來研究的課題。1.3 單片機技術(shù)發(fā)展與概述單片機技術(shù)發(fā)展與概述單片機通常把 CPU、ROM、RAM、I/O 接口和定時器/計數(shù)器等集成在一個芯片上，第 8 頁 共 37 頁是微型計算機的一個很重要的分支，其性能價格比高，發(fā)展迅速。它是自動控制、儀表儀器、通訊、家用電器等領(lǐng)域中應用最廣、性能價格比最高的核心部件之一。由于 PC 機使用的是高級語言，必須有編譯程序才能與計算機通信，而單片機使用的是匯編語言，它能直接與計算機通信，可以減少內(nèi)存。因此，單片機在 PC 機日益發(fā)展的今天仍得到廣泛應用。新型單片機采取寬系列、多品種，其字長有 8 位、16 位、32 位，還有一些專用的單片機，迎合了現(xiàn)代眾多產(chǎn)品的要求。目前新型通用單片機主要有 PIC 系列單片機、EM78系列單片機、ATMEL 公司的 FLSH 單片機89 系列和 90 系列。單片機在目前的發(fā)展形勢下，表現(xiàn)出幾大趨勢：可靠性及應用水平越來越高；所集成的部件越來越多；功耗越來越低；與模擬電路結(jié)合越來越多?？偠灾?，目前，X-Y 數(shù)控機床的發(fā)展日新月異，高速化、高精度化、復合化、智能化、開放化、并聯(lián)驅(qū)動化、網(wǎng)絡(luò)化、極端化、綠色化以成為數(shù)控機床發(fā)展的趨勢和方向。中國作為一個制作大國，主要還是依靠勞動力、價格、資源等方面的優(yōu)勢，而在產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新與自主開發(fā)方面與國外同行的差距還很大。中國中國作為一個制作大國，主要還是依靠勞動力、價格、資源等方面的優(yōu)勢，而在產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新與自主開發(fā)方面與國外同行的差距還很大。中國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)不能安于現(xiàn)狀，應該抓住機會不斷發(fā)展，努力縮短與發(fā)達國家之間的差距。的數(shù)控產(chǎn)業(yè)不能安于現(xiàn)狀，應該抓住機會不斷發(fā)展，努力縮短與發(fā)達國家之間的差距。力爭早日實現(xiàn) X-Y 數(shù)控機床產(chǎn)品從低端到高端、從初級產(chǎn)品到高精尖端產(chǎn)品制作的變化。1.4 設(shè)計任務(wù)設(shè)計任務(wù)題目：銑床的數(shù)控 X-Y 工作臺設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一種供應式數(shù)控銑床使用的 X-Y 數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下：1. 最大背吃刀量；2pamm2. 加工材料為碳素鋼或有色金屬；3. X、Y 方向的脈沖當量；0.005xymm4. X、Y 方向的定位精度均為；0.01mm5. 加工范圍為 350300mm；6. 工作速度為 800mm/min；第 9 頁 共 37 頁第二章第二章.總體方案確定總體方案確定2.1 總體方案設(shè)計內(nèi)容總體方案設(shè)計內(nèi)容一個完整的數(shù)控系統(tǒng)其總體方案的設(shè)計內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式確定，伺服系統(tǒng)選擇，執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定，控制計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容，并根據(jù)設(shè)計任務(wù)和設(shè)計要求提出系統(tǒng)的總體方案，對設(shè)計方案進行分析、比較和論證，最終確定總體方案。為了確定數(shù)控銑床工作臺的總體方案，必須明確本次設(shè)計的設(shè)計任務(wù)和設(shè)計參數(shù)。本次設(shè)計的內(nèi)容是開發(fā)一套數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)，其中工作臺工作范圍X=350mm，Y=300mm，最大移動速度為 0.8m/min，工作臺結(jié)構(gòu)材料可選用鋁材。開發(fā)這套仿真實驗系統(tǒng)的主要目的是在我們強化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，進一步掌握數(shù)控機床控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，并且掌握數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計思想和設(shè)計方法，對數(shù)控機床控制系統(tǒng)的研究和普通機床數(shù)控化改造提供了必要的參考依據(jù)，有一定的現(xiàn)實意義。2.2 控制系統(tǒng)的選擇控制系統(tǒng)的選擇控制系統(tǒng)是由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O 接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成，系統(tǒng)的加工程序和控制程序通過鍵盤操作實現(xiàn)；顯示器采用數(shù)碼管來顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)，方便用戶操作。本次設(shè)計將采用 MCS51 系列單片機中的 8031 單片機作為主控制器。MCS51 單片機的性能為： 集成度高、功能強、速度快，有很好的性能價格比； 支持的芯片種類多； 性能好，適合于各種不同的場合。數(shù)控系統(tǒng)的運動方式分為點位控制系統(tǒng)、點位直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。對點位系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。如果工作臺或刀具沿各坐標軸的運動有精確的運動關(guān)系，應選用連續(xù)控制方式，連續(xù)控制系統(tǒng)應具有一個插補器進行各坐標軸進給脈沖的分配。這種控制系統(tǒng)要求伺服元件有很強的跟隨能力。本課題開發(fā)的仿真實驗系統(tǒng)，要求能模擬數(shù)控銑床工作臺 X、Y 的兩軸運動，采用8031 單片機控制步進電機，各坐標軸的運動有精確的運動關(guān)系。因此，本次設(shè)計將采用連續(xù)控制系統(tǒng)。2.3 伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)的選擇第 10 頁 共 37 頁數(shù)控機床伺服系統(tǒng)包括開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)沒有檢測反饋元件，不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差，精度低；但其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修容易，應用在速度和精度要求不高的場合。開環(huán)伺服系統(tǒng)在負荷不太大時多采用步進電機作為伺服電機。如下圖 2.1 所示：圖 2.1 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)在機床移動部件上裝有反饋元件來檢測工作臺的實際位移量，補償系統(tǒng)的傳動誤差，精度高；但該系統(tǒng)造價高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試復雜，多用在精度要求高的場合。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機或交流伺服電機作為驅(qū)動元件。如圖 2.2 所示：圖 2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖本次設(shè)計中考慮到實驗仿真系統(tǒng)精度要求不高，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)來直接驅(qū)動 XY 工作臺的運動。2.4 機械傳動形式的選擇機械傳動形式的選擇目前主流的直線傳動形式有絲杠螺母及齒輪齒條傳動。齒輪齒條傳動將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，但是，這樣的機構(gòu)可以反向驅(qū)動，也就是齒條做直線運動來帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，適合大距離的傳遞，如機床導軌底下帶動托板箱移動的就是齒輪齒條傳動。齒輪齒條傳動具有承載力大、傳動效率較高等特點，傳動精度較高，可達 0.1mm，可無限長度對接延續(xù)，傳動速度可以很高，2m/s，絲桿傳動也可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑偷闹本€運動，直線運動的速度由絲桿的導程、以及絲桿轉(zhuǎn)速決定，適合做精密的傳動，如機床工作臺的移動。普通梯形絲杠可以自鎖，這是最大優(yōu)點，但是傳動效率低下，比齒輪齒條形式低許多，所以不適合高速往返傳動。缺點是時間久了傳動間隙大，回程精度差，用在垂直傳動較合適。在長距離重負載直線運動上，絲桿有可能強度不夠，就會導致機器出現(xiàn)震動、抖動等情況，嚴重的，會導致絲桿彎曲、變形、甚至斷裂等等；而齒條就不會有這樣的情況，齒條可以長距離無限接長并且高速運轉(zhuǎn)而不影響齒條精度（當然這個跟裝配、床身本身驅(qū)動器機床工作臺步進電動機第 11 頁 共 37 頁精度都有關(guān)系） ，絲桿就做不到這一點，但在短距離直線運動中，絲桿的精度明顯要比齒條高得多。另外就是，齒條齒輪傳動對于絲杠螺母結(jié)構(gòu)設(shè)計來講要相對簡單一些。通過以上分析不難發(fā)現(xiàn)，兩種傳動方式各有優(yōu)缺點，針對本課題的設(shè)計要求，決定采用齒輪齒條形式作為本次設(shè)計的傳動類型。2.4.1 導軌副的選用要設(shè)計小型數(shù)控銑床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度不是很高，因此選用直線滑動導軌副，它具有結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗和維修方便，導軌面較寬，承載能力大，剛度高。2.4.2 齒輪齒條副的選用伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過齒輪齒條副轉(zhuǎn)換成直線運動，需要滿足脈0.005mm沖當量和的定位精度，承載力大，傳動精度較高，可無限長度對接延續(xù)，傳動0.01mm速度可以很高，2m/s，短距離傳動速度可以很高，噪音低。2.4.3 電動機的選用任務(wù)書規(guī)定的脈沖當量尚未達到 0.001mm，定位精度也未達到微米級，故本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機，因此可以選用混合式步進電動機。以降低成本，提高性價比。第 12 頁 共 37 頁第三章第三章.機械傳動部件的計算與選型機械傳動部件的計算與選型3.1 導軌上移動部件的重量估算導軌上移動部件的重量估算按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作臺、上層電動機、齒輪齒條副、導軌座等，估計重量約為 800N。3.2 銑削力的計算銑削力的計算設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表3-7 查得立銑時的銑削力計算公式為： (3-11)0.850.750.731.00.13118cezpFafda nZ今選擇銑刀的直徑為 d=12mm，齒數(shù) Z=2，為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度為，背吃刀量，每齒進給量，銑刀轉(zhuǎn)12eamm2pamm0.1zfmm速。則由式（3-11）求的最大銑削力：300 / minnr 0.850.750.731.00.13118 120.11223002460cFNN采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表查得，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：，1.1506fcFFN0.38175ecFFN?，F(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到0.25115mcFFN175zeFFN水平方向的銑削力分別為和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，則fFfnF縱向銑削力，徑向銑削力為。506xfFFN115ymFFN3.3 直線滑動導軌副的計算與選型直線滑動導軌副的計算與選型機床系統(tǒng)的導向元件一般都采用導軌。導軌的作用是使運動部件沿一定軌跡運動（導向） ，并承受運動部件及工作臺的重量和切削力（承載） 。選擇一個合適的導軌應滿足下列要求：精度高；壽命長；剛度及承載能力大；摩擦阻力小，運動平穩(wěn)；結(jié)構(gòu)簡單。便于加工、裝配、調(diào)整、維修；成本低。3.3.1 滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取maxF工作載荷是影響直線滑動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的 X-Y 工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：第 13 頁 共 37 頁 (3-12)max4GFF其中，移動部件重量，外加載荷，代入式（3-12） ，得最大工800GN175eFFN作載荷。max3750.375FNKN查表根據(jù)工作載荷，初選直線滑動導軌副的型號為 SHS-20C 型，其max0.375FKN額定動載荷，額定靜載荷。7.94aCkN09.5aCkN任務(wù)書規(guī)定加工范圍為 350300mm，考慮工作行程應留有一定余量，查表選取導軌的長度為 640mm。3.3.2 距離額定壽命 L 的計算上述所取的 SHS-20C 系列導軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過C，每100根導軌上配有兩只滑塊，精度為 4 級，工作速度較低，載荷不大。分別取硬度系數(shù)，溫度系數(shù)，接觸系數(shù)，精度系數(shù)，載荷系數(shù)，1.0Hf1.0Tf 0.81cf 0.9Rf 1.5wf 代入式（3-33） ，得距離壽命：3max()505625htcrawffffCLKmfF遠大于一般工作臺的額定期望值 50km，故距離額定壽命滿足要求。3.4 齒輪齒條副的計算與選型齒輪齒條副的計算與選型齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應用廣泛，傳遞率可達到數(shù)十萬千瓦，圓周速度可達 200m/s。以漸開線齒輪傳動較為常用。齒輪傳動主要有以下特點：1）.效率高 2）.結(jié)構(gòu)緊湊 3）.工作可靠 4）.傳動比穩(wěn)定。但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。齒輪的失效形式有以下幾種：1.齒輪折斷。2.齒面磨損。3.齒面點蝕。4.齒面膠合。5.塑性變形。除此之外，還可能出現(xiàn)過熱、侵蝕、電蝕和由于不同原因產(chǎn)生的多種腐蝕與裂紋等等。根據(jù)上述失效形式可知，所設(shè)計的齒輪傳動在具體的工作情況下，必須有足夠的、相應的工作能力，以保證在整個工作壽命期間不致失效。因此，針對各種失效都應確立相應的設(shè)計準則。通常只按保證齒根彎曲疲勞強度既保證齒面接觸疲勞強度兩準則進行計算。3.4.1 最大工作載荷的計算mF第 14 頁 共 37 頁如前所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷，受到橫向載荷506xFN，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）。115yFN175zFN已知移動部件總重量，取顛覆力矩影響系數(shù) K=1.1，滑動導軌上的摩擦系800GN數(shù)=0.005。求得齒輪齒條副的最大工作載荷：。1.1 5060.005115 175800562mxzyFKFFFGN3.4.2 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計計算1.齒輪齒條材料選擇：齒條材料的種類很多，在選擇過程中應考慮的因素也很多，主要以以下幾點作為參考原則：a. 齒輪齒條的材料必須滿足工作條件的要求。b. 應考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成形方法及熱處理和制造工藝。c.正火碳鋼，不論毛坯制作方法如何，只能用于制作載荷平穩(wěn)或輕度沖擊工作下的齒輪，不能承受大的沖擊載荷；調(diào)制碳鋼可用于制作在中等沖擊載荷下工作的齒輪。d. 金屬制的軟齒面齒輪，配對兩輪齒面的硬度差應保持為 3050HBS 或者更多。鋼材的韌性好，耐沖擊，還可通過熱處理或化學熱處理改善其力學性能及提高齒面硬度，故適用于來制造齒輪。由于該齒輪承受載荷比較大，應采用硬齒面（硬度350HBS） ，故選取合金鋼，以滿足強度要求，進行設(shè)計計算。2.各系數(shù)的確定：計算齒輪強度用的載荷系數(shù) K，包括使用系數(shù)、動載系數(shù)、齒間載荷分配系數(shù)AKVK及齒向載荷分配系數(shù)，即KKAVKK K K K1）使用系數(shù)AK是考慮齒輪嚙合時外部因素引起的附加載荷影響的系數(shù)。該齒輪傳動的載荷狀態(tài)為輕微沖擊，工作機器為機床工作臺，所以使用系數(shù)取 1.35。AK2）動載系數(shù)VK齒輪傳動不可避免地會有制造及裝配誤差，輪齒受載后還要產(chǎn)生彈性變形，對于直齒輪傳動，輪齒在嚙合過程中，不論是有雙對齒嚙合過渡到單對齒嚙合，或是有單對吃第 15 頁 共 37 頁嚙合過渡到雙對齒嚙合的期間，由于嚙合齒對的剛度變化，也要引起動載荷。為了計及動載荷的影響，引入了動載系數(shù)，由于速度 v 很小，取 1.0。VKVK3）齒間載荷分配系數(shù)K一對相互嚙合的斜齒（或直齒）圓柱齒輪，有兩對（或多對）齒同時工作時，則載荷應分配在這兩對（或多對）齒上。對于直齒輪及修形齒輪，取。1HFKK4）齒輪載荷分布系數(shù)K當軸承相對于齒輪做不對稱配置時，受載前，軸無彎曲變形，齒輪嚙合正常，兩個節(jié)圓柱恰好相切；受載后，軸產(chǎn)生彎曲變形，軸上的齒輪也就隨之偏斜，這就使作用在齒面上的載荷沿接觸線分布不均勻。計算齒輪強度時，為了計及齒面上載荷沿接觸線分布不均勻的現(xiàn)象，通常以系數(shù)來表征齒面上載荷分布不均勻的程度對齒輪強度的影響。K根據(jù)機械設(shè)計表 10-4 取。1.37HK綜上所述，最終確定齒輪系數(shù)=1.35 1 1 1.37=1.8AVKK K K K 3.齒輪傳動的設(shè)計計算：我國對一般用途的齒輪傳動規(guī)定的標準壓力角為 =20。為使齒輪免于根切，對于=20的標準直齒輪，應取 z17，這里取 z=20。由于齒輪做懸臂布置，取=0.6。d齒輪的設(shè)計計算公式：322mFaSadFKKTY Ymz開式齒輪磨損系數(shù)，（機械設(shè)計手冊（3 卷）14-134）mK1.25mK將 1 式、2 式及各參數(shù)代入計算公式得：3m 322 1.8 1.25 5 102.8 1.550.6 20557.1 解得：；取 m=1 0.9m 齒面接觸疲勞強度計算公式：2312.32EdHZKT udu（）由于本傳動為齒輪齒條傳動，傳動比近似無窮大，所以，為彈性影響系數(shù)，11uuEZ第 16 頁 共 37 頁單位，其數(shù)值查機械設(shè)計表，取=189.8。12MPaEZ12MPa計算，試求齒輪分度圓直徑：=2312.32EdHZKT udu（）2331.8 5 10189.82.3216.10.61274mm 通過模數(shù)計算得：m=1，z=17 所以分度圓直徑 d=1 17=17mm計算齒寬 =0.6 17=10mmdbd齒高 h=2.25m=2.25 1=2.25mm最終確定齒輪數(shù)據(jù)：模數(shù) m=1，齒數(shù) z=17，分度圓直徑 d=17mm，齒高 h=2.25mm，齒寬 b=10mm。根據(jù)齒輪齒條進給公式：，則小齒輪轉(zhuǎn)速n mzv80015 / min3.14 1 17vnrmz 根據(jù) X/Y 軸行程分別為 350mm/300mm，由齒條齒數(shù)可暫定 X/Y 軸得齒條齒LZm數(shù)為 120/100。3.5 步進電機減速箱的選用步進電機減速箱的選用為了滿足脈沖當量的的設(shè)計要求，增大步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也為了使齒輪和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機軸上盡可能的小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪機減速，采用一級減速，步進電動機的輸出軸與齒輪相連，進給齒輪與大齒輪相連。已知工作臺的脈沖當量=0.005mm/脈沖，小齒輪轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的進給距離，初選步進電動機的步距角=0.36。根據(jù)式（3-12） ，3.14 1 1753.38hPmzmm 算得減速比：=（0.36 53.38）/（360 0.005）10()/(360 )hiP本設(shè)計選用深圳維科特電機有限公司生產(chǎn)的 57PG1440-010 型行星減速步進電機。齒數(shù)比為 1：10，轉(zhuǎn)矩。6TN m3.6 伺服電機的計算與選型伺服電機的計算與選型數(shù)控系統(tǒng)對伺服電機的基本要求是： 89 調(diào)速范圍寬，為適應不同的加工條件，要求伺服電機有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的調(diào)速特性； 負載特性強，伺服電機在不同的負載情況下或切削條件發(fā)生變化時，應使進給速第 17 頁 共 37 頁度保持恒定，要求伺服電機具有優(yōu)良的靜態(tài)與動態(tài)負載特性； 動態(tài)響應快，為了保證輪廓切削形狀精度與低的加工面表面粗糙度，要求伺服電機具有良好的快速響應特性。在本次設(shè)計中驅(qū)動電機的功率小，系統(tǒng)要求的精度不高，并且是在空載狀態(tài)下模擬數(shù)控銑床工作臺 X、Y 的兩軸運動。因此選用步進電機作為驅(qū)動電機。合理地選用步進電機是相當重要的。首先，應考慮系統(tǒng)的精度和速度要求。前面一節(jié)根據(jù)本次設(shè)計已經(jīng)確定了脈沖當量，接著可以以此為依據(jù)來選擇步進電機的步距角和傳動機構(gòu)的傳動比。3.6.1 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 eqT分快速空載和承受最大負載兩種情況進行計算。1) 快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩由式（3-8）可知，包括三部1eqT1eqT分；一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動maxaT部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是齒輪齒條預緊后折算到電fT動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為齒輪齒條副傳動效率較高，根據(jù)式（3-12）可知，0T相對于和很小，可以忽略不計。則有：0TmaxaTfT=+ （3-13）1eqTmaxaTfT根據(jù)式（3-9） ，考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩：= (3-14)maxaT2160eqmaJ nt其中： =400r/min (3-15)max360mvn式中空載最快移動速度，暫定為 2000mm/min；maxV步進電動機步距角，預選電動機為 0.36 ；脈沖當量，本例=0.005mm/脈沖。設(shè)步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則由式（3-mn0.4ats0.714）求得：第 18 頁 共 37 頁max0.26aTN m由式（3-10）知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：= (3-16)fT()0.005 (0800) 0.053380.005220.7 10zhFG PN mi式中導軌的摩擦因素，滑動導軌取 0.005垂直方向的銑削力，空載時取 0zF傳動鏈效率，取 0.7最后由式（3-13）求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩： =+=0.265N m (3-17) 1eqTmaxaTfT2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩2eqT由式（3-13）可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載2eqT轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾tTfT珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對于和很小，可以忽略0T0TfTtT不計。則有： =+ （3-18）2eqTtTfT其中折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩由公式（3-14）計算。有：tT460 0.053380.56220.7 10fhtF PTN mi再由式（3-10）計算垂直方向承受最大工作負載情況下，移動部件運動(175)zFN時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：()0.005 (175800) 0.053380.006220.7 10zhfFG PTN mi最后由式（3-18） ，求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩：=+=0.566N.m （3-19）2eqTtTfT最后求得在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩為：第 19 頁 共 37 頁12max,0.566eaeqeqTTTN m3.6.2 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，eqT需要考慮安全系數(shù)。取 K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應滿足： （3-20）max44 0.5662.3ieaTTN m初選 57PG1440-010 型行星減速步進電機，查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩=6N m?？梢?，滿足要求。maxjT3.6.3 步進電動機的性能校核1)最快工進速度時電動機的輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工進速度=800mm/min，脈沖當量 0.005mm/脈沖，由前面齒輪齒條計算中已求出小齒輪轉(zhuǎn)速max fV。從 57PG1440-010 電動機的運行轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線圖可以看出在此頻率15 / minnr下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩6N m，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩=0.566N m，滿足要max fT2eqT求。57PG1440-010電動機的特性曲線2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 當給定工作臺最快空載移動速度=2000mm/min，求出其對應轉(zhuǎn)速。在此轉(zhuǎn)速下，maxvmaxmax20001537.5 / min800vnnrv電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩，滿足max6TN m10.265eqTN m要求。第 20 頁 共 37 頁3）起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)25.087eqJkg cm子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率。24mJkg cm1800qzfH由式（3-17）可知步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：1194.241/qLzeqmffHJJ說明：要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有 100。1194.24zHzH綜上所述，本次設(shè)計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用 57PG1440-010 行星減速步進電動機，完全滿足設(shè)計要求。第 21 頁 共 37 頁第四章第四章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計控制系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1 控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容控制系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容包括以下幾個方面：確定硬件電路整體方案及主電路設(shè)計，如主 CPU 的選擇；存儲器擴展電路設(shè)計，如數(shù)據(jù)存儲器的擴展和程序存儲器的擴展；步進電機驅(qū)動電路設(shè)計，如隔離電路，功率放大電路以及步進驅(qū)動電路；其他輔助電路設(shè)計，如時鐘電路、復位電路。4.2 硬件電路整體方案硬件電路整體方案數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下幾部分組成： 主控制器 即中央處理單元 CPU； 總線 包括數(shù)據(jù)總線 DB、地址總線 AB 和控制總線 CB； 存儲器 包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器； 接口 即 I/O 輸入輸出接口。其中 CPU 是控制系統(tǒng)的核心，其作用是發(fā)布命令以協(xié)調(diào)各部分電路的正常工作；存儲器用于存放系統(tǒng)軟件（即程序）以及運行過程中的各類數(shù)據(jù)；I/O 接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁；三線則是 CPU 與存儲器、接口以及其它各種轉(zhuǎn)換電路聯(lián)系的紐帶，是 CPU 與各部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。除此之外，還要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的要求裝配一些外圍設(shè)備和一些信號變換電路。如圖 4.1 所示：圖 4.1 控制系統(tǒng)硬件總體框圖其中，CPU、存儲器及 I/O 接口是任何一個數(shù)控系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)，其余部分并非所有數(shù)控系統(tǒng)都具備。通常，CPU 通過 I/O 接口可連接的人機交換外設(shè)有鍵盤、打印機、CPURAMROMI/O接口信息變換控制對象外設(shè)鍵盤、顯示器等第 22 頁 共 37 頁磁帶記錄儀、顯示器等通訊接口；信號變換電路是實現(xiàn)微機與控制對象之間的信號匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路，這兩部分可根據(jù)控制對象的要求選取。根據(jù)此次設(shè)計的要求，控制系統(tǒng)硬件主電路由 CPU、存儲器、I/O 接口、外設(shè)、信號變換電路組成。同時根據(jù)需要外設(shè)由鍵盤、顯示器組成；信號變換電路由光電隔離電路、功率放大電路組成。在設(shè)計過程中要求主電路結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計選用的元件合理，性能價格比高，從而達到控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。4.3 MCS-51 系列單片機系列單片機目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片有 8086、8088、80286、80386 以及 8096、8098 等 16位機，也有 8080、Z80 和 8051、8031、8751 等 8 位機的 CPU。其中，8031、8051 和8751 為 MCS51 系列單片機。該系列單片機集成度高、可靠性好、功能強、速度快，具有很高的性能價格比，與 MCS96 系列單片機相比，51 系列單片機片外有兩個 64KB 的存儲空間，一個是提供給擴充片外程序存儲器 ROM 空間，一個是提供片外擴充數(shù)據(jù)存儲器 ROM 空間。充足的片外存儲空間，為系統(tǒng)設(shè)計時擴充接口芯片、設(shè)置大容量存儲器以及存儲眾多數(shù)據(jù)提供了方便。另外它還是集 CPU、I/O 端口及部分 RAM 等為一體的功能性很強的控制器，只需要增加少量的外圍設(shè)備就可以構(gòu)成一個完整的微機控制系統(tǒng)。三種型號引腳完全相同僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少許的差異，目前在工業(yè)控制中應用最多的是 8031 單片機。它具有價格低、功能全、體積小、支持的芯片多等優(yōu)點。因此，從本次設(shè)計的要求出發(fā)，選用 8031 單片機作為主控制器。8031 單片機有以下基本特征： 具有 8 位中央處理單元（CPU） ； 片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（6MHz 或 12MHz） ，每執(zhí)行一條指令時間為 2m 或 1m； 具有 128 字節(jié) RAM； 具有 21 個特殊功能寄存器； 可尋址 64KB 字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和 64KB 字節(jié)的外部程序存儲器； 具有 4 個 I/O 端口，32 根 I/O 線，分別為 P0 口、P1 口、P2 口、P3 口； 具有兩個 16 位定時器/計數(shù)器； 具有 5 個中斷源，配備兩個優(yōu)先級； 具有一個雙全串行接口； 具有位尋址能力，適用于邏輯運算。第 23 頁 共 37 頁4.4 8031 單片機的引腳及功能單片機的引腳及功能8031 單片機芯片為 40 個引腳的雙列直插式器件，如圖 4.2 所示：圖 4.2 MCS51 系列單片機引腳及功能圖按 8031 單片機引腳功能的不同分為以下幾個部分： 1.電源部分：Vcc 接+5V， Vss 接地。2.晶振部分：XTAL1 內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個引腳，當采用外部振蕩器時，此引腳接地； XTAL2 內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸出端，是外接晶體的另一端。當采用外部振蕩器時，此引腳接外部振蕩源。3.控制信號：ALE/PROG 訪問外部存儲器時用于鎖存地址低八位的地址鎖存允許輸出； PSEN 信號稱為“外部 ROM 讀選通信號端”，低電平有效； EA/Vpp 是一個復用管腳，叫“讀外部 ROM 允許/EPROM 編程電源”管腳。EA 為 1 時，訪問內(nèi)部程序存儲器，EA 為 0時，訪問外部程序存儲器； RST/Vpd 該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平（由低到高跳變） ，將使單片機復位4.輸入輸出 I/O 引腳： P0：P0 口是一個三態(tài)雙向口，可作為地址/數(shù)據(jù)分時復用口，也可作為通信 I/O 接口，具有雙向通信功能。其中 P0 口 1 位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖 4.3 所示：12第 24 頁 共 37 頁圖 4.3 P0 口內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖P0 是由 8 個這樣的電路組成，鎖存器起輸出鎖存作用，8 個鎖存器構(gòu)成了特殊功能寄存器 P0，場效應管（FET）V1、V2 組成輸出驅(qū)動器，以增大帶負載能力，三態(tài)門 1 是引腳輸入緩沖器；三態(tài)門 2 用于讀鎖存器端口；與門 3、反向器 4 以及模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)組成了輸出控制電路。P0 口是一個 8 位雙向 I/O 口，它訪問外部程序的低 8 位地址和數(shù)據(jù)總線，在程序檢驗時它也輸出指令字節(jié)，P0 口的輸出級具有驅(qū)動 8 個 LSTTL 負載的能力，即輸出電流不小于 800A。 P1 口：P1 口具有提升電阻的 8 位雙向 I/O 口，專供用戶使用，P1 口能吸入或放出 3 個 LSTTL 輸入。 P2 口：P2 口具有提升電阻的 8 位雙向 I/O 口。供系統(tǒng)擴展時作高 8 位地址線用，在沒有外部存儲器擴展時，它可以作為用戶 I/O 線使用。在程序檢驗時，它也接受高位地址和控制信號，P2 口能吸入或放出 3 個 LSTTL。 P3 口：P3 口也具有提升電阻的 8 位雙向 I/O 口，該口的每一位都可獨立定義為第一 I/O 口功能或第二 I/O 口功能。作為第一功能使用時，口的結(jié)構(gòu)和功能操作與 P1 口完全相同。第二功能如下所示：引腳 第二功能P3.0 RxD（串行輸入口）P3.1 TxD（串行輸出口）P3.2 INT0（外部中斷）P3.3 INT1（外部中斷）P3.4 T0（定時器 0 外部輸入）P3.5 T1（定時器 1 外部輸入）第 25 頁 共 37 頁P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3 口能吸入/放出 3 個 LSTTL。此外，8031 內(nèi)部還有很多特殊功能寄存器，用于對片內(nèi)功能模塊進行管理、控制、監(jiān)視，是一個特殊功能的 RAM 區(qū)，位于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器之上，其地址為 80HFFH，其功能及名稱如下：Acc：累加器，其指令助記符用 A 表示；B ：寄存器主要用于進行乘法和除法操作，對其它指令也可進行暫存；SP ：堆棧指針寄存器，位于片內(nèi) RAM128 字節(jié)任何單元；DPTR：數(shù)據(jù)指針寄存器，其功能是存放 16 位地址，分別由高位字節(jié)和低位字節(jié)組成5. 8031 的存儲器：MCS51 系列單片機存儲器結(jié)構(gòu)的主要特點是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間是分開的，對于 8031 單片機而言，有 4 個物理上相互獨立的存儲空間，即內(nèi)、外程序存儲器和內(nèi)、外數(shù)據(jù)存儲器。如圖 4.4 所示：圖 4.4 8031 單片機存儲器結(jié)構(gòu)及功能其中，8031 片內(nèi)無程序存儲器，片外程序存儲器的容量，用戶可根據(jù)需要選擇，最大容量不超過 64KB，地址從 0000HFFFFH。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的地址從 00HFFH，共 256字節(jié)，其中內(nèi)部 RAM 地址為 00H7FH（0127） ，專用寄存器地址為80HFFH（128255） 。外部數(shù)據(jù)存儲器最大可擴展到 64K，地址從 0000HFFFFH，用于存儲數(shù)據(jù)信息。4.5 存儲器擴展電路設(shè)計存儲器擴展電路設(shè)計1.程序存儲器擴展單片機應用系統(tǒng)中的程序存儲器芯片大多采用 EPROM，在選擇芯片時要考慮 CPU與 EPROM 時序的匹配，即 8031 所能讀取的時間必須大于 EPROM 要求的讀取時間。此第 26 頁 共 37 頁外，還需要考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器容量，在滿足要求時盡量選擇大容量的芯片，以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡化。本次設(shè)計從以上幾點考慮，選擇 2764 芯片，其管腳功能如圖 4.5 所示：圖 4.5 2764 管腳分布圖2764 芯片是一種高速，其容量為 8K 的 EPROM，讀出時間為 250nm，而 8031 用晶振頻率為 6MHz，讀取時間為 480nm 故滿足要求。2764 芯片共有 13 根地址線A0A13，8 根數(shù)據(jù)線 D0D7，其余為控制線 CE 為片選信號端，低電平有效，OE 取指允許，PGM 為編程控制端，Vpp 編程電源端以及 Vcc、Vss 等。2.地址鎖存器 74LS373由于 MCS51 系列單片機的 P0 口具有分時復用低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)的功能，必須要通過外接芯片將低 8 位地址信息和 8 位數(shù)據(jù)信息分離，對于一個具體的應用系統(tǒng)中必須使用地址鎖存器。在本次設(shè)計中選用 74LS373 為地址鎖存器。其引腳及功能如圖 4.6 所示：圖 4.6 74LS373 引腳及功能第 27 頁 共 37 頁74LS373 是一個帶三態(tài)緩沖器的 8D 鎖存器，當三態(tài)門輸出使能信號端 OE=0 時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)；當 OE=1 時，三態(tài)門處于斷開狀態(tài)。G 為數(shù)據(jù)輸入的門控制信號。當G=1 時鎖存輸出端 1Q8Q 的狀態(tài)與輸入端 1D8D 狀態(tài)相同；當 G 端由高電平返回到低電平時，輸入端 1D8D 的數(shù)據(jù)鎖存到 1Q8Q 的 8 位鎖存器中。8031 與 2764 通過74LS373 擴展的電路中，2764 中低 8 位地址線通過地址鎖存器與 8031 的 P0 口相連。當?shù)刂锋i存器允許信號 ALE 為高電平，則 P0 口輸出地址有效，8 位數(shù)據(jù)線直接與 8031 的P0 口相連，高 5 位地址線分別與 P2.0P2.4 相連，OE 引腳直接同 PSEN 相連。3.數(shù)據(jù)存儲器的擴展由于 8031 內(nèi)部 RAM 只有 128 字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的要求，需要擴展片外數(shù)據(jù)存儲器。單片機應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器的擴展電路一般采用 6116 和 6264 數(shù)據(jù)存儲器，其選用的原則與 EPROM 的要求相同。根據(jù)本次設(shè)計要求，選用 6264 芯片。它是一個 8K 的 RAM 存儲器電路，集成度很高其引腳及功能如圖 4.7 所示：圖 4.7 數(shù)據(jù)存儲器 6264 的引腳及功能其中，A0A12 為 13 位地址線，輸出地址與內(nèi)部 8KB 的單元相對應，D0D7 為 8位數(shù)據(jù)線，該芯片的讀取時間為 200nm，滿足要求。4.譯碼電路譯碼電路是對系統(tǒng)的片外地址進行譯碼，其譯碼輸出作為存儲器芯片的片選信號。譯碼電路除采用一般的門電路譯碼器外，更多的采用譯碼器芯片。常用的譯碼器芯片有：74LS139（雙 24 譯碼器） 、74LS138（38 譯碼器）及 74LS154（416 譯碼器）等。通常以 74LS138 譯碼器用的最多，其管腳如下圖所示：其中 G1、G2A、G2B 為三個控制端，只有當 G1 為“1”時且 G2A、G2B 均為“0”時，譯碼器才能進行譯碼輸出，否則譯碼器的 8 個輸出端全為高阻狀態(tài)。第 28 頁 共 37 頁圖 4.8 74LS138 譯碼器管腳及功能4.6 I/O 口擴展電路設(shè)計口擴展電路設(shè)計1.8155 擴展芯片8155 芯片提供的功能有：兩個可編程 8 位并行口 A、B 和 6 位并行口 C；256 字節(jié)的靜態(tài) RAM；一個 14 位減法定時器/計數(shù)器。一片 8155 在外擴三個 I/O 口的同時，還為用戶提供了 256 字節(jié)的外部 RAM 和一個定時器，不需要一般芯片擴展所需要的地址鎖存器，可直接與單片機接口。8155 芯片結(jié)構(gòu)如圖 4.9 所示： 圖 4.9 8155 芯片結(jié)構(gòu)及功能其引腳功能如下：AD7AD0：地址/數(shù)據(jù)分時復用線；IO/M：8155 片內(nèi) I/O 和 RAM 選擇線；CE：片選端，低電平有效；ALE：鎖存有效輸入信號線，用來鎖存 AD7AD0 低 8 位地址及 IO/M、CE 狀態(tài)；RESET：復位線，高電平有效，復位后 8155I/O 口設(shè)定為輸入方式；第 29 頁 共 37 頁RD、WR：讀、寫輸入線。8155 的兩個寄存器共用一個地址，CPU 用指令寫入的是工作方式字，而輸出的是狀態(tài)字，另外 8155 內(nèi)部有一個 10 位鎖存器，用來鎖存地址及控制信號，因此從 8031 送至8155 的地址就不要再加地址鎖存器了。2.鍵盤及其接口電路鍵盤是一種常用的輸入設(shè)備，是由若干按鍵組成的開關(guān)矩陣，用戶可根據(jù)鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實現(xiàn)簡單的人機通信。鍵盤接口的任務(wù)是將按鍵的機械動作轉(zhuǎn)換為計算機識別的信號供 CPU 讀取。本次設(shè)計采用矩陣鍵盤。矩陣鍵盤的按鍵排成 n 行 m 列，每個按鍵占據(jù)行列的一個交叉點，需要的輸入輸出線為 m+n，最大按鍵數(shù)是 mn。矩陣鍵盤的工作原理為：檢測是否有鍵按下：將鍵盤所有行線置 0，讀入列線的值，若所有列線的值全為“1”，說明無按鍵按下；若不全為“1”，則有按鍵按下，因為按下的鍵已經(jīng)將所連接的行線和列線接通，使相應列線的值變?yōu)椤?”；確定所按下鍵所在的行和所在的列的位置：采用逐行掃描法，先將鍵盤的行線置“0”，讀入列線的值，判斷是否有按鍵按下，若有鍵按下，找出列線中為“0”的列線，即為按下鍵所在的列，由相應的行、列線值可得到閉合鍵值，如果第一行無鍵按下，則依次掃描下一行，直到判斷出按下鍵的位置。下圖 4.10 為一個 34 矩陣鍵盤及其接口電路：圖 4.10 34 矩陣鍵盤及其接口電路3.顯示器及其接口電路本次設(shè)計用到的顯示器是由 8 個發(fā)光二極管組成的數(shù)碼管顯示器，通過不同的組合來顯示數(shù)字 09，字符 AF、L、H、P、R、U、Y 等字符及小數(shù)點“.”。第 30 頁 共 37