2023年12月17日发(作者：邹子瑜)

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引 言

本次毕业设计从2004年2月份开始到本年的六月中下旬结束，长达半年。毕业设计是一名在校大学生最后的一次也是最重要的一次设计，说其重要主要是因为它将检验你在大学生活中所学知识的扎实程度，其间你必须复习所学过的一些课程，学习一些要用到的新的知识，它还将练习你的动手能力，思考能力，创新能力，是你在大学学习生活的一次升华，是一个提升阶段，更是走向工作岗位的一次练兵，因此我们都对此极为重视，更是投入了极大的热情与努力来更好的完成它。

本次设计在颜竟成教授的悉心指导下分四个阶段按部就班的有条不紊的进行。第一阶段是搜集整理阶段。在本阶段主要是搜集足够的资料信息并对设计题目进行分析和实地调查，做到心中有轮廓，。本阶段其实从2004年元旦就开始了截止到2004年3月份第一张外观图绘制成功为止。第二阶段是机械部分设计阶段。本阶段主要应用大学里面所学的专业知识来进行运丝系统机构设计和坐标工作台的纵向和横向进给机构设计。另外还要进行储丝筒的三维零件设计。本阶段主要是从三月份到五月份。五月份到六月份则是第三阶段：控制系统设计阶段。主要进行电器电路设计，包括步进电机驱动设计和脉冲功率放大电路设计。本阶段也是一个学习的阶段，对自己不太熟悉的的的领域的一次学习。六月份开始就是最后一个阶段：整理复习阶段，主要从事前几个阶段的整理温习，写说明书。以及毕业答辩前的各项具体细节的准备。

可以说每个阶段都是十分紧张而有难度的，有些问题是由于设计的难度，有些还是因为自己知识上的欠缺和不扎实造成的。可以说这次毕业设计是个查缺补漏的机会。尤其是在同学的帮助下，特别是在颜教授的指导下，遇到困难不逃避，主动请教，主动学习，独立思考提出新方案，困难被一个个解决了，有了本次设计的成功。更锻炼了团体协作精神，独立作业能力，专业设计基础，对自己将来都是一次具有深远影响的事件。

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一、 总体方案设计

（一） 总体方案的拟定

（1）电火花线切割机床具有定位，纵向和横向的直线插补功能；还能要求暂停，进行循环加工等，因此，数控系统选取连续控制系统。

（2）电火花线切割机床属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统应采用步进电机开环控制系统。

（3）根据电火花线切割机床最大的加工尺寸，加工精度，控制速度和经济性要求，一般采用8位微机。在8位微机中，MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性能价格比。因此，可选择MCS-51系列单片机扩展系统。

（4）根据系统的功能要求，微机控制系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器，I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器；包括光电隔离电路和步进电机驱动电路。此外，系统中还应该包括脉冲发生电路和其他辅助电路。

（5）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，起传动比应满足机床所要求的。

（6）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。

（7）采用滚动导轨可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。

在上述方案的基础上，有条件的还可以进一步实现钼丝的角度调节，使加工过程更加细致。（伺服系统总体方案框图如图1.1）

（二）主要技术参数的确定

技术参数主要包括运动参数，尺寸参数和动力参数。DK7732电火花线切割机床的主要技术参数如下：

工作台行程/mm 500x320

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最大切割厚度/mm 30（可调）

加工表面粗糙度Ra/μ

切割速度/mm2/min 100

切割工件最大厚度 120mm

加工锥度 3°～60°

电极丝移动速度 11m/s

电极丝最大直径 φ0.1～φ

图1.1 伺服系统总体方案框图

二、 储丝走丝部件结构设计

（一）储丝走丝部件运动设计

—的范围内选择适当的钼丝直径。

1、 对高速走丝机构的要求

①高速走丝机构的储丝筒转动时，还要进行相应的轴向移动，以保证电极丝在储丝筒上整齐排绕。

②储丝筒的径向跳动和轴向窜动量要小。

③储丝筒要能正反转，电极丝的走丝速度在7—12m/s范围内无级或有级可精品文档，word文档

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调，或恒速运转。

④走丝机构最好与床身相互绝缘。

⑤传动齿轮副，丝杠副应该具备润滑措施

2、 高速走丝机构的结构及特点

储丝筒由电动机通过联轴器带动正反向转动。储丝筒另外一端通过三对齿轮减速后带动丝杠。储丝筒、电动机、齿轮都安装在两个支架上。支架及丝杠则安装在拖板沙锅内，调整螺母装在底座上，拖板在底座上来回移动。螺母具有消除间隙的副螺母和弹簧，齿轮及丝杠螺距的搭配为没旋转一圈拖板移动。所以该储丝筒适用于Φmm以下的钼丝。

储丝筒运转时应平稳，无不正常振动。滚筒外圆振摆应小于，反向间隙应小于，轴向窜动应完全彻底消除。

高频电源的负端通过碳刷送到储丝筒轴的尾部，然后传到钼丝上，碳刷应保持良好接触，防止机油或者其他脏物进入。

储丝筒本身作高速正反向转动，电机、滚筒及丝杠的轴承应定期拆洗并加润滑脂，换油期限可根据使用情况具体决定。其余中间轴、齿轮、导轨及丝杠、螺母等每班应注油一次。

（1） 储丝筒旋转组合件

储丝筒旋转组合件主要由储丝筒、联轴器和轴承座组成。

① 储丝筒 储丝筒是电极丝稳定移动和整齐排绕的关键部件之一，一般用45号钢制造。为了减少转动惯量，筒壁应尽量薄，按机床规格，本次设计DK7732应选用4mm—5mm）。为了进一步减少转动惯量，也可以选用铝镁合金材料制造

μm。为保证储丝筒组合件动态平衡，应严格控制内孔、外圆对支撑部分的同轴度。

储丝筒与主轴装配后的径向跳动量应不大于。一般装配后，以轴的

两端中心孔定位，冲摸储丝筒外圆和与轴承配合的轴径。

② 联轴器 走丝机构中运动组合件的电机轴与储丝筒中心轴，一般不采用整体的长轴，而是利用联轴器将二者联在一起。由于储丝筒运行时频繁换向，联轴器瞬间受到正反剪切力很大，因此多采用弹性联轴器和摩擦锥式联轴器。

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图1.2 运丝系统机构结构图

a. 弹性联轴器，如图所示

图 弹性联轴器

—，最大不平行为1°），缺点是由它联接的两根轴在传递扭矩时会有相对转动。

b. 摩擦锥式联轴器，如图所示。摩擦锥式联轴器可带动转动惯量大的大、中型储丝筒旋转组合件。此种联轴器可传递较大的扭矩，同时在传动符合超载时，摩擦面之间的华东还可以起到过载保护作用。因为锥形摩擦面会对电机和储丝筒产生轴向力，所以在电机主轴的滚动支撑中，应选用向心止推轴承和单列圆锥滚子精品文档，word文档

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轴承。此外，还要正确选用弹簧规格。弹力过小，摩擦面打滑，使传动不稳定或摩擦面过热烧伤；弹力过大，会增大轴向力，影响中心轴的正常转动。

图2.2 摩擦锥式联轴器

力联轴器是依靠磁力无接触式联接的，保留了传统联轴器的优点。具体有如下几种。

套筒式磁力联轴器（如图所示）

套筒式磁力联轴器

此种联轴器主动磁极3和从动磁极2均可为圆筒状或以若干磁铁排列成圆筒状，并用黏结剂分别将其固定于主动轴套4外表面上和从动轴套1没表面上， 主动轴6与被动轴7间用键5、8联接。主动磁极3和从动磁极2之间有一定间隙，其目的为：两磁极之间无摩擦，靠磁场联接；被联接两轴因受制造及安装误差，承载后变形及温度变化等因素影响，往往不能严格对中心。留有一定间隙，可补偿这一不足，还可适当降低加工及装配要求。该套筒式联轴器因磁场面积大，可以传递较大扭矩。其磁场联接力可以通过改变主动轴套4和从动轴套1的配合长度来进行调整。

圆盘式磁力联轴器（如图所示）

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圆盘式磁力联轴器

此种联轴器主动磁极3和从动磁极2均可为圆盘状或以若干磁铁排列成圆形射线状，并用黏结剂分别将其固定于主动轴套4和从动轴套1的大表面上。由于圆盘式联轴器磁场面积小，所以传递扭矩小，并且体积相应的也小。其磁场联接力可以通过改变主动磁极3和从动磁极2之间的距离来进行调整。

由于磁力联轴器轴与轴之间没有零件直接联接，而是靠磁场联接来传递扭矩，因此电机换向时，转动惯量被磁力线的瞬时扭曲抵消；在超负荷时，键8、5联接的主动轴7与从动轴6可以自动打滑脱开，起到安全离合器的作用，不会损坏任何零部件。

主动磁极3和从动磁极2均用强的永磁材料制成，例如，铁氧体、稀土合金等。

综合上述几种类型，参照本次设计要求，选择性价比最高的，显然a类型既是弹性联轴器已经满足条件，因此本次设计选用弹性联轴器。

（2） 上下拖板

走丝机构的上下拖板我们决定采用下面两种滑动导轨之一。

燕尾型导轨，这种结构紧凑，调整方便。旋转调整杆带动塞铁，可改变导轨副的配合间隙。但该结构制造和检验比较复杂，刚性较差，传动中摩擦损失也较大。

三角、矩形组合式导轨，如图所示。导轨的配合间隙由螺钉和垫片组成的调整环节来调节。

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图4.1 三角、矩形组合式导轨

由于储丝筒走丝机构的上拖板一边装有运丝电动机，储丝筒轴向两边负荷差较大。为保证上拖板能平稳的往复移动，应把下拖板设计的较长以使走丝机构工作时，上拖板部分可始终不滑出下拖板，从而保持拖板的刚度、机构的稳定性及运动精度。

经比较，显然三角、矩形组合式导轨是比较理想的，因此，决定选用此种导轨作为本次设计之用。

（3） 齿轮副与丝杠副

走丝机构上拖板的传动链是由2-3级减速齿轮副和一组丝杠副组成，它使储丝筒在转动的同时，作相应的轴向位移，保证电机丝整齐的排绕在储丝筒上。

在本次设计线切割机中，走丝机构常是通过配换齿轮来改变储丝筒的排丝筒的排丝距离，以适应排绕不同直径电机丝的要求。

丝杠副一般采用轴向调节法来消除螺纹配合间隙。为防止走丝电机换向装置失灵，导致丝杠副和齿轮副损坏，在齿轮副中，可选用尼龙轮代替部分金属齿轮。这不但可以在电机换向装置失灵时，由于尼龙齿轮先损坏，保护丝杠副与走丝电机，还可以减少振动和噪声。但是由于要照顾专业知识的复习，所以决定选用传统的金属材料制造。

（4） 线架、导轮部件结构

线架与走丝机构组成了电极丝的运动系统。线架的主要功用是在电极丝按给定线速度运动时，对电极丝去支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持一定的几何角度。对线架的要求是：

①具有足够的刚度和强度，在电极丝运动（特别是高速1走丝）时，不应出现振动和变形；

②线架的导轮有较高的运动精度，径向偏摆和轴向窜动不超过5μm；

③导轮与线架本体、线架与床身之间有良好的绝缘性能；

④导轮运动组合件有密封措施，可防止带有大量放电产物和杂质的工作液进入导轮轴承；

⑤线架不但能保证电极丝垂直于工作台平面，在具有 锥度切割功能的机床上，

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还具备能使电极丝按给定要求保持与工作台平面呈一定角度的功能。

线架按功能可分为固定式、升降式和偏移式三种类型；按结构可分为悬臂式和龙门式两种类型。

悬臂式固定线架主要由线架本体、导轮运动组合件及保持器等组成。

（1） 线架本体结构

中、小型线切割机床的线架本体常采用单柱支撑、双臂悬梁式结构。由于支撑电极丝的导轮位于悬臂的端部，同时电极丝保持一定张力，因此应加强线架本体的刚度和强度，使线架的上下悬臂在电极丝运动时不致振动和变形。

为了进一步提高刚度和强度，在上下悬臂间增加加强筋的结构。有的机床的线架本体有的采用龙门结构。这时，工作台拖板只沿一个坐标方向运动，另一个坐标方向的运动通过架在横梁上的线架拖板来实现。

此外，针对不同厚度的工件，还有采用丝臂张开高度可调的分离式结构，活动丝臂在导轨上滑动，上下移动的距离由丝杠副调节。松开固定螺钉时，旋转丝杠带动固定于上丝臂体的丝母，使上丝臂移动。调整完毕后拧紧固定螺钉，上丝臂位置便固定下来。为了适应线架丝臂张开高度的变化，在线架上下部分应增设副导轮，如图所示：

储丝筒副导轮导轮

图4.2 可移动丝臂

(2)导轮部件结构

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①导轮是本机床关键零件，关系到切割质量，对导轮运动组合件的要求如下。

a. 导轮V形槽面应有较高的精度，V形槽底的圆弧半径必须小于选用的电极丝半径，保证电极丝在导轮槽内运动时不产生轴向移动。

b. 在满足一定强度要求下，应尽量减轻导轮质量，以减少电极丝换象时的电极丝与导轮间的滑动摩擦。导轮槽工作面应有足够的硬度，以提高其耐磨性。

c. 导轮装配后转动应轻便灵活，应尽量减少轴向窜动和径向跳动。

d. 进行有效的密封，以保证轴承的正常工作条件。

②导轮运动组合件的结构

导轮运动组合件的结构主要有三种：悬臂支撑结构、双支撑结构和双轴尖支撑结构。

悬臂支撑结构如图 所示，结构简单，上丝方便。但是因为悬臂支撑，张紧的电极丝运动的稳定性较差，难于维持较高的运动精度，同时也影响导轮和轴承的使用寿命。

双支撑结构为导轮居中，两端用轴承支撑，结构复杂，上丝麻纺。但是此种结构的运动稳定性较好，刚度较高，不容易发生变形及跳动。

双轴尖支撑结构。导轮两端加工成30˚锥形轴尖，硬度在RC60以上。轴承由红宝石或者锡磷青铜制成。该结构易与保证导轮运动组合件的同轴度，导轮轴向窜动和径向跳动量可以控制在较小的范围内。缺点是轴尖运动副摩擦力大，易于发热和磨损。为补偿轴尖运动副的磨损，利用弹簧的作用力使运动副良好接触。

比较以上三种结构特点，可以看出DK7732高速走丝电火花线切割机床的导精品文档，word文档

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轮选择第二种比较适宜。

③导轮的材料 为了保证导轮轴径与导向槽的同轴度，一般采用整体结构。导轮要求用硬度高、耐磨性好的材料制成（如GCr15、W18Cr4V），也可以选用硬质合金或陶瓷材料制造导轮的镶件来增强导轮V形工作面的耐磨性和耐蚀性。

④导轮组合件的装配

导轮组合件装配的关键是消除滚动轴承中的问题，避免滚动体与套环工作表面在负荷作用下产生弹性变形，以及由此引起的轴向窜动和径向跳动。因此，常用对轴承施加预负荷的方法来解决。通常是在两个支撑轴承的外环间放置一定厚度的定位环来获得预负荷。预加负荷必须适当选择，若轴承承受预加负荷过大，在运转时会产生急剧磨损。同时，轴承必须清洗的很洁净，并在显微镜下检查滚道内是否有金属粉末、碳化物等，轴承经清洗、干燥后，填以高速润滑脂，起润滑和密封作用

（二） 储丝走丝部件主要零件强度计算

1. 齿轮传动比的确定

钼丝丝距选择为。储丝筒每转一周，拖板带动储丝筒移动，丝杠螺距选择为1.5mm。

所以储丝筒与丝杠见齿轮传动比为：

u=0.25/1.5=1：6；

采用二级齿轮传动，取u1=1/2，u2=1/3。

2. 齿轮齿数的确定

取Z=23；由于齿轮齿根与轴上键距离不能为零。

即df/2–（d+t1）>2m

由d=16mm查设计手册得：

t1=2.3；

而df1=d1－2hf

=（z1–2ha*–2c*）m

=(23–2–0.5)m

=

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–（16+2.3）/2 >2m

取m=2则Z2=2Z1=46

d1=mZ1=2×23=46mm

d2=mZ2=2×46=92mm

取Z3=23

Z4=3Z3=3×23=69

d3=mZ3=2×23=46mm

d4=mZ4=2×69=138mm

齿轮1，2中心距 a1=(d1+d2)/2=(46+92)/2=69mm

齿轮3，4中心距 a2=(d3+d4)/2=(46+132)/2=92mm

参考书《机械设计》

1×46=23mm

其他数据如下

da1=(Z1+2ha*)m

=(23+2×1) ×2

=50mm

da2=(Z2+2ha*)m

=(46+2×1) ×2

=96mm

df1=(Z1－2ha*－2c*)m

=(23－2×1－2×0.25) ×2

=41mm

df2=(Z2－2ha－2cm

=(46－2×1－2×0.25)×2

=87mm

同样可以计算得: da3=50mm

da4=142mm

df3=41mm

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**)

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df4=133mm

3. 传动件的估算

根据公式 d=914N/(nj)mm

其中 N—该传动轴的输入功率

N=Nd

其中Nd－电机额定功率

η－从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积

nj－该传动轴的计算转速r/min

计算转速nj是传动件能传递全部功率的最低转速

［φ］－每米长度上允许的扭转角（deg/m）

取η=0.995，Nd

N= Ndη

×

nj=1390r/min

d=9140.54725

10001390400=

4. 齿轮模数估算

齿轮弯曲疲劳估算：

m323N

Znj=3230.5472516913906

=

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齿面点蚀估算：

A3703N

nj=37030.54725

113906=

其中nj为大齿轮的计算转速，A为齿轮中心距

中心距A及齿数Z1、Z2求出模数

mj=2A

Z1Z2249.28

2346==

取mjmw中较大者 mj=1.428，现取m=2

（2） 齿轮模数的验算：

根据接触疲劳计算齿轮模数公式为

mj=16300i1k1k2k3ksNmZ12IJmm

式中： N—计算齿轮传递的额定功率 N=Ndkw

nj—计算齿轮（小齿轮）的计算转速 r/min

m—齿宽系数m=b/m，m常取6～10。

Z1—计算齿轮的齿数，一般取传动中最小的齿轮的齿数；

i大齿轮与小齿轮的齿数比，i=Z21,""用与外啮合，“”用于内啮合；

Z1ks—寿命系数，ks=kTknkNkq；

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kT工作期限系数，kTm60nTC0齿轮等传动件在接触和弯曲交变载荷下的疲劳曲线指数m和基准循环次数C0n—齿轮的最低转速r/min

T—预定的齿轮工作期限，中型机床推荐，T=15000～20000h；

kn—转速变化系数；

kq—材料强化系数。幅值低的交变载荷可使金属材料的晶粒边界强化，起着阻止疲劳细缝扩展的作用；

kN—功率利用系数 k1—工作情况系数 k2—载荷系数

k3—齿向载荷分布系数 Y—齿形系数

［w］、j—许用弯曲接触能力

查表得：k1=1.2，k2=1.2，k3

Ks=kTknkNkq

=m60nTknkNkq

C016013902000033×××

=710

N=0.54725kw

m=10

j=600MPa

则 mj=16300211.21.21.150.910.54725mm

1023226002139013 =

根据弯曲疲劳计算齿轮计算模数公式为：

Mw=275k1k2k3ksNmm

Z1Ymnjw精品文档，word文档

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=2751.21.21.150.5540.54725

1230.4141013602203 =

Ks=kTknkNkq

=m60nTknkNkq

C0160 13902000063

=2108

所以m=2符合要求

（三） 储丝走丝部件主要零件强度验算

1. 齿轮强度的验算

齿根危险截面的弯曲强度条件式

F2kT1YFaYsadmZ132F

k—载荷系数

k=kAkvkk

d—

kA—使用系数，取1

kv—

k—齿间载荷分配系数，kH1.0.

kF1.0

k—齿向载荷分布系数

T1—小齿轮传递的转距

T1×105P1/n1

×105×

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×103N·mm

kH1.110.18(16.7d)d×2) ×2×10-3×

K=1×1.05××

kF

YFa—载荷作用与齿顶时齿形系数

Ysa—载荷作用与齿顶时应力校正系数

查表得：YFa=2.69，Ysa

21.2183.781032.691.575 则F=

0.523232220.15103b

FkFNFlin

SF N=60njLh

=60×1390×1×20000

×106

s—疲劳强度安全系数，

s=sH=1, s=sF

kN—寿命系数 （kFN=1.0，kHN=1.0）

lim—齿轮的疲劳极限

FlimFE/YST

=340MPa

Hlim520MPa

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1.0340F

1.25272MPa 所以F＜F

H 其中：

ZH

—区域系数

2kT1(u1)dd1u3ZHZE≤H

ZE—弹性影响系数

ZH=2/(sincos)

20

ZH=2.5 ZEa

kH=kAkVkHkH=1×××

H1221.293.78103212.5189.8259.89

320.546

H520MPa ,

H ＜H

因此，所设计齿轮也满足齿面接触疲劳强度要求，

齿轮设计合格。

按弯扭合成应力校核轴的强度：

根据轴的结构图作出轴的计算简图，如图6.1 (a)。并分别作出水平方向和垂直方向的弯矩图，如图 (b),(c)，以及扭矩图如图 (d)。

先计算轴上的载荷：

T19550000P10.5595500003.78103Nm

n11390齿轮的分度圆直径为：d1mz22346mm.

2T123.78103Ft164.3N

d146FrFttan164.3tan2059.8N

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ω

图6.1 轴的结构图与弯矩扭矩图

从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以明显的看出截面B是危险截面。先将计算出的截面C 处的MH、Mr

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表1.1 应力计算表

载荷 水平面H 垂直面V

支反力F

FNH1=195.7N, FNH2 FNH1=71.2N, FNH2

弯矩M

总弯矩

扭矩T

MHN·mm

22MV N·mm

MMHMV9091.9N·mm

T18×103N·mm

轴的计算应力：caM2(T1)2W1

入如表1.1中数值得：ca

前已经选顶的轴的材料为45号钢，调质处理

查得1=60MPa

因此ca<1，故安全

(四） 主轴组件结构设计

1. 轴承的配置形式

一般来说数控机床的主轴结构的轴承有以下几种配置形式：

（1） 前后支承均采用双列短圆柱滚子轴承来承受径向载荷，安装在前端的两个推力球轴承用来承受前后方向的轴向负载。这种结构能承受较大的负载(特别是轴向负载），可适应强力切削，但主轴转速不能太高，轴承在高转速时容易发热。由于推力球轴承安装在主轴前端，当主轴旋转时前轴承和后轴承温度差较大，热变形对主轴精度影响也较大。前轴承温度高，主轴前端升高量大，后轴承温度低，主轴末端升高量小，因此，这种机构目前应用较小。

（2） 前后支承用双列短圆柱滚子轴承来承受径向负荷，用安装在主轴前端的双向向心推力球轴承来承受轴向负载。这种结构刚性较好。

（3） 前轴承用单列向心推力球轴承，背靠背安装，由2～3个轴承组成一套，精品文档，word文档

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用以承受径向和轴向负载；后轴承用双列短圆柱滚子轴承。这种结构适应较高转速、较重切削负载，主轴精度较好。但所承受的轴向负载较前两种结构小。

（4） 前后支承均采用成组单列向心推力球轴承，用以承受径向和轴向负载。这种结构适应高转速，中等负载的数控机床。在中、小规格的数控机床上采用这种机构较多。

本次设计主轴所采用的轴承支承方式为第四种。

`2. 主轴组件的调整和预紧

滚动轴承的预紧是采用适当的方法是滚动体和内外套圈之间产生一定的预变形而带伏负游隙运行。预紧的目的是增加轴承的刚度，提高旋转精度，延长轴承寿命。

按预载荷的方向可分为轴向预紧和径向预紧。

而角接触球轴承主要是轴向预紧，这可明显提高轴向刚度。如下图为单个角接触球轴承的载荷—变形曲线，其弹性变形量δa与轴向外载荷Fa的关系为δa∝Fa²³。没有预紧时，在Fa作用下，轴承的轴向变形量为δa1；而在具有预紧Fa0条件下，同样作用轴向载荷Fa，轴承的轴向变形增量为δa2，显然δa2<δa1，轴承的轴向刚度有所提高。

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δδδ角接触球轴承载荷-变形曲线δ

图5.2 角接触球轴承载荷—变形曲线

三、 进给传动设计

（一）进给传动运动设计

1.脉冲当量和传动比的确定

1）脉冲当量的确定

目前，常用脉冲编码器兼作位置和速度反馈。步进电机每转一转传感器发出一定数量的脉冲每个脉冲代表电机一定数量的脉冲，每个脉冲代表电机一定的转角。步进电机是一种电脉冲控制的特种电机，对于每一个电脉冲步进电机都将产生一个恒定的步进角位移，每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角b[()/脉冲]，可由选用的步进电机型号从技术数据表中查出。

因此，每脉冲代表锻机一定的转角，这个转角经齿轮副和滚珠丝杆使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行件（如工作台）的移距，称为脉冲当量或分辨率，记为p，单位为mm/脉冲。

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应根据机床或工作台进给系统所要求的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须大于定位精度值。此次设计的电火花成型机对机床定位精度的设计要求是±，根据该精度要求可确定脉冲当量为p=/脉冲。

2）传动比的确定

设传动副的传动比为i，若为一级传动，则in1/n2z2/z1,n1,z1为主动齿轮的转速和齿数，n2,z2为主动齿轮的转速和齿数。若为多级传动，则i为总传动比。

对于步进电机，当埋藏当量p（mm/脉冲）确定，并且滚珠丝杆导程L0（mm）和电机步距角b[()/脉冲]都也已初步选定后，则可用下式计算主轴系统的传动比

ibL0360p0.365

3600.0051i=1。

（二）滚珠丝杠螺母副的型号选择和滚珠丝杠的选型和校核

（1）最大工作载荷计算

滚珠丝杠上的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体中立和作用于导轨上的其他切削分力相关的摩擦力，可用下列实验公式进行计算。

对于矩形导轨 Fm=KFL+f(FV+FC+G)

式中： FL—工作台进给方向载荷

FV—工作台垂直载荷

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FC—工作台横向载荷

G—移动部件的重力

K—考虑颠覆力矩影响的实验系数

f—考虑颠覆力矩影响的摩擦系数

由于电火花线切割是电极丝放电进行加工，可以认为FL，FV，FC近似为零

所以：Fm=fG

取f=0.005，G=1000kg（估算）

Fm=fG=1000×0.005=5

（2） 最大动载荷C的计算及主要尺寸初选

滚珠丝杠应根据断定动载荷Ca选用，最大动载荷计算原理与滚动轴承相同。

滚珠丝杠的最大动载荷应用下式计算

C3LfmFm L=60nt/10

n1000v/L0

式中：L—工作寿命，单位106r

n—丝杠转速，单位r/min

v—最大切削力条件下进给速度，单位m/min

L0—丝杠基本导程，单位mm

t—额定使用寿命，单位h，可取t=15000h

fm—

所以

C3LfmFm

=3551.4

n1000v/L0

6 =（1000×100×10 =20r/min

L=60nt/106

-3）/5

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=60201036524

610 =105.12（106r/min）

C3LfmFm

3 =105.1254

1 =33

根据以上计算选取CBM3205—5（《机械设计师手册》上）

滚珠丝杆已由专门工厂制造，因此，不用我们自己设计制造，只要根据使用工况选择某种类型的结构，再根据载荷、转速等条件选定合适的尺寸型号并向有关厂家订购。此次设计中滚珠丝杆被三次选用，故本人只选取其中最重要的主轴传动中的滚珠丝杆加于设计和校核。其步骤如下：

首先对于一些参数说明如下：

轴向变载荷Fi(N)，其中i表示第i个工作载荷，i=1、2、3…n ；

第i个载荷对应的转速ni(r/min);

第i个载荷对应的工作时间ti (h) ;

丝杆副最大移动速度vmax(mm/min);

丝杆预期寿命Lb(h)。

1．型号选择

（1）根据使用和结构要求

选择滚道截面形状，滚珠螺母的循环方式和预紧方式；

（2）计算滚珠丝杆副的主要参数

①根据使用工作条件，查得载荷系数fdsj=1.5；

②计算当量转速nd

nd(nmaxnmin)/22000r/min

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③计算当量载荷Fd

Fd(2FmavFmin)/32333N

④初步确定导程Ph

PhVmax/nmax

10000/4000

2.5mmPh取5mm

⑤计算丝杆预期工作转速Ln

Ln60nd120000

⑥计算丝杆所需的额定载荷C'a

C'afdFd1021Ln3112333101151N21200003

（3）选择丝杆型号

根据初定的Ph和计算的C'a，选取导程为5mm，额定载荷大于C'a的丝杆。所选丝杆型号为CDM2004-2.5。其为外循环双管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式系列滚珠丝杆。

2．临界转速校核

nc12106612d3lc23.142220121063025970r/min而最大工作转速nmax40000.8nc4776

校核合格。

3．由于此丝杆是竖直放置，且其受力较小，温度变化较小。所以其稳定性、温度变形等在此也没必要校核。

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4．滚珠丝杆的预紧

预紧力(Fp)一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一。即：

1Fd

3778NFp其相应的预紧转矩

TpFpPh27784(10.852)103

20.850.16Nm(12)103

（三）步进电机的选用

步进电动机又称为脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。具有以下四个特点：①转速（或线速度）与脉冲频率成正比；②在负载能力允许的范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化；③速度可调，能够快速起动、制动和反转；④定位精度高、同步运行特性好。

数控电火花成型机的动力系统要求电动机电位精度高，速度调节方便快速，受环境影响小，且额定功率小，并且可用于开环系统。而BF系列步进电动机为反应式步进电动机，具备以上的所有条件，我们选用了型号90BF004的电动机作为主运动的动力源。

选用时主要有以下几个步骤：

（一）根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号

1．步距角

初选步进电机型号，并从手册中查到步距角b,由于

bL0i360p

综合考虑，我初选了b1.50,i1，可满足以上公式。

2．距频特性

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步进电机最大静转矩Mjmax是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩Mmq与最大静转矩Mjmax的关系是：

Mmq=Mjmax

步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算：

MkqMkaMkfM0

式中：Mkq为空载启动力矩；Mka为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩；Mkf为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；M0为由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。

而且初选电机型号时应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即：

MkqMmq=λMjmax

计算Mkq的各项力矩如下：

（1）加速力矩

JJ1J21.8105MR2/i2

1.81058.810510.610Kgm52

nmaxvmaxb48001.54000r/m

p3600.0053602nmax24000102(10.61011.8101)102

60t60100.519NmMkqJ（2）空载摩擦力矩

MkfGf‘L013.960.2740.6Nm

2i20.84（3）附加摩擦力矩

M0FYJL04042(10)(10.922)1.222Nm

2i20.84精品文档，word文档

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MkqMkaMkfM00.5190.61.2222.341NmMmqMjmax0.9512523.775NmMkqMmq

（二）启动矩频特性校核

步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。

前面提出的MkqMmqMjmax，仅仅是指初选惦记后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。

步进电机启动有突跳启动和升速启动。

突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少用。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩Mkq中的加速力矩Mka不会很大。一般不会发生丢步现象。

（四）进给机构支承设计

支承形式

滚珠丝杠的支承和支承方式将影响丝杠副的刚度，因此，对运动精度要求高时应审慎的加以选择。常见的支承形式有以下几种：

①丝杠一端安装两个深沟球轴承或者角接触球轴承或者圆锥滚子轴承的称为固定支承；螺母相当于固定支承。

②安装一个深沟球轴承或者角接触球轴承或者圆锥滚子轴承的称为铰支承；因此丝杠的支承方式有两端固定，一端固定，一端铰支，一端固定、一端自由，两端铰支，一端固定、一端铰支几种。

本次采用的是两端固定形式支承

螺杆的支承方式有以下四种：

（1）双推自由支承：

将两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承装在一端，另一端自由

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特点：适用于短螺杆。

（2）双推支承

将两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承装在一端，另一端装一个或两个深沟球轴承。

特点：螺杆水平安装时，可减少或避免因自重产生的弯曲或高速运转时，自由端的晃动。

适用于长螺杆。

（3）单推单推或双推单推

两端各装一个方向相反的推力球轴承和一个深沟球轴承或一端装两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承，另一端装一个推力球轴承。

特点可预拉伸螺杆，以减少或消除螺杆水平安装时，因自重产生的弯曲，当轴承预紧力大于螺杆载荷的1/3时，螺杆拉压刚度可提高4倍，且不会承受压力，无失稳现象。

（4）双推双推

两端各装两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承

特点：优点与单推单推式相同，当超过预计温度时，不会因螺杆伸长使轴承产生间隙，缺点是调整较复杂。

四、数控系统设计

（一） 数控系统总体方案的拟定

机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成.控制系统的控制对象主要包括各种机床,如车床、铣床、磨床等等.控制系统的基本组成如下图所示:

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通信接口

微

步进电机驱动电路

步进电机

机

软件

开关量控制电路

主运动驱动电路

主轴电动机

机

床

图6.2 控制系统框图

(二)数控系统硬件的电路设计

1、 单片机设计

单片机通常是指芯片本身，它是由芯片制造商生产的，在它上面集成的是一些作为基本组成部分的运算器电路、控制器电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等。但一个单片机芯片并不并能把计算机的全部电路都集成到其中，有些元件如复位电路的石英晶体、电阻、电容等只能以散件的形式出现。此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。

通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。

(1)MCS-51系列单片机的设计

MCS-51系列单片机的所有产品都含有8051除程序存贮器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源（程序存贮器、数据存贮器、I/O口、定时/计数器及一些其他特殊部件）。在控制系统设计中，我们采用的是8031，8031可寻址64KB字节程序存贮器和64KB字节数据存贮器。内部没有程序存贮器，必须外接EPROM程序存贮器。8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分为三部分。

a.电源及时钟引脚

此部分引脚包括电源引脚Vcc、Vss及时钟引脚XTAL1、XTAL2。

电源引脚接入单片机的工作电源。

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Vcc（40脚）：接+5V电源。

Vss（20脚）：接地。

时钟引脚（18、19脚）：外接晶体时与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。

XTAL1（19脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。

XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接受振荡器的信号，即把信号直接接至内部时钟发生器的输入端。

它包括RST、ALE、PSEN、EA等。此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复用功能。

RST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。复位后应使此引脚电平为≤0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。当Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（（5±0.5）V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。

ALE/PROG（30脚）：当单片机访问外部存贮器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即使不访问外部存贮器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。但是，每当访问外部数据存贮器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载。

PSEN（29脚）：此输出为单片机内访问外部程序存贮器的读选通信号。在从外部程序存贮器指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的PSEN信号不出现。PSEN同样可以驱动8个TTL负载。

EA/Vpp（31脚）：当EA端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存贮器，精品文档，word文档

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但当PC值超过某值时，将自动转向执行外部程序存贮器内的程序。当EA端保持低电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外部程序存贮器。对8031来说，因其无内部程序存贮器。所以该引脚必须接地，即此时只能访问外部程序存贮器。

输入/输出（I/O）口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。

P0口（P0.0-P0.7）：为双向8为三态I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。

P1口（P1.0-P1.7）：为8位准双向I/O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入口时，锁存器必须置1），可驱动4个TTL负载。

P2口（P2.0-P2.7）：为8位准双向I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载，一般作为扩展时地址总线的高8位使用。

P3口（P3.0-P3.7）：为8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。

(2)MCS-51单片机的时钟电路

时钟电路是计算机的心脏,它控制着计算机的工作节奏.MCS-51片内有一个反相放大器,XTAL1、XTAL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端,该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器,产生的时钟送至单片机内部的各个部件.单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式两种,大多单片机应用系统采用内部时钟方式.

图所示:

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XTAL2MCS-51XTAL1内部时钟方式的时钟电路

图 内部时钟方式的时钟电路

MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2MHz-24MHz之间可以选择,一般取11.0592MHz.电容C1、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响.C1、C2可在20pF-100pF之间选择,一般当外接晶体时典型取值为30pF,外接陶瓷谐振器时典型取值为47pF,取60pF-70pF时振荡器有较高的频率稳定性.

在设计印刷电路板时,晶体或陶瓷谐振器和电容应尽量靠近单片机XTAL1、XTAL2引脚安装,以减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定和可靠的工作.为了提高温度稳定性,应采用NPO电容.

(3)MCS-51单片机的复位电路

计算机在启动运行时都需要复位,使中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作.

单片机的复位都是靠外部电路实现的,MCS-51单片机有一个复位引脚RST,高电平有效.它是施密特触发输入,当振荡器起振后,该引脚上出现两个机器周期(即24个时钟周期)以上的高电平,使器件复位,只要RST保持高电平,MCS-51便保持复位状态.此时ALE ,PSEN,P0,P1,P2,P3口都输出高电平.RST变位低电平后,退出复位状态,CPU从初始状态开始工作.复位操作不影响片内RAM的内容.

MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式.通常因为系统精品文档，word文档

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运动等的需要,常常需要人工按钮复位,如图 所示:

+5VRSTMCS-51R1R2上电按钮复位电路

图 上电按钮复位电路

GND对于CMOS型单片机因RST引脚的内部有一个拉低电阻,故电阻R2可不接.单片机在上电瞬间,RC电路充电,RST引脚端出现正脉冲,只要RST端保持两个机器周期以上的高电平(因为振荡器从起振到稳定大约要10ms),就能使单片机有效复位.当晶体振荡频率为12MHz时,RC的典型值为C=10μΩ.简单复位电路中,干扰信号易串入复位端,可能会引起内部某些寄存错误复位,这时可在RST引脚上接一去耦电容.

上图那上电按钮复位电路只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路,按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平,从而使单片机复位

在以8031单片机为核心的控制系统中必须扩展程序存贮器，用以存放控制程序。同时，单片机内部的存贮器容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存贮器。这种扩展就是配置外部存贮器（包括程序存贮器和数据存贮器）。另外，在单片机内部虽然设置了若干并行I/O接口电路，用来与外围设备连接。但当外围设备较多时，仅有几个内部I/O接口是不够的，因此，单片机还需要扩展输入输出接口芯片。

（1） 程序存储器扩展

MCS—51系列单片机的程序存储器空间和数据存储器空间是相互独立的。程精品文档，word文档

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序存储器寻址空间为64kB（0000H～0FFFFH），其中8051、8751片内有4kB的ROM或EPROM，8031片内不带ROM。当片没ROM不够采用8031芯片时，需扩展程序存储器。用作程序存储器的器件是EPROM和EEPROM，

MCS—51单片机扩展外部程序存储器的硬件电路如图

P0指令EPROM/EEPROMMCS--51锁存器ALE低八位地址地址P2高八位地址PSENOE

图 MCS—51单片机扩展外部程序存储器的硬件电路

由于MCS—51单片机的P0口是分时复用的地址/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存地址信号。通常地址锁存器可使用带三态缓冲输出的74LS373。当用74LS373作为地址锁存器时，锁存端G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。

根据应用系统对程序存储器容量要求的不同，常用的扩展 芯片包括EPROM2716（2kB×8）、2732A（4kB×8）、2764A（8kB×8）、27128A（16kB×8）、27256（32kB×8）和27512（64kB×8）等。以上6种EPROM均为单一＋5V电源供电，维持电流为35mA～40Ma，工作电流为75 mA～100 mA，读出时间最大为250ns，均有双列直插式封装形式，A0～A15是地址线，不同的芯片可扩展的存储容量的大小不同，因而提供高8位地址的P2端口线的数量各不相同，故2716为A0～A10，27152为A0～A15；D0～D7是数据线；CE是片选线，低电平有效；OE是数据输出选通线；Vpp是编程电源；Vcc是工作电源；PGM是编程脉冲输入端。

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根据图 程序存储器扩展的原理，以EPROM2764A和锁存器74LS373为例对8031单片机进行程序存储器扩展，其连接图如图所示。

21716P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8031AHP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P273938373635343332227283478D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q725692322022271A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12CEOEPGMVPP2764⑴D0D1D2D3D4D5D6D77022271A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12CEOEPGMVPP2764⑵D0D1D2D3D4D5D6D771819RXDTXDALE/PPSEN10113029VCCVCC8031扩展2764的连接图

8031扩展2764的连接图

因为2764A是8kB容量的EPROM，故用到了13根地址线，A0～A12。由于系统中只扩展一片程序存储器，所以可将片选端CE直接接地。同时，8031运行所需程序指令来自2764A，要把其EA端接地，否则，8031将不会运行。

电擦除可编程只读存储器EEPROM是近年来推出的新产品。其主要特点是能在计算机系统中进行在线修改，并在断电的情况下保持结果。因此，自从TitleEEPROM问世以来，在智能化仪器仪表、控制装置、开发系统中得到了广泛的SizeNumber应用。

2BDate:File:45（2） 数据存储器的扩展

31-Jun-2004

G:王丹的毕业设计pro8031单片机内部有128字节RAM存储器。CPU对内部的RAM具有丰富的操作指令。但是在用于实时数据采集和处理时，仅靠片内提供的128字节的数据存储器是远远不够的，在这种情况下，可MCS—51的扩展功能，扩展外部数据存储器。

图 是单片机扩展外部RAM的电路原理图。

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P1P0数据MCS--51锁存器ALERDWRP2I/OP3低八位地址RAM地址高八位地址WEOE

单片机扩展外部RAM的电路原理图

数据存储器只使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存储器与程序存储器地址可完全重叠，均为0000H—FFFFH，但数据存储器与I/O口及外围设备是统一编址的，即任何扩展的I/O口以及外围设备均占用数据存储器地址。图 中，P0口为RAM的复用地址/数据线，P2口用于对RAM进行页面寻址（根据其容量不同，所占用的P2端口不同），在对外部RAM读/写期间，CPU产生RD/WR信号。

在80314单片机应用系统中，静态RAM是最常用的，由于这种存储器的设计无须考虑刷新问题，因而它与微处理器的接口很简单。最常用的静态RAM芯片有6116（2kB×8）和6264（8kB×8）。单一＋5V供电，额定功耗分别为160mW和200mV，典型存取时间均为200ns，均有双列直插式封装，管脚分别为24和28线。

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21716P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8031AHP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P273938373635343332227283478D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7256912151619VCC620A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12OEWECS2CS16264⑴D0D1D2D3D4D5D6D771819VCC620A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12OEWECS2CS16264⑵D0D1D2D3D4D5D6D771819RXDTXDALE/PPSEN1扩展6264的连接图

图9.2 8031扩展6264的连接图

图为6264与8031的硬件连接图。从 图中可以知道：6264的片选ICSI接8031的P2.7，第二片选线CS2接高电平，保持一直有效状态，因6264是8kB容量的RAM，鼓用到了13根地址线。8031在访问6264期间，可以用以下指令：

movx @dptr, a;A中内容传至外部RAM

或者 movx a, @dptr; 外部RAM内容读至A中

对于图（未画）所显示的线路，6264的地址范围为6000H—7FFFH，共8 kB。

3、I/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入、输出口线并不多，只有P1口和部分P3口线。因此，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。由于MCS-51的外部数据存储器RAM和I/O口是统一编址的，因此用户可以把外部64kB的数据存储器空间的一部分接口作为扩展外围1234I/O的地址空间。这样单片机就可以象访问外部RAM存储器一样访问外部接口芯片，对其进行读/写操作。

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（1） 8255A可编程外围并行I/O接口

8255A是可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的接口电路。

1234在8031单片机的I/O口上扩展8255芯片，其接口逻辑相当简单，如图所示

34333231431C1918P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8031AHRXDTXDALE/PPSEN10113029P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P273938373635343332227283478D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7256998356D0D1D2D3D4D5D6D7RDWRA0A1RESETCSPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC78255A432121110D接复位电路917168031扩展8255的连接图

图10.1 8031扩展8255连接图

图中8255的片选信号CS及口地址选择线A0、A1分别由8031的P0.7和P0.0、BP0.1经地址锁存器锁存后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH，FF7DH，FF7EH，FF7FH。8255的复位端与8031的复位端相连，都接到8031的复位电路上。

在实际的应用系统中，必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应的控制字写入操作口。下面根据图3-6举例说明8255的编程方法。其个端口地址如下：

AA口地址： FF7CH

B口地址： FF7DH

C口地址： FF7EH

12控制口地址：FF7EH

34精品文档，word文档

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假设要求8255工作在方式0，且A口作为输入，B口、C口作为输出，则工作程序如下：

mov a,#90H;方式0，A口输入，B口、C口输出

mov dptr,#0FF7FH;控制寄存器→dptr

movx @dptr,a;方式寄存器→控制寄存器

mov dptr, #0FF7CH;A口地址→dptr

mov a，dptr； 从A口读数据

mov dptr， #0FF7KH；B口地址→dptr

mov a，DATA1；要输出的数据DATA1→A

movx @dptr， a；将DATA1送B口输出

mov dptr，#0FF7EH；C口地址→dptr

mov a， DATA2；DATA2→A

movx @dptr, a;将DATA2送C口输出

对8255的C口8位的任何一位，均可用指令来置位或复位。

例如，如果把C口的第六位PC5置1，相应的控制字为：00001011B=0BH，程序如下：

mov dptr, #0FF7FH；控制口地址→dptr

mov a，#0BH；控制字→A

movx @dptr, a; 控制字→控制口；PC5=1

如果把C口的第六位PC5复位，相应的控制字为：00001010B=0AH，程序如下：

mov dptr, #0FF7FH；控制口地址→dptr

mov a，#0AH；控制字→A

movx @dptr, a; 控制字→控制口；PC5=0

8255接口芯片在MCS-51单片机应用系统中广泛用于连接外部设备，如打印机、键盘、显示器以及作为控制信息的输入、输出口。

1）8155可编程外围并行I/O接口

8155/8156芯片内包含256字节RAM，2个8位和1个6位的可编程并行I/O口，1个14位定时器/计数器。8155/8156可直接与MCS-51单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。由于8031单片机外接一片8155后，就综合地扩展了数据RAM、I/O端口和定时器/计数器，因而是MCS-51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。8155精品文档，word文档

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与8156的区别仅在于片选信号电平的不同，其他功能完全一样。

在8155的控制逻辑部件中，设置有一个控制命令寄存器。和一个状态标志寄存器。8155的工作方式由CPU写入控制命令寄存器的控制字来确定，控制命令寄存器只能写入不能读出，8位控制命令寄存器的低4位用来设置A口、B口和C口的工作方式。第4、5位用来确定A口、M口以选通输入输出方式工作时是否允许中断请求。第6、7位用来设置定时器/计数器的操作。

8155的A口、M口可工作于基本I/O方式或选通方式，C口可作为输入输出口线，也可作为A口、B口选通方式工作事的状态控制信号线。其工作情况与8255方式0、方式1事大致相同，控制信号的含义也基本一样。另外，在8155中还设有一个状态标志寄存器，用来存放A口和B口的状态标志。状态标志寄存器的地址与命令寄存器的地址相同，CPU只能读出，不能写入。

在8155中还设有一个14位的定时器/计数器，可用来定时或对外部事件计数，CPU可通过程序选择计数长度和计数方式。计数长度和计数方式由输入给计数寄12存器的计数控制字来确定。

MCS-F51单片机可以和8155直接连接而不需要任何外加逻辑器件。8031和8155的接口方法如图所示

D321514311918CP10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8031AHP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322272871819AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC52272829363738391258910711CERDWRIO/MALE6TMROUT接复位电路91716RXDTXDALE/PPSEN101130293TMRIN4RESET8155H8031扩展8155的连接图

图 8031扩展8155的连接图

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B

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在图中，8031单片机P0口输出的低8位地址不需要另加锁存器而直接与8155的AD0～AD7相连，既作低8位地址总线又作数据总线，地址锁存直接用ALE在8155锁存。8155CE端接P2.7，IO/M端P2.0相连。当P2.7为低电平时，若P2.0=1，访问8155的I/O口；若P2.0=0，访问8155的RAM单元。由此我们得到图中的8155的地址编码如下：

RAM字节地址： 7E00H～7EFFH

I/O口地址：

命令/状态口： 7F00H

PA口： 7F01H

PB口： 7F02H

PC口： 7F03H

定时器低8位： 7F04H

定时器高8位 7F05H

下面根据图所示的接口电路，说明对8155的操作方法。

①初始化程序设计。

若A口定义为基本输入方式，B口定义为基本输出方式 对输入脉冲进行16分频，则8155的I/O初始化程序如下：

START： mov dptr, #7F04H; 指向定时器低8位

mov a， #10H； 计数常数10H

movx @dptr, a; 计数常数低8位装入

inc dptr； 指向定时器

movx @dptr, a; 定时器高8位装入高8位

mov a，#40H； 设定时器连续方波输出

mov dptr， #7F00H；指向命令/状态口

mov a， #0C2H； 命令控制字设定

movx @dptr, a; A口为基本输入方式，B口为基本输出方式，开启定时器

读8155RAM的F1H单元内容。

程序如下：

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mov dptr, #7EF1H; 指向8155RAM的F1H单元

movx a, @dptr; F1H单元内容给A

将立即数41H写入8155RAM的20H单元。

程序如下：

mov a, #41H; 立即数给A 。

mov dptr, #7E20H; 指向8155RAM的20H单元

movx @dptr, a; 立即数41H送到8155RAM的20H单元

在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称LED。LED显示块由发光二极管显示字段组成，有7段和“米”字型之分，一片显示块显示一位字符。共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。

由于7段LED显示块有7个段发光二极管，所以其字形码为一个字节；“米”字形LED显示块有15段发光二极管，所以字形码为两个字节。由n片LED显示块可拼接成n位LED显示器，共有n根位选线和8×n根段选线，根据显示方式不同，位选线和段选线的连接也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线则控制显示位的亮、暗。

LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。在多位LED显示时，为了节省I/O口线，简化电路，降低成本，一般采用动态显示方式。动态显示方式是一位一位地分别轮流点亮各位显示器，对每位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮和熄灭时间的比例有关。这种显示方式将七段LED显示器的所有段选位并联在一起，由一个8位I/O口控制，实现各位显示器的分时选通。

下图是LED显示器采用共阴极方式，6个显示器的段选码由8155的PB口提供，位选码由8155的PA口提供（PA口同时也提供行列式未编码键盘的列线），行列式未编码键盘的行线由PC口提供。图中设置了36个键。如果继续增加PC口线，设全部PC口线（PC0-PC5）用作键盘的行线，全部PA口线（PA0-PA7）作键盘列线，则按键最多可达8×6个。

下图中8155的PB口扫描输出总是只有一位为高电平，即PB口经反相后仅精品文档，word文档

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有一位公共阴极为低电平，8155的PA口则输出相应位（PB口输出为高对应的位显示器）的显示数据，使该位显示与显示缓冲器相对应的字符，而其余各位均为2熄灭，依次改变8155的PB口输出为高的位，PB口输出对应的显示缓冲器的数345据。

100Ω×8+5VABCDEFGH71819AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7227285.1KΩ×6373839711CERDWRIO/MALE6TMROUT+5V3TMRIN4RESET8155

图 LED显示器

Title步进电机的驱动方式采用高低压驱动，即在电机移步时，加额定或超过额定值的电压，以便在较大的电流驱动下，使电机快速移动；而在锁步时，则加低于B2SizeNumber额定值的电压，只让电机绕组流过锁步所需的电流值。这样，既可减少限流电阻345的功率消耗，又可以提高电机的运行速度。

Date:File:29-May-2004G:王丹的毕业设计protel芯片扩展.ddb精品文档，word文档

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步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号，因为步进电机的运动不产生旋转量的误差。

在五相十拍得程序中，P1口输出的控制字是在程序中给定的。在五相十拍的控制中，由于控制字较多，故把这些控制字以表的形式预先存放在内部RAM单元中，运行程序时以表的方式逐个取出并输入。

假定正反转控制字依次存放在以point为首地址的内部RAM中，表中内容如下：

Point: DB 01H

DB 02H

DB 03H

DB 04H

DB 05H

DB 06H

DB 07H

DB 08H

DB 09H

DB 10H

DB 00H

DB 01H

DB 10H

DB 09H

DB 08H

DB 07H

DB 06H

DB 05H

DB 04H

DB 03H

DB 02H

DB 00H

;正转A

；AB

；B

；BC

；C

；CD

；D

；DE

；E

；EA

；循环标志

；反转A

；AE

；E

；ED

；D

；DC

；C

；CB

；B

；BA

；循环标志

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程序：

ROUTN： JB F0，LOOP2 ；判正反转

MOV R1，#POINT ；建立正转数据指针

LOOP1： MOV A。@R1 ；读控制字

LOOP2：

LOOP3：

JZ LOOP³ ；结束符转

MOV P1，A

ACALL DELAY ；延时

INC R1 ；数据指针加1

AJMP LOOP1 ；循环

MOV A，#POINT ；建立反转数据指针ADD A，#06H

MOV R1，A

AJMP LOOP1

DJNZ R0，ROUTN ；判步数到否

RET

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（1）步进电机开环驱动原理

,四相,五相,六相等等.无论哪种步进电动机,他们的工作原理都有相同之处:数字式精品文档，word文档

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脉冲信号控制定子磁极上的控制绕组,按一定顺序依次通电,在顶子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转.

步进电动机主要用于开环系统,当然也可以闭环系统.

下图是步进电动机开环伺服系统的原理图,它由以下几部分组成:

脉冲信号源脉冲信号分配后的脉冲信号脉冲分配器功率放大放大后的脉冲信号ABC步进电机开环伺服系统原理

图 步进电机开环伺服系统原理图

脉冲信号源――是一个脉冲发生器,通常脉冲频率连续可调,送到脉冲分配器的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制.因脉冲频率可调,也称为变频信号源.

脉冲分配器――脉冲按一定的顺序送到功率放大器中进行放大，驱动步进电动机工作．用硬件进行脉冲顺序的分配，有时称为环行分配器，也简称环分．

功率放大器――将脉冲分配器送来的脉冲放大，使步进电动机获得必要的功率．

步进电动机――伺服系统的执行元件，它带动工作机构，如减速装置，丝杆，工作台．

（2） 脉冲分配

对每一个五相步进电动机而言，其脉冲分配方式是五相十拍的的．其五相分别用Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ表示．五相十拍的运行方式是Ａ－ＡＢ－Ｂ－ＢＣ－Ｃ－ＣＤ－Ｄ－ＤＥ－Ｅ－ＥＡ顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步转动．要改变步进电动机的转动方向，只需改变通电的顺序即可．

脉冲分配器是将脉冲电源按规定的通电方式分配到各相，该分配可由硬件来实现．在微机控制中，脉冲的分配也可由软件来完成，Ｐ１.０，Ｐ１.１，Ｐ１.２，Ｐ12精品文档，word文档

3

2023年12月17日发(作者：邹子瑜)

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引 言

本次毕业设计从2004年2月份开始到本年的六月中下旬结束，长达半年。毕业设计是一名在校大学生最后的一次也是最重要的一次设计，说其重要主要是因为它将检验你在大学生活中所学知识的扎实程度，其间你必须复习所学过的一些课程，学习一些要用到的新的知识，它还将练习你的动手能力，思考能力，创新能力，是你在大学学习生活的一次升华，是一个提升阶段，更是走向工作岗位的一次练兵，因此我们都对此极为重视，更是投入了极大的热情与努力来更好的完成它。

本次设计在颜竟成教授的悉心指导下分四个阶段按部就班的有条不紊的进行。第一阶段是搜集整理阶段。在本阶段主要是搜集足够的资料信息并对设计题目进行分析和实地调查，做到心中有轮廓，。本阶段其实从2004年元旦就开始了截止到2004年3月份第一张外观图绘制成功为止。第二阶段是机械部分设计阶段。本阶段主要应用大学里面所学的专业知识来进行运丝系统机构设计和坐标工作台的纵向和横向进给机构设计。另外还要进行储丝筒的三维零件设计。本阶段主要是从三月份到五月份。五月份到六月份则是第三阶段：控制系统设计阶段。主要进行电器电路设计，包括步进电机驱动设计和脉冲功率放大电路设计。本阶段也是一个学习的阶段，对自己不太熟悉的的的领域的一次学习。六月份开始就是最后一个阶段：整理复习阶段，主要从事前几个阶段的整理温习，写说明书。以及毕业答辩前的各项具体细节的准备。

可以说每个阶段都是十分紧张而有难度的，有些问题是由于设计的难度，有些还是因为自己知识上的欠缺和不扎实造成的。可以说这次毕业设计是个查缺补漏的机会。尤其是在同学的帮助下，特别是在颜教授的指导下，遇到困难不逃避，主动请教，主动学习，独立思考提出新方案，困难被一个个解决了，有了本次设计的成功。更锻炼了团体协作精神，独立作业能力，专业设计基础，对自己将来都是一次具有深远影响的事件。

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一、 总体方案设计

（一） 总体方案的拟定

（1）电火花线切割机床具有定位，纵向和横向的直线插补功能；还能要求暂停，进行循环加工等，因此，数控系统选取连续控制系统。

（2）电火花线切割机床属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统应采用步进电机开环控制系统。

（3）根据电火花线切割机床最大的加工尺寸，加工精度，控制速度和经济性要求，一般采用8位微机。在8位微机中，MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性能价格比。因此，可选择MCS-51系列单片机扩展系统。

（4）根据系统的功能要求，微机控制系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器，I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器；包括光电隔离电路和步进电机驱动电路。此外，系统中还应该包括脉冲发生电路和其他辅助电路。

（5）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，起传动比应满足机床所要求的。

（6）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。

（7）采用滚动导轨可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。

在上述方案的基础上，有条件的还可以进一步实现钼丝的角度调节，使加工过程更加细致。（伺服系统总体方案框图如图1.1）

（二）主要技术参数的确定

技术参数主要包括运动参数，尺寸参数和动力参数。DK7732电火花线切割机床的主要技术参数如下：

工作台行程/mm 500x320

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最大切割厚度/mm 30（可调）

加工表面粗糙度Ra/μ

切割速度/mm2/min 100

切割工件最大厚度 120mm

加工锥度 3°～60°

电极丝移动速度 11m/s

电极丝最大直径 φ0.1～φ

图1.1 伺服系统总体方案框图

二、 储丝走丝部件结构设计

（一）储丝走丝部件运动设计

—的范围内选择适当的钼丝直径。

1、 对高速走丝机构的要求

①高速走丝机构的储丝筒转动时，还要进行相应的轴向移动，以保证电极丝在储丝筒上整齐排绕。

②储丝筒的径向跳动和轴向窜动量要小。

③储丝筒要能正反转，电极丝的走丝速度在7—12m/s范围内无级或有级可精品文档，word文档

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调，或恒速运转。

④走丝机构最好与床身相互绝缘。

⑤传动齿轮副，丝杠副应该具备润滑措施

2、 高速走丝机构的结构及特点

储丝筒由电动机通过联轴器带动正反向转动。储丝筒另外一端通过三对齿轮减速后带动丝杠。储丝筒、电动机、齿轮都安装在两个支架上。支架及丝杠则安装在拖板沙锅内，调整螺母装在底座上，拖板在底座上来回移动。螺母具有消除间隙的副螺母和弹簧，齿轮及丝杠螺距的搭配为没旋转一圈拖板移动。所以该储丝筒适用于Φmm以下的钼丝。

储丝筒运转时应平稳，无不正常振动。滚筒外圆振摆应小于，反向间隙应小于，轴向窜动应完全彻底消除。

高频电源的负端通过碳刷送到储丝筒轴的尾部，然后传到钼丝上，碳刷应保持良好接触，防止机油或者其他脏物进入。

储丝筒本身作高速正反向转动，电机、滚筒及丝杠的轴承应定期拆洗并加润滑脂，换油期限可根据使用情况具体决定。其余中间轴、齿轮、导轨及丝杠、螺母等每班应注油一次。

（1） 储丝筒旋转组合件

储丝筒旋转组合件主要由储丝筒、联轴器和轴承座组成。

① 储丝筒 储丝筒是电极丝稳定移动和整齐排绕的关键部件之一，一般用45号钢制造。为了减少转动惯量，筒壁应尽量薄，按机床规格，本次设计DK7732应选用4mm—5mm）。为了进一步减少转动惯量，也可以选用铝镁合金材料制造

μm。为保证储丝筒组合件动态平衡，应严格控制内孔、外圆对支撑部分的同轴度。

储丝筒与主轴装配后的径向跳动量应不大于。一般装配后，以轴的

两端中心孔定位，冲摸储丝筒外圆和与轴承配合的轴径。

② 联轴器 走丝机构中运动组合件的电机轴与储丝筒中心轴，一般不采用整体的长轴，而是利用联轴器将二者联在一起。由于储丝筒运行时频繁换向，联轴器瞬间受到正反剪切力很大，因此多采用弹性联轴器和摩擦锥式联轴器。

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图1.2 运丝系统机构结构图

a. 弹性联轴器，如图所示

图 弹性联轴器

—，最大不平行为1°），缺点是由它联接的两根轴在传递扭矩时会有相对转动。

b. 摩擦锥式联轴器，如图所示。摩擦锥式联轴器可带动转动惯量大的大、中型储丝筒旋转组合件。此种联轴器可传递较大的扭矩，同时在传动符合超载时，摩擦面之间的华东还可以起到过载保护作用。因为锥形摩擦面会对电机和储丝筒产生轴向力，所以在电机主轴的滚动支撑中，应选用向心止推轴承和单列圆锥滚子精品文档，word文档

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轴承。此外，还要正确选用弹簧规格。弹力过小，摩擦面打滑，使传动不稳定或摩擦面过热烧伤；弹力过大，会增大轴向力，影响中心轴的正常转动。

图2.2 摩擦锥式联轴器

力联轴器是依靠磁力无接触式联接的，保留了传统联轴器的优点。具体有如下几种。

套筒式磁力联轴器（如图所示）

套筒式磁力联轴器

此种联轴器主动磁极3和从动磁极2均可为圆筒状或以若干磁铁排列成圆筒状，并用黏结剂分别将其固定于主动轴套4外表面上和从动轴套1没表面上， 主动轴6与被动轴7间用键5、8联接。主动磁极3和从动磁极2之间有一定间隙，其目的为：两磁极之间无摩擦，靠磁场联接；被联接两轴因受制造及安装误差，承载后变形及温度变化等因素影响，往往不能严格对中心。留有一定间隙，可补偿这一不足，还可适当降低加工及装配要求。该套筒式联轴器因磁场面积大，可以传递较大扭矩。其磁场联接力可以通过改变主动轴套4和从动轴套1的配合长度来进行调整。

圆盘式磁力联轴器（如图所示）

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圆盘式磁力联轴器

此种联轴器主动磁极3和从动磁极2均可为圆盘状或以若干磁铁排列成圆形射线状，并用黏结剂分别将其固定于主动轴套4和从动轴套1的大表面上。由于圆盘式联轴器磁场面积小，所以传递扭矩小，并且体积相应的也小。其磁场联接力可以通过改变主动磁极3和从动磁极2之间的距离来进行调整。

由于磁力联轴器轴与轴之间没有零件直接联接，而是靠磁场联接来传递扭矩，因此电机换向时，转动惯量被磁力线的瞬时扭曲抵消；在超负荷时，键8、5联接的主动轴7与从动轴6可以自动打滑脱开，起到安全离合器的作用，不会损坏任何零部件。

主动磁极3和从动磁极2均用强的永磁材料制成，例如，铁氧体、稀土合金等。

综合上述几种类型，参照本次设计要求，选择性价比最高的，显然a类型既是弹性联轴器已经满足条件，因此本次设计选用弹性联轴器。

（2） 上下拖板

走丝机构的上下拖板我们决定采用下面两种滑动导轨之一。

燕尾型导轨，这种结构紧凑，调整方便。旋转调整杆带动塞铁，可改变导轨副的配合间隙。但该结构制造和检验比较复杂，刚性较差，传动中摩擦损失也较大。

三角、矩形组合式导轨，如图所示。导轨的配合间隙由螺钉和垫片组成的调整环节来调节。

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图4.1 三角、矩形组合式导轨

由于储丝筒走丝机构的上拖板一边装有运丝电动机，储丝筒轴向两边负荷差较大。为保证上拖板能平稳的往复移动，应把下拖板设计的较长以使走丝机构工作时，上拖板部分可始终不滑出下拖板，从而保持拖板的刚度、机构的稳定性及运动精度。

经比较，显然三角、矩形组合式导轨是比较理想的，因此，决定选用此种导轨作为本次设计之用。

（3） 齿轮副与丝杠副

走丝机构上拖板的传动链是由2-3级减速齿轮副和一组丝杠副组成，它使储丝筒在转动的同时，作相应的轴向位移，保证电机丝整齐的排绕在储丝筒上。

在本次设计线切割机中，走丝机构常是通过配换齿轮来改变储丝筒的排丝筒的排丝距离，以适应排绕不同直径电机丝的要求。

丝杠副一般采用轴向调节法来消除螺纹配合间隙。为防止走丝电机换向装置失灵，导致丝杠副和齿轮副损坏，在齿轮副中，可选用尼龙轮代替部分金属齿轮。这不但可以在电机换向装置失灵时，由于尼龙齿轮先损坏，保护丝杠副与走丝电机，还可以减少振动和噪声。但是由于要照顾专业知识的复习，所以决定选用传统的金属材料制造。

（4） 线架、导轮部件结构

线架与走丝机构组成了电极丝的运动系统。线架的主要功用是在电极丝按给定线速度运动时，对电极丝去支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持一定的几何角度。对线架的要求是：

①具有足够的刚度和强度，在电极丝运动（特别是高速1走丝）时，不应出现振动和变形；

②线架的导轮有较高的运动精度，径向偏摆和轴向窜动不超过5μm；

③导轮与线架本体、线架与床身之间有良好的绝缘性能；

④导轮运动组合件有密封措施，可防止带有大量放电产物和杂质的工作液进入导轮轴承；

⑤线架不但能保证电极丝垂直于工作台平面，在具有 锥度切割功能的机床上，

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还具备能使电极丝按给定要求保持与工作台平面呈一定角度的功能。

线架按功能可分为固定式、升降式和偏移式三种类型；按结构可分为悬臂式和龙门式两种类型。

悬臂式固定线架主要由线架本体、导轮运动组合件及保持器等组成。

（1） 线架本体结构

中、小型线切割机床的线架本体常采用单柱支撑、双臂悬梁式结构。由于支撑电极丝的导轮位于悬臂的端部，同时电极丝保持一定张力，因此应加强线架本体的刚度和强度，使线架的上下悬臂在电极丝运动时不致振动和变形。

为了进一步提高刚度和强度，在上下悬臂间增加加强筋的结构。有的机床的线架本体有的采用龙门结构。这时，工作台拖板只沿一个坐标方向运动，另一个坐标方向的运动通过架在横梁上的线架拖板来实现。

此外，针对不同厚度的工件，还有采用丝臂张开高度可调的分离式结构，活动丝臂在导轨上滑动，上下移动的距离由丝杠副调节。松开固定螺钉时，旋转丝杠带动固定于上丝臂体的丝母，使上丝臂移动。调整完毕后拧紧固定螺钉，上丝臂位置便固定下来。为了适应线架丝臂张开高度的变化，在线架上下部分应增设副导轮，如图所示：

储丝筒副导轮导轮

图4.2 可移动丝臂

(2)导轮部件结构

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①导轮是本机床关键零件，关系到切割质量，对导轮运动组合件的要求如下。

a. 导轮V形槽面应有较高的精度，V形槽底的圆弧半径必须小于选用的电极丝半径，保证电极丝在导轮槽内运动时不产生轴向移动。

b. 在满足一定强度要求下，应尽量减轻导轮质量，以减少电极丝换象时的电极丝与导轮间的滑动摩擦。导轮槽工作面应有足够的硬度，以提高其耐磨性。

c. 导轮装配后转动应轻便灵活，应尽量减少轴向窜动和径向跳动。

d. 进行有效的密封，以保证轴承的正常工作条件。

②导轮运动组合件的结构

导轮运动组合件的结构主要有三种：悬臂支撑结构、双支撑结构和双轴尖支撑结构。

悬臂支撑结构如图 所示，结构简单，上丝方便。但是因为悬臂支撑，张紧的电极丝运动的稳定性较差，难于维持较高的运动精度，同时也影响导轮和轴承的使用寿命。

双支撑结构为导轮居中，两端用轴承支撑，结构复杂，上丝麻纺。但是此种结构的运动稳定性较好，刚度较高，不容易发生变形及跳动。

双轴尖支撑结构。导轮两端加工成30˚锥形轴尖，硬度在RC60以上。轴承由红宝石或者锡磷青铜制成。该结构易与保证导轮运动组合件的同轴度，导轮轴向窜动和径向跳动量可以控制在较小的范围内。缺点是轴尖运动副摩擦力大，易于发热和磨损。为补偿轴尖运动副的磨损，利用弹簧的作用力使运动副良好接触。

比较以上三种结构特点，可以看出DK7732高速走丝电火花线切割机床的导精品文档，word文档

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轮选择第二种比较适宜。

③导轮的材料 为了保证导轮轴径与导向槽的同轴度，一般采用整体结构。导轮要求用硬度高、耐磨性好的材料制成（如GCr15、W18Cr4V），也可以选用硬质合金或陶瓷材料制造导轮的镶件来增强导轮V形工作面的耐磨性和耐蚀性。

④导轮组合件的装配

导轮组合件装配的关键是消除滚动轴承中的问题，避免滚动体与套环工作表面在负荷作用下产生弹性变形，以及由此引起的轴向窜动和径向跳动。因此，常用对轴承施加预负荷的方法来解决。通常是在两个支撑轴承的外环间放置一定厚度的定位环来获得预负荷。预加负荷必须适当选择，若轴承承受预加负荷过大，在运转时会产生急剧磨损。同时，轴承必须清洗的很洁净，并在显微镜下检查滚道内是否有金属粉末、碳化物等，轴承经清洗、干燥后，填以高速润滑脂，起润滑和密封作用

（二） 储丝走丝部件主要零件强度计算

1. 齿轮传动比的确定

钼丝丝距选择为。储丝筒每转一周，拖板带动储丝筒移动，丝杠螺距选择为1.5mm。

所以储丝筒与丝杠见齿轮传动比为：

u=0.25/1.5=1：6；

采用二级齿轮传动，取u1=1/2，u2=1/3。

2. 齿轮齿数的确定

取Z=23；由于齿轮齿根与轴上键距离不能为零。

即df/2–（d+t1）>2m

由d=16mm查设计手册得：

t1=2.3；

而df1=d1－2hf

=（z1–2ha*–2c*）m

=(23–2–0.5)m

=

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–（16+2.3）/2 >2m

取m=2则Z2=2Z1=46

d1=mZ1=2×23=46mm

d2=mZ2=2×46=92mm

取Z3=23

Z4=3Z3=3×23=69

d3=mZ3=2×23=46mm

d4=mZ4=2×69=138mm

齿轮1，2中心距 a1=(d1+d2)/2=(46+92)/2=69mm

齿轮3，4中心距 a2=(d3+d4)/2=(46+132)/2=92mm

参考书《机械设计》

1×46=23mm

其他数据如下

da1=(Z1+2ha*)m

=(23+2×1) ×2

=50mm

da2=(Z2+2ha*)m

=(46+2×1) ×2

=96mm

df1=(Z1－2ha*－2c*)m

=(23－2×1－2×0.25) ×2

=41mm

df2=(Z2－2ha－2cm

=(46－2×1－2×0.25)×2

=87mm

同样可以计算得: da3=50mm

da4=142mm

df3=41mm

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**)

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df4=133mm

3. 传动件的估算

根据公式 d=914N/(nj)mm

其中 N—该传动轴的输入功率

N=Nd

其中Nd－电机额定功率

η－从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积

nj－该传动轴的计算转速r/min

计算转速nj是传动件能传递全部功率的最低转速

［φ］－每米长度上允许的扭转角（deg/m）

取η=0.995，Nd

N= Ndη

×

nj=1390r/min

d=9140.54725

10001390400=

4. 齿轮模数估算

齿轮弯曲疲劳估算：

m323N

Znj=3230.5472516913906

=

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齿面点蚀估算：

A3703N

nj=37030.54725

113906=

其中nj为大齿轮的计算转速，A为齿轮中心距

中心距A及齿数Z1、Z2求出模数

mj=2A

Z1Z2249.28

2346==

取mjmw中较大者 mj=1.428，现取m=2

（2） 齿轮模数的验算：

根据接触疲劳计算齿轮模数公式为

mj=16300i1k1k2k3ksNmZ12IJmm

式中： N—计算齿轮传递的额定功率 N=Ndkw

nj—计算齿轮（小齿轮）的计算转速 r/min

m—齿宽系数m=b/m，m常取6～10。

Z1—计算齿轮的齿数，一般取传动中最小的齿轮的齿数；

i大齿轮与小齿轮的齿数比，i=Z21,""用与外啮合，“”用于内啮合；

Z1ks—寿命系数，ks=kTknkNkq；

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kT工作期限系数，kTm60nTC0齿轮等传动件在接触和弯曲交变载荷下的疲劳曲线指数m和基准循环次数C0n—齿轮的最低转速r/min

T—预定的齿轮工作期限，中型机床推荐，T=15000～20000h；

kn—转速变化系数；

kq—材料强化系数。幅值低的交变载荷可使金属材料的晶粒边界强化，起着阻止疲劳细缝扩展的作用；

kN—功率利用系数 k1—工作情况系数 k2—载荷系数

k3—齿向载荷分布系数 Y—齿形系数

［w］、j—许用弯曲接触能力

查表得：k1=1.2，k2=1.2，k3

Ks=kTknkNkq

=m60nTknkNkq

C016013902000033×××

=710

N=0.54725kw

m=10

j=600MPa

则 mj=16300211.21.21.150.910.54725mm

1023226002139013 =

根据弯曲疲劳计算齿轮计算模数公式为：

Mw=275k1k2k3ksNmm

Z1Ymnjw精品文档，word文档

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=2751.21.21.150.5540.54725

1230.4141013602203 =

Ks=kTknkNkq

=m60nTknkNkq

C0160 13902000063

=2108

所以m=2符合要求

（三） 储丝走丝部件主要零件强度验算

1. 齿轮强度的验算

齿根危险截面的弯曲强度条件式

F2kT1YFaYsadmZ132F

k—载荷系数

k=kAkvkk

d—

kA—使用系数，取1

kv—

k—齿间载荷分配系数，kH1.0.

kF1.0

k—齿向载荷分布系数

T1—小齿轮传递的转距

T1×105P1/n1

×105×

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×103N·mm

kH1.110.18(16.7d)d×2) ×2×10-3×

K=1×1.05××

kF

YFa—载荷作用与齿顶时齿形系数

Ysa—载荷作用与齿顶时应力校正系数

查表得：YFa=2.69，Ysa

21.2183.781032.691.575 则F=

0.523232220.15103b

FkFNFlin

SF N=60njLh

=60×1390×1×20000

×106

s—疲劳强度安全系数，

s=sH=1, s=sF

kN—寿命系数 （kFN=1.0，kHN=1.0）

lim—齿轮的疲劳极限

FlimFE/YST

=340MPa

Hlim520MPa

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1.0340F

1.25272MPa 所以F＜F

H 其中：

ZH

—区域系数

2kT1(u1)dd1u3ZHZE≤H

ZE—弹性影响系数

ZH=2/(sincos)

20

ZH=2.5 ZEa

kH=kAkVkHkH=1×××

H1221.293.78103212.5189.8259.89

320.546

H520MPa ,

H ＜H

因此，所设计齿轮也满足齿面接触疲劳强度要求，

齿轮设计合格。

按弯扭合成应力校核轴的强度：

根据轴的结构图作出轴的计算简图，如图6.1 (a)。并分别作出水平方向和垂直方向的弯矩图，如图 (b),(c)，以及扭矩图如图 (d)。

先计算轴上的载荷：

T19550000P10.5595500003.78103Nm

n11390齿轮的分度圆直径为：d1mz22346mm.

2T123.78103Ft164.3N

d146FrFttan164.3tan2059.8N

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ω

图6.1 轴的结构图与弯矩扭矩图

从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以明显的看出截面B是危险截面。先将计算出的截面C 处的MH、Mr

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表1.1 应力计算表

载荷 水平面H 垂直面V

支反力F

FNH1=195.7N, FNH2 FNH1=71.2N, FNH2

弯矩M

总弯矩

扭矩T

MHN·mm

22MV N·mm

MMHMV9091.9N·mm

T18×103N·mm

轴的计算应力：caM2(T1)2W1

入如表1.1中数值得：ca

前已经选顶的轴的材料为45号钢，调质处理

查得1=60MPa

因此ca<1，故安全

(四） 主轴组件结构设计

1. 轴承的配置形式

一般来说数控机床的主轴结构的轴承有以下几种配置形式：

（1） 前后支承均采用双列短圆柱滚子轴承来承受径向载荷，安装在前端的两个推力球轴承用来承受前后方向的轴向负载。这种结构能承受较大的负载(特别是轴向负载），可适应强力切削，但主轴转速不能太高，轴承在高转速时容易发热。由于推力球轴承安装在主轴前端，当主轴旋转时前轴承和后轴承温度差较大，热变形对主轴精度影响也较大。前轴承温度高，主轴前端升高量大，后轴承温度低，主轴末端升高量小，因此，这种机构目前应用较小。

（2） 前后支承用双列短圆柱滚子轴承来承受径向负荷，用安装在主轴前端的双向向心推力球轴承来承受轴向负载。这种结构刚性较好。

（3） 前轴承用单列向心推力球轴承，背靠背安装，由2～3个轴承组成一套，精品文档，word文档

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用以承受径向和轴向负载；后轴承用双列短圆柱滚子轴承。这种结构适应较高转速、较重切削负载，主轴精度较好。但所承受的轴向负载较前两种结构小。

（4） 前后支承均采用成组单列向心推力球轴承，用以承受径向和轴向负载。这种结构适应高转速，中等负载的数控机床。在中、小规格的数控机床上采用这种机构较多。

本次设计主轴所采用的轴承支承方式为第四种。

`2. 主轴组件的调整和预紧

滚动轴承的预紧是采用适当的方法是滚动体和内外套圈之间产生一定的预变形而带伏负游隙运行。预紧的目的是增加轴承的刚度，提高旋转精度，延长轴承寿命。

按预载荷的方向可分为轴向预紧和径向预紧。

而角接触球轴承主要是轴向预紧，这可明显提高轴向刚度。如下图为单个角接触球轴承的载荷—变形曲线，其弹性变形量δa与轴向外载荷Fa的关系为δa∝Fa²³。没有预紧时，在Fa作用下，轴承的轴向变形量为δa1；而在具有预紧Fa0条件下，同样作用轴向载荷Fa，轴承的轴向变形增量为δa2，显然δa2<δa1，轴承的轴向刚度有所提高。

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δδδ角接触球轴承载荷-变形曲线δ

图5.2 角接触球轴承载荷—变形曲线

三、 进给传动设计

（一）进给传动运动设计

1.脉冲当量和传动比的确定

1）脉冲当量的确定

目前，常用脉冲编码器兼作位置和速度反馈。步进电机每转一转传感器发出一定数量的脉冲每个脉冲代表电机一定数量的脉冲，每个脉冲代表电机一定的转角。步进电机是一种电脉冲控制的特种电机，对于每一个电脉冲步进电机都将产生一个恒定的步进角位移，每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角b[()/脉冲]，可由选用的步进电机型号从技术数据表中查出。

因此，每脉冲代表锻机一定的转角，这个转角经齿轮副和滚珠丝杆使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行件（如工作台）的移距，称为脉冲当量或分辨率，记为p，单位为mm/脉冲。

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应根据机床或工作台进给系统所要求的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须大于定位精度值。此次设计的电火花成型机对机床定位精度的设计要求是±，根据该精度要求可确定脉冲当量为p=/脉冲。

2）传动比的确定

设传动副的传动比为i，若为一级传动，则in1/n2z2/z1,n1,z1为主动齿轮的转速和齿数，n2,z2为主动齿轮的转速和齿数。若为多级传动，则i为总传动比。

对于步进电机，当埋藏当量p（mm/脉冲）确定，并且滚珠丝杆导程L0（mm）和电机步距角b[()/脉冲]都也已初步选定后，则可用下式计算主轴系统的传动比

ibL0360p0.365

3600.0051i=1。

（二）滚珠丝杠螺母副的型号选择和滚珠丝杠的选型和校核

（1）最大工作载荷计算

滚珠丝杠上的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体中立和作用于导轨上的其他切削分力相关的摩擦力，可用下列实验公式进行计算。

对于矩形导轨 Fm=KFL+f(FV+FC+G)

式中： FL—工作台进给方向载荷

FV—工作台垂直载荷

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FC—工作台横向载荷

G—移动部件的重力

K—考虑颠覆力矩影响的实验系数

f—考虑颠覆力矩影响的摩擦系数

由于电火花线切割是电极丝放电进行加工，可以认为FL，FV，FC近似为零

所以：Fm=fG

取f=0.005，G=1000kg（估算）

Fm=fG=1000×0.005=5

（2） 最大动载荷C的计算及主要尺寸初选

滚珠丝杠应根据断定动载荷Ca选用，最大动载荷计算原理与滚动轴承相同。

滚珠丝杠的最大动载荷应用下式计算

C3LfmFm L=60nt/10

n1000v/L0

式中：L—工作寿命，单位106r

n—丝杠转速，单位r/min

v—最大切削力条件下进给速度，单位m/min

L0—丝杠基本导程，单位mm

t—额定使用寿命，单位h，可取t=15000h

fm—

所以

C3LfmFm

=3551.4

n1000v/L0

6 =（1000×100×10 =20r/min

L=60nt/106

-3）/5

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=60201036524

610 =105.12（106r/min）

C3LfmFm

3 =105.1254

1 =33

根据以上计算选取CBM3205—5（《机械设计师手册》上）

滚珠丝杆已由专门工厂制造，因此，不用我们自己设计制造，只要根据使用工况选择某种类型的结构，再根据载荷、转速等条件选定合适的尺寸型号并向有关厂家订购。此次设计中滚珠丝杆被三次选用，故本人只选取其中最重要的主轴传动中的滚珠丝杆加于设计和校核。其步骤如下：

首先对于一些参数说明如下：

轴向变载荷Fi(N)，其中i表示第i个工作载荷，i=1、2、3…n ；

第i个载荷对应的转速ni(r/min);

第i个载荷对应的工作时间ti (h) ;

丝杆副最大移动速度vmax(mm/min);

丝杆预期寿命Lb(h)。

1．型号选择

（1）根据使用和结构要求

选择滚道截面形状，滚珠螺母的循环方式和预紧方式；

（2）计算滚珠丝杆副的主要参数

①根据使用工作条件，查得载荷系数fdsj=1.5；

②计算当量转速nd

nd(nmaxnmin)/22000r/min

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③计算当量载荷Fd

Fd(2FmavFmin)/32333N

④初步确定导程Ph

PhVmax/nmax

10000/4000

2.5mmPh取5mm

⑤计算丝杆预期工作转速Ln

Ln60nd120000

⑥计算丝杆所需的额定载荷C'a

C'afdFd1021Ln3112333101151N21200003

（3）选择丝杆型号

根据初定的Ph和计算的C'a，选取导程为5mm，额定载荷大于C'a的丝杆。所选丝杆型号为CDM2004-2.5。其为外循环双管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式系列滚珠丝杆。

2．临界转速校核

nc12106612d3lc23.142220121063025970r/min而最大工作转速nmax40000.8nc4776

校核合格。

3．由于此丝杆是竖直放置，且其受力较小，温度变化较小。所以其稳定性、温度变形等在此也没必要校核。

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4．滚珠丝杆的预紧

预紧力(Fp)一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一。即：

1Fd

3778NFp其相应的预紧转矩

TpFpPh27784(10.852)103

20.850.16Nm(12)103

（三）步进电机的选用

步进电动机又称为脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。具有以下四个特点：①转速（或线速度）与脉冲频率成正比；②在负载能力允许的范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化；③速度可调，能够快速起动、制动和反转；④定位精度高、同步运行特性好。

数控电火花成型机的动力系统要求电动机电位精度高，速度调节方便快速，受环境影响小，且额定功率小，并且可用于开环系统。而BF系列步进电动机为反应式步进电动机，具备以上的所有条件，我们选用了型号90BF004的电动机作为主运动的动力源。

选用时主要有以下几个步骤：

（一）根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号

1．步距角

初选步进电机型号，并从手册中查到步距角b,由于

bL0i360p

综合考虑，我初选了b1.50,i1，可满足以上公式。

2．距频特性

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步进电机最大静转矩Mjmax是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩Mmq与最大静转矩Mjmax的关系是：

Mmq=Mjmax

步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算：

MkqMkaMkfM0

式中：Mkq为空载启动力矩；Mka为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩；Mkf为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；M0为由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。

而且初选电机型号时应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即：

MkqMmq=λMjmax

计算Mkq的各项力矩如下：

（1）加速力矩

JJ1J21.8105MR2/i2

1.81058.810510.610Kgm52

nmaxvmaxb48001.54000r/m

p3600.0053602nmax24000102(10.61011.8101)102

60t60100.519NmMkqJ（2）空载摩擦力矩

MkfGf‘L013.960.2740.6Nm

2i20.84（3）附加摩擦力矩

M0FYJL04042(10)(10.922)1.222Nm

2i20.84精品文档，word文档

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MkqMkaMkfM00.5190.61.2222.341NmMmqMjmax0.9512523.775NmMkqMmq

（二）启动矩频特性校核

步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。

前面提出的MkqMmqMjmax，仅仅是指初选惦记后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。

步进电机启动有突跳启动和升速启动。

突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少用。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩Mkq中的加速力矩Mka不会很大。一般不会发生丢步现象。

（四）进给机构支承设计

支承形式

滚珠丝杠的支承和支承方式将影响丝杠副的刚度，因此，对运动精度要求高时应审慎的加以选择。常见的支承形式有以下几种：

①丝杠一端安装两个深沟球轴承或者角接触球轴承或者圆锥滚子轴承的称为固定支承；螺母相当于固定支承。

②安装一个深沟球轴承或者角接触球轴承或者圆锥滚子轴承的称为铰支承；因此丝杠的支承方式有两端固定，一端固定，一端铰支，一端固定、一端自由，两端铰支，一端固定、一端铰支几种。

本次采用的是两端固定形式支承

螺杆的支承方式有以下四种：

（1）双推自由支承：

将两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承装在一端，另一端自由

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特点：适用于短螺杆。

（2）双推支承

将两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承装在一端，另一端装一个或两个深沟球轴承。

特点：螺杆水平安装时，可减少或避免因自重产生的弯曲或高速运转时，自由端的晃动。

适用于长螺杆。

（3）单推单推或双推单推

两端各装一个方向相反的推力球轴承和一个深沟球轴承或一端装两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承，另一端装一个推力球轴承。

特点可预拉伸螺杆，以减少或消除螺杆水平安装时，因自重产生的弯曲，当轴承预紧力大于螺杆载荷的1/3时，螺杆拉压刚度可提高4倍，且不会承受压力，无失稳现象。

（4）双推双推

两端各装两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承

特点：优点与单推单推式相同，当超过预计温度时，不会因螺杆伸长使轴承产生间隙，缺点是调整较复杂。

四、数控系统设计

（一） 数控系统总体方案的拟定

机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成.控制系统的控制对象主要包括各种机床,如车床、铣床、磨床等等.控制系统的基本组成如下图所示:

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通信接口

微

步进电机驱动电路

步进电机

机

软件

开关量控制电路

主运动驱动电路

主轴电动机

机

床

图6.2 控制系统框图

(二)数控系统硬件的电路设计

1、 单片机设计

单片机通常是指芯片本身，它是由芯片制造商生产的，在它上面集成的是一些作为基本组成部分的运算器电路、控制器电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等。但一个单片机芯片并不并能把计算机的全部电路都集成到其中，有些元件如复位电路的石英晶体、电阻、电容等只能以散件的形式出现。此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。

通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。

(1)MCS-51系列单片机的设计

MCS-51系列单片机的所有产品都含有8051除程序存贮器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源（程序存贮器、数据存贮器、I/O口、定时/计数器及一些其他特殊部件）。在控制系统设计中，我们采用的是8031，8031可寻址64KB字节程序存贮器和64KB字节数据存贮器。内部没有程序存贮器，必须外接EPROM程序存贮器。8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分为三部分。

a.电源及时钟引脚

此部分引脚包括电源引脚Vcc、Vss及时钟引脚XTAL1、XTAL2。

电源引脚接入单片机的工作电源。

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Vcc（40脚）：接+5V电源。

Vss（20脚）：接地。

时钟引脚（18、19脚）：外接晶体时与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。

XTAL1（19脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。

XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接受振荡器的信号，即把信号直接接至内部时钟发生器的输入端。

它包括RST、ALE、PSEN、EA等。此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复用功能。

RST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。复位后应使此引脚电平为≤0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。当Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（（5±0.5）V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。

ALE/PROG（30脚）：当单片机访问外部存贮器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即使不访问外部存贮器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。但是，每当访问外部数据存贮器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载。

PSEN（29脚）：此输出为单片机内访问外部程序存贮器的读选通信号。在从外部程序存贮器指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的PSEN信号不出现。PSEN同样可以驱动8个TTL负载。

EA/Vpp（31脚）：当EA端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存贮器，精品文档，word文档

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但当PC值超过某值时，将自动转向执行外部程序存贮器内的程序。当EA端保持低电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外部程序存贮器。对8031来说，因其无内部程序存贮器。所以该引脚必须接地，即此时只能访问外部程序存贮器。

输入/输出（I/O）口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。

P0口（P0.0-P0.7）：为双向8为三态I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。

P1口（P1.0-P1.7）：为8位准双向I/O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入口时，锁存器必须置1），可驱动4个TTL负载。

P2口（P2.0-P2.7）：为8位准双向I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载，一般作为扩展时地址总线的高8位使用。

P3口（P3.0-P3.7）：为8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。

(2)MCS-51单片机的时钟电路

时钟电路是计算机的心脏,它控制着计算机的工作节奏.MCS-51片内有一个反相放大器,XTAL1、XTAL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端,该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器,产生的时钟送至单片机内部的各个部件.单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式两种,大多单片机应用系统采用内部时钟方式.

图所示:

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XTAL2MCS-51XTAL1内部时钟方式的时钟电路

图 内部时钟方式的时钟电路

MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2MHz-24MHz之间可以选择,一般取11.0592MHz.电容C1、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响.C1、C2可在20pF-100pF之间选择,一般当外接晶体时典型取值为30pF,外接陶瓷谐振器时典型取值为47pF,取60pF-70pF时振荡器有较高的频率稳定性.

在设计印刷电路板时,晶体或陶瓷谐振器和电容应尽量靠近单片机XTAL1、XTAL2引脚安装,以减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定和可靠的工作.为了提高温度稳定性,应采用NPO电容.

(3)MCS-51单片机的复位电路

计算机在启动运行时都需要复位,使中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作.

单片机的复位都是靠外部电路实现的,MCS-51单片机有一个复位引脚RST,高电平有效.它是施密特触发输入,当振荡器起振后,该引脚上出现两个机器周期(即24个时钟周期)以上的高电平,使器件复位,只要RST保持高电平,MCS-51便保持复位状态.此时ALE ,PSEN,P0,P1,P2,P3口都输出高电平.RST变位低电平后,退出复位状态,CPU从初始状态开始工作.复位操作不影响片内RAM的内容.

MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式.通常因为系统精品文档，word文档

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运动等的需要,常常需要人工按钮复位,如图 所示:

+5VRSTMCS-51R1R2上电按钮复位电路

图 上电按钮复位电路

GND对于CMOS型单片机因RST引脚的内部有一个拉低电阻,故电阻R2可不接.单片机在上电瞬间,RC电路充电,RST引脚端出现正脉冲,只要RST端保持两个机器周期以上的高电平(因为振荡器从起振到稳定大约要10ms),就能使单片机有效复位.当晶体振荡频率为12MHz时,RC的典型值为C=10μΩ.简单复位电路中,干扰信号易串入复位端,可能会引起内部某些寄存错误复位,这时可在RST引脚上接一去耦电容.

上图那上电按钮复位电路只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路,按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平,从而使单片机复位

在以8031单片机为核心的控制系统中必须扩展程序存贮器，用以存放控制程序。同时，单片机内部的存贮器容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存贮器。这种扩展就是配置外部存贮器（包括程序存贮器和数据存贮器）。另外，在单片机内部虽然设置了若干并行I/O接口电路，用来与外围设备连接。但当外围设备较多时，仅有几个内部I/O接口是不够的，因此，单片机还需要扩展输入输出接口芯片。

（1） 程序存储器扩展

MCS—51系列单片机的程序存储器空间和数据存储器空间是相互独立的。程精品文档，word文档

23

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序存储器寻址空间为64kB（0000H～0FFFFH），其中8051、8751片内有4kB的ROM或EPROM，8031片内不带ROM。当片没ROM不够采用8031芯片时，需扩展程序存储器。用作程序存储器的器件是EPROM和EEPROM，

MCS—51单片机扩展外部程序存储器的硬件电路如图

P0指令EPROM/EEPROMMCS--51锁存器ALE低八位地址地址P2高八位地址PSENOE

图 MCS—51单片机扩展外部程序存储器的硬件电路

由于MCS—51单片机的P0口是分时复用的地址/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存地址信号。通常地址锁存器可使用带三态缓冲输出的74LS373。当用74LS373作为地址锁存器时，锁存端G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。

根据应用系统对程序存储器容量要求的不同，常用的扩展 芯片包括EPROM2716（2kB×8）、2732A（4kB×8）、2764A（8kB×8）、27128A（16kB×8）、27256（32kB×8）和27512（64kB×8）等。以上6种EPROM均为单一＋5V电源供电，维持电流为35mA～40Ma，工作电流为75 mA～100 mA，读出时间最大为250ns，均有双列直插式封装形式，A0～A15是地址线，不同的芯片可扩展的存储容量的大小不同，因而提供高8位地址的P2端口线的数量各不相同，故2716为A0～A10，27152为A0～A15；D0～D7是数据线；CE是片选线，低电平有效；OE是数据输出选通线；Vpp是编程电源；Vcc是工作电源；PGM是编程脉冲输入端。

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根据图 程序存储器扩展的原理，以EPROM2764A和锁存器74LS373为例对8031单片机进行程序存储器扩展，其连接图如图所示。

21716P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8031AHP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P273938373635343332227283478D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q725692322022271A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12CEOEPGMVPP2764⑴D0D1D2D3D4D5D6D77022271A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12CEOEPGMVPP2764⑵D0D1D2D3D4D5D6D771819RXDTXDALE/PPSEN10113029VCCVCC8031扩展2764的连接图

8031扩展2764的连接图

因为2764A是8kB容量的EPROM，故用到了13根地址线，A0～A12。由于系统中只扩展一片程序存储器，所以可将片选端CE直接接地。同时，8031运行所需程序指令来自2764A，要把其EA端接地，否则，8031将不会运行。

电擦除可编程只读存储器EEPROM是近年来推出的新产品。其主要特点是能在计算机系统中进行在线修改，并在断电的情况下保持结果。因此，自从TitleEEPROM问世以来，在智能化仪器仪表、控制装置、开发系统中得到了广泛的SizeNumber应用。

2BDate:File:45（2） 数据存储器的扩展

31-Jun-2004

G:王丹的毕业设计pro8031单片机内部有128字节RAM存储器。CPU对内部的RAM具有丰富的操作指令。但是在用于实时数据采集和处理时，仅靠片内提供的128字节的数据存储器是远远不够的，在这种情况下，可MCS—51的扩展功能，扩展外部数据存储器。

图 是单片机扩展外部RAM的电路原理图。

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P1P0数据MCS--51锁存器ALERDWRP2I/OP3低八位地址RAM地址高八位地址WEOE

单片机扩展外部RAM的电路原理图

数据存储器只使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存储器与程序存储器地址可完全重叠，均为0000H—FFFFH，但数据存储器与I/O口及外围设备是统一编址的，即任何扩展的I/O口以及外围设备均占用数据存储器地址。图 中，P0口为RAM的复用地址/数据线，P2口用于对RAM进行页面寻址（根据其容量不同，所占用的P2端口不同），在对外部RAM读/写期间，CPU产生RD/WR信号。

在80314单片机应用系统中，静态RAM是最常用的，由于这种存储器的设计无须考虑刷新问题，因而它与微处理器的接口很简单。最常用的静态RAM芯片有6116（2kB×8）和6264（8kB×8）。单一＋5V供电，额定功耗分别为160mW和200mV，典型存取时间均为200ns，均有双列直插式封装，管脚分别为24和28线。

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21716P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8031AHP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P273938373635343332227283478D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7256912151619VCC620A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12OEWECS2CS16264⑴D0D1D2D3D4D5D6D771819VCC620A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12OEWECS2CS16264⑵D0D1D2D3D4D5D6D771819RXDTXDALE/PPSEN1扩展6264的连接图

图9.2 8031扩展6264的连接图

图为6264与8031的硬件连接图。从 图中可以知道：6264的片选ICSI接8031的P2.7，第二片选线CS2接高电平，保持一直有效状态，因6264是8kB容量的RAM，鼓用到了13根地址线。8031在访问6264期间，可以用以下指令：

movx @dptr, a;A中内容传至外部RAM

或者 movx a, @dptr; 外部RAM内容读至A中

对于图（未画）所显示的线路，6264的地址范围为6000H—7FFFH，共8 kB。

3、I/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入、输出口线并不多，只有P1口和部分P3口线。因此，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。由于MCS-51的外部数据存储器RAM和I/O口是统一编址的，因此用户可以把外部64kB的数据存储器空间的一部分接口作为扩展外围1234I/O的地址空间。这样单片机就可以象访问外部RAM存储器一样访问外部接口芯片，对其进行读/写操作。

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（1） 8255A可编程外围并行I/O接口

8255A是可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的接口电路。

1234在8031单片机的I/O口上扩展8255芯片，其接口逻辑相当简单，如图所示

34333231431C1918P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8031AHRXDTXDALE/PPSEN10113029P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P273938373635343332227283478D0D1D2D3D4D5D6D7OELE74LS373Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7256998356D0D1D2D3D4D5D6D7RDWRA0A1RESETCSPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC78255A432121110D接复位电路917168031扩展8255的连接图

图10.1 8031扩展8255连接图

图中8255的片选信号CS及口地址选择线A0、A1分别由8031的P0.7和P0.0、BP0.1经地址锁存器锁存后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH，FF7DH，FF7EH，FF7FH。8255的复位端与8031的复位端相连，都接到8031的复位电路上。

在实际的应用系统中，必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应的控制字写入操作口。下面根据图3-6举例说明8255的编程方法。其个端口地址如下：

AA口地址： FF7CH

B口地址： FF7DH

C口地址： FF7EH

12控制口地址：FF7EH

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假设要求8255工作在方式0，且A口作为输入，B口、C口作为输出，则工作程序如下：

mov a,#90H;方式0，A口输入，B口、C口输出

mov dptr,#0FF7FH;控制寄存器→dptr

movx @dptr,a;方式寄存器→控制寄存器

mov dptr, #0FF7CH;A口地址→dptr

mov a，dptr； 从A口读数据

mov dptr， #0FF7KH；B口地址→dptr

mov a，DATA1；要输出的数据DATA1→A

movx @dptr， a；将DATA1送B口输出

mov dptr，#0FF7EH；C口地址→dptr

mov a， DATA2；DATA2→A

movx @dptr, a;将DATA2送C口输出

对8255的C口8位的任何一位，均可用指令来置位或复位。

例如，如果把C口的第六位PC5置1，相应的控制字为：00001011B=0BH，程序如下：

mov dptr, #0FF7FH；控制口地址→dptr

mov a，#0BH；控制字→A

movx @dptr, a; 控制字→控制口；PC5=1

如果把C口的第六位PC5复位，相应的控制字为：00001010B=0AH，程序如下：

mov dptr, #0FF7FH；控制口地址→dptr

mov a，#0AH；控制字→A

movx @dptr, a; 控制字→控制口；PC5=0

8255接口芯片在MCS-51单片机应用系统中广泛用于连接外部设备，如打印机、键盘、显示器以及作为控制信息的输入、输出口。

1）8155可编程外围并行I/O接口

8155/8156芯片内包含256字节RAM，2个8位和1个6位的可编程并行I/O口，1个14位定时器/计数器。8155/8156可直接与MCS-51单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。由于8031单片机外接一片8155后，就综合地扩展了数据RAM、I/O端口和定时器/计数器，因而是MCS-51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。8155精品文档，word文档

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与8156的区别仅在于片选信号电平的不同，其他功能完全一样。

在8155的控制逻辑部件中，设置有一个控制命令寄存器。和一个状态标志寄存器。8155的工作方式由CPU写入控制命令寄存器的控制字来确定，控制命令寄存器只能写入不能读出，8位控制命令寄存器的低4位用来设置A口、B口和C口的工作方式。第4、5位用来确定A口、M口以选通输入输出方式工作时是否允许中断请求。第6、7位用来设置定时器/计数器的操作。

8155的A口、M口可工作于基本I/O方式或选通方式，C口可作为输入输出口线，也可作为A口、B口选通方式工作事的状态控制信号线。其工作情况与8255方式0、方式1事大致相同，控制信号的含义也基本一样。另外，在8155中还设有一个状态标志寄存器，用来存放A口和B口的状态标志。状态标志寄存器的地址与命令寄存器的地址相同，CPU只能读出，不能写入。

在8155中还设有一个14位的定时器/计数器，可用来定时或对外部事件计数，CPU可通过程序选择计数长度和计数方式。计数长度和计数方式由输入给计数寄12存器的计数控制字来确定。

MCS-F51单片机可以和8155直接连接而不需要任何外加逻辑器件。8031和8155的接口方法如图所示

D321514311918CP10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWR8031AHP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322272871819AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC52272829363738391258910711CERDWRIO/MALE6TMROUT接复位电路91716RXDTXDALE/PPSEN101130293TMRIN4RESET8155H8031扩展8155的连接图

图 8031扩展8155的连接图

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B

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在图中，8031单片机P0口输出的低8位地址不需要另加锁存器而直接与8155的AD0～AD7相连，既作低8位地址总线又作数据总线，地址锁存直接用ALE在8155锁存。8155CE端接P2.7，IO/M端P2.0相连。当P2.7为低电平时，若P2.0=1，访问8155的I/O口；若P2.0=0，访问8155的RAM单元。由此我们得到图中的8155的地址编码如下：

RAM字节地址： 7E00H～7EFFH

I/O口地址：

命令/状态口： 7F00H

PA口： 7F01H

PB口： 7F02H

PC口： 7F03H

定时器低8位： 7F04H

定时器高8位 7F05H

下面根据图所示的接口电路，说明对8155的操作方法。

①初始化程序设计。

若A口定义为基本输入方式，B口定义为基本输出方式 对输入脉冲进行16分频，则8155的I/O初始化程序如下：

START： mov dptr, #7F04H; 指向定时器低8位

mov a， #10H； 计数常数10H

movx @dptr, a; 计数常数低8位装入

inc dptr； 指向定时器

movx @dptr, a; 定时器高8位装入高8位

mov a，#40H； 设定时器连续方波输出

mov dptr， #7F00H；指向命令/状态口

mov a， #0C2H； 命令控制字设定

movx @dptr, a; A口为基本输入方式，B口为基本输出方式，开启定时器

读8155RAM的F1H单元内容。

程序如下：

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mov dptr, #7EF1H; 指向8155RAM的F1H单元

movx a, @dptr; F1H单元内容给A

将立即数41H写入8155RAM的20H单元。

程序如下：

mov a, #41H; 立即数给A 。

mov dptr, #7E20H; 指向8155RAM的20H单元

movx @dptr, a; 立即数41H送到8155RAM的20H单元

在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称LED。LED显示块由发光二极管显示字段组成，有7段和“米”字型之分，一片显示块显示一位字符。共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。

由于7段LED显示块有7个段发光二极管，所以其字形码为一个字节；“米”字形LED显示块有15段发光二极管，所以字形码为两个字节。由n片LED显示块可拼接成n位LED显示器，共有n根位选线和8×n根段选线，根据显示方式不同，位选线和段选线的连接也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线则控制显示位的亮、暗。

LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。在多位LED显示时，为了节省I/O口线，简化电路，降低成本，一般采用动态显示方式。动态显示方式是一位一位地分别轮流点亮各位显示器，对每位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮和熄灭时间的比例有关。这种显示方式将七段LED显示器的所有段选位并联在一起，由一个8位I/O口控制，实现各位显示器的分时选通。

下图是LED显示器采用共阴极方式，6个显示器的段选码由8155的PB口提供，位选码由8155的PA口提供（PA口同时也提供行列式未编码键盘的列线），行列式未编码键盘的行线由PC口提供。图中设置了36个键。如果继续增加PC口线，设全部PC口线（PC0-PC5）用作键盘的行线，全部PA口线（PA0-PA7）作键盘列线，则按键最多可达8×6个。

下图中8155的PB口扫描输出总是只有一位为高电平，即PB口经反相后仅精品文档，word文档

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有一位公共阴极为低电平，8155的PA口则输出相应位（PB口输出为高对应的位显示器）的显示数据，使该位显示与显示缓冲器相对应的字符，而其余各位均为2熄灭，依次改变8155的PB口输出为高的位，PB口输出对应的显示缓冲器的数345据。

100Ω×8+5VABCDEFGH71819AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7227285.1KΩ×6373839711CERDWRIO/MALE6TMROUT+5V3TMRIN4RESET8155

图 LED显示器

Title步进电机的驱动方式采用高低压驱动，即在电机移步时，加额定或超过额定值的电压，以便在较大的电流驱动下，使电机快速移动；而在锁步时，则加低于B2SizeNumber额定值的电压，只让电机绕组流过锁步所需的电流值。这样，既可减少限流电阻345的功率消耗，又可以提高电机的运行速度。

Date:File:29-May-2004G:王丹的毕业设计protel芯片扩展.ddb精品文档，word文档

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步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号，因为步进电机的运动不产生旋转量的误差。

在五相十拍得程序中，P1口输出的控制字是在程序中给定的。在五相十拍的控制中，由于控制字较多，故把这些控制字以表的形式预先存放在内部RAM单元中，运行程序时以表的方式逐个取出并输入。

假定正反转控制字依次存放在以point为首地址的内部RAM中，表中内容如下：

Point: DB 01H

DB 02H

DB 03H

DB 04H

DB 05H

DB 06H

DB 07H

DB 08H

DB 09H

DB 10H

DB 00H

DB 01H

DB 10H

DB 09H

DB 08H

DB 07H

DB 06H

DB 05H

DB 04H

DB 03H

DB 02H

DB 00H

;正转A

；AB

；B

；BC

；C

；CD

；D

；DE

；E

；EA

；循环标志

；反转A

；AE

；E

；ED

；D

；DC

；C

；CB

；B

；BA

；循环标志

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程序：

ROUTN： JB F0，LOOP2 ；判正反转

MOV R1，#POINT ；建立正转数据指针

LOOP1： MOV A。@R1 ；读控制字

LOOP2：

LOOP3：

JZ LOOP³ ；结束符转

MOV P1，A

ACALL DELAY ；延时

INC R1 ；数据指针加1

AJMP LOOP1 ；循环

MOV A，#POINT ；建立反转数据指针ADD A，#06H

MOV R1，A

AJMP LOOP1

DJNZ R0，ROUTN ；判步数到否

RET

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（1）步进电机开环驱动原理

,四相,五相,六相等等.无论哪种步进电动机,他们的工作原理都有相同之处:数字式精品文档，word文档

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脉冲信号控制定子磁极上的控制绕组,按一定顺序依次通电,在顶子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转.

步进电动机主要用于开环系统,当然也可以闭环系统.

下图是步进电动机开环伺服系统的原理图,它由以下几部分组成:

脉冲信号源脉冲信号分配后的脉冲信号脉冲分配器功率放大放大后的脉冲信号ABC步进电机开环伺服系统原理

图 步进电机开环伺服系统原理图

脉冲信号源――是一个脉冲发生器,通常脉冲频率连续可调,送到脉冲分配器的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制.因脉冲频率可调,也称为变频信号源.

脉冲分配器――脉冲按一定的顺序送到功率放大器中进行放大，驱动步进电动机工作．用硬件进行脉冲顺序的分配，有时称为环行分配器，也简称环分．

功率放大器――将脉冲分配器送来的脉冲放大，使步进电动机获得必要的功率．

步进电动机――伺服系统的执行元件，它带动工作机构，如减速装置，丝杆，工作台．

（2） 脉冲分配

对每一个五相步进电动机而言，其脉冲分配方式是五相十拍的的．其五相分别用Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ表示．五相十拍的运行方式是Ａ－ＡＢ－Ｂ－ＢＣ－Ｃ－ＣＤ－Ｄ－ＤＥ－Ｅ－ＥＡ顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步转动．要改变步进电动机的转动方向，只需改变通电的顺序即可．

脉冲分配器是将脉冲电源按规定的通电方式分配到各相，该分配可由硬件来实现．在微机控制中，脉冲的分配也可由软件来完成，Ｐ１.０，Ｐ１.１，Ｐ１.２，Ｐ12精品文档，word文档

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