【導(dǎo)讀】1．機(jī)械設(shè)計(jì)部分。3．?dāng)?shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。定蝸輪蝸桿的模數(shù)及有關(guān)尺寸………………第4章數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)………………………足新產(chǎn)品的發(fā)展的要求。隨著數(shù)控技術(shù)的日趨發(fā)展，各國(guó)也。都在研制試用于加工凸輪的數(shù)控銑床。趨勢(shì)，廣泛應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能。外貿(mào)易和交流，因而對(duì)于振興我國(guó)的優(yōu)越工業(yè)具有重大作用，深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。的設(shè)計(jì)思想，學(xué)會(huì)了快速運(yùn)用手冊(cè)，標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料。其目的是不斷提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕人們的體力勞。動(dòng)，逐步代替部分腦力勞動(dòng)。技活動(dòng)、國(guó)防建設(shè)和人民生活的各個(gè)領(lǐng)域。有達(dá)到成熟的程度。因此作為國(guó)家應(yīng)該給予一定的扶持，作為。數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)基地。數(shù)控機(jī)床正朝著高精度、高效率、高自動(dòng)。進(jìn)行控制的外圓柱凸輪加工工作臺(tái)。達(dá)到快速進(jìn)給速度和切削時(shí)最大速度。1)設(shè)計(jì)成果應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)范；2)總體方案，主要部件結(jié)構(gòu)合理；3)控制系統(tǒng)功能完全；機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　

【正文】 8155 的地址已在前面存儲(chǔ)擴(kuò)展中做了按排，其地址占為： 2021～ 2FFF，故可將 P25(26)經(jīng)一反相器直接與 8155 的片選腳 CE 相接， 8155 的各端口地址如表 2～ 2 所示，8155 與 8031 的具體聯(lián)線 如圖 2～ 4 所示，表 2～ 3 為 8155 的I/O 分配表。 端 口 地 址 端 口 地 址 命令 /狀態(tài) 定時(shí)低 8 位 定時(shí)高 8 位 2021H 2021H 2021H P A P B P C 2021H 2021H 2021H 表 2～ 2 8155 各端口地址表 第 3章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 32 此系統(tǒng)中 8155 P1 對(duì)鍵盤(pán)和顯示器進(jìn)行管理。 〈 1〉 鍵盤(pán)，確定鍵盤(pán)的鍵數(shù)及結(jié)構(gòu) 應(yīng)根據(jù)工作的要求，本控制系統(tǒng)采用行列式鍵盤(pán)，即用I/O 線組成 端 口 工作方式 功 能 A B C 輸 出 輸 出 輸 入 鍵盤(pán)及顯示管理 顯示管理 鍵盤(pán)管理 表 2～ 3 8155 I/O 端口功能分配表 第 3章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 33 圖 2～ 4 8155 與 8031 的連接圖 〈 2〉 顯示電路 該控制電路將顯示器與鍵盤(pán)設(shè)計(jì)在一起采用 8155 接口芯片管理電路，它由 4179。 8 個(gè)鍵和 8 位 LED 顯示組成，具體電路見(jiàn) 圖 2～ 5。 第 3章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 34 圖 2～ 5 鍵盤(pán)、顯示接口電路 因?yàn)楹?jiǎn)化電路，鍵盤(pán)的列線及 LED 顯示目的字位控制共用一個(gè)口，都用 8155 的 A口鍵盤(pán)的行線由 8155 的 C口（ PC0～ PC3）擔(dān)任，顯示器的字形數(shù)據(jù)控制由 B 口擔(dān)任， LED 是八段共陰極顯示器，即每個(gè)顯示器由 8 個(gè)發(fā)光二極管組成，二極管的陰極聯(lián)在一起，陽(yáng)極通過(guò) 74LS07 門(mén)分別與 PB 口輸出的字形數(shù)據(jù)相聯(lián)。當(dāng)某發(fā)光二極管陽(yáng)極為高電平時(shí)，此段發(fā)光二極管點(diǎn)亮，七段 LED 顯示器中的七個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)亮后構(gòu)成七筆字形“ 8”，一個(gè)發(fā)光二極管為小豎點(diǎn)， 8155 端口功能分配器見(jiàn)表 2～3。 伺服控制電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)用 8031 的 P1 口進(jìn)行管理步進(jìn)電機(jī)的脈沖發(fā)生采用硬件實(shí)現(xiàn)。 查表選擇兩個(gè) 90BF001 型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) . 電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下 : 第 3章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 35 型號(hào) 主要技術(shù)參數(shù) 相數(shù) 步距 角 電壓 (V) 相電流 (A) 最大靜轉(zhuǎn)矩maxjT () 空載啟動(dòng)頻率 空載運(yùn)行頻率 分配方式 90BF001 4 80 7 2021 8000 4 相 8 拍 外形尺 寸 (mm) 重量 kg 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 外直徑 長(zhǎng)度 軸直徑 90 145 9 1764 又稱反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和經(jīng)久耐用，所以是目前應(yīng)用最為普及的一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)按變磁阻原理工作，因此又稱之為變磁阻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 它的優(yōu)點(diǎn)是：力矩慣性比較高；步進(jìn)頻率高；頻率響應(yīng)快；不通電時(shí)轉(zhuǎn)子能自由轉(zhuǎn)動(dòng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)、壽命長(zhǎng)；能雙向旋轉(zhuǎn)；有適量阻尼；正常電機(jī)無(wú)失步區(qū)。 它的缺點(diǎn)是 :不通時(shí)無(wú)定力矩，每步有振蕩和過(guò)沖。 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的外形結(jié)構(gòu)如圖 2～ 6 所示 第 3章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 36 ??4 ? ? ?1 3 4 X 1 3 41 11 5 51301001 7 03 243 7 5 圖 2～ 6 三相反應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)外形結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)需要步進(jìn)電機(jī)為三相六拍方式，所以選用 YB103 三相六拍環(huán)形分配器。 其引腳功能分別如表 2～ 4 第 3章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 37 引 腳 功 能1 選 通 輸 出 控 制 端 E 02 清 零 端 R3 勵(lì) 磁 方 式 控 制 端 A 14 勵(lì) 磁 方 式 控 制 端 A 05 選 通 輸 入 控 制 端 E 16 選 通 輸 入 控 制 端 E 27 （空）8 （空）9 地（ G ）10 時(shí) 鐘 脈 沖 輸 入 端 CP11 反 轉(zhuǎn) 控 制 端 △12 正 轉(zhuǎn) 控 制 端 + △13 出 錯(cuò) 報(bào) 警 輸 出 端 S14 （空）15 C 相 輸 出16 電 源 V ㏄17 B 相 輸 出18 A 相 輸 出 表 2～ 4 環(huán)形分配器引腳功能 三相六拍工作原理是：采用輔助脈沖串。第一次 A 相通電，轉(zhuǎn)子齒與 A 相定子齒對(duì)齊，磁路如前一樣見(jiàn)圖 2～ 7（ a）；第二次 A 相繼續(xù)通電，再接通 B 相，建立以 B～ B185。為軸線磁場(chǎng)。此時(shí)， A、 B 二相所建立的磁場(chǎng)合成以 C185。～ C 為軸線的合成磁場(chǎng)。 但是這 與 C185?！?C 的磁場(chǎng)有區(qū)別僅是一種假想軸線。因?yàn)榇藭r(shí)在 C185?！?C 極上并無(wú)磁力線通過(guò)，而集中在 A、 B 的四個(gè)磁極第 3章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 38 下，故磁場(chǎng)合力是垂直 C185?！?C 軸線上，所以轉(zhuǎn)子齒既不對(duì)正 A相也不對(duì)正 B 相，而是對(duì)正 A、 B 相二極軸線的角等分線上，致使轉(zhuǎn)子齒相對(duì)于 A 相定子齒前移了 1/6 齒距即 176。 。 第三次 A 相切斷，僅 B 相保持接通，這時(shí)由 B 相建立的磁場(chǎng)與單三拍時(shí) B 相通電的情況一致｛見(jiàn)圖 2～ 7（ c）｝。轉(zhuǎn)子齒相對(duì)于A 相定子齒前移 3176。同理，第四次則保持 B 相通電，再接通C 相，??直到完成 A－ AB－ B－ BC－ C－ CA－ A 的通電順序，每次切換均 使轉(zhuǎn)子齒前移了 176。 。 這種通電方式稱六拍控制方式，即繞組通電換接 6 次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個(gè)齒距。 一般情況下，該芯片的兩個(gè)輸入控制端可直接接地，芯片工作在三相六拍狀態(tài)，只需將 A0 接高電平， A1 接地即可。這樣該芯片所剩的控制端： △、 +△，選通輸出控制端 E，時(shí)鐘脈沖輸入端 CP 及清零端 R 。要正確控制步進(jìn)機(jī)，必須正確控制這些信號(hào)。在此確定：所需的方向及輸入出控制信號(hào)由單片機(jī) P1 口控制，所需時(shí)鐘脈沖由定時(shí)器（ 8155 定時(shí)輸出）提供，需零端亦由 8031 的 P12 口控制，以防亂相。 X、 Y 向步進(jìn)電機(jī)名自 由一個(gè)環(huán)形分配器控制。用 P10，P11 分別作用 X 向所需的方向及輸出控制信號(hào)， P1 P14 分別用作 Y 向的方向及輸出控制信號(hào)。步進(jìn)機(jī)的接口線路的設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖 2～ 8。 第 3章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 39 圖 2－ 8 步進(jìn)電機(jī)接口線路圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號(hào)控制的電動(dòng)機(jī)在負(fù)載能力及動(dòng)態(tài)特性的范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的角位移與控制脈沖數(shù)成正比，在多數(shù)情況下，用電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)中不需要 D/A 或A/D 的相互轉(zhuǎn)換，可采用簡(jiǎn)單的開(kāi)懷系統(tǒng)控制，因而步進(jìn)電動(dòng)第 3章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 40 機(jī)為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)主要的伺服執(zhí)行元件。 (1) 計(jì)算機(jī)接口 在數(shù)控系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的接口電路至關(guān)重要。沒(méi)有接口電路將無(wú)法實(shí)現(xiàn)微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。 8031 單片機(jī)一般含有 4 個(gè)并行 I/O 口，可以采用 P1 口或 8155 可編程并行輸入輸出接口芯片設(shè)計(jì)擴(kuò)展接口電路，用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)及其它外部設(shè)備。 (2) 脈沖分配器 脈沖分配器又稱環(huán)形分配器，是驅(qū)動(dòng)電路不可缺少的重要環(huán)節(jié)，步進(jìn)電機(jī)的控制方式由環(huán)形分配器來(lái)加以實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列脈沖按一定的分配方法和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。 所選的脈沖分配為 TTL 集成電路 YB013 它為 18 個(gè)管腳的直插式封裝，外圓拄凸輪加工工作臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)中采用 YB013硬件分配器的步進(jìn)電機(jī)接口線路， YB系列脈沖分配器的引腳功能如下： 0E — 選通輸出控制 1E 、 2E — 選通輸入控制 A0、 A1— 勵(lì)磁方式控制 CP— 時(shí)鐘脈沖輸入 +Δ— 電機(jī)正轉(zhuǎn)控制電位 Δ— 電機(jī)反轉(zhuǎn)控制電位 A、 B、 C— 輸出控制 R — 清零端 第 3章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 41 A0、 A1— 確定通電方式，通電相數(shù)和拍數(shù) A0 接高電平為三相六拍工作方式 (3) 隔離電路的設(shè)計(jì) ① 高壓電源電壓的確定 負(fù)載電路的時(shí)間常數(shù)： h / / ( )nL R s? ? ? ? 單穩(wěn)翻轉(zhuǎn)時(shí)間： 312bt fr? [13] fr— 運(yùn)行頻率，取fr=1270Hz 231 0 .5 2 5 ( )2 1 .2 7btSKH? ? ? 則0 .51 50 .961 .5 3 .2 9 1 1 .4 1 211 ibiMH tIRE v Vee ????? ? ??? 取 ② 元器件的確定 功率放大器放大級(jí) T1， T2選用復(fù)合管 YZ23F；硅型流管 DD2 選用 2CZ13A。 表 31 復(fù)合管 YZ23F性能表 BUCBO (V) BU(CEO) (V) BU(BEO) (V) ICEO (mA) UCES (V) VBE (V) hfz (倍 ) Icm (A) Pcw (W) T1 (℃ ) ≥ 200 ≥ 80 ≥ 3 2 ≤ ≤ 3000 10 50 150 第 3章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 42 5000 表 32 2CZ13A主要參數(shù) 額定工作 電壓 (V) 額定電流 IF(mA) 正向電壓降 UF(V) 反向電流 IR(Ma) 20℃ 125℃ 100 5000 ≤ ≤ 1 ≤ 20 確定 R R6 的值 從 T T2 特能數(shù)據(jù)知 UBE≤，取 UBE= 而步進(jìn)電機(jī)相電流 In=7A， T1 基極電流 IB1=In/hFE 經(jīng)查復(fù)合管 YZ32F性能表，取 hFE=4500 則 IB=7/4500=(mA) T1等效輸入電組 RT1=UBE/IBI=103= 選光電隔離器輸入電流 Ii=10mA,查 C0100 系列，知 GR =30﹪ ,I5=IiCTR=1030﹪ =3mA I5=I6+IB1 I6R6=UBE ∴ EN=I5R5+UBE 即 En=80V R5= R6= ④ 確定 R1(或 R2) 因 Ii=10mA，查 C0100 系列表得到光電隔離器輸入正向壓降為，則 R1=()/10103=340Ω ⑤ 確定人 R R4 負(fù)載的平均阻抗 / 8 0 / 7 1 1 .4 ( )nnZ E I? ? ? ? T2的飽和電流 ? ?2 ( 2 ) /H n CE SCBI E E U Z? ? ? 經(jīng)查 2GEBA 得 UCES=2(V) 第 3章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 43 Ics(2)=(2448022)/=14A IB2=ICS(2)/nFE=12021/4500=(mA) I3=I4+IB2 , I4=I3IB2 I3=IiCTR=3mA, ∴ I4=(mA) 0 點(diǎn)電位 U0 為U0=[(EHUCES)+(EHEn)]/2=[(2442)+(24480)]/2=203V T2的等效輸入電阻為： RT2=UBE/IB2=103=940Ω R4=UBE/I4=103=760Ω R3=(EHU0UCES)/I3=(2442032)/3103=1300Ω ⑥ 確定 R7 的值 R7=5/10103=500Ω 圖 31 單穩(wěn) T4221 當(dāng)單穩(wěn) T4221 的清零端 CLR 加高電平，口端加低電平時(shí)，第 3章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 44 B 端正躍變可使單穩(wěn)的 Q 端從低電平變?yōu)楦唠娖?，?jīng)一段時(shí)間自動(dòng)翻轉(zhuǎn)成低點(diǎn)平，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)， Q 端輸出一個(gè)脈沖，脈沖寬度由外接電阻 RT 和 CX 決定，即脈沖寬度。 tb=RTCXIn2取 RT=10KΩ， CX=tb/RTIn2 74221 為單穩(wěn)態(tài)多諧震蕩