机电一体化（专科）课程设计(5)

（5）初选步进电动机型号

根据估算出的最大静转矩Tjmax步进电动机技术手册中查出90BF004的最大静转矩为245N2cm大于五相10拍时的最大静转矩 Tjmax=53.48N2cm，而且有较大的余量，因此决定选用90BF004步进电动机。从表中看出，90BF004步进电动机的最高空载起动频率为4000Hz,，能满足fk（3666.7Hz）的要求。

（6）校核转矩

90BF004的转子转动惯量JM=1.8N2cm，因此传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J?（kg2cm2）为

J??JM?JL??1.8?2.445?kg?cm2?4.245kg?cm2步进电动机起动转矩Tq（N2cm）

Tq?J???J??J?2?nmax?10?2?J?60ta2?vmax?b360?p60ta?10?22?vmax?b?10?2360?60?pta2??2200?0.75?10?2360?60?0.01?0.03?67.92N?cm?4.245?最大静转矩Tjmax（N2cm）

Tjmax?Tq/??67.92/0.951?71.42N?cm

90BF004的最大静转矩为245N2cm大于五相10拍时的最大静转矩 Tjmax=71.42N2cm，而且有较大的余量，因此90BF004满足转矩要求。

因为

JM/J??1.8/4.245?0.424

因此满足负载匹配要求。

最后，选择90BF004步进电动机作为旋转—运动单元传动系统的驱动机构。 4.2机械部分结构设计

经过计算，此次回转体数控测量装置回转单元采用90BF006型步进电动机，经过两对齿轮减速，齿轮齿数Z1=20，Z2=36，Z3=20，Z4=40，模数m=2；直线单元采用90BF004型步进电动机，经一对齿轮减速，齿轮齿数Z1=24，Z2=25，模数m=2，滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，滚丝杠螺母副选用的是W1D2005 2.5圈l列外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠螺母副。

附图A为回转体数控测量装置装配图，设计时可以考虑以下问题：

1、为减小摩擦力，直线单元采用双V型滚动导轨，用方头长圆柱紧定螺钉66对导轨进行预紧，调好以后，再用内六角圆柱头螺钉69锁紧。一共采用了14个方头长圆柱紧定螺钉和16各内六角圆柱头螺钉对导轨进行预紧和锁紧。

2、滚珠丝杠两端通过轴承和轴承座进行支承，为保证滚珠丝杠与滚动导轨在垂直面的平行度，需要利用轴承座螺钉过孔来调整。调整方法是，先调松轴承座紧固螺钉45，然后左右微微移动两个轴承座，指导丝杠转动灵活后，调紧紧固螺钉45，并打入圆锥销48定位。

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滚珠丝杠与滚动导轨在水平面的平行度靠刮研轴承座底面，或通过在轴承座和底座之间加装垫片，靠修磨垫片的厚度来保证水平方向的平行度。

3、滚珠丝杠左右各采用一个深沟球轴承和推力球轴承，以支承丝杠和进行轴向固定。当丝杠受到向左的轴向力时，，通过丝杠右端的圆螺母传给推力球轴承动圈、钢球，经不动圈传给轴承座端盖再传到底座。当丝杠受到向右的轴向力时，通过丝杠左端的圆螺母传给推力球轴承动圈、钢球，经不动圈传给轴承座端盖再传到底座。回转单元的主轴采用两个深沟球轴承和一个推力球轴承来进行支承和轴向固定。由于主轴只有在一个方向有轴向力的作用，因此只采用了一个推力球轴承，其轴向固定的过程是这样的，当主轴受到顶尖通过工件作用的向左的轴向力时，主轴的轴颈就作用推力球轴承的动圈，经过钢球传到不动圈、挡圈、深沟球轴承外圈、轴承端盖，最后到主轴箱。向右的轴向力非常小，深沟球也具有承受一定的轴向载荷的能力，因此不再采用推力球轴承。必须注意丝杠所受的轴向力必须传到底座上，另外要注意推力球轴承不动圈和轴颈之间必须画出空隙。

4、本设计中回转单元齿轮的消除间隙采用了两个薄片齿轮，中间开有三个月牙形的槽放入压簧，并用三个内六角圆柱头螺钉8固定。这种消隙齿轮的装配顺序是：首先将双片齿轮相对转动一个齿距，使双片齿轮的齿对齐，弹簧受压，上紧螺钉，装入箱体后，将螺钉松开，弹簧将双片齿轮沿周向错开，以消除齿轮间隙，然后将螺钉上紧。因而在设计时，要留有可伸入六角扳手的孔。弹簧两端用削编的销子压住。直线单元齿轮的间隙采用调整中心距法来消除。因为步进电动机90BF004是以Ф70H8/h7止口在齿轮箱56上定位，刮研齿轮箱56的底座，可使电机及小齿轮31的中心下降，这样就减少大小齿轮的中心距，消除齿轮的间隙。当然，也可以在齿轮箱56和底座之间加垫片，用修磨垫片的厚度来改变两齿轮的中心距，从而消除齿轮间隙。

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第五章 微机数控系统硬件电路设计

5.1单片微机数控系统硬件电路设计内容

当前，在经济型数控机床控制系统中广泛采用美国Intel 公司的MCS-51系列单片计算机，因此本章着重介绍用MCS-51系列单片微机构成的控制系统的设计内容，方法及步骤。

单片微机数控系统硬件电路设计包括以下几部分内容： 1、绘制系统电气控制的结构框图

根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。

数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。

车床硬件电路由以下五部分组成。 （1）主控制器，即中央处理单元CPU

（2）总线，包括数据总线，地址总线和控制总线。 （3）存储器，包括程序存储器和数据存储器。 （4）接口，即I/O输入/输出接口电路。

（5）外围设备，如键盘，显示器及光电输入机等。见图3.1

图4.1 数控系统硬件框图（开环系统）

2、选择中央处理单元CPU的类型

在微机应用系统中，CPU的选型应考虑以下因素：

（1）时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度。 （2）可扩展存储器（包括ROM和RAM）的容量。 （3）指令系统功能，影响编程的灵活性。 （4）I/O扩展的能力，即对外设控制的能力。

（5）开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。

此外还要考虑到系统的应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经

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济性的要求。

目前在经济型数控机床中，推荐使用MCS-51系列单片微机作为主控制器。 3、存储器扩展电路设计

存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。

在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。

在存储器扩展电路的设计中还应该包括地址锁存器和译码电路的设计。 4、I/O即输入/输出接口电路设计

应包括接口芯片的选择，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计（例如复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等）。

此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括。 5.2 MCS-51系列单片机简介

MCS-51系列单片微机是美国Intel公司在MCS-48系列单片微机基础上推出的产品，于1980年问世，它的集成度很高，是集片内存储器、片内输入/输出部件和CPU于一体的优良的单片机系统，在我国已广泛地应用于经济型数控机床。

MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8751具有片内EPROM,但价格是8051的10～15倍，所以适合于开发样机，小批量生产和需要在现场进一步完善的场合。8051的EPROM程序是Intel公司制作芯片时为用户置备的，因此在国内很难采用8051型芯片。而8031片内无ROM，适用于需扩展ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。因此选用8031芯片。

1、8031单片机的基本特征 8031单片机具有以下特点：

（1）具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）。 （2）片内有时钟发生器（6或12MHz）、每执行一条指令时间为2或1?s。 （3）片内具有128字节RAM。 （4）具有21个特殊寄存器。

（5）可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器。 （6）具有4个I/O口，32根I/O线。 （7）具有2个16位定时器/计数器。

（8）具有5个中断源，配备2个中断优先级。 （9）具有一个全双工串行接口。

（10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。

图4.2 8031芯片引脚及功能图

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从上述特性可以看出，一块8031的功能几乎相当于一块Z80CPU、一块RAM，一块Z80CTC、两块Z80PIO和一块Z80SIO所组成的微机系统。可以看出这种芯片集成度高，功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。

2、8031芯片引脚及其功能

8031芯片具有40根引脚，其引脚图如图4.2所示 40根引脚按其功能可分为四类： （1） 电源线2根

Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接+5V。 Vss：地电平。 （2） 晶振：2根

XTAL1：振荡器的反相放大器输入。使用外部震荡器是必须接地。

XTAL2：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。

（3） I/O口共有p0、p1、p2、p3四个8位口，32根I/O线，其功能如下： 1）P0.0～P0.7 （AD0～AD7）

是I/O端口O的引脚，端口O是一个8位漏极开路的双向I/O端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口。（在此时内部上拉电阻有效）

2）P1.0～P1.7

端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道，专供用户使用。 3）P2.0～P2.7 （A8～A15）

端口2的引脚。端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8～A15 4）P3.0～P3.7

端口3的引脚。端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口，该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与P1口完全相同，第二功能如下示：

口引脚 第二功能

P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 INT0（外部中断） P3.3 INT1（外部中断） P3.4 T0（定时器0外部输入） P3.5 T1（定时器1外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD（外部数据存储器读选通）

由上面看出，单片机和Z—80单板机不同，不是将地址总线，数据总线和控制总线分开，而是地址线、数据线和部分控制均由I/O口完成。

（4）控制线 1）PSEN：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。

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