1、一、前言隨著科學技術的迅猛發展，數控機床已是衡量一個國家機械制造水平的重要標志。目前機床數控化改造的市場在我國還有很大的發展空間，現在我國機床數控化率不到3。用普通機床加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業的產品、市場、效益，影響企業的生存和發展，所以必須大力提高機床的數控化率。采用經濟型數控系統對普通機床數控改造，尤其適合我國機床擁有量大、生產規模小的具體國情。電氣時代、機械工人、電氣應用等多家雜志為滿足廣大企業技術改造發展生產的需要，多次聯合舉辦學習班，為企業提供權威、經濟、可行、實用的技術指導，改造費用為新購置費用

2、的四分之一到三分之一。 普通機床的數控改造有兩方面的意義：1、 微觀看改造的意義 從微觀上看，數控機床比傳統機床有以下突出的優越性，而且這些優越性均來自數控系統所包含的計算機的威力。 （1）可以加工出傳統機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。 由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 （2）可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統機床提高37倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規定的順序自動去執行，從而實現自動化。數控機床只要更換一個程序，就可實現另一工件加工的自動化

3、，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現了“柔性自動化”。 （3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 （4）可實現多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。 （5）擁有自動報警、自動監控、自動補償等多種自律功能，因而可實現長時間無人看管加工。 （6）由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。 以上這些優越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統）以與CIMS（計算機集成制

4、造系統）等企業信息化改造的基礎。數控技術已經成為制造業自動化的核心技術和基礎技術。 2、宏觀看改造的意義 從宏觀上看，工業發達國家的軍、民機械工業，在70年代末、80年代初已開始大規模應用數控機床。其本質是，采用信息技術對傳統產業（包括軍、民機械工業）進行技術改造。除在制造過程中采用數控機床、FMC、FMS外，還包括在產品開發中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以與在生產管理中推行MIS（管理信息系統）、CIMS等等。以與在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增

5、強。而我們在信息技術改造傳統產業方面比發達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數控機床的比重（數控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已達20.8，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數控化改造的必要性。二、普通機床的數控改造方案的確定1、系統總體改造方案的確定目前，在機械加工工業中，絕大多數是舊式機床，如果改用微機控制，實現機電一體化的改造，會使機床適應小批量、多品種、復雜零件的加工，不但提高加工精度和生產率，而且成本低、周期短，適合我國國情。利用微機實現機床的機電一體化改造的方法有兩種：一種是以微機為中心設計控制部件；另一種是采用標準的步進電機數字控制系統作

6、為主要控制裝置。前者需要新設計控制系統，比較復雜；后者選用國標準化的微機數控系統，比較簡單。這種標準的微機數控系統通常采用單片機、驅動電源、步進電機與專用的控制程序組成開環控制，如圖2-1所示，其結構簡單、價格低廉。對機床的控制過程大多是由單片機按照輸入的加工程序進行插補運算，產生進給，由軟件或硬件實現脈沖分配，輸出一系列脈沖，經功率放大、驅動刀架、縱橫軸運動的步進電機，實現刀具按規定的輪廓軌跡運動。微機進行插補運算的速度較快，可以讓單片機每完成一次插補、進給，就執行一次延時程序，由延時程序控制進給速度。圖2-1 開環控制系統框圖2、 機械系統的改造方案的確定在熟悉原機床的操作過程與傳動系統后

7、，根據設計要求確定系統的機械傳動系統改造方案。包括電機型號的選擇，減速比的確定，齒輪模數與齒輪的確定，原有絲杠與導軌是否要重新更換，改換成滾珠絲杠螺母副時絲杠螺母副的型號與安裝形式如何確定，導軌的設計方法等。對CA6140車床的縱向（Z向）進給運動進行數控改造，此時可將開合螺母合上，離合器脫開，使主運動與進給運動脫開，此時，將脫落螺桿等橫向自動進給機構調至空擋（脫開）位置。若原刀架為自動轉位刀架，則可以由微機控制自動轉換刀具，否則仍由手動轉動刀架。如需加工螺紋，則要在主軸外端或其他適當位置安裝一個脈沖發生器來檢測主軸轉位，用它發出的脈沖來保證主軸旋轉運動與縱向進給運動的相互關系。這種改造方案成

8、本較低。但是，為了保證加工精度，還需根據實際情況進行檢修，才能保證控制精度。原有機床運動部件（包括導軌、絲杠副等）安裝質量的好壞，直接影響阻力和阻力矩的大小，應盡量減小阻力（力矩），以提高步進電機驅動力矩的效率。對絲杠與軸要提高其直線度，導軌壓板與螺母的預緊力都要調得合適。為減少導軌副的摩擦阻力可改換成滾動導軌副或采用鑲塑料導軌。根據阻力（力矩），切削用量的大小與機床型號的不同，應通過計算，選用與之相匹配的步進電機。如果選用步進電機的最大靜轉矩過大，價格就貴，機電一體化改造的成本就高，且對用戶來說，在使用中，始終用不到那么大的驅動能力，也是一個浪費；如果選得過小，在使用中很可能因各種原因而使切

9、削阻力突然增大，驅動能力不夠，將會引起丟步現象的產生，造成加工誤差。因此，必須對執行元件進行匹配選擇。對加工精度較高的機床，其進給絲杠應換成滾珠絲杠副。3、微機控制系統方案的確定（1）、微機控制系統的總體組成數控部分采用MCS-51系列單片機控制，其典型代表有8031、8051、8075等，其中8031的價格低，功能強，使用靈活等特點，比較適用于一般機床的數控改造，但由于其無存，必須外接存儲與I/O擴展芯片才可以成為一個較簡單的微機控制系統。存儲芯片的選擇依據系統控制程序的大小與CPU的字長，I/O擴展芯片的個數根據整個系統需要的I/O通道的個數來確定。（2） 、軟硬件任務合理分配 涉與軟、硬

10、件任務分配的有：控制步進電機的脈沖發生與脈沖分配；數碼顯示的字符發生；鍵盤掃描管理。 上述三個都可以用磚用硬件芯片實現，也可用軟件編程實現。用硬件實現，編程時比較簡單，但同時增加了硬件成本與故障源。用軟件實現，可節省芯片，降低成本，但增加了編程難度。在決定用何種方法實現時，應統籌兼顧，同時還應根據設計者的軟、硬件方面的實際經驗與能力。計算與說明主要結果 三、機床傳動部分的改造（一）系統負載的確定1、 確定系統脈沖當量脈沖當量是衡量數控機床加工精度的一個基本技術參數。經濟型數控車床采用的脈沖當量是0.010.005mm/脈沖，此次改造的CA6140車床在縱向的脈沖當量取0.01mm/脈沖。2、

11、切削力計算用經驗公式計算主切削力對于車床的主切削力縱切：Fz=0.67（N）Dmax車床床身上加工最大直徑（mm） Fz=0.67X=5360（N）按比例分別求出分力Fx和Fy,由Fz：Fx：Fy,=1：0.25：0.4Fx走刀方向Fy切深抗力得：Fx=0.25X5360=1340（N）Fy=0.4X5360=2144（N）作用在進給拖板上的載荷可按下列式子求出：拖板上進給方向載荷：拖板上垂直方向載荷：拖板上橫向方向載荷：（二）滾珠絲杠螺母副的設計、計算與選型1、 計算進給率引力Fm(最大工作載荷)Fm=K Fx+( +G)根據設計任務要求，查表34機電一體化專業課程設計指導書，選綜合型導軌，

12、其K=1.15, 摩擦系數f=0.16, 工作臺重量G=800（N），則：Fm=1.15X1340+0.16X（5360+800）=2526.6（N）2、 計算最大動載荷C=FwFHFm其中：L=；n為絲杠轉速（r/min）,n=;Vs為最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的1/21/3，取Vs=0.6/3=0.2（m/min）;L0為絲杠的導程（mm）;T為使用壽命（h）,對于數控機車T=15000h;為運轉系數，查表35機電一體化專業課程設計指導書取=1.3；取硬度52.5HRC，為硬度系數，取=1.35。考慮到絲杠對加工精度和經濟性的影響，L0應優先取4、6、8（m

13、m）系列；（1）選基本導程L0=4mm,則： 絲杠轉速n=50 (r/min) 壽命L=45 最大動載荷：=FwFHFm=1.31.352526.6=15772（N）（2）選基本導程L0=6mm,則：絲杠轉速n=(r/min)壽命L=30最大動載荷：=FwFHFm=1.31.352526.6=13778（N）（3）選基本導程L0=8mm,則：絲杠轉速n=25 (r/min)壽命L=22.5最大動載荷：=FwFHFm=1.31.352526.6=12518（N）考慮到工作要求，外循環插管式雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副結構簡單，工藝性好，安裝尺寸小，剛度高等優點可以滿足車床改造要求，故選漢江機床廠C1

14、型滾珠絲杠。查機電一體化技術手冊表7.213得相應的額定動載荷滾珠絲杠副的尺寸規格和結構類型，選用時應滿足<。查表，選擇以下驗算：當時，=15772（N），表中額定動載荷顯示： <故基本導程的滾珠絲杠不符合使用要求。當時，=13778（N）。符合滾珠絲杠系列代號40062.5，公稱直徑=40，螺旋角=，滾珠直徑=3.969列數圈數=12.5，=16083N當時，=12518（N） 符合滾珠絲杠系列代號40082.5，公稱直徑=40，螺旋角=，滾珠直徑=4.763列數圈數=12.5，=20202N3、計算式：絲杠螺旋升角，由算得。摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數f=0.0030.00

15、4,其摩擦角約等于；要求>0.9滿足設計要求。絲杠基本導程，絲杠公稱直徑則滾珠絲杠副的摩擦角=當時，=0.942>0.9滿足要求；當時，=0.956>0.9滿足要求。4、剛度驗算 1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量 式中-絲杠的最大工作載荷，單位為N；-絲杠兩端支承間的距離，單位為mm；-絲杠材料的彈性模量，鋼的E=； S-絲杠按底徑確定的截面積，單位為；M-轉矩，單位為；I-絲杠按底徑確定的截面積慣性矩（），單位為。其中，“+”號用于拉伸，“”用于壓縮。由于轉矩M一般較小，式中第2項在計算式可酌情忽略。當=6mm時，取1185mm-絲杠的公稱直徑，-偏心距，-螺紋滾道的半徑。 故

16、若兩端采用角接觸球軸承，且絲杠由進行了預緊，預緊力為最大工作載荷的1/3時，其拉伸剛度可比一端固定的絲杠提高4倍，其實際變形量為：2） 滾珠與螺紋滾道間接觸變形mm（此項在總變形量中也占比較大的比重）有預緊時：式中：-滾珠直徑，單位為；-滾珠總數量，；-單圈滾珠數，（外循環），（循環）-預緊力，單位為N。 Z：一圈的滾珠數（外循環） 取Z=32當滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為軸向工作載荷的1/3時，值可減少一半，即： 3） 剛度驗算 絲杠的總變形量。一般總變形量不應大于機床規定的精度一半。符合條件要求當=8mm時，1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量取1185mm-絲杠的公稱直徑，-偏心距，-螺紋滾道的

17、半徑。 故若兩端采用角接觸球軸承，且絲杠由進行了預緊，預緊力為最大工作載荷的1/3時，其拉伸剛度可比一端固定的絲杠提高4倍，其實際變形量為：2） 滾珠與螺紋滾道間接觸變形mm（此項在總變形量中也占比較大的比重）有預緊時：式中：-滾珠直徑，單位為；-滾珠總數量，；-單圈滾珠數，（外循環），（循環）-預緊力，單位為N。 Z：一圈的滾珠數（外循環） 取Z=26當滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為軸向工作載荷的1/3時，值可減少一半，即： 3）剛度驗算 絲杠的總變形量。一般總變形量不應大于機床規定的精度一半。故符合條件。=6mm,=8mm都滿足要求。以基本導程最大的滾珠絲杠作為最終選擇，即以=8mm的作為計

18、算依據。5、 穩定性的驗算 滾珠絲杠屬于受軸向力的細長桿，如果過軸向負載過大，則可能產生失穩現象。失穩時的臨界載荷應滿足：式中： -臨界載荷，單位為N；-絲杠支承系數；-壓桿穩定安全系數，一般取為2.54，垂直 安裝時取最小值；-滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為。-絲杠材料的彈性模量，E=； I-絲杠按底徑確定的截面積慣性矩（），單位為。 因絲杠兩端固定，取絲杠支撐方式系數；取1185； 壓桿穩定安全系數，取4； 故絲杠不失穩四、電動機的選擇計算（一）減速比的確定 減速比為：i=式中：為脈沖當量（mm/plus）;為滾珠絲桿的基本導程（mm）,步進電機的步距角由系統的定位精度要求可確定系統的脈

19、沖當量為：=0.01mm/plus初選三相異步電動機：根據經濟性要求，采用三相六拍工作方式的步進電機，步距角為=0.75。i=0.75/(3600.01)=1.67(二) 齒輪傳動的確定1、傳動鏈的級數和各級傳動比的選擇 對于數控機車的齒輪傳動，應采用設計、結構和工藝均較簡單，而且易獲得高精度的平行軸漸開線圓柱齒輪傳動。 通常，齒輪傳動鏈的傳動級數少一些比較好，因為可以減少零部件的數目，簡化傳動鏈的結構，并且可以提高傳動精度，減少空程誤差，有利于提高傳動效率。同時較小，故在此選用圓柱直齒輪單級傳動。 一般模數取m=12，數控車取m=2。 齒輪寬b=(36)m，為了消除齒側隙，寬度可加大到（61

20、0）m。z17，取z=30，m=2，則取取中心距 選小齒輪齒數，小齒輪的齒寬度，大齒輪齒數，大齒輪的齒寬度。對斜齒圓柱齒輪采用軸向墊片調整法，修正或改變軸向調整墊片的厚度以減少側隙，但不能自動補償齒隙。（三）步進電機的計算和選用1、轉動慣量的計算（1）齒輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計算M-圓柱體質量（kg）D-圓柱體直徑（cm）L-圓柱體長度或圓度（cm）滾珠絲桿的轉動慣量為齒輪的轉動慣量為查表3.11機電一體化系統設計，因為選用電機限定工作方式的是三相六拍，步距角為，故符合的是：110BF003和110BF004。電機的轉動慣量分別為： 110BF003: 110BF004：（2） 工作臺折算到

21、絲桿的轉動慣量 v-工作臺移動速度(cm/min) n-絲桿轉速(r/min) G-工作臺的重量(N) g-重力加速度(10m/s)-絲桿導程(cm)(3) 傳動系統折算到電機軸上的轉動慣量由于：式中：i-系統總的減速比-各轉動體的轉動慣量(kg.cm)-各轉動體的轉速(r/min)-電機的轉速(r/min)-電機的轉動慣量(kg.cm)（4） 系統總的轉動慣量2、電機力矩的計算主要考慮快速空載起動時所需力矩和最大切削負載時所需力矩。 電機的啟動負載 （1） 空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩式中：-傳動系統折算到電機軸上的總等效轉動慣量(kg.cm)-運動部件最大快進速度(mm/min)-

22、電機最大轉速(r/min)-運動部件從停止起動加速到最大進給速度所需時間(s) 綜上有電機軸上的加速度力矩：（2）摩擦力矩式中：-導軌的摩擦力（N） -垂直方向的切削力（N） G-運動部件的總重量(N) G=800N-導軌摩擦系數 =0.16 i-齒輪總減速比 i=1.67-傳動鏈總效率，一般可取則有：（3）附加摩擦力矩式中：-滾珠絲桿預加負載（N）,一般取工作載荷的-滾珠絲桿導程(cm) -滾珠絲桿未預緊時的傳動效率，一般取則有：（4） 折算到電機軸上的切削負載力矩式中：-進給方向最大切削力（N） 快速空載起動時所需力矩最大切削負載時所需力矩在、兩種力矩中取大者為選擇步進電機的依據。對于大多

23、數數控機床來說，因為要保證一定的動態性能，系統時間常數較小，而等效轉動慣量又較大，故電機力矩主要是用來產生加速度的，而負載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動力矩作為選擇步進電機的依據。3、步進電機的選擇（1）首先根據最大靜態轉矩初選電機的型號 步進電機的起動轉矩： 由，所以 電機的起動力矩與最大靜態轉矩之間具有以下關系，見機電一體化專業課程設計指導書表310）：，（因電機工作方式為三相六拍，故取=0.866）查表3.11機電一體化系統設計， 110BF003：=784N.cm 110BF004：= 因為，所以型號為110BF003和110BF004均符合要求，但是，型號為110BF00

24、3的步進電機更符合要求，因為=，裕度較大；且110BF003的最大靜態轉矩比110BF004的大，靜態轉矩越大，自鎖力矩越大，靜態誤差就越小。故選型號為110BF003的三相六拍的步進電機。（2）計算電機的工作效率1） 最大空載起動頻率式中： -為運動部件最大快速進給速度（m/min）， 故： 滿足要求2） 切削時的最大工作頻率式中： 為最大切削進給速度（m/min） 故： 由上述計算可知：系統要求的空載起動轉矩頻率要大于電機的空載起動頻率1500Hz,且很難找到空載起動頻率滿足要求的電機型號，可以采用調壓起動等方式起動電機使電機的空載起動頻率滿足要求；而電機運行頻率7000Hz可以滿足系統要

25、求。（2） 校核步進電機1） 校核步進電機轉矩和慣量的匹配條件為了使步進電機具有良好的起動能力與較快的響應速度，通常推薦： 式中：-步進電機的最大靜態轉矩（N.cm），見電機一體化系統設計表3-11得： （110BF003）（110BF004） -傳動系統折算到電機軸上的負載轉矩（N.m）；-步進電機轉子的轉動慣量(kg.m)，見電機一體化系統設計表3-11得： （110BF003）（110BF004）-傳動系統折算到步進電機轉子上的等效轉動慣量 ()，。 故所選步進電機110BF003具有良好的起動能力與較快的響應速度，滿足要求。 故110BF004符合要求2） 校核起動轉矩頻率特性和運行轉

26、矩頻率特性 根據計算出的最大空載起動頻率和切削時最大工作頻率分別查出在此頻率下電機不失步是所允許的最大力矩 和，應滿足： ， 一般數控機床往往不能滿足 的要求，必須采用升降速措施。如果過步進電機起動力矩還不能滿足要求，則可以采用高低壓驅動功放電路，將步進電機起動力矩在擴大一倍左右。五、系統微機部分改造設計（一） 單片機的選擇根據總體方案的鑒定，微機已采用MCS-51系列單片機，51系列相對48系列單片機指令更豐富，相對96系列價格更便宜，51系列有三種型號：8031是無ROM的8051；8751是EPROM代替ROM的8051。目前，數控機床中應用最多的是8031單片機，他價格低，功能強，使用

27、靈活等特點。本設計采用8031。（二） 擴展存儲器設計1.地址鎖存 由8031的P0口分別作地址總線低8位和數據總線，故需采用74LS373作為地址線低8位的鎖存器。2.擴展ROM 8031無部ROM，須采用擴展外部ROM，由車床數控系統包含系統控制程序和加工程序，采用16K*8的27128芯片，可與單片機所選的12MHZ時鐘相匹配。 ROM的地址圍為0000H3FFFH，并且采用譯碼器，使地址圍為無重疊區。3.擴展RAM 8031片僅有RAM128字節需擴展，采用8K*8的6264芯片，其地址圍 6000H7FFFH，也采用譯碼器，使其無重疊區的地址圍。（三）I/O擴展 8031只有P1口可

28、作為普通I/O口用，所以需擴展，需要計算一下總共需多少I/O口線，設計中，鍵盤需要32個鍵，采用矩形陣式鍵盤。需要13個I/O口；顯示器采用8個LED，需要9個I/O口；一個三相步進電機，采用硬件脈沖分配器，需要5個I/O，兩個主標軸的超程式報警與故障顯示與急停均采用8031的I/O口，不做存擴展口計算，為使系統出現故障時，仍可控制自動轉換刀具或用手動轉動刀架，需要6個I/O口；為控制工作臺X軸，Z軸的速度和位移，使其具有暫停功能，起動鍵可繼續執行與單步控制功能，需采用一個8155芯片和一個8255芯片，肯定可以滿足要求。（四）超程保護電路為防止X，Y工作臺越出邊界，可設置限位開關，分別為+X

29、，-X，+Y和-Y向4個限位開關，一旦越界，立即停止工作臺移動。可利用8031的外部中斷引腳INT0，只要有一個開關閉合，即工作臺越界，立即停止工作臺移動。（五）緊急停電電路 可采用兩點控制環節，為便于操作人員的操作也應經過隔音電路。（六）鍵盤與顯示電路 采用一片8155。（七）由地址圍計算74LS138譯碼器接口電路1.芯片27128地址圍0000H3FFFH，共有13個引腳。C B 0 0 0 0 00 011 1查機電一體化系統設計表4-6 74LS138功能表C B A，0 0 0 0 0 1 0 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 11 1 1 1 1 1 1 01

30、 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1由于27128需要13個引腳，所以在74LS128中引腳A接地，由C，B引腳來確定中的選擇。由地址圍可知CB為00，所以選擇腳，即當=0，=0和=0時為0000H=0，=0和=1時為3FFFH2.芯片6264地址圍6000H7FFFH需要12個引腳。 C B 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1查表4-6 ，74LS138功能表可知CB為0 1時，選腳3. 8155和8255

31、地址圍 CB控制方式有=4種，為C B0 0 271280 1 62641 0 1 1 00為27128所采用，01為6264所才采用，則8155和8255在10和11中選一個即可，現8155采用10對應，8255采用11對應，所以8155地址圍為8000HBFFFH，8255地址圍為C000HFFFFH。（八）驅動電路設計根據所選的110BF003型電機有參數相數步距角電壓電流最大靜轉矩空載起動頻率空載運行頻率電感電阻分配方式110BF0033075806784150070003550373S相6拍1、確定步進電機運行頻率（1）確定步進電機最大轉速絲桿的轉速為： 其中為工作臺的最大切削速度步

32、進電機的最大轉速為：（2）確定其運行頻率步進電機采用三相六拍方式的控制脈沖 2、驅動回路的時間常數 采用三相六拍方式的控制脈沖。每相工作三拍改變依次通電狀態，但為了每一拍都能正常工作，每拍脈沖寬度的時間電流上升至額定電流的60%，即 負載回路的時間常數為： 因此式中：L-步進電機一相繞組的平均電感量；-通電回路的電阻。L和由機電一體化系統設計（表3-11反應式步進電機技術性能數據）。3、若選用線路簡單的串聯電阻法改善靜電流上升沿，其時間常數為：則： 其中：所以 需要串聯如此大的電阻，在該電阻上損失的功率為1.26kw顯然很不合理，所以采用雙電源電路。4、高壓電源電壓的確定 電機每相工作三拍改變

33、一次通電狀態，設要求在控制脈沖寬度時間相電流達到額定電流的60%，這個時間也就是高壓電源工作時間，即單穩翻轉時間，其值為： 高電壓電源電壓5、元件的確定 （1）為了使電路簡單、緊湊，功率放大T1和T2選用復合管2SD8511501503102830001080150（2）確定和從和性能數據知，負載電流，基極電流為：式中：-電路放大倍數因此等效輸入電阻為：光耦合器選用：G0102光耦合器光敏三極管的輸入等效電路見下圖：從等效電路可得：=+=8.0=-=72選擇耦合器輸入電流=10mA(最大的電流為50mA),電流傳輸比=30%；=1030%=3mA解上述方程組得：；。（3）確定 前面已選定耦合器

34、輸入電流=10mA，可得到光耦合器輸入正向壓降為1.3V，所以=（51.3）/=370。（4）確定，a, 若使電流上升沿陡，希望T2工作于飽和狀態（實際還沒有達到飽和電流，單穩已翻轉成低電平）。首先確定基極電流。負載的平均阻抗：/=80/6=13.3b,T2的飽和電流：=（-2-）/ =（192-22-80）/138.31AT2基極電流應為：=/ =8.31/3000 =2.77mA光耦合器輸入電流為100mA，所以：光耦合器輸出電流：= =10 =3.3mA因此：=-=3.3-2.77 =0.53 mAC, 求（0點電位） 在期間0，是變化的，變化圍近似為2至，計算時取平均值：=（2）+（）

35、/2 =（192-2）+（192-80）/2 =151VT2的等效輸入電阻為：=/ =8/0.35 =22.86K=（-）/ =（192-2-151）/3.3 =11.82Kd, 確定R9為提供給單穩和驅動門足夠輸入電流（各5mA），所以：R9=500e, 選擇D1，D2選用2CZ13A硅整流二極管f, 單穩態多諧振蕩器74221翻轉時間的確定 當單穩74221的“清除端”加高電平A端加低電平時，B端正躍變可使單穩的Q端從低電平變成高電平，經過一段時間自動翻轉成低電平，恢復到穩定狀態，Q端輸入一個脈沖，脈沖寬度由外電阻(取10K)和決定，即：=Ln2則： =/（Ln2） =0.667/（Ln2

36、 10） =0.096F74221為雙單端多諧振蕩器，步進電機需用3片74221。Fz=5360（N）Fx=1340（N）Fy=2144（N）Fm=2526.6（N）=15772（N）=13778（N）=12518（N）因為<基本導程的滾珠絲杠不符合使用要求時=0.942>0.9滿足要求時=0.956>0.9滿足要求=0.00351(mm)=0.00128(mm)=6mm時（mm）符合=0.0037=0.0014(m m)=8mm 時=0.0051(m m)符合選用基本導程為8mm的滾珠絲杠，型號為4008-2.5絲杠不失穩。當使用110BF003電機當使用110BF004電

37、機當使用110BF003電機當使用110BF004電機當使用110BF003電機當使用110BF004電機初選型號為110BF003的三相六拍的步進電機最終選用110BF003步進電機采用8031采用74LS373采用27128采用6264采用8155和采用8255采用8155=1020HZ采用雙電源電路T1和T2選用復合管2SD851光耦合器選用G0102=370=10K=0.096F六、微機控制系統軟件設計（一）模塊組成本程序主要由如下模塊組成：1、主模塊用于系統初始化和監控；其中初始化包括8155初始化、緩沖區清零、定時/計數常數的設置、開中斷等處理；監控主要判斷是否有命令按下，并根據命

38、令調用相應的子程序模塊。主模塊流程圖如下；根據鍵盤功能鍵的設定，相應的子程序模塊包括“”、“”、“”、“”各個命令與“暫?！泵钐幚砟K。這里設定一標志，其作用是反映XY工作臺的當前運動方向。標志位為部RAM區的2BH ，其定義如下：2BH單元值當前運動方向（2B）=01H +X（2B）=02H -X（2B）=03H +Z（2B）=04H -Z（2B）=00H 初始時為00H2、子程序模塊使用暫停鍵“STOP”子模塊，暫停鍵功能是暫時使XY工作臺停止移動，因此只需停止步進脈沖信號即可。3、越界報警、急停處理模塊本模塊的主要功能是當XY工作臺移動越出邊界時進行應急處理，停止一切正常工作，由復位重

39、新使系統處于正常工作狀態。報警用紅燈亮指示。4、實時修改顯示緩沖區數據模塊根據鍵盤的接口電路，可以用編程掃描方式和定時掃描方式。這里選擇后一種，用定時中斷模塊同時完成鍵盤和顯示的掃描。對于鍵盤掃描，應該解決去抖動問題，一般調用延時10ms左右來實現，而對于顯示掃描，為保證多位同時顯示而無閃爍，應使掃描頻率高于50Hz。設定定時時間為3ms，即每隔3ms中斷1次，修改一次顯示位，每位顯示的點亮時間是3ms，掃描一遍共需5×3=15ms，掃描頻率約64Hz，高于50Hz。 鍵盤采用每隔3×3=9ms掃描一次，其目的是消除鍵盤抖動。設置一標志位，其地址為存RAM30H單元，用于計

40、數中斷次數，當其等于3時，正好隔9ms，馬上查詢鍵盤。另外還應設一標志位，用以標志連續兩次查詢到按鍵值是否一樣，其地址為31H，定義如下：（31H）=1，表明上次查詢有鍵按下；（31H）=0，則為無鍵按下。只要當上次有鍵按下，且隔9ms后再次查詢有同一鍵按下時，才能確認有鍵按下，否則均視為誤動作，不予理睬。5、鍵盤、顯示定時掃描管理模塊本模塊采用中斷方式，其作用是通過對8155定時/計數的輸出信號，也即對步進脈沖進行計數，來修改顯示緩沖區中工作臺當前工作位置。根據步進電機的實際脈沖當量，一個步進脈沖，相當于工作臺位移增量為0.01mm，可以設定中斷計數常數為10，每中斷一次，工作臺運動0.1mm，這里用部RAM單元為中斷次數計數器。（二）緩沖區設置應設置兩個緩沖區：鍵盤緩沖區和顯示緩沖區。1、鍵盤緩沖區主要用于存放由鍵盤輸入的命令，長度為4字節，地址為8031部RAM區20