基于C616车床的纵向进给系统的机电一体化改造设计1.doc

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1、河南机电高等专科学校毕业设计论文论文题目：基于C616车床的纵向进给系统的机电一体化改造设计系 部 机电工程系 专 业 机电一体化 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 2012年5月8日摘要针对现有常规C616普通车床的精度低、生产效率低、劳动强度大等缺点提出数控改造方案，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本设计主要是针对C616车床的纵向进给系统进行改造。机械部分采用步进电动机与一级减速器相配合来驱动滚珠丝杠，然后再通过滚珠螺母副传动工作台运动。电气部分采用MCS8051单片机来对步进电动机进行适时有效的控制，通过输入程序来更好的解决形状复杂、精密、难加工的问题。这次设计可以准确

2、地实现规定的动作、自动化程度较高、能灵活迅速的适应加工零件的更变。改造后的机床适应于中小型企业。关键字：C616车床，步进电动机，单片机，滚珠丝杠 AbstractTo remedy the defects of ordinary lather C616, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machines usage, and to

3、improve production rate。This design mainly is aims at the C616 lathe Longitudinal to enter for the servosystem transformation. The machine part uses step-by-steps the direct motor drive ball bearing guide screw, then vice- moves the work table operation again through the ball bearing nut. The electr

4、ic appliance partially uses the MCS-8051 monolithic integrated circuits to come to step-by-step the electric motor to carry on at the right moment the effective control, at the same time in order to be advantageous for the man-machine conversation, comes the question through the input routine which

5、the better solution shape complex. Precise is difficult to process.This design may accurately The realization stipulated the movement, the automaticity are high can nimble rapid adaption processing components changng.Keyword:C616Lathes, stepper motor, SCM, precision目录1 绪 论12机械部分设计32.1 设计框图及机械结构改进设计4

6、2.2 转动惯贯的计算42.3负载转动矩计算及最大静转矩选择52.4 步进电机的选择72.5 确定系统的脉冲当量92.6 切削力的计算92.7滚珠丝杠螺母副的计算和选型102.7.1 计算进给牵引力102.7.2 计算最大动载荷C102,8 传动效率的计荷122.9 刚度验算142.10 齿转传动比的计算14 2.11轴的设计与校核152.11.1 初步估算轴的最小直径，并选择联轴器152.11.2 轴的结构设计152.11.3 按弯矩合成强度校核轴的强度172.11.4 按疲劳强度安全系数校核轴的强度193机床纵向伺服进给单元电气控制部分设计223.1 电气控制系统方案的确定223.1.1

7、步进电动机与丝杠的联接223.1.2 8051单片机的选择233.2 步进电动机开环控制系统设计243.2.1 脉冲分配器243.2.2 光隔离电路273.2.3步进电动机驱动电路283.3 8255可编程控制芯片的扩展293.3.1 8255芯片的介绍293.3.8051单片机与8255接口电路的设计293.3.3 8255芯片在设计电路中的控制功能313.4 6264芯片的扩展313.5 辅助电路的设计323.5.1 8051单片机的时钟电路323.5.2 复位电路323.5.3 越界报警电路333.6 操作面板设计的简要介绍333.7 绘制机床电气控制电路原理图34致谢35参 考 文 献

8、36附电气原理图361绪论根据社会调查针对C616车床的使用情况，车床产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通车床已不能适应这些要求，数控车床应运而生。我国大多数企业中存在大量的C616车床，由于C616车床机械部分采用滑动丝杠传动，精度低、质量不稳定，生产效率低，劳动轻度大、劳动条件差；在电气部分，采用交流电机，这已经不能满足现在制造业发展要求，在机械制造业中，数控车床越来越受到企业的欢迎。企业一方面投入大量资金购买数控车床，另一方面更新改造现有普通车床，通过为普通车床添加数控装置，将普通车床改造成数控车床，这是许多中小型企业面临的重要技改措施。改造后的C616数控车床比普通C616车床有以下突

9、出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。发展趋势一片看好，可以说数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。在美国、日本和德国等发达国家，数控车床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于车床以

10、及技术的不断进步，车床改造是个永恒的课题。我国的车床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造车床和生产线具有广阔的市场，已形成了车床和生产线数控改造的新的行业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。数控车床能够适应市场对产品多样化、高精度的要求。因此得到了越来越广泛的应用。但是，商品化的数控机床价格高，一致于推广应用受到限制，而我国又现存有大量的普通车床，利用较先进的数控系统，对现有普通车床进行技术改造，对提高我国机械行业的数控加工技术具有更重要意义。根据我国车床拥有量大，生

11、产规模小的具体国情，将普通车床通过数控化改造为经济型数控车床是我国机械工业技术改造的这样目标。但从我国目前机械工业制造水平与发达国家相比差距较大，而且从目前企业所面临的情况看，因数控车床价格较贵，一次性投资较大，使企业心有余而力不足。因此，对普通车床数控化改造作为一种良好的有效途径。这样车床改造花费少，改造设计针对性强、时间短，改造设计后的机床大多能够克服机床的缺点和存在的问题，生产效率高。本论文主要解决了利用微机将进给伺服系统，改造成开环控制伺服进给系统。拆除原机床的进给箱，利用原车床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱体。滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，这样可减小改装现场，由于

12、滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性略优于以前。2机械部分设计2.1 设计框图及机械结构改进设计图2-1经济性数控车床进给伺服系统总体方案框图本次改造的主要部件有：挂轮箱、进给箱、溜板箱、溜板、刀架等，改造方案不是惟一。挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。图2-2 车床传动系统图进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱组成。丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原处安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板部分：将原溜板中的丝杠、螺母拆除，

13、改装横进给滚珠丝杠螺母副，横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。2.2转动惯量的计算选择步进电动机时必须根据机械传动设置及负载折算到电动机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的力矩，再根据步进电动机最大转矩和起动运行频率特性选择合适的步进电动机。刚体的转动惯量是由质量、质量分布、转轴位置三个因素决定的。 同一刚体对不同转轴的转动不同,凡是提到转动惯量,必须指明它是对哪个轴的才有意义。选择步进电动机时,负载惯量是驱动系统的主要参数之一,它对选择步进电动机,设计传动比等都有十分重要的意义,如果该惯量与电动机的匹配不当,系

14、统就得不到快速反应,甚至失效.所以我们在进行转动惯量计算时，一定要进行多方面的考虑，选择合适的电机是很重要的一步设计，它直接决定设计的成败。表2-1 转动惯量的计算计算项目设计计算与说明计算结果1）工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量2）对材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算式中 D-圆柱形零件的直径（cm） L-零件的轴的长度（cm）所以丝杠向转动惯量3）齿转的转动惯量电动机的转动惯量很小或忽略。因此折算到步进电机轴上的总的转动惯量为0.75/1.5，二种不同脉冲分配方式对应有二种步距角，步距角及减速比i与脉冲当量和丝杠导程有关。初选电机型号时应合理选择及i ，并满足即 (满足)

15、2.3 负载转动矩计算及最大静转矩选择表2-2 负载转矩计计算项目设计计算与说明计算结果1）加速力矩 式中与运动部件最大进给速度对应的电机最大转速（r/min），运动部件最大快进转速（mm/min）式中传动系统各部件惯量折算到电机轴上的转动惯量，为转动部件从静止启动加速到最大快进速度所需时间s2）折算到电动机轴上的空载摩擦力矩折算到电动机轴上的空载摩擦力矩式中 导轨上的摩擦系数 为运动部件的总重力为齿轮传动降速比传动系统的总效率一般0.70.85 滚珠丝杠的基本导程（cm）当 0.8 0.16时即 3）附加摩擦力矩 附加摩擦力矩 丝杠未预紧时的效率，取0.9 预加载荷，一般为最大轴向载荷的1/

16、3.即即 续表计算项目设计计算与说明计算结果4）切削负载力矩切削负载力矩式中 （详见沿进给方向的负载）即结论（1）快速空载起动所需力矩（2）快速进给时所需力矩（3）最大切削负载时所需力矩以上分析计算可知：所需最大力矩发生在快速启动时，2.4步进电机的选择合理选择步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作情况，经分析后才能正确选择。C616纵向进给系统步进电机的选择式中电动机启动力矩，=电动机静负荷力矩为了满足最小步距要求，选择三相六拍工作方式，有下表可知表2-3 步进电相数、拍数、启机动力矩运行方式相数3456拍数36485106120.50.8660.7070.7070.8

17、090.9510.8660.866所以步进电机最大静转矩为 步进电机最高工作频率综合考虑，查表选用110BF003型反应式步进电机。2.5纵向进给系统的设计与计算已知条件 工作台重量 G=400N（根据图纸粗略计算）时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程 行程 S=820mm步距角 快速进给速度 Vmax=3m/min因本次改造的是纵向进给系统，将原溜板箱中的丝杠，螺母拆除，改装成纵向进给滚珠丝杠螺母副。纵向步进电机与齿轮减速箱总体安装在纵溜板左部并与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部位，为保证其同轴度，提高传动精度，使用法兰盘连接牢固。纵向进给伺服系统机械部

18、分的设计计算与选型内容包括：运动参数、动力参数的计算、转动比的分配、转动惯量等计算，计算简图如表2-1所示。图2-3 纵向进给设计简图 2.5.1确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使车床执行部件产生的进给量，它是衡量数控车床加工精度的一个基本技术参数。因此，根据车床精度的要求来确定，对经济型数控车床来说，纵向采用脉冲当量为0.01mm/脉冲。本次仅对C616车床的纵向伺服进给系统进行改造，故取脉冲当量为0.01mm/脉冲。2.6切削力的计算表2-4 切削力计算计算项目设计计算与说明计算结果1）最大切削功率 的计算最大切削功率式中：主电动机的功率（C616车床=8KW），主传动系统的总功

19、率（一般为0.75-0.85）这里取=0.8则切削功率应接各种情况下经常遇到的量大切削力（或转矩）和最大切削速度（或转速）来计算。即式中：主切削力N，V最大切削速度（m/min）KW2）主切削力的计算按用硬质合金刀具是半精车钢件时的速度取V=100m/min则N在进给系统的计算，选用步进电机时，都要用到切削力（机床的主要负载）则可用公式计算出车床切削力。进给抗力和切深抗力可按下列比例分别求出 N因为车刀架夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时，作用在进给拖版上的载荷Fl，Fv和Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系，因此，作用在进给拖板上载荷可以接下式求出：拖

20、板上进给方向载荷N拖板上垂直方向载荷N拖板上横向载荷2.7滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠螺母副初等造型的主要依据是最大动载荷和最大静载荷，初选型号后，还要进行轴向刚度验算和压杆稳定性验算。2.7.1计算进给牵引力计算进给牵引力如表2-2。 2.7.2 计算最大动载荷C由已知参数可知：工进速度为V溜=1m/min 、快进速度为V溜=3m/min、基本导程、步进电机的步距角为0.75/step则丝杠转速为滚珠丝杠寿命系数为式中=寿命时间（h）普通机械为500010000h，数控机床及其他机械电一体化设备及仪器装置为15000h，航空机械为1000h即表2-5牵引力的计算计算项目设计计算与说明计

21、算结果计算进给牵引力 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力和导轨摩擦力，其数值大小与导轨的类型有关，（如车床的纵向导轨）我选用三角形导轨，其牵引力可用下式计算式中：=工作台进给方向载荷=工作台垂直方向载荷=为纵溜板上承载的移动部件重力（N）（实际设计时应根据图纸进行计算或拆卸称量）这里假定为400N1782.4N计算进给牵引力=为考虑颠覆力矩影响的实验系数，三角导轨取1.15=导轨上的摩擦系数，三角形导轨属于普通滑动导轨，取0.150.18，这里取0.16则1.159600.16（3840400）1782.4N根据工作负载寿命L可计算出丝杠轴向最大动载荷C为 N式中 载荷系数如

22、表7,硬度系数如表8。表2-6载荷系数运 转 系 数 值运转状态运转系数无冲击的圆润运转1.0-1.2一般运转1.2-1.5有冲击的运转1.5-2.5表2-7硬度系数硬度系数值硬度HRC6057.55552.55047.54542.5硬度系数1.01.11.21.42.02.53.34.5即根据最大动载荷C，从机电综合设计指导书P18表2-5中，初选滚珠丝杠的型号和有关系数，选用时要注意公称直径和导程，应用优先组合，同时还需要满足数控系统和伺服系统对导程的要求，同时还受最大静载荷的影响和限制，因当滚珠丝杠在静态或低速情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是滚珠与滚道面在接触点上产生塑性变形，当

23、塑性变形超过一定限度就会使滚珠丝杠无法正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠的万分之一，此时的轴向负载称为额定静载荷，选用时应使相应的滚珠丝杠的额定静载荷满足以下条件： （一般使 23）由滚珠丝杠副承受的最大动载荷C，参照机电综合设计指导P22表2-8选滚珠丝杠副规格为GQ3206，内循环滚珠丝杠副螺母安装，1列2.5圈，螺纹升角 ，Ca=21250， 强度足够用，精度选用5级。其几何参数如下：公称直径 mm导程 m m滚珠直径 滚道直径 偏心距 = 螺杆内径 螺母安装尺寸注：3206 （ =6 B=13 h=7）2.8 传动效率的计荷滚珠丝杠螺母副的传动效率可用下式计算式中：为丝杠螺旋升角

24、，摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 ,其摩擦角数约等于即计算载荷时，首先考虑载荷静状态下的工作压力，应视不同的情况进行分析，不同的条件下，其值一般三不会变化的。静载荷在进行计算时是比较容易确定的，并且不容易发生改变。同时还要进行动载荷的考虑，在此次设计中极其重要的，因为动载荷直接决定着整个系统的安全指数，要经过多方为的考虑！表2-8刚度计算计算项目设计计算与说明计算结果2）滚珠与螺纹滚道间的接触弯形量 式中： Dw滚珠直径（）=为滚珠总数量z为一圈的滚珠数(外循环 )(内循环 )-预紧力Fm -滚珠丝杠工作载荷 即 当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，值可减少一半左右所以 3

25、）螺母支承变形量支承滚珠丝杠的轴承为8209型推力球轴承几何参数 =45mm滚动体直径=7.06mm,滚动体数量=20轴承的轴向接触变形式中Fm-轴承所受轴的载（N)-轴承的滚动体数目-轴承的滚动体直径4）滚珠丝杆刚度的验算根据以上计算，丝杠的总变形量由丝杠精度等级（五级），查出规定长度允许的螺距误差为27um/m.故刚度足够5）压杆稳定性验算滚珠丝杆通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。但两端装止推轴承与向心轴承时，丝杠一般不会发生失稳现象，由图13可知丝杠两端装有止推轴承进行支承，故无需进行压杆稳定性验算。2.9 刚度验算纵向进给，滚珠丝杠支

26、承方式如图2-5所示。丝杠螺母及轴承均进行了预紧，预紧力为最大轴向负载荷的1/3，丝杆的变形量计算如上：2.10齿转传动比的计算为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统负载惯量可能小，传动链中常采用齿轮降速传动。已知，纵向进行脉冲当量为0.01mm/脉冲，滚珠丝杠导程为6mm，并初选步进电动机与距离为0.75度/step，由下式可计算出齿轮传动比i (19)式中：-步进电机的步距角（）-滚动丝杠的导程（mm）即 S-纵向进给的脉冲当量（mm/脉冲）选取小齿轮齿数,采用一级齿轮降速，则大齿轮数，由于进给伺服预定传递的功率都不大，齿轮的模数一般取m=2。齿宽 b = 20mm 齿

27、轮直径 两齿轮的中心距2.11轴的设计与校核表2-9 轴的计算计算项目设计计算计算结果选择轴的材料并确定许用应力由于传递的功率不大，而且对其重量及尺寸也无特殊，故选择常用的材料45号钢，调质处理由表查得 HBS=23 强度极限=635Mpa 屈服极限=353Mpa 弯曲疲劳极限=268Mpa 剪切疲劳极限=155Mpa 对称循环弯应力的许用应力=59Mpa2.12 初步估算轴的最小直径，并选择联轴器表2-10计算项目设计计算与说明计算结果初步估算轴的最小直径并选择联轴器由装配可以看出为保证输出轴上零件装拆方便，安装联轴器出轴的直径为轴的最小直径。根据公式查使用机械设计表102 C=110 则

28、选取联轴器，按轴传递的扭矩，查手册，选用YL4型，弹性套柱销联轴器，其轴孔直径为20mm，与轴与丝杠配合的总长度为49mm，故该轴的最小直径确定为 =20mm=20mm2.12.1. 轴的结构设计表2-11轴的设计计算项目设计计算与说明计算结果1）拟定轴上零件的装拆方案由图可以看出，轴上轴承，螺母由右端装配板卸，齿轮左端轴承及左端轴承端盖，由轴的左端装配与板卸2）确定轴的各段直径与长度段长度的确定:为保证齿轮压紧，使从动齿轮的左端面不与箱体内壁发生干涉，则段长度确定为段直径的确定:为此应选择轴承型号，这里初选深沟球轴承6204，查手册可得轴承内径为20mm，宽度为10mm，则段的直径为段长度的

29、确定;段长度为根据以上各轴段的直径和长度，绘制出轴的结构草图，如图3-1a所示，由图可知，轴的总长为 ：可算得轴的支承跨距为段长度确定：因该轴传送的功率不大，结构较简单，应选用价格便宜的深沟球轴承6305。查手册可得轴承内径为25mm,宽度为17mm右端的轴套，根据取L1=12mm。最右端的推力球轴承52205, 查手册可得轴承内径为25mm，宽度为11mm；同时还应选择轴承端盖的类型与尺寸，轴承端盖根据轴径来选，其宽度尺寸为30mm。轴段的右端靠两个的螺母来锁紧，为防止发生干涉，应留调整间隙。考虑以上几个因素尺寸，段长度 段直径的确定:为保证齿轮左端的定位及固定，齿轮左端面轴承高度取为,则段

30、直径段长度的确定：该段为轴环，根据使用机械设计查表10-3，段长段直径的确定:为使齿轮方便装、拆，设置过渡轴肩，则段直径确定为圆整为30mm2.12. 3按弯矩合成强度校核轴的强度 绘制轴的计算简图 齿轮受力分析圆周力径向力 绘制铅垂面弯矩图画铅垂面受力图，计算铅垂面支反力2.12. 3按弯矩合成强度校核轴的强度 绘制轴的计算简图 齿轮受力分析圆周力径向力 绘制铅垂面弯矩图画铅垂面受力图，计算铅垂面支反力 画铅垂面弯矩图计算弯矩值：截面C右侧弯矩截面C左侧弯矩 绘制水平弯矩图画水平受力图，计算水平支反力图2-4 输出轴的设计解得 画水平弯矩计算截面C处弯矩值 绘制合成弯矩图(图3-1e)计算合

31、成弯矩值 绘制转矩图转矩 绘制当量弯矩图为此应先计算当量弯矩,根据合成弯矩图可知,截面C为危险截面,截面C的当量弯矩为考虑到减速器的刹车和起动,转矩产生的切应力应按脉动循环变化,故取则 校核轴的强度由公式所以 该轴的疲劳强度足够。 绘制轴的零件图见附图3机床纵向伺服进给单元电气控制部分设计C616车床是一种小型的车床，对于它的伺服进给单元的机电一体化改造设计，我们从设计内容中可以知道，是用微机控制步进电动机驱动滚珠丝杠带动工作台来完成数控处理和运动控制。由此可见，改造设计后的机床具有一定的数控机床的功能特点，是一种简易经济数控机床，所以，我们就按照经济数控机床进行电气控制部分的改造设计。3.1

32、 电气控制系统方案的确定我们知道对于一些经济数控机床，常采用开环伺服系统，其结构如图3所示工作台驱动电路I/O接口微机步进电机图3-1 开环伺服系统结构原理框图它主要由步进电动机和相适应的驱动电路组成，数控装置发出的指令脉冲驱动电路变换放大传给步进电动机，步进电动机每接受一个脉冲就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母带动机床工作台移动，步进电动机的转速和转过的角度取决于指令脉冲的频率和个数，反映到工作台就是工作台的移动速度和位移的大小。但系统没有位置检测反馈环节，工作台位移到位，其精度取决于步进电机齿距角精度、齿轮传动间隙和丝杠螺母精度等。由此可见，对于我们改造设计的C616车床的纵向伺服进给

33、单元，就采用这种由步进电机驱动的开环控制系统是比较合适的。该系统方案中不使用位置检测元件，也就没有闭环控制系统的稳定性问题。因此，具有结构简单，使用维修方便，可靠性高，制造成本低等一系列优点。对于C616车床精度要求不太高的中小型机床改造设计来说，特别适合适用这种开环步进控制系统方案。3.1.1 步进电动机与丝杠的联接对于经济数控机床，步进电动机应与进给运动的丝杠相联接，这主要是从进给传动链最短发出信息来考虑的。步进电动机与丝杠的联接的方法有两种：一种是与丝杠直接联接在一起，此方法结构简单，但是运行位移的脉冲当量不是5的倍数编程计算时不方便。另一种是在步进电动机输出轴端配置减速器，使减速器输出

34、轴通才联接套于丝杠直接联接在一起，一般改造常采用这种联接方式。所以，C616车床改造设计也采用这种联接方式，而且从前面步进电动机计算和选择中可知选用的是一级齿轮传动。3.1.2 8051单片机的选择根据C616车床最大加工尺寸，加工精度，控制速度以及经济性要求，改造设计后的简易经济型数控机床一般采用8位微机进行控制。在8位微机中，MCS-51系列单片机集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰性强、具有很高的性能价格比。因此，我们设计选择应用MCS-51系列单片机作为控制微机。在MCS-51系列单片机中8051为典型代表，它具有高性能8位CPU、4KROM、128字节RAM、2个16位定时/计

35、数器、4个I/O、一个全双工异步串行口、5个中断源、可访问64K程序存储器空间和64K数据存储器空间。它与其中的8031相比，片内有4KB的ROM，而8031片内没有ROM或EPROM。8031使用时必须配置外部的程序存储器EPROM，而8051就不需要了。但8051的片内ROM和片外ROM 不能同时占有，为了指示机器的这种只有生产厂家或器件设计者为用户提供了一条专用的控制引脚EA，如果EA 接+5V 高电平，则机器使用片内4KBROM，如果EA 接低电平，则机器自动使用片外ROM，而8031引脚EA必须接地。所以，对于C616车床纵向进给伺服系统就采用8051单片机进行数据传递和运动控制。我

36、们改造设计的机床，主要是纵向伺服进给单元机电一体化改造设计，根据下面设计其控制电路原理图如后面附图（B）所示。3.2 步进电动机开环控制系统设计脉冲信号源脉冲分配器光隔离电路功率放大电路图3-2 步进电动机驱动原理框图步进电动机又称脉冲电动机 ，使一种把脉冲信号转换成为线位移或角位移的电动机，常用作数字控制系统中的执行元件。根据前面的设计步进电动机的计算和选择可知，我们设计选用的是三相六拍的反映式步进电动机110BF003由于步进电动机各绕阻按一定节拍依次轮流通电才能转动，控制脉冲频率可控制其转动速度，因此 步进电动机的驱动系统由脉冲发生器，光隔离电路，脉冲功率放大器等组成，其驱动原理框图如下

37、图4所示。脉冲信号源是由CNC系统根据程序控制脉冲频率和频率的个数，脉冲分配器将脉冲信号按一定顺序分配；然后送到放大电路中进行功率放大，驱动步进电动机进行工作，其中脉冲分配器及前面的微机及接口芯片，工作电平一般为+5V， 而作为电动机电源需要符合步进电动机要求的额定电压值。为避免强电对弱电的干扰，在它们之间设计采用光隔离电路。具体电路如下面所设计的3.2.1 脉冲分配器对于开环伺服驱动中，我们设计采用单片机脉冲分配器，如下图5所 设计的8051单片机控制步进电动机的控制电路。P1.08051P1.1P1.2 P1.2光隔离电路驱动电路图3-3 8051单片机控制步进电动机控制原理框图8051单

38、片机的P1口作为输出口，用程序实现脉冲分配功能。对于三相步进电动机，用P1.0，P1.1，P1.2作为输出端，经光电隔离电路，再由驱动电路放大来驱动步进电动机运转。对于我们改造设计的C616 车床的纵向伺服进给单元机电一体化改造，选择的是 三相六拍的反应式步进电动机110BF003。因此，按三相六拍的步电动机的通电顺序，可以得出P1口的输出控制字表如下表2所示。由表2可见，步进电动机第一个状态字为01H，从上而下输出控制字，步进电动机正转。从正转最后一个状态字05H 之后加上反转第一个控制字01H，此时，再接着输出控制字时，步进电动机反转，假设这些控制字存在，根据状态字在存储器地址以及读取控制

39、字的顺序，可以画出三相六拍步进电动机的控制程序框图如下图6。表3-1P1口输出控制字转向通电顺序D7，D6，D5，D4，D3，D2，D1，D0控制字正转A 0 0 101HAB 0 1 1 03HB 0 0 102HBC 1 1 006HC 1 0 104HCA 1 0 005H反转A 0 0 101HAC 1 0 105HC 0 0 104HCB 1 1 006HB 0 1 002HBA 0 1 103H假设，步进电动机总的运行参数放在R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志FI（D5H）中，当F1为“0”时，步进电动机正转；当F1为“1”时，步进电动机反转。正转时，8051的P1口的输出控制字01H，03H，02H，06H，04H，05存放在8051的片内数据存储器单元20H25H中，26H 存放结束标志00H。在27H2CH 的存储单元内存放反转时P1端口的输出控制字01H，05H，04H，06H，.02H，03H，在2DH单元内存放结束标志00H。我们可以编出步进电动机正反转及转速控制程序，其控制程序如下。 PUSH A； 保护现场 MOV R4 #N 设步长计数器 CLR C； ORL C， D5H； 转向标志为“1”转移 JC R0TE； MOV R0， #20H； 正转控制字首地址 AJMP L