C620型普通车床进行经济型数控改造设计.doc

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1、青岛理工大学毕业设计 摘 要 本次毕业论文主要是将一台C620型普通车床进行经济型数控改造设计，针对现有的普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，比较详细的介绍了C620机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。论文中车床改装设计如下：（1）机械部分的改装，包括纵向进给方向的改装和横向进给方向的改装。主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及纵向、横

2、向机构装配图方案的制定。（2）电气控制部分的设计，主要包括MCS-51系列单片机及8031单片机扩展芯片的选用和电气控制图的设计,数控系统采用MCS51系列的8031单片机扩展系统。因为MCS51系列的单片机具有集成度高、可靠性高、功能强、速度快、抗干扰能力强等优点。设计改造后的经济型数控机床具有定位、直线插补、顺逆圆弧插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，且加工质量稳定可靠。零件加工的适应性强，自动化程度高。关键词：数控；单片机；步进电机；滚珠丝杠；改造II 青岛理工大学毕业设计ABSTRACThe main thesis is a C620-type CNC lathe econom

3、ic transformation of the design for the shortcomings of the existing general made CNC lathe conversion program and microcomputer system design, higher precision and expand the use of machine tools, and increase productivity. Paper describes the transformation of CNC Lathe design process, a more deta

4、iled description of the mechanical transformation of C620 part of the design and numerical control parts of the system design. To adopt a 8031 control system for the CPU to process the signal from the I / O interface, the output pulse stepping through a gear reducer, the drive rolling screw rotation

5、,In order to achieve vertical and horizontal movement of the feed. Paper lathe design modifications are as follows: (1) modification of the mechanical parts, including the vertical direction of feed conversion and horizontal direction of feed conversion. Include ball screw pair and reaction to the s

6、tepping motor selection and the calculation of vertical and horizontal body assembly drawing program development. (2) The electrical control part of the design include MCS-51 MCU 8031 Series MCU and expanding the selection of chips and electrical control chart design, numerical control system adopts

7、 MCS-51 series of 8031 micro-expansion system.Because the MCS-51 family of microcontrollers with a high integration, high reliability, strong function, high speed, anti-interference ability and so on.After transformation, the economic design of CNC machine tools with a positioning, linear interpolat

8、ion, circular interpolation good times or bad, pause, loop processing, processing and other functions of public Inch thread, and the processing quality stable and reliable. Parts processing adaptability, high degree of automation.key words: NC,;microcontroller; stepper motors,;ball screws; transform

9、ation青岛理工大学毕业设计 目 录摘 要IABSTRACTII目 录I前 言1第1章 主要方案的设计41.1 设计任务41.2 总体方案的论证41.2.1 机械部分的改造设计41.2.2伺服进给系统的改造设计51.2.3 数控系统的硬件电路设计51.3 总体方案的确定6第2章 机械部分的改造设计 52.1 纵向进给系统的改造设计52.1.1纵向滚珠丝杠副的选用51 确定系统的脉冲当量62.1.2步进电机的选用112.2 横向进给系统的改造设计142.2.1横向进给系统滚珠丝杠螺母副的选用142.2.2 横向步进电机的选用182.3 齿轮传动间隙的调整20第3章 电气控制部分的设计203.1

10、单片机的选择203.2步进电机的驱动213.2.1环形脉冲分配器的选择213.2.2功率放大器的选用223.3步进电机的微机控制25结论27致谢28参考文献29附件1 外文资料31附件2 外文资料翻译.41II青岛理工大学毕业设计前 言1 今国内外数控技术的发展现状 近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。目前国外机械设备的数控化率已达到85%以上，而我国的机械设备的数控化率不足20%，随着我国机制行业新技术的应用，我国世界制造业加工中心地位形成，数控机床的使用、维修、维护人员在全

11、国各工业城市都非常紧缺，再加上数控加工人员从业面非常广，可在现代制造业的模具、钟表业、五金行业、中小制造业、从事相应公司企业的电脑绘图、数控编程设计、加工中心操作、模具设计与制造、 电火花及线切割工作，所以目前现有的数控技术人才无法满足制造业的需求，而且人才市场上的这类人才储备并不大，企业要在人才市场上寻觅合适的人才显得比较困难，以至于导致模具设计、CAD/CAM工程师、数控编程、数控加工等已成为我国各人才市场招聘频率最高的职位之一。在各种招聘会上，数控专业人才更是企业热衷于标注“急聘”、“高薪诚聘”等字样的少数职位之一，以致出现了“月薪6000元难聘数控技工”，“年薪16万元招不到数控技工”

12、的现象。据报载，我国高级技工正面临着“青黄不接”的严重局面，原有技工年龄已大，中年技工为数不多，青年技工尚未成熟。在制造业，能够熟练操作现代化机床的人才已成稀缺， 据统计，目前，我国技术工人中，高级技工占3.5%，中级工占35%，初级工占60%。而发达国家技术工人中，高级工占35%、中级工占50%、初级工占15%。这表明，我们的高级技工在未来510年内仍会有大量的人才缺口。数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距

13、，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床

14、很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。2 普通机床改造的意义 （1）节省资金。 普通机床的翻新改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新铣床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。 （2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 （3） 提高生产效率。 机床

15、经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。3数控机床与普通机床相比的优点 1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。2. 加工精度高； 3. 生产效率高； 4. 减轻劳动强度，改善劳动条件； 5. 良好的经济效益； 6. 有利于生产管理的现代化。 34青岛理工大学毕业设计（论文）1青岛理工大学毕业设计（论文）第1章 主要方案的设计1.1 设计任务本设计任务是对C620普通车床进行数控改造。利

16、用单片机对纵、横向进给系统进行控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副。1.2 总体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 1.2.1 机械部分的改造设计为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠。为了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。此设计过程主要是纵向进给和横向进给

17、的改造，关键是步进电机和滚珠丝杠的选用。 改进后的车床简易传动系统如图1.1：图1.1 改进后的车床传动系统 1.小刀架 2.横向步进电动机 3.横向滚珠丝杆 4.大拖板 5.纵向滚珠丝杆 6.纵向步进电动机 1.2.2伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。 因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。 1.2.3 数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。 在

18、设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素： 1.时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； 2.可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； 3. I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。1.3 总体方案的确定 经总体设计方案的论证后，确定C620车床经济型数控改造方案。C620车床的主轴转速部分保留原机床的

19、功能，即手动变速。车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电机驱动。将原来机床的普通丝杠改为滚珠丝杠以减小摩擦力。并将8031单片机组成的微机作为数控装置的核心，由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。6第一章 机械部分的改造设计 1青岛理工大学毕业设计第2章 机械部分的改造设计2.1 纵向进给系统的改造设计 2.1.1纵向滚珠丝杠副的选用滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与

20、滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比，有下列特点：(1) 传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达9095，耗费能量仅为滑动丝杆的1/3。(2) 运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。(3) 工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度(HRC5862)、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的410倍以上。(4) 定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杆副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧

21、进行预拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高的定位精度和重复定位精度。(5) 同步性好 用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。(6) 可靠性高 润滑密封装置结构简单，维修方便。(7) 不能自锁 用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。 (8) 制造工艺复杂 滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本较高。 1 确定系统的脉冲当量在数控机床中，一个脉冲所产生的坐标轴位移量叫做脉冲当量，通常用表示，也称机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数，按机床设计的加工精度选定。本设计所要求的C620的脉冲当量为：纵向（Z向）脉

22、冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲。 2 车削力的计算在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都要用到切削力。现我们利用经验公式计算主切削力。车床的主切削力可用下式计算： (2-1)式中车床床身加工的最大直径单位为mm。因C620床身加工的最大直径410mm，则：按以下比例分别求出分力和，则：， 3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型：确定滚轴循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定后，再计算和确定其他参数，包括：公称直径、导程、滚珠的工作圈数j、列数k、精度等级等。本设计中选择滚珠循环方式为内循环

23、方式中的固定式。滚珠丝杠副的预紧方法选择双螺母螺纹预紧。图2.1 双螺母螺纹调隙式结构1、2单螺母 3平键 4调整螺母(1)计算进给率牵引力作用在滚珠丝杠上的进给率牵引力主要包括切削力时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的形式有关。的计算公式如下:纵向进给导轨为三角形， 则： (2-2) 三角形导轨选取参数： (2)计算最大动负荷C 选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负荷。计算步骤如下： 丝杠转速 (2-3) 其中= 寿命（） (

24、2-4) 最大动负荷 (2-5)(3)计算最大静负荷当滚珠丝杠副在静态或低速（）情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生变形，当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生大的塑性变形量的负载称为允许的最大静负荷。选取静态安全系数=2，滚珠丝杠的最大轴向负荷 故最大静负荷为： (2-6) (4)选择滚珠丝杠副 见表2-1 (5)传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率:表2-1滚珠丝杠副参数型号公称直径基本导程螺旋升角丝杠外径丝杠内径额定动载荷丝杠长度额定静载荷 (6)刚度校核 主要校核滚珠丝杠在工作负载和扭矩T共同作用下引

25、起的每导程变形量是否符合丝杠精度要求。 每导程变形量可按以下公式计算 (2-7) (2-8) 选取 其中： 则： (2-9)查表所得，所选用的级丝杠精度允许误差为，满足要求。(7) 稳定性校核机床在进给时滚珠丝杠通常是受轴向力的一压杆。若轴向力过大，将使丝杠失去稳定而产生翘曲，所以选用时必须进行稳定性校核。如果满足稳定性安全系数大于许用稳定性安全系数()，则丝杠安全，不会失稳： (2-10)式中()许用稳定性安全系数，一般取2.54。丝杠失稳时的临界负载，由：式中丝杠长度丝杠轴端系数，由支承条件定。截面惯性矩，对实心圆对于水平丝杠要考虑自重影响可取()4。将相关数据代入上式中可得 丝杠不会失稳

26、。 2.1.2步进电机的选用 1 脉冲量的选择 初选三相步进电动机的步距角为，当三相六拍（12相励磁）运行时，步距角其妹转脉冲数 脉冲当量： 由此可得中间齿轮传动比为 2 等效负载转矩计算 (1)空载时的摩擦转矩 (2-11) (2)车削加工时的负载转矩 (2-12) 3 等效转动惯量的计算 (1)滚珠丝杠的转动惯量 (2-13)(2)拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量 (2-14) (3)大齿轮的转动惯量 选取大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。 (2-15) 4.小齿轮的转动惯量 (2-16)换算到电动机轴上的总惯性负载 (2-17) 4 步进电动机型号的选择已知 初选步进电机型号为110B

27、F003，步距角三相六拍。其中最大静扭矩，转子惯量，由此可得：, 经验算可知电动机合格。110BF003步进电机的外观图及矩频特性图如图2.2：外型图:图2.2 110BF003步进电机的外观图及矩频特性图2.2 横向进给系统的改造设计 2.2.1横向进给系统滚珠丝杠螺母副的选用 横向进给方向的设计过程同纵向方向相同。 1 确定系统的脉冲当量 横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲。 2 车削力的计算 车床的主切削力可用下式计算：式中车床刀架加工的最大直径单位为mm。因C620床身加工的最大直径210mm，则：按以下比例分别求出分力和，则:， 3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型 滚珠丝杠

28、螺母副的设计首先要选择机构类型：确定滚轴循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定后，再计算和确定其他参数，包括：公称直径、导程、滚珠的工作圈数、列数、精度等级等。 本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式。滚珠丝杠副的预紧方法选择双螺母螺纹预紧。 (1)计算进给率牵引力 作用在滚珠丝杠上的进给率牵引力主要包括切削力时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的形式有关。的计算公式如下:横向进给导轨为燕尾形，则： (2-18) 燕尾形导轨选取参数： (2)计算最大动负荷 选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在

29、它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负荷。计算步骤如下：丝杠转速其中= 寿命（）最大动负荷 (3)计算最大静负荷 当滚珠丝杠副在静态或低速（）情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生变形，当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生大的塑性变形量的负载称为允许的最大静负荷。选取静态安全系数=2，滚 珠丝杠的最大轴向负荷 故最大静负荷为 (4)选择滚珠丝杠副表2-2 滚珠丝杠副参数型号公称直径基本导程螺旋升角丝杠外径丝杠内径额定动载荷丝杠长度额定静载荷 (5)传动效率计算 滚珠丝杠

30、螺母副的传动效率 (6)刚度校核主要校核滚珠丝杠在工作负载和扭矩T共同作用下引起的每导程变形量是否符合丝杠精度要求。每导程变形量可按以下公式计算选取 其中：则 查手册所得，所选用的级丝杠精度允许误差为，满足要求。(7) 稳定性校核机床在进给时滚珠丝杠通常是受轴向力的一压杆。若轴向力过大，将使丝杠失去稳定而产生翘曲，所以选用时必须进行稳定性校核。如果满足稳定性安全系数大于许用稳定性安全系数()，则丝杠安全，不会失稳：式中()许用稳定性安全系数，一般取2.54。丝杠失稳时的临界负载，由：式中丝杠长度丝杠轴端系数，由支承条件定。截面惯性矩，对实心圆对于水平丝杠要考虑自重影响可取()4。将相关数据代入

31、上式中可得丝杠不会失稳。 2.2.2 横向步进电机的选用 1 脉冲量的选择 初选三相步进电动机的步距角为，当三相六拍（12相励磁）运行时，步距角其妹转脉冲数：初选脉冲当量： 由此可得中间齿轮传动比为 2 等效负载转矩计算 (1)空载时的摩擦转矩(2)车削加工时的负载转矩 3 等效转动惯量的计算 (1)滚动丝杠的转动惯量(2)拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量3 大齿轮的转动惯量选取大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。4 小齿轮的转动惯量换算到电动机轴上的总惯性负载 5 步进电动机型号的选择已知 初选步进电机型号为90BF002，步距角三相六拍。其中最大静扭矩，转子惯量，由此可得：,经验算可知电动

32、机合格。电动机外形图及矩频图如图2.3：图2.3 110BF003步进电机的外观图及矩频特性图2.3 齿轮传动间隙的调整 在横向进给和纵向进给的步进电机和滚珠丝杠间都是通过一对减速直齿轮传动的，这就要求我们对齿轮的传动间隙进行调整。 常用的直齿轮调整齿侧间隙的方法有以下几种。(1)偏心套(轴)调整法 如图2.4所示，将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴上，并将电机2安装在偏心套1(或偏心轴)上，通过转动偏心套(偏心轴)的转角，就可调节两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿侧间隙。特点是结构简单，但其侧隙不能自动补偿。图2.4 偏心套式间隙消除机构1偏心套 2电动机 3减

33、速箱 4、5减速齿轮 (2) 轴向垫片调整法 如图2-5所示，齿轮1和2相啮合，其分度圆弧齿厚沿轴线方向略有锥度，这样就可以用轴向垫片3使齿轮2沿轴向移动，从而消除两齿轮的齿侧间隙。装配时轴向垫片3的厚度应使得齿轮1和2之间既齿侧间隙小，运转又灵活。特点同偏心套(轴)调整法。图2.5 圆柱齿轮轴向垫片间隙消除机构1、2啮合齿轮 3轴向垫片 (3) 双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做成宽齿轮，另一个用两片薄齿轮组成。采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左、右两侧，以消除齿侧间隙，反向时不会出现死区，具体调整措施如下：周向弹簧式(图2.6

34、) 在两个薄片齿轮2和4上各开了几条周向圆弧槽，并在齿轮3和4的端面上有安装弹簧2的短柱1。在弹簧2的作用下使薄片齿轮3和4错位而消除齿侧间隙。这种结构形式中的弹簧2的拉力必须足以克服驱动转矩才能起作用。因该方法受到周向圆弧槽及弹簧尺寸限制，故仅适用于读数装置而不适用于驱动装置。可调拉簧式(图2.7) 在两个薄片齿轮1和2上装有凸耳3，弹簧的一端钩在凸耳3上，另一端钩在螺钉7上。弹簧4的拉力大小可用螺母5调节螺钉7的伸出长度，调整好后再用螺母6锁紧。本设计所选用的是双片薄齿轮错齿调整法中的可调拉簧式。由此就可以将纵向及横向进给系统的装配图设计并画出，具体请见图纸。 图2.6 薄片齿轮周向拉簧错

35、齿调隙机构 图2.7 可调拉簧式调隙 1薄片齿轮 2薄片齿轮 3凸耳 4拉簧 5螺母 6锁紧螺母 7螺钉22青岛理工大学毕业设计第3章 电气控制部分的设计 在这一部分我们采用MCS-51系列单片机控制主控系统，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价格更便宜，51系列中，是无ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。3.1单片机的选择图3.1 8031引脚图 本设计选用8031芯片，片内无ROM或者EPROM，使用时必须配置外部的程序存储器EPR

36、OM。本设计选用了27128扩展其空间，8031的引脚分3大功能： 3.1.1 I/O口线 P0,P1,P2,P3共4个八位口。 3.1.2控制口线 PSEN(片外取指控制)、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存储器选择）、RESET （复位控制）。（3）电源和时钟。 8031最小应用系统。8031内部不带ROM，需要外接EPROM作为外部程序存储器。又因为8031在外接程序存储器或数据存储器时地址的低8位信息和数据信息分时送出，故还需要采用一片6264数据存储器储存数据。这样，一片27128EPROM和一片6264组成了一个最小的计算机应用系统。图3.2 系统存储器3.2步进电机的驱动 步进

37、电机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系。驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成，驱动电源是将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动的循环供给电机各组绕组，以驱动电机转子正反向旋转。 3.2.1环形脉冲分配器的选择 步进电机的各组绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器，又称环形脉冲分配器。所以不同相的电机应选用不同的环形分配器。本设计中所选用的电机，纵向部分为110BF003三相反应式步进电机，与其相配的环形脉冲分配器为CH250，其管脚图见图3.3：图3.3 CH250管脚图 CH250有A、B、C三个输出端，当输入

38、端CL或EN加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电机的要求，输出电流能力为0.5mA，经推动级、驱动级放大后即可驱动电动机绕组。 CH250在供三相六拍步进电机工作时，线路中的接线见图3.4：图3.4 三相六拍时CH250接线图横向部分为90BF002五相反应式步进电机，与其相配的环形脉冲分配器为PMM8714，其管脚图见图3.5。 3.2.2功率放大器的选用 从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电机运转。 步进电机所使用的功率放大器有电压型和电流型。电压型又有单

39、电压型、双电压型（高低压型）。电流型中有恒流驱动、斩波驱动等。图3.5 PMM8714管脚图 (1) 单电压功率放大电路 此电路的优点是电路结构简单，不足之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后沿不够陡，在改善了高频性能后，低频工作时会使振荡有所增加，使低频特性变坏。 图3.6 单电压功率放大器 (2) 高低电压功率放大电路 电源U1为高电压，电源大约为80150V，U2为低电压电源，大约为520V。在绕组指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1和VT2导通。由于二极管VD1的作用，使绕组只加上高电压U1，绕组的电流很快达到规定值。到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成下降沿，使VT1截止，电动机由低

40、电压U2供电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下降沿到来VT2截止。不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶部有下凹，影响电动机运行的平稳性。图3.7高低电压功率放大电路（3）斩波恒流功放电路 该电路的特点是工作时Vin端输入方波步进信号：当Vin为“0”电平，由与门A2输出Vb为“0”电平，功率管（达林顿管）VT截止，绕组W上无电流通过，采样电阻上R3上无反馈电压，A1放大器输出高电平；而当Vin为高电平时，由与门A2输出的Vb也是高电平，功率管VT导通，绕组W上有电流，采样电阻上R3上出现反馈电压Vf，由分压电阻R1、R2得到设定电压与反馈电压相减，来决定A1输出电平的高低，来决定Vin信

41、号能否通过与门A2。若VrefVf时Vin信号通过与门，形成Vb正脉冲，打开功率管VT；反之，VrefVf时Vin信号被截止，无Vb正脉冲，功率管VT截止。这样在一个Vin脉冲内，功率管VT会多次通断，使绕组电流在设定值上下波动。图3.8 斩波恒流功放电路通过比较选择，本设计中选用单电压功率放大电路。为了避免功放后强电对弱电产生干扰，应在环形分配器和功率放大电路之间加一个光电隔离电路。3.3步进电机的微机控制步进电机的工作过程一般由控制器控制，控制器按照设计者的要求完成一定的控制过程，使功率放大电路按照要求的规律驱动步进电机运行。简单地控制过程可以用各种逻辑电路来实现，但缺点是线路复杂，控制方案改变困难，自从微处理器问世以来，给步进电机控制器设计开辟了新的途径。各种单片微型计算机的迅速发展和普及，为设计功能很强而价格低廉的步进电机控制器提供了条件。使用微型计算机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式。串行控制。具有串行控制功能的单片机系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线。将信号送入步进电机驱动电源的环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器。这种控制方式的示意图见图3.9。 方式信号方向信号CP脉冲 图3.9 串行控制示意图