課程設(shè)計指導(dǎo)書new

1、數(shù)控技術(shù)應(yīng)用綜合課程設(shè)計指導(dǎo)書楊威、于雷編 長春工程學(xué)院 機電工程學(xué)院2014.02.24 第一章 概述1.1 機器的構(gòu)成及設(shè)計對象1.1.1 機器系統(tǒng)的構(gòu)成機器系統(tǒng)的構(gòu)成如右圖所示，由右圖可知，機器系統(tǒng)由四個子系統(tǒng)組成：(1)動力系統(tǒng)：提供動力和能源。 可用人力、畜力、電力、風(fēng)力、磁力、液力和高壓氣體作動力。 （2）傳動系統(tǒng)：傳遞運動和動力,比如減速器，曲柄滑塊機構(gòu)，自行車的鏈條、鏈輪。（）執(zhí)行系統(tǒng)：對外作功的部分。包括執(zhí)行機構(gòu)和工作機，如起重機的提升裝置、機床的主軸和刀架，洗衣機的大波輪等。（）控制和操縱系統(tǒng)：是現(xiàn)代機器中最重要的部分，也是核心部分，它相當(dāng)于人的大腦。控制系統(tǒng)可控制動力、傳

2、動和執(zhí)行三大系統(tǒng)。1.1.2 本次課程設(shè)計對象及內(nèi)容本次設(shè)計任務(wù)是激光加工機數(shù)控工作臺。設(shè)計主要包括機械部分的設(shè)計、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計和系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計。機械部分的設(shè)計主要是電機的選擇、傳動裝置的確定。本次設(shè)計中則主要針對所選擇的步進(jìn)電機、滾珠絲杠和導(dǎo)軌進(jìn)行分析和計算并最終畫出工作臺的機械裝配圖，并了解由MCS51單片機系統(tǒng)構(gòu)成的控制部分工作原理。本次設(shè)計的內(nèi)容1、工作臺進(jìn)給系統(tǒng)采用滾珠絲杠傳動。2、滾珠絲杠支承方式：雙推簡支型。3、驅(qū)動電機采用反應(yīng)式步進(jìn)電機。4、步進(jìn)電機與滾珠絲杠間采用齒輪降速，要求消除齒輪傳動間隙。5、控制部分采用MCS51系列單片機控制。6、工作量要求：每個同學(xué)需

3、繪制機械部分裝配圖（0#圖）、主要部件零件圖（3#圖）、控制部分原理圖（2#圖）。1.1.3 設(shè)計參數(shù)表1-1 設(shè)計參數(shù)第一組第二組第三組第四組第五組第六組第七組第八組第九組第十組微機控制X向移動距離60708090100110120130140150微機控制Y向移動距離5060708090100110120130140工作臺尺寸300x200x60320x220 x60340x240 x60360x260 x60380x280 x60400x300 x60420x320 x60440x340 x60460x360 x60480x380 x60定位精度0.01導(dǎo)軌磨擦系數(shù)0.05、0.07、0

4、.09、0.1壽命300天/年，2班/天，8小時/班，開機率=0.81.1.4 課程設(shè)計的目的1、培養(yǎng)綜合運用各種理論知識、解決實際工程問題的能力；課程設(shè)計要用到許多理論知識，它是綜合運用上述知識，根據(jù)外載荷的大小，來設(shè)計出一個具體的產(chǎn)品二維激光加工機數(shù)控工作臺。本次設(shè)計很重要，它是對大家在機械、自動控制方面最全面的、最綜合的機電一體化訓(xùn)練。2、初步掌握伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計方法；3、訓(xùn)練設(shè)計的基本技能；訓(xùn)練如何查資料及圖表、數(shù)據(jù)處理、自動控制以及創(chuàng)新能力。第二章 傳動系統(tǒng)總體設(shè)計總體設(shè)計非常重要，是對一部機器的總體布局和全局的安排?？傮w設(shè)計是否合理將對后面幾步的設(shè)計產(chǎn)生重大影響，也將影響機器的尺

5、寸大小、性能、功能和設(shè)計質(zhì)量。所以，在總體設(shè)計時應(yīng)多花時間、考慮清楚，以減少返工現(xiàn)象。2.1 工作臺的組成、結(jié)構(gòu)、特點2.1.1 工作臺的組成激光加工機數(shù)控工作臺主要是由工作臺滑板（滑塊）、直線移動導(dǎo)軌、螺旋傳動（絲杠）機構(gòu)、驅(qū)動電機、控制裝置和機體（機座）等組成。如圖2-1所示。 2.1.2 工作臺的結(jié)構(gòu) 工作臺的結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖2-1 CNC工作臺的組成示意圖2.2 合理擬定并選擇傳動方案CNC二維工作平臺傳動方案的選擇很重要，其傳動方案有兩大類分類方法。2.2.1 按絲杠與螺母的相對運動分按絲杠與螺母的相對運動來分，傳動方案可分為四種。1、絲杠轉(zhuǎn)動，螺母移動； 2、螺母轉(zhuǎn)動，絲杠移動；

6、3、螺母固定，絲杠轉(zhuǎn)動、移動； 4、絲杠固定，螺母轉(zhuǎn)動、移動；詳見邱宣懷編機械設(shè)計P119 。例如對于臥式和立式工作臺我們這里均選擇第1種方案，即絲杠轉(zhuǎn)動，螺母移動。2.2.2 按摩擦性質(zhì)不同分類按摩擦性質(zhì)不同，傳動方案可分為滑動螺旋傳動和滾動螺旋傳動兩種1、滑動絲杠螺母機構(gòu)（滑動螺旋傳動）滑動絲杠螺母機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，運動平穩(wěn)，傳動精度高，螺紋導(dǎo)程小，降速比大，牽引力大等優(yōu)點。其缺點是摩擦阻力大，傳動效率低，螺紋中有側(cè)向間隙，故反向有空行程。由于動靜摩擦差別大，低速時可能出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。2、滾珠絲杠螺母機構(gòu)（滾動螺旋傳動）滾珠絲杠就是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間充滿滾珠。這些滾珠作為中間傳動件

7、，在螺母閉合的回路中循環(huán)滾動，使絲杠螺母副的運動由滑動變成滾動，以減小摩擦。滾珠絲杠的傳動效率很高，當(dāng)雙螺母預(yù)緊后，軸向剛度好，傳動副爬行小，具有較高的定位精度，啟動轉(zhuǎn)矩小，傳動靈敏，同步性好。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較困難，價格昂貴，以及不能自鎖。根據(jù)工作平臺的要求，參看兩種傳動的特點，我們設(shè)計選擇滾珠絲杠螺母傳動。第三章 伺服系統(tǒng)概論伺服系統(tǒng)，是數(shù)控機床的重要組成部分。它由伺服驅(qū)動電路、伺服驅(qū)動裝置(電機)、位置檢測裝置、機械傳動機構(gòu)以及執(zhí)行部件等部分組成。它的作用是：接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給位移和速度指令信號：由伺服驅(qū)動電路作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動裝置(直流、交流伺服電機、直線電機、

8、功率步進(jìn)電機、電液伺服閥一液壓馬達(dá)等)和機械傳動機構(gòu)，驅(qū)動機床的工作臺、主軸等執(zhí)行部件進(jìn)行工作進(jìn)給和快速進(jìn)給。數(shù)控機床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)與一般機床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上的差異，它能根據(jù)指令信號自動精確地控制執(zhí)行部件運動的位移、方向和速度，以及數(shù)個執(zhí)行部件按一定的規(guī)律運動以合成一定的運動軌跡。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能，如最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等動態(tài)和靜態(tài)性能，在很大程度上決定了數(shù)控機床的加工精度、加工表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能取決于它的各個組成環(huán)節(jié)的特性，也取決于系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)性能參數(shù)的合理匹配。以伺服驅(qū)動電路與伺服驅(qū)動裝置為中心的伺服驅(qū)動系統(tǒng)已有較成熟的理論分析、實驗研究和設(shè)計計算方

9、法。機械傳動機構(gòu)以及整體進(jìn)給伺服系統(tǒng)在性能參數(shù)方面的研究，近年來也受到重視，并進(jìn)行了不少的工作。這些工作都有效地促進(jìn)了進(jìn)給伺服系統(tǒng)技術(shù)性能的提高。3.1開環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.1開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)和步進(jìn)電機1、開環(huán)系統(tǒng)是最簡單的進(jìn)給系統(tǒng)，如圖31所示。這種系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進(jìn)電機、功率步進(jìn)電機、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，驅(qū)動步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠螺母副驅(qū)動執(zhí)行部件。這種系統(tǒng)不需要對實際位移和速度進(jìn)行測量，更無需將所測得的實際位置和速度反饋到系統(tǒng)的輸入端，與輸入的指令位置和速度進(jìn)行比較，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)的位移精度主要決定于

10、步進(jìn)電機的角位移精度、齒輪絲杠等傳動元件的導(dǎo)程或節(jié)距精度以及系統(tǒng)的摩擦阻尼特性。此類系統(tǒng)的位移精度較低，其定位精度一般可達(dá)0.02 mm。如果采取螺距誤差補償和傳動間隙補償?shù)却胧?，定位精度可提高?.0l mm。此外，由于步進(jìn)電機性能的限制，開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給速度也受到限制，在脈沖當(dāng)量為0.0lmm時，一般不超過5mmin。圖3-1 開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較簡單，調(diào)試、維修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。在一般要求精度不太高的機床上曾得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)60年代，日本生產(chǎn)的數(shù)控機床幾乎全部采用功率步進(jìn)電機和電液脈沖馬達(dá)的開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代初我國也曾仿造過這種開環(huán)進(jìn)給系

11、統(tǒng)的數(shù)控機床。但是歐美等國卻很少采用開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)。進(jìn)入20世紀(jì)70年代中期，日本生產(chǎn)的數(shù)控機床也改用了直流或交流伺服電機的半閉環(huán)和閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)。2、步進(jìn)電動機是一種將脈沖信號變換成角位線（或線位移）的電磁裝置，步進(jìn)電機的角位移量和角速度分別與指令脈沖的數(shù)量和頻率成正比，在時間上與輸入脈沖同步，而且旋轉(zhuǎn)方向決定于脈沖電流的通電順序。因此只需控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電順序，便可控制執(zhí)行部件位移、速度和運動方向。在無脈沖輸入時，在繞組電源激勵下，氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置而處于自鎖狀態(tài)。步進(jìn)電動機按其輸出扭矩的大小，可分為快速步進(jìn)電動機與功率步進(jìn)電動機；按其勵磁相數(shù)可分為三相、四相、

12、五相、六相；按其工作原理可以分為永磁式（PM）、反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。步進(jìn)伺服結(jié)構(gòu)簡單，符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動速度越低。特別是步進(jìn)伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床及舊設(shè)備改造。但近年發(fā)展起來的恒斬波驅(qū)動、PWM驅(qū)動、微步驅(qū)動、超微步驅(qū)動和混合伺服技術(shù)，使得步進(jìn)伺服的性能提高到一個新的水平。3.1.2 閉環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)如圖3-2所示。系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是：直流或交流伺服電機以及電液伺服閥液壓馬達(dá)。與開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)最主要的區(qū)別是：安裝在執(zhí)行部件或其他傳動元件上的位置檢測裝置，將執(zhí)行部件的實際位移

13、量轉(zhuǎn)換成電脈沖或模擬電壓量后反饋到輸入端，并與輸入位置指令信號進(jìn)行比較，將兩者的差值放大和變換，控制伺服驅(qū)動裝置驅(qū)動執(zhí)行部件以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到指令位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。一般采用直線型位置檢測裝置（直線感應(yīng)同步器、長光柵等）對數(shù)控機床工作臺位移進(jìn)行直接測量并進(jìn)行反饋控制，位移指令與位置檢測反饋信號比較得到位置誤差經(jīng)變換放大作為速度指令的環(huán)節(jié)稱為位置環(huán)，即位置控制回路。還有速度控制回路與電流控制回路，即速度環(huán)與電流環(huán)。執(zhí)行部件或伺服電機的速度一般用脈沖(位移脈沖)頻率電壓變換器件變換成速度反饋信號，與速度指令信號進(jìn)行比較。電流環(huán)的反饋電流由電流檢測元件實測伺服

14、電機的電流來獲得。圖3-2 閉環(huán)控制系統(tǒng)由于采用了檢測反饋裝置，所以，閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的位移精度主要取決于檢測裝置的分辨率和精度。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度一般可達(dá)0.0050.0lmm，最先進(jìn)的水平可以達(dá)到0.1m。采用直流或交流伺服電機的閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)，電機的最高轉(zhuǎn)速一般為1 5003 000rmin。如果將電機與導(dǎo)程為10mm的絲杠直接相連，則執(zhí)行部件的移動速度一般可以達(dá)到130 mmin。采用直流或交流伺服電機的閉環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)，具有較高精度、速度和動態(tài)特性，在數(shù)控機床中得到了廣泛的應(yīng)用。第四章 機械部分設(shè)計4.1 滾珠絲杠的設(shè)計計算圖4-1滾珠絲杠副表4-1滾珠絲杠的主要尺寸主要尺寸符號計

15、算公式滾道公稱直徑d0根據(jù)承載能力選用基本導(dǎo)程L0根據(jù)承載能力選用接觸角= 45滾珠直徑dbdb=（0.60.66）L0滾道半徑RR=（0.520.555）db滾道圓弧偏心距ee =（Rdb/2）sin螺紋升角= arctg（L0/d0）絲杠絲杠螺紋大徑dd=d0(0.20.25)db絲杠螺紋小徑d1d1=d0+2e2R絲杠牙頂圓角r3r3=(0.10.15)db螺 母螺母螺紋大徑DD=d02e+2R螺母螺紋小徑D1D1=d0+(0.20.25)db(外循環(huán))D1=d0+0.5(d0d) (內(nèi)循環(huán))4.1.1負(fù)載計算導(dǎo)軌的磨擦力，其切削力很小，加上絲杠與螺母的磨擦系數(shù)很小，所以其它力忽略不計。

16、4.1.2工作壽命選擇（略）4.1.3精度選擇（略）4.1.4絲杠導(dǎo)程的確定 Vmax快速進(jìn)給的最高速度nmax步進(jìn)電機最高轉(zhuǎn)速i絲杠的傳動比4.1.5工作壽命選擇表4-2主 機 類 型工 作 壽 命（h）一般機床、組合機床10000數(shù)控機床、精密機床15000工程機械500010000自動控制系統(tǒng)15000測量系統(tǒng)15000航空機械100020004.1.6根據(jù)壽命計算出等效軸向動載荷負(fù)荷性質(zhì)系數(shù)表4-3負(fù)荷性質(zhì)無沖擊平穩(wěn)運轉(zhuǎn)一般運轉(zhuǎn)有沖擊和振動運轉(zhuǎn)11.21.21.51.52.5溫度系數(shù)表4-4工作溫度（）1251501752002252503000.950.900.850.800.750

17、.700.6硬度系數(shù)表4-5滾道實際硬度HRC581001500.901502000.732002500.60接觸系數(shù)表 4-11每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)11.0020.8130.7240.665061精度系數(shù)表 4-12精度等級CDEFGH1.01.00.90.90.80.7載荷系數(shù)表 4-13工 作 條 件無外部沖擊或振動的低速運行場合，速度小于15m/min11.5無明顯沖擊或振動的中速運行場合，速度小于60m/min1.52有外部沖擊或振動的高速運行場合，速度大于60m/min23.5第五章 伺服系統(tǒng)的單片機實現(xiàn)5.1 確定硬件電路整體方案機床數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，配件是組成系統(tǒng)的

18、基礎(chǔ)，有了硬件軟件方能有效的執(zhí)行，硬件電路的可靠性直接影響數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)。機床的數(shù)控系統(tǒng)的組成為：1) 主控制器：中央處理單元CPU，是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是發(fā)布命令及協(xié)調(diào)各部分電路的工作。2) 總線：包括數(shù)據(jù)總線（DB），地址總線（AB），控制總線（CB），是CPU與各部分電路間的信息交換的通路。3) 存儲器：包括可編程程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器，用于存放系統(tǒng)軟件及運行過程中的各種數(shù)據(jù)。4) 接口：既I/O接口。輸入/輸出接口電路。5) 鍵盤、顯示器：作為人機對話的設(shè)備。6) 脈沖分配器、功率放大器：實現(xiàn)微機與控制對象之間的信號匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路、硬件框圖如下： 圖5-1 數(shù)據(jù)系統(tǒng)

19、硬件圖5.2 控制器CPU的選擇5.2.1 CPU的選擇原則：1)時鐘頻率及字長，控制數(shù)據(jù)處理速度。2)可擴展存儲器的容量。3)指令系統(tǒng)功能是否完善（編程靈活性）。4)I/O接口擴展能力（對外設(shè)控制能力）。5)開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件），依據(jù)上述原則，本系列的控制器選用MCS-51系列單片機的8031單片機。5.2.2 8031單片機的基本特征：1) 具有8位處理單元；2) 片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（6MH2或2MH2），每執(zhí)行一條指令的時間為2WS或1WS；3) 共有128字節(jié)DAM；4) 共有21個特殊功能寄存器；5) 可尋址64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)外部程序存儲器；6)

20、有4個I/O接口，32根I/O線；7) 有兩個16位定時器/計時器；8) 有5個中斷源、配備兩個優(yōu)先級；9) 具有一個全雙工串行接口；10) 具有位尋址能力，適用邏輯運算；一塊8031的功能幾乎相當(dāng)于一塊280，一塊RAM、一塊RAM、一塊280CTC，兩塊280RIO及一塊SIO所有組成的計算機系統(tǒng)。 5.2.3 MCS51 系列單片機的引腳及功能：1) 單片機的引腳（見下圖）圖5-2 MCS-51系列單片機引腳圖2) 功能簡介（1）主電源引腳VSS和VCC（2）外接晶體引腳XTAL1和XTSL2XTAL1（19）引腳接外部晶體的一個引腳，在單片機的內(nèi)部，它是一個反相放大的輸入端，這個放大器

21、構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器，當(dāng)采用外部振蕩器時，此引腳接腳XTAL2（18腳）接外部晶體的另一端，單片機內(nèi)部接振蕩器的反相放大的輸出端，采用外部振蕩器，外部引腳收振蕩器的信號，把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。3) 控制或與其他電源復(fù)位引腳12ST/VPP（9腳）：當(dāng)振蕩器運行時在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位，推薦用此引腳與VSS引腳之間連接一個約8.2K的下拉電阻，與Vu引腳之間連接一個約10uF的電容的保證可靠復(fù)位。VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源以保持內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)，當(dāng)VCC下調(diào)至規(guī)定的值，而UPD在其范圍的電壓范圍（50.5V）時，UPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。

22、ALE/PROG（30）腳，當(dāng)訪問外部存儲器時ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低四位字節(jié)，既使不去訪問外部存儲器，ALE端口仍以不變的頻率周期地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩周期的1/6。因此，它可用作時外輸出的時鐘或用于定時，然而要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖，ALE端可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）8個TT2輸入。對于EPROM型單片機，在EPROM編程期間，此引腳用來輸入編程脈沖（）。（29腳）此引腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，在由外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間。每個機器周期兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問數(shù)據(jù)時（從程序存儲器取來的指令是MOLX類

23、指令）這兩次有效的信號將不出現(xiàn)，可以驅(qū)動（以收或輸出電流）8個LSTTL。EA/VPP（31引腳）當(dāng)保持高電平時訪問內(nèi)部程序存儲器，但在PC值超過OFFFH時，（8051、8751），將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序，當(dāng)保持低電平時，則只訪問外部程序邏輯存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器，所以該腳必須接地，這樣，只能選擇外部程序存儲器。4) I/O通道引腳（1）P0口：雙向8位三態(tài)I/O口，與地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，可帶8個LSTTL負(fù)載。（2）D1口：8位準(zhǔn)雙向I/O中，可帶8個LSTTL。（3）P2口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，復(fù)用雙功能口，與地址總線（高8位）復(fù)用，可帶4個LSTT

24、L。（4）P3口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，復(fù)用雙功能口。作為第一功能使用時，既作為普通I/O口使用功能和操作方法與D1口相同。作為第二功能使用時，各引腳的定義如下表所示；表5-1引腳功能表引腳功能P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸入口P3.2INT0外部中斷口0P3.3INT0外部中斷口1P3.4T0定時器0外部輸入P3.5T1定時器1外部輸入P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀5.3 存儲器擴展電路設(shè)計5.3.1 程序存儲器擴展MCS51的程序存儲器尋址空間為64K，但8031片內(nèi)不帶有ROM，需要進(jìn)行程序存儲器擴展，用作程序存儲器的無件是EPROM。本次設(shè)計采用E

25、PROM型半導(dǎo)體只讀存儲器為8031擴展程序存儲器，由于十字滑臺數(shù)控程序比較復(fù)雜，因此需要容量較大的程序存儲器，因此采用27256作為系統(tǒng)擴展存儲器。1) 芯片引腳功能主要含義A0A14：地址輸入線；Q0Q7：三態(tài)數(shù)據(jù)總線，讀或編程核驗時多數(shù)據(jù)輸出線，編程時多數(shù)據(jù)輸入線維持或編程禁止時呈高阻態(tài)；CE：選片信號輸入線，低電平有效；PGM：編程脈沖輸入線；OE：讀選通信號輸入線、低電平有效；VPP：編程電源輸入線，其具體值因芯片型號和制造廠而異；VCC：主電源輸入線，一般為+5V；GND：接地線；2) 擴展基本原理MCS51系列單片機的引腳EA是程序存儲器選擇信號輸入線，對于片內(nèi)無程序存儲器803

26、1，EA引腳必須接地，設(shè)CPU在取指令周期只能從外部程序存儲器中讀取指令，引腳PSEN是51系列單片機對外部程序，存儲器和讀選信號輸出線，僅當(dāng)訪問CPU外部程序存儲器時，該引腳被激活，單片機地址允許鎖存信號ALE上升為高電平后，P2口輸出高8位地址，P0口輸出低8位地址，而P0口輸出浮空，即低8位地址信息消失，因此低8位地址必須在ALE降為低電平之前由外部地址鎖存器來鎖存，接著PSE輸出一個負(fù)脈沖，選通外部程序存儲器，P0口輸入狀態(tài)，接收外部程序存儲器的指令字節(jié)。3) 擴展方法常用T4LS373作為地址鎖存器其引腳功能如下：D0D7：數(shù)據(jù)輸入Q0Q7：數(shù)據(jù)輸出E：三態(tài)門輸出允許控制信號輸入端，

27、低電平有效。G：鎖存信號輸入端，高電平為T4LS373接數(shù)，電平負(fù)跳可變時將數(shù)據(jù)輸入端的狀態(tài)鎖存起來。VCC：電源輸入GND：接地線4) 采用程序存儲器的擴展電路框圖圖5-3 27256擴展電路5.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展由于8031內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求，需擴展外部數(shù)據(jù)存儲器，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器的擴展建議選用62256靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲器。1) 62256芯片介紹62256是32k字節(jié)靜態(tài)存儲芯片，額定功率200mv，典型的存取時間200ns為28腳雙列直插式封裝。2) 數(shù)據(jù)存儲器的擴展62256低8地址線通過地址鎖存器74LS373與8031P0口相接，高7位地址分

28、別與P2.0P2.6相接，8位數(shù)控?fù)?jù)線接8031P0口，讀寫控制引腳、與8031的讀寫控制引腳、直接相接，片選端通過譯碼電路與8031相接。3) 譯碼電路單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機相連，單片機數(shù)據(jù)總線分時與各個外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，故進(jìn)行片選控制，片內(nèi)有多個字節(jié)單元時，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。圖5-4 8031單片機數(shù)據(jù)存儲擴展電路A0A14：地址輸入線：Q0QT：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線：CE：選片信號輸入線，低電平有效：OE：讀選通信號輸入線，低電平有效：WE：寫選通信號輸入線，低電平有效：VCC：工作電源：GND：接地：5.3.3 MCS51單片機應(yīng)用于系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)劃1)

29、 程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器地址重疊使用。2) 外圍擴展芯片與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，不僅占用數(shù)據(jù)存儲器地址單元，而且使用數(shù)據(jù)存儲器讀寫控制信號與讀/寫指令。3) 地址總線寬度為16位，片外程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器可直接尋址范圍各為64k字節(jié)，P7口提供高8位地址（A8-A15）P0口徑外部鎖存后提供低8位地址（A0-A7）5.4 I/O擴展電路設(shè)計5.4.1 8255A芯片介紹8255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程輸入/輸出接口芯片，它具有3個8位并行I/O口分別稱為PA口、PB口和PC口，其中PC口又為高4位口（PC7PC4）和低4位口（PC3PC0）它們都可以通過軟件編程來改變I/O的工作方式。圖

30、5-5 8255結(jié)構(gòu)圖5.4.2 8255A的組成部分?jǐn)?shù)據(jù)端口A、B、C8255A有三個8位并行口，PA、PB、PC。都可作為輸入/輸出的工作方式，但在功能及結(jié)構(gòu)上有差異。PA口：一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存及緩沖器，一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。PB口：一個8位輸入/輸出浮沖器，一個8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。PC口：一個8位輸入/鎖存緩器，一個8位數(shù)據(jù)庫輸入緩沖器。通常PA口、PB口作為輸入/輸出口，PC口作為輸入/輸出口，也可以“方式字”控制下，分為兩個7位的端口，作為端口A、B選通操作的狀態(tài)控制信號。本系統(tǒng)由8255A實現(xiàn)對步電機的控制、主要起到了環(huán)流分配器的作用5.4.3 8279芯片介紹8279芯片是

31、一種專用于鍵盤/顯示接口器件，它能對顯示器自動掃描，能識別鍵盤上閉合的鍵號，提高CPU的工作率，8279包括鍵盤輸入和顯示輸出兩分，鍵盤部分提供的掃描方式可以和按鍵相連；能自動消除抖動以及對按鍵同時按下采取保護。1、8279的工作原理（1）鍵盤部分提供64按鍵陣列(可擴展為128)的掃描接口，也可以接傳感器陣列。鍵的按下可以是雙鍵鎖定或N鍵互鎖。鍵盤輸入經(jīng)過反彈跳電路自動消除前后沿按鍵抖動影響之后，被選通送入一個8字符的FIFO(先進(jìn)先出棧)存儲器。如果送入的字符多于8個，則溢出狀態(tài)置位。按鍵輸入后將中斷輸出線升到高電平向CPU發(fā)中斷申請。 （2）顯示部分對7段LED、白熾燈或其他器件提供顯示

32、接口。8279有一個內(nèi)部的168顯示RAM，組成一對164存儲器。顯示RAM可由CPU寫入或讀出。顯示方式有從右進(jìn)入的計算器方式和從左進(jìn)入的電傳打字方式。顯示RAM每次讀寫之后，其地址自動加1。2、8279內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖圖5-68279的引腳功能DB0DB7：雙向數(shù)據(jù)總線，用于在CPU與8279之間傳送命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)。CLK：時鐘輸入線。CS：片選信號輸入線。A0：緩沖器地址輸入線。RD：讀寫信號輸入線。WR：寫信號輸入線。IRQ：中斷請示輸出線。SL0SL2：掃描輸出線。RL0RL7：數(shù)據(jù)輸入線。SHIFT：換檔輸入線。CNTL/STB：控制/選通輸入線。OUTA0OUTA0：四位輸出口

33、OUTB0OUTB0：四位輸出口BD：顯示消隱輸出線。VCC：接電源VSS：接地3、8279內(nèi)部主要組成模塊 （1）I/O控制和數(shù)據(jù)緩沖 （2）控制與定時寄器及定時控制（3）掃描計數(shù)器 （4）返回緩沖器和鍵盤消顫及控制 （5）FIFO/傳感器RAM和狀態(tài) （6）顯示地址寄存器和顯示RAM 4、8279功能命令一覽表表5-25、8279與單片機的一般接口方法 圖5-7單片機在初始化8279后，把顯示字符送到8279內(nèi)部的一個16字節(jié)寄存器內(nèi)，并將字符轉(zhuǎn)換成段碼，經(jīng)A0A3、B0B3線把段碼送到顯示器，同時經(jīng)SL0SL3線發(fā)出4位數(shù)位選通碼。4-16譯碼器對選通碼進(jìn)行譯碼后輪流選通各位顯示器。SL

34、0SL2線同時連到3-8譯碼器。該譯碼器的輸出用于掃描鍵盤8行。8279經(jīng)8根返回線(RL0RL7)讀取鍵盤的狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)按鍵閉合則等待10ms，顫動過去后再檢驗按鍵是否閉合。若按鍵仍然閉合，則把被按鍵的鍵值選通輸入8279內(nèi)部的先進(jìn)先出(FIFO)存儲器，同時經(jīng)INT線發(fā)出一個高電平，指出FIFO內(nèi)已經(jīng)有一個字符。INT線連接到CPU的中斷請求輸入線。當(dāng)單片機接收到中斷請求后，若開中斷，則轉(zhuǎn)到鍵盤服務(wù)程序，從FIFO中讀取按鍵的鍵值。在這種接口中，單片機要做的事僅是初始化8279、送出要顯示的字符、接到中斷請求后讀取按鍵的鍵值，其它工作均由8279自動完成。6、單片機與8279的具體接口電

35、路圖5-88031的P2.7接到8279的片選端，最低位地址A0接到8279的C/D端，因此該接口對用戶來說只有二個口地址：命令口地址7FFFH和數(shù)據(jù)口地址7FFEH。 圖中8279外接48鍵盤和8位共陰極LED顯示器，采用編碼掃描方式，譯碼器74LS138對掃描線譯碼后一方面接鍵盤的列線，同時通過驅(qū)動器接到顯示器上。 步進(jìn)電機為一種用脈沖信號控制的電機，在負(fù)載能力及動態(tài)特性范圍，電動機的角位移僅與控制脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速僅與控制脈沖頻率成正比，多數(shù)情況下，用步進(jìn)電機作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)不須A/D或D/A轉(zhuǎn)換，可采用較為簡單的開環(huán)控制，所以成為數(shù)控機床的主要伺服元件，驅(qū)動電路由四部分組成。圖5

36、-9 電機驅(qū)動電路框圖5.5 其它輔助電路的設(shè)計5.5.1 單片機的時鐘電路8031的時鐘電路可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式，內(nèi)部方式利用芯片振蕩電路，在、引腳上外接定時元件，晶體可在1.212MHZ內(nèi)選擇，耦合電容在530PF之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式，可把接地接外部時鐘源。圖5-10 時鐘電路5.5.2 復(fù)位電路單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)的。在時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU從0000H單元開始執(zhí)行程序。5.5.3 越界報警及急停電路為了防止工作臺越界，分別在極限位置安裝了行程開關(guān)，兩坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)

37、有4個方向可能越界，即X、X、Y、Y，一旦某一方向越界，立即停止工作臺移動。5.6 隔離電路及功率放電路在步進(jìn)電機驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機的勵磁繞組。由于步進(jìn)電機需要的驅(qū)動電壓較高（幾十伏），電流也較大（幾安到幾十安），如果將輸出信號直接與功率放大器相聯(lián)，將引起電器干擾，輕則影響計算機程序的正常進(jìn)行，重則導(dǎo)致計算機和接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實現(xiàn)電路隔離，通常使用最多的是光電耦合器。圖5-11光電耦合器原理圖參考文獻(xiàn)（1）董玉紅編，數(shù)控技術(shù)，高等教育出版社，2004年2月20日（2）趙松年編，機電一體化數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計，北京，機

38、械工業(yè)出版社， 1994年（3）鄭堤編，機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)，北京，機械工業(yè)出版社，1997年（4）姜培剛編，機電一體化系統(tǒng)設(shè)計，北京，機械工業(yè)出版社，2004年（5）唐俊杰編，微型計算機原理及應(yīng)用，高等教育出版社，2005年（6）濮良貴、紀(jì)名剛主編，機械設(shè)計（第七版），高等教育出版社，2001附表1 外循環(huán)滾珠絲杠副參數(shù)選擇表外 循 環(huán) 滾 動 螺 旋 副導(dǎo)程L0(mm)456810121620鋼球直徑Dw(mm)2.381(3/32)3.175(1/8)3.969(5/32)4.763(3/16)5.953(15/64)7.144(9/32)9.525(3/8)12.70(1/2)圈數(shù)列數(shù)2.513.512.513.512.513.512.5