數(shù)控車床XY軸工作臺和自動控制系統(tǒng)設計

1、目錄第一章 前言3 第二章課程設計的目的、意義及要求 4第一節(jié)課程設計的目的、意義4第二節(jié)課程設計的要求4 -第三章課程設計的內容5-第一節(jié)課程設計題目5 -第二節(jié)課程設計的內容5-第四章數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 6第五章機械部分設計8第一節(jié)確定系統(tǒng)脈沖當量8-第二節(jié)工作臺外形尺寸及重量初步估算 8-第三節(jié)滾動導軌副的計算、選擇9第四節(jié)滾珠絲杠計算、選擇10第五節(jié)齒輪計算、設計13第六節(jié)步進電機慣性負載的計算14第七節(jié)步進電機的計算選擇15第六章機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計18第一節(jié)設計內容18第二節(jié)設計步驟18第三節(jié)機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計23第七章系統(tǒng)控制軟件設計2427第八章 致謝第九章 參考

2、文獻第一章 前言現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透。在機械工程領域， 由于微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展及其向機械工程工業(yè)的滲透，從而使機械工業(yè)的 技術結構、產品、功能與構成、生產方式及管理體系發(fā)生了巨大的變化，工業(yè)生產已由“機 械電氣化”邁出了“機電一體化”時代的發(fā)展階段。機電一體化是指從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、 計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、信息變換技術以及軟件編程技術 等群體技術，根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、 高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能的價值，并使整個

3、系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工 程技術。由此而產生的功能系統(tǒng)則成為一個機電一體化系統(tǒng)或機電一體化產品。一個較完整的機電一體化系統(tǒng)應該包括以下幾個要素：機械本體、動力與驅動部分、 執(zhí)行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術、計算機與信息 處理技術、自動控制技術、檢測傳感技術、伺服傳動技術和機械技術等多學科技術領域綜 合交叉的技術密集型系統(tǒng)工程。新一代的數(shù)控系統(tǒng)這類典型的機電一體化產品正朝著高性 能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展第二章 課程設計的目的、意義及要求第一節(jié) 課程設計的目的 , 意義 機電一體化系統(tǒng)設計課程設計是培養(yǎng)學生設計能力的重要實踐性教學環(huán)節(jié)之一，是綜 合運用所

4、學過的機械、電子、自動控制、計算機等知識進行的基本設計訓練。主要目的是：1. 能夠正確運用機電一體化系統(tǒng)設計課程的基本理論和相關知識，掌握機電 一體化系統(tǒng) （產品）的功能構成、 特點和設計思想、 設計方法，了解設計方案的擬定、 比較、 分析和計算， 培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力， 使學生具有機電一體化系統(tǒng)設計的初步 能力；2. 學習機電一體化系統(tǒng)設計方案的擬定、分析與比較的方法。3. 通過機械部分設計，掌握機電一體化系統(tǒng)典型機械零部件和執(zhí)行元件的計算、 選型和結構設計方法和步驟；4.通過對進給伺服系統(tǒng)的設計，掌握常用伺服電動機的工作原理、計算選擇方法 與控制驅動方式；5.通過測試及控制系統(tǒng)

5、方案設計，掌握機電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；6.通過課程設計提高學生應用手冊、標準及編寫技術說明書的能力，促進學生在科學態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質的提高。第二節(jié) 課程設計的要求 ：1. 課程設計應在教師的指導下由學生獨立完成，嚴格地要求自己，不允許相互抄襲；2. 認真閱讀課程設計指導書 ，明確題目及具體要求；3. 認 真查閱題目涉及內容的相關文獻資料、手冊、標準；4. 大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設計方案；5. 機械部分和驅動部分設計思路清晰，計算結果正確，選型合理；6. 微機控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確；7. 課程設計說明書一份，包

6、括：目錄，題目及要求，總體方案的確定，機械系統(tǒng)設計， 控制系統(tǒng)設計，參考文獻等。設計說明書應敘述清楚、表達正確、內容完整、技術術 語符合標準第三章 課程設計的內容第一節(jié) 課程設計題目 ：兩維數(shù)控平臺及控制系統(tǒng)設計 。已知條件：脈沖當量：土 0.01mm滾珠絲杠及導軌使用壽命：T=15000h(中等沖擊)，工作臺的有效行程為LX=300mm,Ly=200快速進給速度Vxmax=800mm/minVymax=800mm/和n工作載荷2000N第二節(jié) 課程設計的內容1. 數(shù)控裝置總體方案的確定(1) . 數(shù)控裝置設計參數(shù)的確定；(2) . 方案的分析，比較，論證。2. 機械部分的設計(1) . 確定

7、脈沖當量；(2) . 機械部件的總體尺寸及重量的初步估算；(3) . 傳動元件及導向元件的設計，計算和選用；(4) . 確定伺服電機；(5) . 繪制機械結構裝配圖；(6) . 系統(tǒng)等效慣量計算；(7) . 系統(tǒng)精度分析。3. 數(shù)控系統(tǒng)的設計(1) . 微機及擴展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設計；(2) .I/O 接口電路及伺服控制電路的設計和選用；(3) . 系統(tǒng)控制軟件的設計4. 編寫課程設計說明書說明書是課程設計的總結性技術文件，應敘述整個設計的內容，包括總體方案的確定， 系統(tǒng)框圖的分析，機械傳動設計計算，電氣部分的設計說明，選用元器件參數(shù)的說明，軟 件設計及其說明 , 盡量用計算機完成；

8、第四章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定數(shù)控系統(tǒng)總體方案設計的內容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機構及傳動方案的確 定，伺服電機類型及調速方案確定，計算機控制系統(tǒng)的選擇。進行方案的分析、比較和論 證。1. 系統(tǒng)運動方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標軸的運動有精確的運動關系因此采用連續(xù)控制方式。2. 伺服系統(tǒng)的選擇開環(huán)伺服系統(tǒng)在負載不大時多采用功率步進電機作為伺服電機 . 開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有 檢測反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結構簡單，調整維修容易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應用考慮到運動精度要求不高，為簡化結構，降低成本，宜采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅 動。3. 計算機系統(tǒng)的

9、選擇采用MCS-51系列中的8031單片機擴展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機的主要特點是集成度 高，可靠性好，功能強，速度快，性價比高?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作 實現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。4. X 丫工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結構的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高 傳動剛度和消除間隙，采用有預加載荷的結構。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導軌副，從而減小工作 臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性?？紤]電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，

10、為達到分辨率的要求，以及考慮步進電機負載匹配，采用齒輪減速傳動。系統(tǒng)總體框圖如下 ：X向工作臺第五章機械部分設計機械部分設計內容包括：確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣性的計算，選擇步進電機, 傳動及導向元件的設計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。第一節(jié) 脈沖當量的確定脈沖當量：土 0.01mm第二節(jié)工作臺外形尺寸及重量初步估算根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算X向和丫向工作臺承載重量 W和Wo取X向導軌支撐鋼球的中心距為 410mm,丫向導軌支撐鋼球的中心距為 400mm設計工作臺簡圖如下：X向拖板（上拖板）尺寸為：長 * 寬 * 高=320*310*50重量:按重量=體積*材料比重估算為

11、：Wx 320 310 50 10 3 7.8 10 2386.88N丫向拖板（下拖板）尺寸為:長 * 寬 * 高=320*200*5032Wy 320 20050 107.8 10249.60 N上導軌(含電機)重量為(900 480 82 800 35 50) 7.8 10 210 3487.97N夾具及工件重量：約155NX-Y工作臺運動部分總重量為：W 487.97 386.88 249.60 150 1280第三節(jié)滾動導軌副的計算、選擇根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導軌的靜安全系數(shù)fsL C°/P，式中：Co為導軌的基本靜額定載荷（Kn）;工作載荷P=0.5（

12、Fz+W）; fsL =1.03.0（ 一般運行狀況），3.05.0 （運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結果查有關資料初選導軌:CofSL PX ,YPX,Y0.5(FZWx,y)Px0.5(FzWX ) 0.5(2000386.88)1193.44NPy0.5(FzWY)0.5(2000249.60)1124.80NCOXf SLPX4773.76因系統(tǒng)受中等沖擊，因此取sL4.0CmfSLPY4499.20根據(jù)計算額定靜載荷初選導軌:選擇德國INA公司滾動直線導軌,其型號為:KUE15基本參數(shù)如下裝配型號滑塊牌號質量（kg）導軌牌號單位質量（kg/m）導軌長度插頭（附件）KUE15KUE15

13、0.17TKD151.51200KA08TN安裝尺寸/mmHAChHbGA1aC4A244754.5154.838.616156016a3H2片K2K3C2C3H6冷4.54.57M4-8301.54M4基本額定載荷滑座個數(shù)單向行程長每分鐘往復度次數(shù)Ca/KNCoa/KNTo/KNM1 Sn6.59.27.340.64導軌的額定動載荷Ca =6500N依據(jù)使用速度v (m/min)和初選導軌的基本動額定載荷 Ca (kN)驗算導軌的工作壽命Ln :額定行程長度壽命：f H fT fC CaF=FzM2000500Ts=K工作溫度小于100 C, fT 1 ； 中等沖擊，低速場合，fw 1.5;

14、每根導軌的滑塊數(shù)為2, fC 0.81 ;軌道硬度58, fH 1 ;RK50 ;d°Ts=K( fH fT fC 5 ) 3 =50(1 1 0.816500) 3 =17297.42Km#軌的額定工作時間壽命: fW F1.5500T Ts*1032l°nI H33Ts *10 =17297.42 102l0n2 0.6 4 6060060.48h15000h導軌的工作壽命足夠第四節(jié) 滾珠絲杠計算、選擇初選絲杠材質：CrWMi!岡，HRO58,導程：I o=5mm(1) 強度計算絲杠軸向力：FmaxKFx,yf(Fz Wx,y)(N)其中：綜合導軌，K=1.15 ;滾動

15、導軌摩擦系數(shù)f=0.0030005;在車床車削外圓時：Fx=(0.10.6)F z, Fy=(0.150.7)F z,可取 Fx=0.5Fz, Fy=0.6Fz計算。取 f=0.004, Fz 400 則：FX 0.5FZ 0.5 20001000NFy 0.6Fz 0.6 20001200N386.88)1159.55N249.60)1388.99NFXmax 1.15 10000.004(20008005L160r / min60 160命值：L 67，其中絲杠轉速n 丫嘰FYmax 1.15 12000.004(2000T=15000h最大動載荷：Q 3 LfH

16、fWF式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.21.5fH為硬度系數(shù)，HRO58時為1.0查表得中等沖擊時fW1.4, fH 1則:Qx 3 144 1.4 1 1159.55 8508.87Qy 3 144 1.4 1 1388.99 10192.51根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結構形式，并根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠 的型號為：D系列滾珠絲桿副，其型號為：D2005-4。其基本參數(shù)如下：代號公稱直徑導程滾珠直徑絲杠底徑絲杠外徑循環(huán)列數(shù)螺母安裝尺寸2505-4d°PhDWd2d1GD1DD42553.17521.224.24406653螺母安裝尺寸油杯額定載荷剛度GBh12M

17、CaCoaKc501165.810M 61192128759615其額定動載荷為11921N>Qy足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預緊方式采用雙螺母螺紋預緊形式名稱計算公式結果公稱直徑d°20mm螺距t5 mm接觸角450鋼球直徑db3.175mm螺紋滾道法向半徑RR 0.52db1.651mm偏心距ee (R db 2)sin0.04489mm螺紋升角arctg td。4033'螺桿外徑ddd0 (0.2 0.25)db19.365mm螺桿內徑d1d1 d0 2e 2R16.788mm螺桿接觸直徑d2d2 d0 db cos17.755mm螺母螺紋外徑DD d0

18、 2e 2R23.212mm螺母內徑(外循環(huán))D1D1 d0(0.2 0.255)db20.7mm(2) 傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為：tgtg()式中：© =10',為摩擦角；丫為絲杠螺旋升角tgtg 4033'0tg () tg(4°33'10') U(3) 穩(wěn)定性驗算絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算Fy 1388.99 Nl00.5cmE 20.6 106(N /CM 2)L1R21.6513.14(二)22.14CM1388.99 0.520.6 1062.1415.75 m 16 m4級精度在任意300mm內軸向行程內的

19、變動允許量 16 m，而對于跨度為1497mn!勺滾珠絲杠，總的變形量只有15.75 m，可見絲杠剛度足夠第五節(jié) 齒輪計算、設計因步進電機步距角1.5o滾珠絲杠螺距t=5mm要實現(xiàn)脈沖當量 p 0.01 mm/step,在傳動系統(tǒng)中應加一對齒輪降速傳動 齒輪傳動比：i 360 p，初選步進電機步距角：a = 1.5?/step 。Ioi 沁 360 °.010彳8I。1.5 5i 2取小齒輪齒數(shù)乙 24則大齒輪齒數(shù)Z250(1 )主動輪最高轉速n1最快移動速度為Vmax 800mm/min，可以算出主動輪最高轉速n1 (Vmax / )/360333r / min確定帶的設計功率Pd

20、。預選的步進電動機在轉速為 333r/min時，對應的步進脈沖頻率為max 333 360 /(60 1.5)1332 Hz查表得當脈沖頻率為1332Hz時，電動機的輸出轉矩約為18Nm,對應的輸出功率為Pout n T/9.55333 18/9.55 627.6W .同步帶傳遞的負載應該小 于627.6W。今取P=0.42kw。查表得工作情況系數(shù)Ka 1.2,求得帶的設計功率PdKaP 1.2 0.32 0.504kw選擇帶型 根據(jù)帶的設計功率Pd0.504和主動輪最高轉速n1 333r/min，選擇同步帶的型號為XHL型。分度圓直徑:d1 rnz-i1 24 24mmd2 mz2齒頂圓直徑

21、:da1(Z12)m(24 2) 126mmda2(Z22)m(502) 152mm齒根圓直徑d f1(Z12.5)m(24 2.5)121.5mmd f 2(Z12.5)m(50 2.5)147.5mm齒寬：bdd112424mm取b125 b230(2)因傳遞的扭距較小，取模數(shù)m=1mi則:1 50 50mm中心距：a 0.5(d1 d2)0.5(2450) 37mm分度圓壓力角：200大小齒輪均采用漸開線標準圓柱齒輪 小齒輪采用兩片薄齒輪錯齒排列以消除間隙雙片齒輪錯齒消隙結構圖如下1、2-薄齒輪,3 彈簧,4、8 凸耳,5 調節(jié)螺釘,6、7螺母雙片齒輪錯齒消隙結構圖第六節(jié) 步進電機慣性負

22、載的計算根據(jù)等效轉動慣量的計算公式，有：(1)等效轉動慣量的計算折算到步進電機軸上的等效負載轉動慣量為：M()2Jq J。 Ji f )2J2 J3)Z2b180式中：Jq為折算到電機軸上的慣性負載；Jo為步進電機軸的轉動慣量；Ji為齒輪1的轉動 慣量；J2為齒輪2的轉動慣量；J3為滾珠絲杠的轉動慣量；M為移動部件的質量。對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算：J 0.78 10 3 D4 L式中D為圓柱零件直徑，L為圓柱零件的長度所以有:Ji0.7810 32.442.56.472 210 kg ?cmJ 20.78i035.043.02 2146.25 10 2kg?cm2Ji0.78i0

23、32.043037.4410 2 kg ? cm2電機軸的轉動慣量很小，可以忽略，所以有:224 220 0122Jd 6.47 10 2 ( )2(146.25 37.44) 10 2 200()2 250空 1.5180第七節(jié)步進電機的選用(1 )常見步距角有 0.36?、0.45?、0.6?、0.72?、0.75?、0.9?、1.2?、1.5?、1.8?等。這 里取1.5?，方便計算。(2 )步進電機啟動力矩的計算設步進電機的等效負載力矩為Teq，其公式為：Teq(FfG)Ph2 i縱向進給切削力Ff設工件材料為碳素結構鋼，b 650Mpa ;選用刀具材料為硬質合金鋼 YT15;刀具的幾

24、何參數(shù)為主偏角60?,前角10?,刃傾角-5?；切削用量為：背吃刀量為3mm進給量為0.6mm/r, 切削速度為105m/mi n。查表得 Gfc 2795, X FC 1.0,Yfc 0.75, Dfc 0.15查表得主偏角的修正系數(shù)Kkpfc0.94;刃傾角，前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0 ;有經驗公式算得主切削力Fc 2673.4N ,由經驗公式Ff Fp 1:0.35:0.4,算得FP=1069.36N, Ff =1712;nmv maxb800 1.52 31i2.31n n (360)144(360 0.01)b步距角;脈沖當量值;取 =0.3 (淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數(shù)

25、)，=0 .8。所以有:求得：Teq (Ff 昕 56.74N?CMq 2 i考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉矩:Teq0.3 0.5取系數(shù)為0 .4，則：°體1484N?CM對于工作方式為三相6拍的步進電機:Tj maxTq0.866163.78 N ?CM(3 )步進電機的最高工作頻率f maxVmax6080060 0.011333為使電機不產生失步空載啟動頻率要大于最咼運行頻率fmax,同時電機最大靜轉矩要足夠大查表選擇兩個90BF003型三相反應式步進電機電機有關參數(shù)如下型號主要技術參數(shù)相數(shù)步距角電壓(V)相電流(A)最大靜 轉 矩TjJmax(n.m)空載啟動頻率

26、空載運行頻率分配方式重量90BF00331.56051.961500150003相六拍4.5第六章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計第一節(jié) 設計內容1. 按照總統(tǒng)方案以及機械結構的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控 制的結構框圖；2. 選擇計算機或中央處理單元的類型；3. 根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設計存儲器擴展電路；4 .根據(jù)控制對象以及系統(tǒng)工作要求設計擴展I/O接口電路，檢測電路，轉換電路以 及驅動電路等；5. 選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號；6. 繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標明各器件的型號，管腳號及參數(shù)；7 .說明書中對電氣原理圖以及各有關電路進行詳細的原理說明和方案

27、論證 。 第二節(jié) 設計步驟1. 確定硬件電路的總體方案。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：1主控制器。即中央處理單元 CPU2總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。3存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。4接口。即 I/O 輸入輸出接口。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示：2 .主控制器CPU的選擇MCS-51系列單片機是集中CPU, I/O端口及部分RAM等為一體的功能性很 強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段 齊全，指令系統(tǒng)功能強大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設計選用8 0 3 1芯片作為主 控芯片。3 . 存儲器擴展電路設計( 1)程

28、序存儲器的擴展單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用EPROM芯片。其型號有：2716， 2732， 2764， 27128， 27258，其容量分別為2 k,4k,8k,16k32k 。在選擇芯片時要 考慮CPU與EPROM時序的匹配。8031所能讀取的時間必須大于EPROM所要 求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿 足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇 2764芯片作為本次設計的程序存儲器擴展用芯片。單片機規(guī)定P 0 口提供8為位地址線，同時又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時用作低位地 址和數(shù)據(jù)的通道口，

29、為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲器提高低8位的地址 信息，一般采用7 4LS 3 7 3芯片作為地址鎖存器，并由CPU發(fā)出允許鎖存信號ALE 的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。由以上分析，采用2 7 6 4 EPROM芯片的程序存儲器擴展電路框圖如下所示:擴展2764電路框圖(2) 數(shù)據(jù)存儲器的擴展由于8031內部RAM只有128字節(jié)，遠不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器。單片機應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴展電路一般采用6116,6262靜態(tài)RA贓據(jù)存儲器。本次設計選用6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲器擴展用芯片。其擴展電路如下所示：擴展6264電路框圖(3) 譯碼電路在單片機應用系

30、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)總線分時的與各個外圍芯片進行數(shù)據(jù)傳送。故要進行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲器采用統(tǒng)一 編址，因此單片機的硬件設計中，數(shù)據(jù)存儲器與外圍芯片的地址譯碼較為復雜?？刹捎镁€ 選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線 為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結構簡單，但它所用片選線都是高位地址線，它 們的權值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對于RAM和I/O容 量較大的應用系統(tǒng)，當芯片所需的片選信號多于可利用的地址線的時候，多采用全地址譯 碼法。它將低位地址作為片內地址，而用譯碼器對高位地址線進行

31、譯碼，譯碼器輸出的地 址選擇線用作片選線。(4) 存儲器擴展電路設計8031單片機所支持的存儲系統(tǒng)起程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器為獨立編址。該設計選用程序存儲器2764和數(shù)據(jù)存儲器6264組成8031單片機的外存儲器擴展電路。(5) I/O擴展電路設計(a).通用可編程接口芯片8 15 58 0 3 1單片機共有4個8位并行I/O接口，但供用戶使用的只有P1 口及部分P 3口線。因此要進行I/O口的擴展。8155與微機接口較簡單，是微機系統(tǒng)廣泛使用的 接口芯片。(b).鍵盤，顯示器接口電路鍵盤，顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設備， 可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計算機狀 態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)

32、都采用行列式鍵盤，即用I/O口線組成行，列結構， 按鍵設置在行列的交點上。數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED和LCD。 下圖所示為采用8155接口管理的 鍵盤，顯示器電路。它有4X8鍵和6位LED顯示器組成。為了簡化秒電路，鍵盤的列 線及LED顯示器的字位控制共用一個口， 即共用8155的PA口進行控制，鍵盤的行線 由8 15 5C 口擔任，顯示器的字形控制由 8155的PB 口擔任。4 步進電機驅動電路設計（1 ）脈沖分配器步進電機的控制方式由脈沖分配器實現(xiàn)， 其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按 一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各相繞組，實現(xiàn)電機正反轉。數(shù)控系統(tǒng)中通常使 用集成脈沖

33、分配器和軟件脈沖分配器。本設計采用集成脈沖分配器YB013。（2）光電隔離電路在步進電機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經放大后控制步進電機的勵磁繞組。 如果將輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大 器間加上隔離電路實現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電耦合器。（3）功率放大器脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要， ，必須將其輸出信號放大產 生足夠大的功率，才能驅動步進電機正常運轉。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進電 機容量選擇功率放大器。本設計選用功率放大器。這里采用的功率放大電路如下圖所示：5其它輔助電路設計( 1 ) 8 0 3 1的時鐘電路單片機的

34、時鐘可以由兩種方式產生：內部方式和外部方式。內部方式利用芯片的內部振蕩電路，在 XTAL1,XTAL2引腳上外接定時元件，如下圖 所示。晶體可以在1 212之間任意選擇，耦合電容在53 0 pF之間，對時鐘有微調 作用。采用外部時鐘方式時，可將 XTAL1直接接地，XTAL2接外部時鐘源。8031XTAL1丄丄TXTAL2時鐘電路(2)復位電路單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)。在時鐘工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10 ms以上的高電平，單片機就實現(xiàn)狀態(tài)復位，之后CPU便從0 0 0 0 H單元開始執(zhí)行 程序。在實際運用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復位電平與8 0 3 1復位要求一致時，可以直接相

35、連。當晶振頻率選用6MH z時，復位電路中C取2 2 F,R取2 0 0, Rk取1000。實用復位電路圖如下所示：（3）越界報警電路為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關。利用光電耦合電路，將行程開關接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至8 0 3 1的I/O口P1.0。當任何一個行程開關被壓下的時候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導通，由低電平變成高電 平。8 0 3 1可利用軟件設計成查詢的方法隨時檢查有無越界信號。也可接成從光敏三極 管的集電極輸出接至8 0 3 1的外部中斷引腳（INT0或INT1），采用中斷方式檢查越界信號。第三節(jié)機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計該系統(tǒng)選用MC

36、S 51系列的8 0 3 1作為主控制器。擴展存儲電路為一片2732EPRO和一片6264RAM程序存儲器擴展為4K,數(shù)據(jù)存儲器擴展為8K。2 7 3 2的片選控制端 CE直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復位以后，CPU從OOOOH開始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端CE由譯碼器（74LS138）的丫2輸出提供。所以 6264的空間地址為40005FFFH。系統(tǒng)的擴展I/O接口電路選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片8155。8155的片選端CE接至譯碼器（74LS138的Y4的輸出端，故8155控制命令寄存器及PA PB, PC口的 地址號分別為 8000H及 8001H, 8002H,

37、 8003H 8155RAk區(qū)的地址為 8000H 80FFH8155的A 口為控制工作抬X，丫向電機的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不步 進電機接口與功率放大器之間采用光電隔離。鍵盤與顯示器設計在一起，8155的PC口擔任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制；PB口的PB0-PB3為鍵盤的行線。8031的P1 口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用 4X6共24個行 列式鍵盤和6位8段共陰極LED顯示器。為了增加數(shù)碼管顯示亮度，分別在字形口和字位 口加74LS07進行驅動。PB口剩余的I/O線PB4-PB7分別作為工作臺+X, +Y, -X，-Y四個方向的行程限位控制 信號。在軟件設計上8155的

38、PAD, PC 口設置為輸出，PB 口設置為輸入。計算機隨時巡回 檢測PB4-PB7的電平，當某I/O線為0時，應立即停止X, 丫向電機的驅動，并發(fā)出報警 信號。另外，光電隔離器的輸出端必須采用隔離電源。隔離電源選用 7805三端集成穩(wěn)壓器設 計。第七章 系統(tǒng)控制軟件的設計（ 一 ）. 系統(tǒng)控制軟件的主要內容 數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實現(xiàn)各種控制功能。 按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控 制軟件分為以下幾個部分：1、系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調工作的主體軟件。其功能主要是 接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系 統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。2、零件

39、加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部 I/O 設備輸入零件加工源程序 的任務。3、插補程序。根據(jù)零件加工源程序進行插補，分配進給脈沖。4、伺服控制程序。根據(jù)插補運算的結果或操作者的命令控制伺服電機的速度，轉角以 及方向。診斷程序。包括移動不見移動超界處理，緊急停機處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯等功6、機床的自動加工及手動加工控制程序7、鍵盤操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機床工作狀態(tài)、操作命令等信息。（ 二 ）. 軟件設計1. 系統(tǒng)控制功能分析數(shù)控 X-Y 工作臺的控制功能包括：（1）、系統(tǒng)初始化。如對 I/O 接口 8155，8255A 進行必要的初始化工作，預置接口工作

40、方 式控制字。（2）、工作臺復位。開機后工作臺應該自動復位，亦可手動復位。（3）、輸入和顯示加工程序。（4）、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關。如監(jiān)視緊急停機鍵及行程開關，鍵盤掃描等功能。（5）、工作臺超程顯示與處理。工作臺位移超過規(guī)定值時應該立即停止工作臺的運動，并 顯示相應的指示字符。（6）、工作臺的自動控制。（7）、工作臺的手動控制。（8）、工作臺的聯(lián)動控制。2. 系統(tǒng)管理程序控制管理稱許是系統(tǒng)的主程序， 開機后即進入管理程序。 其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的 命令。在設計管理程序時，應確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控 X-Y 工 作臺的基本操作功能有：輸入加工程序，自動加工，刀位控制，工作臺位置控制，手動操 作，緊急停機等。3. 自動加工程序設計（1）機床在自動加工時的動作順序：工作臺移動到位T刀具快速進給一加工一退刀一工作臺運動到下一位置；（2）計算機在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機床完成加工;4. 步進電機控制子程序設計步進電機的控制包括速度，轉角及方向的控制