C616型普通車床改造為經(jīng)濟型數(shù)控車床解讀

1、一、設計任務設計題目C616型普通車床改造為經(jīng)濟型數(shù)控車床。1.1設計要求由于是對原有機床進行經(jīng)濟型數(shù)控機床改造，因而在考慮具體方案時，基本原則是在滿足使用要求的前提下，降低成本。根據(jù)C616車床有關(guān)資料，確定總體方案。采用控制器進行控制，控制選擇電機的輸出經(jīng)齒輪減速后，帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn) 動，從而實現(xiàn)縱向、橫向進給運動。圖1 C616車床1.2主要設計參數(shù)及技術(shù)指標 主要設計參數(shù)及技術(shù)指標如下。 機械部分：工作臺重量： W=960N時間常數(shù)：T=30ms 滾珠絲桿基本導程：Lo=9mm行程：X=660mm Y=320mm 脈沖當量：S p=5卩m/step步進角：a=0.85 °/st

2、ep步進電機通電方式：四相八拍快速進給速度：Vmax=2m/mi n控制部分：采用單片機軌跡控制采用數(shù)字積分法（DDA步進電機的控制二、總體方案設計2.1數(shù)控系統(tǒng)運動控制方式的確定按照完成的加工制造任務，數(shù)控系統(tǒng)可分為點控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng) 和連續(xù)控制系統(tǒng)。于由要求 C616車床能加工復雜輪廓零件，所以數(shù)控系統(tǒng)應該 設計成連續(xù)路徑控制型。2.2伺服進給系統(tǒng)的選擇數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)之分。因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、 設計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。所 以，本設計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。圖2開環(huán)控制系統(tǒng)2.3控制器的選擇由于C616普通數(shù)控機床

3、經(jīng)數(shù)控化改造后，實現(xiàn)控制性能的要求的控制算法不 是很復雜。所以以MCS-51系列的8位單片機作為控制器，外擴存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器、I/O接口電路、鍵盤、顯示器等組成改造后機床的控制系統(tǒng)。2.4進給傳動機構(gòu)縱向進給機構(gòu)的改造：拆去原有機床的溜板箱、光杠、絲杠以及安裝機座，選 用摩擦力小、傳動效率和傳動精度高的滾珠絲杠副， 且由步進電機驅(qū)動。橫向進 給也是換以步進電機驅(qū)動的滾珠絲杠副。2.5主傳動系統(tǒng)保留主傳動系統(tǒng)，即保留原有的主傳動機構(gòu)和變速操縱機構(gòu)。但是主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止由計算機控制。為了使機床能夠加工螺紋，需要安裝能夠檢測主 軸位置的編碼器。編碼器既可以與主軸同軸安裝，即安裝在主軸的后端

4、，也可以 通過1:1的同步帶輪與主軸連接。三、機械部分設計與計算3.1縱向進給系統(tǒng)的設計計算 縱向進給已知參數(shù)：工作臺重量：W=960N時間常數(shù)：T=30ms滾壞絲杠基本導程：Lo=9mm行程：S=640mm脈沖當量：S p=5m / step =0.005mm/step步進角：a =0.85 ° /step快速進給速度:V max=2mm/min3.1.1切削力計算由機床設計手冊和相關(guān)資料可知，切削功率N。二 N K式中N 電機功率，查機床說明書，N=4K；n 主傳動系統(tǒng)總效率，一般為 0.60.7取n =0.65 ；K進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為 K=0.96。則：N0 = 4 0.6

5、5 0.96 = 2.496kW又因為N°七所以匚N。FZv式中v切削線速度，取 v=100m/min,即v=1.67m/s,有由機床設計手冊中可知，在一般外圓車削時:Fx = (0.1 0.6 ) FzFy=(0.15 0.7) F z取:Fx =0.5Fz =0.5 1495N =748N尸丫 =0.6Fz =0.6 1495N =897N主切削力»Nv2.964 1031.67=1495(N)3.1.2滾珠絲杠設計計算計算進給率引力(Fm )綜合導軌車床絲杠的軸向力：0 二 kFxf'(Fz W)式中 K=1.15 , f' =0.15 0.18，取為

6、 0.16。則Fm=1.15 748 0.16 (1495 960) = 1254N計算最大動載荷負荷C滾珠絲杠導程初選L0=9mm ；取-、2m/min ； T按15000h計算；取 仏.2 , fh; L以106轉(zhuǎn)為一單位。士1000VS / .1000漢 2 / .cccc壽命值nr/minr / m in = 222.2L。960nT60 222.2大動負荷為C = 3 L fw fh Fm = 3 200 1.2 1 1254 二 8800 N滾珠絲杠螺母的選型 根據(jù)滾珠絲杠的相關(guān)數(shù)據(jù)，可采用W.L3005外循環(huán)螺紋調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲 杠副1列2.5圈，

7、其額定動載荷為10700N,精度取3級，公稱直徑32mm所以 強度足夠用。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。*圖3滾珠絲杠螺母結(jié)構(gòu)傳動效率計算x y傳動效率按式-an計算，取 =3 39' 摩擦角取10',滾動摩擦因數(shù)tan(YK)般為0.0030.004，則帶入數(shù)據(jù)計算得tantan( )tan3 39'tan(3 39' 10')= 0.9535#剛度驗算 絲杠的拉伸或壓縮變形量。滾珠絲杠受工作負載引起的導程 L。的變化量按式L -： FmL°計算，式中Fm=1254N，Lg=9mm，E = 20.6104N/ cm2，EAd = 28.301mm取A為(

8、d/2)2二，帶入數(shù)據(jù)計算得-Fm L0EA1254920.6 106 (28.031/2)2 3.14二-8.88 10mm#6滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量=L2很小，可以忽略#有效行程為L = 660mm，所以_6605660-3丄 8.88 106.51 10 mm =6.51mLo9由于兩端采用推力球軸承，絲杠又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高四倍， 其實際變形量引起絲杠總的變形量1 =1.63m4滾珠與螺紋滾道間接觸變形：.2。查閱資料可知，W1L3005外循環(huán)螺紋，1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量為、：2=72血，因進行了預緊，有、2'2=3.60m2支撐滾珠絲杠軸

9、承的軸向接觸變形、：3。采用51105型推力球軸承，滾動體直徑1 f 2dQ =6.3mm，滾動體數(shù)量Z=14,軸向力Fm =1254N，由公式= 0.00243m 2可.dQZ知，F(xiàn)m單位需換算成kgf,則Fm =128kgf，代入計算:、3 = 0.00243 Fm 2 = 0.00568mm =5.68lm3: dQZ2因施加預緊力，故、3'=2.84 52根據(jù)以上計算：、=打、2'、3' =163 3.60 2.84m =8.07m已知精度等級為3級。行程為660mm查表知，允許絲杠行程變動量偏差為15 Jm，所以剛度足夠。穩(wěn)定性計算由于機床絲杠直徑為30mm現(xiàn)

10、選用的絲杠直徑為32mm支承的方式不變，為一 端固定、一端徑向支承，絲杠固定端安裝兩個8105型推力球軸承和一個305型球軸承（外徑要和原裝配孔一致），支撐端安裝一個3305型雙列角接觸球軸承， 所以穩(wěn)定性不存在問題，故不再驗算。通常還需適當加大和機床結(jié)合部件的接觸面積，以提高螺母座的局部剛度和 接觸強度，新設計的機床在工藝條件允許時，常常把螺母座或支承座與機床本體 做成整體來增加剛度。3.1.3齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算步矩角 入=0.85 /step，導程 L0 =9mm，脈沖當量、p =5：m/step= 0.005mm/step，齒輪傳動比:ibL0蘭乞94.25360 p 360 0.005

11、可選定的齒數(shù)為50 452125-4.25z1 =21， z2 =50, z3 =25， z4 =45表3-1齒輪傳動參數(shù)（單位：mm齒數(shù)z21502545模數(shù)m2齒寬b20分度圓d = mz421005090齒頂圓da =d +2m461045494齒根圓df =d -2>d.25m37955585中心距A =4d2/27170轉(zhuǎn)動慣量計算Js =7.8 10 D4L=7.8 103.24 142.3kg *cm= 11.639kg *cm2齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：J1 =7.8 10, 4.24 2kg cm2 = 0.485kg *cm2J2 =7.8 10，104 2kg *cm2 =

12、15.6kg *cm24422J3 = 7.8 10 一 5 2kg *cm = 0.975kg *cm4422J4 =7.8 109 2kg-cm = 10.235kg *cm工作臺質(zhì)量折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量:卩09601X -0丿9.8 iJg=Ggv20.922kg *cm = 2.012kg cm 3.14電動機的轉(zhuǎn)動慣量很小可以忽略 因此，總的轉(zhuǎn)動慣量:Zi 2Z3 2J"J1 ( -) J2 J3( 3) J3 Js Jg Z2Z42= 0.485 0.176 15.6 0.9750.30810.235 0.6489 2.012 kg *cm2=4.100kg *cm所

13、需轉(zhuǎn)動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩：M起二MamaxI f最大切削負載時所需力矩：M切二Mf *1。Mt快速進給時所需力矩：M快=Mf - a I式中 M amax空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩；M f 折算到電機軸上的摩擦力矩；M 0由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩;Mt切削時折算到電機軸上的加速度力矩；M 折算到電機軸上的切削負載力矩。當 n = n max，Ma = M amax 時，有11#n maxvmaxlL02000 4.25二 944.4r/min#3 14X 944 4 oM amax= 4.1010N cm = 135.09N *cm30903當

14、=0.8， f丨0.16時，有#Mff Fz G L。2二 i0.161254 9600.92 3.14 0.8 4.25N cm = 14.93N *cm121當0 49時預加載荷卩卄3耳，則:13#2Fp0Lo (12 fx Lo(r|0 )2 - i ( - 0)_"iN cm = 1.99N cm2748 0.9 (1 -0.9 )6 3.14 0.8 4.25#軸向最大切削力為FX向切削力，有Ft L0748 29Mt 1 0N cm =31.53N 4cm2 兀"i2 漢 3.14 疋 0.8 漢 4.25所以，快速空載啟動時所需力矩為M起工MamaxIf 泊-

15、 135.09 14.93 1.99 N *c152.01N «cm最大切削負載時所需力矩為M 切=M f 一 10 ： 11 = 14.93 1.99 31.53 N *cm = 48.45N *cm快速進給時所需力矩為M 快=Mf II- 14.93 1.99 N cm = 16.92N * cm =16.85 N由以上分析計算可知：所需最大力矩Max發(fā)生在快速啟動時。3.2橫向進給系統(tǒng)的設計計算橫向進給已知參數(shù)工作臺重量：W=960N時間常數(shù)：T=30ms滾壞絲杠基本導程：Lo=9mm行程：S=320mm脈沖當量：S p=5 m/ step=0.005mm/step步進角：a

16、=0.85 ° /step快速進給速度:V max=2mm/min3.2.1切削力計算橫向進給量為縱向的1/31/2，取1/2，則切削力約為縱向的1/2& = (1495/2)N=748N按經(jīng)驗公式取:= 0.5 FZ = 0.5 748N 二 374NFy 二 0.6 Fz = 0.6 748N 二 449N3.2.2滾珠絲杠設計計算計算進給率引力(Fm )燕尾導軌取K=1.4, f'取0.2 , G=320N代入數(shù)據(jù)計算得Fm= 1.4 449 0.2 (748 2 374 320) = 1047.8N計算最大動載荷負荷C滾珠絲杠導程初選L 9mm ；取、2m/m

17、in ； T按 15000h計算；取fw =1.2， fh = 1 ； L以10轉(zhuǎn)為一單位代入數(shù)據(jù)計算得1000vsL。r /min叫r/min= 222.2915#222f 15000 ： 200106106最大動負載為C = 3fwfhFm = 3麗 1.2 1 1047.8 = 7359.4N滾珠絲杠螺母的選型 跟據(jù)滾珠絲杠的相關(guān)數(shù)據(jù)，可采用W.L2005外循環(huán)螺紋調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲杠副1列2.5圈，其額定動載荷為8800N,精度取3級, 公稱直徑20mm傳動效率計算 傳動效率按式計算，取=4 33'； '摩擦角取10'，滾動摩擦因數(shù)般為0.0030.004，

18、則帶入數(shù)據(jù)計算得tantan()tan4 33'tan(4 33 10')二 0.909剛度驗算 絲杠的拉伸或壓縮變形量。滾珠絲杠受工作負載引起的導程 L°的變化量按式計算，式中 Fm =1047.8N， L 9mm， E = 20.6 104N /cm2， EAd =17.619mm取A為(d/2)2二，帶入數(shù)據(jù)計算得丄二FmLo6 1047.8921.88 10(mmEA20.6X0 x (17.619/2) ><3.14滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量 AL?很小，可以忽略 有效行程為L = 320mm，所以320320=.丄 1.88 10-65.4

19、14 10-3mm = 5.414 5Lo9由于采用推力球軸承，絲杠又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高四倍，其實 際變形量''1'1 = 1.35Lm4珠與螺紋滾道間接觸變形；2。查閱資料可知，W1L2005外循環(huán)螺紋，1列2.5圈 滾珠和螺紋滾道接觸變形量為2 =5.205，因進行了預緊，有、.2'2.60 52支撐滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形、：3。采用51105型推力球軸承，滾動體直徑2dQ = 5.56mm，滾動體數(shù)量 Z=14,軸向力 Fm =1047.8N，由公式0.00243 -2；dQZ可知，F(xiàn)m單位需換算成kgf,則Fm =107kgf，代入計

20、算16#因施加預緊力，故根據(jù)以上計算：:.3'3=2.60m2#：、2'、3'=1.35 2.60 2.605 =6.55m已知精度等級為3級。行程為320mm查表知，允許絲杠行程變動量偏差為12m , 所以剛度足夠。穩(wěn)定性計算由于機床改造后的滾珠絲杠直徑與原來的絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定、一端懸掛變?yōu)橐欢斯潭ǎ子?51104）、一端徑向支承（米用3304型雙 列角接觸球軸承），穩(wěn)定性增大，多以不再驗算。3.2.3有關(guān)齒輪計算步矩角 厲=0.85 /step，導程 L0 =9mm，脈沖當量、p = 5：m/step = 0.005mm/step,齒輪傳動

21、比：.日 bL0i360 p0.85 9360 0.005-4.25可選定的齒數(shù)為i 二空卻二50 45 =4.25Z z321 25乙=21, z2 =50, z3 =25, z4 =45表3-2齒輪傳動參數(shù)（單位：mr）齒數(shù)Z21502545模數(shù)m2齒寬b20分度圓d = mz421005090齒頂圓da =d +2m461045494齒根圓df =d -2>d.25m37955585中心距A =dd2/27170轉(zhuǎn)動慣量計算Js=7.8 104D4L=7.8 10* 24 52kg cm2 = 0.6489kg cm2 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：-4422J1 =7.8 104.2 2kg

22、*cm 0.485kg *cm4422J2 =7.8 10一 10 2kg *cm = 15.6kg *cm4422J3 = 7.8 105 2kg «cm = 0.975kg «cm2 2J4 =7.8 109 2kg cm = 10.235kg cm工作臺質(zhì)量折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量：2 2,GL。960 ( 0.9 2 “2JG =I =匯I kg cm = 2.012kg cmg i2兀丿9.8 丘匯3.14丿電動機的轉(zhuǎn)動慣量很小可以忽略。因此，總的轉(zhuǎn)動慣量：J J (3)2 J2 J3(32 J3 Js JG Z2Z42= 0.485 0.176 15.6 0.9

23、750.30810.235 0.6489 2.012 kg *cm2=4.100kg *cm所需轉(zhuǎn)動力矩計算快速空載啟動時所需力矩：M起=Mamax 口 f 口最大切削負載時所需力矩：M切=M 10 M t快速進給時所需力矩：M快=Mf I，-式中 M amax空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩；M f折算到電機軸上的摩擦力矩；M 0由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩;Mt切削時折算到電機軸上的加速度力矩；M 折算到電機軸上的切削負載力矩。當 = nmax ，M a = M amax 時，有n maxvmaxlL02000 4.259= 944.4r/minMamax J 2

24、n10-4.103.14 944.4 10 N *c135.09N *cm60ta30 0.03當=0.8， f 0.16 時，有Mf = F0L02 if Fz G Lo2- i0.16748 9600.92 3.14 0.8 4.25N -cm 二 11.52N cm當時預加載荷Fp0才，則:斗。22- i6 二 i2374 0.9 (1 -0.9 )6 3.14 0.8 4.25N cm 二 0.998N *cm軸向最大切削力為FX向切削力，有FI374x0.9Mt 匕N cm =15.76N cm2- i 2 3.14 0.8 4.25所以，快速空載啟動時所需力矩為M 起=M amax

25、 f 135.09 11.52 0.998 N * cm = 147.61N * cm最大切削負載時所需力矩為M 切二 Mf II0 二 11.52 0.998 15.76 N *cm =28.28N *cm快速進給時所需力矩為M快二 Mf I - 11.52 0.998 N cm = 12.52N-cm由以上分析計算可知：所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時。3.3步進電機的選擇步進電機的選擇的基本原則合理選用步進電機是比較復雜的問題，需要根據(jù)電機在整個系統(tǒng)中的實際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進電機最基本的原則介紹如下： 步距角a 步距角應滿足：-丄i式中 i 傳動比a min系統(tǒng)

26、對步進電機所驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角。精度步進電機的精度可用步矩誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值。用積累誤差衡量精度比較實用。所以選用不進電機應滿足 Q< i 9 s式中 Q 步進電機的積累誤差； 9 s系統(tǒng)對步進電機驅(qū)動部件允許的角度誤差。轉(zhuǎn)矩為了使步進電機正常運行（不失步、不越步），正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的要求,必須考慮：1）啟動力矩一般啟動力矩選取為：Mq -M L00.30.521#式中Mq電動機啟動力矩；ML0 電動機靜負載力矩。根據(jù)步進電機的相數(shù)和拍數(shù)，啟動力矩選取如下表所示。Mjm為步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩，是步進電

27、機技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的。表3-3步進電機相數(shù)、拍數(shù)、啟動力矩表運行相數(shù)33445566方式拍數(shù)3648510612Mg /Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.8662）在要求的運行頻率范圍內(nèi)，電動機運行力矩應大于電動機的靜載力力矩與電 動機轉(zhuǎn)動慣量（包括負載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性矩之和。啟動頻率由于步進電機的啟動頻率隨著負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此相應 負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應滿足：ft > fcpm式中ft 極限啟動頻率；fcpm要求步進電機最高啟動頻率。步進電動機最咼工作頻率fmax1000 max60、p1000 260 0.0

28、05Hz = 6666.7Hz22#3.3.1縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定#23對于工作方式為四相八拍的步進電動機M max 152.01M jm maxN *cm =175.53N cmJ 0.866 0.866根據(jù)步進電動機型號，以及為了便于設計和采購選擇 70BF004型步進電動機,具體性能參數(shù)如下表：型號相載eg-)電醫(yī) (v)電遭 WNm(Hl)走行頻率(HZ)Wdg瞥注70BF00151.5/3603,50592(4)40001600070BFD0315 3273.00.7R4(S)1600170BF00440.9 1.S273.00.7&4 2100綜合考慮能滿足使用要求。

29、3.3.2橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 對于工作方式為四相八拍的步進電動機M jmmax0.866147.61N cm=170.45N *cm0.866根據(jù)步進電動機型號，以及為了便于設計和采購選擇 70BF004型步進電動機, 具體性能參數(shù)如下表：型號相埶eg-)電壓 (v)電這保檢矩Nm(Hz)運行頻車(Hz)Wdg笛注7OBFOQ151.5 3603,50542(4)40001600070BF003J153273.00.7S4(S)1«00170BFQQ440.9 1.8273.00,7&4 2100綜合考慮能滿足使用要求四、單片機控制系統(tǒng)硬件電路設計4.1微機控制系統(tǒng)硬

30、件的選擇根據(jù)任務書的要求，設計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能:（1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示（2）接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息；（3）接受車床限位開關(guān)信號；（4）接受編碼器信號；（5）控制橫縱向步進電動機的驅(qū)動器；（6）控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止；（7）其它。考慮到通用性以及普遍性，選擇 MCS-51系列中的8031芯片。8031芯片屬于 8位單片機。它是集CPU I/O 口及部分RAM等一體的控制器，價格低，但功能 全，編程靈活性大，硬件資源豐富。由于8031單片機內(nèi)部無ROM 128字節(jié)的RAM也無法滿足要求，所以需要外擴程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。根據(jù)控制要求， 還需要有鍵盤、數(shù)碼

31、顯示器、D/A轉(zhuǎn)換器以及一些I/O接口?，F(xiàn)采用8255A和 2764、 6264作為I/O接口和存儲器擴展芯片。顯示器采用 LED數(shù)碼顯示。延時可以利 用8255的定時器/計數(shù)器。4.2 8031單片機8031各引腳功能簡要介紹如下：*1.7 AllPOO ADO PC I ADI PJ.t At PIO A«14 AU33 <11AD4圖 4-1 8031421源引腳Vss：電源接地端。Vcc： +5v電源端。4.2.2輸入/輸出（I/O ） 口線8031單片機有P0 P1、P3 P4四個端口，每個端口 8根I/O線。當系統(tǒng)擴 展外部存儲器時，P0 口用來輸出低8位并行數(shù)據(jù)，

32、P2 口用來輸出高8位地址, P3 口除可作為一個8位準雙向并行口外，還具有第二功能。在進行第二功能操作前，對第二功能的輸出鎖存器必須由程序置1。423信號控制線RST/VPD RST為復位信號線輸入引腳，在時鐘電路工作以后，該引腳上出現(xiàn) 兩個機器周期以上的高電平，完成一次復位操作。Vpp：當EA為高電平且PC值小于0FFFH時CPL執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的程序。 當EA為低電平時，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲器中的程序。XTAL1振蕩器的反相放大器輸入，使用外部震蕩器時必須接地；XTAL2振蕩器的反響放大器輸出，使用外部振蕩器時，接受外圍震蕩信號；4.3 8255A可編程并行I/O 口擴展芯片80

33、31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 P3 口線，因此要進行I/O 口的擴展。8255A與微機接口較簡單，是微機系統(tǒng)廣泛 使用的接口芯片。根據(jù)功能需求，選擇兩片8255A 片擴展接口主要完成步進電動機的脈沖 輸出、限位及鍵盤輸入等信號處理，另外一片8255A擴展接口完成手動調(diào)整、刀 架控制及螺紋信號的輸出、輸入信號的處理。8255A可編程并行I/O 口擴展芯片可以直接與 MCS系列單片機系統(tǒng)總線連接， 它具有三個8位的并行I/O 口，具有三種工作方式，通過編程能夠方便地采用無 條件傳送、查詢傳送、中斷傳送方式完成CPU與外圍設備之間的信息交換。8255A 引

34、腳圖如下：3 2 10-_-SB10T6540123012- A A A a-r-c A A c _c c c c c- _c c E B E F p F p G p F p F p p F p p p p01234567S9O 1 2 3 4 5 6 T s 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2- c c c c c c c c c c c c c t c c c c t co 9 ® 7 6- 5 4 3 2 1 o 9 8 7 6 -5 4 3 2 1 -33333333332222-22222-4 5 8 I- s C A A A A wx o 1 2 3 4 5

35、& T cF p p pwrddddddddv圖4-2 8255A引腳圖8255A的結(jié)構(gòu):8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括三個8位并行數(shù)據(jù)I/O 口，兩個工作萬式控制電路， 一個讀寫控制邏輯電路和一個8位數(shù)據(jù)總線緩沖器。三個8位并行I/O 口 A、B、CA口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器，可編 程為8位輸入、或8位輸出、或8位雙向寄存器。B口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩存器和一個8位輸入或輸出寄存器，但 不能雙向輸入/輸出。C口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩存器和一個8位輸入緩沖器，C 口可分 為兩個4位口，用于輸入或輸出，也可作為A 口和B 口選通方式工作時的狀

36、態(tài)控 制信號。8255擴展I/O 口如圖4-3所示。OOOOODOO o o o o o o o _o RptpiR円pl円R也Q0QJQ2Q3Q49Q6W -eMDCDDDmDDtDoGJI12 3 D PD_csLo12 35-7 B B B B B B B B CT nr flu- _Dr -Dr nr _Dr.WR RD RESET,22妙剪勢抑13W2O2322叮24” M1 516I713U1 110圖 4-3 8255 擴展 I/O 口4.4外部EPRO電路單片機外部擴展常用的程序存儲器擴展芯片是 EPRO M其掉電后信息不會丟 失,且只有在紫外線的照射下，存儲器的單元信息才可以

37、擦除。 考慮到程序存儲 器的容量，本設計擴展芯片采用 2764EPROJM擴展2X 8KB的程序存儲容量。2764芯片28引腳，其主要有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，片選端,輸出允許端等。由于EPRO一般不含有地址鎖存器，因此 8031的P0 口要經(jīng)過機制鎖存器 74LS373與EPROI低 8位地址端相連，P2 口與2764高8為地址端相連。數(shù)據(jù)線有8031的P0 口直接與2764的8位數(shù)據(jù)端相連?？刂凭€的鏈接。2764的OE端與8031的PSEh相連。ALE與74LS373的OC端 相連。34i65a12 一門廣15lit17H8蟲t?30PI.0J L.2 口 I snjt Pl 4 Pt

38、5Pt d Pl 7KEfDVFD P3O/RTO Hl l/lCL> P3 ZZI irno MbP3 4/T0 舟 57T1 F5 t1.空 P3 7/KD XTAL2 XTAL1 vssD1處7n)TPl.5P； 4V：. 2K IP； 0VCC Fl ii rc： v( 2Pt.3P( 4 PC ,PC 6 一氏7ALE/PKU 3M171'/ 3231!；，：MD3ISVpp HODUL>1 n?G O£川EMDi3HFCE A12All A10起膏 A? VCC AS GNOS96 $315lti斗TZlj2022423TTir2231ZE圖 4-4

39、擴展 2764EPROM4.5外擴RAM電路數(shù)據(jù)存儲器擴展主要用于存儲現(xiàn)場采集的原始數(shù)據(jù)。運算結(jié)果等。所以擴展 的外部數(shù)據(jù)存儲器應能隨機讀/寫，通常由半導體靜態(tài)隨機讀/寫存儲器RAM組 成。本設計擴展芯片采用一片 6264,擴展8KB的數(shù)據(jù)存儲容量。6264芯片為28引腳，主要有15個地址端（A0A14、8個雙向三態(tài)數(shù)據(jù)端、 片選端、讀選通端、寫允許端等。地址連接：8031的低八位地址經(jīng)P0 口通過74LS373與6264的低八位地址端 相連，高位地址線只用7根與6264的高7為地址端相連。在數(shù)據(jù)線鏈接上，同2764芯片一樣，P0 口直接與6264數(shù)據(jù)端相連控制端鏈接，片選端應接 8031的P

40、2.7端，OE WE分別于8031的RD WE端 相連接來控制6264的讀寫。61_8二IH147i貞/hr :'IEIpFLOPL,1PL.2 Pr * 603LPL 4Pt.SPt «PL,7fi irrxi?P3, TU'iTO rsyfNTi HJ* IU P35T1 T3.&2ZP3.7 X7ZL2 XJAL1 VSSv?cPIOP1LPl 2P13P： 4PJ 5PJ 6P7A3 刖 M ；psiwP2 7KJ 0PJ 5刃-IP2 3Pl.2Pi LPl.Uvcc40TLJ 第:/LC 37 */ Z；/n二 XL-6>D7 32 r IS

41、31（亠 | 11匚匚刃DO r-L mD3D4 DS D旨D7G CE?4Lsra22丁69n615543aVCCIkDO 01 h?03cuU155pjji yz /yb£i6 y:/ / R 19 /4-5擴展6264電路4.6四行四列矩陣式鍵盤圖4-6是矩陣式鍵盤原理圖，圖中鍵盤為四行四列共16個鍵，行掃描線分別 接到8031單片機的P1.0P1.3 口上；列掃描線分別接到8031單片機的P1.4P1.7 口上。第一行按鍵從左到右對應數(shù)字 79和代碼G,第二行按鍵從左到右依次對 應數(shù)字46和ENTER確認），第三行按鍵從左到右對應數(shù)字13和START開始）， 第四行按鍵從左到

42、右依次為 X （表示X坐標）、數(shù)字0、丫（表示丫坐標）和一（負 號）。28#圖4-6四行四列矩陣式鍵盤原理圖#4.7顯示器圖4-76位數(shù)碼管I I I I I I I I顯示電路使用的是6位數(shù)碼管如圖4-7所示，引腳A、B、C、D、E、F、G 和DP是數(shù)碼管的段驅(qū)動信號輸入端口；引腳 1、2、3、4、5和6分別是數(shù)碼管 的位選擇信號輸入端口。該顯示器能及時的顯示鍵盤電路輸入的指令。4.8 X-Y向步進電機控制電路分析RESF'ACK-8圖4-8 X/Y向步進電機控制電路模擬圖D 1 3 5 6 7 acccocac PPPPPFPP圖4-8為X/Y向步進電機控制電路模擬圖，從圖中我們可

43、以看到四相八拍步進電 機通過8255A的PCOPC口分別向X向步進電機輸入脈沖信號，PC4PC則分別 向丫向步進電機輸入脈沖信號。四相八拍步進電機的正轉(zhuǎn)相序是 A-A4B-BSC-C»DDA反轉(zhuǎn)相序是DA f D C»C BC Bf BA-A;表4-1將給出X向步進電動機正轉(zhuǎn)時 PC口各弓I腳 輸出電平與X向電機相位關(guān)系；表4-2將給出丫向步進電動機正轉(zhuǎn)時PC 口各引 腳輸出電平與丫向電機相位關(guān)系；而反轉(zhuǎn)時，控制的方式只需把從上往下循環(huán)改 為從下往上循環(huán)即可。表4-1 X向步進電動機正轉(zhuǎn)時PC 口各引腳輸出電平與X向電機相位關(guān)系X向步進電機相位可編程控制器8255A的PC

44、口各引腳的電平PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7PC 口輸出的 16進制數(shù)A100000000x01AB110000000x03B010000000x02BC011000000x06C001000000x04CD001100000x0cD000100000x08DA100100000x09表4-2 丫向步進電動機正轉(zhuǎn)時PC 口各引腳輸出電平與丫向電機相位關(guān)系丫向步進電機相位可編程控制器8255A的PC 口各引腳的電平PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7PC 口輸出的 16進制數(shù)A000010000x10AB000011000x30B000001000x20BC0000

45、01100x60C000000100x40CD000000110xc0D000000010x80DA000010010x90五、軟件設計5.1系統(tǒng)控制功能分析系統(tǒng)控制功能包括：（1）系統(tǒng)初始化。如對I/O接口 8255A進行必要的初始化工作，預置接口工作 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(guān)。如監(jiān)視緊急停機鍵及行程開關(guān)，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。5

46、.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。根據(jù)以上分析，設計管理程序流 程圖如下所示：開貽系統(tǒng)初始化機味復位圖5-1管理程序流程5.3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-刀具快速進給-加工一 退刀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；(3) 由以上分析，設計自動加工程序框圖如下所示

47、：2-_讀M蚌盟折1詢步主電H子趨字 工作臺毬融我埜1rr注工髯欄坐垢堆址 崔軒加1送回圖5-2自動加工程序流程5.4電機的控制電機與8255引腳的接線簡圖如圖所示338255APC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PCI PCO34#功放電路功放電路#X向電機A相Y向電機A相 Y向IliJJIrlil-.'J.R Y向Itk機C相 Y向電機D相#圖5-3電機與8255引腳的接線簡圖X、Y電機對應的內(nèi)存地址如下8255控制控制口地址為 4BH PC口地址為48H。X電機電機 狀態(tài)丫電機內(nèi)存地址狀態(tài)內(nèi)容內(nèi)存地址狀態(tài)內(nèi)容08H00H15H00H正09H01HA16H10H反0AH

48、03HAB17H30H0BH02HB18H20H轉(zhuǎn)0CH06HBC19H60H轉(zhuǎn)0DHP 04HC1AH40Hf0EH0CHCD1BHC0H0FH08HD1CH80H10H09HDA1DH90H11H00H1FH00H355.5 程序清單MAIN:MOV SP,#60H主程序開始MOV R0,#4BHMOV A,#80HMOVX R0,AMOV R5,#08HMOV R6,#17H CLR A ;MOV 08H,AMOV 10H,AMOV 17H,AMOV 1FH,AMOV R0,#09HMOV R0,#01HINC R0MOV R0,#03HINC R0MOV R0,#02HINC R0MOV R0,#06HINC R0MOV R0,#04HINC R0;8255 初始化設置A C口方式0輸出位清零使表頭表尾為 0裝 X 電機狀態(tài)碼到內(nèi)存MOV R0,#0CHINC R0MOV R0,#08HINC R0MOV R0,#09HMOV R0,#16H裝 Y 電機狀態(tài)碼到內(nèi)存37MOV R0,#10HINC R0MOV R0,#30HINC R0MOV R0,#20HINC R0MOV R0,#60HINC R0MOV R0,#40HINC R0MOV R0,#C