數控測量機說明書(共25頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上數控測量機設計第一部分 數控測量機總體方案分析數控測量機屬于精密儀器，目前市場上流行的是三坐標測量機，它有著廣泛的應用場合，汽車工業(yè)、半導體工業(yè)、塑料工業(yè)、機械制造業(yè)、航空工業(yè)和其他方面，主要作用是：對大量生產產品的周期性工序檢查 。對完成品的最終檢查 。與相對產品的互換性與否的檢查 。多樣的GD&T 公差解釋 。輸出產品開發(fā)中需要的信息(逆向工程-Reverse Engineering) ?？傊褪蔷軠y量，其使用效果：可以大幅度的提高測量效能。(節(jié)約工件安裝/更換的時間，不需要尺工具, 依靠計算機的自動演算，符合自動判定等) 可以簡單的解決用以往方法（整板

2、測量方式）不能測量的項目的測量問題。 遠遠提高復雜測量物的測量精度及可信度。 可以得到穩(wěn)定的測量值。 可以利用程序自動測量，減少測量者的疲勞。 可以自動整理測量數據。任務書上要求的測量機是兩個坐標的，Z軸和C軸，主要是能完成回轉件的測量功能，比如外形尺寸、同軸度、圓柱度等的檢測等。整個裝置由機械傳動部分和電氣部分組成，機械傳動部分負責帶動光幕傳感器沿Z軸移動，和帶著工件C軸轉動和定位。電氣部分主要由單片機組成的微機控制系統(tǒng)，以協(xié)調各個部分的工作，其中包括手動、自動等控制功能等。 一、 機械傳動部分分析考慮到數控測量機是精密測量機械，機械部件的選擇就是圍繞選擇如何達到要求的精度展開的，導軌選擇滾

3、動導軌，電氣傳動選擇步進電機經齒輪減速傳到滾珠絲杠的方式來帶動工作臺運動這一典型傳動方式。其中齒輪的消隙采用雙齒輪消隙方式，滾珠絲杠的消隙采用雙螺母墊片消隙法。二、 微機控制部分分析微機控制部分是整個系統(tǒng)的核心，這里我們采用8位微機。由于MCS51系列單片機具有集成度高，可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、性能價格比高等特點，決定采用MCS51系列的8031單片機擴展整個系統(tǒng)。根據任務書要求，此控制系統(tǒng)由微機主控制器部分，存儲器擴展電路即ROM和RAM的擴展電路，IO設備與接口電路，包括人機交互部分的輸入行列式鍵盤、輸出接口的8位8段LED數碼管、2個行程限位信號（來自Z向直線運動單元）、

4、2個回零開關信號（分別來自Z向直線運動單元和C回轉單元）及工作方式采用開關量信號輸入；電機控制部分包括兩個運動單元的控制，電機控制采用軟環(huán)分和高低壓驅動。三、 總體方案框圖單片機擴展電路輔助電路工作臺導向支撐機械傳動驅動電動機步進電機接口輸入鍵盤行程開關指示燈開關量接口輸出數碼管 第二部分 機械系統(tǒng)的設計方案說明機械系統(tǒng)的主要功能是承載、傳遞力和運動，如改變速度、遠距離動作、力的放大和反饋、速度和力的參數調節(jié)、同步傳動和傳送物料等。主要涉及的參數包括導軌的選型、脈沖當量的確定、滾珠絲杠螺母副的選型、電機的選型確定等。以下為這幾個方面的確定方案：一、 導軌副的設計、計算和選擇直線滾動導軌具有摩擦

5、因數小，不易爬行、便于安裝和預緊、結構緊湊等優(yōu)點，廣泛應用于精密機床、數控機床和測量儀器等。其缺點是抗震性較差、成本較高。直線滾動導軌副由導軌和滑塊兩部分組成，一般滑塊中裝有兩組滾珠，當滾珠從工作軌道滾到滑塊端部時，會經端面擋板和滑塊中的返回軌道返回，在導軌和滑塊之間的滾道內循環(huán)滾動。如下圖：（1） 工作載荷的計算 工作載荷是影響導軌副使用壽命的重要因素。這里測量機屬于小型設備，采用雙導軌、兩滑塊的支撐形式。任意滑塊所受到的工作載荷可由以下公式進行計算： F1=F2=G/2=50N 式中G為工作臺重力，按100N計算。（二）距離額定壽命的計算直線滾動導軌副的壽命計算，是以在一定載荷下行走一定距

6、離后，90%的支撐不發(fā)生點蝕為依據。這個載荷稱為額定動載荷Ca,該行走距離為距離額定壽命。滾動體為球時，可按下式進行計算：式中 L距離額定壽命，單位為Km; Ca額定動載荷，單位為kN,此處為30KN; F滑塊上的工作載荷，單位為KN，這里是0.05KN ; fH硬度系數，查表得0.8； fT 溫度系數，查表得為1.0； fc接觸系數，查表得為1.0； fR精度系數，查表得為1.0； fW載荷系數，查表得1.5； 代入數據計算得到距離壽命L=Km(3） 小時額定壽命的計算根據距離額定壽命，可以計算出導軌副的小時額定壽命，計算公式為： 式中 Lh壽命時間，單位是h; L距離額定壽命，單位為km;

7、 S移動件行程長度，單位為m,此處根據任務書上是0.35m; n移動件每分鐘往返次數，此處由Z向最大移動速度4000mm/min,求得為11；代入數據得到小時額定壽命Lh=h（4） 產品選型 我們這里選擇日本THK公司的SHC-25C型直線滾珠導軌。遠遠能滿足距離壽命50km和小時壽命的要求。二 系統(tǒng)脈沖當量的確定一個進給脈沖式機床運動部件產生的位移量稱為脈沖當量，也稱為機床的最小設定單位。脈沖當量是衡量數控機床加工精度的一個基本技術參數。任務書上的要求：Z向的運動分辨率優(yōu)于0.01,為滿足這個要求,考慮到步進電動機的誤差的存在，可選擇脈沖當量為0.005。三 滾珠絲杠螺母副的設計、計算和選擇

8、 數控機床進給系統(tǒng)的的機械傳動機構是只將電動機的旋轉運動變?yōu)楣ぷ髋_或刀架的運動直線運動的整個機械傳動鏈，包括齒輪傳動副、絲杠螺母副等以及它們的支撐部件（軸承座等）。能實現(xiàn)這種功能的機構有很多種，比如齒輪齒條副、普通的梯形螺母副等，但這些機構都很難達到數控機床對機械部分高精度的性能要求，因此為了提高進給系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行，降低數控機床進給系統(tǒng)的摩擦并減少靜、動摩擦系數之差，行程不太長的直線運動機構常用滾珠絲杠副，具體行程范圍可參考國內外有關廠商的樣本說明書和技術資料。滾珠絲杠副的傳動效率高達85%-98%，是普通滑動絲杠副的2-4倍。滾珠絲杠副的摩擦角小于1°，因此不自鎖

9、。如果滾珠絲杠副驅動升降運動（如主軸箱或升降臺的升降），則必須有制動裝置。我們這里的改造只是滾珠絲桿副驅動工作臺作水平方向的運動，就不用考慮自鎖的問題。（一）滾珠絲杠副的工作原理 滾珠絲杠螺母副是數控機床中回轉運動轉換為直線運動常用的傳動裝置，主要由絲桿、螺母、滾珠和滾道（回珠器）、螺母座等組成。 其工作原理是：在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當它們套裝在一起時便形成螺旋滾道，并在滾道內裝滿滾珠，而滾珠則沿滾道滾動，并經回珠管作周而復始的循環(huán)運動?；刂楣軆啥诉€起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉出。其示意圖如下： （二）滾珠絲杠副的預緊方法的選擇 為了盡可能消除間隙對加工精度的影響，應當對滾珠絲杠副

10、進行預緊，通過預緊可以消除滾珠絲杠副的軸向間隙和提高軸向剛度，其原理是通過改變兩個螺母的相對位置，使兩個螺母中的滾珠分別接觸絲杠滾道的左右兩個側面來實現(xiàn)的。預緊力的大小是最大軸向負載的13較為適當。常用的預緊方法有雙螺母墊片式預緊、雙螺母螺紋式預緊、雙螺母齒差式預緊、單螺母變導程式預緊以及過盈滾珠預緊等幾種。各有各的特點和適用場合，例如齒差式的預緊方式能精確調整預緊量，但結構尺寸大，裝配調整比較復雜，因此其多用于高精度的傳動。在這里我們選擇雙螺母墊片式調隙預緊方法，它通過 通過改變墊片的厚度使螺母產生軸向位移，從而使兩個螺母分別與絲桿的兩側面貼合，當工作臺反向時，由于消除了側隙，工作臺會跟隨C

11、NC的運動指令反向而不會出現(xiàn)滯后。這種調整方法具有結構簡單、剛性好裝卸方便等優(yōu)點但它調整不便，很難在一次修磨中調整完畢，調整的精度也不如齒差調隙式好，尤其是滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和進行預緊。但對與我們這里的要求精度不是很高的地方，已經可以滿足要求，相比而言是經濟的。下圖是雙螺母墊片調隙的結構示意圖： （3） 滾珠絲杠的參數計算 1、計算進給牽引力Fm 作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力。其大小數值跟導軌的形式有關。我們這里的數控測量機在Z向不受外力，主要受力就是帶動工作臺時的摩擦阻力，由綜合作業(yè)指導書上查得 Fm =KFx

12、 + f'(Fz +G)式中Fx ,Fz 切削分力（N），此處都為0； G 移動部件的重量（N），按100N計算； f' 導軌上的摩擦系數，隨導軌形式而不同； 在正常情況下，我們的測量機是精密機械，導軌我們采用滾珠導軌，摩擦系數 f'取0.005此進給牽引力為： Fm =KFx + f'(Fz +G) =00.005（0+100） =0.05N，可見是相當小的。 2、計算最大動負載C最大動負載是選用滾珠絲杠的重要依據，在選用滾珠絲杠副的直徑d0 時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉100萬轉（106轉）后，在它的的滾道上不產生點蝕現(xiàn)象。所謂點蝕是指在接觸

13、變應力的反復作用下，在節(jié)線附近的滾道面上會產生若干小裂紋，封閉在裂紋中的潤滑油在壓力的作用下，產生楔擠作用，使裂紋不斷擴展，最后導致表層金屬微粒脫落，而形成點蝕。這個軸向負載的最大值即稱為滾珠絲杠能承受的最大動負業(yè)指導書得它的載C，查綜合作得計算公式： C =fwFm = 式中L壽命以為單位； n 絲杠轉速 （r/min)；Vs 為工作臺的最大進給速度 （m/min),，任務書上要求的Z向最大移動速度為4000/min；L0 絲杠導程 （mm),我們初選導程為4mm; 導程L0應根據機床的脈沖指令要求和負載情況來選擇。當名義直徑D0確定后，L0值大，可使螺紋的升角變大，效率低，相應的

14、轉速會降低。T 為使用壽命（h),對于數控機床取15000 h; fw 運轉系數，其中在無沖擊運轉的狀態(tài)下fw 取1.01.2 ，我們取1.2； 因此帶入數據依次求得轉速： =1000r/min壽命：L= = 900最大動載荷 C=fwFm =0.58N我們初步選擇北京工研精機股份有限公司的JCSGY-NFD系列精密滾珠絲杠副，這種系列的產品精度等級高，主要用于受力不大，作定位用的場合。我們選擇NFD 2004-3這種型號的滾珠絲杠，其參數如下表：公稱直徑20mm，基本導程4mm,動載荷5878N0.58N,初步符合要求，也符合生產廠商制造長度上的要求。 4、 進給伺服系統(tǒng)傳動計算 由于步進電

15、機的工作特點是一個脈沖走一步，每一步都有一個加速過程，因而對負載慣量很敏感。為滿足負載慣量盡可能小的要求，同時也要滿足一定的脈沖當量，常采用齒輪降速傳動。（一）初選步進電機步距角b對步進電機施加一個電脈沖信號時，步進電機就回轉一個固定的角度，叫步距角。電機的總回轉角和輸入脈沖數成正比，而電機的轉速則正比與輸入脈沖的頻率。步進電機的步距角越小，意味著它能達到的位置精度越高。通常的步距角是3°、1.5°或0.75°，步距角的大小與通電方式及轉子齒數有關。在步進電機技術數據中，b是以分數形式給出兩個數，其中分子所示的步距角是表示通電方式是雙拍，分母示出的步距角表示通電方

16、式是單拍。這里初選步距角0.72°。（2） 計算傳動比i 已確定測量機的脈沖當量p為0.005mm,滾珠絲杠導程L0=4mm， 步進電機步距角b=0.72°，可以計算進給伺服系統(tǒng)的傳動比i。i =1.6(3） 計算齒輪齒數及各項技術參數 可以確定齒輪齒數為：i =1.6 Z2=32，Z1=20因為測量機Z向進給運動只是帶著傳感器運動，負載較輕，系統(tǒng)伺服系統(tǒng)功率不大，因此取模數m=1。齒輪幾何參數如下表：齒數Z3220 分度圓d=mz3220齒頂圓da =d +2m3422齒根圓df =d -2×1.25m29.519.5齒寬B=(6 10）m1010中心距A=(d

17、1 +d2)/2265、 步進電機的計算和選用(1） 步進電機啟動轉矩的計算設步進電機等效負載轉矩為T，負載力為P，根據能量守恒原理，電機所做的功與負載做的功有如下關系： 式中 電機轉角； 移動部件的相應位移； 機械傳動效率。若取=，則=， P=PH +(G+Pz)所以 式中 PH 走刀抗力（N），在此處為零； G 移動部件重量（N），此處為滾動導軌的滑塊質量和光幕傳感器的質量,此處取100N； Pz 與重力方向一致的切削力（N），此處為零； 導軌摩擦系數，取0.005； 步進電機步距角；0.02N·估算啟動轉矩Tq Tq=T/(0.30.5)=0.02/0.3=0.07N·

18、;對工作方式為五相五拍的步進電機，由下表得=0.809，可求出最大靜轉矩Tjmax如下： 步進電機啟動轉矩和最大靜轉矩的關系 步進電機相數 三相 四相五相數拍3648510=Tq/Tjmax0.50.8660.7070.7070.8090.951 Tjmax=Tq/0.809=0.09N·cm（2） 步進電機最高啟動頻率fmax的計算 任務書上要求Z向最大移動速度 4000/min 所以fmax=（3） 初步確定電機型號根據以上計算，我們選用電機型號為60BYG550A的五相混合式步進電機，其技術數據如下：60BYG系列電機 技術參數型號相數相電流步距角保持轉矩空載起動頻率空載運行頻

19、率轉動慣量重量A度N.mKPPSKPPSKg.cm2Kg60BYG550A530.36/0.720.74600.240.70.7N·m的保持轉矩遠大于最大靜轉矩，轉矩符合要求。但這種步進電機最高空載啟動頻率為4000Hz，不能滿足（13333Hz)的要求，此項指標可以采用軟件升降速程序來解決。 （四）校核步進電機的轉矩1. 等效轉動慣量的計算 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量 J（kg·cm2)可由下式計算： 式中 JM步進電機轉子轉動慣量 （kg·cm2）； J1、J2齒輪Z1、Z2的轉動慣量 （kg·cm2）； Js 滾珠絲杠轉動慣量（kg

20、83;cm2）。60BYG550A混合式步進電機，其轉子轉動慣量JM=0.24kg·cm2 J1=kg·cm2J2=kg·cm2Js=kg·cm2G=100N代入上式：=kg·cm2=0.47kg·cm22. 電機轉矩的計算 電機的負載轉矩在各種工況下是不同的，在測量機上主要考慮的是快速啟動時克服轉動慣量的電機轉矩能否達到要求。快速空載啟動時所需轉矩： M=Mmax+Mf+M0式中 M快速空載啟動轉矩 （N·cm)； Mmax空載啟動時折算到電機軸上的加速轉矩（N·cm)； M0 由于絲杠預緊時折算到電機軸上的附加

21、摩擦轉矩（N·cm)； Mf折算到電機軸上的摩擦轉矩（N·cm)。其中，Mmax=J=啟動加速時間ta=0.1s 代入上式得：Mmax=式中J 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量（kg·cm2）電機最大角加速度 （rad/s2)； nmax 電機最大轉速 （r/min) ； vmax 運動部件最大快進速度 （mm/min)；折算到電機軸上的摩擦轉矩：式中 導軌的摩擦力（N）；垂直方向的切削力（N）；G運動部件的總重量 （N）；導軌摩擦系數；i齒輪降速比；傳動鏈總效率，一般取0.70.85。上述兩項合計：M=Mmax+Mf=7.8+0.0077.8N·c

22、m由前可知，此時在五相五拍時=0.809，則最大靜轉矩為： Tjmax=7.8/0.809=9.64N·cm，由上表可知，初選誤差很大，校核以后所選電機的靜轉矩為7N·M遠遠大于此處最大靜轉矩，所以電機確定選擇為：60BYG550A的五相混合式步進電機。 第三部分 微機數控系統(tǒng)硬件電路設計1、 微機數控系統(tǒng)功能實現(xiàn)技術分析數控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的。硬件是組成系統(tǒng)的基礎，有了硬件，軟件才能有效的運行，硬件電路的可靠性直接影響到數控系統(tǒng)性能的指標。機床硬件電路由以下五部分組成：（1） 主控制器，即中央處理單元（CPU);cpu的作用，它是系統(tǒng)的核心，執(zhí)行存儲在存儲器中

23、的程序，完成所要求的計算，產生協(xié)調整個系統(tǒng)工作的各類控制信號；（2）總線，包括數據總線，地址總線和控制總線；（3）存儲器，包括程序存儲器和數據存儲器；（4）接口，即I/O輸入輸出接口，是處理器與外界聯(lián)系的通路，它提供物理的連續(xù)手段，完成必要的數據格式和信息形式的轉換；（5）外圍設備，即鍵盤，顯示器及光電輸入接口。任務書要求微機部分擴展16K程序存儲器，這里我們選2片2764程序存儲器，用于數控軟件程序，其中包括系統(tǒng)總控程序、初始化、故障處理顯示程序、z軸和c軸的運動伺服控制、系統(tǒng)自檢、不同工作方式運動規(guī)律控制等子程序，用這些的目的是為了完善和發(fā)揮計算機的硬件功能，從而使該系統(tǒng)能完成各種運動規(guī)律

24、的控制過程，以配合測量機檢測處理數據部分的需要。任務書還要求16K×8位數據存儲器，我們選2片6264數據存儲器，用于數據的暫存、緩沖以及運算結果的存放，也可用于設定標志位。外圍設備中的輸入接口行列式鍵盤和顯示電路合在了一起，以節(jié)省IO口線。LED顯示器采用共陰極顯示器，其中在進行鍵盤巡回掃描時，必須先關顯示，有關鍵盤和顯示器的工作必須經過軟件的協(xié)調處理后才能達到預期的效果。2個行程限位信號（來自Z向直線運動單元）、2個回零開關信號（分別來自Z向直線運動單元和C回轉單元）及工作方式報警指示等開關量信號輸入分別分配到單片機和IO擴展芯片8155和8255的IO口。電機控制部分z向采用五

25、相的步進電機，c向采用2相的步進電機，功率放大電路部分采用高低壓驅動電路，采用軟環(huán)分把驅動步進電機的脈沖按所需的順序供給電機各相，優(yōu)點控制靈活方便，缺點是所需要的IO接口接線數多。在步進電機驅動電路中，利用軟環(huán)分程序單片機輸出的信號經過放大后，控制步進電機的勵磁繞組，由于步進電機所需要的驅動電壓較高（幾十伏），電流也較大（幾安到幾十安），如果將IO口輸出信號直接于功率放大器相連，將會引起強電干擾，輕則影響計算機程序的正常運行，重則導致計算機接口電路的損壞。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)電氣隔離，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，當輸入信號

26、加到輸入端時，發(fā)光二極管導通發(fā)出紅外光，光敏晶體管受光照射后，由于光敏效應產生光電流，通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)了以光為媒介的電信號傳輸。二、微機各部分控制電路的原理和特點(一)8031單片機的特點左邊是其引腳圖。 （1） 具有功能很強的8位中央處理單元（CPU); (2) 片內有時鐘發(fā)生電路（6MHz或12MHz)、每執(zhí)行一條指令時間為2S或 1S (3) 片內具有128字節(jié)RAM;(4）具有21個特殊寄存器；（5）可擴展64K字節(jié)的外部數據存儲器和64K字節(jié)的外部程序存儲器； （6）具有4個IO口，32根IO口線； （7）具有2個16位定時器計數器； （8）具有5個中斷源，配備2個中斷優(yōu)先級

27、； （9）具有一個全雙功串行接口； （10）具有位尋址能力，適用邏輯運算。從上述特性可知，一塊8031的功能幾乎相當于一個微機系統(tǒng)?？梢钥闯鲞@種芯片集成度高、功能強，只需要增加少量外圍器件就可以構成一個完整的微機系統(tǒng)。（二）8031與存儲器擴展電路的連接MCS-51系列單片機的特點之一是硬件設計簡單，系統(tǒng)結構緊湊。對于簡單的應用場合，MCS-51系列的最小系統(tǒng)用一片8031外擴一片EPROM就能滿足功能的要求，對于復雜 的應用場合，可利用MCS-51的擴展功能，構成功能強、規(guī)模較大的系統(tǒng)。ROM2764引腳圖 8031單片機共有P0、P1、P2、P3四個8位口（如上圖），32根I/O口線，其中

28、P0.0P0.7（AD0AD7）是IO端口0的引腳，端口0是一個8位漏極開路的雙向IO端口，在存取外部存儲器時，該端口分時地用低8位地址線和8位雙向的數據端口（在此時內部上拉電阻有效）。P2.0P2.7是端口2的引腳，端口2是一個帶內部上拉電阻的8位雙向IO口，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址A8A15。因此，8031的程序存儲器的尋址空間為64K（）字節(jié)，8031片內不帶ROM，用作程序存儲器的器件是擴展的EPROM，ROM空間是單片機用于存放代碼和表格數據。74LS37374 1.外部程序存儲器工作原理CPU由外部程序存儲器取指時，16位地址的低8位PCL由P0口輸出，高8位PCH由P

29、2口輸出，指令由P0口輸入，P0口作為分時復用的地址/數據總線。在訪問程序存儲器時，P2口專用于輸出高8位地址，P2口具有輸出鎖存功能，可直接接至外部存儲器的地址端，無需再加鎖存。P0口作為分時復用的雙向總線，輸出低8位的內容，輸入指令。在這種情況下，每一個機器周期中,允許地址鎖存信 號ALE兩次有效，在ALE由高變低時，有效地址PCL出現(xiàn)在P0總線上，低8位地址鎖存器（外擴的）應在此時將低位地址鎖存起來，同時也是每個機器周期兩次有效，用于選通外部程序存儲器，使指令送到P0總線上，由CPU取入。其中是8031的控制線，是地址鎖存使能信號，作為地址鎖存允許時高電平有效，就是由于口是分時傳送數據和

30、低8位地址，故訪問外不存儲器時，信號鎖存低位地址，與地址鎖存芯片的引腳G相連，當G=“1”，74LS373輸出端0Q7Q與輸入端07D相同，當G為下降沿 “ ”時 ，將輸入數據鎖存。373的引腳是使能端，接地即可?？刂凭€為程序存儲器的使能引腳，是外不程序存儲器的讀選通信號，低電平有效。還有8031的接地，表示CPU執(zhí)行外部程序存儲器的指令。我們選的2764EPROM（如圖）要工作在上述的方式下，接線必須正確，要把2764的使能端于8031的相接，還要把VPP編程電壓端，PGM 編程控制端接高電平，使2764的 存儲器內容從數據端輸出，即處于Dout狀態(tài)。數據線在連接時，存儲器2764的8位數據

31、線D0D7與8031芯片的P0口P0.0P0.7直連，單片機規(guī)定的指令碼和數據都是由P0口讀入，以讀出存儲器中的內容。2. 數據存儲器的擴展原理根據任務書的要求需要擴展16K的數據存儲器，我們選兩片6264，每片8K。它與8031的連接與2764的大致相同，需要13根地址線A0A12，分別用到P0口的8位和P2口的低5位，依然要用到74LS373鎖存地址，接法與上述相同。數據線也是接到P0口。不同的是控制線的接法，數據存儲器能讀能寫，RAM讀輸入信號與8031芯片的外部數據存儲器讀選通信號（P3.7）引腳相接，這里用到P3口的第二功能，作為第一功能使用時，口的結構與操作與P1口完全相同；RAM

32、的寫輸入信號 與8031芯片外部數據存儲器寫選通信號（P3.6）相接，同樣是使用了管腳的第二功能。3.譯碼電路原理8031單片機允許擴展64KB程序存儲器和64KB數據存儲器（包括IO芯片），這樣就需要擴展多個外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且程序存儲器個芯片之間、數據存儲器各芯片之間（包括IO芯片）地址互相不重疊，以使單片機訪問外部存儲器是，避免發(fā)生沖突。當8031數據總線分時地與各個外圍芯片進行數據傳送時，首先要進行片選（指選中某一個芯片），而當片內有多字節(jié)單元時，還要進行片內地址的選擇。MCS-51單片機應用系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則(1)程序存儲器與數據存儲器獨立編址程序存

33、儲器地址和數據存儲器地址可以重疊使用，都是從0000HFFFFH。這是因為8031地址總線寬度為16位，可直接尋址的范圍只有64KB。這樣編址方法也給編程帶來方便，不必考慮地址重復，靠片選信號和控制信號：區(qū)分訪問的對象。（2）外圍IO芯片與擴展數據存儲器統(tǒng)一編址外圍IO芯片不僅占用數據存儲器地址單元，而且使用隨機存儲器的讀寫控制信號與讀寫指令。（3）CPU訪問外部存儲器時地址編碼 CPU P2口提供高八位地址，P0口經外部地址鎖存器后提供低8位地址。地址譯碼的方法有線選法和全地址譯碼兩種方法。（1）線選法利用單片機地址總線高位中的一根線（一般是P2口中的某根線）作為選擇某一片存儲器（或IO口）

34、芯片的片選信號。只要該地址線位低電平，就選中該片。這種方法常用于規(guī)模較小的系統(tǒng)，即擴展的芯片不是太多的情況。這種方法的優(yōu)點是不需要地址譯碼器，可節(jié)省硬件，減少成本。缺點是可尋址的芯片數目受到很大的限制，而且地址空間 也是不連續(xù)的，地址空間沒有充分利用。（2）全地址譯碼對于容量較大的系統(tǒng)，擴展的外圍芯片較多，芯片所需的片選信號多于可利用的地址線時，就需要用這種全地址譯碼的方法。它將低位地址作為片內地址，而用譯碼器對高位地址進行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。因為這種地址編碼的方法，除了片內地址線以外，剩余的高位地址線全部參加譯碼，故稱為全地址譯碼。通常采用38譯碼器（74LS138）左圖

35、，輸入端占用3根最高位地址線，剩余的13根線低位地址線可作為片內地址線。74LS138譯碼器的8根輸出線分別對應8個8K字節(jié)的地址空間，正好是64K。上面分析了2764、6264數據線、控制線、地址線的連接，沒有對片選信號線進行分析，接下來著重分析它們幾個地址空間的分配。第一片2764的片選端接3-8譯碼器的端對應輸入端A、B、C為000，因此片內地址為000×××××××××××××，即從0000H1FFFH，總共8K空間。第二片2764的片選端接38譯碼器的端對

36、應輸入端A、B、C為001，因此片內地址位001×××××××××××××，即從2000H3FFFH。兩片數據存儲器6264與兩片程序存儲器2764共用譯碼器的和端，它們的地址也分別為0000H1FFFH和2000H3FFFH。其中6264的片選需要把接譯碼器的輸出端，CS2接高電平，才能選中6264。 譯碼器 74LS138有三個使能端，其中2個為低電平使能，另一個G1為高電平使能。只有當使能端均處于有效電平時，輸出才能產生，否則輸出處于高電平無效狀態(tài)。在這里我們

37、想強調一下，剛啟動時，單片機是如何找到第一條指令工作起來的。單片機復位后，程序計數器PC清零PC=0000H，所以程序的執(zhí)行總是從地址0000H開始的，P1給出低8位，P2.0P2.4給出高8位的前5位，譯碼器的三個輸入端為000，選通，即選中第一片2764中的第一個單元，取出其內容，從輸出端D0D7輸出到單片機的P1口，然后就按照程序的規(guī)定依次進行。（三）人機交互部分接口電路 根據任務書要求，人機交互部分的輸入接口采用4行8列的行列式鍵盤，輸出接口采用8位8段LED數碼管。8031單片機共有四個8位并行IO口，但可供給用戶使用的只有P1口和部分P3口，因此在大部分的應用系統(tǒng)中都需要擴展IO口

38、芯片。這里我 們采用常用的外圍接口芯片8155來控制鍵盤和顯示接口。8155是可編程的RAM/IO擴展接口電路，有256個RAM單元、2個8位口、一個6位口、一個14位的定時/計數器。其中IO/是8155內部RAM和I/O口的選擇線，IO/0，低電平時選擇片內RAM，7上的地址信息為8155中的RAM單元地址，當，高電平時7上的地址信息位IO口地址，它利用的下降沿將此信息 鎖存到片內鎖存器中。1.8155與鍵盤和數碼管的連接 8155與鍵盤和數碼管的連接 這樣安排的：8155芯片PA0PA7作為顯示器段選信號輸出，即字型數據控制端，PB0PB7是顯示器的位顯信號輸出，PC0PC3是鍵盤掃描輸入

39、。8155芯片的IO/引腳接8031芯片的P2.0，因為使用8155的I/O口故為高電平。8155的地址分配是這樣的，片選信號接譯碼器輸出端，對應的輸入端A、B、C位100，還用到P2.0用于選擇RAM單元地址和IO口地址，片內256個單元用做低8位地址線，未用到地址線設為1狀態(tài)，因此8155片內RAM的地址為××××××××，即9E00H9EFFH。IO口地址需要分配6個，它們分別是A、B、C三個IO口，命令狀態(tài)寄存器、定時器低8位、定時器高8位，其中8155IO口工作方式選擇通過對8155內部命令寄存器（命令口

40、）設定命令控制字實現(xiàn)，這是它的作用。8155的定時功能是芯片內有一個14位減法計數器，可對輸入脈沖進行減法計數，外部有兩個定時器引腳TIMERIN和，TIMERIN為定時器時鐘輸入，由外部輸入時鐘脈沖，為定時輸出，輸出各種信號脈沖波形。對定時器編程時，首先將計數常數級定時器方式送入定時器口（定時器低位及高6位，定時器方式M）04H，05H。計數常數 在0023FFFH之間。計數器的啟動和停止有命令寄存器的最高兩位TM2和TM1決定。8155定時器格式:T7T6T5T4T3T2T1T0 (04H)M2M1T13T12T11T10T9T8 (05H) 8155命令寄存器格式TM2TM1IEBIEA

41、PC2PC1PBPA 因此這6個口的地址應為11×××即9FF8H9FFDH,六個單元。2.鍵盤顯示接口電路工作原理（1）顯示器工作原理數控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED顯示器和LCD。對于LED顯示器，通常它是由八個發(fā)光二極管組成的，當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個比畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導通，就能顯示出各種字符。有兩種類型，共陰極和共陽極，我們這里采用共陰極的。如果加到各段陽極上的代碼不同，則顯示器就會顯示不同的字符和數字，這個代碼稱為段碼，選擇字型稱為段選。通常顯示器采用動態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點亮顯示器各個位，對于顯示器的每一位來說，每隔一

42、段時間點亮一次，顯示器的亮度既與導通電流有關，也與點亮時間和間隔時間的比列關系有關。調整電流和時間參數，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。這就是顯示器的掃描過程。計算機以人眼不能分辨的速度輪流對各字位線輸出低電平，即可在各位上顯示出不同的字符和數字，從而實現(xiàn)掃描顯示，這就稱作位選。它的優(yōu)點是占得IO口少。另一種是靜態(tài)顯示，就是同時把要顯示的顯示出來，他占得IO多，但亮度大。 （2）鍵盤接口原理鍵盤是由若干個按鍵組成的開關矩陣，它是最簡單的單片機輸入設備。其工作原理是:測試信號 +5V 控制信號控制信號=“0”則開放，可對鍵識別：當鍵松開，測試信號=“1”；當鍵閉合，測試信號=“0”?？刂菩盘?“1”

43、，禁止，不能對鍵進行識別。在實際使用時，常常把鍵盤和顯示電路做在一起，以節(jié)省IO線。在進行鍵盤巡回掃描時，必須先關顯示，有關鍵盤和顯示器的工作必須經過軟件的協(xié)調處理后才能達到預期的效果。在我們的電路中，8155的PC0PC3作為輸入口來接受測試信號，PB0PB7作為輸出口來掃描8位列線，顯示器的段選（字型數據控制）由8155的PA口擔任，是輸出口。可以采用中斷的方式來對鍵盤進行掃描，PB口開始前全部置0，處于待掃描狀態(tài)，當有任意的一個鍵按下時，PC口檢測到變化，便開始逐行逐列的檢測，檢查到那個就有相應的動作，如果需要顯示，則進入顯示子程序進行，鍵盤和顯示獨立工作，在程序的協(xié)調下互不干涉。（四）

44、步進電機接口及驅動電路1.步進電機控制原理（1）步進電機分類通常在經濟型數控機床中，大多數采用步進電機開環(huán)控制。步進電機是一種用電脈沖進行控制，并將電脈沖信號轉變?yōu)橄鄳慕俏灰频碾妱訖C。其角位移量與電脈沖數成正比，其轉速與電脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率就可以調節(jié)電機的轉速。步進電機按工作原理可分為反應式、永磁式、混合式步進電機。 步進電機開環(huán)控制原理圖（2）軟環(huán)分原理及源程序 驅動步進電機的脈沖需要按所需要的順序供給電機各相，脈沖分配器就是實現(xiàn)步進電機各相脈沖通電順序的。脈沖分配器又叫環(huán)形分配器，有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種。任務書的要求用軟環(huán)分，加上前面的選型，五相五拍軟件環(huán)形分

45、配器在電路上不需要環(huán)形分配專用芯片，采用查表法進行脈沖分配，也就是在微處理器中專門安排一個輸出指針寄存器作為步進電機的控制寄存器，初始化是使指針指向分配表的表首。步進電機的每一相繞組都與這個寄存器中某一指定位相相對應。寄存器中這一位為“0",對應著相應繞組的通電狀態(tài)；這一位為"1",對應著相應繞組的斷電狀態(tài)。步進電機需要正向運行一步時，指針下移一行，同時輸出該行的狀態(tài)，當指針超出分配表表尾時自動回到表首；步進電機反向運行時，指針上移一行，并輸出該行的脈沖值，當指針超出表首時又自動回到表尾。脈沖分配子程序框圖如下。這種情況下，在電路上步進電機的每一繞組需和一個IO接

46、口相連（經光隔離電路），故占用的IO接口數量較多。由于我們這里是采用五相五拍的控制方式，相對比較簡單。電動機脈沖分配程序NY正向運轉？N指針小于表首地址？Y指針減1指針加1指針修改到表尾N指針大于表尾地址？Y輸出信號值8255A的PA口指針修改到表首返回具體分析如下： 步進電動機繞組通電順序表電動機繞組通電順序地址指針代碼ABCDEMOTB+110FH01111MOTB+2217H10111MOTB+331BH11011MOTB+441DH11101MOTB+551EH11110正反轉時的繞組通電順序（五相五拍） ABCDE EDCBA設R6為Z向電動機的指針寄存器，正常情況下R6的取值應在1

47、5之間。則Z向電動機脈沖分配的具體程序如下：ZHENG: INC R6; Z向電機正走一步（若DEC R6，則反轉一步）OTZ: CJNE R6 ,#06H , AA0 MOV R6,#01H; 指針超出分配表的表尾（R6=#06H）時，自動回到表首 （R6=#01H) JMP AA1AA0: CJNE R6,#00H,AA1 MOV R6,#05H; 指針超出分配表的表首（R6=#00H)時，自動回到表尾 (R6=#05H)AA1: MOV DPTR,#MOTB; 十六位數據指針指向脈沖分配表的首地址 MOV A,R6; Z向指針送給A MOVC A,A+DPTR;查表取出Z向電動機繞組通電

48、狀態(tài)，存于A MOV DPTR,#5FFDH; 8255A的PA口地址 MOVX DPTR,A; 輸出電動機繞組通電狀態(tài)至8255A的PA口 RET ；循環(huán)執(zhí)行 MOTB: DB FFH ;不用 DB 0FH ；A相通電 DB 17H ；B相通電 DB 1BH ；C相通電DB 1DH ；D相通電 DB 1EH ；E相通電 （3）電機驅動電路的選擇 為使步進電動機正常運行并輸出一定功率，需要有足夠功率提供給電動機，因此需要功率放大環(huán)節(jié)，以產生足夠大的功率驅動步進電機正常運轉。為了提高步進電機動態(tài)特性，必須改善電流波形，使電流前后沿更抖些，避免在高頻時，導致步進電機各相繞組電流幾乎同時存在，使步進

49、帶負載能力下降，嚴重時會出現(xiàn)失步。電機常采用電阻法、雙電源法，而任務書上要求的高低壓驅動，就是雙電源法中實用電路，也是為改善電流波形。2.步進電機控制電路的接線(1)地址的分配任務書上要求，電機控制部分采用軟環(huán)分和高低壓驅動電路，我們這里用8255接口芯片來達到此目的。8255是Intel公司生產的可編程輸入輸出接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，分別是PA、PB、PC、其中PC口又分為高4位（PC7PC4）和低4位（PC3PC0），它們都可以通過軟件編程來改變I/O口的工作方式。 8255的片選端接譯碼器的，對應的輸入端A、B、C為010，這個芯片需要分配4個地址，以分別對應A口B口C口

50、和控制口，8255工作方式的設定是通過向8255控制口寫入方式選擇控制字實現(xiàn)，方式0基本的輸入輸出方式、方式1應答式輸入輸出工作方式、方式2應答式雙向輸入輸出工作方式三種。此外C口還有位操作功能，通過編程對8255送入置位/復位控制字，可對C口各位單獨置位/復位，從而可以方便地將端口I/O端線作為選通及控制應答信號使用。在方式1和方式2下，C口各位作為聯(lián)絡和中斷請求信號線使用。地址線A0、A1接鎖存器373的Q0、Q1用地址線的最低兩位，其他沒用到的地址線設為1狀態(tài)，因此8255對應的地址編碼是111××即從5FFCH5FFFH。8255的讀寫管腳WR、RD分別接8031的

51、讀寫管腳。數據線D0D7接8031的P1口，以進行數據的接收和發(fā)送。（2）接線配置 Z向步進電機是五相電機，直接利用8255的PA口的5個管腳，接5路光電隔離電路，再到驅動電路，知道步進電機的各相。C向電機是二相電機，利用8255的PB口的兩個管腳，接兩路光電隔離電路，驅動電路，到達步進電機的進相線。 （五）開關量的控制及輔助電路 我們的這個系統(tǒng)能實現(xiàn)兩軸聯(lián)動，鍵盤控制顯示，行程控制，報警顯示，轉換各種工作方式，手動，自動編輯等。 行程控制用到8031的P3.0P3.3，分別為X，X，Z，Z，越界報警顯示用到8155的PC4和PC5，工作方式編輯、手動、自動、單步運行用到PC0PC3，手動調節(jié)X，X，Y，Y用到8255的PC4PC7；啟動、停止、回零、空運用到8255的PB4PB7；當車螺紋時，主軸光電編碼器向8031T0（P3.4）發(fā)出進給脈沖用以