基于單片機(jī)的數(shù)控車床XY工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計

基于單片機(jī)的數(shù)控車床XY工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計摘要了解數(shù)控機(jī)床的概念，所謂數(shù)字控制是按照含有機(jī)床(刀具)運(yùn)動信息程序所指定的順序自動執(zhí)行操作的過程。而計算機(jī)數(shù)控機(jī)床就是數(shù)控機(jī)床在計算機(jī)監(jiān)控下進(jìn)行工作。它的優(yōu)點很多,可以在同一機(jī)床上一次裝夾可完成多個操作，生產(chǎn)率顯著提高等優(yōu)點，但它的價格昂貴。由于我國現(xiàn)在使用的機(jī)床大多數(shù)為普通車床，自動化程度低,要更新現(xiàn)有機(jī)床需要很多資金。為了解決這個問題,也為了適應(yīng)多品種中、小批量零件加工我們選擇機(jī)床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造?？v向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆去原機(jī)床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座,配上滾珠絲杠及相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)及減速箱安裝在車床的床尾,不占據(jù)絲杠空間。橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：撤除橫向絲杠換上滾珠絲杠,由步進(jìn)電機(jī)帶動。關(guān)鍵詞：運(yùn)動信息，滾珠絲杠，步進(jìn)電機(jī)SingleChipMicrocomputer-basedXYtableCNClatheandControlSystemDesignABSTRACTNumericalControl(NC)isanymachiningprocessinwhichtheoperationsareexecutedautomaticallyinsequencesasspecifiedbytheprogramthatcontainstheinformationforthetoolmovement.WhenNumericalControlisperformedundercomputersupervision,itiscalledComputerNumericalControl(CNC).CNCmachineshavemanyadvantagesoverconventionalmachines.Forexample,thereisapossibilitylfperformingoperationsonthesamemachineinonesetupandproductionissignificantlyincreased.Oneofitsdisadvantagesisthattheyarequiteexpensive.Inourcountryconventionalmachineisusedwidely.Soifthemachinesarereplaced,thereisgoingtoneedalargemoney.Inordertoagreewiththedevelopmentofoureconomy,wecanreformtheconventionalmachines.Thereformationofthetoolmovement:wedemolishthecurrentsmoothleading,leadingscrewandinstallingstand.Thenreplacetheballleakingtotherelevantposition.Thereformationofthehorizontalmechanism:wemakethehorizontalballleadscrewinsteadoftheconventionalscrew.AndSteppermotordrivesthescrew.Keywords:toolmovement，conventionalmachines，Steppermotor第一章緒論1.1數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)與開展裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是開展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最根本的裝備，又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域?？茖W(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)的不斷開展，對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。機(jī)械加工工藝過程的自動化是實現(xiàn)上述要求的最重要措施之一。他不僅能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)本錢，還能夠大大改善工人的勞動條件。許多生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)采用了自動機(jī)床、組合機(jī)床和專用自動生產(chǎn)線。采用這種高度自動化和高效率的設(shè)備，盡管需要很大的初始投資以及較長的生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，但是在大批量的生產(chǎn)條件下，由于分?jǐn)傇诿恳粋€工件上的費(fèi)用很少，經(jīng)濟(jì)效益仍然是非常顯著的。但是，在機(jī)械制造工業(yè)中并不是所有的產(chǎn)品零件都具有很大的批量，單件和小批量生產(chǎn)的零件占機(jī)械加工總量的80%以上。尤其是在造船、航空航天、機(jī)床、重型機(jī)械以及國防部門，其生產(chǎn)特點是加工批量小、改型頻繁、零件的形狀復(fù)雜而且精度要求很高，采用專用化程度很高的自動化機(jī)床加工這類零件就顯得很不適宜，因為生產(chǎn)過程中需要經(jīng)常改裝與調(diào)整設(shè)備，對于專用生產(chǎn)線來說，這種改裝與調(diào)整甚至是不可能實現(xiàn)的。為了解決這些問題，滿足多品種、小批量的自動化生產(chǎn)，迫切需要一種靈活的、通用的能夠適應(yīng)產(chǎn)品頻繁變化的柔性自動化機(jī)床。數(shù)控機(jī)床就是在這樣的背景下產(chǎn)生與開展起來的。它極其有效地解決了上述一系列矛盾，為單件、小批量生產(chǎn)的精密復(fù)雜零件提供了自動化加工手段。1.2數(shù)控機(jī)床的開展趨勢隨著計算機(jī)、微電子、信息、自動控制、精密檢測及機(jī)械制造技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)床數(shù)控技術(shù)有了長足的進(jìn)步。近幾年一些相關(guān)技術(shù)的開展，如刀具及新材料的開展，主軸伺服和進(jìn)給伺服、超高速切削等技術(shù)的開展，以及對機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高等，加速了數(shù)控機(jī)床的開展。目前數(shù)控機(jī)床正朝著高速度、高精度、高工序集中度、高復(fù)合化和高可靠性等方向開展。世界數(shù)控技術(shù)及其裝備開展趨勢主要表達(dá)在以下幾個方面：〔1〕．高速高效高精度〔2〕．柔性化〔3〕．工藝復(fù)合化和多軸化〔4〕．實時智能化〔5〕．結(jié)構(gòu)新型化〔6〕．編程技術(shù)自動化〔7〕．集成化〔8〕．開放式閉環(huán)控制模式1.3數(shù)控機(jī)床在先進(jìn)制造技術(shù)中的作用自從20世紀(jì)中期，人們將計算機(jī)技術(shù)引用到控制機(jī)床加工飛機(jī)機(jī)翼樣板的復(fù)雜曲線中以來，數(shù)控技術(shù)在機(jī)床控制方面取得了廣泛、深入的開展，各種數(shù)控機(jī)床成為了現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，是它們保證了現(xiàn)代制造業(yè)向高精度、高速度、高效率、高柔性化的方向開展。由于數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，帶動了CAD/CAM技術(shù)向?qū)嵱没?、工程化開展，特別是計算機(jī)技術(shù)的迅速開展，推動CAD/CAM技術(shù)向更高層次和更高水平開展，而且進(jìn)一步開展了計算機(jī)輔助工藝設(shè)計(CAPP)數(shù)據(jù)庫、集成制造生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)信息的自動生成、自動處理、自動傳輸?？梢哉f數(shù)控技術(shù)既是聯(lián)系CAD/CAM的紐帶，也是進(jìn)一步通向集成化CAD/CAM的橋梁。1.4對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)開展的根本估計我國數(shù)控技術(shù)起步于1958年,近50年的開展歷程大致可分為三個階段：第一階段從1958年到1979年,即封閉式開展階段。在此階段,由于國外的技術(shù)封鎖和我國的根底條件的制,數(shù)控技術(shù)的開展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五〞、“七五〞期間以及“八五〞的前期,即引進(jìn)技術(shù),消化吸收,初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段,由于改革開放和國家的重視,以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善,我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進(jìn)步。第三階段是在國家的“八五〞的后期和“九五〞期間,即實施產(chǎn)業(yè)化的研究,進(jìn)入市場競爭階段?？v觀我國數(shù)控技術(shù)近50年的開展歷程,特別是經(jīng)過4個5年方案的攻關(guān),總體來看取得的成績還是不小。1.5畢業(yè)設(shè)計的目的、意義《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計》畢業(yè)設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力的重要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運(yùn)用所學(xué)過的機(jī)械、電子、自動控制、計算機(jī)等知識進(jìn)行的根本設(shè)計訓(xùn)練。其目的是：能夠正確運(yùn)用《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程的根本理論和相關(guān)知識，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)〔產(chǎn)品〕的功能構(gòu)成、特點和設(shè)計思想、設(shè)計方法，了解設(shè)計方案的擬定、比擬、分析和計算，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的初步能力；通過機(jī)械局部設(shè)計，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和步驟；通過測試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計，掌握機(jī)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；通過畢業(yè)設(shè)計提高學(xué)生應(yīng)用手冊、標(biāo)準(zhǔn)及編寫技術(shù)說明書的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。1.6畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容畢業(yè)設(shè)計題目：基于單片機(jī)的數(shù)控車床XY工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計條件：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命為T=16000h，中等沖擊，工作臺的有效行程為,，快速進(jìn)給速度，，和工作載荷。第二章數(shù)控系統(tǒng)總體方案確實定數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動方式確實定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動方案確實定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比擬和論證。1.1系統(tǒng)運(yùn)動方式確實定該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動有精確的運(yùn)動關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。1.2伺服系統(tǒng)的選擇開環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī)。開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有檢測反應(yīng)部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應(yīng)用。考慮到運(yùn)動精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，降低本錢，宜采用步進(jìn)電機(jī)作為開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。1.3計算機(jī)系統(tǒng)的選擇采用MCS-51系列中的8031單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機(jī)的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性價比高?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)局部、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)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。1.4X—Y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(jié)構(gòu)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(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運(yùn)動部件重量和工作載荷不大，應(yīng)選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動平穩(wěn)性。考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為到達(dá)分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動。系統(tǒng)總體框圖如下：計計算機(jī)光電隔離功率放大步進(jìn)電機(jī)X向工作臺光電隔離功率放大步進(jìn)電機(jī)Y向工作臺圖2-1第三章機(jī)械局部設(shè)計機(jī)械局部設(shè)計內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動部件慣性的計算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算與選擇，繪制機(jī)械局部裝配圖等。1.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量δp是一個進(jìn)給指令時工作臺的位移量，應(yīng)小于等于工作臺的位置精度，由于定位精度為±0.01mm因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm。1.2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Y向工作臺承載重量WX和WY。取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?10mm,Y向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm,設(shè)計工作臺簡圖如下：圖3-1圖3-1X向拖板(上拖板)尺寸為:重量:Y向拖板(下拖板)尺寸為:重量:上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量:夾具及工件重量:約155NX-Y工作臺運(yùn)動局部總重量為:1.3滾動導(dǎo)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(dǎo)軌的靜平安系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的根本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)；fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0〔運(yùn)動時受沖擊、振動〕。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取根據(jù)計算額定靜載荷初選導(dǎo)軌,其型號為：HJG-D25。根本參數(shù)如下：表3-1額定載荷/N靜態(tài)力矩/N*M滑座重量導(dǎo)軌重量導(dǎo)軌長度動載荷靜載荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座個數(shù)單向行程長度每分鐘往復(fù)次數(shù)M40.64導(dǎo)軌的額定動載荷依據(jù)使用速度v〔m/min〕和初選導(dǎo)軌的根本動額定載荷驗算導(dǎo)軌的工作壽命T：額定行程長度壽命:導(dǎo)軌的額定工作時間壽命:導(dǎo)軌的工作壽命足夠。1.4滾珠絲杠計算、選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：強(qiáng)度計算：絲杠軸向力：其中：K=1.15，滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計算。取f=0.004,那么:壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速最大動載荷：式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時為1.0。查表得中等沖擊時,那么：根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)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:：CM系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。其根本參數(shù)如下：表3-2絲杠代號公稱直徑根本導(dǎo)程絲杠外徑絲杠底徑循環(huán)圈數(shù)D0PhD1D3nCM2005-520519.516.765額定載荷剛度螺母安裝尺寸動載荷靜載荷KDLB1420538244730706211螺母安裝尺寸油杯孔D1D4hM45565.8106M6其額定動載荷為14205N>Qy足夠用。滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式。滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表表3-3名稱計算公式結(jié)果公稱直徑――20mm螺距――5mm接觸角――鋼球直徑――3.175mm螺紋滾道法向半徑1.651mm偏心距0.04489mm螺紋升角螺桿外徑19.365mm螺桿內(nèi)徑16.788mm螺桿接觸直徑17.755mm螺母螺紋外徑23.212mm螺母內(nèi)徑〔外循環(huán)〕20.7mm傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為：式中：為摩擦角；為絲杠螺旋升角。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。剛度驗算滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計算絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計。導(dǎo)程變形總誤差Δ為E級精度絲杠允許的螺距誤差。1.5齒輪計算、設(shè)計因步進(jìn)電機(jī)步距角滾珠絲杠螺距t=5mm,要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量,在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比：，步進(jìn)電機(jī)步距角：取小齒輪齒數(shù),那么大齒輪齒數(shù)大小齒輪材料均為45鋼由于軟齒面齒輪工藝簡單、生產(chǎn)率高，應(yīng)選擇軟齒面齒輪。因傳遞的扭距較小,取模數(shù)m=1mm那么:分度圓直徑:齒頂圓直徑:齒根圓直徑:齒寬:取中心距:分度圓壓力角:大小齒輪均采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪1.6步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計算以及步進(jìn)電機(jī)的選用根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，有：(1)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為：式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量；為齒輪1的轉(zhuǎn)動慣量；為齒輪2的轉(zhuǎn)動慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；M為移動部件的質(zhì)量。對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。所以有：電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有：(2)步進(jìn)電機(jī)啟動力矩的計算設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為T，負(fù)載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，S為移動部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動的效率。假設(shè)取，那么，且。所以：式中：為移動部件負(fù)載〔N〕，G為移動部件質(zhì)量〔N〕，為與重力方向一致的作用在移動部件上的負(fù)載力〔N〕，為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，為步進(jìn)電機(jī)的步距角〔rad〕,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩〔N〕。取〔淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)〕，，。考慮到重力影響，Y向電機(jī)負(fù)載較大，所以有：考慮到啟動時運(yùn)動部件慣性的影響，那么啟動轉(zhuǎn)矩：取系數(shù)為0.4，那么：對于工作方式為三相6拍的步進(jìn)電機(jī)：(3)步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率空載啟動頻率要大于最高運(yùn)行頻率,同時電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個90BF001型步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下：表3-4型號主要技術(shù)參數(shù)相數(shù)步距角電壓(V)相電流(A)最大靜轉(zhuǎn)矩(n.m)空載啟動頻率空載運(yùn)行頻率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Kg.m外直徑長度軸直徑9014594.51764第四章數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計1.1數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾局部組成：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(jī)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：中央處理單元CPU中央處理單元CPU存儲器RAM存儲器RAMROM外設(shè)：外設(shè)：鍵盤，顯示器，打印機(jī)，磁盤機(jī)，通訊接口等輸入/輸出I/O接口輸入/輸出I/O接口信號變換信號變換控制對象控制對象圖4-11.2主控制器CPU的選擇MCS-51系列單片機(jī)是集中CPU，它有如下特點：1、可靠性高。因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，故抗干擾的能力優(yōu)于PC機(jī)。系統(tǒng)軟件(如：程序指令，常數(shù)，表格)固化在ROM中，不易受病毒破壞。許多信號的通道均在一個芯片內(nèi)，故運(yùn)作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。2、便于擴(kuò)展。片內(nèi)具有計算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件，片外有很多供擴(kuò)展用的(總線，并行和串行的輸入/輸出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。3、控制功能強(qiáng)。具有豐富的控制指令，如：條件分支轉(zhuǎn)移指令，I/O口的邏輯操作指令，位處理指令。4、實用性好。體積小，功耗低，價格廉價，易于產(chǎn)品化。由于上述原因，選用8031作為主控芯片。1.3存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計1、程序存儲器的擴(kuò)展單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)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2k，4k，8k，16k，32k。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(shè)計的程序存儲器擴(kuò)展用芯片。于8031芯片的P0口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線的，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器，常用的地址鎖存器芯片是74LS373。2、數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展由于8031芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)供用戶使用，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)需要，因此需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲器〔RAM〕。常用的數(shù)據(jù)存儲器有6116、6264、62128等，這里選用6264。3、I/O擴(kuò)展電路設(shè)計8031單片機(jī)共有4個8位并行I/O接口，但供用戶使用的只有P1口及局部P3口線。因此要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。8155為多功能的可編程接口芯片，內(nèi)部包含有256字節(jié)RAM，兩個可編程8位并行口、一個6位并行口和一個14位的計數(shù)器。8155是8051單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最適用的外圍器件。數(shù)據(jù)存貯器是256x8位靜態(tài)RAM。I/O由三個通用口組成，其中的6位口可編程為狀態(tài)控制信號?？删幊痰?4位計數(shù)器/定時器用于給單片機(jī)系統(tǒng)提供方波或計數(shù)脈沖。8155與微機(jī)接口較簡單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。第五章系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計1.1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(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。2、工作臺復(fù)位。開機(jī)后工作臺應(yīng)該自動復(fù)位，亦可手動復(fù)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(jī)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(yīng)該立即停止工作臺的運(yùn)動，并顯示相應(yīng)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。1.2系統(tǒng)管理程序控制管理贊許是系統(tǒng)的主程序，開機(jī)后即進(jìn)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(shè)計管理程序時，應(yīng)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工作臺的根本操作功能有：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(jī)等。根據(jù)以上分析，設(shè)計管理程序流程圖如下所示：加工程序輸入鍵按下加工程序輸入鍵按下機(jī)床復(fù)位開始系統(tǒng)初始化自動加工鍵按下手動加工鍵按下加工數(shù)據(jù)輸入自動加工手動調(diào)整NNNYYY圖5-11.3自動加工程序設(shè)計〔1〕機(jī)床在自動加工時的動作順序：工作臺移動到位→刀具快速進(jìn)給→加工→退刀→工作臺運(yùn)動到下一位置；〔2〕計算機(jī)在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工；〔3〕由以上分析，設(shè)計自動加工程序框圖如下所示：入口入口零件坐標(biāo)地址指針讀零件坐標(biāo)調(diào)步進(jìn)電機(jī)子程序工作臺移動到位刀具快進(jìn)加工快速退刀零件坐標(biāo)地址指針加一零件加工完成NY返回圖5-21.4匯編語言程序設(shè)計1、內(nèi)存地址分配加速脈沖數(shù)計數(shù)器N0地址設(shè)為20H；恒速脈沖數(shù)計數(shù)器N1低8位字節(jié)地址為21H，高8位字節(jié)地址位22H；減速脈沖數(shù)計數(shù)器N2地址位23H。加速，減速，恒速脈沖總數(shù)存放器N低位字節(jié)地址位24H，高位字節(jié)地址位25H；步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制子程序FEED首地址位0E80H。每調(diào)用一次該程序，步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向進(jìn)給一步。2、程序清單N0EQU20H；加速N1LEQU21H；恒速N1HEQU22HN2EQU23H；減速NLEQU24H；脈沖總數(shù)存放器NHEQU25HDSEQU26H；地址指針偏移量FEEDEQU0E80HORG0E00H0E00START：MOVP，#60H0E03MOVTMOD，#01H；設(shè)計數(shù)器工作方式為1，16位定時器0E06MOVN0，#01A4H；設(shè)N0為3200E09MOVN2，#1A4H0E0CMOVA，N0；計算2XN00E0ERLA0E0FMOVR0，A0E10CLRC；計算N1=N-2N00E11MOVA，NL0E13SUBBA，R00E14MOVN1L，A0E16MOVA，NH0E18SUBBA，#00H0E1AMOVN1H，A0E1CMOVDPTR，#1000H；設(shè)時間常數(shù)指針初值為1000H0E1FMOVDS，#00H；設(shè)地址偏移量初值為00H0E22MOVCA,@A+DPTR；從EPROM中讀時間常數(shù)0E23MOVTL0，A；送時間常數(shù)至定時器0中0E25INCDS0E27MOVA，DS0E2MOVCA，@A+DPTR0E2AMOVTH0，A0E2CINCDS0E2ESETBEA；開中斷允許0E30SETBET0；允許定時器0中斷0E32SETBTR0；啟動定時器0開始計算0E34WAIT：JBEA，WAIT；中斷允許返回0E37RET中斷效勞程序：ORG000BH000BLJMP0F00H0F00MOVCA，@A+DPTR0F03MOVTL0，A0F05INCDS0F07MOVA，DS0F09MOVCA，@A+DPTR0F0A0F0C0F0EACALLFEED；調(diào)FEED子程序0F10MOVA，N0；判斷N0是否為00F12CJNEA，#00H，LOOP10F15MOVA，N1H；判斷N1是否為00F17CJNEA，#00H，LOOP20F1A0F1C0F1F0F21CJNEA，#00H，LOOP30F24CLREA；N2為0，減速結(jié)束，關(guān)中斷0F26RETI0F27LOOP1：DECN0；N0不為0，那么N0←N0-10F29RETI0F2ALOOP2：MOVA，N1L；N1不為0，那么N1←0F2C0F2DSUBBA，#01H0F2FMOVN1L0F31MOVA，N1H0F33SUBBA，#00H0F35MOVN1H，A0F37RETI0F38LOOP3：DECN2；N2不為0，那么N2←N2-10F3A逐點比擬法插補(bǔ)程序：RP：MOVSP，#60HMOV4AH，#00H；F單元清零MOV49H，#00HMOV48H，#01H；X電動機(jī)初始化MOV47H，#02H；Y電動機(jī)初始化MOVDPTR，#0030HMOVA，#03H；XY電動機(jī)上電MOVX@DPTR，ACLRC；計算終判值MOVA，52H；低位X、Xe相減，得aSUBBA，4EHMOV54H，A；保存結(jié)果于終判值單元低位字節(jié)MOVA，51H；高位X、Xe相減，得bSUBBA，4DHMOV53H，A；保存結(jié)果于終判值單元高位字節(jié)CLRC；低位Ye、Y相減，得cMOVA，4CHSUBBA，50HMOV20H，C；暫存Ye、Y低位相減產(chǎn)生的借位位ADDA，54H；計算d=a+c，d為低位終判值MOV54H，A；保存d于終判值單元低位字節(jié)MOV21H，C；暫存d=a+c產(chǎn)生的進(jìn)位位MOVA，4BHMOVC，20H；恢復(fù)Ye、Y低位相減產(chǎn)生的借位位SUBBA，4FH；高位Ye、Y相減，得eMOVC，21H；恢復(fù)d=a+c產(chǎn)生的進(jìn)位位ADDCA，53H；計算f=b+e，f為高位終判值MOV53H，A；保存f于終判值單元高位字節(jié)PR2：ACALLDL0；延時子程序MOVA，49H；取F高位字節(jié)JBACC.7，RP6；高位＝1，F(xiàn)＜0，去RP6ACALLXMM；高位＝0，F(xiàn)＞0，X反轉(zhuǎn)一步CLRC；計算新偏差F＝F－2X＋1MOVA，4AH；計算g＝F－X低位SUBBA，52HXCHA，B；g存入B存放器MOVA，49H；計算h＝F－X高位SUBBA，51HXCHA，B；低位存A，高位存B。BA內(nèi)容為F－XCLRC；計算i＝g－X＝F－2X低位SUBBA，52HXCHA，B；B內(nèi)容為F－2X低位，A內(nèi)容為F－X高位SUBBA，51H；A內(nèi)容為F－2X高位XCHA，B；BA內(nèi)容為F－2XADDA，#01H；計算F－2X＋1MOV4AH，A；4A內(nèi)容為F－2X＋1低位XCHA，B；B內(nèi)容為F－2X＋1低位，A內(nèi)容為F－2X高位ADDCA，#00H；考慮F－2X＋1的進(jìn)位MOV49H，A；49H的內(nèi)容為F－2X＋1高位CLRC；計算X＝X－1MOVA，52H；低位SUBBA，#01HMOV52H，AMOVA，51H；高位SUBBA，#00HMOV51H，ARP4：CLRC；終判值減１MOVA，54HSUBBA，#01HMOV54H，AMOVA，53HSUBB