課程設(shè)計-數(shù)控測量機設(shè)計【2013年最新整理畢業(yè)論文】

目 錄 第 一章 總體方案的擬定 1 第一節(jié) 概述 1 第二節(jié) 總體方案的確定 1 第二 章 機械傳動系統(tǒng)設(shè)計 3 第三 章 微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 10 第一節(jié) 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容 10 第二節(jié) I/O 接口電路 12 第三節(jié) 所用芯片接線引腳介 13 第四節(jié) 輔助電路的設(shè)計 17 第 四 章 微機控制軟件 22 第一節(jié) 概述 22 第二節(jié) 控制軟件組成及功能 22 第三節(jié) 系統(tǒng) 直線插補 軟件設(shè)計 : 23 致謝 27 參考文獻 27 第一章 總體方案的擬定 第一節(jié) 概述 數(shù)控技術(shù)是一種自動控制技術(shù)，它能夠?qū)C器的運動和動作進行控制。采用數(shù)控技術(shù)的控制系統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)。裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床稱為數(shù)控機床。數(shù)控機床由程序載體、輸入裝置、 CNC 裝置、伺服系統(tǒng)和機床的機械部件構(gòu)成。以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，促進了機械制造業(yè)向著更高層次發(fā)展，使機械制造水平得到很大的提高。對我們的現(xiàn)代的經(jīng)濟建設(shè)有很大的推動作用。 第二節(jié) 總體方案的確定 對任務(wù)書進行分析，數(shù)控測量機需有兩個運動單元，一個是 Z直線運動單元，另一個是 C回轉(zhuǎn)運動單元。功能：實現(xiàn)對工件軸剖面和徑剖面的測量。設(shè)計思路：Z軸電動機經(jīng)減速器帶動絲杠轉(zhuǎn)動，使螺母帶動托板在滾動導(dǎo)軌上直線移動，絲杠直徑取 D=20mm； C軸電動機經(jīng)減速器帶動三爪卡盤轉(zhuǎn)動，從而帶動工件轉(zhuǎn)動。 一、機械傳送部件的選擇 1.導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計的數(shù)控測量機 Z 軸直線運動單元需要承載的載荷不大，但運動分辨率高，因此，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。 2.絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，要滿足 Z 向運動分辨率優(yōu)于 0.01mm，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠螺母副才能達到。滾珠絲杠螺母副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。 3.伺服電動機的選用 任務(wù)書要求的 Z 軸的運動分辨率優(yōu)于 0.01mm，所以本次設(shè)計脈沖膽量選為0.01，尚未達到 0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度為5000mm/min。因此， Z 軸不必采用高檔次的伺服電動機，可以選用步進電動機。C 軸運 動分辨率優(yōu)于 0.1 ，最大旋轉(zhuǎn)速度為 100r/min，也選用步進電機。 4.減速裝置的選用 Z 軸選擇了電動機和滾珠絲杠螺母副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)。為此，本設(shè)計決定采用無間隙齒輪傳動減速箱。 C 軸決定選用諧波減速器，諧波減速器具有以下優(yōu)點： (1)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，傳動效率高。 (2)傳動范圍大。 (3)同時嚙合的齒數(shù)多，運動精度高，承載能力大。(4)運動平穩(wěn)，無沖擊，噪聲小。 (5)齒側(cè)間隙可以調(diào)整。 5.檢查裝置的的選用 選用步進電機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高了，為了確保電動機在運轉(zhuǎn)過程中不受電網(wǎng)和其他外部因素的影響而失步，決定采用全閉環(huán)控制，而且測量機上用光柵尺來測量工件的軸向尺寸，若再用光柵尺作為閉環(huán)用的檢查裝置，更能起到一舉兩用的效果，使有效資源得到充分的利用。光柵的分辨率應(yīng)與測量的分辨率相匹配。 6.測量裝置的選用 本次設(shè)計的測量機用來實現(xiàn)對工件的軸剖面和徑剖面的測量，分別采用直線光柵和光幕式傳感器。 二、控制系統(tǒng)的設(shè)計 1.設(shè)計的 數(shù)控測量機，其控制系統(tǒng)應(yīng)具有定位和速度控制的基本功能，但無需有插補。所以點位 /直線控制系統(tǒng)即可。 2對于步進電機的閉環(huán)控制，選用 MCS-51 系列的 8 位單片機 80C31 作為控制系統(tǒng)的 CPU，應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。 MCS-51 系列單片機具有集成度高?？煽啃院?、功能強、速度快、抗干擾能力強、性價比高等特點。 3.要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU 之后，還需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤及顯示器、 I/O 接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等。系統(tǒng)的加工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)及機床狀態(tài)等信息。 第二章 機械傳動系統(tǒng)設(shè)計 一、導(dǎo)軌上移動部件的重量估計 導(dǎo)軌上承載的部件包括連接板和光幕式傳感器、螺母座，重量約為 20N。 二、直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型 1. 滑塊承受的工作載荷 F的計算及型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本設(shè)計中的連接板水平布置，采用雙導(dǎo)軌、兩滑塊的支承形式。由于垂直方向承載的載荷為： F=G/2 其中，移動部件重量 G=20N,得 F=10N,選取直線滾動導(dǎo)軌副的型號為 ZL 系列的 JSA-LG15 型，已能遠遠滿足要求。 由于設(shè)計的在、 Z 向的行程范圍為 350mm，選連接板的尺寸為 65mm140mm，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為 460mm。 2距離額定壽命 L 的計算 上述選取的 ZL 系列 JSA-LG15 型導(dǎo)軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過 100，每根導(dǎo)軌上配有 1個滑塊，精度為 4級，工作速度較低，載荷不大。硬度系數(shù) =1.0、溫度系數(shù) =1.00、接觸系數(shù) =1、精度系數(shù) =0.9、載荷系數(shù) =1.5,得距離壽命： L=504740940800km 遠大于期望值 50km，故距離額定壽命滿足要求。 三、滾珠絲杠螺母副的計算與選型 1從靜止加速到最大移動速度承受的載荷的計算 本設(shè)計的最大移動速度為 5000mm/min，初選電機加速時間為 300ms，設(shè)加速為勻加速。由此可計算出加速度： a=0.277m/。 絲杠所帶動的移動部件包括滑塊、連接板和光幕式傳感器、螺母座、螺母、滾珠的重量總和約為 30N。 =ma=30.277=0.831N 滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù) =0.005。得移動克服的摩擦力為： =G =300.005=0.15N =+1N 2初選型號 根據(jù)計算出的加速載荷，選擇濟寧博特精密 絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 G 系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為 20mm，導(dǎo)程為 5mm，循環(huán)滾珠為 3 圈 1列，精度等級取 2級，額定動負載為 9309N，遠大于 ,滿足要求。 3傳動效率 的計算 將公稱直徑 =20mm，導(dǎo)程 =5mm，代入 =arctan/( ) ，得絲杠螺旋升角 =4 33。將摩擦角 =10，代入 =tan / tan( + ),得傳動效率 =96.4。 4剛度的驗算 （ 1）絲杠的支承采用“單推 -單推”的方式，絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為 450mm；鋼的彈性模量 E=2.1MPa；查 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書 表 3-31，得滾珠直徑 =3.175mm，絲杠底徑 =16.2mm，絲杠截面積 S= /4=206.12。 絲杠在加速載荷作用下產(chǎn)生的拉 /壓變形量 =a/(ES)= 0.00001155mm。 （ 2）根據(jù)公式 Z= /-3,求得單圈滾珠數(shù) Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù) 列數(shù)為 31，代入公式： =Z圈數(shù) 列數(shù)，得滾珠 總數(shù)量 =60。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力 =/3=0.33N。則由式 =0.0013=0.00003863mm。 （ 3）將以上算出的和代入 =+，求得絲杠總變形量 0.00005018mm=0.05018m。 本設(shè)計中絲杠的有效行程為 350mm，由 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書表 3-27 知， 2級精度滾珠絲杠有效行程在 315-400mm 時，行程偏差允許達到 25 m，絲杠剛度遠遠滿足。 6壓桿穩(wěn)定性校核 由于絲杠受到的軸向力很小，這里無需校核。 四、確定齒輪減速箱 已選定 Z 軸脈沖當(dāng)量為 =0.01mm/脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程 =5mm，初選步進電動機的步距角 =1.5。傳動比 i為： i=（ ） /(360)= （ 1.5 5） /(3600.01)=25/12 在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一級齒輪降速傳動，選 =24,=50 因傳遞的扭矩較小，取模數(shù) m=1mm,為了消除齒輪側(cè)隙，這里采用雙片齒輪，這樣齒寬b 應(yīng)為 （ 6 10） m，選小齒輪為 8m，大齒輪為雙片彈簧齒輪，都為 4m。齒輪的有關(guān)尺寸如右表。 C 軸要求 運動分辨率優(yōu)于 0.1 ，最大旋轉(zhuǎn)速度為 400r/min，由于分辨率較高，所以決定采用諧波減速器。 所需諧波減速器應(yīng)輸出的力矩為： ,為諧波減速器總輸出慣量， 為諧波減速器輸出的最大角加速度， 工件的最大轉(zhuǎn)動慣量為 =0.78L=0.7835=17.0625kg 卡盤的最大轉(zhuǎn)動慣量為 =0.78L=0.785=39 kg 法蘭的最大轉(zhuǎn)動慣量為 =0.78L=0.781=7.8 kg =+=63.8625 kg =34.91rad/ =0.2229N m 由于 C 軸起動用的是恒轉(zhuǎn)矩起動，選擇諧波減速器的原則是按照最高轉(zhuǎn)速選用機型。輸出軸最大轉(zhuǎn)速要求為 100r/min。所以決定采用北京諧波傳動技術(shù)研究所生產(chǎn)的諧波減速器 XB1 系列 40機型，減速比用 48 的。與之相關(guān)參數(shù)請查看去上述研究所網(wǎng)站。 關(guān)系式 Z（個） 24 50 d=mZ 24 50 =d+2m 26 52 =d-2 1.25m 21.5 47.5 b=(6 10)m 8 8 a= 37 機 型 d1 d2 D D1 D2 L L2 L3 L4 L6 H H1 C 出 軸 L3 向 下 L 出 軸 L4 向 上 L 電 機 D3 直 聯(lián) L7 40 15 M5 80 50 66 123 22 38 62 1 (65) (65) 5x18 按電機型號確定 機型 減 速 比 u 輸入轉(zhuǎn)速 3000 rpm 輸入轉(zhuǎn)速 1500 rpm 輸入轉(zhuǎn)速 1000 rpm 輸出 力矩 T2 N.m 輸出 轉(zhuǎn)速 n2 rpm 額定輸 入功率 p kW 輸出 力矩 T2 N.m 輸出 轉(zhuǎn)速 n2 rpm 額定輸 入功率 p kW 輸出 力矩 T2 N.m 輸出 轉(zhuǎn)速 n2 rpm 額定輸 入功率 p kW 40 48 65 80 100 8.0 10 12 15 63 46 38 30 0.081 0.074 0.073 0.073 8.0 10 12 17 31 23 19 15 0.040 0.037 0.036 0.040 8.0 10 12 17 21 15 13 10 0.027 0.025 0.024 0.027 五、 步進電動機的計算與選型 1 先確定 Z 軸有用步進電動機。 （ 1）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 已知：滾珠絲杠的公稱直徑 =20mm，總長 450mm，導(dǎo)程 =5mm，材料密度 =7.85kg/；移動部件總重力 G=30N；小齒輪寬度 =8mm，直徑 =24mm；大齒輪寬度 =8mm，機型 空載靜態(tài)啟動力矩 (gfcm) 飛輪矩 GD2 (kgfm2) 轉(zhuǎn)動慣量 I (kgm2) XB1-40 60 200 2.3510 -5 0.5910 -5 直徑 =50mm；傳動比 i=25/12。 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為： 查綜合作業(yè)指導(dǎo)書表 3-25，得 =0.84 0.45 kg =0.378 kg 移動部件折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量為： =可查綜合作業(yè)指導(dǎo)書表 3-26 得出 =6.45 0.003 kg =0.01935kg 、 齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量 (kg ) 對于鋼材 J=0.78L 式中 D 圓柱體直徑 L 圓柱體長度 =0.78 =0.78 kg =0.021kg =0.78 =0.78 kg =0.39 kg 初選步進電動機型號為 55BF003，為三相反應(yīng)式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，三相六拍驅(qū)動時步距角為 1.5，從 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書 表 4-5查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 =0.06kg 。 則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： =+(+)+=0.06+0.021+(0.39+)+0.01935=0.06+ 0.20240544=0.26240544 kg （ 2）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩為： =+ 為啟動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 為移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 為由于絲杠預(yù)緊時折算到電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩（可以忽略） = = = = 式中 電機最大角加速度（ rad/）； 電機最大轉(zhuǎn)速（ r/min） ； 運動部件從停止起動加速到最大快進速度所需時間（ s） 。令起動加速時間 =300ms 其他符號和前面意義相同，代入數(shù)據(jù) = = =2083.33r/min =0.74 N cm =5.38N cm = =G 式中 導(dǎo)軌的摩擦力（ N） ； G 運動部件的總重量（ N） ； 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；取 0.005 i 齒輪降速比； 傳動鏈總效率，在此取 0.8。 =G=0.005 30=0.15N =0.0072N cm =+=5.38+0.00725.39N cm （ 3）步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù) K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 4=45.39 N cm= 21.56 N cm 上述初選的步進電動機型號為 55BF003，由 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書 表 4-5查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩 =66 N cm?？梢姡瑵M足要求。 （ 4）步進電動機的性能校核 任務(wù)書給定最大移動速度 v=5000mm/min，脈沖當(dāng)量 =0.01mm/脈沖，電機對應(yīng)的運行頻率為 =5000/(600.01)Hz= 8333.33Hz。從 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書 表 4-3、表 4-7 和 55BF003 電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出， 55BF003 電動機的空載運行頻率可達 18000Hz，可見沒有超過這個界限。在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 9 N cm，大于快速起動時的負載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 =0.26240544 kg，電動機轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動慣量 =0.06kg ，查 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書 表 4-5 可知電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的最高空載起動頻率 =1800Hz。則由式（ 4-17）可以求出步進電動機克服慣性負載的啟動頻率為： =777Hz 上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于 777Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得很低，通常只有 100Hz。 綜上所述， 55BF003 步進電動機，可以滿足設(shè)計要求。 技術(shù)參數(shù)： 型號 相數(shù) 步距角 (DEG.) 電壓 (V) 電流 (A) 保持轉(zhuǎn)矩 N.m( kg.cm) 空載啟動頻率(HZ) 運行頻率 (HZ) 接線圖 備注 55BF003 3 1.5/3 27 3 0.666(7) 1800 1 可供雙軸伸 外形安裝尺寸： 型號 D D1 h d E L d2 MS 備注 55BF003 55 32 0 -0.017 2.5 6 -0.01 -0.022 20.5 70 40 4-M3 為了節(jié)省成本，配件應(yīng)盡量選擇一樣，因此 C軸電機初選 55BF003 步進電動機，（見綜合作業(yè)指導(dǎo)書表 3-23）采用三相雙三拍驅(qū)動，步距角為 3 ,由于諧波減速器的減速比為 48，所以輸出軸的分辨率為 0.0625，優(yōu)于 0.1，滿足要求。 C軸的轉(zhuǎn)速要求為 100r/min。所以所需電機電機的運行頻率為 (100360)/(600.0625)= 9600Hz，小于 55BF003 步進電動機電動機的空載運行頻率。滿足要求。 由所選的諧波減速器的相關(guān)參數(shù)可看出即使步進電機直接由最高轉(zhuǎn)速起動，諧波減速器輸出的轉(zhuǎn)矩也能滿足要求 。但為了避免有沖擊，還是采用低速起動高速運行的方法。 五、直線光柵尺的選用 本設(shè)計所選 Z相步進電動機采用全閉環(huán)控制，可在導(dǎo)軌上固定標(biāo)尺光柵，導(dǎo)軌塊上固定光柵讀數(shù)頭，用以檢測光幕式傳感器的行程和移動速度。光柵尺的分辨力應(yīng)與 Z 軸脈沖當(dāng)量相匹配。由 Z 軸脈沖當(dāng)量 =0.01mm/脈沖和需要測量的行程為 350mm?？紤]到光柵輸出的 A、 B相信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分，和為了降低成本。因此，光柵的柵距選 0.04mm。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，絲杠每產(chǎn)生一個脈沖當(dāng)量，光柵對應(yīng)輸出一個脈沖信號。 本設(shè)計選擇 長春光機數(shù)顯技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的 SGC6T435025 型號直線光柵：電壓 5V、方波輸出、有效行程 350mm、柵距 25 線 /mm、精度為 10 m的直線光柵。采用 YC-18-7，七芯插頭。 六、光幕式傳感器的選用 由于需要檢查的工件最大直徑為 50mm，所以選擇的光幕式傳感器的發(fā)射器和接收器的距離應(yīng)大于 50mm，又考慮到工件裝載方便，需留出余量，所以使發(fā)射器和接收器的距離為 100mm，根據(jù)已知條件，決定采用沃爾士環(huán)控系統(tǒng)工程（深圳）有限公司出售的由德國生產(chǎn)的 德國 SI 光幕式紅外光傳感器 FLB 系列 FLB-F2，詳細信息： 詳細介紹： 尺寸：各種供選（ 38mm300mm ） 發(fā)射器和接收器的最大距離： 300mm 濾光器 : 冷光反射器 工作電壓： +12VDC+32VDC 工作溫度： -20C . +60C 在 Windows上可調(diào)整的參數(shù)：開關(guān)指示 (亮 /暗 )調(diào)整 、激光功率調(diào)整、開關(guān)延時調(diào)整、信號平均值、公差值范圍設(shè)置、參考值范圍設(shè)置 輸出： 模擬量 : 0 . +10V 數(shù)字量 :NPN,PNP 開關(guān)頻率： 1kHz 開關(guān)指示：橙色 LED 材料：鋁 (電鍍藍色 ) 保護等級： IP67 由此可知滿足本設(shè)計要求。 第三章 微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 第一節(jié) 單片機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容 一、 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。 （ 1）數(shù)控系統(tǒng)的組成 數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ) ，有了硬件，軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。 （ 2）機床的硬件電路有以下五部分組成 : 1、 主控制器 即中央處理單元（ CPU）； 2、 總線 包括數(shù)據(jù)總線 (DB)，地址總線 (AB)和控制總線 (CB)； 3、 存儲器 包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器； 4、 接口 即 I/O 輸入 /輸出接口電路； 5、 外圍設(shè)備 如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。 繪制機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 圖 4-1 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)） 目前在經(jīng)濟型數(shù)控機床中，推薦采用 MCS-51系列單片機作為主控制器。由于其具有集成度高、可靠性好、功能強、抗干擾能力強、性能價格比高等特點，經(jīng)過分析本次任務(wù)要求，決定采用 MCS-51系列的 8031單片機擴展系統(tǒng)。由于 8031內(nèi)部無程序存儲器，且只有地址為 007FH這 128個單元作為片內(nèi) RAM供用戶使用。由于本次任務(wù)要求： 微機部分擴展 16k 8位程序存儲器， 16k 8位數(shù)據(jù)存儲器；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(shù)碼管； 2個行程限位信號（ Z向直線運動單元）、工作方式 （手動、自動、編輯等）及報警指示等采用開關(guān)量信號輸入；電機控制部分采用軟環(huán)分和高低壓驅(qū)動，控制機床的兩個運動單元，所以， RAM、 ROM、 I/O接口均需擴展。 決定擴展兩片 2764、兩片 6264、一片 8279、一片 8255。 1、 不同型號的 EPROM 工作速度有差別，一般為 200450ns,選擇時應(yīng)注意是否系統(tǒng)的時序要求。即 8031 所提供的讀取時間應(yīng)大于 EPROM 的工作時間。 8031訪問 EPROM 時，其所能提供的讀取時間 t 與所選的晶體時鐘有關(guān)，大約為 3T，其中的 T 為時鐘周期，本次設(shè)計系統(tǒng)選用晶體頻率為 6MHz，則 t 480ns 故凡工作速度小于 480ns 的 芯片在時序上均滿足要求，所以 2764 滿足要求。 2、 常用的靜態(tài) RAM 芯片有 6116、 6264、 62256 等， 6264 采用 CMOS 工藝，有 +5V 供電，典型存取時間為 150200ns。所以 6264 滿足要求，采用 28 引腳雙列直插式扁平封裝。 由于單片機 8031 芯片的 P0口分時傳送低 8 位地址線和數(shù)據(jù)線， P2 口傳送高8 位地址，所以采用 74LS 373 地址鎖存器，鎖存低 8 位地址。單片機的 P2口用作高位地址線和片選地址線，由于 P2口具有鎖存功能，故不必外加地址鎖存器。 2764 和 6264 芯片均具有 8KB，需要 13 根地址線。 A0 A7 低 8位相應(yīng)接 74LS 373 的輸出 1Q8Q， A8 A12 相應(yīng)接 8031 芯片的 P2.0 P2.4 。 由于擴展了 兩片 2764、兩片 6264、一片 8279、一片 8255，所以 系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片 2764 芯片片選信號 CS 對應(yīng)接 74LS138 譯碼器的 0和 1。 兩片 6264 芯片的片選信號 CS 對應(yīng)接 74LS138 的 2和 3，單片機擴展系統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址（即允許地址重疊）， 8031 芯片控制信號PSEN 接 2764的 OE 引腳，讀寫控制信號 RD 和 WR 分別接 6264芯片的 OE 和 WE 。由于 8031 芯片內(nèi)部沒有 ROM，只能用外部程序存儲器，所以 EA 必須接地。 二、 ROM、 RAM、 I/O 接口芯片地址分配 器件 地址選擇線 片內(nèi)地址單元 /字節(jié) 地址編輯 2764（ 1） 000x xxxx xxxx xxxx 8K 0000H1FFFH 2764（ 2） 001x xxxx xxxx xxxx 8K 2000H3FFFH 6264（ 1） 010x xxxx xxxx xxxx 8K 4000H5FFFH 6264（ 2） 011x xxxx xxxx xxxx 8K 6000H7FFFH 8279 1001 1111 1111 111x 2 9FFEH9FFFH 8255 1011 1111 1111 11xx 4 BFFCHBFFFH 三、軟環(huán)分 課程設(shè)計任務(wù)書要求采用軟環(huán)分，又因為兩運動單元都選用了 55BF003 步進電動機，并且 Z 軸采用三相六拍的控制方式， C 軸采用三相雙三拍的控制方式。所以選用了 8255 的 PA0PA2分別對應(yīng) Z 軸步進電動機的 A、 B、 C 三相繞組，確定A-AB-B-BC-C-CA-A為電動機正轉(zhuǎn) ； PA3PA5分別對應(yīng) C 軸步進電機的 A、 B、 C 三相繞組 ,并確定 AB-BC-CA-AB 為電動機正轉(zhuǎn)。 第二節(jié) I/O接口電路 一、 I/O 接口電路的擴展 由于 8031 只有 P1口和 P3口部分能提供用戶作為 I/O 口使用，不能滿足輸入輸出口的要求，因此系統(tǒng)擴展了一片 8279和一片 8255可編程 I/O接口芯片。 8279的片選信號 CS 接 74LS138 的 4端。 8255 的片選信號 CS 接 74LS138 的 5端。74LS138 有三個輸入 A、 B、 C分別接到 8031 的 P5.2、 P6.2、 P7.2,輸出0Y7Y8個輸出，低電平有效。 8279 與鍵盤、顯示器的連接：鍵盤的行線 接 8279 的 RL0 RL3 ，本次設(shè)計8279 采用外部譯碼方式， SL0 SL2 經(jīng) 74LS138（ 1）譯碼器輸出0Y7Y，作為按鍵盤的列線， SL0 SL2 又由 74LS138(2)譯碼器輸出 0Y 7Y，經(jīng)驅(qū)動后輸出到顯示器各位的共陰極，輸出線 OUTB30、 OUTA30作為 8 位段數(shù)據(jù)輸出口， BD 控制 74LS138(2)的譯碼，當(dāng)位切換時， BD 輸出低電平，使 74LS138(2)輸出全為高電平，當(dāng)鍵盤上出現(xiàn)有效的閉合健時，鍵輸入數(shù)據(jù)自動的進入 8279的 FIFORAM，并向 8031 請求中斷， 8031 響應(yīng)中斷，讀取 FIFORAM 中的輸入鍵值更新顯示器輸出，僅需改變 8279 種顯示緩沖器 RAM 中的內(nèi)容。 8255 的 PA口用于控制 Z向 ,C向的步進電機的運轉(zhuǎn)。根據(jù)任務(wù)書要求采用軟環(huán)分，于是 PB口和 PC口主要用于功能鍵的控制。 第三節(jié) 所用芯片接線引腳介紹 一、 8031 單片機芯片的介紹 8031 芯片具有 40根引腳按其功能分為四類 1.電源線 2 根 （ VCC ,VSS ） 2.晶體振蕩器 2 根 XTAL1 :振蕩器的反相放大器輸入，使用外部振蕩器時必須接地。 XTAL2 :當(dāng)使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號 3.I/O 口 共用 P0,P1 ,P2 ,P3四個八位口， 32 根地址線，其功能如下： （ 1） P0.0 P7.0：分時用作低 8 位地址線和 8位數(shù)據(jù)線。 （ 2） P0.1 P7.1：供用戶使用。 （ 3） P0.2 P7.2：它作為高 8位地址線 （ 4） P0.3 P7.3 ：該口的每一位均可獨立的定義為第一 I/O 口或第二 I/O 口功能 作為第一功能實用時，口結(jié)構(gòu)與操作與 P1 口完全相同。 第二功能如下所示： RD ：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 WR ：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 T0,T1:定時器 0， 1外部輸入 0INT、1INT：外部中斷 RxD:串行輸入口 TxD:串行輸出口 4.控制線 （ 1） PSEN ：程序存儲器的使能引腳，是外部程序存儲器的讀選通信號； （ 2） EA ： EA 為高電平時， CPU 執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令； EA 為低電平時， CPU 僅執(zhí)行外部程序存儲器的指令， 8031 的 EA 端口必須接地； （ 3） ALE： ALE 是地址鎖存器的使能信號， ALE 信號鎖存低 8位地址 （ 4） RST/VPD：是復(fù)位 /備用電源端 二、 2764 ROM 芯片的介紹 2764 芯片為 28 腳雙列直插式扁平封裝芯片，其管腳的功能介紹如下： CS ：片選端； OE ：輸出使能端 ； A0 A12 ：地址端接口； D00 D07：數(shù)據(jù)端接口； PGM ：編程控制端； VPP ：編程電源端； Vdd：電源端； VSS：接地。 三、 6264 RAM 芯片的介紹 6264 芯片也為 28腳雙列直插式扁平封裝芯片，其管腳功能介紹： Vdd：電源端； VSS：接地。 1CS：片選端 1； CS2：片選端 2； OE ：讀輸入選通端 ； WE ：寫輸入選通端 ； A0 A12：地址線 ； I/O0 I/O7： I/O 口。 四、地址鎖存器 74LS373 和地址譯碼器 74LS138 的引腳圖 五、專用鍵盤顯示器接口芯片 8279 8279 是通用可編程鍵盤和顯示器 I/O 接口部件。利用 8279，可實現(xiàn)對鍵盤 /顯示器的自動掃描，并識別鍵盤上閉合健的鍵號，不僅可以大大節(jié)省 CPU 對鍵盤顯示器的操作時間，從而減輕 CPU 的負擔(dān)，而且顯示穩(wěn)定。程序簡單，不會出現(xiàn)誤動作，由于這些優(yōu)點， 8279 芯片被日益廣泛地應(yīng)用， 其引腳功能如下： （ 1） I/O 控制器與數(shù)據(jù)緩沖器 利用 CS 、 A0和 RD 、 WR 信號去控制各種內(nèi)部寄存器讀寫， A0=1，表示傳送的是命令或狀態(tài)信息， A0=0 時數(shù) 據(jù)信息。 DB0 DB7與 CPU 數(shù)據(jù)總線相連。 CS 為片選信號， CS 為低電平時， CPU 才選中 8279 進行讀寫。 （ 2） IRQ 為中斷請求輸出線，高電平有效。 （ 3） RL0 RL7 為反饋輸入線，作為鍵輸入線由內(nèi)部拉高電阻拉成高電平，也可由按鍵拉成低電平。 （ 4） SHIFT、 CNTL/STB 為控制鍵輸入線，由內(nèi)部拉高電阻拉成高電平。 （ 5） SL0 SL7 為掃描輸出線，用于對鍵盤顯示器掃描。 （ 6） OUTB 30 ,OUTA 30 為顯示段數(shù)據(jù)輸出線。 （ 7） BD 為消隱輸出線，低電平有效，當(dāng)顯示器切換時，或使用顯示消隱命令時，將顯示消隱。 （ 8） RESET 為復(fù)位輸入線，高電平有效。 六、 8255 可編程接口芯片： 8255 具有 3 個 8位的并行 I/O 口，分別為 PA口、 PB 口和 PC口，它們都可以通過軟件編程來改變 I/O 口的工作方式，其功能如下： CS ：片選端； PA0 PA7 :A口； PB0 PB7 :B口； PC0 PC7 :C口 A0 ,A1 :地址線； RD ：讀信號； WR : 寫信號； D0 D7:數(shù)據(jù)線 RESET:復(fù)位信號； GND:地。 第四節(jié) 輔助電路的設(shè)計 一、 輔助電路的介紹 微機數(shù)控系統(tǒng)除了各種主要功能芯片外，還必須包括一些其他必要的輔助電路。這些輔助電路有：鍵盤顯示器電路，步進電機控制電路，時鐘電路，復(fù)位電路，越界報警電路，掉電保護電路等。各種電路介紹如下： 1.鍵盤顯示器接口電路 數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有： LED 顯示器， LCD 和 CRT 顯示器。本設(shè)計采用 LED 顯示器，通常它是由八個發(fā)光二極管組成的，具有共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計采用共陰極結(jié)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖所示： 鍵盤是由若干按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡單的單片機輸入設(shè)備，其工作原理如圖所示： 2.步進電機控制電路 步進電機控制電路如下列框圖所示： 步進電機控制電路框圖 現(xiàn)分別介紹如下： （ 1）脈沖分配器（環(huán)形分配器） 環(huán)形分配器有硬件和軟件兩種，硬件環(huán)形分配器需要的 I/O 口接線少，其執(zhí)行速度快，但需要專有的芯片。軟環(huán)形分配器實用程序?qū)崿F(xiàn)的。本設(shè)計中要求使用軟環(huán)分配器。其具體程序內(nèi)容見下部分。 （ 2）光電隔離電路 在步進電機驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后，控制步進電機的勵磁繞組。由于步進電機需要的驅(qū)動電壓較高，電流也較大。如果將 I/O 口輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起強電干擾，輕則影響計算機的程序正常運行，重則導(dǎo)致計算機接口電路的損壞。所以一般要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。電路圖如圖所示： 光電隔離電路圖 該圖為同向輸出電路，控制信號經(jīng) 74LS05 集電極開路門反相后驅(qū)動光耦合器的輸入發(fā)光二極管。當(dāng)控制信號為低電平時， 74LS05 不吸收電路，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，從而輸出的光 敏晶體管截至，輸入電壓為零電平。反之輸出電壓為高電平。 （ 3）功率放大電路 脈沖分配器的輸出功率很小，遠不滿足步進電機的要求，必須將它放大，已產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動步進電機正常運轉(zhuǎn)，本次設(shè)計所選用的是一種高低壓供電電路。其具體電路圖如圖所示。 高低壓驅(qū)動電路圖 其工作原理： 電路中各晶體管均處在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)控制脈沖到來時， V、 V、 V均導(dǎo)通，同時脈沖變壓器的二次側(cè)產(chǎn)生一定寬度的脈沖電流，使 V出于導(dǎo)通狀態(tài)，使二極管處于負偏置而截止，將電動機繞組 L與電源 En 斷開，高壓電源通過V2、 V1 為步進電機繞組 L供電，使其電流上升沿變陡，通過 b 時間后，脈沖電流消失，使 V2處于截至狀態(tài)，切斷高壓電源 EH 與電動機繞組 LA 的回路，En 通過 VD2, V1 為電動機供電，提供電動機所需的額定電流。 3.8031 的時鐘電路 單片機的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，本次設(shè)計采用內(nèi)部方式，如圖所示。晶體可在 1.2 12MHz 之間任選，耦合電容在 5 30PF 之間，對時鐘有微調(diào)作用。 時鐘電路圖 4.復(fù)位電路 單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)，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，以后單片機便從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。單片機通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種。下圖中為上電與按鈕復(fù)位組合。在上電瞬間， RC 電路充電， RESET 引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET 端保持 10ms 以上高電平，就能使單片機有效復(fù)位。 復(fù)位電路圖 5.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(guān)。本次設(shè)計采用中斷方式，利用 8031 的外部中斷 0INT ，只要有任一個行程開關(guān)閉合，即工作臺在某一個方向越界，均能產(chǎn)生中斷信號 0INT ，為了報警，設(shè)置紅綠燈指示，正常工作時綠燈亮，當(dāng)越界報警是紅燈亮。兩燈均由一個 I/O 口輸出。 （ a）為報警信號的產(chǎn)生。 (b)為報警指示。 6.掉電保護電路 掉電保護電路，保護一些重要的現(xiàn)場參數(shù)，如幾何尺寸，工藝參數(shù)，再掉電后仍能妥善保存，恢復(fù)供電后又能馬上運行。 掉電保護電路圖 圖中 Va 為電源電壓， Vb為備用電池電壓并且 Va Vb， VCC為存儲器 RAM 電源端，正常 通電時，二極管 VD2導(dǎo)通， VD1截止，電壓由 Va 提供，同時 Va 還通過電阻 R 對電池充電。斷電后， VD2截止， VD1導(dǎo)通，此時 RAM 的工作電壓由電池 Vb經(jīng)二極管 VD1和電阻提供。 第四章 微機控制軟件 第一節(jié) 概述 機床數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩大部分組成，只有軟件和硬件相結(jié)合時才能實現(xiàn)數(shù)控機床控制系統(tǒng)的功能。本章主要是對控制軟件做一下簡要介紹，其次按設(shè)計要求完成一項環(huán)形分配器流程框圖的繪制以及其源程序的編寫。 第二節(jié) 控制軟件組成及功能 一、典型的計算機數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的組成形式如下圖中所示： 二、數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的功能介紹如下： （一）系統(tǒng)總控程序 這是計算機數(shù)控系統(tǒng)的主循環(huán)程序，系統(tǒng)上電后便進入這部分程序運行，它主要完成以下工作： 1:系統(tǒng)的初始化； 2：命令處理循環(huán) （二）零件加工程序的輸入和輸出管理 零件加工程序的輸入有兩種方法： 1：通過光電閱讀機輸入。 2：從鍵盤輸入。零件程序存儲器一般容量較大，可以存放多個零件加工程序。數(shù)控系統(tǒng)采用的零件加工方式是存儲器工作方式，系統(tǒng)從零件存儲器中逐段取出程序送入程序緩沖器。然后對程序緩沖器中程序段數(shù)據(jù)預(yù)處理，形成可供插補運算的數(shù)據(jù)。 （三）零件加工程序的編輯 編輯程序也可以看作鍵盤命令處理程序，既可以用來從鍵盤輸入新的零件加工程序，也可以用來對已經(jīng)存儲在零件程序存儲器中的零件加工程序進行編輯和修改。常用的編輯功能包括插入、刪除、查找、移動等。 （四）機床手動調(diào)整控制 機床手動調(diào)整動作包括：各坐標(biāo)軸的運動、主軸運動、刀架轉(zhuǎn)位、冷卻液的開停等。 在手動調(diào)整狀態(tài)下，除了控制機床的動作外，還要對系統(tǒng)的參數(shù)進行修改設(shè)置。由上述內(nèi)容可看出，手動調(diào)整的控制程序是一個對操作面板和鍵盤輸入命令進行掃描的循環(huán)。它不斷地讀取操作面板和鍵盤的輸入信息。分析識別 輸入的命令進形相應(yīng)的處理。 （五）零件加工程序的解釋和執(zhí)行 零件加工程序的解釋與執(zhí)行是完成零件加工任務(wù)的基本模塊，用來根據(jù)零件加工 程序?qū)崿F(xiàn)零件的軌跡加工，一個加工程序段的解釋執(zhí)行，包括取得程序段，程序譯碼，完成程序段中指定的 G、 M、 S、 T 功能。對軌跡加工類程序段進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，插補計算，伺服控制等步驟。 （六）插補計算 插補程序是根據(jù)插補數(shù)學(xué)模型而編制的一種運算處理程序，它的作用是決定在所要求的進給長度上數(shù)控機床各坐標(biāo)軸的運動規(guī)律，機床運動部件的每一次進給都需要執(zhí)行一次插補程序。插補的頻率是由程序所要求的 進給速度所決定的。進給越快，插補頻率越高。 （七）伺服控制 伺服控制程序是根據(jù)插補程序的結(jié)果，經(jīng)適當(dāng)計算直接輸出去控制執(zhí)行元件的動作。對于開環(huán)的步進電機的控制，主要完成脈沖分配和步進電動機的加減速控制。和插補計算一樣，伺服控制也是由定時中斷引起的，也常常作為定時中斷服務(wù)程序的一部分出現(xiàn)或由定時中斷服務(wù)程序調(diào)用 （八）系統(tǒng)自檢 該程序檢測計算機數(shù)控系統(tǒng)各個硬件部件功能的正確性。只是可能存在的故障的位置與性質(zhì)。這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性。 第三節(jié) 系統(tǒng)直線插補軟件設(shè)計 一、直線插補 （一）第一象限插補軌跡如圖 所示： （二）、插補程序 1.直線插補的程序框圖如下： （0? 2.插補程序 此程序根據(jù)經(jīng)濟性數(shù)控車