課程設(shè)計-二維數(shù)控工作臺

1、1.1設(shè)計的意義二維數(shù)控工作臺課程設(shè)計是一次比較完整的機械設(shè)計，它是理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)初 步設(shè)計能力的重要教學環(huán)節(jié)。對于學生能力的培養(yǎng)具有重大意義。1.2數(shù)控技術(shù)發(fā)展概況隨著生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著航天、航空、造船、電子和兵器等工業(yè) 部門的發(fā)展，機械產(chǎn)品日益精密、復雜，而且改型頻繁，普通機床已不能完全適應(yīng)這些 部門的加工要求，如對一些復雜的曲線、曲面所構(gòu)成的零件，手工操作甚至根本無法進 行加工。因此，數(shù)控機床已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)必不可少的設(shè)備。以數(shù)控機床為代表的數(shù)控設(shè)備的生產(chǎn)與應(yīng)用水平，反映出一個國家的機械與電子 工業(yè)水平，它的研制和推廣應(yīng)用，對于提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，改變我國制造技

2、術(shù) 落后的狀況，使我國機電產(chǎn)品走向世界，起著極為重要的作用。數(shù)控設(shè) 是指通過數(shù)字 操作指令進行 制的一種設(shè) 其基本結(jié)構(gòu)如 圖1-1所示：輸 入 輸 出 設(shè) 備計算機數(shù)控裝置備 化 控 備, 圖1-1數(shù)控設(shè)備基本框圖目前世界上在數(shù)控技術(shù)方面比較先進的國家主要有：德國、日本和美國，它們的 設(shè)計制造技術(shù)代表著當今世界的最先進水平，比如德國的德馬赫，日本的橫河。而作為 世界上新興的制造業(yè)大國，我國在數(shù)控技術(shù)方面任重而道遠，這需要我們這一代人更加 的努力，才能趕上和超過世界上其它先進國家，使我國成為真正的制造業(yè)強國。數(shù)控設(shè)備的發(fā)展方向：隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控設(shè)備性能日趨 完善，數(shù)控設(shè)備應(yīng)

3、用領(lǐng)域日趨擴大?？茖W技術(shù)的發(fā)展，推動了數(shù)控設(shè)備的發(fā)展，各生產(chǎn) 部門加工要求的不斷提高又從另一方面促進了數(shù)控設(shè)備的發(fā)展。當今數(shù)控設(shè)備正不斷的采用新的技術(shù)成就，朝著高速度化，高精度化，多功能化，智能化、小型化、系統(tǒng)化與 高可靠性發(fā)展。2 二維數(shù)控工作臺設(shè)計的內(nèi)容2.1 設(shè)計題目 ：二維數(shù)控工作臺的設(shè)計。已知條件：工作臺的有效行程在 150mm-200mm之間，工作載荷10kg,工作平穩(wěn)。2.2 設(shè)計的內(nèi)容2.2.1 數(shù)控裝置總體方案的確定1、數(shù)控裝置設(shè)計參數(shù)的確定；2、方案的分析,比較,論證。2.2.2 機械部分的設(shè)計1 、確定脈沖當量；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

4、件的設(shè)計,計算和選用；4、確定伺服電機；5、繪制機械結(jié)構(gòu)裝配圖；6、系統(tǒng)等效慣量計算；7、系統(tǒng)精度分析。2.2.3 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計1、微機及擴展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設(shè)計；2、I/O 接口電路及伺服控制電路的設(shè)計和選用；3、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計2.2.4 編寫畢業(yè)設(shè)計說明書1、 說明書是畢業(yè)設(shè)計的總結(jié)性技術(shù)文件,應(yīng)敘述整個設(shè)計的內(nèi)容, 包括總體方案的 確定,系統(tǒng)框圖的分析,機械傳動設(shè)計計算,電氣部分的設(shè)計說明,選用元器件 參數(shù)的說明,軟件設(shè)計及其說明；2、說明書盡量用計算機完成。2.2.5 圖紙1 、機械結(jié)構(gòu)裝配圖, A1 圖紙不少于 3 張。要求視圖基本完整,符合標準。3 數(shù)控系統(tǒng)總體方案

5、的確定數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機構(gòu)及傳動方案的 確定，伺服電機類型及調(diào)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。3.1 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(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。3.2 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(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。.考慮到運動精度要求不高， 為簡化結(jié)構(gòu)， 降低成本，宜采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。3.3 計算機系統(tǒng)的選擇采用MCS-

6、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。3.4 二維數(shù)控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，為達

7、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)總體框圖如下圖3.1所示圖3.1系統(tǒng)總體框圖4機械部分設(shè)計機械部分設(shè)計內(nèi)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(shè)計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。4.1確定系統(tǒng)脈沖當量脈沖當量是一個進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 于定位精度為土 0.01mm因此選擇脈沖當量為0.01mm。4.2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向和丫向工作臺承載重量 Wx和Wy。取X向?qū)к夐L度為420mm,Y向?qū)к夐L度為420mm,設(shè)計工作臺簡圖如下圖4.1所

8、示。圖4.1工作臺簡圖X向拖板（上拖板）尺寸為：長 * 寬 * 高=420*420*50重量:按重量=體積*材料比重估算為：Wx = 420X 420X 50* X 7.8 X 10-2=687.96NY向拖板（下拖板）尺寸為：420*420*50重量 WY =420X 420X 50X 7.8X 10-2=687.96N上導軌(含電機)重量為(900X 480X 8+820X 2X 35X 50) X 7.8X 10-2X 10-3=493.43N 夾具及工件重量：約155NX-Y工作臺運動部分總重量為：W=687.96+687.96+493.43+1552024N4.3滾動導軌副的計算和選

9、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=Co/P,式中：Co為導軌的基本靜額定載荷，kN ;工作載荷P=0.5(Fz+W) ； fSL=1.03.0( 般運行狀況)，3.05.0 (運動時受沖擊、振動)。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導軌：因系統(tǒng)受中等沖擊，因此取fsL 4.0CO fSLPX,YPx Y 0.5(Fz Wx,y)Px=0.5(Fz+Wx)=0.5(2024+687.96)=1355.98NPy=0.5(Fz+Wy)=0.5(2024+687.96)=1355.98NCox=fsLPx=4X 1355.98=5423.92NCox=fsLPx=4X 1

10、355.98=5423.92N根據(jù)計算額定靜載荷初選導軌：選擇漢機江機床廠HJG-D系列滾動直線導軌，其型號為：HJG-D25表4.1 HJG-D25基本參數(shù)額定載荷/N靜態(tài)力矩/n*m滑座重 量導軌重量導軌長度動載荷Ca靜載荷CoTaTbTcKgKg /mL(mm)17500260001981982880.603.1760滑座個數(shù)單向行程長度每分鐘往復次數(shù)MIsn40.64導軌的額定動載荷Ca 17500N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)驗算導軌工作壽命Ln：額定行程長度壽命fH fT fc Ca TsK ( fw T)F=Fm/M=2024/4=50

11、6NfT1,fW2, fC 0.81,fH1,K-R1 50doTs=K(f NfTfCa/fWF)3=50x 1 X 1X 0.81 x 17500/(2x 506)3=137403.46km導軌的額定工作時間壽命：3TTs 10T H2lonTh=Tsx 103/2l0n=137403.46 x 103/(2 x 0.6 x 60x 4)=477095.35hT=15000h導軌的工作壽命足夠.4.4 滾珠絲杠計算和選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC5860,導程：l0=5mm441強度計算絲杠軸向力：Fmax KFx,y f(Fz Wx,y) (N)(4.1)其中：K=1.15，滾動

12、導軌摩擦系數(shù)f=0.0030005;在車床車削外圓時：Fx=(0.10.6)Fz,Fy=(0.150.7)Fz，可取 Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計算。取 f=0.004, Fz 400 則：Fx=0.5Fz=0.5x 2024=1012NFy=0.6Fz=0.6x 2024=1214.4NFxmax=1.15 x 1012+0.004(2024+687.96)=1174.65NFYmax=1.15 x 1214.4+0.004(2024+687.96)=1407.41N壽命值：L 60nT，其中絲杠轉(zhuǎn)速 n Vmax (r/min)106lT=15000hn 沁=2024/5=404.

13、8r/mi nloL=60 X 404.8 X 15000/106=364.32最大動載荷：Q 3 LfH fWF式中：fw為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.21.5; fH為硬度系數(shù)，HRC為8時為1.0。 查表得中等沖擊時fw 1.2, fH 1則：Qx=Q 3 L fH fWF =1.2X 1 X 3 364 X 1045.686=8959.48NQy=Q 3 L fH fWF =1.2X 1 X 3 364 X 1252.62=10732.50N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。其基本參數(shù)如

14、表4.2所示。表4.2滾珠絲杠副參數(shù)說明T of 1$滾珠絲杠劇詳細密敕說明m事幵盧珠星DJH 集珠外埋人就反肖”單K即）代號乍導程蠶杠卄栓卑杠庭輕耳曲rtiftSj, mi血illn功埶*鼻權(quán)的.Kl1.B叮60.02hMmm -4W.5n M2 5onII 414；TDfilS391140SI5 &10AM64145li?站6b好114U5 K10b壬斗切廠恥Tfii40If勒iof宀Si*f - ThC4J7訕71)62II56m614,5帕ST氣*11771廠TD44n4i耶106&15I - -751007- .-一ii#4：ii4i創(chuàng)i5 E10石1M25114-2.424.522

15、.3dMila性ulbi I50聞10bM6nixJ:昭 50!g簡廠itMilTliJLL50祁 Sj10:?2L5L嗨-77JZ6ifcLI?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)緊形式名稱表4.3滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)表計算公式結(jié)果公稱直徑do20mm螺距t5 mm接觸角045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 d04033螺桿外徑dd d。(0.2 0.25)db19.365mm螺桿內(nèi)徑d1d1 d0 2e 2R16.7

16、88mm螺桿接觸直徑d2d2 d db cos17.755mm螺母螺紋外徑DD d。2e 2R23.212mm螺母內(nèi)徑(外循環(huán))D1D1d0 (0.2 0.255)db20.7mm442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。tgtg433t?()tg(4 033 10)0.96( 4.2)1、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。2、剛度驗算滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為：11旦0 (cm)ES丫向所受牽引力大，故用丫向參數(shù)計算FY=1407.41NLo=0.5cmE=20.6X 106(N/cm)S=QR2=3.14X

17、(1.651/2)2=2.14cm2 L1 = 1407.41*0.5/(20.6X 106X 2.14)=7.36 X 10-6CM為p 0.01mm/step，在絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差 = Li X 100/1 0=7.36 X 10-6 X 100/0.5=14.7 pm/m (4.3)E級精度絲杠允許的螺距誤差4=15 pm/m。4.5齒輪的設(shè)計與計算因步進電機步距角b 1.5o滾珠絲杠螺距t=5mm,要實現(xiàn)脈沖當量傳動系統(tǒng)中應(yīng)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?stepol 0360 p 360 0.0

18、1ip0.48lo 1.5 5i辛取小齒輪齒數(shù)乙24則大齒輪齒數(shù)Z2 50因傳遞的扭距較小，取模數(shù)m=1mm則：分度圓直徑:d1mz1 2424 mmd2 mz21 50 50mm齒頂圓直徑:da1(Z12)m(242) 126mmda2(Z22)m(502) 152mm齒根圓直徑:df1(Z12.5)m(242.5)121.5mmd f 2(Z12.5)m(50 2.5)147.5mm齒寬:bd d11 2424mmi取bi25 b230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

19、輪錯齒消隙結(jié)構(gòu)圖如下：臺 1 亍T、Yi1、2-薄齒輪,3彈簧,4、8 凸耳,5 調(diào)節(jié)螺釘,6、7螺母圖4.2雙片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu)圖4.6步進電機慣性負載的計算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，有：4.6.1等效轉(zhuǎn)動慣量的計算JqJ。Ji (科2Q2Z2J3) M()2折算到步進電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)動慣量為:為齒輪1的180式中：Jq為折算到電機軸上的慣性負載；J0為步進電機軸的轉(zhuǎn)動慣量；J 轉(zhuǎn)動慣量；J2為齒輪2的轉(zhuǎn)動慣量；J3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：J10.7

20、810 32.442.56.47 10 2kg.cm2J20.7810 35.043.0146.25 10 2kg.cm2J30.7810 32.043037.44 10 2kg.cm2Jd6.47 10 2 ()2(146.25 37.44)d502 0.01 2 210 2 200(-)20.7793kg.cm2亠4 1.5180電機軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有:4.7步進電機的選用4.7.1步進電機啟動力矩的計算設(shè)步進電機的等效負載力矩為T,負載力為P,根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負載力所做的功有如下的關(guān)系：T Ps式中 為電機轉(zhuǎn)角，s為移動部件的相應(yīng)位移,為機械傳動的效率。若

21、取則$= p，且 P Ps（G R）。所以:36 pPs2(GPz)b式中：Ps為移動部件負載（N），G為移動部件質(zhì)量（N），及為與重力方向一致的作用在移動部件上的負載力（N），為導軌摩擦系數(shù)，b為步進電機的步距角（rad） ,T為電機軸負載力矩（N.cm）。取 =0.3 （淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數(shù)），=0.8，F(xiàn)s = FH =279.23N。考慮到重力影響，Y向電機負載較大，因此G=1200N，所以有：T=36 X 0.011407.41+0.03（2024+1900）/（2X 3.14X 1.5X 0.8）=72.86n.cm（4.4）考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩：TqT0

22、.3 0.5對于工作方式為三相6拍的步進電機:Tj max=Tq/0.866=182.14/0.866=210.32n.cm(4.5)4.7.2步進電機的最高工作頻率Fmax=? max/60 6P=1012/(60*0.01)=1687Hz(4.6)為使電機不產(chǎn)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(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個90BF001型三相反應(yīng)式步進電機.表4.4電機有關(guān)參數(shù)表型號主要技術(shù)參數(shù)相數(shù)步距 角電壓(V)相電 流(A)最大靜 轉(zhuǎn) 矩TjJ max(n.m)空載啟 動頻率空載 運行 頻率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形

23、尺寸(mm)重量kg轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Kg.m外直徑長度軸直徑9014594.517645數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計5.1 設(shè)計內(nèi)容1、按照總統(tǒng)方案以及機械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計擴展I/O接口電路，檢測電路，轉(zhuǎn)換電路以 及驅(qū)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(guān)電路進行詳細的原理說明和方案論證。5.2 設(shè)計步驟5.

24、2.1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。圖5.1數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖522主控制器CPU勺選擇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(gòu)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(shè)計選用8031芯片作為主控-H- UL 心片。5.2.3存儲器擴展電路設(shè)計1、程序存儲器的擴展單片機

25、應(yīng)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 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)計的程序存儲器擴展用芯片。單片機規(guī)定P0 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，為了把地址信息分離出來保存

26、，以便為外接存儲器提高低8位的地址信息，一般采用74LS373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2764EPROM 芯片的程序存儲器擴展電路框圖如下所示：P1.7I1P1.0CEP2.4A12P2.0A8圖5.2擴展2764電路框圖2、數(shù)據(jù)存儲器的擴展由于8031內(nèi)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(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴展電路一般采用6116,6262靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲器。本次設(shè)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：譯碼電路CE1P2.4A12rP2.

27、0rA8A7ALEJ 6264P0.7A0 G亠_ 74LS372圖5.3擴展6264電路框圖3、譯碼電路在單片機應(yīng)用系統(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(shè)計中，數(shù)據(jù)存儲器與外圍芯片的地址譯碼較為復雜。可采 用線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(jié)構(gòu)簡單，但它所用片選線都是高位地 址線，它們的權(quán)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(yīng)用系統(tǒng)，

28、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(nèi)地址，而用譯碼器對高位地址線進行譯碼，譯 碼器輸出的地址選擇線用作片選線。本設(shè)計采用全地址譯碼法的電路分別如下圖所示：4、存儲器擴展電路設(shè)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(shè)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， 單片機外存儲器擴展電路如下：5、I/O擴展電路設(shè)計（1）通用可編程接口芯片81558031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。8155與微機接口

29、較簡單，是微機系統(tǒng)廣泛使用的接口芯 片。8155Y與8031的連接方式如下圖所示（2）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(shè)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)都采用行列式鍵盤， 即用 I/O 口線組成行， 列結(jié)構(gòu)， 按鍵設(shè)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 8155C 口擔任，

30、顯示器的字形控制由 8155的 PB 口擔任。鍵盤顯示器接口電路如下所示：5.2.4 步進電機驅(qū)動電路設(shè)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(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng) 中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計采用集成脈沖分配器YB013。采用 YB013 硬件環(huán)行分配器的步進電機接口線路圖如下：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。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

31、實現(xiàn)電氣隔離， 通常使用光電耦合器。 光電耦合器接線圖如下：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(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動步進電機正常運轉(zhuǎn)。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(shè)計選用功率放大器。5.2.5 其它輔助電路設(shè)計1、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)部方式利用芯片的內(nèi)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530pF之間，對時鐘有微調(diào)作 用。采用外部時鐘方式時，可將 XTAL1

32、直接接地， XTAL2 接外部時鐘源。8031XTAL1丄_LXTAL2圖5.4時鐘電路圖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) 10ms以上的高電平，單片機就實現(xiàn)狀態(tài)復位，之后CPU便從0000H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8031復位要求一致時，可以直接相連。當晶振頻率選用6MHz時，復位電路中C取22 F，R取200 ，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(guān)。利用光電耦合電路，將行程開關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至8031

33、的I/O 口 P1.0。當任何一個行程開關(guān)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。8031可利用軟件設(shè)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8031的外部中斷引腳（INT0或INT1），采用中斷方式檢查越界信號。 越界報警電路如下圖所示5.3機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計該系統(tǒng)選用MCS-51系列的8031作為主控制器。擴展存儲電路為一片2732EPROM 和一片6264RAM。程序存儲器擴展為4K，數(shù)據(jù)存儲器擴展為8K。2732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0000H開始執(zhí)行監(jiān)控程序。

34、6264的片選端CE由譯碼器（74LS138）的Y2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 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 , 8003H。8155RAM 區(qū)的地址為 8000H 80FFH。8155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(shè)計在一起，8155的PC 口擔任鍵盤的列線及

35、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(qū)動。PB 口剩余的I/O線PB4 PB7分別作為工作臺+X，+Y，-X，-丫四個方向的行程限 位控制信號。在軟件設(shè)計上8155的PA 口，PC 口設(shè)置為輸出，PB 口設(shè)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(yīng)立即停止X，丫向電機的驅(qū) 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(shè)計。6系統(tǒng)

36、軟件的設(shè)計6.1系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)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(diào)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、零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。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(jié)果或操作者的命令控制伺服電機的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。5、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

37、障診斷等功能。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。6.2 軟件設(shè)計6.2.1系統(tǒng)控制功能分析數(shù)控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(yù)置接口工作 方式控制字。2、工作臺復位。開機后工作臺應(yīng)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(yīng)該立即停止工作臺的運動， 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

38、控制。&工作臺的聯(lián)動控制。6.2.2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(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(shè)計管理程序流程圖如下所示：開始I系統(tǒng)初始化機床復位NYN圖6.1管理程序流程6.2.3自動加工程序設(shè)計1、機床在自動加工時的動作順序：工作臺移動到位一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；3、 由以上分析

39、，設(shè)計自動加工程序框圖如下所示：入口刀具快進T Y返回圖6.2自動加工程序框圖6.2.4步進電機控制子程序設(shè)計步進電機的控制包括速度，轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進電機在突然啟動或停止時，由 于負載和慣性，會使電機失步，所以電機運行時有一個加，減速過程。通過確定進給脈沖數(shù)和脈沖時間間隔，即可實現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)角與速度的控制。1時間常數(shù)的確定在步進電機控制程序中，利用單片機的定時器中斷，延時產(chǎn)生進給脈沖的時間間隔 此間隔由送入定時器的時間常數(shù)決定。時間常數(shù)由下式計算：Tete1010式中：T為脈沖時間間隔（ms）; te為單片機機器周期（s）,在時鐘為6MHz時,te =2 s。2、步進電機加，減速進給脈沖

40、及脈沖時間間隔的確定設(shè)步進電機加，減速方式為直線加，減速。要使步進電機不失步，應(yīng)滿足：TmTgTi式中：Tm為步進電機啟動力矩；Tg為負載力矩；TI為慣性力矩。由步進電機Tjmax=3.92N.m,取步進電機的加速啟動力矩TmTj 0.866 0.3392 0.866 0.3 101.84max則使步進電機不失不的慣性力矩TiTmTg 101.84 96.575.27N.cm步進電機角加速度TiJd25.27 102、4676.25(rad /s )0.7793 10 4dtdf b dtmaxb tLm式中：tm為上升到步進電機最高頻率所需時間，所以有:tm bmax1.5 1667676.

41、2536064.5(噸加速脈沖個數(shù)：nm確定加減脈沖個數(shù)都為1 f t2 max l54個-1667 64.5 10 353.762(6.1)(6.2)(6.3)(6.4)(6.5)又因為：n0.5 ftn0.5etn)tnIm所以脈沖時刻tn2tmnmfmax結(jié)合TeT10 3t 石6可以算出對應(yīng)各脈沖時刻的計數(shù)器時間常數(shù)。eEPROM存儲器中，時間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲單元中，每個時間常數(shù)占據(jù)兩個字節(jié)，低位地址存放時間常數(shù)低 8位，高位地址存放時間常數(shù)高 8位。 在程序中，設(shè)置加速，恒速，減速脈沖計數(shù)器 NO, N1, N2。以計數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程是否結(jié)束的標志。

42、步進電機控制程序框圖6.3所示：加速減速脈沖計數(shù)器賦初值恒速圖6.3步進電機控制子程序中斷服務(wù)程序入口送時間常數(shù)1f步進電機進N0=0 ?N1=0 ?N2=0 ?N1 N1-1時間常數(shù)地 址指針加1中斷返回圖6.4步進電機控制中斷服務(wù)程序:3、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NO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)寄存器 N低位字節(jié)地址位24H，高位字節(jié)地址位25H； 步進電機進給控制子程序FEED首地址位0E80H。每調(diào)用一次該程序，步進電機按 規(guī)定方向進給一步。(2)

43、 程序清單N0EQU20H;加速N1LEQU21H;恒速N1HEQU22HN2EQU23H;減速NLEQU24H;脈沖總數(shù)寄存器NHEQU25HDSEQU26H;地址扌曰針偏移里FEED EQU 0E80HORG 0E00H0E00 758160START： MOV P，#60H0E03 758901MOV TMOD，#01H;設(shè)計數(shù)器工作方式為 1，16位定時器0E0675201BMOV N0 ，#01A4H；設(shè) N0 為 3200E0975231BMOV N2 ， #1A4H0E0CE520MOV A ， N0；計算 2XN00E0E23RL A0E0FF8MOV R0 ， A0E10C3

44、CLR C；計算 N1=N-2N00E11E524MOV A ， NL0E1398SUBB A ， R00E14F521MOV N1L ， A0E16E525MOV A ， NH0E189400SUBB A ，#00H0E1AF522MOV N1H ，A0E1C901000MOV DPTR ， #1000H；設(shè)時間常數(shù)指針初值為1000H0E1F752600MOV DS ， #00H；設(shè)地址偏移量初值為00H0E2293MOVC A, A+DPTR；從 EPROM 中讀時間常數(shù)0E23F58AMOV TL0 ， A；送時間常數(shù)至定時器0中0E250526INC DS0E27E526MOV A

45、，DS0E293MOVC A ， A+DPTR0E2AF58CMOV TH0 ，A0E2C0526INC DS0E2ED2AFSETB EA；開中斷允許0E30D2A9SETB ET0；允許定時器 0 中斷0E32D28CSETB TR0；啟動定時器 0 開始計算0E3420AFFDWAIT ：JB EA，WAIT；中斷允許返回0E3722RET中斷服務(wù)程序：ORG 000BH000B02F00LJMP 0F00H0F0093MOVC A ，A+DPTR0F03F58AMOV TL0 ， A0F050526INC DS0F07E526MOV A ，DS0F0993MOVC A ，A+DPTR0

46、F0AF58CMOV TH0 ， A0F0C0526INC DS；修改地址偏移量指針0F0ED180ACALL FEED；調(diào) FEED 子程序0F10E520MOV A ， N0；判斷 N0 是否為 00F12B400CJNE A ， #00H， LOOP10F15E52MOV A ， N1H；判斷 N1 是否為 00F17B40010CJNE A，#00H， LOOP20F1AE522MOV A ，N1H0F1CB4000BCJNE A，#00H，LOOP20F1FE523MOV A ，N2；判斷 N2 是否為 00F21B40014CJNE A，#00H， LOOP30F24C2AFCLR EA ；N2 為 0 ，減速結(jié)束，關(guān)中斷0F2632RETI0F271520LOOP1： DEC N0;NO 不為 0,J則 NO N0-10F2932RETI0F2AE521LOOP2：MOV A ，N1L;N1 不為 0,貝U N1 N1-10F2CC