2200 XY工作臺與控制系統(tǒng)設計

2200 XY工作臺與控制系統(tǒng)設計,xy,工作臺,控制系統(tǒng),設計 - 1 -大 學畢業(yè)設計（論文）XY 工作臺與控制系統(tǒng)設計院(系)、部： 學生姓名： 學 號: 專 業(yè)： - 2 -班 級： 指導教師： 完成時間： 摘 要一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅動部分、執(zhí)行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術、檢測傳感技術、伺服傳動技術和機械技術等多學科技術領域綜合交叉的技術密集型系統(tǒng)工程。新一代的 CNC 系統(tǒng)這類典型機電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。關鍵字：機電一體化的基礎 基本組成要素 特點 發(fā)展趨勢 - 3 -AbstractA perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generations CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops.key words: Integration of machinery foundation basic component - 4 -elements characteristic trend of development.目 錄第一章 滾珠絲杠副的選擇 3 1.1 滾珠絲杠副的支撐形式 31.2 滾珠絲杠副的特點 31.3 滾珠絲杠副的設計計算 41.4 選擇滾珠絲杠副 51.5 穩(wěn)定性驗算 71.6 剛度驗算 81.7 效率驗算 9第二章 導向機構的設計102.1 導軌的功用102.2、 滾動直線導軌的選擇程序102.2、 直線運動滾動支承系統(tǒng)負荷的計算 10第三章 步進電動機的選擇 12 - 5 -3.1 步進電動機的工作原理123.2 選擇電動機 13第四章 滾動軸承的計算 144.1 支撐方案的確定 144.2 軸承的校核 15第五章 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設 17第一節(jié) 設計內(nèi)容17第二節(jié) 設計步驟17第三節(jié) 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計21第六章 系統(tǒng)控制軟件設計 22第七章 結束語與致謝 29總 結 16參考文獻 17 - 6 -第一章 滾珠絲杠副的選擇1.1 滾珠絲杠副的支承形式支承應限制絲杠的軸向竄動.較短的絲杠或垂直安裝的絲杠,可以一端固定,一端無支承.水平安裝絲杠較長時, 可以一端固定 ,一端游動;對于精密和高精度機床的滾珠絲杠副,為了提高絲杠的拉壓剛度,可以兩端固定.為了補償熱膨脹和減少絲杠下垂,兩端固定絲杠時還可以進行預拉伸。一般情況下,應以固定端作為軸向定位基準,從固定端起計算絲桿杠副的長度誤差.此外,應盡可能固定端作為驅動端?？紤]到本設計的結構與要求,我們決定采用一端固定一端游動(F-S)的支承形式, 如圖 1.1 所示。一端固定一端游動（FS） 。固定端采用深溝球軸承 2 和雙向推力球軸承4，可分別承受徑向和軸向負載，螺母 1、擋圈 3、軸肩、支撐座 5 臺肩、端蓋7 提供軸向限位，墊圈 6 可調(diào)節(jié)推力軸承 4 的軸向預緊力。游動端需徑向約束，軸向無約束。采用深溝球軸承 8，其內(nèi)圈由擋圈 9 限位，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮。 - 7 -圖 1.1 一端固定一端游動支承這種支承形勢有以下一些特點： 1.需保持螺母與兩端支撐同軸,故結構較復雜,工藝較困難。2.絲杠的軸向剛度較高。3.壓桿穩(wěn)定性和臨界轉速較高。4.絲杠有熱膨脹的余地。5.適用于較長的臥式安裝絲杠。1.2 滾珠絲杠副的特點1.傳動效率高 效率高達 90%95%,耗費的能量僅為滑動絲杠的 1/3。2.運動具有可逆性 即可將回轉運動變?yōu)橹本€運動,又可將直線運動變?yōu)榛剞D運動,且逆?zhèn)鲃有蕩缀跖c正傳動效率相同。3.系統(tǒng)剛度好 通過給螺母組件內(nèi)施加預壓來獲得較高的系統(tǒng)剛度,可滿足各種機械傳動要求,無爬行現(xiàn)象,始終保持運動的平穩(wěn)性和靈敏性。4.傳動精度高 經(jīng)過淬硬并精磨螺紋滾道后的滾珠絲杠副本身就具有和高的制造精度,又由于摩擦小,絲桿副工作時溫升和熱變形小,容易獲得較高的傳動精度。5.使用壽命長 滾珠是在淬硬的滾道上作滾動運動,磨損極小,長期使用后仍能保持其精度,因而壽命長,且具有很高的可靠性。其壽命一般比滑動絲杠高56 倍。6.不能自鎖 特別是垂直安裝的絲杠，當運動停止后，螺母將在重力作用下下滑，故常需設置制動裝置。7.制造工藝復雜 滾珠絲杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。由于滾珠絲杠副獨特的性能而受到極高的評價,因而已成為數(shù)控機床,精密機械,各種省力機械設備及各種機電一體化產(chǎn)品中不可缺少的傳動機構。 1.3 滾珠絲杠副的設計計算有效行程 100*100，實際工作時工件及夾具重最大 120 公斤，最大空運行速度 ,最大加工速度 定位精度 ,重max4/inVmin2/iV0.2/3m復定位精度 ,脈沖當量 ,壽命 40000 小時0.10.1（1）步距角 ， ， ， 。36kzpi.1i先假設 p= 。5表 1.1切削力 /aFN速度 /minV時間比 q正常銑削 500 2.5 70%快速點定位 0 5 30% - 8 -（2） 絲杠轉速 快速點定位 30%，加工 70%。10*210*47%3663.n（3） 當量轉速加工 /minLr點定位 10*467/imn（4） 絲杠負荷當量載荷導軌摩擦力 , 。 NF0.*1207.gN精密加工 =500N，a加工時總載荷 =507.2N 1快速點定位 = =7.2N2aFN（5） 當量負荷 3312*70%*0l MmaannF333 67(50.2)(.)3815F N1.4 選擇滾珠絲杠副（1） *hajmnkCFf小時，由機電一體化系統(tǒng)設計手冊表 2.8-63，2.8-64，40hL查得：-壽命系數(shù)， 。hK113340()().5nhLK-轉速系數(shù)， 。n1133.()().9n- 綜合系數(shù)， f *0.5.41thakwf - 9 -其中 為溫度系數(shù)，查表 1-2 得 1；tf tf為硬度系數(shù)，查表 1-3 得 1.0；h h為精度系數(shù)，查表 1-4 得 1.0（絲杠精度為 13 級） ；af af為負荷性質(zhì)系數(shù)，查表 1-5 得 1.3；w w為可靠性系數(shù)，查表 1-6 得 0.53（可靠性為 90%） 。kf kf可得： 。4.3*107098hajmnCFNf表 1-2溫度系數(shù) tf工作溫度 C1250175 205203tf.9.85.7.6表 1-3 硬度系數(shù) hf硬度（HRC ） 5855 52.5 50 47.5 45 40動負荷硬度影響系數(shù) hf1.0 1.11 1.35 1.56 1.92 2.4 3.85靜負荷硬度影響系數(shù) 1.0 1.11 1.40 1.67 2.1 2.65 4.5表 1-4 精度系數(shù) af精度等級 1、2、3 4、5 7 10af1.0 0.9 0.8 0.7表 1-5 負荷性質(zhì)系數(shù) wf負荷性質(zhì) 無沖擊平穩(wěn)運轉 一般運轉 有沖擊和振動運動wf11.2 1.21.5 1.52.5表 1-6 可靠性系數(shù) kf - 10 -可靠度(%) 90 95 96 97 98 99kf1.00 0.62 0.53 .44 .33 0.21（2）根據(jù) 選擇滾珠絲杠副aC1）假設選用 FC1 型號，按滾珠絲杠副的額定動載荷 Ca 等于或稍大于 的aC原查教材表 2-9 選以下型號規(guī)格：FC1-2505-2.5 ，Ca=9610N由教材表 2-9 得絲杠副數(shù)據(jù)：公稱直徑 025Dm導程 6P螺旋角 =4滾珠直徑 3.17od2）按教材表 2-1 中尺寸公式計算：滾道半徑 0.52.*51.6Rm偏心距 377()7()0.452de m絲杠直徑 100.4*18De1.5 穩(wěn)定性驗算1）由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù) S，其值應大于絲杠副傳動機構允許安全系數(shù) （見表 1.2） 。S表 1.7支撐方式有關系數(shù) 一端固定一端自由（F-O）一端固定一端游動（ F-S）兩端固定（ F-F）S34 2.53.3 2 2/3 cf1.875 3.927 4.730絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 按下式計算：()crFN2()acrEIFl - 11 -式中，E 為絲杠材料的彈性模量，對于剛，E=206GPa； 為絲杠工作長度l（m）; 為絲杠危險截面的軸慣性矩 ； 為長度系數(shù)，見表 1.2。aI 4()m依題意， 44413.*0.2178.*1066adI m取 ，則2329492(3.14)*01.*03.2*10()crFN安全系數(shù) 。查表 1.2， =2.53.3 。 ， 96.28.3*10crmS SS絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。2）高速絲杠工作時可能發(fā)生共振，因此需要驗算其不會發(fā)生共振的最高轉速臨界轉速 。要求絲杠的最大轉速 。crnmaxcrn臨界轉速 可按下式計算r 2190()ccrfdnl式中， 為臨界轉速系數(shù)，見表 1.2。取 ， ，則cf 3.7cf232(3.97)*0.181469/mincrnr=834r/min。 所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。maxcrn3）此外滾珠絲杠副還會受 值的限制，通常要求 。0nD407*1/innDr44025*/mi1.357*/minDr r所以該絲杠副工作穩(wěn)定。1.6 剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載 和轉矩 共同作用下引起每個導程的變()FN()T形量 為0()Lm - 12 -20()CPFTLmEAGJ式中，A- 為絲杠面積， ；214d-為絲杠的極慣性距， ；cJ 421()3cJG-為絲杠的切變模量，對鋼 ；8.Pa-為轉矩。()TNm0tn()2mDTF式中， -為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；-為平均工作負載。mF取摩擦系數(shù) tan0.2584031*tan(2)0.3TNm按最不利的情況?。ㄆ渲?）mF220 24113 329 2942046*6086*(10).( )3.1(.7)(3.)8.(785CPFPTLEAGJEdm 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為 203.5*1045.86Ll mP通常要求絲杠的導程誤差 應小于其傳動精度的 1/2，即1.2該絲杠的 滿足上式，所以其剛度可滿足要求。L1.7 效率驗算滾珠絲杠副的傳動效率 為tan380.769.8(42)要求在 90%98%之間，所以該絲杠副合格。 - 13 -經(jīng)上述驗證，F(xiàn)C1-2505-2.5 各項性能均符合要求，可選用。第二章 導向機構的設計2.1 導軌的功用機電一體化產(chǎn)品要求其機械系統(tǒng)的各運動機構必須得到安全的支承，并能準確的完成其特定方向的運動。這個任務就由導向機構來完成。機電一體化產(chǎn)品的導向機構是導軌，其作用是支承和導向。2.2 滾動直線導軌的選擇程序在設計選用滾動直線導軌時，除應對其使用條件，包括工作載荷、精度要求、速度、工作行程、預期工作壽命進行研究外，還須對其剛度、摩擦特性及誤差平均、阻尼特性等綜合考慮，從而達到正確合理的選用，以滿足主機技術性能的要求。2.3 直線運動滾動支承系統(tǒng)負荷的計算直線運動支承系統(tǒng)的負荷與導軌配置形式(水平、豎直、傾斜等),移動件的重心和力作用點的位置,導軌上移動件牽引力作用點的位置,啟動及停止時的慣性力以及切削力等有關。本設計的直線運動導軌安裝形式為水平,采用臥式導軌、滑塊座移動。 圖 2.1 導軌 - 14 -2.4 導軌的選擇 由機床設計要求可知對該導軌設計的基本要求為:作用在滑座上的載荷 ，滑座個數(shù) ，單向行程長度 ，120FN4M40Slm每分鐘往復次數(shù)為 4，用于輕型機床的工作臺。 導軌的額定工作時間壽命 =40000 小時hT表 2-1 硬度系數(shù)滾道表面硬度 HRC 60 58 55 53 50 45Hf1.0 0.98 0.90 0.71 0.54 0.38表 2-2 溫度系數(shù)工作溫度/ C0 Tf100 1.00100150 0.90150200 0.73200250 0.61表 2-3 接觸系數(shù)每根導軌上的滑塊數(shù) Cf1 1.002 0.813 0.724 0.665 0.61表 2-4 負荷系數(shù)工作條件 Wf無外部沖擊或震動的低速運動場合。速度小于 15m/min11.5無明顯沖擊或震動的中速運動場合。速度小于 60m/min1.52無外部沖擊或震動的高速運動場合。速度大于 60m/min22.5 - 15 -（1） 計算額定動載荷滑座的運動速度最大為 5m/min15mmin，工作溫度在 100 以下，導軌C0滾道硬度為 60HRC，無明顯沖擊和振動，每根導軌上滑塊配置數(shù)為 2。由 得：3*102ShsTln332*40.6*0115hssTlnkm因滑塊座 M=4,所以每根導軌上 2 個，由表 2-12-4 確定 ， ，.81Cf.0Hf, , 則由式1.0Tf.2Wf 3()HTCasWfKF得 3/saHTCf其中 1204FNM35/*.725108aC選用的是漢江機床廠的 HJG-D 系列滾動直線導軌,查其產(chǎn)品手冊知, HJG-D型號的導軌的 Ca 值為 17500N,能滿足五年的使用要求,所以可選用. - 16 -第三章 步進電機的選擇步進電機在自動控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。是位與電氣控制裝置和機械執(zhí)行裝置接點部位的一種能量轉換裝置，它能在控制裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉換成機械能。3.1 步進電機的工作原理三相反應式步進電機的工作原理如圖 5.3 所示，其中步進電機的定子上有6 個齒，其上分別纏有 、 、 三相繞組,構成三對磁極,轉子上則均勻分AWBC布著 4 個齒。步進電動機采用直流供電。當 、 、 三相繞組輪流通電時，AWBC通過電磁力吸引步進電動機轉子一步一步地旋轉。 CAB1234CABBCA12314圖 3.13.1.1 步進電動機的通電方式和步距角如果步進電動機繞組的每一次通斷電操作稱為一拍，每拍中只有一相繞組通電，其余斷電，這種通電方式稱為單相通電方式。如果步進電動機通電循環(huán)的每拍中都有兩相繞組通電，這種通電方式稱為雙相通電方式。 - 17 -步距角是指步進電動機每一拍轉過的角度。一個 m 相步進電動機，如其轉子上有 z 個齒，則其步距角 可通過下式計算 ，式中 是通電方式系數(shù)，當360kzk采用單相或雙相通電方式時， ，當采用單雙向輪流通電方式是，k。k3.2 選電動機3.2.1 電動機轉動慣量的計算滾珠絲杠的轉動慣量，已知名義直徑 ，螺距 p=10mm.長度mD50L=2741mm.則查表 6.6-28（機床設計手冊）可得 1m 長的絲杠轉動慣量為35.76kg.cm。那么次滾珠絲杠的轉動慣量 J =35.762.741=98.01kg.cm 。s 2絲杠折算到電動機軸上的轉動慣量J= (2030) 98.01=43.56kg.cm 。SJZ21)(2 2工作臺折算到絲杠的慣量，已知導程 10mm，工作臺以上負載 1000kg。 ，查表 6.6-29 得：重 10000N 的轉動慣量 JG=25.80kg.cm 。2絲杠傳動是傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上的總的轉動慣量12021)(JLmJZJMS式中 J船工系統(tǒng)折算到電動機軸上的轉動慣量（kg.cm）J1齒輪 Z1 的轉動慣量（kg.cm）J2-齒輪 Z2 轉動慣量（kg.cm）JS絲杠的轉動慣量（kg.cm）m工作臺及共建等移動部件的質(zhì)量（N）L0絲杠得導程（cm）J1=0.78D1 L110 =0.78（5.988） 310 =3kg.cm46 43J2=0.78D2 L210 =0.78（9.02） 310 =15.5kg.cm46 43JZ=JM+9.34+ =81.06kg.cm 22 )1(0.9851303.2.2 電機力矩的計算由于此縱向進給系統(tǒng)不做切削運動，故只計算快速空載和快速進給力矩?？焖倏蛰d啟動時所需力矩 Mq=MA+Mf+M0Mq快速空載時的啟動力矩（N.m）Mf折算到電動機上的摩擦力矩（N.m）M0由于絲杠的預緊折算到電動機軸上的附加摩擦力矩（N.m）快速進給時所需力矩 MJMJ=Mf+MO 因為 MJMq，故不用計算這個力矩。 - 18 -Mq= JZ =81.06 =424.214N.cm2max106nt23.1406摩擦力矩 Mf（N.）Mf= ,02FLi式中 F0導軌的摩擦力（N）i-齒輪降速比-傳動鏈效率，一般可取 =0.70.85Mf= = =6.6N.cm02FLi51.0832附加力矩 M0= 020P式中 F滾軸絲杠預加負荷，這里取 FM=5000N.L0滾珠絲杠導程（）-滾珠絲杠未預緊時傳動效率，一般取大于 0.9，這里取 0.95M0= = =60.8N.cm0201PL251.0.958Mq=MA+Mf+M0=424.214+6.6+60.8=491.65N.=4.92N.m3.2.3 電機的選型查表得，選擇電動機 120MB100A，它的啟動轉矩 9.31N.m。120MB100A 屬于 CB/MB 系列交流伺服電機采用了高性能磁性材料和優(yōu)化的正弦波磁路設計，具有小型化、全密封、高精度、高相應、低噪音、地震動的特點，特別適合于對動態(tài)和穩(wěn)態(tài)定性要求高的場合。技術特點A、高性能銣鐵硼永磁材料，純正弦波磁路設計。B、鋁合金精美外觀，體積緊湊。C、小慣量 CB 系列和中慣量 MB 系列。D、動態(tài)性能好。E、過載能力強。以上數(shù)據(jù)機電一體化系統(tǒng)設計手冊 - 19 -第四章 滾動軸承的計算4.1 支撐方案的確定考慮滾珠絲杠在軸向的伸縮變形，故考慮在支撐方面采用一端固定，一端游動。在綜合考慮后，決定用角接觸球軸承完成支承。固定端用一對背靠背接觸球軸承，而用單個角接觸球軸承支于游動端。在選擇了滾珠絲杠的型號后，由于我們采用的是現(xiàn)存的絲杠。所以尺寸都已經(jīng)確定，初選固定端 7307B/DB 背對背型號內(nèi)徑 d=35，D=80,B=42。游動端采用 7307B 型號 B=21軸承座連接孔 144 42、 M12-44.2 軸承型號選型及校核軸向力 Fa=383.3N 徑向力 Fr=10000/2=5000N因為 Fa/Fr=5000/383.31.14（查機械設計第七版表 13-5）則 X=0.35,Y=0.57。 fp 取 1.5（中等沖擊或中等慣性力.查表 13-6 同上）動載荷 P=fp(XFr+YFa)=1.5（0.355000+0.57883.3）=3380.25N預計壽命 Lh=5000h,轉速 n=1000r/min1.5=666.7計算基本額定動載荷 C= 15.9768105.625.380163hnLP滾動軸承受理分析圖 - 20 -因為 C=19768.15Ca=65600,所以符合要求。第五章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計第一節(jié) 設計內(nèi)容.按照總統(tǒng)方案以及機械結構的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖；.選擇計算機或中央處理單元的類型；.根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設計存儲器擴展電路；.根據(jù)控制對象以及系統(tǒng)工作要求設計擴展接口電路，檢測電路，轉換電路以及驅動電路等；.選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號；.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)；.說明書中對電氣原理圖以及各有關電路進行詳細的原理說明和方案論證。第二節(jié) 設計步驟.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。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示： - 21 -.主控制器的選擇系列單片機是集中，端口及部分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。本次設計選用芯片作為主控芯片。.存儲器擴展電路設計(）程序存儲器的擴展單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用芯片。其型號有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時要考慮與時序的匹配。所能讀取的時間必須大于所要求的讀取時間。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，選擇芯片作為本次設計的程序存儲器擴展用芯片。單片機規(guī)定0 口提供為位地址線，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，以便為外接存儲器提高低位的地址信息，一般采用芯片作為地址鎖存器，并由發(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EPROM 芯片的程序存儲器擴展電路框圖如下所中央處理單元 CPU存儲器RAMROM輸入/輸出I/O 接口信號變換控制對象外設：鍵盤，顯示器，打印機，磁盤機，通訊接口等 - 22 -示：擴展 2764 電路框圖(）數(shù)據(jù)存儲器的擴展由于內(nèi)部只有字節(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。本次設計選用芯片作為數(shù)據(jù)存儲器擴展用芯片。其擴展電路如下所示：P1.7P1.0P2.4P2.0ALE P0.7P0.0PSENA CE A12 A8 2764A7A0 OE D7D0譯碼電路G74LS372P2.4P2.0ALEP0.7P0.0EAWRD 1CE A12 A8A7 6264A0D7D0WEOD0譯碼電路G74LS372 - 23 -擴展 6264 電路框圖(）譯碼電路在單片機應用系統(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。線選法的硬件結構簡單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對于和容量較大的應用系統(tǒng)，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）擴展電路設計(a).通用可編程接口芯片單片機共有個位并行接口，但供用戶使用的只有1 口及部分3 口線。因此要進行口的擴展。與微機接口較簡單，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(b).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，即用口線組成行，列結構，按鍵設置在行列的交點上。數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有和。下圖所示為采用接口管理的鍵盤，顯示器電路。它有鍵和位顯示器組成。為了簡化秒電路，鍵盤的列線及顯示器的字位控制共用一個口，即共用的 P口進行控制，鍵盤的行線由口擔任，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：4步進電機驅動電路設計(1）脈沖分配器 - 24 -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。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，才能驅動步進電機正常運轉。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。本設計選用功率放大器。5其它輔助電路設計（）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.之間任意選擇，耦合電容在pF 之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式時，可將 XTAL1 直接接地，XTAL2 接外部時鐘源。時鐘電路（）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，只要在引腳上出現(xiàn)ms 以上的高電平，單片機就實現(xiàn)狀態(tài)復位，之后便從單元開始執(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復位要求一致時，可以直接相連。當晶振頻率選用z 時，復位電路中取 ，取 ， 取 。實用復位電路圖如下所示：KR（）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。利用光電耦合電路，將行程開關接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至的口1.0。當任何一個行程開關被壓下的時候，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?？衫密浖O計成查詢的方法8031XTAL1XTAL2 - 25 -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的外部中斷引腳（或） ，采用中斷方式檢查越界信號。越界報警電路如下圖所示第三節(jié) 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計該系統(tǒng)選用系列的作為主控制器。擴展存儲電路為一片 2732EPROM 和一片 6264RAM。程序存儲器擴展為，數(shù)據(jù)存儲器擴展為。的片選控制端 直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復位CE以后，CPU 從 0000H 開始執(zhí)行監(jiān)控程序。 6264 的片選端 由譯碼器CE（74LS138）的 Y2 輸出提供。所以 6264 的空間地址為 4000。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 的片選端 接至譯碼器（74LS138）的 Y4 的輸出端，故 8155 控制命令寄存器及CEPA，PB，PC 口的地址號分別為 8000H 及 8001H，8002H ，8003H。8155RAM區(qū)的地址為 8000H80FFH。8155 的 A 口為控制工作抬 X，Y 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。鍵盤與顯示器設計在一起，8155 的 PC 口擔任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制；PB 口的 PB0PB3 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 進行驅動。PB 口剩余的 I/O 線 PB4PB7 分別作為工作臺+X，+Y ，-X，-Y 四個方向的行程限位控制信號。在軟件設計上 8155 的 PA 口，PC 口設置為輸出，PB 口設置為輸入。計算機隨時巡回檢測 PB4PB7 的電平，當某 I/O 線為 0 時，應立即停止 X，Y 向電機的驅動，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)壓器設計。數(shù)控系統(tǒng)總的電氣原理圖以及圖中各元件的參數(shù)和型號見附（二） ，附（三） 。 - 26 -第六章 系統(tǒng)控制軟件的設計(一 ).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 設備輸入零件加工源程序的任務。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)插補運算的結果或操作者的命令控制伺服電機的速度，轉角以及方向。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)故障診斷，查錯等功能。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 - 27 -作狀態(tài)、操作命令等信息。(二 ).軟件設計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。如監(jiān)視緊急停機鍵及行程開關，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。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：開始NN Y 加工程序輸入鍵按下？機床復位 自動加工鍵按下？手動加工鍵按下？加工數(shù)據(jù)輸入自動加工系統(tǒng)初始化 - 28 -NYYN管理程序流程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：入口零件坐標地址指針手動調(diào)整讀零件坐標調(diào)步進電機子程序工作臺移動到位刀具快進 - 29 -NY返回4.步進電機控制子程序設計步進電機的控制包括速度，轉角及方向的控制。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： 3610eTt式中：T 為脈沖時間間隔（ms） ； 為單片機機器周期（ s） ，在時鐘為 6MHz 時， =2etets。（2）步進電機加，減速進給脈沖及脈沖時間間隔的確定設步進電機加，減速方式為直線加，減速。要使步進電機不失步，應滿足： mgITT式中： 為步進電機啟動力矩； 為負載力矩； 為慣性力矩。mTgI由步進電機 =3.92N.m，取步進電機的加速啟動力矩axj加工快速退刀零件坐標地址指針加 1零件加工完成 - 30 -max0.86.3920.86.310.84MjT則使步進電機不失不的慣性力矩 1.4.57.2.Ig Ncm步進電機角加速度 2 245.706.(/)931IdTradsJ又maxbbffttt式中： 為上升到步進電機最高頻率所需時間，所以有：mtmax21.5673064.5().mbft ms加速脈沖個數(shù)：3ax1674.51.72nft 確定加減脈沖個數(shù)都為 54 個又因為：max0.5.()nnfftt所以脈沖時刻 max2nttf結合 可以算出對應各脈沖時刻的計數(shù)器時間常數(shù)。3610eTtEPROM 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，設置加速，恒速，減速脈沖計數(shù)器 N0，N1 ， N2。以計數(shù)器的值是否為 0作為相應過程是否結束的標志。步進電機控制程序框圖如下所示：步進電機控制子程序：開始 - 31 -NY步進電機控制中斷服務程序：中斷服務程序入口中斷初始化設時間常數(shù)地址指針首地址指向 1000H加速減速 脈沖計數(shù)器賦初值恒速送時間常數(shù)至計數(shù)器中開中斷啟動定時器 關中斷？返回送時間常數(shù)步進電機進一步N0=0？N1=0？ 時間常數(shù)地址指針加 1 - 32 -中斷返回5.編語言程序設計（1）內(nèi)存地址分配加速脈沖數(shù)計數(shù)器 N0 地址設為 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）程序清單N0 EQU 20H ;加速N1L EQU 21H ;恒速N1H EQU 22H N2 EQU 23H ;減速NL EQU 24H ;脈沖總數(shù)寄存器NH EQU 25HDS EQU 26H ；地址指針偏移量FEED EQU 0E80HORG 0E00H0E00 758160 START： MOV P，#60H0E03 758901 MOV TMOD，#01H ； 設計數(shù)器工作方式為 1，16 位定時器0E06 75201B MOV N0，#01A4H ；設 N0 為 3200E09 75231B MOV N2， #1A4H0E0C E520 MOV A ， N0 ；計算 2XN00E0E 23 RL A0E0F F8 MOV R0， A0E10 C3 CLR C ；計算 N1=N-2N00E11 E524 MOV A， NL0E13 98 SUBB A， R0N2=0？關中斷時間常數(shù)地址指針加 1N2N2-1N1N1-1N0N0-1 - 33 -0E14 F521 MOV N1L， A0E16 E525 MOV A， NH0E18 9400 SUBB A，#00H0E1A F522 MOV N1H，A0E1C 901000 MOV DPTR， #1000H ；設時間常數(shù)指針初值為1000H0E1F 752600 MOV DS， #00H ；設地址偏移量初值為 00H0E22 93 MOVC A, A+DPTR ；從 EPROM 中讀時間常數(shù)0E23 F58A MOV TL0， A ；送時間常數(shù)至定時器 0 中0E25 0526 INC DS0E27 E526 MOV A，DS0E2 93 MOVC A，A+DPTR 0E2A F58C MOV TH0，A0E2C 0526 INC DS0E2E D2AF SETB EA ；開中斷允許0E30 D2A9 SETB ET0 ；允許定時器 0 中斷0E32 D28C SETB TR0 ；啟動定時器 0 開始計算0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回0E37 22 RET中斷服務程序： ORG 000BH000B 02F00 LJMP 0F00H0F00 93 MOVC A，A+DPTR0F03 F58A MOV TL0， A0F05 0526 INC DS0F07 E526 MOV A，DS0F09 93 MOVC A，A+DPTR0F0A F58C MOV TH0， A0F0C 0526 INC DS ；修改地址偏移量指針0F0E D180 ACALL FEED ；調(diào) FEED 子程序0F10 E520 MOV A， N0 ；判斷 N0 是否為 00F12 B400 CJNE A， #00H， LOOP10F15 E52 MOV A， N1H ；判斷 N1 是否為 0 0F17 B40010 CJNE A，#00H， LOOP20F1A E522 MOV A，N1H0F1C B4000B CJNE A，#00H ，LOOP20F1F E523 MOV A，N2 判斷 N2 是否為 0 0F21 B40014 CJNE A，#00H，LOOP30F24 C2AF CLR EA ；N2 為 0 ，減速結束，關中斷0F26 32 RETI0F27 1520 LOOP1：DEC N0 ；N0 不為 0，則 N0N0-10F29 32 RETI0F2A E521 LOOP2：MOV A，N1L ；N1 不為 0，則 N1N1-10F2C C3 CLR C0F2D 9401 SUBB A， #01H - 34 -0F2F F521 MOV N1L， A0F31 E522 MOV A， N1H0F33 9400 SUBB A，#00H0F35 F522 MOV N1H，A0F3