X5132型銑床橫、垂直向進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造 畢業(yè)論文

1、摘 要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，發(fā)展現(xiàn)代計(jì)算機(jī)化數(shù)字控制（cnc）機(jī)床，是 當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造，技術(shù)革新的必由之路，是未來工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)。 因此,這次對(duì)普通機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)更顯得重要。 第一部分是數(shù)控機(jī)床的概述，第二部分是進(jìn)給系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，第三部 分是伺服進(jìn)給機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算，第四部分是控制部分的單片機(jī)原理及控制程序 設(shè)計(jì)。 基于步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械改裝減少了人的工作量，把手動(dòng)轉(zhuǎn)變成為電動(dòng)。本次改 造用了 2 個(gè)步進(jìn)電機(jī)，分別控制機(jī)床 2 個(gè)方向（橫向和垂向）的進(jìn)給，通過齒輪 或帶輪帶動(dòng)滾珠絲杠軸向運(yùn)動(dòng)。 基于單片機(jī)控制的電子部分設(shè)計(jì)提高了工作效率和測(cè)量的準(zhǔn)確度、可信度

2、。 該儀器采用了8031單片機(jī)。文中著重論述了原理的設(shè)計(jì)思想并給出了具體電路， 然后闡明了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想并給出了部分程序的流程圖。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：銑床，絲杠，步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)，數(shù)控 目錄 摘 要.i 第一章 緒論.1 1.1 數(shù)控機(jī)床的組成.1 1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì).2 1.3 數(shù)控銑床改造的意義.4 1.4 本文主要內(nèi)容.5 第二章 設(shè)計(jì)方案和基本方案的確定.6 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù).6 2.2 總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容.6 2.2.1 伺服驅(qū)動(dòng).7 2.2.2 采用滾珠絲杠螺母副.7 2.2.3 數(shù)控裝置.7 2.2.4 系統(tǒng)功能.7 2.2.5 采用環(huán)形分配器.8 第三章 伺服系統(tǒng)機(jī)械

3、部分設(shè)計(jì)計(jì)算.9 3.1 設(shè)計(jì)要求.9 3.2 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量.9 3.3 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的確定.9 3.3.1 切削力的計(jì)算.9 3.3.2 縱向絲杠的選擇.10 3.3.3 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算.13 3.3.4 縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選擇.14 3.4 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的確定.17 3.4.1 橫向絲杠的選擇.17 3.4.2 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算.18 3.4.3 橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選擇.19 3.5 垂向進(jìn)給系統(tǒng)的確定.22 3.5.1 垂向絲杠的選擇.22 3.5.2 同步帶及帶輪的選擇.23 3.5.3 垂向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選擇.23 第四章 控制系統(tǒng)硬件原理及其控制程序編制.27 4.1 主控

4、制器.27 4.1.1 主控制器及其選擇.27 4.1.2 mcs51 系列單片機(jī)介紹.27 4.2 mcs51 單片機(jī)的擴(kuò)展.29 4.2.1 程序存儲(chǔ)器 eprom 的選擇.29 4.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ram 的選擇.29 4.3 地址分配及接線方法.29 4.3.1 地址分配.29 4.3.2 eprom、ram 與 8031 連接方法.29 4.4 接口電路及輔助電路的設(shè)計(jì).30 4.4.1 接口電路的設(shè)計(jì).30 4.4.2 輔助電路的具體設(shè)計(jì).31 4.5 控制系統(tǒng)程序編譯.34 4.5.1 直線插補(bǔ)程序.34 4.5.2 圓弧插補(bǔ)程序.36 4.5.3 裝代碼子程序.40 4.5

5、.4 環(huán)行分配器子程序.41 致謝.52 參考文獻(xiàn).53 第一章 緒論 1.11.1 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成 （1）cnc 裝置 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置，既 cnc 裝置，是 cnc 系統(tǒng)的核心，有微處理器、存儲(chǔ)器、 各種 i/o 接口及外圍邏輯電路等構(gòu)成，起主要作用是對(duì)輸入的數(shù)控程序及有關(guān)數(shù) 據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與處理，通過插補(bǔ)運(yùn)算等形成運(yùn)動(dòng)軌跡指令，控制伺服單元和驅(qū)動(dòng)裝 置，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于離散的開關(guān)控制量，可以通過 plc 對(duì)機(jī)床 電器的邏輯控制來實(shí)現(xiàn)。 （2）數(shù)控面板 數(shù)控面板是數(shù)控系統(tǒng)的控制面板，各種數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控是不相同的，但大多 數(shù)是共性或相似的。主要由顯示器、手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入鍵盤

6、組成，又稱 mid 面板。顯 示器常具有多個(gè)軟功能鍵，用于選擇菜單。按鍵除各種符號(hào)鍵和數(shù)字鍵外，還常 設(shè)控制鍵和用戶定義鍵等。 （3）可編程控制器 plc 可編程控制器 plc 也是一種以微處理器為基礎(chǔ)的通用型自動(dòng)控制裝置，又稱 plc 或 pmc，用于完成數(shù)控機(jī)床的各種邏輯運(yùn)算和順序控制。plc 還接受機(jī)床操 作面板的指令，一方面直接控制機(jī)床的動(dòng)作，另一方面將有關(guān)指令送往 cnc 用于 將過程控制。 （4）機(jī)床操作面板 機(jī)床操作面板主要用于手動(dòng)方式下對(duì)機(jī)床的操作以及自動(dòng)方式下對(duì)機(jī)床的控 制或干預(yù)。其上有各種按鈕與選擇開關(guān)，用于機(jī)床及輔助裝置的啟停，加工方式 的選擇、速度倍率選擇等。中小型數(shù)控

7、機(jī)床的操作面板常帶和數(shù)控面板做成一個(gè) 整體，但二者之間與明顯界限。數(shù)控系統(tǒng)的通訊接口，常設(shè)置在機(jī)床操作面板上。 （5）進(jìn)給伺服系統(tǒng) 進(jìn)給系統(tǒng)主要由進(jìn)給伺服單元和伺服進(jìn)給電機(jī)組成，對(duì)于閉環(huán)和半閉環(huán)控制 的進(jìn)給伺服系統(tǒng)，還應(yīng)該包括位置檢測(cè)防虧裝置。進(jìn)給伺服單元接收來自 cnc 裝 置的運(yùn)動(dòng)指令，經(jīng)變換和放大后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀架或工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。 cnc 裝置每發(fā)出一個(gè)控制脈沖，機(jī)床刀架或工作臺(tái)的移動(dòng)距離稱為數(shù)控系統(tǒng)的脈 沖當(dāng)量或最小設(shè)定單位，脈沖當(dāng)來量或最小設(shè)定單位的大小直接影響數(shù)控機(jī)床的 加工精度。 在閉環(huán)和半閉環(huán)和半閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)中，位置檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床上或伺 服電機(jī)上，其作用是將

8、機(jī)床或伺服電機(jī)的實(shí)際位置信號(hào)反饋給 cnc 系統(tǒng)以便為與 指令相比較，用其差值控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，達(dá)到消除運(yùn)動(dòng)誤差，提高定位精度的目的。 一般來說，數(shù)控機(jī)床功能強(qiáng)弱主要取決于 cnc 裝置，而數(shù)控機(jī)床性能的優(yōu)劣 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 （6）主軸伺服系統(tǒng) 數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)區(qū)別很大，電機(jī)頻率輸出應(yīng)為 2.2250kw; 進(jìn)給電機(jī)一般是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,而主電機(jī)除了有較大范圍的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速外，還有較 大范圍的恒功率調(diào)速，對(duì)于數(shù)控車床,為了能加工螺紋和恒切速功能，要求戶軸 和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)能同步控制，對(duì)于加工中心，還要求主軸進(jìn)行高精度準(zhǔn)停和分度功能。 因此中高檔數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)都采用電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速或伺服驅(qū)動(dòng)。 （7

9、）機(jī)床本體 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造要適應(yīng)數(shù)控技術(shù)發(fā)展，具有剛度大、精度 高、抗振性強(qiáng)、熱變形小等特點(diǎn)；由于普通采用了伺服電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速技術(shù)，機(jī)床 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和主傳動(dòng)的變速機(jī)構(gòu)被極大地簡(jiǎn)化甚至取消；廣泛采用滾珠絲杠、滾動(dòng) 導(dǎo)軌等高小、高精度傳動(dòng)部件；采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)和布局，機(jī)床布局主要考慮 有利于生產(chǎn)率的提高，而不象傳統(tǒng)機(jī)床那樣主要考慮方便操作；此外還采用自動(dòng) 換刀裝置、自動(dòng)更換工件和數(shù)控夾具等。 1.21.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、 集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國(guó)力 的

10、強(qiáng)弱。 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展在很大程度上取決于數(shù)控系統(tǒng)的性能和水平，而數(shù)控系統(tǒng)的 發(fā)展及其技術(shù)基礎(chǔ)離不開微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)及其軟硬件技術(shù) 的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)趨于一致化，而控制系統(tǒng)軟件的競(jìng)爭(zhēng)日益加劇。 我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過“六五”期間的引進(jìn)， “七五”期間的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)， “八五” 期間的數(shù)控應(yīng)用技術(shù)研究以及“九五”期間的主數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)應(yīng)用，已逐步 形成了以航天數(shù)控、藍(lán)天數(shù)控、華中數(shù)控和中華數(shù)控為主的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。 （1）持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展 近年來，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，數(shù)控化率也顯著提高。另一方面我 國(guó)數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量也不斷提高。目前我國(guó)一部分普及型數(shù)控機(jī)床的生

11、 產(chǎn)已經(jīng)形成一定規(guī)模，產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)較為成熟，價(jià)格合理，在國(guó)際市場(chǎng)上具 有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)所掌握的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)較成熟，并已有 成熟商品走向市場(chǎng)。 我國(guó)在數(shù)控機(jī)床高端產(chǎn)品的生產(chǎn)上取得了一定的突破。目前我國(guó)已經(jīng)可以供 應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、柔性化的數(shù)控機(jī)床。同時(shí)，我國(guó)也已進(jìn)入世界高速數(shù)控機(jī)床 生產(chǎn)國(guó)和高精度精密數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國(guó)的行列。 （2）存在三點(diǎn)不足 和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)在信息化技術(shù)應(yīng)用上仍然存在很多不足。 信息化技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，對(duì)國(guó)外技術(shù)依存度高。我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)總體的技 術(shù)開發(fā)能力和技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，信息化技術(shù)應(yīng)用程度不高。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術(shù) 來源主要依靠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)

12、，對(duì)國(guó)外技術(shù)的依存度較高，對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化仍停 留在掌握已有技術(shù)和提高國(guó)產(chǎn)化率上，沒有上升到形成產(chǎn)品自主開發(fā)能力和技術(shù) 創(chuàng)新能力的高度。 產(chǎn)品成熟度較低，可行性不高。國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間在 10000 小 時(shí)以上，國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)僅 3000-5000 小時(shí)；整機(jī)平均無(wú)故障工作時(shí)間 國(guó)外達(dá) 800 小時(shí)以上，國(guó)內(nèi)最好只有 300 小時(shí)。 創(chuàng)新能力低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。我國(guó)生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的企業(yè)雖達(dá)百余家，但 大多數(shù)未能形成規(guī)模生產(chǎn)，信息化技術(shù)利用不足，創(chuàng)新能力低，制造成本高，產(chǎn) 品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力不強(qiáng)。 （3）當(dāng)今發(fā)展方向 隨著柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技

13、術(shù)提出了更高要求。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床信息化正朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展。 高速度、高精度化。速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，它直接關(guān)系 到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，我國(guó)生產(chǎn)的第六代數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)均采用位數(shù)、頻 率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運(yùn)算速度，使得高速運(yùn)算、模塊化及多軸成 組控制系統(tǒng)成為可能。同時(shí)，新一代數(shù)控機(jī)床將采用超大規(guī)模的集成電路和多微 處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。 智能化?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的智能化發(fā)展將通過對(duì)影響加工精度和效率的物理 量進(jìn)行檢測(cè)、建模、提取特征、自動(dòng)感知加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速 作出實(shí)現(xiàn)最佳目標(biāo)的智能決策，對(duì)機(jī)床的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使機(jī)床的加工 過程處

14、于最佳狀態(tài)。 基于 cad 和 cam 的數(shù)控編程自動(dòng)化。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前 cad/cam 圖形交互式自動(dòng)編程已得到較多的應(yīng)用，是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。它 是利用 cad 繪制的零件加工圖樣，經(jīng)計(jì)算機(jī)內(nèi)的刀具軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和后置處 理，從而自動(dòng)生成數(shù)控機(jī)床零部件加工程序，以實(shí)現(xiàn) cad 與 cam 的集成。隨著 cims 技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前又出現(xiàn)了 cad/capp/cam 集成的全自動(dòng)編程方式，其編程 所需的加工工藝參數(shù)不必由人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的 capp 數(shù)據(jù)庫(kù)獲得，推動(dòng) 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展。 發(fā)展可靠性最大化。數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標(biāo)。新

15、一代的數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及 混合式集成電路，減少元器件的數(shù)量，從而提高可靠性。同時(shí)通過自動(dòng)運(yùn)行診斷、 在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備 進(jìn)行故障診斷和報(bào)警。 1.31.3 數(shù)控銑床改造的意義數(shù)控銑床改造的意義 企業(yè)要在當(dāng)前市場(chǎng)需求多變，競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更 新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最低價(jià)格、最好的質(zhì)量、最短的時(shí)間去滿足市場(chǎng)需求的不 斷變化。而普通銑床已不適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)要求，數(shù)控銑床則綜合了數(shù)控 技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，最適宜加工小批量、高精度、形 狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求短的

16、零件。當(dāng)變更加工對(duì)象時(shí)只需要換零件加工程序，無(wú) 需對(duì)銑床作任何調(diào)整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。 數(shù)控銑床在機(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。數(shù)控銑床的發(fā)展，一方面是 全功能、高性能；另一方面是簡(jiǎn)單實(shí)用的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，具有自動(dòng)加工的基本 功能，操作維修方便。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)，功率步進(jìn) 電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，無(wú)檢測(cè)反饋機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)的定位精度一般可達(dá)0.01 至 0.02mm，已能滿足銑床改造后加工零件的精度要求。 普通銑床經(jīng)過多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大，主要傳動(dòng)零件 幾經(jīng)更換和調(diào)整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達(dá)到大修驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)， 而且費(fèi)用較高。

17、因此合理選擇數(shù)控系統(tǒng)是改造得以成功的主要環(huán)節(jié)。數(shù)控銑床的 改造目的是要求機(jī)床穩(wěn)定可靠，以盡可能低的故障率運(yùn)轉(zhuǎn)。普通銑床應(yīng)用微機(jī)控 制系統(tǒng)進(jìn)行改造，可以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。 1.41.4 本文主要內(nèi)容本文主要內(nèi)容 本次對(duì) x5132 型銑床進(jìn)給系統(tǒng)微機(jī)數(shù)控化改造設(shè)計(jì)，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制， 帶動(dòng)滾珠絲杠副轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使工作臺(tái)進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。第二章確定設(shè)計(jì)內(nèi)容和總體 設(shè)計(jì)方案；第三章進(jìn)行伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算，確定出 2 個(gè)方向伺杠和電機(jī) 的型號(hào)；第四章是銑床改造設(shè)計(jì)控制部分的硬件原理、控制心片的選擇和控制部 分程序設(shè)計(jì)。 第二章 設(shè)計(jì)方案和基本方案的確定 2.12.1 設(shè)

18、計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù) （1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 此部分為機(jī)械部分，它包括脈沖當(dāng)量的確定；滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算 和選型；進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)計(jì)算；步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用；設(shè)計(jì)并繪制總裝配 圖，其中包括橫向，縱向工作臺(tái)和垂直向升降臺(tái)。 （2）單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 此部分包括設(shè)計(jì)并繪制控制系統(tǒng)圖，編寫直線差補(bǔ)程序和圓弧差補(bǔ)程序。 2.22.2 總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容 圖 2-1 系統(tǒng)總體框圖 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬訂應(yīng)包括以下內(nèi)容： 伺服系統(tǒng)的選擇，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式的確定，控制芯片的選擇等內(nèi)容。一 般應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出幾個(gè)總體方案，進(jìn)行綜合分析，比較和論證，最后 選出一個(gè)合理的總

19、體方案。 2.2.12.2.1 伺服驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)是一種特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī),它利用通電激磁繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩，將脈 微 機(jī) 光 電 隔 離 x 向 電機(jī) 工 作 臺(tái) 執(zhí) 行 元 件 功率 放大 光 電 隔 離 功率 放大 功率 放大 y 向 電機(jī) z 向 電機(jī) 光 電 隔 離 沖電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移的電機(jī)執(zhí)行元件。當(dāng)激磁繞組按一定規(guī)律獲得分 配脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度與輸入的脈沖個(gè)數(shù)具有較 嚴(yán)格的比例關(guān)系，而且轉(zhuǎn)動(dòng)與輸入脈沖在時(shí)間上同步，因此可以利用這些特點(diǎn)控 制運(yùn)動(dòng)的速度和位移量。 步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電氣控制和驅(qū)動(dòng)電路也簡(jiǎn)單，體積小，重量輕， 價(jià)格便宜，

20、設(shè)計(jì)制造較簡(jiǎn)單，容易調(diào)試，使用維修方便。位移精度較好，對(duì)各種 干擾因素不敏感，結(jié)構(gòu)誤差不會(huì)累積。另外，電機(jī)時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)快。但步進(jìn) 電機(jī)也有缺點(diǎn)，主要是容易丟步，啟動(dòng)頻率低，工作效率也不夠高，低頻時(shí)振動(dòng) 大，可能造成失誤，因此步進(jìn)電機(jī)多用于負(fù)載較小，負(fù)載變化不大或要求不太高 的經(jīng)濟(jì)型簡(jiǎn)易型數(shù)控設(shè)備中。 綜上所述，綜合了成功率，技術(shù)難度，精度和投資等因素，決定選用步進(jìn)電 機(jī)開環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)。 2.2.22.2.2 采用滾珠絲杠螺母副采用滾珠絲杠螺母副 采用滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)結(jié)構(gòu),具有精度高,效率高,壽命長(zhǎng),低能耗,摩擦系數(shù) 小,較高緊湊,通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。 2.2.32.2.3 數(shù)控裝置數(shù)控裝置 微

21、機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由 cpu、存儲(chǔ)擴(kuò)展電路和 i/o 接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等 幾部分組成。 數(shù)控系統(tǒng)的核心是微機(jī)，其它裝置均在微機(jī)的控制下進(jìn)行工作。系統(tǒng)的功能 和系統(tǒng)中所用的微機(jī)直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對(duì)微機(jī)的要求是多方面的，但主要指標(biāo) 是字長(zhǎng)和速度，字長(zhǎng)不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運(yùn)算 精度。本設(shè)計(jì)采用的是 mcs51 單片機(jī)，并擴(kuò)展 2 片 2764 芯片，1 片 6264 芯 片，3 片 8155 可編程并行 i/o 等組成的控制系統(tǒng)。 2.2.42.2.4 系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能 （1）橫向，垂直方向進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)。 （2）行程控制 （3）鍵盤控制 （4）功能：報(bào)警電路，復(fù)位電路，

22、隔離電路，功放電路等。 2.2.52.2.5 采用環(huán)形分配器采用環(huán)形分配器 本系統(tǒng)采用軟件環(huán)形分配器。由于銑床三個(gè)方向的三步進(jìn)電機(jī)均為三相，所 以直接與 8155（2）的 pa 口再加上 8155（3）的 pa 口相接就可以了，經(jīng)光電耦 合電路，功放電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 第三章 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 3.13.1 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 將 x5132 立式銑床改造成微機(jī)數(shù)控立式銑床，采用 msc51 系列單片機(jī)控制 系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能。 主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 機(jī)動(dòng)范圍：320mm 加工最大長(zhǎng)度：350mm 快進(jìn)速度：縱向 ： 2.4m/min 橫向 ： 2.4m/min 垂

23、向 ： 0.78m/min 切削速度：0.06m/min 定位精度：0.015mm/300mm 移動(dòng)部件重量：縱向 ： 1000kg 橫向 ： 450kg 垂向 ： 1000kg 加速時(shí)間：30ms 機(jī)床效率：0.8 x5132 立式銑床進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力計(jì)算： 3.23.2 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床銑床常用的脈沖當(dāng)量是 0.01-0.005mm/脈沖，取 0.01mm/脈 沖。 3.33.3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的確定橫向進(jìn)給系統(tǒng)的確定 3.3.13.3.1 橫向絲杠的選擇橫向絲杠的選擇 （1）計(jì)算進(jìn)給牽引力 m f 導(dǎo)軌類型為矩形導(dǎo)軌 )8 . 9450 4 . 37902

24、208(15. 013801 . 1)2(gfffkff yzxm =3079.26 n 式中：導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) 0.15 f 移動(dòng)部件重量g （2）計(jì)算最大負(fù)載c 絲杠轉(zhuǎn)速 n =10r/min 0 l 1000 vs n 6 06 . 0 1000 壽命 l l=9 6 10 60tn 6 10 150001060 最大動(dòng)負(fù)載c =n 3 lc mw ff 8 . 768526.30792 . 19 3 （3）滾珠絲杠的初選 初步選擇滾珠絲杠直徑，螺旋升角，導(dǎo)程=6 mm3573r 0 l （4）傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 = = 0.9511 )tan( tan r r )0

25、173tan( 73tan （5）剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠橫截面積f 961.625 mmf 2 2 d 2 2 35 2 在工作負(fù)載的作用下引起導(dǎo)程的變化量 m f 0 ll 0.0933 ml fe lfm 0 625.961 10 20.6 626.3079 4 滾珠絲杠總長(zhǎng)度上的變形量 1 0.0062 mm 1 l l l 0 400 6 100933 . 0 3 變形量0.0187 mm 0062 . 0 33 1 切 一端固定,一端自由的總變形量為 0.0187mm/400mm，滿足定位精度 0.015mm/300mm。 （6）穩(wěn)定性校核 無(wú)需進(jìn)行穩(wěn)定性校核。 （7）滾珠絲杠副螺母的選

26、型 考慮數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)、精度和以上的計(jì)算，查閱thk 精密滾珠絲杠副可 采用 bnf3606-3 型彎管式單螺母滾珠絲杠副，額定動(dòng)載荷為=12.5 kn。 a c 3.3.23.3.2 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 絲杠傳動(dòng)比i i p b l 360 0 01 . 0 360 675 . 0 4 5 步進(jìn)電機(jī)的步距角（初選）0.75 b b 根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)要求，齒輪齒數(shù)取：，。因?yàn)檫M(jìn)給伺服系統(tǒng)傳30 2 z24 1 z 遞的功率不大，一般取模數(shù)12，數(shù)控銑床可取2。mm 表 3-2 橫向傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù) 齒數(shù)分度圓直徑 mzd 齒頂圓直徑 mdda2 齒根圓直徑 mdd f 5 . 2 齒寬中

27、心距 1 z 2448524320 2 z 3060645520 54 3.3.33.3.3 橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選擇橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選擇 (1)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1 z kgcm 34 11 1078 . 0 ldj 2 ，mmbl20mmd48 1 0.828 kgcm 34 1 1028 . 478 . 0 j 2 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2 z kgcm 34 22 1078 . 0 ldj 2 20 mm ，60 mml 2 d = 2.022 kgcm 34 2 102678 . 0 j 2 主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =4.682 kgcm 34 10405 . 378 . 0 s

28、 j 2 折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 22 20 2 2 2 1 1 2 6 . 0 450682 . 4 022 . 2 30 24 828 . 0 ) 2 ( l g g jj z z jj s =7.75 kgcm 2 其中： 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1 j 1 z 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2 j 2 z 主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 s j (2)電動(dòng)力矩的計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 j =+=7.75+4.1=11.85 kgcm jj m j 2 其中：電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,初取為 4.1 kgcm m j 2 主電機(jī)最大轉(zhuǎn)速=400 0 max 1000 l v n k min/r 起動(dòng)加速時(shí)間

29、 30 ms a t 空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩 max m ncm37.16510 103060 4002 85.1110 60 2 2 3 2max max a t n jm 工進(jìn)時(shí)折算到電機(jī)軸上摩擦力矩 f m ncm 78.79 25 . 1 9511 . 0 2 6 . 08 . 9450220815 . 0 22 000 i lgff i lf m z f 由于絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸的附加力矩 0 m ncm67.159 . 01 25 . 1 9511 . 0 2 6 . 026.3097 3 1 )1 ( 2 2 0 2 0 0 0 i lf m p 折算到電機(jī)軸上的負(fù)

30、載力矩 t m ncm 9 . 110 25 . 1 9412 . 0 2 6 . 0 2 0 i lf m t t 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 起 m =165.37 + 79.78 + 15.67=260.82ncm= 2.608nm 起 m 0max mmm f 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 切 m = 79.78 + 15.67 = 95.45 ncm=0.9545 nm 0 mmm f 切 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 切 m =79.78 + 15.67 + 110.9 = 206.35ncm= 2.0635 nm 切 m tf mmm 0 從上面的計(jì)算可以看出，在、三種工況下，快速空載起動(dòng)所 起 m

31、 快 m 切 m 需力矩最大，此項(xiàng)為初選電機(jī)的依據(jù)，從表中查出，步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)， 866 . 0 m/ jmax 起 m 最大靜轉(zhuǎn)矩nm3.012866 . 0 /2.608/ max 切 mm j 按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表（三相）可查出，110bc380d 型最大靜轉(zhuǎn) 矩轉(zhuǎn)矩為 5.5 nm，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。但必須進(jìn)一步考核步 進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 （3）計(jì)算電機(jī)工作頻率 步進(jìn)電機(jī)快速運(yùn)行 hz4000 01 . 0 60 4 . 21000 60 1000 max p q v f 最高工作頻率 hz100 01 . 0 60 06 . 0 1000

32、 60 1000 p s g v f 從電機(jī)表中查出 110bc380d 型步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率為 1400hz，運(yùn)行頻率為 15000hz。 3.43.4 垂向進(jìn)給系統(tǒng)的確定垂向進(jìn)給系統(tǒng)的確定 3.4.13.4.1 垂向絲杠的選擇垂向絲杠的選擇 （1）計(jì)算進(jìn)給牽引力 m f 導(dǎo)軌類型為燕尾導(dǎo)軌 )8 . 91000 4 . 379021380(2 . 022084 . 1)2(gfffkff yzxm =6843.36 n 式中：導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) 0.2 f （2）計(jì)算最大負(fù)載c 絲杠轉(zhuǎn)速 n =10r/min 0 l 1000 vs n 6 06 . 0 1000 壽命 l l=9 6

33、10 60tn 6 10 150001060 最大動(dòng)負(fù)載c =n 3 lc mw ff03.1708136.68432 . 19 3 （3）滾珠絲杠的初選 初步選擇滾珠絲杠直徑，螺旋升角，導(dǎo)程=12 mm60933r 0 l （4）傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 =0.9554 )tan( tan r r )01933tan( 933tan （5）剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠橫截面積f 2826 mmf 2 2 d 2 2 60 2 在工作負(fù)載的作用下引起導(dǎo)程的變化量 m f 0 ll 0.141 ml fe lfm 0 2826 10 20.6 1236.6843 4 滾珠絲杠總長(zhǎng)度上的變形量

34、 1 0.0041 mm 1 l l l 0 350 12 10141 . 0 3 變形量0.0123 mm 0041 . 0 33 1 切 一端固定,一端自由的總變形量為 0.0123mm/350mm，滿足定位精度 0.015mm/300mm。 （6）穩(wěn)定性校核 無(wú)需進(jìn)行穩(wěn)定性校核。 （7）滾珠絲杠副螺母的選型 考慮數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)、精度和以上的計(jì)算，查閱thk 精密滾珠絲杠副可 采用 bnf6312a-5 型彎管式單螺母滾珠絲杠副，額定動(dòng)載荷為=87.4 kn。 a c 3.4.23.4.2 同步帶及帶輪的選擇同步帶及帶輪的選擇 傳動(dòng)比 i=1.25，則齒數(shù)取,20 1 z25 2 z 查慈

35、溪恒力同步帶輪有限公司帶輪得 小輪型號(hào)為 20l，節(jié)徑mm，外徑mm63.60 1 p d88.59 1 e d 大輪型號(hào)為 25l，外徑mm，外徑mm80.75 2 p d04.75 2 e d 同步帶型號(hào)為 382l，節(jié)線長(zhǎng) 971.55mm，齒數(shù) 102 3.4.33.4.3 垂向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選擇垂向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選擇 (1)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1 z kgcm 34 11 1078 . 0 ldj 2 ，mmbl20mmd48 1 0.828 kgcm 34 1 1028 . 478 . 0 j 2 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2 z kgcm 34 22 1078. 0 ldj

36、 2 20 mm ，60 mml 2 d = 2.022 kgcm 34 2 102678 . 0 j 2 圓錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 3 z 34 33 1078 . 0 ldj l=25 mm, 80 mm 3 d =7.99 kgcm 34 3 105 . 2878 . 0 j 2 圓錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 4 z 34 44 1078 . 0 ldj l=50 mm,160 mm 3 d =255.6 kgcm 34 4 1051678 . 0 j 2 主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =35.381 kgcm 34 1035678. 0 s j 2 折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 20 4 2 4 3 32 2 2 1

37、 1 ) 2 ( l g g jj z z jj z z jj s 2 22 ) 2 2 . 1 (1000381.35 6 . 255 2 1 99 . 7 02 . 2 5 4 94 . 4 =63.75 kgcm 2 (2)電動(dòng)力矩的計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 j =+=63.75+4.1=67.85 kgcm jj m j 2 其中：電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,初取為 4.1 kgcm m j 2 主電機(jī)最大轉(zhuǎn)速=65 0 max 1000 l v n k min/r 起動(dòng)加速時(shí)間 30 ms a t 空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩 max m ncm91.15510 10

38、3060 652 75.7110 60 2 2 3 2max max a t n jm 工進(jìn)時(shí)折算到電機(jī)軸上摩擦力矩 f m ncm 88.178 5 . 29554 . 0 2 2 . 18 . 9100013802 . 0 22 000 i lgff i lf m z f 由于絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸的附加力矩 0 m ncm67.349 . 01 5 . 29554 . 0 2 2 . 136.6843 3 1 )1 ( 2 2 0 2 0 0 0 i lf m p 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩 t m ncm64.176 5 . 29554 . 0 2 2 . 12208 2 0 i lf

39、m t t 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 起 m =155.91 + 178.88 + 34.67=369.46ncm= 3.695nm 起 m 0max mmm f 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 切 m = 178.88 + 34.67 = 213.55 ncm=2.1355 nm 0 mmm f 切 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 切 m =178.88 + 34.67 + 176.64 = 390.19ncm= 3.902 nm 切 m tf mmm 0 從上面的計(jì)算可以看出，在、三種工況下，最大切削負(fù)載時(shí)所需 起 m 快 m 切 m 力矩最大，此項(xiàng)為初選電機(jī)的依據(jù)，從表中查出，步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)， 866

40、. 0 m/ jmax 起 m 最大靜轉(zhuǎn)矩nm4.51866 . 0 /3.902/ max 切 mm j 按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表（三相）可查出，110bc380d 型最大靜轉(zhuǎn) 矩轉(zhuǎn)矩為 5.5 nm，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。但必須進(jìn)一步考核步 進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 （3）計(jì)算電機(jī)工作頻率 步進(jìn)電機(jī)快速運(yùn)行 hz1300 01 . 0 60 78 . 0 1000 60 1000 max p q v f 最高工作頻率 hz100 01 . 0 60 06 . 0 1000 60 1000 p s g v f 從電機(jī)表中查出 110bc380d 型步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)

41、頻率為 1400hz，運(yùn)行頻 率為 15000hz。 第四章 控制系統(tǒng)硬件原理及其控制程序編制 4.14.1 主主控制器控制器 4.1.14.1.1 主控制器及其選擇主控制器及其選擇 目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片有 8086，8088，80286，80386 以及 8098，8096 等 16 位機(jī)的 cpu，在一般的數(shù)控系統(tǒng)中推薦采用 mcs51 系列單片 機(jī)作為主控制器。這里選用 mcs51 系列中的 8031 芯片。 4.1.24.1.2 mcsmcs5151 系列單片機(jī)介紹系列單片機(jī)介紹 （1）mcs51 系列單片機(jī)的基本特征 mcs51 系列單片機(jī)主要有三種：8031，8051 和 8

42、751。該系列產(chǎn)品是集 cpu、i/0 口及部分 ram 等為一體的功能很強(qiáng)的控制器，只需增加少量外圍器件 就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)。并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)，編 程靈活性大，硬件資料也很豐富。三種型號(hào)的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有 少許差別，可以說 8031 是沒有 rom 的 8051，而 8751 是 eprom 代替 rom 的 8051。工業(yè)控制中應(yīng)用最多的是 8031。 8031 的基本特征如下： 具有 8 位中央處理單元（cpu） 。 片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路（6mhz 或 12mhz）,每執(zhí)行一條指令時(shí)間為 2s 或 者 1s。 具有 128 字節(jié)的 ram。 具有

43、 21 個(gè)特殊功能寄存器。 可尋址 64kb 的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和 64kb 的外部程序存儲(chǔ)器。 具有四個(gè) i/o 口，32 根 i/o 線。 具有兩個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。 具有 5 個(gè)中斷源，配備兩個(gè)優(yōu)先級(jí) 具有一個(gè)全雙工串行接口 具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算 從上述特性可知:一塊 8031 的功能相當(dāng)于微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 （2）管腳功能分析及特性簡(jiǎn)介 引腳功能分類表： i/o 口線：，共四個(gè) 8 位口。 0 p 1 p 2 p 3 p 控制線：（中斷取指令控制） ，ale（地址鎖存控制） ，（中斷存psenea 儲(chǔ)器選擇） ，reset（復(fù)位控制） 電源及時(shí)鐘：， cc v ss v 1

44、 xatl 2 xatl 應(yīng)用特性： i/o 口線不能都用作用戶 i/o 線，除 8051，8751 外真正可完全為用戶使 用的 i/o 口線，只有口以及部分作為第一功能使用的口。 1 p 3 p i/o 口的驅(qū)動(dòng)功能為：口驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) ttl 門電路，而、只能驅(qū)動(dòng) 4 0 p 2 p 3 p 個(gè) ttl 門電路。 口具有提升電阻的 8 位雙向 i/o 口，該口的每一位均可獨(dú)立的定義為 3 p 第一 i/o 口功能或者第二 i/o 口功能。 時(shí)鐘頻率：外接時(shí)鐘頻率可在 1.212mhz 間選取。 （3）總線結(jié)構(gòu) 地址總線 ab 地址總線寬度為 16 位，故其外部存儲(chǔ)器直接熏之范圍達(dá)到 64kb

45、，16 位地址 總線由口經(jīng)地址鎖存器提供低 8 位，由直接提供。 0 p 8 a 15 a 2 p 數(shù)據(jù)總線 db 數(shù)據(jù)總線寬度為 8 位，由口直接提供。 0 p 控制總線 cb 由口的第二功能狀態(tài)和四根獨(dú)立的控制線 reset，ale，組成。 3 peapsen （4）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 單片機(jī)的存儲(chǔ)器包括程序存儲(chǔ)器（eprom 或 rom）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram） ，它 們是可以選用并可直接尋址的存儲(chǔ)器。 （5）擴(kuò)展芯片 i/o 口擴(kuò)展集成電路中有三種專用 i/o 口擴(kuò)展芯片。i/o 口擴(kuò)展復(fù)合芯片， ttl 電路芯片，在本次設(shè)計(jì)中，除了采用 i/o 口外還能擴(kuò)展其他外圍功能電路， 主要有 8155

46、（28+6 并行 i/o 口，256 個(gè)靜態(tài) ram，一個(gè) 14 位定時(shí)器） ，ttl 電 路芯片，也廣泛用作 mcs-51 單片機(jī) i/o 擴(kuò)展芯片，主要有 74ls373，273，374，244 等。 4.24.2 mcsmcs5151 單片機(jī)的擴(kuò)展單片機(jī)的擴(kuò)展 4.2.14.2.1 程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器 epromeprom 的選擇的選擇 芯片的型號(hào)不同，應(yīng)用參數(shù)也不同，主要有最大讀出速度，工作溫度及容量。 在確定容量?jī)?nèi)選擇 eprom 的型號(hào)，主要考慮因素是讀取速度，這是決定系統(tǒng)能否 正確工作隊(duì)的前提。根據(jù) cpu 與 eprom 的匹配要求，應(yīng)滿足 8031 能提供的讀取 時(shí)間大于

47、eprom 所需要的讀取時(shí)間。 實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮在滿足容量要求的同時(shí)盡可能選擇大容量芯片，以減少 芯片組合數(shù)。 4.2.24.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ramram 的選擇的選擇 選 ram 是主要考慮因素是 ram 的讀寫速度與 cpu 提供的讀寫時(shí)序的匹配要求， 還應(yīng)滿足這樣一個(gè)關(guān)系：即 8031 所能提供的讀寫時(shí)間應(yīng)大于 ram 所需求的讀寫 時(shí)間，常用 ram 主要有 6116 和 6264 兩種。 4.34.3 地址分配及地址分配及接線方法接線方法 4.3.14.3.1 地址分配地址分配 與一般存儲(chǔ)系統(tǒng)不同，8031 所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)其程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 獨(dú)立編址。因此，e

48、prom 和 ram 的地址分配較自由，不必考慮是否發(fā)生沖突。 由于 8031 復(fù)位后從 0000h 單元開始執(zhí)行程序，故程序存儲(chǔ)器地址應(yīng)從 0000h 就開始。在這里只用 eprom，地址為 0000h-1fffh，擴(kuò)展 ram 與 i/o 口及 外圍設(shè)備實(shí)行統(tǒng)一編址。 4.3.24.3.2 epromeprom、ramram 與與 80318031 連接方法連接方法 存儲(chǔ)器與單片機(jī)的連接主要是三總線的連接，應(yīng)考慮單片機(jī)的總線驅(qū)動(dòng)能力 是否夠，若不夠應(yīng)當(dāng)加以驅(qū)動(dòng)，如總線驅(qū)動(dòng)器 74ls244，74ls245 等，根據(jù)單片 機(jī) 8031 的驅(qū)動(dòng)特性，在本次設(shè)計(jì)中，不必加以驅(qū)動(dòng)，下面給出 epr

49、om，ram 與 8031 的具體連接。 （1）地址總線 將與 eprom 的一一對(duì)應(yīng)連接。與 ram 的一 0 a 12 a 0 a 12 a 0 a 12 a 0 a 12 a 一對(duì)應(yīng)連接，其余地址經(jīng)譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)。 （2）數(shù)據(jù)總線 分別與存儲(chǔ)器一一對(duì)應(yīng)連接。 01 p 07 p 0 d 7 d （3）地址總線 將與 eprom 的一一對(duì)應(yīng)連接。與 ram 的一 0 a 12 a 0 a 12 a 0 a 12 a 0 a 12 a 一對(duì)應(yīng)連接，其余地址經(jīng)譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)。 （4）數(shù)據(jù)總線 分別與存儲(chǔ)器一一對(duì)應(yīng)連接。 01 p 07 p 0 d 7 d 4.44.4 接口電路及輔助電路的

50、設(shè)計(jì)接口電路及輔助電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)接口電路包括鍵盤、數(shù)碼顯示器及步進(jìn)電機(jī)接口電路，輔助電路包括 復(fù)位電路及報(bào)警顯示電路。 8031 單片機(jī)的口可以作為 i/o 接口，為管理上述接口電路，還需要擴(kuò)展 1 p 接口電路，現(xiàn)在用 8031 的管理步進(jìn)電機(jī)，用擴(kuò)展接口管理鍵盤和顯示電路。 1 p 4.4.14.4.1 接口電路的設(shè)計(jì)接口電路的設(shè)計(jì) 8155 的內(nèi)部 ram 和 i/o 的選擇由引腳 io/控制，當(dāng) io/=0 時(shí)，cpu 訪mm 問 ram，ram 的低 8 位編制為：00hffh；io/時(shí)，cpu 訪問 io 口，其低m 8 位編址見教材的真值表，8155 的工作方式選擇通過對(duì) 8

51、155 內(nèi)部命令，寄存器 通過設(shè)定控制命令來實(shí)現(xiàn)。8155 具有兩種基本操作，即用 8155 中的 256 字節(jié) ram 及擴(kuò)展 i/o 口使用，作 ram 時(shí)與系統(tǒng) ram 無(wú)區(qū)別；作 i/o 口使用時(shí)，可通過 工作方式以滿足不同需要。 8155 有一個(gè)狀態(tài)寄存器，鎖存 i/o 口和定時(shí)器的當(dāng)前狀態(tài)，使 cpu 查詢用。 狀態(tài)寄存器和命令寄存器共用一個(gè)地址，只能讀入，不能寫入。cpu 讀地址時(shí)， 做狀態(tài)寄存器，讀出時(shí)是當(dāng)前 i/o 口和定時(shí)器的狀態(tài)，而寫時(shí)則作為命令寄存器 寫入命令。 4.4.24.4.2 輔助電路的具體設(shè)計(jì)輔助電路的具體設(shè)計(jì) (1)8031 的時(shí)鐘電路 如圖時(shí)鐘電路圖。單片

52、機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外 部方式。內(nèi)部方式是利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在，引腳上外接定時(shí) 1 xtal 2 xtal 元件。采用外部時(shí)鐘方式，可把直接接地，接外部時(shí)鐘源。 1 xtal 2 xtal 圖 4-1 時(shí)鐘電路圖 (2)復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時(shí)鐘電路工作后，只要在 reset 引腳 上出現(xiàn) 10以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從 0000h 單元開始執(zhí)行程序。單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種。圖 4-2 所示 為電自動(dòng)復(fù)位與按鈕復(fù)位的組合，在上電瞬間電路充電，reset 引腳出現(xiàn)正rc 脈沖，只要電路充電，reset 端保持

53、10以上的高電平，就能使單片機(jī)有效的 復(fù)位。 圖 4-2 復(fù)位電路圖 (3)光電隔離電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁 繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高（幾十伏） ，電流也較大（幾安到幾十 安） ，如果將 i/o 口輸出的信號(hào)直接與功率放大器相聯(lián)，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕 則影響計(jì)算機(jī)程序的正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是 光電耦合器。如圖 4-3 所示。 圖 4-3 光電隔離電路 光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，當(dāng)輸入信號(hào)加到輸入端時(shí)，發(fā) 光二極管導(dǎo)通激發(fā)

54、出紅外光，光敏三極管受光照射后，由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流， 通過輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了以光為媒介的電信號(hào)傳輸。輸入端與輸出端在電氣 上完全隔離。 (4)功率放大器 脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要，必須將其輸出的 信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)選用的步進(jìn) 電機(jī)的容量選擇功率放大器。 (5)鍵盤顯示接口電路 顯示器工作原理 數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有 led 和 lcd，也有采用 crt 接口顯示方式。 這里主要介紹 led 顯示器，它是由八個(gè)發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)， 相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或列線（行線）發(fā)亮，控制不同的二極管導(dǎo)通就能顯示出各種

55、字符， 通常用的是七段顯示器，結(jié)構(gòu)如圖 4-4，與發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起的成為共 陽(yáng)極顯示器，與陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。 顯示器通常采用動(dòng)態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器各個(gè)位，對(duì)于顯 示器來說，每個(gè)一段時(shí)間點(diǎn)亮一次，顯示器的亮度就與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮 時(shí)間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整時(shí)間和電流參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的 顯示。 圖 4-4 七段 led 數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路 鍵盤接口原理 鍵盤是由若干個(gè)鍵盤組成的開關(guān)矩陣，它是最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，如圖 4-5 所示： 圖 4-5 鍵盤工作原理圖 圖中行線通過電阻接+5v 電壓，當(dāng)鍵盤斷開時(shí)，所有行線和列線斷開，行線

56、 都是高電平，當(dāng)鍵盤上某一鍵閉合時(shí)，則該鍵所對(duì)應(yīng)的行線和列線短路， 0 x 3 x 相當(dāng)于控制信號(hào)，例如 7 號(hào)鍵閉合時(shí)，行線和列線短路，此時(shí)的 0 y 5 y 1 x 0 y 1 x 電平由的電平控制，例如把行線接到微機(jī)輸入口讀行線狀態(tài)，若都是 0 y 0 x 3 x 高電平，則這一列沒有閉合，如果讀出的列線不全為高電平，則輸入為低電平 0 y 和相關(guān)的鍵處于閉合狀態(tài)；若無(wú)閉合，接著使為低電平，其余列線為高電平， 0 y 1 y 檢查這一列上是否有鍵閉合，這種逐行逐列的檢查鍵盤的過程稱為對(duì)鍵盤的一 1 y 次掃描。 4.54.5 控制控制系統(tǒng)程序編譯系統(tǒng)程序編譯 4.5.14.5.1 直線插

57、補(bǔ)程序直線插補(bǔ)程序 表 4-1 地址對(duì)應(yīng)的特殊內(nèi)容 內(nèi)存單元地址存放內(nèi)容 28h終點(diǎn)坐標(biāo)值 xe 29h終點(diǎn)坐標(biāo)值 ye 2ah插補(bǔ)值 x 2bh插補(bǔ)值 y 2ch偏差值 f 70h控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的控制字 org 2300h main：mov sp，#60h ； 主程序開始 mov r0，#1ff9h ；置 8155a 口輸出 mov a， #80h movx r0，a lcall dsup ；裝代碼子程序 mov r5, #11h mov r6, #21h lor4：mov 28h，#0c8h ； xe mov 29h，#0c8h ； ye mov 2ah，#00h ； x mov 2bh

58、，#00h ； y mov 2eh，#00h ； f mov 70h，#0ah lop3：mov a，2eh jb acc.7，lop1 mov a，70h setb acc.0 clr acc.2 mov 70h，a ；0b+x lcall hxfpq ； 調(diào)環(huán)行分配器子程序， x 方向走一步 mov a，2eh subb a，29h ； f-ye inc 2ah ； x+1 ajmp lop2 lop1：mov a，70h setb acc.2 clr acc.0 mov 70h，a ； of+y lcall hxfpq ； y 方向走一步 mov a，2eh add a，28h ； f+

59、xe inc 2bh ； y+1 lop2：mov 2eh，a mov a，28h cjne a，2ah，lop3； xe=x？ mov a，29h cjne a，2bh，lop3； ye=y？ st ： mov r0，#1ff9h ； 關(guān) 8155 mov a，#00h movx r0，a ljmp 0000h 4.5.24.5.2 圓弧插補(bǔ)程序圓弧插補(bǔ)程序 xl equ 18h xh equ 19h yl equ 28h yh equ 29h xel equ 1ah xeh equ 1bh yel equ 2ah yeh equ 2bh fl equ 2ch fh equ 2dh org

60、2400h main： mov sp，#60h mov r0，#1ff9h mov a，#80h movx r0，a lcall dsup ； 調(diào)裝碼子程序 mov r5，#11h mov r6，#21h mov 70h，#08h mov xl，#80h ； xl mov xh，#0ch ； xh mov yel，#80h ； yel mov yeh，#0ch ； yeh mov xeh，#00h ； xeh mov xel，#00h ； xel mov yl，#00h ； yl mov yh，#00h ； yh mov fl，#00h ； fl mov fh，#00h ； fh mov 1c