课程设计-数控测量机设计【2013年最新整理毕业论文】

目 录 第 一章 总体方案的拟定 1 第一节 概述 1 第二节 总体方案的确定 1 第二 章 机械传动系统设计 3 第三 章 微机数控系统硬件电路设计 10 第一节 数控系统硬件电路设计内容 10 第二节 I/O 接口电路 12 第三节 所用芯片接线引脚介 13 第四节 辅助电路的设计 17 第 四 章 微机控制软件 22 第一节 概述 22 第二节 控制软件组成及功能 22 第三节 系统 直线插补 软件设计 : 23 致谢 27 参考文献 27 第一章 总体方案的拟定 第一节 概述 数控技术是一种自动控制技术，它能够对机器的运动和动作进行控制。采用数控技术的控制系统称为数控系统。装备了数控系统的机床称为数控机床。数控机床由程序载体、输入装置、 CNC 装置、伺服系统和机床的机械部件构成。以数控技术为基础，促进了机械制造业向着更高层次发展，使机械制造水平得到很大的提高。对我们的现代的经济建设有很大的推动作用。 第二节 总体方案的确定 对任务书进行分析，数控测量机需有两个运动单元，一个是 Z直线运动单元，另一个是 C回转运动单元。功能：实现对工件轴剖面和径剖面的测量。设计思路：Z轴电动机经减速器带动丝杠转动，使螺母带动托板在滚动导轨上直线移动，丝杠直径取 D=20mm； C轴电动机经减速器带动三爪卡盘转动，从而带动工件转动。 一、机械传送部件的选择 1.导轨副的选用 要设计的数控测量机 Z 轴直线运动单元需要承载的载荷不大，但运动分辨率高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 2.丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足 Z 向运动分辨率优于 0.01mm，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠螺母副才能达到。滚珠丝杠螺母副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。 3.伺服电动机的选用 任务书要求的 Z 轴的运动分辨率优于 0.01mm，所以本次设计脉冲胆量选为0.01，尚未达到 0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度为5000mm/min。因此， Z 轴不必采用高档次的伺服电动机，可以选用步进电动机。C 轴运 动分辨率优于 0.1 ，最大旋转速度为 100r/min，也选用步进电机。 4.减速装置的选用 Z 轴选择了电动机和滚珠丝杠螺母副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此，本设计决定采用无间隙齿轮传动减速箱。 C 轴决定选用谐波减速器，谐波减速器具有以下优点： (1)结构简单，体积小，重量轻，传动效率高。 (2)传动范围大。 (3)同时啮合的齿数多，运动精度高，承载能力大。(4)运动平稳，无冲击，噪声小。 (5)齿侧间隙可以调整。 5.检查装置的的选用 选用步进电机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高了，为了确保电动机在运转过程中不受电网和其他外部因素的影响而失步，决定采用全闭环控制，而且测量机上用光栅尺来测量工件的轴向尺寸，若再用光栅尺作为闭环用的检查装置，更能起到一举两用的效果，使有效资源得到充分的利用。光栅的分辨率应与测量的分辨率相匹配。 6.测量装置的选用 本次设计的测量机用来实现对工件的轴剖面和径剖面的测量，分别采用直线光栅和光幕式传感器。 二、控制系统的设计 1.设计的 数控测量机，其控制系统应具有定位和速度控制的基本功能，但无需有插补。所以点位 /直线控制系统即可。 2对于步进电机的闭环控制，选用 MCS-51 系列的 8 位单片机 80C31 作为控制系统的 CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。 MCS-51 系列单片机具有集成度高。可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性价比高等特点。 3.要设计一台完整的控制系统，在选择 CPU 之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘及显示器、 I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器 采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 第二章 机械传动系统设计 一、导轨上移动部件的重量估计 导轨上承载的部件包括连接板和光幕式传感器、螺母座，重量约为 20N。 二、直线滚动导轨副的计算与选型 1. 滑块承受的工作载荷 F的计算及型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的连接板水平布置，采用双导轨、两滑块的支承形式。由于垂直方向承载的载荷为： F=G/2 其中，移动部件重量 G=20N,得 F=10N,选取直线滚动导轨副的型号为 ZL 系列的 JSA-LG15 型，已能远远满足要求。 由于设计的在、 Z 向的行程范围为 350mm，选连接板的尺寸为 65mm140mm，按标准系列，选取导轨的长度为 460mm。 2距离额定寿命 L 的计算 上述选取的 ZL 系列 JSA-LG15 型导轨副的滚道硬度为 60HRC，工作温度不超过 100，每根导轨上配有 1个滑块，精度为 4级，工作速度较低，载荷不大。硬度系数 =1.0、温度系数 =1.00、接触系数 =1、精度系数 =0.9、载荷系数 =1.5,得距离寿命： L=504740940800km 远大于期望值 50km，故距离额定寿命满足要求。 三、滚珠丝杠螺母副的计算与选型 1从静止加速到最大移动速度承受的载荷的计算 本设计的最大移动速度为 5000mm/min，初选电机加速时间为 300ms，设加速为匀加速。由此可计算出加速度： a=0.277m/。 丝杠所带动的移动部件包括滑块、连接板和光幕式传感器、螺母座、螺母、滚珠的重量总和约为 30N。 =ma=30.277=0.831N 滚动导轨上的摩擦因数 =0.005。得移动克服的摩擦力为： =G =300.005=0.15N =+1N 2初选型号 根据计算出的加速载荷，选择济宁博特精密 丝杠制造有限公司生产的 G 系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为 20mm，导程为 5mm，循环滚珠为 3 圈 1列，精度等级取 2级，额定动负载为 9309N，远大于 ,满足要求。 3传动效率 的计算 将公称直径 =20mm，导程 =5mm，代入 =arctan/( ) ，得丝杠螺旋升角 =4 33。将摩擦角 =10，代入 =tan / tan( + ),得传动效率 =96.4。 4刚度的验算 （ 1）丝杠的支承采用“单推 -单推”的方式，丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为 450mm；钢的弹性模量 E=2.1MPa；查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3-31，得滚珠直径 =3.175mm，丝杠底径 =16.2mm，丝杠截面积 S= /4=206.12。 丝杠在加速载荷作用下产生的拉 /压变形量 =a/(ES)= 0.00001155mm。 （ 2）根据公式 Z= /-3,求得单圈滚珠数 Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数 列数为 31，代入公式： =Z圈数 列数，得滚珠 总数量 =60。丝杠预紧时，取轴向预紧力 =/3=0.33N。则由式 =0.0013=0.00003863mm。 （ 3）将以上算出的和代入 =+，求得丝杠总变形量 0.00005018mm=0.05018m。 本设计中丝杠的有效行程为 350mm，由 机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-27 知， 2级精度滚珠丝杠有效行程在 315-400mm 时，行程偏差允许达到 25 m，丝杠刚度远远满足。 6压杆稳定性校核 由于丝杠受到的轴向力很小，这里无需校核。 四、确定齿轮减速箱 已选定 Z 轴脉冲当量为 =0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的导程 =5mm，初选步进电动机的步距角 =1.5。传动比 i为： i=（ ） /(360)= （ 1.5 5） /(3600.01)=25/12 在传动系统中应加一级齿轮降速传动，选 =24,=50 因传递的扭矩较小，取模数 m=1mm,为了消除齿轮侧隙，这里采用双片齿轮，这样齿宽b 应为 （ 6 10） m，选小齿轮为 8m，大齿轮为双片弹簧齿轮，都为 4m。齿轮的有关尺寸如右表。 C 轴要求 运动分辨率优于 0.1 ，最大旋转速度为 400r/min，由于分辨率较高，所以决定采用谐波减速器。 所需谐波减速器应输出的力矩为： ,为谐波减速器总输出惯量， 为谐波减速器输出的最大角加速度， 工件的最大转动惯量为 =0.78L=0.7835=17.0625kg 卡盘的最大转动惯量为 =0.78L=0.785=39 kg 法兰的最大转动惯量为 =0.78L=0.781=7.8 kg =+=63.8625 kg =34.91rad/ =0.2229N m 由于 C 轴起动用的是恒转矩起动，选择谐波减速器的原则是按照最高转速选用机型。输出轴最大转速要求为 100r/min。所以决定采用北京谐波传动技术研究所生产的谐波减速器 XB1 系列 40机型，减速比用 48 的。与之相关参数请查看去上述研究所网站。 关系式 Z（个） 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 机 型 d1 d2 D D1 D2 L L2 L3 L4 L6 H H1 C 出 轴 L3 向 下 L 出 轴 L4 向 上 L 电 机 D3 直 联 L7 40 15 M5 80 50 66 123 22 38 62 1 (65) (65) 5x18 按电机型号确定 机型 减 速 比 u 输入转速 3000 rpm 输入转速 1500 rpm 输入转速 1000 rpm 输出 力矩 T2 N.m 输出 转速 n2 rpm 额定输 入功率 p kW 输出 力矩 T2 N.m 输出 转速 n2 rpm 额定输 入功率 p kW 输出 力矩 T2 N.m 输出 转速 n2 rpm 额定输 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、 步进电动机的计算与选型 1 先确定 Z 轴有用步进电动机。 （ 1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径 =20mm，总长 450mm，导程 =5mm，材料密度 =7.85kg/；移动部件总重力 G=30N；小齿轮宽度 =8mm，直径 =24mm；大齿轮宽度 =8mm，机型 空载静态启动力矩 (gfcm) 飞轮矩 GD2 (kgfm2) 转动惯量 I (kgm2) XB1-40 60 200 2.3510 -5 0.5910 -5 直径 =50mm；传动比 i=25/12。 滚珠丝杠的转动惯量为： 查综合作业指导书表 3-25，得 =0.84 0.45 kg =0.378 kg 移动部件折算到丝杠上的转动惯量为： =可查综合作业指导书表 3-26 得出 =6.45 0.003 kg =0.01935kg 、 齿轮、的转动惯量 (kg ) 对于钢材 J=0.78L 式中 D 圆柱体直径 L 圆柱体长度 =0.78 =0.78 kg =0.021kg =0.78 =0.78 kg =0.39 kg 初选步进电动机型号为 55BF003，为三相反应式，由常州宝马集团公司生产，三相六拍驱动时步距角为 1.5，从 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 4-5查得该型号电动机转子的转动惯量 =0.06kg 。 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： =+(+)+=0.06+0.021+(0.39+)+0.01935=0.06+ 0.20240544=0.26240544 kg （ 2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩为： =+ 为启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 为移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 为由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩（可以忽略） = = = = 式中 电机最大角加速度（ rad/）； 电机最大转速（ r/min） ； 运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间（ s） 。令起动加速时间 =300ms 其他符号和前面意义相同，代入数据 = = =2083.33r/min =0.74 N cm =5.38N cm = =G 式中 导轨的摩擦力（ N） ； G 运动部件的总重量（ N） ； 导轨摩擦系数；取 0.005 i 齿轮降速比； 传动链总效率，在此取 0.8。 =G=0.005 30=0.15N =0.0072N cm =+=5.38+0.00725.39N cm （ 3）步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数 K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 4=45.39 N cm= 21.56 N cm 上述初选的步进电动机型号为 55BF003，由 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 4-5查得该型号电动机的最大静转矩 =66 N cm。可见，满足要求。 （ 4）步进电动机的性能校核 任务书给定最大移动速度 v=5000mm/min，脉冲当量 =0.01mm/脉冲，电机对应的运行频率为 =5000/(600.01)Hz= 8333.33Hz。从 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 4-3、表 4-7 和 55BF003 电动机的运行矩频特性曲线图可以看出， 55BF003 电动机的空载运行频率可达 18000Hz，可见没有超过这个界限。在此频率下，电动机的输出转矩 9 N cm，大于快速起动时的负载转矩，满足要求。 已知电动机转轴上的总转动惯量 =0.26240544 kg，电动机转子自身的转动惯量 =0.06kg ，查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 4-5 可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率 =1800Hz。则由式（ 4-17）可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为： =777Hz 上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于 777Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得很低，通常只有 100Hz。 综上所述， 55BF003 步进电动机，可以满足设计要求。 技术参数： 型号 相数 步距角 (DEG.) 电压 (V) 电流 (A) 保持转矩 N.m( kg.cm) 空载启动频率(HZ) 运行频率 (HZ) 接线图 备注 55BF003 3 1.5/3 27 3 0.666(7) 1800 1 可供双轴伸 外形安装尺寸： 型号 D D1 h d E L d2 MS 备注 55BF003 55 32 0 -0.017 2.5 6 -0.01 -0.022 20.5 70 40 4-M3 为了节省成本，配件应尽量选择一样，因此 C轴电机初选 55BF003 步进电动机，（见综合作业指导书表 3-23）采用三相双三拍驱动，步距角为 3 ,由于谐波减速器的减速比为 48，所以输出轴的分辨率为 0.0625，优于 0.1，满足要求。 C轴的转速要求为 100r/min。所以所需电机电机的运行频率为 (100360)/(600.0625)= 9600Hz，小于 55BF003 步进电动机电动机的空载运行频率。满足要求。 由所选的谐波减速器的相关参数可看出即使步进电机直接由最高转速起动，谐波减速器输出的转矩也能满足要求 。但为了避免有冲击，还是采用低速起动高速运行的方法。 五、直线光栅尺的选用 本设计所选 Z相步进电动机采用全闭环控制，可在导轨上固定标尺光栅，导轨块上固定光栅读数头，用以检测光幕式传感器的行程和移动速度。光栅尺的分辨力应与 Z 轴脉冲当量相匹配。由 Z 轴脉冲当量 =0.01mm/脉冲和需要测量的行程为 350mm。考虑到光栅输出的 A、 B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，和为了降低成本。因此，光栅的栅距选 0.04mm。这样控制系统每发一个步进脉冲，丝杠每产生一个脉冲当量，光栅对应输出一个脉冲信号。 本设计选择 长春光机数显技术有限责任公司生产的 SGC6T435025 型号直线光栅：电压 5V、方波输出、有效行程 350mm、栅距 25 线 /mm、精度为 10 m的直线光栅。采用 YC-18-7，七芯插头。 六、光幕式传感器的选用 由于需要检查的工件最大直径为 50mm，所以选择的光幕式传感器的发射器和接收器的距离应大于 50mm，又考虑到工件装载方便，需留出余量，所以使发射器和接收器的距离为 100mm，根据已知条件，决定采用沃尔士环控系统工程（深圳）有限公司出售的由德国生产的 德国 SI 光幕式红外光传感器 FLB 系列 FLB-F2，详细信息： 详细介绍： 尺寸：各种供选（ 38mm300mm ） 发射器和接收器的最大距离： 300mm 滤光器 : 冷光反射器 工作电压： +12VDC+32VDC 工作温度： -20C . +60C 在 Windows上可调整的参数：开关指示 (亮 /暗 )调整 、激光功率调整、开关延时调整、信号平均值、公差值范围设置、参考值范围设置 输出： 模拟量 : 0 . +10V 数字量 :NPN,PNP 开关频率： 1kHz 开关指示：橙色 LED 材料：铝 (电镀蓝色 ) 保护等级： IP67 由此可知满足本设计要求。 第三章 微机数控系统硬件电路设计 第一节 单片机数控系统硬件电路设计内容 一、 绘制系统电气控制的结构框图 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。 （ 1）数控系统的组成 数控系统是由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础 ，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。 （ 2）机床的硬件电路有以下五部分组成 : 1、 主控制器 即中央处理单元（ CPU）； 2、 总线 包括数据总线 (DB)，地址总线 (AB)和控制总线 (CB)； 3、 存储器 包括程序存储器和数据存储器； 4、 接口 即 I/O 输入 /输出接口电路； 5、 外围设备 如键盘、显示器及光电输入机等。 绘制机床数控系统硬件框图 图 4-1 机床数控系统硬件框图（开环系统） 目前在经济型数控机床中，推荐采用 MCS-51系列单片机作为主控制器。由于其具有集成度高、可靠性好、功能强、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，经过分析本次任务要求，决定采用 MCS-51系列的 8031单片机扩展系统。由于 8031内部无程序存储器，且只有地址为 007FH这 128个单元作为片内 RAM供用户使用。由于本次任务要求： 微机部分扩展 16k 8位程序存储器， 16k 8位数据存储器；人机交互部分的输入接口采用 4行 8列的行列式键盘，输出接口采用 8位 8段 LED数码管； 2个行程限位信号（ Z向直线运动单元）、工作方式 （手动、自动、编辑等）及报警指示等采用开关量信号输入；电机控制部分采用软环分和高低压驱动，控制机床的两个运动单元，所以， RAM、 ROM、 I/O接口均需扩展。 决定扩展两片 2764、两片 6264、一片 8279、一片 8255。 1、 不同型号的 EPROM 工作速度有差别，一般为 200450ns,选择时应注意是否系统的时序要求。即 8031 所提供的读取时间应大于 EPROM 的工作时间。 8031访问 EPROM 时，其所能提供的读取时间 t 与所选的晶体时钟有关，大约为 3T，其中的 T 为时钟周期，本次设计系统选用晶体频率为 6MHz，则 t 480ns 故凡工作速度小于 480ns 的 芯片在时序上均满足要求，所以 2764 满足要求。 2、 常用的静态 RAM 芯片有 6116、 6264、 62256 等， 6264 采用 CMOS 工艺，有 +5V 供电，典型存取时间为 150200ns。所以 6264 满足要求，采用 28 引脚双列直插式扁平封装。 由于单片机 8031 芯片的 P0口分时传送低 8 位地址线和数据线， P2 口传送高8 位地址，所以采用 74LS 373 地址锁存器，锁存低 8 位地址。单片机的 P2口用作高位地址线和片选地址线，由于 P2口具有锁存功能，故不必外加地址锁存器。 2764 和 6264 芯片均具有 8KB，需要 13 根地址线。 A0 A7 低 8位相应接 74LS 373 的输出 1Q8Q， A8 A12 相应接 8031 芯片的 P2.0 P2.4 。 由于扩展了 两片 2764、两片 6264、一片 8279、一片 8255，所以 系统采用全地址译码，两片 2764 芯片片选信号 CS 对应接 74LS138 译码器的 0和 1。 两片 6264 芯片的片选信号 CS 对应接 74LS138 的 2和 3，单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即允许地址重叠）， 8031 芯片控制信号PSEN 接 2764的 OE 引脚，读写控制信号 RD 和 WR 分别接 6264芯片的 OE 和 WE 。由于 8031 芯片内部没有 ROM，只能用外部程序存储器，所以 EA 必须接地。 二、 ROM、 RAM、 I/O 接口芯片地址分配 器件 地址选择线 片内地址单元 /字节 地址编辑 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、软环分 课程设计任务书要求采用软环分，又因为两运动单元都选用了 55BF003 步进电动机，并且 Z 轴采用三相六拍的控制方式， C 轴采用三相双三拍的控制方式。所以选用了 8255 的 PA0PA2分别对应 Z 轴步进电动机的 A、 B、 C 三相绕组，确定A-AB-B-BC-C-CA-A为电动机正转 ； PA3PA5分别对应 C 轴步进电机的 A、 B、 C 三相绕组 ,并确定 AB-BC-CA-AB 为电动机正转。 第二节 I/O接口电路 一、 I/O 接口电路的扩展 由于 8031 只有 P1口和 P3口部分能提供用户作为 I/O 口使用，不能满足输入输出口的要求，因此系统扩展了一片 8279和一片 8255可编程 I/O接口芯片。 8279的片选信号 CS 接 74LS138 的 4端。 8255 的片选信号 CS 接 74LS138 的 5端。74LS138 有三个输入 A、 B、 C分别接到 8031 的 P5.2、 P6.2、 P7.2,输出0Y7Y8个输出，低电平有效。 8279 与键盘、显示器的连接：键盘的行线 接 8279 的 RL0 RL3 ，本次设计8279 采用外部译码方式， SL0 SL2 经 74LS138（ 1）译码器输出0Y7Y，作为按键盘的列线， SL0 SL2 又由 74LS138(2)译码器输出 0Y 7Y，经驱动后输出到显示器各位的共阴极，输出线 OUTB30、 OUTA30作为 8 位段数据输出口， BD 控制 74LS138(2)的译码，当位切换时， BD 输出低电平，使 74LS138(2)输出全为高电平，当键盘上出现有效的闭合健时，键输入数据自动的进入 8279的 FIFORAM，并向 8031 请求中断， 8031 响应中断，读取 FIFORAM 中的输入键值更新显示器输出，仅需改变 8279 种显示缓冲器 RAM 中的内容。 8255 的 PA口用于控制 Z向 ,C向的步进电机的运转。根据任务书要求采用软环分，于是 PB口和 PC口主要用于功能键的控制。 第三节 所用芯片接线引脚介绍 一、 8031 单片机芯片的介绍 8031 芯片具有 40根引脚按其功能分为四类 1.电源线 2 根 （ VCC ,VSS ） 2.晶体振荡器 2 根 XTAL1 :振荡器的反相放大器输入，使用外部振荡器时必须接地。 XTAL2 :当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号 3.I/O 口 共用 P0,P1 ,P2 ,P3四个八位口， 32 根地址线，其功能如下： （ 1） P0.0 P7.0：分时用作低 8 位地址线和 8位数据线。 （ 2） P0.1 P7.1：供用户使用。 （ 3） P0.2 P7.2：它作为高 8位地址线 （ 4） P0.3 P7.3 ：该口的每一位均可独立的定义为第一 I/O 口或第二 I/O 口功能 作为第一功能实用时，口结构与操作与 P1 口完全相同。 第二功能如下所示： RD ：外部数据存储器读选通 WR ：外部数据存储器写选通 T0,T1:定时器 0， 1外部输入 0INT、1INT：外部中断 RxD:串行输入口 TxD:串行输出口 4.控制线 （ 1） PSEN ：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选通信号； （ 2） EA ： EA 为高电平时， CPU 执行内部程序存储器的指令； EA 为低电平时， CPU 仅执行外部程序存储器的指令， 8031 的 EA 端口必须接地； （ 3） ALE： ALE 是地址锁存器的使能信号， ALE 信号锁存低 8位地址 （ 4） RST/VPD：是复位 /备用电源端 二、 2764 ROM 芯片的介绍 2764 芯片为 28 脚双列直插式扁平封装芯片，其管脚的功能介绍如下： CS ：片选端； OE ：输出使能端 ； A0 A12 ：地址端接口； D00 D07：数据端接口； PGM ：编程控制端； VPP ：编程电源端； Vdd：电源端； VSS：接地。 三、 6264 RAM 芯片的介绍 6264 芯片也为 28脚双列直插式扁平封装芯片，其管脚功能介绍： Vdd：电源端； VSS：接地。 1CS：片选端 1； CS2：片选端 2； OE ：读输入选通端 ； WE ：写输入选通端 ； A0 A12：地址线 ； I/O0 I/O7： I/O 口。 四、地址锁存器 74LS373 和地址译码器 74LS138 的引脚图 五、专用键盘显示器接口芯片 8279 8279 是通用可编程键盘和显示器 I/O 接口部件。利用 8279，可实现对键盘 /显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合健的键号，不仅可以大大节省 CPU 对键盘显示器的操作时间，从而减轻 CPU 的负担，而且显示稳定。程序简单，不会出现误动作，由于这些优点， 8279 芯片被日益广泛地应用， 其引脚功能如下： （ 1） I/O 控制器与数据缓冲器 利用 CS 、 A0和 RD 、 WR 信号去控制各种内部寄存器读写， A0=1，表示传送的是命令或状态信息， A0=0 时数 据信息。 DB0 DB7与 CPU 数据总线相连。 CS 为片选信号， CS 为低电平时， CPU 才选中 8279 进行读写。 （ 2） IRQ 为中断请求输出线，高电平有效。 （ 3） RL0 RL7 为反馈输入线，作为键输入线由内部拉高电阻拉成高电平，也可由按键拉成低电平。 （ 4） SHIFT、 CNTL/STB 为控制键输入线，由内部拉高电阻拉成高电平。 （ 5） SL0 SL7 为扫描输出线，用于对键盘显示器扫描。 （ 6） OUTB 30 ,OUTA 30 为显示段数据输出线。 （ 7） BD 为消隐输出线，低电平有效，当显示器切换时，或使用显示消隐命令时，将显示消隐。 （ 8） RESET 为复位输入线，高电平有效。 六、 8255 可编程接口芯片： 8255 具有 3 个 8位的并行 I/O 口，分别为 PA口、 PB 口和 PC口，它们都可以通过软件编程来改变 I/O 口的工作方式，其功能如下： CS ：片选端； PA0 PA7 :A口； PB0 PB7 :B口； PC0 PC7 :C口 A0 ,A1 :地址线； RD ：读信号； WR : 写信号； D0 D7:数据线 RESET:复位信号； GND:地。 第四节 辅助电路的设计 一、 辅助电路的介绍 微机数控系统除了各种主要功能芯片外，还必须包括一些其他必要的辅助电路。这些辅助电路有：键盘显示器电路，步进电机控制电路，时钟电路，复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等。各种电路介绍如下： 1.键盘显示器接口电路 数控系统中使用的显示器主要有： LED 显示器， LCD 和 CRT 显示器。本设计采用 LED 显示器，通常它是由八个发光二极管组成的，具有共阴极和共阳极两种结构，本次设计采用共阴极结构具体结构如图所示： 键盘是由若干按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，其工作原理如图所示： 2.步进电机控制电路 步进电机控制电路如下列框图所示： 步进电机控制电路框图 现分别介绍如下： （ 1）脉冲分配器（环形分配器） 环形分配器有硬件和软件两种，硬件环形分配器需要的 I/O 口接线少，其执行速度快，但需要专有的芯片。软环形分配器实用程序实现的。本设计中要求使用软环分配器。其具体程序内容见下部分。 （ 2）光电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流也较大。如果将 I/O 口输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机的程序正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般要在接口电路与功率放大器间加上隔离电路，实现电气隔离。电路图如图所示： 光电隔离电路图 该图为同向输出电路，控制信号经 74LS05 集电极开路门反相后驱动光耦合器的输入发光二极管。当控制信号为低电平时， 74LS05 不吸收电路，发光二极管不导通，从而输出的光 敏晶体管截至，输入电压为零电平。反之输出电压为高电平。 （ 3）功率放大电路 脉冲分配器的输出功率很小，远不满足步进电机的要求，必须将它放大，已产生足够大的功率驱动步进电机正常运转，本次设计所选用的是一种高低压供电电路。其具体电路图如图所示。 高低压驱动电路图 其工作原理： 电路中各晶体管均处在开关状态，当控制脉冲到来时， V、 V、 V均导通，同时脉冲变压器的二次侧产生一定宽度的脉冲电流，使 V出于导通状态，使二极管处于负偏置而截止，将电动机绕组 L与电源 En 断开，高压电源通过V2、 V1 为步进电机绕组 L供电，使其电流上升沿变陡，通过 b 时间后，脉冲电流消失，使 V2处于截至状态，切断高压电源 EH 与电动机绕组 LA 的回路，En 通过 VD2, V1 为电动机供电，提供电动机所需的额定电流。 3.8031 的时钟电路 单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，本次设计采用内部方式，如图所示。晶体可在 1.2 12MHz 之间任选，耦合电容在 5 30PF 之间，对时钟有微调作用。 时钟电路图 4.复位电路 单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后， 只要在 RESET 引脚上出现 10ms 以上的高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从 0000H 单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。下图中为上电与按钮复位组合。在上电瞬间， RC 电路充电， RESET 引脚端出现正脉冲，只要RESET 端保持 10ms 以上高电平，就能使单片机有效复位。 复位电路图 5.越界报警电路 为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。本次设计采用中断方式，利用 8031 的外部中断 0INT ，只要有任一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生中断信号 0INT ，为了报警，设置红绿灯指示，正常工作时绿灯亮，当越界报警是红灯亮。两灯均由一个 I/O 口输出。 （ a）为报警信号的产生。 (b)为报警指示。 6.掉电保护电路 掉电保护电路，保护一些重要的现场参数，如几何尺寸，工艺参数，再掉电后仍能妥善保存，恢复供电后又能马上运行。 掉电保护电路图 图中 Va 为电源电压， Vb为备用电池电压并且 Va Vb， VCC为存储器 RAM 电源端，正常 通电时，二极管 VD2导通， VD1截止，电压由 Va 提供，同时 Va 还通过电阻 R 对电池充电。断电后， VD2截止， VD1导通，此时 RAM 的工作电压由电池 Vb经二极管 VD1和电阻提供。 第四章 微机控制软件 第一节 概述 机床数控系统是由硬件和软件两大部分组成，只有软件和硬件相结合时才能实现数控机床控制系统的功能。本章主要是对控制软件做一下简要介绍，其次按设计要求完成一项环形分配器流程框图的绘制以及其源程序的编写。 第二节 控制软件组成及功能 一、典型的计算机数控系统控制软件的组成形式如下图中所示： 二、数控系统控制软件的功能介绍如下： （一）系统总控程序 这是计算机数控系统的主循环程序，系统上电后便进入这部分程序运行，它主要完成以下工作： 1:系统的初始化； 2：命令处理循环 （二）零件加工程序的输入和输出管理 零件加工程序的输入有两种方法： 1：通过光电阅读机输入。 2：从键盘输入。零件程序存储器一般容量较大，可以存放多个零件加工程序。数控系统采用的零件加工方式是存储器工作方式，系统从零件存储器中逐段取出程序送入程序缓冲器。然后对程序缓冲器中程序段数据预处理，形成可供插补运算的数据。 （三）零件加工程序的编辑 编辑程序也可以看作键盘命令处理程序，既可以用来从键盘输入新的零件加工程序，也可以用来对已经存储在零件程序存储器中的零件加工程序进行编辑和修改。常用的编辑功能包括插入、删除、查找、移动等。 （四）机床手动调整控制 机床手动调整动作包括：各坐标轴的运动、主轴运动、刀架转位、冷却液的开停等。 在手动调整状态下，除了控制机床的动作外，还要对系统的参数进行修改设置。由上述内容可看出，手动调整的控制程序是一个对操作面板和键盘输入命令进行扫描的循环。它不断地读取操作面板和键盘的输入信息。分析识别 输入的命令进形相应的处理。 （五）零件加工程序的解释和执行 零件加工程序的解释与执行是完成零件加工任务的基本模块，用来根据零件加工 程序实现零件的轨迹加工，一个加工程序段的解释执行，包括取得程序段，程序译码，完成程序段中指定的 G、 M、 S、 T 功能。对轨迹加工类程序段进行数据预处理，插补计算，伺服控制等步骤。 （六）插补计算 插补程序是根据插补数学模型而编制的一种运算处理程序，它的作用是决定在所要求的进给长度上数控机床各坐标轴的运动规律，机床运动部件的每一次进给都需要执行一次插补程序。插补的频率是由程序所要求的 进给速度所决定的。进给越快，插补频率越高。 （七）伺服控制 伺服控制程序是根据插补程序的结果，经适当计算直接输出去控制执行元件的动作。对于开环的步进电机的控制，主要完成脉冲分配和步进电动机的加减速控制。和插补计算一样，伺服控制也是由定时中断引起的，也常常作为定时中断服务程序的一部分出现或由定时中断服务程序调用 （八）系统自检 该程序检测计算机数控系统各个硬件部件功能的正确性。只是可能存在的故障的位置与性质。这样可以提高系统的可靠性。 第三节 系统直线插补软件设计 一、直线插补 （一）第一象限插补轨迹如图 所示： （二）、插补程序 1.直线插补的程序框图如下： （0? 2.插补程序 此程序根据经济性数控车