数控车床XY轴工作台和自动控制系统设计

1、目录第一章 前言3 第二章课程设计的目的、意义及要求 4第一节课程设计的目的、意义4第二节课程设计的要求4 -第三章课程设计的内容5-第一节课程设计题目5 -第二节课程设计的内容5-第四章数控系统总体方案的确定 6第五章机械部分设计8第一节确定系统脉冲当量8-第二节工作台外形尺寸及重量初步估算 8-第三节滚动导轨副的计算、选择9第四节滚珠丝杠计算、选择10第五节齿轮计算、设计13第六节步进电机惯性负载的计算14第七节步进电机的计算选择15第六章机床数控系统硬件电路设计18第一节设计内容18第二节设计步骤18第三节机床数控系统硬件电路设计23第七章系统控制软件设计2427第八章 致谢第九章 参考

2、文献第一章 前言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透。在机械工程领域， 由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工程工业的渗透，从而使机械工业的 技术结构、产品、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大的变化，工业生产已由“机 械电气化”迈出了“机电一体化”时代的发展阶段。机电一体化是指从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、 计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、信息变换技术以及软件编程技术 等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、 高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能的价值，并使整个

3、系统最优化的系统工 程技术。由此而产生的功能系统则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。一个较完整的机电一体化系统应该包括以下几个要素：机械本体、动力与驱动部分、 执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息 处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综 合交叉的技术密集型系统工程。新一代的数控系统这类典型的机电一体化产品正朝着高性 能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展第二章 课程设计的目的、意义及要求第一节 课程设计的目的 , 意义 机电一体化系统设计课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综 合运用所

4、学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。主要目的是：1. 能够正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论和相关知识，掌握机电 一体化系统 （产品）的功能构成、 特点和设计思想、 设计方法，了解设计方案的拟定、 比较、 分析和计算， 培养学生分析问题和解决问题的能力， 使学生具有机电一体化系统设计的初步 能力；2. 学习机电一体化系统设计方案的拟定、分析与比较的方法。3. 通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、 选型和结构设计方法和步骤；4.通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法 与控制驱动方式；5.通过测试及控制系统

5、方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；6.通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。第二节 课程设计的要求 ：1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；2. 认真阅读课程设计指导书 ，明确题目及具体要求；3. 认 真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；4. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；5. 机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；6. 微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；7. 课程设计说明书一份，包

6、括：目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计， 控制系统设计，参考文献等。设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术 语符合标准第三章 课程设计的内容第一节 课程设计题目 ：两维数控平台及控制系统设计 。已知条件：脉冲当量：土 0.01mm滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h(中等冲击)，工作台的有效行程为LX=300mm,Ly=200快速进给速度Vxmax=800mm/minVymax=800mm/和n工作载荷2000N第二节 课程设计的内容1. 数控装置总体方案的确定(1) . 数控装置设计参数的确定；(2) . 方案的分析，比较，论证。2. 机械部分的设计(1) . 确定

7、脉冲当量；(2) . 机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；(3) . 传动元件及导向元件的设计，计算和选用；(4) . 确定伺服电机；(5) . 绘制机械结构装配图；(6) . 系统等效惯量计算；(7) . 系统精度分析。3. 数控系统的设计(1) . 微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；(2) .I/O 接口电路及伺服控制电路的设计和选用；(3) . 系统控制软件的设计4. 编写课程设计说明书说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定， 系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软 件设计及其说明 , 尽量用计算机完成；

8、第四章 数控系统总体方案的确定数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确 定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论 证。1. 系统运动方式的确定该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。2. 伺服系统的选择开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机 . 开环控制系统由于没有 检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱 动。3. 计算机系统的

9、选择采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度 高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作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和工作状态等信息。4. X 丫工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高 传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作 台的摩擦系数，提高运动平稳性。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，

10、为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。系统总体框图如下 ：X向工作台第五章机械部分设计机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机, 传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。第一节 脉冲当量的确定脉冲当量：土 0.01mm第二节工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和丫向工作台承载重量 W和Wo取X向导轨支撑钢球的中心距为 410mm,丫向导轨支撑钢球的中心距为 400mm设计工作台简图如下：X向拖板（上拖板）尺寸为：长 * 宽 * 高=320*310*50重量:按重量=体积*材料比重估算为

11、：Wx 320 310 50 10 3 7.8 10 2386.88N丫向拖板（下拖板）尺寸为:长 * 宽 * 高=320*200*5032Wy 320 20050 107.8 10249.60 N上导轨(含电机)重量为(900 480 82 800 35 50) 7.8 10 210 3487.97N夹具及工件重量：约155NX-Y工作台运动部分总重量为：W 487.97 386.88 249.60 150 1280第三节滚动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fsL C°/P，式中：Co为导轨的基本静额定载荷（Kn）;工作载荷P=0.5（

12、Fz+W）; fsL =1.03.0（ 一般运行状况），3.05.0 （运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨:CofSL PX ,YPX,Y0.5(FZWx,y)Px0.5(FzWX ) 0.5(2000386.88)1193.44NPy0.5(FzWY)0.5(2000249.60)1124.80NCOXf SLPX4773.76因系统受中等冲击，因此取sL4.0CmfSLPY4499.20根据计算额定静载荷初选导轨:选择德国INA公司滚动直线导轨,其型号为:KUE15基本参数如下装配型号滑块牌号质量（kg）导轨牌号单位质量（kg/m）导轨长度插头（附件）KUE15KUE15

13、0.17TKD151.51200KA08TN安装尺寸/mmHAChHbGA1aC4A244754.5154.838.616156016a3H2片K2K3C2C3H6冷4.54.57M4-8301.54M4基本额定载荷滑座个数单向行程长每分钟往复度次数Ca/KNCoa/KNTo/KNM1 Sn6.59.27.340.64导轨的额定动载荷Ca =6500N依据使用速度v (m/min)和初选导轨的基本动额定载荷 Ca (kN)验算导轨的工作寿命Ln :额定行程长度寿命：f H fT fC CaF=FzM2000500Ts=K工作温度小于100 C, fT 1 ； 中等冲击，低速场合，fw 1.5;

14、每根导轨的滑块数为2, fC 0.81 ;轨道硬度58, fH 1 ;RK50 ;d°Ts=K( fH fT fC 5 ) 3 =50(1 1 0.816500) 3 =17297.42Km#轨的额定工作时间寿命: fW F1.5500T Ts*1032l°nI H33Ts *10 =17297.42 102l0n2 0.6 4 6060060.48h15000h导轨的工作寿命足够第四节 滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：CrWMi!冈，HRO58,导程：I o=5mm(1) 强度计算丝杠轴向力：FmaxKFx,yf(Fz Wx,y)(N)其中：综合导轨，K=1.15 ;滚动

15、导轨摩擦系数f=0.0030005;在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)F z, Fy=(0.150.7)F z,可取 Fx=0.5Fz, Fy=0.6Fz计算。取 f=0.004, Fz 400 则：FX 0.5FZ 0.5 20001000NFy 0.6Fz 0.6 20001200N386.88)1159.55N249.60)1388.99NFXmax 1.15 10000.004(20008005L160r / min60 160命值：L 67，其中丝杠转速n 丫叽FYmax 1.15 12000.004(2000T=15000h最大动载荷：Q 3 LfH

16、fWF式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5fH为硬度系数，HRO58时为1.0查表得中等冲击时fW1.4, fH 1则:Qx 3 144 1.4 1 1159.55 8508.87Qy 3 144 1.4 1 1388.99 10192.51根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠 的型号为：D系列滚珠丝杆副，其型号为：D2005-4。其基本参数如下：代号公称直径导程滚珠直径丝杠底径丝杠外径循环列数螺母安装尺寸2505-4d°PhDWd2d1GD1DD42553.17521.224.24406653螺母安装尺寸油杯额定载荷刚度GBh12M

17、CaCoaKc501165.810M 61192128759615其额定动载荷为11921N>Qy足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式名称计算公式结果公称直径d°20mm螺距t5 mm接触角450钢球直径db3.175mm螺纹滚道法向半径RR 0.52db1.651mm偏心距ee (R db 2)sin0.04489mm螺纹升角arctg td。4033'螺杆外径ddd0 (0.2 0.25)db19.365mm螺杆内径d1d1 d0 2e 2R16.788mm螺杆接触直径d2d2 d0 db cos17.755mm螺母螺纹外径DD d0

18、 2e 2R23.212mm螺母内径(外循环)D1D1 d0(0.2 0.255)db20.7mm(2) 传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：tgtg()式中：© =10',为摩擦角；丫为丝杠螺旋升角tgtg 4033'0tg () tg(4°33'10') U(3) 稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算Fy 1388.99 Nl00.5cmE 20.6 106(N /CM 2)L1R21.6513.14(二)22.14CM1388.99 0.520.6 1062.1415.75 m 16 m4级精度在任意300mm内轴向行程内的

19、变动允许量 16 m，而对于跨度为1497mn!勺滚珠丝杠，总的变形量只有15.75 m，可见丝杠刚度足够第五节 齿轮计算、设计因步进电机步距角1.5o滚珠丝杠螺距t=5mm要实现脉冲当量 p 0.01 mm/step,在传动系统中应加一对齿轮降速传动 齿轮传动比：i 360 p，初选步进电机步距角：a = 1.5?/step 。Ioi 沁 360 °.010彳8I。1.5 5i 2取小齿轮齿数乙 24则大齿轮齿数Z250(1 )主动轮最高转速n1最快移动速度为Vmax 800mm/min，可以算出主动轮最高转速n1 (Vmax / )/360333r / min确定带的设计功率Pd

20、。预选的步进电动机在转速为 333r/min时，对应的步进脉冲频率为max 333 360 /(60 1.5)1332 Hz查表得当脉冲频率为1332Hz时，电动机的输出转矩约为18Nm,对应的输出功率为Pout n T/9.55333 18/9.55 627.6W .同步带传递的负载应该小 于627.6W。今取P=0.42kw。查表得工作情况系数Ka 1.2,求得带的设计功率PdKaP 1.2 0.32 0.504kw选择带型 根据带的设计功率Pd0.504和主动轮最高转速n1 333r/min，选择同步带的型号为XHL型。分度圆直径:d1 rnz-i1 24 24mmd2 mz2齿顶圆直径

21、:da1(Z12)m(24 2) 126mmda2(Z22)m(502) 152mm齿根圆直径d f1(Z12.5)m(24 2.5)121.5mmd f 2(Z12.5)m(50 2.5)147.5mm齿宽：bdd112424mm取b125 b230(2)因传递的扭距较小，取模数m=1mi则:1 50 50mm中心距：a 0.5(d1 d2)0.5(2450) 37mm分度圆压力角：200大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮 小齿轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙双片齿轮错齿消隙结构图如下1、2-薄齿轮,3 弹簧,4、8 凸耳,5 调节螺钉,6、7螺母双片齿轮错齿消隙结构图第六节 步进电机惯性负

22、载的计算根据等效转动惯量的计算公式，有：(1)等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：M()2Jq J。 Ji f )2J2 J3)Z2b180式中：Jq为折算到电机轴上的惯性负载；Jo为步进电机轴的转动惯量；Ji为齿轮1的转动 惯量；J2为齿轮2的转动惯量；J3为滚珠丝杠的转动惯量；M为移动部件的质量。对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：J 0.78 10 3 D4 L式中D为圆柱零件直径，L为圆柱零件的长度所以有:Ji0.7810 32.442.56.472 210 kg ?cmJ 20.78i035.043.02 2146.25 10 2kg?cm2Ji0.78i0

23、32.043037.4410 2 kg ? cm2电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有:224 220 0122Jd 6.47 10 2 ( )2(146.25 37.44) 10 2 200()2 250空 1.5180第七节步进电机的选用(1 )常见步距角有 0.36?、0.45?、0.6?、0.72?、0.75?、0.9?、1.2?、1.5?、1.8?等。这 里取1.5?，方便计算。(2 )步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为Teq，其公式为：Teq(FfG)Ph2 i纵向进给切削力Ff设工件材料为碳素结构钢，b 650Mpa ;选用刀具材料为硬质合金钢 YT15;刀具的几

24、何参数为主偏角60?,前角10?,刃倾角-5?；切削用量为：背吃刀量为3mm进给量为0.6mm/r, 切削速度为105m/mi n。查表得 Gfc 2795, X FC 1.0,Yfc 0.75, Dfc 0.15查表得主偏角的修正系数Kkpfc0.94;刃倾角，前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0 ;有经验公式算得主切削力Fc 2673.4N ,由经验公式Ff Fp 1:0.35:0.4,算得FP=1069.36N, Ff =1712;nmv maxb800 1.52 31i2.31n n (360)144(360 0.01)b步距角;脉冲当量值;取 =0.3 (淬火钢滚珠导轨的摩擦系数

25、)，=0 .8。所以有:求得：Teq (Ff 昕 56.74N?CMq 2 i考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩:Teq0.3 0.5取系数为0 .4，则：°體1484N?CM对于工作方式为三相6拍的步进电机:Tj maxTq0.866163.78 N ?CM(3 )步进电机的最高工作频率f maxVmax6080060 0.011333为使电机不产生失步空载启动频率要大于最咼运行频率fmax,同时电机最大静转矩要足够大查表选择两个90BF003型三相反应式步进电机电机有关参数如下型号主要技术参数相数步距角电压(V)相电流(A)最大静 转 矩TjJmax(n.m)空载启动频率

26、空载运行频率分配方式重量90BF00331.56051.961500150003相六拍4.5第六章 数控系统硬件电路设计第一节 设计内容1. 按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控 制的结构框图；2. 选择计算机或中央处理单元的类型；3. 根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；4 .根据控制对象以及系统工作要求设计扩展I/O接口电路，检测电路，转换电路以 及驱动电路等；5. 选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；6. 绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数；7 .说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案

27、论证 。 第二节 设计步骤1. 确定硬件电路的总体方案。数控系统的硬件电路由以下几部分组成：1主控制器。即中央处理单元 CPU2总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。3存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4接口。即 I/O 输入输出接口。数控系统的硬件框图如下所示：2 .主控制器CPU的选择MCS-51系列单片机是集中CPU, I/O端口及部分RAM等为一体的功能性很 强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段 齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用8 0 3 1芯片作为主 控芯片。3 . 存储器扩展电路设计( 1)程

28、序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用EPROM芯片。其型号有：2716， 2732， 2764， 27128， 27258，其容量分别为2 k,4k,8k,16k32k 。在选择芯片时要 考虑CPU与EPROM时序的匹配。8031所能读取的时间必须大于EPROM所要 求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满 足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择 2764芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。单片机规定P 0 口提供8为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地 址和数据的通道口，

29、为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低8位的地址 信息，一般采用7 4LS 3 7 3芯片作为地址锁存器，并由CPU发出允许锁存信号ALE 的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。由以上分析，采用2 7 6 4 EPROM芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示:扩展2764电路框图(2) 数据存储器的扩展由于8031内部RAM只有128字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态RA贓据存储器。本次设计选用6264芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示：扩展6264电路框图(3) 译码电路在单片机应用系

30、统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一 编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线 选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线 为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它 们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于RAM和I/O容 量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译 码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行

31、译码，译码器输出的地 址选择线用作片选线。(4) 存储器扩展电路设计8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路。(5) I/O扩展电路设计(a).通用可编程接口芯片8 15 58 0 3 1单片机共有4个8位并行I/O接口，但供用户使用的只有P1 口及部分P 3口线。因此要进行I/O口的扩展。8155与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的 接口芯片。(b).键盘，显示器接口电路键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备， 可以完成数据的输入和计算机状 态数据的动态显示。通常，数控系统

32、都采用行列式键盘，即用I/O口线组成行，列结构， 按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有LED和LCD。 下图所示为采用8155接口管理的 键盘，显示器电路。它有4X8键和6位LED显示器组成。为了简化秒电路，键盘的列 线及LED显示器的字位控制共用一个口， 即共用8155的PA口进行控制，键盘的行线 由8 15 5C 口担任，显示器的字形控制由 8155的PB 口担任。4 步进电机驱动电路设计（1 ）脉冲分配器步进电机的控制方式由脉冲分配器实现， 其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按 一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使 用集成脉冲

33、分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB013。（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。 如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大 器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。（3）功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要， ，必须将其输出信号放大产 生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电 机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。这里采用的功率放大电路如下图所示：5其它辅助电路设计( 1 ) 8 0 3 1的时钟电路单片机的

34、时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片的内部振荡电路，在 XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件，如下图 所示。晶体可以在1 212之间任意选择，耦合电容在53 0 pF之间，对时钟有微调 作用。采用外部时钟方式时，可将 XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。8031XTAL1丄丄TXTAL2时钟电路(2)复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在RESET引脚上出现10 ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后CPU便从0 0 0 0 H单元开始执行 程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与8 0 3 1复位要求一致时，可以直接相

35、连。当晶振频率选用6MH z时，复位电路中C取2 2 F,R取2 0 0, Rk取1000。实用复位电路图如下所示：（3）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。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至8 0 3 1的I/O口P1.0。当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电 平。8 0 3 1可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极 管的集电极输出接至8 0 3 1的外部中断引脚（INT0或INT1），采用中断方式检查越界信号。第三节机床数控系统硬件电路设计该系统选用MC

36、S 51系列的8 0 3 1作为主控制器。扩展存储电路为一片2732EPRO和一片6264RAM程序存储器扩展为4K,数据存储器扩展为8K。2 7 3 2的片选控制端 CE直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU从OOOOH开始执行监控程序。6264的片选端CE由译码器（74LS138）的丫2输出提供。所以 6264的空间地址为40005FFFH。系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选端CE接至译码器（74LS138的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及PA PB, PC口的 地址号分别为 8000H及 8001H, 8002H,

37、 8003H 8155RAk区的地址为 8000H 80FFH8155的A 口为控制工作抬X，丫向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，不步 进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示器设计在一起，8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB口的PB0-PB3为键盘的行线。8031的P1 口为显示器的字形输出口。该系统采用 4X6共24个行 列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位 口加74LS07进行驱动。PB口剩余的I/O线PB4-PB7分别作为工作台+X, +Y, -X，-Y四个方向的行程限位控制 信号。在软件设计上8155的

38、PAD, PC 口设置为输出，PB 口设置为输入。计算机随时巡回 检测PB4-PB7的电平，当某I/O线为0时，应立即停止X, 丫向电机的驱动，并发出报警 信号。另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用 7805三端集成稳压器设 计。第七章 系统控制软件的设计（ 一 ）. 系统控制软件的主要内容 数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。 按照功能可将数控系统的控 制软件分为以下几个部分：1、系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要是 接受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节，使系 统处于新的等待操作状态。2、零件

39、加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部 I/O 设备输入零件加工源程序 的任务。3、插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。4、伺服控制程序。根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度，转角以 及方向。诊断程序。包括移动不见移动超界处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等功6、机床的自动加工及手动加工控制程序7、键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。（ 二 ）. 软件设计1. 系统控制功能分析数控 X-Y 工作台的控制功能包括：（1）、系统初始化。如对 I/O 接口 8155，8255A 进行必要的初始化工作，预置接口工作

40、方 式控制字。（2）、工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。（3）、输入和显示加工程序。（4）、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。（5）、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并 显示相应的指示字符。（6）、工作台的自动控制。（7）、工作台的手动控制。（8）、工作台的联动控制。2. 系统管理程序控制管理称许是系统的主程序， 开机后即进入管理程序。 其主要功能是接受和执行操作者的 命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控 X-Y 工 作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操 作，紧急停机等。3. 自动加工程序设计（1）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位T刀具快速进给一加工一退刀一工作台运动到下一位置；（2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工;4. 步进电机控制子程序设计步进电机的控制包括速度，转角及方向的控