铣床X-Y工作台数控化改造

1、第一章 绪论1.1 机床数控改造的意义毕业设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过毕业设计可以初步树立正确的设计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。毕业设计的内容是改造设备，实现以下几部分内容的设计训练。如精密执行机构（或装置）的设计、计算机I/O接口设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等。说明书的内容应包括：毕业设计题目总体方案的确定、系统框图的分析、电气执行元件的选用说明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分（如环形分配器等）的说明。该毕业设计的

2、内容及方法，可以归纳如下： 1.精密执行机构的设计。主要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题：要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等），进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。2.选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。3.采用微型计算机（包括单片机）进行数据处理、采集和控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制等。4.学会使用手册及图表资料。1.2数控与数控技术数控是数字控制的简称，英文为 Numer

3、ical Control，简称NC。目前数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此数控也称为计算机数控(Computer Numerical Control )，简称CNC，国外一般都称为CNC，很少再用NC这个概念了。下面详细说明之：  数控(Numerical Control,NC 数字控制)是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功

4、能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。   现在，数控技术也叫计算机数控技术(Computer Numerical Control )，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计

5、算机软件来完成。1.3机床的数控改造方法及设计1.3.1铣床的数控化改造设计机床的数控改造, 主要是对原有机床的结构进行创造性的设计, 最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表, 其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而, 现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可, 也不是在传统机床的基础上, 仅对局部加以改进而成( 那些受资金等条件限制, 而将传统机床改装成建议数控机床的另当别论) 。传统机床存在着一些弱点, 如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等, 难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数

6、控技术, 特别是加工中心, 无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构, 还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化, 已经形成了数控机床的独特机械结构。因此, 我们在对普通机床进行数控改造的过程中, 应在考虑各种情况下, 使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。1.3.2数控机床的性能和精度的选择 并不是所有的旧机床都可以进行数控改造,机床的改造主要具备两个条件: 第一，机床基础件必须有足够的刚性。第二, 改造的费用要合适, 经济性好。在改装机床前, 要对机床的性能指标做出决定。改装后的机床能加工工件的最大回转直径以及最大长度、主电动机功率等一般都不

7、会改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度以及粗糙度等基本上仍决定于机床本身原有水平。主要有下述性能和精度的选择需要在改装前确定。( 1 ) 轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。( 2 ) 进给运动:进给速度: Z 向( 通常为8400mm/min ) ; X 向( 通常为2 100mm/min )。快速移动: Z 向( 通常为1.24m/min) ; X 向( 通常为1.23m/min) 。脉冲当量: 在0.0250.005mm 内选取, 通常Z 向为X 向的2 倍。加工螺距范围: 包括能加工螺距类型( 公制、英制、模数、径节和锥螺纹等) , 一般螺距在10mm 以内都

8、不难达到。( 3 ) 进给运动驱动方式( 一般都选用步进电机驱动) 。( 4 ) 给运动传动是否需要改装成滚珠丝杠传动。( 5 ) 刀架是否需要配置自动转位刀架, 若配置需要确定工位数。( 6 ) 其他性能指标选择:插补功能: 铣床加工需具备直线和圆弧插补功能。刀具补偿和间隙补偿: 为了保证一定的加工精度, 一般需考虑设置刀补和间隙补偿功能。显示: 采用数码管还是液晶或者显示器显示, 显示的位数多少等问题要根据铣床加工功能实际需要确定, 一般来说, 显示越简单成本越低, 也容易实现。诊断功能: 为防止操作者输入的程序有错和随之出现的错误动作, 可在数控改造系统设计时加入必要的器件和软件, 使其

9、能指示出机床出现故障或者功能失效的部分等, 实现有限的诊断功能。以上是铣床数控改造时需要考虑的一些通用性能指标, 有的铣床改造根据需要还会有些专门的要求, 如车削大螺距螺纹、在恶劣的环境下工作的防尘干扰、铣刀高精度对刀等, 这个时候应有针对性的专门设计。 1.3.3铣床数控改造方案当数控铣床的性能和精度等内容基本选定后, 可根据此来确定改造方案。目前机床数控改造技术已经日趋成熟, 专用化的机床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足铣床的常规加工要求。因此, 较典型的铣床数控改造方案可选择为: 配置专用铣床数控改造系统, 更换进给运动的滑动丝杠传动为滚珠丝杠传动、采用步进电机驱动进给运动、配

10、置脉冲发生器实现螺纹加工功能、配置自动转位刀架实现自动换刀功能。目前较典型的经济型专用铣床数控改造系统具有下列基本配置和功能:( 1 ) 采用单片微机为主控CPU, 具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。( 2 ) 配有步进电机驱动系统, 脉冲当量或控制精度一般为: Z 为0.01mm, X 向为0.005mm( 要与相应导程的丝杠相配套) 。( 3 ) 加工程序大多靠面板按键输入, 代码编制, 掉电自动保护存储器存储;可以对程序进行现场编辑修改和试运行操作。( 4 ) 具有单步或连续执行程序、循环执行程序、机械极限位

11、置自动限位、超程报警,以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能。第二章 总体设计方案由于该设计是经济型数控改造，在考虑具体方案时，应遵守的基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。2.1设计参数系统分辨率为0.01mm，其它设计参数如下表。表2.1 系统设计参数设计分组最大铣刀直径最大铣削宽度ae最大铣削深度ap加工材料工作台加工范围（mm）最大移动速度416mm5mm2mm碳钢X=200,y=1503m/min图2-1工作台草图2.2初选步进电动机和丝杠当传动比i=1时，可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。由 i=(公式2-1) ，b

12、为步进电机步距角Lo为滚珠丝杠导程、为系统脉冲当量。 选电动机型号为55BF009，其步矩角=选丝杠规格为2004-3(FYND)其导程为4mm,由传动比公式得 故可用联轴器将电机与丝杠直接连接。预选由广州菱科自动化设备有限公司生产的LK13系列刚性联轴器（）。2.3初定工作台尺寸查机电一体化设计手册，根据(GB/T 158-1996)选工作台T型槽尺寸如下：深度H=15mm槽低宽度B12mm槽宽A6mmC6mm槽数5，间隔40mm； 图2-2 由工作台加工范围200*150选工作台尺寸 240 20 20 20200 20初定滚珠丝杠长度L340mm B B 5060 Lx+B+102035

13、452.4步进电动机控制系统 关系的环形脉冲；功率放大器将脉冲分配器输出的环形脉冲放大, 用于控制步进电机的运转,这些部分都可以由专门的电路来实现。如果用单片机加上专门的驱动芯片来控制步进电机,可以简化电路, 提高可靠性。步进电动机是否转动是由控制绕组中输入脉冲的有一般说来, 步进电机控制系统需要以下部分, 如下图所示，其中的脉冲发生器用于产生频率变化的脉冲信号；脉冲分配器根据方向控制信号将脉冲信号转换成有一定逻辑来控制的,每步转过的角度和方向是由三相控制绕组中的通电方式决定的。因此, 步进电动机的控制是要求单片机软件产生按一定规律变化的时序脉冲,然后通过接口内和驱动放大电路来驱动步进电动机控

14、制绕组工作。步进电动机控制系统由硬件电路和软件程序两部分组成。硬件方法就是用脉冲分配器来实现, 但是硬件方法的结构复杂,而且成本也很高。使用软件方法就是通过单片机来实现,不但可以简化电路,而且也降低成本。使用单片机以软件方式来驱动步进电机, 可以通过编程方法在一定范围之内自由设定步进电机转速、往返运动的角度等, 还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态而满足不同用户的要求。 第三章 机械部分的设计3.1传动系统等效转动惯量计算1.机转子转动惯量查指导书表面2-18得2.丝杠的转动惯量由指导书公式2-3有得3.工作台转动惯量由于工作台材料为碳钢，故其质量为由于联轴器的转动惯量小故可忽略不计4.总转

15、动惯量计算3.2工作载荷分析及计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给).铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式,此选用圆柱铣刀,铣刀材料选择高速钢.查金属切削手册P398常用铣刀介绍表，选择细齿锥柄立铣刀， 其尺寸参数如下：D=16mm,齿数Z=4。1.查金属切削手册P417细齿锥柄立铣刀切削用量表得铣削速度查铣工表24，初选0.03mm因此可得 查机械制造基础课程设计指导书表4-15立式铣床主轴转速表，选铣床型号X51，查其转速表并将转速圆整为实际切削速度为 故实际2.根据指导书表2-2得高速钢铣

16、刀铣削公式为 查指导书表2-3得铣削力系数有3.3进给工作台工作载荷计算查指导书表2.4，有如下表格参数比值不对称铣削逆铣顺铣120903080404故有纵向进给方向工作台垂直进给方向工作台横向进给方向3.4滚珠丝杠螺母副的选型和校核3.4.1最大工作载荷的计算滚珠丝杠上的工作载荷为走刀抗力，移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于选择的导轨要求结构紧凑，间隙调整方便，摩损小，有良好的精度保持性且运动平稳，故选择直线滚动导轨，在此设计中还要求导轨能承受一定的颠覆力矩，所以选择燕尾导轨的实验公式进行计算，由式2-11 将所得数据代入公式有：3.4.2最大动负载C的计算及主要尺寸初

17、选滚珠丝杠最大运载荷由指导书中可知 3.4.3传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为 查得（或可由算出）3.4.4刚度验算丝杠的拉压变形量的计算满载时拉压变形量： 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量由指导书式2-17得式中为滚珠直径，为滚珠总数量滚珠丝杠副刚度的验算丝杠总变形量变形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005=0.00369<0.005因此符合设计要求。3.4.5压杆稳定性验算 由指导书式2-18 失稳时的临界载荷为 丝杠截面惯量矩 查指导书表2-11得 稳定性安全系数 故丝杠符合要求。3.5导轨的选型和计算由于选择的导轨为直线滚动导轨由指导书式2-20L50（）每个滑块

18、的的工作载荷取硬度系数0.53、=1、0.81、2预设导轨寿命L=50KM 则根据此寿命可算出 3267kN故选导轨型号GDA20SV符合要求，查指导书表216可知其=12.4KN3.6驱动电机的选用 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的数字控制执行机构。它将电脉冲信号转变成角位移, 即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度, 因此非常适合于单片机控制。步进电机与单片机的结合实现了机电一体化,在自动化控制系统中发挥着极大的作用。 根据脉冲当量和最大静转矩初选择电机。3.6.1步距角的选择已知脉冲当量由公式2-23 3.6.2步进电机输出转矩的选择查指导书表2-17得 步进电机启动转矩与最大静转

19、矩的关系有（1）加速度力矩 （2）空载摩擦力矩（取传动系统总效率）.、,（3）附加摩擦力矩为滚珠丝杠未预紧时的传动效率取故电机空载启动力矩作用在工作台的合力的计算，逆铣的时候合力大作用在工作台上的合力折算到电机上的转矩运动部件正常工作时的总负载转矩故运动部件正常运行时需的最大静转矩 此处取0.5代入得按步进电机最大静转矩选择要求所以， 查表2-18选择步进电机55BF009。3.6.3启动矩频特性校核查指导书图2-21步进电机启动矩频特性曲线当启动力矩时对应的允许启动频率，而由表2-18查得电机的启动频率，保证了电机快速启动时不丢步。运行矩频特性校核快速进给运行矩频特性校核：由式2-34得，快

20、进力矩查指导书2-22得，允许快进频率由式2-33得电机最高快进频率，故电机快速进给时不丢步。3.6.4工进运行矩频特性校核工进时步进电机的运行频率为工进时步进电机运行所需力矩 工作负载力矩查指导书图2-22得 允许工进运行力矩 满足设计要求，故可选用此电机。第四章 控制系统的设计4.1 控制系统总体方案的拟定.机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成.控制系统的控制对象主要包括各种机床,如车床、铣床、磨床等等.控制系统的基本组成如图4-1所示:通信接口软件微机 步进电机驱动电路步进电机机床开关量控制电路主运动驱动电路主轴电动机图4-1控制系统基本组成图4.2 总控制系统硬件电路设计

21、4.2.1 单片机的设计1、MCS-51系列单片机的设计MCS-51系列单片机的所有产品都含有8051除程序存贮器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源（程序存贮器、数据存贮器、I/O口、定时/计数器及一些其他特殊部件）。在控制系统设计中，我们采用的是8031，8031可寻址64KB字节程序存贮器和64KB字节数据存贮器。内部没有程序存贮器，必须外接EPROM程序存贮器。8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分为三部分。a.电源及时钟引脚此部分引脚包括电源引脚Vcc、Vss及时钟引脚XTAL1、XTAL2。电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc（40脚）：接+5V

22、电源。Vss（20脚）：接地。时钟引脚（18、19脚）：外接晶体时与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。XTAL1（19脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接受振荡器的信号，即把信号直接接至内部时钟发生器的输入端。b.控制引脚它包括RST、ALE、等。此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复用功能。RST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使

23、单片机复位（RST）。复位后应使此引脚电平为0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。当Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（5±0.5）V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。ALE/（30脚）：当单片机访问外部存贮器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即使不访问外部存贮器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。但是，每当访问外部数据存贮器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载。（29脚）：

24、此输出为单片机内访问外部程序存贮器的读选通信号。在从外部程序存贮器指令（或常数）期间，每个机器周期两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的信号不出现。同样可以驱动8个TTL负载。/Vpp（31脚）：当端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存贮器，但当PC值超过某值时，将自动转向执行外部程序存贮器内的程序。当端保持低电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外部程序存贮器。对8031来说，因其无内部程序存贮器。所以该引脚必须接地，即此时只能访问外部程序存贮器。c.输入/输出引脚输入/输出（I/O）口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口（P0.0-P0.7）：为双向8

25、为三态I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。P1口（P1.0-P1.7）：为8位准双向I/O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入口时，锁存器必须置1），可驱动4个TTL负载。P2口（P2.0-P2.7）：为8位准双向I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载，一般作为扩展时地址总线的高8位使用。P3口（P3.0-P3.7）：为8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。2、MCS-51

26、单片机的时钟电路时钟电路是计算机的心脏,它控制着计算机的工作节奏.MCS-51片内有一个反相放大器,XTAL1、XTAL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端,该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器,产生的时钟送至单片机内部的各个部件.单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式两种,大多单片机应用系统采用内部时钟方式.最常用的内部时钟方式采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路,不论是HMOS还是CHMOS型单片机,其并联谐振回路及参数相同.如下图4-2所示:图4-2内部时钟方式的时钟电路MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2MHz-24MHz之间可以选择,一般取1

27、1.0592MHz.电容C1、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响.C1、C2可在20pF-100pF之间选择,一般当外接晶体时典型取值为30pF,外接陶瓷谐振器时典型取值为47pF,取60pF-70pF时振荡器有较高的频率稳定性.在设计印刷电路板时,晶体或陶瓷谐振器和电容应尽量靠近单片机XTAL1、XTAL2引脚安装,以减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定和可靠的工作.为了提高温度稳定性,应采用NPO电容.3、MCS-51单片机的复位电路计算机在启动运行时都需要复位,使中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作.单片机的复位都

28、是靠外部电路实现的,MCS-51单片机有一个复位引脚RST,高电平有效.它是施密特触发输入,当振荡器起振后,该引脚上出现两个机器周期(即24个时钟周期)以上的高电平,使器件复位,只要RST保持高电平,MCS-51便保持复位状态.此时ALE ,P0,P1,P2,P3口都输出高电平.RST变位低电平后,退出复位状态,CPU从初始状态开始工作.复位操作不影响片内RAM的内容.MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式.通常因为系统运动等的需要,常常需要人工按钮复位,如下图4-3所示:图4-3上电按钮复位电路对于CMOS型单片机因RST引脚的内部有一个拉低电阻,故电阻R2可不接.单片机在

29、上电瞬间,RC电路充电,RST引脚端出现正脉冲,只要RST端保持两个机器周期以上的高电平(因为振荡器从起振到稳定大约要10ms),就能使单片机有效复位.当晶体振荡频率为12MHz时,RC的典型值为C=10F,R=8.2K.简单复位电路中,干扰信号易串入复位端,可能会引起内部某些寄存错误复位,这时可在RST引脚上接一去耦电容.上图那上电按钮复位电路只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路,按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平,从而使单片机复位.4.2.2 系统的扩展在以8031单片机为核心的控制系统中必须扩展程序存贮器，用以存放控制程序。同时，单片机内部的存贮器容量较小，不能满足实际需要，

30、还要扩展数据存贮器。这种扩展就是配置外部存贮器（包括程序存贮器和数据存贮器）。另外，在单片机内部虽然设置了若干并行I/O接口电路，用来与外围设备连接。但当外围设备较多时，仅有几个内部I/O接口是不够的，因此，单片机还需要扩展输入输出接口芯片。1、程序存贮器的扩展MCS-51系列单片机的程序存贮器空间和数据存贮器空间是相互独立的。程序存贮器寻址空间为64KB（0000H-0FFFFH），8031片内不带ROM，所以要进行程序存贮器的扩展。用作程序存贮器的常用的器件是EPROM。 由于MCS-51单片机的P0口是分别复用的地址/数据总线，因此，在进行程序存贮器扩展时，必须用地址锁存器锁存地址信号。

31、通常地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373。当用74LS373作为地址锁存器时，锁存端G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。根据应用系统对程序存贮器容量要求的不同，常采用的扩展芯片扩展EPROM2716（2KB×8）、2732A（4KB×8）、2764A（8KB×8）、27128A（16KB×8）、27256（32KB×8）和27512（64KB×8）等。以上6种EPROM均为单一+5V电源供电，维持电流为35mA-40mA，工作电流为75mA-100mA，读出时间最大为250ns，

32、均有双列直插式封装形式，A0-A15是地址线，不同的芯片可扩展的存贮容量的大小不同，因而提供8位地址的P2端口线的数量各不相同，故2716为A0-A10，27512为A0-A15；D0-D7是数据线；CE是片选线，低电平有效；OE是数据输出选通线；Vpp是编程电源；Vcc是工作电源；PGM是编程脉冲输入端。根据程序存贮器扩展的原理，以EPROM2764A和锁存器74LS373为例对8031单片机进行程序存贮器的扩展。因为2764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址线，A0-A12。如果只扩展一片程序存贮器EPROM，故可将片选端CE直接接地。下图为扩展两片EPROM的连接方法。同时，

33、8031运行所需的程序指令来自2764A，要把其EA端接地，否则，8031将不会运行。2、数据存贮器的扩展8031单片机内部有128个字节RAM存贮器。CPU对内部的RAM具有丰富的的操作指令。但在用于数据采集和处理时，仅靠片内提供的128个字节的数据存贮器是远远不够的。在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能，扩展外部数据存贮器。数据存贮器只使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存贮器与程序存贮器可完全重叠，均为0000H-FFFFH，但数据存贮器与I/O口与外围设备是统一遍址的，即任何扩展的I/O口以及外围设备均占用数据存贮器地址。8031的P0口为RAM的复用地址/数据线

34、，P2口用于对RAM进行页面寻址（根据其容量不同，所占的P2端口不同，在对外部RAM读/写期间，CPU产生RD/WR信号。在8031单片机应用系统中，静态RAM是最常用的，由于这种存贮器的设计无需考虑刷新问题，因而它与微处理器的接口很简单。最常用的静态RAM芯片有6116（2KB×8）和6264（8KB×8）。单一+5V供电，额定功耗分别为160mW和200mW，典型存取时间均为200ns，均有双列之插式封装，管脚分别为24和28线。下图是6264与8031的连接图。从图中知：6264的片选接8031的P2.7，第二片选线CS2接高电平，保持一直有效状态。因6264是8KB

35、容量的RAM，故用到了3根地址线。6264的地址范围为0000H-7FFFH。对于一个完整的应用系统，必须具备一定容量的程序存贮器和一定容量的数据存贮器。8031单片机外部扩展两片2764EPROM和两片6264静态RAM。程序存贮器2764的地址为：0000H-1FFFH。数据存贮器6264的地址为0000H-7FFFH。4.2.3确定I/O接口8031只有P1口可作为普通I/O口用，所以需扩展。键盘需要64个键，采用矩阵式键盘，需12个I/O口；显示器采用7个LED，需7个I/O接口；两个三相步进电机，采用软件环行分配器，需6个；刀架需4个；紧急停需1个。采用一片8279芯片和一片8255

36、A即可。键盘/显示器接口采用8279芯片，因为8279芯片是专用的键盘/显示器接口芯片，还可以编程。8279芯片具有消颤（去抖动）、双键同时按下保护功能。显示控制亦按扫描方式工作，可以显示8或16个数码（字符）。LED的个数应满足显示值的要求和便于显示。8279与单片机8031的连接无特殊要求，除数据线、RESET、WR、RD直接连接外，CS与74LS138译码器输出线Y1相连；8279的IRQ经反相器与8031的中断请求输人线INT1相连；时钟输人端CLK与8031的地址锁存控制端ALE相连。8279键盘最大可配置8×8个键，实际用了32个键。扫描线信号为SL0SL2，经74LS1

37、38译码器输出的4个列选信号，接入键盘列线。键盘行查询用了RL0RL7的8根回馈线，接人键盘行线。8279配置的8位共阴极LED显示器，其字位线由扫描线SL0SL2经译码器、驱动器提供，字段线由OUTA0OUTBA3、OUTB0OUTB3通过驱动器提供。8255A的内部结构可分为四个部分：a.数据总线缓冲器 是一个8位的双向三态驱动器，用于与单片机的数据总线相连。b.读/写控制逻辑 根据单片机的地址信息（A1、A0）与控制信息（RD、WR、RE、SET），控制片内数据、CPU控制字、外设状态信息的传送。 c.控制电路 根据CPU送来的控制字使所管I/O接口按一定工作方式工作。对C口甚至可按位实

38、现“置位”或“复位”。d.并行I/O接口 有A、B、C三个端口。 A口：可编程为8位输入，或8位输出，或双向传送。 B口：可编程为8位输入，或8位输出，按不能双向传送。C口：可分为两个4位口，用于输入或输出；也可用作A口、B口的状态控制信号。8255A的D0D7依次与8031的P0.0P0.7连接；RD、WR、RESET与8031的同名引脚相连；A0、A1两跟地址线与锁存器74LS373输出的最低2位连接。自单片机接受地址信息、控制信息，在数据总线与端口间传送数据、状态控制信号，也自数据总线接受控制字。4.2.4键盘接口设计首先判断键盘上有无键闭合，先送8255的PA口一个数据为00H，使列线

39、PA0PA7的电平均为0，然后读PB口的PB0PB2的状况；若不全为“1”，则有键闭合，此时延时10ms去掉抖动后再判断有无键闭合。如无则继续扫描，如有则判断按下的键号。如确定有键按下时，便开始计算键值。当采用8行4列的键盘时，定义第一行的键为00H03H，定义第二行键的键值为04H07H，依次类推。首先判断是哪一行有键闭合，若第一行有键闭合，设置初值为00H，若第二行有键闭合，则设置初值为04H，依次类推。接着对列线进行扫描以判断是哪一列闭合。方法上使PA0对应的列线输出低电平，其余均为高电平，判断一下是否第一列有键闭合，如有则列计数为00H，与初值相加则为键值，也即是键盘的键号，如无则把低

40、电平移到第二列上再判断，直到四列线全判断完毕，找出列线为止。然后计算键值，最后可根据键号跳转到相应的键功能程序的入口。0列扫描线KEY有键按下？延时10ms有键按下？计算行值扫描各列键盘线求出列值计算键值转各键功能功能1功能2功能3功能32图4-4键盘程序框图4.2.5显示电路设计数码显示器是单片机应用产品中的廉价输出设备。它由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。这种笔画式的七段显示器，能显示的字符数量较少，但控制简单，使用方便。动态显示

41、是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描）。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示的为数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位并行口（称为扫描口）。控制各个显示器所显示的字形也需一个公用的8位口（称为数据口）。在8031RAM中设置6个显示缓冲单元79H7EH，分别存放6位显示器的显示数据。8255的A口扫描总是一位为高电平，即6位显示器中仅有一位公共阴极为低电平，其它为高电平。8255的B口输出相应位（阴极为低）显示数据的数据段，使某一位显示出一个字符，其它位为暗。

42、依次地改变A口输出为高的位，B口输出对应的段数据，6位显示器就显示出缓冲器显示数据所确定的字符。4.2.6稳压电源5伏的稳压电源为全系统提供电源。输出功率不小于8w。采用普通的三端固定输出稳压集成电路，采用金封7805。 图4-5稳压电源图 220伏交流电压经变压器T1降压为8.59伏后，输入整流桥，滤波后输入三端稳压7805，再经C2滤波输出一个稳定的5伏电压。4.3键盘的诊断经济型数控系统中，程序的输入方式多采用键盘直接输入。若键盘中有一键失灵，就可能导致不能取得操作者的控制指令，而使系统失常。因此，键盘诊断是很重要的，通过键盘诊断程序，使操作者正确判断键盘工作无误或及时排除键盘故障。键盘

43、诊断程序设计的基本思路是：在系统的键盘管理程序中加入使按键发声子程序，当有键按下时，发出标识声音，每当按下键时听到声音，表明无故障，否则键出故障。 由于键盘识别程序已存在于键盘管理程序中，只要编写声音标识子程序供调用就行了。因此，这种键盘诊断方式随系统监控程序自始至终存在，有利于操作者及时发现问题。声音标识定为每间隔0.5s发生0.1s的声讯，共响三次。4.4 软件设计铣床数控系统设计与应用工作中，软件设计是一个重要方面。实际上，软件设计与硬件设计工作是不可分割的，二者必须结合进行。软件设计工作，按其功能可分二类：一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能；另一类是监控（管理）软件，它是控制微机

44、系统按预定的操作方式运转的程序。但执行软件和监控软件没有明确的界限和固定的功能划分。习惯上把键盘解释程序作为监控程序，其它任务都分散在特定功能的执行程序中，并由监控程序来调用必要的功能模块，完成预定的任务。在进行软件设计时，应从全局着眼，先将整个系统的任务按功能分成一个一个的模块，并为每一个执行模块定义，然后设计出每一个具体模块的程序，最后组成一个系统。不仅整个系统的程序结构可具有模块化的特性，而且其模块内部也可以分为小模块。模块特性对测试很有利，功能扩充也很方便。要增加新功能，只要增加新模块就能实现，像搭积木一样。因此，这样的模块程序设计方法，思路清晰，逻辑性强，柔性较大。数控系统加工程序管

45、理与操作模块插补功能间隙补偿步进电机控制速度控制环行分配管理模块程序设计自动换刀程序设计键盘程序显示程序键盘诊断中断功能诊断图4-6数控系统框图第五章 步进电机的控制5.1概述数控机械的开环数控系统一般用步进电机作为执行驱动元件，因此又称为开换步进控制系统。由于这种系统不使用位置、速度检测和反馈装置，没有闭环控制系统中的稳定性问题，因此具有结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低等一系列优点，适用于精度要求不太高的中小型数控设备。开环系统主要由脉冲分配器、驱动电源、步进电机组成。步进电机是一种多相脉冲电机，它的各相绕组必须按一定的规律轮流供电，步进电机才能按一定的方向旋转。为实现步进电机各

46、绕组间有规律轮流供电，可以采用硬件逻辑来实现，也可以用计算机软件来实现。单片机通过运算不断地向步进电机发出脉冲分配信号，这样就使步进电机朝一个方向不断转动。单片机发出的脉冲速度快，步进电机也转得快，单片机发出的脉冲速度慢，步进电机也转得慢，这样单片机就可以通过改变输出脉冲的速度来改变步进电机的速度。单片机还可以通过改变脉冲分配的顺序来改变电机的转动方向。再通过机械传动使电机的转向、转速、转角变为工作台的进退、移动速度和位移量。单片机就是这样通过步进电机驱动系统来控制工作台运动的。由于单片机脉冲输出的脉冲功率很小，不足以推动步进电机，因而必须有一个把脉冲信号放大到足以推动步进电机转动的放大器，这

47、就是步进电机驱动电源。由于步进电机是一个电感性负载，电流的上升率受电感大小的影响而在高频运行时扭矩将有较大的下降。所以在设计驱动电源时必须采取适当的措施来提高电流的上升率以保证运行时有足够的扭矩。由此可见步进电机和步进电机驱动电源的性能好坏将对开环数控系统的性能起很重要的作用。5.2步进电机的控制程序设计步进电机也叫脉冲电机，是将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件。当给步进电机一个电脉冲信号时，步进电机便转动一个步距角。如按一定规律给步进电机一串连续电脉冲信号，步进电机便一步一步地连续旋转。步进电机具有如下特点：a.位移量与输入电脉冲

48、数有严格的对应关系，步距误差不会积累。b.稳定运行时的转速与控制脉冲的频率有严格的对应关系。c.控制性能好，在一定的频率下，能按控制脉冲的要求快速起、停和反转。改变控制脉冲频率，电动机的转速就随着变化，并可在很宽的范围内平滑调节。d.控制系统简单，工作可靠，成本低。但其控制精度受到步距脚的限制。所以，步进电机广泛用于数模转换、速度控制和位置控制系统中，是开环数控系统的理想执行元件。步进电机的控制主要由脉冲分配和驱动电路两部分组成。步进电机脉冲控制任务主要有三点：一是控制电机的转向，二是控制电机的转速，三是控制电机的转角（步数）。控制输送给电机的脉冲数就控制了电机相应的转角数。控制输送的脉冲频率

49、可以控制电机的转速，控制电机的转向必须控制输送脉冲给电机绕组的顺序分配，这种分配称为环行分配。四相八拍的通电顺序为： 正转：AABBBCCCDDDA 反转：AADDDCCCBBBA表5-1 四相八拍步进电机通电方式的控制数学模型 节 拍 通 电 相 控 制 模 型 正 转 反 转 二进制 十六进制18A0000000101H27AB0000001103H36B0000001002H45BC0000011006H54C0000010004H63CD0000010105H72D0000011006H81DA0000011107HA步进电机运行控制程序设计只要给步进电机各相绕组按规定的控制模型输出时

50、序脉冲，步进电机就能按一定的方向转动。在数控技术中，经常要求步进电机工作时随时改变运动方向，才能满足机械加工的需要。步进电机运行控制程序设计的主要任务是：判断运动方向，按顺序送出控制脉冲，判断所要送的脉冲是否送完。NY设步长计数器保护现场转向标志为1置正转控制字指针输出控制字是结束标志延时、控制字地址指针1返回恢复现场总步数为零置反转控制字图5-1四相八拍步进电机控制程序框图 B步进电机的升降速控制及其程序设计步进电机变速控制程序设计的任务就是合理地确定延时参数t，使步进电机按照给定的速度规律运行。从加工效率的观点而言，我们总是希望要求步进电机的运行速度尽可能快些，快速地达到控制终点。但由于受

51、步进电机本身的特性限制，如果在速度较高的状态启、停及运行速度突变时，往往会出现失步现象，使步进电机不能正确地跟随进给脉冲。究其原因，是步进电机的响应频率fs比较低，而空载最高启动频率也有所限制。所谓空载最高启动频率是指电机空载时，转子从静止状态不失步地与控制脉冲频率相对应的工作状态同步的最大控制脉冲频率。当步进电机带有负载时，它的启动频率要低于最高空载频率。根据步进电机的矩频特性可知，启动频率越高启动转矩越小，带负载的能力越差；当步进电机启动后，进入稳定时的工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止的步进电机，不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动的瞬间采取加速的措施。一般来说，升频的

52、时间约为0.11s之间。反之，从高速运行，到停止也应该有减速的措施。为此，数控系统往往要求以某种最优的方式控制进给脉冲的频率，即要有自动升、降速控制的功能。a.设置突跳启动频率常数为FA7C,放在18H、19H中。b.设置最高运行频率常数为FF80,放在1AH、1BH中。c.设级差为1,放在1CH中。设每阶脉冲数初始为1,临时高速时增为3,放在1DH中,因升速区后继续升速比比较困难,把每阶脉冲数增为3,有利于提高最高速度值。5AH,5BH18H,19H4CH1DH70H1CHN57H,58H=0? 5AH，5BH1AH，1BH5AH,5BH18H,19H YY 5AH=FF（5AH，5BH）-15AH，5BH4CH4CH+14CH1DH5AH,5BH+15AH,5BH5AHTH05BHTL0RET图5-2 自动升降速程序流程图C步进电机等加速度变速控制及程序设计a等加速度运行分析描述了一个步进电机的等加速的运行过程。在图中纵坐标是频率f，它是以步/s为单位的，因此本质上也是速度。横坐标是步数，其本质上也是位移距离。