数控测量机说明书(共25页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上数控测量机设计第一部分 数控测量机总体方案分析数控测量机属于精密仪器，目前市场上流行的是三坐标测量机，它有着广泛的应用场合，汽车工业、半导体工业、塑料工业、机械制造业、航空工业和其他方面，主要作用是：对大量生产产品的周期性工序检查 。对完成品的最终检查 。与相对产品的互换性与否的检查 。多样的GD&T 公差解释 。输出产品开发中需要的信息(逆向工程-Reverse Engineering) 。总之就是精密测量，其使用效果：可以大幅度的提高测量效能。(节约工件安装/更换的时间，不需要尺工具, 依靠计算机的自动演算，符合自动判定等) 可以简单的解决用以往方法（整板

2、测量方式）不能测量的项目的测量问题。 远远提高复杂测量物的测量精度及可信度。 可以得到稳定的测量值。 可以利用程序自动测量，减少测量者的疲劳。 可以自动整理测量数据。任务书上要求的测量机是两个坐标的，Z轴和C轴，主要是能完成回转件的测量功能，比如外形尺寸、同轴度、圆柱度等的检测等。整个装置由机械传动部分和电气部分组成，机械传动部分负责带动光幕传感器沿Z轴移动，和带着工件C轴转动和定位。电气部分主要由单片机组成的微机控制系统，以协调各个部分的工作，其中包括手动、自动等控制功能等。 一、 机械传动部分分析考虑到数控测量机是精密测量机械，机械部件的选择就是围绕选择如何达到要求的精度展开的，导轨选择滚

3、动导轨，电气传动选择步进电机经齿轮减速传到滚珠丝杠的方式来带动工作台运动这一典型传动方式。其中齿轮的消隙采用双齿轮消隙方式，滚珠丝杠的消隙采用双螺母垫片消隙法。二、 微机控制部分分析微机控制部分是整个系统的核心，这里我们采用8位微机。由于MCS51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、性能价格比高等特点，决定采用MCS51系列的8031单片机扩展整个系统。根据任务书要求，此控制系统由微机主控制器部分，存储器扩展电路即ROM和RAM的扩展电路，IO设备与接口电路，包括人机交互部分的输入行列式键盘、输出接口的8位8段LED数码管、2个行程限位信号（来自Z向直线运动单元）、

4、2个回零开关信号（分别来自Z向直线运动单元和C回转单元）及工作方式采用开关量信号输入；电机控制部分包括两个运动单元的控制，电机控制采用软环分和高低压驱动。三、 总体方案框图单片机扩展电路辅助电路工作台导向支撑机械传动驱动电动机步进电机接口输入键盘行程开关指示灯开关量接口输出数码管 第二部分 机械系统的设计方案说明机械系统的主要功能是承载、传递力和运动，如改变速度、远距离动作、力的放大和反馈、速度和力的参数调节、同步传动和传送物料等。主要涉及的参数包括导轨的选型、脉冲当量的确定、滚珠丝杠螺母副的选型、电机的选型确定等。以下为这几个方面的确定方案：一、 导轨副的设计、计算和选择直线滚动导轨具有摩擦

5、因数小，不易爬行、便于安装和预紧、结构紧凑等优点，广泛应用于精密机床、数控机床和测量仪器等。其缺点是抗震性较差、成本较高。直线滚动导轨副由导轨和滑块两部分组成，一般滑块中装有两组滚珠，当滚珠从工作轨道滚到滑块端部时，会经端面挡板和滑块中的返回轨道返回，在导轨和滑块之间的滚道内循环滚动。如下图：（1） 工作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副使用寿命的重要因素。这里测量机属于小型设备，采用双导轨、两滑块的支撑形式。任意滑块所受到的工作载荷可由以下公式进行计算： F1=F2=G/2=50N 式中G为工作台重力，按100N计算。（二）距离额定寿命的计算直线滚动导轨副的寿命计算，是以在一定载荷下行走一定距

6、离后，90%的支撑不发生点蚀为依据。这个载荷称为额定动载荷Ca,该行走距离为距离额定寿命。滚动体为球时，可按下式进行计算：式中 L距离额定寿命，单位为Km; Ca额定动载荷，单位为kN,此处为30KN; F滑块上的工作载荷，单位为KN，这里是0.05KN ; fH硬度系数，查表得0.8； fT 温度系数，查表得为1.0； fc接触系数，查表得为1.0； fR精度系数，查表得为1.0； fW载荷系数，查表得1.5； 代入数据计算得到距离寿命L=Km(3） 小时额定寿命的计算根据距离额定寿命，可以计算出导轨副的小时额定寿命，计算公式为： 式中 Lh寿命时间，单位是h; L距离额定寿命，单位为km;

7、 S移动件行程长度，单位为m,此处根据任务书上是0.35m; n移动件每分钟往返次数，此处由Z向最大移动速度4000mm/min,求得为11；代入数据得到小时额定寿命Lh=h（4） 产品选型 我们这里选择日本THK公司的SHC-25C型直线滚珠导轨。远远能满足距离寿命50km和小时寿命的要求。二 系统脉冲当量的确定一个进给脉冲式机床运动部件产生的位移量称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。任务书上的要求：Z向的运动分辨率优于0.01,为满足这个要求,考虑到步进电动机的误差的存在，可选择脉冲当量为0.005。三 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选择

8、 数控机床进给系统的的机械传动机构是只将电动机的旋转运动变为工作台或刀架的运动直线运动的整个机械传动链，包括齿轮传动副、丝杠螺母副等以及它们的支撑部件（轴承座等）。能实现这种功能的机构有很多种，比如齿轮齿条副、普通的梯形螺母副等，但这些机构都很难达到数控机床对机械部分高精度的性能要求，因此为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副，具体行程范围可参考国内外有关厂商的样本说明书和技术资料。滚珠丝杠副的传动效率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于1°，因此不自锁

9、。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。我们这里的改造只是滚珠丝杆副驱动工作台作水平方向的运动，就不用考虑自锁的问题。（一）滚珠丝杠副的工作原理 滚珠丝杠螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动常用的传动装置，主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等组成。 其工作原理是：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。其示意图如下： （二）滚珠丝杠副的预紧方法的选择 为了尽可能消除间隙对加工精度的影响，应当对滚珠丝杠副

10、进行预紧，通过预紧可以消除滚珠丝杠副的轴向间隙和提高轴向刚度，其原理是通过改变两个螺母的相对位置，使两个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左右两个侧面来实现的。预紧力的大小是最大轴向负载的13较为适当。常用的预紧方法有双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程式预紧以及过盈滚珠预紧等几种。各有各的特点和适用场合，例如齿差式的预紧方式能精确调整预紧量，但结构尺寸大，装配调整比较复杂，因此其多用于高精度的传动。在这里我们选择双螺母垫片式调隙预紧方法，它通过 通过改变垫片的厚度使螺母产生轴向位移，从而使两个螺母分别与丝杆的两侧面贴合，当工作台反向时，由于消除了侧隙，工作台会跟随C

11、NC的运动指令反向而不会出现滞后。这种调整方法具有结构简单、刚性好装卸方便等优点但它调整不便，很难在一次修磨中调整完毕，调整的精度也不如齿差调隙式好，尤其是滚道有磨损时，不能随时消除间隙和进行预紧。但对与我们这里的要求精度不是很高的地方，已经可以满足要求，相比而言是经济的。下图是双螺母垫片调隙的结构示意图： （3） 滚珠丝杠的参数计算 1、计算进给牵引力Fm 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。其大小数值跟导轨的形式有关。我们这里的数控测量机在Z向不受外力，主要受力就是带动工作台时的摩擦阻力，由综合作业指导书上查得 Fm =KFx

12、 + f'(Fz +G)式中Fx ,Fz 切削分力（N），此处都为0； G 移动部件的重量（N），按100N计算； f' 导轨上的摩擦系数，随导轨形式而不同； 在正常情况下，我们的测量机是精密机械，导轨我们采用滚珠导轨，摩擦系数 f'取0.005此进给牵引力为： Fm =KFx + f'(Fz +G) =00.005（0+100） =0.05N，可见是相当小的。 2、计算最大动负载C最大动负载是选用滚珠丝杠的重要依据，在选用滚珠丝杠副的直径d0 时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的的滚道上不产生点蚀现象。所谓点蚀是指在接触

13、变应力的反复作用下，在节线附近的滚道面上会产生若干小裂纹，封闭在裂纹中的润滑油在压力的作用下，产生楔挤作用，使裂纹不断扩展，最后导致表层金属微粒脱落，而形成点蚀。这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负业指导书得它的载C，查综合作得计算公式： C =fwFm = 式中L寿命以为单位； n 丝杠转速 （r/min)；Vs 为工作台的最大进给速度 （m/min),，任务书上要求的Z向最大移动速度为4000/min；L0 丝杠导程 （mm),我们初选导程为4mm; 导程L0应根据机床的脉冲指令要求和负载情况来选择。当名义直径D0确定后，L0值大，可使螺纹的升角变大，效率低，相应的

14、转速会降低。T 为使用寿命（h),对于数控机床取15000 h; fw 运转系数，其中在无冲击运转的状态下fw 取1.01.2 ，我们取1.2； 因此带入数据依次求得转速： =1000r/min寿命：L= = 900最大动载荷 C=fwFm =0.58N我们初步选择北京工研精机股份有限公司的JCSGY-NFD系列精密滚珠丝杠副，这种系列的产品精度等级高，主要用于受力不大，作定位用的场合。我们选择NFD 2004-3这种型号的滚珠丝杠，其参数如下表：公称直径20mm，基本导程4mm,动载荷5878N0.58N,初步符合要求，也符合生产厂商制造长度上的要求。 4、 进给伺服系统传动计算 由于步进电

15、机的工作特点是一个脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也要满足一定的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。（一）初选步进电机步距角b对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就回转一个固定的角度，叫步距角。电机的总回转角和输入脉冲数成正比，而电机的转速则正比与输入脉冲的频率。步进电机的步距角越小，意味着它能达到的位置精度越高。通常的步距角是3°、1.5°或0.75°，步距角的大小与通电方式及转子齿数有关。在步进电机技术数据中，b是以分数形式给出两个数，其中分子所示的步距角是表示通电方式是双拍，分母示出的步距角表示通电方

16、式是单拍。这里初选步距角0.72°。（2） 计算传动比i 已确定测量机的脉冲当量p为0.005mm,滚珠丝杠导程L0=4mm， 步进电机步距角b=0.72°，可以计算进给伺服系统的传动比i。i =1.6(3） 计算齿轮齿数及各项技术参数 可以确定齿轮齿数为：i =1.6 Z2=32，Z1=20因为测量机Z向进给运动只是带着传感器运动，负载较轻，系统伺服系统功率不大，因此取模数m=1。齿轮几何参数如下表：齿数Z3220 分度圆d=mz3220齿顶圆da =d +2m3422齿根圆df =d -2×1.25m29.519.5齿宽B=(6 10）m1010中心距A=(d

17、1 +d2)/2265、 步进电机的计算和选用(1） 步进电机启动转矩的计算设步进电机等效负载转矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载做的功有如下关系： 式中 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。若取=，则=， P=PH +(G+Pz)所以 式中 PH 走刀抗力（N），在此处为零； G 移动部件重量（N），此处为滚动导轨的滑块质量和光幕传感器的质量,此处取100N； Pz 与重力方向一致的切削力（N），此处为零； 导轨摩擦系数，取0.005； 步进电机步距角；0.02N·估算启动转矩Tq Tq=T/(0.30.5)=0.02/0.3=0.07N·

18、;对工作方式为五相五拍的步进电机，由下表得=0.809，可求出最大静转矩Tjmax如下： 步进电机启动转矩和最大静转矩的关系 步进电机相数 三相 四相五相数拍3648510=Tq/Tjmax0.50.8660.7070.7070.8090.951 Tjmax=Tq/0.809=0.09N·cm（2） 步进电机最高启动频率fmax的计算 任务书上要求Z向最大移动速度 4000/min 所以fmax=（3） 初步确定电机型号根据以上计算，我们选用电机型号为60BYG550A的五相混合式步进电机，其技术数据如下：60BYG系列电机 技术参数型号相数相电流步距角保持转矩空载起动频率空载运行频

19、率转动惯量重量A度N.mKPPSKPPSKg.cm2Kg60BYG550A530.36/0.720.74600.240.70.7N·m的保持转矩远大于最大静转矩，转矩符合要求。但这种步进电机最高空载启动频率为4000Hz，不能满足（13333Hz)的要求，此项指标可以采用软件升降速程序来解决。 （四）校核步进电机的转矩1. 等效转动惯量的计算 传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 J（kg·cm2)可由下式计算： 式中 JM步进电机转子转动惯量 （kg·cm2）； J1、J2齿轮Z1、Z2的转动惯量 （kg·cm2）； Js 滚珠丝杠转动惯量（kg

20、83;cm2）。60BYG550A混合式步进电机，其转子转动惯量JM=0.24kg·cm2 J1=kg·cm2J2=kg·cm2Js=kg·cm2G=100N代入上式：=kg·cm2=0.47kg·cm22. 电机转矩的计算 电机的负载转矩在各种工况下是不同的，在测量机上主要考虑的是快速启动时克服转动惯量的电机转矩能否达到要求。快速空载启动时所需转矩： M=Mmax+Mf+M0式中 M快速空载启动转矩 （N·cm)； Mmax空载启动时折算到电机轴上的加速转矩（N·cm)； M0 由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加

21、摩擦转矩（N·cm)； Mf折算到电机轴上的摩擦转矩（N·cm)。其中，Mmax=J=启动加速时间ta=0.1s 代入上式得：Mmax=式中J 传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量（kg·cm2）电机最大角加速度 （rad/s2)； nmax 电机最大转速 （r/min) ； vmax 运动部件最大快进速度 （mm/min)；折算到电机轴上的摩擦转矩：式中 导轨的摩擦力（N）；垂直方向的切削力（N）；G运动部件的总重量 （N）；导轨摩擦系数；i齿轮降速比；传动链总效率，一般取0.70.85。上述两项合计：M=Mmax+Mf=7.8+0.0077.8N·c

22、m由前可知，此时在五相五拍时=0.809，则最大静转矩为： Tjmax=7.8/0.809=9.64N·cm，由上表可知，初选误差很大，校核以后所选电机的静转矩为7N·M远远大于此处最大静转矩，所以电机确定选择为：60BYG550A的五相混合式步进电机。 第三部分 微机数控系统硬件电路设计1、 微机数控系统功能实现技术分析数控系统是由硬件和软件两部分组成的。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效的运行，硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能的指标。机床硬件电路由以下五部分组成：（1） 主控制器，即中央处理单元（CPU);cpu的作用，它是系统的核心，执行存储在存储器中

23、的程序，完成所要求的计算，产生协调整个系统工作的各类控制信号；（2）总线，包括数据总线，地址总线和控制总线；（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，是处理器与外界联系的通路，它提供物理的连续手段，完成必要的数据格式和信息形式的转换；（5）外围设备，即键盘，显示器及光电输入接口。任务书要求微机部分扩展16K程序存储器，这里我们选2片2764程序存储器，用于数控软件程序，其中包括系统总控程序、初始化、故障处理显示程序、z轴和c轴的运动伺服控制、系统自检、不同工作方式运动规律控制等子程序，用这些的目的是为了完善和发挥计算机的硬件功能，从而使该系统能完成各种运动规律

24、的控制过程，以配合测量机检测处理数据部分的需要。任务书还要求16K×8位数据存储器，我们选2片6264数据存储器，用于数据的暂存、缓冲以及运算结果的存放，也可用于设定标志位。外围设备中的输入接口行列式键盘和显示电路合在了一起，以节省IO口线。LED显示器采用共阴极显示器，其中在进行键盘巡回扫描时，必须先关显示，有关键盘和显示器的工作必须经过软件的协调处理后才能达到预期的效果。2个行程限位信号（来自Z向直线运动单元）、2个回零开关信号（分别来自Z向直线运动单元和C回转单元）及工作方式报警指示等开关量信号输入分别分配到单片机和IO扩展芯片8155和8255的IO口。电机控制部分z向采用五

25、相的步进电机，c向采用2相的步进电机，功率放大电路部分采用高低压驱动电路，采用软环分把驱动步进电机的脉冲按所需的顺序供给电机各相，优点控制灵活方便，缺点是所需要的IO接口接线数多。在步进电机驱动电路中，利用软环分程序单片机输出的信号经过放大后，控制步进电机的励磁绕组，由于步进电机所需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大（几安到几十安），如果将IO口输出信号直接于功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机程序的正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，当输入信号

26、加到输入端时，发光二极管导通发出红外光，光敏晶体管受光照射后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。二、微机各部分控制电路的原理和特点(一)8031单片机的特点左边是其引脚图。 （1） 具有功能很强的8位中央处理单元（CPU); (2) 片内有时钟发生电路（6MHz或12MHz)、每执行一条指令时间为2S或 1S (3) 片内具有128字节RAM;(4）具有21个特殊寄存器；（5）可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器； （6）具有4个IO口，32根IO口线； （7）具有2个16位定时器计数器； （8）具有5个中断源，配备2个中断优先级

27、； （9）具有一个全双功串行接口； （10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。从上述特性可知，一块8031的功能几乎相当于一个微机系统。可以看出这种芯片集成度高、功能强，只需要增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。（二）8031与存储器扩展电路的连接MCS-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS-51系列的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂 的应用场合，可利用MCS-51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。ROM2764引脚图 8031单片机共有P0、P1、P2、P3四个8位口（如上图），32根I/O口线，其中

28、P0.0P0.7（AD0AD7）是IO端口0的引脚，端口0是一个8位漏极开路的双向IO端口，在存取外部存储器时，该端口分时地用低8位地址线和8位双向的数据端口（在此时内部上拉电阻有效）。P2.0P2.7是端口2的引脚，端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向IO口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8A15。因此，8031的程序存储器的寻址空间为64K（）字节，8031片内不带ROM，用作程序存储器的器件是扩展的EPROM，ROM空间是单片机用于存放代码和表格数据。74LS37374 1.外部程序存储器工作原理CPU由外部程序存储器取指时，16位地址的低8位PCL由P0口输出，高8位PCH由P

29、2口输出，指令由P0口输入，P0口作为分时复用的地址/数据总线。在访问程序存储器时，P2口专用于输出高8位地址，P2口具有输出锁存功能，可直接接至外部存储器的地址端，无需再加锁存。P0口作为分时复用的双向总线，输出低8位的内容，输入指令。在这种情况下，每一个机器周期中,允许地址锁存信 号ALE两次有效，在ALE由高变低时，有效地址PCL出现在P0总线上，低8位地址锁存器（外扩的）应在此时将低位地址锁存起来，同时也是每个机器周期两次有效，用于选通外部程序存储器，使指令送到P0总线上，由CPU取入。其中是8031的控制线，是地址锁存使能信号，作为地址锁存允许时高电平有效，就是由于口是分时传送数据和

30、低8位地址，故访问外不存储器时，信号锁存低位地址，与地址锁存芯片的引脚G相连，当G=“1”，74LS373输出端0Q7Q与输入端07D相同，当G为下降沿 “ ”时 ，将输入数据锁存。373的引脚是使能端，接地即可。控制线为程序存储器的使能引脚，是外不程序存储器的读选通信号，低电平有效。还有8031的接地，表示CPU执行外部程序存储器的指令。我们选的2764EPROM（如图）要工作在上述的方式下，接线必须正确，要把2764的使能端于8031的相接，还要把VPP编程电压端，PGM 编程控制端接高电平，使2764的 存储器内容从数据端输出，即处于Dout状态。数据线在连接时，存储器2764的8位数据

31、线D0D7与8031芯片的P0口P0.0P0.7直连，单片机规定的指令码和数据都是由P0口读入，以读出存储器中的内容。2. 数据存储器的扩展原理根据任务书的要求需要扩展16K的数据存储器，我们选两片6264，每片8K。它与8031的连接与2764的大致相同，需要13根地址线A0A12，分别用到P0口的8位和P2口的低5位，依然要用到74LS373锁存地址，接法与上述相同。数据线也是接到P0口。不同的是控制线的接法，数据存储器能读能写，RAM读输入信号与8031芯片的外部数据存储器读选通信号（P3.7）引脚相接，这里用到P3口的第二功能，作为第一功能使用时，口的结构与操作与P1口完全相同；RAM

32、的写输入信号 与8031芯片外部数据存储器写选通信号（P3.6）相接，同样是使用了管脚的第二功能。3.译码电路原理8031单片机允许扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器（包括IO芯片），这样就需要扩展多个外围芯片，因而需要把外部地址空间分配给这些芯片，并且程序存储器个芯片之间、数据存储器各芯片之间（包括IO芯片）地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器是，避免发生冲突。当8031数据总线分时地与各个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选（指选中某一个芯片），而当片内有多字节单元时，还要进行片内地址的选择。MCS-51单片机应用系统中的地址译码规则(1)程序存储器与数据存储器独立编址程序存

33、储器地址和数据存储器地址可以重叠使用，都是从0000HFFFFH。这是因为8031地址总线宽度为16位，可直接寻址的范围只有64KB。这样编址方法也给编程带来方便，不必考虑地址重复，靠片选信号和控制信号：区分访问的对象。（2）外围IO芯片与扩展数据存储器统一编址外围IO芯片不仅占用数据存储器地址单元，而且使用随机存储器的读写控制信号与读写指令。（3）CPU访问外部存储器时地址编码 CPU P2口提供高八位地址，P0口经外部地址锁存器后提供低8位地址。地址译码的方法有线选法和全地址译码两种方法。（1）线选法利用单片机地址总线高位中的一根线（一般是P2口中的某根线）作为选择某一片存储器（或IO口）

34、芯片的片选信号。只要该地址线位低电平，就选中该片。这种方法常用于规模较小的系统，即扩展的芯片不是太多的情况。这种方法的优点是不需要地址译码器，可节省硬件，减少成本。缺点是可寻址的芯片数目受到很大的限制，而且地址空间 也是不连续的，地址空间没有充分利用。（2）全地址译码对于容量较大的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用这种全地址译码的方法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。因为这种地址编码的方法，除了片内地址线以外，剩余的高位地址线全部参加译码，故称为全地址译码。通常采用38译码器（74LS138）左图

35、，输入端占用3根最高位地址线，剩余的13根线低位地址线可作为片内地址线。74LS138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间，正好是64K。上面分析了2764、6264数据线、控制线、地址线的连接，没有对片选信号线进行分析，接下来着重分析它们几个地址空间的分配。第一片2764的片选端接3-8译码器的端对应输入端A、B、C为000，因此片内地址为000×××××××××××××，即从0000H1FFFH，总共8K空间。第二片2764的片选端接38译码器的端对

36、应输入端A、B、C为001，因此片内地址位001×××××××××××××，即从2000H3FFFH。两片数据存储器6264与两片程序存储器2764共用译码器的和端，它们的地址也分别为0000H1FFFH和2000H3FFFH。其中6264的片选需要把接译码器的输出端，CS2接高电平，才能选中6264。 译码器 74LS138有三个使能端，其中2个为低电平使能，另一个G1为高电平使能。只有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。在这里我们

37、想强调一下，刚启动时，单片机是如何找到第一条指令工作起来的。单片机复位后，程序计数器PC清零PC=0000H，所以程序的执行总是从地址0000H开始的，P1给出低8位，P2.0P2.4给出高8位的前5位，译码器的三个输入端为000，选通，即选中第一片2764中的第一个单元，取出其内容，从输出端D0D7输出到单片机的P1口，然后就按照程序的规定依次进行。（三）人机交互部分接口电路 根据任务书要求，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。8031单片机共有四个8位并行IO口，但可供给用户使用的只有P1口和部分P3口，因此在大部分的应用系统中都需要扩展IO口

38、芯片。这里我 们采用常用的外围接口芯片8155来控制键盘和显示接口。8155是可编程的RAM/IO扩展接口电路，有256个RAM单元、2个8位口、一个6位口、一个14位的定时/计数器。其中IO/是8155内部RAM和I/O口的选择线，IO/0，低电平时选择片内RAM，7上的地址信息为8155中的RAM单元地址，当，高电平时7上的地址信息位IO口地址，它利用的下降沿将此信息 锁存到片内锁存器中。1.8155与键盘和数码管的连接 8155与键盘和数码管的连接 这样安排的：8155芯片PA0PA7作为显示器段选信号输出，即字型数据控制端，PB0PB7是显示器的位显信号输出，PC0PC3是键盘扫描输入

39、。8155芯片的IO/引脚接8031芯片的P2.0，因为使用8155的I/O口故为高电平。8155的地址分配是这样的，片选信号接译码器输出端，对应的输入端A、B、C位100，还用到P2.0用于选择RAM单元地址和IO口地址，片内256个单元用做低8位地址线，未用到地址线设为1状态，因此8155片内RAM的地址为××××××××，即9E00H9EFFH。IO口地址需要分配6个，它们分别是A、B、C三个IO口，命令状态寄存器、定时器低8位、定时器高8位，其中8155IO口工作方式选择通过对8155内部命令寄存器（命令口

40、）设定命令控制字实现，这是它的作用。8155的定时功能是芯片内有一个14位减法计数器，可对输入脉冲进行减法计数，外部有两个定时器引脚TIMERIN和，TIMERIN为定时器时钟输入，由外部输入时钟脉冲，为定时输出，输出各种信号脉冲波形。对定时器编程时，首先将计数常数级定时器方式送入定时器口（定时器低位及高6位，定时器方式M）04H，05H。计数常数 在0023FFFH之间。计数器的启动和停止有命令寄存器的最高两位TM2和TM1决定。8155定时器格式:T7T6T5T4T3T2T1T0 (04H)M2M1T13T12T11T10T9T8 (05H) 8155命令寄存器格式TM2TM1IEBIEA

41、PC2PC1PBPA 因此这6个口的地址应为11×××即9FF8H9FFDH,六个单元。2.键盘显示接口电路工作原理（1）显示器工作原理数控系统中使用的显示器主要有LED显示器和LCD。对于LED显示器，通常它是由八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比画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。有两种类型，共阴极和共阳极，我们这里采用共阴极的。如果加到各段阳极上的代码不同，则显示器就会显示不同的字符和数字，这个代码称为段码，选择字型称为段选。通常显示器采用动态显示，就是一位一位地轮流点亮显示器各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一

42、段时间点亮一次，显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比列关系有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。这就是显示器的扫描过程。计算机以人眼不能分辨的速度轮流对各字位线输出低电平，即可在各位上显示出不同的字符和数字，从而实现扫描显示，这就称作位选。它的优点是占得IO口少。另一种是静态显示，就是同时把要显示的显示出来，他占得IO多，但亮度大。 （2）键盘接口原理键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备。其工作原理是:测试信号 +5V 控制信号控制信号=“0”则开放，可对键识别：当键松开，测试信号=“1”；当键闭合，测试信号=“0”。控制信号=“1”

43、，禁止，不能对键进行识别。在实际使用时，常常把键盘和显示电路做在一起，以节省IO线。在进行键盘巡回扫描时，必须先关显示，有关键盘和显示器的工作必须经过软件的协调处理后才能达到预期的效果。在我们的电路中，8155的PC0PC3作为输入口来接受测试信号，PB0PB7作为输出口来扫描8位列线，显示器的段选（字型数据控制）由8155的PA口担任，是输出口。可以采用中断的方式来对键盘进行扫描，PB口开始前全部置0，处于待扫描状态，当有任意的一个键按下时，PC口检测到变化，便开始逐行逐列的检测，检查到那个就有相应的动作，如果需要显示，则进入显示子程序进行，键盘和显示独立工作，在程序的协调下互不干涉。（四）

44、步进电机接口及驱动电路1.步进电机控制原理（1）步进电机分类通常在经济型数控机床中，大多数采用步进电机开环控制。步进电机是一种用电脉冲进行控制，并将电脉冲信号转变为相应的角位移的电动机。其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速。步进电机按工作原理可分为反应式、永磁式、混合式步进电机。 步进电机开环控制原理图（2）软环分原理及源程序 驱动步进电机的脉冲需要按所需要的顺序供给电机各相，脉冲分配器就是实现步进电机各相脉冲通电顺序的。脉冲分配器又叫环形分配器，有硬件环形分配器和软件环形分配器两种。任务书的要求用软环分，加上前面的选型，五相五拍软件环形分

45、配器在电路上不需要环形分配专用芯片，采用查表法进行脉冲分配，也就是在微处理器中专门安排一个输出指针寄存器作为步进电机的控制寄存器，初始化是使指针指向分配表的表首。步进电机的每一相绕组都与这个寄存器中某一指定位相相对应。寄存器中这一位为“0",对应着相应绕组的通电状态；这一位为"1",对应着相应绕组的断电状态。步进电机需要正向运行一步时，指针下移一行，同时输出该行的状态，当指针超出分配表表尾时自动回到表首；步进电机反向运行时，指针上移一行，并输出该行的脉冲值，当指针超出表首时又自动回到表尾。脉冲分配子程序框图如下。这种情况下，在电路上步进电机的每一绕组需和一个IO接

46、口相连（经光隔离电路），故占用的IO接口数量较多。由于我们这里是采用五相五拍的控制方式，相对比较简单。电动机脉冲分配程序NY正向运转？N指针小于表首地址？Y指针减1指针加1指针修改到表尾N指针大于表尾地址？Y输出信号值8255A的PA口指针修改到表首返回具体分析如下： 步进电动机绕组通电顺序表电动机绕组通电顺序地址指针代码ABCDEMOTB+110FH01111MOTB+2217H10111MOTB+331BH11011MOTB+441DH11101MOTB+551EH11110正反转时的绕组通电顺序（五相五拍） ABCDE EDCBA设R6为Z向电动机的指针寄存器，正常情况下R6的取值应在1

47、5之间。则Z向电动机脉冲分配的具体程序如下：ZHENG: INC R6; Z向电机正走一步（若DEC R6，则反转一步）OTZ: CJNE R6 ,#06H , AA0 MOV R6,#01H; 指针超出分配表的表尾（R6=#06H）时，自动回到表首 （R6=#01H) JMP AA1AA0: CJNE R6,#00H,AA1 MOV R6,#05H; 指针超出分配表的表首（R6=#00H)时，自动回到表尾 (R6=#05H)AA1: MOV DPTR,#MOTB; 十六位数据指针指向脉冲分配表的首地址 MOV A,R6; Z向指针送给A MOVC A,A+DPTR;查表取出Z向电动机绕组通电

48、状态，存于A MOV DPTR,#5FFDH; 8255A的PA口地址 MOVX DPTR,A; 输出电动机绕组通电状态至8255A的PA口 RET ；循环执行 MOTB: DB FFH ;不用 DB 0FH ；A相通电 DB 17H ；B相通电 DB 1BH ；C相通电DB 1DH ；D相通电 DB 1EH ；E相通电 （3）电机驱动电路的选择 为使步进电动机正常运行并输出一定功率，需要有足够功率提供给电动机，因此需要功率放大环节，以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，使电流前后沿更抖些，避免在高频时，导致步进电机各相绕组电流几乎同时存在，使步进

49、带负载能力下降，严重时会出现失步。电机常采用电阻法、双电源法，而任务书上要求的高低压驱动，就是双电源法中实用电路，也是为改善电流波形。2.步进电机控制电路的接线(1)地址的分配任务书上要求，电机控制部分采用软环分和高低压驱动电路，我们这里用8255接口芯片来达到此目的。8255是Intel公司生产的可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，分别是PA、PB、PC、其中PC口又分为高4位（PC7PC4）和低4位（PC3PC0），它们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式。 8255的片选端接译码器的，对应的输入端A、B、C为010，这个芯片需要分配4个地址，以分别对应A口B口C口

50、和控制口，8255工作方式的设定是通过向8255控制口写入方式选择控制字实现，方式0基本的输入输出方式、方式1应答式输入输出工作方式、方式2应答式双向输入输出工作方式三种。此外C口还有位操作功能，通过编程对8255送入置位/复位控制字，可对C口各位单独置位/复位，从而可以方便地将端口I/O端线作为选通及控制应答信号使用。在方式1和方式2下，C口各位作为联络和中断请求信号线使用。地址线A0、A1接锁存器373的Q0、Q1用地址线的最低两位，其他没用到的地址线设为1状态，因此8255对应的地址编码是111××即从5FFCH5FFFH。8255的读写管脚WR、RD分别接8031的

51、读写管脚。数据线D0D7接8031的P1口，以进行数据的接收和发送。（2）接线配置 Z向步进电机是五相电机，直接利用8255的PA口的5个管脚，接5路光电隔离电路，再到驱动电路，知道步进电机的各相。C向电机是二相电机，利用8255的PB口的两个管脚，接两路光电隔离电路，驱动电路，到达步进电机的进相线。 （五）开关量的控制及辅助电路 我们的这个系统能实现两轴联动，键盘控制显示，行程控制，报警显示，转换各种工作方式，手动，自动编辑等。 行程控制用到8031的P3.0P3.3，分别为X，X，Z，Z，越界报警显示用到8155的PC4和PC5，工作方式编辑、手动、自动、单步运行用到PC0PC3，手动调节X，X，Y，Y用到8255的PC4PC7；启动、停止、回零、空运用到8255的PB4PB7；当车螺纹时，主轴光电编码器向8031T0（P3.4）发出进给脉冲用以