数控十字工作台设计概述

1、65/65数控十字工作台设计目 录第一章 绪论 11.1数控十字工作台概述 11.2数控十字工作台的应用 11.3设计任务 11.4总体设计方案分析 2第二章 机械部分XY工作台及Z轴的差不多结构设计42.1 XY工作台的设计42.1.1要紧设计参数及依据42.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析 42.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量42.2 Z轴随动系统设计5第三章 滚珠丝杠传动系统的设计计算 73.1 滚珠丝杠副导程的确定 73.2 滚珠丝杠副的传动效率 7第四章 直线滚动导轨的选型 9第五章 步进电机及其传动机构的确定 115.1 步进电机的选用 115.1.1 脉冲当量和步距

2、角 115.1.2步进电机上起动力矩的近似计算 115.1.3确定步进电机最高工作频率 125.2齿轮传动机构的确定125.2.1传动比的确定 125.2.2齿轮结构要紧参数的确定 125.3步进电机惯性负载的计算13第六章 传动系统刚度的确定156.1 依照工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度156.2依照微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度15第七章 消隙方法与预紧177.1消隙方法177.1.1偏心轴套调整法 177.1.2锥度齿轮调整法 187.1.3双片齿轮错齿调整法 187.2预紧19第八章 操纵系统设计208.1 确定机床操纵系统方案208.2 要紧硬件配置208.2.1要紧

3、芯片选择 208.2.2 要紧管脚功能 208.2.3 EPROM的选用 218.2.4 RAM的选用 228.2.5 89C51存储器及I/O的扩展 228.2.6 8155工作方式查询 238.2.7状态查询 248.2.8 8155定时功能 258.2.9 芯片地址分配 268.3总体程序操纵 278.3.1流程图 278.3.2总程序 278.4 键盘设计 288.4.1键盘定义及功能 288.4.2 键盘程序设计 298.5 显示器设计 338.5.1显示器显示方式的选用 338.5.2显示器接口 348.5.3 8155扩展I/O端口的初始化 348.6 插补原理 358.7光电隔

4、离电路 358.8越界报警电路 36第九章 步进电机接口电路及驱动 39第十章 总 结 40致 谢 41参考文献42第一章 绪论1.1数控十字工作台概述数控十字工作台， “十五”的要紧工作是促进加工产业的进展，保持年产值20的平均增长率，实现年产值200亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业应用激光技术进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。数控化与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为进展的一个重要趋势。1.2数控十字

5、工作台的应用 数控十字工作台是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比，数控十字工作台的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低产品成本，减轻工人负担，对制造业来讲，能够讲是一场技术革命。1.3设计任务本次设计任务是设计一台单片机（89C51主控芯片）操纵数控十字工作台床，要紧设计对象是XY工作台部件及89C51单片机操纵原理图。而对数控十字工作台其他部件如冷水机、激光器等不作为设计内容要求，只作一般了解。单片机对XY工作台的纵、横向进给脉冲当量0.001mm/ pluse。工作台部件要紧构件为滚珠丝杠副、滚动直线导轨副、步进电机、工作台等。设计时应兼顾两方向的安

6、装尺寸和装配工艺。1.4总体设计方案分析参考数控数控十字工作台的有关技术资料，确定总体方案如下：采纳89C51主控芯片对数据进行计算处理，由I/O接口输出操纵信号给驱动器，来驱动步进电机，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。其原理示意图1-1。X向工作台X向工作台控制器驱动器步进电机步进电机控制器驱动器步进电机步进电机驱动驱动器Y向工作台Y向工作台图1-1 系统总体原理图微机操纵线路图参考MCS51系列单片机操纵XY工作台线路图。步进电机参照RORZE株式会社的产品样本选取，以保证质量和运行精度,同时驱动器也选用RORZE的配套驱动器产品。滚珠丝杠的生产厂家专门多，本设计参照了汉江机

7、床厂、南京工艺装备制造厂的样本资料，力求从技术性能、价格状况、通用互换性等各方面因素考虑，最后选用南京工艺装备厂的FFZD系列滚珠丝杠，即内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副。本设计弃用Z80，而选用单片机。单片机体积小、抗干扰能力强，对环境要求不高，可靠性高，灵活性好，性价比大大超过了Z80。比较后选用89C51为主芯片。在使用过程中89C51虽有4K的FLASH（E2PROM），但考虑实际情况需配备EPROM和RAM，并要求时序配备。选晶体频率为6MHz，89C51读取时刻约为3t，则t480ns ,常用EPROM读取时刻约为200450ns。89C51的读取时刻应大于ROM要求的读取时刻。89

8、C51的读写时刻约为4T，则TR660ns，TW=800ns，常用RAM读写时刻为200ns左右，均满足要求。依照需要，扩展I/O接口8155，因显示数据要紧为数字及部分功能字，为简化电路采纳LED显示器。键盘采纳非编码式矩阵电路。为防止强电干扰，采纳光电隔离电路。第二章 机械部分XY工作台及Z轴的差不多结构设计2.1 XY工作台的设计2.1.1要紧设计参数及依据1、设计可沿X向和Y向数控运动的工作台；2、 数控运动驱动力源能够采纳步进电机或交流伺服电机驱动，然而所选电机必须与该电机生产厂所列技术数据一致；3、工作台尺寸400250mm（X / Y）；4、工作台工作行程为：300150mm（X

9、 /Y）；5、脉冲当量：X向0.01mm/脉冲；Y向0.01mm/脉冲；6、X/Y向最高工作进给速度：300mm/min；7、X/Y向最高空载快进速度：700mm/min；8、X/Y/Z向切削负载为：2000/2000/1000N；9、工件最大重量（包括夹具）为：150KG；10、工作寿命每天8小时，连续工作5年，250天/年2.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析因机床工件之间不直接接触,因此能够认为在加工过程中没有外力负载作用。其切削力为零。XY工作台部件由工作台、中间滑台、底座等零部件组成,各自之间均以滚动直线导轨副相联,以保证相对运动精度。设下底座的传动系统为横向传动系统，即X向，上

10、导轨为纵向传动系统，即Y向。一般来讲,数控机床的滚动直线导轨的摩擦力可忽略不计,但滚珠丝杠副,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略,这些摩擦力矩会阻碍电机的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动应操纵在专门小的范围。2.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量初定工作台，材料为HT200，估重为625N (W1)。设中托座,材料为HT200，估重为250N（W2）。另外可能其他零件的重量约为250N (W3)。加上工件最大重量约为120Kg（1176N）(G)。则下托座导轨副所承受的最大负载W为:W=W1+W2+W3+G665+250+250+11762301N2.2 Z轴随

11、动系统设计数控十字工作台对Z轴随动机构要求特不高。在切割中需随时检测和操纵切割表面的不平度，通过伺服电机和滚珠丝杆调整高度，要求Z轴的检测精度高于0.010mm：同时，随动速度应大于5m/min。随动速度太快会造成切割头上下震荡，太慢又造成切割头跟不上的现象。目前。对加工板材的检测要紧有电容、电感、电阻、激光、红外等几种方式。电感式和电阻式属于传感器，激光、红外及电容式属于非接触式传感器。电容式传感器在运动检测过程中不发生摩擦阻力，最适于金属板材和高速切割加工，而激光和红外位移传感器对加工材料的反射率专门敏感，仅适用于一些专门场合的切割加工(如强磁场、强干扰环境)。因此在选择传感器时，应注意检

12、测精度和对切割材料的适应性，同时安装时还需要注意采取抗干扰措施。一般来讲，一般数控数控十字工作台Z轴拖动重量在5kg以上时，应采纳重力平衡设施。而高性能数控数控十字工作台的Z轴拖动重量在2kg以上就必须施加重力平衡设施，特不是在高速飞行光路设计中,这一点尤为重要。目前Z轴上的重力平衡设施使用较多的是采纳气缸托动方式(图2-1)。该方式重量轻、体积小、易安装，还可依照要求调整气缸的平衡力。 第三章 滚珠丝杠传动系统的设计计算依照机床的受力情况及结构尺寸，参照南京工艺装备厂的产品系列，选用FFZD内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆，具体型号如下： X向： FFZD 2504-3/490500Y向： FF

13、ZD 2504-3/5001100因X向的滚珠丝杆比Y向的滚珠丝杆所受的负载大，现只计算X向丝杆的相关数据，Y向依照X向的结果相同选用即可满足要求。具体计算如下。3.1 滚珠丝杠副导程的确定轴向负荷计算公式： （3.1）式中F 切削力，F=0W工件重量加工作台重量 W=2301NU滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为0.003-0.004），取U=0.004则依照式（3.1）： = 0.0042301=92N数控十字工作台滚珠丝杠是在低速条件下工作的。故本处的 Go=（0.2-0.3）， =18.4-27.6N。对比样本参数,那个地点的Go特不小，选定导程为4的滚珠丝杠副。3.2 滚珠丝杠副的传动效

14、率滚珠丝杠副的传动效率为: （3.2）式中滚珠丝杠的螺纹升角当量摩擦角 依照当量摩擦系数和当量摩擦角关系（见表3-1），前面差不多定v=1m/s，材料选择灰铸铁HRC45。 因此：=400，tg=0.0025 ；因为=arctg（Ph/d） （3.3）式中:Ph导程，4mmd丝杠公称直径，25mm则依照式（3.3）：2.91则依照式（3.2）得：0.953。表3-1 当量摩擦系数f和当量摩擦角齿圈材料锡 青 铜无锡青铜灰铸铁齿面硬度HRC45其它HRC45HRC45其它相对速度 s m/sfffff0.010.050.100.250.501.01.52.02.53.04581015240.11

15、00.0900.0800.0650.0550.0450.0400.0350.0300.0280.0240.0220.0180.0160.0140.0136175094343433092352172001431361221161020550480450.1200.1000.900.0750.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310.0290.0260.0240.0206515435094173433092522352172001471401291221090.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0550.050.0450.0400.03

16、50.0310127587245435094003433092522352172001430.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0551027587245435094003433090.1900.1600.1400.1200.1000.0900.0800.0701045905758651549509434400第四章 直线滚动导轨的选型导轨要紧分为滚动导轨和滑动导轨两种， 直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对一般机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点： = 1 * GB3 定位精度高直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静

17、摩擦系数相差专门小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。 = 2 * GB3 降低机床造价并大幅度节约电力采纳直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特不适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。 = 3 * GB3 可提高机床的运动速度直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率2030%。 = 4 * GB3 可长期维持机床的高精度关于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法幸免的。在绝大多数情况下，流体润滑只

18、限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法幸免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被白费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也专门少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的特不容易了。因此在结构上选用：开式直线滚动导轨。参照南京工艺装备厂的产品系列。型号：选用GGB型四方向等载荷型滚动直线导轨副，如图4-1。具体型号：X向选用GGB20BA2P，2 500-4 Y向选用GGB20AB2P，2 1100-4 图4-1 直线滚动导轨第五章 步进电机及其传动机构的

19、确定5.1 步进电机的选用5.1.1 脉冲当量和步距角已知脉冲当量为1m/STEP，而步距角越小，则加工精度越高。初选为0.36o/STEP（二倍细分）。5.1.2步进电机上起动力矩的近似计算 电机起动力矩： （5.1）式中: M为滚珠丝杠所受总扭矩Ml为外部负载产生的摩擦扭矩，有: （5.2）=920.025/2tg（2.91+0.14）=0.062NmM2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有： （5.3）式中: K预紧时的摩擦系数，0.10.3 Ph导程，4cmFao预紧力，有：Fao=Fao1+Fao2取Fao1=0.04Ca=0.04 1600=640NFao2为轴承的预紧力，轴承型号为60

20、04轻系列，预紧力为Fao2130N。故依照式（5.3）： M2=0.098 Nm齿轮传动比公式为：i= Ph /(360p)，故步进电机输出轴上起动矩近似地可估算为： （5.4）=360Mp /Ph 式中: p =lm/STEP=0.0001cm/STEP；M= M1+ M 2= 0.16N=0.36o/STEPq=0.85Ph0.4cm0.953则依照式（5.4）：Tq=3600.160.0001/(3.60.850.4)=0.4 Nm 因Tq/TJM=0.866(因为电机为五相运行)。则步进电机最大静转矩TJM=Tq/0.866=0.46 Nm5.1.3确定步进电机最高工作频率参考有关数

21、控数控十字工作台床的资料,能够明白步进电机最高工作频率不超过1000Hz。依照以上讨论并参照样本,确定选取M56853S型步进电机，该电机的最大静止转矩为0.8 Nm，转动惯量为235g/cm25.2齿轮传动机构的确定5.2.1传动比的确定要实现脉冲当量lm/STEP的设计要求，必须通过齿轮机构进行分度，其传动比为： （5.5）式中：Ph 为滚珠丝杠导程为步距角p为脉冲当量依照前面选定的几个参数，由式（5.4）得：=0.364/3600.001=4:1=Z2/Z1依照结构要求,选用Z1为30，Z2为120 5.2.2齿轮结构要紧参数的确定 = 1 * GB3 齿轮类型：选择直齿加工方便。 =

22、2 * GB3 模数选择：本工作台负载相当轻,参考同类型的机床后,选择m1齿轮传动侧隙的消除。 = 3 * GB3 中心距的计算：A=m（Z1+ Z2） （5.6）=1(30+120)/2=75mm齿顶高为1mm，齿根高为125mm，齿宽为20mm。 = 4 * GB3 齿轮材料及热处理：小齿轮Z1采纳40Cr，齿面高频淬火; 大齿轮Z2采纳45号钢，调质处理。 5.3步进电机惯性负载的计算由资料知，数控十字工作台的负载能够认为是惯性负载。机械机构的惯量对运动特性有直接的阻碍。不但对加速能力、加速时驱动力矩及动态的快速反应有关，在开环系统中对运动的平稳性也有专门大的阻碍，因此要计算惯性负载。限

23、于篇幅，在此仅对进给系统的负载进行计算。惯性负载可由以下公式进行计算： （5.7）式中：JD为整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载。J0为步进电机转子轴的转动惯量eJ1为齿轮Zl的转动惯量J2为齿轮Z2的转动惯量J3为齿轮Z3的转动惯量mn为系统工作台质量Vm为工作台的最大移动速率D为折算成单轴系统电动机轴角速度各项计算如下：已知：J00忽略不计， mn=112.5Kg齿轮惯性转矩计算公式： （5.8）其中：为回转半径G为转件的重量滚珠丝杠的惯性矩计算公式： （5.9）最后计算可得：J1=0.110-3Kg. m2J2=1.3210-3Kg. m2J3=2.9810-4Kg. m2J4=1.1

24、410-5Kg. m2Vm=12 m/sD=2rad/s故惯性负载依照式（5.7）得：JD=J0+J1+(Zl/Z2)（J2J3）+ J4 (Vm/D)2mn=17.3 Kg. cm2此值为近似值故此值小于所选电机的转动惯量。第六章 传动系统刚度的分析数控十字工作台XY工作台事实上为一进给传动系统，其传动系统的刚度可依照不出现摩擦自振或保证微量进给灵敏度的条件来确定。6.1 依照工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度传动系统中的当量刚度K或当扭转刚度C要紧由最后传动件的刚度K0或C0决定的，在估算时，取K=K0，C=C0对滚珠丝杠传动,其变形要紧包括： = 1 * GB3 丝杠拉压变形 =

25、 2 * GB3 扭转变形 = 3 * GB3 丝杠和螺母的螺纹接触变形及螺母座的变形。 = 4 * GB3 轴承和轴承座的变形。在工程设计和近似计算时，一般将丝杠的拉压变形刚度的三分之一作为滚珠丝杠副的传动刚度K0，依照支承形式可得： 式（6.1）式中：E=2.0610 -4(Kgf/ mm 2)F=754.8mm 2 L=Ls250 mm则依照式（6.1）得：K0=203.2N/mm传动系统刚度较大，能够满足要求。6.2依照微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度现在传动系统的刚度应满足： KF0/ 式（6.2）式中：K传动系统当量刚度F0部件运动时的静摩擦力N 正压力,N=W/g=230kgf

26、F 静摩擦系数，取0.003-0.004 部件调整时，所需的最小进给量则：F0=2300.004=0.92KGFA=0.5p=0.5m/STEP即满足微量进给要求的传动系统刚度为:KF0/0.92/0.51.84Kgf/mm结合上述传动系统刚度的讨论可知满足微量进给灵敏度所需要的刚度较小，能够达到精度要求。第七章 消隙方法与预紧7.1消隙方法数控机床的机械进给装置中常采纳齿轮传动副来达到一定的降速比和转矩的要求。由于齿轮在制造中总是存在着一定的误差，不可能达到理想齿面的要求，因此一对啮合的齿轮，总应有一定的齿侧间隙才能正常地工作。齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数控系统指令要求，形成跟随

27、误差甚至是轮廓误差。对闭环系统来讲，齿侧间隙也会阻碍系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采纳各种消除侧隙的措施，以尽量减小齿轮侧隙。数控机床上常用的调整齿侧间隙的方法针对不同类型的齿轮传动副有不同的方法。7.1.1偏心轴套调整法 如图7-1，齿轮装在电动机轴上，调整偏心轴套能够改变齿轮和之间的中心距，从而消除齿侧间隙。1-齿轮1-齿轮 2-偏心套 3-齿轮图7-1 偏心轴套调整法7.1.2锥度齿轮调整法 如图7-2所示将一对齿轮和的轮齿沿齿宽方向制成小锥度，使齿厚在齿轮的轴向稍有变化。调整时改变垫片的厚度就能改变齿轮和的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。图7-2 锥度齿轮调整法 7.1.3双片齿轮错

28、齿调整法 图7-3是另一种双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构，两片薄齿轮1和2套装一起，每片齿轮各开有两条周向通槽，在齿轮的端面上装有短柱3，用来安装弹簧4。装配时使弹簧4具有足够的拉力，使两个薄齿轮的左右面分不与宽齿轮的左右面贴紧，以消除齿侧间隙。对比三种方案：第一种需要经常的调整，关于本身就以提高效率为目标的数控机床而言确信不合适。第二种是专门不错的方案，但在切割机上并不有用。第三种方案相比较而言在数控切割机上适用，而且不需要人为经常调整，专门适合数控机床的需要。本设计方案选用第三种方法。图7-3 双片齿轮错齿调整法7.2预紧滚珠丝杠副在工作台上的支承方式有两种。一种是单支承形式；另一种是两端支

29、承形式，本设计选用两端支承形式中的“双支点各单向固定”的支承方式。该形式夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧，提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚性，减小机器工作时轴承的振动。预紧量由厂家提供。第八章 操纵系统设计8.1 确定机床操纵系统方案依照机械系统方案的要求，能够看出：对机械部分的操纵只有进给系统的步进电机的操纵和工作台回转的步进电机操纵。操纵系统有微机的、有PLC的、也有单片机的，那个地点采纳的是开环操纵系统，能够选择经济型的单片机操纵系统。另外，难道要操纵，就得有输入和输出设备才能对相应的运动进行操纵。其操纵系统框图如图8-1所示：存储器扩展光电隔离驱动器I/O口存储器扩展光电隔离驱动器

30、I/O口扩展单片机功 率 放 大功 率 放 大X轴电机Y轴电机Z轴电机X轴电机Y轴电机Z轴电机驱动器驱动器横向丝杠Z向丝杠纵向丝杠横向丝杠Z向丝杠纵向丝杠显示器键 盘图8-1 操纵系统框图8.2 要紧硬件配置8.2.1要紧芯片选择由于89C51芯片在性价比上比同类单片机高，加上8031、8051市场上差不多停产，因此选择89C51作为主芯片。8.2.2 要紧管脚功能89C51是40脚双列直插式芯片。要紧管脚功能: = 1 * GB3 操纵线片外存储器选择端，尽管89C51内有4K的FLASH，但为了方便接线和各程序的存放，故不使用内部程序存储器，如此接地，从外部程序存储器读取指令。 = 2 *

31、 GB3 外部程序存储器选通端,以区不读外部数据存储器。 = 3 * GB3 ALE地址锁存操纵端,系统扩展时，ALE操纵P0口输出的低八位地址送锁存器储存，以实现数据和地址隔离。此外ALE以l/6晶振的固定频率输出正脉冲,可作为外部时钟或定时脉冲。 = 4 * GB3 RESET复位端,当输入的复位信号连续二个周期以上高电平，完成复位初始化操作。 = 5 * GB3 89C51中I/O口的介绍P0口外接存储器时，此口为扩展电路低八位地址和数据总线复用口；Pl口用户使用的I/O口；P2口外接存储器时,作扩展电路高八位的地址总线；P3口双重功能口；P0P3口均为八位双向口。P0口可驱动8个TTL

32、门电路，PlP3口只能驱动四个TTL门电路。 = 6 * GB3 时钟XTAL1和XTAL2，使用内部时钟时，二端接石英和微调电路；使用外部时钟时，接外部时钟脉冲信号。89C51三总线结构：地址总线AB地址总线为16位，外部存储器直接寻址范围为64KB，地址总线由P0口经地址锁存器，提供八位A0-A7，高八位A8A15由P2口直接提供。数据总线DB数据总线为8位，自P0口直接提供。,操纵总线CB由P3口第二功能操纵线、ALE、RESET组成。8.2.3 EPROM的选用为简化电路，此处选用2764EPROM (8K*8位)。本设计采纳二片2764EPROM，分不存放监控程序,各功能模块程序,常

33、用零件加工程序。以便于更换各功能模块程序和零件加工程序时，只需更换各自芯片即可，方便升级。2764芯片要紧引脚功能: = 1 * GB3 A0A12 13位地址线 = 2 * GB3 D0D7 数据输出线 = 3 * GB3 数据输出同意信号 = 4 * GB3 编程操纵信号，用于引入编程脉冲 = 5 * GB3 片选信号2764要紧工作方式: = 1 * GB3 读方式及为低电平，Vpp5V时处于读出方式 = 2 * GB3 写方式为低电平, 亦为低电平，VPP21V, 为高电平常，2764芯片处于禁止状态。将数据线上数据固化到指定地址单元。 = 3 * GB3 编程禁止方式一此为向多片27

34、64写入不同程序而设置的，当VPP=+21V时，为高电平常，2764芯片处于编程禁止状态。8.2.4 RAM的选用数据存储器RAM通常采纳MOS型，MOS型RAM分静态、动态两种。动态RAM集成度高，功耗小，成本低，但操纵逻辑复杂，需要定期刷新,尤其是容易受到干扰，对环境、结构、电摞等都有较高的要求。对实时操纵系统而言,可靠是第一位的,此处选用大容量静态RAM6264(8K*8位)一片。6264要紧引脚功能： = 1 * GB3 A0A12 13位地址线 = 2 * GB3 IO1IO7 数据输入输出线 = 3 * GB3 数据输出同意信号 = 4 * GB3 写选通信号 = 5 * GB3

35、片选信号6264要紧工作方式: = 1 * GB3 读方式及为低电平，为高电平常，6264将数据输出到指定地址。 = 2 * GB3 写方式为低电平，亦为低电平常,同意数据输入。 = 3 * GB3 封锁方式为高电平常，该芯片没被选通，不工作。8.2.5 89C51存储器及I/O的扩展可编程接口芯片是指其工作方式可由与之对应的软件命令来加以改变的接口芯片。这类芯片一般具有多种功能，使用灵活方便，使用前必须由CPU对其编程设定工作方式，然后按设定的方式进行操作。8155可编程并行I/O接口具有功能强，价格廉价，且具有与MCS-51单片机配置简单、方便等优点。是单片机应用系统最常用的外部功能扩展器

36、件之一。(1)存储器与单片机联接，要紧是通过三总线联接。应考虑总线的驱动能力是否足够。存储器2764、6264存储量均为8K，需13位地址进行存储单元选择，将A0A7脚与地址锁存器八位地址输出对应联接，将A8A13脚与89C51的P2口P2.0-P2.4相联接，其余地址线经P2.5P2.7经译码产生片选信号。数据线联接将存储器数据输出端D0Dl与89C51P0口联接。操纵线89C51 与2764相联，89C51从外部EPROM取指令。、 分不与6264、相联，89C51对外部RAM进行读/写。 (2)8155许多信号与89C51兼容，可直接联接，因8155内部已有锁存器，因此8155数据地址复

37、合线AD0一AD7与89C51P0口直接相联。地址锁存信号ALE与89C51ALE相联。片选信号经译码后产生，以高位地址P2.0直接作为IO/信号，现在对8155需要使用16位地址进行编址。8155的结构框图及引脚排列见图8-2。 图8-2 8155引脚及内部结构8.2.6 8155工作方式查询8155I/O工作方式选择通过对8155内部命令寄存器（命令口）设定命令操纵字实现。命令寄存器格式及对应的工作方式见下图8-3。 8155I/O有四种工作方式，即ALT1，ALT2，ALT3，ALT4。其中各符号讲明如下：AINTR：A口中断，请求输入信号，高电平有效。BINTR：B口中断，请求输入信号

38、，高电平有效。ABF（BBF）：A口（B口）缓冲器满状态标志输出线，（缓冲器有数据时BF为高电平）。ASTB（BSTB）：A口（B口）设备选通信号输入线，低电平有效。在ALT1ALT4的不同方式下，A口、B口及C口的各位工作方式如下：ALT1：A口，B口为差不多输入/输出，C口为输入方式。ALT2：A口，B口为差不多输入/输出，C口为输出方式。ALT3：A口为选通输入/输出，B口为差不多输入/输出。PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为，PC3PC5为输出。ALT4：A口、B口为选通输入/输出。PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为，PC3为BINTR，PC4为BBF，PC5为。

39、图8-3 命令寄存器格式8.2.7状态查询8155还有一个状态寄存器，用于锁存I/O口和定时器的当前状态，供CPU 查询用。其格式如图8-4：状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，命令寄存器只能写入不能读出，而状态寄存器只能读出不能写入。因此能够认为，CPU读该地址时，作为状态寄存器，读出的是当前I/O口和定时器的状态，而写该地址时，则作为命令寄存器对I/O口工作方式的选择。8.2.8 8155定时功能8155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TINEIN 和TIMEOUT。TINEIN为定时器时钟输入，有外部输入时钟脉冲，TIMEOUT为定时器输出，输

40、出各种信号脉冲波形。定时器的格式、输出波形见图8-5。由上图可见，定时器的低8位和高6位计数器定时是出方式由04H、05H寄存器确定。对定时器编程时，首先将计数器及定时器方式送入定时器口，（定时器的低8位和高6位，定时器方式M）04H，05H。计数常数在002H3FFF之间。计数器的起动和停止由命令寄存器的最高两位TM2和TM1决定。但何时读都能够置定时器的长度和工作方式，然后必须将起动命令写入命令寄存器。既使计数器差不多计数，在写入起动命令后，仍可改变定时器的工作方式。图8-4 状态寄存器格式 M2 M1方 式定时器输出波形0 0单方波0 1连续方波1 0单脉冲1 1连续脉冲图8-5 815

41、5定时器方式及输出波形8.2.9 芯片地址分配89C51支持的存储芯片，程序存储器与数据存储器单独编址，EPROM与RAM地址分配较为自由,不必考虑会发生冲突,因89C51复位后,从0000H开始，内部程序存储器空间为0000H-0FFFH，外部2片2764芯片地址分不为0C000H-0DFFFH，8000H-9FFFH。89C51内部数据存储器空间为00H-0FFH，外部6264芯片地址：6000H-7FFFH1#8155芯片地址(假定未用地址用0表示)/IO0时，8155(1)内部RAM地址范围 E000H-E0FFH/IO1时，端口地址：操纵口：E100H；PA口：E101H；PB口：E

42、102H；PC口：E103H；定时器低八位：E104H；定时器高八位：E105H2#8155芯片地址(假定未用地址用0表示)/IO0时，8155(1)内部RAM地址范围 0A000H-0A0FFH/IO1时，端口地址：操纵口：0A00H；PA口：0A01H；PB口：0A02H；PC口：0A03H；定时器低八位：0A04H；定时器高八位：0A05H8.3 总体程序操纵8.3.1流程图8.3.2主程序 ORG 0000HAJMP MAIN ORG 0003HLJMP INT0ORG 000BHLJMP T0ORG 0013HLJMP INT1MAIN： MOV A，#00H MOV R0,#00H

43、 MOV DPTR，#2000HXUNHUAN : MOVX DPTR, AINC DPTRINC R0CJNE R0,#0FFH, XUNHUANINC R1CJNE R2,#0FFH, XUNHUANMOV SP,#60HSETB PX0SETB EX0SETB EX1SETB EAWE : AJMP WEGONGZUO：LCALL QIUJIANLCALL XIANSHILCALL CHULI8.4 键盘设计8.4.1键盘定义及功能操纵面板上布置5个操纵键，33个功能数字键。其中8个键有双重功能，由SHIFT键转换，按下SHIFT键，上档键有效。5个操纵键各功能如下：急停键运行时按该键，

44、程序立即停止运行。暂停键运行时按下该键，执行完本程序段后，停止执行下一程序段，等待处理，此为硬件暂停。恢复运行键处于急停或暂停时，接下该键程序接着执行。用M00实行软件暂停时，恢复运行也需要按该键。复位键编程或运行前，清除内存中的随机数。对中心键钼丝自动找准预定的中心位置(原点)。30个功能数字键包括数字键“09”，负号“”，程序开始字“%”，程序段结束字“LF”，序号字“N”，预备功能字“G”，辅助功能字“M”，速度功能字“F”，主轴速度功能字“S”，坐标功能字“X、Y、Z、I、J、W”。编辑键三个：DEL/INS删除/插入程序段键，DISP/ZOOMDISP显示程序全段内容，ZOOM使加工

45、图形按比例缩放，预置为1，COPY程序段复制，IDX可设定某一程序段为起割点，单步步进电机走一拍就停止工作，回零钼丝重新置于起点，运行加工开始确认。8.4.2 键盘程序设计本设计采纳非编码式矩阵式键盘，1#8155为键盘接口，按五行六列布线。PA0PA4为行线，PC0PC5为列线。 A口为输出口，C口为输入口，按键盘列线，每个键对应一个键码，依照键码转至相应键处理子程序。常用键识不方法有扫描法和线翻转法。本设计采纳扫描法。其原理是：一条列线为低电平，若此列线上已闭合键，则各行线状态都为高电平，然后按行号、列号求得闭合键键码。定义各行首键号为00H、06H、0CH、12H、18H，键码=行号列号

46、。键号键功能对应表8-1表8-1 键号键功能对应键号00H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH10H11H12H1E功能09NGMFS键号13H14H15H16H17H18H19H1AH1BH1CH1DH1F功能DELCOPYIDX单步回零运行SHIFT图8-6 键盘扫描程序流程图图8-7 求键值子程序键盘扫描子程序ORG 0500HSCAN:MOV A,#00HMOV DPTR, #E101HMOVX DPTR, AMOV A #3FHMOV DDPTR, #E103HMOVX #DPTR, AMOV DPTR, #E102HMOVX A, DPTRANL A, #1FHCJNE3 A

47、, #1FH, NEXT1SJMP NEXT4NEXT1: ACALL DS20msCLR CMOV R2, #00HMOV R1, #01HLOOP: INC DPTRMOV A,R1MOVX #DPTR, A MOV DPTR, #8002HMOVX A, DPTRANL A, #1FHCJNE A, #1FH, NEXT2SJMP NEXT3NEXT2: INC R2CJNE R2, #01H, NEXT4MOV R4, AMOV A,R1MOV R3,ANEXT3: MOV A,R1RLC AMOV R1,ACJNE A,#40H, LOOPAJMP KCODENEXT4:CLR AR

48、ETEND求键值子程序ORG 0560HKCODE：MOV R1，#00HMOV A， R3CLR CLOOP ：RRC AJZ NEXT1INC R1SJMP LOOPNEXT1：MOV A， R1SWAP AMOV R1，AMOV A，R4ANL A，#0FHORL A，R1MOV B，AMOV DPTR，#KTABMOV R0，#00HCLR AREPE：MOVC A，A+DPTRCJNE A, B,NEXT2SJMP RESV NEXT2:INC R0MOV A, R0SJMP REPERESV: MOV A, R0RETKTAB:DB 0FH,1FH,17H,1BH,2FH,27HD

49、B 2BH,3FH,37H,3BH,3DH,2DHDEB1DH,0DH,0BH,07H,03H,1EHDB 23H,3EH,4FH,47H,4BH,4DHDB 5FH,57H,5BH,5DHEND 8.5 显示器设计8.5.1显示器显示方式的选用程序输入时，涉及数字键及N、G、M等功能键。采纳操纵简单，价格低廉的LED显示器。因数控程序较长，显示数据较多，一次把整条指令内容全显示出来专门不经济。采纳段显示法，即依次显示X、Y 、I 、J等数据，一条指令显示完，再显示下一条指令。以减少LED数量。系统分辨率为1m，最大操纵长度为1m，需6位显示器才能满足要求，再加上一位符号位，须7位LED，为清

50、晰显示N、G、X、Y符号，符号位用一位米字显示。显示器显示方式有静态、动态两种。本设计采纳动态扫描法，即逐个点亮各位显示器，因视觉残留效应，效果与全部显示器持续点亮一样。8.5.2显示器接口为实现显示器动态扫描，对显示器提供字形代码输入及显示位操纵，因此显示器接口需有字形和字位操纵。89C51P0口输出BCD码，通过驱动器、锁存器输出字形到LED，构成传送电路。（显示电路见附图1）8.5.3 8155扩展I/O端口的初始化由上图的硬件连接得到8155初始化程序：8155有关地址寄存器端口地址为:100H 命令字寄存器104H 定时器低字节105H 定时器高字节相应初始化程序为:ORG 0A00

51、HMOV DPTR,#100HMOV A,#7HMOVX R0,AEND因为P3.3接行程开关,处于高优先级，因此IP、IE初始化为：SETB PX0 SETP PX1CLR PT0CLR PT1CLR PSSETB EX0SETB EX1SETB ET0SETB ET1SETB ESCLS ET2SETB EAPSW、TCON、TMOD初始化：MOV PSW，#00HSETB IT0SETB IT1 SETB IE0SETB IE1SETB TR0SETB TR1TMOD工作在方式2，因此初始化为： MOV TMOD ，#66H8.6 插补原理插补是对直线、圆弧等低次方程曲线的一种逼近方式。

52、通过计算使沿坐标方向的折线所构成的图形与加工图形间的误差保持在同意的范围内。常用的方法有逐点比较法、积分法。本设计选用逐点比较法。逐点比较法工作原理：在操纵过程中，逐步计算，判不折线运动与要求轨迹之间的偏差，决定下一步的进给方向。用步进电机操纵工作台沿某一方向进给一步。一个插补由四个节拍组成，即偏差判不，进给，偏差计算，终点计算。不管是直线插补、顺圆插补、逆圆插补都遵守如此的四步原则。8.7光电隔离电路在实际电路中，模拟信号与数字信号之间有一个强电干扰的问题。光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下,以光为煤介传送信号,对输入和输出电路能够进行隔离.因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有

53、响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特不是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。故在系统电路设计时，应该注意输入信号电路与单片机连接时的隔离。在那个地点，采纳光电耦合是最常用的方法。光电耦合器具有三个特点：信号传递采取电-光-电的形式，发光部分和受光部分不接触，能够幸免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰，抑制噪声干扰能力强；具有耐用、可靠性高和速度快等优点，响应时刻一般为数以内，高速型光电耦合器的响应时刻有的甚至小于10ns。在系统图示中，模拟地用AGND表示，而数字地用DGND表示，以示区不。光耦电路原理图8-9。 VCC1 VCC2R1 R21111GND 图

54、8-9 光耦电路原理图8.8越界报警电路为防止工作台行程越界，设置限位开关，本设计中有四个限位开关，对应于四种越界可能。，一旦越界，立即发出越界信号，启动中断方式，停止工作台的移动。等待处理。并发出红灯报警。在正常工作时，则是绿灯亮。两灯均由8155Pb4口操纵。第九章 步进电机接口电路及驱动本设计选用五相步进电机M56853S，工作方式为2细分工作方式，并选择2CK输入工作方式。步进电机由驱动器RD-0534M驱动。而单片机操纵驱动器启动和停止及正反转。驱动步进电机的脉冲按顺序供给电机各相，脉冲发生由驱动器内部自动产生，同时具有各种系统爱护。RD-0534M驱动器的要紧操纵端有：顺时方向操纵

55、端CW；逆时方向操纵端CCW；运行方式操纵端4PIN，所需联接操纵信号由2#8155PB口操纵。X、Y向步进电机各用一个驱动器操纵，电机以五相方式工作。由于RD-0534M驱动器具有良好的工作性能，同时又具有较强的爱护功能，因此系统工作比较稳定。单片机操纵RD-0534M工作时有一个脉冲电流的要求，故在两者之间加了操纵三极管。以满足操纵要求。（硬件布置见附图1）单片机实现步进电机操纵要紧在于脉冲分配，实现脉冲分配（也确实是通电换相操纵）的方法有两种：软件法和硬件法。那个地点通过单片机发出信号通过环形分配器驱动放大直接操纵，需要采纳软件实现脉冲分配。横向进给采纳五相十拍步进电机，五相十拍工作方式通电换相的正序为：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10个通电状态。假如P1.4-P1.0输出的操纵信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，P1.7-P1.5三相六拍步进电机，设为1（即五相十拍步进电机工作，三相六拍步进电机不工作），操纵则可用10个操纵字来对应这10个通电状态。这10个操纵字如表9-1所列。表9-1 状