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目 錄
第一章 總體方案的擬定……………………………………………………… 1
第一節(jié) 概述………………………………………………………………… 1
第二節(jié) 總體方案的確定…………………………………………………… 1
第二章 機械傳動系統(tǒng)設計…………………………………………………… 3
第三章 微機數控系統(tǒng)硬件電路設計………………………………………… 10
第一節(jié) 數控系統(tǒng)硬件電路設計內容……………………………………… 10
第二節(jié) I/O接口電路 ……………………………………………………… 12
第三節(jié) 所用芯片接線引腳介……………………………………………… 13
第四節(jié) 輔助電路的設計…………………………………………………… 17
第四章 微機控制軟件………………………………………………………… 22
第一節(jié) 概述………………………………………………………………… 22
第二節(jié) 控制軟件組成及功能……………………………………………… 22
第三節(jié) 系統(tǒng)直線插補軟件設計: ………………………………………… 23
致謝……………………………………………………………………………… 27
參考文獻………………………………………………………………………… 27
[數控測量機]設計
1. 設計任務：
(1)根據給定條件，確定機械傳動系統(tǒng)方案，確定微機控制系統(tǒng)方案；
(2)進行機械傳動機構的設計計算，繪制機械裝配圖及其部分零件圖；
(3)進行微機控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)技術分析，設計微機擴展和接口電路，繪制控制系統(tǒng)原理圖；
(4)繪制數控直線運動單元逐點比較法直線插補程序流程圖，并編寫其源程序；
(5)撰寫設計說明書一份。
2. 給定條件：
(1)行程范圍 Z向350mm C向連續(xù)回轉
(2)運動分辨率 Z向優(yōu)于0.01mm C向優(yōu)于0.1°
(3)Z向最大移動速度 5000mm/min
C向最大旋轉速度 100r/min
(4)被檢工件最大尺寸（材料為鋼） φ50mm×350mm
(5)外形尺寸（參考） 700mm×400mm×320mm
(6)微機部分擴展16k程序存儲器容量，16k數據存儲器；人機交互部分的數據和程序輸入采用4行8列的行列式鍵盤，狀態(tài)和信息顯示采用8位8段LED數碼管；2個行程限位信號（來自Z向直線運動單元）、2個回零開關信號（分別來自Z直線運動單元和C回轉單元）及工作方式采用開關量信號輸入；電機控制部分包括兩個運動單元的控制，電機控制采用軟環(huán)分和高低壓驅動。
3. 設計要求：
(1) 機械結構設計合理，原理正確，制圖符合國家標準，圖面整潔；
(2) 微機控制系統(tǒng)功能完備，包括微機部分，人機交互部分和電機控制部分；
(3) 設計說明書論述清楚，計算無誤，數值單位明確，引用公式及資料有出處。
第一章 總體方案的擬定
第一節(jié) 概述
數控技術是一種自動控制技術，它能夠對機器的運動和動作進行控制。采用數控技術的控制系統(tǒng)稱為數控系統(tǒng)。裝備了數控系統(tǒng)的機床稱為數控機床。數控機床由程序載體、輸入裝置、CNC裝置、伺服系統(tǒng)和機床的機械部件構成。以數控技術為基礎，促進了機械制造業(yè)向著更高層次發(fā)展，使機械制造水平得到很大的提高。對我們的現(xiàn)代的經濟建設有很大的推動作用。
第二節(jié) 總體方案的確定
對任務書進行分析，數控測量機需有兩個運動單元，一個是Z直線運動單元，另一個是C回轉運動單元。功能：實現(xiàn)對工件軸剖面和徑剖面的測量。設計思路：Z軸電動機經減速器帶動絲杠轉動，使螺母帶動托板在滾動導軌上直線移動，絲杠直徑取D=20mm；C軸電動機經減速器帶動三爪卡盤轉動，從而帶動工件轉動。
一、機械傳送部件的選擇
1.導軌副的選用
要設計的數控測量機Z軸直線運動單元需要承載的載荷不大，但運動分辨率高，因此，決定選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數小、不易爬行、傳動效率高、結構緊湊、安裝預緊方便等優(yōu)點。
2.絲杠螺母副的選用
伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，要滿足Z向運動分辨率優(yōu)于0.01mm，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠螺母副才能達到。滾珠絲杠螺母副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高，預緊后可消除反向間隙。
3.伺服電動機的選用
任務書要求的Z軸的運動分辨率優(yōu)于0.01mm，所以本次設計脈沖膽量選為0.01，尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度為5000mm/min。因此，Z軸不必采用高檔次的伺服電動機，可以選用步進電動機。C軸運動分辨率優(yōu)于0.1°，最大旋轉速度為100r/min，也選用步進電機。
4.減速裝置的選用
Z軸選擇了電動機和滾珠絲杠螺母副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構。為此，本設計決定采用無間隙齒輪傳動減速箱。C軸決定選用諧波減速器，諧波減速器具有以下優(yōu)點：(1)結構簡單，體積小，重量輕，傳動效率高。(2)傳動范圍大。(3)同時嚙合的齒數多，運動精度高，承載能力大。(4)運動平穩(wěn)，無沖擊，噪聲小。(5)齒側間隙可以調整。
5.檢查裝置的的選用
選用步進電機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高了，為了確保電動機在運轉過程中不受電網和其他外部因素的影響而失步，決定采用全閉環(huán)控制，而且測量機上用光柵尺來測量工件的軸向尺寸，若再用光柵尺作為閉環(huán)用的檢查裝置，更能起到一舉兩用的效果，使有效資源得到充分的利用。光柵的分辨率應與測量的分辨率相匹配。
6.測量裝置的選用
本次設計的測量機用來實現(xiàn)對工件的軸剖面和徑剖面的測量，分別采用直線光柵和光幕式傳感器。
二、控制系統(tǒng)的設計
1.設計的數控測量機，其控制系統(tǒng)應具有定位和速度控制的基本功能，但無需有插補。所以點位/直線控制系統(tǒng)即可。
2．對于步進電機的閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機80C31作為控制系統(tǒng)的CPU，應該能夠滿足任務書給定的相關指標。MCS-51系列單片機具有集成度高?？煽啃院谩⒐δ軓?、速度快、抗干擾能力強、性價比高等特點。
3.要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴展程序存儲器、數據存儲器、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數碼管顯示加工數據及機床狀態(tài)等信息。
第二章 機械傳動系統(tǒng)設計
一、導軌上移動部件的重量估計
導軌上承載的部件包括連接板和光幕式傳感器、螺母座，重量約為20N。
二、直線滾動導軌副的計算與選型
1. 滑塊承受的工作載荷F的計算及型號的選取
工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本設計中的連接板水平布置，采用雙導軌、兩滑塊的支承形式。由于垂直方向承載的載荷為：F=G/2
其中，移動部件重量G=20N,得F=10N,選取直線滾動導軌副的型號為ZL系列的JSA-LG15型，已能遠遠滿足要求。由于設計的在、Z向的行程范圍為350mm，選連接板的尺寸為65mm×140mm，按標準系列，選取導軌的長度為460mm。
2．距離額定壽命L的計算
上述選取的ZL系列JSA-LG15型導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100℃，每根導軌上配有1個滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。硬度系數?H=1.0、溫度系數?T=1.00、接觸系數?C=1、精度系數?R=0.9、載荷系數?W=1.5,得距離壽命：
L=(?H?T?C?R?WCaF)3×50≈4740940800km
遠大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。
三、滾珠絲杠螺母副的計算與選型
1．從靜止加速到最大移動速度承受的載荷FD的計算
本設計的最大移動速度為5000mm/min，初選電機加速時間為300ms，設加速為勻加速。由此可計算出加速度：
a=Vmaxt=560×0.3=0.277m/s2。
絲杠所帶動的移動部件包括滑塊、連接板和光幕式傳感器、螺母座、螺母、滾珠的重量總和約為30N。
FQ=m×a=3×0.277=0.831N
滾動導軌上的摩擦因數μ=0.005。得移動克服的摩擦力為：
FM=Gμ=30×0.005=0.15N
FD=FQ+FM≈1N
2．初選型號
根據計算出的加速載荷，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級取2級，額定動負載為9309N，遠大于FD,滿足要求。
3．傳動效率η的計算
將公稱直徑d0=20mm，導程Ph=5mm，代入λ=arctan[Ph/(πd0) ]，得絲杠螺旋升角λ=4°33′。將摩擦角φ=10′，代入η=tanλ/ tan(λ+φ),得傳動效率η=96.4％。
4．剛度的驗算
（1）絲杠的支承采用“單推-單推”的方式，絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為450mm；鋼的彈性模量E=2.1×105MPa；查?機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書?表3-31，得滾珠直徑Dw=3.175mm，絲杠底徑d2=16.2mm，絲杠截面積S=πd2/4=206.12mm2。
絲杠在加速載荷FD作用下產生的拉/壓變形量δ1=FDa/(ES)= 0.00001155mm。
（2）根據公式Z=πd0/Dw-3,求得單圈滾珠數Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數×列數為3×1，代入公式：ZΣ=Z×圈數×列數，得滾珠總數量ZΣ=60。絲杠預緊時，取軸向預緊力FYJ=FD/3=0.33N。則由式δ2=0.0013FD103DwFYJZΣ2/10=0.00003863mm。
（3）將以上算出的δ1和δ2代入δ總=δ1+δ2，求得絲杠總變形量δ總=0.00005018mm=0.05018μm。
本設計中絲杠的有效行程為350mm，由?機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書?表3-27知，2級精度滾珠絲杠有效行程在315-400mm時，行程偏差允許達到25μm，絲杠剛度遠遠滿足。
6．壓桿穩(wěn)定性校核
關系式
Z1
Z2
Z（個）
24
50
d=mZ
24
50
da=d+2m
26
52
df=d-2×1.25m
21.5
47.5
b=(6～10)m
8
8
a=d1+d22
37
由于絲杠受到的軸向力很小，這里無需校核。
四、確定齒輪減速箱
已選定Z軸脈沖當量為δ=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠的導程Ph=5mm，初選步進電動機的步距角α=1.5°。傳動比i為：
i=（αPh）/(360δ)= （1.5×5）/(360×0.01)=25/12
在傳動系統(tǒng)中應加一級齒輪降速傳動，選Z1=24, Z2=50
因傳遞的扭矩較小，取模數m=1mm,為了消除齒輪側隙，這里采用雙片齒輪，這樣齒寬b應為 （6～10）m，選小齒輪為8m，大齒輪為雙片彈簧齒輪，都為4m。齒輪的有關尺寸如右表。
C軸要求運動分辨率優(yōu)于0.1°，最大旋轉速度為400r/min，由于分辨率較高，所以決定采用諧波減速器。
所需諧波減速器應輸出的力矩Tmax為：Tmax=JΣα,JΣ為諧波減速器總輸出慣量，α為諧波減速器輸出的最大角加速度，
工件的最大轉動慣量為J1
J1=0.78D4L×10-3=0.78×54×35×10-3=17.0625kg?cm2
卡盤的最大轉動慣量為J2
J2=0.78D4L×10-3=0.78×104×5×10-3=39 kg?cm2
法蘭的最大轉動慣量為J3
J3=0.78D4L×10-3=0.78×104×1×10-3=7.8 kg?cm2
JΣ=J1+J2+J3=63.8625 kg?cm2
α=100×2π60×0.3=34.91rad/s2
Tmax=JΣα=0.2229N?m
由于C軸起動用的是恒轉矩起動，選擇諧波減速器的原則是按照最高轉速選用機型。輸出軸最大轉速要求為100r/min。所以決定采用北京諧波傳動技術研究所生產的諧波減速器XB1系列40機型，減速比用48的。與之相關參數請查看去上述研究所網站。
機型
空載靜態(tài)啟動力矩
(gf·cm)
飛輪矩GD2
(kgf·m2)
轉動慣量I
(kg·m2)
XB1-40
60～200
2.35×10-5
0.59×10-5
機
型
d1
d2
D
D1
D2
L
L2
L3
L4
L6
H
H1
C
出
軸
L3
向
下
L
出
軸
L4
向
上
L
電
機
D3
直
聯(lián)
L7
40
15
M5
80
50
66
123
22
38
62
1
(65)
(65)
5x18
按電機型號確定
機型
減
速
比
u
輸入轉速 3000 rpm
輸入轉速 1500 rpm
輸入轉速 1000 rpm
輸出
力矩
T2 N.m
輸出
轉速
n2 rpm
額定輸
入功率
p kW
輸出
力矩
T2 N.m
輸出
轉速
n2 rpm
額定輸
入功率
p kW
輸出
力矩
T2 N.m
輸出
轉速
n2 rpm
額定輸
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、 步進電動機的計算與選型
1．先確定Z軸有用步進電動機。
（1）計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量JΣ
已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長450mm，導程Ph=5mm，材料密度ρ=7.85×10-3kg/cm3；移動部件總重力G=30N；小齒輪寬度b1=8mm，直徑d1=24mm；大齒輪寬度b2=8mm，直徑d2=50mm；傳動比i=25/12。
滾珠絲杠的轉動慣量Js為：
查《綜合作業(yè)指導書》表3-25，得
Js=0.84×0.45 kg·cm2=0.378 kg·cm2
移動部件折算到絲杠上的轉動慣量JG為：
JG=Gg(L02π)2可查《綜合作業(yè)指導書》表3-26得出
JG=6.45×0.003 kg·cm2=0.01935kg·cm2
J1、J2—齒輪Z1、Z2的轉動慣量(kg·cm2)
對于鋼材 J=0.78D4L×10-3
式中 D—圓柱體直徑
L—圓柱體長度
J1=0.78×10-3×d14·L1=0.78×10-3×2.44×0.8 kg·cm2 =0.021kg·cm2
J2=0.78×10-3×d24·L2=0.78×10-3×54×0.8 kg·cm2
=0.39 kg·cm2
初選步進電動機型號為55BF003，為三相反應式，由常州寶馬集團公司生產，三相六拍驅動時步距角為1.5°，從?機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書?表4-5查得該型號電動機轉子的轉動慣量Jm=0.06kg?cm2。
則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為：
J∑=Jm+J1+(Z1Z2)2[(J2+Js)+Gg(L02π)2]=0.06+0.021+(1225)2[(0.39+0.378)+0.01935]=0.06+ 0.20240544=0.26240544 kg·cm2
（2）計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Teq為：
Teq=Tamax+Tf+T0
Tamax為啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩
Tf為移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩
T0為由于絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦轉矩（可以忽略）
Tamax= J∑ε= J∑nmax602π×ta×10-2= J∑2πnmax×10-260×ta
nmax=vmaxδp×θb3600
式中 ε—電機最大角加速度（rad/s2）；
nmax—電機最大轉速（r/min）；
ta—運動部件從停止起動加速到最大快進速度所需時間（s）。令起動加速時間ta=300ms
其他符號和前面意義相同，代入數據
nmax=vmaxδp×θb3600=50000.01×1.5360=2083.33r/min
Tamax= J∑×2πnmax×10-260×ta=0.74×2π×2083.3360×0.3×10-2 N·cm
=5.38N·cm
Tf=F0L02πηi
F0=?'G
式中 F0—導軌的摩擦力（N）；
G—運動部件的總重量（N）；
?'—導軌摩擦系數；取0.005
i—齒輪降速比；
η—傳動鏈總效率，在此取0.8。
F0=?'G=0.005×30=0.15N
Tf=0.15L02πηi=0.15×0.5×0.482π×0.8=0.0072N·cm
Teq=Tamax+Tf=5.38+0.0072≈5.39N·cm
（3）步進電動機最大靜轉矩的選定
考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據Teq來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。本例中取安全系數K=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足：
Tjmax≥4Teq=4×5.39 N·cm= 21.56 N·cm
上述初選的步進電動機型號為55BF003，由?機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書?表4-5查得該型號電動機的最大靜轉矩Tjmax=66 N·cm?？梢?，滿足要求。
（4）步進電動機的性能校核
任務書給定最大移動速度v=5000mm/min，脈沖當量δ=0.01mm/脈沖，電機對應的運行頻率為?=[5000/(60×0.01)]Hz= 8333.33Hz。從?機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書?表4-3、表4-7和55BF003電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出，55BF003電動機的空載運行頻率可達18000Hz，可見沒有超過這個界限。在此頻率下，電動機的輸出轉矩Tmaxf≈9 N·cm，大于快速起動時的負載轉矩Teq，滿足要求。
已知電動機轉軸上的總轉動慣量 J∑=0.26240544 kg·cm2，電動機轉子自身的轉動慣量Jm=0.06kg?cm2，查?機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書?表4-5可知電動機轉軸不帶任何負載時的最高空載起動頻率?q=1800Hz。則由式（4-17）可以求出步進電動機克服慣性負載的啟動頻率為：
?L=?q1+JΣ/Jm=777Hz
上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于777Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得很低，通常只有100Hz。
綜上所述，55BF003步進電動機，可以滿足設計要求。
技術參數：
型號
相數
步距角
(DEG.)
電壓
(V)
電流
(A)
保持轉矩
N.m( kg.cm)
空載啟動頻率(HZ)
運行頻率
(HZ)
接線圖
備注
55BF003
3
1.5°/3°
27
3
0.666(7)
1800
?
1
可供雙軸伸
外形安裝尺寸：
型號
ΦD
ΦD1
h
Φd
E
L
Φd2
MS
備注
55BF003
55
32
0
-0.017
2.5
6
-0.01
-0.022
20.5
70
40
4-M3
?
為了節(jié)省成本，配件應盡量選擇一樣，因此C軸電機初選55BF003步進電動機，（見綜合作業(yè)指導書表3-23）采用三相雙三拍驅動，步距角為3°,由于諧波減速器的減速比為48，所以輸出軸的分辨率為0.0625°，優(yōu)于0.1°，滿足要求。C軸的轉速要求為100r/min。所以所需電機電機的運行頻率為(100×360)/(60×0.0625)= 9600Hz，小于55BF003步進電動機電動機的空載運行頻率。滿足要求。
由所選的諧波減速器的相關參數可看出即使步進電機直接由最高轉速起動，諧波減速器輸出的轉矩也能滿足要求。但為了避免有沖擊，還是采用低速起動高速運行的方法。
五、直線光柵尺的選用
本設計所選Z相步進電動機采用全閉環(huán)控制，可在導軌上固定標尺光柵，導軌塊上固定光柵讀數頭，，用以檢測光幕式傳感器的行程和移動速度。光柵尺的分辨力應與Z軸脈沖當量相匹配。由Z軸脈沖當量δ=0.01mm/脈沖和需要測量的行程為350mm。考慮到光柵輸出的A、B相信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分，和為了降低成本。因此，光柵的柵距選0.04mm。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，絲杠每產生一個脈沖當量，光柵對應輸出一個脈沖信號。
本設計選擇長春光機數顯技術有限責任公司生產的SGC6T4×35025型號直線光柵：電壓5V、方波輸出、有效行程350mm、柵距25線/mm、精度為±10μm的直線光柵。采用YC-18-7，七芯插頭。
六、光幕式傳感器的選用
由于需要檢查的工件最大直徑為50mm，所以選擇的光幕式傳感器的發(fā)射器和接收器的距離應大于50mm，又考慮到工件裝載方便，需留出余量，所以使發(fā)射器和接收器的距離為100mm，根據已知條件，決定采用沃爾士環(huán)控系統(tǒng)工程（深圳）有限公司出售的由德國生產的德國SI 光幕式紅外光傳感器 FLB系列 FLB-F2，詳細信息：
詳細介紹：
尺寸：各種供選（38mm…300mm）
發(fā)射器和接收器的最大距離：300mm
濾光器: 冷光反射器
工作電壓：+12VDC…+32VDC
工作溫度：-20°C ... +60°C
在Windows?上可調整的參數：開關指示(亮/暗)調整 、激光功率調整、開關延時調整、信號平均值、公差值范圍設置、參考值范圍設置
輸出：
模擬量: 0 ... +10V
數字量:NPN,PNP
開關頻率：1kHz
開關指示：橙色LED
材料：鋁(電鍍藍色)
保護等級：IP67
由此可知滿足本設計要求。
第三章 微機數控系統(tǒng)硬件電路設計
第一節(jié) 單片機數控系統(tǒng)硬件電路設計內容
一、 繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖
根據總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖。
（1）數控系統(tǒng)的組成
數控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是組成系統(tǒng)的基礎 ，有了硬件，軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數控系統(tǒng)性能指標。
（2）機床的硬件電路有以下五部分組成:
1、 主控制器 即中央處理單元（CPU）；
2、 總線 包括數據總線(DB)，地址總線(AB)和控制總線(CB)；
3、 存儲器 包括程序存儲器和數據存儲器；
4、 接口 即I/O輸入/輸出接口電路；
5、 外圍設備 如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。
繪制機床數控系統(tǒng)硬件框圖
圖 4-1 機床數控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）
目前在經濟型數控機床中，推薦采用MCS-51系列單片機作為主控制器。由于其具有集成度高、可靠性好、功能強、抗干擾能力強、性能價格比高等特點，經過分析本次任務要求，決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。由于8031內部無程序存儲器，且只有地址為00~7FH這128個單元作為片內RAM供用戶使用。由于本次任務要求：微機部分擴展16k×8位程序存儲器，16k×8位數據存儲器；人機交互部分的輸入接口采用4行8列的行列式鍵盤，輸出接口采用8位8段LED數碼管；2個行程限位信號（Z向直線運動單元）、工作方式（手動、自動、編輯等）及報警指示等采用開關量信號輸入；電機控制部分采用軟環(huán)分和高低壓驅動，控制機床的兩個運動單元，所以，RAM、ROM、I/O接口均需擴展。
決定擴展兩片2764、兩片6264、一片8279、一片8255。
1、不同型號的EPROM工作速度有差別，一般為200~450ns,選擇時應注意是否系統(tǒng)的時序要求。即8031所提供的讀取時間應大于EPROM的工作時間。8031訪問EPROM時，其所能提供的讀取時間t與所選的晶體時鐘有關，大約為3T，其中的T為時鐘周期，本次設計系統(tǒng)選用晶體頻率為6MHz，則t≈480ns故凡工作速度小于480ns的芯片在時序上均滿足要求，所以2764滿足要求。
2、常用的靜態(tài)RAM芯片有6116、6264、62256等，6264采用CMOS工藝，有+5V供電，典型存取時間為150~200ns。所以6264滿足要求，采用28引腳雙列直插式扁平封裝。
由于單片機8031芯片的P0口分時傳送低8位地址線和數據線，P2 口傳送高8位地址，所以采用74LS 373地址鎖存器，鎖存低8位地址。單片機的P2口用作高位地址線和片選地址線，由于P2口具有鎖存功能，故不必外加地址鎖存器。
2764和6264芯片均具有8KB，需要13根地址線。A0 ~ A7 低8位相應接74LS 373的輸出1Q~8Q，A8 ~ A12 相應接8031芯片的P2.0 ~ P2.4 。
由于擴展了兩片2764、兩片6264、一片8279、一片8255，所以系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片片選信號對應接74LS138譯碼器的0和1。
兩片6264芯片的片選信號對應接74LS138的2和3，單片機擴展系統(tǒng)允許程序存儲器和數據存儲器獨立編址（即允許地址重疊），8031芯片控制信號接2764的引腳，讀寫控制信號和分別接6264芯片的和。由于8031芯片內部沒有ROM，只能用外部程序存儲器，所以必須接地。
二、ROM、RAM、I/O接口芯片地址分配
器件
地址選擇線
片內地址單元/字節(jié)
地址編輯
2764（1）
000x xxxx xxxx xxxx
8K
0000H~1FFFH
2764（2）
001x xxxx xxxx xxxx
8K
2000H~3FFFH
6264（1）
010x xxxx xxxx xxxx
8K
4000H~5FFFH
6264（2）
011x xxxx xxxx xxxx
8K
6000H~7FFFH
8279
1001 1111 1111 111x
2
9FFEH~9FFFH
8255
1011 1111 1111 11xx
4
BFFCH~BFFFH
三、軟環(huán)分
課程設計任務書要求采用軟環(huán)分，又因為兩運動單元都選用了55BF003步進電動機，并且Z軸采用三相六拍的控制方式，C軸采用三相雙三拍的控制方式。所以選用了8255的PA0~PA2分別對應Z軸步進電動機的A、B、C三相繞組，確定A-AB-B-BC-C-CA-A為電動機正轉; PA3~PA5分別對應C軸步進電機的A、B、C三相繞組,并確定AB-BC-CA-AB為電動機正轉。
第二節(jié) I/O接口電路
一、I/O接口電路的擴展
由于8031只有P口和P口部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的要求，因此系統(tǒng)擴展了一片8279和一片8255可編程I/O接口芯片。8279的片選信號接74LS138的4端。8255的片選信號接74LS138的5端。74LS138有三個輸入A、B、C分別接到8031的P、P、P,輸出～8個輸出，低電平有效。
8279與鍵盤、顯示器的連接：鍵盤的行線接8279的RL～RL，本次設計8279采用外部譯碼方式，SL～SL經74LS138（1）譯碼器輸出～，作為按鍵盤的列線，SL～SL又由74LS138(2)譯碼器輸出～，經驅動后輸出到顯示器各位的共陰極，輸出線OUTB、OUTA作為8位段數據輸出口，控制74LS138(2)的譯碼，當位切換時，輸出低電平，使74LS138(2)輸出全為高電平，當鍵盤上出現(xiàn)有效的閉合健時，鍵輸入數據自動的進入8279的FIFORAM，并向8031請求中斷，8031響應中斷，讀取FIFORAM中的輸入鍵值更新顯示器輸出，僅需改變8279種顯示緩沖器RAM中的內容。
8255的PA口用于控制Z向,C向的步進電機的運轉。根據任務書要求采用軟環(huán)分，于是PB口和PC口主要用于功能鍵的控制。
第三節(jié) 所用芯片接線引腳介紹
一、8031單片機芯片的介紹
8031芯片具有40根引腳按其功能分為四類
1.電源線2根?。╒,V）
2.晶體振蕩器2根
XTAL:振蕩器的反相放大器輸入，使用外部振蕩器時必須接地。
XTAL:當使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號
3.I/O口 共用P,P,P,P四個八位口，32根地址線，其功能如下：
（1）P～P：分時用作低8位地址線和8位數據線。
（2）P～P：供用戶使用。
（3）P～P：它作為高8位地址線
（4）P～P：該口的每一位均可獨立的定義為第一I/O口或第二I/O口功能
作為第一功能實用時，口結構與操作與P口完全相同。
第二功能如下所示：
：外部數據存儲器讀選通 ：外部數據存儲器寫選通
T,T:定時器0，1外部輸入 、：外部中斷
RxD:串行輸入口 TxD:串行輸出口
4.控制線
（1）：程序存儲器的使能引腳，是外部程序存儲器的讀選通信號；
（2）：為高電平時，CPU執(zhí)行內部程序存儲器的指令；為低電平時，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲器的指令，8031的端口必須接地；
（3）ALE：ALE是地址鎖存器的使能信號，ALE信號鎖存低8位地址
（4）RST/VPD：是復位/備用電源端
二、2764 ROM芯片的介紹
2764芯片為28腳雙列直插式扁平封裝芯片，其管腳的功能介紹如下：
：片選端； ：輸出使能端 ； A～A：地址端接口；
D～D：數據端接口；?。壕幊炭刂贫耍? V：編程電源端；
V：電源端； V：接地。
三、6264 RAM芯片的介紹
6264芯片也為28腳雙列直插式扁平封裝芯片，其管腳功能介紹：
V：電源端； V：接地。
：片選端1; CS2：片選端2;
：讀輸入選通端; ：寫輸入選通端;
A～A：地址線;
I/O～I/O：I/O口。
四、地址鎖存器74LS373和地址譯碼器74LS138的引腳圖
五、專用鍵盤顯示器接口芯片8279
8279是通用可編程鍵盤和顯示器I/O接口部件。利用8279，可實現(xiàn)對鍵盤/顯示器的自動掃描，并識別鍵盤上閉合健的鍵號，不僅可以大大節(jié)省CPU對鍵盤顯示器的操作時間，從而減輕CPU的負擔，而且顯示穩(wěn)定。程序簡單，不會出現(xiàn)誤動作，由于這些優(yōu)點，8279芯片被日益廣泛地應用，
其引腳功能如下：
（1）I/O控制器與數據緩沖器
利用、A和、信號去控制各種內部寄存器讀寫，A=1，表示傳送的是命令或狀態(tài)信息，A=0時數據信息。DB～DB與CPU數據總線相連。為片選信號，為低電平時，CPU才選中8279進行讀寫。
（2）IRQ為中斷請求輸出線，高電平有效。
（3）RL～RL為反饋輸入線，作為鍵輸入線由內部拉高電阻拉成高電平，也可由按鍵拉成低電平。
（4）SHIFT、CNTL/STB為控制鍵輸入線，由內部拉高電阻拉成高電平。
（5）SL～SL為掃描輸出線，用于對鍵盤顯示器掃描。
（6）OUTB,OUTA為顯示段數據輸出線。
（7）為消隱輸出線，低電平有效，當顯示器切換時，或使用顯示消隱命令時，將顯示消隱。
（8） RESET為復位輸入線，高電平有效。
六、8255可編程接口芯片：
8255具有3個8位的并行I/O口，分別為PA口、PB口和PC口，它們都可以通過軟件編程來改變I/O口的工作方式，其功能如下：
：片選端； PA～PA:A口； PB～PB:B口； PC～PC:C口A,A:地址線； ：讀信號； : 寫信號； D～D:數據線
RESET:復位信號； GND:地。
第四節(jié) 輔助電路的設計
一、輔助電路的介紹
微機數控系統(tǒng)除了各種主要功能芯片外，還必須包括一些其他必要的輔助電路。這些輔助電路有：鍵盤顯示器電路，步進電機控制電路，時鐘電路，復位電路，越界報警電路，掉電保護電路等。各種電路介紹如下：
1.鍵盤顯示器接口電路
數控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有：LED顯示器，LCD和CRT顯示器。本設計采用LED顯示器，通常它是由八個發(fā)光二極管組成的，具有共陰極和共陽極兩種結構，本次設計采用共陰極結構具體結構如圖所示：
鍵盤是由若干按鍵組成的開關矩陣，它是最簡單的單片機輸入設備，其工作原理如圖所示：
2.步進電機控制電路
步進電機控制電路如下列框圖所示：
步進電機控制電路框圖
現(xiàn)分別介紹如下：
（1）脈沖分配器（環(huán)形分配器）
環(huán)形分配器有硬件和軟件兩種，硬件環(huán)形分配器需要的I/O口接線少，其執(zhí)行速度快，但需要專有的芯片。軟環(huán)形分配器實用程序實現(xiàn)的。本設計中要求使用軟環(huán)分配器。其具體程序內容見下部分。
（2）光電隔離電路
在步進電機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經放大后，控制步進電機的勵磁繞組。由于步進電機需要的驅動電壓較高，電流也較大。如果將I/O口輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起強電干擾，輕則影響計算機的程序正常運行，重則導致計算機接口電路的損壞。所以一般要在接口電路與功率放大器間加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離。電路圖如圖所示：
光電隔離電路圖
該圖為同向輸出電路，控制信號經74LS05集電極開路門反相后驅動光耦合器的輸入發(fā)光二極管。當控制信號為低電平時，74LS05不吸收電路，發(fā)光二極管不導通，從而輸出的光敏晶體管截至，輸入電壓為零電平。反之輸出電壓為高電平。
（3）功率放大電路
脈沖分配器的輸出功率很小，遠不滿足步進電機的要求，必須將它放大，已產生足夠大的功率驅動步進電機正常運轉，本次設計所選用的是一種高低壓供電電路。其具體電路圖如圖所示。
高低壓驅動電路圖
其工作原理：
電路中各晶體管均處在開關狀態(tài)，當控制脈沖到來時，V１、V２、V３均導通，同時脈沖變壓器的二次側產生一定寬度的脈沖電流，使V２出于導通狀態(tài)，使二極管處于負偏置而截止，將電動機繞組LＡ與電源En斷開，高壓電源通過V2、 V1為步進電機繞組LＡ供電，使其電流上升沿變陡，通過Ｉb時間后，脈沖電流消失，使V處于截至狀態(tài)，切斷高壓電源EH與電動機繞組LA的回路，En通過VD2, V1為電動機供電，提供電動機所需的額定電流。
3.8031的時鐘電路
單片機的時鐘可以由兩種方式產生：內部方式和外部方式。內部方式利用芯片內部振蕩電路，本次設計采用內部方式，如圖所示。晶體可在1.2～12MHz之間任選，耦合電容在5～30PF之間，對時鐘有微調作用。
時鐘電路圖
4.復位電路
單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復位，以后單片機便從0000H單元開始執(zhí)行程序。單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種。下圖中為上電與按鈕復位組合。在上電瞬間，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上高電平，就能使單片機有效復位。
復位電路圖
5.越界報警電路
為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關。本次設計采用中斷方式，利用8031的外部中斷，只要有任一個行程開關閉合，即工作臺在某一個方向越界，均能產生中斷信號，為了報警，設置紅綠燈指示，正常工作時綠燈亮，當越界報警是紅燈亮。兩燈均由一個I/O口輸出。
（a）為報警信號的產生。 (b)為報警指示。
6.掉電保護電路
掉電保護電路，保護一些重要的現(xiàn)場參數，如幾何尺寸，工藝參數，再掉電后仍能妥善保存，恢復供電后又能馬上運行。
掉電保護電路圖
圖中Va為電源電壓，Vb為備用電池電壓并且Va＞Vb，V為存儲器RAM電源端，正常通電時，二極管VD2導通，VD截止，電壓由Va提供，同時Va還通過電阻R對電池充電。斷電后，VD2截止，VD導通，此時RAM的工作電壓由電池Vb經二極管VD1和電阻提供。
第四章 微機控制軟件
第一節(jié) 概述
機床數控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩大部分組成，只有軟件和硬件相結合時才能實現(xiàn)數控機床控制系統(tǒng)的功能。本章主要是對控制軟件做一下簡要介紹，其次按設計要求完成一項環(huán)形分配器流程框圖的繪制以及其源程序的編寫。
第二節(jié) 控制軟件組成及功能
一、典型的計算機數控系統(tǒng)控制軟件的組成形式如下圖中所示：
二、數控系統(tǒng)控制軟件的功能介紹如下：
（一）系統(tǒng)總控程序
這是計算機數控系統(tǒng)的主循環(huán)程序，系統(tǒng)上電后便進入這部分程序運行，它主要完成以下工作：1:系統(tǒng)的初始化；2：命令處理循環(huán)
（二）零件加工程序的輸入和輸出管理
零件加工程序的輸入有兩種方法：1：通過光電閱讀機輸入。2：從鍵盤輸入。零件程序存儲器一般容量較大，可以存放多個零件加工程序。數控系統(tǒng)采用的零件加工方式是存儲器工作方式，系統(tǒng)從零件存儲器中逐段取出程序送入程序緩沖器。然后對程序緩沖器中程序段數據預處理，形成可供插補運算的數據。
（三）零件加工程序的編輯
編輯程序也可以看作鍵盤命令處理程序，既可以用來從鍵盤輸入新的零件加工程序，也可以用來對已經存儲在零件程序存儲器中的零件加工程序進行編輯和修改。常用的編輯功能包括插入、刪除、查找、移動等。
（四）機床手動調整控制
機床手動調整動作包括：各坐標軸的運動、主軸運動、刀架轉位、冷卻液的開停等。 在手動調整狀態(tài)下，除了控制機床的動作外，還要對系統(tǒng)的參數進行修改設置。由上述內容可看出，手動調整的控制程序是一個對操作面板和鍵盤輸入命令進行掃描的循環(huán)。它不斷地讀取操作面板和鍵盤的輸入信息。分析識別輸入的命令進形相應的處理。
（五）零件加工程序的解釋和執(zhí)行
零件加工程序的解釋與執(zhí)行是完成零件加工任務的基本模塊，用來根據零件加工 程序實現(xiàn)零件的軌跡加工，一個加工程序段的解釋執(zhí)行，包括取得程序段，程序譯碼，完成程序段中指定的G、M、S、T功能。對軌跡加工類程序段進行數據預處理，插補計算，伺服控制等步驟。
（六）插補計算
插補程序是根據插補數學模型而編制的一種運算處理程序，它的作用是決定在所要求的進給長度上數控機床各坐標軸的運動規(guī)律，機床運動部件的每一次進給都需要執(zhí)行一次插補程序。插補的頻率是由程序所要求的進給速度所決定的。進給越快，插補頻率越高。
（七）伺服控制
伺服控制程序是根據插補程序的結果，經適當計算直接輸出去控制執(zhí)行元件的動作。對于開環(huán)的步進電機的控制，主要完成脈沖分配和步進電動機的加減速控制。和插補計算一樣，伺服控制也是由定時中斷引起的，也常常作為定時中斷服務程序的一部分出現(xiàn)或由定時中斷服務程序調用
（八）系統(tǒng)自檢
該程序檢測計算機數控系統(tǒng)各個硬件部件功能的正確性。只是可能存在的故障的位置與性質。這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性。
第三節(jié) 系統(tǒng)直線插補軟件設計
一、直線插補
（一）第一象限插補軌跡如圖所示：
（二）、插補程序
1.直線插補的程序框圖如下：
2.插補程序
此程序根據經濟性數控車床硬件電路圖編寫，程序首先對芯片8255進行初始化，再用逐點比較法對第一象限直線進行插補程序設計。環(huán)行分配器是采用軟環(huán)分配。程序如下：
ORG 1000H
LP: MOV SP,#60H 設置堆棧指針
MOV DPTR, #BFFFH 8255初始化，BFFFH為8255控制口地址
MOV A #8BH 控制字為8BH，（即10001011B）設置為A口輸出，B口輸入，C口輸入
MOVX @DPTR A
MOV 4AH, #00H 偏差單元清零
MOV 49H, #00H
MOV 48H #01H 置Z向電機初態(tài)
MOV 47H,#20H 置C向電機初態(tài)
MOV A,4EH （低8位＋低8位）→50H
ADD A,4CH
MOV 50H,A
MOV A,4DH （高8位＋高8位）→50H
ADDC A,4BH
MOV 4FH,A
MOV A,#21H Z向、C向電機上電
MOX DPTR,# BFFCH 將控制字#21H送入8255芯片的A口
MOVX @DPTR,A
LP1: MOV A,49H 將偏差值高8位→A
JB ACC·7LP3 ACC·7=1偏差值為負值，F(xiàn)＜0則跳轉到子程序LP3，否則向下執(zhí)行
ACALL ZMP F≥0走一步＋Z
CLR C 清進位
MOV A,4AH 計算偏差F=
MOV A,4CH
MOV 4AH,A
MOV A,49H
SUBB A,4BH
MOV 49H A
ACALL DLO 延時1ms
LP2:CLR C
MOV A,50H 終判值減1，送到A，判斷是否為0
SUBB A,#01H
MOV A,50H
MOV A,4FH
SUBB A,#00H
MOV 4FH,A
ORL A,50H
JNZ LP1 A不為0，轉移到LP1再判斷偏差值F的正負
LJMP 0000H
LP3:ACALL CMP F＜0，轉入此程序，走一步＋C，CMP為C向電機正轉子程序
MOV A,4AH 計算新偏差F=
ADD A,4EH
MOV 4AH,A
MOV A,49H
ADDC A,4DH
MOV 49H,A
ACALL DLO
SJMP LP2 轉移至LP2，重新進行判終
DLO:MOV R2,#02H 延時子程序
D2:MOV R1,#7DH
D1:DJNZ R1,D1
DJNZ R2,D2
RET
ZMP,CMP子程序略。
致 謝
課程設計是高等教育機電一體化工程專業(yè)中本科階段一個重要的實踐性環(huán)節(jié)，同時是理論聯(lián)系實際，解決生產實際問題的開始。
在設計過程中遇到了許多問題，通過請教指導老師和同學，綜合運用各種資料文獻，問題基本解決。由于時間倉促及本人知識水平有限，許多不足之處希望評委老師提出意見，我將認真仔細聽取建議，并將在以后設計做的更好。
發(fā)現(xiàn)自己的知識遠遠不夠，我應該繼續(xù)學習，通過學習不斷積累知識和完善自我。生命不息，奮斗不止，把握未來，就要牢牢把握一卻繼續(xù)學習的機會和條件，將學習進行到底。
這次課程設計過程中，得到了肖定國、郝娟兩位老師的精心指導，才得到能力的進一步提高，不足之處，請各位老師諒解。
最后衷心感謝對我這次課程設計給予的幫助和指導！
2010年9月18日
參考文獻
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