課程設計說明書--通用二維運動平臺設計

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　題 目：通用二維運動平臺設計 </p><p><b>　　學生姓名： </b></p><p>　　學 院：機械學院</p><p><b>　　班 級：機電 </b></p>

2、<p><b>　　指導教師： </b></p><p>　　2013年 1 月 10日</p><p>　　課程設計（論文）任務書</p><p>　　課程名稱： 學院： 班級：</p><p>　　學生姓名：

3、 學號： 指導教師：</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　X-Y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數(shù)控機床的加工系統(tǒng)、縱橫向進給、立體倉庫中堆垛機的平面移動系統(tǒng)、平面繪圖儀的繪圖系統(tǒng)等,盡管結構和功能各不相同,但基本原理相同。機電一體化系統(tǒng)是將機械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)結合而形成的一個有機整體。本文通過

4、對X-Y工作臺即能沿著X向、Y向移動的工作臺的機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及接口電路的設計,闡述了機電一體化系統(tǒng)設計對專業(yè)教學的意義及技術關鍵。 本次課程設計，主要設計和研究Ｘ－Ｙ工作臺及其電氣原理圖。確定Ｘ－Ｙ工作臺的傳動系統(tǒng)，并且選擇了螺旋傳動，驗算了螺旋傳動的剛度、穩(wěn)定性及壽命等參數(shù)；并設計了導軌，據(jù)其用途和使用要求，選擇了直線滾動導軌副，確定了其類型、轉動力矩、轉動慣量。控制系統(tǒng)包括了系統(tǒng)電源配置、CPU電路、RAM、ROM擴展，鍵盤與顯

5、示、I/O通道接口、通信接口等。我們利用了8031主控器、6264片外數(shù)據(jù)存儲器、2764片外程序存儲器、74LS373地址鎖存器、74LS138片選地址譯碼器及8155、8255可編程I/O擴展等MCS-51單片機設計其硬件電路圖。 </p><p>　　關鍵詞：滾珠絲杠螺母副；直線滾動導軌副；步進電機；工作臺；MCS—51單片機</p><p><b>　　目 錄</

6、b></p><p>　　第一章 二維運動平臺總體設計方案1</p><p>　　1.1 系統(tǒng)運動方式的確定與驅(qū)動系統(tǒng)的選擇1</p><p>　　1.2 機械傳動方式1</p><p>　　1.3 計算機系統(tǒng)選擇1</p><p>　　1.4 總體方案的確定2</p><p>

7、　　第二章 二維運動平臺進給驅(qū)動系統(tǒng)機械部分設計計算3</p><p><b>　　2.1 要求1</b></p><p>　　2.1.1 技術參數(shù)3</p><p>　　2.1.2 設計要求3</p><p>　　2.2 滾珠絲杠螺母副的計算與選型4</p><p>　　2.2.1 X

8、向進給絲杠4</p><p>　　2.2.2 Y向進給絲杠8</p><p>　　2.3 滾動導軌的計算與選擇10</p><p>　　2.3.1 滾動導軌副的額定壽命10</p><p>　　2. 4 步進電機的計算與選擇........................................................

9、..........................................12</p><p>　　2. 4. 1 步進電動機減速箱的選用..................................................................................12</p><p>　　2.4.2 轉動慣量與轉矩的計算12</p&g

10、t;<p>　　2.5 聯(lián)軸器的選擇..................................................................................................................17</p><p>　　2.5.1聯(lián)軸器的選擇.............................................

11、..........................................................17</p><p>　　2.5.2聯(lián)軸器的轉矩.......................................................................................................17</p><p>

12、　　2.5.3確定聯(lián)軸器的型號...............................................................................................17</p><p>　　第三章 微機系統(tǒng)硬件電路設計.......................................................................

13、.............................18</p><p>　　3.1 計算機系統(tǒng)18</p><p>　　3.2 單片微機系統(tǒng)硬件電路設計內(nèi)容18</p><p>　　3.2.1 繪制電氣控制系統(tǒng)框圖18</p><p>　　3.2.2 選擇CPU的類型19</p><p>　　3.2.3

14、 存儲器擴展電路的設計19</p><p>　　3.2.4 I/O接口電路設計20</p><p>　　3.3 各類芯片簡介20</p><p>　　3.3.1 8031芯片簡介20</p><p>　　3.3.2 74LS373芯片簡介20</p><p>　　3.3.3 74LS138芯片簡介21<

15、;/p><p>　　3.3.4 8279芯片簡介21</p><p>　　3.3.5 8255芯片簡介22</p><p>　　3.4 存儲器擴展電路設計...................................................22</p><p>　　3.4.1 程序存儲器ROM的擴展22</p>

16、<p>　　3.4.2 數(shù)據(jù)存儲器RAM的擴展23</p><p>　　3.4.3 譯碼電路的設計23</p><p>　　3.5 I/O接口電路的設計23</p><p>　　3.5.1 8255可編程接口芯片24</p><p>　　3.6 8031的時鐘電路24</p><p>　　3.7

17、復位電路24</p><p>　　3.8 越界報警電路24</p><p>　　3.9 控制系統(tǒng)的功能25</p><p>　　3.10 控制系統(tǒng)的工作原理25</p><p>　　參考文獻.........................................................................

18、.................................................................26</p><p>　　第一章 二維運動平臺總體設計方案</p><p>　　1.1 系統(tǒng)運動方式的確定與驅(qū)動系統(tǒng)的選擇</p><p>　　為了滿足二維運動平臺實現(xiàn)X.Y兩坐標聯(lián)動，任意平面曲面的加工，自動換象限，越位報警和急停等功能

19、，故選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到工作臺的加工范圍，只對毛坯料進行初加工，不考慮誤差補償，故采用開環(huán)控制系統(tǒng)，由于任務書規(guī)定的脈沖當量0.01mm,定位精度也為0.01mm，空載最快移動速度也只有1200mm/min，因此，本設計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進電動機電機進行驅(qū)動，以降低成本，提高性價比。</p><p>　　1.2 機械傳動方式</p>

20、;<p>　　為了實現(xiàn)設計要求的分辨率，采用步進電機轉動絲杠。為了保證一定的傳動精度和傳動平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除傳動間隙，采用有預加負荷的結構。</p><p>　　1.3 計算機系統(tǒng)選擇</p><p>　　根據(jù)設計要求，采用8位微機。由于MCS—51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強，具有很高的

21、性能價格比等特點，決定采用MCS—51系列的8031、80C31、8155、8255等I/O擴展，基于DSP的運動控制芯片及微處理器技術。</p><p>　　控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路。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(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。</p><p>　　1.4 總體方案的確定</p><p>

22、;　　圖1—1 X—Y數(shù)控工作臺總體方案設計</p><p>　　第二章 二維運動平臺進給驅(qū)動系統(tǒng)機械部分設計計算</p><p>　　2.1 要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術參數(shù)、設計要求、圖紙量、工作量要求等） </p><p>　　2.1.1 技術參數(shù)</p><p>　　1、運動平臺面尺寸：400×320； </p>

23、<p>　　2、平臺移動行程：X×Y＝250×200； </p><p>　　3、夾具和工件總重： 800N； </p><p><b>　　4、最高運行速度：</b></p><p>　　步進電機運行方式： 空載：1.2m/min; 切削：0.6m/min；</p><p>

24、　　交流伺服電機運行方式：空載：15m/min;切削：6m/min；</p><p>　　5、系統(tǒng)分辨率：開環(huán)模式0.01mm/step；半閉環(huán)模式 0.005mm/step；</p><p>　　6、系統(tǒng)定位精度：開環(huán)模式±0.10mm；半閉環(huán)模式 ±0.01mm；</p><p>　　7、切削負載：X向500N；Y向600N；Z向700N&l

25、t;/p><p>　　2.1.2 設計要求</p><p>　　1、實現(xiàn)X-Y兩坐標聯(lián)動；</p><p>　　2、用步進電機或交流伺服電機作驅(qū)動元件；</p><p>　　3、設置工作臺的越位報警和緊急事故的急停開關，并響應中斷；</p><p>　　4、任意平面曲線的加工，具有自動換象限的功能；</p>

26、<p>　　5、平臺具有快速驅(qū)動功能；</p><p>　　6、平臺具有斷電手動調(diào)整功能。</p><p>　　2.2 滾珠絲杠螺母副的計算與選型</p><p>　　2.2.1 X向進給絲杠</p><p><b>　　1、計算進給牽引力</b></p><p>　　作用在滾珠絲杠上的

27、進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力在導軌上的摩擦力。因而其數(shù)值的大小與導軌的型式有關，由于在設計中采用的是加有導軌塊的滾動導軌，所以選擇的計算公式為選矩形導軌的計算公式。計算公式為：</p><p>　　式中 、、、---切削分力（N）；500N,600N,700N.</p><p>　　---移動部件上的重量（N）；G=800N</p><

28、;p>　　---導軌上的摩擦因數(shù)，隨導軌型式而不同；=0.15</p><p>　　---考慮顛覆力矩影響系數(shù)；K=1.1</p><p><b>　　2、計算最大動載荷</b></p><p>　　選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向載荷作用下，絲杠在回轉100萬轉（106轉）后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即

29、稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載，用下式計算選擇：</p><p>　　式中 ---壽命，以10轉為一單位</p><p>　　---硬度系數(shù)，取=1</p><p>　　---為運轉系數(shù)；有一般運轉時 =1.2-1.5 取1.3</p><p>　　---絲杠轉速，，用下式計算</p><p>　　---為最大

30、切削力條件下的進給速度，</p><p><b>　　---絲杠導程，；</b></p><p>　　---為使用壽命，，對于數(shù)控機床??；</p><p>　　初選導程=5，由任務書可知最大切削力下的速度，則,代入公式可計算得</p><p>　　3、滾珠絲杠螺母副的選型</p><p>　　應使

31、其額定動載荷，選取濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2504-4滾珠絲杠副。</p><p>　　表3-31 G系列滾珠絲杠副尺寸參數(shù)</p><p><b>　　4、傳動效率計算</b></p><p>　　滾珠絲杠螺母副的傳動效率：</p><p>　　式中 ---絲杠螺旋升角；</p>&l

32、t;p>　　---摩擦角，滾珠絲杠的滾動摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。</p><p>　　將公稱直徑=25 mm，導程為 =4 mm ，代入，得絲杠螺旋升角=。將摩擦角=，代入，得傳動效率。</p><p><b>　　5、剛度計算</b></p><p>　　X向進給絲杠先畫出此進給滾珠絲杠支承方式草圖,如圖所示.最大牽引力為865N,由

33、螺母裝配總長度為44mm,絲杠螺紋長度取328mm,預計長度為480mm,絲杠螺母及軸承均進行預緊,預緊力為最大軸向負載的1/3.</p><p>　　圖2-1 X向進給系統(tǒng)計算簡圖</p><p>　　滾珠絲杠副的軸向變行會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性，因此應考慮以下引起軸向變形的因素：</p><p>　?。?）絲杠的拉伸或壓縮變形量</p>

34、<p>　　式中 ---絲杠的最大工作載荷，單位為N；</p><p>　　---絲杠兩端支撐間的距離，單位為mm；</p><p>　　---絲杠材料的彈性模量，鋼的；</p><p>　　---絲杠按底徑確定的截面積，單位為；</p><p>　　---轉矩，單位為；</p><p>　　--

35、-絲杠按底徑確定的截面慣性矩（），單位為。</p><p>　　將數(shù)據(jù)，帶入式中，計算得。</p><p>　?。?）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量</p><p>　　有預緊時 </p><p>　　式中 ---滾珠直徑，單位為；</p><p>　　---滾珠總數(shù)量，； </p>

36、<p><b>　　---單圈滾珠數(shù)，</b></p><p>　　---預緊力，單位為N。</p><p>　　當滾珠絲杠副有預緊力，且預緊力達軸向工作載荷的時，值可減少一半左右。</p><p>　　將公稱直徑，滾珠直徑，代入，得單圈滾珠數(shù)30，代入，得滾珠數(shù)總量120，預緊力=288.3N，絲杠的最大工作載荷=865N，代入

37、，計算得。</p><p><b>　?。?），計算得</b></p><p>　　4級精度滾珠絲杠有效行程250mm在≤315mm時，行程偏差允許達到16，所以X向絲杠剛度足夠。</p><p>　　2.2.2 Y向進給絲杠</p><p><b>　　1、計算進給牽引</b></p>

38、<p><b>　　計算公式為：</b></p><p>　　式中 、、、---切削分力（N）；500N,600N,700N.</p><p>　　---移動部件上的重量（N）；G=800N</p><p>　　---導軌上的摩擦因數(shù)，隨導軌型式而不同；=0.15</p><p>　　---考慮顛覆力矩

39、影響系數(shù)；K=1.1</p><p><b>　　2、計算最大動載荷</b></p><p>　　選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向載荷作用下，絲杠在回轉100萬轉（106轉）后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載，用下式計算選擇：</p><p>　　式中 ---壽命，以10轉為一單

40、位</p><p>　　---硬度系數(shù)，取=1</p><p>　　---為運轉系數(shù)；有一般運轉時 =1.2-1.5 取1.3</p><p>　　---絲杠轉速，，用下式計算</p><p>　　---為最大切削力條件下的進給速度，</p><p><b>　　---絲杠導程，；</b><

41、;/p><p>　　---為使用壽命，，對于數(shù)控機床?。?lt;/p><p>　　初選導程=5，由任務書可知最大切削力下的速度，則,代入公式可計算得</p><p>　　3、滾珠絲杠螺母副的選型</p><p>　　應使其額定動載荷，選取濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2504-4滾珠絲杠副。（同X方向選型）</p><p

42、><b>　　4、傳動效率計算</b></p><p>　　滾珠絲杠螺母副的傳動效率：</p><p>　　式中 ---絲杠螺旋升角；</p><p>　　---摩擦角，滾珠絲杠的滾動摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。</p><p>　　計算結果同X方向一致，。</p><p><b&g

43、t;　　5、剛度的驗算</b></p><p>　　計算過程同X方向一致，，，</p><p>　　4級精度滾珠絲杠有效行程250mm在≤315mm時，行程偏差允許達到16，所以Y向絲杠剛度足夠。</p><p><b>　　6、壓桿穩(wěn)定性校核</b></p><p><b>　　≥</b&g

44、t;</p><p>　　單推-單推方式，故,</p><p><b>　　≥</b></p><p><b>　　故絲杠不會失穩(wěn)</b></p><p>　　2.3 滾動導軌的計算與選擇</p><p>　　目前，滾動導軌在數(shù)控機床上應用非常廣泛，因為其摩擦系數(shù)=；動、靜摩

45、擦系數(shù)很接近，幾乎不受運動速度的變化的影響，運動輕便、靈活，所需驅(qū)動功率小，摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持性好；低度運動時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，因而定位精度高，所以選用滾動導軌。</p><p>　　2.3.1 滾動導軌副的額定壽命</p><p>　　1、滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取</p><p>　　工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的

46、X-Y工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]在最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：</p><p>　　其中，移動部件重量，外加載荷,代入式中，得最大工作載荷。</p><p>　　根據(jù)工作載荷，初選直線滾動導軌副的型號為海特SBG 15 FL。</p><p><b>　　直線導軌副參數(shù)

47、</b></p><p>　　任務書規(guī)定工作臺面尺寸為400×320，加工范圍為250×200，考慮工作行程應留有一定余量，故選取導軌長度為700mm。</p><p>　　2、距離額定壽命L的計算</p><p>　　滾動體為球時，其計算公式如下：</p><p>　　式中 ---距離額定壽命，單位為； &

48、lt;/p><p>　　---額定動載荷，；</p><p>　　---滑塊上的工作載荷,單位為；</p><p><b>　　---溫度系數(shù),；</b></p><p>　　---接觸系數(shù),導軌上的滑塊數(shù)為2查相關資料；</p><p><b>　　---載荷系數(shù)，</b>&l

49、t;/p><p>　　---硬度系數(shù)，滾道硬度不得低于HRC58故通常取</p><p>　　---精度系數(shù)，精度等級4級，=0.9</p><p><b>　　代入公式計算得：</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=4550.8

50、km</b></p><p>　　遠大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。</p><p>　　2.4 步進電機的計算與選擇</p><p>　　選用步進電機時，必須首先根據(jù)機械設計結構草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電機軸上的等效慣量，分別計算各種共況條件下所需的等效力矩，再根據(jù)步進電機最大轉矩選擇合適的步進電機。</p><

51、p>　　2.4.1 步進電動機減速箱的選用</p><p>　　已知工作臺的脈沖當量，滾珠絲杠的導程，初選步進電動機的步距角</p><p><b>　　算得減速比：</b></p><p>　　故本設計并不需要減速箱。</p><p>　　2.4.2 轉動慣量與轉矩的計算</p><p>

52、　?。?）計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量</p><p>　　各個零部件轉動慣量如下：</p><p>　　已知：滾珠絲杠的公稱直徑，導程，材料密度，移動部件總重量</p><p><b>　　滾珠絲杠的轉動慣量</b></p><p>　　工作臺折算到絲杠上的轉動慣量</p><p>　　

53、初選步進電動機型號為90BYG2502，為兩相混合式，二相八拍驅(qū)動時步距角，查得該型號電動機轉子的轉動慣量</p><p>　　計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩 </p><p>　　分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算</p><p>　　快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩</p><p>　　包括三部分：一部分是

54、快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，相對于和很小，可以忽略不計。則有</p><p>　　考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速度轉矩：</p><p>　　式中 ---對應空載最快移動速度的步進電動機

55、最高轉速，單位為 </p><p>　　---步進電動機由靜止到加速至轉速所需要的時間，單位為s。</p><p>　　式中 ---空載最快移動速度，任務書指定為1200</p><p>　　---步進電動機步距角，預選電動機為</p><p>　　---脈沖當量，任務書指定為0.01mm/step</

56、p><p>　　將以上各值代入式中，算得</p><p>　　步進電動機由靜止到加速至轉速所需要的時間，傳動鏈總效率，則</p><p>　　移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為</p><p>　　式中 ---導軌的摩擦因數(shù)，滾動導軌取0.005</p><p>　　---垂直方向的切削力，空載時取0

57、</p><p>　　---傳動鏈總效率，取0.7</p><p><b>　　則</b></p><p>　　因此，求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩</p><p>　　最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩</p><p>　　包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作

58、負載轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩 ；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有</p><p>　　折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩</p><p>　　本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷,則有</p><p>　　計算垂直方向承受最大工作負載情況下，

59、移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩</p><p>　　因此，求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩</p><p>　　經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為：</p><p>　　步進電動機最大靜轉矩的選定</p><p>　　根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中，安全系數(shù)

60、取,則步進電動機的最大靜轉矩應滿足：</p><p>　　上述初選的步進電動機型號為90BYG2502，該型號最大靜轉矩，滿足要求。</p><p>　　步進電動機的性能校核</p><p>　　最快工進速度時電動機輸出轉矩校核</p><p>　　任務書給定的最快工進移動速度</p><p>　　電動機對應的運行頻率

61、為</p><p>　　查表4-7知，在此頻率下，電動機的輸出轉矩遠遠大于最大工作負載轉矩0.457N.m ,滿足要求。</p><p>　　最快空載移動時電動機輸出轉矩校核</p><p>　　任務書給定的工作臺最快空載移動速度</p><p>　　電動機對應的運行頻率</p><p>　　查表4-7知，在此頻率下，

62、電動機的輸出轉矩遠遠大于,滿足要求。</p><p>　　最快空載移動時電動機輸出轉矩校核</p><p>　　與最快空載移動速度對應的電動機運行頻率為2000Hz</p><p>　　查表4-5知90BYG2502的電動機的空載運行頻率可達20000Hz，可見沒有超出上限。</p><p><b>　　起動頻率的計算</b&

63、gt;</p><p><b>　　電動機轉子慣量</b></p><p>　　電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率</p><p>　　要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率到必須小于1126Hz。</p><p>　　綜上，步進電動機90BYG2502滿足設計要求。</p><p&g

64、t;　　表4-5 永磁感應式步進電動機的技術參數(shù)</p><p>　　2.5 聯(lián)軸器的選擇</p><p>　　2.5.1聯(lián)軸器的選擇</p><p>　　2.5.2聯(lián)軸器的轉矩</p><p>　　傳動軸上的公稱轉矩T可用下式計算：</p><p>　　實際計算時，應將公稱轉矩T乘以工作情況系數(shù),得到計算轉矩。&

65、lt;/p><p>　　2.5.3確定聯(lián)軸器的型號</p><p>　　根據(jù)計算轉矩及所選的聯(lián)軸器類型，若,則聯(lián)軸器可以確定。</p><p>　　微機系統(tǒng)硬件電路設計</p><p><b>　　3.1 計算機系統(tǒng)</b></p><p>　　微機系統(tǒng)由CPU，存儲器擴展電路，I/O接口電路，驅(qū)動電

66、機驅(qū)動電路等幾部分組成。</p><p>　　微機是系統(tǒng)的核心，其他裝置都是在微機的指揮進行工作的。系統(tǒng)要求主要對微機的字長和速度。字長不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運算精度。字長較長的計算機，價格顯著上升，而字長較短的計算機，要進行雙字長和三字長的運算，就會影響速度，根據(jù)機床要求，綜合考慮采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾能力強，具有很高的性

67、價比特點，決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。</p><p>　　控制系統(tǒng)由微機部分，鍵盤、I/O接口，步進電機功率放大電路等幾部分組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。</p><p>　　3.2 單片微機系統(tǒng)硬件電路設計內(nèi)容</p><p>　　3.2.1 繪制電氣控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)是由硬

68、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的運行。</p><p>　　機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖</p><p>　　機床硬件電路圖由以下幾部分組成：</p><p>　　1.主控制器，即CPU</p><p>　　2.總線，包括數(shù)據(jù)，地址，控制總線</p><p>　　3.存儲器 ROM，RAM<

69、;/p><p>　　4.接口，即I/O接口電路</p><p><b>　　5.外設，如鍵盤等</b></p><p>　　3.2.2 選擇CPU的類型</p><p>　　考慮到系統(tǒng)應用場合、控制對象對各種參數(shù)的要求，及經(jīng)濟價格比等經(jīng)濟性的要求。因此，在經(jīng)濟數(shù)控機床中，推薦使用MCS—51系列單片機作主控制器。</p

70、><p>　　3.2.3 存儲器擴展電路的設計</p><p>　　存儲器擴展電路應該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展。</p><p>　　在選擇程序存儲器芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配，還應考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量問題。</p><p>　　在存儲器擴展電路的設計中還應包括地址鎖存器和譯碼電路的設計。</p&

71、gt;<p>　　3.2.4 I/O接口電路設計</p><p>　　此次設計內(nèi)容包括接口芯片的選用，步進電機控制電路，鍵盤電路以及其他輔助電路的設計（例如復位電路，越界報警電路等）</p><p>　　3.3 各類芯片簡介</p><p>　　3.3.1 8031芯片簡介</p><p><b>　　Vss：接地&l

72、t;/b></p><p><b>　　VCC：+5伏電壓</b></p><p>　　XTAL1：內(nèi)部振蕩電路反向放大器輸入端</p><p>　　XTAL2：內(nèi)部振蕩電路反向放大器輸出端</p><p>　　RST/VPD：復位/備用電源</p><p>　　ALE/PROG：鎖存/接收

73、編程脈沖</p><p>　　PSEN：外部程序存儲器讀選通信號輸出端</p><p>　　EA/VPP：EA為內(nèi)部程序存儲器和外部程序存儲起選擇端，對于8031始終保持低電平；VPP為在EPROM編程期間加21伏編程電壓</p><p>　　P0.0～P0.7：在訪問外存時，分時傳送低8位地址和數(shù)據(jù)總線</p><p>　　P1.0～P1.

74、7：8位準雙向I/O口，每一位都可作為可編程的輸入或輸出線</p><p>　　P2.0～P2.7：8位準雙向I/O口，訪問外存時輸出高8位地址</p><p>　　P3.0～P3.7：8位準雙向I/O口及第二功能口</p><p>　　3.3.2 74LS373芯片簡介</p><p>　　D0～D7： 數(shù)據(jù)輸入端</p>&

75、lt;p>　　Q0～Q7： 數(shù)據(jù)輸出端</p><p>　　LE ： 鎖存信號輸入端</p><p>　　OE ： 鎖存信號輸出端</p><p>　　3.3.3 74LS138芯片簡介</p><p>　　3.3.4 8279芯片簡介 </p><p>　　<1>DB0~DB7：雙向數(shù)

76、據(jù)總線。在CPU與8279間做數(shù)據(jù)與命令傳送。</p><p>　　<2>CLK：8279的系統(tǒng)時鐘，100KHz為最佳選擇。</p><p>　　<3>RESET：復位輸入線。輸入HI時可復位8279。　</p><p>　　<4>CS：芯片選擇信號線。當這個輸入引腳為低電平時，可將命令寫入8279或讀取8279的數(shù)據(jù)。<

77、/p><p>　　<5>A0：緩沖器地址選擇線。A0=0時，讀寫一般數(shù)據(jù)；A0=1時，讀取狀態(tài)標志位或?qū)懭朊?。?lt;/p><p>　　<6>RD：讀取控制線。RD=0時，8279輸送數(shù)據(jù)到外部總線。</p><p>　　<7>WR：寫入控制線。WR=0時，8279從外部總線接收數(shù)據(jù)。</p><p>　　&l

78、t;8>IRQ：中斷請求。平常IRQ為LO，在鍵盤模式下，每次讀取FIFO/SENSOR RAM的數(shù)據(jù)時，IRQ變?yōu)镠I，讀取后轉為LO；在傳感器模式下，只要傳感器一有變化，就會使IRQ變?yōu)镠I，讀取后轉為LO。</p><p>　　<9>SL0~SL3：掃描按鍵開關或傳感器矩陣及顯示器，可以是編碼模式(16對1)或解碼模式(4對1)。</p><p>　　<10&

79、gt;RL0~RL7：鍵盤/傳感器的返回線。無按鍵被按時，返回線為HI；有按鍵被按時，該按鍵的返回線為LO。在激發(fā)輸入模式時，為8位的數(shù)據(jù)輸入。　</p><p>　　<11>SHIFT：在鍵盤掃描模式時，引腳的輸入狀態(tài)會與其它按鍵的狀態(tài)一同儲存(在BIT6)，內(nèi)部有上拉電阻，未按時為HI，按時為LO。</p><p>　　<12>CNTL/STB：在鍵盤掃描模式時

80、，引腳的輸入狀態(tài)會與SHIFT以及其它按鍵的狀態(tài)同一儲存，內(nèi)部有上拉電阻，未按時為HI，按時為LO。在激發(fā)輸入模式時，作為返回線8位數(shù)據(jù)的使能引腳。</p><p>　　<13>OUTA0~OUTA3：動態(tài)掃描顯示的輸出口(高4位)。</p><p>　　<14>OUTB0~OUTB3：動態(tài)掃描顯示的輸出口(低4位)?！?lt;/p><p>　　

81、<15>BD：消隱輸出線。</p><p>　　3.3.5 8255芯片簡介</p><p>　　RESET：由CPU提供復位信號</p><p><b>　　CS：片選信號</b></p><p>　　RD：為主機發(fā)來的讀數(shù)脈沖輸入端</p><p>　　WR：為主機發(fā)來的讀數(shù)脈沖輸

82、入端</p><p>　　A1、A0 ：端口選擇信號 </p><p>　　3.4 存儲器擴展電路設計</p><p>　　MCS-51系列單片機的特點之一是硬件設計簡單，系統(tǒng)結構緊湊，對簡單的應用場合MCS-51系列的最小系統(tǒng)用一片8031外擴一片EPROM就能滿足功能的要求。對于復雜的應用場合，可利用MCS-51的擴展功能，構成功能強，規(guī)模大的系統(tǒng)。</p

83、><p>　　3.4.1 程序存儲器ROM的擴展</p><p>　　MCS-51的程序存儲器的尋址空間為64K B。8031不帶ROM，用作程序存儲器的器件是EPROM。</p><p>　　（1）、16位地址總線的擴展</p><p>　　由于P0口分時傳送低字節(jié)地址和數(shù)據(jù)，所以接入74LS373鎖存器，8031的ALE接373的LE，373

84、的OC接地，使373常輸出。74LS373的輸出口Q與P2口一起擴展出12位地址總線AB。</p><p>　　(2）、地址線的連接</p><p>　　根據(jù)設計要求，需要擴展一片2732。一片2732的地址線分別與地址總線AB相連。</p><p>　　(3）、數(shù)據(jù)線的連接</p><p>　　兩片存儲器的8位數(shù)據(jù)線分別與數(shù)據(jù)總線DB按位依

85、次相連。</p><p>　　(4）.控制線的連接</p><p>　　8031PSEN與EPROM的OE相連；8031的EA接地；2732的CE與138 Y0相連。</p><p>　　3.4.2 數(shù)據(jù)存儲器RAM的擴展</p><p>　　由于8031芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠不能滿足系統(tǒng)的需要，需擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器RAM，選擇6

86、116芯片即可滿足設計要求。</p><p>　　6116的連接和2732大致相同，唯控制信號線的連接不同；6116的OE，WE與8031的RD，WR相連，CS與138的Y1相連。</p><p>　　3.4.3 譯碼電路的設計</p><p>　　8031單片機允許擴展64K ROM和64K RAM（包括I/O借口芯片）</p><p>　

87、　(1）、MCS-51單片機應用系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則</p><p>　　第一：ROM與RAM獨立編址</p><p>　　ROM地址和RAM地址可以重疊使用，都從0000H～FFFFH。地址的重復靠片選信號和控制信號區(qū)分。</p><p>　　第二：外圍I/O與RAM、ROM的統(tǒng)一編址</p><p>　　外圍I/O不僅占用RAM的單元，而

88、且使用RAM的讀/寫指令，本次課程設計采用統(tǒng)一編址。 </p><p><b>　　(2）、地址譯碼法</b></p><p>　　常用地址的譯碼方法有線選法和全地址譯碼，在這里選擇全地址譯碼。</p><p>　　對于容量較大的的系統(tǒng)，擴展

89、的外圍芯片較多，芯片所需的片選信號多于可利用的地址線時，就需要用全地址譯碼的方法。</p><p>　　通常采用3-8譯碼器（74LS138）。輸入端占用3根最高地址線，剩余的13根低位地址線可作為片內(nèi)的地址線。74LS138譯碼器的8根輸出線分別對應8個8K字節(jié)的地址空間。</p><p>　　3.5 I/O接口電路的設計</p><p>　　8031單片機共有3

90、個8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口和部分P3口，因此在大部分應用系統(tǒng)中都需要擴展I/O口芯片，本擴展系統(tǒng)采用8255芯片。 </p><p>　　3.5.1 8255可編程接口芯片</p>

91、<p>　　8255是INTER公司開發(fā)的可編程輸入輸出接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，分別為PA、PB、PC口，其中PC口又分為高4位和低4位，他們都可以通過軟件編程來改變I/O口的工作方式，8255可與8031直接連接。</p><p>　?。?）、8255的三種工作方式</p><p>　　方式0：基本輸入輸出方式</p><p>　　方式1

92、：應答式輸入輸出工作方式</p><p>　　方式2：應答式雙向輸入輸出工作方式（僅A0口可選此種方式，此時C口的PC7～PC3五位作為其應答信號使用。</p><p>　?。?）、8031和8255的接口</p><p>　　連接無需任何外加邏輯電路，直接連接即可。</p><p>　　3.6 8031的時鐘電路</p>&l

93、t;p>　　單片機的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生。即內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路在XTAL1，XTAL2引腳上外接定時元件。采用外部方式時把XTAL1接地，XTAL2接外部時鐘電源。</p><p><b>　　3.7 復位電路</b></p><p>　　單片機的復位都是用外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，REST引腳上出現(xiàn)10ms以上高電平，單

94、片機便實現(xiàn)狀態(tài)復位。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。原理圖中為上電與按鈕復位電路組合。在上電瞬間，RC電路充電。RST引腳出現(xiàn)正脈沖，只要在RST端保持10ms以上高電平就能使單片機有效的復位。</p><p>　　3.8 越界報警電路</p><p>　　為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關。一旦某一方向越界，立即停止工作臺的移動，這里

95、采用中斷方式。利用8031的外部中斷INT0只要有任何一個行程開關閉合。即工作臺在某一方向越界均能產(chǎn)生中斷信號INT0。為了報警，設置紅綠指示燈，兩燈均由一個I/O口輸出</p><p>　　3.9 控制系統(tǒng)的功能</p><p>　　1. X向，Y向的進給驅(qū)動系統(tǒng)</p><p><b>　　2. 鍵盤顯示</b></p>&l

96、t;p><b>　　3. 面板管理</b></p><p><b>　　4. 行程控制</b></p><p>　　3.10 控制系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　為了便于說明，以控制面板為例。簡述其工作原理。控制面板分為顯示器、信號燈、鍵盤、按鈕和旋鈕。</p><p>　　1.顯示器：用

97、來顯示工作過程中一些相關的數(shù)據(jù)</p><p>　　2.信號燈：在顯示器下面的紅燈為越界信號燈，顯示器右面是與其對應的綠燈為正常工作的信號燈。當正常工作是時綠燈亮。當在X，Y 方向越界時紅燈亮、綠燈滅。鍵盤右面的燈為電源指示燈，指示燈下放為一“急?！卑粹o，當需要立即停止時按此按鈕。</p><p>　　3.鍵盤：簡單的輸入設備，可以進行編輯和控制系統(tǒng)的工作。</p><

98、p>　　4.按鈕：旋鈕右面四個按鈕+X，-X，+Y，-Y是與手動擋配合使用的，旋鈕下方的“X原點”，“Y原點”按鈕是使車床刀具回原點的按鈕。包括越界回原點、手動回原點。旋鈕右下方的按鈕位“啟動”和“回零” 按鈕，此回零為所有回零，任意方向，任何時刻的回零，與上面提到的回零不同，上面提到的“X原點”“Y原點”只是X，Y方向上的回零。</p><p>　　5.旋鈕：此旋鈕為適應不同工作條件而設，分為編輯、單步、

99、自動、手動Ⅰ、手動Ⅱ、單段等檔位。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　[1] 機床設計手冊組.機床設計手冊（三分冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社,1986</p><p>　　[2] 尹志強.機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書[M].北京：機械工業(yè)出版社,2007,5</p><p>　　[