单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台

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目 录

第一章 课程设计的目的、意义及要求 ···············································

第一节 课程设计的目的、意义 ············································································· 第二节 课程设计的要求 ·························································································

第二章 课程设计的内容 ·······································································

第一节 课程设计的内容 ························································································· 第二节 课程设计的内容 ··········································································

第三章 数控系统总体方案的确定 ······················································· 第四章 机械部分设计 ···········································································

第一节 确定系统脉冲当量 ····················································································· 第二节 工作台外形尺寸及重量初步估算 ····························································· 第三节 滚动导轨副的计算、选择 ········································································· 第四节 滚珠丝杠计算、选择 ················································································· 第五节 齿轮计算、设计 ························································································· 第六节 步进电机惯性负载的计算 ········································································· 第七节 步进电机的计算选择 ·················································································

第五章 机床数控系统硬件电路设计 ···················································

第一节 设计内容 ····································································································· 第二节 设计步骤 ····································································································· 第三节 机床数控系统硬件电路设计 ·····································································

第六章 系统控制软件设计 ··································································· 第七章 课程设计小结 ··········································································· 参考文献 ··································································································

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第一章 课程设计的目的、意义及要求

第一节 课程设计的目的,意义

1.

第二节 课程设计的要求：

1.

第二章 课程设计的内容

第一节 课程设计题目：单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台。

已知条件：定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲击 工作台的有效行程为Lx?400mm LY?400mm快速进给速度vxmax?2000mm/min vymax?2000mm/min 和工作载荷FZ?2000N。

第二节 课程设计的内容

1.数控装置总体方案的确定

(1)数控装置设计参数的确定； (2)方案的分析，比较，论证。 2.机械部分的设计

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(1)确定脉冲当量；

(2)机械部件的总体尺寸及重量的初步估算； (3)传动元件及导向元件的设计，计算和选用； (4)确定伺服电机；

(5)绘制机械结构装配图； (6)系统等效惯量计算； (7)系统精度分析。

3.数控系统的设计

(1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计； (2).I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用； (3).系统控制软件的设计

4.编写课程设计说明书

(1).说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确

定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明； (2).说明书不少于8000字。

5.图纸

(1).机械结构装配图。要求视图基本完整，符合标准。其中至少要有一个坐标轴的完

整剖视图；

第三章 数控系统总体方案的确定

数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。

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1. 系统运动方式的确定

该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。 2. 伺服系统的选择 开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。

.考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。 3. 计算机系统的选择

采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。 4. X—Y工作台的传动方式

为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。

由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。

考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。系统总体框图如下:

X向工作台 计 算 机 光电隔离 功率放大 步进 电机 光电隔离 功率放大 4

步进 电机 Y向工作台 黄石理工学院

第四章 机械部分设计

机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。

第一节 确定系统脉冲当量

脉冲当量δp是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为±0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。

第二节 工作台外形尺寸及重量初步估算

根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。 取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:

工作台简图 X向拖板(上拖板)尺寸为:

长*宽*高=420*410*50 重量:按重量=体积*材料比重估算为:

Wx= 420?410?50?10?3?7.8?10?2?671.58N Y向拖板(下拖板)尺寸为: 420?400?50

重量WY=420?400?50?10?3?7.8?10?2?655.2N

上导轨(含电机)重量为

(900?480?8?2?800?35?50)?7.8?10?2?10?3?487.97N

夹具及工件重量:约155N

X-Y工作台运动部分总重量为:

W?487.97?655.2?671.58?155?2000N

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第三节 滚动导轨副的计算、选择

根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般运行状况)，3.0~5.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨： 因系统受中等冲击,因此取fsL?4.0

CO?fSLPX,YPX,Y?0.5(FZ?WX,Y)

Px=0.5(FZ+WX)=0.5(2000+671.58)=1335.79NPY=0.5(FZ+WY)=0.5(2000+655.2)=1327.6NCOX=fSLPX=4?1335.79=5343.16NCOY=fSLPY=4?1327.6=5310.4N根据计算额定静载荷初选导轨:

选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25 基本参数如下: 额定载荷/N 静态力矩/N*M 滑座重导轨重导轨长度 量 量 动载荷 静载荷 L Kg Kg/m TA TB TC (mm) Ca Co 17500 26000 滑座个数 M 4 导轨的额定动载荷Ca?17500N

依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷Ca (kN)验算导轨的工作寿命Ln：

额定行程长度寿命:

TfCTS?K(fHffW

198 198 288 单向行程长度 0.60 3.1 760 每分钟往复次数 lS 0.6 n 4 CaF)

2000MF?F?M4?500

fT?1,fW?2,fC?0.81,fH?1,K?Rdo?50

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TS?K(fHfTfCCa3fWF3)?50(1?1?20.8117500)?142409.58km500导轨的额定工作时间寿命:

TH?TH?TS?1032lonTS?1032lon

142409.58?103??494477h?T?15000h

2?0.6?4?60导轨的工作寿命足够.

第四节 滚珠丝杠计算、选择

初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC58~60，导程：l0=5mm （1） 强度计算

丝杠轴向力：Fmax?KFx,y?f(Fz?Wx,y)(N)

其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005；在车床车削外圆时：Fx=(0.1~0.6)Fz，Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。 取f=0.004,FZ?400则:

FX?0.5FZ?0.5?2000?1000NFY?0.6FZ?0.6?2000?1200NFXmax?1.15?1000?0.004(2000?671.58)?1045.686NFYmax?1.15?1200?0.004(2000?655.2)?1252.621N

寿命值：L?vmax60nT，其中丝杠转速(r/min) n?106l0T?15000hn?L?vmax2000??400r/min l0560?400?15000?360610最大动载荷：Q?3LfHfWF

式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5；fH为硬度系数，HRC≥58时为1.0。 查表得中等冲击时fW?1.2,fH?1则:

QX?3360?1.2?1?1045.686?7079.58NQY?360?1.2?1?1252.621?10686.54N3

根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。 其基本参数如下:

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其额定动载荷为14205N> Qy足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.

滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表

名称 计算公式 公称直径d0 螺距t 接触角? 钢球直径db 螺纹滚道法向半径R 偏心距e 螺纹升角? 螺杆外径d 螺杆内径d1 ―― ―― ―― ――

结果 20mm ５mm 450 3.175mm 1.651mm 0.04489mm 4033' R?0.52db e?(R?db?2)sin? ??arctgt ?d0d?d0?(0.2~0.25)db d1?d0?2e?2R 8

19.365mm 16.788mm 黄石理工学院

螺杆接触直径d2 螺母螺纹外径D 螺母内径（外循环）D1

（2） 传动效率计算

d2?d0?dbcos? D?d0?2e?2R D1?d0?(0.2~0.255)db 17.755mm 23.212mm 20.7mm tg?

tg(???)式中：φ=10’，为摩擦角；γ为丝杠螺旋升角。

丝杠螺母副的传动效率为：??tg4033'??tg?tg(???)?tg(4033'?10')?0.96

（3） 稳定性验算

丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。

（4） 刚度验算

滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：?l1??Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算

Fl0(cm) ESFY?1252.621Nl0?0.5cmE?20.6?106(N/CM2)S??R?3.14(21.65122)?2.14CM2

?61251.82?0.5?L1??20.6?6.12?10CM?106?2.14丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差Δ为

?6100?4???L1100?6.12?10?12.24?10?12.24um?[?]El00.5级精度

丝杠允许的螺距误差[ Δ]=15μm/m。

第五节 齿轮计算、设计

因步进电机步距角?b?1.5o滚珠丝杠螺距t=5mm,要实现脉冲当量?p?0.01mm/step,在传动系统中应加一对齿轮降速传动.

齿轮传动比： i?360?p，初选步进电机步距角：α= 1.5?/step。

? l0i?i?360?p?loZ1Z2?360?0.010.481.5?5

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取小齿轮齿数 Z1?24 则大齿轮齿数Z2?50 因传递的扭距较小,取模数m=1mm则:

分度圆直径:d1?mz1?1?24?24mm d2?mz2?1?50?50mm 齿顶圆直径: da1?(z1?2)m?(24?2)?1?26mm

da2?(z2?2)m?(50?2)?1?52mm 齿根圆直径: df1?(z1?2.5)m?(24?2.5)?1?21.5mm

df2?(z1?2.5)m?(50?2.5)?1?47.5mm 齿宽: b??dd1?1?24?24mm 取b1?25b2?30 中心距: a?0.5(d1?d2)?0.5(24?50)?37mm 分度圆压力角: ??200

大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮

小齿轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙.

双片齿轮错齿消隙结构图如下:

1、2--薄齿轮, 3—弹簧, 4、8—凸耳, 5—调节螺钉, 6、7—螺母

双片齿轮错齿消隙结构图

第六节 步进电机惯性负载的计算

根据等效转动惯量的计算公式，有： （1）等效转动惯量的计算

折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：

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?p2z12Jq?J0?J1?()(J2?J3)?M()? z2?b180式中：Jq为折算到电机轴上的惯性负载；J0为步进电机轴的转动惯量；J1为齿轮１的转动惯量；

J2为齿轮２的转动惯量；J3为滚珠丝杠的转动惯量；Ｍ为移动部件的质量。 对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：

J?0.78?10?3?D4?L

式中D为圆柱零件直径，L为圆柱零件的长度。 所以有：

J1?0.78?10?3?2.44?2.5?6.47?10?2kg.cm2J2?0.78?10?3?5.04?3.0?146.25?10?2kg.cm2J3?0.78?10?3?2.04?30?37.44?10?2kg.cm2

电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：

Jd?6.47?10?2?(2420.012)(146.25?37.44)?10?2?200()?0.7793kg.cm23.1450?1.5180第七节 步进电机的选用

(１）步进电机启动力矩的计算

设步进电机的等效负载力矩为Ｔ，负载力为Ｐ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：

T???Ps

式中?为电机转角，Ｓ为移动部件的相应位移，Ｓ＝?p，且P?Ps??(G?Pz)。所以：

?为机械传动的效率。若取???b，则

T?36?p[Ps??(G?Pz)]2???b

式中：P，G为移动部件质量（N），Ps为移动部件负载（N）z为与重力方向一致的作用在

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移动部件上的负载力（N），?为导轨摩擦系数，?b为步进电机的步距角（rad）,T为电机轴负载力矩（N.cm）。

取?=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），

?＝０.8，Ps=PH=279.23Ｎ。考虑到重

力影响，Ｙ向电机负载较大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：

T?36?0.01[1251.82?0.03?(2000?1800)]2?3.14?1.5?0.8?65.25n.cm

考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：

TTQ?0.3~0.5

65.25?163.12n.cm 取系数为０.３，则： Tq?0.4对于工作方式为三相６拍的步进电机：

Tjmax?fmaxTq0.866?163.120.866?188.36n.cm

(２） 步进电机的最高工作频率

vmax1000???1667 60?p60?0.01为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率fmax,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机. 电机有关参数如下: 主要技术参数 最大静相电转矩型号 步距电压 空载启相数 流 Tjmax 角 (V) 动频率 (A) (n.m) 90BF001 外直径 90 4 0.9 80 7 3.92 2000 重量 kg 4.5 空载运行频率 8000 分配方式 4相8拍 外形尺寸(mm) 长度 145 轴直径 9 转子转动惯量 Kg.m 1764 12

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第五章 数控系统硬件电路设计

第一节 设计内容

１.按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图；

２.选择计算机或中央处理单元的类型；

３.根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；

４.根据控制对象以及系统工作要求设计扩展Ｉ／Ｏ接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等；

５.选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；

６.绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数； ７.说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。

第二节 设计步骤

１.确定硬件电路的总体方案。

数控系统的硬件电路由以下几部分组成： 1．主控制器。即中央处理单元CPU

2．总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。

3．存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。 4．接口。即I/O输入输出接口。

数控系统的硬件框图如下所示：

中央处理单

元CPU

存储器RAM

ROM

输入/输出 I/O接口 信号变换

控制对象

２.主控制器ＣＰＵ的选择 13

外设： 键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等 黄石理工学院

ＭＣＳ－５１系列单片机是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用８０３１芯片作为主控芯片。

３.存储器扩展电路设计

(１）程序存储器的扩展

单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型号有： 2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为２k,4k,8k,16k32k。在选择芯片时要考虑ＣＰＵ与ＥＰＲＯＭ时序的匹配。８０３１所能读取的时间必须大于ＥＰＲＯＭ所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择２７６４芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。

单片机规定Ｐ0口提供８为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低８位的地址信息，一般采用７４ＬＳ３７３芯片作为地址锁存器，并由ＣＰＵ发出允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。

由以上分析，采用２７６４EPROM 芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示：

P1.7 ↓ P1.0 P2.4 ↓ P2.0 译码电路 CE A12 ↓ A8 2764 A7 ↓ A0

ALE P0.7 ↓ P0.0 G 74LS372 PSEN OE D7 ↓ D0 EA 扩展2764电路框图

(２）数据存储器的扩展

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由于８０３１内部ＲＡＭ只有１２８字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态RAM数据存储器。本次设计选用６２６４芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示：

P2.4 ↓ P2.0 译码电路 CE1 A12 ↓ A8 A7 ↓ 6264 A0 D7 ↓ D0 ALE P0.7 ↓ P0.0 G 74LS372 EA WR WEOE OE

扩展6264电路框图

RD (３）译码电路

在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于ＲＡＭ和Ｉ／Ｏ容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。

本设计采用全地址译码法的电路分别如下图所示： （4）存储器扩展电路设计

8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。

该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路， 单片机外存储器扩展电路如下： （5）Ｉ／Ｏ扩展电路设计

(a).通用可编程接口芯片８１５５

８０３１单片机共有４个８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用户使用的只有Ｐ1口及部分Ｐ3 口线。因此要进行Ｉ／Ｏ口的扩展。８１５５与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。8155Y与8031的连接方式如下图所示

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(b).键盘，显示器接口电路

键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用Ｉ／Ｏ口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。

数控系统中使用的显示器主要有ＬＥＤ和ＬＣＤ。下图所示为采用８１５５接口管理的键盘，显示器电路。它有４Ｘ８键和６位ＬＥＤ显示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线及ＬＥＤ显示器的字位控制共用一个口，即共用８１５５的PＡ口进行控制，键盘的行线由８１５５Ｃ口担任，显示器的字形控制由8155的PB口担任。

键盘显示器接口电路如下所示：

4．步进电机驱动电路设计

(1）脉冲分配器

步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB013。采用YB013硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下：

（2）光电隔离电路

在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下：

（3）功率放大器

脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。

5．其它辅助电路设计

（１）８０３１的时钟电路

单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。

内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在１.２～１２之间任意选择，耦合电容在５～３０pF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。

8031 XTAL1 XTAL2 时钟电路

（２）复位电路

单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引脚上出现 １０ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后ＣＰＵ便从００００Ｈ单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与８０３１复位要求一致时，可以直接相连。当晶振频率选用６ＭＨz时，复位电路中Ｃ取２２?Ｆ，Ｒ取２００?，RK取

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１０００?。实用复位电路图如下所示： （３）越界报警电路

为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至８０３１的Ｉ／Ｏ口Ｐ1.0。当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。８０３１可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至８０３１的外部中断引脚（ＩＮＴ０或ＩＮＴ１），采用中断方式检查越界信号。越界报警电路如下图所示

第三节 机床数控系统硬件电路设计

该系统选用ＭＣＳ－５１系列的８０３１作为主控制器。扩展存储电路为一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器扩展为４Ｋ，数据存储器扩展为８Ｋ。

２７３２的片选控制端CE直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU从0000H开始执行监控程序。6264的片选端CE由译码器（74LS138）的Y2输出提供。所以6264的空间地址为4000 ～５ＦＦＦＨ。

系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选 端CE接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址号分别为8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM区的地址为8000H—80FFH。

8155的A口为控制工作抬X，Y向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，不步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。

键盘与显示器设计在一起，8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB口的PB0—PB3为键盘的行线。8031的P1口为显示器的字形输出口。该系统采用4X6共24个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加74LS07进行驱动。

PB口剩余的I/O线PB4—PB7分别作为工作台+X，+Y，-X，-Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口，PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4—PB7的电平，当某I/O线为0时，应立即停止X，Y向电机的驱动，并发出报警信号。

另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用7805三端集成稳压器设计。数控系统总的电气原理图以及图中各元件的参数和型号见附（二），附（三）。

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第六章 系统控制软件的设计

(一).系统控制软件的主要内容

数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几个部分： 1、系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要

是接受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。

2、零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程序

的任务。

3、插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。

4、伺服控制程序。根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度，转角以及方向。

诊断程序。包括移动不见移动超界处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等功能。

6、机床的自动加工及手动加工控制程序。

7、键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。

(二).软件设计

1.系统控制功能分析

数控X-Y工作台的控制功能包括： （1）、系统初始化。如对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控制字。 （2）、工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。 （3）、输入和显示加工程序。 （4）、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。 （5）、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并显示相应的指

示字符。 （6）、工作台的自动控制。 （7）、工作台的手动控制。 （8）、工作台的联动控制。 2.系统管理程序控制

管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。根据以上分析，设计管理程序流程图如下所示：

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开始 系统初始化 N 机床复位 加工程序输入键按下？ 加工数据输入 N Y 自动加工键按下？ 自动加工

N 手动调整 手动加工 Y 键按下？ Y N 管理程序流程

3.自动加工程序设计

（1）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位→刀具快速进给→加工→退刀→工作台运动到下

一位置；

（2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工； （3）由以上分析，设计自动加工程序框图如下所示：

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入口 零件坐标地址指 读零件坐标 调步进电机子程序 工作台移动到位 刀具快进 加工 快速退刀 零件坐标地址 指针加1 零 件 加 N 工完成 Y 返回

4.步进电机控制子程序设计

步进电机的控制包括速度，转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加，减速过程。

通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现步进电机转角与速度的控制。 （1）时间常数的确定

在步进电机控制程序中，利用单片机的定时器中断，延时产生进给脉冲的时间间隔。此间隔由送入定时器的时间常数决定。时间常数由下式计算：

T?10?3Te?te?10?620

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