磨床改造说明书

目 录

第一章 机械部分的设计 ................................................................................................ 1

1.1 进给伺服系统的作用 ......................................................................................... 1 1.2 进给伺服系统的设计要求 ................................................................................. 1

1.2.1对进给伺服系统的基本要求 ................................................................... 1 1.2.2 进给伺服系统的设计要求 ...................................................................... 2 1.3进给伺服系统的组成 .......................................................................................... 2 1.4 进给伺服系统的分类 ....................................................................................... 2 1.5进给伺服系统的数学模型 .................................................................................. 3

1.5.1 数控机床的位置调节系统 ...................................................................... 3 1.5.2 进给伺服系统的数字模型 ...................................................................... 3 1.6 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 ............................................. 3

1.6.1 时间响应性 .............................................................................................. 3 1.6.2 频率响应特性 .......................................................................................... 4 1.6.3 稳定性分析 .............................................................................................. 4 1.6.4 快速性分析 .............................................................................................. 4 1.6.5 伺服精度 .................................................................................................. 5 1.7 驱动元件的选择与计算 ..................................................................................... 5

1.7.1. 选用伺服电动机 ..................................................................................... 5 1.7.2选用交流伺服电机 ................................................................................... 5 1.8 机械传动部件的设计 ......................................................................................... 7 1.9检测元件 ............................................................................................................ 11 第二章.电路部分的设计 ................................................................................................. 13

2.1硬件设计 ............................................................................................................ 13 2.2步进电机开环伺服原理 .................................................................................... 14 2.3步进电动机的控制框图 .................................................................................... 14 2.4软件程序设计（逐点比较法直线插补） ........................................................ 14

2.4.1程序设计 ................................................................................................. 16 2.5 CPU和存储器 ................................................................................................ 18 2.6 I∕O接口电路 ................................................................................................... 18 2.7时钟电路 ............................................................................................................ 19 2.8 其他辅助电路 ................................................................................................. 20

2.8.1功率放大电路 ......................................................................................... 20 2.8.2 越界报警电路 ...................................................................................... 21 2.8.3 光电隔离电路设计 ................................................................................ 21

- 1 -

第三章小结 ...................................................................................................................... 22 致 谢 ................................................................................................................................ 23 参考文献 .......................................................................................................................... 24

- 2 -

第一章 机械部分的设计

1.1 进给伺服系统的作用

伺服系统接受数控装置发出的进给脉冲或进给位移量，并把它变换成模拟量(如转角、电压、相位等)，经功率放大后去驱动工作台，使工作台进行精确的定位或按照规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合于精度要求的零件。因此，伺服系统的性能也是决定数控机床的加工精度、加工表面质量、生产率和机床的可靠性的关键之一。

1.2 进给伺服系统的设计要求 1.2.1对进给伺服系统的基本要求

带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别与一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号的响应要快；系统的稳定性要好。

1. 稳定性

所谓的稳定的系统，即系统在输入量的改变、启动状态或外界干扰作用下，其输出量经过几次衰减振荡后，能迅速地稳定在新的或原有的平衡状态下。它是伺服系统能够进行正常工作的基本条件。它包含绝对稳定性和相对稳定性。

进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及系统增益都有关系。适当选择系统的机械参数（主要有阻尼、刚度、谐振频率和失动量等）和电气参数，并使它们达到最佳区配，是进给伺服系统的设计的目标之一。

2. 精度

所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复线输入量的精确程度，即准确性。它包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态误差，即瞬态过程结束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差及干扰误差。

常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和轮廓跟随精度。精度用误差来表示，定位误差是工作台由一点到另一点时，指令值与实际移动距离的最大差值。重复定位误差是指工作台进行一次循环动作之后，回到初始位置的偏差值。轮廓跟随误差是指多坐标连动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的最大偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂，采用数字调节技术可以提高伺服驱动系统的精度。

3. 快速响应特性

所谓的快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟随精度越高。但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会引起系统的不稳定。因此，应适当选择快速响应特性。

- 1 -

该三坐标数控磨床是轮廓控制的机床，除了要求高的定位精度外，还要求良好的快速性及形成轮廓的各运动坐标伺服系统动态性能的一致性。该三坐标数控磨床采用的是是闭环控制型式，对于闭环系统主要是稳定性问题。

1.2.2 进给伺服系统的设计要求

机床的位置调节对进给伺服系统提出很高的要求。其中在静态设计方面有： 1. 能够克服摩擦力和负载： （1）很小的进给位移量； （2）高的静态扭转刚度； （3）足够的调速范围；

2. 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象； 3. 在动态设计方面的要求有：

（1） 具有足够的加速和制动转矩，以便完成启动制动过程；

（2） 具有良好的动态传递性能以保证在获得高的轨迹精度和满意的表面质量； （3） 负载引起的轨迹误差尽可能的小； 4. 机械传动部件的设计要求有： (1) 被加速的运动部件具有小的惯量； (2) 高的刚度； (3) 良好的阻尼；

(4) 传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙方面尽可能小的非线性；

1.3进给伺服系统的组成

1.4 进给伺服系统的分类

按控制方式不同分为开环系统、半闭环系统和闭环系统.该次设计的数控磨床采用闭环系统。

a.采用闭环系统的原因：

1.闭环系统的检测装置安装在工作台上，由于闭环系统能对整个系统误差进行自动补偿，故控制精度高(0.001mm～0.003mm)快速性好,只是成本较高,而该数控磨床要求进给精度为0.001mm，为了满足设计要求，采用闭环系统。2.开环系统虽然结构简单、工作可靠、造价低廉，但是没有位置反馈环节这样的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙所

- 2 -

引起的定位误差不能调整，且其控制精度（0.01mm～0.02mm）和快速性较差。不能满足该数控磨床的设计要求,故不采用开环系统.3.半闭环系统的检测装置安装在滚珠丝杠轴端或电机轴端。由于检测元件检测的反馈信号不包含从丝杠轴到工作台间传动链的误差，因此这部分误差得不到自动补偿，精度比闭环系统的要低，也不满足该数控磨床的要求，故不采用半闭环系统。

b.闭环系统的组成原理

机床数控装置中发生的指令信号与工作台末端测得的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直至差值在误差允许的范围之内为止。采用闭环系统控制可以消除由于运动部件制造中存在的精度误差给工件带来的影响，从而得到很高的加工精度。个部分的关系如下图所示：

1.5进给伺服系统的数学模型 1.5.1 数控机床的位置调节系统

数控机床的位置调节技术保证被加工零件的尺寸精度和轮廓精度。其位置调节系统如图所示：

输入参数的产生和位置调节器的功能可用计算机完成,从而构成一个数字位置调节系统。进给驱动部件可以是电气的或是液压的,分别称为电气驱动部件和液压驱动部件。该三坐标数控磨床采用电气驱动，它包括从给定值的输入到电机的输出。从电机的输出经过机械传动到执行件（工作台）称为机械传动部件。

1.5.2 进给伺服系统的数字模型

在位置环的调节上有模拟式和数字式，或者说有连续控制方式和离散控制方式。机床的数字调节系统是由计算机作为调节器，按采样方式工作的，因而属于离散控制方式。这类系统精度高，动态性能好，可充分利用计算机的快速运算功能和存储功能，使进给伺服系统始终处于最佳工作状态。另外，由于计算机作为调节器，因而调节系统具有很大柔性。

1.6 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 1.6.1 时间响应性

- 3 -

进给伺服系统的动态特性，按其描述方法的不同，分为时间响应特性和频率响应特性。

时间响应特性是用来描述系统对迅速变化的指令能否迅速跟踪的特性，它由瞬态响应和稳态响应两部分组成。由于系统包含一些储能元件，所以当输入量作用于系统时，系统输出不能立刻跟随输入量变化，而是在系统达到稳定之前表现为瞬态响应过程（或叫过度过程）。稳定响应是指当时间t趋向无穷大时系统的输出状态。若在稳态时，输出与输入不能完全吻合，就认为系统有稳态误差。

系统的时间响应特性不仅决定于系统结构、性能（如一阶系统和二阶系统就不同），而且也决定于输入信号的类型，且随加工对象的不同以及切削用量的不同而改变。尤其考虑到启动、停车、正反方向等控制情况，各坐标轴速度信号的变化极为复杂。

1.6.2 频率响应特性

时间响应特性是从微分方程出发，研究系统响应随时间的变化规律，即在已知传递函数的情况下，从系统在节跃输入及斜坡输入时间响应速度及振荡过程的状态中来获得动态特性参数。然而在很多情况下，传递函数不清楚，所以只能由实验方法求取动态特性的。因此出现频率响应特性法。所谓频率响应特性，就是系统对正弦输入信号的响应，即它是通过研究系统对正弦输入信号的响应规律来获得其动态特性。由于频率特性与传递函数密切相关，因此在工程中的应用越来越多。可由频率响应数据拟合成传递函数而建立系统的数学模型。

1.6.3 稳定性分析

对控制系统的基本要求是工作的稳定性。只有工作稳定才能进一步讨论其他性能指标。系统的稳定受多种因素的影响，其中包括机械传动部件的惯性、阻尼、刚性和传动比。为考察机械传动部件的参数对系统稳定性的影响，根据稳定判断式编制计算程序。

1.6.4 快速性分析

所谓快速性分析是指分析系统的快速响应性能，快速性反映了系统的瞬态质量。 分析系统快速性的方法很多，有直接求解法、间接评价法和计算机模拟法等。直接求解法比较麻烦，且不易得到系统结构和参数对瞬态质量影响的一般规律；计算机模拟法十分简便，而且还用于复杂系统结构、多变量系统、非线性系统以及某些难于得出数学模型的系统，单它需要一套软件和上机条件。间接评价法，方法简单，又能明显地看出系统结构和参数对瞬态质量的影响，故在系统分析和设计中被广泛地采用。

对于线性进给伺服系统，由于它包括各种电路、机电转换装置和机械传动机构，系统各环节都有时间常数，对高频信号来不及反应，只是一个低通滤波器。这种系统的通频带宽，对高频信号响应速度快，所以从开环频率特性图看，提高闭环回路的响应速度。

为使进给伺服系统获得良好的伺服性能（稳定性、快速性），国外文献对机械传动部件提出很高的谐振频率，但对这些数据并没有进行理论分析。有的文献认为：在电气伺服系统中，可控硅电源以及支流马达特性引起的谐振是对伺服系统性能起限制作用的

- 4 -

因素。但实际上机械传动部件不是刚性，往往达不到很高的谐振频率，且阻尼又低，可能成为提高伺服性能的限制因素。

1.6.5 伺服精度

伺服精度的高低用误差的大小来平衡，所谓伺服误差就是伺服系统在稳态时指令位置和实际位置之差，它反映了系统的稳态质量。

理想的伺服系统是在任意时刻输出和输入都同步，没有误差，但这是不可能的。造成不同步的原因很多，系统本身动态特性，外加负载和内部扰动等都会造成实际位置偏离指令位置。

欲求出伺服误差，必须先分别求出系统在输入信号和外加负载等信号的作用下产生的输出响应，然后根据线性系统的叠加原理将这些响应叠加起来求出实际位置，再用指令位置减去实际位置便得到伺服误差。

要求出进给驱动系统伺服误差的解析表达式。应讨论以下几个重要概念： （1）速度误差

由斜坡信号输入产生的伺服误差成为速度误差。它实际上表示在一定的进给速度下，系统指令位置与实际位置的偏差。

（2）伺服静刚度

伺服静刚度是指在恒定外负载作用下，进给驱动系统抵抗位置偏差的能力，也就是伺服马达为消除位置偏差而产生的转矩（或力）与位置偏差之比。

1.7 驱动元件的选择与计算

X、Y方向的驱动装置均选用交流伺服电动机。

1.7.1. 选用伺服电动机

伺服电机最大的特点是可控。在有控制信号输入时，伺服电机就转动；没有信号输入时，则停止转动；改变控制电压的大小和相位，就可以改变伺服电机的转速和转向。

伺服电机与普通的电机相比具有以下特点：

（1）调速范围广。伺服电机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。

（2）转子的惯性小。即能实现迅速启动、停转。 （3）控制功率小，过载能力强，可靠性好。

传动生产用的传动电机主要用来完成能量的变换,具有较高的力能指标(如效率和功率因数率),而控制电机则主要用来完成控制信号的传递和变换,要求它们技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗电少。这这是该数控磨床的要求，因此，选用伺服电机。

1.7.2选用交流伺服电机

交流伺服电机可靠性很高,基本上不用维护,造价低,且机电时间常数小。而该次设计的数控磨床的进给伺服系统是随动系统，要求电动机的时间常数小，启动和反转频率

- 5 -

高。交流伺服电机满足要求。直流伺服电机结构复杂，电刷和换向器需经常维护；由于电刷与换向器间的接触产生火花，造成无线电干扰；由于磁滞回线的影响增加了系统的不稳定性。因此选用交流伺服电机。

1.电机转速

nM?v/hsp=10000/10=1000r/min 取电机转速为nM=1500r/min 2.静态转矩Mst

Mst=?MR?MMC?MZ （1）摩擦力矩 ①导轨摩擦

FR?fv[(mw?mT)g?FVT]=0.06[(200+400)×9.8+1476] =441.4N

fv—摩擦系数0.06; mw—工件质量; mT—工作台质量; g—重力加速度;

FVT—垂直于导轨的切削力。

折算到滚珠丝杠上的摩擦力矩MRSP为：

hsp10MRSP?FR? = =702.8N 441.4?2?2?3.14

②丝杠螺母传动摩擦

丝杠螺母传动的摩擦耗损可通过传动效率?sp来表示，

?sp?11?0.02dsphsp=0.94 dsp—滚珠丝杠直径32mm hsp—滚珠丝杠导程10mm

将以上各种摩擦力矩综合起来，得到折算到电机轴上的摩擦力矩?MR，对于丝杠螺母传动：

?M

Rfv[(mw?mT)g?FVT]hsp= =702.8/0.94=747.7N 2??sp（2）切削力矩

FMChsp1500?10MMC?对于丝杠螺母传动 = ?2500N2??sp2?3.14?0.94

- 6 -

（3）重力矩 因为工作台水平，不会引起转矩，故不需要计算MZ 通过以上计算可知

mm Mst=?MR?MMC?MZ=747.7+2500.=3247.7N·

有转速和计算出的静力矩，可以利用伺服电机的转速图来选择电机。结果如下： 型号：70SL5A2 励磁电压：220v 控制电压：220v 额定转速：1500r/min 最小启动转炬：≥1800N.m 空载转速：≥2700r/min 时间常数：≤0.015S 重量：2000g

1.8 机械传动部件的设计

一台机床所具有的加工精度、工件表面粗糙度和生产率取决于电气驱动部件和机械传动部件的优良设计。机械传动部件的设计好坏对进给伺服系统的伺服性能影响很大。此外，还要求伺服电机速度环的动特性与机械部分动特性相协调。借助于调节技术可以帮助这两部分实现良好的匹配。

对于闭环系统的设计主要是稳定性的问题。

滚珠丝杠主要承受轴向载荷,除丝杠自重外,一般无径向载荷,因此,滚珠丝杠副要求轴向精度和刚度较高。进给系统要求运动灵活，对微小位移响应要灵敏，因此，轴承的摩擦力矩尽量小。滚珠丝杠转速不高，且高速运转时间短，因而，发热不是主要问题。

轴承采用60O接触角推力角接触球轴承,其特点如下：

①接触角大，保持架用增强尼龙注塑成型。臂薄，可容下较多的钢球，因此轴向承载能力大，刚度大。

②能承受轴向和径向载荷，可以简化轴承支座结构。 ③根据载荷情况可以进行组合。

④启动摩擦力矩小，可以降低滚珠丝杠副的驱动功率，提高进给系统的灵敏度。

该数控磨床的机械传动部件设计方案，采用交流伺服电机与滚珠丝杠

直接相联的装置。 滚珠丝杠的设计计算: 已知数据:

工作台重量: m1=400Kg 工件最大重量: m2=200Kg 工作台最大行程: L=300mm 工作台滑动导轨摩擦系数:? =0.06

- 7 -

丝杠副寿命:Lh=10a 工作可靠性: 96%

切削方式及定位精度: 磨削(轮廓控制),定位精度±0.01/300mm

丝杠两端为固定支承,每个支座安装两个60O接触角推力角接触球轴承,背靠背安装,进行预拉伸,一个大口向外（朝向主轴前端），另一个大口向里（朝向主轴后端），用来承受双向的轴向载荷和径向载荷。

磨削方纵向切削力Fa/N 速度V/m.min?1 式 强力磨削 一般磨削 精密磨削 快速移动

设计计算步骤:

1. 丝杠载荷:

导轨摩擦力Fu=?(m1+m2)g=0.06(400+200)X9.8

=0.06(400+200)X9.8=353N

强力磨削时载荷Famax=2000+353=2353N 一般磨削是载荷Fa=1000+353=1353N 精密磨削时载荷Fa=500+353=853N 快速移动时载荷Fa=0+353=353N 2. 电机转速(最大) nmax=1500r/min 丝杠最大转速nm=1000 r/min 强力磨削n1=60 r/min 一般磨削n2=80 r/min 精密磨削n3=100 r/min 3. 丝杠导程Ph

工作台最大速度: Vmax=10m/min=10·1000=10000mm/min Ph=Vmaxn=10000/1000=10 mm 4. 当量转速nm

0 10 5 500 1 50 1000 0.8 30 2000 0.6 时间比例 q% 15 - 8 -

nm= n1q1/100+ n2q2/100+………= 60·15/100+80·30/100+100·50/100+2000·5/100=183 r/min

3F13n1q1q3n??F21?2???nm100nm1005.当量负荷Fm=388156969 ?446943875?233327247?16536458332353?60158030100508053??1353???8533???3533??183100183100183100183100

=706N

6.初选滚珠丝杠

(1)计算动负荷Caj=KhFm/Knf∑=3.9·706/0.56·0.385=12770N (2)要求寿命Lh

寿命Lh=300(日)×16(h)×0.6(开机率)×10（年）=28800h

由寿命系数Kh= ?Lh??3.9??500??

(3)综合系数

影响滚珠丝杠副寿命的综合系数: f∑=

(4)滚珠丝杠副的型号 CMD3210-2.5 额定动负荷Ca=25909N>Caj=12770N

预紧力Fo=0.25Ca=6477N>1/3Fmax=2353/3=784N 可见初选的滚珠丝杠符合设计要求。 7. 丝杠螺纹部分长度Lu

Lu=工作台最大行程(300)+螺母长度(129)+两端余程

(25)=300+129+25×2=479mm

8.支承距离L

支承距离L>Lu=479 因此取L=700mm 9.临界转速校核

(1)丝杠底径d2=d0-1.2Dw=32-1.2×6.35=24.4mm=0.0244m取25mm (2)支承方式系数 查表 f2=4.73 (两端固定)

(3)临界转速计算长度Lc=129/2+300+40+(700-479)/2=500mm=0.5m

13转

?33.3?Kn= ??n???0.56?m?13ftfhfafk0.8?1?1?0.53??0.385fu1.1f22d24.732?0.0244临界转速nc=9900×2= 9900× =21617r/min

0.52Lc可见nc>nma 所以 符合要求 10. 压杆稳定校核

- 9 -

两端固定支承,丝杠不受压缩,因而不必校核稳定性。 11. 预拉伸计算 设温升为3.50C

(1)温升引起的伸长量?t=??tlu=11×10?6×3.5×0.59=22um (2)丝杠全长伸长量?tz=11×10?6×3.5×0.7=27um

?t'AE= (3)预紧力F =

12. 轴承选择

5?10?6??lu?0.02442×2.1×1011=459N

40.509(1)轴端结构 采用E型和F型 (并排)轴端 (2)轴承型号主要尺寸和参数 轴承型号为72020

查表 得:d=20mm D=47mm B=14mm Z=15 Dw=5.953

Ca=19600N

(3)预紧力确定 预紧力Fo=2300N

轴承的最大轴向载荷为F'max=Ft+Fmax/2=459+2353/2=1636N 由于Fo>F'max/3=1636/3=545N 所以,符合要求.

3.11Kh?459F?由轴承动负荷计算公式校核 C= K0.56n

(4)疲劳寿命计算

=2549N

进给方向是可变的，负荷可能是（Ft+Fm/2）或（Ft-Fm/2），两者机会相等，取平均值F=459N

Kn=0.56 取Lh=1500h 则 Kh=3.11

初选 7602020TVP 参数如下：d=20mm D=47mm B=14mm

Dw=5.953 Ca=19600N Fo=2300N 可见 额定动负荷Ca=19600>计算动负荷C=2549 所以，轴承满足寿命要求。

13.定位精度校核

(1)丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移 ?smax

FL1.3F×106= =0.0033F ?smax= ?106?4AE211?0.0244?2.1?104

快速移动时F=353N , ?smax=1.2um

强力,磨削时F=2353N , ?smax=7.8um 精密磨削时F=853N , ?smax=2.8um (2)丝杠与螺母间的接触变形?c

FKc- 10 -

4?

?c= 查表得CMD3210-2.5滚珠丝杠到螺母的接触刚度 Kc=955N/um 所以

得:

快速移动时?c= 353/955=0.37um 强力,磨削时?c=2353/955=2.5um 精密磨削时?c=853/955=0.89um (3)轴承的接触变形?B

角接触轴承的轴向刚度 KB=23.6[Zsin?Dw]Fo

?sin560o?0.005953=23.6[13

2251313]?2300=246N/um

1313

快速移动时?B=353/246=1.4um 强力,磨削时?B=2353/246=9.1um 精密磨削时?B=853/246=3.5um

(4)丝杠系统的总位移? ?=?smax+?c+?B 快速移动时?=1.2+0.37+1.4=2.97um 强力,磨削时?=7.8+2.5+9.6=19.9um 精密磨削时?=2.8+0.89+3.5=7.19um (5)定位精度

?smax发生在螺母处于丝杠中部处, ?c和?B与螺母的位置无关。所以以上求得的位

移均为?/650mm。查表得丝杠精度等级为1级，任意300mm 的行程公差为6um。加上快移时的总位移2.97um。可以满足轮廓控制定位精度0.01/300mm的要求。同理分析，能满足精密磨削的定位精度±0.02/300mm的要求。强力磨削时，可以满足粗加工要求。

通过以上的分析计算，可知该滚珠丝杠符合定位精度要求。 计算结果:

Y向滚珠丝杠副型号：CMD32×10-2.5-1/760×479 X向滚珠丝杠副型号：CMD32×10-2.5-1/690×479 CMD型外插管埋入式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副: 公称直径32mm,基本导程10mm,循环圈数(圈数×列数)2.5×1 X、Y 两端支承均为E、F型 轴承型号均为 72020 60度接触角推力角接触球轴承

1.9检测元件

- 11 -

该磨床的闭环系统中选用的检测元件是光栅传感器。

光栅传感器在精密直线位移和转角位移测量中应用甚广，直线测量精度可达0.5um，转角位移测量精度可达±1''（1/3600度）

- 12 -

第二章.电路部分的设计

2.1硬件设计

8031 存储器接口 输入显示 T0INT I/O ＋ 扩光功Y向光功X向 IR0 限 IR1 IRIR1 2 MCX31 3X向编码器Y向编码器IR4 IR5

- 13 -

2.2步进电机开环伺服原理

分配后的 脉脉冲 信器YBO14 脉冲分配脉冲信号 功率 放大 CDB放大后的 脉冲信号 A

2.3步进电动机的控制框图

保设步长计Y转向标志置反转控置正转控制制字 输出控延时、控制字地址指针是结束总步数恢复返回

2.4软件程序设计（逐点比较法直线插补）

- 14 -

用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步，都需要以下四个步骤： 偏差判别：判别偏差FM≥0或FM<0,从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算公式。

坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿+X、+Y、-X、-Y的哪个方向进给。

偏差计算：进给一步后，计算新的加工偏差。

终点判别：进给一步后，终点计数器减1。若为零，表示到达终点停止插补；不为零，则返回到第一步继续插补。终点计数判别可用两个方向坐标值来判断，也可由一个方向的坐标值来判断。当XE>YE，可用X方向走的总步数XE作为终点判别的依据，如动点X等于终点XE则停止。当XE

由此，第一象限直线插补程序的算法如下： （1） 判别FM是大于0还是小于0。

（2） 若FM≥0，则向+X方向输出一进给脉冲，计算新偏差FM=FM-YE，并修改动

点坐标为X=X+1；若FM<0,则向=Y方向输出一进给脉冲，计算新偏差FM=FM+XE，并修改动点坐标为Y=Y+1。

（3） 终点判别：若X=XE（Y=YE），则停止插补运算。否则转入第一步，重复上述

步骤。

第一象限直线插补程序框图如下图：

- 15 -

初始化 NFm>=0？ Y方向进X方向进F m＝Fm＋X F m＝Fm—Y Y＝Y＋1 X＝X＋1 X＝Xe？ Y＝Ye？ N返 回

2.4.1程序设计

设计程序时，在RAM数据区分别存放终点坐标值XE，YE，动点坐标值X，Y，偏差FM。对8位机，一般可用2字节，而行程较大时则需用3字节或4字节才能满足长度和精度要求。此外，所有的数据区必须进行初始值、X、Y向步进电机初态（控制字）。

插补程序所用的内存单元如下： 28H XE29H YE 2AH X 2BH Y M2CH F 70H 电机正反转控制字

- 16 -

电机正反转控制字为： D7 DDDDDDD6 5 4 3 2 1 0 D1D0为X向电机控制位。D0=1运行，D0=0停止；D1=1正转，D1=0反转。D3D2为Y向电机控制位。D2=1运行，D2=0停止；D3=1正转，D3=0反转。

第一象限直线插补的程序： ORG 2000H MAIN：MOV SP, #60H LP4: MOV 28H, #0C8H; MOV 29H, #0C8H; MOV 2AH, #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2EH, #00H; MOV 70H, #0AH LP3: MOV A, 2EH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH SUBB A, 29H INC 2AH AJMP LP2 LP1: MOV A, 70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH

- 17 -

ADD A, 28H LP2: MOV 2EH, A MOV A, 28H

CJMP A, 2AH, LP3; RET

2.5 CPU和存储器

采用8031芯片，由于8031芯片内无程序存储器，需要有外部程序 器的支持，同时8031内部只有128B的数据存储器也远不能满足控制的 需要。故扩展了16KB程序存储器由两片2764组成，又扩展了6264的数据存储器。8031芯片的P0和P2用来传送外部8位地址和数据，P2口传送高8位地址，P0口传送低8位地址和数据，故要采用74ls373地址锁存器的输入和输出透明，即输入的低8位存储器地址在输出端出现，此时不需要锁存。当ALEN高电平，出现下降沿时，低8位地址锁存存入地址锁存器中，74LS373的输出不再随输入变化，这样p0口就可用来传送读写的数据了。8031芯片的配口和74ls373送出的p0口共组成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址线。A0～A7低8位接74LS373的输出，A8～A12接8031芯片的P2.0～P2.4.系统采用全地址译码，两片2764芯片片选信号CE分别接74LS138译码器的Y0和Y1系统复位以后程序从0000H开始执行。6274芯片的片选信号CE1也接74LS138的Y1，单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即允许地址重叠），8031芯片控制信号PSEN接2764的OE引脚，读写控制信号WR和RD分别接6264芯片的WE和OE，以实现外部数据存储器的读写。由于8031芯片内部没有RAM故始终要旋外部存储器，故其EA必须接地。

2.6 I∕O接口电路

由于8031只有p1和p3部分能提供用户作为IO口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路，系统扩展了一片8155和一片8255可编程IO接口芯片。8155的片选信号ce接74ls138的y，8255芯片片选信号CS接74ls138的y2端。74ls138译码器有三个输入，A,B.C分别接到8031的p2.5、和p2.6、p2.7、输出Y0～Y78个输出，低电平有效。Y0～y7对应的输入A,B.C的000至111的8种组合，其中Y0对应A,B,C为000，Y7对应的A,B,C为111.74LS138还有三个使能端，其中2上（G2A和GB）为低电平使能，另一个G1为高电平使能，只有当使能端处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。

IO接口芯片与外设的连接是这样安排的，8155芯片PA0～PB7是显示器的位选信号输出，PC0～PC4是键盘扫描输入。8155芯片的IO∕m引脚接8031芯片的P2.0，因为使用8155的I∕O口，故P2.0为高电平。

8255芯片PA0～PA7接X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器，为输出PB0～PB7为三个方向的点动及回零输入，PC0～PC5为面板撒谎那个的选择开关是输入，设有编辑单步运行，单段运行，自动 、手动1.手动2等方式。

- 18 -

系统各芯片采用全地址译码如下表；

地址编码如下表：

接芯片 74LS138引脚 2764（1） 2764（2） 6264 R8155 /O 8255

X向、Y向步进电机硬件环形分配器采用YB015，3-2相通电三相六拍方式工作，A0、A1引脚均接+5V,Z向步进电机硬件环形分配器采用AB014，是以3-2向通电四相八拍方式工作。A0、A1接高电平。三个芯片的选通控制E0￣￣分别接8255的PA0、PA3、PA5、清零R-接8255的PA、正反转8255的PA2、PA4、PA6、时钟输入端CP接8155芯片的TIMROUT,用以决定输出脉冲的频率。为实现插补时的进给速度，可给8155芯片定时∕计数器中设置不同的时间常数。

AM I 0 0 0 ××××××××××××× 0 0 1 ××××××××××××× 0 0 1 ××××××××××××× 1 0 0 1 1 1 1 0 ×××××××× 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ×××× 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ××× B B 456B 6KB 2KB 8KB 8地址选择线 片内地址单元 80000H～1FFFH 2000H～3FFFH 2000H～ 3FFFH 9E00H～9EFFH 9FF8H～5FFFH 5FFCH～5FFFH 地址编码 2.7时钟电路

时钟电路是计算机的心脏,它控制着计算机的工作节奏.MCS-51片内有一个反相放大器,XTAL1、XTAL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端,该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器,产生的时钟送至单片机内部的各个部件.单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式两种,大多单片机应用系统采用内部时钟方式.

最常用的内部时钟方式采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路,不论是HMOS还是CHMOS型单片机,其并联谐振回路及参数相同.如下图所示:

- 19 -

XTAL2MCS-51XTAL1内部时钟方式的时钟电路 MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2MHz-24MHz之间可以选择,一般取16MHz.电容C1、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响.C1、C2可在20pF-100pF之间选择,一般当外接晶体时典型取值为30pF,外接陶瓷谐振器时典型取值为47pF,取60pF-70pF时振荡器有较高的频率稳定性. 在设计印刷电路板时,晶体或陶瓷谐振器和电容应尽量靠近单片机XTAL1、XTAL2引脚安装,以减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定和可靠的工作.为了提高温度稳定性,应采用NPO电容. 2.8 其他辅助电路 此控制系统中设有越界报警和急停处理电路。±X、±Y、±Z方向的越界和急停信号经或门引入8031的P3.2中断源、，同时接到8031的P1口，采用硬件申请中断和软件查询的方法，无论哪个方向，越界都会引起中断，在中断服务程序中通过软件查询的方法，便可确定是哪个方向越界，当±X、±Y、±Z等方向越界，则相应的红灯报警，另外，还有上电和按钮，相结合的复位电路，光电隔离电路和功率放大电路等。 2.8.1功率放大电路 环型分配器的输出脉冲很小，还远不能满足步进电机的要求，不许将它放大，以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转，这里采用的功率放大电路如下图. 功率放大电路 12- 20 - 3

2.8.2 越界报警电路

为防止工作台真越界，可分别在极限位置安装限位开关，此控制系统中有越界报警和急停处理电路，?x,?y,?z方向的越界和急停信号经或门8031的p3.2中断源INT0同时又接到8031的p1口，采用硬件申请中断和软件查询的方法，这样无论哪个方向越界都会引起中断，在中断服务中通过软件查询的办法，便可确定是哪个方向越界，当?x,?y,?z等方向越界，则相应的红灯亮报警．其电路图如下

越界报警电路

2.8.3 光电隔离电路设计

为了避免外部设备的电源干扰，防止被控对象电路的强电反窜，通常采取将微机的前后向通道与被连模块在电气上的隔离的方法。过去通常隔离变压器或中间继电器来实现，而目前已广泛被性能高、价格低的光电耦合器来代替。

光电耦合器是把发光元件与受光元件封装在一起，以光作为媒体来传输信息的。其封装形式有管形，双列直插式、光导纤维连接等。发光器件一般为砷化镓红外发光二极管。 光电耦合器具有以下特点：

（1）信号采取光电形式耦合，发光部分与受光部分无电气回路，绝缘电阻高达1010-1012Ω，绝缘电压为1000-5000V，因而具有极高的电气隔离性能，避免输出端和输入端之间可能产生的反馈和干扰。

（2）由于发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小，对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路，因此抗干扰能力强，共模抑制比高，不受磁场的影响，特别是用于长线传输时作为终端负载，可以大大地提高信噪比。

（3）光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号，且响应速度快（一般为几毫秒，甚至少于10ns），可以用于高速信号的传输。

下图的光电耦合器是采用硅光电二极管作受光元件。其CTR为10%-100%，脉冲上升和下降时间小于5μs，输出电路饱和压降小（0.2V-0.3V），电路构件简单，是目前应用较多的一种，主要用于驱动TTL电路、传输线隔离、脉冲放大等。

- 21 -

第三章小结

我觉得这次专业课程设计是对过去所学专业知识的一个全面的综合的运用。在设计的过程中我全面地温习了以前所学过的知识，包括机械专业课程和电路控制方面的基础知识，经过复习整理所学得专业知识使得设计思路清晰系统。通过设计使我更加接近生产实际，锻炼了将理论运用于实际的分析和解决实际问题的能力，巩固、加深了有关机械设计方面的知识。

还有很重要的一点是让我体会到了一个设计者的精神。在设计过程中既要自己不断思考、创造，又要注意借用现有的资料，掌握了查阅和使用标准、规范、手册、图册、及相关技术资料的基本技能以及计算、绘图、数据处理等方面的能力。

通过对通用机械零件、常用机械传动或简单机械的设计，掌握了一般机械设计的程序和方法，有助于树立正确的工程设计思想，培养独立、全面、科学的机械设计能力。

- 22 -

致 谢

经过一个多月的努力，我终于赶在毕业设计答辩前几天完成了主要设计任务。回顾整个设计过程，发现这不仅是将大学四年学习的知识应用到实际工作的过程，也是个重要的再学习过程。非常感谢我的于俐老师，没有她的指导的确不容易很快进入角色。也感谢一起做毕业设计的同学们，相互之间的学习讨论给这项工作的进展带来了不少好处。

- 23 -

参考文献

1.张育生.从第六届中国机床发展趋势[J].制造技术与机床，2000，5：9-10. 2.陈向东.从IMTS看平面磨床和世界机床发展趋势[J].中国机电工业，2003，4. 3.李梁.浅析机床发展的技术趋势[J].淮南职业技术学院学报，2003，4：66-69. 4.白木 周洁.数控机床发展的过去和现实[J].山东机械，2003，3：15-18. 5.廖勇 .数控机床发展现状及趋势[J].重庆石油高等专科学校学报，（2）：25-26. 6.张曙.数控机床发展的新趋势[J].机电产品开发与创新，2005，5：149-151. 7.周延佑.数控机床发展趋势与我国相应的对策[J].机械工艺师，2001，2：5-6， 8.我国数控机床发展的主要问题[J].工具技术，2006，7：54. 9.工业发达国家数控机床发展经验[J].机电产品市场，2006，2：51.

10.《专用机床设计与制造》编写组.专用机床设计与制造[M].哈尔滨：黑龙江人民出版社，1979.

11.吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册[M].北京：高等教育出版社，1999. 12.廖念钊.互换性与测量技术基础[M].北京：中国计量出版社，2002.1. 13.谢家瀛.组合机床设计简明手册[M].北京：机械工业出版社，1996.8. 14.东北重型机械学院，洛阳农业机械学院，长春汽车厂工人大学.机床夹具设计手册[M].上海：上海科学技术出版社，1979.7.

15.齐占庆.机床电气自动控制[M].北京：机械工业出版社，1979.7. 16.成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1997. 17.《机床设计手册》——机械工业出版社

18.《数控机床的结构与传动》——北京航空学院机械加工教研室——国防工业出版社

- 24 -

参考文献

1.张育生.从第六届中国机床发展趋势[J].制造技术与机床，2000，5：9-10. 2.陈向东.从IMTS看平面磨床和世界机床发展趋势[J].中国机电工业，2003，4. 3.李梁.浅析机床发展的技术趋势[J].淮南职业技术学院学报，2003，4：66-69. 4.白木 周洁.数控机床发展的过去和现实[J].山东机械，2003，3：15-18. 5.廖勇 .数控机床发展现状及趋势[J].重庆石油高等专科学校学报，（2）：25-26. 6.张曙.数控机床发展的新趋势[J].机电产品开发与创新，2005，5：149-151. 7.周延佑.数控机床发展趋势与我国相应的对策[J].机械工艺师，2001，2：5-6， 8.我国数控机床发展的主要问题[J].工具技术，2006，7：54. 9.工业发达国家数控机床发展经验[J].机电产品市场，2006，2：51.

10.《专用机床设计与制造》编写组.专用机床设计与制造[M].哈尔滨：黑龙江人民出版社，1979.

11.吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册[M].北京：高等教育出版社，1999. 12.廖念钊.互换性与测量技术基础[M].北京：中国计量出版社，2002.1. 13.谢家瀛.组合机床设计简明手册[M].北京：机械工业出版社，1996.8. 14.东北重型机械学院，洛阳农业机械学院，长春汽车厂工人大学.机床夹具设计手册[M].上海：上海科学技术出版社，1979.7.

15.齐占庆.机床电气自动控制[M].北京：机械工业出版社，1979.7. 16.成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1997. 17.《机床设计手册》——机械工业出版社

18.《数控机床的结构与传动》——北京航空学院机械加工教研室——国防工业出版社

- 24 -

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nwr6.html