小型立式铣床工作台升降和制动装置设计1 - 图文

内蒙古工业大学机电装备课程设计

目 录

摘 要 ........................................................................................................................... 3 第一章 微机数控系统总体设计方案拟定 .................................................................. 3

1.1系统运动方式的确定与伺服系统的选择 ........................................................ 3 1.2机械传动方式................................................................................................. 4 1.3计算机系统选择 ............................................................................................. 4 1.4总体方案的确定 ............................................................................................. 4 第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算 ............................................................. 4

2.1 设计参数 ..................................................................................................... 4 2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .................................................................... 5

2.2.1 进给丝杠 ........................................................... 错误！未定义书签。 2.2.2 横向进给丝杠 .................................................... 错误！未定义书签。 2.2.3 滚珠丝杠副的几何参数 .................................................................... 9 2.3 滚动导轨的计算与选择 .............................................................................. 10

2.3.1 滚动导轨副的额定寿命 ................................................................. 101 2.3.2 直线导轨副的参数 .......................................................................... 10 2.4 交流伺服电机的计算与选择 .................................................................... 12

2.4.1 转动惯量的计算 .............................................................................. 13 2.4.2 电机的力矩的计算 .......................................................................... 14

第三章 微机数控系统硬件电路设计 .......................................................................... 17

3-1 MCS—51系列单片机简介 ........................................................................... 18

3.1.1 MCS—51系列指令系统简介 ............................................................. 18 3.1.2 定时器/计数器 ................................................................................ 19 3.1.3 中断系统 ........................................................... 错误！未定义书签。 3.2 存储器扩展电路设计 .................................................. 错误！未定义书签。0

3.2.1 程序存储器的扩展 ............................................ 错误！未定义书签。 3.2.2 数据存储器的扩展 ............................................ 错误！未定义书签。 3.2.3 译码电路设计 .................................................... 错误！未定义书签。 3.3 I/O接口电路及辅助电路设计 .................................... 错误！未定义书签。

1

内蒙古工业大学机电装备课程设计

3.3.1 8155 通用可编程接口芯片 .............................. 错误！未定义书签。 3.3.2 8255 通用可编程接口芯片 ................................ 错误！未定义书签。 3.3.3 键盘显示接口电路 ............................................ 错误！未定义书签。 3.3.4 电机接口及驱动电路 ......................................... 错误！未定义书签。 3.3.5 辅助电路 ......................................................................................... 29

2

内蒙古工业大学机电装备课程设计

摘 要

摘要：小型数控立式铣床工作台升降和制动装置设计。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对小型立式铣床工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。

本次课程设计，主要设计和研究小型立式铣床工作台及其电气原理图。确定小型立式铣床工作台的传动系统，选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。

关键词：小型立式铣床工作台；滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨；交流伺服电机；半闭环控制系统。

第一章 总体设计方案拟定

1.1系统运动方式的确定与伺服系统的选择

数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/点线系统和连续控制系统。为了满足小型立式铣床工作台运动定位,暂停,急停等功能,故选择连续控制系统。伺服系统有开环、闭环和半闭环。考虑到工作台实际位移的检测，补偿系统的误差，故采用半闭环控制系统，利用交流伺服电机进行驱动。

1.2机械传动方式

为了实现设计要求的分辨率，采用交流伺服电机转动丝杠。为了保证一

定的传动精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。

3

内蒙古工业大学机电装备课程设计

1.3计算机系统选择

采用三菱PLC伺服系统

1.4总体方案的确定

微 机 伺服驱动器 光码盘 L 交流伺服电机 M G 图1—1总体方案设计

第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算

2.1 设计参数

1、工作台尺寸：长*宽=400*200 2、工作台升降行程：200 3、工作台总重：600N

4

内蒙古工业大学机电装备课程设计

4、 最高运行速度：

步进电机运行方式：空载：0.6m/mim：切削：0.1m/min； 交流伺服电动机运行方式：空载：9m/mim：切削：2m/min；

5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式 0.005mm/step； 6、系统定位精度：开环模式?0.10mm；半闭环模式 ?0.01mm； 7、切削负载：X向400N；Y向600N；Z向1000N；

2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型

图2-1 丝杠螺母副设计框图

2.2.1 计算进给牵引力

作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为综合导轨的计算公式。

5

内蒙古工业大学机电装备课程设计

计算公式为：

FM?KFx?f'(FZ?G)

式中 FZ ---Z向切削分力（N）；

G ---移动工作台总重（N）

f' ---导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同； K ---考虑颠复力矩影响的实验系数；

综合导轨的K?1.15 , f'?0.0025~0.005，取f'?0.003，式中Fz?1000N，

Fy?600N，G?600N

代入计算得 FM?464.8N

2.2.2 计算最大动载荷C

选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，用下式计算选择： C?Fmfw3L

ne?1000vsL0式中 Lh--额定寿命，查表3-28可得其寿命为15000h； ne--丝杠转速，?r/min?；

fw---负载性质系数，查表3—26， fw=1.0；

初选导程L0=6mm，由任务书可知最大切削力下的速度v?2m/min，则

vs?6m/min,代入公式可计算得 ne?1000vs1000?2==333.3r/min

6L0 L?60?ne?T60?333.3?15000??300

106106.5N C?464.8x1x3300?31112.2.3 滚珠丝杠螺母副的选型

据所算得的最大动负载C在设计指导书中的附录A表1中选用型号为WD2506的滚珠丝杠，其名义直径为25mm,滚珠的排列为2.5圈1列，额定动载荷为13100N，满足前面进给方向的要求。

精度等级按《机电装备设计课程设计指导书》表4-15选为4级。

6

内蒙古工业大学机电装备课程设计

2.2.4 传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率?：

??tg?

tg?????式中 ?---丝杠螺旋升角；

?---摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数f?0.003~0.004，其摩擦角约等于10'。

由选用的WD2506的滚珠丝杠的相关数据可知丝杠螺旋升角??2?26' 代入公式计算得 ??95.6%

2.2.5 刚度的验算

先画出此进给滚珠丝杠支承方式草图,如图所示.最大牵引力为

Fm= 464.8N, 滚珠丝杠的导程lv=200mm，滚珠丝杠的余程le=24mm,丝杠螺纹

长度取lu= 200+24Ｘ2+113=361mm,支撑跨度l1= 560mm,丝杠的全长L=660mm。

丝杠螺母及轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向负载的1/3.

图2-2 Z向进给系统计算简图

M L G

滚珠丝杠副的轴向变行会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素： 1)、丝杠的拉伸或压缩变形量?1

?1在总的变形量中占的比重较大,可以用计算方法或查图表的方法决定，查图4-6，根据 Fm=464.8N，D0?25mm

7

内蒙古工业大学机电装备课程设计

查出：

?LL0?2.4?10?6

?1??LL0?L

式中 L---滚珠丝杠在支撑间的受力长度，(mm).

2.4?10?6?560?0.00024mm 计算得 ?1??L=

6L0?L（2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形?2

查表4-8，W系列1列3.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量?Q?3.6?m

因进行了预紧，?2?根据以上计算

1?Q?0.0018mm 2???1??2?0.000224?0.0018?2.024um，小于要求的定位精度

0.01mm，合乎设计的要求。

2.2.6 稳定性验算

对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应

验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险，产生失稳的临界负载Fk用下式计算： Fk?fZ?2EIl12

式中 E---丝杠材料弹性模量，对钢E?20.6?106N/cm2; I---截面惯性矩(cm4),丝杠截面惯性矩 I?的底径)；

l1---丝杠两支承端距离(cm)；

?64d14(d1为丝杠螺纹

fZ---丝杠的支承方式系数。

根据前面的相关数据可知上式中的截面惯性矩：

64?d?2e?2k4?(0) 6410?25?2?0.056?2?2.0644?()6410?0.82cm4

8

I??d14

内蒙古工业大学机电装备课程设计

丝杠两支承端距离l?560mm?56cm，我所选用滚珠丝杠的支承方式是一端固定一端简支,则查指导书中的表4-13可知fZ?2.0则代入数据

fZ?2EI2??2?20.6?106?0.82?4735.8N 算得 Fk?=

562l2临界负载Fk与最大工作负载Fm之比称为稳定性安全系数nK， nK?式中 [nK]----为许用稳定性安全系数; [nK]?2.5~4，

Fk Fm如果nK?[nK]则丝杠不致失稳,在我所设计的方案中最大的Fm?464.8N，则

Fk?4375.8/464.8?10.2?2.5~4 Fm所以满足设计要求。

2.2.8 滚珠丝杠副的几何参数

表2-1滚珠丝杠的几何参数

名称 公称直径 导程 符号 d0 L0 公式 WD2506 25 6 2?26' R?0.52dq d?e??R?q2???sin? ?螺 纹 滚 接触角 钢球直径 滚道法面半径 偏心距 ? dq 3.969 2.064 0.056 R e 道 螺纹升角 螺 杆 螺 母

? d L???arctg??0?d? ?0?422 0'螺杆外径 螺杆内径 螺杆接触直径 螺纹直径 螺母内径 d1?d0??0.2～0.25?dq d1?d0?2e?2R dz?d0?dqcos? 24.326 20.984 21.634 29.016 25.674 d1 dz D D?d0?2e?2R D1 9

d1?d0??0.2～0.25?dq

内蒙古工业大学机电装备课程设计

2.3 滚动导轨的计算与选择

目前，滚动导轨在数控机床上应用非常广泛，因为其摩擦系数f=0.0025~0.005；动、静摩擦系数很接近，几乎不受运动速度的变化的影响，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低度运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，所以选用滚动导轨。

2.3.1 滚动导轨副的额定寿命 (1)、滚动导轨的额定动载荷的计算：

由于要计算额定动载荷首先需要计算出作用在滚动导轨副上的载荷,由资料文献可知作用在滚动导轨副上的载荷计算公式如下：

图2-3 工作台及导轨块的放置

式中的W为作用于同一平面内的若干套导轨副的总载荷在这里我的设计任务中指出了FZ?1000N，G?650N。则

W?FZ?G?1600N

式中L1、L2、l2、l3分别取L1?200mm，L2?150mm,l2?125mm，l3?200mm

将上面的数据代入相应的公式中可得到

wl1600?125P1?P2?P3?P4?2??500N

2L12?200对于全行程还应该计算除载荷Pc

Pmax?Pc?800N

(2)、滚动导轨副的额定寿命

1、额定寿命计算

其计算公式如下： L?50(

式中 L---额定寿命；

10

fhftfcfaC3*) fWPc

内蒙古工业大学机电装备课程设计

C---额定动载荷；

Pc---计算载荷；

ft---温度系数；运行时的温度小于100查相关资料可的ft?1.00； fc---接触系数；导轨上的滑块数为2查相关资料fc?0.81 fa---精度系数；精度等级为4级查相关资料fa?1 fw---载荷系数；fw?1

fh---硬度系数；滚道硬度不得低于HRC58故通常取fh?1

使用寿命 Lh?8.3L lv?nlv---单向行程lr=200

n---每分钟往返次数

n?12lvvs?5次

L?Lhlvn?1807.23mm 8.3C??Pcfwfhftfcfa3L50800?131807.23

1?1?1?0.8150?3265.45N初选直线导轨副型参为SBG15FL 额定动载C=8500N 代入公式计算得： L?50(fhftfcfaC31?1?0.81?185003（?）?31872.19h *)= 50?1800fWPc2、寿命时间的计算 Lh?8.3L8.3?31872.19??264539.16h?15000h lv?n1 故初选型号满足设计要求。

11

内蒙古工业大学机电装备课程设计

2.3.2 直线导轨副的参数

2.4 交流伺服电机的计算与选择

选用交流伺服时，必须首先根据机械设计结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效惯量，分别计算各种工况条件下所需的等效力矩，再根据交流伺服电机最大转矩选择合适的交流伺服电机。

12

内蒙古工业大学机电装备课程设计

2.4.1 转动惯量的计算

(1）、丝杠的转动惯量计算

由于用交流伺服电机则省去了齿轮的传动比，以及齿轮的转动惯量的计算所以只要计算丝杠本身的转动惯量即可，虽然丝杠上有阶梯但为了计算方便按一个圆柱体来计算它的转动惯量，而且丝杠与交流伺服电机直接相连则传动比可近似为一，下面首先计算丝杠的转动惯量，公式如下：

Js?0.78D4L?10?3

式中 D---圆柱体直径(cm)； L---圆柱体长度或原度(cm)； ?---钢材的密度??7.85?10?3kg/cm3

在我以上所设计的零件中可知丝杠的公称直径为2.5cm，把丝杠近似的看成一个圆柱体则D?2.5cm，考虑到我的任务书中的尺寸比较大，对与丝杠支撑端以外的丝杠对总体的影响较小所以忽略不记，则取L?66cm。

根据以上的数据代入公式算得

Js?0.78D4L?10?3 =0.78?2.54?66?10?3

?1.986kg*cm2

(2)、工作台折算到丝杠上的转动惯量

其公式为：

2?L?GJt??0?

2?g??式中 G---工作台重量(N)；G?600N， g---重力加速度（9.8m/s2）； L0---丝杠导程(cm) ;L0?0.6cm

代入公式

?0.6?L?G Jt??0? ???2??2??g?22?6002?? ?0.00559kg*cm?9.8?102?

13

内蒙古工业大学机电装备课程设计

(3)、丝杠传动时传动系折算到电机上的总的转动惯量

其求解公式：

Je?Js?Jt

式中 Js---丝杠的转动惯量；

Jt---工作台折算到丝杠上的转动惯量

代入公式

Je?Js?Jt?1.992kg*cm2

考虑到电机传动系统匹配问题：

0.25?Je?1Jm

Je?Jm?4Je因此有Jm?1.992~7.966kg*cm2即选型号为ECMAC21020的交流伺服电动机，额定转矩6.37N*m，转动惯量

4.45×10?4kg*m2，额定转速3000R/min，最大转速5000r/min。

2.4.2 电机的力矩的计算

电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分别对快速空载起时所需

要的力矩、快速进给时所需要的力矩、最大切削负载时所需要的力矩等几部分进行计算。

(1)、快速空载起动时所需力矩M起

M起?Mamax?Mf?M0

式中 M起---快速空载起动力矩(N*cm)；

Mamax---空载起动时折算到电机上的加速力矩(N*cm)； Mf---折算到电机轴上的摩擦力矩(N*cm)；

M0---由于丝杠欲紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩(N*cm)

其中 Mmax2??nmax?10?2 ?Je?60?ta式中 Je---传动系统折算到电机轴上的总的等校转动惯量(kg*cm2)；

14

内蒙古工业大学机电装备课程设计

Je?1.992kg*cm2

nmax---电机的最大转速(r/min)；nmax?5000r/min

ta---运动部件动停止起动加速到最快进给速度所需时间

(s);ta?30ms

代入上式 Mmax2??nmax?10?22??5000?10?2 ?1.992??347.50N?cm ?Je?60?0.0360?ta折算到电机轴上的摩擦力矩Mf： Mf?F0L0 2??总i式中 F0---导轨的摩擦力(N)；

F0?f'Fy?0.004?600?2.4N Fy---y方向的切削力(N)；

G---运动部件的总重量(N)；

f'---导轨的摩擦系数；

i---齿轮降速比，这里无齿轮既i?1；

?总---传动链总效率，0.7-0.85,这里取0.80；

代入求解：

Mf?F0L02.4?0.6 ??0.5732N*cm

2??0.8?12??总i附加摩擦力M0：

M0?Fp0L02??总i(1??)

2Fm为进给牵引力(N)；式中 Fp0---滚珠丝杠预加负荷，一般取1/3Fm，

Fm?464.8N

L0---滚珠丝杠导程(cm)；

?---滚珠丝杠未预紧时的传动效率；??0.9

代入算得

15

内蒙古工业大学机电装备课程设计

1464.8??0.6Fp0L023 M0?(1??) ?1?0.902?3.516N*cm

2??0.8?12??总i??根据上面的计算结果可得

M起?Mamax?Mf?M0?347.500?0.5732?3.5156

?351.59N*cm M起?351.59N*cm?637N*cm,比初选的电机的转矩小符合设计要求。 (2)、快速进给时所需力矩M快：

M快?Mf?M0?0.5732?3.5156?4.0888N*cm

M快?4.0888N*cm?260N*cm比初选电机的转矩小，符合要求。 (3)、最大切削时所需力矩M切：

M切?Mf?M0?Mt

式中 Mt---折算到电机轴上的切削负载力矩(N*cm)；

Mt的求解公式如下：

Mt?FtL0

2??总i式中 Ft---进给方向上的最大切削力(N)；Ft?1000N 代入数据计算得 Mt?FtL01000?0.6??119.43N*cm

2??总i2??0.8?1

综合以上数据可算得

M切?Mf?M0?Mt?0.5732?3.5156?119.43?123.52Ncm其与电机的额定转矩比较，M切?123.52N*cm小于额定转矩637N*cm，故合乎设计要求。

通过以上的演算可知，初选的电机合乎设计要求。

16

内蒙古工业大学机电装备课程设计

第三章 微机数控硬件电路设计

根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。

1、数控系统由硬件和软件两部分组成。

硬件是组成系统的基础，机床硬件电路由以下五部分组成： ⑴、主控制器，即中央控制单元CPU；

⑵、总线，包括数据总线、地址总线和控制总线； ⑶、存储器，包括程序存储器和数据存储器； ⑷、接口，即I/O输入/输出接口电路；

⑸、外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。见图3—1。

交流伺服电机

2、选择中央处理单元CPU的类型

考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，及经济价格比等经济性的要求。因此，在经济数控铣床中，推荐使用MCS—51系列单片机作主控制器。

3、存储器扩展电路设计

存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。 在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。

在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。

4 、I/O口即输入/输出接口电路设计

包括接口芯片的选用，交流伺服电机控制电路，键盘显示电路及其他辅助电路的设计。

17

内蒙古工业大学机电装备课程设计

3.1 MCS—51系列单片机简介

3.1.1 MCS—51系列指令系统简介

MCS—51系列指令系统共有111条基本指令，其中单字节指令有49条，双字节指令有45条，单字节指令有17条。

1、MCS—51系列指令系统的七种寻址方式简介：

（1）、立即寻址 跟在操作码后的一个字节就是实际操作数。 （2）、直接寻址 指令中直接给出参加运算或传送的数的地址。可以访问三种地址：特殊功能寄存器SFR、内部RAM128字节个单元、221个地址空间。

（3）、寄存器寻址 指定某一可寻址的寄存器的内容为操作数。寻址空间是R0～R7、A、B、DPTR。

（4）、寄存器间接寻址 由指令指定某一寄存器的内容作为操作数地址，选定R0、R1、SP、DPTR（16位）来存放地址，使用时前加@。

（5）、变址寻址 由争论指定的偏移量寄存器或称变址寄存器和基址寄存器

DPTR或PC相加所得结果作为操作数地址。

（6）、相对寻址 在指令中给定的地址偏移量与本指令所在单元地址（即PC内容）相加，即得到真正有效的单元地址。

（7）、位寻址 对内部RAM的128位和SFR块内的93位进行位操作。2、MCS—51系列指令系统主要指令简介：

MCS—51系列指令系统111条指令可分为五类： （1）、数据传送类 29条 （2）、算术操作类 24条 （3）、逻辑操作类 24条 （4）、控制程序转移类 17条 （5）、布尔变量操作类 17条

18

内蒙古工业大学机电装备课程设计

3.1.2 定时器/计数器

MCS—51系列单片机提供两个十六位可编程的定时器/计数器，即T0和T1。他们具有两种工作方式和四种模式。其工作原理如图3-2所示。

定时器/计数器的核心是加一计数器，加一计数器脉冲有两个来源，一个是外部脉冲源，另一个是系统的时钟振荡器。

有两个模拟开关，前一个开关就是特殊寄存器TMOD的相应位，后一个模拟开关就是特殊寄存器TCON的相应位。

TMOD和TCON是专门用于定时器/计数器的控制寄存器。用户可以用

图3-2 定时器/计数器的结构框图

指令对其各位进行写入或更改操作，从而选择不同的工作状态或启动时间，并可设置相应的控制条件。

这两个控制寄存器各位的功能： 1、TMOD控制寄存器

GATE——门控位或叫选通位。

C/T——计数器方式或定时器方式的选择位。 M1和M0——工作模式控制位。

00 模式0：TLX中的低5位和THX的高8位构成13位计数器。 01 模式1：TLX与THX构成16位计数器。 10 模式2：可自动再装入的8位计数器。

11 模式3：把定时器0分成两个8位计数器，关闭定时器1。 2、TCON控制寄存器

TF0、TF1——定时器T0、T1溢出标志位，为1时申请中断。 TR0、TR1——定时器T0、T1运行控制位，有软件设定，来控制定时

19

内蒙古工业大学机电装备课程设计

器/计数器开启或关闭。

IE0、IE1——外部中断源的标志，为1时表示外部中断源向CPU申请中断。

IT0、IT1——外部中断源触发控制位。

3.1.3 中断系统

MCS—51系列单片机提供五个中断源，配备两个中断优先级，INT0、INT1输入外部中断请求，两个片内定时器/计数器T0和T1溢出中断请求TF0和TF1，一个片内串行口中断请求TI和RI。

各中断源所对应的中断服务程序的入口地址和优先级如下： 中断源 人口地址 优先级 INT0 0003H 0 T0 000BH 1 INT1 0013H 2 T1 001BH 3 串行口中断 0023H 4

3.2 存储器扩展电路设计

3.2.1 程序存储器的扩展

1、常用的ROM芯片及引脚：

（1）常用的半导体ROM芯片有：2716（2K*8）、2732A（4K*8）、2764、（8K*8）、27128（16K*8）、27256（32K*8）、27512（64K*8）。2764、27128、27256、27512芯片均有28脚双列直插式平封装芯片。引脚向下兼容。图3-3是2764引脚排列。

（2）地址锁存器常用的地址锁存器芯片是74LS373。74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器。其真值表见表3-1。

20

内蒙古工业大学机电装备课程设计

图3-3 2764引脚排列 表3-1 真值表74LS373

E L L L

G H H L D H L X Q H L Q0 3.2.2 数据存储器的扩展

常用数据存储器及引脚

常用的静态RAM芯片有6116（2K*8）、6264（8K*8）、62256（32K*8）等，6264、62256均采用CMOS工艺、28脚双列直插式平封装。6264引脚及逻辑符号见图3-4。

图3-4 6264引脚图

3.2.3 译码电路设计

1、MCS—51系列单片机应用系统中的地址译码规则

（1）程序存储器和数据存储器独立编址。程序存储器地址和数据存储

21

内蒙古工业大学机电装备课程设计

器地址可以重叠使用。都是从0000H～FFFFH。

（2）外围I/O芯片与扩展数据存储器统一编址

外围I/O芯片占用数据存储器地址单元，且使用数据存储器的读/写控制信号与读/写指令。

（3）CPU在访问外部存储器时地址编码

CPU的P2口提供高8位地址，P0口经外部地址锁存器后提供低8位地址。 2、地址译码方法

（1）线选法

利用单片机地址总线高位中的一根线作为选择某一片存储器芯片的片选信号。此法用于规模较小的系统。其优点是不需要地址译码器，可节省硬件，降低成本。缺点是可寻址的芯片数目受到很大的限制，且地址空间不连续，不能充分利用。

（2）全地址译码法

对容量较大的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用这种全地址译码法。

常采用的译码器是74LS138。图3-5是其引脚图。表1—3是其逻辑功能表。图1—8是全地址译码图。表3-2是其地址译码表。 表3-2 74LS138逻辑功能表 G1 G2A G2B 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 其 他 状 态 C B A 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 X X X Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 22

内蒙古工业大学机电装备课程设计

1

图3-5 74LS138引脚图 图3-5 74LS138引脚图

表3-3 74LS138地址译码表

器 件 2764 6264 8155 RAM I/O 8255 地 址 选 择 线 000X XXXX XXXX XXXX 001X XXXX XXXX XXXX 0101 1110 XXXX XXXX 0101 1111 1111 1XXX 0111 1111 1111 11XX

4 片内地址单元（字节） 8K 8K 256 6

地 址 编 码 0000H~1FFFH 2000H~3FFFH 5E00H~5EFFH 5FF8H~5FFFH 6FFCH~6FFFH 图3-6 数控铣床全地址译码图

87C5

23

内蒙古工业大学机电装备课程设计

3.3 I/O接口电路及辅助电路设计

常用外围接口芯片有：

8155：可编程的RAM/IO扩展接口电路（256个RAM、两个8位口、一个6位口、一个14位的定时器/计数器）

8255：可编程的通用并行接口电路（3个8位口） 8279：可编程的键盘、显示接口电路

3.3.1 8155 通用可编程接口芯片

1、8155引脚及其功能

8155 的结构框图及引脚排列见图3-7。8155 具有40条引脚，采用双列直插式风装，各引脚功能见表3-4。

表3-4 8155引脚功能

引脚 AD0~AD7 PA0~PA7 PB0~PB7 PC0~PC5 TIMER IN 含义 引脚 含义 定时输出 IO/RAM口选择 地址锁存 读写 引脚 CE RESET VSS VCC 含义 片选 复位 地 电源 地址、数据线 TIMER OUT A口 B口 C口 定时输入 IO/M ALE RD WR

图3-7 可编程的RAM/IO扩展接口电路

24

内蒙古工业大学机电装备课程设计

定义B口输入/输出方式 定义A口输入/输出方式

0：禁止断 1：允许断 0：禁止断 1：允许断 A口中A口中B口中B口中00：ALT1 01：ALT2 10：ALT3 11ALT4 00：空操作 01：停止定时器操作 10：定时器减为一时停止计数 11：置定时器方式后，开始计数 图3-8命令寄存器格式及工作方式

2、8155 的工作方式设定

8155 命令寄存器格式及工作方式见图3-8 3、8155 初始化程序格式如下：

MOV DPTR ， 控制口地址 MOV A ， 命令字 MOVX @DPTR ，A

MOV DPTR ， 计数初值入口地址 MOV A， 计数初值

INC DPTR

MOV A ， 计数初值高位 MOVX @DPTR ，A

3.3.2 8255 通用可编程接口芯片

1、8255 引脚及其功能

8255 引脚及内部结构见图3-9，其引脚功能见3-5： 2、8255 工作方式的设定

8255 有三种工作方式：方式0、方式1、方式2。 方式0——基本的输入输出方式 方式1——应答式输入输出方式 方式2——应答式双向输入输出方式

25

内蒙古工业大学机电装备课程设计

表3-5 8255引脚功能

引 脚 D0~D7 PA0~PA7 PB0~PB7 PC0~PC7 A0、A1 RD WR CE RESET GND VCC 含 义 数据线 A口 B口 C口 地址线 读 写 片选 复位 地 电源

图3-9 8255 引脚及内部结构

8255 IO的工作方式选择通过对其内部命令寄存器设定方式选择控制字来实现。其格式及工作方式见图3-10。C口置/复位控制字格式如图3-11所示。

3、8255 初始化程序格式如下：

MOV AL ， 控制字；定义工作方式 OUT 控制口地址，AL IN AL ， 初值 OUT 输出口地址，AL

26

内蒙古工业大学机电装备课程设计

B组 下C口：0—输出 1—输入 B口： 0—输出 1—输入 模式选择：0—模式0 1—模式1 A组 上C口：0—输出 1—输入 A口： 0—输出 1—输入 模式选择：00—模式0 01—模式1 X1—模式2 控制选择 1=模式选择 图3-10 命令寄存器方式选择控制字格式及工作方式

置位 0=复位 1=置位 位选择 D3 D2 D1 C口 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 控制选择 0=位操作 图3-11 C口置/复位控制字格式

3.3.3 键盘显示接口电路

1、显示器工作原理

数控系统中使用的显示器主要有LED和LCD接口显示方式。LED显示器有8个发光二极管组成，控制不同组合的二极管导通，显示不同字符。七段显示器的结构如图3-12。 2、键盘接口原理

键盘工作原理如图3-13所示。

3、8255 初始化程序格式如下：

MOV AL ， 控制字；定义工作方式 OUT 控制口地址，AL IN AL ， 初值 OUT 输出口地址，AL

27

内蒙古工业大学机电装备课程设计

a)外行 b)共阳极 c)共阴极

图3-12 七段显示器的结构

图3-13 键盘工作原理

3.3.4 电机接口及驱动电路

1、脉冲分配器

脉冲分配器又叫环型分配器，分硬件环型分配器和软件环型分配器。 2、光电隔离电路

为防止强电干扰，在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路。常用的光电偶合器连线如图3-15。 图3-15 光电偶合器连线 图3-16时钟电路 图3-17复位电路

3.3.5 辅助电路

1、87C51的时钟电路

数控铣床单片机的时钟电路采用内部方式产生，电路图3-16。

28

内蒙古工业大学机电装备课程设计

2、复位电路

单片机的复位都靠外部电路实现。单片机通常采用上电复位和按键复位两种，图3-17为二者组合电路。 3、越界报警电路

为防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。图3-18为报警信号的产生和指示电路。 图3-18 报警信号的产生和指示电路

4、掉电保护电路 避免在掉电 的情况下，RAM中的信息丢失， 图1—21为其工作原理。

5、数控铣床的控制面板 如图1—22所示。

图1—21掉电保护电路

图1—22数控铣床的控制面板

29

内蒙古工业大学机电装备课程设计

参考文献

[1] 内蒙古工业大学机械学院.机电装备设计课程设计指导书[M]呼和浩特:

内工大印刷厂,2006

[2] 滚珠丝杠,线性滑轨[OL]天津海特传动机械有限公司.http://www.hit-lm.com.cn

[3] 日本富士,美国Copley等交流伺服电机[OL].重庆钧智自动化仪器控制

有限公司.http://www.cqservo.com

[4] 机床设计手册组.机床设计手册(三分册)[M].北京:机械工业出版

社,1986

[5] 三菱通用交流伺服系统[OL].三菱电机株式会社. [6] MR-J2S伺服(英文版)[OL].三菱电机. [7] FX2N-10PG 用户手册[OL] .三菱电机.

[8] 步进电机及驱动器\\交流伺服电机及系统[OL].步进电机有限公司，http：

//www.step-servo.com

[9] 日本富士、美国Copley等交流伺服电机[OL].重庆均智自动化仪器控制有限公司，

http：//www.cqservo.com

[10] 步进联轴器，编码器联轴器，微型电机联轴器[OL].广州菱科自动化设备有限公

司：http://www.gzlink.com

[11] 张清,周艳玲,刘炳山，数控机床进给系统交流伺服电机选择[J]. 制造技术与机

床.

30

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ny57.html