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重慶交通大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 內(nèi)容：數(shù)控車床系統(tǒng)XY工 作臺(tái)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院(系)、部： 繼續(xù)教育學(xué)院 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào): 專 業(yè)： 機(jī) 電 一 體 化 班 級(jí)： 05機(jī)電班 指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 2008-05-8 摘 要 當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。 關(guān)鍵字：機(jī)電一體化的基礎(chǔ) 基本組成要素 特點(diǎn) 發(fā)展趨勢(shì) Abstract Now the world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generation's CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops. key words: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development. 目 錄 第一章 前言 4 第二章 課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求 6 第一節(jié) 課程設(shè)計(jì)的目的、意義 6 第二節(jié) 課程設(shè)計(jì)的要求 6 第三章 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 7 第一節(jié) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 7 第二節(jié) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 7 第四章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 8 第五章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 9 第一節(jié) 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 9 第二節(jié) 工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算 9 第三節(jié) 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 9 第四節(jié) 滾珠絲杠計(jì)算、選擇 11 第五節(jié) 齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì) 13 第六節(jié) 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 14 第七節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選擇 15 第六章 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 17 第一節(jié) 設(shè)計(jì)內(nèi)容 17 第二節(jié) 設(shè)計(jì)步驟 17 第三節(jié) 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 21 第七章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 22 第八章 結(jié)束語(yǔ)與致謝 29 第九章 參考文獻(xiàn) 30 第一章 前言 一、當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢(shì)及我國(guó)數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀 在我國(guó)對(duì)外開(kāi)放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國(guó)制造業(yè)信息化水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。 　　裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 （一）、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化 ,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征 ,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大 ,他對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè) IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看 ,其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面: (1)、 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì) 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率 ,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。從 EMO2001 展會(huì)情況來(lái)看 ,高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá) 80m/ min ,甚至更高 ,空運(yùn)行速度可達(dá) 100m/ min左右。目前世界上許多汽車廠 ,包括我國(guó)的上海通用汽車公司 ,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。在加工精度方面 ,近 10 年來(lái) ,普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10μm提高到 5μm ,精密級(jí)加工中心則從 3～5μm ,提 高到 1～1.5μm并且超精密加工精度已開(kāi)始進(jìn)入納米級(jí) 0.1μm 。為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工 ,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展 ,應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。 (2) 、5 軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 采用 5 軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工 ,可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削 ,不僅光潔度高 ,而且效率也大幅度提高。但過(guò)去因 5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因 ,其價(jià)格要比 3 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍 ,加之編程技術(shù)難度較大 ,制約了 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn) ,使得實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化 ,其制造難度和成本大幅度降低 ,數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床 含 5 面加工機(jī)床 的發(fā)展。 (3) 、智能化、開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì) 21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ,智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 ,如加工過(guò)程的自適應(yīng)控制 ,工藝參數(shù)自動(dòng)生成;為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來(lái)之路。所謂開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上 ,面向機(jī)床廠家和最終用戶 ,通過(guò)改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對(duì)象 數(shù)控功能 ,形成系列化 ,并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) ,形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn)品。目前開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫(kù)以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開(kāi)發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國(guó)際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求 ,也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元 ,反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢(shì)。 （二）、對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì) 我國(guó)數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年 ,近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個(gè)階段：第一階段從 1958 年到 1979 年 ,即封閉式發(fā)展階段。在此階段 ,由于國(guó)外的技術(shù)封鎖和我國(guó)的基礎(chǔ)條件的制 ,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國(guó)家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期 ,即引進(jìn)技術(shù) ,消化吸收 ,初步建立起國(guó)產(chǎn)化體系階段。在此階段 ,由于改革開(kāi)放和國(guó)家的重視 ,以及研究開(kāi)發(fā)環(huán)境和國(guó)際環(huán)境的改善 ,我國(guó)數(shù)控技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)以及在產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。第三階段是在國(guó)家的“八五”的后期和“九五”期間 ,即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究 ,進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段?？v觀我國(guó)數(shù)控技術(shù)近 50 年的發(fā)展歷程 ,特別是經(jīng)過(guò) 4 個(gè) 5 年計(jì)劃的攻關(guān) ,總體來(lái)看取得的成績(jī)還是不小。 （三）、對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 (1) 、戰(zhàn)略考慮。我國(guó)是制造大國(guó) ,在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移 ,所以 ,我們應(yīng)站在國(guó)家安全戰(zhàn)略的高度來(lái)重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問(wèn)題。首先從社會(huì)安全看 ,因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國(guó)就業(yè)人口最多的行業(yè) ,制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平 ,而且還可緩解我國(guó)就業(yè)的壓力 ,保障社會(huì)的穩(wěn)定;其次從國(guó)防安全看 ,西方發(fā)達(dá)國(guó)家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國(guó)家的戰(zhàn)略物質(zhì) ,對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制 ,“東芝事件”和“考克斯報(bào)告”就是最好的例證。 (2)、發(fā)展策略。從我國(guó)基本國(guó)情的角度出發(fā) ,以國(guó)家的戰(zhàn)略需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求為導(dǎo)向 ,以提高我國(guó)制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo) ,用系統(tǒng)的方法 ,選擇能夠主導(dǎo) 21 世紀(jì)初期我國(guó)制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容 ,實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向 ,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主 ,以整機(jī)如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、曲型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問(wèn)題。沒(méi)有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品;沒(méi)有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)值低廉而富有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品;當(dāng)然 ,沒(méi)有規(guī)模中國(guó)的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。 第二章 課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求 第一節(jié) 課程設(shè)計(jì)的目的,意義 《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運(yùn)用所學(xué)過(guò)的機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等知識(shí)進(jìn)行的基本設(shè)計(jì)訓(xùn)練。其目的是： 1. 能夠正確運(yùn)用《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程的基本理論和相關(guān)知識(shí)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法，了解設(shè)計(jì)方案的擬定、比較、分析和計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步能力； 2. 通過(guò)機(jī)械部分設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計(jì)算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟； 3. 通過(guò)測(cè)試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想； 4. 通過(guò)課程設(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)及編寫(xiě)技術(shù)說(shuō)明書(shū)的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。 第二節(jié) 課程設(shè)計(jì)的要求： 1. 課程設(shè)計(jì)應(yīng)在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立完成，嚴(yán)格地要求自己，不允許相互抄襲； 2. 認(rèn)真閱讀《課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》，明確題目及具體要求； 3. 認(rèn)真查閱題目涉及內(nèi)容的相關(guān)文獻(xiàn)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)； 4. 大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設(shè)計(jì)方案； 5. 機(jī)械部分和驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)思路清晰，計(jì)算結(jié)果正確，選型合理； 6. 微機(jī)控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確； 7. 手工或電腦繪制機(jī)械系統(tǒng)裝配圖一張（A1），控制系統(tǒng)電氣原理一張（A1），圖紙符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，布圖合理，內(nèi)容完整表達(dá)清晰； 8. 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份（不少于8000字），包括：目錄，題目及要求，總體方案的確定，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，參考文獻(xiàn)等。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)敘述清楚、表達(dá)正確、內(nèi)容完整、技術(shù)術(shù)語(yǔ)符合標(biāo)準(zhǔn)。 第三章 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 第一節(jié) 課程設(shè)計(jì)題目：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多用XY工作臺(tái)。 已知條件：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊 工作臺(tái)的有效行程為 快速進(jìn)給速度 和工作載荷 第二節(jié) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 1.數(shù)控裝置總體方案的確定 (1).數(shù)控裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的確定； (2).方案的分析，比較，論證。 2.機(jī)械部分的設(shè)計(jì) (1).確定脈沖當(dāng)量； (2).機(jī)械部件的總體尺寸及重量的初步估算； (3).傳動(dòng)元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)，計(jì)算和選用； (4).確定伺服電機(jī)； (5).繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖； (6).系統(tǒng)等效慣量計(jì)算； (7).系統(tǒng)精度分析。 3.數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) (1).微機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)； (2).I/O接口電路及伺服控制電路的設(shè)計(jì)和選用； (3).系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 4.編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (1).說(shuō)明書(shū)是課程設(shè)計(jì)的總結(jié)性技術(shù)文件，應(yīng)敘述整個(gè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，包括總體方案的確定，系統(tǒng)框圖的分析，機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算，電氣部分的設(shè)計(jì)說(shuō)明，選用元器件參數(shù)的說(shuō)明，軟件設(shè)計(jì)及其說(shuō)明； (2).說(shuō)明書(shū)不少于84字，盡量用計(jì)算機(jī)完成。 5.圖紙 (1).機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖，A0圖紙1張。要求視圖基本完整，符合標(biāo)準(zhǔn)。其中至少要有一個(gè)坐標(biāo)軸的完整剖視圖； 第四章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。 1. 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。 2. 伺服系統(tǒng)的選擇 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī).開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由于沒(méi)有檢測(cè)反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。 .考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。 3. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇 采用MCS-51系列中的8031單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性價(jià)比高。控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。 4. X—Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。 由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。 考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。系統(tǒng)總體框圖如下: 計(jì) 算 機(jī) 光電隔離 功率放大 步進(jìn) 電機(jī) X向工作臺(tái) 光電隔離 功率放大 步進(jìn) 電機(jī) Y向工作臺(tái) 第五章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。 第一節(jié) 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量δp是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，由于定位精度為±0.01mm因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm。 第二節(jié) 工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算 根據(jù)給定的有效行程，畫(huà)出工作臺(tái)簡(jiǎn)圖，估算X向和Y向工作臺(tái)承載重量WX和WY。 取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?10mm,Y向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm,設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡(jiǎn)圖如下: 工作臺(tái)簡(jiǎn)圖 X向拖板(上拖板)尺寸為: 長(zhǎng)*寬*高=420*410*50 重量:按重量=體積*材料比重估算為: = Y向拖板(下拖板)尺寸為: 重量= 上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為 夾具及工件重量:約155N X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為: 第三節(jié) 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌： 因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌: 選擇漢機(jī)江機(jī)床廠HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其型號(hào)為:HJG-D25 基本參數(shù)如下: 額定載荷/N 靜態(tài)力矩/N*M 滑座重量 導(dǎo)軌重量 導(dǎo)軌長(zhǎng)度 動(dòng)載荷 靜載荷 L (mm) 17500 26000 198 198 288 0.60 3.1 760 滑座個(gè)數(shù) 單向行程長(zhǎng)度 每分鐘往復(fù)次數(shù) M 4 0.6 4 導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷N 依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln： 額定行程長(zhǎng)度壽命: 導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命: 導(dǎo)軌的工作壽命足夠. 第四節(jié) 滾珠絲杠計(jì)算、選擇 初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=5mm （1） 強(qiáng)度計(jì)算 絲杠軸向力：(N) 其中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時(shí)：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計(jì)算。 取f=0.004,則: 壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min) 最大動(dòng)載荷： 式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時(shí)為1.0。 查表得中等沖擊時(shí)則: 根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)為: CM系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM2005-5。 其基本參數(shù)如下: 其額定動(dòng)載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式. 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表 名稱 計(jì)算公式 結(jié)果 公稱直徑 ―― 20mm 螺距 ―― ５mm 接觸角 ―― 鋼球直徑 ―― 3.175mm 螺紋滾道法向半徑 1.651mm 偏心距 0.04489mm 螺紋升角 螺桿外徑 19.365mm 螺桿內(nèi)徑 16.788mm 螺桿接觸直徑 17.755mm 螺母螺紋外徑 23.212mm 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 20.7mm （2） 傳動(dòng)效率計(jì)算 絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： 式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。 （3） 穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。 （4） 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm) Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計(jì)算 絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差Δ為 E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。 第五節(jié) 齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì) 因步進(jìn)電機(jī)步距角滾珠絲杠螺距t=5mm,要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量,在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng). 齒輪傳動(dòng)比： ，初選步進(jìn)電機(jī)步距角：α= 1.5?/step。 取小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù) 因傳遞的扭距較小,取模數(shù)m=1mm則: 分度圓直徑: 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 齒寬: 取 中心距: 分度圓壓力角: 大小齒輪均采用漸開(kāi)線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪 小齒輪采用兩片薄齒輪錯(cuò)齒排列以消除間隙. 雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖如下: 1、2--薄齒輪, 3—彈簧, 4、8—凸耳, 5—調(diào)節(jié)螺釘, 6、7—螺母 雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖 第六節(jié) 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，有： （1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪１的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為齒輪２的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ｍ為移動(dòng)部件的質(zhì)量。 對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算： 式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長(zhǎng)度。 所以有： 　 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有： 第七節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的選用 (１）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算 設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為Ｔ，負(fù)載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系： 式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動(dòng)的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以： 式中：為移動(dòng)部件負(fù)載（N），G為移動(dòng)部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N），為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）。 取=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），＝０.8，==279.23Ｎ。考慮到重力影響，Ｙ向電機(jī)負(fù)載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有： 考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩： 取系數(shù)為０.３，則： 對(duì)于工作方式為三相６拍的步進(jìn)電機(jī)： (２） 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率 為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個(gè)90BF001型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī). 電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下: 型號(hào) 主要技術(shù)參數(shù) 相數(shù) 步距角 電壓 (V) 相電流 (A) 最大靜轉(zhuǎn)矩 (n.m) 空載啟動(dòng)頻率 空載運(yùn)行頻率 分配方式 90BF001 4 0.9 80 7 3.92 2000 8000 4相8拍 外形尺寸(mm) 重量 kg 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Kg.m 外直徑 長(zhǎng)度 軸直徑 90 145 9 4.5 1764 第六章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 第一節(jié) 設(shè)計(jì)內(nèi)容 １.按照總統(tǒng)方案以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖； ２.選擇計(jì)算機(jī)或中央處理單元的類型； ３.根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路； ４.根據(jù)控制對(duì)象以及系統(tǒng)工作要求設(shè)計(jì)擴(kuò)展Ｉ／Ｏ接口電路，檢測(cè)電路，轉(zhuǎn)換電路以及驅(qū)動(dòng)電路等； ５.選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號(hào)； ６.繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標(biāo)明各器件的型號(hào)，管腳號(hào)及參數(shù)； ７.說(shuō)明書(shū)中對(duì)電氣原理圖以及各有關(guān)電路進(jìn)行詳細(xì)的原理說(shuō)明和方案論證。 第二節(jié) 設(shè)計(jì)步驟 １.確定硬件電路的總體方案。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成： 1． 主控制器。即中央處理單元CPU 2． 總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。 3． 存儲(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 4． 接口。即I/O輸入輸出接口。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示： 中央處理單元CPU 存儲(chǔ)器RAM ROM 外設(shè)： 鍵盤(pán)，顯示器，打印機(jī)，磁盤(pán)機(jī)，通訊接口等 輸入/輸出 I/O接口 信號(hào)變換 控制對(duì)象 ２.主控制器ＣＰＵ的選擇 ＭＣＳ－５１系列單片機(jī)是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開(kāi)發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用８０３１芯片作為主控芯片。 ３.存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) (１）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型號(hào)有： 2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為２k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時(shí)要考慮ＣＰＵ與ＥＰＲＯＭ時(shí)序的匹配。８０３１所能讀取的時(shí)間必須大于ＥＰＲＯＭ所要求的讀取時(shí)間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇２７６４芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。 單片機(jī)規(guī)定Ｐ0口提供８為位地址線，同時(shí)又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時(shí)用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來(lái)保存，以便為外接存儲(chǔ)器提高低８位的地址信息，一般采用７４ＬＳ３７３芯片作為地址鎖存器，并由ＣＰＵ發(fā)出允許鎖存信號(hào)ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。 由以上分析，采用２７６４EPROM 芯片的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路框圖如下所示： A12 ↓ A8 2764 A7 ↓ A0 D7 ↓ D0 P1.7 ↓ P1.0 P2.4 ↓ P2.0 ALE P0.7 ↓ P0.0 譯碼電路 G 74LS372 擴(kuò)展2764電路框圖 (２）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 由于８０３１內(nèi)部ＲＡＭ只有１２８字節(jié)，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用6116,6262靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)選用６２６４芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。其擴(kuò)展電路如下所示： P2.4 ↓ P2.0 ALE P0.7 ↓ P0.0 A12 ↓ A8 A7 ↓ 6264 A0 D7 ↓ D0 ↓ D0 譯碼電路 G 74LS372 擴(kuò)展6264電路框圖 (３）譯碼電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過(guò)總線與單片機(jī)相連。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)的與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一編址，因此單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜?？刹捎镁€選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨(dú)的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權(quán)值較大，地址空間沒(méi)有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對(duì)于ＲＡＭ和Ｉ／Ｏ容量較大的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線的時(shí)候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對(duì)高位地址線進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。 本設(shè)計(jì)采用全地址譯碼法的電路分別如下圖所示： （4）存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 8031單片機(jī)所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)起程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址。 該設(shè)計(jì)選用程序存儲(chǔ)器2764和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264組成8031單片機(jī)的外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路， 單片機(jī)外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路如下： （5）Ｉ／Ｏ擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) (a).通用可編程接口芯片８１５５ ８０３１單片機(jī)共有４個(gè)８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用戶使用的只有Ｐ1口及部分Ｐ3 口線。因此要進(jìn)行Ｉ／Ｏ口的擴(kuò)展。８１５５與微機(jī)接口較簡(jiǎn)單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。8155Y與8031的連接方式如下圖所示 (b).鍵盤(pán)，顯示器接口電路 鍵盤(pán)，顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤(pán)，即用Ｉ／Ｏ口線組成行，列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。 數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有ＬＥＤ和ＬＣＤ。下圖所示為采用８１５５接口管理的鍵盤(pán)，顯示器電路。它有４Ｘ８鍵和６位ＬＥＤ顯示器組成。為了簡(jiǎn)化秒電路，鍵盤(pán)的列線及ＬＥＤ顯示器的字位控制共用一個(gè)口，即共用８１５５的PＡ口進(jìn)行控制，鍵盤(pán)的行線由８１５５Ｃ口擔(dān)任，顯示器的字形控制由8155的PB口擔(dān)任。 鍵盤(pán)顯示器接口電路如下所示： 4．步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) (1）脈沖分配器 步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器YB013。采用YB013硬件環(huán)行分配器的步進(jìn)電機(jī)接口線路圖如下： （2）光電隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電耦合器。光電耦合器接線圖如下： （3）功率放大器 脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要，，必須將其輸出信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。本設(shè)計(jì)選用功率放大器。 5．其它輔助電路設(shè)計(jì) （１）８０３１的時(shí)鐘電路 　　　單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。 　　　內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1,XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，如下圖所示。晶體可以在１.２～１２之間任意選擇，耦合電容在５～３０pF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，可將XTAL1直接接地，XTAL2接外部時(shí)鐘源。 8031 XTAL1 XTAL2 時(shí)鐘電路 （２）復(fù)位電路 　　　單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時(shí)鐘工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引腳上出現(xiàn) １０ms以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后ＣＰＵ便從００００Ｈ單元開(kāi)始執(zhí)行程序。在實(shí)際運(yùn)用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復(fù)位電平與８０３１復(fù)位要求一致時(shí)，可以直接相連。當(dāng)晶振頻率選用６ＭＨz時(shí)，復(fù)位電路中Ｃ取２２Ｆ，Ｒ?。玻埃?，取１０００。實(shí)用復(fù)位電路圖如下所示： （３）越界報(bào)警電路 　　　為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開(kāi)關(guān)。利用光電耦合電路，將行程開(kāi)關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至８０３１的Ｉ／Ｏ口Ｐ1.0。當(dāng)任何一個(gè)行程開(kāi)關(guān)被壓下的時(shí)候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變成高電平。８０３１可利用軟件設(shè)計(jì)成查詢的方法隨時(shí)檢查有無(wú)越界信號(hào)。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至８０３１的外部中斷引腳（ＩＮＴ０或ＩＮＴ１），采用中斷方式檢查越界信號(hào)。越界報(bào)警電路如下圖所示 第三節(jié) 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)選用ＭＣＳ－５１系列的８０３１作為主控制器。擴(kuò)展存儲(chǔ)電路為一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為４Ｋ，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展為８Ｋ。 ２７３２的片選控制端直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位以后，CPU從0000H開(kāi)始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端由譯碼器（74LS138）的Y2輸出提供。所以6264的空間地址為4000 ～５ＦＦＦＨ。 系統(tǒng)的擴(kuò)展I/O接口電路選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片8155。8155的片選 端接至譯碼器（74LS138）的Y4的輸出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址號(hào)分別為8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H—80FFH。 8155的A口為控制工作抬X，Y向電機(jī)的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不步進(jìn)電機(jī)接口與功率放大器之間采用光電隔離。 鍵盤(pán)與顯示器設(shè)計(jì)在一起，8155的PC口擔(dān)任鍵盤(pán)的列線及顯示器的掃描控制；PB口的PB0—PB3為鍵盤(pán)的行線。8031的P1口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用4X6共24個(gè)行列式鍵盤(pán)和6位8段共陰極LED顯示器。為了增加數(shù)碼管顯示亮度，分別在字形口和字位口加74LS07進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 PB口剩余的I/O線PB4—PB7分別作為工作臺(tái)+X，+Y，-X，-Y四個(gè)方向的行程限位控制信號(hào)。在軟件設(shè)計(jì)上8155的PA口，PC口設(shè)置為輸出，PB口設(shè)置為輸入。計(jì)算機(jī)隨時(shí)巡回檢測(cè)PB4—PB7的電平，當(dāng)某I/O線為0時(shí)，應(yīng)立即停止X，Y向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 另外，光電隔離器的輸出端必須采用隔離電源。隔離電源選用7805三端集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)。數(shù)控系統(tǒng)總的電氣原理圖以及圖中各元件的參數(shù)和型號(hào)見(jiàn)附（二），附（三）。 第七章 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) (一).系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個(gè)部分： 1、系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。 2、零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。 3、插補(bǔ)程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)，分配進(jìn)給脈沖。 4、伺服控制程序。根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。 診斷程序。包括移動(dòng)不見(jiàn)移動(dòng)超界處理，緊急停機(jī)處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯(cuò)等功能。 6、機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)加工控制程序。 7、鍵盤(pán)操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤(pán)操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。 (二).軟件設(shè)計(jì) 1.系統(tǒng)控制功能分析 數(shù)控X-Y工作臺(tái)的控制功能包括： （1）、系統(tǒng)初始化。如對(duì)I/O接口8155，8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。 （2）、工作臺(tái)復(fù)位。開(kāi)機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)位。 （3）、輸入和顯示加工程序。 （4）、監(jiān)視按鍵，鍵盤(pán)及開(kāi)關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開(kāi)關(guān)，鍵盤(pán)掃描等功能。 （5）、工作臺(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過(guò)規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示字符。 （6）、工作臺(tái)的自動(dòng)控制。 （7）、工作臺(tái)的手動(dòng)控制。 （8）、工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制。 2.系統(tǒng)管理程序控制 管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開(kāi)機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計(jì)管理程序時(shí)，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y工作臺(tái)的基本操作功能有：輸入加工程序，自動(dòng)加工，刀位控制，工作臺(tái)位置控制，手動(dòng)操作，緊急停機(jī)等。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)管理程序流程圖如下所示： 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 加工程序輸入鍵按下？ 機(jī)床復(fù)位 N 加工數(shù)據(jù)輸入 自動(dòng)加工 手動(dòng)加工鍵按下？ 自動(dòng)加工鍵按下？ N Y N 手動(dòng)調(diào)整 Y Y N 管理程序流程 3.自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì) （1）機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序：工作臺(tái)移動(dòng)到位→刀具快速進(jìn)給→加工→退刀→工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位置； （2）計(jì)算機(jī)在加工過(guò)程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工； （3）由以上分析，設(shè)計(jì)自動(dòng)加工程序框圖如下所示： 入口 零件坐標(biāo)地址指針 讀零件坐標(biāo) 調(diào)步進(jìn)電機(jī)子程序 工作臺(tái)移動(dòng)到位 刀具快進(jìn) 加工 快速退刀 零件坐標(biāo)地址指針加1 零件加工完成 N Y 返回 4.步進(jìn)電機(jī)控制子程序設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度，轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停止時(shí)，由于負(fù)載和慣性，會(huì)使電機(jī)失步，所以電機(jī)運(yùn)行時(shí)有一個(gè)加，減速過(guò)程。 通過(guò)確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制。 （1）時(shí)間常數(shù)的確定 在步進(jìn)電機(jī)控制程序中，利用單片機(jī)的定時(shí)器中斷，延時(shí)產(chǎn)生進(jìn)給脈沖的時(shí)間間隔。此間隔由送入定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)決定。時(shí)間常數(shù)由下式計(jì)算： 式中：T為脈沖時(shí)間間隔（ms）；為單片機(jī)機(jī)器周期（s），在時(shí)鐘為6MHz時(shí)，=2s。 （2）步進(jìn)電機(jī)加，減速進(jìn)給脈沖及脈沖時(shí)間間隔的確定 設(shè)步進(jìn)電機(jī)加，減速方式為直線加，減速。 要使步進(jìn)電機(jī)不失步，應(yīng)滿足： 式中：為步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩；為負(fù)載力矩；為慣性力矩。 由步進(jìn)電機(jī)=3.92N.m，取步進(jìn)電機(jī)的加速啟動(dòng)力矩 則使步進(jìn)電機(jī)不失不的慣性力矩 步進(jìn)電機(jī)角加速度 又 式中：為上升到步進(jìn)電機(jī)最高頻率所需時(shí)間，所以有： 加速脈沖個(gè)數(shù)： 確定加減脈沖個(gè)數(shù)都為54個(gè) 又因?yàn)椋? 所以脈沖時(shí)刻 結(jié)合可以算出對(duì)應(yīng)各脈沖時(shí)刻的計(jì)數(shù)器時(shí)間常數(shù)。 EPROM存儲(chǔ)器中，時(shí)間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲(chǔ)單元中，每個(gè)時(shí)間常數(shù)占據(jù)兩個(gè)字節(jié)，低位地址存放時(shí)間常數(shù)低8位，高位地址存放時(shí)間常數(shù)高8位。 在程序中，設(shè)置加速，恒速，減速脈沖計(jì)數(shù)器N0，N1，N2。以計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過(guò)程是否結(jié)束的標(biāo)志。步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖如下所示： 步進(jìn)電機(jī)控制子程序： 開(kāi)始 中斷初始化 設(shè)時(shí)間常數(shù)地址指針 首地址指向1000H 加速 減速 脈沖計(jì)數(shù)器賦初值 恒速 送時(shí)間常數(shù)至計(jì)數(shù)器中 N 返回 關(guān)中斷？ 開(kāi)中斷 啟動(dòng)定時(shí)器 Y 步進(jìn)電機(jī)控制中斷服務(wù)程序： 中斷服務(wù)程序入口 送時(shí)間常數(shù) 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)一步 N0=0？ N1=0？ 時(shí)間常數(shù)地址指針加1 N1←N1-1 N2=0？ N0←N0-1 時(shí)間常數(shù)地址指針加1 關(guān)中斷 N2←N2-1 中斷返回 5.編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) （1）內(nèi)存地址分配 加速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0地址設(shè)為20H； 恒速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N1低8位字節(jié)地址為21H，高8位字節(jié)地址位22H； 減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N2地址位23H。 加速，減速，恒速脈沖總數(shù)寄存器N低位字節(jié)地址位24H，高位字節(jié)地址位25H； 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制子程序FEED首地址位0E80H。每調(diào)用一次該程序，步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向進(jìn)給一步。 （2）程序清單 N0 EQU 20H ;加速 N1L EQU 21H ;恒速 N1H EQU 22H N2 EQU 23H ;減速 NL EQU 24H ;脈沖總數(shù)寄存器 NH EQU 25H DS EQU 26H ；地址指針偏移量 FEED EQU 0E80H ORG 0E00H 0E00 758160 START： MOV P，#60H 0E03 758901 MOV TMOD，#01H ；設(shè)計(jì)數(shù)器工作方式為1，16位定時(shí)器 0E06 75201B MOV N0，#01A4H ；設(shè)N0為320 0E09 75231B MOV N2， #1A4H 0E0C E520 MOV A ， N0 ；計(jì)算2XN0 0E0E 23 RL A 0E0F F8 MOV R0， A 0E10 C3 CLR C ；計(jì)算N1=N-2N0 0E11 E524 MOV A， NL 0E13 98 SUBB A， R0 0E14 F521 MOV N1L， A 0E16 E525 MOV A， NH 0E18 9400 SUBB A，#00H 0E1A F522 MOV N1H，A 0E1C 901000 MOV DPTR， #1000H ；設(shè)時(shí)間常數(shù)指針初值為1000H 0E1F 752600 MOV DS， #00H ；設(shè)地址偏移量初值為00H 0E22 93 MOVC A, @A+DPTR ；從EPROM中讀時(shí)間常數(shù) 0E23 F58A MOV TL0， A ；送時(shí)間常數(shù)至定時(shí)器0中 0E25 0526 INC DS 0E27 E526 MOV A，DS 0E2 93 MOVC A，@A+DPTR 0E2A F58C MOV TH0，A 0E2C 0526 INC DS 0E2E D2AF SETB EA ；開(kāi)中斷允許 0E30 D2A9 SETB ET0 ；允許定時(shí)器0中斷 0E32 D28C SETB TR0 ；啟動(dòng)定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)算 0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回 0E37 22 RET 中斷服務(wù)程序： ORG 000BH 000B 02F00 LJMP 0F00H 0F00 93 MOVC A，@A+DPTR 0F03 F58A MOV TL0， A 0F05 0526 INC DS 0F07 E526 MOV A，DS 0F09 93 MOVC A，@A+DPTR 0F0A F58C MOV TH0， A 0F0C 0526 INC DS ；修改地址偏移量指針 0F0E D180 ACALL FEED ；調(diào)FEED子程序 0F10 E520 MOV A， N0 ；判斷N0是否為0 0F12 B400 CJNE A， #00H， LOOP1 0F15 E52 MOV A， N1H ；判斷N1是否為0 0F17 B40010 CJNE A，#00H， LOOP2 0F1A E522 MOV A，N1H 0F1C B4000B CJNE A，#00H，LOOP2 0F1F E523 MOV A，N2 判斷N2是否為0 0F21 B40014 CJNE A，#00H，LOOP3 0F24 C2AF CLR EA ；N2為0 ，減速結(jié)束，關(guān)中斷 0F26 32 RETI 0F27 1520 LOOP1：DEC N0 ；N0不為0，則N0←N0-1 0F29 32 RETI 0F2A E521 LOOP2：MOV A，N1L ；N1不為0，則N1←N1-1 0F2C C3 CLR C 0F2D 9401 SUBB A， #01H 0F2F F521 MOV N1L， A 0F31 E522 MOV A， N1H 0F33 9400 SUBB A，#00H 0F35 F522 MOV N1H，A 0F37 32 RETI 0F38 1523 LOOP3：DEC N2 ；N2不為0，則N2←N2-1 0F3A 32 RETI 第八章 結(jié)束語(yǔ)與致謝 結(jié)束語(yǔ) 整個(gè)系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)采用了CM系列滾