毕业设计（论文）-X-Y数控工作台及其控制系统设计.doc

毕业设计X-Y数控工作台及其控制系统设计三号楷112012244赵妙春机械工程系学生姓名： 学号： 机械电子工程系 部： 张焕梅专 业： 指导教师： 二零一五年六月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： X-Y数控工作台及其控制系统设计 系部： 机械工程系 专业： 机械电子工程 学号： 112012244 学生： 赵妙春 指导教师（含职称）： 张焕梅（讲师） 1课题意义及目标 了解X-Y数控工作台的原理及应用；进行系统总体方案设计，根据相关参数完成机械部分设计；完成控制系统设计。2主要任务(1)、认真阅读任务书，通过查阅相关文献资料，在了解课题研究目的意义及现状等基 础上，构建设计方案并进行充分论证，并撰写开题报告；(2)、进行系统总体设计，熟悉开发环境；(3)、典型零件图若干张；装配图1张、系统原理图1张；(4)、毕业设计说明书；3 主要参考资料1 张建民等.机电一体化系统设计M.第三版.北京：北京高等教育出版社.2013.82 王文深.X-Y数控精密工作台进给伺服系统摩擦误差的分析J.新技术新工艺.2008.(5):47-493 余江，李伟洪，沈晓云.基于PLC的数控工作台控制系统设计J.煤矿机械.2010(1):158-1604 进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1阅读任务书，撰写开题报告并进行开题答辩3月3日3月23日2系统总体方案设计，硬件选型及原理图绘制3月24日4月13日3绘制零件图、装配图，中期答辩4月14日5月4日4控制系统原理图5月5日6月1日5撰写设计说明书，准备毕业答辩6月2日6月22日审核人： 年 月 日X-Y数控工作台及其控制系统设计摘 要：本文设计的是基于单片机系统控制的教学用X-Y数控工作台。主要涉及数控工作台机械结构的装配、选型和控制系统软硬件设计。设计中的控制系统采用点位直线式连续控制方式。并且利用开环控制和单片机系统构成整个控制系统的框架。X-Y数控工作台的机械结构包括滚珠丝杠、导轨、工作台面和电机。其机械部分设计有各种计算校验（包括载荷计算、传动效率计算和电机转速及工作频率计算）和机构部件选型（包括滚珠丝杠选型、导轨选型、电机选型）等。控制系统设计分为硬件选型、电路设计（包括CPU扩展电路设计、I/O外设电路设计和步进电机驱动电路设计）和系统流程设计等。关键词：数控，X-Y数控工作台，单片机窗体顶端X-Y CNC Table and Control System DesignAbstract：This design is based on the teaching SCM system control with XY CNC table. Mainly related to the assembly, selection and control system hardware and software design CNC table mechanical structure. Design control system uses point linear continuous control. And the use of open-loop control and SCM systems constitute the entire control system framework. Mechanical structure includes a ball screw XY CNC table, rails, countertops and motors. The mechanical part of the design has a variety of computing the checksum (including load calculation, calculation of transmission efficiency ,motor speed and operating frequency calculations) and the mechanical components selection (including selection of a ball screw, guide selection, motor selection) and the like. Control system design is divided into hardware selection, circuit design (including the expansion of the circuit design of CPU, I / O peripheral circuit design and stepper motor drive circuit design) and system design process.Keywords: CNC, X-Y CNC table, SCM目 录1 前言11.1 机电一体化及数控技术发展11.2 X-Y数控工作台原理应用32 系统总体方案设计52.1 设计总体要求52.2 系统控制方式62.3 伺服系统的选择72.4 计算机系统的选择73 机械部分设计83.1 工作台总重量计算83.2 滚珠丝杠传动设计83.2.1 确定最大计算动载荷93.2.2 选择型号规格103.2.3 计算传动效率113.2.5 校验临界转速123.3 电机的选用123.3.1 计算启动力矩133.3.2 确定最高工作频率133.3.3 确定电机型号134 控制部分设计154.1 主控制器CPU的选择154.2 存储器扩展电路设计164.2.1 程序存储器的选择164.2.2 数据存储器的选择174.2.3 地址锁存器的选择184.2.4 地址译码器的选择194.2.5 存储器扩展电路设计194.3 I/O扩展电路设计204.3.1 通用可编程接口芯片8255A204.3.2 人机界面234.4 步进电机驱动电路设计244.4.1 环形脉冲分配器CH250254.4.2 功率放大电路264.4.3 限位电路284.5 其他电路284.5.1 时钟电路284.5.2 复位电路295 系统程序调试305.1 系统流程图305.1.1 步进电机位控流程305.1.2 键盘输入流程325.1.3 直线圆弧插补流程335.2 插补程序示例34参考文献36致 谢37附 录38控制系统总电路图38II太原工业学院毕业设计381 前言1.1 机电一体化及数控技术发展机电一体化又称机械电子工程，是随着科学技术发展而产生的复合型学科，包含电子、信息、机械等技术。但这不仅仅是简单的组合，它是学科的综合与渗透1。如图1.1所示信息技术（系统软件、应用软件）机电一体化技术领域（机械、电子、信息技术融合）机械技术（机械学、精密机械、机构学）电子技术微电子学（IC、LSI、VLSI）图1.1 机电一体化技术领域Mechatronics是一个合成名词，是Mechanics(机械学)与Electronics(电子学)组合而成的1。可以说，机电一体化是机械技术、电子技术及信息技术相互交叉、融合的新产品。随着现代工业的飞速发展，机电一体化已不再是一个抽象名词或者概念化产品。这就衍生出来具体的机电一体化工程。说白了就是科研人员利用机电一体化理论进行具体的设计和制造，生产出新型机电一体化产品的工程。而作为数学方法和工程方法的基本体的系统工程，则是传统意义上的完整生产过程。对于现今工业，机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统设计中的一种开发。但同时，在社会发展中，两者也不是包含被包含的关系。如表1.1所示表1.1 系统工程与机电一体化工程系统工程机电一体化工程产生年代20世纪50年代20世纪70年代对象大系统小系统基本思想系统概念机电一体化概念技术方法利用软件进行优化、仿真、鉴定、检查硬件的超精密定位、超精密加工、优化设计、微机控制及仿真信息处理系统大型计算机微型计算机实例阿波罗计划银行在线系统日本新干线航天飞机、人造卫星CNC机床ROBOTVTR、DVD照相机、摄像机共同点应用计算机，具有实用性、综合性、复合型 数字控制简称数控，是利用数字化信息实行控制，也就是利用数字控制技术实现的自动控制技术，其被控对象可以是各种生产过程2。通俗的讲，是利用了数字化信息对机床的轨迹和状态进行实时控制，例如车削、铣削、钻孔、镗孔、刨磨等加工中用的数控机床。数控系统的组成包括：输入/输出装置、数控装置、伺服系统、机床电器控制装置，如图1.2所示输入输出装置伺服系统机床本体数控装置机床电器控制装置图1.2 数控机床的组成框图现代数控技术是新一代制造技术，我国同很多发达国家一样，将发展数控技术作为国家制造业发展的重要内容，其发展也越来越趋于多样化。如表1.2所示表1.2 数控技术发展趋势表硬件PC集成技术、系统模块化系统软件标准操作系统、实时数据库核心功能三维刀具补偿、样条插补、自适应控制监控诊断自适应技术、智能故障诊断、远程诊断编程功能三维图形模拟、面向车间的WOP、宏程序设计、会话式蓝图编程伺服系统交流驱动、数字调节器、开放式软伺服系统、SERCOS用户界面用户可设计和可重构的开放式友好界面通信方面MAP/Ethernet、TCP/IP、现场总线1.2 X-Y数控工作台原理应用作为生产中应用最为广泛的机电一体化产品，X-Y数控工作台控制系统简单，容易操作改装，检修方便，是激光加工、车床、钻床、铣床等数控设备的基本组成部分，X、Y两轴的控制精度决定了数控设备的加工精度，如图1.3所示。图1.3 X-Y数控工作台实物图 一般的机电一体化类数控机械都有一个可以在 X Y平面内作相对运动的工作台。这种工作台一般与整个机器设计成一个整体 ,但是因为机器类型不同，X-Y数控工作台的外形、尺寸、结构会有区别 ,但其工作原理有着共同的特点.本次设计的X-Y数控工作台是一个用于数控教学的典型机电一体化产品3。日常教学中，X-Y数控工作台也扮演了重要角色。它能直观的展示数控机床在实际操作过程中刀具及轴类的运动方式，便于学生理解掌握。除此之外，在插补教学方面，X-Y数控工作台能够精确方便的展示基本插补过程，如直线插补、圆弧插补。因此，它是数控教学中必不可少的教学用具。X-Y数控工作台的工作原理比较简单，包含两大部分：机械部分和控制部分。其中，硬件部分产品相对成熟，零部件已趋于标准化部件。市场上产品的控制系统大致分为CNC系统、PLC系统和单片机系统。CNC系统一般适用于大中型设备，是现代主流数字控制系统。具有高强度、高精度、自动化的特点。PLC系统可靠性高，功能齐全，方便修改调整，有内装型和独立型两种，但市面上的PLC系统缺乏规范标准，各个公司之间不兼容，一般也不对用户公开。目前市场很多产品的控制核心部分都应用单片机系统。并且采用简单方便又能保证精度的开环控制系统控制。单片机系统兼容性好，成本低，存储空间易于扩展，功能全面，适合小型数控系统。值得一提的是，现代化加工过程中，穿插融合各种系统的数控设备屡见不鲜，这也将是未来数控技术的发展趋势。2 系统总体方案设计2.1 设计总体要求本次要求设计教学用X-Y数控工作台，属于经济型数控工作系统，或叫做简易型数控工作系统。价格便宜、容易组建、中等精度、有很强的功能性是经济型数控工作系统的特点。工作台基本参数如表2.1所示。表2.1 工作台基本参数X方向行程215mmY方向行程240mm工作台厚度10mm脉冲当量0.01mm/pluse定位精度0.01mm工作台最快移动速度10mm/s由于是教学用仪器，所以采用电机直接连接丝杠的方式，减少零件数目和中间环节的影响，优化设计降低成本，系统框图如图2.1所示X向工作台M驱动电路接口电路单片机Y向工作台M驱动电路接口电路图2.1 系统框图由于本设计中工作台上的笔夹属于可拆卸结构，且结构简单，材质轻便，可近似认为工作台做无负载运动。为了保证结构的紧凑性和传动精度，本次设计采用滚珠丝杠螺母传动副，并采用有预加载荷的结构。为了保证X-Y数控工作台的平稳性，同时考虑到运动部件重量不大，本次设计采用滑动直线导轨副，减小摩擦系数。其示意图如图2.2所示图2.2 X-Y数控工作台简图2.2 系统控制方式按照刀具相对工件移动的轨迹，数控系统分为点位控制、点位直线控制和轮廓控制。点位控制的数控装置只能从一个位置精确的移动到另一个位置4，在移动过程中不进行切削操作，如数控坐标镗床、数控钻床和数控冲床等。点位直线控制即连续控制方式，即对起始位置和终点位置有要求，同时对加工过程中的运动轨迹也有一定的精度限制。轮廓控制要求数控装置能够同时对两个及以上的坐标轴进行连续轨迹控制，其此类装备辅助功能比较完整，应用广泛4。该系统中工作台不进行切削加工，但要求X-Y数控工作台沿X轴和Y轴有精确的运动关系，因此采取点位直线控制（连续控制）方式。2.3 伺服系统的选择 伺服控制系统分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。闭环控制系统是在工作台上安装了位移检测传感器，可以实现工作台位移的位置反馈4。其精度主要取决于位移检测传感器的精度，但同时，并没有降低对机床结构和传动装置的要求。半闭环控制系统的控制方式与闭环控制系统很类似，其主要区别在于没有把滚珠丝杠和工作台包含在闭环环路里面，因此该方式比较容易的获得稳定的控制特性。同时，这两种方式相对开环控制系统来说成本比较高，技术要求也比较高，适合中大型机床设备4。开环控制系统，即不把控制对象的输出与输入进行比较的控制系统，机床不设置检测反馈装置4。本次设计采用开环控制系统，运动精度主要由伺服系统的性能决定，同时开环控制系统的结构简单、成本低、容易维护，满足本次设计要求。2.4 计算机系统的选择 按照设计要求，本次设计采用MCS-51系列单片机完成控制要求。MCS-51系列单片机的主要特点是内部结构相对简单，寄存器比较少，没有太多复杂的配置。在此次设计中，拟采用MCS-51系列单片机的80C31单片机作为控制系统CPU，同时扩展程序存储器2764一片，数据存储器6264一片构成整个存储器扩展系统；人机界面采用键盘实现输入信号的转化；步进电机控制电路通过环形脉冲分配器连接功率放大电路后直接控制步进电机实现系统优化；越位急停装置则采用限位开关与光电耦合器连接，达到触碰急停的效果。以上三个电路的扩展由可编程并行I/O接口芯片8255A直接实现。3 机械部分设计3.1 工作台总重量计算 Y方向重力估算工作台的质量已知3=7.83.则已知电机总质量Y方向所受的总重力丝杠与导轨重力估算丝杠长度=350mm丝杠总质量丝=7.810-6230N导轨长度=350mm导轨横截面积=483mm2导轨总重量导=7.810-6264N X方向重力估算导=62+20+264=346NX-Y工作台运动部分总重量丝=346+30=376N3.2 滚珠丝杠传动设计丝杠螺母机构主要用来实现旋转运动、直线运动的相互变换。根据其作用，可以把丝杠螺母机构分为传递能量型、传递运动型和调整相对位置型。丝杠螺母机构又分为滑动摩擦机构和滚动摩擦机构。滑动摩擦机构结构简单、方便加工、制造成本低、能自锁，缺点是摩擦阻力矩大，传动效率低1。滚动摩擦机构虽然有结构复杂、制造成本高的缺点，但它摩擦阻力矩小、传动效率高、轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长1。本次设计拟采用滚动摩擦机构。滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有滚珠，是中间传动原件。由如图3.1所示的滚珠丝杠螺母机构组成可知，它由丝杠、螺母、滚珠和反向器四部分组成。丝杠转动时，滚珠在螺纹滚道中滚动。并且螺母的螺旋槽端部设有滚珠回程引导装置，滚珠不会从滚道端而掉出，从而形成闭合回路。1.反向器 2.螺母 3.丝杠滚道 4.滚珠图3.1 滚珠丝杠副构成原理图3.2.1 确定最大计算动载荷已知W=376N 取0.005滚珠丝杠副的最大工作载荷已知最快移动速度 导程P=4mm则 丝杠转速使用寿命T选15000h已知T1= N为循环次数则 已知 载荷系数 硬度影响系数则 3.2.2 选择型号规格参考国标G、GD系列滚珠丝杠数据如下表3.1所示。表3.1 滚珠丝杠参数手册型号螺母安装尺寸油杯1604-328523837651065.8102004-33660484072112005-346802006-35292型号公称直径基本导程钢球直径丝杠底径丝杠外径循环列数额定载荷刚度动载荷静载荷1604-31642.38113.115.333*25339109801402792004-32042.38117.119.35918137651743472005-353.17516.29309215692344672006-363.515.81019021074193385GD系列1604-3型滚珠丝杠副公称直径为16mm，导程为4mm，循环滚珠为3圈2系列，精度等级取5级，螺母安装尺寸L=65mm，额定动载荷5339N大于计算动载荷，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，满足要求。详细参数如表3.2所示表3.2 1604-3型滚珠丝杠参数丝杠滚道公称直径16螺距4接触角钢球直径2.381螺纹滚道法面半径0.52 偏心距0.0449丝杆螺纹升角丝杆外径15.3丝杆底径13.1螺杆接触直径丝杠螺母螺母螺纹外径螺母内径（内循环）16.53.2.3 计算传动效率已知丝杠的螺旋升角为 摩擦角则 传动效率3.2.4 校验稳定性对于细长丝杆，不会发生失稳的最大压缩载荷为临界1= 为滚珠丝杠直径 为最大受压长度 取为287mm为丝杠支承方式系数（一端固定一端游动）=2.0则 取压杆稳定性系数所以满足使用要求3.2.5 校验临界转速由于丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速已知 为临界转速计算长度则 临界转速远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。3.3 电机的选用步进电机是伺服电机的一种，根据输入的脉冲数不同来输出不同的角位移，从而控制速度，带动主轴旋转。它把电脉冲信号转换成了具体的位移，因此，输入端的脉冲数和频率与输出端的位移也存在正比的关系。作为一种执行元件，步进电机的控制相对简单，只要输入一个脉冲信号，它就会转一个角度，相当于前进了一步，所以此种电动机又被称为脉冲电动机6。当给它输入不同的脉冲数、脉冲频率、不同的相位通电顺序时，就能控制它输出不同的机械运行特性。步进电机种类繁多，有反应式、永磁式、永磁感应式旋转型步进电机等。本次设计选用的步进电机为反应式步进电动机。它利用反应转矩使转子转动。这种电机结构简单，精度易于保证，成本低，使用广泛。3.3.1 计算启动力矩已知脉冲当量P为0.01mm/pluse,可初选步距角B为因为此工作台运动过程中不进行切削，所以 取 则因为 所以步进电机的最大静转矩3.3.2 确定最高工作频率3.3.3 确定电机型号 根据静转矩查阅步进电机性能参数表确定步进电机型号为75BF003，具体参数如表3.3表3.3 75BF003步进电机参数型号75BF003最大静转矩0.882N/m相数3电感35.5/mH步距角电阻电压30V分配方式3相6拍相电流4A外形尺寸（轴径）空载启动频率1250步/s质量1.58kg空载运行频率12000步/s转子转动惯量4 控制部分设计4.1 主控制器CPU的选择MCS-51系列单片机各子系列配置见表4.1所示。表4.1 单片机配置一览表系列片内存储器（字节）定时器/计数器并行I/O串行I/O中断源制造工艺无ROM片内ROM片内EPROM片内RAMMCS-51子系列8031805187511282*16位4*8位15HMOS80C3180C5187C511282*16位4*8位15CHMOSMCS-52子系列8032805287521282*16位4*8位16HMOS80C3280C5287C521282*16位4*8位17CHMOS作为集中CPU、I/O端口及RAM的控制器，MCS-51系列单片机功能性强，有齐全的开发手段，强大的指令功能，丰富的硬件资料，同时编程灵活，构成完整的微机控制系统只需增加少量外围元件7。由表可见。80C31单片机虽然没有自身ROM，但其制造工艺更好，使用寿命长。同时，其兼容性好、扩展方便，此外它价格低廉、应用范围广。本次设计选用80C31作为主控芯片，如图4.1所示图4.1 80C31引脚示意图4.2 存储器扩展电路设计80C31单片机采用独立编址，来扩展支持的程序存储器和数据存储器。此次设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成80C31单片机的整个外部存储器扩展电路。4.2.1 程序存储器的选择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。它的重要特点是可以反复擦除，即可以反复擦除旧的存储内容，然后通过编程写入新的内容。这为用户调试和修改程序带来了很大的方便。受CPU的最大读出速度，工作温控以及存储容量等因素影响，同时，为了优化系统，本次设计选用的程序存储器扩展芯片为2764芯片，该芯片是双列直插式28引脚的标准芯片，容量为8K*8位7。如图4.2所示图4.2 2764芯片示意图在扩展程序存储器时，2764芯片的A0-A7端通过地址锁存器74LS373与单片机80C31的P0口相连；A8-A12端与P2.0-P2.4直接相连；端为片选信号，低电平有效，与P2.7端口连接；端作为输出允许信号，当=0时，输出缓冲器打开，被寻址单元的内容才能被读出，与端直接连接；Vpp为编程电源，当芯片编程时，该端加上编程电压，正常使用时，该端加+5V电源。端作为编程引脚，一般给其加上505ms的负脉冲，就可进行字节数据的写入。4.2.2 数据存储器的选择由表4.1知，80C31内部数据存储器RAM仅仅128字节，无法满足系统要求。所以，需扩展片外的数据存储器。本次设计采用8K*8位静态数据存储器芯片6264，该芯片应用CMOS工艺制造，为28引脚双列直插式封装7。如图4.3所示。图4.3 6264芯片示意图6264的两个片选信号和CS，只有当=0，CS=1时，芯片才能被选中。在实际应用中，往往只用其中1个，而将另1个接成常有效；也可以将系统的片选信号以及取反后的信号分别接至和CS端。在扩展电路中，片选线与80C31单片机的P2.7端相连；CS线常有效；写允许线端与单片机端相连；读允许线端与相连。4.2.3 地址锁存器的选择本设计采用的地址锁存器芯片为74LS373。如图4.4所示，它是一片三态输入8D触发器，当=0时三态门导通，输出线上为8位锁存器的状态。当=1时输出线呈高阻状态。G为锁存器输入线，G=1时锁存器输出等于D端的输入，G输入端负跳变将信息锁存到8位锁存器中。地址锁存器74LS373在存储器扩展电路中，D0-D7端口连接单片机P0口；Q0-Q7端口连接程序存储器2764A0-A7口；口接地；LE端接单片机ALE端。图4.4 74LS373芯片示意图4.2.4 地址译码器的选择本设计采用的地址译码器芯片为74LS138，如图4.5所示。在地址译码器片外译码电路中，A、B、C口分别与单片机80C31的P1.0-P1.2相连；E1、E2、E3分别与P1.3-P1.5相连；Y3口控制片选芯片8255A(1),Y4口控制片选信号8255A（2）。当P1.0-P1.2=010时，8255A(1)被选中，当P1.0-P1.2=110时，8255A(2)被选中。图4.5 78LS138接线图4.2.5 存储器扩展电路设计 如图4.6所示，本次设计中，单片机80C31扩展了1片程序存储器2764、1片数据存储器6264.因为2764和6264可合用同1个地址，为了优化设计，采用线选法进行译码：将P2.7直接接至2764和6264的端，程序存储器2764与数据存储器6264所占用的地址为8000H-5FFFH。图4.6 8031单片机存储器扩展电路4.3 I/O扩展电路设计CPU 外部接口有三部分: 包括传感器部分、传动驱动部分、人机对话部分8。计算机虽然本身有一定的接口电路，但它的三条总线理论上不直接与外部设备直接相连。这就需要增加专用的输入设备和输出设备来保证计算机和外界的通信。数据、各种现场信号可以通过输入设备传至计算机进行处理。计算机运行后的结果或者发出的各种指令信号也通过输出设备输出，控制外设的运行。4.3.1 通用可编程接口芯片8255A可编程并行I/O接口芯片8255A使用CMOS工艺制造。可以用作标准外围接口电路，由+5V单一电源供电，共40引脚，也采用双列直插式封装7。它共24条I/O线分为A、B、C三个端口，可以通过编程的方法来设定端口的各种I/O功能。它功能强大，又能直观的与各种PC系统相接，而且不需要附加外部电路就可以与外部设备相连，所以在生产中应用广泛7。在可编程I/O接口芯片8255A引脚中，D0-D7与系统总线P0-P7相连。复位信号RESET，高电平有效。当RESET有效时，所有的内部寄存器被清零，3个数据端口被自动设为输入方式。读信号，低电平有效，写信号，低电平有效，分别与80C31读信号、写信号相连。端口选择信号A1、A0其控制方式如表4.2所示表4.2 8255A端口选择表A1A0操作01000A口数据总线01001B口数据总线01010C口数据总线10000数据总线A口10001数据总线B口10010数据总线C口10011数据总线控制寄存器1数据总线为三态01011非法状态110数据总线为三态本设计中选用两片可编程并行接口芯片8255A，同时选用地址译码器74LS138分别发出片选信号，控制两片芯片的片选。系统连接如图4.7所示图4.7 80C31与8255A的连接电路本次设计中需要两片8255A芯片：芯片（1）作为键盘接口芯片，由方式1控制。PA0-PA4连接5位横向扫描键，PB0-PB3连接4位纵向扫描键，PC口作为输入操作的控制和同步信号。如图4.10所示。芯片（2）作为电机输出和限位输入芯片，由方式1控制。PA0和PA1作为向X向电机输入信号端，PA2和PA3作为向Y向电机输入端，由PC1-PC3控制PA口输出。PB0-PB3 分别作为限位电路输入端，控制-X、+X、-Y、+Y四个方向，由PC5-PC7控制PB口输入，如图4.8所示。图4.8 8255A芯片(2)连接电路4.3.2 人机界面键盘一种输入设备，通常是由一系列按键开关排列成矩阵形式组成的，能够实现简单的人机对话。用户通过键盘可以向CPU输入数据，地址和指令。键盘按其结构形式可分为编码式键盘和非编码式键盘两大类5。本次设计采用的是结构简单，价格便宜的非编码式键盘，通常它有两种识别闭合键的方法：行扫描法和线反转法。行扫描法就是计算机以一定的速率扫描个行线和列线，然后检测出低电阻，确认哪个键被按下。线反转法则能同时发现哪个键被按下，但需要在硬件电路的行线与列线上接上拉电阻。因此线反转法比行扫描法速度快，而且更加稳定可靠。故本设计选用线反转法。本次设计需要的是一个4*5键盘，各键指示标示如图4.9所示+XY0通电123急停456开始清除789复位图4.9 键盘标示图采用线反转法识别闭合键时，键盘电路与通用可编程接口芯片8255A的PA口和PB口直接相连，如图4.10所示图4.10 8255A与4*5键盘接口电路4.4 步进电机驱动电路设计步进电机需要驱动器来控制运行特性。驱动器又称驱动电源，一般包括源信号脉冲、脉冲分配电路、功率放大电路构成9，如图4.11所示。源信号脉冲就是计算机输出设备送来的控制电机正反转和速度的脉冲信号。但这种信号必须经过脉冲分配器转化成具体的脉冲数，分配给步进电机的各相绕组。不过，分配后的信号脉冲太微弱，不足以带动电机旋转，这时，通过功率放大电路将其放大到几万赫兹的连续可调的频率信号，就可以精准的控制步进电机的转速、方向9。图4.11 步进电机的驱动电源组成4.4.1 环形脉冲分配器CH250步进电机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电动机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称脉冲分配器（又称环形脉冲分配器）10。实现环形分配的方法有三种，一种是软环分，即采用计算机软件，利用查表或者计算方法来进行脉冲的环形分配；第二种是采用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器10。第三种即采用专用环形分配器CH250，如图4.12所示图4.12 CH250 三相六拍接线图本次设计采用第三种方法：CH250环形脉冲分配器。它作为专用环形脉冲分配器可以对三相步进电机完成各种脉冲分配，使用方便简单，接口简单。图4.12中，CL端与进给脉冲CP相接，CP的上升沿有效。在实际连接中，CL与方向信号分别与8255A的PA0、PA1相连。三相步进电机专用环形脉冲分配器的工作状态见表4.3表4.3 CH250工作状态1功能0011000双三拍正转10100反转10010六拍（1-2拍）正转10001反转01000双三拍正转00100反转00010六拍（1-2拍）正转00001反转1不变00110A=1 B=1 C=001A=1 B=0 C=04.4.2 功率放大电路从环形分配器输出的信号脉冲电流太小，一般只有几个毫安，根本达不到直接驱动步进电机的电流标准11，所以必须采用功率放大器进行脉冲电流放大，将其增大到几至几十安，来驱动步进电机运转。在放大电流的同时，可以看到，步进电机各相绕组中绕在铁心上的线圈会产生较大的电感，让通电时的每项电流受到限制，无法上升足够大11。断电时，电感作为储能元件又会产生反电势，电流会继续存在，不能突变。所以，除了基本的放大电流外还必须增加适当的续流回路。本次设计采用的单电压功率放大电路如图4.13所示，A、B、C分别为步进电机的三相，每相由一组放大器驱动。放大器输入端与环形脉冲分配器相连。在没有脉冲输入时，3DK4和3DD15功率晶体管均截止，绕组中无电流通过，电动机不转1。当A相通电时，电动机转动一步。当脉冲依次加到A、B、C三个输入端时，三组放大器分别驱动不同的绕组，使步进电机一步一步地转动。电路中与绕组并联的二极管VD起续流作用，即在功放管截止时，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管1。与绕组W串联的电阻R为限流电阻，起保护电路和电机的作用。R的阻值一般在5-20范围内选取。图4.13 单电压功率放大电路4.4.3 限位电路通过查阅资料发现，光电耦合器具有较强的抗干扰性，从而可以保护CPU，即使功率放大电路上出现故障，也不会将大电压加到CPU上，致其烧损12。本次设计采用光电耦合器TLP521接口简单，使用方便，成本低廉，满足小型设备需求。限位电路连接如图4.14所示，X-Y数控工作台设有限位开关，当工作台行至碰到四个限位开关的任意一个，开关闭合，驱动光电耦合器TLP521发出脉冲信号，传输至单片机，控制该方向电机急停。图4.14 限位电路4.5 其他电路4.5.1 时钟电路80C31的时钟一般分为内部方式和外部方式两种方式7。内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1和XTAL2两个引脚上外接定时元件如图4.15所示。在1.2-12之间晶体可以任意选择，而耦合电容在5-30pF之间，用来微调时钟13。图4.15 时钟电路外部方式中，XTAL1直接接地，同时XTAL2外接外部时钟源。4.5.2 复位电路单片机的复位电路是靠外部电路实现的。在时钟工作后，有10ms以上的高电平在RESET引脚上就可以实现单片机的状态复位7。之后CPU从0000H开始执行程序。本次设计中晶振频率选择6时，复位电路中C取，R取200。如图4.16所示图4.16 复位电路5 系统程序调试5.1 系统流程图5.1.1 步进电机位控流程位控，就是位置控制。步进电机的位置控制是指让执行机构在电机带动下精准的实现不同位置的转换，这需要步进电机也能够达到一定的精度。在不安装位置传感器的情况下，开环控制方式也能保证步进电机的位置精度，因此，其广泛的应用于中小型数控设备。图5.1所示为步进电机位控流程图。对步进电机位置控制的一般做法：步进电机每移动一步，步数相应减1，不失步时，当步数正好减到0，执行部件到达标定位置。因此，用步数等于0来判断是否移动到目标位置，作为步进电机停止运行的信号6。开始复位输入参数越界 Y N正转N Y绝对位置减1绝对位置加1 步数减1步数=0 N Y停机 结束图5.1 步进电机位置控制流程图5.1.2 键盘输入流程键盘输入的各种信息是通过中断方式来实现的。每按一次键，终端系统都会向CPU发出中断请求。如图5.2所示为键盘中断流程图中断服务程序入口读取按键字符系统处于键盘命令处理状态？ Y N 将字符转换成内码N字符存入MDI缓冲器缓冲器指针加1修正命令处理缓冲器已满？ N Y 转存缓冲器内容并置指针为缓冲器首址 中断返回图5.2 键盘中断服务程序流程图5.1.3 直线圆弧插补流程在机电设备中，想要实现平面直线和圆弧的运动，就要让执行元件通过两个坐标方向上进行合成运动。在数控工作台上，这一动作则依靠插补原理实现。一般逐点比较法插补过程每一步都经过四个工作节拍，如图5.3所示坐标进给偏差计算偏差判别终点判别图5.3 逐点比较法插补流程图根据前面的四个节拍，总结出第一象限的直线插补流程图如图5.4所示开始初始化，=0，+X轴进给+Y轴进给 Y N N Y结束图5.4 第一象限逐点比较法直线插补流程图逐点比较法是指在零件加工过程中，不断比较刀具与工件轮廓之间的相对位置，根据比较结果要求刀具以沿着坐标轴减小偏差的方向作为下一步的进给方向，其特点是运算简单直观，插补过程的最大误差不超过一个脉冲当量，能输出比较均匀的脉冲，速度恒定，调节方便，在数控机床上使用广泛15。5.2