CJK6132数控车床及其控制系统设计【5张CAD图纸+毕业答辩论文】
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cjk6132
数控车床
及其
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摘要
关键词： 数控车床 CJ6132 分离传动 步进电机
在本次设计中，我采用常规分离式主传动设计，机床主传动采用液压操纵机构，可实现十八级转速。机床主轴箱内的传动齿轮均经淬硬磨齿处理，传动比稳定，运转噪音低。机床主轴为二支撑结构，前支撑采用C级高精度轴承，润滑油润滑，提高了回转精度，使机床主轴具有良好的精度和刚性。
机床采用单片式电磁刹车离合器，解决主轴的刹车及离合问题，离合器安装于主轴箱带轮处，使床头箱内结构大为简化，便于维修。机床两轴进给系统采用步进电机驱动滚珠丝杠的典型传动方式，在滑板与床鞍及床鞍与床身之间的滑动面处贴有TSF导轨板，滑动磨擦系数非常小，有助于提高了机床的快速响应性能及生产效率。机床采用立式四工位刀架，该刀架布刀方便，刚性好。
进给方面，采用开环数控系统，即步进电机数控进给方式。采用步进电机开环数控系统已基本能满足进给精度的要求。主传动由于采用了分离传动发案，可较好的隔离电机及变速箱的震动，解决了热变形对主轴的影响，提高机床的加工精度。再者，数控系统采用单片机技术，可靠性高，成本低，经济性好。在总体性能上可以达到经济精密数控机床之列，达到较好的性价比。
该机床可以加工各种轴类、盘类零件，可以车削各种螺纹、圆弧、圆锥及回转体的内外曲面。作为通用型机床，特别适合汽车工业、摩托车行业、电子工业、航天、军工等行业，对旋转体类零件进行高效、大批量、高精度加工时采用。
机床采用机、电、液一体化结构，整体布局紧凑合理，便于维修和保养，外形符合人机工程学的原理，宜人性好，便于操作。
目录
一、总体方案设计1
（一）、主传动的组成部分1
（二）、机床主要部件及其运动方式的选定2
（三）、机床的主要技术参数3
（四）、各组成部件的特性与所应达到的要求3
二、机床主传动设计6
（一）、主要技术参数的确定6
1．尺寸参数6
2．运动参数8
3、主轴转速的确定10
4、转速范围及公比的确定10
5、结构式与结构网的确定11
6、转速图的拟定12
7、传动比参数的确定13
（二）、传动系统图的拟定14
（三）、电动机的选择16
（四）、齿轮传动的设计计算16
（五）、轴的设计计算20
三、进给系统的设计计算35
（一）、纵向进给系统的设计计算35
1、切削力计算36
2、滚珠丝杠设计计算36
（二）、横向进给系统的设计计算42
1、滚珠丝杠螺母副的选择计算42
3、步进电机的选择46
四、 数控系统设计48
（一）、单片机系统控制设计的基本要求48
（二）、数字控制系统框图49
（三）、数控系统的硬件特点：49
（四）、控制系统图及芯片的选择49
（五）、存储器及系统扩展设计。54
1、基本知识54
2.程序器的扩展56
3、数据存储器的扩展57
4、存储器地址空间的分配57
5、I/O接口的扩展57
（六）、键盘及键盘接口设计59
（七）、显示器接口设计60
（八）、步进电机控制电路62
(九)、部分控制程序：68
1. 直线圆弧插补程序设计68
2直线插补程序68
3.圆弧插补程序得设计69
4、LED动态显示程序设计：73
5、串行扩展口的键盘、显示器接口电路软件设计：75
6、步进电机控制78
7、自动转位刀架控制82
五、外文资料翻译86
Stress and Strain86
Shear Force and Bending Moment in Beams90
六、参考文献95
七、 结束语96
一、总体方案设计
机床工业是机器制造业的重要部门，肩负着为农业、工业、科学技术和国防现代化提供技术装备的任务，是使现代化工业生产具有高生产率和先进的技术经济指标的保证。设计机床的目标就是选用技术先进。经济效果显著的最佳可行方案，以获得高的经济效益和社会效益。
因此，从事机床设计的人员，应不断地把经过实践检验的新理论、新技术、新方法应用到设计中，做到既要技术先进、经济效益好、效率高。要不断的吸收国外的成功经验，做到既要符合我国国情，又要赶超国际水平。要不断的开拓创新，设计和制造出更多的生产率高、静态动态性能好、结构简单、使用方便、维修容易、造型美观、耗能少、成本低的现代化机床。设计本着以上原则进行，尽量向低成本、高效率、简化操作、符合人机工程的方向考虑。
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第 1 页 共 96 页 一、总体方案设计 机床工业是机器制造业的重要部门，肩负着为农业、工业、科学技术和国防现代化提供技术装备的任务，是使现代化工业生产具有高生产率和先进的技术经济指标的保证。设计机床的目标就是选用技术先进。经济效果显著的最佳可行方案，以获得高的经济效益和社会效益。 因此，从事机床设计的人员，应不断地把经过实践检验的新理论、新技术、新方法应用到设计中，做到既要技术先进、经济效益好、效率高。要不断的吸收国外的成功经验，做到既要符合我国国情，又要赶超国际水平。要不断的开拓创新，设计和制造出更多的生产率高、静态动态性能好 、结构简单、使用方便、维修容易、造型美观、耗能少、成本低的现代化机床。设计本着以上原则进行，尽量向低成本、高效率、简化操作、符合人机工程的方向考虑。 （一）、 主传动的组成部分 主传动由动力源、变速装置及执行元件（如主轴、刀架、工作台等）部分组成。主传动系统属于外联系传动链。 主传动包括动力源（电动机）、变速装置、定比传动机构、主轴组件、操纵机构等十部分组成。 1、 动力源 电动机或液压马达，它给执行件提供动力，并使其获得一定的运动速度和方向。 2、 定比传动机构 具有固定传动比的传动机构，用来实现降 速、升速或运动联接，本设计中采用齿轮和带传动。 3、 变速装置 传递动力、运动以及变换运动速度的装置，本设计中采用两个滑移齿轮变速组和一个背轮机构使主轴获得 18 级转速。 4、 主轴组件 机床的执行件之一，它由主轴支承和安装在主轴上的传动件等组成， nts第 2 页 共 96 页 5、 开停装置 用来实现机床的启动和停止的机构，本设计中采用直接开停电动机来实现主轴的启动和停止。 6、 制动装置 用来控制主轴迅速停止转动的装置，以减少辅助时间。本设计中采用电磁式制动器。 7、 换向装置 用来变换机床主轴的旋转方向的装置。本 设计中采用电动机直接换向。 8、 操纵机构 控制机床主轴的开停、换向、变速及制动的机构。本设计中，开停、换向和制动采用电控制；变速采用液压控制。 9、 润滑与密封 为了保证主传动的正常工作和良好的使用寿命，必须有良好的润滑装置和可靠的密封装置。本设计中采用箱外循环强制润滑，主轴组件采用迷宫式密封。 10、 箱体 上述个机构和装置都装在箱体中，并应保证其相互位置的准确性。本设计中采用灰铁铸造箱体。 11、 刀架 数控机床中为了实现对刀架的自动控制，采用制动转位刀架。 （二）、 机床主要部件及其 运动方式的选定 主运动的实现 根据设计要求，本设计采用分离式主传动系统，包括变速箱、主轴箱两部分。其中，变速箱与电动机至于机座内，主轴箱与变速箱采用带传动连接。所有的变速都采用液压操作。 进给运动的实现 本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制，因此在 X、 Y 方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过齿轮传递。齿轮的消隙nts第 3 页 共 96 页 采用偏心环调整。 数字控制的实现 采用单片机控制，各个控制按扭均安装在控制台上，而控制台摆放在易操作的位置，这一点须根据实际情况而定。 机床其它零部件的选择 考虑到生产效 率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。 （三）、 机床的主要技术参数 由设计任务书的要求，现将 CJK6132 经济型数控车床的主要技术参数 及加工范围技术参数 列于下： 项目 单位 规格 床身上最大回转直径 mm 320 最大工件长度 mm 750 最大切削直径 mm 320 最大切削长度 mm 750 床鞍（滑板）上最大切削直径 mm 250 主轴前端锥孔 莫氏 6号锥度 主轴孔径 mm 350 主轴转速范围 r/min 401800 主轴 转速级数 18 级 主轴电机输出功率 （普通） kW 5 中心高 距床身 mm 250 距地面 mm 1130 尾座套筒直径 mm 65 尾座套筒行程 mm 150 尾座套筒锥孔锥度 莫氏 5号 （四）、 各组成部件的特性与所应达到的要求 1床身 nts第 4 页 共 96 页 机床床身采用优质铸铁，内部筋采用 U 形布局，床身整体刚性高。滑动导轨面采用中频淬火，淬硬层深。硬度达 HRC52 以上，拖板滑动面贴塑，使得进给系统的刚度，摩擦阻尼系数等动、静特性都处于最佳状态。 2. 床头箱结构 机床主传动采用液压操纵机构，可实现十八级转速。机床主 轴箱内的传动齿轮均经淬硬磨齿处理，传动比稳定，运转噪音低。机床主轴为二支撑结构，前支撑采用 C级高精度轴承，润滑油润滑，提高了回转精度，使机床主轴具有良好的精度和刚性。机床采用单片式电磁刹车离合器，解决主轴的刹车及离合问题，离合器安装于床头箱带轮侧，使床头箱内结构大为简化，便于维修。 3.进给系统 机床两轴进给系统采用步进电机驱动滚珠丝杠的典型传动方式，在滑板与床鞍及床鞍与床身之间的滑动面处贴有 TSF导轨板，滑动磨擦系数非常小，有助于提高了机床的快速响应性能及生产效率。在进给系统各滑动处及两轴丝杠丝母处都设置 了润滑点。 4. 刀架 机床采用立式四工位刀架，该刀架布刀方便，刚性好。 5. 尾座采用手动尾座 6. 冷却系统 冷却箱放在后床腿中。 7.卡盘 机床标准配置为 _250手动卡盘， 8.电气系统 电路的动力回路，均有过流、短路保护，机床相关动作都有相应的互锁，以保障设备和人身安全。 电气系统具有自诊断功能，操作及维修人员可根据指示灯及显示器等随时观察到机床各部分的运行状态。 9.安全保护 当机床遇到外 部突然断电或自身故障时，由控制电路的 设计，机床可动进给轴，冷却电机等如已在 “启动 ”状态者，将进入 “停止 ”状 态；如已在 “停止 ”状态的nts第 5 页 共 96 页 则不可自行进入启动状态，确保了机床的安全。另外由于机床计算机内的控制程序是 “固化 ”在芯片中的，而零件加工程序是由电池供电保护的，所以，意外断电或故障时，不会丢失计算机内存储的程序菜单。 机床具有报警装置及紧急停止按钮，可防止各种突发故障给机床造成损坏。由于软件的合理设计，报警可通过显示器显示文字及报警号，通过操作面板的指示灯指示；机床根据情况将报警的处理方式分为三类：对紧急报警实行 “急停 ”；对一般报警实行 “进给保持 ”；对操作错误只进行 “提示 ”。 nts第 6 页 共 96 页 二、机床主传动设计 （一）、 主要技术参数的确定 机床的主要技术参数包括主参数和基本参数。主参数是机床参数中最主要的，它必须满足以下要求： a、 直接反映出机床的加工能力和特性； b、 决定其他基本参数值的大小； c、 作为机床设计的出发点； d、 作为用户选用机床的主要依据。 对于通用机床（包括专门化机床），主参数通常都以机床的最大加工尺寸表示，只有在不适用于用工件最大尺寸表示时，才采用其他尺寸或物理量。如卧式镗床的主参数用主轴直径，拉床用额定拉力等。为了更完整地表示出机床的工作能力和加工范围，有时在主 参数后面标出另一参数值，称为第二主参数。如最大工件长度、最大跨度、主轴数和最大加工模数等。 除主参数外，机床的主要技术参数还包括下列基本参数： a、 与工件尺寸有关的参数； b、 与工、夹、量具标准化有关的参数； c、 与机床结构有关的参数； d、 与机床运动特性和动力特性有关的参数。 这些基本参数可以归纳为尺寸参数、运动参数和动力参数三种。 1尺寸参数 尺寸参数是表示机床工作范围的主要尺寸和工、夹、量具的标准化及机床结构有关的主要参数。如普通车床横刀架上最大工件的回转直径，在相同中心高的情况下，这一尺寸参数既决定加工长工件的最 大直径，又决定刀架的厚度及其刚性。机床主要尺寸参数内容见下表（ ）。 与工件主要尺寸有关的参数 最大加工尺寸 最大加工直径或最大工件直径，最大加工模数、螺旋角 主轴通孔直径 最大加工长度或最大工件长度 最大工件安装尺寸。如工作台尺寸、主轴端面至工作台面最大距离、主轴中心线至工作台面最大距离或立柱间距等 nts第 7 页 共 96 页 最小工件加工尺寸。如主轴中心线至工作台面距离、最小车削直径、最小磨削外径或孔径等 部件运动尺寸范围 刀架、工作台、主轴箱、横梁的最大行程 刀架、工作台、砂轮（导轮）箱或摇臂的最大回转角度 与工、夹、量具标准化有关的参数 主轴或尾架套筒的锥孔大小 工件头架或尾架的顶尖安装锥度 刀杆断面尺寸、刀夹最大尺寸、安装的刀具直径 工作台 T 型槽的尺寸和数目 与机床结构有关的参数 床身或摇臂的导轨宽度 花盘或圆工作台的直径 主轴中心线或工作台面至地面的高度 机床主要尺寸参数内容 机床的主参数主要决定于工件的尺寸。对于各类通用机床，已在调查研究各种工件的基础上制定出了机床的参数标准，设计时应该遵照执行。专用机床的主参数则基本上可以根据工件尺寸决定。 主参数系列采用 优先数系，这样做有如下好处： （ 1）优先数按等比级数分级，能在较宽的范围内以较少的品种，经济合理地满足用户的需要，即可把产品的品种规格限制在必需的最少范围内。 （ 2）优先数系具有各种不同公比的系列，因而可以满足较密和较疏的分级要求。随着形势的发展，可以通过插入中间值使较疏的系列变成较密的系列，而原来的项值保留不变。在参数范围很宽时，根据经济性和需要量等不同的条件，还可以分段选用最合适的基本系列（即选用不同的公比），以复合系列的形式组成最佳系列。 （ 3）优先数系是国际上统一的数值制度，有利于国 际的标准化。 其他尺寸参数一般根据主参数来确定。但由于机床的使用情况比较复杂，这些尺寸参数的确定还有相似分析法和图解分析法及回归分析法。 由此可以得到 CK6140 数控车床的尺寸参数如下表 所示 ： 参数项目 单位 数值 床身上最大工件回转直径 mm 320 刀架上最大工件回转直径 mm 160 主轴通孔直径 mm 35 nts第 8 页 共 96 页 主轴锥孔莫氏 Nq 6 尾架顶尖套锥孔莫氏 Nq 5 最大工件长度 L mm 750 刀杆截面尺寸 mm 20 20 2运动参数 运动参数包括机床主运动（ 切削运动）的速度范围和级数，进给量范围和级数以及辅助运动的速度等，它是由加工表面成形运动的工艺要求所决定的。 主轴极限转速和变速范围 对于主运动为回转运动的机床，主轴极限转速为： m i n )(1 0 0 0m i nm a xm a x rd vn m i n )(1 0 0 0m a xm i nm i n rd vn 式中的 mind 或maxd不是该机床可能加工的的最小或最大直径，而是认为是在机床全部工艺范围内可以用最大切削速度maxv来加工时的最小工件直径和用最小切削速度 minv 来加工时的最大工件直径，这样才能得出合理的极限转速值。 （ 1）极限切削速度 Vmax、 Vmin 根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类、工艺要求、刀具和工件材料等因素。允许的切削速度极限参考值如下 表 所示 ： 加工条件 maxv minv 硬质合金刀具粗加工 80120 硬质合金刀具半精加工或精加工 150250 高速钢刀 具低速光刀 存储器芯片所要求的读取时间 4).常用的存储器芯片 a、 常用的程序存储器 ROM 芯片及其引脚的功能 EPROM 芯片，典型的有 2716、 2732、 2764、 27128、这里我们选用的是 EPROM2764 芯片它的容量 8KB 8 读取时间为 250ms 引脚功能（ 28 脚） 下面介绍它的引脚功能： 电源线 Vcc+5v、 Vpp 编程的电源线、 GEND 接地 数据线 8 条 D0D7 地址线 13 条 A0A12 控制线 CE 片选端线（或片选信号线，低电平有效） OE 数据输出选通信号线，低电平有效 PGM 编程冒充输入端。只对 8751 有效 b、 常用的 RAM 芯片及其引脚功能 常用的有 SRAM6116、 6264 这里我们选用的是 6264 下面介绍它的引脚功能，读取时间为 250ms， 28 脚双列直接封装的芯片 电源线 Vcc、 GND 地址线 13 脚 A0A12 数据线 8 脚 D0D7 4.控制线 )( 11CSCE 片写信号线（片选端） 2CE 片写信号线（片选端） OE 读控信号线低电平有效 nts第 56 页 共 96 页 WE 写控信号线低电平有效 5） .存储器扩展的常用芯片 地址存储器 为什么要用地址存储器 P0 地址 /数据复用 常用地址锁存器 74LS-373、 74LS-273 等芯片 我们这里选用的是 74LS373 下面介绍 74LS-373 锁存器引脚功能 20 脚 电源线 Vcc GND 输入输出线 输入线 D0D7 输出线 Q0Q7 控制线 a OE 片选端线 当 OE =0 时锁存输出，当 OE =1 时输出成高阻态 b G-锁存线 当 G=0 时 D0D7 的信息输入 Q0Q7 的低， 8 为地址锁存到锁存器中，当 G=1 时锁存器输出端（ Q0Q7）状态和输入， 端 D0D7 状态相同 2.程序器的扩展 （ 1）类型 容量 速度。 MCS-51 芯片（ 8301）用晶体频率为 12Hz=240ms （ 2）扩展的方法 扩展一片， EPROM（扩展 8 个 KB） 包括地址线，控制线，数据线其中控制线包括： 地址锁存 ALE、片选端 CE 、输出允许端 OE 两片 16KBEPROM 3、数据存储器的扩展 数据存储器的扩展跟地址存储器差不多，我们需要注意下面几点 引脚的功能就可以了 、1CS WEOECSCS 、 222 就可以了。在这里不详细nts第 57 页 共 96 页 介绍了。 4、 存储器地址空间的分配 线选法 线选法寻址 译码器选址 a 部分译码法 b 全部 译码法 5、 I/O 接口的扩展 1） 概述 简单 I/O 接口的扩展 通过可编程通用 I/O 扩展芯片来扩展 通过串行口来扩展 简单 I/O 口扩展我们采用总线扩展法、或不可编程 芯片扩展采用普通 TTL 芯片扩展 构成输出口时，接口芯片应该具有锁存的功能 构成输入口时，接口芯片应该具有三态缓冲和锁存功能 扩展入口的典型芯片有： 74LS373、 244、 245 扩展出口的典型芯片有： 74LS372、 273 1 74LS245 三态逻辑缓冲器，总线双向扩展芯片 电源线 Vcc、 GND 输入输出线 A0A7、 BOB7 控制线 CE 片选端，低电平有效。 DIR 方向控制端 当 CE =0 时、 DIR =0，数据从 A B 当 CE =0 时、 DIR =1 时，数据从 B A 2 74LS244 三态逻辑缓冲器总线单向扩展芯片 它的引脚有： nts第 58 页 共 96 页 1A11A4 2A12A4 1Y11Y4 2Y12Y4 用 、1G 2G 控制 1CE 2CE 3 74LS273 8D 锁存器 输入线 D0D7 输出线 Q0Q7 控制线 CLK 选通端 CLR 清零端 P2.6 和 RD 同时有效时，通过 244 输入按键的数据 P2.7 和 WR 同时有效时， 273 输出数据显示 2） 利用专用芯片来扩展（ 8155 可编程多功能芯片 I/O 的扩展） 1 .8155 引脚功能 8155 片内含有 256 个字节 RAM1 个 14 位定时 /数据器和两个 8 位，一个 16 位可编程并行 I/O 口多功能通用接口芯片 8155/8156 都是 40 脚双列直接封装 2 .引脚功能 电源线 Vcc 、 Vss 地址 /数据线 AD0AD7。 ALE=1 时输出的是地址， ALE=0 时或其它是数据 端口线 PA0PA7 、 PB0PB7 、 PC0PC5、 控制线 ALE 地址锁存线 IO/M IO 与存储器选择线。当 IO/M 为高电平时作 I/O 口用 当 IO/M 为低电平时，作存储器用（数据） 片选端 CE /CE CE 低电平有效（ 8155） CE（ 8156）高电平有效 读写线 RD WR RST 信号传入复位端 定时 TiMIN 输入 TiMOUT 输出 3.8155 工作方式 nts第 59 页 共 96 页 作片外 RAM IO/M=0 时用 做扩展 I/O 使用 IO/M=1 时作 定时数据器用 4） .8155 与单片机的连接详细情况见所画电路图 5） 8255 可编程扩展并行 I/O 接口 1 .8255 结构特点（可编程通用并行的输入输出标准的借口芯片） 40 脚双列直接封装由单一的 +5v 电源供电 有三个 8 位并行 I/O 口 PA、 PB、 PC 口具有三种工作方式 使用灵活方便通用性强 2 .8255 引脚功能 电源线 Vcc、 Vss、 GND 数据线：数据输入线 D0D7 数据输出线 PA0PA7 PB0PB7 数据信号线 PC0PC7 寻址线 CS 、 A0 和 A1 CS 片选线低电平有效 A0 和 A1 地址线与对应的地址总线相连（ AO/A1） 3 .8031 与 8255 相连，这里不在重复，详细见电路图 （六） 、键盘及键盘接口设计 键盘可分为：独立式键盘、矩阵式键盘、拨码式键盘。 工作方式可分为： 扫描式，中断式：编程扫描式、定时扫描式 1） 、独立式键盘及键盘设计 1 .按钮相互独立，每个按键个接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。它有其优点与缺点 优点：配置灵活，软件结构简单 缺点：每个按键需要一口线 2 .用扩展 I/O 接口来搭独立式键盘 采用 8155 或 8255 扩展 I/O 来搭接独立式键盘 采用 TTL 芯片 nts第 60 页 共 96 页 2） 、矩阵式键盘及键盘接口设计 1 .矩阵式键盘工作原理。由行线和列线组成 2 .矩阵式键盘工作方式。扫描方式（循环扫描和定时扫描）、中断方式 3 .用扩展 I/O 接口来搭接 本设计采用矩阵式键盘 矩阵式键盘适用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列交叉点上。如一个 4 4 的行、列结构可以构成一个含有 16 个按键的键盘等等。在按键数量较多时，矩阵键盘比独立键盘节省了很多 I/O 口。 按键设置在行、列线分别连接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到+5V 上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在的行和列电平。所以，必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。 对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两 值合成一个字节，高 4 位是行号，低 4 位是列号将是非常直观的。 （七） 、显示器接口设计 在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称 LED。LED 显示块由发光二极管显示字段组成，有 7 段和“米”字型之分，一片显示块显示一位字符。共阴极 LED 显示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。 由于 7 段 LED 显示块有 7 个段发光二极管，所以其字形码为一个字节；“米”字形 LED 显示块有 15 段发光二极管，所以字形码为两个字节。由 n 片LED 显示块可拼接成 n 位 LED 显示器，共有 n 根位选线和 8 n 根段选线，根据显示方式不同，位选线和段选线的连接也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线则控制显示位的亮、暗。 nts第 61 页 共 96 页 LED 显示器有静态显示和动态显示两种方式。在多位 LED 显示时，为了节省 I/O 口线，简化电路，降低成本，一般采用动态显示方式。动态显示方式是一位一位地分别轮流点亮各位显示器，对每位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮和熄灭时间的比例有关。这种显示方式将七段 LED 显示器的所有段选位并联在一起，由一个 8 位I/O 口控制，实现各位显示器的分时选通。 下图是 LED 显示器采用共阴极方式， 6 个显示器的段选码由 8155 的 PB口提供，位选码由 8155 的 PA 口提供（ PA 口同时也提供行列式未编码键盘的列线），行列式未编码键盘的行线由 PC 口提供。图中设置了 36 个键。如果继续增加 PC 口线，设全部 PC 口线（ PC0-PC5）用作键盘的行线，全部 PA 口线（ PA0-PA7）作键盘列线，则按键最多可达 8 6 个。 下图中 8155 的 PB 口扫描输出总是只有一位为高电平，即 PB 口经反相后仅有一位公共阴极为低电平， 8155 的 PA 口则输出相应位（ PB 口输出为高对应的位显示器）的显示数据，使该位显示与显示缓冲器相对应的字符，而其余各位均为熄灭，依次改变 8155 的 PB 口输出为高的位， PB 口输出对应的显示缓冲器的数据。 nts第 62 页 共 96 页 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 9- M a y - 20 0 4 S he e t o f F i l e : G : 王丹的毕业设计 pr ot e l 芯片扩展 . dd b D r a w n B y:A B C D E F G H+ 5V+ 5V1 00 85 .1 K 6AD012P A 021AD113P A 122AD214P A 223AD315P A 324AD416P A 425AD517P A 526AD618P A 627AD719P A 728P B 029CE8P B 130RD9P B 231WR10P B 332I O / M7P B 433A L E11P B 534P B 635P B 736T M R O U T6P C 037P C 138T M R I N3P C 239P C 31P C 42R E S E T4P C 558 15 5（八） 、 步进电机控制电路 环行分配器 1） .常用的环行分配器：三相、四相、五相、六相。 1 在本次设计中， X 向及 Y 向均选用的是 YB015 环行分配器 18 脚双列直插。 0E ：先通输控制，低电平有效，用来控制分配器是否输出孙许脉冲。 R ：清零端低电平有效，输出脉冲前对环行分配器必须清零，使分配器正常工作。 A0、 A1 通电方式控制端当 A0、 A1=0 分配器以五相五拍工作 当 A0=0、 A1=1 五相双五拍工作 nts第 63 页 共 96 页 当 A0=1、 A1=0 五相双五拍工作 21EE 选通输入控制，低电平有效 Ep 时钟电路脉冲输入端 2） .环行分配器与 8031，步进电机连接 1E 、 2E 两个输入控制端，低电平有效。 A0、 A1 通电方式控制端。 A0、 A1=0 时四相四拍，应接地 E0 是选通输出控制端，由 8031、 P11、 P14 来控制 + 、 - 方向控制端，由 8031PA0、 P13 来控制 CP 时钟脉冲输入端，由 8155 上 TimOUT 提供 R 清零端，由 8031P15 提供 3) 步进电机开环驱动原理 每输入一个脉冲 ,步进电机就前进一步 ,因此 ,它也称作脉冲电动机 .其种类nts第 64 页 共 96 页 很多 ,但主要分三大类 :反应式步进电动机 ,永磁式步进电动机 ,以及 永磁感应式步进电动机 .反应式电动机结构最简单 ,是应用最广泛的一种 .按控制绕组的相树分有三相 ,四相 ,五相 ,六相等等 .无论哪种步进电动机 ,他们的工作原理都有相同之处 :数字式脉冲信号控制定子磁极上的控制绕组 ,按一定顺序依次通电 ,在顶子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转 . 步进电动机主要用于开环系统 ,当然也可以闭环系统 . 下图是步进电动机开环伺服系统的原理图 ,它由以下几部分组成 : 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 9- M a y - 20 0 4 S he e t o f F i l e : G : 王丹的毕业设计 pr ot e l 芯片扩展 . dd b D r a w n B y:脉冲脉冲信号脉冲分配后的 放大后的信号源 分配器脉冲信号 脉冲信号ABC步进电机开环伺服系统原理功率放大脉冲信号源是一个脉冲发生器 ,通常脉冲频率连续可调 ,送到脉冲分配器的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制 .因脉冲频率 可调 ,也称为变频信号源 . 脉冲分配器脉冲按一定的顺序送到功率放大器中进行放大，驱动步进电动机工作用硬件进行脉冲顺序的分配，有时称为环行分配器，也简称环分 功率放大器将脉冲分配器送来的脉冲放大，使步进电动机获得必要的功率 步进电动机伺服系统的执行元件，它带动工作机构，如减速装置，丝杆，工作台 脉冲分配 对每一个五相步进电动机而言，其脉冲分配方式是五相十拍的的其五相分别用，表示五相十拍的运行方式是顺序轮流通电，则转子 便顺时针方向一步一nts第 65 页 共 96 页 步转动要改变步进电动机的转动方向，只需改变通电的顺序即可 脉冲分配器是将脉冲电源按规定的通电方式分配到各相，该分配可由硬件来实现在微机控制中，脉冲的分配也可由软件来完成， .， .， .， .， .五位分别输出时序脉冲，经光电隔离、驱动放大使步进电机运转延时的长短决定了步进电动机运行一拍的时间，也就决定了步进电机的转速 4) 驱动电路 由微机根据控制要求发出的脉冲，并依次将脉冲分配到各相绕组，因其功率很小，电压不足，电流为 m级，必须经过驱动器将信号电流放 大到若干安培，才能驱动步进电动机因此，步进电机驱动器实际上是一个功率放大器驱动器的质量直接影响步进电动机的性能，驱动器的负载是电机的绕组，是强电感应负载对驱动器的主要要求是：失真要小，要有较好的前后沿和足够的幅度；效率要高；工作可靠；安装调试和维修方便 下图是一个 a 绕组的高低压驱动电路，脉冲变压器 p 组成高压控制电路。 nts第 66 页 共 96 页 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 2 9- M a y - 20 0 4 S he e t o f F i l e : G : 王丹的毕业设计 pr ot e l 芯片扩展 . dd b D r a w n B y:T4TpLaU H + 8 0VU L + 12 V4 .7 K T11 00 1 K T22 02 00 3 T e x tD4T e x tD3D1D2步进电机高低压驱动电路无脉冲输入时， ，均截止，电机绕组 a 中无电流通过，电机不转 有脉冲输入时，饱和导通，在由截止到饱和期间，其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加，在变压器次级感应一个电压，使导通，高压经高压管加到绕组 a 上，使电流迅速上升，约经数百微妙，当进入稳压状态后， p 初级电流暂时恒定，次级的感应电压降到，截止，这时低压电流经加到绕组 a 上，维持 a 中的电流为恒定值 输入脉冲结束后，又均截止，储存在 a 中的能量通过的电阻和二极管 泄放，的电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形后沿 由于采用高低压驱动，电流增长快，电机的力矩和运行频率都得到改善，nts第 67 页 共 96 页 但由于电机转动时产生的反电动势，使电流波形顶部下凹，使平均电流下降，转矩下降 5) .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： 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1010-1012，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。 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。 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 5 s，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。 晶体管输出型的光电耦合器用于开关信号耦合时，发光二极管和光电晶体管平常都处于关断状态。在发光二极管通过电流脉冲时，光电晶体管在电流脉冲持续的时间内导通。下图是使用 4N25 光电耦合器的接口电路 ，这里 4N25起到耦合脉冲信号和隔离单片机 8031 系统与输出设备电气回路的作用，使两部分的电流相互独立。输出部分的地线 Vss 接地壳或大地，而单片机的电源地线（ GND）浮空，这样可以避免输出部分电源变化对单片机电源的影响。 nts第 68 页 共 96 页 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 4 - J un - 2 0 0 4 S he e t o f F i l e : G : 王丹的毕业设计 pr ot e l 芯片扩展 . dd b D r a w n B y:V C CV C C+ 5VR12 00 3 K 机床信号输出信号R2光电隔离电路(九 )、 部分控制程序： 1. 直线圆弧插补程序设计 在机电设备中，执行部件要实现平面斜线和圆弧曲线得路径运动，必须通过两个方向得合成来完成，在数控机床中，这是由 X， Y 两个方向运动得工作台，按照插补控制原理实现得。插补原理在有关课程中学过。 2 直线插补程序 ORG 2000H MAIN： MOV SP， #60H LP4： MOV 28H， #0C8H； Xe MOV 29H， #0C8H； Ye MOV 2AH, #00H; X MOV 2BH, #00H; Y MOV 2EH, #00H; F MOV 70H, #0AH LP3: MOV A, 2EH JB ACC,7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC. 0 CLR ACC. 2 MOV 70H,A; nts第 69 页 共 96 页 LCALL MOTR； 调步进电机得控制子程序， +X 方向进给一步 SUBB A。 29H； F-Ye INC 2AH； X+1 AJMP LP2 LP1： MOV A ， 70H SETB ACC。 2 CLR ACC.0； LCALL MOTR； 调步进电机得控制子程序， +Y 方向进给一步 LCALL DELAY MOV A， 2EH ADD A， 28H； F+Y LP2： MOV 2EH， A MOV A， 28H CJNE A， 2AH， LP3； Xe=X？ RET 程序中 MOTR 为步进电机得控制子程序。如用硬 件实现环分。如采用环形分配器，则需要由软件程序完成硬件环分得功能，见步进电机控制程序设计。 3.圆弧插补程序得设计 XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H XeL EQU 1AH XeH EQU 1BH YeL EQU 2BH FL EQU 2CH FH EQU 2DH ORG 2400H nts第 70 页 共 96 页 MAIN： MOV SP， #60H； MOV 70H， #08H； MOV XL， #80H； XL MOV XH， #0CH； XH MOV YeL， #80H； YeL MOV XeL， #00H； XeL MOV XeH， #00H； XeH MOV YL， #00H； YL MOV YH， #00H； YH MOV FL， #00H； FL MOV FH， #00H； FH LP3 MOV A， FH JNB ACC.7， LP1 MOV A， 70H SETB ACC.2 CLR ACC.0； LCAAL MOTR； MOV R1， #28H； MOV R0， #1CH； MOV R7， #02H； LCALL MULT2； 2*Y ADD CLR C MOV A,FL ADDC A,1CH MOV FL,A MOV A,FH ADDC A,1DH;F+2Y MOV FH,A CLR C MOV A,YL nts第 71 页 共 96 页 ADD A,#00H MOV 28H,A MOV A,YH ADDC A,#00H MOV YH,A CLR C MOV A,FL ADD A,#01H MOV FL,A MOV A,FH ADDC A,#00H MOV FH,A;F+2Y+1 AJMP LP2 MOV A,70H SETB ACC.0 MOV 70H,A; LCALL MOTR MOV R1， #18H； XL MOV R0， #1CH MOV R7#02H LCALL MULT2， 2* SUB CLR C MOV A， 1CH SUBB A， FL MOV FL， A MOV A， FH SUBB A， 1DH MOV XL， A MOV A， XL nts第 72 页 共 96 页 SUBB A， #00H MOV XH， A； X-1 CLR C MOV A， FL ADD A， #01H MOV FL， A MOV A， FH ADDC A， #00H MOV FH， A； F-2X+1 LP2： MOV A， YH CJNE A， YeH， LP3A； YH=Ye？ MOV A， YL CJNE A， Ye， LP3A； YL=YeL？ LP3A： AJMP LP3 ORG 2500H MULT2： PUSH PSW；双字节乘 2 子程序 PUSH A PUSH B CLR C MOV R2， #00H SH1： MOV A， R1 MOV B,#02H MUL AB POP PSW ADDC A,R2 MOV R0,A INC R0 INC R1 DJNZ R7,SH1 POP B nts第 73 页 共 96 页 POP PSW RET 4、 LED 动态显示程序设计： 本设计中采用 LED 动态显示方式：其电路接口电路形式为： 数码管是八位共阴极，所以发光时字形驱动输出“ 1”有效，位选驱动输出“ 0”有效。对 8155 来讲，字形码输出“ 0”有效，位选扫描电平为“ 1”有效。 各数码管虽然是分时轮流通电，但由于发光管具有余辉特性及人眼具有视觉暂留作用，所以适当选取循环扫描频率时，看上去所以的数码管是同时亮的，察觉不出有闪烁现象。不过这种方式数码管不宜太多，一般在 8 个以内，否则每个数码管所分配到实际导通的时间会太少，使得亮度不足。通常采用动态显示字形码输出及位选信号输出因经过驱动后再与数码管相连。 以下是对 LED 动态显示电路的程序设计： nts第 74 页 共 96 页 LED 动态显示接口 MOD： PUSH ACC ；保护现场 PUSH DPH PUSH DPL SETB RS0 MOV R0， #CWR ；指向 8155 控制口 MOV A， #4DH ；设置 8155 工作方式字 MOVX R0,A ；设 A 口、
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