数控激光切割机X-Y工作台部件及单片机控制设计.doc

华东交通大学理工学院Institute of Technology.East China Jiaotong University 毕 业 设 计 Graduation Design （20082012年）题 目 数控激光切割机XY工作台部件及单片机控制设计 分 院： 机电工程分院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机制20081 学 号： 20080410220112 姓 名： 金星星 指导教师： 唐 刚 起讫日期： 2011.122012.5 华东交通大学理工学院毕业设计原创性申明本人郑重申明：所呈交的毕业设计是本人在导师指导下独立进行的研究工作所取得的研究成果。设计中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在设计中特别加以标注引用，除此之外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。毕业设计作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计版权使用授权书本毕业设计作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计的复印件和电子版，允许设计被查阅和借阅。本人授权华东交通大学理工学院可以将本设计的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编毕业设计。（保密的毕业设计在解密后适用本授权书） 毕业设计作者签名： 指导教师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日华东交通大学理工学院毕业设计摘 要激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性材料以及精密细小和形状复杂的零件，因而数控激光切割在我国制造业中正发挥出巨大的优越性。随着微电子技术、计算机技术的发展，数控系统也在不断进步。和普通机床相比，数控机床具有刚度、抗振性、热变形小、无间隙、低摩擦、高速下运行平稳、定位精度高、跟踪性好等一系列特点。本文设计了一台单片机控制的数控激光切割机床，主要完成了：机床整体结构设计，Z轴、XY轴的结构设计计算、滚珠丝杠、直线滚动导轨的选择及其强度分析；以步进电机为进给驱动的驱动系统及其传动机构的分析设计计算；以8031为主控芯片的数控系统硬件电路设计、系统初始化设计及系统软件方案设计和步进电机的控制程序设计。关键词:CNC，激光切割机床，结构，设计Abstract Laser cutting machine tool was usually used for the hard-cutting material, such as high-strength material, high precision ductile materials, and smart and complicated components. So, CNC laser cutting has been playing an important role in Chinas manufacturing industry. Along with the micro electron technology ,the computer technology development ,the numerical control system is also progressing .Has the rigidity high with the ordinary engine bed ,the vibration-proof ,the small thermal deformation ,ceaseless ,the low friction ,high speed under moves steadily ,the pointing accuraly high ,the track is good and so on a series of merits .This paper describes the design of a SCM-controlled CNC laser cutting machine tools. More attention was paid on the overall machine design, Z axis, XY axis in the design, ball-screw and the choice of linear motion guide and intensity analysis; the drive system into which stepper motor was put and the analysis of the drive system design;8031 chip was mainly used for the design of hardware circuit, the design of system initialization and the design of stepper motors controlling program.Key words: CNC, laser cutting machine tools, architecture, design目 录摘 要ABSTRACT前 言1 1.1本课题的内容及选题意义1 1.2本课题的原始数据及设计要求2 1.2.1原始数据2 1.2.2设计要求2 1.3 本课题的研究内容及设计方案 3 1.3.1 研究内容31.3.2 设计方案3第二章 机械工作台XY工作部件的计算与选型42.1确定系统的脉冲当量42.2 XY工作台部件进给系统受力分析4 2.3 滚珠丝杆螺母副的计算与选型4 2.3.1最大工作载荷Fm的计算4 2.3.2最大动载荷FQ的计算4 2.3.3滚珠丝杆螺母副的选型5 2.3.4传动效率的计算5 2.3.5刚度的验算52.4直线滚动导轨副的计算与选型62.5齿轮进给齿轮箱传动比计算72.6步进电动机的计算和选型7 2.6.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量72.6.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩72.7 消隙与预紧92.8设计绘制进给伺服系统装配图11第三章 单片机控制设计12 3.1硬件电路设计内容12 3.1.1确定机床控制系统方案12 3.1.2选择中央处理器CPU类型123.1.3主要管脚功能123.1.4 EPROM的选用133.1.5 RAM的选用143.1.6扩展I/O接口的设计153.1.7状态查询173.1.8 8155定时功能173.2机床数控系统软件设计18 3.2.1软件脉冲分配器 18 3.2.2步进电机的升降速软件设计 20第四章 数控机床零件加工程序 244.1工艺路线24 4.2程序24结论26参考文献27 7华东交通大学理工学院毕业设计前 言1.1本课题的内容简介及选题意义本课题研究数控激光切割机部件的机械结构和单片机数控系统。本次设计任务是数控激光切割机XY工作台部件及其单片机控制设计。激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密细小和形状复杂的零件。激光切割技术、激光切割机床正在各行各业中得到广泛的应用。因此研究和设计数控激光切割有很强的现实意义。微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。下面是我国激光切割机的发展历史：1994年湖南大学激光研究所研制成功国内第一台析架式折叠准封离型切割与焊接激光器，并获得国家发明专利。每台设备的售价只有国外产品的1/2.2003年3月，中科院长春光机与物理研究所研制的“数控激光管材加工设备”，改变了我国石油行业依赖进口设备加工管材的局面。这标志着我国制造先进装备的能力已达到国际先进水平。济南铸锻所数控机械公司开发制造出国产第一台LC2-18*30型交换式双工作台双边驱动数控精密激光切割机。在设计上突破了两项关键技术，一是解决了轴双边驱动时两个电极的同步问题，二是解决了升降工作台8个气缸的同步问题。2004年9月，华工科技成功推出第一台国产化高性能激光切割机。日本目前已拥有CO2激光加工机2万台，约占全球激光加工机总量的1/3，其中80%为激光切割机设备。日本自1995年以来，年生产激光加工机已超过500台左右，其中YAG激光切割机100多台。全球的高功率数控激光切割成套设备累计拥有量达35000台（套）左右，而我国目前高功率数控激光切割成套设备的拥有量为1500台左右。国产数控激光切割机的主要特点是：价格较低，约是进口价格的1/3，激光器功率较低，一般为1.5KW以下。与国外机相比表现为切缝宽，表面质量、机械精度、整机的稳定性、柔性较差，但具有价格方面的优势。2007年国内大型激光切割设备的销售额达到15亿元，在中低端产品方面基本占领国内市场，并有部分产品出口。但与美国、欧盟、日本等发达国家相比，我国的激光切割设备仍然停留在低端产品阶段，而且高功率激光器、激光专用控制系统、激光光束传输控制、激光切割专有技术等绝大部分核心技术还依赖进口。在高端激光切割系统领域，我国与国际先进水平存在较大差距，产品基本依赖进口，每年不得不花费数十亿元从国外引进相关技术与设备。如船舶制造业中厚钢板的激光切割设备、三维立体激光切割设备、有色金属激光切割设备等，引进价格昂贵、订货周期长、售后服务无法及时保证，严重制约了我围困民经济的发展。并且由于国外在该领域出口对我国有明确的限制，采用许可证制度，严格规定该项技术不能用于军工、航空航天等领域，因此我国急需突破该项技术。选题意义：高速、高精度激光切割机由于大功率激光器光束模式的改善及32位微机的应用，为激光切割设备的高速、高精度创造了有利条件。1、 厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割机随着可用于激光切割激光器功率的增大，激光切割正从轻工业薄板的钣金加工向着重工业厚板切割方向发展。2、 三维立体多轴数控激光切割机，为了满足汽车、航空等工业的立体工件切割的需要，目前已发展了各种各样的五轴或六轴三维激光切割机，数控轴数达到九轴，加工速度快，精度高。在先进国家的汽车生产线上，激光切割机器人的应用愈来愈多。激光切割单元自动化和无人化为了提高生产率和节省劳动力，目前激光切割正向着激光切割单元（FMC）和无人化、自动化方向发展。发展这种单元自动化系统，必须依赖于现金的自动控制、网络控制技术及计算机生产辅助管理系统技术等。国外已有各种各样的激光切割单元可供应市场，并有由6台大型激光切割机为核心组成的无人化的切割生产线在工厂运行。3、 紧凑型和组合一体化数控激光切割机随着激光器提及的缩小和功率的增大，以及辅助装置的不断完善，出现了把激光器、电源、主机、控制系统和冷却水循环装置等紧密地组合在一起，形成占地面积小、功能完善的整套紧凑型激光切割机。此外，激光切割技术正与激光焊接、激光表面淬火等激光加工工艺组合，以发展一机多用，进一步提高设备的利用率。1.2、本课题的原始数据及设计要求1.2.1原始数据：工作台宽度（mm）： 900工作台长度（mm）： 1100工作台行程（mm）： 纵向：450 横向：320工作台及夹具工件重量（N）： 纵向：2500 横向：3500 工作台快移速度（m/min）： 纵向：2.4 横向：2.4 进给速度（m/min）： 纵向：1.0 横向：1.0最小分辨率 （mm）： 纵向：0.005 横向：0.005 定位精度（mm）： 0.03主电机功率（KW）： 5.5 起动加速时间（ms）： 301.2.2设计要求：1）CNC系统的主CPU采用8031单片机。2）两个坐标的进给伺服系统既查采用步进电机驱动也可用直流或交流伺服电机驱动。3）所编的零件加工程序应符合ISO标准的有关规定。既可用手工也可用UG等软件编程。4）所绘制的机械装配图和硬件电路原理图要求正确、合理、图面整洁、符合标准。5）所编写的软件应在计算机上进行汇编和通讯等。6）说明书应简明扼要、计算准确、条理清楚、图文并茂并全部用计算机打印后装订成册1.3、本课题的研究内容及设计方案1.3.1研究内容：1）两个坐标的进给伺服系统机械传动机构的设计和计算。2）CNC系统硬件电路原理图的设计。3）轴类零件工作图的设计。4）用计算机进行轴类零件加工程序的编制。5）典型软件的设计。1.3.2设计方案:：参考数控激光切割机相关资料及设计要求，确定总体设计方案如下：采用8031单片机，单片机体积小、抗干扰能力强，对环境要求不高，可靠性高，灵活性好。由I/O接口输出控制信号给驱动器，来驱动步进电机，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。其原理示意图1.1。第二章 机械工作台XY部件的计算与选型2.1确定系统的脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。数控激光切割机采用的脉冲当量为0.010.005mmstep。根据设计任务要求确定脉冲当量：纵向选用：0.01mmstep 横向选用：0.01mmstep2.2 XY工作台部件进给系统受力分析因激光切割机床为激光加工，其激光器与工件之间不直接接触，因此可以认为加工过程中没有外力负载作用，其切削力为0。XY工作台部件有工作台、中间滑台、底座等零部件组成，各自之间均以滚珠直线导轨副相联，已保证相对运动精度。2.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型纵向进给丝杆因为X向的滚珠丝杆比Y向的滚珠丝杆所受的负载大，现只计算X向丝杆的相关数据，Y向根据X向的结果相同选用即可满足要求。横向：2.3.1最大工作载荷Fm的计算 由上所知：其切屑力为0，则都为零。已知纵向工作台及夹具工件重量G=2500N，按矩形导轨进行计算，查系统设计课程设计指导书表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数=0.004。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+(Fz +G)=10 N2.3.2最大动载荷FQ的计算已知进给速度V=1000/min，初选丝杠导程Ph=4，则丝杠转速n=V/Ph=250r/min取滚动丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106得丝杠寿命系数L0=6020015000/106=225（单位：106r）。查系统设计课程设计指导书表3-30，取载荷系数fW=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,代入式FQ=72.9N。2.3.3滚珠丝杆螺母副的选型 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选择G系列1604-3型滚珠丝副为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为16，导程为4，循环滚珠为3圈1列，精度等级取2级，额定动载荷为4612N，大于FQ，满足要求。2.3.4传动效率的计算 将公称直径d0=16，导程Ph=4，代人=arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=433。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+)，得传动效率 =96.4%。2.3.5刚度的验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力球接触球轴承，面对面配合，左、右支承的中心距离约为L=900；钢的弹性模量E=2.1105MPa；查表3-31，得滚珠直径Dw=2.381，丝杠低径=13.1。1、丝杆的拉伸或压缩变形量1=10N, =13.1, Dw=2.381, d0=16杠截面积S=d22/4=134.7由公式的丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量1=Fm L/(ES)=10900/(2.1105134.7)0. 0053。2 、 滚珠与螺纹滚道间接触变形2 根据公式Z=（d0/Dw）-3,求得单圈滚珠数Z=18；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式：Z总=54。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=3.3N。由式3-27求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.0013=0.00046mm 因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以变形量可减小一半，取2=0.000153、将以上算出得1 和 2代入总=1+2，求得丝杠变形量总=0.0053+0.00015=5.45um。由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在400500时，行程偏差允许达到10um，可见刚度足够。2.3.6压杆稳定性校核 根据公式3-28计算失稳时的临界载荷Fk。查表3-34取支承系数fk=1；由丝杠低径d2=13.1，求得界面惯性矩I=d24/641444.94；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离L取最大值900。代入公式Fk=443.2N。 远大于工作载荷Fm=10N，故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 名称符号1604-31604-3 螺 母 滚 道 公称直径 d0 16 16 导程 Ph 4 4 接触角 433433 钢球直径Dw2.3812.381 滚道法面半径 RR=0.52Dw1.2381.238 偏心距 ee=(R-Dw/2)Sin0.0620.062 螺纹升角 =arctan(Ph/d0)433433 螺 杆 螺杆外径 dd=d0-(0.20.25)Dw15.515.5 螺杆内径 d1d1=d0+2e-2R13.64813.648 接触直径 d2d2=d1-Dw cos11.27411.274 螺 母 螺母螺纹直径 DD= d0-2e+2R18.35218.352 螺母内径 D1D1=d0+(0.20.25)Dw16.47616.4762.4直线滚动导轨副的计算与选型2.4.1滑块承受工作载荷Fmax 的计算及导轨型号的选取(横向)工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。题目中工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所承受的最大垂直方向的载荷为：Fmax=G/4+F=2500/4+0=625N查指导书表3-41，根据工作载荷，初选直线副导轨的型号为KL系列的JSA-LG20，其额定动载荷Ca =11.5KN，额定静载荷Coa=14.5KN。任务书规定工作台尺寸9001100mm，加工范围为450320，考虑工作台行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨长度为1120距离额定寿命L的计算上述选取KL系列的JSA-LG20型的导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100。，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度低，载荷不大。查表3-363-40分别取硬度系数fH=1.0，温度系数fT=1.00，接触系数fC=0.81，精度系数fR=0.9，载荷系数fW=1.5，代人式中得距离寿命： L=（）350=4289km远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求2.5齿轮进给齿轮箱传动比计算已知纵向 量=0.01/脉冲，滚珠丝杠导程Ph=4，初选步进电动机的步距角=1.5.根据式3-12，得减速比i=(Ph)/(360)=5/3大小齿轮模数都为1，齿数比为60:36，材料为45调质钢，中心距为(60+36)1/2=48小齿轮厚度为20，双片大齿轮厚度为10。因为进给系统的齿轮受力不大，所以可选用较小模数的齿轮。此处选用的齿轮。2.6步进电动机的计算和选型 2.6.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径为16，总长700，导程为4，材料密度为7.8510/，小齿轮宽度为20，直径为36；大齿轮宽度为20，直径为60；传动比为5/3。查表4-1中公式算得各个零件的转动惯量如下：滚珠丝杆的转动惯量：JS=1.26托板折算到丝杆上的转动惯量：=1.024小齿轮的转动惯量：=0.25大齿轮的转动惯量：=4.88初选型号为90BYG2062，为两相混合式，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量=4。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=+=6.832.6.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 1 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由式4-8可知，包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式4-12可知，T0相对于另两项很小，可以忽略不计。则有： = + 根据式4-9有=，式中对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速；步进电动机由静止到加速至转速所需的时间。其中=500r/min。设=0.5ms。所以=0.715Nm=0.004Nm所以得快速空载起动时电动机转轴所受的负载转矩： = +=0.719Nm2 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式4-13知包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式4-12可知，T0相对于另两项很小，可以忽略不计。则有：=+其中由式4-14计算得：=0Nm，再由4-10得：=0.01Nm。最后由4-14得=+=0.01Nm.综上所述=0.719Nm。3 电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，因此需考虑安全系数K=2.54，取K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：4=40.719Nm=2.876Nm该型号的电动机查表4-5得最大静转矩=6Nm，满足要求。2.6.3步进电动机的性能校核1 最快工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定的工作台进给速度为1000/min，所以由式4-16求得电动机对应的运动频率1666 Hz。从90BYG2602电动机的运动矩频特性曲线图6-24可看出，在此频率下，电动机的输出转矩5.6Nm，远大于最大工作负责转矩=0.0.01Nm，满足要求。2 最大空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定的工作台快速移动速度为2400/min，仿照式4-16求得电动机对应的运行频率为4000Hz。从90BYG2602电动机的运动矩频特性曲线图6-24可看出，在此频率下，电动机的输出转矩3.8Nm，大于最大工作负责转矩 ，满足要求。3 最大空载移动时电动机运行效率校核与最快空载移动速度2400/min对应的电动机运行频率为4000Hz，查表4-5可知90BYG2602电动机的空载运行评论可达到20000Hz，可见没超出上限。4 起动频率的计算电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率=1800Hz(查表4-5)。则由式4-17可求出步进电动机克服惯性负载的起动频率： =1384Hz要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率必须小于1233Hz。实际上起动频率通常只有100Hz，所以满足要求。2.7 消隙与预紧如图7.1，齿轮装在电动机轴上，调整偏心轴套可以改变齿轮和之间的中心距，从而消除齿侧间隙。1-齿轮 2-偏心套 3-齿轮图7.1 偏心轴套调整法数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降速比和转矩的要求。由于齿轮在制造中总是存在着一定的误差，不可能达到理想齿面的要求，因此一对啮合的齿轮，总应有一定的齿侧间隙才能正常地工作。齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数控系统指令要求，形成跟随误差甚至是轮廓误差。对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用各种消除侧隙的措施，以尽量减小齿轮侧隙。数控机床上常用的调整齿侧间隙的方法针对不同类型的齿轮传动副有不同的方法。滚珠丝杠副在工作台上的支承方式有两种。一种是单支承形式；另一种是两端支承形式，本设计选用两端支承形式中的“双支点各单向固定”的支承方式。该形式夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧，提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚性，减小机器工作时轴承的振动。预紧量由厂家提供。2.8设计绘制进给伺服系统装配图见图1 第三章 单片机控制设计3.1硬件电路设计内容3.1.1确定机床控制系统方案根据机械系统方案的要求，可以看出：对机械部分的控制只有进给系统的步进电机的控制和工作台回转的步进电机控制。控制系统有微机的、有PLC的、也有单片机的，这里采用的是开环控制系统，可以选择经济型的单片机控制系统。另外，居然要控制，就得有输入和输出设备才能对相应的运动进行控制。其控制系统框图如图8.1所示：存储器扩展光电隔离驱动器I/O口扩展单片机功 率 放 大X轴电机Y轴电机Z轴电机驱动器横向丝杠Z向丝杠纵向丝杠显示器键 盘图3.1 控制系统框图3.1.2选择中央处理器CPU类型根据要求CNC系统的主CPU采用8031单片机。3.1.3主要管脚功能(1)8031芯片引脚功能8031芯片有40个引脚，引脚配置见（图3.2）图3.2(2)各引脚按功能可分为三部分：I/O口线：P0、P1、P2、P3共4个8位口控制线口：、ALE、RST电源及时钟：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2(3)应用特性：I/O口线不能作为用户I/O口线；I/O口的驱动能力，P0口可以驱动8个TTL门电路，P1、P2、P3则只能驱动4个TTL门电路；P3是双重功能口。3.1.4 EPROM的选用为简化电路，此处选用2764EPROM (8K*8位)。本设计采用二片2764EPROM，分别存放监控程序,各功能模块程序,常用零件加工程序。以便于更换各功能模块程序和零件加工程序时，只需更换各自芯片即可，方便升级。2764芯片主要引脚功能:A0A12 13位地址线D0D7 数据输出线 数据输出允许信号 编程控制信号，用于引入编程脉冲 片选信号2764主要工作方式:读方式及为低电平，Vpp5V时处于读出方式写方式为低电平, 亦为低电平，VPP21V, 为高电平时，2764芯片处于禁止状态。将数据线上数据固化到指定地址单元。编程禁止方式一此为向多片2764写入不同程序而设置的，当VPP=+21V时，为高电平时，2764芯片处于编程禁止状态。3.1.5 RAM的选用数据存储器RAM通常采用MOS型，MOS型RAM分静态、动态两种。动态RAM集成度高，功耗小，成本低，但控制逻辑复杂，需要定期刷新,尤其是容易受到干扰，对环境、结构、电摞等都有较高的要求。对实时控制系统而言,可靠是第一位的,此处选用大容量静态RAM6264(8K*8位)一片。6264主要引脚功能：A0A12 13位地址线IO1IO7 数据输入输出线 数据输出允许信号 写选通信号 片选信号6264主要工作方式:读方式及为低电平，为高电平时，6264将数据输出到指定地址。写方式为低电平，亦为低电平时,允许数据输入。封锁方式为高电平时，该芯片没被选通，不工作。图 3.3 图3.43.1.6扩展I/O接口的设计本系统中采用两片8155芯片对系统的I/O进行扩展。(1)8155芯片的特性8155芯片内含有256个字节的RAM存储器，RAM的存取时间为400ns。两个可编程的8位并行口PA和PB，一个可编程的6位并行口PC，以及一个14位减法定时器/计数器。PA口和PB口可工作于基本输入输出方式或选通输入输出方式。8155可直接和MS51单片机连接，不需要增加任何硬件。8155既有I/O口又有RAM和定时/计数器，是MS51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。8155共有40个引脚，采用双列直插式封装，其引脚如（图3.5）所示。图3.5(2)引脚功能AD7AD0（8条）：AD7AD0为地址/数据总线，可以和MS51的P0口相连，用于分时传送地址/数据信息。I/O总线（22条）：PA7PA0为通用I/O口线，用于传送A口上的外设数据，数据传送方向由8155命令字决定。PB7PB0为通用I/O线，用于传送B口上的外设数据，数据传送的方向也由8155命令字决定。PC5PC0为I/O数据/控制线，共6条，在通用I/O方式下，用作传送I/O数据，在选通I/O方式下，用作传送命令/状态信息。控制总线（8）RESET：复位输入线，在RESET线上输入一个大于600ns宽的正脉冲时，8155立即处于复位状态，A、B、C三口也定义为输入状态。和IO/为8155片选输入线，若=1，则CPU选中8155。IO/为I/O端口或RAM存储器的选通输入线；若IO/=0，则CPU选中8155的RAM存储器，若IO/=1，则CPU选中8155片内某一寄存器。和：是8155的读/写命令输入线，为写命令线，当=0和=1时，8155处于读数据状态；当=1和=0时，8155处于写入数据状态。ALE：为允许地址输入线，高电平有效。若ALE=1，则8155允许AD7AD0上地址锁存到地址寄存器；否则，8155的地址锁存处于封闭状态。8155的ALE常和MS51的同名端相连。TIMERIN和TIMEROUT：TIMERIN是计数器输入线，其脉冲上跳沿用于对8155片内14位计数器减1。TIMEROUT为计数器输出线，当14位计数器从计满回零时就可以在该引线上输出脉冲或方波，输出信号的形状和计数器工作方式有关。电源线（2条）：Vcc为+5V电源输入线，Vss为接地线。8155I/O扩展的接口电路电路中138的、分别与两片8155的口连接，8031的P2.0口与8155的IO/口连接，8031的P0口与8155的AD口连接。各芯片对应的存储空间为：IC3：程序存储器空间 6000H6FFFH（）IC4：程序存储器空间 7000H7FFFH（）其外设I/O口、显示器、键盘等接口电路详见（附图2）。3.1.7状态查询8155还有一个状态寄存器，用于锁存I/O口和定时器的当前状态，供CPU查询用。其格式如图3.6：状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，命令寄存器只能写入不能读出，而状态寄存器只能读出不能写入。所以可以认为，CPU读该地址时，作为状态寄存器，读出的是当前I/O口和定时器的状态，而写该地址时，则作为命令寄存器对I/O口工作方式的选择。3.1.8 8155定时功能8155芯片内有一个14位减法计数器，可对输入脉冲进行减法计数。外部有两个定时器引脚TINEIN 和TIMEOUT。TINEIN为定时器时钟输入，有外部输入时钟脉冲，TIMEOUT为定时器输出，输出各种信号脉冲波形。定时器的格式、输出波形见图3.7。由上图可见，定时器的低8位和高6位计数器定时是出方式由04H、05H寄存器确定。对定时器编程时，首先将计数器及定时器方式送入定时器口，（定时器的低8位和高6位，定时器方式M）04H，05H。计数常数在002H3FFF之间。计数器的起动和停止由命令寄存器的最高两位TM2和TM1决定。但何时读都可以置定时器的长度和工作方式，然后必须将起动命令写入命令寄存器。既使计数器已经计数，在写入起动命令后，仍可改变定时器的工作方式。图3.6 状态寄存器格式 M2 M1方 式定时器输出波形0 0单方波0 1连续方波1 0单脉冲1 1连续脉冲图3.7 8155定时器方式及输出波形3.2机床数控系统软件设计软件是硬件的补充，确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。经济型数控机床软件设计一般可分为以下几个典型的模块：（1）软件脉冲分配器（2）插补模块（3）步进电机升降速模块3.2.1软件脉冲分配器根据步进电机的工作原理，改变其绕组的通电状态，步进电机按规定的方向运转。软件分配器采用查表法，在微机处理器中专门安排一个输出寄存器作为步进电机的控制寄存器，步进电机的第一像绕组都与这个寄存器中的某一指定位对应，寄存器中这位为“1”，对应相应绕组的通电状态为“0”，表示断电，否则通电。循环向寄存器写入控制信号从而使步进电机绕组按照规定的运行方式运行。本设计中所用步进电机为三相六拍方式工作，其通电规律为：AABBBCCCAA假设脉冲分配表放在程序存储器的0701H开始的单元中，因为信号输出口与步进电机之间接反向器，所以其对应控制信号字及地址如（表3.1）所示。表3.1 脉冲分配表地址通电方式ABC代码0701H011FBH0702H001F9H0703H101FDH0704H100FCH0705H110FEH0706H010FAHX方向的脉冲分配的子程序源程序：PULSE：CJNE R6，#07H，LOOP1 MOV R6，#01H SJMP LOOP2LOOP1： CJNE R6，#00H，LOOP2 MOV R6，#06LOOP2： MOV DPTR，#0700H MOV A，R6 MOVC A，A+DPTR SWAP A MOV B，A MOV A，R7 MOVC A，A+DPTR ADD A，B MOV P1，A RETZ方向脉冲分配子程序类似于X方向的。图3.8 X方向脉冲分配子程序框图3.2.2步进电机的升降速软件设计根据步进电机的矩频特性，当步进电机运行频率大于允许的起停突跳频率时，若直接起动，会使电机失步或不能起动，因此电机在起动或停止时自动升降速。步进电机每更换一个控制字，就转过一个固定的步距角，更换控制字的快慢就决定了步进电机的转速。通过软件延时