大型数控铣床XY工作台毕业设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321 设计的目的通过本次设计，使我们全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本内容和基本知识，初步掌握数控机床的设计方法，并学会运用手册标准等技术资料。学校安排毕业设计这一环节，是检验同学们在大学三年所学的知识，是同学们知识结构的概括和总结，同时培养我们学生的创新意识、工程意识和动手能力。总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统由于钻铣床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到定位精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。（2）控制系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。（3）X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的矩形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用步进电机驱动细分。本设计结合机电一体化课程教学环节需要，设计用微型计算机作为控制系统的X-Y工作台。通过论述X-Y工作台机械结构设计和控制电路接口设计,阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术. 1 机械部分设计1.1 功能与技术参数分析 设计的最初环节必须理解和分析设计任务所提出的主要功能和技术指标。本次设计数控X-Y工作台，提高了机床的加工精度和自动化水平，满足多品种零件加工的功能需求，提高生产率。工作台系统总体框图如图所示:1.2原理构思和技术路线确定针对设计任务的主要功能和技术指标要求提出一下原理性构思。本次设计XY数控工作台可安装在钻铣床上，用于钻铣削加工，采用步进电动机开环伺服系统驱动的，使结构简单，成本降低，采用单片机为核心的控制器件的数控系统，实现自动化。同时工件或夹具安装采用T型槽平台结构方式，以保证加工精度平稳。1.3 机电一体化机械系统应具备良好的伺服性能（即高精度、快速响应性和稳定性好）从而要求本次设计传动机构满足以下几方面：1.3.1 转动惯量小 在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小。否则，转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；系统响应速度降低，灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振。所以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量。1.3.2 刚度大 刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。大刚度对机械系统而言是有利的：伺服系统动力损失随之减小。机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振。增加闭环伺服系统的稳定性。所以在设计时应选用大的刚度的机构1.4 脉冲当量的确定根据机床和工作台进给系统，并且考虑到机械传动的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计给定的运动分辨率 优于0.005mm，所以设定脉冲当量0.005 mm/脉冲。 1.6 初步确定工作台的尺寸及重量根据课设任务书，加工范围：X向200mm，Y向160mm，考虑夹具夹紧工件的需要，必须每边留出装夹具的尺寸20，所以最后确定工作台尺寸为，考虑到刚度和强度问题，同时也考虑到T型槽的高度问题，最后我选工作台的厚度为H=42mm，查阅有关资料，我选灰铸铁HT200作为工作台的设计材料，HT200特点：适用用于轴承受中等载荷的零件。而密度所以工作台的体积为查（机械零件切削加工工艺与技术标准实用手册主编：冯道，机械出版社出版，第1053页）得T型槽A=18mm .C=12mm.H=30mm.B=30mm.那取工作台高度为h=12+30=42mm。；工作台质量为： Y轴导轨、导轨支承、丝杆副及电机等估算重800N1.7工作载荷分析及计算1.7.1 进给工作台工作载荷计算作用在工作台上的合力与铣削力的合力F大小相同方向相反。合力就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动分解为三个力：工作台纵向进给方向载荷,工作台横向进给方向载荷和工作台垂直进给方向载荷.工作台工作载荷、和与铣刀的切向铣削力之间有一定的经验比值（见设计指导书表3-5）本设计采用不对称铣削。分逆铣和顺铣进行计算：逆铣中工作载荷：逆铣中工作台载荷分别为,顺铣中工作载荷:顺铣中工作台载荷分别为，经分析，为了保证机床工作台有更大的刚度来承受大的铣削力，取大的工作载荷值。，1.8.5滚动导轨的设计及计算1.8.5.1滚动导轨副的预紧直线滚动导轨副分整体型直线导轨副和分离型直线导轨副。整体型直线滚动导轨副由制造厂选配不同直线钢球的办法来决定间隙和预紧。本设计采用整体型直线滚动导轨副。1.8.5.2直线滚动导轨副的计算 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素，本次设计X-Y工作台水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形势，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，则单滑块所受的最大垂直方向载荷F为：从设计指导书表341，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSALG15型，其额定动载荷Ca7.94kN，额定静载荷Coa9.5kN设计任务书规定加工范围为200mmx160mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表335，按标准系列，选取导轨的长度：X向为460mm，Y向为400mm。（2）距离额定寿命L的计算 KL系列的JSALG15型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，工作速度较低，载荷不大。查表336表340，分别取硬度系数FH1.0，温度系数FT1.0，接触系数FC0.81，精度系数FR0.9，载荷系数FW1.5，带入远大于期望寿命100km，所以选择的滚动导轨符合设计的要求。1.8 滚珠丝杠传动设计与计算滚珠丝杠螺母副的承载能力用额定负荷表示，其动静载强度计算原则与滚动轴承相类似。一般根据额定动负荷选用滚珠丝杠副，只有当n10r/min时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此进行动载荷强度计算。滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构。滚珠丝杠螺母副其它特点如下：运动极灵敏，低速时不会出现爬行；可以完全消除间隙并可预紧，故有较高的轴向刚度，反向定位精度高； 滚珠丝杠螺母副摩擦系数小，无自锁，能实现可逆传动； 滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式一般分外循环和内循环两种滚珠丝杆螺母副的类型选择主要种类.为了提高滚珠丝杠副的刚度和消除侧隙, 预加载荷.常用的滚珠丝杆螺母副预紧方式有:双螺母垫片式,双螺母螺纹式,双螺母螺纹式,双螺母齿差式.1.8.2.1最大工作载荷滚珠丝杠上的工作载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。本次设计选取的导轨类型为：矩形导轨；工作台的上下分布：X向的工作台设计在下层，Y向的设计在上层。可用下列实验公式计算：矩形导轨 ,式中，分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N）;G为移动部件的重力（N）,根据设计的要求，大体估计G在1000N左右；K和分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，对于滚动的矩形导轨：K=1.1,； 所以，滚珠丝杠的最大工作载荷：1.8.2.2 最大动载荷FQ的计算及主要尺寸初选滚珠丝杠应根据额定动载荷选用，最大动载荷计算原理与滚动轴承相同。滚珠丝杠最大动载荷FQ可用下式计算：FQFh式中，L为工作寿命，单位为；n为丝杠转速,;为最大切削力条件下的进给速度（）；P为预选的滚珠丝杠的导程，P4mm，待刚度验算后再确定；为额定使用寿命（），可取；为运转状态系数，无冲击去1-1.2，一般情况取1.2-1.5，本设计取1.2。为滚珠丝杠工作载荷（N）. Fh是硬度系数，本次设Fh=1,关公式进行计算得；因此，滚珠丝杠的最大动载荷：FQ 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表331，选择25043型滚珠丝杠副，公称直径为25mm，导程为4mm。由于,所以可以选用这型号的滚珠丝杠副。又由于，所以不需要考虑其另一种失效形式。1.8.2.3 滚珠丝杠螺母副的传动效率为式中，为丝杠螺旋升角，可根据初选型号查出；为摩擦角约等于。滚珠丝杠副的传动效率较高，一般取0.8-0.9之间。1.8.2.4 刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性。滚珠丝杠的轴向变形包括丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚到的接触变形、丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。滚珠丝杠的扭转变形较小，对纵向变形的影响更小，可忽略不计。螺母座设计得合理，其变形量也可忽略不计。丝杠轴承的轴向接触变形计算方法可参考机械设计相关手册。可供滚珠丝杠支承使用的滚动轴承种类很多，最上面的那根丝杆轴承选用角接触球轴承，最下面那根选用深沟球轴承。两种轴承的承载能力好，因此，只要滚珠丝杠支承的刚度设计得好，轴承的轴向接触变形在此可以不予考虑。丝杠的拉压变形量滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量：式中，为工作载荷作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量（）；为丝杠的工作载荷（N）；a为滚珠丝杠在支承键的受力长度（）；E为材料弹性模量。钢；A为滚珠丝杠按内径确定的截面积。“+”号用于拉伸，“-”号用于压缩。滚珠与螺纹滚道间的接触变形量该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠长度无关。可从工厂的产品样品中查出，或用下式计算：有预紧时：式中，为滚珠直径（）；为滚珠总数量；Z为圈的滚珠数，3（内循环）；为滚珠丝杠的公称直径（）；为预紧力（kgf,1kgf=9.8N）;为滚珠丝杠工作载荷（kgf,1kgf=9.8N），当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，值可减少一半左右。；滚珠丝杠副的刚度验算丝杠的总变形量应小于允许的变形量。一般不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半。或者，由丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它小。否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠副。所以，丝杠的总变形量为：丝杠作拉伸时：查表3-27可知，滚珠丝杠刚度满足要求。2.8.3 压杆稳定性验算滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为：式中，E为丝杠材料弹性模量，对钢E=；I为截面惯性矩。对丝杠圆截面为丝杠最大工作长度（）；为丝杠支承方式系数，本设计选用“双推简支”结构，fZ2，K3。远大于工作载荷Fm269.2N综上所述，初选的滚珠丝杠副符合设计要求。1.8.7联轴器型号的选择 挠性联轴器，它结构简单、制造方成本低、工作可靠、装拆、维护均较简便，传递转矩较大，能保证两轴具有较高的对中精度，一般用于载荷平稳、高速或传动精度要求较高的轴系传动。同时它不具备径向、轴向和角向的补偿性能，使用时如果不能保证被联接两轴对中精度，将会降低联轴器的使用寿命，传动精度和传动频率，并引起振动和噪声。从 MST一体狭缝切割型金属挠性联轴器。 狭缝切割构成的弹簧板，可容许偏心、偏角及轴向偏差。 高扭矩刚性和灵敏度。 顺、逆时针回转特性完全相同。 有铝合金和不锈钢两种材质。 外径尺寸范围863。选用范围广。 本次设计选用的联轴器是MST-32联轴器，同时根据联轴器与电动机和滚珠丝杠轴端相连接，现选用连接电动机一端的；连接丝杠轴端的，L=41。 根据滚珠丝杠轴头尺寸并考虑与联轴器连接的轴端直径取为。 具体的要求看下面的滚珠丝杠副轴头尺寸推荐表。 1.9 步进机的选用 1.9.1 根据脉冲当量和最大静转矩初选择电机型号 1.9.1.1步进机的选择 选择步进机步距角时，应根据系统的控制精度要求，运行速度要求来选择合适的步距角。定位精度要求不高的控制系统可以选择步进角大、运行频率低的步进机；定位要求较高、运行速度范围较广的控制系统，则应选择步距角较小、运行频率较高的步进机。从步进机技术参数表（2-18或表2-19）可查到步距角，从式（2-1）中可知步距角及减速比i与脉冲当量丝杆导程有关。初选电机时应合理选择和i，并且满足： 0.005mm，4mm i=1，则0.45，考虑到驱动器的细分功能，故初选步距角0.75（一）初选步进电机 （1）计算步进电机负载转矩T负 式中 脉冲当量(mm/step)；为Y向丝杠的牵引力(N)；步距角，初选0.75;电机丝杠的传动效率(3)估算步进电极的启动转距(4)计算最大静转距查表3-22，则(5)初选步进电极的型号根据估算出的最大静转矩在表3-23中查出70BF006最大静转矩为49N可以满足要求(3) 步进电机的转矩校核1.9.1.2 传动系统等效传动惯量计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载，选用电动机时必须考虑，由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在个传动部件转动惯量向点机轴的折算问题。最后，要计算整个传动体折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量1.9.1.3 转动惯量的计算基本公式对于轴、轴承、齿轮、丝杆等圆柱体得转动惯量计算公式为 (2-2)对于钢材，材料密度为（kg/cm）,代入式有 (kgcm) 公式中:为圆柱体质量（kg） D为圆柱体直径（cm） L为圆柱体长度（cm）。电机转子转动惯量可由表查出。注意，计算时，齿轮和工作台均按实体计算（即齿轮轴孔和工作台T型槽挖空的部分忽略不计），滚珠丝杆则按照滚珠丝杆的中径为直径的实心圆柱体计算。1.9.2 滚珠丝杆转动惯量 折算按上述结论，滚珠丝杆转动惯量折算到电机轴上为; i为丝杆与电机轴之间的总转动比。所以 = = =0.744kgcm1.9.3.工作台质量折算工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杆轴上的转动惯量可按下式进行 式中； 为丝杆导程（cm）；M为工作台质量（kg）。由上面的计算有M=11.76kg所以代入数据得 =0.0481.9.4 传动系统等效转动惯量计算 式中： 为传动系统等效转动惯量; 为电机转子的转动惯量。由表查得 = 0.519。=1.311kgcm。考虑步进电机与传动系统的惯量匹配问题。基本满足惯量匹配的要求。(2)电极转距的验算1）2） 式中 导轨的摩擦力(N)；垂直方向的切削力（N）；G运动部件的总重量（N）；导轨的摩擦系数，取O.O05；齿轮的减速比；传动链总效率，一般可取0.70.8。3）空载启动：快进时时间为工进时时间为因为，所以4）快进5）匀速切削时6）加速切削时从上面计算可以看出，四种工作情况下，以加速切削时所需转矩最大，即以此项作为校核步进电机转矩的依据。从表3-22查出70BF006型步进电机为三相六拍时，则最大静转矩为70BF006型步进电机最大静转矩为Tjmax，可以满足此项要求。第2节 滚动轴承的寿命验算采用一对型号为6203的深沟球轴承承受径向力，一对型号为7205AC的角接触球轴承承受轴向力。(一) 深沟球轴承的寿命验算6203轴承的基本额定动载荷基本额定静载荷轴向力由角接触球轴承承受所以：Fa=0 ， 轴承所承受的径向最大估算为：轴承承受的径向力为丝杠自重和丝杠产生的径向力Fr =Ft tan20=2T/d X tan20=2X1.96/54X10Xtan20=26.42N考虑丝杠自重，外加冲击以及其他力。最终估算轴承承受的最大径向力Fr1=50NP= Fr1=50 15000h式中 温度系数，取1；载荷性质系数，机床为中等冲击，选1.21.8,取1.5；n轴承转速，；最大进给速度；寿命指数，球轴承；由计算可知6203型深沟球轴承的寿命远远足够。（二）角接触球轴承的寿命验算所选7202AC轴承的基本额定动载荷基本额定静载荷因为所选轴承是25角接触球轴承 所以 Fs =0.68 Fr -内部轴向力FA =F切 + Ff +1/3F负载=200+0.005X800+1/3x269.2=293.7N -外部轴向力角接触球轴承承受的径向力为丝杠自重和丝杠产生的径向力Fr =Ft tan20=2T/d X tan20=2X1.96/88X10=26.42N最终估算角接触球轴承承受的径向力Fr1=50 N则 Fs=Fs=0.68 Fr=34 N设轴承采用面对面安装，端为压紧端轴承(左)所承受轴向力， e , 所对应的e为1.14则由表14-5查得 因，所以取和中的大值，即为计算寿命的依据。 15000 h式中 温度系数，取1；载荷性质系数，机床为中等冲击，选1.21.8,取1.5；n轴承转速，；最大进给速度；寿命指数，球轴承；由计算可知7202AC型角接触球轴承的寿命远远足够。2.控制系统设计 2.1控制系统硬件的基本组成 本设计采用开环控制系统.硬件的基本组成如下图:键盘显示控制微机驱动系统控制对象(设备)辅助控制 一、数控系统的组成数控系统是由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础 ，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。机床的硬件电路有以下五部分组成:（一）主控制器 即中央处理单元（CPU）；（二）总线 包括数据总线，地址总线和控制总线；（三）存储器 包括程序存储器和数据存储器；（四）接口 即I/O输入/输出接口电路；（五）外围设备 如键盘、显示器及光电输入机等第二节CPU和存储器一、CPU和存储器的扩展CPU采用80C31芯片，由于80C31芯片片内无程序储存器，需要有外部程序存储器的支持，故扩展了16KB程序存储器，由两片2764组成，同时80C31内部只有128B的数据存储器，也远不能满足控制系统的要求，故又扩展了两片6264数据存储器。80C31芯片的P2和P0用来传送外部存储器的地址和数据，P2口传送高8位地址，P0口传送低8位地址和数据，故要采用74LS 373地址锁存器，锁存低8位地址。ALE作为选通信号，当ALE为高电平，锁存器的输入和输出透明，即输入的低8位存储器地址在输出端出现，此时不需要锁存。当ALE从高电平变为抵电平，出现下降沿时，低8位地址锁存器中，74LS 373的输出不再随输入变化，这样P0口就可以用来传送读写的数据了。80C31芯片的P2口和74LS 373送出的P0口芯片16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址线。A0 A7低8位接74LS 373的输出A8 A12接80C31芯片的P2.0 P2.4 。系统采用全地址译码，两片2764芯片片选信号分别接74LS 138译码器的 和 ，系统复位以后程序从0000H开始执行。62256芯片的片选信号也接74LS138的，单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即允许地址重叠），80C31芯片控制信号接2764的引脚，读写控制信号和分别接6264芯片的和，以实现外部数据存储器的读写。由于80C31芯片内部没有ROM故始终要选外部程序存储器，故其必须接地。第三节I/O接口电路一、I/O接口电路的扩展由于80C31只有P口和P口部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入输出口的要求，因此系统扩展了一片8279和两片8255可编程I/O接口芯片。8279的片选信号接74LS138的端。8255的片选信号分别接74LS138的端。74LS138有三个输入A、B、C分别接到80C31的P、P、P,输出8个输出，低电平有效。I/O接口芯片与外设的连接是这样的：键盘的行线接8279的RLRL.8279选用外部译码方式，SLSL经74LS138译码器输出，按键盘的列线，SLSL又由74LS138译码器输出，经驱动后输出到显示器各位的公共阴极，输出线OUTB、OUTA作为8位段数据输出口，控制74LS138的译码，当位切换时，输出低电平，使74LS138输出全为高电平，当键盘上出现有效的闭合健时，键输入数据自动的进入8279的FIFO RAM中的输入键值，更新显示器输出，仅需改变8279种显示缓冲器RAM中的内容。8255的PA口用于控制X向,Y向的步进电机的运转。此系统采用软环分配，PB口和PC口主要用于功能键的控制。PBPB为三个方向的点动及回零输入。PCPC为面板上的选择开关，没有逻辑、单步运行、单段运行、自动、手动、手动等方式。第4节 各种芯片的工作方式及性能特点介绍一、8031单片机芯片的介绍系列单片机是美国ntel公司在系列单片机基础上推出的产品，主要有三种型号的产品：、和。而80C31片内无ROM，适用于需扩展ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。（一）80C31单片机其特点如下：.具有功能很强的8位中央处理单元；.片内有时钟发生电路（6MHz或12MHz）,每执行一条指令的时间为2us或1us；.片内具有128字节RAM；.可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节外部程序存储器；.具有4个I/O口，32根I/O线；.具有5个中断源，配备两个中断优先级；.具有一个全双功串行接口；.具有21个特殊功能寄存器；.具有位寻址能力，使用逻辑运算；. 具有2个16位定时/计数器；从上述特性可知，一块的功能几乎相当于一块、一块、一块、两块和两块所组成的微机系统。可以看出这种芯片集成度高、功能强、只需增加少量的外围器件就可以构成一个完整的微机系统。（二）8031芯片具有40根引脚，其引脚图如下图所示 根引脚按其功能分为四类：.电源线2根（V,V）.晶体振荡器2根XTAL:振荡器的反向放大器输入。使用外部振荡器时必须接地。XTAL:当使用外部振荡器时用于输入外部震荡信号.I/O口 共用P,P,P,P四个八位口，32根地址线，其功能如下：（）PP：端口分时用作低8位地址线和8位双向数据端口（）PP：专供用户使用（3）PP：在访问外部存储器时，它输出高8位地址线（）PP：该口的每一位均可独立的定义为第一I/O口或第二I/O口功能作为第一功能实用时，口结构与操作与P口完全相同。第二功能如下所示：RxD:串行输入口 TxD:串行输出口、：外部中断 T,T:定时器0，1外部输入：外部数据存储器写选通 ：外部数据存储器读选通.控制线（） ：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选通信号；（）：为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令；为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器的指令，8031的端口必须接地；（）ALE：ALE是地址锁存器的使能信号，ALE信号锁存低8位地址（）RST/VPD：是复位/备用电源端二、8255可编程接口芯片的介绍8255有3个8位的并行I/O口，为PA口、PB口和PC口，他们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式。其引脚图如图所示：其功能如下：DD:数据线 PAPA:A口PBPB:B口 PCPC:C口A,A:地址线 RD：读信号WR: 写信号 CE：片选信号RESET:复位信号 GND:地三、专用键盘显示器接口芯片8279的介绍8279是通用可编程键盘和显示器I/O接口部件。利用8279，可实现对键盘/显示器的自动扫描，并判别键盘上闭合健的键号，不仅可以大大节省CPU对键盘显示器的操作时间，从而减轻CPU的负担，而且显示稳定。程序简单，不会出现误动作，其引脚图如图所示。各引脚功能如下：I/O控制器与数据缓冲器利用、A和、信号去控制各种内部寄存器读写。A=1，表示传送的是命令或状态信息；A=0时数据信息。DBDB与CPU数据总线相连，为片选信号，为低电平时，CPU选中8279读写。IRQ为中断请求输出线，高电平有效。RLRL为反馈输入线，由内部拉高电阻拉成高电平，也可由按键拉成低电平。HIFT、CNTL/STB为控制键输入线，由内部拉高电阻拉成高电平。SLSL为扫描输出线，用于对键盘显示器扫描。SOUTB,OUTA为显示段数据输出线可分别作为两个半字节输出，也可以作为8位段数据输出口。为消隐输出线，低电平有效，当显示器切换时，或使用显示消隐命令时，将显示消隐。RESET为复位输入线，高电平有效。第5节 辅助电路的设计一、辅助电路的介绍微机数控系统除了各种主要功能芯片外，还必须包括一些其他必要的辅助电路。这些辅助电路有：键盘显示电路，步进电机控制电路，复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等。各种电路介绍如下：（一）键盘显示接口电路数控系统中使用的显示器有：LED显示器，LCD显示器和CRT显示器。此次设计中使用出于成本的考虑，且LED显示器可以满足这次设计要求，LED显示器有八个发光二极管组成的，他的结构有共阴极和共阳极两种。具体结构如图所示：键盘是由若干按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，其工作原理如图所示：2.2 步进电机控制电路2.2.1 步进电机开环驱动原理 步进电机主要分三类:反应式,永磁式,以及永磁感应子式.步进电动机开环伺服系统由脉冲信号源,脉冲分配器,功率放大器和步进电动机组成.2.2.2脉冲分配 脉冲分配器是将控制脉冲按规定的通电方式分配到各相,该分配可由硬件来实现.要微机控制系统中,脉冲分配由软件来完成,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3四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.2.3.驱动电路由微机根据控制要求发出的脉冲,并并依次将脉冲分配给各相绕组,因其功率很小,电压幅度不足5V,电流为mA级,必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培,才能驱动步进电机. 本设计选用高低压驱动电路. 无脉冲时,T1,T2,T3,T4均截止,电机绕组La中无电流通过,电机不转. 有脉冲时, T1,T2, T4饱和导通,在T2由截止到饱和期间,其集电极电流急速增加,在变压器次级感生一个电压,使T3导通,80V高压经高压管T3加入La上,使电流迅速上升,T2进入稳压状态,Tp初级电流暂时恒定,次级的感应电压降到0,T3截止,12V低压电流经D2加到绕组La上,维持La中的电流为恒定值.输入脉冲结束后, T1,T2,T3,T4又均截止,储存在La中的能量通过18的电阻和二极管泄放.光隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流也较大。如果将I/O口输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机的程序正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般要在接口电路与功率放大器间加上隔离电路，实现电气隔离。本次设计所选用的光隔离输出电路如图所示 上图为同向输出电路，控制信号经74LS05集电极开路门反向后驱动光耦合器的输入发光二极管。当控制信号为低电平时，74LS05不吸收电路，发光二极管不导通，从而输出的光敏晶体管截至，输入电压为零点平。反之输入电压为高电平。.功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不满足步进电机的要求，必须将它放大，已产生足够大的功率驱动步进电机正常运转，本次设计所选用的是一种恒流斩波供电电路。.8031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。本次设计采用的是内部方式，如图所示。晶体可在1.212MHz之间任选，耦合电容在530PF之间，对时钟有微调作用。.复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000H单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。下图中为上电与按钮复位组合。在上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效复位。6.越界报警电路为了防治工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。本次设计中采用中断方式，利用8031的外部中断，只要有任一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生中断信号，为了报警，设置红绿灯指示，正常工作时绿灯亮，当越界报警是红灯亮。两灯均由一个I/O口输出。下图（a）为报警信号的产生。 (b)为报警指示。.掉电保护电路掉电保护电路，能使在加工过程中，一些重要的现场参数，如几何尺寸，工艺参数，再掉电后仍能妥善保存，恢复供电后又能马上运行。右图为一掉电保护电路。图中V为电源电压，V为备用电池电压并且VV，V为存储器RAM电源端，正常通电时，二极管VD导通，VD截止，RAM的工作，电压由V提供，同时V还通过电阻R对电池充电。断电后，VD截止，VD导通，此时RAM的工作电压由电池V经二极管VD和R供给。在以单片机为核心的控制系统中,大多采用MCS-51系列单片机的8031芯片,经过扩展存储器,接口和面板操作开关等,组成完善,抗干扰性能强的控制系统.8031内部包含一个8位CPU,128字节的RAM,两个16位的定时器,四个8位并行口,一个全双工串行口,可扩展的程序和数据存储器各64KB,有5 个中断源. 本系统电路是用MCS51系列单片机组成的控制系统，采用8031作CPU，扩展了两片2764芯片、一片6264芯片、两片8155芯片,一片74LS138芯片和一片74LS373芯片.2.4.控制系统软件的组成及结构. 以单片机为核心的数控微机控制系统软件一般包括监控模块,插补计算模块,步进电机控制模块等. 本设计采用主程序加中断程序结构.主程序运行过程中,实时中断程序不断插入,共同完成机电设备的控制.2.4.1.步进电机控制模块 由表5-4四相八拍脉冲分配控制数据表可知,当从8031的P1口输出数据EEH时,X向和Y向两个步进电动机的A相绕组都通电; 当输出数据ECH时,Y向步进电动机的A相通电,X向步进电动机的A,B相都通电;当按节拍序号顺序循环控制时,步进电动机正转; 当按节拍序号倒序循环控制时,步进电动机反转.对应子程序:XPD: CLR 01H MOV R1,#52HMOV C,02HAJMP PPDYPD: SETB 01H MOV R1,#53HMOV C,03HPPD: JC PPD2INC R1CJNE R1,#09H,PPD3MOV R1,#01HAJMP PPD3PPD2: DEC R1CJME R1,#00H,PPD3MOV R1,#08HPPD3:MOV A,R1ADD A,#01HMOVC A,RA+PCAJMP PPD5TABLE: DB: 0EEH,0CCH,0DDH,99H DB: 0BBH,33H,77H,66H PPD5: JB 01H.PPD6ANL A,#0FHANL 55H,#0F0HORL 55H,ARETPPD6; ANLA,#0F0HANL 55H,#0FHORL 55H,ARET说明: 标号XPD和YPD分别为向X向及Y向步进电机分配脉冲时的子程序入口;位02H,03H分别是X向,Y向步进电动机正反转转标志位;55H为脉冲分配控制数据缓冲单元.2.4.2.直线插补程序设计 用逐点比较法进行直线插补计算.设计程序时,在RAM数据区分别存放终点坐标值Xe,Ye,动点坐标值X,Y,偏差Fm.所有的数据必须进行初始化,如置初始值,X,Y向步进电机初态(控制字). 插补程序所用的内存单元如下:28H29H2AH2BH2CH70HXeYeXYFmD0D7任一位D1 D0为X向电机控制位.D0=1运行,D0=0停止;D1=1正转,D1=0反转.D3 D2为Y向电机控制位.D2=1运行,D2=0停止;D3=1正转,D1=3反转.第一象限直线插补程序框图如下:第一象限直线插补程序如下: ORG 2000HMAIN: MOV SP,#60HLP4: MOV 28H,#0C8H:Xe MOV 29H,#0C9H;Ye MOV 2AH,#00H;X MOV 2BH,#00H;Y MOV 2EH,#00H;F MOV 70H,#0AHLP3: MOV A,2EH JB ACC.7,LP1 MOV A,70HSETB ACC.0CLR ACC.2MOV 70H,A;置控制字0B,+X方向进给LCALL MOTR ;调用步进电机的控制子程序,+X方向进给一步LCALL DELAYMOV A,2EHSUBB A,29H; F-XeINC 2AH;X+1AJMP LP2LP1: MOV 70H,A;置控制字0E,+Y方向进给LCALL MOTR ;调用步进电机的控制子程序,+Y方向进给一步LCALL DELAYMOV A,2EHADD A,28H;F+XeLP2: MOV 2EH,AMOV A,28HCJME A,2AH,LP3;Xe=X?RET程序中MOTR为步进电动机的控制子程序.2.4.3.键盘输入程序在机电系统的人机接口中，当需要操作者输入的指令或参数比较多时，可以选择键盘作为输入接口。（1）矩阵式键盘工作原理由一组行线与一组列线交叉构成，按键位于交叉点上，为对各个键进行区别，可以按一定规律分别为各个键命名键号。（2）键输入程序设计方法在输入键输入程序时，应考虑下面四项功能：1） 判断键盘上有无键闭合2） 判断闭合键键号3） 去除键的机械抖动4） 使控制微机对键的一次闭合仅作一次处理 根据以上四项功能要求，可按键盘输入程序框图编制相应的键盘输入程序。 ACALL KS1 ；判是否有键闭合 JNZ KEY1 KEY0: RETKEY1: ACALL KS2 ；调求键值子程序 MOV 20H,A ACALL DL10 ；调延时子程序 ACALL KS2 CJNE A,20H,KEY0KEY2: ACALL KS1 ；判键释放否 JNZ KEY2 ACALL DL10 ACALL KS1 JNZ KEY2 RETKS1: MOV P1,#00H MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL AKS2: MOV P1,#0FEH ；PC0=0 MOV 21H,#00H ；列首号存21H中 MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL A JNZ KS20 ；零列有键闭合 MOV P1,#0FDH ；PC1=0 MOV 21H,#04H MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL A JNZ KS20 ；一列有键闭合 MOV P1,#0FBH ；PC2=0 MOV 21H,#08H MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL A JNZ KS20 ；二列有键闭合 MOV P1,#F7H ；PC3=0 MOV 21H,#0CH MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL A JNZ KS20 ；三列有键闭合 MOV P1,EFH ；PC4=0 MOV 21H,#00H MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL A JNZ KS20 ；四列有键闭合 MOV P1,#DFH ；PC5=0 MOV 21H,#04H MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL A JNZ KS20 ；五列有键闭合 MOV A,#0FFH ；错误处理 RETKS20: ADD A,#03H ；加偏移量 MOVC A,A+PC ；查表求列序号 ADD A,21H ；求键号存A中 RET DB 00H,01H,02H,03H,04H,05H DB 05H,05H,05H,05H,05H 2.2.4 LED 显示器显示程序 显示子程序清单如下:XS: MOV DPTR,#7FF8H ;8155命令寄存器地址送DPTR MOV A,#03H ;8155初始化 MOVX DPTR,A ;PA,PB为输出口8155初始化MOV R0,#30H ;缓冲MOV R1,#01H ;区地址MOV A,R1 ;指向PA口置显示缓冲区指针初值30H-R0XS1: MOV DPTR,#7FF9H ;扫描字送PA口MOVX DPTR,A ;指向PB口INC DPTR ;取显示数据置扫描数据初值,#01H-R1MOV A,R0 ;加偏移量ADD A,#0DH ;查表取数据MOVC A ,A+PC ;送PB口R1-8155PA口MOVX DPTR,AACALL