二维平台设计说明书.doc

内蒙古工业大学本科课程设计说明书目 录第一章 二维运动平台总体方案设计1第二章 二维运动平台进给伺服系统机械部分设计计算32.1 确定系统脉冲当量32.2 确定系统切削力32.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型32.4滚动导轨副的计算与选型112.5 计算减速比i132.6步进电动机的计算和选型13第三章 微机数控硬件电路设计203.1 MCS51系列单片机简介213.1.1 MCS51系列指令系统简介213.1.2 定时器/计数器213.1.3 中断系统233.2 存储器扩展电路设计233.2.1 程序存储器的扩展233.2.2 数据存储器的扩展243.2.3 译码电路设计243.3 I/O接口电路及辅助电路设计263.3.1 8155 通用可编程接口芯片263.3.2 8255 通用可编程接口芯片283.3.3 键盘显示接口电路303.3.4 电机接口及驱动电路313.3.5 辅助电路31参考文献3334第一章 二维运动平台总体方案设计1.1系统的运动方式与伺服系统的选择为了满足二维运动平台实现X.Y两坐标联动，任意平面曲面的加工，自动换象限，越位报警和急停等功能，故选择连续控制系统。考虑到工作台的加工范围，不考虑误差补偿，故采用开环控制系统，由于任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm,定位精度也未达到微米级，因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，可以选用性能好一些的步进电动机进行驱动，以降低成本，提高性价比。1.2机械传动方式电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.01mm的脉冲当量和0.10mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠螺母副才能达到。同时，为提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。1.3计算机系统根据设计要求，采用8位微机。由于MCS51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS51系列的8031、80C31、8086、DSP、基于DSP的运动控制芯片，ARM嵌入式微处理器技术。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。数控机床总体方案设计，X.Y数控工作台总体方案设计分别见图1.1微机环形分配器环形分配器光电耦合光电耦合功率放大功率放大X步进电动机Y步进电动机X工作台执行元件Y工作台执行元件图1.1 X.Y数控工作台总体方案设计第二章 二维运动平台进给伺服系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的脉冲当量、确定系统的负载、运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定步进电动机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图等。现分述如下：2.1 确定系统脉冲当量一个进给脉冲，使运动部件产生的位移量，称为脉冲当量。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数 。根据设计要求，二维运动平台采用的脉冲当量是0.01mm/step。2.2 确定系统切削力根据设计要求，机床的切削负载为：X向600N；Y向700N；Z向800N；G为1000N。2.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠螺母副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。2.3.1横向进给丝杠1、计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为综合导轨的计算公式。计算公式为：式中 、-切削分力（N）； -移动部件上的重量（N）； -主轴上的扭距（Ncm）； -导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同； -考虑颠复力矩影响的实验系数；综合导轨的 , ，取，式中， ，代入计算得 2、计算最大动载荷选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载，用下式计算选择： 式中 -寿命，以10转为一单位 -温度系数，小于100摄氏度=1 -硬度系数，=1 -精度系数，三级精度=1 -可靠度系数，可靠度为95%，=0.62 -为运转系数；有一般运转时 =1.2-1.5 -丝杠转速，用下式计算 -为最大切削力条件下的进给速度， -丝杠导程，； -为使用寿命，对于数控机床取； 初选导程=5，由任务书可知最大切削力下的速度，则,代入公式可计算得 =120 3、滚珠丝杠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，选用海特公司生产计划的SCI系列SCI026044所选丝杠螺母副规格如下（其中载荷单位为kgf）表2-1 丝杠螺母副规格根据以上算得的最大动负载在表中选用型号额定动载荷为，满足前面进给方向的要求。4、传动效率计算将公称直径mm，导程，代入滚珠丝杠螺母副的传动效率： 式中 -丝杠螺旋升角； -摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。由选用的W1L2506的滚珠丝杠的相关数据可知丝杠螺旋升角代入公式计算得 5、刚度验算滚珠丝杠螺母副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动稳定性。因此，应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量、滚珠与螺纹滚道间的接触变形。此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图2.1所示。最大牵引力为=443N，由螺母装配总长度为=60mm,平台移动行程=320mm,导程余量=90mm，可预计丝杠螺纹长度，由以及轴承宽B=10m，防护罩收缩后长度=35可确定丝杠在支承间的受力长度为。丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3，选择波行管防护装置。 GJ ML图2.1 纵向进给系统计算简图(1)、丝杠的拉伸或压缩变形量查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-31得，滚珠直径,丝杠底径，丝杠横截面积S=211.1 ,已知=695.4，钢的材料弹性模量E= 。将各个数据代入下式得=（2）、滚珠与螺纹滚道间接触变形根据公式,求得单圈滚珠数Z=23；该型号丝杠为单螺母滚珠的圈数列数为41，代入公式：圈数列数，得滚珠总数量=92。丝杠预紧时，取轴向预紧力=1/3=231.8N,代入下式得 因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的13，所以变形量可减小一半，取=0.0027.5。（3）将以上算出的和代入=，求得丝杠总变形量=0.005850.0027.5=0.0086本课题中，丝杠的有效行程为320，由机电一体化系统设计课程设计指导书表3-27可知，五级精度滚珠丝杠有效行程在小于400时，行程偏差允许达到25,可见丝杠刚度足够，满足要求。6、稳定性校核滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负荷时，应验算其是否产生弯曲失稳现象。查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-34得，取支承系数=1，由丝杠底径，求得截面惯性矩，压杆稳定安全系数K取3，丝杠在支承间的受力长度为=569mm。代入下式得=11064N，远大于工作负载695.4N,故丝杠不会失稳。综上所述,初选的纵向滚珠丝杠副满足使用要求。2.3.2纵向进给丝杠1、计算最大工作载荷作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，其数值大小和导轨的型式有关。选用综合导轨，则纵向进给牵引力：式中K颠覆力矩影响系数，取K=1.15；导轨上的摩擦因数，=0.003；由任务书知G=1000N， =800。求得横向滚珠丝杠副的最大工作载荷： 2、计算最大动负载选用滚动丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回互转100万转后，在它的辊道上不产生点蚀现象。这个轴向负荷的最大值即为该滚珠丝杠能承受的最大负荷 式中 滚珠丝杠导程，初选=5mm； 最大切削力下的进给速度此处=0.6m/min； 使用寿命，按15000h； 运转系数，按一般运转取=1.5； 寿命、以转为1单位；3、滚珠丝杠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，选用海特公司生产计划的SCI系列SCI026044所选丝杠螺母副规格如下（其中载荷单位为kgf）表2-1 丝杠螺母副规格根据以上算得的最大动负载在表中选用型号额定动载荷为，满足前面进给方向的要求。4、传动效率计算将公称直径mm，导程，代入滚珠丝杠螺母副的传动效率： 式中 -丝杠螺旋升角； -摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。由选用的W1L2506的滚珠丝杠的相关数据可知丝杠螺旋升角代入公式计算得 5、刚度验算滚珠丝杠螺母副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动稳定性。因此，应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量、滚珠与螺纹滚道间的接触变形。此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图2.1所示。最大牵引力为=810.4N，由螺母装配总长度为=40mm,平台移动行程=400mm,导程余量=40mm，可预计丝杠螺纹长度，由以及轴承宽B=10mm，防护罩收缩后长度=55mm可确定丝杠在支承间的受力长度为。丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3，选择波行管防护装置。 GJ ML图2.2 横向进给系统计算简图(1)、丝杠的拉伸或压缩变形量查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-31得，滚珠直径,丝杠底径，丝杠横截面积S=211.1 ,已知=810.4，钢的材料弹性模量E= 。将各个数据代入下式得=（2）、滚珠与螺纹滚道间接触变形根据公式,求得单圈滚珠数Z=23；该型号丝杠为单螺母滚珠的圈数列数为41，代入公式：圈数列数，得滚珠总数量=92。丝杠预紧时，取轴向预紧力=1/3=270.1N,代入下式得 因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的13，所以变形量可减小一半，取=0.0032。（3）将以上算出的和代入=，求得丝杠总变形量=0.00680.0032=0.01本课题中，丝杠的有效行程为400，由机电一体化系统设计课程设计指导书表3-27可知，五级精度滚珠丝杠有效行程在小于500时，行程偏差允许达到27,可见丝杠刚度足够，满足要求。6、稳定性校核滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负荷时，应验算其是否产生弯曲失稳现象。查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-34得，取支承系数=1，由丝杠底径，求得截面惯性矩，压杆稳定安全系数K取3，丝杠在支承间的受力长度为=651mm。代入下式得=10156N，远大于工作负载810.4N,故丝杠不会失稳。综上所述,初选的纵向滚珠丝杠副满足使用要求。2.4滚动导轨副的计算与选型2.4.1纵向滚动导轨副目前，滚动导轨在数控机床上应用十分广泛，因为其摩擦系数小，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好，低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，故选滚动导轨。(1) 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨使用寿命的重要因素。本课题中的X-Y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，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量G=1000N，外加载荷，代入上式，得最大工作载荷=1050N。根据工作载荷=1050，初选直线滚动导轨副的型号为海特公司生产的SBG 15 FL型滚动导轨，其额定动载荷=14.5，额定静载荷=25.5。 任务书规定工作台平面尺寸为320400，考虑工作行程应留有一定余量，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-35，按标准系列，选取纵向导轨的长度为640。(2) 距离额定寿命L的计算 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，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-36至表3-40，分别取硬度系数=1.0、温度系数=1.00、接触系数=0.81、精度系数=0.9、载荷系数=1.5，代下式得距离寿命： 远大于期望值100km,故距离额定寿命满足要求。2.4.2横向滚动导轨副目前，滚动导轨在数控机床上应用十分广泛，因为其摩擦系数小，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好，低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，故选滚动导轨。(3) 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨使用寿命的重要因素。本课题中的X-Y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，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量G=1000N，外加载荷，代入上式，得最大工作载荷=1050N。根据工作载荷=1050，初选直线滚动导轨副的型号为海特公司生产的SBG 15 FL型滚动导轨，其额定动载荷=14.5，额定静载荷=25.5。 任务书规定工作台平面尺寸为320400，考虑工作行程应留有一定余量，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-35，按标准系列，选取纵向导轨的长度为640。(4) 距离额定寿命L的计算 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，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-36至表3-40，分别取硬度系数=1.0、温度系数=1.00、接触系数=0.81、精度系数=0.9、载荷系数=1.5，代下式得距离寿命： 远大于期望值100km,故距离额定寿命满足要求。2.5 计算减速比i已知工作台的脉冲当量，滚珠丝杠的导程，初选步进电动机的步矩角，代入下式得: =0.83，取。 2.6步进电动机的计算和选型2.6.1纵向步进电动机1、计算加在步进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，总长，导程，材料密度；移动部件总重力，由公式得滚珠丝杠的转动惯量；由公式得拖板折算到丝杠上的转动惯 ，传动比i=1。初选步进电动机由常州宝马集团公生产，其型号为90BYG2602，为两相混合式，二相八拍驱动时步矩角为，查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5得该型号电动机转子的转动惯量。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： 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公式可知,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与今后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据公式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有： = 根据公式，考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： 式中 - 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为； - 步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为s。 其中： 式中 - 空载最快移动速度，任务书指定为1000； - 步进电动机步矩角，预选电动机为； - 脉冲当量，任务书指定为（开环系统）。将以上各值代入式 中，得=208r/min。设步进电动机由静止到加速至转速所需时间=0.4s,传动链总效率=0.7。则由公式求得 0.094Nm由式=可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 =式中 - 导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005； - 垂直方向的铣削力，空载时取0 - 传动链总效率，取0.7。则由式=求得 0.0081，最后由式=，求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： =0.1021（2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 由式可知，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，相对于和很小，可以忽略不计。则有： 其中，电动机转轴上的最大工作负载转矩由式计算。本课题中对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给负载=700N，则有： = 再由式=计算垂直方向承受最大工作负载（）情况下，移动部件运动时这算到电动机转轴上的摩擦转矩：=最后由，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为： =0.6451经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为 3、步进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，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本课题中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 上述初选的步进电动机型号为90BYG2602, 由机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5查得该型号电动机的最大静转矩=。可见，满足上式要求。4、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 任务书给定工作台最快工进速度，脉冲当量，由式求出电动机对应的运行频率。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图（下图所示）可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩5.7N,远大于最大工作负载 ，满足要求。（2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度，仿照式求出电动机对应的运行频率。从上图中可以查得，在此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载起动时的负载转矩，满足要求。（3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与最快空载移动速度对应的电动机运行频率为。查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz,可见没有超出上限。（4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率（查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5）。则由可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率： Hz 此式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率小于1223Hz。实际上，在采用软件升降时，起动频率选得更低，通常只有100Hz(即100step/s)。 综上所述，本课题中工作台的纵向进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。2.6.2横向步进电动机1、计算加在步进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，总长，导程，材料密度；移动部件总重力，由公式得滚珠丝杠的转动惯量；由公式得拖板折算到丝杠上的转动惯 ，传动比i=1。初选步进电动机由常州宝马集团公生产，其型号为90BYG2602，为两相混合式，二相八拍驱动时步矩角为，查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5得该型号电动机转子的转动惯量。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： 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公式可知,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与今后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据公式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有： = 根据公式，考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： 式中 - 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为； - 步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为s。 其中： 式中 - 空载最快移动速度，任务书指定为1000； - 步进电动机步矩角，预选电动机为； - 脉冲当量，任务书指定为（开环系统）。将以上各值代入式 中，得=208r/min。设步进电动机由静止到加速至转速所需时间=0.4s,传动链总效率=0.7。则由公式求得 0.094Nm由式=可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 =式中 - 导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005； - 垂直方向的铣削力，空载时取0 - 传动链总效率，取0.7。则由式=求得 0.0081，最后由式=，求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： =0.1021（2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 由式可知，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，相对于和很小，可以忽略不计。则有： 其中，电动机转轴上的最大工作负载转矩由式计算。本课题中对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给负载=600N，则有： = 再由式=计算垂直方向承受最大工作负载（）情况下，移动部件运动时这算到电动机转轴上的摩擦转矩：=最后由，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为： =0.5541经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为 3、步进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，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本课题中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 上述初选的步进电动机型号为90BYG2602, 由机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5查得该型号电动机的最大静转矩=。可见，满足上式要求。4、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 任务书给定工作台最快工进速度，脉冲当量，由式求出电动机对应的运行频率。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图（下图所示）可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩5.7N,远大于最大工作负载 ，满足要求。（2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度，仿照式求出电动机对应的运行频率。从上图中可以查得，在此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载起动时的负载转矩，满足要求。（3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与最快空载移动速度对应的电动机运行频率为。查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz,可见没有超出上限。（4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率（查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5）。则由可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率： Hz 此式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率小于1223Hz。实际上，在采用软件升降时，起动频率选得更低，通常只有100Hz(即100step/s)。 综上所述，本课题中工作台的横向进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。5、联轴器的选用1）选择联轴器的类型：步进电动机的最大等效负载转矩 ，传递的转矩较小，可选用长春光机数显技术有限责任公司生产的小型挠性联轴器。2）确定联轴器型号：取，在联轴器的标准中按下式：的条件确定联轴器的型号A26。式中为所选型号联轴器的许用转矩。第三章 微机数控硬件电路设计根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。1、数控系统由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，机床硬件电路由以下五部分组成：、主控制器，即中央控制单元CPU；、总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；、存储器，包括程序存储器和数据存储器；、接口，即I/O输入/输出接口电路；、外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。见图31。 步进电机图31 机床数控系统硬件框图（开环系统）2、选择中央处理单元CPU的类型考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，及经济价格比等经济性的要求。因此，在经济数控铣床中，推荐使用MCS51系列单片机作主控制器。3、存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。 在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。 在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。4 、I/O口即输入/输出接口电路设计包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路及其他辅助电路的设计。3.1 MCS51系列单片机简介3.1.1 MCS51系列指令系统简介 MCS51系列指令系统共有111条基本指令，其中单字节指令有49条，双字节指令有45条，单字节指令有17条。1、MCS51系列指令系统的七种寻址方式简介：（1）、立即寻址 跟在操作码后的一个字节就是实际操作数。（2）、直接寻址 指令中直接给出参加运算或传送的数的地址。可以访问三种地址：特殊功能寄存器SFR、内部RAM128字节个单元、221个地址空间。 （3）、寄存器寻址 指定某一可寻址的寄存器的内容为操作数。寻址空间是R0R7、A、B、DPTR。（4）、寄存器间接寻址 由指令指定某一寄存器的内容作为操作数地址，选定R0、R1、SP、DPTR（16位）来存放地址，使用时前加。（5）、变址寻址 由争论指定的偏移量寄存器或称变址寄存器和基址寄存器DPTR或PC相加所得结果作为操作数地址。（6）、相对寻址 在指令中给定的地址偏移量与本指令所在单元地址（即PC内容）相加，即得到真正有效的单元地址。（7）、位寻址 对内部RAM的128位和SFR块内的93位进行位操作。2、MCS51系列指令系统主要指令简介：MCS51系列指令系统111条指令可分为五类：（1）、数据传送类 29条 （2）、算术操作类 24条（3）、逻辑操作类 24条 （4）、控制程序转移类 17条（5）、布尔变量操作类 17条3.1.2 定时器/计数器MCS51系列单片机提供两个十六位可编程的定时器/计数器，即T0和T1。他们具有两种工作方式和四种模式。其工作原理如图3.2所示。定时器/计数器的核心是加一计数器，加一计数器脉冲有两个来源，一个是外部脉冲源，另一个是系统的时钟振荡器。有两个模拟开关，前一个开关就是特殊寄存器TMOD的相应位，后一个模拟开关就是特殊寄存器TCON的相应位。TMOD和TCON是专门用于定时器/计数器的控制寄存器。用户可以用图3.2 定时器/计数器的结构框图指令对其各位进行写入或更改操作，从而选择不同的工作状态或启动时间，并可设置相应的控制条件。这两个控制寄存器各位的功能：1、TMOD控制寄存器GATE门控位或叫选通位。C/T计数器方式或定时器方式的选择位。M1和M0工作模式控制位。00 模式0：TLX中的低5位和THX的高8位构成13位计数器。01 模式1：TLX与THX构成16位计数器。10 模式2：可自动再装入的8位计数器。11 模式3：把定时器0分成两个8位计数器，关闭定时器1。2、TCON控制寄存器TF0、TF1定时器T0、T1溢出标志位，为1时申请中断。TR0、TR1定时器T0、T1运行控制位，有软件设定，来控制定时器/计数器开启或关闭。IE0、IE1外部中断源的标志，为1时表示外部中断源向CPU申请中断。IT0、IT1外部中断源触发控制位。3.1.3 中断系统MCS51系列单片机提供五个中断源，配备两个中断优先级，INT0、INT1输入外部中断请求，两个片内定时器/计数器T0和T1溢出中断请求TF0和TF1，一个片内串行口中断请求TI和RI。各中断源所对应的中断服务程序的入口地址和优先级如下：中断源 人口地址 优先级INT0 0003H 0T0 000BH 1INT1 0013H 2T1 001BH 3串行口中断 0023H 43.2 存储器扩展电路设计3.2.1 程序存储器的扩展1、常用的ROM芯片及引脚：（1）常用的半导体ROM芯片有：2716（2K*8）、2732A（4K*8）、2764、（8K*8）、27128（16K*8）、27256（32K*8）、27512（64K*8）。2764、27128、27256、27512芯片均有28脚双列直插式平封装芯片。引脚向下兼容。图3.3是2764引脚排列。（2）地址锁存器常用的地址锁存器芯片是74LS373。74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器。其真值表见表3.1。图3.3 2764引脚排列表3.1 真值表74LS373EGDQLHHHLHLLLLXQ03.2.2 数据存储器的扩展常用数据存储器及引脚常用的静态RAM芯片有6116（2K*8）、6264（8K*8）、62256（32K*8）等，6264、62256均采用CMOS工艺、28脚双列直插式平封装。6264引脚及逻辑符号见图3.4。图3.4 6264引脚图3.2.3 译码电路设计1、MCS51系列单片机应用系统中的地址译码规则（1）程序存储器和数据存储器独立编址。程序存储器地址和数据存储器地址可以重叠使用。都是从0000HFFFFH。（2）外围I/O芯片与扩展数据存储器统一编址外围I/O芯片占用数据存储器地址单元，且使用数据存储器的读/写控制信号与读/写指令。（3）CPU在访问外部存储器时地址编码CPU的P2口提供高8位地址，P0口经外部地址锁存器后提供低8位地址。2、地址译码方法（1）线选法利用单片机地址总线高位中的一根线作为选择某一片存储器芯片的片选信号。此法用于规模较小的系统。其优点是不需要地址译码器，可节省硬件，降低成本。缺点是可寻址的芯片数目受到很大的限制，且地址空间不连续，不能充分利用。（2）全地址译码法对容量较大的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用这种全地址译码法。常采用的译码器是74LS138。表13是其逻辑功能表。图18是全地址译码图。表3.2是其地址译码表。表3.2 74LS138逻辑功能表G1 G2A G2BC B AY7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0其 他 状 态0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1X X X1 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 0 1 11 1 1 1 0 1 1 11 1 1 0 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1表3.3 74LS138地址译码表器 件地 址 选 择 线片内地址单元（字节）地 址 编 码2764000X XXXX XXXX XXXX8K0000H1FFFH6264001X XXXX XXXX XXXX8K2000H3FFFH8155RAM0101 1110 XXXX XXXX2565E00H5EFFHI/O0101 1111 1111 1XXX65FF8H5FFFH82550111 1111 1111 11XX46FFCH6FFFH图3.6 数控铣床全地址译码图87C51 3.3 I/O接口电路及辅助电路设计常用外围接口芯片有：8155：可编程的RAM/IO扩展接口电路（256个RAM、两个8位口、一个6位口、一个14位的定时器/计数器）8255：可编程的通用并行接口电路（3个8位口）8279：可编程的键盘、显示接口电路3.3.1 8155 通用可编程接口芯片1、8155引脚及其功能8155 的结构框图及引脚排列见图3.7。8155 具有40条引脚，采用双列直插式风装，各引脚功能见表3.4。 表3.4 8155引脚功能引脚含义引脚含义引脚含义AD0AD7PA0PA7PB0PB7PC0PC5TIMER IN地址、数据线A口B口C口定时输入TIMER OUTIO/MALERDWR定时输出IO/RAM口选择地址锁存读写CERESETVSSVCC片选复位地电源图3.7 可编程的RAM/IO扩展接口电路定义A口输入/输出方式定义B口输入/输出方式00：ALT1 01：ALT2 10：ALT3 11ALT400：空操作01：停止定时器操作10：定时器减为一时停止计数11：置定时器方式后，开始计数0：禁止A口中断1：允许A口中断0：禁止B口中断1：允许B口中断图3.8命令寄存器格式及工作方式2、8155 的工作方式设定8155 命令寄存器格式及工作方式见图3.83、8155 初始化程序格式如下：MOV DPTR ， 控制口地址MOV A ， 命令字MOVX DPTR ，AMOV DPTR ， 计数初值入口地址MOV A， 计数初值 MOVX DPTR ，AINC DPTR MOV A ， 计数初值高位MOVX DPTR ，A 3.3.2 8255 通用可编程接口芯片1、8255 引脚及其功能 引 脚含 义D0D7PA0PA7PB0PB7PC0PC7A0、A1RDWRCERESETGNDVCC数据线A口B口C口地址线读写片选复位地电源8255 引脚及内部结构见图3.9，其引脚功能见3.5： 2、8255 工作方式的设定 8255 有三种工作方式：方式0、方式1、方式2。方式0基本的输入输出方式方式1应答式输入输出方式方式2应答式双向输入输出方式 图3.9 8255引脚及内部结构表3.5 8255引脚功能8255 IO的工作方式选择通过对其内部命令寄存器设定方式选择控制字来实现。其格式及工作方式见图3.10。C口置/复位控制字格式如图3.11所示。3、8255 初始化程序格式如下：MOV AL ， 控制字；定义工作方式OUT 控制口地址，ALIN AL ， 初值OUT 输出口地址，AL B组下C口：0