基于单片机控制的X-Y工作台机电系统设计-数控铣床工作台【含4张CAD图纸+PDF图】
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东华理工大学长江学院毕 业 设 计题 目：基于单片机控制的X-Y工作台机电系统设计 英文题目：Based on single chip microcomputer control of the X-Y workbench mechanical and electrical system design学生姓名： 欧阳昌驰 学 号： 08315114 专 业： 机械电子工程 系 别： 机电工程系 指导教师： 万智辉 职称 讲师 二零一二年六月 东华理工大学长江学院毕业设计 摘要摘 要本设计主要是基于数控铣床工作原理，根据设计任务给定的工作尺寸设计一台比较简单的X-Y数控铣床工作台。首先，确定总体设计方案：其中主要对导轨副、丝杠螺母副、减速装置的选用及控制系统的设计进行初步分析，再绘制总体方案图。其次，进行机械传动部件的计算与选择：主要进行导轨上移动部件的重量估算，铣削力的计算，直线滚动导轨副的计算与选型，滚珠丝杠螺母副的计算与选型，步进电机减速箱的选用，步进电动机的计算与选型。本部分作为此设计重点，进行了大量的分析、计算及验算，最后得到满足任务规定尺寸的工作要求。接着，对X-Y工作台的控制系统进行选择。本设计主要选用8051单片机进行控制,并进行了简单的汇编编程。最后，控制系统的设计。此处主要通过进给传动系统来对硬件电路进行设计,并绘制控制系统原理框图；然后分析选用了步进电动机的驱动电源。关键词：数控铣床； 控制系统； 总体设计 4东华理工大学长江学院毕业设计 AbstractAbstractThis design is based on the CNC milling machine works, according to the design task given the size of the work to design a relatively simple economic XY CNC milling machine table. First, determine the overall design: including a preliminary analysis of the Guide way,screwnut, deceleration device selection and control system design, and then draw ageneral scheme in Figure. Secondly, the calculation and selection of mechanical drive components: the weight of moving parts in the rail estimates, the calculation of the milling force, linear rolling the Guide way the calculation and selection of, the calculation and selection of the ball screwnut, step into the motor to the gearbox selection, calculation and selection of the stepper motor. This section as the design focus a great deal of analysis, calculation and checking , and finally get to meet the mandate of the size of the job requirements.Then, the control system of the XY table to choose. The design of the main selection of the 8051 microcontroller to control, and simple assembly programming. Finally, the control system design. Here mainly through into the transmission system to the hardware circuit design, and draw the control system block diagram; then analyzed and chosen stepper motor drive power.Key words：CNC milling machine； control system； overall design 东华理工大学长江学院毕业设计 目录目 录绪 论11. 设计任务31.1 毕业设计题目32.整体方案的确定42.1 系统总体框图42.2 系统运动方式和伺服系统42.3 机械部件的计算及选择42.4 计算机控制系统的选择43. 机械设计部分53.1 工作台重量初步估算53.2 铣削力的计算53.3 直线滚动导轨副的计算和选择63.4滚珠丝杆螺母副的计算和选择73.4.1 最大工作载荷Fmax73.4.2 最大动载荷FQ73.4.3 滚珠丝杆副的型号选择及传动效率83.4.4 滚珠丝杆的刚度验算83.5步进电动机的计算及型号选择93.5.1 步进电动机的特点93.5.2 步进电动机减速箱的选择93.5.4 步进电动机转轴上的等效负载转矩Tep1103.5.5步进电动机的选择123.5.6 步进电动机的性能校核123.5.7电动机特性分析及细分驱动控制133.5.8步进电机驱动电源选用144. 控制系统的硬件选择154.1数控系统的硬件电路由以下几部分组成154.2主控制器CPU的选择164.3 存储器扩展电路设计174.3.1 程序存储器的扩展174.3.2 数据存储器的扩展174.3.3 I/O扩展电路设计175. 数控系统电路设计186. 系统控制软件的设计196.1系统控制功能分析196.2系统管理程序控制196.3自动加工程序设计206.4步进电机子程序控制设计216.5内存地址分配24结 论25致 谢26参考文献27东华理工大学长江学院毕业设计 绪论绪 论1. 国内外现状数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,它对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面:(1)高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO2001 展会情况来看,高速加工中心进给速度可达 80m/min ,甚至更高,空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面,近 10 年来,普通级数控机床的加工精度已由10提高到5,精密级加工中心则从35,提高到11.5并且超精密加工精度已开始进入纳米级0.1。为了实现高速、高精加工,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。(2) 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象 数控功能 ,形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。2. 选题的意义随着现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的渗透，促进了工程领域的技术改革。由于计算机技术和微电子技术的迅速发展并被机械工业领域应用从而形成了机电一体化，使得机械工业的产品结构、技术结构、功能和生产管理体系发生了巨大的变化，也使得工业生产从“机械电气化”迈进了“机电一体化”的发展阶段。X-Y数控工作台是很多机电一体化设备的基本部件，比如数控铣床、数控钻床的X-Y工作台。X-Y数控工作台通常是由导轨座、移动滑块、滚珠丝杆螺母副及伺服电动机等部件构成。伺服电动机主要是用于驱动滚珠丝杆，滚珠丝杆螺母驱动滑块和工作台在指定的导轨上运动，从而完成工作台在XY两个方向的直线运动。现在大部分使用的数控铣床都是集机械制造、自动控制、电子技术、传感技术、计算机技术及网络通讯技术于一体的典型机电一体化产品。3. 选题的目的X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单、实现方便而且能够保证一定的精度、降低成本,是单片机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了单片机的软件硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高。因此通过此次设计，能使我更全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其相关知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。同时通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理，设计计算及选用的方式，常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式。不仅能巩固专业上的知识，还能使我的独立分析问题和解决问题的能力得到锻炼，学习并树立“系统设计”的思想，提高我对查阅文献资料及撰写科技论文的能力。27东华理工大学长江学院毕业设计 设计任务1. 设计任务1.1 毕业设计题目设计一套供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：加工材料选择碳素钢；立铣刀最大的直径为d=10mm，齿数为Z=3，最大铣削宽度=10mm，最大的背吃刀量=8mm；X、Y方向的定位精度为0.01mm；工作台面尺寸为200mm180mm，加工范围为230mm210mm；工作台空载时进给的最快移动速度为，最大负载时进给的最快移动速度，加减速时间为0.4s。东华理工大学长江学院毕业设计 整体方案的确定2. 整体方案的确定数控系统总体方案设计内容包括：系统总体方案框图、系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。应根据设计任务和要求提出系统的总体方案并对方案进行分析、比较、论证。2.1 系统总体框图 图2-1 系统总体框图2.2 系统运动方式和伺服系统因为此次设计的X-Y工作台是装配到数控铣床上，它的控制系统应该具有的功能有：单坐标定位、两坐标直线查补和圆弧查补，所以控制系统应该采用连续控制系统。考虑到加工精度的要求不高，故采用步进电机开环控制系统。2.3 机械部件的计算及选择1.确定脉冲当量；导轨上移动部件的重量估算；2.传动零件的计算和选择，其中包括导轨副、丝杠螺母副等一些传动零件；3.伺服电机的计算和选择；4.减速装置的计算和选择。2.4 计算机控制系统的选择X-Y数控工作台机电系统设计是用8051单片机,及2764、6264存储器及8155芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定程序就可以实现一定的加工功能。主要思想是:通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工,每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转,同时通过8155将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应走刀,电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。东华理工大学长江学院毕业设计 机械设计部分3. 机械设计部分机械设计部分：确定系统脉冲当量、工作台外形尺寸及重量估算、滚动导轨副和滚珠丝的计算及选择、齿轮计算和设计、步进电机的相关计算和选择。3.1 工作台重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图设计工作台简图如图3-1所示：图3-1 工作台简图工作台导轨上面的移动部件包括：工件、工作平台、夹具、上层电动机、减速箱、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副、导轨座等等一些部件，估算重量约为619.5N。3.2 铣削力的计算因为立式数控铣床的加工方式是立式铣削，采用材料成分为碳钢的硬质合金立铣刀。经查表可知计算铣削力的公式为：考虑到有不对称铣削：最大铣削宽度=10mm；每齿进给量=0.1mm；铣刀直径=10mm；背吃刀量为8mm；铣刀转速=300r/min；齿数Z=3；代入公式可得最大铣削力：=1394N铣削条件比值不对称铣削逆铣顺铣圆柱铣削1.0-1.200.8-0.900.2-0.30.75-0.800.35-0.400.35-0.40 表3-1 铣削力的比值经查表3-1可知：在逆铣的情况下，三个方向的铣削力分别为：,，在立铣的情况下，工作台在垂直方向受到的铣削力为=530N,在水平方向收到的铣削力有两个，分别是和。然后将水平方向那个大的铣削力分配到工作台的丝杆轴线方向，那么可知：纵向铣削力：径向铣削力：3.3 直线滚动导轨副的计算和选择直线滚动导轨副的使用寿命主要是受工作载荷的影响。本次设计的X-Y工作台采用的是双导轨和四个滑块进行支撑。这里只需考虑极限情况下，即垂直台面的工作载荷全部作用在一个滑块上，那么该滑块所承受的最大垂直方向载荷力为： 根据查表后，我选择KL系列的JSA-LG20型直线滚动导轨副，额定动载荷为，额定静载荷。已知工作台面尺寸为200180mm,加工范围为230210mm，按标准系列选取导轨的长度为580mm，因为这里需要考虑到部件运行的行程要有一定的余量。通过查表得知KL系列的JSA-LG20型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度应小于100，每根导轨上装有两块滑块，精度是4级。通过查表我选取硬度系数、温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数。通过距离额定寿命计算公式可得出：远远大于期望的距离额定寿命，那么改导轨副的选择合理。 3.4滚珠丝杆螺母副的计算和选择3.4.1 最大工作载荷Fmax在铣床进行立铣的时候，工作台所受丝杠轴线方向的载荷，所受纵向的载荷，所受垂直方向的载荷，已算出工件总重量为619.5N。通过查表可知： 矩形导轨的颠覆力矩影响系数K=1.1； 滚动导轨的滑动摩擦因数=0.005。因此通过最大工作载荷计算公式可算出：3.4.2 最大动载荷FQ当工作台在承受最大铣削力时的最高移动速度时，选取丝杠的导程，那么可以算出丝杠转速。因为一般数控机床的及一般机电设备的使用寿命约为15000h，所以这里我也取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入滚珠丝杠副的寿命计算公式得： （）；根据查表以及结合铣床在实际加工时的情况，这里我选取载荷系数，滚道的硬度为60HRC，硬度系数，代入最大动载荷公式可得： 3.4.3 滚珠丝杆副的型号选择及传动效率根据已初步选取的导程和计算出的最大动载荷，再经过查表之后，我选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产制造的G系列32053型滚珠丝杠副，它的公称直径为=32mm，导程为=5mm，循环滚珠为3圈2列，额定动载荷为10678N，大于计算的最大动载荷，所以该滚珠丝杠副能满足要求。再根据该滚珠丝杆副的参数代入传动效率公式，可以算出： 又因为：摩擦角所以传动效率为： 3.4.4 滚珠丝杆的刚度验算本次设计的X-Y工作台的工作方式有两种，上层为Y向运动，下层为X向运动，都是使用滚珠丝杆副进行支承，丝杠两端都使用两个推力角接触球轴承。左右支承的中心距离约，钢的弹性模量是E=2.1MPa。又通过查表可知，G系列3205-3系列的滚珠丝杠副的滚珠直径为=3.175mm，丝杠底径为=28.2mm，那么可求得：（1）丝杠截面积： （2）丝杠在工作载荷作用下的拉/压变形量： （3）单圈滚珠数： 因此可知该丝杠是单螺母的，又查表得知，循环滚珠是3圈2列；（4）代入滚珠总数量公式：=Z圈数列数=192（5）丝杠预紧时的轴向预紧力：（6）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量： 因为丝杠有预紧力作用，所以实际变形量约为理论数据的一半，所以实际变形量； （7）580mm跨度的丝杠总变形量： 经查表可知：4级精度滚珠丝杠有效行程在580mm时的行程偏差允许值为15，远大于所求的丝杠总变形量，满足使用；（8）因为X-Y工作台上下两层滚珠丝杆副采用的支承都是采用单推-单推的方式，所以查表可知支承系数，代入截面惯性矩公式： 丝杠卧式水平安装的压杆稳定安全系数K=3，同时滚动螺母至轴向固定出的最大距离=580mm，代入滚珠丝杠稳定性验算公式：远远大于最大工作载荷=1695N，所以该丝杆稳定，不会出现失稳状况。因此本设计选用济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3205-3型滚珠丝杆副可行。3.5步进电动机的计算及型号选择3.5.1 步进电动机的特点步进电动机也叫脉冲电动机，它是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。步进电动机输出的角位移与输入的脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。所以只要控制输入脉冲的数量、频率和电动机绕组的通电顺序，就可以得到想要的转角、转速和转动方向。在无脉冲的输入的情况下，在绕组电流的激励下，步进电动机可以锁相。步进电动机结构简单、制造容易、价格低廉。它的转子转动惯量小、动态响应块、起停容易，正反转和无级变速也容易实现。它的缺点主要有：低频时有振荡、速度不够均匀、在高速时输出转矩减小。3.5.2 步进电动机减速箱的选择在步进电动机的输出轴上装配一个齿轮减速箱，不仅可以有效的增大步进电动机的输出转矩，而且也能让工作台和滚珠丝杆的转动惯量传递到电动机轴上尽量的小些。同时考虑到应该有消除间隙机构，所以应该采用无间隙齿轮传动减速箱。根据给定的参数可知工作台的脉冲当量，滚珠丝杆的导程，再经过查表先预选步进电动机的步矩角。可求得减速比为：经查表之后我选JBF3型齿轮减速箱。大小齿轮的模数都是1mm，齿数比是，材料选45调质钢，齿表面淬硬后能有55HRC。减速箱中心距为（75+36）1/2mm=55.5mm,小齿轮厚度为15mm，双片大齿轮厚度均为15mm。3.5.3 步进电动机转轴上的总转动惯量Jep的计算加在步进电动机转轴上的总转55动惯量是伺服系统的主要参数之一，它对电动机的选择有重要的意义。的主要参数包括：电动机转子的转动惯量、减速装置和滚珠丝杠以及移动部件等这算到电动机转轴上的转动惯性等。根据前面给定和选取的参数有：滚珠丝杆的总长=580mm，公称直径=32mm，导程=5mm，材料密度，移动部件的总重力G=619.5N，小齿轮宽度取15mm，直径36mm；大齿轮宽度也取15mm，直径=75mm；传动比是25/12。根据这些参数可算出：滚珠丝杆的转动惯量：小齿轮的转动惯量：大齿轮的转动惯量：拖板这算到丝杠上的转动惯量：再选择常州宝马集团公司生产的型号为110BC380F的步进电动机，该步进电动机三相六拍驱动时步矩角为，电动机的转子转动惯量为。因此可求的步进电动机转轴上的总转动惯量是：3.5.4 步进电动机转轴上的等效负载转矩Tep1步进电动机转轴所承受的负载转矩在不同的工况下是不一样的。一般情况下只考虑两种情况：一种是快速空载启动（负载为0），另一种是承受最大的工作负载。（1）空载启动时电动机转轴承受的负载转矩=其中电动机转轴上的最大加速转矩：式中：为传动链的总效率，因为在步进电动机空载启动时需要考虑的存在，这里取0.7；为对应空载最快移动素的的步进电动机的最高转速，单位是r/min；为步进电动机从静止到加速至转速所需时间，单位是s；为步进电动机的步矩角，数值选取。移动部件运动时这算到电动机转轴上的摩擦转矩： 式中：为导轨的摩擦因数，其中滚动导轨的摩擦因数为0.005；为垂直方向的铣削力，当工作台空载运行时为0。因此步进电动机空载时转轴所承受负载转矩为： （2）步进电动机转轴在最大工作负载状态时承受的负载转矩 其中：； ； 相对于和来说很小，可以忽略不计。则： （3）确定步进电动机的最大等效负载转矩结合和可知加在步进电动机转轴最大的等效负载转矩应该是： 3.5.5步进电动机的选择在选取步进电动机最大静转矩的时候，要考虑安全系数K的选择，这里我选择K=4，则步进电动机的最大静转矩：，而通过查表3-1可知选取的110BC380F型步进电动机的最大静转矩为，远大于计算得出的最大静转矩，因此该步进电动机满足工作要求。型号反应式步进电机的技术参数110BC380F相数步距角电压电流最大静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量30.75/ 1.580300V6A11.76N.m1200Hz12000Hz9 表3-1 反应式步进电机技术参数表3.5.6 步进电动机的性能校核（1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核：参数给定工作台最快工进速度=500mm/min，脉冲当量脉冲，可以得出电动机对应的运行频率。从110BC380F电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩6.6Nm，远远大于最大工作负载转矩=0.840Nm，满足要求。（2）最快空载移动时电动机输出转矩校核：参数给定工作台最快空载移动速度=2500mm/min，求出其对应运行频率。在此频率下，电动机的输出转矩=2.4Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.440Nm，满足要求。（3）最快空载移动时电动机运行频率校核：与快速空载移动速度=2500mm/min对应的电动机运行频率为。查表知110BC380F电动机的空载运行频率可达10000，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。步进电动机克服惯性负载的起动频率为：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都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BC380F步进电动机，完全满足设计要求。3.5.7电动机特性分析及细分驱动控制步进电机的控制方式是通过脉冲分配器来实现，其主要作用是将数控装置传送的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序传输给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常都使用软件脉冲分配器和集成脉冲分配器。结合本设计的实际情况决定采用集成脉冲分配器YB013。因为步进电机采用的工作方式是三相六拍（三个线圈A、B、C），其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。步进电动机驱动系统主要是由步进电动机驱动器和步进电动机构成。步进电动机驱动系统的性能，不但要取决于步进电动机启动器的好坏，也取决于步进电动机的自身性能。步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电动机驱动器接收到一个来自控制器的脉冲信号时，它就驱动步进电动机按照设定的方向转动一个固定的步矩角，它的旋转是通过固定的步矩角一步一步转动来运行的。步进电动机不能直接接通直流或交流电源工作，必须使用步进电动机驱动器。脉冲信号发生器可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，这样可以进行准确定位；同时步进电动机的速度和加速度可以通过控制脉冲频率来控制可，从而达到调速的目的。 3.5.8步进电机驱动电源选用本设计中X、Y向步进电动机均为110BC380F型，工作方式为三相六拍，与其相匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为220VAC，相电流为6A。 东华理工大学长江学院毕业设计 控制系统的硬件选择4. 控制系统的硬件选择4.1数控系统的硬件电路由以下几部分组成1、主控制器：即中央处理单元CPU。2、总线：包括数据总线，地址总线，控制总线。3、存储器：包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4、I/O输入输出接口。数控系统的硬件框图如图4-1所示：存储器RAMROM中央处理单元CPU外设：键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等输入/输出I/O接口信号变换控制对象图4-1 数控系统的硬件框图4.2主控制器CPU的选择MCS-51系列单片机是集中CPU，它有如下特点：1.可靠性高因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于PC机。系统软件(如：程序指令，常数，表格)固化在ROM中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。2.控制功能强具有丰富的控制指令，如：条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指令。3.便于扩展片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的(总线，并行和串行的输入/输出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。4.实用性好体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。综合考虑之后，我选用8051芯片作为主控芯片。4.3 存储器扩展电路设计4.3.1 程序存储器的扩展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。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为2k，4k，8k，16k，32k。在选择芯片时要考虑CPU与EPROM时序的匹配。8051所能读取的时间必须大于EPROM所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择2764芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。于8051芯片的P0口是分时传送低8位地址线和数据线的，故8051扩展系统中一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是74LS373。4.3.2 数据存储器的扩展由于8051芯片内部RAM只有128字节供用户使用，远不能满足系统需要，因此需要扩展片外的数据存储器（RAM）。常用的数据存储器有6116、6264、62128等，这里选用6264。4.3.3 I/O扩展电路设计8051单片机共有4个8位并行I/O接口，但供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此要进行I/O口的扩展。8155为多功能的可编程接口芯片，内部包含有256字节RAM，两个可编程8位并行口、一个6位并行口和一个14位的计数器。8155是8051单片机应用系统中最适用的外围器件。数据存贮器是256x8位静态RAM。I/O由三个通用口组成，其中的6位口可编程为状态控制信号。可编程的14位计数器/定时器用于给单片机系统提供方波或计数脉冲。8155与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。东华理工大学长江学院毕业设计 数控系统电路设计5. 数控系统电路设计本系统使用的控制器是以MCS-51系列8051单片机为主。扩展存储器电路选1片2732EPROM和1片6264RAM。程序存储器扩展为4K，数据存储器扩展为8K。2732的片选控制直接接地，在系统复位后，CPU从0000H开始执行监控程序，6264的片选端将由74LS138译码器的Y2输出提供，所以6264的空间地址为4000H 5FFFH，系统的扩展借口I/O电路选用通用的可编程并行输入/输出借口芯片8155。8155的片选端接到74LS138译码器的Y4输出端。所以8155控制命令寄存器及PA口、PB口、PC口的地址信号分别是8000H、8001H、8003H。8155RAM区的地址为8000H80FFH。8155的A口为控制工作台X、Y向电机的接口。本系统X、Y方向的步进电动机都用110BC380F型步进电动机，软件环形分配器控制，高低压驱动电路。为了防止功率放大器高电压的干扰，步进电机借口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示控制电路设计在一起，8155的PC口（PC0 5）担任键盘的列线及显示器的扫描控制（字位线）；PB口的PB0 PB3为键盘的行线；8051的P1口为显示器的字形输出口（数据缓冲）。本系统采用46共24个行列式键盘和六位八段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口与字位口加74LS07进行驱动。PB口剩余的I/O线PB4 PB7分别为工作台+X、X、+Y、Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口、PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机限时巡回检测PB4PB7的电平，当某I/O口线为“0”电平时，应立即停止X、Y向步进电机的驱动，并发出报警信号。此外，广电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用的是7805三端集成稳压器设计。东华理工大学长江学院毕业设计 系统控制软件的设计6. 系统控制软件的设计6.1系统控制功能分析数控X-Y工作台的控制功能包括：（1）系统初始化：对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预先设置接口工作方式控制字。（2）工作台复位：开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。（3）输入和显示加工程序。（4）监视按键，键盘及开关：例如监视紧急停机键和行程开关，键盘扫描等功能。（5）工作台的超程显示和处理：工作台位移超过规定值时应该马上停止工作台的运动，并立刻显示相应的指示字符。6.2系统管理程序控制管理程序是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。根据以上分析，设计管理程序流程图如图6-1所示： 加工程序输入键按下 机床复位 开始 系统初始化 自动加工键按下 手动加工键按下 加工数据输入 自动加工 手动调整NNNYYY图6-1 管理程序流程图6.3自动加工程序设计（1）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位刀具快速进给加工退刀工作台运动到下一位置；（2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工；（3）由以上分析，设计自动加工程序框图如图6-2所示：入口零件坐标地址指针读零件坐标调步进电机子程序工作台移动到位刀具快进加工快速退刀零件坐标地址指针加一零件加工完成NY返回图6-2 自动程序加工框图6.4步进电机子程序控制设计步进电机控制主要包括速度、转角和方向的控制。步进电机在突然启动或者停止的时候，因为负载及惯性会使得电机失步，所以在步进电机运动的时候应该要有一个加减速的过程。在通过确定步进电机进给脉冲数和脉冲时间间隔，就可以实现对步进电机速度和转角的控制。以下是控制系统的时间常表6-1。 脉冲时间间隔/ms 时间常数 脉冲 时间间隔/ms 时间常数6.2246.2440C32H 24.184 0.820 019AH8.8322.587050DH 24.977 0.793 018CH10.8161.98503E0H 25.746 0.4690180H12.4891.6730344H 26.493 0.746 0175H13.9631.47402E1H 27.219 0.726 016AH15.2961.333029AH 27.926 0.707 0161H16.5211.2260264H 28.615 0.690 0158H17.6621.414023AH 29.289 0.673 0150H17.7731.0710217H 29.947 0.658 0149H19.7461.01301FAH 30.591 0.644 0142H20.7101.96401E1H 31.222 0.931 013BH21.6310.92101CCH 31.840 0.618 0135H22.5140.88301B9H 32.447 0.607 012FH23.3640.85001A3H表6-1 控制系统的时间常数表在EPROM中，时间常数依次存储在首地址为1000H的存储单元中。每个时间常熟占用两个字节，地位存放的时间常数的低8位
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