1、第一章 緒論1.1 機床數控改造的意義畢業設計是機床數控系統課程的十分重要實踐環節之一。通過畢業設計可以初步樹立正確的設計思想，了解有關的工業政策，學會運用手冊、標準、規范等資料；培養學生分析問題解決問題的實際能力，并在教師的指導下，系統地運用課程和選修課程的知識，獨立完成規定的設計任務。畢業設計的內容是改造設備，實現以下幾部分內容的設計訓練。如精密執行機構（或裝置）的設計、計算機I/O接口設計和驅動電路以及數控化電氣原理設計等。說明書的內容應包括：畢業設計題目總體方案的確定、系統框圖的分析、電氣執行元件的選用說明、機械傳動設計計算以及機械和電氣及其他部分（如環形分配器等）的說明。該畢業設計的

2、內容及方法，可以歸納如下： 1.精密執行機構的設計。主要是考慮數控機床工作臺傳動裝置的設計問題：要弄清機構或機械執行元件的主要功能（傳動運動、動力、位置裝置、微調、精密定位或高速運轉等），進行力矩、負載功率、慣性（轉動慣量）、加（減）速控制和誤差計算。2.選用驅動控制電路，對執行機構進行控制。主要考慮計算機的選擇或單片機構成電路的選用，考慮電機選擇及驅動力矩的計算，控制電機電路的設計。3.采用微型計算機（包括單片機）進行數據處理、采集和控制。主要考慮計算機的選擇或單片機構成電路的選用、接口電路、軟件編制等。4.學會使用手冊及圖表資料。1.2數控與數控技術數控是數字控制的簡稱，英文為 Numer

3、ical Control，簡稱NC。目前數控一般是采用通用或專用計算機實現數字程序控制，因此數控也稱為計算機數控(Computer Numerical Control )，簡稱CNC，國外一般都稱為CNC，很少再用NC這個概念了。下面詳細說明之：  數控(Numerical Control,NC 數字控制)是指用數字、文字和符號組成的數字指令來實現一臺或多臺機械設備動作控制的技術。它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和與機械能量流向有關的開關量。數控的產生依賴于數據載體和二進制形式數據運算的出現。1908年，穿孔的金屬薄片互換式數據載體問世；19世紀末，以紙為數據載體并具有輔助功

4、能的控制系統被發明；1938年，香農在美國麻省理工學院進行了數據快速運算和傳輸，奠定了現代計算機，包括計算機數字控制系統的基礎。數控技術是與機床控制密切結合發展起來的。1952年，第一臺數控機床問世，成為世界機械工業史上一件劃時代的事件，推動了自動化的發展。   現在，數控技術也叫計算機數控技術(Computer Numerical Control )，目前它是采用計算機實現數字程序控制的技術。這種技術用計算機按事先存貯的控制程序來執行對設備的控制功能。由于采用計算機替代原先用硬件邏輯電路組成的數控裝置，使輸入數據的存貯、處理、運算、邏輯判斷等各種控制機能的實現，均可通過計

5、算機軟件來完成。1.3機床的數控改造方法及設計1.3.1銑床的數控化改造設計機床的數控改造, 主要是對原有機床的結構進行創造性的設計, 最終使機床達到比較理想的狀態。數控車床是機電一體化的典型代表, 其機械結構同普通的機床有諸多相似之處。然而, 現代的數控機床不是簡單地將傳統機床配備上數控系統即可, 也不是在傳統機床的基礎上, 僅對局部加以改進而成( 那些受資金等條件限制, 而將傳統機床改裝成建議數控機床的另當別論) 。傳統機床存在著一些弱點, 如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等, 難以勝任數控機床對加工精度、表面質量、生產率以及使用壽命等要求?，F代的數

6、控技術, 特別是加工中心, 無論是其支承部件、主傳動系統、進給傳動系統、刀具系統、輔助功能等部件結構, 還是整體布局、外部造型等都已經發生了很大變化, 已經形成了數控機床的獨特機械結構。因此, 我們在對普通機床進行數控改造的過程中, 應在考慮各種情況下, 使普通機床的各項性能指標盡可能地與數控機床相接近。1.3.2數控機床的性能和精度的選擇 并不是所有的舊機床都可以進行數控改造,機床的改造主要具備兩個條件: 第一，機床基礎件必須有足夠的剛性。第二, 改造的費用要合適, 經濟性好。在改裝機床前, 要對機床的性能指標做出決定。改裝后的機床能加工工件的最大回轉直徑以及最大長度、主電動機功率等一般都不

7、會改變。加工工件的平面度、直線度、圓柱度以及粗糙度等基本上仍決定于機床本身原有水平。主要有下述性能和精度的選擇需要在改裝前確定。( 1 ) 軸變速方法、級數、轉速范圍、功率以及是否需要數控制動停車等。( 2 ) 進給運動:進給速度: Z 向( 通常為8400mm/min ) ; X 向( 通常為2 100mm/min )?？焖僖苿? Z 向( 通常為1.24m/min) ; X 向( 通常為1.23m/min) 。脈沖當量: 在0.0250.005mm 內選取, 通常Z 向為X 向的2 倍。加工螺距范圍: 包括能加工螺距類型( 公制、英制、模數、徑節和錐螺紋等) , 一般螺距在10mm 以內都

8、不難達到。( 3 ) 進給運動驅動方式( 一般都選用步進電機驅動) 。( 4 ) 給運動傳動是否需要改裝成滾珠絲杠傳動。( 5 ) 刀架是否需要配置自動轉位刀架, 若配置需要確定工位數。( 6 ) 其他性能指標選擇:插補功能: 銑床加工需具備直線和圓弧插補功能。刀具補償和間隙補償: 為了保證一定的加工精度, 一般需考慮設置刀補和間隙補償功能。顯示: 采用數碼管還是液晶或者顯示器顯示, 顯示的位數多少等問題要根據銑床加工功能實際需要確定, 一般來說, 顯示越簡單成本越低, 也容易實現。診斷功能: 為防止操作者輸入的程序有錯和隨之出現的錯誤動作, 可在數控改造系統設計時加入必要的器件和軟件, 使其

9、能指示出機床出現故障或者功能失效的部分等, 實現有限的診斷功能。以上是銑床數控改造時需要考慮的一些通用性能指標, 有的銑床改造根據需要還會有些專門的要求, 如車削大螺距螺紋、在惡劣的環境下工作的防塵干擾、銑刀高精度對刀等, 這個時候應有針對性的專門設計。 1.3.3銑床數控改造方案當數控銑床的性能和精度等內容基本選定后, 可根據此來確定改造方案。目前機床數控改造技術已經日趨成熟, 專用化的機床數控改造系統所具備的性能和功能一般均能滿足銑床的常規加工要求。因此, 較典型的銑床數控改造方案可選擇為: 配置專用銑床數控改造系統, 更換進給運動的滑動絲杠傳動為滾珠絲杠傳動、采用步進電機驅動進給運動、配

10、置脈沖發生器實現螺紋加工功能、配置自動轉位刀架實現自動換刀功能。目前較典型的經濟型專用銑床數控改造系統具有下列基本配置和功能:( 1 ) 采用單片微機為主控CPU, 具有直線和圓弧插補、代碼編程、刀具補償和間隙補償功能、數碼管二坐標同時顯示、自動轉位刀架控制、螺紋加工等控制功能。( 2 ) 配有步進電機驅動系統, 脈沖當量或控制精度一般為: Z 為0.01mm, X 向為0.005mm( 要與相應導程的絲杠相配套) 。( 3 ) 加工程序大多靠面板按鍵輸入, 代碼編制, 掉電自動保護存儲器存儲;可以對程序進行現場編輯修改和試運行操作。( 4 ) 具有單步或連續執行程序、循環執行程序、機械極限位

11、置自動限位、超程報警,以及進給速度程序自動終止等各類數控基本功能。第二章 總體設計方案由于該設計是經濟型數控改造，在考慮具體方案時，應遵守的基本原則是在滿足使用要求的前提下，對機床的改動盡可能少，以降低成本。2.1設計參數系統分辨率為0.01mm，其它設計參數如下表。表2.1 系統設計參數設計分組最大銑刀直徑最大銑削寬度ae最大銑削深度ap加工材料工作臺加工范圍（mm）最大移動速度416mm5mm2mm碳鋼X=200,y=1503m/min圖2-1工作臺草圖2.2初選步進電動機和絲杠當傳動比i=1時，可用聯軸器直接將電機與絲杠連接，這種結構有利于簡化結構，提高精度。由 i=(公式2-1) ，b

12、為步進電機步距角Lo為滾珠絲杠導程、為系統脈沖當量。 選電動機型號為55BF009，其步矩角=選絲杠規格為2004-3(FYND)其導程為4mm,由傳動比公式得 故可用聯軸器將電機與絲杠直接連接。預選由廣州菱科自動化設備有限公司生產的LK13系列剛性聯軸器（）。2.3初定工作臺尺寸查機電一體化設計手冊，根據(GB/T 158-1996)選工作臺T型槽尺寸如下：深度H=15mm槽低寬度B12mm槽寬A6mmC6mm槽數5，間隔40mm； 圖2-2 由工作臺加工范圍200*150選工作臺尺寸 240 20 20 20200 20初定滾珠絲杠長度L340mm B B 5060 Lx+B+102035

13、452.4步進電動機控制系統 關系的環形脈沖；功率放大器將脈沖分配器輸出的環形脈沖放大, 用于控制步進電機的運轉,這些部分都可以由專門的電路來實現。如果用單片機加上專門的驅動芯片來控制步進電機,可以簡化電路, 提高可靠性。步進電動機是否轉動是由控制繞組中輸入脈沖的有一般說來, 步進電機控制系統需要以下部分, 如下圖所示，其中的脈沖發生器用于產生頻率變化的脈沖信號；脈沖分配器根據方向控制信號將脈沖信號轉換成有一定邏輯來控制的,每步轉過的角度和方向是由三相控制繞組中的通電方式決定的。因此, 步進電動機的控制是要求單片機軟件產生按一定規律變化的時序脈沖,然后通過接口內和驅動放大電路來驅動步進電動機控

14、制繞組工作。步進電動機控制系統由硬件電路和軟件程序兩部分組成。硬件方法就是用脈沖分配器來實現, 但是硬件方法的結構復雜,而且成本也很高。使用軟件方法就是通過單片機來實現,不但可以簡化電路,而且也降低成本。使用單片機以軟件方式來驅動步進電機, 可以通過編程方法在一定范圍之內自由設定步進電機轉速、往返運動的角度等, 還可以方便靈活地控制步進電機的運行狀態而滿足不同用戶的要求。 第三章 機械部分的設計3.1傳動系統等效轉動慣量計算1.機轉子轉動慣量查指導書表面2-18得2.絲杠的轉動慣量由指導書公式2-3有得3.工作臺轉動慣量由于工作臺材料為碳鋼，故其質量為由于聯軸器的轉動慣量小故可忽略不計4.總轉

15、動慣量計算3.2工作載荷分析及計算銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線高速回轉,進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給(鍵槽銑刀可沿軸線進給).銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式,此選用圓柱銑刀,銑刀材料選擇高速鋼.查金屬切削手冊P398常用銑刀介紹表，選擇細齒錐柄立銑刀， 其尺寸參數如下：D=16mm,齒數Z=4。1.查金屬切削手冊P417細齒錐柄立銑刀切削用量表得銑削速度查銑工表24，初選0.03mm因此可得 查機械制造基礎課程設計指導書表4-15立式銑床主軸轉速表，選銑床型號X51，查其轉速表并將轉速圓整為實際切削速度為 故實際2.根據指導書表2-2得高速鋼銑

16、刀銑削公式為 查指導書表2-3得銑削力系數有3.3進給工作臺工作載荷計算查指導書表2.4，有如下表格參數比值不對稱銑削逆銑順銑120903080404故有縱向進給方向工作臺垂直進給方向工作臺橫向進給方向3.4滾珠絲杠螺母副的選型和校核3.4.1最大工作載荷的計算滾珠絲杠上的工作載荷為走刀抗力，移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。由于選擇的導軌要求結構緊湊，間隙調整方便，摩損小，有良好的精度保持性且運動平穩，故選擇直線滾動導軌，在此設計中還要求導軌能承受一定的顛覆力矩，所以選擇燕尾導軌的實驗公式進行計算，由式2-11 將所得數據代入公式有：3.4.2最大動負載C的計算及主要尺寸初

17、選滾珠絲杠最大運載荷由指導書中可知 3.4.3傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 查得（或可由算出）3.4.4剛度驗算絲杠的拉壓變形量的計算滿載時拉壓變形量： 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量由指導書式2-17得式中為滾珠直徑，為滾珠總數量滾珠絲杠副剛度的驗算絲杠總變形量變形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005=0.00369<0.005因此符合設計要求。3.4.5壓桿穩定性驗算 由指導書式2-18 失穩時的臨界載荷為 絲杠截面慣量矩 查指導書表2-11得 穩定性安全系數 故絲杠符合要求。3.5導軌的選型和計算由于選擇的導軌為直線滾動導軌由指導書式2-20L50（）每個滑塊

18、的的工作載荷取硬度系數0.53、=1、0.81、2預設導軌壽命L=50KM 則根據此壽命可算出 3267kN故選導軌型號GDA20SV符合要求，查指導書表216可知其=12.4KN3.6驅動電機的選用 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的數字控制執行機構。它將電脈沖信號轉變成角位移, 即給一個脈沖信號,步進電機就轉動一個角度, 因此非常適合于單片機控制。步進電機與單片機的結合實現了機電一體化,在自動化控制系統中發揮著極大的作用。 根據脈沖當量和最大靜轉矩初選擇電機。3.6.1步距角的選擇已知脈沖當量由公式2-23 3.6.2步進電機輸出轉矩的選擇查指導書表2-17得 步進電機啟動轉矩與最大靜轉

19、矩的關系有（1）加速度力矩 （2）空載摩擦力矩（取傳動系統總效率）.、,（3）附加摩擦力矩為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率取故電機空載啟動力矩作用在工作臺的合力的計算，逆銑的時候合力大作用在工作臺上的合力折算到電機上的轉矩運動部件正常工作時的總負載轉矩故運動部件正常運行時需的最大靜轉矩 此處取0.5代入得按步進電機最大靜轉矩選擇要求所以， 查表2-18選擇步進電機55BF009。3.6.3啟動矩頻特性校核查指導書圖2-21步進電機啟動矩頻特性曲線當啟動力矩時對應的允許啟動頻率，而由表2-18查得電機的啟動頻率，保證了電機快速啟動時不丟步。運行矩頻特性校核快速進給運行矩頻特性校核：由式2-34得，快

20、進力矩查指導書2-22得，允許快進頻率由式2-33得電機最高快進頻率，故電機快速進給時不丟步。3.6.4工進運行矩頻特性校核工進時步進電機的運行頻率為工進時步進電機運行所需力矩 工作負載力矩查指導書圖2-22得 允許工進運行力矩 滿足設計要求，故可選用此電機。第四章 控制系統的設計4.1 控制系統總體方案的擬定.機電一體化控制系統由硬件系統和軟件系統兩大部分組成.控制系統的控制對象主要包括各種機床,如車床、銑床、磨床等等.控制系統的基本組成如圖4-1所示:通信接口軟件微機 步進電機驅動電路步進電機機床開關量控制電路主運動驅動電路主軸電動機圖4-1控制系統基本組成圖4.2 總控制系統硬件電路設計

21、4.2.1 單片機的設計1、MCS-51系列單片機的設計MCS-51系列單片機的所有產品都含有8051除程序存貯器外的基本硬件，都是在8051的基本上改變部分資源（程序存貯器、數據存貯器、I/O口、定時/計數器及一些其他特殊部件）。在控制系統設計中，我們采用的是8031，8031可尋址64KB字節程序存貯器和64KB字節數據存貯器。內部沒有程序存貯器，必須外接EPROM程序存貯器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分為三部分。a.電源及時鐘引腳此部分引腳包括電源引腳Vcc、Vss及時鐘引腳XTAL1、XTAL2。電源引腳接入單片機的工作電源。Vcc（40腳）：接+5V

22、電源。Vss（20腳）：接地。時鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時與片內的反相放大器構成一個振蕩器，它提供單片機的時鐘控制信號。時鐘引腳也可外接晶體振蕩器。XTAL1（19腳）：接外部晶體的一個引腳。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端。當采用外接晶體振蕩器時，此引腳應接地。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端，在單片機內部接至反相放大器的輸出端。若采用外部振蕩器時，該引腳接受振蕩器的信號，即把信號直接接至內部時鐘發生器的輸入端。b.控制引腳它包括RST、ALE、等。此類引腳提供控制信號，有些引腳具有復用功能。RST/VPD（9腳）：當振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的高電平將使

23、單片機復位（RST）。復位后應使此引腳電平為0.5V的低電平，以保證單片機正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保持內部RAM中的數據不丟失。當Vcc下降到低于規定值，而VPD在其規定的電壓范圍內（5±0.5）V）時，VPD就向內部RAM提供備用電源。ALE/（30腳）：當單片機訪問外部存貯器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當訪問外部數據存貯器時，在兩個機器周期中ALE只出現一次，即丟失一個ALE脈沖。ALE端可以驅動8個TTL負載。（29腳）：

24、此輸出為單片機內訪問外部程序存貯器的讀選通信號。在從外部程序存貯器指令（或常數）期間，每個機器周期兩次有效。但在此期間，每當訪問外部數據存貯器時，這兩次有效的信號不出現。同樣可以驅動8個TTL負載。/Vpp（31腳）：當端保持高電平時，單片機訪問的是內部程序存貯器，但當PC值超過某值時，將自動轉向執行外部程序存貯器內的程序。當端保持低電平時，則不管是否有內部程序存貯器而只訪問外部程序存貯器。對8031來說，因其無內部程序存貯器。所以該引腳必須接地，即此時只能訪問外部程序存貯器。c.輸入/輸出引腳輸入/輸出（I/O）口引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口（P0.0-P0.7）：為雙向8

25、為三態I/O口，當作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設備。它是地址總線低8位及數據總線分時復用口，可驅動8個TTL負載。一般作為擴展時地址/數據總線口使用。P1口（P1.0-P1.7）：為8位準雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入口時，鎖存器必須置1），可驅動4個TTL負載。P2口（P2.0-P2.7）：為8位準雙向I/O口，當作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設備。它是與地址總線高8位復用，可驅動4個TTL負載，一般作為擴展時地址總線的高8位使用。P3口（P3.0-P3.7）：為8位準雙向I/O口，是雙功能復用口，可驅動4個TTL負載。2、MCS-51

26、單片機的時鐘電路時鐘電路是計算機的心臟,它控制著計算機的工作節奏.MCS-51片內有一個反相放大器,XTAL1、XTAL2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端,該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構成了一個自激振蕩器,產生的時鐘送至單片機內部的各個部件.單片機的時鐘產生方式有內部時鐘方式和外部時鐘方式兩種,大多單片機應用系統采用內部時鐘方式.最常用的內部時鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯諧振回路,不論是HMOS還是CHMOS型單片機,其并聯諧振回路及參數相同.如下圖4-2所示:圖4-2內部時鐘方式的時鐘電路MCS-51單片機允許的振蕩晶體可在1.2MHz-24MHz之間可以選擇,一般取1

27、1.0592MHz.電容C1、C2的取值對振蕩頻率輸出的穩定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響.C1、C2可在20pF-100pF之間選擇,一般當外接晶體時典型取值為30pF,外接陶瓷諧振器時典型取值為47pF,取60pF-70pF時振蕩器有較高的頻率穩定性.在設計印刷電路板時,晶體或陶瓷諧振器和電容應盡量靠近單片機XTAL1、XTAL2引腳安裝,以減少寄生電容,更好地保證振蕩器穩定和可靠的工作.為了提高溫度穩定性,應采用NPO電容.3、MCS-51單片機的復位電路計算機在啟動運行時都需要復位,使中央處理器CPU和系統中的其他部件都處于一個確定的初始狀態,并從這個狀態開始工作.單片機的復位都

28、是靠外部電路實現的,MCS-51單片機有一個復位引腳RST,高電平有效.它是施密特觸發輸入,當振蕩器起振后,該引腳上出現兩個機器周期(即24個時鐘周期)以上的高電平,使器件復位,只要RST保持高電平,MCS-51便保持復位狀態.此時ALE ,P0,P1,P2,P3口都輸出高電平.RST變位低電平后,退出復位狀態,CPU從初始狀態開始工作.復位操作不影響片內RAM的內容.MCS-51單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式.通常因為系統運動等的需要,常常需要人工按鈕復位,如下圖4-3所示:圖4-3上電按鈕復位電路對于CMOS型單片機因RST引腳的內部有一個拉低電阻,故電阻R2可不接.單片機在

29、上電瞬間,RC電路充電,RST引腳端出現正脈沖,只要RST端保持兩個機器周期以上的高電平(因為振蕩器從起振到穩定大約要10ms),就能使單片機有效復位.當晶體振蕩頻率為12MHz時,RC的典型值為C=10F,R=8.2K.簡單復位電路中,干擾信號易串入復位端,可能會引起內部某些寄存錯誤復位,這時可在RST引腳上接一去耦電容.上圖那上電按鈕復位電路只需將一個常開按鈕開關并聯于上電復位電路,按下開關一定時間就能使RST引腳端為高電平,從而使單片機復位.4.2.2 系統的擴展在以8031單片機為核心的控制系統中必須擴展程序存貯器，用以存放控制程序。同時，單片機內部的存貯器容量較小，不能滿足實際需要，

30、還要擴展數據存貯器。這種擴展就是配置外部存貯器（包括程序存貯器和數據存貯器）。另外，在單片機內部雖然設置了若干并行I/O接口電路，用來與外圍設備連接。但當外圍設備較多時，僅有幾個內部I/O接口是不夠的，因此，單片機還需要擴展輸入輸出接口芯片。1、程序存貯器的擴展MCS-51系列單片機的程序存貯器空間和數據存貯器空間是相互獨立的。程序存貯器尋址空間為64KB（0000H-0FFFFH），8031片內不帶ROM，所以要進行程序存貯器的擴展。用作程序存貯器的常用的器件是EPROM。 由于MCS-51單片機的P0口是分別復用的地址/數據總線，因此，在進行程序存貯器擴展時，必須用地址鎖存器鎖存地址信號。

31、通常地址鎖存器可使用帶三態緩沖輸出的八D鎖存器74LS373。當用74LS373作為地址鎖存器時，鎖存端G可直接與單片機的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進行地址鎖存。根據應用系統對程序存貯器容量要求的不同，常采用的擴展芯片擴展EPROM2716（2KB×8）、2732A（4KB×8）、2764A（8KB×8）、27128A（16KB×8）、27256（32KB×8）和27512（64KB×8）等。以上6種EPROM均為單一+5V電源供電，維持電流為35mA-40mA，工作電流為75mA-100mA，讀出時間最大為250ns，

32、均有雙列直插式封裝形式，A0-A15是地址線，不同的芯片可擴展的存貯容量的大小不同，因而提供8位地址的P2端口線的數量各不相同，故2716為A0-A10，27512為A0-A15；D0-D7是數據線；CE是片選線，低電平有效；OE是數據輸出選通線；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源；PGM是編程脈沖輸入端。根據程序存貯器擴展的原理，以EPROM2764A和鎖存器74LS373為例對8031單片機進行程序存貯器的擴展。因為2764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址線，A0-A12。如果只擴展一片程序存貯器EPROM，故可將片選端CE直接接地。下圖為擴展兩片EPROM的連接方法。同時，

33、8031運行所需的程序指令來自2764A，要把其EA端接地，否則，8031將不會運行。2、數據存貯器的擴展8031單片機內部有128個字節RAM存貯器。CPU對內部的RAM具有豐富的的操作指令。但在用于數據采集和處理時，僅靠片內提供的128個字節的數據存貯器是遠遠不夠的。在這種情況下，可利用MCS-51的擴展功能，擴展外部數據存貯器。數據存貯器只使用WR、RD控制線而不用PSEN。正因為如此，數據存貯器與程序存貯器可完全重疊，均為0000H-FFFFH，但數據存貯器與I/O口與外圍設備是統一遍址的，即任何擴展的I/O口以及外圍設備均占用數據存貯器地址。8031的P0口為RAM的復用地址/數據線

34、，P2口用于對RAM進行頁面尋址（根據其容量不同，所占的P2端口不同，在對外部RAM讀/寫期間，CPU產生RD/WR信號。在8031單片機應用系統中，靜態RAM是最常用的，由于這種存貯器的設計無需考慮刷新問題，因而它與微處理器的接口很簡單。最常用的靜態RAM芯片有6116（2KB×8）和6264（8KB×8）。單一+5V供電，額定功耗分別為160mW和200mW，典型存取時間均為200ns，均有雙列之插式封裝，管腳分別為24和28線。下圖是6264與8031的連接圖。從圖中知：6264的片選接8031的P2.7，第二片選線CS2接高電平，保持一直有效狀態。因6264是8KB

35、容量的RAM，故用到了3根地址線。6264的地址范圍為0000H-7FFFH。對于一個完整的應用系統，必須具備一定容量的程序存貯器和一定容量的數據存貯器。8031單片機外部擴展兩片2764EPROM和兩片6264靜態RAM。程序存貯器2764的地址為：0000H-1FFFH。數據存貯器6264的地址為0000H-7FFFH。4.2.3確定I/O接口8031只有P1口可作為普通I/O口用，所以需擴展。鍵盤需要64個鍵，采用矩陣式鍵盤，需12個I/O口；顯示器采用7個LED，需7個I/O接口；兩個三相步進電機，采用軟件環行分配器，需6個；刀架需4個；緊急停需1個。采用一片8279芯片和一片8255

36、A即可。鍵盤/顯示器接口采用8279芯片，因為8279芯片是專用的鍵盤/顯示器接口芯片，還可以編程。8279芯片具有消顫（去抖動）、雙鍵同時按下保護功能。顯示控制亦按掃描方式工作，可以顯示8或16個數碼（字符）。LED的個數應滿足顯示值的要求和便于顯示。8279與單片機8031的連接無特殊要求，除數據線、RESET、WR、RD直接連接外，CS與74LS138譯碼器輸出線Y1相連；8279的IRQ經反相器與8031的中斷請求輸人線INT1相連；時鐘輸人端CLK與8031的地址鎖存控制端ALE相連。8279鍵盤最大可配置8×8個鍵，實際用了32個鍵。掃描線信號為SL0SL2，經74LS1

37、38譯碼器輸出的4個列選信號，接入鍵盤列線。鍵盤行查詢用了RL0RL7的8根回饋線，接人鍵盤行線。8279配置的8位共陰極LED顯示器，其字位線由掃描線SL0SL2經譯碼器、驅動器提供，字段線由OUTA0OUTBA3、OUTB0OUTB3通過驅動器提供。8255A的內部結構可分為四個部分：a.數據總線緩沖器 是一個8位的雙向三態驅動器，用于與單片機的數據總線相連。b.讀/寫控制邏輯 根據單片機的地址信息（A1、A0）與控制信息（RD、WR、RE、SET），控制片內數據、CPU控制字、外設狀態信息的傳送。 c.控制電路 根據CPU送來的控制字使所管I/O接口按一定工作方式工作。對C口甚至可按位實

38、現“置位”或“復位”。d.并行I/O接口 有A、B、C三個端口。 A口：可編程為8位輸入，或8位輸出，或雙向傳送。 B口：可編程為8位輸入，或8位輸出，按不能雙向傳送。C口：可分為兩個4位口，用于輸入或輸出；也可用作A口、B口的狀態控制信號。8255A的D0D7依次與8031的P0.0P0.7連接；RD、WR、RESET與8031的同名引腳相連；A0、A1兩跟地址線與鎖存器74LS373輸出的最低2位連接。自單片機接受地址信息、控制信息，在數據總線與端口間傳送數據、狀態控制信號，也自數據總線接受控制字。4.2.4鍵盤接口設計首先判斷鍵盤上有無鍵閉合，先送8255的PA口一個數據為00H，使列線

39、PA0PA7的電平均為0，然后讀PB口的PB0PB2的狀況；若不全為“1”，則有鍵閉合，此時延時10ms去掉抖動后再判斷有無鍵閉合。如無則繼續掃描，如有則判斷按下的鍵號。如確定有鍵按下時，便開始計算鍵值。當采用8行4列的鍵盤時，定義第一行的鍵為00H03H，定義第二行鍵的鍵值為04H07H，依次類推。首先判斷是哪一行有鍵閉合，若第一行有鍵閉合，設置初值為00H，若第二行有鍵閉合，則設置初值為04H，依次類推。接著對列線進行掃描以判斷是哪一列閉合。方法上使PA0對應的列線輸出低電平，其余均為高電平，判斷一下是否第一列有鍵閉合，如有則列計數為00H，與初值相加則為鍵值，也即是鍵盤的鍵號，如無則把低

40、電平移到第二列上再判斷，直到四列線全判斷完畢，找出列線為止。然后計算鍵值，最后可根據鍵號跳轉到相應的鍵功能程序的入口。0列掃描線KEY有鍵按下？延時10ms有鍵按下？計算行值掃描各列鍵盤線求出列值計算鍵值轉各鍵功能功能1功能2功能3功能32圖4-4鍵盤程序框圖4.2.5顯示電路設計數碼顯示器是單片機應用產品中的廉價輸出設備。它由若干個發光二極管組成的。當發光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發亮。控制不同組合的二極管導通，就能顯示出各種字符。發光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。這種筆畫式的七段顯示器，能顯示的字符數量較少，但控制簡單，使用方便。動態顯示

41、是一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描）。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導通電流有關，也和點亮時間與間隔時間的比例有關。調整電流和時間參數，可實現亮度較高較穩定的顯示。若顯示的為數不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個8位并行口（稱為掃描口）。控制各個顯示器所顯示的字形也需一個公用的8位口（稱為數據口）。在8031RAM中設置6個顯示緩沖單元79H7EH，分別存放6位顯示器的顯示數據。8255的A口掃描總是一位為高電平，即6位顯示器中僅有一位公共陰極為低電平，其它為高電平。8255的B口輸出相應位（陰極為低）顯示數據的數據段，使某一位顯示出一個字符，其它位為暗。

42、依次地改變A口輸出為高的位，B口輸出對應的段數據，6位顯示器就顯示出緩沖器顯示數據所確定的字符。4.2.6穩壓電源5伏的穩壓電源為全系統提供電源。輸出功率不小于8w。采用普通的三端固定輸出穩壓集成電路，采用金封7805。 圖4-5穩壓電源圖 220伏交流電壓經變壓器T1降壓為8.59伏后，輸入整流橋，濾波后輸入三端穩壓7805，再經C2濾波輸出一個穩定的5伏電壓。4.3鍵盤的診斷經濟型數控系統中，程序的輸入方式多采用鍵盤直接輸入。若鍵盤中有一鍵失靈，就可能導致不能取得操作者的控制指令，而使系統失常。因此，鍵盤診斷是很重要的，通過鍵盤診斷程序，使操作者正確判斷鍵盤工作無誤或及時排除鍵盤故障。鍵盤

43、診斷程序設計的基本思路是：在系統的鍵盤管理程序中加入使按鍵發聲子程序，當有鍵按下時，發出標識聲音，每當按下鍵時聽到聲音，表明無故障，否則鍵出故障。 由于鍵盤識別程序已存在于鍵盤管理程序中，只要編寫聲音標識子程序供調用就行了。因此，這種鍵盤診斷方式隨系統監控程序自始至終存在，有利于操作者及時發現問題。聲音標識定為每間隔0.5s發生0.1s的聲訊，共響三次。4.4 軟件設計銑床數控系統設計與應用工作中，軟件設計是一個重要方面。實際上，軟件設計與硬件設計工作是不可分割的，二者必須結合進行。軟件設計工作，按其功能可分二類：一類是執行軟件，它能完成各種實質性的功能；另一類是監控（管理）軟件，它是控制微機

44、系統按預定的操作方式運轉的程序。但執行軟件和監控軟件沒有明確的界限和固定的功能劃分。習慣上把鍵盤解釋程序作為監控程序，其它任務都分散在特定功能的執行程序中，并由監控程序來調用必要的功能模塊，完成預定的任務。在進行軟件設計時，應從全局著眼，先將整個系統的任務按功能分成一個一個的模塊，并為每一個執行模塊定義，然后設計出每一個具體模塊的程序，最后組成一個系統。不僅整個系統的程序結構可具有模塊化的特性，而且其模塊內部也可以分為小模塊。模塊特性對測試很有利，功能擴充也很方便。要增加新功能，只要增加新模塊就能實現，像搭積木一樣。因此，這樣的模塊程序設計方法，思路清晰，邏輯性強，柔性較大。數控系統加工程序管

45、理與操作模塊插補功能間隙補償步進電機控制速度控制環行分配管理模塊程序設計自動換刀程序設計鍵盤程序顯示程序鍵盤診斷中斷功能診斷圖4-6數控系統框圖第五章 步進電機的控制5.1概述數控機械的開環數控系統一般用步進電機作為執行驅動元件，因此又稱為開換步進控制系統。由于這種系統不使用位置、速度檢測和反饋裝置，沒有閉環控制系統中的穩定性問題，因此具有結構簡單、使用維護方便、可靠性高、制造成本低等一系列優點，適用于精度要求不太高的中小型數控設備。開環系統主要由脈沖分配器、驅動電源、步進電機組成。步進電機是一種多相脈沖電機，它的各相繞組必須按一定的規律輪流供電，步進電機才能按一定的方向旋轉。為實現步進電機各

46、繞組間有規律輪流供電，可以采用硬件邏輯來實現，也可以用計算機軟件來實現。單片機通過運算不斷地向步進電機發出脈沖分配信號，這樣就使步進電機朝一個方向不斷轉動。單片機發出的脈沖速度快，步進電機也轉得快，單片機發出的脈沖速度慢，步進電機也轉得慢，這樣單片機就可以通過改變輸出脈沖的速度來改變步進電機的速度。單片機還可以通過改變脈沖分配的順序來改變電機的轉動方向。再通過機械傳動使電機的轉向、轉速、轉角變為工作臺的進退、移動速度和位移量。單片機就是這樣通過步進電機驅動系統來控制工作臺運動的。由于單片機脈沖輸出的脈沖功率很小，不足以推動步進電機，因而必須有一個把脈沖信號放大到足以推動步進電機轉動的放大器，這

47、就是步進電機驅動電源。由于步進電機是一個電感性負載，電流的上升率受電感大小的影響而在高頻運行時扭矩將有較大的下降。所以在設計驅動電源時必須采取適當的措施來提高電流的上升率以保證運行時有足夠的扭矩。由此可見步進電機和步進電機驅動電源的性能好壞將對開環數控系統的性能起很重要的作用。5.2步進電機的控制程序設計步進電機也叫脈沖電機，是將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的電磁機械裝置，是一種輸出與輸入數字脈沖對應的增量驅動元件。當給步進電機一個電脈沖信號時，步進電機便轉動一個步距角。如按一定規律給步進電機一串連續電脈沖信號，步進電機便一步一步地連續旋轉。步進電機具有如下特點：a.位移量與輸入電脈沖

48、數有嚴格的對應關系，步距誤差不會積累。b.穩定運行時的轉速與控制脈沖的頻率有嚴格的對應關系。c.控制性能好，在一定的頻率下，能按控制脈沖的要求快速起、停和反轉。改變控制脈沖頻率，電動機的轉速就隨著變化，并可在很寬的范圍內平滑調節。d.控制系統簡單，工作可靠，成本低。但其控制精度受到步距腳的限制。所以，步進電機廣泛用于數模轉換、速度控制和位置控制系統中，是開環數控系統的理想執行元件。步進電機的控制主要由脈沖分配和驅動電路兩部分組成。步進電機脈沖控制任務主要有三點：一是控制電機的轉向，二是控制電機的轉速，三是控制電機的轉角（步數）?？刂戚斔徒o電機的脈沖數就控制了電機相應的轉角數?？刂戚斔偷拿}沖頻率

49、可以控制電機的轉速，控制電機的轉向必須控制輸送脈沖給電機繞組的順序分配，這種分配稱為環行分配。四相八拍的通電順序為： 正轉：AABBBCCCDDDA 反轉：AADDDCCCBBBA表5-1 四相八拍步進電機通電方式的控制數學模型 節 拍 通 電 相 控 制 模 型 正 轉 反 轉 二進制 十六進制18A0000000101H27AB0000001103H36B0000001002H45BC0000011006H54C0000010004H63CD0000010105H72D0000011006H81DA0000011107HA步進電機運行控制程序設計只要給步進電機各相繞組按規定的控制模型輸出時

50、序脈沖，步進電機就能按一定的方向轉動。在數控技術中，經常要求步進電機工作時隨時改變運動方向，才能滿足機械加工的需要。步進電機運行控制程序設計的主要任務是：判斷運動方向，按順序送出控制脈沖，判斷所要送的脈沖是否送完。NY設步長計數器保護現場轉向標志為1置正轉控制字指針輸出控制字是結束標志延時、控制字地址指針1返回恢復現場總步數為零置反轉控制字圖5-1四相八拍步進電機控制程序框圖 B步進電機的升降速控制及其程序設計步進電機變速控制程序設計的任務就是合理地確定延時參數t，使步進電機按照給定的速度規律運行。從加工效率的觀點而言，我們總是希望要求步進電機的運行速度盡可能快些，快速地達到控制終點。但由于受

51、步進電機本身的特性限制，如果在速度較高的狀態啟、停及運行速度突變時，往往會出現失步現象，使步進電機不能正確地跟隨進給脈沖。究其原因，是步進電機的響應頻率fs比較低，而空載最高啟動頻率也有所限制。所謂空載最高啟動頻率是指電機空載時，轉子從靜止狀態不失步地與控制脈沖頻率相對應的工作狀態同步的最大控制脈沖頻率。當步進電機帶有負載時，它的啟動頻率要低于最高空載頻率。根據步進電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高啟動轉矩越小，帶負載的能力越差；當步進電機啟動后，進入穩定時的工作頻率又遠大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進電機，不可能一下子穩定到較高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。一般來說，升頻的

52、時間約為0.11s之間。反之，從高速運行，到停止也應該有減速的措施。為此，數控系統往往要求以某種最優的方式控制進給脈沖的頻率，即要有自動升、降速控制的功能。a.設置突跳啟動頻率常數為FA7C,放在18H、19H中。b.設置最高運行頻率常數為FF80,放在1AH、1BH中。c.設級差為1,放在1CH中。設每階脈沖數初始為1,臨時高速時增為3,放在1DH中,因升速區后繼續升速比比較困難,把每階脈沖數增為3,有利于提高最高速度值。5AH,5BH18H,19H4CH1DH70H1CHN57H,58H=0? 5AH，5BH1AH，1BH5AH,5BH18H,19H YY 5AH=FF（5AH，5BH）-15AH，5BH4CH4CH+14CH1DH5AH,5BH+15AH,5BH5AHTH05BHTL0RET圖5-2 自動升降速程序流程圖C步進電機等加速度變速控制及程序設計a等加速度運行分析描述了一個步進電機的等加速的運行過程。在圖中縱坐標是頻率f，它是以步/s為單位的，因此本質上也是速度。橫坐標是步數，其本質上也是位移距