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目 錄
第一章 總體方案的擬定……………………………………………………… 1
第一節(jié) 概述………………………………………………………………… 1
第二節(jié) 總體方案的確定…………………………………………………… 1
第二章 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………… 3
第三章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)………………………………………… 10
第一節(jié) 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容……………………………………… 10
第二節(jié) I/O接口電路 ……………………………………………………… 12
第三節(jié) 所用芯片接線引腳介……………………………………………… 13
第四節(jié) 輔助電路的設(shè)計(jì)…………………………………………………… 17
第四章 微機(jī)控制軟件………………………………………………………… 22
第一節(jié) 概述………………………………………………………………… 22
第二節(jié) 控制軟件組成及功能……………………………………………… 22
第三節(jié) 系統(tǒng)直線插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì): ………………………………………… 23
致謝……………………………………………………………………………… 27
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………… 27
[數(shù)控測(cè)量機(jī)]設(shè)計(jì)
1. 設(shè)計(jì)任務(wù)：
(1)根據(jù)給定條件，確定機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案，確定微機(jī)控制系統(tǒng)方案；
(2)進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制機(jī)械裝配圖及其部分零件圖；
(3)進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)技術(shù)分析，設(shè)計(jì)微機(jī)擴(kuò)展和接口電路，繪制控制系統(tǒng)原理圖；
(4)繪制數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)單元逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)程序流程圖，并編寫其源程序；
(5)撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份。
2. 給定條件：
(1)行程范圍 Z向350mm C向連續(xù)回轉(zhuǎn)
(2)運(yùn)動(dòng)分辨率 Z向優(yōu)于0.01mm C向優(yōu)于0.1°
(3)Z向最大移動(dòng)速度 5000mm/min
C向最大旋轉(zhuǎn)速度 100r/min
(4)被檢工件最大尺寸（材料為鋼） φ50mm×350mm
(5)外形尺寸（參考） 700mm×400mm×320mm
(6)微機(jī)部分?jǐn)U展16k程序存儲(chǔ)器容量，16k數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；人機(jī)交互部分的數(shù)據(jù)和程序輸入采用4行8列的行列式鍵盤，狀態(tài)和信息顯示采用8位8段LED數(shù)碼管；2個(gè)行程限位信號(hào)（來(lái)自Z向直線運(yùn)動(dòng)單元）、2個(gè)回零開(kāi)關(guān)信號(hào)（分別來(lái)自Z直線運(yùn)動(dòng)單元和C回轉(zhuǎn)單元）及工作方式采用開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入；電機(jī)控制部分包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元的控制，電機(jī)控制采用軟環(huán)分和高低壓驅(qū)動(dòng)。
3. 設(shè)計(jì)要求：
(1) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，原理正確，制圖符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，圖面整潔；
(2) 微機(jī)控制系統(tǒng)功能完備，包括微機(jī)部分，人機(jī)交互部分和電機(jī)控制部分；
(3) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書論述清楚，計(jì)算無(wú)誤，數(shù)值單位明確，引用公式及資料有出處。
第一章 總體方案的擬定
第一節(jié) 概述
數(shù)控技術(shù)是一種自動(dòng)控制技術(shù)，它能夠?qū)C(jī)器的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作進(jìn)行控制。采用數(shù)控技術(shù)的控制系統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)。裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床由程序載體、輸入裝置、CNC裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床的機(jī)械部件構(gòu)成。以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，促進(jìn)了機(jī)械制造業(yè)向著更高層次發(fā)展，使機(jī)械制造水平得到很大的提高。對(duì)我們的現(xiàn)代的經(jīng)濟(jì)建設(shè)有很大的推動(dòng)作用。
第二節(jié) 總體方案的確定
對(duì)任務(wù)書進(jìn)行分析，數(shù)控測(cè)量機(jī)需有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，一個(gè)是Z直線運(yùn)動(dòng)單元，另一個(gè)是C回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元。功能：實(shí)現(xiàn)對(duì)工件軸剖面和徑剖面的測(cè)量。設(shè)計(jì)思路：Z軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺母帶動(dòng)托板在滾動(dòng)導(dǎo)軌上直線移動(dòng)，絲杠直徑取D=20mm；C軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)三爪卡盤轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)。
一、機(jī)械傳送部件的選擇
1.導(dǎo)軌副的選用
要設(shè)計(jì)的數(shù)控測(cè)量機(jī)Z軸直線運(yùn)動(dòng)單元需要承載的載荷不大，但運(yùn)動(dòng)分辨率高，因此，決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。
2.絲杠螺母副的選用
伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足Z向運(yùn)動(dòng)分辨率優(yōu)于0.01mm，滑動(dòng)絲杠副無(wú)能為力，只有選用滾珠絲杠螺母副才能達(dá)到。滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。
3.伺服電動(dòng)機(jī)的選用
任務(wù)書要求的Z軸的運(yùn)動(dòng)分辨率優(yōu)于0.01mm，所以本次設(shè)計(jì)脈沖膽量選為0.01，尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度為5000mm/min。因此，Z軸不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，可以選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。C軸運(yùn)動(dòng)分辨率優(yōu)于0.1°，最大旋轉(zhuǎn)速度為100r/min，也選用步進(jìn)電機(jī)。
4.減速裝置的選用
Z軸選擇了電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠螺母副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。為此，本設(shè)計(jì)決定采用無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。C軸決定選用諧波減速器，諧波減速器具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，傳動(dòng)效率高。(2)傳動(dòng)范圍大。(3)同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，運(yùn)動(dòng)精度高，承載能力大。(4)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)沖擊，噪聲小。(5)齒側(cè)間隙可以調(diào)整。
5.檢查裝置的的選用
選用步進(jìn)電機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開(kāi)環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏高了，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不受電網(wǎng)和其他外部因素的影響而失步，決定采用全閉環(huán)控制，而且測(cè)量機(jī)上用光柵尺來(lái)測(cè)量工件的軸向尺寸，若再用光柵尺作為閉環(huán)用的檢查裝置，更能起到一舉兩用的效果，使有效資源得到充分的利用。光柵的分辨率應(yīng)與測(cè)量的分辨率相匹配。
6.測(cè)量裝置的選用
本次設(shè)計(jì)的測(cè)量機(jī)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的軸剖面和徑剖面的測(cè)量，分別采用直線光柵和光幕式傳感器。
二、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1.設(shè)計(jì)的數(shù)控測(cè)量機(jī)，其控制系統(tǒng)應(yīng)具有定位和速度控制的基本功能，但無(wú)需有插補(bǔ)。所以點(diǎn)位/直線控制系統(tǒng)即可。
2．對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)80C31作為控制系統(tǒng)的CPU，應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高?？煽啃院?、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)。
3.要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。
第二章 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
一、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估計(jì)
導(dǎo)軌上承載的部件包括連接板和光幕式傳感器、螺母座，重量約為20N。
二、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型
1. 滑塊承受的工作載荷F的計(jì)算及型號(hào)的選取
工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本設(shè)計(jì)中的連接板水平布置，采用雙導(dǎo)軌、兩滑塊的支承形式。由于垂直方向承載的載荷為：F=G/2
其中，移動(dòng)部件重量G=20N,得F=10N,選取直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為ZL系列的JSA-LG15型，已能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求。由于設(shè)計(jì)的在、Z向的行程范圍為350mm，選連接板的尺寸為65mm×140mm，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為460mm。
2．距離額定壽命L的計(jì)算
上述選取的ZL系列JSA-LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過(guò)100℃，每根導(dǎo)軌上配有1個(gè)滑塊，精度為4級(jí)，工作速度較低，載荷不大。硬度系數(shù)?H=1.0、溫度系數(shù)?T=1.00、接觸系數(shù)?C=1、精度系數(shù)?R=0.9、載荷系數(shù)?W=1.5,得距離壽命：
L=(?H?T?C?R?WCaF)3×50≈4740940800km
遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。
三、滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型
1．從靜止加速到最大移動(dòng)速度承受的載荷FD的計(jì)算
本設(shè)計(jì)的最大移動(dòng)速度為5000mm/min，初選電機(jī)加速時(shí)間為300ms，設(shè)加速為勻加速。由此可計(jì)算出加速度：
a=Vmaxt=560×0.3=0.277m/s2。
絲杠所帶動(dòng)的移動(dòng)部件包括滑塊、連接板和光幕式傳感器、螺母座、螺母、滾珠的重量總和約為30N。
FQ=m×a=3×0.277=0.831N
滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)μ=0.005。得移動(dòng)克服的摩擦力為：
FM=Gμ=30×0.005=0.15N
FD=FQ+FM≈1N
2．初選型號(hào)
根據(jù)計(jì)算出的加速載荷，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級(jí)取2級(jí)，額定動(dòng)負(fù)載為9309N，遠(yuǎn)大于FD,滿足要求。
3．傳動(dòng)效率η的計(jì)算
將公稱直徑d0=20mm，導(dǎo)程Ph=5mm，代入λ=arctan[Ph/(πd0) ]，得絲杠螺旋升角λ=4°33′。將摩擦角φ=10′，代入η=tanλ/ tan(λ+φ),得傳動(dòng)效率η=96.4％。
4．剛度的驗(yàn)算
（1）絲杠的支承采用“單推-單推”的方式，絲杠的兩端各采用一對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距離約為450mm；鋼的彈性模量E=2.1×105MPa；查?機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書?表3-31，得滾珠直徑Dw=3.175mm，絲杠底徑d2=16.2mm，絲杠截面積S=πd2/4=206.12mm2。
絲杠在加速載荷FD作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量δ1=FDa/(ES)= 0.00001155mm。
（2）根據(jù)公式Z=πd0/Dw-3,求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為3×1，代入公式：ZΣ=Z×圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量ZΣ=60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力FYJ=FD/3=0.33N。則由式δ2=0.0013FD103DwFYJZΣ2/10=0.00003863mm。
（3）將以上算出的δ1和δ2代入δ總=δ1+δ2，求得絲杠總變形量δ總=0.00005018mm=0.05018μm。
本設(shè)計(jì)中絲杠的有效行程為350mm，由?機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書?表3-27知，2級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315-400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25μm，絲杠剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足。
6．壓桿穩(wěn)定性校核
關(guān)系式
Z1
Z2
Z（個(gè)）
24
50
d=mZ
24
50
da=d+2m
26
52
df=d-2×1.25m
21.5
47.5
b=(6～10)m
8
8
a=d1+d22
37
由于絲杠受到的軸向力很小，這里無(wú)需校核。
四、確定齒輪減速箱
已選定Z軸脈沖當(dāng)量為δ=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph=5mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角α=1.5°。傳動(dòng)比i為：
i=（αPh）/(360δ)= （1.5×5）/(360×0.01)=25/12
在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一級(jí)齒輪降速傳動(dòng)，選Z1=24, Z2=50
因傳遞的扭矩較小，取模數(shù)m=1mm,為了消除齒輪側(cè)隙，這里采用雙片齒輪，這樣齒寬b應(yīng)為 （6～10）m，選小齒輪為8m，大齒輪為雙片彈簧齒輪，都為4m。齒輪的有關(guān)尺寸如右表。
C軸要求運(yùn)動(dòng)分辨率優(yōu)于0.1°，最大旋轉(zhuǎn)速度為400r/min，由于分辨率較高，所以決定采用諧波減速器。
所需諧波減速器應(yīng)輸出的力矩Tmax為：Tmax=JΣα,JΣ為諧波減速器總輸出慣量，α為諧波減速器輸出的最大角加速度，
工件的最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J1
J1=0.78D4L×10-3=0.78×54×35×10-3=17.0625kg?cm2
卡盤的最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J2
J2=0.78D4L×10-3=0.78×104×5×10-3=39 kg?cm2
法蘭的最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J3
J3=0.78D4L×10-3=0.78×104×1×10-3=7.8 kg?cm2
JΣ=J1+J2+J3=63.8625 kg?cm2
α=100×2π60×0.3=34.91rad/s2
Tmax=JΣα=0.2229N?m
由于C軸起動(dòng)用的是恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，選擇諧波減速器的原則是按照最高轉(zhuǎn)速選用機(jī)型。輸出軸最大轉(zhuǎn)速要求為100r/min。所以決定采用北京諧波傳動(dòng)技術(shù)研究所生產(chǎn)的諧波減速器XB1系列40機(jī)型，減速比用48的。與之相關(guān)參數(shù)請(qǐng)查看去上述研究所網(wǎng)站。
機(jī)型
空載靜態(tài)啟動(dòng)力矩
(gf·cm)
飛輪矩GD2
(kgf·m2)
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I
(kg·m2)
XB1-40
60～200
2.35×10-5
0.59×10-5
機(jī)
型
d1
d2
D
D1
D2
L
L2
L3
L4
L6
H
H1
C
出
軸
L3
向
下
L
出
軸
L4
向
上
L
電
機(jī)
D3
直
聯(lián)
L7
40
15
M5
80
50
66
123
22
38
62
1
(65)
(65)
5x18
按電機(jī)型號(hào)確定
機(jī)型
減
速
比
u
輸入轉(zhuǎn)速 3000 rpm
輸入轉(zhuǎn)速 1500 rpm
輸入轉(zhuǎn)速 1000 rpm
輸出
力矩
T2 N.m
輸出
轉(zhuǎn)速
n2 rpm
額定輸
入功率
p kW
輸出
力矩
T2 N.m
輸出
轉(zhuǎn)速
n2 rpm
額定輸
入功率
p kW
輸出
力矩
T2 N.m
輸出
轉(zhuǎn)速
n2 rpm
額定輸
入功率
p kW
40
48
65
80
100
8.0
10
12
15
63
46
38
30
0.081
0.074
0.073
0.073
8.0
10
12
17
31
23
19
15
0.040
0.037
0.036
0.040
8.0
10
12
17
21
15
13
10
0.027
0.025
0.024
0.027
五、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型
1．先確定Z軸有用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
（1）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JΣ
已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長(zhǎng)450mm，導(dǎo)程Ph=5mm，材料密度ρ=7.85×10-3kg/cm3；移動(dòng)部件總重力G=30N；小齒輪寬度b1=8mm，直徑d1=24mm；大齒輪寬度b2=8mm，直徑d2=50mm；傳動(dòng)比i=25/12。
滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js為：
查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-25，得
Js=0.84×0.45 kg·cm2=0.378 kg·cm2
移動(dòng)部件折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JG為：
JG=Gg(L02π)2可查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-26得出
JG=6.45×0.003 kg·cm2=0.01935kg·cm2
J1、J2—齒輪Z1、Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·cm2)
對(duì)于鋼材 J=0.78D4L×10-3
式中 D—圓柱體直徑
L—圓柱體長(zhǎng)度
J1=0.78×10-3×d14·L1=0.78×10-3×2.44×0.8 kg·cm2 =0.021kg·cm2
J2=0.78×10-3×d24·L2=0.78×10-3×54×0.8 kg·cm2
=0.39 kg·cm2
初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為55BF003，為三相反應(yīng)式，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，三相六拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為1.5°，從?機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書?表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=0.06kg?cm2。
則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
J∑=Jm+J1+(Z1Z2)2[(J2+Js)+Gg(L02π)2]=0.06+0.021+(1225)2[(0.39+0.378)+0.01935]=0.06+ 0.20240544=0.26240544 kg·cm2
（2）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq為：
Teq=Tamax+Tf+T0
Tamax為啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩
Tf為移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
T0為由于絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩（可以忽略）
Tamax= J∑ε= J∑nmax602π×ta×10-2= J∑2πnmax×10-260×ta
nmax=vmaxδp×θb3600
式中 ε—電機(jī)最大角加速度（rad/s2）；
nmax—電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（r/min）；
ta—運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間（s）。令起動(dòng)加速時(shí)間ta=300ms
其他符號(hào)和前面意義相同，代入數(shù)據(jù)
nmax=vmaxδp×θb3600=50000.01×1.5360=2083.33r/min
Tamax= J∑×2πnmax×10-260×ta=0.74×2π×2083.3360×0.3×10-2 N·cm
=5.38N·cm
Tf=F0L02πηi
F0=?'G
式中 F0—導(dǎo)軌的摩擦力（N）；
G—運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）；
?'—導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；取0.005
i—齒輪降速比；
η—傳動(dòng)鏈總效率，在此取0.8。
F0=?'G=0.005×30=0.15N
Tf=0.15L02πηi=0.15×0.5×0.482π×0.8=0.0072N·cm
Teq=Tamax+Tf=5.38+0.0072≈5.39N·cm
（3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定
考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：
Tjmax≥4Teq=4×5.39 N·cm= 21.56 N·cm
上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為55BF003，由?機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書?表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=66 N·cm?？梢?jiàn)，滿足要求。
（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核
任務(wù)書給定最大移動(dòng)速度v=5000mm/min，脈沖當(dāng)量δ=0.01mm/脈沖，電機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率為?=[5000/(60×0.01)]Hz= 8333.33Hz。從?機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書?表4-3、表4-7和55BF003電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出，55BF003電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)18000Hz，可見(jiàn)沒(méi)有超過(guò)這個(gè)界限。在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf≈9 N·cm，大于快速起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq，滿足要求。
已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J∑=0.26240544 kg·cm2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=0.06kg?cm2，查?機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書?表4-5可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高空載起動(dòng)頻率?q=1800Hz。則由式（4-17）可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率為：
?L=?q1+JΣ/Jm=777Hz
上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于777Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得很低，通常只有100Hz。
綜上所述，55BF003步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。
技術(shù)參數(shù)：
型號(hào)
相數(shù)
步距角
(DEG.)
電壓
(V)
電流
(A)
保持轉(zhuǎn)矩
N.m( kg.cm)
空載啟動(dòng)頻率(HZ)
運(yùn)行頻率
(HZ)
接線圖
備注
55BF003
3
1.5°/3°
27
3
0.666(7)
1800
?
1
可供雙軸伸
外形安裝尺寸：
型號(hào)
ΦD
ΦD1
h
Φd
E
L
Φd2
MS
備注
55BF003
55
32
0
-0.017
2.5
6
-0.01
-0.022
20.5
70
40
4-M3
?
為了節(jié)省成本，配件應(yīng)盡量選擇一樣，因此C軸電機(jī)初選55BF003步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，（見(jiàn)綜合作業(yè)指導(dǎo)書表3-23）采用三相雙三拍驅(qū)動(dòng)，步距角為3°,由于諧波減速器的減速比為48，所以輸出軸的分辨率為0.0625°，優(yōu)于0.1°，滿足要求。C軸的轉(zhuǎn)速要求為100r/min。所以所需電機(jī)電機(jī)的運(yùn)行頻率為(100×360)/(60×0.0625)= 9600Hz，小于55BF003步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率。滿足要求。
由所選的諧波減速器的相關(guān)參數(shù)可看出即使步進(jìn)電機(jī)直接由最高轉(zhuǎn)速起動(dòng)，諧波減速器輸出的轉(zhuǎn)矩也能滿足要求。但為了避免有沖擊，還是采用低速起動(dòng)高速運(yùn)行的方法。
五、直線光柵尺的選用
本設(shè)計(jì)所選Z相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用全閉環(huán)控制，可在導(dǎo)軌上固定標(biāo)尺光柵，導(dǎo)軌塊上固定光柵讀數(shù)頭，，用以檢測(cè)光幕式傳感器的行程和移動(dòng)速度。光柵尺的分辨力應(yīng)與Z軸脈沖當(dāng)量相匹配。由Z軸脈沖當(dāng)量δ=0.01mm/脈沖和需要測(cè)量的行程為350mm?？紤]到光柵輸出的A、B相信號(hào)，可以送到四倍頻電路進(jìn)行電子四細(xì)分，和為了降低成本。因此，光柵的柵距選0.04mm。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，絲杠每產(chǎn)生一個(gè)脈沖當(dāng)量，光柵對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。
本設(shè)計(jì)選擇長(zhǎng)春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SGC6T4×35025型號(hào)直線光柵：電壓5V、方波輸出、有效行程350mm、柵距25線/mm、精度為±10μm的直線光柵。采用YC-18-7，七芯插頭。
六、光幕式傳感器的選用
由于需要檢查的工件最大直徑為50mm，所以選擇的光幕式傳感器的發(fā)射器和接收器的距離應(yīng)大于50mm，又考慮到工件裝載方便，需留出余量，所以使發(fā)射器和接收器的距離為100mm，根據(jù)已知條件，決定采用沃爾士環(huán)控系統(tǒng)工程（深圳）有限公司出售的由德國(guó)生產(chǎn)的德國(guó)SI 光幕式紅外光傳感器 FLB系列 FLB-F2，詳細(xì)信息：
詳細(xì)介紹：
尺寸：各種供選（38mm…300mm）
發(fā)射器和接收器的最大距離：300mm
濾光器: 冷光反射器
工作電壓：+12VDC…+32VDC
工作溫度：-20°C ... +60°C
在Windows?上可調(diào)整的參數(shù)：開(kāi)關(guān)指示(亮/暗)調(diào)整 、激光功率調(diào)整、開(kāi)關(guān)延時(shí)調(diào)整、信號(hào)平均值、公差值范圍設(shè)置、參考值范圍設(shè)置
輸出：
模擬量: 0 ... +10V
數(shù)字量:NPN,PNP
開(kāi)關(guān)頻率：1kHz
開(kāi)關(guān)指示：橙色LED
材料：鋁(電鍍藍(lán)色)
保護(hù)等級(jí)：IP67
由此可知滿足本設(shè)計(jì)要求。
第三章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
第一節(jié) 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容
一、 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖
根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。
（1）數(shù)控系統(tǒng)的組成
數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ) ，有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。
（2）機(jī)床的硬件電路有以下五部分組成:
1、 主控制器 即中央處理單元（CPU）；
2、 總線 包括數(shù)據(jù)總線(DB)，地址總線(AB)和控制總線(CB)；
3、 存儲(chǔ)器 包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；
4、 接口 即I/O輸入/輸出接口電路；
5、 外圍設(shè)備 如鍵盤、顯示器及光電輸入機(jī)等。
繪制機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖
圖 4-1 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開(kāi)環(huán)系統(tǒng)）
目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，推薦采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制器。由于其具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析本次任務(wù)要求，決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。由于8031內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器，且只有地址為00~7FH這128個(gè)單元作為片內(nèi)RAM供用戶使用。由于本次任務(wù)要求：微機(jī)部分?jǐn)U展16k×8位程序存儲(chǔ)器，16k×8位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；人機(jī)交互部分的輸入接口采用4行8列的行列式鍵盤，輸出接口采用8位8段LED數(shù)碼管；2個(gè)行程限位信號(hào)（Z向直線運(yùn)動(dòng)單元）、工作方式（手動(dòng)、自動(dòng)、編輯等）及報(bào)警指示等采用開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入；電機(jī)控制部分采用軟環(huán)分和高低壓驅(qū)動(dòng)，控制機(jī)床的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，所以，RAM、ROM、I/O接口均需擴(kuò)展。
決定擴(kuò)展兩片2764、兩片6264、一片8279、一片8255。
1、不同型號(hào)的EPROM工作速度有差別，一般為200~450ns,選擇時(shí)應(yīng)注意是否系統(tǒng)的時(shí)序要求。即8031所提供的讀取時(shí)間應(yīng)大于EPROM的工作時(shí)間。8031訪問(wèn)EPROM時(shí)，其所能提供的讀取時(shí)間t與所選的晶體時(shí)鐘有關(guān)，大約為3T，其中的T為時(shí)鐘周期，本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用晶體頻率為6MHz，則t≈480ns故凡工作速度小于480ns的芯片在時(shí)序上均滿足要求，所以2764滿足要求。
2、常用的靜態(tài)RAM芯片有6116、6264、62256等，6264采用CMOS工藝，有+5V供電，典型存取時(shí)間為150~200ns。所以6264滿足要求，采用28引腳雙列直插式扁平封裝。
由于單片機(jī)8031芯片的P0口分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，P2 口傳送高8位地址，所以采用74LS 373地址鎖存器，鎖存低8位地址。單片機(jī)的P2口用作高位地址線和片選地址線，由于P2口具有鎖存功能，故不必外加地址鎖存器。
2764和6264芯片均具有8KB，需要13根地址線。A0 ~ A7 低8位相應(yīng)接74LS 373的輸出1Q~8Q，A8 ~ A12 相應(yīng)接8031芯片的P2.0 ~ P2.4 。
由于擴(kuò)展了兩片2764、兩片6264、一片8279、一片8255，所以系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片片選信號(hào)對(duì)應(yīng)接74LS138譯碼器的0和1。
兩片6264芯片的片選信號(hào)對(duì)應(yīng)接74LS138的2和3，單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)允許程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址（即允許地址重疊），8031芯片控制信號(hào)接2764的引腳，讀寫控制信號(hào)和分別接6264芯片的和。由于8031芯片內(nèi)部沒(méi)有ROM，只能用外部程序存儲(chǔ)器，所以必須接地。
二、ROM、RAM、I/O接口芯片地址分配
器件
地址選擇線
片內(nèi)地址單元/字節(jié)
地址編輯
2764（1）
000x xxxx xxxx xxxx
8K
0000H~1FFFH
2764（2）
001x xxxx xxxx xxxx
8K
2000H~3FFFH
6264（1）
010x xxxx xxxx xxxx
8K
4000H~5FFFH
6264（2）
011x xxxx xxxx xxxx
8K
6000H~7FFFH
8279
1001 1111 1111 111x
2
9FFEH~9FFFH
8255
1011 1111 1111 11xx
4
BFFCH~BFFFH
三、軟環(huán)分
課程設(shè)計(jì)任務(wù)書要求采用軟環(huán)分，又因?yàn)閮蛇\(yùn)動(dòng)單元都選用了55BF003步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，并且Z軸采用三相六拍的控制方式，C軸采用三相雙三拍的控制方式。所以選用了8255的PA0~PA2分別對(duì)應(yīng)Z軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的A、B、C三相繞組，確定A-AB-B-BC-C-CA-A為電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn); PA3~PA5分別對(duì)應(yīng)C軸步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相繞組,并確定AB-BC-CA-AB為電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。
第二節(jié) I/O接口電路
一、I/O接口電路的擴(kuò)展
由于8031只有P口和P口部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的要求，因此系統(tǒng)擴(kuò)展了一片8279和一片8255可編程I/O接口芯片。8279的片選信號(hào)接74LS138的4端。8255的片選信號(hào)接74LS138的5端。74LS138有三個(gè)輸入A、B、C分別接到8031的P、P、P,輸出～8個(gè)輸出，低電平有效。
8279與鍵盤、顯示器的連接：鍵盤的行線接8279的RL～RL，本次設(shè)計(jì)8279采用外部譯碼方式，SL～SL經(jīng)74LS138（1）譯碼器輸出～，作為按鍵盤的列線，SL～SL又由74LS138(2)譯碼器輸出～，經(jīng)驅(qū)動(dòng)后輸出到顯示器各位的共陰極，輸出線OUTB、OUTA作為8位段數(shù)據(jù)輸出口，控制74LS138(2)的譯碼，當(dāng)位切換時(shí)，輸出低電平，使74LS138(2)輸出全為高電平，當(dāng)鍵盤上出現(xiàn)有效的閉合健時(shí)，鍵輸入數(shù)據(jù)自動(dòng)的進(jìn)入8279的FIFORAM，并向8031請(qǐng)求中斷，8031響應(yīng)中斷，讀取FIFORAM中的輸入鍵值更新顯示器輸出，僅需改變8279種顯示緩沖器RAM中的內(nèi)容。
8255的PA口用于控制Z向,C向的步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)任務(wù)書要求采用軟環(huán)分，于是PB口和PC口主要用于功能鍵的控制。
第三節(jié) 所用芯片接線引腳介紹
一、8031單片機(jī)芯片的介紹
8031芯片具有40根引腳按其功能分為四類
1.電源線2根?。╒,V）
2.晶體振蕩器2根
XTAL:振蕩器的反相放大器輸入，使用外部振蕩器時(shí)必須接地。
XTAL:當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào)
3.I/O口 共用P,P,P,P四個(gè)八位口，32根地址線，其功能如下：
（1）P～P：分時(shí)用作低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線。
（2）P～P：供用戶使用。
（3）P～P：它作為高8位地址線
（4）P～P：該口的每一位均可獨(dú)立的定義為第一I/O口或第二I/O口功能
作為第一功能實(shí)用時(shí)，口結(jié)構(gòu)與操作與P口完全相同。
第二功能如下所示：
：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 ：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通
T,T:定時(shí)器0，1外部輸入 、：外部中斷
RxD:串行輸入口 TxD:串行輸出口
4.控制線
（1）：程序存儲(chǔ)器的使能引腳，是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)；
（2）：為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令；為低電平時(shí)，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令，8031的端口必須接地；
（3）ALE：ALE是地址鎖存器的使能信號(hào)，ALE信號(hào)鎖存低8位地址
（4）RST/VPD：是復(fù)位/備用電源端
二、2764 ROM芯片的介紹
2764芯片為28腳雙列直插式扁平封裝芯片，其管腳的功能介紹如下：
：片選端； ：輸出使能端 ； A～A：地址端接口；
D～D：數(shù)據(jù)端接口；?。壕幊炭刂贫?； V：編程電源端；
V：電源端； V：接地。
三、6264 RAM芯片的介紹
6264芯片也為28腳雙列直插式扁平封裝芯片，其管腳功能介紹：
V：電源端； V：接地。
：片選端1; CS2：片選端2;
：讀輸入選通端; ：寫輸入選通端;
A～A：地址線;
I/O～I(xiàn)/O：I/O口。
四、地址鎖存器74LS373和地址譯碼器74LS138的引腳圖
五、專用鍵盤顯示器接口芯片8279
8279是通用可編程鍵盤和顯示器I/O接口部件。利用8279，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤/顯示器的自動(dòng)掃描，并識(shí)別鍵盤上閉合健的鍵號(hào)，不僅可以大大節(jié)省CPU對(duì)鍵盤顯示器的操作時(shí)間，從而減輕CPU的負(fù)擔(dān)，而且顯示穩(wěn)定。程序簡(jiǎn)單，不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，由于這些優(yōu)點(diǎn)，8279芯片被日益廣泛地應(yīng)用，
其引腳功能如下：
（1）I/O控制器與數(shù)據(jù)緩沖器
利用、A和、信號(hào)去控制各種內(nèi)部寄存器讀寫，A=1，表示傳送的是命令或狀態(tài)信息，A=0時(shí)數(shù)據(jù)信息。DB～DB與CPU數(shù)據(jù)總線相連。為片選信號(hào)，為低電平時(shí)，CPU才選中8279進(jìn)行讀寫。
（2）IRQ為中斷請(qǐng)求輸出線，高電平有效。
（3）RL～RL為反饋輸入線，作為鍵輸入線由內(nèi)部拉高電阻拉成高電平，也可由按鍵拉成低電平。
（4）SHIFT、CNTL/STB為控制鍵輸入線，由內(nèi)部拉高電阻拉成高電平。
（5）SL～SL為掃描輸出線，用于對(duì)鍵盤顯示器掃描。
（6）OUTB,OUTA為顯示段數(shù)據(jù)輸出線。
（7）為消隱輸出線，低電平有效，當(dāng)顯示器切換時(shí)，或使用顯示消隱命令時(shí)，將顯示消隱。
（8） RESET為復(fù)位輸入線，高電平有效。
六、8255可編程接口芯片：
8255具有3個(gè)8位的并行I/O口，分別為PA口、PB口和PC口，它們都可以通過(guò)軟件編程來(lái)改變I/O口的工作方式，其功能如下：
：片選端； PA～PA:A口； PB～PB:B口； PC～PC:C口A,A:地址線； ：讀信號(hào)； : 寫信號(hào)； D～D:數(shù)據(jù)線
RESET:復(fù)位信號(hào)； GND:地。
第四節(jié) 輔助電路的設(shè)計(jì)
一、輔助電路的介紹
微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)除了各種主要功能芯片外，還必須包括一些其他必要的輔助電路。這些輔助電路有：鍵盤顯示器電路，步進(jìn)電機(jī)控制電路，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，越界報(bào)警電路，掉電保護(hù)電路等。各種電路介紹如下：
1.鍵盤顯示器接口電路
數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有：LED顯示器，LCD和CRT顯示器。本設(shè)計(jì)采用LED顯示器，通常它是由八個(gè)發(fā)光二極管組成的，具有共陰極和共陽(yáng)極兩種結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計(jì)采用共陰極結(jié)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖所示：
鍵盤是由若干按鍵組成的開(kāi)關(guān)矩陣，它是最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，其工作原理如圖所示：
2.步進(jìn)電機(jī)控制電路
步進(jìn)電機(jī)控制電路如下列框圖所示：
步進(jìn)電機(jī)控制電路框圖
現(xiàn)分別介紹如下：
（1）脈沖分配器（環(huán)形分配器）
環(huán)形分配器有硬件和軟件兩種，硬件環(huán)形分配器需要的I/O口接線少，其執(zhí)行速度快，但需要專有的芯片。軟環(huán)形分配器實(shí)用程序?qū)崿F(xiàn)的。本設(shè)計(jì)中要求使用軟環(huán)分配器。其具體程序內(nèi)容見(jiàn)下部分。
（2）光電隔離電路
在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后，控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流也較大。如果將I/O口輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)的程序正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)接口電路的損壞。所以一般要在接口電路與功率放大器間加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。電路圖如圖所示：
光電隔離電路圖
該圖為同向輸出電路，控制信號(hào)經(jīng)74LS05集電極開(kāi)路門反相后驅(qū)動(dòng)光耦合器的輸入發(fā)光二極管。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，74LS05不吸收電路，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，從而輸出的光敏晶體管截至，輸入電壓為零電平。反之輸出電壓為高電平。
（3）功率放大電路
脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，必須將它放大，已產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，本次設(shè)計(jì)所選用的是一種高低壓供電電路。其具體電路圖如圖所示。
高低壓驅(qū)動(dòng)電路圖
其工作原理：
電路中各晶體管均處在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)控制脈沖到來(lái)時(shí)，V１、V２、V３均導(dǎo)通，同時(shí)脈沖變壓器的二次側(cè)產(chǎn)生一定寬度的脈沖電流，使V２出于導(dǎo)通狀態(tài)，使二極管處于負(fù)偏置而截止，將電動(dòng)機(jī)繞組LＡ與電源En斷開(kāi)，高壓電源通過(guò)V2、 V1為步進(jìn)電機(jī)繞組LＡ供電，使其電流上升沿變陡，通過(guò)Ｉb時(shí)間后，脈沖電流消失，使V處于截至狀態(tài)，切斷高壓電源EH與電動(dòng)機(jī)繞組LA的回路，En通過(guò)VD2, V1為電動(dòng)機(jī)供電，提供電動(dòng)機(jī)所需的額定電流。
3.8031的時(shí)鐘電路
單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，本次設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式，如圖所示。晶體可在1.2～12MHz之間任選，耦合電容在5～30PF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。
時(shí)鐘電路圖
4.復(fù)位電路
單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種。下圖中為上電與按鈕復(fù)位組合。在上電瞬間，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上高電平，就能使單片機(jī)有效復(fù)位。
復(fù)位電路圖
5.越界報(bào)警電路
為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開(kāi)關(guān)。本次設(shè)計(jì)采用中斷方式，利用8031的外部中斷，只要有任一個(gè)行程開(kāi)關(guān)閉合，即工作臺(tái)在某一個(gè)方向越界，均能產(chǎn)生中斷信號(hào)，為了報(bào)警，設(shè)置紅綠燈指示，正常工作時(shí)綠燈亮，當(dāng)越界報(bào)警是紅燈亮。兩燈均由一個(gè)I/O口輸出。
（a）為報(bào)警信號(hào)的產(chǎn)生。 (b)為報(bào)警指示。
6.掉電保護(hù)電路
掉電保護(hù)電路，保護(hù)一些重要的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，如幾何尺寸，工藝參數(shù)，再掉電后仍能妥善保存，恢復(fù)供電后又能馬上運(yùn)行。
掉電保護(hù)電路圖
圖中Va為電源電壓，Vb為備用電池電壓并且Va＞Vb，V為存儲(chǔ)器RAM電源端，正常通電時(shí)，二極管VD2導(dǎo)通，VD截止，電壓由Va提供，同時(shí)Va還通過(guò)電阻R對(duì)電池充電。斷電后，VD2截止，VD導(dǎo)通，此時(shí)RAM的工作電壓由電池Vb經(jīng)二極管VD1和電阻提供。
第四章 微機(jī)控制軟件
第一節(jié) 概述
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩大部分組成，只有軟件和硬件相結(jié)合時(shí)才能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的功能。本章主要是對(duì)控制軟件做一下簡(jiǎn)要介紹，其次按設(shè)計(jì)要求完成一項(xiàng)環(huán)形分配器流程框圖的繪制以及其源程序的編寫。
第二節(jié) 控制軟件組成及功能
一、典型的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的組成形式如下圖中所示：
二、數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的功能介紹如下：
（一）系統(tǒng)總控程序
這是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的主循環(huán)程序，系統(tǒng)上電后便進(jìn)入這部分程序運(yùn)行，它主要完成以下工作：1:系統(tǒng)的初始化；2：命令處理循環(huán)
（二）零件加工程序的輸入和輸出管理
零件加工程序的輸入有兩種方法：1：通過(guò)光電閱讀機(jī)輸入。2：從鍵盤輸入。零件程序存儲(chǔ)器一般容量較大，可以存放多個(gè)零件加工程序。數(shù)控系統(tǒng)采用的零件加工方式是存儲(chǔ)器工作方式，系統(tǒng)從零件存儲(chǔ)器中逐段取出程序送入程序緩沖器。然后對(duì)程序緩沖器中程序段數(shù)據(jù)預(yù)處理，形成可供插補(bǔ)運(yùn)算的數(shù)據(jù)。
（三）零件加工程序的編輯
編輯程序也可以看作鍵盤命令處理程序，既可以用來(lái)從鍵盤輸入新的零件加工程序，也可以用來(lái)對(duì)已經(jīng)存儲(chǔ)在零件程序存儲(chǔ)器中的零件加工程序進(jìn)行編輯和修改。常用的編輯功能包括插入、刪除、查找、移動(dòng)等。
（四）機(jī)床手動(dòng)調(diào)整控制
機(jī)床手動(dòng)調(diào)整動(dòng)作包括：各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)、主軸運(yùn)動(dòng)、刀架轉(zhuǎn)位、冷卻液的開(kāi)停等。 在手動(dòng)調(diào)整狀態(tài)下，除了控制機(jī)床的動(dòng)作外，還要對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行修改設(shè)置。由上述內(nèi)容可看出，手動(dòng)調(diào)整的控制程序是一個(gè)對(duì)操作面板和鍵盤輸入命令進(jìn)行掃描的循環(huán)。它不斷地讀取操作面板和鍵盤的輸入信息。分析識(shí)別輸入的命令進(jìn)形相應(yīng)的處理。
（五）零件加工程序的解釋和執(zhí)行
零件加工程序的解釋與執(zhí)行是完成零件加工任務(wù)的基本模塊，用來(lái)根據(jù)零件加工 程序?qū)崿F(xiàn)零件的軌跡加工，一個(gè)加工程序段的解釋執(zhí)行，包括取得程序段，程序譯碼，完成程序段中指定的G、M、S、T功能。對(duì)軌跡加工類程序段進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，插補(bǔ)計(jì)算，伺服控制等步驟。
（六）插補(bǔ)計(jì)算
插補(bǔ)程序是根據(jù)插補(bǔ)數(shù)學(xué)模型而編制的一種運(yùn)算處理程序，它的作用是決定在所要求的進(jìn)給長(zhǎng)度上數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的每一次進(jìn)給都需要執(zhí)行一次插補(bǔ)程序。插補(bǔ)的頻率是由程序所要求的進(jìn)給速度所決定的。進(jìn)給越快，插補(bǔ)頻率越高。
（七）伺服控制
伺服控制程序是根據(jù)插補(bǔ)程序的結(jié)果，經(jīng)適當(dāng)計(jì)算直接輸出去控制執(zhí)行元件的動(dòng)作。對(duì)于開(kāi)環(huán)的步進(jìn)電機(jī)的控制，主要完成脈沖分配和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制。和插補(bǔ)計(jì)算一樣，伺服控制也是由定時(shí)中斷引起的，也常常作為定時(shí)中斷服務(wù)程序的一部分出現(xiàn)或由定時(shí)中斷服務(wù)程序調(diào)用
（八）系統(tǒng)自檢
該程序檢測(cè)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)各個(gè)硬件部件功能的正確性。只是可能存在的故障的位置與性質(zhì)。這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性。
第三節(jié) 系統(tǒng)直線插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì)
一、直線插補(bǔ)
（一）第一象限插補(bǔ)軌跡如圖所示：
（二）、插補(bǔ)程序
1.直線插補(bǔ)的程序框圖如下：
2.插補(bǔ)程序
此程序根據(jù)經(jīng)濟(jì)性數(shù)控車床硬件電路圖編寫，程序首先對(duì)芯片8255進(jìn)行初始化，再用逐點(diǎn)比較法對(duì)第一象限直線進(jìn)行插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)。環(huán)行分配器是采用軟環(huán)分配。程序如下：
ORG 1000H
LP: MOV SP,#60H 設(shè)置堆棧指針
MOV DPTR, #BFFFH 8255初始化，BFFFH為8255控制口地址
MOV A #8BH 控制字為8BH，（即10001011B）設(shè)置為A口輸出，B口輸入，C口輸入
MOVX @DPTR A
MOV 4AH, #00H 偏差單元清零
MOV 49H, #00H
MOV 48H #01H 置Z向電機(jī)初態(tài)
MOV 47H,#20H 置C向電機(jī)初態(tài)
MOV A,4EH （低8位＋低8位）→50H
ADD A,4CH
MOV 50H,A
MOV A,4DH （高8位＋高8位）→50H
ADDC A,4BH
MOV 4FH,A
MOV A,#21H Z向、C向電機(jī)上電
MOX DPTR,# BFFCH 將控制字#21H送入8255芯片的A口
MOVX @DPTR,A
LP1: MOV A,49H 將偏差值高8位→A
JB ACC·7LP3 ACC·7=1偏差值為負(fù)值，F(xiàn)＜0則跳轉(zhuǎn)到子程序LP3，否則向下執(zhí)行
ACALL ZMP F≥0走一步＋Z
CLR C 清進(jìn)位
MOV A,4AH 計(jì)算偏差F=
MOV A,4CH
MOV 4AH,A
MOV A,49H
SUBB A,4BH
MOV 49H A
ACALL DLO 延時(shí)1ms
LP2:CLR C
MOV A,50H 終判值減1，送到A，判斷是否為0
SUBB A,#01H
MOV A,50H
MOV A,4FH
SUBB A,#00H
MOV 4FH,A
ORL A,50H
JNZ LP1 A不為0，轉(zhuǎn)移到LP1再判斷偏差值F的正負(fù)
LJMP 0000H
LP3:ACALL CMP F＜0，轉(zhuǎn)入此程序，走一步＋C，CMP為C向電機(jī)正轉(zhuǎn)子程序
MOV A,4AH 計(jì)算新偏差F=
ADD A,4EH
MOV 4AH,A
MOV A,49H
ADDC A,4DH
MOV 49H,A
ACALL DLO
SJMP LP2 轉(zhuǎn)移至LP2，重新進(jìn)行判終
DLO:MOV R2,#02H 延時(shí)子程序
D2:MOV R1,#7DH
D1:DJNZ R1,D1
DJNZ R2,D2
RET
ZMP,CMP子程序略。
致 謝
課程設(shè)計(jì)是高等教育機(jī)電一體化工程專業(yè)中本科階段一個(gè)重要的實(shí)踐性環(huán)節(jié)，同時(shí)是理論聯(lián)系實(shí)際，解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的開(kāi)始。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了許多問(wèn)題，通過(guò)請(qǐng)教指導(dǎo)老師和同學(xué)，綜合運(yùn)用各種資料文獻(xiàn)，問(wèn)題基本解決。由于時(shí)間倉(cāng)促及本人知識(shí)水平有限，許多不足之處希望評(píng)委老師提出意見(jiàn)，我將認(rèn)真仔細(xì)聽(tīng)取建議，并將在以后設(shè)計(jì)做的更好。
發(fā)現(xiàn)自己的知識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我應(yīng)該繼續(xù)學(xué)習(xí)，通過(guò)學(xué)習(xí)不斷積累知識(shí)和完善自我。生命不息，奮斗不止，把握未來(lái)，就要牢牢把握一卻繼續(xù)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)和條件，將學(xué)習(xí)進(jìn)行到底。
這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，得到了肖定國(guó)、郝娟兩位老師的精心指導(dǎo)，才得到能力的進(jìn)一步提高，不足之處，請(qǐng)各位老師諒解。
最后衷心感謝對(duì)我這次課程設(shè)計(jì)給予的幫助和指導(dǎo)！
2010年9月18日
參考文獻(xiàn)
（1） 郝忠軍、雷小玲編：綜合作業(yè)指導(dǎo)書. 機(jī)械工業(yè)出版社
（2） 尹志強(qiáng)編：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書.機(jī)械工業(yè)出版社
（3） 2008機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)軟件
（4） 趙長(zhǎng)德、雷田玉編：微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社
（5） 丁洪生編 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 機(jī)械工業(yè)出版社
（6） 虞洪述、徐伯康編 機(jī)械制圖 西安交通大學(xué)出版社
（7） 林其俊編： 數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社
（8） 董景新、趙長(zhǎng)德編：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械工業(yè)出版社