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通用两维运动平台说明书


内蒙古工业大学课程设计

摘 要
【摘要】 :X-Y 工 作 台 是 指 能 分 别 沿 着 X 向 和 Y 向 移 动 的 工 作 台 。数 控 机 床 的 加 工 系 统 、立 体 仓 库 中 堆 垛 机 的 平 面 移 动 系 统 、平 面 绘 图 仪 的 绘 图 系 统 等 , 尽 管 结 构 和 功 能 各 不 相 同 ,但 基 本 原 理

相 同 。 电 一 体 化 系 统 是 将 机 械 系 统 与 机 微 电 子 系 统 结 合 而 形 成 的 一 个 有 机 整 体 。 本 文 通 过 对 X-Y 工 作 台 的 机 械 系 统 、 制 系 统 及 接 口 电 路 的 设 计 ,阐 述 了 机 电 一 体 化 系 统 设 计 中 共 性 和 关 键 的 控 技术。 本 次 课 程 设 计 ,主 要 设 计 和 研 究 X - Y 工 作 台 及 其 电 气 原 理 图 。确 定 X - Y 工 作 台 的 传 动 系 统 ,并 且 选 择 了 螺 旋 传 动 ,验 算 了 螺 旋 传 动 的 刚 度 、稳 定 性 ,寿 命 等 参 数 ;还 设 计 了 导 轨 ,根 据 其 用 途 和 使 用 要 求 ,选 择 了 直 线 滚 动 导 轨 副 , 确 定 了 其 类 型 、 转 动 力 矩 、 转 动 惯 量 。 利 用 8031、 6264、 2764、 373、 8155、 8255 等 MCS— 51 单 片 机 设 计 其 硬 件 电 路 图 。 【关键词】 :滚 珠 丝 杠 螺 母 副 ;直 线 滚 动 导 轨 副 ;步 进 电 机 ;MCS— 51 单 片 机

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第 一 章 总 体 设 计 方 案 ................................................................................................. 4 1.1 系 统 运 动 方 式 的 确 定 与 驱 动 系 统 的 选 择 ........................................................ 4 1.2 机 械 传 动 方 式 ................................................................................................. 4 1.3 计 算 机 系 统 选 择 ............................................................................................. 4 1.4 总 体 方 案 的 确 定 ............................................................................................. 5 第 二 章 机 床 进 给 驱 动 系 统 机 械 部 分 设 计 计 算 ............................................................. 6 2.1 2.2 2.2.1 设 计 参 数 ..................................................................................................... 6 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 计 算 与 选 型 .................................................................... 6 X 向 进 给 丝 杠 ........................................................................................... 6 Y 向 进 给 丝 杠 .................................................................................... 8

2.2.2

2.2.3 滚 珠 丝 杠 副 的 几 何 参 数 ...................................................................... 13 2.3 滚 动 导 轨 的 计 算 与 选 择 .............................................................................. 13 2.3.1 2.4.1 2.4.2 滚 动 导 轨 副 的 额 定 寿 命 ................................................................... 13 转 动 惯 量 的 计 算 .............................................................................. 15 电 机 的 力 矩 的 计 算 .......................................................................... 16

第 三 章 微 机 数 控 系 统 硬 件 电 路 设 计 .......................................................................... 23 3.1 3-2 计 算 机 系 统 ................................................................................................ 23 单 片 微 机 数 控 系 统 硬 件 电 路 设 计 内 容 ........................................................ 23 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 绘 制 电 气 控 制 系 统 框 图 ................................................................... 23 选 择 CPU 的 类 型 .............................................................................. 24 存 储 器 扩 展 电 路 的 设 计 ................................................................... 24 I/O 接 口 电 路 设 计 ........................................................................... 25

各 类 芯 片 简 介 ............................................................................................. 25 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 8031 芯 片 简 介 ................................................................................. 25 373 芯 片 简 介 ................................................................................... 25 6264 芯 片 简 介 ................................................................................. 26 2764 芯 片 简 介 ................................................................................. 26 8155 芯 片 简 介 ................................................................................. 26

3.3.6 8255 芯 片 简 介 ................................................................................... 26
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3.4

存 储 器 扩 展 电 路 设 计 .................................................................................. 27 3.4.1 3.4.2 3.4.3 程 序 存 储 器 ROM 的 扩 展 ................................................................... 27 数 据 存 储 器 RAM 的 扩 展 ................................................................... 27 译 码 电 路 的 设 计 .............................................................................. 28

3.5

I/O 接 口 电 路 的 设 计 ................................................................................... 28 3.5.1 3.5.2 3.5.3 8155 通 用 可 编 程 接 口 芯 片 ............................................................... 28 8255 可 编 程 接 口 芯 片 ...................................................................... 29 键 盘 显 示 接 口 电 路 .......................................................................... 29

3.6 3.7

8031 的 时 钟 电 路 ........................................................................................ 30 复 位 电 路 .................................................................................................... 30

3.8 越 界 报 警 电 路 ............................................................................................... 31 3.9 3.10 3.11 掉 电 保 护 电 路 ............................................................................................. 31 控 制 系 统 的 功 能 ....................................................................................... 31 控 制 系 统 的 工 作 原 理 ................................................................................ 31

参 考 资 料 ..................................................................................................................... 33

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第一章 总体设计方案
1.1 系统运动方式的确定与驱动系统的选择
运 动 方 式 可 分 为 点 位 控 制 系 统 、 点 位 /点 线 系 统 和 连 续 控 制 系 统 。 为 了 满 足 二 维 运 动 平 台 实 现 X-Y 两 坐 标 联 动 ,运 动 定 位 ,暂 停 ,急 停 等 功 能 ,故 选 择 连 续 控 制 系 统 。驱 动 系 统 有 开 环 、闭 环 和 半 闭 环 。考 虑 到 工 作 台 实 际 位 移 的 检测,补偿系统的误差,故采用半闭环控制系统,利用步进电机进行驱动。

1.2 机械传动方式
为 了 实 现 设 计 要 求 的 分 辨 率 ,采 用 步 进 电 机 转 动 丝 杠 。为 了 保 证 一 定 的 传 动 精 度 和 传 动 平 稳 性 ,尽 量 减 小 摩 擦 力 ,选 用 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 。同 时 ,为 了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 计算机系统选择
根 据 设 计 要 求 , 用 8 位 微 机 。 于 MCS— 51 系 列 单 片 机 具 有 集 成 度 高 、 采 由 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 MCS— 51 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。

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1.4 总体方案的确定

工作 平 台
驱 动 器 步进电 机




驱 动 器 步进电 机

中拖 板

图 1— 1 X— Y 数 控 工 作 台 总 体 方 案 设 计

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第二章 机床进给驱动系统机械部分设计计算
2.1 设计参数

1、 工 作 台 台 面 尺 寸 : 320 × 250 2、 工 作 台 移 动 尺 寸 : X × Y = 200 × 160 3、 夹 具 和 工 作 台 总 重 : 600 N 4、最 高 运 行 速 度 :步 进 电 动 机 运 行 方 式 :空 载 :1.2m/mim:切 削 :0.6m/min; 5、 系 统 分 辨 率 : 开 环 模 式 6、 系 统 定 位 精 度 : 开 环 模 式 0.01mm/step; ± 0.10mm;

7、 切 削 负 载 : X 向 400N; Y 向 500N; Z 向 600N;

2.2
2.2.1

滚珠丝杠螺母副的计算与选型
X 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:
Fm = KFx + f ' ( FZ + G )

式中

FX 、 FZ 、 ---切 削 分 力 ( N) ;
G ---移 动 部 件 上 的 重 量 ( N) ;
M ---主 轴 上 的 扭 距 ( N·cm) ;

f ' ---导 轨 上 的 摩 擦 系 数 , 随 导 轨 型 式 而 不 同 ; K ---考 虑 颠 复 力 矩 影 响 的 实 验 系 数 ; 综 合 导 轨 的 K = 1.15 , f ' = 0.0025 ~ 0.005 , 取 f ' = 0.003 , 式 中 FX = 400 N ,

FZ = 600 N , G = 600 N
代入计算得 Fm = 463.6 N ( 2) 计 算 最 大 动 载 荷 C 、 选 用 滚 珠 丝 杠 副 的 直 径 d 0 时 ,必 须 保 证 在 一 定 轴 向 载 荷 作 用 下 ,丝 杠 在
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回 转 100 万 转 ( 10 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 C ,用下式计算选择:

6

C=
L=

Fm f w L1 / 3 ft fh fa fk
60 × n × T 10 6

n=
式中

1000v s L0

L ---寿 命 , 以 10 6 转 为 一 单 位
f t ---温 度 系 数 , 小 于 100 摄 氏 度 f t =1

f h ---硬 度 系 数 , f h =1 f a ---精 度 系 数 , 三 级 精 度 f a =1 f k ---可 靠 度 系 数 , 可 靠 度 为 95%, f k =0.62 f w ---为 运 转 系 数 ; 有 一 般 运 转 时 f w =1.2-1.5

n ---丝 杠 转 速 , (r / min ) , 用 下 式 计 算
v s ---为 最 大 切 削 力 条 件 下 的 进 给 速 度 (m / min ) , L0 ---丝 杠 导 程 , (mm ) ; T ---为 使 用 寿 命 , (h ) , 对 于 数 控 机 床 取 T = 15000h ; 初 选 导 程 L0 =4 mm , 由 任 务 书 可 知 最 大 切 削 力 下 的 速 度 v = 0.6m / min , 则 v s = 0.6m / min ,代 入 公 式 可 计 算 得

n=
L=

1000v s 1000 × 0.6 = =150 r / min L0 4
60 × n × T 60 × 1000 × 15000 = = 135 10 6 10 6

C=

Fm f w L1 / 3 = 3 900 × 1.5 × 638.3 = 4986.63 N ft fh fa fk

( 3) 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 选 型 、 所 选 丝 杠 螺 母 副 规 格 如 下 ( 其 中 载 荷 单 位 为 kgf)

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表 2-1

丝杠螺母副规格

根 据 以 上 算 得 的 最 大 动 负 载 C 在 表 中 选 用 型 号 额 定 动 载 荷 为 10270 N ,满 足 前 面进给方向的要求。 ( 4) 传 动 效 率 计 算 、 滚珠丝杠螺母副的传动效率 η :

η=
式中

tgγ tg(γ + ? )

γ ---丝 杠 螺 旋 升 角 ; ? ---摩 擦 角 , 滚 珠 丝 杠 的 滚 动 摩 擦 系 数 f = 0.003 ~ 0.004 , 其 摩 擦 角

约 等 于 10 ' 。
‘ 由 选 用 的 W 1 L2506 的 滚 珠 死 杠 的 相 关 数 据 可 知 丝 杠 螺 旋 升 角 γ = 4 22'

代入公式计算得

η = 96.3%

2.2.2

Y 向进给丝杠

( 1) 计 算 进 给 牵 引 力 、 计算公式为:
FM = KFXx + f ' ( FZ + G )

式中

FX 、 FZ 、 ---切 削 分 力 ( N) ;
G ---移 动 部 件 上 的 重 量 ( N) ;
M ---主 轴 上 的 扭 距 ( N·cm) ;

f ' ---导 轨 上 的 摩 擦 系 数 , 随 导 轨 型 式 而 不 同 ; K ---考 虑 颠 复 力 矩 影 响 的 实 验 系 数 ; 综 合 导 轨 的 K = 1.15 , f ' = 0.0025 ~ 0.005 取 f ' = 0.003 , 式 中 FY = 500 N ,

FZ = 600 N , G = 600 N
代入计算得 Fm = 578.6 N ( 2) 计 算 最 大 动 载 荷 C 、 用下式计算选择:

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C=
L=

Fm f w L1 / 3 ft fh fa fk
60 × n × T 10 6

n=
式中

1000v s L0

L ---寿 命 , 以 10 6 转 为 一 单 位
f t ---温 度 系 数 , 小 于 100 摄 氏 度 f t =1

f h ---硬 度 系 数 , f h =1 f a ---精 度 系 数 , 三 级 精 度 f a =1 f k ---可 靠 度 系 数 , 可 靠 度 为 95%, f k =0.62 f w ---为 运 转 系 数 ; 有 一 般 运 转 时 f w =1.2-1.5

n ---丝 杠 转 速 , (r / min ) , 用 下 式 计 算
v s ---为 最 大 切 削 力 条 件 下 的 进 给 速 度 (m / min ) , L0 ---丝 杠 导 程 , (mm ) ; T ---为 使 用 寿 命 , (h ) , 对 于 数 控 机 床 取 T = 15000h ; 初 选 导 程 L0 = 6mm , 任 务 书 可 知 最 大 切 削 力 下 的 速 度 v = 0.6m / min , 由 则 v s = 0.6m / min ,代 入 公 式 计 算 可 得
n= L=

1000 × 6 = 150r / min 6 60 × n × T 60 × 1000 × 15000 = = 135 10 6 10 6

C = 3 L f w Fm = 3 900 × 1.5 × 695.8 = 6223.60 N
( 3) 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 选 型 、 所 选 丝 杠 螺 母 副 规 格 如 下 ( 其 中 载 荷 单 位 为 kgf)

表 2-2 丝 杠 螺 母 副 规 格 根 据 以 上 算 得 的 最 大 动 负 载 C 在 表 中 选 用 型 号 额 定 动 载 荷 为 10270 N ,满 足 前 面进给方向的要求。
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( 4) 传 动 效 率 计 算 、 滚珠丝杠螺母副的传动效率 η :

η=
式中

tgγ tg(γ + ? )

γ ---丝 杠 螺 旋 升 角 ; ? ---摩 擦 角 , 滚 珠 丝 杠 的 滚 动 摩 擦 系 数 f = 0.003 ~ 0.004 , 其 摩 擦 角

约 等 于 10 ' 。
‘ 由 选 用 的 W 1 L2506 的 滚 珠 死 杠 的 相 关 数 据 可 知 丝 杠 螺 旋 升 角 γ = 4 22'

代入公式计算得 ( 5) 刚 度 的 验 算 、

η = 96.3%

先 画 出 此 进 给 滚 珠 丝 杠 支 承 方 式 草 图 ,如 图 所 示 .最 大 牵 引 力 为 578.6N, 由 螺 母 装 配 总 长 度 为 75mm,丝 杠 螺 纹 长 度 取 250mm,预 计 长 度 为 410mm,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.
G

J1

J

M

L

图 2-1 Y 向 进 给 系 统 计 算 简 图 滚 珠 丝 杠 副 的 轴 向 变 行 会 影 响 进 给 系 统 的 定 位 精 度 及 运 动 的 平 稳 性 ,因 此应考虑以下引起轴向变形的因素: 1)、 丝 杠 的 拉 伸 或 压 缩 变 形 量 δ 1

δ1 在 总 的 变 形 量 中 占 的 比 重 较 大 , 可 以 用 计 算 方 法 或 查 图 表 的 方 法 决
定 , 这 里 我 选 用 的 是 计 算 的 方 法 , 用 下 式 计 算 滚 珠 丝 杠 受 工 作 负 载 Fm 的 在 先 作 用 引 起 的 导 程 L0 的 变 化 量 ?L(mm) 再 计 算 滚 珠 丝 杠 总 长 度 上 的 拉 伸 或 压 缩 变 形 量 δ1 , 公 式 如 下 :
?L = ± Fm ? L0 EF

式中

?L ---在 工 作 负 载 Fm 作 用 下 引 起 每 一 导 程 的 变 化 量 , (mm) ; Fm ---工 作 负 载 , 即 进 给 牵 引 力 , ( N ) ;
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L0 ---滚 珠 丝 杠 的 导 程 , (mm) ;
E ---材 料 弹 性 模 数 , 对 钢 E=20.6 × 10 4 ,( N / mm 2 ); F ---滚 珠 丝 杠 截 面 积 ( 按 内 径 确 定 ) (mm 2 ) .

“ +” 号 用 于 拉 伸 , -” 号 用 于 压 缩 。 “ 其 中 F = πR 2 = π × 17.59 2 mm 2 , L0 = 4mm , Fm = 578.6 N 为 X 向 和 Y 向 两 向 中的最大值 滚 珠 丝 杠 总 长 度 上 拉 伸 或 压 缩 的 变 形 量 δ 1 (mm)

δ1 =
式中

?L ×L L0

L ---滚 珠 丝 杠 在 支 撑 间 的 受 力 长 度 , (mm) .

根据设计行程、滚珠丝刚副的最大长度、防护罩的极限距离、及轴承 一半的长度,以上几项之和确定滚珠丝杠在支撑间的受力最大长度
L = 410mm 。

计算得

δ1 =

F ?L ?L × L = m =0.0040 mm EF L0

2)、 滚 珠 与 螺 纹 滚 道 间 接 触 变 形 δ 2 当 对 丝 杠 加 有 预 紧 力 ,且 预 紧 力 为 轴 向 最 大 负 载 的 1/3 时 , δ 2 之 值 可 减 少 一 半 ; 此 变 形 可 根 据 我 所 选 用 的 滚 珠 丝 杠 在 指 导 书 中 的 图 4-7 中 查 到 其 值 为 δ 2 = 0.0024mm , 虽 然 有 预 紧 但 不 做 减 半 的 处 理 , 用 其 查 出 的 值 。 3)、 支 撑 滚 珠 丝 杠 的 轴 承 的 轴 向 接 触 变 形 δ 3 不 同 类 型 的 轴 承 的 接 触 变 形 量 δ c 可 用 不 同 的 公 式 计 算 ,我 选 用 的 是 角 接 触球轴承则公式如下:

δ c = 0.00243
式中

2 Fm dQ Z 2

Fm ---轴 承 所 受 轴 向 载 荷 , (Kgf ) ; Z ---轴 承 的 滚 动 体 数 目 ;

d Q ---轴 承 滚 动 体 直 径 , (mm) ;

由 于 其 中 的 一 些 数 据 无 法 获 得 准 确 值 只 能 作 粗 略 的 估 算 ,式 中 轴 承 所 受 轴 向 载 荷 Fm = 57.86 Kgf , 轴 承 的 滚 动 体 数 目 Z = 15 , 轴 承 滚 动 体 直 径
d Q = 6.75mm

代入算得

δ c = 0.0031mm
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δ 3 = 1 / 2δ c = 0.0016mm 。
这里 因为 滚珠 丝 杠 的扭 转变 形引 起 导 程的 变化 量 δ4 占的 比 重比 较小忽 略 不 计 ,螺 母 座 变 形 及 轴 承 座 变 形 的 变 形 量 计 算 比 较 困 难 ,在 结 构 上 作 了 相 应的处理所以也不作计算。 总的变形量

δ = δ1 + δ 2 + δ 3
= 0.0095mm

δ = 0.0095mm 小 于 要 求 的 定 位 精 度 ± 0.1mm 合 乎 设 计 的 要 求 。
( 6) 稳 定 性 验 算 、 滚珠丝杠一端为角接触轴承固定支撑,另一端为深沟球轴承支撑,不会 产生失稳现象,不需要进行稳定性校核。 ( 7) 滚 珠 丝 杠 的 长 度 确 定 、 X 向: 螺 纹 的 有 效 行 程 L0=200mm; 螺 母 的 长 度 L1=75mm; 单 侧 丝 杠 防 护 罩 的 长 度 Lmin=30mm; 固 定 支 撑 座 的 厚 度 B=45mm; 游 动 端 支 撑 座 的 L2=40mm; 电 机 连 接 端 长 度 L3=45mm; 其 他 阶 梯 轴 长 度 L4=100mm 丝 杠 的 总 长 度 L =L0 +L1 +2Lmin+B+ L2+ L3 +L4 =200+75+2*30+45+40+45+100 =565( mm) 。 Y 向: 螺 纹 的 有 效 行 程 L0=160mm; 螺 母 的 长 度 L1=75mm; 单 侧 丝 杠 防 护 罩 的 长 度 Lmin=30mm; 固 定 支 撑 座 的 厚 度 B=45mm; 游 动 端 支 撑 座 的 L2=40mm; 电 机 连 接 端 长 度 L3=45mm; 其 他 阶 梯 轴 长 度 L4=100 mm; 丝 杠 的 总 长 度 L =L0 +L1 +2Lmin+B+ L2+ L3 +L4 =250+95+2*30+45+40+45+100 =565( mm) 。
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2.2.3 滚珠丝杠副 的几何参数

图 2-2 滚 珠 丝 杠 副 几 何 参 数

2.3

滚动导轨的计算与选择

目前,滚动导轨在数控机床上应用非常广泛,因为其摩擦系数 f = 0.0025 ~ 0.005 ;动 、静 摩 擦 系 数 很 接 近 ,几 乎 不 受 运 动 速 度 的 变 化 的 影 响 , 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; 低度运动时不易出现爬行现象,因而定位精度高,所以选用滚动导轨。

2.3.1

滚动导轨副的额定寿命

(1)、 滚 动 导 轨 的 额 定 动 载 荷 的 计 算 由于要计算额定动载荷首先需要计算出作用在滚动导轨副上的载荷由 资料文献可知作用在滚动导轨副上的载荷计算公式如下: W W l W l Pc1 = + × 2 ? × 3 4 2 l0 2 l1

W W l 2 W l3 ? × ? × 4 2 l 0 2 l1 W W l 2 W l3 Pc 3 = ? × + × 4 2 l 0 2 l1 W W l2 W l3 Pc 4 = + × + × 4 2 l 0 2 l1 Pc 2 =
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其 中 的 l 0 、 l1 、 l 2 、 l 3 为 下 图 中 所 示 的 尺 寸 :

图 2-3 工 作 台 及 导 轨 块 的 放 置 式中的 W 为作用于同一平面内的若干套导轨副的总载荷在这里我的设 计 任 务 中 指 出 了 FZ = 600N , G = 600N 。 则 W = FZ + G = 1200 N 假定负载重心集中在其中一个导轨块上则:

1200 3 × 1200 = ?300 N Pmax = = 900 N 4 4 Pc = ( Pmin + Pmax ) / 3 = 500 N 对于我的任务书来讲载荷呈线性变化 初选定直线导轨副的型号为: SBG15FL型 , 其 额 定 载 荷 为 : C=8500N Pmin = ?
(2)、 滚 动 导 轨 副 的 额 定 寿 命 1、 额 定 寿 命 计 算 其计算公式如下:

L = 50(

fh ft fc C * ) fW Pc

3

式中

L ---额 定 寿 命 ; C ---额 定 动 载 荷 ; 额 定 动 载 荷 C = 850kgf

Pc ---计 算 载 荷 , Pc =50kgf; f t ---温 度 系 数 ;运 行 时 的 温 度 小 于 100 查 相 关 资 料 可 的 f t = 1.00 ; f c ---接 触 系 数 ; 导 轨 上 的 滑 块 数 为 2 查 相 关 资 料 f c = 0.81 f w --- 载 荷 系 数 ; 无 明 显 冲 击 和 震 动 , 中 速 运 动 场 合 速 度 在

15-60m/min 之 间 查 相 关 资 料 f w = 1.3
f h ---硬 度 系 数 ; 滚 道 硬 度 不 得 低 于 HRC58 故 通 常 取 f h = 1

代入公式计算得:

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L = 50(

fh ft fc fW

*

C 3 ) Pc

=59421km 2、 寿 命 时 间 的 计 算
Lh = 1.2m / min× 15000h = 1.8 × 10 6 m =1800km

L 远 大 于 Lh 故 初 选 型 号 满 足 设 计 要 求 。
直线导轨副的参数

表 2-3 直 线 导 轨 副 的 参 数

2.4

步进电机的计算与选择
选用步进电机时, 须首先根据机械设计结构草图计算机械传动装置及 必

负载折算到电机轴上的等效惯量,分别计算各种共况条件下所需的等效力 矩,再根据步进电机最大转矩选择合适的步进电机。

2.4.1

转动惯量的计算

(1) 丝 杠 的 转 动 惯 量 计 算 、 由 于 用 步 进 电 机 则 省 去 了 齿 轮 的 传 动 比 ,以 及 齿 轮 的 转 动 惯 量 的 计 算 所 以 只 要 计 算 丝 杠 本 身 的 转 动 惯 量 即 可 ,丝 杠 导 程 L0 =4mm,名 义 直 径 D 0 =20mm, 两 支 撑 间 距 L=450mm 可 计 算 出 丝 杠 的 转 动 惯 量 , 公 式 如 下 :
J s = 0.45 × 0.94

= 0.423kg ? cm 2 由 于 丝 杠 是 通 过 联 轴 器 与 电 机 直 接 进 行 连 接 的 ,所 以 ,丝 杠 折 算 到 电 机 轴 上 的 转 动 惯 量 J 1 = J S = 0.423kg ? cm 2 (2)、 工 作 台 折 算 到 丝 杠 上 的 转 动 惯 量 根 据 《 机 电 装 备 设 计 课 程 设 计 指 导 书 》 表 4-22 所 示 工 作 台 折 算 到 丝 杠
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轴 上 的 转 动 惯 量 , 由 丝 杠 导 程 L 0 =4mm, 工 作 台 重 量 为 600N, 可 查 出 10 4 N 工 作 台 的 转 动 惯 量 为 4.13 kg ? cm 2 , 则 工 作 台 的 折 算 转 动 惯 量 为 :

J 2 = 4.13 × 0.06 = 0.2478 kg ? cm 2
(3)、 丝 杠 传 动 时 传 动 系 折 算 到 电 机 上 的 总 的 转 动 惯 量 由 于 丝 杠 是 通 过 联 轴 器 与 电 机 直 接 进 行 连 接 的 ,所 以 ,丝 杠 传 动 时 传 动 系统折算到电机轴上的总转动惯量为: J = J 1 + J 2 = 0.423 + 0.2478 = 0.6708kg ? cm 2 在上式中没有考虑电机转子本身的转动惯量, 根据实践经验,传动系 , 统惯量 J 和转子惯量 JM 之间,有一个惯量匹配的问题, J M / J 的比值不能太 小 ,否 则 机 床 动 态 特 性 将 主 要 取 决 于 负 载 特 性 ,此 时 不 同 重 量 和 行 程 的 各 坐 标 的 特 性 将 有 很 大 差 别 ,并 且 很 容 易 受 切 削 力 、摩 擦 力 等 干 扰 的 影 响 。但 是

JM / J 的比值太大,也是很不经济的。
电 机 转 子 的 转 动 惯 量 J M 可 以 查 出 ,初 选 步 进 电 机 为 杭 州 中 达 FHB397 三 相 高 性 能 混 合 式 步 进 电 机 , 电 机 惯 量 为 1.32 g ? cm ? s 2 。
所 以 J M / J =0.66, 基 本 满 足 惯 量 匹 配 要 求 。 传 动 系 统 折 算 到 电 机 轴 上 的 总 转 动 惯 量 为 1.9908 kg ? cm 2

2.4.2

电机的力矩的计算

电机的负载力矩在各种工况下是不同的, 面分别对快速空载起时所需 下 要 的 力 矩 、快 速 进 给 时 所 需 要 的 力 矩 、最 大 切 削 负 载 时 所 需 要 的 力 矩 等 几 部 分进行计算。

16

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初选电机尺寸规格参数如下表

表 2-4 FHB397 X 向电机力矩的计算 (1)、 快 速 空 载 起 动 时 所 需 力 矩 T起
T起 = Ta max + T f + T0

步进电机尺寸规格

式中

T起 ---快 速 空 载 起 动 力 矩 ( N * cm) ;
Ta max ---空 载 起 动 时 折 算 到 电 机 上 的 加 速 力 矩 ( N * cm) ; T f ---折 算 到 电 机 轴 上 的 摩 擦 力 矩 ( N * cm) ; T0 ---由 于 丝 杠 欲 紧 时 折 算 到 电 机 轴 上 的 附 加 摩 擦 力 矩 ( N * cm)

其中 式中

Tmax

2π × n max × 10 ?2 = J∑ × 60 × t a

J ∑ ---传 动 系 统 折 算 到 电 机 轴 上 的 总 的 等 校 转 动 惯 量 (kg * cm 2 ) ; J ∑ = 1.9908kg * cm 2 n max ---电 机 的 最 大 转 速 (r / min) ; nmax = 300r / min t a --- 运 动 部 件 动 停 止 起 动 加 速 到 最 快 进 给 速 度 所 需 时 间

( s ) ; t a = 30ms

代入上式
Tmax = J ∑ ×

2π × n max × 10 ?2 60 × t a
17

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= 1.9908 ×

2π × 5000 × 10 ?2 60 × 30

=544.54N*cm 折算到电机轴上的摩擦力矩 Tf :
Tf = F0 L0 2πηi

式中

F0 ---导 轨 的 摩 擦 力 (N ) ;
F0 = f ' ( Fz + G ) =0.004*(600+600)=3.6N

Fz ---垂 直 方 向 的 切 削 力 ( N ) ;
G ---运 动 部 件 的 总 重 量 ( N ) ; f ' ---导 轨 的 摩 擦 系 数 ;

i ---齿 轮 降 速 比 , 这 里 无 齿 轮 既 i = 1 ;

η ---传 动 链 总 效 率 , 这 里 取 0.8;
代入求解
Tf = F0 L0 2πηi

3 .6 × 0 .4 2π × 0.8 × 1 = 0.287 N * cm =

附 加 摩 擦 力 T0 :

T0 =
式中

F p 0 L0 2πηi

(1 ? η 0 )
2

F p 0 ---滚 珠 丝 杠 预 加 负 荷 , 般 取 1 / 3Fm , m 为 进 给 牵 引 力 (N ) ; 一 F Fm = 463.6 N L0 ---滚 珠 丝 杠 导 程 (cm) ;

η 0 ---滚 珠 丝 杠 未 预 紧 时 的 传 动 效 率 ; η 0 =0.9
代入算得

T0 =

F p 0 L0 2πηi

(1 ? η 0 )
2

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463.6 × 0.4 1 ? 0 .9 2 2π × 0.8 × 1 = 2.338 N * cm =

(

)

根据上面的计算结果可得
T起 = Ta max + T f + T0

=28.11N*cm T起 = 28.11N * cm <717N*cm 比 初 选 的 电 机 的 最 大 转 矩 小 符 合 设 计 要 求 。 (2)、 快 速 进 给 时 所 需 力 矩 : T快 T快 = T f + T0 =2.788N*cm T快 = 2.788 N * cm <2.39N*m 比 初 选 电 机 的 额 定 转 矩 小 , 符 合 要 求 。 (3)、 最 大 切 削 时 所 需 力 矩 : T切 T切 = T f + T0 + Tt 式中 Tt ---折 算 到 电 机 轴 上 的 切 削 负 载 力 矩 ( N * cm) ;
Tt 的 求 解 公 式 如 下 :

Tt =

2 Ft L0 2πηi

式中

Ft ---进 给 方 向 上 的 最 大 切 削 力 (N ) ; Ft = 400 N

代入数据计算得
Tt = 2 Ft L0 2πηi

2 × 400 × 0.4 2π × 0.9 × 1 = 31.847 N * cm =

综合以上数据可算得
T切 = T f + T0 + Tt

=0.28+2.501+31.847 =34.635N*cm 其 与 电 机 的 额 定 转 矩 比 较 , T切 = 34.635 N * cm 小 于 额 定 转 矩 200N*cm,故 合乎设计要求。 通过以上的演算可知,初选的电机合乎设计要求。
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Y 向电机力矩的计算 (1)、 快 速 空 载 起 动 时 所 需 力 矩 T起
T起 = Ta max + T f + T0

式中

T起 ---快 速 空 载 起 动 力 矩 ( N * cm) ;
Ta max ---空 载 起 动 时 折 算 到 电 机 上 的 加 速 力 矩 ( N * cm) ; T f ---折 算 到 电 机 轴 上 的 摩 擦 力 矩 ( N * cm) ; T0 ---由 于 丝 杠 欲 紧 时 折 算 到 电 机 轴 上 的 附 加 摩 擦 力 矩 ( N * cm)

其中 式中

Tmax

2π × n max × 10 ?2 = J∑ × 60 × t a

J ∑ ---传 动 系 统 折 算 到 电 机 轴 上 的 总 的 等 校 转 动 惯 量 (kg * cm 2 ) ; J ∑ = 1.9908kg * cm 2 n max ---电 机 的 最 大 转 速 (r / min) ; nmax = 300r / min t a --- 运 动 部 件 动 停 止 起 动 加 速 到 最 快 进 给 速 度 所 需 时 间

( s ) ; t a = 30ms

代入上式
Tmax

2π × n max × 10 ?2 = J∑ × 60 × t a

= 1.9908 ×

2π × 5000 × 10 ?2 60 × 30

=544.54N*cm 折算到电机轴上的摩擦力矩 Tf :
Tf = F0 L0 2πηi

式中

F0 ---导 轨 的 摩 擦 力 (N ) ; F0 = f ' ( Fz + G ) =0.004*(600+600)=3.6N

Fz ---垂 直 方 向 的 切 削 力 (N ) ;
G ---运 动 部 件 的 总 重 量 ( N ) ; f ' ---导 轨 的 摩 擦 系 数 ;

i ---齿 轮 降 速 比 , 这 里 无 齿 轮 既 i = 1 ;

η ---传 动 链 总 效 率 , 这 里 取 0.8;
代入求解
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Tf =

F0 L0 2πηi

3 .6 × 0 .4 2π × 0.8 × 1 = 0.287 N * cm =

附 加 摩 擦 力 T0 :

T0 =
式中

F p 0 L0 2πηi

(1 ? η 0 )
2

F p 0 ---滚 珠 丝 杠 预 加 负 荷 , 般 取 1 / 3Fm , m 为 进 给 牵 引 力 (N ) ; 一 F
Fm = 578.6 N L0 ---滚 珠 丝 杠 导 程 (cm) ;

η 0 ---滚 珠 丝 杠 未 预 紧 时 的 传 动 效 率 ; η 0 =0.9
代入算得

T0 =

F p 0 L0 2πηi

(1 ? η 0 )
2

192.87 × 0.4 1 ? 0 .9 2 2π × 0.8 × 1 = 2.92 N * cm

=

(

)

根据上面的计算结果可得
T起 = Ta max + T f + T0

=28.30N*cm
T起 = 28.30 N * cm <717N*cm 比 初 选 的 电 机 的 最 大 转 矩 小 符 合 设 计 要 求 。

(2)、 快 速 进 给 时 所 需 力 矩 :

T快 T快 = T f + T0

=3.207N*cm
T快 = 2.788 N * cm <2.39N*m 比 初 选 电 机 的 额 定 转 矩 小 , 符 合 要 求 。

(3)、 最 大 切 削 时 所 需 力 矩 : T切
T切 = T f + T0 + Tt

式中

Tt ---折 算 到 电 机 轴 上 的 切 削 负 载 力 矩 ( N * cm) ; Tt 的 求 解 公 式 如 下 :

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Tt =

2 Ft L0 2πηi

式中

Ft ---进 给 方 向 上 的 最 大 切 削 力 (N ) ; Ft = 500 N 代入数据计算得
Tt = Ft L0 2πηi

500 × 0.4 2π × 0.8 × 1 = 39.81N * cm =

综合以上数据可算得
T切 = T f + T0 + Tt

=43.02N*cm 其 与 电 机 的 额 定 转 矩 比 较 , T切 = 43.02 N * cm 小 于 额 定 转 矩 239N*cm, 故 合乎设计要求。 通过以上的演算可知,初选的电机合乎设计要求。

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第三章 微机数控系统硬件电路设计
3.1 计算机系统
微 机 数 控 系 统 由 CPU, 存 储 器 扩 展 电 路 , I/O 接 口 电 路 , 驱 动 电 机 驱 动 电路,检测电路等几部分组成。 微 机 是 数 控 系 统 的 核 心 ,其 他 装 置 都 是 在 微 机 的 指 挥 进 行 工 作 的 。系 统 的功能和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的, 但 主 要 指 标 是 字 长 和 速 度 。字 长 不 仅 影 响 系 统 的 最 大 加 工 尺 寸 ,而 且 影 响 加 工 的 精 度 和 运 算 精 度 。字 长 较 长 的 计 算 机 ,价 格 显 著 上 升 ,而 字 长 较 短 的 计 算 机 ,要 进 行 双 字 长 和 三 字 长 的 运 算 ,就 会 影 响 速 度 ,根 据 机 床 要 求 ,综 合 考 虑 采 用 8 位 微 机 。 由 于 MCS-51 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 价 比 特 点 , 决 定 采 用 MCS-51 系 列 的 8031 单 片 机 扩 展 系 统 。 控 制 系 统 由 微 机 部 分 ,键 盘 、显 示 器 、I/O 接 口 及 光 电 隔 离 电 路 ,步 进 电 机 功 率 放 大 电 路 等 几 部 分 组 成 。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 LED 显 示 器 。

3-2
3.2.1

单片微机数控系统硬件电路设计内容
绘制电气控制系统框图

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 件软件才能有效的运行。

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RAM ROM CPU I/O 接口



驱 动器

进 电 机





键盘、 示器及其它 显

图 3-1 机 床 数 控 系 统 硬 件 框 图 ( 半 闭 环 系 统 ) 机床硬件电路图由以下几部分组成: 1.主 控 制 器 , 即 CPU 2.总 线 , 包 括 数 据 , 地 址 , 控 制 总 线 3.存 储 器 ROM, RAM 4.接 口 , 即 I/O 接 口 电 路 5.外 设 , 如 键 盘 , 显 示 器 及 光 电 输 入 机 等 。

3.2.2

选择 CPU 的类型

目 前 在 经 济 型 数 控 机 床 中 , 推 荐 采 用 MCS-51 系 列 单 片 机 作 为 主 控 制 器

3.2.3

存储器扩展电路的设计

存储器扩展电路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问题 存储器扩展电路设计包括程序存储器和数据存储器的扩展。

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3.2.4

I/O 接口电路设计

此 次 设 计 内 容 包 括 接 口 芯 片 的 选 用 ,步 进 电 机 控 制 电 路 ,键 盘 显 示 电 路 以 及 其 他 辅 助 电 路 的 设 计( 例 如 复 位 电 路 ,越 界 报 警 电 路 ,掉 电 保 护 电 路 等 )

3.3
3.3.1

各类芯片简介
8031 芯片简介

Vss: 接 地 VCC: +5 伏 电 压 XTAL1: 内 部 振 荡 电 路 反 向 放 大 器 输 入 端 XTAL2: 内 部 振 荡 电 路 反 向 放 大 器 输 出 端 RST/VPD: 复 位 /备 用 电 源 ALE/PROG: 锁 存 /接 收 编 程 脉 冲 PSEN: 外 部 程 序 存 储 器 读 选 通 信 号 输 出 端 EA/VPP: EA 为 内 部 程 序 存 储 器 和 外 部 程 序 存 储 起 选 择 端 , 对 于 8031 始 终 保 持 低 电 平 ; VPP 为 在 EPROM 编 程 期 间 加 21 伏 编 程 电 压 P0.0~ P0.7: 在 访 问 外 存 时 , 分 时 传 送 低 8 位 地 址 和 数 据 总 线 P1.0~ P1.7: 8 位 准 双 向 I/O 口 , 每 一 位 都 可 作 为 可 编 程 的 输 入 或 输 出 线 P2.0~ P2.7: 8 位 准 双 向 I/O 口 , 访 问 外 存 时 输 出 高 8 位 地 址 P3.0~ P3.7: 8 位 准 双 向 I/O 口 及 第 二 功 能 口

3.3.2

373 芯片简介

D0~ D7: 数 据 输 入 端 Q0~ Q7: 数 据 输 出 端 LE OE : 锁存信号输入端 : 锁存信号输出端

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3.3.3

6264 芯片简介

A0~ A12: 地 址 线 I/O0~ I/O7: 双 向 数 据 线 CE1: 片 选 线 1 CE2: 片 选 线 2 WE: 写 允 许 线 OE: 读 允 许 线

3.3.4

2764 芯片简介

A0~ A12: 地 址 线 I/O0~ I/O7: 数 据 输 出 线 CE: 片 选 线 OE: 数 据 输 出 选 通 线 PGM: 编 程 脉 冲 VPP: 编 程 电 压

3.3.5

8155 芯片简介

AD0~ AD7: 地 址 数 据 总 线 RESET: 由 8031 提 供 复 位 信 号 CE: CE=0 时 , 器 件 才 允 许 被 启 用 IO/M: 当 IO/M=1 时 , 选 择 I/O 口 电 路 ; 当 I/O=0 时 , 选 择 存 储 器 ALE: 接 8031ALE RD: 为 主 机 发 来 的 读 信 号 输 入 端 WR: 为 主 机 发 来 的 写 信 号 输 入 端

3.3.6 8255 芯片简介
RESET: 由 CPU 提 供 复 位 信 号 CS: 片 选 信 号 RD: 为 主 机 发 来 的 读 数 脉 冲 输 入 端 WR: 为 主 机 发 来 的 读 数 脉 冲 输 入 端
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A1、 A0 : 端 口 选 择 信 号

3.4

存储器扩展电路设计
MCS-51 系 列 单 片 机 的 特 点 之 一 是 硬 件 设 计 简 单 ,系 统 结 构 紧 凑 ,对 简 单

的 应 用 场 合 MCS-51 系 列 的 最 小 系 统 用 一 片 8031 外 扩 一 片 EPROM 就 能 满 足 功 能 的 要 求 。 对 于 复 杂 的 应 用 场 合 ,可 利 用 MCS-51 的 扩 展 功 能 ,构 成 功 能 强 , 规模大的系统。

3.4.1

程序存储器 ROM 的扩展

MCS-51 的 程 序 存 储 器 的 寻 址 空 间 为 64K B。 8031 不 带 ROM, 用 作 程 序 存 储 器 的 器 件 是 EPROM。 ( 1) 16 位 地 址 总 线 的 扩 展 、 由 于 P0 口 分 时 传 送 低 字 节 地 址 和 数 据 ,所 以 接 入 74LS373 锁 存 器 ,8031 的 ALE 接 373 的 LE,373 的 OE 接 地 ,使 373 常 输 出 。74LS373 的 输 出 口 Q 与 P2 口 一 起 扩 展 出 16 位 地 址 总 线 AB,其 高 三 位 A 13 、A 14 、A 15 分 别 与 138 的 A、 B、 C 引 脚 相 连 。 (2) 地 址 线 的 连 接 、 根 据 设 计 要 求 , 需 要 扩 展 两 片 2764。 两 片 2764 的 地 址 线 分 别 与 地 址 总 线 AB 相 连 。 (3) 数 据 线 的 连 接 、 两 片 存 储 器 的 8 位 数 据 线 分 别 与 数 据 总 线 DB 按 位 依 次 相 连 。 (4) .控 制 线 的 连 接 8031PSEN 与 EPROM 的 OE 相 连 ;8031 的 EA 接 地 ;2764( 1)的 OE 与 138 Y 0 相 连 , 2764( 2) 的 OE 与 138 Y 1 相 连 。

3.4.2

数据存储器 RAM 的扩展

由 于 8031 芯 片 内 部 RAM 只 有 128 字 节 , 远 不 能 满 足 系 统 的 需 要 , 需 扩 展 片 外 的 数 据 存 储 器 RAM, 选 择 6264 芯 片 即 可 满 足 设 计 要 求 。 6264 的 连 接 和 2764 大 致 相 同 , 唯 控 制 信 号 线 的 连 接 不 同 ; 6264 的 OE, WE 与 8031 的 RD, WR 相 连 , CE 与 138 的 Y 1 相 连 , CE2 高 电 平 有 效 。

27

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3.4.3

译码电路的设计

8031 单 片 机 允 许 扩 展 64K ROM 和 64K RAM( 包 括 I/O 借 口 芯 片 ) (1) MCS-51 单 片 机 应 用 系 统 中 的 地 址 译 码 规 则 、 第 一 : ROM 与 RAM 独 立 编 址 ROM 地 址 和 RAM 地 址 可 以 重 叠 使 用 , 都 从 0000H~ FFFFH。 地 址 的 重复靠片选信号和控制信号区分。 第 二 : 外 围 I/O 与 RAM、 ROM 的 统 一 编 址 外 围 I/O 不 仅 占 用 RAM 的 单 元 , 而 且 使 用 RAM 的 读 /写 指 令 , 本 次 课程设计采用统一编址。 (2) 地 址 译 码 法 、 常用地址的译码方法有线选法和全地址译码,在这里选择全地址译码。 对 于 容 量 较 大 的 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,就需要用全地址译码的方法。 通 常 采 用 3-8 译 码 器 ( 74LS138) 。输 入 端 占 用 3 根 最 高 地 址 线 ,剩 余 的 13 根 低 位 地 址 线 可 作 为 片 内 的 地 址 线 。74LS138 译 码 器 的 8 根 输 出 线 分 别 对 应 8 个 8K 字 节 的 地 址 空 间 。

3.5

I/O 接口电路的设计
8031 单 片 机 共 有 4 个 8 位 并 行 I/O 口 , 但 可 供 用 户 使 用 的 只 有 P1 口 和

部 分 P3 口 , 因 此 在 大 部 分 应 用 系 统 中 都 需 要 扩 展 I/O 口 芯 片 , 本 扩 展 系 统 采 用 8155 和 8255 芯 片 。

3.5.1

8155 通用可编程接口芯片

8155 是 可 编 程 的 RAM/IO 扩 展 接 口 电 路 。 256 个 RAM 单 元 ,2 个 8 位 口 , ( 1 个 6 位 口 , 1 个 14 位 的 定 时 /计 数 器 ) (1) 8155 的 工 作 方 式 、 8155 I/O 口 工 作 方 式 选 择 通 过 对 8155 内 部 命 令 寄 存 器 设 定 命 令 控 制 字 实现。 (2) 状 态 查 询 、 8155 有 一 个 状 态 寄 存 器 ,用 于 锁 存 I/O 口 和 定 时 器 的 当 前 状 态 ,供 CPU
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查 询 用 。 C/S 寄 存 器 共 用 一 个 地 址 。 命 令 寄 存 器 只 能 写 入 不 能 读 出 ; 而 状 态 寄 存 器 只 能 读 出 不 能 写 入 ,所 以 可 以 认 为 。CPU 读 该 地 址 时 ,作 为 S 寄 存 器 , 相反则作为 C 寄存器。 (3) 8155 的 定 时 功 能 、 8155 芯 片 内 有 一 个 14 位 减 法 计 数 器 , 可 对 输 入 脉 冲 进 行 减 法 计 数 。 外 部 有 定 时 引 脚 TIMERIN 和 TIMEROUT。

(4) 、8031 和 8155 的接口
8155 芯 片 可 以 直 接 和 MCS-512 系 列 单 片 机 连 接 , 需 要 任 何 外 加 逻 辑 电 不 路 。 通 常 用 P2 口 的 高 位 地 址 线 作 为 8155 芯 片 的 片 选 信 号 及 IO/M 的 选 择 信 号 。 8031 的 P2.0 于 IO/M 连 接 。 由 于 8155 内 部 有 地 址 锁 存 器 , 所 以 8031 的 ALE 端 可 以 和 8155 的 ALE 端 直 连 ,利 用 8031 的 ALE 的 信 号 的 下 降 沿 锁 存 8031P0 送 出 的 低 8 位 地 址 信 息 。 相 应 的 读 写 信 号 也 直 接 相 连 。

3.5.2

8255 可编程接口芯片

8255 是 INTER 公 司 开 发 的 可 编 程 输 入 输 出 接 口 芯 片 , 具 有 3 个 8 位 的 它 并 行 I/O 口 , 分 别 为 PA、 PB、 PC 口 , 其 中 PC 口 又 分 为 高 4 位 和 低 4 位 , 他 们 都 可 以 通 过 软 件 编 程 来 改 变 I/O 口 的 工 作 方 式 , 8255 可 与 8031 直 接 连 接 。 ( 1) 8255 的 三 种 工 作 方 式 、 方 式 0: 基 本 输 入 输 出 方 式 方 式 1: 应 答 式 输 入 输 出 工 作 方 式 方 式 2:应 答 式 双 向 输 入 输 出 工 作 方 式( 仅 A0 口 可 选 此 种 方 式 ,此 时 C 口 的 PC7~ PC3 五 位 作 为 其 应 答 信 号 使 用 。 ( 2) 8031 和 8255 的 接 口 、 连 接 无 需 任 何 外 加 逻 辑 电 路 , 直 接 连 接 即 可 。 138 的 Y2 接 CS, 373 的 Q1, Q2 分 别 接 A0, A1。

3.5.3

键盘显示接口电路

( 1) 显 示 器 工 作 原 理 、 数 控 系 统 中 使 用 的 显 示 器 主 要 有 LED 和 LCD 也 有 采 用 CRT 的 。这 里 采 用 LED 显 示 器 , 一 般 分 为 共 阳 极 显 示 和 共 阴 极 显 示 , 共 阳 极 显 示 的 段 码 与 共 阴

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极显示的段码是逻辑非的关系。 通 常 显 示 器 采 用 动 态 显 示 ,调 整 电 流 和 时 间 参 数 ,可 实 现 高 亮 度 较 高 较 稳 的 显 示 。 这 里 采 用 的 是 7 位 共 阴 极 的 显 示 器 和 8155 的 接 口 。 8155 的 B 口 作 为 扫 描 口 。 反 向 驱 动 器 74LS04 接 显 示 器 的 公 共 极 , 口 作 为 段 选 数 据 口 , 经 A 经 同 相 驱 动 器 7407 接 显 示 器 的 各 个 极 。 ( 2) 键 盘 接 口 原 理 、 当键盘上没有键闭合时,所有的行线和列线都断开,行线都呈高电平, 当 键 盘 上 某 一 键 闭 和 时 ,则 该 键 所 对 应 的 行 线 列 线 短 路 。如 果 把 行 线 接 到 微 机 的 输 入 口 ,列 线 接 到 微 机 的 输 出 口 ,则 在 微 机 的 控 制 下 ,先 使 第 一 列 线 为 低 电 平 ,其 余 列 先 都 为 高 电 平 , 然 后 微 机 通 过 输 入 口 读 行 线 的 状 态 , 如 果 行 线都为高点平,则第一列上没有键闭合,如果读出的行线不全为高电平,则 输 入 为 低 电 平 的 行 线 合 第 一 列 相 交 的 键 处 于 闭 合 状 态 ;如 果 第 一 列 上 没 有 键 闭 合 , 接 着 使 列 线 的 第 二 列 为 低 电 平 ,其 余 列 线 为 高 电 平 ,用 同 样 的 方 法 检 查 第 二 列 上 有 无 键 闭 合 ,依 次 类 推 ,这 种 逐 行 逐 列 地 检 查 键 盘 状 态 的 过 称 为 对键盘的一次扫描。 ( 3) 利 用 8155 芯 片 实 现 键 盘 显 示 器 接 口 、 在 单 片 机 应 用 系 统 中 ,同 时 需 要 使 用 键 盘 和 显 示 器 ,常 常 把 键 盘 和 显 示 器做在一 起 , 以 节 省 I/O 线 键 盘 的 列 线 及 LED 显 示 器 的 字 位 控 制 共 用 8155 的 B 口 , 是 输 出 口 。 键 盘 的 行 线 由 8155C 口 担 任 , 是 输 入 口 , 显 示 器 的 段 选 由 8155 的 A 口 担 任 , 是 输 出 口 。 原 理 图 中 74LS04 位 反 向 驱 动 器 , 7404 为 同 向 驱 动 器。

3.6

8031 的时钟电路
单 片 机 的 时 钟 可 以 由 两 种 方 式 产 生 。即 内 部 方 式 和 外 部 方 式 。内 部 方 式

利 用 芯 片 内 部 振 荡 电 路 在 XTAL 1 ,XTAL 2 引 脚 上 外 接 定 时 元 件 。采 用 外 部 方 式 时 把 XTAL 1 接 地 , XTAL 2 接 外 部 时 钟 电 源 。

3.7

复位电路
单 片 机 的 复 位 都 是 用 外 部 电 路 实 现 的 ,在 时 钟 电 路 工 作 后 ,REST 引 脚 上

30

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出 现 10ms 以 上 高 电 平 , 单 片 机 便 实 现 状 态 复 位 。 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 。原 理 图 中 为 上 电 与 按 钮 复 位 电 路 组 合 。在 上 电 瞬 间 ,RC 电 路 充 电 。RST 引 脚 出 现 正 脉 冲 ,只 要 在 RST 端 保 持 10ms 以 上 高 电 平 就 能 使 单 片 机 有 效 的 复 位 。

3.8 越界报警电路
为 了 防 止 工 作 台 越 界 ,可 分 别 在 极 限 位 置 安 装 限 位 开 关 。一 旦 某 一 方 向 越 界 , 立 即 停 止 工 作 台 的 移 动 , 这 里 采 用 中 断 方 式 。 利 用 8031 的 外 部 中 断 INT 0 只 要 有 任 何 一 个 行 程 开 关 闭 合 。即 工 作 台 在 某 一 方 向 越 界 均 能 产 生 中 断 信 号 INT 0 。 为 了 报 警 , 设 置 红 绿 指 示 灯 , 两 灯 均 由 一 个 I/O 口 输 出

3.9

掉电保护电路
半 导 体 存 储 器 RAM 一 掉 电 里 面 存 储 的 信 息 就 会 全 部 丢 失 ,在 工 业 现 场 环

境 恶 劣 的 情 况 下 ,掉 电 是 难 免 的 ,掉 电 保 护 电 路 就 是 为 解 决 此 问 题 而 设 计 的 , 原 理 图 中 8031 芯 片 上 接 Vcc 引 脚 为 一 简 单 的 掉 电 保 护 电 路 。

3.10

控制系统的功能

1. X 向 , Y 向 的 进 给 驱 动 系 统 2. 键 盘 显 示 3. 面 板 管 理 4. 行 程 控 制 5. 其 他 功 能 , 例 如 光 电 隔 离 电 路 、 功 率 放 大 器 、 红 绿 灯 显 示 等 。 其 他 控制见附录控制面板图。

3.11

控制系统的工作原理

为 了 便 于 说 明 ,以 控 制 面 板 为 例 。简 述 其 工 作 原 理 。控 制 面 板 分 为 显 示 器、信号灯、键盘、按钮和旋钮。 1. 2. 显示器:用来显示工作过程中一些相关的数据 信号灯:在显示器下面的红灯为越界信号灯,显示器右面是与其

对 应 的 绿 灯 为 正 常 工 作 的 信 号 灯 。 当 正 常 工 作 是 时 绿 灯 亮 。 当 在 X,
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Y 方 向 越 界 时 红 灯 亮 、绿 灯 灭 。键 盘 右 面 的 灯 为 电 源 指 示 灯 ,指 示 灯 下放为一“急停”按钮,当需要立即停止时按此按钮。 3. 4. 键盘:简单的输入设备,可以进行编辑和控制系统的工作。 按 钮 :旋 钮 右 面 四 个 按 钮 +X,-X,+Y,-Y 是 与 手 动 挡 配 合 使 用 的 ,

旋钮下方的“X 原点”“Y 原点”按钮是使车床刀具回原点的按钮。 , 包 括 越 界 回 原 点 、手 动 回 原 点 。旋 钮 右 下 方 的 按 钮 位“ 启 动 ”和“ 回 零” 按钮,此回零为所有回零,任意方向,任何时刻的回零,与上 面 提 到 的 回 零 不 同 , 上 面 提 到 的 “ X 原 点 ” Y 原 点 ” 只 是 X, Y 方 向 “ 上的回零。 5. 旋 钮 :此 旋 钮 为 适 应 不 同 工 作 条 件 而 设 ,分 为 编 辑 、单 步 、自 动 、

手动Ⅰ、手动Ⅱ、单段等档位。

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参考资料
[1] 机 床 设 计 手 册 组 . 机 床 设 计 手 册 ( 三 分 册 ) [M]. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 ,1986. [2] 机 电 装 备 设 计 [3] 内 蒙 古 工 业 大 学 机 械 学 院 .机 电 装 备 设 计 课 程 设 计 指 导 [M].呼 和 浩 特 :内 工 大 印 刷 厂 , 2007. [4]机 电 装 备 设 计 课 本 [5] 滚 珠 丝 杠 、 线 性 滑 轨 [OL].天 津 海 特 传 动 机 械 有 限 公 司 . [6] 步 进 电 机 及 驱 动 器 杭 州 中 达 步 进 电 机 有 限 公 司 , [7] 日 本 富 士 、 美 国 Copley 等 步 进 电 机 [OL].重 庆 均 智 自 动 化 仪 器 控 制 有 限 公司 [8] 步 进 电 机 联 轴 器 ,编 码 器 联 轴 器 ,微 型 电 机 联 轴 器 [OL].广 州 菱 科 自 动 化 设备有限公司。

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