摘要X-Y數控工作臺機電系統(tǒng)設計是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結構簡單。實現方便而且能夠保證一定的精度。降低本錢，是微機控制技術的最簡單的應用。它充分的利用了危機的軟件硬件功能以實現對機床的控制;使機床的加工范圍擴大，精度和可靠性進一步得到提高。X-Y數控工作臺機電系統(tǒng)設計是利用8031單片機，及2764,6264存儲器及8155芯片等硬件組成，在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定的程序以實現一定的加工功能。其根本思想是通過圓弧或者直線插補程序以實現對零件進行幾何加工，每進行一段加工都要產生一定的脈沖以驅動電機正反轉，同時通8155將相應的加工進刀信息送至刀架庫中以實現以之相應的走刀，電機和刀具的相對運動所以實現了刀具對工件的加工。該控制系統(tǒng)采用軟件中斷控制系統(tǒng)結構及子程序結構簡單，條件明確在經濟型數控中應用較多。中斷結構采用模塊化結構設計因為這種結構便于修改和擴充，編制較為方便，便于向多處理方向開展。X-Y數控工作臺機電系統(tǒng)設計采用步進電機作為驅動裝置。步進電機是一個將脈沖信號轉移成角位移的機電式數模轉換器裝置。其工作原理是每給一個脈沖便在定子電路中產生一定的空間旋轉磁場;由于步進電機通的是三相交流電所以輸入的脈沖數目及時間間隔不同，轉子的旋轉快慢及旋轉時間的長短也是不同的。由于旋轉磁場對放入其中的通電導體既轉子切割磁力線時具有力的作用，從實現了旋轉磁場的轉動迫使轉子作相應的轉動，所以轉子才可以實現轉子帶動絲杠作相應的運動。此題目是步進電機，微型計算機，插補原理，匯編語言的綜合應用。關鍵詞：步進電機，數控系統(tǒng)1緒論X-Y工作臺的開展趨勢及產業(yè)化的現狀當今世界電子技術迅速開展，微處理器、微型計算機在各技術領域得到了廣泛應用，對各領域技術的開展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應包含以下幾個根本要素：機械本體、動力與驅動局部、執(zhí)行機構、傳感測試局部、控制及信息處理局部。機電一體化是系統(tǒng)技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術、檢測傳感技術、伺服傳動技術和機械技術等多學科技術領域綜合交叉的技術密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機電一體化產品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向開展。工作臺作為數控機床的重要組成局部，也是影響加工精度的重要組成環(huán)節(jié)。從一開始為了滿足加工簡單的零件而設計的直線運動的X—Y工作臺，到現在為了實現多工位加工而制造的分度工作臺和回轉工作臺等。為了滿足現代制造業(yè)的開展，也為了環(huán)境的要求，一作臺的驅動裝置從原來的機械驅動變?yōu)橐郝抿寗?，現在更多的采用了氣動裝置，更好的保護了環(huán)境，節(jié)約了資源。由于工作臺是一臺機床的關鍵配套部件，因此世界各國都有對其進行研究，我國在工作臺的研究開發(fā)方面也取得了長足的進步。目前工作臺的種類繁多，傳統(tǒng)的工作臺只能安裝在某一指定機床上，伴隨著科技的與時俱進，它們的功能也由傳統(tǒng)單一性向現代的多功能性方向開展，現在一些工作臺，它不僅可以安裝在鉆床上，還可以安裝在銑床和鏜床等機床上。并且目前局部工作臺還可以作為機床的第四回轉軸，大大提高了機床的性能。例如：可傾回轉工作臺，它可以實現用于數控機床和加工中心機床上，可利用原機床的兩個控制坐標控制轉臺的回轉和傾斜，也可直接利用本轉臺配套的數控裝置與機床聯(lián)接完成所需的工作循環(huán)。它可以完成任意角度的孔、槽、平面類機械加工，以及曲線、凸輪等的加工，并可到達較高的精度。另外也可用于非數控鉆、銑、鏜類機床上，獨立完成等分和不等分的角度分度工作。國外工作臺的功能與我國所生產的工作臺功能根本相似，但是在其精度方面，國外的一些公司所生產的工作臺要略高于我國所生產的工作臺。因此我國與國外相比，還是有一定的差距，因此工作臺的設計具有重要意義，我們要借助時代的步伐，與時俱進，開拓創(chuàng)新，使我國成為具有領先技術的綜合性強國。數控X-Y工作臺設計的意義和目的本設計所設計的X-Y工作臺采用了低摩擦的直線滾動導軌和精密的絲杠，它的工作原理是通過MCS-51單片機來控制步進電機，使X-Y工作臺實現了數控控制。工作臺的自動化能大大減輕勞動強度，提高勞動生產效率。本設計的X-Y數控工作臺機電系統(tǒng)設計是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結構簡單，實現方便而且能保證一定的精度。通過微機控制技術的簡單的應用，實現對機床的控制，使機床的加工范圍擴大，精度和可靠性進一步提高。本設計所設計的X-Y工作臺不僅可用于銑床上進行數控銑削加工，而且還能夠用于鉆床上數控鉆削加工，所以其功能遠高于傳統(tǒng)的普通工作臺是新一代機電一體化的典型產品。通過對X-Y工作臺的設計，能夠正確運用機床數控系統(tǒng)等課程的根本理論個有關知識，學會設備數控化改造方案的擬定、比擬、分析及進行必要的計算；通過對設備改造的機械局部設計，掌握數控設備典型零件的計算方法和步驟以及正確的結構設計方法；通過設備的數控系統(tǒng)硬件和軟件設計，掌握簡單的數控系統(tǒng)硬件及軟件設計的根本方法；通過課程設計，初步樹立正確的設計思想，培養(yǎng)自己分析問題和解決問題的能力；提高自己應用手冊、標準以及編寫文件等資料的能力。在本設計中著重介紹了如何對X-Y工作臺進行設計，對導軌、絲杠、電機、選用和數控控制電路的設計和其控制程序的編制等方面進行了深入的分析。①設計一個數控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)，該工作臺可安裝在鉆床和銑床上用于鉆削和銑削加工；②收集相關資料及圖紙：外觀圖；b.機械裝配圖；控系統(tǒng)組成框圖；控系統(tǒng)電氣原理圖；c.局部軟件設計。=3\*GB3③確定改造目標、X-Y工作臺參數；=4\*GB3④編寫開題報告；=5\*GB3⑤確定改造總體方案；=6\*GB3⑥確定機械改造方案〔包括絲桿、導軌、傳動裝置的選型確定〕；a.確定系統(tǒng)脈沖當量；b.運動部件慣性計算；c.計算伺服電機參數；d.傳動及導向元件的設計、計算、校核；e.其它相關零件的選型及計算。=7\*GB3⑦確定驅動系統(tǒng)改造方案；=8\*GB3⑧確定數控系統(tǒng)改造方案。第二章總體方案設計設計一個數控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)，該工作臺可安裝在普通鉆、銑床上用于鉆孔或銑削加工。系統(tǒng)分辨率X：，Y：1mm。系統(tǒng)分辨率X：，Y：1mm。設計參數如下：快速進給速度縱向X：2m/分；快速進給速度橫向Y：2m/m/分；時間常數：t≤200ms；最大鉆孔直徑d=5mm；銑刀直徑φ15mm，齒數Z=3；銑削最大余量αe=2mm；銑削最大深度αp=2mm；工作臺加工范圍X=320mm，Y=260mm。加工材料為鑄鐵；最大工件重量80Kg。由于機床既能鉆削又能銑削加工，故應采用連續(xù)控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標控制。考慮到機床加工精度要求不高，為了簡化結構，降低本錢，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅動X-Y工作臺。鉆頭上下運動也由步進電機通過減速裝置控制。本設計采用MCS-51系列中的8031單片機擴展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，性價比高?？刂葡到y(tǒng)由微機局部、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實現。顯示器采用數碼管顯示加工數據和工作狀態(tài)等信息?！猋工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結構的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加載荷的結構。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，應選用滾動直線導軌副，從而減小工作臺的摩擦系數，提高運動平穩(wěn)性?？紤]電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，為到達分辨率0.01mm的要求，以及考慮步進電機負載匹配，采用齒輪減速傳動。第三章機械設計局部工作臺的外形尺寸及重量初步估算：根據給定的工作臺加工范圍，設計出工作臺的尺寸和托板尺寸等，并估算其重量。X-Y工作臺簡圖如下：X向托板〔上托板〕的尺寸：長×寬×高320×320×50X向托板〔上托板〕的重量：重量=體積×材料比重Y向托板〔下托板〕的尺寸：長×寬×高400×320×50重量=體積×材料比重上導軌座的重量：夾具及工件重量：X-Y工作臺運動局部重量：鉆削力〔軸向〕的計算：經查機械加工手冊，得，，，，進給量取，那么銑削力〔硬質合金圓柱銑刀〕的計算：其中式，，，，z=3，那么滾動導軌的選用：導軌型式：法蘭型直線導軌導軌長度：=1\*GB3①上導軌〔X向〕取動導軌長度動導軌行程支承導軌長度=2\*GB3②下導軌〔Y向〕取動導軌長度動導軌行程支承導軌長度導軌工作負載計算：=1\*GB3①導軌根本額定動負載的計算：=2\*GB3②導軌根本額定靜負載的計算：根據以上數據，選擇MISUMI公司的SV2RL型導軌，上導軌型號為SV2R24-640，下導軌型號為SV2R24-700，其參數如下：型式HW1滑塊尺寸導軌尺寸BL1L2WP1S1ETBET1H1CNP2滑塊SV2RL24344125426M4772065152060H根本定負載靜態(tài)容許力矩重量C(動)KN(靜)KNM3滑塊kg滑塊標準型Kg/m243357滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應按銑削時的情況計算。式中L為壽命經查詢機械設計手冊得當有沖擊運轉時，運轉系數，本設計??；精度等級為3級，其精度系數。式中，其中又因為使用壽命，絲杠螺距，X向和Y向的最大進給。X向絲杠的牽引力：式中—當量摩擦系數,Y向絲杠的牽引力：式中X向最大動負載：Y向最大動負載：根據給定的有效行程和經濟本錢的考慮，X向和Y向的絲杠分別選取MISUMI公司的BSX1205-460和BSX1205-400，然后再使用聯(lián)軸器。其參數和連接方式如下：精度等級型式指定單位mmY螺旋方向循環(huán)數根本額定負載Type絲杠軸外徑螺距右1列〔KN〕〔KN〕C3BSX125460400PABTdd1hFD滾珠直徑〔cm〕滾珠絲杠預緊力〔〕8443410815301.5~5滾珠絲杠螺母副幾何參數的計算：名稱符號計算公式和結果螺紋滾道公稱直徑12螺距5接觸角名稱符號計算公式和結果鋼球直徑螺紋滾道法面半徑偏心距螺紋升角螺桿螺桿外徑螺桿內徑螺桿接觸直徑螺母螺母螺紋外徑螺母內徑〔外循環(huán)〕傳動效率計算式中：滾珠絲杠受工作負載P引起的導程的變化量：由于Y向所受牽引力最大，所以應采用Y向參數計算：，，，所以絲杠因受扭矩而引起的導程變化量很小，可以忽略。所以導程總誤差：查表得該3級精度的絲杠允許誤差為，所以剛度足夠。滾珠絲杠支座設計與計算在本設計里，采用一端固定，另一端簡易支承的方案。那么產生失穩(wěn)的臨界負載式中;;絲杠支持方式系數表如下：方式一端固定一端自由兩端簡易一端固定一端簡支兩端固定所以：臨界負載與最大工作負載Q之比稱為穩(wěn)定平安系數，如果穩(wěn)定平安系數大于或等于許用平安系數，那么絲杠不至失穩(wěn)。許用平安系數一般取2.5~4。由于Y向的工作負載最大，所以所以穩(wěn)定性良好。在簡易支承座中采用一個6300的深溝球軸承，在固定支座中采用一個51200推力軸承和一個6300深溝球軸承。它預緊時只需調節(jié)螺母，方案見圖紙A1確定齒輪傳動比步進電機的步進角初選為，由于滾珠絲杠的螺距，經濟銑床的系統(tǒng)脈沖當量所以要實現脈沖當量，在傳動系統(tǒng)中應該加一對齒輪降速傳動，其齒輪比為通過翻閱《機械設計根底》和計算選取。因為傳遞的扭矩較小，取模數，齒輪有關尺寸見下表：Z2450〔mm〕2450〔mm〕2652〔mm〕〔mm〕55〔mm〕37步進電機慣性負載的計算根據等效轉動慣量的計算公式，式中：——折算到電機軸上的慣性負載〔〕；——齒輪的轉動慣量〔〕；——齒輪的轉動慣量〔〕；——滾珠絲杠的轉動慣量〔〕；M——移動部件與工件的質量〔kg〕。對材料為鋼的圓柱零件轉動慣量可按下式估算()式中：D——圓柱零件直徑〔cm〕；L——零件長度〔cm〕。所以〔〕()()那么電機軸總轉動慣量：摩擦力矩〔〕式中——導軌的摩擦力——絲杠導程〔cm〕；——齒輪降速比，按計算；——傳動鏈總效率，一般可取——導軌摩擦系數滾動導軌的摩擦系數一般為；——銑削力；——運動部件的重量；——工件及夾具重量；所以附加摩擦力矩〔〕式中——滾珠絲杠預加負荷，一般取，為進給牽引力；——絲杠導程〔cm〕；——滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，。所以空載起動時折算到電機軸上的力矩〔〕式中——傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉動慣量〔〕；——電機最大角加速度〔〕；——電機最大轉速〔r/min〕,；——運動部件從停止起動加速到最大進給速度所需要的時間〔s〕，因為=200ms；——運動部件的最大進給速度〔mm/min〕；——脈沖當量〔mm/步〕；——步進電機的步距角〔〕；折算到電機軸上的銑削負載力矩式中——絲杠導程〔cm〕；——齒輪降速比，按計算；——傳動鏈總效率，一般可取=1\*GB3①快速起動時所需力矩即=2\*GB3②快速進給時所需力矩即=3\*GB3③最大銑削負載時所需力矩即經過上述計算后，在、兩種力矩中取其大者作為選擇步進電機的依據。對于大多數數控機床來說，因為要保證一定的動態(tài)性能，系統(tǒng)時間常數較小，而等效轉動慣量又較大，故電機力矩主要是用來產生加速度的，而負載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動力矩作為選擇步進電機的依據。步進電機的選擇目前經濟型數控機床中大多采用反響式步進電機，因此在本設計中采用反響式步進電機。=1\*GB3①首先根據最大靜轉矩初選電機型號，由于步進電機的起動轉矩與最大靜轉矩有如下關系：式中的取值又有如下關系：步進電機相數三相四相五相六相拍數3648510612在本設計中采用三相六拍的反響式步進電機，那么假設不考慮啟動時運動部件慣性的影響，那么啟動力矩為取平安系數為0.3，那么=2\*GB3②步進電機最高工作頻率最大空載頻率：——最快進給速度，。為了保證不失步，采取降速措施。最大銑削頻率：——最大銑削速度，。所以根據以上數據，選取兩個55BF004型步進電機，電機的的相關參數如下：型號主要技術參數外形尺寸(mm)重量(N)步距角最大靜轉矩〔〕最高空載啟動頻率〔Hz〕相數電壓(V)電流(A)外徑長度軸徑55BF0042200327355606由于只靠最大靜轉矩來選擇步進電機不一定能滿足實際工作時的要求，也就是說，盡管最大靜轉矩數值能滿足要求，但是并不能保證在快速空載起動和運行時不失步。所以還必須用起動矩頻特性和運行矩頻特性兩條重要的性能曲線來檢查所選步進電機的型號是否能滿足要求。通過對兩個電機的起動矩頻特性和運行矩頻特性的分析，電機的轉矩大于總轉矩，并且，所以選擇的這兩個電機符合本設計要求。XY工作臺〔縱向〕裝配圖見圖紙〔一〕第四章控制系統(tǒng)硬件設計確定硬件電路的總體方案X-Y數控工作臺控制系統(tǒng)硬件框圖如下：中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)存儲器RAM/ROM輸入/輸出I/O接口信號變換控制對象外設〔鍵盤、顯示器、打印機、磁盤機等〕隨著微電子技術水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的開展。單片機的型號很多，而目前市場上應用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比擬多，MCS-51系列單片機是集中CPU，I/O端口及局部RAM等為一體的功能性很強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強大，編程靈活，硬件資料豐富。如目前應用最廣的8位單片機8031，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。從本設計的系統(tǒng)來看，選用8031單片可以獲得較高的性價比。=1\*GB3①程序存儲器的擴展單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用EPROM芯片。其型號有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為2K,4K,8K,16K,32K。在選擇芯片時要考慮CPU與EPROM時序的匹配。8031所能讀取的時間必須大于EPROM所要求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇2764芯片作為本次設計的程序存儲器擴展用芯片。單片機規(guī)定P0口提供8為位地址線，同時又作為數據線使用，所以為分時用作低位地址和數據的通道口，為了把地址信息別離出來保存，以便為外接存儲器提上下８位的地址信息，一般采用74LS373芯片作為地址鎖存器，并由CPU發(fā)出允許鎖存信號ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。由以上分析，采用2732EPROM 芯片的程序存儲器擴展電路框圖如下所示：A12A12↓A82732A7↓A0D7↓D0↓↓ALE↓譯碼電路譯碼電路GG74LS372擴展2732電路框圖=2\*GB3②數據存儲器的擴展由于8031內部RAM只有128字節(jié)，遠不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴展片外的數據存儲器。單片機應用系統(tǒng)數據存儲器擴展電路一般采用6116,6262靜態(tài)RAM數據存儲器。本次設計選用6264芯片作為數據存儲器擴展用芯片。其擴展電路如下所示：擴展6264電路框圖=3\*GB3③譯碼電路在單片機應用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機相連。單片機數據總線分時的與各個外圍芯片進行數據傳送。故要進行片選控制。由于外圍芯片與數據存儲器采用統(tǒng)一編址，因此單片機的硬件設計中，數據存儲器與外圍芯片的地址譯碼較為復雜?？刹捎镁€選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結構簡單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對于RAM和I/O容量較大的應用系統(tǒng)，當芯片所需的片選信號多于可利用的地址線的時候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內地址，而用譯碼器對高位地址線進行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。=4\*GB3④存儲器擴展電路設計8031單片機所支持的存儲系統(tǒng)起程序存儲器和數據存儲器為獨立編址。該設計選用程序存儲器2764和數據存儲器6264組成8031單片機的外存儲器擴展電路，單片機外存儲器擴展電路如下：=5\*GB3⑤I/O擴展電路設計(a).通用可編程接口芯片81558031單片機共有4個8位并行I/O接口，但供用戶使用的只有P1口及局部P3口線。因此要進行I/O口的擴展。8155與微機接口較簡單，是微機系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。8155與8031的連接方式如下列圖所示(b).鍵盤，顯示器接口電路鍵盤，顯示器是數控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設備，可以完成數據的輸入和計算機狀態(tài)數據的動態(tài)顯示。通常，數控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，即用I/O口線組成行，列結構，按鍵設置在行列的交點上。數控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED和LCD。下列圖所示為采用8155接口管理的鍵盤，顯示器電路。它有4X8鍵和6位LED顯示器組成。為了簡化秒電路，鍵盤的列線及ＬＥＤ顯示器的字位控制共用一個口，即共用8155的PA口進行控制，鍵盤的行線由8155C口擔任，顯示器的字形控制由8155的PB口擔任。鍵盤顯示器接口電路如下所示：=1\*GB3①脈沖分配器步進電機的控制方式由脈沖分配器實現，其作用是將數控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各相繞組，實現電機正反轉。數控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設計采用集成脈沖分配器YB015。采用YB015硬件環(huán)行分配器的步進電機接口線路圖如下：=2\*GB3②光電隔離電路在步進電機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經放大后控制步進電機的勵磁繞組。如果將輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實現電氣隔離，通常使用光電耦合器。光電耦合器接線圖如下：=3\*GB3③功率放大器脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要，，必須將其輸出信號放大產生足夠大的功率，才能驅動步進電機正常運轉。因此必須選用功率放大器，需根據步進電機容量選擇功率放大器。本設計選用功率放大器。=1\*GB3①8031的時鐘電路單片機的時鐘可以由兩種方式產生：內部方式和外部方式。內部方式利用芯片的內部振蕩電路，在XTAL1,XTAL2引腳上外接定時元件，如下列圖所示。晶體可以在1.2~12之間任意選擇，耦合電容在5~30pF之間，對時鐘有微調作用。采用外部時鐘方式時，可將XTAL1直接接地，XTAL2接外部時鐘源。時鐘電路=2\*GB3②復位電路單片機的復位都是靠外部電路實現。在時鐘工作后，只要在RESET引腳上出現10ms以上的高電平，單片機就實現狀態(tài)復位，之后CPU便從0000H單元開始執(zhí)行程序。在實際運用中，假設系統(tǒng)中有芯片需要其復位電平與8031復位要求一致時，可以直接相連。當晶振頻率選用6MHz時，復位電路中C取10μF,R取10KΩ。實用復位電路圖如下所示：=3\*GB3③越界報警電路為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關。利用光電耦合電路，將行程開關接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至8031的I/O口Ｐ1.0。當任何一個行程開關被壓下的時候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導通，由低電平變成高電平。8031可利用軟件設計成查詢的方法隨時檢查有無越界信號。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至8031的外部中斷引腳〔INT0或INT1〕，采用中斷方式檢查越界信號。越界報警電路如下列圖所示機床數控系統(tǒng)硬件電路設計該系統(tǒng)選用MCS-51系列的8031作為主控制器。擴展存儲電路為一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存儲器擴展為4K，數據存儲器擴展為8K。2732的片選控制端直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復位以后，CPU從0000H開始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端由譯碼器〔74LS138〕的Y2輸出提供。所以6264的空間地址為4000 ～5FFFH。系統(tǒng)的擴展I/O接口電路選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片8155。8155的片選端接至譯碼器〔74LS138〕的Y4的輸出端，故8155控制命令存放器及PA，PB，PC口的地址號分別為8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H—80FFH。8155的A口為控制工作抬X，Y向電機的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不步進電機接口與功率放大器之間采用光電隔離。鍵盤與顯示器設計在一起，8155的PC口擔任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制；PB口的PB0—PB3為鍵盤的行線。8031的P1口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用4X6共24個行列式鍵盤和6位8段共陰極LED顯示器。為了增加數碼管顯示亮度，分別在字形口和字位口加74LS07進行驅動。PB口剩余的I/O線PB4—PB7分別作為工作臺+X，+Y，-X，-Y四個方向的行程限位控制信號。在軟件設計上8155的PA口，PC口設置為輸出，PB口設置為輸入。計算機隨時巡回檢測PB4—PB7的電平，當某I/O線為0時，應立即停止X，Y向電機的驅動，并發(fā)出報警信號。另外，光電隔離器的輸出端必須采用隔離電源。隔離電源選用7805三端集成穩(wěn)壓器設計。數控系統(tǒng)總的電氣原理圖見圖紙〔二〕。第五章控制系統(tǒng)軟件設計本設計中，數控X—Y工作臺鉆床和銑床上，經過改裝的鉆床和銑床配以數控系統(tǒng)，成為數控鉆床和數控銑床。數控X-Y工作臺的控制功能包括：=1\*GB3①系統(tǒng)初始化。如對I/O接口8155，8255A進行必要的初始化工作，預置接口工作方式控制字。=2\*GB3②工作臺復位。開機后工作臺應該自動復位，亦可手動復位。=3\*GB3③輸入和顯示加工程序。=4\*GB3④監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關。如監(jiān)視緊急停機鍵及行程開關，鍵盤掃描等功能。=5\*GB3⑤工作臺超程顯示與處理。工作臺位移超過規(guī)定值時應該立即停止工作臺的運動，并顯示相應的指示字符。=6\*GB3⑥、工作臺的自動控制。=7\*GB3⑦、工作臺的手動控制。=8\*GB3⑧、工作臺的聯(lián)動控制。管理贊許是系統(tǒng)的主程序，開機后即進入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設計管理程序時，應確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數控X-Y工作臺的根本操作功能有：輸入加工程序，自動加工，刀位控制，工作臺位置控制，手動操作，緊急停機等。根據以上分析，設計管理程序流程圖如下所示：管理程序流程=1\*GB3①機床在自動加工時的動作順序：工作臺移動到位→刀具快速進給→加工→退刀→工作臺運動到下一位置；=2\*GB3②計算機在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機床完成加工；=3\*GB3③由以上分析，設計自動加工程序框圖如下所示：自動加工程序框圖步進電機的控制包括速度，轉角及方向的控制。步進電機在突然啟動或停止時，由于負載和慣性，會使電機失步，所以電機運行時有一個加，減速過程。通過確定進給脈沖數和脈沖時間間隔，即可實現步進電機轉角與速度的控制。=1\*GB3①時間常數確實定在步進電機控制程序中，利用單片機的定時器中斷，延時產生進給脈沖的時間間隔。此間隔由送入定時器的時間常數決定。時間常數由下式計算：式中：T為脈沖時間間隔〔ms〕；為單片機機器周期〔s〕，在時鐘為6MHz時，=2s。=2\*GB3②步進電機加，減速進給脈沖及脈沖時間間隔確實定設步進電機加，減速方式為直線加，減速。要使步進電機不失步，應滿足：式中：為步進電機啟動力矩；為負載力矩；為慣性力矩。由步進電機=49N，取步進電機的加速啟動力矩那么使步進電機不失不的慣性力矩步進電機角加速度又式中：為上升到步進電機最高頻率所需時間，所以有：加速脈沖個數：確定加減脈沖個數都為173個又因為：所以脈沖時刻結合可以算出對應各脈沖時刻的計數器時間常數。EPROM存儲器中，時間常數依次安排在首地址為1000H的存儲單元中，每個時間常數占據兩個字節(jié)，低位地址存放時間常數低8位，高位地址存放時間常數高8位。在程序中，設置加速，恒速，減速脈沖計數器N0，N1，N2。以計數器的值是否為0作為相應過程是否結束的標志。步進電機控制程序框圖如下所示：步進電機控制子程序步進電機控制中斷效勞程序=1\*GB3①內存地址分配加速脈沖數計數器N0地址設為20H；恒速脈沖數計數器N1低8位字節(jié)地址為21H，高8位字節(jié)地址位22H；減速脈沖數計數器N2地址位23H。加速，減速，恒速脈沖總數存放器N低位字節(jié)地址位24H，高位字節(jié)地址位25H；步進電機進給控制子程序FEED首地址位0E80H。每調用一次該程序，步進電機按規(guī)定方向進給一步。=2\*GB3②程序清單N0EQU20H；加速N1LEQU21H；恒速N1HEQU22HN2EQU23H；減速NLEQU24H；脈沖總數存放器NHEQU25HDSEQU26H；地址指針偏移量FEEDEQU0E80HORG0E00H0E00758160START：MOVP，#60H0E03758901MOVTMOD，#01H；設計數器工作方式為1，16位定時器0E0675201BMOVN0，#01A4H；設N0為3200E0975231BMOVN2，#1A4H0E0CE520MOVA，N0；計算2XN00E0E23RLA0E0FF8MOVR0，A0E10C3CLRC；計算N1=N-2N00E11E524MOVA，NL0E1398SUBBA，R00E14F521MOVN1L，A0E16E525MOVA，NH0E189400SUBBA，#00H0E1AF522MOVN1H，A0E1C901000MOVDPTR，#1000H；設時間常數指針初值1000H0E1F752600MOVDS，#00H；設地址偏移量初值為00H0E2293MOVCA,@A+DPTR；從EPROM中讀時間常數0E23F58AMOVTL0，A；送時間常數至定時器0中0E250526INCDS0E27E526MOVA，DS0E293MOVCA，@A+DPTR0E2AF58CMOVTH0，A0E2C0526INCDS0E2ED2AFSETBEA；開中斷允許0E30D2A9SETBET0；允許定時器0中斷0E32D28CSETBTR0；啟動定時器0開始計算0E3420AFFDWAIT：JBEA，WAIT；中斷允許返回0E3722RET中斷效勞程序：ORG000BH000B02F00LJMP0F00HORG0F00H0F00E526INT：MOVA，DS；送時間參數到定時器0中0F0293MOVCA，@A+DPTR0F03F58AMOVTL0，A0F050526INCDS0F07E526MOVA，DS0F0993MOVCA，@A+DPTR0F0AF58CMOVTH0，A0F0C0526INCDS；修改地址偏移量指針0F0ED180ACALLFEED；調FEED子程序，使電機進給1步0F10E520MOVA，N0；判斷N0是否為0，為0那么轉入恒速0F12B400CJNEA，#00H，LOOP10F15E52MOVA，N1H；判斷N1是否為0，為0那么轉入減速0F17B40010CJNEA，#00H，LOOP20F1AE522MOVA，N1H0F1CB4000BCJNEA，#00H，LOOP20F1FE523MOVA，N2；判斷N2是否為00F21B40014CJNEA，#00H，LOOP30F24C2AFCLREA；N2為0，減速結束，關中斷0F26