通用二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1、通用二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)通用二維平臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車(chē)床的縱-橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)、激光設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求的工作載荷，通過(guò)計(jì)算和校核，進(jìn)行導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等的選型，在滿(mǎn)足性能的要求下，以成本最低為原則，滿(mǎn)足工作要求的需要，能穩(wěn)定完成生產(chǎn)任務(wù)。本次機(jī)械裝配圖采用國(guó)產(chǎn)軟件CAXA進(jìn)行繪制，通過(guò)提取圖符操作調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)零件，因而能夠較快的繪制機(jī)械裝配圖。電氣原理圖采用Protel99Se繪制。關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；滾珠絲杠；計(jì)算；繪圖目 錄第一章 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)1第二章 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)

2、計(jì)計(jì)算22.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量22.2 確定系統(tǒng)切削力22.3直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型32.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型32.5 計(jì)算減速比i62.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型6第三章 微機(jī)數(shù)控硬件電路設(shè)計(jì)103.1 MCS51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介113.1.1 MCS51系列指令系統(tǒng)簡(jiǎn)介113.1.2 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器123.1.3 中斷系統(tǒng)133.2 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)133.2.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展133.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展143.2.3 譯碼電路設(shè)計(jì)163.3 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計(jì)183.3.1 8255 通用可編程接口芯片183.3.2 鍵盤(pán)顯示接口電路203.3.3 電機(jī)接

3、口及驅(qū)動(dòng)電路213.3.4 輔助電路23參考文獻(xiàn)2425第一章 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇為了滿(mǎn)足二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)X.Y兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，任意平面曲面的加工，自動(dòng)換象限，越位報(bào)警和急停等功能，故選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到工作臺(tái)的加工范圍，只對(duì)毛坯料進(jìn)行初加工，不考慮誤差補(bǔ)償，故采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，由于任務(wù)書(shū)規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm,定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有2000，因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以降低成本，提高性?xún)r(jià)比。1.2機(jī)械傳動(dòng)方式伺服電動(dòng)機(jī)的

4、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，要滿(mǎn)足0.01mm的脈沖當(dāng)量和0.10mm的定位精度，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。同時(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除傳動(dòng)間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用8位微機(jī)。由于MCS51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)，決定采用MCS51系列的8031、80C31、8086、DSP、基于DSP的運(yùn)動(dòng)控制芯片，ARM嵌入式微處理器技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)及顯示器、I/O接口及光電隔離電路。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)

5、據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。數(shù)控機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)，X.Y數(shù)控工作臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)分別見(jiàn)圖1.1和圖1.2微機(jī)環(huán)形分配器環(huán)形分配器光電耦合光電耦合功率放大功率放大X交流伺服電機(jī)Y交流伺服電機(jī)X工作臺(tái)執(zhí)行元件Y工作臺(tái)執(zhí)行元件圖1.1 X.Y數(shù)控工作臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)第二章 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、區(qū)定系統(tǒng)的負(fù)載、，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載起動(dòng)及切削力矩計(jì)算，確定伺服電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及選用，繪制機(jī)械部分裝配圖等。現(xiàn)分述如下：2.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量一個(gè)進(jìn)給脈沖，使運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的位移量，稱(chēng)為脈沖當(dāng)量。脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的

6、一個(gè)基本技術(shù)參數(shù) 。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用的脈沖當(dāng)量是0.01mm/step。2.2 確定系統(tǒng)切削力根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)床的切削負(fù)載為：X向200N；Y向300N；Z向400N；G為400N。2.3直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 1、滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 工作載荷是影響直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌使用壽命的重要因素。本課題中的X-Y工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動(dòng)部件重量G=400N，外加載荷=400N，代入上式，得最大工作載荷=500N。 查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指

7、導(dǎo)書(shū)表3-41，根據(jù)工作載荷=600N，初選直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG25型，其額定動(dòng)載荷=7.94，額定靜載荷=9.5。 任務(wù)書(shū)規(guī)定工作臺(tái)平面尺寸為200×160，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為340。 2 距離額定壽命L的計(jì)算 上述選取的KL系列JSA-LG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)軌上配有兩只滑塊，精度為4級(jí)，工作速度較低，載荷不大，查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表3-36表3-40，分別取硬度系數(shù)=1.0、溫度系數(shù)=1.00、接觸系數(shù)=0.81、精度

8、系數(shù)=0.9、載荷系數(shù)=1.5，代入式，得距離壽命： L=25978.65KM遠(yuǎn)大于期望值50km,故距離額定壽命滿(mǎn)足要求.2.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型1、計(jì)算最大工作載荷 查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)=0.005，已知G=800N，=200N ，=300N,=400N 。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： =+(+G)=1.1200+0.005(300+400+800)=227.5N2、計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 式中 滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=4mm； 最大切削力下的進(jìn)給速度此處=0.8m/min； 使用壽命，按15000h； 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，

9、按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取=1.21.5； 壽命、以轉(zhuǎn)為1單位 =200 =1541.4N 3、滾珠絲杠螺母副的選型根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表3-31，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列1604-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱(chēng)直徑為16，導(dǎo)程為4m,循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為4612KN滿(mǎn)足要求。4、傳動(dòng)效率計(jì)算 將公稱(chēng)直徑，導(dǎo)程=4mm，代入得絲杠螺旋升角= ,將摩擦角，代入下式得；式中 -絲杠螺旋升角； -摩擦角，滾珠絲杠的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。5、 剛度驗(yàn)算 先畫(huà)出此縱向進(jìn)給滾珠絲

10、杠支承方式草圖如圖3所示。最大牽引力為337N母裝配總長(zhǎng)度為37mm,絲杠螺紋長(zhǎng)度取340mm,預(yù)計(jì)支承長(zhǎng)度為303mm，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載的1/3。 GJ ML圖2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖(1)、絲杠的拉伸或壓縮變形量查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表3-31得，滾珠直徑,絲杠底徑，絲杠橫截面積S=134.71 ,已知=227.5N。將各個(gè)數(shù)據(jù)代入下式得 =(227.5×321.5)/(210000×134.71)=0.0024mm式中：絲杠最大工作載荷 a : 絲杠兩端支撐距離 E ：絲杠材料彈性模量 S ：絲杠按著底徑確定的截面積 M

11、：轉(zhuǎn)矩 I ：絲杠按著底徑確定的慣性轉(zhuǎn)矩（2）、滾珠與螺紋滾道間接觸變形根據(jù)公式,求得單圈滾珠數(shù)Z=18；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：×圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=54。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力 代入下式得 =0.0013因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的13，所以變形量可減小一半，取 =0.000513。（3）將以上算出的和代入=，求得絲杠總變形量=0.00240.00051=0.00291 本課題中，絲杠的有效行程為303，由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表3-37可知，五級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315400時(shí)，行程偏差允許

12、達(dá)到40,可見(jiàn)絲杠剛度足夠，且小于13的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)定位精度值0.025，滿(mǎn)足要求。 6、穩(wěn)定性校核查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表3-34得，取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑，求得截面慣性矩I=1444.89；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離a取最大值303。代入式得9647.8N=337不會(huì)失穩(wěn)。綜上所述。初選的滾珠絲杠副滿(mǎn)足使用要求。2.5 計(jì)算減速比i 已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠的導(dǎo)程=4mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步矩角a=0.9得 =1 2.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型1、 計(jì)算加在步進(jìn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 已知滾珠絲杠的公稱(chēng)直徑,總長(zhǎng)L=340 ，=4mm, 料密度

13、； 移動(dòng)部件總重力G=800N,得滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；由公式 得拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣式中： 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團(tuán)公生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步矩角為a=0.9，查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表4-5得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 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 分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算1）快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由公式可知,包括三部分：一部分是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動(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；還有一部分是滾

14、珠絲杠與今后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)公式可知，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： = 根據(jù)公式，考慮傳動(dòng)鏈的總效率=0.94空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： ×式中 - 對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為； - 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。 其中： 式中 - 空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書(shū)指定為2000； - 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.9 - 脈沖當(dāng)量，任務(wù)書(shū)指定為（開(kāi)環(huán)系統(tǒng)）。將以上各值代入式中，得=500in。設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間=0.23傳動(dòng)鏈總效率=0.94由公式&#

15、215;求得 0.1253m由式=可知，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)矩為 =式中 - 導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005； - 垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0 - 傳動(dòng)鏈總效率，取0.94則由式=求得 0.0027最后由式=，求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： =0.1282）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式可知，包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動(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；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： 其中，這算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作

16、負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式計(jì)算。本課題中對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知沿著絲杠軸線(xiàn)方向的最大進(jìn)給負(fù)載=300N則有： = 0.2033N.M再由式= 計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（）情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)這算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：=0.0047N.M最后由，求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： =0.2047經(jīng)過(guò)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為 Teq=0.2047N.M3、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)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

17、數(shù)。本課題中取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿(mǎn)足： 4Teq=0.8296N.M上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602, 由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩=?？梢?jiàn)，滿(mǎn)足上式要求。4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度，脈沖當(dāng)量，由式求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線(xiàn)圖（下圖所示）可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩5.1,遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載Teq=0.2047N.M ，滿(mǎn)足要求 2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度，

18、仿照式求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從上圖中可以查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmas=3.2N.M負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=0.128N.M 3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 與最快空載移動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為。查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表4-5可知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000Hz,可見(jiàn)沒(méi)有超出上限。 4）起動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq=4.5轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率（查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表4-5）。則由可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率： =1018HZ 此式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失

19、步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率小于940Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有100Hz(即100step/s)。 綜上所述，本課題中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)選用90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。第三章 微機(jī)數(shù)控硬件電路設(shè)計(jì)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)由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，機(jī)床硬件電路由以下五部分組成：、主控制器，即中央控制單元CPU；、總線(xiàn)，包括數(shù)據(jù)總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和控制總線(xiàn)；、存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；、接口，即I/O輸入/輸出接口電路；、外圍設(shè)備，如鍵盤(pán)、顯示器及光電輸

20、入機(jī)等。見(jiàn)圖31。 步進(jìn)電機(jī)圖31 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開(kāi)環(huán)系統(tǒng)）2、選擇中央處理單元CPU的類(lèi)型考慮到系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合、控制對(duì)象對(duì)各種參數(shù)的要求，及經(jīng)濟(jì)價(jià)格比等經(jīng)濟(jì)性的要求。因此，在經(jīng)濟(jì)數(shù)控銑床中，推薦使用MCS51系列單片機(jī)作主控制器。3、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)應(yīng)該包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。 在選擇程序存儲(chǔ)器芯片時(shí)，要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲(chǔ)器的容量等問(wèn)題。 在存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)中還應(yīng)包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計(jì)。4 、I/O口即輸入/輸出接口電路設(shè)計(jì)包括接口芯片的選用，步進(jìn)電機(jī)控制電路，鍵盤(pán)顯示電路及其他輔助電路的設(shè)計(jì)

21、。3.1 MCS51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介3.1.1 MCS51系列指令系統(tǒng)簡(jiǎn)介 MCS51系列指令系統(tǒng)共有111條基本指令，其中單字節(jié)指令有49條，雙字節(jié)指令有45條，單字節(jié)指令有17條。1、MCS51系列指令系統(tǒng)的七種尋址方式簡(jiǎn)介：（1）、立即尋址 跟在操作碼后的一個(gè)字節(jié)就是實(shí)際操作數(shù)。（2）、直接尋址 指令中直接給出參加運(yùn)算或傳送的數(shù)的地址?？梢栽L(fǎng)問(wèn)三種地址：特殊功能寄存器SFR、內(nèi)部RAM128字節(jié)個(gè)單元、221個(gè)地址空間。 （3）、寄存器尋址 指定某一可尋址的寄存器的內(nèi)容為操作數(shù)。尋址空間是R0R7、A、B、DPTR。（4）、寄存器間接尋址 由指令指定某一寄存器的內(nèi)容作為操作數(shù)地址，選定R0

22、、R1、SP、DPTR（16位）來(lái)存放地址，使用時(shí)前加。（5）、變址尋址 由爭(zhēng)論指定的偏移量寄存器或稱(chēng)變址寄存器和基址寄存器DPTR或PC相加所得結(jié)果作為操作數(shù)地址。（6）、相對(duì)尋址 在指令中給定的地址偏移量與本指令所在單元地址（即PC內(nèi)容）相加，即得到真正有效的單元地址。（7）、位尋址 對(duì)內(nèi)部RAM的128位和SFR塊內(nèi)的93位進(jìn)行位操作。2、MCS51系列指令系統(tǒng)主要指令簡(jiǎn)介：MCS51系列指令系統(tǒng)111條指令可分為五類(lèi)：（1）、數(shù)據(jù)傳送類(lèi) 29條 （2）、算術(shù)操作類(lèi) 24條（3）、邏輯操作類(lèi) 24條 （4）、控制程序轉(zhuǎn)移類(lèi) 17條（5）、布爾變量操作類(lèi) 17條3.1.2 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器M

23、CS51系列單片機(jī)提供兩個(gè)十六位可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，即T0和T1。他們具有兩種工作方式和四種模式。其工作原理如圖3.2所示。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的核心是加一計(jì)數(shù)器，加一計(jì)數(shù)器脈沖有兩個(gè)來(lái)源，一個(gè)是外部脈沖源，另一個(gè)是系統(tǒng)的時(shí)鐘振蕩器。有兩個(gè)模擬開(kāi)關(guān)，前一個(gè)開(kāi)關(guān)就是特殊寄存器TMOD的相應(yīng)位，后一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)就是特殊寄存器TCON的相應(yīng)位。TMOD和TCON是專(zhuān)門(mén)用于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的控制寄存器。用戶(hù)可以用圖32 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)框圖指令對(duì)其各位進(jìn)行寫(xiě)入或更改操作，從而選擇不同的工作狀態(tài)或啟動(dòng)時(shí)間，并可設(shè)置相應(yīng)的控制條件。這兩個(gè)控制寄存器各位的功能：1、TMOD控制寄存器GATE門(mén)控位或叫選通位。

24、C/T計(jì)數(shù)器方式或定時(shí)器方式的選擇位。M1和M0工作模式控制位。00 模式0：TLX中的低5位和THX的高8位構(gòu)成13位計(jì)數(shù)器。01 模式1：TLX與THX構(gòu)成16位計(jì)數(shù)器。10 模式2：可自動(dòng)再裝入的8位計(jì)數(shù)器。11 模式3：把定時(shí)器0分成兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器，關(guān)閉定時(shí)器1。2、TCON控制寄存器TF0、TF1定時(shí)器T0、T1溢出標(biāo)志位，為1時(shí)申請(qǐng)中斷。TR0、TR1定時(shí)器T0、T1運(yùn)行控制位，有軟件設(shè)定，來(lái)控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器開(kāi)啟或關(guān)閉。IE0、IE1外部中斷源的標(biāo)志，為1時(shí)表示外部中斷源向CPU申請(qǐng)中斷。IT0、IT1外部中斷源觸發(fā)控制位。3.1.3 中斷系統(tǒng)MCS51系列單片機(jī)提供五個(gè)中斷源，

25、配備兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，INT0、INT1輸入外部中斷請(qǐng)求，兩個(gè)片內(nèi)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1溢出中斷請(qǐng)求TF0和TF1，一個(gè)片內(nèi)串行口中斷請(qǐng)求TI和RI。各中斷源所對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址和優(yōu)先級(jí)如下：中斷源 人口地址 優(yōu)先級(jí)INT0 0003H 0T0 000BH 1INT1 0013H 2T1 001BH 3串行口中斷 0023H 43.2 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)3.2.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展1、常用的ROM芯片及引腳：（1）擴(kuò)展ROM：2864A是8K×8位電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，最大工作電流160mA，維持電流為60mA，讀出時(shí)間最大為250ns，片內(nèi)有“頁(yè)緩沖器”，允許快速寫(xiě)入,

26、內(nèi)部提供全部定時(shí)，給出查詢(xún)標(biāo)志。圖33是2864A引腳圖排列擴(kuò)展地址鎖存器：在基本擴(kuò)展電路中，都用到了地址鎖存器。這是因?yàn)镻0口是數(shù)據(jù)總線(xiàn)和低8位地址總線(xiàn)分時(shí)復(fù)用口，P0口輸出的低8位地址必須用地址鎖存器進(jìn)行鎖存。常用地址鎖存器有74LS373、8282和74LS273等，其引腳圖如圖33所示。2）地址鎖存器常用的地址鎖存器芯片是74LS373。74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器。其真值表表3.1 真值表74LS373EGDQLHHHLHLLLLXQ03.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展常用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及引腳常用的靜態(tài)ROM芯片有6116（2K*8）、6264（8K*8）、62256（32K*8

27、）等，6264、62256均采用CMOS工藝、28腳雙列直插式平封裝。6264引腳及邏輯符號(hào)見(jiàn)圖3.4。圖34 6264引腳圖80318051和8751片內(nèi)有128字節(jié)的RAM存儲(chǔ)器，在實(shí)際應(yīng)用中僅靠這128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這種情況下可利用89C51單片機(jī)所具有的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。89C51系列單片機(jī)最大可擴(kuò)展64K字節(jié)。常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，由于在實(shí)際應(yīng)用中，需要擴(kuò)展的容量不大，所以一般采用靜態(tài)RAM，如SRAM 61166264等。 圖35 RAM擴(kuò)展3.2.3 譯碼電路設(shè)計(jì)1、MCS51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則（1）程

28、序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址。程序存儲(chǔ)器地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址可以重疊使用。都是從0000HFFFFH。（2）外圍I/O芯片與擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址外圍I/O芯片占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址單元，且使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)控制信號(hào)與讀/寫(xiě)指令。（3）CPU在訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)地址編碼CPU的P2口提供高8位地址，P0口經(jīng)外部地址鎖存器后提供低8位地址。2、地址譯碼方法（1）線(xiàn)選法利用單片機(jī)地址總線(xiàn)高位中的一根線(xiàn)作為選擇某一片存儲(chǔ)器芯片的片選信號(hào)。此法用于規(guī)模較小的系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是不需要地址譯碼器，可節(jié)省硬件，降低成本。缺點(diǎn)是可尋址的芯片數(shù)目受到很大的限制，且地址空間不連續(xù)，不能充分利用。（2）全地址譯碼法對(duì)容量

29、較大的系統(tǒng)，擴(kuò)展的外圍芯片較多，芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線(xiàn)時(shí)，就需要用這種全地址譯碼法。常采用的譯碼器是74LS138，表3.2是其地址譯碼表。圖36 74LS138引腳圖表3.2 74LS138邏輯功能表G1 G2A G2BC B AY7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0其 他 狀 態(tài)0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1X X X1 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 0 1 11 1 1 1 0 1 1 11

30、1 1 0 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1表3.3 74LS138地址譯碼表器 件地 址 選 擇 線(xiàn)片內(nèi)地址單元（字節(jié)）地 址 編 碼2764000X XXXX XXXX XXXX8K0000H1FFFH6264001X XXXX XXXX XXXX8K2000H3FFFH8155RAM0101 1110 XXXX XXXX2565E00H5EFFHI/O0101 1111 1111 1XXX65FF8H5FFFH82550111 1111 1111 11XX46FFCH6FFFH圖37 數(shù)

31、控銑床全地址譯碼圖87C51 3.3 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計(jì)常用外圍接口芯片有：8155：可編程的RAM/IO擴(kuò)展接口電路（256個(gè)RAM、兩個(gè)8位口、一個(gè)6位口、一個(gè)14位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器）8255：可編程的通用并行接口電路（3個(gè)8位口）8279：可編程的鍵盤(pán)、顯示接口電路3.3.1 8255 通用可編程接口芯片1、8255 引腳及其功能 8255 引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖38，其引腳功能見(jiàn)表3.4。2、8255 工作方式的設(shè)定 8255 有三種工作方式：方式0、方式1、方式2。方式0基本的輸入輸出方式方式1應(yīng)答式輸入輸出方式方式2應(yīng)答式雙向輸入輸出方式表3.4 8255引腳功能 圖38 8

32、255引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)引 腳含 義D0D7PA0PA7PB0PB7PC0PC7A0、A1RDWRCERESETGNDVCC數(shù)據(jù)線(xiàn)A口B口C口地址線(xiàn)讀寫(xiě)片選復(fù)位地電源8255 IO的工作方式選擇通過(guò)對(duì)其內(nèi)部命令寄存器設(shè)定方式選擇控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)。其格式及工作方式見(jiàn)圖39。C口置/復(fù)位控制字格式如圖3.11所示。3、8255 初始化程序格式如下：MOV AL ， 控制字；定義工作方式OUT 控制口地址，ALIN AL ， 初值OUT 輸出口地址，AL B組下C口：0輸出 1輸入B口： 0輸出 1輸入模式選擇：0模式0 1模式1 A組上C口：0輸出 1輸入A口： 0輸出 1輸入模式選擇：00模式0 01模

33、式1 X1模式2 控制選擇 1=模式選擇 圖39 命令寄存器方式選擇控制字格式及工作方式置位0=復(fù)位 1=置位 位選擇D3 D2 D1 C口0 0 0 BIT00 0 0 BIT00 0 0 BIT00 0 0 BIT00 0 0 BIT00 0 0 BIT00 0 0 BIT00 0 0 BIT0控制選擇0=位操作圖310 C口置/復(fù)位控制字格式3.3.2 鍵盤(pán)顯示接口電路1、顯示器工作原理數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED和LCD接口顯示方式。LED顯示器有8個(gè)發(fā)光二極管組成，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，顯示不同字符。七段顯示器的結(jié)構(gòu)如圖311。2、鍵盤(pán)接口原理 鍵盤(pán)工作原理如圖312所示。

34、3、8255 初始化程序格式如下：MOV AL ， 控制字；定義工作方式OUT 控制口地址，ALIN AL ， 初值OUT 輸出口地址，AL a)外行 b)共陽(yáng)極 c)共陰極圖311 七段顯示器的結(jié)構(gòu)圖312 鍵盤(pán)工作原理3.3.3 電機(jī)接口及驅(qū)動(dòng)電路3.3.3.1研控YKB3606MA概述：研控YKB3606MA是等角度恒力矩細(xì)分型高性能步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電壓DC16-60V，采用單電源供電。適配電流在5.8A以下，外徑42-86mm的各種型號(hào)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用雙極恒流斬波方式，使電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)；驅(qū)動(dòng)電源電壓的增加使得電機(jī)的高速性能和驅(qū)動(dòng)能力大為提高；而步進(jìn)脈沖停止超過(guò)100ms時(shí)，線(xiàn)圈電流自動(dòng)減半，使驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱可減少50%，也使得電機(jī)的發(fā)熱減少。1、設(shè)有16檔等角度恒力矩細(xì)分，最高分辨率60000步/轉(zhuǎn)，使運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，分辨率提高2、采用獨(dú)特的控制電路，有效的降低了噪音，增加了轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)性3、最高反應(yīng)頻率可達(dá)200Kpps4、步進(jìn)脈沖