xy数控工作台机电系统设计.doc

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1、毕业论文（设计）题 目： x-y数控工作台机电系统设计 系部名称： 机械工程系 专业班级： 机自084班 学生姓名： 刘东彪 学 号： 200880724417 指导教师： 程 敏 教师职称： 讲 师 2012年06月01日摘 要X-Y数控工作台机电系统是一个开环控制系统,其结构简单,实用方便而且能够保证一定的精度。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。因此，选择X-Y数控工作台作为毕业设计的内容，对机械专业的学生具有普遍意义。 本文结合普通数控铣床的基本结构，设计了一台X-

2、Y数控工作台，为铣床的数控化奠定了基础。首先，确定了X-Y数控工作台的总体设计方案，包括机械传动部件的选择和数控系统的设计，机械传动部件的选择如导轨副选用，丝杆螺母副的选用，减速装置的选用，伺服电动机的选择等。其次，对X-Y数控工作台进行机械部分设计，包括直线导轨副的计算与选型，滚珠丝杠螺母副的计算与选型等。最后，对X-Y数控工作台系统设计。通过设计能够满足设计要求，达到数控工作台的基本要求，因本人水平有限，错误和不足之处在所难免，敬请老师批评指正。关键字：X-Y数控工作台，机电系统，滚珠丝杠螺母副，伺服电动机X-Y NC Worktable Mechatronics System Desig

3、nAbstractCNC X-Y table is a mechanical and electrical systems design open-loop control system, its structure is simple. Realization of convenience and can guarantee a certain accuracy. XY CNC table is a basic part of many electromechanical integration equipment，Such as CNC lathe vertical - horizonta

4、l feed institutions，the X-Y table of CNC milling machine and CNC drilling machines， workbench of laser processing equipment， electronic components and surface mount equipment, etc。Therefore, select x-y CNC table as the graduation design of content, for mechanical engineering students have universal

5、significance. Therefore, select x-y CNC table as the graduation design of content, for mechanical engineering students have universal significance.The basic structure of this article combined with General NC milling machine, an x-y CNC table was designed, laying a foundation for NC milling machine 。

6、Firstly, determine the overall design of the XY CNC table，including the choice of mechanical transmission components, and numerical control system design，The choice of mechanical drive components such as rails, vice selection, the selection of the lead screw nut, deceleration device selection servo

7、motor of choice. Secondly, XY CNC table for mechanical part design, including the calculation of the linear guide and selection, calculation and selection of the ball screw pair. Finally, the design of the X-Y CNC table system。Through this design, it can able to meet the design requirements, reach b

8、asic requirements for CNC table. Due to my limited level, errors and deficiencies are inevitable, Please the teacher criticism and correction. Keywords：X-Y NC Worktable Electro-Mechanical Systems Ball screw pair Servo motor目 录摘 要I第一章 概述11.1 数控工作台简介11.2 设计任务11.3 设计思路及意义21.3.1 设计思路21.3.2 设计意义2第2章 总体方案

9、的确定32.1 机械传动部件的选择32.1.1 导轨副的选用32.1.2 丝杠螺母副的选用42.1.3 减速装置的选用42.1.4 伺服电动机的选用42.1.5 检测装置的选用42.2 控制系统的设计4第3章 X-Y机械部分设计53.1 确定系统脉冲当量53.2 导轨上移动部件的重量估算63.3 铣削力的计算63.4 直线滚动导轨副的计算与选型73.4.1 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取73.4.2 距离额定寿命的计算83.5 滚珠丝杠螺母副的计算与选型83.5.1 最大工作载荷Fm的计算83.5.2 最大动载荷FQ的计算93.5.3 初选型号93.5.4 传动效率的计算103.5.5

10、 刚度的验算103.5.6 压杆稳定性校核103.6 步进电动机减速箱的选用103.7步进电机的计算与选型113.8 增量式旋转编码器的选用15第四章 X-Y数控系统设计164.1 确定电路的总体方案。164.1.1 主控制器CPU的选择174.1.2 存储器扩展电路设计174.1.3 步进电机驱动电路设计204.1.4 其它辅助电路设计204.2 数控系统电路设计214.3 控制系统设计224.4 驱动电路流程设计234.5 步进电动机驱动电源的选用244.6 编语言程序设计24结 论28致 谢29参考文献30第一章 概述1.1 数控工作台简介X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动

11、装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。 模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图1所示。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动

12、，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。1.2 设计任务题目：X-Y数控工作台机电系统设计任务：设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：（1）立铣刀最大直径d =15 mm；（2）立铣刀齿数Z=3；（3）最大铣削宽度ae=15 mm；（4）最大铣削深度ap=8 mm； （5）加工材料为碳素钢或有色金属；（6）X、Y方向的脉冲当量x =y=0.005mm/脉冲；（7）X、Y方向的定位精度均为0.01 mm；（

13、8）工作台面尺寸为230 mm230 mm，加工范围为250 mm250mm；（9）工作台空载最快移动速度vxmax =vymax =3000 mm/min；（10）工作台进给最快移动速度vxmaxf =vymaxf =400 mm/min。数控工作台外形如下图1所示图1 X-Y数控工作台外形1.3 设计思路及意义1.3.1 设计思路1).根据设计任务，确定总体设计方案；2).机械传动部件的计算与选型，包括工作平台、减速箱、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副、导轨座等。3). 步进电机驱动电源的选型。4）完成上述计算后，绘制寄给传动机构的装备图。5).工作台控制系统的设计。1.3.2 设计意义目前国内

14、中小企业多采用经济型X-Y数控冲床系统，其加工速度慢、编程复杂、人机界面不友好，因此生产效率低、工人劳动强度大。因此研制和开发一套基于双单片机的X-Y数控冲床数控系统，用于装配新冲床或对经济型数控冲床进行改造，能够有效的改善人机界面、提高加工速度、方便操作人员编写用户加工程序，对提高企业生产效率、改善工人的工作环境有很大的实际意义,工作台是机床上必不可少的部件，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产率。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改造以后，不但可以提高加工精度和生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量的市场需求，使之更有效的发挥经济效益和设计效益。因此，选

15、择X-Y数控工作台作为机电综合毕业设计的内容，对于机械专业的发展具有普遍意义。 第2章 总体方案的确定2.1 机械传动部件的选择2.1.1 导轨副的选用要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。2.1.2 丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和 0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预

16、紧后可消除反向间隙。2.1.3 减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，所以采用无间隙齿轮传动减速箱。2.1.4 伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。2.1.5 检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可选闭环

17、控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。2.2 控制系统的设计（1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。（2）

18、对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。（4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。系统总体框图如下图2所示图2 系统总体框图第3章 X-Y机械部分设计3.1 确定系统脉冲当量任务书中所给定的脉冲当量是0.005mm。3.2 导轨上移动部件的重量估算按照下导轨之上移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导

19、轨副、导轨座等，估计重量约为800N。3.3 铣削力的计算设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则查表得立铣时的铣削力计算公式为： （1）今选择铣刀直径d=15mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度ae=15mm，铣削深度ap=8mm，每齿进给量mm，铣刀转速。则由式（1）求得最大铣削力： Fc=118150.850.10.7515-0.7381.03000.133 N1463 N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由查表，结合图2，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff =1.1Fc1609N，Fe =0.

20、38Fc556N，Ffn =0.25Fc366N， 工作台受到垂直方向的铣削力Fz= Fe =556N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力Fx= Ff=1609N，径向铣削力Fy =Ffn= 366N。 图3 铣削力的分析 a）圆柱形铣刀铣削力 b）面铣刀铣削力3.4 直线滚动导轨副的计算与选型3.4.1 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单

21、滑块所受的最大垂向载荷为： （2）其中，移动部件重量G800N，外加载荷F= Fz= 556N，代入（2）式得最大工作载荷PC=756N=0.756kN。查表，根据工作载荷PC=0.756kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=7.94 kN，额定静载荷C0a=9.5 kN。直线滚动导轨副的外形如下图4所示图4 直线滚动导轨副的外形任务书规定工作台面尺寸为230mm230mm，加工范围250mm250mm，考虑工作行程应留有一定余量，按标准系列，选取导轨的长度为520mm。3.4.2 距离额定寿命的计算 上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬

22、度为HRC60，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表，分别取硬度系数=1.0，温度系数=1.00，接触系数=0.81，精度系数=0.9， 载荷系数=1.5，得距离寿命： 远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。3.5 滚珠丝杠螺母副的计算与选型3.5.1 最大工作载荷Fm的计算 当承受最大铣削力时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1609N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy = 366N，受到垂向的载荷（与工作台面垂直）Fz= 556N。已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表，取颠覆力矩影响系数K=1

23、.1，滚动导轨上的摩擦因数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm = KFx + （Fz + Fy + G）= 1.11609 + 0.005 ( 556 + 366 + 800 ) N 1779 N3.5.2 最大动载荷FQ的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程=5 mm，则此时丝杠转速n=v/Ph = 80 r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000 h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=72（单位为：106 r）。查表，取载荷系数fW =1.2，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数fH=1.0，求得最大动载荷：FQ

24、8881 N3.5.3 初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20 mm，导程为5 mm，循环滚珠为3圈1列，精度等级取4级，额定动载荷为9309 N，大于FQ，满足要求，其参数如下表1表1滚珠丝杠螺母副的几何参数名称计算公式结果公称直径20mm螺距5mm接触角钢球直径3.175mm螺纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径19.365mm螺杆内径16.788mm螺杆接触直径17.755mm螺母螺纹外径23.212mm螺母内径（外循环）20

25、.7mm3.5.4 传动效率的计算将公称直径d0=20mm，导程Ph=5mm，代入= arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=4 33。将摩擦角=10，代入=tan / tan(+)，得传动效率 =96.4%。3.5.5 刚度的验算1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量2.1 Mpa；查表，得滚珠直径=3.175mm，丝杠底径=16.2 mm，丝杠截面积 /4=206.12mm2。得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量1=Fma/（ES）=1779500

26、/（2.1 206.12） mm 0.0205 mm。2）根据公式 Z( )-3,求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公：Z圈数列数，得滚珠总数量=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力 = /3=593 N，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 0.0026 mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取=0.0013mm。3）将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）0.0218 mm=21.8m。丝杆的有效行程为330mm，由表知,5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到25m，可见丝杆刚度足够。3

27、.5.6 压杆稳定性校核根据公式计算失稳时的临界载荷Fk。查表，取支承系数=1；由丝杠底径=16.2 mm，求得截面惯性矩 3380.88 mm；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm，得临界载荷 9343N，远大于工作载荷=1779N，故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。3.6 步进电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的

28、轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用图3弹簧错齿法消除侧隙。图5 双片薄齿轮错齿调整机构1、2、6齿轮 3螺母 4、5螺钉 7拉簧已知工作台的脉冲当量=0.005 mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Ph=5 mm，初选步进电动机的步距角=0.75，算得减速比： i=(Ph)/(360) =(0.755)/(3600.005)=25:12本设计选用大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75:36，材料为45号调质钢，齿表面淬硬后达HRC55。减速箱中心距为(75+36)1/2 mm55.5 mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。3.7步进电机的计算与选型1）计算加在步进电动机转轴

29、上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径=20 mm，总长l =500mm，导程5mm，材料密度 ；移动部件总重量G=800N;小齿轮宽度20mm，直径=36 mm;大齿轮宽度20mm，直径=75 mm；传动比i =25/12。参照表，算得各个零部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：滚珠丝杠的转动惯量=0.617，拖板折算到丝杠上的转动惯=0.517，小齿轮的转动惯量=0.259，大齿轮的转动惯量=4.877 。初选步进电动机型号为90BYG2602，为两相混合式，二相四拍驱动时步距角为0.75，则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为 = +(+)/=30.352)计算加在步进电动机转轴上的等效

30、负载转矩分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，相对于和很小，可以忽略不计。则有： =+ （3）考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： （4） 式中 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min； 步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为s。 其中： （5）式中空载最快移动速度，任务书指

31、定为3000mm/min； 步进电动机步距角，预选电动机为； 脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。将以上各值代入式（5），算得nm=1250r/min。设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间=0.4s，传动链总效率=0.7。则由式（4）求得：1.42（Nm）当移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： （6）则由式（6），得：0.002（Nm）最后由式（3），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：= + = 1.422 N （7）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt ；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴

32、上的摩擦转矩Tf ；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0，T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有： = Tt + Tf （8）本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=1609N ，则折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt有： 0.88（Nm）再计算垂直方向承受最大工作负载（Fz=556N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： = 0.004（Nm）最后由式（8），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为： = Tt + Tf = 0.884 Nm （9） 经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大

33、等效负载转矩应为： = max， = 1.422 Nm3）步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： Tjmax 41.422 Nm =5.688 Nm (10) 上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，查表得该型号电动机的最大静转矩Tjmax = 6 Nm 。可见，满足（10）式的要求。4) 步进电动机的性能校核最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度=400mm/m

34、in，脉冲当量=0.005mm/脉冲，可求出电动机对应的运行频率 =400/(600.005)Hz 1333Hz。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图5可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩5.6Nm，远远大于最大工作负载转矩=0.884Nm，满足要求。最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，可求出电动机对应的运行频率=3000/（600.005）Hz =10000Hz。在此频率下，电动机的输出转矩=1.8 Nm，大于快速空载起动时的负载转矩= 1.422Nm，满足要求。图6 90BYG2602步进电动机的运行矩频特性曲线最快空载移动

35、时电动机运行频率校核最快空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率=10000Hz。查表知90BYG2602电动机的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=30.35电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率=1800Hz。可求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：=614Hz上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于614Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，完

36、全满足设计要求。电机有关参数如下表2表2 90BYG2602步进电机参数型号主要技术参数相数步距角电压(V)相电流(A)最大静转矩(n.m)空载启动频率空载运行频率分配方式90BYG26022/40.75/1.5100461800200004相8拍外形尺寸(mm)重量kg转子转动惯量Kg.m外直径长度轴直径90159144.540003.8 增量式旋转编码器的选用本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。由步进电动机的步距角=，可知电动机转动一转 时，需要控制系统发出360/

37、=480个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨率可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。选择编码器型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H：盘状空心型，孔径 10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出。第四章 X-Y数控系统设计4.1 确定电路的总体方案。数控系统的电路由以下几部分组成：1)主控制器。即中央处理单元CPU2)总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。3)存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。

38、4)接口。即I/O输入输出接口。数控系统的硬件框图如下图7所示：中央处理单元CPU存储器RAMROM输入/输出I/O接口外设：键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等信号变换控制对象图7 数控系统的硬件框图4.1.1 主控制器CPU的选择MSC51系列单片机是集中CPU，I/O端口及部分RAM等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用8031芯片作为主控芯片。4.1.2 存储器扩展电路设计1)程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用EPROM芯片。其型号有：2

39、716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为2k,4k,8k,16k32k。在选择芯片时要考虑CPU与EPROM时序的匹配。所能读取的时间必须大于EPROM所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择2764芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。单片机规定P0口提供8为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低位的地址信息，一般采用74LS373芯片作为地址锁存器，并由CPU发出允

40、许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。由以上分析，采用276EPROM芯片的程序存储器扩展电路框图8如下所示： A12 A8 2764A7A0 D7 D0 P1.7 P1.0 P2.4 P2.0 ALE P0.7 P0.0 译码电路G74LS372图8 扩展2764电路框图2）数据存储器的扩展由于8031内部RAM只有128字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态RAM数据存储器。本次设计选用6264芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如图9下所示：图9 扩展6264电路框图3）译码电路在单片机应

41、用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于RAM和I/O容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译

42、码器输出的地址选择线用作片选线。4）存储器扩展电路设计8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路，5）I/O扩展电路设计(a).通用可编程接口芯片81558031单片机共有4个8位并行I/O接口，但供用户使用的只有P1口及部分P3 口线。因此要进行I/O口的扩展。8155与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。8155Y与8031的连接方式如下图所示(b).键盘，显示器接口电路键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控

43、系统都采用行列式键盘，即用I/O口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有LED和LEC。下图所示为采用8155接口管理的键盘，显示器电路。它有4X8键和6位LED显示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线及显示器的字位控制共用一个口，即共用8155的PA口进行控制，键盘的行线由8155C口担任，显示器的字形控制由8155的PB口担任。4.1.3 步进电机驱动电路设计1）脉冲分配器步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB013。采用YB013硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下：2）光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气