【導讀】于模塊化、數(shù)控功能專門化。數(shù)控機床是集計算機技術、電子技術、自動控。制、傳感測量、機械制造、網(wǎng)絡通信技術于一體的典型的機電一體化產(chǎn)品。結構、管理方式、使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大的變化。標志，實現(xiàn)加工機床及生產(chǎn)過程數(shù)控化，己成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向。普通機數(shù)控化改造，顧名。這種機床改造花費少，改造針對性強，時間短，改造后的機床大。大、生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。高檔數(shù)控系統(tǒng)技術已經(jīng)突破。如華中I型等數(shù)控系統(tǒng)，都具有多軸。聯(lián)動功能，快速進給速度在，具有較強的通信、管理功能。如北京機床研究所的BS9l系統(tǒng)，這。些系統(tǒng)一般配有CRT顯示器，可配置直流和交流伺服驅(qū)動，2~4軸聯(lián)動。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)仍有廣闊的市場前景。便宜，非常適合中小型企業(yè)，目前仍是我國應用面最廣的數(shù)控系統(tǒng)。型的有南京大方的JWK系列。同時大量的通用機床不可能全部淘汰。時間短，改造后的機床大多能克服原機床的缺點和存在的問題，生產(chǎn)效率高。

　　

【正文】 =++= ）（ cmN. 步進電機的選擇與校核 (1)根據(jù)最大靜態(tài)轉矩 maxjM 初選電機型號 步進電機的起動： )(7 1 7 . 8 6M)Mm a x (M q cmNM ???? 起切起 ， 對于三相六拍步進電機， 8 6 m a xq ??iM?。 前面計算 J? 時已初選型號為 130BC3100 的步進電機，其相關參數(shù)為： 型 號 相 數(shù) 步距 角 ( ) 最大靜 轉 矩 (Ncm?) 空載起 動頻率 (步/s) 空載運 行頻率 (步/s) 分配 方式 轉子轉 動慣量 2kgcm? 130BC3100B 3 1800 1300 15000 3相 6拍 15 )(1 8 0 2 88 6 1 7M m a xj cmNM q ????? ? 滿足要求。 (2)計算電機工作頻率 1)最大空載起動頻率： )/( m a x ss te pf pk ?? ??? ?? 26 f k f max =15000(step/s) ，滿足要求。 2)切削時最大工作頻率 )/( ss te pf p se ????? ? ? f e f max =15000(step/s) ，滿足要求。 上式中： maxv 運動部件橫向最大快速進給速度 (m/min) sv 橫向最大切削進給速度 (m/min) p? 脈沖當量 (mm/step) 由上述計算可知：系統(tǒng)要求的空載起動轉矩頻率要大于電機的空載起動頻率 15000Hz,且空載起動頻率滿足要求的電機型號較少，可以采用調(diào)壓起動等方式起動電機使電機的空載起動頻率滿足要求；而電機運行頻率 900Hz 可以滿足系統(tǒng)要求。 (3)校核步進電機 1)根據(jù)步進電機轉矩和慣量的匹配條件校核 為了使步進電機具有良好的起動能力及較快的響應速度，通常推薦： maxjMM ? 及 4LmJJ ? )(4 8 2 . 5 4 0 4 . 5 810602 22m a xLL cmNtnJM a ???? ?????? ??? 則： 0 .50 .2 71 8 0 04 8 2 .5 8 ?? , 42. 3051 mL ??? 故滿足要求。 2)校核起動轉矩 頻率特性和運行轉矩頻率特性 根據(jù)計算出的最大空載起動頻率 fk=4000（ step/s）和切削時最大工作頻率 fe=900（ step/s）分別查出（ 根據(jù) fk和 fe 在矩頻特性曲線上找到與其對應的失步轉矩） 在此頻率下電機不失步是所允許的最大力矩 dmeM 和 27 dmkM ，應滿足： 起M 〈 dmkM ， 切M 〈 dmeM 起M = ）（ cmN. M切 = ）（ cmN. 根據(jù)上圖可估讀出 dmkM ≈ =1200 ）（ cmN. dmeM ≈ =580 ）（ cmN. ?起M ）（ cmN. dmkM =1200 ）（ cmN. (1) M切 = ）（ cmN. dmeM =580 ）（ cmN. (2) (2)滿足要求， (1)不滿足要求，必須用升降速的措施。如果步進電機起動力矩還不能滿足要求，則可采用高低壓驅(qū)動功放電路，將步進電機起動力矩再擴大一倍。 以上的驗算結果表明，所選的型號為 130BC3100B 的步進電機符合要求。 28 第三章 微機控制部分的設計 主要內(nèi)容： 以 MCS51系列單片機為核心的控制系統(tǒng)。 一、硬件系統(tǒng) （ 1）基本組成（最小系統(tǒng)） （ 2）系統(tǒng)擴展 1）程序存儲器擴展 2）數(shù)據(jù)存儲器擴展 3）輸入輸出端口擴展 4）綜合功能擴展 （ 3）接口技術 1）鍵盤接口技術 2）顯示器接口技術 （ 4）步進電機控制硬件電路 二、軟件系統(tǒng) （ 1）軟件結構與基本組成 （ 2）插補原理及軟件程序 （ 3）步進電機控制軟件 第一節(jié) 微機控制系統(tǒng)概述 一、微機控制系統(tǒng)的設計思路 1）從系統(tǒng)構成上考慮是否采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制； 2）執(zhí)行元件采用何種方式； 3）考慮系統(tǒng)是否有特殊控制要求對于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系統(tǒng)應采取的措施是什么？ 4）考慮微機在整個控制系統(tǒng)中的作用，是設定計算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理，微機承擔哪些任務，為完成這些任務微機應具備哪些輸入 /輸出通道、配備哪些外圍設備。 5）初步估算其成本，通過整體方案考慮，最后畫出系統(tǒng)組成的初步框 29 圖，附加說明，以此作為設計的基礎和依據(jù)。 1）建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，確定其控制算法，按照規(guī)定的控制算法進行控制。 2）控制算法的正確與否直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)，甚 至決定整個系統(tǒng)的成敗。 3）在選擇控制算法時，應考慮所選的算法是否能滿足控制速度、控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。 對于給定的任務，選擇微機的方案不是唯一的，從控制角度出發(fā)，微機應能滿足具有較完善的中斷系統(tǒng)、足夠的存儲容量、完善的輸入 /輸出通道和實時時鐘等要求。 1）較完善的中斷系統(tǒng) 2）足夠的存儲容量 3）完備的出入 /輸出通道和實時時鐘。 二、微機控制系統(tǒng)基本硬件組成 任何一個微機控制系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，硬件是軟件的基礎，而配置了軟件的硬件才有控制功能，數(shù)控系統(tǒng)通 過與硬件軟件的密切配合實現(xiàn)各種功能。 總體設計框圖 第二節(jié) 系統(tǒng)擴展 一、 單片機的選擇 30 本設計選用 8031 芯片 8031 單片機的基本特征： 具有 8 位處理單元。 共有 128 個字節(jié) RAM。 片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路，可執(zhí)行一條指令的是 2us 或 4us。 有 4 個 I／ O 接口， 32 根 I／ O 線。 有 2 個 16 位定時器／計時器。 可尋址 64K 字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和 64K 字節(jié)外部程序寄存器。 共有 21 個特殊功能寄存器。 有 5 個中斷源，配備兩個優(yōu)先級。 具有位尋址能力，適用邏輯運算 8031 引腳圖 本設計選用 8031 芯片，片內(nèi)無 ROM或者 EPROM，使用時必須配置外部的程序存儲器 EPROM。本設計選用了 27128 擴展其空間， 8031 的引腳分 3大功能。 8031 內(nèi)部不帶 ROM，需要外接 EPROM 作為外部程序存儲器。又因為 8031在外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時地址的低 8位信息和數(shù)據(jù)信息分時送出，故還需要采用一片 6264 數(shù)據(jù)存儲器儲存數(shù)據(jù)。這樣，一片 27128EPROM 和一片 6264 組成了一個最小的計算機應用系統(tǒng)（如下 圖）。 31 8031 接線 二、 程序存儲器的擴展 (1) MCS51 系列單片機的特點之一是硬件電路設計簡單，系統(tǒng)結構緊湊。對于簡單的應用場合， MCS51 系列的最小系統(tǒng)用一片 8031 外擴一片 EPROM 就能滿足功能的要求，對于復雜的應用場合，可利用 MCS51 的擴展功能，構成功能強、規(guī)模較大的系統(tǒng)。 MCS51 的程序存儲器的尋址空間為 64K 字節(jié)， 8031 片內(nèi)不帶 ROM，用作程序存儲器的器件是 EPROM。常用的半導體 ROM芯片有： 271 273 2762721 2725 27512 等。 276 2721 2725 27512 芯片均為 8 腳雙列直插式扁平封裝芯片，本設計中采用兩片 2764，其引腳如下 圖： 32 2764 管腳 (2)ROM 芯片及引腳的選擇 選擇 2764（ 8K 8）半導體芯片。晶體頻率選用 6MHz，其所能提供的讀取時間 t小于 480ms，故其芯片在時序上滿足要求。 (3)地址鎖存器的設計與選擇 由于單片機 8031 芯片的 0P 口是分時傳送低 8 位地址線和數(shù)據(jù)線，故 8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。選擇 74LS373 芯片。 74LS373 芯片是帶三態(tài)緩沖輸出的 8D觸發(fā)器。 其引腳及與 8031 芯片連接見下 圖： 其真值表見下表： 33 （ 4） 8031 與 EPROM2764 芯片連接 三、 I/O 口的擴展 在 MCS51 應用系統(tǒng)中，單片機本身 提供給用戶使用的輸入、輸出口線并不多，只有 P1口和部分 P3口線。因此，在大部分單片機應用系統(tǒng)設計中都不可避免的要在單片機外部擴展 I/O端口。單片機可以像訪問外部 RAM 存儲器一樣訪問外部接口芯片，對其進行讀 /寫操作。由于接口較多，需采用一個 8155 芯片和一個 8255 芯片，才可以滿足要求。 復合接口擴展芯片 8155 共有三個端口 PA、 PB、 PC，即 PA0— PA PB0— PB PC0— PC4 共為 21位輸入輸出。 AD0 AD7 為數(shù)據(jù)總線， RD讀入接口， WR 寫入接口， RESET 為復位接口， Vss 接地， Vcc 接 高電平， ALE 芯片使能、 IO/M 、 TMRIN、 TMROUT、片選 CE。 34 圖 8155 芯片連接電路 專用接口擴展芯片 8255 有三個端口 PA、 PB、 PC，均為 8 位，即 PA0—PA PB0— PB PC0— PC7共 24 位輸入輸出口。 A0A1 為地址線接口， D0D7為數(shù)據(jù)線接口， RD讀入接口， WR 寫入接口， RESET 為復位接口， CS 為片選端口， GND 接地， Vcc 接高電平。 35 圖 8255A 芯片連接電路 通過 8155 復合接口芯片實現(xiàn)對鍵盤和數(shù)碼管顯示接口的擴展，通過8255 專用接口芯片實現(xiàn)對手動操作等按鍵功能和步進電機的控制脈沖輸出接口的擴展。 數(shù)碼顯示管位數(shù)確定 如下圖 所示所設計數(shù)碼顯示電路原理圖，根據(jù)設計任務書要求及數(shù)據(jù)計算，數(shù)控機床的脈沖當量 (mm/step)，需要兩位數(shù)碼管顯示小數(shù)部分（右邊兩個），銑床行程小于 1000mm，需要三位數(shù)碼管顯示整數(shù)部分（右起 3~5 個），需要一位顯示 x、 y的方向（左起第 3個），一位顯示行 程的正負（左起第 2個）。還有一位（左起第 1個）根據(jù)具體情況由用戶設定（比如狀態(tài)信息）。 36 圖 數(shù)碼管顯示電路 鍵盤電路設計及鍵數(shù)確定 如下圖 所示，為所設計矩陣鍵 盤電路原理圖。根據(jù)數(shù)控銑床加工特點及各方面性能要求，擬定如下按鍵： 圖 鍵盤電路設計 返回鍵、垂直菜單鍵、回車 /輸入鍵、上檔鍵、光標向上鍵、光標向下鍵、光標向左鍵、光標向右鍵、刪除鍵、 10 個數(shù)字鍵、 17 字母鍵等共 36 個按鍵，其連接電路如圖所示。 8255 芯片接口擴展電路設計 8255 芯片接口擴展電路原理， Manual Operation（手動操作）的各個 37 功能信號由 8255 芯片的 PC 端口引腳輸入，包括 X軸點動、 Y 軸點動、快進、自動、單段、手動、單步、暫停。 Status Setting（狀態(tài)設置）由 8255 芯片的 PB 端口及 PA 端口 PA4~PA7引腳輸入，包括增量選擇、主軸正轉、主軸反轉、主軸停、超程解除、手動換刀、循環(huán)、機床鎖住、 Z 軸鎖住，剩余三個接口預留給用戶進行其它功 能的定義。 8255 芯片的 PA0~PA3 引腳用于輸出步進電機對 X、 Y 向運動的控制脈沖。 第三節(jié) 步進電機控制電路 根據(jù)常州豐迪電氣有限公司提供的步進電機資料，如表所示步進電機規(guī)格及性能 型號 相數(shù) 步距角 轉矩 電流 A 空載頻率 Hz 起動頻率 Hz 電