X502型立式铣床数控改装纵向

第一章和最后的设计总结自己写吧，还有我总结的这些容可能不完全正确，大家仔细看下，顺便加上自己的部分文字。

第二章 机床进给伺服系统 机械部分(纵向)的设计计算

第一节 工作载荷分析及计算

根据指导书的分析，对于数控铣床来说，可采取按切削用量计算切削力法和按主电机功率法计算切削力计算切削力法两种。一般来说，对于经济型数控铣床，可采用按主电机功率计算切削力法。 一、铣削抗力分析

通常都假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿的某一点上。设刀齿受到的切削抗力的合力为F，将F沿铣刀轴线、径向和切向进行分解，则分别为轴向铣削力Fx，径向铣削力Fy和切向铣削力Fz。切向铣削力Fz是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床主电机功率（即铣削功率）最多，因此，切向铣削力Fz可按铣削功率Pm（kw）或主电机功率Pe（kw）算出。

对于现有的机床的改装设计，可以从已知机床的电机的功率和主轴上的功率反推出工作台进给时的铣削力。若该机床的主传动和进给传动均用一个电机，进给传动的功率较小，可在主传动功率上乘以一个系数。由机床设计手册查得铣床传动系数k=0.85。

主传动功率N包括切削功率Nc、空载功率Nmo、附加功率Nmc三部分，即：N=Nc + Nmo + Nmc。空载功率Nmo是当机床无切削负载时主传动系统空载所消耗的功率，对于一般轻载高速的中、小型机床，可达总功率的50%，现取Nmo = 0.5N，附加功率Nmc是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率，它直接与载荷大小有关。可以用下式计算，Nmc = (1–η)NC，所以总功率为：N=Nc + 0.5N + (1–

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η)Nc (KW)则：Nc=

0.5N (KW) 2－η在进给传动中切削功率

Nct = kNc =k0.5N (KW) 2－η上式中k----铣床的传动系数，查《机床设计手册》得k=0.85 η为传动效率，可由下式计算

η＝

主轴上的传动功率

主电机的功率由题设给定的已知条件可知，主轴上的传动功率N=1.45 KW，主电机的功率N电机= 2.2 KW。则

η=

所以：

Nct =0.85Mn = 955000

0.52.2 = 0.6973 (KW)

20.65911.45=0.6591 2.2切削时在主轴上的扭矩为：

Nct0.6973=955000＝14019.4(N·cm) n47.5上式中n----主轴的最小转速，由题设条件知n = 47.5 (r/min)

切向切削力

Fz=Mn14019.4 4381.0625 (N)

d3.2上式中d----铣刀的最大直径(cm)，由题设条件知d = 3.2 cm

FF二、计算进给工作台工作载荷L、FV、C 作用在进给工作台上的合力F’与铣刀刀齿受到的铣削抗力的合力F大小相同，方向相反。合力F’就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台纵向载荷FL，横向载荷Fc和工作台垂直进给方向载荷FV。 计算与说明

作用在进给工作台上的合力F’与铣刀刀齿受到的铣削抗力的合力F大小相同，方向相反。合力F’就是设计和校核工作台进给系统

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时要考 虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三

纵向进给方向载荷，工作台横向进给方向载荷Fc和

个力：工作台

工作台垂直进给方向载荷Fv。

根据《专业课程设计指导书》第三章表3 — 1 “铣削加工主切削力 与其它切削分力的比值”列表可计算出三组FL、FV、FC (取围的值计算最大值)。

(1) 组：端铣——对称铣削

FL=0.4 FZ=0.4x2890.1=1156.04N FC =0.95 FZ=0.95 X 2890.1=2745.595N FV=0.55 FZ=0.55x 2890.1=1589.555N

(2) 组：端铣——逆铣

FL=0.9F=0.9X 2890.1=2601.09N FC =0.7 F=0.7X2890.1=2023.07N FV =0.55 F=0.55x 2890.1=1589.56N

(3) 组：端铣——顺铣

FL =0.3FZ=0.3X2890.1=867.03N FC=1.0FZ=1.0x2890.1=2887.62N FV=0.55FZ=0.55x2890.1=1589.56N

由于铣床是两轴联动，所以只考虑端铣，无需考虑周铣，则考虑采用第三组数据。

第二节滚珠丝杠螺母副的选型和校核

一、滚珠丝杠螺母副结构类型的选择

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因为所要改装的铣床为普通铣床，精度要求并不是很高，在使用过 程中不需要调整，并且加工过程中有轻微冲击运转。根据上述实际条件， 并考虑到经济成本问题，通过查第三章表3 — 2和表3 — 3，可以初步选用“外循环插管埋入式法兰直筒组合双螺母垫片预紧（CMD)”这种结构 类型的滚珠丝杠螺母副。它具有结构简单，工艺性优良，承载能力较高; 刚度高，预紧可靠，不易松弛等优点。它主要适用于重载荷、高刚度、 高速驱动及较精密的定位系统，是目前应用得较广泛的结构。

二、滚珠丝杠螺母副型号的选择及校核步骤

1、计算最大工作载荷

2、由题设已知条件，铣床导轨的类型为综合导轨。再查指导书P38表3-29得最大工作载荷Fm

Fm=KFL+f，(FV+G)

该式中：K=1.15;

取f，= 0.18 (f，=0.15〜0.18)(摩擦系数)；G为工作台及夹具总重量的1/2。由题设已知条件可得G = 400 N。

将以上数值及先前计算得到的三组FL.FV数据代入上式，可得到三组相应的Fm的最大值

(1) 组：Fm=1.15x1156.64+0.18x (1589.56+400)= 1687.57N (2) 组： Fm=1.15x2601.09+0.18x(1589.56+400)=3349.37N (3) 组：Fm=1.15x867.03+0.18x (1589.56+400)=1355.2N

由以上计算数据可知，第(2)组算得的Fm值较大。故最大工作载

- -可修编-

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荷为

Fm=3349.37N

2、计算最大动负载C

最大动载荷C可由下式计算

C=

fwfHFm (1)

(1)式中：各参数见《专业课程设计指导书》

fH为硬度系数，选fH=1.0(HRC

60)

fw为运转系数，选fw=2.0(有冲击运转） L为寿命，由下式计算

L=60nT/106 (2)

(2)式中：T为使用寿命(h)，对于数控机床T=15000(h)

n为丝杠转速(r/min)，可由下式计算：

n=1000Vs/Lo

(3)式中：Vs为最大切削力条件下的纵向进给速度(m/min),查指导书为 540(mm/min)

可取最高切削进给速度的1/2〜1/3，现取1/3,即

Vs=0.54/3=0.18m/min

L0为所选用丝杠的基本导程,考虑到传动精度的要求,可选基本导程为4、6、8(mm)的丝杠。基本导程为4mm时:

L=60nT/106=60T1000Vs/(106L0)=60x15000x1000x0.18/(1000000x4)=40.5 Cl=

x1.0x2.0x3349.37=23004.43基本导程为6mm时：

- -可修编-

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L=60nT/106=60T1000Vs/(106L0)=60x15000x1000x0.18/(1000000x8)=20.25

C320.251.02.03349.3718258.63(N) 查《机电一体化系统设计》表3-11 当公称直径do32mm时

Ca=15KN8258.63N 合格 Ca=21.85>C3 合格 当公称直径do40mm时

当L08时 Ca=30.9KN>C2 合格 当L06时 Ca=24.11KN>C3 合格 所以丝杠L0为6mm或8mm d032mm或者40mm 通过查《金属切削机床设计简明手册》表4-143可知

当公称直径do32mm时、基本导程为6mm的丝杠，查得他们的承载能力Ca为21.85KN，螺旋升角为3.41，圈数列数分别为3.51，滚珠直径dq为4mm，

-----接触角（45）。

公称直径do40mm、基本导程为8mm的丝杠，查得它们的承载能力Ca为30.9KN，螺旋升角为3.65，圈数列数分别为2.51，滚珠直径dq为5mm，

-----接触角（45）。

公称直径do40mm、基本导程为6mm的丝杠，查得它们

的承载能力Ca为24.11KN，螺旋升角为2.73，圈数列数分别为3.51，滚珠直径dq为4mm，-----接触角（45）。

- -可修编-

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3、计算传动效率η 传动效率可由下式计算

上式中：----丝杠螺旋升角

tg

tg----摩擦角。滚珠丝杠副的摩擦角约10'0.167

（1）当公称直径d0=32mm、基本导程为6mm：

tgtan3.410.9530.9

tg()tan(3.410.167)故满足设计要求。 （2）选公称直径d0=40mm

1）基本导程为8mm：

tantan2.73o0.94230.9ootan()tan(2.730.167)

故满足设计要求。

4、刚度验算

(1)丝杠的拉伸或压缩变形量1

当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的1/3时，其实际变形量为（由指导书P39，公式3—24可知）：

（拉伸为+，压缩为—） 上式中：E——材料的弹性模数

4(N/mm2)E20.610对于钢：

L——滚珠丝杠在支承间的受力长度（mm） L=工作长度+螺纹长度+轴承宽度+端盖宽度 700mm

2(mm),可由下列几式计算 F——滚珠丝杠的截面积

- -可修编-

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Fd142、d1=D02e - 2R

e(Rdq)sin、R0.52dq2

odq——滚阻直径（mm）， ——接触角（45），

R——滚道法面半径（mm）， e——偏心距（mm），

D0——丝杠公称直径（mm）

（1）当公称直径D0=32mm，基本导程为6mm时，

R0.5242.08(mm) 4e=（2.08-）sin45o=0.0572

d1=32+20.05722.08=27.954（mm）

Fd2127.9544=4=613.7306（mm2）

总=3349.37700=0.018545（mm）20.610000613.7306（2）当公称直径

d0=40mm、基本导程为8mm时：

R0.5252.6(mm)

5e=（2.6-）sin45o=0.0712

d1=40+20.07122.6=34.942（mm）

F1=d2134.94224=4=958.9267（mm2）3349.37700=0.002967（mm）420.610000958.9267（3）当公称直径d0=40mm、基

本导程为6mm时：

- -可修编-

- .

R=0.524=2.08（mm）

4e=（2.08-）sin45o=0.0572

d1=40+20.05722.08=35.954（mm）

Fd21=35.954244=1015.276（mm2）

1=3349.37700420.6100001015.276=0.002802（mm）

(2)滚珠与螺纹滚道间的接触变形

当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的1/3时，其实际变形量为

Fm20.00133dZ2oFy/10

上式中：

Fm------最大工作载荷(kgf)

Fm=341.77(kgf)

Fy----预紧力(kgf)，Fy=13Fm=113.9(kgf)

d0----滚珠直径(mm)，Z----滚珠数量，Z＝Z×圈数×列数

Z ----一圈的滚珠数， ZDodo(循环)

(1)当公称直径do32mm基本导程为6mm时：

Z32425.13

Z25.133.5187.955

- 变

-可修编-

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20.00130.002864113.987.955

2334.937当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，2的值可减少一半。

即：2=22=0.00143（mm）

（2）当公称直径do40mm基本导程为8mm时：

Z40525.13

Z＝25.13×2.5×1=62.825

334.93720.001335113.962.82520.00332mm

4、 当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，一半。指导书P42 即：

2=

22=0.00166（mm）

（3）当公称直径do40mm基本导程为6mm时：

Z40431.4159

Z＝31.4159×3.5×1=109.96

334.93720.00134113.9109.9620.00247

当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，一半。即：

- 2的值可减少2的值可减少 -可修编-

 - .

2=

2=0.00123（mm）

2(3)滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3

（1）当公称直径do32mm基本导程为6mm时：

选用型号为深沟球206的轴承，其参数如下：

额定动载型 号 径d (mm) 外径D (mm) 厚度T (mm) 荷Ca(kN) 51206 30 52 16 28.0 3可由下式计算：

20.00243Fm3d2

QZ上式中：Fm----最大工作载荷(kgf)，Fm=341.77(kgf)

dQ----轴承滚动体直径(mm)，

dQT28

Z----两边轴承总的滚动体数目由公式

Z(dD)T

可估算两边总得滚动体的数目为32。

将以上数据代入可得：

341.7730.0024383220.00582基本导程为6mm时：

123=0.004636+0.00286+0.00582

=0.01332mm>0.01(mm)

- -可修编-

- .

可见，当公称直径do32mm基本导程为5mm时不符合要求； （2）当公称直径do40mm基本导程为8mm时：

选用型号为51207的轴承，其参数如下：

额定动载型 号 径d (mm) 外径D (mm) 厚度T (mm) 荷Ca(kN) 51207 Z35

62 18 39.2 40431.4159 可估算两边总得滚动体的数目为34。 将以上数据代入可得：

30.00243341.770.0053749322

基本导程为8mm时：

123=0.002967+0.00332+0.005374

=0.011661mm>0.01(mm)可见，当公称直径

do40mm基本导程为8mm时不符合要求 （3）当公称直径do40mm基本导程为6mm时：

选用型号为深沟球206的轴承，其参数如下：

额定动载型 号 径d (mm) 外径D (mm) 厚度T (mm) 荷Ca(kN) 51207 Z35 62 18 39.2 (dD)T

可估算两边总得滚动体的数目为32。

- -可修编-

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将以上数据代入可得：

30.00243基本导程为6mm时：

334.9370.0053749342

123=0.002802+0.00123+0.005374

=0.009406mm<0.01(mm)可见，当公称直径

do40mm基本导程为8mm时符合要求

可见，公称直径为40，基本导程为6mm时，以基本导程最大的滚珠丝杠作为最终选择，即以Lo=6mm的作为计算依据。经查表，选用型号为CMD4006---2的滚珠丝杠副。其参数如下

公称直径型 号 导程 钢球直径 滚珠的循环 圈数×列数 额定动载荷 d0 (mm) L0(mm) dq(mm) Ca(N) CMD400640 6 4 3.5×1 24100N ---2

第三节 脉冲当量和传动比的确定

一、确定系统脉冲当量

由题设条件知脉冲当量p0.01mm/step

二、传动比的选定

设传动副的传动比为i，若为一对齿轮减速传动，则iZ2/Z1 ，Z1 为主动齿轮的齿数，Z2为从动齿轮的齿数。

- -可修编-

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对于步进电机，当脉冲当量确定和初选定步进电机的步距角后，可根据下式计算出该伺服传动系统总的传动比：公式可查《机电一体化系统设计指导书》P19公式3-12

ibL00.7561.25 360p3600.01 上式中：L0----滚珠丝杠的基本导程6(mm)

b----步进电机的步距角，今初选步b0.75

三、齿轮传动的确定

对于数控机车的齿轮传动，应采用设计、结构和工艺均较简单，而且易获得高精度的平行轴渐开线圆柱齿轮传动。

通常，齿轮传动链的传动级数少一些比较好，因为可以减少零部件 的数目，简化传动链的结构，并且可以提高传动精度，减少空程误差，有利于提高传动效率。同时i=1.67较小，故在此选用圆柱直齿轮单级传动。

一般模数取m1~2,数控统削取m2。齿轮宽

b=(3〜6)m，

为了消除齿侧隙，宽度可加大到（6〜10) m。齿顶/根圆半径公式，《机械原理》P130,表4-3。

z120，取z139，m2,则

d1mz123978(mm)

*da1d12ham7821282(mm)

*df1d12hfd1（2hac*）m

df1d12(10.25)m7821.25273(mm)b1(6~10)m，取b19m9218(mm)

- -可修编-

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z2z1i391.2548.7549 d2mz224998(mm)

*dd2hm98212102(mm)a22a

df2d21.25m2981.252293(mm)

b2(6~10)m，取b26m6212(mm)

中心距ad1d227898288 选小齿轮齿数z139，小齿轮的齿宽度b118mm，大齿轮齿数

z249，大齿轮的齿宽度b212mm。

进给伺服系统传动计算

一、转动惯量的计算

1、齿轮、丝杠等圆柱体惯量的计算。

可由下式计算：

JMD20.78103D4L(kgcm28)

式中：M----圆柱体质量(kg) D----圆柱体直径(cm) L----圆柱体长度或圆度(cm) 对主动齿轮：

J10.78103(0.239)41.85.19691(kgcm2)

对从动齿轮：

J20.78103(0.249)41.25.61315(kgcm2)

对滚珠丝杠：

J30.78103447011.85192(kgcm2)

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2、工作台折算到丝杆的转动惯量

JG(L2GG)(0)2(kgcm2)2ng2g

v----工作台移动速度(cm/min) n----丝杆转速(r/min) G----工作台的重量(N) g----重力加速度(9.8m/s2)

L0----丝杆导程(cm)

JG(0.62400)0.37220(kgcm2)29.8

3、传动系统折算到电机轴上的转动惯量

L02G1nnJL()2Ji(i)2(kgcm2)ginkj12i1

JL0.37221Z12J(JJ)()12321.25Z2

392)49

m0.2375.19891(5.6131513.9776)( =17.846(kg.cm2)

式中：i----系统总的减速比(i>1) Ji----各转动体的转动惯量(kgcm2 )

ni----各转动体的转速(r/min) nk----电机的转速(r/min)

Jm----电机的转动惯量(kgcm)

2

4、电机的转动惯量的确定

查表3—10《机电一体化指导书》，因为选用电机工作方式的是三相六拍，步距角为b0.75,故符合的是：110BF003和110BF004。电机的转动惯量分别为：

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110BF003：Jm146.1105kgm24.61(kgcm2) 110BF004：Jm234.3105kgm23.43(kgcm2) 5、系统总的转动惯量

JJ2JJ17.8464.6122.456(kgcm)Lm11

2JLJm217.8463.4321.276(kgcm2)

二、步进电机的计算和选用 1、电机力矩的计算 速空载起动时所需力矩：

M起MamaxMfM0(Ncm)

最大切削负载时所需力矩：

M切MtMfM0(Ncm)

电机的力矩主要是用来产生加速度，而负载力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空载起动力矩作为选择步进电机的依据。

(1)空载起动时折算到电机轴上的加速力矩Mamax

Ma max = J12nmax10-260ta= 22.45623.141650010-2600.03391.92(N•cm)

式中：J----系统总的转动惯量

ta----运动部件从停止起动加速到最大进给速度所需的时

间（s）约为30毫秒

nmax----电机最大转速(r/min)

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nnmax=

θ0.752400bvmax==500( r/min)

360δ3600.01pvmax----运动部件最大快进速度1600(mm/min)

(2)摩擦力矩Mf

MffGL08000.1650.612.6(N•cm) 2i20.81.25上式中：G----运动部件的总重量(N)

f'----导轨摩擦系数0.165

i ----齿轮总减速比

η----传动链总效率，一般取η＝0.7～0.85，在此取0.8(3)附加摩擦力矩M0

M0Fp0L02i(10)21702.140.6(10.952)15.86(N•cm)

20.81.25上式中：Fp0----滚珠丝杠预加负载(N)，一般取最大工作载荷的1/3，

Fp0＝5106.42/3=1702.14 (N)

L0----滚珠丝杠基本导程0.6(cm)

0---- 滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取00.9，

今取0.95 。

（4）折算到电机轴上的切削负载力Mt

Mt = FtL02601.090.6 = = 209.166（Ncm）2i23.14160.951.25

上式中：Ft----进给方向最大切削力(N)，即前面计算进给工作

台工作载荷FL、FV、FC时所得到的数据FC， 所以Ft＝FC＝2601.09 (N)

综合以上，可得：

M起1=391.92+6.11115+11.7964=409.8276（N•cm） M起2=373.07+6.11115+11.7694=390.9776（N•cm） M切1=209.166+6.11115+11.7964=227.0739（N•cm） M切2=209.166+6.11115+11.7964=227.0739（N•cm）

2、步进电机的选择与校核

(1)根据最大静态转矩Mjmax初选电机型号

步进电机的起动：

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Mq1=max（M起1，M切1）=M起1=409.8276(Ncm) Mq2=max（M起2，M切2）=M起2=390.9776(Ncm)

对于三相六拍步进电机，

1Mq1409.8276==0.52270.5Mjmax784 Mq2390.9776==0.79790.866Mjmax490

2前面计算时已初选型号为110BF003的步进电机其相关参数为：

(2)计算电机工作频率

1)最大空载起动频率：MjmaxMq/

fk=1000vmax10002.4==4000（Hz/s）60p600.01

fk< fmax =7000(Hz/s) ，满足要求。

2)切削时最大工作频率

f=1000v10000.54==900（Hz/s）60p600.01

fe< fmax =1500(Hz/s) ，满足要求。

上式中： vmax----运动部件横向最大快速进给速度2.4(m/min)

vs----横向最大切削进给速度0.54(m/min)

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p----脉冲当量0.01(mm/step)

由上述计算可知：系统要求的空载起动转矩频率要大于电机的空载起动频率1500Hz,且空载起动频率满足要求的电机型号较少，可以采用调压起动等方式起动电机使电机的空载起动频率满足要求；而电机运行频率7000Hz可以满足系统要求。

(3)校核步进电机

（2）根据步进电机转矩和惯量的匹配条件校核

为了使步进电机具有良好的起动能力及较快的响应速度，通常推荐：ML=321.355 (N.cm) 且

MLM0.5 及 JL4jmaxJm

则：对于电机110BF003

MLM321.3557840.409890.5jmax

JLJ17.8464.613.8714m 满足要求；

对于电机110BF004

MLM321.3550.0.65580.5jmax490 JLJ17.8465.204m3.43

不满足要求，故选择110BF003的步进电机。

第三章 微机控制部分的设计

主要容：

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以MCS-51系列单片机为核心的控制系统。 一、硬件系统 （1）基本组成（最小系统） （2）系统扩展 1）程序存储器扩展 2）数据存储器扩展 3）输入输出端口扩展 4）综合功能扩展 （3）接口技术 1）键盘接口技术 2）显示器接口技术 （4）步进电机控制硬件电路

二、软件系统 （1）软件结构与基本组成 （2）插补原理及软件程序 （3）步进电机控制软件

第一节 微机控制系统概述

一、微机控制系统的设计思路

1.确定系统状态控制方案

1）从系统构成上考虑是否采用开环控制或闭环控制； 2）执行元件采用何种方式；

3）考虑系统是否有特殊控制要求对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统应采取的措施是什么？

4）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机承担哪些任务，为完成这些任务微机应具备哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。

5）初步估算其成本，通过整体方案考虑，最后画出系统组成的初步框图，

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附加说明，以此作为设计的基础和依据。 2.确定控制算法

1）建立系统的数学模型，确定其控制算法，按照规定的控制算法进行控制。2）控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。 3）在选择控制算法时，应考虑所选的算法是否能满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。

3.选择微型计算机

对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制角度出发，微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输入/输出通道和实时时钟等要求。

1）较完善的中断系统 2）足够的存储容量 3）完备的出入/输出通道和实时时钟。

二、微机控制系统基本硬件组成

任何一个微机控制系统都由硬件和软件两部分组成，硬件是软件的基础，而配置了软件的硬件才有控制功能，数控系统通过与硬件软件的密切配合实现各种功能。

控制系统硬件基本组成框图

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第二节 系统介绍

该微机控制系统由单片机、存储器、键盘和显示器等接口电路、步进电机驱动电路、AT标准下载接口电路、急停和限位报警等辅助控制电路组成。其电路原理图如下图3-1所示。

一、单片机的选择

由于本设计只是对传统机床的改造，各方面的要求不是很高，所以本设计采用以AT89S51-24PU单片机为核心的控制系统.目前，数控机床中应用最多的是AT89S51-24PU单片机，他价格低，功能强，使用灵活等特点。由于AT89S51-24PU部没有程序存储器，必须扩展程序存储器，用以存放控制程序。由于单片机部存储器容量较小，不能满足实际需要，所以还需要扩展和数据存储器RAM）。另外，虽然AT89S51-24PU本身有4个I/O接口电路，但尚不能满足改造的需要，因此，还需要扩展输入输出接口芯片，以满足使用要求。

图4-1 系统电路原理图

图4-2 存储器扩展电路

二、存储器的扩展

如图3-2所示，为存储器扩展电路，由锁存器、译码器、静态存储器和E2PROM等芯片连接而成。

1.地址锁存

由于MCS-51系列单片机的P0口试分时复用的地址/数据总线，因此，在进行程序存储器扩展时，必须用地址锁存器锁住低8位的地址信号。

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采用的地址锁存器为74HC573。

D0到D7为数据输入，Q0到Q7为输出，11管脚为锁存使能，1管脚OE为输出使能。10管脚GND接地，20管脚接高电平。

图4-3 锁存器74HC573芯片连接电路

2.程序存储器的扩展

MCS-51系列单片机的程序存储器空间和数据存储器空间的相互独立的。AT89S51-24PU芯片片ROM不够用时，需扩展外部程序存储器。用作程序存储器的器件有EPROM和E2PROM，在本设计中程序存储器选用一片E2PROM,其型号为AT28C256-15PI。

AT28C256-15PI主要参数：32K×8位，为双列直插式28脚封装。采用单一正5V电源，可以与MCS-51系列单片机直接接口。ROM的地址围为0000H—7FFFH。

A0—A14为地址线，CE为芯片使能，OE输出使能，WE写入使能，I/O0—I/O7为数据输入/输出，NC、DC为预留端口，不用连接。GND接地，Vcc接高电平。

图4-4 程序存储器AT89S51-24PU芯片连接电路

3.数据存储器的扩展

AT89S51-24PU单片机部有256字节的RAM存储器。CPU提供对部的RAM具有丰富的操作指令。单在用于实时数据采集和处理时，仅靠片提供的256字节的数据存储器是远远不够的，在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能，扩展外部数据存储器。外部数据存储器选用一片静态RAM，其型号为IDT7164S35P 。

数据存储器IDT7164S35P参数：容量为选用8K×8位，选用一片SRAM6，单

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一电源供电，双列直插式28管角封装，可以与MCS-51系列单片机直接接口。其地址围 0000H—1FFFH。

CS1、CS2A0—A12为地址线，I/O0—I/O7为数据输入/输出，OE输出使能，WE写入使能，

为片选端口，GND接地，Vcc接高电平。

图4-5 数据存储器IDT7164S35P芯片连接电路

4、74HC138译码器接口电路

查《机电一体化系统设计》可知下表：

表3-1 74HC138功能表

C B A 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 Y7，Y6，Y5，Y4，Y3，Y2，Y1，Y0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 在74HC138中引脚C、B、A分别接地、P1.4和P2.7， 确定Y0~Y7中的选择。从原理图可知：

1、 当BA为00时，即P2.7=0，P1.4=0时，选择Y0脚输出0，此时选通芯片IDT7164S35P，该芯片有13条地址线，基本地址围0000H～1FFFH。

2、 当BA为01时，即P2.7=0，P1.4=1时，Y1脚为0，而Y1脚接芯片

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AT28C256-15PI，.此时选通该芯片，其有15条地址线，基本地址围0000H～7FFFH。 3、 当BA为10，即P2.7=1，P1.4=0时，Y2脚为0，而Y2脚接8155的片选脚，此时选中8155芯片。

4、 当BA为11，即P2.7=1，P2.6=1时，Y3脚为0，而Y3脚接8255的片选脚，

因此此时选中8255芯片。

图4-6 译码器74HC138芯片连接电路

三、I/O口的扩展

在MCS-51应用系统中，单片机本身提供给用户使用的输出口线并不多，只有P1口和部分P3口线。应此，在大部分单片机应用系统设计中都不可避免的要在单片机外部扩展I/O端口。单片机可以像访问外部RAM存储器一样访问外部接口芯片，对其进行读/写操作。

由于接口较多，需采用一个8155芯片和一个8255芯片，才可以满足要求。 复合接口扩展芯片8155共有三个端口PA、PB、PC，即PA0—PA7、PB0—PB7、PC0—PC4共为21位输入输出。AD0 -AD7为数据总线，RD读入接口，WR写入接口，RESET为复位接口，Vss接地，Vcc接高电平，ALE芯片使能、IO/M、TMRIN、TMROUT、片选CE。

图4-7 8155芯片连接电路

专用接口扩展芯片8255有三个端口PA、PB、PC，均为8位，即PA0—PA7、PB0—PB7、PC0—PC7共24位输入输出口。A0-A1为地址线接口，D0-D7为数据线接口，RD读入接口，

WR写入接口，RESET为复位接口，CS为片选端口，GND接地，Vcc接高电平。

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图4-8 8255A芯片连接电路

通过8155复合接口芯片实现对键盘和数码管显示接口的扩展，通过8255专用接口芯片实现对手动操作等按键功能和步进电机的控制脉冲输出接口的扩展。

1、数码显示管位数确定

如下图3-9所示所设计数码显示电路原理图，根据设计任务书要求及数据计算，数控机床的脉冲当量0.01mm/step，需要两位数码管显示小数部分（右边两个），铣床行程小于1000mm，需要三位数码管显示整数部分（右起3~5个），需要一位显示x、y的方向（左起第3个），一位显示行程的正负（左起第2个）。还有一位（左起第1个）根据具体情况由用户设定（比如状态信息）。

图4-9 数码管显示电路

2、键盘电路设计及键数确定

如下图3-10所示，为所设计矩阵键盘电路原理图。根据数控铣床加工特点及各方面性能要求，拟定如下按键：

图4-10 键盘电路设计

返回键、垂直菜单键、回车/输入键、上档键、光标向上键、光标向下键、光标向左键、光标向右键、删除键、10个数字键、17字母键等共36个按键，其连接电路如图所示。

3、8255芯片接口扩展电路设计

如图3-11所示，为8255芯片接口扩展电路原理图，Manual Operation（手动操作）的各个功能信号由8255芯片的PC端口引脚输入，包括X轴点动、Y轴点动、快进、自动、单段、手动、单步、暂停。

图4-11 8255芯片接口扩展电路原理图

Status Setting（状态设置）由8255芯片的PB端口及PA端口PA4~PA7引脚

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输入，包括增量选择、主轴正转、主轴反转、主轴停、超程解除、手动换刀、循环、机床锁住、Z轴锁住，剩余三个接口预留给用户进行其它功能的定义。

8255芯片的PA0~PA3引脚用于输出步进电机对X、Y向运动的控制脉冲。

第三节 步进电机驱动控制电路

根据已知条件和上述计算结果，步进电机型号为110BF003，其参数如下表所示。齿轮1的齿数Z1=35，齿轮2的齿数Z2=44，模数m=2，丝杠基本导程

L0=6mm。工作台的最大切削速度为0.54m/min。

步 型号 相数 距 角 (C) 0电 压 (V) 电 流 (A) 保持 转矩 N.cm 空载起动频率(Hz) 运行频率 (Hz) 电 感 (mH) 阻 (R) 110BF003 3 0.75 80 6 7.84 1500 7000 35.5 0.37

一、确定步进电机运行频率 1、确定步进电机最大转速 丝杆的转速为：n=v540==90(r/min) 6L0步进电机的最大转速为：

nmaxnZ24990113.07rmin Z139fy2、确定其运行频率

步进电机采用三相六拍式的控制脉冲。

fy6nmaxb6113.07904.56Hz 0.75二、驱动回路的时间常数

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每相工作三拍改变依次通电状态，但为了每一拍都能正常工作，每拍脉冲宽度的23时间电流上升至额定电流的60%，即I0.6In0.663.6A，则负载回路的时间常数为：

iLRm0.03550.3795.9ms

因此，i1fy1.106ms

式中：L----步进电机一相绕阻的平均电感量 Rm----通电回路的电阻

三、选用线路简单的串联电阻法

若选用线路简单的串联电阻法改善静电流上升沿，其时间常数为：

i,LRmR0则：R0Li,Rmi,，

其中：i,1.106ms

所以R00.03551.1061030.371.10610331.73 需要串联如此大的电阻，在该电阻上损失的功率为： I2R06231.731142.17w

显然很不合理，所以采用双电源法。 四、高电源电压的确定

电机每相工作三拍改变一次通电状态，设要求在控制脉冲%23宽度时间相电流达到额定电流的60%，即I0.6In3.6A,这个时间也就是高 压电源工作时间，即单稳翻转时间，其值为：

tb23fy23904.560.737ms

图4-12 高低电压驱动电路

高电压电源电压：

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=3.6×0 .37/（1-e0.73795.9）=173.99（V）

五、元器件型号的确定

1、确定T1、T2

为了使电路简单、紧凑，功率放大T1和T2选用复合管三极管2SC5948。

VCBO(V) 200 VCEO(V) 200 VBEO(V) 5 ICBO(uA ) UCES（V） 5 5 UBE(V) 1 HEG 70 ICN12 (A) PCN(W) 200 UBES（V） 5 2、确定R5和R6

从T1和T2性能数据知，基极电流为：IB1IL/HFG6/7085.71mA 式中：HFG-----电路放大倍数，载电流IL6A 因此，等效输入电阻为：

Rr1UBE/IB1/85.7111.67

取晶体管FJE3303的放大倍数为10，于是：

IC1=I6+IB1，IC1=10I1

I6R6=UBE=1（V）

I5IC1I1,I5R5EnUBE79(V)

选用光电耦合器TLP521-4，选择耦合器输入电流，

Ii=16 mA (最大的电流为50mA),电流传输比CTR=100%；

I1=IiCTR=16100%=16mA

解上述方程组得：R613.48

R5448.86

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查电阻标准值表对理论阻值进行圆整，取R6=15，R5=470 3、确定R1和R2

前面已选定耦合器输入电流Ii=16mA，可得到光耦合器输入正向压降为1.3V，所以R1=R2=（51.3）/Ii=231，查电阻标准值表对理论阻值进行圆整，取R1=R2=220

4、确定R3,R4

（1）若使电流上升沿陡，希望T2工作于饱和状态（实际还没有达到饱和电流，单稳已翻转成低电平）。首先确定基极电流Ic2。

负载的平均阻抗：

ZEn/IN=80/6=13.3

（2）T2的饱和电流：

Ics(2)=（EH-2UCES-Un）/Z

=（173.99-25-80）/13.3

6.32A

T2基极电流应为：

IB2=Ics(2)/hFg=6.32/70=90.3mA

光耦合器输入电流为16mA，所以：I2IiCTR,取CTR100% 光耦合器输出电流：

I2=16mA，且IC2=I3+IB1，IC2=10I2

因此： I3=Ic2-IB2=160-90.3 =69.7mA （3）求U0（0点电位）

在期间0ttb，U0是变化的，变化围近似为EH—2至EH—En，计算时

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取平均值：

U0=[（EH—2）+（EH—En）]/2

=[（173.99-2）+（173.99-80）]/2 =133V

T2的等效输入电阻为：

RT2=UBES/IB2 =5/（90.3）K=55.4

R3、R4分别为： R3UBES5=K=71.7 I369.7I4IC2I2176mA

R4=（UH-UCES-U0）/I4=（173.99-5-133）/176103

=204.5

查电阻标准值表对理论阻值进行圆整，取

R4=74，R3=200

选择D1，D2选用2CZ13A硅整流二极管。

5、单稳态多谐振荡器74HC123翻转时间的确定

当单稳74HC123的“清除端”加高电平A端加低电平时，B端正跃变可使单稳的Q端从低电平变成高电平，经过一段时间自动翻转成低电平，恢复到稳定状态，Q端输入一个脉冲，脉冲宽度由外电阻RT和CX决定，如图所示，即：

tb=RTCXLn2，取RT=1K。

则：CX=tb/（Ln2RT）

=0.166103/（Ln2 1103）= 0.239F

图4-13 单稳态多谐振荡器74HC123芯片连接电路

第四节 其他辅助电路的设计

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一、急停、超程报警电路

为防止X，Y工作台越出边界，可设置限位开关，分别为+X，-X，+Y和-Y向4个限位开关，一旦越界，立即停止工作台移动。可利用AT89S51-24PU的外部中断引脚INT0，只要有一个开关闭合，即工作台越界，立即停止工作台移动。考虑实际加工的需要，增加急停按钮。将超程限位和急停通过软件设置为最高级别的中断。

当工作台行驶超出行程时，行程开关被触发，由74HC08产生中断信号，并通过INT0申请中断。此时中央处理器通过扫描P3.0、P3.1、P3.3、P3.4引脚的电平查出中断源（+X、-X、+Y、-Y或急停），进而执行中断服务。同时经P1.1、P1.2、P1.3输出相应电平点亮LED等和蜂鸣器报警，提醒工作人员处理故障。急停和超程保护电路如图4-14所示。

图4-14 急停和超程保护电路原理图

二、ISP在线编程接口

中央处理器AT89S51-24PU外接一块在线编程接口芯片ISP，主要用于在线编程输入。标准SPI接口是以主从方式工作的,这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件,其接口包括以下四种信号：MOSI – 主器件数据输出,从器件数据输入、MISO – 主器件数据输入,从器件数据输出、SCLK – 时钟信号,由主器件产生、ss– 从器件使能信号,由主器件控制。ISP在线编程接口的其他引脚有：VCC、GND和RST。如图3-15所示，为 ISP下载接口电路电路原理图。

图4-15 AT标准下载接口电路

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三、复位电路

如图3-16所示，单片机AT89S51-24PU的复位的复位都是靠外部电路实现。在时钟电路工作后，主要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平时，单片机便实现状态复位。复位后PC值为0000H，程序的入口地址为0000H。单片机通常采用上电复位和按钮复位两种。

图3-16单片机AT89S51-24PU的复位电路

复位电路中的R、C的参数与CPU所采用的时钟频率有关，要保证RESET引脚上出现10ms以上的高电平，最好由实验调整。

四、时钟电路

单片机虽有部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路产生时钟的方法有两种：部时钟方式和外部时钟方式。一般情况当外接晶体电容C1、C2值通常选择为30pF左右；外接瓷谐振器时C1和C2的典型值约为47pF。为了一个温度的稳定性，应采用NPO电容。

外部时钟方式：利用外部振荡信号源直接接入XTAL1或XTAL2。如信号接XTAL2，部的反相放大器的输入端XTAL1应接地。

图3-17 单片机AT89S51-24PU的时钟电路

第四章 微机控制系统软件设计

一、模块组成

本程序主要由如下模块组成：

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主模块，用于系统初始化和监控。 子程序模块。

越界报警、急停处理模块。 实时修改显示缓冲区数据模块。 键盘、显示定时扫描管理模块。

其中除主模块和子程序模块外，其余均为中断执行方式模块。

二、缓冲区设置

应设置两个缓冲区：键盘缓冲区和显示缓冲区。

1、键盘缓冲区

主要用于存放由键盘输入的命令，长度为4字节，地址为AT89S51-24PU部RAM区20H~23H，第一字可用于缓冲区空、满等标志，定义如下：（20H）=00H，缓冲区为空，（20H）=01H，缓冲区未处理完的命令个数，显然（20H）=30H时即为满。其余3个字节存放具体的命令码。为防止误操作，可以进一步规定：命令码若为00H，为无效命令。从本系统的施加情况及后面的软件框图可以看出，键盘缓冲区很少出现两个或两个以上未处理的命令码，一般情况只要一个命令码，马上会得到处理。

2、显示缓冲区

主要用于存放欲显示的具体数据，每一字节对应一显示位，共5个字节，地址为AT89S51-24PU部RAM 25H~29H，分别对应百位、十位、个位（包括小数点）、10E-1位和10E-2位。

除以上缓冲区外，根据需要，可以设立一些标志位，视具体情况而定。

三、中断优先级

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所处理时间为紧急的则其中断级别为最高，根据本题实际情况，中断模块的优先级如下：

模块名 级别 越界报警、急停处理模块 0 高

实时修改显示缓冲区数据模块 1

键盘、显示定时扫描管理模块 2 低

四、各模块说明及流程图

1、主模块

主模块功能为：初始化、监控。其中初始化包括8155初始化、缓冲区清零、定时/计数常数的设置、开中断等处理；监控主要判断是否有命令按下，并根据命令调用相应的子程序模块。主模块流程图如下；

开始①AT89S51串行口工作方式设定（方式0)②8155 初始化③8255 初始化④键盘、显示缓冲器清零显示提示符“P”键盘扫描有命令发出否？NY根据各键盘功能、定义转向相应功能块0功能1功能……N功能根据键盘功能键的

设定，相应的子程序模块包括“←”、“→”、“↑”、“↓”各个命令及“暂停”命令处理模块。这里

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设定一标志，其作用是反映XY工作台的当前运动方向。标志位为部RAM区的2BH ，其定义如下：

2BH单元值 当前运动方向 （2B）=01H → +X （2B）=02H ← -X （2B）=03H ↑ +Z （2B）=04H ↓ -Z （2B）=00H 初始时为00H

2、暂停键“STOP”子模块

暂停键功能是暂时使XY工作台停止移动，因此只需停止步进脉冲信号即可。

3、中断模块

（1）报警、急停处理中断模块

本模块的主要功能是当XY工作台移动越出边界时进行应急处理，停止一切正常工作，由复位重新使系统处于正常工作状态。报警用红灯亮指示。 （2）键盘、显示定时扫描管理模块

根据键盘的接口电路，可以用编程扫描方式和定时扫描方式。这里选择后一种，用定时中断模块同时完成键盘和显示的扫描。对于键盘扫描，应该解决去抖动问题，一般调用延时10ms左右来实现，而对于显示扫描，为保证多位同时显示而无闪烁，应使扫描频率高于50Hz。设定定时时间为3ms，即哪隔3ms中断 次，

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修改一次显示位，每位显示的点亮时间是3ms，扫描一遍共需5×3=15ms，扫描频率约64Hz，高于50Hz。

键盘采用每隔3×3=9ms扫描一次，其目的是消除键盘抖

动。设置一标志位，其地址为存RAM30H单元，用于计数中断次数，当其等于3时，正好隔9ms，马上查询键盘。另外还应设一标志位，用以标志连续两次查询到按键值是否一样，其地址为31H，定义如下：（31H）=1，表明上次查询有键按下（31H）=0，则为无键按下。只要当上次有键按下，且隔9ms后再次查询有同一键按下时，才能确认有键按下，否则均视为误动作，不予理睬。

4、实时修改显示缓冲区数据模块

本模块采用中断方式，其作用是通过对8155定时/计数的输出信号，也即对步进脉冲进行计数，来修改显示缓冲区中工作台当前工作位置。根据步进电机的实际脉冲当量，一个步进脉冲，相当于工作台位移增量为0.01mm，可以设定中断计数常数为10，每中断一次，工作台运动0.1mm，这里用部RAM单元为中断次数计数器。

设计总结

这个部分自己写

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