小型数控钻床旋转平移工作台控制系统设计.doc

学号 毕业设计（论文）题目：小型数控钻床旋转平移工作台控制系统设计 作者：何强 届别：2023 届 院别：机械工程学院 专业：机械电子工程 指导教师：余晓峰 职称：副专家 完毕时间：2023/4/25 摘要摘要 在机械加工行业中，旋转平移钻床工作台使用量很大，为了提高加工效率，保证加工精度，必须对钻床工作台进行数控化改善。本文对传统钻床工作台存在的不能很好的在圆周方向上钻孔问题，设计了一款立式钻床旋转工作台。本文拟定数控钻床工作台整体结构设计方案，对机械部分对圆周方向上旋转，x、y 方向上平移做了重点设计。对控制系统部分，本文阐述了用单片机控制交流伺服电机以实现钻床工作台旋转、平移过程。阐述了整个系统的控制原理。本课题所设计的工作台，其加工过程是将所需加工孔的数据通过输入设备输入到控制系统，然后系统根据工件上所需加工孔的坐标，是工作台运动到孔的位置，实现对工件的全自动钻孔，并且系统在加工过程中实时显示加工数据。关键词关键词：传动系统；控制系统；步进电动机 Abstract In the mechanical processing industries,rotary drilling machine working table used in large quantities,in order to improve the processing efficiency,ensuring the processing precision,to table of the drilling machine NC improvement.Based on traditional drilling machine working table problem,design a vertical drilling machine rotary table.Based on the domestic and intermational current situation and development trend undertook an anakysis,in determining the overall scheme,elaborated with SCM control ACservo motor to achieve drilling machine worktable rotation,translation process.The first running process of the CNC drilling designed by the subject,is to input the processing data about the hole into the control system by the entering equipment,then find the location of location of the hole by moving the table according to coordinate of the hole,and the procedding data of the system displayed in real-time.Key words:drive system；control system；stepping motor 目 录 1 1 绪论绪论.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.1 现状.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.2 发展前景.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1 工作原理及总体框图.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2 流程图.错误错误!未定义书签。未定义书签。3 3 旋转工作台传动系统设计旋转工作台传动系统设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1 旋转部分设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1.1 工作台箱体设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1.2 传动比及参数拟定.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1.3 步进电机的选择.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1.4 轴的设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1.5 轴承的选择.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1.6 联轴器的选择.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2 工作台 X-Y 机械部分设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.1 拟定工作台的尺寸极其重量.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.2 滚珠丝杠参数计算与选型.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.3 滚动导程参数计算与选型.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.4 步进电机参数计算与选型.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.5 支撑座参数设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.6 联轴器的选择.错误错误!未定义书签。未定义书签。4 工作台控制系统设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1 控制系统元器件的选择.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1.1 单片机的选择.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1.2 最小系统设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1.3I/O 接口芯片选择.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1.4 译码器的选择.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1.5 地址分派.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.2 控制系统电路的设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.2.1 主控电路设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.2.2 I/O 接口电路设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3 辅助电力路的设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3.1 键盘显示接口电路.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3.2 步进电机控制电路.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3.3 脉冲分派.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3.4 驱动电路.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3.5 光隔离电路.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3.6 功率放大器和时钟电路.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3.7 复位电路.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3.8 越界报警电路.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3.9 掉电保护电路.错误错误!未定义书签。未定义书签。5 致谢-错错误误!未定义书签。未定义书签。6 参考文献-错错误误!未定义书签。未定义书签。7附录-36 1 1 绪论绪论 1.1 1.1 现状现状 中国分度回转工作台产业领域的发展存在很多问题，如在产业结构规划布局上不合理，劳动力密集型产品在生产上占据了重要部分；技术类密集型产品在生产上只占据了很少的一部分，并且与西方发达工业国家相比有很大的差距；生产要素至关重要的影响正在逐步削弱。从中国数控分度回转工作台产业发展报告可以大体了解世界数控分度回转工作台产业的发展历程，该报告有力的说明了中国的数控分度回转工作台产业发展现状也指出了和西方发达工业国家在此方面的差距，并且提出了“新型数控分度回转工作台产业”概念，这是之前没有出现过得，此份研究报告从“以人为本”、环境和谐、科技创新和面向未来四个方面阐述了“新型数控分度回转工作台产业”内涵，对中国的行政和四大都市圈的数控分度回转工作台产业发展进行了全卖弄的研究。1.1.2 2 发展前景发展前景 近几十年以来，各个跨国公司推动的产品全球化发展使得国际分工和国际贸易格局发生额改变，加工贸易成为全球化产业发展的规定。有跨国公司推动的加工贸易的全球化发展，因此可认为发展中国家快速进入全球高新技术产业链条提供条件，从而也许让发展中国家实现产业升级上提供便捷途径。其中分度旋转工作台的运用得到了广泛推广，各种新型工作台不断被引进，同时我国也自主研制和开发了一批使用、高效行得分度宣战工作台、本次设计的意义是设计出一套结构简朴、实用性强、精度系数比较高的自动分度旋转工作台，并能满足生产加工的需求。分度旋转工作台作为数控机床中的几个非常大的部分，研究其设计、制造过程是非常有实际要的工程应用价值。数控工作台的应用非常多，而数控工作台像自动分度旋转 工作台的研究必然有着其实际的意义。2 工作台方案的设计 2.1 工作原理及总体框图 工作台工作原理采用单片机控制步进电机带动工作台的旋转和平移，通过键盘和显示屏幕发送指令给单片机，控制脉冲分派器向步进电机发送脉冲，步进电机带动蜗轮蜗杆传动，从而实现工作台的旋转运动。工作台总体框图见图 2.1 图 2.1 工作台总体框图 1-步进电机 2-燕尾导轨槽 3-固定端轴承座 4-蜗杆 5-旋转工作台 6-丝杠 1 2 3 4 5 6 2.2 流程图 通过键盘输入信息到控制系统，单片机控制器向伺服驱动器发动器发出控制信号，通过驱动器驱动电机按规定工作以完毕动作。图 2.2 工作台流程图 I/O接单片机 驱动器 电动机 电动机 电动机 X 向平移 Y 向平移 旋转运动 键盘 显示器 3 旋转工作台传动系统设计 3.1 旋转部分设计 3.1.1 工作台箱体设计 自动分度旋转工作台箱体起着支撑并包容各种传动零件，如齿轮、轴、蜗杆、涡轮、轴承等零件，使它们可以正常运动情况下可以达成相关的运动精度。箱体还可以通过润滑剂来实现各种零件的润滑、安全保护和密封作用，既可以很好的让操作员的人生安全得到保障，又可以使箱体内的零件尽也许的少受外界环境的影响，并有一定隔振、隔热作用。分度旋转工作台是机械加工中常用的机床附件，因此尺寸不易过大，必须能配合机床的使用。自动分度旋转工作台尺寸：长*宽*高 550*500*160 工作台右端盖部分尺寸：长*宽*高 240*50*160 蜗杆箱体及钻台如下图所示：图 2.2 旋转工作台箱体图 步进电机 涡轮 蜗杆 工作台 图 2.2 旋转工作台 3.1.2 传动比及参数拟定（1）传动比设定 系统要实现的参数：工作台旋转速度最大为 20 度/秒，工作台分度精度 0.25.总传动比 i 为各级传动比 i1,i2乘积，即 i=i1*i2 （3.1）在设计中分派总传动比是重要问题，传动比若分派得不合理，将不能有效的实现减少成本和结构紧凑的目的；也不能使传动零件获得较低的圆周速度从而影响到动载荷或对传动精度等级导致影响；但是假如要达成所有规定相对比较困难，因此应按设计规定考虑传动比分派方案，以满足规定。为了保证工作台分度精度，传动比需要很大，同时为了保证结构尺寸，蜗杆传动比设定在 120，齿轮传动比可以设定为 3，那么传动系统的总传动比为 120*30=360.（2）最大旋转速度 工作台的最大旋转速度为 20 度/秒；即 涡轮工作台=20rad/s （3.2）n涡轮=涡轮/360。=20/360=1/18r/s （3.3）根据系统总传动比为 360，可得 n电机=n涡轮*360=(1/18)*360=20r/s （3.4）（3）分度精度 工作台的分度精度是通过步进电机的转速和系统地总传动比来拟定，工作台分度精度为 0.25 度，即涡轮最小的转动单位为 0.25 度，系统的总传动比为 360，即可得步进电机的最小分度精度为 90 度，即步进电机的每次旋转的度数为 90 度的倍数。3.1.3 步进电机的选择 步进电动机的选择涉及结构、步距角、型号、功率和转速的选取，并要准确的查出所需要的尺寸和型号。步进电动机由步进电动机本体，步进电动机控制器及 0 步进电动机驱动器组成。选择步进电动机时候，要想让工作台所需的脉冲当量得到保障，步进电动机的输出功率大于负载所需要的功率这一点是前提条件，这一点必须得到保证。要计算机械系统的负载转矩可以保证电机的矩频特性能满足机械负载并有可以有余量。在一般正常工作中，在矩频特性曲线范围内是各种频率下的负载必须遵循的，这样就保证步矩角和机械系统匹配。（1）步进电机启动力矩计算 步进电机选用三相步进电动机，初选不进电动机步矩角 b=3 度。设步进电机等效负载力矩为 T,负载力为 P，根据能量守恒原理，电机做的功与负载力做的功关系如下：T =PS （3.5）式中 电机转角；S 转动部件的相应位移；机械传动效率。若取=b,则 S=b，且 P=Pz+(G+W2),所以 T=Pz+(G+W)bb （3.6）式中 G转动部件负载，N;W转动部件重量，N;PZ与中立方向一致的作用在转动部件上的负载力，N;摩擦系数；b步进电机步矩角，rad;T电机轴负载力矩，Ncm.取=0.03，=0.96，PZ=500N。W=R23010-37.810-2=325N （3.7）G=R27010-37.810-2=1075N （3.8）可求得 T=(500+42)10.993=4963.81N.cm5N.m （3.9）不考虑启动时运动部件的惯性影响，启动力矩为 Tm=T/(0.3 0.5)=10N.m(取安全系数 0.5)（3.10）步进电机为三相六拍的电机 Tmax=Tm0.866 11.6N.m （3.11）（2）步进电机最大转速 根据工作台的最大转速 n工作台=118 r/s 与系统总传动比 i=360,可得 n电机=20r/s=1200r/min （3.12）所以，不进电机的现在最大转速 nmax 电机n电机=1200r/min （3.13）（3）步进电机最大频率 根据不进电机的步矩角b=3与步进电机最大转速 n电机=20r/s,可得 f电机=20120=2400step/s （3.14）所以步进电机选择最高的频率 fmax 电机f电机=2400step/s （3.15）（4）步进电机型号 由于步进电机步矩角b=3，步进电机最高转速 nmax 电机1200r/min，步进电机最高频率 fmax 电机2400step/s，步进电机最大转矩 Tmax=11.6N.m,选择的步进电机型号参数如下表 3-1 所示。表 1 步进电机参数 型号 重要技术参数 外形尺寸/mm 重 量/(KN)步 矩角/()保 持转矩 相数 电 压/V 电 流/A 外径 长度 轴径 130BC3100 3 12 3 27 3 100 168 22 10 3.1.4 轴的设计 在机械设计中，轴是一种非常重要的机械零件，传递运动、扭矩或弯矩重要依赖于轴和支撑转动零件一起通过回转来实现。轴各段有直径不同，依据轴线形状的不同，轴可以分为曲轴和直轴两类。轴的强度和刚度决定其工作能力，在快速运转时取决于其振动稳定性。载荷的大小、方向、性质及其分布状态，轴上零件的数量及安装位置、定位方法等都是轴结构形状的影响因素（1）蜗杆轴的设计 轴的结构设计要拟定轴的外形和结构尺寸。设计时要满足节约材料、易于定位减少应力集中、和便于加工等条件。本次设计的轴用于传递扭矩，通过齿轮副到蜗轮蜗杆，不需要承受外距，所以用到的为传动轴。从经济实用方面考虑，碳素钢使用广泛，并且相应力集中的敏感性较小，45 碳素钢是广泛被应用并且比较经济的类型；故轴设计选用的材料为通过正火解决的45 钢。图 3.1 轴的受力图 （2）蜗杆轴的计算 蜗杆上的承受力：轴向力 Fa1=Ft2=2T2/d2=25360103/420=8572.4N（3.16）径向力 Fr1=Ft2tant=3120.1N （3.17）圆周力 Ft1=Ft2tan=714.3N （3.18）大齿轮上轴受力：圆周力 Ft2=2T2/d2=333.3N （3.19）径向力 Fr2=Ft2tant=121.3N （3.20）根据结构上的考虑及轴上零件的布置给出支撑间跨距 l=181mm,蜗杆中央在面至左支承的距离 l1=110mm,大齿轮中央截面距离右支撑的距离 l2=90mm,如上图 3.1 由图可知，Fa1产生的力矩为：Mx1=Fa.d1/2=150017N.mm （3.21）30 35 40 32 Fr1 Fr2 根据给定条件作轴在 xoy 平面的受力图，分别对支撑点 1 及 2 取矩可求得 xoy 平面的支反力 FR1=Fr1=(l-l1-l2)+Fr2l2+Mx1/l=1576.4N （3.22）FR2=Fr1l1+Fr2l+Mx1/l=1765.3N （3.23）MR1=FR1=173404N.mm （3.24）MMR2=FR2l2=158877N.mm （3.25）MX=Mr1-MX1=23387N.mm （3.26）可以求得 d26 所以蜗杆轴最小直径 d1=30mmd=25mm 蜗杆图如下：图 3.2 蜗杆 3.1.5 轴承的选择 依靠重要元件的滚动接触支撑转动零件滚动轴承在机械设计中是一种重要的应用部件之一。滚动轴承与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。在此选型后要考虑验算轴承的承载能力以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。（1）轴承的类型 本次设计中要采用的是滚动轴承。滚动轴承是标准件，应用广泛，安装、维修方便，并且价格相对来说比较便宜。外圈、内圈、滚动体和保持架是滚动轴承重要组成部分，内圈分别与轴颈及轴承座孔装配在一起。本次设计中齿轮传动采用的是直齿圆柱齿轮传动，无轴向力存在，所以轴承选用重要考虑的是蜗杆传动。考虑到电动刀架工作时转速很高，并且是不间断工作，稳定也高。故采用油润滑，转速越高，应采用粘度越低的润滑油；载荷越大，应选用粘度越高的。3.1.6 联轴器的选择 我们将用来联接不同机构中的两根轴使之共同旋转以传递扭矩的机械零件称之为联轴器。在高速重载的动力传动中规定联轴器有缓冲、减震和提高轴系动态性能的作用。选择联轴器时，应根据工作规定选定合适的类型，根据轴的直径计算转速和扭矩，再从有关手册中查出使用的型号，最后对某些关键零件做必要的验算。（1）联轴器的类型 联轴器总类繁多，一般有固定式联轴器和可移式联轴器，这是根据在小齿轮所在的轴与练级的联接按照被链接的两周的相对位置和位置的变动情况来划分的，考虑到两轴能严格对中并在工作中不发生相对位移，联轴器可选用刚性联轴器中的有凸缘联轴器。（2）联轴器的尺寸 联轴器的类型为有对中环凸缘联轴器 GYH。根据电机转速 n电机=1200r/min,电机的最大转矩 Tmax=11.6N.m，而小齿轮所在的轴 d=22mm,电机轴径 d电机=22mm,根据凸缘联轴器参数表选得对中环凸缘联轴器型号为 GYH2 5238/2222。3.2 工作台 X-Y 机械部分设计 机械部分设计内容涉及：拟定系统脉冲当量，选择步进电机，运动部件惯性的计算，传动及导向元件的设计、计算与选择等。3.2.1 拟定工作台的尺寸极其重量 图 3.3X 向托板 图 3.4Y 向托板 根据设计规定初选旋转工作台尺寸为 550500160,。考虑到加工时工作台受到冲击和振动，所以选工作台材料是密度为 7.2103kg/m3 的灰铸铁 HT150，(取 g=10N/kg)。旋转工作台的质量：m1=0.550.50.167.2103=316kg （3.27）X 向拖板与 Y 向拖板所谓材料为 HT150，尺寸为：长宽高=500mm500mm80mm,（3.28）上、下拖板总质量为：m2=20.50.50.087.2103=288kg （3.29）初步取导轨座尺寸为：长宽高=800mm500mm120mm （3.30）则其质量为：m3=0.80.50.127.2103=345kg （3.31）旋转工作台右端盖质量：m4=0.240.050.167.2103=13.8kg （3.32）工作台总质量为：m=m1+m2+m3+m4=963kg （3.33）考虑到夹具、电动机等其他因素，取 m总=1000kg。附图如下：3.2.2 滚珠丝杠参数计算与选型 图 3.5 丝杠 初选丝杠材质：CrMnTi 钢，HRC5662，导程：p=5mm(1)求出螺旋传动的计算载荷 Fc FC=FEKHKLFm 其中，KE为载荷系数，取 1.5；KH为硬度系数，取 1.0；KL为精度系数，取 1.0；Fm为丝杠工作时的轴向压力，Fm=m总g=40N。FC=1.51.01.040=60N；（3.34）（2）拟定动载荷及寿命计算 初步拟定滚珠丝杠的规格型号，选择的滚珠丝杠杆副的额定动载荷 Ca必须大于其计算值：CaCa=FcnmLh30167.160 （3.35）其中：Ca额定动载荷（N）；nm螺杆的平均转速，取 100r/min Lh运转寿命（h）;F螺旋传动的计算载荷（N）。假设滚动丝杠能工作 6 年，每年 365 天，天天工作 8 小时，则 Lh=63658=17520h （3.36）代入数据得：Ca=1123N 查滚珠丝杠型号表可知：选 SFU2023-4，其公称直径为 25mm,导程为 5mm，动载荷分别问 1130N 和 2380N。3.2.3 滚动导程参数计算与选型（1）计算导轨的工作寿命 Th,规定寿命不低于 5 年；设一天工作 8 小时，一年 365 天，工作 6 年，则 Th=63658=17520h （3.37）（2）计算导轨行程长度寿命 Ts=2ThLsn/1000 其中，Ls=单程行程（取 0.5m），n 为每分钟往复次数（取 6 次/分钟）Ts=2175200.5660/1000=6307km （3.38）（3）计算导轨的额定动载荷 Cn（N）因钻床的切削力 F钻大约是工作台重的 1-1.2 倍，所以 F钻=1.2m1g=1.231610=3792N （3.39）设每根导轨上游 2 块滑块，每个滑座承受的工作载荷为 F，则 F=4gm钻总F=3356N （3.40）可由此求得：TS=6.253aFCCa=33560N33.6KN （3.41）(4)根据额定动载荷 Ca拟定滚动导轨的型号及结构尺寸 根据 CaCa原则，查型号表可选导轨型号为 LG20KL.3.2.4 步进电机参数计算与选型 由机床精度规定拟定脉冲当量及步矩角：=360/p。脉冲当量是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的定位精度，由于定位精度为0.02mm，因此选择脉冲当量为 0.01mm，则步矩角为：=360/p=0.72 （3.42）（1）电机轴上的总当量负载转动惯量的计算 J总J1+J2+J转 （3.43）丝杠的转动惯量 J1=32d4l（kgm2）（3.44）其中，为丝杠密度取 7.8103m3,，d 为丝杠的等效直径（m），l 为丝杠长度（m）。d=16103mm l=0.6m （3.45）可得：J1=32d4l=0.3010-4（kgm2）（3.46）工作台、工件、夹具、支撑坐等折算到电机轴上的转动惯量：J2=(2P)2m总10-6=2.2210-4（kgm2）（3.47）其中，m总为总质量（kg），p 为丝杠导程（mm）电机转子的转动惯量小得场合，可忽略不计。所以，J总=J1+J2=2.5210-4（kgm2）（3.48）（2）电机轴转矩的计算 空载启动时，电机轴上的惯性转矩：Tj=J总P 2t maxV （3.49）其中，t 为电机加速时间（s）,p 为丝杠导程（m）,Vmax 为工作台快进速度（m/s），为传动比 t=0.1s，p=0.05m ，Vmax=3.6m/s =1 则，Tj=J总P 2t maxV=0.19(Nm)（3.50）电机轴上的当量摩擦转矩（工作台及工件重量引起）T=2pFm （3.51）为伺服传动链的总效率，可取 0.8，则 T=0.014（Nm）（3.52）因丝杠副预紧力引起的电机轴上的附加摩擦转矩 设预紧力为最大轴向载荷的 1/3，则 T0=2p3mF（1-02）（3.53）0为滚珠丝杠螺母副未预紧时的传动效率（取 0.9），则 T0=8.8210-4（Nm）（3.54）空载启动时电机轴上的最大静转矩：Tq=Tj+T+T0=0.19+0.014+8.82410-4=0.20（Nm）所选取的步进电机的最大静转矩 Ts需满足 Ts0.23 （3.55）步进电机选型时，必须同时满足转动惯量及静转矩的规定，即应进行惯量匹配验算：41mJJ总1（Jm为锁选电机的转动惯量）（3.56）41452.21 （3.57）最大静转矩：Tq=0.233.0Nm （3.58）步进电机的最大运营频率 ff=60maxV （3.59）f=6000HZ=6KHZ20KHZ （3.60）所以，所选的型号为 90BYG5520 的步进电机合适。3.2.5 支撑座参数设计 设计滚珠丝杠的支撑的安装采用固定-支撑式的一端装深沟球轴承。根据滚珠丝杠的公称直径为 16mm，因此我选择固定端的轴承内径为 12mm,支持端的轴承内径为 12mm。考虑到防尘问题，所以选用两面带防尘盖型的轴承。因此，固定端支撑座与轴承装配的尺寸为32mm，支撑端支撑座与轴承的搭配尺寸为32mm。固定端轴承座外形如下图 4.1：图 3.6 固定端轴承 3.2.6 联轴器的选择 由于梅花联轴器具有高扭转刚性和卓越灵敏度，可吸取偏角、偏心、轴向偏差和振动，所以伺服电机与丝杠之间的联接选用梅花联轴器联接。图 3.7 梅花联轴器 根据步进电机的主轴直径为14mm,滚珠丝杠前端直径为10mm，联轴器可选的型号为：G6-60T,其外径为 30mm，两端孔径分别为 14mm，10mm。4 工作台控制系统设计工作台控制系统设计 4.1 控制系统元器件的选择控制系统元器件的选择 4.1.1 单片机的选择 图 4.1 AT89S52 单片机 本设计选用 AT89S51 单片机。51 单片机的哈弗结构。数据存储器跟程序存储器分开，大大减少了成本，特有的带有位解决功能的八位微解决器。内部有 8KB ROM 存储器，内部 ROM 足够不用外扩程序存储器，并且 RAM 有 256B（特殊功能寄存器除外）可用不用外扩数据存储器，4 组带所存的端口共 32 个 I/O 口，三个定期器中断，可用于定期显示刷新等。两个外部中断可用于限位开关报警，尚有串行口中断，拥有丰富的指令系统，并且价格便宜，十分经济。4.1.2 最小系统设计 图 3.2 最小系统 单片机最小系统是单片机正常工作的基础，单片机的最小系统涉及晶振电路跟复位电路，晶振电路是整个系统的心脏，晶振产生的时钟频率供单片机正常工作，晶振电路外接一个 12MHz 的晶振，复位电路则是对单片机进行复位，在不改变内存值的情况下进行程序指针的复位，复位电路采用两上电复位跟手动复位。上电复位：当给单片上电时自动复位，完毕单片机初始化工作，是单片机正常运营的必备准备工作，手都复位：可以在任何时候按下对单片机复位，单片机内存值不会改变。4.1.3I/O 接口芯片选择 本次设计所需功能考虑，选用是 intle8279 可编程 I/O 接口芯片。8279 可用作单片机的可编程通用键盘和显示器接口，可认为 64 键额接触式按键阵列提供扫描接口，也可以用刀诸如霍尔效应或铁氧体变形体的传感器阵列或一个选通的接口键盘。键的按键可以使而键闭锁也可以是 N 键巡回，可以自动取消按键抖动，按键输入编码被选通送入8 字符的 FIFO 先进先出缓冲器中。若送入的字符多余 8 个，将越限制标志置“1”，按键输入时间 CPU 发出中断信号。显示部分能为发光二极管，白炽灯，七段显示器，液晶显示器等提供扫描显示接口。Intle8279 芯片引脚如下图 图 4.3 Intel8279 芯片引脚 4.1.4 译码器的选择 组合逻辑电路的一个总要的器件译码器可以分为：变量译码和显示译码。本次控制电路用到的译码器有两处，一处为 AT89C55 单片机与外扩 RAM6264 之间的译码器，尚有一处为 Intel8279I/O 控制芯片和键盘显示器之间的译码器。译码器型号先用为 74LS138译码器。其工作原理如下：当一个选通端（E3）为高电平，另两个宣统段（E1）和（E2）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制码在一个相应的输出端以低电平译出。74LS138 译码器引脚如下图 RL2 RL3 CLK IRQ RL4 RL5 RL6 RL7 RESE RD WR Vcc RL1 RL0 CNTL SHIF SL3 SL2 SL1 SL0 OUTB.1 1 40 2 39 3 38 4 37 5 36 6 35 7 34 8 33 9 8279 32 10 31 11 30 图 4.4 74LS138 译码器引脚 4.1.5 地址分派 图 4.5 程序存储器选择电路 51 单片机采用的结构是哈弗结构，数据存储器跟程序存储器分开，数据存储器是通过指令的区别来选择的所以不需要在硬件结构中做任何解决，由于程序存储器选择内部存储器，所以 EA 引脚必须接高电平。1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 A0 A1 A2 E1 E2 VCC Y0 Y1 Y2 Y3 4.24.2 控制系统电路的设计控制系统电路的设计 4.2.14.2.1 主控电路设计主控电路设计 本次主控电路元件有单片机 AT89C55，地址锁存器 74LS373，译码器 74LS373 和数据存储器 6264 组成。单片机主控电路揭发如下图，图 4.6 单片机主控制电路图 其中，AT89C55 的 P0.0-P0.7 和 74LS373 的 D0-D7 尚有 6264 的 Q0-Q7 相连，P2.5-P2.7接 74LS373 的 ABC，P1.0-P1.4 分别和 2 个脉冲分派器的 E0，WR 相连，周期输出信号 ALE与 74LS373 的 GND 相连，WR，RD 分别和 6264 的 WE,DE 相连；74LS373 的 Q0-Q7 与 6264的 A0-A7 相连，Y2 与 CS16264 相连；时钟电路与 AT89C55 的 XTAL1、XTAL2 相连。4.2.2 I/O4.2.2 I/O 接口电路设计接口电路设计 I/O接口扩展电路由AT89C55单片机，Inrel8579I/O接口芯片，74LS138译码器，75451位驱动，键盘和 6 位 8 段 LED 元器件组成。P0.0-p0.7 P2.0-p2.4 P2.5-p2.7 AT89C55 D0-D7 Q0-Q7 ABC G1 G2 Y2 A0-A7 Q0-Q7 A8-A12 WE OE 6264 锁存器 数据储存时钟译码器 I/O 接口扩展电路设计接法如下图：图 4.7 I/O 接口扩展电路图 其中，AT89C55 的 P0.1-P0.7 接 8279 的 D0-D7，8279 的 CS 接 P2.6，8279 的时钟端 CLK 连接到周期输出信号 ALE,INTL 接 8279 的中端请求线 IRQ,WR,RD 分别和 8279 的WR,RD 相连，P2.7 与 8279 的 A0 相连。8279 外接 28 键盘和 6 位 8 段 LED，8279 的回程输入线接键盘列线选用外部译码方式，扫描线SL0-SL2为 3 位计数器输出信号，由 74LS138译码器译出8 位选择线Y0-Y7，接上 4 个 75451 位驱动，再接上键盘的行线，和 LED 的公共极。OUTB0-OUTB3，OUTA0-OUTA3相称于 8 段数据输出口。4.34.3 辅助电力路的设计辅助电力路的设计 微机数控系统除了各种重要功能芯片外，还必须涉及一些必要的辅助电路。这辅助电路涉及：键盘显示电路，步进电机控制电路，复位电路，越界报警电路，掉电保护电 P0.0-p0.7 P2.6 P2.7 ALE WR RD D0-D7 CS RL0-RL7 A0 CLK WR SL0-SL2 RD 16 行列式6 位 8 段AT89C55 8279 5.1Kx8 Vcc Vcc 5.1Kx2 74LS138 75451X4 译码器 位 驱路等。下列介绍各辅助电路：4.3.14.3.1 键盘显示接口电路键盘显示接口电路 常用的显示器有：LED 显示器，LCD 显示器和 CRT 显示器三种。考虑到经济成本此设计采用 LCD1602 显示器，。如下图：图 4.8 键盘显示接口电路 4.3.24.3.2 步进电机控制电路步进电机控制电路 步进电动机开环伺服系统由脉冲信号源，脉冲分派器，功率放大器和步进电动机组成。其轮廓如下图：图 5.8 步进电机控制电路总图 4.3.34.3.3 脉冲分派脉冲分派 将控制脉冲按规定通电方式分派到各相是脉冲分派器重要功能，该分派控制数据表如下图：表 1 四相八拍脉冲分派控制数据表 节拍序号 Y 向电动机 X 向电动机 旋转方向电动机 通电相 控 制数据 旋转方向 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 D C B A D C B A D C B A 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 A EEH 正反向 2 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 AB CCH 3 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 B DDH 4 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 BC 99H 5 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 C BBH 6 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 CD 33H 7 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 D 77H 8 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 DA 66H 脉冲信号 脉冲分派器YB013 脉冲信号 功率放大 分派后的脉冲信号 A B C 4.3.4 4.3.4 驱动电路驱动电路 由微机根据控制规定发出的脉冲，并依次将脉冲分派给各相绕组，其功率较小，电压幅度一般低于 5v，电流为 mA 级，必须通过驱动器将信号电流放大到若干安培，才干驱动电机。本设计选用的是高低压驱动电路，其电路图如下：图 4.8 驱动电路 其中，无脉冲时，T1,T2 和 T3,T4 均截止，电机绕组 La 中无电流通过，电机不转。有脉冲时，T1，T2，T4 饱和导通，在 T2 由截止到饱和期间，其集电极电流急速增长，在变压器次级感生一个电压，使 T3 导通，80V 高压经高压管 T3 加入 La 上，使电流速度上升，T2 进入稳压状态，TP 初级电流暂时恒定，次级的感应电压降到 0，T3 截止，12V低压电流经 D2 加到绕组 La 上，维持 La 中的电流为恒定值，输入脉冲结束后，T1,T2，T3，T4 又均截止，存储在 La 中的能量通过 18 的电阻和二极管泄放。4.3.54.3.5 光隔离电路光隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲分派器输出的信号经放大后，控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流也较大。假如 I/O 口输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机的程序正常运营，重则导致极端及接口电路的损坏。所以一般要在接口电路与功率放大器间加上隔离电路，实现电气隔离。本次设计所选用的光隔离输出电路如下：图 4.9 光隔离输出电路 上图为同向输出电路，控制信号经 74LS05 集电极开路门反向后驱动光耦合器的输入发光二极管。当控制信号为低电平时，74LS05 不吸取电路，发光二极管不导通，导致输出的光敏晶体管截止，输入电压为 0。反之输入电压为高电平。4.3.64.3.6 功率放大器和时钟电路功率放大器和时钟电路 脉冲分派器的输出的功率一般非常小，远不满足步进电机对功率方面的规定，必须将它放大，本设计所用的使用横流供电电路。单片机的始终一般有内部和外部两种产生方式，本次设计采用的是内部方式。4.3.74.3.7 复位电路复位电路 单片机的复位都是基本都是靠外部电路实现，在时钟电路正常工作后，在 RESET 引脚出现比 10ms 大的高电平，单片机便可以实现状态复位，以后单片机便从 0000H 单元输入 74LS05 输出 5V 12V 开始执行程序。下图为上电与按钮复位组合。在上电瞬间，RC 电路充电，RESET 引脚端出现正脉冲，只要 REDET 端保持 10ms 以上高电平，就能使单片机有效复位。图 4.10 复位电路 4.3.84.3.8 越界报警电路越界报警电路 为了防止工作台越界，可分别在极限位子安装限位开关。本次设计采用中断方式，运用单片机外部中断 INT0,只要有任何一个行程开关闭合，假如工作台在某一个方向越界，均能产生中断信号 INT0,为了报警，设立红绿灯指