数控机床工作台设计1.docx

潍坊科技学院专科学生毕业设计

数控步进X─Y工作台设计

学 生：韩宗旺 学 号：201010390110
指导教师：陈茂光
专 业：机械制造与自动化

潍坊科技学院机械工程学院
二O一三年五月

目 录
摘要……………………………………………………………………………………………Ⅰ
1绪 论…………………………………………………………………………………………1
1.1我国数控车床的发展和产业化的现状及当今世界数控车床的发展的趋势……………1
1.2 C616数控步进改造设计的目的及意义……………………………………………………2
2总体方案设计……………………………………………………………………………5
2.1设计任务……………………………………………………………………………………5
3机械部分设计……………………………………………………………………………7
3.1进给系统的设计计算………………………………………………………………………7
3.2钻削力的计算………………………………………………………………………………9
3.3铣削力的计算………………………………………………………………………………11
3.4滚动导轨的选用……………………………………………………………………………13
3.5滚珠丝杆的计算和选用……………………………………………………………………14
3.6滚珠丝杠支座设计与计算…………………………………………………………………16
3.7确定齿轮传动比……………………………………………………………………………18
3.8确定齿轮模数及有关尺寸…………………………………………………………………22
3.9步进电机惯性负载的计算…………………………………………………………………25
4 系统硬件设计……………………………………………………………………………26
4.1确定硬件电路的总体方案………………………………………………………………27
4.2机床数控系统硬件电路设计……………………………………………………………29
4系统软件设计……………………………………………………………………………31
5.1系统控制功能分析…………………………………………………………………………31
5.2系统管理程序控制…………………………………………………………………………32
5.3自动加工程序设计…………………………………………………………………………29
5.4步进电机控制子程序设计…………………………………………………………………30
5.5编语言程序设计……………………………………………………………………………30
5.6直线插补程序设计…………………………………………………………………………32
5.7圆弧插补程序………………………………………………………………………………32

结束语…………………………………………………………………………………………33
致 谢……………………………………………………………………………………………34
参 考 文 献…………………………………………………………………………………35

摘 要

X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单。实现方便而且能够保证一定的精度。降低成本，是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了危机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高。X-Y数控工作台机电系统设计是利用8031单片机，及2764, 6264存储器及8155芯片等硬件组成，在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能。
其基本思想是通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工，每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转，同时通8155将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀，电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。该控制系统采用软件中断控制系统结构及子程序结构简单，条件明确在经济型数控中应用较多。中断结构采用模块化结构设计因为这种结构便于修改和扩充，编制较为方便，便于向多处理方向发展。X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置。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。本题目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合应用。

关键词：步进电机，数控系统

1 绪论

1.1 X-Y工作台的发展趋势及产业化的现状
当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。
工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的X—Y工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，一作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液旅驱动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的研究开发方面也取得了长足的进步。目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。例如：可倾回转工作台，它可以实现用于数控机床和加工中心机床上，可利用原机床的两个控制坐标控制转台的回转和倾斜，也可直接利用本转台配套的数控装置与机床联接完成所需的工作循环。它可以完成任意角度的孔、槽、平面类机械加工，以及曲线、凸轮等的加工，并可达到较高的精度。另外也可用于非数控钻、铣、镗类机床上，独立完成等分和不等分的角度分度工作。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似，但是在其精度方面，国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台。因此我国与国外相比，还是有一定的差距，因此工作台的设计具有重要意义，我们要借助时代的步伐，与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术的综合性强国。

1.2数控X-Y工作台设计的意义和目的
本设计所设计的X-Y工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过MCS-51单片机来控制步进电机，使X-Y工作台实现了数控控制。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计的X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。本设计所设计的X-Y工作台不仅可用于铣床上进行数控铣削加工，而且还能够用于钻床上数控钻削加工，所以其功能远高于传统的普通工作台是新一代机电一体化的典型产品。
通过对X-Y工作台的设计，能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论个有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；通过课程设计，初步树立正确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。
在本设计中着重介绍了如何对X-Y工作台进行设计，对导轨、丝杠、电机、选用和数控控制电路的设计和其控制程序的编制等方面进行了深入的分析。

第二章 总体方案设计
2.1设计任务
设计一个数控X-Y工作台及其控制系统，该工作台可安装在普通钻、铣床上用于钻孔或铣削加工。系统分辨率X：0.01mm，Y：0.01mm。系统分辨率X：0.01mm，Y：0.01mm。
设计参数如下：快速进给速度纵向X：2m/分；快速进给速度横向Y：2m/分；切削进给速度：0.3m/分；时间常数： t≤200ms ； 最大钻孔直径d=5mm；铣刀直径φ15mm，齿数Z=3；铣削最大余量αe=2mm；铣削最大深度αp=2mm；工作台加工范围X=320mm，Y=260mm。加工材料为铸铁；最大工件重量 80Kg。

2.2总体方案确定
2.2.1系统的运动方式与伺服系统
由于机床既能钻削又能铣削加工，故应采用连续控制系统。定位方式采用增量坐标控制。考虑到机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。钻头上下运动也由步进电机通过减速装置控制。

2.2.2计算机系统
本设计采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。
控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。

2.2.3X—Y工作台的传动方式
为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。
由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。
考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01mm的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。

第三章 机械设计部分
3.1工作台的外形尺寸及重量初步估算：
根据给定的工作台加工范围，设计出工作台的尺寸和托板尺寸等，并估算其重量。X-Y工作台简图如下：

X向托板（上托板）的尺寸：
长×宽×高 320×320×50
X向托板（上托板）的重量：
重量=体积×材料比重

Y向托板（下托板）的尺寸：
长×宽×高 400×320×50
重量=体积×材料比重

上导轨座的重量：

夹具及工件重量：

X-Y工作台运动部分重量：

3.2钻削力（轴向）的计算：

经查机械加工手册，得 ， ， ， ，
进给量取 ，则

3.3铣削力（硬质合金圆柱铣刀）的计算：

其中式 ， ， ， ，z=3，则

3.4滚动导轨的选用：
3.4.1导轨型式：法兰型直线导轨

3.4.2导轨长度：
①上导轨（X向）
取动导轨长度
动导轨行程
支承导轨长度

②下导轨（Y向）
取动导轨长度
动导轨行程
支承导轨长度

3.4.3导轨工作负载计算：
①导轨基本额定动负载的计算：

②导轨基本额定静负载的计算：

根据以上数据，选择MISUMI公司的SV2RL型导轨，上导轨型号为SV2R24-640，下导轨型号为SV2R24-700，其参数如下：

型式
H
W1
滑块尺寸
导轨尺寸
B
L1
L2
W
P1
S1
E
T
B
E
T1
H1
C

N
P
2滑块SV2RL
24
9.5
34
41
25
4
26
M4
7
7
20
6
5
12.5
15

20
60

H
基本定负载
静态容许力矩
重量
C(动)

KN
(静)
KN

M3

滑块kg
滑块
标准型
Kg/m
24
5.0
8.23
33
57
0.15
1.5

3.5滚珠丝杠的计算和选择
滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。

3.5.1最大动负载Q的计算

式中L为寿命

经查询机械设计手册得 当有冲击运转时，运转系数，本设计取；精度等级为3级，其精度系数 。
式中 ，其中
又因为使用寿命 ，丝杠螺距 ，
X向和Y向的最大进给 。

X向丝杠的牵引力：
式中 —当量摩擦系数,

Y向丝杠的牵引力：
式中

X向最大动负载：

Y向最大动负载：

根据给定的有效行程和经济成本的考虑，X向和Y向的丝杠分别选取MISUMI公司的BSX1205-460和BSX1205-400，然后再使用联轴器。其参数和连接方式如下：

精度等级
型式
指定单位mm
Y
螺旋方向
循环数
基本额定负载
Type
丝杠轴外径
螺距

右
2.5圈
1列
（KN）
（KN）
C3
BSX
12
5
460
400
3.74
4.9

P
A
B
T
d
d1
h
F
D
滚珠直径（cm）
滚珠丝杠预紧力（）
8
44
34
10
4.5
8
4.4
15
30
3.175
1.5~5

3.5.2滚珠丝杠螺母副几何参数的计算：

名 称
符 号
计算公式和结果
螺
纹
滚
道
公称直径

12
螺距

5
接触角

名称
符 号
计算公式和结果
钢球直径

3.175
螺纹滚道法面半径

偏心距

螺纹升角

螺杆
螺杆外径

螺杆内径

螺杆接触直径

螺母
螺母螺纹外径

螺母内径（外循环）

3.5.3传动效率计算

式中：

3.5.4刚度验算
滚珠丝杠受工作负载P引起的导程 的变化量：

由于Y向所受牵引力最大，所以应采用Y向参数计算：
， ， ，

所以
丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。
所以导程总误差：

查表得该3级精度的丝杠允许误差为，所以刚度足够。

3.6滚珠丝杠支座设计与计算
在本设计里，采用一端固定，另一端简易支承的方案。
则产生失稳的临界负载 式中 ;
;

丝杠支持方式系数表如下：
方式
一端固定
一端自由
两端简易
一端固定
一端简支
两端固定

0.25
1.00
2.00
4.00

所以：

临界负载与最大工作负载Q之比称为稳定安全系数，如果稳定安全系数大于或等于许用安全系数，则丝杠不至失稳。许用安全系数一般取2.5~4。
由于Y向的工作负载最大，所以

所以稳定性良好。

在简易支承座中采用一个6300的深沟球轴承，在固定支座中采用一个51200推力轴承和一个6300深沟球轴承。它预紧时只需调节螺母，方案见图纸A1
3.7确定齿轮传动比
步进电机的步进角初选为 ，由于滚珠丝杠的螺距，经济铣床的系统脉冲当量

所以要实现脉冲当量 ，在传动系统中应该加一对齿轮降速传动，其齿轮比为

通过翻阅《机械设计基础》和计算选取 。

3.8确定齿轮模数及有关尺寸
因为传递的扭矩较小，取模数，齿轮有关尺寸见下表：

Z
24
50
（mm）
24
50
（mm）
26
52
（mm）
21.5
47.5
（mm）
5
5
（mm）
37

3.9步进电机惯性负载的计算
根据等效转动惯量的计算公式，

式中： ——折算到电机轴上的惯性负载（ ）； ——齿轮 的转动惯量（ ）； ——齿轮的转动惯量（ ）； ——滚珠丝杠的转动惯量（ ）；M——移动部件与工件的质量（kg）。
对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算
( )
式中：D——圆柱零件直径（cm）；L——零件长度（cm）。
所以
（ ）
( )
( )
则电机轴总转动惯量：

3.10步进电机的计算和选用
3.10.1步进电机力矩的计算
摩擦力矩 （ ）

式中 ——导轨的摩擦力 ——丝杠导程（cm）；

——齿轮降速比，按计 算；

——传动链总效率，一般可取
——导轨摩擦系数滚动导轨的摩擦系数一般为；
——铣削力； ——运动部件的重量； ——工件及夹具重量；

所以

附加摩擦力矩 （ ）

式中 ——滚珠丝杠预加负荷，一般取 ， 为进给牵引力；
——丝杠导程（cm）；
——滚珠丝杠未预紧时的传动效率， 。

所以

空载起动时折算到电机轴上的力矩 （ ）

式中 ——传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量（ ）；
——电机最大角加速度（ ）；
——电机最大转速（r/min）,
；

——运动部件从停止起动加速到最大进给速度所需要的时间（s），因为=200ms； ——运动部件的最大进给速度（mm/min）；
——脉冲当量（mm/步）； ——步进电机的步距角（ ）；

折算到电机轴上的铣削负载力矩

式中 ——丝杠导程（cm）；

——齿轮降速比，按计算； ——传动链总效率，一般可取

①快速起动时所需力矩
即
②快速进给时所需力矩
即
③最大铣削负载时所需力矩
即

经过上述计算后，在 、 两种力矩中取其大者作为选择步进电机的依据。对于大多数数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机力矩主要是用来产生加速度的，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。

3.10.2步进电机的选择
目前经济型数控机床中大多采用反应式步进电机，因此在本设计中采用反应式步进电机。
①首先根据最大静转矩 初选电机型号，由于步进电机的起动
转矩 与最大静转矩 有如下关系：
式中的取值又有如下关系：

步进电机
相数
三相
四相
五相
六相
拍数
3
6
4
8
5
10
6
12

0.5
0.866
0.707
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866

在本设计中采用三相六拍的反应式步进电机，
则

若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩为

取安全系数为0.3，则

②步进电机最高工作频率
最大空载频率：
——最快进给速度， 。为了保证不失步，采取降速措施。

最大铣削频率：
——最大铣削速度， 。

所以根据以上数据，选取两个55BF004型步进电机，电机的的相关参数如下：

型号
主要技术参数
外形尺寸(mm)
重量(N)
步
距
角
最大静转矩
（）
最高空载启动频率（Hz）
相
数
电压(V)
电流(A)
外径
长度
轴径
55BF004

0.49
2200
3
27
3
55
60
6
0.65

由于只靠最大静转矩 来选择步进电机不一定能满足实际工作时的要求，也就是说，尽管最大静转矩 数值能满足要求，但是并不能保证在快速空载起动和运行时不失步。所以还必须用起动矩频特性和运行矩频特性两条重要的性能曲线来检查所选步进电机的型号是否能满足要求。

通过对两个电机的起动矩频特性和运行矩频特性的分析，电机的转矩大于总转矩，并且，所以选择的这两个电机符合本设计要求。
XY工作台（纵向）装配图见 图纸（一）

第四章 控制系统硬件设计
4.1确定硬件电路的总体方案
X-Y数控工作台控制系统硬件框图如下：

中央处理单元(CPU)
存储器
RAM/ROM
输入/输出
I/O接口
信号
变换
控制
对象
外设
（键盘、显示器、打印机、
磁盘机等）

4.1.1主控制器CPU的选择
随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，MCS-51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。如目前应用最广的8位单片机8031，价格低廉，而性能优良，功能强大。从本设计的系统来看，选用8031单片可以获得较高的性价比。
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：
2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为2K,4K,8K,16K,32K。在选择芯片时要考虑CPU与EPROM时序的匹配。8031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８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2732EPROM 芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示：

A12
↓
A8

2732
A7
↓
A0

D7
↓
D0

P1.7
↓
P1.0
P2.4
↓
P2.0

ALE
P0.7
↓
P0.0

译码电路

G

74LS372

扩展2732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。其扩展电路如下所示：

扩展6264电路框图
③译码电路
在单片机应用系统中，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，
单片机外存储器扩展电路如下：

⑤I/O扩展电路设计
(a).通用可编程接口芯片8155
8031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。8155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LCD。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ＬＥＤ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。
键盘显示器接口电路如下所示：

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YB015。
采用YB015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隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下：

③功率放大器
脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。
4.1.4其它辅助电路设计
①8031的时钟电路
　　单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。
　　内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在1.2~12之间任意选择，耦合电容在5~30pF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。

时钟电路
②复位电路
单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后CPU便从0000H单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与8031复位要求一致时，可以直接相连。当晶振频率选用6MHz时，复位电路中C取10μF,R取10KΩ。实用复位电路图如下所示：

③越界报警电路
为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至8031的I/O口Ｐ1.0。当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。8031可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至8031的外部中断引脚（INT0或INT1），采用中断方式检查越界信号。越界报警电路如下图所示
4.2机床数控系统硬件电路设计
该系统选用MCS-51系列的8031作为主控制器。扩展存储电路为一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器扩展为4K，数据存储器扩展为8K。
2732的片选控制端 直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU从0000H开始执行监控程序。6264的片选端 由译码器（74LS138）的Y2输出提供。所以6264的空间地址为4000 ～5FFFH。
系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选端 接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址号分别为8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM区的地址为8000H—80FFH。
8155的A口为控制工作抬X，Y向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，不步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。
键盘与显示器设计在一起，8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB口的PB0—PB3为键盘的行线。8031的P1口为显示器的字形输出口。该系统采用4X6共24个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加74LS07进行驱动。
PB口剩余的I/O线PB4—PB7分别作为工作台+X，+Y，-X，-Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口，PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4—PB7的电平，当某I/O线为0时，应立即停止X，Y向电机的驱动，并发出报警信号。
另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用7805三端集成稳压器设计。数控系统总的电气原理图见 图纸（二）。

第五章 控制系统软件设计
5.1系统控制功能分析
本设计中，数控X—Y工作台钻床和铣床上，经过改装的钻床和铣床配以数控系统，成为数控钻床和数控铣床。
数控X-Y工作台的控制功能包括：
①系统初始化。如对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控制字。
②工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。
③输入和显示加工程序。
④监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。
⑤工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并显示相应的指示字符。
⑥、工作台的自动控制。
⑦、工作台的手动控制。
⑧、工作台的联动控制。
5.2系统管理程序控制
管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。根据以上分析，设计管理程序流程图如下所示：

管理程序流程
5.3自动加工程序设计
①机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位→刀具快速进给→加工→退刀→工作台运动到下一位置；
②计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工；
③由以上分析，设计自动加工程序框图如下所示：

自动加工程序框图

5.4步进电机控制子程序设计
步进电机的控制包括速度，转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加，减速过