小型数控立式铣床工作台升降和制动装置设计.docx

小型数控立式铣床工作台
升降和制动装置设计

第一章、设计目的与意义

《专业综合设计2》课程设计是机械设计制造及其自动化专业实践性非常强的教学环节之一，是机械类高年级学生综合应用基础课、技术基础课、专业课等知识体系，将机械、驱动、传感及计算机控制有机地集成融合在一起，独立设计一种具有特定功能的机电装备。
通过本次课程设计，培养学生运用所学《机电装备设计》课程的知识，对典型机电装备的工作原理、组成要素及核心技术问题的分析能力；
培养学生用《机电装备设计》的知识及相关知识体系，掌握如何将机械和电气驱动、检测技术和计算机控制融合在一起，如何构成一种性能优良、工作可靠及结构简单的机电装备的一般设计方法和规律，提高设计能力；
通过设计实践，熟悉设计过程，学会正确使用资料、正确使用图书特别是电子图书资源、网络资源，查阅技术文献、设计计算、分析设计结果及绘制机械、电气图样，在机电一体化技术的运用上得到训练；
通过课程设计的全过程，为学生提供一个较为充分的设计空间，使其在巩固所学知识的同时，强化创新意识，在设计实践中深刻领悟机电装备设计的内涵。
第二章、设计要求
2.1 技术参数
（1） 工作台升降行程：320mm；
（2） 工作台尺寸：长宽=600mm320mm；
（3） 工作台总重：1000N；
（4） 最高运行速度：
步进电动机运行方式：空载：0.5 m/min ；切削：0.1 m/min ；
交流伺服电机运行方式：空载：8 m/min ；切削：2 m/min ；
（5） 系统分辨率：开环模式0.01 mm/step ；半闭环模式0.005 mm/step ；
（6） 系统定位精度：开环模式0.10 mm ；半闭环模式0.01mm ；
（7） 切削负载：X向800N； Y向1000N； Z向1500N；
2.2 设计要求
（1） 实现垂直平稳升降，具有快速升降功能；
（2） 用步进电机或交流伺服电机作驱动元件；
（3） 工作时离合器脱开，主轴不工作时，离合器锁死，主轴箱停在任意位
置；
（4） 具有行程越位报警功能；
（5） 采用滚动导轨块作支承；
（6） 具有断电锁紧功能。
第三章、设计内容
3.1机械传动部件的计算与选型
3.1.1 导轨上移动部件的重量估算
工作台总重: G=1000N
3.1.2 铣削力

3.1.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型
(1) 最大工作载荷的计算
作用在滚珠丝杠上的力包括滚珠丝杠螺母副的进给力、移动部件的重力，以及作用在导轨上的切削分力所产生的摩擦力。根据设计中所选用的导轨为加有导轨块的滚动导轨采用综合导轨的计算公式。查[1]中表3-29得到计算公式：

式中： ——Z向切削分力（N），；
——Y向切削力（N），；
——移动工作台总重（N）；
——导轨的摩擦系数，查[1]中表3-29，取；
——颠覆力矩影响系数，查[1]中表3-29，取；
代入公式计算得：
= 2755N
（2）最大动载荷的计算
选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载，计算公式如下：

式中 ——滚珠丝杠螺母副的寿命，单位为。

其中：——使用寿命，普通机床取，数控机床及一般机电装备取，则T=15000h

n——丝杠每分钟转数，；初选丝杠导程；由设计要求可知工作台在承受最大铣削力的最高运行速度（采用步进电动机运行方式；则n==20 r/min
则
——载荷系数，查表3-30，运转状态为中等冲击时，取；
——硬度系数，时，取；
——滚珠丝杠螺母副的最大工作载荷，。
代入公式计算得：

（3）滚珠丝杠螺母副的选型
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查[1]中表3-31，应使滚珠丝杠副的额定动载荷：
额定静载荷：
则选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2505-3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25mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈1列，精度等级按[1]中表3-25取5级，额定动载荷为9309N＞，满足要求。
（4）传动效率的计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率：

式中 ——丝杠螺旋升角，；
——摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约 等于。
代入公式计算得：
（5）轴承的选择
根据所选滚珠丝杠螺母副的直径及设计要求选择能够承受轴向载荷，丝杠支承的轴承型号选为7303AC的角接触球轴承，其外形图如下：

其技术参数如下表：

轴承型号
基本尺寸
极限转数
额定负荷
参考重量

d
D
B
脂
油
动
静
7303AC
17
47
14
26000
35000
13.80
7.30
0.21

(6) 刚度的验算
滚珠丝杠在工作时会发热，为了补偿热膨胀，须将丝杠预拉伸。则上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推—单推”的方式，丝杠两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配。
工作台升降行程为，根据所选滚珠丝杠螺母副导程查[2]中表3-21查的导程余量为，所选轴承的宽度。支撑跨度，可取，丝杠的全长。
① 丝杠的拉伸或压缩变形
在总变形量中占的比重较大，可按下式计算：

由于转矩M一般较小，式中第二项可忽略。

式中 ——丝杠的最大工作载荷，；
——丝杠两端支撑间的距离，；
——丝杠材料的弹性模量，钢的弹性模量；
S——丝杠按底径确定的截面积，，
其中，“+”号用于拉伸，“—”号用于压缩。由于转矩一般较小，式中第2项可以忽略。
代入公式计算得
② 滚珠与螺纹滚道之间的接触变形量
因进行了预紧，故由下式计算;

式中：——工作负荷，即进给牵引力
——预紧力；取
——滚珠直径；取
——滚珠数量，×圈数×列数；
——圈的滚珠数，（外循环），（内循环）；选内循环得，取整为22
——滚珠丝杠公称直径；
代入公式计算得
= 0.0033mm
由于预紧力为达轴向工作载荷的1/3，减小一半，即=0.00165mm
③ 刚度校验
丝杠的总变形量，查[1]中表3-27可估计丝杠的有效行程>315mm~400mm，则在标准公差等级为5级时，滚珠丝杠副允许的偏差为25。由于，则丝杠刚度足够。
(7) 压杆稳定性校核
滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷满足：

式中： ——临界载荷（N）
——丝杠支承系数，由[1]中表3-34取=1
——压杆稳定安全系数，一般取为2.5~4，垂直安装时取K=2.5
——滚珠丝杠两端支承间距离， =500 mm
——截面惯性矩，
——丝杠材料的弹性模量，钢的弹性模量；
代入公式计算得
由于，则满足校核。
3.1.4 直线滚动导轨副的计算与选型
(1) 滑块承受工作载荷的计算和导轨型号的选取
采用双导轨、四滑块的支承形式，滑块受力图如下：

则滑块受力为：

式中： W——外加载荷（N），W=
——如图距离，约为100mm
——如图距离，约为200mm
——如图距离，约为300mm
——垂直于运动平面的支反力
——平行于运动平面且垂直于导轨的支反力
代入公式计算得：

则=3.75KN，查[1]中表3-41，根据滑块承受工作载荷，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，额定静载荷。
由工作台尺寸600mm320mm，工作台升降行程为320mm，考虑工作台升降应留有余量，查[1]中表3-35，按标准系列JSA—LG15型导轨，选取导轨长度为460mm。
（2）距离额定寿命L的计算
上述选取的KL系列的JSA—LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，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。则距离额定寿命L的计算公式为：

式中： L——距离额定寿命（Km）
——额定动载荷（KN）
——滑块上工作载荷（KN）
——硬度系数，由表3-36取=1.0
——温度系数，由表3-37取=1.00
——接触系数，由表338取=0.81
——精度系数，由表3-39取=0.9
——载荷系数，由表3-40取=1.5
代入公式计算得
=1470.99Km
由于常见球导轨的距离期望寿命为50Km，则L远远大于导轨的预期寿命，所以初选的型号满足设计要求。
3.1. 5 步进电动机减速箱的选用与大齿轮轴承的选型
（1）步进电动机减速箱的选用
步进电动机的减速箱的作用是降速，并且使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在传动系统中所占比重减小，以保证传动精度。本设计采用一级减速，步进电动机的输出抽与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用弹簧错齿法消除间隙。
已知工作台的脉冲当量=0.005mm，滚珠丝杠的导程为5mm，初选步进电动机的步距角。则减速比i=，因此采用常州市新月电机有限公司生产的JBF—3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：36，材料为45调制钢，齿表面淬硬后达55HRC。减速箱中心距a1=（75+36）/ 2=55.5mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。
（2）大齿轮轴承的选型
根据所选齿轮轴两端的直径分别为15mm和20mm，从设计要求选择能够承受轴向载荷的型号，因此大齿轮轴承型号可分别选为北京环球光洋轴承有限责任公司的7302C和7304C型的角接触球轴承，其技术参数如下：

3.1.6 步进电动机的计算与选型
（1）计算加在步进电动机轴上的总转动惯量
已知滚珠丝杠的公称直径为25mm，总长550mm，导程5mm，材料密度；移动部件的重力为1000N；小齿轮宽度，直径；大齿轮宽度，直径；传动比i=25/12。得到滚珠丝杠的转动惯量为：

初选永磁感应式步进电动机90BYG2602型号，其转子的转动惯量。
小齿轮的转动惯量：

大齿轮的转动惯量：

则一对齿轮传动时，传动系统的折算到电动机轴上的总转动惯量：

其中： ——工作台质量（kg），=G/ｇ＝100 kg
代入公式计算得

　（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩
① 快速空载起动时电动机转轴所受的负载转矩：

其中： ——快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩

式中： ——对应空载最快移动速度的步进电动机的最高转速，

——步进电动机由静止到加速至转速所需时间，=0.4s
——传动链总效率，=0.7

——移动部件运动时，折算到电动机轴上的摩擦转矩
，空载时，则= 0 N.m
代入公式计算得： = 0.046 N.m
② 最大工作状态下电动机转轴所承受的负载转矩

其中： ——折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩

——移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩

——滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附件摩擦转矩，由于相对于另两项很小，可忽略不计。
代入公式计算得：=0.4472N.m
经上述计算，得到加在步进电动机转轴上的等效负载转矩
= max{ ，}=0.4427N.m
（3）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，当输入电压减小时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此根据来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：。上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，由表4-5查得该型号电动机的最大静转矩，可见满足上述要求。
（4）步进电动机的性能校核
① 最快工进速度时电动机输出转矩校核
电动机运行频率计算公式为：
式中： ——最快工作进给速度，=100mm/min
代入公式计算得：
由表4-7可查得对应的输出转矩，由于>
因此满足要求。
② 最快空载移动时电动机输出转矩校核
此时电动机对应的运行频率：
式中： ——最快工作进给速度， =500mm/min
代入公式计算得：
由表4-7可查得对应的输出转矩，由于>
因此满足要求。
③ 最快空载移动时电动机运行频率校核
与 =500mm/min对应的，查表4-5可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见没有超出上限。
④ 起动频率计算
步进电动机克服惯性负载的起动频率：
式中： ——电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率，查表4-5得=1800Hz
代入公式计算得：
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与1143.58Hz。在采用软件升降频时，起动频率选的更低，通常只有100Hz。
综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。
3.1.7 联轴器的选用
滚珠丝杠的轴头与大齿轮用联轴器联接，由于传递的转矩小，因此选用小型的联轴器。根据滚珠丝杠的公称轴径=25mm和步进电动机转轴上的等效负载转矩=0.4427N.m，由技术参数表（如下）

可选用广州菱科自动化设备有限公司LK2—150—1414型号小型挠性联轴器。
其外形及技术参数如下：

3.1.8 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和转速。增量式旋转编码器的分辨力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，需要控制系统发出个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选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。
本设计选择编码器的型号为ZLK—A—120—05V0—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，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。
3.1.9 制动装置设计
由于滚珠丝杠副无自锁作用，特别对垂直安装的滚珠丝杠副，必须安装制动装置。根据齿轮轴的尺寸和载荷选用DZJ-10单片电磁制动器，其安装尺寸如下：

其安装示意图如下：

图中：1-电机端盖 2-空心螺栓装置 3-制动盘 4-衔铁 5-手动释放装置
6-齿轮套 7-磁轭组件 8-安装螺钉
3.2 微机数控系统硬件电路设计
微机数控系统由CPU，存储器扩展电路，I/O接口电路，驱动电机驱动电路，检测电路等几部分组成。
微机是数控系统的核心，其他装置都是在微机的指挥进行工作的。系统的功能和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度。字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机，要进行双字长和三字长的运算，就会影响速度，根据机床要求，综合考虑采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性价比特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。
控制系统由微机部分，键盘、显示器、I/O接口及光电隔离电路，步进电机功率放大电路等几部分组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用LED显示器。
3.2.1 电气控制系统框图
数控系统是由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础，有了硬件软件才能有效的运行。
机床硬件电路图由以下几部分组成：
①.主控制器，即CPU
②.总线，包括数据，地址，控制总线
③.存储器 ROM，RAM
④.接口，即I/O接口电路
⑤.外设，如 键盘，显示器及光电输入机等。
电气控制系统框图如下：
RAM
ROM
CPU
I/O
接口
外 设
键盘、显示器及其它
驱
动器
步进电机

图 3-1 机床数控系统硬件框图（半闭环系统）
3.2.2 选择CPU的类型
对于计算精度要求较高、处理速度要求较快的系统，可选用8位机。则Intel公司的MCS-51系列单片机硬件结构合理，指令系统规范，适合经济型数控机床。
3.2.3 MCS-51系列指令系统简介
MCS—51系列指令系统共有111条基本指令，其中单字节指令有49条，双字节指令有45条，单字节指令有17条。
（1）MCS—51系列指令系统的七种寻址方式简介
① 立即寻址 跟在操作码后的一个字节就是实际操作数。
② 直接寻址 指令中直接给出参加运算或传送的数的地址。可以访问三种地址：特殊功能寄存器SFR、内部RAM128字节个单元、221个地址空间。
③ 寄存器寻址 指定某一可寻址的寄存器的内容为操作数。寻址空间是R0～R7、A、B、DPTR。
④ 寄存器间接寻址 由指令指定某一寄存器的内容作为操作数地址，选定R0、R1、SP、DPTR（16位）来存放地址，使用时前加@。
⑤ 变址寻址 由争论指定的偏移量寄存器或称变址寄存器和基址寄存器
DPTR或PC相加所得结果作为操作数地址。
⑥ 相对寻址 在指令中给定的地址偏移量与本指令所在单元地址（即PC内容）相加，即得到真正有效的单元地址。
⑦ 位寻址 对内部RAM的128位和SFR块内的93位进行位操作。
（2）MCS—51系列指令系统主要指令简介
MCS—51系列指令系统111条指令可分为五类：
① 数据传送类 29条
② 算术操作类 24条
③ 逻辑操作类 24条
④ 控制程序转移类 17条
⑤ 布尔变量操作类 17条
3.2.4 定时器/计数器
MCS—51系列单片机提供两个十六位可编程的定时器/计数器，即T0和T1。他们具有两种工作方式和四种模式。其工作原理如下图所示。

定时器/计数器的结构框图

定时器/计数器的核心是加一计数器，加一计数器脉冲有两个来源，一个是外部脉冲源，另一个是系统的时钟振荡器。
有两个模拟开关，前一个开关就是特殊寄存器TMOD的相应位，后一个模拟开关就是特殊寄存器TCON的相应位。
TMOD和TCON是专门用于定时器/计数器的控制寄存器。用户可以用指令对其各位进行写入或更改操作，从而选择不同的工作状态或启动时间，并可设置相应的控制条件。
（1）TMOD控制寄存器

GATE——门控位或叫选通位，用来确定对应的外部中断请求引脚是否参与T0或T1的操作控制。
C/T——计数器方式或定时器方式的选择位。C/T=1时，计数方式；
C/T=0时，定时器方式。
M1和M0——工作模式控制位，4种工作模式。
00 模式0：TLX中的低5位和THX的高8位构成13位计数器。
01 模式1：TLX与THX构成16位计数器。
10 模式2：可自动再装入的8位计数器。
11 模式3：把定时器0分成两个8位计数器，关闭定时器1。
（2）TCON 控制寄存器

TF0、TF1——定时器T0、T1溢出标志位，为1时申请中断。
TR0、TR1——定时器T0、T1运行控制位，有软件设定，来控制定时器/计数器开启或关闭。
IE0、IE1——外部中断源的标志，为1时表示外部中断源向CPU申请中断。
IT0、IT1——外部中断源触发控制位。
3.2.5 中断系统
MCS—51系列单片机提供五个中断源，配备两个中断优先级，INT0、INT1输入外部中断请求，两个片内定时器/计数器T0和T1溢出中断请求TF0和TF1，一个片内串行口中断请求TI和RI。
各中断源所对应的中断服务程序的入口地址和优先级如下：
中断源 入口地址 优先级
INT0 0003H 0
T0 000BH 1
INT1 0013H 2
T1 001BH 3
串行口中断 0023H 4
3.2.6 存储器扩展电路的设计
存储器扩展电路设计包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量问题。
MCS-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，对简单的应用场合MCS-51系列的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求。对于复杂的应用场合，可利用MCS-51的扩展功能，构成功能强，规模大的系统。
（1）程序存储器ROM的扩展
在机电控制系统中，目前用来扩展程序存储器的主要是EPROM芯片，且MCS-51的程序存储器的寻址空间为64KB，8031不带ROM。
①常用的ROM芯片及引脚
常用的半导体ROM芯片有：2716（2K×8）、2732A（4K×8）、2764、（8K×8）、27128（16K×8）、27256（32K×8）、27512（64K×8）。2764、27128、27256、27512芯片均有28脚双列直插式平封装芯片。引脚向下兼容。如下图是2764管脚配置：
②地址锁存器常用的地址锁存器芯片是74LS373。74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器。其真值表如下：

OE
G
D
Q
L
H
H
H
L
H
L
L
L
L
X
Q0

74LS373的引脚如下图：

（2）数据存储器RAM的扩展
常用的静态RAM芯片有6116（2K×8）、6264（8K×8）、62256（32K×8）等，6264、62256均采用CMOS工艺、28脚双列直插式平封装。6264引脚及逻辑符号见下图：

3.2.7 译码电路设计
（1）MCS—51系列单片机应用系统中的地址译码规则
① 程序存储器和数据存储器独立编址。程序存储器地址和数据存储器地址可以重叠使用。都是从0000H～FFFFH。
② 外围I/O芯片与扩展数据存储器统一编址，外围I/O芯片占用数据存储器地址单元，且使用数据存储器的读/写控制信号与读/写指令。
③ CPU在访问外部存储器时地址编码，CPU的P2口提供高8位地址，P0口经外部地址锁存器后提供低8位地址。
（2）地址译码方法
① 线选法
利用单片机地址总线高位中的一根线作为选择某一片存储器芯片的片选信号。此法用于规模较小的系统。其优点是不需要地址译码器，可节省硬件，降低成本。缺点是可寻址的芯片数目受到很大的限制，且地址空间不连续，不能充分利用。
② 全地址译码法
对容量较大的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用这种全地址译码法。
常采用的译码器是74LS138。其引脚图如下：

其逻辑功能表如下：
G1 G2A G2B
C B A
Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0
1 0 0
0 0 0
1 1 1 1 1 1 1 0
1 0 0
0 0 1
1 1 1 1 1 1 0 1
1 0 0
0 1 0
1 1 1 1 1 0 1 1
1 0 0
0 1 1
1 1 1 1 0 1 1 1
1 0 0
1 0 0
1 1 1 0 1 1 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0 1 1 1 1 1
1 0 0
1 1 0
1 0 1 1 1 1 1 1
1 0 0
1 1 1
0 1 1 1 1 1 1 1
其 他 状 态
X X X
1 1 1 1 1 1 1 1

其地址译码表如下：

器 件
地 址 选 择 线
片内地址单元（字节）
地 址 编 码
2764
000X XXXX XXXX XXXX
8K
0000H~1FFFH
6264
001X XXXX XXXX XXXX
8K
2000H~3FFFH

8155
RAM
0101 1110 XXXX XXXX
256
5E00H~5EFFH
I/O
0101 1111 1111 1XXX
6
5FF8H~5FFFH
8255
0111 1111 1111 11XX
4
6FFCH~6FFFH

其全地址译码图如下：

3.2.8 I/O接口电路及辅助电路设计
常用外围接口芯片有：
8155：可编程的RAM/IO扩展接口电路（256个RAM、两个8位口、一个6位口、一个14位的定时器/计数器）
8255：可编程的通用并行接口电路（3个8位口）
8279：可编程的键盘、显示接口电路
（1）8155通用可编程接口芯片
① 8155引脚及其功能
8155 的结引脚排列及构框图如下图：

8155 具有40条引脚，采用双列直插式风装，各引脚功能见下表：
引脚
含义
引脚
含义
引脚
含义
AD0~AD7
PA0~PA7
PB0~PB7
PC0~PC5
TIMER IN
地址、数据线
A口
B口
C口
定时输入
TIMER OUT
IO/M
ALE
RD/WR
定时输出
IO/RAM口选择
地址锁存
读写
CE
RESET
VSS
VCC
片选
复位
地
电源

其命令寄存器格式及工作方式如下：

定义A口输入/输出方式
定义B口输入/输出方式
00：ALT1 01：ALT2
10：ALT3 11ALT4
00：空操作
01：停止定时器操作
10：定时器减为一时停止计数
11：置定时器方式后，开始计数

0：禁止A口中断；
1：允许A口中断
0：禁止B口中断
1：允许B口中断

② 8155的工作方式设定
8155 命令寄存器格式及工作方式见下表：

引脚
含义

D0-D7
数据线
PAO-PA7
A口
PBO-PB7
B口
PCO-PC7
C口
A0 A1
地址线
RD
读
WR
写
CE
片选
RESET
复位
GND
地
VCC
电源

③ 8155初始化程序格式

MOV DPTR ， 控制口地址
MOV A ， 命令字
MOVX @DPTR ，A
MOV DPTR ， 计数初值入口地址
MOV A， 计数初值
MOVX @DPTR ，A
INC DPTR
MOV A ， 计数初值高位
MOVX @DPTR ，A

（2）8255通用可编程接口芯片
① 8255 引脚及内部结构见下图：

② 8255 工作方式的设定
8255 有三种工作方式：方式0、方式1、方式2。
方式0——基本的输入输出方式
方式1——应答式输入输出方式
方式2——应答式双向输入输出方式
8255 I/O的工作方式选择通过对其内部命令寄存器设定方式选择控制字来实现。其格式及工作方式见下图：

B组
下C口：0—输出 1—输入
B口： 0—输出 1—输入
模式选择：0—模式0 1—模式1
A组
上C口：0—输出 1—输入
A口： 0—输出 1—输入
模式选择：00—模式0 01—模式1 X1—模式2
控制选择 1=模式选择

其C口置/复位控制字格式如下图：

置位
0=复位 1=置位
位选择
D3 D2 D1 C口
0 0 0 BIT0
0 0 0 BIT0
0 0 0 BIT0
0 0 0 BIT0
0 0 0 BIT0
0 0 0 BIT0
0 0 0 BIT0
0 0 0 BIT0
控制选择
0=位操作

③ 8255 初始化程序格式如下：
MOV AL ，控制字；定义工作方式
OUT 控制口地址，AL
IN AL ， 初值
OUT 输出口地址，AL
（3）键盘显示接口电路
① 显示器工作原理
数控系统中使用的显示器主要有LED和LCD接口显示方式。LED显示器有7个发光二极管组成，控制不同组合的二极管导通，显示不同字符。七段显示器的结构如下图：

a)外行

b)共阳极 c)共阴极
② 键盘接口原理
键盘工作原理如下图：

③ 8255 初始化程序格式如下：
MOV AL ， 控制字；定义工作方式
OUT 控制口地址，AL
IN AL ， 初值
OUT 输出口地址，AL
（4）电机接口及驱动电路
① 脉冲分配器
脉冲分配器又叫环型分配器，有硬件环型分配器和软件环型分配器两种。
② 光电隔离电路
为防止强电干扰，在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路。常用的光电偶合器连线如下图：

图3-15 光电偶合器连线
（5）辅助电路
① 8031的时钟电路
数控铣床单片机的时钟电路采用内部方式产生，电路图如下：

② 复位电路
单片机的复位都靠外部电路实现。单片机通常采用上电复位和按键复位两种，下图为二者组合电路。

③ 越界报警电路
为防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。下图为报警信号的产生和指示电路。
④ 掉电保护电路 避免在掉电的情况下，RAM中的信息丢失，下图为其工作原理。

⑤ 数控铣床的控制面板如下图所示

第四章、软件设计
4.1步进电动机的速度控制
控制步进电动机的转动需要三个要素：方向、转角、转速。由于步进电动机的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机速度的调节。
4.1.1步进脉冲的调频方法——软件延时
设延时时间存于（OEH）、(ODH)，（OEH）为高8位，(ODH)为低8位，单位为μs。则源程序清单如下：
DELAY: MOV A,0DH
JZ DEL6
CLR C
RRC A
JZ DEL6
DJNZ 0E0H,$
DEL6: MOV A,0EH
JZ DEL5
DEL4: CALL D252
DJNZ 0EH,DEL4
DEL5: RET
D252: MOV R0,#53H
D253: NOP
DJNZ R0,D253
RET
若需要20000μs的延时，则给OEH）、(ODH)两个字节赋值4E20H，执行程序有：
MOV 0EH,#4EH
MOV 0DH,#20H
CALL DELAY
若要控制步进电动机走100步，每两步之间延时20000μs，则汇编程序如下：
MOV 0FH,#100D
CONTI: CALL I_STEP
MOV OEH,#4EH
MOV ODH,#20H
CALL DELAY
DJNZ 0FH,CONTI
4.1.2步进电动机的升降频实现
升降频的软件流程图如下:

4.2步进电动机的脉冲分配
环形分配器是步进电动机驱动系统中的一个重要组成部分，通常分为硬件环分和软件环分。软件环分由控制系统用软件编程来实现。电动机脉冲分配子程序框图如下：

4.3 8255A接口基本的输入输出
假设要求8255A的工作在方式0，且PA口作为输入，PB口与PC口作为输出，则工作程序如下：
MOV DPTR,#0