数控测量机设计
数控测量机设计,数控,测量,丈量,设计
目 录第一章 总体方案的拟定 1第一节 概述 1第二节 总体方案的确定 1第二章 机械传动系统设计 3第三章 微机数控系统硬件电路设计 10第一节数控系统硬件电路设计内容 10第二节I/O接口电路 12第三节所用芯片接线引脚介 13第四节 辅助电路的设计 17第四章 微机控制软件 22第一节 概述 22第二节 控制软件组成及功能 22第三节 系统直线插补软件设计: 23致谢 27参考文献 27第一章 总体方案的拟定第一节 概述数控技术是一种自动控制技术,它能够对机器的运动和动作进行控制。采用数控技术的控制系统称为数控系统。装备了数控系统的机床称为数控机床。数控机床由程序载体、输入装置、CNC装置、伺服系统和机床的机械部件构成。以数控技术为基础,促进了机械制造业向着更高层次发展,使机械制造水平得到很大的提高。对我们的现代的经济建设有很大的推动作用。第二节 总体方案的确定对任务书进行分析,数控测量机需有两个运动单元,一个是Z直线运动单元,另一个是C回转运动单元。功能:实现对工件轴剖面和径剖面的测量。设计思路:Z轴电动机经减速器带动丝杠转动,使螺母带动托板在滚动导轨上直线移动,丝杠直径取D=20mm;C轴电动机经减速器带动三爪卡盘转动,从而带动工件转动。 一、机械传送部件的选择1.导轨副的选用要设计的数控测量机Z轴直线运动单元需要承载的载荷不大,但运动分辨率高,因此,决定选用直线滚动导轨副,它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。2.丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动,要满足Z向运动分辨率优于0.01mm,滑动丝杠副无能为力,只有选用滚珠丝杠螺母副才能达到。滚珠丝杠螺母副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高,预紧后可消除反向间隙。3.伺服电动机的选用任务书要求的Z轴的运动分辨率优于0.01mm,所以本次设计脉冲胆量选为0.01,尚未达到0.001mm,定位精度也未达到微米级,空载最快移动速度为5000mm/min。因此,Z轴不必采用高档次的伺服电动机,可以选用步进电动机。C轴运动分辨率优于0.1,最大旋转速度为100r/min,也选用步进电机。4.减速装置的选用Z轴选择了电动机和滚珠丝杠螺母副以后,为了圆整脉冲当量,放大电动机的输出转矩,降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量,可能需要减速装置,且应有消间隙机构。为此,本设计决定采用无间隙齿轮传动减速箱。C轴决定选用谐波减速器,谐波减速器具有以下优点:(1)结构简单,体积小,重量轻,传动效率高。(2)传动范围大。(3)同时啮合的齿数多,运动精度高,承载能力大。(4)运动平稳,无冲击,噪声小。(5)齿侧间隙可以调整。5.检查装置的的选用选用步进电机作为伺服电动机后,可选开环控制,也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高了,为了确保电动机在运转过程中不受电网和其他外部因素的影响而失步,决定采用全闭环控制,而且测量机上用光栅尺来测量工件的轴向尺寸,若再用光栅尺作为闭环用的检查装置,更能起到一举两用的效果,使有效资源得到充分的利用。光栅的分辨率应与测量的分辨率相匹配。6.测量装置的选用本次设计的测量机用来实现对工件的轴剖面和径剖面的测量,分别采用直线光栅和光幕式传感器。二、控制系统的设计1.设计的数控测量机,其控制系统应具有定位和速度控制的基本功能,但无需有插补。所以点位/直线控制系统即可。2对于步进电机的闭环控制,选用MCS-51系列的8位单片机80C31作为控制系统的CPU,应该能够满足任务书给定的相关指标。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、性价比高等特点。3.要设计一台完整的控制系统,在选择CPU之后,还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现,显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。第二章 机械传动系统设计一、导轨上移动部件的重量估计导轨上承载的部件包括连接板和光幕式传感器、螺母座,重量约为20N。二、直线滚动导轨副的计算与选型1. 滑块承受的工作载荷F的计算及型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的连接板水平布置,采用双导轨、两滑块的支承形式。由于垂直方向承载的载荷为:F=G/2其中,移动部件重量G=20N,得F=10N,选取直线滚动导轨副的型号为ZL系列的JSA-LG15型,已能远远满足要求。由于设计的在、Z向的行程范围为350mm,选连接板的尺寸为65mm140mm,按标准系列,选取导轨的长度为460mm。2距离额定寿命L的计算上述选取的ZL系列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1个滑块,精度为4级,工作速度较低,载荷不大。硬度系数=1.0、温度系数=1.00、接触系数=1、精度系数=0.9、载荷系数=1.5,得距离寿命:L=504740940800km远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求。三、滚珠丝杠螺母副的计算与选型1从静止加速到最大移动速度承受的载荷的计算本设计的最大移动速度为5000mm/min,初选电机加速时间为300ms,设加速为匀加速。由此可计算出加速度:a=0.277m/。丝杠所带动的移动部件包括滑块、连接板和光幕式传感器、螺母座、螺母、滚珠的重量总和约为30N。=ma=30.277=0.831N滚动导轨上的摩擦因数=0.005。得移动克服的摩擦力为:=G=300.005=0.15N=+1N2初选型号根据计算出的加速载荷,选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2005-3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20mm,导程为5mm,循环滚珠为3圈1列,精度等级取2级,额定动负载为9309N,远大于,满足要求。3传动效率的计算将公称直径=20mm,导程=5mm,代入=arctan/() ,得丝杠螺旋升角=433。将摩擦角=10,代入=tan/ tan(+),得传动效率=96.4。4刚度的验算(1)丝杠的支承采用“单推-单推”的方式,丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承,面对面组配,左、右支承的中心距离约为450mm;钢的弹性模量E=2.1MPa;查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-31,得滚珠直径=3.175mm,丝杠底径=16.2mm,丝杠截面积S=/4=206.12。丝杠在加速载荷作用下产生的拉/压变形量=a/(ES)= 0.00001155mm。(2)根据公式Z=/-3,求得单圈滚珠数Z=20;该型号丝杠为单螺母,滚珠的圈数列数为31,代入公式:=Z圈数列数,得滚珠总数量=60。丝杠预紧时,取轴向预紧力=/3=0.33N。则由式=0.0013=0.00003863mm。(3)将以上算出的和代入=+,求得丝杠总变形量0.00005018mm=0.05018m。本设计中丝杠的有效行程为350mm,由机电一体化系统设计课程设计指导书表3-27知,2级精度滚珠丝杠有效行程在315-400mm时,行程偏差允许达到25m,丝杠刚度远远满足。6压杆稳定性校核关系式Z(个)2450d=mZ2450=d+2m2652=d-21.25m21.547.5b=(610)m88a=37由于丝杠受到的轴向力很小,这里无需校核。四、确定齿轮减速箱已选定Z轴脉冲当量为=0.01mm/脉冲,滚珠丝杠的导程=5mm,初选步进电动机的步距角=1.5。传动比i为:i=()/(360)= (1.55)/(3600.01)=25/12在传动系统中应加一级齿轮降速传动,选=24,=50 因传递的扭矩较小,取模数m=1mm,为了消除齿轮侧隙,这里采用双片齿轮,这样齿宽b应为 (610)m,选小齿轮为8m,大齿轮为双片弹簧齿轮,都为4m。齿轮的有关尺寸如右表。C轴要求运动分辨率优于0.1,最大旋转速度为400r/min,由于分辨率较高,所以决定采用谐波减速器。所需谐波减速器应输出的力矩为:,为谐波减速器总输出惯量,为谐波减速器输出的最大角加速度,工件的最大转动惯量为=0.78L=0.7835=17.0625kg卡盘的最大转动惯量为=0.78L=0.785=39 kg法兰的最大转动惯量为=0.78L=0.781=7.8 kg=+=63.8625 kg=34.91rad/=0.2229Nm由于C轴起动用的是恒转矩起动,选择谐波减速器的原则是按照最高转速选用机型。输出轴最大转速要求为100r/min。所以决定采用北京谐波传动技术研究所生产的谐波减速器XB1系列40机型,减速比用48的。与之相关参数请查看去上述研究所网站。机型 空载静态启动力矩 (gfcm)飞轮矩GD2(kgfm2)转动惯量I(kgm2)XB1-40602002.3510-5 0.5910-5 机型d1d2DD1D2LL2L3L4L6HH1C出轴L3向下L出轴L4向上L电机D3直联L74015M58050661232238621(65)(65)5x18按电机型号确定机型减速比u 输入转速 3000 rpm输入转速 1500 rpm输入转速 1000 rpm输出力矩T2 N.m输出转速n2 rpm额定输入功率p kW输出力矩T2 N.m输出转速n2 rpm额定输入功率p kW输出力矩T2 N.m输出转速n2 rpm额定输入功率p kW40486580100 8.0101215 63463830 0.0810.0740.0730.073 8.0101217 31231915 0.0400.0370.0360.040 8.0101217 21151310 0.0270.0250.0240.027 五、 步进电动机的计算与选型1先确定Z轴有用步进电动机。(1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知:滚珠丝杠的公称直径=20mm,总长450mm,导程=5mm,材料密度=7.85kg/;移动部件总重力G=30N;小齿轮宽度=8mm,直径=24mm;大齿轮宽度=8mm,直径=50mm;传动比i=25/12。滚珠丝杠的转动惯量为:查综合作业指导书表3-25,得=0.840.45 kg=0.378 kg 移动部件折算到丝杠上的转动惯量为:=可查综合作业指导书表3-26得出=6.450.003 kg=0.01935kg、齿轮、的转动惯量(kg)对于钢材 J=0.78L式中 D圆柱体直径 L圆柱体长度=0.78=0.78 kg =0.021kg=0.78=0.78 kg=0.39 kg初选步进电动机型号为55BF003,为三相反应式,由常州宝马集团公司生产,三相六拍驱动时步距角为1.5,从机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量=0.06kg。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为:=+(+)+=0.06+0.021+(0.39+)+0.01935=0.06+ 0.20240544=0.26240544 kg(2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩为: =+ 为启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 为移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 为由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩(可以忽略) =式中 电机最大角加速度(rad/); 电机最大转速(r/min); 运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间(s)。令起动加速时间=300ms其他符号和前面意义相同,代入数据=2083.33r/min=0.74 Ncm =5.38Ncm= =G式中 导轨的摩擦力(N); G运动部件的总重量(N); 导轨摩擦系数;取0.005 i齿轮降速比; 传动链总效率,在此取0.8。=G=0.00530=0.15N=0.0072Ncm=+=5.38+0.00725.39Ncm (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,当输入电压降低时,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: 4=45.39 Ncm= 21.56 Ncm上述初选的步进电动机型号为55BF003,由机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5查得该型号电动机的最大静转矩=66 Ncm。可见,满足要求。(4)步进电动机的性能校核任务书给定最大移动速度v=5000mm/min,脉冲当量=0.01mm/脉冲,电机对应的运行频率为=5000/(600.01)Hz= 8333.33Hz。从机电一体化系统设计课程设计指导书表4-3、表4-7和55BF003电动机的运行矩频特性曲线图可以看出,55BF003电动机的空载运行频率可达18000Hz,可见没有超过这个界限。在此频率下,电动机的输出转矩9 Ncm,大于快速起动时的负载转矩,满足要求。已知电动机转轴上的总转动惯量=0.26240544 kg,电动机转子自身的转动惯量=0.06kg,查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-5可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率=1800Hz。则由式(4-17)可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为:=777Hz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于777Hz。实际上,在采用软件升降频时,起动频率选得很低,通常只有100Hz。综上所述,55BF003步进电动机,可以满足设计要求。技术参数:型号相数步距角(DEG.)电压(V)电流(A)保持转矩N.m( kg.cm)空载启动频率(HZ)运行频率(HZ)接线图备注55BF00331.5/32730.666(7)18001可供双轴伸外形安装尺寸:型号DD1hdELd2MS备注55BF00355320-0.0172.56-0.01-0.02220.570404-M3为了节省成本,配件应尽量选择一样,因此C轴电机初选55BF003步进电动机,(见综合作业指导书表3-23)采用三相双三拍驱动,步距角为3,由于谐波减速器的减速比为48,所以输出轴的分辨率为0.0625,优于0.1,满足要求。C轴的转速要求为100r/min。所以所需电机电机的运行频率为(100360)/(600.0625)= 9600Hz,小于55BF003步进电动机电动机的空载运行频率。满足要求。由所选的谐波减速器的相关参数可看出即使步进电机直接由最高转速起动,谐波减速器输出的转矩也能满足要求。但为了避免有冲击,还是采用低速起动高速运行的方法。五、直线光栅尺的选用本设计所选Z相步进电动机采用全闭环控制,可在导轨上固定标尺光栅,导轨块上固定光栅读数头,用以检测光幕式传感器的行程和移动速度。光栅尺的分辨力应与Z轴脉冲当量相匹配。由Z轴脉冲当量=0.01mm/脉冲和需要测量的行程为350mm。考虑到光栅输出的A、B相信号,可以送到四倍频电路进行电子四细分,和为了降低成本。因此,光栅的栅距选0.04mm。这样控制系统每发一个步进脉冲,丝杠每产生一个脉冲当量,光栅对应输出一个脉冲信号。本设计选择长春光机数显技术有限责任公司生产的SGC6T435025型号直线光栅:电压5V、方波输出、有效行程350mm、栅距25线/mm、精度为10m的直线光栅。采用YC-18-7,七芯插头。六、光幕式传感器的选用由于需要检查的工件最大直径为50mm,所以选择的光幕式传感器的发射器和接收器的距离应大于50mm,又考虑到工件装载方便,需留出余量,所以使发射器和接收器的距离为100mm,根据已知条件,决定采用沃尔士环控系统工程(深圳)有限公司出售的由德国生产的德国SI 光幕式红外光传感器 FLB系列 FLB-F2,详细信息:详细介绍:尺寸:各种供选(38mm300mm)发射器和接收器的最大距离:300mm滤光器: 冷光反射器 工作电压:+12VDC+32VDC 工作温度:-20C . +60C 在Windows上可调整的参数:开关指示(亮/暗)调整 、激光功率调整、开关延时调整、信号平均值、公差值范围设置、参考值范围设置输出:模拟量: 0 . +10V 数字量:NPN,PNP开关频率:1kHz开关指示:橙色LED材料:铝(电镀蓝色)保护等级:IP67由此可知满足本设计要求。第三章 微机数控系统硬件电路设计第一节 单片机数控系统硬件电路设计内容一、 绘制系统电气控制的结构框图根据总体方案及机械结构的控制要求,确定硬件电路的总体方案,绘制系统电气控制的结构框图。(1)数控系统的组成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,软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。(2)机床的硬件电路有以下五部分组成:1、 主控制器 即中央处理单元(CPU);2、 总线 包括数据总线(DB),地址总线(AB)和控制总线(CB);3、 存储器 包括程序存储器和数据存储器;4、 接口 即I/O输入/输出接口电路;5、 外围设备 如键盘、显示器及光电输入机等。绘制机床数控系统硬件框图图 4-1 机床数控系统硬件框图(开环系统)目前在经济型数控机床中,推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。由于其具有集成度高、可靠性好、功能强、抗干扰能力强、性能价格比高等特点,经过分析本次任务要求,决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。由于8031内部无程序存储器,且只有地址为007FH这128个单元作为片内RAM供用户使用。由于本次任务要求:微机部分扩展16k8位程序存储器,16k8位数据存储器;人机交互部分的输入接口采用4行8列的行列式键盘,输出接口采用8位8段LED数码管;2个行程限位信号(Z向直线运动单元)、工作方式(手动、自动、编辑等)及报警指示等采用开关量信号输入;电机控制部分采用软环分和高低压驱动,控制机床的两个运动单元,所以,RAM、ROM、I/O接口均需扩展。决定扩展两片2764、两片6264、一片8279、一片8255。1、不同型号的EPROM工作速度有差别,一般为200450ns,选择时应注意是否系统的时序要求。即8031所提供的读取时间应大于EPROM的工作时间。8031访问EPROM时,其所能提供的读取时间t与所选的晶体时钟有关,大约为3T,其中的T为时钟周期,本次设计系统选用晶体频率为6MHz,则t480ns故凡工作速度小于480ns的芯片在时序上均满足要求,所以2764满足要求。2、常用的静态RAM芯片有6116、6264、62256等,6264采用CMOS工艺,有+5V供电,典型存取时间为150200ns。所以6264满足要求,采用28引脚双列直插式扁平封装。由于单片机8031芯片的P0口分时传送低8位地址线和数据线,P2 口传送高8位地址,所以采用74LS 373地址锁存器,锁存低8位地址。单片机的P2口用作高位地址线和片选地址线,由于P2口具有锁存功能,故不必外加地址锁存器。2764和6264芯片均具有8KB,需要13根地址线。A0 A7 低8位相应接74LS 373的输出1Q8Q,A8 A12 相应接8031芯片的P2.0 P2.4 。由于扩展了两片2764、两片6264、一片8279、一片8255,所以系统采用全地址译码,两片2764芯片片选信号对应接74LS138译码器的0和1。两片6264芯片的片选信号对应接74LS138的2和3,单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址(即允许地址重叠),8031芯片控制信号接2764的引脚,读写控制信号和分别接6264芯片的和。由于8031芯片内部没有ROM,只能用外部程序存储器,所以必须接地。二、ROM、RAM、I/O接口芯片地址分配器件地址选择线片内地址单元/字节地址编辑2764(1)000x xxxx xxxx xxxx8K0000H1FFFH2764(2)001x xxxx xxxx xxxx8K2000H3FFFH6264(1)010x xxxx xxxx xxxx8K4000H5FFFH6264(2)011x xxxx xxxx xxxx8K6000H7FFFH82791001 1111 1111 111x29FFEH9FFFH82551011 1111 1111 11xx4BFFCHBFFFH三、软环分 课程设计任务书要求采用软环分,又因为两运动单元都选用了55BF003步进电动机,并且Z轴采用三相六拍的控制方式,C轴采用三相双三拍的控制方式。所以选用了8255的PA0PA2分别对应Z轴步进电动机的A、B、C三相绕组,确定A-AB-B-BC-C-CA-A为电动机正转; PA3PA5分别对应C轴步进电机的A、B、C三相绕组,并确定AB-BC-CA-AB为电动机正转。第二节I/O接口电路一、I/O接口电路的扩展由于8031只有P口和P口部分能提供用户作为I/O口使用,不能满足输入输出口的要求,因此系统扩展了一片8279和一片8255可编程I/O接口芯片。8279的片选信号接74LS138的4端。8255的片选信号接74LS138的5端。74LS138有三个输入A、B、C分别接到8031的P、P、P,输出8个输出,低电平有效。8279与键盘、显示器的连接:键盘的行线接8279的RLRL,本次设计8279采用外部译码方式,SLSL经74LS138(1)译码器输出,作为按键盘的列线,SLSL又由74LS138(2)译码器输出,经驱动后输出到显示器各位的共阴极,输出线OUTB、OUTA作为8位段数据输出口,控制74LS138(2)的译码,当位切换时,输出低电平,使74LS138(2)输出全为高电平,当键盘上出现有效的闭合健时,键输入数据自动的进入8279的FIFORAM,并向8031请求中断,8031响应中断,读取FIFORAM中的输入键值更新显示器输出,仅需改变8279种显示缓冲器RAM中的内容。8255的PA口用于控制Z向,C向的步进电机的运转。根据任务书要求采用软环分,于是PB口和PC口主要用于功能键的控制。第三节 所用芯片接线引脚介绍一、8031单片机芯片的介绍8031芯片具有40根引脚按其功能分为四类1.电源线2根(V,V)2.晶体振荡器2根XTAL:振荡器的反相放大器输入,使用外部振荡器时必须接地。XTAL:当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号3.I/O口 共用P,P,P,P四个八位口,32根地址线,其功能如下:(1)PP:分时用作低8位地址线和8位数据线。(2)PP:供用户使用。(3)PP:它作为高8位地址线(4)PP:该口的每一位均可独立的定义为第一I/O口或第二I/O口功能作为第一功能实用时,口结构与操作与P口完全相同。第二功能如下所示:外部数据存储器读选通 :外部数据存储器写选通T,T:定时器0,1外部输入 、:外部中断RxD:串行输入口 TxD:串行输出口4.控制线(1):程序存储器的使能引脚,是外部程序存储器的读选通信号;(2):为高电平时,CPU执行内部程序存储器的指令;为低电平时,CPU仅执行外部程序存储器的指令,8031的端口必须接地;(3)ALE:ALE是地址锁存器的使能信号,ALE信号锁存低8位地址(4)RST/VPD:是复位/备用电源端二、2764 ROM芯片的介绍2764芯片为28脚双列直插式扁平封装芯片,其管脚的功能介绍如下:片选端; :输出使能端 ; AA:地址端接口;DD:数据端接口;:编程控制端; V:编程电源端;V:电源端; V:接地。三、6264 RAM芯片的介绍6264芯片也为28脚双列直插式扁平封装芯片,其管脚功能介绍:V:电源端; V:接地。:片选端1; CS2:片选端2;:读输入选通端; :写输入选通端;AA:地址线;I/OI/O:I/O口。四、地址锁存器74LS373和地址译码器74LS138的引脚图五、专用键盘显示器接口芯片82798279是通用可编程键盘和显示器I/O接口部件。利用8279,可实现对键盘/显示器的自动扫描,并识别键盘上闭合健的键号,不仅可以大大节省CPU对键盘显示器的操作时间,从而减轻CPU的负担,而且显示稳定。程序简单,不会出现误动作,由于这些优点,8279芯片被日益广泛地应用,其引脚功能如下:(1)I/O控制器与数据缓冲器利用、A和、信号去控制各种内部寄存器读写,A=1,表示传送的是命令或状态信息,A=0时数据信息。DBDB与CPU数据总线相连。为片选信号,为低电平时,CPU才选中8279进行读写。(2)IRQ为中断请求输出线,高电平有效。(3)RLRL为反馈输入线,作为键输入线由内部拉高电阻拉成高电平,也可由按键拉成低电平。(4)SHIFT、CNTL/STB为控制键输入线,由内部拉高电阻拉成高电平。(5)SLSL为扫描输出线,用于对键盘显示器扫描。(6)OUTB,OUTA为显示段数据输出线。(7)为消隐输出线,低电平有效,当显示器切换时,或使用显示消隐命令时,将显示消隐。(8) RESET为复位输入线,高电平有效。六、8255可编程接口芯片:8255具有3个8位的并行I/O口,分别为PA口、PB口和PC口,它们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式,其功能如下:片选端; PAPA:A口; PBPB:B口; PCPC:C口A,A:地址线; :读信号; : 写信号; DD:数据线RESET:复位信号; GND:地。第四节辅助电路的设计一、辅助电路的介绍微机数控系统除了各种主要功能芯片外,还必须包括一些其他必要的辅助电路。这些辅助电路有:键盘显示器电路,步进电机控制电路,时钟电路,复位电路,越界报警电路,掉电保护电路等。各种电路介绍如下:1.键盘显示器接口电路数控系统中使用的显示器主要有:LED显示器,LCD和CRT显示器。本设计采用LED显示器,通常它是由八个发光二极管组成的,具有共阴极和共阳极两种结构,本次设计采用共阴极结构具体结构如图所示: 键盘是由若干按键组成的开关矩阵,它是最简单的单片机输入设备,其工作原理如图所示: 2.步进电机控制电路步进电机控制电路如下列框图所示:步进电机控制电路框图现分别介绍如下:(1)脉冲分配器(环形分配器)环形分配器有硬件和软件两种,硬件环形分配器需要的I/O口接线少,其执行速度快,但需要专有的芯片。软环形分配器实用程序实现的。本设计中要求使用软环分配器。其具体程序内容见下部分。(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。由于步进电机需要的驱动电压较高,电流也较大。如果将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行,重则导致计算机接口电路的损坏。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。电路图如图所示:光电隔离电路图该图为同向输出电路,控制信号经74LS05集电极开路门反相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不吸收电路,发光二极管不导通,从而输出的光敏晶体管截至,输入电压为零电平。反之输出电压为高电平。(3)功率放大电路脉冲分配器的输出功率很小,远不满足步进电机的要求,必须将它放大,已产生足够大的功率驱动步进电机正常运转,本次设计所选用的是一种高低压供电电路。其具体电路图如图所示。高低压驱动电路图其工作原理:电路中各晶体管均处在开关状态,当控制脉冲到来时,V、V、V均导通,同时脉冲变压器的二次侧产生一定宽度的脉冲电流,使V出于导通状态,使二极管处于负偏置而截止,将电动机绕组L与电源En断开,高压电源通过V2、 V1为步进电机绕组L供电,使其电流上升沿变陡,通过b时间后,脉冲电流消失,使V处于截至状态,切断高压电源EH与电动机绕组LA的回路,En通过VD2, V1为电动机供电,提供电动机所需的额定电流。 3.8031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。内部方式利用芯片内部振荡电路,本次设计采用内部方式,如图所示。晶体可在1.212MHz之间任选,耦合电容在530PF之间,对时钟有微调作用。时钟电路图4.复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现,在时钟电路工作后,只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平,单片机便实现状态复位,以后单片机便从0000H单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。下图中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RESET端保持10ms以上高电平,就能使单片机有效复位。复位电路图5.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。本次设计采用中断方式,利用8031的外部中断,只要有任一个行程开关闭合,即工作台在某一个方向越界,均能产生中断信号,为了报警,设置红绿灯指示,正常工作时绿灯亮,当越界报警是红灯亮。两灯均由一个I/O口输出。(a)为报警信号的产生。 (b)为报警指示。6.掉电保护电路掉电保护电路,保护一些重要的现场参数,如几何尺寸,工艺参数,再掉电后仍能妥善保存,恢复供电后又能马上运行。掉电保护电路图图中Va为电源电压,Vb为备用电池电压并且VaVb,V为存储器RAM电源端,正常通电时,二极管VD2导通,VD截止,电压由Va提供,同时Va还通过电阻R对电池充电。断电后,VD2截止,VD导通,此时RAM的工作电压由电池Vb经二极管VD1和电阻提供。第四章微机控制软件第一节 概述机床数控系统是由硬件和软件两大部分组成,只有软件和硬件相结合时才能实现数控机床控制系统的功能。本章主要是对控制软件做一下简要介绍,其次按设计要求完成一项环形分配器流程框图的绘制以及其源程序的编写。 第二节 控制软件组成及功能一、典型的计算机数控系统控制软件的组成形式如下图中所示:二、数控系统控制软件的功能介绍如下:(一)系统总控程序这是计算机数控系统的主循环程序,系统上电后便进入这部分程序运行,它主要完成以下工作:1:系统的初始化;2:命令处理循环(二)零件加工程序的输入和输出管理零件加工程序的输入有两种方法:1:通过光电阅读机输入。2:从键盘输入。零件程序存储器一般容量较大,可以存放多个零件加工程序。数控系统采用的零件加工方式是存储器工作方式,系统从零件存储器中逐段取出程序送入程序缓冲器。然后对程序缓冲器中程序段数据预处理,形成可供插补运算的数据。(三)零件加工程序的编辑编辑程序也可以看作键盘命令处理程序,既可以用来从键盘输入新的零件加工程序,也可以用来对已经存储在零件程序存储器中的零件加工程序进行编辑和修改。常用的编辑功能包括插入、删除、查找、移动等。(四)机床手动调整控制机床手动调整动作包括:各坐标轴的运动、主轴运动、刀架转位、冷却液的开停等。 在手动调整状态下,除了控制机床的动作外,还要对系统的参数进行修改设置。由上述内容可看出,手动调整的控制程序是一个对操作面板和键盘输入命令进行扫描的循环。它不断地读取操作面板和键盘的输入信息。分析识别输入的命令进形相应的处理。(五)零件加工程序的解释和执行零件加工程序的解释与执行是完成零件加工任务的基本模块,用来根据零件加工 程序实现零件的轨迹加工,一个加工程序段的解释执行,包括取得程序段,程序译码,完成程序段中指定的G、M、S、T功能。对轨迹加工类程序段进行数据预处理,插补计算,伺服控制等步骤。(六)插补计算插补程序是根据插补数学模型而编制的一种运算处理程序,它的作用是决定在所要求的进给长度上数控机床各坐标轴的运动规律,机床运动部件的每一次进给都需要执行一次插补程序。插补的频率是由程序所要求的进给速度所决定的。进给越快,插补频率越高。(七)伺服控制伺服控制程序是根据插补程序的结果,经适当计算直接输出去控制执行元件的动作。对于开环的步进电机的控制,主要完成脉冲分配和步进电动机的加减速控制。和插补计算一样,伺服控制也是由定时中断引起的,也常常作为定时中断服务程序的一部分出现或由定时中断服务程序调用(八)系统自检该程序检测计算机数控系统各个硬件部件功能的正确性。只是可能存在的故障的位置与性质。这样可以提高系统的可靠性。第三节 系统直线插补软件设计一、直线插补(一)第一象限插补轨迹如图所示:(二)、插补程序1.直线插补的程序框图如下: 2.插补程序此程序根据经济性数控车床硬件电路图编写,程序首先对芯片8255进行初始化,再用逐点比较法对第一象限直线进行插补程序设计。环行分配器是采用软环分配。程序如下:ORG 1000HLP: MOV SP,#60H 设置堆栈指针 MOV DPTR, #BFFFH 8255初始化,BFFFH为8255控制口地址 MOV A #8BH 控制字为8BH,(即10001011B)设置为A口输出,B口输入,C口输入 MOVX DPTR A MOV 4AH, #00H 偏差单元清零MOV 49H, #00H MOV 48H #01H 置Z向电机初态MOV 47H,#20H 置C向电机初态MOV A,4EH (低8位低8位)50HADD A,4CH MOV 50H,AMOV A,4DH (高8位高8位)50H ADDC A,4BHMOV 4FH,AMOV A,#21H Z向、C向电机上电MOX DPTR,# BFFCH 将控制字#21H送入8255芯片的A口MOVX DPTR,ALP1: MOV A,49H 将偏差值高8位AJB ACC7LP3 ACC7=1偏差值为负值,F0则跳转到子程序LP3,否则向下执行ACALL ZMP F0走一步ZCLR C 清进位MOV A,4AH 计算偏差F=MOV A,4CH MOV 4AH,AMOV A,49HSUBB A,4BHMOV 49H AACALL DLO 延时1msLP2:CLR CMOV A,50H 终判值减1,送到A,判断是否为0SUBB A,#01HMOV A,50HMOV A,4FHSUBB A,#00HMOV 4FH,AORL A,50HJNZ LP1 A不为0,转移到LP1再判断偏差值F的正负LJMP 0000HLP3:ACALL CMP F0,转入此程序,走一步C,CMP为C向电机正转子程序MOV A,4AH 计算新偏差F=ADD A,4EHMOV 4AH,AMOV A,49HADDC A,4DHMOV 49H,AACALL DLOSJMP LP2 转移至LP2,重新进行判终DLO:MOV R2,#02H 延时子程序D2:MOV R1,#7DHD1:DJNZ R1,D1DJNZ R2,D2RETZMP,CMP子程序略。致 谢 课程设计是高等教育机电一体化工程专业中本科阶段一个重要的实践性环节,同时是理论联系实际,解决生产实际问题的开始。在设计过程中遇到了许多问题,通过请教指导老师和同学,综合运用各种资料文献,问题基本解决。由于时间仓促及本人知识水平有限,许多不足之处希望评委老师提出意见,我将认真仔细听取建议,并将在以后设计做的更好。发现自己的知识远远不够,我应该继续学习,通过学习不断积累知识和完善自我。生命不息,奋斗不止,把握未来,就要牢牢把握一却继续学习的机会和条件,将学习进行到底。这次课程设计过程中,得到了肖定国、郝娟两位老师的精心指导,才得到能力的进一步提高,不足之处,请各位老师谅解。最后衷心感谢对我这次课程设计给予的帮助和指导! 2010年9月18日参考文献(1) 郝忠军、雷小玲编:综合作业指导书. 机械工业出版社(2) 尹志强编:机电一体化系统设计课程设计指导书.机械工业出版社(3) 2008机械设计手册软件(4) 赵长德、雷田玉编:微型计算机原理与接口技术.机械工业出版社(5) 丁洪生编 机械设计基础 机械工业出版社(6) 虞洪述、徐伯康编 机械制图 西安交通大学出版社(7) 林其俊编: 数控技术及应用 机械工业出版社(8) 董景新、赵长德编:机电一体化系统设计 机械工业出版社
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