数控技术课程设计(1).doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date数控技术课程设计(1)_x0001_课程设计课程名称： 数控技术课程设计 学 院：机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化姓 名： 学 号： 年 级： 09级 任课教师： 2013年1月12日-贵州大学本科课程设计诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的课程论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。课程论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学本科课程设计任务书学生信息学号090学院机械工程学院班级姓名专业机械设计制造及其自动化教师信息姓名职称学历教师信息姓名职称学历任务书发出时间2012年12月20日论文（设计）题目XY230数控工作台设计论文（设计）起止时间2012年12月31日2013年1月18日共需周数3主要内容:1、 结合设计任务的要求拟定总体机械和电气控制设计方案。2、 根据拟定的机械设计方案进行二坐标数控工作台的机械结构设计计算和元件的选用。3、 根据拟定的电气设计方案进行数控系统控制电路的框图设计及驱动控制电路的计算和元件选用。4、 根据指定要求进行有关软件的流程图设计。5、 对指定的软件程序进行编写。6、 进行机械结构的工程图和电气原理图的绘制。主要要求:1、 方案拟定正确。2、 设计计算根据来源可靠，计算数据准确无误。3、 元气件选用正确规范符合国家颁布标准。4、 机械结构图纸绘制视图完整、符合最新国家标准，图面整洁、质量高。5、 电气部份图纸要求符合国家标准，图面布局合理、整洁、质量高。6、 机械和电气部份图纸总量为 1.5 张“0”号图量，其中含机械装配图12张、电气控制原理框图及计算机I/O接口和驱动控制电路等电气原理图12张。7、 课程设计说明书应阐述整个设计内容：如课题来源现实意义、总体方案确定、系统框图分析、电气执行元件的选用说明、机械传动和驱动电路的设计计算以及机械和电气的其它部分。说明书要突出重点和特色，图文并茂、文字通畅、计算正确、字迹清晰、内容完整。说明书页数不少于 20 页预期目标:设计出合理的XY机床工作台部分、电气控制原理框图、驱动控制电路及指定软件设计，撰写不低于2000字左右设计论文，并附录相关资料及设计图纸。计划进程:序号计划时间进程112.311.2课题调研及资料收集，研究问题及提出初步总体方案21.31.4总体方案论证及确定31.51.9机械部分方案论证确定及计算41.101.15电气部分方案论证确定及设计51.161.17撰写论文及绘制相关图纸61.18答辩主要参考文献:1 马建民 等【著】机电一体化系统设计（修订版）.北京理工大学出版社，2012.52 邓星钟 等【著】机电传动控制（第四版）.华中科技大学出版社，2006.103 李诚人 等【著】现代机电控制系统.西北工业大学出版社，1999.114 戴曙 【编】金属切削机床.机械工业出版社，1993.55 张建刚 胡大泽 【编】数控技术.华中科技大学出版社，2000.16 李根硕 等【编】互换性与技术测量.中国计量出版社，2007.57 尹志强 【编】机电一体化系统设计课程设计.机械工业出版社XY 数控工作台设计数据说明 型号参数XY210XY230XY250导轨类型自定自定自定加速时间T0.1S0.2S0.3S台面以上最大重量30Kg40Kg50Kg工作台尺寸210*210230*230250*250滚珠丝杠螺距自定自定自定X坐标行程100mm150mm300mmY坐标行程80mm100mm120mm脉冲当量0.01mm/pluse0.01mm/pluse0.01mm/pluse定位精度0.04mm0.04mm0.04mm重复定位精度0.02mm0.02mm0.02mm工作台空载最快移动速度Vk1000 mm/min1200 mm/min1500 mm/min工作台进给最快移动速度400 mm/min400 mm/min400 mm/min步距角自定自定自定加工参数立铣刀最大直径D=15mm立铣刀齿数Z=3最大铣削宽度最大背吃刀量加工材料碳素钢或有色金属目录摘 要3第一章 前言41.1 XY数控工作台课程设计的主要内容41.2 XY数控工作台组成41.3 XY数控工作台设计的意义和目的4第二章 总体方案设计62.1设计任务的介绍62.2 XY数控工作台的总体设计62.2.1机械部件的选用72.2.2控制系统的设计10第三章 机械系统的设计113.1工作台上移动部件重量的初步估计113.2切削力的计算113.3直线式滚动导轨副的选型133.3.1导轨滑块的工作载荷的计算及导轨型号的选择133.3.2直线运动导轨的计算143.4滚珠丝杠螺母副的计算、选型及核算143.4.1 滚珠丝杠螺母副的计算143.4.2 滚珠丝杠螺母副初选型号153.4.3滚珠丝杠刚度校核163.4.4压杆稳定性核算173.5步进电动机的选择183.6 XY230数控工作台的润滑与防护19第四章 控制系统硬件设计204.1控制系统框图204.2 CPU的选择及其电路设计204.2.1 CPU的选择204.2.2 CPU电路的设计21第五章 控制系统的软件设计245.1管理模块程序设计245.1.1系统的初始化245.1.2零件程序的编辑和修改255.1.3诊断程序275.2控制程序的设计295.2.1插补程序295.3加工程序举例35参考文献37XY230数控工作台设计摘 要 XY230数控工作台系统是一个开环控制系统，其结构简单，成本低，实现方便而且能够保证一定的精度（几何精度、定位精度等），是微机控制技术最简单的应用。它充分的利用了微机的软件功能和硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围进一步扩大，精度和加工可靠性进一步得到提高。X-Y数控工作台控制系统是由8031单片机作为中央处理器、环形分配器及功放电路等硬件组成，在控制系统的硬件上下载入特定的程序以实现特定的加工功能。该控制系统采用软件中断控制系统与子程序，其结构简单、条件明确在经济型数控系统中应用较多。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。XY数控工作台机电系统采用步进电机作为驱动装置。本设计是：步进电机控制系统，微机控制原理、插补原理、汇编语言、绘图建模软件（如AutoCAD）、电气模拟软件等的综合应用。 具体设计步骤大概分为以下几部分：一、总体方案的确定；二、机械部分的设计；三、硬件部分的设计；四、软件部分的设计；五、总体设计图纸的绘制。关键字：数控技术，步进电机，微机控制，插补第一章 前言1.1 XY数控工作台课程设计的主要内容 本次设计的XY数控工作台机电系统设计要求采用软件控制硬件，实现十字工作台的单轴运动及联动插补运动，选用Intel公司的51系列单片机8031作为控制系统的CPU足可以满足要求,并用2764,6264存储器及8155芯片作为存储器和I/O口扩展芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上下载入特定的程序以实现特定的加工功能.其基本思想是：通过圆弧或者直线插补程序实现对零件进行几何加工，每进行一个脉冲当量的加工都需要产生一个脉冲以驱动电机正（反）转，同时通过8155 I/O口扩展芯片将相应的加工进刀信息送至刀架库中来实现相应的走刀，电机和刀具的相对运动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与子程序，其结构简单、条件明确在经济型数控系统中应用较多。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。XY数控工作台机电系统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。XY数控工作台是典型的机电一体化产品。本课程设计的基本内容有：总体方案的确定；机械部分的设计；硬件部分的设计；软件部分的设计；总体设计图纸的绘制。1.2 XY数控工作台组成 XY数控工作台的驱动电机选用步进电机，本设计采用开环控制，需要选择和计算主要机械传动部件，如滚珠丝杠螺母副、步进电机、导轨等，绘制工作台结构装配图，绘制单片机控制系统的硬件线路图。1.3 XY数控工作台设计的意义和目的 本次设计的XY数控工作台选用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠。工作台的工作原理是通过MCS-51系列单片机来控制步进电动机，使XY工作台实现数控控制。工作台的自动化很好的解决了复杂、精密、多变零件的加工问题、大大减轻劳动强度、提高劳动生产效率、提高加工精度、有利于向高级计算机控制与管理方面发展。本设计的XY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、制造成本低。通过对微机控制技术的简单应用来实现对数控机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。本次设计的XY工作台不仅可安装在铣床上进行数控铣削加工，而且还能够安装在钻床上进行数控钻削加工，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XY工作台的设计，能够正确运用单片机原理及应用、数控技术、机电一体化系统设计等课程的基本理论知识，学会机床加工设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算及校核；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，培养自己独立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进行XY数控工作台的设计，如何进行导轨、丝杠、电机的选用，并对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设计任务的介绍本次课程设计设计的XY230数控工作台的设计任务：设计一个X-Y数控工作台及其控制系统，该工作台安装在铣床上用于铣削加工。其基本参数如下：1. 导轨类型：自定2. 加速时间T:0.2s3. 台面上最大重量：40Kg4. 工作台尺寸：230x230（mmmm)5. 滚珠丝杠螺距：自定6. X坐标行程：100mm7. Y坐标行程：150mm8. 脉冲当量：0.01mm/pluse9. 定位精度：0.04mm10. 重复定位精度：0.02mm11. 工作台空载最快移动速度：1200mm/min12. 工作台进给最快移动速度：400mm/min13. 步距角：自定加工参数：立铣刀最大直径：D=15mm；立铣刀齿数：Z=3；最大铣削宽度：；最大背吃刀量：；每齿进给量为；加工材料：碳素钢或有色金属。2.2 XY数控工作台的总体设计系统总体结构框图如图2-1所示。图2-1系统总体结构框图2.2.1机械部件的选用 1、丝杠螺母副 (1)、丝杠螺母副的选择丝杠螺母机构又称螺旋传动机构，它主要用来将旋转运动转换为直线运动或将直线运动转换为旋转运动。丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低（30%40%）。滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，但其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92%98%）。一方面：从本次设计中所给出的数据要求看：脉冲当量：；定位精度：0.04mm；另一方面：从经济性方面看；本次课程设计更加适合选用滚动摩擦机构即滚珠丝杠副作为传动部件。滚珠丝杆副的传动精度高、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。(2)、丝杠螺母副传动形式的选择从十字工作台的传动原理来看，丝杠螺母副的传动形式为丝杆转动，螺母移动如图2-2所示。该传动形式需要限制螺母的转动，故需要安装导向装置。其特点是结构紧凑、丝杆刚性较好。图2-2 丝杠螺母副的传动形式 (3)、滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧滚珠丝杠在负载时，其滚珠与滚道接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回。这种空回是非连续的，既影响传动精度又影响系统的稳定性。本设计中要求的精度并不是很高，所以选择双螺母螺纹预紧调整式的调整方法如图2-3所示。其特点是机构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调节方便。图2-3 双螺母螺纹预紧调整式 （4）、滚珠丝杠支承方式的选择丝杠的轴承组合及轴承座以及其他零件的连接刚度不足，将严重影响滚珠丝杠副的传动精度和刚度，为了提高轴向刚度，常用以止推轴承为主的轴承组合来支承丝杠，当轴向载荷较小时，也可以使用角接触球轴承来支承丝杠。本设计中采用双推-双推的支承方式，如图2-4所示，两端分别安装止推轴承与深沟球轴承的组合，并施加预紧力，其轴向刚度高。图2-4 双推-双推式 2、导轨副的选择 导轨副的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。导轨副是工作台的重要部件之一，从某种意义上来讲它很大程度上决定工作台的刚度、导向精度、精度保持性及低速运动的平稳性等特性。目前存在的导轨大致分为：滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等。此设计的XY230数控工作台用于立式铣床，其要求的承载重量为40Kg，定位精度要求较高并且运动方向为直线，所以我们选择直线运动滚动导轨副。其特点是：摩擦系数小（0.0030.005）、运动灵活；动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，不易产生爬行现象；精度高、润滑方便。 3、伺服电机的选用本设计涉及到的机电一体化系统中选择动力用伺服电机：步进电动机。步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或者直线位移的机电执行元件。每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度就是所谓的步距角。控制输入脉冲的数量、频率及电动机各相绕组的接通次序，可以得到各种所需要的运行特性，如脉冲数增加，直线或者角位移就随之增加；脉冲频率升高，则电动机的旋转速度就升高；分配脉冲的相序改变后，电动机转动方向就会发生改变。本设计所要求的脉冲当量并没有达到微米级，并且要求定位精度也不高，空载时的最快移动速度也只是1200mm/min。为了提高系统的性价比，降低制造成本，降低产品的尺寸所以我们初步选择永磁（PM-Permanet Magnet）型步进电机。其具有的特点：励磁功率小、效率高、造价便宜。2.2.2控制系统的设计 1、伺服系统选择开环、半闭环还是闭环其中的一种，应根据要求的定位精度进行，本设计所要求的定位精度为0.04mm。查看机电一体化系统设计P28滚珠丝杠行程偏差和变动量表，可知有效行程在150mm内行程允差，4级（P4）丝杠为0.016mm，5级（P5)丝杠为0.023mm，因此本设计的XY230数控工作台考虑采用开环伺服控制系统。开环控制系统是不把控制对象的输出与输入进行比较的控制系统即系统没有检测反馈装置。计算机数控装置发出的指令脉冲信号是单向的，所以不存在系统不稳定的问题。指令发出后，经电动机的驱动电路驱动步进电动机，经齿轮传动副和丝杠传动副使工作台运动，没有被控对象运动的反馈。其运动精度主要取决于伺服系统的性能和传动副的精度。此设计的XY230数控工作台应用于立式数控铣床，其控制系统应该具有轮廓控制、直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型的开环系统。 2、对步进电动机驱动的开环伺服控制系统，应用MCS-51系列中的8031单片机足够满足本设计所提出的要求，而且其系统机构紧凑、硬件设计灵活、集成度高、可靠性好、功能强、速度快，特别是我们所选择的8031单片机构成的系统具有成本低、不需要特殊的开发手段等优点。3、在选择了中央处理器后，还需要光电隔离电路、步进功率放大电路来驱动步进电动机。第三章 机械系统的设计3.1工作台上移动部件重量的初步估计由于下层导轨及丝杠承受的力比上层导轨及丝杠所承受的力大，只对下层导轨及丝杠进行选择和校核。选铸铁作为导轨材料。工作台的尺寸为：230mm230mm、x坐标的行程为150mm、y坐标的行程为100mm、台面以上最大重量为40Kg，并将工作台看成一个立体的方形其实物结构如图3-1所示，总高为340mm、总长690mm、总宽650mm。做出初步的估计：下层导轨以上移动部件重量为G=900N。图3-1 数控工作台实物3.2切削力的计算本设计中所涉及到的工件为碳素钢，且加工方式为立式铣削，设所使用的刀具材料为硬质合金钢；由表3-1可知：表3-1硬质合金铣刀铣削力的计算公式铣刀类型工件材料铣削力计算公式面铣刀碳素钢灰铸铁可锻铸铁圆柱铣刀碳素钢灰铸铁三面刃铣刀碳素钢两面刃铣刀立铣刀立铣时切削力的计算公式为： （1）由本设计所给出的数据可知铣刀最大直径d=D=15mm，齿数Z=3，最大铣削宽度=15mm，背吃刀量=8mm，每齿进给量=0.1mm，铣刀转速n=300r/min。则由式（1）求得最大铣削力： 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-2查得，结合图3-2，考虑立铣时的情况，可估算三个不同方向的铣削力分别是：，。工作台受到垂直方向的铣削力；受到水平方向的铣削力分别是和。水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力，径向铣削力。则总的铣削力为：表3-2 各个铣削力之间的比值铣削条件比值对称铣削不对称铣削逆铣顺铣端铣削0.30.40.60.90.150.30.850.950.450.70.91.00.50.550.50.550.50.55 圆柱铣削1.01.20.80.90.20.30.750.80.350.400.350.4 圆柱铣削 不对称逆铣图3-2 圆柱铣刀不对称逆铣铣削力3.3直线式滚动导轨副的选型3.3.1导轨滑块的工作载荷的计算及导轨型号的选择直线滚动导轨副包括导轨条和滑块两个部分。导轨条通常为两根，装在支承件上。每根导轨条上安装有两个滑块。考虑到极限位置时的受力情况（极限位置时滑块承受整个重量和外力），这样的话，单个滑块所受的最大力为：根据工作最大载荷：，初选KL（四方向等载荷宽型，安装孔为螺孔）系列的导轨型号为JSA-LG20，其额定动载荷，额定静载荷。本课程设计中规定工作台尺寸为230mm×230mm,加工范围为150mm×100mm,考虑工作行程应留有一定余量，按标准长度系列有效工作行程为150mm，所以选取导轨的长度为340mm。如表3-3所示。表3-3 JSA型导轨长度系列3.3.2直线运动导轨的计算在本课程设计中选用滚动体为球的滚动导轨，球导轨的额定寿命定位50km。球导轨的滚动条接触的定导轨的硬度为60HRC。则：式中C为额定动载荷；为硬度系数取值为1.0；为温度系数当工作温度不超过时取值为1.0；为接触系数当每根导轨上安装有两个滑块时取值为0.81；为载荷/速度系数，无冲击振动，=11.5。 从计算结果来看寿命远超过额定寿命，所以导轨选择合理。3.4滚珠丝杠螺母副的计算、选型及核算3.4.1 滚珠丝杠螺母副的计算由3.2的计算我们知道，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杆轴线平行）,受到横向载荷（与丝杆轴线垂直），受到垂直方向载荷（与工作台面垂直）。 已知移动部件总重量G=900N，按燕尾形导轨进行计算，根据表3-3取颠覆力矩影响系数K=1.1，。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：表3-3 本设计要求的工作台在承受铣削力时的最快进给速度V=400mm/min，根据导程系列及公称导程的优先选用系列初选丝杠导程=5mm,则此时丝杠转速n=v/=80r/min。此十字工作台运用于数控机床所取滚珠丝杆的使用寿命T=15000h，代入,得丝杆寿命系数L=72（单位为：）。则作用于丝杠轴向最大动载荷为：式中：为载荷系数（平稳或轻度冲击时为1.01.2）取值为1.1、为硬度系数（HRC58时为1.0）球导轨的滚动条接触的定导轨的硬度为60HRC）取值为1.0。3.4.2 滚珠丝杠螺母副初选型号由以上计算出的最大动载荷和初选的丝杆导程，选择济宁博特精密丝杆制造有限公司生产的G系列2505-4型滚珠丝杆副，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4圈×1列，精度等级为5级，额定动载荷为11921N，大于,满足要求。表3-4 G GD系列滚珠丝杠参数3.4.3滚珠丝杠刚度校核滚珠丝杠在轴向作用下，将产生伸长或压缩，在扭矩的作用下将产生扭转而影响丝杠导程的变化，从而影响传动及定位精度，故应验算满载时的变形量。查表3-4可知滚珠直径，丝杠底径，则丝杆截面积，丝杠导程为，上下层均采用双推-双推，左、右支承中心距约为330mm。滚珠丝杠在工作负载F和扭矩M共同作用下，所引起的每一导程的变形量为： （2）式中 E为钢的弹性模量2.1）MPa S为丝杠的最小截面积 M为扭矩 I为丝杠的底径的截面惯性矩忽略式（2）中的第二项，算得丝杆在工作载荷作用下产生的拉/压变形量根据公式,求得单圈滚珠数Z=25；滚珠的圈数列数为41，代入公式：，得滚珠总数量。丝杆预紧时，取轴向预紧力.则由式，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量。 因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小为原来的一半，取2=0.00112mm。 求得总的变形量在本次设计中有效行程为150mm，当有效行程315mm时5级精度的允许行程变量为0.023mm，可见丝杠刚度足够。3.4.4压杆稳定性核算此设计中的X-Y数控工作台的x，y导轨采用双推-双推的支承方式，两端分别安装止推轴承和深沟球轴承的组合。实际承受载荷的能力为：式中为压杆稳定性的支承系数（双推-双推时为4）取值为4、E为钢的弹性模量2.1（MPa）I为丝杠小径的截面的惯性矩（）。由计算知>>所以此丝杠不会出现失稳现象。3.5步进电动机的选择 运用电动机直接连接丝杠的方式即传动比为1。由3.4.2知公称直径，导程=5mm，代入式，得丝杆螺旋升角。将摩擦角，代入式中得。因为电动机和丝杠直接相连（忽略联轴器的效率）。计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩为： 式中为等效到电动机轴上的等效转动惯量，为电机的最高转速，为电动机空载启动时的加速时间。 本设计给出的数据中要求脉冲当量为0.01mm/pluse。则： 根据最大加速转矩和步距角，查机电一体化系统设计p100表3-9永磁感应子式步进电机技术性能数据选择86BYG007-II;其步距角为0.72.空载启动频率为1900步/s，最大静转矩为0.22N.m。已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。当负载达到最大静转矩的1/2时实际启动频率为950Hz。则可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率： 上述说明，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446Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有（即100脉冲/s）。综上可知，我们所选择的步进电动机能够满足要求。3.6 XY230数控工作台的润滑与防护1.滚珠丝杠副的密封和润滑。滚珠丝杠副可用防尘密封圈或者防护套密封来防止灰尘及杂志的进入滚珠丝杠副，使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维持其传动精度、延长其使用寿命。选用非接触式密封圈，其通常由聚氯乙烯等塑料材料制成，内孔螺纹表面与丝杠螺纹略有间隙。采用脂润滑的润滑方式，润滑脂在装配时放进滚珠螺母滚道内定期润滑。防护套采用折叠式密封套。2.滚动导轨副。采用脂润滑，一次填装，长期使用。防护套的形式是伸缩挡板。第四章 控制系统硬件设计4.1控制系统框图 X-Y数控工作台控制系统的硬件设计框图如图4-1所示。功率放大光电隔离微机 步进 电动机 图4-1 硬件设计框图4.2 CPU的选择及其电路设计4.2.1 CPU的选择不同领域可选用不同品种、不同档次的微机。生产系统自动化、机床自动化、数控机床一般应用8位或16位微机系统，特别是控制系统与被控对象分离时，可使用单板机、多板机微机系统。像家用电器、商用产品，计算机一般装在产品内，故应采用单片机或微处理器。然而，这类产品处理速度不高、处理数据量不大、处理过程又不太复杂，故采用4位或8位微机。在要求很高的实时控制及复杂的过程控制、高速运算及大量数据处理等场合，如智能机器人、导航系统、信号处理系统应主要使用16位或32位微机。对于一般的工业控制设备及机电产品、汽车机电一体化控制、智能仪表、计算机外设控制、磅秤自动化、交通与能源管理等多采用8位机。换句话说，4位机常用于较简单、规模较小的系统（产品），16位与32位机64位机主要用于较复杂的大系统，8位机则用于中等规模的系统。由于单片机的迅速发展，它的功能更强、性能更完善，逐渐满足各种应用领域的要求，应用范围不断扩大，不但用于简单小系统，而且不断被复杂的大系统所采用。MCS-51系统结构紧凑，硬件设计简单灵活，特别是8031单片机以其构成系统的成本低及不需要特殊的开发手段等优点，在机电一体化系统中得到广泛应用。本设计中采用步进电机驱动的开环伺服控制系统，对步进电动机驱动的开环伺服控制系统，应用MCS-51系列中的8031单片机足够满足本设计所提出的要求。8031芯片各个引脚如图4-2所示。图4-2 8031引脚图4.2.2 驱动电路的设计 1、光电隔离电路的设计 光电隔离接口电路的作用：I、可将输入/输出两部分的供电电源和电路的地线分离。光电耦合输入、输出端之间绝缘电阻很大（10111013），寄生的电容很小（0.52pF），因而干扰信号很难从输入端反馈到输出端。II、可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有初级功率放大作用。III、提高对负载的驱动能力。可直接驱动光控晶闸管工作。8031芯片匹配的输入输出光电隔离接口电路的特点：P3口作为准双向接口，当P3输入口被拉成低电平时，可直接由TTL或MOS电路驱动；当外部信号为低电平时，P3可被拉成高电平直接与光电耦合器连接。与8031芯片匹配的输入输出光电隔离接口电路如图4-3所示。图4-3 光电隔离电路 2、环形脉冲分配器步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。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。本设计中采用小规模继集成电路搭接而成的四相八拍环形脉冲分配器。图4-4所示，图中、为双稳态触发器。图5-5 环形分配器3、 功率放大电路从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电动机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至几十安培，从而驱动步进电动机。本设计中选用单电压功率放大电路如图5-5所示。图中A、B、C、D分别为步进电机的四相，每相由一组放大器驱动。放大器输入端与环形脉冲分配器相连。在没有脉冲输入时，3DK4和3DD15功率放大器均截止。绕组中无电流，电动机不转。当脉冲依次加到A、B、C、D四个输入端时，四相放大器分别驱动不同的绕组，是电动机一步一步的转动。电路中与绕组并联的二极管VD分别起着续流的作用，即在功放管截止时，是储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。而与绕组串联的电阻R为限流电阻，限制通过绕组的电流不致超过其额定电流，以免电动机发热厉害被烧坏。图5-5 单电压功率放大电路第五章 控制系统的软件设计控制系统的软件的结构决定于控制装置中软件和硬件的分工，也取决于软件本身的工作性质。数控系统软件的设计包括两个部分，即管理软件的设计和控制软件的设计。如图5-1所示。管理软件一般又称监控软件，其作用是进行检测系统状态并提供基本操作管理；控制软件的作用是根据用户编制的加工程序，控制工作台运行。在软件设计中采用模块化技术，即各个功能对应一定的模块程序，数控系统整体功能能通过管理软件（主控模块）分析键盘命令或用户程序命令调用各个子模块来完成。 零件程序的输入/输出 管理软件 显示 诊断 系统软件 译码 刀具补偿 控制软件 速度补偿 插补运算 位置控制图5-1 数控装置软件的组成5.1管理模块程序设计管理程序要根据软件总体设计方案来安排，一般包括：系统的初始化，键盘分析与显示，数控程序读入，指令分析，编辑修改，系统诊断等。这些程序用来实现人机对话，系统的监控，指挥整个系统软件协调工作，使系统完成程序规定的功能。5.1.1系统的初始化数控系统上电后，系统的各个部分可能处于随机状态，必须用初始化程序自动地完成对CPU及其相关接口设置工作状态。对有关寄存器、存储单元设置初始值后，系统才能开始工作。初始化程序设计的一般过程如图5-2所示。上电启动CPU初始化 电机输出接口芯片初始化 定时、计数器初始化电机通电状态设置有关存储器设置初值设工作状态指定单元、控制字图5-2 初始化流程图5.1.2零件程序的编辑和修改当零件程序输入结束后，数据经输入处理程序存放到固定的数据区。为了保证输入数据的正确性，必须对数据进行检查，有错的则进行修改、删除或者插入等编辑工作。一般系统可以存储多个用户程序，每个程序前都加上一个程序号，以便编辑时检索。编辑修改程序由检索命令键启动后，输入需检索的程序号，这时编辑修改程序就在零件程序中检索该程序，并显示该程序，等待编辑修改。用检索键逐项检查程序，发现错误则进行修改，如删除、插入、改正、复制等工作。图5-3是编辑修改程序框图。 编辑修改子程序 键入要检索的程序号 键入编辑修改命令 Y 检查命令 检查下一条指令 N