经济型数控雕刻机控制系统设计学位论文.doc

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1、毕 业 设 计毕 业 设 计题题目目经济型数控雕刻机控制系统设计学学院院机械工程学院专专业业机械工程及自动化班班级级机自 0708学学生生王 建 亮学学号号20070403179指导教师指导教师门 秀 花二一一年五 月 二十九 日济南大学毕业设计-1-1前 言1.1 研究背景在 1908 年，以穿孔金属薄片的形式互换数据载体问世；在 19 世纪末，发明了以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统；在 1938 年，香农在美国麻省理工大学进行了快速的数据运算和传输，为现代计算机奠定了基础，也包括了计算机数字控制系统发展的基础。数控技术的发展是与机床控制密切结合发展起来的。1948 年，美国Parso

2、ns 公司最先提出了数控机床的构想。在 1952 年，第一台数控机床问世，这是一台三坐标数控立式铣，取名为“Numerical Control”，成为为世界机械迅速发展过程中的一件划时代的事件，为自动化的发展提供了有力的基础。1953 年，美国麻省理工大学经过几年的改进和对自动程序编制的研究，数控机床开始进入了实用阶段。1958年，美国 KEANEY&TRECKER 公司首次研制成功带有自动换刀装置的数控加工中心。一次装夹后可以实现钻、铣、攻丝、镗等多种加工。有效保证了对零部件加工的精度。在 1968 年，英国首次开发出柔性控制系统 FMS，即在计算机的控制下将多个无人搬运小车和多台数控机床及

3、自动仓库系统组成的自动加工系统。现在，数控技术也可以叫作计算机数控技术，目前它是采用计算机来实现数字程序控制技术。通过这种技术对设备的控制功能用计算机按事先存储好的的控制程序来执行，达到控制数控雕刻机的目的。当今，几乎所有的数控雕刻机的用硬件逻辑电路组成的数控装置都被计算机所替代，所以可以通过计算机软件把输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制功能来完成。传统雕刻是一门技术性要求很高的手工雕刻技术，传统雕刻出来的雕刻品的质量完全取决于人的的技艺水平，因此生产效率很低，成本也高，产品的随意性比较强，几乎没有一致性，因此严重制约了雕刻行业发展，所以发展雕刻机来提高生产效率成为必然。经济型数控

4、雕刻机的控制系统是数控雕刻机的控制核心，其控制功能的强弱、控制性能的好坏都直接与数控雕刻机的加工质量与加工效率有着直接的关系，对整个数控雕刻机的性价比及市场竞争力很重要。经济型数控雕刻机是在数控技术的基础上与传统的雕刻工艺相结合的面产生的，属于一种专用的数控机床。与普通的数控机床相比，数控雕刻机通过数控系统利用程序代码来完成数控雕刻机的动作，实现雕刻的自动化。与传统的雕刻想比，数控雕刻具有更高的生产效率、加工精度、失败率低等显著优点。随着计算机软件的发展，利用 CAD/CAM 等雕刻软件系统，雕刻加工的程序生成更加方便快捷。因此经济型数控雕刻机的发展成为当今世界雕刻机发展的主流，广泛的应用于机

5、械，广告等众多领域。济南大学毕业设计-2-本次经济型数控雕刻机控制系统设计采用单片机做控制系统，有效的减轻数控雕刻机的重量，降低了生产成本，可以很好的实现小型材料的雕刻，基本满足大部分用的要求，更好的面向大众化。1.2 我国数控雕刻机的发展现状及发展方向目前我国正处于重工业迅速发展阶段，我国工业对装备制造业有强很的需求，因些数控机床生产行业必须立足我国国情，结合实际进行创新迅速发展，我国的工业才得以健康稳定的发展。随着近年来我国制造业发展迅速，经济型数控雕刻机产业也得到了很好的发展机遇，有效地促进了我国数控雕刻机的生产和推广应用。我国经济型数控雕刻机行业在引进消化并吸收国外先进技术与设备及其制

6、造技术的基础上，已能够向全行业提供系列化的、各种档次的经济型数控雕刻机，为此行业的健康快速的发展奠定了基础。尤其是最近几年，通过模仿创新和集成创新以及自主研发，国内的经济型数控雕刻机设备发展迅速。由此那些传统的加工设备的性能与质量有了显著的提高甚至质的飞跃，同时，高端数控雕刻机的研发、制造水平有了很大的提高，取得了显著的成果。新涌现出的国产数控雕刻机能与国外数控雕刻机设备相媲美的也数不胜数。我国有了自主产权的高端数控雕刻机，打破了某些高端的数控雕刻机只能靠进口的局面。如今，中国已经能生产出绝大部分的数控雕刻机，并且价格与性能均能满足国内的一般的需求，并有一定数量的出口。这些数控雕刻机的生产成本

7、的大大降低，生产效率大幅提升，生产一线的操作人员的劳动强度也大大降低，产品型式的丰富多样，我国在数控雕刻机行业的竞争实力大大增强。最终，成功的数控产业化应该在数控机床的全国产化和市场占有率上来体现。在总体数控发展的大局中采取合理的发展思想，在国内市场上先占有一定的地位，最后达到在国际市场上稳定的发展。21 世纪里可持续发展是一个企业发展的重要战略，我国数控雕刻机产业也必须走可持续发展的道路才得到更大的发展。其中一个最重要的途径就是绿色。主要思想就是节约和清洁。因此要大力加强绿色数控机床的研发，加速促进小到数控产品大到数控产业甚至整个装备制造业的绿色化。1.3 毕业设计主要完成工作按设计参数通过

8、计算选择合适的零部件，设计一款经济型数控雕刻机，达到能够在重量轻的材料上雕刻小巧图案的目的。控制系统的总体目标是使雕刻机在运行期间保持稳定性，具有灵活性，满足工作要求。采用嵌入式微处理器设计软硬件平台，选择 8031 单片机等芯片，设计经济型数控雕刻机的控制系统，实现铣削、雕刻和钻孔等多种程序，进一步的提高我国数控济南大学毕业设计-3-雕刻机的性价比，以更好的控制性能及较低的价格来进一步提高我国经济型数控雕刻机产业在国际上的竞争力。并为经济型数控雕刻机最终的用户提高 产品质量与生产效率、降低生产成本提供有力的手段及数据。济南大学毕业设计-4-2 经济型数控雕刻机的设计2.1 设计的内容设计一台

9、经济型数控雕刻机，其设计的主要参数为：1)最大加工尺寸为 150150mm；2)Z、X、Y 轴导轨的重量分别为 200N、400N、800N；3)Z 向最大切削力 2000N,X、Y 向最大切削力为 1500N；4)伺服驱动使用步进电机。2.2 脉冲当量的选择适当选择加工精度为：纵向 0.01mm/步，横向 0.01mm/步。2.3 选择切削力查阅资料，适当选择切削力为：Fz=2000(N)(2.1)Fx=Fy=1500(N)(2.2)2.4滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选择2.4.1Z 向进给丝杆(1)计算进给牵引力Z 向进给为圆导轨Fm=(2Fmax+Fmin)/3(2.3)Fmax=KFf

10、+f(Fc+Fp+G)(2.4)Fmin=fG(2.5)NF29807802200)20010004000(15.020001.1maxNF3020015.0minNFm200033029802式中f 摩擦系数，f=0.15；G 工作台+工件质量K 颠覆力矩影响系数；一般取K=1.11.15Ff 最大的进给力；济南大学毕业设计-5-Fc 最大的切削力，可取fcFF2Fp 最大的背向力，可取610/60TnLav(2)计算最大的动载荷min)/(5065.06.010001000n0rLvs(2.6)7210240005060106066TnL(2.7)NC4.998420002.1723(2.

11、8)式中Lo滚珠丝杠导程，初选 Lo=6mm；Vs在最大切削力的情况下的进给速度，可以取最高进给速度的(1/21/3)；此处 Vs=0.6m/min;T 使用寿命，按 24000h；fw 运转系数，按一般运转情况，取 fw=1.21.5；L 寿命，以 106转为 1 个单位。(3)滚珠丝杠螺母副的选型查阅相关资料，可以采用 W1L2506 外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列 2.5 圈，其额定动载荷为 13100N，精度等级选 3 级。2.4.2 X 向进给丝杆向进给丝杆(1)计算进给牵引力 FmFmax=KFf+f(Fc+Fp+3G)=1.11500+0.15(3000+750+40

12、0=2272.5N(2.9)Fmin=fG=0.15400=60NFm=(2Fmax+Fmin)/3=(4545+60)/3=1515+20=1535N(2)计算最大动载荷 Cmin)/(5065.06.010001000n0rLvs(2.10)7210240005060106066TnL(2.11)03.766315352.1723C(2.12)(3)选择滚珠丝杠螺母副济南大学毕业设计-6-从手册中找出，W1L2005 1 列 2.5 圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额定动载荷为8800N，可以满足其要求，选定精度为 3 级。2.4.3 Y 向进给丝杆向进给丝杆(1)计算进给牵引力 FmFmax

13、=KFf+f(Fc+Fp+3G)=1.11500+0.15(3000+750+800)=2332.5(N)(2.13)Fmin=fG=0.15800=120NFm=(2Fmax+Fmin)/3=(22332.5+120)/3=1595N(2)计算最大动载荷 Cmin)/(5065.06.010001000n0rLvs(2.14)7210240005060106066TnL(2.15)NC6.796215952.1723(2.16)(3)选择滚珠丝杠螺母副型号从相关资料中可以找出，W1L2005 1 列 2.5 圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额定动载荷为 8800N，可以满足要求，选定精度 3 级

14、。2.5 电机的计算和选择2.5.1 主轴电机主轴电机根据相关公式与经验，对主轴电机进行选择。选取主轴电机：GRHZ70，其主要参数参照图 2.1图 2.1 主轴电机济南大学毕业设计-7-2.5.2 Z 轴步进电机的计算与选型轴步进电机的计算与选型(1)等效转动惯量的计算图 2.2 Z 轴进给系统计算简图计算简图如图 2.2，传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量)(2cmkgJ可以用以下式计算：20)2(LgWJJJSM(2.17)式中MJ 步进电机转子的转动惯量)(2cmkg；sJ 滚珠丝杠的转动惯量)(2cmkg；参考同类经济型数控雕刻机，初选国产反应式步进电机 110BF03，其转子的转

15、动惯量27.4cmkgJm7031.62205.21078.01078.04343LDJS(2.18)W=200N(2.19)把结果代入上式：5894.11)26.0(8.92002205.21078.07.4)2(24320LgWJJJSM(2.20)考虑到步进电机与传动系统惯量相匹配的问题。4055.05894.117.4JJm由结果可以看出，基本可以满足惯量匹配的要求。(2)电机力矩参数的计算经济型数控雕刻机在不同的工作况下，其所需要的转矩是不相同的，下面按各阶段分别进行计算：济南大学毕业设计-8-0maxMMMMfa起（2.21）2max2maxmax1060210260aaatnJt

16、nJJM（2.22）360maxmaxbpvn(2.23）将前面数据代入，式中各符号意义同前。min/125036075.0005.03000360maxmaxrvnbp（2.24）起动加速时间msta30cmNtnJMaa4266.5051003.060125025894.111060222maxmax（2.25）折算到电机轴上的摩擦力矩fM：cmNLFGfLFMzf2.4098.08.026.0)2000200(15.098.08.02)(221(2.26)附加摩擦力矩M：济南大学毕业设计-9-NLFLFMmP4.15)9.01(98.08.026.0200031)1(231)1(2220

17、210202100(2.27)以上三项结果合计：NMMMMfa0266.5614.152.404266.5050max起(2.28)(2)快速移动时所需要的力矩快M。6.554.152.400MMMf快（2.29）由上面计算结果可以看出，在起M和快M两种情况下，以快速空载起动所需要的力矩是最大的，用此项选为步进电机的初步的选择依据。表 2.1 步进电机启动转矩gM与最大静转矩maxjM关系步进电机三相四相五相六相36485106120.50.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866maxjgMM从表 2.1 可以查出，当步进电机为三相六拍时866.0max

18、jgMM(2.30)最大静力矩:cmNMMgj84.647866.00266.561max(2.31)按这个最大的静转矩为依据，从相关资料中查出，110BF003 型最大的静转矩为784cmN。大于所需最大静转矩。济南大学毕业设计-10-2.5.3 X 轴步进电机的计算与选型轴步进电机的计算与选型(1)等效转动惯量计算图 2.3 X 轴进给系统计算简图计算简图如图 2.3。传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量)(2cmkgJ可由下式计算：20)2(LgWJJJSM(2.32)式中MJ步进电机转子的转动惯量)(2cmkg；sJ滚珠丝杠的转动惯量)(2cmkg；参考同类的经济型数控雕刻机，初步选择

19、国产反应式步进电机 110BF03，其转子的转动惯量27.4cmkgJm2416.542021078.01078.04343LDJS(2.33)W=400N(2.34)代入上式：3143.10)26.0(8.940042021078.07.4)2(24320LgWJJJSM(2.35)考虑到步进电机与传动系统惯量的相匹配问题。4557.03143.107.4JJm根据计算结果可以看出基本满足惯量匹配的要求。(2)电机力矩计算经济型数控雕刻机在不同的工作情况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：0maxMMMMfa起（2.36）济南大学毕业设计-11-2max2maxmax106021026

20、0aaatnJtnJJM（2.37）360maxmaxbpvn(2.38）将前面数据代入，式中各符号意义同前。min/125036075.0005.03000360maxmaxrvnbp（2.39）起动加速时间msta30cmNtnJMaa818.4491003.060125023143.101060222maxmax（2.40）折算到电机轴上的摩擦力矩fM：cmNLFGfLFMzf7312.3498.08.026.0)1500400(15.098.08.02)(221(2.41)附加摩擦力矩M济南大学毕业设计-12-NLFLFMmP85.11)9.01(98.08.026.0153531)1

21、(231)1(2220210202100(2.42)上述三项合计：NMMMMfa3992.49685.117312.34818.4490max起(2.43)(3)快速移动时所需力矩快M。5812.4685.117312.340MMMf快（2.44）由上面的计算结果可以看出，起M和快M两种情况下，以快速空截起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。从表 2.1 可以查出，当步进电机为三相六拍时866.0maxjgMM(2.45)最大静力矩:cmNMMgj209.573866.03992.496max(2.46)按此最大静转矩从资料中查出，110BF003 型最大静转矩为 784cmN。大于

22、所需最大静转矩。2.5.4 Y 轴步进电机的计算与选型轴步进电机的计算与选型(1)等效转动惯量的计算济南大学毕业设计-13-图 2.4Y 轴进给系统计算简图计算简图如图 2.4。传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量)(2cmkgJ可以由以下公式计算：20)2(LgWJJJSM(2.47)式中MJ 步进电机转子转动惯量)(2cmkg；sJ 滚珠丝杠转动惯量)(2cmkg；参考同类机床，初选反应式步进电机 110BF03，其转子转动惯量27.4cmkgJm2416.54205.21078.01078.04343LDJS(2.48)W=800N(2.49)代入上式：6868.10)26.0(8.98

23、004205.21078.07.4)2(24320LgWJJJSM(2.50)考虑步进电机与传动系统惯量相匹配问题。43979.06868.107.4JJm基本满足惯量匹配的要求。(2)电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：0maxMMMMfa起（2.51）济南大学毕业设计-14-2max2maxmax1060210260aaatnJtnJJM（2.52）360maxmaxbpvn(2.53）将前面数据代入，式中各符号意义同前。min/125036075.0005.03000360maxmaxrvnbp（2.54）起动加速时间msta30cmNtnJMaa06.

24、4661003.060125026868.101060222maxmax（2.55）折算到电机轴上的摩擦力矩fM：cmNLFGfLFMzf043.4298.08.026.0)1500800(15.098.08.02)(221(2.56)附加摩擦力矩M济南大学毕业设计-15-NLFLFMmP31.12)9.01(98.08.026.0159531)1(231)1(2220210202100(2.57)上述三项合计：NMMMMfa413.52031.12043.4206.4660max起(2.58)(4)快速移动时所需力矩快M。353.5431.12043.420MMMf快（2.59）上面计算可以

25、看出，起M和快M两种情况下，以快速空截起动所需要的力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。从表 2-1 可以查出，当步进电机为三相六拍时866.0maxjgMM(2.60)最大静力矩:cmNMMgj9.600866.0413.520max(2.61)按此最大静转矩从资料中查出，110BF003 型最大静转矩为 784cmN。大于所需最大静转矩，可以满足设计的要求2.6 其它部件的选择根据相关公式与经验，对剩余分的其它部件进行选择。选取 Z 向轴承为 7005C；X 向轴承为 7004C；Y 向轴承为 7004C；Z 轴联轴器选择梅花形弹性联轴器 LM1；X轴及 Y 轴的联轴器选择梅花形弹性联轴

26、器 LM2；用 SOLIDWORKS 完成的后的经济型数控雕刻机三维模型如图 2.5 所示。济南大学毕业设计-16-图 2.5经济型数控雕刻机济南大学毕业设计-17-3 经济型数控雕刻机控制系统硬件电路设计3.1 MCS-51 系列单片机目前，经济型数控雕刻机的控制系统广泛采用美国 intel 公司生的 MCS-51 系列单片机。MCS-51 系列单片机的集成度很高，是集片内存储器，片内输入/输出部件和CPU 于一体的性能优良的单片机系统，这一系列单片机包括：8031，8051，8032 等，在我国已经广泛应用在了经济型数控设备的控制系统与其它相关领域。8031 片内因为无 ROM，所以适用于

27、需扩展 ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，所以本设计采用 8031 单片机。3.1.28031 单片机引脚及其功能单片机引脚及其功能8031 单片机引脚图如图 3.1 所示：图 3.18031 单片机引脚按其功能将引脚可以分为四类：1）电源线：2 根Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接到+5V。Vss：地电平2）晶振：2 根XTAL 与 XTAL23）I/O 口共有 P0、P1、P2、P3 四个 8 位口，32 根 I/O 线。4）控制线（1）/PSEN：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选难写信号，低电平 有效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周

28、期内二次有效。（2）/EA/VPP:/EA 为高电平时，CPU 执行内部 程序存储器的指令。/EA 为低电平时，CPU 仅执行外部程序存储器的指令。（3）ALLE/PROG：ALE 是地址锁存使能信号。3.1.3 中断系统中断系统MCS-51 系列单片机提供 5 个中断源。配备两个中断优先级。两个为 INT。，INT1济南大学毕业设计-18-输入外部中断请求，低电平有效，两个为片内定时/计数器 T0和 T1溢出中断请求 TF0和 TF1；一个为片内串行口中断请求 TI 的 RI。这些中断的引脚都为 P3口第二功能。对于每个中断可编程为高优先级或低优先级中断，并能实现二级中断嵌套。8031CPU

29、对于中断源开放以及优先级的控制是由特殊寄存器中的IE和IP寄存器来完成的。1.中断允许寄存器 IE8031CPU 用来控制对中断源的开放或屏蔽，其格式如下：EAESET1EX1ET0EX0EA中断总允许位。BA=1,CPU 允许中断；EA=0 禁止中断。ES串行口中断允许位。ES=1,CPU 允许串行口中断；“1”允许中断；“0”禁止中断。ET1,ET0定时/计数器 T0,T1溢出中断允许位。“1”允许中断；“0”禁止中断。EX1,EX0外部中断源 1，0 中断允许位，“1”允许 INTX中断，“0”禁止中断。2.中断优先级寄存器 IP8031CPU 用来决定各中断源为高优先级还是低优先级。其

30、格式如下：PSPT1PX1PT0PX0PS串行口中断优先级控制位，PS=1，刚串行口中断定义为高优先级中断。PT1、PT0定时/计数器中断优先级控制位，PTX=1,刚该定时器定义为高优先级中断。PX1、PX0外部中断源中断优先级控制位 PXx=1，刚该外部中断源定义为高优先级中断。3.2 存储器扩展电路设计8031 单片机特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，对于简单的应用场合，8031 单片机外加一片 EPROM 就能满足要求，对于复杂的应用场合，可利用 8031 的扩展功能，构成的系统功能强，规模大。MCS-51 的程序存储器有 64K 字节的寻址空间，8031 片内无 ROM，用 EPR

31、OM可以用作程序存储器。（1）常用的 ROM 芯片型号半导体 RPM 芯片常用的有：2716（2K8），2732A（4K8），2764（8K8），27128（16K8），27256（32K8）等。不同型号的 EPROM 工作速度也有差别，一般为 200450ns，选择时应注意芯片的工作速度是否满足系统时序的要求。本设计选择 27128（16K8）ROM，其引脚见图 3.2。济南大学毕业设计-19-图 3.227128 芯片引脚3.3 地址锁存器由于单片机 8031 芯片的 P0是分时传送低 8 位地址和数据线，故 8031 扩展系统中一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是 74LS373。

32、74LS373 是带三态缓冲输出的 8D 触发器，其引脚见图 3.3。图 3.3 74LS373 芯片引脚8031 与 EPROM 芯片的连接如图 3.4 所示。图 3.4 8031 与 74LS373 和 27128 的连接电路济南大学毕业设计-20-8031 与 74LS373 和 27128 的连接方法EPROM 低 8 位地址线 A0A7经地址锁存器与 8031P0口(P0.0P0.7)相连；EPROM高 8 位地址线 A8A15直接与 8031 的 P2口(P2.0P2.7)相连。由于 8031 的 P0口是分时输出低 8 位地址和数据。故要外接地址锁存器 74LS373，并由 CP

33、U 发出的地址允许锁存信号 ALE 的下降没将地址信息锁存入地址锁存器中。如外接存储器芯片片内有地址锁存器，则单片机 CPU 的 P0口可与存储器低 8 位地址线直连，但仍要将 CPU的 ALE 信号与存储器芯片 ALE 端相连，单片机的 P2口用作高位地址线及片选地址线。由于 P2口输出具有锁存的功能，所以不必外加地址锁存器。8031 单片机的 P0口 P0.0P0.7与存储器的 8 位数据线 D0D7数字对应相连接。8031 芯片的 PSEN 与 EPROM 芯片的 OE 相连接。8031 芯片的 EA 接地。3.4 数据存储器的扩展因 8031 的芯片内部 RAM 只有 128 字节，远

34、远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器 RAM。常用的 RAM 芯片：6116（2K8），6246（8K8），62256（32K8）等，本设计采用 6246 芯片。图 3.5 6246 芯片8031 与外部数据存储器芯片的连接单片机与数据存储器的加拉方法和与程序存储器加拉方法大致相同：3.5 译码电路设计8031 单片机允许扩展 64K 程序存储器和 64K 数据存储器，这样就需要扩展几个外围芯片，因而需要把外部地址空间分配给这些芯片。并且使程序存储器各芯片之间，数据存储器各芯片之间地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器时，避免发生冲济南大学毕业设计-21-突，当 8031 数据总线分

35、时地与各个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选，而当片内有多字节单元时，还要进行片内地址选择。3.5.1 MCS-51 单片机应用系统中的地址译码规则单片机应用系统中的地址译码规则(1)程序存储器与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 0000HFFFFH。这是因为 8031 地址总线宽度为 16 位，可直接寻址的范围只有 64K。这样编址方法也给编程带来方便，不必考虑地址重复，靠片选信号和控制信号：RD 和 WD 区分访问的对象。(2)外围 I/O 芯片与扩展数据存储器统一编址。外围 I/O 芯片不仅占用数据存储器地单元，而且使用数据存储器的读/写控制信号

36、与读/写指令。(3)CPU 在访问外部存储器时地址编码CPU P2口提供高 8 位地址，P0口经外部地址锁存器提供低 8 位地址3.5.2 地址译码方法地址译码方法(1)线选法(2)全地址译码除了 74LS138 以外，常用的译码器还有 74LS139，74LS156 及 Intel 公司的 8205。图 3.6 74LS1383.6I/O 接口电路及辅助电路设计8031 单片机共有四个 8 位并行 I/O 口，但可供用户作用的只有 P1口和部分 P3口，因此在大部分应用系统中都需要扩展 I/O 口芯片。常用的外围接口芯片有：8155：可编程的 RAM/IO 扩展接口电路（256 个 RAM

37、单元，2 个 8 位口，1 个 6位口，1 个 14 位的定时/计数器）。8255：可编程的通用并行接口电路（3 个 8 位口）。8243：4 个 4 位口 I/O。济南大学毕业设计-22-8253：3 个 16 位的可编程的定时/计数器。本设计采用 8155 单片机。（1）8155 单片机8155 引脚：图 3.78155 单片机（2）8155 工作方式设定8155I/O 口工作方式选择，通过对 8155 内部命令寄存器（命令口）设定命令控制字实现。（3）状态查询8155 还有一个阙云太寄存器，用于锁存 I/O 口和定时器当前状态，供 CPU 查询用。状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，命令

38、寄存器只能写入不能读出，而状态寄存器只能读出不能写入。所以可以认为，CPU 读该地址时，作为状态寄存器，读出的是当前 I/O 口和定时器的状态，而写该地址时，则作为命令寄存器对 I/O 工作方式的选择。（4）8155 定时功能8155 芯片内有一个 14 位减法计数器，可对输入脉冲进行减法计数。（5）8031 和 8155 的连接图 3.8 8155 与 8031 连接济南大学毕业设计-23-3.7 步进电机驱动电路的设计在本设计中，经济型数控雕刻机，采用步进电机开环控制。步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转变成相应的角位移的电动机，其位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲成正

39、比，通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速。驱动步进电机的脉冲需要求的顺序供给电机各相。本设计采用 110BF03 型步进电 机，为 三 相 六 拍。各 相 脉 冲 应 按 AABBBCCCA(正 转)或ACCCBBBAAAC(反转)顺序提供，脉冲分配器就是实现步进电机各相脉冲通电顺序的。为使步进电机正常运行并输出一定功率，需要有足够功率提供给电动机，因些需要有功率放大环节。脉冲分配器及前面的接口芯片，工作电平一般为5V，面作为电动机电源的需要符合步进电机要求的额定电压值。为避免强电对弱电的干扰，在它们之间采用隔离电路。3.7.1 脉冲分配器脉冲分配器脉冲分配器，分为硬件环形分配器和环形分配器两

40、种。1 硬件环形分配器硬件环形分配器是由门电路与很多逻辑电路组成，目前已经大量运用了可靠性高，外形尺寸小，使用方便的集成脉冲分配器。目前市场上国产 TTL 集成脉冲分配器有三相，四相，五相和六相，其型号分别为 YB013，YB014，YB015 及 YB016。(2)软件环形分配器在电路上软件环形分配器是微处理器中专门安排一个输出寄存器作为步进电机的控制寄存器，不需要分配专用芯片，步进电机的每一相绕组要与这个寄存器中某一指定位相对应。在电路上步进电机的每一绕组需和一个 I/O 口相连，所以会占用较多数量的 I/O 口。3.7.2 功率放大器功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远远的不能满足步进

41、电机的要求，必须利用功率放大大器将信号放大以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。随着运行频率的增高，步进电机输出力矩下降。作为功率放大器负载的步进电机是电感负载。当改变通电状态时，通电练级的电流将从零逐渐增大，该绕组中产生感应电热使电流按指数规律上升，并将电源一部分能量储存在绕组中。面断电练级电流是下降 的。这时顾念于绕组中的电热能将以电流形式释放出来，使电流按指数规律下降。如果严重的话，步进电机各相绕组电流会同时存在，导致步进电机负载能力下降，再严重时出现失步。济南大学毕业设计-24-为了提高步进电机动态特性必须改善电流波形，使电流前，后沿更陡些，可采用以下两个方法：电阻法和双电源法。3.

42、8 其它的辅助电路3.8.18031 的时钟电路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，在 XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，见图 3.9：图 3.9 震荡电路3.8.28031 的复位电路的复位电路8031 单片机的复位都是靠外部电路实现，只要在时钟电路工作后，在 RESET 引脚上出现 10ms 以上高电平，单片机便可以实现状态功能。以后单机便从 0000H 单元开始执行程序。图 3.10 复位电路3.9 经济型数控雕刻机雕刻功能的实现经济型数控雕刻机的机械结构与普通的雕刻机的机械结构差不多，主要是由 X轴和 Y 轴组成的联动工作

43、台及 Z 轴来控制刀具位置的构成三轴联动的运动系统。其中 X、Y、Z 三轴均采用步进电机作为驱动，通过梅花型连接丝杠螺母副，带动与其相连的滑块，实现刀具在 X、Y、Z 三轴方向上的联动。主轴电机则可能通过变频控制得到不同的转速。济南大学毕业设计-25-4 结论经过本次设计，设计过程中遇到相当多的问题与困难，最终基本上是解决了现实存在的问题，能够有效地提高生产效率，符合先进制造技术要求，符合了当今数控行业的发展需要。通过阅读了大量的资料、文献，并结合平时所学的专业知识，从机械结构设计和控制系统设计两个部分入手，对经济型数控雕刻机进行设计和创新，设计出了机械结构简单、合理，具有较高的性价比比较高的

44、数控雕刻机。使经济型数控雕刻机的设计结构更加的合理化，符合批量生产要求。这次的设计基本达到了预期的目的，采用单片机做控制系统，这样在提高生产效率的同时还保证了加工精度以及有效降低了加工成本，有效地减小加工误差，提高产品质量。此次的设计是否合理，还需要在实践中去不断验证改进。当然，再先进的技术也有自身的不足的地方，此设计也不例外，在导师和同学帮助下解决了一部分之外，还存在很多尚未解决的问题，这些问题只有在生产实践中逐步去解决。与实际相结合才能更好的发现问题去解决问题，毕竟每一个设计都要经过实践的考验，才会越来越完善。经过这几个月的紧张忙碌，毕业设计基本完成了，回顾这几个月的紧张的学习生活，自己付

45、出了很多，也收获了很多，还有意外收获。在设计中我查阅了机械工程制图、机械设计手册、单片机原理等许许多多我以前学过的课程，还查阅了关于制图标准和控制系统方面的许多资料。在这个过程中，我们既巩固了已理解的专业知识，又学到了许多以前没有领会甚至是没有学过的知识；而且，在设计过程中，我应用 CAD、SOLIDWORKS 等制图等软件绘制了机械部分的图纸和三维模型，用 Protel 99 SE 设计了硬件电路，这对我使用这些软件是一个很大的提升。现在想想，这几个月的生活，虽然辛苦，但看到自己每天都有所进步和提高，从心底里高兴。最后，我下一个不很确切的结论：本次设计是可以解决现实中所存在的生产效率低下，精

46、度不高，生产成本偏高的不足，更面向大众化，是一个比较成功比较先进的经济型数控雕刻机设计及其控制系统的设计。济南大学毕业设计-26-参 考 文 献1朱国力。基于 PC 的数控系统的研究现状和发展趋势J机械与电子，2005(1):81-85.2汤志斌。数控高速高精运动控制方法的研究J制造技术与机床,2003(3):483丁亮，尤波，于振中，等，USB-DSP 的开放式运动控制器开发J.电机与控制学报，2006，10(3)：278-2824刘健，毛辉，数控铣床的控制系统设计与分析J电子技术2010 年第 3 期5王青松，等。面向对象的计算机数控雕刻控制软件研制J.机电一体化，2000，（6）6杨红华

47、，数控机床技术发展现状J.湖南农机:学术版，2008（3）:188-1897唐英。现代数控机床高速发展的最新动向J.机床与液压，2007（3）：210-2118王隆太，先进制造技术M.北京：机械工业出版社，20059彭丹丹，高速高精度数控雕刻机控制技术的研究J合肥工业大学，2005 年9钱绍祥，基于 ARM 的三维雕刻机控制系统设计D江苏大学，2007 年10王爱玲，张吉堂，等，现代数控原理及控制系统J国防工业出版社，200511刘又午，数控机床误差补偿技术研究J中国机械工程，199812王侃夫，数控机床控制技术与系统J机械工业出版社，200713王成无，常国祥，等，开放式数控系统的发展现状及

48、其趋势J沈阳工业大学学报，200714 梁伟，王先，数控机床发展趋势J桂林航天工业高等专科学校学报，2010 年第2 期14赵春红，秦现生，等，基于 PC 的开放式数控系统研究J机械科学与技术，200515W.T.Lei,M.P.Sung,L.Y.Lin,J.J.Huang,Fast real-time NURBS pathinterpolation for CNC machine tools,International Journal of Machine Tools andManufacture 47(10)(2007)15301541.16A.H.Slocum,Precision Machine Design,Prentice-Hall,Englewood Cliffs,NJ,1992.