旋转钻床工作台的设计

2012届本科毕业论文（设计）题目：旋转钻床工作台的设计摘要 在机械加工行业中，旋转钻床工作台使用量很大，为了提高加工效率，保证加工精度，必须对钻床工作台进行数控化改进。本文对传统钻床工作台存在的不能很好的在圆周方向上钻孔问题，设计了一款立式钻床旋转工作台。本文确定数控钻床工作台整体结构设计方案，对机械部分对圆周方向上旋转，x、y方向上平移做了重点设计。对控制系统部分，本文阐述了用单片机控制交流伺服电机以实现钻床工作台旋转、平移过程。阐述了整个系统的控制原理。 本课题所设计的工作台，其加工过程是将所需加工孔的数据通过输入设备输入到控制系统，然后系统根据工件上锁需加工孔的坐标，是工作台运动照到孔的位置，实现对工件的全自动钻孔，并且系统在加工过程中实时显示加工数据。关键词：传动系统、控制系统、步进电动机AbstractIn the mechanical processing industries,rotary drilling machine working table used in large quantities,in order to improve the processing efficiency,ensuring the processing precision,to table of the drilling machine NC improvement.Based on traditional drilling machine working table problem,design a vertical drilling machine rotary table.Based on the domestic and intermational current situation and development trend undertook an anakysis,in determining the overall scheme,elaborated with SCM control ACservo motor to achieve drilling machine worktable rotation,translation process.The first running process of the CNC drilling designed by the subject,is to input the processing data about the hole into the control system by the entering equipment,then find the location of location of the hole by moving the table according to coordinate of the hole,and the procedding data of the system displayed in real-time.Key words: drive system,control system,stepping motor目 录1绪论11.1 现状11.2 发展前景12 工作台方案的设计22.1工作原理及总体框图22.2流程图23 旋转工作台传动系统设计33.1旋转部分设计33.1.1工作台箱体设计33.1.2传动比及参数确定43.1.3步进电机的选择53.1.4 轴的设计63.1.5轴承的选择83.1.6联轴器的选择83.2工作台X-Y机械部分设计93.2.1 确定工作台的尺寸极其重量93.2.2滚珠丝杠参数计算与选型113.2.3 滚动导程参数计算与选型113.2.4步进电机参数计算与选型123.2.5 支撑座参数设计143.2.6 联轴器的选择144 工作台控制系统设计154.1控制系统元器件的选择154.1.1单片机的选择154.1.2I/O接口芯片选择164.1.3译码器的选择174.2控制系统电路的设计184.2.1主控电路设计184.2.2 I/O接口电路设计194.3辅助电力路的设计194.3.1键盘显示接口电路204.3.2步进电机控制电路204.3.3脉冲分配214.3.4 驱动电路214.3.5光隔离电路224.3.6功率放大器和时钟电路224.3.7复位电路234.3.8越界报警电路234.3.9掉电保护电路245结束语266参考文献271绪论1.1 现状中国分度回转工作台产业发展出现的问题，许多情况不容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；生产要素决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大；企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。 从什么角度分析中国数控分度回转工作台产业的发展状况？以什么方式评价中国数控分度回转工作台产业的发展程度？中国数控分度回转工作台产业的发展定位和前景是什么？中国数控分度回转工作台产业发展与当前经济热点问题关联度如何.诸如此类，都是数控分度回转工作台发展必须面对和解决的问题-中国数控分度回转工作台产业发展已到了岔口；中国数控分度回转工作台产业生产企业急需发展方向。 中国数控分度回转工作台产业发展研究报告阐述了世界数控分度回转工作台产业的发展历程，分析了中国数控分度回转工作台产业发展现状与差距，开创性地提出了“新型数控分度回转工作台产业”及替代品产业概念，在此基础上，从四个维度即“以人为本”、科技创新、环境友好和面向为来准确地界定了“新型数控分度回转工作台产业”及替代产品的内涵。根据“新型数控分度回转工作台产业”及替代品的评价体系和量化指标体系，从全新的角度对中国数控分度回转工作台产业发展进行了推演和精确预测，在此基础上，对中国的行政和四大都是圈的数控分度回转工作台产业发展进行了全卖弄的研究。1.2 发展前景近几十年以来，各个跨国公司推动的产品全球化发展使得国际分工和国际贸易格局发生额改变，加工贸易成为全球化产业发展的要求。有跨国公司推动的加工贸易的发展，为发展中国家切入全球高新技术产业链条，实现产业升级提供了便捷路径。其中分度旋转工作台的运用得到了广泛推广，各种新型工作台不断被引进，同时我国也自主研制和开发了一批使用、高效行得分度宣战工作台、本次设计的意义是设计出一套结构简单、实用性强、精度系数比较高的自动分度旋转工作台，并能满足生产加工的需求。分度旋转工作台作为数控机床中的几个非常大的部分，研究其设计、制造过程是非常有实际要的工程应用价值。数控工作台的应用非常多，而数控工作台像自动分度旋转工作台的研究必然有着其实际的意义。2 工作台方案的设计2.1工作原理及总体框图 工作台工作原理采用单片机控制步进电机带动工作台的旋转和平移，通过键盘和显示屏幕发送指令给单片机，控制脉冲分配器向步进电机发送脉冲，步进电机带动蜗轮蜗杆传动，从而实现工作台的旋转运动。工作台总体框图见图2.1654312 图2.1工作台总体框图1-步进电机 2-燕尾导轨槽 3-固定端轴承座 4-蜗杆 5-旋转工作台 6-丝杠 2.2流程图通过键盘输入信息到控制系统，单片机控制器向伺服驱动器发动器发出控制信号，通过驱动器驱动电机按要求工作以完成动作。I/O接口电路单片机驱动器电动机电动机电动机X向平移Y向平移旋转运动键盘显示器 图2.2 工作台流程图3 旋转工作台传动系统设计3.1旋转部分设计工作台箱体设计自动分度旋转工作台箱体起着支撑并包容各种传动零件，如齿轮、轴、轴承等，使它们能够正常运动关和达到相关的运动精度。箱体还可以通过润滑剂来实现各种零件的润滑、安全保护和密封作用，使箱体内的零件少受外界环境的影响，又可以保护操作员的人生安全，并有一定隔振、隔热作用。分度旋转工作台是机械加工中常用的机床附件，因此尺寸不易过大，必须能配合机床的使用。自动分度旋转工作台尺寸：长*宽*高 550*500*160 工作台右端盖部分尺寸：长*宽*高 240*50*160蜗杆箱体及钻台如下图所示：工作台蜗杆涡轮步进电机图2.2旋转工作台箱体图图2.2旋转工作台传动比及参数确定（1）传动比设定系统要实现的参数：工作台旋转速度最大为20度/秒，工作台分度精度0.25.总传动比为各级传动比i1,i2乘积，即i=i1*i2 （3.1）分配总传动比是设计中的重要问题。传动比分配得合理，可实现降低成本和结构紧凑的目的；也可以使传动零件获得较低的圆周速度以减小动载荷或降低传动精度等级；要同时达到所有要求比较困难，因此应按设计要求考虑传动比分配方案，以满足要求。 为了保证工作台分度精度，传动比需要很大，同时为了保证结构尺寸，将蜗杆传动比设定在120，齿轮传动比设定为3，即传动系统的总传动比为360.（2）最大旋转速度 工作台的最大旋转速度为20度/秒；即涡轮工作台=20rad/s （3.2）n涡轮=涡轮/360。=20/360=1/18r/s （3.3） 根据系统总传动比为360，可得n电机=n涡轮*360=(1/18)*360=20r/s （3.4）（3）分度精度工作台的分度精度是通过步进电机的转速和系统地总传动比来确定，工作台分度精度为0.25度，即涡轮最小的转动单位为0.25度，系统的总传动比为360，即可得步进电机的最小分度精度为90度，即步进电机的每次旋转的度数为90度的倍数。步进电机的选择选择步进电动机包括型号、结构、步距角、功率和转速，并在查出其尺寸和型号。步进电动机由步进电动机本体，步进电动机控制器及步进电动机驱动器组成 选择步进电动机时候，要想得到工作台所需的脉冲当量，首先要保证步进电动机的输出功率大于负载所需要的功率。在此要计算机械系统地负载转矩，保证电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量。在实际工作过程中，各种频率下的负载必须在矩频特性曲线范围内，并保证步矩角和机械系统匹配。（1） 步进电机启动力矩计算步进电机选用三相步进电动机，初选不进电动机步矩角b=3度。设步进电机等效负载力矩为T,负载力为P，根据能量守恒原理，电机做的功与负载力做的功关系如下：T=PS （3.5）式中 电机转角； S 转动部件的相应位移； 机械传动效率。 若取=b,则S=b，且P=Pz+(G+W2),所以T=Pz+(G+W) （3.6）式中 G转动部件负载，N; W转动部件重量，N; PZ与中立方向一致的作用在转动部件上的负载力，N; 摩擦系数； b步进电机步矩角，rad; T电机轴负载力矩，Ncm. 取=0.03，=0.96，PZ=500N。 W=R23010-37.810-2=325N （3.7） G=R27010-37.810-2=1075N （3.8）可求得 T=(500+42) 5N.m （3.9） 不考虑启动时运动部件的惯性影响，启动力矩为 Tm=T/(0.3 0.5)=10N.m(取安全系数0.5) （3.10）步进电机为三相六拍的电机 Tmax=11.6N.m （3.11）（2） 步进电机最大转速根据工作台的最大转速n工作台=r/s与系统总传动比i=360,可得 n电机=20r/s=1200r/min （3.12）所以，不进电机的现在最大转速 nmax电机n电机=1200r/min （3.13）（3） 步进电机最大频率 根据不进电机的步矩角b=3与步进电机最大转速n电机=20r/s,可得 f电机=20120=2400step/s （3.14）所以步进电机选择最高的频率 fmax电机f电机=2400step/s （3.15）（4） 步进电机型号 由于步进电机步矩角b=3，步进电机最高转速nmax电机1200r/min，步进电机最高频率fmax电机2400step/s，步进电机最大转矩Tmax=11.6N.m,选择的步进电机型号参数如下表3-1所示。 表1步进电机参数型号 主要技术参数外形尺寸/mm重量/(KN)步矩角/()保持转矩相数电压/V电流/A外径长度轴径130BC310031232731001682210 轴的设计轴是支撑转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。轴各段有直径不同。按轴线形状的不同，轴可以分为曲轴和直轴两类。轴的工作能力由强度和刚度决定，在转速高时又取于振动稳定性。影响轴的结构形状因素有载荷的大小、方向、性质及其分布状态，轴上零件的数量及安装位置、定位方法。（1）蜗杆轴的设计 轴的结构设计要确定轴的外形和结构尺寸。设计时要满足节约材料、易于定位减少应力集中、和便于加工等条件。 本次设计的轴用于传递扭矩，通过齿轮副到蜗轮蜗杆，不需要承受外距，所以用到的为传动轴。考虑到轴的材料的经济性，碳素钢对应力集中的敏感性较小，而且使用广泛，一般使用45碳素钢；本次设计选用轴的材料为正火处理的45钢。30354032Fr1Fr2 图3.1 轴的受力图（2）蜗杆轴的计算 蜗杆上的承受力： 轴向力Fa1=Ft2=2T2/d2=25360103/420=8572.4N（3.16） 径向力Fr1=Ft2tant=3120.1N （3.17） 圆周力Ft1=Ft2tan=714.3N （3.18） 大齿轮上轴受力： 圆周力Ft2=2T2/d2=333.3N （3.19） 径向力Fr2=Ft2tant=121.3N （3.20）根据结构上的考虑及轴上零件的布置给出支撑间跨距l=181mm,蜗杆中央在面至左支承的距离l1=110mm,大齿轮中央截面距离右支撑的距离l2=90mm, 如上图3.1由图可知，Fa1产生的力矩为： Mx1=Fa.d1/2=150017N.mm （3.21） 根据给定条件作轴在xoy平面的受力图，分别对支撑点1及2取矩可求得xoy平面的支反力 FR1=Fr1=(l-l1-l2)+Fr2l2+Mx1/l=1576.4N （3.22） FR2=Fr1l1+Fr2l+Mx1/l=1765.3N （3.23） MR1=FR1=173404N.mm （3.24） MMR2=FR2l2=158877N.mm （3.25） MX=Mr1-MX1=23387N.mm （3.26）可以求得d26所以蜗杆轴最小直径d1=30mmd=25mm蜗杆图如下：图3.2蜗杆轴承的选择滚动轴承是依靠主要元件的滚动接触支撑转动零件的应用部件之一。与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。在此选型后要考虑验算轴承的承载能力以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。（1）轴承的类型本次设计中要采用的是滚动轴承。滚动轴承是标准件，应用广泛，安装、维修方便，价格也比较便宜。滚动轴承主要由内圈、外圈、滚动体和保持架组成，内圈分别与轴颈及轴承座孔装配在一起。本次设计中齿轮传动采用的是直齿圆柱齿轮传动，无轴向力存在，所以轴承选用主要考虑的是蜗杆传动。考虑到电动刀架工作时转速很高，并且是不间断工作，稳定也高。故采用油润滑，转速越高，应采用粘度越低的润滑油；载荷越大，应选用粘度越高的。联轴器的选择联轴器是用来联接不同机构中的两根轴使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减震和提高轴系动态性能的作用。 联轴器选择时应根据工作要求选定合适的类型，然后按照轴的直径计算扭矩和转速，再从有关手册中查出使用的型号，最后对某些关键零件做必要的验算。（1）联轴器的类型 联轴器总类繁多，按照被链接的两周的相对位置和位置的变动情况，可以分为固定式联轴器和可移式联轴器。本次联轴器使用在小齿轮所在的轴与练级的联接。考虑到两轴能严格对中并在工作中不发生相对位移，联轴器可选用刚性联轴器中的有凸缘联轴器。（2）联轴器的尺寸 联轴器的类型为有对中环凸缘联轴器GYH。根据电机转速n电机=1200r/min,电机的最大转矩Tmax=11.6N.m，而小齿轮所在的轴d=22mm,电机轴径d电机=22mm,根据凸缘联轴器参数表选得对中环凸缘联轴器型号为GYH2 5238/2222。3.2工作台X-Y机械部分设计 机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择等。 确定工作台的尺寸极其重量图3.3X向托板图3.4Y向托板 根据设计要求初选旋转工作台尺寸为550500160,。考虑到加工时工作台受到冲击和振动，所以选工作台材料是密度为7.2103kg/m3的灰铸铁HT150，(取g=10N/kg)。旋转工作台的质量： m1=0.550.50.167.2103=316kg （3.27）X向拖板与Y向拖板所谓材料为HT150，尺寸为： 长宽高=500mm500mm80mm, （3.28）上、下拖板总质量为： m2=20.50.50.087.2103=288kg （3.29）初步取导轨座尺寸为： 长宽高=800mm500mm120mm （3.30）则其质量为： m3=0.80.50.127.2103=345kg （3.31）旋转工作台右端盖质量： m4=0.240.050.167.2103=13.8kg （3.32）工作台总质量为： m=m1+m2+m3+m4=963kg （3.33）考虑到夹具、电动机等其他因素，取m总=1000kg。附图如下：滚珠丝杠参数计算与选型图3.5丝杠 初选丝杠材质：CrMnTi钢，HRC5662，导程：p=5mm(1)求出螺旋传动的计算载荷FcFC=FEKHKLFm其中，KE为载荷系数，取1.5； KH为硬度系数，取1.0； KL为精度系数，取1.0； Fm为丝杠工作时的轴向压力，Fm=m总g=40N。 FC=1.51.01.040=60N； （3.34）（2）确定动载荷及寿命计算 初步确定滚珠丝杠的规格型号，选择的滚珠丝杠杆副的额定动载荷Ca必须大于其计算值： CaCa= （3.35）其中：Ca额定动载荷（N）；nm螺杆的平均转速，取100r/min Lh运转寿命（h）;F螺旋传动的计算载荷（N）。假设滚动丝杠能工作6年，每年365天，每天工作8小时，则 Lh=63658=17520h （3.36） 代入数据得： Ca=1123N查滚珠丝杠型号表可知：选SFU2005-4，其公称直径为25mm,导程为5mm，动载荷分别问1130N和2380N。 滚动导程参数计算与选型（1）计算导轨的工作寿命Th,要求寿命不低于5年； 设一天工作8小时，一年365天，工作6年，则 Th=63658=17520h （3.37）（2）计算导轨行程长度寿命Ts=2ThLsn/1000 其中，Ls=单程行程（取0.5m），n为每分钟往复次数（取6次/分钟） Ts=2175200.5660/1000=6307km （3.38）（3）计算导轨的额定动载荷Cn（N） 因钻床的切削力F钻大概是工作台重的1-1.2倍，所以 F钻=1.2m1g=1.231610=3792N （3.39） 设每根导轨上游2块滑块，每个滑座承受的工作载荷为F，则 F=3356N （3.40） 可由此求得： TS=6.25Ca=33560N33.6KN （3.41） (4)根据额定动载荷Ca确定滚动导轨的型号及结构尺寸 根据CaCa原则，查型号表可选导轨型号为LG20KL.步进电机参数计算与选型 由机床精度要求确定脉冲当量及步矩角：=360/p。脉冲当量是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的定位精度，由于定位精度为0.02mm，因此选择脉冲当量为0.01mm，则步矩角为： =360/p=0.72 （3.42）（1） 电机轴上的总当量负载转动惯量的计算 J总J1+J2+J转 （3.43） 丝杠的转动惯量 J1=（kgm2） （3.44） 其中，为丝杠密度取7.8103m3,，d为丝杠的等效直径（m），l为丝杠长度（m）。 d=16103mm l=0.6m （3.45）可得： J1=0.3010-4（kgm2） （3.46）工作台、工件、夹具、支撑坐等折算到电机轴上的转动惯量： J2=()2m总10-6=2.2210-4（kgm2） （3.47）其中，m总为总的质量（kg），p为丝杠导程（mm）电机转子的转动惯量小得场合，可忽略不计。 所以， J总= J1 +J2=2.5210-4（kgm2） （3.48）（2） 电机轴转矩的计算 空载启动时，电机轴上的惯性转矩： Tj=J总 （3.49） 其中，t为电机加速时间（s）,p为丝杠导程（m）,Vmax为工作台快进速度（m/s），为传动比 t=0.1s，p=0.05m ，Vmax=3.6m/s =1 则，Tj= J总=0.19(Nm) （3.50） 电机轴上的当量摩擦转矩（工作台及工件重量引起） T=Fm （3.51）为伺服传动链的总效率，可取0.8，则 T=0.014（Nm） （3.52） 因丝杠副预紧力引起的电机轴上的附加摩擦转矩 设预紧力为最大轴向载荷的1/3，则 T0=（1-02） （3.53） 0为滚珠丝杠螺母副未预紧时的传动效率（取0.9），则 T0=8.8210-4（Nm） （3.54） 空载启动时电机轴上的最大静转矩：Tq=Tj+T+T0=0.19+0.014+8.82410-4=0.20（Nm） 所选取的步进电机的最大静转矩Ts需满足Ts0.23 （3.55） 步进电机选型时，必须同时满足转动惯量及静转矩的要求，即应进行惯量匹配验算： 1（Jm为锁选电机的转动惯量） （3.56） 1 （3.57） 最大静转矩：Tq=0.233.0Nm （3.58） 步进电机的最大运行频率ff= （3.59）f=6000HZ=6KHZ20KHZ （3.60） 所以，所选的型号为90BYG5520的步进电机合适。 支撑座参数设计 设计滚珠丝杠的支撑的安装采用固定-支撑式的一端装深沟球轴承。 根据滚珠丝杠的公称直径为16mm，因此我选择固定端的轴承内径为12mm,支持端的轴承内径为12mm。考虑到防尘问题，所以选用两面带防尘盖型的轴承。因此，固定端支撑座与轴承装配的尺寸为32mm，支撑端支撑座与轴承的搭配尺寸为32mm。 固定端轴承座外形如下图4.1：图4.1固定端轴承 联轴器的选择 因为梅花联轴器具有高扭转刚性和卓越灵敏度，可吸收偏角、偏心、轴向偏差和振动，所以伺服电机与丝杠之间的联接选用梅花联轴器联接。图4.3梅花联轴器根据步进电机的主轴直径为14mm,滚珠丝杠前端直径为10mm，联轴器可选的型号为：G6-60T,其外径为30mm，两端孔径分别为14mm，10mm。4 工作台控制系统设计4.1控制系统元器件的选择单片机的选择 考虑到本次设计所用的功能和经济性，选用ATMEL的AT89C55单片机。在AT89C55单片机是一种低功耗，高性能CMOS 8位单片机具有20K字节的闪存和擦除可编程只读储存器。AT89C55单片机提供以下标准功能：闪存，256内存，32个I/O线，3个字节，16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，一个全双工串行口，偏上振荡器，时钟电路。AT89C55单片机芯片引脚如下图：1 402 393 384 375 366 357 348 339 3210 3111 3012 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 21(T2) P1.0(T2 EX)P1.1 P1.2 P1.3 P1.4P1.5P1.6P1.7RST(RXD) P3.0(TXD) P3.1(INT0) P3.2(INT1) P3.3(T0) P3.4(T1) P3.5(WR) P3.6(RD) P3.7XTAL2XTAL1GNDVccP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)EA/VPPALR/PROGPSENP2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)P2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A9)P2.0(A8)图 5.1 AT89C55单片机芯片引脚I/O接口芯片选择 本次设计所需功能考虑，选用是intle8279可编程I/O接口芯片。8279可用作单片机的可编程通用键盘和显示器接口，可以为64键额接触式按键阵列提供扫描接口，也可以用刀诸如霍尔效应或铁氧体变形体的传感器阵列或一个选通的接口键盘。键的按键可以使而键闭锁也可以是N键巡回，可以自动取消按键抖动，按键输入编码被选通送入8字符的FIFO先进先出缓冲器中。若送入的字符多余8个，将越限制标志置“1”，按键输入时间CPU发出中断信号。显示部分能为发光二极管，白炽灯，七段显示器，液晶显示器等提供扫描显示接口。Intle8279芯片引脚如下图1 402 393 384 375 366 357 348 339 8279 3210 3111 3012 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 21RL2RL3CLKIRQRL4RL5RL6RL7RESERDWRDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7VssVccRL1RL0CNTLSHIFSL3SL2SL1SL0OUTB.1OUTB1OUTB2OUTB3OUTA0OUTA1OUTA2OUTA3BDCSA0图 5.2 Intel8279芯片引脚译码器的选择 译码器是组合逻辑电路的一个总要的器件，其可以分为：变量译码和显示译码两类。本次控制电路用到的译码器有两处，一处为AT89C55单片机与外扩RAM6264之间的译码器，还有一处为Intel8279I/O控制芯片和键盘显示器之间的译码器。译码器型号先用为74LS138译码器。其工作原理如下：当一个选通端（E3）为高电平，另两个宣统段（E1）和（E2）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制码在一个对应的输出端以低电平译出。74LS138译码器引脚如下图1 162 153 144 135 126 117 108 09A0A1A2E1E2E3Y7GNDVCCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6图5.4 74LS138译码器引脚4.2控制系统电路的设计主控电路设计 本次主控电路元件有单片机AT89C55，地址锁存器74LS373，译码器74LS373和数据存储器6264组成。单片机主控电路揭发如下图， PPPAT89C55RDWR ALED0-D7 Q0-Q7GND OEABCG1G2 Y2G3A0-A7 Q0-Q7A8-A12WEOE 6264CS1锁存器数据储存器时钟电路译码器图5.5 单片机主控制电路图 其中，AT89C55的P0.0-P0.7和74LS373的D0-D7还有6264的Q0-Q7相连，P2.5-P2.7接74LS373的ABC，P1.0-P1.4分别和2个脉冲分配器的E0，WR相连，周期输出信号ALE与74LS373的GND相连，WR，RD分别和6264的WE,DE相连；74LS373的Q0-Q7与6264的A0-A7相连，Y2与CS16264相连；时钟电路与AT89C55的XTAL1、XTAL2相连。 I/O接口电路设计 I/O接口扩展电路由AT89C55单片机，Inrel8579I/O接口芯片，74LS138译码器，75451位驱动，键盘和6位8段LED元器件组成。I/O接口扩展电路设计接法如下图：PP2.6P2.7ALEWRRDRESETINT1D0-D7CS RL0-RL7A0CLKWR SL0-SL2RDRESETIRQ OUTA0-OUTA3 OUTB0-OUTB316行列式键盘6位8段LED显示器AT89C5582795.1Kx8VccVcc5.1Kx274LS13875451X4译码器位驱动 图5.6 I/O接口扩展电路图其中，AT89C55的P0.1-P0.7接8279的D0-D7，P2.6接8279的CS，周期输出信号ALE直接接到8279的时钟端CLK,INTL接8279的中端请求线IRQ,WR,RD分别和8279的WR,RD相连，P2.7与8279的A0相连。8279外接28键盘和6位8段LED，8279的回程输入线接键盘列线，选用外部译码方式，扫描线SL0-SL2为3位计数器输出信号，由74LS138译码器译出8位选择线Y0-Y7，接上4个75451位驱动，再接上键盘的行线，和LED的公共极。OUTB0-OUTB3，OUTA0-OUTA3相当于8段数据输出口。4.3辅助电力路的设计微机数控系统除了各种主要功能芯片外，还必须包括一些必要的辅助电路。这辅助电路包括：键盘显示电路，步进电机控制电路，复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等。下列介绍各辅助电路：键盘显示接口电路 常用的显示器有：LED显示器，LCD显示器和CRT显示器。出于成本考虑此设计采用LED显示器，它共有八个发光二极管组成的，其结构图有共阴极和共阳极两种。如下图：共阳极共阴极ABCDEFGDP+5V 图5.7键盘显示接口电路步进电机控制电路 步进电动机开环伺服系统由脉冲信号源，脉冲分配器，功率放大器和步进电动机组成。其轮廓如下图：脉冲信号源 脉冲分配器YB013脉冲信号 功率放大分配后的脉冲信号ABC 图5.8 步进电机控制电路总图脉冲分配脉冲分配器是将控制脉冲按规定通电方式分配到各相，该分配控制数据表如下图： 表1 四相八拍脉冲分配控制数据表节拍序号Y向电动机X向电动机旋转方向电动机通电相控制数据旋转方向P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P0.3P0.2P0.1P0.0DCBADCBADCBA1111011101110AEEH正反向2110011001100ABCCH3110111011101BDDH4100110011001BC99H5101110111011CBBH6001100110010CD33H7001100110010D77H8011001100110DA66H 驱动电路 由微机根据控制要求发出的脉冲，并依次将脉冲分配给各相绕组，其功率较小，电压幅度不足5v，电流为mA级，必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培，才能驱动电机。 本设计选用的是高低压驱动电路，其电路图如下：100 1K 200 20 18 3 UH+80VD2D1T1T2T4T34.7K D3laTp 图5.9 驱动电路 其中，无脉冲时，T1,T2,T3,T4均截止，电机绕组La中无电流通过，电机不转。有脉冲时，T1，T2，T4饱和导通，在T2由截止到饱和期间，其集电极电流急速增加，在变压器次级感生一个电压，使T3导通，80V高压经高压管T3加入La上，使电流速度上升，T2进入稳压状态，TP初级电流暂时恒定，次级的感应电压降到0，T3截止，12V低压电流经D2加到绕组La上，维持La中的电流为恒定值，输入脉冲结束后，T1,T2，T3，T4又均截止，存储在La中的能量通过18 的电阻和二极管泄放。光隔离电路 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，重则导致极端及接口电路的损坏。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。本次设计所选用的光隔离输出电路如下：输入74LS05输出5V12V 图5.10 光隔离输出电路上图为同向输出电路，控制信号经74LS05集电极开路门反向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止，输入电压为0电平。反之输入电压为高电平。 功率放大器和时钟电路 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，本设计所用的使用横流供电电路。单片机的始终一般有两种产生方式：内部和外部方式，本次设计采用的是内部方式。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。下图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REDET端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效复位。RESRT8031C+5V 图5.11 复位电路越界报警电路 为了防止工作台越界，可分别在极限位子安装限位开关。本次设计采用中断方式，利用单片机外部中断INT0,只要有任何一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生中断信号INT0,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。亮灯均由一个I/O口输出。下图（a）为报警信号的产生。（b）为报警指示+5VINT02K X6+x-x+z-y-z+y (a)1+5v500 1.5k P1.3 (b) 图5.12 越界报警电路掉电保护电路 掉电保护电路，能使在加工过程中，一些重要的现场参数，在掉电后仍能妥善保存，以减少损失，恢复供电后又能马上工作。其电路图如下：VccRAMRV+VD1VD2VB 图5.13 掉电保护电路图中V+为电源电压，VB为备用电池电压并且V+VB,VCC为存储器RAM电源端，正常通电时，二极管CD1导通，VD2截止，RAM的工作，电压由V+提供，同时V+还通过电阻R对电池充电。断电后，VD1截止，VD2导通，此时RAM的工作电压由电池VB经二极管VD2和R供给。5结束语本次设计首先应该感谢指导老师，在设计中遇到很多问题，都是老师对我的设计不厌其烦的指点，细致地为我分析，使我才有对此设计有了清晰的思路，确立了设计的框架，真心的感谢老师对我的所有的付出。回顾整个设计过程是很艰辛的，但结果却是收获很大。因为在这次毕业设计中我学到了不少课本上没有的知识，培养了我严谨的作风，我想对我以后的工作有很大帮助，在这毕业前的最重要的环节，又一次学习了很多知识。通过这次课程设计，从中我也发现了自己很多的不足之处，因此我还需要加强学习，掌握专业方面的理论知识，提高实践能力。由于我的经验不足，专业水平有限，所以设计中必然有不足之处，恳请老师批评指正。6参考文献（1） 李照青 单片机原理及接口技术，北京航空航天大学出版社，2008（2） 张柱银 数控技术和数控原理，化学工业出版社，2003（3） 王兰美 机械制图，高等教育出版社。（4） 濮良贵 机械设计，高等教育出版社，2009（5） 易红 数控技术，东南大学，2008（6） 王振臣 机床电气控制技术，机械工业出版社，2008（7） 黄小龙 段大高 计算机辅助设计（proe）,中国水利水电出版社（8） 孙江红 AutoCAD2008,高等教育出版社，2008（9） 周祖德 机电一体化