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1、哈尔滨理工大学学士学位论文插针机XY工作台与控制系统设计摘 要插针机是连接器制造业中的常用机型，插针机速度的提升可以起到提高效率，减少人力，降低成本的效果，因此世界主要的几个连接器制造商在插针机速度提升方面都花费了大量的人力和物力，所以有必要进行该装置的设计。本设计针对国内外的生产设备的情况和企业的要求，论文首先对该装置进行了总体结构设计，重点对插针机装置的机械部分即XY工作台进行了设计计算及校核，同时针对机械部件进行了基于solidwork平台的三维造型，绘制了各部分零部件的三维图，并将各零部件组装后绘制了装配图。对滚珠丝杆，滚动导轨及步进电动机做了设计计算及选用，并对联轴器进行了分析和选择
2、，另外利用CAD进行了装配图及其零件图的绘制。系统设计部分，以80C51为主控芯片的数控系统硬件电路设计、系统初始化设计及系统软件方案设计和步进电机的控制程序设计。最后绘制出了控制系统电路图。本设计大大提高了插针机的工作效率及其精度，尤其是在大批量生产中，可以大幅提高生产效率。关键词 插针机；XY工作台；控制系统Design of Pin Machine XY Working Table and Control SystemAbstractPin connector manufacturing in the commonly used models, pin machine speed inc
3、rease can play to improve efficiency, reduce manpower, reduce the cost, so the world a few main connector manufacturer in the pin machine speed upgrade have spent a great deal of manpower and material resources, so it is necessary to design of the device.The design for the domestic and international
4、 production equipment and the requirement of the enterprise, firstly on the device to carry on the overall structural design, focusing on the pin machine device for the mechanical part of XY table for the design calculation and check, at the same time for mechanical parts based on the SOLIDWORK plat
5、form of 3D modeling, rendering the parts three dimensional graph, and each parts assembly drawing assembly drawing. On the ball screw, rolling guide and stepping motor to do the design calculation and selection, and also poetic couplet axis device were analyzed and selected, in addition also uses CA
6、D for assembly drawing and parts drawing. The system design section, is using 80C51 as main control chip of the numerical control system hardware circuit design, system initialization and system software design and scheme design of stepper motor control program design. Finally draw out a complete co
7、ntrol system circuit diagram.This design greatly improves the work efficiency and the accuracy of the insertion machine, especially in mass production, can greatly improve the production efficiency.Keywords pin machine; XYworking table; control system目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 问题的提出及研究意义1
8、1.3 课题研究的内容2第2章 XY工作台机械系统设计32.1 工作台外形尺寸及重量初步估算32.2 滚动轴副的计算和选择32.3 滚珠丝杠计算，选择52.4 步进电机的选用7第3章 插针机结构的计算机辅助设计93.1 SolidWorks简介93.2 SolidWorks的主要特点93.3 基于SolidWorks的零件三维造型103.3.1 滑块的造型操作过程103.3.2 下托板的造型操作过程133.3.3 轴承端盖的造型操作过程143.3.4 滚珠丝杠的造型操作过程153.3.5 丝杠螺母座的造型操作过程163.3.6 导轨的造型操作过程173.3.7 上托板的造型操作过程183.3.
9、8 装配图的组装操作过程19第4章 插针机控制系统设计214.1 硬件设计214.1.1 确定硬件电路的总体方案214.1.2 主控制器CPU的选择214.1.3 存储器扩展电路设计224.1.4 步进电机驱动电路设计244.1.5 其它辅助电路设计244.2 软件设计254.2.1 系统控制功能分析254.2.2 系统管理程序控制264.2.3 步进电机控制子程序设计27结论31致谢32参考文献33附录A34附录B39- IV -第1章 绪论1.1 课题研究的背景新亚集团创建于1990年，现有资产超亿元，厂房面积8万平方米，技术力量雄厚、设备精良、工艺先进、监测手段齐全。公司主要产品为连续P
10、IN针、五金车削加工、连接器、电子线材、电源插头线、自动插针机、插接件等，产品广销国内外，并被多家知名公司大量配套使用。我校于2011年9月，响应国家教育部号召，与新亚电子集团联合开展了“卓越工程师”培训计划。在此期间，通过企业的悉心培养，我们学到了很多东西，同时也发现了企业中存在的一些问题，该论文是我对新亚电子集团中插针机发现的一些问题，并提出了相应的改进措施所做出的研究。1.2 问题的提出及研究意义自动插针机属于非标自动化设备，目前在连接器制造行业是自动插针机应用最为广泛的领域。在当今的高科技时代，我们会发现连接器几乎无处不在，无论家里还是工作场合，只要在有电子设备的地方，就会在其中找到连
11、接器。连接器由一种或几种材料组成，通常用塑胶和金属材料，它的主要功能就是允许电流从一个导体到另外一个导体。连接器在两个导体之间搭起了一座桥梁，通常会有电线到电线，电线到印刷电路板和印刷电路板到印刷电路板等几种类别。生产连接器的设备有很多，不同的连接器会有不同的生产工艺，插针机是生产连接器的一种通用设备。其中凸轮式插针机更是在各大连接器制造商中得到了广泛应用。通常凸轮式插针机是一个由四个伺服马达组成的控制系统，包括插针主轴，送端子轴和塑胶进给X/Y轴。插针主轴传动凸轮完成端子裁切和插针的功能；送端子轴传动棘轮来实现传送定常端子的功能；塑胶一般都是多PIN孔,因此塑胶需根据PIN孔位置做有序移动来
12、满足插针插在不同位置，这个工作是由塑胶进给X/Y轴传动滚珠丝杆完成。因为现在的连接器的尺寸越来越小，所以对插针机各个轴的精度要求也越来越高，通常都要求系统偏差在0.01mm以内。插针机自动运行时，插针主轴传动凸轮机构不停地旋转，实现端子裁切和将端子插入塑胶PIN孔的功能；塑胶的位置则在主凸轮转到某个角度区间内时由塑胶轴传动进给机构完成位置切换和精确定位。因此，目前世界各大连接器制造商像莫仕，富士康等都投入大量人力，物力在插针机上，以实现节省人力，提高效率的目的。由于自动插针是属于非标自动化设备的性质决定了它在各个行业具有差异化，需要进行专门的开发设计。虽然在连接器生产上已经大规模应用自动插针机
13、，但在生产EAS产品上还尚未应用。这里所指EAS产品主要是防盗塑料钉，它由不锈钢针和塑料帽组成，用注塑机加工成型。目前插针工序由人工完成，不仅费时费力，企业还要承受人力成本上涨的压力，自动插针机的应用将极大提高劳动效率，并降低劳动强度，达到减少人力成本的目的，以至于在同行业竞争中取得优势地位。目前，自动插针机的开发成功将推动EAS行业的升级转型，由目前的劳动密集型产业向技术密集型产业过渡。插针机是连接器制造业中的常用机型，插针机速度的提升可以起到提高效率，减少人力，降低成本的效果，因此世界主要的几个连接器制造商在插针机速度提升方面都花费了大量的人力和物力。1.3 课题研究的内容本次毕业设计中主
14、要完成的内容包括：(1)自动插针机的机械系统设计通过对现有自动插针机的原理分析，结合多种针类产品的特性，设计出能应用于提高效率，降低生产成本的机械系统。(2)自动插针机的控制系统设计根据多种产品的生产工序以及设计好的机械系统设计控制系统，使机械系统(3)达到预定设计的目的，完成相应的工序。自动插针机的三维CAD建模、装配自动插针机的机械结构，利用Solidwork软件建立三维模型，进行装配分析，进一步改进设计结构，通过建立的三维模型，进行运动分析，对尺寸结构等参数进行调整设计。第2章 XY工作台机械系统设计2.1 工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工
15、作台承载重量WX和WY。取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如2-1:图2-1 XY工作台简图 X向拖板(上拖板)尺寸为:长宽高=42041050重量:按重量=体积材料比重估算为:= Y向拖板(下拖板)尺寸为: 重量=上导轨(含电机)重量为夹具及工件重量:约155NX-Y工作台运动部分总重量为:2.2 滚动轴副的计算和选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振
16、动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取 (2-1) (2-2)根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25。基本参数如表2-1表2-1 HJG-D系列额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm17500260001891892880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷N依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命: (2-3) (2-4) (2-5)导轨的额定工作时间寿命: (2-6)
17、(2-7)由以上公式可知导轨的工作寿命足够.2.3 滚珠丝杠计算，选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=5mm强度计算丝杠轴向力：(N)其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,则:寿命值：，其中丝杠 (2-8)最大动载荷：式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。查表得中等冲击时则:根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM
18、系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。其额定动载荷为14205N 足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如表2-2表2-2 滚珠丝杠螺母副的几何参数名称计算公式结果公称直径20mm螺距5mm接触角钢球直径3.175mm螺纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径19.365mm螺杆内径16.788mm螺杆接触直径17.755mm螺母螺纹外径23.212mm螺母内径（外循环）20.7mm传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为： (2-9)式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。稳定性验算丝杠两端采用止推轴承
19、时不需要稳定性验算。刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为： (2-10)Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为 (2-11)E级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m。2.4 步进电机的选用(1)步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系： （2-12）式中为电机转角，为移动部件的相应位移，为机械传动的效率。若取，则，且。所以： （2-13）式中：为移动部件负载（N），G为移动部件质量（N），为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），为导轨摩擦系数，
20、为步进电机的步距角（rad）,T为电机轴负载力矩（N.cm）。取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.8=279.23。考虑到重力影响，向电机负载较大，因此G1200，所以有：考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩： （2-14）取系数为0.3，则： 对于工作方式为三相拍的步进电机：（2）步进电机的最高工作频率 （2-15）为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机.电机有关参数如表2-3:表2-3 电机参数型号主要技术参数相数步距角电压(V)相电流(A)最大静转矩(n.m)空载启动频率空载运行频率分配方
21、式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)外直径长度轴直径重量kg转子转动惯量Kg.m9014594.51764第3章 插针机结构的计算机辅助设计3.1 SolidWorks简介SolidWorks是美国推出的CAD/CAE/CAM软件。广泛用于电子、通讯、机械、模具、工业设计、汽车、自行车、航天、家电、玩具等各行业。SolidWorks可谓是全方位的3D产品开发软件，整合了零件设计、产品装配、模具开发、NC加工、钣金设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机械设计、动态仿真、应力分析、产品数据库管理、协同设计开发等功能于一体，其模块众多，大约有50
22、多个，能够满足产品的各个阶段设计要求。该软件一方面由于具有强大的参数化特征造型功能而受到了业界的一致认同和广泛应用。但另一方面由于操作复杂也给使用者掌握软件的功能带来了很大的困难。3.2 SolidWorks的主要特点SolidWorks参数化设计的特性主要有以下几个方面： 三维实体造型、 单一数据库、以特征作为设计单位、参数化设计。1.三维实体造型 三维实体造型就是在计算机中用一些基本元素构建机械零件的完整几何模型。以往的三维工程设计方法是设计人员在图纸上利用几个不同的视图来表示一个产品的三维设计模型。对于有些比较复杂的零部件，就需要很多张图纸来表示。图纸上面标有各种线条、符号和其他的标记。
23、这样，工程中的其他部门人员再去认真、仔细的看这些图纸，再慢慢理解设计者的各种意图，再通过各种视图来想象出模型的细节，这一系列工作都非常辛苦。何况设计人员不可能保证每一张图纸的每个细节问题都是正确的，所以图纸上的错误是不能避免的。在利用三维实体造型软件进行产品设计时，设计者通常在计算机上直接进行产品的三维设计，在计算机屏幕上就可以直接看见产品的真实三维模型，并且如果那个地方需要修改，可以直接在软件操作下进行修改。产品的形状和结构越复杂，我们需要修改的次数就越多，这样就更能体现三维实体建模软件的优越性，每一次修改的时间相当短。当我们所需要的零件在计算机中建成模型后，设计者们就可以进行一系列的设计工
24、作，比如零部件的模拟装配、有限元分析、数控加工编成及模拟仿真等等。2.单一数据库 SolidWorks可以随时由三维实体模型产生二维工程图，而且自动标注工程图尺寸，在三维或二维图形上作尺寸修改时，其相关的二维图形或三维实体模型都是自动修改，同时装配、制造等相关设计也会自动修改，如此以来可以确保数据的正确性，并避免反复修改浪费时间。由于采用单一数据库，提供了所谓双向关联性的功能，此种功能正也符合了现代产业中所谓的同步工程（Concurrent engineering）观念。3.以特征作为设计单位 SolidWorks以最自然的思考方式从事设计工作，如钻孔、挖槽和圆角等，均视为零件设计的基本特征，
25、除了充分掌握设计概念外，还在设计过程中导入实际的制造观念；也因为以特征作为设计单元，因此可以随时对特征做合理、不违反几何顺序的调整、插入、删除和重定义等修正。特征（Feature）包括特定的几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示法、制造技术和公差要求等。因此特征兼有功能和形状两种属性。特征可分为3种：实体特征、曲面特征及基准特征，其中实体特征为SolidWorks 零件的主题。4.参数化设计 参数化设计一般是指配合单一数据库，所有设计对象的结构比较定型，并且所有设计过程中所使用的尺寸（参数）都存在数据库中，可以用一些参数来约束尺寸关系。参数的求解较简单，参数与设计对象的空间尺寸存在着对应。3.
26、3 基于SolidWorks的零件三维造型 本设计主要对自动插针机的机械部分例如: 滚珠丝杠 、上下托板、滑块、导轨等零部件进行三维造型。3.3.1 滑块的造型操作过程首先双击桌面图标进入SOLIDWORKS界面，单击新建图标，选择进入绘图空间。进入草绘界面绘制草图，点击确定选择草绘平面见图3-1，确定后便可开始草绘，见图3-2，完成后点击工具栏中的。图3-1 草绘界面选择平面图3-2 草绘主页面点击拉伸项见图3-3，进行拉伸成滑块。图3-3 拉伸操作进行边倒角的命令，在上方图形树上选取特征见图3-4，左键选择要倒的边。设置倒角宽度，然后点击“确定”完成倒角。图3-4 左边倒操作再倒右侧斜角选
27、取，见图3-5，选择正确位置，输入倒角的数值，之后点击确定完成倒斜角操作。图3-5 右倒斜角操作最终完整的轴三维造型如图3-6所示：图3-6 滑块的三维造型3.3.2 下托板的造型操作过程首先双击桌面图标进入SOLIDWORKS界面，单击新建图标，选择单击“确定”进入绘图空间。进入草绘界面绘制草图，点击确定开始草绘，完成后点击工具栏中的，点击拉伸项，进行拉伸，之后选择正面作为草绘面，进行拉伸布尔计算为“求差”。进行孔特征的创建点击右侧工具栏，左键选择打孔的工件面，然后设置空的种类和孔深。再点击定位的边或者面，设置定位尺寸。完成孔创建。便得如图3-7所示：图3-7 下托板的三维造型3.3.3 轴
28、承端盖的造型操作过程首先双击桌面图标进入SOLIDWORKS界面，单击新建图标，选择单击“确定”进入绘图空间。进入草绘界面绘制草图点击确定开始草绘，完成后点击工具栏中的，点击拉伸项，进行拉伸完成基本框架。进行孔特征的创建，点击右侧工具栏，左键选择打孔的工件面，然后设置空的种类和孔深。再点击定位的边或者面，设置定位尺寸。完成孔创建。点击镜像特征操作，建立镜像基准面，选择镜像体，完成镜像，便得如图3-8所示：图3-8 轴承端盖的三维造型3.3.4 滚珠丝杠的造型操作过程首先双击桌面图标进入SOLIDWORKS界面，单击新建图标，选择单击“确定”进入绘图空间。进入草绘界面绘制草图，点击确定开始草绘，
29、完成后点击工具栏中的，点击拉伸项，进行拉伸完成底板，重复操作完成底板上的支座。进行孔特征的创建点击右侧工具栏，左键选择打孔的工件面，然后设置空的种类和孔深。再点击定位的边或者面，设置定位尺寸。完成孔创建。进行扫掠操作，画出螺旋线，草图绘制圆形截面，扫掠成弹簧，进行阵列，点击实例特征完成18个弹簧，再次进行拉伸操作，完成上嵌板，便得如图3-9所示：图3-9 丝杠的三维造型3.3.5 丝杠螺母座的造型操作过程首先双击桌面图标进入SOLIDWORKS界面，单击新建图标，选择单击“确定”进入绘图空间。进入草绘界面绘制草图，点击确定开始草绘，完成后点击工具栏中的，点击拉伸项，进行拉伸完成内环。回转操作画
30、出圆珠，进行圆形阵列，重复拉伸操作，完成圆环草图绘制，拉伸完成外环。进行边倒圆的命令，在右侧侧图形树上选取特征，左键选择要倒圆的边，设置倒圆半径，然后点击“确定”。完成倒圆便可得如下图3-10所示：图3-10 丝杠螺母座的三维造型3.3.6 导轨的造型操作过程首先双击桌面图标进入SOLIDWORKS界面，单击新建图标，选择单击“确定”进入绘图空间。进入草绘界面绘制草图，点击确定开始草绘，完成后点击工具栏中的，点击拉伸项，进行拉伸完成轮廓。在此进行拉伸布尔计算求差，完成中间凹面。进行孔特征的创建点击右侧工具栏，左键选择打孔的工件面，然后设置空的种类和孔深。再点击定位的边或者面，设置定位尺寸。完成
31、孔创建。便得如图3-11所示：图3-11 导轨的三维造型3.3.7 上托板的造型操作过程首先双击桌面图标进入SOLIDWORKS界面，单击新建图标，选择单击“确定”进入绘图空间。进入草绘界面绘制草图，点击确定开始草绘，完成后点击工具栏中的，点击拉伸项，进行拉伸完成轮廓。在此进行拉伸布尔计算求差，完成中间凹面。进行孔特征的创建点击右侧工具栏，左键选择打孔的工件面，然后设置空的种类和孔深。再点击定位的边或面，设置定位尺寸。完成孔创建。便得如图3-12所示：图3-12 上托板的三维造型3.3.8 装配图的组装操作过程 首先双击桌面图标进入SOLIDWORKS界面，单击新建图标，选择单击“确定”.点击
32、添加组件，选取丝杠，以轴中心作为坐标原点添加；再次添加组件，选取下托板，以下托板的轴孔作为定位基准，进行修改重定位组件；再次添加组件，选取轴承，以丝杠的一端为基准进行配对组件，也可进行重定位组件；再次添加组件，选取端盖组件，以丝杠承端面定位，进行配对组件和重定位组件；再次添加组件，选取支承架梁，以螺钉孔为定为基准，重定位组件；再次添加组件，选取挡车板梁，同样以螺钉孔为基准，重定位组件；再次添加组件，选取弹簧组，选支承座接触面进行配对组件，以螺钉孔作为基准进行重定位组件；添加螺钉，选取标准件进行添加，同时进行重定位和配对组件，选择适合位置，最后如图3-13 所示：图3-13 装配图第4章 插针机
33、控制系统设计4.1 硬件设计4.1.1 确定硬件电路的总体方案数控系统的硬件电路由以下几部分组成：1 主控制器。即中央处理单元CPU2 总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。3 存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4 接口。即I/O输入输出接口。数控系统的硬件框图如图4-1所示：中央处理单元CPU存储器RAMROM外设：键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等输入/输出I/O接口信号变换控制对象图4-1 硬件框图4.1.2 主控制器CPU的选择MCS51系列单片机是集中CPU，I/O端口及部分AM等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系
34、统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用8031芯片作为主控芯片。4.1.3 存储器扩展电路设计(1)程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用EPROM芯片。其型号有：单片机规定P0口提供8为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低8位的地址信息，一般采用74LS373芯片作为地址锁存器，并由CPU发出允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。由以上分析，采用2764EPROM芯片的程序存储器扩展电路框图如图4-2： P1.7 P1.0 P2
35、.4 P2.0 ALE P0.7 P0.0 A12 A8 2764A7A0 D7 D0译码电路G74LS372图4-2 扩展2764电路框图(2)数据存储器的扩展由于8031内部RAM只有128字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态RAM数据存储器。本次设计选用6264芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如图4-3所示： P2.4 P2.0ALE P0.7 P0.0 译码电路 A12 A8A7 6264A0D7D0 D0G74LS372图4-3 扩展6264电路框图(3)译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都
36、通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于RAM和I/O容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作
37、片选线。本设计采用全地址译码法的电路分别如下图所示：(4)存储器扩展电路设计8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路，单片机外存储器扩展电路如下：(5)I/O扩展电路设计(a).通用可编程接口芯片81558031单片机共有4个8位并行I/O接口，但供用户使用的只有P1口及部分3 口线。因此要进行I/O口的扩展。8155与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。8155Y与8031的连接方式如下图所示(b).键盘，显示器接口电路键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完
38、成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用I/O口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有LED和LCD。下图所示为采用8155接口管理的键盘，显示器电路。它有48键和6位LED显示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线及LED显示器的字位控制共用一个口，即共用8155的PA口进行控制，键盘的行线由8155C口担任，显示器的字形控制由8155的PB口担任。键盘显示器接口电路如下所示：4.1.4 步进电机驱动电路设计(1)脉冲分配器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
39、电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB013。采用YB013硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下：(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。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下：(3)功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大
40、器。本设计选用功率放大器。4.1.5 其它辅助电路设计(1)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。内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在1.212之间任意选择，耦合电容在530PF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源，如图4-4。8031XTAL1XTAL2图4-4 时钟电路(2)复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后CPU便从0000H单元开始执行程序。在实际
41、运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与8031复位要求一致时，可以直接相连。当晶振频率选用6MHZ时，复位电路中C取22F，取200，RK取1000。实用复位电路图如下所示：(3)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。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至8031的I/O口1.0。当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。8031可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至8031的外部中断引脚（INT0或INT1），采用中断方式检查越界信号。越界报警电
42、路如下图所示4.2 软件设计4.2.1 系统控制功能分析数控X-Y工作台的控制功能包括：(1)、系统初始化。如对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控制字。(2)、工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。(3)、输入和显示加工程序。(4)、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。4.2.2 系统管理程序控制管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。根据以上分析，设计管理程序流程图如
43、图4-5所示：开始系统初始化机床复位加工程序输入键按下？自动加工自动加工键按下？加工数据输入手动加工键按下？ 手动调整Y N图4-5 管理流程图4.2.3 步进电机控制子程序设计步进电机的控制包括速度，转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加，减速过程。通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现步进电机转角与速度的控制。(1)时间常数的确定在步进电机控制程序中，利用单片机的定时器中断，延时产生进给脉冲的时间间隔。此间隔由送入定时器的时间常数决定。时间常数由下式计算：式中：T为脉冲时间间隔（ms）；为单片机机器周期（s），在时钟为6MHz时，=2s。(2)步进电机加，减速进给脉冲及脉冲时间间隔的确定设步进电机加，减速方式为直线加，减速。要使步进电机不失步，应满足： (4-1)式中：为步进电机启动力矩；为负载力矩；为惯性力矩。由步进电机=3.92N.m，取步进电机的加速启动力矩则使步进电机不失不的惯性力矩 (4-2)步进电机角加速度 (4-3)又 (4-4)式中：为上升到步进电机最高频率所需时间，所以有： (4-5)加速脉冲个数： (4-6)确定加减脉冲个数都为54个又因为： (4-7)所以脉冲时刻