数控车床XY工作台与控制系统设计

机电一体化课程设计

任务书

一、课程设计的目的

把在机电一体化课程及其它有关先修课程中所学到的知识在实际设计中综合地加以应用,使这些知识得到巩固、加深和扩展。

二、课程设计题目

CA6140车床经济型数控改装设计

三、设计要求

1、能用键盘输入命令控制工作台的运动方向

2、能实时显示当前运动位置

3、具有越程指示报警及停止功能

四、设计内容

1、总体方案确定

（1）总体方案设计

（2）绘制总体方案图

2、机械系统设计

（1）执行元件参数及规格的确定；

（2）传动机构的具体结构及参数设计；

（3）执行机构的具体结构及参数设计。

（4）绘制进给传动系统示意图。

3、控制系统硬件电路设计

（1）微机的选用、存储器的选用与扩展、译码电路设计、接口电路设计等

（2）绘制控制系统原理框图

4、传感器的选择（适用于半闭环控制方式和全闭环控制方式）

五、设计参数

（1）系统分辨率纵向为0.01mm，横向为0.005mm

（2）最大加工直径：在床面上为400mm，在床鞍上为210mm

（3）最大加工长度为1000mm

（4）快进速度：纵向为2.4m/min，横行为1.2m/min

（5）最大切削进给速度：纵向为0.5m/min，横行为0.25m/min

课程设计正文

1.系统总体方案设计

对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体方案时应遵行的基本原则是：在满足设计要求的前提下，对机床的改造应尽可能的少，以降低成本。

数控系统总体方案设计内容包括：系统运动方式的确定；伺服系统的选择；执行机构传动方式的确定；计算机系统的选择等内容。应根据设计任务和要求提出系统的总体方案，对方案进行分析、比较、论证，最后确定总体方案并绘制系统总体方案框图。1.1数控系统运动方式的确定

数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机控制（MNC）系统采用连续控制系统。

1.2伺服进给系统的选择

数控机床的进给系统有开环、半闭环、闭环之分。

采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差、传动间隙及干扰等对加工精度的影响。但他的结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价高。本设计的精度要求不是很高，采用闭环控制系统的必要性不大。

采用直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制，其性能介于开环和闭环之间。由于调速范围宽过载能力强，有具有反馈控制，因此性能远优于以步进电机驱动的开环控制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统的稳定性容易保证，所以比闭环容易实现。但是采用半闭环控制调试比开环控制要复杂，设计上有其自身的特点，技术难度较大。本设计任务的要求不高，是经济型数控改造，通常情况下均采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单，设计制作容易，控制精度较好，容易调试，价格便宜，使用维修方便等优点；缺点是步进电机没有过载能力，启动频率低，工作频率也不高等。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。

经过上述比较，决定采用开环控制系统。

1.3执行机构传动方式的确定

为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩

擦、低惯量、高强度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：

（1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、铁塑导轨等。

（2）尽量消除传动间隙,提高传动精度。如对滚珠丝杠和滚动导轨进行预紧，而传动齿轮通常采用消除间隙结构。

（3）尽量提高传动刚度。传动刚度是传动元件之间的接触刚度，接触面越多刚度越低，传动误差越大，故应尽量缩短传动链。通常，在简易数控系统中，只要能够保证步进电机的步距角与运动末端执行件脉冲当量的正确匹配，只采用一对齿轮传动副即可。给传动元件施加预负载，不但可以提高系统传动精度也可以提高系统的传动刚度。故滚动导轨、滚珠丝杠以及丝杠轴向固定轴成都带有预紧装置，以便随时调整预紧力。

1.4计算机系统的选择

计算机数控系统一般由主机CPU、存储器扩展电路、I/O接口、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。

微机是数控系统的核心。数控系统的功能直接与所选微机相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要是字长和速度。字长不但影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工精度和运算精度。而字长短的计算机在进行多字节数据处理时又会影响加工速度。目前，高档数控系统普遍采用32位机，主频已达20-30MHz；标准CNC系统通常采用16位机；经济型数控系统通常采用8位机，如采用Z80CPU或MCS-51单片机组成的微机应用系统。

在51系列机型中，因为RAM容量都很小，所以必须扩展外RAM；又由于常用零件加工程序需要固化在EPROM中，而它们不宜和系统控制程序存放在同一存储区内，为方便同一考虑外ROM和外RAM的扩展，故通常都是采用8031单片机作主机。

本经济型数控车床采用MCS-51系列单片微机组成的微机应用系统。主机是8031，接口选8155，采用步进电机开环控制，传动丝杠为滚珠丝杠。

1.5总体设计方案的确定

经以上论证后，确定的CA6140车床经济型数控改造的总体方案图如附图一所示。CA6140车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电动机驱动。由MCS-51系列单片机组成微机作为控制装置的核心，由I/O接口、软环分配器与放大器控制功率步进电动机转动，经齿轮减速器后

带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电动机驱动的自动控制的自动换位刀架。为保持切削螺纹的功能，必需安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号；每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O 接口送给微机。 2．机械系统设计

机械系统设计内容包括：系统脉冲当量确定；切削力计算；滚动螺旋副选型计算与验算；滚动导轨选型计算与验算；步进电机选型计算和验算；消除间隙齿轮结构设计、滚珠丝杠支承结构选型、电机固定结构选型设计等几个主要部分。 2.1系统脉冲当量选择

脉冲当量是机床移动不见相对于每一个步进脉冲信号产生的位移量。脉冲当量也称为机床最小设定单位或最小指令增量或机床分辨率。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。

经济型数控车床通常采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲。脉冲当量有时也由设计任务书直接给出。

所以根据设计任务书确定脉冲当量：纵向为0.01mm/步，横向为0.005mm/步。 2.2切削力计算 2.2.1纵车外圆

根据经验公式计算主切削力，对于车削外圆加工时的主切削力可由下式进行估算：

5

1MAX

z D 670F ..=

MAX D —车床床身上的最大加工直径，由已知条件mm 400D MAX =,经计算得

N 5360N 400670F 51z =?=..

再按照以下比例计算轴向分力Fz 和径向分力Fx ：

402501F F F Y X Z .:.:::=, 故F X =1340N, F Y =2144N 2.2.2横切端面

主切削力可取为纵切削力的1/2：N 2680F 2

1

F Z Z ==

' 此时走刀抗力为'Y F ,吃刀抗力为'

X F 。仍按上述比例粗略计算：

402501F F F Y X Z .:.:::'

''=

故'Y F =670N ,'

X F =1072N

2.3滚动螺旋副选型计算与验算

滚动螺旋副工作原理：滚动螺旋副是一种在丝杠和螺母之间放入滚动体 — 滚珠的一种丝杠螺母副。由于放入滚珠，故，当丝杠相对螺母转动时，滚珠则在螺旋滚道内即自转又循环转动，迫使丝杠螺母之间产生轴向相对运动，于是将丝杠的旋转运动变为螺母的直线运动或将螺母的旋转运动变为丝杠的直线运动。

滚动螺旋副特点：优点：传动效率高，所需驱动转矩小；传动精度高，反向精度高，定位精度高；传动刚度高；传动平稳，快速响应好，无爬行； 磨损小，精度保持性好，寿命长；具有运动可逆性；缺点：制造成本高；不能自锁，铅垂进给时需加制动机构。 滚动螺旋副的设计步骤是：计算进给牵引力，预选主要尺寸参数，计算最大动负荷，计算最大静负荷，初选滚珠丝杠副型号及列表主要参数，绘制进给系统计算简图，验算轴向刚度，验算传动效率，确定滚珠丝杠副型号。 2.3.1纵向进给丝杠 （1）进给系统牵引力计算

纵向进给为综合型导轨，有)('G F f KF F Z X m

++=

式中：K —考虑颠覆力矩时的影响系数，综合型导轨取K=1.15；

f '—导轨摩擦系数，f '=0.15~0.18（取f '=0.16）；

G —移动部件重量，G=800N 代入公式计算得

()N 253080053601601340151F m =+?+?=..

（2）滚珠丝杠副最大动负荷计算

m w F f L C 3=

最大切削进给速度min /6.0max m V f = 最大切削力条件下的进给速度

min /)2.0~3.0(min /6.0)3/12/1()3/12/1(max m m V V f s =?-=-= 取0.30/min s v m =

滚珠丝杠转速0

1000s

v n L =，其中：滚珠丝杠导程初选06L mm =， 则min /r 50n =

滚珠丝杠寿命值6

6010

n T

L ??=

，其中使用寿命T=15000h ，则)(转61045L = 运转状态系数w f ，按一般运转取21f w .= 故N 71079825302145C 3..=??= （3）滚珠丝杠螺母副的选型

查阅设计手册，可采用W 1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为16400N ，精度等级选为3级。 （4）传动效率计算 ()

?γγ

η+=

tan tan

式中：γ——丝杠螺母升角；

?——摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004,其摩擦角约等于10′。

本设计中：94010442442.)

tan(tan '

'''

'=+= η （5）刚度验算

先画出此纵向进给系统的示意图，如附图二所示。最大进给率引力为2530N ，支承间距L=1500mm 。丝杠螺母级轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向力的1/3。 ①丝杠的拉伸或压缩变形量δ1。查手册，根据Fm=2530N,D 0=40mm ，查出 δL/L=1.2×10-5,可算出 mm 1081150010211500L

25L

1--?=??=?=

..δδ

由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提

高4倍。其实际变形量为：mm 104504

1

211-?=?=

.'

δδ ②滚珠与螺纹滚道间接触变形2δ。查《机械设计手册》相关图表，W 系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量Q δ: mm 10463Q -?=.δ

因进行了预紧，故 mm 10231046502

1

33Q 2--?=??==...δδ

支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3δ。采用8107型推力球轴承，mm 35d 1=，滚动体直径mm 356d Q .=，滚动体数量Z=18,故

mm 10571835625300240Z

d F

0024

032

23

2

Q 2m

3

e -?=??==....δ

因施加预紧力，故mm 1083503e 3-?=?=..δδ 根据以上计算轴向总变形量为：

mm 105113321-?=++=.'δδδδ 即轴向总变形小于定位精度。 （6）稳定性校核

滚珠丝杠两端采用推力轴承并施加预紧，不会产生失稳现象，不需要进行稳定性校核。

2.3.2横向进给丝杠 （1）横向进给率引力'

m F

横向导轨为燕尾型，计算如下：

()

()N

115560010722268004067041G F 2F f F 41F X Z y m =+?++?=+++=...'

''''

（2）最大动负荷计算

N

415811552127F f L C 2710

15000

306010T n 60L r 305

5

0301000L v 1000n 3m w 36

60s =??===??=??=

=??==

.min /.. (3)滚珠丝杠螺母副的选型

查阅设计手册，可采用W 1L2005外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为8800N ，精度等级选为3级。 (4)传动效率计算

()

?γγ

η+=

tan tan

式中：γ——丝杠螺母升角；

?——摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004,其摩擦角约等于10′。

本设计中：965010334334.)

tan(tan '

'''

'=+= η （5）刚度验算

先画出此纵向进给系统的示意图，如附图三所示。最大进给率引力为1155N ，支承间距L=450mm 。丝杠螺母级轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向力的1/3。 ①丝杠的拉伸或压缩变形量δ1。查手册，根据Fm=1155N,D 0=20mm ，查出 δL/L=0.9×10-5,可算出 mm 100544501090450L

35L

1--?=??=?=

..δδ

由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提

高4倍。其实际变形量为：mm 100114

1

311-?=?=

.'δδ ②滚珠与螺纹滚道间接触变形2δ。查《机械设计手册》相关图表，W 系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量Q δ: mm 10463Q -?=.δ

因进行了预紧，故 mm 10231046502

1

33Q 2--?=??==...δδ

③支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3δ。采用8102型推力球轴承，mm 15d 1=，滚动体直径mm 7634d Q .=，滚动体数量Z=12,故

mm 1049Z d F 0024

03

2

Q 2m 3

e -?==..δ 因施加预紧力，故mm 1074503e 3-?=?=..δδ 根据以上计算轴向总变形量为：

mm 109183321-?=++=.'δδδδ 即轴向总变形小于定位精度。 2.3.3 滚珠丝杠副几何参数

2.4齿轮传动比计算

2.4.1纵向进给齿轮传动比计算

已确定纵向进给脉冲当量mm 010p .=δ，滚珠丝杠导程mm 6L 0=，初选步进电机步距角为0.75o，可计算出传动比

806

75001

0360L 360i 0

b p

...=??=

=

θδ

可选定齿轮齿数为25

204032Z Z i 21或==

即1Z =32,2Z =40 或 1Z =20,2Z =25 。 2.4.2横向进给齿轮传动比计算

已确定纵向进给脉冲当量mm 0050p .=δ，滚珠丝杠导程mm 5L 0=，初选步进电机步距角为0.75o，可计算出传动比 4805

750005

0360L 360i 0

b p

...=??=

=

θδ

考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处

名 称 符号 计算公式（mm ） W 1L4006 W 1L2005

螺纹 滚道 公称直径 0D

40 20 导程（螺距） 0()L ts

6 5 接触角 β

2o44′

4o33′ 钢球直径 0d

3.968 3.175 螺纹滚道法面半径

R

0d 520R .= 2.064 1.651 偏心距 e

βsin )/(2d R e 0-= 0.056 0.045 螺纹升角 γ )/(00D L arctg r π= 2o44′ 4o33′ 丝杠

丝杠外经 d

00d 25020D d ).~.(-= 39 19.4 丝杠内经

1d

R 2e 2D d 01-+= 35.984 16.788 螺母

螺母外径(外循环） D

R 2e 2D D 0+-=

44.016

23.212

螺母内经(外循环）

1D

001d 25020D D ).~.(+=

40.7938 20.635

可以采用两级齿轮减速： 25

20

4024Z Z Z Z i 4321?

=?=

即1Z =24,2Z =40，3Z =20,4Z =25 因进给运动齿轮受力不大，模数m 取2。有关参数如下表：（单位：mm ）

齿数

32 40 24 40 20 25 分度圆直径 d=mZ 64 80 48 80 40 50 齿顶圆直径 m d d a 2+= 68 84 52 84 44 54 齿根圆直径 m d d f ??-=25.12 59 75 43 75 35 45 齿宽 (6~10)m 20

20

20

20

20

20

中心距

A=2/)(21d d +

72

64

45

2.5步进电机的计算与选型 2.5.1等效转动惯量计算

电机转子的转动惯量：参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF ，其转子转动惯量为 2M cm kg 10J ?=； 齿轮1Z 的转动惯量：

234314

11cm kg 6221024678010L d 780J ?=???=??=--.... ； 齿轮2Z 的转动惯量：

2J =43220.7810d L -???=234cm kg 3961028780?=???-..； 丝杠的转动惯量：s J =243cm kg 95229150410780?=???-..。 折算到电机轴上的总转动惯量：

()??

?

???++++=∑20s 22211M 2L g G J J Z Z J J J )()(

π2cm kg 35536..= 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题，27503553610J J M ..//==∑,基本满足惯量匹配要求。 2.5.2电机力矩计算

机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面按个工况计算。

（1）快速空载启动力矩q M

在快速空载启动阶段，加速力矩占得比例较大，具体计算如下： 0f a q M M M M ++=max 2a

2a a 10t 60n 2J 10t 260n J J M -∑-∑

∑??=?==max

max max ππε

360v n b

p

θδ?

=

max

max

将上述数据代入，式中各符号意义同上： min /..max

max r 500360

75

00102400360v n b

p

=?=

?

=

θδ 启动加速时间 ms 30t a =

cm 56341003

060500

14323553610t 60n 2J M 22a a ?=?????=???

=--∑N ....max max π 折算到电机轴上的摩擦力矩f M ：

()cm N 942518014326

08005360160z z 2L G F f i 2L F M 120Z 00f ?=????+?=+==....)(./'πηπη

附加摩擦力矩M 0

()()()

cm

N 15390125

18014326

02530311z

z 2L F 311i 2L F M 22

1

2

m

2

0p 0?=-?????=

-??=-=

.....///ηπηηπη

上述三项合计：..max ?=++=++=N 5881153945634M M M M 0f a q

（2）快速移动时所需力矩k M ：

cm N 24715394M M M 0f k ?=+=+= （3）最大切削负载时所需力矩M j

cm

N 37525

18014326

0134015394i

2L F M M M M M M 0x 0f t 0f j ?=????+

+=+

+=++=....πη

从上面计算可以看出，M q 、M k 、M j 三种工况下，以快速空载启动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。

查表可得，当步进电机为五项十拍时9510M M j q ./max ==λ，则最大静力矩为

cm N 8846951

03

805M j ?==

...max 。 按此最大静转矩，查教材表3.11得出，150BF002型最大静转矩为13.72

N ·m ，大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。 2.5.3 步进电机性能验算

(1)电机最高空载启动频率q f 和运行频率j f

HZ

4000010604

2100060v 1000f p q =??==

..max δ HZ 100001

0606

0100060v 1000f p s j =??==

..δ （2）频率验算

查表知150BF002型步进电机允许的最高空载启动频率qb f 和运行频率jb f 分别为2800HZ 和8000HZ ，

由于qb q f f < 故运行频率频率满足要求。

但jb j f f < 不满足要求，可以通过采用步进电机快速启动升降速控制，将启动频率降到1000Hz ，启动力矩可增高到588.4N ·cm ，然后在电路上再采用高低压驱动电路。 2.5.4步进电机型号确定及主要参数列表：

型号

相数

步距角

电压

相电流 最大静

转矩

最高启动频率 运行频率 转子转动惯量 150BF002

5

0.75

80/12

12

13.72

2800

8000

36.355

3.控制系统设计

3.1数控系统硬件电路设计

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CPU

（2）．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。

3.1.1主控制器CPU的选择

MCS-51系列单片机是集中CPU，I/O 端口及部分RAM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。

3.1.2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：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为2k,4k,8k,16k,32k。在选择芯片时要考虑CPU 与EPROM时序的匹配。8031所能读取的时间必须大于EPROM所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择2764芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。

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。

(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。

(3)译码电路

在单片机应用系统中，所有外围芯片都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片选线。本设计采用全地址译码法。

（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。

（5）I/O 扩展电路设计

①通用可编程接口芯片8155

8031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P3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。

②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4×8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8155 的PC口担任，显示器的字形控制由8155 的PB 口担任。

3.1.3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。（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。

（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器。本设计选用功率放大器。

3.1.4 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。晶体可以在1.2~12之间任意选择，耦合电容在5~30pF 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。

（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6MH Z 时，复位电路中C取22μF，R取200Ω ,R K取1000Ω。

（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P1.0。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。

3.1.5 机床数控系统硬件电路设计

该系统选用MCS-51系列的8031作为主控制器。扩展存储电路为一片2732EPROM 和一片6264RAM。程序存储器扩展为4K，数据存储器扩展为8K。

2732的片选控制端CE直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU 从0000H 开始执行监控程序。6264 的片选端CE由译码器（74LS138）的Y2 输出提供。所以6264 的空间地址为4000H~5FFFH。

系统的扩展I/O 接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155 的片

选端CE接至译码器（74LS138）的Y4 的输出端，故8155 控制命令寄存器及PA，PB，PC 口的地址号分别为8000H 及8001H，8002H，8003H。8155RAM 区的地址为8000H—80FFH。 8155 的PA口为控制工作抬X,Y向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，不步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。

键盘与显示器设计在一起，8155 的PC 口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB 口的PB0—PB3 为键盘的行线。8031 的P1 口为显示器的字形输出口。该系统采用4X6 共24个行列式键盘和6 位8 段共阴极LED 显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加74LS07 进行驱动。

PB 口剩余的I/O 线PB4 —PB7 分别作为工作台+X，+Y，-X，-Y 四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155 的PA 口，PC 口设置为输出，PB 口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4 —PB7 的电平，当某I/O 线为0 时，应立即停止X，Y 向电机的驱动，并发出报警信号。

另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用7805 三端集成稳压器设计。

3.2绘制控制系统原理图

控制系统原理框图如附图四所示。

总结

这学期我们学习了《机电一体化系统设计》这门课程，并进行了课程设计。为了完成“CA6140车床经济型数控改装设计”这一课程设计题目，我们进行了数控系统总方案的拟定、进给伺服系统设计计算以及控制系统硬件电路设计等过程，使我们综合应用所学的机械、电子和微机的知识，进行一次机电结合的系统训练，从而培养了我们机电产品的初步设计计算的能力以及分析和处理机电方面技术问题的能力。

通过这次毕业设计，我学会了如何查阅现有的技术资料、如何举一反三、如何通过改进并加入自己的想法与观点，使之成为自己的东西。并且结合生产知识，培养理论联系实际以及分析和解决工程实际问题的才能，并使大学三年所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展。在此，感谢谭老师的这学期的付出，让我们学到了机电一体化方面的许多知识。

参考文献

[1] 张建民.机电一体化系统设计.北京:高等教育出版社，2007.

[2] 张毅刚.单片机原理与应用.北京:高等教育出版社,2003.

[3] 濮良贵，纪名刚.机械设计.北京：高等教育出版社，2005.

[4] 徐灏等.机械设计手册.北京：机械工业出版社，2000.

附图一：系统总体方案图