《机电一体化系统设计》课程题目

e． 液压式转位刀架。

本实例选用的LD4-1型自动刀架的工作原理类似于螺旋转位刀架。微机发出换刀信号， 使电机正转，通过减速机构和升降机构将上刀体上升至一定位置时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转，旋转到所选刀位，发信盘发出刀位信号，使电机反转，反靠初定位，上刀体下降，齿牙盘啮合，完成精定位，并通过蜗轮蜗杆，锁紧螺母，使刀架固紧。当夹紧力达到预先调好的状态时，过流继电器动作，切断电流，电机停转，并向微机发出回答信号，开始执行下道工序。刀架的动作顺序简明地表示为：电机—减速机构—升降机构—上刀体上升转位—刀位信号判别—粗定位机构—上刀体下降—精定位—刀体锁紧—电机停转—换刀回答信号—加工顺序执行。

五、 微机数控系统硬件电路设计 1． 设计的内容

（1） 按照总体方案及机械机构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制微机控制系统

的结构框图。

（2） 选择微机或CPU类型。

（3） 根据数控系统的具体要求设计存储器扩展电路。

（4） 根据被控对象和系统工作要求，设计扩展I/O接口电路、转换电路及驱动电路。 （5） 选择控制电路中各器件及电气元件的参数及型号。 （6） 绘制电路原理图。

2． 本实例的微机数控系统硬件电路设计中的几个值得注意的问题 （1） 单片机的选择

根据总体方案的确定，微机已采用MCS-51系列单片机。51系列相对48系列单片机指 令更丰富，相对96系列价格更便宜。51系列有三种型号：8031是无ROM的8051；8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本实例采用8031。

（2） 扩展存储器设计 a．地址锁存器

由于8031的P0口分别作地址总线低8位和数据总线，故需采用74LS373作为地址线8位锁存器，并注意信号的连接。 b．扩展ROM 8031无内部ROM，必须扩展外部ROM。由于车床数控系统包含操作系统和系统控制程序，采用2片8K?8的2764芯片，可与单片机所选的12MHZ时钟相匹配。 ROM的地址范围为0000H~3FFFH，并采用译码器，使地址范围无重叠区。 c．扩展RAM 8031芯片内仅有RAM128字节，需扩展作为用户数据储存器，采用8K?8的6264芯片。其地址范围为6000H~7FFFH，也采用译码器，使其为无重叠区的地址范围。 （3） I/O扩展

8031只有P1口可作为普通I/O口用，所以需扩展。需要计算一下总共需多少I/O口线。本实例：键盘需32个键，采用矩阵式键盘，需12个I/O口；显示器采用6个LED，需6个I/O口；两个坐标轴超程报警及故障显示需8个；两个步进电机，采用软件环形分配器，需6个；刀架需4个；紧急停车需1个。共需37个I/O口。需采用两片8255A或8155芯片，肯定可以满足要求。 （4） 伺服驱动电路

两个坐标轴的步进电机驱动路线：光电隔离电路、双电压放大电路。 （5） 超程保护电路

一个坐标轴的一端需采用两个限位开关，为的是双保险。为了减少I/O口线，可将一端的两个限位开关进行逻辑或运算后，经隔离电路连接到一个I/O口线。 3． 部分系统控制软件设计

数控系统的控制软件所包含内容较多，本实例又进行直线插补和圆弧插补的程序设计。 首先是确定插补的方法。常用的有脉冲增量插补法和数据增量插补法。经济型数控改造车床其精度和速度的要求均不高，采用脉冲增量插补法即可。脉冲增量插补方法还有好多种，本实例采用比较成熟的逐点比较法或数字积分法进行插补均可以。现采用前者。

在直线插补程序中，要有处理象限的功能，四个象限采用一套插补计算公式，那么就要将各个象限的直线终点坐标取绝对值，进给方向又要按所在象限的规律进给加工。

在圆弧插补程序中，要能插补顺圆和逆圆的四个象限的八种类型圆弧，采用两套插补公式，同样要象直线插补那样进行处理。还应该有自动过象限的能力。根据以上的构思，先设计好插补程序的流程框图，然后再编写汇编语言的源程序。在编写程序时特别注意单片机的I/O口有的为准双向口的问题。 4． 数控机床控制程序举例

为了对上述微机数控系统的硬件电路设计加深理解，此处给出一个在数控车床上进行直线插补的控制程序。根据附图单片机控制原理图所示的芯片连线图，首先对堆栈，8155进行初始化，再用逐点比较法对第一象限直线进行插补软件程序设计。 （1） 第一象限直线插补框图

直线插补原理见相关教材。其程序框图如图3.2.7所示。图3.2.7a画出X、Z向电机从原点开始，进行直线插补运动，终点为P点，坐标为Xe、Ze。其终点坐标值、判终值、偏差值、X向、Z向电机初值分别放入8031内部RAM的各单元。图3.2.7b给出直线插补框图。

（2） 第一象限直线插补参考程序

直线插补可以设计出多种不同的软件程序。此处仅给出一种参考程序，目的是使学员将软件与硬件线路结合起来，以加深对微机数控系统的理解。

图 3.2.7 第一象限直线插补框图

参考程序如下： ORG 2300H MAIN： MOV SP， #60H 设置堆栈指针

MOV DPTR， #9FF8H 8155初始化 MOV A， #0DH A口输出，B口输入 MOVX @DPTR，A C口输出，控制字为00001101B MOV 4AH， #00H 偏差单元清零 MOV 49H， #00H MOV 48H， #01H 置Z向电机初态 MOV 47H， #20H 置X向电机初态 MOV A， 4EH 计算判终值低8位 ADD A， 4CH 将低8位+Xe 送入50H MOV 50H， A MOV A， 4DH 将Ze高8位与Xe高8位 ADDC A， 4BH 相加（带进位位） MOV 4FH， A 作为判终值高8位送入4FH MOV A， #21H Z向、X向电机上电 MOV DPTR， #9FF9H 将控制字#21H送入8155的PA口 MOVX @DPTR，A PL1： ACALL DL0 延时1ms MOV A， 49H 将偏差值高8位赋予A JB ACC.7 LP3 判断F?0?ACC.7为符号为, 如ACC.7=1偏差为负值, 转移至LP3, 否则向下执行

F?0, 走一步+Z ACALL ZMP

ZMP为Z向电机正转子程序

CLR C MOV A， 4AH SUBB A， 4CH MOV 4AH， A

MOV A， 49H

SUBB A， 4BH MOV 49H， A LP2： CLR C MOV A， 50H SUBB A， #01H MOV 50H， A MOV A， 4FH SUBB A， #00H MOV 4FH， A ORL A， 50H JNZ LP1 LJMP

0000H

LP3： ACALL XMP

MOV A， 4AH ADD A， 4EH MOV 4AH， A

MOV

A，

49H

ADDC A， 4DH MOV 49H， A SJMP LP2 DL0： MOV R2， #02H D2： MOV R1， #7DH D1： DJNZ R1， D1 DJNZ R2， D2 RET 步进电机正转及反转子程序略。

清进位位

计算新偏差

Fi?F?Xe

清进位位

判终值减1，送到A判断是否为0

A不为零，（即未到终点）转移到LP1， 判断偏差值F的正负。

判终值为零则插补结束返回监控程序

F?0，走一步+X，

XMP为X向电机正转子程序

计算新偏差

Fi?F?Ze

转移至LP2，重新进行判终

延时子程序