小型数控钻床旋转平移工作台控制系统设计

小型数控钻床旋转平移工作台控制系统设计
毕业设计（论文）
题目：小型数控钻床旋转平移工作台操纵系统设计
何强届别：2020届院别：机械工程学院专业：机械电子工程指导教师：余晓峰职称：副教授
完成时刻：2020/4/25
摘要
在机械加工行业中，旋转平移钻床工作台使用量专门大，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专门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。

对操纵系统部分，本文阐述了用单片机操纵交流伺服电机以实现钻床工作台旋转、平移过程。

阐述了整个系统的操纵原理。

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操纵系统，然后系统依照工件上所需加工孔的坐标，是工作台运动到孔的位置，实现对工件的全自动钻孔，同时系统在加工过程中实时显示加工数据。

关键词：传动系统；操纵系统；步进电动机
Abstract
In 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 ....................................................... (5)
1.1 现状 (5)
1.2 进展前景 (5)
2.1工作原理及总体框图 (6)
2.2流程图 (6)
3 旋转工作台传动系统设计 (8)
3.1旋转部分设计 (8)
3.1.1工作台箱体设计 (8)
3.1.2传动比及参数确定 (9)
3.1.3步进电机的选择 (10)
3.1.4 轴的设计 (12)
3.1.5轴承的选择 (14)
3.1.6联轴器的选择 (14)
3.2工作台X-Y机械部分设计 (15)
3.2.1 确定工作台的尺寸极其重量 (15)
3.2.2滚珠丝杠参数运算与选型 (16)
3.2.3 滚动导程参数运算与选型 (17)
3.2.4步进电机参数运算与选型 (18)
3.2.5 支撑座参数设计 (19)
3.2.6 联轴器的选择 (20)
4 工作台操纵系统设计 (21)
4.1操纵系统元器件的选择 (21)
4.1.1 单片机的选择 (21)
4.1.2最小系统设计 (21)
4.1.3I/O接口芯片选择 (22)
4.1.4译码器的选择 (23)
4.1.5 地址分配 (24)
4.2操纵系统电路的设计 (25)
4.2.1主控电路设计 (25)
4.2.2 I/O接口电路设计 (25)
4.3辅助电力路的设计 (26)
4.3.1键盘显示接口电路 (26)
4.3.2步进电机操纵电路 (27)
4.3.3脉冲分配 (28)
4.3.4 驱动电路 (29)
4.3.5光隔离电路 (29)
4.3.6功率放大器和时钟电路 (30)
4.3.7复位电路 (30)
4.3.8越界报警电路 (31)
4.3.9掉电爱护电路 (32)
5致谢--------------------------------------------------------------------33 6参考文献----------------------------------------------------------------34 7附录---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------36
1绪论
1.1 现状
中国分度回转工作台产业领域的进展存在专门多问题，如在产业结构规划布局上不合理，劳动力密集型产品在生产上占据了要紧部分；技术类密集型产品在生产上只占据了专门少的一部分，同时与西方发达工业国家相比有专门大的差距；生产要素至关重要的阻碍正在逐步削弱。

从中国数控分度回转工作台产业进展报告能够大致了解世界数控分度回转工作台产业的进展历程，该报告有力的说明了中国的数控分度回转工作台产业进展现状也指出了和西方发达工业国家在此方面的差距，同时提出了“新型数控分度回转工作台产业”概念，这是之前没有显现过得，此份研究报告从“以人为本”、环境友好、科技创新和面向以后四个方面阐述了“新型数控分度回转工作台产业”内涵，对中国的行政和四大都市圈的数控分度回转工作台产业进展进行了全卖弄的研究。

1.2 进展前景
近几十年以来，各个跨国公司推动的产品全球化进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进展的要求。

有跨国公司推动的加工贸易的全球化进展，因此能够为进展中国家快速进入全球高新技术产业链条提供条件，从而可能让进展中国家实现产业升级上提供便利途径。

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、有用性强、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专门大的部分，研究其设计、制造过程是专门有实际要的工程应用价值。

数控工作台的应用专门多，而数控工作台像自动分度旋转工作台的研究必定有着事实上际的意义。

2 工作台方案的设计
2.1工作原理及总体框图
工作台工作原理采纳单片机操纵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，操纵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 2.1
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操纵系统，单片机操纵器向伺服驱动器发动器发出操纵信号，通过驱动器驱动电机按要求工作以完成动作。

1
2
3
4
5
6
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
3.1.1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、蜗杆、涡轮、轴承等零件，使它们能够正常运动情形下能够达到相关的运动精度。

箱体还能够通过润滑剂来实现各种零件的润滑、安全爱护和密封作用，既能够专门好的让操作员的人一辈子安全得到保证，又能够使箱体内的零件尽可能的少受外界环境的阻碍，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：
涡轮
步进电机
蜗杆
工作台
图2.2旋转工作台箱体图
图2.2旋转工作台
3.1.2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i为各级传动比i
1,i
2
乘积，即
i=i
1*i
2
（3.1）
在设计中分配总传动比是重要问题，传动比若分配得不合理，将不能有效的实现降低成本和结构紧凑的目的；也不能使传动零件获得较低的圆周速度从而阻碍到动载荷或对传动精度等级造成阻碍；然而假如要达到所有要求相对比较困难，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，传动比需要专门大，同时为了保证结构尺寸，蜗杆传动比设定在120，齿轮传动比能够设定为3，那么传动系统的总传动比为120*30=360. （2）最大旋转速度
工作台的最大旋转速度为20度/秒；即
ω
涡轮ω
工作台
=20rad/s （3.2）
n
涡轮=ω
涡轮/360。

=20/360=1/18r/s （3.3）
依照系统总传动比为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。

3.1.3步进电机的选择
步进电动机的选择包括结构、步距角、型号、功率和转速的选取，并要准确的查出所需要的尺寸和型号。

步进电动机由步进电动机本体，步进电动机操纵器及0步进电动机驱动器组成。

选择步进电动机时候，要想让工作台所需的脉冲当量得到保证，步进电动机的输出功率大于负载所需要的功率这一点是前提条件，这一点必须得到保证。

要运算机械系统的负载转矩能够确保电机的矩频特性能满足机械负载并有能够有余量。

在一样正常工作中，在矩频特性曲线范畴内是各种频率下的负载必须遵循的，如此就保证步矩角和机械系统匹配。

（1）步进电机启动力矩运算
步进电机选用三相步进电动机，初选不进电动机步矩角θ
b
=3度。

设步进电机等效负载力矩为T,负载力为P，依照能量守恒原理，电机做的功与负载力做的功关系如下：
TΦη=PS （3.5）
式中Φ—电机转角；
S—转动部件的相应位移；
η—机械传动效率。

若取Φ=θ
b ,则S=δ
b
，且P=P
z
+μ(G+W
2
),因此
T=[P
z +μ(G+W)]
δb
θbη
（3.6）
式中 G—转动部件负载，N;
W—转动部件重量，N;
P
Z
—与中立方向一致的作用在转动部件上的负载力，N;
μ—摩擦系数；
θb—步进电机步矩角，rad;
T—电机轴负载力矩，N．cm.
取μ=0.03，η=0.96，P
Z
=500N。

W=ΠR2×30×10-3×7.8×10-2=325N （3.7） G=ΠR2×70×10-3×7.8×10-2=1075N （3.8）可求得
T=(500+42) ×10.99
3
=4963.81N ≈5N.m （3.9）
不考虑启动时运动部件的惯性阻碍，启动力矩为
T
m
=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
T
max =
Tm
0.866
≈11.6N.m （3.11）
（2）步进电机最大转速
依照工作台的最大转速n
工作台=
1
18
r/s与系统总传动比i=360,可得
n
电机
=20r/s=1200r/min （3.12）因此，不进电机的现在最大转速
n
max电机≥n
电机
=1200r/min （3.13）
（3）步进电机最大频率
依照不进电机的步矩角θ
b =3°与步进电机最大转速n
电机
=20r/s,可得
f
电机
=20×120=2400step/s （3.14）因此步进电机选择最高的频率
f
max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θ
b =3°，步进电机最高转速n
max电机
≥1200r/min，步进电机最高
频率f
max电机≥2400step/s，步进电机最大转矩T
max
=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
3.1.4 轴的设计
在机械设计中，轴是一种专门重要的机械零件，传递运动、扭矩或弯矩要紧依靠于轴和支撑转动零件一起通过回转来实现。

轴各段有直径不同，依据轴线形状的不同，轴能够分为曲轴和直轴两类。

轴的强度和刚度决定其工作能力，在快速运转时取决于其振动稳固性。

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、定位方法等差不多上轴结构形状的阻碍因素
（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，不需要承担外距，因此用到的为传动轴。

从经济有用方面考虑，碳素钢使用广泛，同时对应力集中的敏锐性较小，45碳素钢是广泛被应用同时比较经济的类型；故轴设计选用的材料为通过正火处理的45钢。

图3.1 轴的受力图（2）蜗杆轴的运算
蜗杆上的承担力：轴向力F
a1=F
t2
=2T
2
/d
2
=2×5×360×103/420=8572.4N（3.16）
径向力F
r1=F
t2
tanαt=3120.1N （3.17）
圆周力F
t1=F
t2
tanγ=714.3N （3.18）
大齿轮上轴受力：圆周力F
t2=2T
2
/d
2
=333.3N （3.19）
径向力F
r2=Ft
2
tanαt=121.3N （3.20）
依照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l
1=110mm,大齿轮中央截面距离右支撑的距离l
2
=90mm, 如上图3.1
由图可知，F
a1
产生的力矩为：
M
x1=Fa.d
1
/2=150017N.mm （3.21）
依照给定条件作轴在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
F
R1=［F
r1=
(l-l
1
-l
2
)+F
r2
l
2
+M
x1
］/l=1576.4N （3.22）
F
R2=［F
r1
l
1
+F
r2
l+M
x1
］/l=1765.3N （3.23）
M
R1=F
R1
=173404N.mm （3.24）
MM
R2=F
R2
l
2
=158877N.mm （3.25）
M
X =M
r1
-M
X1
=23387N.mm （3.26）
能够求得d≧26
因此蜗杆轴最小直径d
1
=30mm≧d=25mm蜗杆图如下：
图3.2蜗杆
3.1.5轴承的选择
依靠要紧元件的滚动接触支撑转动零件滚动轴承在机械设计中是一种重要的应用部件之一。

滚动轴承与滑动轴承相比，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
本次设计中要采纳的是滚动轴承。

滚动轴承是标准件，应用广泛，安装、修理方便，同时价格相对来说比较廉价。

外圈、内圈、滚动体和保持架是滚动轴承要紧组成部分，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纳的是直齿圆柱齿轮传动，无轴向力存在，因此轴承选用要紧考虑的是蜗杆传动。

考虑到电动刀架工作时转速专门高，同时是不间断工作，稳固也高。

故采纳油润滑，转速越高，应采纳粘度越低的润滑油；载荷越大，应选用粘度越高的。

3.1.6联轴器的选择
我们将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称之为联轴器。

在高速重载的动力传动中要求联轴器有缓冲、减震和提高轴系动态性能的作用。

选择联轴器时，应依照工作要求选定合适的类型，依照轴的直径运算转速和扭矩，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，一样有固定式联轴器和可移式联轴器，这是依照在小齿轮所在的轴与练级的联接按照被链接的两周的相对位置和位置的变动情形来划分的，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。

依照电机转速n
电机
=1200r/min,电机的最
大转矩T
max =11.6N.m，而小齿轮所在的轴d=22mm,电机轴径d
电机
=22mm,依照凸缘联轴器参
数表选得对中环凸缘联轴器型号为GYH2 52×38/22×22。

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，选择步进电机，运动部件惯性的运算，传动及导向元件的设计、运算与选择等。

3.2.1 确定工作台的尺寸极其重量
图3.3X向托板
图3.4Y向托板
依照设计要求初选旋转工作台尺寸为550×500×160,。

考虑到加工时工作台受到冲击和振动，因此选工作台材料是密度为7.2×103kg/m3的灰铸铁HT150，(取g=10N/kg)。

旋转工作台的质量：
=0.55×0.5×0.16×7.2×103=316kg （3.27） m
1
X向拖板与Y向拖板所谓材料为HT150，尺寸为：
长×宽×高=500mm×500mm×80mm, （3.28）
上、下拖板总质量为：
m
2
=2×0.5×0.5×0.08×7.2×103=288kg （3.29）初步取导轨座尺寸为：
长×宽×高=800mm×500mm×120mm （3.30）则其质量为：
m
3
=0.8×0.5×0.12×7.2×103=345kg （3.31）旋转工作台右端盖质量：
m
4
=0.24×0.05×0.16×7.2×103=13.8kg （3.32）工作台总质量为：
m=m
1+m
2
+m
3
+m
4
=963kg （3.33）
考虑到夹具、电动机等其他因素，取m
总
=1000kg。

附图如下：3.2.2滚珠丝杠参数运算与选型
图3.5丝杠
初选丝杠材质：CrMnTi钢，HRC56～62，导程：p=5mm
(1)求出螺旋传动的运算载荷F
c
F C =F
E
K
H
K
L
F
m
其中，K
E
—为载荷系数，取1.5；
K
H
—为硬度系数，取1.0；
K
L
—为精度系数，取1.0；
F
m —为丝杠工作时的轴向压力，F
m
=μm
总
g=40N。

F
C
=1.5—1.0×1.0×40=60N；（3.34）（2）确定动载荷及寿命运算
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C a 必须大于其运算值：
C a ＞C ′a =Fc nmLh
3
1×67.160 （3.35）
其中：C a —额定动载荷（N ）；n m —螺杆的平均转速，取100r/min L h —运转寿命（h ）;F —螺旋传动的运算载荷（N ）。

假设滚动丝杠能工作6年，每年365天，每天工作8小时，则
L h =6×365×8=17520h （3.36） 代入数据得： C a ′=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 。

3.2.3 滚动导程参数运算与选型
（1）运算导轨的工作寿命T h ,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
T h =6×365×8=17520h （3.37） （2）运算导轨行程长度寿命T s =2T h L s n/1000
其中，L s =单程行程（取0.5m ），n 为每分钟往复次数（取6次/分钟） T s =2×17520×0.5×6×60/1000=6307km （3.38） （3）运算导轨的额定动载荷C n （N ）
因钻床的切削力F 钻大致是工作台重的1-1.2倍，因此
F 钻=1.2m 1g=1.2×316×10=3792N （3.39） 设每根导轨上游2块滑块，每个滑座承担的工作载荷为F ，则 F=
4
g m 钻
总F +=3356N （3.40） 可由此求得：
T S =6.253
a ⎪⎭⎫ ⎝⎛F C ⇒Ca=33560N ≈33.6KN （3.41） (4)依照额定动载荷C a 确定滚动导轨的型号及结构尺寸
依照C a ＞C ′a 原则，查型号表可选导轨型号为LG20KL. 3.2.4步进电机参数运算与选型
由机床精度要求确定脉冲当量δ及步矩角α：α=360δλ/p 。

脉冲当量δ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：
α=360δλ/p=0.72 （3.42） （1） 电机轴上的总当量负载转动惯量的运算
J 总≈J 1+J 2+J 转 （3.43） ① 丝杠的转动惯量 J 1=
32
πρd4l
（kgm 2） （3.44） 其中，ρ为丝杠密度取7.8×103m 3,，d 为丝杠的等效直径（m ），l 为丝杠长度（m ）。

d=16×103mm l=0.6m （3.45） 可得：
J 1=
32
πρd4l
=0.30×10-4（kgm 2） （3.46） ②工作台、工件、夹具、支撑坐等折算到电机轴上的转动惯量： J 2=(
π
2P )2
m 总×10-6=2.22×10-4（kgm 2） （3.47） 其中，m 总为总质量（kg ），p 为丝杠导程（mm ） ③电机转子的转动惯量小得场合，可忽略不计。

因此， J 总== J 1 +J 2=2.52×10-4（kgm 2） （3.48） （2） 电机轴转矩的运算
①空载启动时，电机轴上的惯性转矩：
T j =J 总
P πλ2△t
max
V （3.49）
其中，△t 为电机加速时刻（s ）,p 为丝杠导程（m ）,Vmax 为工作台快进速度（m/s ）
，λ为传动比
△ t=0.1s ，p=0.05m ，Vmax=3.6m/s λ=1 则，
T j= J 总
P πλ2△t
max
V =0.19(Nm) （3.50）
②电机轴上的当量摩擦转矩（工作台及工件重量引起）
T μ=
λ
η π2p
F m （3.51） η为伺服传动链的总效率，可取0.8，则
T μ=0.014（Nm ） （3.52）
③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 T 0=
λ η π2p 3
m
F （1-η02） （3.53）
η0为滚珠丝杠螺母副未预紧时的传动效率（取0.9），则
T 0=8.82×10-4（Nm ） （3.54） 空载启动时电机轴上的最大静转矩：
T q =T j +T μ+T 0=0.19+0.014+8.824×10-4=0.20（Nm ）
所选取的步进电机的最大静转矩T s 需满足T s ＞0.23 （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：
4
1＜m J J 总＜1（J m 为锁选电机的转动惯量） （3.56）
41＜4
52
.2＜1 （3.57）
最大静转矩：T q =0.23＜3.0Nm （3.58） 步进电机的最大运行频率f ＞f ′=
δ60max
V （3.59） f ′=6000HZ=6KHZ ＜20KHZ （3.60）
因此，所选的型号为90BYG5520的步进电机合适。

3.2.5 支撑座参数设计
设计滚珠丝杠的支撑的安装采纳固定-支撑式的一端装深沟球轴承。

依照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，因此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3.6固定端轴承
3.2.6 联轴器的选择
因为梅花联轴器具有高扭转刚性和杰出灵敏度，可吸取偏角、偏心、轴向偏差和振动，因此伺服电机与丝杠之间的联接选用梅花联轴器联接。

图3.7梅花联轴器
依照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 工作台操纵系统设计
4.1操纵系统元器件的选择
4.1.1 单片机的选择
图4.1 AT89S52单片机
本设计选用AT89S51单片机。

51单片机的哈弗结构。

数据储备器跟程序储备器分开，大大减少了成本，特有的带有位处理功能的八位微处理器。

内部有8KB ROM储备器，内部ROM足够不用外扩程序储备器，而且RAM有256B（专门功能寄存器除外）可用不用外扩数据储备器， 4组带所存的端口共32个I/O口，三个定时器中断，可用于定时显示刷新等。

两个外部中断可用于限位开关报警，还有串行口中断，拥有丰富的指令系统，而且价格廉价，十分经济。

4.1.2最小系统设计
图3.2 最小系统
单片机最小系统是单片机正常工作的基础，单片机的最小系统包括晶振电路跟复位电路，晶振电路是整个系统的心脏，晶振产生的时钟频率供单片机正常工作，晶振电路外接一个12MHz的晶振，复位电路则是对单片机进行复位，在不改变内存值的情形下进行程序指针的复位，复位电路采取两上电复位跟手动复位。

上电复位：当给单片上电时自动复位，完成单片机初始化工作，是单片机正常运行的必备预备工作，手都复位：能够在任何时候按下对单片机复位，单片机内存值可不能改变。

4.1.3I/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，能够为64键额接触式按键阵列提供扫描接口，也能够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。

键的按键能够使而键闭锁也能够是N键巡回，能够自动取消按键抖动，按键输入编码被选通送入8字符的FIFO先进先出缓冲器中。

若送入的字符余外8个，将越限制标志置“1”，按键输入时刻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
图 4.3 Intel8279芯片引脚
4.1.4译码器的选择
组合逻辑电路的一个总要的器件译码器能够分为：变量译码和显示译码。

本次操纵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 操纵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）为低电平常，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
图4.4 74LS138译码器引脚
4.1.5 地址分配
图4.5 程序储备器选择电路
51单片机采纳的结构是哈弗结构，数据储备器跟程序储备器分开，数据储备器是通过指令的区别来选择的因此不需要在硬件结构中做任何处理， 由于程序储备器选择内部储备器，因此EA 引脚必须接高电平。

1 16
2 15
3 1
4 4 13
5 12
6 11
7 10
8 0
9 A0 A1 A2 E1 E2 E3 Y7 GND VCC Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6
4.2操纵系统电路的设计
4.2.1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和数据储备器6264组成。

单片机主控电路揭发如下图，
图4.6 单片机主操纵电路图
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。

4.2.2 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：
图4.7 I/O接口扩展电路图
其中，AT89C55的P0.1-P0.7接8279的D0-D7，8279的CS接 P2.6，8279的时钟端CLK连接到周期输出信号ALE,INTL接8279的中端要求线IRQ,WR,RD分别和8279的WR,RD相连，P2.7与8279的A0相连。

8279外接2 8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要紧功能芯片外，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，步进电机操纵电路，复位电路，越界报警电路，掉电爱护电路等。

下列介绍各辅助电路：
4.3.1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显示器三种。

考虑到经济成本此
设计采纳LCD1602显示器，。

如下图：
图4.8键盘显示接口电路
4.3.2步进电机操纵电路
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：
图5.8 步进电机操纵电路总图
4.3.3脉冲分配
将操纵脉冲按规定通电方式分配到各相是脉冲分配器要紧功能，该分配操纵数据表如下图：
表1 四相八拍脉冲分配操纵数据表
4.3.4 驱动电路
由微机依照操纵要求发出的脉冲，并依次将脉冲分配给各相绕组，其功率较小，电压幅度一样低于5v，电流为mA级，必须通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：
图4.8驱动电路
其中，无脉冲时，T1,T2和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初级电流临时恒定，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，坚持La中的电流为恒定值，输入脉冲终止后，T1,T2，T3，T4又均截止，储备在La中的能量通过18 Ω的电阻和二极管泄放。

4.3.5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，操纵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。

假如I/O口输出信号直截了当与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则阻碍运算机的程序正常运行，重则导致极端及接口电路的损坏。

因此一样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：。