毕业设计（论文）-CA6140型普通车床的数控化改造设计.doc

河南机电高等专科学校毕业设计说明书绪 论随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。一、问题的提出数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。二、数控车床改造的意义数控车床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在60年代已经开始迅速发展，其发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。我国是拥有300多万台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。用数控技术改造机床，正是适应了这一要求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的通用性与可调性。而且所投入的改造费用低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3至1/5，用户承担的起。从若干单位成功应用的实例可以证明，投入使用后，确实成倍地提高了生产效率，减少了废品率，取得了显著的技术经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。同时，它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主要内容之一。三、数控化改造的优点普通车床数控化改造一般是指对现有普通车床的某些部位做一定的改造，配上经济数控装置或标准型数控系统，从而是原机床具有数控加工能力。其改造有如下的优点：1、资本效率出发，改造闲置的普通机床,能发挥旧机床的原有能和改造后的新增功能,提高机床的使用价值。2、适应多品种，小批量零件生产。3、数控改造费用低,减少了投资额,经济性好.数控车床改造费用仅为新购一台数控车床费用的15%20%,同购置新机床相比，一般可以节省75%80%的费用,如果再结合机床大修理，几乎就是一台新的数控车床,甚至会更好，因为普通车床不会再变形。4、机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的普通机床基础件是重而坚固的铸造构件，而不是焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以做为新设备继续使用多年。数控化改造后使原有的机械结构更为简单，原有得手扶进给机构全部消失。这样一方面，可以提高精度,减少传动链对精度的影响；另一方面，可以减少机械故障率，提高运行的可靠性.但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。5、操作者熟悉了解机床、便于操作维修,降低了操作者的技术要求，更易于提高管理水平.购买新机床时，不了解新机床是否满足起加工要求。改造则不然,可以精确计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用,操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短、见效快。改造的积储一旦安装好，就可以全负荷运转。操作者只需要对工件进行装夹和操作开关，而零件的加工全部则由数控系统控制完成，即使比较复杂的工件也能迅速完成，省去了对技术要求的烦恼。6、可充分利用现有的条件，可以充分利用现有基地,不许要重新构筑地基。7、可以采用最新的控制技术，可根据技术革新的发展速度,及时提提高生产设备自动化水平和效率，提高机床质量和档次,将旧机床改造成当今水平的机床。自动化程度高、专业性强、加工精度高、生产效率高。8、增强了功能，如圆弧、锥度加工，这是传统加工方法难以完成的。第一章 CA6140车床数控系统总体设计方案数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。 CA6140车窗结构示意图11总体方案的确定1.1.1系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控铣床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，由于在铣削加工中，要求工作台或刀具沿各坐标轴运动有确定的函数关系，即刀具以给定的速率相对于工件沿加工路径运动，所以不能选用点位系统，因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中不进行切削。因此，应选用连续控制系统。X52K型铣床改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统，因闭环控制系统适用于精度要求较高的机床设计，且闭环控制系统的造价昂贵。1.1.2计算机系统根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性能价格比等特点，因此采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。1.1.3机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副以及滚动导轨。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。12 设计X-Y数控工作台及其控制系统计算任务及参数在任务书中已经给出。系统总体方案见图1-1根据设计任务的要求，采用连续控制系统和步进电机开环控制系统。这样可使控制系统结构简单、成本低廉，调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，尽量采用低摩擦的传动和导向元件。此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙。计算机系统仍采用高性能价格比的MCS-51系列单片机扩展系统 输入输出数控装置PLC主轴控制单元主轴机床速度控制单元伺服电机位置检测反馈装置工作台 图1-1 车床数控化改造总体方案框图第二章 CA6140车床进给伺服系统机械部分设计一台CA6140普通车床改造成微机数控车床，采用MCS-51系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下：加工最大直径：在床面上 400 在床鞍上 210加工最大长度：1000溜板及刀架重力： 纵向 1000N 横向 600N刀架快速速度: 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min最大进给速度: 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min主电机功率 7.5Kw起动加速时间 30ms机床定位精度: 0.015mm伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图。现分述如下：21系统脉冲当量的选择一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲。根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/脉冲，横向：0.005mm/脉冲。22切的计算削力在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，下面介绍数控车床中的切削力的计算。2.2.1纵车外圆主切削力F (N)按经验公式估算: 按切削力各分力比例： 2.2.2横切端面主切削力可取纵切的1/2.此时走刀抗力为(N),吃刀抗力为.仍按上述比例粗略计算:23 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d0（丝杠外径d）、导程L0、滚珠的工作圈数j、列数K、精度等级等。滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。如参考书1中的图4-4所示。我们在此选用螺旋槽式外循环：在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，同螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆钢弯成弧形杆，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的优点是：工艺简单，螺母外径尺寸较小。缺点是：螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠器钢性差、耐磨性差。滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。本设计采用双螺母螺纹式预紧结构，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。其特点是结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍。2.3.1纵向进给丝杠1.计算进给率引力(N)作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动部件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。纵向进给为综合型导轨由前所知： 得：式中 考虑颠复力矩影响的实验系数,综合导轨取K=1.15; -滑动导轨摩擦系数:0.150.18;-溜板及刀架重力: =1000 N.2.计算最大动负载利用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）后在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可以用下式计算： 式中 -滚珠丝杠导程,初选=6;-最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(),此处 -使用寿命,按15000h; -运转系数，按一般运转取=1.21.5; -寿命，以10转为1个单位。将数据分别带入上式得：3.滚珠丝杠螺母副的选型查阅附录表3,可采用WL3506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16400 N,精确等级按表4-15选为3级(大致相当于老标准级)。4.传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为：式中 螺旋升角, WL3506 -摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004将各数据带入上式得： 5.刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性因此应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量；滚珠与螺纹滚道间的接触变形；支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形；滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量；和螺母座及轴承支座的变形。最后一种常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。因此滚珠丝杠副刚度的验算，主要是前三种变形量，他们的和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。先画出纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图2-1所示。最大牵引力为2559 N.轴承支撑间距=1500，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3 图2-1（1）丝杠的拉伸或压缩变形量查图4-6，根据，查出，可算出：由于两断均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸,故其刚度可以提高4倍。其实际变形量()为:(2)滚珠与螺纹滚道接触变形查图4-7, 系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量因进行了预紧, (3)支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形采用8107型推力球轴承，=35,滚珠体直径=6.35,滚动体数量=18, 注意,此公式中单位应为因施加预紧力,故 根据以上计算:定位精度6.稳定性校核滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核.2.3.2横向进给丝杠1.计算进给牵引力横向导轨为燕尾形,计算如下:由前所知： 得:2.计算最大动负载3.选择滚珠丝杠螺母副从附录A表3中查出, 1列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副,额定动载荷为9700 N,可满足要求，选定精度为3级.4.传动效率计算5.刚度验算横向进给丝杠支承方式如图2-2所示，最大牵引力为2425 N，支承间距=450，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。 图2-2计算如下：（1）丝杠的拉伸或压缩变形量（）查图4-6，根据,查出,可算出(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形量查图4-7 因进行了预紧 (3) 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形采用8120推力球轴承,考虑到进行了预紧,故综合以上几项变形之和:显然此变形量已大于定位精度的要求,应该采取响应的措施修改设计,因横向溜板空间的限制,不宜再加大滚珠丝杠的直径,估采用贴塑导轨见效摩擦力,从而减小最大牵引力.重新计算如下: 从图4-6查出当时,和不变,则,定位精度为,估此变形量仍不能满足,如果将滚珠丝杠再经过预拉伸,刚度还可提高四倍,则变形量可控制在要求的范围之内.6.稳定性校核计算临界负载式中 -材料弹性模量,钢: -截面惯性矩()丝杠: ,为丝杠内径;-丝杠两支承端距离();-丝杠支承方式系数,从表4-13中查出，一端固定,一端简支=2.00(一般)此滚珠丝杠不会产生失稳。2.3.3 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数。表2-1 滚珠丝杠几何参数名称符号公式W1L2506W1L2005螺纹滚道公称 直 径2520导 程65接 触 角钢球直径3.9693.175滚道法面半径2.0641.651偏 心 距0.0560.045螺纹升角螺杆螺杆外径24.219.4螺杆径20.98416.788螺杆接触直径17.02713.835螺母螺母螺纹直径32.82623.212螺母内径25.820.63524 齿轮传动比计算2.4.1.纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角0.75。可计算出传动比 可选定齿轮齿数为:2.横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量=0.005 ,滚珠丝杠导程=5,初选步进电机步距角0.75可计算传动比 :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,故此处可采用两级齿轮降速: 、因进给运动齿轮受力不大，模数取2。有关参数如下:表2-2传动比参数齿数324024402025分度圆648048804050齿顶圆688452844454齿根圆597543753545齿宽202020202020中心距72644525 步进电机的计算和选型选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，在根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。2.5.1纵向进给步进电机计算1.等效转动惯量计算计算见图2-1，传动系统折算到电机轴上的总的惯量可由下式计算：式中 -步进电机转子转动惯量（）;、-齿轮、的传动惯量（）;-滚珠丝杠转动惯量（）。参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，起转子转。 代入上式：考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题 基本满足匹配的要求。2.电机力矩的计算机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面按个阶段计算：（1） 快速空载起动力矩起 。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：将前面数据代入，式中各符号意义同前。起动加速时间 折算到电机轴上的摩擦力矩： 附加摩擦力矩： 上述三项合计（2）快速移动时所需力矩快（3）最大切削负载时所需力矩切 从上面的计算可以看出，起、快和切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以次作为初选步进电机的依据。从表中查出，当步进电机为五相十拍时，最大静力矩 。按此最大静转距从表查出，型最大静转距为13.72 N 。大于所需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动距频特性和运行距频特性。3.计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 从表中查出 型步进电机允许的最高空载起动频率为2800 HZ运行频率为8000 HZ ， 130BF001步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图2-3，2-4所示，可以看出，当步进电机起动时，f起=2500Hz时，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（）直接使用将会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率将到1000Hz时，起动力矩可增到，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，130BF001型步进电机运行矩频特性（图2-4）完全可以满足要求。第三章 CA6140车床数控系统硬件电路设计31单片机数控系统的设计内容3.1.1硬件电路设计内硬件是组成系统的基础,也是软件编制的前提,数控系统硬件的设计包括以下几部分内容：1、绘制系统电气控制结构框图据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。机床硬件电路由五部分组成：主控制器：即中央处理单元CPU。总线：包括数据总线、地址总线和控制总线。存储器：包括程序存储器和数据存储器。接口：即输入/输出接口电路。外围设备：如键盘、显示器及光电输入机等。2、选择中央处理单元CPU的类型CPU的种类很多，在此处选择MCS51系列单片机中的80C51，因为其集成度高，稳定性、可靠性好，体积小，而且有很强的外部扩展功能，外围扩展电路芯片大多是一些常规芯片，用户很容易通过标准扩展电路来构成较大规模的应用系统。3、存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。分别选择两片2764和一片6264来扩展16K的内存。4、I/O接口电路设计设计内容包括：据外部要求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。经考虑，选择8255为I/O接口芯片，液晶显示控制器LR104VRAM来控制LCD。图中的急停开关应采用那种按下去之后不会弹起、直到再次启动后操作者用手动拔出的按钮，此处由于表达方式的限制，仅以普通按钮表示。3.1.2机床数控系统软件设计软件是硬件的补充，确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。1、软件设计步骤分为以下几步：据软件要实现的功能，能制定出软件技术要求；将整个软件模块化，确定各模块的编制要求，包括各模块功能，入口参数，出口参数；据硬件资源，合理分配好存储单元；分别对各模块编程，并调试；连接各模块，进行统一调试及优化；固化到各程序存储器中。2、数控系统中常用软件模块1）软件实现环行分配器；（2）插补运算模块；（3）自动升降速控制模块。32 MCS-80C51单片机及其扩展3.2.1 80C51单片机的简介 1芯片引脚及片外总线结构80C51单片机采用40脚双直插封装（DIP）形式，80C51单片机是高性能单片机，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。下面说明这些引脚的名称和功能。电源引脚Vss和Vcc Vss(20脚)：接地。 Vcc(40脚)：主电源+5V。 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2图3-1XTAL1（19脚）：接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反向放大电路的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。控制信号引脚RST、ALE/PROG、PSEN、EA/VppRST（9脚）：单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该引脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET）。ALE/PROG：访问片外存储器时，ALE作锁存扩展地址低位字节的控制信号（称允许锁存地址）。平时不访问片外存储器时，该端也以1/6的时钟振荡频率固定输出正脉冲，供定时或者其他需要使用；在访问片外数据存储器时会失去一个脉冲。ALE端的负载驱动能力为8个LSTTL。 PSEN（29脚）：在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两个有效的PSEN信号不出现。PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。 EA/Vpp（31脚）：当EA端输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。当地址超过4KB时，将执行片外程序存储器的程序。当EA输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。输入/输出引脚（P0、P1、P2和P3端口引脚）P0-P3是4个寄存器，也称为4个端口，是80C51单片机与外界联系的4个8位双向并行I/O口。由于在数据的传输过程中，CPU需要对接口电路输入输出数据的寄存器进行读写操作，所以在单片机中对这些寄存器象对存储单元一样进行编址。通常把接口电路中这些已编址并能进行读写操作的寄存器称为端口（PORT），或简称口。 图3-2 P0.0-P0.7（39-32脚）：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位双向数据，故这些I/O线有地址线/数据线之称，简写为AD0-AD7。在EPROM编程时，从P0输入指令字节，在验证程序时，则输出指令字节（验证时，要外接上拉电阻）。P1.0-P1.7（1-8脚）：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在EPROM编程和验证程序时，它输入低8位地址。P2.0-P2.7（21-28脚）：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在访问片外存储器时，它输出高8位地址，即A8A15。在对EPROM编程和验证程序时，它输入高8位地址。P3.0-P3.7（10-17脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在整个系统中，这8个引脚还具有专门的第二功能，如表（3-1）所示。表3-1 表P3口各位的第二功能P3口的各位第二功能 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7RXD（串行口输入）TXD（串行口输出）INT0（外部中断0输入）INT1（外部中断1输入）T0（定时器/计数器0的外部输入）T1（定时器/计数器1的外部输入）WR（片外数据存储器写选通控制输出）RD（片外数据存储器读选通控制输出）33 存储器扩展电路设计3.3.1 单片机的系统扩展概述80C51片内只有4KB程序存储器地址空间、256B的片内数据存储器的地址空间（用8位地址，其中128B的专用寄存器地址空间仅有21个字节有实际意义）。所以需扩展。扩展概述 80C51的片外总线结构：所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展。1、数据总线（DB）数据总线由P0口提供，数据总线要连到连接的所有外围芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传送通道。（2）地址总线（AB）：16位，可寻址范围为64K字节，AB由P0口提供低8位地址，与数据分时传送，传送数据时将低8位地址锁存；高8位地址由P2口提供。（3）控制总线（CB）：系统扩展用控制总线有WR、RD、PSEN、ALE、EA。2、系统扩展能力片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号，允许两者的地址重复。故据地址的宽度，片外可扩展的存储器与程序存储器分别为64KB。此处扩展了16K的程序存储器和16K的地址存储器，且没有使用片内存储器。扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。地址锁存器 因为P0口是分时提供低8位地址和数据信息的，所以必须用锁存器把地址锁存住。本次设计使用带三态缓冲输出的8D锁存器74HC373。其引脚见图3-3。图3-3 74HC373引脚图D0-D7 信号输入端Q0-Q7 信号输出端G：下降沿时，将D1-D8锁存于内部E：使能端，E=0时，三态门处于导通状态，输出端Q0-Q7与输入端D0-D7连通，当E=1时输出三态门断开，输入数据锁存。3、地址译码器80C51扩展电路中，都牵涉到外部地址空间的分配问题，即当80C51数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首选要进行片选，然后再进行片内地址选择。地址译码实现片选的方法目前常用的有两种：线选法和译码法。此处采用74HC139译码器组成的译码电路对系统的高位地址进行译码。74HC139是双“2-4”译码器，每个译码器仅有1个使能端G，0电平选通。有2个选择输入端，4个译码输出端，输出0电平有效。2个输入信号A、B译码后有4个输出状态，其引脚与真值表如下所示。表3-2 74HC139真值表输入输出使能选 择Y0Y1Y2Y3/G B A 1 1111 0 0 00111 0 0 11011 0 1 01101 0 1 111103.3.2 存储器扩展此处采用两片EPROM芯片2764（8K8）扩展程序存储器，数据存储器选用静态RAM27648（8K8）。其引脚见右图3-3。 图80C51芯片与存储器的连接 存储器扩展实质是三总线的连接。据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。此处为13根。数据线的连接 将80C51的芯片的P0.0-P0.7按位与RAM数据线D0-D7直连。地址总线的连接 据确定的地址线根数，将相应低地址线相连，剩余高位地址线作为片选。控制总线的连接 对应控制线相连。34 I/O接口电路及辅助电路设计3.4.1 I/O口的扩展MCS-51单片机共有四个8位并行I/O口，可提供给用户使用的只有P1口和部分P3口线，因此不可避免地要进行I/O口的扩展。这里采用8255（可编程的RAM/IO扩展接口电路）。 I/O口扩展采用总线扩展方法，数据输入线取自80C51的P0口。这种扩展方法分时占用P0口，不影响P0口与其它扩展芯片的连接操作。8255具有3个8位的并行的I/O口，分别为PA、PB、PC口，其中PC口又分为高4位（PC7-PC4）和低4位（PC3-PC0）。3.4.2 步进电机驱动电路采用细分驱动电路，根据所选电机说明，选取合适的驱动器，纵向驱动器和横向驱动器均为SH20806N。其接线图如(3-4)：3.4.3液晶显示控制器使用由上海朗睿电子科技有限公司研制生产的工业彩色液晶（VRAM型）显示器，型号为LR-104VRAM。1、简介： 彩色液晶显示器采用超大规模集成电路，以数字方式驱动，可以从根本上消除传统CRT显示器的屏幕闪烁现象。具有高亮度、高对比度、高可靠性、抗恶劣环境等优点；并且体积小、厚度小、功耗低、无辐射、抗干扰能力强。随着彩色液晶技术的日趋成熟，正在逐步取代CRT显示器，成为许多高要求行业的首选，被越来越多地应用到电力、医疗、仪表、电梯、工业控制等领域。 2、基本原理： LR-104VRAM真彩色液晶显示器，采用VRAM显示方式。VRAM（Video Random-Access Memory）视频存储技术是近年来比较流行的专门用于图形处理的双端口存储技术，常用于中、高档显示卡。采用缓存、逻辑仲裁、存储阵列，实现两个设备同时对同一存储阵列访问而不需要等待，且互不干扰。 该显示器接口采用并行总线方式（数据总线、地址总线以及选、读、写等信号），可以很方便地连接到单片机或微处理器的总线上，用户可以象使用普通存储器一样使用它。或者可以把显示器看成是自己设备外挂的一个RAM。 LR-104VRAM存储器地址单元同液晶屏幕上的像素点一一对应，用户可以把这个存储器理解为“显示映像”存储器。如果希望在液晶屏幕上某一位置显示文字或图形，只需要向存储器内对应区域写入相应的数据即可。 VRAM存储器的一个字节由8位构成，显示器屏幕上的一个“像素”点由R、G、B三个“点”来组成。 图3-4 电动机驱动器连线图3、原理框图：LR-104VRAM显示器的基本原理框图如图（9）所示，DC/DC电压变换器产生液晶所用各种驱动电压DC/AC逆变器则用来点亮冷阴极背光灯（CCFL）。分时技术让显示与写入数据同时进行，实现了画面的高速更新，且互不干扰。 总线接口电路数据转换逻辑电路液晶驱动电路彩色液晶模块512MVRAMAC/DC背光灯DC/AC.电源图3-5 LR-104VRAM显示器的基本原理框图4、性能指标：视域对角线 10.4英寸 外型尺寸 246.5179.338mm 视域尺寸 211.2(H)158.4(V)mm 图像点阵 640RGB480行 像素点尺寸 0.33(H)0.33(V)mm 像素结构 垂直条纹 接口方式 总线方式 VRAM容量 128K8位 显示颜色 TFT 64色 / 256色 视野角度 左75度，右75度,上60度，下50度 工作电压 DC 8V 15V 消耗功率 小于8W 工作环境温度 -10 +65 保存温度 -30 +70 亮度 400cd/ 液晶屏寿命 大于5万小时（连续工作） 背光灯寿命 大于25000小时（连续工作） 净重 克 毛重 克 包装数量 只/箱 内包装尺寸 mm 外包装尺寸 mm5、接口方法：LR-104VRAM的接口方式为总线方式。外部引线包括有地址总线、数据总线和片选读写输入，可以直接挂接到单片机、计算机的总线上，通过译码分配作为主机的某部分内存来使用。如果主机无法分配较大的空间而直接使用时，也可以采用分页操作技术，高位地址用来页面切换，低位地址则可直接操作。内存的数据位与屏幕显示的色点一一对应，只要把适当的数据写入内存中去，屏幕上即可显示出相应的文字图形。接口采用34针双列防反插插座（间距为标准2.54mm）,引脚定义如下表3-3 引脚定义引脚号 引脚定义 引脚号 引脚定义 引脚号 引脚定义 1D0 13GND25 A52D114GND26 A63D215RDCS27 A74D316A1528 A85D417+12V29 A96D518+12V30 A107D619保留31 A118D720保留32 A129WCS21A133 A1310CLOSE22A234 A1411A023A312保留24A46、应用程序：，将屏幕清成040H代码所表示的颜色 ；VRAM的片选地址（E000，FFFFH） ；A13，14，15 = P1.O,P1.1,P1.2 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0090H MAIN: MOV SP,#60H; LCALL INITLCD; MOV R1,#040H; LCALL CLEAR1 RETERN: SJMP RETERN INITLCD: LCALL LCD RET LCD: MOV R2,#08H MOV R3,#00H LCD1: MOV P1,R3 MOV DPTR,#0E000H MOV R4,#20H LCD2: MOV R5,#00H MOV A,#00HLCD3: MOVX DPTR,A INC DPTR DJNZ R5, LCD3 DJNZ R4, LCD2 INC R3 DJNZ R2,LCD1 RET CLEAR1: LCALL LCD4 RET LCD4: MOV R2,#08H MOV R3,#00H LCD5: MOV P1,R3 MOV DPTR,#OE000H MOV R4,#20H LCD6: MOV R5,#0A1H MOV A,R1 LCD7: MOVX DPTR,A INC DPTR DJNZ R5, LCD7 MOV R5,#5FH LCD8: INC DPTR DJNZ R5, LCD8 DJNZ R4, LCD6 INC R3 DJNZ R2, LCD5 RET END3.4.4控制面板由于键盘的数量有限，故采用多功能键盘，利用SHIFT换档键进行选择。报警指示灯用的是LED35典型零件加工程序设计数控机床零件加工程序的基本要求是：能按照零件图纸进行数控加工程序的手工编制。主要内容：1）对加工零件进行工艺分析；2）对零件加工精度分析；3）确定数控机床工夹量具；4）确定加工路线；5）确定加工所用的各种工艺参数；6）各节点坐标计算；7）填写程序单。以以下零件为例，如图所示工件，毛坯为2565棒材，材料为45钢。1根据零件图样要求、毛坯情况，确定工艺方案及加工路线 1）对轴类零件，轴心线为工艺基准，用三爪自定心卡盘夹持90mm外圆，一次装夹完成粗精加工。 2) 工步顺序 粗车外圆。基本采用阶梯切削路线，为编程时数值计算方便，圆弧部分可用同心圆车圆弧法，分三刀切完。 自右向左精车右端面及各外圆面：车右端面倒角切削螺纹外圆车48mm外圆车圆锥车70mm外圆车80mm外圆车R3圆弧车80mm外圆， 切槽，车螺纹。 2选择机床设备 即本设计所改造后的CA6140。3选择刀具 根据加工要求，选用四把刀具，T01为粗加工刀，选90外圆车刀，T02为精加工刀，选尖头车刀，T03为切槽刀，刀宽为4mm，T04为60螺纹刀。同时把四把刀在四工位自动换刀刀架上安装好，且都对好刀，把它们的刀偏值输入相应的刀具参数中。 4确定切削用量 切削用量的具体数值应根据该机床性能、相关的手册并结合实际经验确定，详见加工程序。 5确定工件坐标系、对刀点和换刀点 确定以工件右端面与轴心线的交点O为工件原点，建立XOZ工件坐标系，如上图所示。换刀点设置在工件坐标系下X100、Z50处。 6编写程序按该机床规定的指令代码和程序段格式，把加工零件的全部工艺过程编写成程序清单。该工件的加工程序如下： %O3032 N10 G90 G00 G92 X100 Z60; 坐标设定N20 M03 S1000; 主轴正转转速1000r/minN30 X48 Z1; 快速移动到X=48mm，Z=1mm处N40 G0