工艺夹具毕业设计9CA6140数控改造

1 毕业设计任务书 考生姓名： 准考证号： 专 业： 机电一体化工程（本科） 题 目： CA6140型普通车床数控化改造设计 指导者： 张 浩 职称：副教授； 评阅者： 职称： 南京理工大学 年 月 南京 2 目 录 一 .普通车床简易数控化改造设计的任务及设计要求 （一）设计任务 （二）设计要求 二 .总体方案 （一）设计方案的确定 （二）总体方案的确定 1.系统的运动方式与伺服系统的选择 2.计算机系统 3.机械传动方式 三 .机床进给伺服系统机械部分的设计和计算 (一 )进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案 1.纵向进给机械 结构改造方案 2.横向进给机械结构改造方案 (二 )进给伺服机构机械部分的设计计算 1.选择脉冲当量 2.计算切削力 1) 纵车外圆 2)横切端面 3 3.珠丝杆螺母副的计算和选型 3.1纵向进给丝杆 3.1.1计算进给牵引力 Fm（ N） 3.1.2计算最大动负荷 C 3.1.3滚珠丝杆螺母副的选型 3.1.4传动效率计算 3.1.5刚度验算 A.丝杠的拉伸或压缩变形量 1 B.珠与螺纹滚道间接触变形 q C.滚珠丝杆轴承的轴向接触变形 3 3.1.6稳定性校核。 3.2横向进给丝杆 3.2.1 计算进给牵引力 Fm（ N） 3.2.2计算最大动负荷 C 3.2.3滚珠丝杆螺母副的选型 3.2.4传动效率计算 3.2.5刚度验算 A. 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 B.珠与螺纹滚道间接触变形 q B. 支 承 滚 珠 丝 杠 轴 承 的 轴 向 接 触 变 形 3.2.6稳定性校核 4.传动比计算 4 4.1纵向进给齿轮箱传动比计算 4.2横向进给齿轮箱传动比计算 5.步进电机的计算和选型 5.1 纵向进给步进步电机计算 5.1.1等效传动惯量计算 5.1.2计算最大动负荷 A.快速空载启动力矩 M 起 B.快速移动时所需力矩 M 快 C.快速切削负载时所需力矩 M 切 5.1.3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 5.2纵向进给步进电机计算 5.2.1 等效传动惯量计算 5.2.2电机力矩计算 A. 快速空载起动力 B.快速切削负载时所需力矩 M 切 C.快速移动时所需力矩 M 快 。 5.2.3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 2)横向进给步进电机计算和选型 等效转动惯量计算 电机力矩计算 A快速空载起动力矩 M B快速移动时所需力矩 M 快 。 5 C.最大切削福载时所需力矩 M 切 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 四 .数控系统硬 件电路设计 (一 ) 硬件电路的基本组成 (二 )控制系统的功能 (三 )CPU和存储器 (四 )I/O接口电路 (五 )隔离电路和功率放大电路 (六 ) 辅助电路 (七 )地址分配及编码 五 .软件设计 （一）主程序 （二） 自动升降控程序 6 CA6140 型普通车床数控化改造设计 一 . 普通车床简易数控化改造设计的任务及设计要求 （一） 设计任务 本次设计任务是将 CA6140型普通车床进行简易数控化改造与设计。利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制 。根据工作量及时间要求完成以下内容： 1.确定总体方案 2.完成纵、横向进给伺服系统机械部分的设计、计算。绘制纵、横向坐标轴机械传动装配图； 3.完成单片微机数控系统的硬件电路设计，绘制数控系统硬件电气原理图； 4.用汇编语言编制三个子程序； 5.绘制系统结构框图及程序流程图各一张； 6.编制备 10000字左右的设计说明书一份； （二）设计要求 本次设计要求是将一台 CA6140 型普通数控车床改造成微机数控车床。采用 8031单片微机控制系统，步进电机驱动，开环控制。要求改造后的车床及数控系统具有 以下功能： 1.纵、横向直线，圆弧插补； 7 2.螺纹切削； 3.刀架自动回转换刀； 4.件环分，软件自动变速驱动步进电机 5.盘现场输入、修改程序数据。树码实时显示 6.编辑、空运行、自动、手动、回零工作方式选择 7.回零、连续、暂停运行方式设置 8.掉电保护、越位报警、急停、复位等辅助功能 二 总体方案 （一）设计方案的确定 根据 CA6140型普通车床的原始数据及数控改造设计要求，确定主要设计参数 如下： 最大加工直径： 车床身上： 400mm 车床鞍上： 210mm 最大加工长度： 1000mm 快进速度： 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 最大切削进给速度： 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min 8 脉冲当量： 纵向 0.01mm/step 横向 0.005mm/step 脉冲分配方式： 逐点比较法 控制坐标数： 2 机床定位精度： 0.015 溜板及刀架重力： 纵向： 800N 横向： 600N 自动生降速性能： 有 起动加速时间： 30ms 主电机功率： 7.5Kw （二）总体方案的确定 由于被改装的机床本身的机械结构不是按数控机床的要求设计的，其精度和刚度等性能指标往往不能满足数控机床的要求，因此将普通机床改造为全功能的数控机床，一味追求先进指标则会得不偿失，所以确定总体方案的原则应当是在满足生产需要的前提下，对原机床尽可能减少机械部分的改动量，选择简单易用的数控系统，达 到合理的性价比。本次改造设计要求就是根据这一原则提出的。根据设计要求、依据设计参数及机床数控改造的理解，总体方案确定如下： 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机床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、 9 暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到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。 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，决定采用 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。 3.机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝 杆，为保证一定的传动精度和平稳度，尽量减少摩擦量力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。 系统总体方案参见 CA6140型简易数控机床系统结构框图。 三 .机床进给伺服系统机械部分的设计和计算 （一）进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案 1.纵向进给机械结构改造方案 拆除原机床的进给像、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母副。为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式。齿轮间隙采用双薄片调隙方式。 10 利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杆仍安置在原来的位置，两端仍采用原固定方式。这样可减少改装工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，且外径比原先的大，从而使纵向进给 整体刚度只可能增大。 纵向进给机构都采用了一级齿轮减速。双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙。因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载大时，弹簧弹力显小，起不到消除间隙之目的；当负载小时，弹簧弹力又显大，则加速齿轮的磨损。因此，采用定期人工调整、螺钉紧固的办法消除间隙。 纵向齿轮箱和溜板箱均加外罩，以保持机床原外观，起到美化机床的效果，在溜板箱上安装了纵向快速进给和急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到意外情况时的急停处理需要。 2.横向进给机械结构改造方案 拆除原中拖板丝杆，安装滚珠 丝杆副，为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端装止推轴承。步进电机、齿轮箱安装于机床后侧，为了使减速机构不影响走刀，同时消除传动过程的冲击，减速机构采用二级传动，从动轮采用双薄片错位消除间隙。 (二 )进给伺服机构机械部分的设计计算 1. 选择脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量， 纵向： 0.01mm/步， 横向： 0.005mm/步（半径） 2.计算切削力 2.1纵车外圆 11 主切削力 FZ（ N）按经验公式估算： FZ=0。 67Dmax1。 5=0。 67*4001。 5=5360 按切削力各分力比例： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 F X=5360 0.25=1340 FY=5360 0.4=2144 2.2横切端面 主切削力 F Z（ N）可取纵切的 0.5 F Z=0.5FZ=2680 此时走刀抗力为 F Y（ N），吃刀抗力为 F x（ N）。仍按上述比例粗略计算： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 F Y=2680 0.25=670 F X=2680 0.4=1072 3.滚珠丝杆螺母副的计算和选型 3.1纵向进给丝杆 3.1.1计算进给牵引力 Fm（ N） 纵向进给为综合型导轨 Fm=KFx+f（ Fz+G） =1.158 1340+0.16（ 5360+800） =2530 式中 K 考虑颠复力距影响的实验系数，综合导轨取 K=1.15； 12 f 滑动导轨摩擦系数： 0.15 0.18； G 溜板及刀架重力： G=800N 3.1.2 计算最大动负荷 C C=3 LfWFM L=60 n t/106 N=1000 Vs/Lo 式中 Lo 滚珠丝杆导程，初选 L=6mm； Vs 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（ 1/2 1/3），此处 Vs=0.6m/min T 使用寿命，按 15000h； fw 运转系数，按一般运转取 F=1.2 1.5； L 寿命、以 106为 一单位。 n=1000Vs/Lo=1000 0.6 0.5/6=50r/min L=60 N T/106=60 60 15000/106=45 C=3 LfwFm=3 45 1.2 2530=10798.7N 3.1.3滚珠丝杆螺母副的选型 查阅表，可用 W1L400b 外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副， 1 列2.5圈，其额定动负载为 16400N，精度等级按表 4-15选为 3级（大致相当老标准 E级）。 3.1.4传动效率计算 =tg /tg( + ) 试中 螺旋升角， W1L400b =2 44 13 摩擦 角 10滚动摩擦系数 0.003-0.004 =tg /tg( + ) =tg2 44 /tg(2 44+10 )=0.94 3.1.5刚度验算 最大牵引力为 2530N。支撑间距 L=1500mm 螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 1/3。 A. 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 根据 Pm=2530N， D0=40mm，查出 L/L=1.2 10-5 可算出： 1= L/L 1500=1.2 10-5 1500=1.8 10-2 由于两端采用向心推力球轴承，且丝杆又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高 4倍。其实际变形量 1(mm)为： 1=0.25 10-2 B滚珠与螺纹滚道间接触变形 q 查图 4-7， W系列 1列 2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 q ： q=6.4m 因进行了预紧， 2 =0.5 q =0.5 6.4=3.2m C支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形 3 采用 8107型推力球轴承， d1=35mm，滚动体直径 dq=6.34mm，滚动体 数量 Z=18， c=0.0024 3 Fm2/(dq Z2) =0.0024 3 2532/(6.35 182) 注意，此公式中 Fm单位为 kgf 应施加预紧力，故 14 3=0.5 =0.5 0.0075=0.0038mm 根据以上计算： = 1+ 2+ 3 =0.0045+0.0032+0.0038 =0.0115mm定位精度 3.1.6稳定性校核。 滚珠丝杆两端推力轴承，不会产生产生失稳现象不需作稳定性校核。 3.2横向进给丝杆 3.2.1计算进给牵引力 F m 横向导轨为燕尾形，计算如下： F m=1.4 F y+f (Fz+2F x+G ) =1.4 670+0.2 (2680+2 1072+600) 2023N 3.2.2计算最大动负荷 C n=1000 V3/L0=1000 0.3 0.5/5=30 L=60 n T/106=60 30 15000/106 C=3 LfwF m=3 27 1.2 2030=7283N 3.2.3选择滚珠丝杠螺母副 从附录 A表 3中查出， W1L20051列 2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额 定动载荷为 8800N，可满足要求， 选定精度为 3级。 3.2.4传动效率计算 =tg /tg( + )=tg4 33 /tg(4 33 +10 )=0.965 3.2.5刚度验算 15 横向进给丝杠支承方式如 图所示，最大牵引力为 2425N，支承间距L=450mm，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。 计算如下： A.丝杠的拉伸或压缩变形量 1(mm) 查图 4-6，根据 F m=2032N， D0=20MM，查出 L/L=5 10 5 可算出 1= L /L L=4.2 10 5 450=1.89 10 2mm 显然系统应进行预 拉伸，以提高刚度 故 =0.25 1=4.7 10 3 B.滚珠与螺纹滚道间接触变形 查表 4-7。 q=8.5 m 因进行了预紧 2=0.5 q=0.5 8.5=4.25 m C.支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 采用 8103型推力球轴承， dq=5 Z=13 d=17mm c=0.00243 Fm2/(dq Z2) =0.00243 202.3/5 132=1.3 10 3 考虑到进行了预紧，故 3=0.5 c=0.5 1.3 10 3=6.5 10 4 综合以上几次变形量之和得： = 1 2 3=4.7 10 3+4.25 10 3/+ =0.0096 0.015（定位精度 ） 16 3.2.6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。传动比计算 4.传动比计算 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 p =0.01，滚珠丝杠导程 L0=6mm，初选步进电机步距角 0.75。可计算出传动比 i i=360 p / bL 0 =390 0.01/0.75 6=0.8 可选定齿轮齿数为： I =Z1/Z2 Z1=32， Z2=40 ，或 Z1=20， Z2=25 4.2横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向进给脉冲当量 p =0.005，滚珠丝杠导程 L0=5mm，初选步进电机步距角 0.75 。可计算出传动比 i I=360 p / bL 0=360 0.005/0.75 5=0.48 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： i=Z1Z2/Z3Z4=3 4/5 5=24 20/40 25 Z1=24， Z2=40， Z3=20， Z4=25 因进给运动齿轮受力不大，模数 m取 2。有关参数参照下表： 17 齿数 32 40 24 40 20 25 分度圆 d=mz 64 80 48 80 40 50 齿顶数 da=d+2m 68 84 52 84 44 54 齿根数 df=d-21.25m 59 75 43 75 35 45 齿宽 (6-8)m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=(d1+d2)/2 72 64 45 5.步进电机的计算 和选型 5.1纵向进给步进电机计算 5.1.1 等效传动惯量计算 方法计算简图如下表示。传动系统折算到电机轴上的总传动惯量 J (kgcm2)可有下式计算： J =Jm+J1+（ Z1/Z2） 2 (J2+Js)+G/g(L0/2 )2 式中： Jm 步进电机转子转动惯量 (kg cm2) J1， J2 齿轮 Z1、 Z2的转动惯量 (kg cm2) Js 滚珠丝杠传动惯量 (kg cm2) 参考同类型机床，初选反应式步进电机 150BF，其转子转动惯量Jm=10(kg cm2) J1=0.78 10 3 d14 L1=0.78 10 3 6.42 2=2.6 kg cm2 J2=0.78 10 3 d24 L2=0.78 10 3 82 2=6.39 kg cm2 Js=0.78 10 3 44 150=29.952 kg cm2 G=800N 代入上式： J =Jm+J1+（ Z1/Z2） 2 (J2+Js)+G/g(L0/2 )2 =10+2.62+(32/40)2 (6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2 )2 =36.355 kg cm2 18 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 Jm/J =10/36.355=0.275 基本满足惯量匹配的要求。 5.1.2电机力矩计算 机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面分别按各阶段计算： A.快速空载启动力矩 M 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： M 起 =Mamax+Mf+Ma Mamax=J = J nnax 10 2/(60 ta/2 ) = J 2 nmax 10 2/(60 ta) nmax= max b/ p 360 将前面数据代入，式中各符号意义同 前。 nmax= max b/ p 360=2400 0.75 (0.01 360)=500r/min 启动加速时间 ta=30ms Mamax=J 2 nmax 10 2/(60 ta) =36.355 2 500 10 2/(60 0.03) =634.5N cm 折算到电机轴上的摩擦力距 Mf： Mf=FOL0/2 i=f (Pz+G) L0/(2 Z2/Z1) =0.16 (5360+800) 0.6/(2 0.8 1.25)=94N cm 附加摩擦力距 M0 MO=FPOL0(1- 02)/2 i=1/3 Ft L0(1- 02)/(2 Z2/Z1) 19 =1/3 2530 0.6 (1-0.92)/( 2 0.8 1.25) =805.3 0.19=15.3N cm 上述三项合计： M 起 =Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8N cm B快速移动时所需力矩 M 快 。 M 快 =Mf+M0=94+15.3=109.3N cm C快速切削负载时所需力矩 M 切 M 切 =Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2 i =94+15.3+1340 0.6/(2 0.8 1.25) =94+15.3+127.96 =237.26N cm 从上面计算可以看出， M 起 、 M 快 和 M 切 三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机的依据。 从下表查出，当步进电机为五相十拍时 =Mq/Mjmax=0.951 最大静力矩 Mjmax=743.8/0.951=782N cm 按此最大静力矩从下表查出， 150BF002型最大静转矩为 13.72N m。大于所需最大静转矩，可作为初选型号 ，但还需进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。 5.1.3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 Fk=1000Vmax/60 p =1000 2.4/60 0.01=4000Hz Fe=1000Vs/60 p =1000 0.6/60 0.01=1000Hz 从下表中查出 150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为 2800Hz 20 运行频率为 8000Hz,再从下表中查出 150BF002型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如下所示。当步进电机起动时， f 起 =2500时， M=100N cm,远远 不能满足此机床所要求的空载起动力矩（ 782N cm）直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制（用软件实现），将起动频率降到 1000Hz时，起动力矩可增加到 5884N cm，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可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， 150BF002型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。 5.2纵向进给步进电机计算 5.2.1 等效传动惯量计算 横向传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 J可由下式计算 J =Jm+J1+（ Z1/Z2） 2(J2+J3)+Z3/Z (J +J )+G/g(L0/2 )2 式中各符号意义同前，其中 J1=0.78 10 3 d14 L1=0.78 10 3 4.82 2=0.83kg cm2 J2=0.78 10 3 d24 L2=0.78 10 3 84 2=6.4 kg cm2 J3=0.78 10 3 d24 L3=0.78 10 3 44 2=0.4 kg cm2 J4=0.78 10 3 d24 L4=0.78 10 3 54 2=0.98 kg cm2 Js=0.78 10 3 24 45=0.56kg cm2 G=600n Jm=4.7 （初选反应式步进电机为 110BF） 代入上式为： J =Jm+J1+（ Z1/Z2） 2(J2+J3)+Z3/Z (J +J )+G/g(L0/2 )2 21 =4.7+0.83+(24/10)2(6.4+0.4)+(20/25)2(0.98+0.56)+600/10(0.5/2 )2 =8.42kg cm2 考虑到步进电机与传动系统惯量的匹配问题 Jm/J =4.7/8.42=0. 558 基本满足惯量匹配要求 5.2.2电机力矩计算 A.快速空载起动力矩 M M 起 =Mamax+Mf+Ma Mamax=J = J nnax 10 2/(60 ta/2 ) = J 2 nmax 10 2/(60 ta) 式中： nmax= max b/ p 360 =1200 0.75/(0.005 360)=500r/min ta=30ms Mamax=J 2 nmax 10 2/(60 ta) =8.42 2 500 10 2/(60 0.03) =147N cm 折算到电机轴上的摩擦力矩 Mf Mf=FOL0/2 i=f (Pz+G) L0/(2 Z2/Z1) =0.2 (2680+600) 0.5 0.48/(2 0.8) =31.3N cm 附加摩擦力矩 M0 22 MO=FPOL0(1- 02)/2 i=1/3 F t L0(1- 02)/(2 Z2/Z1) =1/3 2023 0.5 0.48 (1-0.92)/( 2 0.8) =6.1N cm 上述三项合计： M 起 =Mamax+Mf+Ma=147+31.3+6.1=184.4N cm B快速移动时 所需力矩 M 快 。 M 快 =Mf+M0=31.3+6.1=37.4N cm C.最大切削福载时所需力矩 M 切 M 切 =Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2 i =37.4+1072 0.5 0.48/(2 0.8) =88.6N cm 由上面计算可以看出 , M 起 、 M 快 和 M 切 三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，故以此项作为选择步进电机的依据。根据步进电机转矩 Mq与最大静转矩 Mjmax的关系可知，当步进电机为三相六拍时： =Mq/Mjmax=0.866 最大静力矩 Mjmax=184.4/0.866=213N cm 查 BF反应式步进电机技术参数得， 110BF003型步进电机最大静转矩为7.84N m。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。 5.2.3计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 Fk=1000Vmax/60 p =1000 2.4/60 0.01=4000Hz Fe=1000Vs/60 p =1000 0.6/60 0.01=1000Hz 由 110BF003型步进电机的技术参数可知其最高空载起动频率为 1500Hz，运行 23 频率 为 7000Hz。根据 110BF003型电机的起动距频特性和运行矩频特性曲线可以看出，当步进电机起动时 F=1500Hz， M=98N cm，小于机床所需的起动力矩（ 184.4N cm），直接使用会产生失步现象，所以必须采用升降速控制（用软件实现）。将起动频率将为 1000Hz时，既可满足要求。当机床快速起动和切削进给时，则完全满足运行矩频要求。 五数控系统硬件电路设计 （一）硬件电路的基本组成 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件组成系统的基础，其性能的好坏，直接影响到系统的工作性能。有了硬件，软件才 能有效地运行，是可工作的控制系统。 机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成。 （ 1） 中央处理器 CPU。 （ 2） 总线，包括数据总线（ DB）、地址总线（ AB）和控制总线（ CB）。 （ 3） 存储器，包括只读可编存储器和随机读写存储器。 （ 4） I/O输入、输出接口电路。 其中 CPU是数控系统的核心，是控制其它各部分协调工作的“大脑”，其作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件、应用程序（监控程序）和运行中所需的各种数据。 I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。三总线则是 CPU 与存储器、接口以及其它转 换电路联接的纽带，是 CPU 与外界进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图如下所示。 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路基本组成如下图 24 所示： (二） 控制系统的功能 1.Z向和 X进给伺服系统 2.键盘显示 3.自动回转刀架转动 4.螺纹加工控制 5.面板管理 6.行程控制 7.其他功能：报警电路，急停电路，复位电路，隔离电路和功放电路。 ( )CPU和存储器 CPU采用 8031芯片 8031 芯片內部具有 128 字节数据存储器 RAM，地址为佳 00H 7FH，用作工作寄存器。堆栈，软件标志和数据缓冲器， CPU对内部 RAM有较为有效的操作指令。另加有 128字节的特殊功能寄存器，地址为 80H-7FH。是用于对片RAM ROM CPU I/O 接口 光电 隔离 功率 放大器 步进 电机 外设 外设设 键盘、显示器 及其它 25 内各功能模块进行管理，控制，监视等。 8031芯片内部虽然没有程序存储器，只有 128 字节 ROM，在组成该系统时 RAM 不够用。现外接一片 6264 芯片来扩展 8031 的 RAM 存储器。 8031 是一个无 ROM 的 CPU。单片的 8031 不能满足设计要求，不能够成完整的计算机。外接两片 2764，一片作为系统存储器，一片作为加工程序存储器。 8031的输入、输出（ I/O）口线不多，不能满足设计要求，现外接两片 8155芯片以扩展 I/O口。 8031 芯片的 P0 和 P2 接口用来传送外部存储器的地址和数据。 P0 口传送高 8位地址， P2 口传送低 8位地址和数据，故要采用 74LS373地址锁存器，锁存底 8 位。 ALE 作为选通信号，当 ALE 为高电平，锁存器的输入和输出 透明，既输入的低 8 位存储器地址在输出端出 现。此时不需锁存。当 ALE 从高电平变为低电平，出现下降沿时，低 8位地址存入地址锁存器重中， 74LS373的输出不再随输入变化，即地质被锁存。这样 P0口就可以传送读写的树据。 8031芯片的 P2口和 74LS373送出的 P2口共同组成它的地址， 2764和 6264芯片都是 8kb，需要 13根地址线。 A0 A7低 8接 74LS373芯片的输出， A8 A12接 8031 芯片的 P2.0 P2.4,系统采用全地译码，两片 2764 芯片片选信号 CE分别接 74LS138 译码器的 Y0 和 Y1，系统复位以后从 0000H 开始执行。 6264芯 片的片选信号 CE接 74LS132的 Y2。单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即地址重叠）。在本次设计并没有地址重叠。 8031芯片的控制信号 PSEN接 2764的 OE引脚，作为外部程序存储器的选通信号。读写控制信号 WR和 RD分部接 6264芯片的 WE和 OE。以实现对外部数据存储器的读写。由于 8031芯片内部无 ROM，故要选外部程序存储器，且其 EA 必须接地。 XTAL1 为芯片内部振荡电路的输入端， XTAL0 为芯片内部振荡电路的输出 26 端，系统采用内部时钟电路。在 XTAL1、 XTAL2引脚上接定时元件，内部 振荡电路产生自激振荡，定时电路一般用石英晶体和电容组成的并联电路。晶振可以在 1.2 12MHZ之间任选。现选晶振的频率为 6MHZ。电容在 5 30PF之间。现取 30PF电容。电容对振荡频率有微小的影响。 RESET为复位控制。当 RESET出现高电平时， 8031被初始化复位。只要输入端保持高电平则将循环复位。在复位有效期间 ALE、 PSEN 口输出高电平。当 RESET输入端返回底电平后， CPU从而地址执行程序。设计中采用上电复位和开关复位两种电路。 8155 采用开关复位方式。由于采用外部程序存储器，所以 EA/LPP接 地。 I/O接口电路 由于分别只有 P1口和 P2口部分能提供用户作为 I/O口使用。不能满足输入输出的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。本系统扩展了两片8155接口芯片， 8155的片选信号 CE接口分别接 74LS138的 Y3和 Y4端。 74LS138译码器有三个输入口 A、 B、 C，分别接到 8031的 P2.5、 P2.6、 P2.7端，输出Y0 Y7 八个信号，底电平有效。 Y0 Y7对应输入 A、 B、 C的 000至 111八种组合。 74LS138 还有三个有效端，其中 2 个（ G2A、 G2B）为低电平有效， G1为高电平 有效。只有当端口处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于底电平有效。 I/O接口芯片与外设的联接是这样安排的： 8155（ 1）芯片 PC0 PC3作为刀架电机的控制信号，有 1#-4#刀位。PA0 PA5 为面板上的选择开关，设有编辑、空运行、自动、手动、手动 1、手动 2 和回零。 PB0 PB4 为面板上的选择开关，设有起动、暂停、单段、连 27 续和急停。 PB5是换刀回答输入端，当需要自动回转刀架换刀时，由 8155（ 1）的 PC0 PC3发出刀位信号，控制刀架电机回转，到达指定的刀位，刀架夹紧之后，发出回答 信号，经 8155(1)的 PB5输入计算机，控制刀架开始进给。当加工螺纹时，由与立轴相连的光电脉冲发生器发出螺纹信号和零位螺纹信号，分别送入 8031的 T0和 8155(1)PB6 ，通过设置不同的时间常数来加工不同的螺纹。零位螺纹信号是防止螺纹乱扣。 PC4是连接报警显示电路。它是配合越界行程开关使用，正常工作时绿灯亮，当越界报警时红灯亮。 8155（ 2）芯片 PA0 PA5 作为 Z 向、 X 向步进电机的光电隔离电路，PB4 PB7 接 Z、 X 向的行程开关，防止工作拖板越界。 PB0 PB3 和 PC0 PC5以及 8031 的 P1.0 P1.7 是作为键盘、显示电路的 I/O 接口。在单片机应用系统中，同时需要使用键盘，显示时，常常把键盘和显示电路做在一起，以节省 I/O口。如硬件电路配置图。是由此及 4 6键盘和六位显示器组成。键盘的引出线及 LED 显示器的字位控制共用 8155 的 C 口（ PC0 PC5），它是输出口。键盘的行线由 8155的 B口（ PB0 PB3）担任，是输入口。显示器的段选（字型数据控制）由 8031 的 P1 口（ P1.0 P1.7）担任，它是输出口。图中 74LS06是反相驱动器。 LED是采用共阴极显示。 8155 的 IO/M 与 8031 的 P2.0 相连， IO/M 是 8155 内部 RAM 和 I/O 口的选择线。 IO/M=0时选择内部 RAM，既当 P2.0为低电平使用内部 RAM。当 P2.0为高电平则 IO/M用作 I/O接口。由于 8155芯片内部有地址锁存器，所以 8031的 ALE 端可以和 8155 的 ALE 直接相连。利用 8031 的 ALE 信号的下降沿锁存8031的 P0口送出的低 8位地址信息。 8155的 AD0 AD7与 8031的 P0.0 P0.7对应相连，相对的读 /写信号 RD、 WR也直接相连。 28 （二） 隔离电路和功率放大电路 在步进电机驱动电路 中，脉冲信号经功率放大电路后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大（几安到几十安），如果将输出信号与功率放大器直接相联，将会起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导至计算机和接口电路损坏。所以一般在接口电路与功率放大电路之间接上隔离电路，采用的光电隔离电路如下图所示。 图：光电隔离电路 功率放大电路分为单电源和双电源型。单电源型线路简单，效率不高，所以选双电源型。双电源型采用高低压供电电路。如下图所示。 图：高低压供电电路 在功率放大器导通初始， T1、 T3、 T4 均导通，并使脉冲变压器 B 的副边产生一定宽度的脉冲电流，使 T2导通。高压电源 EH通告 T2、 T1为步进电机 29 某一相绕组供电，使其电流上升沿变逗。经过 T0时间后脉冲电流消失，使 T2截止，高电压电源与绕组之间被切断， EN 通过 D2、 T1 为绕组 WA 供电，提供所需的额定电流。通过调节脉冲变压器的磁芯和 R4可改变高压供电的时间宽度 Tb。 以上是从原理上分析说明，由于我国步进电机的功率放大器已由生产厂家生产出系 列化产品。在设计数控机床电路时只需根据步进电机的容量大小进行选择。前面已选 110BF003 型电机，因此只须根据 110BF003 步进电机来选择功放电路，所以不再进行计算 . （ ） 辅助电路 为了防止机床行程越界，所以在机床上装有行程开关。为了防止意外，装有急停按钮。因为这些开关都安装在机床上，距控制箱较远，容易产生电气干扰。为了避免这种情况发生，在接口和电路之间实行光电隔离。 为了报警，还设有报警电路。当绿色的发光二极管亮时表示正常。当红色发光二极管亮时，表示溜板箱已达到极限位置。 （七） 地址分配及编码，根据硬件电 路，各地址分配及编码如下表： 芯片 接 74LS 地址选择线 片内地址单 地址编码 138 引脚 元（字节） 2764(1) Y 000X XXXX XXXX XXXX 8K 0000H-1FFFH 2764(2) Y 001X XXXX XXXX XXXX 8K 2000H-3FFFH 6264 Y 010X XXXX XXXX XXXX 8K 4000H-5FFFH 8155(1) RAM Y ,0111 1110 XXXX XXXX 256 7E00H-7EFFH I/O Y ,0111 1111 1111 1XXX 6 7FF8H-7FFDH 8155(2) RAM Y 1001 1110 XXXX XXXX 256 9E00H-9EFFH I/O Y 1001 1111 1111 1XXX 6 9FF8H-9FFDH 六 .软件设计 软件设计采用模块化设计。根据控制功能要求，主要模块下： 30 *主模块，用于系统的初始化和监控 *子程序模块 *越界报警，急停处理模块 *定时修改，显示缓冲数据模块 *键盘、显示定时扫描管理模块 ( )主程序 主程序主要功能是完成必要 的初始化键盘及显示管理。主程序流程图如下图所示： 初始化 程序 (包括 显示子程序 )如下： ORG 0000H Start 处始化 8031 处始化 8155（ 1） 处始化 8155（ 2） 处始化 键盘、显示缓冲器清