XA 6132铣床的数控化改造

摘 要按照毕业设计的要求，将一台 XA6132 普通升降台卧式铣床改造成三坐标数控铣床。由于毕业设计的时间限制，本次设计任务的要求如下：机械部分主要解剖一个坐标轴，完成机械结构设计，零部件及参数的选择，完成部分计算过程：电气和微机部分结合机械结构的设计特点主要完成数控系统控制部分整体方案的论证和选择，使整个系统能够较完美地结合，并完成硬件接线设计以及系统框图。最后，总结本次毕业设计，完成毕业论文撰写。关键字:电气，微机张家界航空工业职业技术学院毕业设计2ABSTRACTAccording to the requirements of the graduation design, will be a XA6132 ordinary lift platform horizontal milling machine transformed into three coordinates CNC milling machine. Due to the time limit for the graduation design, the design of the task requirement as follows: the mechanical parts of the main anatomy a coordinate transformation, complete mechanical structure design, spare parts and the selection of parameters, finish part calculation process: electrical and mechanical structure of microcomputer with the design characteristics of main complete numerical control system of the whole scheme of argumentation and choose, make the whole system can be a perfect combination of, and complete the wiring diagram of the system hardware design and. Finally, summarizes the graduation design, complete thegraduation thesis.Keywords :Electrical，Microcomputer张家界航空工业职业技术学院毕业设计3目 录摘要 .2第一章 绪 论 .51.1 数控机床的发展 .51.2 数控改造给企业带来的好处 .5第二章 设计参数的选择 .72.1 设计内容 .72.2 资料准备 .7第三章 方案比较和选择 .93.1 伺服驱动 .93.2 CNC 数控系统 .103.3 机械部分 .12第四章 机械部分的设计与计算 .134.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计 .134.2 选择螺纹轴直径导程及螺母 .134.3 精度的选择 .164.4 热变形的对策 .164.5 支承轴承的选择 .174.6 驱动电机的选择 .174.7 锥形夹紧环结构的设计计算 .184.8 齿轮和同步齿型带的工况比较 .20第五章 CNC 系统硬件电路的设计 .21第六章 设计体会 .39总 结 .39致 谢 .40参 考 文 献 .41张家界航空工业职业技术学院毕业设计4第一章 绪 论1.1 数控机床的发展在社会生产和科学技术迅猛发展的今天，机械产品的性能和质量不断提高，产品更新换代的周期也不断缩短，因此，对机械加工设备的要求也不断地在提高。使它不仅具有较高的生产效率和加工精度，而且能迅速地适应加工零件的变更。数控机庆就是在这种情况下产生和发展。电子技术、特别是计算机技术的发展又促进了数控机床的迅速发展。数控岂庆在当今世界已进入了批量生产，它的机械加工中所占的比重也愈来愈大，在航天、航空和汽车行业已经成为不可缺少的机械加工设备。机床的数控比率不断提高。它集计算机技术、传感技术、自动控制技术、机床的数控化率不断提高。它集计算机技术、传感技术、自动控制技术、自动检测技术为一体，能自动、高效、高精度、高质量地从事单位小批及复杂形面的加工，使机械制造业的发展进入了一个崭新的阶段。数控机床代表着现代制造业科技发展的方向和水平，目前已由单台机床数控发展到 FMS（柔性制造系统） ，CAMS （计算机集成制造系统） ，从而使数控机床成为组成现代生产系统，实现设计（CAD） 、制造（CAM） 、检验（CAT）与生产管理等全部生产过程自动化的基本设备。我国从 1958 年开始研制数控机床，在研制与推广数控机床方面取得了一定的成绩。近年来，由于收进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，我国数控机床在品种数量和质量方面得到了迅速发展。目前，我国数控机床的发展不仅从技术水平上已研制出五坐标数控铣床；加工中心：CNC 系统和自动编程系统等，同时也拥有了一定数量的数控机床。但我国目前数控机床的开发、生产、使用及拥有量仍与先进国家有较大差距，要达到世界先进水平，还需迅速发展我国数控机床行业。随着工厂、企业技术改造的深入发展、各行各业对数控机床的需要量将会有大幅度的增长，这将有力地促进数控机床的发展。毫无疑问，数控机床必然会在我国现代化建设中发挥越来越大的作用。1.2 数控改造给企业带来的好处数控改造是对普通机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工的能力。提高了机床的性能价值比用较低的价格，得到较高的机床性能。张家界航空工业职业技术学院毕业设计5数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，因为它具有以下特点：（1）能适应不同零件的自动加工：数控机床按照被加工零件的程序自动加工，要改变零件只需改变程序，而不必改变有关工装。（2）生产效率和加工精度高，质量稳定。（3）工序集中， 一 机多用：采用自动换刀装置，可以在一次装夹下几乎完成零件的全部加工。（4）能完成复杂形面的加工。（5）数控机床是高技术产品，价格较高，而且要求有较高技术水平的人员操作维修。尽管如此，数控机床的经济效益还是十分可观的。张家界航空工业职业技术学院毕业设计6第二章 设计参数的选择2.1 设计内容将一台 XA6132 普通降台卧式铣床改造成三坐标数控铣床。结合毕业设计的工作量和时间限制。机械部分主要解剖不轴，完成机械结构设计，零件及参数的选择，部分计算过程；电气和微机部分主要完成数控系统控制部分整体方案的选择，硬件接线图，程序框图。2.2 资料准备2.2.1 工件资料本铣床改造后主要为加工几个品种的制动凸轮轴，轴最长为 650mm；该制动凸轮轴所需加工的轮廊外形含有直线、圆弧和渐开线；要求的轮廊公差 0.1 mm，对称度公差为 0.1 mm，表面粗糙度 Ra1.6；工件材料为 40Cr 锻件；设计生产节拍为7nin/件。2.2.2 原机床资料由于轴是细长杆件，决定选择卧式铣削加工。采用 XA6132 升降台卧式改造，原机床有关资料为：进给电机 1.5KW/1400 rpm，最大水平拖动力 1500kgf；快进速度横向、纵向为 2.3m/min；升降台快进速度为 0.77m/min；工作最大重量为 500kg；机动范围纵向为 680mm、横向为 240mm、升降为 300mm。2.2.3 工艺资料工件加工余量：最大铣削宽度 7mm，最大铣削深度 40mm。刀具资料：高速钢圆柱铣刀直径 32-40，刀齿数 3-4。工艺资料：主轴转速 150-190rpm，走刀速度 40-60 mm/min，每齿切厚为 0.05-0.2mm,取 0.1 计算。2.2.4 主切削力计算根据机床设计手册 3，对高速钢圆柱铣刀以工件为碳钢计算：FG = C f ae0.86af 0.72 d t -0.86 ap z其中：C f：系烽，取 cf =68；ae：铣销接弧深（mm） ，取 ae=7mm;af：每齿进给量（ mm/齿） ，取 af=0.1mm;dt：铣刀直径（mm ） ，取 dt-32mm；张家界航空工业职业技术学院毕业设计7ap：铣削深度（ mm） ，取 ap=40mmz：铣刀齿数， z=4FG=6870.860.1 0.72 32 0.86 404=550.9kgf如以 af=0.2 mm 代入,则 FGM=910kgf。F G=1200kgf。因此，以最大水平拖动力1200kgf 计算，可以满足最大切削力的要求。其它有关主轴功率核算，夹紧工件用夹用具所需夹紧力计算这里不作介绍。2.2.5 机床进给部件重量估计纵向工作台：长 1.335m，加上夹具等约重 220kg。横向工作台：约重 445kg。升降台：约重 1000kg。张家界航空工业职业技术学院毕业设计8第三章 方案比较和选择3.1 伺服驱动3.1.1 步进电机在我国设备数控化改造的一段时间里，较多采用步进电机作为伺服驱动组件。步进电机是一种特殊结构的电机，它利用通电激磁绕组产生反应力矩，将脉冲电信号的能量转换为机械位移的机电执行组件。当激磁按一定规律获得分配脉冲时，步进电机的转子会转动。转子转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的比例关系，而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动的速度和位置量。步进电机优点是结构简单，电气控制和驱动电路也简单，体积小，重量轻，价格便宜，设计制造较简单，容易调试，使用维修方便。位移精度较好，对各种干扰因素不敏感，结构误差不会累积。另外，机电时间常数小，反应快。但步进电机也有缺点，主要是容易丢步，启动频率也不够高，低频时振动大，冲击大，有时还有自激振荡。步进电机没有过载能力，当工作条件上变动时，可能造成失误，因此步进电机多用于负载较小，负载变化不大或要求不太高 经济型简易型数控制设备中。对于数控铣床的改造，为了保证铣床的性能，选 X、Z 坐标快进速度不低于2.4m/min，取为 10 m/min。水平拖动力按 15KN 计算，则要求的功率为p=fv=1510/60-2.5 kw。一般步进电机达不到此功率要求。因此，如要选用步进电机，必须相应就降低机床的某些性能，主要是快速性。另一方面，由于步进电机在低速下工作时有明显的冲动，易自激振荡，而且其激振频率很可能落入铣削加工所用的进给速度范围内，这对加工极为不利，甚至造成失败。可见采用步进电机不但要降低性能，而且很可能失败。此外，由于步进电机没有过载能力，高速时扭矩下降很多，容易丢步。开环由于没有反馈校正作用，一旦丢步会造成工件报废，严重时甚至发生事故，而且如果不能及时发现还会造成工件的成批报废，因此实际应用时不可靠。3.1.2 直流或交流伺服电机1、闭环控制采用直流或交流伺服电机闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，试调和维修困难得多，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控制设张家界航空工业职业技术学院毕业设计9备中。另外，由于闭环控制使机械传动的各个环节设计制作不当都可能造成系统失稳，所以相应地要求系统中每一个影响因素都严格控制把关。由于所设计的数控铣床的目标工件加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。2、半闭环控制采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间。由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于步进电机开环控制；反馈环节不包括大部分机械传动无件，调试比闭环简单，系统的稳定性交易保证，所以比闭环容易实现。但是采用半闭环控制，调试比开环控制步进电机要困难些，设计上也要有其自身的特点；另外反馈环节外的传动元件将会直接影响机床精度和加工精度，因此在设计中也必须给予足够重视。在直流和交流伺服电机之间比较时，直流伺服主要缺点是体积大，重量大，还要用整流子和电刷，增加了维修工作量。交流调速逐渐扩大了其使用范围，已经取代直流伺服。控制技术已经趋于成熟，其性能远优于直流伺服系统。经过上述比较，综合了成功率、技术难度、精度和投资等因素。决定选用交流伺服半闭环控制。3.2 CNC 数控系统3.2.1 模板化设计、总线式结构本系统硬件部分采用模板化设计，总线式结构的思想，其目的是使系统具有大的灵活性和可扩充性。所谓总线，是各种信号线集合，它是组成微机系统的各插件或组成插件的各芯片间的标准信息通路。该系统采用由美国 PRO-LOG 公司于 1978 年制定，IEEE 协会 1987 年推荐的STD 工业标准微型机总线。STD 总线标准规模较小，但规定较为周密，因而适应性好，是一般流行的 8 位微处理器和单片机均可使用的标准总线，有通用标准总线之称，广泛用于工业微型计算机控制之中，与其他总线相比，STD 总线具有以下优点：（1）小板结构：所有模板尺寸都为 27（英寸）（2）高可靠性：（3）开放式结构：STD 总线提供了开放式结构，可由大量模板根据要求向搭积木一样拼装自己的控制总线。总线驱动。（4）兼容式的总线结构：适合多种 CPU。（5）产品配套，功能齐全：STD 接中板可与现场的各种机动设备直接连接，如：驱动步进电机、交直流伺服电机等。张家界航空工业职业技术学院毕业设计10（6）模板化设计：为了针对不同控制对象的不同要求，可以选择不同模板进行组合，构成不同的工业新社会制机，每种模板功能较单一，很易维修。STD 总线是 56 线的同步总线，由下列几种总线组成： 6 根逻辑电源线，8 根双向数据线，16 根地址线，22 根控制线，4 根辅助电源线。数据总线和地址总线都是三态隔离式的。所有插板在不用时必须让数据总线处于高阻状态。地址总线也是三态的通常受 CPU 操作的控制线。配有供逻辑电路用的5V 电源及12V 直流辅助电源。16 根地址线可对 64KB 存储器直接寻址。3.2.2 系统总体框图数据总线控制总线地址总线电 源3.2.3 各组成部分功能系统由 CPU 及存储器板、键盘及显示器板、工关量 I/0 板、直流伺服电机接口板组成。各部分功能如下：（1）CPU 及存储器板：整个系统的控制中心，具备运算、控制和程序存储等功能，并可为系统提供工作时钟。（2）键盘及显示器板：操场作人员与数控系统交换信息的主要接口。操作人员通过键盘干预控制流程、修改零件和序、设定系统参数、操纵数控机床完成各种运动，也可通过显示器了解数控系统中的有关数据和运行情况。（3）开关量 I/0 板：系统全部开关量的输入输出通道。一方面可将机床侧的 32路输入信号输入给计算机；另一方面可将计算机的控制命令经过变换后作为给执行机构的控制信号，以实现对机床开关的控制。（4）交流伺服电机接口板：根据计算机的位置命令完成对直流伺服电机速度控制，从而驱动执行机构实现一定的速度和位移量。3.2.4 CNC 系统的主要功能8098CPU及存储器板键盘及显示器板开关量 I/O 板 直流电机伺服接口板显示器 键 盘 机 床侧开关 继电器 驱 动 源X 电机Y 电机张家界航空工业职业技术学院毕业设计11本系统采用 8098 单片作为控制核心，控制程序因化在 EPROM 中。采用直流伺服电机和编码器构成半闭环系统，最小设定单位 0.001mm。系统选用 CMOS RAM 作为零件程序存储器，最小存储容量为 8K。零件程序可以采用手动输入，也可通过普通 IBM-PC 微型计算机用串行通讯方式输入。零件程序的编辑十分方便。该系统具有刀具长度、刀具半径补偿和位置偏移等多种补偿功能。程序员只需按零件轮廊尺寸编制零件程序，不需计算实际的刀具中心轨迹，从而避免了繁琐的计处。另外本系统还具抗干扰措施和较完善的保护措施（如行程式极限、快速讲给速度极限、切削速度极限等） ，可以提高系统工作的可靠性，避免发生意外事故。3.3 机械部分在设备的数控化改造中，虽然核心工作量数控，但决不是全部。如果忽视了机械部分，完全按照电气要求进行改造，或者是在改造中设计制造不尽合理，结果会给机床的数控化改造带来意想不到的困难，甚至会因机械问题而导致失败。张家界航空工业职业技术学院毕业设计12第四章 机械部分的设计与计算4.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计机床在改造设计时应满足有较长使用寿命的要求，而确保和提高机床的寿命的主要因素是零件的耐磨性和主要传动部件的疲劳寿命。在数控改造的机床上，滚珠丝杠螺母副的工作寿命就显得尤其重要。因此，在选用滚珠丝杠螺母副时以工作寿命为基础进行计算。1、设要求寿命为：L f =2000h切削阻力：w 1=500kg滑动阻力：w 2=220kg最大行程： 最大 =680mm快速进给速度：V MAX =1000mm/min定位精度：0.030/1000 (无负载)滑动面摩擦系数:=0.15 (对燕尾型导轨)2、操作条件轴向负载操作方式切削阻力 滑动阻力进给速度 操作时间的 %快进进给 0 108 10000 30轻 切 削 600 108 500 50重 切 削 1200 108 100 20表中加减速中的惯量很小可以忽略的，因此，操作时间的比率很小。4.2 选择螺纹轴直径导程及螺母4.2.1 导程的选择由交流伺服电机的最大速度得：1 mnV5201最 大最 大增加导程有利于进给速率，在控制系统分辨率能达到的要求下，可取得高些，这里张家界航空工业职业技术学院毕业设计13取 16 。4.2.2 基本动力额定负载的检校按负载条件确定导程所要求的负载能力：操作方式 轴向负载（kgf） RC 旋转速度 r/min 操作时间的快速进给 F1=108 n1=1667 t1=30轻切削 F2=708 n2=83.3 t2=50重切削 F3=1308 n3=16.7 t3=20平均负载 Fm 及平均速度如下：Fm=( )(.13/12333 kgftntnFt nnm= mi)/(.21rttn 所求负载能力如下：导程 1（mm） 6平均负载 Fm(kgf) 348平均速度 Nm(r/min) 545L= 830wafFCL1= n6其中：L：额定疲劳寿命（r） ；Ca：基本动态额定负载（kgf）;Fa：轴向负载（kgf）;Fw：负载因素（取决于操作条件） ；Lt：按小时的寿命（h） ；n：转动速度（r/min） )(10)60( 231kgffwmNCa/tm其中：L t=20000h;fw=1.2因此 kgfa32484.2.3 螺母的选择由于设计着重于刚性，因此按以下的空转量进行选择：T系列（管型标准滚珠丝杠）类型：DFT（管型，单一法兰，双螺母用隔离件预负载）回路数：2.5 卷3 列张家界航空工业职业技术学院毕业设计14选择为：轴直径 d=40mm; 导程 16mm;基本动态负载额定值 Ca=3990kfg。1、临界速度由 )(1072mfLndr其中：L最大行程螺母长度2 轴端边限度68081200961mmf=21.9(由滚珠丝杠安装方法所确定的系数，固定固定)因此 dr7mm dr:丝杠螺纹沟槽直径。2.dm 和 n 值由 dm70000/n，当 n=1667r/min 时，dm42mm。其中：dm：钢球的中心圆周直径；n： 转动速度。4.2.4 选择滚珠丝杠系统的刚性滚珠丝杠的主要部件（螺纹轴、螺母及支承轴承）所用的空转量按以下所要求的空转量进行设定：200.8=16m轴直径 d=40mm 的滚珠丝杠部件的弹性位移是：导程18m 。1、螺纹轴的刚性：K S弹性位移：L S这是按螺纹轴的中心进行计算，该处发生最大轴向位移：由等式 KS= mkgfrLEd3210其中：E：弹性模数（2.110 4kfg/mm2）L S= )(1032MEdFkfrsas其中:F a：滑动阻力（Fa=108kgf）2、螺母的刚性 Kv 和弹性位移L v约将最大轴向负载的 13 设定为预负载：Fa0= kgf46083最 大刚性计算如下：张家界航空工业职业技术学院毕业设计15KN= mkgfCKCFkaa 31310.048.8.其中：K：尺寸表中的刚性值3、支承轴承的刚性（弹性位移：L B）所使用的支承轴承是刚于滚珠丝杠支承（26207）止推角面接触滚珠轴承。L B= )(2MFa其中：K B：轴承的刚性值螺纹型号 螺纹轴 螺母 支承轴承 合计KS L S KS L V KB LB LDF4006-7.598 1.11 162.3 0.67 103 0.52 2.30因此,所选的滚珠丝杠螺母识别号：DF4006-7.5；轴直径：40mm;导程：6mm。4.2.5 丝杠长度L3最大行程螺母长度端连限度6801612601102mm4.2.6 对于已选择的滚珠丝杠的确认计算1、寿命预计 hNFfCLmmwat 206740162、允许速度临界速度： in1.5172rLdfrdmn 值：dmn=40.5 1667TL,(kgf.cm)；电机的传子惯量：JmJ L/3,(kgf.cm2)；在以上条件的基础上，可以选择以下交流伺服电机：额定功率输出：W w=3kw；最大转速：N m=2000r/min；额定力矩：T M=14.3Nm；转子惯量：J M0.084kgcmS 24.6.4 加速时间的检校 fNTtLma6024.160721)5.3142(89S607.其中：J：总惯量（Jh+Jm） ；Tm=2Tm；TL：在快速进给下的驱动力矩；f ： 安全系数（f=1.4） ；张家界航空工业职业技术学院毕业设计184.7 锥形夹紧环结构的设计计算伺服电机的轴伸为光轴，采用锥形夹紧环与同步齿型带轮相联的方式比较方便。电机轴直径为 35，由机床设计手册3 中可选用到d=35mm，D=40mm，L=7mm，1=6 的锥环，选用两组。计算过程如下：基本参数：消除内环与轴、外环与孔的配合间隙所需的初始轴向力P010109.89.9103N；锥环每单位接触压力所能传递的扭短 M0=1.38NM/MPa；锥环产生每单位接触压力所需轴向力 F1=356N/Mpa；摩擦系数 =0.12；所能传递的扭矩 M=CM0PKM n，其中 Mn 为额定扭矩， K5 为动载荷系数，P为许用接触压力P=10 15kgf/mm2,取为 100150mpa,系数 ，其中 n=2 为qCn1组数，。56.1,.0,7.16,2Cqtgq则是 选电机扭矩为 Mn=18NM，取 K6，则：PaCkp538.160所需轴向力 PP 0F 1P=9.90.3565027.8KN用螺栓拉紧压紧套产生轴向力，螺栓强度计算用式 校核，取ndF1243.0=0.4 s,n=6,用 f0=p 代入，则得 。由于安装位置有限，KNsd79.68.12若采用 M81 的螺栓，d 1=6.917mm,则要求 ，只能采用 40CraGPs.2并经调整质处理来达到。由上述计算可以看出：1、锥形夹紧环联结轴必须进行计算，否则如果轴向压紧力过大，可能超过允许接触应力P，造成零件的损坏，但是如果轴向压力不足，则可能造成联轴的不可靠，使用中当扭矩过大时会发生失步。2、在考虑压紧套时，要产生压紧力的接触面积并不大，但压力较大。考虑到紧固用螺栓不大。共接触面积小，会形成大的接触压力。因此，压紧套要用较好的材料制作，否则，会因接触压力过大造成损伤。3、为了保证合适的轴向力，在紧固压紧时，对螺栓所施加的拧紧力矩受到控制，这可用式 求出，用扭力板手限定，其中 F 为单价目螺栓的锁紧力，)(2tgdFT张家界航空工业职业技术学院毕业设计19d2 为螺栓的中径， 为螺纹升角， 为摩擦角。4、上述计算实际很粗，因为 可以达到 0.2，且由 maxbDELtgP)(0求消除间隙所需轴向力时，max、 变化，P0 的变化也很大，这给精确调整和控制轴向力带来困难。5、也可采用带螺纹的压紧套，其强度比较容易满足，只是制造稍复杂些；另外，套与锥环接触面在压紧时要相对滑动，对压紧不利，有磨损。4.8 齿轮和同步齿型带的工况比较用一对齿轮作为传动副时，为了消除齿轮传运中的间隙，要采用可调拉簧的薄片齿轮的结构。可调接簧的设计和制造以及调整不可能完全满足设计要求，它总是一个大概的范围。所以，调整起来不方便也不够精确。而齿轮传动要实现无间隙传动结构复杂，传动噪声大，调整不方便。而用同步齿型带轮传动，传动平稳。可隔离电机本身带来的振动，调整皮带轮的松紧很方便。只需根据皮带的长度，测量皮带的振动频率或利用压力传感器测皮带中间表面的张力，就能做到精确调整，使传动成为无间隙传动，同时又可使皮带寿命达到一理想值。张家界航空工业职业技术学院毕业设计20第五章 CNC 系统硬件电路的设计5.1 CPU 及存储器模板设计5.1.1 CPU 的选择CPU 是计算机系统的核心，它的性能决定了整个系统的性能。目前工业控制中常用的 CPU 有 8 位（如 Z80A） 、16 位（如 8086、8088、80286）和 32 位（如80386、80486）数种，单片机又有 8 位（如 51 系列）和 16 位（如 8096、8098）之分。由于单片机集 CPU、存储器和 I/0 接口于一身，与其它 CPU 相比，系统构成简单、可靠性高、价格低廉，且性能完全能满足 CNC 系统对计算机的要求，因此决定采用单片机。在单片机中，Intel 公司的 51 系列和 96 系列最常用。8098 单片机是 MCS96 系列中的一员，采用 8 位外部数据总线，而内部 CPU 仍然保持 16 位结构，因此称之为准16 位机，其价格远低于原本的 16 位机，而性能却保持上乘。8098 单片机具有一个 16 位 CPU、232 字节 RAM、两个 4 位和两个 8 位并行 I/0 接口、一个全双工串行通讯接口、两个 16 位可编程定时器/计数器、4 通道的 10 位 A/D 转换器、4 个高速输入通道、6 个高速输出通道等部件，能实现 16 位16 位的乘法指令和 32 位16 位的除法指令，处理能力远高于 51 系列单片机，与 8096 基本相当，由于外部采用 8 位数据总线，与 8096 相比，连接方便，价格低廉，故采用 8098 单片机。5.1.2 存储器的选择存储器主要分为随机存取存储器 RAM 和只读存储器 ROM。（1）ROM 的选择ROM 的特点是，程序写入后只能读出，不能写入，断电后不会丢失信息。ROM 主要用来存放系统软件，包括：初始化程序，插补程序、键盘及显示器管理程序和编译程张家界航空工业职业技术学院毕业设计21序、诊断程序编辑程序、伺服系统的驱动程序、刀初程序等。根据在满足容量要求时尽可能选择大容量芯片，可以减小芯片组合数量且以备系统功能扩充之用的原则，因此选用 2 片 27128，共 32K 容量。27128 是 28 脚双列直插 EPROM，容量为 16K18。其中 A0-A13 为 14 位地址线，00-07 为 8 位数据线，CE 为芯片允许信号低电平有效，VCC、GND 分别为+5V 和接地端。工作方式如下：方 式 CE OE VPP VCC PGM 输出读维 持编 程编 程检验编程禁 止VILVILVILVILVIHVIL任意VIHVIH任意VIHVILVPPVPPVPPVILVCCVCCVCC任意VILVIL任意Dout高阻DLDL高阻（2）随机存取存储器 RAMRAM 的特点是：即能写入又能读出信息，但断电后会丢失登记处。RAM 一般来存放应用程序、零件加工程序、缓冲区（刀补运算、插补运算、显示缓存） 、以及中间结果，工作寄存器和堆栈等。本系统选用二片具有 8K 字节容量的 6264 作为外部 RAM，为了防止 RAM 中的登记处丢失，采用了掉电保护电路。6264 271286264 是 28 脚双列直插 RAM，各引脚的操作方式如下：操作方式 CE1 CE2 OE WE I00-I07未 选 中未 选 中输出禁止读VIH任意VILVIL任意VILVIHVIH任意任意VIHVIL任意任意VIHVIH高 阻高 阻高 阻Dout张家界航空工业职业技术学院毕业设计22写写VILVILVIHVIHVIHVILVILVILDLNDIN（3）辅助电路地址译码：由于 8098 对存储器和外部设备采用统一编址方式，因此选用 74LS138 译码器对存储器和 I/0 接口统一地址译码。74LS138 译码器功能表如下：输 入 输 出G1 G2A G2B C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7LHHHHHLLLLHLLLLLLLLLLHHLHLHHHHLHHHHHHHLHHHHHHHLHHHHHHHLHHHHHHHHHHHHHBHHHHHHHHHHHHHH输 入 输 出G1HHHHG2ALLLLG2BLLLLCHHHHBLLHHALHLHY0HHHHY1HHHHY2HHHHY3HHHHY4LHHHY5HLHHY6HHLHY7HHHL由于一块 74LS138 无法满足所有芯片的地址译码，因此采用多级译码的方式，进地址分配。增加一块74LS138 译码器。 地分 别 接、端 ，接 ABCGYA27址线的 A7、A6、A5，对其它模板进行二级译码，在各模板上再用 74LS1138 对范围内的芯片进行地址分配，进行三级译码。全部模板、芯片的地址分配如下 表：模板 板地址 芯片 芯片地址 片选信号27128（1） 4000H-7FFFH 23Y27128（2） 8000H-BFFFH 45.6264（1） E000H-FFFFH 7CPU 及存储器模板2000H-DFFFH6264（2） C000H-DFFFH 6张家界航空工业职业技术学院毕业设计23键盘及显示器模板E000H-E01FH 8279 E000H-E01FH 0Y8255（1） E020H-E023HI/0 模板 E020H-E03FH8255（2） E024H-E027H128253 E040H-E043H 0Y273-1 E044H-E047H 2273-2 E048H-E04BHE04CH-E04FH 3DAC1210 E050H-E053H 4YX轴74367 E054H-E057H258253 E060H-E063H 0273-1 E064H-E067H 1273-2 E068H-E06BH 2E06CH-E06FH 3YDAC1210 E070H-E073H 4Y轴74367 E074H-E077H358253 E080H-E083H 0273-1 E084H-E087H 1273-2 E088H-E08BH 2YE08CH-E08FH 3DAC1210 E090H-E093H 4伺服电机 接口 板E040H-E09FHZ轴74367 E090H-E097H1Y45总线驱动器：各种接口电路都有一定的驱动能力，可带一定数量的负载。这在应用系统较小时往往可以适用，但是系统较大，外围设备较多，电路较复杂时就不能满足要求。于是，需要配置总线驱动器来提高总线的驱动能力。74LS245 是一种 8 位双向总线收发器，三态门输出，常用作总线驱动器。芯片引脚如右图所示。输入/输出引脚分为两组，一组是 A1-A8，另一组是B1-B8。控制信号有两个，一个是传送允许 ，另一个是E传送方向控制 DIR。当 输入低电平时，允许数据传送，E否则不允许传送。当 DIR 为高电平时，数据由 A 端传送到B 端；当 DIR 为低电平时，数据由 B 端传送到 A 端。传送控制如表如表：张家界航空工业职业技术学院毕业设计24ECIR允 许 方 向 控 制操 作L L 数据由 B 端传送到 A 端L H 数据由 A 端传送到 B 端H 隔 离用作数据总线驱动器时，第一引脚 DIR 接 RD，当 RD 为低电平时，DIR 为低，数据由 B 端传送到 A 端，即 CPU 进行读操作；当 RD 为高电平时，DIR 为高，数据由 A端传送到 B 端，CPU 可进行写操作。由于使用了 74LS245，提高了总线的驱动能力。地址锁存器：8098 规定 P3 口提供低 8 位地址线，同时又要作数据线，所以为分时输出低 8 位地址和数据的通道口。为了把地址信息分离出来，将 74LS373 的片选端 接低电平，OEG 与 8098 的地址锁存信号 ALE 连接。当 G-1 时，片未选中，当 G 由高电平转为低电平时，将输入数据锁入 Q1-Q8 中。即由 CPU 发出的地址允许锁存信号 ALE 的下降沿将地址信息锁存和锁存器中。74LS373 的功能表和芯片管脚图如下：OEG D 输出L H H HL H L LL L 维持H 三态(4) 掉电、复位保护电路 74LS273作用：系统掉电及复位时，能自动切换备用锂电池对 RAM 供电，保持 RAM 的数据不会丢失。系统加电、掉电过渡过程中，保证 RAM 中的数据不会改变，即保证 VCC 在 4.5V-0V 变化时，阻止 CPU 和泽码器对 6264 的误读/写操作。电路图：张家界航空工业职业技术学院毕业设计25工作原理：1、2、3 为电压比较器，7432：A/B/C 为三个部门，HD 为一发光二级管，C4、C6、C10 为滤波电容，D6 为一稳压管（稳压值为 3V） 。正常工作时，E1 为+5V，V1-V2=V3（稳压管作用） ，因 E13.6V，故 D1 截止，D2 导通，E1 通过 D2 正常向 VDD 供电，而对电压比较器来说，因 V1+=3.6V，故其输出端为“1”电平，从而使 HD 反偏，不会发光。而根据 R113.3K，R12=10K 的分压作用，可知 VA=E1R12/（R12+R11）=510/（10+3.3）=3.75V，显然，因 V2+VA=3.75VV2-=3V，故电压比较器 2 输出为“1”电平，一路向片选 CS2 提供正常信号，而另一路要影响电压比较器 3 的工作。对于 3 而言，根据分压作用，知 V3+=E1R9/（R8+R9）=50.33/(1+0.33)=1.24V，这时，VB=5V，故必定通过 D7、R15 向 C7 充电，直至 C 点电压升高至（5-0.7）=4.3V 为止，也就是说 C 点电位被嵌位在高电平 4.3V 左右，这时V3=1.24VV3-=VC=4.3V，故电压比较器 3 输出“0”电平，即 VD=0，不影响7432；A/B 的另一路 WR 及 Y3 的工作，且也不能通过 7432；C 使三级管 T1 截止，使T1 集电极始终处于高电平，即 RST=1，系统处于不复位状态。当 E1 上电 03.6V 时，如前所述，上面电路保证 E2 备用电池向 VDD 正常供电，而若长期处于掉电过程，E2 电压上降，致使 V1+V1-，则电压比较器 1 输出“0”电平,从而使 HD 正偏，发光警告备用锂电池电压不足，提示更换电池。对于上面电路，当 E1 从 04.5V 时，因 V2+=VA=E1R12/（R12+R11）=E110/（10+3.3）=03.375V，当 V2+V2-时，电压比较器 2 输出端 B 为“0”电平，这以后 C7 通过R15 和 D7 放电，从而使 C 点为“1”电平，从而通过两个或门 7432；A/B，使 、EWCS 为高电平，即封锁 、 信号的输入，从而起到保护 RAM 内容不被误操作RW3Y抹去，而 D 点高平又通过或门 7432；C 使三级管基极电位为“1” ，从而使 T1 导通，集电极电平为“0” ，即使 RST=0，向系统发出复位信号，系统处于复位状态。同理，掉电期间（5V0V）的工作过程同加电期间的工作过程。由于外界原因需要 8098 复位，重新启动。8098 的复位过程是：在电源电压VCC、振荡信号发生器均处于稳定状态后，当 8098 单片机的 引脚保持两个状REST态周期以上的低电平，接着又处于高电平。该单片机便开始执行时间为 10 个状态周期的复位序列。这个复位序列使片内一些寄存器初始化、PSW 清零，程序计数器 PC被赋值为 2080H。在此基础上，8098 单元片机开始执行首地址为 2080H 的程序。在此采用的电路除了具有上电自动复位功能外，还可以能过复位按键迫使为低电平。当系统掉电时，复位电容器里存储的能量可以以二级管为通路迅REST速放电，这为单片机在反复上电的情况下可靠复位提供了保证。张家界航空工业职业技术学院毕业设计265.2 键盘、显示器接口模板的设计该模板是由键盘、显示器、驱动元件、锁存器、译码器等组成。5.2.1 元件选择及电路设计对键盘上闭合键（压下支的键）的识别以及对显示器的控制，一般是通过通用的 I/0 接口电路并由程序完成。然而，对实时微机应用系统的设计者，考虑到微机的有限运算速度，总希望尽量减小 CPU 对键盘及显示器管理所占用的时间。8279 芯片就是由 Intel 公司为此而设计的集成接口芯片。它是一种专用于键盘/显示器的可编程接口电路，能对键盘自动扫描，给出闭合按键的键码，能自动向数码管显示器输出显示代码和位代码。因此，是一种功能较强、使用方便灵活的可编程键盘/显示器接口电路。键盘和显示器通过 8279 芯片与数控系统的 CPU 的控制、数据及地址总线相连，键盘和显示器扫描信号的发生以及动态显示时的数据更新均由 8279 芯片独立完成。5.1.2 8279 芯片Intel8279 是一种实现键盘输入和段式数码显示控制的专用智能芯片，它的功能由两部分组成：接收来自键盘的输入数据并做预处理，显示数据的管理和对数据显示器的控制。它具有以下一些特点：（1）与微处理器接口简单；（2）自动实现键的“去抖”和重键处理；（3）能以中断或查询两种方式工作；（4）能按 FIF0（先进先出）方式实现8 个键值的缓冲；（5）常规情况能同时管理 64 物理键和 16个八段数码管。其引脚定义如下：DB0-DB7；双向数据总线、 ：读写选通信号 片选信号RDWCS：复位信号 CLK：时种信号ESTA0：命令/状态或数据识别信号，=1 为写命令或读状态；=0 为数据 IRQ：中断请求信号SL0-SL3：输出线。这四条输入线用来扫描键盘和显示器RL0-RL7：输入线，是键盘矩阵或传感器矩阵的列信号输入线张家界航空工业职业技术学院毕业设计27OUTA0-OUTA3,OUTB0-OUTB3：显示输出线：显示消隐信号BDSHTFT：扩展键盘位的换挡信号，带上拉电阻，高电平有效CTRLSTB：控制键输入选通信号输入，高电平有效8279 的 8 根数据总线与 STD 总线的 D0D7 相连，它的 、 、CLK、 分RDWREST别与 STD 总线的同名信号线相连接。其中 CLK 的另一端接 8098 的 HS0.0 脚，由8098 的高速输出通道 HS0.0 产生 IAMZ 的脉冲信号。在对 8279 初始化时，可编程为10 分频，以便得到 8279 所需的 100KHZ 的内部时钟。 与该接口板的片选信号CS相连。由于 CPU 对 8279 的监视采用查询方式，每 16ms 定时中断查询一次，所以0Y中断请求信号 IRQ 悬空不用，A0 与 8098 的最低位地址线 AD0 相连；SHIFT 和CNTLSTB 脚接 0 电平。5.1.3 键盘控制的原理8279 的扫描输出有两种方式供选择：译码扫描和编码扫描。所谓译码扫，四条扫在先进先出寄存器（FIF0 ROM）中有一个字节的 FIF0 状态寄存器，它始终存有描线在同一时刻只有一条是低电平，并按着一定的频率轮流更换。如果用户键盘的扫描线多于 4 根时，