经济型数控车床控制系统硬件电路设计【插图在论文最后】
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经济型
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经济型数控车床控制系统硬件电路设计【插图在论文最后】,经济型,数控车床,控制系统,硬件,电路设计
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南京工程学院 毕业设计任务书 自动化 系 自动化（数控技术应用） 专业 设 计 题 目 经济型数控车床控制系统 硬件电路设计 学 生 姓 名 班 级 起 止 日 期 3 月 1 日至 6 月 15 日 指 导 教 师 教研室主任 发任务书日期 2007 年 3 月 1 日 控制轴数：两轴（ X 轴、 Z 轴）。 扩展存储器： 32K 程序存储器， 8K 数据存储器。 显示：三排 I/O 接口：若干 论文 )的内容和要求 (包括技术要求、图表要求以及工作要求等 )： 采用 8031 作为主 外扩 32K 程序存储器， 8K 数据存储器；用 89从 制三排 示；键盘用 8155 扩展； X 轴、 Z 轴步 进电机正、反转脉冲信号经锁存器输出；用 8255 扩展若干输入、输出信 号接口。 （ 1）毕业设计说明书（论文） （ 2）控制系统原理图 （ 3） （ 4）英文资料译文 片机应用系统设计 . 北京：北京航空航天大学出版 社， 1990 年 单片机原理及接口技术 京航空航天大学出版社， 1999 单片机原理与应用 . 北京：机械工业出版社， 2004 论文 )进度计划 (以周为单位 )： 起 止 日 期 工 作 内 容 备 注 第一周 第二周 第三周 第四周 第五周 第六周 第七周 第八周 第十周 第十一周 第十二周 第十三周 第十四周 第十五周 第十六周 熟悉课题 收集资料 写毕业设计开题报告 拟定方案 展电路设计 显示电路设计 手动键盘和编辑键盘电路设计 I/O 扩展电路设 计 用 制 展电路原理图 用 制其余电路原理图 绘制 英文资料翻译 写论文 修改论文 答辩 教研室审查意见： 室主任 年 月 日 系部审查意见： 系主任 年 月 日 本科毕业设计（论文）开题报告 题目： 经济型数控车床控制系统硬件电路设计 专 业： 自动化（数控技术应用） 班 级： 数控 033 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2007 年 3 月 本科毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名 学 号 专 业 自动化（数控技术应用） 指导教师 职 称 所在院系 自动化学院 课题来源 自拟课题 课题性质 工程 设计 课题名称 经济型数控车床控制系统硬 件电路设计 毕业设计的内容和意义 经济型数控车床是以单片机为控制核心、以步进电机为驱动、以开环控制方式为基础的一种简易数控系统。此次主要以它的控制系统为研究对象，进行硬件电路设计。 毕业设计的具体内容： 1、采用 8031 作为主 扩 32K 程序存储器， 8K 数据存储器； 2、用 89为从 制三排 示； 3、键盘用 8155 扩展； 4、 X 轴、 Z 轴步进电机正、反转脉冲信号经锁存器输出； 5、用 8255 扩展若干输入、输出信号接口。 本课题研究的意义： 本课题对经济型数控车床控 制系统硬件电路进行设计 ,其研究意义如下： 1、经济型数控车床价格便宜，性能价格比适中，与中高档数控车床相比，前者只需一万元左右，后者则需要十万甚至几十万元。因此，它特别适合于改造在设备中占有较大比重的普通车床，适合在生产第一线大面积推广。 2、经济型数控车床适用于多品种、中小批量产品的自动化生产，对产品的适用性强。在普通车床上加工的产品，大都可以在经济型数控车床上进行。加工不同零件，只要改变加工程序，很快适应和达到批量生产的要求。这就为单件、小批量以及试制新产品提供了极大的便利。它缩短了生产准备周期，而且节 省了大量工艺装备费用。对于使用点位控制系统的多孔零件的加工，当需要修改设计，改变其中某些孔的位置和尺寸时，只需局部修改增删穿孔带的相应部分，花费很短的生产准备时间就可以把修改后的新产品制造出来，为产品结构的不断更新提供了有利条件。 3、经济型数控车床可以提高产品的质量，降低废品损失。数控装置有较高的加工精度，加工出的产品尺寸一致性好，合格率高。如包缝机壳车内槽，质量要求高，手工加工时废品和返修品率高达 70%，用经济型数控车床加工几乎没有废品。数控机床的传动系统与机床结构都具有很高的刚度和热稳定性，提高了产品 的制造精度，特别是数控机床的自动加工方式避免了生产者的人为操作误差， 同一批加工零件的尺寸一致性好。产品合格率高，加工质量稳定。 4、经济型数控车床能解决复杂零件的加工精度控制问题。如一个复杂工件，原来有一个高级车工用双手摇动两个手柄，边加工边对样板，每件需 16 小时，费时费力，且质量无法保证，而在改造后的经济型数控车床上加工，仅用 45 分钟，提高工效 20 倍。 5、经济型数控车床能节约大量工装费用，降低生产成本。手工操作需要大量不同类型的靠模和成形刀具，用经济型数控车床加工可以不用工装，不仅节约了工装费用， 还减轻了工具制造部门的压力。 6、经济型数控车床可以提高生产率。零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。经济型数控车床能够有效减少这两部分时间，因而加工生产率比一般机床要高得多。数控车床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控车床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时间。数控车床移动部件的快速移动和定位均采用了加速与减速措施，因而选用了很高的空行程运动速度，消耗在快进、快退和定位的时间比一般机床的少得多。数控车床在更换零件时几乎不需 要重新调整车床，而零件有都安装在夹紧装置中，用于停机进行零件安装调整的时间可以节省不少。 7、经济型数控车床可以减轻工人的劳动强度。使用经济型数控车床，将工人从紧张、繁重的劳动中解脱出来。对零件的加是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了安放穿孔纸带或操作键盘、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运动之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。 8、经济型数控车床可以提高工人的素质，促进技术进步。数控系统的出现，扩大了工人的视野，带动可学习微电子技术 的热潮，为工人由“体力型”向“智力型”过渡创造了条件，促进了工厂的技术进步。 9、经济型数控车床可以增强企业的应变能力，为提高企业竞争能力创造了条件。企业应用经济型数控对设备进行改造后，提高了加工精度和批量生产的能力，同时又保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代所需要的应变能力，增强了企业的竞争能力。 10、经济型数控车床的功能实用，软件功能不低于同样配置的一般伺服电机的功能，基本上可以满足加工要求。全功能数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国一般中小型企业购置困难，而大量的机械 零件需要高速加工制造，需要大量便宜且自动化程度很高的加工设备。由于步进电机的数控系统在某种意义上可以装备这个档次的设备，所以经济型数控车床是适合我国国情的高效自动化车床。 文 献 综 述 随着计算机技术的高速发展 ,传统的制造业开始了根本性变革 ,普通机床已经无法满足社会发展的需要。经济型数控车床控制系统硬件电路的设计 ,最主要的是对单片机控制系统的设计。文献 12345等都是关于单片机方面的内容，其中 3和 4介绍了 列单片机的基础知识，如单片机的总体结构，引脚的描述，以及 外部扩展问题等；文献 2以 89片机为典型机，详细介绍片内结构、工作原理、接口技术和单片机在各领域中的应用；文献 15介绍了如何设计单片机系统，提供了大量实用电路和程序并举例了应用系统的设计和调试，注重理论联系实际，着重实际应用。 设计数控车床控制系统硬件电路必须了解数控车床的外观以及它是如何工作的，这样才能知道该如何着手。文献 67910111213都是关于数控或数控车床方面的内容，文献 671112主要是对当前数控机床的介绍，可参考其中的数控车床的外 观以及工作的方式。文献 91013介绍了数控机床的发展趋势，以及数控系统先进理念和相应的体系结构。 画电路原理图和电路板图需用到软件 献 8详细介绍了如何设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真等。 参考文献： 1、何立民 片机应用系统设计北京：北京航空航天大学出版社，1990 年 2、李朝青单片机原理及接口技术北京：北京航空航天大学出版社， 1999 3、赵德安等单片机原理与应用北京：机械工业出版社， 2004 4、李学海标准 80片机基础教程北京：北京航空航天大学出版社，2006 5、汪道辉单片机系统设计与实践北京：电子工业出版社， 2006 6、汪木兰数控原理与系统北京：机械工业出版社， 2004 7、邵群涛数控系统综合实践北京：机械工业出版社， 2004 8、夏路易 石宗义电路原理图与电路板设计教程 9002 9、张俊 魏红根数控技术发展趋势智能化数控系统制造技术与机床，2004 年第 04 期 10、张明亮 解旭辉 李圣怡开放性数控技术的发展机电工程， 1999年 第 04 期 11、周延佑国产数控系统的特点和机床数控化改造的迫切性制造技术与机床， 1999 年第 06 期 12、韩权利 马宏伟 杨来侠开放式数控系统机械制造， 2001 年第 07 期 13、陆启建，刘明灯数控技术的新发展制造技术与机床， 2002 年第 05期 研 究 内 容 1、用 列的 8031 单片机作为主 扩 32K 的程序存储器和8K 的数据存储器，分别用于存放系统管理软件、数控加工程序以及运算的中间数据。 2、用 列的 89片机作从 制三排 示器，用于 X 轴、 Z 轴动态坐标以及相关数字的动态显示，作为人机交流的界面。 3、用 8155 芯片的 和 作为行、列母线，扩展矩阵式编辑键盘，用于程序和数据的输入和编辑，同时选用 8031 单片机的 扩展手动键盘，用于系统启动、停止以及运动部件在 X 轴、 Z 轴方向的手动控制，此外选用 8255A 口扩展工作方式选择开关电路，用于选择系统的工作方式。 4、用 8255A 芯片扩展若干输入输出信号接口电路，用于接收和传送开关量及相关信息，作为系统和外界进行信息交换的桥梁。 5、用锁存器 74存步进电机 X 轴正、反转 脉冲输出信号及 Z 轴正、反转脉冲输出信号。 6、用译码器 74成 8031 单片机外围扩展芯片选择译码电路以及显示位选择译码电路。 7、用 9件绘制电路原理图及 。 研 究 计 划 熟悉课题 借阅资料、复习相关专业内容 写毕业设计开题报告 拟定方案 修改方案 展电路设计 显示电路设计 手动键盘和编辑键盘电路设计 I/O 扩展电路设计 用 制 展电路原理图 用 制其余电路原理图 绘制 英文资料翻译 写毕业论文 修改毕业论文、准备答辩 毕业答辩 特 色 与 创 新 本论文特色与创新如下： 1、经济型数控车床是对普通车床的智能化，即它把单片机技术嵌入到了普通车床系统中。对普通机床而言，如果想要给已经定型的系统增加功能或者改进性能，只能大动手术或者重新设计，否则，别无他法；而单片机系统完成的许多功能是通过存储程序控制实现的，也就是说，控制功能是通过计算机执行预先存储在存储器中的程序来实现的。如果想要给系统增加功能或改进功能，只需要更新软件即可轻而易举地达到目的，非常灵活。不同与传统的机床，不需要制造、更换许多工具、夹具和模具，更不需要重新调整机床。 2、全功能的数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国的一般中小企业购置困难，而经济型数控车床价格低廉，操作使用方便，满足机械加工的基本功能要求，可以作为中高档数控系统的替补和填充。一个国家生产车床的数控化率集中反映了一个国家的制造业的技术水平，也代表着一个国家的综合国力。我国的制造业和车床制造业总体水平与发达国家相比还存在着不小的差距。所以在这种情况下，我们就应该大力发展我国的车床制造业，对原有的机床进行改造，进行数控化、自动化，由于经济型数控车床设备费用投入较少，可以满足企业发展初期的需要，是我国数控车床的 主流产品，所以研制和开发经济型数控车床就有它的战略意义。 3、画原理图和 所用到的 一个全 32 位的电路板设计软件，该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，使用该软件可以容易地设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真。使用电脑设计电路原理图和电路板图是把电子技术从理论应用到实际的第一步，只有会设计电路原理图和电路板图才能进行电子产品的研究与开发，该软件可以帮助设计者从理论走向实际，掌握电子产品开发的基本技术。在现代工业生产中，各种电气设备、电子仪器、电工产品，不 管是简单普通的，还是复杂精密的，它们的制造、装配、调试、使用和维护方面都要以各种电气图为依据，作为一种必不可少的技术语言，成为人们在电气领域统一思想的交流工具和传递信息的媒体介质。 指导教师 意 见 指导教师签名： 年 月 日 教研室意见 主任签名： 年 月 日 系部意见 教学主任签名： 年 月 日 本科毕业设计（论文） 题目： 经济型数控车床控制系统硬件电路设计 专 业： 自动化（数控技术应用） 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 设计地点： 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） I 摘 要 本文 详细地介绍了 经济型数控车床控制系统硬件电路 的设计 过程 。 该控制系统 主要可分为四部分设计： 储器 扩展电路设计、显示电路设计、手动键盘和编辑键盘 电路 设计以及 I/O 扩展电 路设计。在 储器 扩展电路设计中， 用 列的 8031 单片机， 外扩 32K 的 程序存储器 和 8K 的 数据存储器 ， 分别 用于存放系统 管理程序 、 数控加工程序以及 运算 数据 ； 在显示电路设计中， 选用 列的 89片机 作为从 制三排 示器 ，用于 X 轴、 Z 轴 动态 坐标以及 相关数字的 动态 显示 ； 在手动键盘和编辑键盘设计中 选用 8155 芯片 的 和 作为行、列母线， 扩展矩阵式编辑键盘 ， 用于程序和数据的输入或编辑 ，同时 选用 8031 单片机的 扩展 手动键盘 ，用于 系统 启动、停止以及 运 动 部件在 X、 Z 轴 方向 的手动 控制 ； 在 I/O 口扩展电路设计中 选用 8255 芯片 扩展 输入输出 口， 用于 接 收 和 传送 开关量 及相关 信息。 总体来说， 该 设计 电路简单 、 开发 成本低 、 可靠性高， 在此基础上，进一步完善硬件，并开发控制软件，对经济型数控车床，尤其是功能要求不高的经济型车床，具有一定的应用价值。 关键词： 数控车床 ； 控制系统 ； 电路设计南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） of in , a 8031, is as a 32K is to K to C 89is to of ED of of 155 or of C 1 031 is as on/of . a , 8255, is to , is by It in of C is so 文） 录 第一章 绪论 . 1 言 . 1 题背景与意义 . 2 究现状 . 3 文的结构 . 4 第二章 经济型数控车床控制系统硬件电路设计 方案 的拟定 . 5 制对象及要求 . 5 体 控制 方案的 拟定 . 5 选 用 . 5 扩存储器的确定 . 6 示电路的确定 . 6 展键盘及 I/O 口电路的确定 . 7 体方案的结构框图 . 7 第三章 经济型数控车床控制系统硬件电路设计 . 8 钟及复位电路设计 . 8 钟电路设计 . 8 位电路设计 . 8 储器扩展 电路设计 . 9 序存储器扩展电路设计 . 9 据存储器扩展电路设计 . 11 示电路设计 . 14 字动态显示电路设计 . 14 能字显示电路设计 . 16 动键盘和编辑键盘电路设计 . 17 动键盘电路设计 . 18 作方式选择 开关电路设计 . 20 辑键盘电路设计 . 21 （论文） 四章 控制系统原理图及 的绘制 . 32 制系统电路原理图的绘制方法及步骤 . 32 制系统电路 的绘制方法及步骤 . 35 第 五 章 结论 . 37 文 总结 . 37 想 . 38 致谢 . 39 参考文献 . 40 附录 A： 英文资料 . 41 附录 B： 英文资料翻译 . 55 附录 C： 硬件设计原理图与 . 67 附件： 毕业论文光盘资料 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪 论 言 科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。它不仅能够提高产品的质量，提高生产效率，降低生产成本，还 能够大大改善工人的劳动条件。许多生产企业（例如汽车、拖拉机、家用电器等制造厂）已经采用了自动机床、组合机床和专用自动生产线。采用这种高度自动化和高效率的设备，尽管需要很大的初始投资以及较长的生产准备时间，但在大批大量的生产 条件下，由于分摊在每一个工件上的费用很少，经济效益仍然非常显著的。但是，在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件与小批量生产的零件（批量在 10100 件）约占机械加工总量的 80%以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防部门，其生产特点是加工批量小、改型频繁， 零件的形状复杂而且精度要求高，采用专用化程度很高的自动化机床加工这类零件就显得和不合理，因为需要经常改装与调整设备，对于专用生产线来说，这种改装与调整甚至是不可能实现的。近年来，由于市场竞争日趋激烈，为在竞争中求得生存与发展，各生产企业不仅要 提供高质量的产品，而且频繁地改型，缩短生产周期，以满足市场上不断变化的需要。因此，即使是大批量生产，也改变了产品长期一成不变的做法。频繁地开发新产品，使“刚性”的自动化设备在大批生产中也日益暴露其缺点。已经使用的各类仿型加工机床部分解决了小批量、复杂零件的加工。但在更换 零件时，必须制造靠模和调整机床，不但要耗费大量的手工劳动，延长了生产准备周期，而且由于靠模误差的影响，加工零件的精度很难达到较高的要求。为解决上述这些问题，来满足多品种、小批量的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床 。数字机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。它极其有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控机床就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给冷却液等）和步骤以及刀具与 工件之间的相对位移量都用数字化的代码来表示，通过控制介质（如穿孔纸带或磁带）将数字信息送入专用的或通用的计算机， 计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。数控机床与其它自动机床的一个显著区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具之外，只需要更换一条新的穿孔纸带或磁带，不需要对机床作任何调整。我国在研南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 2 制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服 系统的制造技术，是我国数控机床在品种、数量和质量方面得 到了迅速发展。目前我国已有几十家机床厂能够生产不同类型的数控机床和加工中心机床。我国经济型数控车床的研究、生产和推广工作也取得了较大的进展，它必将对我国各行业的技术改造起到了积极的推广作用。目前，在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。随着工厂、企业技术改造的深入开展，各行各业对数控机床的需要量将会大幅度的增长，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四化建设中发挥越来越大的作用。 题背景与意义 我国数控车床发展，始于 20世纪 70年代 ，通过 30余年的发展，我国 目前 生产的数控车床， 分为 经济型数控车床、中档型数控车床和高档型数控车床三种 档次 ，其中经济型数控车床约占数控车床产量 90%。经济型数控车床，价格低廉，设备费用投入较少，可以广泛地满足企业发展初期的需要，特别是受到民营经济企业的欢迎，仍是我国当前数控车床的主流产品。 经济型数控车床主要特点有： 1） 价格低廉，性价比适中， 大约是同等配置带伺服电动机系统的 1/4 或更低。它 特别适合于普通机床的改造 ， 适合在生产第一线大面积推广。 2） 适合 于多品种、中小批量的自动化生产，对产品的适应性强，在普通机床上加工的产品大都可以在经济型数控产品上加工。加工不同零件，只需改变加工工序，并且能很快适应和达到批量生产。 3）提高产品质量，降低废品损失。数控装置有较高的加工精度，加工出的产品尺寸一致性好、合格率高。 4）能解决复杂零件的加工精度控制问题。 5）节约大量工装费用，降低生产成本。手工操作需要大量不同类型的靠模和成形刀具，用经济型数控车床加工可以不用工装，不仅节约了工装费用，还减轻了工具制造部门的压力。 6）减轻了工人的劳动强度。使用经济型数控车床可将工人从紧张、繁重的体力劳动中解脱出来。 7）提高工人素质 ，促进技术进步。数控系统的出现扩大了工人的视野，带动了学习微电子技术的热潮，为工人由“体力型”向“智力型”过渡创造了条件，促进了工厂的技术进步。 8）增强了企业应变能力，为提高企业竞争能力创造了条件。企业应用经济型数控系统对设备进行改造后，提高了加工精度和批量生产的能力，同时又保持南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 3 “万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代所需要的应变能力，增强企业的竞争能力。 全功能的数控车床虽然功能丰富，但成本高，我国一般中小企业购置困难，中小企业为了发展生产，希望对原有机床进行改进，进行数控化、自 动化，以提高生产效率。经济型数控车床就是结合现实的生产实际和我国的国情，在满足基本功能的前提下，尽可能降低价格 。 由于其独特的优点，经济型数控车床被大量的中小企业看好。当前，我国步入市场经济不久，一般国有制造企业正处于在改革和调整的时期，资金严重不足；制造业的民营企业刚刚成长，同样资金也非常紧张，不可能付出大量资金购买高档次数控设备。而大量的机械零件需要高速加工制造，需要大量便宜且自动化程度很高的设备。由于步进电动机的数控系统在某种意义上可以装备这个档次的设备，作为中高档数控车床的替补和填充，因此它仍有存在 的空间和时间，有它在一定时期存在的必要性。 究现状 从 1960 年开始至今，世界经济强国如德国、日本、法国、意大利等纷纷开发、生产及使用数控机床。 1958 年中国也开始着手数控技术的研究，并于 1968年在北京第一机床厂研制出中国第一台数控 车 床。随着国内数控厂家（主要有：武汉华中数控、北京航天数控、沈阳蓝天数控、广州数控 都广泰数控海华东数控等）的增加，众多的应用广泛的数控系统应运而生。国内数控系统在高中、低挡领域均有涉及，且在国内制造业应用广泛，并且正向纳米级精度、高可靠性、 进 给高速的数控领域进军。 “十五”期间国产数控机床发展很快。从技术上看，数控车床技术比较成熟，通过技术引进和合作生产、消化吸收和自主创新，我国已掌握了数控车床设计和制造技术。从产品水平上看，我国 已能自行开发设计各种低中高档数控车床。从品种上看，我国生产的数控车床品种比较齐全，每年都有数控车床新品种，可供各方面用户选用。从生产规模上看，国产经济型数控车床已形成规模生产，有十余家企业生产规模达到年产千台以上。“十五”期间我国数控车床进入了发展快速期，生产产量由 2001 年的 10022台增加到 2005 年的 37811 台， 增长 ；产值由 2001 年的 元增加至2005 年的 元，增长 。平均 单台产值由 2001 年的 元增加至2005 年的 元。数控车床的消费量由 2001 年的 13123 台增加到 2005 年的42551 台，消费额由 2001 年的 美元增加到 2005 年的 美元。国产数控车床的市场占有率逐年提高，按台数计，由 2001 年的 升到 2005 年的 按金额计，由 2001 年的 升到 2005 年的 接近 2/3。 在南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 4 经济型数控系统中，我国具有 很大优势，在当前每年数千台经济型数控车床和电加工机床市场上，国产数控系统是一枝独秀，为我国计算机数控系统的发展做出了贡献，在世界数控技术发展史上占有重要的一页。 现在的经济型数控车床大多数 是以单片机为控制核心，以步进电机为驱动，以开环控制方式为基础， 采用立式 4 工位刀架，比起中高档数控车床来说定位精度相对较低，刀具数量少，加工范围较窄，加工精度较低，有一定的使用局限性 ，但是经济型数控车床的功能实用，软件功能不低于同样配置的一般伺服电动机的功能，因此基本上能满足加工要求。 目前，我国生产经济型数控车床的企业已超过 50 余家，全国年产量已超过 30000 台以上，已达到相当的规模。 国产经济型数控车床受到国外跨国机床公司的产品和其在国内合资企业和独资企业生产的产品双重挑战，在产品技术、月产量、规模上都不及外国公司和合资企业。因而，当前要加速经济型数控车床产业化程度，通过制造技术和管理技术的提升，提高国产经济型数控车床的性价比和质量稳定性，缩短交货期，争取更多的国内市场份额。 在这样的大环境下， 生产经济型数控车床的企业适时 增加 经济型数控车床的功能， 降低 价格， 使得 性价比更高 ， 提高市场竞争力。 文的 结构 本文以 经济型数控车 床 的研发工程项目作为应用背景，对 经济型数控车床控制系统硬件电路 进行了研究。全文共分为 五 章，各章的主要内容如下： 第一章扼要地介绍了 经济型数控车床 特点 、 研究 意义 与相关研究背景； 第二章 对 控制对象 进行了研究， 结合设计要求， 给出了总体设计方案 ； 第三章 具体给出了经济型数控车床控制系统硬件电路的设计过程，包括存储器扩展电路设计、显示电路设计、手动键盘和编辑键盘电路设计、步进电机控制信号输出电路设计、 I/O 口扩展电路设计以及译码电路设计等 ； 第四章 对绘制控制系统的电路原理图及 作简单介绍 ； 第 五 章总结了全文的研 究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 5 第二章 经济型数控车床控制系统硬件电路设计方案的拟定 制对象 及要求 此次 设计对象为经济型数控车床控制系统硬件电路 ， 采用 8031单片机作为主扩 32需控制两轴 ： 轴，且 轴步进电机正、反转脉冲信号要经锁存器输出；显示电路 要 实现三排 需扩展手动键盘及 编辑键盘电路 ； 需 扩展若干输入 输出口，用于开关量 及相关信息 的输入输出。 体方案的确定 数控系统是由硬件和软件两部分 组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路可靠性直接影响数控系统性能指标。机床硬件电路由以下五部分组成： 1）主控制器，即中央处理单元（ ； 2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线； 3）存储器，包括程序存储器和数据存储器 ； 4）接口，即 I/O 输入输出接口电路 ； 5）外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等 。 选用 在微机应用系统中 ， 选择应考虑以下因素： 1）时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的 速 度； 2）可扩展存储器的容量； 3）指令系统功 能，影响编程灵活性； 4） I/O 口扩展的能力，即对外设控制的能力； 5）开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。 此外还要考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济的要求。 目前在经济型数控机床中，一般选用 列单片机作为主控制器。 列单片机主要有三种型号的产品： 8031、 8051 和 8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。 8031 片内无 在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用 。根据 机床要求，采用 8 位机。由于 列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合， 统的最小系统用一片 8031南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 6 外扩一片 能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用 成功能强、规模较大的系统。所以选用 8031 单片机。其次，设计要求也是要求用 8031。由此可见选用 8031 是符合经济型数控机床电路设计的。此次设计使用的是 8031 芯片。 扩存储器的确定 8031 单片机片内只有 128 个字节的 要外扩存储器。 存储器 扩展电路设计 应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。 在选择程序存储器芯片时， 有三种 供选择，一种是掩膜 种是可编程 还有一种是紫外线可擦除 现在多用的是 选择 要考虑 序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题 。 根据设计要求，需要外扩32K 程序存储器，所以选择 27256 芯片。 在选择数据存储器芯片时，常采用半导体静态随机存取存储器 路。常用的数据存储器有静态 动态 类。 且 要刷新逻辑电路以保持数据信息的不丢失，电路设计较复杂。虽然 片具有容量大、功率低、价格便宜等优点，但它极易受干扰，对外界环境、工艺结构、控制逻辑和电源质量等的要求都很高。 同时与 比， 须考虑保持数据而设置的刷新电路，故扩展电路较简单。因此，此次设计的控制系统选用 8031 单片机应用系统中，最常用的静态数据存储器 片有 6116（ 2K8）和 6264（ 8K8）两种。 根据设计要求，需要外扩 8K 数据存储器，所 以选择 6264 芯片。 在存储器扩展电路的设计中还应包括地址琐存器 电路 和译码电路的设计 。 示电路的确定 显示电路需要实现三排 态显示，用以显示 X 轴、 Z 轴动态坐标以及相关的数字，这就需要一个从 从 要是按照中央 来的显示命令和显示内容，组成相应的显示信息，负责产生显示器所需要的扫描信号，控制显示器按规定的显示方式显示有关信息。 89多功能的 8 位 合在同一片芯片上，高度灵活且价格适宜。此次设计选用 89制显示器显示 。 显示器的种类多种多样，有 示器、 示器、 示器、辉光显示器、荧光显示器及投影显示器等等。在机床数控系统中，常用 示器 ，这三种显示器可显示数字、字符、及各种信息状态 。现在比较流行的是 示器， 它虽然优点很多，但它多用于大信息量、高密度、快南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 7 速变换、长时间观察的地方，如果用在经济型数控车床控制系统硬件电路中，会造成资源浪费。在所有的显示器中， 于功耗较少、亮度强、控制简单可靠 ， 且价格很低，在机床数控系统和各种仪器仪表中广泛使用。此次设计选用的显示器 就 是 示器 。 经济型数控车床需要三排显示，即 X 轴坐标、 Z 轴坐标 、 功能字 及其后 的 相关 数字。 显示数字 用 8 段数码管，功能字是字母，所以显示功能字 需要 用 16 段数码管。 展键盘及 I/O 口电路的确定 扩展键盘及 I/O 口电路的确定应包括接口芯片的选用、步进电机控制电路、键盘显示电路以及其他辅助电路的设计。 在计算机控制系统中，按键开关、 波 段开关 和键盘作为人机联系的手段 不可缺少。 8031 的 可作为 输入使用进行 功能键的控制， 例如 X 轴、 Z 轴正反转、超程、启动、停止等。 8155 作为单片机应用系统常用的可编程 I/O 接口 得到了广泛应用。对于单片机系统来说， 用 8155 作为键盘的接口，无需再专门增加芯片，所以此次设计 编辑键盘用 8155 控制 。 8255A 是一种通用的可编程并行接口电路，在单片机系统中被广泛用作可编程外部 I/O 扩展接口。 同时它与 8031 单片机连接方式简单，所以 此次设计选用8255 扩展输入输出信号接口。 体方案的结构框图 总体方案的结构框图如图 示。 图 总体方案结构框图 手动按钮 8031 单片机 74255A 8155 键盘 27256 6264 显示电路 光耦电路 I/O 接口 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 8 第三章 经济型数控车床控制系统硬 件电路设计 此次设计采用 司开发的 8031 单片机作为 主 是整个控制系统电路的核心。 8031 芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。 8031 芯片具有 40 根引脚，其引脚图如 图 示 。 I/O 口线： 3 共四个 8 位口；控制口线： 外取指控制）、 址锁存控制）、 外存储器选择）、 位控制）；电源及时钟： +5V 电源）、 地）； 外部晶体 振荡器。 钟电路 设计 单片机 8031 虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。 经济型数控车床 控制系统 硬件电路采 用内部时钟方式，在 脚上外接晶 振 及电容 成并联谐振电路，使内部振荡器产生自激振荡，如图 示。 电路中 晶 振 型值 12相当于 8031 单片机的心脏，控制着工作节奏。 电容 8 分别 取值为 33们使振荡器起振并可对振荡器的频率起到微调作用 。当数控车床控制系统加电以后约 10出 3V 左右的正弦波，振 荡器产生的时钟送至 8031 单片机 内部的各个部件。 位电路 设计 该控制 系统采用按钮复位。在 8031 复位端 接如图 示电路，当上电或按动按钮 复位端 出现高电平，保持 10上便能可靠地实现复位， 30， 155 取 10F。 同时，系统的急停开关也接在该复位端上， 如图 示， 只要按下急停按钮 出现低电平，利用 8031 的 第二功能，实现外部中断请求，同时， 上出现高电图 8031引脚图 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 9 V P 021A 1123A 122A 1427326 M 2 7C 25 6- 2 00 / B X A ( 28 )平 ，实现可靠复位。 复位电路设计如图 示。 储器扩展电路设计 8031 芯片内部无程序存储器，只有 256 字节的数据存储器，地址为00H而再组成控制系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器。由于地址线是 16 位的， 所以 最多能扩展 64序存储器和 64据存储器，其地址均为 0000H经济型数控车床控制系统硬件电路中，只需扩展 32K 的程序存储器和 8K 的数据存储器，如第二章所述，选用 27256 芯片作为 32K 的程序存储器扩展，6264 芯片作为 8K 的数据存储器扩展。 序存储器扩展 电路设计 程序 存储器扩展时，扩展容量为 32K，大于 256 字节，因此 内地址除了由经锁存器提供 8 位地址线外，还需由 位地址线。选用的 27256 芯片为 28脚双列直插式扁平封装芯片，其引脚如图 示 。 1 2 3 4 5 6i t l eN um be r R e vi s i o nS iz a t e : 1- J u 00 7 S h e e t F il e : E : 慧蕴 M y D e s i g b D r a w n B y:G N 14 8 14 8R 4615 515 430 G N D+5R 47 4. 7 H 2E A / V S E T 012I N T 11301P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E E / 680 31123U 51 L S 00G N D+5+5S 4 0G N 8031时钟及复位电路原理图 图 27256引脚图 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 10 27256 与 8031 的连接图如图 示 。 根据程序存储器电路的连接，确定 27256 的寻址范围， 见 表 表 程序存储器地址表 地址线 地址 0 0 0 0 0 0 0000H 0 0 0 0 0 0 1 0001H 0 0 0 0 0 1 0 0002H 0 1 1 1 1 1 0 7 1 1 1 1 1 1 7. 地址线的连接 27256 低 8 位地址线 7 经地址锁存器与 8031 的 相连； 27256 高7 位地址直接与 8031 的 相连。由于 8031 的 是分时输出低 8 位地址和数据，因此要外接地址锁存器，并与 出的地址允许锁存信号 下降沿将地址信息锁存入地址锁存器中。 在此系统设计中选用的地址锁存器芯片是74是带三态缓冲器输出的 8D 触发器，其引脚如图 示。它的输入输出关系见表 将 低电平， 能正常工作 ，则输入端 出端 为高电平，输入为低时，输出也为低，从而实现锁存功能，所以 只要 将 8031 的 号与锁存器 74片 相连。单片机的 用作高地址线及片选地址线，由于 输出具有锁存功能，因此不必外加锁存器。 2. 数据线的连接 存储器的 8 位数据线 7 是 8 根双向数据线。读或编程检验时为数据输出线，编程时为数据输入线。维持或编程禁止时， 7 呈高阻抗。它 与 8031芯片的 接相连，单片机规定指令码和数据都是由 读入，E n L H H H L H L L L L L L L L H H H Z 图 74 （ a） 表 74 （ a） 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 11 数 据线 对应 脚 相连即可。 3. 控制线的连接 8031 芯片的 27256 芯片的 相连 ， 输出允许信号端，低电平有效 ，
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