普通机床的数控改造

普通车床数控改造用微机数控技术改造最大加工直径为 400mm 普通车床的进给系统摘要：了解数控机床的概念，所谓数控是按照含有机床(刀具) 运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,如可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。总体设计方案：在普通车床上采用适合现场实时控制的 80C51 单片机为控制器，以运行特性好、可靠性高的步进电机为驱动执行元件进行数控改造。关键词：数控、车床、改造、80C51 单片机；步进电机；Abstract:Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The overall master design: The way to NC improvement of general machine tool was introduced that using single-chip computer 80C51 to realize the real-time control and driving by step motor.Key word: Numerical Control、machining 、improvement 、single-chip computer 80C51、step motor；前 言数控机床经济型改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造,以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数减少,从而提高机床的精度。设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。第一章：绪 论1 毕业设计的目的：毕业设计是培养我们理论联系实际，解决生产实际问题能力的重要步骤，它系统的检验了我们是否是合格的毕业生。它通过对机床数控系统设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分结构设计、计算控制系统硬件电路的设计以及数控机床加工程序的编制，使我们综合运用所学的机械、电子和微机的知识,进行一次机电结合的全面训练，从而培养了我们具有加工编程能力，初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机电方面技术问题的能力。2 毕业设计的内容：1、微机数控系统总体设方案的拟定：（1）系统运动方式的确定（2）伺服系统的选择。（3）执行机构传动方式的确定。（4）计算机的选择。2、进给伺服系统机械部分设计计算：（1）进给伺服系统机械部分设计方案的确定。（2）确定脉冲当量。（3）滚珠丝杠螺母副的选型。（4）滚动导轨的选型。（5）进给伺服系统传动计算。（6）步进电机的计算和选用。（7）设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。（8）设计绘制进给伺服系统的一张或两张零件图。3、微机控制系统的设计：（1）控制系统方案的确定及框图绘制。（2）MCS-51 系列单片机及扩展芯片的选用。（3）I/O 接口电路及译码电路的设计。（4）设计绘制一台数控机床微机控制系统电路原理图。4、数控加工程序的编制：（1）零件工艺分析及确定工艺路线。（2）选择数控机床设备。（3）确定对刀点。（4）选择刀具。（5）确定切削用量。（6）编制加工程序。5、直线的逐点比较法插补软件程序流程框图的绘制。第二章 微型数控系统总体设计方案的拟定：1、毕业论文的要求和内容（包括原始数据、技术要求、工作要求）1.课题名称：用微机数控技术改造最大加工直径为 400 毫米普通车床的进给系统2.设计任务与要求：主要技术参数：最大加工直径（mm）： 在床身上：400 在床鞍上：210最大加工长度（mm）： 750 - 1000 溜板及刀架重量（N）： 纵向：1000 横向：500 刀架快移速度（m/min）： 纵向：2 横向：1 最大进给速度（m/min）： 纵向：0.6 横向：0.3 最小分辨率 （mm）： 纵向：0.01 横向：0.005定位精度（mm）： 0.02主电机功率（KW）： 5.5 起动加速时间（ms）： 35设计的要求1）CNC 系统的主 CPU 既可采用 8031 单片机也可用系统机。2）两个坐标的进给伺服系统既查采用步进电机驱动也可用直流或交流伺服电机驱动。3）所编的零件加工程序应符合 ISO 标准的有关规定。既可用手工也可用 UG 等软件编程。4）所绘制的机械装配图和硬件电路原理图要求正确、合理、图面整洁、符合标准。5）所编写的软件应在计算机上进行汇编和通讯等。6）说明书应简明扼要、计算准确、条理清楚、图文并茂并全部用计算机打印后装订成册2、总体方案的确定1、系统的运动方试与伺服系统的选择：由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。考虑到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，MCS-51 系统的最小系统用一片 80C51 外扩一片 EPROM 就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用 MCS-51 的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。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 LCD 液晶显示器显示加工数据及机床状态等信息。3、为了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杠，为了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。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。 系统总体方案框图见图（1）图（1）第三章、机床进给系统机械部分设计计算：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，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下：1 系统脉冲当量及切削力的确定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/step；横向：0.005mm/step2 切削力的计算1、纵车外圆：主切削力 FZ（ N）由经验公式（1）估算：式（1）60/V:切 线 线（ =901m/in）而 式（2）= 切 额（ .785） 取 ，则 ，.8 .4.KW切 额取 ，则进给抗力90/inVm线 604./93ZFN X 向和 Y 向根据经验公式（3） （4）确定式（3）.5ZF 式（4）06Y则得： .147XZN 0.617YZFN2、横切端面：主切削力 可取纵切的一半，即|Z | 14672ZZF 此时走刀抗力 ，吃刀抗力 依然按上述经验公式粗略计算：|YF（ N） |X（ ）1:0.56|ZX:则得： |=734|Y=803、滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型（一）纵向进给丝杠：1 . 计算进给牵引力 Fm(N)作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切屑分力作用在导轨上的摩擦力，因而其数值大小和导轨的形式有关。本次设计纵向进给为综合型导轨，则按以下公式确定：式（5）|()XZFmKfG式中：K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取 K=1.15滑动导轨摩擦系数： 0.150.18，取 =0.16|f |fG溜板及刀架重力，由已知 G=1000N代入得： 1.54670.(2931)6FmN2 . 计算最大动负载 Q选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 100万（ ）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610珠丝杠能承受的最大动负载 C，计算如下：式（6）3wmLfF式（7）601nT式（8）0SVL式中： 为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程 Lo=6mm；0Vs-最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的 1/21/3,此处为 0.3m/min;T-使用寿命 ,按 15000h;fw-运转系数 ,按一般运转取 fw =1.21.5;此处取 fw=1.2；L-寿命以转 为 1 单位 .60则： 6.354L341.298QN3 . 滚珠丝杠螺母副的选型：查阅数控机床系统设计中附表 1，可采用 W1L2506 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 1310N,精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为3 级( 大致相当于老表准 E 级 )3021PVm4 . 传动效率计算 =tan/tan( +)式中：螺旋升角,W1L2506 的螺旋升角 =422摩擦角取 10滚动摩擦系数 0.0030.004则：=tan/tan(+ ) =tan422/tan(422+10)=0.965 . 刚度校核先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如下图（2）所示： GJmZ12JL12图（2）纵向进给滚珠丝杠支承方式草图则： 式109532016LLm支 承 行 程 螺 母 总 长 间 隙 轴 承 宽 度（9）支承间距 L=1160mm，最大轴向力为 2316N，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的 1/3。（1） 、丝杠的拉伸或压缩变形量 1， ， ，236mFN025Dm06L式（10）104(/)sin23.954deRdRm对刚： 22.61E式（11）213.95().()107.8A丝杠导程 的变化量：0L式5423166.2910.07.8mFllEA （12）总长度 L=1160mm，丝杠上的变形量 ，由于两端均采用推力球轴承，则值：15 31016.2906.04144lL m（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形 ：2 由 3.96,231.6pdmFKgf承载滚珠数量 式40.579.5.Z（13）由于对滚珠丝杠副施加预紧力，且预紧力 为轴向载荷的 1/3，则变形：PF2 23 23. .979.53.4mqdZ（3）滚珠丝杠总的弹性变形量 ：根据以下经验公式：式120.9（14）则可得：33312.4102.4106.710. 9m（4）定位误差 330(6.712)0.1807.2pV所以，满足要求。（二）横向进给丝杠：1 . 计算进给轴向力 |mF横向导轨为双燕尾形，有如下计算式：式|(2)mYZXKfG（15）式中：K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取 K=1.4；滑动导轨摩擦系数：取 =0.2；|f |fG溜板及刀架重力，由已知 G=500N则代入已知得： |1.480.2(14673450)19mF N2 . 计算最大动负载 Q计算如下： 式3wmQLfF（6）式601nT（7）式0SVL（8）式中： 为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程 Lo=6mm；0Vs最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的 1/21/3,此处为 0.3m/min;T使用寿命,按 15000h;fw运转系数 ,按一般运转取 fw =1.21.5;此处取 fw=1.2；L寿命以转 为 1 单位.60则： 01.35/0SVn63271L3.9608QN3 . 滚珠丝杠螺母副的选型：查阅数控机床系统设计中附表 1，可采用 W1L2005 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 8800N,精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为 3级(大致相当于老表准 E 级)33021PVm4 . 传动效率计算 =tan /tan(+)式中：螺旋升角,W1L2005 的螺旋升角 =430摩擦角取 10滚动摩擦系数 0.0030.004则：=tan/tan(+ ) =tan430/tan(430+10)=0.9645 . 刚度校核先画出此横向进给滚珠丝杠支承方式草图，如下图（3）所示：GJmL图（3） 、横向进给滚珠丝杠支承方式草图则 式4082.51630LLm支 承 行 程 螺 母 总 长 间 隙 轴 承 宽 度（9）支承间距 L=530mm，最大轴向力为 1919N。（1） 、丝杠的拉伸或压缩变形量 1根据： ， ， ，91mFN02Dm216.78().1.4A对刚： ，总长度 L=1160mm，丝杠上的变形量 ：42.6/E | 31 40 195302.120.62.mlL mA （2）滚珠与螺纹滚道间接触变形 ：由 ，3.15,19.pdFKgf.5149.737Z由于对滚珠丝杠副施加预紧力，且预紧力 为轴向载荷的 1/3，则变形：P2 23 19. .754.733.5mqdFZ（3）滚珠丝杠总的弹性变形量 ：根据以下经验公式：式（14）120.9则可得： 33312.10.51028.10. 9m（4）定位误差 330(8.2).4.2pV 显然，变形量已大于定位精度（0.02mm）要求，应该采取相应的措施修改，因横向溜板限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨（ ） ，减小摩擦力，从而减小轴|0.4f向力，根据式（16）重新计算如下：| |1.4(2)80.14673450)369mYZXFfFGN此时的变形量为： 21.590m32312().2100.9m则定位误差为： 33 210.2pVm仍不能满足精度要求 0.02mm。如果将顾主丝杠再进行预拉伸，则丝杠刚度可提高四倍，则定位误差为：12333046.9102.1892pm 满足要求。（三）纵向和横向滚珠给丝杠副几何参数：其几何参数见表 1名称 符号 W1L2506 W1L2005公 称 直 径 0d25 20导 程 l 6 5接 触 角 |42|30钢 球 直 径 bd3.969 3.175滚道法面半径 R0.52bd2.064 1.651偏 心 距 e(/)sin0.056 0.045螺纹滚道螺 纹 升 角 r0arctgL|42|30螺螺 杆 外 径 d0(.25)bd:24.2 19.4螺 杆 内 径 1d02eR20.984 16.788杆螺杆接触直径 Z1cosbd17.027 13.835螺母螺纹直径 D0e32.826 23.212螺母 螺 母 内 径 1(.25)b:25.8 20.6354 进给伺服系统传动计算1. 齿轮传动比计算 (纵向进给齿轮箱传动比计算 )（1）,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0.1pm06Lm角 0.9,可计算出传动比 i式（17）036/(.)36./(96)2/3pbiL可选定齿轮齿数为:12/4/0/iZ或由齿轮传动比 i=2/3，可以选定齿轮齿数为: =24 和 =36 或 =28 和 =42，初1Z21Z2选 =28 和 =42 的齿轮。有关参数如表 2。1Z2齿 数 28 42 24 40 20 30分度圆 d=mz 56 84 48 80 40 60齿顶圆 da=d+2m 60 88 52 84 44 64齿根圆 df=d-2 1.25m51 79 43 75 35 55齿 宽 (6-10)m 20 20 20 20 20 20中心矩 A=(d1+d2)/2 70 64 502 . 齿轮齿数及技术参数计算出传动比 i 后,降速级数决定采用一对齿轮降速 ,因为进给伺服系统传递功率不大,一般取=12, 数控车床 ,铣床取 =2,此设计中取=2。为了消除齿轮侧隙，此作业中采用双片齿轮。5 步进电机的计算和选用（一）纵向机构步进电机选型：1 . 计算步进电机负载转矩 Tm式（18）(/180)mmFT 23160.1.475(.9/8)mTNm式中: 脉冲当量 (mm/step);进给牵引力 (N);F步距角,初选双拍制为 0.9;b2 . 初选步进电机型号根据 =1.475N.m 在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号为mT56BYG250E-SASSBL-0601，其中， ,保持转矩为 2.5N.m.20.75mJKgc3 . 等效转动惯量计算根据简图 ，即图（1） ，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 J运动件的转动惯量 可由下式计算 : J2 2011M LZWJJg式中 ， 齿轮 , 的转动惯量 ( )12122.kcm滚珠丝杠转动惯量 ( )SJ2.g34341100.78.785.61.3dL2kgc=2J227mS34.53.kgc07MJ2kgcm式中 D圆柱体直径(cm);L圆柱体长度 (cm); 代入上式: 2 2011 220.75.3(8/4)(7.3.5)1/9.80.6/2M LZWJJJg4 . 电机转矩计算机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:1) 快速空载起动惯性矩 QM在快速空载起动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下：式（19）max0QfM式（20）maxax26nJt:又： 003maxa/32/.1.9/61pbnV式（21）50inr3.ats代入得： 2maxmax22507.15.4606.3MJ Ncmt: :折算到电机轴上的摩擦力矩 :f式|0021().(2910)5.2/.8ZfFLfWLci:（22）式中：传动链总效率,一般可取 0.70.85 此处取 0.8;i传动比;附加摩擦力矩 ：0M式（22）200(1)pFLi2 2021/39.6/3190.6()(.9).70/ 85NcmZ式中：传动链总效率,一般可取 0.70.85 此处取 0.8;i传动比;Fpo滚珠丝杠预加负荷,一般取 1/3Fm,Fm 为进给牵引力(N);o滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取0.9,此处取 o=0.9所以： max015.49.715.QfMNcm2) 快速移动所需力矩 K式（23） 0f=50+9.7=59.7N.cm 3) 最大切削载时所需力矩 M切式（24）02XfFLMi切 1467.509.15.8Ncm从上面计算可以看出 、 、 三种工况下,以最大切削载时所需转矩最大,即QKM切以此项作为校核步进电机转矩的依据.查得：当步进电机为两相四拍时， =0.707/jmax切故最大静力矩 Mjmax=175.5/0.707=2.48 Nm，而电机保持转矩为 2.5N.m 最大静力矩Mjmax，大于所以满足要求！但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率max100236.1kvf HZp100.616ttvf HZp图（4） 、56BYG250ESASSBL 0601 混合式步进电机矩频特性图当快速运动和切削进给时，56BYG250E-SASSBL-0601 型混合式步进电机运行矩频完全可以满足要求。5、绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画机械装配图。见附图（一）例如，双片齿轮采用周向弹簧调整消隙法：如图（5）所示，采用了可调拉力弹簧调整间隙。在两个薄片齿轮1和2上分别装上耳座3和8，弹簧4的一端钩在耳座3上，另一端钩在耳座8的螺钉7上。用螺母5调节螺钉7的伸出长度即可调整弹簧的弹力，调整好后再用螺母6锁紧。弹簧的弹力使薄齿轮1和2的左、右齿面分别与宽齿轮的齿槽左、右齿侧面贴紧，消除了齿侧间隙。 （图5） 双薄片齿轮周向弹簧调整法1、2-薄片齿轮 3、8-耳座 4-弹簧 5-调节螺母 6-锁紧螺母 7-螺钉（二） 、横向机构初选步进电机：1 . 计算步进电机负载转矩 Tm式（18）(/180)mmFT9.5.61./34Nm式中: 脉冲当量 (mm/step);进给牵引力 (N);mF步距角,初选双拍制为 0.9;b2 . 初选步进电机型号根据 =0.611N.m 在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号为mT56BYG250D-SASSBL-0241，其中， ,保持转矩为 1.72N.m.20.46mJKgc3 . 等效转动惯量计算根据简图 ，即图（2） ，计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 J运动件的转动惯量 可由下式计算: J42 23 012424()()()M sZLZwJ JJg 式（25）式中 、 、 、 齿轮 、 、 、 的转动惯量 ( )12J3412342.kcm滚珠丝杠转动惯量 ( )S .kgcm34341100.78.780.JdL2kgc=22621m34343.J2kc343440.7810.78126.9JdL2kgcmS256.kgc.6MJkgcm式中 D圆柱体直径(cm);L圆柱体长度 (cm); 代入上式: 42 23 012424()()()3.51.M sZLZwJJJJgkgcm 4. 电机转矩计算机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:1) 快速空载起动惯性矩 Q在快速空载起动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下：式（19）max0QfM式（20）maxax26nJt:又： 0 0maxa/31/.5.9/36pbnV式（21）50inr3.ats代入得： 2maxmax22503.115.606.3MJ Ncmt: :折算到电机轴上的摩擦力矩 :f式（22）|0021().4(750)1.962/.8ZfFLfWLci:式中：传动链总效率,一般可取 0.70.85 此处取 0.8;i传动比;贴塑导轨摩擦系数，取 =0.04|f |f附加摩擦力矩 ：0M式（22）200(1)pFLi2 2021/39.5/3190.5()(.9)4.8/ 8NcmZ式中：传动链总效率,一般可取 0.70.85 此处取 0.8;i传动比;Fpo滚珠丝杠预加负荷,一般取 1/3Fm,Fm 为进给牵引力(N);o滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取0.9,此处取 o=0.9所以： max052.1964.85.3QfMNcm2) 快速移动所需力矩 K式（23） 0f=1.96+4.84=6.8N.cm 3) 最大切削载时所需力矩 M切式（24）02XfFLi切 734.51.9686.02Ncm从上面计算可以看出 、 、 三种工况下,以快速空载起动惯性矩 最大,QMK切 QM即以此项作为校核步进电机转矩的依据.查得：当步进电机为两相四拍时， =0.707/Qjmax故最大静力矩 Mjmax=59.3/0.707N.m=0.839N.cm，而电机保持转矩为 1.72N.m，大于最大静力矩 Mjmax， 所以满足要求！但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率max100136.5kvf HZp100.3165ttvf HZp图（5） 、56BYG250EASSBL 0241 型混合式步进电机矩频特性图当快速运动和切削进给时，56BYG250E ASSBL0241 型混合式步进电机运行矩频完全可以满足要求。5、绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画横向机械装配图。见附图（二）第四章、微机数控系统的设计1 微机数控系统设计的内容(一)硬件电路设计内容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：（1） 主控制器，即中央处理单元 CPU。（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。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。（二） 、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：（1） 据软件要实现的功能，能制定出软件技术要求；（2） 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；（3） 据硬件资源，合理分配好存储单元；（4） 分别对各模块编程，并调试；（5） 连接各模块，进行统一调试及优化；（6） 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。2 80C51 单片机及其扩展(一)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，如图(6)所示。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。（1） 电源引脚 Vss 和 VccVss(20 脚)：接地。Vcc(40 脚) ：主电源+5V。（2） 时钟电路引脚 XTAL1和 XTAL2XTAL1（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。图（6）.80C51 引脚图（3） 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（低功耗高速 TTL） 。P2.50134P0.139SEN67A/VpLROG452980768Vc1TXTALVsHC4GNDOE5Q76Vc03291 VcAB4HC39Y026PB3 5741820REST 9AGND56Vc 3PA1DC04P5 1723687528940CSWR /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）P0P3 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。P0.0P0.7（3932 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AD0AD7。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） 。P1.0P1.7（18 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。P2.0P2.7（2128 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。P3.0P3.7（1017 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）所示。表 P3 口各位的第二功能 P3 口的各位 第二功能 P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（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）（二） 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。1 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）：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。3 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（7） 。图（7） 、74HC373 引脚图D0D7 信号输入端Q0Q7 信号输出端G：下降沿时，将 D1D8 锁存于内部E：使能端，E=0 时，三态门处于导通状态，输出端 Q0Q7 与输入端 D0D7 连通，当 E=1 时，输出三态门断开，输入数据锁存。4 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（4） 、74HC139 真值表输入 输出使能 选 择/G B A Y0 Y1 Y2 Y31 1 1 1 10 0 0 0 1 1 10 0 1 1 0 1 10 1 0 1 1 0 10 1 1 1 1 1 0（三） 存储器扩展此处采用两片 EPROM 芯片6264（8K8）扩展程序存储器，数据存储器选用静态6 643527A8D9541089CSVc1A3D02 21890APGMVp27OE 10NDO843701256QVc9LSRAM62648（8K8） 。其引脚见左图（ 8） 。图（8） 、2764 引脚图80C51 芯片与存储器的连接存储器扩展实质是三总线的连接。（1） 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。（2） 数据线的连接 将 80C51 的芯片的 P0.0P0.7 按位与 RAM 数据线 D0D7 直连。（3） 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。（4） 控制总线的连接 对应控制线相连。（四） 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（PC7PC4）和低 4 位（PC3PC0） 。（五） 、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。其接线图如下： 图（8） 、电动机驱动器连线图（六） 、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。 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。