自动回转刀架、卡盘结构及控制系统设计

目 录1 绪论 .11.1国外数控机床状况分析 .11.2 国内数控机床状况分析 .22 卡盘的设计 .52.1卡盘方案的确定 .52.2卡盘原理简介 .52.4卡盘定位分析 .62.4卡盘夹紧力的计算 .72.5液压缸的设计 .92.6弹簧的设计计算 .113 回转刀架的设计 .123.1回转刀架总体方案选择 .123.2刀架原理简介 .143.3回转刀架电机的选择 .163.4刀架设计的要点及计算 .183.5刀架三维零件的建立 .224 微机控制系统硬件电路设计 .244.1控制系统的设计要求 .244.2硬件组成 .244.3电气系统的设计 .314.4程序设计 .33结论 .40致谢 .41参考文献 .421、 绪论数控机床是一种典型的机电一体化产品，它综合了电子计算机、自动控制、自动检测、液压与气动及精密机械等方面的技术，该系统能逻辑的处理具有使用数字号码或者其它符号编码指令规定的程序，可以自动完成信息的输入、译码、运算，从而控制机床的运动和加工过程。数控车床是数控机床中的一种，它与普通车床一样主要用来加工轴类或盘类转体零件，如车削圆柱、圆锥、圆弧和各种螺纹等。与普通车床相比，数控车床的加工精度高、加工质量稳定、效率高、适应性强、操作劳动强度低，是目前使用较为广泛的一种数控机床。数控车床为了能在工件的一次装夹中完成多工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，必须带有自动回转刀架。根据装刀数量的不同，自动回转刀架分有四工位六工位和八工位等多种形式。根据安装方式的不同，自动回转刀架可分为立式和卧式两种。根据机械定位方式的不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三齿盘定位型等。其中断齿盘定位型换刀时刀架需抬起，换刀速度较慢且密封性较差，但其结构较简单。三齿盘定位型又叫免抬型，其特点是换刀时刀架不抬起，因此换刀时速度快且密封性好，但其结构较复杂。自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力。为了保证转位具有高的重复定位精度，自动回转刀架还要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。自动回转刀架的自动换刀时由控制系统和驱动电路来实现的1.1国外数控机床状况分析 机床作为工业发展所必须之复杂生产工具，属生产资料、固定资产，其订货需求与经济发展兴衰密切相关。当前世界经济处於波浪式曲线上升时期，总体上世界机床市场需求比较旺盛。20032007 年 5 年间，世界机床总产值连续上升，已从 2003 年的 367.8 亿美元上升至 2007 年的 697.8 亿美元（估计数字尚未公布） ，年均增幅约 15%。 当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在 20 世纪 80 年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。 数控机床出现至今的 50 多年，随科技、特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。 美国的特点是，政府重视机床工业，美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率” 和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如 1952 年研制出世界第一台数控机床、1958 年创制出加工中心、70 年代初研制成 FMS、1987 年首创开放式数控系统等。由於美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国不仅生产宇航等使用的高性能数控机床，也为中小企业生产廉价实用的数控机床(如 Haas、Fadal 公司等) 。其存在的教训是，偏重於基础科研，忽视应用技术，且在上世纪 80 代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，於 1982 年被后进的日本超过，并大量进口。从 90 年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。 德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。特别讲究“实际”与“实效”，坚持“以人为本” ，师徒相传，不断提高人员素质。在发展大量大批生产自动化的基础上，於 1956 年研制出第一台数控机床后，一直坚持实事求是，讲求科学精神，不断稳步前进。德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对用户产品、加工工艺、机床布局结构、数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统和 Heidenhain 公司之精密光栅，均为世界闻名，竞相采用。 日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法 ”、 “机电法”、 “机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出於蓝而胜於蓝。日本也和美、德两国相似，充分发展大量大批生产自动化，继而全力发展中小批柔性生产自动化的数控机床。自1958 年研制出第一台数控机床后，1978 年产量(7,342 台)超过美国(5,688 台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001 年产量 46,604 台，出口 27,409 台，占 59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪 80 年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。在策略上，首先通过学习美国全面质量管理(TQC)，变为职工自觉群体活动，保产品质量。进而加速发展电子、计算机技术，进入世界前列，为发展机电一体化的数控机床开道。日本在发展数控机床的过程中，狠抓关键，突出发展数控系统。日本 FANUC 公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工 3,674 人，科研人员超过 600 人，月产能力 7,000 套，销售额在世界市场上占 50%，在国内约占 70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。1.2 国内数控机床状况分析1.2.1国内数控机床现状 2007 年世界 GDP 增长约 5.2%，而中国独为 11.4%，远高出其他国家（地区） 。机床市场也呈现出空前繁荣，企业任务饱满，供不应求，甚至难以按期交货。2007 年金属加工机床（金属切削和成形）产值达 111.9 亿美元（中国公布） ，比上年 70 亿美元增长 59.8%，产值居世界第三位，仅次於日本、德国，成为机床产值超百亿美元的世界机床生产大国。2007 年中国机床消费额（产值进口额出口额）达 166.1 亿美元（中国公布） ，世界机床总产值 697.8亿美元之 24%，比上年 129.4 亿美元增 28.4%，连续第六年成为世界最大的机床消费国。2007 年，中国的机床消费额，约为第二消费大国日本之 2 倍，世界老牌机床消费国美国的 2.5 倍，德国的 3 倍。 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能力。工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产业，而且在高精尖 数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。因此大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为我国加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 而在数控机床中数控车床又占主导地位。我国数控车床发展 ,始于 20 世纪 70 年代 ,通过 30 多年的发展 ,我国生产的数控车床,按中国需求的特色, 形成经济型卧式数控车床（平床身卧式数控车床） 、普及型数控车床 （斜床身数控卧式车床和数控立式车床）和中高档数控车床（3 轴控制以上）三种形式。经济型卧式数控车床 ,普遍采用平床身结构和立轴四 工位方 刀架 ,约 占数控车床产量 90%。普及型数控车床生产量不到数控车床产量的 10% 。中高档数控车床 ,即车削中心和车铣复合中心 ,约占数控车床产量的 0.02%。经济型数控车床 ,价格低廉 ,售价仅 10 万元左右 ,不到普及型数控车床的1/3,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。我国已有十余家企业生产规模达到年产千台以上。普及型数控车床 ,即 2 轴控制的卧式数控车床 斜床身 和立式数控车床,国产产品得到了用户认可 ,基本可以满足用户需要。车削中心等 3 轴控制以上的中高档数控车床 ,国内用户选购的大部分是进口产品或合资、独资企业如大连因代克斯、宁夏小巨人、杭州友佳、上海哈挺等机床有限公司生产的产品,国产机床市场占有率较低。近几年 ,虽然我国开发不少中高档数控车床新品种 ,如具有 Y 轴功能的车削中心 、双主轴双刀架一车削中心 、倒置顺置主轴立式车削单元 、车铣复合中心等等, 但是,高级型数控车床的重点是要进一步开发市场,取得国内用户广泛认可“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,我国自已能自行开发设计各种中高档数控车床 , 国际上最热门的、水平最高的双主轴、双刀架 轴控制车铣复合中心 ,我国已有多家企业开发试制成功,有的已被国内用户选购和出口国外。从品种上看 ,我国生产的数控车床品种比较齐全 ,每年都有多个数控车床新品种 ,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。1.2.2国内数控机床的特点 (1).新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。 (2).数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。2001 年国内数控金切机床产量已达 1.8万台，比上年增长 28.5%。金切机床行业产值数控化率从2000年的 17.4%提高到 2001年的 22.7%。 (3).数控机床发展的关键配套产品有了突破。近年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展。如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台。 1.2.3经济型数控车床我的设计题目为数控车床卡盘和回转刀架的设计，考虑到电气方面单片机的广泛应用，而在数控车床中只有经济型数控车床采用单片机控制，因此，我选择设计经济型数控车床中的卡盘和回转刀架。经济型数控机床就是指价格低廉、操作使用方便，比较适合国内国情的，在普通机床上加装数控系统的高级自动化机床。经济型数控车床。对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制，所以，数控车床与普通卧室车床相比，应具有更好的精度，以确保机械传动系统的传动精度和工作稳定性。1.2.4设计参数：最大回转直径：540mm/260mm最大切削直径：轴类零件 150 mm 盘类零件 400 mm最小外圆车削直径： 10 mm最大车削长度： 500 mm工作进给速度： 0.01 mm/r500 mm/r 1 mm/min2000 mm/min主轴电机功率：连续： 5.5KW; 30min： 7.5KW进给伺服电机：额定功率：1.4KW; 额定转速：1500r/min; 机床质量： 3500Kg.精度横向定位精度 0.025mm/300mm重复定位精度 0.01mm车削工件直径误差 0.018mm圆度误差 0.027 mm端面平面度误差 0.027 mm轮廓尺寸 2395 mmX1385 mmX1860 mm2、 卡盘的设计2.1 卡盘方案的确定在机床中，卡盘是用来定位和夹紧工件的，它是一种典型的机床通用夹具。卡盘的定位精度等直接影响被加工件的质量。卡盘由两爪、三爪、四爪，其中三爪在机床上应用比较广泛，尤其是三爪自定心卡盘是车床上最常用的自定心夹具。它夹持工件时一般不需要找正，装夹速度较快。主要用于加工回转体零件，其主要特点是：夹具都装在机床主轴上，车削时夹具带动工件作旋转运动，由于主轴转速一般都很高，所以要注意解决由于夹具旋转带来的质量平衡问题和操作安全问题。卡盘有液压卡盘，电动卡盘机械手动卡盘，在数控车床中经常用电动卡盘和液压卡盘，液压卡盘噪声小，控制精度高，所以设计为液压卡盘。2.2 卡盘原理简介三爪卡盘是数控车床的夹具。随着主轴转速的提高，实现高速和超高速切削，一般卡盘已不适用，必须采用高速卡盘才能保证安全可靠的加工。目前，卡盘的松夹是靠有拉杆连接的卡盘和液压油缸实现的。装在主轴后端的油缸中，活塞带有拉杆向后移动，拉杆前端的杠杆顺时针旋转，将卡爪组件推向中心，夹紧工件；油缸相反方向进油，拉杆向前移动，杠杆逆时针旋转，松开工件。卡盘的夹紧与松开，尾架的顶紧与退出，防护罩拉门的开、关等均有液压系统驱动与控制。机床采用变量泵，将系统油压调整到规定的压力时，压力油经虑油器进入控制油路。卡盘的夹紧与松开由二位四通阀来控制。夹紧力的大小由减压阀来调整。为了安全操作，在油缸的进出油路上，设置了压力继电器，使得卡盘夹紧力达到一定值后，才能发出指令。 尾架由三位四通换向阀来控制，其顶紧力的大小由减压阀来调整，调整范围为 0.51.5Mpa.拉门的开、关由二位四通阀来控制，在油路中增加了单向阀和节流阀以调节拉门的开关速度。2.4 卡盘定位分析2.3.1自由度分析在机床上加工工件时，为使工件在该工序所加工表面能达到规定的尺寸与形位公差要求，在开动机床进行加工之前，必须首先将工件放在机床上或夹具中，使它在夹紧之前就相对与机床占有某一正确位置。图 2.1 机床坐标卡盘限制自由度：X 移动，X 转动，Y 移动，Y 转动。2.3.2定位误差因定位不正确而引起的误差称为定位误差。定位误差 由基准不重合dw和定位副（含工件定位基面和定位元件）制造不准确误差 两部分组成，jb b定位误差 值为上述两项误差在工序尺寸方向上的代数和，即dw dbjdw对于卡盘来说，定位基准是加工工件的外圆表面，工序基准为外圆表面，所以基准不重合误差 0，三爪卡盘有自定心的作用，所以定位副制造不jb准确误差 0。db2.4 卡盘夹紧力的计算根据力学的基本知识得知，要表述和研究任何一个力，必须掌握力的三个要素，即：力的大小、方向和作用点。对于夹紧力来说，也不例外。2.4.1卡盘夹紧力的方向首先，夹紧力应垂直于主要定位基准面。为使夹紧力有助于定位，则工件应紧靠支承点，并保证各个定位基准与定位元件接触可靠。一般的讲，工件的主要定位基准面其面积较大、精度较高，限制的不定度多，夹紧力垂直作用于此面上，有利于保证工件的加工质量。其次，夹紧力的方向应有利于减小夹紧力。2.4.2卡盘夹紧力的作用力夹紧力的作用点是指夹紧元件与工件相接触的一小块面积。选择作用点的问题是在夹紧力方向已定的情况下才提出来的。选择夹紧力作用点位置和数目时，应考虑工件定位可靠，防止夹紧变形，确保工序的加工精度。车削时夹紧力的方向和作用点如图 2.2图 2.2 夹紧力的方向2.4.3卡盘夹紧力大小的计算由表 3.1得知 m.7N4T电动机的额定转矩N7.5KWPN电动机的额定功率NPn9.5T 150r/min7.4X5.9T.n3Nn.D2KMK安全系数M电机输出轴扭据（N.m）D工件最大直径n卡爪数 654310K.K 为各种因素的安全系数，查表得： 0K61.3 考虑工件材料及加工余量均匀性得基本安全系数；1.0 加工性质，精加工； 11.4 刀具钝化程度；2K1.2 切削特点，断续切削；31.0 夹紧力的稳定性，机动夹紧；41.0 操作方便； 5K=1.0 仅有力矩使工件回转时工件与支承面接触情况。6K 184.20.12.40.316543210 xxKM=47.7N.mn=3 一般钢件接触摩擦系数 =0.15)N(72.308615.x30842n.DKMW2.5 液压缸的设计2.5.1液压缸工作压力的确定为克服外部载荷所需的压力称为有效工作压力。作用在活塞上的总机械载荷P主要包括两个部分，即： 式中 为活塞杆上所受的外载，它主m1P1要包括夹紧力在油缸轴向的分力，以及夹紧机构运动部件的磨擦力。 为活Pm塞和活塞杆密封处的摩擦力。这种磨擦力的计算，视密封装置不同而有所不同。对于 O形密封圈： .根据所确定的 P值，油缸的工作压力可按表1m03P2.2确定。表 2.2 油缸工作压力的选择P吨 5P公斤力/厘米2812 1525 3035 4050 5017N.3086WK.92Pm=3086.72+92.6=3179.32N=324.4KG=0.3吨m1P液压缸的工作压力 p=812 公斤力/厘米 2。取 p=12公斤力/厘米 22.5.2液压缸内径、活塞杆尺寸的确定在一般情况下，活塞工作面积 可按下式确定：gFgpP式中 P活塞杆上的总机械载荷，公斤力；P液压缸的有效工作压力，公斤力/厘米 2液压缸的机械效率，主要考虑密封处的摩擦损失，一般取 0.95。g 2g456cm.89.12X03pPF求出活塞的工作面积后，就可按下式确定油缸内径 D02c.614.3582Dg根据 GB2348-8将其进行标准化 D63mm活塞杆直径 d一般可按下式确定D=(0.30.4)D=0.3x63=18.9mm根据 GB2348-80将其标准化，d20mm液压缸的工作行程 LL 时，zty1z1cts1y1cts相邻两齿厚的差值 zy12tS不难看出，任意两相邻齿厚之差（沿同一轴向截面上）都是这样的蜗杆从左到右移动时，啮合侧隙将会逐渐减小。zyi1i tS同理，当 时，从左到右齿厚渐薄，当蜗杆向右移动时，啮合侧隙将会逐zt渐变大，要依靠调整环的厚度变化，可使蜗杆轴向移动，以便调整蜗杆蜗轮啮合侧隙。3.4.3蜗杆轴的支承蜗杆轴跨距较大且工作温度较高，其热伸长量大，因此可才采用一端固定，一端游动支承结构和两端游动。在工作的时候电机有正转和反转，从而蜗杆轴要求能左右双向移动，采用两端游动的轴系结构。啮合传动时，轴将左右移动，为使齿受力均匀，应采用允许轴系能左右小量轴向移动的结构，故两端都选用圆柱滚子轴承。3.4.4蜗轮蜗杆的设计计算根据刀架尺寸的大小和圆柱蜗杆基本尺寸和参数及其与蜗轮参数的匹配表3.2进行选择。表 3.2 蜗轮参数中心距A(mm)模数m(mm)分度圆直径d1(mm)m d12(mm )3蜗杆头数Z1直径系数q分度圆导程角（o）蜗轮齿数z2变位系数x280 2 35.5 42 1 17.75 3 1228 62 0对于蜗轮蜗杆传动来说，传动效率低，所有工作时产生的热量大。对闭式蜗杆传动，摩擦所产生的热量将通过箱体散发到周围空气中去。如果散发条件较差，使油箱不断升温而使润滑失效，从而加剧了磨损，甚至导致胶合。热平衡计算的目的是使工作时减速箱内的油温稳定地处在所规定地使用范围内。3.4.5蜗轮蜗杆地热平衡计算计算所需箱体散热面积 A取环境温度 ,润滑油工作温度 ，散热系数c20tc70t1cm/15wK2e所需散热面积： 201t 5m.)(KPA3.4.6蜗轮蜗杆几何尺寸计算蜗杆齿顶圆直径：5m.392x.5m2hdd*a1a1a 蜗杆齿根圆直径： 7.0.1.)c(2h*a1a1f 蜗杆齿宽： 6m.4925x.z5m.b21 取 50b1蜗轮喉圆直径： 5.128x5.124)x2(hdd*aa2a2 蜗轮齿根圆直径： 7m.9.)mc(h2*a2f2f 蜗轮咽喉圆半径： 75.1.480dra2g2 蜗轮齿宽： 2msin.35sib12蜗轮轮缘宽度： 5.348x.0si)x.9(8m.0sin)2cd(B*a1 取 B35mm为切去顶圆齿尖，蜗轮顶圆直径 8m.134)cos501(7.2x5.18)cos(2rdgae2 取 135m4、微机控制系统硬件电路设计4.1 控制系统的设计要求（1）Z 向和 X向进给伺服运动控制；（2）自动回转刀架控制；（3）螺纹加工控制；（4）行程控制；（5）键盘及显示；（6）面板管理；（7）其他功能：报警、急停、复位等。4.2 硬件组成4.2.1 8031数控系统用 MCS-51系列单片机控制，其典型代表为 8031、8051、8751，从经济型出发进行比较，采用具有价格低、功能强、使用灵活等优点的 8031有扩展系统的单片机，即用 8031外接 2732（EPROM） 、6264（RAM）及8155（扩展 I/O）等芯片扩展成一个较简单的微机控制系统。程序存储器扩展为 4K（2732，EPROM） ，数据存储器扩展为 8K（6264，RAM） 。编制的用户程序由键盘输入，修改程序也由键盘来完成。程序存入外部 RAM，如果需要保存该程序，可以把录音机接在录音输出口上将程序录下来，每段程序输入都可以显示。系统中有时钟电路模块、复位和复位电路、数码显示接口电路、光电耦合等。8031芯片内部无程序存储器，只有 256字节的数据存储器，地址从00HFFH。内部 256字节的空间被分成两部分，其中内部数据存储器（RAM）地址为 00H-7FH,特殊功能寄存器（SFR）的地址 80HFFH 为 4个工作寄存器区，每个区都有 8个 8位寄存器 R0-R7，可以用来暂存运算的中间结果以提高运算速度。其中的 R0和 R1还可以用来存放 8位地址，要确定采用哪个工作寄存器，可通过标志寄存器 PSW中的 RS0、RS1 来指定。8031 在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，故最多能扩展 64K程序存储器和 64K数据存储器，其地址均为 0000FFFFH，即程序存储器、数据存储器为独立编址。因此，EPROM 和 RAM的地址分配比较自由，变成时不必考虑地址冲突问题。 21345627893014536789402019876541320987654321图 4.1 8031管脚图4.2.2程序存储器程序存储器一般采用 ROM芯片，国内一般无条件使用掩膜 ROM，也极少使用 PROM，经常使用的是 EPROM芯片。紫外线擦除电可编程只读存储器 EPROM可作为 MCS51 单片机的外部存储器，其典型产品是 Intel公司的系列芯片 2716（2KX8） 、2732（4KX8） 、2764（8KX8） 、27128（16KX8） 、27256（32KX8） 、27512（64KX8）等，这些芯片上均有一个玻璃窗口，在紫外光下照射 20分钟左右，存储器中的各位信息均变为 1，此时，可以通过编程将工作程序固化到这些芯片中。2732A是一种 4KX8位的紫外线擦除可编程只读存储器，单一+5V 供电，最大静态工作电流为 100mA,维持电流为 35mA，读出时间为 250ns。2732A 为 24线双列直插式封装。4.2.3地址锁存器由于 MCS51 单片机的 P0口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行程序存储器扩展时，必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。通常，地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八 D锁存器 74LS373或 8282。19652308741 图 4.2 74LS373的管脚图4.2.4 138译码器译码法使由译码器组成译码电路，译码电路将地址空间划分为若干快，其输出端分别选通一片存储器芯片，这样即充分利用了存储空间，又避免了空间分散的缺点，常用的译码器有 74LS138和 74LS139等，74LS138 是“38”译码器，具有三个选择输入端，可组成八种输入状态。8 个输出端，每个输出端分别对应8种输入状态种的一种，0 电平有效。换句话讲，对应每种输入状态，仅允许一个输出端为 0电平，其余全是 1。表 4.1 74LS138真值表输入 输出使能 选择 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7E3 #E2 #E1 C B A 0 1 1 1 1 1 1 11 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 11 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 11 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 11 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 11 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 11 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 11 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 04.2.5 数据存储器6264芯片是一个 8KX8的 CMOS SRAM 芯片，它共有 28条引出线，包括 13根地址线、8 根数据线以及 4根控制信号线。 07653210A12098765A4321GNDNE0图 4.3 6264 管脚图4.2.6 I/O扩展8031单片机共有四个 8位并行 I/O口，但可供用户使用的只有 P1口及部分 P2口线。因此在大部分应用系统中都不可避免的要进行 I/O口扩展。8155是具有 40条引脚的双列直插式 RAM/IO/CTC扩展器。含有 256个字节的 RAM存储器，一个 6位、两个 8位可编程 I/O口，一个 14位可编程的定时器/计数器。8155（1）的 PC.0PC.3接自动回转刀架（四方刀架）.自动回转刀架需要换刀时，由 PC.0PC.3发出刀位信号，到达指定的刀位。刀架夹紧后，即发出回答信号，表示已完成换刀过程，可以进行切削加工。换刀回答信号经8155（1）的 PB.5输入计算机，控制刀架开始进给。8155（1）的 PA.0PA.5接控制面板上的选择开关，设有编辑、空运行、自动、手动 1、手动 2、回零等选择方式。8155（1）的 PB.0PB.4接控制面板上的按钮开关，设有启动、暂停、单段运行、连续运行、急停等操作功能。加工螺纹时，与车床主轴相连的光电脉冲发生器发出螺纹加工信号和零位螺纹信号。螺纹加工信号送入 8031的 T0,通过设置不同的时间常数，可以改变主轴每转时的纵向进给量，从而加工出不同螺距的螺纹。零位螺纹信号送入8155(1)PB6,用来防止多次走刀时螺纹乱扣。系统各芯片采用全地址译码芯片地址编码见表 4.2。操作面板设计如图 4.4。8155（2）的 A口为控制刀架的横、纵向电机的接口。本系统纵向、横向步进电机都选用三相反应式 55BF004型软件环形分配器控制高、低压驱动电路。为了防止功率放大器高电压的干扰，步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示设计在一起，8155（2）的 PC口（PC0PC5）担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB 口的（PB0-PB5）担任键盘的行线；8031 的 P1口为显示器的字形输出口。该系统采用 4X6工 24个行列式键盘和六位八段共阴极 LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口与自位口加 74LS07进行驱动。PB口剩于的 I/O线 PB4-PB7分别作为刀架纵向+、纵向-、横向+、横向-四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上 8155（2）的 PA口、PC 口设置为输出，PB 口设置为输入。计算机随时巡回检测 PB4-PB7的电平，当某 I/O线为“0”电平时，应立即停止横、纵向步进电机的驱动，并发出报警信号。表 4.2 芯片地址编码芯片 接74LS138 地址选择线片内地址单元（字节地址编码2764（1） Y0 000x xxxx xxxx xxxx 8k 0000H1FFFH2764（2） #Y1 001x xxxx xxxx xxxx 8k 2000H3FFFH6264 #Y2 0010x xxxx xxxx xxxx 8k 4000H5FFFHRAM #Y3 0111 1110 xxxx xxxx 256 7E00H7EFFH8155（1）I/O #Y3 0111 1111 1111 1xxx 6 7FF8H7FFDHRAM #Y4 1001 1110 xxxx xxxx 256 9E00H9EFFH8155(2)I/O #Y4 1001 1111 1111 1xxx 6 9FF8H9FFDH启 动 暂 停 连 续 单 段+Z-Z+X-X红Z越 界上 挡键 下 挡键 读 磁带 写 磁带 调 用程 序插 入 删 除 挡 段检 查 检 查 Z齿补Mlastnext编 辑空 运 行 自 动 手 动 手 动 1手 动 2回 零红X越 界 绿工 作正 常固 化程 序X齿补TKID启动 电 源急 停图 4.4 数控车床控制面板 5302816794/0123456789.145.39876图 4.5 8155与 8031连接4.2.7驱动门电路7404为 TTL非门电路，用于提高 8031I/O口的驱动能力。4.2.8光电隔离步进电机控制系统应采用光电隔离电路（光电隔离器） ，其作用是电压隔离。微机系统一般工作在 5V的弱点条件下，而步进电机的驱动电源为几十伏至几百伏的强电，若部采取措施，强电会通过电气连接耦合到弱点，造成微机系统的损坏，采用光耦器件，可以断绝两者的电气联系。4.2.9功率放大电路从环形分配器输出的电流很小，而步进电机的额定电流为几百毫安到几十安培，所以必须接功率放大器。功率放大器由前置放大和大功率驱动两部分组成，前者用于推动大功率器件而设置，一般由反相器、射极跟随器等构成；后者都为大功率器件，按电路主要划分为单电压电路、双电压电路、恒流斩波电路、调频调压电路、细分电路等，是步进电机驱动电路种最重要的部分。*单电压电路的特点：用恒流源取代了限流电阻，另外，PNP 工作早放大区，等效电阻大，改善了电流波形，所以这种电路在电流较小的场合具有实用价值。*双电压电路的特点：在绕组通电开始时由高压供电，保证电流快速上升，当电流达到额定值后改为低压供电，改善了电流波形的前沿。电路中的高压可达数百伏，高压的定时脉宽由单稳态电路提供，为固定脉宽，容易引起电流产生过大的超调，解决的办法时采用具有电流反馈的定流高、低压驱动。*恒流斩波电流的特点：绕组电压为为斩波信号，绕组电流在额定电流附近波动，没有大的凹陷或超调，这比单电压驱动和双电压定时驱动的波形有较大的改善，同时，电路效率也高，所以，目前步进电机驱动器很大一部分都采用这种恒流斩波驱动方式。从经济角度和应用考虑，单电压电路即简单又很实用，应用也很广泛。因此选用单电压电路进行功率放大。4.3 电气系统的设计2732的片选控制端ce 直接接地，系统复位后，8031 从 0000H开始执行监控程序。6264 的片选端CE 接至 38 译码器 U2的 Y2输出端，所以 6264的空间地址为 4000H5FFFH。系统的扩展 I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片 8155（2） 。8155（2）的片选端CE 接至 38 译码器 U2的 Y4输出端，故 8155（2）控制命令寄存器及 PA口、PB 口、PC 口的地址号分别为 8000H及 8001H、8002H、8003H。8155RAM 区的地址为 8000H80FFH。原理中还设计有两个其他辅助电路，它们是：1. 时钟电路：单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。我选用了内部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，在 XTAL1、XTAL2 引脚上外接定时元件，晶体可在 1.212MHz 之间任选，耦合电容在 530uF 之间，对时钟有微调作用。2. 复位电路：单片机的复位都是靠外部电路来实现，在时钟电路工作后，只要 RESET引脚上出现 10ms以上的高电平，单片机便实现状态复位，之后 8031便从 0000H单元开始执行程序。一般数控系统都采用上电与按钮复位组合，上电瞬间，RC电路充电，RESET 引脚端出现正脉冲，只要 RESET端保持 10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。在实际应用系统中，若有些需要复位的芯片其复位电平与 8031复位要求一致时，则可以直接相连。当晶振频率选用 6MHz时。4.4 程序设计4.4.1键盘输入键盘是数控机床最常用的输入设备，它由排列成矩阵形式的一系列按键开关组成。键盘由两种基本类型：全编码键盘和非编码键盘。全编码键盘每按下一个键，其键盘功能由硬件逻辑自动提供被按键的代码，并能产生一选通脉冲通知 CPU。此外，还有去抖动和多键、窜键保护电路。这种键盘的优点是使用方便，但价格昂贵，一般系统很少应用。非编码键盘仅仅提供键盘的行和列矩阵，其它全部工作都是用软件来完成。所以非编码键盘是最便宜的微机输入设备。使用非编码键盘必须解决识别键盘矩阵中被按下的键；产生与被按键对应的编码；消除键接触时产生的抖动干扰；防止键盘操作的串键错误。识别被按键有两种方法，一种是行扫描方法，另一种是线反转方法。行扫描方法应用比较广泛。数控机床改装中也适用。键盘行扫描的流程如下：ORG 2200HDISP:LD A, 3FHOUT (DIGIT), A ；使所有引线为低IT A, (KBSEL) ；读列数据AND 1FH CP 1FH ；键盘有键按下吗？JR Z, DISP ；无键入，返回CALL D20ms ；有键入，延时 20ms消除抖动LD C， DIGIT LD B， 01H ；置行数据初值LOOP1：OUT (C), B ；选第一行键为低电平IN A, (KBSEL) ；读列线数据 AND 1FHCP 1FH ；键盘有键按下吗？JP NZ, LOOP3 ；有键入，则计算键值SLA B ；无键入，扫描下一行LD A, 40HCP BJR NZ, LOOP1 ；未到最后一行则继续下一行JR DISP ；到最后一行，则返回DIGIT：EQU 8CHKBSEL：EQU 90H键扫描以后得到行数据和列数据，再计算键的特征值，就确定是哪一个键。每一个键都是一个特征值。为了较方便的寻找特征值可以将特征值制成表格，放在存储器中，再设置一个计数器作为键值寄存器。由计算出来的键特征值与表中的特征值自上到下逐个进行比较，每比较一次，键值寄存器加一，直到两者相等为止。此时，键值寄存器中得到的数据即为该按键的键值。键值与键值特征值的对应关系如表 4.3所示。这种产生与被按键对应的编码称为键译码。表 4.3 键值表键名 行值 列值 KYTBL表中的特征码 键值0123456010202020404040F0F171B0F171BFFEFF7FBDFE7EB00010203040506789ABCDEFEXECSSMONMONLOAD/NEXTDUMP/LASTREG/REGDISP/MENBPMOVEPORTPROM0808080804020101010102040810101010202020200F171B1D1D1D1D1B171E1E1E1E1D1B170F1D1B170FCFD7DBDDEDFD0D0B070EFEEEDECDCBC7BFBDBBB7AF0708090A0B0C0D0E0F101112131415161718191A1B单片机计算键特征是将行数据转换为另一代码和列数据相加。键译码的框图如图 4.4所示，其程序如下：程序入口： A 累加器存放列值， B 寄存器存放行值。ORG 2300HLOOP3：LD C, 0LOOP5：DEC CSRL BJR NZ, LOOP5 ；行值右移一位，C 减一SLA CSLA CSLA CSLA C ADD A, C ；A 中的键特征值LD HL, KYTBL ；置键特征值表首地址LOOP7：CP (HL)JR Z, LOOP8INC HLINC BJR LOOP7LOOP8：IN A, (KBSEL)AND 1FHCP 1FHJR NZ, LOOP8 ；等待键释放CALL D20ms ；消除抖动LD A, B ；取键值经过上述键扫描和键值译码后，在键按下时，CPU 将立即得到被按键的键值，不仅识别出有否键按下，而且识别出哪一个键按下。返 回 扫 描转 显 示 后 返回 键 扫 描 取 键 值 延 时键 释 放 ？特 征 值 首 地 址+列 数 据寄 存 器 左 移 4位？寄 存 器 右 移 一 点键 值 译 码各 行 都 扫 完 ？行 数 据 左 移 一 下 选下 一 行使 所 有 行 为 低 电 平键 按 下 ？中 行 数 据 置 初 值 ，准 备 行 扫 描延 时键 按 下 ？使 所 有 行 为 低 电 平开 始图 4.4 键译码框图4.4.2显示程序设计入口：显示存储器地址为 3C00H3FFFH累加器 A中保存键值的 ASCLL码（1）显示字符控制程序：ORG 5300HDIS