数控螺纹车床控制系统硬件电路设计【带原理图+PCB图】
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数控螺纹车床控制系统硬件电路
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自动化学院 本科毕业设计（论文） 题目： 数控螺纹车床控制系统硬件电路设计 专 业： 班 级： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 设计地点： 工程实践中心 2008 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） I 摘 要 本文详细地介绍了数控螺纹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六部分： 钟及复位电路、存储器扩展电路、手动键盘和编辑键盘电路、 I/O 扩展电路、显示电路以及译码电路。控制系统选用 列的 8031 作为主 存储器扩展电路设计中 ,选 用 27256 芯片 外扩了 32K 的程序存储器和 6264 芯片外扩 了 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 ；在手动键盘和编辑键盘设计中选用 8155 芯片的 C 口作为行、列母线，扩展了矩阵式编辑键盘，用于程序和数据的输入或编辑，同时选用 8031 单片机的 扩展了手动键盘，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 芯片扩展了输入输出口，用于接收和传送开关量及相关信息；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 Z 轴动态坐标以及相 关数字的动态显示；此外选用 74码器设计了相关芯片的片选信号译码电路。 综上所述，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，对经济型数控螺纹车床，尤其是功能要求不高的经济型螺纹车床，具有一定的应用价值。 关键词： 数控螺纹车床；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 of in I/O as as 031 of to be n of 7256 2K 264 K NC as as A C 155 to or 1 031 is to 255 is , of of In 4is to of to is is of is in of of t 文） 录 第一章 绪论 . 1 言 . 1 题背景与意义 . 1 究现状 . 2 文的结构 . 3 第二章 数控螺纹车床控制系统硬件电路设计方案的拟定 . 4 制对象及要求 . 4 体控制方案的拟定 . 4 选用 . 4 扩存储器的确定 . 5 示电路的确定 . 5 展键盘及 I/O 口电路的确定 . 6 体方案的结构框图 . 6 第三章 数控螺纹车床控制系统硬件电路设计 . 7 钟及复位电路设计 . 7 钟电路设计 . 7 位电路设计 . 7 储器扩展电路设计 . 8 序存储器扩展电路设计 . 8 据存储器扩展电路设计 . 10 动键盘和编辑键盘电路设计 . 14 动键盘电路设计 . 14 作方式选择开关电路设计 . 15 辑键盘电路设计 . 16 （论文） 显示位选择译码电路设计 . 34 第四章 控制系统原理图及 的绘制 . 35 制系统电路原理图的绘制方法及步骤 . 35 制系 统电路 的绘制方法及步骤 . 37 第五章 结论 . 39 文总结 . 39 想 . 40 致谢 . 41 参考文献 . 42 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 5 第一章 绪 论 言 随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求。 1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、 工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，从而一种新型的用数字程序控制的机床 （数控机床） 应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品 ， 是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床 。 从 20 世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产 管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 进入 21 世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。 随着社会的发展 ,现代制造工业 也在急速的取代换新 ,而效率 ,经济便是其中的主流之一 。 由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善 并且大大提高了生产效益 ，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势 。 题背景与意义 我国数控螺纹车床的发展主要建立在数控车床的基础上，通过近几年的发展，我国目前生产的数控螺纹车床主要分为经济型数控螺纹车床、中档型数控螺纹车床和高档型数控螺纹车床三种档次，其中经济型数控螺纹车床约占总产量的90%。经济型数控螺纹车床，价格低廉，设备费用投 入较少，经济效益较高，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，数控螺纹南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 6 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。它特别适合于普通螺纹机床的改造，适合在生产第一线大面积推广。 2）适合于多品种、中小批量螺纹的自动化生产，对产品的适应性强，在普通螺纹机床上加工的产品大都可以在数控螺纹车床上加工。加工不同螺纹零件，只需改变加工工序，并且能很快适应和达到批量生产。 3）提高螺纹的质量，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。 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，用数控螺纹车床加工可以少用工装，不仅节约了工装费用，还减轻了工具制造部门的压力。 6）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。 7）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“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对螺纹产品更新换代所需要的应变能力，增强企业的竞争能力。 由于其独特的优点，数控螺纹车床被很多生产螺纹的中小企业看好。由于我国步入市场经济不久，一般国有螺纹制造企业正处于在改革和调整的时期，资金严重不足；生产螺纹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，作为中高档数控螺纹车床的替补和填充，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 目前 国产数控机床与国际先进水平 的 差距 在 逐渐缩小 。 国产数控机床的发展经历了 十 年跌宕起伏，已经由成长期进入了成熟期，可提供市场 各 种数控机床，产品种类可与日、德、意、美等国并驾齐驱。 在某些 领域部分技术已经达到世界先进水平。 随着国内数控厂家的增加，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南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 7 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。在经济型数控系统中，我国具有很大优势，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，比起中高档数 控车床来说虽然定位精度相对较低，加工精度较低，有一定的使用局限性，但是经济型数控螺纹车床基本上能满足一般精度的加工要求，成本较低，控制简单。所以经济型数控螺纹车床受到很多中小企业的亲睐。 但是，近年来国产经济型数控车床同样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 。 采取多种措施，积极开发已试制成功的中高档数控车床 的 国内市场，突破一点，在用户生产使用中不断改进和完善，以点带面，逐步取得用户认可。 这样才能使我国数控车床的性价比越来越高，总体水平与国外先进水平越来越近，受到更多经济型企业的拥护。 文的 结构 本文以数控螺纹车床的研发工程项目作为应用背景，对数控螺纹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螺纹车床特 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螺纹车床控制系统硬件电路的设计过程，包括钟及复位电路设计、存储器扩展电路设计、手动键盘和编辑键盘电路设计、 I/O 口扩展电路设计、显示电路设计、步进电机控制信号输出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） 8 第二章 数控螺纹车床控制系统硬件电路设计方案的拟定 制 对象及要求 此次设计对象为数控螺纹车床控制系统硬件电路， 采用 8031单片机作为主扩 32用 89制三排用 8155扩展键盘； 需控制 轴； 采用 8255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。 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 是符合数控螺纹车床电路设计的。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 9 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，常采用半导体静态的随机存取存储器 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 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、快速变换、长时间观察的地方，如果用在数控螺纹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、亮度较强、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。此次设计选用的南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 10 显示器就是 示器。数控螺纹车床需要三排显示，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“米”字数码管。由于要实现数字的三排显示，需要使用 74示功能字时，需要使用 74存器来实现静态显示。考虑到 89管脚过少，加入一个 74码器进行位选译码。 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 可作为信号输入口，主要包括手动 X 轴、 Z 轴正反转、超程、启动、停止、螺纹脉冲以及螺纹零脉冲信号输入。 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。 光耦电路 74示电路 6264 897256 键盘 748155 8031 单片机 74255A 手动按钮 图 总体方案结构框图 I/O 接口 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 11 第三章 数控螺纹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： 1、 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： +5 地）； 外部晶体振荡器 1。 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。数控螺纹车床控制系统硬件电路采用内部时钟方式，在 1 以及电容 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 典型值 10当于8031 单片机的心脏，控制着工作节奏。电容 别 取值为 30们使振荡器起振并可对振荡器的频率起到微调作用。当数控螺纹车床控制系统加电以后约 10始起振， 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 示的电路，当上电或按动按钮 位端 出现高电平，保持 10上便能可靠地实现复位， 30， 151 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，利图 8031引脚图 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 12 V P 021A 1123A 122A 1427326 M 2 7C 25 6- 2 00 / B X A ( 28 )用 8031 的 第二功能，实现外部中断请求，同时， 上出现高电平， 实现可靠复位。复位电路设计如图 示。 图 8031时钟及复位电路原理图 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 数控螺纹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，还需由提供 7 位地址线。选用的 27256 芯片为 图 27256引脚图 112233445566D B T i t l eN um be r R e vi s i i z a t e : 2008- 6- 3 S he e t F i l e : D : pr ot e l 式版 . 时钟以及复位 H D O C D r a w n B y :1514814830 T 1,P T 0,P ,P ,P E S E A L 218X T A L 119/ R W c s D ,P D ,P A L P E S 0S 53文） 13 28 脚双列直插式扁平封装芯片，其引脚如图 示。 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 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 4。 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） 14 2数据线的连接 存储器的 8 位数据线 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， 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，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，当 0 时，芯片中的数据可由 输出； 8031 芯片 地， 行外部程序存储器的指令； 8031 芯片 地址锁存器 74 端； 27256 的 是选片信号端，低电平有效，所以使它正常工作只要直接接地即可。 图 031 与 27256 连接图 据存储器扩展电路设计 由于 8031 芯片内部 有 128 字节，远远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器（ 根据设计的要求需扩展 8数据存储器，所以在此选用了一片 6264 芯片，它采用艺，采用 28 脚双列直插式扁平封装。 6264引脚图 示。 6264 与 8031 连接图如图 示。 6264 典型 图 6264引脚图 （ a） 112233445566D B T i t l eN um be r R e vi s i i z a t e
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