CK6125型半闭环系统数控车床设计.doc

南 京 工 程 学 院毕业设计说明书(论文)作 者： 罗 毅 学 号： 201080426 系 部： 机械工程学院 专 业： 机械电子专业 题 目： CK6125型半闭环系统数控车床设计 指导者： 李雪讲师 评阅者： 2012 年06月 南 京42 / 47摘 要CK6125数控车床由主传动系统，进给系统和控制系统三部分组成。设计中首先进行总体方案的确定，画出简易的传动系统图，根据给定的设计参数对主传动设计主传动了吗？和进给系统中的主要传动件进行了校验计算。进给系统由步进电机驱动滚珠丝杠实现进给。控制系统是由CPU、键盘，显示，接口电路，脉冲分配器和电机驱动部分组成。CK6125通过单片机反馈补偿实现半闭环控制。最后进了技术经济分析得出设计生产该产品是经济合理的。关键词：数控 车床 设计Half a closed loop system of CK6125 CNC lathe designAbstractCK6125 CNC lathe is made up by three parts ,that is main transmission system, feeding system and control system . In the design scheme for the first, draw the simple transmission system graph, according to the design parameters of a transmission and the main transmission system into the calibration calculation. Feeding system by stepping motor drive the ball screw realize feed.Control system consists of CPU, keyboard, display, interface circuit, pulse distributors and motor driving part. Through the feedback compensation of the single-chip microcomputer CK6125 realize half closed loop control .Finally into the technical and economic analysis of the design and production of the product is reasonable in economy .Keywords: the numerical controllathedesign目录第一章 前 言1第二章 总体方案设计22.1设计参数22.2总体方案的确定22.3 基本参数的确定22.3.1运动参数32.3.2动力参数32.4传动原理4第三章 传动系统设计73.1 齿轮设计73.2轴的初步确定103.3切削力的计算113.4滚珠丝杠的设计计算123.4.1纵向丝杠的设计123.4.2横向(床鞍)进给丝杠设计143.5 步进电机选择153.5.1 纵向步进电机选择153.5.2横向步进电机选择16第四章 校核174.1键的校核174.2轴的校核174.3轴承的校核20第五章 数控系统硬件电路设计215.1 微机控制系统硬件组成215.2 确定硬件电路方案215.3 8031储存器扩展电路设计245.3.1 程序存储器扩展245.3.2 数据存储器扩展245.3.3 联线方式255.3.4 地址锁存器74LS373255.3.5 I/O口扩展电路设计255.3.6 键盘，显示器，接口电路265.4 步进电机驱动电路设计265.4.1 计算机接口275.4.2 脉冲分配器275.4.3 隔离电路的设计295.5 其它辅助电路设计325.5.1 8031时钟电路325.5.2 复位电路325.5.3 越程报警电路335.5.4光电编码器34第六章 技术经济分析366.1 提高技术经济价值：366.2 机械零件的设计366.3 结构的设计36总 结38参考文献39附 录40致 谢41第一章 前 言据了解，2001年中国机床产值已进入世界前10名的第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。 随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。以微处理器为基础，以大规模集成电路为标志的数控设备，已在我国批量生产、大量引进和推广应用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的效益。但同时，由于它们的先进性、复杂性和智能化高的特点，在维修理论、技术和手段上都发生了飞跃的变化。随着科学技术不断发展，数控机床的发展也越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。高性能：随着数控系统集成度的增强，数控机床也实现多台集中控制，甚至远距离遥控。高精度：数控机床本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度的保持性要好。高速度：数控机床各轴运行的速度将大大加快。高柔性：数控机床的柔性化将向自动化程度更高的方向发展，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。模块化：数控机床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商又有利于客户。机床工业被称之为装备工业，装备工业又是技术密集、技术更新速度十分快的行业，数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力。面对入世和世界经济一体化的进程，我们必须在新一轮经济结构调整中找准自己的位置，加快发展、更新的频率，用限普增数来加快集约化进程，促进装备工业的发展，参与世界经济竞争。缩小与世界先进水平的差距。 第二章 总体方案设计方案设计主要是确定机床的总体结构，传动原理以及基本的运动动力参数。2.1设计参数设计任务给出各项指标如下：1加工对象：45号钢2主轴转速：502000rad/min3工作台行程：X450mm Z130mm4脉冲当量：0.015异步电机驱动2.2总体方案的确定CK6125型数控车床的主要参数：床身上最大工件回转直径 250mm；最大工件长度 500mm；最小设定单位 x轴0.001mm z轴0.001mm；回转刀架工位数 4 ；主电机功率 3.0kw；机床净重 1200kg 。主要特点：CK6125数控车床的导轨耐磨性好，精度高，主轴采用变频无级调速控制，可自动完成对零件的内外柱面、端面、任意锥面、圆弧面及公英制螺纹切削等工序连续加工。2.3 基本参数的确定通过主轴孔最大棒料直径床身宽度经济合理的工件或刀具直径按照以下几种经验公式估定 2.3.1运动参数可通过类比实验和计算等方法综合确定 、为经济加工切削速度和经济合理的工件或刀具直径。、是机床的最低、最高转速，其中常用经济加工切削速度硬质合金刀具精车中碳钢,取,取高速钢刀具精车丝杠。取.计算额定转速2.3.2动力参数据下列公式及数据估算电机功率。（公斤力）单位切削面积上的切削力，取硬质合金刀加工中碳钢=200（公/）；切削深度； 进给量。V_切削速度。切削深度及进给量取半精车中碳钢，故取1；取0.2；取=2972.4传动原理此次设计的CK6125只用于精加工和半精加工,初步确定主轴箱部分为六级变速（手动），用一个三联齿轮和二联齿轮来实现六级变速，而后用传动比为一比一的齿轮带动编码器，采用双速电机，异步电机的同步转速为1000rad/min其实际转速为960rad/min，可得车床有32=6级变速。而对其的选择方案有两种，如下所述：方案一：采用结构式：，其，故合适。 方案二：采用结构式：，其，大于8，故不合适。对方案一和方案二进行比较，方案一远优于方案二（因为方案二不合理），故选用方案一。再根据方案一画出其转速图。其转速图如下：图2-1 转速图如上图可知皮带轮的降速比为：，由此可知皮带的降速比也合适，故此方案可行。再就是纵向和横向进给是靠丝杠来实现的，丝杠用步进电机来带动。因为脉冲当量小于0.01。所以在步进电机和丝杠之间我们用传动比为1：1的齿轮带来连接。大带轮与带轮轴连接采用卸荷方式，可以使大带轮的重量不压在轴上，减轻了轴的负荷，使传动更平稳。主轴箱内有两对滑移齿轮，把它们分别放在第一二根轴上，将第一二根轴做成花键轴，使整体结构更紧凑，更合理。主轴与编码器连接采用齿轮一比一传动，这样方便计算主轴转一圈时丝杠进给量。纵、横向进给系统选择的步进电机步距角都为0.36，纵向进给的最小进给量为0.002，横向进给的最小进给量为0.01，所以必须通过减小步距角来实现这个最小进给量。减小步距角可以通过同步齿形带传动来减小，选择齿轮传动来减小步距角。传动要求:1）传动原理主要满足设计任务所给出的精度要求。 2) 应当在保证精度的情况下尽量使结构简单。3) 主轴的转速范围为502000RPM，采用双速电机传动,然后采用手动六级调速,从而实现502000RPM的转速范围.4) 脉冲当量为0.01毫米/分钟，若采用较高级数的步进电机，通过齿轮减速来带动丝杠就可以达到，并且结构简单，在该处还没有传动误差，可以使电控部分的结构及程序编制更为简单。5) 主传动系统需要一个变速电机通过带轮带动主轴，从而完成主传动运动。进给部分也相对简单，当一个脉冲信号传给步进电机时，步进电机转过一个相应的步进角，通过一个一级或二级减速器将动力传递给丝杠完成工作台（刀架）横、纵向进给运动。另外，反馈系统保证更高的精度可以增加。6) 进给部分采用滚珠丝杠副有如下特点：1）运动平稳，无爬行现象，精度高；2）有可逆性；3）磨损小，寿命长；但制作困难，要求自身精度高。所以，采用滚珠丝杠副优点相对较多，比较合理。滚珠丝杠的循环方式采用外循环方式，这种方式制造加工比较容易，经济性好。表2-1 设计参数C6125主要技术参数项 目单 位参 数床身上最大工件回转直径mm250最大工件长度mm750主轴转速范围rpm502000 (手动六级)主轴通孔直径mm40主轴锥孔莫氏6度主轴电机功率KW3刀架刀位数4车刀刀杆最大尺寸(宽高)mm2020刀架快移速度(Max)纵向（Z）m/min进给电机扭矩（功率）纵向（Z）N.m机床外型尺寸mm床重量（毛重/净重）Kg1200电压VAC380VAC三相第三章 传动系统设计3.1 齿轮设计设计齿轮的输入功率是2.77KW小齿轮的转速=585/min齿数比 =95/18=3.40工作寿命15年（设每年工作300天），两班制。1 选齿轮的类型、精度等级、材料及齿数。1）按传动方案选用直齿圆柱齿轮传动。2）速度不是很高，选用7级精度（GB1009588）。3)材料的选择。由机械设计1表101选小齿轮的材料是40C(调质)，硬度280HBS。4)齿轮的材料为45钢 (调质)，硬度为240HBS，二者材料硬度差40HBS。5）选小齿轮的齿数=18大齿轮的齿数=95。6）以下计算全都根据机械设计1上有关图表；公式。2 按齿面接触强度设计由设计计算公式机械设计1（109a）进行试算，即1）确定公式内的各计算数值（1）试选载荷系数=1.3（2）计算小齿轮传递的扭矩=9550000p/ =95500002.70/585.67=44076N（3）由表机械设计1107选取齿宽系数=1（4）由表机械设计1106查的材料的弹性影响系数=189.8（5）由表机械设计11021d查按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 =600；大齿轮的接触疲劳强度极限=550；（6）由式机械设计11013计算应力循环的次数（7）由图机械设计11019查得接触疲劳寿命系数=0.94； =0.98（8）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数=1，由式机械设计1（1012）得2）计算（1）试算小齿轮分度圆直径,代入中较小的值（2）计算圆周速度（3）计算齿宽 （4）计算齿宽与齿高之比模数 齿高 （5）计算载荷系数根据=2.587m/s,6级精度，由图机械设计1108查得动载荷系数=1.05；直齿轮，假设/。由表机械设计1103查得=1.2;由表机械设计1102查得使用系数=1.0由表机械设计1104查得6级精度、小齿轮相对支撑非对称布置时，将数据代入后得=1.12+0.18（1+0.61）1+0.15/100043.18=1.406由=8.97, =1.406机械设计1查图1013得=1.35故载荷系数=1.05*1.406*1.2*1=1.772（6）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由式机械设计1（1010a）得mm（7）计算模数=43.18/20=2.357mm3按齿跟弯曲强度设计由式机械设计1（105）得弯曲强度的设计公式为确定公式内的各计算数值由机械设计1图1020c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500；小齿轮的弯曲疲劳强度极限=380；由图机械设计11018查得弯曲疲劳寿命系数=0.85 ,=0.88:计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数=1.4由机械设计1公式（1012）得计算载荷系数1*1.05*1.2*1.35=1.701查取齿形系数由机械设计1表105查得 2.91，1.53查取应力校正系数由机械设计1表105查得 2.20，1.78计算大、小齿轮的并加以比较0大齿轮的数值大。2）设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能 力，而齿面接触疲劳强度所所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数 的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.742并就近圆整为标准值=2.0按接触强度算得的分度圆直径=58.08算出小齿轮齿数取24大齿轮的齿数=3.424=82这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费1。4 )几何尺寸计算计算分度圆直计算中心距 计算齿轮宽度 根据经验一般齿宽取模数的610倍所以 =62.0=125)验算而根据公式:故:所以合适.3.2轴的初步确定第一根轴：设其传动效率为则其功率为30.96=2.88，确定轴的计算转速主轴r/min 则主轴速度取=171r/min计算转速传递全功率 所以得r/min r/min按式机械设计1（152）初步估算轴的最小直径，选轴的材料为45钢，调质处理，据机械设计1153取于是得：第二根轴：齿轮和轴的传动效率是则其功率为 ，按式机械设计1（152）初步估算轴的最小直径，选轴的材料为45钢，调质处理，根据机械设计1153取于是得：3.3切削力的计算以下公式，数据根据机床切削手册获得7：切削速度的计算公式加工材料碳素结构钢 =650Mpa外圆纵车，刀具YT15，车刀刀杆尺寸B*H（mm） 16*25，工件直径D=40mm， 车削深度3mm， 进给量。f=0.40.5(mm/r)(0.70), 耐用度T=120min，修正系数=0.87，=1.03，=0.89 车削力及主车削功率主车削力 N径向车削力 N走刀力（轴向力） N车削时消耗的功率加工材料：结构钢及铸钢=650Mpa 刀具材料 硬质合金分别为三个分力计算中，当实际加工条件与所求的经验公式的条件不符合时，各种因素对切削力的修正系数积代入车削速度车削力车削深度不大，形状不复杂的轮廓时理论车削减少10%15%，车削时消耗的功率而实际进给量f=0.37 ap=2.8。实际FZ=1882.8N3.4滚珠丝杠的设计计算3.4.1纵向丝杠的设计丝杠传动取等效载荷 =2141N，螺杆有效行程Lm=500mm，等效转速 =400r/min,要求使用寿命，螺杆材料9Mn2V,滚道硬度5860HRC解：1） 计算载荷Fc = KFKHK1Fm = 1.21.01.22141 = 3083.04N2) 求必需的额定动载荷 Ca= 3) 选择滚珠丝杠的型号和主要尺寸根据Ca=10173.2N选取型外循环螺纹调整预紧的不衬套的双螺母滚珠丝杠副，循环圈数：2.51 ，额定动载荷C=1970kgf， 偏心距0.068 名义直径mm， 丝杠外径的d=39mm ，螺母配合外径D=80mm ，两个圆螺母厚度=20mm，螺距t=8，螺旋升角 。螺旋导程角： 4) 稳定性验算因螺杆适中，应验算螺杆的不稳定性，临界载荷为 E 螺杆材料的弹性模量 E = 2.06105N/mm2Ia 螺杆危险截面的轴惯性矩 长度系数 按一端固定一端铰支 = 0.7l1 丝杠螺纹全长 l1 = lu+2le = 1000 故2.54 通过。5） 刚度验算按最不利情况考虑，即在螺距（应为导程）内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为： mm式中： = = 1457.92N (式中磨擦系数f按0.0025计，当量磨擦角 = 840)剪切弹性模量 G = 8.33104 N/mm2则 = =0.0541m每米螺杆长度上的螺距的弹性变形6） 计算效率 = = 0.768 (式中)3.4.2横向(床鞍)进给丝杠设计丝杠传动取等效载荷 =1166N，螺杆有效行程Lm=240mm，等效转速 =10r/min,要求使用寿命，螺杆材料9Mn2V,滚道硬度5860HRC解：1）计算载荷Fc = KFKHK1Fm = 1.21.01.21166 = 1679N2) 求必需的额定动载荷 Ca= 3) 选择滚珠丝杠的型号和主要尺寸根据Ca=3490N选取 型外循环螺纹调整预紧的不衬套的双螺母滚珠丝杠副，循环圈数：2.51，额定动载荷C=1420kgf ，偏心距0.056， 名义直径mm ，丝杠外径的d=29mm ，螺母配合外径D=68mm ，两个圆螺母厚度=20mm，螺距t=6，螺旋升角 。螺旋导程角： 4) 稳定性验算因螺杆适中，应验算螺杆的不稳定性，临界载荷为 E 螺杆材料的弹性模量 E = 2.06105N/mm2Ia 螺杆危险截面的轴惯性矩 长度系数 ，按一端固定一端铰支 = 0.7l1 丝杠螺纹全长 l1 = lu+2le = 240+220 =280 故2.54 通过。5）刚度验算按最不利情况考虑，即在螺距（应为导程）内受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为：mm式中： = = 927.89N (式中磨擦系数f按0.0025计，当量磨擦角v = 840)剪切弹性模量 G = 8.33104 N/mm2则 =0.121m每米螺杆长度上的螺距的弹性变形6）计算效率 (式中)3.5 步进电机选择3.5.1 纵向步进电机选择螺杆转动，螺母作直线运动螺旋上的驱动转矩 即 步进电机选110BF004，相数3 ，=30V。静态电流4A，保持转矩4.9Nm。总体尺寸：110110（11）。3.5.2横向步进电机选择同理上面的步骤得：步进电机选110BF，相数3 ，=110V 保持转矩8.3N.m总体尺寸：第四章 校核4.1键的校核纵向丝杠上中间轴的普通圆头平键11。轴径29mm，传动转矩为1.47N.m，整个齿轮组的宽度B50mm，载荷稳定。（1）选择键的类型：选A型普通平键（）确定键的尺寸：查的可选键的尺寸为（）挤压强度：取k=h/2 l=L-b,则工件表面的挤压应力为（）（）剪强度：由公式得切应力为4.2轴的校核计算齿轮受力齿轮直径：大轮 小轮 轴上的功率= 2.7kw 转速n = 585r/min 校核床头箱内第根轴。转矩 作用在齿轮上的力Ft , Fa作用在齿轮上的力Ft , Fa齿轮分度圆直径 所以两齿轮的扭距 轴的弯矩图扭矩图如下按照第三强度理论，则由公式可得许用应力值 经校核强度符合要求114.3轴承的校核选用轴承代号如下表我们选纵向丝杠左侧深沟球轴承6305进行校核11一直电机转速n=1480r/min，轴承径向载荷=1166N轴向载荷无，轴径d=25mm，轴承预期使用寿命=5000h，可靠度为50%。脂润滑。校核步骤：查机械零件设计手册第18章表18.7得e=0.081=0.18e表4-7 轴承型号查表可得X=0.50,Y=2.0基本额定动载荷17200N2961N。则选用该轴承可以满足寿命要求。第五章 数控系统硬件电路设计5.1 微机控制系统硬件组成任何一个微机控制系统都由硬件和软件组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能，有了硬件才能有软件进行的基础，而只有配置了软件控制系统才有可能工作。构成微机控制系统的基本硬件由以下四部分：（1）中央处理单元，即CPU。（2）总线，包括数据总线（DB），地址总线（AB），控制总线（CB）。（3）存储器，包括可编程存储器EPROM，和随机读写存储器RAM。（4）输入，输出接口电路。其中CPU是整个系统的核心，是控制其他各部分协调工作的“大脑”。存储器则是系统软件及系统运行中各数据的存储库。I/O接口电路是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU与存储器，接口以及其他转换电路联接的纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。微机控制系统的硬件设计，主要就上述四部分的具体设计。5.2 确定硬件电路方案CK6125型数控系统概述起来主要有以下四部分组成：主控器CPU：CPU由MCS-52系列的8031承担，8031的基本特征如下：具有一个8位的CPU和下列主要部分（1）片内有时钟发生电路(6MH或12MH)每执行一条指令时间为1s2s。（2）具有128B的RAM，内部编址为00H7FH用于工作寄存器。管脚功能介绍V编程和正常操作正确时单片机的工作电源端，接+5V电源。V脚接地，它是工作电端的一个输入端。P：P口的PP占引脚39-32，这8位双向单行I/O线。作为输出口时，负载能力为8个LSTT4电路，当访问片外存储器使P口是复用的，以分时多路转换方式输出低8位地址而过后再传送数据，在组成单片机系统电路中，都需要设一个专用的8位锁储存器来锁存，由P口输出的低8位地址。P：P口的PP占用引脚1-8。它是双向并行I/O线。P口的8位可以完成输入输出数据。而他的每一位口线还能独立的用作输出线或输入线。他的负载能力为4个LSTT4电路，在EPROM编程时，它接收低8位地址。P：P口的PP占用引脚的21-28。在访问片外储存器时，P口输出高8位存储器地址在EPROM编程时，P口接收高8位地址。对从P口输出的地址，它本身具有锁存功能，不需要另加锁存功能。P：P口的PP占用引脚10-17，它是8位双向口。但在组成MCS-51单片机系统电路中，它的8个引脚有重要的专门功能，例如P引脚为RD引脚，它是读取片外数据的控制线，其他的各脚的专用功能在下面列出。P RD（串行输入口）P TD（串行输出口）P (外部中断)P (外部中断)P T（定时器o外部输入）P T (定时器1外部输入 )P （外部数据存储器写选通）P （外部数据存储器读选通）P的负载功能为4个LSTTL电路ALE/：访问外部储存器。用于锁存地址低位字节的地址锁存允许输出，即使不访问外部存储器，ALE 也可以振荡频率I/O固定频率输出，故而它能作为外部时钟或固定时用，ALE主要是提供定时信号，在外部程序存储器取地址时把P口的低位地址字节锁存到外接的锁存器中每一个机器周期ALE的两次有效，这个引脚也是EPROM编程时的编程脉冲（RROG）:程序存储器允许输出。是外部程序存储器的选通信号。在外部程序存储器取指令时,每个周期有效两次，在从外部内部程序存储器取指令时无脉冲。/V：EA高电平时，并保持此状态，这时访问内部程序存储器。即访问地址从0000H0FFFH共4KB,但是超过这么个范围时将自动访问外部存储器。当接地，并保持低电平时，则只访问片外存储器，由于8031单片机没有片内程序存储器，所以在使用时引脚必须接地，V是当EPROM编程期间，此脚接编程电源。XTAL与XTAL引脚：它们分别接外部晶体的两端，构成晶体振荡器提供给单片机主脉冲源，主振荡器的频率由晶体的谐振频率决定，其范围在2-12MH之间。通常采用6MH的晶体，若使用外部振荡器时，XTAL接地，XTAL引脚作为送进单片机主振荡信号的输入端。/V：复位控制，在振荡器运行时，是R引脚至少保持两个机器周期为高电平，可实现复位操作。CPU通过执行内部复位来响应，在R为高电平的第二周期时执行内部复位，在V关断增加上V（掉电保护）RAM的内部将保持不变。8031单片机存储器的结构8031单片机没有程序存储器，只有256字节的数据存储器，即地址从00HFFH，其中内部数据RAM地址为0127（00H-7FH）,特殊功能寄存器（SFH）的地址为128255，256个字节的00H1FH为四个工作寄存区，其中00H07H为0区，8H17H为2区，18H1FH为3区，每个区都有8个8位寄存器，RR，要确定采用哪个工作寄存器，只需改变标志寄存器的PSW中的R，R即可实现。从20H2FH是位寻址空间，在此空间中CPU既可以对其执行按字节操作，又可以对其中的每个单元的八位二进制代码执行按位的操作。从30H7FH，只能按字节寻址的数据缓冲器区，由于8031复位后，指针SP指向工作寄存器0区，所以程序编制时，在初始化程序中对SP设置的30H以后的地址区间为初始值。单片机8031的外部数据存储器最大可以扩展到64K，地址从0000HFFFFH，用以存储数据。8031中断系统可编程为高优先级或低优先级中断，并能实现二级中断嵌套，各中断源所对应的中断嵌套服务程序的入口地址和优先级如下：中断源 入口地址 优先级 INT 00003H 0 T 0000BH 1 INT 0013H 2 T 001BH 3串行口中断 0023H 48031响应中断后，即从以上入口地址开始执行中断服务程序，直到遇到一条RET的指令为止。5.3 8031储存器扩展电路设计5.3.1 程序存储器扩展8031是一个无ROM的8051，单片的8031不能构成完整的计算机，必须按EPROM或ROM作为程序存储器，所以外接一个2764芯片。2764是一种高速容量为8K8的EPROM存储电路，读出时间为250ns，2764为28线器件，其中A-A为13位地址线，O-O为8位数据线，为片选信号低电平有效，为数据输出选通信号线，低电平有效，PGM为编程输入线V为主电源线，V=5V；V为编程电源线，电压端为12.5V；V为接地，N脚不用。2764芯片中低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031中的P口相连接，当地址由锁存允许信号ALE为高电平时，则P口输出地址有效。高5位地址线分别是P -P相连，8位数据线直接与8031P口相连，引脚直接同8031引脚相连，片选直接接地，故2764始通选通有序8031只能选通外部程序存储器，接地。5.3.2 数据存储器扩展由于8031内部RAM只有128字节，这不能满足系统的控制要求，需扩展片外的数据存储器，故采用6264静态RAM数据存储器。6264芯片是8K8的数据存储器电路，集成度很高，其中A-A位13位地址线，输入地址数据与内部字节的单元对应，00H-07H 为8位数据线，为片片选信号线，为读写控制信号线，都是低电平有效，V为+5V电源。GND接地，N 为空脚无用。5.3.3 联线方式6264低8位地址线通过地址储存器74LS373专8031P接口，高5位地址线分别与P-P相连，8位数据线直接接到8031的P口。读写控制引脚。WE 与8031的读写控制引脚。直接相连，片选 通过译码电路与8031相连，译码器的Y输出提供。所以6264的空间地址为4000H-5FFFH。5.3.4 地址锁存器74LS373单片机规定P口提供低8位地址线，同时又要做数据线，所以为分时输出低8位地址和数据通道口，为了把地址信息分离出来保存以便为外接存储器提供8位地址信息，一般采取74LS373作为地址锁存器，74LS373是带之缓冲输出的8D触发器，用作地址锁存器时，应使其端为低电平，输入端G与8031的地址锁存信号ALE连接，当G=1时，74LS373的输出端1G-8G与输入端的1D-8D相同，当G 高电平道会低电平时，输入的数据被锁存入1Q-8Q中。5.3.5 I/O口扩展电路设计8031单片机共有四个8位并存I/O接口，但是供用户使用的只有P口及部分P口线，因此在大部分应用系统中都不可避免的进行I/O口的扩展。本设计的扩展I/O接口电路选用，通用可编程并行输入/输出口芯片的8155，8155芯片与微机的接线比较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片，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14位可编程的定时/计数器，其引脚及功能如下：AD-AD 地址 数据线PA-PA ADPB-PC CDTIMEROUT 定时输入IO/ 定时输出， IO/RAM选择 片选V 电源RESET 复位8155与8031的联接方法8155本身是具有地址锁存信号控制的地址锁存其。故可以将地址数据线AD-AD直接与8031ALE口线对应相连，读，写信号与8031也都对应相连，IO/M控制端通过电阻R接高电平，故只能选中8155的I/O口8155的片选端接口“3-8”的输出端故8155控制命令寄存器及PA口，PB口，PC口的地址信号分别为8000H及8001H，8002H，8003H，8155的RAM区的地址为8000H80FFH。5.3.6显示器，接口电路显示器是数控系统常用的人机交互的外部设施，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。在MK8320设计中采用8155接口芯片管理键盘显示器的电路，他由48键和8位LED显示器电路组成，采用LED有八段共阳极显示器，即每个显示器由八个发光二极管组成，二极管的阳极连在一起，阳极通过74LS07C门分别与8155的PB口输出的字形数据信号线相连，工作过程中，无键按下时C 口引线按由511K电阻上接高电平，A口的8条列线按一定时间隔轮流送出低电平，当被扫描到某一列线上，有一键按下时，交叉点上相应的行线被拉成低电平，这个电平信号被C口捕获后，计算机读取信息，并根据此键对应的列线和行线计算出键位，完成按键扫描的全部工作。5.4 步进电机驱动电路设计步进电机是一种脉冲信号控制的电动机，在负载能力及动态特性的范围内，电动机的角位移与控制脉冲数成正比，电动机的转数与控制脉冲频率成正比，在多数情况下，用电动机作为执行元件的数控系统中不需要D/A或A/D的相互转换，可采用简单的开环系统控制，因而改造成步进电动机成为经济型数控系统主要的伺服执行元件，步进电动机的驱动电路也可加上光电编码器作为反馈装置，提高加工精度。其框图如图4.1。图4.1 步进电动机的驱动电路框图5.4.1 计算机接口在数控系统中，步进电机的接口电路至关重要。没有接口电路将无法实现微机对步进电机的控制。8031单片机一般含有4个并行输入输出口，提供32根I/O接口线。其中P口可以提供用户使用，作为联接步进电动机及其它控制系统的接口，它也可采用8155或者8255等可编程并行输入，输出接口芯片设计扩展接口电路，并来控制步进电动机及其它外部控制设备。5.4.2 脉冲分配器脉冲分配器又称环形分配器，是驱动电路不可缺少的重要环节，步进电动机的控制方式由环形分配器来加以实现的，其作用是为数控装置送来的一系列脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕阻来实现电机的正转或反转，在数控系统中通常使用较多的集成脉分配器和软件脉冲分配器。集成脉冲分配器，可按电路结构不同可分为TTL产品有YB013，YB014，YB015及YB016。分别为三相，四相，五相和六相。它们均为18个管脚的直插式封装，MK8320数控系统中采用YB013硬件分配器的步进电动机接口线路，YB013环形分配器硬件的步进电机接线图如图4.2。图4.2 YB013环形分配器硬件的步进电机接线图YB系统脉冲分配器的引脚功能如下：选通输出控制；，选通输入控制；A、A励磁方式控制；CP时钟脉冲输入；+电机正转控制电位；-电机负转控制电位；ABCD输出控制；清零端；E0、E1两个输入控制端，直接接地。所需的方向及输出控制信号分别由8031的P1.0 P1.1和P1.2所提供,以控制Y向步进电机的工作方向,时钟脉冲由8155的定时器提供,P引脚接清零端,以防乱相,通常一个步进电动机需要使用一个环形分配器来进行控制。5.4.3 隔离电路的设计驱动和光电隔离器电路设计如图4.3，4.4。图4.3 驱动电路图4.4 光电隔离器电路（1）负载回路的时间演常数LX=L/Rm=0.355/0.37=0.96(S)单稳翻转时间 tb= (4.1)式中 f运行频率,取f=12000 H。t= =0.056(s)（2）元件的确定功率放大器放大级T1、T2选用复合管YZ23F硅整流管D，D选用2CE13A（3）确定R5、R6从T1 T2性能参数知D=2.5V 取U=2.5V而步进电机相电流I=7A,T1基极电流IB=In/h经查复合管YB23F 性能表,取h=4500 IB1=7/4500=1.6(mA)下等效输入电阻RT=U/I=2.5/1.610-3=1.56K.选光电隔离器输入电流Ii=10mA，查G0100系列表，得GR=30%，所以I5=IiGR=1030%=3mAI=Io+IB1 I5R5=UBEEn= I5R5+ UBE En= 80 UR5=25.8KR6=1.47K（4）确定R1和R2因I=10mA，查G0100系列表得到光电隔离器输入端正向压降为1.3VR（5）确定R3、R4负载的平均阻抗=E/I=80/7=11.4T2的饱和电流Ics(2)=(E-E-2V)经查表得2GEBA表得，U=2（V）Ics(2)=(244-80-22)/11.4=14A Ics(2) =14AIB2=ICS(2)/hFE=1200/4500=2.67mA IB2=2.67MaIB=I4+ IB2 I4= I3+ I2I3=IiCTR=3MaI4= 0.33Ma0点电位UO为：UO=（E-U）+（E-E）/2=T2的等效输入电阻为：RT2=UBE/IB2=2.5/2.6710-3=9.6KR4=UBE/I4=2.5/（0.3310-3）=7.6KR3=(EH-U0-UCES)/I3=(244-203-2)310-3=13K（6）确定为R7R7=5/1010-3=500当单稳74221的“清除”端CLR加高电平A端加低电平时，B端正跃变可使单稳的Q端从低电平变高电平，经一段时间自动翻转成电平，恢复到稳定状态，Q端输出一个脉冲，脉冲宽度由外接电阻R和C决定，即脉冲宽度t=R （4.2）取R=10K， C 74221为单稳态多谐振荡器，一块74221可供步进电机的两相工作，所以三相六拍步进电机需要2片74221。（7）分析隔离电路如下在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出信号经放大后控制步进电机的励磁绕组，由于步进需要的驱动电压较高，电流较大，如果将输出信号直接与功率放大器相联，将会引起强电干扰，轻则影响计算机程序正常工作，重则导致计算机和接口电路的损坏，所以，在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路，以此实现电气隔离，通常，使用最多的是光电隔离器。光电隔离器由发光器件和受光器件组成，连接发光源的引线作为输入端，连接受光器件的引线的输出端，通常发光器件为发光二极管受光器件为光敏三极管，4N25光电耦合器的引脚与接线，共发射极照射后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输入，从而实现了以光为媒介的电信号传输，输入端与输出端在电气上完全隔离，所以CN-MK8320设计的开关量的传输及电平转换必须采用光电耦合器。5.5 其它辅助电路设计5.5.1 8031时钟电路如图4.5。图4.5 8031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 ，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1.2-12MH之间传送，耦合电路在5-30PF之间，对时钟有微调作用，如果采用外部时钟方式，可把XTA L1直接接地，XTAL2接外时钟源。5.5.2 复位电路如图4.6。图4.6 复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作以后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机便实现状态复位，工作CPU便从000H单元开始执行程序，NC-MK8320系统采用上电与按钮复位组合，当上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效地复位。如图4.7。图4.7 外部电路在实际应用系统中需要复位电平与8031复位要求一致时，则可以直接相联，当晶振频率选用6MH时，复位电路中的C取22f,R取220，R取1K,以此来保证复位可靠。5.5.3 越程报警电