CA6140卧式车床经济型数控化改造

山东科技大学专科毕业设计论文摘 要由于目前国内的数控机床数量需求量大，达到300万台之巨，要进行全部翻新在时间，物质上尚不具有足够的条件，为了达到的条件，为达到较高精度，实现较好的经济性，对普通车床实行数控开环改造。本次设计着重对CA6140普通车床的纵横向进给系统改造，并对纵横向进给伺服系统齿轮箱进行改造。本次设计作了下面的一些工作： 1机械部分采用了一级齿轮传动，以BF型步进电动机作为驱动源，以CBM/CDM滚珠丝杠作为重要元件，以便更好的实行软件控制；2数控部分采用MCS-51中的8031作为主控芯片建立一套单片机应用系统。扩展I/O接口用8155芯片及外存储器，采用地址锁存和译码器。3 SolidWorks造型，包括软件的应用和对车床的实体建摸。关键词：数控机床改造；单片机；滚珠丝杠；BF型步进电机；SolidWorks ABSTRACBecause of the great number of machine tools in our country ,the number is3,000,000.It is impossible to renew them all without enough time and materialTo reform part of old ones with Numerrical Control(nc) Open-Loop control System to get high precision and high economy is a good way. The design emphases on the reform of lengthwise and axial feed systems, the fear box of the axial system, too.some work has been in the paper:(1) Based on the one-level driving , the style BFstepper Motor which acts the Soure of power, the CDM/CBM screw ball which is the important transmission element, the part of machinery realizes the software control.(2) The numerical control partially uses in MCS-51 8031 to do primarily controls the chip to establish a set of monolithic integrated circuits application system。Expands the I/Oconnection with 8155 chips and the external memory, uses the address lock to save with the decoder(3) SolidWorks Modelling Constructs including the software application and to the lathe entitytracesKeywords: Numerical control machine tool；Single-chip Microcomputer；Ball screw； the style BF stepper Motor；SolidWorks。山东科技大学专科毕业设计论文目录1 绪 论.32. 数控系统发展简史及趋势.53. 数控未来发展的趋势.74总体方案确定.84.1车床改造方案的选择.84.2车床改造方案的确定.95. 机械计算部分.115.1选择脉冲当量.115.2计算切削力.115.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型.125.3.1纵向进给丝杠.125.3.2横向进给丝杠.165.4齿轮传动比的计算.185.4.1纵向齿轮传动比计算.185.4.2横向齿轮传动比计算.185.5步进电机的计算和选型.185.5.1纵向步进电机的计算.185.5.2横向进给步进电机的计算和选型.226. 微机控制部分.266.1 总体设计.266.2主控制器.266.2.1主控器的选择.266.2.2 8031对片外存储器的选择.276.2.3 8031并行I/O口扩展.287. 电路原理图设计.297.1关于各线路元件之间线路连接.297.2. 关于电路原理图的一些说明.30结 论.35参考文献.36致 谢.371 绪 论数控机床改造在国外以发展成一个新兴的工业部门。早在60年代已经开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务，其发展的原因是多方面的。首先是技术的原因，过去20年里，金属切削的基本原理变化不大，但社会的生产力的巨大发展，要求制造技术向自动化和精密化前进。而刀具材料和电子技术却有很的大的进步，特别是微电子技术，电子计算机的技术进步，反应出控制系统，它能帮助机床自动化又能提高加工精度，技术进步和高生产率的要求，精密加工的增多等，突出了旧机床技术改造技术的必要性和急迫性。其次是经济上的原因。许多发达国家多做过系统的分析，如果旧机床设备以新设备更新，要付出很大的代价的，若利用“改造技术”，则节省大半资金，这种事半功倍的技术，不仅不浪费资金而切还为小企业技术改造开创了新路，而且对实力雄厚的大企业也有很大的经济吸引力。再次是市场因素，目前许多国家设备所需的数控机床数量，按机床工业现状是无力及时提供的。机床“改造”就成为机床市场需要的补足手段。最后是生产力的因素，在工业生产中，品种多小批量生产是现代化机械制造业的基本特征，只有相当大比重完成生产任务，不外乎选择通用机床、专业机床和数控机床，柔性制造系统，就工业复杂程度和一批工件所需要生产总成本比较中看出，数控机床最能适应这一需要。我国是拥有300万机床国家。而这些机床又大量是多年累积生产的通用机床，自动化程度不高，要想在近几年内大量用自动、半自动和精密机床更新现有设备，不论资金还是我国机床的能力是办不到的。因此应尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备改造自动化要求解决的课题。用这控制技术正是适应这一要求。它是建立在微电子现代技术和传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入了微机的应用，不但技术具有先进性，同时在应用此自动化改造方案，有较大的应用性和可调性，而且投资改造的费用低，一套经济型数控装置的价格仅是全功能型数控装置的1/3到1/5拥护承担的起。从若干单位应用的实例可论证，投入使用后，成倍的提高了生产效率，取得了显著的经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再推出全功能型数控这条道路，适合我国经济、教育、生产水平，对于以后全动能型数控机床应用的准备阶段，为实现我国传统的机械制造的方向过度的重要内容。CA6140机床是一种普通精度的及万能卧式机床，属于使用范围广的通用机床。这种机床的性能及质量较好。但结构复杂，自动化程序较低，是一种属于中型的普通机床，再各厂矿企业，应用的程序很广。为此，本次设计的任务是对CA6140普通机床进行数控改造，利用微机对纵横向进给系统实行开环控制。驱动元件是利用步进电动机，传动系统利用滚珠丝杠。2. 数控系统发展简史及趋势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，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代-电子管；1959年的第二代-晶体管；1965年的第三代-小规模集成电路。 到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的通用两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件-运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。 到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代-小型计算机；1974年的第五代-微处理器和1990年的第六代-基于PC（国外称为PC-BASED）。 还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的数控，实质上已是指计算机数控了。3. 数控未来发展的趋势1, 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展 基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 2. 向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 3. 向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。 （1）应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （2）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （3）引入故障诊断专家系统 （4）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。4 总体方案确定4.1车床改造方案的选择4.1.1设计系统的选择在简易数控系统中，大多数是利用八位微处里机和单片机，近年来国有一些主要的半导体制造厂家相继生产了各种八位单片微型机，主要有MCS48系列，CS-51系列，Mostek的3870，Motorolo公司的6801和6805。目前在国内用的较广，开发工具较齐的是MCS-51系列，这里选用MCS-51系列中的8031。4.1.2系统运用方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线控制系统，轮廓控制系统，连续控制系统。车床是控制刀具以给定速率沿指定路线运动来加工工件轮廓复杂的零件，其个坐标轴的运动之间有着精确的出数关系，根据车床加工这一特点，采用连续控制系统比较合适，连续控制系统具有点位控制系统的功能，故定位方式采用增量坐标控制。4.1.3伺服系统的选择伺服系统是实现位量伺服控制有开环、闭环和半闭环三种控制方式。开环控制的伺服系统存在着精度不能达到太高的基本问题，但是步进电机具有位移和输出脉冲的严格对应关系，使误差不能积累，转速和输出脉冲频率有严格的对映关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动变化的特点，数据装置发出信号的流向是单向的，对移动部件如工作台的实际位置工件检测。并且伴随电子技术和计算机控制技术的发展，目前大多采用直流电动机或交流电动机作为执行元件。虽然闭环、半闭环对控制系统能够实现较高精确的位置伺副。由于反馈环节必须的技术条件要控制闭环系统的良好的稳态和动态性能，其难度也大为提高。本设计是基于CA6140普通型的车床的经济化、数控化改造故采用步进电动机实现开环伺服系统。4.1.4执行机构传动式的确定（1）导轨 由于普通型车床的改造精度要求的不高的开环系统，而滑动导轨定位精度和灵敏不需研磨措施可达到10um左右。能够满足改装后的要求，所以仍采用原机床的导轨。（2）螺旋传动 原机床的丝杠属于滑动螺旋传动，主要缺点就是机械效率低，一般仅为3060%，与改造后的精度相差很多。数控机床除了具有较高的定位精度外，还应良好的动态间应特征，滚珠丝杠副的特点，传动效率高，一般达到90%以上，通过预紧力可消除丝杠间隙，运动平稳，传动精度高，有可靠性，磨损小，使用寿命长，但制造复杂，成本高。要使系统指令好，有能满足精度要求，本次改造采用滚动螺旋机构。（3）齿轮传动 考虑步进电动机步距角和丝杠导程只能按标准选择，为达到0.001秒的分辨率的要求，纵、横向均采用错齿调隙的齿轮做减速运动。4.2车床改造方案的确定（1）保留原车床的主传动链。 为了保证机床加工螺纹的功能，在主轴外端安装一个YGM脉冲发生器，使其与主轴转速相一致是1:1的关系，用它来发出脉冲发生器，使微机处理机根据主轴的脉冲信号，使刀架通过丝杠的转角产生进给运动。（2）纵向进给机构的改造,拆除原机床的进给箱和溜板箱利用原机床的安装孔销钉孔安装齿轮箱体,滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置,两端仍利用原固定方式,这样可减少改装工作量。（3）横向进给机构的安装：保留原手动机构。用于微机进给和机床对零件操作，原有的支撑结构也保留，电动机、齿轮箱安装在机床后侧。 （4）纵、横向进给机构采用齿轮减速，并且用双齿轮错齿法消除间隙，双片齿轮间采用消除弹簧，布量成互为120的位置。当螺钉松开时，由于各个弹簧所受力不同而自动调节间隙，再用螺钉紧固。 纵向齿轮箱和溜板箱均加外罩,以保持机床原外观，起到美化机床的效果,溜板箱上安装了纵向快速进给按钮,以适应机床调整时的操作需要和遇到意外时紧急处理。5.机械计算部分本次设计将一台CA6140普通机床改造成微机数控机床，采用MCS-51型系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能,具有降速控制功能,其他设计参数如下:最大回直径: 400 mm电机功率: 7.5KW快速进给: 纵向2.4m/min横向1.2m/min切削速度: 纵向0.5m/min 横向0.25m/min定位精度: 0.015mm移动部件重量: 纵向:800N 横向600N加速时间: 30ms机床效率: 0 .85.1选择脉冲当量根据机床精度要求脉冲当量,纵向0.01mm/脉冲，横向为0.005mm/脉冲5.2计算切削力5.2.1纵切外圆1主切削力（Fz）计算由金属切削原理可知切削率：P：电机功率7.5Kw n:主传动系统总效率取：=0.78Pc-切削功率Pc=0.787.5=5.85Kw又Pc=FzV Fz=式中: V 切削速度 V=100m/minFzPc/V=60Pc1000/v=3510N5.2.2 横切端面主切削力F, 可取纵切的1/2F=1/2Fz1/23510=1755N又F: :F=1:0.4:0.25=0.4=0.41755=702NF=0.25=0.251755=438.75NFx=0.25Fz=0.251755=877.5NFy=0.4Fz=0.43510=1404N5.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型5.3.1纵向进给丝杠1计算进给牵引力Fm 纵向进给的综合型导轨 采用三角型或综合导轨: Fm=kFx+ (Fz+G) （3.1） 式中:Fx,Fy,Fz, 切削分力(N):G-移动部件的重量(N)导轨上的摩擦系数,随导轨形式而不同K考虑颠复力距影响的实验系数. f=0.16则Fm=1.15877.5+0.16(3510+800)=1698.75N2计算最大动负载C C=fwFm （3.2）选用滚珠丝杠副的直径d.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称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C可用C=fw.Fm （3.3）L= （3.4）n= （3.5） 式中滚珠丝杠导程L=6mm.可取最高进给速度的(1/21/3)此处VS=0.50.5=0.25m/minT: 使用寿命按15000h计算L: 寿命以106转为1单位Fw: 运转系数，按一般运转取fw:121.5 取fw=1.3N=42r/minL=38小时C=.fw.FmC=1.31698.75=7508.47 3滚珠丝杠螺母的选型查-山东济宁选取滚珠丝杠公称直径为40选用的型号为CDM4006-2.5其额定动载荷15470N,所用强度足够用效率计算= （3.6）式中摩擦角r=2, =10式中:r丝杠螺旋升角 r摩擦角滚珠副的滚动摩擦系数 ,f=0.0030.004 R摩擦角约为10分式中:r螺旋角 CDM4006 r =r:摩擦角取10分n=94.24%5刚度验算先画出纵向进给滚珠丝杠支承方式如图图515.1纵向进给计算简图最大牵引力为1698.75N, 支承间距L=1700mm丝杠螺母及轴承均采用预紧,预紧力为最大牵引力为1698.75N.L= （3.7）式中: Fm工作负载(N)L.:滚珠丝杠L=6mmE:材料弹性模数对钢E=20.610(N/mm)F:滚珠丝杠面积mmF=1/4D=1/440=1256mL=0.394104mm再算滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩的变形量mm=0.39410-4L/6=0.011对滚珠丝杠经过预拉拉伸,拉压刚度可提高4倍其实际变量=1/40.011=2.7510mm=0.00756mm定位精度0.015mm5.3.2横向进给丝杠1计算进给牵引力Fm横向导轨为燕尾形导轨其计算公式如下:Fm=KFx+ (Fz+2Fy+G)式中K:考虑颠复力矩的影响实验系数K=1.4:导轨上摩擦系数为=0.2,移动部件重量G=600NFm=1.4702+0.2(1755+2438.75+600)=1629.3N2计算最大动负载(N)n=.=31.25L=28.125C=1.21629.3=5865.48N3选择滚珠丝杠螺母副 查丛书 山东济宁选用滚珠丝杠为CDM2504-2.5 其额定的动载荷为6638d=25mm =24.5mm 循环列数为12.52 Coa=16826 螺旋导程角 r=arctan r=2 选择精度等级为3级4传动效率的计算 =tg2/tg(2+)=0.945 5刚度计算横向进给丝杠方式,如图所示最大牵引力为2612.1N 支承间距L=450mm 因丝杠长度较短不需要预紧图525.2 其它雷同横向进给系统计算简图1滚珠丝杠的拉伸或压缩变形量L=0.644810滚珠丝杠经过预拉伸=1/40.=0.0018=0.0054小于定位精度定位精度为0.0155.4齿轮传动比的计算5.4.1纵向齿轮传动比计算已确定纵向脉冲当量=0.01 ,滚珠丝杠导程L=6mm和步距角0.75,可计算出ii=0.8可选定齿轮的齿数为i=z1/z2=32/40 或20/25d=mz=64 z1=32 z2=40 或z1=20 z2=35 d2=705.4.2横向齿轮传动比计算已确定横向脉冲当量=0.005mm/step,滚珠丝杠导程L=4mm和步距角0.75 ,可计算出传动比ii=0.6 z1=21 ,z2=355.5步进电机的计算和选型5.5.1纵向步进电机的计算计算简图见滚珠丝杠选择中简图.传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 (kg.cm2)由此式计算 =J+(z1/z2)Js+J2+G/g(L/2E) （3.7）式中:J齿轮z1的转动惯量.J2齿轮z2的转动惯量Js丝杠的转动惯量G工作台及工件等移动部件的重量(N)L丝杠的导程1=0.7810d1b = 0.78106.42=2.62Kg.cmJ2=0.7810d2b=0.781082=6.39Kg.cmJs=07810DL=0.78104170=33.9946Kg.cmG=800N代入式中J=2.62+(32/40)33.946+6.39+800/9.8(0.6/2)=28.91Kg.cm电机力矩的计算机床在不同工况下,其所需要的转距不同,下面分别按各阶段计算快速空载启动时所需要的力矩=Mmax+Mf+M0 （3.8）式中:M起-快速空载启动力矩(N.m)Mmax-折算到电机轴上的加速力矩(N.m)Mf-折算到电机轴上的附加摩擦力矩(M.m)起动加速时间ta=30msMmax=.e=10nmax=传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量(Kg.cm2)电机最大角加速度nmax-电机最大转速 (r/min)脉冲当量步进电机的步距角nmax=500r/minMmax=504.4N.cm摩擦力矩Mf(N.m)Mf=F.导轨摩擦力(N)了发 G运动部件总重量(N)i 齿轮降速比按i=Z1/Z2计算传动链总效率一般=0.70.85取0.8 Mf=12.22N.cm附加摩擦力M0M0=式中 FP0-滚珠丝杠预加载荷一般取1/3FmFm为进给牵引力(N)L0滚珠丝杠导程(cm)N滚珠丝杠未预紧时传动效率94.24%M0=M0=Mmax+Mf+M0=504.4+12.22+10.28=526.9N.cm(2)快速移动时所需力矩=M+M0M=65.88N.cm(3)最大切削力负载时所需力矩 =M+M0+Mt Mt=式中 Fmax-进给方向上的切削力取Fx=877.5N Mt-折算到电机轴上的切削负载力矩(N.cm) Mt=83.84(N.cm) =Mt+M0+Mt=65.88+10.28+83.84=160N.cm 从上面可以看出,三种情况下,以快速空载时 所需力矩最大,以此项工作为初选步进电机的依据 (4)计算电机空载转动和切削堵的工作频率fk=4000Hz =10000.5/600.01=833Hz(5) 步进电机的选择 对于工作方式为五相十拍的步进电机 Mjmax=526.9/0951=554.048 查表选用130BF001型直流步进电机的最大静转距为930N.cm，满足其要求:5.5.2横向进给步进电机的计算和选型(1).步进电机的计算横向计算简图见滚珠丝杠选择中的简图,传动系统折算到电机电机轴上的转动惯量 (kg.cm)可由此式计算:=J1+(z1/z2)JS+J2+G/g(L0/2) 式中:J1-齿轮z1的转动惯量 J2-齿轮z2的转动惯量 JS-丝杠的转动惯量G-工作台及工件等移动部件的重量(N)L0-丝杠的导程 J1=0.7810d1L1=0.78104.22=0.485kg.cm2 J2=0.7810d2L1=0.781072=3.746kg.cm2 G=600N, Js=0.78102.545=1.37kgcm2 =J1+(Z1/Z2)Js+J2+G/g(L0/2) =0.465+(0.6)1.37+3.746+600/10(0.4/6.28) =2.414kg.cm(2) 电机力矩的计算:机床在不同工况下其所需的转距不同,下面分别按各段计算1.快速空载起动时所需的力矩M起=Mmax+Mf+M0Mmax=.e=nmax=500r/minMmax=2.414=42.1N.cm折算电机轴上的摩擦力力矩MfMf=4.58N.cm附加摩擦力矩M0 M0=)=) =11.07NcmMmax=42.1+4.58+11.07=57.75N.cm(3)快速进给时所需力矩M快 =+M0 Mf=4.58N.cm M0=1/3Fm/2paini(1-n2)=11.07N.cm =4.58+11.07=15.65N.cm(4)最大切削负载所需力矩M切=Mf+M0+MtMt=33.4N.cmMf=17.96N.cm M切=33.4+17.96+11.07=62.43N.cm 上面计算可以看出,和三种工况下,以最大切削负载所需力矩作为选用电机的依据当步进电机为五相十拍时=/Mmax Mjmax=/=62.43/0.951=65.64步进电机相数三相四相五相六相拍数3648510612=M/M0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866选用90BF002其最大静转距为400满足要求: fk=4000HZ fv=833HZ 6.微机控制部分在普通车床CA6140基础上加数控部分,以使其成为经济型数控机床,以完成较高的精度加工.6.1 总体设计我国目前广泛使用MCS-51系列中的8031芯片,通过扩展和I/O口扩展功能,实现对机床X,Z两个方向的控制.以及软硬的任务分配有:控制步进电机脉冲发生和脉冲分配,数码显示的字符发生,键盘扫描管理既用硬件管理,又可用软件实现,此次采用若干方案:控制步进电机用的脉冲发生器用硬件.采用国产YB015环行分配器实现,字符发生及键盘扫描均有软件实现.6.2主控制器6.2.1主控器的选择 近年来同外的一些主要的半导体制造厂家相继生产了各种8位的单片微型端口及部分RAM于一体的功能很强的控制器。目前国内用得较广，开发工具较齐的是MCS51系列包含三个产品：8031、8051和8751。三者的引脚完全兼容，仅在结构上有一些差异，主要是8031：8031是无ROM的8051，而8751是用EPROM代替ROM的8051。用得较多的就是我所选用的8031。(1) 8031型芯片:单片机是集CPU,I/O端口及部分RAM一体的功能很强的控制器,8031基本特点如下:1处理器CPU8位2芯片内有时钟电位3具有12 各字节RAM4具有21特殊功能的存储器5具有4 各I / O端口,32根I/O线 6可寻址64K外部数据存储器7可寻址64K外部程序存储器8具有两个16位定时/记时数量9具有5 个中断位,配备两个优先级10具有一个全功能窜行接口11具有寻址能力,适宜逻辑计算从以上论证可以看出,8031型芯片,功能几乎为一块Z80CPU,一块RAM,一块Z80CTC两块Z80PLO和一块Z80SLO处理的微机计算机.(2)8031芯片管脚的功能及其他功能按引脚功能可分三类，即：其一：I/O口线：P、P、P、P共4个8为口。其二：控制线：（片外取指令控制）、ALE（地址锁存控制）、（片外取存储器选择）、RESET（复位控制）。其三：电源及时钟：V、V、XTAL、XTAL。6.2.2 8031对片外存储器的选择 1、EPRAM选择： 根据MCS51单片机应用系统中常用的EPRAM芯片，确定存储器容量为16K。选择EPRAM的型号时，主要考虑的因素是读取速度，这决定着系统是否正确工作。根据CPU与EPRAM时序匹配要求，可选用2片2764程序存储器。 2、RAM选择：单片机的扩展RAM多选用静态RAM，根据容量要求和RAM与CPU的读写时序匹配的要求，这里选用大容量的RAM6264两片。6.2.3 8031并行I/O口扩展 8031有四个8位口(I/O端口),但真正能够提供用户使用的只有P1口,因为P2 P0口通常用来传送外存储器的地址和数据,P3口也需要使用他的第二功能.因此8031的I/O的端口通常需要扩充.以便他能和更多外联机工作.扩充方法有两种: 借用外面RAM地址来扩充I/O端口; 利用并行I/O接口芯片来扩充I/O端口.7.电路原理图设计本次设计在采用8031作为主控芯片,采用两片2764程序存储器之外还扩展了一片6264数据存储器,用一片74LS373锁存P0口传递低8位地址,地址译码采用74LS138C38译码器;采用全地址码,采用二个8155芯片,完成对执行元件的控制。此外,还设有越界报警急停处理电路.7.1关于各线路元件之间线路连接8031芯片的P 和P用来传送外部存储器的地址和数据, P口送的是8位地址, P口传送低八位地址和数据,故采用74LS373地址锁存器,锁存低八位地址,ALE作为首选通信号,当ALE为高电位,锁存器的输入输出速度,即输入的低八位地址在输出端出现,此时不需锁存,当ALE从高电平变为低电平,出现下降沿时,低八位地址在输出端出现,此时不需锁存,当ACE这样POD共组成16位地址,2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址线, AA低8位安74L373芯片的输出,AA按8031芯片的PP系统采用全地址译码,两片2764新片选信号CE分别按74LS138译码器的和,系统复位以后程序从0000H开始执行,6264芯片的片选信号CE地址按74LS138的,单片机的扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址,8031芯片控制信号PSEN按2764的OE引脚,读写控制信号WR和RD分别按6264芯片内部沿有ROM,始终要选片外程序存储器,故按EA地址由于8031只有P口和P口的部分能提供用户作I/O接口使用,不能满足输入输出口的需要,因此比喻扩展输入输出扩展电路.系统扩展3片8155可编程I/O接口芯片,8155(1)的片选信号按74LS138的端74LS138译码器有3个输入A B C 分别按8031的 P P P8个输出,低电平有效. 对应输出A B C DE 000至111 8种现合.其中对应A B C 为111.74LS138有3个使能端,其中2个为低电平使能端,另一个为高电平使能端.只有当使能端均处于有效电平是,输出才能产生,否则输出才能处在高电平无效.I/O接口芯片与外设的联接是这样安排的.8155芯片PA作为显示器段选信号, 输出PAP为显示器的位选信号,输出PC0PC4 5根线是键盘输入.8155芯片的20个引脚按8031芯片的P2.0,因此使用8155的I/O口时P2.0为高电平.8155(2),按X Z 向步进电机硬件环形分配器为输出,系统各芯片采用全地址译码,各存储器及I/O接口芯片.X向Z向步进电机硬件环形分配器采用YB0153-2相5相10拍方式工作,故 均按+5V,时钟输入端CP按8155芯片的TIME007用以决定脉冲分配器是如脉冲的频率,为实现插补时不同的进给的速度,可给8155芯片定时/计数器中设置不同的常数.7.2. 关于电路原理图的一些说明在此电路图中,还有其他功能电路,如报警电路,急停电路,复位电路,隔离电路,功效电路等,此外还有对自动回转刀架,螺纹加工进行控制.1、 复位电路 通常8031的复位有自动复位,和人工按钮复位两种,下面将分别显示电路结构 图71上电复位电路图和开关复位电路图 2、时钟电路 时钟电路如图所示,XTAL和XTAL2为内振荡电路输入线,这两个端口用来外接石英晶体和微调电器,用来联接8031片内OSC的定时反馈回路.3、 光电隔离电路 在步进电机驱动电路,脉冲分配器输出的信号经过放大后,控制步进电机的励磁绕组.由于步进电机需要的驱动电压数高,电流也较大,如果将I/O口输出信号直接与功率放大电路相连,将引起电路干扰,轻则影响计数机程序的正常运行,重则导致接口电路的破坏.因此一般在接口电路与功率放大器之间