C6150普通车床的数控化改造资料

1、晋 中 学 院 本科毕业论文（设计）题 目 C6150普通车床的数控化 改造设计 院 系 机械学院 专 业 机械设计制造及其自动化 姓 名 祁妍婷 学 号 1214312122 学习年限2012年09月至2014年07月指导教师 薛小兰 职称 讲师 申请学位 工学学士学位 2014年5月20日C6150普通车床的数控化改造学生姓名：祁妍婷 指导教师：薛小兰摘 要： 与普通车床相比较，数控机床作为机电液气一体化的典型产品，可以解决在机械加工中结构比较复杂多变的零件加工的问题，而且加工质量好，生产效率也高。随着科学技术的快速发展，数控机床的占有率已经成为衡量一个国家机械制造业水平的重要标志。 购买

2、新的数控机床或者从国外进口是提高产品质量和效率的主要方法，但是费用高，许多工厂在较短时间内没有办法实现，这样就严重阻碍企业设备更新的脚步。采用经济型数控系统对普通机床进行数控化改造，特别适合我国普通机床拥有量大，生产规模小的具体国情。 本次设计是对C6150普通车床的数控化改造设计计算，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。其中主要对伺服系统、数控系统等方面做了详细的计算和设计。设计时我先对数控机床系统进行了总体方案的设计，然后对进给系统、齿轮箱传动比及步进电机进行了设计、选型和计算，最后对微机数控系统硬件电路进行了设计。关键词：数控改造 步进电动机 单片微机R

3、eforming design of NC for C6150 general l-athe Authors Name: Qi Yan-ting Tutor: Xue Xiao-lanABSTRACT: As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and hig

4、h efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining.Along with the science technical fast fierce development, numerical controlling tool machine has already become the important marking which measures a national machine manufactu

5、re industry level. Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Adopt the economic number controls system to carry on a number to control to turn a reformation to

6、the common tool machine, particularly in keeping with our country the common tool machine own to have great capacity, the small concrete state of the nation of the production scale. This design is to control to turn a reformation to the number of C6150 common lather，mainly on the creative design of

7、original structure of lathe to make lathe relative perfect. While in the process, we do detailed calculation and design of servo system, NC and so on. Design when I first CNC machine tool system, the overall design, and then calculated the feeding system, the gearbox ratio and the stepper motor, com

8、puter numerical control system hardware circuit design.KEYWORDS：Numerical transformation of Mechatronics Stepping motor Single chip microcomputer目 录1 绪论12 机床改造总体设计方案的拟定22.1 设计任务22.2 总体方案设计内容32.3 总体方案确定33 机床伺服系统机械部分设计和计算43.1 确定系统的脉冲当量43.2 计算切削力43.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型63.4 齿轮箱的计算133.5 步进电动机的选型和计算143.6 绘制进给传

9、动机构的装配图214微机数控系统硬件电路的设计214.1硬件电路的设计214.2 8031单片机的简介及其扩展234.3 步进电机驱动电路284.4 数控系统的软件设计315总结37参考文献381 绪论 一个企业要在当前竞争激烈的环境中存活就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。目前，我国的大多数企业的生产大都采用的是普通的机床，用这种设备加工出来的产品存在很多缺点，在国内和国际市场上缺乏竞争力。普通机床已不再适应现在生产的要求，而数控机床则综合了现在先进技术，最适宜形状复杂、加工小批量、生产周期要求短的零件。当加工对象改变时，只需要重新对零

10、件进行编程，就可以不改变机床继续加工。因此具有很好的柔性，能很好的满足现在产品不断变化的要求。 最近几年我们国家数控机床的占有率逐年增加，很多家企业己经开始较多的使用。在这些使用的数控机床中，除了少数机床以FMS模式集成使用外，大部分处于单机运行状态，而且很大一部分使用效率不高，管理方式落后。而从国外进口数控车床成本又较高，因此普通车床数控改装已成为不可避免的。近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业己有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。200

11、1年，我国机床工业产值己进入世界第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%，成本太高。所以数控化改造在我国很有必要。 数控机床在现在机械行业中的使用用越来越广泛。数控机床的发展，一方面，是功能齐全；另一方面是简单而实用。与普通机床相比，数控机床具有以下优点：第一，高柔性；第二，加工精度和生产效率高；第三，降低了劳动强度；第四，经济效益良好，有利于企业的发展。在国内工厂技术改

12、造中数控机床改造已成为一个重要的内容。2 机床改造总体设计方案的拟定2.1 设计任务 毕业设计题目：C6150型普通车床的数控化改造设计。 毕业设计要求及原始数据（资料）： 要求：将一台C6150普通车床改造成微机数控车床。对原车床的纵向、横向进给系统进行数控化改造设计，采用MCS-51系列单片机控制系统，步进电动机驱动，开环（或半闭环）控制，具有直线、圆弧插补功能及升降速控制功能，改装后的车床应有自动回转刀架和切削螺纹的功能。系统分辩率纵向0.01mm，横向0.005mm.原始数据：床身上最大工件回转直径：500mm刀架上最大工件回转直径：300mm最大车削长度： 1200mm 溜板及刀架重

13、力： 纵向 1100N 横向 500N刀架快移速度： 纵向 2.0m/min 横向 1.0m/min最大进给速度： 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min主电机功率： 6kW起动加速时间： 30ms机床定位精度： 纵向0.02mm 横向0.01mm代码制： ISO脉冲分配方式： 逐点比较法输入方式： 增量值、绝对值通用控制坐标数： 2 脉冲当量： 纵向 0.01mm/脉冲 横向0.005mm /脉冲刀具补偿量： 099.99mm进给传动链间隙补偿量： 纵向 0.15mm； 横向0.075mm自动升降速性能： 有2.2 总体方案设计内容 接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方

14、案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。 机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、选择伺服系统、选择计算机系统、执行机构的结构及传动方式的确定等内容。一般应根据设计任务和要求提出一个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。2.3 总体方案确定2.3.1控制系统的选择由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，固应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床，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。2.3.2 计算机系统

15、根据机床要求，采用8位微机。因为MCS - 51系列单片机可靠性好、功能强、抗干扰能力强、性价高等优点，决定选用MCS - 51系列8031单片机。 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等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。2.3.3 机械传动方式为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。同时为提高传动精度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。系统总体方案框图见图2-1。 图2-

16、1 系统总体方案框图3 伺服系统机械部分的设计和计算3.1 确定系统的脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数,经济型数控车床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲。任务书中直接给出了脉冲当量：纵向0.01mm/脉冲，横向：0.005mm/脉冲。3.2 计算切削力 车削外圆时的切削抗力有，主切削力与主切削速度方向一致垂直向上，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给力与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。图3-1为切削时总切削力的分解。图3-2横切和纵切时切削力的示意图。 图3-1 切削时总切削力的

17、分解图3-2横切和纵切时切削力的示意图3.2.1.纵车外圆 主切削力根据经验估算: =0.67D (3.1) =0.67×500=7491（N） 其他切削力分别为： (3.2) =5360×0.25=1873（N） =5360×0.4=2996（N）3.2.2.横切端面主切削力取纵切外圆主切削力的1/2. （N） (3.3) 此时走刀抗力为(N),吃刀抗力为.仍按上述比例粗略计算: :=1:0.25:0.4 (3.4) =3745×0.25=936（N） =3745×0.4=1498（N）3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型普通车床大多数采用的是

18、矩形螺纹丝杠等滑动丝杠副，与滚珠丝杠副相比摩擦阻力大、传动效率低，不能适用于高速运动。另外由于磨损快，从而造成其精度差和寿命较低等缺陷。因此，在普通车床的数控化改造设计中经常将其改变为滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠副有以下一些优点：摩擦损失小，传动效率高，可达0.900.96；丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象；磨损小、寿命长、精度保持性好。但应注意，由于滚珠丝杠副不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运动，因此丝杠立式和倾斜使用时，应增加制动装置或平衡装置。滚珠丝

19、杠副的计算步骤如下。3.3.1 纵向滚珠丝杠螺母副的设计计算3.3.1.1 计算进给牵引力(N) 纵向进给为综合型导轨： (3.5) =1.15×1873+0.16×(7491+1100) =3465(N) 式中 考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15； 滑动导轨摩擦系数:0.150.18;溜板及刀架重力：G=1100N。3.3.1.2 计算最大动载荷C C (3.6) L (3.7) n (3.8) 式中 ：指滚珠丝杠导程，初选=6； n：指丝杠转速，（r/min）； ：指最大切削力条件下的进给速度（m/min）,可取最高进给速度的1/21/3，此处取=0.6

20、； ：指使用寿命时间（h）,对于数控机床取T=15000h.。 L：指寿命，以10转为一单位； ：指运动系数，见表1，选=1.2。 表3-1 运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.52.5则 n( r/min) L （N） 3.3.1.3 滚珠丝杠螺母副的选型初选滚珠丝杠副的尺寸规格时，相应的额定动载荷最大动载荷。查表W系列外循环滚珠丝杆副系列尺寸：型滚珠丝杠副的额定动载荷=14790N 因此，初选滚珠丝杠的型号为型，主要参数为：滚珠直径 圈数列数，其额定动载荷为16400N，精度等级选3级。3.3.1.4 传动效率计算 (3.9)式中 ：指螺旋升角，

21、=244 ：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数其摩擦角，约等于。3.3.1.5 刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，滚珠和螺纹滚道间的接触变形，滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。先画出此纵向进给滚珠丝杠支撑方式草图，如下图3-3所示。最大牵引力3465N。支撑间距L=1500mm,丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。 图3-3 纵向进给滚珠丝杠支撑方式草图(1)丝杠的拉伸或压缩变形量 查图滚珠丝杠轴向拉伸压缩变形图，根据=3465N,Do=40mm,查出L/L=1.5×10-5可算出

22、=(L/L)×15000.0225mm (3.10) 由于两端采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量为 (3.11)(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形量由于选用的滚珠丝杠副为W系列2.5 圈1列，可得：mm因进行了预紧，所以： (3) 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形查机械设计手册中表6-2-82，采用51107型推力球轴承，=35mm，滚动体直径=6.35mm，滚动体数量Z=18 (3.12)因施加预紧力，所以： 丝杠的总变形量查表知3级精度丝杠允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格。3.3.1.6 稳定性验算滚珠丝杠两端采用推力轴承

23、，不会产生失稳现象，不需作稳定性校核。3.3.2 横向滚珠丝杠螺母副的设计计算3.3.2.1 计算进给牵引力对于燕尾型导轨： (3.13)由于是燕尾形导轨式中：K=1.4，=0.23.3.2.2 计算最大动载荷C （N） (3.14) n( r/min) (3.15) L (3.16) 3.3.2.3 滚珠丝杆螺母副的选型型滚珠丝杠副的额定动载荷=9932N，因此，初选滚珠丝杠的型号为型，主要参数为：滚珠直径=3.969mm，=6mm，,其额定动载荷为13100N,精度等级选3级。3.3.2.4 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率: (3.17)3.3.2.5 刚度验算横向进给滚珠丝杠支撑方

24、式草图如图3-4所示，最大轴向力为2759N，支承间距L=450mm, 因丝杠长度较短，不需要预紧。 图3-4 横向进给滚珠丝杠支撑方式草图(1) 丝杠的拉伸或压缩变形量 查图表可得： (3.18) (2)滚珠与螺纹滚道间接触变形量由于选用的滚珠丝杠副为W系列2.5圈1列，故可得考虑到进行了预紧，所以： (3.19)(3) 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形查机械设计手册中表6-2-82，采用51102型推力球轴承，其=15mm,滚动体直径=4.763mm, 滚动体数量Z=12， (3.20)考虑到进行了预紧，故： 丝杠的总变形量0.015mm。显然变形量已大于规定的定位精度要求，应该采取相应的

25、措施修改，因横向溜板空间限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨来减少摩擦力，从而减少轴向力，采用贴塑导轨=0.030.05。重新计算如下： (3.21) 查表可得：时，则。此变形量仍不能满足，如果将滚珠丝杠再经过预拉伸，刚度还可提高4倍，则变形量 (3.22)故所选丝杠合格。3.3.2.6 稳定性校核临界负载与工作负载 之比称为稳定性系数，如果，则压杆稳定，为许用稳定性安全系数，一般=2.54。计算临界负载（N）： (3.23)式中 E：指丝杠材料弹性模量，对钢E（N/mm）； I：指截面惯性矩（mm）,丝杠截面惯性矩J（为丝杠螺纹的底径）； ：丝杠两支承端距离（cm）；：丝杠支承方式系数

26、，见表3-2，这里。表3-2 滚珠丝杠支承方式系数方式一端固定一端自由两端简支一端固定一端简支两端固定0.251.002.004.00则 所以此丝杠不会产生失稳。3.3.2.7 滚珠丝杠副的精度等级滚珠丝杠副的精度，按机械工业部标准JB3162.2-91的规定，分为七个等级，即1、2、3、4、5、6、7和10级，1级精度最高，依次逐级降低。通常数控机床根据定位精度的要求选用1-5级精度的滚珠丝杠。表3-3给出1-5级精度的行程公差。如下表所示： 表3-3滚珠丝杠行程公差 (m)项目符号有效行程（mm）精度等级 12345目标行程公差 e68121623315400791318254005008

27、10152027500630911162230行程变动量公差 V6812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300 mm行程变动量V68121623弧度内行程变动量 V456783.3.2.8纵向及横向滚珠丝杠副几何参数表3-4 WL4006及WL2506滚珠丝杠几何参数名称符号WL4006WL2506螺 纹 滚 道公称直径4025导程66接触角钢球直径3.9693.969滚道法面半径2.0642.064偏心距0.0560.056螺纹升角螺 杆丝杠外径3924丝杠内径35.98423螺杆接触直径36.03519.35螺 母螺母螺纹

28、直径44.01628螺母内径40.79324.23.4 齿轮箱的计算3.4.1 纵向进给齿轮箱的计算 已知纵向进给脉冲当量 ，选择丝杠导程，初定步进电机步距角，计算传动比: (3.24)可以选择的齿轮齿数为： 或 或3.4.2 横向进给齿轮箱的计算 已知横向进给脉冲当量=0.005，所选丝杠导程=6mm，步距角,所以传动比为： (3.25) 从结构上考虑，不能使大齿轮直径过大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可以选用两级齿轮降速： 模数m取2。齿轮有关参数参照下表： 表3-5 齿轮参数纵 向横 向齿数 32 40 24 40 20 30分度圆 64 80 48 80 40 60齿顶圆 68

29、 84 52 84 44 64齿根圆597543753555齿宽 20 20 20 20 20 20中心距 72 6450 3.5 步进电动机的选型和计算3.5.1 纵向进给步进电机计算3.5.1.1 步进电动机转轴上的总转动惯量的计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算： （3.26）式中 ：指步进电机转子转动惯量；参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF002，其转子转动惯量 =10 、：指齿轮、的转动惯量； ：指滚珠丝杠转动惯量； ：指工件及工作台重量（N）； ：指丝杠导程（）； 对于齿轮：D可取分度圆直径，L取齿轮宽度； 对于丝杠：D可近似取丝杠公称直径滚珠直径，L取丝

30、杠长度。具体计算如下： 代入上式3.26： 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题（）基本满足惯量匹配的要求。3.5.1.2 步进电动机转轴上的等效负载转矩的计算电机在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：(1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 （3.27）快速空载起动时折算到电动机轴上的最大加速转矩 （3.28） （3.29） 移动部件运动时折算到电机轴上的摩擦力矩 (3.30)滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 （3.31） 由于滚珠丝杠的传动效率很高，所以由上述公式计算的值很小，通常可以忽略不计。则有： (2) 最大工作状态下电动机转轴所承担的负载转矩 （

31、3.32） （3.33） （3.34）经上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩： 以此作为初步选择步进电动机的选择依据。(3)步进电动机最大静转矩的选定由表3-6得：当步进电动机为三相六拍时，则 表3-6步进电动机起动转距与最大静转距关系步进电机相 数 三 相四 相五 相六 相拍 数36485106120.50.8660.7070.8090.9510.8660.866按此最大静转距从表中查出，150BF002型最大静转距为13.72，比所需最大静转距要大，所以可选作初选型号，但是也必须再一次考核步进电动机的运动矩频特性和起动矩频特性。(4)计算步进电动机的工作频率和切削时的空载

32、起动频率步进电动机的起动频率： （3.35）最高工作频率: （3.36）可查出150BF003型的步进电动机所允许的最高空载启动频率为3800，运行频率为7000，再从图3-5看出，当步进电机启动时，远远不能够满足机床的空载启动力矩（5.49），如果直接使用就会出现失步，所以必须采用升降速控制（用软件实现），半起动频率降到1000，起动力矩可提高到5.88，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运行矩频则完全可以满足要求。 图3-5 150BF002型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性3.5.2 横向进给步进电

33、机计算3.5.2.1 步进电动机转轴上的总转动惯量的计算折算到电动机轴上的总的转动惯量的计算： （3.37）式中 步进电动机转子转动惯量 、齿轮、的转动惯量 滚珠丝杠转动惯量参考这类型的机床，初步选择反应式步进电机110BF，其转子转动惯量=4.606 代入上式3.37： 由此可见步进电机与传动系统惯量的匹配满足惯量匹配的要求。3.5.2.2 步进电动机转轴上的等效负载转矩的计算电机在不同的工作状态下，其所需转矩不同，下面就进行分别的计算：(1)快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 （3.38） 快速空载起动时折算到电动机轴上的最大加速转矩 （3.39） （3.40） 移动部件运动时折算到

34、电机轴上的摩擦力矩 丝杠预紧以后折算到电机转轴上的附加摩擦转矩 （3.41） 由于滚珠丝杠的传动效率很高，所以由上述公式计算的值很小，通常可以忽略不计。则有： (2)最大工作状态下电动机转轴所承受的负载转矩 （3.42） （3.43） （3.44）经上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩： 以此作为初选步进电机的依据。(3)步进电动机最大静转矩的选定由表3-6得：当步进电动机为三相六拍时， ，则 按此最大静转距从表中查出，110BF003型最大静转距为7.84，比所需的最大静转距还大，可成为初步选择的型号，但是还是需要进一步考虑步进电动机的运动矩频特性和启动矩频特性。(4)计算

35、切削时的工作频率和空载时的启动频率 步进电动机的启动频率： （3.45）最高工作频率: （3.46）查表110BF002型步进电动机的运行频率为7000，最高空载启动频率为1500，不能满足（3333Hz）的要求。再从图3-6查出110BF002步进电动机的运行矩频特性和起动矩频特性。不能满足此机床所要求的空载起动力矩（1.27），直接使用则会出现失步，所以必须采用升降速控制（用软件实现），半起动频率降到1000，起动力矩可提高到400，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，110BF002型步进电机运行矩频则完全可以满足要求。 图3-

36、6 110BF002型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性3.6 绘制进给传动机构的装配图完成了丝杠螺母副的选型、齿轮箱的计算和步进电动机的选型以后，就可以开始绘制进给传动机构的装配图了。在绘制装配图时需要注意一下几点：（1） 了解原机床的详细的内部结构，从有关资料中查阅床身、床鞍、中滑板、刀架等的结构尺寸。（2） 根据载荷特点和支撑形式，确定丝杠两端轴承的型号、轴承座的结构，以及轴承的预紧和调节方式。（3） 考虑各部件之间的定位、连接和调整方法。（4） 考虑密封和防护、安全机构以及润滑等等的问题。比如：丝杠的润滑、轴承的润滑及密封、防尘、防铁屑、行程限位保护装置等。（5） 在进行各零部件设计时

37、，应注意装配的工艺性，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。本设计具体的装配图和零件图见图纸。4微机数控系统硬件电路的设计4.1硬件电路的设计4.1.1控制对象及要求 此次设计对象为经济型数控机床的控制系统硬件电路，采用MCS-51系列单片机作为数控系统的CPU。要求需控制两轴：X轴和Y轴，且具有直线、圆弧插补功能及升降速控制功能。改装后的车床应有自动回转刀架和切削螺纹的功能。4.1.2总体方案的确定 数控系统的组成部分是硬件和软件。硬件是基础，没有硬件，软件就不能有效的运行。数控系统的性能指标是由硬件电路的可靠性直接决定的。硬件电路的组成部分如下所示：(1)中央处理单元CPU；(2)程

38、序存储器和数据存储器；(3)数据总线、控制总线和地址总线；(4)接口，即输入/输出接口电路；(5)外围设备，如键盘、显示器等。4.1.3中央处理器CPU的选用 在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下几点：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MSC-51系列单片机作为主控制器。MSC-51系列单片机包括8051、8751、8031、8951.这四个机种区别，仅在于片内程序储存器。8051为4K

39、BROM，8751为4KBEPROM，8031片内无程序储存器，8951为4KBEEPROM。其他性能结构一样，有片内128B RAM，2个16位定时器/计数器，5个中断源。其中，8031性价比较高，又易于开发，目前应用面广泛。由此可见选用8031芯片是符合经济型数控机床电路设计的。4.1.4存储器扩展电路的设计 8031单片机内片只有128个字节的RAM，需要外扩存储器。存储器扩展电路设计包括程序存储器和数据存储器的扩展。 在选择程序存储器时，有三种ROM可供选择，一种是掩膜ROM,一种是可编程ROM(PROM），还有一种是紫外线可檫除ROM(EPROM)，现在多用的是EPROM，在选择EP

40、ROM时考虑CPU和EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。 在选择数据存储器时，常采用半导体静态随机存储器RAM电路。常用的数据存储器有静态RAM（SRAM)和动态RAM(DRAM)两类。虽然DRAM具有大容量、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而SRAM无需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SRAM。在8031单片机应用系统中最常用的静态数据存储器RAM芯片有6116(2K×8)HE 6264(8K×8)两种。根据设计要求选择6264(

41、8K×8)芯片。4.1.5扩展键盘及 I/O接口电路的设计 扩展键盘及I/O接口电路的设计包括：伺服控制电路、键盘、显示部分、I/O接口芯片以及其他电路的设计。设计时要求考虑系统的驱动能力，驱动能力不足时，系统工作不可靠。机床数控系统硬件框图（开环系统）见图4-1： 图4-1 机床数控系统硬件框图（开环系统）4.2 8031单片机的简介及其扩展4.2.1 8031单片机的引脚及其功能 8031芯片有40个引脚，各引脚按功能可分为三部分：I/O口线：P0，P1，P2，P3共4个8位口；控制口线：，ALE，RST； 电源及时钟：V、V；XTAL1，XTAL2。8031芯片引脚见图4-2。

42、图4-2 8031芯片引脚4.2.2 8031单片机的内部结构 8031单片机由7个部件组成，既微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定时/计数器及中断系统，它们都是通过片内单一总线连接而成的。4.2.3 8031单片机的应用特性（1）具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）；（2）片内有时钟发生电路，每执行一条指令时间为2微秒或1微秒；（3）片内具有128字节RAM；（4）具有21个特殊寄存器；（5）可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器。（6）具有4个I/O口，32根I/O线；（7）具有2个16位定时/器计数器；（8）具有5个中断

43、源，配备2个中断优先级；（9）具有一个全双功串行接口；（10）具有位寻址能力，适合逻辑功能。从上述特性可知，一块8031的功能几乎相当于一块Z80CPU、一块RAM、一块Z80CTC、两块Z80PIO和一块Z80SIO所组成的微机系统。可以看出这种芯片集成度高、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。4.2.4 8031单片机的系统扩展 8031单片机内无程序存储器，如不扩展外部程序存储器则不能工作，且片内仅有128字节数据存储器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片内RAM也不够用，须扩展。8031片内四个I/O口中仅P1口可作为8位双向的I/O接口用户使用，也须扩展，有些

44、情况还须扩展定时/计数器等。 所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展：数据总线（DB）：由P0口提供，数据总线要连接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输通道。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。控制总线（CB）：系统扩展用控制总线有、ALE、。4.2.4.1存储器的扩展（1） 程序存储器的扩展 常用的程序存储器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等

45、，均为28脚双列直插式扁平封装长片。本设计中选择两片2764（8K×8）半导体芯片，晶体频率选用6MHz，其所能提供的读取时间t小于480ms，故其芯片在时序上满足要求。2764芯片的引脚排列如图4-4。 图4-4 2764芯片的引脚（2） 数据存储器的扩展 常用的静态RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它们都由单一的+5V电源供电，28脚双列直插式扁平封装，典型存取时间为150200ns。本设计中选择的是6264(8K×8)芯片。Intel 6264 是8K ×8 SRAM，单一的+5V电源，所有的输入端和输出端都与TTL电路

46、兼容。其引脚如图4-5所示。其中，CS为片选信号，OE为输出允许信号，WE为写信号，A0A12为13根地址线，D0D7为8位数据线。 图4-5 6264引脚4.2.4.2 I/O口的扩展MCS51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，因此不可避免的要进行I/O端口的扩展。Intel公司常用的外围接口芯片有：8155：可编程的RAM/IO扩展接口电路（256个RAM单元、2个8位口、1个6位口、一个14位的定时/计数器）；8255：可编程的通用并行接口电路（3个8位口）；8253：3个16位的可编程的定时/计数器；8279：可编程的键盘、显示电路；8243：4个4位口I/O扩展接口电路。此外，74LS系列的LSTTS电路或MOS电路也可作MCS-51单片机的扩展I/O口，如74LS373、74LS377等。本设计中使用两片8155可编程接口芯片。下面简单介绍8155通用可编程接口芯片。（1）8155的结构