CA6140车床的数控改装

CA6140车床的数控改装

绪论

数控机床的进展史

1946年诞生了世界上第一台电子计算机。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与六代的进展。（注：两个阶段：数控NC阶段与计算机数控CNC

阶段。六代：即电子管时代、晶体管时代、小规模集成电路时代、小型计算机时代、微处理

器时代与基于PC时代）。务必指出，数控系统进展到了第五代以后，才从根本上解决了可

靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便（要紧是编程困难）等极为关键的问题。因此，数控

技术通过了近30年的进展才走向普及应用。

机床数控化改造的意义

机床数控化改造，顾幺思义就是在机床上增加微型计算机操纵装置.，使其具有一定的自

动化能力，以实现预定的加工工艺目标，

众所周知，企业要在猛烈的市场竞争中获得生存、得到进展,就务必在最短的时间内以优

异的质量、低廉的成本，制造出满足市场需求、性能合适的产品。目前,使用先进的数控机床

已成为我国制造技术进展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的要紧途径,而改造

旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的另一条有效途

径。机床数控化改造的市场目前在我国有很大的进展空间，现在我国机床数控化率不到3%。

用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高等不良因素，直接影

响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存与进展，因此务必大力提高机床的数控化

率。

近年来，美国、H本、德国、英国等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对

普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃。机床改造业正逐步从机床制造业中

分化出来，形成了用数控技术改造机床与生产线的新的行业与领域。

数控化改造后机床的优越性

1）机床数控化改造能够提高零件的加工精度与生产效率“

2）机床数控化改造能够提高机床的性能与质量，加工出普通机床难以加工或者者不能加工的

兔杂型面零件。

3）机床数控化改造后能够实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高3-7倍。

4）可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运，降低工件的定位误差。

5）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床加工状态。还能

够提示操作者机床故障或者编程错误等机床运行中出现的问题。

6）数控加工降低了工人的劳动强度，节约了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期很

生产周期，并可对市场需求做出快速反应。

经数控化改造的机床就成为了数控机床,具有数控机床的特点，如数控机床本身具有的高速、

高效与高精度，工序集中，可靠性高等特点。但是改造后的机床也具有一定的局限性，要紧

有机床原有结构精度限制了改造后机床的加工精度与加工性能;机床原有的结构形式限制了

改造后机床的加工范围与数控化程度。这些不利条件最终影响了改造后机床的速度与精度。

随着数控产业整体水平的提高，数控系统的性能、伺服电动机及其驱动装置等配套产品的性

能也提高很多，对数控化改造中机床速度与精度的提高都非常有利

一.总体设计方案：

1.1设计任务:

将CA6140普通车床改造成用MCS-51系列单片机操纵的经济型数控机床，使用步进电机开

环操纵，纵向与横向均具有直线与圆弧插补功能。要求该车床具有自动回转刀架，具有切削

螺纹的功能。

设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，与传动方式与执行机构的选择等。

（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向与横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求

能暂停，进行循环加工与螺纹加工等，因此，数控系统选连续操纵系统。

（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、

降低成本，因此，进给伺服系统使用步进电机开环操纵系统。

（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、操纵速度与经济性要求，经济型数控机床

通常使用8位微机。在8位微机中，MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能

强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选MCS-5I系列单片机扩展系

统。

（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包含扩展程序存储器，扩展数

据存储器、I/O接口电路；包含能输入加工程序与操纵命令的键盘，能显示加工数据与机床

状态信息的显示器，包含光电隔离电路与步进电机驱动电路，此外，系统中还应包含蟒.纹加

工中用的光电脉冲发生器与其他辅助电路o

（5）设计自动回转刀架及其操纵电路。

（6）纵向与横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副构成，

其传动比应满足机床所要求的分辨率。

（7）为了保证进给伺服系统的传动精度与平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝

杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度与消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机

构。

（8）使用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。

1.2给定条件:

设计参数如下：

最大加工直径：在床面上400mm,在床鞍上210mm；最大加工长度：1000mm；溜板及刀

架重力（纵向/横向）：1000/600N：刀架快移速度（纵向-横向）：2.4-1.2m/min；最大进给

速度（纵向-横向）：0.6-0.3m/min；定位数度：0.015mm；主电机功率：7.5kw；启动加速

时间:30ms;

1.3.设计要求：

1.3.1.系统的运动方试与伺服系统的选择

由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工

等功能，因此应该选用连续操纵系统。考虑到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，使用步进电机开环操纵系统。

1.3.2.计算机系统

根据机床要求，使用8位机。由于MCS—51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统

结构紧凑。关于简单的应用场合，MCS—51系统的最小系统用一片8（）31外扩一片EPROM

就能满足功能的要求，关于复杂的应用场合，能够利用MCS-5I的扩展功能，构成功能强、

规模较大的系统。因此应选用8031单片机。其次，《设计任务书》也给出了选用8031。由

此可见选用8031是符合经济数控机床电路设计的。

1.3.3.机械传动方式

为r实现机床所要求的分辨率，使用步进电机经齿轮减速再传动丝杠。为了保证一定的传动

精度与平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度与消除间

隙，使用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要使用消除齿侧间隙的结构。

系统总体方案见如下如下二.进给系统机械部分设计与计算

2.1.进给系统机械结构改造设计

进给系统改造设计需要改动的要紧部分有挂轮架、进给第、溜板箱、溜板

刀架等改造的方案不是唯一的。下列是其中的一种方案：

挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。

进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成

丝杠、光杠与操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座

端原先装轴承座的部分。

溜板箱部分：全部拆除，在原先安装滚珠丝杠中间支撑架与螺母与部分操

作按钮。

横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺

母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。

刀架：拆除原刀架，改装臼动回转四方刀架总成。

2.2.系统机械部分设计计算

伺服系统机械部分设计计算内容包含：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量

计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机，绘制机械部分装配图及零件工作图等。

2.3.横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤

横向进给系统计算简图如下：

少图

（图2-1横向进给系统计算简图）

2.3.1.系统脉冲当量及切削力的确定

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、铳床常使用

的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向:0.01mm/step.

2.3.2.切削力的计算

纵车外圆时主切削力Fz（N）按经验公式估算：

主切削力：Fz=0.67Dmax=0.67（式2-1）

横切端面时主切削力Fz可取纵向主切削力的1/2：Fz=0.5Fz=2680N

按切削力各分力比例：Fz；F：F=l：0.25：0.4（式2-2）

因止匕F=2680

2.3.3.滚珠丝杠螺母副的设计、计算、与选型

滚珠循环方式可分为外循环与内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式与插管式。

珠丝杠滚副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单

螺母变导程预紧与过盈滚珠预紧等几种。

2.3.3.1.计算进给牵引力Fm（N）

横向导轨为燕尾形，计算：F（式2-3）

其中F为滑动导轨摩擦系数：0.15-0.18取0.16,G为溜板及刀架重力G

F

2.3.3.2.计算最大动负载C

C=(式2d)

以上式中：L。为滚珠丝杠导程，初选Lo=5mm;Vs为最大切削力下的进给速度，可取最高进

给速度的1/2-1/3,取1/2,即Vs=0.3;fw为运转系数,按通常运转取fw=L2・1.5取1.3:L

为寿命，以10转为1单位,T为额定寿命，可取TT5000h

nL=C=

2.3.3.3.滚珠丝杠螺母副的选型

根据《机械设计手册》，CDM2005-2.5外循环插管式垫片预紧导珠管入型埋入滚珠丝杠副

的额定动载荷8451N,可满足要求，诜定精度为3级。

2.3.3.4.传动效率十算

r|=tan/tan(+<p)(式2-5)

式中.为螺旋升角，根据初选型号查出，滚动摩擦系数40.003〜0.004,(p-摩擦角取10、

T]=tan/tan(+<p)=tan4o337tan(4°33,+10>0.965

2.3.3.5.刚度验算

最大牵引力为2425N,支承间距L=450mm,因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。

计算如下：

丝杠的拉压变形量

根据Fm=1806N,Do=20mm,从工厂的滚珠丝杠样本的图表中查出/L=4

因此，=4mm

滚珠与螺纹滚道接触变形

查资料：因进行了预紧，因此。

支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形

使用8102单向推力轴承（GB301-84）,d=4.673,Z=12,d=15mm；

考虑到进行了预紧，因此：=;

综合合以上几项变形量之与：

显然，此变形量已大于定位精度的要求，应该采取相应的措施修改设计，因横向溜板限制，

不宜再加大滚珠丝杠直径，故使用贴塑导轨减小摩擦力，贴塑导轨的摩擦系数在0.03~0.05

之间，在此取F=0.04,从而减小最大牵引。重新计算如下：

Fm=1.4

从资料中查出，当Fm=1155N时，，因此，=,不变。

因此综合几项变形量之与：。此变形量仍不能满足要求，假如将滚珠丝杠再通过预拉仰，刚

度还能够提高四倍，则：

,此变形量能够满足设计要求。

2.3.3.6.稳固校核：

计算临界负载：F（式2・6）

其中：E丝杠材料弹性模量，钢材：E=20.6N/cm；I为截面惯性矩，丝杠：，为丝杠的内

径，L为丝杠最大工作长度（mm）,f为丝杠支承方式系数，由于丝杠是一端固定一瑞简

支，查表（2-7）得f=2.0因此：

图框：

签:

表（二-1）

方式两端端自由一端固定一端自由两端固定两端简支

Fz0.252.04.01.0

,因此滚珠丝杠不可能失稳。

2.3.3.7.滚珠丝杠副的几何参数：

滚珠丝杠副型号：CDM2C05-2.5；公称直径d=20；螺纹底径；导程；钢球直径；丝杠外

径：旋环列数圈数；额定动载荷；额定静载荷：接触刚度。

螺母安装尺寸：

（图2-2内循环滚珠丝杠副安装连接尺寸）

D=45D3=70D4=56B=lID5=5.8D6=IO

h=6L=78LI=28C=4A=3M=M6

2.4.纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤

纵向进给系统计算简图如下:

(图2-3纵向进给系统计算简图)

2.4.1.最大工作荷载/算

滚珠丝杠的工作载荷Fm(N)是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝

杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包含滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力与作用

在导轨上的其他切削分力有关的摩擦力。

由于原普通CA6140车床的纵向导轨是三角形导轨，则用下面计算

工作载荷的大小。

Fm=KFL+F(Fv+G)(式2-7)

车削抗力分析

车削外圆时的切削抗力有Fx、Fy、Fz,主切削力Fz与主切削速度方向一致

垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的要紧根据v切深抗力Fy与纵向进给垂直，影响

加工精度或者已加工表面质量。进给抗力Fx与进给方向平行且相反指向，设计或者校核进

给系统是要用它。

纵切外圆时，车床的主切削力Fz能够用下式计算：

Fz=0.67Dmax=0.67

由《金属切削原理》知：

Fz:Fx:Fy=1:0,25:0.4

得Fx=1340(N)

Fy=2144(N)

由于车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板与导轨匕车削作

业时作用在进给托板的载荷Fl、Fv与Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系。

因此，作用在进给托板上的载荷能够按下式求出：

托板上的进给方向载荷Fl=Fx=1340(N)

托板上的垂直方向载荷Fv=Fz=5360(N)

托板上的横向载荷Fc=Fy=2144(N)

因此，最大工作载荷Fm=KF+f(Fv+G)(式1-8)

=1.15x1340+0.04x(5360+90x9.8)

=1790.68(N)

关于三角形导轨K=I.15,「=0.03〜0.05,选f=0.04(由因此贴塑导轨)，G是

纵向、横向溜板箱与刀架的重量，选纵向、横向溜板箱的重量为75kg,刀架重量为15kg.

2.4.2.最大动载荷C的计算

滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用，可用式34计算：

C=fmm(式2-8)

L为工作寿命，单位为IOr,L=60nl/10:n为丝杠转速(r/min),n=1000v/Lo；v为最大切

削力条件下的进给速度(m/min),可取最高进给速度的1/2〜l/3;L0为丝杠的基本导程，查

资料得为运转状态系数，由于如今有冲击振动，因此取fm=1.5.

V纵向=L59mm/rxl400r/min=2226mm/min

n纵向二v纵向xl/2/L（）=2226xl/2/l2=92.75r/min

/.L=60nt/106=60x92.75x15000/106=83.5

则C=fmFm=xl.5xl790.68=11740(N)

初选滚珠丝杠副的尺T规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大载荷C;因此有

Ca>C=11740N

另外比如滚珠丝杠副有可能在静态或者低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效

形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa是否充分地超过了滚

珠丝杠的工作载荷Fm,通常使Coa/Fm=2-3.

初选滚珠丝杠为：外循环，由于内循环较外循环丝杠贵，同时较难安装。考虑到简易经济改

装，因此使用外循环。

因此初选滚珠丝杠的型号为型CD63X8-3.5-E型，要紧参数为

Dw=4.763mm,Lo=8mm,dni=63min,X=2°19',圈数x列数3.5x1

2.4.3.纵向滚珠丝杠的校核

2.4.3.1.传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率为n

n=tgX/tg(X+(p)=tg20197tg(23195+10*)=92%(式2-9)

2.4.3.2.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与运动平稳性，滚珠

丝杠副的轴向变形包含丝杠的拉压变形，丝杠与螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形

引起的纵向变形与螺母座的变形，滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。丝杠的拉压变形展61:

dl=±Fml/EA

=±1790.68x2280/20.6x10x^(31.5)2

=0.0064mm（式2-10）

滚珠与螺纹滚道间的接触变形量82使用有预紧的方式，因此用公

式82=0.0013x（式2-11）

=0.0013x

=0.0028mm

在这里Fyj=l/3Fm=l/3x!790.68=597N

Z=7idm/Dw=3.14x63/4.763=41.53

ZZ=41.53x3.5xI=145.36

丝杠的总变形量431+S2=0.0064+0.0028=0.0092mm<0.015mm

查表知E级精度丝杠同意的螺距误差为0.015mm,故所选丝杠合格。

2.4.3.3.压杆稳固性睑算

滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳固而产生纵向

屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为Fk

Fk=fz2EI/L2（式2-12）

式中：E为丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6xl04Mpa：I为截面惯性矩，对丝杠圆截面

1=7⑹4/64（mm』）（dl为丝杠的底径）；L为丝杠的最大工作长度（mm）；fz为丝杠的支撑方式

系数由表二-2查得。

表二2

方式两端端自由一端固定一端自由两端固定两端简支

Fz0.252.04.01.0

由Fk=fz7r2EI/L2且fz==2QE=20.6xJ04Mpa,I=7rdl4/64inm4.L=2800mm为丝杠的长度

由于I=Jtdl4/64

=兀(63-5.953)%4

=3.I4X57.0474/64

=519614mm

Fk=2x3.l42X20.6X104^19614/28002

=276276

Nk=276276/1875

=149»4

因此丝杠很稳固。

2.5.齿轮传动比计算

已确定横向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程Lo=5mm,初选步进电机步距角0.75,计算传动

比：(式2-13)

考虑到结构上的原因，不能使齿轮直径太大，以免影响溜板的有效行程，因此，可使用两级

齿轮降速：，因进给运动齿轮受力不大，模数取m=2。

2.6.步进电机的计算与选型

5.6.1.等效传动惯量计算:

传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J可由下式计算：

（式2-14）

其中：为步进电机转子的转动惯量；J1为齿轮Z1的转动惯量；J2为齿轮Z2的转动惯量：

Js为滚珠丝杠的转动惯

量。

参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF,其转子的转动惯量为10o

Jl=;

J2=；

J3=

代入上式：

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。

2.6.1.电机力矩的计算

机床在不一致的工况下，其所需转距不一致，下面分别按各阶段计算：

2.6.1快速穿戴启动力矩M

1）在快速穿戴启动阶段，回速力矩占的比例较大，具体计算公式如下；

启动加速时间=30ms,=o

2）折算到电机轴上的摩擦力矩Mf：

3）附加摩擦力矩MO：

（式2-15）

（式2-16）

4）快速移动时所需力矩

5）最大切削负载时所需力矩：

从上面计算能够看出，M起，M快与M切三种工况下，以快速空载启动力矩最大，因此,

以此项作为初选步进电机的根据。

查资料，当步进电机为五项十拍时，最大静力矩0

按此最大静力矩，130BF001型反应式步进电动机的最大静转矩为9.31Nm。大于所需最大静

力矩，作为初选型号。下面，进一步考核电机启动频率恃征与运行矩频特征。

2.6.2.步进电机空载启动频率与切削时的工作频率：

o（式2/7）

根据《机电一体化机械系统设计》（机械工业出版社），130BF001型反应式步进电动机同

意的最高空载启动频率为3OOOHZ,同意的最高空载运行频率为16000GZ,因此，务必使用

升降速操纵与高低压驱动电路。

2.6.3.纵向齿轮及转矩的有关计算

1）有关齿轮计算，由前面的条件可知：

工作台重量：W=80kgf=800N（根据图纸粗略计算）

滚珠丝杠的导程：Lo=12mm

步距角：a=0.75o/step

脉冲当量：6P=0.01mm/step

快速进给速度：Vmax=2m/min

因此，变速箱内齿轮的传动比

i====2.5（2-18）

齿轮的有关参数选取如下：

Zi=32,Z2=40，模数m=2mm

齿宽b=20mm压力角a=20。

齿轮的直径di=mzi=2x32=64mm

d2=mzi=2x40=80mni

d«2=di+2ha+=68mm

d（x2=d2+2ha=84n】m

两齿轮的中心矩a===72mm

2）转动惯量计算

工作台质量折算到步进电动机恸上的转动惯量:

对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算:

式中D一圆柱形零件的直径,cm

L一零件的轴向长度,cm

因此，丝杠的转动惯量：

3)齿轮的转动惯量：

电动机转动惯量很小，可忽略。

因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量

J-(l/i2)(Js+Jz2)+Jzl+Jl

表(二-2)：

丝杠名义丝杠名义直径

导程/mm导程/mm

直径/mm/mm

40.941035.76

2050

50.841231.98

52.24881.58

25

62.00601078.02

54.911274.96

30

64.478157.35

59.267010150.47

3568.7212145.13

88.3010263.49

80

516.2912255.84

40

615.459010420.31

815.1812392.75

626.1312649.56

45824.5410016615.16

1022.6320562.44

639.75201233.93

50120

837.64241144.60

表（二-2）滚珠丝杠的转动惯最

4）所需转动力矩计算

快速空载启动时所需力矩

M=Mamax+Mf+Mo

最大切削负载时所需力矩

M=Mat+Mf+Mo+Mt

快速进给时所需力矩

M=Mf+Mo

式中，Mamax一空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩；

Mai折算到电动机轴上的加速度力矩；

Mf…折算到电动机轴上的摩擦力矩；

Mo…由丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加摩擦力矩;

Mat…切削时折算到电动机轴上的加速力矩；

Mt—折算到电动机轴上的切削负载力矩;

Ma=xlO^N.m(2-21)

n一丝杠转速,i7min

T一时间常数,s

当n=nmax时Ma=Mamax

nmax===416.7r/min

Manux=xlO4=2.49N.m

当n=nt时，Ma=mat

nt----------24.88r/inin

式中f—导轨上的摩擦系数

nt一切削加工时的转速，r/min;

w--移动不见的重.量，N;

Lo—丝杠导程，cm;

i一传动比；

H—传动效率。

当展0.8,「=0.16时，

式中，小一丝杠未预紧时的效率，取0.9

F。一预加载荷，通常为最大轴向载荷的"3,即FP/3

因此，快速空载启动所需力矩

切削时所需力矩

快速进给时所需力矩

由以上分析计算可知：所需最大力矩Mamx发生在快速眉动时

因此所选的步进电机130BF001满足要求。

三微机数控系统硬件电路设计

3.1.操纵系统的功能要求

(DZ向与X向进给伺服运动操纵；

(2)自动回转刀架操纵；

(3)螺纹加工操纵

(4)行程操纵；

(5)键盘及显示；

(6)面板管理；，

(7)其他功能：光电隔离、功宰放大、报警、急停、复位等；

3.2.硬件电路的构成

附图I.是MCS-51系列单片机构成的操纵系统硬件电路原理图

电路的构成如下

1CPU是使用8.31芯片

2扩展程序存储器2764两片，扩展数据存储器6264一片

3扩展可编程接口芯片8155两片

4地址锁存器、译码器各一片

5)键盘电路，显示电路；

6)光电隔离电路.功率放大电路；

7)越程报警电路、急停龟路、复位电路；

8)面板管理电路。

3.3.设计说明

(1)CPu使用8031芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有128字节，因此，扩

展外部程序存储器2764两片，数据存储器6264一片8031的I。接口也不能满足输入输出的

要求，本系统也扩展了两片8155可编程接口芯片。

(2)使用741sl38三八译码器的输出作为片选信号。2764⑴,2764(2),6264,8155(1)与8155(2)

的片选信号分别接到泽码器的一Yo---Y4O74LS138的输入A.B.C分别接8031的P2.5,

P2.6,P2.7o

(3)由于2764与6264芯片都是8kB,需要13根地址线。A0〜A7低8位接74LS373芯片

的输出，A8~A12接8031芯片的P2.0-P2.A,74LS373地址锁存器在选通信号ALE为高

电平常直接传送8031P0I」低8位地址，当ALE在在高电平变低电平的下降沿时，低8位地

址被锁存，如今，P0I：1可用来向片外传送读写数据。

(4)接口芯片与外设的联接及设计说明如下：

8I55(2)PA.0〜PA.7输出的指令脉冲通过光电隔离电路与功率放大电路直接驱动纵向与横

向步进电机的共八相绕组.在木系统中使用软件环形分配器方式，尽管运行速度慢一些，但

能够省去两个硬件环形分配器，电路比较简单。由于步进电机的每一相绕组需与一个I/O

口相连，以便与操纵寄存器中某一指定位相对应，因此占用的I/O口数量较多。

8155(2)的PC.0〜PC.5作为显示器位选信号，显示器的段选信号则由8031的

P1.0〜P1.7发出。8155的PB.0〜PB.3是键盘扫描输入。行程限位报警信号+Z,-Z,

+X,一X分别通过8155(2)的PB.4,PB.5,PB.6,PB.7提出中断请求“根据不一致

的中断口能够直接识别行程的方向，如今相应的

红灯报警。

8155(1)的PC.O--PC.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.O-PC.3

发出刀位信号，经交流操纵箱操纵刀架电机回转，到达指定的刀位。刀架夹紧后，即发出回

答信号，表示己完成换刀过程，口丁以进行切削加工。换刀回答信号经8155(1)的PB。5输

入计算机，操纵刀架开始进给。

8155(1)的P1A.。〜PA.£接操纵面板上的选择开关，设有编辑、空运行，自动、手动⑴、

手动(II)、回零等选择方式。

8155(1)的PB.0〜PB.4接操纵面板上的按钮开关，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会发出螺纹加工信号与零位螺纹信号。

螺纹加工信号送人8031的仰，通过设置不一致的时间常数，能够改变主轴每转时的纵向进

给量，从而加工出不•致螺距的螺纹。零位螺纹信号送入8155(1)的船6,用来防止多次走

刀时螺纹乱扣。

(5)系统各芯片使用全地址译码，各存储器及I./O接U芯片地址编码见表4一3。

(6)操作面板设计方案之一见图3—1。

表三一1：

芯片接地址选择线片内地地址编码

74LS138址单元

引脚（字节）

2764(1)Yooooxxxxxxxxxxxxx8KOOOOH"IFFFH

2764(2)匕001Xxxxxxxxxxxxx8K2000H~3FFFH

4000H~5FFFH

6264Y2010Xxxxxxxxxxxxx8K

7E00H"7EFFH

8155RAMY301111110xxxxxxxx256

(1)I/O丫30111111111111XXX67FF8H~7FFDH

8155RAMY..10011110xxxxxxxx2569E00H~9EFFH

(2)9FF81fV9FFDH

I/OY410011111mi1XXX6

（表三一1芯片地址编码）

（图3—1）

3.4.用到芯片介绍

3.4.1.选择中央处理器的类型

MCS—51系列单片机要紧有三种型号的产品：8031、8051与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ROM,适用于需扩展ROM,可在现场修改

与更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，丰常适合在我国使用。此次作业使用

的是8031芯片。

3.4.1.1.8031单片机的基本特性

8031单片机具有下列几个特点：

（1）具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）；

（2）片内有的时候钟发生电路（6MH或者12MH）、每执行一条指令的时间为2〜8或者

1〜4；

（3）片内具有128字节的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与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个中断源，配备2个中断优先级；

（9）具有一个全双功用行接口；

（10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。

从上述特性能够看出这种8031芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就能够构成

一个完整的微机系统。

3.3.1.2.8031芯片引脚及其功能

8031芯片具有40根引脚，其引脚图如下v

（图3-28031芯片引脚图）

40根引脚按其功能能够分为四类：

I.电源线2根。

Vcc：编程与正常操作时的电源电压，接+5V。

Vss：地电平。

2.晶体振荡器2根。

XTAL1：振荡器的反向放大器输入。使用外部振荡器时务必接地。

XTAL2：振荡器的反向放大器输出与内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时用于输

入外部震荡信号。

3.1/0n共有PO、Pl、P2、P3四个8位口,32根I/O线，其功能如下:

(1)P0.0—P0,7(ADO—AD7)是I/O端口0的引脚。端口0是一个8位漏极开路的双向I/O

端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线与8位双向的数据端口(在

如今内部上拉电阻有效),

(2)Pl.O—P1.7

端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道，专供用户使用。

(3)P2.0—P2.7(A8—A15)

端口2的引脚。端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它

输出高8位地址A8—AI5o

(4)P3.0—P3.7

端口3的引脚。端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，该口的每一位均可独立地

定义第一I/O口功能或者第六.3.1.3.I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与

PI操作与口完全相同，第二功能如下所示：

口引脚第二功能

P3.0RXD(串行输入口)

P3.1TXD(串行输出口)

P3.2INTO［外部中断)

P3.3INTI沙卜部中断）

P3.4TO（定时器0外部输入）

P3.5T1（定时器1外部输入）

P3.6WR（外部数据存储器写选通）

P3.7RD（外部数据存储器读选通）

由上看出，8031单片机不是将地址总线、数据总线与操纵总线分开，而是地址线、数据线

与部分操纵均由I/O口完成。

3.3.1.4.操纵线

（1）PSEN：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的选通信号，低电平有效。从外部

程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。

（2）EA/VPP：EA为高电平常，CPU执行内部程序存储器的指令。EA为低电平常，CPU

仅执行外部程序存储器的指令。由于8（）31芯片没有内部程序存储器，因此EA务必接地。

⑶ALE/PROG：ALE是地址锁存器使能信号。作为地址锁存同意时高电平有效。由于P1

端口是分时传送数据与低8位地址。因此访问外部存储器时，ALE信号锁存低8位地址。

即使在不访问外部存储器对，也以1/6振荡频率的固定频率产生ALE,因此能够用它作为外

部的时钟信号。ALE要紧是提供一个定时信号，在从外部程序存储器取指令时，把P0口的

低位地址字节锁存到外接的地址锁存器中。

（4）RST/VPD：是复位/备用电源端。在振荡器运行时，使RST引脚至少保持两个机器周

期为高电平，可实现复位操作，复位后程序计数器清零，即程序从0000H单元开始执行。

在VCC关断前加上VPD（掉电保护）RAM的内容将不变。

3.4.1.5.8031芯片内部的存储器结构及地址分配

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OOH—7FH,其地址分

配如下表：

表三・2：

F8H〜FFH

SFR区

80H-87H

30H〜7FH用户RAM区（数据缓冲区）

20H〜2FH位寻址区（00H〜7FH）

18H〜1FH工作寄存器区3区（R7〜R0）

10H-17H工作寄存器区2区（R7〜R0）

08H〜0FH工作寄存器区1区（R7〜R0）

00H〜07H工作寄存器区。区（R7〜R0）

符号名称地址

ACC累加器E011

BB寄存器F0II

PSW程序状态字D0II

SP堆栈指针81H

DPTR数据指针（包含DPH与DPL）82H

83H

P0PO口锁存寄存器80H

P1Pl口锁存寄存器90H

P2P2口锁存寄存器AOH

P3P3口锁存寄存器BOH

中断优先级操纵寄存器

IPB8H

中断同意操纵寄存器

IEA811

定时/计数器工作方式状态

TMOD89H

寄存器

TCON定时/计数器操纵寄存器88H

THO定时./计数器0（高字节）8CH

TLO定时/计数器0（低字节）8AH

TH1定时/计数器1（高字节）8DH

TL1定时/计数器1（低字节）8BH

SCON串行口操纵寄存器9811

SBUF串行口数据缓冲器9911

PCON电源操纵寄存器8711

（表三・2地址分配图）

8031芯片内部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

OOH—7FH,特殊功能寄存器（SFR）的地址为80H—FFH,在内部数据存储器中的OOH—1FH

为四个工作寄存器区，其中：

0区OOH—07H

1区08H—0FH

2区10H—17H

3区18H—1FH

每个区都有8个8位寄存器RO—R7。能够用来暂存运算的中间结果，以提高运算速度。

其中的R0与R1还能够用来存放8位地址。要确定便用哪个工作寄存器区，可通过标志寄

存器PSW中的RSO、RS1两位来指定。从20H—2FH是“位寻址”空间。在此空间中，CPU

既可对其执行按字节操作，乂可对其中每个单元的8位二进制代码执行按位的操作。

从30H—7FH是能够按字节寻址的数据缓冲区，在此区域中能够设置堆栈。由于8031复位

后堆栈指针SP指向工作寄存器区（即SP=07H）,因此用户务必在初始化程序中对SP设置

30H以后的地址区间为初值。

8031芯片内部没有程序存储器，且仅有128字节的数据存储器，因而再构成操纵系统时

可根据需要扩展外部程序存储器与外部数据存储器。由于地址线是16位的，故最多能扩展

64KB程序存储器与64KB数据存储器，其地址均为0000H—FFFFH,即程序存储器与数据

存储器为独立编址；因此EPROM与RAM的地址分配比较自由，编程时不必考虑地址冲突

问题。

3.4.2.程序存储器

2764芯片的结构及工作方式

2764为单一+5V电源供电。维持电流为35-40ma。工作电流为75ma-100ma,读出时间最大

为250ns。均有双列直插式封装形式，A0-A15是地址线，不一致的芯片可扩展的存储容量

的大小不一致,因而提供高8位地址的P2端口线的数量各不相同，故2716为A0-A15,27512

为A0-A15、D0-d7是数据线，CE是片选线，低电平有效。OE是数据输出选通线VPP是编

程电源，Vcc是工作电源，PGM是编程脉冲输入端。

（图3-3程序存储器）

3.4.3.地址锁存器

由于单片机8031芯片的P0口是分时传送低8位地址线与数据线，故8031扩展系统中一定

要有地址锁存器。在此选用的地址锁存器芯片是74LS373。74LS373是带三态缓冲输出的

8D触发器。

（图3-4地址锁存器）

EGDQ

LHHH

LHLL

LLXQ

上表是74LS373的真值表，表中:

低电平;

H——高电平：

X——不定态：

Q0——建立稳态前Q的电平；

G——输入端，与8031ALE连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。图中OE使能端，接

地。

当G="l”时，74LS373输出端IQ—8Q与输入端ID—8D相同：

当G为下降沿时，将输入数据锁存。

3.4.4.8031与EPROM芯片的连接

（1）地址线的连接

EPROM低8位地址线AO—A7经地址锁存器与8031的P0口相连；EPROM高8位地址

线A8—AI5直接与8031的P2口相连。由于8031的P0口是分时输出低8位地址与数据，

故要外接地址锁存器，并由CPU发出的地址同意锁存信号ALE的下降沿将地址信息锁存入

地址锁存器中。如外接存储器芯片内有地址锁存器，则单片机CPU的P0口可，存储器低8

位地址线直接相连，但仍要将CPU的ALE信号与存储器芯片ALE端相连。单片机的P2U

用作高位地址线及片选地址线，由于P2口输出具有锁存的功能，故不必外加地址锁存器。

（2）数据线的连接

存储器的8位数据线DO—D7与8031芯片的P0口P0,0—P0。7直接相连，单片机规定

指令码与数据都是由P0口读入，数位对应相连即可。

（3）操纵线的连接

8031芯片的PSEN与EPROM芯片的OE端相连。

8031芯片EA接地，CPU执行外部程序存储器的指令。

8031芯片ALE接地址锁存器74LS373的G端。

3.4.5.6264数据存储器

3.4.5.1.数据存储器的选用

6264是一种8Kx8的静态存储器，其内部构成如图2.5(a)所示，要紧包含512x128的存

储器矩阵、行/列地址译码器与数据输入输出操纵逻辑电路。地址线13位，其中A12〜A3

用于行地址译码，A2〜A0与A10用于列地址译码。在存储器读周期，选中单元的8位数据

经列I/O操纵电路输出；在存储器写周期，外部8位数据经输入数据操纵电路与列I/O操

纵电路，写入到所选中的单元中。6264有28个引脚，如图2.5(b)所示，使用双列直插

式结构，使用单一+5V电源。其引脚功能如下：

(图3-56264的内部结构图及引脚图)

A12〜A0：地址线，输入，寻址范围为8K。

D7〜D0：数