cw6163普通車床數(shù)控系統(tǒng)改造設(shè)計【含3張CAD圖紙】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 Cw6163普通車床微機數(shù)控化改造 摘要： 隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)品的性能要求越來越高。這就要求現(xiàn)代的機床具有高效率、高柔性、低成本等優(yōu)點，以滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要。我們必須對車床進行改造。 首先，根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出數(shù)個總方案，進行綜合分析、比較和論證。最后確定一個可行的總體方案。從而確定了系統(tǒng)的運動方式、伺服系統(tǒng)等等。在此基礎(chǔ)上，對伺服系統(tǒng)機械部分進行詳細的設(shè)計、計算。最后，根據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案。 改造后的數(shù)控車床的主要性能和結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的普通機床類似，但數(shù)控化后增加了自動化程序、功能有所擴展、結(jié)構(gòu)也有了改進。 關(guān)鍵字：數(shù)控技術(shù)、車床、改造。 Cw6163 microcomputer numerical rebuilding of common lathe Abstract During the development of production technology, we will need higher and higher ability of numerical control technology and its productions. So the machine tool should have many advantage, such as high efficiency，high flexibility, low cost and so on.. In order to satisfy the request of production development, we must improve our lathe. First, Introduce several total programs according to the task and request of design. And I analyse and compare and argue the programs. At last I make sure the best program. So I can confirm the way of systematic movement 、servo-system and so on .on this base I have a careful design and count to servo-system and machine parts. At last according to the total program and control require of machine construction, I make sure the total program of hardware circuit and draw fabric design. Above all, after the rebuilding the main ability and construction of numerical lathe is same as the usual lathe. But the numerical lathe may increase the automatism program and enlarge the function and rebuild the construction. Keywords: numerical control technology, lathe, rebuilt. 目 錄 摘要 ----------------------------------------------------------1 Abstract ------------------------------------------------------- 1 緒言 ------------------------------------------------------------1 第一篇 總體方案的確定 ------------------------------------------4 第一章 系統(tǒng)運動方式的確定 ---------------------------------4 第二章 伺服系統(tǒng)的選擇 --------------------------------------5 第三章 計算機系統(tǒng)的選擇 ------------------------------------5 第四章 機械傳動方式的確定 ----------------------------------5 第二篇 CW6163縱向伺服系統(tǒng)設(shè)計及計算――――――――― ------------7 第一章 確定脈沖當量 ----------------------------------------7 第二章 計算切削力 ------------------------------------------7 第三章 滾珠絲桿副的設(shè)計、計算和選型―――――――――――-------8 第四章 傳動元件的設(shè)計、計算及選用―――――――――― ------ 11 第五章 步進電機的計算與選型 ――――――――----------------12 第三篇 經(jīng)濟型數(shù)控鉆床工作臺Z向伺服系統(tǒng)的設(shè)計及計算 ------------22 第一章 選擇脈沖當量 ----------------------------------------22 第二章 計算切削力――――――――――――--------------------22 第三章 滾珠絲桿副的設(shè)計、計算和選型工作臺 --------25 第四章 傳動元件的設(shè)計、計算及選用 ------------------26 第五章 步進電機的計算與選型 ------------------31 第四篇 CW6163微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 ----------------33 第一章 控制系統(tǒng)的功能 --------------------------------------33 第二章 系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 ------------------------------33 第三章 中央處理單元CPU和存儲器的選擇及它們之間的連接電路---34 第四章 譯碼電路的設(shè)計 --------------------------------------40 第五章 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計 ---------------------------42 第六章 鍵盤顯示器接口電路 -----------------------------------46 第七章 步進電機接口及驅(qū)動電路 -------------------------------47 第八章 其它輔助電路 -----------------------------------------51 第九章 CW613微機控制系統(tǒng)硬件電路原理圖 ------------ 52 第十章 典型零件的加工工藝--------------------------------55 結(jié)論 -------------------------------------------------------------56 致謝 -------------------------------------------------------------57 參考文獻 ---------------------------------------------------------58 第一篇 數(shù)控系統(tǒng)的總體方案的擬定 第一章 系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。如果要求工作臺或刀具沿各坐標軸的運動有確定的函數(shù)關(guān)系，即聯(lián)系控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運動的功能。具備這種功能的數(shù)控機床可可以加工各種外形輪廓復雜的零件。 根據(jù)原始資料可知CW6163車床要求工作臺或工作刀具沿各坐標軸的運動有確定的函數(shù)關(guān)系，即聯(lián)系控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運動的功能。而點位控制方式中的工件相對刀具移動過程中不進行切削，因此，選用連續(xù)控制系統(tǒng)。 第二 章 伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不能反饋回來，故稱為開環(huán)控制。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易掌握、調(diào)試和維修都比較簡單。目前國內(nèi)大力的經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機床移動部位上的檢測反饋元件來檢測實際的位移量，能補償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制的精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用支流伺服電機或交流伺服電機驅(qū)動，閉環(huán)系統(tǒng)的造價高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復雜，多用于精度高的場合。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位移量，而是用檢測出驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺實際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。 根據(jù)設(shè)計題目的要求，改造后的數(shù)控車床的定位精度為0.015mm，精度要求不高，所以不必采用精度較高的閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易掌握、調(diào)試和維修都比較簡單。因此，選用開環(huán)控制系統(tǒng)。 第三章 計算機系統(tǒng)的選擇 MCS-51系列單片機微機是美國INTER公司在，MCS-48系列單片機微機基礎(chǔ)上推出的產(chǎn)品，于1980年問世，它的集成度高，是集片內(nèi)儲存器、片內(nèi)輸出/輸入部件和CPU于一體的優(yōu)良的單片機系統(tǒng)，在我國廣泛地被運用于經(jīng)濟型數(shù)控車床。 MCS-51系列的單片機主要有三種型號的產(chǎn)品：8031、8051和8751。三種型號的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異。8751具有片內(nèi)EPROM，但價格是8051的10-15倍，所以適合于開發(fā)樣機，小批量的生產(chǎn)和需要在現(xiàn)場進一步完善的場合。8051的EPROM程序是INTER公司制作芯片時為用戶制備的，因此，在國內(nèi)很難采用8051芯片。而8031片內(nèi)無ROM，適合用于需擴展ROM，可在現(xiàn)場修改和更新程序儲存器的應(yīng)用場合，其價格，使用靈活，非常合適我國使用。 根據(jù)設(shè)計要求，采用8位微機。由于MCS-51系列的單片機，可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強。具有很高的性能價格比等特點。決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀等信息。 第四章 機械傳動方式的確定 為了實現(xiàn)車床的要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠。為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副，同時，為了提高傳動的剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除間隙的結(jié)構(gòu)。在設(shè)計中應(yīng)考慮一下幾點： (1) 盡量采用低摩擦的傳動和導向元件.如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌、貼塑導軌等。 (2) 盡量消除傳動間隙。例如采取消隙齒輪等。 (3) 提高系統(tǒng)的剛度?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減少傳動鏈誤差。可采用預緊的方法提高系統(tǒng)的剛度。例如采用預加負載的滾動導軌和滾珠絲杠副等。 系統(tǒng)的總體方案框圖如圖1－1 微 機 機 Z向 步進電機 功率放大 光電隔離 床鞍及拖板 X向 步進電機 功率放大 光電隔離 中拖板 圖 1－1.CW6163總體方案框圖 第四篇 cw6163普通車床微機數(shù)控系統(tǒng)硬 電路設(shè)計 當前，在經(jīng)濟型數(shù)控機床控制系統(tǒng)中廣泛采用MCS-51系列單片機，它是美國公司在MCS-48的基礎(chǔ)上推出的產(chǎn)品，于1980年問世，它的集成度很高，是集片內(nèi)存儲器，片內(nèi)輸入/輸出部件和CPU于一體的優(yōu)良的單片機系統(tǒng)，在我國已廣泛應(yīng)用。 第一章 控制系統(tǒng)的功能 （1）、X、Y、Z向的進給伺服運動 （2）、鍵盤顯示 （3）、面板管理 （4）、行程控制 （5）、其它功能，例如光電隔離、功率放大電、紅綠燈顯示等。 第二章 系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效地動行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標。 本鉆床硬件電路由以下五個部分組成 （1）、主控制器，即中央處理單元CPU （2）、總線。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線 （3）、存儲器。包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器 （4）、接口。即I/O輸入/輸出接口電路 （5）、外圍設(shè)備。如鍵盤、顯示器。 鉆床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖見圖4-1。 RAM ROM CPU I/O 光電隔離 功率放大 步進電機 接口 外設(shè) 鍵盤、顯示器及其它 圖4-1 鉆床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 第三章 中央處理單元CPU和存儲器的選擇及它們之間 連接電路 第一節(jié) 中央處理單元CPU的選擇 一、 CPU和選擇應(yīng)考慮的因素 在微機應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素： （1）、時鐘頻率和字長，這個指標將控制數(shù)據(jù)處理的速度。 （2）、可擴展存儲器（包括ROM和RAM）的容量。 （3）、指令系統(tǒng)的功能，影響編程靈活性。 （4）、I/0口擴展的能力，即對外設(shè)控制的能力。 （5）、開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。 此外還要考慮到系統(tǒng)應(yīng)用的場合，控制對象對各種數(shù)的要求，以及經(jīng)濟價格比等經(jīng)濟性的要求。 二、選擇CPU的型號 根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求選用MCS-51系列單片機，它有三種型號：8031、8051、8751。三種型號的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異。8751具有片內(nèi)EPROM，但價格是8051的10-15倍，所以適用于開發(fā)樣機，小批量生產(chǎn)和需要在現(xiàn)場進一步完善的場合。8051的EPROM程序是INTEL公司制作擴展芯片時為用戶制備的，因此在國內(nèi)很難采用8051型芯片。而8031片內(nèi)無ROM，適用于需擴展ROM，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合，其價格低，使用靈活，非常適合在我國適用。結(jié)合本設(shè)計的經(jīng)濟型普通數(shù)控鉆床，它用于專門零件的加工，除此之外，沒有什么特別的要求。因為本設(shè)計選用應(yīng)用廣泛的8031單片機作為主控制器并選用其相應(yīng)的擴展系統(tǒng)。 三、所選8031單片機的基本特征 8031單片機具有如下特征： （1）、具有功能很強的8位中央處理單元 （2）、片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（6MHZ或12MHZ），每執(zhí)行一條指令時間為2μs或3μs （3）、片內(nèi)具有128字節(jié)RAM （4）、具有21個特殊寄存器 （5）、可擴展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的外部程序存儲器。 （6）、具有4個I/O口，32根I/O線 （7）、具有2個16位定時器/計數(shù)器 （8）、具有5個中斷源，配備了2個中斷優(yōu)先級。 （9）、具有一個全雙功串行接口。 （10）、具有位尋址能力，適用邏輯運算。 從上述特性可知，8031芯片集成度高、功能強，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完善的微機系統(tǒng)。 四、8031芯片引腳及其功能 8031引腳功能見圖4-2。 圖4-2 8031芯片引腳圖 Vcc:+5V電源電壓。 Vss:電路接地端。 P0.0～P0.7:通道0，它是8位漏極開路的雙向I/O通道，當擴展外部存貯器時，這也是低八位地址和數(shù)據(jù)總線，在編程校驗期間，它輸入和輸出字節(jié)代碼，通道0吸收/發(fā)出二個TTL負載。 P1.0～P1.7:通道1是8位擬雙向I/O通道，在編程和校驗時，它發(fā)出低8位地址。通道1吸收/發(fā)出一個TTL負載。 P2.0～P2.7:通道2是8位擬雙向I/O通道，當訪問外部存貯器時，用作高8位地址總線。通道2能吸收/發(fā)出一個TTL負載。 P3.0～P3.7:通道3準雙向I/O通道。通道3能吸收/發(fā)出一個TTL負載，P3通道的每一根線還有另一種功能： P3.0:RXD，串行輸入口。 P3.1:TXD，串行輸出口。 P3.2:INT0，外部中斷0輸入口。 P3.3:INT1，外部中斷1輸入口。 P3.4:T0，定時器/計數(shù)器0外部事件脈沖輸入端。 P3.5:T1，定時器/計數(shù)器1外部事件脈沖輸入端 P3.6:WR，外部數(shù)據(jù)存貯器寫脈沖。 P3.7:RD，外部數(shù)據(jù)存貯器讀脈沖。 ?RST/VpD:引腳9，復位輸入信號，振蕩器工作時，該引腳上2個機器周期的高電平可以實現(xiàn)復位操作，在掉電情況下（Vcc降到操作允許限度以下）， 后備電源加到此引腳，將只給片內(nèi)RAM供電。 ALE/PROG:引腳30,地址鎖存有效信號，其主要作用是提供一個適當?shù)亩〞r信號，在它的下降沿用于外部程序存儲器或外部數(shù)據(jù)存貯器的低8位地址鎖存，使總線P0輸出/輸入口分時用作地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總線,此信號每個機器出現(xiàn)2次,只是在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器期間才不輸出ALE。所以，在任何不使用外部數(shù)據(jù)存貯器的系統(tǒng)中，ALE以1/6振蕩頻率的固定速率輸出，因而它能用作外部時鐘或定時。 PSEN:引腳29,程序選通有效信號,當從外部程序存貯器讀取指令時產(chǎn)生，低電平時，指令寄存器的內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)總線上。 EA/VPP:引腳31，程序存儲器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機，內(nèi)置有4kB的程序存儲器，當EA為高電平并且程序地址小于4kB時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，而超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯然，對內(nèi)部無程序存儲器的8031,EA端必須接地。 XTAL1:引腳18，內(nèi)部振蕩器外接晶振的一個輸入端，HMOS芯片使用外部振蕩源時，此端必須接地。 XTAL2:引腳19，內(nèi)部振蕩器外接晶振的另一個輸入端，HMOS芯片使用外部振蕩器時，此端用于輸入外部振蕩信號。 第二節(jié) 8031單片機所需擴展的存儲器的選擇 CPU采用8031芯片，由于8031片內(nèi)有程序存儲器，需要有外部程序存儲器的支持，同時8031內(nèi)部只有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，也遠不能滿足控制系統(tǒng)的要求。因此需要擴展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器 一、 程序存儲器的擴展 MCS-51的程序存儲器的尋址空間為64K字節(jié)，用作程序存儲器的部件是EPROM。 （一） 常用的ROM芯片及引腳 常用的半導體ROM芯片有：2716、2732、2764、27128、27256、27512。764、27128、27256、27512芯片均為28腳雙列直插開扁平封裝芯片，引腳向下兼容。圖4-3為它們的引腳排列及其兼容特性。 圖4-3常用EPROM的引腳排列 VPP是編程電壓端，PGM是編程控制端，OE是輸出使能端，CS是片選端，它們均為低電平有效。2764的第26引腳空，（NC）未用。 （二） 擴展的程序存儲器芯片及其工作方式的選擇 根據(jù)本設(shè)計需要并注意芯片工作速度滿足系統(tǒng)時序的要求，選用由兩片2764組成的擴展的16KB程序存儲器。 1、2764芯片的引腳圖的說明： A0～A12：地址輸入線。 O0～O7：輸出線。 Vpp：+5 V，編程電源。在正常工作及在讀時。 cc：+5 V，工作電源。 OE：輸出使能端，用來決定是否將ROM的輸出送到總線上去，當OE＝0時，輸出可以被使能，當OE＝1時輸出被禁止，ROM輸出高阻態(tài)。 CS：片選端，用來決定ROM是否工作，當CS＝0時，ROM工作，當CS=1時，ROM停止工作，且ROM輸出高阻態(tài)(不論OE為何值)。 此外，ROM輸出能否被使能決定于P＝CS+OE，當P＝0，即CS+OE＝0時，ROM輸出使能，否則將被禁止，輸出端高阻態(tài)。另外，當CS無效，即CS=1時，還會停止對ROM內(nèi)部的譯碼器等電路供電，使其功耗降低到ROM工作時的10％以下。由于在大部分有多個ROM芯片的系統(tǒng)中，同一時刻只會選中一個芯片，因此，此舉會使系統(tǒng)中ROM芯片的總功耗大大減小。 2、2764工作方式見表4-1： 表4-1 2764的工作方式 CE OE VPP VCC PGM 輸出 2 7 6 4 引腳號 （8Q） （22） （1） （28） （27） （11-13、15-19） 讀 VIL VIL VCC VCC VIH DOUT 維持 VIH 任意 VCC VCC 任意 高阻 編程 VIL VIH VPP VCC VIL DIN 編程檢驗 VIL VIL VPP VCC VIH DOUT 編程禁止 VIH 任意 VPP VCC 任意 高阻 （三） 地址鎖存器的選擇 由于單片機8031芯片的P0口是分時傳送低8位地址和數(shù)據(jù)線，故8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。選用常用的地址鎖存器芯片74LS373。74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器。其引腳及與8031芯片連接見圖4-4。 圖4-4 74LS373引腳及連接圖 其真值表見表4-2。 表4-2 74LS373真值表 E G D Q L H H H L H L L L L X Q0 L------低電平 H------高電平 X------不定態(tài) Q0------建立穩(wěn)態(tài)前Q的電平。 G--------輸入端，與8031ALE連高電平：暢通無阻低電平：關(guān)門鎖存。OE------使能端，接地 G=1時，74LS373輸出端1Q-8Q與輸入端1D-8D相同； 當G為下降沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。 （四） 8031與所選2764的連接 1、 地址線的連接 2764低8位地址線A0-A7經(jīng)地址鎖存器與8031P0口相連，2764高8位地址A8-A15直接與8031的P2口相連。由于8031的P0口分時輸出低8位地址和數(shù)據(jù)，故要外接地址鎖存器74LS373，并由CPU發(fā)出的地址允許鎖存信號ALE下降沿將地址信息鎖存入地址存儲器中。單片機的P2中用作高位地址線及片選地址線，由于P2口輸出具有鎖存功能，故不必外加地址鎖存器。 2、數(shù)據(jù)線的連接 2764的8位數(shù)據(jù)線D0-D7與8031芯片的P0口P0.0-P0.7直連，單片機規(guī)定指令碼和數(shù)據(jù)都是由P0口讀入，數(shù)位對相連即可。 3、 控制線的連接 8031芯片的PSEN（外部存儲器讀選通信號）與EPROM芯片的OE端（外部程序存儲器使能端）相連。 8031芯片EA接地，CPU執(zhí)行外部程序存儲器的指令； 8031芯片ALE（地址鎖存允許信號）接主地址鎖存器74LS373的G引腳。 二、數(shù)據(jù)存儲器的擴展 由于8031芯片內(nèi)部RAM只有138字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的需要，需擴展外的數(shù)據(jù)存儲器RAM。 （一） 常用的RAM數(shù)據(jù)存儲器及引腳 常用的靜態(tài)RAM芯片有6116、6264、62256等，6264、62256均采用CMOS工藝，由單一5V供電，典型存取時間為150-200NS。它們均采用28腳雙列直插式扁平封裝，其引腳及邏輯符號見圖4-5。 （二） 擴展的數(shù)據(jù)存儲器芯片及其工作方式的選擇 根據(jù)以上介紹和本設(shè)計需要選用6264RAM。 其工作方式見表4-3。 圖4-5 6264和62256的引腳圖 表4-3 6264的工作方式 管腳 操作方式 CS1 CS2 OE WE I/O0-I/O7 6264 未選中 VIH 任意 任意 任意 高阻 未選中 任意 VIL 任意 任意 高阻 讀 VIL VIH VIL VIH DOUT 寫 VIL VIH VIH VIL DIN 輸出禁止 VIL VIH VIH VIH 高阻 （三） 8031與6264芯片的連接 8031與R數(shù)據(jù)存儲器的連接方法和與程序存儲器的連接方法大致相同。唯有控制線的連接不同：RAM讀輸入信號OE與8031芯片的RD引腳步相連；RAM的寫輸入信號WE與8031芯片WR相連。 三、8031單片機與擴展的程序和數(shù)據(jù)存儲器的連接 8031與2764和6264的連接電路見圖4-6。 第四章 譯碼電路的設(shè)計 本設(shè)計的8031單片機擴展了16K程序存儲器和8K數(shù)據(jù)存儲器，還要擴展其它外圍芯片。因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲器各芯片之間，數(shù)據(jù)存儲器各芯片間地址相互不重疊，以使單片機訪問外部存儲器時，避免發(fā)生沖突。當8031數(shù)據(jù)總線分時地與各個外圍攻芯片進行數(shù)據(jù)傳送時，首先要進行片選，而當片內(nèi)有多字節(jié)單元時，還要進行片內(nèi)地址選擇。 圖4-6 8031與2764和6264的連接電路 第一節(jié) MCS-51單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則 一、程序和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址。程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器地址可以重復使用。都是從0000H-FFFFH。 二、外圍I/O芯片與擴展數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址。 外圍I/O芯片不僅占用數(shù)據(jù)存儲器地址單元，而且使用數(shù)據(jù)存儲器的讀/寫控制信號與讀/寫指令。 三、CPU在訪問外部存儲器時地址編碼。 CPU的P2口提供了8位地址，P0口經(jīng)外部鎖存器后提供低8位地址。 第二節(jié) 地址譯碼方法 常用的地址譯碼方法有線選法和全地址法 一、 線選法 利用單片機地址總線高位中的一根線（一般為P2口的某根線）作為選擇一存儲器芯片的片選信號。只要該地址線為低電平，就選中該芯片。這種方法常用于規(guī)模較小的系統(tǒng)，即擴展的芯片不是太多的情況。這種方法的優(yōu)點是不需要地址譯碼器，可節(jié)省硬件，減少成本，缺點是可尋址的芯片數(shù)目受到很大的限制，而且地址空間也是不連續(xù)的，地址空間沒有充分地利用。 二、全地址譯碼 對于容量較大的系統(tǒng)，擴展的外圍芯片較多，芯片所需的片選信號多于可利用的地址線時，就需要用這種全地址的譯碼方法，它將地位地址線作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對高位地址進行譯碼。譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線，因為這種地址編碼的方法，除了片內(nèi)地址線以外，剩余的高位地址線全部參加譯碼，故稱為全地址譯碼。 通過以上對兩種地址譯碼方法的分析，結(jié)合本設(shè)計內(nèi)容，數(shù)控機床工作臺的硬件電路擴展的外圍芯片較多，因此選用全進址譯碼方法。 三、譯碼器的選擇 常用的地址譯碼器有：74LS138，74LS139和74LS156，根據(jù)本設(shè)計需要選用它們當中最常用的3——8譯碼器即（74LS138）。 74LS138譯碼器，輸入端占用3根最高位地址線，剩余的13根低位地址線可作為片內(nèi)地址線。74LS138譯碼器的8根輸出線分別對應(yīng)于8個8K字節(jié)的地址空間。 四、所選74LS138譯碼器的引腳圖及邏輯功能 74LS138引腳見圖4-7，邏輯功能表見表4-4。 圖4-7 74LS138引腳圖 表4-4 74LS138邏輯功能 C B A 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 其它狀態(tài) 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 第五章 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計 8031單片機共有四個8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口和部分的P3口，因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都需要擴展I/O芯片。 INTEL常用的外圍接口芯片有： 8155：可編程的RAM/IO擴展接口電路（256個RAM單元，2個8位口，1個6位口，1個14位口） 8255：3個16位的可編程的定時/計數(shù)器 8279：可編程的鍵盤、顯示接口 8243：4個4位的I/O擴展電路 根據(jù)設(shè)計需要，8031單片機系統(tǒng)擴展一片8155和一片8255可編程I/O接口芯片。 第一節(jié) 8155的引腳及其功能說明 一、 8155的結(jié)構(gòu)框圖及引腳排列見圖4-8。 圖4-8 8155引腳排列圖 二、8155各引腳功能說明 8155采用40腳雙列直插式封裝，單一＋5v電源。 RESET:復位信號線，高電平有效，在該輸入端加一脈沖寬度為600ns 的高電平信號，就可使8155可靠復位，復位時三個輸入/輸出口預置為輸入方式。 CE:片選端,8155為低電平有效，8156為高電平有效，當8155上加上一個低電平時，芯片被選中，可以與單片機交換信息。 AD0～AD7:三態(tài)地址/數(shù)據(jù)總線，在ALE 的下降沿把8位地址鎖存于內(nèi)部地址鎖存器，地址可代RAM或輸入/輸出用，由IO/M信號的極性而定，8位數(shù)據(jù)的流向取決于RD或WR信號的狀態(tài)。 ALE:地址鎖存器啟用信號線，高電平有效，其下降沿把AD0～AD7上的地址，片選信號、IO/M信號鎖存起來。 IO/M:IO和RAM選擇信號線，高電平造反輸入/輸出，該線低電平選擇存儲器。 RD：讀信號線，低電平有效，當片選信號與RD有效時，開啟AD0～AD7緩沖器，如果IO/M為低電平，則RAM的內(nèi)容讀至AD0～AD7，如果IO/M為高電平，則選中的輸入/輸出口的內(nèi)容讀到AD0～AD7。 WR:寫信號線，低電平有效，當片選信號和WR信號有效時，AD0～AD7上的數(shù)據(jù)將根據(jù)IO/M極性寫入RAM或I/O口。 PA0～PA7:輸入/輸出口A的信號線，通用8位輸入/輸出口，輸入/輸出的方向通過對命令/狀態(tài)寄存器的編程來選擇。 PB0～PB7:輸入/輸出口B的信號線，通用8位輸入/輸出口，輸入/輸出的方向通過對命令/狀態(tài)寄存器的編程來選擇。 PC0～PC5:輸入/輸出口C的信號線，6位可編程輸入/輸出口，也可用作A和B口的控制信號線，通過對命令/狀態(tài)寄存器編程來選擇。 INT:定時/計數(shù)器輸入信號線，定時/計數(shù)器的時鐘由此線輸入。 TOUT:定時/計數(shù)器的輸出信號線,輸出信號為方波還是脈沖則由定時/計數(shù)器的工作方式而定。 VCC:電源線，接＋５V直流電源。 VSS:接地線，接到公用地線上。 三、8155與8031的接口電路（見圖4-9） 圖4-9 8155與8031的連接電路 第二節(jié) 8255可編程接口芯片 8255可編程接口芯片具有3個8位的并行I/O口，分別為PA、PB、PC。其中PC口又分為高4位和低4位，它們都可以通過軟件編程來改變I/O接口的工作方式。它可與8031直接接口。 一、 8255引腳圖 見圖4-10。 圖4-10 8255的引腳圖 二、8255各引腳功能說明： 8255引腳功能 RESET:復位輸入線，當該輸入端外于高電平時，所有內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。 CS:片選信號線，當這個輸入引腳為低電平時，表示芯片被選中，允許8255與CPU進行通訊。 RD:讀信號線，當這個輸入引腳為低電平時，允許8255通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。 WR:寫入信號，當這個輸入引腳為低電平時，允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入8255。 D0～D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。 PA0～PA7:端口A輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器, 一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。 PB0～PB7:端口B輸入輸出線，一個8位的I/O鎖存器， 一個8位輸入輸出緩沖器。 PC0～PC7:端口C輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器,一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設(shè)定而分成2個4位的端口， 每個4位的端口包含一個4位的鎖存器，分別與端口A和端口B配合使用，可作為控制信號輸出或狀態(tài)信號輸入端口。 A1、A0:端口地址總線，8255中有端口A、B、C和一個內(nèi)部控制字寄存器，共4個端口，由A0、A1輸入地址信號來尋址。 三、8255與8031的連接（見圖4-11） 圖4-11 8255與8031的連接電路 第六章 鍵盤顯示器接口電路 在單片機系統(tǒng)中，同時需要使用鍵盤顯示器時，常常把鍵盤和顯示器電路做在一起，以節(jié)省I／O線。本設(shè)計硬件電路是由58鍵和7位顯示器組成。鍵盤的列線和LED顯示器的字位控制共用了8155的B口，是輸出口，鍵盤的行線由8155C口擔任，是輸入口，顯示器的段選由8155的A口擔任，是輸出口。使用7407同相驅(qū)動器，74LS04反相驅(qū)動器。 鍵盤顯示器接口電路見圖4-12。 鍵盤和顯示共用8155的PA口進行控制，在進行鍵盤來回掃描時，必須先關(guān)顯示。有關(guān)鍵盤和顯示器的工作經(jīng)過軟件協(xié)調(diào)處理。 第七章 步進電機接口及驅(qū)動電路 步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的角位移的電動機。其角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖的頻率成正比，通過改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電機的脈沖需要按要求的順序供給電機各相。脈沖分配器就是實現(xiàn)步進電機各相脈沖通電順序的。為使步進電機正常運行并輸出一定的功率，需要有足夠功率提供給電動機，因此需要有功率放大環(huán)節(jié)。脈沖分配器及前面的微機及接口芯片，工作電平一般為5V，而作為電動機電源的需符合步進電機要求的額定電壓值。為避免強電對弱電的干擾，在它們之間應(yīng)采用隔離電路。 其控制電路框圖見圖4-13。 圖4-12 鍵盤顯示器接口電路圖 控制指令 脈沖分配器 光電隔離電路 功率放大器 步進電機 電源電壓 圖4-13 步進電機控制電路框圖 一． 脈沖分配器及其選擇 又叫環(huán)形分配器，有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種。硬件環(huán)形分配器需要的I／O接口接線少，且執(zhí)行速度快，但需要專用的芯片。軟件環(huán)形分配器是用程序?qū)崿F(xiàn)的。 （－） 硬件環(huán)形分配器 由門電路及其邏輯電路組成，目前已經(jīng)大量采用，可靠性高，外形尺寸小，使用方便的集成脈沖分配器。按其電路結(jié)構(gòu)不同分為TTL集成電路和CMOS集成電路。 國產(chǎn)的TTL集成脈沖分配器有三相、四相、五相和六相，其型號分別為YBOB，YB014，YB015和YB016，均為18個引腳的直插式封裝。其主要性能參數(shù)見表4-5。 表4-5 TTL脈沖分配器主要性能參數(shù) 輸出高電平 輸出低電平 輸入低電平 輸入高電平 吸收電流 工作頻率 電源電壓 環(huán)境溫度 2.4 0.4 0.8 2.4 1.6 0～160 50.5 0～70 YBOB和YB015引腳圖分別見圖4-14和圖4-15。 圖4-14 YBOB引腳圖 圖4-15 YB015引腳圖 各引腳功能的說明如下： ― 選通輸出控制?？刂泼}沖分配器是否輸出一定順序的脈沖。 R―清零。在輸出一定順序的脈沖前，對脈沖分配器進行清零，以便使其正常工作。 A0．A1―勵磁方式控制。確定通電方式，即選擇通電相數(shù)和拍數(shù)。 對于三相脈沖分配器：A0狀態(tài)脈沖分配器輸出的脈沖使步進電機以2－1相通電，形成三相六拍工作。同樣對于五相脈沖分配器：A0狀態(tài)使步進電機以2－3相通電五相十拍方式工作。 （二） 軟件環(huán)形分配器 軟件環(huán)形分配器在電路上需要環(huán)形分配專用芯片，而是在微處理中專門安排一個輸出寄存器作為步進電機的控制寄存器，步進電機的每相組都和這個寄存器中的某一指定位相對應(yīng)。寄存器中的一位為1，對應(yīng)拍應(yīng)組的通電狀態(tài)；這一位為零，對應(yīng)著相應(yīng) 組的斷電狀態(tài)。微處理器按照程序中規(guī)定的順序，循環(huán)地向寄存器中寫入各控制字節(jié)，從而使步進電機組按固定的規(guī)律，循環(huán)的通電或斷電，步進電機便按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動。 但在電路上步時電機的每一組需要和一個I／O口相連，故占用了 I／O口數(shù)量較多。 （三） 環(huán)形分配器的選擇 根據(jù)以上對硬件和軟件環(huán)形分配器的分析，并根據(jù)本設(shè)計實際條件，選用硬件環(huán)形分配器，因為所控制的縱向步進電機為：五相使十拍工作方式，橫向步進電機為五相十拍工作方式。因此選用：YBOB和YB015。 二． 光電隔離電路 在步進電機驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后，控制步進電機的勵磁組。由于步進電機需要的驅(qū)動電壓較高（幾十伏），電流也較大，不能將I／O口輸出信號直接與功率放大器相聯(lián)。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。 （一） 幾種常用的光電耦合器接線圖（見圖4-16） 圖4-16 常見的光電耦合接線圖 耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，圖a為共集電極輸出型，圖b為共發(fā)射極輸出型，它們均為普通型光電耦合器，型號有4N25，4N27，TL117等。圖c為達林頓管，常用的型號有4N33，TIL113等。圖d為晶閘管輸出型 ，常用型號為4N39，4N40等。 （二） 幾種光電隔離輸出及輸入電路（見圖4-17） 圖4-17 光電隔離輸入輸出電路 圖中：a為同相輸出電路，b為反向輸出電路，c是光電隔離輸入電路。 （三） 光電隔離電路的選擇 根據(jù)以上分析并結(jié)合本設(shè)計需要：采用普通型光電耦合器：4N25。 三． 功率放大電路的設(shè)計 脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的要求，必須將它放大以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動步時電機正常工作。 常用的功率放大方法有電阻法，雙電源法。 （一） 電阻法 增大功率放大器負載回路的電阻可以使電流上升的時間常數(shù)減小，從而使電流上升沿變陡。 這種方法的缺點是在串聯(lián)電阻上消耗了一部分功率，降低了效率。故適合于小功率步進電機。電阻法原理圖見圖4-18。 圖4-18 電阻法原理圖 （二） 雙電源法 又稱高低壓驅(qū)動電路。其原理是：開始時先接通高壓，以保證電動機組中有較大的沖擊電流通過，但步進電機 額定相電壓是規(guī)定的，不允許在高于額定電壓下長時期工作，當電流上升到接近額定值時，再截斷高壓，由低壓供電，以保證電動機組中穩(wěn)態(tài)電流等于額定值。 雙電源法原理及波形圖見圖4-19。 圖4-19 雙電源法原理圖及波形圖 還有一種高低壓供電的實用電路，它是用脈沖變壓器代替上圖中“單穩(wěn)”功能，其電路圖見圖4-20。 圖4-20 高低壓供電電路 （三） 功率放大電路的選擇 根據(jù)以上兩種功率放大方法的分析并結(jié)合本設(shè)計實際情況，選用介紹的第一種高低壓供電電路。 第八章 其他輔助電路 一． 8031的時鐘電路 單片機的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1，XTAL2引腳上外接定時元件，本設(shè)計采用這種方式。見圖4-21。 圖4-21 時鐘電路 晶體可在1.2-12MHZ之間任選，耦合電容在5－30PF之間，對時鐘有微調(diào)作用。 二． 復位電路 單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復位，以后單片機便從0000H單元開始執(zhí)行程序。單片機通常采用上電自動復位和按扭復位兩種。本設(shè)計采用上電與按扭復位組合。如圖4-22。 圖4-23 復位電路 在上電瞬間，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持充10ms以上的高電平，就能使單片機有效復位。 三． 越界報警電路 為了防止工作臺越界，分別在極限位置安裝開關(guān)，一旦某一方向越界，立即停止工作臺移動。報警信號的產(chǎn)生和報警指示電路分別如圖4-24。 圖4-24 越界報警電路 這里是采用的中斷方式 ，利用8031的外部中斷INT0，只要有任一個選種開關(guān)閉合，即工作臺越界，均能產(chǎn)生中斷信號INT0。 第九章 CW6163微機控制系統(tǒng)硬件電路原理圖 綜合以上信息，用MCS－51組成的控制系統(tǒng)圖（見一號圖紙）。 第一節(jié) CPU和存儲器 CPU采用8031芯片，擴展了16K程序存儲器（兩片2764），還有一片6264數(shù)據(jù)存儲器。8031芯片的P0和PW用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù)，P2口傳送高位地址和數(shù)據(jù)，故要采用74LS138地址鎖存器，鎖存低8位存儲器的地址,ALE作為其選通信號，當ALE為高電平時，鎖存器的輸入和輸出透明，即輸入的低8位存儲器地址在輸出端出現(xiàn)，此時不需鎖存。當ALE從高電平變低電平，出現(xiàn)下降沿時，低8位地址鎖入地址鎖存器中，74LS373的輸出不再隨輸入變化。這樣P0口就可用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。8031芯片的P2口和74LS373送出的P0口共組成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線。A0-A7低8位接74LS373芯片的輸出，A8-A12接8031芯片的P2.0-P2.4。系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764片選信號CE分別接74LS373譯碼器的Y1和Y0，系統(tǒng)復位以后程序從0000H開始執(zhí)行。6264芯片的片選信號CE也接74LS373的Y1，單片機擴展系統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址（即允行地址重疊），8031芯片控制信號PSEN接2764的OE引腳，讀寫控制信號WR和RD分別接6264芯片的WE和OE，以實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲器的讀寫。由于8031芯片內(nèi)部沒有ROM故始終要選外部程序存儲器，其EA必須接地。 第二節(jié) I/O接口電路 由于8031只有P1口和P3口部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴展輸入輸出接口電路。選用一片8155和一片8255可編程I/O接口芯片。8155的片選信號CE接口74LS138，8255芯片片選信號CS接到74LS138的Y2端。74LS138譯碼器有三個輸入A、B、C分別接到8031的P2.5,P2.6,P2.7輸出Y0-Y7 8個輸出，低電平有效。YO-Y7對應(yīng)輸入A、B、C的000至111種8組合，其中Y0對應(yīng)A、B、C為000，Y7對應(yīng)A、B、C為111。74LS138還有三個使能端，其中2個（G2A、G2B）為低電平使能，另一個G1為高電平使能。只有當其均處于有效電平時，輸出才能產(chǎn)生，否則輸出處于高電平無效狀態(tài)。 I/O接口芯片與外設(shè)的連接這樣安排：8155芯片PA0-PA7作為顯示器的段選信號，是輸出PB0-PB7的顯示器的位選信號，是輸出PC0-PC4 5根線是鍵盤掃描輸入。芯片的IO/M引腳接8031芯片的P2.0，因為使用8155的I/O口，故P2.0為高電平。 8255芯片PA0-PA7接縱向、橫向步進電機硬件環(huán)形分配器，為輸出，PB0-PB7為三個方向的點動及回零輸入，PC0-PC5為面板上的選擇開關(guān)，設(shè)有編輯，單步運行，單段運行、自動、手動等方式 系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲器及接口芯片的地址編碼如表4-6所示。 縱向步進電機硬件環(huán)形分配器采用YB0B，是五相十拍方式工作，故A0,A1引腳均接+5V，橫向步進電機硬件環(huán)形分配器采用YB105，是以五相十拍方式工作，A0,A1接高電平，三個芯片的先通輸 出控制EO分別接8255的PA0,PA3,PA5，清零R接8255的PA1，正、反轉(zhuǎn)控制端分別接8255的PA2,PA4,PA6，時鐘輸入CP端接8155芯片的TIMEOUT，用以決定脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實現(xiàn)插補時不同的進給速度，可給8155芯片定時/計數(shù)器中設(shè)置不同的常數(shù)。 表4-6 全地址譯碼下各芯片地址 芯 片 接74LS138引腳 地 址 選 擇 線 片內(nèi)地址單元 地址編碼 2764(1) YO 000××××××××××××× 8K 0000H-1FFFH 2764(2) Y1 001××××××××××××× 8K 2000H-3FFFH 6264 Y1 001××××××××××××× 8K 2000H-3FFFF 8155 RAM Y4 1001111D×××××××× 256 9E00H-9EFFH I/O Y4 1001111111111××× 6 9FF8H-9FFDH 8255 Y2 01011111111111×× 4 5FFCH-5FFFH 第三節(jié) 其它輔助電路 此控制系統(tǒng)高有越界報警和急停處理電路。縱向、橫向的越界和急停信經(jīng)與門引入8031的P3.2，中斷源，同時又接到8031的口，采用硬件申請中斷和軟件查詢的方法，這樣無論哪個方向越界都會引起中斷，在中斷服務(wù)通過軟件查詢的方法，這樣無論哪個方向越界，相應(yīng)的紅燈就會亮報警。另外，還有上電按扭相結(jié)合的復位電路、光電隔離電路和功率放大電路。 第二篇CW6163縱向進給伺服系統(tǒng)機械部分的設(shè)計 伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的