CK6163数控车床设计

毕业设计 （论文） 设计（论文）题目： CK6163数控车床设计 学生姓名 专业班级 指导老师 系主任(院长) 评阅人 2011 年 04 月 23 日 目 录摘要.4第一章 前言.5第二章 数控车床进给系统概述.7 2.1 伺服进给系统概述.7 2.2 伺服进给系统分类.7 2.3 伺服进给系统的基本要求.7第三章 数控车床进给系统的方案设计与电机的选择3.1 数控车床进给系统的方案的设计.83.2 步进电动机计算与的选型.9 3.2.1 已知技术参数.9 3.2.2 滚珠丝杆的计算与选择.93.3 校核.10 3.3.1 临界压缩负荷.103.3.2 临界转速.103.3.3 丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率.113.3.4 丝杆扭转刚度.123.3.5 传动精度计算.133.3.6 伺服电机计算.143.3.7电机的选择14第四章 纵向进给系统的运动设计与动力计算.15 4.1 降速比计算.154.2 传动比转动惯量的计算.164.2.1 齿轮转动惯量的计算.164.2.2 工作台的转动惯量.164.2.3 丝杆的转动惯量164.2.4 负载折算到电动机轴上的转动惯量.164.3 电动机力矩的计算.17 4.3.1 计算加速力矩174.3.2 计算摩擦力矩174.3.3 计算附加摩擦力矩184.3.4 根据公式计算快速空载启动时电动机所需的力矩18第五章 滚珠丝杆副的选择.185.1 滚珠丝杆的支承.185.2 滚珠丝杆螺母副间隙消除与预紧.185.3丝杆螺母机构的计算.18 5.3.1 确定滚珠丝杆副的导程195.3.2 强度计算.195.3.3 丝杆螺母机构的传动刚度计算.195.4 滚珠丝杆螺母机构工作原理及特点.20 5.4.1 滚珠丝杆安装方式特点.20第六章 绘制进给传动机构的装配图.21 6.1 数控车床总体布局图（附录1）.226.2 纵向进给系统部件结构装配图（附录2）.22第七章 控制系统硬件电路设计.237.1 微机数控系统硬件电路总体方案设计.237.2 8255A可编程并行I/O扣扩展芯片.257.3 8255端口的寻址.257.4 可编程键盘，显示器接口Intel1827.267.5 地址锁存器74LS373.277.6 部分硬件接口电路及辅助电路设计.29第八章 数控系统软件设计.35总结.37致谢.37参考文献.37附录.37摘 要本课题为设计一经济型数控车床。经济型数控车床就是指价格低廉、操作使用方便、比较适合我国国情的，动化的机床。采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。在设计的时候具体进行了详细的各部件的选型和计算。比如：导轨的设计选型、滚珠丝杠螺母副的选型与计算。还进行了进给传动系统的刚度计算、进给传动系统的误差分析、驱动电机的选型计算、驱动电机与滚珠丝杠的联接、驱动电机与进给传动系统的动态特性分析等。机械制造业是国家工业体系的重要基础和国民经济的重要组成部分，是衡量一个国家科技水平的重要标志之一；针对现有常规ck6163普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了ck6163机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向进给运动。第一章 前言整个人类社会的文明史，就是制造技术不断演变和发展的历史。任何国家的制造业都是国民经济的基础产业，也是国民经济的主要来源。没有发达的制造业，就不可能有国家真正的繁荣和强大。制造技术是制造业的技术支柱，是一个国家科技水平、综合国力的重要体现，制造技术的发展是一个国家经济增长的根本动力。而制造业中机床是其基础装备。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的数控化率仅为6。这些机床中,役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 现代制造业正在迎来一场新的技术革命。数控系统未来分以下几个发展方向： 数控系统向开放式体系结构发展 数控系统向软数控方向发展数控系统控制性能向智能化方向发展数控系统向网络化方向发展数控系统向高可靠性方向发展数控系统向复合化方向发展数控系统向多轴联动化方向发展因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。 此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。本次设计的内容是机床纵向伺服进给机构的理论计算、结构设计分析，并撰写毕业设计论文。设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想、严肃认真的科学态度，加强团队合作精神。在设计分析中，先通过参观及查阅等了解有关系统的工作原理，作用及结构特点。选择合适的算法，根据计算结果查阅手册，得出相关的结构或零件。第二章 数控车床进给系统概述2.1 伺服进给系统概述数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构和执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机，功率步进电机，电业脉冲马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴刀架等执行部件实现工作进给和快速移动。数控机床的伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质的差别，他能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定运动规律所合成的运动轨迹。 2.2 伺服进给系统分类数控伺服进给系统按有无位置检测和反馈进行分类，有以下三种：(1)开环伺服系统(2)半闭环伺服系统(3)闭环伺服系统2.3 伺服进给系统的基本要求 (1)精度要求 (2)响应速度 (3)调速范围(4)低速、大转矩第三章 数控车床纵向进给系统的方案设计与电机的选择3.1 数控车床纵向进给系统的方案设计数控机床按控制方式分为开环、闭环、半闭环，由于采用直流式交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中，由于数控车床加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。若采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，精度较闭环控制的查，但是稳定性好，成本较低，调试维修较容易；但是对于经济型数控机床来说必要性不大。故在本次设计中，采用开环控制步进电机驱动。确定设计任务后，初步拟定三种传动方案 即 1 电机直接与丝杠相连；2 电机通过同步带的传动带动丝杠转动；3电机通过齿轮传动带动丝杠转动。 步进电机具有如下优点 :(1)电动机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电动机的脉冲个数就能控制位移量；(2)电动机的转速与输入的脉冲频率成正比，与要控制脉冲频率就能调节步进电动机的转速；(3)停止送入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某个固定位置上，不需要机械制动装置； (4)变通电相序即可以改变电动机的转向； (5) 步进电动机存在齿间相邻误差，但是不会产生累积误差；(6) 步进电动机转动惯量小，启动、停止迅速。滚珠丝杠副具有摩擦数小传动效率高，所需的传动转矩小；灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行；随着精度和定位精度高，磨损小，寿命长，精度保持性好，可通过预紧间隙消除措施提高轴承刚度和反向精度，运动具有可性。故在本次设计中采用步进电机带动X向工作台移动。传动方案1的结构简单，但是消除由步进电动机引起的振动等现象能力较差，故在本次设计中不采用方案1；传动方案2采用同步带传动保持恒定传动比，传动精度高工作平稳，结构紧凑，无噪声，有良好减振性能，但制造工艺比较复杂，传递功率较小，寿命较低，故在本次设计中不易采用。所以本次设计中采用方案3的齿轮传动，其主要特点是效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长，传动比稳定，传动过程中采用消隙齿轮，消除正反转齿轮间隙提高传动精度，性价比高。3.2 .步进电动机的计算与选型3.2.1 已知技术参数 纵向最大行程（Z轴）650 mm； 工作进给速度为6mm/min；纵向快速进给速度：2 m/min；床鞍及其他的估计尺寸（长宽高）：600mm300mm100mm；材料选为HT200。3.2.2 滚珠丝杠的计算及选择 滚珠丝杠导程的确定在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为，设电机的最高工作转速为，则由公式(3.1)可得丝杠导程为：确定丝杠的等效转速： 由公式(3.2) ，最大进给速度时丝杠的转速：最小进给速度时丝杠的转速：由公式(3.3) ，丝杠等效转速为： 估计工作台质量及工作台承重：横向工作台质量：床鞍及其他：总质量： 确定丝杠的等效负载：取滑动导轨摩擦系数为0.025，则丝杠所受的力为（如图4.1所示）： (4.1)其等效负载可按公式(3.5)估算： 确定丝杠所受的最大动载荷： 由公式(3.6)得： 图4.1 受力分析查表选定丝杠为外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型，型号： CDM2510-2.5。丝杠公称直径为25mm，基本导程，其额定动载荷，额定静载荷，圈数列数=2.51，丝杠螺母副的接触刚度为，丝杠底径24.5mm，螺母长度为125mm，取丝杠的精度为3级。在本设计中采用双螺母垫片预紧。两边的轴承选为17mm与20mm。3.3 校核 3.3.1 临界压缩负荷轴向固定的长丝杠在承受压缩负荷时，应验算其压杆稳定性。临界压缩负荷按公式(3.7)(3.8)计算：丝杠螺纹部分长度，取 支承跨距 ， 丝杠全长 可见远大于，临界压缩负荷满足要求。3.3.2临界转速 由公式(3.9)取 ，满足要求。3.3.3 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率由公式 (3.10)(3.11)(3.12) ：已知：轴承的接触刚度，丝杠螺母的接触刚度，丝杠的最小拉压刚度（见后面计算）。螺母座刚度。丝杠系统轴向拉压振动的固有频率：显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求。3.3.4 丝杠扭转刚度丝杠的扭转刚度由公式(3.13)计算： 由文献7,8得：平移物体的转动惯量为丝杠转动惯量：扭转振动的固有频率按公式(3.14)计算:显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，可以满足要求。3.3.5 传动精度计算导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L值分别为650mm和100mm。由公式(3.15) ，最大与最小机械传动刚度：最大和最小机械传动刚度：由于机械传动装置引起的定位误差据公式(3.16)对于3级滚珠丝杠，其任意300mm导程公差为 ，机床定位精度，所以，可以满足由于传动刚度变化所引起的定位误差小于（1/31/5）机床定位精度的要求。再加上闭环反馈系统的补偿，定位精度能进一步提高。3.3.6 伺服电机计算扭矩的计算1) 理论动态预紧转矩查表知3级滚珠丝杠 ， 而 由公式(3.17) 2) 最大动态摩擦力矩对于3级滚珠丝杠，由式(3.18) 3) 驱动最大负载所耗转矩由公式(3.19) 4) 支承轴承所需启动扭矩查轴承表：对于的轴承，其，则 。5) 驱动滚珠丝杠副所需扭矩 6) 电机的额定扭矩 3.3.7 电机的选择根据以上计算的扭矩及文献12，选择电机型号为SIEMENS的IFT5066，其额定转矩为6.7。第四章 纵向进给系统的运动设计与动力计算4.1降速比计算 由于选用的步进电机型号为SIEMENS的IFT5066，步距角为0.72。数控车床的脉冲当量为0.001mm。降速比i按下式计算： i=Qs/360 式中 步进电机的步距角，（）； 脉冲当量，mm； s丝杠螺距，； 取s=6。 4.2 传动件转动惯量的计算4.2.1 齿轮转动惯量的计算1、传动比的计算 2、 初步分配传动比 按获得最小转动惯量的原则分配传动比 i=ii i= (3-1) 得 i=1.52 i=1.643、 初步估计齿轮 模数m=1.25小齿轮Z=27 大齿轮 小齿轮大齿轮 4、 转动惯量的计算 有下式计算齿轮的转动惯量： (3-2) 式中 d齿轮分度圆直径，mm； b齿轮宽度，mm。 将数值代入上式可得： 4.2.2 工作台的转动惯量 工作台的转动惯量按下式计算： (3-3) 式中 W工作台（包括工件）的质量，； S丝杠螺距，。 将数值代入上式可得： 4.2.3 丝杠的转动惯量 丝杠的转动惯量按下式计算： (3-4) 式中 滚珠丝杠直径，； L支承距，。 由珠丝杠的参数可得：，。 所以 4.2.4 负载折算到电动机轴上的转动惯量 负载折算到电动机轴上的转动惯量为： 4.3 电动机力矩计算4.3.1 计算加速力矩 =0.092Nm4.3.2 计算摩擦力矩 Nm 式中 传动链总效率，取。4.3.3 计算附加摩擦力矩 Nm 式中 传动链总效率，取； 滚珠丝杠未预紧时的效率，取。4.3.4 根据公式计算快速空载启动时电动机所需力矩 =0.532Nm：第五章 滚珠丝杆副的选择与计算 5.1滚珠丝杠的支承 由文献7,8可知，查表选定丝杠为外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型，型号： CDM3206-3。丝杠公称直径为32mm，基本导程，其额定动载荷，额定静载荷，圈数列数=1.52，丝杠螺母副的接触刚度为，丝杠底径27. 9mm，螺母长度为112mm，取丝杠的精度为3级。在本设计中采用双螺母垫片预紧。两边轴承分别为20mm和25mm。本设计中丝杠采用两端固定的支承方式。选用成对丝杠专用轴承组合。 滚珠丝杠支承用专用轴承：轴承特点：1. 刚性大。由于采用特殊设计的尼龙成形保持架，增加了钢球数，且接触角为60轴向刚性大。2. 不需要预调整。对每种组合形式，生产厂家已作好了能得到最佳预紧力的间隙，故用户在装配时不需要再调整，只要按厂家作出的装置序列符号（）排列后，装紧即可。3. 起动力矩小。与圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承相比，起动力矩小。为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，推荐采用正面组合形式。（DF,DFD,DFF等）丝杠中常用的滚动轴承有以下两种：滚针推力圆柱滚子组合轴承和接触角为60角接触轴承，在这两种轴承中，60角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。滚针圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。60角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中面对面组合用得较多。5.2滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生严重接触变形，接触刚度与接触表面预紧力成正比。如果滚珠丝杠螺母副间存在间隙，接触刚度较小；当滚珠丝杠反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠的传动精度。因此，滚珠丝杠螺母副必须消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高滚珠丝杠螺母副的接触刚度。滚珠丝杠螺母副采用偏心轴套式调整法达到消除齿轮间隙的目的.5.3 丝杠螺母机构的计算5.3.1 确定滚珠丝杠副的导程 滚珠丝杠副的导程按下式计算： (2-1)式中 滚珠丝杠副的导程，（）；Vmax工作台最高移动速度，（）；电机最高转速，（）；由设计任务查得：Vmax=3m/min查阅数控机床系统设计得：步进电机110BF003的最高转速。将数值代入上式可得：。故取。5.3.2 强度计算1.动载强度计算 1）对于燕尾型导轨的牵引力计算F=KF+f(F+2F+G) (2-2)取 K=1.4 f=0.2考虑工作台在移动过程中只受G影响故 F=fG=0.2309.8=58.8(N)考虑工作台在加工时静止只受FX影响故 F= KF=1.49.8130=1783.6(N)取F= F2.计算最大动载荷 C 当转速时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此要进行动载强度计算，其计算动载荷应小于或等于滚珠丝杠螺母副的额定动载荷，即 (2-3)式中 动载荷系数； 硬度影响系数； 当量动载荷，N； 滚珠丝杠螺母副的额定动载荷，N； 寿命，以为一个单位。 (2-4)式中 T使用寿命，h； N循环次数； 滚珠丝杠的当量转速，。查表取 T=15000 h代入数据可的：查表取 查表取f=1.0当工作载荷单调连续或周期性单调连续变化时，则 式中 、最大和最小工作载荷，N。所以 计算可的： 查手册选取CBM4006-5型滚珠丝杠副（），所以刚度满足要求。3.静载强度计算 当转速时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式为滚珠接触面上产生较大塑性变形，影响正常工作。为此进行静载强度计算，最大计算静载荷为： 式中 硬度影响系数；查手册可得：CBM4006-5型滚珠丝杠副额定静载荷，所以满足要求。滚珠丝杠螺母的主要参数如表2-1所示： 表2-1滚珠丝杠螺母副的主要参数滚珠丝杠副型号CBM4006-5公称直径导程 钢球直径Dw=3.969丝杠外径螺纹底径额定动载荷额定静载荷接触刚度 5.3.3 丝杠螺母机构的传动刚度计算滚珠丝杠一端轴向支撑，丝杠的最小拉压刚度和最大拉压刚度分别为： 式中 E弹性模量。 按取近似估算，将丝杠本身的拉压刚度乘以，作为传动的综合拉压刚度，即： 反向死区误差计算： 所以能够满足单脉冲进给的要求。 计算由于传动刚度的变化引起的定位 5.4 滚珠丝杠螺母机构工作原理及特点如图5-4所示，在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道，在滚道内装入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚动，迫使二者发生轴向相对位移。为防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路。由于滚珠的存在，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。 图5-4 滚珠丝杠螺母机构 滚珠丝杠螺母机构具有下列特点： （1）摩擦损失小、传动效率高； （2）运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行； （3）轴向刚度高、反向定位精度高； （4）摩损小、寿命长、维护简单； （5）传动具有可逆性、不能自锁； （6）同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性； （7）有专业厂生产，选用配套方便。 5.4.1 滚珠丝杠安装方式特点 采用两端固定的安装方式，这种支承刚度最高，只要轴承无轴向间隙，丝杠的拉压刚度可提高四倍。可以进行预拉伸安装，克服热膨胀。当温升超过预计的温升时，不会像双向游动那样产生轴向间隙，但实现预拉伸及其调整方法较为复杂。 第六章 绘制进给传动机构的装配图在完成滚珠丝杠螺母副、减速箱和步进电动机的计算、选型后，就可以着手绘制进给传动机构的装配图了。在绘制装配图时，需要考虑以下问题：1) 了解原车床的详细结构，从有关资料中查阅床身、床鞍、中滑板、刀架等的结构尺寸。2)根据载荷特点和支承形式，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、连接和调整方式。例如：应保证丝杠两端支承与螺母座同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座、支承座在安装面上的连接与定位，同步带减速箱的安装与定位，同步带的张紧力调节，步进电动机的联接与定位等。4)考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如：丝杠螺母的润滑、防尘防铁屑保护、轴承的润滑及密封、行程限位保护装置等。5)在进行各零部件设计时，应注意装配的工艺学，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。6)注意绘制装配图时的一些基本要求。例如：制图标准，视图布置及图形画法要求，重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标注，重要配合尺寸的标注，装配技术要求、标题栏等。6.1 数控车床总体布局图（附件1）6.2 纵向进给系统部件结构装配图（附件2）第七章 控制系统硬件电路设计7.1 微机数控系统硬件电路总体方案设计本系统选用8031CPU作为数控系统的中央处理机。外接一片2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片6264RAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LS138译码器完成此功能。8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示，8255接步进电机的环形分配器，分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等。各引脚功能简要介绍如下： 源引脚 VSS：电源接地端。 VCC：5V电源端。 输入/输出（I/O）口线8031单片机有P0、P1、P2、P3 4个端口，每个端口8根I/O线。当系统扩展外部存储器时，P0口用来输出低8位并行数据，P2口用来输出高8位地址，P3口除可作为一个8位准双向并行口外，还具有第二功能，各引脚第二功能定义如下：P3.0 RXD：串行数据输入端。P3.1 TXD：串行数据输出端P3.2 INT0：外部中断0请求信号输入端。P3.3 INT1：外部中断1请求信号输入端。P3.4 T0：定时器/计数器0外部输入端P3.5 T1：定时器/计数器1外部输入端P3.6 WR：外部数据存储器写选通。P3.7 RD：外部数据存储器读选通。在进行第二功能操作前，对第二功能的输出锁存器必须由程序置1。3.信号控制线RST/VPD：RST为复位信号线输入引脚，在时钟电路工作以后，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，完成一次复位操作。（1）8031单片机采用两种复位方式：一种是加电自动复位，另一种为开关复位。ALE/PROG：ALE是地址锁存允许信号。它的作用是把CPU从P0口分时送出的低8位地址锁存在一个外加的锁存器中。VPP：当EA为高电平且PC值小于0FFFH时CPU执行内部程序存储器中的程序。当EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器中的程序。XTAL1：震荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地；XTAL2：震荡器的反相放大器输出，使用外部震荡器时，接收外围震荡信号；（2）片外三总线结构单片机在实际应用中，常常要扩展外部存储器、I/O口等。单片机的引脚，除了电源、复位、时钟输入以及用户I/O口外，其余的引脚都是为了实现系统扩展而设置的，这些引脚构成了三总线形式：地址总线AB 。地址总线宽度为16位。因此，外部存储器直接寻址范围为64KB。由P0口经地址锁存器提供16位地址总线的低8位地址（A7A0），P2口直接提供高8位地址（A15A8）。数据总线DB。数据总线宽度为8位，由P0口提供。控制总线CB。控制总线由第二功能状态下的P3口和4根独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成。7.2 8255A可编程并行I/O口扩展芯片8255A可编程并行I/O口扩展芯片可以直接与MCS系列单片机系统总线连接，它具有三个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成CPU与外围设备之间的信息交换。8255A的结构及引脚功能：1、8255A的结构8255A的内部结构包括三个8位并行数据I/O端口，二个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和一个8位数据总线缓冲器。各部分功能介绍如下：（1）三个8位并行I/O端口A、B、C A口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。可编程为8位输入、或8位输出、或8位双向寄存器。B口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位输入或输出寄存器，但不能双向输入/输出。C口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器，C口可分作两个4位口，用于输入或输出，也可作为A口和B口选通方式工作时的状态控制信号。（2）工作方式控制电路 A、B两组控制电路把三个端口分成A、B两组，A组控制A口各位和C口高四位，B组控制B口各位和C口低四位。两组控制电路各有一个控制命令寄存器，用来接收由CPU写入的控制字，以决定两组端口的工作方式。也可根据控制字的要求对C口按位清“0”或置“1”。（3） 读/写控制逻辑电路它接收来自CPU的地址信号及一些控制信号，控制各个口的工作状态。（4） 数据总线缓冲器 它是一个三态双向缓冲器，用于和系统的数据总线直接相连，以实现CPU和8255A之间信息的传送。2、引脚功能8255A为双列直插式40引脚封装芯片，如35所示。（1）D7D0 三态双向数据线，与单片机数据总线连接，用来传送数据信息。（2）PA7PA0、PB7PB0及PC7PC0 A口、B口及C口的输入/输出线。（3）CS 片选信号线，低电平有效。（4）RD 读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。（5）WR 写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。（6）A1、A0 端口选择信号，用来寻址控制端口和I/O端口。（7）RESET 复位信号线，高电平有效。有效时，控制寄存器的内容都被清零，三个I/O端口都被置成输入方式。（8）Vcc 5V电源。（9）GND 地线。7.3 8255A端口的寻址一块8255A芯片内，A、B两组控制电路各有一个控制寄存器，由CPU入的控制字来决定三个I/O端口的工作方式。两个控制寄存器一起构成控制端口，占用一个端口地址。同时8255A芯片内有A、B、C三个I/O端口，各须占用一个端口地址。这四个端口地址用 A1、A0两个端口选择信号选择。（1）工作方式。8255A有三种工作方式：即方式0、方式1、方式2。 基本输入/输出方式方式0 在这种工作方式下，不需要任何选号，A口、B口及C口的两个4位口（C口的高4位和低4位）都可以由程序设定为基本输入或输出。作为输出口时，输出数据被锁存；作为输入口时，输出数据不被锁存。按照方式0工作时，CPU可以通过简单的传送指令对任意一个端口进行读/写。 选通输入/输出方式方式1 只有A口和B口可以选择这种工作方式。在这种工作方式下，A、B、C三个口分为两组：A组包括A口和C口的高4位。A口可由编程设定为输入或输出口，C口的高4位用作输入/输出操作的控制和联络信号；B组包括B口和C口的低4位，B口可由编程设定为输入或输出口，C口的低4位，用作输入/输出操作的控制和联络信号。A口和B口的输入数据或输出数据都被锁存。选通输入/输出方式主要用于中断应答式数据传送，也可用于连续查询式数据传送。输入和输出时8255A与外围设备的连接方式不同，数据传送过程也不同。 双向输入/输出工作方式方式2 只有A口可以选择这种工作在这种工作方式下，A口成为8位双向数据总线端口，既可以发送数据，又可以接收数据。C口的PC2PC3用来作为A口的联络信号。此时，B口和C口剩下的三位PC2PC0仍可选择方式0或方式1。按方式2工作时，A口既可工作于查询方式，又可工作于中断方式。（2） 8255A的控制字8255A在投入工作前必须设定工作方式，工作方式由初始化程序对8255A的控制寄存器写入控制字来决定。控制字共有两种。 工作方式控制字 即控制A口、B口、C口的工作方式的控制字。其中D7是特征位，D7=1表示本字是方式控制字；D6D3用来定义A口和C口的高4位（即A组）的工作方式；D2D0用来定义B口和C口的低4位（即B组）的工作方式；在方式1或2 时，D3或D0只能定义C口中未用作联络线的各位是作输入还是输出，而不会改变作为联络线的各位的固定作用。 C口的按位置/复位控制字 可以对C口各位进行按位操作，以实现某些控制功能。对控制寄存器写入一个置/复位控制字，即可把C口的某一位置“1”或“0”，而不影响其他位的状态。该控制字的格式和定义入土所示。其中D7是特征位，D7=0表示本字是置/复位控制字；D6D4未用，一般置成000；D3D1用来确定对C口的哪一位进行置/复位操作；D0用于对于由D3D0确定的位进行置“1”或清“0”。两种控制字写入的控制端口相同。由于两种控制字都有特征位，因此写入的顺序可以任意。在工作中，随时可以根据需要对C口的某位置“1”或清“0”。7.4可编程键盘，显示器接口Intel827918279内部结构：（1） 数据缓冲器及I/O控制逻辑 数据缓冲器是一个双向缓冲器，它连接内部总线和外部总线，用于传送CPU和颜悦色8279之间的命令，数据和状态。（2） 控制与定时寄存器以及定时与控制电路 8279为一个可编程芯片，其工作方式等通过写入一些命令来设置。控制与定时寄存器用来寄存操作命令字，通过对命令字译码产生相应的控制信号，控制8279的各个部件的协调工作，完成相应的功能。（3） 扫描计数器 扫描计数器有两种工作方式。一种为外部译码方式。计数器以二进制方式计数，4位计数状态从扫扫描结SL0SL3输出，经外部译码后形成的16位扫描信号；另一种为内部译码方式。 回复缓冲器，键盘去抖动与控制电路回复缓冲器缓冲并锁存来自RL0RL7 8根回复线的回复信号。 FIFO/传感RAM及其状态寄存器FIFO/传感器RAM是一个双重功能的88RAM 显示RAM各显示地址寄存器 显示RAM用来存储显示数据，容量为168位。28279的工作方式（1）键盘工作方式双键互锁方式N键轮回方式（2）显示器工作方式（3）左端输入方式右端输入方式（4）传感器矩阵方式（5）选通输入方式38279的引脚功能：（1）D0D7数据总线双向，三态总线，和CPU数据总线相连，用于CPU和8279间的数据传输。（2）CLK（系统时钟）：输入线，为8279提供内部时钟输入端。（3）RESET（复位）：当RESET1时，8279复位其复位状态为：16个字符显示；编码扫描键盘的-双重功能键锁定；程序时钟编程为31。（4）CS（片选）：输入线，当CS0时，8279被选中，允许CPU对其读、写。（5）RD、WR（读写信号）：输入线，低电平有效，来自CPU的控制信号，控制8279的读写操作。（6）IRQ（中断请求）：输出线，高电平有效。（7）SL0SL7(扫描线)：输出线。是键盘矩阵或传感器矩阵的行(或列)信号输出线。（8）SHIFT(移位信号)：输入。高电平有效。（9）OUTA0 OUTA3 (A组显示信号)、OUTB0 OUTB3 (B组显示信号) 段码输出线。7.5 地址锁存器74LS373单片机规定P0口提供低8位地址线，同时又要作数据线，所以P0是一个分时输出低8位和数据的通道口。为了把地址信息分离出来保存，提供外接存储器的低8位地址信息，通常采用74LS373作为地址锁存器。74LS373的引脚功能：1D8D是输入端，1Q8Q是输出端，CE是片选端，选通端G与8031单片机的地址锁存信号ALE连接。当选通端G=1时，74LS373的输出端与输入端相同，当G端从高电平返回低电平（下降沿）时，输入的地址信息就被锁入1Q8Q中。1.74LS138译码器程序存储器的扩展的常用方法有两种：线选法和译码法。本设计使用的方法为译码法寻址。常用的译码器有74LS138（38译码器），74LS154（416译码器），74LS138有3个选择输入端，组成8种输入状态。输出端有8个，每个输出端分别对应8种输入状态的一种，低电平有效。即对应每种输入状态，仅允许一端输出低电平，其余全为高电平。它还具有3个使能端E3、E2和E1，3个使能端必须同时输入有效电平，译码器才能正常工作。即仅当E3、E2和E1输入电平为1、0、0时，才能选通译码，否则译码器输出全无效。7.6 部分硬件接口电路及辅助电路设计本系统接口电路包括程序存储器扩展电路、数据存储器扩展电路、键盘显示接口电路和步进电机接口电路，辅助电路包括时钟电路、复位电路、计数电路和报警指示电路。1.外扩EPROM电路EPROM2764芯片为28引脚，其主要有16根地址线（A0A15），8根数据线（D0D7），片选端（CE），输出允许端（OE）等。1、地址线连接。由于EPROM一般不含有地址锁器，因此8031的P0口要经地址锁存器74LS373与EPROM2764低8位地址端相连接，P2口与2764的高8位地址端相连接。2、数据经的连接。8031的P0口（P0.00.7）直接与2764的8位数据端（D0.00.7）相连接。3、控制线的连接。2764的OE端（允许输出信号） 与8031的PSEN(片外数据存储器取指信号)相连接。 ALE(地址锁存允许信号)与74LS373的OC端连接。由于扩展了一片8K 的EPROM，因此2764片选端（CE）应接地，同时8031的EA端（片内/外存储选择信号）也应接地。该芯片的地址范围0000HFFFFH。2.外扩RAM电路SRAM6264芯片为28引脚，主要有15个地址端（A0A14）、8个双向三态数据端（D0D7）、片选端（CE）、读选通端（OE）、写允许端（CE）等。1、地址线连接。8031的低8位地址经P0口通过74LS373与62256的低8位地址端（A0A7）相连接，由于63356的容量为32K，因此，高位地址线只用7根（即P2.0P2.6）与6264的高7位地址端（A8A14）相连接。2、数据线连接。同2764芯片一样，P0口（P0.0P0.7）直接与6264的数据端（D0D7）相连。3、控制端连接。片选（CE）端应接8031的P2.7端，OE、WE端分别与8031的RD、WR端相连接来控制6264的读写。该芯片的地址范围为0000H7FFFH。3.键盘显示器的接口电路利用8279扩展键盘和显示器，在这里采用外部译码的方式，因此要选用译码器，采用74LS154（“416”译码器）。为了让数据显示稳定、可靠，必须增加数据线和扫描线的驱动能力，这里选用74LS244（8同相缓冲器/驱动器）。1、数据线连接。8279的数据端（D0D7）直接8031的数据线（P0.0P0.7）相连。2、控制线连接（1）片选信号 8031的P0.0端经74LS373后与8279的片选（CS）端相连接。（2）属性控制信号 8031的P1.1端经74LS373后与8279的数据选择端（A0）相连接，控制输入线上信号的属性（命令/状态、数据）。（3）时钟信号线 8279的内部时钟信号（CLK）端直接与8031的地址锁存允许信号（ALE）端相连。（4）读（RD）、写（WR）控制信号 分别与8031的读（RD）、写（WR）端相连接。3、键盘数据线连接8279的扫描线（SL0SL2）经74LS154译码后的Y1、Y2、Y3、Y4四条线分别与8位回复线（RL0RL7）相交，其形成了48的键盘。4、显示数据线连接在本系统中，LED显示器（共阴极）动态显示。显示器的位选码是8279的扫描线经74LS154译码经74LS244驱动后分别与各LED的共阴极端相连，段选码是8279的显示数据端（OUTA0OUT3,OUTB0OUTB3）经过 74LS244驱动后与各显示器端的数据相连接。该芯片的数据口地址为0FF80H、状态口地址为0FF82H。5.面板操作键设置硬件接口电路在面板上有起动、暂停、单段/连续运行、坐标轴进给手动操作键和急停按钮等。起动按钮，用于起动加工程序。暂停按钮，可中断程序的运行，需要继续运行程序时应按下起动键。单段/连续控制开关，控制实现单段或连续加工。置于单段位置时，每运行一条程序就暂停，只有重新按下起动键，才运行下一段程序。将此开关置于连续位置时，程序将连续运行。坐标轴进给操作按键X、X、Z、Z，可实现手动操作工作台的进给。按下其中一个按键，例如X键，数控系统向X电机发出连续进给信号，使工作台沿X轴正向连续移动，直到松开X 按键为止。面板操作键与8031单片机连接如图所示，除急停按键使用单片机8031的最高优先级中断外，其余按键均联至P1口。各操作键开关的连接方法和工作原理都相似。由图313可见，当键未按下时，光电耦合管截止、P1口为高电平，程序检测到P1口为高电平时不于理睬；当键按下时，光电耦合管饱和导通，对应的P1口变为低电平，8031接到此低电平时，转而执行该键功能。6.方式选择开关设置方式选择开关是一单刀8掷的波段开关，提供选择的方式有编辑、空运行、自动、回零、手动、手动、手动和通信，总共8种功能。（1） 编辑方式 可以对加工程序进行输入、检索、修改、插入和删除等操作。（2） 空运行方式 开关置于空运行时，起动加工程序，只执行加工指令对M、S、T指令跳过不执行，而且刀具快速运动。因此，用这种方法可以检查程序编制是否正确。（3） 自动方式 只有开关置于这个位置时，按起动键才可以起动加工程序。（4） 手动方式 、手动方式用于加工前对刀调整，或进行简单加工。操作时，将方式选择开关置于手动方式，配合方向操作键进行手动操作。手动方式的三个位置对应选择X轴和Z轴三组不同的进给速度。手动方式的速度：X轴15mm/min