小型数控卧式镗铣床

1、课程设计说明书课程设计说明书题题 目目： 小小型型数数控控卧卧式式镗镗铣铣床床主主轴轴箱箱升升降降和和制制动动装装置置设设计计 学学生生姓姓名名 ： 史史延延江江学学 院院 ： 机机械械学学院院班班 级级： 机机电电 12-3指指导导教教师师 ： 秦秦建建国国 讲讲师师 2016 年 1 月 22 日学校代码：学校代码： 1012810128学学 号：号：201230102058201230102058课程设计（论文）任务书课程设计（论文）任务书课程名称：课程名称： 专业综合设计专业综合设计2 _ 学院：学院： 机械学院机械学院 班级：班级： 机电机电12-312-3 一、题目一、题目小型数控

2、卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置设计小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置设计二、目的与意义二、目的与意义专业综合设计 2课程设计是机械设计制造及其自动化专业实践性非常强的教学环节之一，是机械类高年级学生综合应用基础课、技术基础课、专业课等知识体系，将机械、驱动、传感及计算机控制有机地集成融合在一起，独立设计一种具有特定功能的机电装备。通过本次课程设计，培养学生运用所学机电装备设计课程的知识，对典型机电装备的工作原理、组成要素及核心技术问题的分析能力；培养学生用机电装备设计的知识及相关知识体系，掌握如何将机械和电气驱动、检测技术和计算机控制融合在一起，如何构成一种性能优良、工作可靠及结构简单的机

3、电装备的一般设计方法和规律，提高设计能力；通过设计实践，熟悉设计过程，学会正确使用资料、正确使用图书特别是电子图书资源、网络资源，查阅技术文献、设计计算、分析设计结果及绘制机械、电气图样，在机电一体化技术的运用上得到训练；通过课程设计的全过程，为学生提供一个较为充分的设计空间，使其在巩同所学知识的同时，强化创新意识，在设计实践中深刻领会机电装备设计的内涵。 三、要求三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等） 技术参数技术参数1、主轴箱垂直提升行程：500； 2、主轴箱尺寸：长长宽宽高高500400250； 3、主轴箱总重： 1000N； 4、最高运行速度：步进电机运行方

4、式： 空载：0.6m/min; 切削：0.2m/min；交流伺服电机运行方式：空载：8m/min;切削：2m/min；5、系统分辨率：开环模式 0.01mm/step；半闭环模式 0.005mm/step；6、系统定位精度：开环模式0.10mm；半闭环模式 0.01mm；7、切削负载：X 向 500N；Y 向 800N；Z 向 1200N设计要求设计要求1、实现垂直平稳升降，具有快速升降功能；2、用步进电机或交流伺服电机作驱动元件；3、工作时离合器脱开，主轴不工作时，离合器锁死，主轴箱停在任意位置；4、具有行程越位报警功能；5、采用滚动导轨块作支承；6、具有断电锁紧功能。图纸量和工作量要求图纸

5、量和工作量要求1、机械总装配图、机械总装配图在CAXA环境下绘制主轴箱升降制动装置设计主轴箱升降制动装置设计的结构图，并进行详细修改和设计，最后用A1号图纸打印输出。2、硬件电路图硬件电路图控制芯片可采用 8031、80C31 或基于 PLC 的运动控制技术，在 Protel 99 环境下，进行控制电路图的设计，电路图幅为 A2A1 为宜。3、设计说明书、设计说明书要严格按照内蒙古工业大学课程设计（论文）说明书书写规范内蒙古工业大学课程设计（论文）说明书书写规范认真撰写，说明书不少于6000字。四、工作内容、进度安排四、工作内容、进度安排 1、总体设计分析、确定方案、设计计算- -0.5 周2

6、、机械部分结构设计、装配图绘制-1.0 周3、硬件电路设计-0.5 周4、撰写说明书-5 天5、答辩-2天五、主要参考文献五、主要参考文献1 林述温等. 机电装备设计M.北京：机械工业出版社，2002.2 机床设计手册组.机床设计手册（三分册）M.北京：机械工业出版社，1986.3 王爱玲.现代数控机床结构与设计M.北京：兵器工业出版社，1999.4 尹志强等.机电一体化系统设计课程设计指导书M.北京：机械工业出版社，200975 滚珠丝杠、线性滑轨OL. 汉意精工.http:/www.taiwan-6 滚珠丝杠、线性滑轨OL.天津海特传动机械有限公司.http:/www.hit-7 步进电机

7、及驱动器OL.北京斯达微步控制技术有限公司.http:/8 步进电机及驱动器、交流伺服电机及系统OL.步进机电有限公司.http:/www.step-9 伺服电机相关技术、直线运动产品、光电传感器OL.深圳市湘聚事业有限公司，http:/10 RORZE 高精度步进电机及驱动器OL.北京伟恒升级团.http:/11 步进联轴器，编码器联轴器，微型电机联轴器OL.广州菱科自动化设备有限公司：http:/12 日本富士、美国 Copley 等交流伺服电机OL.重庆钧智自动化仪器控制有限公司http:/13 山东博特精工股份有限公司：http:/ 台达交流伺服电机等. OL. 台湾电子工业股份有限公

8、司:http:/.tw/审核意见审核意见系（教研室）主任（签字）系（教研室）主任（签字） 指导教师下达时间指导教师下达时间 20162016 年年 1 1 月月 4 4 日日指导教师签字：指导教师签字：_摘摘 要要小型数控卧式镗铣床主轴箱沿着 X 轴升降。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的升降系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对小型数控卧式镗铣床主轴箱的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。 本说明书简要明确的说明了小型数控卧式镗铣床主轴箱升

9、降和制动装置设计的过程及内容，包括机械传动系统和电气控制系统的设计，其中机械传动系统部分包含了确定系统脉冲当量和切削力，滚珠丝杠螺母副的计算和选型，电机的计算和选型。本次课程设计，主要设计和研究小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置及其电气原理图。确定小型数控卧式镗铣床主轴箱升降的传动系统，并且选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。利用8031、6264、2764、373、8155、8255 等 MCS51 单片机设计其硬件电路图。关键词关键词：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电

10、机；MCS51 单片机目 录第一章 总体方案设计.11.1 系统的运动方式与驱动系统的选择 .11.2 机械传动方式 .11.3 电气控制系统方案设计 .1第二章 主轴箱升降进给伺服系统设计计算.32.1 确定系统脉冲当量 .32.2 确定系统切削 .32.3 滚动导轨副的计算和选型 .32.3.1 滚动导轨副的额定寿命.32.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .52.4.1 滚珠丝杠螺母副的计算 .52.5 联轴器的选型 .92.6 步进电机变速箱的选用 .92.7 步进电机的计算与选型 .92.7.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jep.92.7.2 初选步进电动机.92.7.3

11、步进电动机最大静转矩的选定 .122.7.4 步进电动机的性能校核 .12第三章 微机数控系统硬件电路设计.143.1 计算机系统 .143.2 单片微机数控系统硬件电路设计内容 .143.2.1 绘制电气控制系统框图 .143.2.2 选择 CPU 的类型 .153.2.3 存储器扩展电路的设计 .153.2.4 I/O 接口电路设计.163.3 各类芯片简介 .163.3.1 8031 芯片简介.163.3.2 373 芯片简介.163.3.3 6264 芯片简介.173.3.4 2764 芯片简介.173.3.5 8155 芯片简介.173.3.6 8255 芯片简介.173.4 存储器

12、扩展电路设计 .183.4.1 程序存储器 ROM 的扩展 .183.4.2 数据存储器 RAM 的扩展 .183.4.3 译码电路的设计 .193.5 I/O 接口电路的设计.193.5.1 8155 通用可编程接口芯片.193.5.2 8255 可编程接口芯片.203.5.3 键盘显示接口电路 .203.6 8031 的时钟电路.213.7 复位电路 .213.8 越界报警电路 .223.9 掉电保护电路 .223.10 控制系统的功能 .223.11 控制系统的工作原理 .22参考文献.24内蒙古工业大学本科课程设计说明书1第一章第一章 总体方案设计总体方案设计1.1 系统的运动方式与驱

13、动系统的选择为了实现镗铣床主轴箱升降和制动，运动定位、暂停、急停等功能，故选择连续控制系统。考虑到对工作台实际位移的检测，补偿系统的误差，故采用半闭环控制系统，利用交流伺服电机进行驱动。半闭环控制系统如图 1-1 所示。 驱动单元步进电机执行部件图 1-1 开环控制系统 1.2 机械传动方式为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机传动丝杠。为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。1.3 电气控制系统方案设计单片机方案根据设计要求，采用 8 位微机。由于 MCS51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、

14、速度快、抗干扰能力强，高性价比等特点，故采用 MCS51 系列的8031、80C31、8086、DSP、基于 DSP 的运动控制芯片，ARM 嵌入式微处理器技术。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。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内蒙古工业大学本科课程设计说明书2息。小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置电气控制系统单片机方案设计如图1-2 所示。图 1-2 小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置电气控制系统单片机方案内蒙古工业大学本科课程设计说明书3第二章第二章 主轴箱升降进给伺服系统主轴箱升降进给伺服系统设计计算

15、设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的脉冲当量、区定系统的负载、运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服（步进）电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图等。现分述如下：2.1 确定系统脉冲当量一个进给脉冲，使运动部件产生的位移量，称为脉冲当量。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。根据设计要求，二维运动平台采用的脉冲当量是 0.01mm/step。2.2 确定系统切削根据设计要求，机床的切削负载为：X 向 500N；Y 向 800N；Z 向 1200N。2.3 滚动导轨副的计算和选型目前，滚动导轨在数控机床上的应用非常广泛，因为其摩擦系数小

16、（0.00250.005） ；动、静摩擦系数很接近，几乎不受运动速度变化的影响，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好，低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，故选滚动导轨。滚动导轨的设计包括选择结构形式，确定预紧方式，计算和确定几何参数。2.3.1 滚动导轨副的额定寿命1）作用于滚动直线导轨副工作载荷的计算工作载荷是影响导轨副使用寿命的重要因素。对于升降工作台，多采用双导轨、四滑块的支承结构。常见的工作台滑块间距分布图及受力情况如图 2-1 所示。采用双导轨，四滑块的支撑形式。考虑最不利的情况，即垂直于工作台的最大垂直方向载荷为： (2-FyGFmax内蒙古工业

17、大学本科课程设计说明书41)查表 3-41，根据工作载荷,初选直线滚动导轨副的型号为NF1400max KL 系类的 JSA-LG15 型，其额定载荷 Ca=7.94KN,额定静载荷 Coa=9.5KN,选取导轨长度 640mm。2）滚动直线导轨副额定寿命 L 的计算 上述选取的 KL 系列 TSA-LG15 型导轨副的滚动导轨硬度 60HRC,工作温度不超过600，每根导轨上配有两只滑块，精度为 4 级，工作速度较低载荷不大。 (2-2)()(503maxkmLFCfffffawacth式中：硬度系数，=1.0；hfhf温度系数，=1.00；tftf接触系数，=0.81;cfcf精度系数，=

18、0.9；afaf运转系数，按一般运转取=1.21.5，计算取 1.5；wfwf带入数据 得 L=1047 Km 远远大于期望值 50 Km，故距离额定寿命满足。2.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠螺母副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。2.4.1 滚珠丝杠螺母副的计算1）计算进给牵引力 NFm内蒙古工业大学本科课程设计说明书5 图 2-1 主轴箱升降示意图作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，其数值大小和导轨的型式有关。选用综合导轨，则进给牵引力： (2-3)(FzGKFxFm式中：K考虑颠覆力矩影响

19、的实验系数，综合导轨取 K=1.15；u导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同。滚动导轨数值在f0.00250.005 之间，取 0.15；主轴箱总重。G主轴箱配重，。代入数据 得 Fm=905N。GGG 2）最大动负载 FQ 计算 选用滚珠丝杆副的直径时，必须保证在一定轴向负荷作用下，丝杠在回转15000h 后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负荷的最大值即为该滚珠丝杠能承受的最大动负荷 FQ。丝杆转速 (2-4)min)/ r (P/vnh n = 60(r/min)丝杆寿命系数（以转为 1 单位） (2-5)61061060TnL L = 54(r/min)内蒙古工业大学本科课程设计说明

20、书6最大动负荷 (2-6)3LFffFmhwQ FQ = 3421N式中：丝杠轴向当量负载；Fm最大切削力下的进给速度（m/min），可取最高进给速度的 300m/s；v滚珠丝杠导程，=4mm；hPhP硬度系数，取 1.0；hf载荷系数，按一般运转取=1.21.5，计算取 1.2；wfwf滚珠丝杆的使用寿命，取 15000h；T所计算出来的最大动负荷应小于滚珠丝杆的额定动载荷。QFaC 验证所初步选择的滚珠丝杠螺母副是否符合要求。3）初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 G 系列 20043 型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径

21、为 20mm，导程为 4mm，循环滚珠为 3 圈 X 1 列，精度等级取 5 级，额定动载荷为 5243N，大于，满足要求。4）传动效率 滚珠丝杠螺母副的传动效率一般在 0.80.9 之间，由下式计算。 (2-7)(tgtg= 95.5% =arctan/（） (2-8)0= 364式中：公称直径=20mm，导程为4mm0=丝杠螺旋升角；内蒙古工业大学本科课程设计说明书7摩擦角，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数=0.0030.004，其摩擦角约f等于 10。5）系统刚度验算滚珠丝杆副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动平稳性。因此，应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量、滚珠与螺

22、纹滚道间接触1变形。2主轴箱升降进给滚珠丝杠副的支承方式草图如图 2-2 所示。卧式镗铣床的主轴箱升降的滚珠丝杠副的支承采用“一端双推-端游动。丝杠一端为双向推力球轴承一端深沟球轴承。上下两支承德中心距离 L=600mm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的 1/3，选择波形管防护装置。图 2-2 主轴箱升降进给系统计算简图 (2-9)非常小，此项忽略）由于M(221LMESFmL1 =0.01124mm式中：E刚的弹性惯量，取；MPa101 . 25丝杠低径，查表 3-31 得 17.1mm；2d滚珠直径，查表 3-31 得 2.381mm;wD内蒙古工业大学本科课程设计说明书8S

23、丝杠截面积，取;mmdS230422 (2-10)32210/100013. 0ZFDFmyjw2 =0.0036 mm式中：丝杠预紧力，yjFNFFmyj3 .3013/ Z单圈滚珠数，由与该型号为单螺母，滚珠圈数2430wDdZ列数 为 31 所以滚珠总数为 64。根据以上计算得到滚珠丝杠的总体变形量：m128. 021在此次设计中,丝杠有效行程为 500mm,由表 3-27 知，五级精度滚珠丝杠有效行程在 315-500mm 之间时，行成误差可达 25m，可见，丝杠刚度足够。6）稳定性校核滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负荷时，应验算其是否

24、产生弯曲失稳现象。产生失稳的计算临界负载)(NFK (2-11)22kKKLEIfFFmFk = 2497N式中 丝杠材料弹性模量，钢：；E24/106 .20mmNE截面惯性矩，丝杠：，为丝杠螺纹的底径；I2mm42d64I2d丝杠两支承端距离；Lmm丝杠支承方式系数，由机电一体化系统设计课程设计指导书P42kf内蒙古工业大学本科课程设计说明书9表 3-34 查取。故丝杠不失衡，是稳定的。2.5 联轴器的选型选小型挠性联轴器型号为：SRL.65C L=50, A=452.6 步进电机变速箱的选用根据式 i=（）/（360 ）=1 脉冲当量，取 0.01mm/脉冲；滚珠丝杠的导程，取 4mm；

25、初选步进电机的补距角，取；0.9由于传动比为 1，丝杠可与联轴器直接相连，不需减速箱。2.7 步进电机的计算与选型2.7.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jep已知：滚珠丝杠的公称直径=20mm，总长 l=840mm，导程=4mm，材料密度0=7.85 X Kg/；移动部件总重力 G=800N，传动比 i=1.10 32滚珠丝杠的传动惯量 = (2-12)28 Js=1.035 Kg2主轴箱折算到丝杠的传动惯量= (2-13)（2）2 Jw=0.537 Kg2内蒙古工业大学本科课程设计说明书102.7.2 初选步进电动机初选步进电动机型号为 90BYG2502，为两相混合式，由常州宝

26、马集团公司生产，二相八拍驱动时步距角为 0.9。，查的该型号电动机转子的转动惯量=4Kg。 2则加在不仅电动机转轴上的总转动惯量为：Jep=Jm+Jw+Js (2-14)Jeq=5.572 Kgcm3计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1.快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：一部分是快速空1载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上；的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，相对于和很小，可以00忽略不计。则有 （2-14）1=

27、+ 考虑传动链的总效率 ，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： （2-15）=2601式中 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为 r/min； 步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为 s。 其中： （2-16）=360式中 空载最快移动速度，任务书指定为 600mm/min； 步进电动机步距角，预选电动机为； 0.9 脉冲当量，本例 =0.01mm/脉冲。 将以上各值代入，算得167r/min=设步进电动机由静止到加速至转速所需要时间0.4s，传动链总效率。=95. 0则：内蒙古工业大学本科课程设计说明书11 1/ （2-=26017） Tamax=0.02

28、4Nm移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： （2-i2P)FF(Thxzf18）式中 导轨的摩擦因数，滚动导轨取 0.005； 垂直方向的铣削力，空载时取 0； 传动链总效率，取 0.7。得： Tf0.006Nm最后，求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： (2-19)1= + Teq1 =0.030 Nm 2.最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：一部分是折2算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还要有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于很小，可以忽略不计。则有：00和 (2-2

29、0)2= + 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载 Tt=Ff Ph /2 i (2-21) Tt=0.512 Nm 承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： Tf=(Fx+Fz)Ph/2 i (2-22) Tf=0.006 Nm最后，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩应为：内蒙古工业大学本科课程设计说明书12 Teq2 = Tt + Tf (2-23) Teq2 = 0.518 Nm经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为： (2-24)= 1，2 Tep = 0.518 Nm2.7.3 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进

30、电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来喧杂步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数 K = 4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 4 (2-25) Teq = 2.072 Nm上述初选的步进电动机型号为 90BYG2502，查的该型号电动机的最大静转矩。可见,满足要求。2.7.4 步进电动机的性能校核 最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定的最快工进速度800 mm/min，脉冲当量，= = 0.01/脉冲求出电动机对应的运行频率从 90BYG2502 电动机的HzVff3 .33301. 0602

31、0060maxmax运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩，远远NmT5max大于最大工作负载转矩0.518 Nm，满足要求2= 最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定最快空载移动速度，求出电动机对应的运行频率smV/600max。用差补法求得在此频率下，电动机的输出转矩HzVff100001. 06060060maxmax内蒙古工业大学本科课程设计说明书13，大于快速空载起动时的负载转矩0.030Nm，满足要求。NmT. 5max 1=最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度 应的电动机运行频率 1000Hz，查表可知 90GBY2502 电动机的空smV/

32、600max载运行频率可达 20000Hz，可见没有超出上限。2.7.5 起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动 Jep=095Kg，电动机转子的转动惯量2电动机步带任何负载时的空载起动频率。则可以求出步= 42= 1800进电动机克服惯性负载的起动频率： (2-26)4/095. 511800/1meqqLJJff fL = 1179Hz上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于 1179Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选更低，通常只有 100Hz。综上所述，本例中选用的 90BYG2502 步进电动机，完全满足设计要求。内蒙古工业大学本科课程设计说明书

33、14第三章第三章 微机数控系统硬件电路设计微机数控系统硬件电路设计3.1 计算机系统微机数控系统由 CPU，存储器扩展电路，I/O 接口电路，驱动电机驱动电路，检测电路等几部分组成。微机是数控系统的核心，其他装置都是在微机的指挥进行工作的。系统的功能和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度。字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机，要进行双字长和三字长的运算，就会影响速度，根据机床要求，综合考虑采用 8 位微机。由于 MCS-51 系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，

34、抗干扰能力强，具有很高的性价比特点，决定采用 MCS-51 系列的 8031 单片机扩展系统。控制系统由微机部分，键盘、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几部分组成。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 LED 显示器。32 单片微机数控系统硬件电路设计内容3.2.1 绘制电气控制系统框图数控系统是由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础，有了硬件软件才能有效的运行。内蒙古工业大学本科课程设计说明书15RAMROMCPUI/O接口外 设键盘、显示器及其它驱动器步进电机图 3-1 机床数控系统硬件框图（半闭环系统）机床硬件电路图由以下几部分组成：1.主

35、控制器，即 CPU2.总线，包括数据，地址，控制总线3.存储器 ROM，RAM4.接口，即 I/O 接口电路5.外设，如 键盘，显示器及光电输入机等。3.2.2 选择 CPU 的类型目前在经济型数控机床中，推荐采用 MCS-51 系列单片机作为主控制器3.2.3 存储器扩展电路的设计存储器扩展电路应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑 CPU 与 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问题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。 驱动器内蒙古工业大学本科课程设计说明书163.2.4 I/O 接口电路设计此次设计内容包括接口

36、芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计（例如复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等）3.3 各类芯片简介3.3.1 8031 芯片简介Vss：接地VCC：+5 伏电压XTAL1：内部振荡电路反向放大器输入端XTAL2：内部振荡电路反向放大器输出端RST/VPD：复位/备用电源ALE/PROG：锁存/接收编程脉冲PSEN：外部程序存储器读选通信号输出端EA/VPP：EA 为内部程序存储器和外部程序存储起选择端，对于 8031 始终保持低电平；VPP 为在 EPROM 编程期间加 21 伏编程电压P0.0P0.7：在访问外存时，分时传送低 8 位地址和数据总线P1.0P1

37、.7：8 位准双向 I/O 口，每一位都可作为可编程的输入或输出线P2.0P2.7：8 位准双向 I/O 口，访问外存时输出高 8 位地址P3.0P3.7：8 位准双向 I/O 口及第二功能口 3.3.2 373 芯片简介 D0D7： 数据输入端Q0Q7： 数据输出端LE ： 锁存信号输入端OE ： 锁存信号输出端 内蒙古工业大学本科课程设计说明书173.3.3 6264 芯片简介A0A12： 地址线I/O0I/O7：双向数据线CE1：片选线 1CE2：片选线 2WE： 写允许线OE： 读允许线 3.3.4 2764 芯片简介A0A12：地址线I/O0I/O7：数据输出线CE： 片选线OE：

38、数据输出选通线PGM：编程脉冲VPP：编程电压 3.3.5 8155 芯片简介AD0AD7：地址数据总线RESET：由 8031 提供复位信号CE：CE=0 时，器件才允许被启用IO/M：当 IO/M=1 时，选择 I/O 口电路；当 I/O=0 时，选择存储器ALE：接 8031ALERD：为主机发来的读信号输入端WR：为主机发来的写信号输入端 3.3.6 8255 芯片简介RESET：由 CPU 提供复位信号CS：片选信号内蒙古工业大学本科课程设计说明书18RD：为主机发来的读数脉冲输入端WR：为主机发来的读数脉冲输入端A1、A0 ：端口选择信号 3.4 存储器扩展电路设计 MCS-51

39、系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，对简单的应用场合 MCS-51 系列的最小系统用一片 8031 外扩一片 EPROM 就能满足功能的要求。对于复杂的应用场合，可利用 MCS-51 的扩展功能，构成功能强，规模大的系统。3.4.1 程序存储器 ROM 的扩展MCS-51 的程序存储器的寻址空间为 64K B。8031 不带 ROM，用作程序存储器的器件是 EPROM。(1)16 位地址总线的扩展由于 P0 口分时传送低字节地址和数据，所以接入 74LS373 锁存器，8031 的 ALE接 373 的 LE，373 的 OE 接地，使 373 常输出。74LS373 的输出口

40、Q 与 P2 口一起扩展出 16 位地址总线 AB，其高三位 A13、A14、A15分别与 138 的 A、B、C 引脚相连。(2）地址线的连接根据设计要求，需要扩展两片 2764。两片 2764 的地址线分别与地址总线 AB 相连。(3）数据线的连接两片存储器的 8 位数据线分别与数据总线 DB 按位依次相连。(4）控制线的连接8031PSEN 与 EPROM 的 OE 相连；8031 的 EA 接地；2764（1）的 OE 与 138 Y0相连，2764（2）的 OE 与 138 Y1相连。3.4.2 数据存储器 RAM 的扩展由于 8031 芯片内部 RAM 只有 128 字节，远不能满

41、足系统的需要，需扩展片外的数据存储器 RAM，选择 6264 芯片即可满足设计要求。6264 的连接和 2764 大致相同，唯控制信号线的连接不同；6264 的 OE，WE 与内蒙古工业大学本科课程设计说明书198031 的 RD，WR 相连，CE 与 138 的 Y1相连，CE2 高电平有效。3.4.3 译码电路的设计8031 单片机允许扩展 64K ROM 和 64K RAM（包括 I/O 借口芯片）(1） 、MCS-51 单片机应用系统中的地址译码规则第一：ROM 与 RAM 独立编址ROM 地址和 RAM 地址可以重叠使用，都从 0000HFFFFH。地址的重复靠片选信号和控制信号区分

42、。第二：外围 I/O 与 RAM、ROM 的统一编址外围 I/O 不仅占用 RAM 的单元，而且使用 RAM 的读/写指令，本次课程设计采用统一编址。 (2） 、地址译码法常用地址的译码方法有线选法和全地址译码，在这里选择全地址译码。对于容量较大的的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用全地址译码的方法。通常采用 3-8 译码器（74LS138） 。输入端占用 3 根最高地址线，剩余的 13 根低位地址线可作为片内的地址线。74LS138 译码器的 8 根输出线分别对应 8 个 8K 字节的地址空间。3.5 I/O 接口电路的设计8031 单片机共有 4 个

43、 8 位并行 I/O 口，但可供用户使用的只有 P1 口和部分 P3口，因此在大部分应用系统中都需要扩展 I/O 口芯片，本扩展系统采用 8155 和8255 芯片。3.5.1 8155 通用可编程接口芯片8155 是可编程的 RAM/IO 扩展接口电路。 （256 个 RAM 单元，2 个 8 位口，1 个 6位口，1 个 14 位的定时/计数器）(1）8155 的工作方式8155 I/O 口工作方式选择通过对 8155 内部命令寄存器设定命令控制字实现。内蒙古工业大学本科课程设计说明书20(2）状态查询8155 有一个状态寄存器，用于锁存 I/O 口和定时器的当前状态，供 CPU 查询用。

44、C/S 寄存器共用一个地址。命令寄存器只能写入不能读出；而状态寄存器只能读出不能写入，所以可以认为。CPU 读该地址时，作为 S 寄存器，相反则作为 C 寄存器。(3）8155 的定时功能8155 芯片内有一个 14 位减法计数器，可对输入脉冲进行减法计数。外部有定时引脚 TIMERIN 和 TIMEROUT。(4) 8031 和 8155 的接口8155 芯片可以直接和 MCS-512 系列单片机连接，不需要任何外加逻辑电路。通常用 P2 口的高位地址线作为 8155 芯片的片选信号及 IO/M 的选择信号。8031 的P2.0 于 IO/M 连接。由于 8155 内部有地址锁存器，所以 8

45、031 的 ALE 端可以和 8155的 ALE 端直连，利用 8031 的 ALE 的信号的下降沿锁存 8031P0 送出的低 8 位地址信息。相应的读写信号也直接相连。 3.5.2 8255 可编程接口芯片8255 是 INTER 公司开发的可编程输入输出接口芯片，它具有 3 个 8 位的并行I/O 口，分别为 PA、PB、PC 口，其中 PC 口又分为高 4 位和低 4 位，他们都可以通过软件编程来改变 I/O 口的工作方式，8255 可与 8031 直接连接。（1）8255 的三种工作方式方式 0：基本输入输出方式方式 1：应答式输入输出工作方式方式 2：应答式双向输入输出工作方式（仅

46、 A0 口可选此种方式，此时 C 口的PC7PC3 五位作为其应答信号使用。（2）8031 和 8255 的接口连接无需任何外加逻辑电路，直接连接即可。138 的 Y2 接 CS，373 的 Q1，Q2分别接 A0，A1。内蒙古工业大学本科课程设计说明书213.5.3 键盘显示接口电路（1）显示器工作原理数控系统中使用的显示器主要有 LED 和 LCD 也有采用 CRT 的。这里采用 LED 显示器，一般分为共阳极显示和共阴极显示，共阳极显示的段码与共阴极显示的段码是逻辑非的关系。通常显示器采用动态显示，调整电流和时间参数，可实现高亮度较高较稳的显示。这里采用的是 7 位共阴极的显示器和 81

47、55 的接口。8155 的 B 口作为扫描口。经反向驱动器 74LS04 接显示器的公共极，A 口作为段选数据口，经同相驱动器 7407接显示器的各个极。 （2）键盘接口原理当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线都断开，行线都呈高电平，当键盘上某一键闭和时，则该键所对应的行线列线短路。如果把行线接到微机的输入口，列线接到微机的输出口，则在微机的控制下，先使第一列线为低电平，其余列先都为高电平，然后微机通过输入口读行线的状态，如果行线都为高点平，则第一列上没有键闭合，如果读出的行线不全为高电平，则输入为低电平的行线合第一列相交的键处于闭合状态；如果第一列上没有键闭合，接着使列线的第二列为低电平，其余列线为高电平，用同样的方法检查第二列上有无键闭合，依次类推，这种逐行逐列地检查键盘状态的过称为对键盘的一次扫描。 （3）利用 8155 芯片实现键盘显示器接口在单片机应用系统中，同时需要使用键盘和显示器，常常把键盘和显示器做在一起，以节省 I/O 线键盘的列线及 LED 显示器的字位控制共用 8155 的