横向进给运动系统数控改造毕业设计论文

资料范本资料范本本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载横向进给运动系统数控改造毕业设计论文地点：__________________时间：__________________说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容目录总体方案确定.......................................41.1、C6132工艺范围...................................41.2、设计任务.........................................41.3、总体方案.........................................41.3.1、进给系统改造.................................41.3.2、伺服系统改造.................................51.3.3、导轨改造.....................................61.3.4、控制系统改造.................................61.3.5、系统框图.....................................62、机械部分改造........................................62.1、C6132普通车床的改造.............................62.2、切削力的计算....................................62.2.1、主切削力....................................72.2.2、进给力与背吃刀力.............................72.2.3、工作载荷....................................72.3、滚珠丝杠的计算及选型.............................82.3.1、丝杠转速....................................82.3.2、承载能力计算.................................82.3.3、计算额定载荷.................................92.3.4、滚珠丝杠螺母选型............................102.3.5、压杆稳定性校核..............................112.3.6、刚度演算...................................122.3.7、传动效率...................................122.3.8、临界转速...................................122.3.9、最大转速...................................132.3.10、压弯临界转速...............................132.3.11、预紧力....................................132.3.12、丝杠与导轨间接触变性.......................142.4、减速齿轮的计算.................................142.5、步进电机的计算及选型............................162.5.1、反应式步进电机特性..........................172.5.2、步进电机选型考虑因素........................182.5.3、步进电机初选................................192.5.4、步进电机校核................................202.6、导轨的选型......................................24数控部分硬件电路设计..............................243.1、硬件电路组成...................................243.2、中央处理器选择.................................223.3、存储器的扩展及选型.............................233.4、其他电路设计...................................24总结..............................................28致谢..............................................29参考文献..........................................301、总体设计方案确定1.1、c6132工艺范围数控车床主要用于轴类、盘类零件的加工,能自动完成外围柱面、内孔、锥面、圆弧面、螺纹等工序的粗细加工,并能在圆柱面或端面上进行铣槽、钻孔、铰孔等工作,可以实现回转体零件在预先加工好定位基面后,一次装夹下完成从毛坯到成品的全部工序。因此能够极大的提高生产率。C6132车床主要用于对小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工。1.2、设计任务本设计任务在现有C6132车床的结构基础上，对机床横向进给系统进行数控改造，主传动系统保留。，横向进给系统的脉冲当量分别为0.005mm/step，最大快移速度2000mm/min，定位精度±0.01mm。1.3、总体方案1.3.1、进给系统改造将车床溜板箱拆除，在原处安装滚珠丝杠螺母座，丝杠螺母固定在其上。将横溜板中的普通丝杠、螺母拆除，在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副，伺服电机与丝杠间采用一级减速器联接,以缩小传动链,提高系统刚度,并减少传动链误差。横向伺服电动机与齿轮减速器总成安装在机床后部并与滚珠丝杠通过柔性联轴器相连。柔性联轴器的特点是有一定的缓冲性能和较大的综合补偿性能（包括：轴向偏移，径向偏移，角度偏移）。滚珠丝杠螺母机构特点是具有摩擦力小,运动灵敏,无爬行现象,也可以进行预紧,以实现无间隙传动,传动刚度好,反向时无空程死区等特点。可提高传动精度。1.3.2、伺服系统的改造

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、考虑到数控的方便性，伺服系统改造的经济型，所以在保证具有一定加工精度的前提下，从改造成本考虑。应简化结构，降低成本及考虑到加工精度的要求，应采用以伺服电动机为驱动的开环伺服系统。开环系统特点：环路短，刚性好，较容易获得较高的精度和速度。伺服电动机机床工作台比较器放大电路脉冲指令图1.1开环控制系统原理图

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⑵

、开环伺服系统一般选用步进电机。步进电动机是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移量的执行元件。其转速则与脉冲频率成正比。由于输入为电脉冲，因而易于电子计算机或其他数字电路接口，适用于数字控制系统。步进电动机广泛应用于数控机床、自动生产线、自动化仪表、计算机外部设备、绘图机、计时钟表等方面。步进电动机用于系统具有较好的开环稳定性，系统结构简单，有可能省去闭环系统中的测量元件。

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⑶

、反应式步进电动机的特点：步距角小，启动和运行频率高，在一相绕组长期通电状态下，具有自锁能力，消耗功率较大，应用范围比较广泛。例如阀门控制、数控机床及其他数控装置。永磁式步进电动机的特点：功率比较小，在断电的情况下，有定位转矩，步距角大，启动和运行频率较低，主要应用在自动化仪表方面。故：从精度和经济的角度来选，伺服系统采用反应式步进电机的开环控制。为使步进电机正常运行并输出一定的功率，需要有足够功率提供给电动机因此需要有功率放大环节，脉冲分配器及前面的微机及接口芯片，工作电平一般为5V，而作为电动机电源需符合电机要求的额定电压值，为避免强电对弱电的干扰在它们之间应采用隔离电路。如下图图1.2电机驱动电路1.3.3、导轨改造导轨需沿用原机床的导轨，但因起精度较低，不适合数控机床。因而在原导轨上粘接四氟乙烯软带，使其有良好的耐摩性和较小的摩擦阻力，能预防爬行并具有自润滑性。1.3.4、控制系统选用控制系统选用MCS-51单片机。1.3.5、系统框图见图【01】2、机械部分改造2.1、C6132普通车床参数最大回转直径：ф320mm最大加工长度：640mm移动步件重盘：横向500N刀架快进速度：横向1.2m/min最大进给速度：横向0.3m/min主电机功率：4KW起动加速时间：25ms机床定位精度：0.015mm机床效率：0.82.2、切削力的计算在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，2.2.1、主切削力选工件材料碳素结构钢，=650MP；选用刀具材料为高速钢；刀具几何参数：主偏角=，前角=，刃倾角=；切削用量为：背吃刀量=2mm，进给量=0.8mm/r，切削速度=1m/min.。由表（2.1）查得：=1770;=1.0=0.75=0;由表（2.2）查得：主偏角修正系数=0.92,前角，刃倾角修正系数都为1.0；代入公式：==2754.92(N)2.2.2、进给力与背吃刀力由经验公式：：：=1:0.35:0.4知：==2754.92N==0.35x2754.92=964.22N==0.4x2754.92=1101.97N2.2.3、工作载荷选择矩形三角形组合导轨由表（2.3）计算：=1.15x964.22+0.15x(2754.92+500)=1597.09（N）：溜板箱及刀架（横向）重力=500（N）;：考虑颠覆力矩影响的实验系数由表（2.3）查得：K=1.15f：滑动导轨摩擦系数由表（2.3）查得：f=0.15表2.1车削力公式中系数参数表2.2加工钢或铸铁刀具几何参数改变时切削力修正系数表2.3实验计算公式及参考参数2.3、滚珠丝杠的设计计算和选型2.3.1、丝杠转速=200r/min；其中：：最大切削条件下进给速度（mm/min），取最高进给速度(2000mm/min)的1/2～1/3即：=2000×½=1000mm/min：丝杠导程初选5mm（导程越大，承载越大；导程越小，精度越高）；2.3.2、承载能力选择==11010.38N其中：=180(r)；滚道硬度HRC=55；表2.4使用寿命时间（h）2.3.3、计算额定载荷C选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）时，其中90%不产生疲劳损伤时所能承受的最大轴向载荷。①、计算最大额定动载荷=9919.26(N)丝杠选型应使得丝杠额定动载荷满足：知：此项满足要求。②、计算最大额定静载荷=2x1597.09=3194.18(N)丝杠选型应使得丝杠额定静载荷满足：=28538知：此项满足要求。表2.7静态安全系数2.3.4、选择滚珠丝杠螺母的选型：

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⑴

、滚珠丝杠选型根据上面的计算查表选滚珠丝杠型号为：FL2505-3表2.8FLF2505-3型滚珠丝杠参数

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⑵

、滚珠丝杠循环方式本设计循环方式采用：外循环滚珠丝杠，螺旋槽式。

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⑶

、滚珠丝杠副的标注方法FL25005-3-310/400表示：外循环垫片调隙式、法兰式双螺母螺纹预紧的双螺母滚珠丝杠母副，名义直径为25mm，导程为5mm,一个螺母工作滚珠为3.5圈，单列，3级精度，右旋，丝杠螺纹部分长度为310mm,丝杠总长度为400mm。2.3.5、压杆稳定性效核==17081.98>>=1597.09(N)知：此项满足要求；其中：：实际承受载荷能力N；-刚的弹性模量，MPa；：滚珠丝杠底径的抗弯截面惯性矩，=9910.44mm；：压杆稳定安全系数取2.5～4；表2.10压杆稳定支撑系数注：①若＜时，丝杠失去稳定发生翘曲；②两端装推力轴承及向心轴承时一般不会发生现象；③当n＜10r/min时，无需计算，只效核≥。2.3.6、刚度验算每一导程变形量（mm）==0.006+0.1x0.006（mm）其中：T===0.768（N·cm）（“+”取拉，“–”取压）：刚的弹性模量，MPa；：丝杠最小截面积，；：扭矩，N·cm；：滚珠丝杠底径的抗弯截面惯性矩，；2.3.7、传动效率==95.6%：丝杠螺旋线升角；：摩擦角（滚珠丝杠取）2.3.8、临界转速==9060000(r/min)：丝杠底径（mm）；：丝杠支撑间距（mm）。表2.11临界装束系数2.3.9、最大转速丝杠最大转速满足：=50000/25=2000(r/min)：丝杠公称直径（mm）；：常取=50000～70000。2.3.10、压弯临界载荷N==367.2(N)：丝杠底径（mm）；：丝杠支撑间距（mm）表2.12临界载荷系数m2.3.11、预紧力预紧力增加，滚珠与滚道间接触刚度也增加，传动精度提供；但过大预紧力会影响甚至降低丝杠的寿命。按下表选择表2.13预紧力计算公式=(1/3)=1/3x1597.09=532.36(N)滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。2.3.12、丝杠与轨道间接触变形取：=0.005mm其中：=3281.93N；=532.36N:滚珠直径；=3.173mm；：滚珠总数；=x圈数x列数=370个；由：=+=0.005+0.006=11<=13查表知：3级精度，310-400长度内允许变量为13故：此项满足要求。综上知：选用FL2505-3型滚珠丝杠可以设计满足要求。2.4、减速齿轮计算

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⑴

、算进给伺服系统的传动比i=360×0.005/×5=0.48式中：脉冲当盒(mm/步）;=0.005mm/step：滚珠丝杠的基本导程(mm);=5：步进电机的步距角。初选。

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⑵

、减速齿轮的计算计算出传动比以后，再根据降速级数决定一对或两对齿轮的齿数、模数和各项技术参数。因为进给伺服系统传递功率不大，一般取模数m=1—2，数控台钻x—y工作台取m=1，数控车床，铣床可取m=2。由（、为降速齿轮的齿数）可计算和选取齿数。齿轮各部分几何参数如表（2.15）计算。I=Z1/Z2=0.48所以选主动轮Z1=24，从动齿轮Z2=50表2.15减速齿轮计算参数

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⑶

、齿轮消隙由于数控设备进给系统经常处于自动变向状态，反向时如果驱动链中的齿轮等传动副存在间隙，就会使进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响其驱动精度。因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙，以提高数控设备进给系统的驱动精度。故采用：双片薄齿轮错齿调整法（如图2.1）。其特点：既可以消除间隙，且反向时不会出现死区。图2.1可拉弹簧式双片薄齿轮错齿调整法图中,在2个薄片齿轮1和2上装有螺纹的凸耳4和8,弹簧的一段钩在凸耳4上,另一端钩在螺钉5上。弹簧3所受的张力大小可用螺母6来调节螺钉5的伸出长度,调整好后再用螺母7锁紧。双片薄齿轮错齿调整法原理：在一对啮合的齿轮中，其中一个是宽齿轮（图中标出），另一个是由两薄齿轮组成。薄片齿轮1和2上各开有周向圆弧槽，并在两齿轮的槽内各压配有安装弹赞4的短圈柱3。在弹簧4的作用下使齿轮1和2错位，分别与宽齿轮的齿槽左、右侧贴紧，消除了齿侧间隙，但弹簧4的张力必须足以克服扭矩2.5、步进电机计算及选用2.5.1、反应式步进电动机的特性

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⑴

、步距角步距角是步进电动机的主要指标之一，它的大小由公式（1）决定步距角的大小反映了系统能够达到的分辨能力。目前国产步进电动机的步距角由0.3750到900最常用的为1.20/0.60、1.50/0.750、1．80/0.90、20/10、30/1.50、4.50/2.250等几种。θ=360°/kmz(1)

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⑵

、静特性静特性是指步进电动机在稳定状态时的特性，包括矩角特性、静态稚定区等。1.矩角特性在脉冲电流不变的情况下，步进电动机的静转矩与转子失调角的关系M=f(θ)称为矩角特性。失调角的关系，即定、转子齿中心线间的夹角θ在反应式步进电动机中一个齿距对应的电角度为2。定、转子齿对齐时，即θ=0，电机转子无切向力转矩为零；若定、转子齿错开一个角度．这时出现切向力，产生转矩，其作用是使齿对齐。根据理论和实验验证，M=f(θ)近似为一条正弦曲线，如图19所示，矩角特性上电磁转矩的最大值称为最大静态转矩。它表示步进电动机承受负载的能力，是步进电动机最主要的性能指标之一。

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⑶

、步进动行特性

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①

、静稳定区由步进电动机的矩角特性可知，当失调角θ在到（即相当齿距）的范围内，若去掉负载，转子仍能回到初始稳定平衡位置称到为静稳定区，如图19所示若失调角超过这个范围，去掉负载再也不能自动加到这个平衡位置。步进运行特性是指脉冲频率很低，每一个脉冲到来之前，转子运动己经停止，这种运行状态称为步进运行状态。

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②

、动稳定区动稳定区是指步进电动机从一种通电状态切换到另一种通电状态时，不致引起失步的区域。如步进电动机空载，在A相通电状态下，转子位于矩角特性曲线A上的平衡点OA处：A相断电，B相通电，工作点将由OA点跳至曲线B上，转子稳定运行于OB点。改为B相通电状态，转子位置处于B'--B"之间，转子就能向OB点运动。而达到新的德定平衡，区域B'--B"为步进电动机空载状态下的动稳定区，如图20所示，显然相数或拍数增加，步距角减小，稳定区越接近静稳定区。

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③

、步进运行时的负载能力如果步进电动机有负载，负载转矩MZI较小时，在A相绕组通电的情况下，电动机稳定工作点在曲线A上的a1点，A相绕组断电，B相绕组通电时，工作点将由点a1跳到曲线B上的b1点，此时电磁转矩大于MZI，转子加速，工作点由b1点沿曲线B移到的b1'，达到新的平衡位置，如果负载转矩MZ2很大时，在A相通电时，电动机稳定在曲线A上的a2点。A相断电，B相通电瞬间，工作点由a2跳到曲线B上的b2点，此时电磁转矩小于负载转矩MZ2，转子无法带动负载转矩作步进运动。显然，电动机步进运动所能带动的最大负载转矩取决于曲线A和曲线B交点对应的转矩。此称最大负载转矩MZM如图21所示，步进电动机的相数m或拍数N的增加，步距角减小，两曲线的交点就升高，带负载转矩的能力增强。

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⑶

、连续运行特性如果输入脉冲频率很高时，控制脉冲的时间间隔小于过渡过程时间，转子尚未走完前一步，下一个脉冲已经到来步进电动机呈连续状态。

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①

、矩频特性：因为步进电动机的控制绕组中存在电感，所以电流增长就有个过渡过程，频率较高时，电流达不到稳定值，电流峰值随脉冲频率增大而减小，转矩就随脉冲频率的升高而降低如图22所示。

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②

、工作频率起动频率是指步进电动机要在一定的负载转矩下能够不失步起动的最高频率。因为步进电动机在起动时，除要克服负载转矩外，还要克服惯性转矩，频率高时，转子就可能跟不上，为保证正常起动，起动频率要有限制。连续工作频率又称运行频率，它是指步进电动机起动后，当控制脉冲连续上升时，能不失步运行的最高频率，起动后，再逐步升高脉冲频率，惯性转矩不那么大，所以达到的最高频率要比起动频率高得多。有关。布距角越小，最大静转矩越大，起动频率和工作频率越高。2.5.2、选择步进电动机考虑因素根据系统的需要，参照各种步进电动机的特点，选择步进电动机的类型，然后再考虑以下各项具体因素，选择步进电动机的规格。

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⑴

、根据需要的脉冲当量（每一个脉冲步进电动机带动负载所转的角或直线位移）和可能选择的传动比来选择步进电动机的步距角

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⑵

、根据负载的阻力矩，按下式选择步进电动机的最大静态转矩MJM=MZ/（0.3~0.5）

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⑶

、对大转动惯量的负载来说，起和停动频率不宜过高。应当考虑在低频下起动后再升到工作频率，停动应从工作频率下降到适当频率在停动。

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⑷

、尽量使工作过程负载均衡，避免由于突变引起动态误差。

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⑸

、对有强迫冷却的步进电动机要注意工作过程中冷却装置的正常运行。

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⑹

、发现步进电动机有失步现象，首先应检查负载是否过大，电派电压是否正常，指令安排是否合理，然后再检查驱动电源输出是否正常，波形是否正常，最后根据原因再处理，处理中不宜任意更换元件或改变其规格。2.5.3、步进电机初选根据初选查表初选距角选择步进电机型号为150BF002。电机的有关参数见表2-14。其中：150BF002步距角/,其中是五相十拍，是五相五拍。选择五相十拍其步距角是，满足减速比的计算。表2.14步进电机参数2.5.4、步进电机的校核

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⑴

、电机轴上总转动惯量==26.11()其中：：滚珠丝杠转矩；==1.20()：床鞍折算到丝杠上转动惯量；===0.32()：齿轮转动惯量；==0.81()==1.15()：电机转动惯量；查表（3-1）=13.72()

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⑵

、电动机上等效负载转矩

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①

快速空载启动时电动机轴所受负载转矩N/m其中：：最大加速转矩；：最大转速；==833.33(r/min)：步进电机由静止加速到最大转速历时；设=0.4（s）：横向传动总效率；取=0.8则：==0.71(N/m)移动部件运动时折算到电动机轴上摩擦转矩=其中：：导轨摩擦系数；取=0.2：垂直方向工作负载；空载时取=0则：===0.004(N/m)丝杠部分忽不计故：=0.71+0.004=0.714(N/m)

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②

最大工作负载下电机转轴所承受负载转矩N/m其中：：最大工作负载转矩；==2.00(N/m)===0.13(N/m)故：=2.00+0.13=2.13(N/m)故：==2.13(N/m)

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⑶

、步进电机最大静转矩选定=4x1.01=8.52(N/m)由表（2.14）知150BF002型步进电机最大静转矩=13.72N/m。故：此项满足要求。

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⑷

、步进电机性能校核

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①

、最大工进时电机输出转矩N/m校核由：=1000mm/min；=0.005mm；求得运行频率=3333.33;查图（2.14）得：=(N/m)知：=1.01(N/m)；故：此项满足要求。

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②

、最大空载时电机输出转矩N/m校核由：=2000mm/min；=0.005mm；=6666.67;查图（2-14）得：=(N/m)知：=0.714(N/m)故：此项满足要求。

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③

、最快空载运行时电动机运行频率由：=6666.67；查表（2-14）150BF002极限运行频率=8000；知：<；故：此项满足要求。

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④

、启动频率计算===1643其中：最高空载启动频率，由表（3.1）查得=2800；：电机总转动惯量，由上计算知：=26.11：电动机转动惯量，查表（2.14）知：=13.72由上式计算知：要保证步进电机不是步，任何时候启动频率都必须小于1643。综上知：本设计选150BF002型步进电机，可以满足设基要求。2.6、导轨的选择导轨需沿用原机床的导轨，但因起精度较低，不适合数控机床。因而在原导轨上粘接四氟乙烯软带，使其有良好的耐摩性和较小的摩擦阻力，能预防爬行并具有自润滑性。其特点是：摩擦系数低，运动平稳，可吸收震动，维修方便，损坏后更换容易。伺服控制系统的选择。综上知：机械部分改造均已满足要求。由此得：机械部分装配图，见图【02】；传动链图，见图【03】。3、数控部分硬件电路设计3.1、硬件电路组成机床硬件电路由以下组成。（1）、主控制器，即中央处理单元CPU。（2）、总线。包括数据总线、地址总线和控制总线。（3）、存储器。包括程序存储器和数据存储器（4）、接口。即I/O输入/输出接口电路。（5）、处围设备。如键盘、显示器及光电输入机等。见图7RAMROMI/O步进电机功率放大器光电隔离CPU外设键盘，显示等图3.1机床数控系统硬件框图（开环系统）3.2、中央处理器（CPU）选择

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①

、本设计选用MCS-51的8031芯片。8031芯片内部无程序存储器（故EA端必须接地），8031有256字节的数据存储器，地址从00H－FFH。内部256字节的空间被分成两部分，其中低8位内部数据存储器（RAM）地址为00H-7FH,高8位特殊功能寄存器（SFR）的地址80H－FFH为4个工作寄存器区，每个区都有8个8位寄存器R0-R7，可以用来暂存运算的中间结果以提高运算速度。其中的R0和R1还可以用来存放8位地址，要确定采用哪个工作寄存器，可通过标志寄存器PSW中的RS0、RS1来指定。8031在组成控制系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器，由于地址线是16位的，故最多能扩展64K程序存储器和64K数据存储器，其地址均为0000－FFFFH，即程序存储器、数据存储器为独立编址。因此，EPROM和RAM的地址分配比较自由，编程不必考虑地址冲突问题。图3.28031管脚图

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②

、地址锁存器74L373由于MCS－51单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行程序存储器扩展时，必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。图3.474LS373的管脚图3.3、存储器的选择与扩展

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⑴

、因为8031没有内部ROM，故需外扩一片EROM，此处选择一片8KB的2764作为外扩EROM。程序存储器2764图3.52764管脚图

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⑵

、因为8031只有00F-7FH的128位数据存储空间，故此处选择一片6264作为外扩RAM。数据存储器62646264芯片是一个8KX8的CMOSSRAM芯片，它共有28条引出线，包括13根地址线、8根数据线以及4根控制信号线。图3.66264管脚图

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⑶

、因为需要接显示及键盘电路而8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口及部分P2口线。因此在大部分应用系统中都不可避免的要进行I/O口扩展。此处选8155，以便更好的实现c6132机床的数控功能，利用8155的PC及P0口外接输入键盘；利用8155的PA口及PB口外接输出显示。此处显示采用LED数码管，并选用两篇BIC8718驱动器来连接PA口和PB口以驱动LED显示。81558155是具有40条引脚的双列直插式RAM/IO/CTC扩展器。含有256个字节的RAM存储器，一个6位、两个8位可编程I/O口，一个14位可编程的定时器/