購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 目 錄 第 1 章 緒論 1 言 1 內(nèi)外數(shù)控技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 片機技術及其發(fā)展趨勢 3 第 2 章 數(shù)控銑床工作臺總體方案設計 4 體方案設計的內(nèi)容 4 制系統(tǒng)的選擇 4 統(tǒng)運動方式的選擇 5 服系統(tǒng)的選擇 5 動及導向元件選擇 6 第 3 章 工作臺機械結構設計 7 作臺結構設計的內(nèi)容和任務 7 定系統(tǒng)的脈沖當量 8 服電機的確定及選擇 8 動及導向元件的設計 、計算及選用 10 動元件的設計 10 向元件的設計 10 算機繪制工作臺結構裝配圖 12 第 4 章 工作臺控制系統(tǒng)硬件電路設計 13 制系統(tǒng)硬件電路設計的內(nèi)容 13 定系統(tǒng)硬件電路設計的整體方案 13 選擇 15 031 單片機管腳功能及特點 16 儲器擴展電路的設計 20 序存儲器擴展 20 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 址鎖存器 74 21 據(jù)存儲器的擴展 22 碼電路 22 23 8155 擴展芯片 23 盤及其接口電路 24 示器及其接口電路 25 進電機驅(qū)動電路設計 27 率放大電路 27 離電路 28 進電機驅(qū)動電路 29 它輔助電路設計 30 031 時鐘電路設計 30 位電路 30 第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設計 32 制系統(tǒng)軟件設計的內(nèi)容及方法 32 序設計的內(nèi)容 32 序設計的方法及要求 32 形分配器軟件設計 33 進電機轉(zhuǎn)速控制 33 制環(huán)形分配器程序及框 圖 35 點比較法直線插補程序設計 38 點比較法直線插補（第一象限） 38 制第一象限直線插補主程序 39 點比較法圓弧插補程序設計 41 結論及展望 46 參考文獻 47 致謝 49 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā) 摘要 本文主要是設計一套以 51 單片機為主控制器的數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)，首先對數(shù)控技術的發(fā)展作了分析和總結，探討了數(shù)控機床的開放化、智能化、高精度、高速度和網(wǎng)絡化的發(fā)展趨勢；著重分析了單片機數(shù)控系統(tǒng)的控 制原理，指出了設計數(shù)控系統(tǒng)的一般方法和步驟，并闡述了 51 系列單片機的功能以及在機床數(shù)控系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用；設計開發(fā)了系統(tǒng)機械結構以及控制系統(tǒng)的 I/O 接口電路、步進電機驅(qū)動電路；通過編寫匯編程序，從而實現(xiàn)系統(tǒng)設計要求。開發(fā)的這套系統(tǒng)可以作為一套實驗室設備，對機床數(shù)控化改造、數(shù)控技術的教學和研究有深遠意義。 關鍵字： 單片機 銑床工作臺 步進電機 接口電路 匯編程序 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 s n a of of on 51 is NC on NC NC of in of 51. of is , a of is as a of or a to of 1 章 緒論 言 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 隨著計算機的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性的變革，各個發(fā)達國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術進行研究開發(fā)，從而提出了全新的制造模式。目前數(shù)控系統(tǒng)正由專用開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型；在智能化基礎上，綜合運用了計算機、多媒體、模糊 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等多學科技術，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程可以自動修正、調(diào)節(jié)與補償各種參數(shù)，能實現(xiàn)在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡化基礎上， 數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。專家預測：二十一世紀機械制造業(yè)的競爭就是數(shù)控技術的競爭。 本次畢業(yè)設計的課題是設計開發(fā)一套數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)，來模擬數(shù)控銑床 X、 Y 的兩軸運動。從工程的角度來說，仿真就是通過對系統(tǒng)模型的實驗去研究一個已有的或設計中的系統(tǒng)。分析復雜的動態(tài)對象，仿真是一種有效的方法，可以減少風險，縮短設計 和制造周期，并節(jié)約資本。通過設計開發(fā)這樣一套仿真實驗系統(tǒng)也為數(shù)控機床控制系統(tǒng)的研究和普通機床的數(shù)控化改造提供了必要的參考依據(jù)，同時這套系統(tǒng)也可以作為一套實驗室設備，對數(shù)控技術的教學和研究有一定的現(xiàn)實意義。 內(nèi)外數(shù)控技術發(fā)展及概述 當今世界工業(yè)國數(shù)控機床的擁有量反映了這個國家的經(jīng)濟能力和國防能力。近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率在逐年上升，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以 式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后狀態(tài)。 數(shù)控系統(tǒng)按功能可分為經(jīng)濟型和普及型。經(jīng)濟型屬于抵擋數(shù)控，不同國家和不同時期的含義是不同的，在我國是指在滿足基本功能的條件下，結構簡單，操作靈活方便，價格低廉的數(shù)控系統(tǒng)。通常它都是由單片機作為系統(tǒng)的控制器，由步進電機進行驅(qū)動。我國經(jīng)濟型數(shù)控這些年有了進一步發(fā)展，產(chǎn)品性能和可靠性有了較大的提高，它們逐漸被用戶認可，在市場上站住了腳。如上海開通數(shù)控有限公司的 列數(shù)控系統(tǒng)購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 和步進驅(qū)動系統(tǒng)、北京凱恩帝數(shù)控技術有限公司的 列數(shù)控系統(tǒng)、廣州數(shù)控設備廠的 列數(shù)控系統(tǒng)等，這些產(chǎn)品的共同特點是數(shù)控功能較齊全、價格 低、可靠性好。 專家預測：數(shù)控機床推廣應用逐步由經(jīng)濟型向普及型轉(zhuǎn)變。 2005 年我國數(shù)控機床的數(shù)控化率為 到 2010年將達到 經(jīng)濟型所占比重將減少，普及型所占比重將增加，高級型的需求將有所增長。數(shù)控機床的應用由單機向單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展。目前，歐、美、日等國應用 很普遍，柔性制造單元占數(shù)控機床銷售量的 30%以上，而我國 擁有量還很少，相當于日本 80 年代水平，占數(shù)控機床消費額不到 5%。 1 2 4 一個國家數(shù)控機床的擁有量是衡量其工業(yè)水平的重要標志。就企業(yè)來說，面對日益激烈的國際競爭，在市場中占有一席之地，就必須采用先進的數(shù)控化設備，以提高技術水平。對于一個企業(yè)而言，提高數(shù)控化率有兩個途徑： 投入巨資購買新的數(shù)控機床； 對現(xiàn)有的普通化機床進行數(shù)控化改造。對擁有 300 多萬臺普通機床的我國來說，普通機床的數(shù)控化改造無疑是一條簡單可行的途徑。因此，對普通機床的數(shù)控化改造也成了人們近年來研究的課題。 1 2 3 片機技術及發(fā)展趨勢 單片機作為微型計算 機的一個很重要的分支，以其高的性能價格比，發(fā)展相當迅速，它是自動控制、儀表儀器、通訊、家用電器等領域中應用最廣、性能價格比最高的核心部件之一。由于 使用的是高級語言，必須有編譯程序才能與計算機通信，而單片機使用的是匯編語言，它能直接與計算機通信，可以減少內(nèi)存。因此，單片機在 日益發(fā)展的今天仍得到廣泛應用。 隨著半導體集成電路制造工藝的不斷發(fā)展和電子技術應用領域的不斷拓寬，新型單片機采取的寬系列、多品種，片內(nèi)集成 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 存儲器甚至 簡指令集、高速、低功耗的發(fā)展新思路，正是 迎合現(xiàn)代眾多產(chǎn)品的要求。目前新型通用單片機主要有 列單片機、 司的 片機 89 系列和 90 系列。 單片機在目前的發(fā)展形勢下，表現(xiàn)出幾大趨勢：可靠性及應用水平越來越高；所集成的部件越來越多；功耗越來越低；與模擬電路結合越來越多。 5 第 2章 數(shù)控銑床工作臺總體方案設計 體方案設計的內(nèi)容 一個完整的數(shù)控系統(tǒng)其總體方案的設計內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式確定，購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 伺服系統(tǒng)選擇，執(zhí)行機構傳動 方式的確定，控制計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。與此同時根據(jù)設計任務和設計要求提出系統(tǒng)的總體方案，對設計方案進行分析、比較和論證，最終確定總體方案。 為了確定數(shù)控銑床工作臺的總體方案，必須明確本次設計的設計任務和設計參數(shù)。本次設計的內(nèi)容是開發(fā)一套數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)。其中系統(tǒng)的分辨率為 作臺工作范圍 X=175Y=175大移動速度為 作臺結構材料可選用鋁材。通過開發(fā)這套仿真實驗系統(tǒng)，其主要目的是在我們強化機械結構設計的同時，進一步掌握數(shù)控機床控制系統(tǒng)的設計思路，并且 掌握數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件的設計思想和設計方法，培養(yǎng)我們分析問題和解決問題的能力，對數(shù)控機床控制系統(tǒng)的研究和普通機床數(shù)控化改造提供了必要的參考依據(jù)，有一定的現(xiàn)實意義。 制系統(tǒng)的選擇 控制系統(tǒng)是由微機部分、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)的加工程序和控制程序通過鍵盤操作實現(xiàn)；顯示器采用數(shù)碼管來顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)，方便用戶操作。 本次設計將采用 51 系列單片機中的 8031 單片機作為主控制器。51 單片機的性能為： 6 集成度高、功能強、速度快，有很好的性能價格比； 支持的芯片種類多； 性能好，適合于各種不同的場合。 統(tǒng)運動方式的選擇 數(shù)控系統(tǒng)的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)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。如數(shù)控銑床在工作臺移動過程中銑刀并不進行銑削加工，因此數(shù)控裝置可采用點位控制方式。對點位系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。如果購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 工作臺或刀具沿各坐標軸的運動有精確的運動關系，應選用連續(xù)控制方式，連續(xù)控制系統(tǒng)應具有一個插補器進行各 坐標軸進給脈沖的分配。這種控制系統(tǒng)要求伺服元件有很強的跟隨能力。 本課題開發(fā)的仿真實驗系統(tǒng)，要求能模擬數(shù)控銑床工作臺 X、 Y 的兩軸運動，采用 8031 單片機控制步進電機，各坐標軸有精確的運動關系。因此，本次設計將采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 服系統(tǒng)的選擇 數(shù)控機床控制系統(tǒng)有開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)三種工作方式。開環(huán)控制系統(tǒng)沒有檢測反饋元件，不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差，精度低；但開環(huán)系統(tǒng)結構簡單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不高的場合中得到廣泛應用。開環(huán)伺服系統(tǒng)在負荷不太大時多采用步進電機作為伺 服電機。如下圖 示為數(shù)控系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)框圖： 圖 環(huán)控制系統(tǒng)框圖 閉環(huán)控制系統(tǒng)在機床移動部件上裝有檢測反饋元件來檢測工作臺的實際位移量，能補償系統(tǒng)的傳動誤差，因而伺服控制精度高；但該系統(tǒng)造價高，結構和調(diào)試復雜，多采用精度要求高的場合。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機或交流伺服電機作為驅(qū)動元件。如圖 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖： 圖 環(huán)控制系統(tǒng)框圖 驅(qū)動器 銑床工作臺 步進電動機 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 本次設計中考慮到實驗仿真系統(tǒng)精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，故采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)來直接驅(qū)動 X Y 工作臺的運動。 2 3 動及導向元件的選擇 為了確保數(shù)控控制系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設計機械傳動時，通常提出了低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在設計中應考慮以下幾點： 盡量采用低摩擦的傳動和導向元件； 盡量消除傳動間隙； 縮短傳動鏈，縮短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減少傳動誤差。 在本次設計中，選用傳動元件為普通絲杠螺母，導向元件采用燕尾形導軌，系統(tǒng)的總體框圖如圖 示： 圖 統(tǒng)總體框圖 第 3章 工作臺機械結構設計 作臺結構設計的內(nèi)容 工作臺結構設計的內(nèi)容包括：設計任務、確定系統(tǒng)的脈沖當量、確定伺購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 服電機、傳動及導向元件、計算機繪制工作臺結構裝配圖等。 本次畢業(yè)設計的題目是“數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)”，工作臺機械結構示意圖：工作臺范圍為 X=175Y=175大 圖 作臺機械結構示意圖 移動速度為 統(tǒng)分辨率為 動方式采用普通絲杠螺母傳動，結構材料選用鋁合金材料為 定系統(tǒng)的脈沖當量 脈沖當量是系統(tǒng)移動部件相對于每一 個進給脈沖的位移量，其大小視系購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 統(tǒng)的加工精度而定，脈沖當量越小系統(tǒng)的加工精度越高。為了提高精度，希望脈沖當量越小，但脈沖當量越小，系統(tǒng)的運行速度越低。因此，應兼顧精度與速度的要求來合理選擇脈沖當量。 在步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的脈沖當量（ 步進電機步距角、絲杠螺距 t（ 系統(tǒng)的傳動比 i 之間的關系為： 360 （ 3 1） 脈沖當量一般為 次設計的仿真系統(tǒng)精度要求不是太高，綜合考慮 系統(tǒng)的精度要求，取脈沖當量為 服電機的確定及選擇 數(shù)控系統(tǒng)對伺服電機的基本要求是： 8 9 調(diào)速范圍寬，伺服電機需滿足調(diào)速要求； 負載特性強，在調(diào)速范圍內(nèi)電機有足夠的驅(qū)動力矩； 動態(tài)響應快。 考慮到在本次設計中驅(qū)動電機的功率小，系統(tǒng)要求的精度不高，是在空載狀態(tài)下，模擬數(shù)控銑床工作臺 X、 Y 的兩軸運動。因此選用步進電機作為驅(qū)動電機。 合理地選用步進電機是相當重要的。通常希望步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩大，啟動頻率和運行頻率高、步距誤差小 、性能價格比高。但增大轉(zhuǎn)矩與快速運行存在一定矛盾，高性能與低成本存在一定矛盾。因此，實際選用時，必須權衡利弊，全面考慮。 首先，應考慮系統(tǒng)的精度和速度要求。為了提高精度，希望脈沖當量越小越好，但是脈沖當量越小，系統(tǒng)的運行速度越低。在確定脈沖當量以后，就可以次為依據(jù)來選擇步進電機的步距角和傳動機構的傳動比。 步進電機步距角選擇 步進電機的步距角應 小于或等于系統(tǒng)對步進電機最小轉(zhuǎn)角的要求。 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 （ 3 2） 式中：為系統(tǒng)的脈沖當量； i， t 為系統(tǒng)的傳動比和絲杠螺距 。 步進電機的步距角從理論上來說是固定的，但實際上還存在誤差。另外，負載轉(zhuǎn)矩也將引起步進電機的定位誤差。因此，必須把步進電機的步距誤差、負載引起的定位誤差和傳動機構的誤差全面考慮在內(nèi)，使總的誤差小于數(shù)控系統(tǒng)允許的定位誤差。 啟動轉(zhuǎn)矩的選擇 步進電機的啟動轉(zhuǎn)矩 （ 3 3） 其中， T 為負載轉(zhuǎn)矩 步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速） 兩 種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的 2 為 好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸） 。 步進電機有兩 條重要的特性曲線，即反映啟動矩頻與負載轉(zhuǎn)矩之間關系的啟動矩頻特性曲線和反映轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的關系的工作矩頻特性曲線，這兩條曲線是選用步進電機的重要依據(jù)。 已知負載轉(zhuǎn)矩，可以在啟動矩頻特性曲線中查出啟動頻率，這是啟動頻率的極限值，實際使用時只要啟動頻率不高于這一極限值，步進電機就可以直接帶動負載啟動。若已知步進電機的連續(xù)運行頻率，就可以從工作矩頻特性曲線中查出轉(zhuǎn)矩M，這也是轉(zhuǎn)矩的極限值，有時稱其為失步轉(zhuǎn)矩。即步進電機以頻率 f 運行，它所驅(qū)動的負載必須小于 M，否則將導致失步。 電流的選擇 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 靜力矩一樣的電機 ，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓） 綜上所述步進電機的選擇應遵循以下步驟，如圖 示： 圖 進電機選擇步驟 根據(jù)設計要求和以上論述，在本次設計中電機是在空載條件下運行，所需驅(qū)動功率小，又考慮到在本次設計中本著結構簡單、成本低、價格便宜的原則，選用 45參數(shù)如下： 步進電機的步距角為 3， 三相六拍工作方式，工作電壓為 27V， 電流為 寸規(guī)格為： 5845軸徑為 4 動及導向元件的設計、計算及選用 數(shù)控系統(tǒng)對傳動及導向元件的要求是：摩擦阻力小，高傳動精度及高剛度，能消除傳動間隙，具有小運動慣量、高諧振及適宜的阻尼比。 動元件設計 根據(jù)本次設計要求，傳動元件既要有一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結構緊湊，同時又從設計原則出發(fā)，本著結構簡單、加工方便、成本低的原則，選用普通絲杠螺母 副傳動方式。 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 絲杠螺母的傳動特點是： a) 用較小的扭矩轉(zhuǎn)動絲杠，可使螺母獲得較大的軸向牽引力； b) 能達到較高的傳動精度； c) 傳動平穩(wěn)、噪聲較?。?d) 在一定條件下能自鎖，即絲杠螺母不能進行逆?zhèn)鲃印?綜合以上要求，確定傳動元件采用 30梯形牙絲杠，參數(shù)如下： 絲杠中徑為 d=10杠螺距為 t=1 向元件設計 機床系統(tǒng)的導向元件一般都采用導軌。導軌的作用是使運動部件沿一定軌跡運動（導向），并承受運動部件及工作臺的重量和切削力（承載）。選擇一個合適的導軌應滿足下列要求：精度高；壽命長；剛度及承載能力大； 摩擦阻力小，運動平穩(wěn)；結構簡單。便于加工、裝配、調(diào)整、維修；成本低。 根據(jù)以上論述以及設計任務的要求，系統(tǒng)的導向元件選用燕尾形導軌。燕尾形導軌的特點如下： 尺寸緊湊，適合于高度小層次多的部件； 用一根鑲條可以同時調(diào)整各面間隙，調(diào)整及夾緊方便； 剛度不及矩形導軌，不適合承受大的顛覆力矩和向上的力； 摩擦阻力大； 加工、測量麻煩。 其結構如圖 示： 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 圖 尾形導軌結構示意圖 燕尾形導軌常用于固定部件高度尺寸受限制的場合，如銑床工作臺。鑲條將采用平鑲條，其制造簡單，用于行程短或受力不大或不太重 要的場合。為了減小上下導軌的磨損，采用貼塑導軌。鑲塑材料有很多，可以選用酚醛塑料、聚酰胺等。但酚醛塑料耐磨性非常好，常用于重型機床，在本次設計中導軌的貼塑材料選用聚酰胺（通稱尼龍）。尼龍 1010 具有良好的沖擊性能、耐疲勞、強度高，在一般場合中得到廣泛應用。 算機繪制工作臺結構裝配圖 本著結構簡單、加工制造方便、裝配維修容易的原則，確定工作臺機械結構部分的設計方案，查各種手冊、資料，繪制草圖，在草圖基礎上，經(jīng)指導老師檢查不斷修正，最終得到一個比較合理的設計方案，最后用計算機繪制工作臺結構裝配圖，在 設計選用的零件時要做到零件的標準化、裝配合理化、使用操作方便化。 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 第 4 章 控制系統(tǒng)硬件電路設計 制系統(tǒng)設計的內(nèi)容 控制系統(tǒng)的設計內(nèi)容包括以下幾個方面： 確定硬件電路整體方案及主電路設計，如主 選擇； 存儲器擴展電路設計，如數(shù)據(jù)存儲器的擴展和程序存儲器的擴展； 步進電機驅(qū)動電路設計，如隔離電路，功率放大電路以及步進驅(qū)動電路； 其他輔助電路設計，如時鐘電路、復位電路。 定硬件電路整體方案 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都是有硬件與軟件兩部分組成的，其中硬件是組成控制系統(tǒng)的基礎。 有了硬件，軟件才能有效地執(zhí)行。因此，硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標。數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下幾部分組成： 主控制器 即中央處理單元 總線 包括數(shù)據(jù)總線 址總線 制總線 存儲器 包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器； 接口 即 I/O 輸入輸出接口。其中 控制系統(tǒng)的核心，其作用是發(fā)布命令以協(xié)調(diào)各部分電路的正常工作；存儲器用于存放系統(tǒng)軟件（即程序）以及運行過程中的各類數(shù)據(jù)； I/O 接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁；三線則是 存儲器、接口以及其它各種轉(zhuǎn)換電路聯(lián)系的紐帶，是 各部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。除此之外，還要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的要求裝配一些外圍設備和一些信號變換電路。如圖 控制系統(tǒng)硬件電路總體框圖： 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 圖 制系統(tǒng)硬件總體框圖 其中， 儲器及 I/O 接口是任何一個數(shù)控系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)，其余部分并非所有數(shù)控系統(tǒng)都具備。某一類數(shù)控系統(tǒng)可能只包含其中的一部分或幾部分。通常， 過 I/O 接口可連接的人機交換外設有鍵盤、打印機、磁帶記錄儀、顯示器等通訊接口；信號變換電路是 A/D 轉(zhuǎn)換、 D/A 轉(zhuǎn)換、光電隔離、功率放大等，它們是實現(xiàn)微機與控制對象之間的信號匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路，這兩部分可根據(jù)空話子對象的要求選取。 根據(jù)數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的設計任務和設計要求，控制系統(tǒng)硬件主電路由 儲器、 I/O 接口、外設、信號變換電路組成。同時根據(jù)需要外設由鍵盤、顯示器組成；信號變換電路由光電隔離電路、功率放大電路組成。在設計過程中要求主電路結構簡單、設計選用的元件合理，性能價格比高，從而達到控制系統(tǒng)的設計要求。通過對數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)控制電路的設計，了解掌握數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能、原理和硬件 電路的設計方法，從而對普通機床數(shù)控化改造和數(shù)控系統(tǒng)的研究有深刻、顯示器等 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 意義。 選擇 在微機應用系統(tǒng)中， 選擇應考慮以下因素： 10 時鐘頻率和字長（控制數(shù)據(jù)處理的速度）； 可擴展存儲器的容量（ 指令系統(tǒng)的功能是否強（即編程的靈活性）； I/O 口的擴展能力（即對外設的控制能力）； 開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。 除此之外，還應根據(jù)系統(tǒng)的應用場合、控制對象及各種參數(shù)要求選擇 前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片 有 8086、 8088、 80286、 80386 以及 8096、 8098等 16 位機，也有 8080、 8051、 8031、 8751 等 8 位機的 中，51 系列單片機集成度高、可靠性好、功能強、速度快，具有很高的性能價格比，它的通用寄存器結構和指令功能遠遠超過高檔 8 位 96 系列單片機相比， 51 系列單片機片外有兩個 64存儲空間，一個是提供給擴充片外程序存儲器 間，一個是提供片外擴充數(shù)據(jù)存儲器 間。充足的片外存儲空間，為系統(tǒng)設計時擴充接口芯片、設置大容量存儲器以及存儲眾 多數(shù)據(jù)提供了方便。 51 系列單片機主要有三種型號的產(chǎn)品： 8031、 8051 和 8751。該系列產(chǎn)品是集 I/O 端口及部分 為一體的功能性很強的控制器，只需要增加少量的外圍設備就可以構成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)具有開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強，編程靈活性大，硬件資料豐富。三種型號引腳完全相同僅在內(nèi)部結構上有少許的差異。目前在工業(yè)控制中應用最多的是 8031 單片機，它具有價格低、功能全、體積小、支持的芯片多等優(yōu)點。因此，從本次設計的要求出發(fā)，選用 8031 單片機作為主控制器。 8031 單 片機有以下基本特征： 具有 8 位中央處理單元（ 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（ 6 12每執(zhí)行一條指令時間為 2 m 或 1 m； 具有 128 字節(jié) 具有 21 個特殊功能寄存器； 可尋址 64節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和 64節(jié)的外部程序存儲器； 具有 4 個 I/O 端口， 32 根 I/O 線，分別為 、 、 、 具有兩個 16 位定時器 /計數(shù)器； 具有 5 個中斷源，配備兩個優(yōu)先級； 具有一個雙全串行接口； 具有位尋址能力，適用于邏輯運算。 031 單片機的引腳及功能 8031 單片機芯片為 40 個引腳的雙列直插式器件，如圖 示為 51 系列單片機的引腳及功能圖： 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 圖 51 系列單片機引腳及功能圖 按 8031 單片機引腳功能的不同分為以下幾個部分： 1 主電源引腳 +5V 電源正端； +5V 電源地端。 外接晶體引腳 外部石英晶體的一端。在單片機內(nèi)部，它是一個 反向放大器的輸入端，這個放大器構成了片內(nèi)震蕩器。當采用外部時鐘時，對于片機，該引腳接地；對于 片機，該引腳作為外部震蕩信號的輸入端。 外部晶體的另一端，在單片機內(nèi)部接片內(nèi)震蕩器的反向放大器的輸出端。當采用外部時鐘時，對于 片機，該引腳作為外部震蕩信號的輸入端；對于 片，該引腳懸空不接。 控制信號與其他電源復用引腳 問外部存儲器時用于鎖存地址低八位的地址鎖存允許輸出； 序存儲器允許輸出，是外部程序存儲器讀選通信號，低電平有效 ； 高電平時， 行內(nèi)部程序存儲器指令， 低電平時， 行外部程序存儲器的指令； 為 備用電源，所以該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機震蕩器工作時，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可實現(xiàn)復位操作，使單片機回到初始狀態(tài)。 輸入輸出 I/O 引腳 ： 是一個三態(tài)雙向口，可作為地址 /數(shù)據(jù)分時復用口，也可作為通信 I/O 接口，具有雙向通信功能。其中 1 位的內(nèi)部結構原理如圖 示： 12 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 圖 內(nèi)部結構原理圖 由 8 個這樣的電路組成，鎖存器起輸出鎖存作用， 8 個鎖存器構成了特殊功能寄存器 效應管（ 成輸出驅(qū)動器，以增大帶負載能力，三態(tài)門 1 是引腳輸入緩沖器；三態(tài)門 2 用于讀鎖存器端口；與門 3、反向器 4 以及模擬轉(zhuǎn)換開關組成了輸出控制電路。 是一個 8 位雙向 I/O 口，它訪問外部程序的低 8 位地址和數(shù)據(jù)總線，在程序檢驗時它也輸出指令字節(jié)， 的輸出級具有驅(qū)動 8 個 載的能力，即輸出電流不小于 800 A。 ： 具有提升電阻的 8 位雙向 I/O 口，專供用戶使用， 個 入。 ： 具有提升電阻的 8 位雙向 I/O 口。供系統(tǒng)擴展時作高 8位地址線用，在沒有外部存儲器擴展時，它可以作為用戶 I/O 線使用。在程序檢驗時，它也接受高位地址和控制信號， 能吸入或放出 3 個 ： 也具有提升電阻的 8 位雙向 I/O 口，該口的每一位都可獨立定義為第一 I/O 口功能或第二 I/O 口功能。作為第一功能使用時，口的結構和功能操作與 完全相同。第二功能如下所示： 引腳 第二功能 行輸入口） 行輸出口） 部中斷） 部中斷） 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 時器 0 外部輸入） 時器 1 外部輸入） 部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） 部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 能吸入 /放出 3 個 外， 8031 內(nèi)部還有很多特殊功能寄存器，用于對片內(nèi)功能模塊進行管理、控制、監(jiān)視，是一個特殊功能的 ，位于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器之上，其地址為 80H 功能及名稱如下： 加器，其指令助記符用 A 表示； B ：寄存器主 要用于進行乘法和除法操作，對其它指令也可進行暫存； 堆棧指針寄存器，位于片內(nèi) 節(jié)任何單元； 據(jù)指針寄存器，其功能是存放 16 位地址，分別由高位字節(jié)和低位字節(jié)組成 5. 8031 的存儲器： 51 系列單片機存儲器結構的主要特點是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間是分開的，對于 8031 單片機而言，有 4 個物理上相互獨立的存儲空間，即內(nèi)、外程序存儲器和內(nèi)、外數(shù)據(jù)存儲器。如圖 示： 圖 8031 單片機存儲器結構及功能 其中， 8031 片內(nèi)無程序存儲器，片外程序存儲器的容 量，用戶可根據(jù)需要選擇，最大容量不超過 64址從 0000H 部數(shù)據(jù)存儲器的地址從 00H 256字節(jié)，其中內(nèi)部 0H 70 127），專用寄存器地址為 80H 128 255）。外部數(shù)據(jù)存儲器最大可擴展到購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 64K，地址從 0000H 于存儲數(shù)據(jù)信息。 此外， 8031 單片機還有中斷，定時 /計數(shù)以及 8031 單片機的時序特點等其它內(nèi)容，在本次設計中不再詳細介紹。 儲器擴展電路設計 序存儲器擴展 單片機應用系統(tǒng)中的程序存儲器芯片大 多采用 類型分別為2716、 2763、 2764、 27128、 27256 等，其容量分別為 2K、 4K、 8K、 16K、32K。在選擇芯片時要考慮 序的匹配，即 8031 所能讀取的時間必須大于 求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器容量，在滿足要求時盡量選擇大容量的芯片，以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡化。 13 本次設計中程序儲器的選擇就是從以上幾點考慮，選擇 2764 芯片，其管腳功能如圖 示 ： 圖 2764 管腳分布圖 2764 芯片是一種高速，其容量為 8K 的 出時間為 2508031 用晶振頻率為 6讀取時間為 480滿足要求。 2764 芯片共有13 根地址線 8 根數(shù)據(jù)線 余為控制線 片選信號端，低電平有效， 指允許， 編程控制端， 程電源端以及 。 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 址鎖存器 74于 51 系列單片機的 具有分時復用低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)的功能，必須要通過外接芯 片將低 8 位地址信息和 8 位數(shù)據(jù)信息分離，對于一個具體的應用系統(tǒng)中必須使用地址鎖存器。 常用的地址鎖存器芯片有 747474于 74一個帶清零的 8D 鎖存器，用在 51 系列單片機應用系統(tǒng)中需要增加反向器和電阻，而 格偏貴，市場少見，故74少當作地址鎖存器使用。因此，在本次設計中選用74地址鎖存器。其引腳及功能如圖 示： 圖 74腳及功能 74三態(tài)門輸出使能信號端 時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)；當 時，三態(tài)門處于斷開狀態(tài)。 G 為數(shù)據(jù)輸入的門控制信號。當 G=1 時鎖存輸出端 1Q 8Q 的狀態(tài)與輸入端 1D 8 G 端由高電平返回到低電平時，輸入端 1D 8D 的數(shù)據(jù)鎖存到 1Q 8Q 的 8 位鎖存器中。 8031 與 2764 通過 74展的電路中， 2764中低 8 位地址線通過地址鎖存器與 8031 的 相連。當?shù)刂锋i存器允許信號 高電平，則 輸出地址有效， 8 位數(shù)據(jù)線直接與 8031 的 5 位地址線 分別與 連， 腳直接同 連。 購買文檔就送對應 紙 咨詢 14951605 下載文檔送全套 紙 14951605 或 1304139763 據(jù)存儲器的擴展 由于 8031 內(nèi)部 有 128 字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的要求，需要擴展片外數(shù)據(jù)存儲器。單片機應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器的擴展電路一般采用6116 和 6264 數(shù)據(jù)存儲器，其選用的原則與 要求相同。 根據(jù)本次設計要求，選用 6264 芯片。它是一個 8K 的 儲器電路，集成度很高其引腳及功能如圖 示： 圖 據(jù)存儲器 6264 的引腳及功能 其中， 13 位地址線，輸出地址與內(nèi)部 8單元相對應， 8 位數(shù)據(jù)線，該芯片的讀