【導讀】隨著科學技術的不斷發(fā)展，對機械產品的質量和生產率提出了越來越高的要求。精度要求高，形狀復雜，批量小，機械產品日趨精密復雜，且需頻繁改型。的自動化是實現(xiàn)上述要求的最主要的措施之一。率、降低生產成本、還能夠大大改善工人的勞動條件。線，實行多刀、多工位多面同時加工，以達到高效率和高自動化。理的試驗性數控系統(tǒng)，并把它裝在一臺立式銑床上。就是第一代世界上的第一臺數控機床。我國是從1958年開始研究數控技術，一直到。當時，一些高等院校、科研單位研制出試驗樣機，1965年國內開始研制晶體管數控系統(tǒng)。在上海、北京研制成功。在這一時期，數控線切割機床由于結構簡單，使用方便、價。格低廉，在模具加工中得到了推廣。控制介質是指零件加工信息傳送到數控裝置去的信息載體。數控裝置是數控機床的控制中心?？刂七\算器根據輸入裝置送來的信息進行運算，并將控制命令輸送往輸出裝置。伺服系統(tǒng)是數控機床的執(zhí)行機構，包括驅動和執(zhí)行兩大部分。

　　

【正文】 除此之外，還應根據系統(tǒng)應用場合、控制對象及對各種參數要求選擇 CPU。目前在數控系統(tǒng)中常用的芯片由 808 808 8028 8038以及 809 8096 等 16位機的 CPU，也有 8080、 Z80 和 805 803 8751 等 8 位機的 CPU。但從性能價格比上，我們擬采用 MCS51 系列單片機中的 8031 作為主控制器。改系列產品是集中CPU、 I/O 端口及部分 RAM 等為一體的功能性很強的控制器。只需增加少量外圍器件，就可以構成一 個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強，變北華大學學士學位論文 25 成靈活性大，硬件資料也很豐富。三種型號的引腳完全相同，僅在內部結構上有少許差異。可以說 8031 是沒有 ROM 的 8051，而 8751 又是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。目前，工業(yè)控制中應用最多的是 8031 單片機。下面介紹 8031 單片機的基本性能。 8031 單片機的基本特性： 8 位中央處理單元（ CPU） 片內有時鐘發(fā)生電路（ 6MHz或 12MHz），每執(zhí)行一條指令時間為 2μ s 或 1μ s。 128 字節(jié) RAM. 21 個特殊功能寄存器。 64k字節(jié)的外部數據存儲器和 64k字節(jié)的外部程序存儲器。 4 個 I/O 端口、 32 根 I/O 線。 16 位定時器 /計數器。 5 個中斷源，配備兩個優(yōu)先級。 。 ，適用邏輯運算。 從上述特性可知，一塊 8031 的功能幾乎相當于一塊 Z80CPU、一塊 RAM、一塊Z80、兩塊 Z80PIO 和一塊 Z80SIO 所組成的微型計算機系統(tǒng)。 單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片，其型號分別為： 271 273 2762712 27256 等，其容量分別位 2k、 4k、 8k、 16k、 32k。在選擇芯片時，要考慮 CPU與 EPROM 時序的匹配。即 8031 所能讀取的時間必須大于 EPROM 多要求的讀取時間。此外，還要考慮最大讀出速度、工作溫度計存儲器的容量。在滿足容量要求是應盡量選擇大容量芯片、以減少芯片數量，是系統(tǒng)簡化。在本系統(tǒng)中，我們擬采用 2764作為擴展芯片。 2764 與 8031 主要是三總線的聯(lián)接。 2764 中的低 8 位地址線通過地址鎖存器74LS373 與 8031P0口相聯(lián)。當地址鎖存允許信號 ALE 位搞點評 ，則 P0口輸出地址有效。 8 位數據線直接與 8031 P0口相聯(lián)；高 5 位地址線分別與 ～ ， OE 引腳直接同 8031PSEN 引腳相聯(lián)，片選信號 CE 接地，以便總能選中。由于 8031 只能選通外部程序存儲器，因而其 EA 引腳接地。 由于 8031 內部 RAM 只有 128 字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴展片外的數據存儲器。單片機應用系統(tǒng)數據存儲器擴展電路一般采用 6116 和 6264 靜態(tài) RAM數據存儲器，其選用的規(guī)則與 EPROM 程序存儲器的要求相同。本系統(tǒng)擬采用 6264芯片作為數據存儲器的外擴 芯片。 6264 低 8 位地址線通過地址鎖存器 74LS373 與 8031 P0口相接，高 5 位地址線分北華大學學士學位論文 26 別與 ～ ， 8 位數據線直接接至 8031 P0口，讀寫控制引腳 OE、 WE 與 8031的讀寫控制引腳 RD、 WR 直接相聯(lián)，片選端 CE1通過譯碼電路與 8031 相聯(lián)。 I/O口電路的擴展 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口及部分 P3口線。因此在大部分應用系統(tǒng)中都不可避免地要進行 I/O 口的擴展。通用可編程接口芯片 8155 具有 2k位的靜態(tài) RAM、 2 個 8 位和一個 6 位的可編程并行 I/O 口、一個 14位的計數器。由于 8155 與單片機的接口簡單，是單片機系統(tǒng)廣泛使用的芯片。 8155 與 8031 的聯(lián)接可歸結為三總線的聯(lián)接。 8155 本身具有地址鎖存信號控制線和地址鎖存器，故可直接將地址、數據線 AD0～ AD7 直接與 8031 口線對應的相聯(lián)，8155 的 ALE 與 8031 的 ALE 直接相聯(lián)，高 8 位地址的 ～ 74LS139提供 8155 的片選信號 CE,IO/M 控制端接 ，其它讀寫信號 WR、 RD 也都對應相聯(lián)。 8155 的地址與 8031 統(tǒng)一編址。 、顯示器接口電路 鍵盤、顯示器是數控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設備，可以完成數據的輸入和計算機狀態(tài)的動態(tài)顯示。通常，數控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，按鍵設置在行列的交點上。 本系統(tǒng)中所設計的是由 4 8 鍵和 8 位 LED 顯示器組成。為了簡化電路，鍵盤的列線及 LED 顯示器的段碼共用一個口，即 8155 的 PB 口，鍵盤的行線由 8155 的 PA口提供， LED 的字位控制則由 PC 口經 74154 后提供。 步進電機驅動電路 步進電機是一種用脈沖信號控制的電動機。在負載能力及動態(tài)特性范圍內，電動機的角位移僅與控制脈沖成正 比。在多數情況下，用步進電機作為執(zhí)行元件的數控系統(tǒng)不需要 A/D 或 D/A 轉換，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經濟性數控銑床最主要的一種伺服驅動元件。 在控制系統(tǒng)中，步進電機的接口電路至關重要，沒有它將無法實現(xiàn)微機對步進電機的控制。如前所述， 8031 系列單片機含有 4 個并行輸入 /輸出口，其中 P1 口可以提供給用戶使用，作為步進電機及其它控制對象的接口。也可采用 8155 或 8255A 等可編程并行輸入、輸出接口芯片設計擴展接口電路，來控制步進電機即其它外部設備。本系統(tǒng)即采用 8155 的 PA 口作為步進電機 的控制端口。 脈沖分配器又叫做環(huán)形分配器，是驅動步進電機必不可少的環(huán)節(jié)。步進電機的控制方式由環(huán)形分配器實現(xiàn)，其作用是將數控裝置送來的一系列脈沖指令按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各項繞組，實現(xiàn)電機的正傳或反轉。在數控系統(tǒng)中使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。而在本系統(tǒng)中使用的是軟件脈沖分配，北華大學學士學位論文 27 通過編程來達到脈沖分配的目的，從而控制步進電機的各項繞組。 在步進電機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經放大后控制步進電機的勵磁繞組。由于步進電機需要的驅動電壓較高（幾十伏）， 電流也較大，如果將輸出信號直接與功率放大器相聯(lián)，將會引起強電器干擾，輕則影響計算機程序的正常進行，重則導致計算機和接口電路的損壞。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 電 路。 脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要，必須將器輸出的信號放大產生足夠大的功率，才能驅動步進電機正常運轉。目前我國步進電機的功率放大器已由生產廠家生產出系列化產品，所以在設計控制系統(tǒng)的控制電路時不必考慮其內部電路結構，只需根據選用的步進電機容量選擇功率放大器。 Ω光電隔離與步進電機接口電路 圖 步進電機接口功放電路 其它輔助電路設計 1. 8031 的時鐘電路 單片機的時鐘可以有兩種方式產生：內部方式和外部方式。 內部方式利用芯片內部振蕩電路，在 XTAL XTAL2引腳上外接定時元件，如圖 ()所示。晶體可在 ～ 12MHz之間任選，耦合電容在 5～ 30Pf 之間，對時鐘有微調作用。采用外部時鐘方式，可把 XTAL1直接接地， XTAL2接外部時鐘源。 2. 8031 的復位電路 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 引腳上保持 10ms 以上的高電平，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復位，之后 CPU便從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。一般數控系統(tǒng)都采用上電與按鈕復位組合。 本章首先主要介紹了微機控制系統(tǒng)基本硬件的組成，然后選擇了主控制器的CPU，繼而分析了儲存器電路的擴展和 I/O 口電路的擴展，最后介紹了一些其他的輔助電路的設計，是大家大體上對控制系統(tǒng)有了大體上的了解，達到了設計的基本要求。 北華大學學士學位論文 28 第五章 結論 本文是立式升降臺數控銑床結構設計的設計說明書，主要對主軸系統(tǒng)，進給伺服系統(tǒng)，微機控制系統(tǒng)的設計。 內容主要包括了主軸部件的組成以及選型，主軸系統(tǒng)的計算和進給傳動系統(tǒng)的計算。 通過對主軸部件的設計，了解了主傳動的特點，變速傳動系統(tǒng)以及主軸部件的動態(tài)特性，然后進行主軸系統(tǒng)的計算，選定所需的三角帶輪的規(guī)格，主軸部件中了解了主軸系統(tǒng)的換刀原理。設計完主軸系統(tǒng)繼而是進給系統(tǒng)的設計和選定，了解伺服系統(tǒng)的基本要求和設計要求后來進行進給傳動的計算，分別選取了 X 軸滾珠絲杠副， Y軸滾珠絲杠副， Z軸滾珠絲杠副 。前兩個主要系統(tǒng)設計完后，剩下的控制系統(tǒng)的設計，設計主要是控制機器的工作。首先了解微機控制的基本硬件組成，然后選擇主控 制器CPU和進行儲存器的電路擴展 ，最后進行電路的設計以及程序的調試， 以上就是 本次畢業(yè)設計 主要思想和過程 。 北華大學學士學位論文 29 致謝 從開始進行畢業(yè)設計到現(xiàn)在，在歷經的短短的幾個月中，從不知何處下手到現(xiàn)在畢業(yè)設計的結束。經歷了苦悶與煩躁。但現(xiàn)在回首畢業(yè)設計的過程，卻發(fā)現(xiàn)酸中有甜，苦中有樂，看到自己完成的畢業(yè)設計還是感到由衷的高興。從頭回想自己的設計的每一個細節(jié)，感受到了付出與回報，只有付出才有回報。 通過這次設計，我將大學四年所學的知識有了一個全面的復習，我不敢說獲得了豐富的知識，但起碼 也小有收獲。以前，所學的知識都沒有用到實踐中去，這次畢業(yè)設計使我感到了實踐的作用，書本上學到的知識，還不真正是屬于自己的知識，只有在實踐中學會如何去運用知識，才是真正掌握了屬于自己的知識。 “人非圣賢，孰能無過。”憑我現(xiàn)有的那點微薄的知識和少許（甚至彈不上少許）經驗，在設計的過程中不可能做到盡善盡美。錯誤和疏漏在所難免。我非常樂意接受老師們的批評指正，批評對我無疑是“良藥”。多知道幾處自己犯的錯誤，想一想自己在設計時為何沒考慮這一點。幾番覺悟，才能有幾番長進。 最后，我要特別感謝我的導師范久臣老師，在整個畢 業(yè)設計過程中，為我細心的指導、講解各種問題。尤其在我迷茫的那段日子里，他像引路人一樣把我引入了“正軌”，使我走出了疑惑。在此，我要對范久臣老師及其整個畢業(yè)設計組的其他老師表示衷心的感謝。老師們，辛苦啦！ 北華大學學士學位論文 30 參考文獻 [1] 王愛玲，現(xiàn)代數控機床結構與設計 [M]．兵器工業(yè)出版社 . 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