【正文】 能滿足要求。 第 五 章 CA6140 普通車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控車床及數(shù)控系統(tǒng)概述 第五技術委員會，對數(shù)控機床的定義：數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能夠處理用號碼或其它符號編碼指令規(guī)定的程序。定義中所指的程序控制系統(tǒng)，就是數(shù)控系統(tǒng)或數(shù)控裝置。它是一種控制系統(tǒng)，能自動閱讀讀入載體事先給定的數(shù)字值，并將其譯碼，從而控制機床動作，進行零件加工。數(shù)控機床的主要結構見圖 61，由機床主機、驅動裝置 、輔助裝置、 CNC裝置和編程裝置等組成。 24 圖 51數(shù)控機床的主要結構 機床主機是數(shù)控機床的機械主體，由能實現(xiàn)各可控運動主軸和主運動的帶傳動、齒輪傳動（變速箱）系統(tǒng)、工作部件和支承件等組成。在結構上數(shù)控機床主機與相應的非數(shù)控機床雖有類似的部分，但也有自己的特點：采用高性能的主軸及進給伺服傳動系統(tǒng)；能長時間連續(xù)自動化加工，又能保持加工質(zhì)量穩(wěn)定性；通常采用預加載荷的滾珠絲杠副、直線滾動導軌副以及貼塑導軌等。 數(shù)控機床主傳動一般都由直流或交流主軸伺服電動機驅動。主軸調(diào)速 功能由主軸伺服電動機的伺服單元接受數(shù)控裝置給出的電位信號或數(shù)碼轉換信號控制，使電動機達到指定的轉速。電動機上帶速度反饋元件，它把電動機實際轉速反饋給控制單元。 圖 62進給傳動表明每一個可控軸進給機構伺服系統(tǒng)的基本構成，按反饋控制形式分為以下三類。 圖 62數(shù)控機床進給機構伺服系統(tǒng) 1)開環(huán)伺服系統(tǒng)。如圖 52中虛線方框內(nèi)結構，開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有檢查機械運動的檢測元件，即沒有來自位置傳感器的反饋信號。典型的開環(huán)伺服系統(tǒng)由步 25 進電動機或電液脈沖馬達驅動，運動速度和精度較低，運動中容易產(chǎn)生振蕩、丟步等現(xiàn)象，因此 僅用于經(jīng)濟型或簡易型數(shù)控機床，其精度和速度的提高受到限制。 2)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。這一類系統(tǒng)的位置檢測元件從機械傳動鏈的中間取得信號，檢測元件大多是裝在伺服電動機后端或滾珠絲杠驅動端，能獲得比閉環(huán)伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性好的控制特性，而且也較經(jīng)濟，是全功能數(shù)控機床廣泛采用的一種控制形式。 3)閉環(huán)伺服系統(tǒng)。如圖 52所示，這類系統(tǒng)接受數(shù)控裝置輸出的指令信號，同時又接受由位置傳感器檢測的實際位置反饋信號，兩者進行比較處理并由其差值不斷進行誤差修正；因此可以消除由于傳動系統(tǒng)中存在的誤差（如滾珠絲杠的導程誤差 )和熱變形等的影 響，得到較高的定位精度和加工精度。主要用于一些精度要求較高的數(shù)控機床，特別是精密、高精密數(shù)控機床，如精密臥式加工中心。 數(shù)控機床和非數(shù)控機床類似，包括液壓和氣動裝置，冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、自動排屑裝置、防護裝置等。數(shù)控機床對這些裝置的工作質(zhì)量、可靠性和技術性能都要求較高。 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的控制核心，包括運算和存儲等計算機硬件、 CRT顯示器，操作面板和鍵盤、各種不同形式紛輸入輸出裝置，以及相應配套的運算控制軟件等。多數(shù)數(shù)控機床一般都采用計算機數(shù)控裝置 (CNC裝置 )，即按微機結構原理的硬件平臺 (有的采用少量專用芯片 )配置專用軟件，構成軟件數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控裝置通常具備的功能有：各可控軸控制及多軸聯(lián)動控制、各種插補運算、代碼轉換、人機對話、局部加工功能選擇、各種補償功能、 CRT顯示、故障自診斷功能、與管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信功能。數(shù)控系統(tǒng)功能檔次可分為經(jīng)濟型 (簡易型 )、全功能普及型和全功能高級型。全功能高級型還可有 MAP通信協(xié)議接口，具有計算機聯(lián)網(wǎng)和集成信息通信功能。 數(shù)控機床程序編制 (簡稱編程 )方法有手工和自動編程。對于點位加工或形狀不太復雜的零件，編程計算較 簡單，程序段不多，用手工即可實現(xiàn)。但對于復雜零件，特別是空間曲面零件，編程計算相當繁瑣，編程工作量大，必須采用自動編程方法。自動可分為離線編程和在線編程。與數(shù)控系統(tǒng)相脫離單獨的自動編程系統(tǒng)實現(xiàn)離線編程，可為多臺數(shù)控機床，編程時不占用機床工作時間。自動編程系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)連在一起時，可進行在線編程。例如有的 CNC裝置具有人機對話型編程功能，就是將離線編程機的許多功能移植到了數(shù)控系統(tǒng)。按輸入方式的不同，自動有語言輸入、圖形輸入和語音輸入三種方式。 微機控制系統(tǒng)硬件電路設計 （ 1） z向和 x向進給伺服運動控制 （ 2）自動回轉刀架控制 26 （ 3）螺紋加工控制 （ 4）行程控制 （ 5）鍵盤及顯示 （ 6）面板管理 （ 7）其他功能：光電隔離、功率放大、報警、急停、復位。 后面所畫大圖采用 MCS51系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下： （ 1） CPU采用 8031 芯片； （ 2）擴展程序存儲器 2764兩片， 6264一片； （ 3）擴展可編程接口芯片 8155兩片； （ 4）地址鎖存器，譯碼器個一個； （ 5）鍵盤電路，顯示電路； （ 6）光電隔離電路，功率放大功率； （ 7）越程報警電路，急停電路，復位電路； （ 8）面板管理電路。 由于 MCS— 51系列單片機在我國機床數(shù)控改造方面應用較普遍，其配套芯片價廉，普及性、通用性強，制造和維修方便，完全能夠滿足經(jīng)濟型數(shù)控車床改造的需要。 C6140數(shù)控改造以 8031CPU組成的單板機為數(shù)控控制系統(tǒng)。也可直接購買國內(nèi)較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品做為數(shù)控裝置。 單板機控制系統(tǒng)的設計 硬件配置 存貯器選用 1片 4K 8的 2732EPROM和 1片 8K 8位的 6234RAM。監(jiān)控程序固化在 2732EPROM 內(nèi)，各功能模塊程序及 常用零件的的加工存放在 2732EPROM內(nèi)。 1片 6234RAM做為調(diào)試程序存放和運行程序的中間數(shù)據(jù)存放用。 I/O接口芯片選用 8155可編程 I/O擴展接口，它的 A口做為 X、 Y進給系統(tǒng)步進脈沖的輸出口，其中 PA0~PA2為 X 向的輸出口， PA3~PA5為 Y 向輸出口。 B 口為為位控方式，其中 PB4~PB7為 Y、 +Y、 X、 +X 的行程越位信號輸入。顯示由 8位 LED構成，具有 24鍵的鍵盤。 存貯器空間分配 單板機可尋址范圍是 64K字節(jié)，板上提供的插座占 16K，已插入的芯片占 10K， 27 其余以備擴展使用。其存貯 空間分配如下。 0000H~07FFH 2KB EPROM 放監(jiān)控程序 0800H~0FFFH 2KB EPROM 放零件加工程序 1000H~17FFH 2KB RAM 調(diào)試程序 2022H~27FFH 2KB RAM 測試程序等 I/O口地址分配 單板機設置 I/O 口地址為 80~9FH共 32 個口地址，分配如下。 80H~83H MCS— 51 8031 84H~87H 字形鎖存 88H~8BH 字位鎖存 8CH~8FH 讀鍵值 90H~9FH 用戶使用 在步進電機驅動電路中，脈沖信號經(jīng)功率放大器后控制步進電機勵磁繞組。由于步進電機需要的驅動電壓較高，電流較大，如果將輸出信號與功率放大器直接相聯(lián)，將會引起強電干擾。輕則影響計算機程序的正常工作，重則導致計算機和接口電路損 壞。所以一般在接口電路功率放大器之間都要接上隔離電路。 8031 單片機簡介 8031單片機具有以下特點： （ 1） 具有功能很強的 8位中央處理單元（ CPU）； （ 2） 片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路，每執(zhí)行一條指令時間為 2微秒或 1微秒； （ 3） 片內(nèi)具有 128 字節(jié) RAM； （ 4） 具有 21個特殊寄存器； （ 5） 可擴展 64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和 64K字節(jié)的外部程序存儲器。 （ 6） 具有 4個 I/O 口， 32根 I/O線； （ 7） 具有 2個 16 位定時 /器計數(shù)器； （ 8） 具有 5個中斷源，配備 2個中斷優(yōu)先級； （ 9） 具有一個全雙功串行接口； （ 10） 具有位尋址能力，適合邏輯功能。 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 Z80CTC、兩塊 Z80PIO 和一塊 Z80SIO 所組成的微機系統(tǒng)?？梢钥闯鲞@種芯片集成度高、功能強，只需增加少量外圍器件就可以構成一個完整的微機系統(tǒng)。 8031芯片引腳見下圖： 28 存儲器擴展電路設計 程序存儲器的擴展 (1)MCS51系列單片機的特點之一是硬件電路設計簡單，系統(tǒng)結構緊湊。對于簡單的應用場合， MCS51系列的最小系統(tǒng)用一片 8031外擴一片 EPROM 就能滿足功能的要求，對于復雜的應用場合，可利用 MCS51的 擴展功能，構成功能強、規(guī)模較大的系統(tǒng)。 MCS51 的程序存儲器的尋址空間為 64K 字節(jié)， 8031 片內(nèi)不帶 ROM，用作程序存儲器的器件是 EPROM。常用的半導體 ROM 芯片有： 271 273 276 27212725 27512等。 276 2721 2725 27512 芯片均為 8腳雙列直插式扁平封裝芯片，本設計中采用兩片 2764，其引腳如下圖： (2)ROM芯片及引腳的選擇 選擇 2764（ 8K 8）半導體芯片。晶體頻率選用 6MHz，其所能提供的讀取時間 t小于 480ms，故其芯片在時序上滿足要求 。 2764芯片的引腳排列與兼容特性如下圖： 29 (3)地址鎖存器的設計與選擇 由于單片機 8031 芯片的 0P 口是分時傳送低 8 位地址線和數(shù)據(jù)線，故 8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。選擇 74LS373 芯片。 74LS373芯片是帶三態(tài)緩沖輸出的 8D觸發(fā)器。 其引腳及與 8031 芯片連接見下圖： 30 其真值表見下表： E G D Q L H H H L H L L L L X 0Q 注釋： L— 低電平； H— 高電平； X— 不定態(tài)； 0Q — 建立穩(wěn)態(tài)前 Q的電平； G— 輸入端，與 8031ALE 連高電平：暢通無阻；低電平：關門所存 OE — 使能端，接地 當 G=“ 1”時， 74LS373輸出端 1Q~8Q 與輸入端 1D~8D相同 當 G為下降沿 時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。 （ 4） 8031與 EPROM2764 芯片連接。 的擴展 由于 8031芯片內(nèi)部 RAM芯片只有 128字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的需要，需擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器 RAM。 常用的靜態(tài) RAM 芯片有 611 626 62256 等。 626 62256均采用 CMOS工藝，由單一 5V供電，典型存取時間為 150200ns。它們均采用 28 腳雙列直插式片平封裝。 31 I/O接口電路的擴展 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 1P 口和部分 3P口， 因此，在大部分應用系統(tǒng)中都需要擴展 I/O口芯片。 Intel公司常用的外圍接口芯片有： 8155：可編程的 RAM/IO擴展接口電路（ 256 個 RAM單元、 2 個 8 位口、 1個6位口、一個 14位的定時 /計數(shù)器）。 8255：可編程的通用并行接口電路（ 3個 8位口）。 8253： 3個 16位的可編程的定時 /計數(shù)器。 8279：可編程的鍵盤、顯示電路。 8243： 4個 4位口 I/O擴展接口電路。 此外， 74LS 系列的 LSTTS 電路或 MOS 電路也可作 MCS51 單片機的擴展 I/O口，如 74LS37 74LS377 等。 本設計中使用兩片 8155可編程接口芯片。 下面簡單介紹 8155 通用可編程接口芯片。 8155通用可編程接口芯片： 1） 8155的結構及其引腳 8155 有 3 個可編程并行 I/O 端口： A 口、 B 口、 C 口，其中， A 口和 B 口是八位， C 口是 6 位 。1 個 14 位可編程定時 /計數(shù)器和 256B 的靜態(tài) RAM，能方便的進行 I/O擴展和 RAM 擴展，其引腳下圖： 32 8155共有 40個引腳，按其功能特點分類說明如下： （ 1）地址數(shù)據(jù)線： 07AD AD 是低八位地址和數(shù)據(jù)共用輸入口，當 1ALE?時，輸入的是地址信息，否則是數(shù)據(jù)信息。所以 07AD AD 應與 MCS51 的 P0口相連。 （ 2）端口線： ~7PAO PA 、 ~7PBO PB 用于 8155 與外設之間傳送數(shù)據(jù)，~5PCO PC 既可用于 8155 與外設之間傳送數(shù)據(jù)，也可作為 A 口、 B 口的控制信號線。 （ 3）地址鎖存線：在 ALE 下降沿將單片機 P0 口輸出的低８位地址信息及CE 、 IOM 的狀態(tài)都所存到 8155內(nèi)部寄存器，因此，單片機 P0口輸出的。 （ 4） RAM 或 IO口選擇線 :當 IOM =0 時，選中 8155 的片內(nèi) RAM，0~ 7AD AD 為 RAM 地址；若 1IOM? 時，選中 8155 片內(nèi)