xa6132铣床的数控化改造

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1、毕业设计论文XA6132型铣床的机电一体化改造目 录内容提要2第一章 绪论31.1 数控机床的发展31.2 数控改造给企业带来的好处3第二章 设计参数的选择42.1 设计内容42.2 资料准备4第三章 方案比较和选择53.1 伺服驱动53.2 CNC数控系统63.3机械部分7第四章 机械部分的设计与计算74.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计74.2 选择螺纹轴直径导程及螺母84.3精度的选择114.4 热变形的对策114.5支承轴承的选择114.6驱动电机的选择114.7锥形夹紧环结构的设计计算134.8 齿轮和同步齿型带的工况比较14第五章 CNC系统硬件电路的设计14一、CPU及存储器模板设计

2、14二、键盘、显示器接口模板的设计：20三、I/0接口模板23四、直流伺服电机接口模板27第六章 设计体会32参 考 文 献33内容提要按照毕业设计的要求，将一台XA6132普通升降台卧式铣床改造成三坐标数控铣床。由于毕业设计的时间限制，本次设计任务的要求如下：机械部分主要解剖一个坐标轴，完成机械结构设计，零部件及参数的选择，完成部分计算过程：电气和微机部分结合机械结构的设计特点主要完成数控系统控制部分整体方案的论证和选择，使整个系统能够较完美地结合，并完成硬件接线设计以及系统框图。最后，总结本次毕业设计，完成毕业论文撰写。第一章 绪论1.1 数控机床的发展在社会生产和科学技术迅猛发展的今天，

3、机械产品的性能和质量不断提高，产品更新换代的周期也不断缩短，因此，对机械加工设备的要求也不断地在提高。使它不仅具有较高的生产效率和加工精度，而且能迅速地适应加工零件的变更。数控机庆就是在这种情况下产生和发展。电子技术、特别是计算机技术的发展又促进了数控机床的迅速发展。数控岂庆在当今世界已进入了批量生产，它的机械加工中所占的比重也愈来愈大，在航天、航空和汽车行业已经成为不可缺少的机械加工设备。机床的数控比率不断提高。它集计算机技术、传感技术、自动控制技术、机床的数控化率不断提高。它集计算机技术、传感技术、自动控制技术、自动检测技术为一体，能自动、高效、高精度、高质量地从事单位小批及复杂形面的加工

4、，使机械制造业的发展进入了一个崭新的阶段。数控机床代表着现代制造业科技发展的方向和水平，目前已由单台机床数控发展到FMS（柔性制造系统），CAMS（计算机集成制造系统），从而使数控机床成为组成现代生产系统，实现设计（CAD）、制造（CAM）、检验（CAT）与生产管理等全部生产过程自动化的基本设备。我国从1958年开始研制数控机床，在研制与推广数控机床方面取得了一定的成绩。近年来，由于收进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，我国数控机床在品种数量和质量方面得到了迅速发展。目前，我国数控机床的发展不仅从技术水平上已研制出五坐标数控铣床；加工中心：CNC系统和自动编程系统等，同时也拥有了一定数量的

5、数控机床。但我国目前数控机床的开发、生产、使用及拥有量仍与先进国家有较大差距，要达到世界先进水平，还需迅速发展我国数控机床行业。随着工厂、企业技术改造的深入发展、各行各业对数控机床的需要量将会有大幅度的增长，这将有力地促进数控机床的发展。毫无疑问，数控机床必然会在我国现代化建设中发挥越来越大的作用。1.2 数控改造给企业带来的好处数控改造是对普通机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工的能力。提高了机床的性能价值比用较低的价格，得到较高的机床性能。数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，因为它具有以下特点：（1）能适应不同零件的自动加工：数控机床按照被加工零件的程序自动

6、加工，要改变零件只需改变程序，而不必改变有关工装。（2）生产效率和加工精度高，质量稳定。（3）工序集中，一机多用：采用自动换刀装置，可以在一次装夹下几乎完成零件的全部加工。（4）能完成复杂形面的加工。（5）数控机床是高技术产品，价格较高，而且要求有较高技术水平的人员操作维修。尽管如此，数控机床的经济效益还是十分可观的。第二章 设计参数的选择2.1 设计内容将一台XA6132普通降台卧式铣床改造成三坐标数控铣床。结合毕业设计的工作量和时间限制。机械部分主要解剖不轴，完成机械结构设计，零件及参数的选择，部分计算过程；电气和微机部分主要完成数控系统控制部分整体方案的选择，硬件接线图，程序框图。2.2

7、 资料准备一、工件资料本铣床改造后主要为加工几个品种的制动凸轮轴，轴最长为650mm；该制动凸轮轴所需加工的轮廊外形含有直线、圆弧和渐开线；要求的轮廊公差0.1 mm，对称度公差为0.1 mm，表面粗糙度Ra1.6；工件材料为40Cr 锻件；设计生产节拍为7nin/件。二、原机床资料由于轴是细长杆件，决定选择卧式铣削加工。采用XA6132升降台卧式改造，原机床有关资料为：进给电机1.5KW/1400 rpm，最大水平拖动力1500kgf；快进速度横向、纵向为2.3m/min；升降台快进速度为0.77m/min；工作最大重量为500kg；机动范围纵向为680mm、横向为240mm、升降为300m

8、m。三、工艺资料工件加工余量：最大铣削宽度7mm，最大铣削深度40mm。刀具资料：高速钢圆柱铣刀直径32-40，刀齿数3-4。工艺资料：主轴转速150-190rpm，走刀速度40-60 mm/min，每齿切厚为0.05-0.2mm,取0.1计算。四、主切削力计算根据机床设计手册3，对高速钢圆柱铣刀以工件为碳钢计算：FG = C f ae0.86af 0.72 d t -0.86 ap z其中：Cf：系烽，取cf =68； ae：铣销接弧深（mm），取ae=7mm; af：每齿进给量（mm/齿），取af=0.1mm; dt：铣刀直径（mm），取dt-32mm； ap：铣削深度（mm），取ap=4

9、0mm z：铣刀齿数，z=4FG=6870.860.1 0.72 32 0.86 404 =550.9kgf如以af=0.2 mm代入,则FGM=910kgf。FG=1200kgf。因此，以最大水平拖动力1200kgf计算，可以满足最大切削力的要求。其它有关主轴功率核算，夹紧工件用夹用具所需夹紧力计算这里不作介绍。五、机床进给部件重量估计纵向工作台：长1.335m，加上夹具等约重220kg。横向工作台：约重445kg。升降台：约重1000kg。第三章 方案比较和选择3.1 伺服驱动一、步进电机在我国设备数控化改造的一段时间里，较多采用步进电机作为伺服驱动组件。步进电机是一种特殊结构的电机，它利

10、用通电激磁绕组产生反应力矩，将脉冲电信号的能量转换为机械位移的机电执行组件。当激磁按一定规律获得分配脉冲时，步进电机的转子会转动。转子转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的比例关系，而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动的速度和位置量。步进电机优点是结构简单，电气控制和驱动电路也简单，体积小，重量轻，价格便宜，设计制造较简单，容易调试，使用维修方便。位移精度较好，对各种干扰因素不敏感，结构误差不会累积。另外，机电时间常数小，反应快。但步进电机也有缺点，主要是容易丢步，启动频率也不够高，低频时振动大，冲击大，有时还有自激振荡。步进电机没有过载能力，当工作条件上变动时，可能造

11、成失误，因此步进电机多用于负载较小，负载变化不大或要求不太高 经济型简易型数控制设备中。对于数控铣床的改造，为了保证铣床的性能，选X、Z坐标快进速度不低于2.4m/min，取为10 m/min。水平拖动力按15KN计算，则要求的功率为p=fv=1510/60-2.5 kw。一般步进电机达不到此功率要求。因此，如要选用步进电机，必须相应就降低机床的某些性能，主要是快速性。另一方面，由于步进电机在低速下工作时有明显的冲动，易自激振荡，而且其激振频率很可能落入铣削加工所用的进给速度范围内，这对加工极为不利，甚至造成失败。可见采用步进电机不但要降低性能，而且很可能失败。此外，由于步进电机没有过载能力，

12、高速时扭矩下降很多，容易丢步。开环由于没有反馈校正作用，一旦丢步会造成工件报废，严重时甚至发生事故，而且如果不能及时发现还会造成工件的成批报废，因此实际应用时不可靠。二、直流或交流伺服电机1、闭环控制：采用直流或交流伺服电机闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，试调和维修困难得多，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控制设备中。另外，由于闭环控制使机械传动的各个环节设计制作不当都可能造成系统失稳，所以相应地要求系统中每一个影响因素都严格控制把关。由于所设计的数控铣床的目标工件加工精度不十分高，采用闭环系统的

13、必要性不大。2、半闭环控制：采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间。由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于步进电机开环控制；反馈环节不包括大部分机械传动无件，调试比闭环简单，系统的稳定性交易保证，所以比闭环容易实现。但是采用半闭环控制，调试比开环控制步进电机要困难些，设计上也要有其自身的特点；另外反馈环节外的传动元件将会直接影响机床精度和加工精度，因此在设计中也必须给予足够重视。在直流和交流伺服电机之间比较时，直流伺服主要缺点是体积大，重量大，还要用整流子和电刷，增加了维修工作量。交流调速逐渐扩大了其使用范围，已经取代直流伺服。控制技术已经趋于成熟

14、，其性能远优于直流伺服系统。经过上述比较，综合了成功率、技术难度、精度和投资等因素。决定选用交流伺服半闭环控制。3.2 CNC数控系统一、模板化设计、总线式结构本系统硬件部分采用模板化设计，总线式结构的思想，其目的是使系统具有大的灵活性和可扩充性。所谓总线，是各种信号线集合，它是组成微机系统的各插件或组成插件的各芯片间的标准信息通路。该系统采用由美国PRO-LOG公司于1978年制定，IEEE协会1987年推荐的STD工业标准微型机总线。STD总线标准规模较小，但规定较为周密，因而适应性好，是一般流行的8位微处理器和单片机均可使用的标准总线，有通用标准总线之称，广泛用于工业微型计算机控制之中，

15、与其他总线相比，STD总线具有以下优点：（1）小板结构：所有模板尺寸都为27（英寸）（2）高可靠性：（3）开放式结构：STD总线提供了开放式结构，可由大量模板根据要求向搭积木一样拼装自己的控制总线。总线驱动。（4）兼容式的总线结构：适合多种CPU。（5）产品配套，功能齐全：STD接中板可与现场的各种机动设备直接连接，如：驱动步进电机、交直流伺服电机等。（6）模板化设计：为了针对不同控制对象的不同要求，可以选择不同模板进行组合，构成不同的工业新社会制机，每种模板功能较单一，很易维修。STD总线是56线的同步总线，由下列几种总线组成：6根逻辑电源线，8根双向数据线，16根地址线，22根控制线，4根

16、辅助电源线。数据总线和地址总线都是三态隔离式的。所有插板在不用时必须让数据总线处于高阻状态。地址总线也是三态的通常受CPU操作的控制线。配有供逻辑电路用的5V电源及12V直流辅助电源。16根地址线可对64KB存储器直接寻址。二、系统总体框图 数据总线 控制总线 地址总线 电 源开关量I/O板键盘及显示器板8098CPU及存储器板直流电机伺服接口板驱 动 源继电器机 床侧开关键 盘显示器Y电机X电机三、各组成部分功能系统由CPU及存储器板、键盘及显示器板、工关量I/0板、直流伺服电机接口板组成。各部分功能如下：（1）CPU及存储器板：整个系统的控制中心，具备运算、控制和程序存储等功能，并可为系统

17、提供工作时钟。（2）键盘及显示器板：操场作人员与数控系统交换信息的主要接口。操作人员通过键盘干预控制流程、修改零件和序、设定系统参数、操纵数控机床完成各种运动，也可通过显示器了解数控系统中的有关数据和运行情况。（3）开关量I/0板：系统全部开关量的输入输出通道。一方面可将机床侧的32路输入信号输入给计算机；另一方面可将计算机的控制命令经过变换后作为给执行机构的控制信号，以实现对机床开关的控制。（4）交流伺服电机接口板：根据计算机的位置命令完成对直流伺服电机速度控制，从而驱动执行机构实现一定的速度和位移量。四、CNC系统的主要功能本系统采用8098单片作为控制核心，控制程序因化在EPROM中。采

18、用直流伺服电机和编码器构成半闭环系统，最小设定单位0.001mm。系统选用CMOS RAM作为零件程序存储器，最小存储容量为8K。零件程序可以采用手动输入，也可通过普通IBM-PC微型计算机用串行通讯方式输入。零件程序的编辑十分方便。该系统具有刀具长度、刀具半径补偿和位置偏移等多种补偿功能。程序员只需按零件轮廊尺寸编制零件程序，不需计算实际的刀具中心轨迹，从而避免了繁琐的计处。另外本系统还具抗干扰措施和较完善的保护措施（如行程式极限、快速讲给速度极限、切削速度极限等），可以提高系统工作的可靠性，避免发生意外事故。3.3机械部分在设备的数控化改造中，虽然核心工作量数控，但决不是全部。如果忽视了机

19、械部分，完全按照电气要求进行改造，或者是在改造中设计制造不尽合理，结果会给机床的数控化改造带来意想不到的困难，甚至会因机械问题而导致失败。第四章 机械部分的设计与计算4.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计机床在改造设计时应满足有较长使用寿命的要求，而确保和提高机床的寿命的主要因素是零件的耐磨性和主要传动部件的疲劳寿命。在数控改造的机床上，滚珠丝杠螺母副的工作寿命就显得尤其重要。因此，在选用滚珠丝杠螺母副时以工作寿命为基础进行计算。1、设要求寿命为：Lf =2000h切削阻力：w1=500kg滑动阻力：w2=220kg最大行程：最大=680mm快速进给速度：VMAX =1000mm/min定位精度：0

20、.030/1000 (无负载)滑动面摩擦系数:=0.15 (对燕尾型导轨)2、操作条件操作方式轴向负载进给速度操作时间的%切削阻力滑动阻力快进进给01081000030轻 切 削60010850050重 切 削120010810020表中加减速中的惯量很小可以忽略的，因此，操作时间的比率很小。4.2 选择螺纹轴直径导程及螺母一、导程的选择由交流伺服电机的最大速度得：1增加导程有利于进给速率，在控制系统分辨率能达到的要求下，可取得高些，这里取16 。二基本动力额定负载的检校按负载条件确定导程所要求的负载能力：操作方式轴向负载（kgf）RC旋转速度r/min操作时间的快速进给F1=108n1=16

21、67t1=30轻切削F2=708n2=83.3t2=50重切削F3=1308n3=16.7t3=20平均负载Fm及平均速度如下：Fm=(nm=所求负载能力如下：导程1（mm）6平均负载Fm(kgf)348平均速度Nm(r/min)545L=L1=其中：L：额定疲劳寿命（r）；Ca：基本动态额定负载（kgf）;Fa：轴向负载（kgf）;Fw：负载因素（取决于操作条件）；Lt：按小时的寿命（h）；n：转动速度（r/min）其中：Lt=20000h;fw=1.2因此三、螺母的选择由于设计着重于刚性，因此按以下的空转量进行选择：T系列（管型标准滚珠丝杠）类型：DFT（管型，单一法兰，双螺母用隔离件预负

22、载）回路数：2.5卷3列选择为：轴直径d=40mm;导程16mm; 基本动态负载额定值Ca=3990kfg。1、临界速度由其中：L最大行程螺母长度2 轴端边限度68081200 961mmf=21.9(由滚珠丝杠安装方法所确定的系数，固定固定)因此 dr7mm dr:丝杠螺纹沟槽直径。2.dm和n值由dm70000/n，当n=1667r/min时，dm42mm。其中：dm：钢球的中心圆周直径；n： 转动速度。四、选择滚珠丝杠系统的刚性滚珠丝杠的主要部件（螺纹轴、螺母及支承轴承）所用的空转量按以下所要求的空转量进行设定：200.8=16m轴直径d=40mm的滚珠丝杠部件的弹性位移是：导程18m。

23、1、螺纹轴的刚性：KS弹性位移：LS这是按螺纹轴的中心进行计算，该处发生最大轴向位移：由等式KS=其中：E：弹性模数（2.1104kfg/mm2）LS=其中:Fa：滑动阻力（Fa=108kgf）2、螺母的刚性Kv和弹性位移Lv约将最大轴向负载的13设定为预负载：Fa0=刚性计算如下：KN=其中：K：尺寸表中的刚性值3、支承轴承的刚性（弹性位移：LB）所使用的支承轴承是刚于滚珠丝杠支承（26207）止推角面接触滚珠轴承。LB=其中：KB：轴承的刚性值螺纹型号螺纹轴螺母支承轴承合计DF4006-7.5KSLSKSLVKBLBL981.11162.30.671030.522.30因此,所选的滚珠丝杠

24、螺母识别号：DF4006-7.5；轴直径：40mm;导程：6mm。五、丝杠长度L3最大行程螺母长度端连限度 680161260 1102mm六、对于已选择的滚珠丝杠的确认计算1、寿命预计2、允许速度临界速度：dmn值：dmn=40.51667700004.3精度的选择定位精度：0.030/1000mm由导程精度的允许值选精度级：C3E0.021/1000mm，e=0.015mm其中：E：平均行程偏差；e：行程变量4.4 热变形的对策出轴承的负载能力提供3度进行补偿。一、热位移L（mm）变型：L=e1=12.010-63895=0.032mm其中：e：热膨胀系数（取e=12.010-6）;：螺纹

25、轴的上升温度；L：螺纹轴的长度。二、预拉伸F累计导程的目标值：0.032/895mm预拉伸：790kgf拉伸：0.0324.5支承轴承的选择当确定为F与CB的比率时，其中CB是支承轴承的动力负载额定值，而F为其预接伸，选择适合以下等式的支承轴承。=F/CBTL,(kgf.cm)；电机的传子惯量：JmJL/3,(kgf.cm2)；在以上条件的基础上，可以选择以下交流伺服电机：额定功率输出：Ww=3kw；最大转速：Nm=2000r/min；额定力矩：TM=14.3Nm；转子惯量：JM0.084kgcmS2四、加速时间的检校其中：J：总惯量（Jh+Jm）；Tm=2Tm；TL：在快速进给下的驱动力矩；

26、f ： 安全系数（f=1.4）；4.7锥形夹紧环结构的设计计算伺服电机的轴伸为光轴，采用锥形夹紧环与同步齿型带轮相联的方式比较方便。电机轴直径为35，由机床设计手册3中可选用到d=35mm，D=40mm，L=7mm，1=6的锥环，选用两组。计算过程如下：基本参数：消除内环与轴、外环与孔的配合间隙所需的初始轴向力P010109.89.9103N；锥环每单位接触压力所能传递的扭短M0=1.38NM/MPa；锥环产生每单位接触压力所需轴向力F1=356N/Mpa；摩擦系数=0.12；所能传递的扭矩M=CM0PKMn，其中Mn为额定扭矩，K5为动载荷系数，P为许用接触压力P=1015kgf/mm2,取

27、为100150mpa,系数，其中n=2为组数，。选电机扭矩为Mn=18NM，取K6，则：所需轴向力PP0F1P=9.90.3565027.8KN用螺栓拉紧压紧套产生轴向力，螺栓强度计算用式校核，取=0.4s,n=6,用f0=p代入，则得。由于安装位置有限，若采用M81的螺栓，d1=6.917mm,则要求，只能采用40Cr并经调整质处理来达到。由上述计算可以看出：1、锥形夹紧环联结轴必须进行计算，否则如果轴向压紧力过大，可能超过允许接触应力P，造成零件的损坏，但是如果轴向压力不足，则可能造成联轴的不可靠，使用中当扭矩过大时会发生失步。2、在考虑压紧套时，要产生压紧力的接触面积并不大，但压力较大。

28、考虑到紧固用螺栓不大。共接触面积小，会形成大的接触压力。因此，压紧套要用较好的材料制作，否则，会因接触压力过大造成损伤。3、为了保证合适的轴向力，在紧固压紧时，对螺栓所施加的拧紧力矩受到控制，这可用式求出，用扭力板手限定，其中F为单价目螺栓的锁紧力，d2为螺栓的中径，为螺纹升角，为摩擦角。4、上述计算实际很粗，因为可以达到0.2，且由max求消除间隙所需轴向力时，max、变化，P0的变化也很大，这给精确调整和控制轴向力带来困难。5、也可采用带螺纹的压紧套，其强度比较容易满足，只是制造稍复杂些；另外，套与锥环接触面在压紧时要相对滑动，对压紧不利，有磨损。4.8 齿轮和同步齿型带的工况比较用一对齿

29、轮作为传动副时，为了消除齿轮传运中的间隙，要采用可调拉簧的薄片齿轮的结构。可调接簧的设计和制造以及调整不可能完全满足设计要求，它总是一个大概的范围。所以，调整起来不方便也不够精确。而齿轮传动要实现无间隙传动结构复杂，传动噪声大，调整不方便。而用同步齿型带轮传动，传动平稳。可隔离电机本身带来的振动，调整皮带轮的松紧很方便。只需根据皮带的长度，测量皮带的振动频率或利用压力传感器测皮带中间表面的张力，就能做到精确调整，使传动成为无间隙传动，同时又可使皮带寿命达到一理想值。第五章 CNC系统硬件电路的设计一、CPU及存储器模板设计1、CPU的选择CPU是计算机系统的核心，它的性能决定了整个系统的性能。

30、目前工业控制中常用的CPU有8位（如Z80A）、16位（如8086、8088、80286）和32位（如80386、80486）数种，单片机又有8位（如51系列）和16位（如8096、8098）之分。由于单片机集CPU、存储器和I/0接口于一身，与其它CPU相比，系统构成简单、可靠性高、价格低廉，且性能完全能满足CNC系统对计算机的要求，因此决定采用单片机。在单片机中，Intel公司的51系列和96系列最常用。8098单片机是MCS96系列中的一员，采用8位外部数据总线，而内部CPU仍然保持16位结构，因此称之为准16位机，其价格远低于原本的16位机，而性能却保持上乘。8098单片机具有一个16

31、位CPU、232字节RAM、两个4位和两个8位并行I/0接口、一个全双工串行通讯接口、两个16位可编程定时器/计数器、4通道的10位A/D转换器、4个高速输入通道、6个高速输出通道等部件，能实现16位16位的乘法指令和32位16位的除法指令，处理能力远高于51系列单片机，与8096基本相当，由于外部采用8位数据总线，与8096相比，连接方便，价格低廉，故采用8098单片机。2、存储器的选择存储器主要分为随机存取存储器RAM和只读存储器ROM。（1）ROM的选择：ROM的特点是，程序写入后只能读出，不能写入，断电后不会丢失信息。ROM主要用来存放系统软件，包括：初始化程序，插补程序、键盘及显示器

32、管理程序和编译程序、诊断程序编辑程序、伺服系统的驱动程序、刀初程序等。根据在满足容量要求时尽可能选择大容量芯片，可以减小芯片组合数量且以备系统功能扩充之用的原则，因此选用2片27128，共32K容量。27128是28脚双列直插EPROM，容量为16K18。其中A0-A13为14位地址线，00-07为8位数据线，CE为芯片允许信号低电平有效，VCC、GND分别为+5V和接地端。工作方式如下：方 式CEOEVPPVCCPGM输出读维 持编 程编 程检验编程禁 止VILVILVILVILVIHVIL任意VIHVIH任意VIHVILVPPVPPVPPVILVCCVCCVCC任意VILVIL任意Dout

33、高阻DLDL高阻（2）随机存取存储器RAMRAM的特点是：即能写入又能读出信息，但断电后会丢失登记处。RAM一般来存放应用程序、零件加工程序、缓冲区（刀补运算、插补运算、显示缓存）、以及中间结果，工作寄存器和堆栈等。本系统选用二片具有8K字节容量的6264作为外部RAM，为了防止RAM中的登记处丢失，采用了掉电保护电路。 6264 271286264是28脚双列直插RAM，各引脚的操作方式如下：操作方式CE1CE2OEWEI00-I07未 选 中未 选 中输出禁止读写写VIH任意VILVILVILVIL任意VILVIHVIHVIHVIH任意任意VIHVILVIHVIL任意任意VIHVIHVIL

34、VIL高 阻高 阻高 阻DoutDLNDIN（3）辅助电路地址译码：由于8098对存储器和外部设备采用统一编址方式，因此选用74LS138译码器对存储器和I/0接口统一地址译码。74LS138译码器功能表如下：输 入输 出G1G2AG2BCBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7LHHHHHLLLLHLLLLLLLLLLHHLHLHHHHLHHHHHHHLHHHHHHHLHHHHHHHLHHHHHHHHHHHHHBHHHHHHHHHHHHHH输 入输 出G1HHHHG2ALLLLG2BLLLLCHHHHBLLHHALHLHY0HHHHY1HHHHY2HHHHY3HHHHY4LHHHY5HLHHY6

35、HHLHY7HHHL由于一块74LS138无法满足所有芯片的地址译码，因此采用多级译码的方式，进地址分配。增加一块74LS138译码器。地址线的A7、A6、A5，对其它模板进行二级译码，在各模板上再用74LS1138对范围内的芯片进行地址分配，进行三级译码。全部模板、芯片的地址分配如下表：模板板地址芯片芯片地址片选信号CPU及存储器模板2000H-DFFFH27128（1）4000H-7FFFH27128（2）8000H-BFFFH6264（1）E000H-FFFFH6264（2）C000H-DFFFH键盘及显示器模板E000H-E01FH8279E000H-E01FHI/0模板E020H-E

36、03FH8255（1）E020H-E023H8255（2）E024H-E027H伺服电机 接口 板E040H-E09FHX轴8253E040H-E043H273-1E044H-E047H273-2E048H-E04BHDAC1210E04CH-E04FHE050H-E053H74367E054H-E057HY轴8253E060H-E063H273-1E064H-E067H273-2E068H-E06BHDAC1210E06CH-E06FHE070H-E073H74367E074H-E077HZ轴8253E080H-E083H273-1E084H-E087H273-2E088H-E08BHDAC

37、1210E08CH-E08FHE090H-E093H74367E090H-E097H 总线驱动器： 各种接口电路都有一定的驱动能力，可带一定数量的负载。这在应用系统较小时往往可以适用，但是系统较大，外围设备较多，电路较复杂时就不能满足要求。于是，需要配置总线驱动器来提高总线的驱动能力。74LS245是一种8位双向总线收发器，三态门输出，常用作总线驱动器。芯片引脚如右图所示。输入/输出引脚分为两组，一组是A1-A8，另一组是B1-B8。控制信号有两个，一个是传送允许，另一个是传送方向控制DIR。当输入低电平时，允许数据传送，否则不允许传送。当DIR为高电平时，数据由A端传送到B端；当DIR为低电

38、平时，数据由B端传送到A端。传送控制如表如表：CIR操 作允 许方 向 控 制LL数据由B端传送到A端LH数据由A端传送到B端H隔 离用作数据总线驱动器时，第一引脚DIR接RD，当RD为低电平时，DIR为低，数据由B端传送到A端，即CPU进行读操作；当RD为高电平时，DIR为高，数据由A端传送到B端，CPU可进行写操作。由于使用了74LS245，提高了总线的驱动能力。地址锁存器：8098规定P3口提供低8位地址线，同时又要作数据线，所以为分时输出低8位地址和数据的通道口。为了把地址信息分离出来，将74LS373的片选端接低电平，G与8098的地址锁存信号ALE连接。当G-1时，片未选中，当G由

39、高电平转为低电平时，将输入数据锁入Q1-Q8中。即由CPU发出的地址允许锁存信号ALE的下降沿将地址信息锁存和锁存器中。74LS373的功能表和芯片管脚图如下：GD输出LHHHLHLLLL维持H三态4、掉电、复位保护电路： 74LS273作用：系统掉电及复位时，能自动切换备用锂电池对RAM供电，保持RAM的数据不会丢失。系统加电、掉电过渡过程中，保证RAM中的数据不会改变，即保证VCC在4.5V-0V变化时，阻止CPU和泽码器对6264的误读/写操作。电路图： 工作原理：1、2、3为电压比较器，7432：A/B/C为三个部门，HD为一发光二级管，C4、C6、C10为滤波电容，D6为一稳压管（稳

40、压值为3V）。正常工作时，E1为+5V，V1-V2=V3（稳压管作用），因E13.6V，故D1截止，D2导通，E1通过D2正常向VDD供电，而对电压比较器来说，因V1+=3.6V，故其输出端为“1”电平，从而使HD反偏，不会发光。而根据R113.3K，R12=10K的分压作用，可知VA=E1R12/（R12+R11）=510/（10+3.3）=3.75V，显然，因V2+VA=3.75VV2-=3V，故电压比较器2输出为“1”电平，一路向片选CS2提供正常信号，而另一路要影响电压比较器3的工作。对于3而言，根据分压作用，知V3+=E1R9/（R8+R9）=50.33/(1+0.33)=1.24V

41、，这时，VB=5V，故必定通过D7、R15向C7充电，直至C点电压升高至（5-0.7）=4.3V为止，也就是说C点电位被嵌位在高电平4.3V左右，这时V3=1.24VV3-=VC=4.3V，故电压比较器3输出“0”电平，即VD=0，不影响7432；A/B的另一路WR及Y3的工作，且也不能通过7432；C使三级管T1截止，使T1集电极始终处于高电平，即RST=1，系统处于不复位状态。当E1上电03.6V时，如前所述，上面电路保证E2备用电池向VDD正常供电，而若长期处于掉电过程，E2电压上降，致使V1+V1-，则电压比较器1输出“0”电平,从而使HD正偏，发光警告备用锂电池电压不足，提示更换电池

42、。对于上面电路，当E1从04.5V时，因V2+=VA=E1R12/（R12+R11）=E110/（10+3.3）=03.375V，当V2+V2-时，电压比较器2输出端B为“0”电平，这以后C7通过R15和D7放电，从而使C点为“1”电平，从而通过两个或门7432；A/B，使、CS为高电平，即封锁、信号的输入，从而起到保护RAM内容不被误操作抹去，而D点高平又通过或门7432；C使三级管基极电位为“1”，从而使T1导通，集电极电平为“0”，即使RST=0，向系统发出复位信号，系统处于复位状态。同理，掉电期间（5V0V）的工作过程同加电期间的工作过程。由于外界原因需要8098复位，重新启动。809

43、8的复位过程是：在电源电压VCC、振荡信号发生器均处于稳定状态后，当8098单片机的引脚保持两个状态周期以上的低电平，接着又处于高电平。该单片机便开始执行时间为10个状态周期的复位序列。这个复位序列使片内一些寄存器初始化、PSW清零，程序计数器PC被赋值为2080H。在此基础上，8098单元片机开始执行首地址为2080H的程序。在此采用的电路除了具有上电自动复位功能外，还可以能过复位按键迫使为低电平。当系统掉电时，复位电容器里存储的能量可以以二级管为通路迅速放电，这为单片机在反复上电的情况下可靠复位提供了保证。二、键盘、显示器接口模板的设计：该模板是由键盘、显示器、驱动元件、锁存器、译码器等组

44、成。1、元件选择及电路设计：对键盘上闭合键（压下支的键）的识别以及对显示器的控制，一般是通过通用的I/0接口电路并由程序完成。然而，对实时微机应用系统的设计者，考虑到微机的有限运算速度，总希望尽量减小CPU对键盘及显示器管理所占用的时间。8279芯片就是由Intel公司为此而设计的集成接口芯片。它是一种专用于键盘/显示器的可编程接口电路，能对键盘自动扫描，给出闭合按键的键码，能自动向数码管显示器输出显示代码和位代码。因此，是一种功能较强、使用方便灵活的可编程键盘/显示器接口电路。键盘和显示器通过8279芯片与数控系统的CPU的控制、数据及地址总线相连，键盘和显示器扫描信号的发生以及动态显示时的

45、数据更新均由8279芯片独立完成。2、8279芯片Intel8279是一种实现键盘输入和段式数码显示控制的专用智能芯片，它的功能由两部分组成：接收来自键盘的输入数据并做预处理，显示数据的管理和对数据显示器的控制。它具有以下一些特点：（1）与微处理器接口简单；（2）自动实现键的“去抖”和重键处理；（3）能以中断或查询两种方式工作；（4）能按FIF0（先进先出）方式实现 8个键值的缓冲；（5）常规情况能同时管理64物理键和16 个八段数码管。其引脚定义如下：DB0-DB7；双向数据总线、：读写选通信号 片选信号：复位信号 CLK：时种信号A0：命令/状态或数据识别信号，=1为写命令或读状态；=0为

46、数据IRQ：中断请求信号SL0-SL3：输出线。这四条输入线用来扫描键盘和显示器RL0-RL7：输入线，是键盘矩阵或传感器矩阵的列信号输入线OUTA0-OUTA3,OUTB0-OUTB3：显示输出线：显示消隐信号SHTFT：扩展键盘位的换挡信号，带上拉电阻，高电平有效CTRLSTB：控制键输入选通信号输入，高电平有效8279的8根数据总线与STD总线的D0D7相连，它的、CLK、分别与STD总线的同名信号线相连接。其中CLK的另一端接8098的HS0.0脚，由8098的高速输出通道HS0.0产生IAMZ的脉冲信号。在对8279初始化时，可编程为10分频，以便得到8279所需的100KHZ的内部

47、时钟。与该接口板的片选信号相连。由于CPU对8279的监视采用查询方式，每16ms定时中断查询一次，所以中断请求信号IRQ悬空不用，A0与8098的最低位地址线AD0相连；SHIFT和CNTLSTB脚接0电平。3、键盘控制的原理8279的扫描输出有两种方式供选择：译码扫描和编码扫描。所谓译码扫，四条扫描线在同一时刻只有一条是低电平，并按着一定的频率轮流更换。如果用户键盘的扫描线多于4根时，则8279的扫描应工作在编码输出方式，增加一片译码器，来扩大扫描线数。本设计有24个按键，组成38的矩阵。SL0-SL2是3根行线，RL0-RL7是8根列线，每个键的一端接某一行线上，而另一端接某一列线上。在

48、逐行扫描时，列线用来搜寻一行中闭合的键，当某一键，闭合时，消抖电路被置位，延时等待10ms之后，再检查该键是否闭全，若闭全，则该键的行列地址和附加的移位、控制状态一起形成键盘数据送入8279内部的FIF0存储器。格式为D7D6D5 D4 D3D2D1D0CNTLSHIFT扫 描 线（行）序号扫 描 线（列）序号芯片的控制端CNTL，换挡端SHIFT接地，因此编码的最高两位都取“0”。在先进先出寄存器（FIF0 ROM）中有一个字节的FIF0状态寄存器，它始终存有表示FIFO是满是空、存有多少个数值，以及表示溢出或无溢出、显示无效等状态的信息。在CS为低电平，A0为高电平时，CPU可以通过RD读

49、出该状态字。该状态字形式如表：D7D6D5D4D3D2D1D0DnS/EOUFNNN状态字的意义见表：状态字特征位意 义nnn输入到FIFO RAM的数值字节数FF为O，FIFO已满，为1表示未满UO为1表示读出次数过多错误（不足）OO为1表示输入键值过多错误（溢出）SE传感器信号结束错误特征码DnDn为1表示显示无效系统在接通电源或按下“复位”键后都要执行一段8279初始化程序。该段程序的任务就是将读取8279中的FIFO内容、显示和键盘工作方式、显示RAM的地址设置、FIFO和显示BAM的清零、扫描频率等五个命令字写入8279中的有关寄存器，而8279将这些命令都锁存起来，然后逐个进行译码

50、，并将执行相应的功能。该系统键盘扫描时间为5.1MS，去抖动时间为10.3MS。时序控制电路中的一些计数器对内部基频进行分频，提供适应的键盘以及显示器扫描时间。8279显示器和键盘、方式命令字进行译码后也进行相应的功能处理。在该系统中显示和键盘方式命令字采用编码扫描，两键互锁工作方式。两键互锁是指，当被按上键盘未释放前，第二键又初按上时，FIFO仅接收第一键的代码，第二键当作无效键处理。在键盘工作方式时，8279从YE0行开始，逐行扫描键盘，每扫描一行将6根回送线（RL0RL5）的数据由回送缓冲器实现缓冲和锁存。若该行中有键闭合，就等待10.3MS，然后再重新检查该键是否还闭合，若该键仍闭合，

51、就将该键的代码送到FIFO RAM中。系统每隔16MS将8279中的FIFO状态字读入，然后判断FIFO RAM中。系统每隔16MS将8279中的FIFO状态字读入，然后判断FIFO RAM中是否存有键代码值。若有键盘代码值，数控系统将它读入进行分析判断，然后转到执行该键的处理子程序，作该键所表示的功能处理。4、显示控制的原理本系统每个坐标有5片LED晃示，共需15片LED，显示扫描线有15根，故显示方式采用编码扫描，增加一片416译码器74154。输入SL0SL3四根扫描线，输入16根扫描线轮流选通15片LED。8279内设置了显示RAM，用来存放显示数据，它有168位的容量信，最多可存放1

52、6位的显示信息。显示数据经过数据总线D0-D7及写信号可以分别写入显示存储器的任何一个单元内。一旦数据写入后，8279的硬件电路便自动管理显示存储器的输出及同步扫描信号。7段LED用共阳极显示方式，8279的OUTA0-OUTA3，OUTB0-OUTB3作为段选路，74154的15根扫描线作为位选口，由于它们的驱坳能力太低，不能直接驱动显示器点亮，故增加驱动芯片ULN2003A，此芯片后面进行介绍。而7406（7407）芯片驱动能力较小，应避免使用。8279进入显示工作方式时，在显示扫描脉冲控制下，从右至左按顺序逐个点亮显示器，每个显示器被点亮的时间只占扫描时间的十六分之一，而其熄灭时间占十六

53、分之十五。由于显示器导通过流过较大的电流，而显示器又有余辉，再者显示扫描频率较高，显示器所显示的字符都是清晰可辨的。三、I/0接口模板该模板以两片8255可编程并接口芯片为主，用三片74LS245将8255与STD总线相连。用TLP521-4光隔芯片将8255与外电路隔离。用ULN2003作为输出驱动器。1、开关量设计 输入开关量功能表：分类开关功能分开关功能行程开关XK1X轴正向限位+XCC工作方式开关FK1步进1XK2X轴负向限位-XCCFK2步进10XK3Y轴正向限位+YCCFK3步进100XK4Y轴负向限位-YCCFK4步进1000XK5Z轴正向限位+ZCCFK5手动控制XK6Z轴负向

54、限位-ZCCFK6自动执行XK7X轴一次回零XJL1FK7零件程序编辑XK8X轴一次回零XJL2FK8单段执行XK9Y轴一次回零YJL1FK9回零XK10Y轴二次回零YJL2FK10参数XK11Z轴一次回零ZJL1方向开关DK1XXK12Z轴二次回零ZJL2DK2Y信率开关BK130%DK3ZBK250%DK4正向BK380%DK5负向BK4100%按钮开关AK1启动BK5120%AK2空运行按钮开关AK4程序清零AK3紧急停车开关量输出指令功能表指 令功 能指 令功能M03主轴正转S01主轴转速1M04主轴反转S02主轴转速2M05主轴停转S03主轴转速3M07冷支液开S04主轴转速4M09

55、冷却液关T01换刀1M10X轴夹紧T02换刀2M11Y轴夹紧T03换刀3M12Z轴夹紧T04换刀4 2、并行接口芯片82558255是Intel公司生产的可编程输入输出接口芯片。它具有3个8位的并行I0口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。8255的引脚及内部结构如下：（1）引脚说明：8255共有40个引脚，采用双列直插式封装D7D0：三态双向数据线。与单片机数据总线连接，用来传送数据信息。：片选信号线。低电平有效：读出信号线。低电平有效：写入信号线。低电平有效VCC：5V电源PA7PA0：A口输入输出线PB7PB0：B口输入输出线PC7PC0：C口输入输出线RESET：复位信号线A1、A0：地址线。用来选择8255内部端口GND：地线8255接口工作状态选择表：A1A0工作方式00010A口数据数据总线01010B口数据数据总线