CA6140型车床的经济型数控改造(横向)说明书.doc

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1、1 前言国外利用数字计算机进行控制加工是从40年代开始的。1952年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从60年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1974年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐

2、渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改

3、造具有重大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。本课题来源于生产实践。将CA6140型普通车床改造成经济型数控车床，应能实现CA6140车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。在整个设计过程中满足以下几点要求：a横向（X向） 进给脉冲当量为0.005mm /脉冲；b进给速度范围：向 3 1000mm/min （无级调速）快进速度：X向 1000 3000mm/min内任意设定；c.原车床的主传动系统予以保留，横向进给系统由微机实现开环控制，两轴联动；d.刀架采用自动转位刀架，具有切削螺纹的功能；e.改造方便，成本低。该设计的总体思路是采用以80

4、31单片机为核心的数控装置控制加工过程。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠转动，从而使工作台产生移动，实现纵向、横向的进给运动。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将I/O输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响单片机程序运行，重则导致单片机接口电路的损坏，所以在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路，实现电气隔离。2 总体方案设计由于该设计是经济型数控改造，在考虑具体方案时，应遵

5、守的基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。2.1 机械部分改造横向进给机构的改造：拆掉原手动刀架和小拖板，安装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱和溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，采用一级齿轮减速，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。2.2 数控系统部分设计数控系统按运动方式分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续(轮廓)控制系统根据设计要求，CA6140车床要加工复杂零件轮廓，其各坐标轴的运动有着确定的函数关系。根据设计要求，本微机数控系统采用连续控制系统。采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单、

6、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。采用简易数控装置，以步进电机为驱动机构，实现在微机控制下的自动加工。其工作原理是：根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写加工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机在监控程序的管理下工作，并通过专用控制程序，把用户加工程序转化成一定频率和数量的脉冲信号，经驱动电路放大后驱动纵横向二台步进电机转动，通过机械接口传动丝杠实现刀架纵、横两个方向的频率。自动回转刀架由单片机发出换刀转位指令，由自动刀架驱动电源驱动三相电机使刀架松开、抬起、旋转后再自动锁紧而完成转

7、位换刀过程。该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠传动，丝杠转动使工作台产生移动。 光电隔离微机功率放大步进电 机横向工作台xx图 2-1 CA6140车床数控改造的总体方案示意图综上所述，本设计改造的总体方案为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，步进电机经一级齿轮减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。数控改造后

8、的车床不仅提高了原车床的精度和自动化程度，达到快速调整且仍能保持车床的通用性，而且提高了原车床的功能，利用数控方法准确地加工任意面的旋转体。3 机械部分改造设计3.1 横向进给系统的设计与计算3.1.1 横向进给系统的设计步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证同轴度，提高传动精度。3.1.2 横向进给系统的设计计算已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算） W=30kgf=300N时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程 L=4mm左旋行程 S=230mm脉冲当量 =0.005mm/step步距角 =0.75 /step快

9、速进给速度 max=1mm/minA.切削力计算 查参考文献1可得知，横向进给量为纵向的1/21/3,取1/2,则切削力约为纵向的1/2 F=(1/2)152.76=76.38kgf=763.8N （3-1）在切断工件时：F=0.5F=0.5076.38=38.19kgf=381.9N （3-2）B.滚珠丝杠设计计算a.强度计算对于燕尾型导轨：P=KFy+f(Fz+W) （3-3）取K=1.4 f=0.2则 P=1.438.19+0.2（76.38+30） =74.74kgf=747.4N （3-4）寿命值 L =13.5 （3-5）最大动负载 Q=1.2174.74=213.55kgf=21

10、35.5N （3-6）根据最大动负荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。查参考文献2可知，选用型号为WL2004-2.5X1B左，其额定动负荷为6100N，所以强度足够用。b.效率计算螺旋升角=339，摩擦角=10则传动效率 =0.956 （3-7）c.刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量L=5.9610-6cm （3-8）滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很小，可忽略，即：L=L。所以，导程变形总误差为=L=5.9610-6=14.9m/m （3-9）查表知E级精度丝杠允许的螺距误差1m长为15m/m，故刚度足够。d.稳定性验算由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一

11、端固定、一端悬空，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不用验算。C.齿轮及转矩有关计算a.有关齿轮计算传动比 i= （3-10）故取 Z=18 Z=30 m=2mm b=20mm =20d=36mm d=60mm d=40mm d=64mma=48mmb.转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量JI=（）2W=（）2300.01=0.0439kgfcm2（3-11）丝杠转动惯量JS=7.810-42450=0.624kgfcm2 （3-12）齿轮的转动惯量J=7.810-43.642=0.262kgfcm2 （3-13）J=7.810-4642=2.022kgfcm2 （3-1

12、4）电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量J= =1.258kgfcm2 （3-15）c所需转动力矩计算 n=41607r/min （3-16） M=Nm=2.23kgfcm （3-17） （3-18）m=0.1775kgfcm （3-19）= （3-20） （3-20） （3-22）所以，快速空载启动所需转矩 （3-23）切削时所需力矩： （3-24）快速进给时所需力矩： （3-25）从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时，=2.633kgfcm=26.33Ncm3.1.3步进电机的选择C6140横向进给系统步进电机的确定 （3-26）电动机选用三相六拍工作方式，查参考文献1表7-2知

13、： （3-27）所以，步进电机最大静转矩为： （3-28）步进电机最高工作频率 （3-29）为了便于设计和计算，选用110BF003型三相六拍步进电机，能满足使用要求。3.2数控车床的传动装置设计 数控机床的传动装置是指将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属机构。包括丝杠螺母副、导轨、工作台等。在数控机床数字调节技术领域，传动装置是伺服系统中的一个重要环节。因此，数控车床的传动装置与普通车床中传动装置在概念上有重要差别，它的设计与普通车床传动装置的设计不同。数控车床传动装置的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态特性，即系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性

14、要好。为确保数控车床进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械传动装置时，通常提出了无间隙、低摩擦、高刚度等要求。为了达到这些要求，采取主要措施如下：a尽量采用低摩擦的传动，以减少摩擦力；b链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度；c量消除传动间隙，减少反向死区误差。3.2.1螺旋传动A概述 螺旋传动主要用来把旋转运动变为直线运动，或把直线运动变为旋转运动。其中，有以传递能量为主的传力螺旋，有以传递运动为主，并要求有较高传动精度的传动螺旋，还有调整零件相互位置的调整螺旋。螺旋传动机构又有滑动丝杠螺母、滚珠丝杠螺母和液压丝杠螺母机构。 在经济型数控车床的进给系统中，螺旋传动主要用来实现精密进给运动，

15、并广泛采用滚珠丝杠副传动机构。 滚珠丝杠副传动是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间放入适当数量的滚珠。这些滚珠作为中间传动件，使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种传动装置。它由丝杠、螺母、滚珠及滚珠循环返回装置等四个部分组成。当螺杆转动螺母移动时，滚珠则沿螺杆螺旋滚道面滚动，在螺杆上滚动数圈后，滚珠从滚道的一端滚出并沿返回装置返回另一端，重新进入滚道，从而构成闭和回路。B滚珠丝杠副传动的特点a传动效率高，摩擦损失小。b给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，定位精度高，刚度好。c启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。d有可逆性，可以从旋转运

16、动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件。e磨损小，使用寿命长，精度保持性好。f制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值别别小，故制造成本高。g不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于中立的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，所以需要添加制动装置。C滚珠丝杠副的支承方式 为了满足高精度、高刚度进给系统的需要，必须充分重视滚珠丝杠副支承的设计。a一端固定 一端自由a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性都很低。b) 结构简单c) 轴向刚度小d) 适用于较短的滚珠丝杠安装和垂直的滚珠丝杠安装b两端铰支a) 结构简单b) 轴向刚度小c) 适用

17、于对刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠安装d) 对丝杠的热伸长较敏感e) 适用于中等回转速度c一端固定 一端铰支a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高，适用于中等回转速度b) 结构稍复杂c) 轴向刚度大d) 适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠安装e) 推力球轴承应安置在离热源（步进电机）较远的一端d两端固定a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高速回转b) 结构复杂，两端轴承均调整预紧，丝杠的温度变形可转化为推力轴承的预紧力c) 轴向刚度最大d) 适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装e) 适用于较长的丝杠安装综上所述，本设计中滚珠丝杠副支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变

18、为一端固定，一端径向支承。D滚珠丝杠副轴向间隙的调整滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。消除间隙的方法采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外，还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。3.2.2 轴的结构设计A轴CAJJX6140-02-04的结构设计由前面滚珠丝杠副的设计可知：滚珠丝杠的直径为20mm。由于丝杠与轴CAJJX6140-02-04通过联接套联接，考虑到轴的加工方

19、便性和整体的连贯性，轴CAJJX6140-02-04的轴身部分直径与滚珠丝杠的直径相同，均为20mm，其长度根据原车床实际需要的尺寸而定，轴颈部分直径为17mm。图3-1 轴CAJJX6140-02-04B轴CAJJX6140-02-08的结构设计考虑与轴承内经的配合，所以该轴两端支承部分直径为17mm。由于该轴需与法兰盘联接，而且该轴相对较长，因此在设计时为了方便安装，降低装配难度，将轴身部分增加一个轴肩，直径适当减小，使其有一过渡，轴身直径为15mm。因为该轴的右端还需安装一个透盖，用双螺母对其紧固。轴与透盖用一键使其周向固定。查参考文献3可知，根据轴的直径选用型号为GB/T1098-19

20、79的键，键槽宽度为3mm，深度为3.8mm。图3-2 轴CAJJX6140-02-083.2.3透盖的结构设计透盖的内径和长度由与之配合的轴CAJJX6140-02-08的直径和长度决定，所以透盖的直径为16mm,长33mm。因为选用型号为GB/T1098-1979的键，查参考文献3可知，毂t1=1.4mm，上偏差为+0.1，下偏差为0。外圆的直径由法兰盘的直径决定，为96mm。图3-3 透盖CAJJX6140-02-013.2.4螺母座的结构设计螺母座的长度根据滚珠螺母的长度而定。螺母座与滚珠螺母通过键进行轴向固定，查参考文献4可知，该键型号选用GB/T1096-1979，4430。滚珠丝

21、杠副通过螺母座带动工作台移动，因此螺母座通过螺钉与工作台联接。查参考文献4可知，螺钉型号选用GB/T70-1985。图3-4 螺母座CAJJX6140-02-073.3自动转位刀架的设计 自动转位刀架的设计是普通机床数控改造机械方面的关键。在进行普通车床的经济型数控改造时，多采用外购自动转位刀架。由微机控制的自动转位刀架具有重复定位精度高,工件刚性好,性能可靠,使用寿命长以及工艺性好等特点。自动转位刀架设计时,刀架要能自动完成抬起、回转、选位、下降、定位和压紧,即要设计出合理的机构又要检测出个顺序动作的电信号,以便由控制系统加以控制。刀架的回转常采用微电机通过蜗轮蜗杆使刀架抬到一定高度时,由拨

22、块带动刀架转动。刀架的选位由刀架位置的编码和微机程序来实现。这里选用的是LD4-1型自动刀架，其工作原理是由微机发出换刀信号,使微电机正转,通过减速机构和升降机构将上刀体升至一定位置时,离合转盘起作用,带动上刀体旋转,旋转到所选刀位,发信盘发出刀位信号,使微电机反转,反靠初定位,上刀体下降,齿牙盘啮合，完成精定位，并通过蜗轮蜗杆，锁紧螺母，使刀架固紧。当夹紧力达到预先调好的状态时，过流继电器动作，切断电源，电机停转，并向微机发出回答信号，开始执行下道工序。刀架的动作顺序简明地表示为：微电机减速机构升降机构上刀体上升转位信号符合粗定位机构上刀体下降精定位刀体锁紧微电机停转换刀回答信号加工顺序执行

23、。4 微机数控系统设计4.1概述数控机械的开环数控系统一般用步进电机作为执行驱动元件，因此又称为开换步进控制系统。由于这种系统不使用位置、速度检测和反馈装置，没有闭环控制系统中的稳定性问题，因此具有结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低等一系列优点，适用于精度要求不太高的中小型数控设备。开环系统主要由脉冲分配器、驱动电源、步进电机组成。步进电机是一种多相脉冲电机，它的各相绕组必须按一定的规律轮流供电，步进电机才能按一定的方向旋转。为实现步进电机各绕组间有规律轮流供电，可以采用硬件逻辑来实现，也可以用计算机软件来实现。单片机通过运算不断地向步进电机发出脉冲分配信号，这样就使步进电机朝一个方

24、向不断转动。单片机发出的脉冲速度快，步进电机也转得快，单片机发出的脉冲速度慢，步进电机也转得慢，这样单片机就可以通过改变输出脉冲的速度来改变步进电机的速度。单片机还可以通过改变脉冲分配的顺序来改变电机的转动方向。再通过机械传动使电机的转向、转速、转角变为工作台的进退、移动速度和位移量。单片机就是这样通过步进电机驱动系统来控制工作台运动的。由于单片机脉冲输出的脉冲功率很小，不足以推动步进电机，因而必须有一个把脉冲信号放大到足以推动步进电机转动的放大器，这就是步进电机驱动电源。由于步进电机是一个电感性负载，电流的上升率受电感大小的影响而在高频运行时扭矩将有较大的下降。所以在设计驱动电源时必须采取适

25、当的措施来提高电流的上升率以保证运行时有足够的扭矩。由此可见步进电机和步进电机驱动电源的性能好坏将对开环数控系统的性能起很重要的作用。CPUI/O接口光电隔 离功率放 大步进电 机RAMROM外 设键盘、显示器图4-1 数控系统结构框图4.2 数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床数控系统硬件电路概括起来由CPU、总线、存储器以及I/O接口四部分组成。其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的

26、各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU与存储器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。4.2.1微机机型和扩展存储器的选择确定微机机型就是选择CPU。单片机价格低、可靠性较高，适用于控制，选择单片机做控制器比较合适。根据总体方案的确定，微机采用MCS-51系列单片机。51系列有三种型号：8031是无ROM的8051；8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本设计就采用8031单片机。8031单片机是美国Intel公司的产品MCS51系列单片机的一个型号，是目前性能较高的8位单片微

27、型计算机。8031单片机内部包含一个8位CPU，128字节的RAM，两个16位定时器，四个八位并行口，一个全功能串行口，可扩展的外部程序存储器和数据存储器的容量为64K字节，具有5个中断源并配有两个优先级，还有21个特殊功能寄存器。所以8031单片机是一种理想的8位微型计算机，在各种数控系统中的到广泛的应用。8031单片机是一个有40根引脚的双列直插式器件。P0口：8位双向I/O口，既是数据线，又是低8位地址线，分时使用；P1口：8位双向I/O口，可供用户使用的接口；P2口：8位双向I/O口，系统外部存储器扩展时，作高8位地址线使用，系统不需要扩展时，也可以供用户使用；P3口：8位双向I/O口

28、，是一个双功能口。 ALE/PROG：访问外部存储器时，用于锁存地址线低8位字节的地址锁存允许输出。ALE提供一个定时信号，在与外部存储器存取数据时把P0口的低位地址字节锁存到外接的锁存器中。这个引脚也是EPROM编程时的编程脉冲输入端（PROG）。EA/VDD：EA为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。EA为低电平时CPU执行外部程序存储器指令。使用8031单片机时，EA必须接地。8031单片机内只有128字节的RAM，没有ROM。机床数控系统需要的程序存储器和数据存储器的容量都较大，必须外接程序存储器（EPROM）和数据存储器（RAM）芯片。A程序存储器的扩展a选用27128芯片常用

29、的EPROM存储器有2716，2732，2764，27128，27256等，容量分别为2K、4K、8K、16K，32K。由于车床数控系统包括系统控制程序和加工程序，采用16KB8的27128芯片，可与单片机所选的12MHz时钟相匹配。27128EPROM芯片是一个有28根引脚的双列直插式集成元件。该芯片共有14根地址线A0A13，8根数据线D0D7，其余的为控制线。27128低八位地址线和74LS373的输出端连接,高六位地址线直接与8031的P2.0P2.5连接。它的八位数据线直接与8031的P0口连接。ROM的寻址范围为0000H3FFFH，并且采用译码器，使地址范围无重叠区。b地址锁存器

30、74LS373单片机规定P0口提供低8位地址线，同时又要作为数据线，所以P0是一个分时输出低8位地址和数据的通道口。为了把地址信息分离出来保存，提供外接存储器的低8位地址信息，通常采用74LS373作为地址锁存器。除74LS373外，74LS273、8282、8212等芯片也可用作地址锁存器，使用时接法稍有不同，由于接线稍繁，多用硬件和价格稍贵，故不如74LS373用得普遍。74LS373作为地址锁存器。D1D8是输入端，Q1Q8是输出端，CE是片选端，片选端G与8031单片机的地址锁存信号ALE连接。当片选端G=1时，74LS373的输出端与输入端相通，当G端从高电平返回低电平（下降沿）时，

31、输入的地址信息就被锁入Q1Q8中。B数据存储器的扩展a选用62256芯片数据存储器选用32K8位的62256芯片，其地址范围为6000H7FFFH，它的22脚当CS为高，自己也在高电平时，具有自动提供刷新RFSH的功能。也采用译码器，使其无重叠区的地址范围。b地址译码器74LS138 外部芯片都通过总线与单片机连接，单片机数据总线分时地与各个外部芯片进行数据传送，故需进行片选控制。若芯片内有多个地址单元时，还要进行片内地址选择。8031单片机应用系统的地址译码规定，外部扩展芯片与数据存储器统一编址，所以外部芯片不仅占用数据存储器一定数量的地址单元，而且要使用读/写信号与读/写指令完成数据传送。

32、经济型数控硬件结构中采用全地址译码方式。所谓全地址译码是：低位地址作为片内地址，高位地址用译码器译码，译码器输出的地址选择信号作为片选线连至每个外部芯片的片选端。地址译码常用74LS138译码器，G1、G2A和G2B是赋能端，A、B、C是选择端，Y0Y7是输出端。74LS138地址译码电路输入端出占用了8031单片机的P2.5P2.7三根高位地址线，剩余的13根地址线用作数据存储器的内地址线。74LS138译码器每一个输出端可接一个外部芯片的片选端实现分时片选控制，因此，一个74LS138译码器的8根输出端可以连接8个8K字节地址空间。单片机的读/写信号经过与门后控制译码器的赋能端G2A、G2

33、B，这就保证只有在读/写状态时译码器输出端才会输出片选。4.2.2确定I/O接口8031只有P1口可作为普通I/O口用，所以需扩展。键盘需要32个键，采用矩阵式键盘，需12个I/O口；显示器采用6个LED，需6个I/O接口；两个三相步进电机，采用软件环行分配器，需6个；刀架需4个；紧急停需1个。采用一片8279芯片和一片8255A即可。键盘/显示器接口采用8279芯片，因为8279芯片是专用的键盘/显示器接口芯片，还可以编程。8279芯片具有消颤（去抖动）、双键同时按下保护功能。显示控制亦按扫描方式工作，可以显示8或16个数码（字符）。LED的个数应满足显示值的要求和便于显示。8279与单片机

34、8031的连接无特殊要求，除数据线、RESET、WR、RD直接连接外，CS与74LS138译码器输出线Y1相连；8279的IRQ经反相器与8031的中断请求输人线INT1相连；时钟输人端CLK与8031的地址锁存控制端ALE相连。8279键盘最大可配置88个键，实际用了32个键。扫描线信号为SL0SL2，经74LS138译码器输出的4个列选信号，接入键盘列线。键盘行查询用了RL0RL7的8根回馈线，接人键盘行线。8279配置的8位共阴极LED显示器，其字位线由扫描线SL0SL2经译码器、驱动器提供，字段线由OUTA0OUTBA3、OUTB0OUTB3通过驱动器提供。8255A的内部结构可分为四

35、个部分：a.数据总线缓冲器 是一个8位的双向三态驱动器，用于与单片机的数据总线相连。b.读/写控制逻辑 根据单片机的地址信息（A1、A0）与控制信息（RD、WR、RE、SET），控制片内数据、CPU控制字、外设状态信息的传送。 c.控制电路 根据CPU送来的控制字使所管I/O接口按一定工作方式工作。对C口甚至可按位实现“置位”或“复位”。d.并行I/O接口 有A、B、C三个端口。 A口：可编程为8位输入，或8位输出，或双向传送。 B口：可编程为8位输入，或8位输出，按不能双向传送。C口：可分为两个4位口，用于输入或输出；也可用作A口、B口的状态控制信号。8255A的D0D7依次与8031的P0

36、.0P0.7连接；RD、WR、RESET与8031的同名引脚相连；A0、A1两跟地址线与锁存器74LS373输出的最低2位连接。自单片机接受地址信息、控制信息，在数据总线与端口间传送数据、状态控制信号，也自数据总线接受控制字。4.2.3键盘接口设计首先判断键盘上有无键闭合，先送8255的PA口一个数据为00H，使列线PA0PA7的电平均为0，然后读PB口的PB0PB2的状况；若不全为“1”，则有键闭合，此时延时10ms去掉抖动后再判断有无键闭合。如无则继续扫描，如有则判断按下的键号。如确定有键按下时，便开始计算键值。当采用8行4列的键盘时，定义第一行的键为00H03H，定义第二行键的键值为04

37、H07H，依次类推。首先判断是哪一行有键闭合，若第一行有键闭合，设置初值为00H，若第二行有键闭合，则设置初值为04H，依次类推。接着对列线进行扫描以判断是哪一列闭合。方法上使PA0对应的列线输出低电平，其余均为高电平，判断一下是否第一列有键闭合，如有则列计数为00H，与初值相加则为键值，也即是键盘的键号，如无则把低电平移到第二列上再判断，直到四列线全判断完毕，找出列线为止。然后计算键值，最后可根据键号跳转到相应的键功能程序的入口。0列扫描线KEY有键按下？延时10ms有键按下？计算行值扫描各列键盘线求出列值计算键值转各键功能功能1功能2功能3功能32图4-2 键盘程序框图4.2.4显示电路设

38、计数码显示器是单片机应用产品中的廉价输出设备。它由若干个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。这种笔画式的七段显示器，能显示的字符数量较少，但控制简单，使用方便。动态显示是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描）。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示的为数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位并行口（称为扫描口）。控制

39、各个显示器所显示的字形也需一个公用的8位口（称为数据口）。在8031RAM中设置6个显示缓冲单元79H7EH，分别存放6位显示器的显示数据。8255的A口扫描总是一位为高电平，即6位显示器中仅有一位公共阴极为低电平，其它为高电平。8255的B口输出相应位（阴极为低）显示数据的数据段，使某一位显示出一个字符，其它位为暗。依次地改变A口输出为高的位，B口输出对应的段数据，6位显示器就显示出缓冲器显示数据所确定的字符。4.3 软件设计车床数控系统设计与应用工作中，软件设计是一个重要方面。实际上，软件设计与硬件设计工作是不可分割的，二者必须结合进行。软件设计工作，按其功能可分二类：一类是执行软件，它能

40、完成各种实质性的功能；另一类是监控（管理）软件，它是控制微机系统按预定的操作方式运转的程序。但执行软件和监控软件没有明确的界限和固定的功能划分。习惯上把键盘解释程序作为监控程序，其它任务都分散在特定功能的执行程序中，并由监控程序来调用必要的功能模块，完成预定的任务。在进行软件设计时，应从全局着眼，先将整个系统的任务按功能分成一个一个的模块，并为每一个执行模块定义，然后设计出每一个具体模块的程序，最后组成一个系统。不仅整个系统的程序结构可具有模块化的特性，而且其模块内部也可以分为小模块。模块特性对测试很有利，功能扩充也很方便。要增加新功能，只要增加新模块就能实现，像搭积木一样。因此，这样的模块程

41、序设计方法，思路清晰，逻辑性强，柔性较大。数控系统加工程序管理与操作模块插补功能间隙补偿步进电机控制速度控制环行分配管理模块程序设计自动换刀程序设计键盘程序显示程序键盘诊断中断功能诊断图4-3 数控系统框图4.3.1 插补原理及其程序设计A概述 经济型数控车床是用步进电机驱动执行机构，使刀具相对工件沿着指定的路径运动，切削零件的轮廓，并保证切削过程中的每一点的精度和表面粗糙度符合一定的要求。每一方向的进给运动是靠步进电机驱动拖板产生的，而步进电机的运动则是靠数字脉冲来控制的。一个脉冲能使拖板产生的位移量或最小增量，常用x、y表示。因而，知道了平行于轴向的加工轮廓长度，就可换算成步进电机控制脉冲

42、总数，从而完成零件加工。随着计算机技术的发展，数控技术中采用的插补运算方法有多种多样，常用的方法有如下几种：a数字乘法器b逐点比较法c数字积分法d比较积分法e矢量判别法f最小偏差法这些插补方法各有其长处和短处，并且不断发展和完善。其中，较为成熟并得到广泛应用的是逐点比较法和数字积分法。B逐点比较法直线插补方法及其程序设计逐点比较法的插补原理是：计算机在控制加工轨迹过程中，每当刀尖（拖板）向某一方向移动一步，就要进行一次偏差计算和偏差判断，就是比较加工点同要求加工轨迹相应点的坐标之间的偏离程度，然后根据偏差的大小确定下一步的移动方向，使刀尖始终紧靠要求的加工轮廓线运动，起到步步逼近的效果。这种插

43、补方法的特点在于每控制刀尖移动一步时，都要完成四个工作节拍，即：a.偏差判别 判别刀具当前位置相对于给定轮廓的偏离情况，以此决定刀具移动方向；b.进给 根据偏差判别结果，控制刀具相对于工件轮廓进给一步，即向给定的轮廓靠拢，减少偏差；c.偏差计算 由于刀具进给已改变了位置，因此应计算出刀具当前位置的新差，为下次判别作准备；d.终点判断 判别刀具是否已到达被加工轮廓线段的终点。若已到达终点，则停止插补；否则继续插补。逐点比较法是我国数控装置中经常采用的一种插值运算方法，采用这种方法不仅可以加工直线轮廓，也可以加工圆弧曲线轮廓。其算法特点是：运算直观，插补误差小于一个脉冲量，输出均匀，而且输出脉冲的速度变化小，调节方便。表4-1 直线插补偏差计算线型 F0F0 进给偏差计算进给偏差计算L1L3+xxF=F-ye+y-yF=F+xeL2L4+yyF=F-xe-x+xF=F+yea设PIO端口为输出状态，其中A口控制x方向步进电机，B口控制y方向电机，步进电机均为三相六拍。b数据单元：设