机械5

电路图在说明书里有高清图片展示！ 本文详细地介绍了经济型数控车床控制系统硬件电路的设计过程。该控制系统主要可分为四部分设计：CPU存储器扩展电路设计、显示电路设计、手动键盘和编辑键盘电路设计以及I/O扩展电路设计。在CPU存储器扩展电路设计中， CPU选用MCS-51系列的8031单片机，外扩32K的程序存储器和8K的数据存储器，分别用于存放系统管理程序、数控加工程序以及运算数据；在显示电路设计中，选用MCS-51系列的89C2051单片机作为从CPU，控制三排LED显示器，用于X轴、Z轴动态坐标以及相关数字的动态显示；在手动键盘和编辑键盘设计中选用8155芯片的PA口和PC口作为行、列母线，扩展矩阵式编辑键盘，用于程序和数据的输入或编辑，同时选用8031单片机的P1口扩展手动键盘，用于系统启动、停止以及运动部件在X、Z轴方向的手动控制；在I/O口扩展电路设计中选用8255芯片扩展输入输出口，用于接收和传送开关量及相关信息。总体来说，该设计电路简单、开发成本低、可靠性高，在此基础上，进一步完善硬件，并开发控制软件，对经济型数控车床，尤其是功能要求不高的经济型车床，具有一定的应用价值。 目录 第一章绪论1 1.1引言1 1.2选题背景与意义2 1.3研究现状3 1.4本文的结构4 第二章经济型数控车床控制系统硬件电路设计方案的拟定5 2.1控制对象及要求5 2.2总体控制方案的拟定5 2.2.1主CPU的选用5 2.2.2外扩存储器的确定6 2.2.3显示电路的确定6 2.2.4扩展键盘及I/O口电路的确定7 2.2.5总体方案的结构框图7 第三章经济型数控车床控制系统硬件电路设计8 3.1 CPU时钟及复位电路设计8 3.1.1时钟电路设计8 3.1.2复位电路设计8 3.2存储器扩展电路设计9 3.2.1程序存储器扩展电路设计9 3.2.2数据存储器扩展电路设计11 3.3显示电路设计14 3.3.1数字动态显示电路设计14 3.3.2功能字显示电路设计16 3.4手动键盘和编辑键盘电路设计17 3.4.1手动键盘电路设计18 3.4.2工作方式选择开关电路设计20 3.4.3编辑键盘电路设计21 3.5 I/O接口扩展电路设计23 3.6步进电机控制信号输出电路设计28 3.7译码电路设计29 3.7.1扩展芯片选择译码电路设计29 3.7.2显示位选择译码电路设计31 第四章控制系统原理图及PCB图的绘制32 4.1控制系统电路原理图的绘制方法及步骤32 4.2控制系统电路PCB图的绘制方法及步骤35 第五章结论37 5.1总结37 5.2感想38 致谢39 参考文献40 附录A：英文资料41 附录B：英文资料翻译55 附录C：硬件设计原理图与PCB图67 1.设计的原始数据： 控制轴数：两轴（X轴、Z轴）。 扩展存储器：32K程序存储器，8K数据存储器。 显示：三排LED。 I/O接口：若干 2.设计()的内容和要求(包括技术要求、图表要求以及工作要求等)： 采用8031作为主CPU，外扩32K程序存储器， 8K数据存储器；用 89C2051作从CPU，控制三排LED显示；键盘用8155扩展；X轴、Z轴步 进电机正、反转脉冲信号经锁存器输出；用8255扩展若干输入、输出信 号接口。 3.设计应完成的技术文件： （1）设计说明书（） （2）控制系统原理图 （3）PCB图 （4）英文资料译文 经济型数控车床是以单片机为控制核心、以步进电机为驱动、以开环控制方式为基础的一种简易数控系统。此次主要以它的控制系统为研究对象，进行硬件电路设计。 设计的具体内容： 1、采用8031作为主CPU，外扩32K程序存储器，8K数据存储器； 2、用89C2051作为从CPU，控制三排LED显示； 3、键盘用8155扩展； 4、X轴、Z轴步进电机正、反转脉冲信号经锁存器输出； 5、用8255扩展若干输入、输出信号接口。 本课题研究的意义： 本课题对经济型数控车床控制系统硬件电路进行设计,其研究意义如下： 1、经济型数控车床价格便宜，性能价格比适中，与中高档数控车床相比，前者只需一万元左右，后者则需要十万甚至几十万元。因此，它特别适合于改造在设备中占有较大比重的普通车床，适合在生产第一线大面积推广。 2、经济型数控车床适用于多品种、中小批量产品的自动化生产，对产品的适用性强。在普通车床上加工的产品，大都可以在经济型数控车床上进行。加工不同零件，只要改变加工程序，很快适应和达到批量生产的要求。这就为单件、小批量以及试制新产品提供了极大的便利。它缩短了生产准备周期，而且节省了大量工艺装备费用。对于使用点位控制系统的多孔零件的加工，当需要修改设计，改变其中某些孔的位置和尺寸时，只需局部修改增删穿孔带的相应部分，花费很短的生产准备时间就可以把修改后的新产品制造出来，为产品结构的不断更新提供了有利条件。 3、经济型数控车床可以提高产品的质量，降低废品损失。数控装置有较高的加工精度，加工出的产品尺寸一致性好，合格率高。如包缝机壳车内槽，质量要求高，手工加工时废品和返修品率高达70用经济型数控车床加工几乎没有废品。数控机床的传动系统与机床结构都具有很高的刚度和热稳定性，提高了产品的制造精度，特别是数控机床的自动加工方式避免了生产者的人为操作误差， 同一批加工零件的尺寸一致性好。产品合格率高，加工质量稳定。 4、经济型数控车床能解决复杂零件的加工精度控制问题。如一个复杂工件，原来有一个高级车工用双手摇动两个手柄，边加工边对样板，每件需16小时，费时费力，且质量无法保证，而在改造后的经济型数控车床上加工，仅用45分钟，提高工效20倍。 5、经济型数控车床能节约大量工装费用，降低生产成本。手工操作需要大量不同类型的靠模和成形刀具，用经济型数控车床加工可以不用工装，不仅节约了工装费用，还减轻了工具制造部门的压力。 6、经济型数控车床可以提高生产率。零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。经济型数控车床能够有效减少这两部分时间，因而加工生产率比一般机床要高得多。数控车床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控车床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时间。数控车床移动部件的快速移动和定位均采用了加速与减速措施，因而选用了很高的空行程运动速度，消耗在快进、快退和定位的时间比一般机床的少得多。数控车床在更换零件时几乎不需要重新调整车床，而零件有都安装在夹紧装置中，用于停机进行零件安装调整的时间可以节省不少。 7、经济型数控车床可以减轻工人的劳动强度。使用经济型数控车床，将工人从紧张、繁重的劳动中解脱出来。对零件的加是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了安放穿孔纸带或操作键盘、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运动之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。 8、经济型数控车床可以提高工人的素质，促进技术进步。数控系统的出现，扩大了工人的视野，带动可学习微电子技术的热潮，为工人由“体力型”向“智力型”过渡创造了条件，促进了工厂的技术进步。 9、经济型数控车床可以增强企业的应变能力，为提高企业竞争能力创造了条件。企业应用经济型数控对设备进行改造后，提高了加工精度和批量生产的能力，同时又保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代所需要的应变能力，增强了企业的竞争能力。 10、经济型数控车床的功能实用，软件功能不低于同样配置的一般伺服电机的功能，基本上可以满足加工要求。全功能数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国一般中小型企业购置困难，而大量的机械零件需要高速加工制造，需要大量便宜且自动化程度很高的加工设备。由于步进电机的数控系统在某种意义上可以装备这个档次的设备，所以经济型数控车床是适合我国国情的高效自动化车床。 随着计算机技术的高速发展,传统的制造业开始了根本性变革,普通机床已经无法满足社会发展的需要。经济型数控车床控制系统硬件电路的设计,最主要的是对单片机控制系统的设计。文献[1][2][3][4][5]等都是关于单片机方面的内容，其中[3]和[4]介绍了MCS-51系列单片机的基础知识，如单片机的总体结构，引脚的描述，以及外部扩展问题等；文献[2]以89C51单片机为典型机，详细介绍片内结构、工作原理、接口技术和单片机在各领域中的应用；文献[1][5]介绍了如何设计单片机系统，提供了大量实用电路和程序并举例了应用系统的设计和调试，注重理论联系实际，着重实际应用。 设计数控车床控制系统硬件电路必须了解数控车床的外观以及它是如何工作的，这样才能知道该如何着手。文献[6][7][9][10][11][12][13]都是关于数控或数控车床方面的内容，文献[6][7][11][12]主要是对当前数控机床的介绍，可参考其中的数控车床的外观以及工作的方式。文献[9][10][13]介绍了数控机床的发展趋势，以及数控系统先进理念和相应的体系结构。 画电路原理图和电路板图需用到软件PROTEL99SE，文献[8]详细介绍了如何设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真等。 1、用MCS-51系列的8031单片机作为主CPU，外扩32K的程序存储器和8K的数据存储器，分别用于存放系统管理软件、数控加工程序以及运算的中间数据。 2、用MCS-51系列的89C2051单片机作从CPU，控制三排LED显示器，用于X轴、Z轴动态坐标以及相关数字的动态显示，作为人机交流的界面。 3、用8155芯片的PA口和PC口作为行、列母线，扩展矩阵式编辑键盘，用于程序和数据的输入和编辑，同时选用8031单片机的P1口扩展手动键盘，用于系统启动、停止以及运动部件在X轴、Z轴方向的手动控制，此外选用8255A芯片的PA口扩展工作方式选择开关电路，用于选择系统的工作方式。 4、用8255A芯片扩展若干输入输出信号接口电路，用于接收和传送开关量及相关信息，作为系统和外界进行信息交换的桥梁。 5、用锁存器74LS273锁存步进电机X轴正、反转脉冲输出信号及Z轴正、反转脉冲输出信号。 6、用译码器74LS138构成8031单片机外围扩展芯片选择译码电路以及显示位选择译码电路。 7、用Protel 99SE软件绘制电路原理图及PCB图。 本特色与创新如下： 1、经济型数控车床是对普通车床的智能化，即它把单片机技术嵌入到了普通车床系统中。对普通机床而言，如果想要给已经定型的系统增加功能或者改进性能，只能大动手术或者重新设计，否则，别无他法；而单片机系统完成的许多功能是通过存储程序控制实现的，也就是说，控制功能是通过计算机执行预先存储在存储器中的程序来实现的。如果想要给系统增加功能或改进功能，只需要更新软件即可轻而易举地达到目的，非常灵活。不同与传统的机床，不需要制造、更换许多工具、夹具和模具，更不需要重新调整机床。 2、全功能的数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国的一般中小企业购置困难，而经济型数控车床价格低廉，操作使用方便，满足机械加工的基本功能要求，可以作为中高档数控系统的替补和填充。一个国家生产车床的数控化率集中反映了一个国家的制造业的技术水平，也代表着一个国家的综合国力。我国的制造业和车床制造业总体水平与发达国家相比还存在着不小的差距。所以在这种情况下，我们就应该大力发展我国的车床制造业，对原有的机床进行改造，进行数控化、自动化，由于经济型数控车床设备费用投入较少，可以满足企业发展初期的需要，是我国数控车床的主流产品，所以研制和开发经济型数控车床就有它的战略意义。 3、画原理图和PCB图所用到的PROTEL99SE是一个全32位的电路板设计软件，该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，使用该软件可以容易地设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真。使用电脑设计电路原理图和电路板图是把电子技术从理论应用到实际的第一步，只有会设计电路原理图和电路板图才能进行电子产品的研究与开发，该软件可以帮助设计者从理论走向实际，掌握电子产品开发的基本技术。在现代工业生产中，各种电气设备、电子仪器、电工产品，不管是简单普通的，还是复杂精密的，它们的制造、装配、调试、使用和维护方面都要以各种电气图为依据，作为一种必不可少的技术语言，成为人们在电气领域统一思想的交流工具和传递信息的媒体介质。