经济型数控车床控制系统硬件电路设计Word格式文档下载.docx

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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。

关键词：

数控车床；

控制系统；

电路设计

ABSTRACT

Thispaperintroducedthehardwaredesignoftheeconomynumericalcontrollatheindetail,whichmainlyincludesfourparts:

RAM/ROM,displaymodule,keyboardandsystemI/O.Inthedesign,aMCS-51seriesmicroprocessor,8031,ischosenasthesystemCPU,a32KROMisusedtostorethesystemsoftwareandan8KRAM,tostoreNCcodeandoperationdatarespectively.AnotherMCU,89C2051isusedtorealizethecontrolofthethreerowsLEDmonitorshowingcoordinatesofaxisXandZaxisandotherstateofthesystem.CharnelAandCof8155areusedforeditorkeyboard,whichmaketheinputtingoreditingoftheNCcodeanddatapossible.CharnelP1of8031isusedfortheoperationkeyboardsuchassystempoweron/offandmovementofaxisXorZ.aprogrammableparallelI/Ochip,8255,isusedtoachievesystemI/Oandthetransmissionofotherinformation.Insummarize,thesystemdevelopedischaracterizedbyitssimplicity,lowdevelopmentcostandhighreliability.ItcanfinditsactualvalueinthedevelopmentofeconomicNClathe,especiallyforthosewhosefunctionisnotdesiredsomuch.

Keywords：

NumericalControlLathe;

ControlSystem;

CircuitDesign

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

3.1CPU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

3.5I/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论文总结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

附件：

毕业论文光盘资料

第一章绪论

1.1引言

科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出越来越高的要求。

机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。

它不仅能够提高产品的质量，提高生产效率，降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。

许多生产企业（例如汽车、拖拉机、家用电器等制造厂）已经采用了自动机床、组合机床和专用自动生产线。

采用这种高度自动化和高效率的设备，尽管需要很大的初始投资以及较长的生产准备时间，但在大批大量的生产条件下，由于分摊在每一个工件上的费用很少，经济效益仍然非常显著的。

但是，在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件与小批量生产的零件（批量在10—100件）约占机械加工总量的80%以上。

尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防部门，其生产特点是加工批量小、改型频繁，零件的形状复杂而且精度要求高，采用专用化程度很高的自动化机床加工这类零件就显得和不合理，因为需要经常改装与调整设备，对于专用生产线来说，这种改装与调整甚至是不可能实现的。

近年来，由于市场竞争日趋激烈，为在竞争中求得生存与发展，各生产企业不仅要提供高质量的产品，而且频繁地改型，缩短生产周期，以满足市场上不断变化的需要。

因此，即使是大批量生产，也改变了产品长期一成不变的做法。

频繁地开发新产品，使“刚性”的自动化设备在大批生产中也日益暴露其缺点。

已经使用的各类仿型加工机床部分解决了小批量、复杂零件的加工。

但在更换零件时，必须制造靠模和调整机床，不但要耗费大量的手工劳动，延长了生产准备周期，而且由于靠模误差的影响，加工零件的精度很难达到较高的要求。

为解决上述这些问题，来满足多品种、小批量的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。

数字机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。

它极其有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。

数控机床就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给冷却液等）和步骤以及刀具与工件之间的相对位移量都用数字化的代码来表示，通过控制介质（如穿孔纸带或磁带）将数字信息送入专用的或通用的计算机，计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。

数控机床与其它自动机床的一个显著区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具之外，只需要更换一条新的穿孔纸带或磁带，不需要对机床作任何调整。

我国在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩。

近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，是我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。

目前我国已有几十家机床厂能够生产不同类型的数控机床和加工中心机床。

我国经济型数控车床的研究、生产和推广工作也取得了较大的进展，它必将对我国各行业的技术改造起到了积极的推广作用。

目前，在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距，但这种差距正在缩小。

随着工厂、企业技术改造的深入开展，各行各业对数控机床的需要量将会大幅度的增长，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四化建设中发挥越来越大的作用。

1.2选题背景与意义

我国数控车床发展，始于20世纪70年代，通过30余年的发展，我国目前生产的数控车床，分为经济型数控车床、中档型数控车床和高档型数控车床三种档次，其中经济型数控车床约占数控车床产量90%。

经济型数控车床，价格低廉，设备费用投入较少，可以广泛地满足企业发展初期的需要，特别是受到民营经济企业的欢迎，仍是我国当前数控车床的主流产品。

经济型数控车床主要特点有：

1）价格低廉，性价比适中，大约是同等配置带伺服电动机系统的1/4或更低。

它特别适合于普通机床的改造，适合在生产第一线大面积推广。

2）适合于多品种、中小批量的自动化生产，对产品的适应性强，在普通机床上加工的产品大都可以在经济型数控产品上加工。

加工不同零件，只需改变加工工序，并且能很快适应和达到批量生产。

3）提高产品质量，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。

4）能解决复杂零件的加工精度控制问题。

5）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）减轻了工人的劳动强度。

使用经济型数控车床可将工人从紧张、繁重的体力劳动中解脱出来。

7）提高工人素质，促进技术进步。

数控系统的出现扩大了工人的视野，带动了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。

8）增强了企业应变能力，为提高企业竞争能力创造了条件。

企业应用经济型数控系统对设备进行改造后，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，增强企业的竞争能力。

全功能的数控车床虽然功能丰富，但成本高，我国一般中小企业购置困难，中小企业为了发展生产，希望对原有机床进行改进，进行数控化、自动化，以提高生产效率。

经济型数控车床就是结合现实的生产实际和我国的国情，在满足基本功能的前提下，尽可能降低价格。

由于其独特的优点，经济型数控车床被大量的中小企业看好。

当前，我国步入市场经济不久，一般国有制造企业正处于在改革和调整的时期，资金严重不足；