經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

滕敦波

（煙臺(tái)南山學(xué)院,山東 煙臺(tái) 265713）

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

滕敦波

（煙臺(tái)南山學(xué)院,山東 煙臺(tái) 265713）

數(shù)控車(chē)床是基于數(shù)字控制的，采用了數(shù)控技術(shù)，是一個(gè)裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。它是由主機(jī)，CNC，驅(qū)動(dòng)裝置，數(shù)控機(jī)床的輔助裝置，編程機(jī)及其他一些附屬設(shè)備所組成。該控制系統(tǒng)采用軟件中斷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子程序結(jié)構(gòu)，子程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、條件明確在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用比較多。中斷結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)便于修改和擴(kuò)充，編制較為方便，便于向多處理機(jī)方向發(fā)展。

數(shù)控機(jī)床；開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)；電動(dòng)機(jī)

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，它的控制系統(tǒng)通常采用單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，多數(shù)采用開(kāi)環(huán)控制，由于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)具有較高的性能價(jià)格比，因而廣泛地應(yīng)用于機(jī)床產(chǎn)品的升級(jí)換代和普通普通機(jī)床的技術(shù)改造上。近年來(lái)，我國(guó)在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)上投入了大量人力和物力，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域里經(jīng)歷了幾個(gè)五年計(jì)劃之后已經(jīng)取得了可喜成果，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床在我國(guó)機(jī)床市場(chǎng)上占有較大比重，成為我國(guó)制造業(yè)不可或缺的一部分。

1 硬件控制電路的組成

現(xiàn)在所說(shuō)的(MNC)即CNC裝置，其主要分為兩種形式：一種是單個(gè)CPU組成的控制系統(tǒng)，另一種是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU組成的多微處理器系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床大多數(shù)采用一個(gè)CPU完成機(jī)床的控制。

1.1 硬件電路的組成

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床由一個(gè)8031單片機(jī)、一個(gè)74LS373地址鎖存器、一個(gè)74LSl38地址譯碼器、兩個(gè)2764EPROM存儲(chǔ)器、兩個(gè)8155接口芯片、光電各電路、功率放大電路、Z向電機(jī)和x向電機(jī)等組成。

1.2 電路圖信號(hào)流程分析

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床依靠輸入的程序指令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件進(jìn)行各種形狀的加工，各種指令在計(jì)算機(jī)中是以信號(hào)的形式存在的；下面就簡(jiǎn)要分析一下經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的電路圖的信號(hào)流程：

（1）信號(hào)的采集。本電路的信號(hào)采集有兩個(gè)地方：l)BCD撥碼盤(pán)。此撥碼盤(pán)與8031(1)的PA口和PB口相連，在此撥碼盤(pán)上輸入每條指令對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼后，即可完成信息的采集。2)計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)，在鍵盤(pán)上分別輸入各條指令的助記符，計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)鍵盤(pán)上輸入的字符撲做相應(yīng)的二進(jìn)制代碼信息，然后進(jìn)行傳送、處理等操作。

（2）信號(hào)的輸入。當(dāng)信息被輸入后，就要進(jìn)行信號(hào)的傳輸了。信號(hào)的傳輸通過(guò)地址線和數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸，控制線控制相應(yīng)信號(hào)的各種動(dòng)作。本電路圖通過(guò)8031的Pl口和8255(2)的PC口相連的部分；信號(hào)以低電平的形式被采集，以高電平的形式被傳輸；因?yàn)楫?dāng)某一路的信息被采集后則相應(yīng)的線路就被導(dǎo)通，這時(shí)，8031的Pl口的相應(yīng)位變?yōu)楦唠娖剑盘?hào)就被傳輸?shù)搅?031的Pl口。

（3）信號(hào)的處理。當(dāng)指令信號(hào)被輸入到8031后，接著就要進(jìn)行信號(hào)的算術(shù)邏輯運(yùn)算處理了，計(jì)算機(jī)通過(guò)Ax進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算，在控制器的控制下進(jìn)行，將處理過(guò)的信號(hào)變成各種相應(yīng)指令控制計(jì)算機(jī)完成該指令的功能。同時(shí)對(duì)外界做出相應(yīng)的反應(yīng)，使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器與之保持相應(yīng)的協(xié)調(diào)一致。

（4）信號(hào)的輸出。信號(hào)被處理后便可以輸出了；信號(hào)的輸出有兩個(gè)方向：l)信號(hào)直接輸入到8255(2)接口以控制x電機(jī)和Z電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作，從而達(dá)到加工出相應(yīng)零件的目的。2)信號(hào)也可以在地址鎖存允許信號(hào)ALE的控制之下，被輸入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或者數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，以便下次調(diào)用或者程序的備份。

2 主要芯片功能介紹

2.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介

8031單片機(jī)的基本特征：目前性能較高的8位單片微型計(jì)算機(jī)。內(nèi)部包含一個(gè)8位PROG，128字節(jié)的RAM，兩個(gè)16位定時(shí)器，4個(gè)8位并行接口，一個(gè)全雙功能串行口，可擴(kuò)展的外圍程序存儲(chǔ)器和俄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量各64K字節(jié)，具有5個(gè)中斷源并配有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，還有21個(gè)特殊功能寄存器。

圖1 8031單片機(jī)示意圖

2.2 管腳功能及使用特性

8031單片機(jī)是一個(gè)有40根引腳的雙列直插式器件，引腳圖如圖1，其引腳功能說(shuō)明如下：

VCC：編程和正常操作的電源電壓端，電壓為+5V

P0口：8位雙向I/O口，既是數(shù)據(jù)線，又是8位地址線，分時(shí)使用。

P1口：8位雙向I/O口，專供用戶使用，此處為技術(shù)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入端口及結(jié)果的輸出端

P2口：8位雙向I/O口，系統(tǒng)外圍存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，律高8位地址線使用，

系統(tǒng)不需要擴(kuò)展時(shí)，也可以供用戶使用。

P3口：8位雙向I/O口，是一個(gè)雙功能口，第一功能和Pl口一樣可以作為通用I/O口，工作于第二共猛士，各端口的定義如下：

P3.0----RXD，串行輸入； P3.1----TXD，串行輸出；

P3.2----INT0，外圍中斷輸入；P3.3----INTl，外圍中斷輸入；

P3.4----T0，定時(shí)器0外圍輸入端；P3.5----Tl，定時(shí)器l外圍輸入端；

P3.6----wR，寫(xiě)信號(hào)； P3.7----RD，讀信號(hào)；

ALE/PROG：訪問(wèn)外圍存儲(chǔ)器時(shí)，用于鎖存地址低8位字節(jié)地址鎖存允許輸出。ALE提供一個(gè)定時(shí)信號(hào)，在外為存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)時(shí)把P0口的低位地址字節(jié)鎖存到外界的鎖存器中。這個(gè)引腳也是EPROM編程時(shí)的編程脈沖輸入端(PROG)。

PSEN：程序鎖存允許輸出，是外圍程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。

EA/VPP：EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。EA為低電平時(shí)CPU執(zhí)行外部承襲存儲(chǔ)器的指令。使用8031單片機(jī)時(shí)，EA必須接地。

XTALl：振蕩器的反向放大器輸入，使用外部振蕩器時(shí)必須接地；

XTAL2：振蕩器的反向放大器輸出，使用外圍振蕩器時(shí)，接收外圍振蕩信號(hào)；

RESET/VPD：復(fù)位控制信號(hào)，在振蕩器運(yùn)行時(shí)，使RESET腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期為高電平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。在電源關(guān)斷之前加上掉電保護(hù)電路，RAM的內(nèi)容將不會(huì)丟失。

2.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路

8031單片機(jī)沒(méi)治師28字節(jié)的RAM，沒(méi)有ROM.機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)需要的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量較大，必須外接程序存儲(chǔ)器(EPROM)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)芯片。

常用的EPROM存儲(chǔ)器有：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分別為：2K、4K、8 K、16K、32K。該系統(tǒng)使用的芯片是2764。

（1） 2764芯片介紹

2764芯片是一種位容量為8kbX8的EPROM，它有l(wèi)3條地址線(A12至AO)，8條數(shù)據(jù)引腳(D7至DO)，2個(gè)電壓輸入端Vpp和Vce，除此之外，還有l(wèi)個(gè)芯片允許端CE和編程脈沖控制端PGM。

（2）地址鎖存器74L8373

如圖2，74L8373是一個(gè)帶三態(tài)門(mén)的8D鎖存器，他作為8031外部的一個(gè)擴(kuò)展輸出口；其工作原理：當(dāng)8031把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，便通過(guò)ALE發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)加到373的G端，即鎖存控制端，使數(shù)據(jù)鎖存在373中。

單片機(jī)規(guī)定P0口提供地8位地址線，同時(shí)又要作數(shù)據(jù)線，所以P0是一個(gè)分時(shí)輸出地8位地址和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信息分離出來(lái)保存，提供外界存儲(chǔ)器的低8位地址信息，通常采用74L8373作為地址鎖存器。74L8373的引腳見(jiàn)圖紙。1D至8D輸入端，lQ至8Q是輸出端，CE是片選端選通端G與8031單片機(jī)的地址瑣存信號(hào)ALE連接。當(dāng)選通端G=1時(shí)，74L8373的輸出端與輸入端相同，當(dāng)G端從高電平返回低電平時(shí)，輸入的地址信息就被鎖入lQ至8Q中。

圖2 地址鎖存器74L8373示意圖

[1]李慶芬.機(jī)電工程專業(yè)英語(yǔ)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001.

[2]劉寶廷.步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，l997.

[3]劉書(shū)華.數(shù)控機(jī)床與編程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

滕敦波（1981—），男，山東臨沂人，煙臺(tái)南山學(xué)院工學(xué)院，講師。