c6140卧式车床数控化改造设计控制部分的设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)

c6140卧式车床数控化改造设计控制部分的设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

以实现外部数据存储器的读写。 掉电保护电路 6264 具有两个片选引脚：其中 CE1 为低电平有效； CE2 为高电平有效。 CE1 用 CPU的高位地址线 A1 A1 A13 经 74LS138 的输出 Y0来选通。 CE2 由比较器 LM393的输出经两次反相后提供。 当系统处于上电或断电的过程中，系统的工作电压低于 +5V， LM393 比较器输出低电平，经两次反相后，送到 6264 的 CE2也是低电平，于是禁止对 6264 进行读 /写；当系统的工作电压 +5V 稳定后， LM393 输出高电平，6264 的第二片选 CE2 也变成高电平，如果此时第一片选 CE1 为低电平，那么 CPU就能对 6264 进行读 /写操作了。 图 23 为 6264 的掉电保护电路 ：华东交通大学毕业设计（论文） 9 图 23 6264的掉电保护电路 I/O 接口电路 由于 AT89S52 只有 P1和 P3口部分能提供用户作为 I/O 口使用，不能满足输入口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。 系统的扩展采用了一 片 8255可编程 I/O 接口芯片。 8255A 是 Intel 公司生产的可编程输入 /输出接口芯片，它具有 A、 B、 C 三个 8 位的并行 I/O 口，可选择三种工作方式。 工作方式 0 为基本的输入输出；方式 1 为选通输入输出； 方式 2 为双向传送。 8255A 还能对 C端口的任一位进行置位 /复位操作。 其 I/O 接口连接电路如图 24 所示。 8255 的片选信号 C___S 接 74LS138 的 Y——1， 74LS138 译码器有三个输入 端 A、B、 C 分别接到 AT89S52 的 、 、 ，输出 Y——0~ Y——78 输出，低电平有效。 Y——0~Y—— 7对应输入 A、 B、 C 的 000 至 111 的 8 种组合，其中 Y—— 0对应 A、 B、 C 为 000，Y—— 7对应 A、 B、 C 为 111。 74LS138 还有三个使能端，其中 2 个（ G—— 2 A—— 和 G—— 2 B—— ）为低电平使能，另一个 G1为高电平使能。 只有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否侧输出处于高电平无效状态。 所以把 G——2 A——和 G——2 B——接低电平，把G1接高电平（ +5V）。 宫凤丽： C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 10 图 24 I/O 接口电路 步进电机 与驱动电路 通常在经济型数据机床中，大多数采用步进电机开环控制。 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转变成相应的角位移的电动机。 其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速。 环形分配器是步进电动机驱动系统中的一个重要组成部分，通常分为硬件环分和软件环分两种。 硬件环分由数字逻辑电路构成，一般放在驱动器的内部，其优点是分配脉冲速度快，不占用 CPU 的 时间。 本设计中我们采用硬件环分 ，由于本设计中我们选用的 X 向和 Z 向的步进电动机型号分别为110BYG5802 和 130BYG5501，这两种电动机 均为 5相混合式 ，所以我们选用控制该步进电机的专用芯片 PMM8714。 采用硬件环分时，步进电动机的通电节拍由硬件电路来决定， 控制器与硬件环分电路的连接只需两根信号线：一根方向线，一根脉冲线。 为了使步进电机正常运行并输出一定功率，需要有足够的功率提供给电动机，因此需要有功率放大环节。 脉冲分配器及前面的微机及接口芯片，工作电压一般为 5V，而作为电机电源要符合步进电机要求的额 定电压值。 为了避免强电对弱电的干扰，在它们之间应采用隔离电路。 硬件环分的脉冲分配如图25。 华东交通大学毕业设计（论文） 11 图 25 硬件环分的脉冲分配 本 设计 中 X 向步进电动机的型号为 110BYG5802， Z 向步进电动机的型号为130BYG5501，生产厂家为常州宝马集团公司。 这两种电动机除了外形尺寸、步距角和输出转矩不同外，电气参数基本相同，均为 5相混合式， 5 线输出，电机供电电压 DC120～ 310V，电流 5A。 这样，两台电动机的驱动电源可用 同一型号。 在此， 根据【 1】表 414选择合肥科林数控科技有限责任公司生产的五相混合式调频调压型步进驱动器，型号为 BD5A。 它与控制系统的连接如图 26 所示。 表 414 混合式步进电动机驱动电源技术参数 型号 相数 输入电压 相电流 分配方式 适用电动机 BD28Nb 2 20100V AC 24A 二相八拍 90BYG2502/90BYG2602 等 BD28Nc 2 110220V AC 4/6/8A 二相八拍 110BYG2502/110BYG2602/130BYG2502 等 BD28Fb 2 20100V AC 24A 1/2/4/5/8/10/20/40 细分 90BYG2502/90BYG2602 等 BD28Fc 2 110220V AC 3/4/6/8A 110BYG2502/110BYG2602/130BYG2502 等 BD3A 3 220V AC 3/5/7A 110BYG3502/130BYG3502 等 BD5A 5 220V AC 4/6/8A 五相十拍 /二十拍 110BYG5802/130BYG5501 等 控制器 功率驱动放大电路 步 进电动机 硬件环分电路 隔离放大电路 宫凤丽： C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 12 图 26 BD5A驱动器与控制系统的连 接 2．光电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电机的励磁绕组。 由于步进电机需要驱动的电压较高，电流较大，如果将 I/O 口输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则会引起计算机的正常运行，重则导致计算机接口电路损坏。 所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光耦合器。 光耦合器是以光为媒介传输信号的器件，其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。 其光电隔离输入电路如图 27。 图 27 光电隔离输入电路 华东交通大学毕业设计（论文） 13 3．功率放大电路 脉冲分配器的输出的功率太小，远不能满足步进电机的要求，必须将它放大，以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。 其功率放大电路如图 28。 图 28 功率放大电路 开关 量输出通道 电路 在机电控制系统中，对被控设备的驱动控制常采用模拟量和开关量（数字量）输出两种方式。 模拟量输出的方法，由于受模拟器件的漂移影响，很难达到较高的控制精度，开关量输出的控制精度要比一般的模拟量控制高很多，而且在改变控制算法时，无须改动硬件，只要改动程序即可满足要求。 在开关 量输出通道中，为了防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道窜入测控系统，必须采用隔离技术。 在输出通道的隔离中采用光电隔离技术。 机电控制系统的开关量输出信号，通常是由 I/O 接口芯片给出的低压直流信号，这种信号一般不能直接驱动外设，需要经过接口电路的转换处理。 开关量的输出控制采用专门的驱动芯片 MC1413（ ULN2020）。 可编程接口芯片 8255 从 PA引脚送出的低电平信号，经光电隔离后输出高电平，再由 MC1413 反相输出低电平送给直流继电器，而直流继电器的另一端的是 +12V 电源，于是，继电器线圈得电，常开触点 闭合，完成指定的控制动作。 该直流继电器可当作中间继电器，利用中间继电器的触点来控制交流继电器线圈的得电与失电，如机床主电动机的起、停等，完成从低压直流到高压交流的过渡控制。 接口电路如图 29。 继电器 接触器控制电路。 宫凤丽： C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 14 图 29 继电器 接触器控制电路 D/A 转换接口电路 将数字量转换为模拟量的过程称为数模（ D/A）转换，完成这一转换的器件称为数模转换器（ DAC）。 其转换框图如下： 图 210 D/A的实时控制系统 本设计中的 D/A 转换器选择 DAC0832。 它是一种具有两个输入数据寄存器的 8位 DAC， 它能直接与单片机相连，其主要特性如下 :分辨力为 8 位；电流稳定时间 1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度 ；单一电源供电（ +5V— +15V）； 内部没有参考电压，需要外接；为电流输出型转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。 DAC0832 与 CPU 有三种基本的接口方法：直通方式、单缓冲方式和双缓冲同步方式。 本系统只有一路 D/A转换，所以我们采用单缓冲的方式连接。 芯片的供电电压为 +12V，参考电压取10V，模拟地与数字地相连。 ILE 引脚接高电平； WR WR2 两脚并接 CPU 的 WR端，当 CPU 对外部端口执行写指令时， WR（低电平有效） =0，同时选中 WRWR2； XFER、 CS 两脚并接某一译码器的输出（输出为 低电平时，同时选中 XFER和 CS）。 DAC0832 的电流输出脚接至运算放大器 741 的两个输入端， 741 的工作电压需要两组，一组为 +12V，另一组为 12V。 DAC0832 输出的电流经 741 放大后转变成电压 Vout，直接送往交流变频器 F1000G，实现交流异步电动机的无级变速。 其连接电路如图 211。 微型计算机 I/O 接口 DAC 功放 执行件 控 制对象 华东交通大学毕业设计（论文） 15 图 211 D/A转换接口电路 键盘 与 LED显示电路 的设计 键盘与显示器是机电一体化系统中典型的人 机接口。 通过键盘，操作者可向控制系统发出指令或输入数据，系统的各种信息又可通过显示设备反馈给操作者。 键盘与显示器是实现人机交换的关键部件。 键盘有独立式和矩阵式两种，显示器主要有 LED、 LCD 和 CRT 等。 本设计我们采用矩阵式键盘和 LED 显示器。 本设计中我们要设 计的车床数控 布置如图 212。 212 车床数控系统操作面板布置图 1. 利用 8279 芯片实现键盘显示器的接口电路 宫凤丽： C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 16 8279 是一种通用的可编程键盘、显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。 键盘部分提供扫描工作方式，可与 64 个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。 显示部分为发光二极管、荧光管等显示器件，提供了按扫描工作方式的接口电路，它为显示器提供多路复用信号，可显示多达 16 位的字符。 图 213 为 8279的引脚功能。 图 213 8279 的引脚功能 2. 8279 的键盘管理 SL3~SL0 有采用译码扫描和编码扫描两种，由于本设计需要的键较多，所以我们采用编码扫描。 将 8279 的 SL0~SL2 三根扫描线送给 74LS138 译码器 的 A、B、 C，得到 8 根行扫描线，组成矩阵键盘时采用了 7 根；列回馈线不必扩展，直接使用 8279 的 RL7~RL0 中的 6 根，但是要接上上拉电阻。 组成的键盘为 76 矩阵，共有 42 个按键，键值的计算如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CNTL SHIFT N N N K K K 其中： CNTL= SHIFT=0（已接地）； NNN 表示行的位置，它的值等于 74LS138输出 Yi=0 时的标号 i（写成二进制）； KKK 表示列的位置，它的值等于 RLj=0时的标号 j，即 KKK=j（写成二进制）。 例如图 213 所示 8279 扫描线编码扫描管华东交通大学毕业设计（论文） 17 理键盘电路 中的键 S32，其键值由 KY3 与 RL4 组合而得（ i=011,j=100）： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 0 0 1 1 1 0 0 在 车床数控系统主机板电原理图 中， 8279 的 IRQ 经反相后送给 8031 单片机的中断脚，矩阵键盘一旦有键按下，便向 CPU申请中断。 图 214 8279 扫描线编码扫描管理键盘电路 的显示管理 8279 可用来管理 16 位 8 段的 LED，它的内部有专门用于存储显示数据的RAM区，共有 16 个字节，地址从 00H 到 0FH。 由于本设计采用的是编码扫描工作方式，扫描输出线 SL3~SL0 经过译码后，可以选择 16 个。