南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）
3.7.2 显示位选择译码电路设计 ................................................................... 34
第四章 控制系统原理图及PCB图的绘制 .......................................... 35
4.1 控制系统电路原理图的绘制方法及步骤 .................................................... 35 4.2 控制系统电路PCB图的绘制方法及步骤 .................................................. 37
第五章 结论 ............................................................................................ 39
5.1 论文总结 ........................................................................................................ 39
5.2 感想 ................................................................................................................ 40 致谢 ............................................................................................................ 41 参考文献 ..................................................................................................... 42 附录A：英文资料 ..................................................................................................... 43 附录B：英文资料翻译 ............................................................................................. 58 附录C：硬件设计原理图与PCB图 ....................................................................... 72 附件： 毕业论文光盘资料
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第一章 绪 论
1.1 引言
随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求。1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，从而一种新型的用数字程序控制的机床（数控机床）应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品，是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。
进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。随着社会的发展,现代制造工业也在急速的取代换新,而效率,经济便是其中的主流之一。由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善并且大大提高了生产效益，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。
1.2 选题背景与意义
我国数控螺纹车床的发展主要建立在数控车床的基础上，通过近几年的发展，我国目前生产的数控螺纹车床主要分为经济型数控螺纹车床、中档型数控螺纹车床和高档型数控螺纹车床三种档次，其中经济型数控螺纹车床约占总产量的90%。经济型数控螺纹车床，价格低廉，设备费用投入较少，经济效益较高，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，数控螺纹
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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。它特别适合于普通螺纹机床的改造，适合在生产第一线大面积推广。
2）适合于多品种、中小批量螺纹的自动化生产，对产品的适应性强，在普通螺纹机床上加工的产品大都可以在数控螺纹车床上加工。加工不同螺纹零件，只需改变加工工序，并且能很快适应和达到批量生产。
3）提高螺纹的质量，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。
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，用数控螺纹车床加工可以少用工装，不仅节约了工装费用，还减轻了工具制造部门的压力。
6）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。
7）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，提高设备自身对螺纹产品更新换代所需要的应变能力，增强企业的竞争能力。
由于其独特的优点，数控螺纹车床被很多生产螺纹的中小企业看好。由于我国步入市场经济不久，一般国有螺纹制造企业正处于在改革和调整的时期，资金严重不足；生产螺纹的民营企业刚刚成长，同样资金也非常紧张，不可能付出大量资金购买高档次数控设备。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设备。由于步进电动机的数控系统在某种意义上可以装备这个档次的设备，作为中高档数控螺纹车床的替补和填充，因此它仍有存在的空间和时间，有它在一定时期存在的必要性。
1.3 研究现状
目前国产数控机床与国际先进水平的差距在逐渐缩小。国产数控机床的发展经历了十年跌宕起伏，已经由成长期进入了成熟期，可提供市场各种数控机床，产品种类可与日、德、意、美等国并驾齐驱。在某些领域部分技术已经达到世界先进水平。随着国内数控厂家的增加，众多的应用广泛的数控系统应运而生。国内数控系统在高中、低挡领域均有涉及，且在国内制造业应用广泛，并且正向纳米级精度、高可靠性、进给高速的数控领域进军。“十五”期间国产数控机床发
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展很快。从技术上看，数控车床技术比较成熟，通过技术引进和合作生产、消化吸收和自主创新，我国已掌握了数控车床设计和制造技术。从产品水平上看，我国已能自行开发设计各种低中高档数控车床。从品种上看，我国生产的数控车床品种比较齐全，每年都有数控车床新品种，可供各方面用户选用。从生产规模上看，国产经济型数控车床已形成规模生产。在经济型数控系统中，我国具有很大优势，为我国计算机数控系统的发展做出了贡献，在世界数控技术发展史上占有重要的一页。现在的经济型数控车床大多数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，比起中高档数控车床来说虽然定位精度相对较低，加工精度较低，有一定的使用局限性，但是经济型数控螺纹车床基本上能满足一般精度的加工要求，成本较低，控制简单。所以经济型数控螺纹车床受到很多中小企业的亲睐。
但是，近年来国产经济型数控车床同样受到国外跨国机床公司的产品和其在国内合资企业和独资企业生产的产品双重挑战，在产品技术、月产量、规模上都不及外国公司和合资企业。因而，当前要加速经济型数控车床产业化程度，通过制造技术和管理技术的提升，提高国产经济型数控车床的性价比和质量稳定性，缩短交货期，争取更多的国内市场份额。在这样的大环境下，生产数控车床的企业适时增加经济型数控车床的功能，降低价格，使得性价比更高，提高市场竞争力。采取多种措施，积极开发已试制成功的中高档数控车床的国内市场，突破一点，在用户生产使用中不断改进和完善，以点带面，逐步取得用户认可。这样才能使我国数控车床的性价比越来越高，总体水平与国外先进水平越来越近，受到更多经济型企业的拥护。
1.4 本文的结构
本文以数控螺纹车床的研发工程项目作为应用背景，对数控螺纹车床控制系统硬件电路进行了研究。全文共分为五章，各章的主要内容如下：
第一章扼要地介绍了经济型数控螺纹车床特点、研究意义与相关研究背景； 第二章对控制对象进行了研究，结合设计要求，给出了总体设计方案； 第三章具体给出了经济型数控螺纹车床控制系统硬件电路的设计过程，包括CPU时钟及复位电路设计、存储器扩展电路设计、手动键盘和编辑键盘电路设计、I/O口扩展电路设计、显示电路设计、步进电机控制信号输出电路设计以及译码电路设计等；
第四章对绘制控制系统的电路原理图及PCB图作简单介绍；
第五章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。
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第二章 数控螺纹车床控制系统硬件电路设计方案的拟定
2.1 控制对象及要求
此次设计对象为数控螺纹车床控制系统硬件电路，采用8031单片机作为主CPU，外扩32K程序存储器和8K数据存储器；采用89C2051作从CPU，控制三排LED显示；采用8155扩展键盘；需控制X轴和Z轴；采用8255扩展若干输入输出口，用于开关量及相关信息的输入输出。
2.2 总体方案的确定
数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路可靠性直接影响数控系统性能指标。机床硬件电路由以下五部分组成：
1）主控制器，即中央处理单元（CPU）； 2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线； 3）存储器，包括程序存储器和数据存储器； 4）接口，即I/O输入输出接口电路；
5）外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。 2.2.1 主CPU的选用
在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素： 1）时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度； 2）可扩展存储器的容量；
3）指令系统功能，影响编程灵活性； 4）I/O口扩展的能力，即对外设控制的能力； 5）开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。
目前在经济型数控机床中，一般选用MCS-51系列单片机作为主控制器。
MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。三种型
号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8031片内无ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。根据机床要求，采用8位机。由于MCS-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS-51系统的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用MCS-51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。所以选用8031单片机。其次，设计要求也是要求用8031。由此可见选用8031是符合数控螺纹车床电路设计的。
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