车床数控化改造纵向伺服进给单元设计项目说明指导书.doc

第一章 微机数控系统总体设计方案拟定

第一节 总体方案设计内容

机床数控系统总体方案拟定应涉及如下内容：系统运动方式拟定、伺服系统选取、执行机构构造及传动方式拟定、计算机系统选取等内容。详细涉及：

一、数控系统总体设计方案拟定

（1）系统运动方式拟定。
（2）伺服系统选取。
（3）执行机构传动方式拟定。
（4）计算机选取。
应依照设计任务和规定，参照既有同类型数控机床，进行综合分析、比较和论证，拟定以上内容。

二、进给伺服系统机械某些设计计算

（1）进给伺服系统机械某些设计方案拟定。
（2）拟定脉冲当量。
（3）滚珠丝杠螺母副计算和选型。
（4）导轨计算和选型。
（5）进给伺服系统传动计算。
（6）步进电动机计算和选用。
（7）设计绘制进给伺服系统一种坐标轴机械装配图。

三、微机控制系统设计

（1）控制系统方案拟定及框图绘制。
（2）MCS-51系列单片机及扩展芯片选用。
（3）I/O接口电路及译码电路设计。
（4）设计绘制一台数控机床微机控制系统电路原理图。

四、数控加工程序编制

（1）零件工艺分析及拟定工艺路线。
（2）选取数控机床设备。
（3）拟定工件装夹办法及对刀点。
（4）选取刀具。
（5）拟定切削用量。
（6）编制零件加工程序。

第二节 总体设计方案拟定

一、系统运动方式拟定

数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和持续控制系统。
如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制系统。例如数控钻床，在工作台移动过程中不进行钻孔加工，因而可选用点位控制系统。对点位控制系统规定是迅速定位，保证定位精度。
若规定工作台或刀具沿各坐标轴运动有拟定函数关系，则为持续控制系统，应具备控制刀具以给定速率沿加工途径运动功能。具备这种控制能力数控机床可以加工各种外形轮廓复杂零件，因此持续控制系统又称为轮廓控制系统。例如数控铣床、数控车床等均属于此种运动方式。
尚有某些采用点位控制数控机床，例如数控镗铣床等，不但规定工作台运动终点坐标，还规定工作台沿坐标轴运动过程中切削工件。这种系统叫点位/直线控制系统。
依照综合伙业任务书规定，对CA6140车床纵向伺服系统进行数控化改造。根据车床加工特点，应当选用持续控制系统。

二、伺服系统选取

伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送。指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环控制系统重要由步进电机驱动。开环伺服系统构造简朴、成本低廉、容易掌握、调试和维修都比较简朴。
闭环控制系统具备装在机床移动部件上检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动。闭环系统造价高、构造和调试较复杂，多用于精度规定高场合。
半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台位移量，而是用检测元件测出驱动轴转角，再间接推算出工作台实际位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。
由于开环控制有许多长处，因此当前国内大力发展经济型数控机床普遍采用开环控制系统。依照任务书规定，这次对车床纵向进给伺服单元进行数控化改造应采用开环控制系统。

三、执行机构运动方式拟定

为保证数控系统传动精度和运动平稳性，在设计机械传动装置时，普通提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适当阻尼比规定。在设计中应考虑如下几点：
（1）尽量采用低摩擦传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。
（2）尽量消除传动间隙。例如采用消隙齿轮等。
（3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧办法提高系统刚度。例如采用预加负载滚动导轨和滚珠丝杠副等。

四、计算机选用

微机数控系统由CPU、存储器扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几某些构成。
微机是数控系统核心，其她装置均是在微机指挥下进行工作。系统功能和系统中所用微机直接有关。数控系统对微机规定是多方面，但重要指标是字长和速度。字长不但影响系统最大加工尺寸，并且影响加工精度和运算精度。字长较长计算机，价格明显上升，而字长较短计算机要进行双字长或三字长运算，就会影响速度。当前某些高档CNC系统，已普遍使用32位微机，主机频率由5MHz提高到20～30MHz,有采用多CPU系统，减轻主CPU承担，进一步提高控制速度。原则型CNC系统多使用16位微机，经济型CNC系统则采用8位微机。可采用MCS-51系列单片机或Z-80单板机构成应用系统。
由于MCS-51系列单片机具备集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性价比高等长处，因此本次设计决定采用MCS-51系列8031单片机扩展系统。

五、经济型数控车床纵向伺服单元框图

车床纵向伺服单元框图

第二章 车床进给伺服系统机械某些设计计算

伺服系统机械某些设计计算内容涉及：拟定系统负载，拟定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，拟定伺服电机，传动及导向元件设计、计算及选用，绘制机械某些装配图及零件工作图等。

第一节 给定条件与脉冲当量选取

1、纵向移动部件总质量 200Kg
2、纵向运动辨别率（脉冲当量） 优于0.02mm
3、最大移动速度（快进） 5000mm/min
4、最大进给速度（工进） 500mm/min
5、横向进给切削力（X向）即为 1800N
6、垂直切削力（Y向）即为 4500N
7、纵向切削力（Z向）即为 1100N
一种进给脉冲使机床运动部件产生位移量称为脉冲当量，也称为机床最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度一种基本参数。经济型数控车床、铣床常采用脉冲当量是0.01～0.005mm/脉冲，经济型数控磨床经常采用脉冲当量为0.002～0.001mm/脉冲。而本设计脉冲当量已给出，要优于0.02mm,因此选取0.01mm/脉冲。

第二节 滚珠丝杠螺母副计算和选型

滚珠丝杠螺母副设计一方面要选取构造类型：拟定滚珠循环方式，滚珠丝杠预紧方式。构造类型拟定后来，再计算和拟定其她技术参数，涉及：公称直径、导程、滚珠工作圈数j、列数K、精度级别等。
滚珠循环方式有外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。而外循环插管式明显长处是：弯管由两半合成，采用冲压件，工艺性好，制造容易，成本低。因此，本设计选用外循环插管式滚珠丝杠螺母副。
滚珠丝杠螺母副预紧办法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。而双螺母垫片式预紧有构造简朴，刚性好，装卸以便，成本低等长处，因此本次设计采用双螺母垫片式预紧构造。
滚珠丝杠副计算：

一、进给牵引力计算

按导轨为三角形或综合导轨计算：
=K+(+G)
式中、——切削分力（N）;
G——移动部件重量（N）;
——导轨上摩擦系数，随导轨形式而不同；
K——考虑颠覆力矩影响实验系数。
在正常状况下，K、可取下列数值：
三角形或综合导轨 K=1.15 =0.15～0.18
上列摩擦系数均指滑动导轨，如果采用贴塑导轨，=0.03~0.05；滚动导轨=0.0025～0.005；静压导轨=0.0005.
由已知条件知，=1100N，=4500N,移动部件质量200Kg，g取10N/Kg，K取1.15.取0.05。将这些数据代入公式得：
=K+(+G)
=[1.15X1100+0.05X(4500+200X10)]N
=1590N

二、最大动负载C计算

选用滚珠丝杠螺母副直径时，必要保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（转）后，在它滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载最大值即称为该滚珠丝杠能承受最大动负载C，可用下式计算：
C=
L=
n=
式中 L——寿命，以转为一单位；
n——丝杠转速（r/min）;
——为最大切削力条件下进给速度（m/min）,可取最高进给速度1/2～1/3，由已知条件知，最高进给速度为500mm/min，本例取最高进给速度1/2。
——丝杠导程（mm），初选为6mm;
T——为使用寿命（h）,对于数控机床取15000h;
——运转系数，取值见下表，按普通运转，取1.5。
运转系数取值
运转状态
运转系数
无冲击运转
1.0~1.2
普通运转
1.2~1.5
有冲击运转
1.5~2.5

将以上数值代入公式，
n==r/min=41.67r/min
L===37.5
C==X1.5X1590N=7983N

三、滚珠丝杠副选型

依照最打动负载C，就可查表选取滚珠丝杠副型号，查阅《综合伙业指引书》附录A表A-2,可选用D4006外循环垫片调节预紧双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动载荷为16400N，不不大于最大动载荷7983N,满足规定,额定静负载为57800N；精度级别选为3级。

四、最大静负载验算

当滚珠丝杠副在静态或低速（n≤10r/min）状况下工作时，滚珠丝杠副破坏形式重要是在滚珠接触面上产生塑性变形，当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副正常工作。普通容许其塑性变形量不超过滚珠直径万分之一。产生这样大塑性变形量时负载称为容许最大静负载。
=
式中 ——滚珠丝杠最大轴向负荷（N），即为进给牵引力;
——静态安全系数，当为普通运转时=1～2，当有冲击或振动时，=2~3，此处取2。
==2X1590N=3180N
最大静负载不大于所选滚珠丝杠副额定静负载，满足规定。

五、传动效率计算

滚珠丝杠螺母副传动效率
η=
式中 ——丝杠螺旋角；D4006丝杠螺旋升角为=2º44’；
——摩擦角，滚珠丝杠副滚动摩擦系数f=0.003～0.004，其摩擦角约等于10’，将数值代入公式得：
η===0.94

六、刚度验算

滚珠丝杠副轴向变形会影响进给系统定位精度及运动平稳性，因而应考虑如下轴向变形因素：
(1)丝杠拉伸或压缩变形量
查《综合伙业指引书》图3-4，依照=1590N，=40mm,支撑间距为1500mm,查出/L=，可算出：
=X1500=(X1500)mm=9m
有预紧时实际变形量为：
=X=4.5m
(2)滚珠与螺纹滚道接触变形
查《综合伙业指引书》图3-5，W系列2.5圈1列丝杠副滚珠和螺纹滚道接触变形，轴向载荷为1590N,4006型号滚珠丝杠螺母副轴向弹性变形量为=5m.对其进行预紧，预紧后其实际变形量为：
=X=2.5m
综合以上两项变形量之和：
+=7m
此变形量不大于系统规定定位精度，故满足刚度规定。

第三节 进给伺服系统传动计算

由于步进电动机工作特点是一种脉冲走一步，每一步均有一种加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽量小规定，同步也要满足一定脉冲当量，常采用降速齿轮传动。

一、初选步进电机步距角

对步进电机施加一种电脉冲信号时，步进电机就回转一种固定角度，叫做步距角。电机总回转角和输入脉冲数成正比，而电机转速则正比于输入脉冲频率。步进电机步距角越小，意味着它能达到位置精度越高。普通步距角是3 º、1.5º或0.75º。步距角大小与通电方式及转子齿数关于。本设计初选步距角0.75º。

二、传动比计算

当机床脉冲当量、滚珠丝杠导程以及步进电机步距角拟定后，传动比计算公式如下：
i=
式中 ——脉冲当量（mm/step）;
——滚珠丝杠基本导程（mm）;
——步进电机步距角。
将=0.01mm/step,=6mm，=0.75带入得：
i===

三、计算齿轮齿数及各项技术参数

由于进给伺服系统传递功率不大，本设计取模数m=2。采用一级降速齿轮传动。这对齿轮各某些几何参数如下表所示。

齿轮几何参数

名称
计算公式
单位
齿轮1
齿轮2
齿 数
z

32
40
模 数
m

2
2
分度圆直径
d=mz
mm
64
80
齿顶圆直径
=d+2m
mm
68
84
齿根圆直径
=d-2.5m
mm
59
75
齿 宽b
b=(6～10)m
mm
20
20
中心距A
A=
mm
72

第四节 步进电机计算和选用

一、初选步进电机

1.计算步进电机负载转矩
依照滚珠丝杠副所承受进给牵引力计算步进电机负载转矩（N·cm）:
=
式中 ——脉冲当量（mm/step）；
——进给牵引力（N）;
——步距角；
——电机—丝杠传动效率，为齿轮、轴承、丝杠效率之积，其中一对齿轮之效率为0.98，一对轴承之效率为0.99，丝杠传动效率为0.94。将=0.01mm/step，=1590N，=0.75，=0.903代入得：
==N·cm =134.52N·cm
2.估算步进电机启动转矩
依照负载转矩除以一定安全系数来估算步进电机启动转矩（N·cm）。
=
普通纵向伺服系统安全系数取0.3～0.4，将=134.52N·cm代入得：
===448.4N·cm
3.计算最大静转矩
最大静转矩表达步进电机所能承受最大静态负载转矩。查《综合伙业指引书》表3-22，五相十拍步进电机=0.951。由公式=得：
== N·cm =471.50N·cm
4.计算步进电机运营频率和最高起动频率(Hz)
===833.3Hz
===8333Hz
式中 ——最大切削进给速度（m/min），本例为0.5m/min；
——运动部件最大快移速度（m/min），本例为5m/min；
——脉冲当量（mm/step），本例为0.01mm/step.
5.初选步进电机型号
依照估算出最大静转矩=471.50N·cm，在《综合伙业指引书》查表3-23，选用型号为150BF002五相十拍步进电机,其最大静转矩为1372N·cm=471.50 N·cm，满足规定。其最高空载起动频率为2800Hz,不满足（8333Hz）规定，此项指标可暂不考虑，可以采用软件升速程序来解决。

二、步进电机转矩校核计算

1.等效转动惯量计算
丝杠传动时传动系统折算到电机轴上总转动惯量可按下公式计算：
=++[(+)+]
式中 ——步进电机转子转动惯量（kg·）;
、——齿轮转动惯量（kg·）;
——滚珠丝杠转动惯量（kg·）;
G——工作台及工件等移动部件重量（N）;
——丝杠导程，已选定为0.6cm.
国产反映式步进电机150BF002转子转动惯量为10 kg·。对于材料是钢材圆柱体，其转动惯量计算公式为：
J=0.78XL.
式中 D——圆柱体直径（cm）;
L——圆柱体长度（cm）.
则各某些转动惯量计算过程如下：
=0.78XX·=(0.78XXX2) kg·=2.617kg·
=0.78XX·=(0.78XXX2) kg·=6.390kg·
=0.78XX·=(0.78XXX150) kg·=29.952kg·
G=N
代入上式：
=++[(+)+]
={10+2.617+[(6.390+29.952)+]}kg·
=37.04kg·
考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题：
/=10/37.04=0.27
基本满足惯量匹配规定。
2.电机转矩计算
机床在不同工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：
1）迅速空载起动转矩M
在迅速空载起动阶段，加速转矩占比例较大，详细计算公式如下：
M=++
==X=X
=X
=
=f´(
i=
=(1-)
式中 M——迅速空载起动转矩（N·cm）;
——空载起动时折算到电机轴上加速转矩（N·cm）;
——折算到电机轴上摩擦转矩（N·cm）;
——由于丝杠预紧时折算到电机轴上附加摩擦力矩（N·cm）;
——传动系统折算到电机轴上总等效转动惯量（kg·），本例为37.04kg·；
——电机最大角加速度（rad/）;
——电机最大转速；
——运动部件最大快进速度（mm/min），本例为5000mm/min；
——导轨摩擦力（N）;
——垂直方向上切削力（N）,本例为4500N;
f´——导轨摩擦系数，对于贴塑导轨，本例取0.05；
G——运动部件总质量（N），本例为N;
i——齿轮降速比，本例为40/32,即为1.25；
——脉冲当量（mm/step），本例为0.01mm/step;
——步进电机步距角（º）,本例为0.75º；
——运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间（s）,普通取0.2～0.5s,本例取0.2s;
——滚珠丝杠预加载和，普通取1/3，为进给牵引力（N），此例中为1590N;
——滚珠丝杠导程（cm）,此例为0.6cm;
——滚珠丝杠未预紧时传动效率，普通取0.9,本例取0.9；
——传动链总效率，普通可取0.7～0.85,本例取0.8。
将以上数据代入公式可得：
=X==1042r/min
=X=37.04XXN·cm
=198.60N·cm
折算到电机轴上摩擦转矩
===N·cm
=31.04N·cm
附加摩擦转矩
=(1-)=(1-)
=(1-)]N·cm
=9.62N·cm
以上三项共计：
M=++=198.60+31.04+9.62
=239.26N·cm
2）迅速移动时所需转矩
==(31.04+9.62) N·cm =40.66N·cm
3)最大切削负载时所需转矩
==+
=(31.04+9.62+)N·cm
=145.70N·cm
从上面计算可以看出，M、、三种工况下，以迅速空载起动时所需转矩最大，即以此项作为校核步进电机转矩根据。
从《综合伙业指引书》表3-22查出，当步进电机为五相十拍时==0.951,则最大静转矩为
=（239.26/0.951）N·cm=251.59N·cm
从表3-23查出150BF002型步进电机最大静转矩为13.72N·m,不不大于所需最大静转矩，可以满足规定。
3.校核步进电机起动矩频特性和运营矩频特性
前面已经计算出此机床最大快移时需步进电机最高起动频率为8333Hz,切削进给时所需步进电机运营频率为833.3Hz。
从表3-23中查出，150BF002型步进电机容许最高起动频率为2800Hz，运营频率为8000Hz,如果直接起动，则会产生失步现象，因此必要采用升降速控制（用软件实现），也可采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出转矩扩大一倍左右。而当迅速运动和切削进给时，150BF002型步进电机运营矩频特性完全可以满足规定。

第五节 齿轮传动强度校核验算

一、弯曲疲劳强度校核

先选取齿轮材料，拟定许用应力。
小齿轮材料：40Cr,调质，硬度为230～280HBS,计算中取260HBS.
大齿轮材料：45钢，正火，硬度为170210HBS,计算中取200HBS.
小齿轮许用弯曲应力：
=155+0.3HBS=(155+0.3X260)MPa=233MPa
大齿轮许用弯曲应力：
=140+0.2HBS=(140+0.2X200)MPa=180MPa
弯曲疲劳强度计算式为：
=
式中 K——载荷系数，普通取1.3～1.7，当原动机为电动机、工作机载荷较平稳、齿轮支撑为对称布置或齿轮制造精度较高时取较小值;
T——齿轮传递名义转矩，单位为N·mm;
b——工作齿宽，单位为mm;
m——模数;
z——齿数；
——齿轮复合齿形系数。
校核小齿轮弯曲疲劳强度：
将K=1.35，=13720N·mm,b=20mm,m=2，=32，=4.07代入公式得，
==X4.07=58.894MPa=233MPa
校核大齿轮弯曲疲劳强度：
大齿轮齿数为40，查表取=4.01，代入公式得，
==58.894X=58.460MPa=180MPa
大小齿轮均满足弯曲疲劳强度规定。

二、接触疲劳强度校核

小齿轮许用接触应力值：
=380+HBS=(380+260)MPa=640MPa
大齿轮许用接触应力值：
=380+0.7HBS=(380+0.7X180)MPa=506MPa
选用和中最小值，即=506MPa.
齿轮传动接触疲劳强度校核式为：

式中 a——齿轮中心距，单位为mm，本例为72mm；
u——减速传动比，本例为1.25；
将数据代入公式得：
=
=427.43
经校核，大小齿轮均满足接触疲劳强度规定。

第六节 滚动轴承选取和寿命验算

一、滚动轴承选取

依照滚珠丝杠直径，选取一对型号为6206深沟球轴承承受径向力，选取一对型号为7206B角接触球轴承承受轴向力。

二、深沟球轴承寿命验算

6206深沟球轴承，其基本额定动载荷为19500N,其额定静载荷为11500 N.深沟球轴承所承受轴向力为0，其所承受径向力估算值为：
==N=1073.5N
式中 ——径向力，单位为N;
G——纵向移动部件总重量，单位为N，本设计为N；
——滚珠丝杠重量，本设计算出来为147N.
则==1073.5N.
滚动轴承寿命计算公式为：
=
式中 ——轴承基本额定寿命，单位为h；
n——轴承工作转速，单位为r/min,即为n==r/min=833r/min;
C——基本额定动载荷，本例为19500N；
P——当量动载荷，以计算出为1073.5N；
——温度系数，此处取为1；
——载荷性质系数，此处取为1.5；
——寿命系数，球轴承=3，滚子轴承=10/3.
将以上数据代入公式得：
==h=35532h
则深沟球轴承满足寿命规定。

三、角接触球轴承寿命验算

型号为7206B角接触球轴承基本额定动载荷为20500N,基本静载荷为13800N，其接触角为40º，能承受更大轴向力。其力学模型如下图所示：

=1.14
=+0.05()=[1590+0.05X(+147)]N=1697.35N
式中 ——内部轴向力，单位为N；
——外部轴向力，单位为N;
其径向力为：
=tan20º=tan20º=X0.364=124.85N
则两对轴承所承受内部轴向力为：
==1.14=1.14X124.85N=142.33N
两轴承面对面安装，1端（左端）为压紧端轴承，其所承受轴向力为：
=+=(1697.35+142.33)N=1839.68N
2端（右端）为放松轴承，其所承受轴向力为：
==142.33N
由：==14.74e=1.14,则查表可得：=0.57,=0.35.则1轴承所承受当量动载荷为：
=+=(0.35X124.85+0.57X1839.68)N=1092.32N
由：==1.14=e=1.14，查表可得：=0，=1.则2轴承所承受当量动载荷为：
==124.85N
取、中较大值，及以作为寿命校核根据。将C=20500N,P=1092.32N代入寿命计算公式得：
==
=39187h15000h
因此，这一对角接触球轴承可以满足使用寿命规定。

第七节 齿轮间隙消除

进给伺服系统中减速齿轮，除了自身规定较高运动精度和工作平稳性外，还必要尽量消除齿侧传动间隙，否则，进给运动会产生反向死区，影响传动精度和系统稳定性。惯用消除齿轮间隙办法有如下两种：

一、偏心套调节法

这种办法是将电机通过偏心套装在减速箱壳体上，通过偏心套转动可以以便地调节两齿轮中心距，从而达到消除齿侧间隙目。该办法构造简朴，传动刚度好，能传递较大转矩，但齿轮磨损后齿侧间隙不能自动补偿。
二、双片薄齿轮错齿调节法

其示意图如下所示：

双薄片齿轮调节构造
1、6、8 齿轮 2、5 螺钉 3 螺母 4 轴套 7 拉簧

该构造中，两个齿数相似薄片齿轮1、8与另个一种宽齿6啮合。两薄片齿轮之间可以做相对回转运动。每个薄齿轮上分别联接三个沉头螺钉2，5并在齿轮1上开有三个较大通孔。齿轮8上三个螺钉2从齿轮1上三个大孔中穿过后，再通过拉簧7与齿轮1上螺钉5相联，螺母3可防止拉簧滑出。由于拉簧7拉力作用使齿轮1、8之间产生回转，分别与宽齿轮6两侧贴紧，从而消除了齿侧间隙。该机构由于拉簧作用，啮合时完全消除了齿轮侧隙，并且可以自动补偿。局限性之处是构造较复杂，不适当传递大力矩。在负载不大齿轮传动装置中被广泛应用。本设计采用此办法消除齿轮间隙。

第三章 微机数控系统硬件电路设计

第一节 绘制机床数控系统硬件框图

一、数控系统构成

数控系统是由硬件和软件两某些构成。硬件是构成系统基本，有了硬件，软件才干有效运营。硬件电路可靠性直接影响到数控系统性能指标。

二、机床硬件电路构成

机床硬件电路由如下五某些构成：
（1）主控制器，即中央解决单元（CPU）;
（2）总线，涉及数据总线、地址总线和控制总线；
（3）存储器，涉及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、显示屏及光电输入机等。
机床数控系统硬件框图如下图所示。

机床数控系统硬件框图

第二节 CPU和存储器

CPU采用8031芯片，由于8031片内无程序存储器，需要有外部存储器支持，同步8031只有128B内部数据存储器，也远远不能满足控制系统规定。故扩展了16KB程序存储器，由两片2764实现。并且其内部数据存储器只有128B,因此有扩展了16KB数据存储器，由两片6264实现。
80C31芯片用来传送外部存储器地址和数据，口传送高8位地址，口传送低8位地址和数据，故要采用74LS373地址锁存器，锁存低8位地址，ALE作为其选通信号，当ALE为高电平，锁存器输入和输出透明，即输入低8位存储器地址在输出端浮现，此时不需锁存。当ALE从高电平变为低电平，浮现下降沿时，低8位地址锁存入地址锁存器，74LS373输出不再随输入变化,这样口就可以用来传送读写数据了。8031芯片口和74LS373送出口共构成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址线。～低8位接74LS373芯片输出，～接8031芯片～。
系统采用全地址译码，两片2764芯片片选信号分别接74LS138译码器，系统复位后来程序从0000H开始执行。两片6264芯片片选信号分别接74LS138译码器，单片机扩展系统容许程序存储器和数据存储器独立变址（即容许地址重叠），8031芯片控制信号接2764引脚，读写控制信号分别接6264芯片,以实现外部数据存储器读写。由于8031芯片内部没有ROM,故始终要选外部程序存储器，故其必要接地。

第三节 I/O接口芯片扩展

由于80C31只有P口和P口某些能提供顾客作为I/O口使用，不能满足输入输出口规定，因而系统扩展了一片8279和一片8255A可编程I/O接口芯片。8279片选信号接74LS138端。芯片8255片选信号接74LS138端。74LS138有三个输入A、B、C分别接到8031、、，输出为～8个输出，均为低电平有效。
I/O接口与外设连接是：键盘行线接8279～,8279采用外部译码方式，SL～SL经74LS138（2）译码器输出～；按键盘横线，SL～SL由74LS138（3）译码器输出～，经驱动后输出到显示屏各位公共阳极，输出线OUTA、OUTB作为8位段数据输出口，控制74LS138(3)译码，当位切换时，输出低电平，使74LS138(3)输出全为高电平，当键盘上出既有效闭合健时，键输入数据自动进入8279FIFO RAM存储器，并向80C31申请中断，80C31响应中断，读取FIFO RAM中输入键值。更新显示屏输出，仅需变化8279种显示缓冲器RAM中内容。
还使用了用可编程输入输出芯片8255A扩展输入输出接口电路。
第四节 所用芯片工作方式和性能特点简介

一、8031单片机芯片

MCS——51系列单片机是美国Intel公司在MCS——48系列单片机基本上推出产品，于1980年问世，它集成度很高，是集片内存储器、片内输入/输出部件和CPU于一体优良单片机系统，在国内已广泛地被应用于经济型数控机床。
MCS——51系列单片机重要有三种型号：8031、8051和8071。而8031片内无ROM，使用时需扩展ROM，可用在现场修改和更新程序存储器应用场合，其价格低廉，使用灵活，非常适合在国内使用。因此本设计使用8031单片机。其性能和特点如下所示：

（一）8031单片机基本特性

8031单片机具备如下特点：
（1）具备功能很强8位中央解决单元（CPU）；
（2）片内有时钟发生电路（6MHz或12MHz）,每执行一条指令时间为2s或1s；
（3）片内具备128字节RAM；
（4）具备21个特殊寄存器；
（5）可扩展64KB字节外部数据存储器和64KB外部程序存储器；
（6）具备4个I/O接口，32根I/O总线；
（7）具备2个16位定期器/计数器；
（8）具备5个中断源，配备2个中断优先级；
（9）具备一种全双工串行接口；
（10）具备位寻址能力，合用逻辑运算。
从上述特性可知，一块8031功能几乎相称于一块Z80CPU、一块RAM，一块Z80CTC、两块Z80PIO和一块Z80SIO所构成微机系统。可以看出这种芯片集成度高、功能强、只需增长少量外围器件就可以构成一种完整微机系统。

（二）8031芯片引脚及其功能

8031芯片具备40根引脚，其引脚如下图所示：

8031管脚图

40根引脚按其功能可以分为四类：
1.电源线 2根
:编程和正常操作时电源电压，接+5V。
:地电平。
2.晶体振荡器 2根
:振荡器反相放大器输入。使用外部振荡器时必要接地。
:振荡器反相放大器输出和内部时钟发生器输入。当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。
3.I/O口 共有、、、四个8位口，32根I/O总线，其功能如下：
（1）(～)
是I/O端口0引脚。端口0是一种8位漏极开路双向I/O端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位地址和8位双向数据端口（在此时内部上拉电阻有效）。
（2）
端口1引脚，是一种带内部上拉电阻8位双向I/O通道，专供顾客使用。
（3）()
端口2引脚。端口2是一种带内部上拉电阻8位双向I/O通道，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。
（4）
端口3引脚。端口3是一种带内部上拉电阻8位双向I/O口，该口每一种均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。作为第一功能使用时，口构造与操作与口完全相似，第二功能如下：
口引脚 第二功能
D(串行输入口)
D(串行输出口)
(外部中断)
(外部中断)
(定期器0外部输入)
(定期器1外部输入)
(外部数据存储器写选通)
(外部数据存储器读选通)
4.控制线
（1）:程序存储器使能引脚，是外部程序存储器读选通信号，低电平有效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。
（2）/：为高电平时，CPU执行内部程序存储器指令。为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器指令。因8031芯片没有内部程序存储器，故必要接地。
（3）ALE/:ALE是地址锁存使能信号。作为地址锁存容许时高电平有效。由于端口是分时传送数据和低8位地址，故访问存储器时，ALE信号锁存低8位地址。虽然在不能访问外部存储器时，也以1/6振荡频率固定频率产生ALE,因而可以用它作为外部时钟信号。ALE重要是提供一种定期信号，在从外部程序存储器取指令时，把口低位地址字节锁存到外接地址锁存器中。
（4）RST/VPD:是复用/备用电源端。在振荡器运营时，使RST引脚至少保持两个机器周期为高电平，可实现复位操作，复位