毕业设计（论文）数控回转刀架的微处理器控制系统设计.doc

摘 要数控车床采用数控回转刀架可以在一次装夹中完成多道工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所带来的误差。本课题通过对数控回转刀架的机械结构以及电气控制进行了研究，探索数控回转刀架的组成和工作原理。通过所学专业知识，完成了数控回转刀架机械部分与电气控制部分的设计，绘制了三维实体装配图及电气控制原理图，编制了数控回转刀架的控制软件。本课题的创新之处在于在设计延时锁紧功能部件的同时，实现了刀架电动机意外短路的保护功能。问题的解决在于采用电磁式过电流继电器来监测电动机中的电流大小。处于调整状态时，继电器处于释放状态；当刀架锁紧时，继电器吸合，常开触点闭合，8255A的PC3被置0，电动机停转。当出现故障，电动机短路时，继电器做出同样的动作，以达到保护目的。所设计的数控回转刀架很好的实现了快速准确自动换刀，提高了数控车床的加工效率。关键词：回转刀架 蜗杆副 微机控制 换刀装置AbstractWith a single setup of NC rotary turret , CNC lathe can be completed in multiple processes processing, reducing support time and errors which caused by multiple installation. This topic of NC rotary turret on the mechanical and electrical control system conducted to explore the NC rotary tool holder of the composition and working principle. With the knowledge learned of before, I have finished the completion of the NC rotary tool holder of the mechanical parts and electrical control part of the design, drawing and assembly drawings and three-dimensional entities, electrical control schematics,and developed NC rotary turret control software. The innovation of this issue is delayed locking features in the design, while achieving a turret motor accident short circuit protection. The solution to the problem is making use of electromagnetic over-current relay to monitor of the current size of the motor. In the adjustment state, the relay is in the release state; when the turret is locked, and then normally open contact closure, PC3 of 8255A is setted to 0, and then the motor stalls. When failure is come out, motor short circuit, the relay to make the same movement, to achieve the protection objective. NC rotary tool holder is designed well to achieve a fast and accurate automatic tool changment, improving the processing efficiency of the NC lathe.Key words: rotary turret worm gear pair micracomputer control tool-changer目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论- 1 -1.1 设计目的- 1 -1.2 课题背景- 1 -1.3 数控回转刀架的发展状况- 1 -1.3.1 国外数控回转刀架的发展状况- 1 -1.3.2 国内数控回转刀架的发展状况- 2 -1.3.3 未来数控回转刀架的发展趋势- 2 -1.4 课题现实意义- 3 -1.5 本文主要研究内容- 3 -第2章 总体结构设计- 4 -2.1 引言- 4 -2.2 减速传动机构的设计- 4 -2.3 刀架抬起机构设计- 4 -2.4上刀体锁紧与精定位机构的设计- 5 -第3章 数控回转刀架的工作原理- 6 -第4章 主要传动部件的设计计算- 8 -4.1.蜗杆副的设计计算- 8 -4.1.1 蜗杆的选型- 8 -4.1.2 蜗杆副的材料- 8 -4.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计- 8 -4.1.4 蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸- 12 -4.1.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度- 12 -4.2. 螺杆的设计计算- 14 -4.2.1 螺距的确定- 14 -4.2.2 其它参数的确定- 14 -4.2.3 自锁性能校核- 14 -第5章 电气控制部分设计- 16 -5.1 控制芯片及I/O接口芯片的选型- 16 -5.1.1 8051单片机介绍- 16 -5.1.2 可编程I/O芯片8255A介绍- 17 -5.2 传感器选型- 20 -5.2.1 霍尔效应及霍尔元件- 20 -5.3 硬件电路设计- 22 -5.3.1 发信电路- 22 -5.3.2 收信电路- 23 -5.3.3 延时锁紧电路- 24 -5.3.4 复位电路- 24 -5.4 控制软件设计- 25 -总结- 27 -致谢- 28 -参考文献- 29 -附录- 30 -第1章 绪论1.1 设计目的 通过毕业设计，学习了系统的综合运用所学专业知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深对所学知识的理解，并通过毕业设计的实践扩大和补充了工程实践知识，使认识提高到一个新的水平。通过毕业设计的实践，培养了调查研究的习惯和工作能力，练习查阅相关资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理的选择设计计算公式，正确计算，并且以图纸、动画以及说明书表达设计的思想和结果的能力。通过毕业设计，不但提高了解决具体工程问题的独立思考能力，具体动脑动手的能力，而且建立了正确的设计和科研思想，加强了对待问题的科学原则，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。1.2 课题背景数控机床是多品种小批量生产的高效自动化的技术群体, 它是把多工序加工、切削处理、刀具磨损和测量等各种功能集为一体的自动化机床。随着科学技术的迅猛发展, 数控机床已是衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志。数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。数控回转刀架是数控车床的重要部件之一, 刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。它在一定程度上标志着数控车床的技术水平, 并且与加工精度和生产效率密切相关。因此, 国内外都在不断地提高数控回转刀架的重复定位精度和转位速度, 以适应高质量、高效率生产的要求。本文阐述了微型计算机控制技术在回转刀架设计中的应用。1.3 数控回转刀架的发展状况1.3.1 国外数控回转刀架的发展状况20世纪40年代末，美国开始研究数控机床，1952年，美国麻省理工学院(mit)伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床，并于1957年投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的到来。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。我国于1958年开始研制数控机床，成功试制了许多种类的数控机床。数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。数控车床的出现对提高生产率改善产品质量以及改善劳动条件等发挥了重要的作用。为了进一步压缩非切削时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多工序加工的发展方向。在这类多工序的数控机床中必须带有自动换刀装置，在多工序数控机床出现之后，又逐步发展和完善了各类回转刀具的自动更换装置，扩大了换刀数量，以便有可能实现更复杂的换刀操作。1.3.2 国内数控回转刀架的发展状况目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。电动回转刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动回转刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。另外，加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高：尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动回转刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活 方便地完成各种几何形状的加工。1.3.3 未来数控回转刀架的发展趋势随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。德国Sauter（肖特）公司的产品的性能指标较高,代表数控车床用转塔刀架的发展前沿,具体表现在:（1）刀架转位时间最短,且转位准确。数控刀架作为数控机床必需的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性，是机床的故障高发点。这就要求设计的刀架具有具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。它的原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。（2）刀架定位精度高、动作迅速、稳定可靠。因为数控机床的切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置。由于在加工过程中刀尖位置不进行人工调整,因此, 转塔刀架在结构上必须有足够的强度和刚性,以及合理的定位结构, 以保证转塔刀架在每一次转位之后, 都具有尽可能高的重复定位精度。Sauter 公司产品正是满足了这一要求, 才使其能够承受粗加工时的切削抗力同时满足各种精密加工的要求。（3）可多刀夹持, 双向转位和任意刀位就近选刀。（4）应用范围广, 维修方便等特点。1.4 课题现实意义数控机床以其高效率在工业发展上发挥了重要的作用，数控回转刀架是数控车床重要部件之一, 刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。它在一定程度上标志着数控车床的技术水平, 并且与加工精度和生产效率密切相关。电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等。另外，加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高。尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活方便地完成各种几何形状的加工。因此, 国内外都在不断地提高数控回转刀架的重复定位精度和换刀速度, 以适应高质量、高效率生产的要求。目前具有世界先进水平的数控车床, 其换刀速度已达到1s 以内, 重复定位精度可保证小于0.002mm。1.5 本文主要研究内容题目：数控回转刀架及其微机控制系统设计任务：应用于C616或C6132改造的经济型数控车床。可以单向运转、连续双向运转，载荷平稳、空载起动，速度波动误差为5%。结构以及其工作方式为四工位立式，。使用期限为10年，两班制工作、大批量生产。工作环境温度为-3050，湿度为30%80%。刀架转速为30r/min。第2章 总体结构设计2.1 引言数控车床为了能在工作的一次装夹中完成多工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所引起的工作误差，必须带有自动回转刀架。根据当今数控车床的发展现状与未来发展趋势，数控回转刀架发展方向是多学科知识交叉。拥有位置检测装置以及闭环控制系统以期达到最理想的设计要求与应用要求。综合上述,可以看出数控回转刀架是一个机电一体化的产品。它使用蜗轮蜗杆机构、丝杆螺母机构抬起旋转刀架,用霍尔开关检测刀位并通过数控系统控制回转电机正反转。利用多齿盘的高精度精确定位。自动回转刀架控制精确、定位准确,是数控车床理想的自动换刀装置。2.2 减速传动机构的设计普通的三相异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。根据立式数控回转刀架的结构特点，采用蜗杆副减速是最佳选择。蜗杆传动可以改变传递的运动方向，保证较高的传动精度和平稳性，并且具有自锁功能。由于蜗杆的轮齿是连续的螺旋齿，故蜗杆传动具有传动平稳，振动，冲击和噪声均很小的特点。另一方面蜗杆传动能获得较大的单级传动比，故结构紧凑，可以实现整个装置的小型化。2.3 刀架抬起机构设计 要使上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计合适的机构使上刀体抬起。本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-蜗轮带动螺杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动，当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一起转动。设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定角度时，使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。图2-1为数控回转刀架的传动机构示意图，图2-1 数控回转刀架的传动机构示意图1-发信盘 2-推力轴承 3-螺杆螺母副 4-端面齿盘 5-反靠圆盘 6-三相异步电动机7-联轴器 8-蜗杆副9-反靠销10-圆柱销 11-上盖圆盘 12-上刀体2.4上刀体锁紧与精定位机构的设计如2-1图所示，由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的配合面加工成三角牙形端面齿。当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互齿合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正转，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱离啮合后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位动作。第3章 数控回转刀架的工作原理 数控车床种类较多，但一般均由车床主体、数控装置和伺服系统三大部分组成。数控回转刀架是车床主体中控制装置的一部分，自动回转刀架换刀流程如图3-1所示。当刀架处于锁紧状态时，此时反靠销落在反靠圆盘的十字槽内，上刀体的端面齿和下刀体的端面齿处于啮合状态。 需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动蜗杆正向转动，与螺杆配合的上刀体逐渐抬起，上刀体与下刀体之间的端面齿慢慢脱离啮合；与此同时，上盖圆盘也随着螺杆正向转动，当转过约170°时，上盖圆盘直槽的另一端转到圆柱销的正上方，由于弹簧的作用，圆柱销落入直槽内，于是上盖圆盘就通过圆柱销使得上刀体转动起来。 上盖圆盘、圆柱销以及上刀体在正转的过程中，反靠销能够从反靠圆盘中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体寻找刀位时的正向转动。刀架电动机正转螺杆正转蜗杆-蜗轮减速上盖圆盘旋转上刀体抬起端面齿错开圆柱销落入上盖圆盘上刀体旋转到位回答刀架电动机反转螺杆反转蜗杆-蜗轮减速霍尔元件触发反靠销反靠端面齿啮合上刀体下降，粗定位精定位延时锁紧电动机停转销联接螺杆-螺母图3-1 数控回转刀架的换刀流程上刀体带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘通过圆柱销带动上刀体开始反转，反靠销马上就会落入反靠圆盘的十字槽内。至此，完成粗定位，此时，反靠销从反靠圆盘的十字槽内爬不上来，于是上刀体停止转动，开始下降，而上盖圆盘继续反转，其直槽内的左侧斜坡将圆柱销的头部压入上刀体的销孔内，之后，上盖圆盘的下表面开始与圆柱销的头部滑动。在此期间，上、下刀体的端面齿逐渐齿合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个过程结束。 机床在加工过程中，刀架受到切削力的作用，但是由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可稳定地工作。第4章 主要传动部件的设计计算4.1.蜗杆副的设计计算 数控回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机通过设计的联轴器直接相连，数控回转刀架转位时蜗轮与上刀体直接相联。已知电动机额定功率 =90W，额定转速=1440r/min，上刀体设计转速=30r/min，则蜗杆副的传动比i = / =1440 /30=48。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，现在要求蜗杆副的使用寿命=10000h。 4.1.1 蜗杆的选型 GB/T100851988推荐采用渐开线型蜗杆（Z1蜗杆）和锥面包络型蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单、制造方便、成本较低的渐开线型圆柱蜗杆(Z1型)。 4.1.2 蜗杆副的材料 刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此蜗杆的材料选择45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，以提高表面硬度、耐磨性和抗胶合的能力；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，它具有较好的减磨性、抗胶合和耐磨性能，且易于加工，采用金属模铸造。 4.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合、磨损、点蚀或轮齿折断而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，确定蜗轮和蜗杆的主要几何尺寸，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。 按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式：a (4-1)式中 a蜗杆副的传动中心距，单位为mm； K载荷系数； 作用在蜗轮上的转矩，单位； 弹性影响系数，单位为； 接触系数;许用接触应力，单位为MPa； 从上式(4-1)算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=48，从图4-1可以选择合适的中心距a值，以及相应的蜗杆、蜗轮参数。 （1）确定作用在蜗轮上的转矩设蜗杆头数=1,蜗杆副的传动效率取=0.8。由电动机的额定功率=90W,可以算出涡轮传递的功率=,再由蜗轮的转速=30r/min,求得作用在蜗轮上的转矩： =9.55=9.55=9.55××Nmm=20223Nmm（2）确定载荷系数K 载荷系数K=。其中为使用系数，由表4-1查得，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取=1.15；为齿向载荷分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取 =1.15；为动载系数，由于转速不高，冲击不大，可取=1.05,则载荷系数 ： K=表11-5 使用系数工作类型每小时启动次数<252550>50起动载荷小较大大11.151.2（3）确定弹性影响系数 材料为铸锡磷青铜的蜗轮与钢蜗杆相配对，从有关手册查得蜗杆蜗轮的材料弹性影响系数=160。（4）确定接触系数 根据所学精密机械设计的有关知识，在确定接触系数时可以先假设蜗杆分度圆直径和蜗杆蜗轮的传动中心距的比值/=0.35，从图4-2中可查得接触系数=2.9。图 4-1 蜗杆-蜗轮参数的匹配注：本图摘自GB/T 10085-1988ZI蜗杆（A,ZN,ZK蜗杆亦可近似查用）ZC蜗杆3.63.22.82.42.00.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60图 4-2 圆柱蜗杆传动的接触系数（5）确定许用接触力根据涡轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1、金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，从表4-2中查得蜗轮的基本许用力=268MPa，已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j=1；蜗轮的转速n =30r/min；蜗杆副的使用寿命=10000h。则应力循环次数 ：N=60j=60×1×30×10000=1.8×寿命系数：= 0.929 许用接触应力：表4-2铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力蜗轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度45HRC>45HRC铸锡磷青铜ZcuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡锌铅青铜ZcuSn5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造128140（6）计算中心距 结果上述各章节的分析之后，将以上各参数代入式（4-1），求得蜗杆蜗轮的传动中心距： 取中心距a=50mm,已知蜗杆头数 =1,设模数m=1.6mm,得蜗轮分度圆直径 =20mm,这时=0.4,可得接触系数 =2.74。因为 < ，所以上述计算结果可用。4.1.4 蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸 由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数，算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后，即可绘制蜗杆副的工作图了。 （1） 蜗杆参数及尺寸 头数=1，模数m=1.6mm，轴向齿距=5.027mm，轴向齿厚=2.514mm，分度圆直径=20mm，直径系数q = /m=12.5，分度圆导程角=arctan( /q)= 。取齿顶高系数，径向间隙系数=0.2，则齿顶圆直径=20mm+2×1×1.6mm=23.2mm，齿根圆直径：（2） 蜗轮参数与尺寸 齿数=48，模数m=1.6mm，分度圆直径为=1.6×48mm=76.8mm，变位系数：蜗轮喉圆直径为=76.8+2×1.6×(1+1)mm=83.2mm蜗轮齿根圆直径为=76.82×1.6×(11+0.2)mm=76.16mm蜗轮咽喉母圆半径为=（5083.2/2）mm=8.4mm4.1.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度即校验下式是否成立： （4-2） 式中： 蜗轮齿根弯曲应力，单位为Mpa； 蜗轮齿形系数； 螺旋角影响系数； 蜗轮的许用弯曲应力，单位为MPa 。由蜗杆头数=1，传动比i=48,可以算出蜗轮齿数=48 。 则蜗轮的当量齿数： =48.64根据蜗轮变位系数=1和当量齿数=48.46，得齿形系数：=1.95螺旋角影响系数； =0.967根据蜗轮的材料和制造方法，查表4-3可得蜗轮基本许用弯曲应力： =56MPa蜗轮的寿命系数： 表 4-3 蜗轮的基本许用弯曲应力 （单位：Mpa）蜗轮材料铸造方法单侧工作双侧工作铸锡青铜ZCuSn10P1砂模铸造4029金属模铸造5640铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5砂模铸造2622金属模铸造3226铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3砂模铸造8057金属模铸造9064灰铸铁HT150砂模铸造4028HT200砂模铸造4834蜗轮的许用弯曲应力： 56×0.725MPa=40.6MPa将以上参数带入式(4-2)，得蜗轮齿根弯曲应力： 可见， <；蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。4.2. 螺杆的设计计算 4.2.1 螺距的确定 刀架转位时，要求螺杆在转到约170°的情况下，上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全脱离；在锁紧的时候，要求上下端面齿的啮合深度达2mm。因此，螺杆的螺距P应满足P×170/360>2mm，即P>4.24mm，今取螺杆的螺距P=6mm。 4.2.2 其它参数的确定采用单头梯形螺杆，头数n=1，牙侧角=15°，外螺纹大径（公称直径）=50mm，牙顶间隙=0.5mm，基本牙形高度=0.5P=3mm，外螺纹牙高=+=3.5mm，外螺纹中经=47mm,外螺纹小径=43mm,螺杆螺纹部分长度H=50mm。4.2.3 自锁性能校核 螺杆-螺母材料均用45钢，查表4-4取二者的摩擦因数f=0.11；再求得梯形 表4-4 滑动螺旋副材料的许用压力P及摩擦因数f螺杆螺母的材料滑动速度/()许用压力/MPa摩擦因数f钢-青铜低速18250.080.13.01118612710>1512淬火钢-青铜61210130.060.08钢-铸铁<2.413180.120.1561247钢-钢低速7.5130.110.17螺旋副的当量摩擦角为：螺纹升角为：小于当量摩擦角。因此，所选几何参数满足自锁条件。 第5章 电气控制部分设计5.1 控制芯片及I/O接口芯片的选型设控制系统的CPU为英特尔公司的8051单片机，扩展8255A芯片作为回转刀架的收信与发信控制芯片。5.1.1 8051单片机介绍8051单片机的片内结构如图5-1所示。8051单片机是把那些作为控制应用所必须的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成：（1） 微处理器CPU（2） 数据存储器RAM（3） 程序存储器ROM/EPROM（4） 4个8位并行I/O口（P0口P1口P2口P3口）（5） 1个串行口（6） 2个16位定时器、计数器（7） 中断系统（8） 特殊功能寄存器（SFR） 上述各功能部件是通过片内单一总线连接而成， 如图5-1所示。图（5-1）中各功能部件的功能如下：（1）CPU微处理器 8051单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和微处理器两大部分。只是增加了面向控制的处理功能，不仅可以处理字节数据，也可以进行位变量的控制。（2）数据存储器 片内为128B，片外最多可外扩64KB。数据存储器来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。片内的128B的RAM，以高速RAM形式集成在的单片机内，可以加快单片机的运行速度，而且这种结构还可以降低单片机的功耗。（3）程序存储器 用来存储程序，为4K 的ROM，最多可外扩至64KB。（4）中断系统 具有5个中断源，2级中断优先权。（5）定时器/计数器 片内有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式。（6）串行口 1个全双工的的串行口，具有4种工作方式。可用来进行串行通信，扩展并行I/O口。（7）P1口、P2口、P3口、P0口 为4个并行8位I/O口。（8）特殊功能寄存器SFR 特殊功能寄存器共有21个，用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制、监视。实际上片内各功能部件的控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。CPU运算器控制器数据存储器RAMP0P2P1P3串行口定时器计数器程序存储器ROM/EPROM特殊功能寄存器SFRXTAL1XTAL2ALEPSENEARESET8888图 5-1 8051单片机片内结构5.1.2 可编程I/O芯片8255A介绍5.1.2.1 逻辑结构 有三个八位的并行口：PA、PB、PC。有三种工作方式：方式0，方式1，方式2。可以与8051直接接口。包含四个部分：三个并行数据输入输出端口、两个工作方式控制电路、一个读写逻辑控制电路、八位总线缓冲器（1）三个并行数据输入输出端口：A口；B口；C口。一般，A口，B口作为数据输入输出端口，C口作为控制/状态信息口，可以分为两个部分，分别与A口和B口配合使用，作为控制信息输出或状态信息输入。（2）工作方式控制电路有两个：A组控制和B组控制电路。A组控制用来控制A口和C口的上半部分PC7PC4；B组控制用来控制B口和C口的下半部分PC3PC0；两组控制电路具有一个控制命令寄存器，用来接收来自CPU的数据（控制字），以决定芯片的工作方式，或对C口按位进行清“0”或者置“1”。（3）三态双向八位缓冲器，作为微处理器数据总线与8255之间的接口，用来传送命令、数据及状态信息。（4）读写逻辑控制电路接受CPU来的控制信号：读、写、地址及复位信息，根据控制信号的要求，将数据读出，送往CPU，或者将CPU来的信息写入端口。5.1.2.2 引脚说明 如图5-2所示。图 5-2 8255的引脚 ：片选信号，低电平有效，表示芯片被选中； ：读操作，低电平有效，控制数据读出； ：写操作，低电平有效，控制数据写入；A1、A0：地址线, 端口选择信号，用来选择8255内部端口；RESET：复位信号，高电平有效，各端口被置成输入；D7D0：双向三态数据线；PA7PA0：A口输入输出线；PB7PB0：B口输入输出线；PC7PC0：C口输入输出线；5.1.2.3 工作方式选择工作方式控制字 8255有三种工作方式：方式0，方式1，方式2。其中方式2只对A口。8255的工作方式是由工作方式控制字决定，工作方式控制字是由CPU写入。如图5-3所示。（1）工作方式0 三个端口都可以设置成输入或输出方式：具有两个八位端口：A口和B口具有两个四位端口：PC0PC3，PC4PC7任一端口都可设置为输入或输出数据输出带锁存，输入时不锁存此时，8255可以工作在无条件传送；也可以查询式传送，C口作为联络信号。D7D6D5D4D3D2D1D0B组0：输出1：输入0：输出1：输入0：方式01：方式1A组0：输出1：输入0：输出1：输入00：方式001：方式11X：方式2C口低4位B口方式选择C口高4位A口方式选择方式标志：1（有效）图 5-3 8255A的方式控制字（2）工作方式1 有固定的选通信号，选通信号与数据一齐传送，由选通信号表示数据传送的状态：三个端口分为两组：A组和B组每组包括一个八位数据端口和一个四位的控制状态端口每个八位数据端口均可设置为输入或输出，输入输出均带锁存四位端口作为八位端口的控制/状态联络信号（3）工作方式2 A口定义为八位双向总线端口，既可发送数据，又可接收数据，输入输出均锁存。C口定义为五位控制信号端口，作为A口的控制状态信号。既可工作于查询方式，也可工作于中断方式。（4）本设计中8255A的方式控制字 根据数控回转刀架的工作原理以及汇编程序的需要，8255A的工作方式可以选择基本的输入/输出方式，即方式0。PC口为输入端口，PA口、PB口为输出端口。即8255A的控制字寄存器的各位为：D71、D60、D50、D40、D31、D20、D10、D01。所以本设计中8255A的方式控制字为89H。5.1.2.4 单片机8051与8255A的接口 本设计中根据数控回转刀架的工作原理以及汇编程序的需要，单片机8051与8255A的接线如图5-4所示。可以计算出8255A各端口的地址，PA口FF7CH，PB口FF7DH，PC口FF7EH，控制口FF7FH。图 5-4 8255A与8051的接线图5.2 传感器选型本设计检测刀位所选用的传感器为霍尔传感器（型号为UGN3120U）。霍尔元件具有非接触、误差小、工作稳定、灵敏度高的特点，但它所能检测的位移量较小, 适合于微位移量及振动的测量。5.2.1 霍尔效应及霍尔元件5.2.1.1霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。 如图5-5所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一N型半导体薄片，通以电流I，方向如图所示。半导体薄片中的电流使自由电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力的作用，的大小为：图 5-5 霍尔效应的基本原理FL的方向在图5-5中是向内的，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在的作用下漂移，结果使半导体薄片内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场， 称霍尔电场，该电场强度为： 为霍尔电动势。同时，每个电子所受电场力为：当电子所受洛伦兹力与霍尔电场作用力大小相等方向相反时：此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流 I = ne vbd，即：式中，霍尔元件的乘积灵敏度：5.2.1.2 霍尔元件的基本结构 图 5-6 霍尔元件的基本结构由霍尔片、四根引线和壳体组成的， 如图5-6所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四根引线： 1、 1两根引线加激励电压或电流，称激励电极（控制电极）； 2、 2。引线为霍尔输出引线， 称霍尔电极。 霍尔元件的壳体是用非导磁金属、 陶瓷或环氧树脂封装的。5.3 硬件电路设计数控回转刀架的电气控制部分主要包括收信电路、发信电路和延时锁紧电路三大块。 5.3.1 发信电路图5-7中，发信盘上的4只霍尔开关（型号为UGN3120U），都有3个引脚，第1+12V电源，第2角接+12V地，第3角输出。转位时刀台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第3角输出低电平；当磁铁离开时，第3脚输出高电平。4只霍尔开关输出的4个刀位信号T1T4分别送到图5-8的4只光电耦合器进行处理，经过光电隔离的信号再送给I/O接口芯片8255A的PC4PC7。图 5-7 发信盘上的霍尔元件图 5-8 刀位信号处理及延时