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1、畢業(yè)設(shè)計報告(論文) 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 報告(論文)題目：普通車床 Z 軸數(shù)控化改造 作者所在系部： 機(jī)械工程系 作者所在專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 作者所在班級： 作 者 姓 名 ： 作 者 學(xué) 號 ： 指導(dǎo)教師姓名： 完 成 時 間 ： 2012 年 6 月 北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 摘 要 應(yīng)用成熟的數(shù)控技術(shù)理論，以低廉的成本對普通舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，可以恢復(fù) 甚至提高原機(jī)床的精度，適應(yīng)工業(yè)高速跨越式發(fā)展的要求，為此機(jī)床數(shù)控化改造在國際 國內(nèi)作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)獲得了很大的發(fā)展。本文以 c6132 車床為對象，對此車床進(jìn) 行了數(shù)

2、控化改造。 通過 c6132 普通車床的數(shù)控化改造，闡述了車床的數(shù)控化改造的方案，詳細(xì)論述了 c6132 車床的主軸傳動系統(tǒng)、進(jìn)給傳動系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)的改造過程，為節(jié)約成本和以后 對機(jī)床的維修提供了方便。 關(guān)鍵詞：數(shù)控 改造 車床 數(shù)控系統(tǒng) 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 Abstract Computer numerical control(cnc) machine tools innovation was conducted by application sophisticated cnc technology theory and low cost. The accuracy of the or

3、iginal machine can be restored or even improved , so that it can be adapted to industrial requirements of high-speed development by leaps and bounds. CNC machine tools innovation was greatly developed as a new international and domestic economic growth industry. In the paper, CNC machine tools innov

4、ation programs, technical route and so on was analyzed taking C6132 common machine as research objects. Through the numerical control transformation of c6132 ordinary lathe, have explained the scheme of numerical control transformation of the lathe, have described the main shaft transmission of c613

5、2 lathe, entered to transforming the course of the transmission, numerical control system in detail, in order to save the cost and provide convenience to the maintenance of the lathe afterwards. Keywords: NC; transformation; lathe; CNC System 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 目 錄 摘摘 要要.I ABSTRACT.I 第第 1 章章 緒論緒論1 1.1 課題綜

6、述.1 1.1.1 選題原因 .1 1.1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程 .2 1.1.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 .3 1.2 C6132 車床簡介.4 C6132 車床的組成部分及其功用 4 1.3 普通車床數(shù)控化改造的必要性 5 第第 2 章章 C6132C6132 車床的改造車床的改造.7 2.1 總體方案設(shè)計的內(nèi)容.7 2.1.1 設(shè)計任務(wù) .7 2.1.2 系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定.7 2.1.3 伺服系統(tǒng)的選擇 .7 2.1.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動方式的確定 .8 2.1.5 計算機(jī)的選擇.8 2.2 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計計算 8 2.2.1 總方案確定.8 2.2.2 計算 .9 2.2.2

7、.1 切削力計算.10 2.2.2.2 滾珠絲杠計算：.10 2.2.2.3 齒輪及轉(zhuǎn)距有關(guān)計算.13 2.2.2.4 步進(jìn)電機(jī)的計算和選型.13 2.2.3 設(shè)計繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械裝配圖 16 第第 3 章章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計17 3.1 單片微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容 .17 3.1.1 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 17 3.1.2 選擇中央處理單元 CPU 的類型 17 3.1.3 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計 18 3.1.4 輸入/輸出接口電路設(shè)計 .18 3.2 MCS-51 系列單片機(jī)簡介.18 3.2.1 8031 單片機(jī)的基本特性 .18 3.2.2

8、 8031 芯片引腳及功能 .19 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3.2.3 定時器/計數(shù)器 .20 3.3 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計21 3.3.1 8031 與 EPROM 的連接 .21 3.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 21 3.4 I/O 接口電路及輔助電路設(shè)計21 3.4.1 顯示功能設(shè)計 21 3.4.2 鍵盤輸入功能設(shè)計 22 3.4.3 步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動電路 22 3.4.4 其他輔助電路 25 總結(jié)總結(jié) 27 致致 謝謝 28 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 29 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 1 C6132 車床縱向進(jìn)給數(shù)控化改造 第第 1 1 章章 緒緒論論 1.1 課題綜述 1.1.1 選題原因

9、長期以來，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床始終處于低檔迅速膨脹，中檔進(jìn)展緩慢，高檔依靠進(jìn)口的 局面，特別是國家重點(diǎn)工程需要的關(guān)鍵設(shè)備主要依靠進(jìn)口，技術(shù)受制于人。究其原因， 國內(nèi)本土數(shù)控機(jī)床企業(yè)大多處于“粗放型”階段，在產(chǎn)品設(shè)計水平、質(zhì)量、精度、性能 等方面與國外先進(jìn)水平相比落后了 5-10 年；在高、精、尖技術(shù)方面的差距則達(dá)到了 10- 15 年。同時中國在應(yīng)用技術(shù)及技術(shù)集成方面的能力也還比較低，相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn) 的研究制定相對滯后，國產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床還沒有形成品牌效應(yīng)。同時，中國的數(shù)控機(jī)床產(chǎn) 業(yè)目前還缺少完善的技術(shù)培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系，市場營銷能力和經(jīng)營管理水平也 不高。更重要原因是缺乏自主創(chuàng)新能力，完全擁

10、有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)少之又少， 制約了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)、外際市場競爭日益激烈，產(chǎn)品更新更為迅速，中、 小批量的生產(chǎn)越來越多。就目前的現(xiàn)況而言舊機(jī)床主要表現(xiàn)在設(shè)備老化陳舊、自動化水 平低、技術(shù)水平落后、勞動生產(chǎn)率低，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)力的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床則具有普通 機(jī)床所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如：加工精度高，產(chǎn)品的穩(wěn)定強(qiáng)；加工零件范圍廣，能適應(yīng)單件、 形狀復(fù)雜、精度要求較高的零件生產(chǎn)；能有效地減輕工人的勞動強(qiáng)度，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時 間。對我國企業(yè)而言采用，面對激烈的市場競爭，采用先進(jìn)的工藝設(shè)備, 已經(jīng)成為我國 制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢，也是企業(yè)走出困境、提升水平，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的

11、必由之路。 目前，我國現(xiàn)有數(shù)以萬計的陳舊、落后 普通機(jī)床，對于機(jī)械制造企業(yè)，單純靠購買 新的數(shù)控機(jī)床，所需投資大。為了節(jié)約資金，降低成本，利用原來的部分普通機(jī)床進(jìn)行 數(shù)控化改造，提高機(jī)械設(shè)備的數(shù)控化率，是一種有效的途徑。同時，企業(yè)現(xiàn)有的數(shù)控機(jī) 床長期處于運(yùn)轉(zhuǎn)甚至超負(fù)荷使用，缺少認(rèn)真的維修和保養(yǎng)，造成機(jī)床嚴(yán)重磨損，喪失了 精度；有些原有的數(shù)控機(jī)床性能已不能滿足使用要求，急需更新改造。隨著現(xiàn)代化機(jī)械 加工技術(shù)向高效率、高精度方向發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床也朝著精密化、復(fù)雜化方向發(fā)展。 在機(jī)械加工中,機(jī)床狀態(tài)的好壞直接影響著被加工零件的加工質(zhì)量及機(jī)械加工效率.從保 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 2 證零件機(jī)械加

12、工質(zhì)量、提高加工效率講,目前許多機(jī)械加工車間里普通機(jī)床無法做到這點(diǎn)， 以滿足車間生產(chǎn)的需要。數(shù)控機(jī)床，特別是多軸數(shù)控、多軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床是高效、高 質(zhì)量產(chǎn)品制造的關(guān)鍵設(shè)備，也是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、自動化程度高、精度和可靠性要求高的機(jī) 電一體化高技術(shù)產(chǎn)品。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步，必將推動數(shù)控機(jī)床的開發(fā)應(yīng)用，逐步 形成高檔，普及型和經(jīng)濟(jì)型構(gòu)成比合理的數(shù)控機(jī)床系列，以滿足各種不同用戶的需要 數(shù)控機(jī)床是集機(jī)、電、儀和信息等多項(xiàng)技術(shù)于一體的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品,是同時具 備高效率、高質(zhì)量、高柔性等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī),隨著 CNC 技術(shù)的不斷完善和微處理機(jī)直接 用于機(jī)床后,數(shù)控車床的性能價格比得到極大

13、的完善, 不僅可以提高加工質(zhì)量和效率，還 能實(shí)現(xiàn)對各種復(fù)雜的零件的加工，達(dá)到了普通機(jī)床無法取得的效果，這就使得數(shù)控機(jī)床 成為不僅是一種技術(shù)上先進(jìn),而且是一種經(jīng)濟(jì)上合理的機(jī)床，不僅現(xiàn)在富有旺盛的生命， 而且是未來機(jī)械工廠自動化的基礎(chǔ)。 1.1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程 微電子技術(shù)，自動信息處理，數(shù)據(jù)處理以及電子計算機(jī)的發(fā)展，給自動化帶來了新 的概念，推動了機(jī)械制造自動化的發(fā)展。 采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的思想最早是在 20 世紀(jì) 40 年代初提出來的。當(dāng)時， 美國北密執(zhí)安的一個小型飛機(jī)制造廠帕森公司（paisons Co.）在制造飛機(jī)框架及直升機(jī) 葉片輪廓用樣板時，利用全數(shù)字電子計算機(jī)對輪廓路

14、徑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并考慮了刀具直 徑對加工路徑的影響，提高了加工精度。1949 年帕森公司正式接受美空軍委托，在麻省 理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的協(xié)助下，開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。經(jīng)過三年的研究， 于 1952 年試制成功世界第一臺數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直 線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床，這便是數(shù)控機(jī)床的第一代。 1953 年，美空軍與麻省理工學(xué)院協(xié)作，開始從事計算機(jī)自動編程的研究，這就是創(chuàng) 制 APT（Automatically Programmed Tools）自動編程系統(tǒng)的開始。 1959 年，計算機(jī)行業(yè)研制出晶體管器件，因而數(shù)控裝置中廣泛采用晶體管和印刷電 路板，從而跨

15、入第二代數(shù)控時代。 1965 年，出現(xiàn)了小規(guī)模的集成電路。由于它體積小，功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性 進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型計算機(jī)的價格急劇下降。小型計算機(jī)開始取代專用數(shù) 控計算機(jī)，數(shù)控的許多功能由軟件程序?qū)崿F(xiàn)。這樣組成的數(shù)控系統(tǒng)稱為計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) （CNC） 。1970 年，在美國芝加哥國際機(jī)床展覽會上，首次展出了這種系統(tǒng)，稱為第四代 數(shù)控。 1970 年前后，美國英特爾公司開發(fā)和使用了微處理器。1974 年美、日等國首先研制 出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)。近 20 年來，微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床得到了飛速 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3 發(fā)展和廣泛應(yīng)用

16、，這就是第五代數(shù)控系統(tǒng)（MNC） 。 1.1.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的突飛猛進(jìn)為數(shù)控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步提供了條件，為了滿足市場的需要， 達(dá)到現(xiàn)代制造技術(shù)對數(shù)控機(jī)床提出的更高的要求，當(dāng)前，數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方 向主要體現(xiàn)為以下幾方面： 1) 高速、高效 機(jī)床向高速化方向發(fā)展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提 高零件的表面加工質(zhì)量和精度。超高速加工技術(shù)對制造業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn) 有廣泛的適用性。 目前，在超高速加工中，車削和銑削的切削速度已達(dá)到 50008000m/min 以上；主 軸轉(zhuǎn)數(shù)在 30000 轉(zhuǎn)/ 分(有的高達(dá) 10 萬 r/min)以上；工作

17、臺的移動速度(進(jìn)給速度)：在 分辨率為 1 微米時，在 100m/min(有的到 200m/min)以上，在分辨率為 0.1 微米時，在 24m/min 以上；自動換刀速度在 1 秒以內(nèi)；小線段插補(bǔ)進(jìn)給速度達(dá)到 12m/min。 2) 多功能 在零件加工過程中有大量的無用時間消耗在工件搬運(yùn)、上下料、安裝調(diào)整、換刀和 主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無用時間，人們希望將不同的加工功能整合在 同一臺機(jī)床上，因此，復(fù)合功能的機(jī)床成為近年來發(fā)展很快的機(jī)種。 3) 智能化 智能化是 21 世紀(jì)制造技術(shù)發(fā)展的一個大方向。智能加工是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、 模糊控制、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和理論的加工，它是要在加

18、工過程中模擬人類專家的智能活 動，以解決加工過程許多不確定性的、要由人工干預(yù)才能解決的問題。 智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面： (1)為追求加工效率和加工質(zhì)量的智能化，如自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成； (2)為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、 自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等； (3)簡化編程、簡化操作的智能化，如智能化的自動編程，智能化的人機(jī)界面等； (4)智能診斷、智能監(jiān)控，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 4) 高精度 在機(jī)械加工高精度的要求下，普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10m 提高到 5m ；精密級加工中心的加工精度則從 35m，提高到11.5

19、m ，甚至更高； 超精密加工精度進(jìn)入納米級(0.001 微米) ，主軸回轉(zhuǎn)精度要求達(dá)到 0.010.05 微米， 加工圓度為 0.1 微米，加工表面粗糙度 Ra=0.003 微米等。這些機(jī)床一般都采用矢量控制 的變頻驅(qū)動電主軸(電機(jī)與主軸一體化)，主軸徑向跳動小于 2m ，軸向竄動小于 1m ，軸系不平衡度達(dá)到 G0.4 級。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 4 5) 高可靠性 隨著數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造商和 數(shù)控機(jī)床制造商追求的目標(biāo)。 6) 柔性化 柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制 造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進(jìn)制造領(lǐng)域

20、的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點(diǎn)是以提高系統(tǒng)的可靠性、實(shí) 用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)；注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開拓、完善；CNC 單機(jī)向 高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展；數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與 CAD、CAM、CAPP、MTS 聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方 向發(fā)展。 1.2 C6132 車床簡介 臥式車床 1-主軸箱，2-卡盤，3-刀架，4-后頂尖，5-尾座，6-床身，7-光杠，8-絲杠， 9-床鞍，10-底座，11-進(jìn)給箱 C6132 車床的組成部分及其功用： C6132 車床由床身、主軸箱、變速箱、進(jìn)給箱、光桿、絲桿、溜板箱、刀架、床腿和 尾架等部分組成。

21、1床身：是車床的基礎(chǔ)零件，用來支承和安裝車床的各部件，保證其相對位置，如床 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5 頭箱、進(jìn)給箱、溜板箱等。床身具有足夠的剛度和強(qiáng)度，床身表面精度很高，以保證各 部件之間有正確的相對位置。床身上有四條平行的導(dǎo)軌，供大拖板（刀架）和尾架相對 于床頭箱進(jìn)行正確的移動，為了保持床身表面精度，在操作車床中應(yīng)注意維護(hù)保養(yǎng)。 2床頭箱（主軸箱）：用以支承主軸并使之旋轉(zhuǎn)。主軸為空心結(jié)構(gòu)。其前端外錐面安 裝三爪卡盤等附件來夾持工件，前端內(nèi)錐面用來安裝頂尖，細(xì)長孔可穿入長棒料。C6132 車床主軸箱內(nèi)只有一級變速，其主軸變速機(jī)構(gòu)安放在遠(yuǎn)離主軸的單獨(dú)變速箱中，以減小 變速箱中的傳動件產(chǎn)生的振

22、動和熱量對主軸的影響。 3變速箱：由電動機(jī)帶動變速箱內(nèi)的齒輪軸轉(zhuǎn)動，通過改變變速箱內(nèi)的齒輪搭配（嚙 合）位置，得到不同的轉(zhuǎn)速，然后通過皮帶輪傳動把運(yùn)動傳給主軸。 4進(jìn)給箱 又稱走刀箱，內(nèi)裝進(jìn)給運(yùn)動的變速齒輪，可調(diào)整進(jìn)給量和螺距，并將運(yùn)動 傳至光桿或絲桿。 5光桿、絲桿：將進(jìn)給箱的運(yùn)動傳給溜板箱。光桿用于一般車削的自動進(jìn)給，不能用 于車削螺紋。絲桿用于車削螺紋。 6溜板箱：又稱拖板箱，與刀架相聯(lián)，是車床進(jìn)給運(yùn)動的操縱箱。它可將光桿傳來的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)檐嚨兜目v向或橫向的直線進(jìn)給運(yùn)動；可將絲桿傳來的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過“對 開螺母”直接變?yōu)檐嚨兜目v向移動，用以車削螺紋。 7刀架：用來夾持車刀并使其作縱向、

23、橫向或斜向進(jìn)給運(yùn)動。它包括以下各部分。 （1）大拖板（大刀架、縱溜板） 與溜板箱連接，帶動車刀沿床身導(dǎo)軌縱向移動， 其上面有橫向?qū)к墶?（2）中溜板（橫刀架、橫溜板） 它可沿大拖板上的導(dǎo)軌橫向移動，用于橫向車削 工件及控制切削深度。 （3）轉(zhuǎn)盤 它與中溜板用螺釘緊固，松開螺釘，便可在水平面上旋轉(zhuǎn)任意角度，其 上有小刀架的導(dǎo)軌。 （4）小刀架（小拖板、小溜板） 它控制長度方向的微量切削，可沿轉(zhuǎn)盤上面的導(dǎo) 軌作短距離移動，將轉(zhuǎn)盤偏轉(zhuǎn)若干角度后，小刀架作斜向進(jìn)給，可以車削圓錐體。 （5）方刀架 它固定在小刀架上，可同時安裝四把車刀，松開手柄即可轉(zhuǎn)動方刀架， 把所需要的車刀轉(zhuǎn)到工作位置上。 8.尾架：

24、安裝在床身導(dǎo)軌上。在尾架的套筒內(nèi)安裝頂尖，支承工件；也可安裝鉆頭、 鉸刀等刀具，在工件上進(jìn)行孔加工；將尾架偏移，還可用來車削圓錐體，使用尾架時注 意： （1）用頂尖裝夾工件時，必須將固定位置的長手柄扳緊，尾架套筒鎖 緊。 （2）尾架套筒伸出長度，一般不超過 100mm。 （3）一般情況下尾架的位置與床身端 部平齊，在搖動拖板時嚴(yán)防尾架從床身上落下，造成事故。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 6 1.3 普通車床數(shù)控化改造的必要性 隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量的不斷提高，產(chǎn)品的更新 換代和不斷加快。因此，對機(jī)床不僅要求具有較高的精度和生產(chǎn)率，還要能迅速的適應(yīng) 產(chǎn)品零件的變換，生產(chǎn)

25、的需要，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)。近年來，加快了數(shù)控機(jī)床技術(shù) 的引進(jìn)，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)，各大企業(yè)不斷的購進(jìn)數(shù)控機(jī)床，擴(kuò)大再生產(chǎn)和替換陳 舊設(shè)備，所以，機(jī)床數(shù)控化改造有其歷史的必然性和優(yōu)點(diǎn)。 數(shù)控機(jī)床可以較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批及多變零件的加工問題、能夠穩(wěn)定 加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，但是數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用也受到其它條件的限制。 （1）數(shù)控機(jī)床價格昂貴。一次性投資巨大，對中小企業(yè)常是心有余而力不足。 （2）目前是，各企業(yè)都有大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控替換根本不可能，而且替代 下的機(jī)床閑置起來又會造成浪費(fèi)。 （3）在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)急需。 （4）通用數(shù)控機(jī)床對

26、具體生產(chǎn)有多余功能。 要較好地解決上述問題，應(yīng)走普通機(jī)床數(shù)控改造之路，在國外已發(fā)展成為一個新興 的工業(yè)部門，早 60 年代已經(jīng)開始迅速發(fā)展，并有專門企業(yè)經(jīng)營這門業(yè)務(wù)。從美 國。日 本等工業(yè)化國家的經(jīng)驗(yàn)看，機(jī)床的數(shù)控改造也心不可少，數(shù)控改造機(jī)床占有較大比例。 如日本的大企業(yè)中有 26%的機(jī)床經(jīng)過數(shù)控改造，中小企業(yè)則是 74%，在美國有許多數(shù)控專 業(yè)化公司為世界各地提供數(shù)控改造業(yè)務(wù)。我國是擁有 300 多萬臺機(jī)床的國家，而這些機(jī) 床又大量是多年累積生產(chǎn)的通用機(jī)床，自動化程度低，要在近幾年內(nèi)用自動和精密設(shè)備 更新現(xiàn)有機(jī)床，不論是資金還是我國機(jī)床制造廠的能力都是辦不到的，因此，普通機(jī)床 的數(shù)控改造，大

27、有可為。它適合我國的經(jīng)濟(jì)水平。 數(shù)控機(jī)床改造一般是指對普通機(jī)床某些部位做一定的改造，配上數(shù)控裝置，從而使 機(jī)床具有數(shù)控加能力。其改造的優(yōu)點(diǎn)有： （1）從提高資本出發(fā)，必造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機(jī)床的原有功能改造后的新增功能， 提高機(jī)床的使用價值。 （2）適應(yīng)多品種，小批量零件生產(chǎn)。 （3）自動化程度高，專業(yè)性繢，工精度高，生產(chǎn)效率高。 (4）降低對工人技術(shù)水平的要求。 (5）數(shù)控改造的費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)性好。 (6）數(shù)控改造的財期短，可滿足生產(chǎn)急需。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 7 第第 2 2 章章 C C6 61 13 32 2 車車床床的的改改造造 利用微機(jī)改造現(xiàn)有的普通車床，主要應(yīng)該解決的問題是如何

28、將機(jī)械傳動進(jìn)給和手 工控制的刀架轉(zhuǎn)位改造成由計算機(jī)控制的刀架自動轉(zhuǎn)位以及自動進(jìn)給的自動加工車床， 即經(jīng)濟(jì)性數(shù)控車床。 2.1 總體方案設(shè)計的內(nèi)容 接到一個數(shù)控裝置的設(shè)計任務(wù)后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才 能決定各種設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)，然后再分機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行設(shè)計計算。 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定，伺服系統(tǒng)的 選擇，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，計算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。 一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出方案，進(jìn)行綜合分析，比較和論證，最后確定總方 案。 2.1.1 設(shè)計任務(wù) 本設(shè)計任務(wù)是對 C6132 普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造。利用微機(jī)對縱向進(jìn)給系

29、統(tǒng)進(jìn)行半 閉環(huán)控制，縱向快速運(yùn)動速度為 3m/min，縱向脈沖當(dāng)量為 0.01，最大加工工件直徑 320mm,最大加工工件長度 720mm。機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠的典型傳動 方式。 2.1.2 系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)，點(diǎn)位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工 件相對于刀具移動過程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。如數(shù)控鉆床。 如果要求工作臺或刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動具有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng) 具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運(yùn)動的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機(jī)床可以加 工各種外形輪廓復(fù)雜的零件。數(shù)控車床就采用此種運(yùn)動方式。同時它也具有點(diǎn)位系統(tǒng)的

30、 功能。 2.1.3 伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 在普通機(jī)床的數(shù)控化改造中一般采用步進(jìn)電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)。交流伺服電動 機(jī)調(diào)速方便，體積小，目前廣泛用于數(shù)控機(jī)床的傳動系統(tǒng)。與步進(jìn)電動機(jī)相比，其精度 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 8 高、價格昂貴，考慮到改造本身是經(jīng)濟(jì)型改造，因此一般選用步進(jìn)電動機(jī)作為驅(qū)動裝置。 車床步進(jìn)電動機(jī)采用脈沖數(shù)字信號進(jìn)行控制，每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)步距誤差自動變?yōu)榱悖芊奖愕?實(shí)現(xiàn)調(diào)速以及定位，改變各相繞組的接通次序即可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，易于控制，且價格低廉， 數(shù)控車床上大多使用反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。在需要快速移動大距離的條件下，應(yīng)選擇轉(zhuǎn)動 慣量

31、小、運(yùn)行頻率高、價格較低的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。 經(jīng)過全面考慮，在C6132的數(shù)控化改造中，選用反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)作為縱向進(jìn)給驅(qū)動。 理由是：該系統(tǒng)控制方便，由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放 大后，使步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖 的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可以控制執(zhí)行部件運(yùn)動的位移量、速度和運(yùn)動方向。該 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易維修，性價比高；考慮改造后的C6132機(jī)床精度要求(數(shù)控化改造后縱 向精度為0.01mm步)，加工精度要求不算太高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，車床故選擇 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 2.1.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動方式的確定

32、為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計機(jī)械傳動裝置時，通常提出低摩 擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計中應(yīng)考慮以下 幾點(diǎn)： 1）盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副。 2）盡量消除傳動間隙。如采用消隙齒輪。 3）提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差。 2.1.5 計算機(jī)的選擇 微機(jī)控制系統(tǒng)由CPU、存儲擴(kuò)展電路I/O接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動電路、檢測電路等 幾部分組成。 根據(jù)機(jī)床要求，采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好、功 能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價格比等特點(diǎn)，決定采用

33、MCS-51系列的 8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、1/0接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放 大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用兩排數(shù)碼管 顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 2.2 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計計算 2.2.1 總方案確定 機(jī)械部分的改造，在原機(jī)床的基礎(chǔ)上，去掉掛輪箱(保留三星齒輪)、進(jìn)給箱、溜板 箱、刀架部分，保留大拖板、中拖板。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 9 為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的 傳動 精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為提高傳動剛度和 消除間

34、隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 圖1-1改后進(jìn)給示意圖 5-絲杠，6-聯(lián)軸器，7-消隙齒輪，8-步進(jìn)電機(jī) 縱、橫向絲杠的改造去掉機(jī)床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)，安裝上滾珠絲杠、減速器接口、步 進(jìn)電動機(jī)。這類小型機(jī)床在中間設(shè)置一級傳動結(jié)構(gòu)的目的是提高伺服電動機(jī)的使用壽命。 對于瞬時性的快速起、停起到一定的緩沖作用。系統(tǒng)總體方案框圖見圖 1-2。 圖1-2 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床總體方案框圖 2.2.2 計算 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計比較簡單，一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動滾 珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖 板連接起來，以保證其同軸度

35、，提高傳動精度 其主要設(shè)計參數(shù)如下： 加工最大直徑: 在床面上 320mm 在床鞍上 160mm 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 10 加工最大長度: 750mm 溜板及刀架重力: 縱向 800N 刀架快速速度: 縱向 3m/min 脈沖當(dāng)量： 縱向 0.01mm 主電機(jī)功率: 4KW 起動加速時間: 30ms 機(jī)床定位精度: 0.015mm 2.2.2.1 切削力計算 1.縱車外圓 主切削力（N）按經(jīng)驗(yàn)公式估算： Z F =0.67 = 0.67=3835 Z F 5 . 1 max D .51 320 按切削各分力比例: Fz:Fx:Fy = 1:0.25:0.4 Fx=38250.25=959

36、 Fy=38350.4=1534 2.橫切端面 主切削力（N）可取縱切的 Z F 2 1 = Z F 1918 2 1 Z F 此時走刀抗力為（N）,吃刀抗力為（N） 。仍按上述比例粗略計算： y F x F ：=1:0.25:0.4 Z F y F x F =19180.25=479 y F =19180.4=767 x F 2.2.2.2 滾珠絲杠計算： 1.計算綜合導(dǎo)軌車床絲杠軸向力 P=K+ f(+W) X F Z F K 考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，一般取 K=1.15 橫向切削分力； X F 垂直切削分力； z F f 導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，f=0.150.18，取 f=0.16 北華

37、航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 11 W 工作臺作用在導(dǎo)軌上的重力，W =800N 則 P=1.15959+0.16(3835+800)=1844N 2.計算最大動負(fù)載： Hwf PfLC 3 6 60 10 nT L 0 1000 n L vS 滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=6mm; 0 L 0 L 最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的（1/2-1/3） ，此處 S v =1.5m/min S v T 使用壽命，數(shù)控機(jī)床及一般機(jī)電設(shè)備取 T=15000h； 載荷系數(shù)，平衡或輕度沖擊取 1.01.2；中等沖擊取 1.21.5；較大沖擊或 w f 振動取 1.52.5；現(xiàn)取=1.2； w f 滾珠絲杠副的壽命

38、，單位為 r;L 6 10 硬度系數(shù)，58HRC 時，取 1.0；等于 55HRC 時，取 1.11；等于 52HRC 時，取 H f 1.35；等于 50HRC 時，取 1.56；等于 45HRC 時，取 2.4；現(xiàn)取=1.0； H f P滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為 N。 =250r/min 0 1000 n L vS 6 1.51000 225 10 1500025060 10 n60 66 T L =13458.7N Hwf PfLC 3 1.211844225 3 由最大動負(fù)載 C 的值，查表選用滾珠絲桿螺母副的型號為型，墊片調(diào)整預(yù)2506 1D W 緊，其額定動載荷為 1540

39、0N。 滾珠絲桿螺母幾何參數(shù)計算如下： 表 2-1 滾珠絲杠螺母幾何參數(shù)表 名稱符號計算公式和結(jié)果/mm 公稱直徑d025 螺距p6 接觸角45 0 螺紋滾道 鋼球直徑 w D3.969 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 12 螺紋滾道法向半徑R=2.064 w DR52 . 0 偏心距e =0.056sin2/ w DRe 螺紋升角 =3.65 0 arctan d p 螺桿大徑 d d =d-0.2=24.21 0w D 螺桿小徑 d1d = d+2e-2R=20.67 10螺桿 螺桿接觸點(diǎn)直徑 K d= d- cos=24 K d 0w D 螺母凸緣外徑 3 D 72 螺母 螺母配合外徑 D58

40、 3.效率計算：根據(jù)機(jī)械原理的公式 ，絲杠螺母副的傳動效率 為： () tg tg 摩擦角取滾動摩擦系數(shù) 0.0030.004 0 1 螺旋升角 =0.95 () tg tg )0173tan( 7tan3 4剛度計算： 滾珠絲杠副的軸向變形將引起滾珠絲杠的導(dǎo)程發(fā)生變化，直接影響定位精度和運(yùn)動 的平穩(wěn)性。 滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程的變化量 0 PL l EF 式中“+”號用于拉伸， “-”號用于壓縮； P 滾珠絲杠的最大工作載荷，單位為 N； L 滾珠絲桿導(dǎo)程，單位為 mm； 0 E 材料彈性模數(shù)， 62 20.6 10/EN cm F 滾珠絲杠按底徑計算的截面積，單位為； 1 d

41、2 mm 滾珠絲杠機(jī)械回徎 2 4.85 ( )()18.5 22 d F 則 6 0 6 970 0.8 2.04 10 20.6 1018.4745 PL lcm EF 滾珠絲杠受扭轉(zhuǎn)引起的導(dǎo)程變化量 很小 2 l 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 13 總誤差muml L /55 . 2 102551004 . 2 8 . 0 100100 66 0 查表知 C 級精度絲杠允許的螺距誤差為 54m/m 剛度足夠 5.穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需作穩(wěn)定性校核。 2.2.2.3 齒輪及轉(zhuǎn)距有關(guān)計算 因?yàn)椴骄嘟?0.75，滾珠絲杠螺距=6mm，要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量=0.01，則應(yīng)

42、在步 0 L p 進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠之間加一級齒輪降速傳動，降速傳動比為： 傳動比8 . 0 675 . 0 01 . 0 360 360 0 L i b p 選定齒輪齒數(shù) Z1=32 Z2=40 或 Z1=20 Z2=25 故可取模數(shù) m=2mm =20 因傳遞的扭矩較小，取模數(shù) m=2,齒輪有關(guān)尺寸如下表： 表 2-2 齒輪參數(shù)表 名稱關(guān)系式小齒輪大齒輪 齒數(shù)Z 2025 壓力角 20 20 分度圓直徑d=mz 4050 齒頂圓直徑mhzd aa )2( * 4454 齒根圓直徑 mchzd af )22( * 3545 標(biāo)準(zhǔn)中心距2)( 21 zzma 45 注：表中，為齒頂高系數(shù)（=1）

43、 ；為頂隙系數(shù)（=0.25） 。 * a h * c 2.2.2.4 步進(jìn)電機(jī)的計算和選型 1.轉(zhuǎn)動慣量計算 工作臺質(zhì)量折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量 222 1 .468 . 0 800) 75 . 0 01 . 0 180 () 180 (cmNW P J 絲杠轉(zhuǎn)動慣量： 44442 1 7.8 107.8 104.8543.16 .jD LcmN cm 絲 齒輪轉(zhuǎn)動慣量： 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 14 244 1 .828 . 0 28 . 4108 . 7cmNJL 244 2 .36 . 9 28 . 8108 . 7cmNJL 電動機(jī)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動慣量很小可以忽略 因此，總的轉(zhuǎn)動慣量 cm

44、NJJJJ i J LL .128.20468 . 0 828 . 0 )36 . 9 16.43( 67 . 1 1 )( 1 2 112 2 絲 2.所需轉(zhuǎn)動力矩計算： 快速空載啟動時所需力矩 M=Mamax+Mf+Mt 式中 Mamax快速空載時折算到電動機(jī)軸上的最大加速力矩 Mf-折算到電動機(jī)軸的摩擦力矩 Mt-絲杠預(yù)緊時折算到電動機(jī)軸上的附加摩擦力矩 最大切削負(fù)載時所需力矩 M=Mat+Mf+M0+Mt Mat電機(jī)軸上的加速度力矩 快速進(jìn)給時所需的力矩 M=Mf+M0 式中 Mamax-空載 max max 2 60 a n MJ T T=30ms 當(dāng) n=n 時 Ma=Mat t

45、V=100 D=88 00 1000 1000 100 0.3 1.67 22.65 /min 8 3.14 88 t V fi n fi D nr LL 主 2 20.128 22.65 101.583.15.83 . 9.69.6 0.003 at Jn Mkgf cmN cm T 000 () 22 z f F LfPW L M ii W=800N =0.8 f=0.16 cmNM f . 8 . 296 167 . 0 8 . 02 8 . 0)800664.1145(16 . 0 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 15 2 000 0 (1) 2 P L M i 當(dāng)時預(yù)加載荷則 0 0.9

46、0 1 3 PFx cmNcmkgf i FxL .58.34.458 . 3 67 . 1 8 . 02 )9 . 01 (8 . 0832.572 3 1 2 1 3 1 M 22 00 0 cmkgf i FxL Mt. 6 . 54 67 . 1 8 . 02 8 . 032.578 2 0 所以快速空載時所需力矩 M=Mamax+Mf+M0=234.7+296.7+34.58=565.98N.cm 起 切削時所需力矩 M快=Mat+Mf+M0+Mt=15.83+296.7+34.58+54.6=401.7N.cm 快速移動時 F 需力矩 M切=Mf+M0=296.7+34.58=33

47、1.28N.cm 從上面計算可得：M起 M快，M切三種情況下，以快速空載起動所需力矩最大 以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù) 從國產(chǎn) BF 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)表查出 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十序時 =0.951 max M M 起 cmN M .14.595 951 . 0 98.565 M max 起 3.電機(jī)的選擇 由機(jī)床設(shè)計手冊查得 110BF003 型最大靜轉(zhuǎn)矩為 800N.M，大于所需靜轉(zhuǎn)矩 計算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率和切削時工作頻率 Hz p V fk5000 01 . 0 60 31000 60 1000 max Hz p Vs fe2000 01 . 0 60 2 . 11000 60 1

48、000 由手冊查得：110BF003 型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動頻率為 1500HZ，運(yùn)行頻率為 7000HZ，步進(jìn)電機(jī)啟動時頻率不能滿足要求，此項(xiàng)指標(biāo)可暫不考慮，可以采用軟件開降 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 16 速程序來解決。當(dāng)快速切削進(jìn)給時，能滿足要求 110BF003 型步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)如下： 相數(shù)：3 步距角：0.75/1.5 度 電壓：80V 相電流：6A 最大靜轉(zhuǎn)矩：800N.cm 最高空載啟動頻率：1500Hz 運(yùn)行頻率：7000Hz 線圈電阻：0.37 分配方式：三相六拍 重量：6Kg 外形尺寸：160110 軸徑： 11 2.2.3 設(shè)計繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械裝配圖 縱向進(jìn)

49、給機(jī)構(gòu)改造時拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱及絲杠,將步進(jìn)電機(jī)減速齒輪箱安裝在原機(jī) 床的尾端,滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置, 兩端仍采用原固定方式,這樣可以減小改裝 工作量，并由于滾珠絲杠的磨擦系數(shù)小于原絲杠,從而使縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)整體剛度增大。為 了便于安裝滾珠絲杠副，絲杠軸不是整體的，而是分移式的，用套筒剛性聯(lián)接。采用一 級齒輪減速。 圖2-1縱向進(jìn)給系統(tǒng)計算簡圖 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 17 第 3 章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 3.1 單片微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容 當(dāng)前，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)中廣泛采用美國Intel公同的MCS-51系列單片計 算機(jī)，因此本章著重介紹用MCS-51系列單片微機(jī)構(gòu)

50、成的控制系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容、方法及步 驟。單片微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計包括以下幾部分內(nèi)容: 3.1.1 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)電氣 控制的結(jié)構(gòu)框圖。 數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才 能有效地運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。 機(jī)床硬件電路由以下五部分組成。 (1)主控制器，即中央處理單元CPU。 (2)總線。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。 (3)存儲器。包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。 (4)接口：即1/0輸入/輸出接口電路。 (5)外圍設(shè)備。如鍵盤、顯示器及光電輸入機(jī)

51、等。 RAM ROM CPU I/O 接口 口 光電 隔離 功率 放大器 步進(jìn) 電機(jī) 外設(shè) 鍵盤，顯示器及其他 圖3-1 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 18 3.1.2 選擇中央處理單元 CPU 的類型 在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素: (1)時鐘頻率和字長，這個指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度。 (2)可擴(kuò)展存儲器(包括ROM和RAM)的容量。 (3)指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性。 (4)1/0口擴(kuò)展的能力，即對外設(shè)控制的能力。 (5)開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。 此外還要考慮到系統(tǒng)應(yīng)用場合、控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟(jì)價格比等經(jīng) 濟(jì)性的要求。 目前

52、在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，推薦采用MCS-51系列單片微機(jī)作為主控制器。 3.1.3 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計應(yīng)該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。程序存儲器主要 用于儲存數(shù)控系統(tǒng)程序，而數(shù)據(jù)存儲器用于存放用戶加工程序，為保護(hù)用戶加工程序， 數(shù)據(jù)存儲器必須有掉電保護(hù)功能。 在選擇存儲器芯片時，要考慮CPU與存儲器時序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、 工作溫度及存儲器的容量等問題。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量一 般在64K左右。 在存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計中還應(yīng)包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計。 3.1.4 輸入/輸出接口電路設(shè)計 應(yīng)包括接口芯片的選用，步進(jìn)電機(jī)控制電路，鍵盤顯示

53、電路以及其他輔助電路的 設(shè)計，例如復(fù)位電路，越界報警電路，掉電保護(hù)電路等。 此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設(shè)，這些部分的電路設(shè)計也應(yīng)包括。 3.2 MCS-51 系列單片機(jī)簡介 MCS-51 系列單片機(jī)是美國 intel 公司推出的，它的集成度很高，是集片內(nèi)存儲器、 片內(nèi)輸入/輸出部件和 CPU 于一體的優(yōu)良的單片機(jī)系統(tǒng),在我國廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī) 床. MCS-51 系列單片機(jī)主要型號有 8031、8051 和 8751。三種型號的引腳完全相同， 僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有一定的差異。由于 8031 片內(nèi)無 ROM ，適用于可在現(xiàn)場修改和更新程 序存儲器的應(yīng)用場合，由于其價格低，使用靈活，故

54、其非常適合在中國使用。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 19 3.2.1 8031 單片機(jī)的基本特性 8031 單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： （1）具有功能很輕強(qiáng)的 8 位中央處理單元（CPU） 。 （2）片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路(6MHz 或 12MHz)、每執(zhí)行一條指令的時間為 2s 或 1s。 （3）片內(nèi)具有 128 字節(jié) RAM。 （4）具有 21 個特殊存儲器。 （5）可擴(kuò)展 64K 字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和 64K 字節(jié)的外部程序存儲器。 （6） 具有 4 個 I/O 口，32 根 I/O 線。 （7）具有 2 個 16 位定時器/計數(shù)器。 （8）具有 5 個中斷源，配備兩個中斷優(yōu)先級 （9）具有一個全

55、雙功串行接口。 （10）具有位尋址能力，適合邏輯運(yùn)算。 3.2.2 8031 芯片引腳及功能 8031 芯片具有 40 根引腳，其引腳如圖 3-2 所示。 圖 3-2 8031 引腳及其功能 40 根引腳按其功能可分為四類： 1. 電源線 2 根 Vcc: 編程和正常操作時的電源電壓，接+5V。 Vss: 低電平 2晶振 2 根 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 20 XTAL1： 振蕩器的反向放大器輸入，使用外部振蕩器時必須接地。 XTAL2： 振蕩器的反向放大輸出和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。當(dāng)使用外部振蕩器是用于輸 入外部振蕩信號。 3. I/O 口共有 P0，P1，P2，P3 四個 8 位口，32

56、根 I/O 線，其功能如下： （1）P0.0P0.7 (AD0AD7) 是 I/O 端口的 O 引腳。端口 O 是一個 8 位漏極開路 的雙向 I/O 端口。在存取外部存儲器時，該端口分時的用作低 8 位的地址線和 8 位雙向的數(shù)據(jù)端口。 （2）P1.0P1.7 端口 1 的引腳，是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 通道， 專供用戶使用。 （3）P2.0P2.7 (A8A15) 端口 2 的引腳。端口 2 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，在訪問外部存儲器時，它輸出高 8 位地址 A8A15。 （4）P3.0P3.7 端口 3 的引腳，端口 3 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8

57、 位雙向 I/O 口，該口的每一位均可獨(dú)立的定義第一 I/O 口功能或第二 I/O 口功能。作為第 一功能使用時，口的結(jié)構(gòu)與操作與 P1 口完全相同，第二功能如下示： 口引腳 第二功能 P3.0 RxD （串行輸入口） P3.1 TxD（串行輸出口） P3.2 INTo（外部中斷） P3.3 INT1（外部中斷） P3.4 T0 （定時器 0 外部輸入） P3.5 T1 （定時器 0 外部輸入） P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 4. 控制線 （1）程序存儲的使能引腳，是外部存儲器的讀選通信號，低電平有效。從NESP 外部存儲器讀數(shù)時，在每個機(jī)器

58、周期內(nèi)兩次有效。 （2）:為高電平時，CPU 執(zhí)行內(nèi)部存儲器的指令。為低電平時， PP VAE/AEAE CPU 僅執(zhí)行外部程序存儲器的指令。因 8031 芯片沒有內(nèi)部存儲器，故必須接地。AE （3）:ALE 是地址所存使能信號。作為地址所存時高電平有效。GORPALE/ （4）:是復(fù)位/備用電源端。在振蕩器運(yùn)行時，使 RST 引腳至少保持兩個 PD VRST / 機(jī)器周期為高電平，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，復(fù)位后程序計數(shù)器清零，即程序從 0000H 單 元開始執(zhí)行。在關(guān)斷前加上掉電保護(hù)，RAM 的內(nèi)容將不變。 CC V 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 21 3.2.3 定時器/計數(shù)器 MCS-51 系列單片

59、機(jī)提供兩個 16 位可編程的定時器/計數(shù)器，即 T0 和 T1。它們用來 作定時器或外部數(shù)據(jù)計數(shù)器。 定時/計數(shù)器的核心是一個+1 計數(shù)器，加 1 計數(shù)器脈沖有兩個來源，一個是外部脈 沖源，一個是系統(tǒng)的時鐘振蕩器。計數(shù)器對兩個脈沖源之一進(jìn)行輸入計數(shù)，每輸入一個 脈沖，計數(shù)值+1，當(dāng)計數(shù)到計數(shù)器全為 1 時，再輸入一個脈沖就使計數(shù)值回零，同時從 最高位溢出一個脈沖，并使特殊寄存器 TCON 中的溢出中斷標(biāo)志置 1。如定時/計數(shù)器工 作于定時狀態(tài)，則表示定時的時間到，若工作在計數(shù)狀態(tài)，則表示計數(shù)回零。所以加 1 計數(shù)器的基本功能是對輸入脈沖進(jìn)行計數(shù)，至于其工作于定時還是計數(shù)狀態(tài)，則取決于 外接什么

60、樣的脈沖源。當(dāng)脈沖源為時鐘振蕩器時，為定時功能；當(dāng)脈沖源為間隔不等的 外部脈沖發(fā)生器時，此時為計數(shù)功能。 3.3 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計 MCS-51 系列單片機(jī)的特點(diǎn)之一是硬件設(shè)計簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對于簡單的應(yīng)用場 合，它的最小系統(tǒng)用一片 8031 外擴(kuò)一片 EPROM 就能滿足功能的要求，對于復(fù)雜的應(yīng)用場 合，可利用 MCS-51 的擴(kuò)展功能，構(gòu)成功能強(qiáng)、規(guī)模較大的系統(tǒng)。 3.3.1 8031 與 EPROM 的連接 圖 3-3 8031 與外部 EPROM 的一般連接方法 如圖所示，EPROM 低 8 位地址線 A0A7 經(jīng)地址鎖存器與 8031 的 P0 口相連，高 8 位 地址線直接

61、A8A15 直接與 8031 的 P2 口相連。由于 8031 的 P0 口是分時輸出低 8 位地址 和數(shù)據(jù)，故要外接地址鎖存器。如外接存儲器芯片片內(nèi)有地址鎖存器，則單片機(jī) CPU 的 P0 口可與存儲器的低 8 位地址線直接連接。單片機(jī)的 P2 口用于高位地址線及片選地址 線，由于 P2 口輸出具有所存功能，故不必加地址所存器。其余端連接如圖所示. 3.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 由于 8031 芯片內(nèi)部 RAM 只有 128 字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要，需擴(kuò)展片外的數(shù) 據(jù)存儲器 RAM。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 22 單片機(jī) CPU 與數(shù)據(jù)存儲器的連接方法和程序存儲器連接方法大致相同。唯

62、控制線的 連接不同：RAM 讀輸入信號與 8031 芯片的引腳相連；RAM 的寫輸入信號EO)( .73 PDR 與 8031 芯片相連。EW)( .63 PRW 3.4 I/O 接口電路及輔助電路設(shè)計 CPU工作原理、存儲器擴(kuò)展、接口芯片等內(nèi)容再教材中一有介紹，下面僅就與數(shù)控有 關(guān)的接口設(shè)計作一介紹： 3.4.1 顯示功能設(shè)計 在數(shù)控系統(tǒng)中，為了與用戶進(jìn)行信息交流，必須具備顯示功能；數(shù)控系統(tǒng)中使用的 顯示器主要有LED(發(fā)光二極管顯示器)和LCD(液晶顯示器)，也有采用CRT接口顯示方式。 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，以使用LED顯示為主；LED顯示器通常它是由八個發(fā)光二極管組成的， 當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通

63、時，相應(yīng)的一個點(diǎn)或一個筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就 能顯示出各種字符。常用的七段顯示器有兩種結(jié)構(gòu)。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為 共陽極顯示器，陰極連在一起的稱有共陰極顯示器。 在相關(guān)課程中，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了LED顯示器的原理和接口電路；對數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計來說，主 要是根據(jù)需要顯示的內(nèi)容，確定LED的類型、行數(shù)和每行位數(shù)：例如，為了顯示X,Y坐標(biāo) 符號、正負(fù)號，就必須選者米字型LED，顯示數(shù)字使用字符型LED；LED的個數(shù)確定與顯示 內(nèi)容，特別是工作行程長度，最小單位等有關(guān)。 3.4.2 鍵盤輸入功能設(shè)計 在數(shù)控系統(tǒng)中，鍵盤的主要功能是輸入、編輯用戶的加工程序，一般應(yīng)包括：字母 鍵、數(shù)字鍵

64、和必要的編輯、運(yùn)行鍵，如：X、Z、T、M、F、0-9、插入、冊除、啟動、停 止等。鍵的具體個數(shù)，需要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)要求來確定。 下圖為利用8155芯片實(shí)現(xiàn)鍵盤顯示器接口電路 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 23 圖3-4 鍵盤顯示器接口電路 3.4.3 步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動電路 通常在經(jīng)濟(jì)型數(shù)據(jù)機(jī)床中，大多數(shù)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與 電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn) 速。驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的脈沖需要按所要求的順序供給電機(jī)各相。脈形分配器就是實(shí)現(xiàn)步進(jìn) 電機(jī)各相脈沖通電順序的。為使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定功率，需要有足夠功率提 供給電動機(jī)，因此需要有功率放大環(huán)節(jié)。脈沖分配器及前面的微機(jī)及接口芯片，工作電 平一般為5V，而作為電動機(jī)電源的需符合步進(jìn)電機(jī)要求的額定電壓值。為避免強(qiáng)電對弱 電的干擾，在它們之間應(yīng)采用隔離電路。 （1）脈沖分配器 脈沖分配器又叫環(huán)形分配器，有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種。硬件環(huán)形 分配器需要的I/O接口接線數(shù)少，且執(zhí)行速度較快，但需要專用的芯片。軟件環(huán)形分配是 用程