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第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)與總體方案的確定 3 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 3 2.2 總體設(shè)計(jì)方案確定 3 第3章 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明 5 3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下 5 3.2 確定脈沖當(dāng)量 5 3.3 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 5 3.3.1 已知條件 5 3.3.2 切削力計(jì)算 6 3.3.3 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 6 3.3.4 齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算 8 3.4 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 10 3.4.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 3.4.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算 10 3.5 步進(jìn)電機(jī)的選擇 14 3.5.1 步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則 14 3.5.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 16 第4章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 18 4.1 繪制系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)框圖 18 4.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 4.2.1 8031單片機(jī)的基本特性 19 4.2.2 8031芯片引腳功能 19 4.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 20 4.3.1 8031與EPROM的連接 20 4.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 20 4.3.3 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 21 4.4 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計(jì) 21 4.4.1 I/O接口電路 21 4.4.2 輔助電路設(shè)計(jì) 22 4.5 繪制微機(jī)控制電路原理圖 24 4.5.1 控制系統(tǒng)的功能 24 4.5.2 采用軟件環(huán)形分配圖 24 4.5.3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的控制 24 4.5.4 螺紋加工控制 24 4.5.5 地址編碼 24 結(jié)論 26 參考文獻(xiàn) 27 致謝 28 第1章 緒論 1.1 課題背景 隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(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?lián)Q代也不斷加快，因此對機(jī)床不僅要求具有較高的精度和生長率，而且應(yīng)能迅速的適應(yīng)產(chǎn)品零件的變換。我國生產(chǎn)的需要促使了數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生，隨著電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控車床迅速發(fā)展起來。 我國目前機(jī)床總量380余萬臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺(tái)，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺(tái)，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。我國機(jī)床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 1.2 數(shù)控改造的必要性 數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力?？梢约庸こ鰝鹘y(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。 由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了“柔性自動(dòng)化”。 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人看管加工。 由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。 1.3 設(shè)計(jì)任務(wù) 本課題是將普通C616車床改造MCS－51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，縱向和橫向具有圓弧和直線插補(bǔ)功能，該車床有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，具有切削螺紋的功能。 1.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了論文的課題背景，數(shù)控改造的必要性以及設(shè)計(jì)任務(wù)。 第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)與總體方案的確定 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 本設(shè)計(jì)任務(wù)是對C616普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造。利用MCS－51系列單片機(jī)對縱向橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，縱向脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向脈沖當(dāng)量為0.005/脈沖，驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。 設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 最大加工直徑： 在床面上： 320mm 在床鞍上： 175mm 最大加工長度： 700mm 快進(jìn)速度： 縱向： 2.0m/min 橫向： 1.2m/min 最大切削進(jìn)給速度： 縱向： 0.5mm/min 橫向： 0.25mm/min 代碼制： ISO 脈沖分配方式： 逐點(diǎn)比較法 輸入方式： 增量，絕對值通用 控制坐標(biāo)數(shù)： 2 最小指令數(shù)： 縱向： 0.01mm/脈沖 橫向： 0.005mm/脈沖 刀具補(bǔ)償量： 0～99.99mm 進(jìn)給傳動(dòng)鏈間隙補(bǔ)償量： 縱向： 0.15mm 橫向： 2.5mm 自動(dòng)升降速性能： 有 2.2 總體設(shè)計(jì)方案確定 由于是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，所以在考慮具體方案時(shí)，基本原則是在滿足使用要求的前提下，對機(jī)床的改動(dòng)盡可能少，以降低成本。 因?yàn)楦脑旌筌嚧簿哂卸ㄎ?、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、順逆插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公制螺紋車削等加工功能，故應(yīng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 考慮到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。 因?yàn)镸CS－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)，性價(jià)比高等特點(diǎn)，決定采用MCS－51系列8031單片擴(kuò)展系統(tǒng)。 為保證一定的傳動(dòng)精度和平衡性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺旋副。 車床數(shù)控改造的總體方案見圖2－1： 圖2－1數(shù)控改造的總體方案示意圖 2.3 本章小結(jié) 本章主要介紹了C616的數(shù)控改造設(shè)計(jì)任務(wù)以及確定了整體設(shè)計(jì)方案。 第3章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下 溜板重量： 800N 刀架重量： 300N 刀架快進(jìn)速度： 縱向： 2m/min 橫向： 1.2m/min 最大進(jìn)給速度： 縱向： 0.5mm/min 橫向： 0.25mm/min 主電機(jī)功率： 7.5KW 啟動(dòng)加速時(shí)間： 26ms 機(jī)床定位精度： ±0.015mm 3.2 確定脈沖當(dāng)量 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量 縱向： 0.01mm/步 橫向： 0.005mm/步 3.3 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.3.1 已知條件 工作臺(tái)重量： W＝80kgf＝800N（根據(jù)圖紙粗略計(jì)算） 時(shí)間常數(shù)： T＝25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： ＝6mm 行程： S＝640mm 脈沖當(dāng)量： ＝0.01/step 步距角： ＝0.75°/step 快速進(jìn)給速度： ＝2m/min 3.3.2 切削力計(jì)算 由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》可知，切削功率 （3—1） 式中 N——電機(jī)功率，查機(jī)床說明書，N＝4kW ——主傳動(dòng)系統(tǒng)總功率，一般為0.6～0.7取 ＝0.65 K——進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取K＝0.96 則： 又因?yàn)? （3—2） 所以 （3—3） 式中v——切削線速度，取v＝100m/min 主切削力 由《金屬切削原理》可知，主切削力 （3—4） 查表得： ＝188kgf/＝1880MPa ＝1 ＝0.75 ＝1 則可計(jì)算如表3—1所示： 表3—1計(jì)算結(jié)果 ，mm 2 2 2 3 3 3 f ，mm 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 ，N 1125 1524 1891 1687 2287 2837 當(dāng)＝1520N時(shí)，切削深度＝2mm，走刀量＝0.3mm，以此參數(shù)做為下面計(jì)算的依據(jù)。 從《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》中可得知，在一般外圓車削時(shí)： ＝（0.1～0.6） ＝（0.15～0.7）（3—5） 取： ＝0.5＝0.5×1527.6＝763.8N ＝0.6＝0.6×1527.6＝916.5N 3.3.3 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 三角或綜合導(dǎo)軌機(jī)床的軸向力： （3—6） 式中 ＝1.15，=0.15~0.18,取為0.16 則 ＝1.15×763.8+0.16（1527.6+800） 3.3.3.1 強(qiáng)度計(jì)算 壽命值 （3—7） （3—8） 取工件直徑：D＝80mm，查表得 ＝15000h 則： 最大動(dòng)負(fù)載： （3—9） 查表得： 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) ＝1.2 硬度系數(shù)＝1 則 根據(jù)最大動(dòng)負(fù)荷Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào)。滾珠絲杠參照漢江機(jī)床廠的產(chǎn)品樣本選取系列，滾珠絲杠直徑選為，型號(hào)為32×6－5－，其額定動(dòng)載荷式10689N，所以強(qiáng)度夠用。 3.3.3.2 效率計(jì)算 根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： （3—10） 式中 摩擦角 螺旋升角 則 3.3.3.3 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量 （3—11） 式中 ＝6mm＝0.6cm 滾珠絲杠截面積 則 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略，即：＝。所以： 導(dǎo)程變形總誤差為 查表知E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差（1m長）為15，故剛度足夠 3.3.3.4 穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于機(jī)床原絲杠直徑為，現(xiàn)選用的滾珠絲杠的直徑為，支承方式不變，所以穩(wěn)定性不存在問題 3.3.4 齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算 3.3.4.1 有關(guān)齒輪的計(jì)算 傳動(dòng)比 故取 =32 =40 m=2mm b=20mm =20° 3.3.4.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略。 因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 3.3.4.3 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 （3—12） 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 （3—13） 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 （3—14） 式中 ——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩； ——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩； ——由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩； ——切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩； ——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。 當(dāng)時(shí) 當(dāng)時(shí) 當(dāng)＝0.8 ＝0.16時(shí) 當(dāng)＝0.9時(shí)預(yù)加載荷則： =0.0462N.m =0.7297N.m 所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩： 切削時(shí)所需力矩： 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩： 由以上分析計(jì)算可知： 所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí) 3.4 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.4.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較簡單，一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動(dòng)。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，提高傳動(dòng)精度。 3.4.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算 由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與縱向類似，所用到的公式不再詳細(xì)說明，只計(jì)算結(jié)果。 已知條件： 工作臺(tái)重 W＝300N 時(shí)間常數(shù) T＝25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程 ＝4mm左旋 行程 S＝190mm 脈沖當(dāng)量 ＝0.005mm/step 步距角 ＝0.75°/step 快速進(jìn)給速度 ＝1m/min 3.4.2.1 切削力計(jì)算 橫向進(jìn)給量為縱向的1/2～1/3，取1/2，則切削力約為縱向的1/2 在切斷工件時(shí)： 3.4.2.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 1.強(qiáng)度計(jì)算 對于燕尾型導(dǎo)軌： （3—15） 取 K＝1.4 f’＝0.2 則 壽命值 最大動(dòng)負(fù)載 根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào)。例如，滾珠絲杠參照漢江機(jī)床廠的產(chǎn)品樣本選取系列，滾珠絲杠公稱直徑為，型號(hào)為左，其額定負(fù)荷5393N，所以強(qiáng)度夠用。 2.效率計(jì)算 螺旋升角，摩擦角 則傳動(dòng)效率 3.剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略，即：所以，導(dǎo)程變形總誤差為 查表知E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差（1m長）為，故剛度足夠。 4.穩(wěn)定性計(jì)算 由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同而支承方式由原來的一端固定，一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不再驗(yàn)算。 3.4.2.3 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算 1.有關(guān)齒輪計(jì)算 (1) . 第一對齒輪 傳動(dòng)比 故取 (2) . 第二對齒輪 傳動(dòng)比 2.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 3.所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 所以，快速空載啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩 切削時(shí)所需力矩 快速進(jìn)給時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩 從以上計(jì)算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)， 3.5 步進(jìn)電機(jī)的選擇 3.5.1 步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則 合理選用步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇。現(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則介紹如下： 3.5.1.1 步距角 步距角應(yīng)滿足： （3—16） 式中 ——傳動(dòng)比； ——系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)不見的最小轉(zhuǎn)角。 3.5.1.2 精度 步進(jìn)電機(jī)的精度可用步距誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較使用。所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足 △Q≤i〔△Q〕 （3—17） 式中 △Q——步進(jìn)電機(jī)的積累誤差； 〔△Q〕——系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差。 3.5.1.3 轉(zhuǎn)矩 為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行（不失步、不越步），正常啟動(dòng)并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮： 1.啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 一般啟動(dòng)力矩選取為： （3—18） 式中 ——電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩； ——電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載力矩。 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)，啟動(dòng)力矩選取如表3—2所示。為步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，是步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中給出的，如表3—3所示。 2. 在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。 表3—2步進(jìn)電機(jī)相數(shù)、拍數(shù)、啟動(dòng)力矩表 運(yùn)行方式 相數(shù) 3 3 4 4 5 5 6 6 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 表3—3反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)指標(biāo) 型號(hào) 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 步距角，° 最 大 靜 轉(zhuǎn)矩，N·cm 最高空載啟動(dòng)頻率，step/s 運(yùn)行頻率， step/s 相數(shù) 電壓 ，V 相電流，A 110BF003 0.75/1.5 800 1500 7000 3 80 6 3.5.1.4 啟動(dòng)頻率 由于步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此相應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足： （3—19） 式中 ——極限啟動(dòng)頻率； ——要求步進(jìn)電機(jī)最高啟動(dòng)頻率。 3.5.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 3.5.2.1 C616縱向進(jìn)給電機(jī)的確定 為滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知：＝0.866 所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為： 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求。 3.5.2.2 C616橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的確定 電動(dòng)機(jī)仍選用三相六拍工作方式，查表知： 所以步進(jìn)電機(jī)選擇最大轉(zhuǎn)矩為： 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 綜合考慮，選用110BF003型直流步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求。 3.6 本章小結(jié) 本章主要介紹了縱向進(jìn)給系統(tǒng)和橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的選擇。 第4章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 4.1 繪制系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)框圖 任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由五部分組成。 1.處理單元CPU 2.總線：包括數(shù)據(jù)總線（DB），地址總線（AB）和控制總線（CB）。 3.存儲(chǔ)器：包括制度可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器。 4. I/O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)等。其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作。存儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O接口是系統(tǒng)和外界進(jìn)行信息交換的橋梁?？偩€則是CPU與存儲(chǔ)器、接口以及其他轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。 數(shù)控系統(tǒng)硬件如圖4—1： 圖4—1數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 由于MCS－51系列單片機(jī)在我國機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍，其配套芯片價(jià)廉，普及性、通用性強(qiáng)，制造和維修方便，完全可以滿足我國經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的需要。所以選用MCS-51系列單片機(jī)為控制裝置。 4.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) MCS—51系列單片機(jī)主要有三種型號(hào)的產(chǎn)品：8031、8051和8751。三種型號(hào)的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異。8031片內(nèi)無ROM，適用于需擴(kuò)展ROM，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場合，其價(jià)格低，使用靈活，非常適合在我國使用。此次設(shè)計(jì)使用的是8031芯片。見圖4—2。 4.2.1 8031單片機(jī)的基本特性 1. CPU為8位。 2.16根地址總線（與I/O線共用）,可直接尋址64KB（64KB程序存儲(chǔ)器，64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）。 3. 32根并行I/O線（分為4個(gè)8位I/O口）。 4. I/O端口和片外存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，I/O尋址靈活。 5. 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。 6. 片內(nèi)有128B。 7. 具有一個(gè)全雙工串行I/O。 8. 具有5個(gè)中斷源，配備兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。 9. 內(nèi)部有時(shí)鐘振蕩器。 10. 有一個(gè)一位布爾處理器，具有很強(qiáng)的布爾處理能力。 4.2.2 8031芯片引腳功能 8031芯片具有40根引腳，功能分四類： 4.2.2.1 電源線 電源線有2根。 ：編程和正常操作時(shí)的電源，接+5V。 ：接電平。 4.2.2.2 晶振 晶振：2根。 ：振蕩器的反向放大器接入，使用外部振蕩器時(shí)必須接入。 ：振蕩器輸入的反向放大器輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入，當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào)。 4.2.2.3 I/O口 I/O口共有四個(gè)8位口，32根口線，功能如下： 1. 口：雙向8位三態(tài)I/O口，與地址總線低8位分時(shí)工作。 2. 口：準(zhǔn)雙向通用I/O，帶上拉電路。在EPROM編程期間，用輸入低8位地址。 3. 口：準(zhǔn)雙向I/O，帶上拉電路。口可以作為通用的并行I/O使用，又可作為外部存儲(chǔ)器的地址總線（高8位）。當(dāng)CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，由口輸出高8位地址碼。 4. 口：準(zhǔn)雙向雙動(dòng)功能I/O口，其使用方法同口，帶上拉電路。 第一功能：作為通用I/O口。 第二功能： ——串行輸入口； ——串行輸出口； ——外部中斷0輸入線； ——外部中斷1輸入線； ——定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部計(jì)數(shù)脈沖輸入線； ——定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部計(jì)數(shù)脈沖輸入線； ——外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通脈沖輸出線； ——外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通脈沖輸出線。 圖4—2 MCS－51雙列直插封裝方式的引腳 4.2.2.4 控制線 1.：程序存儲(chǔ)器的使能引腳，是外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)，低電平有效。從外部程序存儲(chǔ)器取數(shù)時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)二次有效。 2. ：內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器選擇控制端。當(dāng)腳為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。當(dāng)腳為低電平時(shí)，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令。因?yàn)?031芯片沒有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以必須接地。 3.：地址所存信號(hào)/編程脈沖輸入信號(hào)。 4.：復(fù)位/備用電源端，輸入，低電平有效。 4.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 4.3.1 8031與EPROM的連接 EPROM低8位地址線經(jīng)地址鎖存器與8031口相連；高8位地址線直接與8031的口相連。由于8031的口是分時(shí)輸出低8位地址和數(shù)據(jù)，故要外接地址鎖存器（74LS373），并由CPU發(fā)出的地址允許鎖存信號(hào)ALE的下降將地址信息鎖存入地址鎖存器中。如外接存儲(chǔ)器芯片內(nèi)有地址鎖存器。 存儲(chǔ)器的8位數(shù)據(jù)線與8031芯片口直連，單片機(jī)規(guī)定指令碼和數(shù)據(jù)都是由口讀入，數(shù)位對應(yīng)相連即可。 8031芯片的PSEN與EPROM的OE端相連。 8031芯片的EA接地，CPU執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器命令。 8031芯片的ALE接主地址鎖存器74LS373的G引腳。 8031與EPROM連接如圖4—3： 4.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 單片機(jī)CPU與R數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的連接方式和程序存儲(chǔ)器連接大致相同。唯控制器線的連接不同：RAM讀入信號(hào)OE分別于8031芯片的RD（）引腳相連；RAM的寫輸入信號(hào)WE于8031芯片引腳相連。 4.3.3 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 2764芯片是一種高速，容量為的EPROM存儲(chǔ)器電路讀出時(shí)間為250ns，2764為28線元件，其中為13位地址線。為8位數(shù)據(jù)線。CE為片選信號(hào)線，低電平有效，OE為數(shù)據(jù)輸出選通信號(hào)線，低電平有效。PGM為編程脈沖輸入線。為主電源線，為編程電源線。 6264芯片式的RAM存儲(chǔ)器電路，集成度很高，其中為13位地址線，輸入地址與內(nèi)部8K字節(jié)的單元對應(yīng)位8位數(shù)據(jù)線，CE為片選信號(hào)線，OE、WE為讀寫信號(hào)線，都是低電平有效。 對于容量較大的系統(tǒng)，擴(kuò)展的外部芯片較多，芯片所需的片選信號(hào)利用地址線時(shí)，就需要用全地址譯碼的方法，它將低地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對高位地址進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線作片選線。 圖4—3 8031與EPROM連接示意圖 4.4 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計(jì) 4.4.1 I/O接口電路 1.8031芯片 8031芯片共有四個(gè)8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有口和部分口，因此在大部分應(yīng)用分流中都需擴(kuò)展I/O芯片，常用的外用接口芯片為8155，是可編程的RAM，擴(kuò)展接口電路（256個(gè)RAM系統(tǒng)單元，2個(gè)8位接口，1個(gè)6位口，1個(gè)14位定時(shí)計(jì)數(shù)器）。 2.8155芯片可直接和MCS－51系列單片機(jī)連接，不需要任何外加邏輯電路。通常用口的高8位地址線作為8155芯片的片選信號(hào)及IO/M的選擇信號(hào)。將8031的與8155芯片IO/M引腳相連，若是高電平，則8155用來作接口；若是低電平，則使用8155內(nèi)部256字節(jié)的RAM。由于8155芯片內(nèi)部有地址鎖存器，所以8031的ALE端可以和8155的ALE端直連，利用8031的ALE的信號(hào)下降沿鎖存8031口送出的低8位地址信息。 若要求8155A口B口工作在基本狀態(tài)，C口為基本輸入狀態(tài)，不要求中斷申請，不啟動(dòng)定時(shí)器，則其控制它為：00000011B（03H） 初始化程序如下： MOV DPTR， ＃2100H； 命令地址寄存器→DPTR MOV A， ＃03； 控制字03H→A MOV DPTR， A； 控制字→命令寄存器 4.4.2 輔助電路設(shè)計(jì) 4.4.2.1 光電隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，脈沖信號(hào)經(jīng)功放后控制步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流較大，如果將信號(hào)與功率放大器直接相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾。輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常工作，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)和接口電路損壞。所以，一般在接口電路與功率放大器之間都要接上隔離電路。采用的光電耦合電路如圖4—4： 圖4—4光電耦合電路 4.4.2.2 功率放大電路 功率放大電路分為單電源和雙電源型。單電源型線路簡單，但功率不高，所以選用雙電源型。在功率放大器導(dǎo)通初始，全導(dǎo)通，并使脈沖變壓器B的副邊產(chǎn)生一定寬度的脈沖電流，使導(dǎo)通，高壓電源通過，為步進(jìn)電機(jī)某一相繞組供電，使其電流上升沿變陡，同時(shí)出于反向偏置，將低壓與繞組切斷。經(jīng)過時(shí)間后脈沖電流消失，使截至，高壓電源與繞組之間被切斷。通過，為繞組供電，提供所需的額定電流。通過調(diào)整脈沖變壓器的磁芯和可改變高壓供電的時(shí)間寬度。 圖4—5功率放大電路 由于我國目前步進(jìn)電機(jī)的功率放大器已由生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出系列化產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床電路時(shí)只需根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的容量大小進(jìn)行選擇，所以不再進(jìn)行計(jì)算。功率放大電路見圖4—5。 4.4.2.3 8031時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，內(nèi)部方式和外部方式。 內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部震蕩電路在、引腳上外接定時(shí)元件如圖4—6： 圖4—6 8031內(nèi)部時(shí)鐘方式 4.4.2.4 復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樯想娕c按鈕復(fù)位組合，在上電瞬間RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上高電壓，就能使單片機(jī)有效復(fù)位。見圖4—7。 圖4—7 8031復(fù)位電路 4.4.2.5 報(bào)警電路 為了防治工作臺(tái)越界，可分別在極限位安裝限位開關(guān)，這是采用中斷方式，利用8031的外部中斷。只要有任何一個(gè)行程開關(guān)閉合，即工作臺(tái)在某一方向上越界，均能產(chǎn)生中斷信號(hào)。為了便于觀察，設(shè)置紅綠燈指示，正常時(shí)為綠燈亮，報(bào)警時(shí)紅燈亮，兩燈均由一個(gè)I/O口輸出。 4.5 繪制微機(jī)控制電路原理圖 4.5.1 控制系統(tǒng)的功能 1. Z向X向的進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)功能 2. 鍵盤顯示 3. 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架控制 4. 螺紋加工控制 5. 面板控制 6. 行程控制 7. 其他功能：報(bào)警電路、復(fù)位電路、隔離電路、功率放大電路。 4.5.2 采用軟件環(huán)形分配圖 步進(jìn)電機(jī)采用軟件環(huán)形分配器，雖運(yùn)行速度沒有硬件環(huán)形分配器快，但可以省掉兩個(gè)硬環(huán)分配芯片，且電路簡單。 4.5.3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的控制 當(dāng)需要自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架時(shí)，由8155（1）的發(fā)出刀位信號(hào)，控制刀架電機(jī)回轉(zhuǎn)，到達(dá)制定的刀位，刀架夾緊后發(fā)出換刀回答信號(hào)，經(jīng)8155（1）的輸入計(jì)算機(jī)，控制刀架開始進(jìn)給。 4.5.4 螺紋加工控制 當(dāng)加工螺紋時(shí)，由與主軸相連的光電脈沖器發(fā)出螺紋信號(hào)，分別送入8031的和8155（1）的，通過設(shè)置不同的時(shí)間常數(shù)來加工不同螺距螺紋，零件螺紋信號(hào)是防止螺紋亂扣。 4.5.5 地址編碼 地址編碼如表4—1： 表4—1控制電路地址編碼 芯片 芯片進(jìn)址編碼 片內(nèi)地址單元 地址編碼 接74LS138引腳 地址選擇線 2764（1） Y0 000X XXXX XXXX XXXX 8K 0000H～1FFFH 2764（2） Y1 001X XXXX XXXX XXXX 8K 2000H～3FFFH Y2 010X XXXX XXXX XXXX 8K 4000H～5FFFH 8155 (1) RAM Y3 0111 1110 XXXX XXXX 256 7E00H～7EFFH I/O Y3 0111 1111 1111 1XXX 6 7FF8H～7FF0H 8155 (2) RAM Y4 1001 1110 XXXX XXXX 256 9E00H～9WFFH I/O Y4 1001 1111 1111 XXXX 6 9FF8H～9FF0H 4.6 本章小結(jié) 本章主要介紹了C616車床數(shù)控改造數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路,I/O接口電路及輔助電路設(shè)計(jì)。 結(jié)論 畢業(yè)論文是?？茖W(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論和實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過這次比較完整的對C616車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)，我擺脫了單純的理論學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)合鍛煉了我綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際問題的能力。 通過本次對伺服進(jìn)給系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)的選擇，單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)我可以更深刻充分的了解到數(shù)控改造的優(yōu)點(diǎn)與必要性。 普通車床數(shù)控改造后擁有了自己的伺服進(jìn)給系統(tǒng)，橫向進(jìn)給，縱向進(jìn)給更加穩(wěn)定，減少了操作人員素質(zhì)帶來的人為誤差，機(jī)床的數(shù)控裝置可以對機(jī)床運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的位移、熱變形等導(dǎo)致的誤差，確定自己的脈沖當(dāng)量，通過測量系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償而獲得很高且穩(wěn)定的加工精度。提高了同批零件的一致性。提高加工精度。 對步進(jìn)電機(jī)的選擇時(shí)，通過計(jì)算布距角，精度，轉(zhuǎn)矩等確定正確的步進(jìn)電機(jī)，保證車床的正常工作。 軟件方面選用MCS-51系列單片機(jī)為控制裝置，由于MCS－51系列單片機(jī)在我國機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍，其配套芯片價(jià)廉，普及性、通用性強(qiáng)，制造和維修方便，完全可以滿足我國經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的需要。 普通車床數(shù)控管改造后極大的提高生產(chǎn)效率及工件的精度與加工的穩(wěn)定性，更易操作節(jié)省勞動(dòng)成本。 - 30 - 參考文獻(xiàn) 1 張新義.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社，1994：338～357 2 董玉紅.數(shù)控技術(shù).高等教育出版社，2004：156～178 3 張毅剛.MCS－51單片機(jī)原理及應(yīng)用.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004 4 顧維邦.金屬切削機(jī)床概論.機(jī)械工業(yè)出版社，1995：35～92 5 邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì).第四版.高等教育出版社，1997：11～398 6 余英良.機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例.機(jī)械工業(yè)出版社，1994：32～46 7 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊（第三冊）.機(jī)械工業(yè)出版社，1986 8 鄭文緯.機(jī)械原理.第七版.高等教育出版社，1997：153～228 9 劉躍南.機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控及應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，1997：76～137 10李洪.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊.遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999 11 Guk-Chan Han, Dong-I1 Kim, Hyo-Gyu Kim Kibeom Nam, Byeong-Kap Choi and Sung-kwun Kim.A High Speed Machining Algorithm for CNC Machine Tools, Samsung Electronics Co Ltd, Suwon City, KOREA.1999，pp：1493～1497 12 F.J.Lin,P.H.Shieh and P.H.Shen.Robust recurrent-neural-network sliding-mode control for the X-Y table of a CNC machine.IEEE.Proc.-Control Theory Appl., vol.153,No.1, January 2006 致謝 本文是在論文指導(dǎo)老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對我產(chǎn)生重要影響。在此次課程設(shè)計(jì)過程中我也學(xué)到了許多有關(guān)設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，對其現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢有了很大的了解。 通過這次數(shù)控改造設(shè)計(jì)，本人在多方面能力都得到了提高。通過這次課程設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用了本專業(yè)所學(xué)課程的理論知識(shí)和結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)進(jìn)行一次數(shù)控改造設(shè)計(jì)，通過實(shí)際設(shè)計(jì)從而培養(yǎng)和提高了自己的獨(dú)立工作能力，鞏固與擴(kuò)充課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握改造設(shè)計(jì)的方法和步驟，掌握改造設(shè)計(jì)的基本的技能，懂得了從分析所要設(shè)計(jì)的零件功能入手，確定改造方案，提高了計(jì)算能力，繪圖能力，熟悉了相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨(dú)立思考的能力也有了提高。并提高了查閱設(shè)計(jì)資料和手冊的能力，熟悉了設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等。 在這次設(shè)計(jì)過程中，體現(xiàn)出自己單獨(dú)設(shè)計(jì)改造的能力以及綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，體會(huì)了學(xué)以致用、突出自己勞動(dòng)成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時(shí)學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補(bǔ)。