經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計,經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計,經(jīng)濟(jì)型,數(shù)控車床,進(jìn)給,伺服系統(tǒng),設(shè)計
任 務(wù) 書
學(xué)院
工程技術(shù)學(xué)院
學(xué)生姓名
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班級
學(xué)號
指導(dǎo)老 師
職 稱
課題名稱
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計
起止日期
自 200 年 月 日起至200 年 月 日
一 、課題來源
畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生在完成全部大學(xué)課程之后所進(jìn)行的最后一個綜合性實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)習(xí)階段向工程技術(shù)階段的過渡，總目的是使學(xué)生受到基本的科研訓(xùn)練，具體有以下幾點(diǎn)：
1、 通過運(yùn)用有關(guān)手冊、常用標(biāo)準(zhǔn)及參考資料，培養(yǎng)學(xué)生查閱資料、使用資料的能力。
2、 通過總結(jié)、運(yùn)用四年來所學(xué)的機(jī)械、電氣、液壓、計算機(jī)等有關(guān)知識，學(xué)會根據(jù)實際問題確定設(shè)計方案，構(gòu)思機(jī)械結(jié)構(gòu)，完成程序設(shè)計及調(diào)試的方法。
3、 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題、解決問題的能力，為以后的工作打下堅實的基礎(chǔ)。
該課題來源與實驗課題。
設(shè)計要求：
將一臺CA6140普通車床改造成微機(jī)數(shù)控車床，對其進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，采用單片機(jī)進(jìn)行控制。
二 、主要涉及內(nèi)容：
4、 翻譯5000印刷符號的外文資料。
5、 機(jī)械部分改裝設(shè)計：
（1） 進(jìn)給部分裝配圖一套，0號圖紙
（2） 主要零件圖若干。
6、 硬件設(shè)計
畫出數(shù)控系統(tǒng)硬件電路圖，1號圖紙。
7、 軟件設(shè)計：
（1） 數(shù)控程序框圖設(shè)計，1號圖紙。
（2） 8031單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)接口圖，1號圖紙。
（3） 程序編制，調(diào)試及系統(tǒng)模擬調(diào)試。
三 、主要設(shè)計技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)
加工最大直徑：在床面上Φ400mm
在床鞍上Φ210mm
加工最大長度：1000mm
溜板及刀架重力：縱向800N
橫向600N
刀架快速速度： 縱向 2.4m/min
橫向 1.2m/min
最大進(jìn)給速度： 縱向 0.6m/min
橫向 0.3m/min
主電機(jī)功率 7.5KW
起動加速時間 30ms
機(jī)床定位精度： 0.015mm
四、分階段指導(dǎo)性進(jìn)度計劃：
第6周：布置任務(wù)，翻譯外文資料，查閱有關(guān)文獻(xiàn)，討論方案。
第7周：實習(xí)參觀，確定整體方案。
第8周：根據(jù)確定方案進(jìn)行設(shè)計計算，繪制草圖。
第19~10周：機(jī)械部分設(shè)計，完成裝配圖及主要零件圖。
第11~12周：硬件電路設(shè)計、程序框圖及軟件編程。
第13周：程序調(diào)試與系統(tǒng)模擬調(diào)試。
第14周：編寫設(shè)計說明書。
第15~16周：整理全部文件，準(zhǔn)備答辯。
五、 主要參考文獻(xiàn)資料：
《機(jī)械設(shè)計手冊 》 徐 灝 機(jī)械工業(yè)出版社 1993
《機(jī)械零件設(shè)計手冊》 楊黎明 國防工業(yè)出版社 1988
《金屬切削機(jī)床概論》 賈亞洲等 機(jī)械工業(yè)出版社 1994
《微型計算機(jī)原理及應(yīng)用》 鄭學(xué)堅等 清華大學(xué)出版社 1995
《微型計算機(jī)原理及接口技術(shù)》 張新義 機(jī)械工業(yè)出版社 1994
《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計》 張新義等 機(jī)械工業(yè)出版社 1984
《金屬切削機(jī)床設(shè)計》 王啟義等 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社
《機(jī)械設(shè)計圖冊》 華東紡織學(xué)院等 上海科學(xué)技術(shù)出版社
《畫法幾何及機(jī)械制圖》 山東工業(yè)大學(xué)制圖研究室等
山東科學(xué)技術(shù)出版社 1988
《機(jī)床電氣控制技術(shù)》 毛占慶等 機(jī)械工業(yè)出版社 1993
指導(dǎo)教師（簽字）：
20 年 月 日
系主任（簽字）：
20 年 月 日
工作總結(jié) 表9
工作任務(wù)完成情況（包括任務(wù)書中規(guī)定的工作內(nèi)容、研究目標(biāo)等，如未能完成須說明原因）：
本次設(shè)計的工作內(nèi)容：
1、翻譯5000印刷符號的外文資料。
2、機(jī)械部分改裝設(shè)計：
（1） 進(jìn)給部分裝配圖一套，0號圖紙
（2） 主要零件圖若干，3號圖紙。
3、硬件設(shè)計
畫出數(shù)控系統(tǒng)硬件電路圖，1號圖紙。
4、 軟件設(shè)計：
i. 數(shù)控程序框圖設(shè)計，1號圖紙。
ii. 8031單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口圖， 1號圖紙。
iii. 程序編制，調(diào)試及系統(tǒng)模擬調(diào)試。
研究目標(biāo)：普通車床改造成數(shù)控機(jī)床時，進(jìn)給運(yùn)動怎樣實行自動運(yùn)動，即控制功能的設(shè)計。
所有的內(nèi)容都在規(guī)定的時間內(nèi)完成。
主要創(chuàng)新點(diǎn)：
方案中采用單片機(jī)而不是采用單板機(jī)來控制，編程和控制都簡便了；機(jī)械部分中的傳動采用滾珠絲杠和雙片齒輪進(jìn)行傳動，這樣減少了傳動間隙，提高了加工精度。
工作狀況（包括工作態(tài)度、刻苦精神、協(xié)作精神、個人精力投入、出勤等情況）：
畢業(yè)設(shè)計是檢測這幾年來我們學(xué)習(xí)的狀況的一次測驗，雖然設(shè)計任務(wù)比較繁重，但也是比較快樂的。設(shè)計期間，不停的查閱資料，就總體方案的設(shè)計，改了一次又一次，反復(fù)論證方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性，最后確定了此方案。設(shè)計中也遇到一些令人頭等的問題，但經(jīng)過老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下都得到了解決，在此非常感謝他們。
為了完成此次設(shè)計，前期階段整天往返于教室和圖書館，中期和后期階段在教實設(shè)計計算及畫圖，晚上回到宿舍再看看書，總結(jié)一下白天的設(shè)計是否合理，有什么缺陷等等。第二天又早早地去教室開始工作。這一階段，為就要走上工作崗位的我們作了鋪墊。
收獲、體會及建議：
此次設(shè)計，通過運(yùn)用有關(guān)手冊、常用標(biāo)準(zhǔn)及參考資料，更進(jìn)一步培養(yǎng)了我們查閱資料、使用資料的能力；而且不僅加深了課堂上的理論知識，也學(xué)會了根據(jù)實際問題卻定設(shè)計方案，構(gòu)思機(jī)械結(jié)構(gòu)；培養(yǎng)了我們獨(dú)立思考問題，解決問題的能力，為以后的工作打下了堅實的基礎(chǔ)。
畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)期間最后一個綜合性實踐性的教學(xué)環(huán)節(jié)，多出一些解決實際問題的課題還是很好的。畢業(yè)設(shè)計又一給我上了一課。
學(xué)生簽字：
年 月 日
開題報告
設(shè)計題目
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計
學(xué)生姓名
學(xué)號
專業(yè)
一、課題的目的意義：
隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械及加工產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對加工質(zhì)量的要求越來越高。產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，目前在一般機(jī)械加工中，單件、小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品約占70%--80%。為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)率和降低成本，要求機(jī)床不僅有較好的通用性和靈活性，而且加工過程要盡可能實現(xiàn)自動化，基于這種情況，數(shù)控技術(shù)得以發(fā)展。
數(shù)控技術(shù)是以數(shù)字程序的形式實現(xiàn)控制的一門技術(shù)，它適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求較高的零件及要求頻繁改型的零件。
二、近年來國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對國計民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展趨勢來看，其研究熱點(diǎn)有以下方面：
1 .高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢
效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)能極大地提高效率，產(chǎn)品質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。在加工精度方面，近10年來．普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度由10um提高5um，精密級加工中心則從3~5um，提高到1~1.5um，且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(0.01um)。在可靠性方面，國外數(shù)控裝囂的MTBF值已達(dá)到6000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。
2．5軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展
采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高。而且效率也大幅度提高。
3．智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢
21世紀(jì)的數(shù)控裝備將具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：智能化的自動編程、智能化的人機(jī)界面、智能診斷、智能監(jiān)控；開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺上，面向機(jī)床廠家和最終用戶；網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近2年國際著名機(jī)床博覽會的新亮點(diǎn)，數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。
4． 重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立
三、設(shè)計方案的可行性分析和預(yù)期目標(biāo)：
設(shè)計方案的可行性分析：
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床采用開環(huán)控制系統(tǒng)，在開環(huán)系統(tǒng)中，輸入裝置把輸入信號給數(shù)控裝置，經(jīng)數(shù)控裝置運(yùn)算后分配出指令脈沖，通過步進(jìn)電動機(jī)、減速裝置、滾珠絲杠帶動工作臺移動。
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床在普通車床的基礎(chǔ)上改造的，由于普通車床的精度要求不是很高，所以改造后的車床用開環(huán)控制。數(shù)控機(jī)床傳動裝置的設(shè)計除了要求具有較高的精度之外，還應(yīng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，為確保數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計機(jī)械傳動裝置時，采用了滾珠絲杠。滾珠絲杠傳動效率高，摩擦損失小，給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙并且起動力矩小，運(yùn)動平穩(wěn)。步進(jìn)電動機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩低，因此用齒輪傳動裝置轉(zhuǎn)換成負(fù)載軸所要求的低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩。
四、所需要的儀器設(shè)備、材料：
儀器設(shè)備：計算機(jī)、圖板、丁字尺
參考資料：機(jī)械設(shè)計手冊 徐 灝 機(jī)械工業(yè)出版社 1993
機(jī)械零件設(shè)計手冊 楊黎明 國防工業(yè)出版社 1988
金屬切削機(jī)床概論 賈亞洲等 機(jī)械工業(yè)出版社 1994
微型計算機(jī)原理及應(yīng)用 鄭學(xué)堅等 清華大學(xué)出版社 1995
微型計算機(jī)原理及接口技術(shù) 張新義 機(jī)械工業(yè)出版社 1994
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計 張新義等 機(jī)械工業(yè)出版社 1984
金屬切削機(jī)床設(shè)計 王啟義等 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社
機(jī)械設(shè)計圖冊 華東紡織學(xué)院等 上海科學(xué)技術(shù)出版社
畫法幾何及機(jī)械制圖 山東工業(yè)大學(xué)制圖研究室等
山東科學(xué)技術(shù)出版社 1988
機(jī)床電氣控制技術(shù) 毛占慶等 機(jī)械工業(yè)出版社 1993
五、課題分階段進(jìn)度計劃：
序號
起止日期
工??作??內(nèi)??容
階段成果
1
翻譯外文資料，查閱有關(guān)文獻(xiàn)，討論方案。
完成開題報告
2
實習(xí)參觀，確定整體方案。
完成計算
3
根據(jù)確定方案進(jìn)行設(shè)計計算，繪制草圖。
草圖繪制完成
4
機(jī)械部分設(shè)計，完成裝配圖及主要零件圖。
裝配圖繪制完成
5
硬件電路設(shè)計、程序框圖及軟件編程。
完成硬件系統(tǒng)設(shè)計
6
程序調(diào)試與系統(tǒng)模擬試調(diào)。
完成軟件設(shè)計
7
編寫設(shè)計說明書。
完成論文
8
整理全部文件，準(zhǔn)備答辯。
準(zhǔn)備答辯
指導(dǎo)教師意見：
設(shè)計
題 目： 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)
給伺服系統(tǒng)設(shè)計
學(xué) 院：
專 業(yè)：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
周
目 錄
設(shè) 計 總 說 明 I
GENERAL DESING INTRODUCTIO………………………………………... Ⅲ
目 錄 Ⅵ
第一章 引 言 1
1.1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 1
1.2數(shù)控機(jī)床的改造的必要性 2
1.3本課題的研究對象及其相關(guān)參數(shù) 3
第二章縱向進(jìn)給系統(tǒng)總體方案的擬訂和論證 4
2.1 設(shè)計任務(wù) 4
2.2總體方案的論證 4
2.3總體方案的確定 5
第三章進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計 6
3.1切削力的計算 6
3.2滾珠絲桿螺母副的計算和選型 7
3.3齒輪傳動比的計算 10
3.4步進(jìn)進(jìn)電機(jī)的計算和選型 11
第四章 數(shù)控系統(tǒng)硬件控制設(shè)計 16
4.1控制系統(tǒng)方案確定 16
4.1.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 16
4.1.2總體組成 16
4.2總體組成及軟硬件的分配 16
4.3主控部分的設(shè)計 17
4.3.1主控芯片選擇 17
4.3.2 MCS—51系列單片機(jī)介紹 17
4.3.3三總線結(jié)構(gòu) 19
4.3.4存儲器結(jié)構(gòu) 19
4.3.5時序 19
4.3.6中斷功能 20
4.3.7MCS---51單片機(jī)常用系統(tǒng)擴(kuò)展芯片 21
4.4存儲器擴(kuò)展設(shè)計............................................................................................. 22
4.4.1芯片選擇.................................................................................................. 22
4.4.2地址分配及譯碼...................................................................................... 23
4.5接口電路及輔助電路具體設(shè)計..................................................................... 26
4.5.1.步進(jìn)電機(jī)接口電路................................................................................. 26
4.5.2.鍵盤、顯示接口..................................................................................... 27
4.5.3其他輔助電路………………………………………………………… 29
第五章經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計 30
5.1軟件的組成 30
5.2插補(bǔ)原理及其程序設(shè)計 30
5.2.1插補(bǔ)方法概述 30
5.2.2逐點(diǎn)比較法的直線插補(bǔ)及其程序設(shè)計 31
5.2.3逐點(diǎn)比較法的圓弧插補(bǔ)及其程序設(shè)計 34
5.3步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行程序控制設(shè)計 36
5.4經(jīng)濟(jì)性數(shù)控系統(tǒng)的軟件模型 37
5.4.1模塊組成 37
5.4.2緩沖區(qū)設(shè)置 37
5.4.3中段處理器 38
5.4.4各模塊說明及流程圖 38
結(jié)論 42
參考文獻(xiàn) 43
致謝及聲明 44
設(shè)計總說明
隨著科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。機(jī)械加工工藝過程的自動化是實現(xiàn)上述要求的最重要措施之一，它不僅能夠提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，還能夠大大改善工人的勞動條件。
全功能的數(shù)控系統(tǒng)雖然功能豐富，但成本高，我國一般的中小型企業(yè)購置困難，但是中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，希望對原有機(jī)床進(jìn)行改造，進(jìn)行數(shù)控化、自動化改造，以提高生產(chǎn)效率。并且，目前各企業(yè)都有大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床替換根本不可能，而且替代下來的機(jī)床閑置起來又會造成浪費(fèi)，要解決這些問題，應(yīng)走普通機(jī)床的數(shù)控改造之路。也就是在這樣的情況下，提出了普通車床的數(shù)控改造。
并且從美國、日本等國家工業(yè)化進(jìn)程看，機(jī)床的數(shù)控改造也必不可少。數(shù)控改造機(jī)床占有較大比例，如在早期，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，為世界各地提供機(jī)床數(shù)控改造服務(wù)。因此，普通機(jī)床的數(shù)控改造不但有存在的必要，而且大有可為，尤其對一些中小企業(yè)更是如此。
數(shù)控改造一般是對普通機(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)控加工能力，其改造的目的有以下幾點(diǎn)：
(1)從提高資本效率出發(fā)，改造閑置設(shè)備，發(fā)揮機(jī)床的原有功能和改造后的新增功能，提高機(jī)床的使用價值。
(2)為了提高生產(chǎn)效率進(jìn)行數(shù)控改造。
(3)為了適應(yīng)多品種，小批量零件生產(chǎn)而進(jìn)行數(shù)控改造。
(4)為了使技術(shù)等級較低的工人也能加工出高質(zhì)量的產(chǎn)品零件和提高生產(chǎn)效率而進(jìn)行數(shù)控改造。
( 5 )為了減少整個設(shè)備投資計劃而進(jìn)行數(shù)控改造。所有這些目的都圍繞一點(diǎn)，即提高機(jī)床的性能價格比，用較少的價格得到較高的機(jī)床性能。為此，我們以普通車床CA6140為研究對象。
本次設(shè)計的原則是：在滿足機(jī)床總體布局的條件下盡可能的利用原來的零、部件，盡量減少改動，尤其是對機(jī)床的較大部件。這樣可以大大地降低成本，縮短制造周期。在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床設(shè)計時，雖然結(jié)構(gòu)尺寸不像改造設(shè)計那樣嚴(yán)格，但也應(yīng)參考同類型機(jī)床。在初步計算后，在進(jìn)行類比，是結(jié)構(gòu)尺寸比較緊湊。
設(shè)計的主要任務(wù)有：
1、 翻譯5000印刷符號的外文資料。
2、 機(jī)械部分改裝設(shè)計：
（1）進(jìn)給部分裝配圖一套，0號圖紙；
（2）主要零件圖若干。
3、硬件設(shè)計
畫出數(shù)控系統(tǒng)硬件電路圖，1號圖紙。
4、軟件設(shè)計：
（1）數(shù)控程序框圖設(shè)計，1號圖紙；
（2）8031單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)接口圖，1號圖紙。
實際的任務(wù)有：確定整體方案；機(jī)械各個部分（滾珠絲杠、齒輪傳動、步進(jìn)電機(jī)）的具體設(shè)計；數(shù)控系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計和軟件部分的設(shè)計。
設(shè)計中的系統(tǒng)配置及主要技術(shù)規(guī)格：
該系統(tǒng)由MCS-51中的8031單片機(jī)系統(tǒng)、接口電路、驅(qū)動線路及步進(jìn)電機(jī)等組成,,系統(tǒng)屬開環(huán)控制系統(tǒng)。其主要技術(shù)性能和參數(shù)如下:
(1)系統(tǒng)控制部分。采用8031系統(tǒng),鍵盤和顯示部分裝在面板上。
(2)系統(tǒng)環(huán)境工作條件。溫度-10～+40℃;濕度為40% ～80%。
(3)步進(jìn)電機(jī)。150BF型電機(jī)一臺,驅(qū)動電壓為110V;相電流為2.5A;步距角為0.75°/步。
改造后的數(shù)控車床的加工能力、自動化水平和加工精度明顯提高，而且總體生產(chǎn)效率得到了極大的提高，對當(dāng)時我國的經(jīng)濟(jì)狀況來說，是一個很好的科研方向。
GENERAL DESING INTRODUCTION
As science and technology and social development of the continuous production of the machine product quality and productivity of the ever-increasing demands. Machining process automation to achieve the above request is the most important one, It not only improve the efficiency of production and reduce production costs, but also improve the worker's labor condition consumedly.Full-function CNC System although function abundant, but the cost is high, my general difficulties in the acquisition of small and medium enterprises. our country general of medium the small scaled business enterprise purchase difficulty, and hope to transform the original machine, NC, automation transformation, to improve production efficiency. Moreover, enterprises now have a large number of general machine tools, complete with CNC machine tools is simply impossible to replace. and alternative from the machine idle up will lead to waste, in order to solve these problems, should follow the general transformation of CNC machine tool path. It is in such circumstances, the general transformation of CNC lathe.
And from the United States, Japan and other countries the process of industrialization, transformation of CNC machine tools is also essential. Number control reformation tool machine to occupy a greater comparison, such as in earlier period, Japan of have 26 percent tool machines to pass by in the big business enterprise number control a reformation, in small business enterprise then 74 percent have in the United States many number control profession to turn a company, provide a tool machine number to control a reformation service for the world-wide locations.Therefore, the general transformation of CNC machine tools is not only the necessary and promising. especially the SMEs especially.
NC general transformation of general machine tools must do certain parts of the transformation, accompanied NC devices so that the NC machine tools with its ability to transform the purpose of the following :
（1）From the capital increase efficiency and transform the idle equipment, machine tools to play the original functions and transformation of the new features, raising machine value.
（2）In order to improve production efficiency NC transformation.
（3）In order to adapt to multiple types of small batch production of parts for NC transformation.
（4）For technical workers with lower grades can be processed into high-quality parts and products to improve productivity for NC transformation.
（5）To reduce the overall equipment investment for the project NC transformation. All these objectives are centered on the fact that raising the functional machine with relatively small price to be higher machine performance. To this end, we ordinary CA6140 lathe for the study.
The design principle is : to satisfy the overall layout of the machine under the conditions of the original as much as possible the use of zero, components, minimize the changes, particularly for the larger machine parts. This can greatly reduce costs and shorten the manufacturing cycle. Undertaking economic NC machine tool design, although unlike the transformation of structure size stringent design, However, we should also make reference to the same type of machine. In preliminary calculation then, fashion, the structure is relatively compact size.
Design of the main tasks are :
1,Translate the 5000 printing symbols foreign materials.
2,Mechanical parts design modifications :
(1) Feed a part of assembly drawings, blueprints, 0
(2) Several major components map.
3, The hardware design
NC paint system hardware circuit, drawing on the 1st.
4, software design :
(1) NC program diagram design, drawing on the 1st;
(2) 8031 MCU and stepper motor interface maps, drawings on the 1st.
The actual tasks are : to identify the overall program; Mechanical parts (ball screw and gear drive stepper motor) the specific design; CNC system hardware design and software design.
Design of system configuration and main technical specifications :
The system consists of MCS-51 microcontroller 8031 the system, interface circuit, driving circuits and components such as stepper motors, and open-loop system is a control system. Its main technical functions and parameters are as follows :
system control part. Used 8031 system, the keyboard and display panel mounted on.
(2) System environment working conditions. The range of temperature is from 12 degrees below zero centigrade to 40 centigrade; The range of humidity is from of 40 percent to 80 percent .
(3) stepper motor. 150BF a Taiwan-based motor driving voltage of 110 V; Current Phase is 2 .5A ; step angle is 0 . 75 ° / step.
After transformation, CNC lathe processing capacity, the level of automation and processing accuracy noticeably improved, and overall production efficiency has been greatly improved, then our economic situation, it is a good direction for research.
引 言
1.1機(jī)床的發(fā)展
機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動化控制的新一代機(jī)床－數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。計算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機(jī)械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時使人們對傳統(tǒng)的機(jī)床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機(jī)床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。??????
數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機(jī)床電機(jī)的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機(jī)，經(jīng)過譯碼，運(yùn)算，發(fā)出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。??
?數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，其主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：?
?1. 適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機(jī)床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工。??
2. 加工精度高；??
3. 生產(chǎn)效率高；??
4. 減輕勞動強(qiáng)度，改善勞動條件；??
5. 良好的經(jīng)濟(jì)效益；??
6. 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。??
數(shù)控機(jī)床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機(jī)床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進(jìn)步，特別是在機(jī)床的高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化方面進(jìn)步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設(shè)的需要。??
1.2 數(shù)控機(jī)床改造的必要性
我國是一個機(jī)床大國，有三百多萬臺普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，急待需要新的制造方法及技術(shù)。
科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。機(jī)械加工工藝過程的自動化是實現(xiàn)上述要求的最重要措施之一，它不僅能夠提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，還能夠大大改善工人的勞動條件。
我國是一個機(jī)床大國，有三百多萬臺普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，
全功能的數(shù)控系統(tǒng)雖然功能豐富，但成本高，我國一般的中小型企業(yè)購置困難，但是中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，急待對原有機(jī)床進(jìn)行改造。
隨著數(shù)控機(jī)床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機(jī)床的微機(jī)數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機(jī)床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國經(jīng)濟(jì)資源有限，國家大，機(jī)床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù)控機(jī)床，而我國的舊機(jī)床很多，用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機(jī)床的自動化程度，比較符合我國的國情。1984年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機(jī)床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。
可以預(yù)料，今后，機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設(shè)計實例具有典型性和實用性。
1.3本課題的研究對象及其相關(guān)參數(shù)
根據(jù)以上分析，本設(shè)計選擇對CA6140 普通車床地縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造。橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造與縱向類同。
相關(guān)參數(shù)：
加工最大直徑：在床面上 ?400mm
在床鞍上: ?210mm
最大加工長度： 1000mm
溜板及刀架重力： 縱向 800N
刀架快速速度： 縱向 2.4 mm/min
最大進(jìn)給速度： 縱向 0.6mm/min
主電機(jī)功率 7.5kw
啟動加速時間 30ms
機(jī)床定位精度 0.015mm
此機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量選擇：
根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005 mm/step （半徑）。
第二章?縱向進(jìn)給系統(tǒng)總體方案的設(shè)計
2.1?設(shè)計任務(wù)??
本設(shè)計任務(wù)是對CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控改造。利用微機(jī)對縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，縱向（Z向）脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副。??
2.2?總體方案的論證??
對于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計方案時，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，對機(jī)床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。?? ??
（1）伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計?? 數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。所以，本設(shè)計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。??
（2）數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計?? 任何一個數(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)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。在設(shè)計的數(shù)控裝置中，CPU的選擇是關(guān)鍵，選擇CPU應(yīng)考慮以下要素：??
1.???時鐘頻率和字長與被控對象的運(yùn)動速度和精度密切相關(guān)；??
2.???可擴(kuò)展存儲器的容量與數(shù)控功能的強(qiáng)弱相關(guān)；??
3.???I/O口擴(kuò)展的能力與對外設(shè)控制的能力相關(guān)。??
除此之外，還應(yīng)根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用場合、控制對象以及各種性能、參數(shù)要求等，綜合起來考慮以確定CPU。在我國，普通機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的是Z80CPU和MCS-51系列單片機(jī)，主要是因為它們的配套芯片便宜，普及性、通用性強(qiáng)，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造需要。本設(shè)計中是以MCS-51系列單片機(jī)，51系列相對48系列指令更豐富，相對96系列價格更便宜，51系列中，是無ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控機(jī)中應(yīng)用最多的是8031單片機(jī)。本設(shè)計以8031芯片為核心，增加存儲器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。??
2.3???? 總體方案的確定??
經(jīng)總體設(shè)計方案的論證后，確定的CA6140車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造示意圖如圖所示。車床的縱向（Z軸）進(jìn)給運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。由8031單片機(jī)組成微機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，由I/O接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)車床的縱向進(jìn)給運(yùn)動。
第三章 機(jī) 械 部 分 設(shè) 計
縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算
1、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架左右移動。步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任一端。對車床改造來說外觀不必項產(chǎn)品設(shè)計要求的那么高，而從改造方便，使用方面來考慮。一般都把步進(jìn)電機(jī)放在縱向絲杠的右端。
2、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算，已知條件：
加工最大直徑：在床面上 ?400mm
在床鞍上: ?210mm
最大加工長度： 1000mm
溜板及刀架重力： 縱向 800N
刀架快速速度： 縱向 2.4 mm/min
最大進(jìn)給速度： 縱向 0.6mm/min
主電機(jī)功率 7.5kw
啟動加速時間 30ms
機(jī)床定位精度 0.015mm
此機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量選擇：
根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005 mm/step （半徑）
3.1計算切削力
縱車外圓
主切削力F（N）按經(jīng)驗公式估算：
F=0.67D=0.67×400=5360
車窗創(chuàng)身上加工最大直徑，單位為mm
按切削力各分力比例：
F：F：F=1：0.25：0.4
F=5360×0.25=1340
F=5360×0.4=2144
F——走刀方向的切削分力（N）；
F——垂直走刀方向的切削分力（N）。
3.2滾珠絲杠螺母副的計算和選型
滾珠絲杠副傳動低效率高，摩擦損失??；啟動力矩小，運(yùn)動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高，同步性好，磨損小，使用壽命長，精度保持型好等優(yōu)點(diǎn)。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中，廣泛采用滾珠絲杠副傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)精密進(jìn)給運(yùn)動。
縱向進(jìn)給絲杠設(shè)計如下：
1.計算進(jìn)給率引力F(N)
縱向進(jìn)給為綜合性導(dǎo)軌F=K+f(+G)
=1.15×1340+0.16(5360+800)=2530（N）
式中 K-----考慮顛復(fù)力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌為1.15;
f----滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.15～0.18
G------溜板及刀架重力 ：800N
2.計算最大動負(fù)載c
c=f F
L=
n=
---滾珠絲杠導(dǎo)程，初選為6mm；
—最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的，此處為0.6m/min;
T—使用壽命，按15000h;
—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 =1.2～1.5；
L—壽命，以轉(zhuǎn)為1單位。
n===50r/min
L===45
c=fF==10798.7N
3、滾珠絲杠螺母副的選型
查閱系列外循環(huán)滾珠絲杠副系列尺寸，可選用 4006外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠，1列2.5圈，其額定動負(fù)載為16400N。等級精度選為3級。
4、傳動效率計算
式中—螺旋升角
—摩擦角取10‘ 滾動摩擦系數(shù)0.003～0.004
5、剛度驗算
（1）先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖。最大牽引力為2530N。支撐間距L=1500mm絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。
查滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖，根據(jù)P=2530N,D=40mm，查出=1.3×10
=×L=1.3×10×1500=1.95×10(mm)
由于兩端采用推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了與拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實際變形量δ（mm）為
δ= ×δ=×1.95×10=0.4875×10(mm)
(2)滾珠絲杠與螺紋滾道之間接觸變形
查w系列2.5圈1列滾珠絲杠副滾珠和螺紋滾道接觸變形圖，得變形量，因進(jìn)行了預(yù)緊 ==×6.4=3.2μm
(3)支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形
采用51106型推力球軸承，d=30mm,滾動體直徑d=8mm,滾動體數(shù)量z=8
=0.0024=0.0024=0.012
公式中F單位未kgf
因施加預(yù)緊力，故==0.006
根據(jù)以上計算：
δ=δ++=0.0045+0.0032+0.006=0.0137mm<定位精度
6．穩(wěn)定性校核
滾珠絲杠兩端推力球軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需作穩(wěn)定性校核。
名 稱
符 號
wL4006
螺 紋 滾 道
公稱直徑
d
40
導(dǎo)程
L
6
接觸角
β
2
鋼球直徑
d
3.969
滾道法面直徑
R
R=0.52 d
2.064
偏心距
e
e=(R-)sinβ
0.056
螺紋升角
γ
γ=arctg
2
螺 桿
螺桿外徑
d
d=d-(0.2~0.5) d
39
螺桿內(nèi)經(jīng)
d
d= d+2e-2R
35.984
螺桿接觸直徑
d
d= d- dcosβ
36.0355
螺 母
螺母螺紋直徑
D
D= d-2e+2R
44.016
螺母內(nèi)經(jīng)
D
D1= d+(0.2~0.5) d
40.7938
3.3齒輪傳動比計算
在伺服系統(tǒng)中起間隙主要來自驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的傳動鏈，它主要有組成傳動鏈的齒輪、絲杠螺母副以及支撐用的軸承制織造與裝配誤差所產(chǎn)生。絲杠螺母副采用雙螺母預(yù)進(jìn)來消除部分間隙，齒輪傳動采用雙片齒輪傳動來消除間隙。
1、縱向進(jìn)給齒輪箱傳動比計算
已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.01mm/step，滾珠絲杠導(dǎo)程L=6mm，初選步進(jìn)電動機(jī)步距角0.75?？捎嬎愠鰝鲃颖萯:
i===0.8
2、可選定齒輪齒數(shù)為：
i=
z=32 ,=40或z=20 ,=25
齒輪參數(shù)表：
齒數(shù)
32
40
20
25
齒頂圓直徑
68
84
44
54
分度圓直徑
64
80
40
50
齒根圓直徑
59
75
35
45
齒寬
12
12
12
12
經(jīng)過綜合考慮，選第一組數(shù)據(jù)。
3.4步進(jìn)電機(jī)的計算和選型
步進(jìn)電機(jī)的選擇原則：首先必須保證步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。所以應(yīng)先計算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并使所選電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有一定余量，以保證可靠運(yùn)行。
其次應(yīng)使步進(jìn)電機(jī)的步矩角與機(jī)械系統(tǒng)匹配，已得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。
最后應(yīng)使被選電機(jī)能與機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載慣量及機(jī)床要球的啟動頻率相匹配，并有一定余量，還應(yīng)使其最高工作頻率能滿足機(jī)床移動部件快速移動的要求
1． 等效轉(zhuǎn)動慣量
傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的傳動慣量J (kg.cm) 可由下列計算：
J=++()[（+）+]
式中 -----步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 (kg.cm)；
、------齒輪z,的轉(zhuǎn)動慣量 (kg.cm)；
------滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 (kg.cm)。
參考同類型機(jī)床，初選反映式步進(jìn)電機(jī)150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量=10 kg.cm
==0.78×10×=2.62 kg.cm
==6.39 kg.cm
==29.952 kg.cm
G=800N
代入上式
J=++()[（+）+]
=10+2.62+[（6.39+29.952）+]
=36.355 kg.cm
考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題，
/ J=10/36.355=0.275
基本滿足慣量匹配的要求。
2． 電機(jī)力矩計算
機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面分別按各階段計算：
（1） 快速空載起動力矩
在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下：
M=++
==×=
將前面的數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。
==500r/min
起動加速時間=30ms
==30.66×=534.85N.cm
折核算到電機(jī)軸上的摩擦力矩：
當(dāng)η=0.8，f=0.16時
==94N.cm
附加摩擦力矩
=
==805.3×0.19=153N.cm
------滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷，一般取
------滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取0.9
上述三項合計：
M=++
=634.5+94+153=881.5
（2）快速移動時所需力矩
=+=94+153=247N.cm
（3）最大切削負(fù)載時所需力矩
=++=++
=94+153+127.96
=374.96N.cm
從上面計算可以看出，M、、三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以西向作為初選步進(jìn)電動機(jī)的依據(jù)。
由步進(jìn)電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩關(guān)系查出
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時，=0.951
最大靜轉(zhuǎn)矩=/λ=782/0.951=822.3N.cm
按此最大靜轉(zhuǎn)矩從表《國產(chǎn)BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)》查出150BF的最大靜轉(zhuǎn)矩=13.72N.cm，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩?？勺鳛槌踹x型號，但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。
3．計算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率和切削時的工作頻率
=4000HZ
=1000HZ
查出150BF002型步進(jìn)電機(jī)的最高起動頻率為2800HZ，運(yùn)行頻率為8000HZ，在從圖起動頻矩頻率特性看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動時，=2500HZ時，M=100N.cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動力矩822.3N.cm，直接使用 則會產(chǎn)生時步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（用軟件控制），將起動頻率降到1000HZ，起動力矩可增高到588.4N.cm,然后在電路上采用高低壓驅(qū)動電路，還可將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩擴(kuò)大一倍左右。
第四章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
4.1控制系統(tǒng)方案確定
4.1.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成
任何一個數(shù)控系統(tǒng)都有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)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由四部分組成：
（1） 中央處理單元CPU；
（2） 總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線(AD)、控制總線（CB）；
（3） 存儲器。包括只讀可編程存儲器和隨即讀寫存儲器；
（4） I/O輸入/輸出接口電路。
該控制的組成如下：
主
控
制
器
存儲系統(tǒng)
4.1.2.總體組成
主控器：單片機(jī)
存儲器：EPROM RAM
鍵盤
顯示器
電機(jī)接口
I/O接口：鍵盤、顯示及步進(jìn)電機(jī)
系統(tǒng)總體確定后，進(jìn)行各部分設(shè)計 圖4-1 控制系統(tǒng)圖
4.2軟、硬件任務(wù)合理分配
涉及軟硬件任務(wù)分配的有：控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖發(fā)生與脈沖分配；數(shù)碼顯示的字符發(fā)生；鍵盤掃描管理。上述三個都可以用專用硬件芯片實現(xiàn)，也可以用軟件編程實現(xiàn)。用硬件實現(xiàn)，編程時較簡單，但同時增加了硬件成本及故障源。用軟件實現(xiàn)，可節(jié)省芯片，降低成本，但增加了編程難度。在決定用何種何法實現(xiàn)時，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，同時還應(yīng)根據(jù)設(shè)計者的軟、硬件方面的實際經(jīng)驗及能力。此處決定如下：控制步進(jìn)電機(jī)用的脈沖發(fā)生器用硬件，采用國產(chǎn)YB104環(huán)形分配器實現(xiàn)。字符發(fā)生及鍵盤掃描均由軟件實現(xiàn)。
4.3主控器
4.3.1主控芯片選擇
近年來國外一些主要的半導(dǎo)體制造廠家相繼生產(chǎn)了各種8位的單片微型計算機(jī)----單片機(jī)。主要有Inter公司的MCS—48 系列，MCS--51系列等等，目前在國內(nèi)用的較廣，開發(fā)工具較齊的是MCS--51系列。這里選用MCS—51系列中的8031。
4.3.2.MCS—51系列單片機(jī)介紹
下面介紹與硬件設(shè)計及軟件編程關(guān)系密切的有關(guān)MCS—51系列單片機(jī)的一些特性。
1） MCS—51系列單片機(jī)的基本特性
單片機(jī)是集CPU、 I/O端口及部分RAM與一體的功能很強(qiáng)的控制器?，F(xiàn)用得較廣泛的是MCS—51系列。該系列包括三個產(chǎn)品8031、8051、8751。三者的引腳完全兼容，僅在結(jié)構(gòu)上有一些差異，主要是：8031是無ROM的8051，而8751則使用EPROM代替ROM的8051。通常所說的MCS—51單片機(jī)是該系列的簡稱。用得較多的是該系列中的8031。
MCS—51單片機(jī)的基本特性如下（以8051為例）
(1)具有8位的中央處理器；
(2)芯片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路；
(3)具有4KROM；
(4)具有128字節(jié)RAM；
(5)具有21個特殊功能的寄存器；
(6)具有4個I/O 端口，32根I/O線；
(7)可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲器
(8)可尋址64K字節(jié)外部程序存儲器；
(9)具有兩個16位定時/計數(shù)器；
（10）具有5個中斷源，配備2個優(yōu)先級；
（11）具有一個雙全功能串行接口；
（12）具有位尋址能力，適于邏輯運(yùn)算。
從上述特性可以發(fā)現(xiàn)，一塊8051芯片，功能幾乎相當(dāng)于由一塊Z80CPU、一塊2732EPROM、 一塊Z80CTC、一塊RAM、兩塊Z80PIO和一塊Z80SIO所組成的微機(jī)計算機(jī)系統(tǒng)。
2）．管腳功能及應(yīng)用特性簡介
(1)引腳功能分類
按引腳功能可分為三類，即
①I/O線：P0、P1、P2、P3共4個8位口。
②控制線：PSEN(片外取指令控制)、ALE(地址鎖存控制)、EA(片外存儲器選擇)、RESET(復(fù)位控制)。
③電源及時鐘：Vcc、Vss 、XTAL1、XTAL2
(2)應(yīng)用特性
①I/O口線不能都用作用戶線，除8051、8751外，真正可完全為用戶使用的口線只有P1口，以及部分作為第一功能使用的P3口；
②I/O口的驅(qū)動能力為：口驅(qū)動8個TTL門電路，、 、口則只能驅(qū)動4個TTL門；
③口試雙重功能；
④時鐘頻率：外接時鐘頻率可在1.2M～12MHZ間選擇。
4.3.3三總線結(jié)構(gòu)
單片機(jī)的三總線結(jié)構(gòu)如下。
（1）地址總線AB
地址總線寬度為16位，故其外部存儲器直接尋址范圍達(dá)64字節(jié)，16位地址總線由 口經(jīng)地址鎖存器提供低8位～,高8位～ 由口直接提供。
（2）數(shù)據(jù)總線DB
數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由口直接提供。
（3）控制總線CB
由口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立的控制線RESET、、ALE、組成。
4.3.4存儲器結(jié)構(gòu)
單片機(jī)存儲器包括程序存儲器(EPROM ROM)和數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，可直接尋址的存儲器結(jié)構(gòu)如圖4-2。
其中外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都需要擴(kuò)展電路。
4.3.5時序
由于單片機(jī)中程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器嚴(yán)格分開，因此，程序存儲器的操作時序中分為兩種情況：不執(zhí)行MOVEX指令和執(zhí)行MOVE指令。兩種情況的操作時序如圖4-3。對于存儲器的擴(kuò)展、芯片的選擇極為重要。
4.3.6中斷功能
MCS---51單片機(jī)提供5個中斷請求源。兩個由 輸入的外部中斷請求， 兩個位片內(nèi)的定時器/計數(shù)器溢出請求 ，一個為片內(nèi)的串行口中斷請求或。這些中斷源的引腳如圖所示，為口的第二功能。對于每個中斷請求源，都可編程為高級優(yōu)先級或低級優(yōu)先級，實現(xiàn)二級中斷嵌套。當(dāng)CPU 執(zhí)行關(guān)中斷指令后才有可能接受中斷申請，每一個中斷源可由軟件編程為允許或禁止中斷。
8031個中斷源的優(yōu)先級及入口地址如表1，入口地址不因優(yōu)先級的改變而改變。
表 1 中斷源、優(yōu)先級及入口地址
中斷源
優(yōu)先級
入口地址
中斷源
優(yōu)先級
入口地址
外部中斷
0
0003H
定時器/計數(shù)器
3
001BH
定時器/計數(shù)器
1
000BH
串行中斷
4
0023H
外部中斷
2
0013H
表中0級為最高，4級為最低。
圖4-2 MCS---51存儲器結(jié)構(gòu)。
4.3.7MCS---51單片機(jī)常用系統(tǒng)擴(kuò)展芯片
在MCS---51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的系統(tǒng)擴(kuò)展芯片有程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、口以及其它功能芯片，如定時器/計數(shù)器、中斷控制器等。現(xiàn)分述如下：
程序存儲器
主要是紫外線擦抹得可編程只讀存儲器。通常采用標(biāo)準(zhǔn)芯片如2716、2736、2764、27128、27256和27512。
數(shù)據(jù)存儲器
靜態(tài)RAM。無需刷新，但功耗大，成本高。目前常用的靜態(tài)RAM是6116和6264。
動態(tài)RAM。功耗小，成本低，但須刷新。主要動態(tài)RAM有2164 和41464。
一般控制系統(tǒng)多采用靜態(tài)。
I/O口擴(kuò)展集成芯片
I/O口擴(kuò)展芯片可分為三種類型。
專用I/O口擴(kuò)展芯片，這類芯片專用于擴(kuò)展I/O口用。主要有8255。
I/O擴(kuò)展復(fù)合芯片。這類芯片除了能擴(kuò)展I/O口外，還能擴(kuò)展其它外圍功能電力路，主要有8155。
電路芯片。這是一類廣泛用作MCS---51單片機(jī)I/O口擴(kuò)展芯片，主要有74LS373、273、374、244等。
其它各種功能芯片
MCS---51還可擴(kuò)展下列具有各種專用功能的外圍芯片。
8259：可編程中斷控制器
8279：可編程鍵盤/顯示控制器
8253：可編程通用定時器。
8251：可編程通信控制器
圖4-3 外部程序存儲器的操作時序
4.4存儲系統(tǒng)擴(kuò)展設(shè)計
4.4.1芯片選擇
1）．選擇
MCS---51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，使用最多的EPROM是典型系列芯片2716、2732、2764、27128、27256，各芯片的管腳及其兼容性能如圖所示。各種型號的EPROM有不同的應(yīng)用參數(shù)，主要由最大讀出速度、工作溫度及容量。
在容量確定時，選擇EPROM的型號，主要考慮因素是讀取速度，這是決定系統(tǒng)能否正確工作的前提。根據(jù)CPU與EPROM時序匹配要求，應(yīng)滿足這樣一個關(guān)系：即8031所能提供的讀取時間大于EPROM所要求的讀取時間。
8031訪問EPROM時，其所能提供的讀取時間t與所選用的晶體時鐘有關(guān)，約為3T，其中T為時鐘周期。如選用晶體頻率為12MHZ，則240ns，若晶體頻率選用6MHZ，則480ns。本系統(tǒng)選用晶體頻率為6MHZ。
根據(jù)控制對象和任務(wù)的復(fù)雜程度，以及是否需大量計算來確定存儲系統(tǒng)總?cè)萘?，包括EPROM容量和RAM容量。在產(chǎn)品研制階段，存儲容量一般不易精確確定，設(shè)計者可以作粗步估算，或憑工作經(jīng)驗，或與其它相似控制系統(tǒng)類不確定。另外，對EPROM和RAM都應(yīng)留有一定余量，以備系統(tǒng)功能擴(kuò)充之用。在實際設(shè)計中，應(yīng)考慮盡量使系統(tǒng)電路簡化，在滿足容量要求是盡可能選擇大容量芯片，以減小芯片組合數(shù)量。目前大容量芯片價格日趨便宜，小容量芯片面臨減產(chǎn)價格上升的局面，故采用較大容量芯片，從長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益也有好處。
據(jù)此，選用一片2764，EPROM具體型號根據(jù)市場貨源及價格選購。
2）、RAM選擇
RAM分為靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM，靜態(tài)RAM無需考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置刷新電路，擴(kuò)展電路簡單。單片機(jī)的擴(kuò)展RAM 多選用靜態(tài)。
在選RAM時，主要考慮因素同樣是RAM 的讀些速度與CPU所提供的讀些時序的匹配要求。類似，也應(yīng)滿足這樣一個關(guān)系：即8031所能提供的讀些時間應(yīng)大于RAM所要求的讀些時間。
常用RAM主要有6116和6264。典型讀些時間為200ns左右。8031所能提供的對RAM的讀些時間與所選時鐘頻率有關(guān)，其大致關(guān)系為 =4T，=5T。、、 T分別為讀時間、寫時間及時鐘周期。當(dāng)選時鐘頻率為12MHZ時，331ns，400ns。由此可見，常用的RAM都能滿足單片機(jī)時序要求。
類似，這里選用大容量的RAM6264一片。
4.4.2地址分配及譯碼
1)、地址分配
與一般存儲系統(tǒng)不同，8031單片機(jī)所支持的存儲系統(tǒng)，其程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器獨(dú)立編址。因此，EPROM和RAM的地址分配比較自由，不必考慮是否發(fā)生沖突。
由于8031復(fù)位后從000H單元開始執(zhí)行程序，故程序存儲器地址應(yīng)從000H開始，有多片組成的情況下，各片間地址可連續(xù)，也可不連續(xù)，只是后者浪費(fèi)一些空間。這里只用了一片，故不存在此問題。因此8K的地址為0000H～1FFFH。
擴(kuò)展RAM的地址與I/O口及外圍設(shè)備實行統(tǒng)一編址，任何擴(kuò)展的I/O口及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲器的地址空間。對本系統(tǒng)，RAM容量及擴(kuò)展I/O外圍設(shè)備數(shù)量不是很多。64K 空間只需很小一部分，為便于RAM和I/O的統(tǒng)一編碼，作如下安排：RAM占0000H～FFFFH,I/O占2000H～1FFFH，其余未作分配。8K的RAM可以分配在0000H～1FFFH。
2）、地址譯碼及譯碼線路
地址譯碼有線性譯碼法、譯碼器譯碼法等。一般譯碼時首先應(yīng)根據(jù)地址分配，列出參加譯碼芯片的地址變化情況，然后便可畫出其譯碼線路。由于EPROM RAM各只有一片，故可用線性譯碼法。據(jù)此很容易得到EPROM、RAM的譯碼線路圖。如圖
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