C車床數(shù)控改造設(shè)計(jì)

1、哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目： C616車床數(shù)控系統(tǒng)改造 院、 系： 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 姓 名： 王政海 指導(dǎo)教師： 張寶海 系 主 任： 陶福春 2013 年 5 月 8 日- III -摘要 介紹普通C616車床的數(shù)控改造，因?yàn)槲覈嗄攴e累了大部分的普通機(jī)床，自動(dòng)化程度低，想要短期內(nèi)大量更換新機(jī)床，是不現(xiàn)實(shí)的。為了節(jié)省資金，提高生產(chǎn)效率，所以要對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控改造。 采用MCS51系列單片機(jī)控制經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工。原理為：根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案，通過單片機(jī)控制，轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)，經(jīng)放大電路后驅(qū)動(dòng)縱向和橫向步進(jìn)電機(jī)，通過滾珠絲杠

2、實(shí)現(xiàn)刀架縱向、橫向兩個(gè)方向的進(jìn)給，以完成工件的加工。數(shù)控改裝后的車床在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。改造后車床可以加工出各種形狀的復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件,并能實(shí)現(xiàn)多工序自動(dòng)車削,從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度,也能適應(yīng)小批量多品種復(fù)雜零件的加工.關(guān)鍵詞 數(shù)控改造；進(jìn)給系統(tǒng)；步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī) III目 錄摘要I第1章 緒論11.1 課題背景11.2 數(shù)控改造的必要性11.3 設(shè)計(jì)任務(wù)2第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)與總體方案的確定32.1 設(shè)計(jì)任務(wù)32.2 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53.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下53.2 確定脈沖當(dāng)量5

3、3.3 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算53.3.1 已知條件53.3.2 切削力計(jì)算63.3.3 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算63.3.4 齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算83.4 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算103.4.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)103.4.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算103.5 步進(jìn)電機(jī)的選擇143.5.1 步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則143.5.2 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)184.1 繪制系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)框圖184.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)194.2.1 8031單片機(jī)的基本特性194.2.2 8031芯片引腳功能194.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路204.3.1 8031與EPROM的連接204.3.2 數(shù)據(jù)存

4、儲(chǔ)器的擴(kuò)展204.3.3 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展214.4 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計(jì)214.4.1 I/O接口電路214.4.2 輔助電路設(shè)計(jì)224.5 繪制微機(jī)控制電路原理圖244.5.1 控制系統(tǒng)的功能244.5.2 采用軟件環(huán)形分配圖244.5.3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的控制244.5.4 螺紋加工控制244.5.5 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(duì)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)

5、，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0.60.8萬臺(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

6、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37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

7、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(duì)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MCS51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)

8、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(duì)C616普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造。利用MCS51系列單片機(jī)對(duì)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

9、.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(duì)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： 099.99mm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(duì)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

10、成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。因?yàn)镸CS51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MCS51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21：圖21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.

11、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： ±0.015mm3.2 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： W80kgf800N（根據(jù)圖紙粗略計(jì)算）時(shí)間常數(shù)： T25ms滾珠絲杠基本導(dǎo)程： 6mm行程： S640mm脈沖當(dāng)量： 0.01/step步距角： 0.75°/step快速進(jìn)給速度： 2m/min3.3.2 切削力計(jì)算 由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊可知，切削功率 （31）式中 N電機(jī)功率，查機(jī)床說明書，N4kW 主傳動(dòng)系統(tǒng)總功率，一

12、般為0.60.7取 0.65 K進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取K0.96則： 又因?yàn)?（32）所以 （33）式中v切削線速度，取v100m/min主切削力 由金屬切削原理可知，主切削力 （34）查表得： 188kgf/1880MPa 1 0.75 1則可計(jì)算如表31所示：表31計(jì)算結(jié)果，mm222333f ，mm0.2 0.30.40.20.30.4，N112515241891168722872837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)： （0.10.6） （0.150.7）（35）?。?0.50.5×1527.

13、6763.8N 0.60.6×1527.6916.5N3.3.3 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： （36）式中 1.15，=0.150.18,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 （37） （38）取工件直徑：D80mm，查表得 15000h則： 最大動(dòng)負(fù)載： （39）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32×65，其額定動(dòng)載荷式10689N，所以強(qiáng)度夠用。3.3.3.2

14、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： （310）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 （311）式中 6mm0.6cm 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.

15、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 （312）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 （313）快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 （314）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

16、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 W300N時(shí)間常數(shù) T25ms滾珠絲杠基本導(dǎo)程 4mm左旋行程 S190mm脈沖當(dāng)量 0.005mm/step步距角 0.75°/step快速進(jìn)給速度

17、 1m/min3.4.2.1 切削力計(jì)算橫向進(jìn)給量為縱向的1/21/3，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(duì)于燕尾型導(dǎo)軌： （315） 取 K1.4 f0.2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（1

18、m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ǎ欢藦较蛑С?，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(duì)齒輪傳動(dòng)比故取 (2) . 第二對(duì)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)

19、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?，F(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： （316） 式中 傳動(dòng)比； 系統(tǒng)對(duì)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 QiQ （317）式中 Q步進(jìn)電機(jī)的積累誤差； Q系統(tǒng)對(duì)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(duì)轉(zhuǎn)速的要求，

20、必須考慮：1.啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般啟動(dòng)力矩選取為： （318）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32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33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32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)33445566拍數(shù)36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866表33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

21、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，A110BF0030.75/1.58001500700038063.5.1.4 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： （319）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

22、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CPU2.總線：包括數(shù)據(jù)總線（DB），地址總線（AB）和控制總線（CB）。

23、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41：圖41數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖由于MCS51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

24、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)MCS51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42。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/

25、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，3

26、2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?？诳梢宰鳛橥ㄓ玫牟⑿蠭/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)

27、存儲(chǔ)器讀選通脈沖輸出線。圖42 MCS51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

28、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(duì)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43：4.3.2 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

29、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(duì)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(duì)于容量較大的系統(tǒng)，擴(kuò)展的外部芯片較多，芯片

30、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(duì)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43 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MCS51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

31、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(qǐng)，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03HA MOV DPTR， A；

32、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44：圖44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

33、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45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45。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46：圖46 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

34、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47。圖47 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

35、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

36、扣。4.5.5 地址編碼地址編碼如表41：表41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）Y0000X XXXX XXXX XXXX8K0000H1FFFH2764（2）Y1001X XXXX XXXX XXXX8K2000H3FFFHY2010X XXXX XXXX XXXX8K4000H5FFFH8155(1)RAMY30111 1110 XXXX XXXX2567E00H7EFFHI/OY30111 1111 1111 1XXX67FF8H7FF0H8155(2)RAMY41001 1110 XXXX XXXX2569E00H9WFF

37、HI/OY41001 1111 1111 XXXX69FF8H9FF0H4.6 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)論文是專科學(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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MCS51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