CA6163車(chē)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造

畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGEPAGE49摘要隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字控制（CNC）機(jī)床已成為當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造，技術(shù)革新的必有之路，是未來(lái)工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)。因此，此次對(duì)普通床進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)更顯得重要。目前中國(guó)大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大多數(shù)是普通機(jī)床，機(jī)床數(shù)控化率遠(yuǎn)低于美國(guó)、日本等國(guó)家。如果大量添置全新的數(shù)控機(jī)床，不僅資金投入量大、成本高，而且又會(huì)造成原有設(shè)備的閑置浪費(fèi)。把普通機(jī)床改造成數(shù)控機(jī)床則不失為一條提高數(shù)控化率的有效途徑。第一部分是數(shù)控機(jī)床的概述，第二部分是進(jìn)給系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，第三部分是伺服進(jìn)給機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算，第四部分是控制部分的單片機(jī)原理設(shè)計(jì)?；诓竭M(jìn)電機(jī)的機(jī)械改裝減少了人的工作量，把手動(dòng)轉(zhuǎn)變成為電動(dòng)。本次改造用了兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，分別控制機(jī)床的兩個(gè)方向（縱向和橫向）的進(jìn)給，通過(guò)帶輪帶動(dòng)滾珠絲杠的軸向運(yùn)動(dòng)?；趩纹瑱C(jī)控制的電子部分設(shè)計(jì)提高了工作效率和測(cè)量的準(zhǔn)確度、可信度。該儀器采用了8031單片機(jī)。關(guān)鍵詞車(chē)床數(shù)控絲杠步進(jìn)電機(jī)單片機(jī)AbstractAsthedevelopmentoftechnology,thenumericalcontrolmachinehasbecomesthetrendofthereformationinthemanufacturingindustryandthefoundationoffactoriesinthefuture.Therefore,theprojectofautomatthemachineisimportanttotheprospectivestudyandwork.AtpresenttheChinesemajoritymanufactureprofessionsandenterprise'sproduction,theprocessunitoverwhelmingmajorityistheordinaryenginebed,theenginebednumericalcontrolrateislowerthancountriesfarandsoonUS,Japan.Ifacquiresthebrand-newnumerically-controlledmachinetoolmassively,notonlythefundinputsarebig,cost,willcreatetheoriginalequipment'sidlewaste.Transformsthenumerically-controlledmachinetooltheordinaryenginebedisenhancesthenumericalcontrolrateefficientpath.IntroductionwillbepresentedinSection1.TheoveralldesigningschemewillbeproposedinSection2.ThecalculatinganddataofmechanicalpartisinSection3andSection4isthepartofcontrolincludingtheprincipleofSCM.Thereformationtomachinebasedthesteppingmotordecreasestheworkloadbyturningthehandoperationtoelectriccontrol.Twomotorscontrollingtwodirectionsrespectivelymovetheballscrewsbystrapwheels.ThedesigninelectricalpartbasedtheSCMimprovestheproductefficiencyandtheaccuracyandstabilityintheaspectofmeasuringbyusingthe8031SCM.Keywords:LathecomputernumericalcontrolballscrewsteppingmotorSCM目錄摘要 1Abstract 2第1章緒論 51.1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展過(guò)程 51.2數(shù)控機(jī)床的組成 5第2章數(shù)控化改造總體技術(shù)方案的確定 82.1設(shè)計(jì)任務(wù) 82.2總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容 82.2.1伺服驅(qū)動(dòng) 82.2.2總體方案框圖 9第3章伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 103.1設(shè)計(jì)要求 103.2確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 103.3計(jì)算切削力 103.4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選擇 123.4.1縱向滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 123.4.2橫向滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 163.5進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 203.5.1縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 203.5.2橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 233.6步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 253.6.1縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 253.6.2橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 293.7自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架 333.7.1數(shù)控車(chē)床刀架的基本要求 333.7.2工作原理 343.7.3刀架的安裝 35第4章控制系統(tǒng)硬件原理及其控制程序編制 364.1主控制器 364.1.1主控制器及其選擇 364.1.2MCS-51系列單片機(jī)介紹 364.2地址分配及接線(xiàn)方法 384.2.1地址的分配 384.2.28031的連接方式 384.3接口電路的設(shè)計(jì) 394.4控制系統(tǒng)程序編譯 404.4.1數(shù)控的插補(bǔ)方法 404.4.2直線(xiàn)插補(bǔ)工作原理 404.4.3圓弧插補(bǔ)工作原理 414.5自動(dòng)換刀程序設(shè)計(jì) 43參考文獻(xiàn) 46致謝 47第1章緒論1.1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展過(guò)程1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。6年后，即在1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國(guó)誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。第一階段：數(shù)控（NC）階段（1952~1970年）。早期采用數(shù)字邏輯電路組合成一臺(tái)機(jī)床，專(zhuān)用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱(chēng)作硬件連接數(shù)控（HARAWIREDNC）,簡(jiǎn)稱(chēng)為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段經(jīng)歷了三代，即1952年的第一代——電子管時(shí)代；1959年的第二代——晶體管時(shí)代；1965年的第三代——小規(guī)模集成電路時(shí)代。第二階段：計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970年~現(xiàn)在）。到1970年，通用小型計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段。到1971年，美國(guó)INTEL公司第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件——運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱(chēng)之為微處理器（MICROPROCESSOR）,又可成為中央處理單元（簡(jiǎn)稱(chēng)CPU）。到1974年，微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。到了1990年，PC的性能已發(fā)展到較高的水平，從8位、16位，發(fā)展到32位，可以滿(mǎn)足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的階段。總之，計(jì)算機(jī)數(shù)控的發(fā)展也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代——小型計(jì)算機(jī)；1974年的第五代——微處理器；1990年的第六代——基于PC。必須指出，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第五代以后，才從根本上解決了可靠性低、價(jià)格較為昂貴、應(yīng)用很不方便（主要是編程困難）等極為關(guān)鍵的問(wèn)題。因此，數(shù)控技術(shù)經(jīng)過(guò)了近三十年的發(fā)展才走向普及應(yīng)用[1]。1.2數(shù)控機(jī)床的組成如圖1-1所示，數(shù)控機(jī)床由以下幾個(gè)部分組成。圖1-1數(shù)控機(jī)床的組成部分[2]程序編制及程序載體數(shù)控加工程序是數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)加工零件的工作指令。在對(duì)加工零件進(jìn)行工藝分析的基礎(chǔ)上，確定零件坐標(biāo)系在機(jī)床坐標(biāo)系上的相對(duì)位置，即零件在機(jī)床上的安裝位置；刀具與零件相對(duì)位置的尺寸參數(shù)；零件加工的工藝路線(xiàn)或加工順序；主運(yùn)動(dòng)的起、停、換向、變速；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度、位移大小等工藝參數(shù)，以及輔助裝置的動(dòng)作。然后應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的由文字、數(shù)字和符號(hào)組成的數(shù)控代碼，按規(guī)定的方法和格式，將零件的所有運(yùn)動(dòng)、尺寸、工藝參數(shù)等加工信息，編制成零件加工的數(shù)控程序單。編好的數(shù)控程序存放在便于輸入到數(shù)控裝置的一種存儲(chǔ)載體上，它可以是穿孔紙帶、磁盤(pán)、閃存卡等。閃存卡由于存儲(chǔ)容量大、數(shù)據(jù)交流迅速和記錄可靠，在開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的新型數(shù)控機(jī)床上開(kāi)始使用。輸入裝置輸入裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼變成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，傳送并存入數(shù)控裝置內(nèi)。根據(jù)程序存儲(chǔ)介質(zhì)的不同，輸入裝置可以是錄音機(jī)或軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。有些數(shù)控機(jī)床，不用任何程序存儲(chǔ)載體，而是將數(shù)控程序單的內(nèi)容通過(guò)數(shù)控裝置的鍵盤(pán)，用手工方式（MDI）輸入，或者將數(shù)控程序計(jì)算機(jī)以網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送到數(shù)控裝置。數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，它接收輸入裝置送來(lái)的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或邏輯電路進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號(hào)和指令控制機(jī)床的各個(gè)部分，進(jìn)行規(guī)定的、有序的動(dòng)作。這些控制信號(hào)中最基本的信號(hào)是：經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算決定的各坐標(biāo)軸（即做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件）的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和位移量指令，送伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。其他還有主運(yùn)動(dòng)部件的變速、換向和起停信號(hào)；選擇和交換刀具的刀具指令信號(hào)；控制冷卻、潤(rùn)滑的啟停、工件和機(jī)床部件松開(kāi)、夾緊、分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)位等輔助指令信號(hào)等。輔助控制裝置輔助控制裝置也稱(chēng)為強(qiáng)電控制裝置，是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的控制系統(tǒng)，其主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主運(yùn)動(dòng)變速、刀具選擇交換、輔助裝置動(dòng)作等指令信號(hào)，經(jīng)必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電器、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械部件，以完成指令所規(guī)定的動(dòng)作。此外，還有開(kāi)關(guān)經(jīng)它送數(shù)控裝置進(jìn)行處理。5.伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及位置檢測(cè)裝置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又由伺服驅(qū)動(dòng)電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，并與機(jī)床上的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給系統(tǒng)。每個(gè)做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件，都配有一套伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。位置檢測(cè)裝置檢測(cè)位移和速度，發(fā)送反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。6.機(jī)床的機(jī)械部件數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件包括主運(yùn)動(dòng)部件，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件(如工作臺(tái))，拖板及其傳動(dòng)部件和床身立柱等支撐部件，此外，還有冷卻、潤(rùn)滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置。對(duì)于加工中心類(lèi)的數(shù)控機(jī)床，還有存放刀具的刀庫(kù)、交換刀具的機(jī)械手等部件。數(shù)控機(jī)床機(jī)械部件的組成與普通機(jī)床相似，但傳動(dòng)結(jié)構(gòu)要求更為簡(jiǎn)單，在精度、剛度、抗震性等方面要求更高，而且其傳動(dòng)和變速系統(tǒng)要便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。第2章數(shù)控化改造總體技術(shù)方案的確定2.1設(shè)計(jì)任務(wù)（1）將CA6163車(chē)床改造成微機(jī)數(shù)控車(chē)床，采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制。在縱向和橫向具有直線(xiàn)和圓弧插補(bǔ)功能。刀架要改造成自動(dòng)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。（2）進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械部分的計(jì)算，包括脈沖當(dāng)量的確定；滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型；進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)計(jì)算；步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型；設(shè)計(jì)并繪制總裝配圖。（3）單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)并繪制控制系統(tǒng)圖，編寫(xiě)直線(xiàn)插補(bǔ)程序及圓弧插補(bǔ)程序。2.2總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容（1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床具有直線(xiàn)插補(bǔ)程序及圓弧插補(bǔ)等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。（2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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)具有集成高，可靠性好、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。（3）機(jī)械傳動(dòng)方式為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速在傳絲杠。為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。2.2.1伺服驅(qū)動(dòng)CA6163車(chē)床的改進(jìn)要求周期短，而且不需要太高的精度，綜合考慮經(jīng)濟(jì)及功用等因素，決定選用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)。微機(jī)光電阻隔微機(jī)刀架光阻編碼器光電阻隔功率放大微機(jī)光電阻隔微機(jī)刀架光阻編碼器光電阻隔功率放大功率放大光電阻隔功率放大變頻調(diào)速電機(jī)步進(jìn)電機(jī)機(jī)步進(jìn)電機(jī)電機(jī)主軸縱向工作臺(tái)橫向工作臺(tái)。第3章伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算3.1設(shè)計(jì)要求將CA6163車(chē)床改造成微機(jī)數(shù)控車(chē)床，采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制，具有直線(xiàn)和圓弧插補(bǔ)功能。CA6163機(jī)床主要參數(shù)如下：最大回轉(zhuǎn)直徑630mm電機(jī)功率7.5KW640mm快進(jìn)速度縱向2.4m/min橫向1.2m/min定位精度0.015mm移動(dòng)部件重量縱向1200N橫向800N加速時(shí)間30ms機(jī)床效率0.73.2確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖增量是行程標(biāo)量插補(bǔ)，每次插補(bǔ)結(jié)束產(chǎn)生一個(gè)行程增量，以脈沖的方式輸出。這種插補(bǔ)算法主要應(yīng)用在開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，在插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程中不斷向各坐標(biāo)軸發(fā)出互相協(xié)調(diào)的進(jìn)給脈沖，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。一個(gè)脈沖所產(chǎn)生的坐標(biāo)軸移動(dòng)量叫做脈沖當(dāng)量。它的值取得越小，加工精度越高。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床常用脈沖當(dāng)量是0.01~0.005mm/脈沖，這里取縱向進(jìn)給0.01mm/脈沖；橫向進(jìn)給0.005mm/脈沖。3.3計(jì)算切削力（1）縱切外圓主切削力FZ（N）通過(guò)主電機(jī)功率來(lái)確定。（3-1）式中：P為機(jī)床主傳動(dòng)功率（KW）η為主傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率，通過(guò)查取η=0.75所以：（3-2）而切削力：（3-3）式中V表示車(chē)床車(chē)削的線(xiàn)速度，單位為m/s；表示主軸的運(yùn)動(dòng)功率，單位為KW；表示切削力,單位為N；在此取V=100m/min=1.67m/s。所以：（3-4）按切削力各分力比例：（3-5）（3-6）（3-7）（2）橫切端面主切削力：（3-8）此時(shí)走刀抗力為仍按上比例計(jì)算：（3-9）（3-10）（3-11）3.4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選擇3.4.1縱向滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型軸向力及轉(zhuǎn)速計(jì)算作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時(shí)走刀抗力以及移動(dòng)部件重量和切削力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。車(chē)床絲杠上總的軸向力可以表示為QUOTE：（3-12）式中：G表示移動(dòng)部件所受的重量，本機(jī)床為1200N；f為導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，車(chē)床為0.17；K為考慮傾覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，常情況下取1.15。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得：（3-13）滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為：（3-14）其中表示為最大切削力條件下進(jìn)給速度（m/min）通常取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3，即：（3-15）在此取。為滾珠絲杠的導(dǎo)程，為6mm。所以（3-16）動(dòng)載荷的計(jì)算選用滾珠絲杠的直徑d必須保證在一定軸向負(fù)載作用下絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)次后，它的軌道上不產(chǎn)生電蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值稱(chēng)為該滾珠絲杠所能承受的最大動(dòng)負(fù)載。由以下公式計(jì)算：（3-17）上式中L為滾珠絲杠的使用壽命（次），以為單位。（3-18）其中T表示使用壽命，單位為（h），對(duì)于數(shù)控車(chē)床來(lái)說(shuō)通常取T=15000h。為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，取1.3。由以上數(shù)據(jù)得：（3-19）查書(shū)[3]，取CDM5005-5型號(hào)的滾珠絲杠。公稱(chēng)直徑為50mm，額定動(dòng)載荷為31671N>18774N，合適。絲杠傳動(dòng)效率的計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率可以由以下公式計(jì)算得（3-20）式中：表示絲杠螺母螺旋升角；表示摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.003~0.004，滾珠絲杠摩擦角約為。絲杠的螺旋升角可以由一下式算得：（3-21）其中：為絲杠的公稱(chēng)直徑；為絲杠的導(dǎo)程。所以（3-22）（3-23）剛度校核滾珠絲杠副的變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度以及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，因此必須考慮軸向變形。絲杠受力拉伸或者被壓縮的變形量為主要軸向變形量，可以由以下公式計(jì)算得到：（3-24）式中為滾珠絲杠的導(dǎo)程；為每個(gè)導(dǎo)程內(nèi)的變形量，由以下公式計(jì)算得：(3-25)其中E為材料的彈性模量，，A為滾珠絲杠的截面積(按底徑確定)，該絲杠的底徑為，所以。（3-26）為絲杠支撐軸承之間距離，查書(shū)[6]：=1.1行程+（10~14）導(dǎo)程其中：縱向最大行程為200mm，導(dǎo)程為6mm。取整數(shù)300mm。所以由公式（3-24）得此外還有滾珠與螺紋道之間的接觸變形，支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形，通常用絲杠的拉壓變形的3倍來(lái)取代總的變形量。剛度變形。滿(mǎn)足剛度要求。穩(wěn)定性校核（1）計(jì)算臨街負(fù)荷：（3-27）式中：E材料的彈性模量；I為滾珠絲杠的截面的慣性矩，L為絲杠的長(zhǎng)度，為2000mm；為壓桿長(zhǎng)度因數(shù)，取。所以滿(mǎn)足穩(wěn)定性校核。預(yù)緊力的計(jì)算預(yù)緊可以提高剛性和壽命，預(yù)緊力可以由以下公式計(jì)算。（3-28）式中：為預(yù)緊載荷，約為為導(dǎo)程為車(chē)床縱向傳動(dòng)效率，取0.85。3.4.2橫向滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型軸向力及轉(zhuǎn)速計(jì)算作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時(shí)走刀抗力以及移動(dòng)部件重量和切削力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力[4]。車(chē)床絲杠上總的軸向力可以表示為：（3-29）式中：G表示移動(dòng)部件所受的重量，本機(jī)床為800N；f為導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，車(chē)床為0.17；K為考慮傾覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，常情況下取1.15。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式得：（3-30）滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為：（3-31）其中表示為最大切削力條件下進(jìn)給速度（m/min）通常取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3，即：（3-32）在此取。為滾珠絲杠的導(dǎo)程，為6mm。所以（3-33）動(dòng)載荷的計(jì)算選用滾珠絲杠的直徑d必須保證在一定軸向負(fù)載作用下絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)次后，它的軌道上不產(chǎn)生電蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值稱(chēng)為該滾珠絲杠所能承受的最大動(dòng)負(fù)載。由以下公式計(jì)算：（3-34）上式中L為滾珠絲杠的使用壽命（次），以為單位。（3-35）其中T表示使用壽命，單位為（h），對(duì)于數(shù)控車(chē)床來(lái)說(shuō)通常取T=15000h。為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，取1.3。由以上數(shù)據(jù)得：（3-36）查書(shū)[5]，取CDM2505-3型號(hào)的滾珠絲杠。公稱(chēng)直徑為25mm，額定動(dòng)載荷為14718N>8514.79N，合適。絲杠傳動(dòng)效率的計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率可以由以下公式計(jì)算得（3-37）式中：表示絲杠螺母螺旋升角；表示摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.003~0.004，滾珠絲杠摩擦角約為。絲杠的螺旋升角可以由一下式算得：（3-38）其中：為絲杠的公稱(chēng)直徑；為絲杠的導(dǎo)程。所以（3-39）（3-40）剛度校核滾珠絲杠副的變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度以及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，因此必須考慮軸向變形。絲杠受力拉伸或者被壓縮的變形量為主要軸向變形量，可以由以下公式計(jì)算得到：（3-41）式中為滾珠絲杠的導(dǎo)程；為每個(gè)導(dǎo)程內(nèi)的變形量，由以下公式計(jì)算得：（3-42）其中E為材料的彈性模量，，A為滾珠絲杠的截面積(按底徑確定)，該絲杠的底徑為，所以。（3-43）為絲杠支撐軸承之間距離，查書(shū)[6]：=1.1行程+（10~14）導(dǎo)程其中：縱向最大行程為300mm，導(dǎo)程為6mm。取整數(shù)400mm。所以由公式（3-41）得此外還有滾珠與螺紋道之間的接觸變形，支撐滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形，通常用絲杠的拉壓變形的3倍來(lái)取代總的變形量。剛度變形，不滿(mǎn)足剛度要求，必須改進(jìn)。改進(jìn)方法為對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)緊，如果對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，剛度可以提高四倍，剛度變形降低到原來(lái)的1/4。改進(jìn)后滿(mǎn)足剛度要求。穩(wěn)定性校核（1）計(jì)算臨街負(fù)荷：（3-44）式中：E材料的彈性模量；I為滾珠絲杠的截面的慣性矩，L為絲杠的長(zhǎng)度，為390mm；為壓桿長(zhǎng)度因數(shù)，取。所以滿(mǎn)足穩(wěn)定性校核。預(yù)緊力的計(jì)算預(yù)緊可以提高剛性和壽命，預(yù)緊力可以由以下公式計(jì)算。（3-45）式中：為預(yù)緊載荷，約為為導(dǎo)程為車(chē)床橫向傳動(dòng)效率，取0.85。3.5進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算3.5.1縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)比當(dāng)機(jī)床的脈沖當(dāng)量和滾珠絲杠的導(dǎo)程確定后，可以先初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角，在此初選電動(dòng)機(jī)的步距角為，用下列公式計(jì)算伺服系統(tǒng)的降速比：（3-46）式中：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角；為脈沖當(dāng)量，為0.01mm；為滾珠絲杠的導(dǎo)程，為6mm。所以同步帶論的設(shè)計(jì)計(jì)算縱向進(jìn)給系統(tǒng)的功率：（3-47）其中設(shè)計(jì)功率：（3-48）查手冊(cè)取1.6，絲杠的轉(zhuǎn)速：（3-49）小帶輪的轉(zhuǎn)速：（3-50）根據(jù)和選用L型周節(jié)制同步帶，節(jié)距根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速確定最小齒數(shù)小帶輪齒數(shù)取小帶輪節(jié)圓直徑同步帶的帶速L型同步帶最大速度，，合適。大帶輪齒數(shù)大帶輪節(jié)圓直徑初定軸間距：（3-51）取軸間距確定帶長(zhǎng)及其齒數(shù)（3-52）查手冊(cè)選取，齒數(shù)。實(shí)際軸間距（3-53）計(jì)算基本額定功率:（3-54）式中:——寬度為的帶的許用工作拉力，查書(shū)[7]得244.46Nm——寬度為的帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，查書(shū)[7]得0.095kg/m所以計(jì)算帶寬：（3-55）式中：——選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度25.4mm——小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，取所以，查書(shū)[7]取。作用在軸上的力。查書(shū)[8]得初步張緊力帶輪的寬度為齒槽深度小帶輪的外徑大帶輪的外徑3.5.2橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)比當(dāng)機(jī)床的脈沖當(dāng)量和滾珠絲杠的導(dǎo)程確定后，可以先初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角，在此初選電動(dòng)機(jī)的步距角為，用下列公式計(jì)算伺服系統(tǒng)的降速比：（3-56）式中：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角；為脈沖當(dāng)量，為0.005mm；為滾珠絲杠的導(dǎo)程，為6mm。所以同步帶論的設(shè)計(jì)計(jì)算縱向進(jìn)給系統(tǒng)的功率：（3-57）其中設(shè)計(jì)功率：（3-58）查手冊(cè)取1.6，絲杠的轉(zhuǎn)速：（3-59）小帶輪的轉(zhuǎn)速：（3-60）根據(jù)和選用XL型帶，節(jié)距根據(jù)小帶輪轉(zhuǎn)速確定最小齒數(shù)小帶輪齒數(shù)取小帶輪節(jié)圓直徑同步帶的帶速XL型同步帶最大速度，，合適。大帶輪齒數(shù)大帶輪節(jié)圓直徑初定軸間距：（3-61）取軸間距確定帶長(zhǎng)及其齒數(shù)（3-62）查手冊(cè)選取，齒數(shù)。實(shí)際軸間距（3-63）計(jì)算基本額定功率:（3-64）式中:——寬度為的帶的許用工作拉力，查手冊(cè)得50.17Nm——寬度為的帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，查手冊(cè)得0.022kg/m所以計(jì)算帶寬：（3-65）式中：——選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度9.5mm——小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，取所以，查手冊(cè)取。作用在軸上的力。查手冊(cè)得初步張緊力帶輪的寬度為齒槽深度小帶輪的外徑大帶輪的外徑3.6步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型通過(guò)計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的力矩來(lái)選取步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，先計(jì)算各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，再折合到電動(dòng)機(jī)軸上，從而得到力矩。3.6.1縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算（3-66）式中：M——圓柱體的質(zhì)量(kg)D——圓柱體的直徑(cm)L——圓柱體的長(zhǎng)度(cm)對(duì)于圓柱體鋼材，已知鋼的密度，（3-64）可以改寫(xiě)成：（3-67）說(shuō)明：對(duì)于帶輪，，L取帶輪的寬度；對(duì)于絲杠，L取絲杠的長(zhǎng)度。小同步帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：大同步帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：絲杠傳動(dòng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（3-68）力矩的計(jì)算在不同的情況下電動(dòng)機(jī)的力矩不同，下面我們分情況進(jìn)行計(jì)算?？焖賳?dòng)時(shí)（3-69）式中：——啟動(dòng)力矩；——加速時(shí)由于產(chǎn)生加速度而引起的力矩；——由摩擦力產(chǎn)生的力矩；——預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。（3-70）電機(jī)最大角加速度，為換算過(guò)的電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。所以（3-71）為導(dǎo)軌的摩擦力，空載啟動(dòng)時(shí)：進(jìn)行切削時(shí)：——運(yùn)動(dòng)部件總重量約為1200N；——導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，約為0.17；——機(jī)床縱向傳動(dòng)鏈的總效率，取0.8。空載啟動(dòng)時(shí)：切削加工時(shí)：附加摩擦力矩：附加摩擦力矩的大小等于預(yù)緊力矩綜合以上幾式，得：快速啟動(dòng)總力矩：快速進(jìn)給總力矩：最大負(fù)載切削時(shí)的力矩：表示折算到電動(dòng)機(jī)上的切削負(fù)載力矩所以：通過(guò)比較以上三種情況，得出車(chē)床在快速啟動(dòng)時(shí)所需力矩最大，選取步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)需要以快速啟動(dòng)時(shí)所需力矩為計(jì)算依據(jù)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高頻率計(jì)算（3-72）式中：——縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)快進(jìn)時(shí)最高速度，為2400mm/min；——縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量，為0.01mm。綜上，我們選擇160BF5B-1.5/0.75型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。表3-1160BF5B-1.5/0.75型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)最大靜力矩2000N*cm運(yùn)行頻率8000Hz相數(shù)5電壓80/1280/12電流13A3.6.2橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算（3-73）對(duì)于圓柱體鋼材，已知鋼的密度，（3-71）可以改寫(xiě)成：（3-74）說(shuō)明：對(duì)于帶輪，，L取帶輪的寬度；對(duì)于絲杠，L取絲杠的長(zhǎng)度。小同步帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：大同步帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：絲杠傳動(dòng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（3-75）力矩的計(jì)算在不同的情況下電動(dòng)機(jī)的力矩不同，下面我們分情況進(jìn)行計(jì)算?？焖賳?dòng)時(shí)（3-76）式中：——啟動(dòng)力矩；——加速時(shí)由于產(chǎn)生加速度而引起的力矩；——由摩擦力產(chǎn)生的力矩；——預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。（3-77）電機(jī)最大角加速度，為換算過(guò)的電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。所以（3-78）為導(dǎo)軌的摩擦力，空載啟動(dòng)時(shí)：進(jìn)行切削時(shí)：——運(yùn)動(dòng)部件總重量約為800N；——導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，約為0.17；——機(jī)床縱向傳動(dòng)鏈的總效率，取0.8?？蛰d啟動(dòng)時(shí)：切削加工時(shí)：附加摩擦力矩：附加摩擦力矩的大小等于預(yù)緊力矩綜合以上幾式，得：快速啟動(dòng)總力矩：快速進(jìn)給總力矩：最大負(fù)載切削時(shí)的力矩：表示折算到電動(dòng)機(jī)上的切削負(fù)載力矩所以：通過(guò)比較以上三種情況，得出車(chē)床在最大負(fù)載切削時(shí)所需力矩最大，選取步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)需要以最大負(fù)載切削時(shí)所需力矩為計(jì)算依據(jù)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高頻率計(jì)算（3-79）式中：——縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)快進(jìn)時(shí)最高速度，為1200mm/min；——縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量，為0.005mm。綜上，我們選擇90BF002-0.36/0.72型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。表3-290BF002-0.36/0.72型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)最大靜力矩2200N*cm運(yùn)行頻率16000Hz相數(shù)5電壓80/1224電流3A3.7自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架臥式車(chē)床數(shù)控改造應(yīng)將原機(jī)床的普通手動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架替換成自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架由數(shù)控系統(tǒng)控制，效率高，工藝性能可靠。根據(jù)所加工零件的工藝要求及機(jī)床控制方式確定自動(dòng)刀架的刀位數(shù)和刀架類(lèi)型。3.7.1數(shù)控車(chē)床刀架的基本要求數(shù)控車(chē)床的刀架是機(jī)床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平，所以有如下要求：①轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確可靠，工作平穩(wěn)安全；②按最短線(xiàn)路就近選擇，轉(zhuǎn)位時(shí)間短；③重復(fù)定位精度高；④防水、防屑，密封性能優(yōu)良；⑤夾緊剛性高，適宜重負(fù)荷切削。圖3-1自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架大致尺寸圖3.7.2工作原理自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架工作原理如圖3-2所示，微電機(jī)經(jīng)彈簧安全離合器至渦輪副帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，螺母抬起刀架使定位用的端齒盤(pán)的上盤(pán)與下盤(pán)分離，隨即帶動(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)到位。然后發(fā)信號(hào)使電機(jī)反轉(zhuǎn)鎖緊，完成刀架換位后，再進(jìn)行切削加工。其具體過(guò)程是：當(dāng)微機(jī)發(fā)出換刀信號(hào)后，刀架控制器中繼電器動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，螺桿升降機(jī)構(gòu)使上刀架上升,當(dāng)上刀架上升到一定高度時(shí)，離合轉(zhuǎn)盤(pán)起作用，帶動(dòng)上刀體旋轉(zhuǎn)。圖3-2自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架工作原理圖(1-電機(jī)；2-固定安裝絲杠；3-安全離合器；4-刀架)刀架上端的發(fā)信盤(pán)中對(duì)應(yīng)每個(gè)刀位都安裝一個(gè)霍爾元件，當(dāng)上刀體旋轉(zhuǎn)到某一刀位時(shí)，該刀架上霍爾元件輸出高電平。在上刀體旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，發(fā)信盤(pán)不斷的向數(shù)控系統(tǒng)反饋刀位信號(hào)。數(shù)控系統(tǒng)將反饋刀位信號(hào)與指令刀位信號(hào)相比較，當(dāng)兩信號(hào)相同時(shí)，說(shuō)明上刀體已旋轉(zhuǎn)到所選刀位。此時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)立即控制刀架控制繼電器使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，活動(dòng)銷(xiāo)反靠在反靠盤(pán)上初定位。在活動(dòng)銷(xiāo)反靠作用下，螺桿帶動(dòng)上刀體下降，直至齒牙盤(pán)嚙合，完成精定位，并通過(guò)渦輪蝸桿鎖緊螺母，使刀架緊固。向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)位完成信號(hào)，切斷電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，完成選刀過(guò)程[13]。3.7.3刀架的安裝該刀架安裝時(shí)，需先拆除原機(jī)床上的小拖板和原刀架，然后把電動(dòng)刀架置于中拖板上。此時(shí)，刀架高度應(yīng)使車(chē)刀前刀面基本通過(guò)車(chē)床主軸軸心線(xiàn)，否則要在刀架下面加墊板，調(diào)整其高度。然后，卸掉刀架電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇罩殼，逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使上刀體相當(dāng)于下刀體轉(zhuǎn)動(dòng)450左右。打裝螺孔，再用內(nèi)六角螺栓將刀架與中拖板固定，固定時(shí)應(yīng)注意，將刀架的兩側(cè)面分別與車(chē)床縱向和橫向的進(jìn)給方向平行。電動(dòng)刀架與系統(tǒng)的連線(xiàn)應(yīng)如下安裝：沿橫向工作臺(tái)右側(cè)面先走線(xiàn)到車(chē)床后面，再沿車(chē)床后導(dǎo)軌下方拉出一鐵絲滑線(xiàn)，走線(xiàn)到系統(tǒng)。其好處在于:避免走線(xiàn)雜亂無(wú)章，而使得加工時(shí)切屑、切削液以及其它雜物磕碰電動(dòng)刀架連線(xiàn)。圖3-3刀架的安裝尺寸第4章控制系統(tǒng)硬件原理及其控制程序編制4.1主控制器4.1.1主控制器及其選擇目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片有8086，8088，80286，80386以及8098，8096等16位機(jī)的CPU[9]。此次數(shù)控系統(tǒng)中采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制器。這里選用MCS-51系列中的8031芯片。4.1.2MCS-51系列單片機(jī)介紹（1）MCS-51系列單片機(jī)的基本特征MCS-51系列單片機(jī)是美國(guó)Intel公司于1980年推出的一種8位單片機(jī)系列。該系列的基本型產(chǎn)品是8051、8031和8751。這3種產(chǎn)品之間的區(qū)別只是在片內(nèi)程序存儲(chǔ)器方面。8051的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ROM）是掩膜型的，即在制造芯片時(shí)已將應(yīng)用程序固化進(jìn)去；8031片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器；8751內(nèi)部包含有用作程序存儲(chǔ)器的4KB的EPROM。由于8051的編程需要制造商的支持，8751的價(jià)格昂貴，因此8031獲得了更為廣泛的使用[10]。8031的基本特征如下：具有8位中央處理器（CPU）。片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路（6MHz或12MHz），每執(zhí)行一條指令時(shí)間為2或者1。具有128字節(jié)的RAM。具有21個(gè)特殊功能寄存器?？蓪ぶ?4KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64KB的外部程序存儲(chǔ)器。具有四個(gè)I/O口，32根I/O線(xiàn)。具有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。具有5個(gè)中斷源，配備兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。具有一個(gè)全雙工串行接口。具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算。從上述特性可知：一塊8031的功能相當(dāng)于微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[11]。（2）管腳功能分析及特性簡(jiǎn)介引腳功能分類(lèi)表：I/O口線(xiàn)：，，，共四個(gè)8位口?？刂凭€(xiàn)：（中斷取指令控制），ALE（地址鎖存控制），（中斷存儲(chǔ)器選擇），RESET（復(fù)位控制）。電源及時(shí)鐘：，，，。應(yīng)用特性：I/O口線(xiàn)不能都用作用戶(hù)I/O線(xiàn)，除8051，8751外真正可完全為用戶(hù)使用的I/O口線(xiàn)，只有口以及部分作為第一功能使用口。I/O口的驅(qū)動(dòng)功能為：口驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門(mén)電路，而，只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門(mén)電路?？诰哂刑嵘娮璧?位雙向I/O口，該口的每一位均可獨(dú)立的定義為第一I/O口功能或者第二I/O口功能。時(shí)鐘頻率：外接時(shí)鐘頻率可在1.2~12MHz間選取[13]。（3）總線(xiàn)結(jié)構(gòu)地址總線(xiàn)AB地址總線(xiàn)寬度為16位，其外部存儲(chǔ)器直接尋址范圍達(dá)到64KB，16位地址總線(xiàn)由口經(jīng)地址鎖存器提供低8位，由直接提供。數(shù)據(jù)總線(xiàn)DB數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為8位，由口直接提供.控制總線(xiàn)CB由口提供的第二功能狀態(tài)和四根獨(dú)立的控制線(xiàn)，ALE，，RESET組成。（4）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)單片機(jī)的存儲(chǔ)器包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它們是可以選用并可直接尋址的存儲(chǔ)器[12]。4.2地址分配及接線(xiàn)方法4.2.1地址的分配與一般存儲(chǔ)關(guān)系不同，8031所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)其程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址。因此,EPROM和RAM的地址分配較自由，不必考慮是否發(fā)生沖突。由于8031復(fù)位后從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序，故程序存儲(chǔ)器地址應(yīng)從0000H就開(kāi)始。在這里只用EPROM，地址為0000H-1FFFH，擴(kuò)展RAM與I/O口及外圍設(shè)備實(shí)行統(tǒng)一編址[14]。4.2.28031的連接方式（1）地址總線(xiàn)將與EPROM的一一對(duì)應(yīng)連接。與RAM的一一對(duì)應(yīng)連接，其余地址經(jīng)譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)。（2）數(shù)據(jù)總線(xiàn)將與存儲(chǔ)器的一一對(duì)應(yīng)連接。4.3接口電路的設(shè)計(jì)圖4-1單片機(jī)和PC機(jī)的串行通信接口串行通信是CPU與外界交換信息的一種基本通信方式。單片機(jī)用語(yǔ)數(shù)據(jù)采集時(shí)，往往作為前端機(jī)安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，遠(yuǎn)離主機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)必須采用串行通信方式發(fā)往主機(jī)進(jìn)行處理，以降低通信成本，提高通信可靠性。5-1系列單片機(jī)自身有兩個(gè)的異步通信接口，實(shí)現(xiàn)串行通信很是方便。單片機(jī)和PC的串行通信接口電路圖如圖（6-9）圖中MAX232完成TTL-EIA的電平轉(zhuǎn)換。在PC機(jī)內(nèi)接有PC16550（和8250兼容）串行接口、EIA-TTL的電平轉(zhuǎn)換和RS-232C連接器，除鼠標(biāo)占用一個(gè)串行口以外，還留有兩個(gè)串行口給用戶(hù)，這就是COM1（地址3F8H~~3FFH）和COM2（地址2F8H~~2FFH），通過(guò)這兩個(gè)口，可以連接MODEM和電話(huà)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)，也可以連接其他通信設(shè)備，如單片機(jī)、仿真機(jī)等。8155的內(nèi)部RAM和I/O的選擇由引腳IO/控制，當(dāng)IO/=0時(shí)，CPU訪(fǎng)問(wèn)RAM,RAM的低8位編制為：00H~FFH；、IO/+1時(shí)，CPU訪(fǎng)問(wèn)IO口，其低8位編址見(jiàn)教材的真值表，8155的工作方式選擇通過(guò)對(duì)8155內(nèi)部命令，寄存器通過(guò)設(shè)定控制命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。8155具有兩種基本操作，即用8155中的256字節(jié)RAM及擴(kuò)展I/O口適用，當(dāng)RAM與系統(tǒng)RAM無(wú)區(qū)別：作I/O口使用時(shí)，可通過(guò)工作方式以滿(mǎn)足不同需要。8155與一個(gè)狀態(tài)寄存器，鎖存I/O口和定時(shí)器的當(dāng)前狀態(tài)，使CPU查詢(xún)用。狀態(tài)寄存器和命令寄存器公用一個(gè)地址，只能讀入，不能寫(xiě)入。CPU讀地址時(shí)，作狀態(tài)寄存器，讀出時(shí)是當(dāng)前I/O口和定時(shí)器的狀態(tài)，而寫(xiě)時(shí)則作為命令急促請(qǐng)你寫(xiě)入命令。4.4控制系統(tǒng)程序編譯4.4.1數(shù)控的插補(bǔ)方法在CNC數(shù)控機(jī)床上，各種輪廓的加工都是通過(guò)插補(bǔ)計(jì)算實(shí)現(xiàn)的，插補(bǔ)計(jì)算的任務(wù)就是對(duì)輪廓線(xiàn)的起點(diǎn)到終點(diǎn)之間再密集的計(jì)算出有限各坐標(biāo)點(diǎn)，刀具沿著這些坐標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)，來(lái)逼近理論輪廓[15]。插補(bǔ)方法可分兩大類(lèi)：脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)。脈沖增量插補(bǔ)是控制單個(gè)脈沖輸出規(guī)律的方法。每輸出一個(gè)脈沖，移動(dòng)部件都要相應(yīng)的移動(dòng)一段距離，這個(gè)距離叫脈沖當(dāng)量。脈沖增量插補(bǔ)通常用于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。4.4.2直線(xiàn)插補(bǔ)工作原理下面以逐點(diǎn)比較法來(lái)說(shuō)明其工作原理。直線(xiàn)插補(bǔ)原理：加工如圖4-2所示的平面斜線(xiàn)AB，圖4-2平面斜線(xiàn)AB此斜線(xiàn)的方程為：=在第一象限插補(bǔ)時(shí)，若沿X方向走一步，則：若沿Y方向走一步，則：根據(jù)對(duì)線(xiàn)段加工方向的不同來(lái)判斷它所處的象限，如表4-1所示：表4-1象限判別象限方向第一象限第二象限第三象限第四象限＞0＜0＜0＞0＞0＞0＜0＜0X向的電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)Y向的電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)對(duì)于四個(gè)象限可公用如下判別式：沿X方向走一步，則：沿X方向走一步，則：4.4.3圓弧插補(bǔ)工作原理下面以逐點(diǎn)比較法來(lái)說(shuō)明其工作原理。圓弧插補(bǔ)原理：在圖4-3中，AB是一段被加工圓弧。圖4-3圓弧AB點(diǎn)的判別式可寫(xiě)成如下形式：沿+X方向走一步沿—X方向走一步沿+Y方向走一步沿—Y方向走一步在插補(bǔ)過(guò)程中不斷計(jì)算出的I和J的值，都是以圓心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。根據(jù)給出的判別式的正負(fù)號(hào)與進(jìn)給方向關(guān)系，和表4-2給出的象限和、符號(hào)的關(guān)系，可對(duì)四個(gè)象限的順逆圓弧加工編寫(xiě)出插補(bǔ)程序。逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)的終點(diǎn)，可根據(jù)圓弧終點(diǎn)對(duì)圓心坐標(biāo)值判定。當(dāng)滿(mǎn)足條件、符號(hào)的時(shí)，就達(dá)到了終點(diǎn)。表4-2象限判別第一象限第二象限第三象限第四象限+--+++--X向電動(dòng)機(jī)順圓++--逆圓--++Y向電動(dòng)機(jī)順圓-++-逆圓+--+4.5自動(dòng)換刀程序設(shè)計(jì)自動(dòng)換刀程序要根據(jù)換刀電機(jī)的控制電路設(shè)計(jì)，各種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中，其換刀電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)思想上基本相同的，都是采用一個(gè)出口的二位信號(hào)線(xiàn)分別控制電機(jī)正，反轉(zhuǎn)，用一個(gè)輸出入口的二位信號(hào)線(xiàn)分別檢測(cè)電機(jī)正，反轉(zhuǎn)時(shí)換刀到位和壓緊狀態(tài)。其程序設(shè)計(jì)如下：ZDHD:PUSHAEPUSHBCPUSHDE………;保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)MOVA,#00HMOVDPTR,#MH;A清零MOVX@DPTPRA ;關(guān)換刀電機(jī)MOVR0,@41H HD1:MOVA,#03# ;取需換刀位碼ANLA,@03# ;代碼后兩位有效CJNEA,@R0,HD2 ;判位POP…….…….POPDEPOPBCPOPAFRETHD2:MOVA,#01H ;輸入刀架轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)MOV@DPTPRAHD3:MOVDPTR,#MH ;指向輸入口地址MOVA,@DPTR;取輸入口內(nèi)容,測(cè)到位否JNBACC1,HD3;未到位,循環(huán)測(cè)MOVDPTR,#MH;到位,停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)MOVA,#00HMOVX@DPTR,A ACALLYANSIS;調(diào)延時(shí)1s子程序MOVA,#02H;刀架電機(jī)反轉(zhuǎn)MOV@DPTR,AHD4:MOVDPTR,#NH;測(cè)反轉(zhuǎn)夾緊否MOVXA,@DPTRJNBACC3,HD4;為夾緊,循環(huán)測(cè)MOVA,#00HMOVDPTR,#MH;夾緊,停轉(zhuǎn)MOVX@DPTR,AINT@RO;記錄現(xiàn)刀位碼CJNEA,#04H,HD1;未超過(guò)最高記錄碼,重新判位MOV@RO,#OOH;超過(guò)了則重新記錄SAMPHD1YANSIS…….;延時(shí)1s子程序(略)[15]結(jié)論本設(shè)計(jì)將CA6163車(chē)床改造成微機(jī)數(shù)控車(chē)床，采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制。在縱向和橫向具有直線(xiàn)和圓弧插補(bǔ)功能。主運(yùn)動(dòng)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速，刀架要改造成自動(dòng)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。該設(shè)計(jì)大量考慮了社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，降低經(jīng)濟(jì)成本，自動(dòng)化程度并不過(guò)，尤其是在自動(dòng)定位，自動(dòng)切削螺紋方面功能欠缺，自動(dòng)化程度、精度達(dá)不到技術(shù)高端水平，因此在以后的設(shè)計(jì)方面應(yīng)繼續(xù)向這些方面考慮，進(jìn)一步的提高數(shù)控車(chē)床的先進(jìn)水平，在加工精度，加工時(shí)間，自動(dòng)化方面更上一層樓，能夠更好的為現(xiàn)代化生產(chǎn)服務(wù)。參考文獻(xiàn)[1]李鐵堯．金屬切削機(jī)床[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989．[2]蔡厚道．?dāng)?shù)控機(jī)床構(gòu)造[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2007．2[3]吳孜越．C620普通車(chē)床的數(shù)控化改造[M]．機(jī)床與液壓，2005．[4]周偉平，機(jī)械制造技術(shù)[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002[5]趙云龍．?dāng)?shù)控機(jī)床及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001．[6]龔仲華．?dāng)?shù)控技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．1[7]鄭曉峰．?dāng)?shù)控技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．9[8]尹立云．C616普通車(chē)床的數(shù)控化改造[M]北京：2004、3[9]張麗芳．普通車(chē)床的數(shù)控改造設(shè)計(jì)[M]．船電技術(shù)，2001、6[10]楊有君．?dāng)?shù)控技術(shù)[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．8[11]李善術(shù)．?dāng)?shù)控機(jī)床及其應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001．5[12]吉孝花．?dāng)?shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)及網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)的探究[M]甘肅科技2006、6[13]李宏勝，黃尚先．機(jī)床數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．8[14]李恩林．?dāng)?shù)控技術(shù)原理及應(yīng)用[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006．2[15]李華．單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993致謝經(jīng)過(guò)將近四個(gè)月的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，老師犧牲了自己的時(shí)間，對(duì)我進(jìn)行了精心的指導(dǎo)。在指導(dǎo)過(guò)程中，老師對(duì)我提出的問(wèn)題耐心的講解，對(duì)論文所涉及的內(nèi)容詳細(xì)的指導(dǎo)，付出了很多心血，在此我向趙利明老師表示由衷的感謝。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，老師科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，誨人不倦的教學(xué)態(tài)度一直深深影響著我，使我在畢業(yè)設(shè)計(jì)中真正鞏固了以往所學(xué)的知識(shí)，提高了專(zhuān)業(yè)技能，再次向趙利明老師表示我最誠(chéng)摯的謝意！在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，同學(xué)和朋友也給與我很多幫助，由于自身知識(shí)的欠缺和能力的局限，在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了很多困難，他們對(duì)我進(jìn)行了耐心細(xì)致的幫助，向他們表示我誠(chéng)摯的感謝！基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營(yíng)養(yǎng)診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開(kāi)發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線(xiàn)間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線(xiàn)切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開(kāi)發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測(cè)量?jī)x的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線(xiàn)性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門(mén)傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測(cè)儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)HYPERLINK"/detail.htm?268499