X62W銑床數(shù)控改造（縱向）

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請(qǐng)放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問(wèn)可加】 X62銑床數(shù)控改造 摘 要 本文在X62銑床數(shù)控改造設(shè)計(jì)時(shí)主要從經(jīng)濟(jì)性、方便性、實(shí)用性、可靠性四方面因素出發(fā)，對(duì)X62 型銑床進(jìn)行了銑床數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件及電路設(shè)計(jì)。使改造后的機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)部分具有高靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛度;運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦因數(shù)小，傳動(dòng)無(wú)間隙;功率大;便于操作和維修。 X62銑床數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算。進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，拆除縱向、橫向、垂向進(jìn)給箱齒輪，在該處將手輪軸通過(guò)一對(duì)減速齒輪和縱向、橫向及垂向步進(jìn)電機(jī)相連。絲杠拆去，換上滾珠絲杠，并由齒輪箱與滾珠絲杠連接，改造后的X62銑床的定位精度為士0.01㎜，重復(fù)定位精度為士0.005㎜。X、Y電機(jī)能夠拖動(dòng)工作臺(tái)以6～2300r/min的切削進(jìn)給速度進(jìn)行X向、Y向運(yùn)動(dòng)。 數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)基于8031單片機(jī)的數(shù)字型控制系統(tǒng)。采用較小體積的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)一般的邏輯功能， 對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的兩個(gè)軸進(jìn)行控制。 關(guān)鍵詞 銑床；數(shù)控改造；步進(jìn)電機(jī)；滾珠絲杠 X62 CNC milling machine transformation Abstract Based on the aspects of the improvement on X62 milling machine as follows: the economy，convenience , function and reliability. This dissertation conducts the systematic design and hardware circuit design . These work improve the functions of milling machine on some aspects as follows: the large static and dynamic stiffness of the mechanical drive parts， the little friction factor of the motion pairs，no clearance in driving，the large power and the convenient operation and maintenance. The system designs of X62 numerical machine’s mechanical include the design and the calculation of the design and the calculation of the servo drive system, of the lead screw nut pair. In the design of he feed motion’s drive system，it should be removed that the longitudinal and the traverse and the vertical feed change gears. Joint the handle wheel axel with the vertical stepping motor through a pair of reduction gear there, the ball screw is used instead of the leads crew, which is connected with the gearbox. Accuracy of position of the improved X62 milling machine is士0.01mm, its precision of repeatability is士 0.005mm. The motors for X and Y directions in the speed of 6-2300r/min. The numerical system is a data control system designed by model block based on single chip microcomputer of 8031. The single chip microcomputer of smaller volume is adopted to realize the ordinary function., command the locomotion of the X and Y. Keywords　 Milling machine, NC innovation, Stepping motor，Ball bearing thread stick 不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印 - III - 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 X62 銑床數(shù)控改造設(shè)計(jì)總體要求和內(nèi)容 3 第2章 X62 銑床數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 2.1 概述 6 2.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 7 2.2.1 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算 7 2.2.2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 9 第3章 X62 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 3.1 X62 銑床數(shù)控控制系統(tǒng)方案 16 3.2 CPU分析選用 16 3.2.1 單片機(jī)引腳及其功能 16 3.2.2 3.2.2 I/O口及其功能 16 3.2.3 控制線 17 3.3 存儲(chǔ)器I/O的擴(kuò)展 18 3.3.1 存儲(chǔ)器的選用、擴(kuò)展及連接 18 3.3.2 鍵盤與顯示接口電路 19 3.3.3 8255與8031的連接 27 結(jié)論 38 致謝 39 參考文獻(xiàn) 40 附錄 42 千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 - IV - 第1章 緒論 1.1 課題背景 數(shù)控機(jī)床具有高精度、高效、高速、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，并且機(jī)床結(jié)構(gòu)趨于模塊化、數(shù)控功能專門化。數(shù)控機(jī)床是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、傳感測(cè)量、機(jī)械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體的典型的機(jī)電一體產(chǎn) 品。它的發(fā)展和運(yùn)用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時(shí)代，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式、使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大的變化。 數(shù)控技術(shù)水平的高低已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)加工機(jī)床及生產(chǎn)過(guò)程數(shù)控化，己成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。我國(guó)是世界上機(jī)床產(chǎn)量最多的國(guó)家，但在數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力仍然處于較低的水平。因?yàn)殚_發(fā)一臺(tái)新的數(shù)控機(jī)床的周期比較長(zhǎng)，不能及時(shí)針對(duì)用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。為此我們應(yīng)該在普通機(jī)床上考慮，不能一味的大量添置全新的數(shù)控機(jī)床，這樣會(huì)造成資金投資量大，成本高，而且又會(huì)造成原有設(shè)備閑置浪費(fèi)。把普通機(jī)床改造為數(shù)控機(jī)床不失為一條提高數(shù)控化率的有效途徑。普通機(jī)床數(shù)控化改造，顧名思義就是在機(jī)床上增加微機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動(dòng)化能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。這種機(jī)床改造花費(fèi)少，改造針對(duì)性強(qiáng)，時(shí)間短，改造后的機(jī)床大多能克服原機(jī)床缺點(diǎn)和存在的問(wèn)題，生產(chǎn)效率高，尤其適合中國(guó)機(jī)床擁有量大、生規(guī)模小的具體國(guó)情。 1.微觀看改造的必要性 微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。數(shù)控機(jī)床可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來(lái)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?？梢詫?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(lái)，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(zhǎng)時(shí)問(wèn)無(wú)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(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC、FMS以及CIMS等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 2.宏觀看改造的必要性 宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)(包括軍、民機(jī)械工業(yè))進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過(guò)程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS(管理信息系統(tǒng))、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對(duì)國(guó)外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造(稱之為信息化)，最終使得他們的產(chǎn)品在國(guó)際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落后20年，如我國(guó)機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重(數(shù)控化率)到 1995年只有 1.9%，而日本在 1994年己達(dá)20.8%，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。 (數(shù)控化率)到 1995年只有 1.9%，而日本在 1994年己達(dá)20.8%，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。 當(dāng)今世界，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)機(jī)床工業(yè)高度重視，競(jìng)相發(fā)展機(jī)電一體化、高精、高效、高自動(dòng)化先進(jìn)機(jī)床，以加速工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。長(zhǎng)期以來(lái)，歐、美、亞在國(guó)際市場(chǎng)上相互展開激烈競(jìng)爭(zhēng)，己形成一條無(wú)形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床在20世紀(jì)80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早己成為四大國(guó)際機(jī)床展上各國(guó)機(jī)床制造商競(jìng)相展示先進(jìn)技術(shù)、爭(zhēng)奪用戶、擴(kuò)大市場(chǎng)的焦點(diǎn)。較著名的控制系統(tǒng)有:日本FANUC系列、Mitsubishi系列、OKUNIA系列、SODICK系列、日立系列、德國(guó)SIEMENS系列、DECKEL系列、Heidenhain系列、HELLER系列、美國(guó)ALLEN-BRADLEY(AB)系列、CINCINNANTI系列、法國(guó)Num系列、意大利FIDIA系列、西班牙FAGOR系列、瑞士的AG系列、國(guó)產(chǎn)系列等。 在美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，它們將機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)“永恒”的課題。我國(guó)的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國(guó)、日本、德國(guó)，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場(chǎng)，己形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國(guó)，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生(Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有:Bertsche工程公司、ayton機(jī)床公司、Devlieg-Bullavd(得寶)服務(wù)集團(tuán)、US設(shè)備公司等。美國(guó)得寶公司己在中國(guó)開辦公司。在日本機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝(Retrofitting)業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大限工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司山本工程公司等。 趕上計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)前進(jìn)的步伐、加快數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)速度，已成為數(shù)控發(fā)展的最主要趨勢(shì)。以第四代計(jì)算機(jī)的工程結(jié)構(gòu)和微電子工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用現(xiàn)有微機(jī)的硬件、軟件資源，發(fā)展總線式、模塊式、開放型、嵌入式的柔性數(shù)控系統(tǒng)，使之即適合加工復(fù)雜零件、分立式機(jī)床用的數(shù)控系統(tǒng)的組成，又適合未來(lái)自動(dòng)化升級(jí)時(shí)功能可擴(kuò)展的要求。 我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展具有以下3個(gè)特征： (l)高檔數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)突破。如華中I型等數(shù)控系統(tǒng)，都具有多軸聯(lián)動(dòng)功能，快速進(jìn)給速度在1.67m/s以上，具有較強(qiáng)的通信、管理功能。 (2)普及型數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟。如北京機(jī)床研究所的BS9l系統(tǒng)，這些系統(tǒng)一般配有CRT顯示器，可配置直流和交流司服驅(qū)動(dòng)，2~4軸聯(lián)動(dòng)。 (3)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)仍有廣闊的市場(chǎng)前景。由于這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，非常適合中小型企業(yè)，目前仍是我國(guó)應(yīng)用面最廣的數(shù)控系統(tǒng)。比較典型的有南京大方的JWK系列。 我國(guó)是機(jī)床生產(chǎn)大國(guó)，又是使用大國(guó)。數(shù)控機(jī)床是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵產(chǎn)品，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床在機(jī)床產(chǎn)品中的比例總體水平低。但是我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，許多企業(yè)財(cái)力薄弱，不可能花費(fèi)大量的資金添置許多全新的數(shù)控機(jī)床，同時(shí)大量的通用機(jī)床不可能全部淘汰。 因此，把普通機(jī)床改造為數(shù)控機(jī)床則不失為是一條提高數(shù)控化率的有效途改造徑，機(jī)床改造花費(fèi)少，改造針對(duì)性強(qiáng)，時(shí)間短，改造后的機(jī)床大多能克服原機(jī)床的缺點(diǎn)和存在的問(wèn)題，生產(chǎn)效率高。 1.2 X62銑床數(shù)控改造設(shè)計(jì)總體要求和內(nèi)容 如圖1-1所示，為 X62 銑床的原傳動(dòng)系統(tǒng)圖。其主軸轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)1經(jīng)齒輪變速驅(qū)動(dòng)。其主軸的升降用手柄5經(jīng)錐齒輪副3，絲杠手動(dòng)操作。工作臺(tái)的x軸和y軸分別通過(guò)離合器6和離合器7，由進(jìn)給電動(dòng)機(jī)10通過(guò)齒輪變速驅(qū)動(dòng)絲杠副4和8實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)給。工作臺(tái)的升降有電動(dòng)機(jī)10通過(guò)離合器9將運(yùn)動(dòng)傳給絲杠副11來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 對(duì)X62 銑床進(jìn)行機(jī)械部分改造，數(shù)控機(jī)床的剛度系數(shù)應(yīng)該比同類普通機(jī)床高50%；應(yīng)盡量提高機(jī)床的抗振性，通常機(jī)床的振動(dòng)包括強(qiáng)迫振動(dòng)和受迫振動(dòng)。要提高機(jī)床在低速進(jìn)給時(shí)的平穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)精度。為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的自動(dòng)銑削加工，提出方案： 方案：工作臺(tái)的x,y軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)改變?yōu)槲C(jī)控制，實(shí)現(xiàn)三軸或二軸的開環(huán)同步控制或非同步控制。 我們這里的設(shè)計(jì)要求改造x,y軸，z軸作為預(yù)留，所以我們這里選擇此方案。 圖1-1 X62銑床改前傳動(dòng)原理圖 圖1-2 X62銑床改后傳動(dòng)原理圖 第2章 X62銑床數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 概述 X62 銑床數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)分縱向，橫向和垂向三個(gè)部分，在每個(gè)部分中，包括滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)計(jì)算，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。 1. 滾珠絲杠螺母副把傳動(dòng)絲杠與螺母之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)榱藵L動(dòng)摩擦, 使摩擦損失減小, 使精度保持性、傳動(dòng)平穩(wěn)性、傳動(dòng)效率等都得到提高，其傳動(dòng)效率可達(dá)到92%～98%,比常規(guī)的絲杠螺母副提高3～4倍（滑動(dòng)絲杠效率為0.2～0.4）。 2. 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算包括步進(jìn)電機(jī)選型、減速齒輪副的設(shè)計(jì)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和 五相:兩相步進(jìn)角一般為 1.8度，而五相步進(jìn)角一般為0.72度。 2.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.2.1 切削力計(jì)算 由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，切削功率 式中N——電機(jī)功率，查機(jī)床說(shuō)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： （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： C＝188kgf/＝1880MPa X＝1 Y＝0.75 K＝1 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(cè)》中可得知，在一般外圓車削時(shí)： ＝（0.15～0.7）（3—5） ＝3243N ＝0N 2.2.2 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） 2.2.2.1 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： 2.2.2.2 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 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F級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差（1m長(zhǎng)）為30，故剛度足夠。 千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印?！敖Y(jié)論”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫在此行之前。 - 8 - 第3章 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 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(lái)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。總線則是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 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。 3.2 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(wú)ROM，適用于需擴(kuò)展ROM，可在現(xiàn)場(chǎng)修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場(chǎng)合，其價(jià)格低，使用靈活，非常適合在我國(guó)使用。此次設(shè)計(jì)使用的是8031芯片。見圖4—2。 3.2.1 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。 3.2.2 8031芯片引腳功能 8031芯片具有40根引腳，功能分四類： 3.2.2.1 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。 3.2.2.2 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。 使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào)。 3.2.2.3 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?？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(wèn)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 3.2.2.4 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。 3.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 3.3.1 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(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4—3： 圖4—3 8031與EPROM連接示意圖 3.3.2 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。 3.3.3 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。一定要注意地址。 3.4 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計(jì) 3.4.1 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(lái)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03H→A MOV DPTR， A； 控制字→命令寄存器 3.4.2 輔助電路設(shè)計(jì) 3.4.2.1 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 3.4.2.2 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(jiǎn)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(guò)，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(guò)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(guò)，為繞組供電，提供所需的額定電流。通過(guò)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(guó)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。 3.4.2.3 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 3.4.2.4 復(fù)位電路 圖4—7 8031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。 3.4.2.5 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。 3.5 繪制微機(jī)控制電路原理圖 3.5.1 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。 3.5.2 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(jiǎn)單。 3.5.3 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。 3.5.4 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(guò)設(shè)置不同的時(shí)間常數(shù)來(lái)加工不同螺距螺紋，零件螺紋信號(hào)是防止螺紋亂扣。 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(guò)這次比較完整的對(duì)X62銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)，我擺脫了單純理論學(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(wèn)題的能力。 通過(guò)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。 數(shù)控改造后擁有了自己設(shè)計(jì)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(lái)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(guò)測(cè)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。 參考文獻(xiàn) 1 張新義.金屬切削原理.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(cè)編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三冊(cè)）.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(cè).遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999 致謝 本文是在張寶海老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，張老師給了我很大的幫助，對(duì)我的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)的檢查，及時(shí)給我指出不足并提出改進(jìn)的方法，沒有張老師的耐心指導(dǎo)與鼓勵(lì)，論文是不可能順利完成的。張老師的淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)之風(fēng)、勤懇的工作態(tài)度，讓我終身受益，這是張老師傳授給我的最寶貴的財(cái)富。從張老師的身上，我更進(jìn)一步的體會(huì)到制圖是一個(gè)辛苦而又必須嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^(guò)程。在我即將畢業(yè)之際，衷心的感謝我的指導(dǎo)老師張老師，是你對(duì)我的教導(dǎo)、培養(yǎng)、關(guān)心和鼓勵(lì)!感謝幫助過(guò)我的大學(xué)的老師們!我想說(shuō):老師您辛苦了! 最后，向我在畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)借閱資料的作者表示感謝。 21-