X62W萬能銑床X軸數(shù)控改造設(shè)計(jì)【優(yōu)秀通過答辯】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)的不斷發(fā)展，社會(huì)對產(chǎn)品多樣化的要求日益提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，多品種小批量生產(chǎn)比重加大，零件形狀越來越復(fù)雜，精度越來越高，此外，激烈的市場競爭要求產(chǎn)品研制周期越來越短，傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造手段已經(jīng)難于滿足這種變化，為了解決這些問題，數(shù)控機(jī)床就這樣應(yīng)運(yùn)而生。 在本次設(shè)計(jì)中，就包括了關(guān)于數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，并且針對本次設(shè)計(jì)的課題，擬定了一系列的方案，進(jìn)給系統(tǒng)的總體方案，數(shù)控銑床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械部分，以及數(shù)控系統(tǒng)的硬件分析和設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵字：數(shù)控機(jī)床；單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)；伺服電機(jī)；傳動(dòng)系統(tǒng)。 Abstract With the continuous development of science and technology and society, the society for increasing product diversification requirements, product upgrading faster, more varieties of small batch production increase, the shape of parts is more and more complex, increasingly high precision, in addition, the fierce market competition requires the product development cycle is shorter and shorter, processing equipment and manufacturing method the tradition has been difficult to meet this change, in order to solve these problems, CNC machine tools came into being. In this design, including the basic knowledge on CNC technology, and according to the design of the project, proposed a series of solutions, the overall scheme of the feed system, the mechanical part of the feed drive system of CNC milling machine, CNC system and the hardware design and analysis. Key words: numerical control machine tool; single chip computer numerical control system; servo motor; transmission system. 目 錄 摘 要 I Abstract II 第一章 緒論 1 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 2 2.1總體方案設(shè)計(jì)的目標(biāo) 2 2.2 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 2 2.2.1 導(dǎo)軌副的選用 2 2.2.2絲杠螺母副的選用 2 2.2.3減速裝置的選用 2 2.2.4步進(jìn)電機(jī)的選用 2 3.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 第三章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 3.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 4 3.2 滾珠絲桿副軸向間隙的調(diào)整與預(yù)緊 4 3.3 滾珠絲桿副支承方式的選擇 4 3.4 滾珠絲桿螺母幅的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型 5 3.4.1 計(jì)算主切削力 5 3.4.2 計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm 5 3.4.3 計(jì)算最大負(fù)載C 6 3.4.4 滾珠絲桿螺母幅的選型 6 3.4.5 傳動(dòng)效率 7 3.4.6 剛度驗(yàn)算 7 3.4.7 穩(wěn)定性校核 8 3.5 齒輪傳動(dòng)比的選擇 8 3.6 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 9 3.6.1負(fù)載等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq的計(jì)算 9 3.6.2等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 10 3.6.3步進(jìn)電機(jī)的校核 12 第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 4.1 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 13 4.2 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 13 4.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 4.3.1 硬件電路的組成 14 4.3.2機(jī)械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì)總結(jié)： 16 結(jié) 論 18 致 謝 19 參考文獻(xiàn) 20 III 第一章 緒論 微觀上看，銑床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。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，而且柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。 由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。銑床只要更換一個(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)時(shí)間無看管加工。有以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。 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（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）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)。 宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在20世紀(jì)70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用銑床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用銑床、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)對國外軍、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)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(jī)床擁有量中，銑床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達(dá)20.8％，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了銑床數(shù)控化改造的必要性。把X62W銑床改造成數(shù)控銑床，主要改造的部分是：在主電動(dòng)機(jī)端面加一電磁離合器，以便用指令控制主軸停轉(zhuǎn)；反工作臺(tái)的縱橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)改造成用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來控制。垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)仍采用機(jī)動(dòng)和手動(dòng)方式，下面主要介紹橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造和數(shù)控系統(tǒng)的硬件改造。 X62W型萬能銑床的結(jié)構(gòu)主要由床身、主軸、刀桿、懸梁、刀桿支架、工作臺(tái)、回轉(zhuǎn)盤、橫溜板、升降臺(tái)、底座等幾部分組成。在床身的前面有垂直導(dǎo)軌，升降臺(tái)可沿著它上下移動(dòng)。在升降臺(tái)上面的水平導(dǎo)軌上，裝有可在平行主軸軸線方向移動(dòng)的溜板。溜板上部有可移動(dòng)的回轉(zhuǎn)盤，工作盤就在溜板上部的回轉(zhuǎn)盤上的導(dǎo)軌做垂直于主軸軸線方向的移動(dòng)。工作臺(tái)上有個(gè)T形槽用來固定工件。這樣安裝在工作臺(tái)上的工件就可以在三個(gè)坐標(biāo)的六個(gè)方向調(diào)整位置或進(jìn)給。銑床主軸帶動(dòng)銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)主運(yùn)動(dòng)；銑床工作臺(tái)的前后、左右、和上下6個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、銑床的其他運(yùn)動(dòng)，如工作臺(tái)的訊轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則屬于輔助運(yùn)動(dòng)。 此外由于，由于回轉(zhuǎn)盤可繞中心繞過一個(gè)角度（通常是45度），因此工作臺(tái)在水平面上除了能在平行于或垂直于主軸軸線方向進(jìn)給，還能在傾斜方向進(jìn)給，可以加工螺旋槽，故稱為萬能銑床。 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1總體方案設(shè)計(jì)的目標(biāo) 機(jī)電一體化系統(tǒng)通常由動(dòng)力系統(tǒng)、包括機(jī)械本體、傳動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械裝置、傳感器與檢測系統(tǒng)及信息處理與控制系統(tǒng)組成。機(jī)電一體化系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的目標(biāo)是擬定執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)方案、結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)總體控制方案的設(shè)計(jì)、控制電機(jī)的選擇等相關(guān)內(nèi)容，以便為后續(xù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。下面針對總統(tǒng)方案設(shè)計(jì)目標(biāo)中的各部分設(shè)計(jì)內(nèi)容，分別討論其設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟。 2.2 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 2.2.1 導(dǎo)軌副的選用 設(shè)計(jì)數(shù)控銑床工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用矩形導(dǎo)軌副，它具有結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗(yàn)和維修方便，導(dǎo)軌面較寬，承載能力大，剛度高等優(yōu)點(diǎn)。 2.2.2絲杠螺母副的選用 步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足0.01mm沖當(dāng)量，滑動(dòng)絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。 2.2.3減速裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。如果傳動(dòng)比i=1，可直接選用聯(lián)軸器進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲桿的連接。 2.2.4步進(jìn)電機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量0.01mm，空載最快移動(dòng)速度也只有因此2000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，因此可以選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。以降低成本，提高性價(jià)比。 3.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1）設(shè)計(jì)的X工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位。 2）對于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。 3）要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。 4）選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。 第三章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 銑床的脈沖當(dāng)量為0.01/Step 3.2 滾珠絲桿副軸向間隙的調(diào)整與預(yù)緊 滾珠絲桿副在有負(fù)載時(shí)，滾珠與滾道面接觸點(diǎn)出降產(chǎn)生彈性變形。換向時(shí)，其軸向間隙會(huì)引起回空。這種回空是非連續(xù)的，既影響傳動(dòng)精度又影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 在這次設(shè)計(jì)中，我們采用了雙螺母墊片預(yù)緊調(diào)整式，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、剛度高、預(yù)緊可靠。但使用中調(diào)整不方便 圖3-1 雙螺母墊片預(yù)緊調(diào)整式 3.3 滾珠絲桿副支承方式的選擇 實(shí)踐證明，絲桿的軸承組合及軸承座以及其他零件的連接剛性不足，將嚴(yán)重影響滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度與剛度。 因?yàn)楦脑斓腦62W萬能銑床采用的支承方式是雙推-自由式，雙推-自由式是一端安裝推力軸承與深溝球軸承的組合。因此保留原有的支承的方式，支承方式采用雙推-自由式。 圖3-2 雙推-自由式 3.4 滾珠絲桿螺母幅的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型 3.4.1 計(jì)算主切削力 根據(jù)主傳動(dòng)功率計(jì)算法，主切削力FZ為 其中PE=7.5KW、=0.8、v=2000mm/min 所以 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式FX：FY：FZ=0.25：0.4：1 所以FX=0.25FZ=750N FY=0.4FZ=1200N 3.4.2 計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm 在以工作壽命為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)按實(shí)際加工中平均銑削條件為準(zhǔn) 其中K=1.4 、f=0.2 、W=5000N 因此牽引力Fm為 3.4.3 計(jì)算最大負(fù)載C C=FQ=fFFH 其中：L= ； n= 以上式中：L為滾珠絲杠導(dǎo)程，初選：L=5mm； Vs為最大切削力下的進(jìn)給速度VS=Vmax=0.15m/min，n=30r/min； f為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取：f=1.2-1..5；取1.2 ； fH硬度系數(shù)滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)fH=1.0； 取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h代入L0=,得絲杠壽命系數(shù) L0= =27 C=FQ= 3.4.4 滾珠絲桿螺母幅的選型 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載與預(yù)選的絲杠導(dǎo)程，查閱《緊密滾珠絲桿副》選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片式預(yù)緊滾珠絲桿副，規(guī)格代號FFZD3205-3，公稱直徑d0=32,公稱導(dǎo)程為L0=PH=5,基本額定負(fù)載動(dòng)載荷C=11700N,可滿足要求，精度等級為3級。 圖3-3 FFZD3205-3滾珠絲桿 圖3-4 螺母安裝畫法 表3-1 滾珠絲桿及螺母各參數(shù) 3.4.5 傳動(dòng)效率 滾珠絲桿螺母幅的傳動(dòng)效率η為 式中：螺旋升角， 摩擦角 ， =0.96 3.4.6 剛度驗(yàn)算 滾珠絲桿采用雙推-自由式支撐最大牽引力為3130N， (1) 計(jì)算絲杠的拉伸或壓縮變形量 受工作載荷Fm作用引起的導(dǎo)程的變化率為 （mm） 式中：進(jìn)給牽引力Fm=3130N;絲桿的導(dǎo)程L0=5mm，鋼材料的彈性模量；滾珠絲桿的底徑截面積A=656mm2；代入上式得 = (2) 計(jì)算滾珠與螺紋滾道間接觸變形： 有預(yù)緊時(shí)： 式中：；滾珠絲桿直徑=3.5mm；滾珠數(shù)量；代入上式得. (3) 計(jì)算支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形: 采用向心推力球軸承時(shí)，， 綜合以上幾項(xiàng)變形量之和： 查表得300mm行程允許的動(dòng)變量是0.016mm，故剛度滿足要求。 3.4.7 穩(wěn)定性校核 無需穩(wěn)定校核 3.5 齒輪傳動(dòng)比的選擇 已知縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量δP=0.01，滾珠絲杠導(dǎo)程L0=5㎜，初選步進(jìn)電機(jī)步距角θb=0.75°，傳動(dòng)比為 因?yàn)閕=1，初步選用聯(lián)軸器連接進(jìn)行滾珠絲桿與步進(jìn)電機(jī)的連接。 圖3-5 橈性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)原理圖 3.6 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 3.6.1負(fù)載等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq的計(jì)算 因?yàn)椴捎寐?lián)軸器進(jìn)行電機(jī)與絲桿之間的連接，所以 式中——絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 式中：ρ——?jiǎng)偟拿芏龋? L——絲桿的長度L=30（cm） d0——絲桿的公稱直徑d0=3.2（cm） 代入上式得 所以 查表3-1，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)110BC380A，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=5.0kg·cm2 所以電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配：，滿足慣量匹配的條件 表3-1 110BC反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 110BC 380A 3 0.75/ 1.5 80- 300 6 9.8(100) 1350 15000 5 可供雙軸申 圖3-6 111BC380系列反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)外形圖及安裝尺寸 3.6.2等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 （1）快速空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 在快速空載啟動(dòng)階段，電機(jī)的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 取啟動(dòng)時(shí)間=0.3s，=0.8，代入上式得 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩為 附加摩擦力矩為 式中：滾珠絲桿預(yù)加負(fù)載，代入上式得 上訴三項(xiàng)合計(jì)得 （2）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 施加在電機(jī)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 初選電機(jī)為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)110BC380A，其最大靜轉(zhuǎn)矩為，因?yàn)? 所以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)110BC380A作為初選型號 3.6.3步進(jìn)電機(jī)的校核 由于步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性是在空載下做出的，隨著負(fù)載的增加，啟動(dòng)頻率會(huì)有所下降。因此，應(yīng)該對帶載下的啟動(dòng)頻率、運(yùn)行頻率以及輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行校核。 1） 校核啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 產(chǎn)品樣本中給出的電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是5.0N·m，采用三相六拍通電方式，查表可知：啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩/最大靜轉(zhuǎn)矩=0.866，所以步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)為 >,滿足要求。 2） 校核運(yùn)行頻率 計(jì)算空載運(yùn)行頻率 計(jì)算切削時(shí)的運(yùn)行頻率為 樣本上給出的110BC380A型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的空載運(yùn)行頻率是15000Hz，大于所需的運(yùn)行頻率，滿足要求。 3） 校核啟動(dòng)頻率 根據(jù)前面的計(jì)算，電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=5.0kg·cm2，電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率是=1350Hz。 因此，步進(jìn)電機(jī)帶慣性負(fù)載的最大啟動(dòng)頻率為 所以>，滿足要求。 第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 圖4-1 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)示意圖 4.2 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 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)控機(jī)床的基礎(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，軟件就能發(fā)揮作用。 機(jī)床數(shù)控機(jī)床的硬件電路概括起來又以下四部分組成： （1） 中央處理單元CPU。CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心。 （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。包括只讀可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器。 （4） I/O輸入輸出接口電路。 由于8031只有P1口和P3口部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴(kuò)展輸入輸出接口電路。從附錄H圖H—2可以看出，系統(tǒng)擴(kuò)展了一片8155和一片8255可編程I/O接口芯片。8155的片選信號CE接74LS138的Y0，8255芯片片選信號CS接到74LS138的Y2端。74LS138三—八譯碼器有三個(gè)輸入A、B、C分別接到8031的P2.5，P2.6、P2.7，輸出Y0~Y7 8個(gè)輸出，低電平有效。Y0~Y7對應(yīng)輸入A、B、C的000至111的8種組合，其中Y0對應(yīng)A、B、C為000，Y7對應(yīng)A、B、C為111。74LS138還有三個(gè)使能端，其中2個(gè)（GA和GB）為低電平使能，另一個(gè)G1為高電平使能。吸有當(dāng)使能端均處于有效電平時(shí)，輸出才能產(chǎn)生，否則輸出處于高電平無效狀態(tài)。 I/O接口芯片與外設(shè)的連接是這樣安排的：8155芯片PA0—PA7作為顯示器段選信號輸出，PB0—PB7是顯示器的位選信號輸出，PC0—PC4 5根線是鍵盤掃描輸入。8155芯片的IO/M引腳接8031芯片的P2.0，因?yàn)槭褂?155的I/O口故P2.0高電平。 8255芯片PA0—PA7接X向和Z向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器，為輸出，PB0—PB7為兩個(gè)方向的點(diǎn)動(dòng)及回零輸入，PC0—PC7為面板上的選擇開頭是輸入，設(shè)有編輯、單步運(yùn)行、單段運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)I、手動(dòng)II等方式。 系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲(chǔ)器及I/O接口芯片的地址編碼如表4—19所示： X向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器采用YB015，是以1—2相通電兩相四拍方式工作。A0、A1接高電平。三個(gè)芯片的選通輸出控制E0分別接8255的PA0、PA3、PA5，清零R接8255的PA1，正、反轉(zhuǎn)控制端分別接8255的PA2、PA4、PA6，時(shí)鐘輸入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以決定脈沖分配器輸出脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)時(shí)不同的進(jìn)給速度，可給8155芯片的定時(shí)/計(jì)數(shù)器中設(shè)置不同的時(shí)間常數(shù)。 表4-1 芯片的參數(shù) 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)行中所需要的各種數(shù)據(jù)，OI輸入輸出接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行交換的橋梁?？偩€則是CPU與存儲(chǔ)器，接口以及其它轉(zhuǎn)換的紐帶，是CPU與部分電路進(jìn)行交換和通訊的必由之路。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖為： 圖4-2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖 4.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 向和X向進(jìn)給伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng) 2 鍵盤顯示 3 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架控制 4 加工控制 5 面板控制 6 行程控制 7其他功能 報(bào)警電路、急停電路、復(fù)位電路、光隔離電路、功能電路等。 4.3.1 硬件電路的組成 采用MCS-51系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成 如下： a) 采用8031作CPU b) 擴(kuò)展了兩片2764芯片、一片6264芯片 c) 兩片8155可編程并行I/O接口。 d) CPU、存儲(chǔ)器及I/O接口 CPU采用8031芯片，選用6MHz晶體振蕩器。它的oP作為數(shù)據(jù)總線和地址共用。16位地址線由oP經(jīng)地址鎖存器74LS373提供8位地址70AA-，高8位地址158AA-由8031的2P口直接提供。ALE為地址鎖存允許。PSEN為低電平時(shí)選通外部存儲(chǔ)器（EPROM），相應(yīng)的指令字節(jié)出現(xiàn)在EPROM的數(shù)據(jù)線（70DD-）上，輸入到oP口，8031將指令讀入。RESET為復(fù)位控制，當(dāng)RESET輸入端出現(xiàn)高電平時(shí)，8031被初始化復(fù)位，在復(fù)位有效期向ALE、PSEN也輸出高電平。當(dāng)RESET輸入端返回低電平后，CPU從O地址開始執(zhí)行程序。（故設(shè)計(jì)中一定有一片2764芯片連到74LS138的0Y）設(shè)計(jì)中采用上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。另外，兩片8155的RESET也與8031的RESET管腳相連，它們可同時(shí)復(fù)位。 8031的0T是片內(nèi)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器溢出中斷申請，由主軸后面的光電編碼器輸入。當(dāng)車床車螺紋時(shí)，主軸光電編碼器向80310T發(fā)出進(jìn)給脈沖，用以控制不同導(dǎo)程的螺紋加工。光電編碼器還發(fā)出一個(gè)零位螺紋信號，輸入8155(1)的 6PB，用以防止車螺紋亂扣。 8155主要用于功能鍵的控制，刀架轉(zhuǎn)位控制以及報(bào)警等。其中PA口為輸入口，50PAPA-作為功能鍵的控制管理，刀架控制編輯、空運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)I，手動(dòng)II和回零。PB口也是輸入口，40PBPB-由面板上的按鍵分別控制起動(dòng)、暫停、單段、連續(xù)、急停等功能。5PB是換刀回答，當(dāng)自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架按指令轉(zhuǎn)位、夾緊，刀架電機(jī)停轉(zhuǎn)之后，發(fā)出此信號，開始執(zhí)行進(jìn)給指令。6PB接光電編碼器輸出的零位螺紋信號。PC口是輸出口，30PCPC-控制自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架四個(gè)刀位的選刀。4PC用于報(bào)警顯示，系統(tǒng)正常工作時(shí)，輸出低電平，綠色發(fā)光二極管亮，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，輸出高電平，經(jīng)反向后，紅色發(fā)光二極管亮，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。 8255A控制步進(jìn)電機(jī)，行程控制，以及鍵盤，顯示電路。其中70PAPA-為輸出口，用于控制X向步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，X向步進(jìn)電機(jī)為兩相。此系統(tǒng)采用軟件分配。鍵盤顯示電路為8′6鍵和8位顯示器。70PCPC-作為鍵盤的8條列線，是鍵盤掃描線，是輸出口。30PBPB-接行線作為鍵盤輸入口。70PCPC-是8位數(shù)碼顯示器的位選信號，8031的1P口是數(shù)碼顯示器的段選信號。74PBPB-接越程限位控制電路，當(dāng)床鞍或拖板在X向越程時(shí)，即向計(jì)算機(jī)輸入此信號，使進(jìn)給系統(tǒng)停止。 表4-1 數(shù)控車床控制系統(tǒng)芯片地址分配 4.3.2機(jī)械控制系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì)總結(jié)： (1)設(shè)計(jì)要求: 采用MCS-51系列單片機(jī)來完成此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),完成控制系統(tǒng)原理圖等。 主要包括鍵盤,LCD顯示,電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、單進(jìn)控制、等的控制.同時(shí)還要有一些自動(dòng)錯(cuò)誤處理功能.如限位控制,驅(qū)動(dòng)出錯(cuò)處理,這就需要在程序設(shè)計(jì)時(shí)提供相應(yīng)的中斷處理程序。 (2)方案分析: 由前面電動(dòng)機(jī)的選擇:選用電動(dòng)機(jī)型號為111BC380系的步進(jìn)電機(jī).此電機(jī)是一個(gè)三相六拍的電動(dòng)機(jī)。由《機(jī)電一體化》可以知道步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與配套的驅(qū)動(dòng)電源（驅(qū)動(dòng)器）由密切的關(guān)系。驅(qū)動(dòng)器由脈沖發(fā)生器和功率放大器兩大部分組成的。在微機(jī)控制電機(jī)過程中，需要使電機(jī)按照一定規(guī)律變化進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而控制這部分規(guī)律變化的部分叫做脈沖分配器。實(shí)現(xiàn)脈沖分配有兩種方法：計(jì)算機(jī)軟件和硬件電路法。當(dāng)有了環(huán)形脈沖分配后，還是不夠的。由于我們的脈沖是由微機(jī)單片機(jī)發(fā)出的，屬于低電平，是不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的，這時(shí)我們可以采用功率放大電路將脈沖進(jìn)行功率放大，然后驅(qū)動(dòng)硬件電路。 對于復(fù)雜的電路驅(qū)動(dòng)，如三相六拍電路，具有A,B,C無相，他的六拍工作方式為：A-AB-B-BC-C-CA對于這這種驅(qū)動(dòng)方式，如果采用軟件編程或者硬件電路來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制都是比較復(fù)雜的，這時(shí)我們可以采用專用驅(qū)動(dòng)控制芯片，這里采用SH-20806N型兩相混合式驅(qū)動(dòng)器。 我們采用MCS-51系列的8031型的單片機(jī)作為微機(jī)控制的主芯片。系統(tǒng)原理圖中，采用74LS373進(jìn)行P0口的鎖存，同時(shí)擴(kuò)展一片2764的程序存儲(chǔ)器和一片6264的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)之用。同時(shí)，我們需要擴(kuò)展鍵盤和顯示，就需要擴(kuò)展接口來連接。采用8255進(jìn)行接口擴(kuò)展，PA口，PC口屬于輸出口，PB口屬于輸入口。PA口的八根地址連接成6′8的鍵盤接口電路，PB口用于LED的八路接口，同時(shí)用PC口的8路進(jìn)行LCD的位控接口。對2764和6264進(jìn)行片選。 （3）地址計(jì)算： 1）8155的地址計(jì)算： 在8155中，采用P1.7來控制IO/M口，進(jìn)行I/O和RAM選項(xiàng)控制。 當(dāng)P1.7=0時(shí)，選擇RAM口，其地址為： 所以其地址為4000H-5FFFH（其中P1.7為0） 當(dāng)P1.7=1時(shí)，單片機(jī)選中I/O口，其地址為： 所以其地址為4000H-5FFFH（其中P1.7為1） 因此：8155的具體地址： 命令字：4000H A 口：4001H B 口：4002H C 口：4003H 低四位：4004H 高四位：4005H 2）2764的地址： 采用74LS138片選控制，地址選擇如下： 所以地址范圍為：0000H-1FFFH 3）6264的地址： 同樣采用74LS138片選控制，地址選擇如下： 所以地址范圍為：2000H-3FFFH 結(jié) 論 萬能銑床是一種高效率的加工機(jī)械，在機(jī)械加工和機(jī)械修理中得到廣泛的應(yīng)用，通過單片機(jī)對X62W萬能銑床工作臺(tái)的設(shè)計(jì)改造，進(jìn)一步闡明了單片機(jī)在機(jī)械行業(yè)的廣泛應(yīng)用，開發(fā)大量機(jī)電技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品和設(shè)備是單片機(jī)發(fā)展的重要方向。同時(shí),在軟件編程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)了解硬件的工作原理,在整個(gè)編制過程中互相協(xié)調(diào)，以利于提高工作效率；其次，在應(yīng)用過程中使其具備了較完善的自診斷、自測試能力，性能更穩(wěn)定，可靠性更高，更容易維修，更能適應(yīng)經(jīng)常變動(dòng)的工藝條件，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，用單片機(jī)改造機(jī)床電氣控制線路有著廣闊的前景。 致 謝 經(jīng)過三周的課程設(shè)計(jì)，我不但加深了對課本知識(shí)的了解，更加強(qiáng)了對手能力，也了解到自己平時(shí)知識(shí)的不足。本次課程設(shè)計(jì)題目是對銑床的數(shù)控改造，這是一項(xiàng)非常有意義的課題，實(shí)現(xiàn)對銑床的數(shù)控改造可以大大提高生產(chǎn)效率，降低成本。 通過對通用機(jī)械零件、常用機(jī)械傳動(dòng)或簡單機(jī)械的設(shè)計(jì)，掌握了一般機(jī)械設(shè)計(jì)的程序和方法，借助于CAD軟件繪圖，更加熟練地掌握CAD軟件的應(yīng)用，而且有助于樹立正確的工程設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立、全面、科學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)能力。 非常感謝本次課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師給我們提供了很大的幫助和很好的建議。 參考文獻(xiàn) [1]、張建民,《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，北京：高等教育出版社，2002年 [2]、趙先仲，《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004年 [3]、吳圣莊，《金屬切削機(jī)床概論》，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993 [4]、楊有君，《數(shù)控技術(shù)》，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 [5]、余英良，機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996 [6]、張德忠，銑床數(shù)控化改造·機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，1995第01期 [7]、王金娥，《機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》，北京：北京大學(xué)出版社，2012年 20