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哈爾濱理工大學榮成學院 專科生畢業(yè)設計 論文 任務書 學生姓名 王政海 學號 1030310106 學 院 榮成學院 專業(yè) 機械設計與制造 任務起止時間 2013 年 02 月 25 日至 2013 年 06 月 21 日 畢業(yè)設計 論文 題目 C616 車床數控改造 畢業(yè)設計工作內容 1 實際調研 收集相關資料 1 3 周 2 結合生產實際 對 C616 車床數控改造 3 設計 C616 車床數控改造原理圖 4 7 周 4 設計 C616 車床數控改造縱向 橫向進給結構圖 8 11 周 5 設計零件的工作圖 12 13 周 6 撰寫畢業(yè)設計論文 準備答辯 14 16 周 注 要求全部用計算機繪圖和打印文稿 交打印件和電子稿 資料 1 金屬切削機床與數控機床 2 非標設計手冊 3 金屬切削用量手冊 4 相關的技術資料 指導教師意見 簽名 系主任意見 簽名 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 2013 年 2 月 24 日 2013 年 2 月 25 日 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 畢 業(yè) 設 計 題 目 C616 車床數控系統(tǒng)改造 院 系 機械設計與制造 姓 名 王政海 指導教師 張寶海 系 主 任 陶福春 2013 年 5 月 8 日 哈爾濱理工大學專科生畢業(yè)論文 I 摘要 介紹普通C616車床的數控改造 因為我國多年積累了大部分的普通機 床 自動化程度低 想要短期內大量更換新機床 是不現實的 為了節(jié)省 資金 提高生產效率 所以要對普通車床進行數控改造 采用MCS 51系列單片機控制經濟型數控機床 用步進電機來驅動進 給系統(tǒng) 實現自動加工 原理為 根據加工零件的圖樣與工藝方案 通過 單片機控制 轉化成脈沖信號 經放大電路后驅動縱向和橫向步進電機 通過滾珠絲杠實現刀架縱向 橫向兩個方向的進給 以完成工件的加工 數控改裝后的車床在縱向和橫向具有圓弧和直線插補功能 該車床有 自動回轉刀架 具有切削螺紋的功能 改造后車床可以加工出各種形狀的 復雜的回轉零件 并能實現多工序自動車削 從而提高了生產效率和加工精 度 也能適應小批量多品種復雜零件的加工 關鍵詞 數控改造 進給系統(tǒng) 步進電機 單片機 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 II 目 錄 摘要 I 第 1 章 緒論 1 1 1 課題背景 1 1 2 數控改造的必要性 1 1 3 設計任務 2 第 2 章 設計任務與總體方案的確定 3 2 1 設計 任務 3 2 2 總體設計方案確定 3 第 3 章 機床進給伺服系統(tǒng)機械設計計算及結構設計說明 5 3 1 主要設計參數如下 5 3 2 確定脈沖當量 5 3 3 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 5 3 3 1 已知條件 5 3 3 2 切削力計算 6 3 3 3 滾珠絲杠設計計算 6 3 3 4 齒輪及轉矩的有關計算 8 3 4 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 10 3 4 1 橫向進給系統(tǒng)的設計 10 3 4 2 橫向進給系統(tǒng)的計算 10 3 5 步進電機的選擇 14 3 5 1 步進電機選用的基本原則 14 3 5 2 步進電機的選擇 16 第 4 章 數控系統(tǒng)的硬件電路 設計 18 4 1 繪制系統(tǒng)電氣控 制結構框圖 18 4 2 單片機控制系統(tǒng)設計 19 4 2 1 8031 單片機的基本 特性 19 4 2 2 8031 芯片引腳功能 19 4 3 存儲器擴展電路 20 4 3 1 8031 與 EPROM 的連接 20 4 3 2 數據存儲器的擴展 20 4 3 3 程序存儲器的擴展 21 4 4 I O 接口電路及輔助電路設計 21 4 4 1 I O 接口電路 21 4 4 2 輔助電路設計 22 哈爾濱理工大學專科生畢業(yè)論文 III 4 5 繪制微機控制電路原理圖 24 4 5 1 控制系統(tǒng)的功能 24 4 5 2 采用軟件環(huán)形分配圖 24 4 5 3 自動回轉刀架的控制 24 4 5 4 螺紋加工控制 24 4 5 5 地址編碼 24 結論 26 參考 文獻 27 致謝 28 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 1 第 1 章 緒論 1 1 課題背景 隨著社會生產和科學技術的迅速發(fā)展 機械產品的性能和質量的不斷 提高 產品的更新換代也不斷加快 因此對機床不僅要求具有較高的精度 和生長率 而且應能迅速的適應產品零件的變換 我國生產的需要促使了 數控機床的產生 隨著電子技術 特別是計算機技術的發(fā)展 數控車床迅 速發(fā)展起來 我國目前機床總量 380 余萬臺 而其中數控機床總數只有 11 34 萬臺 即我國機床數控化率不到 3 近 10 年來 我國數控機床年產量約為 0 6 0 8 萬臺 年產值約為 18 億元 機床的年產量數控化率為 6 我國 機床役齡 10 年以上的占 60 以上 10 年以下的機床中 自動 半自動機床 不到 20 FMC FMS 等自動化生產線更屈指可數 美國和日本自動和半 自動機床占 60 以上 可見我們的大多數制造行業(yè)和企業(yè)的生產 加工 裝備絕大數是傳統(tǒng)的機床 而且半數以上是役齡在 10 年以上的舊機床 用這種裝備加工出來的產品普遍存在質量差 品種少 檔次低 成本高 供貨期長 從而在國際 國內市場上缺乏競爭力 直接影響一個企業(yè)的產 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床的數控 化率 1 2 數控改造的必要性 數控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性 而且這些優(yōu)越性均來自數 控系統(tǒng)所包含的計算機的威力 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線 曲面等復雜的零件 由于計算機有高超的運算能力 可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬 時應該運動的運動量 因此可以復合成復雜的曲線或曲面 可以實現加工的自動化 而且是柔性自動化 從而效率可比傳統(tǒng)機床 提高 3 7 倍 由于計算機有記憶和存儲能力 可以將輸入的程序記住和存儲下來 然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行 從而實現自動化 數控機床只要更換 一個程序 就可實現另一工件加工的自動化 從而使單件和小批生產得以 自動化 故被稱為實現了 柔性自動化 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 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 2 可實現多工序的集中 減少零件在機床間的頻繁搬運 擁有自動報警 自動監(jiān)控 自動補償等多種自律功能 因而可實現長 時間無人看管加工 由以上五條派生的好處 如 降低了工人的勞動強度 節(jié)省了勞動力 一個人可以看管多臺機床 減少了工裝 縮短了新產品試制周期和生 產周期 可對市場需求作出快速反應等等 1 3 設計任務 本課題是將普通 C616 車床改造 MCS 51 系列單片機控制的經濟型數 控車床 采用步進電機開環(huán)控制 縱向和橫向具有圓弧和直線插補功能 該車床有自動回轉刀架 具有切削螺紋的功能 1 4 本章小結 本章主要介紹了論文的課題背景 數控改造的必要性以及設計任務 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 3 第 2 章 設計任務與總體方案的確定 2 1 設計任務 本設計任務是對 C616 普通機床進行數控改造 利用 MCS 51 系列單 片機對縱向橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制 縱向脈沖當量為 0 01mm 脈沖 橫向脈沖當量為 0 005 脈沖 驅動元件采用步進電機 傳動系統(tǒng)采用滾珠 絲杠 刀架采用自動轉位刀架 設計參數如下 最大加工直徑 在床面上 320mm 在床鞍上 175mm 最大加工長度 700mm 快進速度 縱向 2 0m min 橫向 1 2m min 最大切削進給速度 縱向 0 5mm min 橫向 0 25mm min 代碼制 ISO 脈沖分配方式 逐點比較法 輸入方式 增量 絕對值通用 控制坐標數 2 最小指令數 縱向 0 01mm 脈沖 橫向 0 005mm 脈沖 刀具補償量 0 99 99mm 進給傳動鏈間隙補償量 縱向 0 15mm 橫向 2 5mm 自動升降速性能 有 2 2 總體設計方案確定 由于是經濟型數控改造 所以在考慮具體方案時 基本原則是在滿足 使用要求的前提下 對機床的改動盡可能少 以降低成本 因為改造后車床具有定位 直線插補 圓弧插補 順逆插補 暫停 哈爾濱理工大學專科生畢業(yè)論文 4 循環(huán)加工 公制螺紋車削等加工功能 故應采用連續(xù)控制系統(tǒng) 考慮到屬于經濟型數控機床加工精度要求不高 為了簡化結構 降低 成本 采用步進電機開環(huán)控制 因為 MCS 51 系列單片機具有集成度高 可靠性好 功能強 速度 快 抗干擾能力強 性價比高等特點 決定采用 MCS 51 系列 8031 單片 擴展系統(tǒng) 為保證一定的傳動精度和平衡性 盡量減小摩擦力 選用滾珠絲杠螺 旋副 車床數控改造的總體方案見圖 2 1 功 率 放 大 器控 制 計 算 機磁 帶計 算 機手 工 輸 入數 控 程 序編 制加 工 工 件圖 紙 或步 進 電 機變 速 箱車 床 工 件 變 速 箱 圖 2 1 數控改造的總體方案示意圖 2 3 本章小結 本章主要介紹了 C616 的數控改造設計任務以及確定了整體設計方案 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 5 第 3 章 進給伺服系統(tǒng)機械設計計算及結構設計 3 1 主要設計參數如下 溜板重量 800N 刀架重量 300N 刀架快進速度 縱向 2m min 橫向 1 2m min 最大進給速度 縱向 0 5mm min 橫向 0 25mm min 主電機功率 7 5KW 啟動加速時間 26ms 機床定位精度 0 015mm 3 2 確定脈沖當量 根據機床精度要求確定脈沖當量 縱向 0 01mm 步 橫向 0 005mm 步 3 3 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 3 3 1 已知條件 工作臺重量 W 80kgf 800N 根據圖紙粗略計算 時間常數 T 25ms 滾珠絲杠基本導程 6mmoL 行程 S 640mm 脈沖當量 0 01 stepp 步距角 0 75 step 快速進給速度 2m minmaxV 3 3 2 切削力計算 由 機床設計手冊 可知 切削功率 7 3 1 KN c 哈爾濱理工大學專科生畢業(yè)論文 6 式中 N 電機功率 查機床說明書 N 4kW 主傳動系統(tǒng)總功率 一般為 0 6 0 7 取 0 65 K 進給系統(tǒng)功率系數 取 K 0 96 則 2 496kW0 654 c 又因為 3 2 1 FNzc 所以 3 3 zc 式中 v 切削線速度 取 v 100m min 主切削力 1527 6N kgf102 496 zF 由 金屬切削原理 可知 主切削力 3 4 ZzFpKfYX CZ 查表得 188kgf 1880MPaZF2m 1 0 75 1ZZF 則可計算 如表 3 1 所示 z 表 3 1 計算結果z mmp 2 2 2 3 3 3 f mm 0 2 0 3 0 4 0 2 0 3 0 4 NzF1125 1524 1891 1687 2287 2837 當 1520N 時 切削深度 2mm 走刀量 0 3mm 以此參數z p f 做為下面計算的依據 從 機床設計手冊 中可得知 在一般外圓車削時 7 0 1 0 6 0 15 0 7 3 5 XFzFz zF 取 0 5 0 5 1527 6 763 8Nz 0 6 0 6 1527 6 916 5NY 3 3 3 滾珠絲杠設計計算 三角或綜合導軌機床的軸向力 3 6 W f FKPZX 式中 1 15 0 15 0 18 取為 0 16Kf 則 1 15 763 8 0 16 1527 6 800 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 7 3 3 3 1 強度計算 壽命值 3 7 6ii10nLT 3 8 0主i Dvff 取工件直徑 D 80mm 查表得 15000hi 則 2r min683 14 ni 1052Li 最大動負載 3 9 HW3ifPQ 查表得 運轉系數 1 2 硬度系數 1f Hf 則 6N25 8 18 根據最大動負荷 Q 的值 可選擇滾珠絲杠的型號 滾珠絲杠參照漢江 機床廠的產品樣本選取 系列 滾珠絲杠直徑選為 型號為BFC 32m 32 6 5 其額定動載荷式 10689N 所以強度夠用 BFC12E 3 3 3 2 效率計算 根據 機械原理 的公式 絲杠螺母副的傳動效率 為 8 3 10 tan 式中 摩擦角 螺旋升角 10 253 則 0 9 1 t 3 3 3 3 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導程的變化量 3 11 EFL 01 式中 6mm 0 6cm0 26N cm2 滾珠絲杠截面積 3 14 80 d 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 8 則 mc105 93 42 80120 665 L61 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量 很小 可忽略 即 L 所以 L 1 導程變形總誤差 為 L10 9 8 105 66 查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差 1m 長 為 15 故剛度m 足夠 3 3 3 4 穩(wěn)定性驗算 由于機床原絲杠直徑為 現選用的滾珠絲杠的直徑為 30m32 支承方式不變 所以穩(wěn)定性不存在問題 3 3 4 齒輪及轉矩的有關計算 3 3 4 1 有關齒輪的計算 傳動比 1 250 367 Lip0 故取 32 401ZZ m 2mm b 20mm 20 4m2d 82 6ha1a 720 2 3 3 4 2 轉動慣量計算 工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 2 22p1 cm0 468kg0 753148W 80 J 絲杠的轉動慣量 3 1 LD7 44s 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 9 22cm14 75Nc1 475kg 齒輪的轉動慣量 2Z c6 17N 6kg 0 8J 242 3939 電機轉動慣量很小可忽略 因此 總的轉動慣量 2221Zs cm45 9Nc14 59kg0 468763 7J Ji1J 3 3 4 3 所需轉動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩 3 12 0maxMf 最大切削負載時所需力矩 3 13 tft 快速進給時所需力矩 3 14 0f 式中 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩 maxM 折算到電機軸上的摩擦力矩 f 由于絲杠預緊所引起 折算到電機軸上的附加摩擦力矩 0 切削時折算到電機軸上的加速度力矩 at 折算到電機軸上的切削負載力矩 mN109 6TJ4n a 當 時 maxn aMmx 16 7r in 25Liv0a 0 64194max 當 時 tn t 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 10 24 8r min6803 14 5Lf D10vfnii主t N0 259648Mat ii Wf Ff 當 0 8 0 16 時 m123 0 583 14260 f LP20i0 M 當 0 9 時預加載荷 則 0 XF31 2508 46 9 71200 ix 0 0462N m 3 120 ixtLM 0 7297N m 所以 快速空載啟動所需力矩 m2 7405N 4621 30ax f 切削時所需力矩 1 0587 296360 MtMtfa 快速進給時所需力矩 m6N 0 4 f 由以上分析計算可知 所需最大力矩 發(fā)生在快速啟動時axM2 7405 哈爾濱理工大學專科生畢業(yè)論文 11 3 4 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 3 4 1 橫向進給系統(tǒng)的設計 經濟型數控改造的橫向進給系統(tǒng)設計比較簡單 一般是步進電機經減 速后驅動滾珠絲杠 使刀架橫向運動 步進電機安裝在大拖板上 用法蘭 盤將步進電機和機床大拖板連接起來 以保證其同軸度 提高傳動精度 3 4 2 橫向進給系統(tǒng)的計算 由于橫向進給系統(tǒng)的設計計算與縱向類似 所用到的公式不再詳細說 明 只計算結果 已知條件 工作臺重 W 300N 時間常數 T 25ms 滾珠絲杠基本導程 4mm 左旋0L 行程 S 190mm 脈沖當量 0 005mm stepp 步距角 0 75 step 快速進給速度 1m minmaxv 3 4 2 1 切削力計算 橫向進給量為縱向的 1 2 1 3 取 1 2 則切削力約為縱向的 1 2763 8N152 Fz 在切斷工件時 1 9 0 zy 3 4 2 2 滾珠絲杠設計計算 1 強度計算 對于燕尾型導軌 3 15 W f FKPzy 取 K 1 4 f 0 2 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 12 則 74 N30 2 7683819P 壽命值 513 051066 iiTnL 最大動負載 2 N74 23PfQHW3i 根據最大動負載 Q 的值 可選擇滾珠絲杠的型號 例如 滾珠絲杠參 照漢江機床廠的產品樣本選取 系列 滾珠絲杠公稱直徑為 BFc1 m30 型號為 左 其額定負荷 5393N 所以強度夠用 215430EBFc 2 效率計算 螺旋升角 摩擦角 8 10 則傳動效率 0 956 38tan ta 3 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導程的變化量 cm105 961 702 63 1447EFL 201 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量 很小 可忽略 即 L 所以 導程變形總誤差為1L 14 9 05 964L0 查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差 1m 長 為 故剛度足5m 夠 4 穩(wěn)定性計算 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?一端徑向支承 所以穩(wěn)定性增強 故不 再驗算 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 13 3 4 2 3 齒輪及轉矩有關計算 1 有關齒輪計算 1 第一對齒輪 傳動比 1 67350 3647 Lip0 故取 64ma52d8 4z11 20 84mdb0za2 2 第二對齒輪 傳動比 i 4ma26d za143 20 b 2 轉動慣量計算 工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 2 22pI cm0 439N13 14058W 180 J 絲杠轉動慣量 24s c9 37 齒輪的轉動慣量 24z43 242z1 cm0 37N2 07 8J6 8 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 14 電機轉動慣量很小可忽略 因此 總的轉動慣量 22Iz1s cm10 78N0 439 826 39 453J Ji1J 2Iz43s2 c195 70 439 7 JJiJ 3 所需轉動力矩計算 416 7r min30maxa Livn m0 39N10 259694aax T JM7r in63410 Dvfifin主t 7 259673 at 0 28N5 31400 if WLiFf m 1 9 68 9 1 6200 My 025 34 iyt 所以 快速空載啟動所需轉矩 378N 10 287 90famx 切削時所需力矩 m0 42 4 tfat MM 快速進給時所需的轉矩 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 15 m0 43N 160 2870 Mf 從以上計算可知 最大轉矩發(fā)生在快速啟動時 m0 378Nmax M 3 5 步進電機的選擇 3 5 1 步進電機選用的基本原則 合理選用步進電機是比較復雜的問題 需要根據電機在整個系統(tǒng)中的 實際工作情況 經過分析后才能正確選擇 現僅就選用步進電機最基本的 原則介紹如下 3 5 1 1 步距角 步距角應滿足 3 16 i mn 式中 傳動比 i 系統(tǒng)對步進電機所驅動不見的最小轉角 mn 3 5 1 2 精度 步進電機的精度可用步距誤差或積累誤差衡量 積累誤差是指轉子從 任意位置開始 經過任意步后 轉子的實際轉角與理論轉角之差的最大值 用積累誤差衡量精度比較使用 所選用的步進電機應滿足 Q i Q 3 17 式中 Q 步進電機的積累誤差 Q 系統(tǒng)對步進電機驅動部分允許的角度誤差 3 5 1 3 轉矩 為了使步進電機正常運行 不失步 不越步 正常啟動并滿足對轉 速的要求 必須考慮 1 啟動轉矩 一般啟動力矩選取為 3 18 5 0 3LqM 式中 電動機啟動力矩 qM 哈爾濱理工大學專科生畢業(yè)論文 16 電動機靜負載力矩 0LM 根據步進電機的相數和拍數 啟動力矩選取如表 3 2 所示 為步jmM 進電機的最大靜轉矩 是步進電機技術數據中給出的 如表 3 3 所示 2 在要求的運行頻率范圍內 電動機運行力矩應大于電動機的靜 載力矩與電動機轉動慣量 包括負載的轉動慣量 引起的慣性矩之和 表 3 2 步進電機相數 拍數 啟動力矩表 相數 3 3 4 4 5 5 6 6運行 方式 拍數 3 6 4 8 5 10 6 12jmgM 0 5 0 866 0 707 0 707 0 809 0 951 0 866 0 866 表 3 3 反應式步進電機技術指標 主要技術數據型號 步距角 最 大 靜 轉矩 N cm 最高空 載啟動 頻率 step s 運行頻率 step s 相 數 電壓 V 相電 流 A 110BF003 0 75 1 5 800 1500 7000 3 80 6 3 5 1 4 啟動頻率 由于步進電機啟動頻率隨著負載力矩和轉動慣量的增大而降低 因此 相應負載力矩和轉動慣量的極限啟動頻率應滿足 3 19 moptf 式中 極限啟動頻率 tf 要求步進電機最高啟動頻率 mop 3 5 2 步進電機的選擇 3 5 2 1 C616 縱向進給電機的確定 cm685 12N0 427 0 LqM 為滿足最小步距要求 電動機選用三相六拍工作方式 查表知 0 866jmgM 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 17 所以 步進電機最大靜轉矩 為 jmMcm791 4N0 8652 qjm 步進電機最高工作頻率 3 Hz axa p vf 綜合考慮 查表選用 110BF003 型直流步進電機 能滿足使用要求 3 5 2 2 C616 橫向進給步進電機的確定 cm65 82N0 4123 MLq 電動機仍選用三相六拍工作方式 查表知 jmq 所以步進電機選擇最大轉矩 為 j c76 0182560 qjm 步進電機最高工作頻率 3 Hz 5axa p vf 綜合考慮 選用 110BF003 型直流步進電機 能滿足使用要求 3 6 本章小結 本章主要介紹了縱向進給系統(tǒng)和橫向進給系統(tǒng)的設計計算 滾珠絲杠 的設計計算步進電機的選擇 哈爾濱理工大學專科生畢業(yè)論文 18 第 4 章 數控系統(tǒng)的硬件電路設計 4 1 繪制系統(tǒng)電氣控制結構框圖 任何一個數控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成 硬件是數控系統(tǒng)的基 礎 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 有效的運行 機床的數控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由五部分組成 1 處理單元 CPU 2 總線 包括數據總線 DB 地址總線 AB 和控制總線 CB 3 存儲器 包括制度可編程存儲器和隨機讀寫存儲器 4 I O 輸入 輸出接口電路 5 外圍設備 如鍵盤 顯示器及光電輸入機等 其中 CPU 是數控系 統(tǒng)的核心 作用是進行數據運算處理和控制各部分電路協(xié)調工作 存儲器 用于存放系統(tǒng)軟件 應用程序和運行所需要的各種數據 I O 接口是系統(tǒng) 和外界進行信息交換的橋梁 總線則是 CPU 與存儲器 接口以及其他轉 換電路聯接的紐帶 是 CPU 與部分電路進行信息交換和通訊的必由之路 數控系統(tǒng)硬件如圖 4 1 存 儲 器RAMOCPUI 接 口 信 息交 換 控 制對 象外 設 圖 4 1 數控系統(tǒng)硬件框圖 由于 MCS 51 系列單片機在我國機床數控改造方面應用較普遍 其 配套芯片價廉 普及性 通用性強 制造和維修方便 完全可以滿足我國 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 19 經濟型數控改造的需要 所以選用 MCS 51 系列單片機為控制裝置 4 2 單片機控制系統(tǒng)設計 MCS 51 系列單片機主要有三種型號的產品 8031 8051 和 8751 三種型號的引腳完全相同 僅在內部結構上有少數差異 8031 片內無 ROM 適用于需擴展 ROM 可在現場修改和更新程序存儲器的應用場合 其價格低 使用靈活 非常適合在我國使用 此次設計使用的是 8031 芯 片 見圖 4 2 4 2 1 8031 單片機的基本特性 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 儲器 64KB 外部數據存儲器 3 32 根并行 I O 線 分為 4 個 8 位 I O 口 4 I O 端口和片外存儲器統(tǒng)一編址 I O 尋址靈活 5 2 個 16 位定時 計數器 6 片內有 128B 7 具有一個全雙工串行 I O 8 具有 5 個中斷源 配備兩個中斷優(yōu)先級 9 內部有時鐘振蕩器 10 有一個一位布爾處理器 具有很強的布爾處理能力 4 2 2 8031 芯片引腳功能 8031 芯片具有 40 根引腳 功能分四類 3 4 2 2 1 電源線 電源線有 2 根 編程和正常操作時的電源 接 5V cV 接電平 s 4 2 2 2 晶振 晶振 2 根 振蕩器的反向放大器接入 使用外部振蕩器時必須接入 1XTAL 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 20 振蕩器輸入的反向放大器輸入和內部時鐘發(fā)生器的輸入 當2XTAL 使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號 4 2 2 3 I O 口 I O 口共有 四個 8 位口 32 根口線 功能如下 3210P 1 口 雙向 8 位三態(tài) I O 口 與地址總線低 8 位分時工作 0 2 口 準雙向通用 I O 帶上拉電路 在 EPROM 編程期間 用1 輸入低 8 位地址 1P 3 口 準雙向 I O 帶上拉電路 口可以作為通用的并行 I O 使2 2P 用 又可作為外部存儲器的地址總線 高 8 位 當 CPU 訪問片外存儲器 時 由 口輸出高 8 位地址碼 4 口 準雙向雙動功能 I O 口 其使用方法同 口 帶上拉電路 3 1 第一功能 作為通用 I O 口 第二功能 串行輸入口 RXDP 0 3 串行輸出口 T1 外部中斷 0 輸入線 02 3 IN 外部中斷 1 輸入線 1 定時 計數器 0 外部計數脈沖輸入線 04 3 P 定時 計數器 1 外部計數脈沖輸入線 15 T 外部數據存儲器寫選通脈沖輸出線 WR 6 3 外部數據存儲器讀選通脈沖輸出線 D7 9823987654211456100P 0RST VPDX INOWTALXVSCEPGP 圖 4 2 MCS 51 雙列直插封裝方式的引腳 3 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 21 4 2 2 4 控制線 1 程序存儲器的使能引腳 是外部程序存儲器的選通信號 PSEN 低電平有效 從外部程序存儲器取數時 在每個機器周期內二次有效 2 內部和外部程序存儲器選擇控制端 當 腳為高電平時 VA EA CPU 執(zhí)行內部程序存儲器的指令 當 腳為低電平時 CPU 僅執(zhí)行外部EA 程序存儲器的指令 因為 8031 芯片沒有內部程序存儲器 所以 必須接 地 3 地址所存信號 編程脈沖輸入信號 PROGLE 4 復位 備用電源端 輸入 低電平有效 DVST 4 3 存儲器擴展電路 4 3 1 8031 與 EPROM 的連接 EPROM 低 8 位地址線 經地址鎖存器與 8031 口相連 高 8 位70 A0P 地址線 直接與 8031 的 口相連 由于 8031 的 口是分時輸出低158 A2P 8 位地址和數據 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 ALE 的下降將地址信息鎖存入地址鎖存器中 如外接存儲 器芯片內有地址鎖存器 存儲器的 8 位數據線 與 8031 芯片 口直連 單片機規(guī)定指令70 D0P 碼和數據都是由 口讀入 數位對應相連即可 0P 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 4 3 2 數據存儲器的擴展 單片機 CPU 與 R 數據存儲器的連接方式和程序存儲器連接大致相同 唯控制器線的連接不同 RAM 讀入信號 OE 分別于 8031 芯片的 RD 引腳相連 RAM 的寫輸入信號 WE 于 8031 芯片 引腳相連 7 3P 6 3P 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 22 4 3 3 程序存儲器的擴展 2764 芯片是一種高速 容量為 的 EPROM 存儲器電路讀出時間8 k 為 250ns 2764 為 28 線元件 其中 為 13 位地址線 為 8120 A70 D 位數據線 CE 為片選信號線 低電平有效 OE 為數據輸出選通信號線 低電平有效 PGM 為編程脈沖輸入線 為主電源線 為編程電源CVPV 線 6264 芯片式 的 RAM 存儲器電路 集成度很高 其中 為8 k 120 A 13 位地址線 輸入地址與內部 8K 字節(jié)的單元對應 位 8 位數據線 70 CE 為片選信號線 OE WE 為讀寫信號線 都是低電平有效 對于容量較大的系統(tǒng) 擴展的外部芯片較多 芯片所需的片選信號利 用地址線時 就需要用全地址譯碼的方法 它將低地址作為片內地址 而 用譯碼器對高位地址進行譯碼 譯碼器輸出的地址選擇線作片選線 圖 4 3 8031 與 EPROM 連接示意圖 4 4 I O 接口電路及輔助電路設計 4 4 1 I O 接口電路 1 8031 芯片 8031 芯片共有四個 8 位并行 I O 口 但可供用戶使用的只有 口和部1P 分 口 因此在大部分應用分流中都需擴展 I O 芯片 常用的外用接口芯3P 片為 8155 是可編程的 RAM 擴展接口電路 256 個 RAM 系統(tǒng)單元 2 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 23 個 8 位接口 1 個 6 位口 1 個 14 位定時計數器 2 8155 芯片可直接和 MCS 51 系列單片機連接 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 芯片的片選信號及 IO M 的2P 選擇信號 將 8031 的 與 8155 芯片 IO M 引腳相連 若 是高電平 0 0 2P 則 8155 用來作接口 若 是低電平 則使用 8155 內部 256 字節(jié)的 2 RAM 由于 8155 芯片內部有地址鎖存器 所以 8031 的 ALE 端可以和 8155 的 ALE 端直連 利用 8031 的 ALE 的信號下降沿鎖存 8031 口送出0 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 不啟動定時器 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 4 4 2 輔助電路設計 4 4 2 1 光電隔離電路 在步進電機驅動器中 脈沖信號經功放后控制步進電機勵磁繞組 由 于步進電機需要的驅動電壓較高 電流較大 如果將信號與功率放大器直 接相連 將會引起強電干擾 輕則影響計算機程序的正常工作 重則導致 計算機和接口電路損壞 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 輸 入 輸 出 圖 4 4 光電耦合電路 4 4 2 2 功率放大電路 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 24 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 在功率放大器導通初始 全導通 并使脈431V 沖變壓器 B 的副邊產生一定寬度的脈沖電流 使 導通 高壓電源 通2HE 過 為步進電機某一相繞組供電 使其電流上升沿變陡 同時 出2V1 D 于反向偏置 將低壓 與繞組 切斷 經過 時間后脈沖電流消失 使nEALbt 截至 高壓電源與繞組之間被切斷 通過 為繞組 供電 提nED1AL 供所需的額定電流 通過調整脈沖變壓器的磁芯和 可改變高壓供電的時4R 間寬度 bt 圖 4 5 功率放大電路 由于我國目前步進電機的功率放大器已由生產廠家生產出系列化產品 在設計數控機床電路時只需根據步進電機的容量大小進行選擇 所以不再 進行計算 功率放大電路見圖 4 5 4 4 2 3 8031 時鐘電路 單片機的時鐘可以由兩種方式產生 內部方式和外部方式 內部方式利用芯片內部震蕩電路在 引腳上外接定時元1XTAL2 件如圖 4 6 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 25 圖 4 6 8031 內部時鐘方式 4 4 2 4 復位電路 單片機的復位都是靠外部電路實現的 因為上電與按鈕復位組合 在 上電瞬間 RC 電路充電 RESET 引腳端出現正脈沖 只要 RESET 端保持 10ms 以上高電壓 就能使單片機有效復位 見圖 4 7 圖 4 7 8031 復位電路 4 4 2 5 報警電路 為了防治工作臺越界 可分別在極限位安裝限位開關 這是采用中斷 方式 利用 8031 的外部中斷 只要有任何一個行程開關閉合 即工0INT 作臺在某一方向上越界 均能產生中斷信號 為了便于觀察 設置紅0IT 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 26 綠燈指示 正常時為綠燈亮 報警時紅燈亮 兩燈均由一個 I O 口輸出 4 5 繪制微機控制電路原理圖 4 5 1 控制系統(tǒng)的功能 1 Z 向 X 向的進給伺服運動功能 2 鍵盤顯示 3 自動回轉刀架控制 4 螺紋加工控制 5 面板控制 6 行程控制 7 其他功能 報警電路 復位電路 隔離電路 功率放大電路 4 5 2 采用軟件環(huán)形分配圖 步進電機采用軟件環(huán)形分配器 雖運行速度沒有硬件環(huán)形分配器快 但可以省掉兩個硬環(huán)分配芯片 且電路簡單 4 5 3 自動回轉刀架的控制 當需要自動回轉刀架時 由 8155 1 的 發(fā)出刀位信號 控C30P 制刀架電機回轉 到達制定的刀位 刀架夾緊后發(fā)出換刀回答信號 經 8155 1 的 輸入計算機 控制刀架開始進給 B5P 4 5 4 螺紋加工控制 當加工螺紋時 由與主軸相連的光電脈沖器發(fā)出螺紋信號 分別送入 8031 的 和 8155 1 的 通過設置不同的時間常數來加工不同螺距0TB6P 螺紋 零件螺紋信號是防止螺紋亂扣 4 5 5 地址編碼 地址編碼如表 4 1 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 27 表 4 1 控制電路地址編碼 芯片進址編碼芯片 接 74LS138 引腳 地址選擇線 片內地址 單元 地址編碼 2764 1 Y0 000X XXXX XXXX XXXX 8K 0000H 1FFFH Y1 001X XXXX XXXX XXXX 8K 2000H 3FFFH2764 2 Y2 010X XXXX XXXX XXXX 8K 4000H 5FFFH RAM Y3 0111 1110 XXXX XXXX 256 7E00H 7EFFH8155 1 I O Y3 0111 1111 1111 1XXX 6 7FF8H 7FF0H RAM Y4 1001 1110 XXXX XXXX 256 9E00H 9WFFH8155 2 I O Y4 1001 1111 1111 XXXX 6 9FF8H 9FF0H 4 6 本章小結 本章主要介紹了 C616 車床數控改造數控系統(tǒng)的硬件電路設計 單片 機控制系統(tǒng)設計 存儲器擴展電路 I O 接口電路及輔助電路設計 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 28 結論 畢業(yè)論文是專科學習階段一次非常難得的理論和實際相結合的機會 通過這次比較完整的對 C616 車床的經濟型數控改造設計 我擺脫了單純 的理論學習狀態(tài) 和實際設計結合鍛煉了我綜合運用所學的專業(yè)基礎知識 解決實際問題的能力 通過本次對伺服進給系統(tǒng) 步進電機的選擇 單片機控制系統(tǒng)的設計 我可以更深刻充分的了解到數控改造的優(yōu)點與必要性 普通車床數控改造后擁有了自己的伺服進給系統(tǒng) 橫向進給 縱向進 給更加穩(wěn)定 減少了操作人員素質帶來的人為誤差 機床的數控裝置可以 對機床運動中產生的位移 熱變形等導致的誤差 確定自己的脈沖當量 通過測量系統(tǒng)進行補償而獲得很高且穩(wěn)定的加工精度 提高了同批零件的 一致性 提高加工精度 對步進電機的選擇時 通過計算布距角 精度 轉矩等確定正確的步 進電機 保證車床的正常工作 軟件方面選用 MCS 51 系列單片機為控制裝置 由于 MCS 51 系列 單片機在我國機床數控改造方面應用較普遍 其配套芯片價廉 普及性 通用性強 制造和維修方便 完全可以滿足我國經濟型數控改造的需要 普通車床數控管改造后極大的提高生產效率及工件的精度與加工的穩(wěn) 定性 更易操作節(jié)省勞動成本 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 29 參考文獻 1 張新義 經濟型數控機床系統(tǒng)設計 機械工業(yè)出版社 1994 338 357 2 董玉紅 數控技術 高等教育出版社 2004 156 178 3 張毅剛 MCS 51 單片機原理及應用 哈爾濱工業(yè)大學出版社 2004 4 顧維邦 金屬切削機床概論 機械工業(yè)出版社 1995 35 92 5 邱宣懷 機械設計 第四版 高等教育出版社 1997 11 398 6 余英良 機床數控改造設計與實例 機械工業(yè)出版社 1994 32 46 7 機床設計手冊編寫組 機床設計手冊 第三冊 機械工業(yè)出版社 1986 8 鄭文緯 機械原理 第七版 高等教育出版社 1997 153 228 9 劉躍南 機床計算機數控及應用 機械工業(yè)出版社 1997 76 137 10 李洪 實用機床設計手冊 遼寧科學技術出版社 1999 11 Guk Chan Han Dong I1 Kim Hyo Gyu Kim Kibeom Nam Byeong Kap Choi and Sung kwun Kim A High Speed Machining Algorithm for CNC Machine Tools Samsung Electronics Co Ltd Suwon City KOREA 1999 pp 1493 1497 12 F J Lin P H Shieh and P H Shen Robust recurrent neural network sliding mode control for the X Y table of a CNC machine IEEE Proc Control Theory Appl vol 153 No 1 January 2006 哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文 30 致謝 本文是在論文指導老師精心指導和大力支持下完成的 老師以其嚴謹 求實的治學態(tài)度 高度的敬業(yè)精神 兢兢業(yè)業(yè) 孜孜以求的工作作風和大 膽創(chuàng)新的進取精神對我產生重要影響 在此次課程設計過程中我也學到了 許多有關設計方面的知識 對其現狀和未來發(fā)展趨勢有了很大的了解 通過這次數控改造設計 本人在多方面能力都得到了提高 通過這次 課程設計 綜合運用了本專業(yè)所學課程的理論知識和結合生產實際知識進 行一次數控改造設計 通過實際設計從而培養(yǎng)和提高了自己的獨立工作能 力 鞏固與擴充課程所學的內容 掌握改造設計的方法和步驟 掌握改造 設計的基本的技能 懂得了從分析所要設計的零件功能入手 確定改造方 案 提高了計算能力 繪圖能力 熟悉了相應規(guī)范和標準 同時對各科相 關的課程都有了全面的復習 獨立思考的能力也有了提高 并提高了查閱 設計資料和手冊的能力 熟悉了設計中的標準和規(guī)范等 在這次設計過程中 體現出自己單獨設計改造的能力以及綜合運用知 識的能力 體會了學以致用 突出自己勞動成果的喜悅心情 從中發(fā)現自 己平時學習的不足和薄弱環(huán)節(jié) 從而加以彌補