单片机控制的数控车床实验台毕业设计

1、毕业设计（论文）课题题目：单片机控制的数控车床实验台系 科： 机械工程系 学生姓名： 学 号： 专 业： 机电一体化 指导教师： 完成时间： 2008.5.17 摘 要随着数控技术的飞速发展，机械制造业的生产方式、产品结构、发生了深刻的变化。在我国数控机床的发展过程中，MCS-51系列单片机在数控技术领域中得到广泛应用，经济型数控系统大多采用MCS-51系列单片机。本文在分析了数控车床的特点和实验台应该具备的功能后，确定采用基于单片机控制的系统总体结构方案。设计方案由系统硬件结构和系统软件结构两部分组成。关键词：数字控制，单片机系统，数控车床ABSTRACTWith the developme

2、nt of NC, there have been many changes in mechanical industry, such as producing method and struture of product. MCS-51 single microcomputers have been used widely in NC, especially in ecomical NC equipments in china. Based on MCS-51 single microcomputers, the NC lathe training equipment is designed

3、 with less money for the professional NC courses. After analyzing the feature of NC lathe and defining the functions of training equipment, a system general scheme is assumed by hardware architecture and software architecture, which uses MCS-51 single microcomputer.KEY WORDS: training equipment, num

4、eric control, single microcomputer system目 录1 引言1.1 数控机床的产生与发展1.2 我国数控机床的发展概况1.3 本课题研究的背景2 数控车床实验台的性能要求2.1 数控机床的组成及工作原理 2 .1.1 数控机床的组成2 .2.2 数控机床的工作原理2.2 数控车床的特点2.3 数控车床实验台的方案设计 2.3.1 普通车床数控化改造的条件2.3.2 普通车床数控化改造的一般步骤2.3.2（1） 主要机械部件改造2.3.2（2）主传动的数控改造2.3.2（3） 进给传动的数控改造2.3.3总体方案设计论证与确定 2.3.3（1） 运动方式的确定

5、2.3.3（2） 行机构传动方式的确定2.3.3（2） 运动方式与伺服系统的选择2.3.3（3） 机械传动方式的确定2.4 数控车床实验台的性能要求3 实验台硬件系统的实现3.1 数控车床实验台硬件系统设计遵循的原则3.2 微机控制的数控车床实验台硬件系统的具体设计.3.2.1绘制系统电气控制的结构框图3.2.2选择中央处理单元CPU的类型3.2.2（1 ）存储器扩展电路设计3.2.2（2 ）I/O口即输入/输出接口电路设计3.2.2（3） MCS51系列单片机简介3.2.2（4 ）存储器扩展电路设计3.2.2（5） I/O借口电路及辅助电路设计3.2.2（6） 硬件环行分配器3.3 经济型数

6、控车床微机控制系统硬件电路原理图 4 实验台功能原理及插补算法4.1车削数控原理、实验台插补功能要求和插补算法的选择4.2数字积分插补法参考文献 中英文翻译附 录致 谢1 引言数字控制（numerical controlNC）简称数控，是一种利用数字化信息对设备运动及加工过程进行控制的一种自动化技术。将数控技术实施到加工控制中去的机床，或者说装备了数控系统的机床被称为数控（NC）机床。数控机床作为一种使用广泛、典型的机电一体化产品，综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就，是一种高效自动化机床。数控系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机床运动部件

7、的运动速度以及刀具的运动轨迹。由于数控机床的高效率、高精度和高柔性代表了机床的主要发展方向，所以它已经成为目前机加工自动化生产过程中最具代表性的核心设备，且成为计算机辅助设计与制造、柔性制造系统、计算机集成制造系统等柔性加工和柔性制造系统的基础。1.1 数控机床的产生与发展1.1.1 数控机床的产生随着科技的不断发展，对各种产品的质量和生产效率提出了高要求。产品加工过程的自动化是实现高质量、高效率的重要措施。飞机、汽车等生产企业大多采用自动机床、组合机床和自动生产线，从而保证了产品质量，提高了生产效率和减轻了操作者的劳动强度。但是，在产品加工中，单件、小批量生产的零件约占机加工总量的80以上。

8、对这些多品种、小批量、形状复杂、精度要求高的零件的加工，采用专业化程度高的自动机床和自动生产线就很不合适。在市场经济大潮中，产品竞争日趋激烈，为求得生存与发展，各企业纷纷在提高产品技术档次、增加产品种类、缩短试制与生产周期和提高产品质量上下功夫，即使批量较大的产品，也不大可能多年不变，必须经常开发新产品，频繁地更新换代。传统的自动化生产线难以适应小批量、多品种生产要求。为了解决上述问题，一种灵活、高精度、高效率的自动化设备数控机床应运而生。1952年美国帕森斯公司和麻省理工学院在美空军的委托下，合作研制出世界上第一台三坐标数控铣床，完成了直升飞机叶片轮廓检查用样板的加工。这是一台采用专用计算机

9、进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床。经过三年的试用、改进与提高，数控机床于1955年进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。尽管这种初期数控机床采用电子管和分立元件硬接线电路来进行运算和控制，体积庞大而功能单一，但它采用了先进的数字控制技术，具有强大的生命力，它的出现开辟了工业生产技术的新纪元。从此，数控机床在全世界得到了迅速发展。1.1.2数控机床的发展最早采用数字控制技术进行机械加工的想法，是在20世纪40年代初提出的。当时，美国北密执安的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司在制造飞机框架及直升飞机叶片轮廓用样板时，利用计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径

10、对加工路径的影响，使得加工精度达到0.0015in。1952年，美国麻省理工学院研制出的三坐标联动、利用脉冲乘法器原理的试验性数字控制系统是数控机床的第一代。1959年，电子行业研制出晶体管元器件，因而数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板技术，跨入了第二代。1959年3月，由美国克耐·杜列克公司发明了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。1960年，出现了小规模集成电路。由于其体积小、功耗低，使数控系统的可靠性进一步提高，数控系统发展到第三代。以上三代，都是采用专用控制的硬件逻辑数控系统（NC）。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS（

11、Flexible Manufacturing System）柔性制造系统。随着计算机技术的发展，小型计算机开始取代专用控制的硬件逻辑数控系统（NC），数控的许多功能由软件程序实现。由计算机作控制单元的数控系统（CNC），称为第四代。1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年，美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统的数控机床。20多年来，微处理器数控系统的数控机床得到了飞速发展和广泛应用，这就是第五代数字控制（MNC），后来将MNC也统称为CNC。20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC。FMC和FMS被认为是实现计算机集成制造系统CIMS的基础。 数字控

12、制系统的许多优点使数控机床得到广泛发展，数控技术还被广泛应用于工业机器人、数控线切割机、数控火花切割机、坐标测量机、绘图仪等设备上。1.2我国数控机床的发展概况我国对数控系统的研究开发始于50年代，但真正得到发展是从80年代开始，经历了“六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科技攻关开发自主产权数控系统两个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良好的基础。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段。数控机床新开发品种300多个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。我国数控系统在技术上已

13、趋于成熟，在重大关键技术上（包括核心技术），已达到国际先进水平。目前，已新开发数控系统80多种。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，MTBF值可以在15000h以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过60%。这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础。1.3本课题研究的背景单片微型计算机简称单片机，是将计算机的基本部件微型化，使之集成为一块芯片的微机。片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O接口、串行I/O接口、定时器计数

14、器、中断系统、系统时钟及系统总线等。MCS-51 单片机在片内存储器容量、I/O的功能以及指令系统功能等方面都大大地得到加强，特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统领域，是控制领域中最理想的8位机。MCS-51系列单片机具有集成度高、系统结构简单、可靠性高、处理功能强、速度高、容易产品化等特性，因此在我国数控机床发展过程中，经济型数控系统大多采用MCS-51型系统单片微型计算机，它是超大规模集成电路发展的产物，在数控领域得到广泛应用。2 数控车床实验台的性能要求2.1数控机床的组成及工作原理2.1.1数控机床的组成数控机床的组成如图2-1所示。图2-1 数控机床的组成计算机数控装置是

15、数控机床的核心。其根据输入的零件加工程序或操作命令进行相应的处理，输出控制命令到相应的执行部件，完成零件加工程序或操作所要求的工作。伺服单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置、主轴电动机、进给伺服驱动装置及进给电动机。测量装置是实现主轴控制、进给速度闭环控制和进给位置闭环控制的必要装置。主轴伺服系统实现零件加工的切削运动，进给伺服系统实现零件加工所需的成形运动。操作面板，是操作人员与数控机床（系统）进行信息交互的工具，主要由按钮站、状态灯、按键阵列和显示器等部分组成。操作人员通过它对数控机床进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改，也可以通过它了解或查询数控机床的运行状态。控制介质是人与机床

16、建立联系的介质。程序输入输出设备是CNC系统与外设进行信息交互的装置，目前数控机床常用的控制介质和程序输入输出设备是磁盘和磁盘驱动器等。此外，现代数控系统一般可利用通信方式进行信息交换。这种方式是实现CADCAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。PLC用于进行与逻辑运算、顺序动作有关的IO控制，它由硬件和软件组成。机床IO电路和装置是用于实现IO控制的执行部件，由继电器、行程开关、接触器等组成的逻辑电路。它们共同完成以下任务：接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作；接受操作面板和机床传送来的IO信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指

17、令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。机床本体是数控系统的控制对象，实现加工零件的执行部件，由主运动部件、进给运动部件、支承件以及特殊装置、自动工件交换系统、自动刀具交换系统和辅助装置组成。数控机床的组成相对普通机床有以下几个特点：由于大多数控机床采用高性能的主轴及伺服传动系统，因此它的机械传动结构得到简化，传动链较短；为适应数控机床连续自动化加工，它的机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小；更多采用高效传动部件，如滚珠丝杠副等；不少还采用刀库和自动换刀装置以提高工作效率。2.1.2 数控机床的工作原理数控加工与普通机加工不同点主要表现在控制方式上。用普通机床加工零件时，工步

18、的安排、机床运动的先后次序、走刀路线及有关切削参数的选择等，都由操作者自行确定，而且用手工方式来进行控制。操作者总是根据零件和工序卡要求，在加工过程中不断改变刀具与工件的相对运动轨迹和加工参数（位置、速度等），使刀具对工件进行切削，得到所需的合格零件。如采用自动车床、仿形车床和仿形铣床加工，也能达到对加工过程实现自动控制的目的，但控制方式是通过预先配置的凸轮、挡块及靠模来实现的。在CNC机床上，传统加工过程中的人工操作均被数控系统的自动控制所取代。其工作过程是：首先将刀具与工件的相对运动轨迹、加工过程中主轴速度和进给速度的变换、冷却液的开关、工件和刀具的交换等控制和操作，按规定的代码和格式编加

19、工程序，然后将该程序送入数控系统。数控系统则按照程序要求，先进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。CNC系统的数据转换过程如图2-2所示。图2-2 CNC系统的数据转换过程译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用 ASC II码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式），该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括：X、Y、Z等坐标值，进给速度，主轴转速，G代码，M代码，刀具号，子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。为方便编程，零件加工程序通常是

20、按零件轮廓或按工艺要求设计的进给路线编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心（准确说是刀位点）轨迹，因此在加工前必须将编程轨迹变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的处理程序。数控编程提供了刀具运动的起点、终点和运动轨迹，而刀具怎么从起点沿运动轨迹走向终点则由数控系统的插补装置或插补软件来控制。该程序以系统规定的插补周期T定时运行，它将由各种线形（直线、圆弧等）组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度F，实时计算出各个进给轴在T内的位移指令（X1、Y1），并送给进给伺服系统，实现成形运动。插补计算的原理及插补与加工精度的关系将在后面进一步讨论。CNC系统对机床的控制分为对各坐标轴的速

21、度和位置的“轨迹控制”和对机床动作的“顺序控制”或称“逻辑控制”。后者是指在数控机床运行过程中，以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关信号状态为条件，并按预先规定的逻辑关系对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等进行的控制。PLC控制就是实现上述功能的功能模块。通过以上介绍可知：数控加工原理就是将预先编好的加工程序以数据的形式输人数控系统，数控系统通过译码、刀补处理、插补计算等数据处理和PLC协调控制，最终实现零件的自动化加工。2.2数控车床的特点通常数控车床由床身、主轴箱、刀架、进给系统和冷却系统等几部分组成,其结构特点主要体现在进

22、给系统、刀架等方面。由于实现了CNC,进给装置用伺服电机驱动,以连续控制刀具的纵向(Z轴)和横向(X轴)的运动,完成对回转体零件的内外型面的加工。进给系统中没有走刀箱、溜板箱和挂轮架，直接用伺服电机通过滚珠丝杠副驱动溜板和刀架进给，大大简化了进给系统的结构，传动链路线短，刚性好,加工精度高。由于刀架移动采用滚珠丝杠副,因而运动轻巧。刀架是数控车床的重要部件，对车床的整体布局影响很大，两坐标连续控制的数控车床一般采用4、8、10工位的回转刀盘。在车床上加工零件时,工件装夹在三爪卡盘上,随主轴一起绕轴旋转。车刀固定在走刀架上,随刀架一起沿车床的纵轴(Z轴)和横轴(X轴)移动。车刀刀尖的直线运动与工

23、件的旋转运动形成切削表面。由于工件只随主轴旋转，所以在车床上加工零件的基本形状是一个绕主轴( Z轴)的回转体。车床加工的工件以柱面、锥面和球面为基本形状，其它形状都是由这些基本形状组合而成。上述三种基本形状的图形都要求车刀刀尖走出二种基本的轨迹，即直线和圆弧。以上分析的车床的运动为连续动作，即要求控制对象（车刀）在平面走出连续的轨迹。车床还有一些辅助运动，如：主轴的正反转与停止冷却泵的启动与停止等运动。这些辅助运动属于断续的开关动作。所以，车床的动作包括连续动作和开关动作。2.3数控车床实验台的方案设2.3.1 普通车床数控化改造的条件并不是所有的旧机床都适合于数控改造。改造的机床应具备如下几

24、个条件。(1)机床基础件必须有足够的刚度数控机床属于高精密机床，要求有很高的移动精度。通常闭环系统的脉冲当量为0.001mm，开环系统的脉冲当量为0.005mm或0.01mm。高的定位精度和轮廓加工精度要求机床的基础件具有很高的动、静刚度。基础件刚性不好则受力后容易变形，且这种变形具有很大的不确定性，无法用数控系统中的补偿功能进行补偿。因此，基础件刚性不好的机床不适宜改造为数控机床。(2)改造费用合适、经济性好机床改造费用分为机床和电气两部分。一方面是维修和改动原机床部分，更换已磨损的部件；另一方面是更换原机床控制柜，用新的数控系统和强电装置代替。改造费用与原机床零件的利用多少有关，也与采用何

25、种控制系统有关。由于经济上的考虑，目前通常采用步进电动机驱动的经济型数控系统进行机床改造。改造总费用多少才算合适要因用户而异。一般来说；不超过同类规格设备价格的一半，在经济上就算合适。2.3.2 普通车床数控化改造的一般步骤(1)旧机床的设备选型通常对一台旧机床，是否需要进行数控化改造，首先应对该设备进行基本估价，这也就是设备选型。以判断该设备是否具有改造价值，改造后能不能满足需求，改造成功的可能性等，这些都与设备的选择密切相关，所以选型是设备改造的首要环节，应重点考虑几个主要参数：设备的型号规格、生产厂家及国别、投产时间、目前运行状况、剩余价值(机械、电气)、改造后可能达到的预期效果。数控改

26、造应尽可能采用20世纪80年代后出厂的机床，因为这类机床由于使用年限短，其几何精度相对高一些，改造效果也要好一些。(2)确定改造的技术方案设备选择确定后，就要制定、落实明确的技术改造方案。通常需要从以下两个方面论证：一是明确该设备改造后的加工对象及预期目标；二是人力、物力、财力投入的估算，也就是资金投入的评估。上述两项的确定，最好综合考虑，因为投入的改造费用主要与以下几点有关。数控系统的选择。机床本身固有几何精度的修复及保养。机床电器及附件的更换。机床辅助系统(主轴系统、液压系统、冷却系统等)的维修及保养。机床外观质量的修复。机床改造的技术劳务费用。机床改造后的综合调试、检测、参数补偿等。(3

27、)改造前的准备工作技术改造方案确定以后，应对机床进行检测，若机床精度低，就必须对机床本身的精度进行恢复。主要有两方面：一是机械精度的恢复；二是电气部分的恢复。如主轴精度的恢复、机床导轨精度的恢复(平行度、垂直度等)，以提高传动精度和效率。对机电系统、液压系统、机械接口进行测绘、设计、制造、修复、保养。同时要做好对改造机床机械及电气部分的准备工作，如数控系统及相应配置的准备、机械改造件(传动箱连接件、滚珠丝杆等)的准备。(4)机床的改造包括对机床改造部分的现场施工、安装和连接；机床联调实验；机床及控制系统各部分功能联动实验；工作可靠性运行；机床定位精度、重复定位精度、各种补偿功能的调试；机床的加

28、工切削实验。(5)改造完成后的验收一般验收要做以下工作：外观检查、机床及系统的各种功能检测、机床精度检测(定位精度、重复定位精度等)、机床的负荷实验、标准试件的切削、典型零件的加工等。(6)操作及维修人员的培训数控机床使用的好坏，与机床的操作及维修人员的素质密切相关，对操作及维修人员本身要有一定的要求，要对其进行系统的、专业化的技术培训，使其全面地了解和掌握数控系统的基本原理、操作规程、维修常识，懂得一般故障的判断和简单故障的处理。2.3.2（1）主要机械部件改造一台新的数控机床，在设计上要达到有高的静态、动态刚度；运动副之间的摩擦因数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽

29、量达到上述要求，不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造，使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造自的。2.3.2（2）主传动的数控改造许多机床在数控改造时，主传动部分不作太大的变动，这是因为机床改造的功能通常要求不高，尽管原机床的普通交流异步电动机开环驱动方式在电网电压或切削力矩变化时，电动机转速会随之波动，影响零件加工表面的粗糙度。且由于变速仍采用复杂的变速箱换挡，体积庞大，高速运行时振动和噪声都较大，对零件加工精度会产生不良影响。但是主轴改为闭环驱动方式的成本太高，因此，除有特殊要求，通常主轴传动链保留不变，主轴箱内的变速机构也不改动，

30、原电气系统不动。对自动化程度要求较高的场合，可采用交流异步电动机开环变频调速系统。采用开环变频调速系统可实现数控系统控制的自动无级变速。2.3.2（3） 进给传动的数控改造(1)导轨副通机床的导轨多采用铸铁铸铁或铸铁淬火钢滑动导轨，其静摩擦因大，动、静摩擦因数相差较大，低速时易出现爬行，影响运动的平稳性和定位的精度，力矩损失大。而将导轨改造为滚动导轨或静压导轨工艺复杂，费普用大，周期长。较为常见的是采用在原导轨上粘接聚四氟乙烯软带的方法。这种方法实现比较方便，费用低，动、静摩擦因数相差小，耐磨性和抗咬伤力强，具有良好的自润滑性和抗振性，进给运动无爬行，运动平稳，因而得到了广泛采用。当然在有些要

31、求不高的场合下，也可以不改动原机床导轨而增大所选的电动机。(2)进给箱普通机床的进给箱为齿轮箱。齿轮箱传动链长，机构复杂，反向间隙累计增大，大大降低了传动精度。进给箱部分的改造就是要取消原齿轮箱，换为具有消隙装置的一级减速机构传动副，以减小传动间隙，提高精度。在机床改造中，步进电动机与丝杠传动副之间装有减速机构，通过减速机构可得到所需的脉冲当量和增大驱动力矩。通常采用齿轮传动或同步齿形带传动机构。齿轮减速机构结构简单，传动功率大，寿命长，成本低，所以在传动功率要求较大的场合较多采用。同步齿形带传动是一种新型的带传动，其利用同步带的齿形与带轮的轮齿传递运动，无相对滑移，无噪声，无需润滑，传动精度

32、和效率高，因此在中、小传动功率场合得到了广泛的应用。(3)移动元件普通机床通常采用滑动丝杠实现旋转运动到直线运动的转换，其精度相对较低，摩擦因数大，传动效率低，因此在要求较高的场合应将其更换为滚珠丝杠。滚珠丝杠的传动效率高，无爬行，预紧后可消除反向间隙，精度高，因而在改造中得到了广泛的使用。但在机床改造时，有时考虑到一些因素仍采用原机床的普通丝杠。这些因素包括以下几方面。B级滚珠丝杠与7级精度普通丝杠的精度相差不大。普通丝杠的摩擦力虽大，但与切削力和导轨副阻力相比则很小，而且可以通过选用较大电动机予以补偿。滚珠丝杠的径向尺寸较大，如使用滚珠丝杠更换原机床的普通丝杠，相关部位还需进行改动，工作量

33、增加。滚珠丝杠价格较高，也必然要增加改造费用。当然，如果原机床的丝杠与螺母间隙过大，应将原单螺母副改为可调整间隙的双螺母。2.3.3 总体方案设计论证与确定机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。 2.3.3（1）系统运动方式的确定数控系统运动方式可分为点动控制系统，点动直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削工件，这种系统叫点动/直线控制系统。这种系统除了高精度的定位功能外。在刀具沿坐标轴移动时还能根据切削用量控制位移的速度，由于点位和点位/直线控制系统相岔无几，保证定位精度。

34、如果要求工作台或刀具沿坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂零件。所以连续控制系统又称为轮廓控制系统。数控铣床属于此种运动方式。在点位控制系统中具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中却具有点位系统的功能。2.3.3（2） 执行机构传动方式的确定为确保数控系统中的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦，低惯量、高精度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点。（1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如果采用滚珠丝杆螺母传动导 轨，贴塑导轨等。（2）尽量消除传动

35、间隙，例如采用消除齿轮（3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减少传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杆副等。2.3.3（3） 系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造的经济型数控铣床应具有定位，直线控制顺逆圆插补、暂停、循环加工、刀具补偿等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控铣床，加工精度不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统。微机数控系统由CPU、存储器扩展电路I/O接口电路，伺服电极驱动电路、检测电路等几部分组成。微机是数控系统的核心，其它装置均是在微机的指挥下进行工作的。系统的功能和系统中所用的微机直接相关

36、。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度。字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算的精度。字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机，要进行双字长或三字长的运算，就会影响速度。根据机床要求采用8位微机，由MCS51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特性，决定采用MCS51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机等几部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离器、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码显示加工数据及机床状态等信息。伺服系统可分为开环控制系统，闭

37、环控制系统和半闭环控制系统。开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的。指令发出后，不再反馈回来，故称开环控制。开环控制系统主要由步进电动机驱动。开环伺服系统结构简单，成本低廉，容易掌握和维修都比较简单，目前我国大力发展的经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。闭环控制系统具有装有机床移动部件上的检测反馈元件来检测实际位移量。能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高，闭环系统多采用直流伺服电动驱动。闭环系统价格高和调试较复杂，多用于精度要求高的场合。半闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位移量。而是用检测元件测出驱动轴的转角，再间接算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介

38、于开环和闭环系统之间。本次改装采用MCS-51系统单片机组成的应用系统，其典型代表有8031、8051、8751经比较采用具有价格低，功能强，使用灵活等优点的 8031扩展系统的单片机，而且8031外接2764（EPROM）6264（ROM）及8255（扩展I/O接口）8155芯片扩展成一个较简单的微机控制系统。2.3.3（4）机械传动方式的确定为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机给齿轮减速在经过传动丝杆为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮侧间隙的饿结构。2.4 数控车床实验台的性能要

39、求 2.4.1 控制功能(1)运动控制轴控能力：应实现X、Z两直线移动轴的联动位置控制；主轴控制: 包括主轴的开停，正反向，旋转位置的反馈。进给速度控制:包括运动进给速度设置，速度倍率调整,自动加减速度控制等；手动控制:点动进给,手摇脉冲发生器控制,手动速度调整。(2)刀具控制自动换刀；刀具使用状态监测；刀具参数值设置。(3)保护控制正负行程的软、硬限位；进给高低速限制。(4)辅助功能控制:包括冷却、照明。2.4.2 操作功能(1)运动方式选择程序运行:自动运行、单步运行、暂停及暂停恢复，空运行，坐标参考值设置；手轮运行:对系统轴的正负向运动进行控制；MDI方式:手动程序数据输入。(2)程序操

40、作程序的输入输出:手工键盘输入、网络通讯输入等；程序的编辑；程序管理。(3)显示操作系统状态显示:包括I/O信号监测、运行方式选择、正在使用的刀具信息等；位置显示:机床坐标系的位置报告,工件坐标系的绝对/相对位置报告等；故障报警。2.4.3 诊断功能(1)编程错误提示 (2)操作错误提示 (3)执行错误提示 3 实验台硬件系统的实现3.1数控车床实验台硬件系统设计遵循的原则为使数控车床实验台硬件系统设计趋向合理化，在设计过程中着重考虑如下几个方面：(1) 尽量选用标准化、模块化的典型电路,从而提高设计的成功率。(2) 尽量选用功率强、集成度高的微机芯片,因为采用这种器件可能代替某一部分电路,使

41、系统可靠性增加。(3) 注意选用通用性强、市场货源充足的元器件。(4) 系统的扩展及各功能模块的设计在满足应用系统功能要求的基础上,留有适当的余地,以备将来进行修改、扩展。(5) 努力采用最新的一些技术,因为电子技术发展迅速,器件更新换代很快,市场上不断推出性能更优、功能更强的芯片。(6) 电路设计时,充分考虑应用系统各部分的驱动能力,因为不同的电路有不同的驱动能力,对后级系统的输入阻抗要求也不一样。实验表明:如果阻抗匹配不恰当,系统的驱动能力不够,可能导致系统的不可靠性甚至于使系统无法进行工作。值得一提的是,系统的不可靠性很难通过一般的测试手段来确定。因此,在电路的设计过程中,应该特别注意系

42、统的驱动能力、尽量减少系统的损耗。(7) 电路设计过程中要注意电平的匹配,TTL和CMOS电平单片机扩展时,不应该超过其驱动能力,如CMOS电路不使用的输入端不允许浮空,否则会引起逻辑电平不正常,容易接受外界干扰产生错误动作。(8) 系统的抗干扰设计,这个问题在硬件设计中也有十分重要的意义。3.2微机控制的数控车床实验台硬件系统的具体设计.3.2.1绘制系统电气控制的结构框图 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总统方案, 绘制系统电气控制的结构框图。如图4-1RAM ROM CPUI/O接口光电隔离步进电机外 设键盘、显示器即其他 图4-1 结构框图数控系统是由硬件和软件两部分组

43、成。硬件是组成系统的基础，有了硬件与软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控 系统性能的指标。机床硬件电路由以下五个部分组成：（1） 主控制器即中央处理单元CPU（2） 总线 包括数据总线、地址总线和控制总线（3） 存储器 包括程序存储器和数据存储器（4） 接口 即I/O输入/输出接口（5） 外围设备 如键盘、显示器及光点输入机等。3.2.2选择中央处理单元CPU的类型 在微机应用系统中CPU的选择应考虑以下因素： 1 )时钟频率和序号 这个指标将控制数据处理的速度 2 )可扩展存储器 （包括ROM和RAM）的质量3 )指令系统功能影响编程灵活性 4 )I/O扩展的能力即对外设备的控

44、制能力 5 )开发手段包括支持开发的软件和硬件的电路 此外还要考虑到系统应用场合，控制对象对各种参数的要求以及经济价格比等经济性的要求。目前在经济型数控机床上推荐采用MCS51系列单片机作为主 控制器。3.2.2（1） 存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑CPO与EPRM时序的匹配，还应考虑最大读出速度，工作温度及存储器的容量等问题。3.2.2（2） I/O口即输入/输出接口电路设计应包括接口芯片的选用。步进电机控制电路键盘，显示器的及其它辅助电路的设计。例如，复位电路越界报警电路，掉电保护电路等。此外，不同的数控系统还要求配

45、备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括。3.2.2（3） MCS51系列单片机简介MCS51系列单片机是美国Intel公司在MCS48系列单片微机基础上推出的产品，于1980年问世，它的集成度很高是集片内存储器，片内输入/输出部件和CPU于一体的优良的单片机系统。在我国已广泛地被应用于经济型数控机床。MCS51系列单片机主要有三种型号的产品。8031、8051和8751本数控车床中使用的是8031芯片。因为8031片内设有ROM，适用于需扩展ROM。可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格底，使用灵活，非常适用。18031单片机的基本特征(1) 具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）

46、(2) 片内有时钟发生电路（6MHz或12MHz）、每执行一指令时间为2s或1s(3) 片内具有128字节RAM(4) 具有21个寄存器(5) 可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器(6) 具有4个I/O口，32根I/O线(7) 具有2个16位定位器/计数器(8) 具有5个中断源配备2个中断优先级(9) 具有1个全双功串行接口(10) 具有位寻址能力，适用逻辑运算由上述特性可知，一块8031的功能几乎相当于一块 280CPO，一块RAM，一块I80CTC，两块280CPO和一块280SIO所组成的微机系统。可以看出这种芯片集成度高、功能强，只需加少量外围器件就可以构成一个

47、完整的微机系统。3.2.2（4） 存储器扩展电路设计(1) MCS51的程序存储器的寻址空间为64K字节，8031片内不带ROM用作程序存储器的器件是EPROM。常用的半导体ROM芯片是2716、2764、2732、27128、27256、27512。芯片均为28脚、双列直插式扁平封装芯片引脚向下兼容。Vpp是编程电压端，PGM是编程控制编OE是输出使能端，CS是片选端它们均为低电平有效，2764的等26引脚空。（CN）未用、当CS和OE均为低电平时，芯片被选中，其存储内容从数据端输出即处于Dout状态，在编程时，从数据端输入要存储信息，数据脚处于数据输入Dzn状态，编程时PGM必须为低，使数

48、据写入芯片，由于单片机8031芯片的P0口是分时传送低8位地址线 和数据线，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器。常用的地址锁存器芯片是74LS373。74LS373是带三太缓冲输出的8D触发器。其引脚及语8031芯片连接图见图4-2。图4-2 8031 引脚及语8031芯片连接图当G=“1”时，74LS373输出端1Q8Q与输入端1Q8Q相同,当G为下降沿时，将输入数据锁存。（2）数据存储器的扩展由于8031芯片内部RAM只有28字节，远远不能满足系统的要求，须扩展片外的数据存储器RAM。常用静态RAM芯片游116（2K*8）、6246（8K*8）,62256（32K*8）等，6246、6

49、2256均采用CMOS工艺，由单一5V供电，典型存储时间为150200ns。它们均采用28脚双列直插式扁平封装，其引脚及逻辑符号见图4-3。 图4-3 RAM芯片引脚及逻辑符号见图（3）译码电路设计8031单片机允许扩展64K程序存储器核4K数据存储器（包括I/O芯片），这样就需要扩展多哥外围芯片，因而需要把外围地址 空间分配给这些芯片，并且使程序存储其各芯片之间、数据存储器 (之间包括I/O芯片）地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器时，避免发生冲突。当8031数据总线分时地与各个外围芯片尽心数据传诵时，首先要进行片选（指选中某一个芯片），而当片内有多字节单元时，还要进行片内地址选择。3.

50、2.2（5） I/O借口电路及辅助电路设计8155：可编程RAM/IO扩展借口（256个RAM单元、2阁位口、1 个8位口、1个4位的定时/计数器）8255：可编程的通用并行借口电路（3个8位口）, 8255是Intel公司生产的可编程 输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，分别PA、PB、PC口，PC口又分为高4（PC7PC4）和低4位（PC3PC0），它们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作,方式。3.2.2（6）硬件环行分配器目前市场上提供的国产TTL集成脉冲分配器有三相、四相、五相和六相，其型号分别为YBOB、YB014、YB015及YB016，均为18个引脚的直插式封装。

51、其主要性能参数列表： 输出高电平（V）输出低电平（V）输入低电平输入高电平（V）吸收电流（mA）工作频率（kHz)电源电压（V）环境温度（）2.40.40.82.41.601605±0.50+70图4-4 8155与8255A的引脚图3.3 经济型数控车床微机控制系统硬件电路原理图（1）x向y向和z向的进给伺服运动（2）键盘显示（3）面板管理（4）行程控制（5）其他功能 例光电偶合电路、功率放大电路、红绿灯显示等。CPU采用8031芯片，由于8031芯片内无程序存储器，需要有外部程序存储器的支持，同时8031内部只有128字节的数据存储器，也远不能满足控制系统的要求。故扩展了16KB

52、程序存储器由两片2732组成，又扩展了一片6264数据存储器。8031芯片的P0和PW用来传递外部存储器的地址和数据，P2口传送高8位地址，P0口传送低8位地址和数据，故要采用74LS373地址锁存器锁存低8位地址，ALE作为其选通信号，当ALE为高电平，锁存器的输入和输出透明，即输入的低8位存储器地址在输出端出现，此时不需要锁存。当ALE从高电平变低电平，出现下降沿时，低8位地址锁存入地址锁存器中，74LS373的输出不在随输入变化，这样P0口就可用来传送读写的数据了。8031芯片的P2口和74LS373的送出的P0口共组成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需13根地址线。A0A

53、7低8位接74LS373芯片的输出，A8A12接8031芯片的P2.0P2.4。系统采用全地址译码，两片2764芯片选信号CE风别接74LS138译码器的Y0和Y1，系统复位以后程序从000H开始执行。由于8031芯片内部没有ROM故。I/O接口电路：由于8031只有P1口和P2口部分能提供用户作为I/O 口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。从图可知，系统扩展了一片8155和一片8255可编程I/O接口芯片。可编程I/O芯片的片选CE接口74LS138I/O借口芯片外设的连接是这样安排的；8155芯片PA0PA7作为显示器的段选信号是输出PB0PB1是显示器的位

54、选信号是输出PL0PL4根线是键盘的扫描输入，8155芯片的IO/M引脚接8031芯片的P2。因为使用8155的I/O口故P2.0为高电平。 8255芯片PA0PA6接x向、向和z向步进电机硬件环行分配器，为输出，PB0PB7为三个方向的点动及回零输入，PC0PC5为面板上的选择开关，设有编辑，单步运行，单段运行、自动、手动、手动等形式。其他辅助电路设有越界报警和急停处理电路。±X、±Y、±Z方向的越界和急停信号经门引入89031的P3.2，中断源INT0，同时又接到8031的P1口，采用硬件申请中断和元件查询的方法，这样无论哪个方向越界都会引起中断，在中断服务程序中，通过软件产寻的办法，便可确定哪个方向越界。还有相应的红灯亮报警。另外，还有上点和按钮相结合的复位电路、光电隔离电路和功率放大电路等。图见附表   4 实验台功能原理及插补算法本章主要是为数控车床实验台的CNC装置的实现而对其进行具体的功能原理分析和算法设计。数控车床对零件的加工，是通过对所加工的零件形状、尺寸进行量化数学描述而得到加工程序，再经过计算机译码、解释执行，控制机床各坐标轴运动，使刀具以加工程序所描述的形状和尺寸为轨迹做运动，最终加工出所需形状和尺寸的零件。数控车削加工在插补方面有自己的特点。