CJK6132数控车床及其控制系统设计【优秀毕业论文 答辩通过】

需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 第一章、 总体方案设计 随着社会的进步及科技的发展，产品更新换代的速度不断加快， 机床工业是机器制造业的重要部门， 人们对产品多样化的需求不断增加，使得机械加工经历了用机器代替手工，从作坊形成工厂，由单件生产发展到多品种小批量生产方式和机械制造的柔性化 、系统化、智能化生产方式三个发展阶段。 设计机床的目标就是选用技术先进 、 经济效果显著的最佳可行方案，以获得高的经济效益和社会效益。 因此，从事机床设计的人员，应不断地把经过实践检验的新理论、新技术、新方法应用到设计中，不断的吸收国外的成功经验，不断的开拓创新，设计和制 造出更多的生产率高、静态动态性能好、造型美观、使用方便、结构简单、维修容易、耗能少、成本低的现代化机床。 本次 设计本着以上原则进行，尽量向低成本、高效率、简化操作、符合人机工程的方向考虑。 数控系统采用廉价的单片机控制技术，以满足普通加工机床对价格的要求。 控机床的主要组成部分 机 包括机床身、主轴、进给机构等机械部件。 控装置 是数控机床的核心，包括硬件以及相应的软件 。 动装置 是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。 助装置 它 大致 包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 体 各个传动机构和装置都安装在箱体中，为保证其相互位置的准确性以及机床的安全性。本设计采用灰铁铸造箱体。 架 数控机床中采用自动转位刀架来实现对刀架的自动控制，。 程及其他附属设备 可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 传动的组成部分 数控机床主传动装置是 变频电机通过皮带带动主轴旋转 ，传递切削所需要的功率和速度的部件。 主传动包括动力 源（电动机）、主轴组件、定比传动机构、变速装置、操纵机构等十部分组成。 力源 步进电动机 给执行件提供动力，并使其获得一定的运动速度和方向。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 轴部件 主轴部件是影响机床加工精度的主要部件之一， 它由主轴支承和安装在主轴上的传动件等组成， 它的回转精度 将直接 影响 到 工件的加工精度 。 比传动机构 具有固定传动比的传动机构，本设计中采用齿轮和带传动。 速装置 传递动力、运动以及变换运动速度的装置，本设计中采用 一个背轮机构 和两个滑移齿轮变速组 使主轴获得 18 级转速。 纵机构 控制机床主轴的变速、换向、开停及制动的机构。本设计中，开停、换向和制动 均 采用电控制。 停装置 用来实现机床的启动和停止的机构， 本 设计中 选用电动机直接控制 。 动装置 用来控制主轴迅速停止转动的装置，本设计中采用电磁式制动器。 向装置 用来变换机床主轴的旋转方向的装置。 本 设计中 选用电动机直接换向。 滑与密封 本设计中采用箱外循环强制润滑，主轴组件采用迷宫式密封。 济型数控车床的主要技术参数 及加工范围 技术参数 项目 单位 规格 床身上最大回转直径 20 最大切削直径 20 最大切削长度 50 最大工件长度 50 床鞍（滑板）上最大切削直径 50 主轴孔径 50 主轴转速范围 r/01800 主轴转速级数 18级 主轴前端锥孔 莫氏 6号锥度 主轴电机输出功率 （普通） 5 中心高 距床身 50 距地面 130 尾座套筒行程 50 尾座套筒直径 5 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 尾座套筒锥孔锥度 莫氏 5号 运 行 方式的选定 运动的实现 根据设计要求，本设计采用分离式主传动系统，包括变速箱、主轴箱两部分。其 中，主轴箱与变速箱采用带传动连接，变速箱与电动机至于机座内。 给运动的实现 本 设计 中采用步进电机开环控制系统 ， 机床进给运动都是 由单片机进行数字控制，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副， 齿轮的间隙 采用偏心环调整。 字控制的实现 采用单片机控制，各个控制按扭均安装在控制台上， 根据需要可将按钮放在方便的位置上。 它零部件的选择 考虑到生产效率以及 经济 成本 ， 比 如行程开关以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外 出采 购形式。 身 机床床身采用优质铸铁，床身整体刚性高。滑动导轨面采用中频淬火 。硬度达 上，拖板滑动面贴塑，使得进给系统的刚度，摩擦阻尼系数等动、静特性都 达到 最佳状态。 头箱结构 机床主轴为二支撑结构，机床采用单片式电磁刹车离合器 ， 机床主传动采用液压操纵机构，可实现十八级转速。机床主轴箱内的传动齿轮均经淬硬磨齿处理，传动比稳定，运转噪音低。 架 机床采用立式四工位刀架，该刀架布刀方便， 刚性好。 给系统 机床两轴进给系统采用步进电机驱动滚珠丝杠的典型传动方式。 盘 机床标准配置为 _250手动卡盘。 座 采用手动尾座 。 却系统 冷却箱放在后床腿中 全保护 当机床遇到外 部突然断电或自身故障时， 冷却电机等如已在 “启动 ”状态 下 ，将进入 “停止 ”状态；如已在 “停止 ”状态 下 则不可自行进入启动状态。另外由于机床计算机内的控制程序是 “固化 ”在芯片中的，而零件加工程序是由电池供电保护的，所以，意外断电或发生 故障时，计算机内存储的程序菜单 不会丢失 。 机 床具有报警装置及紧急停止按钮，可防止各种突发故障给机床造成损坏。机床根据情需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 况将报警的处理方式分为三类：对紧急报警实行 “急停 ”；对一般报警实行 “进给保持 ”；对操作错误只进行 “提示 ”。 气系统 为保障设备和人身安全，在电路的动力回路设有短路保护和过流保护。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 第二章、 机床主传动设计 机床的主要技术参数包括主参数和基本参数。主参数是机床参数中最主要的，它必须满足以下要求： a、 作为机床设计的出发点； b、 决定其他基本参数值的大小； c、 作为用户选用 机床的主要依据 ； d、 直接反映出机床的加工能力和性能 。 基本参数 必须满足的要求如下 ： a、 与机床结构有关的参数； b、 与工件尺寸有关的参数 ； c、 与工、夹、量具标准化有关的参数 ； d、 与机床运动特性和动力特性有关的参数 。 将以上 归纳为尺寸参数、运动参数和动力参数三种。 寸参数 尺寸参数是表示机床工作范围的主要尺寸和工、夹、量具的标准化及机床结构有关的主要参数。 1） 与工件主要尺寸有关的参数 a)最大加工尺寸 ： 最大加工长度 ， 最大工件安装尺寸 。 最大加工直径，主轴通孔直径 。 b) 部件运动尺寸范围 ： 主轴箱、横梁、工作台、 刀架的最大行程 工作台、刀架或摇臂的最大回转角度 。 2） 与机床结构有关的参数 ： 床身或摇臂的导轨宽度 ， 圆工作台的直径 及 工作台面 离 地面的高度 。 3） 与工、夹、量具标准化有关的参数 ： 工件头架或尾架的顶尖安装锥度 ， 主轴或尾架套筒的锥孔大小 ， 安装的刀具直径 ， 工作台 T 型槽的尺寸和数目 。 4） 主参数系列采用优先数系，其优势在于： （ 1） 优先数按等比级数分级，能在较宽的范围内以较少的品种，经济合理地满足用户的需要，即可把产品的品种规格限制在必需的最少范围内。 （ 2） 优先数系具有各种不同公比的系列 ，因而可以满足较密和较疏的分级要求。随着形式的发展，可以通过插入中间值使较疏的系列变成较密的系列，而原来的项值保留不变。在参数范围很宽时，根据经济性需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 和需要量等不同的条件，还可以分段选用最合适的基本系列（即选用不同的公比），以复合系列的形式组成最佳系列。 （ 3） 优先数系是国际上统一的数值制度，有利于国际的标准化。 其他尺寸参数一般根据主参数来确定。但由于机床的使用情况比较复杂。 轴最低转速用高速钢车刀，对铸铁材料的盘形零件粗车端 面。并参考切削用量资料，取 5m/最低转速为： m 051 0 0 0 0 0 a xm i nm i n 轴最高转速根据分析，用硬质合金车刀对小直径钢材半精车外圆时，主轴转速为最高，按经验，并参考切削用量资料，取 00a x ， k= 则： 1 6 0 m m a x 3 2 m m a i n m i n/1 9 9 0 001 0 0 0 0 0 i nm a xm a x 运动参数包括机床主运动的进给量范围和级数以及辅助运动的速度范围和级数等，主要由加工表面成形运动的工艺要求所决定的。 主轴极限转速和变速范围 ： 对于主运动为回转运动的机床，主轴极限转速为： m i n )(1 0 0 0m i nm a xm a x rd m i n )(1 0 0 0m a xm i nm i n rd 以上 式中的 加工时的最大工件直径， 而 得出合理的极限转速值。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 据典型的和可能的工艺选取 ， 极限切削速度要 考虑到 工序种类、工艺要求 刀 具和工 件材料等因素。允许的切削速度极限参考值如下 表所示 ： 加工条件 安装磨头附件进行磨削 80120 质合金刀具半精加工或精加工 150250 高速钢刀具低速光刀 存储器芯片所要求的读取时间 储器芯片的选择 常用的程序存储器 型的有 2716、 2732、 2764、 27128、本次设计选用的是 片它的容量 88读取时间为 250脚功能（ 28脚） 1） 脚功能 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 电源线 v、 接地 数据线 8条 7 地 址线 13条 12 控制线 ： 片选端线（或片选信号线，低电平有效） 数据输出选通信号线，低电平有效 编程冒充输入端。只对 8751有效 2） 74其功能引脚共 20脚 电源线 入输出线 输入线 7 输出线 7 控制线 a 选端线 当 0 时锁存输出，当 1 时输出成高阻态 b 当 G=0时 7的信息输入 7 的低， 8为地址锁存到锁存器中，当 G=1时锁存器输出端（ 7）状态和输入， 端 7状态相同 序器的扩展 （ 1）类型 容量 速度。 8301）用晶体频率为 1240 2）扩展的方法 扩展一片， 展 8个 括地址线，控制线， 数据线其中控制线包括：地址锁存 选端 输出允许端 两片 16 数据存储器的扩展 数据存储器的扩展 跟地址存储器差不多，只 需要注意需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 、1、 222 几个 引脚的功能就可以了。 接口的扩展 1）、 I/ 采用 I/用 的 I/O 口扩展 芯片，主要有 8255， 8255A（全称为 可编程并行 I/，此处 选用 8255 来控制 步进电机和 开关。 扩展入口的典型芯片由： 74224、 245 扩展出口的典型芯片有： 74273 I/芯片除能作 I/能作其它功用最常用的是 8155。 8155 可编程并行 I/O 接口具有功能强，价格便宜，且具有与 片机配置简单、方便等优点。是单片机应用系统最常用的外部功能扩展器件之一。 2） 、 8155的引脚及内部结构 ， 8155芯片为 40引脚双列直插封装， 单一的 5V 电源，其引脚及内部结构见下图所示。 该芯片能为系统提供的硬件资源包括： 2 个 8 位可编程 I/O 口（ A 口和 B 口）， 256 字节的静态 一个 14位的可编程减法定时 /计数器 及 一个 6位可编程 I/。 阵式键盘 由行线和列线组成 阵式键盘工作方式 扫描方式（循环扫描和定时扫描）、中断方式 扩展 I/O 接口来搭接 矩阵式键盘适用于按键较多的场合，它由行线和列线组成， 按键设置在行、列线分别需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 连接到按键开关两端 ， 行线通过上拉电阻接到 +5V 上 。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由此行线相连的列线电平决定。列线电平为高，则行线电平亦为高；列线电平如果为低，则行线电平为低。这 可以 识别矩阵键盘按键是否按下。 按键位于行、列交叉点上。如一个 3 3 的行、列结构可以构成一个含有 9 个按键的键盘等等。 矩阵式键盘的优点在于 在按键数量较多时，矩阵键盘比独立键盘节省了很多 I/O 口 ， 由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在的行和列电平。所以，必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。本设计采用矩阵式 键盘 。 对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高 4 位是行号，低 4 位是列号 在视觉上是 直观的。 具的转位控制 有效电平为高。刀架处于一个信号为高电平 的 刀号 的 位置。 连接图如下所示： 刀架到位信号低电平有效（常闭）。 刀架定位采用 磁头通过霍尔元件感应头时，霍尔元件导通 ，给系统发出信号 。 位开关的应用 本系统具有软件限位功能以进行超程 检查 ， 可以不安装超程检查限位开关。 由于其具有局限性， 当驱动器产生故障 ，不能是机床停止，因其运动超出了软件的限制范围， 通常机床上的 信号为常闭触点信号。当触点断开时，控制系统复位，并使机床紧急需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 停止。通常这个信号由按钮开关的 B 触点指令。产生急停后，系统准备 信号 断开 ，同时封锁运动指令输出。 由此综合考虑，必须安装限位开关以保证机床的高安全性能。 限位开关链接如下所示： 示器有静态显示和动态显示两种方式。有 多位 示时，为了节省 I/O 口线，简化电路，降低成本，一般采用动态显示方式。动态显示方式是一位一位地分别轮流点亮各位显示器，对每位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮一次。显示器的亮度既与点亮和熄灭时间的比例有关，也与导通电流有关。这种显示方式将七段 示器的所有段选位并联在一起，由一个 8 位 I/O 口控制，实现各位显示器的分时选通 。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称 示块由发光二 极管显示字段组成 ,由于 7 段 示块有 7 个段发光二极管，所以其字形码为一个字节；“米”字形 示块有 15 段发光二极管，所以字形码为两个字节。由 m 片 示块可拼接成 m 位 示器，共有 m 根位选线和 8 m 根段选线，根据显示方式不同，位选线和段选线的连接也各不相同，位选线则控制显示位的亮、暗，而段选线控制显示字符的字型。 下图是 示器采用共阴极方式， 设置了 36 个键。 6 个显示器的段选码由 8155 的提供，位选码由 8155 的 提供（ 同时也提供行列式未编码键盘的列线），行列式未编码键盘的 行线由 提供。图中 8155 的 扫描输出总是只有一位为高电平，即 经反相后仅有一位公共阴极为低电平， 8155 的 则输出相应位（ 输出为高对应的位显示器）的显示数据，使该位显示与显示缓冲器相对应的字符，而其余各位均为熄灭，依次改变 8155 的 输出为高的位， 输出对应的 是 显示缓冲器的数据。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 1 2 3 4 5 6i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 2 9- M a y - 20 0 4 S he e t o f F i l e : G : 王丹的毕业设计 pr ot e l 芯片扩展 . dd b D r a w n B y:A B C D E F G H+ 5V+ 50 85 6 021 122 223 324 425 526 627 728P B 029 130 231 332I O / 433A L 534P B 635P B 736T M R O U 037P C 138T M R I 239P C 31P C 42R E S E 558 15 控系统硬件电路的设计 1）微机控制系统硬件电路设计的内容 ： 储器、输入输出接口电路 2） 主控微机的选择 采用单片机主控微 机 3） 单片机的内部结构 ： 8051是一个八位的 12842个特殊功能寄存器 4个 8位并行 I/O 接口，一个全能的串行接口， 2个 16位定时 /计算器 8751 48031 没有 ） 片机的基本特性： 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 具有 8位的 片内有时钟电路 具有 4有 128具有 21个特殊功能的寄存器 具有 32条 I/具有 2个可编程定时 /计数器 具有一个全功能串行接口（ 2跟线） 具有 5个中 断源， 2个优先级 具有外部数据存储器寻址空间为 640个引脚双列直接封装形式（ 于受到引脚的数量限制，有一部分具有第二功能 40个引脚的分类： 电源引脚（ 2跟线） 时钟引脚（ 2跟线） 控制引脚（ 4跟线） 作 I/个 8跟，共 32条线） 电源 芯片电源 +5v（ 40引脚） 接地线（ 20引脚） 19脚）接晶体振荡电路的输入端 18脚）接晶体振荡电路的输出端 控制线 控制线引脚（ 4跟线） 9引脚） 复位 /备用电 源的输出 正常工作时， 要在 脚止，连续保持 2个机器周期上的高电平 在 脚还可接备用电源，由 内部 持数据不掉失。 30脚） 地址锁存输出 /编程脉冲输入端 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 其中 用于 8751。 5） 系列（三总线结构） （ 1） 地址总线 度 16位，外部存储器直接 646位地址总线中， 位地址 7 位地址 15 （ 2） 数据总线 位 提供 7 （ 3） 控制总线 跟专用的控制线 根 6） 振荡器和时钟电路 内部时钟电路方式 利用芯片内部振荡电路在 部振荡器，产生自激振荡定时元件用石英晶体外部时钟电路 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 第五章、 数控机床部分控制程序 态显示方式 的 电路接口电路形式 如下图： 数码管是八位共阴极，所以发光时字形驱动输出“ 1”有效，位选驱动输出“ 0”有效。对 8155 来讲，字形码输出“ 0”有效，位选扫描电平为“ 1”有效。 各数码管是分时轮流通电， 一般在 8 个以内 ，因为 每个数码管所分配到实际导通的时间会太少， 亮度不够，加上 发光管具有余辉特性及人眼具有视觉暂留作用，适当选取循环扫描频率时， 这样 看上去的数码管是同时亮的，察觉不出有闪烁现象。通常采用动态显示字形码输出及位选信号输出经过驱动后再与数码管相连。 以下是对 态显示电路的程序设 计： 态显示接口 ；保护现场 要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 # ；指向 8155 控制口 A， #4 ；设置 8155 工作方式字 A ；设 A 口、 C 口都为输入 # ；指向显示缓冲区 首单元 #20H ；选中最左数码管 #00H ；设定显示时间 # ；指向字形表首址 A， #00H # ；指向 8155A 口（字形口） A A， ；取要显示的数 A， A+ ；查表得字形码 # ；指向 8155A 口（字形 A ；送字形码 A， ；取位选字 # ；指向位选口 A ；送位选字 ；延时 ；更新显示缓冲单元 C A， A ；位选字移位 A ；未扫描完继续循环 ；恢复现场 要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 36,56H,67 ； 0 7 77H,79H,59H,71H ； 8 0行扩展口的键盘、显示器接口电路软件设计 可以实现的功能： 上电后要求第一位显示器显示提示符“ H”， 随后 等待键输入。在按“ 1” 或 “ 0” 键后将分别转入 #1 键功能和 #0 键功能程序。 程序框图如下： 电路设计 P ;清显示 ;开显示输入 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 ;开显示 #00H ;设串口方式为 0 A， #76H ；“ 76H”为 H 的段代码 A ；段选码串行输入 ；输出等待 ；清发送完标准，准备 下次发送 ；调键盘子程序 # ；置散转入地址表 A ；键值送 A， ；由于 三字节指令，需对键值 A， ；进行修正，以形成正确的散转入口偏 A+ ；移量 A， #00H ；送全扫描字，判断是 否有键按下 A ；全扫描字从串行口输入 ；等待发送 ；若无键按下，等待 ；若有键按下，调延时子程序消抖动 ；是键抖动，返回键等待 #08H ；查键号初始化，列数 #0 ；首列扫描子 #00H ；首列偏移量 A， ；送列扫描字 B ；若此键按下，准备查询下一列 A， #00H ；若此列键按下，送全扫描字 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 A ；等待键释放，若键未释放，等待 A， ；键号送 A A， L A A R ； 8 列未查完，返回再查 ； 8 列查完返回键扫描子程序入口 散转入口地址表： 3H： ； #01 键子程序入口地址 0H： ； #00 键子程序入口地址 进电机控制 程序的设计 步进电机控制的最大特点是开环控制， 旋转量的误差为零， 不需要反馈信号。 在五相十拍 的 程序中， 输出的控制字是在程序中给定的。在五相十拍的控制中，由于控制字较多，故把这些控制字以表的形式预先存放在内部 元中，运行程序时以表的方式逐个取出 并输入。 步进电机的驱动方式采用高低压驱动，即在电机 开始启动 时，加额定或超过额定值的电压，以便在较大的电流驱动下，使电机快速移动；而在锁步时，则加低于额定值的电压，给与电机绕组锁步所需的电流 。 既能减少功耗又能提高运行速度。 假如 正反转控制字 按次序 存放在以 首地址的内部 ， 内容如下所示 : 01H ; 正转 A 02H ； B 03H ； E 04H ； 要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 05H ； D 06H ； B 07H ； C 08H ； B 09H ； B 10H ； B 00H ；循环标志 01H ； 反转 A 10H ； B 09H ； B 08H ； B 07H ； C 06H ； B 05H ； D 04H ； B 03H ； E 02H ； B 00H ；循环标志 程序： ；判正反转 # ；建立正转数据指针 A。 ；读控制字 ； A ；延时 ；指针加 1 ；循环 A， # ；建立反转数据指针 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 A， #06H A ； 判断步数是否达到预定值 要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 结 论 在本次设计过程中 , 我大量阅读了各种技术资料及设计手册 ,不仅认真探讨了机械领域内的各种基本问题 ,对机械结构有了更深刻的认识， 而且对电气控制系统即单片机也进行了初步的学习和研究。 本次设计不仅加深了对自己专业所学课程的全面理解，而且自己的知识面也拓宽了。此外，本次设计在绘图的过程中，使用了 这些让我对软件的运用能力进一步提升了。 不仅培养了我正确的设计思想 ,也同时让我掌握了工程设计的一般程序和方法 ,以及锻炼了我综合运用知识的能力 ,为我以后的发展起着很大的作用。 今后我会将所 学知识运用到工作中，不断的提升自己，为中国的社会主义作出自己的贡献。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 致 谢 本论文是在 老师 悉心指导下完成的。 老 师渊博的专业知识 ， 精益求精的工作作风， 一丝不苟的 治学态度，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，平易近人的人格魅力对我影响深远。 在此次毕业设计中我不但巩固了已学过的机械设计方面的基础知识，而且开阔了眼界，接触到了社会的生产实践领域，亲身体验了理论与实践的区别