基于单片机的CK6163数控车床控制系统设计说明书.doc
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基于单片机的CK6163数控车床控制系统设计.zip,基于,单片机,CK6163,数控车床,控制系统,设计
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中文摘要 本文主要是利用单片机对CK6163数控车床的控制系统进行设计，使其能够被改造成现在市场上所需要的经济型车床。本设计的CK6163数控车床，是采用两个步进电机对机床的X轴和Z轴进行进给系统的控制。本设计采用逐点比较法进行直线和圆弧插补，最终能实现对外圆、锥度、螺纹、端面等的自动加工控制，能对纵向和横向进给运动的行程和速度进行自动控制。降低了劳动强度，实现并增强其自动化加工、稳定质量、提高工效和适用性。 依据典型的工艺数据，首先应对系统的机械部分进行必要的设计，包括主传动系统的设计、回转刀架的选择和进给系统的确定等。再对控制部分进行设计，包括通过对电机的选型确定驱动元件，对控制硬件和软件的选择进行电路图的绘制和程序的编写，最终实现车床的自动控制。基于MCS_51单片机对电机的控制系统进行设计，从而实现对整个控制系统的确定设计。关键词 数控机床 控制系统 步进电机 MCS_51单片机I外文摘要Title Design of CK6163 CNC lathe control system based on Single chip microcomputer Abstract This paper mainly uses a single chip microcomputer to design the control system of CK6163 CNC lathe, which can be transformed into the economical lathe that is needed in the market now. The designed CK6163 CNC lathe is controlled by two stepping motors for the X and Z axis of the machine tool. This design USES the straight line and arc interpolation point by point comparison method, finally can realize external circular, taper, screw, end automatic processing control, who will take care of the longitudinal and transverse feed motion stroke and speed for automatic control.It reduces the intensity of labor, realizes and enhances its automation, stability, efficiency and applicability. Based on typical process data, the first response to the mechanical parts to make the necessary design, including the design of the main transmission system, selection of rotary tool rest and the determination of feed system, etc. Again to design control part, including through the motor selection determine the driving element, the selection of control hardware and software of circuit diagram drawing and writing of the program, finally realizes the automatic control of machine tool. The design of the control system of the motor based on MCS_51 single chip is designed to realize the design of the whole control system. Key words:CNC machine tools, control systems, stepper motors, single-chip窗体底端II目录第1章 绪论11.1 数控车床介绍11.2数控车床发展历史和国内发展现状41.3 本课题的意义5第2章 设计任务与方案确定72.1 设计内容72.2 设计技术参数82.3数控系统总体方案设计8第3章 纵向进给传动部件的计算和选型103.1切削力的计算103.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型113.2.1精度的选择113.2.2丝杠导程的确定113.2.3最大工作载荷的计算113.2.4最大动载荷的计算123.2.5 滚珠丝杠螺母副的选型123.2.6滚珠丝杠副的支承方式123. 3同步带减速机构设计13331 传动比的确定13332 传递功率的估算13333 选择带型和节距14334 确定带轮齿数和节圆直径143.4.本章小结15第四章 伺服系统的设计164.1 控制系统的选择164.2 纵向步进电机的计算164.2.1 纵向步进电机的选择184.3 横向步进电机的计算194.3.1 横向步进电机的选择204.4 本章小结21第五章 控制系统硬件设计225.1 MCS_51芯片介绍225.1.1.单片机的主要特点245.2.2.单片机应用245.2 8255A芯片的应用255.3 单片机I/O扩展电路设计及功能265.4 光电隔离电路275.5 键盘功能控制电路275.6 显示驱动电路295.7 串口通信接口电路305.8其它相关电路31第六章 控制系统软件设计及仿真326.1 Keil软件介绍326.2 Proteus软件应用326.3 程序设计及调试326.4 仿真36第七章 结论38参考文献39致谢41V第1章 绪论1.1 数控车床介绍数控车床是数控机床的一种，数控机床主要有三个方面的加工优势，分别为加工效率高、加工精度高以及加工产品性能高。正由于这些方面的优势，数控机床应用广泛，主要用于加工那些普通机床加工不了的结构复杂、精度高且加工数量较少的零件。这样在提升产品质量和性能结构的同时，还能够得到最大程度的经济效益。数控机床种类繁多，该课题设计的数控车床就是其中的一种，另外还包括铣床、磨床、钻床等等，这些也都是平时在加工时经常遇到的机床。本设计主要是对数控车床的控制系统进行设计。数控机床在进行加工时，主要是将事先编写好的程序输入到数控装置中，再经过分析转变成相应的指令，输出到控制系统中，以达到自动化加工的目的。因此，加工程序起到决定性作用，程序如果产生错误，会导致整个加工过程的失败，并且在编写程序时，还需要考虑到其它各种加工因素，比如加工的整体路线、加工时相关具体参数、刀具的加工转换和其他一些辅助功能等等。将这些因素都结合之后，最终按照一定的格式编写加工程序单。程序编写好之后，需要将这些程序输入到机床的数控装置中，从而指挥机床进行零件的加工，指挥车床进行自动加工。而输入工作方式又可分为两种方式，第一种是在输入的同时进行加工，顾名思义，就是在输入下一个程序时，前一个程序已经在进行加工，第二种是将程序一次性输入，将其储存在数控装置的储存器中，当需要加工时再将其调用出来。数控机床在进行零件加工时，不需要人为操作，只需通过改变程序既能改变加工步骤，路线，进而达到加工不同零件的目的，既方便又实用。（1）数控机床的工作原理在介绍之前，必须对数控编程的主要过程作必要的了解。基本步骤如下图1-1所示图1-1 数控编程的步骤由上图可知，数控机床在对零件进行加工时，主要是将事先编写好的程序输入到数控装置中，(程序在编写时难免会出现错误，而数控系统在进行加工之前会对其进行分析检查，出现错误的程序系统会发出警告，进行修改，而有些程序是在加工过程中被发现，这就需要停止工作，仔细检查修改，最终确保程序正确。)修改检查无误后数控系统会输出相应的指令再经过分析转变成相应的指令，输出到控制系统中，控制机床的各项运动，比如主轴的运动、刀具的自动交换、加工路线的选择等其他的一些基本操作。使机床对工件按照所给程序中的正确顺序和轨迹进行加工和停止。而在数控车床不断的加工过程中，要不断的进行检查以使刀具和工件处在所要求的相对位置。这样便能加工出符合要求的产品。其加工工件过程图如下图1-2所示：零件图样零件成品程序设计编写程序单机床加工伺服系统数控介质穿孔纸带图1-2 数控机床工作原理（2）数控机床的组成数控机床主要由五部分组成，其组成框架如下图1-3所示：下表1-1面是对其组成的详细介绍。图1-3 数控机床的组成框图 表1-1 数控机床各组成简要介绍名称介绍及功能控制介质数控机床在进行工件作业时，一般都是自动加工，不需要人为的操作。达到这一目的就必须在数控机床之间搭造一种必要的联系，控制介质就是建立这种联系的中间媒介物。它记录着工件的加工步骤。本设计配有键盘和数码管进行控制显示。 数控装置作为数控机床的“心脏”。数控装置是机床的控制装置，其主要功能有很多，其中包括：多坐标控制；补偿功能；程序的修改功能；插补功能等等。伺服系统伺服系统，就是将数控装置上所接受到的指令进行接受，来驱动机床执行机构运动的驱动机构。在每个执行部件上面，都会相应的配上一套伺服系统。它的作用就相当于一个人的双手，对工作台进行精确的操作使其能够按照一定的运动轨迹进行相对运动，加工出最后的零件。测量反馈装置测量反馈装置是闭环（半闭环）数控机床的检测环节，没有这一装置的系统称为开环控制系统。它的功能是检测数控机床轴的运动速度和位移，以达到对CNC设备的信息反馈。本设计选用的控制系统为开环控制系统，因此不需要该测量反馈装置。机床本体机床本体，顾名思义，就是数控机床的主体。开始时一直沿用的普通机床。随着数控技术的不断发展，传统的机床结构已经不能够达到技术性能的要求，因为其切屑用量大，连续作业导致发热都会影响加工精度。因此，数控机床必须简化机械传动结构，使其设计相较于普通机床更加的完善，加工的精密要求比一般机床更加苛刻。为了能使数控机床的功能得到最大程度的发挥，数控机床除主体（包括床身、主轴、进给机构等）之外，还应该需要一些配套设备，比如辅助运动设备、液压气动系统、冷却装置和其他部分。（3）数控机床加工特点：1）可以加工复杂的零件，如包含必要的弧线，曲面等；2）能够使加工的自动化得到提高；3）加工精度高；4）能够是工序得到集中，降低了工件的频繁移动；5）极大提高了加工效率，缩短生产周期；6）节省劳动力，降低了劳动强度；7）适用于中小批量生产。1.2数控车床发展历史和国内发展现状 1952年，第一台数控铣床在美国诞生，他的问世，代表了数控机床时代的来临，也代表着整个世界的机械行业向自动化发展的开始。但由于当时科学技术的局限性，那时的数控装置普遍都是一些体积大、价格高的电子管元件，只在一小部分领域得到了应用，来加工所需要的复杂工件，并未得到广泛的应用。1959年，晶体管元件和电路板的出现，推动了数控技术的发展，历史上称这一出现为数控装置的第二代，主要由于其体积有所减少，价格也有很大的下降。1965年，集成电路数控装置被发明出来，这是一个里程碑的发现，代表着数控装置的第三代。相比于前两代的，该数控装置集合了它们的所有优点，并在此基础上得到了进一步的加强，价格更加便宜，性能更加优越，极大的促进了数控机床品种和产量的发展。60年代末，第四代计算机数控系统（CNC）出现。1974年，又出现了第五代微型计算机控制装置，其性能相较于前几代，有着飞跃性的提升，且体积更小，相当于第三代的1/20，价格也更加的便宜。随着科学技术的提高，出现了更好更强大的数控装置，数控技术得到了飞速发展。制造业的发展水平在一定程度上上决定了一个国家的发展情况。我国之前普遍使用的依然是普通机床，具有很多缺点，不仅加工速度慢，而且加工困难，不能加工一些结构复杂的零件，更不必提那些精度要求高的零件。就相关数据显示，我国机床的数控化率不足2%。因此在机械加工制造等方面都远远地落后于西方发达国家。随着国外数控机床的发展，我国的机械制造业已经深深意识到传统的普通机床已经不能满足当下的社会要求。发展数控机床已经成为我国的当务之急。受到西方数控加工的刺激，从上个世纪起，我国的机床需求旺盛，成为世界最大的机床消费和进口国家，而数控机床是机床消费的主要部分。而随着我国制造业技术的提高，我国在数控机床方面取得了很大的进展。 上个世纪后期，我国不断进行产业结构调整，积极发展数控机床。由于我国的普通机床仍然数量极大，因此单纯的靠引进国外产品会导致严重的浪费，为了减少投资，我国利用原来的部分普通机床，对其进行一系列的加工改造，以达到数控化的目的。我国也逐渐意识到数控机床对社会发展的重要性，因此使得数控机床成为机械工业发展的关键产品。但是，我国的机床水平相比于西方国家依旧较低，还不能加工出高质量的数控机床，因此，发展经济型数控机床成为我国发展的重要环节。并且由于其结构简单，便于维修，因此在我国被广泛的应用。在我国之后的发展中，数控技术会越来越先进，我国也会生产加工出更加先进的数控机床，从而提高我国整体实力。1.3 本课题的意义虽说我国的数控技术在这些年取得了不小的进展，但是和国外一些发达国家比较，在一些方面依旧有着很大的不足。现代社会，是一个智能化的时代，制造技术也在向着高速化、自动化和智能化方向发展。作为制造业大国，数控技术的欠缺，很大程度抑制了我国制造业的发展和整体水平的提高。发展数控机床已经成为我国的当务之急。而由于我国之前一直采用的是普通机床进行加工生产，生产率低，精度低，我国也面临着产品结构的调整和再升级，因此需要对部分普通机床进行数控化改造，改造成功能强大，性价比高的经济型机床，使其能够达到自动化程度。这样不仅能使零件的加工效率和精度提升上去，还能提高经济效益和社会效益，减少了资源的浪费。本课题主要是利用单片机对CK6163数控车床的控制系统进行设计，不仅是当前社会制造业的主要课题，也是我国生产力得到飞速发展的主要推动力，这也是本设计的主要意义之所在。并且，本课题选用的MCS_51系列单片机作为数控车床的控制部分。利用单片机进行改造的数控机床具有很多优点，比如能加工普通机床加工不出的复杂、精度高的零件；能提高系统效率；操作简单方便快捷等。该类数控机床也是现代数控化改造的主流机床，具有很强的实际意义。以下是此次设计需要完成的内容：（1）分析数控车床CK6163的基本原理，对CK6163数控车床的控制系统进行数控化改造。以达到经济型数控车的设计目的。 （2）根据对原数控机床的技术规格、技术参数、各部分尺寸的分析，改造后车床的主要机械部件不变和主轴转速及最大加工件尺寸和加工螺纹等功能不变。设计出数控车床的基本控制原理结构简图。（3）以8位的MCS51型系统单片微型计算机为核心，构建出设计数控车床控制的整个控制结构图。并绘制出电路原理图，控制系统包括数控系统的串口通讯、控制显示、键盘输入等低层驱动程序等。 第2章 设计任务与方案确定2.1 设计内容 本课题主要是利用单片机对CK6163(如图2-1）数控车床的控制系统进行设计。利用MCS-51系列单片机，对纵、横向进给系统进给进行开环控制，采用步进电机进行驱动；选择滚珠丝杠进行传动，来自动控制纵向和横向进给运动的行程和速度，对零件中各种不同的端面和螺纹能进行加工，比如圆柱面和圆柱螺纹等。最终实现机床的全自动控制，包括主轴的起动，停止和变速、进给运动的行程、刀具的变换等。在设计过程中，本人也意识到创新的重要性，以下则是一些在设计过程中体现的特色和创新：1） 用插补运算的方法设计程序2） 编写必要的程序流程图3） 掌握单片机的硬件结构4） 提高系统抗干扰能力。 同时，在设计时，充分考虑到其对于社会的可持续发展的影响，尽量选用的是一些现在市场上最为先进的机械部分和控制部分，以使得所设计的成果能对社会有一定的作用。其次，考虑到数控机床难免对环境有影响，所以尽量选用的是便于回收、能被反复利用且价格相对较低的部件进行设计，以最大程度的降低对环境的污染。图2-1 CK6163数控车床外观图2.2 设计技术参数1. 机械部分:工件最大回转直径 630毫米工件最大长度 1500毫米主轴转速范围（16级） 32-1000转/分刀架快速移动速度 纵向 3.6米/分 横向 1.8米/分2. 数控部分：插补运算原理 逐点比较原理脉冲当量：Z轴（纵向） 0.01mm/脉冲X轴（横向） 0.01mm/脉冲2.3数控系统总体方案设计 本课题主要是对数控机床的控制部分进行设计。因此在对数控车床的控制系统进行设计创新的时候，必须考虑到各种情况，比如降低成本、增强性能、提高加工效率等，以使得数控车床能满足自动化的要求。 考虑以上因素，该设计的总体方案包含一下几个方面，并对其作简要概述。（1）系统的运动方式确定： 数控系统按运动方式分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。这三种控制系统各有特点，在此不一一赘述，考虑到本课题的实际情况，因其加工精度要求不是很高，并且动作简单，经综合考虑，运动方式选择连续控制系统。（2）伺服系统的选择： 伺服系统可以分为闭环控制系统、半闭环控制系统和开环控制系统三类。前两种伺服系统均带有检测装置，控制精度比较高，但成本高且调试复杂。而开环系统虽不带检测装置，精度不高，但结构不复杂，成本较低，简单易懂，易于调试，符合所设计的数控车床对精度要求不太高性能。并且为了简化结构，考虑经济效益，选择步进电机驱动的开环控制系统。（3） 数控系统处理器的选择： 根据数控车床的具体要求，选用MCS_51单片机作为CK6163数控车床控制系统的控制芯片，因为该系列单片机功能强大，性价比高，抗干扰能力强，能满足本设计要求。（4）键盘和显示电路在设计过程中需要被考虑在内，LED数码管作为其显示界面，数控系统还可以和PC机串行通信，所以还要设计串行接口电路。（5）纵向和横向开关也是在设计过程中对安全方面考虑所必需的。（6）控制电路的设计。（7）滚珠丝杠螺母副的选择。（8）控制系统的软件设计根据CK6163数控车床控制系统的设计要求，由于步进电机在低转矩、高精度、速度适中等特点。因此选用步进电机进行控制。控制过程采用逐点比较法。根据上面所要求的数控机床方案，可以大概先拟定好其数控系统和控制方法，系统的总体框图如下： 数控装置隔离放大MM光电编码器光电编码器键盘与显示接口芯片串行接口冷却泵刀位信号限位信号按钮信号刀架控制交流变频器主轴编码器主轴电机Z轴传动X轴传动 图2-2 系统结构方框图第3章 纵向进给传动部件的计算和选型3.1切削力的计算切削力是指在切屑过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的讲是在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力。在进行外圆切削时的切削力如图3-1所示。其中所示的三个力分别为主切削力、进给力、背向力。FzFxFy 图3-1 切削力分析查阅相关手册，得切削功率公式如下所示： 式中：主轴电动机功率， ； 主传动系统总效率，一般为0.750.85，取=0.8； 进给系统功率系数，取=。则 切削功率又可由公式进行计算。切削功率在进行计算时有一定的要求，必须按加工时产生的最大切削力和切削速度来计算，所以公式中v取100,则主切削力： =5088根据经验公式:=1:0.4:0.35，计算出： =50880.4=2035.2 =50880.35=1780.83.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型 3.2.1精度的选择滚珠丝杠副的精度在选择时，必须具有严格的标准。因其将直接影响着机床的定位精度。对于数控车床，滚珠丝杠的精度要求一般为X轴13级，Z轴25级。本课题因对定位精度要求不是特别高，因此选用的是X轴：3级；Z轴：4级。3.2.2丝杠导程的确定 丝杠导程在选择时，一般都是优先选择导程较小的丝杠，这样即经济又能提高控制精度。本设计初选纵向丝杠导程为8，横向丝杠导程为5。3.2.3最大工作载荷的计算最大工作载荷的计算如下表所示：表3-1 实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式矩形导轨1.10.15燕尾导轨1.40.2综合或三角导轨1.150.15-0.18：实验系数；：滑动导轨摩擦系数；：移动部件总重量。综合考虑选择三角导轨，取=1.15,=0.18,=1500；求得=1.151780.8+0.18（5088+1500） =3233.763.2.4最大动载荷的计算动载荷是指随着时间的变化，使构件的速度产生改变的一种载荷。需要对滚珠丝杠螺母副的最大动载荷进行计算，用FQ表示，公式为 滚珠丝杠副的寿命系数， 载荷系数，一般取1.21.5，本设计取1.2； 硬度系数，本设计取1 最大工作载荷本设计中选择（使用寿命），（丝杠每分钟转速）经计算得100r/min，最后计算的L=90；再根据,将其代入，求得 ：=17390N。3.2.5 滚珠丝杠螺母副的选型由上面计算得出最大动载=17390N，选择内循环式滚珠丝杠副，型号为FL5008-3。精度等级4级，相关参数如下表3-2所示。表3-2 FL5008-3型滚珠丝杠螺母副相关参数公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度/ 18975084.76348.645.2466313.2.6滚珠丝杠副的支承方式 本课题还需对滚珠丝杠副的支承方式进行选择，对它的选择其目的是用来用来防止丝杠的轴向发生窜动，提高传动刚度。考虑本课题的具体情况，提高压杆稳定性，纵向丝杠选用双推简支支承方式。3. 3同步带减速机构设计 同步带又称同步齿形带，它主要用于驱动皮带轮和被动轮之间有固定传动比的情况。同步带是通过凸齿皮带和皮带轮上的齿槽和强制啮合工作的。采用同步带进行工作可以延长轴承使用寿命，并且具有结构简单，成本低，防滑等优点，本课题即选用同步带进行工作。331 传动比的确定由和可得：式中：电机编码器分辨率，单位为度/脉冲； 丝杠分辨率，单位为度/脉冲； 丝杠导程，其值为8； 脉冲当量，本设计中Z轴为0.001/脉冲。初选电机编码器的纹数为1000，四倍细分，即=0.09（度/脉冲），算得：=2332 传递功率的估算由运动学可知，对该传动机构传递功率的研究只要考虑三种工作状态，他们分别是：最大负载且最大工进速度、快速空载启动、最快空载移动。而最快空载移动的传递功率一定是小于前两者的，所以在进行比较时，只需要对前两者进行比较。（1）最大传递功率估算： 式中：丝杠的最大工作载荷，其值为3233.76；最大工进速度，换算为； 预紧摩擦力，单位N，（摩擦系数取0.15）计算得出：。 （2）快速启动时的最大传递功率估算： 式中：移动部件加速时所受的合力即惯性力，=3607.4该式中丝杠的转动惯量 112.13，D：公称直径，L：丝杠长度，为，为，为0.8； 滑动摩擦力，=270。计算得出： 因为， 所以带的传递功率(取1.5)。333 选择带型和节距在上面的计算中，得出带的传递功率。由下表3-3可得，同步带选择XL型，节距。表3-3 同步带型号型号节距/基准带宽传递功率范围/基准带宽/说明XL(特轻型)5.0800.0040.5739.5GB/T 11616-1989GB/T 11362-1989L（轻型）9.5250.054.7625.4H（重型）12.7000.65576.2 334 确定带轮齿数和节圆直径XL型小带轮转速在1200至1800时的最少许用齿数为12，为了提高传动精度，取小齿轮数，小带轮节圆直径。传动比，根据，计算得大齿轮齿数数，大带轮节圆直径。当主动轮最高转速时，同步带的线速度为：，远小于XL型带的极限速度，所以满足要求。附：横向进给传动部件的计算与选型，由上述计算可同理获得;1. 滚珠丝杠螺母副选择内循环式滚珠丝杠副，型号为FL4005-3型，精度等级3级。2. 2.滚珠丝杠副支承：双推单推3.同步带带型选择XL型，其节距3.4.本章小结本章主要是对纵向和横向进给传动机构的的计算和选择。对其的选择总结如下所示：纵向：滚珠丝杠螺母副型号：FL5008-3,精度3级，内循环； 滚珠丝杠副支承：双推-简支； 同步带带型：XL型，节距；横向：滚珠丝杠螺母副型号：FL4005-3，精度3级，内循环； 滚珠丝杠副支承：双推-单推； 同步带带型：XL型，其节距。第四章 伺服系统的设计4.1 控制系统的选择控制系统分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。本设计主要选择的是开环控制系统,由驱动控制环节（环形分配器和加减速电路）、执行元件（步进电机）和机床（滚珠丝杠、工作台等）三大部分组成。其优点是精度高、结构简单，成本较低，简单易懂，易于调试，符合所设计的数控车床对精度要求不太高的要求。并且就实际设计为了简化结构，考虑经济效益，因此选择步进电机驱动的开环控制系统。由于开环系统的指令信号都是单方向传送，一旦指令发出去之后，就不会再进行反馈，这就是开环控制系统的主要特点。本设计选用步进电机对其进行驱动，原理图如下图4-1所示： 1.电机 2.减速齿轮 3.支承装置 4.丝杆 5.拖板图 4-1 步进电机开环控制原理图 步进电机的主要特点分别为： （1）电机旋转角度正比脉冲数； （2）转动惯量小，响应快； （3）输出精度高，无积累误差； （4）寿命长，使用方便简单，且便于维修。4.2 纵向步进电机的计算 (1) 电机负载转动惯量： 式中： 折算到电动机轴上的转动惯量（kg/cm2） 齿轮Z1的转动惯量（kg/cm2） 齿轮Z2的转动惯量（kg/cm2） 滚珠丝杠的转动惯量（kg/cm2） 估算参数如果是对钢质的圆柱形零件，则转动惯量进行如下计算： J1=7.82kg.cm2=2.536 kg.cm2 J2=7.82 kg.cm2=6.490 kg.cm2 J3=7.8120 kg.cm2=9.615 kg.cm2=kg.cm2=0.615 kg.cm2 =23.493 kg.cm2 (2) 工作状况下转矩计算1）电机负载转矩和最大静转矩：Nm=1.492Nm忽略启动时运动部件惯性影响，有下式： Nm =4.607 Nm可由式求得，其中=0.866，则： = = 6.204 Nm 2）快速空载启动时所需转矩T：工作台快速移动时，电动机转速：r/min =456.7 r/min由下式可求出，其中t=25ms=0.025s，则得： = =2.319 Nm =oi =0.105 Nm同理，F0=/3= 2350.53 N，则： = oi =1.934 Nm由此可得： 4.428 Nm快速移动时所需力矩。可由下式得： = = =2.219 Nm最大切削负载所需力矩： =+ oi=2.838 Nm 通过上面对T、T快和T切的计算，求得快速空载启动时所需转矩T最大，所以，以此作为初选步进电机的依据。4.2.1 纵向步进电机的选择 （1）步进电机最高工作频率：= 10002/600.01 Hz= 3333.33 Hz根据计算数据，最大静转矩= 5.204 Nm，快速空载启动时所需转矩T=2.718 Nm，步进电机的最高工作频率为=3333.33 Hz，选用步距角1.5o的步进电机，选用110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机。 （2）110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机的主要参数见表3.1所示。表4-1 110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机参数型号相数额定电压/N静态电流/A步角距（O）保持转矩最大静转矩空载启动频率/Hz空载运行频率/Hz110BF00338061.5/0.757.84150070004.3 横向步进电机的计算 (1) 电机负载转动惯量:： 式中： 折算到电动机轴上的转动惯量（kg/cm2） 齿轮Z1的转动惯量（kg/cm2） 齿轮Z2的转动惯量（kg/cm2） 滚珠丝杠的转动惯量（kg/cm2） 估算参数如果是对钢质的圆柱形零件，则转动惯量进行如下计算： J1=7.82kg.cm2=2.536 kg.cm2 J2=7.82 kg.cm2=6.490 kg.cm2 J3=7.8120 kg.cm2=9.615 kg.cm2=kg.cm2=0.615 kg.cm2 =23.493 kg.cm2 (2) 工作状况下转矩计算1）电机负载转矩计算及最大静转矩的计算。Nm=1.492Nm忽略启动时运动部件惯性影响，有下式： Nm =4.607 Nm可由式求得，其中=0.866，则： = = 6.204 Nm 2）快速空载启动时所需转矩T：当工作台快速移动时，电动机的转速可由下式计算：r/min =456.7 r/min由下式可求出，其中t=25ms=0.025s，则得： = =2.319 Nm =oi =0.105 Nm同理，F0=/3= 2350.53 N，则： = oi =1.934 Nm由此可得： 4.428 Nm快速移动时所需力矩。可由下式得： = = =2.219 Nm最大切削负载时所需力矩。可由下式求得： =+ oi=2.838 Nm 通过上面对T、T快和T切的计算，求得快速空载启动时所需转矩T最大，所以，以此作为初选步进电机的依据。4.3.1 横向步进电机的选择 （1）步进电机最高工作频率可由下式求得：= 10002/600.01 Hz= 3333.33 Hz由计算得，最大静转矩= 5.204 Nm，快速空载启动时所需转矩T=2.718 Nm，步进电机的最高工作频率为=3333.33 Hz，选用步距角1.5o的步进电机，选用110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机。 （2）110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机的主要参数见表4-2所示。表4-2 110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机参数型号相数额定电压/N静态电流/A步角距（O）保持转矩最大静转矩空载启动频率/Hz空载运行频率/Hz110BF00338061.5/0.757.84150070004.4 本章小结本章主要是对伺服系统进行设计，主要是对步进电机进行计算选型，进过计算后得出：纵向步进电机选择110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机；横向步进电机选择110BF003-1.5/0.75型反应式步进电机。第五章 控制系统硬件设计根据微机结构的划分，数控系统可分为两类：单微处理器和多微处理器结构。单微处理器数控系统结构简单、性价比高，是一些标准数控系统优先考虑的对像。但是单微处理器也具有其局限性，不能适用复杂、功能要求多的数控机床。常采用功能相对较全面的多微处理器数控系统来满足数控机床对速度、精确度和功能等方面的要求。就本课题的具体情况，更适合选用结构相对简单，成本较低的单微处理器，因其已经能基本满足本设计的速度和精度要求，并且操作简单。硬件结构有以下几个部分：（1）中央处理单元CPU；（2）总线（3）存储器（4）输入输出接口电路；（5）外部设备。5.1 MCS_51芯片介绍图5-1 MCS_51单片机内部结构框图1980年，美国Intel公司推出了MCS_51单片机，该系列单片机共有40条引脚，其分别具有不同的作用，其中包括32条I/O接口引脚，4条控制引脚，2条电源引脚，2条时钟引脚。如图5-2所示图5-2 MCS_51单片机引脚图其各引脚的具体作用如下表5-1所示：表5-1：单片机各引脚功能引脚功能VCC供电电压GND接地P0口P0口是一个八位双向开路的I/O接口，他的每一个管教都能吸收电流，P0口能当做外部程序锁存器，能够定义数据或者地址的第八位。P1口（1） P1口的I/O口能够提供上拉电阻。可作为准双向I/O口使用。P2口P2的作用和P1口的作用相差不到，也是缓冲器，用来输出和接收电流的。不同的是，P2是用来接收外部程序或者十六位地址的，而不是八位。P3口P3口得作用和P2口的作用基本相同，所以不再赘述。P3口具有第二功能，如下所示： P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 0INT(外部中断0) P3.3 1INT(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器读选通) RST复位键。用来将正在运行或结束了的程序进行复位。ALE/PROG地址锁存有效信号输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。PSEN片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。EA/VPP当EA为低电平时，访问外部ROM；特别注意的时当加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA为高电平时，访问内部ROM。XTAL1反向振荡放大器的输入和内部时钟工作电路的输入。XTAL2反向振荡器的输出。 该系列单片机种类很多，其中常见和常用到的有以下几种类型：8051/8751/8031； 8052/8752/8032； 80C51/87C51/80C31 80C52/87C52/80C32等。5.1.1.单片机的主要特点：1） 能满足基本功能的要求2） 可靠性高，不易出错3） 使用方便4） 体积小，接插件少，使得其性价比很高5） 功能强大，能进行复杂操作 5.2.2.单片机应用单片机在很多方面都得到了应用，其主要应用如下所示：1） 智能家电：由单片机智能控制，如电视机、空调等。2） 办公自动化设备：现代的办公通讯和办公设备，一般都嵌入微控制器。如打印机、绘图机等。 3） 工业自动化控制：最突出的例子就是机电一体化。4） 智能化仪表：由单片机控制，仪表性能得到提高，如数据存储等。 6） 智能化通信产品：采用专属的单片机进行智能控制，如手机。5.2 8255A芯片的应用 8255A型号芯片是由Intel公司推出的，能进行可编程输出输入的一种接口芯片，可以和MCS_51系列单片机直接相连。它具有24条输入/输出引脚，分成3个8位的并行接口。其功能由所给程序控制，运行简单，适用性好。该型号芯片内部结构如图5-3所示，引脚如图5-4所示。图5-3 8255A的内部结构图5-4 8255A芯片引脚5.3 单片机I/O扩展电路设计及功能在设计过程中，发现单片机在需要完成的设计上引脚有限，不足以达到所要求的目的，因此必须对单片机的输入/输出口进行扩展。扩展电路如图5-5所示： 图5-5 单片机I/O扩展电路图由图可以看到，8255A的片选信号接地，写入信号线和地线GND分别与80C52相对应的和GND相连。80C52的P0.0和P0.1与地址锁存器74LS373的D0,D1口相连，来提供给端口地址选择线A0、A1 。由于单片机80C52芯片的P0口是分时传送低8位地址线和数据线，故80C52扩展系统中一定要有地址锁存器芯片74LS373。80C52芯片地址锁存有效信号输出端ALE接主地址锁存器74LS373的LE引脚。所以可以分析得到8255的A、B、C口及控制口地址分别为007CH、007DH、007EH、007FH。5.4 光电隔离电路 该设计主要采用的是步进电机，步进电机在其工作，驱使电路时，因其所需要的电压较大，且电流也较大，因此不能将I/O的接口电路与功率放大器直接相连，以免导致接口烧坏，使得程序不能正常运行。因此，有必要在两个中间加上一个隔离电路起保护作用，实现电气隔离，根据查阅到的相关资料及根据本设计的实际情况，本课题选用的是光电耦合器。其部分电路图如图5-6所示：图5-6 光电隔离电路5.5 键盘功能控制电路键盘是日常生活中所熟悉的东西，是若干按键的集合，它的作用是通过输入命令对整个电路进行控制，因此在本设计中作为单片机的输入设备。键盘根据对按键的译码方式分为编码键盘和非编码键盘。编码键盘使用方便，功能强大，但硬件复杂，在设计时常常不被选用。而非编码键盘，虽然功能较弱，每个按键都仅仅是将电路中的相应接点进行控制，但硬件较编码键盘来说非常简单，考虑到设计的局限性，以及对成本的考虑，本次设计选用的是非编码键盘接口，该键盘能满足基本的要求。非编码键盘中，其基本排列是A*B的行列式，每行每列都有相对应的行线和列线，两者相交的地方都分布着一个按键，因此，当该按键按下时，相对应的行线和列线就会接通，当松开时，则会断开。因此只需要A+B条单片机的I/O端口线，就可以满足要求。本设计选用的是3*4式的行列式非编码键盘，需要7条单片机的I/O端口线，分别接在单片机的输入口P1端口。本设计的键盘部分如图5-7所示：图5-7 键盘接口电路该键盘的的各个按键的功能分别为：没有作用 1计数器清零 2加工暂停 3X正转Z反转 4Z正转X反转 5加工开始 6X、Z电机正转 7Z电机正转 8X电机正转 9X、Z电机反转 *Z电机反转 0X电机反转 #5.6 显示驱动电路 本设计采用的是LED显示的方式对数控车床的X轴和Z轴的进给运动进行仿真，其显示方式在单片机系统中分为两种，分别是静态显示和动态显示。本设计电路控制系统使用的是动态显示，通过计步进电机转动步数实现计数器的功能。硬件驱动芯片相应的芯片电路图如下图5-8所示：图5-8 显示驱动芯片电路74HC573显示数码管的端口与8255芯片的PB口连接，74HC154译码器通过与8255A的PC口相连进行位控制。74HC154的功能图如下表5-2所示：表5-2 74HC154功能图5.7 串口通信接口电路串口是将系统与外界进行联系。在数控机床的控制系统中，起着至关重要的作用。通信接口是保证数据和信号快速、安全和准确传输的关键装置。在数控系统的串行通信中，RS232C最为重要。RS232C接口有25针型（DB25）和9针型（BD9），前者是标准接口，后者为当今计算机最常用的接口。本设计中要实现单片机与计算机的通信，还需要中间转换电路，本设计选用的是MAX232芯片。该芯片使用非常方便，单片机数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232C数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232C数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出给单片机，从而实现数控系统和计算机的双向通信。此外为了减少通信干扰，需要为该芯片接上电容。串口通信接口电路图如图5-9所示：图5-9 串口通信接口电路5.8其它相关电路单片机的时钟产生方式分为内部方式和外部方式，综合考虑，本课题选用内部方式。电路图如图5-10所示： 图5-10 单片机时钟电路第六章 控制系统软件设计及仿真6.1 Keil软件介绍 单片机的开发不仅需要对其硬件设施进行选择设计，还少不了单片机的软件设计，从而达到自动化加工的目的。现在市面上已经出现了许许多多的控制系统软件，而Keil软件是当下主流的开发MCS_51系列单片机的软件，能支持C语言的开发。C语言具有功能强大、可读性高、结构简单。Keil软件能够在不接硬件电路直接对用户程序进行仿真。因此，Keil软件对51系列单片机的开发有着举足轻重的作用。本设计采用的是C语言编程，选用的是Keil软件。6.2 Proteus软件应用Proteus软件是由英国公司出版的，一款功能强大，方便简洁的单片机仿真软件。不仅如此，Proteus软件还是现在世界上唯一能将电路仿真、PCB设计及虚拟模型仿真结合在一起的软件。因其使用方便，功能齐全，本设计选用的即是Proteus的仿真软件。Proteus的特点：1. 能对现在市面上的主流单片机进行仿真2. 将单片机仿真和电路仿真相结合。3. 提供软件调试功能。4. 具有强大的原理图绘制功能。5. 支持现在很多存储器和外围芯片。6.3 程序设计及调试该设计中的步进电机的延时方式采用的是中断方式，以提高数控车床的加工精度。由设计任务上所要求的，本设计选择的插补方式为逐点插补法，在进行直线插补时，其流程图如下图6-1所示：图6-1 逐点比较法直线插补流程图程序：void S_move()/逐点比较法直线加工函数 if(j00) if(F10) PA8255=B_rotation2i0; F1=F1+Z5; i0+;A+;H+; if(i0=6) i0=0; else PA8255=B_rotation1k0; F1=F1-X5; k0+;W+;H+; if(k0=6) k0=0; j0-; 进行圆弧插补时，采用顺时针插补方式进行插补，从第三象限开始，其流程图如下图6-2所示：图6-2 逐点比较法圆弧插补流程图程序：void RS_move()/第三象限圆弧顺时针加工函数 if(nZ1-X2) if(F0) PA8255=B_rotation2m; F=F-2*X+1; X=X-1; m+;A+;H+; if(m=6) m=0; else PA8255=B_rotation1k; F=F-2*Z+1; Z=Z-1; k+;W+;H+; if(k=6) k=0; n+; 以上全部工作做好后，就需要在Keil软件中对完整的程序进行编写。待程序编好后，需要对程序进行编译，连接，检查是否出现错误，如下图6-3所示：在没有错误的情况下，会生成对应的.hex文件。图6-3 程序编译图 6.4 仿真前面在Keil软件中生成了一个.hex的文件。打开Proteus软件，将之前设计的硬件电路图打开，再双击80C52单片机，将.hex文件下载到Program File，进行仿真。经仿真分析，基本能满足设计要求。仿真部分显示如图6-4和6-5所示：图6-4 LED显示图6-5 步进电机运行图第七章 结论 通过本次设计，基本达到了设计任务书上的要求。在设计过程中，通过查阅了大量的中外文资料，对其中对课题有所帮助的地方加以采纳总结，解决了许多在设计过程中遇到的复杂的问题。本次设计，使本人对CK6163数控车床的基本结构，工作原理，以及其基本的控制方法有了更加清晰的学习和认识。同时，本次设计涉及到了许多领域方面的知识，比如数控部分、车床部分、机械部分设计、仿真软件的学习、MCS_51单片机的认识等等。这些方面知识的学习让本人对各门学科的学习有了更加深刻的理解。本次设计，通过对数控车床控制系统的设计，使其能够达到设计任务中所需要的精度和功能要求。但是由于本人理论知识尚且不足，对设计的各个方面不能考虑周到，因此设计结果往往有不足的地方，需要进一步加强这些方面理论知识。在设计过程中，也深刻的考虑到该设计对环境，社会的可持续发展的影响，主要体现在考虑到对环境的影响时，在选择机床时，优先考虑选择重量较轻的以节省材料，采用那些便于拆卸，可重复利用及便于回收的产品，降低机床在使用过程中的能源消耗及环境污染。现代社会中，企业和市场的竞争越来越激烈，发展数控车床成为我国发展的当务之急，不仅能促进我国机械行业的发展，还能减少与国外数控技术的差距。总之，该设计基本达到了设计任务，本人的设计思路是正确的。在设计过程中遇到了许多问题，但在老师和同学的帮助下，及查阅相关资料，都得到了解决。在之后的学习中，还需要不断的发展提高自己。 参考文献1朱立锋. CGM6125车床的数控化改造D. 长春理工大学, 2014.2秦明明. 滚刀铲齿车床数控化再制造技术研究D. 重庆大学, 2011.3李文元，明兴祖.基于MCS51单片机的普通车床数控化改造设计期刊论文.湖南冶金职业技术学院.2007(5) 4郑小梅,摆银龙,赵方.Proteus和Keil软件在单片机教改中的应用J. 装备制造技术, 2011(4):230-232.5崔兴.水箱单片机控制系统J. 民营科技, 2010(4):28-28.6王爱玲现代数控原理及控制系统M北京：国防工业出版社，20027李国农.浅谈普通钻床的数控改装J. 机械制造, 2001(1):47-49.8贺红霞,赵辉. CA6140车床进给系统数控改造中滚珠丝杠副的选型和计算J. 煤矿机械, 2007(7):144-146.9张启升,邓明,牛芗洁,闫晋锋. 软件仿真技术在单片机教学中的应用(上)单片机教学与仿真软件J. 科技信息(科学教研), 2007(24):46-46.10王海燕,杨艳华.Proteus和Keil软件在单片机实验教学中的应用J. 实验室研究与探索, 2012(5):97-100.11刘浩,张文辉.数控机床运行原理与故障维修探讨J. 中外企业家, 2013(6):193-194.12杨贺来.数控机床.北京：清华大学出版社.2009.13韩豹琪.数控机床故障诊断的统计分析方法D. 华北电力大学（北京）, 2009.14李森.四辊卷板机数控系统的设计与研究D. 南京航空航天大学, 2013.15张继红.MCS-51单片机在普通车床数控改造中的应用.株洲工学.16Jonathan W.Valvano.嵌入式微计算机系统：实时接口技术M. 北京:机械工业出版社，2003. 17孔逸敏.综合数控实验系统的研究与开发D. 南京师范大学, 2014.18杜珺.基于单片机控制的温度监测系统J. 机械管理开发, 2011(2):217-218.19石玉良.国内外数控车床发展动态和趋势J. 装备机械, 1993(4):11-14.20 马履中.机械原理与设计.机械工业出版社.2009.121 徐泳龙.单片机原理与应用.机械工业出版社.2013.1222 张毅刚.基于Proteus的单片机课程的基础实验与课程设计. 致 谢本次设计耗时几个月，在这几个月中，通过不断的学习，查阅相关资料，并且在老师的悉心教导和同学的帮助下，本次设计才能最终顺利完成。在设计之初，因为所学知识不够，不知道怎么开始第一步，因此在设计过程中出现了很多错误，但经过老师的指导下，能够得以按照任务书顺利完成，并且在熊老师的指导下，提高了自己的专业知识，使自己养成了脚踏实地，科学严谨的工作态度。在此特向导师表达深深的谢意。在整个设计过程中，本人也学习到许多不同领域的知识，比如数控技术、MCS_51单片机、Proteus软件等等，增强了自身能力。同时，也感谢同学们在平时的交流中提出的宝贵建议，对本人的帮助和关心。最后，在此，真诚的对那些参考资料的作者，帮助过自己的老师和同学提出感谢，并致以敬意。42附录：控制系统电路图：控制系统PCB板：控制程序：#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define com8255 XBYTE0x007f/8255端口地址#define PA8255 XBYTE0x007c#define PB8255 XBYTE0x007d#define PC8255 XBYTE0x007euchar code F_rotation1=0x80,0xc0,0x40,0x60,0x20,0xa0;/步进电机正反转控制状态表uchar code B_rotation1=0xa0,0x20,0x60,0x40,0xc0,0x80;uchar code F_rotation2=0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x0a;uchar code B_rotation2=0x0a,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08;uchar code F_rotation3=0x88,0xcc,0x44,0x66,0x22,0xaa;uchar code B_rotation3=0xaa,0x22,0x66,0x44,0xcc,0x88;uchar code F_rotation4=0x8a,0xc2,0x46,0x64,0x2c,0xa8;uchar code B_rotation4=0xa8,0x2c,0x64,0x46,0xc2,0xa8;uchar code table16 = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/数码管数字显示表uchar code table_d16 = 0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef;void xianshi();/数码管显示函数void jianpan();/键盘功能实现函数uchar keyscan();/键盘扫描函数int A,W,H;int X3=0, Z3=0, X4=-50,Z4=-50;/加工参数设置 int X5, Z5, F1,j0; uchar i0=0,k0=0;int X0=0,Z0=-50,X1=0,Z1=0,X2=-50,Z2=-50; int F=0,X,Z; uchar n,m=0,k=0; uchar key,g,count;void delay(t)/延时函数 uint i,j; for(i=0;it;i+) for(j=0;j0) if(F10) PA8255=B_rotation2i0; F1=F1+Z5; i0+;A+;H+; if(i0=6) i0=0; else PA8255=B_rotation1k0; F1=F1-X5; k0+;W+;H+; if(k0=6) k0=0; j0-; void RS_move()/第三象限圆弧顺时针加工函数 if(nZ1-X2) if(F0) PA8255=B_rotation2m; F=F-2*X+1; X=X-1; m+;A+;H+; if(m=6) m=0; else PA8255=B_rotation1k; F=F-2*Z+1; Z=Z-1; k+;W+;H+; if(k=6) k=0; n+; void RN1_move()/第三象限圆弧逆时针加工函数 if(nZ1+X2) if(F0) PA8255=B_rotation2m; F=F+2*X+1; X=X+1; m+;A-;H+; if(m=6) m=0; else PA8255=B_rotation1k; F=F-2*Z+1; Z=Z-1; k+;W+;H+; if(k=6) k=0; n+; void RN2_move()/第三象限圆弧逆时针加工函数 if(n=0) PA8255=B_rotation2m; F=F-2*X+1; X=X-1; m+;A+;H+; if(m=6) m=0; else PA8255=B_rotation1k; F=F-2*Z+1; Z=Z-1; k+;W+;H+; if(k=6) k=0; n+; void iti() interrupt 1/中断函数 TH0=(65536-8000)/256; TL0=(65536-8000)%256; count+; if(count=15) count=0; jianpan(); void main() TMOD=0x01; TH0=(65536-8000)/256; TL0=(65536-8000)%256; TR0=1; ET0=1; EA=0; A=0;W=0; com8255=0x80; PA8255=0x00; X1=X1-X0;Z1=Z1-Z0; X2=X2-X0;Z2=Z2-Z0; Z=Z1;X=X1;H=0; X5=X3-X4;Z5=Z3-Z4; j0=X5+Z5; while(1) xianshi(); key=keyscan(); if(key=1) A=0;W=0; else if(key=2) EA=0; else if(key=5) EA=1; uchar keyscan() uchar Y=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7, X=0xd0,0xb0,0x70,ii=0,jj=0,temp; P1=Yii; temp=P1; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delay(2); if(temp!=0xf0) for(;jj3;jj+) if(temp=Xjj) return 3*ii+jj; ii+; P1=Yii; temp=P1; temp
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