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X62铣床数控改造设计【3张CAD图纸+毕业答辩论文】

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关键词：: x62 铣床数控改造设计全套 cad 图纸毕业答辩论文

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X62铣床数控改造

摘要

本文在X62铣床数控改造设计时主要从经济性、方便性、实用性、可靠性四方面因素出发，对X62 型铣床进行了铣床数控机械系统设计，硬件及电路设计。使改造后的机床的机械传动部分具有高静态、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。

X62铣床数控机械系统设计包括伺服驱动系统的设计计算，滚珠丝杠螺母副的设计计算。进给传动系统设计中，拆除纵向、横向、垂向进给箱齿轮，在该处将手轮轴通过一对减速齿轮和纵向、横向及垂向步进电机相连。丝杠拆去，换上滚珠丝杠，并由齿轮箱与滚珠丝杠连接，改造后的X62铣床的定位精度为士0.01㎜，重复定位精度为士0.005㎜。X、Y电机能够拖动工作台以6～2300r/min的切削进给速度进行X向、Y向运动。

数控系统是一个基于8031单片机的数字型控制系统。采用较小体积的单片机来实现一般的逻辑功能，对进给系统的两个轴进行控制。

关键词铣床；数控改造；步进电机；滚珠丝杠

X62 CNC milling machine transformation

Abstract

Based on the aspects of the improvement on X62 milling machine as follows: the economy，convenience , function and reliability. This dissertation conducts the systematic design and hardware circuit design . These work improve the functions of milling machine on some aspects as follows: the large static and dynamic stiffness of the mechanical drive parts， the little friction factor of the motion pairs，no clearance in driving，the large power and the convenient operation and maintenance.

The system designs of X62 numerical machine’s mechanical include the design and the calculation of the design and the calculation of the servo drive system, of the lead screw nut pair. In the design of he feed motion’s drive system，it should be removed that the longitudinal and the traverse and the vertical feed change gears. Joint the handle wheel axel with the vertical stepping motor through a pair of reduction gear there, the ball screw is used instead of the leads crew, which is connected with the gearbox. Accuracy of position of the improved X62 milling machine is士0.01mm, its precision of repeatability is士 0.005mm. The motors for X and Y directions in the speed of 6-2300r/min.

The numerical system is a data control system designed by model block based on single chip microcomputer of 8031. The single chip microcomputer of smaller volume is adopted to realize the ordinary function., command the locomotion of the X and Y.

Keywords　 Milling machine, NC innovation, Stepping motor，Ball bearing thread stick

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摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1 课题背景1

1.2 X62 铣床数控改造设计总体要求和内容3

第2章 X62 铣床数控机械系统设计6

2.1 概述6

2.2 纵向进给系统的设计计算7

2.2.1 滚珠丝杠螺母副的设计计算7

2.2.2 伺服驱动系统的设计计算9

2.3 横向进给系统的设计计算11

2.3.1 滚珠丝杠螺母副的设计计算11

2.3.2 伺服驱动系统的设计计算12

2.4 垂直进给系统的设计计算13

2.4.1 滚珠丝杠螺母副的设计计算13

第3章 X62 数控系统设计16

3.1 X62 铣床数控控制系统方案16

3.2 CPU分析选用16

3.2.1 单片机引脚及其功能16

3.2.2 3.2.2 I/O口及其功能16

3.2.3 控制线17

3.3 存储器I/O的扩展18

3.3.1 存储器的选用、扩展及连接18

3.3.2 键盘与显示接口电路19

3.3.3 8255与8031的连接27

结论38

致谢39

参考文献40

附录42

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第1章绪论

1.1课题背景

数控机床具有高精度、高效、高速、高可靠性等优点，并且机床结构趋于模块化、数控功能专门化。数控机床是集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体的典型的机电一体产

品。它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式、使世界制造业的格局发生了巨大的变化。

数控技术水平的高低已经成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，己成为当今制造业的发展方向。我国是世界上机床产量最多的国家，但在数控机床的产品竞争力仍然处于较低的水平。因为开发一台新的数控机床的周期比较长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。为此我们应该在普通机床上考虑，不能一味的大量添置全新的数控机床，这样会造成资金投资量大，成本高，而且又会造成原有设备闲置浪费。把普通机床改造为数控机床不失为一条提高数控化率的有效途径。普通机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。这种机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床缺点和存在的问题，生产效率高，尤其适合中国机床拥有量大、生规模小的具体国情。

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内容简介：: 哈尔滨理工大学荣成学院专科生毕业设计（论文）任务书学生姓名：王世凯学号： 1030310103 学院：荣成学院专业：机械设计与制造任务起止时间： 2013年 02月 25日至 2013年 06月 21日毕业设计（论文）题目： X62铣床数控改造毕业设计工作内容： 1、实际调研，收集相关资料； 1 3周。 2、结合生产实际，对 X62铣床数控改造； 3、设计 X62铣床数控改造原理图； 4 7周。 4、设计 X62铣床数控改造纵向、横向进给结构图； 8 11周。 5、设计零件的工作图； 12-13周。 6、撰写毕业设计论文；准备答辩。 14-16周。注：要求全部用计算机绘图和打印文稿（交打印件和电子稿）资料： 1、金属切削机床与数控机床； 2、非标设计手册； 3、金属切削用量手册； 4、相关的技术资料。指导教师意见：签名： 2013年 2 月 24 日系主任意见：签名： 2013年 2月 25日 nts 哈尔滨理工大学毕业设计题目： X62铣床数控改造设计院、系：荣成学院机械工程系姓名：王世凯指导教师：张宝海系主任：陶福春 2013 年 6 月 8 日 nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - I - X62 铣床数控改造摘要本文在 X62 铣床数控改造设计时主要从经济性、方便性、实用性、可靠性四方面因素出发，对 X62 型铣床进行了铣床数控机械系统设计，硬件及电路设计。使改造后的机床的机械传动部分具有高静态、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。 X62 铣床数控机械系统设计包括伺服驱动系统的设计计算，滚珠丝杠螺母副的设计计算。进给传动系统设计中，拆除纵向、横向、垂向进给箱齿轮，在该处将手轮轴通过一对减速齿轮和纵向、横向及垂向步进电机相连。丝杠拆去，换上滚珠丝杠，并由齿轮箱与滚珠丝杠连接，改造后的X62 铣床的定位精度为士 0.01 ，重复定位精度为士 0.005 。 X、 Y 电机能够拖动工作台以 6 2300r/min 的切削进给速度进行 X 向、 Y 向运动。数控系统是一个基于 8031 单片机的数字型控制系统。采用较小体积的单片机来实现一般的逻辑功能，对进给系统的两个轴进行控制。关键词铣床；数控改造；步进电机；滚珠丝杠 nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - II - X62 CNC milling machine transformation Abstract Based on the aspects of the improvement on X62 milling machine as follows: the economy， convenience , function and reliability. This dissertation conducts the systematic design and hardware circuit design . These work improve the functions of milling machine on some aspects as follows: the large static and dynamic stiffness of the mechanical drive parts， the little friction factor of the motion pairs， no clearance in driving， the large power and the convenient operation and maintenance. The system designs of X62 numerical machines mechanical include the design and the calculation of the design and the calculation of the servo drive system, of the lead screw nut pair. In the design of he feed motions drive system， it should be removed that the longitudinal and the traverse and the vertical feed change gears. Joint the handle wheel axel with the vertical stepping motor through a pair of reduction gear there, the ball screw is used instead of the leads crew, which is connected with the gearbox. Accuracy of position of the improved X62 milling machine is 士 0.01mm, its precision of repeatability is士 0.005mm. The motors for X and Y directions in the speed of 6-2300r/min. The numerical system is a data control system designed by model block based on single chip microcomputer of 8031. The single chip microcomputer of smaller volume is adopted to realize the ordinary function., command the locomotion of the X and Y. nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - III - Keywords Milling machine, NC innovation, Stepping motor ， Ball bearing thread stick nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - IV - 目录摘要 . I Abstract . II 第 1 章绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 X62 铣床数控改造设计总体要求和内容 . 3 第 2 章 X62 铣床数控机械系统设计 . 6 2.1 概述 . 6 2.2 纵向进给系统的设计计算 . 6 2.2.1 滚珠丝杠螺母副的设计计算 . 6 2.2.2 伺服驱动系统的设计计算 . 错误 !未定义书签。 2.3 横向进给系统的设计计算 . 8 2.3.1 滚珠丝杠螺母副的设计计算 . 错误 !未定义书签。 2.3.2 伺服驱动系统的设计计算 . 错误 !未定义书签。 2.4 垂直进给系统的设计计算 . 错误 !未定义书签。 2.4.1 滚珠丝杠螺母副的设计计算 . 错误 !未定义书签。第 3 章 X62 数控系统设计 . 错误 !未定义书签。 3.1 X62 铣床数控控制系统方案 . 错误 !未定义书签。 3.2 CPU 分析选用 . 错误 !未定义书签。 3.2.1 单片机引脚及其功能 . 错误 !未定义书签。 3.2.2 3.2.2 I/O 口及其功能 . 错误 !未定义书签。 3.2.3 控制线 . 错误 !未定义书签。 3.3 存储器 I/O 的扩展 . 错误 !未定义书签。 3.3.1 存储器的选用、扩展及连接 . 错误 !未定义书签。 3.3.2 键盘与显示接口电路 . 错误 !未定义书签。 3.3.3 8255 与 8031 的连接 . 错误 !未定义书签。结论 . 错误 !未定义书签。致谢 . 22 参考文献 . 20 附录 . 22 nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - 1 - 第 1章绪论 1.1 课题背景数控机床具有高精度、高效、高速、高可靠性等优点，并且机床结构趋于模块化、数控功能专门化。数控机床是集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体的典型的机电一体产品。它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式、使世界制造业的格局发生了巨大的变化。数控技术水平的高低已经成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，己成为当今制造业的发展方向。我国是世界上机床产量最多的国家，但在数控机床的产品竞争力仍然处于较低的水平。因为开发一台新的数控机床的周期比较长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。为此我们应该在普通机床上考虑，不能一味的大量添置全新的数控机床，这样会造成资金投资量大，成本高，而且又会造成原有设备闲置浪费。把普通机床改造为数控机床不失为一条提高数控化率的有效途径。普通机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。这种机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床缺点和存在的问题，生产效率高，尤其适合中国机床拥有量大、生规模小的具体国情。 1.微观看改造的必要性微观上看，数控机床比传统机床有突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。数控机床可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时问无人看管加工。由以上五条派生的好处，如 :降低了工人的劳动强度，节省了劳动力 (一个人可以看管nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - 2 - 多台机床 )，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 FMC、 FMS 以及 CIMS 等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 2.宏观看改造的必要性宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、 80 年初已开始大规模应用数控机床。其本质是采用信息技术对传统产业 (包括军、民机械工业 )进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、 FMC、FMS 外，还包括在产品开发中推行 CAD、 CAE、 CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS(管理信息系统 )、 CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造 (称之为信息化 )，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术传统产业方面比发达国家约落后 20 年，如我国机床拥有量中，数控机床的比重 (数控化率 )到 1995年只有 1.9%，而日本在 1994 年己达 20.8%，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 (数控化率 )到 1995 年只有 1.9%，而日本在 1994 年己达 20.8%，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，己形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在 20 世纪 80 年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早己成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。较著名的控制系统有 :日本 FANUC 系列、 Mitsubishi 系列、 OKUNIA 系列、 SODICK 系列、日立系列、德国 SIEMENS 系列、 DECKEL 系列、 Heidenhain 系列、 HELLER系列、美国 ALLEN-BRADLEY(AB)系列、 CINCINNANTI 系列、法国 Num 系列、意大利 FIDIA 系列、西班牙 FAGOR 系列、瑞士的 AG 系列、国产系列等。在美国、日本和德国等发达国家，它们将机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，己形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生 (Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有 :Bertsche 工程公司、 ayton 机床公司、 Devlieg-Bullavd(得宝 )服务集团、 US 设备公司等。美国得宝公司己在中国开办公司。在日本机床改nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - 3 - 造业称为机床改装 (Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有：大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司山本工程公司等。赶上计算机体系结构前进的步伐、加快数控系统的开发速度，已成为数控发展的最主要趋势。以第四代计算机的工程结构和微电子工艺技术为基础，充分利用现有微机的硬件、软件资源，发展总线式、模块式、开放型、嵌入式的柔性数控系统，使之即适合加工复杂零件、分立式机床用的数控系统的组成，又适合未来自动化升级时功能可扩展的要求。我国数控系统发展具有以下 3 个特征： (l)高档数控系统技术已经突破。如华中 I 型等数控系统，都具有多轴联动功能，快速进给速度在 1.67m/s 以上，具有较强的通信、管理功能。 (2)普及型数控系统技术已经成熟。如北京机床研究所的 BS9l 系统，这些系统一般配有 CRT 显示器，可配置直流和交流司服驱动， 24 轴联动。 (3)经济型数控系统仍有广阔的市场前景。由于这类系统结构简单，价格便宜，非常适合中小型企业，目前仍是我国应用面最广的数控系统。比较典型的有南京大方的 JWK 系列。我国是机床生产大国，又是使用大国。数控机床是机械工业发展的关键产品，我国的数控机床在机床产品中的比例总体水平低。但是我国是发展中国家，许多企业财力薄弱，不可能花费大量的资金添置许多全新的数控机床，同时大量的通用机床不可能全部淘汰。因此，把普通机床改造为数控机床则不失为是一条提高数控化率的有效途改造径，机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床的缺点和存在的问题，生产效率高。 1.2 X62 铣床数控改造设计总体要求和内容如图 1-1 所示，为 X62 铣床的原传动系统图。其主轴转动由电机 1经齿轮变速驱动。其主轴的升降用手柄 5 经锥齿轮副 3，丝杠手动操作。工作台的 x 轴和 y 轴分别通过离合器 6 和离合器 7，由进给电动机 10 通过齿轮变速驱动丝杠副 4 和 8 实现自动进给。工作台的升降有电动机 10 通过离合器 9 将运动传给丝杠副 11 来实现。对 X62 铣床进行机械部分改造，数控机床的刚度系数应该比同类普通机床高 50%；应尽量提高机床的抗振性，通常机床的振动包括强迫振动和受迫振动。要提高机床在低速进给时的平稳性和运动精度。为实现复杂零件的自动铣削加工，提出方案： nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - 4 - 方案：工作台的 x,y 轴进给运动改变为微机控制，实现三轴或二轴的开环同步控制或非同步控制。我们这里的设计要求改造 x,y 轴， z 轴作为预留，所以我们这里选择此方案。图 1-1 X62 铣床改前传动原理图图 1-2 X62 铣床改后传动原理图nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - 5 - nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - 6 - 第 2章 X62 铣床数控机械系统设计 2.1 概述 X62 铣床数控机械系统设计分纵向，横向和垂向三个部分，在每个部分中，包括滚珠丝杠螺母副的设计计算，伺服驱动系统的设计计算。 1. 滚珠丝杠螺母副把传动丝杠与螺母之间的滑动摩擦变为了滚动摩擦 , 使摩擦损失减小 , 使精度保持性、传动平稳性、传动效率等都得到提高，其传动效率可达到 92% 98%,比常规的丝杠螺母副提高 3 4 倍（滑动丝杠效率为 0.2 0.4）。 2. 伺服驱动系统的设计计算包括步进电机选型、减速齿轮副的设计。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角” )，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的 ;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差 (精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机 (VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机 (HB)和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度或 15 度。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相 :两相步进角一般为 1.8 度，而五相步进角一般为 0.72 度。 2.2 纵向进给系统的设计计算 2.2.1 切削力计算由机床设计手册 7 可知，切削功率 KNN c 式中 N 电机功率，查机床说明书， N 4kW nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - 7 - 主传动系统总功率，一般为 0.6 0.7 取 0.65 K 进给系统功率系数，取 K 0.96 则： 2 . 4 9 6 k W0 . 9 60 . 6 54 cN 6120zvc FN （ 3 2）所以 NFz c6120（ 3 3）式中 v 切削线速度，取 v 100m/min 主切削力 1 5 2 7. 6 N1 5 2 . 76 k g f100 2 . 4 9 66120 zF由金属切削原理 1 可知： C ZF 188kgf/ 2mm 1880MPa X ZF 1 Y ZF 0.75 KZF 1 当 zF 1520N 时，切削深度 p 2mm，走刀量 f 0.3mm，以此参数做为下面计算的依据。从机床设计手册 7 中可得知，在一般外圆车削时： Fz （ 0.15 0.7） Fz （ 3 5） XF 3243N YF 0N 2.2.2 滚珠丝杠设计计算三角或综合导轨机床的轴向力： W)f (FKFP ZX （ 3 6）式中 K 1.15， f =0.150.18,取为 0.16 则 : P 1.15 763.8+0.16（ 1527.6+800） 2.2.2.1 效率计算根据机械原理 8 的公式，丝杠螺母副的传动效率为： )tan(tan（ 3 10）式中摩擦角 10 ，螺旋升角 224 则： nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - 8 - 0 . 9 632tan4 22tan4 2.2.2.2 刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 EFLFL 0m1 （ 3 11）式中 0L 6mm 0.6cm 26 N / c m1021 E 则： m 0.126L 1 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 2L 很小，可忽略，即： L 1L 。所以：导程变形总误差为 2110 00 10 LLL m 查表知 F 级精度丝杠允许的螺距误差（ 1m 长）为 30m /m ，故刚度足够。 2.3 横向进给系统的设计计算 2.3.1 切削力计算横向铣削力与纵向的计算结果一致 N4313z F 工作台横向进给方向载荷 1617N0.375c z FF 2.3.2 滚珠丝杠设计计算 2.3.2.1 强度计算横向丝杠寿命值： 910 1500010601060 66 nTL 最大动负载： C N4.14 根据最大动负载 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取 BFc1系列，滚珠丝杠公称直径为 30 mm，型号为21 5430 EBF c 左，其额定负荷 5393N，所以强度够用。 nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - 9 - 2.3.2.2 效率计算螺旋升角 224 ，摩擦角 10 则： 0.96)tan (tan 2.3.3 步进电机的选择合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下： 2.3.3.1 步距角 i 步距角应满足： i mn（ 3 16）式中 i 传动比； mn 系统对步进电机所驱动不见的最小转角。 2.3.3.2 精度步进电机的精度可用步距误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用积累误差衡量精度比较使用。所选用的步进电机应满足 Q i Q （ 3 17）式中 Q 步进电机的积累误差； Q 系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。 2.3.3.3 转矩为了使步进电机正常运行（不失步、不越步），正常启动并满足对转速的要求，必须考虑： 1.启动转矩一般启动力矩选取为： 5.03.0 0Lq MM nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - 10 - 式中 qM 电动机启动力矩； 0LM 电动机静负载力矩。则： jmM 1 2 8 3 H z0 .0 160 2 0 0 0601 0 0 0 m a xm a x pvf 综合考虑，查表选用 110BF003 型直流步进电机，能满足使用要求。 nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 - 11 - 第 3章数控系统的硬件电路设计 3.1 绘制系统电气控制结构框图任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床的数控系统的硬件电路概括起来由五部分组成。 1.处理单元 CPU 2.总线：包括数据总线（ DB），地址总线（ AB）和控制总线（ CB）。 3.存储器：包括制度可编程存储器和随机读写存储器。 4. I/O 输入 /输出接口电路。 5.外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。其中 CPU 是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行所需要的各种数据。 I/O 接口是系统和外界进行信息交换的桥梁。总线则是 CPU 与存储器、接口以及其他转换电路联接的纽带，是 CPU 与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件如图 4 1：存储器RAMROMCPUI/O接口信息交换控制对象外设图 4 1 数控系统硬件框图经济型数控改造的需要。所以选用 MCS-51 系列单片机为控制装置。 nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 12- 3.2 单片机控制系统设计 MCS 51 系列单片机主要有三种型号的产品： 8031、 8051 和 8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。 8031 片内无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，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。此次设计使用的是 8031芯片。见图 4 2。 3.2.1 8031 单片机的基本特性 1. CPU 为 8 位。 2.16 根地址总线（与 I/O 线共用） ,可直接寻址 64KB（ 64KB 程序存储器， 64KB 外部数据存储器）。 3. 32 根并行 I/O 线（分为 4 个 8 位 I/O 口）。 4. I/O 端口和片外存储器统一编址， I/O 寻址灵活。 5. 2 个 16 位定时 /计数器。 6. 片内有 128B。 7. 具有一个全双工串行 I/O。 8. 具有 5 个中断源，配备两个中断优先级。 9. 内部有时钟振荡器。 10. 有一个一位布尔处理器，具有很强的布尔处理能力。 3.2.2 8031 芯片引脚功能 8031 芯片具有 40 根引脚，功能分四类 3 ： 3.2.2.1 电源线电源线有 2 根。 ccV：编程和正常操作时的电源，接 +5V。 ssV：接电平。 3.2.2.2 晶振晶振： 2 根。 1XTAL ：振荡器的反向放大器接入，使用外部振荡器时必须接入。使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。 3.2.2.3 I/O 口 nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 13- I/O 口共有3210 PPPP四个 8 位口， 32 根口线，功能如下： 1. 0P口：双向 8 位三态 I/O 口，与地址总线低 8 位分时工作。 2. 1P 口：准双向通用 I/O，带上拉电路。在 EPROM 编程期间，用 1P 输入低 8 位地址。 3. 2P 口：准双向 I/O，带上拉电路。 2P 口可以作为通用的并行 I/O使用，又可作为外部存储器的地址总线（高 8 位）。当 CPU 访问片外存储器时，由 2P 口输出高 8 位地址码。 4. 3P口：准双向双动功能 I/O 口，其使用方法同 1P 口，带上拉电路。第一功能：作为通用 I/O 口。第二功能： RXDP :0.3 串行输入口； TXDP :1.3 串行输出口； 02.3 :INTP 外部中断 0 输入线； 13.3 :INTP 外部中断 1 输入线； 04.3:TP 定时 /计数器 0 外部计数脉冲输入线； 15.3:TP 定时 /计数器 1 外部计数脉冲输入线； WRP :6.3 外部数据存储器写选通脉冲输出线； RDP :7.3 外部数据存储器读选通脉冲输出线。 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 211 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.7RST/VPDRXD P3.0 TXD P3.1INT0P3.2INT1P3.3TO P3.4 T1 P3.5 WRP3.6RDP3.7 XTAL2 XTAL1VSSVCCEA/VPPALE/PROGPSEN8031P1.6P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0图 4 2 MCS 51 双列直插封装方式的引脚 3 3.2.2.4 控制线 1.PSEN ：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的选通信号，低电平有效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。 2. PPVEA/ ：内部和外部程序存储器选择控制端。当 EA 脚为高电平nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 14- 时， CPU 执行内部程序存储器的指令。当 EA 脚为低电平时， CPU 仅执行外部程序存储器的指令。因为 8031 芯片没有内部程序存储器，所以 EA 必须接地。 3. PROGALE / ：地址所存信号 /编程脉冲输入信号。 4. PDVRST / ：复位 /备用电源端，输入，低电平有效。 3.3 存储器扩展电路 3.3.1 8031 与 EPROM 的连接 EPROM 低 8 位地址线70 AA经地址锁存器与 80310P口相连；高 8 位地址线158 AA直接与 8031 的 2P 口相连。由于 8031 的0P口是分时输出低8 位地址和数据，故要外接地址锁存器（ 74LS373），并由 CPU 发出的地址允许锁存信号 ALE 的下降将地址信息锁存入地址锁存器中。如外接存储器芯片内有地址锁存器。存储器的 8 位数据线70 DD与 8031 芯片0P口直连，单片机规定指令码和数据都是由0P口读入，数位对应相连即可。 8031 芯片的 PSEN 与 EPROM 的 OE 端相连。 8031 芯片的 EA 接地， CPU 执行外部程序存储器命令。 8031 芯片的 ALE 接主地址锁存器 74LS373 的 G 引脚。 8031 与 EPROM 连接如图 4 3：图 4 3 8031 与 EPROM 连接示意图 nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 15- 3.3.2 数据存储器的扩展单片机 CPU 与 R 数据存储器的连接方式和程序存储器连接大致相同。唯控制器线的连接不同： RAM 读入信号 OE 分别于 8031 芯片的 RD（7.3P）引脚相连； RAM 的写输入信号 WE 于 8031 芯片6.3P引脚相连。 3.3.3 程序存储器的扩展 2764 芯片是一种高速，容量为 88k 的 EPROM 存储器电路读出时间为 250ns， 2764 为 28 线元件，其中120 AA为 13 位地址线。70 DD为 8位数据线。 CE 为片选信号线，低电平有效， OE 为数据输出选通信号线，低电平有效。 PGM 为编程脉冲输入线。CCV为主电源线， PPV 为编程电源线。 6264 芯片式 88k 的 RAM 存储器电路，集成度很高，其中120 AA为13 位地址线，输入地址与内部 8K 字节的单元对应70 00位 8 位数据线，CE 为片选信号线， OE、 WE 为读写信号线，都是低电平有效。对于容量较大的系统，扩展的外部芯片较多，芯片所需的片选信号利用地址线时，就需要用全地址译码的方法，它将低地址作为片内地址，而用译码器对高位地址进行译码，译码器输出的地址选择线作片选线。一定要注意地址。 3.4 I/O 接口电路及辅助电路设计 3.4.1 I/O 接口电路 1.8031 芯片 8031 芯片共有四个 8 位并行 I/O 口，但可供用户使用的只有 1P 口和部分3P口，因此在大部分应用分流中都需扩展 I/O 芯片，常用的外用接口芯片为 8155，是可编程的 RAM，扩展接口电路（ 256 个 RAM 系统单元， 2个 8 位接口， 1 个 6 位口， 1 个 14 位定时计数器）。 2.8155 芯片可直接和 MCS 51 系列单片机连接，不需要任何外加逻辑电路。通常用 2P 口的高 8 位地址线作为 8155 芯片的片选信号及 IO/M 的选择信号。将 8031 的0.2P与 8155 芯片 IO/M 引脚相连，若0.2P是高电平，则 8155 用来作接口；若0.2P是低电平，则使用 8155 内部 256 字节的RAM。由于 8155 芯片内部有地址锁存器，所以 8031 的 ALE 端可以和8155 的 ALE 端直连，利用 8031 的 ALE 的信号下降沿锁存 80310P口送出nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 16- 的低 8 位地址信息。若要求 8155A 口 B 口工作在基本状态， C 口为基本输入状态，不要求中断申请，不启动定时器，则其控制它为： 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 3.4.2 辅助电路设计 3.4.2.1 光电隔离电路在步进电机驱动器中，脉冲信号经功放后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将信号与功率放大器直接相连，将会引起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计算机和接口电路损坏。所以，一般在接口电路与功率放大器之间都要接上隔离电路。采用的光电耦合电路如图 4 4：输入输出图 4 4 光电耦合电路 3.4.2.2 功率放大电路功率放大电路分为单电源和双电源型。单电源型线路简单，但功率不高，所以选用双电源型。在功率放大器导通初始，431 VVV全导通，并使脉冲变压器 B 的副边产生一定宽度的脉冲电流，使 2V 导通，高压电源 HE 通过 2V ， 1V 为步进电机某一相绕组供电，使其电流上升沿变陡，同时 VD 出于反向偏置，将低压nE与绕组 AL 切断。经过bt时间后脉冲电流消失，使2V 截至，高压电源与绕组之间被切断。 nE 通过 VD ， 1V 为绕组 AL 供电，提供所需的额定电流。通过调整脉冲变压器的磁芯和 4R 可改变高压供电的时间宽度bt。 nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 17- 图 4 5 功率放大电路由于我国目前步进电机的功率放大器已由生产厂家生产出系列化产品，在设计数控机床电路时只需根据步进电机的容量大小进行选择，所以不再进行计算。功率放大电路见图 4 5。 3.4.2.3 8031 时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生，内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部震荡电路在 1XTAL 、 2XTAL 引脚上外接定时元件如图 4 6：图 4 6 8031 内部时钟方式 3.4.2.4 复位电路 nts哈尔滨理工大学专科生毕业论文 18- 图 4 7 8031 复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现的，因为上电与按钮复位组合，在上电瞬间 RC 电路充电， RESET 引脚端出现正脉冲，只要 RESET 端保持10ms 以上高电压，就能使单片机有效复位。见图 4 7。 3.4.2.5 报警电路为了防治工作台越界，可分别在极限位安装限位开关，这是采用中断方式，利用 8031 的外部中断0INT。只要有任何一个行程开关闭合，即工作台在某一方向上越界，均能产生中

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