关 键 词：

机械毕业设计全套

资源描述：

JC01-009@C616车床数控改造,机械毕业设计全套

内容简介：

毕 业 设 计 题 目： C616 车床数控系统改造 院、 系： 机械设计与制造 姓 名： 指导教师： 系 主 任： nts I 摘要 介绍普通 C616车床的数控改造 ，因为我国多年积累了大部分的普通机床，自动化程度低，想要短期内大量更换新机床，是不现实的。为了节省资金，提高生产效率，所以要对普通车床进行数控改造。 采用 MCS 51系列单片机控制经济型数控机床，用步进电机来驱动进给系统，实现自动加工。原理为：根据加工零件的图样与工艺方案，通过单片机控制，转化成脉冲信号，经放大电路后驱动纵向和横向步进电机，通过滚珠丝杠实现刀架纵向、横向两个方向的进给，以完成工件的加工。 数控改装后的车床在纵向和横向具有圆弧和直线插补功能，该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。改造后 车床可以加工出各种形状的复杂的回转零件 ,并能实现多工序自动车削 ,从而提高了生产效率和加工精度 ,也能适应小批量多品种复杂零件的加工 . 关键词 数控改造； 进给系统；步进电机； 单片机 nts II 目 录 摘要 . I 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 数控改造的必要性 . 1 1.3 设计任务 . 2 第 2 章 设计任务与总体方案的确定 . 3 2.1 设计任务 . 3 2.2 总体设计方案确定 . 3 第 3 章 机床进给伺服系统机械设计计算及结构设计说明 . 5 3.1 主要设计参数如下 . 5 3.2 确定脉冲当量 . 5 3.3 纵向进给系统的设计计算 . 5 3.3.1 已知条件 . 5 3.3.2 切削力计算 . 5 3.3.3 滚珠丝杠设计计算 . 6 3.3.4 齿轮及转矩的有关计算 . 8 3.4 横向进给系统的设计计算 . 11 3.4.1 横向进给系统的设计 . 11 3.4.2 横向进给系统的计算 . 11 3.5 步进电机的选择 . 15 3.5.1 步进电机选用的基本原则 . 15 3.5.2 步进电机的选 择 . 16 第 4 章 数控系统的硬件电路设计 . 18 4.1 绘制系统电气控制结构框图 . 18 4.2 单片机控制系统设计 . 19 4.2.1 8031 单片机的基本特性 . 19 4.2.2 8031 芯片引脚功能 . 19 4.3 存储器扩展电路 . 21 4.3.1 8031 与 EPROM 的连接 . 21 4.3.2 数据存 储器的扩展 . 21 4.3.3 程序存储器的扩展 . 21 4.4 I/O 接口电路及辅助电路设计 . 22 4.4.1 I/O 接口电路 . 22 4.4.2 辅助电路设计 . 23 nts III 4.5 绘制微机控制电路原理图 . 25 4.5.1 控制系统的功能 . 25 4.5.2 采用软件环形分配图 . 26 4.5.3 自动回转刀架的控制 . 26 4.5.4 螺纹加工控制 . 26 4.5.5 地址编码 . 26 结论 . 27 参考文献 . 28 致谢 . 29 nts 1 第 1章 绪论 1.1 课题背景 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量的不断提高，产品的更新换代也不断加快，因此对机床不仅要求具有较高的精度和生长率，而且应能迅速的适应产品零件的变换。我国生产的需要促使了数控机床的产生，随着电子技术，特别是计算机技术的发展，数控车床迅速发展起来。 我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为0.6 0.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上； 10 年以下的机床中，自动 /半自动机床不到 20， FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大 力提高机床的数控化率。 1.2 数控改造的必要性 数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。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 3 7 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”。 nts - 2 - 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，因而可实现长时间无人看管加工。 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。 1.3 设计任务 本课题是将普通 C616 车床改造 MCS 51 系列单片机控制的经济型数控车床，采用步进电机开环控制，纵向和横向具有圆弧和直线插补功能，该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。 1.4 本章小结 本章主要介绍了论文的课题背景，数控改造的必要性以及设计任务。 nts - 3 - 第 2章 设计任务与总体方案的确定 2.1 设计任务 本设计任务是对 C616 普通机床进行数控改造。利用 MCS 51 系列单片机对纵向横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为 0.005/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠，刀架采用自动转位刀架。 设计参 数如下： 最大加工直径： 在床面上： 320mm 在床鞍上： 175mm 最大加工长度： 700mm 快进速度： 纵向： 2.0m/min 横向： 1.2m/min 最大切削进给速度： 纵 向： 0.5mm/min 横向： 0.25mm/min 代码制： ISO 脉冲分配方式： 逐点比较法 输入方式： 增量，绝对值通用 控制坐标数： 2 最小指令数： 纵向： 0.01mm/脉冲 横向： 0.005mm/脉冲 刀具补偿量： 0 99.99mm 进给传动链间隙补偿量： 纵向： 0.15mm 横向： 2.5mm 自动升降速性能： 有 2.2 总体设计方案确定 由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。 nts - 4 - 因为改造后车床具有定位、直线插补、圆弧插补、顺逆插补、暂停、循环加工、公制螺纹车削等加工功能，故应采用连续控制系统。 考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制。 因为 MCS 51 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，性价比高等特点，决定采用 MCS 51 系列 8031 单片扩展系统。 为保证一定的传动精度和平衡性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺旋副。 车床数控改造的总体方案见图 2 1： 功率放大器控制计算机磁带计算机手工输入数控程序编 制 加工工件图 纸 或步进电机变速箱车床工件变速箱图 2 1 数控改造的总体方案示意图 2.3 本章小结 本章主要介绍了 C616 的数控改造设计任务以及 确定了整体设计方案。 nts - 5 - 第 3章 进给伺服系统机械设计计算及结构设计 3.1 主要设计参数如下 溜板重量： 800N 刀 架重量： 300N 刀架快进速度： 纵向： 2m/min 横向： 1.2m/min 最大进给速度： 纵向： 0.5mm/min 横向： 0.25mm/min 主电机功率： 7.5KW 启动加速时间： 26ms 机床定位精度： 0.015mm 3.2 确定脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量 纵向： 0.01mm/步 横向： 0.005mm/步 3.3 纵向进给系统的设计计算 3.3.1 已知条件 工作台重量： W 80kgf 800N（根据图纸粗略计算） 时间常数： T 25ms 滚珠丝杠基本导程： oL 6mm 行程： S 640mm 脉冲当量： p 0.01/step 步距角： 0.75 /step 快速进给速度： maxV 2m/min 3.3.2 切削力计算 由机床设计手册 7 可知，切削功率 KNN c （ 3 1） nts - 6 - 式中 N 电机功率，查机床说明书， N 4kW 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 又因为 6120FN zc（ 3 2） 所以 Fz c6120N（ 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由金属切削原理可知 1 ，主切削力 ZzF FFFpF KfYXC ZZZ （ 3 4） 查表得： ZFC 188kgf/ 2mm 1880MPa ZFX 1 ZFY 0.75 ZFK 1 则可计算 zF 如表 3 1 所示： 表 3 1 zF 计算结果 p ， mm 2 2 2 3 3 3 f ， mm 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 zF ， N 1125 1524 1891 1687 2287 2837 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： XF （ 0.1 0.6） zF zF （ 0.15 0.7） zF （ 3 5） 取： XF 0.5 zF 0.5 1527.6 763.8N YF 0.6 zF 0.6 1527.6 916.5N 3.3.3 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） nts - 7 - 3.3.3.1 强度计算 寿命值 6iii 1060nL T （ 3 7） 00主i DL1 0 00 v fL fnn （ 3 8） 取工件直径： D 80mm，查表得 iT 15000h 则： 2 0r / m in6803 . 14 0 . 31 001 00 0n i 1810 15 0002060L 6i 最大动负载： HW3 i fPfLQ （ 3 9） 查表得： 运转系数 Wf 1.2 硬度系数 Hf 1 则 3 9 3 3 . 6 N1 2 5 0 . 811 . 218Q 3 根据最大动负荷 Q 的值，可选择滚珠丝杠的型号。滚珠丝杠参照汉 江机床厂的产品样本选取 BFC1 系列，滚珠丝杠直径选为 32mm ，型号为BFC1 32 6 5 2E ，其额定动载荷式 10689N，所以强度够用。 3.3.3.2 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 253 则 0 . 9 5 3)1025t a n (3 25t a n 3 3.3.3.3 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 EFPLL 01 （ 3 11） 式中 0L 6mm 0.6cm 26 N /c m162 0. 6E 滚珠丝杠截面积 3 . 1422 . 803 12dF 22 nts - 8 - 则 mc105 . 93 . 1 422 . 8 0 3 1102 0 . 60 . 61 2 5 0 . 8L 6261 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 L100 0 9 . 8 .8 105 . 90 . 61 00L 6 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（ 1m 长）为 15m /m ，故刚度足够 3.3.3.4 稳定性验算 由于机床原丝杠直径为 30mm ，现选用的滚珠丝杠的直径为mm32 ，支承方式不变， 所以稳定性不存在问题 3.3.4 齿轮及转矩的有关计算 3.3.4.1 有关齿轮的计算 传动比 1 . 2 50 . 0 1360 60 . 7 5360 Li p0 故取 1Z =32 2Z =40 m=2mm b=20mm =20 6 4 m m322mZd 11 8 0 m m402mZd 22 6 8 m m2hdd a1a1 8 4 m m2hdd a2a2 7 2m m2 80642 dd 21 3.3.4.2 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 : 222p1 cm0 . 4 6 8 k g800 . 7 53 . 1 4 0 . 0 1180W180 J 丝杠的转动惯量： 3.1403 . 2107 . 8LD107 . 8J 44144s nts - 9 - 22 cm1 1 4 .7 5 Ncm1 1 .4 7 5 k g 齿轮的转动惯量： 2244Z1 cm2 6 . 1 7 Ncm2 . 6 1 7 k g26 . 4107 . 8J 2244Z2 cm6 3 . 9 Ncm6 . 3 9 k g28107 . 8J 电机转动惯量很小可忽略。 因此，总的转动惯量： 2221Z1Z2s2cm1 4 5 . 1 9 Ncm1 4 . 5 1 9 k g0 . 4 6 82 . 6 1 76 . 3 9 )( 1 1 . 4 7 51 . 2 51JJ)J(Ji1J3.3.4.3 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 0m a x MMMM fa （ 3 12） 最大切削负载时所需力矩 tfat MMMMM 0（ 3 13） 快速进给时所需力矩 0MMM f （ 3 14） 式中 maxaM 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； fM 折算到电机轴上的摩擦力矩； 0M 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴 上的附加摩擦力矩； atM 切削时折算到电机轴上的加速度力矩； tM 折算到电机轴上的切削负载力矩。 mN109 . 6 TJ 4n aM 当maxnn 时 aa MM max4 1 6 . 7 r / m in61 . 2 52 0 0 0Livn0m a xm a x m2 . 5 2 N100 . 0 2 59 . 6 4 1 6 . 71 4 . 5 19 4m a x aM当tnn时 ata MM nts - 10 - 2 4 . 8 8 r / m i n6803 . 1 41 . 2 50 . 31 0 01 0 0 0LfD1 0 0 0 vLfnn0i0i主t m0 . 1 5 05 N100 . 0 2 59 . 6 2 4 . 8 81 4 . 5 19M 4at i0i00 2WLf2 LF fM当 0.8 f 0.16 时 m1223N.01. 250. 83. 142 0. 6800. 16 fM )(12 LP 20i000 M当0 0.9 时预加载荷XFP 310 则： 1. 250. 83. 146)0. 90. 6( 176. 3861 22000 ix )(LFM =0.0462N.m 1 .2 50 .83 .1 42 0 .67 6 .3 82 0 ixt LFM=0.7297N.m 所以，快速空载启动所需力矩： m2 . 7 4 0 5 N0 . 4 6 21 . 2 2 32 5 . 7 20m a x MMMM fa 切削时所需力矩： m1 . 0 5 1 8 N7 . 2 9 72460223153610.MMMtMM tfa 快速进给时所需力矩： m1 6 8 5 N.00 .4 6 21 .2 2 30 MMM f 由以上分析计算可知： 所需最大力矩maxM发生在快速启动时 m2.7405Nm a x M nts - 11 - 3.4 横向进给系统的设计计算 3.4.1 横向进给系统的设计 经济型数控改造的横向进给系统设计比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。 3.4.2 横向进给系统的计算 由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。 已知条件： 工作台重 W 300N 时间常数 T 25ms 滚珠丝杠基本导程 0L 4mm 左旋 行程 S 190mm 脉冲当量 p 0.005mm/step 步距角 0.75 /step 快速进给速度 maxv 1m/min 3.4.2.1 切削力计算 横向进给量为纵向的 1/2 1/3，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2 76 3. 8 N15 2. 7 621F z 在切断工件时： 3 8 1 .9 N7 6 .3 80 .50 .5 FF zy 3.4.2.2 滚珠丝杠设计计算 1.强度计算 对于燕尾型导轨： W)f(FKFPzy （ 3 15） 取 K 1.4 f 0.2 则 nts - 12 - 7 4 7 . 4 N 3 0 )0 . 2 ( 7 6 . 3 83 8 . 1 91 . 4P 寿命值 513.10 1 5 0 0 015601060 66 iii TnL 最大动负载 2 1 3 5 . 5 N7 4 . 7 411 . 21 3 . 5PffLQ 3HW3 i 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 mm30 ，型号为21 5430 EBF c 左，其额定负荷 5393N，所以强度够用。 2.效率计算 螺旋升角 383 ，摩擦角 10 则传动效率 0 . 9 5 6)1038t a n ( 3 38t a n 3)t a n ( t a n 3.刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 cm105 . 9 61 . 7 6 1 9102 0 . 63 . 1 4 40 . 4107 4 . 7 4EFPLL 62601 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 2L 很小，可忽略，即： 1LL 所以，导程变形总误差为 1 4 . 9 4 .9105 . 9 60 . 41 0 0LL1 0 0 60 查表知 E 级精度丝杠允许的螺距误差（ 1m 长）为 155m ，故刚度足够。 4.稳定性计算 由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同而支承方 式由原来的一端固定，一端悬空，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。 nts - 13 - 3.4.2.3 齿轮及转矩有关计算 1.有关齿轮计算 (1) . 第一对齿轮 传动比 1. 67350. 005360 40. 75360 Lip0 故取 64mma52mmd48mmd2mmm24za1112084mmd80mmd20mmb40za222(2) . 第二对齿轮 传动比 1i 4 4 m ma2 6 m mdd2 2 m mdd2m11zza2a121432020mmb2.转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 222pI cm0 . 4 3 9 N1001303 . 1 40 . 0 0 5180W180 J 丝杠转动惯量 244s cm1 9 4 . 5 9 N3 0 83107 . 8J 齿轮的转动惯量 244z4z3244z2244z1cm0 . 3 7 N22 . 2107 . 8JJcm6 3 . 9 0 N28107 . 8Jcm8 . 2 8 N24 . 8107 . 8J电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量 nts - 14 - 22Iz1z2s2cm1 0 1 . 7 8 N0 . 0 4 3 90 . 8 2 86 . 3 9 0 )( 1 9 . 4 5 953JJ)J(Ji1J2Iz4z3s2cm1 9 5 . 7 7 N0 . 0 4 3 90 . 0 3 70 . 0 3 7 )( 1 9 . 4 5 91JJ)J(Ji1J3.所需转动力矩计算 4 1 6 .7 r / m in4 351 0 0 00m a xm a x L ivn m0 . 3 3 9 N100 . 0 2 59 . 6 4 1 6 . 71 9 . 5 7 71069 44m a xm a x T.JnM a 3 3 . 1 7 r / m i n34603 . 1 4 50 . 1 51 0 01 0 0 01 0 0 000 D L vf iL finn 主t m0. 047 N100. 0259. 6 33. 173. 399 4 atM m0 . 0 2 8 N50 . 83 . 1 42 30 . 4300 . 222 000 ifW L iLFM f m0 . 0 1 1 N)0 . 9(150 . 63 . 1 46 30 . 43 8 . 1 9)1(6 22000 iLFM y m0 . 1 8 2 N50 . 83 . 1 42 30 . 43 8 . 1 92 0 iLFM yt 所以，快速空载启动所需转矩 m0 . 3 7 8 7 N0 . 0 1 10 . 0 2 8 70 . 3 3 9 MMMM 0fa m a x 切削时所需力矩 m0 . 1 0 4 2 N0 . 1 8 20 . 0 1 10 . 0 2 80 . 0 4 7 0 tfat MMMMM 快速进给时所需的转矩 m0 .0 4 0 3 N0 .0 1 1 60 .0 2 8 7 0 MMM f nts - 15 - 从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时， m0.3787Nm a x M3.5 步进电机的选择 3.5.1 步进电机选用的基本原则 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： 3.5.1.1 步距角 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。 3.5.1.2 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。 3.5.1.3 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 （ 3 18） 式中 qM 电动机启动力矩； 0LM 电动机静负载力矩。 根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表 3 2 所示。jmM为步nts - 16 - 进电机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的，如表 3 3 所示。 2. 在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 表 3 2 步进电机相数、拍数、启动力矩表 运行方式 相数 3 3 4 4 5 5 6 6 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 jmg MM /0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 表 3 3 反应式步进电机技术指标 型号 主要技术数据 步距角， 最 大 静 转矩，N cm 最高空载启动频率，step/s 运行频率， step/s 相数 电压 ，V 相电流， A 110BF003 0.75/1.5 800 1500 7000 3 80 6 3.5.1.4 启动频率 由于步进电机启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： mopt ff （ 3 19） 式中 tf 极限启动频率； mopf 要求步进电机最高启动频率。 3.5.2 步进电机的选择 3.5.2.1 C616 纵向进给电机的确定 cm6 8 5 . 12 5 N0 . 4 102 7 . 4 054.0 0 Lq MM 为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：jmg MM / 0.866 所以，步进电机最大静转矩jmM为： cm791 . 1 4N0. 866685 . 1 258660 .MM qjm nts - 17 - 步进电机最高工作频率 333 3. 3H z0. 0160 200060 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。 3.5.2.2 C616 横向进给步进电机的确定 cm6 5 . 8 2 5 N0 . 4 102 . 6 3 340 0 .MM Lq 电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知： 0.866jmq /MM 所以步进电机选择最大转矩jmM为： cm7 6 .0 1 N8 6 60 8 2 5658 6 60 . .MM qjm 步进电机最高工作频率 333 3. 3H z0. 00 560 100 060 m a xm a x pvf 综合考虑，选用 110BF003 型直流步进电机，能满足使用要求。 3.6 本章小结 本章主要介绍了纵向进给系统和横向进给系统的设计计算，滚珠丝杠的设计计算步进电机的选择。 nts - 18 - 第 4章 数控系统的硬件电路设计 4.1 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 由于 MCS 51 系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全可以满足我国nts - 19 - 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。 4.2 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。 4.2.1 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。 4.2.2 8031 芯片引脚功能 8031 芯片 具有 40 根引脚，功能分四类 3 ： 4.2.2.1 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。 4.2.2.2 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。 2XTAL ：振荡器输入的反向放大器输入和内部时钟发生器的输入，当nts - 20 - 使用外部振荡器时用于输入外部振 荡信号。 4.2.2.3 I/O 口 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 P