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机械毕业设计论文
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机械数控机床毕业设计79数控机床改造,机械毕业设计论文
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徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 1 第 1 章 概述 1.1本文的选题及主要研究内容 1.1.1 本文的选题 我们对已报废的两台 CA6140 进行数控化改造。通过改造，其目的就是要提高机械设备的数控化率，以便进行推广。分析现在经济型数控车床容易出现安全性故障的原因，经过反复的论证，在设计过程中，所有限位保护电路均采用负逻辑，如发生电路开路或接触不良时会立即报警，防止意外事故发生 :设定了特殊的限位控制装置，使刀架在特定的位置不能换刀，保证了生产安全。 数控加工过程中，程序的编制和输入调试是很重要也很烦琐的一个环节，工人的水平直接影响到生产效率的高低 ，同时也影响到产品的质量，如何降低对操作人员的要求，这是值得研究的问题，我们利用系统资源，依据特征参数，编写成组工艺，按照成组工艺编写若干程序存储在 RAM 中，输入相关零件的参数，即可调用程序，进行加工。非常适合于一般操作人员，对操作者的要求不高，大大提高了生产效率。合理的设计控制系统，利用原机床的电机作为主电机，节约了购买机的费用。 1.1.2 主要研究内容 1、 CA6140 改造总体机械部件设计。 2、主要部件的设计和选用。 对机床的改造部位是：拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱， 换上滚珠丝杠螺母副；主轴后端加一光电编码器用波纹管连接，供加工螺纹使用； 热点模具网 。 数控系统选用江苏东方数控新技术公司生产的 NIM-9702数控系统 。 驱动系统的设计 ： 由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑 具 体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 2 3、提供常用零件的成组工艺及数控程序模板，使用户只需根据零件特征，输入相关零件的参数，即可调用程序，进行加工。 4、创新设计数控机床 限位保护装置。使设备发生电路开路或接触不良时，应立即报警，防止意外事故发生，提高设备使用的安全性。 5、设计双限位保护开关，使刀架在特定的位置不能换刀。 6、满足设备的各项性能指标。 7、对完成改造后的机床进行调试，使其达到用户使用要求。 1.1.3 数控机床的发展预测 1、 数控机床推广应用逐步由经济型为主向普及型为主转变。 2、 数控金切机床的构成比逐渐趋于合理。 数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的构成比不同于传统的机床构成比。 1.1.4 数控改造的意义 我国作为机床大国 .为了提高机床的数控化率 .对普通机床进行数控化改造不失为一种良策。一些发达国家在机床的数控化改造方面已走在了我们的前面 .如德国、美国、口木等国就非常重视对旧机床的改造 .而且已形成了一个完善的“产学研”结合的改造体系 .在世界机床行业不景气的今天 .机床改造成为新的经济增长行业 .生意盎然 .处于黄金时代。由于机床与技术的不断进步 .机床改造已成为一个“永恒”的课题。我国应在这方而加大重视和宣传 .走出一条适合我国国情的机床的数控化改造之路。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 3 第 2 章 总体方案设计 2.1 总体方案设计要求 总体方案设计应考虑机床数控系统的运行方式，伺服系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。 1、普通车床数控化改造后应具有定位，纵向和横向的直线插补，圆弧插补功能；还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。 2、车床数控化改装设计后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电机开环系统。 3、根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控车床一般采用 8 位微机。在 8 位微 机中， 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，具有很高的性能价格比。因此，可选择 MCS-51 系列单片机扩展系统。 4、根据系统的功能要求，微机数控系统控制中除了 CPU 外，还包括扩展程序存储器、扩展数据存储器、 I/O 接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能相识加工数据和机床状态信息的显示器；包括光电隔离电路和步进驱动电路。此外系统中还应该包括螺纹加工用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。 5、设计自动回转刀架及其控制电路。 6、纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步 进电机、齿轮副、丝杆螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。 7、为了保证进给 伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。 8、采用贴塑导轨的摩擦力。 9、原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本，缩短改造周期。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 4 图 2.1 总体改造方案 2.2设计参数 设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的数。以CA6140 改装为例，设计参数如下： 最大加工直径 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm 最大加工长度 1000mm 快进速度 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min 最大切削进给速度 纵向 0.5m/min 横向 0.25m/min 溜板及刀架重力 纵向 800N 横向 600N 主电动机功率 7.5kw 代码制 ISO 脉冲分配方式 逐点比较法 输入方式 增量值，绝对值通用 控制坐 标数 2 最小指令值（脉冲当量） 纵向 0.01mm/冲 横向 0.005 脉冲 机床定位精度 0.015mm nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 5 刀具补偿量 0mm99.99mm 进给传动链京戏补偿量 纵向 0.15mm 横向 0.075mm 自动升降 速性能 有 2.3具体的机械改装 CA6140 车床主要用于对中小型轴类、盘类及螺纹零件等的加工。这些加工工艺要求机床应完成的工作内容有 :控制主轴正反转和急停 ;刀架能实现纵向和横向的进给运动，并能在换刀点自动改变四个工位，以便选择刀具 ;冷却泵的启停 ;润滑泵的开与关等。当加工螺纹时，保证主轴转一转，刀架能移动一个被加工螺纹的导程 S;能实现直线和圆弧插补等。同时，这些工作内容，就是数控系统控制的对象。 为满足以上要求，对机床的改造部位是 :将手动刀架改造成数控刀架 ;拆掉丝杠、光杠进给箱、溜板箱，换 上滚珠丝杠螺母副 ;在主轴后端加一编码器，以便加工螺纹。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 6 第 3 章 机械部分设计 纵向进给机构的改造。拆除原机床的进给箱，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱体。滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，这样可减小改装现场，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性略优于以前。 横向进给机构改造。保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。 纵、横向进给机构都采用了一级齿轮减速，并用双片齿轮错齿法消除间隙，双片齿 轮间没有加弹簧自动消除间隙，因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载较大时，弹簧弹力显得小，起不到自动消除间隙的作用；当负载较小时，弹簧弹力又显得大，则加速齿轮的磨损。为此采用人工定期调整螺钉紧固的办法来消除间隙。 刀架的改造。拆除原刀架和小拖板，换上数控刀架。 3.1传动系统改装设计与计算 3.1.1 纵向进给系统步进电动机的确定 纵向进给系统的设计 (如图 3.1) nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 7 图 3.1 纵向进给系统装配图 1、 向进给系统的计算 2、己知条件 : 工作台重量 :W = 80Kg=800N 时间常数 :T=25ms 滚珠丝杠 导程 :L=10mm 行程 :S = 650mm 脉冲当量 :8 p=0.01mm/P 步距角 : =0.36o /P 快速进给速度 : maxV =2.4m/mi n 3、切削力计算 纵切外圆时，车床的主切削力 zF 可以用下式计算： zF =0.67D 5.1max (N)=0.67（ 400） =5360 走刀方向切削力分为 xF 和垂直走刀方向切削分力 yF 可按以下比列求出： zF ： xF ： yF =1： 0.25： 0.4 所以 xF =0.25 zF =1340N yF =0.4 4、滚珠丝杠设计与计算 综 合 导 轨 车 床 丝 杠 的 轴 向 工 作 负 载 采 用 下 面 公 式 计nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 8 WFfKFP zx =1.15 1340+0.16 (5360+800) =2526.6N 强度计算 (滚珠丝杠 ) 寿命值 L=60nT/1000000 n=n 主 f/L=1000vf/DL =1000 100 0. 2/ (3. 14 80 6) =19.9r/min L=60 19.9 15000/1000000=18000000r 最大动负载 C= pfL v3 = 318 1.2 2526.6 =8538N L 为工作寿命，单位为 106r,n 为丝杆转速（ r/min） ,r 为最大切削力条下的进给速度（ m/min）可取最高进给速度的 ， wF 为运转状态系数，无冲击取 11.2，t 为额定使用时间，可取 t=1500h 选用 FC1B32 6-5-E2 滚珠丝杠，其额定动负荷为 10689N，与上面算果相比，强度足够。 5、效率计算 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为 953.010253253 00 tgtgtgtg 为丝杆螺旋升角， 为摩擦角。 6、刚度验算 滚珠丝杠在工作负载作用下的变形量 EFPLL 0 =2526.6 0.6/20600000 (2.8031/2) 3.14 = 16.7 610 因扭矩 M 引起的导程变形量 L2 很小，可忽略，即 L= L1。所丝杠长度为1000mm 时，导程变形总误差为 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 9 =100 L/L0=100 16.7E-6/1=2.77m/m 查有关手册得知 E 级精度丝杠允许的螺距误差为 15m/m，故刚度够。 7、稳定性验算 由于机床原丝杠直径为 30mm，现选用的滚珠丝杠直径为 32mm，支承向式不变，所以稳定性不存在问题。 8、齿轮及转矩的计算 采用同步带轮 (1)有关带轮计算 传动比 i=360 p/ L=360 0.001/0.36 1=1 取 Z1=20 Z2=20 =20 m=3mm b=28mm(带轮壁厚 ) dl= d2=pz/3.14=9.525 20/3.14=60.66mm (2)转动惯量计算 工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量 1J wJ p 21801 =（ 180 0.001/3.14 0.75） 2 80 =4.6N.cm2 丝杠的转动惯量 : Js=7.8 10-4 D4L=7.8 10-4 3.24 100 =8.1789kg/cm2 =81.789N/cm2 带轮的转动惯量 : Jz1=Jz2=7.8 10-4D4L=7.8 10-4 60.60 4 2.8=2.957N.cm 电动机转动惯量很小，忽略不计。 总的转动惯量 J 为 J=i2(Js+Jz2)+Jz1+J1=12(81.79+2.957)+2.957+4.6=92.3N.cm =9.23kg.cm2 (3)所需转动力距计算 快速空载启动时所需力距 0m a x MMMM fa 最大切削负载时所需力距 tfat MMMMM 0 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 10 快速进给时所需力距 M=Mf 十 M。 式中 maxaM 空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩 : Mf 折算到电动机轴上的摩擦力距 ; M。 由于丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加摩擦力矩 Mat 一切削时折算到电动机轴上的加速度力矩 ; Mt 一折算到电动机轴上的切削负载力矩。 Ma=Jnl/9.6T iLVn maxmax =2000/6 1=333.33rJmin 则 maxaM =Jnmax/9.6T=9.5 333.33 10-4/(9.6 0.025)=13. 1923kg.cm 当 n=n t 时 (nt 为切削时电动机转速 )， Ma= Mat 又因为 nt =n 主 f/Li=1000vf/(3.14 D L i)=1000 0. 3/ (3. 14 80 6 1) =19. 9r/min 则 Mat=Jnx10/9.6T=9.5 19.9 10-4/(9.6 0.025)=0. 0787Nm=0.787kg.cm Mf= fWL0i/2 =0.16 80 0.6 1/(2 3.14 0.8)=1. 528kg.cm=15.28N.cm Mo= P0L0i(1- 20 )/ 2 =1340 0.6 l (1-0.9)2/(3 2 3.14 0.8)=10.14N.cm=1.014kg.cm Mt=FxL0i/2 =1340 0.6 1 /(2 3.14 0.8) =160.03N.cm=16.003kg.cm 快速空载启动时所需力距 0m a x MMMM fa =13.1923+1.528+1.014 =15.734kg.cm 最大切削负载时所需力距 tfat MMMMM 00.787+1.528+1.014+16.003 =19.332kg.cm 快速进给时所需力距 0MMM f =1.528+1.014=2.542kg.cm nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 11 由以上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时 : maxM =15.734kg.cm=157.34N.cm 3.2 步进电动机的选择 3.2.1 纵向进给系统步进电动机的确定 一般启动力距选取为 qM ML0/(0.3 0.5)取 qM = ML0/0.4 ML0= maxaM =152. 98N. cm 则 : qM =152.98/0.4=382.45 cmN. 为满足最小步距要求，电动机选用五相十拍工作方式，则 jmq MM =0.951，所以步进电动机最大静转距 951.0qjm MM =382.45/0.951=402.16 cmN. 步进电动机最高工作频率 maxf =vmax/60 p=2000/60 0.01=3333.33Hz 综合考虑，选 用 1l0BYC-007 五相混合式步进电动机，能满足使用要求。 3.2.2 横向进给系统步进电动机的确定 ML0= maxaM =36.91N.cm 则 : qM =36.91/0.4=92.275 cmN. 为满足最小步距要求，电动机选用五相十拍工作方式，则 qM = ML0/0.4 jmq MM =0.951，所以步进电动机最大静转距 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 12 951.0qjm MM =92.275/0.951=97.03 cmN. 步进电动机最高工作频率 maxf =vmax/60 p=1000/60 0.005=3333.33Hz 综合考虑，选用 110BYG007 五相混合式步进电动机，能满足使用要求 3.2.3 电动刀架的选择 拆除原手动刀架和小拖板，安装山微机控制的四工位电架。据车床的型号及主轴中心高度，选用 LD4- I 型四工位电动刀架。安装时，去床小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉电机风罩，逆时针方向转动电机，或动轴承处之内六角螺孔，使刀架转动到 450 左右时，装上螺钉，然后固定架即可。 电动刀架的安装较为方便，安装时须注意以下两点： (1)电动刀架的两侧而与原车床纵、横向的进给方向、平行。 (2)电动刀架与系统的连线在安装时应合理，以免加工时切屑、冷却液及其它杂物磕碰电动刀架连线。 3.3横向进给系统的设计与计算 3.3.1 横向进给系统的设计 图 3.1 横向进给系统图 3.3.2 横向进给系统 的设计计算 己知条件 :工作台重量 W=600N 时间常数 T=25ms nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 13 滚珠丝杠导程 L=4mm 左旋行程 S=200mm 脉冲当量 : p=0.005mm/P 步距角 : =0.36 /P 快速进给速度 : maxV =l.2m/min 1、切削力计算 横向进给量为纵向的 1 /21 /3，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2。 zF =1/2 5360=268.0kg=2680N 在切断工件时 : yF =0.5 zF =0.5 2680=134.0kg=1340N 2、滚珠丝杠设计计算 (1)强度计算对于燕尾型导轨 WFfK F YP z =1.4 134.0+0.2(268.0+30) =247.2kg=2472N 寿命值 : L=60NT/1000000=60 15 15000/1000000=13500000r 最大动负载 : C= pfL w3 = 5.133 1.2 1 2472=213.55kg=3269.78N 根据最大动负载 C 的值，可选择滚珠丝杠型号为 FC1B20 4-E2D 左， 其额定动负荷为 5393N，所以强度足够用。 (2)效率计算 956.010383383 00 tgtgtgtg (3)刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程变化量 L1= PL/EF=247.2 0.4/ 20600000 (1.7619/2) 2 3.14 = 1.97 10-6 cm 因扭矩 M 引起的导程 变形量 L2 很小，可忽略，即 L= Ll。所以导程变形总误差为 : =100 L/L=100 1.97 106=4.93um/m nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 14 查表知 E 级精度丝杠允许螺距 (1 米长 )为 15m/m，故刚度足够。 (4)稳定性验算 由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠相同，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，所稳定 J 性增强，故不再验算。 (5)转矩计算 A.转动惯量计算 工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量 J1= Wp2180 =(180 0.0005 / 3.14 0.75) 2 60 =0.044kg.cm 丝杠的转动惯量 : Js=7.8 10-4D4L=7.8 10-4 24 50 =0. 624kg.cm2 电动机转动惯量很小，忽略不计。 电动机转动惯量很小忽略，因此，总的转动惯量 J=J1+ Js=0.044+0.624=0.668kg.cm2 B.所需转动力距计算 iLVN maxmax =1000/4 1=250r/min maxaM = nmaJ 104/9.6T=0.668 250 104/9.6 0.025 =0.0696N.m =0.693kg.cm 当 n= nt 时 (nt 为切削时电动机转速 )， Ma= Mat 又因为 nt =n f/Li=1000vf/(3.14 D L i)=1000 100 0.15/(3.14 60 4 1)=19.9 r/min 则 : niat JM 10-4/9.6T=(0.668 19.9 10-4)/(9.6 0.025) =0.0055N.m=0.055kg.cm Mf= fWLoi/2 =(0.2 60 0.4 1) /(2 3.14 0.8) =0.955kg.cm=0.0955N.m nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 15 Mo= 2200 liLF y=1340 0.4 l (1-0.92)/(3 2 3.14 0.8) =6.757kg.cm=0.6757N.m Mt= 20iLFy =(1340 0.4 1) /(2 3.14 0.8) =10.669N.m 快速空载启动时所需力距 0m a x MMMM fa =0.696+0.955+6.757=8.408kg.cm 最大切削负载时所需力距 tfat MMMMM 0=0.055+0.955+6.757+106.69 =114.457kg.cm 快速进给时所需力距 0MMM f =0.955+6.757=7.712 cmkg. 由以上分析计算可知，所需最大力矩发生在最大切削负载时 : maxM =114.457kg. cm=1144.57N.cm nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 16 第 4 章 控制系统设计 4.1控制系统硬件的基本组成 机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。在机床行业，控制系统的控制对象主要包括各种机床，如车床、铣床、钻床、磨床等，在其他行业控制对象还有很多的。在使用中各种控制对象各不相同的，但其控制 系统硬件组成的基本原理是一致的。 单片机为核心的控制系统中，大多采用 MCS-51 系列单片机的 8031 芯片，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善、抗干扰能力较强的控制系统。 8031 内部包含一个 8 位 CPU， 128 字节的 RAM，两个 16 为的定时器，四个 8 位并行口，一个全双工串行口，可扩展的程序和数据存储器各 64kB,有 5nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 17 个中断源。 硬件设计主要介绍微机控制系统的扩展、接口及控制电路。 4.2数控系统硬件设计 MCS-51 系列的单片机以片内无程序存储器和片内有程序存储器形式 .分为三种基木产品 :8051 、 8751 和 8031。 8051 单片机以片内含有掩膜 ROM 程序存储器 . 因为这种只读存储器中的程序要由单片机生产厂制作芯片时为用户固化于片内 .所以只适用于批量极大 .程序要永久性保留且不会修改的场合 8751 片内含有 EPROM 型程序存储器 .用户可以把程序固化在 EPROM 中 .需要修改时 .可用紫外线光照擦除 .然后又写入新的用户程序 .但该芯片价格较 8031 片内没有程序存储器 .外部扩展一片或多片含有用户程序的 EPROM 后 .就相当于一片 8751 因而使用方便灵话 .且价格低廉 .日前是应用最广泛的机型 综上所述 .考虑到 MCS -51 的性能 .选用该系列的 8031CPU作为数控系统的中央处理机外接一片 2764EPROM作为程序存储器 .再选用两片 6264RAM 作为存放调试程序和运行程序的中间数据。 考虑到系统扩展 .为使编程地址统一采用译码法对扩展芯片进行寻址选用74LS138 译码器完成此功能 作为输入 /输出口 (I/U)的扩展 .选用两片 8155 作为系统的输入 /输出扩展 .分别接受键盘 (系统控制而板 )的输入和显示器的输出。 4.2.1 单片机的选择 8031 属 8 位单片机，它是集 CPU , I/O 端口及部分 RAM 等为一体的控制器具有价格低、功能全、体积小、编程灵活性大、开发手段齐全、硬件资源丰富等特点。在国内的经济型数控系统中多数使用 8031 单片机。 8031 芯片内部具有 128 个字节的数据存储器 RAM.内部地址为 OOH 7FH ,CPU 对片内数据存储器有很丰富的操作指令，通过直接寻址或间接寻址方式进行访问。这 128 个字节单元可作为数据缓冲器、堆栈和工作寄存器 .但应用片内nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 18 的 RAM 往往不够，故外接 6264 芯片来扩展 8031 的 RAM 存储器。 8031 是一个无 ROM/EPROM 的单片机，必 须扩展程序存储器，存放控制程序，所以外接了一片 2764 芯片。 8031 本身提供给用户使用的输入、输出口线不够，只有 P1 口和部分 P3 口线用来与外部设备连接，但若处设较多时，不能满足需要，所以在该应用系统中还要在 8031 外接一片 8155 芯片以扩展 I/O 口。 8031 为 40 引脚的双列直插式器件，有 4 个双向 8 位 1/O 口 (Po.o/P1.0).P0.0 口和 P2.0 口作为地址总线使用。 16 位地址总线由 Po.0 口经地址锁存储器 74LS373提供低 8 位 (AoA7)，高 8 位 (A8A15)由 P:口直接提供。 8 位数据总线由 Po.口提供。这样数据总线与地址总线共用， SLE 为地址锁存允许，当送低 8 位地址时，使 ALE有效并锁存到 74LS373 中，当送数据时使 ALE 无效 . 图 4.1 8031 控制的数控系统设计原理图 4.2.2 储存器芯片的选择 2764 芯片是一种高速、容量为 8KB X 8 的 EPROM 存储器电路，读出时间为 250ns，而 8031 选用晶振频率为 6MHz，则读取时间为 480ns 都满足要求。 2764为 28 脚器件，其中 AoA12为 13 位地址线 ,DoD7 为 8 位数据线 .CE 为片选信号，nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 19 低电平有效。 由于 2764 和 6264 芯片都是 8KB X 8,需要 13 根地址线。 AoA7，低 8 位接74LS373 芯片的输出， A8 A12 接 8031 的 P2.0 P2.4, 74LS373 地址锁存器在选通信号ALE 为高电平时直接传送 8031Po 口低 8 位地址。当 ALE 在高电平变低电平的下降沿时，低 8 位地址被锁存，此时， P0 口可用来向片外传送读写效据。 8031 单片机对存储器的片选控制是采用全地址译码法，使用 74LS138 译码器来实现的。 8031的 P2.5、 P2.6、 P2.7口分别与 74LS138译码器的 A,B,C端相联， 74LS138译码器的抽出端 Y1与 6264 的 CE 端相联， Y2 与 2764 的 CE 端相联 .2764 的地址编码是 4000HSFFFH. 6264 的地址编码是 2000H3FFFH. 4.2.3 I/O 接口芯片 8155 芯片是一个通用的接口电路，可以用编程的方式选择其逻辑功能，片内有 256 个字节 RAM . 2 个 8 位 (PA.0PA.7.， PB.0 PB.7)，一个 6 位 (Pc. o Pc. 6)的可编程并行 I/O 口和一个 14 位定时 /计数器。它可直接与 8031 连接，不需增加 任何硬件逻辑，是单片机应用系统中广泛使用的一种芯片，其中 A 口作为控制纵横向步进电机接口， B 口控制主轴正反转，进给速度调整 ,C 口控制回转刀架等。 8279 芯片是一种可编程的键盘、显示接口器件，单个芯片就能完成键盘扫描输人和 LED 显示控制两种功能，能对显示器自动扫描，能识别键盘上按下被的键号，这样可充分提高 CPU 的工作效率，大大减少软件工作量。 8279 与单片机联接无特殊要求，除数据线、 RESET,WR.RD 可直接联接外，CS 与 74LS138 译码器输出线 Y 相联 ;8279 的 IRQ 经反相器与 8031 的中断请求输人线 INT 相联 ;时钟输人端 CLK 与 8031 的地址锁存控制端 ALE 相联。 8279 键盘最大可配置 8X8 个键，实际用了 24 个键。扫描线信号为 SL0SL2:经 74LS138 译码器 (第二片 )轴出的 8 个列选信号，接人键盘列线。键盘行查询只用了 RLoRL7中 3 根回馈线，接人键盘行线。 8279 配置的 8 位共阴极 LED 显示器，其字位线由扫描线 SL0SL2:经译码器、驱动器提供，字段线由 AoA3,BoB3 通过驱动器提供。 由于 8031 单片机片内没有程序存贮器 (ROM )，且只有 256 字节的数据存贮器 (RAM)，远远达不到使 用要求，故选择了两片存贮容量为 8KX8 的 EPROM2764nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 20 作为程序存贮截，一片 8Kx8 的 RAM6264 作为数据存贮器 .这样就组成了一个完整的控制系统， 图 4.2 系统原理图 8031 具有 16 根地址线 (P0 口作为低八位地址， P1 口作为高八位地址 )，这样8031 的寻址空间为 64K. EPROM2764 和 RAM6264 均为 8K x 8 字节，故只需 13根地址线 .而 P。口为地址线和数据线分时复用 (z)，故要连接地址锁存器 .同时由于8031,连接多个 设备，访问不同设备时，需要片选。因而采用译码电路 .具体连接如图 4.3，图中未给出电源线、接地电平及其它管脚。 图 4.3 8031 系统扩展图 4.2.4 8031 与 I/O 口的连接 I/O 口是控制主机与外围设备的通道 .选择 Intel 公司生产的 8155 接口芯片 .8155是可编程的 RAM/ IO 扩展接口电路，它具有 256 个 RAM 单元、 2 个 8 位口、 1个 6 位口、 1 个 14 位的定时 /计数器 8031 与 8155 的连接如图 4.4 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 21 图 4.4 8031 与 8155 的连接 4.3数控系统软件设计 数控系统软件是一系列能完成各种功能的程序的集合，程序采用模块化设计方法，主要包括监控模块 (包括系统初始化、命令处理循环、零件加工程序的输人、零件加工程序的编辑修改、指令分析与执行、系统自检等。 )、插补计算模块、步进电机控制模块、误差补偿模块等。 1、监控模块 系统初始化后系统即进人命令处理程序，对于一般以单片机构成的系统通常采用循环处理程序逻辑作为系统的主程序。在循环程序中 .程序不断扫描键盘及操作面板的操作， 对此操作进行分析后即根据相应的操作命令转人相应的程序模块。 对于经济型数控系统，零件加工程序通常是从键盘输入。输人的数据经数据处理程序将输人的十进制数与指令转换成 BCD 码存于规定的缓冲区，即源程序区。而编辑零件程序可看作一个键盘命令处理程序，和键盘输人可合为一体，既用于从键盘输人新的零件加工源程序，也可在编辑状态下 .对已输人的零件加工程序中的命令、数据进行编辑和修改。 数控系统要对输人的指令进行分析，并根据分析结果执行相应的操作。诊断程序用子检测系统硬软件功能的正确性，找出系统故障的位置，并指出故障类型。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 22 2、插补计算模块 数控系统根据工件加工程序中提供的数据。如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲这个过程即为插补运算。进给脉冲通过伺服驱动工作台或刀具作相应的运动，完成程序的加工任务。 机床数控系统是一边插补进行运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式 .所以，插补运算的快慢直接影响机床的进给速度，因此应尽可能缩短运算时间，这是编制插补运算程序的关键。 3、步进电机控制模块 8031 控制步进电机的驱动程序，不仅可用程序代替可变频率脉冲源和环形分配器等配件，还很容易用程序 实现步进电机升降速控制等功能。 4、误差补偿模块 经济型数控机床的加工误差是必然存在的，但只要对引起加工误差的各个环节的定量关系清楚，就可以在编程中引人修正值，调整进给脉冲，达到减少和消除部分误差的作用，这就是误差的软件补偿。 4.3.1 直线插补程序的设计 1、逐点比较法的步骤：偏差判别、坐标进给、偏差计算、终判别。 2、程序设计 第一象限直线插补的程序如下： ORG 2000H MAIN： MOV SP， #60H； LP4： MOV 28H， #0C8H； Xe MOV 29H,#0C8H;Ye MOV 2AH,#00H;X nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 23 图 4.5 逐点比较法直线插补框图 MOV 2BH,#00H;Y MOV 2EH,#00H;F MOV 70H,#0AH LP3: MOV A,2EH JB ACC.7,LP1 MOV A,70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H,A LCALL MOTR; LCALL DELAY MOV A,2EH SUBB A,29H;F-Ye 初始化 Fm=0? Y 方向进给 X 方向进给 Fm=Fm+Xe Y=Y+1 Fm=Fm-Ye X=X+1 X=Xe? (Y=Ye) 返回 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 24 INC 2AH;X+1 AJMP LP2 LP1: MOV A,70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR; LCALL DELAY MOV A,2DH ADD A,28H;F+Xe LP2: MOV 2EH,A MOV A.28 CJNE A,2AH,LP3;Xe=X? RET nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 25 4.3.2 圆弧插补程序的设计 图 4.6 第一象限逆圆插补程序框图 第一象限逆圆插补程序如下： XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H XeL EQU 1AH XeH EQU 1BH YeL EQU 2AH 初始化 Fm=0? -X 向进给一步 +Y 向进给一步 F=F-2X+1 X=X+1 F=F+2Y+1 Y=Y+1 X=Xe? (Y=Ye) 返回 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 26 YeH EQU 2BH FL EQU 2CH FH EQU 2DH ORG 2400H MAIN: MOV SP,#60H; MOV 70H,#08H; MOV XL,#80H;XL MOV XH.#0CH;XH MOV YeL,#80H;YeL MOV YeH,#0CH;YeH MOV Xe,#00H;YeL MOV XeH,#00H;XeH MOV YL,#00H;YL MOV YH,#00H;YH MOV FL,#00H;FL MOV FH,#00H;FH LP3: MOV A,FU JNB ACC.7,LP1 MOV A,70H SETB ACC.2 CLR ACC.0; LCALL MOTR; MOV R1,#28H; MOV R0,#1CH; MOV R7,#02H; LCALL MULT2;2*Y ADD: CLR C MOV A,FL ADDC A,1CH nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 27 MOV FL,A MOVA,FH ADDC A,1DH;F+2Y MOV FU,A CLR C MOV A,YL ADD A,#01H MOV 28H,A MOV A,YH ADDC A,#00H MOV YH,A CLR C MOV A,FL ADD A,#01H MOV FL,A MOV A,FH ADDC A,#00H MOV FH,A;F=2Y+1 AJMP LP2 LP1: MOV A,70H SETB ACC.0 MOV 70H,A; LCALL MOTR MOV R1,#18H;XL MOV R0,#1CH MOV R7,#02H LCALL MULT2;2*X SUB: CLR C MOV A,FL nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 28 SUBB A,1CH MOV FL,A MOV A,FU SUBB A,1DH MOV FH,A;F-2X CLR C MOV A,XL SUBB A,#01H MOV XL,A MOV A,XH SUBB A,#00H MOV XH,A;X-1 CLR C MOV A,FL ADD A,#01H MOV FL,A MOV A,FH ADDC A,#00H MOV FH,A;F-2X+1 LP2: MOV A,YH CJNE A,YeH,LP3A;YH=YeH? MOV A,YL CJNE A,YeL,LP3A;YL=YeL? LP3A: AJMP LP3 ORG 2500H MULT2: PUSH PSW; PUSH A PUSH B CLR C nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 29 MOV R2,#00H SH1: MOV A,R1 MOV B,#02H MUL AB POP PSW ADDC A,R2 MOV R0,A INC R0 INC R1 DJNZ R7,SH1 POP B POP PSW PET 4.4 操作面板显示 CA6140 型数控车床的面板位于机床的左侧主轴箱是前方，由上、下两部分组成，上部分为数控系统操作面板，下部分为车床操 作面板。 1、数控系统操作面板 CA6140 型数控系统操作面板如图所示。它是由 CRT 显示屏和 MDI 键盘两个部分组成的。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 30 图 4.7 数控系统操作面板 CRT 显示屏 CRT 显示屏用于显示车床的加工程序、各种参数和状态。如显示当前刀尖点坐标，输入到数控系统中的指令数据，刀具补偿量值、模拟显示信息等。 MDI 键盘 (1)地址 /数字键区：该区域各键用于输入地址、数值和符号。 (2)功能键区：该区域各键用于选择数控车床的各种操作功能。 位置键（ POS）用 于显示当前数控车床刀尖的位置。 程序键（ PROG）用于显示程序及设定编辑程序状态。 偏置键（ OFFSET-SETING）用于设定和显示刀具的偏置量和宏程序变量。 系统键（ SYSTEM）用于系统参数和显示，以及自诊断数据的显示。 自定义图形（ CUSTOM GRAPH）用于显示用户宏程序屏幕和用于模拟显示加工程序的刀路图形。 上档键（ SHIFT）用于切换地址 /数字键区各键的输入功能。 修改键（ ALTDR）用于对编辑状态下的指令进行修改。 信息键（ MESSAGE）用于显示信息屏幕。 (3)翻页键（ PAGE）：该位 置的两个键用于将屏幕显示的页面进行整页更换，按下上面的翻页键，屏幕向前翻页，按下下面的键，屏幕向后翻页。 (4)光标移动键：该位置有 4 个键，分别用于水平左右移动光标，以及竖直上下移动光标。 (5)复位键（ RESET）；当系统因超程、操作不当、编程出错等原因出现报警时，用此键来解除报警状态。 (6)帮助键（ HELP）：用于显示系统帮助信息。 (7)程序编辑键区；该区的各键用于数控加工程序的编辑。 取消键（ CAN）用于取消最后一个进入缓存区的字母、数字或符号。 输入键（ INPUT）用于输入参数和刀具补偿值等。 删除键（ DELETE）用于删除程序中的代码。 插入键（ INSERT）用于编辑程序时的确认输入，以及修改程序时在光标位置插入程序。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 31 2、操作面板 1、急停开关； 2、功能方式旋钮； 3、进给倍率旋钮； 4、手揭脉冲发生器； 5、手动方向按钮； 6、主轴按钮； 7、辅助功能按钮； 8、加工设置按钮； 9、辅助控制按钮； 10、系统开关； 11 程序保护锁 CK6136 数控车床操作面板 急停开关：为红色蘑菇头状按钮。 1、 方式旋钮： PEF 即参考点方式、 EDIT 方式即程序编辑方式、 MID 方式即手动数据输入方式、 JOG 方式即手动连续 进给方式、 HND 手轮方式、 MEM即自动运行方式。 2、 进给倍率旋钮：此旋钮用于设置进给速度的倍率和快速进给的倍率，在手动方式、 MDI 方式和自动方式均生效。 3、 手摇脉冲发生器：手摇脉冲发生器只在功能方式旋钮置于 HND时才有效。 4、 手动方向按钮及快速叠加键按钮 5、 主轴按钮：主轴正转按钮、主轴停止按钮、主轴反转按钮。 6、 辅助功能按钮：冷却控制开关（ COOL）、刀盘转位开关（ TOOL）。 7、 加工设置按钮：单段按钮（ SBK）、在线加工按钮（ DNC）。 8、 辅助控制按钮：循环暂停按钮、循环启动按钮、 M01 有效按钮。 9、 系统开关：启动按钮（ ON）、关闭按钮（ OFF）。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 32 4.5 键盘及显示器接口设计 键盘是若干个按键组成的开关矩阵，它是单片机最简单的输入设备 .其工作原理如图 4.9. 图 4.9 键盘的工作原理 图 4(1)中，控制信号 =“ 0”则开放，可对键识别 :当键松开，测试信号 =1,当键闭合，测试信号 =“ 0”。 控制信号 =I，禁止，不能对键进行识别 . 控制系统如果要确认是否有键闭合，可以通过扫描的方式完成 . 图 4(2)中，列线 X2 相当于控制信号，行线 X3 相当于测试信号 . 数控 系统中使用的显示器主要有 LED(发光二极管显示器 )和 (液晶显示器 )，也有采用 CRT 接口显示方式 .我们选择 LED 显示器，通常它是由 8 个发光二极管组成，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符 . . nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书
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