机械数控机床毕业设计6C6132E1原车床基础上进行数控改造.doc
机械数控机床毕业设计6C6132E1原车床基础上进行数控改造
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机械数控机床毕业设计6C6132E1原车床基础上进行数控改造,机械毕业设计论文
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西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 1 页 共 47 页 前 言 数控机床是综合应用微电子，计算机自动控制，自动检测等先进技术的新型机床 。它适宜加工小批量，高精度，形状复杂，生产周期要求短的零件，具有高柔性，高精度，高效益等特点。 随着现代工业的飞速发展，社会生产力取得了巨大的发展，要求制造技术向自动化及精密化前进，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高生产率的要求。 数控机床成为机械工业重要的基础装备，其水平和拥有量已经成为衡量国家制造能力和综合国力强盛的重要标志之一， 数控机床的发展态势 相当不错 。 目前我国数控机床的数量和品种，尚不能完全满足国内市场需求。自 2000 年以来，我国数控机床年产量以平均 37%的速度增长， 2003 年国产数控金属切削机床年产量达到 36000 多台。但是，由于进口机床的大量涌入，国产金 属 切 削 数控机床在国内市场的占有率却明显下降。2003 年，我国国内机床总消费为 67.3 亿美元，其中进口机床 41.3 亿美元，已经连续 3年成为世界最大的机床进口国。 要是我们能改进自己的机床的技术含量， 发展数控改造，可见 节省不小的一笔消费，所以 我国的数控机床的市场前景很乐观 。面临着前所未有的发展机遇。 首先，世界制造业开始向中国转移，中国已经成为吸引外资最多的国家。据 有关报道，截至 2004 年 10 月底，全国累计引进外资合同金额 10621 亿美元，实际使用外资 5553亿美元，机床行业三资企业已有 300 多家，约占全行业企业总数的 14%。 2004 年，中国外贸总额可达 11000 亿美元，在全球贸易座次排定中直超日本，成为仅次于美国、德国的全球第三贸易国，其中机电产品进出口可望达 6000 亿美元。去年 111 月，我国金属加工机床出口 4.8 亿美元，同比增长 41.47%。 其次，国内金属加工机床市场需求持续高速增长。由于受固定资产投资连续几年快速上升的拉动，国内机电装备市场需求持续以 30%左右的速度增长，振兴装备制造业带动了机床市场需求 30%以上的增长。我国汽车工业、高新技术产业、国防军工、民营企业成为机床的需求大户。中西部开发、东北等老工业基地振兴、东南沿海的快速发展，为机床工业打开新的市场。自 2002 年以来，我国已经成为世界第一机床消费大国。 第三，经济全球化为我国机床工业发展提供了国际合作、引进技术、资源重组的机遇。当前，我国有实力的机床集团已走出国门，进入世界机床产业舞台。大连、沈阳、秦川、上海等机床集团已经兼并收购了 7 家美国、德国世界一流的机床企业，壮大了中国机床工业的实力。 第四，中国机床工业经过多年发展，特别是近几年快速发展，已经积累了一定的产业和技术基础。目前，机床行业重点企业大都生产任务超负荷，一线工人连续上班，甚至节假日加班，有的企业用户订货合同已远远超过生产能力，我国机床行业的供销形势反映了加快发展的紧迫性。 目前数控机床改造 具有广阔的市场。此项技术 在国外已经发展成一个新兴的工业部门，早在 60 年代已经开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务。 从美国，日本，德国等工业化国家的经验看，机床的数控改造是必要的，迫切的， 用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机 床和生产线数控改造的新的行业。 此类改造机床所占比例还不小，如日本的大企业中有 26%的机床经过数控改造，中小企业则是 74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控改造业务 。 nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 2 页 共 47 页 从我国国情来看，发展数控改造更是必然的趋势。 我国在普及应用数控技术方面近几年来取得了很大的进展，从计算机数控（ CNC）发展到直接数控 （ DNC） 并能独立设计和制造机械加工中心及柔性制造系统（ FMS） 。 然而我国具有机床拥有量大，工业规模小的特点 ，以下是一系列数据，足可以看出我国的具体情况： 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 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、成本高、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。 然而要想在进几年内用自动化和精密设备更新现有机床，不论是资金还是我 国 机床制造厂的能力都是办不到的 ，还造成资源的浪费 。 解决问题的关键就在于用尽量少的资金迅速改变机械工业落后的生产面貌， 使之尽可能地提高自动化程度 ，保证加工质量，减轻劳动强度，提高经济效益。而实现这一任务 的 有效途径就是 普及应用经济型数控机床，并对原有机床进行数控改造。 从改造应用的效果来看， 这是个不错的选择，通过改造的机床 所 加工的零件 比普通机床 的精度高，尺寸一致性好 。实践证明普通机床的数控改造 适 合我国的经济水平，教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造的主要方向之一。通过改造设计，使普通机床既满足技术性能的要求，又能获得最佳的经济效益。 何乐而不为呢？ 本 课题是典型的机电一体化设计题目， 可以培养自己 初步树立正确的对机电一体化产品的设计能力。一方面可使 自己 进一步加深对所学理论的认识，另一方面 可 在老师的指导下，学会运用所学知识去分析和解决一些实际问题，学会应用手册、标准、规范等资料 。 做此设计主要应该解决的问题就是 对机械传动系统的设计和数控系统硬件的设计，这也是此设计的难点。 通过改造设计，使普通 车 床既满 足技术性能的要求，又能获得最佳的经济效益。这就是我做此设计的原则。 通过此毕业设计环节的锻炼力争能把以前所学的知识融会贯通，从而达到温故而知新的目的，提高自己解决实际工程课题的能力 。 本次设计由于时间有限， 再加上我的水平有限，难免有些不足之处， 敬请老师，同学批评指正。 编者： 年月 nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 3 页 共 47 页 第一章 总体方案的设计 本设计是 在原车床基础上进行数控改造， 与机床的设计不同，它是围绕某一台机床进行工作，原机床的主要结构不变 ， 将主运动与进给运动脱开。 进行机床改造的技术设计 ，主要进行机械传动系统的设计 和微机控制的硬件电路设计 。 C6132E1 车床主要用于对小型轴类，盘类以及螺纹零件的加工，数控化改造后应该具备的工作性能有： （ 1） 实现主轴正反转和齿轮变速 （ 2） 刀架能实现纵向和横向的进给运行，能自动改变 4 个刀位，完成刀具的选择 （ 3） 冷却泵，润滑泵的启停 （ 4） 加工螺纹时，应该保证主轴旋转一圈， 刀架移动一个螺距 （ 5） 为提高加工精度设置硬件回参考点方式 （ 6） 在两轴的正，反向极限位置设置硬件限位保护 目前可以选择的数控系统主要有 3 种类型： （ 1） 步进电动机拖动的开环控制系统。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠 ，成本低，易改装成功。 以下是 该系统的示意图： （ 2） 交 /直流伺服电动机拖动，光栅测量反 馈的闭环数控系统。闭环系统在结构上比开环系统复杂，成本高，设计和调试也难，但可以获得比开环系统更高的精度，更快的速度，更大的驱动功率的特性指标。 以下是该系统的示意图： 齿轮装置电 机工 作 台nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 4 页 共 47 页 （ 3）交 /直流伺服电动机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。半闭环系统的精度比闭环系统低，但它的结构和调试较闭环系统简单。 半闭环与闭环的示意图相比，只是将测量装置设置在丝杠上，此处就不再 绘制该示意图。 经过 综合 比较， 考虑到经济性问题， 我选用步进电机的开环控制来进行改造设计。 下面看开环控制系统的结构和工作原理： 进 给 脉 冲加 减 脉 冲分 配 电 路加 减 速 电路环 形 分 配器功 率 放 大 器步 进 电 动 机机 床 工 作 台脉 冲 混合 电 路正 向负 向加减上图中，驱动控制线路接收来自数控机床控制系统的进给脉冲信号， 并把此信号转换成控制步进电机各定子绕组依次通电，断电的信号 ，使步进电机运转。步进电机的转子经减速装置与丝杠连接在一起，带动丝杠转动，使工作台移动 。 首先来看对工作台位移量的控制，数控系统 发出 N 个进给脉冲，经驱动控制线路后，控制机电 机测 量 装 置机 床nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 5 页 共 47 页 变成控制步进电机定子绕组通，断电的电平信号，使步进电机定子绕组的通电状态变化N 次。 由步进电机的工作原理可以知道，定子绕组通电状态的变化次数 N，决定了步进电机的角位移 ， N 。该角位移经丝杠螺母机构之后转变为工作台的位移量 L。即工作过程为：进给脉冲的数量（ N） 定子绕组通电状态变化次数（ N） 步进电机的转角（ ） 工作台的位移量（ L）。 再看对工作台进给速度的控制，数控系统 发出的进给 脉冲频率 f，经过驱动控制线 以下是一些常用传动部件的功能介绍： 基本功能 传动部件 运 动 的 变 换 动 力 的 变 换 形式 行程 方向 速度 大小 形式 丝 杠 螺 母 齿 轮 带，带轮 凸 轮 机 构 蜗 轮 蜗 杆 综合考虑，我选用 丝杠螺母副和齿轮来实现该改造设计的传动 。 丝杠螺母副是属于 螺旋传动机构的，共有 3 种类型 ：滑动丝杠螺母，滚珠丝杠螺母和液压丝杠螺母 。在经济型数控机床中，螺旋传动主要用来实现精密进给运动，并广泛采用滚珠丝杠副传动机构。 滚珠丝杠副传动是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母之间放入适当数量的滚珠，这些滚珠作为中间传动件，使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种传动装置 。 它的显著特点 如下： 传动效率高（ 0.92 0.96）， 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）， 摩擦损失小， 因此功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的 1/4 1/3。 给予适当的预紧，可以消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区 ，定位精度高，刚度好。 启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。 有可逆性，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可以作为主运动件。 磨损小， 使用寿命长，精度保持性好。 制造工艺复杂，滚珠 丝杠和螺母元件的加工精度要求高，表面粗糙度值特别小，nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 6 页 共 47 页 故制造成本高。 不能自锁，特别是对于垂直丝杠，由于重力的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需要添加制动装置。 由以上这些特点，可以看出，用滚珠丝杠来改造原机床的传动系统，应该没有问题，能满足 性能上的要求。 由以上分析得出设计的总方案如下所示： 横向，纵向进给系统 都 进行开环控制，纵向脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为 0.005mm/脉冲。驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，微机对数据进行处理后，由 I/O 接口输出步进脉冲，放 大后驱动电机步进， 经一级齿轮传动后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向，横向进给运动，继而自动加工出所需的零件。 刀架采用自动转位刀架， 其具有重复定位精度高，刚性好，寿命长等特点 。 由微机来实现刀架的自动控制。 微机对原机床进行辅助功能控制，包括主轴正转，反转， 报警， 急停 ，冷却泵开停。主轴变速仍保留原机床机械调速方式 为保证车削螺纹，可在主轴后侧加装脉冲编码器，以反馈主轴的转速信号至微机，用它发出的脉冲来保证主轴旋转运动与纵向进给运动的相互联系 。 第二章 机械部分改造设计与计算 第一节 ： 纵向进给系统的设计与 计算 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端，对车床改造来说，外观不必象产品设计要求的那么高，而从改造方便，实用方 面考虑，一般将步进电机放在纵 向丝杠的右端。纵向进给系统的设计计算 如下： 有已知条件如下 ： 工作台重量 ： W 300 kg 3000 N 时间常数 ： T=25 ms 滚珠丝杠基本导程 ： L0 6 mm 行程 ： S=700 mm 脉冲当量 ： p=0.01 mm/step nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 7 页 共 47 页 步距角 ： 0.75o/step 快速进给速度 ： Vmaax 4 m/min 2.1.1，切削力计算 ： 由机床设计手册可知，切削功率： NC N K 式中 N: 电机功率，查机床说明书 N 4 KW ：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 NC 4 0.65 0.96 2.496 KW 取 NC 2.5 KW 又因为 NC6120ZF FZ C6120N式中 切削线速度 取 100 m/min 则主切削力 FZ100 5.26120 153 1530 N 由金属切削原理可知，主切削力 F CfzapXfzfYfz kfz 查表得 Cfz 164 / 2 1640 Mpa (选用车碳素结构钢 45，硬度为 187 227的参数 ) XFZ 1 , YFZ 0.84 , kfz 1 当切削走刀量 f 0.3 mm/r ,切削深度 ap 2.6 mm , 取 ap 3 mm 以此参数作为下面计算的依据 从机床设计手册中可得知，在一般外圆车削时 FX = (0.1 0.6) FZ FY = (0.15 0.7) FZ 故可取 FX 0.5 FZ 0.5 1530 765 N (FX即为纵向切削力 ) FY 0.6 FZ 0.6 1530 918 N 2.1.2，滚珠丝杠设计计算 ： 滚珠丝杠副的参数有如下这些： 公称直径 d0， 它是滚珠丝杠副的特征尺寸，公称直径越大，承载能力和刚度越大， 推荐滚珠丝杠副的公称直径应该大于丝杠工作长度的 1/30。数控机床常用的进给丝杠的公称直径为 30 80 mm。 导程 L ，丝杠相对于 螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。 基本导程 L0，丝杠相对于螺母旋转 2 rad时，螺母上的基准点的轴向位移。基本导程先按照承载能力选 取 后验算步距，以满足单位进给脉冲的步距要求，再验算螺旋nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 8 页 共 47 页 升角，以满足效率要求。 接触角 ，在螺纹滚道法向剖面内滚珠球心与滚道接触点的连线 和螺纹轴线的垂直线之间的夹角，理想的接触角等于 45。 滚珠直径 db，滚珠直径应该根据 轴承厂提供的尺寸选用。滚珠直径大，则承载能力也大， 但在导程已经确定的情况下，滚珠的直径受到丝杠相邻两螺纹间过渡部分最小宽度的限制，一般情况下，滚珠直径 db 0.6L0,将算出的值按照滚珠直径标准尺寸系列圆整。 滚珠的工作圈数，试验表明，在每一个循环回路中，各圈滚珠所受到的轴向负载 是不均匀的， 第一圈滚珠承受总负载的 50左右，第二圈约承受 30，第三圈约为20，因此滚珠丝杠副中的每个循环回路的滚珠工作圈数取为 2.5 3.5 圈，工作圈数大于 3.5无实际意义。 滚珠的总数 N，一般 N不超过 150个，若 设计计算时超过规定的最大值，则因流通不畅容易产生堵塞现象， 出现这种情况时，可将单回路式改为双回路式或加大滚珠丝杠的名义直径或加大滚珠直径 db来解决。 反之 ，若工作滚珠的总数 N太少，将使得每一个滚珠的负载加大，引起过大的弹性变形。 除了上面介绍的这些参数外，还有丝杠螺纹大径，丝杠螺小径，螺纹 全长，螺母螺纹大径，螺母螺纹小径 等参数。 对于滚珠丝杠副的精度 ，查机械工业部标准 JB3162.2 82 滚珠丝杠副精度 的规定，可以知道按照使用范围及要求可分为 6个精度等级，即： C， D， E， F， G， H级，其中 C级的精度等级最高， 在我的设计中，我选用 E级精度的丝杠。 综合导轨车床丝杠的轴向力 P K FX f ， (FZ W) K:考虑颠覆力矩影响的实验系数 式中 K=1.15, f ， =0.15 0.18，取 f ， 0.16 （导轨上的摩擦系数） 则 P=1.15 765 0.16（ 1530 3000） 1604.55 N 取 P 1605 N 1） 强度计算： 寿命值 Li6 ii10T n 60,ni0Lfn主 01000DLf 取工件直径 D 100 mm ，查表得数控机床使用寿命 Ti 15000 h 则 ni610014.3 3.01001000 15.92 r/min 取 ni 16 r/min (丝杠转速 ) nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 9 页 共 47 页 Li610150001660 14.4 （以 106 r为一个单位） 最大动负载 Q3 Hw f f P L 查表取 运转系数 fw 1.2 （一般运转） 硬度系数 fH 1.0 （ HRC 58） Q = 3 16 0511.214 .4 4685.7 N 此时可选择山东济宁机床厂得 CM 系列，滚珠丝杠直径选为 32 mm，型号为CM-3206-2.5-E2表示为：外插管式，公称直径为 32mm，基本导程为 6，承载滚珠圈数为2.5， E级精度，检查 1 2项， 右 旋，其额定动载荷是 14022 N, 强度足够 另外滚珠丝杠副再负载时，其滚珠与滚道面接触 点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回，这种空回是非连续的 ，既影响传动精度，又影响系统的稳定性。设计中，我选用双螺母 螺纹 预紧 ，其结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。 2），效率计算：根据机械原理得公式，丝杠螺母副得传动效率为 )tg( tg 式中摩擦角 可计算为 arctgf,其中 f为滚珠丝杠副得滚动摩擦系数， f=0.003 0.004 =arctg0.003 0.004 取 12 螺旋升角由手册得 3o25 则： =)12253( 253 tg tg 0.945 3） ，刚度验算： 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程变化量 L1EFPL0式中 L0 6 0.6 ，钢的弹性模量 E 21 106N/ 2 F：滚珠丝杠截面积（按内径算） F 22d 14.322894.2 2 6.284 2 P: 工作负载 ，此处 P=1605 N nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 10 页 共 47 页 则有： L1 26 22894.214.310216.01605 7.297 10 6 滚珠丝杠受扭矩 引起的导程变化量 L2很小，可以忽略，即 L L1 导程变形总误差为：0100LL 6.0 10297.7100 6 =1216.17 10 6 /m 12.16 m/m 查表知 E级精度丝杠允许的螺距误差为 15 m/m，故刚度足够 4），稳定性验算： 由于机床原丝杠直径为 30 mm，现选用丝杠直径为 32 mm。螺母座，丝杠的轴承及其支架等刚度不足将严重 影响滚珠丝杠副的传动精度 。滚珠丝杠常用推力轴承支承，以提高 轴向刚度，在轴向负载小的时候，可以选用角接触球轴承 支承 ，分析该系统，我就选用 角接触球轴承来支承丝杠 ，两端都安装角接触 球轴承 ， 这样 丝杠不会发生失稳现象 ，稳定性不存在问题。 纵向轴承选 7205C型， 参数如下： d 25 mm， D 52 mm ， B 15 mm 第二节 横向进给系统的设计计算 第三章 步进电机的选择 步进电机也叫脉冲电机，是将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的 电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件 。当给步进电机一个电脉冲信号时，步进电机便转动一个步距角，如果按照一定的规律给步进电机 一串连续的脉冲信号，步进电机就一步一步地连续旋 转。 步进电机具有如下的特点， 位移量与输入电脉冲数有严格的对应关系 ，步距误差不会积累。 稳定运行时转速与控制脉冲的频率有严格的对应关系。 控制性能好，在一定的频率下，能按照控制脉冲的要求快速启，停和反转。改变控制脉冲频率，电动机的转速就随着变化，并可在很宽的范围内平滑调节。 控制系统简单，工作可靠，成本低， 但其控制精度受到步距角的限制。 步进电机按照工作原理可以分为：反应式，永磁式，永磁感应式，机械谐波式，电nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 11 页 共 47 页 磁谐波式 滚齿式以及若干混合式等。在经济型数控机床中，目前使用广泛的是反应式功率步 进电机。 所以我的设计也选用该类型的步进电机来实现控制。 为了使步进电机正常运行，正常启动并满足对转速的要求，启动力矩选取时应该满足 ： Mq)5.03.0( 0ML1） 纵向进给系统的步进电机的力矩 Mq4.0 86.428 1072.15 N. 为了满足最小步距要求，电动机选用五相十拍工作方式，查表可知 jmqMM 0.951， 所以：步进电机最 大静转矩 Mjm951.0 qM 951.0 15.1072 1127.4 N.cm 另外，因为步进的启动频率会随着负载力矩和转动惯量的增大而 降低， 所 以相 应的负载力矩和转动惯量的极限启动频率应该满足 ： ft f0p m 式中 ft：极限启动频率， f0p m: 要求步进电机最高启动频率 步进电机最高工作频率 ： fmaxp60max01.0604000 6666.7 HZ 综合考虑，查表选用 150BF002型直流步进电机，能满足使用要求。 以下是该型号电机的各参数： 型 号 步 距 角 ( ) 最大静转距 (N.cm) 最高空载启动频率 (step/s) 运 行 频 率 相数 电 压 (V) 相 电 流 (A) 外 径 长 度 轴 径 150BF002 0.75/1.5 1380 2800 8000 5 80/12 12 150 155 18 2） 横向进给系统的步进电机的确定： nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 12 页 共 47 页 Mq4.0679.76 191.7 N. 电机选用三相六拍工作方式，查表知道：jmqMM 0.866 步进电机最大静转矩： Mjm866.0 7.191 221.4 N. 步进电机最高工作频率 ： fmaxp60max005.0601000 3333.3 HZ 故可以选用 110BF004 型号直流步进电机。 以下是该型号步进电机的参数 表： 型 号 步 距 角 ( ） 最大 静转 距(N.cm) 最高空 载启动 频率 (step/s) 相 数 电 压 (V) 相 电 流 (A) 外 径 长 度 轴 径 110BF004 0.75/1.5 500 500 3 30 4 110 112 11 在此我将整个机械部分改造的重要数据 列表如下： 项 目 名 称 纵向（ X轴） 横向（ Z 轴） 进给电机型号 150BF002 110BF004 进给电机的主要参数 步距角 0.75， 5相 10拍 步距角 0.75， 3相 6拍 进给轴转距 1127.4 N.cm 221.4 N.cm 滚珠丝杠型号 CM32-06-2.5 CM20-04-2.5 丝杠额定 负荷 14022 N 6017 N 计算丝杠最大动载荷 4685.7 N 1982.2 N E 级丝杠允许的螺距误差 （ m/m） 15 15 计算丝杠所得的受载导程变化量 （ m/m） 12.16 14.87 nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 13 页 共 47 页 减速箱参数 减速比 i 5/4，模数 m 2 Z1 24,Z2 30 减速比 i 5/3,模数 m 2，Z1=24,Z2=40 折算到电机轴上的转动惯量 （ . 2） 11.07 4.21 第四章 数控系统的硬件与 接口 电路设计 数控微机系统的硬件主要是由一个含有 CPU的微机芯片，扩展部分，外设配置三部分组成 ，其中微机芯片是系统的核心部分，扩展部分包括有 :程序存储器和数据存储器及 I/O接口，定时中断系统等，而外设配置部分包括：键盘，显示器等。 数 控系统硬件框图如下所示 ： 第一节 单片机的选择 在我的 设计 中我选用目前使用最广泛的 MCS-51系列单片机的 8031 芯片。 程序存储器的寻址空间为 64KB，当其访问外部程序存储器时，由 P2口送出地址的高8位 ， P0口则作为分时数据 /地址双向总线，分别用于输出地址的低 8位和输入指令 。 以下 是 对 核心部分 8031芯片 的 详细介 绍， 在此通过了解 8031 的引脚，来认识改芯片的使用规则 。 CPU 存储器 RAM/ROM I/O 接口 信号变 换 控制对象 外部设备 nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 14 页 共 47 页 V c c V s s端 口 0端 口 1端 口 28 0 3 1P 0 . 0 P 0 . 7P 1 . 0 1 . 7P 2 . 0 2 . 7X T A L 1X T A L 2E A / V p pP S E NA L E / P R O GR S T / V D P1） Vcc和 Vss为主电源引脚，接线时 Vss 接地， Vcc接 5V电源 2） XTAL1 和 XTAL2 为 接晶体引脚 3） RSR/VDP(复位引脚 ) ， ALE/ PROG , PSEN (程序存储器选通信号，低电平有效 ) ， EA /Vpp 为控制引脚。 4） ALE/ PROG 引脚为地址锁存元件输出 /编程脉冲输入端 。 当 ALE 为高电平时， P0 口端 的低 8 位地址，通 过 ALE 信号锁存。 5） EA /Vpp 位内部 ROM 和外部选择端， EA 端为高电平时，访问内部 程 序存储器， EA 为低电平时，访问外部程序存储器。 6）端口 0， 1， 2 为输入输出端 ，连接其他芯片的地址和数据端口。 在设计中，将 P0 口作为数据总线和访问外部存储器时的低 8 位地址， P2 口为高 8 位地址， P1 口用作控制端口。 第二节 扩展部分设计 与选择 第三节 外设接口芯片设计 与选用 第四节 环形分配 器的选用 第五节 光电隔离电路的设计 nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 15 页 共 47 页 第六节 功率放大电路的设计 第七节 其他 电路设计 第五章 软 件 设 计 软件设计采用模块化设计，主要包括主模块，子程序模块和定时中断模块 。主模块主要完成 初始化和监控，初始化应该包括 PIO,CTC 的初始化，键盘缓冲区，显示缓冲区的初始化。 监控主要包括键盘管理和显示管理子程序 和对输入数据的处理 ， 均可调用原监控程序中的 键盘管理和显示管理。功能子模块包括 插补，步进电机控制 功能子模块 ，并可调用原监控程序中的许多子程序。 中断模块包括急停中断模块，报警中断模块等。以下是 各 个模块的介 绍 。 首先看主模块的流程图： nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 16 页 共 47 页 调 键 盘 扫 描 子 程 序初 始 化是 否 有 功 能 键 按下 ？调 各 功 能 子 程 序 模 块由 标 志 位 值 修改 显 示 缓 冲 区数 据调 显 示 子 模 块NY 数控系统在复位后，系统的各个部分处于随机状态， 首先进入初始化程序， 此程序首先对各个必须有初始值的寄存器，内存单元进行初始化， 再 对 各个接口芯片进行初始化，在系统没有别的工作时， CPU 就监控键盘，送相应的显示。 不同的工作方式对键盘的监控不一样，显示也 不 一样。 由于有手动，自动，编辑等多种方式，所以首先要进行方式选择，以下是 选择框图： nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 17 页 共 47 页 复 位初 始 化方 式 改变 ？手 动 键 按下 ？方 式 改变 ？手 动 键 服 务方 式显 示 及 键 盘扫 描键 服 务方 式 改变 ？运 行 键 按下 ？自 动 运 行有 键 按 下 ？编 程Y手 动YNNYN自 动键盘 处理及显示程序， 是 根据微机控制系统的硬件结构设计而定的，因为前面有介绍，设计中选用芯片 8279 来实现键盘和显示， 所以控制程序也应该用 8279 专用的管理方式 ， 首先也应该 对 8279设计初始化程序。框图见下： 指 向 命 令 口地 址送 清 除命 令 字读 出 状 态 字清 除 ？置 分 频 系 数开 中 断YN初始化程序如下： MOV DPTR， 7FFFH ；指向命令状态口 nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 18 页 共 47 页 MOV A ,#0DFH ；清除命令 MOVX DPTR， A ；命令字送入 WAIT: MOVX A， DPTR ；读入状态字 JB ACC.7， WAIT ；清除等待 MOV A， 00H ；键盘 /显示器工作方式 MOVX DPTR， A ；命令送入 MOV A， 32H ；程序时钟分频，对 ALE10 分频 100KHZ MOVX DPTR， A ；命令送入 以下 是 将 8279芯片键盘 处理程序 放在中断服务程序中的 框图： 保 护 现场指 向 命 令 口设 置 F I F O R A M 命 令 字指 向 数 据 口读 键 码查 键 值AA查 到 ？显 示 子 程 序键 处 理 程 序恢 复 现场中 断 返 回NY按照上图写出的程序如下所示： PUSH PSW ；保护现场 MOV A， #40H ； 设置读 FIFO RAM命令 MOVX DPTR， A ；命令送入 MOV DPTR,#6FFFH ；指向数据口 地址 MOVX A， DPTR ；读入键码 MOV B， A ；将 A中的数据放入 B中 MOV R1， 00H ；给 R1清零 MOV DPTR， #KEYCODE ；将键值表的首地址送入 DPTR KEYCODE： CLR A ；查键值 nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 19 页 共 47 页 MOVC A,A+DPTR CJNE A,B,NOKEY AJMP FOUNDKEY ；数字键处理 NOKEY: INC DPTR ；还没查到键值， DPTR 指向表中的下一个键值 INC R1 ； R1中的数据加一 AJMP KEYLOOP FOUNDKEY: MOV 30H， R1 ；把查到的数据放入到 30H 中 ACALL SHOW ；转到显示子程序 LJMP KEY1 ； 转入 KEY1的键值处理程序 POP PSW ；恢复现场 RET1 ；中断返回 具体键值处理子程序框图如下所示： 8 2 7 9 键 盘 中 断 程 序送 读 F I F O 命 令至 8 2 7 9从 F I F O 中 读 取 键 值送 A命 令 键数 字 键数 字 键 处 理中 断 返 回命 令 键 处 理 字 符 键 处 理YNNY另外， 8279的显示子程序框图 如下所示： nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 20 页 共 47 页 指 向 命 令 口地 址送 显 示命 令指 向 数 据 口地 址字 段 码 送 显示 R A M取 显 示数 据显 示 结束 ？返 回YN显示子程序如下所示： DISPLAY: MOV DPTR， #7FFFH ；命令口地址 DPTR MOV A， 90H ；写显示 RAM命令 MOVX DPTR， A ；命令送入 MOV R0， 30H ；字段码首地址 R0 MOV R2， 08H ； 显示共 8位， R2保存位数 LP: MOV DPTR， 6FFFH ；数据地址 DPTR MOV A， R0 ；第一个显示数据取入 A MOVX DPTR， A ；字段码送入数据口地址，写入 显示 RAM并显示 INC R0 ；更新数据缓冲区地址，准备读 下一个数据 DJNZ R2， LP ；数据循环送入，没完继续 RET 经济型数控系统的零件加工程序通常是通过键盘逐段 逐条输入的，读入程序的任务就是将输入的 源程序顺序读入并根据字地址把有关数据送到指定的存贮单元，同时将坐标值 BCD码 转换成为二进制代码。读入程序的框图如下所示： nts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 21 页 共 47 页 G ?X ?R ?F ?S , M . T ?H ?L F指 针 堆 入 堆栈N 序 号 N 单 元G 指 令 G 单 元X 值 十 二 X 单 元R 值 十 二R 单 元F 值 十 二K 单 元送 S , M , T 单 元H 值 十 二H 单 元“ ” 号 码0 F F H （ 1 X 1 0 ）1 N C 1 X L D H L , ( 1 X 0 )L D A , ( 1 X + 2 )H L 1 0 H LA 1 0 BL D A , ( 1 Y + 0 )A D D A , BA D C H L , 0I N C 1 Y数 字 吗 ？（ 1 X 1 0 ） 单元 为 F F ?C A L L B PD E C 1 YE D ( 1 X + 0 ) , HL D ( 1 X + 1 ) , LL D ( 1 X + 2 ) , A1 Y 暂存 单 元R E T源 区 和 工 作区 指 针 送1 Y ， 1 XN C 读 入N ?N十 二YYYYYYYYYYN（ a ） 图（ b ） 图数控系统 不可缺少 自动加工模块 ，以下是该模块的程序流程框图： 搜 索 引 导 程 序 ， 获 取 有关 参 数 ， 指 向 首 址启 动 ？波 段 开关 变动 ？返 回 主 程 序分 析 ， 处理 ， 预 置加 工 完 ？有 T 指 令 ?有 M 指 令 ?有 G 指 令 ?有 M 指 令 ?反 回 主 程 序T 功 能M 功 能G 功 能M 功 能开 始 取 加 工 指 令NYM 0 0 , M 0 2 , M 0 5 等M 0 3 等YNYYYYNNNNYNnts 西南科技大学制造学院毕业设计论文 第 22 页 共 47 页 数控系统加工零件一般是用插补原理进行工作的，这部分知识在数控技术书上有比较全面的介绍，由于时间有限，在此就不 对加
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