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普通车床简易数控改造设计,普通,车床,简易,数控,改造,设计
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J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 毕 业 论 文 普通车床简易数控改造General CNC transformation 学院名称： （四号宋体） 专业班级： （四号宋体） 学生姓名： （四号宋体） 指导教师姓名： （四号宋体） 指导教师职称： （四号宋体） 年 月普通车床简易数控改造中文摘要随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高，加工设备的机械加工设备的加工的精密程度也要求越来越高。而在中国的机械加工设备的车床中普通车床占了很大比例。这已经越来越制约着当今工业的发展。而数控机床由于价格昂贵，且需要较高技术的加工工人。所以对机床进行自动化改造很是必要。本篇论文是在对普通卧式车床的基础上对其进行自动化改造。在搜索、查阅研究大量有关资料的基础上，对机床自动化改造技术进行了深入的研究和分析，并描述了机床控制系统的设计。整个改造过程主要对车床纵、横向进给系统进行改造，选用自动转位刀架，由脉冲发生器来加工所需要的螺纹。整个控制系统以单片机为中心，通过编程对机床的驱动设备进行控制以达到所需要的加工程度。关键词： 机床改造 自动化机床 控制系统58普通车床简易数控改造General CNC transformation外文摘要AbstractWith the development of industry equipment, the precision required of industry equipment is more and more high. The more and more precision of equipment which machined the industry equipment is required. But in China the common lathe have a very great comparison in the machined equipment, this already restrict the development of industrial nowadays. But the CN lathe is more expensive, and needed workers with higher technically. So it is a necessity very much to modify the common lathe to lathes automatic. This paper is in the foundation of the commonness horizontal lather and modified it to Lathes automatic.The author has performed the further research and for the lathes automatic modification on the basis of the constant consultation of abundant relative documents, which focuses on describing the design of control of the machine. The main to modify the lathe is to modify the portrait, horizontal enter to the system in the Whole modification process and choose the automatic knife rest and be processed the thread need by pulser. The whole control system with the CPU is to control the machine for center, through a plait distance drive tool machine an equipments to carry on control to attain need of process degree.Keywords Machinery Tool Reform Lathes automatic Servo system目 录中文摘要II外文摘要1目 录2第1章 绪论41.1 数控技术的应用与发展41.2数控改造的必要性71.2.1机床与生产线数控化改造的市场71.2.2机床数控化改造的必要性81.3数控化改造的内容及优缺点91.4本文的选题及主要研究内容111.4.1本文的选题111.4.2主要研究内容11第2章 普通车床数控改造的设计步骤122.1 车床的数控改造概述122.1.1数控机床工作原理及组成122.1.2设计内容及任务132.1.3 数控部分的设计改造132.1.4机械改造部分的设计142.2 可行性论证14第3章 数控改造方案确定153.1系统的运动方式与伺服系统的选择153.2 机械传动方式153.3 运动方式的确定153.4 系统的选择163.5 机构传动方式的确定163.6 微机的选择163.7 总体方案框图16第4章 机械运动部分的数控化设计与计算174.1 横向进给伺服系统机械部分设计计算174.1.1 计算切削力174.1.2 滚珠丝杆螺母副的设计、计算与选型174.1.3 齿轮传动比计算214.1.4 横向直流伺服电机的计算，校核和选型215.2纵向进给伺服系机械部分计算与校核275.2.1 计算切削力275.2.2 丝杆螺母副的计算和造型285.2.3 齿轮传动比计算315.2.4 直流伺服电机的计算和选型32第5章 数控系统设计375.1 单片机数控系统设计内容375.2 开关量的设计及功能介绍395.3 所用芯片引脚介绍405.4 辅助电路的设计445.5 微机控制软件505.6 系统直线插补软件设计51总结与展望55参考文献56致 谢57 第1章 绪论1.1 数控技术的应用与发展（1）数控机床：1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。数控（NC）阶段（19521970年）早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代-电子管；1959年的第二代-晶体管；1965年的第三代-小规模集成电路。计算机数控（CNC）阶段（1970年现在） 到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的通用两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件-运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代-小型计算机；1974年的第五代-微处理器和1990年的第六代-基于PC（国外称为PC-BASED）。还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的数控，实质上已是指计算机数控了。随着计算机、微电子、信息、自动控制、精密检测及机械制造技术的高速发展，机床数控技术有了长足的进步。近几年一些相关技术的发展，如刀具及新材料的发展，主轴伺服和进给伺服、超高速切削等技术的发展，以及对机械产品质量的要求越来越高等，加速了数控机床的发展。目前数控机床正朝着高速度、高精度、高工序集中度、高复合化和高可靠性等方向发展。世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面。 高速高效高精度高生产率。由于数控装置及伺服系统功能的改进，主轴转速和进给速度大大提高，减少了切削时间和非切削时间。加工中心的进给速度已达到80m/min120m/min，进给加速度达9.8m/s219.6m/s2，换刀时间小于1s。高加工精度。以前汽车零件精度的数量级通常为10 m，对精密零件要求为1 m，随着精密产品的出现，对精度要求提高到0.1 m，有些零件甚至已达到0.01 m，高精密零件要求提高机床加工精度，包括采用温度补偿等。微机电加工，其加工零件尺寸大小一般在1mm 以下，表面粗糙度为纳米数量级，要求数控系统能直接控制纳米机床。柔性化柔性化包括两个方面的柔性：一是数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，便于不同用户的需求；二是DNC 系统的柔性，同一DNC系统能够依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥DNC 系统的效能。工艺复合化和多轴化数控机床的工艺复合化，是指工件在一台机床上装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或旋转工作台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。已经出现了集钻、镗、铣功能于一身的数控机床，可完成钻、镗、铣、扩孔、铰孔、攻螺纹等多工序的复合数控加工中心，以及车削加工中心，钻削、磨削加工中心，电火花加工中心等。此外数控技术的进步也提供了多轴控制和多轴联动控制功能。 实时智能化早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能，则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学发展到今天，实时系统与人工智能已实现相互结合，人工智能正向着具有实时响应的更加复杂的应用领域发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如，在数控系统中配置编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统；在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能；在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 结构新型化20 世纪90 年代一种完全不同于原来数控机床结构的新型数控机床被开发成功。这种新型数控机床被称为“6条腿”的加工中心或称虚拟轴机床(有的还称为并联机床)，它能在没有任何导轨和滑台的情况下，采用能够伸缩的“6条腿”(伺服轴)支撑并联，并与安装主轴头的上平台和安装工件的下平台相连。它可实现多坐标联动加工，其控制系统结构复杂，加工精度、加工效率较普通加工中心高210 倍。这种数控机床的出现将给数控机床技术带来重大变革和创新。 编程技术自动化随着数控加工技术的迅速发展，设备类型的增多，零件品种的增加以及零件形状的日益复杂，迫切需要速度快、精度高的编程，以便于对加工过程的直观检查。为弥补手工编程和NC 语言编程的不足，近年来开发出多种自动编程系统，如图形交互式编程系统、数字化自动编程系统、会话式自动编程系统、语音数控编程系统等，其中图形交互式编程系统的应用越来越广泛。图形交互式编程系统是以计算机辅助设计(CAD)软件为基础，首先形成零件的图形文件，然后再调用数控编程模块，自动编制加工程序，同时可动态显示刀具的加工轨迹。其特点是速度快、精度高、直观性好、使用简便，已成为国内外先进的CAD/CAM 软件所采用的数控编程方法。目前常用的图形交互式软件有Master CAM、Cimatron、Pro/E、UG、CAXA、Solid Works、CATIA等。 集成化数控系统采用高度集成化芯片，可提高数控系统的集成度和软、硬件运行速度，应用平板显示技术可提高显示器性能。平板显示器(FPD)具有科技含量高、质量小、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大规模显示，成为与CRT 显示器抗衡的新兴显示器，是21 世纪显示器主流。它应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融于一体,通过提高集成电路密度，减小互连长度和数量来降低产品价格、改进性能、减小组件尺寸、提高系统的可靠性。 开放式闭环控制模式采用通用计算机组成的总线式、模块化、开放、嵌入式体系结构，便于裁减、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统数控系统仅有的专用型封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包括诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。在加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、多媒体技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。1.2数控改造的必要性1.2.1机床与生产线数控化改造的市场（1）机床数控化改造的市场 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0.60.8万台，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。（2）进口设备和生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。 这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。1.2.2机床数控化改造的必要性（1）微观看改造的必要性从微观上看，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。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（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）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 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代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。而我们在信息技术改造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年已达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。1.3数控化改造的内容及优缺点（1）国外改造业的兴起在美国、日本和德国等发达国家，它们的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，已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。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、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。（2）数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。（3）数控改造中主要机械部件改装探讨一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。滑动导轨副 对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。齿轮副一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。安全防护必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。1.4本文的选题及主要研究内容1.4.1本文的选题用普通卧式车床去加工有时一个人加工的东西都会误差很大，这样给所造设备带来很多的小问题。而如果要新买一台新的数控车床，一是总体成本太高，因为性价比不是太高，容易浪费资源，二是建材厂没有工人精通数控车床，所以要培训工人一定又要花费很多时间影响生产进度。所以设想决定对其数控改造，改造的同时让操作人员一直在旁边学习，学习怎么改装，怎么安装，并讲解如何使用。把所要加工的零件程序输入到存储器中，用到时直接调用即可，这样一个人即可操作两台机床，而且效率提高了好大，精度也会提高很高，会为厂带来很大经济利益。1.4.2主要研究内容1、车床数控化改造总体机械部件设计。2、进给系统的设计和选用。包括了进给滚珠丝杠的设计与选用，消隙减速齿轮系的设计计算与校核，进给用直流伺服电机的选择与校核。第2章 普通车床数控改造的设计步骤本课题拟采用普通车床C630进行数控化改造，原来C630的技术参数为：主要参技术数 床身上最大工件回转直径 630mm 最大工件长度 750/1400/3000/5000mm 床鞍上最大工件回转直径 345mm C630-1BM马鞍内回转直径 800mm C630-1BM马鞍内有效长度 300mm 主轴孔径 70mm 床身导管宽度 490mm 主轴转速范围 正转18级14-750r/min 反转9级20-800r/min 主电机功率 11kw 外形尺寸（长x宽x高） 2842/3492/5092/7492x1639x1275mm 净重 3.5/3.75/4.5/5.1t对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的原则是：在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。2.1 车床的数控改造概述2.1.1数控机床工作原理及组成(1) 数控机床工作原理：数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。(2) 数控机床的组成：数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图2-1 图2-1数控机床的组成图2.1.2设计内容及任务普通车床的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（包括纵向、横向进给系统的设计与计算）、主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计、机床调速电动机控制电路的设计。本设计任务是对卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲，横向最小运动单位0.005/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。2.1.3 数控部分的设计改造(1) 数控系统运动方式的确定数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。由于车床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。(2)伺服进给系统的设计改造 数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。闭环控制方案的优点是可以达到高的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以直流伺服电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。经过上序比较，由于所改造的车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。(3) 数控系统的硬件电路设计 数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。数控装置的设计方案通常有：a) 可以全部自己设计制作a) 可以采用单板机或STD模块或工控机改制b) 可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动跟据本次设计的要求采用第一种设计方案。2.1.4机械改造部分的设计(1) 主传动部分的改造设计 将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机，无级调速部分由变频器控制。将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主轴电动机的作用只是带动主轴旋转。(2) 进给机构的改造将原机床的挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等全部拆除。纵向、横向进给以直流伺服电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后，由滚珠丝杠传动。2.2 可行性论证 根据自动化制造系统，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性论证。本改造设计是对普通车床进行经济型数控改造。在改造设计中，采用自己设置的数控装置，加上两台伺服电机，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副，一台变频调速电动机，四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过8万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。第3章 数控改造方案确定3.1系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。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，采用直流伺服电机开环控制系统。3.2 机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用直流伺服电机经齿轮减速再传动丝杆。为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。3.3 运动方式的确定数按系统运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。由于车床要加工复杂轮廓零件，所以本次设计采用连续控制系统。3.4 系统的选择伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。经过比较，由于车床加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。3.5 机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：(1) 尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。(2) 尽量消除传动间隙。例如采用隙齿轮等。(3) 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。3.6 微机的选择微机数控系统由CPU、存储器扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。3.7 总体方案框图为实现机床所要求的分辨率，采用电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。系统总体方案框图如下：图3-1总体方案框图第4章 机械运动部分的数控化设计与计算4.1 横向进给伺服系统机械部分设计计算4.1.1 计算切削力横切端面: 查综合作业指导书P13页式中车床床身上加工最大直径横切端面时主切削力可取纵切时的式中 走刀方向的切削力（N） 垂直走刀方向的切削力（N） 4.1.2 滚珠丝杆螺母副的设计、计算与选型(1) 计算牵引力横向进给选为三角型或综合导轨 参考机床设计手册.26.2-2；6.2-3表 查阅综合作业指导书P22页 式中：，切削分力（） G移动部件的重量（N） 表1-1查得横向溜板及刀架重力500N 滑动导轨摩擦系数，随导轨形式而不同 取=0.15-0.18 K考虑颠复力矩影响的实验系数 取K=1.15(2) 计算最大动负载C 选用滚珠丝杆导轨 参考机床设计手册.3P185-P210 查阅综合作业指导书P22页 式中：L寿命，以转为一单位 n丝杆转速（r/min） 为最大切削条件下进给速度，可取最高进给速度的1/2-1/3 取 丝杆导程（mm） 初选=6mm T为使用寿命（h）,对于数控机床取15000h 运转系数，查表3-14一般取1.2-1.5(3) 螺母副的选型查阅综合作业指导书附表-2，可采用WD3006外循环垫片调整紧的双螺母滚珠丝杆副，1列2.5圈，其额定动负载为9700N,精度等级按表3-17选为级。(4) 传动效率计算式中：螺旋升角，WD3006 摩擦角取 滚动摩擦系数0.003-0.004 (5) 刚度验算横向进给丝杆支承方式图所示，最大牵引力2087.98N,支承间距350mm，因丝杆长度较短，不需预紧螺母及轴承预紧。图4-2计算如下:a) 丝杆的拉伸或压缩变形量(mm)b) 查阅综合作业指导书图3-4,根据2087.98N,D=30mm查出 可算出：c) 滚珠与螺纹滚道间接触变形量查图3-5得系列列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量因进行了预紧d) 支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形采用推力球轴承5204查阅机床设计手册.表5.9-137,d=20mm,滚动体直径=5.556mm,数量Z=13综合以上几项变形量之和：定位精度(6) 稳定性校核计算临界负载(N) 式中:E材料弹性模量() I截面惯性矩() L丝杆两轴承端距离(cm) 丝杆支承方式系数，从表3.15中查出，一端固定，一端简支为2.00 一般=2.5-4.0,所以此滚珠丝杆不会产生失稳。 (7) 横向滚珠丝杆副的几何参数 (见表1)表1参数名称符号关系式WD3006螺纹滚道公称直径30导程6接触角钢球直径3.175滚道法面半径R1.651偏心距e0.045螺纹升角螺杆外径d29.365内径26.788接触直径26.83螺母螺纹直径D34.112内径30.6354.1.3 齿轮传动比计算已确定横向脉冲当量，滚珠直径导程=6mm, 初选直流伺服电动机步距角可计算传动比: 考虑到结构上的原因不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板有行程，故此处可采用两级齿轮降速。因进给运动齿轮受力不大，模数取2，有关参数参照表2表2: 传动齿轮几何参数齿数 Z18452032分度圆d=mz36904064齿顶圆40944468齿根圆31853559齿宽(6-10)m20中心距63524.1.4 横向直流伺服电机的计算，校核和选型(1) 初选直流伺服电机a) 计算直流伺服电机负载转矩 查阅综合作业指导书P22页式中: 脉冲当量，取 进给牵引力(N) 步距角，初选双拍制为 电机丝杆传动效率为齿轮、轴承、丝杆效率之积分别为 b) 估算直流伺服电机起动转矩根据负载转矩除以一定的安全系数来估算直流伺服电机起动转矩(N.cm) 一般横向进给伺服系统取0.4-0.5c) 计算最大静转矩查表3-22如取五相十拍，则d) 计算直流伺服电机运行频率和最高启动频率 式中:最大切削进给速度 最大快移速度 脉冲当量，取 根据估算出的最大静转矩在表3-23中查出150BFG2815最大静转矩为245N.cm 可以满足经济型数控机床有可能使用较大的切削用量，应该选用稍大转矩的直流伺服电机，以留有一定余量，另一方面与国内同类型机床进行类比的要求。决定采用150BFG2915，但从综合作业指导书P24页查出，直流伺服电机最高空载启动频率为4000Hz,满足空载时(3335.23Hz)的要求。(2) 校核直流伺服电机转矩前面所述初选直流伺服电机的转矩计算，均为估算，初选后，应该进行校核计算。a) 等效转动惯量计算计算简图见图2，根据表3-24，经二对齿轮降速时，传动系统折算到电机轴上的总转动惯量可由下式计算: 式中:齿轮及其轴的转动惯量 齿轮的转动惯量 丝杆转动惯量 丝杆导程(cm) G工件及工作台重量(N) G=500(N)b) 齿轮、轴、丝杆等圆柱体惯量计算 表3-24所示圆柱体转动惯量计算公式如下: 对于钢材，式中:M圆柱体质量 D圆柱体直径 (cm) L圆柱体长度或原长(cm) 钢材的密度为 因此 基本满足惯量匹配的要求。c) 电机转矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算: 快速空载起动转矩在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算如下： 式中: 快速空载起动转矩 空载起动时折算到电机轴上的摩擦转矩 折算到电机轴上的摩擦转矩 由于丝杆预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩 在采用丝杆螺母副传动时，上述各种转矩可用下式计算： 式中:传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 电机最大角速度 电机最大转速 运动部件最快速度 脉冲当量 直流伺服电机的步距角 运动部件从停止到起动加速到最大快进速度所需时间(s) 起动加速时间=30(ms) 折算到电机轴上的摩擦转矩 式中: 导轨的摩擦力(N) 垂直方向的切削力(N) G运动部件的总重量(N) 导轨摩擦系数，取=0.15 齿轮降速比 传动链总效率，一般可取0.7-0.8 附加摩擦转矩: 式中: 滚珠丝杆预加负荷，一般取，为进给牵引力(N) 滚珠丝杆导程(cm) 滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取 上述三项合计: 快速移动时所需转矩 最大切削负载时所需要的转矩 式中: 折算到电机轴上的切削负载转矩 从上面计算看出、三种工况下，以快速空载所需转矩最大，即以此项作为校核直流伺服电机转矩的依据。从表3-22查出，当直流伺服电机为五相十拍时为则最大静转矩为: 从表3-23查出150BFG2815最大转矩为为245，大于所需最大静转矩，可以满足此项要求。d) 校核直流伺服电动机起动矩频特性和运行矩频特性前面已经计算出机床最大快移时，需直流伺服电机的最高起动频率为3335.23Hz,切削进给时所需直流伺服电机运行频率为1666.7Hz从表3-23中查出150BFG2815型直流伺服电机允许的最高空载起动频率为4000Hz，运行频率为16000Hz，再从图3-15，3-16查出150BFG2815直流伺服电机起动矩频特性和运行矩频特性如图3所示:当快速运动和切削进给时，150BFG2815型直流伺服电机起动矩频特性和运行矩频特性可以满足要求。5.2纵向进给伺服系机械部分计算与校核5.2.1 计算切削力主切削力F（N）按经验公式估算：走刀方向的切削分力（N）车床身上加工最大直径（mm）=630mm=10594.63（N） ：=1：0.25：0.4走刀方向的切削力垂直走刀方向的切削力=0.25=2648.66(N)=0.4=4237.85(N)5.2.2 丝杆螺母副的计算和造型(1) 计算进给牵引力纵向进给选为综合导轨。参考表6.22，6.23两表机床设计手册.3查书综合作业指导书P22在正常情况下：考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15滑动导轨磨擦系数0.150.18溜板及刀架重力查综合作业指导书表11，取=800N=1.152648.66+0.16(4237.85+500)=2175.94(N)(2) 计算最大动负载CC=参考机床设计手册.3P185P210 选用滚珠丝杆导轨式中：滚珠丝杆导程。 初选为最大切削力条件下的进给速度，可取最高进给速度的1/21/3 取=1m/min使用寿命（h），对于数控机车取 =15000h 运转系数，按一般运转取1.21.5（查表314综合作业指导取为1.2寿命以 转为1单位丝杆转速r/min125113C=19512.57(3) 滚珠丝杆螺母副的选型可采用WD6008外循环螺纹调整预紧的双螺母珠丝杆副，1列2.5圈，其额定功动负载为18200（N），精度等级按表综合作业指导书表3-17选为3级。(4) 传功效率计算：=式中：r螺旋升角，WD6008 r=磨擦角取10 滚动磨擦系数0.0030.004(5) 刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如A图所示，最大牵引力2175.94(N)。支承L=1500mm，丝杆螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷1/3。 丝杠的拉伸或压缩变形量 图3-5查综合作业指导书图3-4，根据=2175.94(N), 查出10-5 可算出=(0.6510-51500)mm=0.97510-2 mm由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杆进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量(mm)为=1/4=0.97510-2/2=0.24410-2mm 滚珠与螺纹滚道间接触变形查综合作业指导书图3-5，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 =6.0m因进行预紧 =1/2=1/26.0=3.0m 支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形采用D8208型推力球轴承，=35mm,滚动体直径=6.35mm,滚动体数量Z=18, 注意此公式中单位应为N因施加预紧力，故 =1/2=1/20.009065=0.004528mm根据以上计算 =0.002440.00300.004528=0.009968479.39N可以满足要求，但从表中看出130BF001直流伺服电机最高空载起动频率为3000HZ，不能满足=3333HZ的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件开降速程序来解决。(2) 校核直流伺服电机转矩前面所电机的转矩计算，均为估算，初迭之后，应该进行校核计算。效转动惯量计算计算简图如前（a）所示，根据综合作业指导书表3-24，传动系统计算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算：=()()直流伺服电机转子转动惯量（）.矢轮Z1Z2的转动惯量（）滚珠丝杆转动惯车（）参考同类型机床，初步反应式直流伺服电机BF1，作台质量折算到电机轴上的转动惯量：I4()2w()2800.468kgcm24.68Ncm2 齿轮转动惯量：J17.810-44.842=8.281kgcm2=82.81 Ncm2 J27.810-412.842=53.678kgcm2 丝杆传动惯量： J3=7.810-464140=141.52kgcm2=1415.2 Ncm2电机转动惯量很小，可以忽略。因此，总的转动惯量：(J3+J2)+J1+J4 =(141.52+53.68)+0.468+8.281 = 130.52 kgcm2=1305.2 Ncm2(1) 所需转动力矩计算。快速空载启动所需力矩：最大切削力负载时所需力矩：式中：空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩折算到电机轴上的摩擦力矩由于丝杆预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩切削时折算到电机轴上的加速度力矩折算到电机轴上的切削负载力矩 当时， 当时， 当，时，Ncm 当时，预加载荷则 所以，快速空载启动所需力矩：快速进给时所需力矩： 切削时所需力矩： 由以上分析计算可知：所需最大力矩发生快速启动时： ，所以选择型号WD6008 校核直流伺服电机起动矩频特性和运行矩频特性。已计算出机床最大快移时需直流伺服电机的最高起动频率为3333Hz，切削进入时所需直流伺服电机运行频率为1335.2Hz。从综合作业指导书表323中查出型直流伺服电机允许的最高空BF1-160载起动频率为3000Hz，运行频率为16000Hz，再从综合作业指导书图315，316查出BF1-160直流伺服电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如（C）图所示，当直流伺服电机起动时，时，,不能满足此机床所要求的空载起动力矩222.916N.cm。直接使用则会施行失步现象，所以必须采取开降进控制用软件实现，将起动频率到1000Hz起动转矩可增高到588.4N.cm，然后电路上再采用高低压驱动电路，可将电机输出转矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，BF1-160型直流伺服电机运行矩频特性（D）图完全可以满足要求： 图5-6第5章 数控系统设计5.1 单片机数控系统设计内容绘制系统电气控制的结构框图根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。（1）数控系统的组成数控系统是由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础 ，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。（2）机床的硬件电路有以下五部分组成:1、 主控制器 即中央处理单元（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 包括程序存储器和数据存储器；4、 接口 即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。绘制机床数控系统硬件框图图 5-1 机床数控系统硬件框图（开环系统）目前在经济型数控机床中，推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。由于其具有集成度高、可靠性好、功能强、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，经过分析本次任务要求，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。由于8031内部无程序存储器，且只有地址为007FH这128个单元作为片内RAM供用户使用。由于本次任务要求：微机部分扩展16k8位程序存储器，16k8位数据存储器；人机交互部分的输入接口采用4行8列的行列式键盘，输出接口采用8位8段LED数码管；2个行程限位信号（Z向直线运动单元）、工作方式（手动、自动、编辑等）及报警指示等采用开关量信号输入；电机控制部分采用软环分和高低压驱动，控制机床的两个运动单元，所以，RAM、ROM、I/O接口均需扩展。决定扩展两片2764、两片6264、一片8279、一片8255。1、不同型号的EPROM工作速度有差别，一般为200450ns,选择时应注意是否系统的时序要求。即8031所提供的读取时间应大于EPROM的工作时间。8031访问EPROM时，其所能提供的读取时间t与所选的晶体时钟有关，大约为3T，其中的T为时钟周期，本次设计系统选用晶体频率为6MHz，则t480ns故凡工作速度小于480ns的芯片在时序上均满足要求，所以2764满足要求。2、常用的静态RAM芯片有6116、6264、62256等，6264采用CMOS工艺，有+5V供电，典型存取时间为150200ns。所以6264满足要求，采用28引脚双列直插式扁平封装。由于单片机8031芯片的P0口分时传送低8位地址线和数据线，P2 口传送高8位地址，所以采用74LS 373地址锁存器，锁存低8位地址。单片机的P2口用作高位地址线和片选地址线，由于P2口具有锁存功能，故不必外加地址锁存器。2764和6264芯片均具有8KB，需要13根地址线。A0 A7 低8位相应接74LS 373的输出1Q8Q，A8 A12 相应接8031芯片的P2.0 P2.4 。由于扩展了两片2764、两片6264、一片8279、一片8255，所以系统采用全地址译码，两片2764芯片片选信号对应接74LS138译码器的0和1。两片6264芯片的片选信号对应接74LS138的2和3，单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即允许地址重叠），8031芯片控制信号接2764的引脚，读写控制信号和分别接6264芯片的和。由于8031芯片内部没有ROM，只能用外部程序存储器，所以必须接地。ROM、RAM、I/O接口芯片地址分配器件地址选择线片内地址单元/字节地址编辑2764（1）000x xxxx xxxx xxxx8K0000H1FFFH2764（2）001x xxxx xxxx xxxx8K2000H3FFFH6264（1）010x xxxx xxxx xxxx8K4000H5FFFH6264（2）011x xxxx xxxx xxxx8K6000H7FFFH82791001 1111 1111 111x29FFEH9FFFH82551011 1111 1111 11xx4BFFCHBFFFH三、软环分 课程设计任务书要求采用软环分，又因为两运动单元都选用了55BF003步进电动机，并且Z轴采用三相六拍的控制方式，C轴采用三相双三拍的控制方式。所以选用了8255的PA0PA2分别对应Z轴步进电动机的A、B、C三相绕组，确定A-AB-B-BC-C-CA-A为电动机正转; PA3PA5分别对应C轴步进电机的A、B、C三相绕组,并确定AB-BC-CA-AB为电动机正转。5.2 开关量的设计及功能介绍一、I/O接口电路的扩展由于8031只有P口和P口部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入输出口的要求，因此系统扩展了一片8279和一片8255可编程I/O接口芯片。8279的片选信号接74LS138的4端。8255的片选信号接74LS138的5端。74LS138有三个输入A、B、C分别接到8031的P、P、P,输出8个输出，低电平有效。8279与键盘、显示器的连接：键盘的行线接8279的RLRL，本次设计8279采用外部译码方式，SLSL经74LS138（1）译码器输出，作为按键盘的列线，SLSL又由74LS138(2)译码器输出，经驱动后输出到显示器各位的共阴极，输出线OUTB、OUTA作为8位段数据输出口，控制74LS138(2)的译码，当位切换时，输出低电平，使74LS138(2)输出全为高电平，当键盘上出现有效的闭合健时，键输入数据自动的进入8279的FIFORAM，并向8031请求中断，8031响应中断，读取FIFORAM中的输入键值更新显示器输出，仅需改变8279种显示缓冲器RAM中的内容。8255的PA口用于控制Z向,C向的步进电机的运转。根据任务书要求采用软环分，于是PB口和PC口主要用于功能键的控制。5.3 所用芯片引脚介绍一、8031单片机芯片的介绍8031芯片具有40根引脚按其功能分为四类1.电源线2根（V,V）2.晶体振荡器2根XTAL:振荡器的反相放大器输入，使用外部振荡器时必须接地。XTAL:当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号3.I/O口 共用P,P,P,P四个八位口，32根地址线，其功能如下：（1）PP：分时用作低8位地址线和8位数据线。（2）PP：供用户使用。（3）PP：它作为高8位地址线（4）PP：该口的每一位均可独立的定义为第一I/O口或第二I/O口功能作为第一功能实用时，口结构与操作与P口完全相同。第二功能如下所示：外部数据存储器读选通 ：外部数据存储器写选通T,T:定时器0，1外部输入 、：外部中断RxD:串行输入口 TxD:串行输出口4.控制线（1）：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选通信号；（2）：为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令；为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器的指令，8031的端口必须接地；（3）ALE：ALE是地址锁存器的使能信号，ALE信号锁存低8位地址（4）RST/VPD：是复位/备用电源端二、2764 ROM芯片的介绍2764芯片为28脚双列直插式扁平封装芯片，其管脚的功能介绍如下：片选端； ：输出使能端 ； AA：地址端接口；DD：数据端接口；：编程控制端； V：编程电源端；V：电源端； V：接地。三、6264 RAM芯片的介绍6264芯片也为28脚双列直插式扁平封装芯片，其管脚功能介绍：V：电源端； V：接地。：片选端1; CS2：片选端2;：读输入选通端; ：写输入选通端;AA：地址线;I/OI/O：I/O口。四、地址锁存器74LS373和地址译码器74LS138的引脚图五、专用键盘显示器接口芯片82798279是通用可编程键盘和显示器I/O接口部件。利用8279，可实现对键盘/显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合健的键号，不仅可以大大节省CPU对键盘显示器的操作时间，从而减轻CPU的负担，而且显示稳定。程序简单，不会出现误动作，由于这些优点，8279芯片被日益广泛地应用，其引脚功能如下：（1）I/O控制器与数据缓冲器利用、A和、信号去控制各种内部寄存器读写，A=1，表示传送的是命令或状态信息，A=0时数据信息。DBDB与CPU数据总线相连。为片选信号，为低电平时，CPU才选中8279进行读写。（2）IRQ为中断请求输出线，高电平有效。（3）RLRL为反馈输入线，作为键输入线由内部拉高电阻拉成高电平，也可由按键拉成低电平。（4）SHIFT、CNTL/STB为控制键输入线，由内部拉高电阻拉成高电平。（5）SLSL为扫描输出线，用于对键盘显示器扫描。（6）OUTB,OUTA为显示段数据输出线。（7）为消隐输出线，低电平有效，当显示器切换时，或使用显示消隐命令时，将显示消隐。（8） RESET为复位输入线，高电平有效。六、8255可编程接口芯片：8255具有3个8位的并行I/O口，分别为PA口、PB口和PC口，它们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式，其功能如下：片选端；PAPA:A口； PBPB:B口； PCPC:C口A,A:地址线；：读信号；: 写信号DD:数据线RESET:复位信号； GND:地。5.4 辅助电路的设计一、辅助电路的介绍微机数控系统除了各种主要功能芯片外，还必须包括一些其他必要的辅助电路。这些辅助电路有：键盘显示器电路，步进电机控制电路，时钟电路，复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等。各种电路介绍如下：1.键盘显示器接口电路数控系统中使用的显示器主要有：LED显示器，LCD和CRT显示器。本设计采用LED显示器，通常它是由八个发光二极管组成的，具有共阴极和共阳极两种结构，本次设计采用共阴极结构具体结构如图所示： 键盘是由若干按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，其工作原理如图所示： 2.步进电机控制电路步进电机控制电路如下列框图所示：步进电机控制电路框图现分别介绍如下：（1）脉冲分配器（环形分配器）环形分配器有硬件和软件两种，硬件环形分配器需要的I/O口接线少，其执行速度快，但需要专有的芯片。软环形分配器实用程序实现的。本设计中要求使用软环分配器。其具体程序内容见下部分。（2）光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流也较大。如果将I/O口输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机的程序正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般要在接口电路与功率放大器间加上隔离电路，实现电气隔离。电路图如图所示：光电隔离电路图该图为同向输出电路，控制信号经74LS05集电极开路门反相后驱动光耦合器的输入发光二极管。当控制信号为低电平时，74LS05不吸收电路，发光二极管不导通，从而输出的光敏晶体管截至，输入电压为零电平。反之输出电压为高电平。（3）功率放大电路脉冲分配器的输出功率很小，远不满足步进电机的要求，必须将它放大，已产生足够大的功率驱动步进电机正常运转，本次设计所选用的是一种高低压供电电路。其具体电路图如图所示。高低压驱动电路图其工作原理：电路中各晶体管均处在开关状态，当控制脉冲到来时，V、V、V均导通，同时脉冲变压器的二次侧产生一定宽度的脉冲电流，使V出于导通状态，使二极管处于负偏置而截止，将电动机绕组L与电源En断开，高压电源通过V2、 V1为步进电机绕组L供电，使其电流上升沿变陡，通过b时间后，脉冲电流消失，使V处于截至状态，切断高压电源EH与电动机绕组LA的回路，En通过VD2, V1为电动机供电，提供电动机所需的额定电流。3.8031的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振荡电路，本次设计采用内部方式，如图所示。晶体可在1.212MHz之间任选，耦合电容在530PF之间，对时钟有微调作用。时钟电路图4.复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000H单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。下图中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以上高电平，就能使单片机有效复位。复位电路图5.越界报警电路为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。本次设计采用中断方式，利用8031的外部中断，只要有任一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生中断信号，为了报警，设置红绿灯指示，正常工作时绿灯亮，当越界报警是红灯亮。两灯均由一个I/O口输出。（a）为报警信号的产生。 (b)为报警指示。6.掉电保护电路掉电保护电路，保护一些重要的现场参数，如几何尺寸，工艺参数，再掉电后仍能妥善保存，恢复供电后又能马上运行。掉电保护电路图图中Va为电源电压，Vb为备用电池电压并且VaVb，V为存储器RAM电源端，正常通电时，二极管VD2导通，VD截止，电压由Va提供，同时Va还通过电阻R对电池充电。断电后，VD2截止，VD导通，此时RAM的工作电压由电池Vb经二极管VD1和电阻提供。5.5 微机控制软件典型的计算机数控系统控制软件的组成形式如下图中所示：数控系统控制软件的功能介绍如下：（一）系统总控程序这是计算机数控系统的主循环程序，系统上电后便进入这部分程序运行，它主要完成以下工作：1:系统的初始化；2：命令处理循环（二）零件加工程序的输入和输出管理零件加工程序的输入有两种方法：1：通过光电阅读机输入。2：从键盘输入。零件程序存储器一般容量较大，可以存放多个零件加工程序。数控系统采用的零件加工方式是存储器工作方式，系统从零件存储器中逐段取出程序送入程序缓冲器。然后对程序缓冲器中程序段数据预处理，形成可供插补运算的数据。（三）零件加工程序的编辑编辑程序也可以看作键盘命令处理程序，既可以用来从键盘输入新的零件加工程序，也可以用来对已经存储在零件程序存储器中的零件加工程序进行编辑和修改。常用的编辑功能包括插入、删除、查找、移动等。（四）机床手动调整控制机床手动调整动作包括：各坐标轴的运动、主轴运动、刀架转位、冷却液的开停等。 在手动调整状态下，除了控制机床的动作外，还要对系统的参数进行修改设置。由上述内容可看出，手动调整的控制程序是一个对操作面板和键盘输入命令进行扫描的循环。它不断地读取操作面板和键盘的输入信息。分析识别输入的命令进形相应的处理。（五）零件加工程序的解释和执行零件加工程序的解释与执行是完成零件加工任务的基本模块，用来根据零件加工 程序实现零件的轨迹加工，一个加工程序段的解释执行，包括取得程序段，程序译码，完成程序段中指定的G、M、S、T功能。对轨迹加工类程序段进行数据预处理，插补计算，伺服控制等步骤。（六）插补计算插补程序是根据插补数学模型而编制的一种运算处理程序，它的作用是决定在所要求的进给长度上数控机床各坐标轴的运动规律，机床运动部件的每一次进给都需要执行一次插补程序。插补的频率是由程序所要求的进给速度所决定的。进给越快，插补频率越高。（七）伺服控制伺服控制程序是根据插补程序的结果，经适当计算直接输出去控制执行元件的动作。对于开环的步进电机的控制，主要完成脉冲分配和步进电动机的加减速控制。和插补计算一样，伺服控制也是由定时中断引起的，也常常作为定时中断服务程序的一部分出现或由定时中断服务程序调用（八）系统自检该程序检测计算机数控系统各个硬件部件功能的正确性。只是可能存在的故障的位置与性质。这样可以提高系统的可靠性。5.6
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