CA6140车床的数控改装VIP

1、CA6140车床的数控改装 绪论数控机床的发展史1946年诞生了世界上第一台电子计算机。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。（注：两个阶段：数控NC阶段和计算机数控CNC阶段。六代：即电子管时代、晶体管时代、小规模集成电路时代、小型计算机时代、微处理器时代和基于PC时代）。必须指出，数控系统发展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便（主要是编程困难）等极为关键的问题。因此，数控技术经过了近30年的发展才走向普及应用。 机床

2、数控化改造的意义机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。众所周知，企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出满足市场需求、性能合适的产品。目前,采用先进的数控机床已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的另一条有效途径。机床数控化改造的市场目前在我国有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高等不良因素，

3、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。近年来，美国、日本、德国、英国等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃。机床改造业正逐步从机床制造业中分化出来，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。 数控化改造后机床的优越性1)机床数控化改造可以提高零件的加工精度和生产效率。2)机床数控化改造可以提高机床的性能和质量，加工出普通机床难以加工或者不能加工的复杂型面零件。3)机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高37倍。4)可实现多工序的集中，减少零件在

4、机床间的频繁搬运，降低工件的定位误差。5)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床加工状态。还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。6)数控加工降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期很生产周期，并可对市场需求做出快速反应。经数控化改造的机床就成为了数控机床，具有数控机床的特点，如数控机床本身具有的高速、高效和高精度，工序集中，可靠性高等特点。但是改造后的机床也具有一定的局限性，主要有机床原有结构精度限制了改造后机床的加工精度和加工性能；机床原有的结构形式限制了改造后机床的加工范围和数控化程度。这些不利条件最终影响了改造后机

5、床的速度和精度。随着数控产业整体水平的提高，数控系统的性能、伺服电动机及其驱动装置等配套产品的性能也提高很多，对数控化改造中机床速度和精度的提高都非常有利一.总体设计方案:1.1设计任务：将CA6140普通车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控机床，采用步进电机开环控制，纵向和横向均具有直线和圆弧插补功能。要求该车床具有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。设计应考虑机床数控系统的类型，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

6、控化改装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控制系统。（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，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS51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、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51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，能显示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电机驱动电路，此外，系统中

7、还应包括螺纹加工中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、丝杠螺母副组成，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，以减小导轨的摩擦力。 1.2给定条件: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；溜板及刀架重

8、力（纵向/横向）：1000/600N；刀架快移速度（纵向-横向）：2.4-1.2 m/min；最大进给速度（纵向-横向）：0.6-0.3m/min；定位数度： 0.015mm；主电机功率：7.5kw；启动加速时间：30ms; 1.3设计要求:1.3.1系统的运动方试与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。考虑到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系统。1.3.2计算机系统根据机床要求，采用8位机。由于MCS51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧

9、凑。对于简单的应用场合，MCS51系统的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用MCS51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。所以应选用8031单片机。其次，设计任务书也给出了选用8031。由此可见选用8031是符合经济数控机床电路设计的。1.3.3机械传动方式为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠。为了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。系统总体方案见如下如下二进给系统机械部分设计与计算21进给系统

10、机械结构改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方

11、刀架总成。 22系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机，绘制机械部分装配图及零件工作图等。23横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤横向进给系统计算简图如下： 少图（图2-1 横向进给系统计算简图） 231系统脉冲当量及切削力的确定      脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量,纵向:0.01mm/s

12、tep.232切削力的计算纵车外圆时主切削力Fz(N)按经验公式估算：主切削力:         Fz=0.67Dmax =0.67   （式2-1）横切端面时主切削力 Fz可取纵向主切削力的1/2：Fz=0.5 Fz=2680N按切削力各分力比例：Fz：F  ：F =1：0.25：0.4    （式2-2）所以F =2680233滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。珠丝杠滚副的

13、预紧方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。2331计算进给牵引力Fm(N)横向导轨为燕尾形，计算：F   （式2-3）其中F为滑动导轨摩擦系数：0.15-0.18取0.16，G为溜板及刀架重力GF2332计算最大动负载 CC=     （式2-4）以上式中：Lo为滚珠丝杠导程，初选Lo=5mm;Vs为最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/2-1/3，取1/2，即Vs=0.3 ；fw为运转系数，按一般运转取fw=1.2-1.5取1.3；L为寿命，以10 转为1单位,T为额定寿命，可取T

14、=15000h       n  L=  C=2333  滚珠丝杠螺母副的选型根据机械设计手册，CDM2005-2.5外循环插管式垫片预紧导珠管入型埋入滚珠丝杠副的额定动载荷8451N，可满足要求，选定精度为3级。2334 传动效率计算                 =tan /tan( +)   

15、0;   （式2-5）式中. 为螺旋升角,根据初选型号查出 ， 滚动摩擦系数f=0.0030.004,摩擦角取10。             =tan /tan( +)=tan4°33/tan(4°33+10)=0.9652335刚度验算 最大牵引力为2425N，支承间距L=450mm，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。计算如下：丝杠的拉压变形量根据Fm=1806N，Do=20mm，从工厂的滚珠丝杠样本的图表中查出 /

16、L=4因此， =4 mm滚珠与螺纹滚道接触变形查资料： 因进行了预紧，所以 。支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形采用8102单向推力轴承（GB301-84），d =4.673，Z=12，d=15mm；考虑到进行了预紧，所以： = ；综合合以上几项变形量之和：显然，此变形量已大于定位精度的要求，应该采取相应的措施修改设计，因横向溜板限制，不宜再加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨减小摩擦力，贴塑导轨的摩擦系数在0.030.05之间，在此取F=0.04，从而减小最大牵引。重新计算如下：Fm=1.4从资料中查出，当Fm=1155N时， ，因此， = ， 不变。所以综合几项变形量之和：。此变形量仍不能满足要

17、求，如果将滚珠丝杠再经过预拉伸，刚度还可以提高四倍，则：，此变形量可以满足设计要求。2336稳定校核：计算临界负载：F     （式2-6）其中：E丝杠材料弹性模量，钢材：E=20.6 N/cm ；I为截面惯性矩，丝杠： ，为丝杠的内径，L为丝杠最大工作长度（mm），f 为丝杠支承方式系数，因为丝杠是一端固定一端简支，查表（2-7）得f =2.0  所以：图框：签： 杂谈表（二-1）方式两端端自由一端固定一端自由两端固定两端简支Fz0.252.04.01.0  ，所以滚珠丝杠不会失稳。2337滚珠丝杠副的几何参数：滚珠丝杠副型号：CD

18、M2005-2.5；公称直径d =20；螺纹底径 ；导程 ；钢球直径 ；丝杠外径 ；旋环列数 圈数；额定动载荷 ；额定静载荷 ；接触刚度 。螺母安装尺寸： （图2-2内循环滚珠丝杠副安装连接尺寸） D=45  D3=70  D4=56  B=11  D5=5.8  D6=10 h=6  L=78  L1=28  C=4  A=3  M=M624纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤纵向进给系统计算简图如下：  （图2-3纵向进给系统计算简图）

19、 241最大工作荷载计算滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于原普通CA6140车床的纵向导轨是三角形导轨，则用下面计算工作载荷的大小。           Fm=KFL+f(Fv+G)   （式2-7）          

20、              车削抗力分析车削外圆时的切削抗力有FxFyFz，主切削力Fz与主切削速度方向一致垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力Fy与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力Fx与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。纵切外圆时，车床的主切削力Fz可以用下式计算：          Fz=0.67Dmax

21、=0.67    由金属切削原理知：Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4                                         &#

22、160;                                                 &#

23、160;      得   Fx=1340(N)                     Fy=2144(N)因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给托板的载荷F1Fv和Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系。因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出：  

24、        托板上的进给方向载荷   F1=Fx=1340(N)          托板上的垂直方向载荷   Fv=Fz=5360(N)          托板上的横向载荷       Fc=Fy=2144(N)因此，最大工作载荷 &#

25、160;     Fm=KF +f(Fv+G) （式1-8）                              =1.15×1340+0.04×(5360+90×9.8)     &

26、#160;                     =1790.68(N) 对于三角形导轨K=1.15, f=0.030.05,选f=0.04(因为是贴塑导轨)，G是纵向横向溜板箱和刀架的重量，选纵向横向溜板箱的重量为75kg,刀架重量为15kg.242最大动载荷C的计算滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用，可用式3-4计算：     

27、60;                                                 

28、60;   C= fmm                 （式2-8）         L为工作寿命，单位为10r，L=60nt10;n为丝杠转速（rmin）,n=1000vL0;v为最大切削力条件下的进给速度（mmin）,可取最高进给速度的1/21/3;L0为丝杠的基本导程，查资料得L0=12mm;fm为运转状态系数，因为此时

29、有冲击振动，所以取fm=1.5.V纵向=1.59mm/r×1400r/min=2226mm/minn纵向=v纵向×1/2/L0=2226×1/2/12=92.75r/min     L=60nt/106=60×92.75×15000/106=83.5则  C= fmFm = ×1.5×1790.68=11740（N）     初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大载荷C;因此有CaC=11740N另外例如滚珠丝杠副有

30、可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷Fm,一般使Coa/Fm=23.初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。因此初选滚珠丝杠的型号为型CD63×8-3.5-E型，主要参数为Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,=2o19 ，圈数×列数3.5×1  243纵向滚珠丝杠的校核        

31、;                                                  

32、;                                                2431传动效率计算&

33、#160; 滚珠丝杠螺母副的传动效率为=tg/tg(+)=tg2o19/tg(2o19+10)=92%                      （式2-9）2432刚度验算      滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝

34、杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。丝杠的拉压变形量1:1=±Fml/EA  =±1790.68×2280/20.6×10××(31.5)2 =0.0064mm                          &

35、#160;            （式2-10）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2采用有预紧的方式，因此用公式           2=0.0013×                    &#

36、160;   （式2-11）                 =0.0013×                 =0.0028mm在这里     Fyj =1/3Fm=1/3×1790.68

37、=597N           Z=dm/Dw=3.14×63/4.763=41.53           Z=41.53×3.5×1=145.36丝杠的总变形量=1+2=0.0064+0.0028=0.0092mm<0.015mm查表知E级精度丝杠允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格。2433压杆稳定性验算滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作

38、负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为Fk       Fk=fz2EI/L2                                    

39、      （式2-12）式中：E为丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6×104Mpa；I为截面惯性矩，对丝杠圆截面I=dl4/64(mm4)(dl为丝杠的底径)；L为丝杠的最大工作长度（mm）；fz为丝杠的支撑方式系数由表二-2查得。表二-2：方式两端端自由一端固定一端自由两端固定两端简支Fz0.252.04.01.0 由Fk=fz2EI/L2  且fz=2.0,  E=20.6×104Mpa,   I=dl4/64mm4,L=2800mm为丝杠的长度由于I=dl4/64=(

40、63-5.953)4/64=3.14×57.0474/64        =519614mm       Fk=2×3.142×20.6×104×519614/28002         =276276       Nk=276276/1875   

41、      =149>>4所以丝杠很稳定。 25齿轮传动比计算 已确定横向进给脉冲当量 ，滚珠丝杠导程Lo=5mm，初选步进电机步距角0.75 ，计算传动比：  （式2-13）考虑到结构上的原因，不能使齿轮直径太大，以免影响溜板的有效行程，所以，可采用两级齿轮降速：，因进给运动齿轮受力不大，模数取m=2。26步进电机的计算和选型561等效传动惯量计算：传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J 可由下式计算：    （式2-14）其中： 为步进电机转子的转动惯量 ；J1为齿轮Z

42、1的转动惯量 ；J2为齿轮Z2的转动惯量 ；Js为滚珠丝杠的转动惯量 。参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子的转动惯量为10 。J1= ；J2= ；J3=代入上式：考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题， ，基本满足惯量匹配的要求。261电机力矩的计算机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面分别按各阶段计算：261快速穿戴启动力矩M1)在快速穿戴启动阶段，回速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： 启动加速时间 =30ms， = 。2)折算到电机轴上的摩擦力矩Mf： 3)附加摩擦力矩M0：       &

43、#160;                        （式2-15）  （式2-16）4)快速移动时所需力矩 5)最大切削负载时所需力矩 ： 从上面计算可以看出，M起，M快和M切 三种工况下，以快速空载启动力矩最大，所以，以此项作为初选步进电机的依据。查资料，当步进电机为五项十拍时， 最大静力矩 。按此最大静力矩，130BF

44、001型反应式步进电动机的最大静转矩为9.31Nm。大于所需最大静力矩，作为初选型号。下面，进一步考核电机启动频率特征和运行矩频特征。262步进电机空载启动频率和切削时的工作频率： 。（式2-17）根据机电一体化机械系统设计（机械工业出版社），130BF001型反应式步进电动机允许的最高空载启动频率为3000HZ，允许的最高空载运行频率为16000GZ，所以，必须采用升降速控制和高低压驱动电路。263纵向齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算，由前面的条件可知：工作台重量：W=80kgf=800N(根据图纸粗略计算)滚珠丝杠的导程: Lo=12mm步距角:  

45、60;  =0.75°/step脉冲当量:   p=0.01mm/step快速进给速度：Vmax=2m/min所以,变速箱内齿轮的传动比i= = = =2.5                 （2-18）齿轮的有关参数选取如下:   Z1=32  ,  Z2=40  ,模数m=2mm  齿宽 b=20mm   

46、;      压力角=20°齿轮的直径    d1=mz1=2×32=64mm          d2=mz1=2×40=80mm          d2=d1+2ha*=68mmd2=d2+2ha*=84mm两齿轮的中心矩   a=  =  =72mm2）转动惯量计算

47、工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量: J1=W( )2= (  )2  ×80× =0.467kg.cm2           （2-19）对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算:   J=7.8×10-4D4L     kg.cm2          &

48、#160;                               （2-20）  式中   D-圆柱形零件的直径,cm       L-零件的轴向长度,cm所以,丝杠的转动惯量: &#

49、160; J1=7.8×10-4+D4L1=7.8×10-4×3.24×140.3=11.475  kg.cm23）齿轮的转动惯量:  =7.8×10-4×6.44×2=2.617  kg.cm2                         &#

50、160;                               =7.8×10-4×84×2=6.39  kg.cm2         电动机转动惯量很小,可忽略。

51、因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.52)（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942  kg.cm2=59.42N. cm2表(二-2)：丝杠名义直径/mm导程/mm1m长丝杠的转动惯量kg.cm2丝杠名义直径/mm导程/mm1m长丝杠的转动惯量kg.cm22040.94501035.7650.841231.982552.2460881.5862.001078.023054.911274.9664.47708157.353559.2610150.4768.7212145.1388.308010263.49

52、40516.2912255.84615.459010420.31815.1812392.7545626.1310012649.56824.5416615.161022.6320562.4450639.75120201233.93837.64241144.60表(二-2)滚珠丝杠的转动惯量4）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩        M=Mamax+Mf+Mo最大切削负载时所需力矩        M=Mat+Mf+Mo+Mt快速进给时所需力矩M=

53、Mf+Mo式中,    Mamax-空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩;         Ma-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矩;         Mo-由丝杠预紧所引起,折算到电动机轴上的附加摩擦力矩;      &

54、#160;  Mat-切削时折算到电动机轴上的加速力矩;         Mt-折算到电动机轴上的切削负载力矩;Ma= ×10-4N.m                              &#

55、160;     （2-21）式中,    J-转动惯量, kg.cm2         n-丝杠转速,r/min         T-时间常数,s当n=nmax时     Ma=Mamax   nmax= = =416.7  r/min   Mamax=  ×

56、;10-4=2.49N.m当n=nt时, Ma=matnt= = = =24.88  r/minMat=  ×10-4=0.0616N.mMf= =    N.cm                               &#

57、160;           （2-22）式中   f-导轨上的摩擦系数       nt-切削加工时的转速，r/min;       w-移动不见的重量，N;       Lo-丝杠导程，cm;       i-传动比； 

58、60;     - 传动效率。当 =0.8， f=0.16时，  Mf=  = 12.23  N.cmMo= (1- )                                  &

59、#160;               （2-23）式中，  o-丝杠未预紧时的效率，取0.9        FO-预加载荷，一般为最大轴向载荷的1 / 3，即FP / 3则    Mo= = ×(1-0.92)=8.108N.cm      Mt= = =128  N.cm所以

60、，快速空载启动所需力矩      M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338  N.cm切削时所需力矩      M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42  N.cm快速进给时所需力矩      M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338  N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩Mamax发生在快速启动时  &

61、#160;   Mmax=123.338  N.cm所以所选的步进电机130BF001满足要求。   三 微机数控系统硬件电路设计  31控制系统的功能要求    (1)Z向和X向进给伺服运动控制；    (2)自动回转刀架控制；    (3)螺纹加工控制    (4)行程控制；    (5)键盘及显示；    (6)面板管理； 

62、;   ，    (7)其他功能：光电隔离、功宰放大、报警、急停、复位等；32硬件电路的组成附图1是MCS-51系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图电路的组成如下1 CPU是采用8.31芯片2扩展程序存储器2764两片，扩展数据存储器6264一片3扩展可编程接口芯片8155两片4地址锁存器、译码器各一片5)键盘电路，显示电路；6)光电隔离电路功率放大电路；7)越程报警电路、急停龟路、复位电路；8)面板管理电路。33设计说明（1）CPu采用8031芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有128字节，因此，扩展外部程序存储器2764两片，数据

63、存储器6264一片8031的Io接口也不能满足输入输出的要求，本系统也扩展了两片8155可编程接口芯片。（2）采用74ls138三八译码器的输出作为片选信号。2764(1)，2764(2)，6264，8155(1)和8155(2)的片选信号分别接到泽码器的一Yo一Y4。74LSl38的输入ABC分别接8031的P25，P26，P27。（3）由于2764和6264芯片都是8 kB，需要13根地址线。A0A7低8位接74LS373芯片的输出，A8A12接8031芯片的P20-P2A，74LS373地址锁存器在选通信号ALE为高电平时直接传送8031P0口低8位地址，当ALE在在高电平变低电平的下降

64、沿时，低8位地址被锁存，此时，P0 I：1可用来向片外传送读写数据。（4）接口芯片与外设的联接及设计说明如下：8155(2)PA0PA7输出的指令脉冲通过光电隔离电路和功率放大电路直接驱动纵向和横向步进电机的共八相绕组。在本系统中采用软件环形分配器方式，虽然运行速度慢一些，但可以省去两个硬件环形分配器，电路比较简单。由于步进电机的每一相绕组需和一个IO口相连，以便与控制寄存器中某一指定位相对应，因此占用的I0口数量较多。8155(2)的PC0PC5作为显示器位选信号，显示器的段选信号则由8031的P10P17发出。8155的PB0PB3是键盘扫描输入。行程限位报警信号+Z，一Z，+X，一X分别

65、通过8155(2)的PB4，PB5，PB6，PB7提出中断请求。根据不同的中断口可以直接识别行程的方向，此时相应的红灯报警。8155(1)的PCO-PC3接自动回转刀架(四方刀架)。自动回转刀架需要换刀时，由PCO-PC3发出刀位信号，经交流控制箱控制刀架电机回转，到达指定的刀位。刀架夹紧后，即发出回答信号，表示已完成换刀过程，口丁以进行切削加工。换刀回答信号经8155(1)的PB。5输入计算机，控制刀架开始进给。8155(1)的PlA0PA5接控制面板上的选择开关，设有编辑、空运行，自动、手动(I)、手动()、回零等选择方式。8155(1)的PB0PB4接控制面板上的按钮开关，设有启动，暂停

66、，单段运行，连续运行，急停等操作功能。    加工螺纹时，与车床主轴相连的光电脉冲发生器会发出螺纹加工信号和零位螺纹信号。螺纹加工信号送人8031的仰，通过设置不同的时间常数，可以改变主轴每转时的纵向进给量，从而加工出不同螺距的螺纹。零位螺纹信号送入8155(1)的船6，用来防止多次走刀时螺纹乱扣。（5）系统各芯片采用全地址译码，各存储器及IO接口芯片地址编码见表43。（6）操作面板设计方案之一见图31。表三1：芯片接74LS138引脚地址选择线片内地址单元（字节）地址编码2764（1）Y0000X  XXXX  XXXX  XXXX

67、8K0000H1FFFH2764（2）Y1001X  XXXX  XXXX  XXXX8K2000H3FFFH6264Y2010X  XXXX  XXXX  XXXX8K4000H5FFFH8155（1）RAMY30111  1110   XXXX  XXXX2567E00H7EFFHI/OY30111  1111  1111  1XXX67FF8H7FFDH8155（2）RAMY41001  1110  XXXX  XXXX2569E

68、00H9EFFHI/OY41001  1111   1111  1XXX69FF8H9FFDH（表三1   芯片地址编码）（图31）34用到芯片介绍341选择中央处理器的类型MCS51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。此次作业使用的是8031芯片。34118031单片机的基本特性8031单片机具有以下几个特点：（1）具有功能很强的8位中央

69、处理单元（CPU）；（2）片内有时钟发生电路（6MH或12MH）、每执行一条指令的时间为28 或14 ；（3）片内具有128字节的RAM；（4）具有21个特殊寄存器。（5）可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器；（6）具有4个I/O口，32根I/O线；（7）具有2个16位定时器/计数器；（8）具有5个中断源，配备2个中断优先级；（9）具有一个全双功串行接口；（10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。从上述特性可以看出这种8031芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。33128031芯片引脚及其功能8031芯片具有40根引脚，其引脚图如下。&#

70、160;（图3-2 8031芯片引脚图）  40根引脚按其功能可以分为四类：1.电源线 2根。Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接+5V。Vss：地电平。2.晶体振荡器 2根。XTAL1：振荡器的反向放大器输入。使用外部振荡器时必须接地。XTAL2：振荡器的反向放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时用于输入外部震荡信号。3.I/O口 共有P0、P1、P2、P3四个8位口，32根I/O线，其功能如下：（1）P0.0P0.7（AD0AD7）是I/O端口0的引脚。端口0是一个8位漏极开路的双向I/O端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向

71、的数据端口（在此时内部上拉电阻有效）。（2）P1.0P1.7端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道，专供用户使用。（3）P2.0P2.7（A8A15）端口2的引脚。端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8A15。（4）P3.0P3.7端口3的引脚。端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第六313I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与P1操作与口完全相同，第二功能如下所示：口引脚        &#

72、160;                     第二功能P3.0                          RXD (串行输入口)P3.1&

73、#160;                         TXD (串行输出口)P3.2                       &#

74、160;  INT0 (外部中断)P3.3                          INT1 (外部中断)P3.4                 &

75、#160;        T0 (定时器0外部输入)P3.5                          T1 (定时器1外部输入)P3.6           &

76、#160;               WR (外部数据存储器写选通)P3.7                           RD (外部数据存储器读选通)由上看出，8031单片机不是将地址总线

77、、数据总线和控制总线分开，而是地址线、数据线和部分控制均由I/O口完成。3314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）EA/VPP：EA为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。EA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）ALE/PROG：ALE是地址锁存器使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效。因为P1端口是分时传送数据和低8位地址。所以访问外部存储器时，ALE信号锁存低8位地址。即使在不访问外部存储器时，也以1/6振荡频率

78、的固定频率产生ALE，因此可以用它作为外部的时钟信号。ALE主要是提供一个定时信号，在从外部程序存储器取指令时，把P0口的低位地址字节锁存到外接的地址锁存器中。（4）RST/VPD：是复位/备用电源端。在振荡器运行时，使RST引脚至少保持两个机器周期为高电平，可实现复位操作，复位后程序计数器清零，即程序从0000H单元开始执行。在VCC关断前加上VPD（掉电保护）RAM的内容将不变。 34158031芯片内部的存储器结构及地址分配8031芯片内部无程序存储器，只有256 字节的数据存储器，地址从00H7FH，其地址分配如下表：表三-2：F8HFFH.80H87HSFR区30H7FH用

79、户RAM区（数据缓冲区）20H2FH位寻址区（00H7FH）18H1FH工作寄存器区3区（R7R0）10H17H工作寄存器区2区（R7R0）08H0FH工作寄存器区1区（R7R0）00H07H工作寄存器区0区（R7R0）  符    号名    称地    址ACCBPSW累加器B寄存器程序状态字E0HF0HD0HSPDPTR P0堆栈指针数据指针（包括DPH和DPL） P0口锁存寄存器81H82H83H80HP1P2P3P1口锁存寄存器P2口锁存寄存器P3口锁存寄

80、存器90HA0HB0HIPIETMOD中断优先级控制寄存器中断允许控制寄存器定时/计数器工作方式状态寄存器B8HA8H89HTCONTH0TL0定时/计数器控制寄存器定时/计数器0（高字节）定时/计数器0（低字节）88H8CH8AHTH1TL1定时/计数器1（高字节）定时/计数器1（低字节）8DH8BHSCONSBUFPCON串行口控制寄存器串行口数据缓冲器电源控制寄存器98H99H87H （表三-2 地址分配图）8031芯片内部256字节的空间被分成两部分，其中内部数据存储器（RAM）地址为00H7FH，特殊功能寄存器（SFR）的地址为80HFFH。在内部数据存储器中的00H1FH

81、为四个工作寄存器区，其中：   0区  00H07H   1区  08H0FH   2区  10H17H   3区  18H1FH    每个区都有8个8位寄存器R0R7。可以用来暂存运算的中间结果，以提高运算速度。其中的R0和R1还可以用来存放8位地址。要确定采用哪个工作寄存器区，可通过标志寄存器PSW中的RS0、RS1两位来指定。从20H2FH是“位寻址”空间。在此空间中，CPU既可对其执行按字节操作，又可对其中每个单元的8位二进制代码执行按位的操作。从30H7FH是可以按字节寻址的数据缓冲区，在此区域中可以设置堆栈。由于8031复位后堆栈指针SP指向工作寄存器区（即SP=07H），所以用户必须在初始化程序中对SP设置30H