毕业设计（论文）-C616普通车床进行数控改造（含全套CAD图纸）

目 录 1. 绪论.1 1.1 数控车床的发展历史.1 1.2 数控车床改造的目的.2 1.3 数控车床改造的意义.2 1.4 数控车床改造的内容.2 2. 机械部分的设计.3 2.1 纵向进给系统的设计与计算.3 2.1.1 纵向进给系统的设计 .3 2.1.2 滚珠丝杠计算与选择 .3 2.2 横向进给系统的设计与计算12 2.2.1 横向进给系统的设计 12 2.2.2 滚珠丝杠的计算与选择 12 2.3 机床导轨改造19 3.电气部分的设计.20 3.1 硬件基本组成20 3.2 控制系统的设计20 3.3 软件系统的设计24 总结.28 参考文献.29 全套全套 CAD 图纸，联系图纸，联系 153893706 1 绪论 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型， 普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。数控机床作为机电一体化的典 型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复 杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提 高生产效率。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率 高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械 结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。 数控技术，简称数控(Numerical Control)。它是利用数字化的信息对机床运动 及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了 数控系统的机床称为数控机床。数控系统包括：数控装置、可编程序控制器、主轴 驱动及进给装置等部分。要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间 的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数，如：进给速 度、主轴转速、主轴正反转、换刀、冷却液的开关等。这些信息按一定的格式形成 加工程序，通过数控系统的译码，从而使机床准确地动作和加工出优质的零件。 1.1 数控车床的发展历史 数控机床最早是从美国开始研制的。1948 年，美国帕森斯公司在研制加工直 升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。 1949 年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研 制工作。并于 1952 年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机随着电子技术、计 算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不 断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。 第一代数控：1952-1959 年采用电子管元件构成的专用数控装置。 第二代数控：从 1959 年开始采用晶体管电路的 NC 系统。 第三代数控：从 1965 年开始采用小、中规模集成电路的 NC 系统。 第四代数控：从 1970 年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的 系统。 第五代数控：从 1974 年开始采用微型电子计算机控制的系统。 目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数 控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能 力和控制功能。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中， 使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来， 2 微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中， 先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些 高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋 势。 1.2 数控车床改造的目的 我国是拥有 300 多万台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用 机床，不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国现有一 部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的 课题。 1.3 数控车床改造的意义 数控机床改造在国外已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，其发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。用数 控技术改造机床，正是适应了这一要求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相 结合的基础上。在机床改造中引入微机的应用，而且所投入的改造费用低，我国提 出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路， 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主要方向之 一。同时，它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控 机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝 机电一体化的方向过渡的主要内容之一。 1.4 数控车床改造的内容 微机数控系统总体设计方案的拟定:数控技术是先进制造技术的核心，是制造业 实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国 家工业现代化水平和综合国力的强弱。机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内 容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定， 计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综 合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。 本设计任务是对 C616 普通车床进行数控改造。主要有两个方面的设计：机械部 分的改造、控制部分的设计。机械部分的设计是对纵向、横向进给系统进行开环控 制。主电机的作用仅仅是带动工件旋转，而刀架的进给运动则是由步进电机直接带 动车床的纵向和横向的滚珠丝杠来实现。控制部分的设计主要是对单片机控制步进 电机的设计，实现加工自动化，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副， 3 4 1. 机械部分的设计 2.1 纵向进给系统的设计与计算 2.1.1 纵向进给系统的设计 纵向进给系统机械部分的计算内容主要包括：脉冲当量计算、切削力的计算、 滚珠丝杠螺母副的设计与计算、齿轮传动的计算、步进电机的设计与计算等等。 2.1.2 滚珠丝杠计算与选择 主要技术参数： 1、最大加工直径：mmD160 2、时间常数： msT30 3、步长： mmX01 . 0 mmY02 . 0 4、快进速度：min/5 . 2 mV 5、定位精度：0.01 （1）切削力的计算 由机床设计手册可知，切削功率 （2-1）KNNc 式中 电机功率，查机床说明书，； NkwN4 主传动系统总效率，一般为 取； 7 . 06 . 00.65 进给系统功率系数，取为 。 K96 . 0 K 则： kwNc496 . 2 96. 065. 04 又因为 （2-2）6120VFN Zc （2-3）VNFz c 6120 所以 式中 V切削线速度，取 min100mV 主切削力 1527.6(N)(kgf)76.152 z F 由金属切削原理可知，主切削力 5 C（2-4） z F Z F z F X p a z f F Y z F K 查表得： MPammkgfC z F 1880/188 2 Z F X1 z F Y0.75 z F K1 由表可知 表2.1 切削用量选用表 p a 222888 (mm) f 0.20.30.40.20.30.4 （N） z F 112515241891168722872837 当 时，切削深度 ，走刀量 ，以此参数做为下面NFz1520mmap2mmf3 . 0 计算的依据。 从机床设计手册中可知，在一般外圆车削时： （2-5） z 0.6)F(0.1 x F （2-6） z 0.7)F(0.15 y F 取： NFF zx 8 .7636 .15275 . 05 . 0 NFF zy 5 .9166 .15276 . 06 . 0 (2)滚珠丝杠设计计算 在设计滚珠丝杠时，首先确定其名义直径，螺距。滚珠直径等，确定上述参数 一般是放在防止疲劳点蚀的基础上，对轨道上的点而言，其应力状态是交变的接触 力，因此设计时必须保证它在一定轴向负载的作用下，这种名义直径和螺距的滚珠 丝杠回转一百万转后，不产生点蚀现象，这个负载称为滚珠丝杠最大动载荷。 车床纵向导轨的牵引力计算： （2-7）G)(F z fKFF xm 式中 、 ：切削分力 x F z F)(N ：颠覆力矩影响的实验系数K ：导轨上的摩擦系数 f ：移动部件重量G)(N 由于此设计采用的是贴膜导轨，所以 6 15 . 1 K 取为18. 015 . 0 f16 . 0 因此： 1250.8N800)(1527.616 . 0 8 . 76315 . 1 m F （3）最大动载荷的计算： 由机电设计手册查得，最大动载荷由此公式计算：C （2-8） mhw 3 fffLC 式中： ：工作寿命，为滚珠丝杠的转速，初步计算导程。L 6 10 n60T L n max max 0 n V L 为工作台的快进速度，为丝杠最大转速。 max V max n 取 min/2500min/5 . 2 max mmmV min/1500 max rn 经计算得 67 . 1 0 L min/ 7 . 4166/ 5 . 21000rn T 为使用寿命时间，查表得 hT15000 因此 L=60 416.7 15000/10 =36036010/15000 7 . 41660 6 L 6 为运转系数，查得 w f2 . 1 w f 为硬度系数，查得 h f0 . 1 h f 所以 10677.51250.81.01.2375 3 C 最大静载荷的计算 0 C （2-9） md0 ffC 为静态安全系数， 取 d f2 d f 所以 2501.61250.82 0 C （4）滚珠丝杠的选型 根据最大动负载的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂C 7 的产品样本选取系列，滚珠丝杠直径为,型号为，其BFC1mm32 21 5632EBFC 额定动载荷是，所以强度足够用。N10689 （5）传动效率的计算 （2-10） )(tan tan 式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数，取10 所以： 0 0 00 94.9)1025(3tan/ 253tan （6）刚度验算 滚珠丝杠螺母副的轴向刚度会影响进给系统的定位精度和运动平稳性，由于轴 向刚度不足引起的轴向变形量一般不应大于机床定位精度的一半，滚珠丝杠在工作 负载和转矩的共同作用下引起每个导程的变形量为：)m( 0 L （2-11） C GJ TL EA FL L 2 2 00 0 式中：为丝杠截面积A （2-12） 2 1 d 4 1 A 导程：6mmP 螺旋角：2530 滚珠直径：mm175. 3d0 公称直径：32mm 0 D 滚道半径：mmR651 . 1 175 . 3 52 . 0 0.52d0 偏心率：mm 2- 0 104.5) 2 3.175 -(1.6510.707) 2 d -(R707 . 0 e 丝杠内径：mmReD78.28651 . 1 2-105 . 42322-2d 2- 01 48- -34 1 a 1037 . 3 64 )10(28.7814. 3 64 m d I 由以上条件求得 24-2 m106.50.028783.14 4 1 A 为丝杠的极惯性矩 C J 8- 44 1 107 . 6 32 02878. 014 . 3 32 d C J 为丝杠切变模量 G a 83.3GPG 8 为转矩 T1.25)1025(3tan 2 1032 1250.8)(tan 2 0 -3 0 D FT m mN 有上述计算结果得：（2-13） C GJ TP EA PF L 2 2 0 所以 m105.73 106.71083.33.142 1.25)106( 106.510306 1250.8106 -8 2- 8-9 2-3 4-9 -3 0 L 丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： m L L IL5.73 106 105.73 0.6 3- -2 0 丝杠允许的误差为，所以刚度足够。m15 （7）稳定性的验算 丝杠不发生失稳的最大载荷称为临界载荷 （2-14） 2 2 l)( a cr EI F 为长度系数，=2/3。 所以 NFcr 6 . 427795 0.6) 3 2 ( 1037. 31020614 . 3 2 8-92 安全系数 342 8 .1250 6 .427795 m cr F F S 查表得 ,所以丝杠是稳定的，经验算，性能符合要求，可以使35 . 2SSS 用。 （8)步进电机的计算 步进电机的选择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： 当步进电机在负载力矩的作用下，转过一个步距角时，所做的功为： 0 T 9 （2-15） 2 360 0 TWD 工作台克服负载 F，位移所做的功为： （2-16） FWa 根据能量守恒原理，其中味电机的传动效率。 aD WW0.964 所以： mmN F T 8 . 991 964 . 0 75. 014 . 3 2 8 .125001. 0360 2 360 0 启动转矩为： ，安全系数为 0.4 6 . 0-3 . 0 0 T Tq 所以 N T Tq 6 . 2479 4 . 0 8 .991 4 . 0 0 电机选择三相六拍工作方式，查表得 866 . 0 max T Tq 所以 2 .2863 max T 步进电机运行频率 Hz V f 7 . 4166 01 . 0 60 5 . 21000 60 1000 max max 根据以上条件，选用反应式步进电机 110BF003 传动比25. 1 01. 0360 675. 0 360 0 p L i 模数 齿宽 mmm2mmb20 0 20 mmmZd64322 11 mmmZd80402 22 mmhadda68*2 1 1 mmhadda84*2 2 2 mm dd a72 2 8064 2 21 10 工作台的质量折算到电机轴上的转动惯量为： 23-22p 108 . 1 100 1 30) 0.753.14 0.01180 () 180 (mkgWJm 丝杠的转动惯量 22- 434 1019 . 1 32 6 . 003 . 0 108 . 714 . 3 32 mkg ld Js 齿轮的转动惯量 mkg ld Jz 3- 434 1 1057 . 2 32 2 . 0064 . 0 108 . 714 . 3 32 1 2 23- 434 2 1027. 6 32 2 . 008. 0108 . 714. 3 32 2 mkg ld Jz 总传动惯量为 26- 22-3- 2 3- 2 z 2 1046 . 1 800) 1.253.142 0.006 ()101.1910(6.27 25 . 1 1 1057 . 2 ) 2 p ()( 1 21 mkg m i JJ i JJ szd 所以，惯量匹配合理。 快速空载启动时所需的力矩为： （2-17） 0 MMMM fat 最大切削负载所需的力矩为： （2-18） 0 MMMM fat t M 快速进给时所需的力矩为 （2-19） 0 MMM f 式中：为空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩 max M 为折算到电机轴上的摩擦力矩 r M 为由丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩 0 M 11 为切削时折算到电机轴上的加速度力矩 at M 为折算到电机轴上的切削负载力矩 t M （2-20）mN T J M N n 4- 10 6 . 9 当时， max nn aa MM max min/83.520 6 25 . 1 2500 0 max max r L iV n mNMa 2531 . 0 03 . 0 6 . 9 83.5201046 . 1 6- max 当时， t nn ata MM min/88.24 68014 . 3 25 . 1 3 . 01001000 1000 00 r L f D v L fn n i i t 主 mNMat 1261 . 0 03. 06 . 9 88.241046 . 1 6- ii f wLfLF M 2 2 000 当，时0.816 . 0 f mNM f 1223. 0 25. 18 . 014. 32 6 . 08016 . 0 )-1 ( 2 2 0 00 0 i LP M 当时，预加载荷，则：0.9 x FP 3 1 0 mN LF M i 0462 . 0 25 . 1 8 . 014 . 3 2 100.9)-(138.76 )-(1 2 2-2 2 0 00 0 7297. 0 25 . 1 14. 32 106 . 038.76 2 2- 00 i t LF M mN 所以，快速空载所需力矩 12 0max MMMM fa 0.43160.04620.12230.2631mN 最大切削负载时所需的力矩 tfat MMMMM 0 1.0250.72970.04620.12230.1261mN 快速进给所需的力矩 0 MMM f 0.16850.04620.1223mN 由以上可知，所需最大力矩发生在快速启动时 262. 0 max MmN 根据以上计算结果可知，步进电机满足工作要求。 13 2.2 横向进给系统的设计与计算 2.2.1 横向进给系统的设计 经济型数控改造的横向进给系统的设计比较简单,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。 2.2.2 滚珠丝杠的计算与选择 （1）切削力的计算 车削外圆的切削抗力、和。主切削力与切削速度 V 的方向一致，垂 x F y F z F z F 直向下，是计算车床主轴电机切削功率的主要依据，切深抗力与纵向进给方向垂 y F 直，影响加工精度或已加工表面质量，进给抗力与进给方向平行且相反指向，设 x F 计或校核进给系统时要用到它，横向进给约为纵向进给量的，取，31212/1 则横向进给切削力约为纵向的。2/1 NFz8 .763 2 6 . 1527 取 NFF zy 9 . 3818 .7635 . 05 . 0 NFF zx 5 . 305 8 . 7634 . 04 . 0 （2）滚珠丝杠的计算 牵引力由公式计算： m F f()（2-21） xm KFFGFF yz 2 式中： 、为切削分力（N） x F y F z F 为颠覆力矩的实验系数K 为导轨上的摩擦系数 f 为移动部件重量G ，取05 . 0 03. 0f05 . 0 f 4 . 1K 所以 519.08N)3009 .3812(763.805 . 0 5 .3054 . 1 m F 14 （3）最大动载荷的计算 由机电设计手册查得，最大动载荷 C 由此公式计算： （2-22） mhw 3 fffLC 式中： L：工作寿命，L=，n 为滚珠丝杠的转速，初步计算导程。 6 10 n60T max max 0 n V L 为工作台的快进速度，为丝杠最大转速。 max V max n 取 min/1000 max mmV min/1500 max rn 经计算得 67 . 0 0 L min/2005/ 11000rn T 为使用寿命时间，查表得 hT15000 因此 18010/1500020060 6 L 为硬度系数，查得 h f0 . 1 h f 所以 NC5175.09763.81.01.2180 3 最大静载荷的计算 0 C （2-23） md0 ffC 为静态安全系数， 取 d f2 d f 所以 NC1527.6763.82 0 （4）滚珠丝杠的选型 根据最大动负载 C 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 FC1 型滚珠丝杠，滚珠丝杠直径为,型号为，其额定动mm20 载荷是 8630N，所以强度足够用。 15 （5）传动效率的计算 （2-24） )(tan tan 式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数，取10 所以： % 9 . 92)1033(4tan/ 334tan 00 （6）刚度的验算 滚珠丝杠螺母副的轴向刚度会影响进给系统的定位精度和运动平稳性，由于轴 向刚度不足引起的轴向变形量一般不应大于机床定位精度的一半，滚珠丝杠在工作 负载和转矩的共同作用下引起每个导程的变形量为：)m( 0 L （2-25） C GJ TL EA FL L 2 2 00 0 式中：A 为丝杠截面积 2 1 d 4 1 A 导程：6mmP 螺旋角：2530 滚珠直径：mm175. 3d0 公称直径：32mm 0 D 滚道半径：mmR651 . 1 175 . 3 52 . 0 0.52d0 偏心率：mm 2- 0 104.5) 2 3.175 -(1.6510.707) 2 d -(R707 . 0 e 丝杠内径：mmReDd79.16651. 12-105 . 42202-2 2- 01 29- 4-34 1 109 . 3 64 )10(16.7914. 3 64 m d Ia 由以上条件求得 24-2 m102.210.016793.14 4 1 A 为丝杠的极惯性矩 C J 9- 44 1 108 . 7 32 01679 . 0 14 . 3 32 d Jc 为丝杠切变模量 G a 83.3GPG 16 为转矩 Tm0.63N)1033(4tan 2 1020 763.8)(tan 2 0 -3 0 D FT m 有上述计算结果得：（2-26） C GJ TP EA PF L 2 2 0 所以 mL 2- 8-9 2-3 4-9 3- 0 101 .10 108 . 7103 .8314 . 3 2 63 . 0 )10(6 1021. 210206 8 . 763106 丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： m L L IL84 . 3 106 10 1 . 10 19 . 0 3- 2- 0 丝杠允许的误差为，所以刚度足够。m15 （7）稳定性的验算 丝杠不发生失稳的最大载荷称为临界载荷 （2-27） 2 2 l)( a cr EI F 为长度系数，。3/2 所以 NFcr4950750 0.19) 3 2 ( 109 . 31020614 . 3 2 8-92 安全系数 7 . 6481 8 . 763 4950750 m cr F F S 查表得 ,所以丝杠是稳定的，经验算，性能符合要求，可以使35 . 2SSS 用。 (8)步进电机的计算 为了满足需要，所以步进电机时通过两对降速齿轮与丝杠连接的。 减速器传动比25 . 1 01. 0360 675 . 0 360 0 p L i 取,模数 ,齿宽 , 16 1 Z20 2 Zmmm2mmb20 0 20 17 mmmZd32 11 mmmZd40 22 mmhadda36*2 11 mmhadda44*2 22 56mm)/2( 21 dda 当步进电机在负载力矩的作用下，转过一个步距角时，所做的功为： 0 T （2-28） 2 360 0 TWD 工作台克服负载 F，位移所做的功为： （2-29） FWa 根据能量守恒原理，其中味电机的传动效率。 aD WW0.964 所以： 9 . 495 964 . 0 75 . 0 14 . 3 2 8 . 76301 . 0 360 2 360 0 F TmN 启动转矩为： ，安全系数为 0.4 6 . 0-3 . 0 0 T Tq 所以 N75.1239 4 . 0 9 .495 4 . 0 0 T Tq 电机选择三相六拍工作方式，经查表得 866 . 0 max T Tq 所以 N 6 . 1431 max T 步进电机运行频率 Hz V f 7 . 4166 01 . 0 60 5 . 21000 60 1000 max max 根据以上条件，选用反应式步进电机 110BF003 工作台的质量折算到电机轴上的转动惯量为： 23-22p 108 . 1 100 1 30) 0.753.14 0.01180 () 180 (mkgWJm 18 丝杠的转动惯量 32 019 . 0 019. 0108 . 714 . 3 32 434 ld Js -5 101.8 2 mkg 齿轮的转动惯量 3- 434 1 1 1014 . 5 32 2 . 0032. 0108 . 714 . 3 32 ld Jz 2 mkg 2- 434 2 2 1025 . 1 32 2 . 004 . 0 108 . 714 . 3 32 ld Jz 2 mkg 总传动惯量为 300 1.252 0.006 101.8101.25 1.25 1 105.18 25-2- 2 3- ）（）（ -6 101.34 2 mkg 转动力矩的计算 min/83.520 6 25 . 1 2500 0 max max r L iV n 2423 . 0 03 . 0 6 . 9 83.5201034 . 1 10 6 . 9 6- 4- max max T Jn MamN min/11.22 366014. 3 515 . 0 10010001000 00 r DL vf L nf n ii t 0103. 0 03. 06 . 9 11.221034. 1 6- at MmN 432. 0 58 . 014. 32 36 . 0302 . 0 2 2 000 ii f wLtLF M cmkgf 0.043mN 19 0.17)0.9-(1 50.83.146 0.30.638.19 )-(1 6 22 0 0 0 i yL F Mcmkgf 0.017mN =0.27474. 2 58 . 014 . 3 2 36 . 019.38 2 0 i y t LF M cmkgf mN 所以，快速空载所需力矩 0max MMMM fa 0.30230.0170.0430.2423mN 切削时所需的力矩为： 0 MMMM fat t M 34480.2740.0170.04320.0106mN 快速进给时所需的力矩为 0 MMM f 0.060.0170.043mN 由以上可知，所需最大力矩发生在快速启动时 3448. 0 max MmN 根据以上计算结果可知，步进电机满足工作要求。 20 2.3 机床导轨改造 卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床导轨面运动的。导轨就 是支承和导向，即支承运动部件并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定 的方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加 工精度、承载能力和使用性能。 数控机床上，常使用滑动导轨和滚动导轨。滚动导轨摩擦系数小，动静摩擦系 数接近，因而运动灵活轻便，低速运行时不易产生爬行现象。精度高，但价格贵。 经济型数控一般不使用滚动导轨，尤其是数控改造，若使用滚动导轨，将太大增加 机床床身的改造工作量 和改造成本。因此，数控改造一般仍使用滑动导轨。滑动导 轨具有结构简单，刚性好，抗振性强等优点。普通机床的导轨一般是铸铁铸 铁或 铸铁淬火钢导轨。这种导轨的缺点是静摩擦系数大，且动摩擦系数随速度的变化 而变化，低速时易产生爬行现象，影响行动平稳性和定位精度，为克服滑动导轨的 上述缺点，数控改造一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。贴 塑导轨摩擦系数小，且动静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗咬 伤能力强、加工性和化学性能稳定，且有良好的自润滑性和抗振性，加工简单，成 本低。 目前应用较多的聚四氟乙稀（PTEE）贴塑软带，如美国生产的 TwrciteB 和我 国生产的 TSF 软带材料，此种软带厚度为 0.8 、1.6 、3.2 等几种规格。考 虑承载变形，宜厚度小的规格，如果考虑到加工余量，选用厚度为 1.6 为宜。贴 塑软带粘贴工艺非常简单，可直接粘结在原有的滑动导轨面上，不受导轨形式的限 制，各种组合形式的滑动导轨均可粘结。粘结前按导轨精度要求对金属导轨面进行 加工修理。根据导轨尺寸长度放大 34，切下贴塑软带。金属粘结面与软带结面 应清洗干净，用特殊配制的粘合剂粘结，加压固化，待其完全固化后进行修整加工。 作为导轨面的表面，根据需要可进行磨、铣、刮研、开油槽、钻孔等加工，以满足 装配要求。 21 3.电气部分的设计 3.1 硬件基本组成 硬件是数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整体的工作性能，有了硬件， 软件才能有效的运行，机床数控系统的硬件系统主要由大致四部分组成： 1）中央处理单元 CPU，CPU 采用 8051 芯片。 2）总线。包括地址总线（AB）,数据总线（DB）和控制总线（CB） 。 3）存储器。只读可编程存储器和随即读写存储器。 4）I/O 接口电路。 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个部分电路 协调工作。存储器用于存储系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。I/O 接口是系统与外界信息交换的桥梁。总线是 CPU 与存储器，接口以及其它转换电路 连接的纽带。 3.2 控制系统的设计 CPU 采用 8051 芯片，选用外部存储器。8051 的引脚功能分为四部分。 1、主电源引脚 VCC 和 VSS VCC（40 脚）接+5V 电压； VSS（20 脚）接地。 2、外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1（19 脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的 输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对 HMOS 单片机，此 引脚应接地；对 CHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。 XTAL2（18 脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大 器的输出端。采用外部振荡器时，对 HMOS 单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即 把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对 XHMOS，此引脚应悬浮。 3、控制或与其它电源复用引脚 RST/VPD、ALE/PROG、PSEN 和 EA/VPP RST/VPD（9 脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使 单片机复位。推荐在此引脚与 VSS 引脚之间连接一个约 8.2k 的下拉电阻，与 VCC 引 脚之间连接一个约 10F 的电容，以保证可靠地复位。 VCC 掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部 RAM 的数据不丢失。当 VCC 主电源下掉到低于规定的电平，而 VPD 在其规定的电压范围（50.5V）内，VPD 就 22 向内部 RAM 提供备用电源。 ALE/PROG（30 脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于 锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE 端仍以不变的频率周期性地出 现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或 用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉 冲。ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）8 个 LS 型的 TTL 输入电路。 对于 EPROM 单片机（如 8751） ，在 EPROM 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲 （PROG） 。 PSEN（29 脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序 存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次 PSEN 有效。但在此期间，每当访 问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出现。PSEN 同样可以驱动（吸 收或输出）8 个 LS 型的 TTL 输入。 EA/VPP（引脚）：当 EA 端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在 PC（程 序计数器）值超过 0FFFH 或 1FFFH 时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。 当 EA 保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于 常用的 8051 来说，所以 EA 脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。 4、输入/输出（I/O）引脚 P0、P1、P2、P3（共 32 根） P0 口（39 脚至 32 脚）：是双向 8 位三态 I/O 口，在外接存储器时，与地址 总线的低 8 位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动 8 个 LS 型的 TTL 负载。 P1 口（1 脚至 8 脚）：是准双向 8 位 I/O 口。由于这种接口输出没有高阻状 态，输入也不能锁存，故不是真正的双向 I/O 口。P1 口能驱动（吸收或输出电流） 4 个 LS 型的 TTL 负载。对 8052、8032，P1.0 引脚的第二功能为 T2 定时/计数器的 外部输入，P1.1 引脚的第二功能为 T2EX 捕捉、重装触发，即 T2 的外部控制端。对 EPROM 编程和程序验证时，它接收低 8 位地址。 P2 口（21 脚至 28 脚）：是准双向 8 位 I/O 口。在访问外部存储器时，它可 以作为扩展电路高 8 位地址总线送出高 8 位地址。在对 EPROM 编程和程序验证期间， 它接收高 8 位地址。P2 可以驱动（吸收或输出电流）4 个 LS 型的 TTL 负载。 P3 口（10 脚至 17 脚）：是准双向 8 位 I/O 口，在 MCS-51 中，这 8 个引脚还 用于专门功能，是复用双功能口。P3 能驱动（吸收或输出电流）4 个 LS 型的 TTL 负 载。 作为第一功能使用时，就作为普通 I/O 口用，功能和操作方法与 P1 口相同。 作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。 值得强调的是，P3 口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。 P3.0 10 RXD（串行输入口） 23 P3.1 11 TXD（串行输出口） P3.2 12 INT0（外部中断 0） P3.3 13 INT1（外部中断 1） P3.4 14 T0（定时器 0 外部输入） P3.5 15 T1（定时器 1 外部输入） P3.6 16 WR（外部数据存储器写脉冲） P3.7 17 RD（外部数据存储器读脉冲） 采用 74LS138 译码器的输出作为片选信号。 当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（(/E2)和/(E3)）为低电平时， 可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在 Y0 至 Y7 对应的输出端以低电平译出。 比如：A2A1A0=110 时，则 Y6 输出端输出低电平信号。 1、利用 E1、E2 和 E3 可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还 可级联扩展成 32 线译码器。 3、若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138 还可作数据分配器 。 4、可用在 8086 的译码电路中，扩展内存。 74LS373 为三态输出的透明锁存器，输出端 O0O7 可直接与总线相连。 当三态允许控制端 OE 为低电平时，Q0Q7 为正常逻辑状态，可用来驱动 负载或总线。当 OE 为高电平时，Q0Q7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总 线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 当锁存允许端 LE 为高电平时，Q 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，D 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流 和直流噪声抗扰度被改善 400mV。 引出端符号： D0D7 数据输入端 OE 三态允许控制端（低电平有效） LE 锁存允许端 Q0Q7 输出端 27256 是 32K*8 字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一+5V 供电， 工作电流为 100mA，维持电流为 40mA，读出时间最大为 250nS，28 脚双列直插 式封装。 27256 各引脚的含义: A0 一 A15：16 根地址输入线。用于寻址片内的 32K 个存储单元。 D0D7：8 根双向数据线，正常工作时为数据输出线。编程时为数据输入线。 24 OE：输出允许信号。低电平有效。当该信号为 0 时，芯片中的数据可由 D0D7 端输出。 CE：选片信号。低电平有效。当该信号为 0 时表示选中此芯片。 PGM:编程脉冲输入端。对 EPROM 编程时，在该端加上编程脉冲。读操作时 该信号为 1。 VPP：编程电压输入端。编程时应在该端加上编程高电压，不同的芯片对 VPP 的值要求的不一样，可以是+12.5V，+15V，+21V，+25V 等。 62256 的容量为 32KB,是 28 引脚双列直插式芯片，采用 CMOS 工艺制造。操 作方式由 OE,WE, CE1 , CE2 的共同作用决定 写入：当 WE 和 CE1 为低电平，且 OE 和 CE2 为高电平时，数据输入缓冲器 打开，数据由数据线 D7D0 写入被选中的存储单元。 读出：当 OE 和 CE1 为低电平，且 WE 和 CE2 为高电平时，数据输出缓冲器 选通，被选中单元的数据送到数据线 D7D0 上。 保持：当 CE1 为高电平，CE2 为任意时，芯片未被选中，处于保持状态，数 据线呈现高阻状态。 A12A0（address inputs）：地址线，可寻址 32KB 的存储空间。 D7D0（data bus）：数据线，双向，三态。 OE（output enable）：读出允许信号，输入，低电平有效。 WE（write enable）：写允许信号，输入，低电平有效。 CE1（chip enable）：片选信号 1，输入，在读/写方式时为低电平。 CE2（chip enable）：片选信号 2，输入，在读/写方式时为高电平。 VCC：+5V 工作电压。 GND：信号地。 8279 特性 8279 能自动完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘控制部分提供一种扫描工 作方式，可与 64 个按键的矩阵键盘连接，能对键盘进行自动扫描、自动消抖、自动 识别出按下的键并给出编码，能同时按下双键或键实行保护，其接收键盘上的输 入信息存入内部 FIFO 缓冲器，并可在有键输入时向 CPU 请求中断。8279 提供了按 扫描方式工作的显示接口，其内部有一个 168 的显示缓冲器，能对 8 位或 16 位 LED 自动进行扫描，将显示缓冲器的内容在 LED 上显示出来。 8279 通过 74LS138 译码器扩展 84 键盘、6 位显示器。由 3-8 译码器对 SL0 SL2 译出键扫描线，由另一 3-8 译码器译出显示器的位扫描线，并采用了编码扫 描方式。为了防止出现重键现象，扫描输出线高位 SL3 不参加键扫描译码。CPU 对 8 279 的监视采用了查询方式，故 8279 的中断请求信号 IRQ 悬空未用。 25 8279 的引脚功能： 采用单5V 电源供电，40 脚封装。 DB0DB7:双向数据总线，用来传送 8279 与 CPU 之间的数据和命令。 CLK:时钟输入线，用以产生内部定时的时钟脉冲。 RESET:复位输入线，8279 复位后被置为字符显示左端输入，二键闭锁的触点回 弹型式，程序时钟前置分频器被置为 31,RESET 信号为高电平有效。 S:片选输入线，低电平有效，单片机在 CS 端为低时可以对 8279 读/写操作。 A0:缓冲器低位地址，当 A0 为高电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为 低电平时，表示数据总线上为数据。 RD:读信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出，数据送往外部总线。 WR:写信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出，将数据从外部数据总线写入 8 279 的缓冲器。 常用的显示器由 8 个发光二极管和 1 个米字管组成，其中 7 个发光二极管控制 7 个笔画的亮或暗。本设计中运用静态显示，作为 MCS-51 串行口方式 0 输出的应用， 我们可以在串行口上扩展多片串行输入并行输入并行输出的位移寄存器 7404 作为静 态显示接口。 3.3 软件系统的设计 软件系统一般由两个部分组成，即管理软件和控制软件。管理软件一般又称为 监控软件，其作用是进行监测系统状态并提供基本操作管理，控制软件的作用是根 据用户编制的加工程序，控制机床运行，软件是硬件的补充，确定硬件电路后，根 据系统功能要求设计软件。 8051 单片机作为中央处理单元构成的数控系统，其软件设计主要包括：中央处 理单元，步进电机的状态，有关寄存器等初始化程序，键盘处理，显示，报警，急 停等功能程序。 系统启动后，开始初始化操作，初始化包括单片机定时器/计数器初始化，8255 I/O 口初始化，键盘数据区初始化，显示缓冲区初始化，各种软件标志初始化等操 作，然后根据输入信息，判别运行的方式，执行手动或自动功能。 8279 的 OUTA0-OUTA3 和 OUT0-OUT3 作为显示器位选信号，显示器的段选信号则 由 8279 的 SL0-SL2 发出。8279 的 RL0-RL3 是键盘扫描输入。 8255 的 PC0-PC5 接控制面板上的按钮开关，设有启动，暂停，单段运行，连续 运行，急停等操作功能。 26 复位 将显示 RAM 清零 设置键盘显示器工作方式，左 边输入双键互锁外部译码扫描 设置时钟 20 分频 显示字符 P 表示正常工作 将 IBDFF 置空 调用读键盘子程序 （50H）=1 调用步进电机子程序 （51H）=1 调用越程报警子程序 （52H）=1 数字键处理 调用步进电机 子程序入口 50H=1 数字键处理 52H=1 调用越程报警子 程序 51H=1 （横向） 30H=1？ （纵向） 40H=1？ 横向工作台 工作 纵向工作台 工作 返回 系统控制软件流程图 27 系统初始化程序 系统上电或复位后，系统软件进行初始化处理。当开机后系统受到干扰后，系 统的各个部分可能处于随机状态，必须用初始化程序对有关接口设置工作状态，对 有关寄存器、存储器单元设置常数或清零，然后系统才能工作。 地址分配 8255 芯片：8000H9FFFH；8279 芯片：A000HBFFFH 8255 芯片初始化 PA 输入，PB 口输入，PC 口高低位均输出。 方式控制字：10011000 98H PA 口地址：8FFCH 、PB 口地址：8FFDH 、PC 口地址：8FFEH 控制字寄存器地址：8FFFH 8279 初始化 命令状态口地址：1010111111111111AFFFH 数据口令地址： 1010111111111110AFFEHA 操作指令字： 0000100008H （16 个字符现实左入口编码，扫描键盘，双键互锁） 时钟编程命令字：0011010034H 读 FIFO RAM 命令字：010000040H 写显示缓冲器 RAM：1001000090H 清除命令字：11010001101H 寄存器相关 地址寄存器 R1、R0，工作寄存器 R0R7。 步进电机控制设计 步进电机程序设计的主要任务是： 判断旋转方向和按顺序传送控制脉冲，判断所要求的控制步数是否传送完毕； 程序清单如下： MASTER:MOVDPTR,#AFFFH;设置指针 AFFFH 为 8279 命令状态 口 地址 MOVA,#011H;送入清零命令字 MOVXDPTR,A;熄灭显示器 LP:MOVXA,DPTR;读状态字 JBACET，LP MOV A， #08H;键盘显示器工作命令（ 置 8279 左端 输 入外部译码器扫描，双键互锁） 28 MOVXDPTR A MOVA,#34H;20 分频 MOVXDPTR,A MOVXA,#73H;73H 为字符 P 的代码 MOVDPTR,#AFFEH;AFFFH 为 8279 数据寄存器口地址 MOVXDPTR,A;显示字符 P MOVR5,#80H;R5 作 IBOFF，设为空 ACALLRDKB;调用读键盘子程序 V ADDA ,#0D1H;A 中为 FIFO 的数据 JCORDER,KEY;若0 为命令 AJMPNUMBER,KEY;否则转数据键 MOVA,R5;取 IBOFF 中的内容 JBACC.7,PDK10;为空脱离循环 MOVR5,#80H;否则将 IBOFF 置空 CLKEX1;关 INT1 中断 RET;返回 SETBEA;中断开放 SETBEX1;允许 INT1 中断 AJMPRDKB;循环等待 ORG0013H;INT 中断入口 PUSHPSW;程序状态寄存器入栈 PUSHDPH;数据指针高位入栈 PUSHDPL;数据指针低位入栈 PUSHA;累加器 A 入栈 MOVDPTR,#AFFFH MOVA,#40H;控制字送累加器 MOVXDPTR,A;发读 FIFO 命令 MOVDPTR,#AFFFH MOVXA,DPTR MOVR5,A;将字符送入数据寄存器 POPA;A 出栈 POPDPL POPDPH POPPSW RET1;返回 29 总结 四年的大学学习，让我们对机械电子工程方面的知识有了一个系统而 又全新的 的认识。毕业设计是我们学习中最后一个重要的实践性环节，是一个综合性较强的 设计任务，它为我们以后从事技术工作打下了一个良好的基础，对我们掌握所学知 识情况进行了全面而又直观的检测。 为了能够较好