C6163型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)【含3張CAD圖紙】
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摘 要
目前,在市場(chǎng)上購(gòu)買一臺(tái)數(shù)控車床的價(jià)格遠(yuǎn)大于改裝一臺(tái)普通車床所需花費(fèi)，且在有技術(shù)條件下，對(duì)普通車床的數(shù)控化改造更可行。所以，本課題著重對(duì)普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)。
本設(shè)計(jì)是對(duì)普通車床C6163的數(shù)控化改造，主要是對(duì)原有機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，最終使機(jī)床達(dá)到比較理想的狀態(tài)。其中主要對(duì)伺服系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等方面做了詳細(xì)的計(jì)算和設(shè)計(jì)。
本文研究了數(shù)控伺服系統(tǒng)的工作原理，闡述了C6163機(jī)床的數(shù)控化改造方案，分析了數(shù)控化改造過(guò)程中數(shù)控系統(tǒng)的選型。根據(jù)機(jī)械、動(dòng)力學(xué)及電氣設(shè)計(jì)原理，對(duì)數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和校核；根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)的要求，對(duì)切削力和滾珠絲杠進(jìn)行了計(jì)算，并選配了合適的齒輪和進(jìn)給電機(jī)。
主要設(shè)計(jì)過(guò)程如下：
首先，明確設(shè)計(jì)任務(wù)，構(gòu)思總體結(jié)構(gòu)方案，確定主要構(gòu)件位置和總體結(jié)構(gòu)；
其次，根據(jù)工作條件進(jìn)行理論計(jì)算，分析性能要求，合理選擇主要零部件；
第三，進(jìn)行二維圖紙的繪制，優(yōu)化總體方案并進(jìn)行裝配圖的繪制；
最終，對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性分析。
通過(guò)設(shè)計(jì)，可以得到以下結(jié)論：
一是，機(jī)床數(shù)控化改造后，能夠達(dá)到所要求的加工精度，有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；
二是，設(shè)計(jì)理論不夠成熟，本設(shè)計(jì)最大的缺陷是從生產(chǎn)技術(shù)來(lái)看，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的實(shí)用與推廣進(jìn)一步研究。我們要加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合，使我們的設(shè)計(jì)越來(lái)越科學(xué)先進(jìn)。
關(guān)鍵詞：C6163車床;數(shù)控化;改造設(shè)計(jì)
I
Abstract
Currently, in the market, the price of a CNC lathe is much higher than the required modification of a normal lathe, and NC restructure of normal lathe is more practicable on condition of exsiting technology. Therefore, this design will focus on the NC restructure of normal lathe.
This design is NC restructure of normal lathe C6163, mainly on the creative design of original structure of lathe to make lathe relative perfect. While in the process, we do detailed calculation and design of servo system, NC and so on.
Hereby study NC servo system working principles, expatiate how to transform the NC lathe C6163, and make analysis of how to select NC system in transforming process. Design and revise the main drive system of NC lathe according to the theory of mechanism, dynamics, and electric; Calculate the cutting force and ball-screw according to requirement of forwarding supply system, and opt appropriate gear and forwarding supply motor.
The main design process is as follows:
Firstly, clear design task, conceive idea of overall structure, and determine the location of the main components and overall structure;
Secondly, theoretical calculating basing on working condition, analyzing performance requirements, selecting the main components;
Thirdly, finish two-dimensional drawings to optimize the overall program and finish the assembling drawings;
Finally, make analysis of the economical and environmental protection index.
We get final conclusion by design：
Firstly, lathe could achieve a certain precision as required after NC restructure, which means great economic value;
Secondly, design theory is not mature enough, the biggest flaw of this design is the practicality and promotion of design need further discussing from view of production technology. We should strengthen the integration of theory and practice, to make our design more and more scientific and advanced.
Key words: C6163 lathe; numerical control; reconstruct design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1數(shù)控車床 1
1.1.1數(shù)控車床加工特點(diǎn) 1
1.1.2數(shù)控機(jī)床組成 2
1.1.3 數(shù)控車床的工作原理 3
1.1.4數(shù)控車床的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 3
1.2數(shù)控車床的發(fā)展趨勢(shì) 4
1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 5
1.3.1微觀改造的必要性 5
1.3.2宏觀改造的必要性 6
1.4本設(shè)計(jì)的目的和意義 6
1.5設(shè)計(jì)過(guò)程 7
第2章 機(jī)床改造的任務(wù)及總體思路 8
2.1 機(jī)床改造的總體任務(wù) 8
2.2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案確定 8
2.3 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件總體設(shè)計(jì) 9
2.4數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 9
2.5數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 9
第3章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)計(jì)算 11
3.1已知參數(shù) 11
3.2確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 11
3.3切削力的確定 11
3.4計(jì)算進(jìn)給牽引力 11
3.5計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C 12
3.6傳動(dòng)效率的計(jì)算 13
3.7剛度計(jì)算 14
3.8確定傳動(dòng)比 15
3.9齒輪參數(shù)的計(jì)算 15
第4章 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22
4.1主控器 22
4.1.1 MCS-51芯片概述 22
4.1.2 在MCS-51單片機(jī)內(nèi)部主要有 24
4.1.3 MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器 25
4.2 EPROM、RAM與8031的連接 26
4.2.1 EPROM與RAM的選擇 26
4.2.1 8031與外部程序存貯器的連接 27
第5章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28
5.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介 28
5.2 光電隔離電路和功率放大器設(shè)計(jì) 28
5.3電氣原理圖具體設(shè)計(jì) 29
第6章 經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析 31
第7章 結(jié)論 32
參 考 文 獻(xiàn) 33
致 謝 34
IV
沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 緒論
1.1數(shù)控車床
數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床的簡(jiǎn)稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機(jī)床動(dòng)作并加工零件[1] 。
數(shù)控車床又稱為 CNC車床，即計(jì)算機(jī)數(shù)字控制車床，是目前國(guó)內(nèi)使用量最大，覆蓋面最廣的一種數(shù)控機(jī)床，約占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的25%。數(shù)控機(jī)床是集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)、微電子和信息等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品。是機(jī)械制造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動(dòng)化和高柔性化等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī)。數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置，幾十年來(lái)一直受到世界各國(guó)的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。
數(shù)控車床、車削中心，是一種高精度、高效率的自動(dòng)化機(jī)床。它具有廣泛的加工藝性能，可加工直線圓柱、斜線圓柱、圓弧和各種螺紋。具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)各種補(bǔ)償功能，并在復(fù)雜零件的批量生產(chǎn)中發(fā)揮 了良好的經(jīng)濟(jì)效果[2] 。
1.1.1數(shù)控車床加工特點(diǎn)
（1）自動(dòng)化程度高，可以減輕操作者的體力勞動(dòng)強(qiáng)度。數(shù)控加工過(guò)程是按輸入的程序自動(dòng)完成的，操作者只需起始對(duì)刀、裝卸工件、更換刀具，在加工過(guò)程中， 主要是觀察和監(jiān)督機(jī)床運(yùn)行。但是，由于數(shù)控機(jī)床的技術(shù)含量高，操作者的腦力勞動(dòng)相應(yīng)提高。
（2）加工零件精度高、質(zhì)量穩(wěn)定。數(shù)控機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度都很高，較容易保證一批零件尺寸的一致性，只要工藝設(shè)計(jì)和程序正確合理，加之精心操作，就可以保證零件獲得較高的加工精度，也便于對(duì)加工過(guò)程實(shí)行質(zhì)量控制。
(3)生產(chǎn)效率高。數(shù)控機(jī)床加工是能再一次裝夾中加工多個(gè)加工表面，一般只檢測(cè)首件，所以可以省區(qū)普通機(jī)床加工時(shí)的不少中間工序，如劃線、尺寸檢測(cè)等，減少了輔助時(shí)間，而且由于數(shù)控加工出的零件質(zhì)量穩(wěn)定，為后續(xù)工序帶來(lái)方便，其綜合效率明顯提高。
(4)便于新產(chǎn)品研制和改型。數(shù)控加工一般不需要很多復(fù)雜的工藝裝備，通過(guò)編制加工程序就可把形狀復(fù)雜和精度要求較高的零件加工出來(lái)，當(dāng)產(chǎn)品改型，更改設(shè)計(jì)時(shí)，只要改變程序，而不需要重新設(shè)計(jì)工裝。所以，數(shù)控加工能大大縮短產(chǎn)品研制周期，為新產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品的改進(jìn)、改型提供了捷徑。
(5)可向更高級(jí)的制造系統(tǒng)發(fā)展。數(shù)控機(jī)床及其加工技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助制造的基礎(chǔ)。
(6)初始投資較大。這是由于數(shù)控機(jī)床設(shè)備費(fèi)用高，首次加工準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)，維修成本高等因素造成。
(7)維修要求高。數(shù)控機(jī)床是技術(shù)密集型的機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，需要維修人員既懂機(jī)械，又要懂微電子維修方面的知識(shí)，同時(shí)還要配備較好的維修裝備。
1.1.2數(shù)控機(jī)床組成
數(shù)控車床一般由下列幾個(gè)部分組成：
(1)主機(jī)，他是數(shù)控機(jī)床的主題，包括機(jī)床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。他是用于完成各種切削加工的機(jī)械部件。
（2）數(shù)控裝置，是數(shù)控機(jī)床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機(jī)等）以及相應(yīng)的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。
（3）驅(qū)動(dòng)裝置，他是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件，包括主軸驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給單元、主軸電機(jī)及進(jìn)給電機(jī)等。他在數(shù)控裝置的控制下通過(guò)電氣或電液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。當(dāng)幾個(gè)進(jìn)給聯(lián)動(dòng)時(shí)，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。
（4）輔助裝置，指數(shù)控機(jī)床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行，如冷卻、排屑、潤(rùn)滑、照明、監(jiān)測(cè)等。它包括液壓和氣動(dòng)裝置、排屑裝置、交換工作臺(tái)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測(cè)裝置等。
（5）編程及其他附屬設(shè)備，可用來(lái)在機(jī)外進(jìn)行零件的程序編制、存儲(chǔ)等。
1.1.3 數(shù)控車床的工作原理
數(shù)控車床的主要任務(wù)就是根據(jù)輸入的零件程序和操作指令，車床數(shù)控車床進(jìn)行相應(yīng)的處理，控制車床各運(yùn)動(dòng)部件協(xié)調(diào)動(dòng)作，加工出合格的零件。
??根據(jù)零件圖制訂工藝方案，采用手工或計(jì)算機(jī)進(jìn)行零件程序的編制，并把編好的零件程序存放于某種控制介質(zhì)上；經(jīng)相應(yīng)的輸入裝置把存放在該介質(zhì)上的零件程序輸入至CNC裝置；CNC裝置根據(jù)輸入的零件程序和操作指令，進(jìn)行相應(yīng)的處理，輸出位置控制指令到進(jìn)沈陽(yáng)車床給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)刀具和工件的相對(duì)移動(dòng)；輸出速度控制指令到主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動(dòng)；輸出M、S、T指令到PLC以實(shí)現(xiàn)順序動(dòng)作的開(kāi)關(guān)量I／0控制，數(shù)控車床從而加工出符合圖樣要求的零件。其中CNC系統(tǒng)對(duì)零件程序的處理流程包括譯碼、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)、位置控制、PLC控制等環(huán)節(jié)。
1.1.4數(shù)控車床的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
20世紀(jì)人類社會(huì)最偉大的科技成果是計(jì)算機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)在機(jī)械制造設(shè)備中的應(yīng)用是世紀(jì)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術(shù)進(jìn)步。自從1952年美國(guó)第1臺(tái)數(shù)控銑床問(wèn)世至今已經(jīng)歷了50個(gè)年頭。數(shù)控設(shè)備包括：車、銑、加工中心、鏜、磨、沖壓、電加工以及各類專機(jī)，形成龐大的數(shù)控制造設(shè)備家族，每年全世界的產(chǎn)量有10～20萬(wàn)臺(tái)，產(chǎn)值上百億美元 [3] 。
我國(guó)數(shù)控車床發(fā)展，始于上世紀(jì)70年代，通過(guò)30余年的經(jīng)歷，我國(guó)生產(chǎn)的數(shù)控車床，按中國(guó)需求的特色，形成經(jīng)濟(jì)型臥式數(shù)控車床(平床身臥式數(shù)控車床)、普及型數(shù)控車床(斜床身數(shù)控臥式車床和數(shù)控立式車床)和中高檔數(shù)控車床(3軸控制以上)三種形式。經(jīng)濟(jì)型臥式數(shù)控車床，普遍采用平床身結(jié)構(gòu)和立軸四工位方刀架，約占數(shù)控車床產(chǎn)量90%。普及型數(shù)控車床生產(chǎn)量不到數(shù)控車床產(chǎn)量的10%。中高檔數(shù)控車床，即車削中心和車銑復(fù)合中心，約占數(shù)控車床生產(chǎn)0.02%[4] 。
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，價(jià)格低廉，售價(jià)僅10萬(wàn)元人民幣左右，不到普及型數(shù)控車床的1/3，設(shè)備費(fèi)用投入較少，可以廣泛的滿足企業(yè)發(fā)展初期的需要，特別是受到民營(yíng)企業(yè)的歡迎，仍是我國(guó)當(dāng)前數(shù)控車床的主流產(chǎn)品。我國(guó)已有十余家企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到年產(chǎn)千臺(tái)以上，普及型數(shù)控車床，即2軸控制的臥式數(shù)控車床(斜床身)和立式數(shù)控車床，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品得到了用戶認(rèn)可，基本可以滿足用戶需要[5] 。
? 車削中心等3軸控制以上的中高檔數(shù)控車床，國(guó)內(nèi)用戶選購(gòu)的大部分是進(jìn)口的產(chǎn)品或合資、獨(dú)資企業(yè)如大連因代克斯、寧夏小巨人、杭州友佳、上海哈挺等機(jī)床有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，國(guó)產(chǎn)機(jī)床市場(chǎng)占有率較低。近幾年，雖然，我國(guó)開(kāi)發(fā)了不少中高檔數(shù)控車床新品種，如具有Y軸功能的車削中心、雙主軸雙刀架車削中心、倒置順置主軸立式車削單元、車銑復(fù)合中心等等。但是，高級(jí)型數(shù)控車床的重點(diǎn)是要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)市場(chǎng)，取得國(guó)內(nèi)用戶廣泛認(rèn)可。
“十五”期間國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床發(fā)展很快。從技術(shù)上看，數(shù)控車床技術(shù)比較成熟，通過(guò)技術(shù)引進(jìn)和合作生產(chǎn)、消化吸收和自主創(chuàng)新，我國(guó)已掌握了數(shù)控車床設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。從產(chǎn)品水平上看，我國(guó)已能自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)各種中高檔數(shù)控車床，國(guó)際上最熱門(mén)的、水平最高的雙主軸、雙刀架9軸控制車銑復(fù)合中心，我國(guó)已有多家企業(yè)開(kāi)發(fā)試制成功，有的已被國(guó)內(nèi)用戶選購(gòu)和出口國(guó)外。
? 從品種上看，我國(guó)生產(chǎn)的數(shù)控車床品種比較齊全，每年都有100多個(gè)數(shù)控車床新品種，可供各方面用戶選用。從生產(chǎn)規(guī)模上看，國(guó)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床已形成規(guī)模生產(chǎn)，有十余家企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到年產(chǎn)千臺(tái)以上[6] 。
1.2數(shù)控車床的發(fā)展趨勢(shì)
數(shù)控車床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)及重點(diǎn)已基本確定，未來(lái)五年的突破重點(diǎn)是：大型、精密、高速數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件，改變大型、高精度數(shù)控機(jī)床大部分依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀。力爭(zhēng)通過(guò)加快產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的大規(guī)模調(diào)整，國(guó)產(chǎn)數(shù)控車床占國(guó)內(nèi)需求的比重從現(xiàn)在的不足40%上升至50%以上，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床采用自己的功能部件達(dá)到60%以上[7] 。
近年來(lái)制造業(yè)成為了國(guó)家大力支持和發(fā)展的行業(yè)，而各個(gè)制造行業(yè)的發(fā)展都與車床裝備的發(fā)展密切相關(guān)。車床下游行業(yè)主要由汽車零部件行業(yè)、通用機(jī)械零部件行業(yè)、航空航天和模具行業(yè)等為主。2004年汽車零部件和工程機(jī)械行業(yè)消耗了近50%的機(jī)床。其中，汽車零部件制造業(yè)的發(fā)展對(duì)車床業(yè)影響最大，以1990~2005年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，二者產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)為0.82，產(chǎn)量增幅的相關(guān)系數(shù)是0.61[8] 。
我國(guó)機(jī)床行業(yè)發(fā)展前景廣闊。根據(jù)我國(guó)數(shù)控車床1996~2005年消費(fèi)數(shù)量，通過(guò)模型擬合，預(yù)計(jì)2009年數(shù)控車床銷售數(shù)量將達(dá)8.9萬(wàn)臺(tái)，年均增長(zhǎng)率為16.5%。根據(jù)我國(guó)加工中心1996~2005年消費(fèi)增長(zhǎng)模型，預(yù)計(jì)2009年加工中心消費(fèi)數(shù)量將達(dá)2.8萬(wàn)臺(tái)，較2005年年均增長(zhǎng)率為17.8%。
我國(guó)數(shù)控機(jī)床開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)：一是重點(diǎn)發(fā)展關(guān)鍵功能部件和數(shù)控系統(tǒng)，為數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品升級(jí)奠定基礎(chǔ)。主要發(fā)展項(xiàng)目包括中高檔數(shù)控系統(tǒng)、高速主軸及其伺服單元、高性能刀庫(kù)及機(jī)械手、高速滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌副、直線電機(jī)、全功能數(shù)控刀架和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、高速防護(hù)裝置等。二是高精度數(shù)字化測(cè)量?jī)x器和數(shù)控刀具。三是滿足國(guó)家重點(diǎn)工程需要，實(shí)施高級(jí)型數(shù)控機(jī)床示范工程。重點(diǎn)發(fā)展的高級(jí)數(shù)控機(jī)床范圍有：高速、精密數(shù)控車床，車削中心類及四軸以上聯(lián)動(dòng)的復(fù)合加工機(jī)床；高速、高精度數(shù)控銑鏜床，高速、高精度立臥式加工中心；重型、超重型數(shù)控機(jī)床；數(shù)控磨床；數(shù)控電加工機(jī)床；數(shù)控金屬成形機(jī)床(鍛壓設(shè)備)；數(shù)控專用機(jī)床及生產(chǎn)線等[9] 。
1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性
1.3.1微觀改造的必要性
微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。
可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來(lái)的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。?
可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。
由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來(lái)，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了“柔性自動(dòng)化”。
加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。
可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件?在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。
擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看管加工。
由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)[10][11]。
1.3.2宏觀改造的必要性
宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過(guò)程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對(duì)國(guó)外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國(guó)際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落后20年。如我國(guó)機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達(dá)20.8％，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。
1.4本設(shè)計(jì)的目的和意義
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來(lái)越高的要求。機(jī)械加工工藝過(guò)程的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)上述要求的最重要的措施。它不僅能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，還能夠大大改善工人的勞動(dòng)條件。
和普通車床相比較，數(shù)控化車床具有很多優(yōu)勢(shì)，例如與普通車床比較，加入了數(shù)控裝置，在操作上更加方便、快捷；使用了滾珠絲杠螺母副，改進(jìn)了普通車床結(jié)構(gòu)剛性不足，抗振性差，滑動(dòng)面的摩擦阻力較大以及傳動(dòng)元件中的間隙等弱點(diǎn)；綜合考慮，大大提高了生產(chǎn)效率，約為普通車床的2-3倍[12] 。
目前,在市場(chǎng)上購(gòu)買一臺(tái)數(shù)控車床的價(jià)格遠(yuǎn)大于改裝一臺(tái)普通車床所需花費(fèi)，且在有技術(shù)條件下，對(duì)普通車床的數(shù)控化改造更可行。所以，本課題著重對(duì)普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)。
1.5設(shè)計(jì)過(guò)程
(1) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算：此部分為設(shè)計(jì)計(jì)算部分，用以確定脈沖當(dāng)量，進(jìn)給牽引力，選擇絲杠螺母副，計(jì)算傳動(dòng)效率，確定傳動(dòng)比，選擇伺服電機(jī)等，并繪制改造后機(jī)床的總裝配圖及箱體零件圖。
(2) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)電路原理圖。
第2章 機(jī)床改造的任務(wù)及總體思路
2.1 機(jī)床改造的總體任務(wù)
機(jī)床的數(shù)控改造，主要是對(duì)原有機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，最終使機(jī)床達(dá)到比較理想的狀態(tài)。數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型代表，其機(jī)械結(jié)構(gòu)同普通的機(jī)床有諸多相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床不是簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)機(jī)床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上，僅對(duì)局部加以改進(jìn)而成。傳統(tǒng)機(jī)床存在著一些弱點(diǎn)，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動(dòng)面的摩擦阻力大及傳動(dòng)元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機(jī)床對(duì)加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)率以及使用壽命等要求。現(xiàn)代的數(shù)控技術(shù)，特別是加工中心，無(wú)論是其支承部件、主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、輔助功能等部件結(jié)構(gòu)，還是整體布局、外部造型等都已經(jīng)發(fā)生了很大變化，已經(jīng)形成了數(shù)控機(jī)床的獨(dú)特機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，我們?cè)趯?duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造的過(guò)程中，應(yīng)在考慮各種情況下，使普通機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)盡可能地與數(shù)控機(jī)床相接近。
1）節(jié)省資金。機(jī)床的數(shù)控改造同購(gòu)置新機(jī)床相比一般可節(jié)省60%左右的費(fèi)用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購(gòu)置費(fèi)的1/3.即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級(jí)也只需花費(fèi)購(gòu)買新機(jī)床60%的費(fèi)用，并可以利用現(xiàn)有地基。
2）性能穩(wěn)定可靠。因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期時(shí)效，幾乎不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。
3）提高生產(chǎn)效率。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3至5倍。對(duì)復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費(fèi)用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。
2.2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案確定
1）伺服系統(tǒng)的選擇：本次改造由于使用步進(jìn)電機(jī)，所以可以選擇開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)
2）傳動(dòng)方式的選擇：滾珠絲杠螺母副
2.3 數(shù)控系統(tǒng)軟硬件總體設(shè)計(jì)
為保證改造后的數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度及工作臺(tái)的平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)努力保證傳動(dòng)系統(tǒng)低摩擦、低慣量、高效率、高剛度。制定數(shù)控系統(tǒng)總體方案時(shí)必須重點(diǎn)考慮：
(1) 加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。
(2) 提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度。
(3) 提高使用方便性。
2.4數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由工控PC硬件平臺(tái)、數(shù)控操作面板(包括LCD顯示器，鍵盤(pán))、數(shù)控接口板卡(工/0板，D/A板)和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。PC硬件平臺(tái)包括工控電源、無(wú)源母板、工控PC主板和軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等。數(shù)控操作面板上有液晶顯示器和薄膜鍵盤(pán)等。數(shù)控接口板卡是計(jì)算機(jī)與外部執(zhí)行裝置間進(jìn)行信息交換和轉(zhuǎn)換的通道，對(duì)內(nèi)通過(guò)無(wú)源母板與工控PC主板相連，對(duì)外通過(guò)屏蔽電纜與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置相連接。
2.5數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各任務(wù)在數(shù)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制下協(xié)調(diào)進(jìn)行。
(1) 數(shù)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是數(shù)控系統(tǒng)軟件中的核心子系統(tǒng)，它對(duì)系統(tǒng)中的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)各任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，協(xié)調(diào)各模塊的高效運(yùn)行，并輔助完成各任務(wù)間的通訊和信息交換。
(2) 信息預(yù)處理。該模塊完成輸入信息譯碼，完成軌跡插補(bǔ)前的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和刀補(bǔ)運(yùn)算。
(3) 軌跡插補(bǔ)。它是數(shù)控系統(tǒng)的核心模塊，其任務(wù)是根據(jù)信息預(yù)處理給出的希望軌跡和從檢測(cè)裝置獲得的實(shí)際軌跡信息，實(shí)時(shí)生成機(jī)床各坐標(biāo)軸的移動(dòng)指令，并完成機(jī)床運(yùn)動(dòng)的加減速控制。
(4) 運(yùn)動(dòng)控制。該模塊是數(shù)控系統(tǒng)的另一核心模塊，它根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)果，通過(guò)高速算法對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸進(jìn)行高精度位置控制，并完成主軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的控制任務(wù)。
(5) 加工仿真模塊。該模塊以動(dòng)畫(huà)方式對(duì)數(shù)控加工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，從而在加工前檢驗(yàn)參數(shù)輸入正確性和機(jī)床運(yùn)動(dòng)合理性。
第3章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)計(jì)算
3.1已知參數(shù)
最大回轉(zhuǎn)直徑:630mm;電機(jī)功率:10KW;Lmax:2000mm;定位精度:0.015m/min;
加速時(shí)間:30ms;機(jī)床效率:0.7;
快進(jìn)速度:橫向:1.2m/min ;切削速:橫向:0.25m/min;移動(dòng)部件重量:橫向:800N;
縱向:2.4m/min; 縱向:0.5m/min; 縱向:1200N;
3.2確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量
車床縱向脈沖當(dāng)量為0.01/mm脈沖；
橫向脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖
3.3切削力的確定
縱切端面時(shí)的主切削力
3.4計(jì)算進(jìn)給牽引力
作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因此其數(shù)值的大小與導(dǎo)軌的類型有關(guān)。 縱向采用三角形導(dǎo)軌：
（3－1）
橫向采用燕尾形導(dǎo)軌：
（3－2）
式中：G為移動(dòng)部件的重量（N）；
為導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形勢(shì)而不同；
K為考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)。
在正常情況下，K及 可取如下數(shù)值：
燕尾形導(dǎo)軌： K=1.4
三角形導(dǎo)軌： K=1.15
3.5計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C
選用滾珠絲杠副的直徑d0時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載C，計(jì)算如下：
縱向：
初選絲杠基本導(dǎo)程
（3－3）
（3－4）
（3－5）
查表取
橫向：
初選絲杠基本導(dǎo)程
查表選擇FFZD2506,
均為FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副,其中：
表3-2 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)
運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)
運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)
無(wú)沖擊狀態(tài)
1.0~1.2
一般運(yùn)轉(zhuǎn)
1.2~1.5
有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)
1.5~2.5
3.6傳動(dòng)效率的計(jì)算
滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率:
（3－6）
其中：
縱向：
橫向：
3.7剛度計(jì)算
滾珠絲杠副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素。
絲杠的拉伸或壓縮變形量：
縱向：
（3－7）
（3－8）
預(yù)緊后滿足要求。
橫向；
預(yù)緊后滿足要求。
3.8確定傳動(dòng)比
確定當(dāng)機(jī)床脈沖當(dāng)量和滾珠絲杠導(dǎo)程確定以后，可以先初選步進(jìn)電機(jī)的步距角，計(jì)算伺服系統(tǒng)的降速比I：
（3－9）
縱向:
橫向：
3.9齒輪參數(shù)的計(jì)算
模數(shù)m取2，計(jì)算如下：
縱向：取小圓齒數(shù)為36。
小齒輪：
大齒輪：
橫向：取小圓齒數(shù)為18。
小齒輪：
大齒輪：
齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計(jì)算（）
（3－10）
對(duì)于鋼材：
（3－11）
式中：
M—圓柱體質(zhì)量（）
D—圓柱體直徑（）
L—圓柱體長(zhǎng)度（）
—鋼材的密度
對(duì)于齒輪：D可取分度圓直徑，L取齒輪寬度；
對(duì)于絲杠：D可近似取絲杠公稱直徑—滾珠直徑，L取絲杠長(zhǎng)度。
具體計(jì)算如下。
縱向：
橫向：
（2）絲杠傳動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的總傳動(dòng)慣量
步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一對(duì)齒輪降速后傳到絲杠，此傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
（3－12）
式中：
具體計(jì)算如下：
縱向：
橫向：
電機(jī)的負(fù)載力矩在各種工況下是不同的，下面分快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩、快速進(jìn)給時(shí)所需力矩、最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩等幾部分介紹其計(jì)算方法。
（1） 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩
（3－13）
式中：
（2） 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
（3－14）
因此對(duì)運(yùn)動(dòng)部件已起動(dòng)，固不包含，顯然。
（3） 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
（3－15）
式中：
在采用絲杠螺母副傳動(dòng)時(shí)，上述各種力矩可用下式計(jì)算：
（3－16）
式中：
摩擦力矩：
（3－17）
式中：
；
空載快速起動(dòng)時(shí),進(jìn)行切削加工時(shí)，其計(jì)算如計(jì)算牽引力處摩擦力的計(jì)算；
；
；
；
附加摩擦力矩：
（3－18）
式中：
折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩：
（3－19）
式中：
具體計(jì)算：
橫向：
由上面計(jì)算知，在、、三種工況下，快速空載起動(dòng)所需力矩最大，所以只需計(jì)算。
縱向：
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床中大多數(shù)采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。
1. 首先根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)距
從表中查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)，
縱向：
按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表（三相）可查出，110BYG3500型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為8N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起。動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性：
步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)頻率：
Hz
最高工作頻率：
Hz
從電機(jī)表中查出，110BYG3500型步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率為1600Hz，運(yùn)行頻率為30000Hz，滿足要求。
橫向：
按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表（三相）可查出，90BYGH3502型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為5N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。
步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)頻率：
Hz
最高工作頻率：
Hz
從電機(jī)表中查出，90BYGH3500型步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率為1800Hz，運(yùn)行頻率為30000Hz，滿足要求。
第4章 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1主控器
主控制器及主控制芯片的選擇：目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片有8086，8088，80286，80386以及8098，8096等16位機(jī)的CPU，在一般的數(shù)控系統(tǒng)中推薦采用MCS—51系列單片機(jī)作為主控制器。這里選用MCS—51系列中的8031芯片。
4.1.1 MCS-51芯片概述
MCS一51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)功能較強(qiáng)、價(jià)格較低，較早應(yīng)用，目前應(yīng)用廣泛。MCS-51系列的三個(gè)基本產(chǎn)品是8031、8751、8051。它們本是同根生，引腳與指令完全兼容，核心是一個(gè)8位的CPU，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所不同。
8031除CPU外，還包括128字節(jié)的RAM，21個(gè)特殊功能寄存器（SFR）、4個(gè)8位并行輸入輸出口、1個(gè)全雙工串行口，2個(gè)16位的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，但內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，需要在芯片外擴(kuò)展EPROM芯片。8051包含了8031，芯片內(nèi)又集成了4K字節(jié)的ROM，用作程序存儲(chǔ)器，并且8051是掩膜型單片機(jī)，不超過(guò)4K字節(jié)的程序是廠家制作芯片時(shí)，代用戶燒制的，用戶不能修改。所以8051在國(guó)內(nèi)很少見(jiàn)到。
與8051功能相同的是8751，但是它的4K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器采用了EPROM，用戶可以其中反復(fù)修改程序。但是8751價(jià)格較貴，甚至比8031外加一片4K字節(jié)的EPROM還貴，而且經(jīng)常擦寫(xiě)的EPROM也較易損壞，8751的EPROM一旦損壞，整個(gè)片子就沒(méi)用了。
Intel還在MCS-51系列三種基本型產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，推出了各類增強(qiáng)型產(chǎn)品，主要有8032／8052／8752：它們的內(nèi)部RAM增到256字節(jié)，8752／8052片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器容量增到8K字節(jié)，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器增至3個(gè)16位計(jì)數(shù)器，有6個(gè)中斷源。另外還有低功耗的CHMOS工藝芯片的80C31／87C51／80C51：有二種掉電工作方式，其一是讓CPU停止工作，其它部分仍繼續(xù)工作，其二是除片內(nèi)為RAM繼續(xù)保持?jǐn)?shù)據(jù)外，其它部分都停止工作。還有一種可用BASIC語(yǔ)言編程的BASIC52單片機(jī)，其芯片內(nèi)固化有BASIC解釋程序，而且BASIC52語(yǔ)言能和MCS一51匯編語(yǔ)言混合使用。
表4－1 MCS-51各引腳功能
序號(hào)
名稱
功能
序號(hào)
名稱
功能
1~8
P1.0~1.7
P1口準(zhǔn)雙向I/O線
18
XTAL2
接外部晶振
9
RST/VPD
復(fù)位/備用電源
19
XTAL1
接外部晶振
10
RXD/P3.0
串行輸入口/P3.0
20
Vss
接地
11
TXD/P3.1
串行輸出口/P3.1
21~28
P2.0~P2.7
P2口 I/O線
12
INTO/P3.2
外部中斷0輸入/P3.2
29
PSEN
外部RAM讀選通
13
INTI/P3.3
外部中斷1輸入/P3.3
30
ALE/PROG
地址鎖存允許/編程脈沖
14
T0/P3.4
定時(shí)/記數(shù)器0輸入/P3.4
31
EA/Vpp
有無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器/編程電源
15
T1/P3.5
定時(shí)/記數(shù)器1輸入/P3.5
32~39
P0.7~P0.0
P0口I/O線
16
WR/P3.6
外部RAM寫(xiě)選通/P3.6
40
Vcc
電源
17
RD/P3.7
外部RAM讀選通/P3.7
MCS-51系列單片機(jī)是40腳雙列直插式封裝（DIP）的VLSI芯片，其引腳如圖4-1所示。各引腳功能如表4-1所示。
圖4－1 MCS-51芯片引腳圖
4.1.2 在MCS-51單片機(jī)內(nèi)部主要有
8位微處理器（CPU）
4KB ROM/EPROM；128RAM；
4個(gè)并行口P0，P1，P2，P3；
一個(gè)全雙工串行口；
兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；
五個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；
64KB ROM/EPROM尋址空間；
64KB RAM/I/O尋址空間。
當(dāng)Vcc剛一上電時(shí)或當(dāng)RESET引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，8051將被復(fù)位。RESET恢復(fù)低電平后，CPU從零地址開(kāi)始執(zhí)行程序。復(fù)位后各寄存器的狀態(tài)列于表4－2中：
表4－2 復(fù)位后各寄存器的狀態(tài)
寄存器
內(nèi)容
寄存器
內(nèi)容
PC
0000H
T0*
000H
ACC*
00H
T1*
000H
B*
00H
SCON*
00H
PSW*
00H
IE*
0XX00000B
SP*
07H
TMOD*
00H
DPTR*
0000H
TCON*
00H
P0*~P3*
0FFH
SBUF*
IP*
XXX0000B
PCON*
0XXXXXXXB
注：表中帶有*號(hào)者是特殊功能寄存器
4.1.3 MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器
MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器分為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，兩種存儲(chǔ)器相互獨(dú)立，各有64K的地址空間。程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序指令、常數(shù)和表格等;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器則存放緩沖數(shù)據(jù)。由于本控制過(guò)程比較簡(jiǎn)單，控制程序所需的存儲(chǔ)容量不大，AT89C51本身的4K存儲(chǔ)空間已足夠用。因此應(yīng)用系統(tǒng)僅擴(kuò)展一片6116(RAM)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。MCS-51單片機(jī)還具有特殊功能寄存器〔SFR〕，其功能是，反映了MCS-51單片機(jī)的狀態(tài)，實(shí)際上是MCS-51單片機(jī)的狀態(tài)字及控制字寄存器。此外，MCS-51單片機(jī)的一個(gè)很大優(yōu)點(diǎn)在于它具有一個(gè)功能強(qiáng)大的布爾處理器。
圖4－2 2764引腳配置圖
4.2 EPROM、RAM與8031的連接
4.2.1 EPROM與RAM的選擇
（1）EPROM的選擇
不同型號(hào)的芯片滿足不同的需求，他們有不同的參數(shù)，主要有最大讀出速度，工作溫度及容量。在確定容量后選擇EPROM的型號(hào)，主要考慮因素是讀取速度，這決定系統(tǒng)能否正常工作。根據(jù)CPU與EPROM的匹配要求，應(yīng)滿足8031能提供的讀取時(shí)間大于EPROM所需要的讀取時(shí)間。
（2）RAM的選擇
選擇RAM主要考慮因素是RAM的讀寫(xiě)速度與CPU提供的讀寫(xiě)時(shí)序的匹配要求， 并且8031所能提供的讀寫(xiě)時(shí)間應(yīng)大于RAM所需求的讀寫(xiě)時(shí)間，常用RAM主要有6116和6264兩種。
4.2.1 8031與外部程序存貯器的連接
表4－3 2764引腳功能
A0~A 12
地址線
O0~O7
數(shù)據(jù)線
片選
輸出允許
VPP
編程電源
編程脈沖
用3片紫外線擦除可編程存貯器進(jìn)行本次設(shè)計(jì)的外部程序存貯器的擴(kuò)展，2764是一種容量為8kB的EPROM。單一+5V供電，最大靜態(tài)工作電流100mA，最大維持電流40mA。2764為28線雙列直插式封裝芯片，其引腳配置如下圖。
2764的引腳功能和工作方式見(jiàn)表4-3。
第5章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介
單片機(jī)實(shí)際上是微型計(jì)算機(jī)的一種，自從它問(wèn)世以來(lái)，人們對(duì)它不斷地改進(jìn)，以應(yīng)用于現(xiàn)代化社會(huì)的各方各面。單片機(jī)體積小，價(jià)格低廉，開(kāi)發(fā)較為容易，可根據(jù)需要制作成各種智能控制器以代替人工的操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在我國(guó)，由于ASIC（專用集成電路）的生產(chǎn)還跟不上，單片機(jī)的作用更加地重要，在智能儀器儀表、工業(yè)設(shè)備過(guò)程控制、家用電器中，都可以見(jiàn)到它的蹤跡。
?單片機(jī)的品種非常多,接著用途分共有兩大類.分為專用型和非專用型(通用型)；專用型是為某一特定的設(shè)備研制的。遙控彩電的發(fā)射和接受系統(tǒng)的是為它量身定做的。通用型可以設(shè)計(jì)成各種應(yīng)用我們生活的設(shè)備,這類可以說(shuō)品種繁多,它可以應(yīng)用各種行業(yè)。
單片機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成,這一點(diǎn)它和PC機(jī)一樣,硬件由存儲(chǔ)器,輸入輸出,CPC等組成真可謂麻雀雖小,五臟俱全,軟件是由各種應(yīng)用程序組成。這就要看單片機(jī)其他硬件(元器件)組成的是一臺(tái)什么設(shè)備了,要根據(jù)單片機(jī)應(yīng)具備的工具編相應(yīng)的程序,給單片機(jī)編程序普通地都用匯編語(yǔ)言,此外還有用C語(yǔ)言給單片機(jī)編程的，但難度較高，現(xiàn)在給單機(jī)編程只有這兩種語(yǔ)言。
單片機(jī)的硬件部分,是必不可少的部分,除了單片機(jī)本一塊集成快以外,還需要外國(guó)元件的支持,它才能工作。
雖然如此,但它仍優(yōu)于傳統(tǒng)的模式電路.用單片機(jī)系統(tǒng),簡(jiǎn)化電腦設(shè)計(jì),外圍元件少,能多,故障少。
所謂軟件是指各種程序,如同人大腦的思想它是實(shí)現(xiàn)各種功能的工具,比方說(shuō)用單片機(jī)設(shè)計(jì)多花樣的彩燈,用傳統(tǒng)的方式只有1--4鐘,而用單片機(jī),通過(guò)程序設(shè)計(jì)出來(lái)的花樣可達(dá)20--100多種。
5.2 光電隔離電路和功率放大器設(shè)計(jì)
光電隔離電路設(shè)計(jì)：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞阻。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高（幾十伏），電流也較大（幾安到幾十安），如果將Ｉ／Ｏ口輸出的信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)接口電路的損壞。所以在接口電路與功率放大器之間要加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。如圖5－1所示。
光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，當(dāng)輸入信號(hào)加到輸入端時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通激發(fā)出紅外光，光敏三極管受光照射后，由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流，通過(guò)輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了輸入端、輸出端在電氣上的完全隔離。
脈沖分配器的輸出功率很小，必須將其輸出的信號(hào)經(jīng)功率放大器從而產(chǎn)生足夠大的功率才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，功率放大器的型號(hào)要根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的具體型號(hào)選取。
圖5－1 光電隔離電路
5.3電氣原理圖具體設(shè)計(jì)
電氣原理圖編制應(yīng)滿足的要求：
（1） 橫向、縱向進(jìn)給伺服電機(jī)控制；
（2） 刀架電機(jī)控制；
（3） 鍵盤(pán)控制；
（4） 行程控制；
（5） 復(fù)位電路，報(bào)警電路等。
采用軟件環(huán)形分配器。由于橫向和縱向的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)為三相，所以直接與8155（2）的PA口相接就可以了，經(jīng)光電耦合電路，功放電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)。具體電氣原理圖設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5－2。
圖5－2 電氣原理設(shè)計(jì)圖
第6章 經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析
在如今競(jìng)爭(zhēng)萬(wàn)分激烈的社會(huì)環(huán)境中，工業(yè)生產(chǎn)越來(lái)越注重工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)該時(shí)刻注意材料和能源的節(jié)約。在滿足技術(shù)條件的情況下，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選件時(shí)，應(yīng)始終想著經(jīng)濟(jì)性。
在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)認(rèn)真的分析計(jì)算，比較準(zhǔn)確的選擇了各個(gè)零部件，這樣就在滿足使用要求的情況下避免了資金的浪費(fèi)。在車床數(shù)控化改造過(guò)程中，不僅提高了車床的剛性和抗震性，而且大大提高了生產(chǎn)效率。
在現(xiàn)代，由于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為一個(gè)戰(zhàn)略性的問(wèn)題擺在人們的面前，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中環(huán)保問(wèn)題也變的越來(lái)越重要。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程總，由于選用了滾珠絲杠的傳動(dòng)方式，減少了工作中的噪音污染，減少了對(duì)人體的危害。
現(xiàn)代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)都會(huì)注意環(huán)保問(wèn)題，因?yàn)榄h(huán)境的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為一個(gè)戰(zhàn)略性的問(wèn)題，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中一定要考慮到對(duì)于環(huán)境的影響，并應(yīng)把對(duì)環(huán)境的損害降到最低點(diǎn)。如今的工業(yè)生產(chǎn)非常注重工作效率和經(jīng)濟(jì)利益，因此對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)作出適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)和技術(shù)分析是非常重要的。在本設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)計(jì)算校核從而得出比較合理的數(shù)據(jù)，這樣在各個(gè)部件的選擇上就有了很大的優(yōu)勢(shì)，避免了不必要的資金浪費(fèi)?，F(xiàn)代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)都會(huì)注意環(huán)保問(wèn)題，因?yàn)榄h(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展成為一個(gè)戰(zhàn)略性的問(wèn)題已經(jīng)擺在人們面前，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中一定要考慮到對(duì)于環(huán)境的影響，并應(yīng)把對(duì)環(huán)境的損害降到最低點(diǎn)，符合現(xiàn)代社會(huì)以人為本的思想。
第7章 結(jié)論
本設(shè)計(jì)是C6163數(shù)控化改造。設(shè)計(jì)主要完成的內(nèi)容是：
（1）介紹了數(shù)控系統(tǒng)控制原理，數(shù)控系統(tǒng)的分類及選型；
（2）針對(duì)傳動(dòng)與進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，重點(diǎn)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)中的切削力、滾珠絲杠副進(jìn)行了選擇和計(jì)算；
（3）介紹了單片機(jī)的分類、特點(diǎn)，對(duì)數(shù)控化改造過(guò)程中單片機(jī)的選型及控制原理
通過(guò)我的設(shè)計(jì)，可以得到以下結(jié)論：
（1）機(jī)床數(shù)控化改造后，能夠達(dá)到所要求的加工精度，有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；
（2）本設(shè)計(jì)最大的缺陷是，設(shè)計(jì)理論比較不成熟，主要根據(jù)大學(xué)所學(xué)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)，但從生產(chǎn)技術(shù)的提高等各個(gè)角度來(lái)看，我們要進(jìn)一步加強(qiáng)理論與實(shí)踐的研究，使我們的設(shè)計(jì)越來(lái)越科學(xué)先進(jìn)。
參 考 文 獻(xiàn)
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[12] 劉英.車床C6163數(shù)控化改造. 2009.
致 謝
感謝沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)遼陽(yáng)校區(qū)四年來(lái)對(duì)我的辛苦培育，讓我在大學(xué)這四年來(lái)學(xué)到很多東西，特別感謝工程學(xué)校為我提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境、感謝老師們四年來(lái)對(duì)我無(wú)微不至的關(guān)懷和指導(dǎo)，讓我得以在
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