機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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鄭州大學(xué)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目：機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)（微型計(jì)算機(jī)） 入 學(xué) 年 月___ 2013年9月____ 姓 名_____張文華_________ 學(xué) 號(hào)_____13130287005_ 專 業(yè)___ _機(jī)電一體化_____ 學(xué) 習(xí) 中 心 ___ 石雞中心 __ 指 導(dǎo) 教 師__ __________ 完成時(shí)間_2015___年__8_月__24__日 目錄 摘要…………………………………………………………………………………3 關(guān)鍵詞………………………………………………………………………………3 一、 概述…………………………………………………………………………4 二、 總體方案的設(shè)計(jì)……………………………………………………………6 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)…………………………………………………………………6 2.2 總體方案的論證……………………………………………………………7 2.3 總體方案的確定………………………………………………………… 8 三、微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)…………………………………………………8 3.1微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路總體方案設(shè)計(jì)…………………… …………………8 結(jié)束語(yǔ)………………………………………………………………………………10 總結(jié)…………………………………………………………………………………11 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………12 致謝…………………………………………………………………………………13 摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控車床被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。因?yàn)樗哂屑庸れ`活、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，能適應(yīng)產(chǎn)品的品種和規(guī)格頻繁變化，能夠滿足新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和多品種、小批量、生產(chǎn)自動(dòng)化的要求，并且數(shù)控車床與普通車床相比，在提高生產(chǎn)率、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本和增加效益方面都有很大的優(yōu)越性。 針對(duì)現(xiàn)有常規(guī)CA6140普遍車床的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高加工精度和擴(kuò)大機(jī)床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說(shuō)明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)過(guò)程，較詳盡地介紹了CA6140機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。采用以8031為CPU的控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后，帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床，單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，改裝設(shè)計(jì) 一、概述 1.1 課題背景 企業(yè)要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得生存、得到發(fā)展，它必須在最短的時(shí)間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本，制造出合乎市場(chǎng)需要的、性能合適的產(chǎn)品,而產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，制造周期的快慢，生產(chǎn)成本的高低，又往往受工廠現(xiàn)有加工設(shè)備的直接影響。目前，采用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，已成為我國(guó)制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。在我國(guó)現(xiàn)有的機(jī)床中有一部分仍采用傳統(tǒng)的繼電器- 接觸器控制方式，這些機(jī)床觸點(diǎn)多、線路復(fù)雜，使用多年后故障多、維修量大、維護(hù)不便、可靠性差，嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)。還有一些舊機(jī)床雖然還能正常工作，但其精度、效率、自動(dòng)化程度已不能滿足當(dāng)前生產(chǎn)要求。因此擁有先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為滿足企業(yè)新生產(chǎn)工藝、提高經(jīng)濟(jì)效益的最根本需求。 1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡(jiǎn)史 1948年，美國(guó)帕森斯公司接受美國(guó)空軍委托，研制飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓樣板的加工設(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣，精度要求高，一般加工設(shè)備難以適應(yīng)，于是提出計(jì)算機(jī)控制機(jī)床的設(shè)想。1949年，該公司在美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）伺服機(jī)構(gòu)研究室的協(xié)助下，開(kāi)始數(shù)控機(jī)床研究，并于1952年試制成功第一臺(tái)由大型立式仿形銑床改裝而成的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，不久即開(kāi)始正式生產(chǎn)，于1957年正式投入使用。這是制造技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重大突破，標(biāo)志著制造領(lǐng)域中數(shù)控加工時(shí)代的開(kāi)始。數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，這一發(fā)明對(duì)于制造行業(yè)而言，具有劃時(shí)代的意義和深遠(yuǎn)的影響。世界上主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都十分重視數(shù)控加工技術(shù)的研究和發(fā)展。 當(dāng)時(shí)的數(shù)控裝置采用電子管元件，體積龐大，價(jià)格昂貴，只在航空工業(yè)等少數(shù)有特殊需要的部門(mén)用來(lái)加工復(fù)雜型面零件；1959年，制成了晶體管元件和印刷電路板，使數(shù)控裝置進(jìn)入了第二代，體積縮小，成本有所下降；1960年以后，較為簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的點(diǎn)位控制數(shù)控鉆床，和直線控制數(shù)控銑床得到較快發(fā)展，使數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)各部門(mén)逐步獲得推廣。我國(guó)于1958年開(kāi)始研制數(shù)控機(jī)床，成功試制出配有電子管數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，1965年開(kāi)始批量生產(chǎn)配有晶體管數(shù)控系統(tǒng)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床。 1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價(jià)格進(jìn)一步下降，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。60年代末，先后出現(xiàn)了由一臺(tái)計(jì)算機(jī)直接控制多臺(tái)機(jī)床的直接數(shù)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DNC），又稱群控系統(tǒng)；采用小型計(jì)算機(jī)控制的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CNC）,使數(shù)控裝置進(jìn)入了以小型計(jì)算機(jī)化為特征的第四代。 1974年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（簡(jiǎn)稱MNC），這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。第五代與第三代相比，數(shù)控裝置的功能擴(kuò)大了一倍，而體積則縮小為原來(lái)的1/20，價(jià)格降低了3/4，可靠性也得到極大的提高。 80年代初，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話式自動(dòng)編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機(jī)床上；數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，具有自動(dòng)監(jiān)控刀具破損和自動(dòng)檢測(cè)工件等功能。 1.3 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)機(jī)床制造業(yè)即面臨提升機(jī)械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī)，也遭受到進(jìn)入WTO后激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力，從技術(shù)層面上來(lái)講，加速推進(jìn)數(shù)控技術(shù)將是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。 數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成凡人制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直受人們關(guān)注，數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開(kāi)創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)的中的一項(xiàng)核心技術(shù)。另一方面，通過(guò)持續(xù)的研究，信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步提升。 目前，世界先進(jìn)制造技術(shù)不斷興起，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求，當(dāng)今數(shù)控機(jī)床正在朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。 (1)高速、高精密化 高速、精密是機(jī)床發(fā)展永恒的目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，對(duì)零件加工的精度和表面質(zhì)量的要求也愈來(lái)愈高。為滿足這個(gè)復(fù)雜多變市場(chǎng)的需求，當(dāng)前機(jī)床正向高速切削、干切削和準(zhǔn)干切削方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線電機(jī)的成功應(yīng)用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導(dǎo)程空心內(nèi)冷和滾珠螺母強(qiáng)冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導(dǎo)軌副等機(jī)床功能部件的面市，也為機(jī)床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。 （2）高可靠性 數(shù)控機(jī)床的可靠性是數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)。數(shù)控機(jī)床能否發(fā)揮其高性能、高精度和高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于其可靠性的高低。 （3）數(shù)控車床設(shè)計(jì)CAD化 隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及及軟件技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)得到了廣泛發(fā)展。CAD不僅可以替代人工完成繁瑣的繪圖工作，更重要的是可以進(jìn)行設(shè)計(jì)方案選擇和大件整機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)特性分析、計(jì)算、預(yù)測(cè)及優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以對(duì)整機(jī)各工作部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真。在模塊化的基礎(chǔ)上在設(shè)計(jì)階段就可以看出產(chǎn)品的三維幾何模型和逼真的色彩。采用CAD，還可以大大提高工作效率，提高設(shè)計(jì)的一次成功率，從而縮短試制周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。 （4）功能復(fù)合化 功能復(fù)合化的目的是進(jìn)一步提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，使用于非加工輔助時(shí)間減至最少。通過(guò)功能的復(fù)合化，可以擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍、提高效率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、一機(jī)多能，即一臺(tái)數(shù)控車床既可以實(shí)現(xiàn)車削功能，也可以實(shí)現(xiàn)銑削加工；或在以銑為主的機(jī)床上也可以實(shí)現(xiàn)磨削加工。寶雞機(jī)床廠已經(jīng)研制成功的CX25Y數(shù)控車銑復(fù)合中心，該機(jī)床同時(shí)具有X、Z軸以及C軸和Y軸。通過(guò)C軸和Y軸，可以實(shí)現(xiàn)平面銑削和偏孔、槽的加工。該機(jī)床還配置有強(qiáng)動(dòng)力刀架和副主軸。副主軸采用內(nèi)藏式電主軸結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)可直接實(shí)現(xiàn)主、副主軸轉(zhuǎn)速同步。該機(jī)床工件一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了效率。 （5）智能化 21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過(guò)程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方面的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控等方面的內(nèi)容，以方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 1.4 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控機(jī)床向柔性自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展：從點(diǎn)(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨(dú)立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展，另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展。柔性自動(dòng)化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動(dòng)態(tài)市場(chǎng)需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國(guó)制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點(diǎn)是以提高系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)，注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開(kāi)拓和完善。CNC單機(jī)向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP及MTS等聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開(kāi)放、集成和智能化方向發(fā)展。 二、 總體方案的設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì)CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控改造。利用微機(jī)對(duì)縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，縱向（Z向）脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向（X向）脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。 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。 另外，車床數(shù)控改造的總體原則是在滿足使用要求的前提下，對(duì)原機(jī)床的改動(dòng)盡可能減少，以降低成本。改造過(guò)程中，為了充分發(fā)揮改造后數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)性能，保證改造后車床在系統(tǒng)控制下有較高的重復(fù)定位精度，減少低速爬行，并使其外型美觀，性能穩(wěn)定，機(jī)械裝置的合理改造就顯得異常重要。其中進(jìn)給系統(tǒng)的改造又是整個(gè)機(jī)械裝置改造的關(guān)鍵。一般進(jìn)給系統(tǒng)改造方案是：用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，解除原傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)一級(jí)減速齒輪和滾珠絲杠螺母副帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，保留手動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)用于微進(jìn)給和機(jī)床刀具的對(duì)零操作。 經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造后的CA6140型普通車床，采用以8031單片機(jī)為核心的數(shù)控裝置對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行控制處理，其橫向（X向） 進(jìn)給脈沖當(dāng)量為0.005mm /脈沖，進(jìn)給速度范圍為 3 ～ 1000mm/min （無(wú)級(jí)調(diào)速），快進(jìn)速度可以在1000 ～ 3000mm/min內(nèi)任意設(shè)定。而且運(yùn)行可靠，抗干擾能力強(qiáng)。 改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床不但實(shí)現(xiàn)了CA6140型普通車床的原有功能，而且在機(jī)床的加工精度、性能、自動(dòng)化程度等方面也有所提高，利用數(shù)控方法可以準(zhǔn)確地加工任意面的旋轉(zhuǎn)體。它滿足了現(xiàn)代加工工藝的要求,提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，給企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 2.2 總體方案的論證 對(duì)于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)機(jī)床的改動(dòng)應(yīng)盡可能少，以降低成本。 （1）數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。由于要求CA6140車床加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動(dòng)連續(xù)控制系統(tǒng)。 （2）伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。因?yàn)殚_(kāi)環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。所以，本設(shè)計(jì)決定采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。 在設(shè)計(jì)的數(shù)控裝置中，CPU的選擇是關(guān)鍵，選擇CPU應(yīng)考慮以下要素： 1. 時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)與被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度和精度密切相關(guān)； 2. 可擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量與數(shù)控功能的強(qiáng)弱相關(guān)； 3. I/O口擴(kuò)展的能力與對(duì)外設(shè)控制的能力相關(guān)。 除此之外，還應(yīng)根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合、控制對(duì)象以及各種性能、參數(shù)要求等，綜合起來(lái)考慮以確定CPU。 在我國(guó)，普通機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的是Z80CPU和MCS-51系列單片機(jī)，主要是因?yàn)樗鼈兊呐涮仔酒阋?，普及性、通用性?qiáng)，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造需要。 本設(shè)計(jì)中是以MCS-51系列單片機(jī)，51系列相對(duì)48系列指令更豐富，相對(duì)96系列價(jià)格更便宜，51系列中，是無(wú)ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控機(jī)中應(yīng)用最多的是8031單片機(jī)。本設(shè)計(jì)以8031芯片為核心，增加存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開(kāi)關(guān)組成的控制系統(tǒng)。 2.3 總體方案的確定 經(jīng)總體設(shè)計(jì)方案的論證后，確定的CA6140車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控。CA6140車床的主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機(jī)床的功能，即手動(dòng)變速。車床的縱向（Z軸）和橫向（X軸）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 由8031單片機(jī)組成微機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，由I/O接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車床的縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。刀架改成由微機(jī)控制的經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。 為保持切削螺紋的功能，必須安裝主軸脈沖發(fā)生器，為此采用主軸靠同步齒形帶使脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號(hào)：每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)和一個(gè)同步信號(hào)，經(jīng)隔離電路以及I/O接口送給微機(jī)。 三、微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 3.1微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)選用8031CPU作為數(shù)控系統(tǒng)的中央處理機(jī)。外接一片2764EPROM，作為監(jiān)控程序的程序存儲(chǔ)器和存放常用零件的加工程序。再選用一片6264RAM用于存放需要隨機(jī)修改的零件程序、工作參數(shù)。采用譯碼法對(duì)擴(kuò)展芯片進(jìn)行尋址，采用74LS138譯碼器完成此功能。8279作為系統(tǒng)的輸入輸出口擴(kuò)展，分別接鍵盤(pán)的輸入、輸出顯示，8255接步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配器，分別并行控制X軸和Z軸的步進(jìn)電機(jī)。 另外，還要考慮機(jī)床與單片機(jī)之間的光電隔離，功率放大電路等。 各引腳功能簡(jiǎn)要介紹如下： 2 源引腳 VSS：電源接地端。 VCC：＋5V電源端。 ⒉ 輸入/輸出（I/O）口線 8031單片機(jī)有P0、P1、P2、P3 4個(gè)端口，每個(gè)端口8根I/O線。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，P0口用來(lái)輸出低8位并行數(shù)據(jù)，P2口用來(lái)輸出高8位地址，P3口除可作為一個(gè)8位準(zhǔn)雙向并行口外，還具有第二功能，各引腳第二功能定義如下： P3.0 RXD：串行數(shù)據(jù)輸入端。 P3.1 TXD：串行數(shù)據(jù)輸出端 P3.2 INT0：外部中斷0請(qǐng)求信號(hào)輸入端。 P3.3 INT1：外部中斷1請(qǐng)求信號(hào)輸入端。 P3.4 T0：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0外部輸入端 P3.5 T1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1外部輸入端 P3.6 WR：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通。 P3.7 RD：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通。在進(jìn)行第二功能操作前，對(duì)第二功能的輸出鎖存器必須由程序置1。 ⒊（1）信號(hào)控制線 RST/VPD：RST為復(fù)位信號(hào)線輸入引腳，在時(shí)鐘電路工作以后，該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，完成一次復(fù)位操作。 8031單片機(jī)采用兩種復(fù)位方式：一種是加電自動(dòng)復(fù)位，另一種為開(kāi)關(guān)復(fù)位。 ALE/PROG：ALE是地址鎖存允許信號(hào)。它的作用是把CPU從P0口分時(shí)送出的低8位地址鎖存在一個(gè)外加的鎖存器中。 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。當(dāng)其為低電平時(shí)有效。 VPP：當(dāng)EA為高電平且PC值小于0FFFH時(shí)CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的程序。當(dāng)EA為低電平時(shí)，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器中的程序。 XTAL1：震蕩器的反相放大器輸入，使用外部震蕩器時(shí)必須接地； XTAL2：震蕩器的反相放大器輸出，使用外部震蕩器時(shí)，接收外圍震蕩信號(hào)； （2）片外三總線結(jié)構(gòu) 單片機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，常常要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器、I/O口等。單片機(jī)的引腳，除了電源、復(fù)位、時(shí)鐘輸入以及用戶I/O口外，其余的引腳都是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展而設(shè)置的，這些引腳構(gòu)成了三總線形式： ⒈ 地址總線AB 地址總線寬度為16位。因此，外部存儲(chǔ)器直接尋址范圍為64KB。由P0口經(jīng)地址鎖存器提供16位地址總線的低8位地址（A7～A0），P2口直接提供高8位地址（A15～A8）。 ⒉ 數(shù)據(jù)總線DB 數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0口提供。 3 控制總線CB 控制總線由第二功能狀態(tài)下的P3口和4根獨(dú)立的控制線RST、EA、ALE和PSEN組成。 3.1.2 8255A可編程并行I/O口擴(kuò)展芯片 8255A可編程并行I/O口擴(kuò)展芯片可以直接與MCS系列單片機(jī)系統(tǒng)總線連接，它具有三個(gè)8位的并行I/O口，具有三種工作方式，通過(guò)編程能夠方便地采用無(wú)條件傳送、查詢傳送或中斷傳送方式完成CPU與外圍設(shè)備之間的信息交換。8255A的結(jié)構(gòu)及引腳功能： 1、8255A的結(jié)構(gòu) 其中包括三個(gè)8位并行數(shù)據(jù)I/O端口，二個(gè)工作方式控制電路，一個(gè)讀/寫(xiě)控制邏輯電路和一個(gè)8位數(shù)據(jù)總線緩沖器。 各部分功能介紹如下： （1） 三個(gè)8位并行I/O端口A、B、C A口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器?？删幊虨?位輸入、或8位輸出、或8位雙向寄存器。 B口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位輸入或輸出寄存器，但不能雙向輸入/輸出。 C口：具有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，C口可分作兩個(gè)4位口，用于輸入或輸出，也可作為A口和B口選通方式工作時(shí)的狀態(tài)控制信號(hào)。 （2） 工作方式控制電路 A、B兩組控制電路把三個(gè)端口分成A、B兩組，A組控制A口各位和C口高四位，B組控制B口各位和C口低四位。兩組控制電路各有一個(gè)控制命令寄存器，用來(lái)接收由CPU寫(xiě)入的控制字，以決定兩組端口的工作方式。也可根據(jù)控制字的要求對(duì)C口按位清“0”或置“1”。 （3） 讀/寫(xiě)控制邏輯電路 它接收來(lái)自CPU的地址信號(hào)及一些控制信號(hào)，控制各個(gè)口的工作狀態(tài)。 （4） 數(shù)據(jù)總線緩沖器 它是一個(gè)三態(tài)雙向緩沖器，用于和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線直接相連，以實(shí)現(xiàn)CPU和8255A之間信息的傳送。 結(jié)束語(yǔ) 經(jīng)過(guò)2個(gè)多月的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)已基本完成，課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容有以下幾點(diǎn)： （1） 分析國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)床改造的意義及設(shè)計(jì)任務(wù) （2） 對(duì)CA6140臥式車床進(jìn)行了總體方案的確定 （3） 對(duì)橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的改造設(shè)計(jì) （4） 微機(jī)部分的改造設(shè)計(jì) 總結(jié) 通過(guò)以上設(shè)計(jì)掌握了一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思維方法。提高了自身收集，閱讀，分析和運(yùn)用材料的能力，也使我的專業(yè)知識(shí)得到了進(jìn)一步的鞏固。通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我明白了自己的知識(shí)還比較欠缺，要學(xué)習(xí)的東西還太多。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，在以后的工作中不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己的綜合素質(zhì)。 在此遇到了一些問(wèn)題，在老師和同學(xué)們的幫助下得到了解決。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹(shù)立了自己對(duì)工作的信心。經(jīng)歷了不少艱辛，收獲如此巨大。我相信通過(guò)這次設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)以后工作有著重要的影響。而且大大提高了自己動(dòng)手的能力，是我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過(guò)程中探索的艱辛和成功的喜悅。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我受益非淺，為我今后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) 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