毕业设计（论文）-XA5032普通立式铣床进行数控化改造.doc

山东大学自学考试毕业设计(本科)摘 要数控机床即数字程序控制机床，是一种自动化机床，数控技术是数控机床研究的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。本设计是对xa5032普通立式铣床进行数控化改造。为了实现把xa5032普通立式铣床改造成经济型数控铣床，z进给系统进行数控改造，并增加了cnc装置和伺服系统。对主传动系统，我选用fanuc 20m dc 电动机通过带传动驱动主轴。对进给系统，我把原先的滑动丝杠换成滚珠丝杠，以提高精度和效率。通过单片机的设计，构成控制系统。关键词：数控改造，滚珠丝杠，伺服系统abstractcnc machine tools that the digital process control machine tools, is an automated machine tools, cnc numerical control machine tool technology is the core of the study, manufacturing automation, networking, flexible, integrated basis. with the development of manufacturing technology, modern cnc machine tools with modern design techniques, process intensification and new features to make machine tools, machining range, dynamic performance, machining accuracy and reliability has improved greatly.this design is xa5032 ordinary vertical milling machine nc transformation. in order to achieve the xa5032 vertical milling machine into the general economy cnc milling machine, i am against this milling the main drive z to the feed system nc transformation, and to increase the cnc servo devices and systems. the main drive system, i choose fanuc dc motor drive through the belt drive spindle. the feed system, i replaced the original sliding screw, to improve accuracy and efficiency, and the original manual control, into the motor control. converter to achieve through the main transmission and feed the cvt. scm through the design of a control system.key words: nc transformation, ball screw, servo system.前 言随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，产品的更新换代也不断加快。因此，对数控机床的改造也就显得比较重要，数控机床的设计与改造也成为工业发展的一个重要方面。该课题来源于生产实践的需要，利用大量闲置旧机床，对其进行数控化改造后，成为一种高效的、多功能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效办法，是低成本自动化的必由之路。数控机床即是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。现代数控机床都采用计算机（微型机算计）作为控制系统，它由cnc系统，机床主机及辅助装置组成。数控机床的发展及目前的状况：第一台数控机床问世于美国，是为了适应航空工业制造复杂零件的需要而产生的，70年代初以前，美国处于领先的地位，70年代中期，前苏联生产的数控机床在数量上赶超美国成为第一。1981年，日本超过了其他国家而成为世界上最大的数控机床生产国家。在国外数控机床的数量中，最多的是普通数控机床，特别是数控车床，但是发展最快的则是可以自动换刀具的加工中心，目前国际上研制的数控设备则是由加工中心为主体的柔性加工单元及柔性制造系统。我国的机床数控行业起步于1961年，到现在已有45年多的历史了，70年代中期开始进入实用阶段，但直至80年代初由于引进了国外数控系统及其关键器件，数控技术生产中才获得较好的应用，我国目前状况是：数控系统已形成年产500套多功能数控机床和3000套经济型数控装置的能力。我国已建立了以中、低档数控机床为主的产业体系，20世纪90年代主要发展高档数控机床。随着科学生产力的发展，机床设备数控化率的提高已是衡量一个国家机械制造业现代化水平的重要标志。据最近有关资料表明，我国机床总有量380余万台，其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率还不到3%，而一些发达国家早已达到20%以上，因此，我国机械制造水平与发达国家相比差距很大，设备陈旧，技术水平落后，严重的影响了生产力的发展。数控未来发展的趋势往高精，高速，高柔性化及高复合化加工方向。集成化、模块化、网络化、通用型开放式闭环控制模块。高效多轴化、实时智能化、用户界面图形化、科学计算可视化、插补和补偿方式多样化。数控化改造的优点(1)投资额少。同购置新机床相比，可以节省20 30 的费用。(2)熟悉了解设备、便于操作维修。购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。 (3)由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。(4)可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。因此可节约费用，降低改造成本，同时也可缩短生产准备周期。在数控改造中应注意的问题：车床改造的工艺流程 应保留的部分：主轴箱，床身，大、中溜板，尾座等等。改造前，应将机床大修处理：包括主轴箱传动，精度调整，主轴径向跳动及轴向窜动精度修复，机床导轨平面度及直线度，卡盘装夹精度调整等。改造部分包括：增加数控装置，x，y，z轴驱动器驱动电机，换装x，y，z轴滚珠丝杠及电动刀架，增加必要的控制电器开关，冷却液及润滑装置改造等。滚珠丝杠的选用和安装。应尽量消除齿轮副和丝杆副的间隙，齿轮全部采用双片薄齿轮错齿法消除啮合缝隙。也可采用软件补偿进给量的方法消除。铣床工作台重，而且铣削力也较大，垂直丝杆要配备较大功率的驱动电动机，要在工作台上加配重或平衡液压缸来平衡。改造的主要内容(1)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；(2)cnc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；(3)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，对机械部件重新装配加工，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；(4)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，在原有基础上较大幅度地提高水平和档次的更新改造。目 录前言2第一章 数控机床的概述61.1数控机床61.1.1数控机床的概念61.1.2数控机床的产生及发展简史61.1.3 数控机床的特点71.1.4 数控机床组成71.1.5机床数控化改造的必要性和迫切性7第二章 铣床机械机构的改造设计92.1概述92.1.1 数控铣床机械结构的主要特点92.2数控改造的计算设计102.2.1纵向方向（x轴）的设计：102.2.2铣削力fc的计算102.2.3滚珠丝杠所受的平均轴向载荷fm的计算112.2.4丝杠副工作负荷计算及丝杠型号的选择122.2.5传动效率的计算142.2.6刚度验算142.2.7稳定性的验算152.2.8齿轮传动设计的有关计算：162.2.9步进电机型号的计算选择162.2.10纵向步进电机选择计172.2.11步进电机动载荷矩频特性和运行矩频特性212.3横向(y轴)的设计21第三章 普通铣床的电气改造部分233.1 数控系统233.2数控系统的硬件设计243.3键盘、显示器接口设计263.4控制系统的软件设计283.4.1步进电机控制程序设计283.4.2 led动态显示接口程序设计31结 论33致 谢34参 考 文 献35第一章 数控机床的概述1.1数控机床1.1.1数控机床的概念数控机床是装备了数控系统的机床，既包括nc机床，也包括cnc机床，数字控制机床，简称nc机床。数控系统是一种控制系统，它能控制机床的运动和加工过程。计算机数控机床简称cnc机床，是利用具有专门存储程序的计算机来实现对机床的全部或部分控制系统。工作原理是:将数控加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制主运动的变速，起停，进给运动的方向、速度和位移大小、以及诸如刀具的选择、交换、工作夹紧、松开和冷却的起、停等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格按数控程序的要求进行工作。1.1.2数控机床的产生及发展简史 随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品零部件的生产设备-机床也相应地提出了高性能、高精度与高自动化的要求。在机械产品中，单位与小批量产品占到70%-80%，这类产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整，而且通用机床的自动化程度不高，基本上需要人工操作，难以提高生产效率和保证生产质量。特别是一些有曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。数字控制机床就是为了解决单位、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化，并保证质量要求而产生的。 数控机床的发展简史在美国诞生了第一台数控机床后，可划分为两个阶段：第一阶段：数控阶段（19521970年）。早期采用数字逻辑电路组合成一台机床，专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为数控。第二阶段：计算机数控（cnc）阶段（1970年现在）。到1970年，通用小型计算机作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控阶段。1.1.3 数控机床的特点与普通机床相比，数控机床有如下特点：1.加工精度高，具有稳定的加工质量；2.可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；3.加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；4.机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）；5.机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；6.对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。1.1.4 数控机床组成数控机床一般由下列几个部分组成：1.主机，是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。它是用于完成各种切削加工的机械部件。2.数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、crt显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。3.驱动装置，是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。4.辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。5.编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。1.1.5机床数控化改造的必要性和迫切性数控机床是一种典型的机电一体化产品，它集精密、柔性和集成与一身，它可以较好的解决形状复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能够稳定加工质量和提高生产效率，是一种高度自动化机床。其造价较低，改造周期短，可靠性高，改造技术也日趋成熟，加之我国特有的经济实用产品“经济型数控装置”的技术指标不断的提高，产品的更新和完善的进度不断的加快，产量不断的提高，故有广阔的前景，工业发达国家的军、民机械工业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进行改造。而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后约20年。随着我国现代化制造的不断推进，每年都有大量机电产品进口，这就说明了机床数控化改造的必要性和迫切性。第二章 铣床机械机构的改造设计2.1概述 随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，产品的更新换代也不断加快。因此，对数控机床的改造也就显得比较重要，数控机床的设计与改造也成为工业发展的一个重要方面。铣床的应用十分广泛，主要用于加工面或成型表面。若要在立式铣床上加工圆弧、凸轮等特殊类平面时，就要借助于圆工作台、分度头等机床附件，并对机床进行整体调整。加工精度较低，基础调整工作费事。所以，为提高工件的加工精度，保证产品质量，便于加工圆弧面和凸轮的曲面等，可以利用数控方法对铣床进行数控化改造。普通铣床经济型数控化改造包括两个方面，即机床电器的数控化改造和机床本体的数控化改造。2.1.1 数控铣床机械结构的主要特点(1)可以加工出传统铣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，可以瞬时准确的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。(2)可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统铣床提高(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。数控铣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”。(3)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”。(4)可实现多工序的集中，减少零件在铣床间的频繁搬运。(5)由以上四条派生的好处。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铣床)，减少了装卸，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求做出快速反应等。2.2数控改造的计算设计2.2.1纵向方向（x轴）的设计：工作台的进给运动是由步进电动机由一级消隙齿轮经滚珠丝杠螺纹副，带动工作台移动。其中在纵向（轴）进给系统的改造布置中，滚珠丝杠、轴承支架固定在工作台上，随工作台移动。步进电动机经降速齿轮和滚珠丝杠的螺母固定在床鞍上，通过滚珠丝杠的转动，实现工作台与床鞍之间的相对移动。滚珠丝杠螺母副，它的特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦，丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。滚珠丝杠螺母副的优点有：（1） 传动效率高，摩擦损失小，使用寿命长。（2） 给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，防止失步；定位精度高，刚度好。（3） 有可逆性丝杠和螺母都可以作为主运动件，故可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动。（4） 运动平稳，无爬行现象，传动精度高。xa5032机床的主要技术规格：如表2-1所示机床进给部件参数初选：纵向工作台及夹具重量： = 2200 n（估计值）滚珠丝杠的基本导程： = 8mm螺纹升角： 行程：s= 680mm（最大纵向行程）快速进给速度：取 = 2.5m/min（经验值）2.2.2铣削力fc的计算现在以工作寿命和实际加工过程中的最大铣削力为基础进行设计计算，以确保平常工作状态下的工作安全和可靠。工件材料为 ：40 锻件并调质 铣削宽度 ：22 mm铣削深度 ：5 mm 刀具直径 ：mm每齿切厚 ：0.08 mm/z 刃齿数 ：4刀具材料为 ：高速刚立铣刀表2-1 xa5032基本技术规格：工作台工作面积 宽*长mm320*1250承载重量kg500t型槽数目个3t型槽宽度mm18t型槽间距mm70行程x向（工作台纵向）手动/机动mm700/680y向（滑座横向）手动/机动mm255/240z向（升降台垂向）手动/机动mm370/350进给切削进给速度mm/minx，y：23.5-1180，z：8-394快速移动进给速度mm/minx，y：2300z：770进给级数step18进给电机功率kw1.5其他机床外形尺寸（长*宽*高）mm2272*1770*2094机床净重（约）kg2800据机床设计手册 有公式： 1500n2.2.3滚珠丝杠所受的平均轴向载荷fm的计算用高速钢立铣刀逆铣合金刚时，工件的切削力可查数控机床书中得:纵向进给力 （取中间值：1.1）=1.1=1.11500=1650n横向进给力 （取中间值：0.375）= 0.375=0.3751500=562.5n垂直进给力 （取中间值：0.25） =0.25=0.251500=375n故可知在插补平面内的合力为:=1734n那么丝杠所受的平均工作载荷： 所以丝杠轴向所受载荷 ：其中为横向分力 =0.85=1275nmg 为纵向工作台及夹具重量 mg =2200n 为颠覆力矩影响系数 取 1.1m 为当量摩擦系数 m 取 1.18那么=1.11162 + 0.18(2200+1275)=1903n2.2.4丝杠副工作负荷计算及丝杠型号的选择初始估计丝杠的基本导程为mm 现在根据最大当量动载荷计算公式：式中：运转系数，取 精度系数，取 丝杠所受轴向载荷（）， 寿命值，可据公式 为丝杠平均转速（r / min） =156.3 r/min式中：最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度 的 则： 使用寿命时间，据查经济型数控机床设计手册取t=15000小时l 140.625从而， 根据机床设计手册得， 故可选丝杠型号为：（内循环浮动返向器），的基本尺寸为：公称直径： =50mm， 螺距：=8mm 刚球直径： =5mm， 螺纹升角，=丝杠外径，d =- (0.20.3)= 48.9螺纹底径，=30mm其动载荷 =25000=13194n 故选择符合要求，丝杠可用。2.2.5传动效率的计算根据机械设计原理滚珠丝杠的传动效率的计算公式为：式中： 丝杠的螺旋升角，由以上参数表知，= 摩擦角，滚珠丝杠副的摩擦角10则可得： =97%2.2.6刚度验算滚珠丝杠受工作负荷引起的导程的变化量： 其中：弹性模量对于钢为：滚珠丝杠横截面积：f（）而： 则：/ef cm滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可以忽略，故 ；故导程的变形误差为： 查表得e级精度丝杠所允许的螺纹误差（1m长）为15/，故刚度足够。2.2.7稳定性的验算(1)临界压缩载荷的验算由于纵向（x轴）的滚珠丝杠两端采用的是滚珠丝杠螺纹副固定，丝杠一般不会受压，又由于机床的原普通丝杠的直径大于滚珠丝杠的直径，故稳定性一定能满足要求。(2)临界转速的验算由计算得已知丝杠平均工作转速为：因此，必须进行临界转速的验算，即：其中式中符号表示：丝杠的最大转速： 丝杠支承方式系数取（因为没有受压） =9910 丝杠的长度。 = 工作最大行程 + 螺母长度 + 两端余量（取40mm）螺母长度由机床零部件设计上可查得，丝杠设计部分 = 680 + （131 + 40） 2 = 680 + 342 = 1022mm支撑跨距 应略大于 取 = 1100临界转速计算长度 = 680 + 131 + 40 + = 811 + 40 + 39 = 890mm=9533可见满足：所以满足稳定性的要求。2.2.8齿轮传动设计的有关计算：由于初选的步进电动机（110bf004）的系统脉冲当量为=0.01mm/step。 步距角为： 丝杠导程为： 如果不采取齿轮传动，那么每个脉冲对应的丝杠螺母传动的距离为： 所以需要有减速机构，也就是要设计齿轮减速。采用减速齿轮具有如下特点：便于配置出所要求的脉冲当量；减小工作台以及丝杠折算到电动机轴上的惯量；放大电动机输出扭矩，即增大工作台的推力。但采用减速齿轮会带来额外的传动误差，使机床的快速移动速度降低，并且其自身又引入附加的转动惯量，这些应引起注意。 2.2.9步进电机型号的计算选择步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电信号转换成响应角位移的机电元件。每输入一个脉冲，步进电动机转轴就转过一定角度，它与普通的匀速旋转的电动机不同，它是步进式的，所以称步进电机。它的优点有：角位移输出与输入的脉冲数相对应，改变通电顺序可以改变步进电机的旋转方向；步矩误差不会长期积累；在负载范围内步矩角和转速不受电源电压波动的影响，而仅与脉冲频率有关；维持控制绕组的电流不变，电机便停在某一位置上不动，即步进电机有自整角能力，不需要机械制动，步矩角可在很大的范围内变化；步进电机的主要特性：步矩角、启动频率、连续运行频率和加减速特性。步进电机的缺点是效率低，拖动负载的能力不大，脉冲当量不能太小，调整范围不大，最高输入脉冲频率一般不超过18000 hz。数控系统对伺服电机的基本要求是调速范围宽，伺服电机需满足调速要求。负载特性硬，在调速范围内电机应有足够的驱动力矩，动态响应快，为了使步进电机正常工作运行（不失步、不超程），正常启动并满足对转速的要求，电机最大静转矩（步进电机技术数据），必须大于电机的实际最大启动力矩。电机的运行频率必须大于电机实际最高工作频率。系统脉冲当量是机床移动部件相对于每一个进给脉冲信号的位移量，其大小视机床的加工精度而定。根据xa5032铣床工作状况选系统脉冲当量为0.01mm/step。步矩角。 根据同类型的机床及以往的经验，结合重量轻、功耗小、外观尺寸和与步距角相配合的原则，初选步进电动机类型，然后验算是否满足使用要求，否则选取其它型号，最后直到满足要求为止。初选步进电机型号为：110bf004反应式步进电动机。2.2.10纵向步进电机选择计算(1)根据机电一体化基础所提供的计算公式：式中：-折算到电机轴的惯量；-小 大齿轮的惯量；-丝杠惯量；-横向工作台及夹具重量，；-丝杠螺距，；(2)负载转矩计算及最大静转矩选择计算快速空载起动时所需力矩 依据公式： 式中：-快速空载起动力矩；-空载起动时折算到电机轴上最大加速力矩；-折算到电机轴上的摩擦力矩；-由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩；又： 式中： -惯量和，；-电机最大角加速度；又：其中： -电机最大转速；-运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间取25ms 又：则： 则：故： 又因为：式中： -导轨的摩擦力；-传动链总效率，一般可取 ，现取 ；又： 式中：垂直方向的切削力，；导轨摩擦系数， (贴塑导轨)；横向工作台及夹具重量，；则：=103n故： 又： 式中： -滚珠丝杠预加载荷，取；-滚珠丝杠预紧时的传动效率， ； 故： =140+9.8+3.7=153.5(4)快速进给时所需力矩 依据公式：而： 故有： (5)最大切削负载时所需力矩 根据公式： 式中： 折算到电机轴上的切削负载力矩；又有公式： 式中：-进给方向最大切削力，；则： 故： (6)最大静转矩选择依据文献实用机床设计手册上，有：对于在最大切削力下工作时所需要电机最大静转矩为： 对于空载起动时所需要的电机最大静转矩为： 由和可知，以计算得：恒大于 所以就以作为选取步进电机最大静转矩的依据。而初选的步进电机为110bf004 ，它的最大静转矩为：所以初选的步进电机型号符合要求。2.2.11步进电机动载荷矩频特性和运行矩频特性由数控技术得：动矩频特性： =4167hz运行矩频特性： 其中：-最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度 的，现取中间值，即。所以：=2431由步进电机110bf004的矩频特性和运行矩频特性参数可以看出所选步进电机在起动时力矩是满足要求的。所以最终就确定步进电机的型号为：110bf004反应式步进电动机。2.3横向(y轴)的设计y轴的丝杠选择与x轴一样为ffzd5008，内循环浮动返向器。y轴的齿轮副设计也与x轴相同，这里不再累赘。y轴方向步进电动机的选择：y轴铣削圆周力： =1500n则有y向丝杠牵引力：= +1.414f=1500+1.41444100.01=1562n则有电机轴负载力矩： 其中：-导轨摩擦系数，取0.1-步进电机步矩角为0.75-y向丝杠牵引力 f-当量摩擦系数取0.01若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩为： 可取安全系数极限值0.3，则有：对于工作方式为五相十拍的五相步进电机最大启动力矩： 电机最大工作频率：综合以上可选取步进电机型号为：110bf004反应式步进电动机。步进电机110bf004的外型尺寸为：，轴径为。第三章 普通铣床的电气改造部分3.1 数控系统机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。控制系统的控制对象主要包括各种机床，如车床、铣床、磨床等等。控制系统的基本组成如图3-1所示:通信接口软件微机 步进电机驱动电路步进电机机床开关量控制电路主运动驱动电路主轴电动机 图3-1eia(美国电子工业协会)所属的数控标准委员会的定义：“cnc是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口”。iso（国际标准化组织）的定义：“数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和加工零件。”数控系统分轮廓控制和点位控制系统。数控系统的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即数字控制装置。数控装置有两种类型： 一是完全由硬件逻辑电路构成的专用硬件数控装置，即nc装置，nc装置是数控技术发展早期普遍采用得数控装置；二是由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置，即cnc装置，它是由硬件和软件共同完成或是在硬件的支持下由软件单独实现全部数控功能。从外部特征看，cnc系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。它们二者是互相支持，不可分割的，cnc的工作是在硬件的支持下，由软件来实现或大部分数控功能。3.2数控系统的硬件设计(1)数控部分采用 mcs-51 系列的8031 单片机实现对整个系统的主控制。用8031 外接3片2764（e-prom），一片6264（ram）及一片8255（扩展i/o），一片8155 芯片，扩一个较简单的微机控制系统。2764 用作程序存储器，6264 用来扩展8031 的ram 存储器，8155 用作键盘和显示接口，8255 用于接收控制面板上多路转换开关的控制信号。图3-2为控制系统硬件结构原理图。图3-2当单片机系统控制 x、y 轴某一台步进电机单动时，可实现铣床横向、纵向的直线进给；当控制x-y 轴配合联动时，可实现水平面内直线、斜线、圆弧及复合轨迹的加工，可以近似地复合出水平面内非圆曲线。在铣床原有加工功能的基础上，其控制精度和加工精度远高于普通铣床。(2)mcs-51单片机的时钟电路时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。mcs-51片内有一个反相放大器，xtal1、xtal2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端，该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器，产生的时钟送至单片机内部的各个部件。单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式两种，大多单片机应用系统采用内部时钟方式。最常用的内部时钟方式采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路，不论是hmos还是chmos型单片机，其并联谐振回路及参数相同。如图3-3所示:图3-3 内部时钟方式的时钟电路mcs-51单片机允许的振荡晶体可在1.2mhz-24mhz之间可以选择，一般取11.0592mhz。电容c1、c2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。c1、c2可在20pf-100pf之间选择，一般当外接晶体时典型取值为30pf，外接陶瓷谐振器时典型取值为47pf，取60pf-70pf时振荡器有较高的频率稳定性。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振器和电容应尽量靠近单片机xtal1、xtal2引脚安装，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用npo电容。(3)mcs-51单片机的复位电路计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器cpu和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位都是靠外部电路实现的，mcs-51单片机有一个复位引脚rst，高电平有效。它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现两个机器周期(即24个时钟周期)以上的高电平，使器件复位，只要rst保持高电平，mcs-51便保持复位状态。此时ale ，p0，p1，p2，p3口都输出高电平。rst变位低电平后，退出复位状态，cpu从初始状态开始工作复位操作不影响片内ram的内容。mcs-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。通常因为系统运动等的需要，常常需要人工按钮复位，如图3-4所示: 图3-4对于cmos型单片机因rst引脚的内部有一个拉低电阻，故电阻r2可不接。单片机在上电瞬间，rc电路充电，rst引脚端出现正脉冲，只要rst端保持两个机器周期以上的高电平(因为振荡器从起振到稳定大约要10ms)，就能使单片机有效复位。当晶体振荡频率为12mhz时，rc的典型值为c=10f，r=8.2k。简单复位电路中，干扰信号易串入复位端，可能会引起内部某些寄存错误复位，这时可在rst引脚上接一去耦电容。上图那上电按钮复位电路只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路，按下开关一定时间就能使rst引脚端为高电平，从而使单片机复位。3.3键盘、显示器接口设计（1）矩阵式键盘接口设计矩阵式键盘适用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列交叉点上。如一个44的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘等等。在按键数量较多时，矩阵键盘比独立键盘节省了很多i/o口。按键设置在行、列线分别连接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到+5v上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在的行和列电平。所以，必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号将是非常直观的。（2）显示器接口设计在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称led。led显示块由发光二极管显示字段组成，有7段和“米”字型之分，一片显示块显示一位字符。共阴极led显示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。由于7段led显示块有7个段发光二极管，所以其字形码为一个字节；“米”字形led显示块有15段发光二极管，所以字形码为两个字节。由n片led显示块可拼接成n位led显示器，共有n根位选线和8n根段选线，根据显示方式不同，位选线和段选线的连接也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线则控制显示位的亮、暗。led显示器有静态显示和动态显示两种方式。在多位led显示时，为了节省i/o口线，简化电路，降低成本，一般采用动态显示方式。动态显示方式是一位一位地分别轮流点亮各位显示器，对每位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮和熄灭时间的比例有关。这种显示方式将七段led显示器的所有段选位并联在一起，由一个8位i/o口控制，实现各位显示器的分时选通。下图3-5是led显示器采用共阴极方式，6个显示器的段选码由8155的pb口提供，位选码由8155的pa口提供（pa口同时也提供行列式未编码键盘的列线），行列式未编码键盘的行线由pc口提供。图中设置了36个键。如果继续增加pc口线，设全部pc口线（pc0-pc5）用作键盘的行线，全部pa口线（pa0-pa7）作键盘列线，则按键最多可达86个。下图3-5中8155的pb口扫描输出总是只有一位为高电平，即pb口经反相后仅有一位公共阴极为低电平，8155的pa口则输出相应位（pb口输出为高对应的位显示器）的显示数据，使该位显示与显示缓冲器相对应的字符，而其余各位均为熄灭，依次改变8155的pb口输出为高的位，pb口输出对应的显示缓冲器的数据。图3-53.4控制系统的软件设计3.4.1步进电机控制程序设计我们知道步进电动机的控制需要变频信号源、环形分配器以及功率放大器等硬件。而在微机控制步进电机的驱动的系统中，变频信号和环形分配器可用软件代替，并且还可以方便地实现步进电机的加减速控制。我们设计所选用的步进电机是五相十拍的。8255的pa口为输出口，分别控制步进电机的a、b、c、d、e五相，由软件实现环形分配器的功能，pa口分别输出时序脉冲，经光电隔离，驱动放大使步进电机转动。五相十拍的步进电机的通电方式为：a-ab-b-bc-c-cd-d-de-e-ea。按以上顺序通电，步进电机正转，按反相通电，步进电机反转。由8255的pa口输出控制字，即可实现对步进电机的正反转控制。同时在两控制字之间加入一定的延时时间，延时时间的长短决定可步进电机运行一拍得时间，从而也就决定了步进电机的转速。步进电机控制程序的框图如图3-6：保护现场设步长计数器转向标志为1？置正转控制字指针置反转控制字指针输出控制字延时、控制字地址指针+1是结束标志总步数为0？恢复控制字首指针恢复现场 返回yyn 图3-6 步进电机控制的程序框图 步进电动机正反转及转速控制程序如下： push a； 保护现场 mov r4， #n； 设步长计数器 clr c； orl c， d5h； 转向标志为1转移 jc rote； mov r0， #20h； 正转控制字首指针 ajmp loop； rote: mov r0， #27h； 反转控制字首指针 loop: mov a， r0； mov p1， a； 输出控制字 acall delay； 延时 inc r0； 指针加1 mov a， #00h； orl a， r0； jz tpl； 是结束标志转移 loop1: djnz r4， loop； 步数不为零转移 pop a； 恢复现场 ret； 返回 tpl: mov a， r0； clr c； subb a， #06h； mov r0， a； 恢复控制字首指针 ajmp loop1 delay: mov r2， #m； delay1: mov a， #m1； loop: dec a； jnz loop； dnjz r2， delay1； ret；上述程序的延时是由循环程序完成的，在cpu繁忙的情形下，可通过定时器延时，中断方式输出控制字。3.4.2 led动态显示接口程序设计led动态显示接口mod： push acc ；保护现场push dphpush dplsetb rs0mov r0，#cwr ；指向8155控制口mov a，#4dh ；设置8155工作方式字movx r0，a ；设a口、c口都为输入dir： mov r0，#dis5 ；指向显示缓冲区首单元mov r6，#20h ；选中最左数码管movx r7，#00h ；设定显示时间mov dptr，#tab ；指向字形表首址diri： mov a，#00hmov r1，#poc ；指向8155a口（字形口）movx r1，amovx a，r0 ；取要显示的数movc a，a+dptr ；查表得字形码mov r1，#poa ；指向8155a口（字形口）mov r1，a ；送字形码mov a，r6 ；取位选字mov r1，#poc ；指向位选口mov r1，a ；送位选字here： djnz r7，here ；延时inc