C6163车床改造课程设计--C6163车床纵向进给机构数控化改造.doc

C6163车床纵向进给机构数控化改造 第 40 页 共 40 页目目录1一、绪论311.1选题目的及意义311.2 设计任务及总体方案的确定31二、机械系统的改造设计612.1主传动系统的改造6222主轴脉冲发生器的安装622.3 进给系统的改造622.4 安装防护62三、进给传动部件的计算与选型723.1 切削力的计算723.2滚珠丝杠螺母副的计算与选型823.3 同步带减速机构设计132四、电动机的计算与选型1724.1 纵向直流电动机的计算与选型1824.2 同步带传动功率的校核222五、电动机驱动电路设计22351光电隔离电路2235.2 单极性可逆PWM电路设计233六、数控系统设计2336.1硬件电路设计243七、数控系统软件设计373总结383致谢393参考文献40 一 绪论11 选题目的及意义车床是金属切削加工最常用的一类机床，当工件随主轴回转时，通过到家的纵向和横向移动，能够加工内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹等，借助成型刀具，还能加工各种成形回转表面。卧式车床刀架的纵向和横向进给运动，是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、床鞍以及中滑板产生移动。进给参数依靠手工调整，改变参数时需要停车。刀架的纵向进给和横向进给不能联动，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且无法加工复杂的回转零件。对普通车床的数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的并能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数、切削顺序和刀具都可按程序自动进行调节和更换，再加上纵、横向的联动进给功能，所以，可以加工出普通车床加工不了的曲线、曲面等复杂零件。加工精度高，尺寸分散度小，易于装配。可以实现多工序集中加工，提高了相关加工精度，同时减少被加工零件在机床间的频繁搬运。拥有自动补偿等功能，简化了传统机床加工工艺中的工序，机床利用率大幅度提高。由于采用自动化加工技术，可大大降低操作者的劳动强度，减少废品的产生，提高工作效率。12 设计任务与总体方案的确定 将C6163普通车床（如图1-1所示）改造成采用16位单片机半闭环控制的经济型数控车床，要求该车床进给两坐标联动并且能够实现直线插补和圆弧插补并增配自动回转刀架和主轴脉冲发生器，能车削螺纹。 图1-1 普通车床C61631.2.1 已知参数及设计参数最大加工直径：630； 床鞍上最大加工直径：350；最大加工长度：1500；纵向导轨长度：2000；主电动机功率：11；冷却泵电机功率：0.12；主轴通孔直径：105；主轴转速：14级 12.51120；托板和刀架的总重力G：1500；最大进给速度：纵向：， 横向：0.4；最大刀架快移速度：纵向：6， 横向：4；脉冲当量：纵向：0.01/脉冲， 横向：0.005/脉冲；定位精度：纵向：0.01， 横向：0.005；启动加速时间：纵向：200； 横向：100；电动刀架转位数：4122 系统总体方案设计 数控系统总体方案设计应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。 （1）系统的运动方式：该车床改造后应具有单坐标定位，两坐标直线/圆弧插补的功能。所以数控系统应设计成连续控制型。（2）进给伺服系统的类型：按任务要求采用步进电机的开环控制系统。这样改造后的车床属于经济型数控车床，在保证一定加工精度的前提下，简化了结构，降低了成本。（3）数控系统处理器的选择：依据技术指标中最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。 （4）根据系统的要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等；还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。 （5）为了加工安全还需安装纵向和横向限位开关。（6）主轴电动机的交流变频器的选择及主轴脉冲发生器的选择。（7）为了达到设计要求中的速度和精度，纵向与横向进给传动应选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杠 的螺母应有预紧机构。（8）为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了是传动系统的负载惯量劲可能地减小，传动链中应设有减速机构。减速机构选则同步带，其综合了带传动、链条传动以及齿轮传动的优点，在许多领域已经替代了齿轮传动和链传动。二 机械系统的改造设计21 主传动系统的改造普通车床进行数控化改造时，为了减少工作量，一般保留原有的主传动机构和变速操纵机构。改造后使其主运动和进给运动分离，主电机的作用仅为带动主轴旋转，主轴的正转、反转和停止由数控系统来控制。若要提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，可用2-4速的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不满足要求时，可用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无极变速。采用交流变频器实现主轴电机的无极变速，本设计选用F1000-G0110T3C型变频器，该型号适配电机11KW，额定输出电流为23A。22主轴脉冲发生器的安装主轴脉冲发生器是为了加工螺纹而安装的主轴检测装置，微机从主轴脉冲发生器中取出与螺距相应的脉冲数，使主轴旋转角度与进给量保持一定关系，确保螺距的准确性。主轴脉冲发生器的安装通常有两种：一种是同轴安装，另一种是异轴安装。一般经济型数控改造多采用同轴安装。本设计选用1200线主轴脉冲发生器，采用同轴安装方式并采用波纹管与主轴柔性连接，该连接方式在实现角位移传递的同时，能够吸收车床的部分振动，从而使脉冲发生器平稳转动。23 进给系统的改造拆除挂轮架所有齿轮并寻找主轴，安装主轴脉冲发生器；拆除原机床进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杆、操纵杆、齿条等；在纵溜板、横溜板的下面丝杠螺母座托架；在原进给箱位置安装纵向伺服电机与减速箱总成，在横溜板后部安装横向伺服电机与减速箱总成；拆除四方刀架及上溜板总成，在横溜板上方安装电动刀架。24 安装防护普通车床的数控化改造中应根据实际情况采取相应的防护措施，比如滚珠丝杠副由于精度要求较高，工作时需防尘防灰，尤其不能让金属削进入滚道，所以纵向丝杠应安装防护罩。大托板与导轨接触的两端面要贴上橡胶片，防止杂质进入滑动导轨面损伤导轨。三 纵向进给传动部件的计算和选型31 切削力的计算切削力是指在切屑过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的讲是在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力。车削外圆时的切削力如图3-1所示。主切削力与切削速度的方向一致，垂直向下，是计算车床主轴电动机切削功率的依据；进给力与进给方向平行且方向相反；背向力与进给方向相垂直，对加工精度的影响较大。FzFxFy 图3-1 车削力分析设工件材料为碳素结构钢，b=650MPa；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角60，前角10，刃倾角-5,；切削用量为：背吃刀量ap=3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度为105m/min。查表3-1，得： =2795 =1.0 =0.75 =-0.15查表3-3，得主偏角的修正系数=0.94；刀倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数均为1.0.由经验公式 得：=2673.4N 由：=1:0.35:0.4，算得纵向进给切削力=935.69N，=1069.36N3.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动，其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。321 精度的选择滚珠丝杠副的精度直接影响数控机床的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，其导程误差对机床定位精度最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。对于车床，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级（1级精度最高），Z轴为25级，考虑到本设计的定位精度要求和改造的经济性，选择X轴精度等级为3级，Z轴为4级。322 丝杠导程的确定 选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在：4、5、6、8、10、12、20中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚）。在速度满足的情况下，一般选择较小导程（利于提高控制精度），本设计中初选纵向丝杠导程为8，横向丝杠导程为5。3 23 最大工作载荷的计算最大工作载荷是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给牵引力,其实验计算公式如表3-1所示。表3-1 实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式矩形导轨1.10.15燕尾导轨1.40.2综合或三角导轨1.150.15-0.18表中为考虑颠覆力矩影响时的实验系数；为滑动导轨摩擦系数；为移动部件总重量。查表3-1选择综合导轨，取1.15,取0.16,为1500；算得=1.15935.69+0.16（2673.4+1500） =1743.8324 最大动载荷的计算载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力），此类载荷为动载荷。比如起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载，起重机以加速度吊起重物，重物对吊索的作用为动载。对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷计算公式如下： 式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r，（T为使用寿命，普通机床T取5000-10000h，数控机床T取15000h；n为丝杠每分钟转速）； 载荷系数，一般取1.21.5，本设计取1.2； 硬度系数（HRC58时取1.0；等于55时取1.11；等于52.5时取1.35；等于50时取1.56；等于45时取2.40）； 滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。本设计中车床Z向承受最大切削力条件下最快的进给速度,初选丝杠基本导程，则丝杠转速。取滚珠丝杠使用寿命，带入得=90（单位r）；加工过程平稳或轻度冲击，取载荷系数，硬度系数，代入，求得 ：=9377.6N。325 滚珠丝杠螺母副的选型初选滚珠丝杆副时应使其额定动载荷, 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下长时间承受工作载荷时，还应使额定静载荷。根据计算出的最大动载荷=9377.6N,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的FL5008-3型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母螺纹式预紧，精度等级为4级，其参数如表3-2所示。表3-2 FL5008-3型滚珠丝杠相关参数公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度/ 18975084.76348.645.246631326 滚珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合。考虑到纵向丝杠长度较大，本设计纵向丝杠采用双推双推支承方式，该方式临界转速、压杆稳定性高，有热膨胀的余地。327 传动效率的计算滚珠丝杠的传动效率一般在0.80.9之间，其计算公式如下： =式中：螺距升角，根据,可得=2.91； 摩擦角，一般取=10。算得： =94.57%3 28 刚度的验算滚珠丝杠副工作时受轴向力和转矩的作用，引起导程的变化，从而影响定位精度和运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母间滚道的接触变形、支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形。因转矩和丝杠-螺母滚道接触对丝杠产生的导程变化很小，所以、可以忽略不计，所以丝杠的拉伸或压缩变形量为：=（“+”号代表拉伸，“-”代表压缩）式中：丝杠的最大工作载荷，单位为； 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为； 丝杠材料的弹性模量，钢； 丝杠的横截面面积，单位按丝杠螺纹的底径确定。根据前面的设计，为1743.8，取1990，为45.24，算得： 查表3-3可知，,所以刚度足够。表3-3 有效行程内的目标行程公差和行程变动量有效行程精度等级12345大于至31566881212161623234005008710915132019272616002000181325183525483665513 29 压杆稳定性校核由于滚珠丝杠本身比较细长又受轴向力的作用，若轴向负载过大，则会产生失稳现象，不失稳时的临界载荷Fk应该满足： =式中：丝杠支承系数，双推-双推方式时，取4，其他方式如表3-4所示； 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取最小值，本设计取4； 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为，本设计中该值为1990； 按丝杠底径确定的截面惯性矩（，单位为）,本设中将代入算出=205513.36。 由以上数据可以算出： 临界载荷远大于工作载荷（3233.76N），故丝杠不会失稳。表3-4 丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值4210.2533 同步带减速机构设计 同步带也叫同步齿形带，它综合了带传动、链条传动以及齿轮传动的优点，主要用在驱动带轮与被动带轮之间要求有固定传动比的情况。同步带是通过带上的凸齿与带轮上的齿槽强制啮合而工作，即当主动带轮转动时能通过带齿与带轮的依次啮合将动力传给从动轮，因此主动轮和从动轮的线速度相同。同步带的张紧力小，轮轴上的压力轻，因此可以延长轴承的使用寿命。同步带结构简单、紧凑，工作时不会打滑，线速度可达，可用于高速场合，传动比可达到10，效率可达98%，维护保养方便，运转费用低，因此应用日益广泛。331 传动比的确定初选电机型号为110BYG2602，四相混合式，最大静转矩为，步距角为由和可得：式中：电机编码器分辨率，单位为度/脉冲； 丝杠分辨率，单位为度/脉冲； 丝杠导程，其值为8； 脉冲当量，本设计中Z轴为0.01/脉冲。初选电机型号为130BYG2502，查表4-5知：步距角为0.9。所以传动比 由纵向床鞍的最快移动速度，可以算出主动轮的最高转速：332 传递功率的估算 由运动学可知，对该传动机构传递功率的研究只要考虑三种工作状态，他们分别是：最大负载且最大工进速度、快速空载启动、最快空载移动。由运动学可知，最后一种状态的传递功率一定小于快速空载启动（最后时刻）的瞬时传递功率，所以只需要比较前二者。 预选步进电机在转速为 750时，对应的步进电机脉冲频率为。 从表6-4查得，当脉冲频率为6000Hz时，电动机的输出转矩约为 对应的输出功率为 据表3-18取工作情况系数KA=1.2，则由公式（3-14），求得带的设计功率。333 选择带型和节距 根据带的设计功率Pd，查表3-6选择同步带，型号为H型，节距。表3-6 同步带型号型号节距/基准带宽传递功率范围/基准带宽/说明XL(特轻型)5.0800.0040.5739.5GB/T 11616-1989GB/T 11362-1989L（轻型）9.5250.054.7625.4H（重型）12.7000.65576.2 334 确定带轮齿数和节圆直径 型小带轮转速在时的最少许用齿数为14，为了提高传动精度，取小齿轮数，则小带轮节圆直径，根据传动比算出大齿轮数，则大带轮节圆直径。当主动轮最高转速时，同步带的线速度为：远小于型带的极限速度，所以满足要求。335 中心距、节线长度和带齿数的确定 初选中心距，圆整后取。则带的节线长度。根据，数控技术课程设计指导书表3-13，选取接近的标准节线长度，相应的齿数z=。实际中心距。336 校验带与小带轮的啮合齿数 啮合齿数 ，式中为取整函数。一般情况下，应该保证。当不满足要求时，可以增大或不变时减小节距。通过计算，得出，满足要求。337 计算基准额定功率基准额定功率就是所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，其计算公式如下： 式中： 单位为； 带宽为基准带宽b时的许用工作拉力，单位N，如表3-8所示； 带宽为基准带宽b时的单位长度质量（线密度），单位； 同步带线速度，上述3.3.4中已算出其值为2.38。表3-8 同步带基准宽度下的许用拉力和线密度带型号基准带宽b/许用拉力/线密度/XL9.550.170.022L25.4244.460.095H76.22100.850.448经计算， 338 确定实际同步带宽度实际所需同步带宽度的计算公式如下： 式中：选定型号的基准宽度，型其值为19.1； 小带轮啮合系数，根据数控技术课程设计指导书表3-22，当时，其值为1。经计算得出：17.2。根据数控技术课程设计指导书表3-11，选定最接近的带宽19.1，若选择双边挡圈，则最小宽度20.3mm，挡圈厚度为2mm。339 同步带工作能力的验算用下式来计算同步带的额定功率: 式中：齿宽系数，其值为。 小带轮啮合系数，取1；经计算得出：,所以满足要求。四电动机的选择及其驱动电路设计直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来一直占据着调速控制的统治地位。它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，较高的效率，优异的动态特性。随着永磁材料和工艺的发展，已将直流电动机的励磁部分用永磁材料代替，产生永磁直流电动机，这种电机结构简单，用电量少，所以目前在中小功率范围内运用广泛。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域以及新型电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉冲宽度调制（PWM）控制方式已成为主流，并作为其数字控制的基础。如果直流电机要求工作在正反转场合，这时还需要使用可逆PWM控制方式，其又分为单极性驱动与双极性驱动两种，一般大功率电机驱动采用单极性驱动方式。电动机的驱动离不开半导体功率器件，在对直流电机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又可以分为两种方式：线性放大驱动和开关驱动，由于前者在工作时有大量功率消耗在元器件上，致使效率很低，因此绝大多数直流电机采用开关驱动方式，该方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制来控制电动机的电枢电压，实现调速。41 纵向步进电动机的计算与选型411 转动惯量的折算 折合到电机轴上的转动惯量如下： 式中： 电机转子的转动惯量，单位为，本设计初选电机值为15；、同步带带轮的转动惯量，单位为； 、分别为带轮的外径和宽度，单位为； 滚珠丝杠的转动惯量，取值为112.13； 、分别为重力加速度，取9.8和导程，其值换算为 0.8。计算得出： =412 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩加在步进电动机转轴上的等效转动惯量分为快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1) 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由数控技术课程设计指导书式4-8式可知包括三部分：快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据数控技术课程设计指导书式4-12式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有根据式4-9，考虑纵向传动链的总效率=0.9，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：其中对应纵向空载最快移动速度的步进电机最高转速，为750r/min 步进电机由静止到加速至转速所需要的时间，为0.2s其中：式中纵向空载最快移动速度，为3600mm/min纵向步进电机步距角，为0.75纵向脉冲当量，本设计中为0.01mm/脉冲带入=750r/min。将上面数值带入=2.301Nm由式4-10可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为: 式中导轨的摩擦因数，滑动导轨取1.6垂直方向的负载，空载取0纵向传动链总效率，取0.9将上面数据带入=0.17Nm最后带入=.+0.17Nm=.Nm2） 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 由式4-13可知: 包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。相对于和很小，可忽略不计。则有： 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由式计算可得 =0.662Nm再由式4-10计算承受最大工作负载状态下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：将数值带入上式得=0.473Nm最后由式，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：=0.662+0.473=1.135Nm经过上述计算后，得到加在步进电机转轴上的最大 等效负载转矩：=max，=2.47Nm3）步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩应满足：Nm对于前面预选的110BYG2602型步进电动机，由表4-5可知，其最大静转矩=20Nm，可见完全满足上式的要求。4）步进电动机的性能校核最快工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定纵向最快工进速度=800mm/min，脉冲当量=0.01mm/脉冲，由式4-16求出电动机对应的运行频率从表4-7可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩=14.6Nm，远大于最大工作负载转矩=2.47Nm ，满足要求。最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定纵向最快空载移动速度，仿照式4-16求出电动机对应的运行频率从表4-7可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩=10 Nm，大于快速空载启动时的负载转矩=2.47Nm，满足要求。最快空载移动时电机运行频率校核最快空载移动速度，对应电动机运行频率=6000Hz。查表4-5可知110BYG2602的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出极限。启动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量=，电动机转子自身的转动惯量，查表4-5可知电动机转轴不带任何负载时最高空载启动频率=1800Hz，则由式4-17可以求出步进电机克服惯性负载的启动频率为： 783Hz上式说明，要想保证步进电机起步时不失步，任何时候的启动频率都必须小于783Hz。实际上，在采用软件升降频时，启动频率选的很低，通常只有100Hz。综上所述，本例中纵向进给系统选用110BYG2602步进电动机，可以满足设计要求。42同步带传递功率的校核分两种工作情况，分别进行校核。（1）快速空载启动 电动机从静止到加速至=750r/min，同步带传递的负载转矩=2.47Nm,传递的功率为（2）最大工作负载、最快工进速度 带需要传递的最大工作负载转矩=1.135Nm，任务书给定的最快工进速度，对应电动机转速160r/min，传递的功率为可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率668.73W。因此选择的同步带功率合格。5电动机驱动电路设计51 光电隔离电路光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下,以光为煤介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离.因而具有良好的电绝缘能力并能够有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，具有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等特点。光电隔离在强-弱电接口、特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号（数字信号）的传输，不适合于传输模拟量；线性光耦的电流传输手特性曲线接进直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。52 单极性可逆PWM电路设计可逆PWM电路分双极性和单极性两种，前者有低速运行平稳的优点，但存在着电流波动大，功率损耗大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中小功率直流电机的控制。由于本设计选用的直流电机功率较大，尤其是在启动加速时刻，故选择后者。单极性驱动又分T型和H型，以H型应用最多。一般对中大功率的直流电机驱动电路可以用相应的MOS管和续流二级管（肖特基管）搭建H桥驱动电路。使用MOS管，其开关速度快，同时又是电压驱动型，驱动电路简单而且导通后内阻小，通过电流大，这样加在电机的电压就接近电源电压，使电机能正常工作。使用续流二级管，用来保护元器件不被感应电压击穿或烧坏，以及提供电机制动回路。 6 数控系统设计数控系统是数控机床的“大脑”，其设计也是普通机床进行数控化改造的核心工程，对机床而言，数控系统通过对输入的加工程序进行数据处理和运算后，输出控制信号，控制主轴、进给轴和其他辅助装置正确、及时和可靠地执行加工程序所规定的任务，同时接受从机床反馈来的各种信息，对机床控制进行调整。任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成，在处理信息方面，软件和硬件对要完成的任务是等价的，硬件处理速度快，线路复杂，软件设计灵活，适应性强，但速度较慢。随着高性能微处理器的诞生，现代数控已越来越倾向于软件控制。数控系统最核心的控制是位置控制，最重要的运算是插补运算，最主要的数据处理是刀具补偿。位置控制的实质就是位置负反馈，即指令位置和实际位置进行比较，用位置偏差进行控制；插补运算就是根据加工程序所确定的坐标点，通过一定的运算法则实时获得位置指令；刀具补偿就是要解决编程轨迹和刀具中心不相符的矛盾。61 硬件电路设计611 数控系统的硬件结构 数控系统根据其使用微机结构的划分，一般可分为单微处理器和多微处理器结构两大类。单微处理器数控系统由于结构简单，价格便宜，在一些标准型数控系统中应用广泛。多微处理器数控系统可以满足当今数控机床高速度、高精度和许多复杂功能的要求，代表当今数控发展的水平。根据设计任务要求，本设计将采用较经济的单微处理器数控结构，对于一般切削加工而言，其速度和精度已能满足实际要求。 数控机床单微处理器硬件结构电路概括起来有以下几个部分组成：（1）中央处理单元CPU；（2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；（3）存储器，包括只读可编程存储器和随机读写存储器；（4）输入输出接口电路；（5）外围设备，如键盘、显示器及光电编码器等。612 数控系统硬件电路的功能 根据设计要求，确定数控系统应具有以下功能：(1) 读取键盘输入数据；(2) 读取操作面板开关及按钮信号；(3) 读取螺纹/光电编码器信号 ；(4) 读取电动刀架刀位信号；(5) 接受车床行程开关信号；(6) 控制LED显示；(7) 控制电动刀架自动选刀；(8) 控制纵向、横向电动机驱动；(9) 控制主轴正转、反转与停止；(10) 控制交流变频器；(11) 控制冷却泵启停；(12) 可与PC进行串行通信。综合上述所要实现的功能，选用intel8031作为主控芯片，接晶振电路、复位电路，由于8031无内部存储器，选用2764作为程序存储器，选6264作为数据存储器，8031P0口8位地址数据分时复用，因此得选74LS373锁存器，另外考虑到8031IO口较少，用8155扩展IO口，之后分别接刀架电机、纵横向电机、6位数码管、报警显示等外围电路。由于由8031控制的芯片较多，选74LS138译码器做片选，保证8031能够准确寻址并发送、接受控制指令。74ls06 六高压输出反相缓冲器-驱动器用来提高电路的驱动能力。613 主控芯片及相关芯片的简介 1、8031单片机 8031是最常见的mcs51系列单片机，是inter公司早期的成熟的单片机产品，应用范围涉及到各行各业,下面介绍一下它的引脚图等资料。 8031引脚功能（1）主电源引脚Vss和Vcc Vss接地 Vcc正常操作时为+5伏电源（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。（3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/ ， 和 /Vpp RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。 ALE/ 正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率的 ）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，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）八个LSTTL电路。 对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（ 功能） 外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间， 在每个机器周期内两次有效。 同样可以驱动八LSTTL输入。 /Vpp 、 /Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当 /Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当 /Vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。 8031引脚功能： Vcc:+5V电源电压。 Vss:电路接地端。 P0.0P0.7:通道0，它是8位漏极开路的双向I/O通道，当扩展外部存贮器时，这也是低八位地址和数据总线，在编程校验期间，它输入和输出字节代码，通道0吸收/发出二个TTL负载。 P1.0P1.7:通道1是8位拟双向I/O通道，在编程和校验时，它发出低8位地址。 通道1吸收/发出一个TTL负载。 P2.0P2.7:通道2是8位拟双向I/O通道，当访问外部存贮器时，用作高8位地址总线。通道2能吸收/发出一个TTL负载。 P3.0P3.7:通道3准双向I/O通道。通道3能吸收/发出一个TTL负载，P3通道的每一根线还有 另一种功能： P3.0:RXD，串行输入口。 P3.1:TXD，串行输出口。 P3.2:INT0，外部中断0输入口。 P3.3:INT1，外部中断1输入口。 P3.4:T0，定时器/计数器0外部事件脉冲输入端。 P3.5:T1，定时器/计数器1外部事件脉冲输入端 P1.0- 1 40 -VCC P1.1- 2 39 -P0.0/AD0 P1.2- 3 38 -P0.1/AD1 P1.3- 4 37 -P0.2/AD2 P1.4- 5 36 -P0.3/AD3 P1.5- 6 35 -P0.4/AD4 RTS P1.6- 7 34 -P0.5/AD5 CTS P1.7- 8 33 -P0.6/AD6 RST/Vpp- 9 32 -P0.7/AD7 I/O RXD/P3.0- 10 31 -EA/VPP DATA TXD/P3.1- 11 30 -ALE/PLOG INT0/P3.2- 12 29 -PSEN INT1/P3.3- 13 28 -P2.7/A15 T0/P3.4- 14 27 -P2.6/A14 SCLK T1/P3.5- 15 26 -P2.5/A13 WR/P3.6- 16 25 -P2.4/A12 RD/P3.7- 17 24 -P2.3/A11 XTAL1- 18 23 -P2.2/A10 XTAL2- 19 22 -P2.1/A9 VSS 20 21 -P2.0/A8 P3.6:WR，外部数据存贮器写脉冲。 P3.7:RD，外部数据存贮器读脉冲。 RST/VpD:引脚9，复位输入信号，振荡器工作时，该引脚上2个机器周期的高电平可以实现复位操作，在掉电情况下（Vcc降到操作允许限度以下）， 后备电源加到此引脚，将只给片内 RAM供电。 ALE/PROG:引脚30,地址锁存有效信号，其主要作用是提供一个适当的定时信号，在它的下降沿用于外部程序存储器或外部数据存贮器的低8位地址锁存，使总线P0输出/输入口分时用作地址总线（低8位）和数据总线,此信号每个机器出现2次,只是在访问外部数据存储器期间才不输出ALE。所以，在任何不使用外部数据存贮器的系统中，ALE以1/6振荡频率的固定速率 输出，因而它能用作外部时钟或定时，8751内的EPROM编程时，此端输编程脉冲信号。 PSEN:引脚29,程序选通有效信号,当从外部程序存贮器读取指令时产生，低电平时，指令寄存器的内容读到数据总线上。 EA/VPP:引脚31，当保持TTL高电平时，如果指令计数器小于4096，8051执行内部ROM的指令，8751执行内部EPROM的指令，当使TTL为低电平时， 从外部程序存贮器取出所有指令，在8751内的EPROM编程时，此端为21V编程电源输入端。 XTAL1:引脚18，内部振荡器外接晶振的一个输入端，HMOS芯片使用外部振荡源时，此端必须 接地。 XTAL2:引脚19，内部振荡器外接晶振的另一个输入端，HMOS芯片使用外部振荡器时，此端用于输入外部振荡信号。2、74LS373八 D 锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性)373 的输出端 Q0Q7 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 输出端真值表：DnLEOEQnHHLHLHLLXLLQ0XXH高阻态3、74LS13874LS138 为3 线8 线译码器共有 54/74S138和 54/74LS138 两种线路结构型式。工作原理当一个选通端（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。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。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。可用在8086的译码电路中，扩展内存。4、27642764是8K*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75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250nS，28脚双列直插式封装。各引脚的含义为： A0-A12为13根地址线，可寻址8K字节；O0-O7为数据输出线；CE为片选线；OE为数据输出选通线；PGM为编程脉冲输入端；Vpp是编程电源；Vcc是主电源。正常工作（只读）时，Vpp=Vcc=+5V,PGM=+5V。编程时，Vpp+25V（高压），PGM端加入宽度为50ms的负脉冲。EPROM电路EPROM 2764的外部引线如图所示。这是一块8K8bit的EPROM芯片，它的引线与SRAM芯片6264是兼容的。这给使用者带来很大方便。因为在软件调试过程中，程序经常需要修改，此时可将程序先放在6264中，读写修改都很方便。调试成功后，将程序固化在2764中，由于它与6264的引脚兼容，所以可以把2764直接插在原6264的插座上。这样，程序就不会由于断电而丢失。l下面介绍2764各引脚的含义:A0一A12：13根地址输入线。用于寻址片内的8K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。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。说明：EPROM的一个重要优点是可以擦除重写，而且允许擦除的次数超过上万次。一片新的或擦除干净EPROM芯片，其每一个存储单元的内容都是FFH。要对一个使用过的EPROM进行编程，则首先应将其放到专门的擦除器上进行擦除操作。擦除器利用紫外线光照射EPROM的窗口，一般经过1520min即可擦除干净。擦除完毕后可读一下EPROM的每个单元，若其内容均为FFH，就认为擦除干净了。5、Intel6264芯片Intel 6264的特性及引脚信号Intel 6264的容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造A12A0（address inputs）：地址线，可寻址8KB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。Intel 6264的操作方式Intel 6264的操作方式由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D7D