经济型数控车床控制系统硬件电路设计开题报告

南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）开题报告题 目 ： 经济型数控车床控制系统硬件电路设计 专 业： 自动化（数控技术应用） 班 级： 数控 033 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2007 年 3 月本科毕业设计 (论文)开题报告学生姓名 王慧蕴 学 号 Z35702203 专 业自动化（数控技术应用）指导教师 华茂发 职 称 副教授 所在院系 自动化学院课题来源 自拟课题 课题性质 工程设计课题名称 经济型数控车床控制系统硬件电路设计毕业设计的内容和意义 经济型数控车床是以单片机为控制核心、以步进电机为驱动、以开环控制方式为基础的一种简易数控系统。此次主要以它的控制系统为研究对象，进行硬件电路设计。毕业设计的具体内容：1、采用 8031 作为主 CPU，外扩 32K 程序存储器，8K 数据存储器；2、用 89C2051 作为从 CPU，控制三排 LED 显示；3、键盘用 8155 扩展；4、X 轴、Z 轴步进电机正、反转脉冲信号经锁存器输出；5、用 8255 扩展若干输入、输出信号接口。本课题研究的意义：本课题对经济型数控车床控制系统硬件电路进行设计,其研究意义如下：1、经济型数控车床价格便宜，性能价格比适中，与中高档数控车床相比，前者只需一万元左右，后者则需要十万甚至几十万元。因此，它特别适合于改造在设备中占有较大比重的普通车床，适合在生产第一线大面积推广。2、经济型数控车床适用于多品种、中小批量产品的自动化生产，对产品的适用性强。在普通车床上加工的产品，大都可以在经济型数控车床上进行。加工不同零件，只要改变加工程序，很快适应和达到批量生产的要求。这就为单件、小批量以及试制新产品提供了极大的便利。它缩短了生产准备周期，而且节省了大量工艺装备费用。对于使用点位控制系统的多孔零件的加工，当需要修改设计，改变其中某些孔的位置和尺寸时，只需局部修改增删穿孔带的相应部分，花费很短的生产准备时间就可以把修改后的新产品制造出来，为产品结构的不断更新提供了有利条件。3、经济型数控车床可以提高产品的质量，降低废品损失。数控装置有较高的加工精度，加工出的产品尺寸一致性好，合格率高。如包缝机壳车内槽，质量要求高，手工加工时废品和返修品率高达 70%，用经济型数控车床加工几乎没有废品。数控机床的传动系统与机床结构都具有很高的刚度和热稳定性，提高了产品的制造精度，特别是数控机床的自动加工方式避免了生产者的人为操作误差，同一批加工零件的尺寸一致性好。产品合格率高，加工质量稳定。4、经济型数控车床能解决复杂零件的加工精度控制问题。如一个复杂工件，原来有一个高级车工用双手摇动两个手柄，边加工边对样板，每件需 16 小时，费时费力，且质量无法保证，而在改造后的经济型数控车床上加工，仅用45 分钟，提高工效 20 倍。5、经济型数控车床能节约大量工装费用，降低生产成本。手工操作需要大量不同类型的靠模和成形刀具，用经济型数控车床加工可以不用工装，不仅节约了工装费用，还减轻了工具制造部门的压力。6、经济型数控车床可以提高生产率。零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分。经济型数控车床能够有效减少这两部分时间，因而加工生产率比一般机床要高得多。数控车床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控车床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了机动时间。数控车床移动部件的快速移动和定位均采用了加速与减速措施，因而选用了很高的空行程运动速度，消耗在快进、快退和定位的时间比一般机床的少得多。数控车床在更换零件时几乎不需要重新调整车床，而零件有都安装在夹紧装置中，用于停机进行零件安装调整的时间可以节省不少。7、经济型数控车床可以减轻工人的劳动强度。使用经济型数控车床，将工人从紧张、繁重的劳动中解脱出来。对零件的加是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了安放穿孔纸带或操作键盘、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运动之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度和紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。8、经济型数控车床可以提高工人的素质，促进技术进步。数控系统的出现，扩大了工人的视野，带动可学习微电子技术的热潮，为工人由“体力型”向“智力型”过渡创造了条件，促进了工厂的技术进步。9、经济型数控车床可以增强企业的应变能力，为提高企业竞争能力创造了条件。企业应用经济型数控对设备进行改造后，提高了加工精度和批量生产的能力，同时又保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性，提高设备自身对产品更新换代所需要的应变能力，增强了企业的竞争能力。10、经济型数控车床的功能实用，软件功能不低于同样配置的一般伺服电机的功能，基本上可以满足加工要求。全功能数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国一般中小型企业购置困难，而大量的机械零件需要高速加工制造，需要大量便宜且自动化程度很高的加工设备。由于步进电机的数控系统在某种意义上可以装备这个档次的设备，所以经济型数控车床是适合我国国情的高效自动化车床。文献综述随着计算机技术的高速发展,传统的制造业开始了根本性变革,普通机床已经无法满足社会发展的需要。经济型数控车床控制系统硬件电路的设计,最主要的是对单片机控制系统的设计。文献12345等都是关于单片机方面的内容，其中3和4介绍了 MCS-51 系列单片机的基础知识，如单片机的总体结构，引脚的描述，以及外部扩展问题等；文献2 以 89C51 单片机为典型机，详细介绍片内结构、工作原理、接口技术和单片机在各领域中的应用；文献15介绍了如何设计单片机系统，提供了大量实用电路和程序并举例了应用系统的设计和调试，注重理论联系实际，着重实际应用。设计数控车床控制系统硬件电路必须了解数控车床的外观以及它是如何工作的，这样才能知道该如何着手。文献67910111213都是关于数控或数控车床方面的内容，文献671112主要是对当前数控机床的介绍，可参考其中的数控车床的外观以及工作的方式。文献91013介绍了数控机床的发展趋势，以及数控系统先进理念和相应的体系结构。画电路原理图和电路板图需用到软件 PROTEL99SE，文献 8详细介绍了如何设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真等。参考文献：1、何立民MCS-51 单片机应用系统设计北京：北京航空航天大学出版社，1990 年2、李朝青单片机原理及接口技术北京：北京航空航天大学出版社，19993、赵德安等单片机原理与应用北京：机械工业出版社，20044、李学海标准 80C51 单片机基础教程北京：北京航空航天大学出版社，20065、汪道辉单片机系统设计与实践北京：电子工业出版社，20066、汪木兰数控原理与系统北京：机械工业出版社，20047、邵群涛数控系统综合实践北京：机械工业出版社，20048、夏路易石宗义电路原理图与电路板设计教程 PROTEL 99SE,20029、张俊 魏红根数控技术发展趋势智能化数控系统制造技术与机床，2004 年第 04 期10、张明亮解旭辉李圣怡开放性数控技术的发展机电工程，1999年第 04 期11、周延佑国产数控系统的特点和机床数控化改造的迫切性制造技术与机床，1999 年第 06 期12、韩权利 马宏伟 杨来侠开放式数控系统机械制造，2001 年第 07期13、陆启建，刘明灯数控技术的新发展制造技术与机床，2002 年第 05期研究内容1、用 MCS-51 系列的 8031 单片机作为主 CPU，外扩 32K 的程序存储器和8K 的数据存储器，分别用于存放系统管理软件、数控加工程序以及运算的中间数据。2、用 MCS-51 系列的 89C2051 单片机作从 CPU，控制三排 LED 显示器，用于 X 轴、Z 轴动态坐标以及相关数字的动态显示，作为人机交流的界面。3、用 8155 芯片的 PA 口和 PC 口作为行、列母线，扩展矩阵式编辑键盘，用于程序和数据的输入和编辑，同时选用 8031 单片机的 P1 口扩展手动键盘，用于系统启动、停止以及运动部件在 X 轴、Z 轴方向的手动控制，此外选用8255A 芯片的 PA 口扩展工作方式选择开关电路，用于选择系统的工作方式。4、用 8255A 芯片扩展若干输入输出信号接口电路，用于接收和传送开关量及相关信息，作为系统和外界进行信息交换的桥梁。5、用锁存器 74LS273 锁存步进电机 X 轴正、反转脉冲输出信号及 Z 轴正、反转脉冲输出信号。6、用译码器 74LS138 构成 8031 单片机外围扩展芯片选择译码电路以及显示位选择译码电路。7、用 Protel 99SE 软件绘制电路原理图及 PCB 图。研究计划3.1 - 3.4 熟悉课题3.5 - 3.11 借阅资料、复习相关专业内容3.12 - 3.18 写毕业设计开题报告3.19 - 3.25 拟定方案3.26 - 4.1 修改方案4.2 - 4.8 CPU 扩展电路设计4.9 - 4.15 显示电路设计4.16 - 4.22 手动键盘和编辑键盘电路设计4.23 - 4.29 I/O 扩展电路设计4.30 - 5.6 用 PROTEL 绘制 CPU 扩展电路原理图5.7 - 5.13 用 PROTEL 绘制其余电路原理图5.14 - 5.20 绘制 PCB 图5.21 - 5.27 英文资料翻译5.28 - 6.3 写毕业论文6.4 - 6.10 修改毕业论文、准备答辩6.11 - 6.15 毕业答辩特色与创新本论文特色与创新如下：1、经济型数控车床是对普通车床的智能化，即它把单片机技术嵌入到了普通车床系统中。对普通机床而言，如果想要给已经定型的系统增加功能或者改进性能，只能大动手术或者重新设计，否则，别无他法；而单片机系统完成的许多功能是通过存储程序控制实现的，也就是说，控制功能是通过计算机执行预先存储在存储器中的程序来实现的。如果想要给系统增加功能或改进功能，只需要更新软件即可轻而易举地达到目的，非常灵活。不同与传统的机床，不需要制造、更换许多工具、夹具和模具，更不需要重新调整机床。2、全功能的数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国的一般中小企业购置困难，而经济型数控车床价格低廉，操作使用方便，满足机械加工的基本功能要求，可以作为中高档数控系统的替补和填充。一个国家生产车床的数控化率集中反映了一个国家的制造业的技术水平，也代表着一个国家的综合国力。我国的制造业和车床制造业总体水平与发达国家相比还存在着不小的差距。所以在这种情况下，我们就应该大力发展我国的车床制造业，对原有的机床进行改造，进行数控化、自动化，由于经济型数控车床设备费用投入较少，可以满足企业发展初期的需要，是我国数控车床的主流产品，所以研制和开发经济型数控车床就有它的战略意义。3、画原理图和 PCB 图所用到的 PROTEL99SE 是一个全 32 位的电路板设计软件，该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，使用该软件可以容易地设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真。使用电脑设计电路原理图和电路板图是把电子技术从理