#CA6140普通车床数控化改造

1、目录摘要Abstract 绪论 1 第一章 CA6140 车床微机数控系统总体设计方案的拟订 31 总体方案确定 32 设计 XY 数控工作台及其控制系统 4 第二章 CA6140 车床进给伺服系统机械部分设计计算 51 脉冲当量的选择 52 切削力的计算 52-3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 6 TOC o 1-5 h z 2-4 齿轮传动比的计算142-5 步进电机的计算与选型152-6 设计绘制进给伺服系统机械装配图19第三章 CA6140 车床微机数控系统硬件电路的设计201 单片机微机数控系统电路设计内容202 MCS-51 系列单片机简介 213-3 存储器扩展电路的设计283-4

2、 I/O 接口电路及辅助电路设计373-5 典型零件加项目序设计46总结 49 参考文献 50 致谢 51 外文资料及中文翻译 52 绪论随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型， 普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加 工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控 制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向一、数控机床的产生数控机床最早是从美国开始研制的。 1948 年，美国帕森斯公司在研制加工直升机 桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设

3、想。 1949 年， 帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并 于 1952 年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理 的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于 1955 年进入实用 阶段。一直到 20 世纪 50 年代末，因为价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到 了 60 年代，因为晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工 业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机 床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展 应用范围。二、

4、数控机床的发展自 1952 年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自 动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代， 先后经历了五个发展阶段。第一代数控：第二代数控：第三代数控：第四代数控： 统。第五代数控：1952-1959 年采用电子管元件构成的专用数控装置。从 1959 年开始采用晶体管电路的 NC系统。从 1965 年开始采用小、中规模集成电路的 NC系统。从 1970 年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系从 1974 年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现

5、代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很 强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随 着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小， 价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的 各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系 统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今 后的发展趋势。三、我国数控

6、机床的发展简况我国从 1958 年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从 1965年开始，研制晶体管数控系统，直到 60 年代末和 70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。 1972-1979 年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从 80 年代初开始，随着我国开放政策的实行，先后从日1 / 46本、美国、德国等国

7、家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国GE公司的 MTC-数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出 BSO3经济型数控系统和 BSO4全功能数控系统，航空航天部 706 所研制出 MNC864数控 系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水 平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。四、数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机 床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入 更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。在数控

8、系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANC，U德国的 SIEMENS和美国的 A-B 公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向 发展。它们的数控系统都采用了 16 位和 32 位微机处理机、标准总线及软件模块和硬 件模块结构，内存容量扩大到 1MB 以上，机床分辨率可达 0.1 微 M，高速进给可达 100m/min,控制轴数可达 16 个，并采用先进的电装工艺。在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发 展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所 取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。五、数控机床

9、改造的意义数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在 60 年代已经开始迅速发 展，其发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。我国是拥 有 300 多万台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金 和我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国现有一部分普通机床实现 自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。用数控技术改 造机床，正是适应了这一要求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础 上。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它 传统的自动化改装方案，有较大的通用性与可调性。而且

10、所投入的改造费用低，一套 经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的 1/3 至 1/5 ，用户承担的起。从若干单位 成功应用的实例可以证明，投入使用后，确实成倍地提高了生产效率，减少了废品 率，取得了显著的技术经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技 术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我国的经济水平、教育水平和生 产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。同时，它还可以作为全功能数控机 床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验， 而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主要内容之一。第一章 CA6140车床 微机数控

11、系统总体设计方案的拟定数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成 化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。 机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选 择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。/ 46一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最 后确定一个可行的总体方案。1 总体方案确定一、系统的运动方式与伺服系统的选择 因为改造后的经济型数控铣床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循 环加工、公英制螺纹加工等功能，因为在铣削加工中，要求工作台或刀具

12、沿各坐标轴 运动有确定的函数关系，即刀具以给定的速率相对于工件沿加工路径运动，所以不能 选用点位系统，因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中不进行切削。因 此，应选用连续控制系统。X52K型铣床改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了简化结构，降低 成本，采用步进电机开环控制系统，因闭环控制系统适用于精度要求较高的机床设 计，且闭环控制系统的造价昂贵。二、计算机系统根据机床要求，采用 8 位微机。因为 MCS-51 系列单片机具有集成度高、可靠性 好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性能价格比等特点，因此采用 MCS- 51 系列的 8031单片机扩展系统。控制系统由微机部

13、分、键盘及显示器、 I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率放 大电路等组成。系统的加项目序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显 示加工数据及机床状态等信息。三、机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的 传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副以及滚动导轨。同时，为 提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。齿轮传动也 要采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。2 设计 X-Y 数控工作台及其控制系统计任务及参数在任务书中已经给出。系统总体方案见图 1-1根据设计任务的要求，采用连续控制系统和步进电机开环控制系统。这

14、样可使控 制系统结构简单、成本低廉，调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和 工作平稳性，尽量采用低摩擦的传动和导向元件。此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚 动导轨。为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙。计算机系统仍采用高性能价格比的Y 向MCS-51系列单片机扩展系统光电隔离X功率放大步进电机上拖板/ 46下拖板光电隔离功率放大步进电机第二章 CA6140车床 进给伺服系统机械部分设计计算一台 CA6140 普通车床改造成微机数控车床，采用 MCS-51系列单片机控制系统， 步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参 数如下：加工最

15、大直径：在床面上400在床鞍上210加工最大长度：1000溜板及刀架重力： 纵向1000N横向600N刀架快速速度 :纵向2.4m/min横向1.2m/min最大进给速度 :纵向0.6m/min横向0.3m/min主电机功率7.5Kw起动加速时间30ms机床定位精度 : 0.015mm伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运 动部件惯量计算，空载起动及切削力计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、 计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图。现分述如下：1 系统脉冲当量的选择一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。脉冲 当量是衡量数控机

16、床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉 冲当量是 0.01 0.005mm/脉冲。根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向： 0.01mm/脉冲，横向： 0.005mm/脉冲2 切的计算削力在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到 切削力，下面介绍数控车床中的切削力的计算。1. 纵车外圆主切削力 Fz (N 按经验公式估算 :FZ =0.67D1m.5a/ 46=0.674001.5=5360按切削力各分力比例：FZ : FX :FY 1:0.25:0.4FX =5360 0.25=1340FY =5360 0.4=21442. 横切端面主切削力 F

17、Z (N) 可取纵切的 1/2.1FZFZ 26802此时走刀抗力为 FY (N,吃刀抗力为 FZ (N). 仍按上述比例粗略计算FZ:FY : FX =1:0.25:0.4FY =26800.25=670FX =26800.4=10722-3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的 预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d0/ 46作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动部件的重量 和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。纵向进给为综合型导轨由前所知：FX =1

18、340 NFZ =5360 NG =1000 NK =1.15f =0.16得：Fm(N=K FX + f ( FZ +G=1.15 1340+0.16 (5360+1000=2559 N式中K 考虑颠复力矩影响的实验系数 , 综合导轨取 K=1.15。f - 滑动导轨摩擦系数 :0.15 0.18 。G- 溜板及刀架重力 : G =1000 N.计算最大动负载 c100利用滚珠丝杠副的直径 d0 时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 万转106 转)后在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠 丝杠能承受的最大动负载 C，可以用下式计算：c=3 L fwFm60 n

19、 TL= 61061000 usnL0此处式中 L0 - 滚珠丝杠导程 , 初选 L0 =6 。us - 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的u s =0.6m/minT - 使用寿命 , 按 15000hfw - 运转系数，按一般运转取 f w =1.2 1.5L - 寿命，以 106转为 1 个单位将数据分别带入上式得：/ 461000 usL0=1000 0.6 0.5=6=50r/min=4560 n T 60 50 15000L= =L=106= 106c 3 L fwFm=3 45 1.22559=10799 N滚珠丝杠螺母副的选型查阅附录 A表 3, 可采用 W1 L350

20、6 外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副 ,1 列 2.5 圈, 其额定动负载为 16400 N,精确等级按表 4-15 选为 3 级（大致相当于老标准 E 级.传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为：tg tg( )式中 螺旋升角 , W 1L3506 =3 39- 摩擦角取 10滚动摩擦系数 0.003 0.004将各数据带入上式得tgtg( )tg3o7tg(307 10)0.949刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性因此应考虑以 下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量；滚珠与螺纹滚道间的接触变形； 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形；滚珠丝杠的扭转变

21、形引起导程的变化量；和螺 母座及轴承支座的变形。最后一种常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计 算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。因此滚珠丝杠副刚度的验算，主要是前三种变形量，他们的和应不大于机床精度 要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。先画出纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图 2-1 所示。最大牵引力为 2559 N.轴承 支撑间距 L =1500 ，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 1 。/ 46图 2-11)丝杠的拉伸或压缩变形量 1查图 4-6 ，根据 Pm =2559 N， DO =35 ， *查出 L/ L

22、 =1.2*10 5，可算出：L 5 211500=1.610 51500=2.410 2 为: 1 21= 1=0.6 10 22(2 滚珠与螺纹滚道接触变形 2查图 4-7, W 系列 1列 2.5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 Q :Q =7.1 m因进行了预紧 , 2=1 Q=1 7.1=3.35 m22(3 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 2采用 8107 型推力 球轴 承， d1=35 , 滚珠体 直径 dQ =6.35 , 滚动 体数量z=18, dc =0.00243 Fm 2 =0.0024 dQ Z 23 256 2 0.0075( 6.35 182/ 46注意, 此公式中

23、Fm单位应为 kgf因施加预紧力 , 故113= c = 0.0076=0.0038 22 根据以上计算 := 1+ 2 + 3 =0.006+0.00355+0.0038 =0.01335 定位精度稳定性校核 滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核二、横向进给丝杠计算进给牵引力 F m横向导轨为燕尾形 , 计算如下 : 由前所知：FX =1072 NFY =670 NFZ =2680 NG= 600 Nf =0.2得：F m=1.4 FY + f ( FZ+2FX +G=1.4 670+0.2 (2680+2 1072+600 2023 N计算最大动负载 c1000 vs n

24、=L01000 0.3 0.5=305L =60 n6 T =60 30 615000L = 106 =106=27c=3 L fw F m=3 27 1.2 2023=7283 N选择滚珠丝杠螺母副从附录 A表 3 中查出, W 1L3506 1 列 2.5 圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副, 额定动载荷为 9700 N, 可满足要求，选定精度为 3级./ 464. 传动效率计算= tg4 33 =0.965tg( ) tg(4 33 10)tg5. 刚度验算 横向进给丝杠支承方式如图 2-2 所示，最大牵引力为 2425 N，支承间距 L=450 ，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。图

25、2-2 计算如下：1)丝杠的拉伸或压缩变形量 1 滚珠与螺纹滚道间接触变形量 2 查图 4-7Q =8.5 m因进行了预紧 2=1 Q=1 8.5=4.25 m 22Q2(3 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3/ 46采用 8120推力球轴承 ,Pm202.32dQ 0.00243 m 2 0.002432 0.0094 (mm)dQ z24.763 122考虑到进行了预紧 , 故113 c 0.0094 0.0047( mm)22综合以上几项变形之和 :1 2 3 0.0189 0.0043 0.0047 0.0279mm 显然此变形量已大于定位精 度的要求 ,应该采取响应的措施修改设计

26、, 因横向溜板空间的限制 , 不宜再加大滚珠丝杠 的直径,估采用贴塑导轨见效摩擦力 ,从而减小最大牵引力 .重新计算如下 :Fm 1.4Fy f (Fz 2Fx G )1.4 670 0.04 (2680 2 1072 600) 1155N从图 4-6 查出当 Fm 1155N时, L /L 2.4 10 5L5L L 2.4 10 5 450 0.0108 L2 和 3 不变 ,则 1 2 3 0.0108 0.0043 0.0047 0.0198mm , 定位精度为 0.01mm, 估 此变形量仍不能满足 ,如果将滚珠丝杠再经过预拉伸 , 刚度还可提高四倍 ,则变形量可控 制在要求的范围之

27、内 .111 2 3 0.0108 0.0043 0.0047 0.0117mm 446. 稳定性校核计算临界负载 FK (N)FK =fz 2 EIL2式中E- 材料弹性模量 , 钢: E =20.6 106 N/ I - 截面惯性矩 (4丝杠: I = d1 4, d1为丝杠内径。64L- 丝杠两支承端距离 ( 。fZ- 丝杠支承方式系数 ,从表 4-13 中查出，一端固定 ,一端简支 fZ =2.00/ 46I = d164 14 = 1.6788 4 =0.3899 4 642 2 6452fZ 22 E I =2 2 20.6 106 0.3899=78214 NnK=FK = 78

28、214 =67.7 nKF m 1155(一般 nK =2.54此滚珠丝杠不会产生失稳。三、纵向及横向滚珠丝杠副几何参数。名称符号公式W1L3506 W1公称直径d03520导程L065接触角3 7 4钢球直径 ( dq3.9693.175滚道法面半径R R 0.52dq2.0641.651偏心距e e (Rdq /2)sin0.0560.045螺纹升角L arctg L0 d037 4 33螺杆外径d d d0(0.2 0.25)dq 3419.4螺杆内径 d1 d1d0 2e 2R30.98416.78螺杆纹接触直径dZ d Z d0d q cos31.25816.835螺母螺纹直径D D

29、 d 02e 2R39.36523.212螺母内径D1 D1 d 0(0.2 0.25)d q 36.125 20.635其几何参数如下 :33L20052-4 齿轮传动比计算/ 461. 纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量 P =0.01 滚珠丝杠导程 L0 =6，初选步进电机步距角 0.75 。可计算出传动比 i360 p 360 0.01 i = = bL00.75 6可选定齿轮齿数为 :Z1 i=Z232或2040 252. 横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量 P =0.005 , 滚珠丝杠导程 L0=5 , 初选步进电机步距角0.75 可计算传动比 i:i=3

30、60pbL0=360 0.050.75 5=0.48,故考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程 此处可采用两级齿轮降速 :i= Z1 Z3 =3 4=2420 i = = = Z2 Z4 5 5 40 25Z1=24、 Z 2 =40、 Z 3 =20、 Z4=25 因进给运动齿轮受力不大，模数 m 取 2。有关参数如下 :表 2-1齿数324024402025分度圆d mz648048804050齿顶圆da d 2m688452844454齿根圆d f d 2*1.25m597543753545齿宽610) m202020202020中心距A (d1 d2)/2

31、726445/ 462-5 步进电机的计算和选型选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电 机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，在根据步进电机最大 静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。一、纵向进给步进电机计算等效转动惯量计算计算见图 2-1 ，传动系统折算到电机轴上的总的惯量 J 2 ）可由下式计算：Z1 2J =JM +J1+( 1)2Z2J2L0JSS g 2式中 JM - 步进电机转子转动惯量 2）J1、 J2- 齿轮 z1、 z2的传动惯量 2 ）。Js- 滚珠丝杠转动惯量 2 ）。参考同类型机床，初选反应式步进电机 150BF

32、，起转子转动惯量 JM =10 J 1=0.78 10 3 d14 L1=0.7810 36.4 4 2=2.62 2J 2 =0.78 10 3 d24 L2 =0.78*10 3842=6.39 2J s =0.78 10 344150=29.952 2G =1000 N代入上式：29.8 2Z L 2 J =JM +J1+(ZZ12 ) J2 JS Gg 2L0=10+2.62+ 34206.39 29.952 1000 0.6=36.474 2考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题JM / J =10/36.474=0.274基本满足匹配的要求。电机力矩的计算 机床在不同的工况下，其所需转

33、距不同，下面按个阶段计算： 14 / 461) 快速空载起动力矩 M 起 。 在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：M 起 =Mamax+M f+M 0M amax =J 60nmax10 2 =J nmax 10 2ta60 tanmaxvmax03600将前面数据代入，式中各符号意义同前nmaxvmax b0 =2400 0.75 =500 r min3600 0.01 360起动加速时间 ta =30msM amax =J 2nmax=36.474 60*ta2 * 50060* 0.03 10 2=636.6 N 折算到电机轴上的摩擦力矩 M f ：M f =2F

34、0L0if (PZ G) L02 z2 / z10.16 (5360 800) 0.6=94 N2 0.8 1.25附加摩擦力矩 M 0：F p0L0M0=F2p0Li0 102= 2530 0.6= 3 (1 0.92)=805.30.19=153 N 0.8 1.25上述三项合计：M 起 =M amax +M f +M 0=636.6+94+153=881.5 N 2)快速移动时所需力矩 M 快M 快 =M f +M 0 =94+153=247 N/ 4623 Fzm/ zL0 1 022 z2 / z103）最大切削负载时所需力矩 M 切M 切=M f +M0 +M x =M f +M

35、0+ 2x 0i=94+153+1340 0.6 =94+153+127.962 0.8 1.25=375 N 从上面的计算可以看出，M 起、 M 快和 M 切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以次作为初选步进电机的依据从表中查出，当步进电机为五相十拍时，=M q M jmax =0.951最大静力矩 M jmax=881.5/0.951=927 N 。按此最大静转距从表查出， 150BF 002型最大静转距为 13.72 N 。大于所需 最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动距频特性和运行距 频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率fk = 1000vma

36、x =1000 2.4=4000 HZ k 60 p 60 0.01fe=1000vse 60 p1000 0.6=1000 HZ60 0.01从表中查出 150BF 002 型步进电机允许的最高空载起动频率为 2800 HZ运行频率 为 8000 HZ ， 130BF001 步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图2-3， 2-4所示，可以看出，当步进电机起动时， f 起=2500Hz时， M=100N cm，远远不能满足此 机床所要求的空载起动力矩 881.5 N cm）直接使用将会产生失步现象，所以必须采 取升降速控 制用软件 实现 ）， 将起 动频率 将到 1000Hz 时，起动力

37、 矩可 增到 588.4 N cm ，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大 一倍左右。/ 46当快速运动和切削进给时， 130BF001型步进电机运行矩频特性 图 2-4 ）完全可以 满足要求。二、横向进给步进电机计算和选型电机选为 90BF002 计算步骤如上所述，经计算满足要求，此处计算略。2-6 设计绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，已经确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机规格型号，以 及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画出机械装配图。图见 0 号大图。从图中可以看出，纵向进给部分拆去原机床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠 等，装上步进电机、齿轮减

38、速箱和滚珠丝杠螺母副。横向进给部分也用滚珠丝杠代替 原来的滚动丝杠，并在大溜板的后面安装横向齿轮减速箱和步进电机。并把原来的方 刀架取掉，装上自动转位刀架及微型电机。第三章 CA6140 车床铣床微机数控系统硬件电路设计1 单片微机数控系统硬件电路设计内容当前，在经济型数控机床控制系统中广泛采用美国 Intel 公司的 MCS-51系列单片 计算机，因此本章着重介绍用 MCS-51系列单片微机构成的控制系统的设计内容，方法 及步骤。单片微机数控系统硬件电路设计包括以下几部分内容：一、绘制系统电气控制的结构框图根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气 控制的结构框图

39、。数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件/ 46才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。车床硬件电路由以下五部分组成。主控制器，即中央处理单元 CPU总线，包括数据总线，地址总线和控制总线。存储器，包括程序存储器和数据存储器。接口，即 I/O 输入/ 输出接口电路。外围设备，如键盘，显示器及光电输入机等。见图 3-1在微机应用系统中， CPU的选型应考虑以下因素：时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度。可扩展存储器 包括 ROM和RAM）的容量。指令系统功能，影响编程的灵活性。4.I/O 扩展的能力，即对外设控制的能力。5. 开发手段，

40、包括支持开发的软件和硬件电路。 此外还要考虑到系统的应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比 等经济性的要求。目前在经济型数控机床中，推荐使用 MCS-51系列单片微机作为主控制器。三、存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑 CPU与 EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出 速度、工作温度及存储器的容量等问题。在存储器扩展电路的设计中还应该包括地址锁存器和译码电路的设计。四、I/O 即输入 /输出接口电路设计应包括接口芯片的选择，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的 设计例如复位电路，越界报警电路，掉电保护

41、电路等）。此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括。2 MCS-51 系列单片机简介MCS-51系列单片微机是美国 Intel 公司在 MCS-48系列单片微机基础上推出的产 品，于 1980 年问世，它的集成度很高，是集片内存储器、片内输入 / 输出部件和 CPU 于一体的优良的单片机系统，在我国已广泛地应用于经济型数控机床。MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品： 8031、8051 和 8751。三种型号的引脚/ 46完全相同，仅在内部结构上有少数差异。 8751 具有片内 EPROM但, 价格是 8051 的 10 15 倍，所以适合于开发样机，小批量生

42、产和需要在现场进一步完善的场合。 8051 的 EPROM程序是 Intel 公司制作芯片时为用户置备的，因此在国内很难采用 8051 型芯 片。而 8031 片内无 ROM，适用于需扩展 ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用 场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。因此选用 8031 芯片一、 8031 单片机的基本特征8031单片机具有以下特点：1具有功能很强的 8 位中央处理单元 CPU）。2片内有时钟发生器 6或 12MHz）、每执行一条指令时间为 2 或 1 s。3片内具有 128 字节 RAM。4具有 21 个特殊寄存器。5可扩展 64K 字节的外部数据存储器和 64K

43、 字节的外部程序存储器。6具有 4 个 I/O 口，32根 I/O 线。7具有 2 个 16 位定时器 / 计数器。8具有 5 个中断源，配备 2 个中断优先级。9具有一个全双工串行接口。10具有位寻址能力，适用逻辑运算。从上述特性可以看出，一块 8031 的功能几乎相当于一块 Z80CPU、一块 RAM，一块 Z80CTC、两块 Z80PIO 和一块 Z80SIO 所组成的微机系统。可以看出这种芯片集成度 高，功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。二、8031 芯片引脚及其功能8031芯片具有 40 根引脚，其引脚图如图 3-2 所示 40根引脚按其功能可分为四类：1.电

44、源线 2 根Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接 +5V。Vss：地电平。2. 晶振：2 根XTAL1：振荡器的反相放大器输入。使用外部震荡器是必须接地。 XTAL2：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时 用于输入外部振荡信号。/ 46图 3-2 8031 芯片引脚及功能图3.I/O 口共有 p0、p1、p2、p3四个 8位口， 32根 I/O 线，其功能如下 ： 1）P0.0 P0.7 AD 0 AD7）是 I/O 端口 O的引脚，端口 O是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 端口。在存取外部 存储器时，该端口分时地用作低 8 位的地址线和 8 位双向的数据端口

45、。 在此时内部上 拉电阻有效）2） P1.0 P1.7端口 1的引脚，是一个带内部上拉电阻的 8位双向 I/O 通道，专供用户使用。 3）P2.0 P2.7 A 8A15）端口 2 的引脚。端口 2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，在访问外部存 储器时，它输出高 8 位地址 A8 A154）P3.0 P3.7端口 3 的引脚。端口 3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，该口的每一 位均可独立地定义第一 I/O 口功能或第二 I/O 口功能。作为第一功能使用时，口的结 构与操作与 P1 口完全相同，第二功能如下示：口引脚 第二功能P3.0RXD串行输入口）P3.1

46、TXD串行输出口）P3.2 INT0 外部中断）P3.3 INT1 外部中断）P3.4T0定时器 0 外部输入）P3.5T1定时器 1 外部输入）P3.6 WR 外部数据存储器写选通）P3.7 RD 外部数据存储器读选通）由上面看出，单片机和 Z 80 单板机不同，不是将地址总线，数据总线和控制总/ 46线分开，而是地址线、数据线和部分控制均由 I/O 口完成4控制线1) PSEN ：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选通信号，低电平有 效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。2) EAV ：EA 为高电平时， CPU执行内部程序存储器的指令。 EA 为低电平时， CPU

47、仅执行外部程序存储器的指令。因 8031 芯片没有内部程序存储器，故 EA 必须接 地。 Vpp是在 8751EPRO编M程时 +21V的编程电源输入端。3) ALE：ALE 是地址锁存使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效。因PROG为 p0端口是分时传送数据和 8 位地址。故访问外部存储器时， ALE 信号锁存低 8 位地 址。即使在不访问外部存储器时，也以 1/6 振荡频率的固定频率产生 ALE，因此可以用 它作为外部的时钟信号。 ALE主要是提供一个定时信号，在从外部程序存储器取令时， 把 p0 口的低位地址字节锁存到外接的地址锁存器中。4) RSTVPD是复位 / 备用电源端。在振荡

48、器运行时，使 RST行脚至少保持两个机器周期位高电平，可实现复位操作，复位后程序计数器清零，即程序从0000H 单元开始执行。在 VCC关断前加上 VPD掉电保护) RAM的内容将不变。三、8031 芯片的存储器结构及地址分配8031 芯片内部无程序存储器，只有 256 字节的数据存储器，地址从 00HFFH。其 地址分配如下图 3-3 所示：图 3-3 8031 芯片存储器结构/ 468031 芯片内部 256 字节的空间被分为两部分，其中内部数据存储器 RAM ）地址 为 00H7FH，特殊功能寄存器 SFR）的地址为 80HFFH 。在内部数据存储器中的 00H1FH 为四个工作寄存器区

49、，其中：0 区00H07H区08H0FH区10H17H区18H1FH每个区都有 8个 8位寄存器 R0R7。可以用来暂存运算的中间结果以提高运算速 度，其中的 R0和 R1还可以用来存放 8 位地址。要确定采用哪个工作寄存器区，可通 过标志寄存器 PSW 中的 RS0、RS1辆未来指定。从 20H2FH 是“位寻址”空间：在此空间中 CPU 既可对其执行按字节操作，又 可对其中每个单元的 8 位二进制代码执行按位的操作。从 30H7FH 是可以按字节寻址的数据缓冲区，在此区域中可以设置堆栈。因为 8031 复位后堆栈指针 SP 指向工作寄存器区 即 SP=07H），所以必须在初始化程序中 对

50、SP设置 30H 以后的地址区间为初值。8031 芯片内部设有程序存储器，且仅有 128 字节的数据存储器，因而在组成控制 系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器。因为地址线是 16 位的，故 最多能扩展 64K 程序存储器和 64K 数据存储器，其地址均为 0000HFFFFH，即程序 存储器和数据存储器为独立编址；因此 EPROM 和 TAM 的地址分配比较自由，编程时 不必考虑地址冲突问题。四、特殊功能寄存器8031 芯片内的特殊功能 SFR）是用于对片内各功能模块进行管理、监视、监视的 控制寄存器和状态寄存器。是一个具有特殊功能的 RAM 区，其地址为 80HFFH。这 些

51、特殊功能寄存器的地址分配见表 3-1：表 3-1 特殊功能寄存器名称及地址标识符名称地址ACC B PSW SP DPTR P0P1P2P3 IP IE TOMD TCON T2CON TH0 TL0 TH1 TL1 TH2累加器 B 寄存器 程序状态字 堆栈指针 数据指针 包括 DPH 和 DPL ）口0口1口2 口3 中断优先级控制 允许中断控制 定时器 /计数器方式控制 定时器 /计数器控制 定时器 /计数器 2 控制 定时器 /计数器 0 高位字节） 定时器 /计数器 0 低位字节） 定时器 /计数器 1 高位字节）0E0H 0F0H 0D0H 81H 83H和 82H 80H 90H

52、 0A0H 0B0H 0B8H 0A8H 89H 88H 0C8H 8CH 8AH 8DH22 / 46TL2 RLDH RLDL SCON SBUF PCON定时器 /计数器 1低位字节） 定时器 /计数器 2 高位字节） 定时器 /计数器 2 低位字节） 定时器 /计数器 2 自动再装载 高位字节）定时器 /计数器 2 自动再装载 低位字节）串行控制 串行数据线控制电源控制8BH0CDH0CCH0CBH0CAH98H99H87H内放标志寄存器，置位或清零，表示操作结果的某些特性。加1、减 1 指令不影响这些标志。溢出标志 OV和进位标志 CY 是两种性质不同的标志。溢出是指在有正负号两个数

53、 运算时，结果数超过 +127 - 128。当用于补码运算时，因为在有符号的结果不能用8位数表示时， OV 将被置位，而进位位是指两个数最前一位 第七位）相加 或相减）有 否进位或借位）。 P标志表示累加器中运算结果 1的个数为偶数还是奇数来决定。有关定时器 / 计数器和中断系统的特殊功能寄存器在后面叙述。五、MCS51 系列指令系统简介在设计 MCS 51 系列单片机控制系统的硬件线路时，不可避免的要涉及到MCS 51系列单片机的指令系统。下面对 MCS51 系列单片机指令系统的寻址方式和主要 指令作一简单介绍：MCS51系列指令系统共有 111条基本指令，其中单字节指令 49 条，双字节指

54、令 45 条，三字节指令 17 条。1.MCS51 指令系统寻址方式简介 指令是由助记符来表达，助记符是由操作码和操作数两部分组成。其规定的格式 如下：操作码 目的操作数 源操作数操作码反映了指令的功能，助记符代表了指令的操作对象。操作数可以是数据也 可以是地址。也就是说操作数指定了参与操作的数或数所在单元的地址。而如何得到 这个地址就叫寻址方式。 MCS51 指令系统共有七种寻址方式。1）立即寻址2）直接寻址3）寄存器寻址4） J寄存器间接寻址5）变址寻址6）相对寻址7）位寻址2. MCS51 系列指令系统主要指令简介MCS51 系列指令系统 111条指令可以分为五类1） 数据传输类 29

55、条2） 算术操作类 24 条3） 逻辑操作类 24 条4） 控制程序转移类 17 条/ 465） 布尔变量操作类 17 条 在这些指令中，使用得最多的是数据传输类指令，这类指令又可以分成三种： 1）单片机内部数据传送2）和外部 RAM 传送数据3）程序存储器和累加器 A 之间数据传送用助记符 MOVC 表示。六、定时器 / 计数器MCS-51系列单片机提供两个 16 位可编程的定时器 / 计数器，即 T0和 T1。它们能用 来作定时器 实际是对内部机器周期计算）或外部时间计数器。它们具有两种工作方式 和四种模式，其工作原理如图 3-4 所示。振C荡器0T+12CT 1T图 3-4 定时 / 计

56、数器的结构框图定时/ 计数器的核心是一个 +1 计数器，加 1 计数器脉冲有两个来源，一个是外部脉 冲源，一个是系统的时钟振荡器。计数器对两个脉冲源之一进行输入计数，每输入一 个脉冲，计数器加 1，当计数到计数器全为 1 时，再输入一个脉冲就使计数器回零，同 时从高位溢出一个脉冲，并使特殊寄存器 TOCN中的溢出中断标志置 1。如定时 / 计数器 工作于定时状态，则表示定时的时间到，若工作在计数状态，则表示计数回零。所以 加 1 计数器的基本功能是对是如脉冲进行计数，至于其工作于定时还是计数状态，则 取决于外接什么样的脉冲源。当脉冲源为时钟振荡器 等间隔的脉冲序列）时，脉冲数 率以脉冲间隔时间

57、就是定时时间，因此为定时功能；当脉冲源为间隔不等的外部脉冲 发生器时，就是外部事件的计数器，此时为计数功能。用作“定时器”时，每个机器周期寄存器加 1，因此，也可以把它看作是在累计机 器周期。因为一个机器周期包括 12 个振荡周期，所以，它的计数速率是振荡频率的 1/12。用作“计数器”时，寄存器在其对应的外输入端 T0或 T1有一个“ 10”的跳变时 加 1。因为识别一个从“ 1 0”的跳变要用两个机器周期 24 个振荡周期）所以最快的 计数速率是振荡频率的 1/24 。七、中断系统MCS-51系列单片提供 5 个中断源。配备两个中断优先级。两个为 INT0 , INT1 输入 外部中断请求

58、，低电平有效，两个为片内定时/ 计数器 T0 和 T1溢出中断请求 TF0和/ 46TF1 ；一个为片内串行口中断请求 TI 和 RI。这些中断请求源的引脚都为 P3口的第二功 能。对于每个中断可编程为高优先级或低优先级中断，并能实现二级中断嵌套。各中断源所对应的中断服务程序的入口地址和优先级如下：中断源入口地址优先级INT00003H0T0000BH1INT10013H2T1001BH3串行口中断0023H4CPU从此地址开始执行中断服务程序，直到遇到一条 RETI 指令为止。8031CPU对于中断源开放以及优先级的控制是由特殊寄存器中的IE 和 IP 寄存器来完成的。3-3 存储器扩展电路

59、的设计MCS-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用 场合， MCS-51系列的最小系统用一片 8031外扩一片 EPROM就能满足功能的要求，对于 复杂的应用场合，可利用 MCS-51 的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。一、程序存储器的扩展MCS51 的程序存储器的寻址空间为 64K 字节， 8031 片内不带 ROM，用作程序 存储器的器件是 EPROM。外部程序存储器的操作时序图 3-5 是访问外部程序存储器有关的时序图，图 3-5a 是不访问外部数据存储器时 的时序，图 3-5b 是访问外部数据存储器时的时序。 CPU由外部程序存储器取指时， 16

60、位地址的低 8 位 PCL由 P0 口输出，高 8 位 PCH由 P2 口输出；而指令由 P0 口输入， P0口 作为分时复用的地址 / 数据总线。图 3-5a 在不访问外部数据存储器时， P2口专用于输出高 8 位地址， P2口具有输出 锁存功能，可直接至外部存储器的地址断，无须再加锁存。P0 口作为分时复用的双向总线，输出 PLC 的内容，输入指令。在这种情况下，每一个机器周期中，允许地址锁 存信号 ALE 两次有效，在 ALE 由高变低时，有效地址 PLC 出现在 P0 的总线上，低 8 效，用于选通外部程序存储器，使指令送到 P0总线上，由 CPU 取入。位地址锁存器应在此时将低位地址