车床Z向数控改造(毕业论文设计)详解

毕业论文（设计）题目：车床 Z向进给数控改造校区(函授站)：专 业班 级学 号：学生姓名：导师姓名：起止时间：毕业论文（设计）任务书学生姓名 指导教师 职称校区(函授站) 专业 机电一体化题目 车床Z向进给数控改造任务与要求1．完成一台机床工作台的数控改造；要求工作台能实现点位 (或连续)控制；2．改造部分进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图一张（ A1）；3．计算机 I/O接口、驱动电路等电路原理设计图一张（ A1）；4．设计说明书 8000字左右（前言，控制系统总体方案的分析及框图，机械部分设计计算，机构设计说明，硬件电路设计说明，技术经济分析，结束语，参考文献，后记，附录） ；选步进电机为驱动电机，脉冲当量取0.01mm/step；旋转——移动的转换用滚动丝杠；能用键盘输入命令，控制工作台；能实时显示工作台当前运动位置；有超越边界报警，并停止运动。原始数据：工作台（或刀架）重G=180N；2．工作台行程 L=0～300mm；3．工作台最大移动速度 Vmax=3m/min；工作台工作进给速度Vmax=1m/min；4．切削分力：FX=420N，FY=1100N，FZ=1660N；25．工作台尺寸：300×550mm；6．各传动部件的设计寿命h。15000～48000开始日期 完成日期2目录概述···············································································1第一章 总体设计方案的拟订 ··················································51.1 总体方案确定································································51.2 经济型数控车床总体方案框图· ·················································6第二章 车床进给伺服系统机械部分设计计算 ······························72.1 选择脉冲当量·······························································72.2 计算切削力·································································72.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型· ················································72.3.1 计算进给牵引力 Fm··························································72.3.2 计算最大动负载 C···························································72.3.3 滚珠丝杠螺母副的选型· ······················································82.3.4 传动效率计算·······························································82.3.5 刚度验算···································································82.3.6 稳定性校核·································································92.3.7 滚珠丝杠副几何参数·························································92.4 齿轮传动比计算······························································102.5 步进电机的计算和选型· ·······················································102.5.1 初选步进电机······························································102.5.2 校核转动惯量转矩··························································12第三章 微机数控系统硬件电路设计 ········································153.1 单片机数控系统硬件电路设计内容· ·············································153.2 MCS—51系列单片机简介·····················································163.2.1 8031单片机的基本特性······················································163.2.2 8031芯片引脚及构成························································163.3 存储器扩展电路设计··························································173.3.1 程序存储器的扩展···························································173.3.2 数据存储器的扩展··························································213.4 I/O接口电路及辅助电路设计· ··················································223.4.1 键盘显示接口电路···························································223.4.2 步进电机接口及驱动电路· ····················································243.4.3 其他辅助电路·······························································26参考文献······································································31致谢··············································································323概述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年度末，由于结构和技术原因，品种多为连续控制系统，到了60年代，由于晶体管的应用，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、数控技术的应用与发展数控技术是一门集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、信息处理技术等多学科交叉的综合技术，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术。它是为适应高精度、高速度、复杂零件的加工而出现的，是实现自动化、数字化、柔性化、信息化、集成化、网络化的基础，是现代机床装备的灵魂和核心，有着广泛的应用领域和广阔的应用前景。一般数控系统由输入/输出（I/O）装置、数字控制系统、驱动控制装置、电器逻辑控制执行装置等4个部分组成。数控机床就是采用了数控系统的机床，是高效率、高精度、高柔性和高度自动化的现代机械加工设备，是高度机电一体化的产品.但是随着信息化程度的逐步提高，对实现综合生产指标优化的综合自动化系统的需求不断增长及通信技术与计算机及其网络技术的融合发展，为了产品在市场上增强竞争力，提高综合效益，现在人们考虑更多的是把传统的数控系统技术放在企业信息化大背景下，思考如何用信息化技术去促进工业自动化快速向高端发展。在全球市场环境影响和推动下，改进产品质量、提高生产效率和降低产品成本的需求不断增长，生产的实时优化受到过程工业的普遍重视并广泛加以采用。为了适应变化的经济环境，减少消耗，降低成本，提高生产效率，提高运行安全性，必须对控制、优化、计划与调度以及生产过程管理实现无缝集成。要降低生产成本、提高产品质量、减少环境污染和资源消耗，产品只能通过全流程自动控制系统的优化设计来实现。数控技术从发明到现在，已有近50年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模NC数控，小型计算机数控，微处理1器数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的CNC数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统。数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。人类发明了机器，延长和扩展人的手脚功能：当出现数控系统以后，制造厂家逐渐使数控系统部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统。三、数控技术在机械工业中的发展众所周知，机械工业是是国民经济产业和支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量，随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能和效率日趋提高，因此，对加工机械产品零部件的生产设备-机床也提出了高性能、高精度与高自动化的要求。机械工业中，单件与小批量产品占到70～80%，这类产品一般都采用人工操作，难于提高生产效率和保证产品质量，特别是一些轮廓复杂的零件。数控技术的出现与发展，就是为了解决单件、小批量、特别复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求。自1952年出现第一台数控机床以来，随着计算机自动控制伺服驱动与自动检测等技术的迅速发展，表征数控机床的水平和决定数控机床功能与特性的数控系统经历了以下几个阶段：第一阶段：数控（NC）阶段（1952～1970年）。随着元器件的发展，这个阶段经历了三代，即1952年的第一代-电子管时代；1959年的第二代-晶体管时代；1965年的第三代-小规模集成电路时代。第二阶段：计算机数控（CNC）阶段（1970～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（CNC）阶段，1971年美国INTEL公司将运算器和控制器集成在一块芯片上，称为微处理器，又称为中央处理单元（即CPU）。到1974年，CPU被应用于数控系统，到了1990年，PC的性能已发展到较高的水平，进入基于PC阶段。总之，计算机数控（CNC）的发展也经历了三代，即1970年的第四代-小型计算机；1974年的第五代-微处理器；1990年的第六代-基于PC（国外称为PC-BASED）。数控系统发展到第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便（主要是编程困难）等极为关键的问题。四、数控改造的必要性（一）从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。1、可以加工出传统机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，可以瞬时准确地计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，从而效率可比传统机床提高3～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。数控机床只要更换一个程序，就可实2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 在机床间的频繁搬运。5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。6、由以上五条派生的好处。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机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。（二）从宏观上看，数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10 左右，差距太大，急待改造。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。 1984 年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。五、数控改造的优点普通车床数控化改造一般是指对现有普通车床的某些部位做一定的改造，配上经济数控装置或标准型数控系统，从而是原机床具有数控加工能力。其改造有如下的优点：1、资本效率出发，改造闲置的普通机床,能发挥旧机床的原有能和改造后的新增功能,提高机床的使用价值。2、适应多品种，小批量零件生产。3、数控改造费用低,减少了投资额,经济性好.数控车床改造费用仅为新购一台3数控车床费用的15%～20%,同购置新机床相比，一般可以节省75%～80%的费用,如果再结合机床大修理，几乎就是一台新的数控车床,甚至会更好，因为普通车床不会再变形。4、机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的普通机床基础件是重而坚固的铸造构件，而不是焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以做为新设备继续使用多年。数控化改造后使原有的机械结构更为简单，原有得手扶进给机构全部消失。这样一方面，可以提高精度,减少传动链对精度的影响；另一方面，可以减少机械故障率，提高运行的可靠性.但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。5、操作者熟悉了解机床、便于操作维修,降低了操作者的技术要求，更易于提高管理水平.购买新机床时，不了解新机床是否满足起加工要求。改造则不然,可以精确计算出机床的加工能力；另外，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。改造的积储一旦安装好，就可以全负荷运转。操作者只需要对工件进行装夹和操作开关，而零件的加工全部则由数控系统控制完成，即使比较复杂的工件也能迅速完成，省去了对技术要求的烦恼。6、可充分利用现有的条件，可以充分利用现有基地,不许要重新构筑地基。7、可以采用最新的控制技术，可根据技术革新的发展速度,及时提提高生产设备自动化水平和效率，提高机床质量和档次,将旧机床改造成当今水平的机床。自动化程度高、专业性强、加工精度高、生产效率高。8、增强了功能，如圆弧加、锥度加工，这是传统加工方法难以完成的。9、交货期短，可满足生产急需。4第一章 总体设计方案的拟定1.1 总体方案的确定一、 系统的运动方式与伺服系统的选择数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定函数关系，即连续控制系统，应具备控制刀具以给点速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件。伺服系统可以分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的，指令发出后不在反馈回来，故称开环控制。开环伺服系统主要有步进电机驱动。开环伺服系统结构简单、成本低廉、容易掌握、调试和维修都比较简单。目前国内大力发展的经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流电机驱动。闭环系统造价高、结构和调试较复杂，多用于精度要求高的场合。半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是用检测元件测出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间由于改造的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到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。二、 机械传动方式为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。故在设计中应考虑以下几点：1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。2）尽量消除传动间隙。例如采用消隙齿轮等。3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差，可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载的滚珠丝杠副等。为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速在传动丝杠。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。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。三、 计算机系统微机数控系统由CPU、存储器扩展电路、I/O 接口电路、伺服电机驱动电路、检5测电路等几部分组成，微机是数控系统的核心，其他装置均是在微机的指挥下进行工作的。根据机床要求，采用8位微机，由于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、性能价格比高等特点，决定采用MCS—51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程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。1.2 经济型数控车床总体方案框图床鞍及拖板功微光率步进隔放电机离大机器6第二章 车床进给伺服系统机械部分设计计算2.1 选择脉冲当量一个进给脉冲使机床运动部件产生的位移量称为脉冲当量， 也称为机床的最小设定单位。 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。本设计书的脉冲当量已有任务书给定： 0.01mm2.2 计算却削力本设计书的却削力已有任务书给定：FX=420N，FY=1100N，FZ=1660N2.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型2.3.1 计算进给牵引力Fm纵向进给为综合型导轨FmKFxfFzG1.154200.161660180777.4N式中K—考虑颠复力矩影响的实验系数，此次取K=1.16；f—滑动导轨摩擦系数，随导轨形式而不同为0.15～0.18，此处f=0.16；G—工作台及刀架重量，此处任务书给定为(180N)。2.3.2计算最大动负载CC3LfwFmL60nT106n1000VsLo式中Lo—滚珠丝杠导程，初选6mm；Vs—最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的1/2～1/3，此处Vs由任务书给定为1m/min；T—使用寿命，任务书给定为 15000～48000h，此处取 15000h；fw—运转系数，按一般运转取 1.2～1.5，此处取 1.2；L—寿命以106转为1单位。1000Vs100010.5n5100r/minLo60nT6010015000L610690107C3LfwFm3901.2777.44180.6N2.3.3滚珠丝杠螺母副的选型查阅《综合作业指导书》附表Ａ-3，可采用W1L2005外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副，1列2.5圈，其额定动负载为8800N,精度等级按表3-17选为３级。2.3.4传动效率计算tantan式中：—螺旋升角，W1L2005433'—摩擦角取10滚动摩擦系数0.003-0.004tantan433'0.965tantan433'102.3.5刚度验算纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图一所示，最大牵引力为777.4N，间距L=350mm,丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。Z2,J2GJSJMZ1,J1(图一)⑴丝杠的拉伸或压缩变形量δ1查阅《综合作业指导书》图3-4,根据Fm=777.4N，DO=20mm，查出δL/L=0.8×10-5，可算出：1LLL0.81053500.28102mm由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高，其实际变形量1为：11410.07102mm8⑵螺纹滚道间接触变形δ2查阅《综合作业指导书》图3-5，Q3.8m因进行了预紧，21Q123.81.9m2⑶支持滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3查阅《机床设计手册.２》表5.9-137,，采用8102推力球轴承，d=15mm,滚动体直径dQ=4.763mm,数量Z=15c0.000523F2m0.000523777.422mm0.0049mmdQZ24.76312因施加预紧力，故110.0049mm0.0024mm3c22根据以上计算：123(0.00070.00190.0025)0.0051定位精度2.3.6 稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。2.3.7 滚珠丝杠副几何参数其几何参数见表 1（表1）参数名称符号关系式W1L2005公称直径do20导程LO5螺接触角433'纹钢球直径dq3.175滚滚道法面半径RR0.52dq1.651道偏心距eeRdq2sin0.045螺纹升角arctanLo433'do螺外径dddo0.20.25dq19.4内径d1d1do2e2R16.788杆dzdzdodqcos接触直径16.835螺螺纹直径DDdo2e2R23.212母内径D1D1do0.20.25dq20.63592.4齿轮传动比计算纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量p0.01，滚珠丝杠导程L05mm，初选步进电机步距角0.75°。可计算出传动比ii360p3600.01bLo0.750.965选定齿轮齿数为：iZ125Z226Z125,Z226因进给运动齿轮受力不大，模数m取2，有关参数参照表2表2传动齿轮几何参数齿数Z2526分度圆dmz5052齿顶圆dad2m5456齿根圆dfd21.25m4547齿宽(6～10)m(6～10)m2020中心距A(d1d2)/2512.5 步进电机的计算和选型2.5.1 初选步进电机⑴计算步进电机负载转矩TmTm36pFm360.01777.42b20.7564.18N.cm0.980.990.990.965式中p——脉冲当量(mm/step)；Fm——进给牵引力(N)；10b——步距角，初选双拍制为0.75；——电机—丝杆传动效率，为齿轮、轴承、丝杆效率之积，分别为0.98、0.990.99、0.965。⑵估算步进电机起动转矩Tq根据负载转矩Tm除以一定的安全系数来估算步进电机起动转矩T(N.cm)qTmTq0.50.3一般纵向进给伺服系统的安全系数取 0.3～0.4TqTm64.18N.cm213.93N.cm0.30.3⑶计算最大静转矩Tjmax查《综合作业指导书》表3-22如取五相10拍，则TjmaxTq213.93224.95N.cm0.9510.951⑷计算步进电机运行频率fe和最高启动频率fkfe1000Vs60pfk1000Vmax60p式中VS—最大切削进给速度（m/min），任务书给定为1m/min；Vmax—最大快移速度（m/min），任务书给定为3m/min；p—脉冲当量，为0.01mm/step。fe1000Vs100011666.6Hz60p600.01fk1000Vmax100035000Hz60p600.01⑸初选步进电机型号根据估算出的最大静转矩Tjmax在《综合作业指导书》表3-23中查出130BF001，最大静转矩为931N.cnTjmax可以满足要求。但从表中看出，130BF001步进电机最高空载起动频率为113000Hz ,不能满足 fk5000Hz的要求，此项指标可赞不考虑，可以采用软件升降速程序来解决。2.5.2 校核步进电机转矩⑴等效转动惯量计算计算简图见图一。根据《综合作业指导书》表3-24，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量Jkgcm2可由下式计算:Z12G2JJMJ1J2L0Z2JS2g式中JM—步进电机转子转动惯量（kg.cm2）J1.J2—齿轮Z1、Z2的转动惯量（kg.cm2）JS—滚珠丝杆转动惯量（kg.cm2）参考同类机床，初选反应式步进电机130BF,其转子转动惯量JM4.7kg.cm2J1＝0.78×10-3×54×2=0.97kg·cm2J2＝0.78×10-3×5.24×2=1.14kg·cm2丝杆传动惯量：J3=0.78×10-3×24×35=0.44kg·cm2G=180N代人上式：22JJMJ1Z1J2GL0Z2JS2g224.70.97251.140.441800.5kg.cm2269.827.45kg.cm2考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。JM/J 4.7/7.45 0.63基本满足惯量匹配的要求。⑵电机转矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：1）快速空载起动转矩M在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算公式如下：M Mamax MfM012MamaxJJnmax102J2nmax10260ta60ta2max bnmaxp 360将前面数据代人，式中各符合意义同前。nmaxmaxb30000.75625r/min3600.01360p起动加速时间ta37.5msMamaxJ2nmax7.452625102N.cm131.71N.cm60ta600.037折算到电机轴上的摩擦转矩MfMfF0L0fPzGL00.1616601800.5N.cm23.5N.cm2i2Z2/Z120.961.04附加摩擦转矩M0:MM0101/3FmL010FpoL0222i2Z2/Z11/3777.40.510.96220.490.081.63N.cm0.961.04上述三项合计：MMamaxMfM0131.7123.51.63156.84Ncm.2）快速移动时所需转矩MM Mf M0 23.5 1.63 25.13N.cm3）最大切削负载时所需转矩MMMfM0MtMfM0FxL02i4200.558.67N.cm23.51.630.961.04从上面计算可以看出，M、M和M三种工况下，以快速空载起动所需转矩最大，即以此项为校核步进电机转矩的依据。13从《综合作业指导书》表3-23中查出，当步进电机为五相十拍时Mq/Mjmax0.951，则最大静转矩为：MjmaxNcm(156.84/0.951)164.92.从表3-23查出130BF001型步进电机最大转矩为931N.cm,大于所需最大静转矩，可以满足此要求。从表3-23中查出130BF001型步进电机运行的最高空载起动频率为3000HZ运行频率为16000HZ，在从图3-15、图3-16查出130BF001步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如（图二）所示。看出，当步进电机起动时，f2400HZ时，M=100N.cm,远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（156.84N.cm）直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率降到1000Hz时，起动转矩可增高到588.4N.cm，然后在电路上再采用高低压驱动电路，可将电机输出转矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，130BF001型步进电机运行矩频特性（图二）完全可以满足要求。mc.N/M

784.5980.7588.1mc392.3.N490.3/196.1M010002000240002000400060008000f/Hzf/Hz130BF001型起动矩频特性 130BF001型运行矩频特性（图二）14第三章 微机数控系统硬件电路设计3.1单片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系列单片机。单片微机数控系统硬件电路设计包括以下几个部分：绘制系统电气控制的结构框图，选择中央处理单元CPU的类型，存储器扩展电路设计和I/O 口即输入/输出接口电路设计。一、绘制系统电气控制的结构框图数控系统是由硬件和软件两部分组成的。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。机床硬件电路由以下五部分组成：⑴ 主控制器，即中央处理单元CPU。⑵ 总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。⑶ 存储器，包括数据存储器和程序存储器。⑷ 接口，即I/O 输入/输出接口电路。⑸ 外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。机床数控系统硬件框图（开环系统）见（图三） ：RAMROMCPUI/O光隔离功率步进接口放大器电机外设键盘、显示器及其他（图三）二、选择中央处理单元（CPU）的类型在微机应用系统中， CPU的选择应考虑以下因素：⑴时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度。⑵可扩展存储器（包括 ROM和RAM）的容量。⑶指令系统功能，影响编程灵活性。I/O口扩展的能力，即对外设控制的能力。⑸开发手段，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、控制对象对个参数的要求和经济价格比等经济性指标。15目前在经济性数控机床中，推荐采用 MCS—51系列单片机作为主控制器。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包括地址锁存器和译码电路的设计。四、I/O口即输入/输出接口电路设计应包括接口芯片的选用，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、掉电保护电路等） 。此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设。3.2 MCS—51系列单片机简介MCS—51系列单片机是美国 Intel 公司在MCS—48系列单片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，在我国已广泛地被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，小批量生产和需要在现场进一步完善的场合。 8051的EPROM是Intel 公司制作芯片时为用户制备的，因此在国内很难采用 8051型芯片。而 8031片内无ROM，适合用于需扩展 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。因此本文的数控改造将采用MCS—51系列8031芯片做为主控制器。3.2.18031 单片机的基本特性⑴具有功能很强的 8位中央处理单元（ CPU）；⑵片内有时钟发生电路（ 6MHZ或12MHZ）、每执行一条指令时间为 2μs或1μs；⑶片内具有 128字节RAM；⑷具有21个特殊寄存器；⑸可扩展64K字节的外部数据存储器和 64K字节的外部程序存储器；⑹具有4个I/O口，32根I/O线；⑺具有2个16位定时器、计数器；⑻具有5个中断源，配备 2个中断优先级；⑼具有一个全双攻窜行接口；⑽具有位寻址能力，适用逻辑运算。从上述特性可知，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。3.2.28031 芯片引脚及构成MCS-51系列单片机是美国 Intel 公司开发的 8位单片机，又可以分为多个子系列。 MCS-51系列8031芯片共有 40条引脚，其引脚如（图四）所示，16P1.0140VCCP1.1239P0.0/AD0P1.2338P0.1/AD1P1.3437P0.2/AD2P1.45PP0.3/AD336P1.56803135P0.4/AD4P1.6734P0.5/AD5P1.78805133P0.6/AD6RST932P0.7/AD7RXD/P3.010P1.0EA/VPP31TXD/P3.111875130ALE/PROGINT0/P3.21229PSENINT1/P3.313P2.0P2.7/A1528T0/P3.41427P2.6/A14T1/P3.51526P2.5/A13WR/P3.61625P2.4/A12RD/P3.71724P2.3/A11XTAL21823P2.2/A10XTAL119P3.0P2.1/A922VSS2021P2.0/A8(图四)第二功能定义口线引脚P3.010P3.111P3.212P3.313P3.414P3.515P3.616P3.717控制线：

包括32条I/O接口引脚、4条控制引脚、2条电源引脚、2条时钟引脚。引脚说明：0.0～P0.7：P0口8位口线，第一功能作为通用 I/O 接口，第二功能作为存储器扩展时的地址 /数据复用口。P1.7：P1口8位口线，通用 I/O接口无第二功能。P2.7：P2口8位口线，第一功能作为通用 I/O 接口，第二功能作为存储器扩展时传送高 8位地址。～P3.7：P3口8位口线，第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为为单片机的控制信号。第二功能RXD（串行输入口）TXD（串行输出口）INT0（外部中断0）INT1（外部中断1）T0（定时器0外部输入）T1（定时器1外部输入）WR（外部数据存储器写脉冲）RD（外部数据存储器读脉冲）ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲输入信号线（输出信号）PSEN：片外程序存储器开发信号引脚（输出信号）EA/Vpp：片外程序存储器使用信号引脚/编程电源输入引脚RST/VPD：复位/备用电源引脚3.3 存储器扩展电路设计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。3.3.1 程序存储器的扩展MCS—51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。17常用的ROM芯片及引脚常用的半导体 ROM芯片有：2716（2K×8）、2732A（4K×8）、2764（8K×8）、27128（16K×8）、27256（32K×8）、27512（64K×8）。2764、27128、27256、27512芯片均为 28脚双列直插式扁平封装芯片，引脚向下兼容。 （图四）是其引脚排列及其兼容特性。27642712827256VPP128VVPP128VVPP128V227dd227dd227ddAPGMAPGMAA1412326NC12326A1312326NCAAA777A4258A4258A4258A55249A55249A55249AAAAAA623A11623A11623A11444A3722OEA3722OEA3722OEA2821A10A2821AA2821A920CS9201092010AACSACS111A1019o7A1019o7A1019o7Do01118o6Do01118o6Do01118o6Do1DDo1DDo1D1217D1217D51217D5oooDo21316o4Do21316o4Do21316o4DSSDDSSDDSSD1415Do31415Do31415Do3

27512A15128V227ddAPGM12326NCA7A4258A55249AA623A114A3722OEA2821A10A920CS1A1019o7Do01118o6Do1D1217Do5Do21316o4DSSD1415Do3(图五)常用的EPROM的引脚排列（图五）中 VPP是编程电压端,PGM是编程控制端， OE是输出使能端，CS是片选择，它们均为低电平有效。2764的第26引脚（NC）未用。表 3是EPROM工作方式选择，表中 VIH表示输入高电平，VIL表示输入低电平，芯片是数据引脚是三态的，当芯片未选中，即 CS是高电平时，它们处于高阻状态，不会影响其他芯片输出状态。而当 CS和OE均为低电平时，芯片被选中，其存储内容从数据输出，即处于 DOUT状态。在编程时，从数据端输入要存储的信息，数据引脚处于数据输入 DIN状态。编程时PGM必须为低，使数据写入芯片。不同型号的 EPROM工作速度也有差别，一般为 200～450ns，选择时应注意芯片的工作速度是否满足系统时序的要求。 8031访问EPROM时，其所能提供的读取时间 t与所选的晶体时钟有关，约为3T，T为时钟周期。若晶体频率选用 6MHZ，则t≈480ns，故凡是工作速度小于 48Cns的芯片在时序上均满足要求。根据控制对象和任务的复杂程度，以及是否需要大量计算来确定存储系统总容量（包括 EPROM和RAM容量），在研制阶段，存储量一般不易精确确定，可以粗略估计，并与同类型产品类比，留有一定的余量，以备系统功能扩充之用。另外，应考虑尽量使系统电路简化，尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合数量，目前大容量芯片价格日趋便宜，这样也比较经济。18表3EPROM工作方式选择类型CEOEVVOE/VPPCCPP引脚号（18）（20）(21)(24)读VVVVILILCCCC维持VIH任意VCCVCC2716VVVVV编程ILILIHPPCC编程检验VVVVILILPPCC编程禁止VVVVILIHPPCC引脚号（18）(24)（20）读VVVILCCIL维持VV任意2732IHCCVVV编程ILCCPP编程检验VILVCCVIL编程禁止VVVIHCCPP引脚号（8Q）（22）(1)(28)读VILVILVCCVCC维持VIH任意VCCVCC2764VILVIHVPPVCC编程编程检验VILVILVPPVCC编程禁止VIH任意VPPVCC引脚号（20）（22）(1)(28)读VILVILVCCVCC维持VIH任意VCCVCC27128VILVIHVPPVCC编程编程检验VVVVILILPPCC编程禁止VIH任意VPPVCC引脚号（28）（22）(1)(28)读VILVILVCCVCC维持V任意VV27256IHCCCCVILVIHVPPVCC编程编程检验VVVVILILPPCC编程禁止VVVVIHIHPPCC地址锁存器

PGM 输出(9～11,13～17)DOUT高阻DINDOUT高阻(9～11,13～17)DOUT高阻DINDOUT高阻27）(11～13,15～19)VIL DOUT任意 高阻VIL DINVIH DOUT任意 高阻27）(11～13,15～19)VIH DOUT任意 高阻VIL DINVIH DOUT任意 高阻(11～13,15～19)DOUT高阻DINDOUT高阻由于单片机 8031芯片的P0口是分时传送低 8位地址线和数据线，故 8031扩展系统中一定要有地址锁存器。常用的地址锁存器芯片是 74LS373。74LS373是带三态缓冲输出的 8D触发器，其引脚及与8031芯片连接见（图六），其真值表见表 4。19120EPROMOEVCC至RAMD0～D72191Q8Q31D8D18CCGND42D7D17P0.0V1D1QEPROM516至2Q7Q8Q0.78DRAM63Q6Q15PA～A73D6D1480310784D5D13GOE94Q5Q1210GNDEN11ALEa)b)图六74LS373引脚及连线图图中 OE—使能端；当G=“1”时，74LS373输出端1Q～8Q与输入端1D～8D相同；当G为下降沿时，将输入数据锁存。表4 74LS373真值表E G D QL H H HL H L LL L X Q0表中 L —低电平；H —高电平；—不定态；Q 0—建立稳态前 Q的电平；G—输入端，与 8031ALE连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。8031与EPROM芯片连接⑴地址线的连接EPROM低8位地址线A～A经地址锁存器与8031的P（P0.0～P）相连；EPROMO70口0.7高8位地址线A～A直接与8031的P2口（P2.0～P7）相连。由于8031的P是分8152.0时输入低8位地址和数据，故要外接地址锁存器（常用的地址锁存器有74LS373、74LS273等），由CPU发出的地址允许锁存信号ALE的下降沿将地址信息锁存人地址锁存器中。如外接存储器芯片内有地址存储器低8位地址线直连，但仍要将CPU的ALE信号与存储器芯片ALE端相连。单片机得P2口用作高位地址线及片选地址线，由于P2口输出具有锁存的功能，故不必外加地址锁存器。见（图七）。⑵数据线的连接存储器的8位数据线DO～D7与8031芯片的P0口（P0.0～P0.7）直连，单片机规定指令码和数据都是由P0口读入，数位对应相连即可。⑶ 控制线的连接208031芯片的PSEN(外部程序存储器读选通信号)与EPROM芯片的OE端（外部程序存储器的使能端）相连；8031芯片EA接地，CPU执行外部程序存储器的指令；8031芯片ALE(地址锁存允许信号)接地址锁存器74LS373的G引脚。P2.7译码电路CEP2.5PA2.4128031P2.0A8ALEGA7EPROMP0.774LS373A0(0KB～64KB)P0.0PSENOEEAD7D0图七8031与外部EPROM的一般连接方法3.3.2数据存储器的扩展由于8031芯片内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的要求，需扩展片外的数据存储器（RAM）。276427128常用的数据存储器及引脚常用的静态RAM芯片有6116（2K×8）、6264（8K×8）、62256（32K×8）等，6264、62256均采用CMOS工艺，由单一5V供电，典型存取时间为 150～200ns。它们均采用 28脚双列直插式扁平封装，其引脚图及逻辑符号见图八。操作方式见表 5。8031与外部数据存储器芯片的连接

NC128VddA128Vdd14A12227WEA12227WEA732A732613A426CSA425A25AA66A5524A4A5524A9A62311A62311722OE722OEAA33A2821A10A2821A10A9201A920CSoo7A010A01019I/719I/I/o1118I/oI/o01118I/o066I/o1217I/oI/o11217I/o155I/o1316I/oI/o21316I/o21544VSS14oVSS14oI/315I/3单片机CPU与外部数据存储器的连接ACSACS150150方法和于程序存储器连接方法大致相同。oEoE唯控制线的连接不同，RAM读输入信号12WE14WEA-5VA8Vdd8o0-5VOE与8031芯片的RD（P3.7）引脚相连I/0I/VddoVVo7o7I/SSI/SS；RAM的写输入信号WE与8031芯片WR（P3.6）相连。a)6246b)62256其连接示意图见（图九）图八6246和62256引脚图21表5管脚CS12oEWEI/o0～I/o7操作方式(CS）CS未选中VIH任意任意任意高阻未选中任意V任意任意高阻IL6246读VVVVDILIHILIHOUT写VVVVDILIHIHILIN输出禁止VVVV高阻ILIHIHIH未选中VIH任意任意高阻读VVVD62256ILILIHOUT写VVVDILIHILIN输出禁止VVV高阻ILIHIH译码电路CE1P2.7A15PA80312.08ALEG70.7ARAM74LS373PAP00.0EAD7DWR0WERDOE图九8031与RAM的一般连接方法3.4 I/ o接口电路及辅助电路设计8031单片机共有四个8位并行I/o口，但可供用户使用的只有P1口和部分P3口，因此，在大部分应用系统中都需要扩展I/o口芯片3.4.1 键盘显示接口电路显示器工作原理数控系统中使用的显示器主要有 LED（发光二极管）显示器和 LCD(液晶显示器)，也有采用 CRT接口显示方式。这里主要介绍 LED显示器，通常它是由八个发光二极管组成的。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的七段显示器的结构如（图十）所示。22+5VR×8R×8aabegfabcbccddeefabfgfgecgDPddDPDPDPa)阴极b)共阳极c)共阴极图十LED显示器发光二极管的阳极连在一起称为共阳极显示器，阴极连在一起的称有共阴极显示器。以共阴极显示器为例，当显示数字0时，只要a、b、c、d、e、f段亮，g不亮，即a、b、c、d、e、f段的阳极加上高电平“1”,g段的阳极加上低电平“0”,公共阴极接低电平“0”,七段显示器则显示“0”。如果加到各段阳极上的代码不同，则显示器将会显示不同的字符和数字，这个代码称为段码，选择字形称为段选。表6列出七段显示器（共阴极）显示的数字、字符和对应的段码关系。注意，共阳极显示器的段码与共阴极显示器的段码是逻辑非的关系，应该对表 6中列出的段码求反。表6七段共阴极显示器的段码表示字符DPGfedcBa段选码（H）0001111113F100000110062010110115B3010011114F401100110665011011016D6011111017D700000111078011111117F9011011116FA0111011177B011111007CC0011100139D010111105EE0111100179F0111000171P0111001173=11001000C8()000000000023键盘接口原理键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备。其工作原理如（图十一）所示。图十一中控制信号 =“0”则开放，可对键识别：当键松开，测试信号 =“1”；当键闭合，测试信号 =“0”。控制信号=“1”，禁止，不能对键进行识别。+5V12#13#14#15#5.1k×4X39#10#11#8#+5VX测试信号25#7#4#6#X11#2#3#0#X0控制信号0Y1Y2Y3Ya）b）图十一键盘工作原理图十一b所示4×4键盘结构，图中行线通过电阻接+5V，当键盘上没有键闭合时，所以的行线和列线断开，行线X0～X3（测试信号）都呈高电平。当键盘上某一个键闭合时，则该键所对应的行线和列线短路。X0～X3相当于控制信号。例如6号键闭合时，行线X1和列线Y2短路，此时X1的电平由Y2的电平所决定。如果把行线接到微机的输入口，列线接到微机的输出口，则在微机的控制下，使列线Y0为低电平，其余三根线Y1～Y3都为高电平。然后微机通过输入口读行线的状态，如果X0、X1、X2、X3都为高电平，则Y0这一列上没有键闭合，如果读出的列线状态不全为高电平，则输入为低电平的行线和Y0相交的键处于闭合状态。如果Y0这一列键上设有键闭合，接着使列线Y1为低电平，其余列线为高电平。用同样的方法检查Y1这一列上设有无键闭合，以此类推，最后时列线Y3为低电平。其余的列线为高电平，检查Y3这一列上是否有键闭合。这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。CPU对键盘扫描可以采取程序控制的随机方式，CPU空闭时扫描键盘，也可以采用定时控制方式，每隔一定时间，CPU对键盘扫描一次，CPU可随时响应键输入请求。也可以采用中断方式，当键盘上有键闭合时，响CPU请求中断，CPU响应键盘中断请求，对键盘扫描，以识别哪一个键处于闭合状态，并对键输入信息作出相应处理。CPU对键盘上闭合键号的确定，可以根据行线和列线的状态计算求得，也可以根据行线和列线状态查表求得。3.4.2 步进电机接口及驱动电路通常在经济型数控机床中，大多数采用步进电机开环控制。步进电机是一种用电脉冲信号进行24控制，并将电脉冲信号转变成相应的角位移的电动机。其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速。驱动步进电机的脉冲需要按所需要的顺序供给电机各相。例如三相单三拍驱动方式，给步进电机各项脉冲应按 A—B—C—A(正转)或A—C—B—A(反转)顺序提供，而三相双三拍驱动方式， 供给步进电机各项脉冲应按 AB—BC—CA—AB(正转)或BA—AC—CB—BA(反转)顺序提供，如果是三相六拍驱动方式，各相脉冲应按 A—AB—B—BC—C—CA(正转)或AC—C—CB—B—BA—A—AC(反转)顺序提供。脉冲分配器就是实现步进电机各相脉冲通电顺序的。为使步进电机正常运行并输出一定功率，需要有足够功率提供给电动机，因此需要有功率放大环节。脉冲分配器及前面的微机及接口芯片，工作电平一般为 5V，而作为电动机电源的需符合步进电机要求的额定电压值。 为避免强电对弱电的干扰，在它们之间应采用隔离电路。其控制电路框图如（图十二）所示。控制指令 脉冲 光隔离 功率 步进分配器 电路 放大器 电动机电源电路图十二 步进电机控制框图脉冲分配器又叫环形分配器，有硬件环形分配器和软件环形分配器两种，硬件环形分配器需要的 I/o接口线数少，且执行速度较快，但需要专用的芯片。软件环形分配器是用程序实现的。光隔离电路在步进，电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高（几十伏）电流也较大（几安到几十安） ，如果将 I/o口输出信号直接与功率放大器相联，将会引起强电干扰，轻则影响计算机程序的正常运行，重则导致计算机接口电